JP2002242709A - 自動車用４サイクルエンジン - Google Patents

自動車用４サイクルエンジン

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JP2002242709A JP2001037526A JP2001037526A JP2002242709A JP 2002242709 A JP2002242709 A JP 2002242709A JP 2001037526 A JP2001037526 A JP 2001037526A JP 2001037526 A JP2001037526 A JP 2001037526A JP 2002242709 A JP2002242709 A JP 2002242709A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 中・高速の高負荷側の領域まで内部ＥＧＲに
よって充分にＥＧＲ効果を持たせることができ、かつ、
燃焼温度及び排気温度の上昇を抑制することができる。 【解決手段】 吸気弁及び排気弁に対してバルブタイミ
ング可変装置を設ける。そして、エンジンの中負荷乃至
高負荷側の領域における中・高速域で、カムリフト特性
における加速度区間から定速度区間への移行時点をもっ
て定義した排気弁閉時期ＥｘＣを吸気上死点より所定期
間前とし、カムリフト特性における定速度区間から加速
度区間への移行時点をもって定義した吸気弁開時期Ｉｎ
Ｏを吸気上死点以後に設定する。さらに、排気弁閉時期
ＥｘＣから上記吸気弁開時期ＩｎＯまでの期間を、中負
荷乃至高負荷側の領域において中速域では高速域よりも
大きくする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃焼室内に既燃ガ
スを残留させることによる所謂内部ＥＧＲを積極的に利
用するようにした自動車用４サイクルエンジンに関する
ものである。
【０００２】
【従来の技術】従来から、特開平５−８６９８８号公報
に示されるように、エンジンの排気系と吸気系との間に
外部ＥＧＲ通路を接続し、この外部ＥＧＲ通路を通して
排気ガスの還流（ＥＧＲ）を行うことによりＮＯｘの低
減を図ることは一般に知られている。特に上記公報に示
される装置では、ＥＧＲクーラーを備えた外部ＥＧＲ通
路を通って冷やされたＥＧＲガスを燃焼室に導入するよ
うにし、かつ、高負荷側の領域でＥＧＲ率を増大させる
ことにより、ＮＯｘの低減に加え、高負荷側の領域で燃
焼温度及び排気温度の上昇を抑制することができるよう
にしている。このような燃焼温度及び排気温度の上昇抑
制は、燃焼効率の向上、ノッキング抑制、排気浄化用の
触媒の信頼性向上等に有利となる。
【０００３】また、外部ＥＧＲ通路によって排気ガスの
還流を行うものに替えて、積極的に燃焼室内に既燃ガス
を残留させることによる所謂内部ＥＧＲを利用する手法
も知られており、この手法としては吸気弁と排気弁の開
弁期間のオーバラップを大きくするものが一般的であ
る。つまり、吸気弁や排気弁の開閉タイミングを変更可
能とするバルブタイミング可変装置を用い、内部ＥＧＲ
を必要とする領域では上記オーバラップを大きくするこ
とによりそのオーバラップ期間中の排気の吹き返し等で
残存既燃ガス量を増加されるようにしている。
【０００４】なお、運転状態に応じて吸気弁や排気弁の
開閉タイミングを調節するものとしては、特開平１０−
２６６８７８号公報に示されるように、エンジンの低負
荷側の特定運転領域内で、残留既燃ガスを利用して燃焼
室内で多点的に自己着火を生じさせるとともにポンピン
グロスを低減するため、排気弁を吸気上死点前に閉弁さ
せ、かつ、吸気弁を吸気上死点後に開弁させるととも
に、要求負荷が低くなるにつれて排気弁の閉弁時期を早
め、かつ、吸気弁の開弁時期を遅らせるようにした装置
が知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上記の従来技術のう
ち、特開平５−８６９８８号公報に示されたものでは、
エンジンの吸気系、排気系等に対してさらに外部ＥＧＲ
通路、ＥＧＲバルブ、ＥＧＲクーラー等を装備する必要
がある。また、このように外部ＥＧＲを行うものでは、
スロットル弁下流の吸気通路にＥＧＲガスが吸入され
て、このＥＧＲガスが各気筒の吸入期間中に燃焼室に流
入するが、高速域における高負荷側の領域では、スロッ
トル弁下流の吸気通路の負圧が小さくなるとともに各気
筒の吸入期間が時間的に短くなるため、ＥＧＲ量を充分
に確保することが難しくなる。さらに、外部からのＥＧ
Ｒによると吸気系にデポジットが生じ易くなるという問
題もある。
【０００６】また、吸気弁と排気弁の開弁期間のオーバ
ラップを大きくすることにより内部ＥＧＲを行う手法に
よると、外部ＥＧＲ通路等を省略することができるが、
残留既燃ガスの温度が高いため、高負荷側の領域で燃焼
温度及び排気温度の上昇抑制を図ることが難しい。しか
も、オーバラップ期間が一定であるとエンジン回転数の
上昇につれて有効開弁期間が減少することにより実質的
にオーバラップが小さくなって内部ＥＧＲが得られにく
くなるため、高速域まで充分に内部ＥＧＲを確保するた
めには高速域でオーバラップを著しく拡大する必要があ
り、バルブ開閉タイミングの可変範囲を大きくしなけれ
ばならないためバルブタイミング可変装置の構造が複雑
になる。さらに、上記オーバラップが大きいと、吸気上
死点で吸気弁及び排気弁が比較的大きく開いた状態とな
るので、これらとの干渉を避けるためピストン頂面に深
いリセスを設ける必要があり、これが燃焼に悪影響を及
ぼすおそれがある。
【０００７】また、特開平１０−２６６８７８号公報に
示された発明は、燃焼室内に供給される混合気中の燃料
を高温の既燃ガスで分解、ラジカル化して自己着火を生
じさせようとするものであり、高負荷側の領域で燃焼温
度及び排気温度の上昇を抑制するというようなことは期
待していない。
【０００８】本発明は上記の事情に鑑み、中・高速の高
負荷側の領域まで内部ＥＧＲによって充分にＥＧＲ効果
を持たせることができ、かつ、燃焼温度及び排気温度の
上昇を抑制することができる自動車用４サイクルエンジ
ンを提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、少なくともエ
ンジンの中負荷乃至高負荷側の領域における中・高速域
で、排気弁用カムリフト特性における加速度区間から定
速度区間への移行時点をもって定義した排気弁閉時期を
吸気上死点より所定期間前とし、吸気弁用カムリフト特
性における定速度区間から加速度区間への移行時点をも
って定義した吸気弁開時期を吸気上死点以後に設定した
ものである。
【００１０】この発明によると、エンジンの中負荷乃至
高負荷側の領域における中・高速域で、排気弁が吸気上
死点より所定期間前に閉じられることにより燃焼室内に
既燃ガスが残存して内部ＥＧＲ効果が得られる。そし
て、吸気弁は吸気上死点以後に開かれるため、排気弁が
閉じてから上死点まで燃焼室内の圧力が上昇し、それに
伴い燃焼室内の温度が上昇している期間に充分に放熱が
行われてから、吸気上死点後の圧力低下に伴い温度が低
下する。これにより燃焼室内の既燃ガスが冷却され、低
温のＥＧＲガスを導入する場合と同様に、燃焼温度及び
排気温度の上昇を抑制する作用が得られる。
【００１１】この発明のエンジンにおいて、排気弁及び
吸気弁のうちの少なくとも一方に対してバルブ開閉タイ
ミングを変更可能とするバルブタイミング可変装置を備
え、吸気上死点を挟んでの上記排気弁閉時期から上記吸
気弁開時期までの期間を、エンジンの中負荷乃至高負荷
側の領域において中速域では高速域よりも大きくするよ
うに運転状態に応じてバルブ開閉タイミングを変更する
ことが好ましい。
【００１２】このようにすると、吸気弁及び排気弁の有
効開弁期間が高速側程減少することの影響が、上記のよ
うにバルブタイミングを変更することで調整されて、エ
ンジンの中負荷乃至高負荷側の領域において中速域から
高速域にわたり、同程度に内部ＥＧＲ効果が得られる。
【００１３】また、少なくとも排気弁に対してバルブ開
閉タイミングを変更可能とするバルブタイミング可変装
置を備え、上記排気弁閉時期をエンジンの全開域では吸
気上死点以後に設定することが好ましい。このようにす
ると、エンジンの全開域では内部ＥＧＲが低減されて新
気の充填量が増大されることにより出力が確保される。
【００１４】この場合、上記排気弁閉時期が吸気上死点
より所定期間前とされる運転領域からエンジン負荷が全
開域に近づくにつれて、上記排気弁閉時期を徐々に遅ら
せるようにすれば、滑らかに出力が高められる。
【００１５】さらに、排気弁及び吸気弁に対してそれぞ
れバルブ開閉タイミングを変更可能とするバルブタイミ
ング可変装置を備え、エンジンの高速域における全開域
では上記排気弁閉時期及び上記吸気弁開時期をともに吸
気上死点以後に設定しておけば、開弁期間が比較的小さ
い吸気弁において高速全開域での新気充填量の確保に有
利となる。
【００１６】また、本発明のエンジンにおいて、過給機
を備える場合には、エンジンの中・高速域における全開
域では少なくとも上記排気弁閉時期を吸気上死点より前
に設定することが好ましい。
【００１７】このようにすると、中・高速域における全
開域でも内部ＥＧＲが行われるとともに燃焼温度及び排
気温度の上昇が抑制され、かつ、このように内部ＥＧＲ
が行われながらも過給により新気充填量が確保される。
とくに、燃焼温度の上昇抑制により耐ノック性が高めら
れることから、従来ではノッキングのために制約されて
いた過給による出力アップが有効に図られる。
【００１８】さらにこの場合に、燃焼室内の混合気の空
燃比をコントロールする手段を備え、エンジンの中・高
速域における全開域では上記空燃比を理論空燃比以上の
値とすることが好ましい。すなわち、上述のようにエン
ジンの中・高速域における全開域では少なくとも排気弁
閉時期を吸気上死点より前に設定することで耐ノック性
が高められることから、ノッキング抑制のための空燃比
のエンリッチ化が不要となるので、過給により新気の充
填量を確保しつつ空燃比を理論空燃比以上にリーン化す
ることにより出力性能及び燃費性能の向上が図られる。
【００１９】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。
【００２０】図１は本発明が適用される自動車用４サイ
クルエンジンの全体構造を概略的に示したものである。
この図において、１はエンジン本体であり、複数の気筒
を有し、その各気筒２には、シリンダボアに挿入された
ピストン４の上方に燃焼室５が形成されている。この燃
焼室５には吸気ポート７及び排気ポート８が開口し、こ
れらのポート７，８は吸気弁９及び排気弁１０によって
開閉されるようになっている。
【００２１】上記吸気弁９及び排気弁１０はカムシャフ
ト１１，１２等からなる動弁機構により開閉作動される
ようになっている。また、吸気弁９に対する動弁機構及
び排気弁１０に対する動弁機構には、それぞれ、バルブ
開閉タイミングを変更可能にするバルブタイミング可変
装置１３，１４が設けられている。このバルブタイミン
グ可変装置１３，１４は、クランクシャフトに連動する
カムプーリとカムシャフトとの間に設けられて、クラン
クシャフトに対するカムシャフトの位相を変更すること
により、開弁期間は一定としつつ開時期及び閉時期を変
更することができるようになっている。このようなバル
ブタイミング可変装置１３，１４は従来から種々知られ
ているため、具体的な構造の図示及び説明は省略する。
【００２２】上記燃焼室５の中央部には点火プラグ１６
が配設され、そのプラグ先端が燃焼室に臨んでいる。さ
らに燃焼室５には、側方からインジェクタ１８の先端部
が臨み、このインジェクタ１８から燃料が燃焼室５内に
直接噴射されるようになっている。
【００２３】上記エンジン本体１には吸気通路２０及び
排気通路３０が接続されている。上記吸気通路２０に
は、その上流側から順に、エアクリーナ２１、エアフロ
ーセンサ２２、スロットル弁２３及びサージタンク２４
が設けられている。上記スロットル弁２３は、図外のア
クセルペダルに機械的に連結され、アクセルペダル踏込
み量に応じた開度に開かれるようになっている。このス
ロットル弁２３に対し、その開度を検出するスロットル
開度センサ２５が設けられている。
【００２４】上記排気通路３０には、排気ガス中の酸素
濃度を検出することによって空燃比を検出するＯ2セン
サ３１が設けられるとともに、その下流に排気ガス浄化
用の触媒３２が設けられている。この触媒３２は、三元
触媒により構成してもよいが、空燃比をリーンにして成
層運転を行う場合の浄化性能を高めるため、空燃比が理
論空燃比よりもリーンな条件下にある場合でもＮＯｘを
効果的に浄化することができる触媒を用いることが望ま
しい。当実施形態では、酸素過剰雰囲気で排気ガス中の
ＮＯｘを吸収し、空燃比がリーンからリッチ側に変化し
て酸素濃度が低下したときに、吸収していたＮＯｘを放
出するとともに、雰囲気中に存在するＣＯ等の還元材に
よりＮＯｘを還元させるようになっているリーンＮＯｘ
触媒が用いられている。
【００２５】４０はエンジン制御用のコントロールユニ
ット（ＥＣＵ）である。このＥＣＵ４０には、上記エア
フローセンサ２２、スロットル開度センサ２５及びＯ2
センサ３１からの信号が入力されるとともに、クランク
角センサ３５からエンジン回転数検出等のためのクラン
ク角信号が入力され、さらにエンジン冷却水の温度を検
出する水温センサ３６等からの信号も入力されている。
【００２６】また、ＥＣＵ４０から、上記インジェクタ
１８に対して燃料噴射を制御する信号が出力されるとと
もに、バルブタイミング可変装置１３，１４に対してこ
れを制御する信号が出力されている。
【００２７】上記ＥＣＵ４０は、運転状態判別手段４
１、バルブタイミング制御手段４２及び燃料噴射制御手
段４３を含んでいる。運転状態判別手段４１は、クラン
ク角センサ３５からのクランク角信号の周期の計測等に
よって検出されるエンジン回転数と、エアフローセンサ
２２、スロットル開度センサ２５等からの信号によって
調べられるエンジン負荷とに基づき、エンジンの運転状
態を判別するようになっている。
【００２８】バルブタイミング制御手段４２は、運転状
態判別手段４１により判別される運転状態に応じ、バル
ブタイミング可変装置１３，１４を制御することによ
り、吸気弁１１及び排気弁１２の開閉タイミングを後に
詳述するように設定、変更するようになっている。
【００２９】また、燃料噴射制御手段４３は、運転状態
判別手段４１により判別される運転状態に応じてインジ
ェクタ１８からの燃料噴射量及び噴射時期を制御する。
例えばエンジンの低負荷側の所定領域（後述の図４にお
ける領域Ｂもしくはこの領域Ｂを含む低負荷から中負荷
にかけての低・中速域）では、空燃比を理論空燃比より
もリーンとするとともに、圧縮行程後半に燃料を噴射す
ることにより点火プラグ１６まわりに混合気を偏在させ
て成層燃焼を行わせるように、燃料噴射量及び噴射タイ
ミングを制御する。一方、上記所定領域以外の領域で
は、空燃比を理論空燃比もしくはこれに近い値とすると
ともに、吸気行程で燃料を噴射することにより混合気を
拡散させて均一燃焼を行わせるように、燃料噴射量及び
噴射タイミングを制御する。
【００３０】図２は吸・排気弁の開閉タイミングを示す
ためのカムリフト曲線を表しており、ＩｎＶは吸気弁、
ＥｘＶは排気弁を意味する。また、ＩｎＯ及びＩｎＣは
吸気弁の開時期及び閉時期、ＥｘＯ及びＥｘＣは排気弁
の開時期及び閉時期である。ここで、吸気弁及び排気弁
の開時期ＩｎＯ，ＥｘＯは、カムリフト特性における定
速度区間から加速度区間への移行時点をもって定義し、
吸気弁及び排気弁の閉時期ＩｎＣ，ＥｘＣは、カムリフ
ト特性における加速度区間から定速度区間への移行時点
をもって定義することとする（図３参照）。
【００３１】図２において、排気弁は開閉タイミング可
変範囲内で最も進角したときに実線のように閉時期Ｅｘ
Ｃが吸気上死点ＴＤＣより前、最も遅角したときに破線
のように閉時期ＥｘＣが吸気上死点ＴＤＣより後とな
り、吸気弁は開閉タイミング可変範囲内で最も進角した
ときに破線のように開時期ＩｎＯが吸気上死点ＴＤＣよ
り前、最も遅角したときに実線のように開時期ＩｎＯが
吸気上死点ＴＤＣより後となる。従って、破線で示すよ
うな排気弁が遅角、吸気弁が進角の状態では両者の開弁
期間にオーバラップがあるが、実線で示すような排気弁
が進角、吸気弁が遅角の状態では両者の開弁期間にオー
バラップがない。このようなオーバラップがない状態で
の排気弁閉時期ＥｘＣから吸気弁開時期ＩｎＯまでの期
間を、実施形態の説明の中では便宜的にマイナスオーバ
ラップ（マイナスＯ／Ｌ）と呼ぶ。
【００３２】次に、運転状態に応じたバルブタイミング
の設定、変更の仕方を、図４および図５を参照しつつ説
明する。なお、以下の説明の中で吸気弁、排気弁の開閉
タイミング等についての時期及び期間を表す数値はクラ
ンク角によるものであり、また、ＢＴＤＣは上死点前を
意味し、ＡＴＤＣは上死点後を意味する。
【００３３】エンジンの中負荷乃至高負荷側の領域（中
負荷域及び高負荷域のうちで全開及びその近傍の領域を
除く領域）における中・高速域では、排気弁閉時期Ｅｘ
Ｃが吸気上死点ＴＤＣより所定期間前とされるとともに
吸気弁開時期ＩｎＯが吸気上死点ＴＤＣより後とされる
ことにより、マイナスＯ／Ｌが生じるように設定され
る。そして、この中負荷乃至高負荷側の領域うちの中速
域では高速域よりもマイナスＯ／Ｌが大きくされる。
【００３４】すなわち、図４において、エンジン中負荷
からこれより多少高負荷側にまでわたる領域における中
速域（領域Ａ）でマイナスＯ／Ｌが最も大きくされる。
具体的には、中速中負荷（上記領域Ａ内）では図５
（ｂ）に示すように、排気弁閉時期ＥｘＣが吸気上死点
ＴＤＣよりも２０°以上前、好ましくはＢＴＤＣ３０〜
４０°に設定されるとともに、吸気弁開時期ＩｎＯが吸
気上死点ＴＤＣより後、好ましくはＡＴＤＣ３５〜４５
°に設定される。なお、中速中負荷域において吸気弁の
閉時期ＩｎＣは吸気下死点後８０°程度、排気弁の開時
期は排気下死点前８０°程度とされる。そして、当実施
形態において用いられているバルブタイミング可変装置
によると、吸気弁及び排気弁の開弁期間は一定に保たれ
つつ、吸気弁開時期の変化に伴って吸気弁閉時期も変化
し、また排気弁閉時期の変化に対応して排気弁開時期も
変化する。
【００３５】領域Ａより高速側の領域である高速中負荷
域では、図５（ｃ）に示すように、マイナスＯ／Ｌを有
するがその期間が中速中負荷域より小さくされ、例えば
排気弁閉時期ＥｘＣがＢＴＤＣ２０〜３０°に設定され
るとともに、吸気弁開時期ＩｎＯがＡＴＤＣ２５〜３５
°に設定される。
【００３６】また、領域Ａから全開域に近づくと、それ
につれて排気弁が徐々に遅角され、かつ、吸気弁が徐々
に進角されることにより、マイナスＯ／Ｌが徐々に小さ
くされ、あるいはさらに正のオーバラップが生じる状態
に至る。そして、中速全開域では、図５（ｅ）に示すよ
うに、排気弁閉時期ＥｘＣが吸気上死点ＴＤＣより後、
例えばＡＴＤＣ１０°程度に設定されるとともに、吸気
弁開時期ＩｎＯが吸気上死点ＴＤＣより前、例えばＢＴ
ＤＣ１０〜１５°程度に設定される。また、高速高負荷
域では、図５（ｆ）に示すように、排気弁閉時期ＥｘＣ
が吸気上死点ＴＤＣより後、例えばＡＴＤＣ１０°程度
に設定されるとともに、吸気弁開時期ＩｎＯが吸気上死
点ＴＤＣより後、例えばＡＴＤＣ１０〜１５°に設定さ
れる。
【００３７】なお、低速域でのバルブ開閉タイミングは
本発明で限定しないが、図示の例によると、低速中負荷
域では図５（ａ）のように、中速中負荷域よりマイナス
Ｏ／Ｌが小さくされ、例えば排気弁閉時期ＥｘＣがＢＴ
ＤＣ２０〜３０°、吸気弁開時期ＩｎＯがＡＴＤＣ２５
〜３５°に設定される。低速全開域では図５（ｄ）のよ
うに、中速全開域と略同じで排気弁閉時期ＥｘＣがＡＴ
ＤＣ１０°程度に設定されるとともに、吸気弁開時期Ｉ
ｎＯがＢＴＤＣ１０〜１５°程度に設定される。
【００３８】また、図４中に一点鎖線で囲った低負荷領
域Ｂでは、図６に示すように、排気弁閉時期ＥｘＣが吸
気上死点ＴＤＣより５°以上前、好ましくはＢＴＤＣ５
〜１５°程度に設定されるとともに、吸気弁開時期Ｉｎ
Ｏが吸気上死点ＴＤＣより後であって、吸気上死点ＴＤ
Ｃから吸気弁開時期ＩｎＯまでの期間θInが排気弁閉時
期ＥｘＣから吸気上死点ＴＤＣまでの期間θExよりも長
くなる時期、好ましくは［θIn−θEx］≧５°となる時
期に設定され、例えばＡＴＤＣ１０〜２０°程度に設定
される。なお、この領域Ｂでの排気弁閉時期ＥｘＣから
吸気弁開時期ＩｎＯまでの期間は２０°以上であること
が好ましい。
【００３９】以上のような当実施形態のエンジンによる
と、少なくともエンジンの中負荷乃至高負荷側の領域に
おける中・高速域では、排気弁閉時期ＥｘＣを吸気上死
点ＴＤＣより所定期間（２０°以上）前とするととも
に、吸気弁開時期ＩｎＯを吸気上死点ＴＤＣ後としてい
ることにより、比較的多量の内部ＥＧＲが行われて充分
にＮＯｘが低減されるとともに、その内部ＥＧＲによる
燃焼室内の既燃ガスが充分に冷却されて熱効率の向上に
よる燃費改善及び排気温度上昇抑制の効果が得られ、さ
らにポンピングロス低減、ノッキング抑制等の効果も得
られる。
【００４０】すなわち、排気弁閉時期ＥｘＣを吸気上死
点ＴＤＣより所定期間前としておけば、燃焼室５内に排
気ガスが残存して内部ＥＧＲ効果が得られ、これにより
ＮＯｘが低減される。
【００４１】また、排気弁閉時期ＥｘＣを吸気上死点Ｔ
ＤＣより所定期間前とするとともに吸気弁開時期ＩｎＯ
を吸気上死点ＴＤＣ後とした場合の排気行程後期から吸
気行程前記にかけての圧力変化は図７のようになり、排
気弁閉時期ＥｘＣから吸気上死点ＴＤＣになるまで間に
燃焼室内圧力が上昇し、吸気上死点ＴＤＣを過ぎてから
燃焼室圧力が低下する。そして、圧力上昇に伴って温度
が上昇し、圧力低下に伴って温度が低下するが、圧力上
昇により燃焼室内温度が高められる期間には、燃焼室を
構成する周囲の壁（ウォータジャケットが内蔵されて比
較的温度が低いシリンダヘッドないしシリンダ壁）との
温度差が大きくなることにより、この周囲の壁への放熱
量が増大する。従って、排気弁が閉じた時点で燃焼室内
に残留する既燃ガスの温度が高くても、排気弁が閉じて
からの圧力が高い期間に充分に放熱が行われた上で、そ
の後の圧力低下に伴い温度が低下する。こうして、既燃
ガスを冷却する作用が得られ、これにより、外部から冷
却されたＥＧＲガスを導入する場合と同様に、燃焼温度
及び排気温度が低下する。
【００４２】この場合、排気弁閉時期ＥｘＣから吸気上
死点ＴＤＣまで燃焼室内圧力を上昇させるために吸気弁
開時期ＩｎＯは少なくとも吸気上死点ＴＤＣ後であるこ
とが必要である。さらに、吸気上死点ＴＤＣ後でも比較
的早い時期に吸気弁が開くとその時点で燃焼室内圧力が
吸気圧力まで急減して放熱効果が損なわれるのに対し、
吸気弁開時期を遅くすれば放熱の期間を稼ぎ得るので、
例えば吸気上死点ＴＤＣから吸気弁開時期ＩｎＯまでの
期間が排気弁閉時期ＥｘＣから吸気上死点ＴＤＣまでの
期間以上となる程度にまで吸気弁開時期を遅くすること
により、燃焼温度及び排気温度の低下に寄与する。な
お、このように吸気弁開時期を遅くすることで後に詳述
するようなポンピングロス低減作用も得られる。
【００４３】そして、燃焼温度の低下により、熱効率が
向上され、これとポンピングロス低減作用とで燃費が改
善されるとともに、排気温度の低下により、触媒の温度
上昇が抑制されて触媒の信頼性、耐久性が向上される。
さらに、燃焼温度の低下は、高負荷側の領域でノッキン
グ抑制の効果も発揮する。
【００４４】また、このようにマイナスＯ／Ｌによって
内部ＥＧＲを得るようにすれば、吸気上死点で吸気弁及
び排気弁が閉じているので、従来の正のオーバラップに
よって内部ＥＧＲを得る場合のようにピストン頂面に深
いリセスを設ける必要がない。
【００４５】さらに、このようなマイナスＯ／Ｌによる
と、エンジン回転速度が高くなるにつれ、吸気弁及び排
気弁の有効開弁期間が減少することが実質的にマイナス
Ｏ／Ｌを大きくするのと同等に作用するので、高速域で
は中速域と比べてマイナスＯ／Ｌを小さくしても内部Ｅ
ＧＲの確保及び燃焼温度、排気温度の低減等の効果が充
分に得られる。従って、例えば中速中負荷では図５
（ｂ）に示すように排気弁閉時期ＥｘＣがＢＴＤＣ３０
〜４０°程度、吸気弁開時期ＩｎＯがＡＴＤＣ３５〜４
５°程度に設定されてマイナスＯ／Ｌが大きくされるの
に対し、高速中負荷では図５（ｃ）に示すように排気弁
閉時期ＥｘＣがＢＴＤＣ２０〜３０°程度、吸気弁開時
期ＩｎＯがＡＴＤＣ２５〜３５°程度に設定されてマイ
ナスＯ／Ｌが中速中負荷よりも小さくされることによ
り、内部ＥＧＲ量が過剰になることが避けられ、上記の
ような効果が得られつつ出力が確保される。
【００４６】また、エンジンの全開域では排気弁閉時期
ＥｘＣが吸気上死点ＴＤＣよりも多少遅いＡＴＤＣ１０
°程度とされることにより、内部ＥＧＲが極力少なくさ
れて全開トルクが確保される。
【００４７】この場合、吸気弁開時期ＩｎＯはエンジン
の全開域で中負荷域と比べて早められ、中速全開域では
上死点前（ＢＴＤＣ１０〜１５°程度）とされるが、高
速全開域では吸気上死点後（ＡＴＤＣ１０〜１５°程
度）とされることにより全開性能が確保される。すなわ
ち、バルブタイミング可変装置が当実施形態のように開
弁期間一定で開閉タイミングを変えるようなタイプのも
のである場合に、低速域で燃焼安定性確保のためオーバ
ーラップを小さくするとともに吸気の吹き返しを生じな
いようにするには吸気弁の開弁期間を比較的小さく（例
えば２２０°程度に）設定しておくことが望ましく、一
方、無効角及び吸気流入遅れが大きくなる高速域では吸
気の吹き返しを生じない範囲で吸気弁閉時期を遅くする
ことが吸入効率向上のために望ましいが、上記のように
吸気弁の開弁期間を比較的小さくした場合に、高速域で
は、吸気弁開時期を吸気上死点前に設定すると吸気弁閉
時期が吸入効率向上のために要求される時期よりも早す
ぎて、吸入効率の低下を招く。
【００４８】そこで、高速全開域では、排気弁の閉時期
及び吸気弁の開時期をともに吸気上死点後とすることに
より、内部ＥＧＲ量を少なくするとともに、吸入効率を
高め、これらの作用で高速全開トルクを確保するように
している。なお、吸気弁の開弁期間を比較的大きくした
場合には、高速全開域で吸気弁開時期を吸気上死点前に
設定してもよい。
【００４９】また、低負荷領域Ｂでは、排気弁閉時期Ｅ
ｘＣを吸気上死点ＴＤＣ前の適当な時期、例えばＢＴＤ
Ｃ５〜１５°程度とすることにより、燃焼安定性を損な
わない適度の内部ＥＧＲ量が得られるとともに、吸気弁
開時期ＩｎＯを吸気上死点ＴＤＣ後で、吸気上死点から
吸気弁開時期までの期間θInが排気弁閉時期から吸気上
死点までの期間θExよりも５°程度以上大きくなる時期
としているため、充分にポンピングロス低減効果が得ら
れる。
【００５０】ここで、図７を参照しつつポンピングロス
低減効果について説明する。吸気上死点ＴＤＣ前に排気
弁が閉じると、燃焼室内圧力が排気圧力に対応するレベ
ルから一端上昇して、吸気上死点ＴＤＣを過ぎると下降
し、さらに吸気弁が開かれると吸気圧力に対応するレベ
ルまで下降するが、この過程で、吸気上死点ＴＤＣに達
するまでの間の圧力と吸気上死点ＴＤＣを過ぎてからの
圧力の格差分がポンピングロスとなる。そして、吸気上
死点ＴＤＣ後において比較的早い時期に吸気弁が開かれ
る場合（例えば吸気上死点ＴＤＣから吸気弁開時期まで
の期間が排気弁閉時期から吸気上死点ＴＤＣまでの期間
と同じかそれより短い場合）に、吸気弁が開かれた時点
で燃焼室内圧力が吸気圧力まで急減して上記格差が増大
することによりポンピングロスが増大するのに対し、吸
気弁開時期を遅らせば、燃焼室内圧力が吸気圧力まで低
下する時期が遅れることにより、図７中にハッチングで
示す分だけ、ポンピングロスの増大が抑制されることと
なる。
【００５１】なお、低速全開域では、中速全開域と略同
様に吸気弁及び排気弁の開閉タイミングが設定されてい
る。また、低速中負荷域では、燃焼安定性確保のため中
速中負荷域と比べて内部ＥＧＲを少なくすべく、排気弁
閉時期ＥｘＣを上死点ＴＤＣに近づけて、マイナスＯ／
Ｌを小さくしている。ただし、排気弁閉時期ＥｘＣ及び
マイナスＯ／Ｌを変えなくても、エンジン回転数が低く
なるにつれて無効角が小さくなることにより、実質的に
マイナスＯ／Ｌが小さくなって内部ＥＧＲが減少するの
で、低速中負荷域における排気弁閉時期ＥｘＣ及びマイ
ナスＯ／Ｌは中速中負荷域と同程度としておくことも考
えられる。
【００５２】図８は本発明の別の実施形態を示してい
る。この実施形態では、図１に示す第１の実施形態と同
様の構造に加え、ターボ過給機５０を装備している。こ
のターボ過給機５０は、吸気通路２０に設けたコンプレ
ッサ５１と、排気通路３０に設けたタービン５２と、両
者を連結する軸体５３とからなり、排気ガス流によりタ
ービン５２が回転し、それに連動してコンプレッサ５１
が回転することにより吸気を過給するようになってい
る。なお、５５は吸気通路２０におけるコンプレッサ５
１の下流に設けられたインタークーラである。また、５
６は排気通路３０におけるタービン５２をバイパスする
ウエストゲート通路、５７はこの通路５６に設けられた
ウエストゲートバルブである。
【００５３】そして、このように過給機５０を備える場
合、中負荷（乃至高負荷側）の領域や低負荷域における
吸気弁及び排気弁の開閉タイミングの制御は第１の実施
形態と同様であって（図５（ａ）〜（ｃ）及び図６参
照）、中・高速の中負荷では排気弁閉時期ＥｘＣが吸気
上死点ＴＤＣ前、吸気弁開時期ＩｎＯが吸気上死点ＴＤ
Ｃ後とされるが、さらに中速及び高速の全開域でも、図
９（ａ）及び同（ｂ）のように、排気弁閉時期ＥｘＣが
吸気上死点ＴＤＣ前、吸気弁開時期ＩｎＯが吸気上死点
ＴＤＣ後とされる。例えば、中速全開域では排気弁閉時
期ＥｘＣがＢＴＤＣ１５〜２０°、吸気弁開時期ＩｎＯ
がＡＴＤＣ２０〜２５°に設定され、高速全開域では排
気弁閉時期ＥｘＣがＢＴＤＣ１０〜１５°、吸気弁開時
期ＩｎＯがＡＴＤＣ１５〜２０°に設定される。
【００５４】また、燃料噴射制御手段４３による制御と
しては、エンジンの低速域や低・中負荷域だけでなく中
・高速域における全開域でも上記空燃比が理論空燃比以
上（空気過剰率λがλ≧１）となるように、燃料噴射量
が制御される。
【００５５】この実施形態によると、中速及び高速の全
開域でも、排気弁閉時期ＥｘＣが吸気上死点ＴＤＣ前、
吸気弁開時期ＩｎＯが吸気上死点ＴＤＣ後とされること
により、内部ＥＧＲが得られてＮＯｘが低減され、か
つ、その内部ＥＧＲによる既燃ガスが冷却されて燃焼温
度及び排気温度の上昇が抑制され、燃費が改善されると
ともに、ノッキングが抑制される。
【００５６】しかも、内部ＥＧＲによる出力低下分が過
給により補われ、全開トルクが確保される。
【００５７】とくに、従来では全開域やそれに近い領域
ではノッキング防止等のためウエストゲートバルブを通
して排気エネルギーを逃がすことで過給圧上昇を抑制し
ていたが、当実施形態ではウエストゲートバルブ５７の
開度を小さくし、従来では捨てていた排気エネルギーを
利用して過給圧を高めることにより、有効に全開トルク
を確保することができる。さらに、上記のようにマイナ
スＯ／Ｌとすることによりノッキングを抑制する作用が
得られるため、内部ＥＧＲによる出力低下分を補う程度
以上に過給圧を高めることも可能となり、全開トルクを
高めることができる。
【００５８】また、上記のように全開域でもマイナスＯ
／Ｌとすることでノッキング抑制作用が得られるため、
ノッキング抑制のための空燃比のエンリッチ化を行う必
要がなく、全開域での空燃比は理論空燃比以上（λ≧
１）とし、例えば理論空燃比とすればよい。従って、全
開域ではマイナスＯ／Ｌによりノッキングが抑制される
状況下で、過給により新気の充填量が確保されつつ、理
論空燃比となるように新気量に応じて燃料噴射量が制御
されることにより、出力性能及び燃費性能が向上され
る。
【００５９】
【発明の効果】以上説明したように、本発明のエンジン
によると、少なくともエンジンの中負荷乃至高負荷側の
領域における中・高速域で、排気弁が吸気上死点より所
定期間前に閉じられるとともに吸気弁が吸気上死点後に
開かれることにより、燃焼室内に既燃ガスが残存して内
部ＥＧＲ効果が得られ、かつ、排気弁の閉弁から吸気弁
の開弁までの期間に充分に放熱が行われて残存既燃ガス
が冷却されることにより燃焼温度及び排気温度の上昇を
抑制する作用が得られる。このため、内部ＥＧＲによっ
てＮＯｘを低減するとともに、燃焼温度を低くすること
により燃焼効率を高めて燃費を改善することができ、か
つ、排気温度の上昇抑制により排気系の信頼性、耐久性
を高めることができる。さらに、ノッキング抑制、ポン
ピングロス低減等の効果も奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による４サイクルエンジン
の概略図である。
【図２】吸気弁及び排気弁の開閉タイミングを示すため
のカムリフト曲線を表した図である。
【図３】カムリフト曲線の部分拡大図である。
【図４】運転状態に応じたバルブタイミングの設定、変
更の仕方をマップ的に示す説明図である。
【図５】低速中負荷、中速中負荷、高速中負荷、低速全
開、中速全開、高速全開の各運転域での排気弁の閉時期
及び吸気弁の開閉時期を示す図である。
【図６】低負荷域での排気弁の閉時期及び吸気弁の開閉
時期を示す図である。
【図７】排気行程後期から吸気行程前期にかけての燃焼
室容積及び燃焼室内圧力の変化を示す図である。
【図８】本発明の別の実施形態による４サイクルエンジ
ンの概略図である。
【図９】図８の実施形態による場合の中速全開、高速全
開の各運転域での排気弁の閉時期及び吸気弁の開閉時期
を示す図である。
【符号の説明】
１ エンジン本体 ５ 燃焼室 ９ 吸気弁 １０ 排気弁 １３，１４ バルブタイミング可変装置 ４０ ＥＣＵ ４２ バルブタイミング制御手段
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０２Ｄ 41/04 ３０５ Ｆ０２Ｄ 41/04 ３０５Ｄ ３２０ ３２０ 43/00 ３０１ 43/00 ３０１Ｅ ３０１Ｚ Ｆ０２Ｍ 25/07 ５１０ Ｆ０２Ｍ 25/07 ５１０Ｂ ５５０ ５５０Ｃ ５５０Ｇ ５５０Ｒ (72)発明者 大場 忠茂 広島県安芸郡府中町新地３番１号 マツダ 株式会社内 Ｆターム(参考） 3G062 AA03 AA05 AA10 BA02 BA09 CA07 CA08 DA04 EA01 FA02 FA05 FA06 FA23 GA01 GA04 GA06 GA08 GA17 3G084 AA03 BA09 BA23 CA03 CA04 DA00 DA10 EA04 EA11 EC01 EC03 FA07 FA10 FA20 FA29 FA33 FA38 3G092 AA01 AA06 AA11 AA13 AA18 BA05 BA06 BA07 BB01 BB06 DA09 DA12 DB03 DE03S DG05 EA03 EA04 EA06 EA07 EA22 EB05 FA21 GA05 GA06 GA18 HA01Z HA06Z HD05X HD05Z HE01Z HE03Z HE08Z HF08Z 3G301 HA01 HA04 HA06 HA11 HA19 JA00 JA25 KA08 KA09 KA25 LA07 LB04 LC08 MA01 MA11 MA18 NA08 NB03 NE03 NE08 NE11 NE12 NE14 NE15 PA01Z PA11Z PD02A PD02Z PE01Z PE03Z PE08Z

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 少なくともエンジンの中負荷乃至高負荷
    側の領域における中・高速域で、排気弁用カムリフト特
    性における加速度区間から定速度区間への移行時点をも
    って定義した排気弁閉時期を吸気上死点より所定期間前
    とし、吸気弁用カムリフト特性における定速度区間から
    加速度区間への移行時点をもって定義した吸気弁開時期
    を吸気上死点以後に設定したことを特徴とする自動車用
    ４サイクルエンジン。
  2. 【請求項２】 排気弁及び吸気弁のうちの少なくとも一
    方に対してバルブ開閉タイミングを変更可能とするバル
    ブタイミング可変装置を備え、吸気上死点を挟んでの上
    記排気弁閉時期から上記吸気弁開時期までの期間を、エ
    ンジンの中負荷乃至高負荷側の領域において中速域では
    高速域よりも大きくするように運転状態に応じてバルブ
    開閉タイミングを変更することを特徴とする請求項１記
    載の自動車用４サイクルエンジン。
  3. 【請求項３】 少なくとも排気弁に対してバルブ開閉タ
    イミングを変更可能とするバルブタイミング可変装置を
    備え、上記排気弁閉時期をエンジンの全開域では吸気上
    死点以後に設定したことを特徴とする請求項１または２
    記載の自動車用４サイクルエンジン。
  4. 【請求項４】 上記排気弁閉時期が吸気上死点より所定
    期間前とされる運転領域からエンジン負荷が全開域に近
    づくにつれて、上記排気弁閉時期を徐々に遅らせるよう
    にしたことを特徴とする請求項３記載の自動車用４サイ
    クルエンジン。
  5. 【請求項５】 排気弁及び吸気弁に対してそれぞれバル
    ブ開閉タイミングを変更可能とするバルブタイミング可
    変装置を備え、エンジンの高速域における全開域では上
    記排気弁閉時期及び上記吸気弁開時期をともに吸気上死
    点以後に設定したことを特徴とする請求項３または４記
    載の自動車用４サイクルエンジン。
  6. 【請求項６】 過給機を備えるとともに、エンジンの中
    ・高速域における全開域では少なくとも上記排気弁閉時
    期を吸気上死点より前に設定したことを特徴とする請求
    項１記載の自動車用４サイクルエンジン。
  7. 【請求項７】 燃焼室内の混合気の空燃比をコントロー
    ルする手段を備え、エンジンの中・高速域における全開
    域で上記空燃比を理論空燃比以上の値としたことを特徴
    とする請求項６記載の自動車用４サイクルエンジン。
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