JP4432708B2

JP4432708B2 - ４サイクルエンジン

Info

Publication number: JP4432708B2
Application number: JP2004287831A
Authority: JP
Inventors: 光夫人見; 啓二荒木
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2004-09-30
Filing date: 2004-09-30
Publication date: 2010-03-17
Anticipated expiration: 2024-09-30
Also published as: JP2006097657A

Description

本発明は４サイクルエンジンに関し、特に、過給機としてターボチャージャを有する４サイクルエンジンに関する。

一般に、内部ＥＧＲガスを用いて、混合気の着火性を向上し、排気性能を高めるに当たり、広い運転領域で必要なＥＧＲ率を確保する技術が知られている（例えば特許文献１、２）。先行技術に係る構成では、排気行程中に吸気バルブを開き、または吸気行程の中で排気バルブを開き、いわゆる内部ＥＧＲを実現するようにしている。

しかしながら、高負荷運転領域では、内部ＥＧＲガスが相当高温になるため、燃料が一気に燃焼し、ノッキングが発生しやすくなる。そこで、高負荷運転領域でのノッキングを防止するために、排気弁の閉タイミングを、排気行程上死点後に遅角させる技術も提案されている（例えば特許文献３参照）。
特開平９−２５８５３号公報特開２００１−１０７７５９号公報特開２００１−２１４７４１号公報

エンジンの性能をトータル的に向上する場合、機械的な圧縮比を可及的に高め、広範囲にわたる運転領域で内部ＥＧＲガスを確保し、ノッキングを防止することが必要になってくる。

しかしながら、特許文献１、２に開示された技術では、高負荷運転領域でのノッキング対策は取られていないので、高負荷運転領域では、内部ＥＧＲガスを利用することが困難になっていた。

他方、特許文献３に開示された技術では、排気弁の閉タイミングを、排気行程上死点後に遅角させて、ノッキング対策を施していたので、排気弁とシリンダとの干渉を避けるため、圧縮比を高く取ることができず、この点で燃焼効率を高めることができなくなるという問題があった。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、機械的な圧縮比を可及的に高め、広範囲にわたる運転領域で内部ＥＧＲガスを確保し、ノッキングを防止することのできる４サイクルエンジンを提供することを課題としている。

上記課題を解決するために、本発明は、吸気行程で吸気弁を開く第１吸気カムと、この吸気行程での吸気弁の開弁に先立って少なくとも排気行程で吸気弁を開くとともに、遅くとも排気行程の上死点よりも前に吸気弁を閉じる第２吸気カムとを含む動弁機構と、エンジンの運転状態に応じて前記動弁機構を制御する制御装置と、エンジン本体への吸気を過給する過給機と、過給された空気を冷却するインタークーラとを備え、前記動弁機構は、前記第１吸気カムによる吸気弁開閉タイミング及び前記第２吸気カムによる吸気弁開閉タイミングを変更する可変バルブタイミング機構を有し、前記制御装置は、前記第１吸気カムによる吸気弁開閉タイミング及び前記第２吸気カムによる吸気弁開閉タイミングをエンジン負荷が高くなるにつれて遅くするように前記バルブタイミング機構を制御するバルブタイミング制御手段を有し、エンジンの少なくとも高負荷運転領域では、前記制御装置が、前記第１吸気カムによる吸気弁開閉動作に加えて前記第２吸気カムによる吸気弁開閉動作を行わせるように前記動弁機構を制御するとともに、前記バルブタイミング制御手段が、前記第１吸気カムによる吸気弁閉タイミングを、有効圧縮比が膨張比と比べて小さくなるように下死点より所定量以上遅いタイミングとするように前記可変バルブタイミング機構を制御することを特徴とする４サイクルエンジンである。

この態様では、吸気行程での吸気弁の開弁に先立って少なくとも排気行程で吸気弁を開くとともに、遅くとも排気行程の上死点よりも前に吸気弁を閉じる第２吸気カムを設けているので、排気弁がピストンと干渉しないタイミングで内部ＥＧＲを実現することができる。従って、幾何学的な圧縮比を可及的に高めることが可能になる。しかも、排気行程で吸気弁を開くので、大量の既燃ガスを吸気通路に逆流させ、吸気通路中で冷却させることが可能になる。そのため、第１吸気カムによる吸気行程では、逆流した大量のＥＧＲガスが供給されることになるが、内部ＥＧＲガスが吸気通路中で冷却されていることに伴い、比較的エンジンの負荷が高い領域でのＥＧＲであるにも拘わらず、ノッキングを効果的に抑制することが可能になる。加えて、エンジンの少なくとも高負荷運転領域では、有効圧縮比が膨張比と比べて小さくなるように下死点より所定量以上遅いタイミングに第１吸気カムが吸気弁を開くので、この第１吸気カムによるいわゆるミラーサイクル機能（圧縮行程での断熱圧縮による温度上昇を低減する機能）を奏することが可能になる。

さらに、本発明の４サイクルエンジンは、前記エンジン本体の吸気を過給する過給機と、過給された空気を冷却するインタークーラとを備えている。この構成によれば、エンジンの少なくとも高負荷運転領域で、前記第１吸気カムによる吸気弁閉タイミングを、有効圧縮比が膨張比と比べて小さくなるように下死点より所定量以上遅いタイミングとした際に、過給機や、インタークーラを採用していることと相俟って、高負荷運転領域でのミラーサイクル機能を実現することも可能となり、充填効率が向上し、ポンピングロスが低減されてトルクアップを図ることができる他、ノッキングをも効果的に抑制することが可能になる。

さらに、過給機等を備えた本発明の４サイクルエンジンでは、動弁機構の可変バルブタイミング機構により、第１吸気カムによる吸気弁開閉タイミング及び第２吸気カムによる吸気弁開閉タイミングが変更可能とされ、前記可変バルブタイミング機構を制御するバルブタイミング制御手段により、第１吸気カムによる吸気弁開閉タイミング及び第２吸気カムによる吸気弁開閉タイミングが、エンジン負荷が高くなるにつれて遅く設定される。この構成によれば、所定の高負荷運転領域において、第１吸気カムを有効圧縮比が膨張比と比べて小さくなるように下死点より所定量以上遅いタイミングとするように位相を変化した場合、この位相変化に伴って第２吸気カムの位相も遅閉じになるので、内部ＥＧＲガスを導入する際、燃焼から相当時間遅れたタイミングで既燃ガスを吸気通路側へ逆流させることができる。その結果、幾分なりとも温度の低い既燃ガスを吸気通路へ逆流させることができるので、内部ＥＧＲガスの温度低下に寄与することが可能になる。

具体的な態様において、前記動弁機構は、前記第２吸気カムによる吸気弁の開弁動作を停止可能なバルブタイミングリフト機構を有し、前記制御装置は、エンジンの低負荷側の運転領域からエンジン全開領域を除く高負荷運転領域にまでわたり、第２吸気カムによる吸気弁の開弁動作を行わせ、エンジン全開領域では第２吸気カムによる吸気弁の開弁動作を停止させるように前記バルブタイミングリフト機構を制御するバルブリフト制御手段を有している。この態様では、エンジン全開領域（スロットル弁の前後の圧力差が無くなるスロットル弁開度の全開負荷運転領域）を除く高負荷運転領域での内部ＥＧＲを可及的に実現し、充填効率の向上や排気性能向上を図ることができるとともに、エンジン全開領域においては、内部ＥＧＲを停止することにより、ノッキングの抑制に対応することが可能になる。

別の具体的な態様において、前記動弁機構は、前記第２吸気カムによる吸気弁の開弁動作を停止可能なバルブタイミングリフト機構を有し、前記制御装置は、エンジンの高速領域では第２吸気カムによる吸気弁の開弁動作を停止させるように前記バルブタイミングリフト機構を制御するバルブリフト制御手段を有している。この態様では、エンジンの高速回転領域を除く高負荷運転領域での内部ＥＧＲを可及的に実現し、充填効率の向上や排気性能向上を図ることができるとともに、エンジンの高速回転領域においては、内部ＥＧＲを停止することにより、ノッキングの抑制に対応することが可能になる。

さらに好ましい態様において、前記バルブタイミングリフト機構は、第２吸気カムと吸気弁との間において駆動伝達を遮断可能とするロストモーション機構を有している。この態様では、ロストモーション機構によって、確実に内部ＥＧＲの停止を実現することが可能になる。

また、本発明は、吸気行程で吸気弁を開く第１吸気カムと、この吸気行程での吸気弁の開弁に先立って少なくとも排気行程で吸気弁を開くとともに、遅くとも排気行程の上死点よりも前に吸気弁を閉じる第２吸気カムとを含む動弁機構と、エンジンの運転状態に応じて前記動弁機構を制御する制御装置とを備え、前記動弁機構は、前記第２吸気カムによる吸気弁の開弁動作を停止可能な吸気側バルブタイミングリフト機構と、排気行程で排気弁を開く第１排気カムとは別に吸気行程で排気弁を開く第２排気カムと、前記第２排気カムによる排気弁の開弁動作を停止可能な排気側バルブタイミングリフト機構と、前記第１吸気カムによる吸気弁開閉タイミング及び前記第２吸気カムによる吸気弁開閉タイミングを変更する可変バルブタイミング機構とを有し、前記制御装置は、エンジンの低負荷側の運転領域では第２排気カムによる吸気行程での排気弁の開閉動作を行わせるとともに第２吸気カムによる排気行程での吸気弁の開弁動作を停止させ、エンジンの高負荷運転領域では第２吸気カムによる排気行程での吸気弁の開閉動作を行わせるとともに第２排気カムによる吸気行程での排気弁の開弁動作を停止させるように、前記吸気側及び排気側のバルブタイミングリフト機構を制御するバルブリフト制御手段と、エンジンの少なくとも高負荷運転領域で、前記第１吸気カムによる吸気弁閉タイミングを、有効圧縮比が膨張比と比べて小さくなるように下死点より所定量以上遅いタイミングとするように前記可変バルブタイミング機構を制御するバルブタイミング制御手段とを有していることを特徴とする４サイクルエンジンである。

この態様では、エンジンが高負荷運転領域に至るまでの低負荷運転領域では、吸気弁の開弁タイミングに排気弁を再度開弁することとしているので、高温の既燃ガスをそのまま気筒内に導入することができ、着火性の向上を図ることができるとともに、エンジンの高負荷側の運転領域では、既燃ガスを吸気通路に逆流させて冷却し、ノッキングの抑制を図ることが可能になる。

以上説明したように、本発明によれば、機械的な圧縮比を可及的に高め、広範囲にわたる運転領域で内部ＥＧＲガスを確保し、ノッキングを防止することができるという顕著な効果を奏する。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい形態について説明する。

図１は、本発明の実施の一形態に係る４サイクルガソリンエンジン１０の概略構成を示す構成図であり、図２は図１に係るエンジン本体２０の一つの気筒とそれに対し設けられた吸排気弁等の構造を示す断面略図である。

同図を参照して、図示の４サイクルガソリンエンジン１０は、エンジン本体２０を備えている。エンジン本体２０は、クランクシャフト２１を回転自在に支持するシリンダブロック２２と、シリンダブロック２２の上部に配置されたシリンダヘッド２３とを一体的に有している。

シリンダブロック２２およびシリンダヘッド２３には、複数の気筒２４が設けられている。本実施形態において、各気筒２４の圧縮比は、１１に設定されている。

各気筒２４には、クランクシャフト２１に連結されたピストン２５と、ピストン２５が気筒２４内に形成する燃焼室２６とが公知の構成と同様に設けられている。なお、シリンダブロック２２には、クランクシャフト２１の回転数を検出するクランク角センサ２７が設けられている。

各燃焼室２６の側部には、当該燃焼室２６に直接燃料を噴射する燃料噴射弁２８が設けられている。また、各燃焼室２６の頂部には、点火プラグ２９が装備され、そのプラグ先端が燃焼室２６内に臨んでいる。点火プラグ２９には、電子制御による点火タイミングのコントロールが可能な点火回路２９ａが接続されている。

エンジン本体２０は、当該気筒２４内に対して新気を供給する吸気システム３０と、気筒２４の燃焼室２６で燃焼した既燃ガスを排気する排気システム５０とを有している。

吸気システム３０は、新気を気筒２４内に供給するための吸気管３１と、この吸気管３１の下流側に連通するインテークマニホールド３２と、このインテークマニホールド３２から分岐してそれぞれ対応する気筒２４に接続される分岐吸気管３３とを備えている。図示の実施形態において、各気筒２４には、２つ一組の吸気通路２４ａが形成されており（図１参照）、前記分岐吸気管３３の下流端は、各気筒２４の吸気通路に対応して二股に形成されている。

吸気システム３０の吸気管３１には、エアフローセンサ３４が設けられている。また、各分岐吸気管３３には、共通の軸３５に一斉駆動される多連スロットル弁３６が設けられている。多連スロットル弁３６は、前記軸３５を回転駆動するアクチュエータ３７によって、開閉駆動されるように構成されている。

各気筒２４に設けられた各吸気通路２４ａには、吸気弁４０が設けられている。一方の吸気弁４０には、公知のタペットユニット４３が設けられ、他方の吸気弁４０には、いわゆるロストモーション機能を有するＶＶＬ７０が装備された動弁機構４１によって駆動される構成になっている。動弁機構４１は、ＶＶＴ４２と、ＶＶＴ４２を介しクランクシャフト２１の駆動力で駆動されるカムシャフト４１ａと、カムシャフト４１ａに一体化されて、所定の位相で吸気弁４０のステム４０ａを異なる位相で駆動する二組のカム４１ｂ、４１ｃと、これらカム４１ｂ、４１ｃとバルブステム４０ａとの間に介在するＶＶＬ７０とを有している。

カム４１ｂ、４１ｃは、一方（図示の例ではカム４１ｂ）が吸気行程において、気筒２４内に新気を導入するために吸気弁４０を開く第１吸気カムであり、他方（図示の例ではカム４１ｃ）が、後述する排気弁６０の開弁タイミングにおいて吸気弁４０を早開きして、吸気通路２４ａ内に排気ガスを逆流させる排気導入カムである。図示の例において、第１吸気カム４１ｂは、２つ一組の対をなしており、第２吸気カム４１ｃは、カムシャフト４１ａの軸方向において、第１吸気カム４１ｂ、４１ｂ間に配置されている。

ＶＶＴ４２は、カムシャフト４１ａとクランクシャフト２１との回転位相をずらすことにより、吸気弁４０のバルブタイミングを変化させるものであり、従来から用いられているものをそのまま適用することが可能である。

ＶＶＬ７０は、所定のタイミングで第２吸気カム４１ｃが吸気弁４０のステム４０ａを押し下げる機能をＯＮ／ＯＦＦするいわゆるロストモーションを実現するためのものであり、図示の例では、タペット型のもので具体化されている。

図３は、図１の実施形態に係るＶＶＬ７０の分解斜視図であり、図４は同ＶＶＬ７０の正面断面図、図５は同ＶＶＬ７０の平面断面図である。

これらの図を参照して、ＶＶＬ７０は、矩形のハウジング７１と、ハウジング７１内に昇降可能に収容され、前記吸気弁４０のステム４０ａの端部（ステムエンド）に固定され、第１吸気カム４１ｂによって駆動されるサイドタペット７２と、サイドタペット７２に対し、当該サイドタペット７２と相対変位可能に組み付けられ、第２吸気カム４１ｃによって駆動されるセンタタペット７３とを有している。

ハウジング７１は、シリンダヘッド２３と一体化され、両タペット７２、７３の上死点位置およびサイドタペット７３の下死点位置を規制するとともに、両タペット７２、７３を対応するカム４１ｂ、４１ｃに対して臨ませる構造体である。

サイドタペット７２は、略円筒形に形成されており、平面でみて前記カムシャフト４１ａと直交する直径方向に収容凹部７２ａを形成している。そして、収容凹部７２ａを区画する一対の壁部７２ｂの上面が、それぞれ対応する第１吸気カム４１ｂに臨んでいる（図４参照）。各壁部７２ｂには、前記カムシャフト４１ａと平行な挿通孔７２ｃが形成されている。各挿通孔７２ｃには、有底のスリーブ状ホルダ７５ａ、７５ｂが、それぞれ開口部を対向させた姿勢で固定されている。各ホルダ７５ａ、７５ｂは、後述するように、センタタペット７３のピン孔７３ａに収容されるピンユニット７８を駆動するためのものである。一方のスリーブ状ホルダ７５ａの外側（他方のスリーブ状ホルダ７５ｂの反対側）には、軸受７６が固定されており、その転動体７６ａが、ハウジング７１の内壁に形成された縦溝７１ａ（図４、図５参照）に転がり接触している。この結果、サイドタペット７２は、周方向の回動が規制された状態で、軸方向（吸気弁４０を開閉する方向）沿いに移動可能になっている。

他方、センタタペット７３は、平面でみて前記サイドタペット７２の収容凹部７２ａの輪郭に沿う「Ｉ」字形の構造体であり、前記収容凹部７２ａと、ハウジング７１に設けられた係止部に規定されたストロークＳにおいて、サイドタペット７２に対し相対的に昇降可能に組み付けられ、前記第２吸気カム４１ｃに臨んでいる。

センタタペット７３は、サイドタペット７２の収容凹部７２ａの底部に配置された一対のコイルばね７７によって、常時、第２吸気カム４１ｃの方へ付勢されている。このため、自由状態において、サイドタペット７２の壁部７２ｂの上面と、センタタペット７３の上面とは、図４に示すように面一になっている。この自由状態において、センタタペット７３には、前記挿通孔７２ｃと同心に連通するピン孔７３ａが穿設されている。このピン孔７３ａには、ピンユニット７８が収容されている。ピンユニット７８は、前記一方のスリーブ状ホルダ７５ａの内に出没可能に設けられたロックプランジャ７８ａと、このロックプランジャ７８ａとスリーブ状ホルダ７５ａの間に介装されるコイルばね７８ｂと、ロックプランジャ７８ａのコイルばね７８ｂと反対側に同心に配置されたロックピン７８ｃと、ロックピン７８ｃを前記ロックプランジャ７８ａ側に駆動するために前記他方のスリーブ状ホルダ７５ｂ内に進退可能に収容されるロック解除プランジャ７８ｄと、ロックピン７８ｃを支持するためにピン孔７３ａの両開口端に固定される一対のブッシュ７８ｅ、７８ｆと、ロックピン７８ｃの略中央部に一体形成されたフランジ７８ｇと軸受７６の配置されている側のブッシュ７８ｅとの間に介装されて、フランジ７８ｇを介し、ロックピン７８ｃをロック解除プランジャ７８ｄ側へ付勢するコイルばね７８ｈとを有している。自由状態において、ロックプランジャ７８ａ、ロックピン７８ｃは、それぞれ壁部７２ｂと、センタタペット７３との間に介在している。従って、この状態では、ロックプランジャ７８ａ、ロックピン７８ｃがセンタタペット７３をサイドタペット７２にロックした状態になり、センタタペット７３が第２吸気カム４１ｃに駆動されると、サイドタペット７２を介して、吸気弁４０のステム４０ａを押し下げ、吸気弁４０を開くことになる。

他方、ロックピン７８ｃのロックを解除するために、他方の壁部（軸受７６が設けられた壁部７２ｂと反対側の壁部）７２ｂと、この壁部７２ｂに固定されたスリーブ状ホルダ７５ｂとには、作動油路ＰＨが形成されている。後述するＥＣＵ１００の制御によって、この作動油路ＰＨに作動油回路７９から作動油が供給されると、ロック解除プランジャ７８ｄが、図４、図５の左側に駆動されて、ロックピン７８ｃを壁部７２ｂからセンタタペット７３へ押込み、これと同時にロックプランジャ７８ａも対応する壁部７２ｂ内に押込まれ、これらの部材によるロックが解除される。このロック解除状態において、センタタペット７３が第２吸気カム４１ｃに駆動されると、センタタペット７３は、サイドタペット７２の収容凹部７２ａ内で昇降し、その力は、コイルばね７７に吸収されて吸気弁４０のステム４０ａには伝達されなくなる。この結果、ピンユニット７８によるロックを解除することによって、いわゆるロストモーション機能を持たせ、第２吸気カム４１ｃによる吸気弁４０の開弁を停止させることが可能になる。作動油回路７９には、コントロール弁７９ａが設けられており、このコントロール弁７９ａは、制御装置としてのＥＣＵ１００によって制御されるようになっている。

次に、排気システム５０は、各気筒２４に２つ一組で形成された排気通路２４ｂに接続する二股状の分岐排気管５１と、各分岐排気管５１の下流端が集合するエキゾーストマニホールド５２と、このエキゾーストマニホールド５２から既燃ガスを排出する排気管５３とを有している。排気管５３には、酸素濃度センサ５４が設けられている。

排気システム５０は、前記排気通路２４ｂ毎に設けられた排気弁６０を備えている。排気弁６０も、一つの気筒２４に対し、２つ一組で装備されている。一方の排気弁６０には、前記と同様のタペットユニット６１が設けられ、他方の排気弁６０には、吸気弁４０と同様に、いわゆるロストモーション機能を有するＶＶＬ７０が装備された動弁機構６２によって駆動される構成になっている。動弁機構６２は、ＶＶＴ４２と同仕様のＶＶＴ６４と、ＶＶＴ６４を介しクランクシャフト２１の駆動力で駆動されるカムシャフト６２ａと、カムシャフト６２ａに一体化されて、所定の位相で排気弁６０のステム６０ａを異なる位相で駆動する二組のカム６２ｂ、６２ｃと、これらカム６２ｂ、６２ｃとバルブステム６０ａとの間に介在するＶＶＬ７０とを有しており、残余の構成は、ＶＶＬ７０を除き、前記動弁機構６２と同様になっている。これらカム６２ｂ、６２ｃは、一方（図示の例ではカム６２ｂ）が排気行程において、気筒２４内の既燃ガスを排出するために排気弁６０を開く第１排気カムであり、他方（図示の例ではカム６２ｃ）が、後述する吸気弁４０の開弁タイミングにおいて排気弁６０を再度開いて、筒内に排気ガスを還流させる排気導入カムである。図示の例において、第１排気カム６２ｂは、２つ一組の対をなしており、第２排気カム６２ｃは、カムシャフト６２ａの軸方向において、第１排気カム６２ｂ、６２ｂ間に配置されている。

図６は、排気システム５０に採用されたＶＶＬ７０の正面断面図である。

同図を参照して、第１排気カム６２ｂ、６２ｂは、ＶＶＬ７０のサイドタペット７２を駆動する位置に配置されている。他方、第２排気カム６２ｃは、ＶＶＬ７０のセンタタペット７３を駆動する位置に配置されている。

図１に示すように、排気弁６０に設けたＶＶＬ７０は、作動油回路１７９に駆動されるようになっている。この作動油回路１７９には、コントロール弁１７９ａが設けられており、このコントロール弁１７９ａは、制御装置としてのＥＣＵ１００によって制御されるようになっている。

次に、図１、図２を参照して、前記吸気システム３０、排気システム５０の間には、過給機としてのターボチャージャ８０と、排気された既燃ガスを吸気システム３０に還流させる外部ＥＧＲシステム９０とが設けられている。

ターボチャージャ８０は、インテークマニホールド３２とエキゾーストマニホールド５２との間に形成された還流通路６５に介在し、排気圧によって駆動されるタービンセクション８１と、タービンセクション８１によって駆動され、還流通路６５の吸気側に新気を導入するコンプッサセクション８２と、コンプレッサセクション８２から導入された新気を冷却するインタークーラ８３とを有しており、基本的には、従来から用いられているものをそのまま適用することが可能である。

外部ＥＧＲシステム９０は、前記還流通路６５に前記ターボチャージャ８０と並列に接続され、ＥＧＲクーラー９１と、ＥＧＲ弁９２と、ＥＧＲ弁９２を駆動するアクチュエータ９３とを備えた公知のシステムである。

４サイクルガソリンエンジン１０には、制御装置としてのＥＣＵ１００が設けられている。このＥＣＵ１００には、クランク角センサ２７、エアフローセンサ３４、酸素濃度センサ５４、並びにアクセル開度センサ６６が入力要素として接続されている。他方、ＥＣＵ１００には、スロットル弁３６のアクチュエータ３７、動弁機構４１、６２の各ＶＶＴ４２、６４、作動油回路７９、１７９のコントロール弁７９ａ、１７９ａ、外部ＥＧＲシステム９０のアクチュエータ９３が制御要素として接続されている。

図１を参照して、ＥＣＵ１００は、ＣＰＵ１０１、メモリ１０２、インターフェース１０３並びにこれらのユニット１０１〜１０３を接続するバス１０４を有するものであり、メモリ１０２に記憶されるプログラム並びにデータによって、図２に示すように、運転状態を判定する運転状態判定手段１１０と、判定された運転状態に応じて吸気弁４０および排気弁６０の開弁タイミングやバルブリフト量を制御するようにＶＶＴ４２、６４を制御するＶＶＴ制御手段１２０と、このＶＶＴ制御手段１２０に含まれ、各ＶＶＬ７０のロックを切換制御するＶＶＬ制御手段１２１とを機能的に有している。

図７は、図１の実施形態に係る運転状態に応じた制御を行うための運転領域設定の一例を示す特性図である。

同図を参照して、運転状態判定手段１１０は、例えば図７に示すような特性図に基づく制御用マップを有している。同図に示す特性図において、白抜きの領域Ａは、いわゆる通常運転領域であり、この通常運転領域Ａでは、後述する開弁タイミングで吸気弁４０および排気弁６０が開閉するように設定されている。次に、中回転までの範囲において、斜線で示す領域Ｂは、高負荷運転領域であり、この高負荷運転領域Ｂでは、後述するように、ＥＣＵ１００のＶＶＴ制御手段１２０は、前記第１吸気カム４１ｂによる吸気弁４０の開閉動作に加えて、前記第２吸気カム４１ｃによる吸気弁４０の開閉動作を行わせるとともに、前記第吸気１カム４１ｂによる吸気弁４０の閉タイミングを、有効圧縮比が膨張比と比べて小さくなるように下死点より所定量以上遅いタイミングとするようにＶＶＴ４２、６４を制御する。

さらに、エンジン全開の高負荷運転領域の場合、或いは、図７に示す所定の高速回転領域においては、ＥＣＵ１００のＶＶＴ制御手段１２１は、第２吸気カム４１ｃによる内部ＥＧＲを停止するように、吸気システム３０に用いられている各ＶＶＬ７０を制御する。

図８は、図１の実施形態に係る運転状態に応じた開弁タイミングの一例を示すタイミングチャートであり、（Ａ）は、通常運転時、（Ｂ）は、高負荷運転時、（Ｃ）はノッキング対策運転時をそれぞれ示している。

同図（Ａ）を参照して、ＶＶＴ制御手段１２０は、通常運転時においては、第１吸気カム４１ｂが吸気弁４０を吸気行程の上死点ＴＤＣ経過以降に開き、下死点ＢＤＣ以降で閉じるように前記ＶＶＴ４２を制御するよう設定されている。他方、第２吸気カム４１ｃは、当該ＶＶＬ７０の作動油回路７９に作動油が供給されることにより、ロストモーションしている。この結果、排気行程においては、吸気弁４０は、閉じたままの状態になっている。

また、排気弁６０については、排気行程において、第１排気カム６２ｂが排気弁６０を開いて排気行程の上死点ＴＤＣ経過後に閉じるとともに、前記ＴＤＣ経過前において、第２排気カム６２ｃが、排気行程の前記上死点ＴＤＣよりも前にＶＶＬ７０のセンタタペット７３を駆動することにより、再度排気弁６０を駆動して、吸気行程の下死点ＢＤＣよりも前で閉じるように設定されている。この結果、圧縮比を１１に設定しているにも拘わらず、排気弁６０がピストン２５と干渉することなく、吸気行程において再度開くことができるので、比較的大量のＥＧＲガス（いわゆるヘビーＥＧＲ）を供給することが可能になる。しかも、本実施形態では、ターボチャージャ８０を採用しているので、当該タービンセクション８１により生じる背圧を利用し、吸気行程での排気弁６０の開弁タイミングにより多くのＥＧＲガスを吸気行程にある気筒２４に導入することが可能になる。この結果、大量のＥＧＲガスによる燃費や排気性能の向上を図ることが可能になる。さらに、既燃ガスを直ちに気筒２４内に導入しているので、比較的高温の内部ＥＧＲガスを導入することができ、着火性も向上する。

次に、図８（Ｂ）を参照して、エンジンが高負荷運転状態になった場合、ＶＶＴ制御手段１２０は、有効圧縮比が膨張比と比べて小さくなるように第１吸気カム４１ｂを遅角させる。さらに、ＶＶＬ制御手段１２１は、作動油回路７９の作動油をドレンして、第２吸気カム４１ｃの駆動力を吸気弁４０に伝達するようにするとともに、作動油回路１７９に作動油を供給し、第２排気カム６２ｃをロストモーションさせる。

この結果、排気行程において、吸気弁４０が所定量開き、比較的大量の既燃ガスが吸気通路２４ａに逆流する。その後、遅角された状態で吸気弁４０が吸気行程において開くので、その間に吸気通路２４ａに逆流した既燃ガスが冷却された状態で気筒２４に導入される。この結果、比較的高負荷運転状態においても、大量のＥＧＲガスを導入して、充填効率を高めつつ、ノッキングを抑制することが可能になる。

加えて、有効圧縮比が膨張比と比べて小さくなるように第１吸気カム４１ｂが遅角して吸気弁４０を開くので、圧縮行程に移行したピストン２５によって、内部の空気が吸気通路２４ａ側に吹き戻されるいわゆるミラーサイクル機能を奏することになる。ここで、本実施形態では、過給機としてのターボチャージャ８０を採用し、インタークーラ８３で冷却された新気が筒内に導入されるので、高負荷域で導入される内部ＥＧＲガス量が低減していることと相俟って、筒内温度が下がり、高い充填量を維持しつつもノッキングを回避することが可能となる。

さらに、上述したエンジン全開領域または高速回転領域に運転状態が変化すると、ＶＶＬ制御手段は、作動油回路１７９にも作動油を供給し、第２排気カム６２ｃをロストモーションさせる。この結果、排気導入のための開弁が停止され、上述したミラーサイクル効果によって、確実にノッキング対策を取ることが可能になる。

以上説明したように、本実施形態においては、吸気行程での吸気弁４０の開弁に先立って少なくとも排気行程で吸気弁４０を開くとともに、遅くとも排気行程の上死点ＴＤＣよりも前に吸気弁４０を閉じる第２吸気カム４１ｃを設けているので、排気弁６０がピストン２５と干渉しないタイミングで内部ＥＧＲを実現することができる。従って、ガソリンエンジンに適用した場合でも、幾何学的な圧縮比を可及的に高める（本実施形態では、圧縮比＝１１）ことが可能になる。しかも、排気行程で吸気弁４０を開くので、大量の既燃ガスを吸気通路２４ａに逆流させ、吸気通路２４ａ中で冷却させることが可能になる。そのため、第１吸気カム４１ｂによる吸気行程では、逆流した大量のＥＧＲガスが供給されることになるが、内部ＥＧＲガスが吸気通路２４ａ中で冷却されていることに伴い、比較的エンジンの負荷が高い領域でのＥＧＲであるにも拘わらず、ノッキングを効果的に抑制することが可能になる。加えて、エンジンの少なくとも高負荷運転領域では、有効圧縮比が膨張比と比べて小さくなるように下死点より所定量以上遅いタイミングに第１吸気カム４１ｂが吸気弁４０を開くので、この第１吸気カム４１ｂによるミラーサイクル機能を奏することが可能になる。

特に本実施形態においては、前記動弁機構４１、６２は、前記第２吸気カム４１ｃによる吸気弁４０の開弁動作を停止可能な吸気側のＶＶＬ７０と、排気行程で排気弁６０を開く第１排気カム６２ｃとは別に吸気行程で排気弁６０を開く第２排気カム６２ｃと、前記第２排気カム６２ｃによる排気弁６０の開弁動作を停止可能な排気側のＶＶＬ７０とを有し、前記ＥＣＵ１００は、エンジンの低負荷側の運転領域では第２排気カム６２ｃによる吸気行程での排気弁６０の開閉動作を行わせるとともに第２吸気カム４１ｃによる排気行程での吸気弁４０の開弁動作を停止させ、エンジンの高負荷側の運転領域では第２吸気カム４１ｃによる排気行程での吸気弁４０の開閉動作を行わせるとともに第２排気カム６２ｃによる吸気行程での排気弁６０の開弁動作を停止させるように、前記吸気側及び排気側のＶＶＬ７０を制御するＶＶＬ制御手段１２１を有している。

このため、本実施形態では、エンジンが高負荷運転領域に至るまでの低負荷運転領域では、吸気弁４０の開弁タイミングに排気弁６０を再度開弁することとしているので、高温の既燃ガスをそのまま気筒内に導入することができ、着火性の向上を図ることができるとともに、エンジンの高負荷側の運転領域では、既燃ガスを吸気通路２４ａに逆流させて冷却し、ノッキングの抑制を図ることが可能になる。

また、前記動弁機構４１は、前記第２吸気カム４１ｃによる吸気弁４０の開弁動作を停止可能なＶＶＬ７０を有し、前記ＥＣＵ１００は、エンジンの低負荷側の運転領域からエンジン全開領域、すなわち、各分岐吸気管３３のスロットル弁３６の前後圧力差がなくなるスロットル開度の高負荷運転領域を除く高負荷運転領域にまでわたり、第２吸気カム４１ｃによる吸気弁４０の開弁動作を行わせ、エンジン全開領域または、高速運転領域では第２吸気カム４１ｃによる吸気弁４０の開弁動作を停止させるように前記ＶＶＬ７０を制御するバルブリフト制御手段を有している。

従って、本実施形態では、エンジン全開領域を除く高負荷運転領域での内部ＥＧＲを可及的に実現し、充填効率の向上や排気性能向上を図ることができるとともに、エンジン全開領域や高速運転領域においては、内部ＥＧＲを停止することにより、ノッキングの抑制に対応することが可能になる。

また、本実施形態に係るＶＶＬ７０は、第２吸気カム４１ｃと吸気弁４０との間において駆動伝達を遮断可能とするロストモーション機構を有している。従って、ロストモーション機構によって、確実に内部ＥＧＲの停止を実現することが可能になる。

また本実施形態では、前記エンジン本体２０の吸気を過給するターボチャージャ８０と、過給された空気を冷却するインタークーラ８３とを備えている。従って、エンジンの少なくとも高負荷運転領域で、前記第１吸気カム４１ｂによる吸気弁４０閉タイミングを、有効圧縮比が膨張比と比べて小さくなるように下死点より所定量以上遅いタイミングとした際に、ターボチャージャ８０や、インタークーラ８３を採用していることと相俟って、高負荷運転領域でのミラーサイクル機能を実現することも可能となり、充填効率が向上し、ポンピングロスが低減されてトルクアップを図ることができる他、ノッキングをも効果的に抑制することが可能になる。

さらに本実施形態の動弁機構４１は、第１吸気カム４１ｂによる吸気弁４０開閉タイミング及び第２吸気カム４１ｃによる吸気弁４０開閉タイミングを変更するＶＶＴ４２を有し、前記ＥＣＵ１００は、第１吸気カム４１ｂによる吸気弁４０開閉タイミング及び第２吸気カム４１ｃによる吸気弁４０開閉タイミングをエンジン負荷が高くなるにつれて遅くするようにＶＶＴ４２を制御するＶＶＴ制御手段１２０を有している。従って、所定の高負荷運転領域において、第１吸気カム４１ｂを有効圧縮比が膨張比と比べて小さくなるように下死点より所定量以上遅いタイミングとするように位相を変化した場合、この位相変化に伴って第２吸気カム４１ｃの位相も遅閉じになるので、内部ＥＧＲガスを導入する際、燃焼から相当時間遅れたタイミングで既燃ガスを吸気通路２４ａ側へ逆流させることができる。その結果、幾分なりとも温度の低い既燃ガスを吸気通路２４ａへ逆流させることができるので、内部ＥＧＲガスの温度低下に寄与することが可能になる。

上述した実施形態は、本発明の好ましい具体例を示したものに過ぎず、本発明は上述した実施形態に限定されない。

図９は、本発明の別の実施形態に係る運転制御状態を示すタイミングチャートである。

同図を参照して、負荷状態が低中負荷運転領域においては、図示のように、第２吸気カム４１ｃをロストモーションさせ、吸気弁４０を吸気行程の下死点よりも前に閉じるとともに、排気導入用に開く前記排気弁６０を当該吸気弁４０の開弁タイミングよりも小さな開弁期間に設定した状態で前記吸気行程の下死点よりも前に開いて、有効圧縮比が膨張比と比べて小さくなるように該吸気行程の下死点以降に閉じるようＶＶＴ４２、６２並びにＶＶＬ７０が設定されている。

この結果、図９の実施形態では、膨張行程に移行した後も排気弁６０が所定期間開いた状態になっているため、結果、吸気行程の後半で、排気導入用に排気弁６０が開き、内部ＥＧＲが実現するので、吸気通路２４ａに既燃ガスが逆流する恐れはない。しかも、排気導入用の排気弁６０は、有効圧縮比が膨張比と比べて小さくなるように実行されるので、ターボチャージャ８０や、インタークーラ８３を採用していることと相俟って、高負荷運転領域でのミラーサイクル作用を実現することも可能となり、充填効率が向上し、ポンピングロスが低減されてトルクアップを図ることができる他、ノッキングをも効果的に抑制することが可能になる。

図１０はさらに別の実施形態に係る運転制御状態を示すタイミングチャートである。

同図を参照して、この実施形態では、第２吸気カム４１ｃを作動させて、内部ＥＧＲを実現している。ここで、この態様では、第２吸気カム４１ｃの開弁タイミングを排気行程における排気弁６０の開弁タイミングよりも早めている。これにより、着火性の低い低中負荷運転状態では、比較的温度の高い内部ＥＧＲガスを供給することができ、着火性を向上させることが可能になる。そして、負荷が高くなるにつれて第１、第２吸気カム４１ｂ、４１ｃを遅角させ、両カム４１ｂ、４１ｃによる吸気弁４０の開弁タイミングを遅らせるようにしている。

なお、上述した図９および図１０の実施形態においても、高負荷側の運転領域では、図８と同様の制御になる。

尤も、図１０に示した実施形態においては、第２排気カム６２ｃや排気側のＶＶＬ７０を省略してもよい。

さらに、上述した図８なみ図１０のバルブ制御を、ターボチャージャを有するディーゼルエンジンに適用してもよい。

その他、本発明の特許請求の範囲で種々の変更が可能であることはいうまでもない。

本発明の実施の一形態に係る４サイクルガソリンエンジンの概略構成を示す構成図である。図１に係るエンジン本体の一つの気筒とそれに対し設けられた吸排気弁等の構造を示す断面略図である。図１の実施形態に係る吸気弁のＶＶＬの分解斜視図である。同ＶＶＬの正面断面図である。同ＶＶＬの平面断面図である。図１の実施形態に係る排気弁のＶＶＬの正面断面図である。図１の実施形態に係る運転状態に応じた制御を行うための運転領域設定の一例を示す特性図である。図１の実施形態に係る運転状態に応じた開弁タイミングの一例を示すタイミングチャートであり、（Ａ）は、通常運転時、（Ｂ）は、高負荷運転時、（Ｃ）はノッキング対策運転時をそれぞれ示している。本発明の別の実施形態に係る運転制御状態を示すタイミングチャートである。さらに別の実施形態に係る運転制御状態を示すタイミングチャートである。

１０４サイクルガソリンエンジン
２０エンジン本体
２４気筒
２４ａ吸気通路
２４ｂ排気通路
２５ピストン
２６燃焼室
２７クランク角センサ
３０吸気システム
４０吸気弁
４１動弁機構
４１ｂ第１吸気カム
４１ｃ第２吸気カム
５０排気システム
６０排気弁
６２動弁機構
６２ｂ第１排気カム
６２ｃ第２排気カム
６６アクセル開度センサ
７０ＶＶＬ（バルブタイミングリフト機構）
８０ターボチャージャ（過給機の一例）
８３インタークーラ
１００ＥＣＵ
１１０運転状態判定手段
１２０ＶＶＴ制御手段（バルブタイミング制御手段）
１２１ＶＶＬ制御手段（バルブリフト制御手段）

Claims

吸気行程で吸気弁を開く第１吸気カムと、この吸気行程での吸気弁の開弁に先立って少なくとも排気行程で吸気弁を開くとともに、遅くとも排気行程の上死点よりも前に吸気弁を閉じる第２吸気カムとを含む動弁機構と、
エンジンの運転状態に応じて前記動弁機構を制御する制御装置と、
エンジン本体への吸気を過給する過給機と、
過給された空気を冷却するインタークーラとを備え、
前記動弁機構は、前記第１吸気カムによる吸気弁開閉タイミング及び前記第２吸気カムによる吸気弁開閉タイミングを変更する可変バルブタイミング機構を有し、
前記制御装置は、前記第１吸気カムによる吸気弁開閉タイミング及び前記第２吸気カムによる吸気弁開閉タイミングをエンジン負荷が高くなるにつれて遅くするように前記バルブタイミング機構を制御するバルブタイミング制御手段を有し、
エンジンの少なくとも高負荷運転領域では、前記制御装置が、前記第１吸気カムによる吸気弁開閉動作に加えて前記第２吸気カムによる吸気弁開閉動作を行わせるように前記動弁機構を制御するとともに、前記バルブタイミング制御手段が、前記第１吸気カムによる吸気弁閉タイミングを、有効圧縮比が膨張比と比べて小さくなるように下死点より所定量以上遅いタイミングとするように前記可変バルブタイミング機構を制御することを特徴とする４サイクルエンジン。
請求項１記載の４サイクルエンジンにおいて、
前記動弁機構は、前記第２吸気カムによる吸気弁の開弁動作を停止可能なバルブタイミングリフト機構を有し、
前記制御装置は、エンジンの低負荷側の運転領域からエンジン全開領域を除く高負荷運転領域にまでわたり、第２吸気カムによる吸気弁の開弁動作を行わせ、エンジン全開領域では第２吸気カムによる吸気弁の開弁動作を停止させるように前記バルブタイミングリフト機構を制御するバルブリフト制御手段を有していることを特徴とする４サイクルエンジン。
請求項１記載の４サイクルエンジンにおいて、
前記動弁機構は、前記第２吸気カムによる吸気弁の開弁動作を停止可能なバルブタイミングリフト機構を有し、
前記制御装置は、エンジンの高速領域では第２吸気カムによる吸気弁の開弁動作を停止させるように前記バルブタイミングリフト機構を制御するバルブリフト制御手段を有していることを特徴とする４サイクルエンジン。
請求項２または３記載の４サイクルエンジンにおいて、
前記バルブタイミングリフト機構は、第２吸気カムと吸気弁との間において駆動伝達を遮断可能とするロストモーション機構を有することを特徴とする４サイクルエンジン。
吸気行程で吸気弁を開く第１吸気カムと、この吸気行程での吸気弁の開弁に先立って少なくとも排気行程で吸気弁を開くとともに、遅くとも排気行程の上死点よりも前に吸気弁を閉じる第２吸気カムとを含む動弁機構と、
エンジンの運転状態に応じて前記動弁機構を制御する制御装置とを備え、
前記動弁機構は、前記第２吸気カムによる吸気弁の開弁動作を停止可能な吸気側バルブタイミングリフト機構と、排気行程で排気弁を開く第１排気カムとは別に吸気行程で排気弁を開く第２排気カムと、前記第２排気カムによる排気弁の開弁動作を停止可能な排気側バルブタイミングリフト機構と、前記第１吸気カムによる吸気弁開閉タイミング及び前記第２吸気カムによる吸気弁開閉タイミングを変更する可変バルブタイミング機構とを有し、
前記制御装置は、
エンジンの低負荷側の運転領域では第２排気カムによる吸気行程での排気弁の開閉動作を行わせるとともに第２吸気カムによる排気行程での吸気弁の開弁動作を停止させ、エンジンの高負荷運転領域では第２吸気カムによる排気行程での吸気弁の開閉動作を行わせるとともに第２排気カムによる吸気行程での排気弁の開弁動作を停止させるように、前記吸気側及び排気側のバルブタイミングリフト機構を制御するバルブリフト制御手段と、
エンジンの少なくとも高負荷運転領域で、前記第１吸気カムによる吸気弁閉タイミングを、有効圧縮比が膨張比と比べて小さくなるように下死点より所定量以上遅いタイミングとするように前記可変バルブタイミング機構を制御するバルブタイミング制御手段とを有していることを特徴とする４サイクルエンジン。