JP2001065372A

JP2001065372A - 内燃機関のバルブ特性制御装置

Info

Publication number: JP2001065372A
Application number: JP24181599A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Nomura; 啓野村; Takeshi Okumura; 猛奥村; Takanobu Ueda; 貴宣植田; Masato Kawachi; 正人河内
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1999-08-27
Filing date: 1999-08-27
Publication date: 2001-03-13

Abstract

(57)【要約】【課題】燃焼方式が切り換えられる内燃機関において、
燃焼室に導入される排気が適正な状態に制御されず、燃
焼状態が悪化したり燃焼時に発生するＮＯx を効率よく
低減することが困難になったりするのを抑制する。【解決手段】吸気カムシャフト２１に設けられる吸気カ
ムの補助カム山により吸気バルブ１９が排気行程中に開
閉し、この開閉に基づき燃焼室１６に排気が導入され
る。この排気は、燃焼室１６内にてピストン１２の頭部
側ほど高濃度となるよう分布する。また、排気カムシャ
フト２２に設けられる排気カムの補助カム山により排気
バルブ２０が吸気行程中に開閉し、この開閉に基づき燃
焼室１６に排気が導入される。この排気は、燃焼室１６
内にてほぼ均等に分布する。そして、エンジン１１の燃
焼方式に基づき、吸気カムの補助カム山による吸気バル
ブ１９の開閉特性、及び排気カムの補助カム山による排
気バルブ２０の開閉特性が制御される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関の吸気バ
ルブや排気バルブの開閉特性を制御する内燃機関のバル
ブ特性制御装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、燃費向上を意図して理論空燃比よ
りもリーンな空燃比で混合気を燃焼させる、いわゆる希
薄燃焼を実行することが可能な内燃機関が提案され、実
用化されている。こうした希薄燃焼としては、燃料が空
気に対して均等に混合される均質混合気を理論空燃比よ
りもリーンな状態で燃焼させる「均質リーン燃焼」や、
点火プラグ周りのみ燃料濃度を高めることで平均空燃比
を大幅にリーン側の値としても着火性を確保することが
可能な成層混合気を燃焼させる「成層燃焼」などがあ
る。

【０００３】また、これら「成層燃焼」と「均質リーン
燃焼」とを、機関運転状態に応じて切り換えて実行する
ことも知られている。こうした「成層燃焼」や「均質リ
ーン燃焼」といった希薄燃焼を行う場合、混合気の空燃
比を理論空燃比よりもリーンにすべく、内燃機関のスロ
ットルバルブが理論空燃比での混合気の燃焼を行う場合
に比べて開き側に制御されるため、ポンピングロスが低
減されて燃費が向上するようになる。

【０００４】ところで、上記希薄燃焼においては、混合
気の燃焼によって発生する窒素酸化物（ＮＯx ）の量を
低減すべく、同混合気に排気を混合した状態で燃焼を行
うことが好ましい。このように混合気への排気の混合を
行う装置としては、例えば特開平１０−８９０３３号公
報に記載されたバルブ特性制御装置があげられる。

【０００５】同公報に記載のバルブ特性制御装置は、排
気カムシャフトに設けられて同シャフトと一体回転する
ことにより、内燃機関の排気バルブを開閉駆動する排気
カムを備えている。この排気カムには、排気行程中に排
気バルブを開閉するための主カム山が形成されるととも
に、同主カム山の回転方向後方に吸気行程中に排気バル
ブを開閉するための補助カム山が形成されている。

【０００６】この補助カム山により吸気行程中に排気バ
ルブが開閉されると、排気通路に流れた排気の一部が吸
気行程中に燃焼室に導入され、同排気が混合した状態で
の混合気の燃焼が行われるようになる。また、補助カム
山は、排気カムシャフトの軸線方向についての形状が異
なるものとされているため、排気カムシャフトを軸線方
向に変位させることで、補助カム山による排気バルブの
開閉特性を変更することが可能になる。

【０００７】このように構成されたバルブ特性制御装置
を希薄燃焼が行われる内燃機関に適用すれば、混合気に
排気を混合した状態で燃焼を行うことができ、燃焼時に
発生するＮＯx の量を低減することができる。また、エ
ンジン始動時か否か、及びアイドル運転時か否かなどの
機関運転状態に応じて排気カムシャフトを軸線方向に変
位させることで、補助カム山による排気バルブの開閉特
性を変更し、燃焼室に導入される排気を上記機関運転状
態に応じて制御することも可能になる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記公報に記載された
バルブ特性制御装置を、希薄燃焼にあっても「成層燃
焼」と「均質リーン燃焼」とで燃焼方式を切り換える内
燃機関に適用することも考えられる。しかし、「成層燃
焼」と「均質リーン燃焼」とでは、混合気に含まれる燃
料の分布状態が大きく異なる。そのため、上記のように
エンジン始動時か否か、及びアイドル運転時か否かなど
の機関運転状態に応じて燃焼室に導入される排気を制御
したとしても、燃焼室に導入される排気が上記燃焼方式
毎に適正な状態に制御されるとは限らない。燃焼方式を
「成層燃焼」と「均質リーン燃焼」とで切り換える内燃
機関において、燃焼室へ導入される排気が上記燃焼方式
毎に適正な状態に制御されないと、燃焼状態が悪化した
り燃焼時に発生するＮＯx を効率よく低減することが困
難になったりする。

【０００９】本発明はこのような実情に鑑みてなされた
ものであって、その目的は、燃焼方式が切り換えられる
内燃機関において、燃焼室に導入される排気が適正な状
態に制御されず、燃焼状態が悪化したり燃焼時に発生す
るＮＯx を効率よく低減することが困難になったりする
のを抑制することのできる内燃機関のバルブ特性制御装
置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】以下、上記目的を達成す
るための手段及びその作用効果について記載する。上記
目的を達成するため、請求項１記載の発明では、機関運
転状態に応じて燃焼方式が切り換えられる内燃機関に適
用され、同機関のカムシャフトに設けられたバルブ開閉
用のカムに主カム山を形成するとともに、同主カム山の
回転方向前方及び後方の少なくとも一方に補助カム山を
設け、前記補助カム山によるバルブ開閉特性を変更して
同機関の燃焼室に導入される排気を制御する内燃機関の
バルブ特性制御装置において、前記補助カム山によるバ
ルブ開閉特性を変更する変更手段と、前記燃焼室に導入
される排気が内燃機関の燃焼方式に適したものとなるよ
う、同機関の燃焼方式に基づき前記変更手段を制御する
制御手段とを備えた。

【００１１】同構成によれば、燃焼室に導入される排気
が内燃機関の燃焼方式に適した状態となるよう、補助カ
ム山によるバルブ開閉特性が同燃焼方式に基づき変更さ
れるため、燃焼方式が切り換えられる内燃機関にあって
も、燃焼室に導入される排気が不適正な状態になり、混
合気の燃焼状態が悪化したり燃焼時に発生するＮＯxの
低減が困難になったりするのを抑制することができる。

【００１２】請求項２記載の発明では、請求項１記載の
発明において、前記制御手段は、前記燃焼室内に導入さ
れる排気の同燃焼室内での分布状態が内燃機関の燃焼方
式に適したものとなるよう、内燃機関の燃焼方式に基づ
き前記変更手段を制御して前記補助カム山によるバルブ
開閉特性を変更するものとした。

【００１３】同構成によれば、燃焼室に導入される排気
の同燃焼室内での分布状態が内燃機関の燃焼方式に適し
たものになるよう、補助カム山によるバルブ開閉特性が
同燃焼方式に基づき変更されるため、燃焼方式が切り換
えられる内燃機関にあっても、燃焼室に導入される排気
が不適正な分布状態になり、混合気の燃焼状態が悪化し
たり燃焼時に発生するＮＯx の低減が困難になったりす
るのを抑制することができる。

【００１４】請求項３記載の発明では、請求項１又は２
記載の発明において、前記制御手段は、内燃機関の燃焼
方式が成層燃焼であるとき、吸気行程中に排気バルブが
開閉駆動されるよう、前記変更手段を制御して前記補助
カム山によるバルブ開閉特性を変更するものとした。

【００１５】成層燃焼においては、点火プラグ周りに多
量の排気があると同プラグ周りのガスに含まれる酸素の
量が少なくなり、これによって混合気の燃焼初期（火炎
が点火プラグ周りにあるとき）に燃焼状態が悪化してし
まう。成層燃焼時において吸気行程中に補助カム山によ
る排気バルブの開閉が行われる同構成によれば、吸気行
程中のピストンの移動に伴い燃焼室内に発生する負圧に
より、排気通路から燃焼室内へと排気が引かれて同燃焼
室への排気の導入が行われる。そのため、燃焼室内にお
ける排気は、点火プラグ周りでは少なく、且つピストン
頭部付近には多くなるよう分布する。従って、成層燃焼
中に点火プラグ周りのガスに含まれる酸素の量が過度に
少なくなり、混合気の燃焼初期に燃焼状態が悪化するの
を抑制することができるようになる。

【００１６】請求項４記載の発明では、請求項１〜３の
いずれかに記載の発明において、前記制御手段は、内燃
機関の燃焼方式が均質リーン燃焼であるとき、排気行程
中に吸気バルブが開閉駆動されるよう、前記変更手段を
制御して前記補助カム山によるバルブ開閉特性を変更す
るものとした。

【００１７】均質リーン燃焼においては、空気に対して
均等に燃料が含まれる混合気が燃焼するため、燃焼室内
に導入される排気を同燃焼室内に均等に近い状態で分布
させ、混合気の燃焼期間全体において燃焼時に発生する
ＮＯx を低減することが好ましい。均質リーン燃焼時に
おいて排気行程中に補助カム山による吸気バルブの開閉
が行われる同構成によれば、排気行程中のピストンの移
動に伴い排気の一部が吸気通路に流れ込み、吸気行程に
て上記排気が吸気通路から燃焼室に導入される。このよ
うに排気を一旦吸気通路に送り込んだ後に燃焼室に戻す
ようにすれば、吸気通路内にて排気と空気とが予め混合
されるため、燃焼室内では排気が均等に近い状態で分布
するようになる。従って、均質リーン燃焼中での混合気
の燃焼期間全体において、燃焼時に発生するＮＯx の量
を効率よく低減することができるようになる。

【００１８】請求項５記載の発明では、請求項２記載の
発明において、内燃機関の吸気カム及び排気カムにはそ
れぞれ補助カム山が設けられ、前記吸気カムの補助カム
山は排気行程中に吸気バルブを開閉駆動するものであ
り、前記排気カムの補助カム山は吸気行程中に排気バル
ブを開閉駆動するものであって、前記制御手段は、前記
燃焼室内での排気の分布状態が内燃機関の燃焼方式に適
したものとなるよう、同機関の燃焼方式に基づき前記変
更手段を制御して前記吸気カム及び前記排気カムの各補
助カム山によるバルブ開閉特性を変更するものとした。

【００１９】同構成によれば、吸気カムの補助カム山に
よる吸気バルブの開閉特性と、排気カムの補助カム山に
よる排気バルブの開閉特性との両方を変更することがで
き、こうした吸気及び排気バルブの開閉特性の変更によ
り、燃焼室に導入される排気の同燃焼室内での分布状態
が燃焼方式に適したものとされる。そのため、一層的確
に燃焼室内での排気の分布状態が燃焼方式に適したもの
とされ、混合気の燃焼状態が悪化したり燃焼時に発生す
るＮＯx の低減が困難になったりするのを一層的確に抑
制することができる。

【００２０】請求項６記載の発明では、請求項５記載の
発明において、前記制御手段は、内燃機関の燃焼方式が
成層燃焼であるときには前記燃焼室内の排気がピストン
頭部側ほど高濃度になり、同機関の燃焼方式が均質リー
ン燃焼であるときには燃焼室内の排気が均等に近い状態
で分布するよう、前記変更手段を制御して前記吸気カム
及び前記排気カムの各補助カム山によるバルブ開閉特性
を変更するものとした。

【００２１】成層燃焼においては、点火プラグ周りに多
量の排気があると同プラグ周りのガスに含まれる酸素の
量が少なくなり、これによって混合気の燃焼初期（火炎
が点火プラグ周りにあるとき）に燃焼状態が悪化してし
まう。また、均質リーン燃焼においては、空気に対して
均等に燃料が含まれる混合気が燃焼するため、燃焼室内
に導入される排気を同燃焼室内に均等に近い状態で分布
させ、混合気の燃焼期間全体において燃焼時に発生する
ＮＯx を低減することが好ましい。成層燃焼時に燃焼室
内の排気をピストン頭部側ほど高濃度にし、均質リーン
燃焼時に燃焼室内の排気を均等に近い状態で分布させる
同構成によれば、混合気の燃焼状態が悪化したり燃焼時
に発生するＮＯx の低減が困難になったりするのを的確
に抑制することができる。

【００２２】請求項７記載の発明では、請求項５又は６
記載の発明において、前記制御手段は、内燃機関の燃焼
方式が成層燃焼であるときには吸気行程中での前記排気
バルブの開閉駆動に基づき前記燃焼室に導入される排気
が均質リーン燃焼のときよりも多くなり、且つ圧縮行程
中での前記吸気バルブの開閉駆動に基づき前記燃焼室に
導入される排気が均質リーン燃焼のときよりも少なくな
るよう、前記変更手段を制御して前記吸気カム及び前記
排気カムの各補助カム山によるバルブ開閉特性を変更す
るものとした。

【００２３】吸気行程中に排気バルブが開いたときに
は、吸気行程中のピストンの移動に伴い燃焼室内に発生
する負圧により、排気通路から燃焼室内へと排気が引か
れて同燃焼室への排気の導入が行われる。そのため、燃
焼室内における排気は、点火プラグ周りでは少なく、且
つピストン頭部付近には多くなるよう分布する。また、
圧縮行程中に吸気バルブが開いたときには、排気行程中
のピストンの移動に伴い排気の一部が吸気通路に流れ込
み、吸気行程にて上記排気が吸気通路から燃焼室に導入
される。このように排気を一旦吸気通路に送り込んだ後
に燃焼室に戻すようにすれば、吸気通路内にて排気と空
気とが予め混合されるため、燃焼室内では排気が均等に
近い状態で分布するようになる。そのため、同構成によ
れば、成層燃焼時においては、燃焼室内の排気がピスト
ン頭部側ほと高濃度になる傾向が均質リーン燃焼時より
も強くなるとともに、同排気が燃焼室内で均等になる傾
向が均質リーン燃焼時よりも弱くなる。従って、燃焼方
式が切り換えられる内燃機関にあっても、混合気の燃焼
状態が悪化したり燃焼時に発生するＮＯx の低減が困難
になったりするのを抑制することができる。

【００２４】請求項８記載の発明では、請求項５〜７の
いずれかに記載の発明において、前記制御手段は、内燃
機関の燃焼方式が均質リーン燃焼であるときには吸気行
程中での前記排気バルブの開閉駆動に基づき前記燃焼室
に導入される排気が成層燃焼のときよりも少なくなり、
且つ圧縮行程中での前記吸気バルブの開閉駆動に基づき
前記燃焼室に導入される排気が成層燃焼のときよりも多
くなるよう、前記変更手段を制御して前記吸気カム及び
前記排気カムの各補助カム山によるバルブ開閉特性を変
更するものとした。

【００２５】同構成によれば、均質リーン燃焼時におい
ては、燃焼室内の排気がピストン頭部側ほど高濃度にな
る傾向が成層燃焼時よりも弱くなるとともに、同排気が
燃焼室内で均等になる傾向が成層燃焼時よりも強くな
る。従って、燃焼方式が切り換えられる内燃機関にあっ
ても、混合気の燃焼状態が悪化したり燃焼時に発生する
ＮＯx の低減が困難になったりするのを抑制することが
できる。

【００２６】請求項９記載の発明では、請求項５〜８の
いずれかに記載の発明において、前記排気カムの補助カ
ム山は、同カム山による排気バルブの開弁期間が吸気行
程初期に位置するプロフィールを有し、前記吸気カムの
補助カム山は、同カム山による吸気バルブの開弁期間が
前記排気バルブの開弁期間よりも長くなるプロフィール
を有するものとした。

【００２７】同構成によれば、吸気行程中に排気カムの
補助カム山により排気バルブが開くのは吸気行程の初期
であるため、吸気行程でのピストンの移動により排気通
路から燃焼室に引かれる排気は、燃焼室内にて的確にピ
ストン頭部側ほど高濃度となるように分布する。また、
排気行程中に吸気カムの補助カム山により吸気バルブが
開く期間は、上記排気カムの補助カム山による排気バル
ブの開弁期間よりも長くなるため、圧縮行程でのピスト
ンの移動により燃焼室から吸気通路に排気が的確に送り
込まれる。その結果、吸気通路内での排気と空気との混
合が的確に行われ、吸気行程中に吸気通路から燃焼室内
に導入される排気は、的確に燃焼室内で均等に近い状態
で分布する。

【００２８】請求項１０記載の発明では、請求項１〜９
のいずれかに記載の発明において、前記補助カム山は、
前記カムシャフトの軸線方向についての形状が異なるも
のであって、前記変更手段は、前記補助カム山を前記カ
ムシャフトの軸線方向に変位させることで、前記補助カ
ム山によるバルブ開閉特性を変更するものであるものと
した。

【００２９】同構成によれば、補助カム山をカムシャフ
トの軸線方向に変位させることで、同補助カム山による
バルブ開閉特性の変更を的確に行うことができる。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下、本発明を直列４気筒の自動
車用直噴ガソリンエンジンに適用した一実施形態を図１
〜図９に従って説明する。

【００３１】図１に示すように、エンジン１１は、その
シリンダブロック１１ａ内に往復移動可能に設けられた
合計四つのピストン１２（図１には一つのみ図示）を各
気筒毎に備えている。これらピストン１２は、コンロッ
ド１３を介して出力軸であるクランクシャフト１４に連
結されている。そして、ピストン１２の往復移動は、上
記コンロッド１３によってクランクシャフト１４の回転
へと変換されるようになっている。

【００３２】クランクシャフト１４にはシグナルロータ
１４ａが取り付けられている。このシグナルロータ１４
ａの外周部には、複数の突起１４ｂがクランクシャフト
１４の軸線を中心とする等角度毎に設けられている。ま
た、シグナルロータ１４ａの側方には、クランクポジシ
ョンセンサ１４ｃが設けられている。そして、クランク
シャフト１４が回転して、シグナルロータ１４ａの各突
起１４ｂが順次クランクポジションセンサ１４ｃの側方
を通過することにより、同センサ１４ｃからはそれら各
突起１４ｂの通過に対応したパルス状の検出信号が出力
されるようになる。

【００３３】また、シリンダブロック１１ａの上端には
シリンダヘッド１５が設けられ、シリンダヘッド１５と
ピストン１２との間には燃焼室１６が設けられている。
この燃焼室１６には吸気通路３２及び排気通路３３が接
続されている。そして、燃焼室１６と吸気通路３２とは
吸気バルブ１９の開閉動作によって連通・遮断され、燃
焼室１６と排気通路３３とは排気バルブ２０の開閉動作
によって連通・遮断される。

【００３４】一方、シリンダヘッド１５には、上記吸気
バルブ１９及び排気バルブ２０を開閉駆動するための吸
気カムシャフト２１及び排気カムシャフト２２が回転可
能に支持されている。これら吸気及び排気カムシャフト
２１，２２は、タイミングベルト及びギヤ（共に図示せ
ず）等を介してクランクシャフト１４に連結され、同ベ
ルト及びギヤ等によりクランクシャフト１４の回転が伝
達されるようになる。そして、吸気カムシャフト２１が
回転すると吸気バルブ１９が開閉動作し、排気カムシャ
フト２２が回転すると排気バルブ２０が開閉動作する。

【００３５】シリンダヘッド１５において、吸気カムシ
ャフト２１の側方には、同シャフト２１の外周面に設け
られた突起２１ａを検出して検出信号を出力するカムポ
ジションセンサ２１ｂが設けられている。そして、吸気
カムシャフト２１が回転すると、同シャフト２１の突起
２１ａがカムポジションセンサ２１ｂの側方を通過す
る。この状態にあっては、カムポジションセンサ２１ｂ
から上記突起２１ａの通過に対応して所定間隔毎に検出
信号が出力されるようになる。

【００３６】吸気通路３２の上流部分には、エンジン１
１の吸入空気量を調整するためのスロットルバルブ２３
が設けられている。このスロットルバルブ２３の開度
は、アクセルポジションセンサ２６によって検出される
アクセルペダル２５の踏込量（アクセル踏込量）に基づ
きスロットル用モータ２４を駆動制御することで調節さ
れる。こうしたスロットルバルブ２３の開度調節によ
り、エンジン１１の吸入空気量が調整される。また、吸
気通路３２においてスロットルバルブ２３の下流側に位
置する部分には、同通路３２内の圧力を検出するバキュ
ームセンサ３６が設けられている。そして、バキューム
センサ３６は検出した吸気通路３２内の圧力に対応した
検出信号を出力する。

【００３７】また、シリンダヘッド１５には、燃焼室１
６内に燃料を噴射供給する燃料噴射弁４０と、燃焼室１
６内に充填される燃料と空気とからなる混合気に対して
点火を行う点火プラグ４１とが設けられている。そし
て、燃料噴射弁４０から燃焼室１６内へ燃料が噴射され
ると、同燃料が吸気通路３２を介して燃焼室１６に吸入
された空気と混ぜ合わされ、燃焼室１６内で空気と燃料
とからなる混合気が形成される。更に、燃焼室１６内の
混合気は点火プラグ４１によって点火がなされて燃焼
し、燃焼後の混合気は排気として排気通路３３に送り出
される。

【００３８】このエンジン１１においては、機関運転状
態に応じて燃焼方式が切り換えられる。即ち、エンジン
１１の運転状態が高出力を要求される高回転高負荷領域
にあるときには、混合気を理論空燃比で燃焼させること
で高出力を得ることが可能なストイキ燃焼が実行され
る。また、エンジン１１の運転状態があまり高出力を要
求されない低回転低負荷領域にあるときには、混合気を
理論空燃比よりもリーンな状態で燃焼させることが可能
な希薄燃焼を実行する。

【００３９】こうした希薄燃焼にあっては、混合気の空
燃比をリーンにすべくスロットルバルブがストイキ燃焼
時に比べて開き側に制御されるため、ポンピングロスが
低減して燃費が向上する。このように機関運転状態に応
じて燃焼方式を切り換えることで、必要なエンジン出力
を得ることと燃費を向上させることとの両立が図られ
る。

【００４０】上述した希薄燃焼としては、燃料が空気に
対して均等に混合される均質混合気を理論空燃比よりも
リーンな状態で燃焼させる「均質リーン燃焼」や、点火
プラグ４１周りのみ燃料濃度を高めることで平均空燃比
を大幅にリーン側の値としても着火性を確保することが
可能な成層混合気を燃焼させる「成層燃焼」などがあ
る。上記エンジン１１においては、希薄燃焼が行われる
運転領域にあるときには、機関運転状態に応じて燃焼方
式が「均質リーン燃焼」と「成層燃焼」との間で切り換
えられる。

【００４１】即ち、希薄燃焼が行われるエンジン１１の
運転領域にあって、低回転低負荷側では「成層燃焼」が
行われ、それ以外では「均質リーン燃焼」が行われるよ
うになる。従って、エンジン１１の燃焼方式は、高回転
高負荷になるほど「成層燃焼」、「均質リーン燃焼」、
「ストイキ燃焼」へと順次燃焼方式が変化する。こうし
た態様で燃焼方式を切り換えることで、必要なエンジン
出力を得ることと燃費を向上させることとの両立が一層
的確に図られるようになる。

【００４２】ところで、「均質リーン燃焼」や「成層燃
焼」といった希薄燃焼が行われるときには、混合気の燃
焼時に発生する窒素酸化物（ＮＯx ）を低減すべく、同
混合気に排気を混合した状態で燃焼を行うことが好まし
い。このように混合気への排気の混合を行うため、排気
行程中に吸気バルブ１９を開閉させたり、吸気行程中に
排気バルブ２０を開閉させたりすることが行われる。

【００４３】即ち、排気行程中に吸気バルブ１９を開閉
させると、排気行程でのピストン１２の移動により燃焼
室１６内の排気の一部が吸気通路３２に流れ込み、その
後の吸気行程にて上記排気が空気とともに吸気通路３２
から燃焼室１６内に導入される。また、吸気行程中に排
気バルブ２０を開閉させると、吸気行程でのピストン１
２の移動に伴い燃焼室１６内に発生する負圧により、排
気通路３３から燃焼室１６内へと排気が引かれて同燃焼
室１６に排気が導入される。こうして燃焼室１６に排気
を導入し、同排気を混合した状態で混合気の燃焼を行う
ことで、混合気の燃焼時に発生するＮＯx の量を低減す
ることができるようになる。

【００４４】次に、上記吸気バルブ１９及び排気バルブ
２０、並びにそれらバルブ１９，２０を開閉させる構造
について図２〜図８を参照して詳しく説明する。図２
は、燃焼室１６に対する吸気通路３２及び排気通路３３
の接続状態を示す断面図である。図２から明らかなよう
に、吸気通路３２は二つに分岐した状態で燃焼室１６に
接続され、この二つに分岐した吸気通路３２と燃焼室１
６との間にそれぞれ吸気バルブ１９が設けられている。
また、排気通路３３も二つに分岐した状態で燃焼室１６
に接続され、この二つに分岐する排気通路３３と燃焼室
１６の間にそれぞれ排気バルブ２０が設けられている。
なお、二つに分岐する排気通路３３は下流側で合流して
一つになっている。このエンジン１１においては、一気
筒につき二つづつ吸気バルブ１９及び排気バルブ２０が
設けられることとなる。

【００４５】ここで、上記吸気バルブ１９を開閉する構
造を図４及び図５に示す。なお、図４は吸気カムシャフ
ト２１及びそれを軸線方向に変位させる構造を示すもの
であり、図５は吸気カムシャフト２１に設けられた吸気
カム５１を示すものである。

【００４６】図４に示すように、吸気カムシャフト２１
には一つの気筒毎に二つづつ吸気カム５１が設けられて
いる（図４には一気筒分の吸気カム５１のみ図示）。そ
れら一気筒分の吸気カム５１は、各気筒にそれぞれ二つ
づつ設けられる吸気バルブ１９（図４には図示せず）の
上端に対応して位置している。そして、吸気カムシャフ
ト２１の回転に伴い吸気カム５１が回転すると、同吸気
カム５１により吸気バルブ１９が押されて、同バルブ１
９が開閉動作するようになる。

【００４７】図５に示すように、吸気カム５１には吸気
行程中に吸気バルブ１９を開閉させるための主カム山５
１ａが形成されている。また、一つの気筒に対応して設
けられた二つの吸気カム５１のうちの一方には、吸気カ
ム５１の回転方向（図中に矢印Ａで示す方向）において
上記主カム山５１ａよりも前方に、排気行程中に吸気バ
ルブ１９を開閉させるための補助カム山５１ｂが形成さ
れている。この補助カム山５１ｂにおいては、そのプロ
フィールが吸気カムシャフト２１の軸線方向について連
続的に変化している。そのため、補助カム山５１ｂを吸
気カムシャフト２１の軸線方向に変位させることで、同
補助カム山５１ｂによる吸気バルブ１９の開閉特性を変
更することが可能になる。

【００４８】上記吸気カム５１による吸気バルブ１９の
開閉特性を図３に示す。図３は、補助カム山５１ｂが形
成される吸気カム５１の位相変化に対し、吸気バルブ１
９のバルブリフト量がどのように変化をするかを示すグ
ラフである。同図から明らかなように、吸気バルブ１９
は、排気行程では補助カム山５１ｂにより開閉するとと
もに、吸気行程では主カム山５１ａにより開閉する。補
助カム山５１ｂによる吸気バルブ１９の開弁期間は排気
行程のほぼ全体に亘っている。

【００４９】このように吸気バルブ１９が排気行程中に
開くと、排気行程でのピストン１２の移動により燃焼室
１６内の排気の一部が吸気通路３２に流れ込み、吸気行
程にて上記排気が吸気通路３２から燃焼室１６内に導入
される。このように排気を一旦吸気通路３２に送り込ん
だ後に燃焼室１６に戻すようにすれば、吸気通路３２内
にて排気と空気とが予め混合されるため、燃焼室１６内
では排気が均等に近い状態で分布する。そして、この排
気と混合された状態で混合気の燃焼が行われる。

【００５０】上記混合気に混合される排気の量は、補助
カム山５１ｂを吸気カムシャフト２１の軸線方向に変位
させ、補助カム山５１ｂによる吸気バルブ１９のリフト
量を変更するなど、補助カム５１ｂによる吸気バルブ１
９の開閉特性を変更することにより調整される。即ち、
補助カム山５１ｂによる吸気バルブ１９の開閉特性（バ
ルブリフト量等）を変更すると、排気行程中に吸気通路
３２に流れ込む排気の量が変化し、吸気行程で吸気通路
３２から燃焼室１６に導入される排気の量が変化して混
合気に混合される排気の量が調整されるようになる。

【００５１】次に、補助カム山５１ｂを吸気カムシャフ
ト２１の軸線方向に変位させる装置について説明する。
図４に示すように、同装置は吸気カムシャフト２１をそ
の軸線方向に移動させるシリンダ５２と、このシリンダ
５２に対するオイル供給により同シリンダ５２を駆動す
るオイル供給装置５３とを備えている。

【００５２】上記シリンダ５２においては、そのシリン
ダチューブ５４内が吸気カムシャフト２１に連結される
ピストン５５によって、第１及び第２の圧力室５６，５
７に区画されている。そして、第１及び第２の圧力室５
６，５７に対して選択的にオイルを供給することによ
り、ピストン５５が移動して吸気カムシャフト２１がそ
の軸線方向に移動する。このように吸気カムシャフト２
１を移動させることで、補助カム山５１ｂが吸気カムシ
ャフト２１の軸線方向に変位するようになる。

【００５３】また、上記オイル供給装置５３は、オイル
を吐出するオイルポンプ５８と、第１及び第２の圧力室
５６，５７に対する上記オイルポンプ５８の接続状態を
切り換えるオイルコントロールバルブ（ＯＣＶ）５９と
を備えている。このＯＣＶ５９は、コイルスプリング６
０及び電磁ソレノイド６１を備え、電磁ソレノイド６１
に対する印加電圧のデューティ制御を行うことで切換動
作するものである。

【００５４】即ち、電磁ソレノイド６１に対する印加電
圧のデューティ比を「１００％」にすると、オイルポン
プ５８が第２の圧力室５７と接続される状態にＯＣＶ５
９が切り換えられる。この状態にあっては、オイルポン
プ５８によって第２の圧力室５７にオイルが供給される
とともに、第１の圧力室５６内からオイルが排出される
こととなる。その結果、ピストン５５が吸気カムシャフ
ト２１をシリンダ５２から突出させる方向に移動し、補
助カム山５１ｂが吸気カムシャフト２１の軸線方向（図
中左側）に変位する。この場合、補助カム山５１ｂによ
る吸気バルブ１９のリフト量が小さくなるよう吸気バル
ブ１９の開閉特性が変化し、排気行程中での吸気バルブ
１９の開閉に基づき燃焼室１６に導入される排気の量が
少なくなる。

【００５５】また、電磁ソレノイド６１に対する印加電
圧のデューティ比を「０％」にすると、オイルポンプ５
８が第１の圧力室５６と接続される状態にＯＣＶ５９が
切り換えられる。この状態にあっては、オイルポンプ５
８から吐出されるオイルが第１の圧力室５６に供給され
るととともに、第２の圧力室５７からオイルが排出され
ることとなる。その結果、ピストン５５が吸気カムシャ
フト２１をシリンダ５２内に没入させる方向に移動し、
補助カム山５１ｂが吸気カムシャフト２１の軸線方向
（図中右側）に変位する。この場合、補助カム山５１ｂ
による吸気バルブ１９のリフト量が大きくなるよう吸気
バルブ１９の開閉特性が変化し、排気行程中での吸気バ
ルブ１９の開閉に基づき燃焼室１６に導入される排気の
量が多くなる。

【００５６】更に、電磁ソレノイド６１に対する印加電
圧のデューティ比を「５０％」にすると、第１及び第２
の圧力室５６，５７に対するオイルの給排が禁止される
状態にＯＣＶ５９が切り換えられる。この状態にあって
は、シリンダチューブ５４に対するピストン５５の相対
位置が固定され、補助カム山５１ｂの位置も固定され
る。そのため、補助カム山５１ｂによる吸気バルブ１９
のリフト量が一定に維持され、排気行程中での吸気バル
ブ１９の開閉に基づき燃焼室１６内に導入される排気の
量も一定に維持される。

【００５７】次に、排気バルブ２０を開閉する構造を図
６及び図７に示す。なお、図６は排気カムシャフト２２
及びそれを軸線方向に変位させる構造を示すものであ
り、図７は排気カムシャフト２２に設けられた排気カム
７１を示すものである。

【００５８】図６に示すように、吸気カムシャフト２１
には一つの気筒毎に二つづつ排気カム７１が設けられて
いる（図６には一気筒分の排気カム７１のみ図示）。そ
れら一気筒分の排気カム７１は、各気筒にそれぞれ二つ
づつ設けられる排気バルブ２０（図６には図示せず）の
上端に対応して位置している。そして、排気カムシャフ
ト２２の回転に伴い排気カム７１が回転すると、同排気
カム７１により排気バルブ２０が押されて、同バルブ２
０が開閉動作するようになる。

【００５９】図７に示すように、排気カム７１には排気
行程中に排気バルブ２０を開閉させるための主カム山７
１ａが形成されている。また、一つの気筒に対応して設
けられた二つの排気カム７１のうちの一方には、排気カ
ム７１の回転方向（図中に矢印Ｂで示す方向）において
上記主カム山７１ａよりも後方に、吸気行程中に排気バ
ルブ２０を開閉させるための補助カム山７１ｂが形成さ
れている。この補助カム山７１ｂにおいては、そのプロ
フィールが排気カムシャフト２２の軸線方向について連
続的に変化している。そのため、補助カム山７１ｂを排
気カムシャフト２２の軸線方向に変位させることで、同
補助カム山７１ｂによる排気バルブ２０の開閉特性を変
更することが可能になる。

【００６０】上記排気カム７１による排気バルブ２０の
開閉特性を図８に示す。図８は、補助カム山７１ｂが形
成される排気カム７１の位相変化に対し、排気バルブ２
０のバルブリフト量がどのように変化をするかを示すグ
ラフである。同図から明らかなように、排気バルブ２０
は、排気行程では主カム山７１ａにより開閉するととも
に、吸気行程では補助カム山７１ｂにより開閉する。補
助カム山７１ｂによる排気バルブ２０の開弁期間は吸気
行程初期に位置している。

【００６１】このように排気バルブ２０が吸気行程中に
開くと、吸気行程でのピストン１２の移動に伴い燃焼室
１６内に発生する負圧により、排気通路３３から燃焼室
１６内へと排気が引かれて同燃焼室１６への排気の導入
が行われる。そのため、燃焼室室１６内における排気
は、点火プラグ４１周りでは少なく、且つピストン１２
の頭部付近には多くなるよう分布する。そして、この排
気と混合された状態で混合気の燃焼が行われる。

【００６２】上記混合気に混合される排気の量は、補助
カム山７１ｂを排気カムシャフト２２の軸線方向に変位
させ、補助カム山７１ｂによる吸気バルブ１９のリフト
量を変更するなど、補助カム山７１ｂによる排気バルブ
２０の開閉特性を変更することにより調整される。即
ち、補助カム山７１ｂによる排気バルブ２０の開閉特性
（バルブリフト量等）を変更すると、吸気行程中に排気
通路３３から燃焼室１６内に導入される排気の量が変化
し、混合気に混合される排気の量が調整されるようにな
る。

【００６３】次に、補助カム山７１ｂを排気カムシャフ
ト２２の軸線方向に変位させる装置について説明する。
図６に示すように、同装置は排気カムシャフト２２をそ
の軸線方向に移動させるシリンダ７２と、このシリンダ
７２に対するオイル供給により同シリンダ７２を駆動す
るオイル供給装置７３とを備えている。なお、これらシ
リンダ７２及びオイル供給装置７３は、吸気カム５１の
補助カム山５１ｂを吸気カムシャフト２１の軸線方向に
変位させるシリンダ５２及びオイル供給装置５３と同じ
構成となている。

【００６４】即ち、上記シリンダ７２においては、シリ
ンダ５２と同様にシリンダチューブ７４、ピストン７
５、並びに第１及び第２の圧力室７６，７７を備え、同
ピストン７５が排気カムシャフト２２と連結されている
ことのみがシリンダ５２と異なっている。そして、第１
及び第２の圧力室７６，７７に対して選択的にオイルを
供給することにより、ピストン７５が移動して排気カム
シャフト２２がその軸線方向に移動する。このように排
気カムシャフト２２を移動させることで、補助カム山７
１ｂが排気カムシャフト２２の軸線方向に変位するよう
になる。

【００６５】また、上記オイル供給装置７３も、オイル
供給装置５３と同様にオイルポンプ５８、並びにコイル
スプリング８０と電磁ソレノイド８１とが設けられたオ
イルコントロールバルブ（ＯＣＶ）７９を備えている。

【００６６】そして、電磁ソレノイド８１に対する印加
電圧のデューティ比を「１００％」にすると、オイルポ
ンプ５８が第２の圧力室７７と接続される状態にＯＣＶ
７９が切り換えられる。この状態にあっては、オイルポ
ンプ５８によって第２の圧力室７７にオイルが供給され
るとともに、第１の圧力室７６内からオイルが排出され
ることとなる。その結果、ピストン７５が排気カムシャ
フト２２をシリンダ７２から突出させる方向に移動し、
補助カム山７１ｂが排気カムシャフト２２の軸線方向
（図中左側）に変位する。この場合、補助カム山７１ｂ
による排気バルブ２０のリフト量が小さくなるようは排
気バルブ２０の開閉特性が変化し、吸気行程中での排気
バルブ２０の開閉に基づき燃焼室１６に導入される排気
の量が少なくなる。

【００６７】また、電磁ソレノイド８１に対する印加電
圧のデューティ比を「０％」にすると、オイルポンプ５
８が第１の圧力室７６と接続される状態にＯＣＶ７９が
切り換えられる。この状態にあっては、オイルポンプ５
８から吐出されるオイルが第１の圧力室７６に供給され
るととともに、第２の圧力室７７からオイルが排出され
ることとなる。その結果、ピストン７５が排気カムシャ
フト２２をシリンダ７２内に没入させる方向に移動し、
補助カム山７１ｂが排気カムシャフト２２の軸線方向
（図中右側）に変位する。この場合、補助カム山７１ｂ
による排気バルブ２０のリフト量が大きくなるよう排気
バルブ２０の開閉特性が変化し、吸気行程中での排気バ
ルブ２０の開閉に基づき燃焼室１６に導入される排気の
量が多くなる。

【００６８】更に、電磁ソレノイド８１に対する印加電
圧のデューティ比を「５０％」にすると、第１及び第２
の圧力室７６，７７に対するオイルの給排が禁止される
状態にＯＣＶ７９が切り換えられる。この状態にあって
は、シリンダチューブ７４に対するピストン７５の相対
位置が固定され、補助カム山７１ｂの位置も固定され
る。そのため、補助カム山７１ｂによる排気バルブ２０
のリフト量が一定に維持され、吸気行程中での排気バル
ブ２０の開閉に基づき燃焼室１６内に導入される排気の
量も一定に維持される。

【００６９】次に、本実施形態におけるバルブ特性制御
装置の電気的構成について図９に基づき説明する。この
バルブ特性制御装置は、燃料噴射制御などエンジン１１
の運転状態を制御するための電子制御ユニット（以下
「ＥＣＵ」という）９２を備えている。このＥＣＵ９２
は、ＲＯＭ９３、ＣＰＵ９４、ＲＡＭ９５及びバックア
ップＲＡＭ９６等を備える算術論理演算回路として構成
されている。

【００７０】ここで、ＲＯＭ９３は各種制御プログラム
や、それら各種制御プログラムを実行する際に参照され
るマップ等が記憶されたメモリであり、ＣＰＵ９４はＲ
ＯＭ９３に記憶された各種制御プログラムやマップに基
づいて演算処理を実行する。また、ＲＡＭ９５はＣＰＵ
９４での演算結果や各センサから入力されたデータ等を
一時的に記憶するメモリであり、バックアップＲＡＭ９
６はエンジン１１の停止時にその保存すべきデータ等を
記憶する不揮発性のメモリである。そして、ＲＯＭ９
３、ＣＰＵ９４、ＲＡＭ９５及びバックアップＲＡＭ９
６は、バス９７を介して互いに接続されるとともに、外
部入力回路９８及び外部出力回路９９と接続されてい
る。

【００７１】外部入力回路９８には、クランクポジショ
ンセンサ１４ｃ、カムポジションセンサ２１ｂ、アクセ
ルポジションセンサ２６、及びバキュームセンサ３６等
が接続されている。また、外部出力回路９９には、燃料
噴射弁４０、及びＯＣＶ５９，７９等が接続されてい
る。

【００７２】このように構成されたＥＣＵ９２は、クラ
ンクポジションセンサ１４ｃからの検出信号に基づきエ
ンジン回転数ＮＥを求める。また、アクセルポジション
センサ２６からの検出信号に基づきアクセル踏込量ＡＣ
ＣＰを求めるとともに、バキュームセンサ３６からの検
出信号に基づき吸気圧ＰＭを求める。

【００７３】そして、燃焼方式が「成層燃焼」及び「均
質リーン燃焼」であるときには、アクセル踏込量ＡＣＣ
Ｐとエンジン回転数ＮＥとに基づき、エンジン負荷に対
応した値となる基本燃料噴射量Ｑbse を算出する。こう
して算出される基本燃料噴射量Ｑbse は、アクセル踏込
量ＡＣＣＰが大きくなるとともにエンジン回転数ＮＥが
高くなるほど大きい値になる。そして、ＥＣＵ９２は、
上記基本燃料噴射量Ｑbse から求められる最終燃料噴射
量Ｑfin 等に基づき燃料噴射弁４０を駆動制御すること
で、「成層燃焼」や「均質リーン燃焼」に適した燃料噴
射を行う。

【００７４】また、燃焼方式が「ストイキ燃焼」である
ときには、吸気圧ＰＭとエンジン回転数ＮＥとに基づ
き、エンジン負荷に対応した値となる基本燃料噴射量Ｑ
bse を算出する。こうして算出される基本燃料噴射量Ｑ
bse は、吸気圧ＰＭが高くなるとともにエンジン回転数
ＮＥが高くなるほど大きい値になる。そして、ＥＣＵ９
２は、上記基本燃料噴射量Ｑbse から求められる最終燃
料噴射量Ｑfin 等に基づき燃料噴射弁４０を駆動制御す
ることで、「ストイキ燃焼」に適した燃料噴射を行う。

【００７５】エンジン１１の燃焼方式が「成層燃焼」で
あるとき、点火プラグ４１周りに多量の排気があると同
プラグ４１周りのガスに含まれる酸素の量が少なくな
り、これによって混合気の燃焼初期（火炎が点火プラグ
４１周りにあるとき）に燃焼状態が悪化してしまう。そ
のため、燃焼方式が「成層燃焼」であるときには、燃焼
室１６内の排気がピストン１２の頭部側ほど高濃度にな
るよう同排気を分布させることが好ましい。これに対
し、燃焼方式が「均質リーン燃焼」であるときには、空
気に対して均等に燃料が含まれる混合気が燃焼するた
め、燃焼室１６内の排気を同燃焼室１６内に均等に近い
状態で分布させ、混合気の燃焼期間全体において燃焼時
に発生するＮＯx の量を低減することが好ましい。

【００７６】ＥＣＵ９２は、エンジン１１の燃焼方式に
基づきＯＣＶ５９，７９を駆動制御し、燃焼室１６に導
入される排気を燃焼方式に適した状態、即ち燃焼室１６
内での同排気の分布状態を燃焼方式に適した状態に制御
する。

【００７７】上記ＯＣＶ５９の駆動制御により、吸気カ
ムシャフト２１を自身の軸線方向に移動させると、吸気
カム５１の補助カム山５１ｂによる排気行程中での吸気
バルブ１９の開閉特性（バルブリフト量）が変化する。
この補助カム山５１ｂによる吸気バルブ１９のリフト量
が大きくなるほど、吸気通路３２から燃焼室１６に導入
される排気の量が多くなり、燃焼室１６内の排気が均等
に分布する傾向が強くなる。

【００７８】また、上記ＯＣＶ７９の駆動制御により、
排気カムシャフト２２を自身の軸線方向に移動させる
と、排気カム７１の補助カム山７１ｂによる吸気行程中
での排気バルブ２０の開閉特性（バルブリフト量）が変
化する。この補助カム山７１ｂによる排気バルブ２０の
リフト量が大きくなるほど、排気通路３３から燃焼室１
６に導入される排気が多くなり、燃焼室１６内の排気が
ピストン１２の頭部側ほど高濃度になるように分布する
傾向が強くなる。

【００７９】エンジン１１の燃焼方式が「均質リーン燃
焼」であるとき、ＥＣＵ９２は、ＯＣＶ５９，７９を駆
動制御して吸気及び排気カムシャフト２１，２２を変位
させ、吸気カム５１の補助カム山５１ｂによる吸気バル
ブ１９のリフト量、及び排気カム７１の補助カム山７１
ｂによる排気バルブ２０のリフト量を「均質リーン燃
焼」に適したものとする。その結果、排気行程中に吸気
カム５１の補助カム山５１ｂにより、吸気バルブ１９が
図３に実線で示すリフト量で排気行程のほぼ全体に亘っ
て開くようになる。更に、吸気行程中に排気カム７１の
補助カム山７１ｂにより、排気バルブ２０が図８に実線
で示すリフト量で吸気行程初期のみに開くようになる。
このように吸気バルブ１９が排気行程中に開くととも
に、排気バルブ２０が吸気行程中に開くことに基づき、
燃焼室１６内に排気が導入されて同排気が混合された状
態で混合気の燃焼が行われることとなる。

【００８０】また、エンジン１１の燃焼方式が「成層燃
焼」であるとき、ＥＣＵ９２は、ＯＣＶ５９，７９を駆
動制御して吸気及び排気カムシャフト２１，２２を変位
させ、吸気カム５１の補助カム山５１ｂによる吸気バル
ブ１９のリフト量、及び排気カム７１の補助カム山７１
ｂによる排気バルブ２０のリフト量を「成層燃焼」に適
したものとする。その結果、排気行程中に吸気カム５１
の補助カム山５１ｂにより、吸気バルブ１９が図３に二
点鎖線で示すリフト量で排気行程のほぼ全体に亘って開
くようになる。この「成層燃焼」時における排気行程中
の吸気バルブ１９の開閉特性においては、同バルブ１９
のリフト量が図中実線で示す「均質リーン燃焼」時の開
閉特性におけるリフト量よりも小さいものとなる。

【００８１】更に、「成層燃焼」時においては、吸気行
程中に排気カム７１の補助カム山７１ｂにより、排気バ
ルブ２０が図８に二点鎖線で示すリフト量で吸気行程初
期のみに開くようになる。この「成層燃焼」時における
吸気行程中の排気バルブ２０の開閉特性においては、同
バルブ２０のリフト量が図中実線で示す「均質リーン燃
焼」時の開閉特性におけるリフト量よりも大きいものと
なる。

【００８２】上記のようなバルブ開閉特性となる「成層
燃焼」時には、排気行程中の吸気バルブ１９の開弁に基
づき燃焼室１６に導入される排気の量が「均質リーン燃
焼」時よりも少なくなり、吸気行程中の排気バルブ２０
の開弁に基づき燃焼室１６に導入される排気の量が「均
質リーン燃焼」時よりも多くなる。そのため、「成層燃
焼」時においては、燃焼室１６内の排気がピストン１２
の頭部側ほど高濃度となるように分布する傾向が「均質
リーン燃焼」時よりも強くなるとともに、同排気が燃焼
室１６内で均等に分布する傾向が「均質リーン燃焼」時
よりも弱くなる。従って、「成層燃焼」時には、燃焼室
１６内の排気がピストン１２の頭部側ほど高濃度とな
り、点火プラグ４１周りに過度に多量の排気が存在して
混合気の燃焼初期に燃焼状態が悪化するのを抑制するこ
とができる。

【００８３】一方、図３に実線で示される「均質リーン
燃焼」時における排気行程中での吸気バルブ１９の開閉
特性は、同バルブ１９のリフト量が同図に二点鎖線で示
す「成層燃焼」時の開閉特性におけるリフト量よりも大
きいものとなる。更に、図８に実線で示される「均質リ
ーン燃焼」時における吸気行程中での排気バルブ２０の
開閉特性は、同バルブ２０のリフト量が同図に二点鎖線
で示す「成層燃焼」時の開閉特性におけるリフト量より
も小さいものとなる。

【００８４】上記のようなバルブ開閉特性となる「均質
リーン燃焼」時には、排気行程中の吸気バルブ１９の開
弁に基づき燃焼室１６に導入される排気の量が「成層燃
焼」時よりも多くなり、吸気行程中の排気バルブ２０の
開弁に基づき燃焼室１６内に導入される排気の量が「成
層燃焼」時よりも少なくなる。そのため、「均質リーン
燃焼」時においては、燃焼室１６内の排気がピストン１
２の頭部側ほど高濃度となるように分布する傾向が「成
層燃焼」時よりも弱くなるとともに、同排気が燃焼室１
６内で均等に分布する傾向が「成層燃焼」時よりも強く
なる。従って、「均質リーン燃焼」時には、燃焼室１６
内に導入される排気を均等に近い状態で分布させ、混合
気の燃焼期間全体において燃焼時に発生するＮＯx の量
を効率よく低減することができる。

【００８５】なお、燃焼方式が「成層燃焼」と「均質リ
ーン燃焼」とのいずれの場合であっても、ＥＣＵ９２
は、基本燃料噴射量Ｑbse （機関負荷）及びエンジン回
転数ＮＥ等の機関運転状態に応じてＯＣＶ５９，７９を
駆動制御し、排気行程中での補助カム山５１ｂによる吸
気バルブ１９の開閉、及び吸気行程中での補助カム山７
１ｂによる排気バルブ２０の開閉に基づく燃焼室１６へ
の排気の導入を機関運転状態に応じて適切なものとす
る。このように機関運転状態に応じて燃焼室１６への排
気の導入を制御した場合、補助カム山５１ｂによる吸気
バルブ１９の開閉特性、及び補助カム山７１ｂによる排
気バルブ２０の開閉特性は、図３及び図８に実線及び二
点鎖線で示す状態とは多少異なるものに変化するが、
「成層燃焼」と「均質リーン燃焼」との間では概ねそれ
ら実線と二点鎖線とで示すような差異が生じることとな
る。

【００８６】以上詳述した本実施形態によれば、以下に
示す効果が得られるようになる。（１）「成層燃焼」時には、吸気カム５１の補助カム山
５１ｂによる吸気バルブ１９のリフト量が「均質リーン
燃焼」時よりも小さくされるとともに、排気カム７１の
補助カム山７１ｂによる排気バルブ２０のリフト量が
「均質リーン燃焼」時よりも大きくされる。その結果、
排気行程中での吸気バルブ１９の開閉に基づき燃焼室１
６に導入される排気が「均質リーン燃焼」時よりも少な
くなるとともに、吸気行程中での排気バルブ２０の開閉
に基づき燃焼室１６に導入される排気が「均質リーン燃
焼」時よりも多くなる。従って、「成層燃焼」時には、
燃焼室１６内の排気がピストン１２の頭部側ほど高濃度
になるよう分布する傾向が強くなるとともに、同排気が
燃焼室１６内で均等に分布する傾向が弱くなる。そのた
め、燃焼室１６内の排気がピストン１２の頭部側ほど高
濃度となり、点火プラグ４１周りに過度に多量の排気が
存在して混合気の燃焼初期に燃焼状態が悪化するのを抑
制することができる。

【００８７】（２）「均質リーン燃焼」時には、吸気カ
ム５１の補助カム山５１ｂによる吸気バルブ１９のリフ
ト量が「成層燃焼」時よりも大きくされるとともに、排
気カム７１の補助カム山７１ｂによる排気バルブ２０の
リフト量が「成層燃焼」時よりも小さくされる。その結
果、排気行程中での吸気バルブ１９の開閉に基づき燃焼
室１６内に導入される排気の量が「成層燃焼」時よりも
多くなるとともに、吸気行程中での排気バルブ２０の開
閉に基づき燃焼室１６内に導入される排気の量が「成層
燃焼」時よりも少なくなる。従って、「均質リーン燃
焼」時には、燃焼室１６内の排気がピストン１２の頭部
側ほど高濃度となるよう分布する傾向が弱くなるととも
に、同排気が燃焼室１６内で均等に分布する傾向が強く
なる。そのため、燃焼室１６内に導入される排気を均等
に近い状態で分布させ、混合気の燃焼期間全体において
燃焼時に発生するＮＯx の量を効率よく低減することが
できる。

【００８８】（３）吸気行程中に排気カム７１の補助カ
ム山７１ｂにより排気バルブ２０が開くのは吸気行程の
初期のみとなる。そのため、吸気行程でのピストン１２
の移動により排気通路３３から燃焼室１６に引かれる排
気を、燃焼室１６内にて的確にピストン１２の頭部側ほ
ど高濃度となるよう分布させることができる。また、排
気行程中には、吸気カム５１の補助カム山５１ｂにより
吸気バルブ１９が排気行程のほぼ全体に亘って開き、補
助カム山５１ｂによる吸気バルブ１９の開弁期間が上記
補助カム山７１ｂによる排気バルブ２０の開弁期間より
も長くなる。その結果、排気行程でのピストン１２の移
動により燃焼室１６から吸気通路３２に排気が的確に送
り込まれる。従って、吸気通路３２内での排気と空気と
の混合が的確に行われ、吸気行程中に吸気通路３２から
燃焼室１６内に導入される排気を、的確に燃焼室１６内
でほぼ均等に分布させることができるようになる。

【００８９】（４）吸気及び排気カムシャフト２１，２
２の軸線方向について連続的にプロフィールが変化する
補助カム山５１ｂ，７１ｂを吸気及び排気カム５１，７
１に形成し、吸気及び排気カムシャフト２１，２２を軸
線方向に移動可能とした。そのため、吸気及び排気カム
シャフト２１，２２を軸線方向に変位させることで、補
助カム山５１ｂによる吸気バルブ１９の開閉特性（バル
ブリフト量）、及び補助カム山７１ｂによる排気バルブ
２０の開閉特性（バルブリフト量）を的確に変更するこ
とができる。

【００９０】なお、本実施形態は、例えば以下のように
変更することもできる。・本実施形態では、吸気及び排気カムシャフト２１，２
２を軸線方向に移動させることで、補助カム山５１ｂ，
７１ｂを吸気及び排気カムシャフト２１，２２の軸線方
向に変位させ、補助カム山５１ｂによる吸気バルブ１９
の開閉特性、及び補助カム山７１ｂによる排気バルブ２
０の開閉特性を変更したが、本発明はこれに限定されな
い。例えば、吸気及び排気カム５１，７１を吸気及び排
気カムシャフト２１，２２に対し、これらシャフト２
１，２２の軸線方向に変位可能な構造を採用し、この吸
気及び排気カム５１，７１の変位により補助カム山５１
ｂ，７１ｂを変位させてもよい。

【００９１】・本実施形態えは、排気行程での吸気バル
ブ１９の開弁期間を同排気行程のほぼ全体に亘るように
し、吸気行程での排気バルブ２０の開弁期間を同吸気行
程の初期のみとしたが、これら補助カム山５１ｂ，７１
ｂによる吸気及び排気バルブ１９，２０の開弁期間を適
宜変更してもよい。この場合でも、上記補助カム山５１
ｂによる吸気バルブ１９の開弁期間を、上記補助カム山
７１ｂによる排気バルブ２０の開弁期間よりも長くする
ことが好ましい。

【００９２】・本実施形態では、吸気及び排気カムシャ
フト２１，２２の軸線方向についての補助カム山５１
ｂ，７１ｂの変位により、吸気及びバルブ１９，２０の
リフト量を変更し、燃焼室１６に導入される排気の分布
状態を燃焼方式に適したものとしたが、本発明はこれに
限定されない。例えば、上記補助カム山５１ｂ，７１ｂ
の変位により、吸気及び排気バルブ１９，２０の開弁期
間や開閉タイミング等のバルブ開閉特性を変更し、燃焼
室１６に導入される排気の分布状態を燃焼方式に適した
ものとしてもよい。

【００９３】・本実施形態において、「成層燃焼」時の
排気行程で必ずしも吸気バルブ１９を開く必要はない。
更に、「成層燃焼」時の排気行程で吸気バルブ１９を開
かないならば、吸気カム５１の補助カム山５１ｂを省略
してもよい。この場合、「均質リーン燃焼」時には吸気
行程での排気バルブ２０のリフト量を「０」にして同バ
ルブ２０の開弁を停止することにより燃焼室１６への排
気の導入を実行せず、「成層燃焼」時には吸気行程での
排気バルブ２０の開弁を行って燃焼室１６への排気の導
入を実行する。なお、補助カム山５１ｂを設け、排気行
程での吸気バルブ１９の開弁と、吸気行程での排気バル
ブ２０の開弁とを実行可能にした場合は、それらバルブ
１９，２０の両方の開閉特性を変更することができるた
め、的確に燃焼室１６内の排気を燃焼方式に適した分布
状態とすることができる。

【００９４】・本実施形態において、「均質リーン燃
焼」時の吸気行程で必ずしも排気バルブ２０を開く必要
はない。更に、「均質リーン燃焼」時の吸気行程で排気
バルブ２０を開かないならば、排気カム７１の補助カム
山７１ｂを省略してもよい。この場合、「成層燃焼」時
には排気行程での吸気バルブ１９のリフト量を「０」に
して同バルブ１９の開弁を停止させることにより燃焼室
１６への排気の導入を実行せず、「均質リーン燃焼」時
には排気行程での吸気バルブ１９の開弁を行って燃焼室
１６への排気の導入を実行する。なお、補助カム山７１
ｂを設け、排気行程での吸気バルブ１９の開弁と、吸気
行程での排気バルブ２０の開弁とを実行可能にした場合
は、それらバルブ１９，２０の両方の開閉特性を変更す
ることができるため、的確に燃焼室１６内の排気を燃焼
方式に適した分布状態とすることができる。

【００９５】・本実施形態では、一つの気筒に設けられ
た二つの吸気カム５１及び二つの排気カム７１のうち、
一つの吸気カム５１のみに補助カム山５１ｂを設けると
ともに、一つの排気カム７１のみに補助カム山７１ｂを
設けたが、二つの吸気カム５１及び二つの排気カム７１
に補助カム山５１ｂ，７１ｂを設けてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施形態のバルブ特性制御装置が適用される
エンジン全体を示す断面図。

【図２】同エンジンの燃焼室と吸気通路及び排気通路と
の接続状態を示す断面図。

【図３】吸気カムの位相変化に対する吸気バルブのリフ
ト量の変化を示すグラフ。

【図４】吸気カムシャフトを軸線方向に移動させるシリ
ンダの構造、及び同シリンダを駆動するためのオイル供
給構造を示す概略図。

【図５】吸気カムに形成される主カム山及び補助カム山
を示す斜視図。

【図６】排気カムシャフトを軸線方向に移動させるシリ
ンダの構造、及び同シリンダを駆動するためのオイル供
給構造を示す概略図。

【図７】排気カムに形成される主カム山及び補助カム山
を示す斜視図。

【図８】排気カムの位相変化に対する排気バルブのリフ
ト量の変化を示すグラフ。

【図９】上記バルブ特性制御装置の電気的構成を示すブ
ロック図。

【符号の説明】

１１…エンジン、１４ｃ…クランクポジションセンサ、
１６…燃焼室、１９…吸気バルブ、２０…排気バルブ、
２１…吸気カムシャフト、２２…排気カムシャフト、２
６…アクセルポジションセンサ、３６…バキュームセン
サ、５１…吸気カム、５１ａ…主カム山、５１ｂ…補助
カム山、５２…シリンダ、５８…オイルポンプ、５９…
オイルコントロールバルブ（ＯＣＶ）、７１…排気カ
ム、７１ａ…主カム山、７１ｂ…補助カム山、７２…シ
リンダ、７９…オイルコントロールバルブ（ＯＣＶ）、
９２…電子制御ユニット（ＥＣＵ）。

───────────────────────────────────────────────────── 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 ３３５Ｆ０２Ｄ 41/04 ３３５Ｃ (72)発明者植田貴宣愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者河内正人愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内Ｆターム(参考） 3G016 AA08 AA19 BA03 BA06 BA28 BA36 BA39 BA42 BB04 DA01 DA06 DA22 GA00 3G092 AA01 AA06 AA09 AA11 DA01 DA02 DA04 DA12 DA14 DC03 DG02 DG05 DG09 EA06 EA07 EA14 EC08 FA02 FA17 FA21 FA25 HA01X HA05Z HA06X HA13X HA13Z HE03Z HF08Z 3G301 HA01 HA04 HA09 HA16 HA19 JA25 LA07 LB04 LC08 MA01 ND41 PA01Z PA07Z PA11Z PE03Z PE10Z PF03Z

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】機関運転状態に応じて燃焼方式が切り換え
られる内燃機関に適用され、同機関のカムシャフトに設
けられたバルブ開閉用のカムに主カム山を形成するとと
もに、同主カム山の回転方向前方及び後方の少なくとも
一方に補助カム山を設け、前記補助カム山によるバルブ
開閉特性を変更して同機関の燃焼室に導入される排気を
制御する内燃機関のバルブ特性制御装置において、前記補助カム山によるバルブ開閉特性を変更する変更手
段と、前記燃焼室に導入される排気が内燃機関の燃焼方式に適
したものとなるよう、同機関の燃焼方式に基づき前記変
更手段を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする内燃機関のバルブ特性制御装
置。
【請求項２】前記制御手段は、前記燃焼室内に導入され
る排気の同燃焼室内での分布状態が内燃機関の燃焼方式
に適したものとなるよう、同機関の燃焼方式に基づき前
記変更手段を制御して前記補助カム山によるバルブ開閉
特性を変更する請求項１記載の内燃機関のバルブ特性制
御装置。
【請求項３】前記制御手段は、内燃機関の燃焼方式が成
層燃焼であるとき、吸気行程中に排気バルブが開閉駆動
されるよう、前記変更手段を制御して前記補助カム山に
よるバルブ開閉特性を変更する請求項１又は２記載の内
燃機関のバルブ特性制御装置。
【請求項４】前記制御手段は、内燃機関の燃焼方式が均
質リーン燃焼であるとき、排気行程中に吸気バルブが開
閉駆動されるよう、前記変更手段を制御して前記補助カ
ム山によるバルブ開閉特性を変更する請求項１〜３のい
ずれかに記載の内燃機関のバルブ特性制御装置。
【請求項５】内燃機関の吸気カム及び排気カムにはそれ
ぞれ補助カム山が設けられ、前記吸気カムの補助カム山
は排気行程中に吸気バルブを開閉駆動するものであり、
前記排気カムの補助カム山は吸気行程中に排気バルブを
開閉駆動するものであって、前記制御手段は、前記燃焼室内での排気の分布状態が内
燃機関の燃焼方式に適したものとなるよう、同機関の燃
焼方式に基づき前記変更手段を制御して前記吸気カム及
び前記排気カムの各補助カム山によるバルブ開閉特性を
変更する請求項２記載の内燃機関のバルブ特性制御装
置。
【請求項６】前記制御手段は、内燃機関の燃焼方式が成
層燃焼であるときには前記燃焼室内の排気がピストン頭
部側ほど高濃度になり、同機関の燃焼方式が均質リーン
燃焼であるときには燃焼室内の排気が均等に近い状態で
分布するよう、前記変更手段を制御して前記吸気カム及
び前記排気カムの各補助カム山によるバルブ開閉特性を
変更する請求項５記載の内燃機関のバルブ特性制御装
置。
【請求項７】前記制御手段は、内燃機関の燃焼方式が成
層燃焼であるときには吸気行程中での前記排気バルブの
開閉駆動に基づき前記燃焼室に導入される排気が均質リ
ーン燃焼のときよりも多くなり、且つ圧縮行程中での前
記吸気バルブの開閉駆動に基づき前記燃焼室に導入され
る排気が均質リーン燃焼のときよりも少なくなるよう、
前記変更手段を制御して前記吸気カム及び前記排気カム
の各補助カム山によるバルブ開閉特性を変更する請求項
５又は６記載の内燃機関のバルブ特性制御装置。
【請求項８】前記制御手段は、内燃機関の燃焼方式が均
質リーン燃焼であるときには吸気行程中での前記排気バ
ルブの開閉駆動に基づき前記燃焼室に導入される排気が
成層燃焼のときよりも少なくなり、且つ圧縮行程中での
前記吸気バルブの開閉駆動に基づき前記燃焼室に導入さ
れる排気が成層燃焼のときよりも多くなるよう、前記変
更手段を制御して前記吸気カム及び前記排気カムの各補
助カム山によるバルブ開閉特性を変更する請求項５〜７
のいずれかに記載の内燃機関のバルブ特性制御装置。
【請求項９】前記排気カムの補助カム山は、同カム山に
よる排気バルブの開弁期間が吸気行程初期に位置するプ
ロフィールを有し、前記吸気カムの補助カム山は、同カム山による吸気バル
ブの開弁期間が前記排気バルブの開弁期間よりも長くな
るプロフィールを有する請求項５〜８のいずれかに記載
の内燃機関のバルブ特性制御装置。
【請求項１０】前記補助カム山は、前記カムシャフトの
軸線方向についての形状が異なるものであって、前記変更手段は、前記補助カム山を前記カムシャフトの
軸線方向に変位させることで、前記補助カム山によるバ
ルブ開閉特性を変更するものである請求項１〜９のいず
れかに記載の内燃機関のバルブ特性制御装置。