JP2006002701A - 筒内噴射型内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】 筒内噴射型内燃機関を圧縮行程噴射モードで運転しているときに、筒内での燃焼悪化を来すことなく、排気流量制御を効果的に行う。
【解決手段】 筒内噴射型内燃機関（１）の電子制御ユニット（６０）は、圧縮行程噴射モードでの機関運転時に排気流量制御弁（４０）による排気ガスの流量制限が行われているとき、可変バルブタイミング機構（５１、５３）により吸気弁（１７）と排気弁（１８）とのオーバラップ期間およびオーバラップ面積を減少させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、筒内噴射型内燃機関に関し、特に、排気ガス流量を制御する排気流量制御弁と吸気弁または排気弁のいずれか一方あるいは双方の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備えた筒内噴射型内燃機関に関する。

一般に、内燃機関には排気浄化用の触媒コンバータが搭載されるが、触媒コンバータの排気浄化性能が発揮されない冷態時には、排気ガス中に含まれるＨＣが大気中に排出されてしまう。そのため、排気流量制御が行われることがある。この排気流量制御は、排気通路に設けた排気流量制御弁で排気流動を抑制することにより排気の逆流により排気中のＨＣを再燃焼せしめエンジンアウトＨＣを低減するとともに、排気ガス温度を高め、これにより触媒コンバータを早期に活性化してＨＣ低減を図るものである。また、内燃機関の出力、燃費、排気浄化性能などを改善するために可変バルブタイミング機構が搭載されることがある。

特許文献１には、排気絞り弁（排気流量制御弁）とバルブタイミング可変機構（可変バルブタイミング機構）とを備えた筒内噴射型内燃機関が開示されている。この内燃機関では、排気絞り弁、バルブタイミング可変機構およびＥＧＲ弁を制御して、要求出力を確保しつつ目標ＥＧＲを導入し、これによりＮＯｘ、ＨＣおよび燃費を改善するようにしている。更に、冷態時にはバルブオーバラップを最小且つ排気絞り弁およびＥＧＲ弁を全閉として、ＥＧＲによる燃焼性悪化を防止するようにしている。
特開２００３−８３１４２号公報

排気流量制御は、主として冷態時のＨＣ低減を企図して行われ、また、補助ブレーキ力を発生するために使用されることもあるが、圧縮行程中に燃料を噴射する圧縮行程噴射モードで運転中の筒内噴射型内燃機関に対して排気流量制御を適用すると、筒内での燃焼が悪化することがある。以下、その理由を説明する。
筒内噴射型ガソリンエンジンを例にとると、圧縮行程噴射モードでの機関運転時には、噴霧貫徹力、燃焼室形状および筒内流動の一つ以上を利用して、燃料噴射弁から筒内（燃焼室内）に噴射された燃料を点火プラグの近くに輸送して点火プラグまわりに適正空燃比の混合気を形成し、この混合気を先ず着火させて火炎伝搬により筒内のガスを良好に燃焼させるようにしている。

この点、排気流量制御により排気通路を流れる排気ガスの流量が制限されると、図９に例示するように排気ガスが排気通路から筒内へ逆流するので、筒内流動に乱れ（乱雑化）が生じる。特に、バルブオーバラップ面積が大きい場合あるいはバルブオーバラップ期間が長く且つバルブオーバラップ面積が大きい場合（以下、一括してバルブオーバラップ量が大きい場合という）、図１０に例示するように吸気負圧によって筒内への排気ガスの逆流が強められ、その結果、筒内流動がより一層乱雑化する。この場合、点火プラグ近傍に燃料噴霧を正確に輸送することができなくなるので、適正空燃比の混合気を点火プラグまわりに適正時期に形成することができずに筒内での燃焼が悪化するおそれがある。

本発明の目的は、圧縮行程噴射モードでの運転中においても筒内での燃焼悪化をきたすことなく、排気流量制御を効果的に行えるようにした筒内噴射型内燃機関を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、圧縮行程噴射モードで運転可能な筒内噴射型内燃機関において、排気通路を流れる排気ガスの流量を制御する排気流量制御弁と、吸気弁および排気弁の少なくとも一方の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、圧縮行程噴射モードでの機関運転時に排気流量制御弁による排気ガスの流量制限が行われているとき、吸気弁と排気弁とのオーバラップ量が低減するように可変バルブタイミング機構を制御する制御手段とを備えることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、内燃機関が圧縮行程噴射モードで運転され且つ排気流量制御弁により排気ガスの流量制限が行われている場合、吸気弁と排気弁とのオーバラップ量が低減される。機関運転中、排気流量制御弁により排気ガス流量が制限されると排気ガスが排気通路から筒内へ逆流して筒内流動が多少乱れるが、吸気弁と排気弁とのオーバラップ量が小さいので吸気負圧によって排気ガスの逆流が過度に強まることがなく、従って筒内流動が過度に乱雑になることはない。そして、筒内に噴射された燃料噴霧は、主として噴霧貫徹力および燃焼室形状を利用しつつ、点火プラグの近くに適時に輸送され、筒内で良好な燃焼が行われる。この様に、圧縮行程噴射モードでの機関運転中に排気流量制御弁により排気ガス流量を制限した場合にも良好な燃焼が行われ、排気ガスの流量制限による効果（例えばＨＣの低減や補助ブレーキ力の発生）が安定に達成される。

請求項２の発明では、圧縮行程噴射モードでの機関運転中に排気流量制御弁による排気ガスの流量制限が行われると、吸気弁と排気弁とのオーバラップ量がゼロ以下まで低減するように可変バルブタイミング機構が制御される。
請求項２に記載の発明によれば、排気ガスの流量制限中、排気通路から筒内への排気ガスの逆流により筒内流動が多少は乱雑になるが、排気ガスの逆流が吸気負圧によって強められることがないので、排気ガス流量の制限中においても筒内での燃焼がより良好に行われ、排気ガスの流量制限による効果がより良好に奏される。

請求項３に記載の発明では、筒内噴射型内燃機関は、排気通路に設けられる触媒コンバータと、燃焼空燃比を制御する空燃比制御手段と、触媒コンバータの活性状態を判定する活性判定手段とを備え、触媒コンバータが活性状態にないと判定されたときに、燃焼空燃比を理論空燃比またはそれよりもややリーン空燃比としつつ圧縮行程噴射モードでの運転（圧縮スライトリーン運転）を行う。

請求項３に記載の発明によれば、触媒コンバータによる排気浄化が行われることはもとより、排気ガス流量を制限することによりエンジンアウトＨＣが低減されるとともに排気ガス温度が上昇して触媒コンバータの排気浄化効率が向上し、圧縮スライトリーン運転中は筒内から燃焼に寄与しなかった残留酸素と共に一酸化炭素が排気通路に排出され、両者の反応による排気ガス温度の上昇により触媒コンバータの活性化ひいてはＨＣ低減が更に促進される。この際、排気ガスの逆流が吸気負圧によって強められることに起因する燃焼悪化が請求項１または２記載の構成により防止されるので、触媒コンバータの早期活性化が確実に達成され、ＨＣ低減に寄与する。

請求項１に記載の発明は、圧縮行程噴射モードでの運転時に排気流量制御弁による排気ガスの流量制限が行われているとき、吸気弁と排気弁とのオーバラップ量が低減するように可変バルブタイミング機構を制御して、排気通路から筒内への排気ガスの逆流ひいては筒内流動の乱雑化が吸気負圧により強まることを防止するので、圧縮行程噴射モードでの運転時の問題すなわち筒内流動の乱れにより燃料噴霧を筒内の適所に輸送できなくなるとの問題を解消して筒内で良好な燃焼を行え、排気ガスの流量制限による効果を安定に達成することができる。

請求項２の発明は、圧縮行程噴射モードでの機関運転中に排気流量制御弁による排気ガスの流量制限が行われると、吸気弁と排気弁とのオーバラップ量がゼロ以下まで低減するように可変バルブタイミング機構を制御して、吸気負圧による排気ガスの逆流の強化ひいては筒内流動の乱れの増大を防止するので、排気ガスの流量制限中に筒内での燃焼をより良好に行って排気ガスの流量制限による効果をより良好に達成することができる。

請求項３に記載の発明は、排気通路に配された触媒コンバータの排気浄化効率を、排気ガスの流量制限による排気ガス温度の上昇により向上させることができ、触媒コンバータが活性化していないときに圧縮スライトリーン運転を行って排気ガス温度を上昇させるものとなっており、触媒コンバータをより早期に活性化することができ、従って、更なるＨＣ低減を実現することができる。

以下、本発明の一実施形態による筒内噴射型内燃機関について説明する。
本実施形態の内燃機関は、燃料噴射モードを切り換えることで吸気行程噴射モードまたは圧縮行程噴射モードでの燃料噴射（機関運転）を選択的に実施可能な筒内噴射型火花点火式ガソリンエンジンから構成されている。また、このエンジンは、燃料噴射モードの切換えと空燃比制御とにより、理論空燃比（ストイキオ）、リッチ空燃比またはリーン空燃比での運転を選択的に実現可能なように構成されている。必要であれば、圧縮行程での主燃料に加えて、膨張行程以降で副噴射を行うように構成することもできる。

図１に示すように、本実施形態の筒内噴射型エンジンはエンジン本体（以下、エンジンという）１を備え、エンジン１のシリンダヘッド２には、各気筒毎に点火プラグ４と共に電磁式の燃料噴射弁６が取り付けられ、点火プラグ４には点火コイル８が接続されている。燃料噴射弁６には、燃料パイプ７を介して、燃料タンクおよび燃料ポンプを擁した燃料供給装置（図示せず）が接続され、燃料タンク内の燃料を燃料噴射弁６から燃焼室内に所望の燃圧で直接噴射できるようになっている。

シリンダヘッド２には各気筒毎に略直立方向に延びる吸気ポート９が形成され、各吸気ポート９と連通可能なように吸気マニホールド１０の一端がそれぞれ接続されている。そして、吸気マニホールド１０には、吸入空気量を調節する電磁式のスロットル弁１４及び吸入空気量を検出する吸気量センサ１６が設けられている。
また、シリンダヘッド２には、各気筒毎に略水平方向に延びる排気ポート１１が形成され、各排気ポート１１と連通可能なように排気マニホールド１２の一端がそれぞれ接続されている。排気マニホールド１２の他端には排気管（排気通路）２０が接続され、排気管２０には排気浄化用の触媒コンバータ３０が配されている。例えば、触媒コンバータは、銅、コバルト、銀、白金、ロジウム、パラジウムの一つ以上からなる活性貴金属を担体に添加してなる三元触媒３０から構成されている。

そして、排気管２０には排気圧を検出する排気圧センサ２２が配設され、排気管２０の三元触媒３０の下流には、排気圧制御弁（排気流量制御弁）４０が介装されている。排気圧制御弁４０は、排気流動（排気ガス流量）を抑制することにより排ガス中の有害物質（ＨＣ、ＣＯ等の未燃物の他、ＮＯｘ、スモーク、Ｈ2等を含む）の低減を図るものであり、排気圧、排気密度及び排気流速の少なくともいずれか一つを変更可能なように構成されている。

図２に示すように、本実施形態の排気圧制御弁（排気流量制御弁）４０は、排気管２０の流路面積を調節可能なバタフライ弁４２とリリーフ弁４６とによって構成されている。バタフライ弁４２には弁体４４を回転させるためのアクチュエータ４３が設けられ、このアクチュエータ４３により弁体４４を回転させてバタフライ弁４２を開閉し、排気通路の通路断面積を変更し排気流動（排気管２０を流れる排気ガスの流量）を抑制するものになっている。

また、バタフライ弁４２を迂回してリリーフ通路２２が設けられ、リリーフ弁４６によりリリーフ通路２２の通路断面積を微調節するようにしている。詳しくは、リリーフ弁４６には弁体４８を往復動させるアクチュエータ４７が設けられ、アクチュエータ４７により弁体４８を弁座２４に対して接近離反させてリリーフ通路２２を流れる排気流量を微調節するようにしている。即ち、リリーフ弁４６の弁開度を調節することにより排気流動の抑制制御量を可変するものになっている。なお、アクチュエータ４７に代わるスプリング等を設けてリリーフ弁４６の弁開度を自動調節するようにしてもよい。

また、エンジン１には、そのクランク軸と吸気側カム軸との間およびクランク軸と排気側カム軸との間にそれぞれ介在する可変バルブタイミング機構（ＶＶＴ）５１、５３が付設され、吸気側ＶＶＴ５１および排気側ＶＶＴ５３により、クランク軸に対する吸気側カム軸および排気側カム軸のそれぞれの回転位相（吸気弁１７および排気弁１８のそれぞれの開閉タイミング）を可変調整可能になっている。例えば、ＶＶＴ５１、５３の各々は、歯付きベルトを介してクランク軸と同期回転するベーンハウジングと、吸気側カム軸の先端面に固定されたベーンロータとを備え、ベーンロータには例えば２つのベーンがこれと一体に形成されている。この場合、ベーンハウジングは２つのベーン収容室を有する。各ベーン収容室は、これに収容されたベーンにより遅角油室と進角油室とに区分され、各油室は、オイルコントロールバルブ（ＯＣＶ）５２または５４を介してエンジン１により駆動される油ポンプに接続可能になっている。そして、ＯＣＶ５２、５４の電磁ソレノイドへの通電期間を制御することにより各油室に対する圧油の給排を制御して、クランク軸に対する吸気側カム軸および排気側カム軸のそれぞれの回転位相（吸気弁１７および排気弁１８のそれぞれの開閉タイミング）を可変するようにしている。

電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）６０は、入出力装置、記憶装置、中央処理装置、タイマカウンタ等を備えており、総合的なエンジン制御を行うものになっている。すなわち、ＥＣＵ６０の入力側には、吸気量センサ１６、排気圧センサ２２、クランク角を検出するクランク角センサ６２等の各種センサ類が接続されており、これらセンサ類から検出情報が入力される。なお、クランク角センサ６２のクランク角情報に基づきエンジン回転速度Ｎeが求められる。

一方、ＥＣＵ６０の出力側には、燃料噴射弁６、点火コイル８、スロットル弁１４、アクチュエータ４３、４７、ＯＣＶ５２、５４の電磁ソレノイド等の各種出力デバイスが接続されており、ＥＣＵ６０により燃料噴射モードが設定され、燃焼空燃比（目標Ａ／Ｆ）が設定されると、各種出力デバイスには目標Ａ／Ｆや各種センサ類からの検出情報に基づいて演算された燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期、スロットル開度の各信号がそれぞれ出力される。これにより、燃料噴射弁６から適正量の燃料が適正なタイミングで噴射され、点火プラグ４により適正なタイミングで火花点火が実施され、また、スロットル弁１４が適正な開度とされる。そして、燃料噴射モードや各種センサ類からの検出情報に基づき、所望の排気流動抑制度合い（例えば目標排気圧）となるように、バタフライ弁４２が適正なタイミングで開閉操作され、リリーフ弁４６の開度が微調整される。また、ＯＣＶ５２、５４の電磁ソレノイドへの通電期間ひいては吸気弁１７および排気弁１８のそれぞれの開閉タイミングが設定される。

以下、本実施形態の筒内噴射型エンジンの作用を説明する。
内燃機関の始動時、図３に示す始動時制御ルーチンがＥＣＵ６０により所定周期で実行される。この始動時制御ルーチンにおいて、エンジン１の始動後、所定時間ｔ１（例えば３秒）が経過したか否かが判別される（ステップＳ１０）。所定時間ｔ１は、エンジン始動時の点火時期リタード等の排気昇温制御による暖機によって、エンジン１の排気系とくに排気ポート１１やその周辺が所定温度まで上昇するのに必要な時間を表す。

ステップＳ１０での判別結果が偽（Ｎｏ）であれば、始動時制御ルーチンの今回周期の処理を終了し、所定周期の経過を待ってステップＳ１０の判別を再度実施する。一方、ステップＳ１０での判別結果が真（Ｙｅｓ）であって所定時間ｔ１が経過していれば、ステップＳ１２に移行して、エンジン１の始動後、三元触媒３０の活性化に要する所定時間ｔ２（例えば、４５秒ないし２分）が経過したか否かを判別する（活性化判定手段）。この判別結果が偽であって三元触媒３０が未活性であれば、圧縮スライトリーン（Ｓ／Ｌ）運転を実施する。この圧縮Ｓ／Ｌ運転では、目標Ａ／Ｆが理論空燃比よりもややリーン空燃比（エンジンや排気系の諸元に応じた最適値であって、例えば値１５）に設定され（空燃比制御手段）、圧縮行程で燃料噴射が行われる。実際には、目標Ａ／Ｆを理論空燃比としておき、空燃比フィードバック制御の制御ゲインをリーン空燃比側にシフトするようにする。また、点火時期や圧縮行程での燃料噴射時期は、排気ポート１１内での反応が促進されるように最適化される。例えば、予め設定されたマップから機関運転状態に応じた最適値が求められる。

ステップＳ１６では、アクチュエータ４３、４７をそれぞれ駆動制御し、排気圧制御弁４０を閉弁側に操作する。詳しくは、バタフライ弁４２を閉弁操作するとともに、所望の排気流動抑制度合いとなるようにリリーフ弁４６の開度を微調整する。これにより、排気圧制御弁４０よりも上流の排気系内の排気流動が抑制され、排気圧が上昇する。
このように圧縮Ｓ／Ｌ運転を行うとともに排気流動（排気ガス流量）の抑制が行われると、燃焼に寄与しなかった残留酸素と共に一酸化炭素が排気系に排出され、排気系とくに排気ポート１１内で両者が反応して排気温度が上昇するとともに、触媒上でも酸素と一酸化炭素は容易に反応して反応熱を発生し、それらの効果で三元触媒３０が早期に活性化する。

一方、ステップＳ１２で所定時間ｔ２の経過が判別されると、三元触媒３０が十分に活性したとの判断の下で、排気圧制御弁４０を開いて排気流動の抑制を解除して圧縮Ｓ／Ｌ運転を終了し（ステップＳ１８）、通常の燃焼制御に戻す（ステップＳ２０）。
機関運転中、ＥＣＵ６０は、図４に示すＶＶＴ制御ルーチンを所定周期で実行する。
ＶＶＴ制御ルーチンにおいて、圧縮Ｓ／Ｌ運転中か否かが先ず判別され（ステップＳ３０）、この判別結果が偽であれば今回周期での処理を終了する一方、ステップＳ３０で圧縮Ｓ／Ｌ運転中であると判別されると排気流動抑制中か否かが更に判別され（ステップＳ３２）、その答えが偽であれば今回周期での処理を終了する。

一方、圧縮Ｓ／Ｌ運転中であるとの判別に続き、排気流動抑制中であることが判別されると、ＶＶＴ制御が行われる（ステップＳ３４）。本実施形態では、排気側ＶＶＴ５３が進角制御される。なお、本発明のＶＶＴ制御は、吸気弁と排気弁とのオーバラップ量を低減させることを企図して行われるものであるので、排気側ＶＶＴ５３の進角制御に代えて吸気側ＶＶＴ５１の遅角制御を行ったり或いは排気側ＶＶＴ５３の進角制御と共に吸気側ＶＶＴ５１の遅角制御を行うようにしても良い。

ＶＶＴ制御中、排気圧制御弁（排気流量制御弁）４０が開弁して排気流動抑制（排気流量制限）が解除されたことがステップＳ３６で判別されると、排気弁の開閉タイミングが進角制御前のものになるように排気側ＶＶＴ５３が制御され（ステップＳ３８）、図４のＶＶＴ制御ルーチンが終了する。
以下、図５および図６を参照して、排気側ＶＶＴ５３の進角制御について説明する。

図５および図６は、吸気弁および排気弁のそれぞれのリフト量（開閉タイミング）をクランク角の関数として例示したものであり、図５はＶＶＴ制御前（ここではＶＶＴ５３の進角制御前）における開閉タイミングを表し、図６はＶＶＴ５３の進角制御後における開閉タイミングを表す。図６中、進角前後の排気弁のリフト量（開閉タイミング）を破線および実線でそれぞれ示す。

図６の場合、排気弁の閉タイミングは、排気側ＶＶＴ５３の進角制御によりクランク角で上死点後約７０°（破線）から上死点後約１０°（実線）まで進角される一方、吸気弁の開タイミングはＶＶＴ進角制御の前後において上死点前約３０°と一定である。すなわち、ＶＶＴ進角制御により吸気弁と排気弁とのオーバラップ期間は約１００°から約４０°へとクランク角で約６０°短くなる。また、図６から分かるように、ＶＶＴ進角制御により吸気弁と排気弁とのオーバラップ面積も大幅に減少する。すなわち、排気側ＶＶＴ５３の進角制御により吸気弁と排気弁とのオーバラップ量が大幅に低減する。

先に図１０を参照して説明したように、オーバラップ量が大きい場合、排気圧制御弁４０による排気ガスの流量制限時に排気管２０から筒内への排気ガスの逆流が吸気負圧によって強められて筒内流動が乱雑になり、圧縮行程噴射モードによるエンジン運転中における筒内での燃焼が悪化するおそれがある。この点、本実施形態では排気側ＶＶＴ５３の進角制御によりオーバラップ量を大幅に低減するので、吸気負圧による排気ガスの逆流ひいては筒内流動の乱雑化の強まりが解消され、従って、筒内に噴射された燃料噴霧は、主として噴霧貫徹力および燃焼室形状を利用しつつ、点火プラグの近くに適時に輸送され、筒内で良好な燃焼が行われる。

本実施形態では、エンジン１の冷態始動時、図３の始動時制御ルーチンによってエンジン１が圧縮Ｓ／Ｌ運転されると共に排気圧制御弁４０による排気流動の抑制（排気流量制御弁による排気ガスの流量制限）が行われる。この場合、図４のＶＶＴ制御ルーチンで排気側ＶＶＴ５３が進角制御されて吸気弁と排気弁とのオーバラップ量が大幅に低減し、筒内での燃焼が良好に行われる。

この様に、エンジン１の冷態始動時、排気ガスの流量を制限した状態でエンジン１の圧縮Ｓ／Ｌ運転が安定に行われるので、排気ガス流量の制限により排気ガス温度が上昇し、三元触媒３０が早期に活性化されてその排気浄化効率が確実に向上する。また、圧縮Ｓ／Ｌ運転によれば、燃焼に寄与しなかった残留酸素と共に一酸化炭素が筒内から排気系へ排出され、両者の反応により排気ガス温度が上昇するので、三元触媒３０の早期活性化が更に促進される。この様に、本実施形態のエンジン１は、冷態始動時の三元触媒３０の早期活性化に極めて有効であり、冷態始動時にエンジン１から排出されるＨＣを大幅に低減することができる。なお、冷態始動時に限らず、本実施形態によれば冷態時のＨＣ低減が図られることは云うまでもない。

以上で本発明の実施形態についての説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されず、種々に変形可能である。
既述のように、吸気弁と排気弁とのオーバラップ量を低減させるためのＶＶＴ制御では、排気側ＶＶＴ５３の進角制御に代えて吸気側ＶＶＴ５１の遅角制御を行ったり或いは排気側ＶＶＴ５３の進角制御と共に吸気側ＶＶＴ５１の遅角制御を行うようにしても良い。

図７は、吸気側ＶＶＴ５１の遅角制御により吸気弁の開閉タイミングを遅らせて、吸気弁と排気弁とのオーバラップ期間を短縮すると共にオーバラップ面積を減少させる例を示す。図７において、吸気弁の開タイミングは、ＶＶＴ遅角制御によりクランク角で上死点前約３０°から上死点後約３５°まで遅角される一方、排気弁の閉タイミングはＶＶＴ遅角制御の前後において上死点後約７０°と一定である。すなわち、吸気弁と排気弁とのオーバラップ期間は、吸気側ＶＶＴ５１の遅角制御によりクランク角で約１００°から約３５°へと大幅に減少する。

図８は、排気側ＶＶＴ５３の進角制御により排気弁の開閉タイミングを進めると共に吸気側ＶＶＴ５１の遅角制御により吸気弁の開閉タイミングを遅らせて、吸気弁と排気弁とのオーバラップおよびオーバラップ面積をゼロ以下まで減少させる例を示す。なお、図８では排気弁の閉タイミングと吸気弁の開タイミングとが離隔しているマイナスオーバラップを示しているが、排気弁の閉タイミングと吸気弁の開タイミングが隣り合うオーバラップゼロでもよい。図８において、排気弁の閉タイミングはＶＶＴ５３の進角制御により上死点後約６０°から上死点後約１０°へ進角され、また、吸気弁の開タイミングはＶＶＴ５１の遅角制御により上死点前約３０°から上死点後約３５°まで遅角される。すなわち、吸気弁と排気弁とのオーバラップ期間は制御前の約９０°からゼロ以下まで大幅に減少する。

また、吸気弁と排気弁とのオーバラップ量の低減をＶＶＴ制御により行うことは必須ではなく、吸気弁または排気弁のいずれか一方あるいは双方のリフト量を通常時とオーバラップ量低減時とで切り換えるようにしても良い。
図示を省略するが、例えば、排気側カムシャフトに形成されたカムを、通常時のリフト量を与える主カム部と、オーバラップ量低減時の小さいリフト量を与える副カム部と、主カム部と副カム部との間に設けられた移行カム部とによって構成する。また、排気側カムシャフトをその軸線方向に変位可能に保持すると共にその一端を油圧シリンダ内に収容された油圧ピストンに連結し、油圧シリンダの一方のシリンダ室にスプリングを配置する一方、他方のシリンダ室を電磁式方向切換弁を介してエンジンの油圧系に接続する。

通常時には、油圧シリンダへの油圧供給を停止し、排気側カムシャフトに形成されたカムの主カム部を排気弁のステム上端に当接させる。一方、オーバラップ量低減時にはＥＣＵ６０により電磁式方向切換弁を作動させて油圧シリンダに油圧を供給し、排気側カムシャフトを軸線方向に変位させて排気側カムシャフトに形成されたカムの副カム部を排気弁のステム上端に当接させ、排気弁のリフト量を小さくする。この様に排気弁のリフト量を小さくすると、図１１に例示するように、吸気弁と排気弁とのオーバラップ面積が大幅に減少する。

図１２は、オーバラップ量低減時に吸気弁のリフト量を小さくするようにした場合におけるオーバラップ面積の減少を示す。また、図１３は、吸気弁および排気弁のそれぞれのリフト量を小さくするようにした場合におけるオーバラップ面積の減少を示す。
更には、吸気弁と排気弁とのオーバラップ量を低減させるため、吸気弁または排気弁のいずれか一方あるいは双方のリフト量を小さくすると共に、吸気側ＶＶＴ５１の遅角制御または排気側ＶＶＴ５３の進角制御のいずれか一方あるいは双方を実施するようにしても良い。

図１４は、吸気弁および排気弁の双方のリフト量を小さくすると共に、吸気側ＶＶＴ５１の遅角制御および排気側ＶＶＴ５３の進角制御を行うようにした場合における、吸気弁と排気弁とのオーバラップ期間の低減およびオーバラップ面積の低減を示すものである。
オーバラップ量の低減以外に関しても、本発明は種々に変形可能である。
例えば、上記実施形態では、冷態時に触媒コンバータを早期に活性化してＨＣを低減するために排気ガス流量を制限するようにした筒内噴射型エンジンに本発明を適用した場合について説明したが、本発明において、排気ガス流量の制限を、触媒コンバータの早期活性化ひいてはＨＣ低減を企図して行うことは必須ではない。すなわち、本発明は、例えば排気ブレーキ作用を奏するために排気ガス流量を制限する筒内噴射型エンジンにも適用可能であり、この場合、触媒コンバータは必須要素ではない。

また、上記実施形態で説明した筒内噴射型エンジンの各部の構成も説明例に限定されるものではない。例えば、圧縮行程噴射モードにおいて圧縮Ｓ／Ｌ運転に代えて通常の圧縮リーン運転を行うようにしても良い。また、エンジン始動後、所定時間ｔ１の経過を待たずに圧縮Ｓ／Ｌ運転や圧縮リーン運転を開始するようにしても良い。
また、排気流量制御弁、可変バルブタイミング機構、触媒コンバータなどの構成も説明例のものに限定されない。すなわち、排気流量制御弁は、排気通路面積を調整できるものであれば良い。また、可変バルブタイミング機構は、吸気弁の開閉タイミングを変更できるものであれば、油圧ベーン式のものに限らず、ヘリカルギヤ式などでも良い。触媒コンバータは、三元触媒に限らず、リーンＮＯx触媒、ＨＣ吸着触媒など或いは三元触媒とその他の触媒とを組み合わせたものでもよい。

本発明の一実施形態による筒内噴射型エンジンを示す概略図である。 図１に示した排気流量制御弁を詳細に示す部分拡大図である。 図１に示したＥＣＵが実行する始動時制御ルーチンのフローチャートである。 ＥＣＵが実行するＶＶＴ制御ルーチンのフローチャートである。 ＶＶＴ制御前における吸気弁リフト量および排気弁リフト量をクランク角の関数として例示すると共に、オーバラップ期間およびオーバラップ面積を示す図である。 排気側ＶＶＴの進角制御後における吸気弁リフト量、排気弁リフト量、オーバラップ期間およびオーバラップ面積を、ＶＶＴ進角制御による排気弁の開閉タイミングの進角量と共に示す図である。 吸気側ＶＶＴの遅角制御後における吸気弁リフト量、排気弁リフト量、オーバラップ期間およびオーバラップ面積を、ＶＶＴ遅角制御による吸気弁の開閉タイミングの遅角量と共に示す図である。 排気側ＶＶＴの進角制御および吸気側ＶＶＴの遅角制御が行われた後における吸気弁リフト量および排気弁リフト量、ＶＶＴ制御による排気弁の開閉タイミングの進角量および吸気弁の開閉タイミングの遅角量、ならびに、オーバラップ期間なしの状態を示す図である。 排気ガスの流量制限に伴う排気ガスの逆流による筒内流動の乱れを示す図である。 吸気負圧による筒内流動の乱れの強まりを示す図である。 排気弁リフト量の減少変更後における吸気弁リフト量および排気弁リフト量をクランク角の関数として例示すると共に、排気弁リフト量の減少変更によるオーバラップ面積の減少を示す図である。 吸気弁リフト量の減少変更によるオーバラップ面積の減少を示す図である。 吸気弁リフト量および排気弁リフト量の減少変更によるオーバラップ面積の減少を示す図である。 吸気弁リフト量および排気弁リフト量の減少変更ならびに吸気側ＶＶＴの遅角制御および排気弁ＶＶＴの進角制御によるオーバラップ期間およびオーバラップ面積の減少を示す図である。

符号の説明

１ 筒内噴射型エンジン
６ 燃料噴射弁
１７ 吸気弁
１８ 排気弁
２０ 排気管（排気通路）
３０ 三元触媒（触媒コンバータ）
４０ 排気圧制御弁（排気流量制御弁）
５１ 吸気側可変バルブタイミング機構
５３ 排気側可変バルブタイミング機構
６０ ＥＣＵ（制御手段、空燃比制御手段、活性判定手段）

Claims (3)

1. 筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を有し、圧縮行程中に燃料を噴射する圧縮行程噴射モードで運転可能な筒内噴射型内燃機関において、
   上記内燃機関の排気通路に設けられ該排気通路を流れる排気ガスの流量を制御する排気流量制御弁と、
   吸気弁または排気弁のいずれか一方あるいは双方の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、
   上記内燃機関が上記圧縮行程噴射モードで運転されると共に上記排気流量制御弁による排気ガスの流量制限が行われているとき、上記吸気弁と上記排気弁とのオーバラップ量が低減するように上記可変バルブタイミング機構を制御する制御手段と
   を備えることを特徴とする筒内噴射型内燃機関。
2. 上記内燃機関が上記圧縮行程噴射モードで運転されると共に上記排気流動制御弁による排気ガスの流量制限が行われているとき、上記制御手段は、上記吸気弁と上記排気弁とのオーバラップ量がゼロ以下まで低減するように上記可変バルブタイミング機構を制御する請求項１に記載の筒内噴射型内燃機関。
3. 上記排気通路に配され排気ガス中の有害物質を浄化する触媒コンバータと、
   上記内燃機関の燃焼空燃比を制御する空燃比制御手段と、
   上記触媒コンバータの活性状態を判定する活性判定手段とを備え、
   上記活性判定手段により上記触媒コンバータが活性状態にないとの判定がなされたとき、燃焼空燃比を理論空燃比またはそれよりもややリーン空燃比として上記圧縮行程噴射モードでの運転を行う請求項１または２に記載の筒内噴射型内燃機関。

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