JP2008202406A - 内燃機関の吸気バルブ制御装置及びこの制御装置を備えた内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】上記タンブルコントロールバルブやスワールコントロールバルブ等の特別な手段を使用することなく、且つ燃料噴射圧力の高圧化といった手法も用いることなしに、気筒内において燃料を効果的に気化霧化させることができる内燃機関の吸気バルブ制御装置を提供する。
【解決手段】インジェクタ２に対向する第３吸気ポート４２ｃを開閉する第３吸気バルブ４３ｃと、第３吸気ポート４２ｃに隣接する第１及び第２吸気ポート４２ａ，４２ｂを開閉する第１及び第２吸気バルブ４３ａ，４３ｂとを備えた吸気３バルブタイプの直噴エンジンに対し、冷間運転時には第３吸気バルブ４３ｃのみを吸気行程時に開放し、低回転高負荷時には第１及び第２吸気バルブ４３ａ，４３ｂのみを吸気行程時に開放し、高回転時には全ての吸気バルブ４３ａ，４３ｂ，４３ｃを吸気行程時に開放する。
【選択図】図３

Description

本発明は、例えば自動車に搭載される内燃機関（以下、エンジンと呼ぶ場合もある）の吸気バルブ制御装置及びこの制御装置を備えた内燃機関に係る。特に、本発明は、気筒内において燃料を効果的に気化霧化させるための対策に関する。

従来より、例えば下記の特許文献１に開示されている筒内直噴式ガソリンエンジンにあっては、気筒内に燃料を直接的に噴射するため、その気筒内での燃料の気化霧化を促進させることが大きな課題となっている。つまり、気筒内での燃料の気化霧化を促進させ、良好な均質燃焼を行わせることで、燃焼室内での燃料の燃焼効率を高めて、出力の向上、排気エミッションの改善、燃料消費率の改善を図ることが要求されている。

尚、この種のエンジンとして、均質燃焼モードと成層燃焼モードとを切り換え可能とするものも知られているが、エンジン駆動状態の大半は均質燃焼モードであるため、このものにあっても気筒内での燃料の気化霧化を促進させることは重要である。

気筒内での燃料の気化霧化を促進させて良好な均質燃焼を実現することに鑑みられた代表的な手法として、これまで以下の構成が提案されている。

先ず、下記の特許文献２に開示されているように、気筒内に大きなタンブル流（縦方向の渦流）を生成するものである。つまり、このタンブル流による気筒内の攪拌によって燃料の気化霧化を促進するものである。例えば特許文献２のものでは、吸気通路を隔壁（仕切り板）によって上下２段の流路に区画すると共に、下段の流路を開閉可能とするタンブルコントロールバルブを備えさせ、必要に応じてタンブルコントロールバルブを閉鎖して気筒内に大きなタンブル流を発生させるようにしている。

また、下記の特許文献３に開示されているように、気筒内にスワール流（水平方向の渦流）を生成するものも知られている。つまり、このスワール流による気筒内の攪拌によって燃料の気化霧化を促進するものである。例えば特許文献３のものでは、吸気通路内にスワールコントロールバルブを備えさせ、このスワールコントロールバルブを開放することで気筒内にスワール流を発生させるようにしている。

更に、特許文献４に開示されているように、直噴用インジェクタとは別にポート噴射用インジェクタを配設した所謂デュアルインジェクション方式のものも知られている。これは、直噴用インジェクタから気筒内への燃料噴射と、ポート噴射用インジェクタから吸入ポート内への燃料噴射とを併用するものである。そして、ポート噴射用インジェクタから噴射された燃料は、ポート内及び気筒内を流れる間に気化霧化が促進されることになるため、気化霧化を促進し難い直噴用インジェクタからの燃料の噴射量を低減することができ、その結果、気筒内に存在する燃料としては気化霧化が促進されたものとして得ることができる。
特開２００４−２７０５３１号公報 特開２００６−３０７６９１号公報 特開２００２−１８８５５０号公報 特開２００６−４６０８５号公報

しかしながら、上記各特許文献に開示されている手法では、吸気通路内にバルブを新たに設けたり、ポート噴射用インジェクタを新たに設ける必要があり、製造コストの高騰を招いてしまうことになる。また、上記特許文献２や特許文献３に開示されているものでは、吸気ポート内に隔壁やバルブを配設しているため、この吸気ポート内での吸気抵抗が増大し、吸入空気量の不足が懸念される。特に、エンジンの高負荷時において吸入空気量不足により十分な出力が得られなくなる可能性がある。

このため、上記各特許文献に開示されているような手段を用いることなしに気筒内での燃料の気化霧化を促進させる手法が求められている。

例えば、インジェクタの燃料噴射圧を高く設定すれば噴射燃料の微粒化が可能であり、燃料の単位質量当たりの表面積が拡大することで、気筒内での燃料の気化霧化を促進させることが可能であると考えられる。

しかし、この場合、インジェクタから噴射される燃料の液滴の初速度が非常に高くなるため、噴射された燃料のうちの多くが気筒内壁面（インジェクタからの燃料噴射方向で対向する気筒内壁面）にまで到達して、この液滴の燃料が気筒内壁面に付着してしまう可能性がある。

特に、気筒内で燃料を気化霧化させるための期間を長く確保するためには、できるだけ早いタイミングで燃料噴射を開始することが好ましく、吸気行程において燃料噴射を開始することが有効であるが、この場合、ピストンの降下（気筒内容積の拡大）に伴って気筒内圧力が低くなっている（大気圧以下の圧力になっている）気筒内に対して非常に高い圧力で燃料噴射を行うことになる。この両者（気筒内圧力と燃料噴射圧力）の圧力差が大きい程（気筒内圧力に対して燃料噴射圧力が相対的に高い程）噴射燃料の飛翔距離は長くなるため、上記タイミングで燃料噴射を開始した場合には、噴射燃料の大部分が液滴のまま気筒内壁面にまで到達してしまう可能性がある。つまり、燃料噴射タイミングを早めたとしても、結果的に、噴射燃料の大部分が気筒内壁面に付着してしまう可能性がある。

このようにして気筒内壁面に付着した燃料は殆ど気化されることがないため、気筒内全体の混合気が希釈（リーン）されてしまうことになる。

以上のことから、インジェクタからの燃料噴射圧を高く設定するには限界があり（例えば十数ＭＰａ程度が限界）、そのため、燃料の気化霧化を促進するにも自ずと限界がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、特別な手段（上記タンブルコントロールバルブやスワールコントロールバルブ等）を使用することなく、且つ燃料噴射圧力の高圧化といった手法も用いることなしに、気筒内において燃料を効果的に気化霧化させることができる内燃機関の吸気バルブ制御装置及びこの制御装置を備えた内燃機関を提供することにある。

−課題の解決原理−
上記の目的を達成するために講じられた本発明の解決原理は、例えば筒内直噴式の吸気３バルブタイプに代表されるようなエンジンに対し、インジェクタに対向する吸気ポートに備えられた吸気バルブの開閉タイミングを制御し、この吸気ポートから導入される吸気の流れを利用して気筒内での燃料の流れを制御することで、気筒内での燃料の気化霧化を促進できるようにしている。

−解決手段−
具体的に、本発明は、１つの気筒に対して接続される複数の吸気ポートと、各吸気ポートにそれぞれ対応して配設され且つ開閉動作が可能な複数の吸気バルブと、気筒内の側方から気筒内中央側に向けて燃料を直接噴射する燃料噴射弁とを備えた内燃機関を前提とする。この内燃機関に対し、上記複数の吸気ポートのうちの一つの吸気ポートを、その吸気ポートから導入される吸気が流れ込むエリアと上記燃料噴射弁から噴射される燃料噴射エリアとが重なるように配設した噴射弁対向吸気ポートとして設ける一方、他の吸気ポートを、噴射弁対向吸気ポートに隣接して配設したサイド吸気ポートとして設ける。また、上記噴射弁対向吸気ポートを、気筒内に導入する吸気の流線が、燃料噴射弁からの燃料噴射方向よりもピストン側に向かうように配設する一方、サイド吸気ポートを、気筒内に導入する吸気の流線が、燃料噴射弁からの燃料噴射方向に略平行となるように配設する。そして、内燃機関の運転状態に応じて、上記噴射弁対向吸気ポートに備えられた噴射弁対向吸気バルブを吸気行程時に開放させる運転モードと閉鎖させる運転モードとを切り換える吸気バルブ開閉制御手段を備えさせている。

この特定事項により、吸気通路を経て各吸気ポートに分流された吸気（吸入空気）は、吸気行程において吸気バルブが開放されている吸気ポートから気筒内に導入され、所定タイミングでの燃料噴射弁からの燃料噴射によって気筒内で混合気を生成することになる。この際、例えば噴射弁対向吸気ポートに備えられた噴射弁対向吸気バルブのみを開放すれば、燃料噴射弁から噴射された燃料は、この噴射弁対向吸気ポートから流れ込んでくる吸気によって案内される。つまり、ピストン側（下方）に向かう吸気流れにより、燃料も吸気の所謂エアカーテン効果によってピストン側に向かうように流れることになる。一方、上記噴射弁対向吸気バルブを閉鎖し、サイド吸気ポートに備えられた吸気バルブ（以下、サイド吸気バルブと呼ぶ）のみを開放すれば、燃料噴射弁から噴射された燃料は、このサイド吸気ポートから流れ込んでくる吸気によって加速されることになり、気筒の軸心に対して略直交する方向（燃料噴射弁からの燃料噴射方向が延長される方向）の広範囲に亘って分散されることになる。

従って、燃料噴射弁から噴射された燃料が気筒内壁面（燃料噴射弁からの燃料噴射方向で対向する気筒内壁面）にまで達してしまう可能性のある内燃機関運転状態では、噴射弁対向吸気バルブのみを開放することで、この燃料の気筒内壁面付着を抑制できる。一方、この燃料の気筒内壁面付着が発生する可能性の低い内燃機関運転状態では、噴射弁対向吸気バルブを閉鎖し、サイド吸気バルブのみを開放することで、燃料の気筒内壁面付着を回避しながら広範囲に亘る燃料分散が可能になる。

このように、本解決手段によれば、噴射弁対向吸気バルブを開放するか否かによって気筒内における燃料の流れを制御することができ、内燃機関の運転状態に適した燃料流れを得て、燃料の気化霧化を促進することが可能になる。

より具体的な構成としては以下のものが挙げられる。つまり、１つの気筒に対して接続される複数の吸気ポートと、各吸気ポートにそれぞれ対応して配設され且つ開閉動作が可能な複数の吸気バルブと、気筒内の側方から気筒内中央側に向けて燃料を直接噴射する燃料噴射弁とを備えた内燃機関を前提とする。この内燃機関に対し、上記複数の吸気ポートのうちの一つの吸気ポートを、その吸気ポートから導入される吸気が流れ込むエリアと上記燃料噴射弁から噴射される燃料噴射エリアとが重なるように配設した噴射弁対向吸気ポートとして設ける一方、他の吸気ポートを、噴射弁対向吸気ポートに隣接して配設されたサイド吸気ポートとして設ける。また、上記噴射弁対向吸気ポートを、気筒内に導入する吸気の流線が、燃料噴射弁からの燃料噴射方向よりもピストン側に向かうように配設する一方、サイド吸気ポートを、気筒内に導入する吸気の流線が、燃料噴射弁からの燃料噴射方向に略平行となるように配設する。そして、内燃機関の冷間運転時、上記噴射弁対向吸気ポートに備えられた噴射弁対向吸気バルブのみを吸気行程時に開放させる吸気バルブ開閉制御手段を備えさせている。

内燃機関の冷間運転時は、気筒内の温度が低く、例えば燃料の沸点以下となっているため、燃料の気化霧化が十分になされない可能性のある運転状態であり、燃料噴射弁から噴射された燃料が気化霧化されることなく比較的大きな液滴のまま飛翔距離が長くなって気筒内壁面にまで到達してしまう可能性が高い状況にある。このような運転状態において、本解決手段にあっては、上記噴射弁対向吸気バルブのみを吸気行程時に開放させる。これにより、上述した如く、燃料噴射弁から噴射された燃料は、この噴射弁対向吸気ポートから流れ込んでくる吸気によって案内され、ピストン側に向かうように流れる（上記カーテン効果による燃料流れの制御）。つまり、燃料噴射弁から噴射された燃料が気筒内壁面（燃料噴射弁からの燃料噴射方向で対向する気筒内壁面）にまで到達してしまうことが抑制され、燃料の大部分を気筒内空間で流動させることが可能になる。また、この際、サイド吸気ポートに備えられたサイド吸気バルブは閉鎖されており、吸気の全量が上記噴射弁対向吸気ポートから流れ込んでくるので、このピストン側に向かう吸気の流速を比較的高く得ることができる。このため、燃料噴射弁からの燃料噴射圧力が比較的高い状況であったとしても、この燃料の流れをピストン側に向けて偏向させることが可能であって、気筒内壁面への燃料付着を抑制することができる。その結果、気筒内に噴射された燃料の略全量を気筒内での気化霧化に寄与させることができ、気筒内全体の混合気が希釈（リーン）されてしまうことがなくなる。これにより、燃焼室内での良好な均質燃焼が可能になり、燃焼効率を高めて、出力の向上、排気エミッションの改善、燃料消費率の改善を図ることが可能になる。

また、気筒内で燃料を気化霧化させるための期間を長く確保するために早いタイミングで（例えば吸気行程の開始と略同時に）燃料噴射を開始させた場合、つまり、ピストンの降下に伴って気筒内圧力が低くなっていく場合であっても、気筒内圧力に対して燃料噴射圧力が相対的に高くなっていることの影響を受けることなく、噴射燃料が気筒内壁面へ付着してしまうことが抑制できるため、良好な均質燃焼を行うことが可能である。

この場合における、より具体的な構成として、３個の吸気ポートを備えさせ、これら吸気ポートのうち中央に位置するものを上記噴射弁対向吸気ポートとし、この噴射弁対向吸気ポートの両側に位置するものをサイド吸気ポートとする。そして、吸気バルブ開閉制御手段が、内燃機関の低回転高負荷時には上記サイド吸気ポートに備えられた吸気バルブのみを吸気行程時に開放し、内燃機関の高回転時には全ての吸気バルブを吸気行程時に開放する構成としている。

上述した解決手段の作用に加えて、内燃機関の低回転高負荷時に、上記サイド吸気ポートに備えられた吸気バルブ（サイド吸気バルブ）のみを吸気行程時に開放したことにより、燃料噴射弁から噴射された燃料は、このサイド吸気ポートから流れ込んでくる吸気によって加速されることになり、気筒の軸心に対して略直交する方向（燃料噴射弁からの燃料噴射方向が延長される方向）の広範囲に亘って分散されることになる。これにより、気筒内の広範囲に亘る燃料分散が可能になり、効果的な燃料の気化霧化が行える。

また、内燃機関の高回転時に、全ての吸気バルブを吸気行程時に開放したことにより、気筒内への吸気量を十分に確保することができ、内燃機関の高出力化（全開性能の向上）を図ることができる。この場合、噴射弁対向吸気ポートから流れ込んでくる吸気の流速は比較的低い（噴射弁対向吸気バルブのみを開放させた場合よりも低い）ため、上記カーテン効果も僅かである。このため、燃料噴射弁から噴射された燃料の大部分がピストン側に向かって流れてしまうといった状況を招くことはなく、気筒内の広範囲に亘って燃料を分散することが可能になる。

他の解決手段としては以下の構成も挙げられる。先ず、１つの気筒に対して接続される複数の吸気ポートと、各吸気ポートにそれぞれ対応して配設され且つ開閉動作が可能な複数の吸気バルブと、気筒内の側方から気筒内中央側に向けて燃料を直接噴射する燃料噴射弁とを備えた内燃機関を前提とする。この内燃機関に対し、上記複数の吸気ポートのうちの一つの吸気ポートを、その吸気ポートから導入される吸気が流れ込むエリアと上記燃料噴射弁から噴射される燃料噴射エリアとが重なるように配設した噴射弁対向吸気ポートとして設ける一方、他の吸気ポートを、噴射弁対向吸気ポートに隣接して配設されたサイド吸気ポートとして設ける。また、上記噴射弁対向吸気ポートを、気筒内に導入する吸気の流線が、燃料噴射弁からの燃料噴射方向よりもピストン側に向かうように配設する一方、サイド吸気ポートを、気筒内に導入する吸気の流線が、燃料噴射弁からの燃料噴射方向に略平行となるように配設する。そして、内燃機関の低回転低負荷時、上記噴射弁対向吸気ポートに備えられた噴射弁対向吸気バルブのみを吸気行程時に開放させる吸気バルブ開閉制御手段を備えさせている。

内燃機関の低回転低負荷時は、気筒内の圧力が極端に低く、気筒内圧力に対して燃料噴射圧力が相対的に大幅に高くなっており、気筒内における噴射燃料の飛翔距離は長くなる可能性が高い運転状態であり、噴射燃料の大部分が液滴のまま気筒内壁面にまで到達してしまう可能性が高い状況である。このような運転状態において、本解決手段にあっては、上記噴射弁対向吸気バルブのみを吸気行程時に開放させる。これにより、上述した場合と同様に、燃料噴射弁から噴射された燃料は、この噴射弁対向吸気ポートから流れ込んでくる吸気によって案内され、ピストン側に向かうように流れる。つまり、燃料噴射弁から噴射された燃料が気筒内壁面にまで到達してしまうことが抑制され、燃料の大部分を気筒内空間で流動させることが可能になる。また、この際、サイド吸気ポートに備えられたサイド吸気バルブは閉鎖されており、吸気の全量が上記噴射弁対向吸気ポートから流れ込んでくるので、このピストン側に向かう吸気の流速を比較的高く得ることができ、燃料噴射弁からの燃料噴射圧力が比較的高い状況であったとしても、この燃料の流れをピストン側に向けて偏向させることで気筒内壁面への燃料付着を抑制することができる。その結果、筒内に噴射された燃料の略全量を気筒内での気化霧化に寄与させることができ、気筒内全体の混合気が希釈（リーン）されてしまうことがなくなる。これにより、燃焼室内での良好な均質燃焼が可能になり、燃焼効率を高めて、出力の向上、排気エミッションの改善、燃料消費率の改善を図ることが可能になる。

この場合における、より具体的な構成として、３個の吸気ポートを備えさせ、これら吸気ポートのうち中央に位置するものを上記噴射弁対向吸気ポートとし、この噴射弁対向吸気ポートの両側に位置するものをサイド吸気ポートとする。そして、各吸気ポートに備えられた各吸気バルブに可変バルブリフト機構を備えさせ、バルブリフト量が可変となる構成としている。

内燃機関の低回転低負荷時は、吸気両が極端に少なくなっている（スロットルバルブが略全閉に近い状態となっている）。このような状況で、２個のサイド吸気バルブを開放させて吸気行程を行うと、吸入空気量に応じて、これらサイド吸気バルブのリフト量を極端に小さく設定する必要がある。このため、各サイド吸気バルブのリフト量に誤差（メカニカルな誤差）が生じている場合、両サイド吸気バルブのリフト量の誤差が積算されることになり、この誤差の影響を大きく受けてしまうことになる。これでは、適正な吸入空気量を得ることができず、エンジン回転数が不安定（ラフアイドル）になる可能性がある。

本解決手段では、この低回転低負荷時に噴射弁対向吸気バルブのみを開放している。このため、吸入空気量に応じたバルブリフト量としては比較的大きく設定することができ、上記リフト量の誤差の影響度合いを低く抑えることができる。

例えば、各サイド吸気バルブを開放させるに際し、リフト量に１．５ｍｍの誤差がそれぞれ生じている場合であってバルブリフト量が１５ｍｍに設定されると、各サイド吸気ポートにおいてそれぞれ１０％のリフト量誤差が生じることになり吸気量のズレが大きくなる。これに対し、噴射弁対向吸気バルブのみを開放させるに際し、リフト量に１．５ｍｍの誤差が生じている場合であってバルブリフト量が３０ｍｍに設定されると、噴射弁対向吸気ポートにおいて５％のリフト量誤差が生じているのみであり、吸気量のズレも小さくなる。従って、本解決手段では、適正な吸気量を確保して安定したエンジンの運転状態を得ることが可能である。尚、この効果は、噴射弁対向吸気ポートの内径寸法をサイド吸気ポートの内径寸法よりも小さく設定した場合によりいっそう顕著に得られる。

更に、他の解決手段としては以下の構成も挙げられる。先ず、１つの気筒に対して接続される複数の吸気ポートと、各吸気ポートにそれぞれ対応して配設され且つ開閉動作が可能な複数の吸気バルブと、気筒内の側方から気筒内中央側に向けて燃料を直接噴射する燃料噴射弁とを備えた内燃機関を前提とする。この内燃機関に対し、上記複数の吸気ポートのうちの一つの吸気ポートを、その吸気ポートから導入される吸気が流れ込むエリアと上記燃料噴射弁から噴射される燃料噴射エリアとが重なるように配設した噴射弁対向吸気ポートとして設ける一方、他の吸気ポートを、噴射弁対向吸気ポートに隣接して配設されたサイド吸気ポートとして設ける。また、上記噴射弁対向吸気ポートを、気筒内に導入する吸気の流線が、燃料噴射弁からの燃料噴射方向よりもピストン側に向かうように配設する一方、サイド吸気ポートを、気筒内に導入する吸気の流線が、燃料噴射弁からの燃料噴射方向に略平行となるように配設する。そして、内燃機関の吸気行程時、上記サイド吸気ポートに備えられたサイド吸気バルブのみを開放した後、上記燃料噴射弁からの燃料噴射の途中で、上記噴射弁対向吸気ポートに備えられた噴射弁対向吸気バルブを開放させる吸気バルブ開閉制御手段を備えさせている。

この場合における、より具体的な構成として、３個の吸気ポートを備えさせ、これら吸気ポートのうち中央に位置するものを上記噴射弁対向吸気ポートとし、この噴射弁対向吸気ポートの両側に位置するものをサイド吸気ポートとする。そして、吸気バルブ開閉制御手段が、吸気行程の開始と略同時に上記サイド吸気ポートに備えられた吸気バルブのみを開放し、燃料噴射弁からの燃料噴射動作の開始後、その終了前に、上記噴射弁対向吸気ポートに備えられた吸気バルブを開放する構成としている。

この特定事項によれば、内燃機関の吸気行程においては、先ず、サイド吸気バルブのみを開放し、サイド吸気ポートから吸気が気筒内に導入された状態で燃料噴射弁からの燃料噴射が開始される。このとき、噴射された燃料は、サイド吸気ポートから流れ込んでくる吸気によって案内され、気筒の軸心に対して略直交する方向（燃料噴射弁からの燃料噴射方向が延長される方向）の広範囲に亘って分散されることになる。

そして、この燃料噴射弁からの燃料噴射が継続されている途中で、上記噴射弁対向吸気バルブの開放が行われる。この噴射弁対向吸気バルブが開放された後に燃料噴射弁から噴射された燃料は、噴射弁対向吸気ポートから流れ込んでくる吸気によって案内され、ピストン側に向かうように流れる（吸気のカーテン効果）。つまり、この燃料は気筒内壁面にまで到達しない燃料として気筒内を流動することになる。

このように、燃料噴射弁からの燃料噴射期間における前半で噴射された燃料はサイド吸気ポートから流れ込んでくる吸気によって広範囲に分散され、上記気筒内壁面付近まで達する燃料として得られるのに対し、後半で噴射された燃料は噴射弁対向吸気ポートから流れ込んでくる吸気によって気筒内壁面付近に達することなく、ピストン側に向かって流れる燃料として得られる。

つまり、吸気行程の前半では、燃料をピストン側に向けて流さないことで、比較的低温度（気筒内壁面よりも低温度）のピストンの頂面に燃料を付着させないようにしてピストン頂面での液相燃料の滞留を防止（スモークやＰＭの発生原因を防止し）、気筒内の気化潜熱の有効利用による気化霧化の促進を図る。また、吸気行程の後半では、ピストンは下死点付近まで移動しているため、このピストン側に向けて燃料を流してもピストン頂面に付着することなく、このピストンに向けて流れる間に燃料を気化霧化させる。つまり、燃料を気化霧化させる期間を長く確保できるようにしている。

このように、吸気行程の前半と後半とで燃料流れを切り換えることで、ピストン頂面及び気筒内壁面への燃料付着を抑制することができ、且つ気筒内の気化潜熱を有効利用できる。その結果、筒内に噴射された燃料の略全量を気筒内での気化霧化に寄与させることができ、気筒内全体の混合気が希釈（リーン）されてしまうことがなくなる。これにより、燃焼室内での良好な均質燃焼が可能になり、燃焼効率を高めて、出力の向上、排気エミッションの改善、燃料消費率の改善を図ることが可能になる。

また、上述した各解決手段のうち何れか一つの吸気バルブ制御装置を備えた内燃機関も本発明の技術的思想の範疇である。つまり、上記噴射弁対向吸気ポート及びサイド吸気ポートのうち吸気行程において吸気バルブが開放された吸気ポートから気筒内に導入された吸気に対して燃料噴射弁から燃料が噴射されることで気筒内に混合気が生成され、圧縮行程を経た後、点火栓の点火によって膨張行程を行う構成とされた内燃機関である。

本発明では、燃料噴射弁に対向する吸気ポートに備えられた吸気バルブの開閉タイミングを制御し、この吸気ポートから導入される吸気の流れを利用して気筒内での燃料の流れを制御することで、気筒内での燃料の気化霧化を促進できるようにしている。このため、気筒内全体の混合気が希釈されてしまうことがなくなり、燃焼室内での良好な均質燃焼が可能になって、出力の向上、排気エミッションの改善、燃料消費率の改善を図ることが可能になる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。本実施形態では、本発明を自動車に搭載された筒内直噴式多気筒（例えば４気筒）ガソリンエンジンに適用した場合について説明する。

各実施形態について説明する前に、各実施形態に共通の構成部分であるエンジンの概略構成等について説明する。

−エンジンの概略構成−
図１は、本実施形態に係るエンジン（内燃機関）１の概略構成を示している。この図１に示すように、このエンジン１は、火花点火式レシプロエンジン１であり、筒内直噴式のインジェクタ（燃料噴射弁）２によりシリンダ１１の気筒１２内へ燃料を直接噴射して混合気を生成するようになっている。

また、エンジン１の各気筒１２内にはピストン３が設けられており、この気筒１２内での混合気の燃焼に伴ってこのピストン３が往復運動する。このピストン３の往復運動はコネクティングロッド３１を介してクランクシャフト６に伝達され、ここで回転運動に変換されて、エンジン１の出力として取り出されるようになっている。

本実施形態に係るエンジン１の吸気系としては、吸気通路４、インテークマニホールド４１、シリンダヘッド１３に形成された吸気ポート４２が備えられている。本実施形態に係るエンジン１は１気筒当たり３本の吸気ポート（第１〜第３の吸気ポート）４２ａ，４２ｂ，４２ｃ（図３参照）を備えており、各吸気ポート４２ａ，４２ｂ，４２ｃそれぞれが吸気バルブ（第１〜第３の吸気バルブ）４３ａ，４３ｂ，４３ｃによって開閉可能となっている。詳細については後述する。

図１中の矢印Ａは吸気系における吸気（空気）の流れを示している。また、各吸気バルブ４３ａ，４３ｂ，４３ｃは、図示しない吸気カムシャフトにより駆動される。この吸気カムシャフトは、クランクシャフト６から取り出される動力がタイミングベルト等によって伝達されて回転駆動される。

また、エンジン１は、上記吸気通路４におけるエアクリーナ４５の下流側に設けられたスロットルボディ４４により吸入空気量が調整されるようになっている。このスロットルボディ４４は、バタフライバルブで成るスロットルバルブ４４ａと、このスロットルバルブ４４ａを開閉駆動するスロットルモータ４４ｂと、スロットルバルブ４４ａの開度を検出するスロットル開度センサ４４ｃとを備えている。後述するエンジンＥＣＵ８は、ドライバにより操作されるアクセルの開度を検知するアクセル開度センサ８２からの出力を取得して、スロットルモータ４４ｂに制御信号を送り、スロットル開度センサ４４ｃからの開度フィードバック信号に基づいて、スロットルバルブ４４ａを適切な開度に制御する。これにより、エンジン１の気筒１２内へ導入する空気Ａの量を制御する。

一方、エンジン１の排気系としては、シリンダヘッド１３に形成された排気ポート７１ａ，７１ｂ（図３参照）、エキゾーストマニホールド７２、排気通路７が備えられている。本実施形態に係るエンジン１は１気筒当たり２本の排気ポート（第１及び第２の排気ポート）７１ａ，７１ｂを備えており、各排気ポート７１ａ，７１ｂそれぞれが排気バルブ（第１及び第２の排気バルブ）７３ａ，７３ｂによって開閉可能となっている。また、これら排気バルブ７３ａ，７３ｂは、図示しない排気カムシャフトにより駆動される。この排気カムシャフトは、クランクシャフト６から取り出される動力がタイミングベルト等によって伝達されて回転駆動される。

上記インジェクタ２は、燃料蓄圧容器としてのデリバリパイプ２１に接続されており、このデリバリパイプ２１から燃料が供給されるようになっている。インジェクタ２によって気筒１２内へ直接噴射された燃料は、上記吸気通路４、インテークマニホールド４１、吸気ポート４２を経て気筒１２内へ導入された空気Ａと共に混合気を形成する。尚、このインジェクタ２からの燃料噴射は、エンジン１の負荷ＫＬやエンジン回転数ＮＥに応じた上記エンジンＥＣＵ８の演算処理により、噴射タイミング及び噴射量が調整される。

シリンダヘッド１３には点火プラグ（点火栓）５が配設されている。インジェクタ２から気筒１２内へ噴射された燃料が、気筒１２内に導入された空気Ａと混合気を形成した状態で、圧縮行程を経て、点火プラグ５の点火が行われることで燃料が燃焼する（膨張行程）。その燃焼圧力はピストン３に伝えられ、これにより上記ピストン３の往復運動が行われる。

燃焼後の混合気は排気ガスＥｘとなり、排気バルブ７３ａ，７３ｂの開弁動作に伴って、排気ポート７１ａ，７１ｂを経てエキゾーストマニホールド７２に排出される（排気行程）。そして、この排気ガスＥｘは、エキゾーストマニホールド７２の下流側に設けられた触媒コンバータ７４により浄化された後、排気通路７を経て大気中へ放出される。

−制御ブロックの説明−
エンジン１には、その運転を制御するために運転に関する情報、及びエンジン１の制御に関する情報を取得するためのセンサ類が取り付けられる。このセンサ類としては、エンジン回転数の検知に利用されるクランク角センサ８１、上記アクセル開度センサ８２、吸入空気量を検出するエアフローセンサ８３、吸入空気温度を検出する吸気温度センサ８４、ウォータジャケット内の冷却水温度を検出する冷却水温センサ８５及び排気ガスＥｘ中の酸素濃度を検出するＯ₂センサ８６等のセンサ類がある。エンジン１の運転を制御するエンジンＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）８は、これらのセンサ類からの出力を取得して、エンジン１の運転を制御する。

図２はこの制御系を示すブロック図である。この図に示すように、エンジンの制御システムは、エンジン１の運転状態を制御するための上記エンジンＥＣＵ８を備えている。このエンジンＥＣＵ８は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）８Ａ、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）８Ｂ、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）８Ｃ及びバックアップＲＡＭ８Ｄ等を備えている。

ＲＯＭ８Ｂ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ている。ＣＰＵ８Ａは、ＲＯＭ８Ｂ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。

ＲＡＭ８ＣはＣＰＵ８Ａ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ＲＡＭ８Ｄはエンジン１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、ＣＰＵ８Ａ、ＲＯＭ８Ｂ、ＲＡＭ８Ｃ及びバックアップＲＡＭ８Ｄは、バス８Ｇを介して互いに接続されるとともに、外部入力回路８Ｅ及び外部出力回路８Ｆと接続されている。

外部入力回路８Ｅには、上記スロットル開度センサ４４ｃ、クランク角センサ８１、アクセル開度センサ８２、エアフローセンサ８３、吸気温度センサ８４、冷却水温センサ８５、Ｏ₂センサ８６の他に、吸気圧力を検出する吸気圧力センサ８７、デリバリパイプ２１内の燃料圧力を検出する燃圧センサ８８、気筒判別用のカム角センサ８９等も接続されている。一方、外部出力回路８Ｆには、上記インジェクタ２、スロットルモータ４４ｂ、点火プラグ５の点火タイミングを決定するイグナイタ５１、デリバリパイプ２１に燃料を供給する図示しない高圧燃料ポンプに備えられ且つ燃料吐出量を制御する電磁スピル弁ＳＶ等が接続されている。

エンジンＥＣＵ８は、自動車の走行時にあっては、エンジン回転数及び負荷率等に基づき、インジェクタ２から噴射される燃料の量を制御するのに用いられる最終燃料噴射量を算出する。

ここで、エンジン回転数は、上記クランク角センサ８１の検出信号から求められる。また、負荷率は、エンジン１の最大機関負荷に対する現在の負荷割合を示す値であって、エンジン１の吸入空気量に対応するパラメータとエンジン回転数ＮＥとから算出される。

そして、エンジンＥＣＵ８は、演算にて算出された最終燃料噴射量に基づいてインジェクタ２を駆動制御し、インジェクタ２から噴射される燃料の量を制御する。インジェクタ２から噴射される燃料の量（燃料噴射量）は、デリバリパイプ２１内の燃料圧力（燃圧）と燃料噴射時間によって定まるため、燃料噴射量を適正にするためには上記燃圧を適正な値に維持する必要がある。これを達成するために、エンジンＥＣＵ８は、上記燃圧センサ８８の検出信号から求められる実燃圧が機関運転状態に応じて設定される目標燃圧に近づくように、高圧燃料ポンプの燃料吐出量をフィードバック制御して燃圧を適正値に維持する。尚、高圧燃料ポンプの燃料吐出量は、上記電磁スピル弁ＳＶの閉弁期間（閉弁開始時期）を調整することによってフィードバック制御される。

−吸気系の構成−
次に、本実施形態に係るエンジン１の吸気系の構成について説明する。図３は、上記吸気ポート４２ａ，４２ｂ，４２ｃ、排気ポート７１ａ，７１ｂ及びその周辺部分を模式的に示す一つの気筒１２の平面図である。

上述した如く、シリンダヘッド１３には、気筒１２内に開口する第１〜第３の吸気ポート４２ａ，４２ｂ，４２ｃと、第１及び第２の排気ポート７１ａ，７１ｂとが形成されている。

第１〜第３の吸気ポート４２ａ，４２ｂ，４２ｃのうち中央に位置する第３吸気ポート（噴射弁対向吸気ポート）４２ｃは、他の吸気ポート（第１及び第２吸気ポート：サイド吸気ポート）４２ａ，４２ｂよりも小径に設定されている。また、この第３吸気ポート４２ｃは、その中心軸の延長方向が、他の吸気ポート（第１及び第２吸気ポート）４２ａ，４２ｂの中心軸の延長方向に比べて僅かに鉛直方向を向いている。図４は、第３吸気ポート４２ｃの中心軸に沿った断面図を示しており、図５は、第２吸気ポート４２ｂの中心軸に沿った断面図を示している。これら図からも明らかなように、第３吸気ポート４２ｃは、その中心軸の延長方向が、第１及び第２吸気ポート４２ａ，４２ｂの中心軸の延長方向に比べて僅かに鉛直方向を向いている。

このため、第１及び第２吸気ポート４２ａ，４２ｂから吸気が導入される場合には、その吸気の流線は水平方向に対して僅かに下向きとなるのに対し（図５に実線で示す矢印参照）、第３吸気ポート４２ｃから吸気が導入される場合には、その吸気の流線は鉛直方向に近くなるように設定されている（図４に実線で示す矢印参照）。

そして、上記第１〜第３の各吸気ポート４２ａ，４２ｂ，４２ｃには、気筒１２内に対する開閉を切り換える上記第１〜第３の吸気バルブ４３ａ，４３ｂ，４３ｃがそれぞれ配設されている。このため、これら第１〜第３の吸気バルブ４３ａ，４３ｂ，４３ｃのうち開放された吸気バルブ４３ａ，４３ｂ，４３ｃに対応する吸気ポート４２ａ，４２ｂ，４２ｃから気筒１２内に空気が導入されることになる。つまり、第１及び第２吸気バルブ４３ａ，４３ｂが開放されて第１及び第２吸気ポート４２ａ，４２ｂから吸気が導入される場合には、上述した如く吸気は水平方向に対して僅かに下向きに流れ込むことになる（図５参照）。これに対し、第３吸気バルブ４３ｃが開放されて第３吸気ポート４２ｃから吸気が導入される場合には、上述した如く吸気は鉛直方向に近い方向に流れ込むことになる（図４参照）。

また、上記インジェクタ２の配設状態として、その燃料噴射方向が、上記第１及び第２吸気ポート４２ａ，４２ｂから吸気が導入される際の吸気の流線に略平行となるように設定されている。図５における破線の矢印は、このインジェクタ２からの燃料噴射方向を示している。

また、図３から明らかなように、このインジェクタ２は、気筒１２の平面視において上記第３吸気ポート４２ｃに対応した位置に配設されている。つまり、このインジェクタ２から噴射される燃料の噴射エリアと、第３吸気バルブ４３ｃが開放されることで第３吸気ポート４２ｃから流れ込む吸気の流入エリアとが重なり合うように、これら第３吸気ポート４２ｃ及びインジェクタ２はそれぞれ配設されている。

また、本実施形態における各吸気バルブ４３ａ，４３ｂ，４３ｃは、それぞれリフト量が可変となっている。具体的には、これら３つの吸気バルブ４３ａ，４３ｂ，４３ｃのうち第１及び第２吸気バルブ（サイド吸気バルブ）４３ａ，４３ｂは、共にリフト量が可変とされながらも、これらは互いに同一タイミング及び同一リフト量で開閉動作を行う。これに対し、第３吸気バルブ（噴射弁対向吸気バルブ）４３ｃは、上記第１及び第２吸気バルブ４３ａ，４３ｂとは個別のリフト量で開閉動作が行われる構成となっている。また、第１及び第２吸気バルブ４３ａ，４３ｂの最大リフト量に比べて第３吸気バルブ４３ｃの最大リフト量は小さく設定されている。また、これら各吸気バルブ４３ａ，４３ｂ，４３ｃの最大リフト量は同一に設定されていてもよい。

このように、リフト量を可変とするための機構としては周知の機構が採用可能である。例えば特開２００６−２００３９１号公報や特開２０００−３４５８１９号公報に開示されている可変バルブリフト機構が採用されている。

前者の公報に開示されている可変バルブリフト機構を簡単に説明すると、吸気カムシャフトに並設されたコントロールシャフト及びロッカシャフトと、このロッカシャフトに軸支された仲介駆動機構とを備えている。そして、この仲介駆動機構は、ロッカシャフトの外周面に嵌め込まれた略円筒状のスライダギアと、このスライダギアにスプライン係合されることでロッカシャフトに軸支される入力アーム及び出力アームとにより構成されている。そして、上記コントロールシャフトをその軸線方向に直線変位させ、それに連動してスライダギアを同方向に直線変位させることで、上記スプライン係合されている入力アームと出力アームとが回転変位する。こうして、コントロールシャフトの直線変位により入力アームと出力アームとの相対位置が変更され、吸気カムから吸気バルブへの押圧力の伝達態様が変更されることでバルブリフト量が可変とされている。

また、後者の公報に開示されている可変バルブリフト機構を簡単に説明すると、吸気カムシャフト上に低リフトカムと高リフトカムとを備えさせ、高リフトカムを吸気カムシャフトの径方向に移動可能に設け、この高リフトカムを作動状態と非作動状態とを切り替えることでバルブリフト量が可変とされている。

一方、上述した如く第１及び第２の排気ポート７１ａ，７１ｂには、気筒１２内に対する開閉を切り換える第１及び第２の排気バルブ７３ａ，７３ｂがそれぞれ配設されている。このため、これら第１及び第２の排気バルブ７３ａ，７３ｂを開弁することによって、気筒１２内から第１及び第２の排気ポート７１ａ，７１ｂへと燃焼後の筒内ガスが排出されるようになっている。

（第１実施形態）
次に、本発明の第１実施形態について説明する。本実施形態は、エンジン１の運転状態に応じて、吸気行程時に開放させる吸気バルブ４３ａ，４３ｂ，４３ｃの切り換え（吸気バルブ開閉制御手段によるモード切り換え）を行うものである。以下、エンジン１の運転状態と、その際に使用する吸気バルブ４３ａ，４３ｂ，４３ｃについて説明する。

−低回転高負荷時−
エンジン１の運転状態が低回転高負荷時である場合（例えばエンジン回転数が２０００ｒｐｍ程度の状態からアクセルが全開された場合）には、上記第１〜第３の吸気バルブ４３ａ，４３ｂ，４３ｃのうち第１及び第２吸気バルブ４３ａ，４３ｂのみを吸気行程において開放し、第３吸気バルブ４３ｃを閉鎖状態のまま維持する。つまり、第１及び第２吸気バルブ４３ａ，４３ｂのリフト量を大きく設定すると共に、第３吸気バルブ４３ｃのリフト量を「０」に設定する。

この場合の吸気行程時における第１及び第２吸気バルブ４３ａ，４３ｂの状態を図５に示し、第３吸気バルブ４３ｃの状態を図６に示している。このように開放動作を行う吸気バルブを選定した場合の動作について以下に説明する。

吸気行程時にインジェクタ２から噴射された燃料は、上記第１及び第２吸気バルブ４３ａ，４３ｂの開放に伴って第１及び第２吸気ポート４２ａ，４２ｂから流れ込んでくる吸気によって加速されることになる。これは、上述した如く、インジェクタ２からの燃料噴射方向が、第１及び第２吸気ポート４２ａ，４２ｂからの吸気の流線に略平行となるように設定されていることに起因する。

このため、気筒１２の軸心に対して略直交する方向（インジェクタ２からの燃料噴射方向が延長される方向）の広範囲に亘って燃料は分散されることになる。図５におけるＦ１は、噴射された燃料の飛翔エリアを示している。これにより、気筒１２内の広範囲に亘る燃料分散が可能になり、効果的な燃料の気化霧化が行えることになる。

−高回転時−
エンジン１の運転状態が高回転時（例えば５０００ｒｐｍ）である場合には、上記第１〜第３の吸気バルブ４３ａ，４３ｂ，４３ｃの全てを吸気行程において開放する。つまり、第１〜第３の吸気バルブ４３ａ，４３ｂ，４３ｃの全てのリフト量を大きく設定する。

この場合の吸気行程時における第１及び第２吸気バルブ４３ａ，４３ｂの状態を図５に示し、第３吸気バルブ４３ｃの状態を図４に示している。このように開放動作を行う吸気バルブを選定したことにより、全ての吸気ポート４２ａ，４２ｂ，４２ｃから吸気を行うことができ、気筒１２内への吸気量を十分に確保することができて、内燃機関の高出力化（全開性能の向上）を図ることができる。また、この場合、第３吸気ポート４２ｃから流れ込んでくる吸気の流速は比較的低い（第３吸気バルブ４３ｃのみを開放させた場合よりも低い）ため、インジェクタ２から噴射された燃料の大部分がピストン３側（下側）に向かって流れてしまうといった状況を招くことはなく、気筒１２内の広範囲に亘って燃料を分散することが可能である。図４におけるＦ２は、噴射された燃料の飛翔エリアを示している。

−冷間時−
エンジン１の運転状態が冷間時（例えば冷却水温度が２０℃程度）である場合には、上記第１から第３の吸気バルブ４３ａ，４３ｂ，４３ｃのうち第３吸気バルブ４３ｃのみを吸気行程において開放し、第１及び第２吸気バルブ４３ａ，４３ｂを閉鎖状態のまま維持する。つまり、第３吸気バルブ４３ｃのリフト量を大きく設定すると共に、第１及び第２吸気バルブ４３ａ，４３ｂのリフト量を「０」に設定する。

この場合の吸気行程時における第１及び第２吸気バルブ４３ａ，４３ｂの状態を図７に示し、第３の吸気バルブ４３ｃの状態を図４に示している。このように開放動作を行う吸気バルブを選定した場合の動作について以下に説明する。

上記冷間時は、気筒１２内の温度が低く、例えば燃料の沸点（ガソリンの場合は７０℃程度）以下となっているため、気筒１２内での燃料の気化霧化が十分になされない可能性のある運転状態であり、インジェクタ２から噴射された燃料が気化霧化されることなく比較的大きな液滴のまま飛翔距離が長くなって気筒内壁面にまで到達してしまう可能性が高い状況にある。

このような運転状態において、本実施形態では、上記第３吸気バルブ４３ｃのみを吸気行程時に開放させる。これにより、インジェクタ２から噴射された燃料は、第３吸気ポート４２ｃから流れ込んでくる吸気によって案内され、ピストン３側に向かうように流れる。つまり、インジェクタ２から噴射された燃料が気筒１２の内壁面（インジェクタ２からの燃料噴射方向で対向する気筒内壁面）にまで到達してしまうことが抑制され、燃料の大部分を気筒１２内の空間で流動させることが可能になる。また、この際、第１及び第２の吸気バルブ４３ａ，４３ｂは閉鎖されており、吸気の全量が上記第３吸気ポート４２ｃから流れ込んでくるので、このピストン３側に向かう吸気の流速を比較的高く得ることができる。図４におけるＦ３は、噴射された燃料の飛翔エリアを示している。このため、インジェクタ２からの燃料噴射圧力が比較的高い状況であったとしても、この燃料の流れをピストン３側に向けて偏向させることが可能であって、気筒１２の内壁面への燃料付着を確実に抑制することができる。

その結果、気筒１２内に噴射された燃料の略全量を気筒１２内での気化霧化に寄与させることができ、気筒１２内の全体の混合気が希釈（リーン）されてしまうことがなくなる。これにより、気筒１２内での良好な均質燃焼が可能になり、燃焼効率を高めて、出力の向上、排気エミッションの改善、燃料消費率の改善を図ることが可能になる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態も、エンジン１の運転状態に応じて、吸気行程時に開放させる吸気バルブ４３ａ，４３ｂ，４３ｃの切り換え（吸気バルブ開閉制御手段によるモード切り換え）を行うものである。以下、エンジン１の運転状態と、その際に使用する吸気バルブ４３ａ，４３ｂ，４３ｃについて説明する。

−低回転低負荷時−
エンジン１の運転状態が低回転低負荷時（例えばアイドリング中）である場合には、上記第１から第３の吸気バルブ４３ａ，４３ｂ，４３ｃのうち第３吸気バルブ４３ｃのみを吸気行程において開放し、第１及び第２吸気バルブ４３ａ，４３ｂを閉鎖状態のまま維持する。つまり、第３吸気バルブ４３ｃのリフト量を大きく設定すると共に、第１及び第２吸気バルブ４３ａ，４３ｂのリフト量を「０」に設定する。

この場合の吸気行程時における第１及び第２の吸気バルブ４３ａ，４３ｂの状態を図７に示し、第３の吸気バルブ４３ｃの状態を図４に示している。このように開放動作を行う吸気バルブを選定した場合の動作について以下に説明する。

エンジン１の低回転低負荷時は、気筒１２内の圧力が極端に低く、気筒１２内の圧力に対して燃料噴射圧力が相対的に大幅に高くなっており、気筒１２内における噴射燃料の飛翔距離は長くなる可能性が高い運転状態であり、噴射燃料の大部分が液滴のまま気筒内壁面にまで到達してしまう可能性が高い状況である。

このような運転状態において、本実施形態にあっては、上記第３吸気バルブ４３ｃのみを吸気行程時に開放させる。これにより、インジェクタ２から噴射された燃料は、第３吸気ポート４３ｃから流れ込んでくる吸気によって案内され、ピストン３側に向かうように流れる（図４の領域Ｆ３を参照）。つまり、インジェクタ２から噴射された燃料が気筒内壁面にまで到達してしまうことが抑制され、燃料の大部分を気筒１２内の空間で流動させることが可能になる。また、この際、第１及び第２の吸気バルブ４３ａ，４３ｂは閉鎖されており、吸気の全量が上記第３吸気ポート４３ｃから流れ込んでくるので、このピストン３側に向かう吸気の流速を比較的高く得ることができ、インジェクタ２からの燃料噴射圧力が比較的高い状況であったとしても、この燃料の流れをピストン３側に向けて偏向させることで気筒内壁面への燃料付着を確実に抑制することができる。

その結果、気筒１２内に噴射された燃料の略全量を気筒１２内での気化霧化に寄与させることができ、気筒１２内全体の混合気が希釈（リーン）されてしまうことがなくなる。これにより、燃焼室内での良好な均質燃焼が可能になり、燃焼効率を高めて、出力の向上、排気エミッションの改善、燃料消費率の改善を図ることが可能になる。

また、上記効果に加えて、本実施形態では以下の効果も奏することができる。つまり、エンジン１の低回転低負荷時は、吸入空気量が極端に少なくなっている（スロットルバルブ４４ａが略全閉に近い状態となっている）。このような状況で、第１及び第２の吸気バルブ４３ａ，４３ｂを共に開放させて吸気行程を行うと、吸入空気量に応じて、これら第１及び第２吸気バルブ４３ａ，４３ｂのバルブリフト量を極端に小さく設定する必要がある。このため、第１及び第２吸気バルブ４３ａ，４３ｂのバルブリフト量に誤差（メカニカルな誤差）が生じている場合、これら第１及び第２吸気バルブ４３ａ，４３ｂのバルブリフト量の誤差が積算されることになり、この誤差の影響を大きく受けてしまうことになる。これでは、適正な吸入空気量を得ることができず、エンジン回転数が不安定（ラフアイドル）になる可能性がある。

本実施形態では、この低回転低負荷時に第３吸気バルブ４３ｃのみを開放している。つまり、内径寸法の小さい第３吸気ポート４２ｃのみにより吸気を行うようにしている。このため、吸入空気量に応じたバルブリフト量としては比較的大きく設定することができ、上記バルブリフト量の誤差の影響度合いを低く抑えることができる。

図８を用いて具体的に説明する。図８（ａ）は、低回転低負荷時に第１及び第２の吸気バルブ４３ａ，４３ｂを開放させるようにした従来例における各吸気バルブ４３ａ，４３ｂのバルブリフト量の変化を示しており、図中Ａは、これら吸気バルブ４３ａ，４３ｂの最大バルブリフト量を示し、図中Ｂは低回転低負荷時に設定されるバルブリフト量を示している。これに対し、図８（ｂ）は、低回転低負荷時に第３吸気バルブ４３ｃのみを開放させるようにした本実施形態における第３吸気バルブ４３ｃのバルブリフト量の変化を示している。尚、これら図にあっては、目標バルブリフト量を実線で示し、後述するメカニカルな誤差（バルブリフト量に関わりなく一定となる誤差：ｔ）の影響による実バルブリフト量を破線で示している。

これら図に示すように、バルブのリフト量に関わりなく上記誤差（図中の寸法ｔ）は略一定であるため、第１及び第２の吸気バルブ４３ａ，４３ｂを開放させる従来技術（図８（ａ）に示すもの）にあっては、目標バルブリフト量（実線）が極端に小さく設定された場合（実線Ｂ）には、この目標バルブリフト量に対する誤差（ｔ）の割合は非常に大きくなって、実バルブリフト量（破線Ｂ）が極端に小さくなり、吸気量のズレが大きくなっている。

これに対し、本実施形態の如く第３吸気バルブ４３ｃのみを開放させた場合には、上記と同様の誤差寸法（ｔ）が生じていたとしても、目標バルブリフト量（実線Ｃ）が大きく設定されていることで、この目標バルブリフト量に対する誤差（ｔ）の割合は小さく、実バルブリフト量（破線Ｃ）も十分に確保されている。このため、吸気量のズレも小さくできる。

このように、本実施形態の如く、低回転低負荷時に第３吸気バルブ４３ｃのみを開放させるようにすれば、適正な吸気量を確保して安定したエンジン１の運転状態を得ることが可能である。特に、本実施形態の場合には、第３吸気ポート４２ｃの内径寸法を第１及び第２の吸気ポート４２ａ，４２ｂの内径寸法よりも小さく設定していることで、この低回転低負荷時における第３吸気バルブ４３ｃの目標バルブリフト量を大きく設定することができるため、よりいっそう顕著な効果を得ることができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態は、エンジン１の吸気行程時における第１及び第２の吸気バルブ４３ａ，４３ｂの開閉タイミングと第３吸気バルブ４３ｃの開閉タイミングとを互いに異ならせていることに特徴がある。以下、各吸気バルブ４３ａ，４３ｂ，４３ｃ及び排気バルブ７３ａ，７３ｂのバルブ開閉タイミング及びバルブリフト量の変化を示す図９を用いて具体的に説明する。

排気行程の終了タイミングの前段階（クランク角度でピストン上死点から十数度程度前）から第１及び第２吸気バルブ４３ａ，４３ｂの開弁動作を開始させる（図中のタイミングＴ１）。そして、インジェクタ２からの燃料噴射動作の開始後（燃料噴射動作の開始タイミングは図中のＴ２）、その終了前であって（燃料噴射動作の終了タイミングは図中のＴ４）、未だ第１及び第２の吸気バルブ４３ａ，４３ｂが開弁状態にある（全閉状態に至っていない）タイミング（図中のタイミングＴ３）で第３吸気バルブ４３ｃの開弁動作を開始させるようにしている。

より具体的には、第１及び第２の吸気バルブ４３ａ，４３ｂのバルブリフト量が最大リフト量となるタイミングを過ぎて、これら第１及び第２の吸気バルブ４３ａ，４３ｂの閉弁動作が開始された後に第３吸気バルブ４３ｃの開弁動作を開始させるようにしている。また、第１及び第２の吸気バルブ４３ａ，４３ｂのバルブリフト量が最大リフト量となった時点で第３吸気バルブ４３ｃの開弁動作を開始させるようにしてもよい。このように第１及び第２の吸気バルブ４３ａ，４３ｂの開閉タイミングと第３吸気バルブ４３ｃの開閉タイミングとを互いに異ならせる場合、これらバルブ開閉タイミングを任意に変更可能とする周知の可変バルブタイミング機構（例えば特開２００６−９６９４号公報に開示されている機構など）を備えさせることが有効である。

このように各吸気バルブ４３ａ，４３ｂ，４３ｃの開閉タイミングを設定した場合の動作について以下に説明する。

上述した如くエンジン１の吸気行程においては、先ず、第１及び第２吸気バルブ４３ａ，４３ｂのみを開放し、第１及び第２吸気ポート４２ａ，４２ｂのみから吸気が気筒１２内に導入された状態となり、この状態でインジェクタ２からの燃料噴射が開始される。このとき、噴射された燃料は、第１及び第２の吸気ポート４２ａ，４２ｂから流れ込んでくる吸気によって案内され、気筒１２の軸心に対して略直交する方向（インジェクタ２からの燃料噴射方向が延長される方向）の広範囲に亘って分散されることになる（図５参照）。

そして、このインジェクタ２からの燃料噴射が継続されている途中で、上記第３吸気バルブ４３ｃの開放が行われる。この第３吸気バルブ４３ｃが開放された後にインジェクタ２から噴射された燃料は、第３吸気ポート４２ｃから流れ込んでくる吸気によって案内され、ピストン３側に向かうように流れる（図４参照）。つまり、この燃料は気筒１２の内壁面にまで到達しない燃料として気筒１２内を流動することになる。

この際、第３吸気ポート４２ｃから流れ込んでくる吸気によって案内される燃料は、図４における飛翔エリアＦ２の状態から飛翔エリアＦ３の状態へと徐々に移行していくことになる。つまり、徐々に下向きの流れに変化していくことになる。これは、第３吸気バルブ４３ｃの開放が行われた時点では、第１及び第２吸気バルブ４３ａ，４３ｂは徐々に閉鎖していく状態となっており（図９参照）、第１及び第２吸気ポート４２ａ，４２ｂからの吸気量が徐々に減少していき、これに伴って第３吸気ポート４２ｃからの吸気量が徐々に増加していく、つまり、上記カーテン効果が増強されていく状態となるからである。

このように、本実施形態では、インジェクタ２からの燃料噴射期間における前半で噴射された燃料は第１及び第２吸気ポート４２ａ，４２ｂから流れ込んでくる吸気によって広範囲に分散され、上記気筒内壁面付近まで達する燃料として得られ、後半で噴射された燃料は第３吸気ポート４２ｃから流れ込んでくる吸気によって気筒内壁面付近に達することなく、ピストン３側に向かって流れる燃料として得られる。つまり、吸気行程の前半では、燃料をピストン３側に向けて流さないことで、比較的低温度（気筒内壁面よりも低温度）のピストン３の頂面に燃料を付着させないようにしてピストン３の頂面での液相燃料の滞留を防止し、気筒１２内の気化潜熱の有効利用による気化霧化の促進を図る。また、吸気行程の後半では、ピストン３は下死点付近まで移動しているため、このピストン３側に向けて燃料を流してもピストン３の頂面に燃料が付着することなく、このピストン３に向けて流れる間に燃料を気化霧化させる。つまり、燃料を気化霧化させる期間を長く確保できるようにしている。

このように、吸気行程の前半と後半とで燃料流れを切り換えることで、ピストン３の頂面及び気筒内壁面への燃料付着を抑制することができる。その結果、気筒１２内に噴射された燃料の略全量を気筒内での気化霧化に寄与させることができ、気筒１２内の全体の混合気が希釈（リーン）されてしまうことがなくなる。これにより、燃焼室内での良好な均質燃焼が可能になり、燃焼効率を高めて、出力の向上、排気エミッションの改善、燃料消費率の改善を図ることが可能になる。

−その他の実施形態−
以上説明した各実施形態は、本発明を自動車に搭載された筒内直噴式４気筒ガソリンエンジンに適用した場合について説明した。本発明は、自動車用に限らず、その他の用途に使用されるエンジンにも適用可能である。また、気筒数やエンジン形式（直列型やＶ型や水平対向型等の別）についても特に限定されるものではない。

また、上述した各実施形態では、吸気側が３バルブであって、排気側が２バルブである５バルブタイプのエンジン１に本発明を適用した場合について説明した。本発明はこれに限らず、吸気側が２バルブであって一方の吸気バルブによって開閉される一つの吸気ポートがインジェクタの配設位置に対向するようなエンジンや、吸気側に４個以上のバルブを備え、そのうち一つの吸気バルブによって開閉される一つの吸気ポートがインジェクタの配設位置に対向するようなエンジンに対しても本発明は適用可能である。また、各吸気ポート４２ａ，４２ｂ，４２ｃの内径寸法の大きさの関係も上記実施形態（第３吸気ポート４２ｃの内径が他の吸気ポート４２ａ，４２ｂの内径よりも小さく設定されていること）に限定されるものではない。また、排気バルブ７３ａ，７３ｂの個数も上記各実施形態のものには限定されない。

また、上述した各実施形態は互いに組み合わせることも可能である。つまり、上記第１実施形態において、エンジン１の運転状態が低回転低負荷時であるときには上記第２実施形態の動作を行わせるようにしたり、エンジン１の運転状態が高回転時であるときには上記第３実施形態の動作を行わせるようにしてもよい。また、上記第２実施形態において、エンジン１の運転状態が高回転時であるときには上記第３実施形態の動作を行わせるようにしてもよい。

また、上記第３実施形態では、吸気行程時における第１及び第２の吸気バルブ４３ａ，４３ｂの開閉タイミングと第３吸気バルブ４３ｃの開閉タイミングとを互いに異ならせるようにしていたが、上記第１実施形態及び第２実施形態において、全ての吸気バルブ４３ａ，４３ｂ，４３ｃの開閉動作を行うに際して（例えば第１実施形態における高回転時）、この第３実施形態の場合と同様に各吸気バルブ４３ａ，４３ｂ，４３ｃの開閉タイミングを互いに異ならせるようにしてもよいし、これらの開閉タイミングを互いに一致させるようにしてもよい。

実施形態に係るエンジンの概略構成を示す図である。 エンジンの制御系を示すブロック図である。 吸気ポート、排気ポート及びその周辺部分を模式的に示す平面図である。 第３吸気ポートの中心軸に沿った断面図であって、第３吸気バルブの開放状態を示す図である。 第２吸気ポートの中心軸に沿った断面図であって、第２吸気バルブの開放状態を示す図である。 第３吸気ポートの中心軸に沿った断面図であって、第３吸気バルブの閉鎖状態を示す図である。 第２吸気ポートの中心軸に沿った断面図であって、第２吸気バルブの閉鎖状態を示す図である。 図８（ａ）は、第１及び第２吸気バルブを開放させるようにした従来例における各吸気バルブのバルブリフト量の変化を示す図であり、図８（ｂ）は、第３吸気バルブのみを開放させるようにした本実施形態における第３吸気バルブのバルブリフト量の変化を示す図である。 第３実施形態における排気バルブ、第１及び第２吸気バルブ、第３吸気バルブのバルブ開閉タイミング及びバルブリフト量の変化を示す図である。

符号の説明

１ エンジン（内燃機関）
１２ 気筒
２ インジェクタ（燃料噴射弁）
３ ピストン
４２ａ 第１吸気ポート（サイド吸気ポート）
４２ｂ 第２吸気ポート（サイド吸気ポート）
４２ｃ 第３吸気ポート（噴射弁対向吸気ポート）
４３ａ 第１吸気バルブ（サイド吸気バルブ）
４３ｂ 第２吸気バルブ（サイド吸気バルブ）
４３ｃ 第３吸気バルブ（噴射弁対向吸気バルブ）
５ 点火プラグ（点火栓）

Claims (8)

1. １つの気筒に対して接続される複数の吸気ポートと、各吸気ポートにそれぞれ対応して配設され且つ開閉動作が可能な複数の吸気バルブと、気筒内の側方から気筒内中央側に向けて燃料を直接噴射する燃料噴射弁とを備えた内燃機関において、
   上記複数の吸気ポートのうちの一つの吸気ポートは、その吸気ポートから導入される吸気が流れ込むエリアと上記燃料噴射弁から噴射される燃料噴射エリアとが重なるように配設された噴射弁対向吸気ポートとして設けられている一方、他の吸気ポートは、噴射弁対向吸気ポートに隣接して配設されたサイド吸気ポートとして設けられていて、
   上記噴射弁対向吸気ポートは、気筒内に導入する吸気の流線が、燃料噴射弁からの燃料噴射方向よりもピストン側に向かうように配設されている一方、サイド吸気ポートは、気筒内に導入する吸気の流線が、燃料噴射弁からの燃料噴射方向に略平行となるように配設されており、
   内燃機関の運転状態に応じて、上記噴射弁対向吸気ポートに備えられた噴射弁対向吸気バルブを吸気行程時に開放させる運転モードと閉鎖させる運転モードとを切り換える吸気バルブ開閉制御手段を備えていることを特徴とする内燃機関の吸気バルブ制御装置。
2. １つの気筒に対して接続される複数の吸気ポートと、各吸気ポートにそれぞれ対応して配設され且つ開閉動作が可能な複数の吸気バルブと、気筒内の側方から気筒内中央側に向けて燃料を直接噴射する燃料噴射弁とを備えた内燃機関において、
   上記複数の吸気ポートのうちの一つの吸気ポートは、その吸気ポートから導入される吸気が流れ込むエリアと上記燃料噴射弁から噴射される燃料噴射エリアとが重なるように配設された噴射弁対向吸気ポートとして設けられている一方、他の吸気ポートは、噴射弁対向吸気ポートに隣接して配設されたサイド吸気ポートとして設けられていて、
   上記噴射弁対向吸気ポートは、気筒内に導入する吸気の流線が、燃料噴射弁からの燃料噴射方向よりもピストン側に向かうように配設されている一方、サイド吸気ポートは、気筒内に導入する吸気の流線が、燃料噴射弁からの燃料噴射方向に略平行となるように配設されており、
   内燃機関の冷間運転時、上記噴射弁対向吸気ポートに備えられた噴射弁対向吸気バルブのみを吸気行程時に開放させる吸気バルブ開閉制御手段を備えていることを特徴とする内燃機関の吸気バルブ制御装置。
3. 上記請求項２記載の内燃機関の吸気バルブ制御装置において、
   ３個の吸気ポートを備えており、これら吸気ポートのうち中央に位置するものが上記噴射弁対向吸気ポートであり、この噴射弁対向吸気ポートの両側に位置するものがサイド吸気ポートとされており、
   吸気バルブ開閉制御手段は、内燃機関の低回転高負荷時には上記サイド吸気ポートに備えられた吸気バルブのみを吸気行程時に開放し、内燃機関の高回転時には全ての吸気バルブを吸気行程時に開放するよう構成されていることを特徴とする内燃機関の吸気バルブ制御装置。
4. １つの気筒に対して接続される複数の吸気ポートと、各吸気ポートにそれぞれ対応して配設され且つ開閉動作が可能な複数の吸気バルブと、気筒内の側方から気筒内中央側に向けて燃料を直接噴射する燃料噴射弁とを備えた内燃機関において、
   上記複数の吸気ポートのうちの一つの吸気ポートは、その吸気ポートから導入される吸気が流れ込むエリアと上記燃料噴射弁から噴射される燃料噴射エリアとが重なるように配設された噴射弁対向吸気ポートとして設けられている一方、他の吸気ポートは、噴射弁対向吸気ポートに隣接して配設されたサイド吸気ポートとして設けられていて、
   上記噴射弁対向吸気ポートは、気筒内に導入する吸気の流線が、燃料噴射弁からの燃料噴射方向よりもピストン側に向かうように配設されている一方、サイド吸気ポートは、気筒内に導入する吸気の流線が、燃料噴射弁からの燃料噴射方向に略平行となるように配設されており、
   内燃機関の低回転低負荷時、上記噴射弁対向吸気ポートに備えられた噴射弁対向吸気バルブのみを吸気行程時に開放させる吸気バルブ開閉制御手段を備えていることを特徴とする内燃機関の吸気バルブ制御装置。
5. 上記請求項４記載の内燃機関の吸気バルブ制御装置において、
   ３個の吸気ポートを備えており、これら吸気ポートのうち中央に位置するものが上記噴射弁対向吸気ポートであり、この噴射弁対向吸気ポートの両側に位置するものがサイド吸気ポートとされており、
   各吸気ポートに備えられた各吸気バルブは、可変バルブリフト機構が備えられてバルブリフト量が可変に構成されていることを特徴とする内燃機関の吸気バルブ制御装置。
6. １つの気筒に対して接続される複数の吸気ポートと、各吸気ポートにそれぞれ対応して配設され且つ開閉動作が可能な複数の吸気バルブと、気筒内の側方から気筒内中央側に向けて燃料を直接噴射する燃料噴射弁とを備えた内燃機関において、
   上記複数の吸気ポートのうちの一つの吸気ポートは、その吸気ポートから導入される吸気が流れ込むエリアと上記燃料噴射弁から噴射される燃料噴射エリアとが重なるように配設された噴射弁対向吸気ポートとして設けられている一方、他の吸気ポートは、噴射弁対向吸気ポートに隣接して配設されたサイド吸気ポートとして設けられていて、
   上記噴射弁対向吸気ポートは、気筒内に導入する吸気の流線が、燃料噴射弁からの燃料噴射方向よりもピストン側に向かうように配設されている一方、サイド吸気ポートは、気筒内に導入する吸気の流線が、燃料噴射弁からの燃料噴射方向に略平行となるように配設されており、
   内燃機関の吸気行程時、上記サイド吸気ポートに備えられたサイド吸気バルブのみを開放した後、上記燃料噴射弁からの燃料噴射の途中で、上記噴射弁対向吸気ポートに備えられた噴射弁対向吸気バルブを開放させる吸気バルブ開閉制御手段を備えていることを特徴とする内燃機関の吸気バルブ制御装置。
7. 上記請求項６記載の内燃機関の吸気バルブ制御装置において、
   ３個の吸気ポートを備えており、これら吸気ポートのうち中央に位置するものが上記噴射弁対向吸気ポートであり、この噴射弁対向吸気ポートの両側に位置するものがサイド吸気ポートとされており、
   吸気バルブ開閉制御手段は、吸気行程の開始と略同時に上記サイド吸気バルブのみを開放し、燃料噴射弁からの燃料噴射動作の開始後、その終了前に、上記噴射弁対向吸気バルブを開放するよう構成されていることを特徴とする内燃機関の吸気バルブ制御装置。
8. 上記請求項１〜７のうち何れか一つに記載の内燃機関の吸気バルブ制御装置を備えた内燃機関であって、
   上記噴射弁対向吸気ポート及びサイド吸気ポートのうち吸気行程において吸気バルブが開放された吸気ポートから気筒内に導入された吸気に対して燃料噴射弁から燃料が噴射されることで気筒内に混合気が生成され、圧縮行程を経た後、点火栓の点火によって膨張行程を行う構成とされていることを特徴とする内燃機関。

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