JP2014152619A - 火花点火式エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】異常燃焼を防止しつつ燃費を向上させる。
【解決手段】本発明の火花点火式エンジンにおいて、制御手段（３０）は、エンジンの部分負荷域に設定された第１領域Ａ１と、第１領域Ａ１よりも負荷の高い第２領域Ａ２と、第２領域Ａ２よりも負荷の高い第３領域Ａ３とにおいて、吸気弁８および排気弁９の双方が開く期間であるバルブオーバーラップ量ＯＬが順次変化するように吸気可変機構（１８ａ）を制御する。エンジンの回転速度が同一という条件で比較したとき、第１領域Ａ１および第３領域Ａ３でのバルブオーバーラップ量ＯＬは、第２領域Ａ２のときよりも大きく設定される。
【選択図】図５

Description

本発明は、吸気ポートを通じた気筒内への空気の導入を制御する吸気弁と、気筒内で生成された排気ガスの排気ポートへの排出を制御する排気弁と、少なくとも吸気弁の開時期を変更可能な吸気可変機構を備えた火花点火式エンジンに関する。

火花点火式エンジンでは、圧縮比が高いほど熱効率が向上し、高い燃費性能が得られることが知られている。しかしながら、圧縮比が高いエンジンでは、特にその高負荷域で、ノッキング（火炎伝播の途中で未燃焼のエンドガスが自着火する現象）等の異常燃焼が起き易くなる。

例えば、下記特許文献１には、スロットル全開域を含む高負荷域で、吸気弁の閉時期によって定まる有効圧縮比を１３以上に維持するようにしたエンジンが開示されている。このような高圧縮比エンジンでは、上述したように、エンジンの高負荷域で異常燃焼が起き易いため、これを回避するべく、特許文献１では、上記高負荷域での点火タイミングを、最もトルクの出るタイミング（通常は圧縮上死点付近）であるＭＢＴよりも所定量リタード（遅角）させるようにしている。これにより、エンジンのピストンがある程度下降してから（つまり気筒内の温度・圧力が下がってから）燃焼が開始されるので、ノッキングを回避することが可能になる。

特開２００７−２９２０５０号公報

このように、上記特許文献１では、エンジンの高圧縮比化によって熱効率の向上が図られているものの、高負荷域で起き易い異常燃焼を点火タイミングのリタードによって回避する必要があるので、特に高負荷域での燃費が悪化し易いという問題があった。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、異常燃焼を適正に防止しつつ燃費を向上させることが可能な火花点火式エンジンを提供することを目的とする。

上記課題を解決するためのものとして、本発明は、吸気ポートを通じた気筒内への空気の導入を制御する吸気弁と、気筒内で生成された排気ガスの排気ポートへの排出を制御する排気弁と、少なくとも吸気弁の開時期を変更可能な吸気可変機構と、吸気可変機構を制御する制御手段とを備えた火花点火式エンジンであって、上記制御手段は、エンジンの部分負荷域に設定された第１領域と、第１領域よりも負荷の高い第２領域と、第２領域よりも負荷の高い第３領域とにおいて、上記吸気弁および排気弁の双方が開く期間であるバルブオーバーラップ量が順次変化するように上記吸気可変機構を制御し、エンジンの回転速度が同一という条件で比較したとき、上記第１領域および第３領域でのバルブオーバーラップ量が上記第２領域のときよりも大きく設定される、ことを特徴とするものである（請求項１）。

すなわち、本発明によれば、エンジンの部分負荷域に設定された第１領域においてバルブオーバーラップ量が拡大されるので、吸気弁および排気弁の双方が開いている間にエンジンのピストンが下降することにより、排気ポート内の排気ガスが気筒内に導入（逆流）されて、気筒内に残留する排気ガスの量が増大する。これにより、吸気行程中の気筒内の圧力が増大するので、ポンピングロスを低減させることができ、エンジンの燃費性能を向上させることができる。

一方、上記第１領域よりも負荷の高い第２領域では、バルブオーバーラップ量が相対的に縮小されるので、気筒内に残留する排気ガスの量が減少する。これにより、負荷が高く熱発生量の多い第２領域において、気筒内の温度上昇が抑制されるので、ノッキング等の異常燃焼が発生するのを適正に防止することができる。

上記第２領域よりも負荷の高い第３領域では、さらに異常燃焼が起き易くなるので、やはりバルブオーバーラップ量は小さい方がよいということもできる。しかしながら、最も負荷の高い第３領域では、気筒内に吸入される空気量が増大し、吸気ポートの圧力が上昇するので、この状態で吸気弁および排気弁の双方が開かれていれば、吸気ポートから排気ポートへと吸入空気が吹き抜ける吹き抜け流が生じ、むしろ排気ガスの残留量が減少する。そこで、本発明では、最も負荷の高い第３領域において、再びバルブオーバーラップ量を拡大するようにしている。これにより、吸入空気の吹き抜け流により排気ガスの残留量を減らす掃気効果が得られて、やはりノッキング等の異常燃焼を防止することができる。

しかも、本発明によれば、バルブオーバーラップ量の調整は吸気弁の開閉時期の変更によってなされるので、排気弁の開閉時期を固定化することができ、排気弁に対し上記吸気可変機構のような機構を設ける必要がない。このため、より簡素で低コストな構造でありながら、異常燃焼が起きにくくしかも燃費性能に優れたエンジンを実現することができる。

本発明において、好ましくは、エンジンの回転速度が同一という条件で比較したとき、上記第１領域でのバルブオーバーラップ量の最大値が、上記第３領域でのバルブオーバーラップ量の最大値よりも大きく設定される（請求項２）。

このように、吸入空気の吹き抜け流を利用して排気ガスの掃気を図る第３領域でのバルブオーバーラップ量を、排気ガスを積極的に残留させることでポンピングロスの低減を図る第１領域でのバルブオーバーラップ量よりも小さく設定した場合には、第３領域でのバルブオーバーラップ量が過大になることで起こり得る残留ガスの増大を防止しつつ、吸入空気の吹き抜け流を利用して確実に排気ガスの掃気を図ることができ、第３領域のような高負荷域での異常燃焼を確実に防止することができる。

本発明において、好ましくは、気筒内の空燃比が、上記第１、第２領域では理論空燃比に設定され、上記第３領域では理論空燃比よりもリッチな値に設定される（請求項３）。

このように、最も負荷の高い第３領域で空燃比をリッチ化した場合には、多量の燃料が気化することに伴う気化潜熱により気筒内の温度低下が図られるので、上記のように吸入空気の吹き抜け流を利用した排気ガスの掃気が図られることと相俟って、ノッキング等の異常燃焼をより効果的に防止することができる。これにより、異常燃焼回避のために点火タイミングを大幅にリタード（遅角）させる必要がなくなるので、極端な燃費の悪化を招くことなく、しかも負荷に見合った充分なトルクを得ることができる。

本発明において、好ましくは、外部から取り入れた空気を気筒に導入するための吸気通路と、吸気通路に開閉可能に設けられたスロットル弁とをさらに備え、上記制御手段は、上記第１領域での運転時、上記スロットル弁の開度を、エンジンの負荷に比例して定まる基本特性値よりも大きく設定する（請求項４）。

さらに好ましくは、上記制御手段は、上記第２領域での運転時、上記スロットル弁の開度を上記基本特性値よりも小さく設定する（請求項５）。

このように、バルブオーバーラップ量が拡大される（つまり排気ガスの残留量が増やされる）第１領域でスロットル弁の開度を大きめに設定した場合には、残留ガスの増大に伴って気筒内への吸入空気量が不足するといった事態が回避される。一方、バルブオーバーラップ量が縮小される（つまり排気ガスの残留量が減らされる）第２領域では、逆にスロットル弁の開度が小さめに設定されるので、気筒内の吸入空気量が必要以上に増大するのを防止することができる。いずれにせよ、上記の構成によれば、排気ガスの残留量が異なる第１領域および第２領域において、それぞれ適正な量の吸入空気を確保することができ、適正な空燃比下での燃焼を実現することができる。

本発明において、好ましくは、上記第２領域は、エンジンの回転速度が高いほど低負荷側まで拡大するように設定されている（請求項６）。

この構成のように、第２領域の負荷方向の広さが高速側ほど拡大されるということは、第２領域よりも負荷の低い第１領域の負荷方向の広さが、排気ガスの圧力が高くなり易いエンジンの高速側ほど狭くなることを意味する。これにより、特に第１領域内の高速側において、気筒内に過剰な量の排気ガスが残留することが回避されるので、エンジン回転速度にかかわらず適正な量の残留ガスを確保して適正な燃焼を行わせることができる。

本発明において、好ましくは、上記吸気可変機構は、吸気弁の開弁期間を一定としたまま吸気弁の開時期および閉時期の双方を連動して変化させる位相式の可変機構である（請求項７）。

この構成によれば、吸気弁の開弁期間やリフト量を変更する必要のない簡単な構成で、上述したバルブオーバーラップ量の制御等を実現することができる。

以上説明したように、本発明の火花点火式エンジンによれば、異常燃焼を適正に防止しつつ燃費を向上させることができる。

本発明の一実施形態にかかる火花点火式エンジンの全体構成を示す平面図である。 上記エンジンの主要部分の断面図である。 上記エンジンの制御系を示すブロック図である。 上記エンジンの運転領域を制御の相違によって区分けしたマップである。 上記エンジンの負荷の変化に伴う各種状態量の変化を示した図である。 上記エンジンの吸排気弁のリフトカーブを示した図である。

（１）エンジンの全体構成
図１および図２は、本発明の一実施形態にかかるエンジンの構成を示す図である。これらの図に示されるエンジンは、走行用の動力源として車両に搭載される４サイクルの火花点火式ガソリンエンジンである。具体的に、このエンジンは、直線状に並ぶ４つの気筒２を有する直列４気筒型のエンジン本体１と、エンジン本体１に空気を導入するための吸気通路２０と、エンジン本体１で生成された排気ガス（既燃ガス）を排出するための排気通路２５とを備えている。

エンジン本体１は、上記４つの気筒２が内部に形成されたシリンダブロック３と、シリンダブロック３の上部に設けられたシリンダヘッド４と、各気筒２に往復摺動可能に挿入されたピストン５とを有している。

ピストン５の上方には燃焼室１０が形成されており、この燃焼室１０には、ガソリンを主成分とする燃料が、後述するインジェクタ１１からの噴射によって供給される。そして、噴射された燃料が燃焼室１０で燃焼し、その燃焼による膨張力で押し下げられたピストン５が上下方向に往復運動するようになっている。

ピストン５は、エンジン本体１の出力軸であるクランクシャフト１５とコネクティングロッド１６を介して連結されており、上記ピストン５の往復運動に応じてクランクシャフト１５が中心軸回りに回転するようになっている。

シリンダブロック３には、クランクシャフト１５の回転速度をエンジンの回転速度として検出するエンジン速度センサＳＮ１が設けられている。

シリンダヘッド４には、燃焼室１０に向けて燃料（ガソリン）を噴射するインジェクタ１１と、インジェクタ１１から噴射された燃料と空気との混合気に対し火花放電による点火エネルギーを供給する点火プラグ１２とが、各気筒２につきそれぞれ１組ずつ設けられている。

なお、当実施形態のような４サイクル４気筒のガソリンエンジンでは、各気筒２に設けられたピストン５がクランク角で１８０°（１８０°ＣＡ）の位相差をもって上下運動する。これに対応して、各気筒２での点火のタイミングも、１８０°ＣＡずつ位相をずらしたタイミングに設定される。

各気筒２の幾何学的圧縮比、つまり、ピストン５が下死点にあるときの燃焼室１０の容積とピストン５が上死点にあるときの燃焼室１０の容積との比は、ガソリンエンジンとしては高めの値である１２以上に設定されている。

シリンダヘッド４には、吸気通路２０から供給される空気を各気筒２の燃焼室１０に導入するための吸気ポート６と、各気筒２の燃焼室１０で生成された排気ガスを排気通路２５に導出するための排気ポート７と、吸気ポート６の燃焼室１０側の開口を開閉する吸気弁８と、排気ポート７の燃焼室１０側の開口を開閉する排気弁９とが設けられている。なお、当実施形態では、１つの気筒２につき吸気弁８および排気弁９が２つずつ設けられている。

吸気弁８および排気弁９は、それぞれ、シリンダヘッド４に配設された一対のカムシャフト等を含む動弁機構１８，１９（図２）により、クランクシャフト１５の回転に連動して開閉駆動される。

吸気弁８用の動弁機構１８には、吸気弁８の開弁特性を変更可能な吸気ＶＶＴ（Variable Valve Timing mechanism）１８ａが組み込まれている。具体的に、吸気ＶＶＴ１８ａは、吸気弁８の開弁期間（開弁から閉弁までの期間）を一定としながら吸気弁８の開時期および閉時期の双方を連動して変化させる位相式の可変機構である。このタイプの可変機構は従来から種々知られているため詳細な構造の図示および説明は省略するが、例えば、タイミングベルトを介してクランクシャフト１５の回転が伝達されるカムプーリと、カムプーリにより同軸に回転駆動されるカムシャフトとの間に、両者を相対回転可能とする位相変更部材を備えたものを、上記吸気ＶＶＴ１８ａとして使用することができる。位相変更部材は、油圧もしくは電動で駆動され、カムプーリとカムシャフトとの間の位相差を所定範囲内で連続的に変更することが可能である。

一方、排気弁９用の動弁機構１９には、上記吸気ＶＶＴ１８ａのような可変機構は設けられていない。このため、排気弁９の開閉タイミング（開時期および閉時期）は常に同一に維持される。

図６に、排気弁９のリフトカーブと、吸気ＶＶＴ１８ａの作動によって開閉タイミングが変化する吸気弁８のリフトカーブとを合わせて図示している。この図６では、吸気弁８の開時期をＩＶＯ、吸気弁８の閉時期をＩＶＣ、排気弁９の開時期をＥＶＯ、排気弁９の閉時期をＥＶＣとしている。上述のように吸気ＶＶＴ１８ａが作動することにより、吸気弁８の動作タイミングは、図６中に両矢印で示すように、一定の範囲内で連続的に変化させられる。

吸気弁８の動作タイミングが最も進角された状態（実線のカーブで示す）では、吸気弁８のリフトカーブと排気弁９のリフトカーブとが相互に重なり合い（吸気弁８の開時期ＩＶＯが排気弁９の閉時期ＥＶＣよりも進角側に移動し）、排気行程と吸気行程との間の上死点（排気上死点）ＴＤＣを挟んだ比較的長い期間ＯＬに亘って、吸気弁８および排気弁９の双方が開かれる。以下では、これら両弁８，９が開く期間ＯＬのことを、バルブオーバーラップ量という。

一方、吸気弁８の動作タイミングが最も遅角された状態（破線のカーブで示す）では、排気弁９の閉時期ＥＶＣと吸気弁８の開時期ＩＶＯとが一致し、バルブオーバーラップ量ＯＬはゼロになる。

なお、上記の説明において、吸気弁８の開閉時期ＩＶＯ，ＩＶＣ、および排気弁９の開閉時期ＥＶＯ，ＥＶＣは、それぞれ、バルブリフトカーブの最初と最後の部分に設けられるランプ部（バルブリフト量の変化が緩やかな緩衝区間）を除いた区間をバルブの開弁期間として定義した場合における開時期および閉時期であって、バルブリフト量が完全にゼロになる時期を指すものではない。したがって、バルブオーバーラップ量ＯＬも、上記ランプ部を除いた期間により定義される。

図１に示すように、吸気通路２０は、各気筒２の吸気ポート６と連通する４本の独立吸気通路２１と、各独立吸気通路２１の上流端部（吸入空気の流れ方向上流側の端部）に共通に接続されたサージタンク２２と、サージタンク２２から上流側に延びる１本の吸気管２３とを有している。

吸気管２３の途中部には、エンジン本体１に吸入される空気の流量を調節する開閉可能なスロットル弁２４が設けられており、サージタンク２２には、上記吸入空気の流量を検出するエアフローセンサＳＮ２が設けられている。

詳細な図示を省略するが、スロットル弁２４は、吸気管２３内の流通断面積を変化させるためのバラフライ式の弁体と、この弁体を回転駆動する電気モータとを備えた電動式のものである。このため、当実施形態では、例えば機械式のスロットル弁（車両に備わるアクセルペダルとワイヤー等で連係されたもの）を用いた場合と異なり、アクセルペダルの開度と非連動でスロットル弁２４の開度を変更することが可能である。

排気通路２５は、各気筒２の排気ポート７と連通する４本の独立排気通路２６と、各独立排気通路２６の下流端部（排気ガスの流れ方向下流側の端部）が１箇所に集合した集合部２７と、集合部２７から下流側に延びる１本の排気管２８とを有している。

なお、図示を省略するが、排気管２８には、排気ガス中の有害成分を浄化するための三元触媒等からなる触媒コンバータや、排気騒音を低減させるためのサイレンサー等が設けられる。

（２）制御系
次に、図３を用いて、エンジンの制御系について説明する。当実施形態のエンジンは、その各部がＥＣＵ（エンジン制御ユニット）３０によって統括的に制御される。ＥＣＵ３０は、周知のとおり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成されるマイクロプロセッサからなり、本発明にかかる制御手段に相当するものである。

ＥＣＵ３０には、各種センサからの情報が逐次入力される。具体的に、ＥＣＵ３０は、エンジンの各部に設けられた上記エンジン速度センサＳＮ１やエアフローセンサＳＮ２と電気的に接続されている。また、当実施形態の車両には、図外のアクセルペダルの開度（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサＳＮ３が設けられており、ＥＣＵ３０は、このアクセル開度センサＳＮ３とも電気的に接続されている。ＥＣＵ３０は、これらセンサＳＮ１〜ＳＮ３からの入力信号に基づいて、エンジンの回転速度、吸入空気量、アクセル開度といった種々の情報を取得する。

ＥＣＵ３０は、上記各センサ（ＳＮ１〜ＳＮ３）からの入力信号に基づいて種々の演算等を実行しつつ、エンジンの各部を制御する。すなわち、ＥＣＵ３０は、インジェクタ１１、点火プラグ１２、吸気ＶＶＴ１８ａ、およびスロットル弁２４と電気的に接続されており、上記演算の結果等に基づいて、これらの機器にそれぞれ駆動用の制御信号を出力する。

（３）運転状態に応じた制御
次に、図４および図５を用いて、運転状態に応じたエンジン制御の具体的内容について説明する。

図４は、エンジンの負荷および回転速度を縦軸および横軸として表したエンジンの運転領域を制御の相違によって複数の領域に分けたマップである。このマップは、エンジンの部分負荷域に設定された第１領域Ａ１と、第１領域Ａ１よりも負荷の高い第２領域Ａ２と、第２領域Ａ２よりも負荷が高い第３領域Ａ３とを含んでいる。さらに、第１領域Ａ１よりも負荷の低い極低負荷域には、アイドル領域Ａ０が設定されている。

第３領域Ａ３は、エンジンの最高負荷ラインＷＯＴを含み、当該ラインＷＯＴにほぼ沿った比較的狭い負荷域に設定されている。

第１領域Ａ１および第２領域Ａ２は、第３領域Ａ３やアイドル領域Ａ０に比べて幅広い負荷域に設定されている。特に、第２領域Ａ２は、エンジン回転速度が高い高速側ほどより幅広い負荷域をカバーするように拡大しており、エンジンの許容最大回転速度の近傍では、第３領域Ａ３に対応する負荷域を除くほとんどが第２領域Ａ２によってカバーされている。

次に、上述したエンジンの各領域Ａ０〜Ａ３においてエンジンがどのように制御されるかについて、図５を用いて説明する。図５は、エンジン回転速度を一定に維持しつつエンジンの負荷のみを変化させた場合に（図４のマップに示す矢印Ｚ参照）、エンジン各部の状態量が負荷に応じてどのように変化するかを示している。なお、図５では、図４の矢印Ｚに対応する回転速度において、アイドル領域Ａ０と第１領域Ａ１との境界となる負荷をＬ１、第１領域Ａ１と第２領域Ａ２との境界となる負荷をＬ２、第２領域Ａ２と第３領域Ａ３との境界となる負荷をＬ３、第３領域Ａ３の上限の負荷（最高負荷ラインＷＯＴに対応する負荷）をＬｍａｘとしている。

エンジンの運転中、ＥＣＵ３０は、エンジン速度センサＳＮ１、エアフローセンサＳＮ２、およびアクセル開度センサＳＮ３等から得られる情報に基づいて、エンジンの回転速度および負荷を逐次特定する。そして、その結果や、図５のような各種状態量の変化が得られるように予め定められた演算式もしくはマップデータ等を用いて、エンジン各部の制御目標値を決定し、それに沿って制御を行う。具体的に、ＥＣＵ５０は、吸気弁８の閉時期ＩＶＣおよびバルブオーバーラップ量ＯＬが図５の１段目および２段目のグラフに示す値をとるように、吸気ＶＶＴ１８ａを駆動して吸気弁８の開閉タイミングを制御する。また、ＥＣＵ５０は、スロットル弁２４の開度が図５の３段目のグラフに示す値をとるようにスロットル弁２４の電動モータを制御するとともに、気筒２内の実空燃比を理論空燃比で割った値である空気過剰率λが図５の最下段のグラフに示す値をとるようにインジェクタ１１からの燃料の噴射量を制御する。

まず、図５の１段目および２段目のグラフを用いて、吸気弁８の閉時期ＩＶＣとバルオーバーラップ量ＯＬがどのように制御されるかについて説明する。

吸気弁８の閉時期ＩＶＣは、最も負荷の低いアイドル領域Ａ０において、所定の基準時期Ｔｘよりも遅角側に設定され、最も遅角されたケースではタイミングＴ０（最遅時期）に設定される。この最遅時期Ｔ０は、図６に破線で示すリフトカーブのように、吸気弁８の開時期ＩＶＯが排気弁９の閉時期ＥＶＣと一致するタイミング（排気上死点より遅角側の所定時期）まで遅角されたときの吸気弁８の閉時期であり、例えば下死点後（ＡＢＤＣ）８０°程度のクランク角に設定される。これにより、吸排気弁８，９のバルブオーバーラップ量ＯＬは、基準オーバーラップ量Ｖｘを下回る比較的小さな値になり、最小のケースでゼロに設定される。具体的に、アイドル領域Ａ０でのバルブオーバーラップ量ＯＬは、無負荷を含む所定の負荷域にわたってゼロに設定され、その後、負荷が高まるにつれて徐々に増やされて、第１領域Ａ１との境界の負荷Ｌ１では基準オーバーラップ量Ｖｘまで増やされる。

エンジン負荷が第１領域Ａ１に対応する負荷まで増大すると、吸気弁８の閉時期ＩＶＣは、基準時期Ｔｘよりも進角側に設定され、最も進角されたケースではタイミングＴ１（最進時期）に設定される。この最進時期Ｔ１は、図６に実線で示すリフトカーブのように、吸気弁８の開時期ＩＶＯが排気弁９の閉時期ＥＶＣおよび排気上死点（ＴＤＣ）の双方よりも早いタイミングまで進角されたときの吸気弁８の閉時期であり、例えば下死点後（ＡＢＤＣ）３０°程度に設定される。これにより、吸排気弁８，９のバルブオーバーラップ量ＯＬは、基準オーバーラップ量Ｖｘを超える充分に大きな値となり、最大のケースでＶ１（例えば５０°程度のクランク角範囲）に設定される。具体的に、第１領域Ａ１でのバルブオーバーラップ量ＯＬは、第１領域Ａ１の下限の負荷Ｌ１から負荷が高まるにつれて基準オーバーラップ量Ｖｘよりも徐々に増やされ、負荷Ｌ１から所定量負荷が高まったところで最大オーバーラップ量Ｖ１に達し、その後所定の負荷範囲にわたってＶ１のまま維持される。そして、Ｖ１で一定の区間を過ぎると、負荷の増大とともにバルブオーバーラップ量ＯＬが徐々に減らされ、第２領域Ａ２との境界の負荷Ｌ２では基準オーバーラップ量Ｖｘまで減らされる。

エンジン負荷が第２領域Ａ２に対応する負荷まで増大すると、吸気弁８の閉時期ＩＶＣは、再び基準時期Ｔｘよりも遅角側に設定され、上記アイドル領域Ａ０のときと同様に、最大で最遅時期Ｔ０まで遅角される。また、これに伴って、バルブオーバーラップ量ＯＬは、基準オーバーラップ量Ｖｘよりも小さい値まで減らされ、上記アイドル領域Ａ０のときと同様、最小でゼロに設定される。具体的に、第２領域Ａ２でのバルブオーバーラップ量ＯＬは、第２領域Ａ２の下限の負荷Ｌ２から負荷が高まるにつれて基準オーバーラップ量Ｖｘよりも徐々に減らされ、負荷Ｌ２から所定量負荷が高まったところでゼロになり、その後所定の負荷域にわたってゼロのまま維持される。そして、ゼロで一定の区間を過ぎると、負荷の増大とともにバルブオーバーラップ量ＯＬが徐々に増やされ、第３領域Ａ３との境界の負荷Ｌ３では基準オーバーラップ量Ｖｘまで増やされる。

エンジン負荷が第３領域Ａ３に対応する負荷まで増大すると、吸気弁８の閉時期ＩＶＣは、再び基準時期Ｔｘよりも進角側に設定され、最も進角されたケースでタイミングＴ２に設定される。このタイミングＴ２は、基準時期Ｔｘよりも進角側でかつ最進時期Ｔ１よりも遅角側のタイミングであり、例えば下死点後（ＡＢＤＣ）５０°程度に設定される。これにより、吸排気弁８，９のバルブオーバーラップ量ＯＬは、基準オーバーラップ量Ｖｘよりも大きい値になるが、その最大値Ｖ２は、上述した最大オーバーラップ量Ｖ１（第１領域Ａ１での最大値）よりも小さい値（例えば３０°程度のクランク角範囲）に設定される。具体的に、第３領域Ａ３でのバルブオーバーラップ量ＯＬは、第３領域Ａ３の下限の負荷Ｌ３から負荷が高まるにつれて基準オーバーラップ量Ｖｘよりも徐々に増やされ、負荷Ｌ３から所定量負荷が高まったところで最大値Ｖ２に達し、その後は、最高負荷Ｌｍａｘに達するまで同一の値Ｖ２に維持される。

次に、図５の３段目および４段目のグラフを用いて、スロットル弁２４の開度と気筒２内の空燃比がどのように制御されるかについて説明する。

スロットル弁２４の開度（スロットル開度）は、基本的に、エンジンの負荷に比例して一次関数的に定まる基本特性値Ｙに沿って設定される。ただし、基本特性値Ｙと一致するようにスロットル開度が制御されるのは、アイドル領域Ａ０だけであり、その他の領域Ａ１，Ａ２，Ａ３では、基本特性値Ｙに対し若干の補正が加えられる。

具体的に、スロットル開度は、第１領域Ａ１および第３領域Ａ３で基本特性値Ｙに対し増加方向に補正され、両者の間の第２領域Ａ２では基本特性値Ｙに対し減少方向に補正される。

気筒２内の空燃比は、アイドル領域Ａ０、第１領域Ａ１、および第２領域Ａ２において、いずれも理論空燃比（空気過剰率λ＝１）に設定され、最も負荷の高い第３領域Ａ３でのみ、理論空燃比よりもリッチな値、例えばλ＝０．８〜０．９相当の値に設定される。

なお、図５の各種状態量の変化は、エンジンの回転速度を比較的低めの値に維持したまま負荷のみを変化させたとき（図４の矢印Ｚ参照）のものであるが、他の回転速度では、特に吸気弁８の閉時期ＩＶＣおよびバルブオーバーラップ量ＯＬの絶対値は異なるものとなり得る。ただし、各領域Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３の間で値を比較したときの相対的な関係（吸気閉弁時期ＩＶＣの早遅およびオーバーラップ量ＯＬの大小の関係）は、図５と概ね同じものになる。

（４）作用等
以上説明したように、当実施形態のエンジンは、吸気ポート６を通じた気筒２内への空気の導入を制御する吸気弁８と、気筒２内で生成された排気ガスの排気ポート７への排出を制御する排気弁９と、吸気弁８の開閉タイミングを変更可能な吸気ＶＶＴ１８ａ（吸気可変機構）と、吸気ＶＶＴ１８ａ等のエンジンの各部を制御するＥＣＵ３０（制御手段）とを備える。ＥＣＵ３０は、エンジンの部分負荷域に設定された第１領域Ａ１と、第１領域Ａ１よりも負荷の高い第２領域Ａ２と、第２領域Ａ２よりも負荷の高い第３領域Ａ３とにおいて、吸気弁８および排気弁９の双方が開く期間であるバルブオーバーラップ量ＯＬが順次変化するように吸気ＶＶＴ１８ａを制御する。具体的に、エンジンの回転速度が同一という条件で比較したとき、第１領域Ａ１および第３領域Ａ３でのバルブオーバーラップ量ＯＬは、第２領域Ａ２のときよりも大きく設定される。このような構成によれば、異常燃焼を適正に防止しつつ燃費を向上させることができるという利点がある。

すなわち、上記実施形態では、エンジンの部分負荷域に設定された第１領域Ａ１においてバルブオーバーラップ量ＯＬが拡大されるので、吸気弁８および排気弁９の双方が開いている間にピストン５が下降することにより、排気ポート７内の排気ガスが気筒２内に導入（逆流）されて、気筒２内に残留する排気ガスの量が増大する。これにより、吸気行程中の気筒２内の圧力が増大するので、ポンピングロスを低減させることができ、エンジンの燃費性能を向上させることができる。

また、負荷の低い第１領域Ａ１では、気筒２内の温度が上がりにくく、ＨＣの発生量が増大する傾向にあるが、上記のように排気ガスを残留させることで気筒２内の温度を上昇させることができる上、排気ガスを気筒２内で再燃焼させることができるので、ＨＣの発生量を抑制することができる。

一方、上記第１領域Ａ１よりも負荷の高い第２領域Ａ２では、バルブオーバーラップ量ＯＬが相対的に縮小されるので、気筒２内に残留する排気ガスの量が減少する。これにより、負荷が高く熱発生量の多い第２領域Ａ２において、気筒２内の温度上昇が抑制されるので、ノッキング（火炎伝播の途中で未燃焼のエンドガスが自着火する現象）等の異常燃焼が発生するのを適正に防止することができる。

上記第２領域Ａ２よりも負荷の高い第３領域Ａ３では、さらに異常燃焼が起き易くなるので、やはりバルブオーバーラップ量ＯＬは小さい方がよいということもできる。しかしながら、最も負荷の高い第３領域Ａ３では、気筒２内に吸入される空気量が増大し、吸気ポート６の圧力が上昇するので、この状態で吸気弁８および排気弁９の双方が開かれていれば、吸気ポート６から排気ポート７へと吸入空気が吹き抜ける吹き抜け流が生じ、むしろ排気ガスの残留量が減少する。そこで、上記実施形態では、最も負荷の高い第３領域Ａ３において、再びバルブオーバーラップ量ＯＬを拡大するようにしている。これにより、吸入空気の吹き抜け流により排気ガスの残留量を減らす掃気効果が得られて、やはりノッキング等の異常燃焼を防止することができる。

しかも、上記実施形態によれば、バルブオーバーラップ量ＯＬの調整は吸気弁８の開閉時期の変更によってなされるので、排気弁９の開閉時期を固定化することができ、排気弁９に対し上記吸気ＶＶＴ１８ａのような可変機構を設ける必要がない。このため、より簡素で低コストな構造でありながら、異常燃焼が起きにくくしかも燃費性能に優れたエンジンを実現することができる。

特に、上記実施形態では、各気筒２の幾何学的圧縮比が１２以上とされており、ガソリンエンジンとしては高めの圧縮比に設定されているため、本来的に異常燃焼が起き易い。それでも、上記のようにバルブオーバーラップ量ＯＬが適正に制御されて排気ガスの残留量が減らされるので、異常燃焼を適正に防止することができ、熱効率に優れた高圧縮比エンジンをより低いコストで生産できるようになる。

また、上記実施形態では、エンジン回転速度が同一の条件下において、第１領域Ａ１でのバルブオーバーラップ量ＯＬの最大値Ｖ１が、第３領域Ａ３でのバルブオーバーラップ量ＯＬの最大値Ｖ２よりも大きく設定される。このように、吸入空気の吹き抜け流を利用して排気ガスの掃気を図る第３領域Ａ３でのバルブオーバーラップ量ＯＬを、排気ガスを積極的に残留させることでポンピングロスの低減を図る第１領域Ａ１でのバルブオーバーラップ量ＯＬよりも小さく設定した場合には、第３領域Ａ３でのバルブオーバーラップ量ＯＬが過大になることで起こり得る残留ガスの増大を防止しつつ、吸入空気の吹き抜け流を利用して確実に排気ガスの掃気を図ることができ、第３領域Ａ３のような高負荷域での異常燃焼を確実に防止することができる。

また、上記実施形態では、第１領域Ａ１よりも負荷の低い無負荷近傍のアイドル領域Ａ０で、バルブオーバーラップ量ＯＬが充分に小さい値に設定される（より詳しくは、第２領域Ａ２のときと同じく、最小のケースでゼロに設定される）。このように、燃料の噴射量が少ないアイドル領域Ａ０においてバルブオーバーラップ量ＯＬを縮小するようにした場合には、気筒２内に残留する排気ガスが確実に減らされ、それによって燃焼の不安定化が抑制されるので、少ない燃料であってもこれを安定して燃焼させることができ、特にアイドリング状態でのエンジン回転速度を安定化させることができる。

また、上記実施形態では、アイドル領域Ａ０および第１、第２領域Ａ１，Ａ２での気筒２内の空燃比が理論空燃比（λ＝１）に設定される一方で、最も負荷の高い第３領域Ａ３での空燃比は理論空燃比よりもリッチな値（λ＜１）に設定される。このように、最も負荷の高い第３領域Ａ３で空燃比をリッチ化した場合には、多量の燃料が気化することに伴う気化潜熱により気筒２内の温度低下が図られるので、上記のように吸入空気の吹き抜け流を利用した排気ガスの掃気が図られることと相俟って、ノッキング等の異常燃焼をより効果的に防止することができる。これにより、異常燃焼回避のために点火タイミング（点火プラグ１２が火花放電を行うタイミング）を大幅にリタード（遅角）させる必要がなくなるので、極端な燃費の悪化を招くことなく、しかも負荷に見合った充分なトルクを得ることができる。

また、上記実施形態では、第１領域Ａ１でのスロットル弁２４の開度が、エンジン負荷に比例して定まる基本特性値Ｙよりも大きく設定される一方、第２領域Ａ２でのスロットル弁２４の開度が上記基本特性値Ｙよりも小さく設定される。このように、バルブオーバーラップ量ＯＬが拡大される（つまり排気ガスの残留量が増やされる）第１領域Ａ１でスロットル弁２４の開度を大きめに設定した場合には、残留ガスの増大に伴って気筒２内への吸入空気量が不足するといった事態が回避される。一方、バルブオーバーラップ量ＯＬが縮小される（つまり排気ガスの残留量が減らされる）第２領域Ａ２では、逆にスロットル弁２４の開度が小さめに設定されるので、気筒２内の吸入空気量が必要以上に増大するのを防止することができる。いずれにせよ、排気ガスの残留量が異なる第１領域Ａ１および第２領域Ａ２において、それぞれ適正な量の吸入空気を確保することができ、適正な空燃比（当実施形態では理論空燃比）下での燃焼を実現することができる。

また、上記実施形態において、第２領域Ａ２は、エンジンの回転速度が高いほど低負荷側まで拡大するように設定されている。このように、第２領域Ａ２の負荷方向の広さが高速側ほど拡大されるということは、第２領域Ａ２よりも負荷の低い第１領域Ａ１の負荷方向の広さが、排気ガスの圧力が高くなり易いエンジンの高速側ほど狭くなることを意味する。これにより、特に第１領域Ａ１内の高速側において、気筒２内に過剰な量の排気ガスが残留することが回避されるので、エンジン回転速度にかかわらず適正な量の残留ガスを確保して適正な燃焼を行わせることができる。

なお、上記実施形態では、エンジンの回転速度が同一の条件下で、第２領域Ａ２、第３領域Ａ３、第１領域Ａ１の順にバルブオーバーラップ量ＯＬが大きくなるように吸気ＶＶＴ１８ａを制御するようにしたが、例えばエンジンの回転速度がかなり高いときには、吸入空気の流速が速いので、吸気弁８の閉時期ＩＶＣを遅らせた方が吸気慣性を利用した吸気充填量の増大を図ることができる。このため、特にエンジンの高速かつ高負荷域（第３領域Ａ３の高速側）では、吸気弁８の閉時期ＩＶＣを遅らせて吸気充填量を増大させるべく、バルブオーバーラップ量ＯＬを第２領域Ａ２のときとほとんど同じ小さい値に設定してもよい。この場合は、第２領域Ａ２、第３領域Ａ３、第１領域Ａ１の順にバルブオーバーラップ量ＯＬが大きいという上記のような順序が成立するのは、少なくともエンジンの低中速域だけとなり、高速域での順序は異なるものになり得る。

また、上記実施形態では、吸気ＶＶＴ１８ａとして、吸気弁８の開弁期間を一定としたまま吸気弁８の開時期および閉時期の双方を連動して変化させる位相式の可変機構を設けたが、吸気ＶＶＴ１８ａは、少なくとも吸気弁８の開時期ＩＶＯを変更可能なものであればよく、例えば吸気弁８の閉時期ＩＶＣを固定化しつつ吸気弁８の開時期ＩＶＯのみを変化させるものであってもよい。この場合、吸気弁８の開時期ＩＶＯの変更に伴って、吸気弁８の開弁期間およびリフト量も変更されることになる。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であることはいうまでもない。

２ 気筒
６ 吸気ポート
７ 排気ポート
８ 吸気弁
９ 排気弁
１８ａ 吸気ＶＶＴ（吸気可変機構）
２０ 吸気通路
２４ スロットル弁
３０ ＥＣＵ（制御手段）
Ａ１ 第１領域
Ａ２ 第２領域
Ａ３ 第３領域
ＯＬ バルブオーバーラップ量
Ｙ （スロットル開度の）基本特性値

Claims (7)

1. 吸気ポートを通じた気筒内への空気の導入を制御する吸気弁と、気筒内で生成された排気ガスの排気ポートへの排出を制御する排気弁と、少なくとも吸気弁の開時期を変更可能な吸気可変機構と、吸気可変機構を制御する制御手段とを備えた火花点火式エンジンであって、
   上記制御手段は、エンジンの部分負荷域に設定された第１領域と、第１領域よりも負荷の高い第２領域と、第２領域よりも負荷の高い第３領域とにおいて、上記吸気弁および排気弁の双方が開く期間であるバルブオーバーラップ量が順次変化するように上記吸気可変機構を制御し、
   エンジンの回転速度が同一という条件で比較したとき、上記第１領域および第３領域でのバルブオーバーラップ量が上記第２領域のときよりも大きく設定される、ことを特徴とする火花点火式エンジン。
2. 請求項１記載の火花点火式エンジンにおいて、
   エンジンの回転速度が同一という条件で比較したとき、上記第１領域でのバルブオーバーラップ量の最大値が、上記第３領域でのバルブオーバーラップ量の最大値よりも大きく設定される、ことを特徴とする火花点火式エンジン。
3. 請求項１または２記載の火花点火式エンジンにおいて、
   気筒内の空燃比が、上記第１、第２領域では理論空燃比に設定され、上記第３領域では理論空燃比よりもリッチな値に設定される、ことを特徴とする火花点火式エンジン。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の火花点火式エンジンにおいて、
   外部から取り入れた空気を気筒に導入するための吸気通路と、吸気通路に開閉可能に設けられたスロットル弁とをさらに備え、
   上記制御手段は、上記第１領域での運転時、上記スロットル弁の開度を、エンジンの負荷に比例して定まる基本特性値よりも大きく設定する、ことを特徴とする火花点火式エンジン。
5. 請求項４記載の火花点火式エンジンにおいて、
   上記制御手段は、上記第２領域での運転時、上記スロットル弁の開度を上記基本特性値よりも小さく設定する、ことを特徴とする火花点火式エンジン。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の火花点火式エンジンにおいて、
   上記第２領域は、エンジンの回転速度が高いほど低負荷側まで拡大するように設定されている、ことを特徴とする火花点火式エンジン。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の火花点火式エンジンにおいて、
   上記吸気可変機構は、吸気弁の開弁期間を一定としたまま吸気弁の開時期および閉時期の双方を連動して変化させる位相式の可変機構である、ことを火花点火式エンジン。

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