JP2018162705A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】４サイクル運転時の熱効率の向上と、２サイクル運転時のトルク低下を抑制することが可能な内燃機関を提供する。【解決手段】４サイクル運転と２サイクル運転とを行うことができる内燃機関であって、空気及び燃料を含む混合気を燃焼する燃焼室の上方に夫々独立して接続され、前記燃焼室に前記混合気を供給する第１吸気通路１４、及び前記燃焼室に前記混合気を供給し、当該混合気を成層化する第２吸気通路１６と、第１吸気通路１４を開閉する第１吸気弁２２、及び第２吸気通路１６を開閉する第２吸気弁２４と、前記４サイクル運転時には、第１吸気弁２２、第２吸気弁２４の順で開弁させ、前記２サイクル運転時には、第２吸気弁２４、第１吸気弁２２の順で開弁させる弁操作機構と、を備える【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の技術に関する。

従来、２サイクル運転と４サイクル運転とを行うことができる可変サイクル型のエンジン（内燃機関）が提案されている。

例えば、特許文献１及び２には、吸気弁及び排気弁の開閉動作を任意に制御可能な可変動弁装置を用いて、吸気弁及び排気弁の開閉時期を自在に変更し、多サイクル運転を行う内燃機関が提案されている。

また、特許文献３及び４には、４サイクル運転時には頭上弁による吸気を行い、２サイクル運転時にはユニフロー吸気を行う内燃機関が提案されている。

特開２００１−２６３１１０号公報 特開２００４−１３２３０４号公報 特開平０３−１８５２１４号公報 特許第２７４２８２５号公報

ところで、希薄混合気（空燃比を理論空燃比よりも大きいリーン状態）を内燃機関の燃焼室に供給して、希薄燃焼を行わせると、内燃機関の熱効率を向上させることができる。しかし、従来の可変動弁装置を備える内燃機関は、単一の吸気弁を用いているため、希薄燃焼条件で、４サイクル運転と２サイクル運転とを両立させることは困難である。例えば、従来の内燃機関において希薄燃焼させるには、混合気を高気流で内燃機関の燃焼室に供給することが考えられるが、この場合、２サイクル運転においては、燃焼室から混合気が吹き抜け、トルクが低下してしまう。すなわち、混合気の高気流下により、４サイクル運転時の熱効率を向上させることは可能であるが、２サイクル運転時のトルクは低下してしまうという問題がある。

そこで、本発明では、４サイクル運転時の熱効率の向上と、２サイクル運転時のトルク低下を抑制することが可能な内燃機関を提供することを目的とする。

本発明は、４サイクル運転と２サイクル運転とを行うことができる内燃機関であって、空気及び燃料を含む混合気を燃焼する燃焼室の上方に夫々独立して接続され、前記燃焼室に前記混合気を供給する第１吸気通路、及び前記燃焼室に前記混合気を供給し、当該混合気を成層化する第２吸気通路と、前記第１吸気通路を開閉して、前記第１吸気通路から前記燃焼室へ流入する混合気を制御する第１吸気弁、及び前記第２吸気通路を開閉して、前記第２吸気通路から前記燃焼室へ流入する混合気を制御する第２吸気弁と、前記４サイクル運転時には、前記第１吸気弁、前記第２吸気弁の順で開弁させ、前記２サイクル運転時には、前記第２吸気弁、前記第１吸気弁の順で開弁させる弁操作機構と、を備えることを特徴とする。

また、前記内燃機関は、前記第１吸気弁及び前記第２吸気弁のリフト量及び開閉時期を調整する調整機構を備えることが好ましい。

また、前記内燃機関は、前記燃焼室に接続された排気通路を流れる排気中の酸素濃度を検出する酸素検出手段を備え、前記調整機構は、前記酸素検出手段により検出された酸素濃度が閾値以上である場合、前記第２吸気弁の開弁時期を遅角することが好ましい。

また、前記内燃機関は、前記４サイクル運転時及び前記２サイクル運転時それぞれにおいて、前記第１吸気通路及び前記第２吸気通路の混合気流量を制御する流量制御手段を備えることが好ましい。

また、前記内燃機関は、前記排気通路を流れる排気の一部を前記第１吸気通路に還流する排気還流通路を備えることが好ましい。

本発明によれば、４サイクル運転時の熱効率の向上と、２サイクル運転時のトルク低下を抑制することが可能となる。

本実施形態に係る内燃機関の一例を示す概略構成図である。 気筒、吸気系及び排気系の概略構成を示す一部模式断面図である。 （Ａ）は、第１吸気弁及び第１吸気通路の概略構成を示す拡大模式断面図であり、（Ｂ）は、第２吸気弁及び第２吸気通路の概略構成を示す拡大模式断面図である。 燃焼室内の混合気の状態を示す図である。 弁操作機構の概略構成を示す模式斜視図である。 （Ａ）は、４サイクル運転の場合における吸気弁及び排気弁の開閉時期を示す図であり、（Ｂ）は、２サイクル運転の場合における吸気弁及び排気弁の開閉時期を示す図である。 内燃機関の負荷の低下や回転数の増加に伴い、４サイクル運転における吸気弁の開閉時期やバルブリフト量を調整した状態を示す図である。 内燃機関の負荷の低下や回転数の増加に伴い、２サイクル運転における吸気弁の開閉時期やバルブリフト量を調整した状態を示す図である。 本実施形態に係る内燃機関の他の一例を示す概略構成図である。

図１は、本実施形態に係る内燃機関の一例を示す概略構成図である。図１に示す内燃機関１００は、４サイクル運転と２サイクル運転とを選択的に実行することができる。４サイクル運転とは、吸気、圧縮、膨張、排気の４つのピストン工程で１サイクルが構成される運転である。２サイクル運転とは、掃気・圧縮行程、膨張工程の２つのピストン工程で１サイクルが構成される運転である。図１に示す内燃機関１００は、例えば、自動車等に搭載される。

図１に示す内燃機関１００は、気筒１０、吸気通路１２、第１吸気通路１４、第２吸気通路１６、排気通路１８、排気還流通路２０、第１吸気弁２２、第２吸気弁２４、排気弁２６、過給器２８、インタークーラー３０、ＥＧＲクーラー３２、燃料インジェクタ３４、スロットルバルブ３６ａ，３６ｂ、排気触媒３８、酸素濃度センサ４０、ＥＣＵ４２、不図示の弁操作機構を備える。図１に示す気筒１０は１つであるが、複数でもよい。過給器２８は、コンプレッサ４４、タービン４６を備える。なお、図１に示す内燃機関１００は、火花点火を行うプラグを備えるが、その図示を省略している。

吸気通路１２は、第１吸気通路１４及び第２吸気通路１６に接続され、第１吸気通路１４及び第２吸気通路１６は、気筒１０に接続されている。排気通路１８は気筒１０に接続されている。排気還流通路２０の一端は、排気通路１８に接続され、他端は、第１吸気通路１４に接続されている。

過給器２８のコンプレッサ４４は吸気通路１２に設置され、過給器２８のタービン４６は排気通路１８に設置されている。過給器２８のタービン４６及びコンプレッサ４４は、回転軸４８の同軸上に配置されており、回転軸４８を介して一体的に構成されている。過給器２８は、排気通路１８を流れる排気のエネルギを利用してタービン４６を回転させ、そのタービン４６の回転力でコンプレッサ４４を駆動して、吸気通路１２を流れる空気を加圧する。

インタークーラー３０は、過給器２８のコンプレッサ４４より下流の吸気通路１２に設けられている。インタークーラー３０により、例えば吸気通路１２を流れる空気が冷却水と熱交換され、冷却される。

燃料インジェクタ３４は、インタークーラー３０より下流の吸気通路１２に設けられている。燃料インジェクタ３４により、吸気通路１２を流れる空気に燃料が噴射される。

スロットルバルブ３６ａは、第１吸気通路１４に設置されている。スロットルバルブ３６ａにより、第１吸気通路１４を流れる混合気の流量が調整される。

排気触媒３８は、過給器２８のタービン４６より下流の排気通路１８に設けられている。排気触媒３８は、例えば、三元触媒や酸化触媒等であり、排気通路１８を流れる排気を浄化するものである。

排気還流通路２０は、排気通路１８を流れる排気の一部をＥＧＲガスとして、第１吸気通路１４に還流する。ＥＧＲクーラー３２は、排気還流通路２０に設けられている。ＥＧＲクーラー３２により、例えば、第１吸気通路１４に還流する排気（ＥＧＲガス）が冷却水と熱交換され、冷却される。スロットルバルブ３６ｂは、ＥＧＲクーラー３２より下流の排気還流通路２０に設置されている。スロットルバルブ３６ｂにより、排気還流通路２０を流れる排気（ＥＧＲガス）の流量が調整される。

本実施形態の吸気系（第１吸気通路１４、第１吸気弁２２、第２吸気通路１６、第２吸気弁２４）及び排気系（排気通路１８、排気弁２６）は、気筒１０の燃焼室の上部に設けられる頭上弁式である。以下に、吸気系及び排気系の具体的構成について説明する。

図２は、気筒、吸気系及び排気系の概略構成を示す一部模式断面図である。気筒１０内には、ピストン５０が配置され、ピストン５０の上面及び気筒１０の内周壁からなる燃焼室５２が形成されている。気筒１０内のピストン５０は、不図示であるが、クランク機構を介してクランク軸に接続されている。クランク軸の近傍には、不図示であるが、クランク角度、内燃機関の回転数を検出するクランク角センサ、トルクを検出するトルクセンサ等が設けられている。

燃焼室５２の上部には、第１吸気通路１４、第２吸気通路１６、排気通路１８が接続されている。第１吸気通路１４及び第２吸気通路１６は燃焼室５２に夫々独立して接続されている。第１吸気通路１４には第１吸気弁２２が設置され、第２吸気通路１６には第２吸気弁２４が設置され、排気通路１８には排気弁２６が設置されている。

図３（Ａ）は、第１吸気弁及び第１吸気通路の概略構成を示す拡大模式断面図であり、図３（Ｂ）は、第２吸気弁及び第２吸気通路の概略構成を示す拡大模式断面図である。図４は、燃焼室内の混合気の状態を示す図である。図３（Ａ）に示すように、第１吸気通路１４の燃焼室５２への開口部の開閉は第１吸気弁２２によって開閉される。第１吸気弁２２を開弁することにより、混合気は第１吸気通路１４から燃焼室５２内に導入され、燃焼室５２内に広範囲に拡散する。一方、第２吸気通路１６の燃焼室５２への開口部には、第２吸気通路１６の径を拡大する段差部５４が設けられている。段差部５４を有する開口部は第２吸気弁２４によって開閉される。第２吸気弁２４を開弁することにより、混合気は第２吸気通路１６から燃焼室５２内に導入されるが、段差部５４によって、燃焼室５２内に広範囲に拡散せず、特定の方向に向かうように導入され、燃焼室５２内で成層化される。すなわち、図４に示すように、第１吸気通路から供給された混合気Ａは、燃焼室５２内に広く拡散し、第２吸気通路から供給された混合気Ｂは、燃焼室５２内で成層化する。第２吸気通路から導入される混合気は、例えば、燃焼室５２内の点火プラグに向かう方向に導入されることが好ましい。なお、第２吸気通路の形態は、燃焼室内で混合気を成層化することができる形態であれば上記に制限されるものではない。

図５は、弁操作機構の概略構成を示す模式斜視図である。弁操作機構５６は、カム軸５８と、カム軸５８に形成される一対の４サイクル用カム（６０ａ，６０ｂ）及び一対の２サイクル用カム（６２ａ，６２ｂ）と、不図示のカム軸移動機構とを備える。一対の４サイクル用カム（６０ａ，６０ｂ）のうち、４サイクル用カム６０ａは、第１吸気弁２２に接続された第１吸気ロッカーアーム６４を駆動させるものであり、４サイクル用カム６０ｂは、第２吸気弁２４に接続された第２吸気ロッカーアーム６６を駆動させるものである。また、一対の２サイクル用カム（６２ａ，６２ｂ）のうち、２サイクル用カム６２ａは、第１吸気弁２２に接続された第１吸気ロッカーアーム６４を駆動させるものであり、２サイクル用カム６２ｂは、第２吸気弁２４に接続された第２吸気ロッカーアーム６６を駆動させるものである。

カム軸移動機構は、例えば、油圧や電動アクチュエータ等により、カム軸５８を軸方向にスライド移動させるように構成されている。４サイクル運転では、カム軸移動機構によりカム軸５８が軸方向に移動されて、一対の４サイクル用カム（６０ａ，６０ｂ）が第１吸気ロッカーアーム６４及び第２吸気ロッカーアーム６６に接続され、第１吸気ロッカーアーム６４及び第２吸気ロッカーアーム６６が駆動される。２サイクル運転では、カム軸移動機構によりカム軸５８が軸方向に移動されて、一対の２サイクル用カム（６２ａ，６２ｂ）が第１吸気ロッカーアーム６４及び第２吸気ロッカーアーム６６に接続され、第１吸気ロッカーアーム６４及び第２吸気ロッカーアーム６６が駆動される。

本実施形態では、４サイクル運転において、一対の４サイクル用カム（６０ａ，６０ｂ）が第１吸気ロッカーアーム６４及び第２吸気ロッカーアーム６６に接続された状態で、第１吸気ロッカーアーム６４及び第２吸気ロッカーアーム６６が駆動された時には、第１吸気弁２２、第２吸気弁２４の順で開弁されるように設定されている。また、２サイクル運転において、一対の２サイクル用カム（６２ａ，６２ｂ）が第１吸気ロッカーアーム６４及び第２吸気ロッカーアーム６６に接続された状態で、第１吸気ロッカーアーム６４及び第２吸気ロッカーアーム６６が駆動された時には、第２吸気弁２４、第１吸気弁２２の順で開弁されるように設定されている。第１吸気弁２２及び第２吸気弁２４の具体的な開閉時期については後述する。

図での説明は省略するが、排気弁２６側にも、カム軸と、カム軸に形成された４サイクル用カム及び２サイクル用カムと、カム軸移動機構とを備える弁操作機構が設置されている。

ＥＣＵ４２は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、Ａ／Ｄ変換素子、Ｄ／Ａ変換素子等をバスで相互に接続して構成された周知のマイクロコンピュータである。図１に示すように、ＥＣＵ４２は、燃料インジェクタ３４、スロットルバルブ３６ａ，３６ｂ、不図示の点火プラグと電気的に接続されている。ＥＣＵ４２は、クランク角センサからの内燃機関の回転数、トルクセンサからの内燃機関のトルク等の制御情報（データ）を取得し、制御情報に基づいて、燃料インジェクタ３４、スロットルバルブ３６ａ，３６ｂ、点火プラグを駆動制御し、燃料噴射量、混合気流量、排気流量、点火時期等を調整する。また、ＥＣＵ４２は、弁操作機構５６と電気的に接続され、４サイクル運転と２サイクル運転とを切り替える際に、弁操作機構５６のカム軸移動機構を制御する。

ＥＣＵ４２は、内燃機関の回転数、内燃機関のトルク等の制御情報（データ）に基づいて、４サイクル運転と２サイクル運転とを切り替える制御も行う。例えば、中回転中負荷（中トルク）、低回転低負荷の時に４サイクル運転を行い、高回転高負荷の時に２サイクル運転を行うように、燃料インジェクタ３４、スロットルバルブ３６ａ，３６ｂ、点火プラグ、弁操作機構５６のカム軸移動機構を駆動制御する。

次に、内燃機関１００の動作について説明する。

気筒１０の燃焼室５２内で燃焼した排気の一部は、排気弁２６を介して排気通路１８を流れ、過給器２８のタービン４６を回転駆動させた後、排気触媒３８で処理されて系外に排出される。タービン４６の回転駆動により、過給器２８のコンプレッサ４４が回転駆動され、吸気通路１２を通る空気が加圧される。加圧された空気はインタークーラー３０によって冷却された後、燃料インジェクタ３４から所定量の燃料が噴射される。空気と燃料との混合気は、第１吸気通路１４及び第２吸気通路１６に供給される。第１吸気通路１４及び第２吸気通路を流れる混合気の流量はスロットルバルブ３６ａにより調整される。第１吸気通路１４には、気筒１０から排出された排気の一部が排気還流通路２０から供給される。この際、排気はＥＧＲクーラー３２によって冷却され、スロットルバルブ３６ｂにより、排気の流量が調整される。第１吸気通路１４を流れる混合気（空気、燃料、排気の混合気）は第１吸気弁２２を介して気筒１０内の燃焼室５２に供給され、また、第２吸気通路１６を流れる混合気（空気、燃料の混合気）は第２吸気弁２４を介して気筒１０内の燃焼室５２に供給される。燃焼室５２に供給された混合気は、点火プラグによって点火され、混合気の燃焼によって生じた圧力によってピストン５０が駆動される。燃焼室５２内で燃焼した混合気は、排気として排気弁２６を介して排気通路１８に排出される。

上記混合気及び排気の流れは、４サイクル運転及び２サイクル運転でも同様であるが、前述したように、４サイクル運転を行う場合には、ＥＣＵ４２によりカム軸移動機構を駆動制御し、一対の４サイクル用カム（６０ａ，６０ｂ）を第１吸気ロッカーアーム６４及び第２吸気ロッカーアーム６６に接続させ、一対の４サイクル用カム（６０ａ，６０ｂ）のカムプロファイルに応じて、第１吸気ロッカーアーム６４及び第２吸気ロッカーアーム６６を駆動させ、第１吸気弁２２及び第２吸気弁２４を開閉させる。また、２サイクル運転を行う場合には、ＥＣＵ４２によりカム軸移動機構を駆動制御し、一対の２サイクル用カム（６２ａ，６２ｂ）を第１吸気ロッカーアーム６４及び第２吸気ロッカーアーム６６に接続させ、一対の２サイクル用カム（６２ａ，６２ｂ）のカムプロファイルに応じて、第１吸気ロッカーアーム６４及び第２吸気ロッカーアーム６６を駆動させ、第１吸気弁２２及び第２吸気弁２４を開閉させる。また、排気側も同様にＥＣＵ４２により制御される。以下に第１吸気弁２２、第２吸気弁２４及び排気弁２６の開閉について説明する。

＜４サイクル運転の場合の第１吸気弁２２、第２吸気弁２４及び排気弁２６の開閉＞
図６（Ａ）は、４サイクル運転の場合における吸気弁及び排気弁の開閉時期を示す図である。図において、縦軸はバルブリフト量を示し、横軸はピストン５０のクランク角を示している。なお、図６（Ａ）の吸気弁及び排気弁の開閉時期は一例であってこれに制限されるものではない。

燃焼室５２における燃焼後、クランク角１８０°付近（ピストン５０の下死点付近）において排気弁２６を開き、ピストン５０が上昇し、クランク角３６０°付近（ピストン５０の上死点付近）で排気弁２６を閉じる。排気弁２６が開いており、ピストン５０が上昇している間に、燃焼室５２からの排気が行われる（排気工程）。また、クランク角３６０°付近で、第１吸気弁２２を開き、ピストン５０が下降し、クランク角５４０°（ピストン５０の下死点）までの間に第１吸気弁２２を閉じる。そして、クランク角５４０°付近で第２吸気弁２４を開き、ピストン５０が上昇している間に、第２吸気弁２４を閉じる。この吸気工程では、第１吸気弁２２を先に開くことで、第１吸気通路１４から供給された混合気（燃料、空気及び排気）が燃焼室５２内に広く拡散し、その後第２吸気弁２４を開くことで、第２吸気通路１６から供給された混合気（燃料及び空気）が燃焼室５２内で成層化する（図４参照）。その後、ピストン５０がさらに上昇し、燃焼室５２内の混合気を圧縮し（圧縮行程）、クランク角７２０°（ピストン５０の上死点）付近で、点火プラグにより燃焼室５２内の混合気を燃焼させ、ピストン５０を押し下げる（膨張工程）。

本実施形態では、図４に示すような状態の混合気を点火プラグにより点火させることで火炎伝播燃焼が生じる。なお、本実施形態では、先に供給された混合気は排気を含む混合気であり、排気を含まない混合気と比べて燃えにくいが、成長した伝播火炎を熱源として効率的に燃焼される。このように、火炎伝播燃焼を生じさせることで、通常の混合気より希薄な混合気を燃焼室５２内に供給しても燃焼が可能となるため（希薄燃焼が可能となるため）、内燃機関１００の熱効率を向上させることができる。例えば、燃焼室５２内において、点火プラグ付近に成層化した低希釈混合気を存在させ、その周囲に燃えにくい高希釈混合気を存在させて、燃焼室５２内全体としては高い希釈率の混合気としても、効率的な燃焼が可能となるため、内燃機関１００の熱効率が向上する。

４サイクル運転において、第１吸気弁２２、第２吸気弁２４の順で開弁させていれば、第１吸気弁２２及び第２吸気弁２４の開閉時期及びバルブリフト量等は上記に制限されるものではない。例えば、排気弁２６の開閉時期と第１吸気弁２２の開閉時期の一部がオーバーラップしていてもよいし、していなくてもよい。すなわち、排気弁２６が閉じる前に第１吸気弁２２を開けてもよいし、排気弁２６が閉じた後に第１吸気弁２２を開けてもよい。また、例えば、第１吸気弁２２の開閉時期と第２吸気弁２４の開閉時期の一部がオーバーラップしていてもよい。すなわち、第１吸気弁２２が閉じる前に第２吸気弁２４を開けてもよい。また、内燃機関１００の負荷（トルク）の低下や回転数の増加に伴い、第１吸気弁２２及び第２吸気弁２４の開閉時期及びバルブリフト量を調整してもよい。

＜２サイクル運転の場合の第１吸気弁２２、第２吸気弁２４及び排気弁２６の開閉＞
図６（Ｂ）は、２サイクル運転の場合における吸気弁及び排気弁の開閉時期を示す図である。図において、縦軸はバルブリフト量を示し、横軸はピストン５０のクランク角を示している。図６（Ｂ）の吸気弁及び排気弁の開閉時期は一例であってこれに制限されるものではない。

ピストン５０が下降している間に、排気弁２６を開く。排気弁２６の開弁によるブローダウンにより、燃焼室５２内から排気が排出される。ピストン５０が更に下降し、クランク角１８０°（ピストン５０の下死点）に到達するまでの間に、第２吸気弁２４を開く。その後、ピストン５０が下降から上昇に転じ、クランク角１８０°から所定量進角した時、排気弁２６を閉じる。第２吸気弁２４を開くことで、第２吸気通路１６から混合気（空気、燃料の混合気）が燃焼室５２内に供給されると共に、供給された混合気により燃焼室５２内の排気が押されて、燃焼室５２内から排気が排出される（掃気工程）。第２吸気通路１６から供給された混合気は、燃焼室５２内で成層化されるため、排気弁２６が開いていても、燃焼室５２からの吹き抜けが抑制される。また、排気弁２６を閉じた後、第１吸気弁２２を開き、ピストン５０が上昇して、クランク角３６０°（ピストン５０の上死点）に到達するまでの間に第１吸気弁２２及び第２吸気弁２４を閉じる。ピストン５０はさらに上昇し、燃焼室５２内の混合気を圧縮し（圧縮行程）、クランク角３６０°（ピストン５０の上死点）付近で、点火プラグにより燃焼室５２内の混合気を燃焼させ、ピストン５０を押し下げる（膨張工程）。

このように、第２吸気弁２４を先に開弁し、その後第１吸気弁２２を開弁することで、燃焼室５２からの混合気の吹き抜けを抑制することができるため、燃焼室５２内への混合気の吸気効率を高めることができる。その結果、２サイクル運転のトルクを向上させることが可能となる。混合気の吹き抜け率は、内燃機関１００の回転数にもよるが、概ね１％以下に抑えることが可能となる。また、多量の燃料吹き抜けがなくなるため、燃焼室５２から排出された排気による排気触媒３８のダメージも抑制される場合がある。また、本実施形態は、頭上弁式であり、ユニフロー方式ではないので、ユニフロー式に比べてピストンリング等の部品の耐久性の低下が抑制される。

２サイクル運転において、第２吸気弁２４、第１吸気弁２２の順で開弁させていれば、第１吸気弁２２及び第２吸気弁２４の開閉時期及びバルブリフト量等は上記に制限されるものではない。例えば、排気弁２６の開閉時期と第１吸気弁２２の開閉時期の一部がオーバーラップしていてもよい。すなわち、排気弁２６が閉じる前に第１吸気弁２２を開けてもよい。

吸気弁の開閉時期は、例えば、カム軸の回転位相を変更するバルブタイミング調整機構により調整される。また吸気弁のバルブリフト量は、例えば、各カムの断面形状をカム軸の軸方向に沿って変化させておき、カム軸を軸方向に沿って移動して、吸気弁と接触するカムの位置を変化させるバルブリフト量調整機構により調整される。これらの調整機構は従来周知である（例えば、特開２０１０−１３９４０号公報参照）。

図７は、内燃機関の負荷の低下や回転数の増加に伴い、４サイクル運転における吸気弁の開閉時期やバルブリフト量を調整した状態を示す図である。図７（Ａ）は、前述した４サイクル運転の場合における第１吸気弁２２、第２吸気弁２４及び排気弁２６の開閉時期の一例を示している。例えば、ＥＣＵ４２がトルクセンサやクランク角センサから、内燃機関１００のトルク（負荷）や回転数のデータを取得し、これらの値が予め設定された閾値以下となった場合には、ＥＣＵ４２により上記の調整機構を駆動させ、図７（Ｂ）に示すように、第１吸気弁２２及び第２吸気弁２４の開閉時期の少なくともいずれか一方をピストン５０の下死点側（クランク角５４０°側）にシフトさせることが好ましい。すなわち、第１吸気弁２２の開閉時期をピストン５０の下死点側にシフトさせ（遅角させ）、第２吸気弁２４をピストン５０の下死点側にシフトさせる（進角させる）。また、例えば、ＥＣＵ４２がトルクセンサやクランク角センサから、内燃機関１００のトルク（負荷）や回転数のデータを取得し、これらの値が予め設定された閾値以下となった場合には、ＥＣＵ４２により上記の調整機構を駆動させ、図７（Ｃ）に示すように、第１吸気弁２２及び第２吸気弁２４のバルブリフト量の少なくともいずれか一方を増加させることが好ましい。また、図７（Ｃ）に示すように、第１吸気弁２２及び第２吸気弁２４の開閉時期の少なくともいずれか一方を増加させてもよい。吸気弁の開閉時期の増加とは、吸気弁の開弁時期を早期に開弁するか（開弁時期を進角するか）、吸気弁の閉弁時期を遅らせるか（閉弁時期を遅角するか）、又はこれら両方を行い、吸気弁が開いてから閉じるまでの期間を長くすることである。このような吸気弁の開閉時期やバルブリフト量の調整を行うことで、例えば、ピストン５０の下死点付近で導入される混合気量が増加するため、燃焼室５２内の混合気温度が増加し、燃えやすくなり、等容度が向上する等の効果がある。その結果、熱効率が向上する。

図８は、内燃機関の負荷の低下や回転数の増加に伴い、２サイクル運転における吸気弁の開閉時期やバルブリフト量を調整した状態を示す図である。図８（Ａ）は、前述した２サイクル運転の場合における第１吸気弁２２、第２吸気弁２４及び排気弁２６の開閉時期の一例を示している。例えば、ＥＣＵ４２がトルクセンサやクランク角センサにより検出された内燃機関１００のトルク（負荷）や回転数のデータを取得し、これらの値が予め設定された閾値以下となった場合には、ＥＣＵ４２により上記の調整機構を駆動させ、図８（Ｂ）に示すように、第１吸気弁２２及び第２吸気弁２４のうちの少なくともいずれか一方を早期に開弁し（開弁時期を進角し）、開閉時期を増加させることが好ましい。また、内燃機関１００のトルク（負荷）や回転数が予め設定された閾値以下となった場合には、ＥＣＵ４２により上記の調整機構を駆動させ、第１吸気弁２２及び第２吸気弁２４のバルブリフト量の少なくともいずれか一方を増加させてもよい。このような吸気弁の開閉時期やバルブリフト量の調整を行うことで、燃焼室５２内に導入される混合気量が増加するため、例えば、吸気過給圧を下げることが可能となり、ポンプ損失を低減することができる。その結果、同じトルクにおいて、熱効率が向上する。

また、排気通路１８に設置された酸素濃度センサ４０により、排気中の酸素濃度を検出し、検出された酸素濃度が閾値以上の場合には、第２吸気弁２４の開弁時期を遅角することが好ましい。具体的には、ＥＣＵ４２が酸素濃度センサ４０により検出された酸素濃度データを取得し、取得した酸素濃度の値が予め設定された閾値以上であると判断した場合には、ＥＣＵ４２により上記の調整機構を駆動させ、排気弁２６が閉じてから所定時間後に第２吸気弁２４が開弁するように、開弁時期を遅角することが好ましい。これにより、燃焼室５２内の吸気効率をより向上させることが可能となる。なお酸素濃度センサに代えて、空気と燃料の比率を検出するＡ／Ｆセンサでもよい。

本実施形態では、吸気弁の開閉を上記のようなカムを用いた弁操作機構により行っているが必ずしもこれに限定されるものではなく、例えば電磁駆動方式等でもよい。電磁駆動方式の弁操作機構は、例えば、吸気弁に設置される電動アクチュエータと、駆動回路とを備える。駆動回路には、ＥＣＵ４２から、前述した第１吸気弁２２及び第２吸気弁２４の開閉時期についての制御信号が伝えられる。駆動回路は、制御信号に基づいて、電動アクチュエータを駆動させ、第１吸気弁２２及び第２吸気弁２４を開閉させる。電磁駆動方式の弁操作機構によれば、第１吸気弁２２及び第２吸気弁の開閉時期の調整やバルブリフト量を調整することも可能である。

図９は、本実施形態に係る内燃機関の他の一例を示す概略構成図である。図９に示す内燃機関２００において、図１に示す内燃機関１００と同様の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。図９に示す内燃機関２００は、連通路６８を備える。連通路６８の一端は過給器２８のタービン４６より上流側の排気通路１８に接続され、連通路６８の他端は過給器２８のタービン４６より下流側の排気通路１８に接続されている。すなわち、連通路６８は、排気通路１８を流れる排気がタービン４６をバイパスする通路となる。連通路６８には、ウエストゲートバルブ７０が設けられており、ウエストゲートバルブ７０はＥＣＵ４２と電気的に接続されている。

図９に示す内燃機関２００では、ＥＣＵ４２によりウエストゲートバルブ７０の開閉が制御され、排気通路１８を流れる排気の一部が連通路６８に流れる。これにより、タービン４６に供給される排気流量が低下するため、排気通路１８を流れる排気の背圧が低減される。これにより、例えば、２サイクル運転において、排気弁２６の開弁によるブローダウンが増加し、燃焼室５２から排出される排気量を増加させることができるため、２サイクル運転における燃焼室５２内の排気量の低下及びトルクの向上が可能となる。また、ＥＣＵ４２により、第１吸気通路１４のスロットルバルブ３６ａや排気還流通路２０のスロットルバルブ３６ｂの開閉度を制御して、４サイクル運転において第１吸気通路１４を流れる排気量より、２サイクル運転において第１吸気通路１４を流れる排気量を低減させることが好ましい（ＥＧＲ率を低減することが好ましい）。これにより、２サイクル運転における燃焼室５２内の排気量の低下及びトルクの向上が可能となる

過給器２８は、例えば、電気やスーパーチェージャー等の外部動力を用いたアシスト式過給器でもよい。アシスト式過給器を用いることで、特に２サイクル運転において、ウエストゲートバルブ７０の開度を増加させ、排気通路１８を流れる排気の背圧をより低減することが可能となる。これにより、２サイクル運転において、排気弁２６の開弁によるブローダウンがさらに増加し、燃焼室５２から排出される排気量を更に増加させることができるため、２サイクル運転における燃焼室５２内の排気量の低下及びトルクの向上が可能となる。

１０ 気筒、１２ 吸気通路、１４ 第１吸気通路、１６ 第２吸気通路、１８ 排気通路、２０ 排気還流通路、２２ 第１吸気弁、２４ 第２吸気弁、２６ 排気弁、２８ 過給器、３０ インタークーラー、３２ ＥＧＲクーラー、３４ 燃料インジェクタ、３６ａ，３６ｂ スロットルバルブ、３８ 排気触媒、４０ 酸素濃度センサ、４４ コンプレッサ、４６ タービン、４８ 回転軸、５０ ピストン、５２ 燃焼室、５４ 段差部、５６ 弁操作機構、５８ カム軸、６０ａ，６０ｂ ４サイクル用カム、６２ａ，６２ｂ ２サイクル用カム、６４ 第１吸気ロッカーアーム、６６ 第２吸気ロッカーアーム、６８ 連通路、７０ ウエストゲートバルブ、１００，２００ 内燃機関。

Claims (5)

1. ４サイクル運転と２サイクル運転とを行うことができる内燃機関であって、
   空気及び燃料を含む混合気を燃焼する燃焼室の上方に夫々独立して接続され、前記燃焼室に前記混合気を供給する第１吸気通路、及び前記燃焼室に前記混合気を供給し、当該混合気を成層化する第２吸気通路と、
   前記第１吸気通路を開閉して、前記第１吸気通路から前記燃焼室へ流入する混合気を制御する第１吸気弁、及び前記第２吸気通路を開閉して、前記第２吸気通路から前記燃焼室へ流入する混合気を制御する第２吸気弁と、
   前記４サイクル運転時には、前記第１吸気弁、前記第２吸気弁の順で開弁させ、前記２サイクル運転時には、前記第２吸気弁、前記第１吸気弁の順で開弁させる弁操作機構と、を備えることを特徴とする内燃機関。
2. 前記第１吸気弁及び前記第２吸気弁のリフト量及び開閉時期を調整する調整機構を備えることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記燃焼室に接続された排気通路を流れる排気中の酸素濃度を検出する酸素検出手段を備え、
   前記調整機構は、前記酸素検出手段により検出された酸素濃度が閾値以上である場合、前記第２吸気弁の開弁時期を遅角することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
4. 前記４サイクル運転時及び前記２サイクル運転時それぞれにおいて、前記第１吸気通路及び前記第２吸気通路の混合気流量を制御する流量制御手段を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関。
5. 前記排気通路を流れる排気の一部を前記第１吸気通路に還流する排気還流通路を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関。