JP4306462B2 - ４サイクル内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、４サイクル内燃機関に関し、特に、混合気のミキシング改善に関する。

燃料消費量、および大気汚染物質（主としてＮＯｘ）の排出量を同時に、しかも大幅に低減することが可能な内燃機関を提供するため、予混合圧縮自着火燃焼方式によって内燃機関を運転（以下、圧縮自着火運転ともいう。）する技術が知られている。予混合圧縮自着火燃焼方式は、燃焼室内に混合気を形成しておき、これを圧縮して自着火させる燃焼方式である。

予混合圧縮自着火燃焼方式の特徴は、混合気を燃焼室全体において、ほぼ同時に多点的に自着火させることで、現在主流となっている予混合火花点火燃焼方式を始めとする他の燃焼方式よりも、遙かに短時間で燃焼を完了させることができる点にある。上述した予混合自着火燃焼方式の有する優れた特性は、こうした燃焼形態に起因するものである。

また、４サイクル運転において、予混合圧縮自着火燃焼を実現するために、残留燃焼ガスの熱エネルギーを利用する技術が知られている。この技術では、排気行程から吸気行程に至る間に、排気バルブと吸気バルブとが共に閉じた負のオーバーラップ期間を設けて、燃焼ガスの一部を燃焼室内に閉じこめ、次の燃焼サイクルへ循環させる内部ＥＧＲを行っている（例えば、特許文献１、２、３）。

特開平１０−２６６８７８ 特開２００１−２０７８８８ 特開２００１−２８０１６５

しかしながら、予混合圧縮自着火燃焼方式において、混合気の多点的な同時着火は、点火プラグによって直接制御されるわけではなく、ピストンによる圧縮の結果として発生するものである。このため、想定どおりのタイミングで多点的な同時着火を実現できるか否かは、燃焼室内にどのような混合気を形成するかという点に大きく依存している。

上記技術では、負のオーバーラップ期間中に燃焼室内のガス流れがほとんどなくなってしまうこと、および、負のオーバーラップ期間を設けたために吸気行程の期間が短いことから、吸入空気による筒内の気流乱れが小さくなる。そうすると、高温の残留燃焼ガス、吸入空気、および燃料間のミキシングが悪くなり、混合気の温度、および燃料濃度に大きなムラができるおそれがある。

この結果、圧縮時において、混合気の状態が自着火する条件に達するタイミングが、想定より早過ぎる部分、あるいは、混合気の状態が自着火する条件に達しない部分が生じ得る。このため、混合気をほぼ同時に多点的に着火することができず、過早着火、失火といった不具合が生じ、安定して自着火運転できない問題がある。

本発明は、上述の問題を解決するためになされたものであり、４サイクル内燃機関において、安定した自着火運転を実現することを目的とする。

上記課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の第１の態様は、少なくとも一部の運転領域において、燃焼室内に形成した混合気を圧縮自着火させて運転される４サイクル内燃機関を提供する。本発明の第１の態様に係る４サイクル内燃機関は、前記燃焼室と連通する吸気通路および排気通路と、前記吸気通路を開閉する吸気バルブと、前記排気通路を開閉する排気バルブと、吸気上死点後に開始される吸気バルブ開弁期間に前記吸気バルブを開弁させる吸気バルブ駆動手段と、前記吸気上死点前に終了される第１の排気バルブ開弁期間と、前記吸気バルブ開弁期間の直前から前記吸気バルブ開弁期間中に亘る第２の排気バルブ開弁期間とに前記排気バルブを開弁させる排気バルブ駆動手段とを備えることを特徴とする。

本発明の第１の態様に係る４サイクル内燃機関によれば、内部ＥＧＲのための負のオーバーラップ期間を設けると共に、吸気上死点後において、吸気のために吸気バルブが開弁される直前で、排気バルブを開弁させる。このため、空気が吸気通路から燃焼室内へ流入した時に、残留燃焼ガスの一部が燃焼室内から排気通路へ排出されることで、燃焼室内に大きな気流が形成される。この流れによって、残留燃焼ガスと吸入空気とが撹拌される。この結果、４サイクル圧縮自着火運転時において、高温の残留燃焼ガスによって混合気の圧縮端温度を高めると共に、混合気のミキシングを改善し、安定的に、混合気を自着火させることができる。

本発明の第１の態様に係る４サイクル内燃機関において、前記第２の排気バルブ開弁期間の開始時期は、前記燃焼室内の圧力が、前記排気通路内の圧力より高い時期であるのが好ましい。

かかる場合には、吸気のために吸気バルブが開弁される直前に排気バルブが開弁される時に、燃焼室内の圧力が排気通路内の圧力より高いために、燃焼室内の残留燃焼ガスの一部が排気通路へ排出される。この残留燃焼ガスの流れによって、吸気バルブ開弁時に吸気通路から燃焼室内へ流入する吸入空気、および、その後に形成される燃焼室内の気流の流速が高められ、残留燃焼ガスと吸入空気とのミキシングをより改善することができる。

本発明の第１の態様に係る４サイクル内燃機関において、前記第２の排気バルブ開弁期間の開始時期は、前記吸気上死点から前記第２の排気バルブ開弁期間の開始時期までのクランク角度が、前記第１の排気バルブ開弁期間の終了時期から前記吸気上死点までのクランク角度より小さくなる時期であるのが好ましい。

かかる場合には、ピストンによる残留燃焼ガスに対する圧縮作用によって、吸気のために吸気バルブが開弁される直前に排気バルブを開弁した時に、燃焼室内の圧力が排気通路の圧力より高くなる。したがって、その圧力差によって、燃焼室内の残留燃焼ガスの一部が排気通路へ排出され、この残留燃焼ガスの流れによって、吸気バルブ開弁時に吸気通路から燃焼室内へ流入する吸入空気、および、その後に形成される燃料室内の気流の流速が高められ、残留燃焼ガスと吸入空気とのミキシングをより改善することができる。

本発明の第１の態様に係る４サイクル内燃機関において、前記吸気バルブは、複数個備えられ、前記吸気バルブ駆動手段は、前記吸気バルブ開弁期間の開始時期には、１つの吸気バルブのみを開弁させ、その他の吸気バルブは所定期間後に開弁させても良い。

かかる場合には、吸気バルブ開弁期間の開始時期において、開弁される吸気バルブを一つに限定することによって、吸入空気の流入速度を増大させることができる。これによって、その後、形成される燃料室内の気流の流速がより高められ、残留燃焼ガスと吸入空気とのミキシングをより改善することができる。

本発明の第１の態様に係る４サイクル内燃機関において、前記排気バルブは、複数個備えられ、前記排気バルブ駆動手段は、前記第２の排気バルブ開弁期間に、１つの排気バルブのみを開弁させても良い。

かかる場合には、吸気のために吸気バルブを開弁する直前に開弁される排気バルブを一つに限定することによって、排気バルブ開弁時に燃焼室内から排気通路へ排出される残留燃焼ガス、および、その後に形成される燃料室内の気流の流速がより高められ、残留燃焼ガスと吸入空気とのミキシングをより改善することができる。

本発明の第１の態様に係る４サイクル内燃機関において、前記吸気バルブ開弁期間の開始時期に開弁される前記吸気バルブと、前記第２の排気バルブ開弁期間に開弁される前記排気バルブとが、前記燃焼室の内径中心点を通る同一直線上に配置されているのが好ましい。

かかる場合には、燃焼室内に気流を形成する２つの流れ、すなわち、吸入空気が吸気通路から燃焼室内へ流入する流れと、残留燃焼ガスの一部が燃焼室内から排気通路へ排出される流れが、燃焼室の内径中心部を通るように形成される。したがって、これら２つの流れによって、燃焼室の内径中心部を通る気流が燃焼室内に形成され、残留燃焼ガスと吸入空気とのミキシングをより改善することができる。

本発明の第１の態様に係る４サイクル内燃機関において、前記燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備え、前記燃料噴射弁は、前記吸気バルブ開弁期間中に燃料を噴射しても良い。

かかる場合には、燃焼室内に形成された気流によって、吸入空気と残留燃焼ガスだけでなく、燃料と吸入空気および燃料と残留燃焼ガスとのミキシングも改善することができる。

本発明の第１の態様に係る４サイクル内燃機関において、前記排気バルブ駆動手段は、前記内燃機関の中負荷域における所定の負荷範囲においてのみ、前記第２の排気バルブ開弁期間に前記排気バルブを開弁させても良い。

かかる場合には、４サイクル圧縮自着火運転が適している機関低負荷から中負荷に亘る負荷範囲のうち、燃料量および吸入空気量が共に多く、よりミキシング改善の必要性が高い中負荷域において、ミキシングを改善することができる。

本発明の第２の態様は、吸気上死点前から吸気上死点後にわたり、吸気バルブと排気バルブとを共に閉じた負のオーバーラップ期間を設けて圧縮自着火運転を行う４サイクル内燃機関のバルブ制御方法を提供する。本発明の第２の態様に係るバルブ制御方法は、前記吸気上死点前に、排気バルブを閉弁し、前記吸気上死点後に、前記排気バルブを再度開弁し、前記排気バルブを再度開弁した直後に、吸気バルブを開弁し、前記吸気バルブの開弁後、所定期間後に、前記再度開弁した排気バルブを閉弁することを特徴とする。

本発明の第２の態様に係るバルブ制御方法によれば、本発明の第１の態様に係る４サイクル内燃機関と同様の作用効果を得ることができると共に、本発明の第２の態様に係るバルブ制御方法は、本発明の第１の態様に係る４サイクル内燃機関と同様にして種々の態様にて実現され得る。

以下、本発明に係る４サイクル内燃機関について、図面を参照しつつ、実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１の実施例：
Ａ−１．構成：
Ａ−２．動作：
Ｂ．第２の実施例：
Ｃ．変形例：

Ａ．第１の実施例：
Ａ−１．構成：
図１を参照して本発明の第１の実施例に係る内燃機関の構成について説明する。図１は、本実施例に係る内燃機関の概略構成を示す説明図である。本実施例に係る内燃機関１０は、機関低負荷から中負荷に亘る所定の運転領域において４サイクル圧縮自着火運転可能な内燃機関である。

本実施例に係る内燃機関１０は、内部に複数のシリンダ２２を有するシリンダブロック２０、シリンダ２２内を上下に摺動するように内接するピストン２４、シリンダブロック２０の上面に配置されたシリンダヘッド３０、排気によって駆動される排気式過給器４０、エンジン１０全体を制御する制御装置（ＥＣＵ）１００を備えている。

ピストン２４は、コネクティングロッド２６を介して、クランクシャフト２８と連結されている。クランクシャフト２８近傍には、クランク角センサ１０２が取り付けられており、これによって、エンジン回転速度Ｎe 、および、クランク角θcrを検出することができる。また、ピストン２４の上面と、シリンダ２２と、シリンダヘッド３０とによって燃焼室１５が区画形成される。

シリンダヘッド３０は、各シリンダ２２ごとに排気ポート３２、吸気ポート３１を有している。各排気ポート３２には、排気管１６の分岐端が接続され、排気ポート３２と排気管１６とで、燃焼室１５と連通する排気通路１７が構成される。排気管１６上には、排気ポート３２との接続端側から、排気式過給器４０のタービン４２、触媒装置５０が配置されている。一方、各吸気ポート３１には、吸気管１２の分岐端が接続され、吸気ポート３１と吸気管１２とで、燃焼室１５と連通する吸気通路１３が構成される。吸気管１２上には、吸気ポート３１との接続端側から、サージタンク６０、インタクーラ６２、排気式過給器４０のコンプレッサ４４、エアクリーナ６４が配置されている。また、吸気管１２には、スロットルバルブ７０が設けられ、この開度を電動アクチュエータ７２によって調整することで燃焼室１５に供給される空気量を調整できる。

シリンダヘッド３０には、各シリンダ２２ごとに、排気ポート３２を開閉する排気バルブ３４、吸気ポート３１を開閉する吸気バルブ３３、燃焼室１５内に燃料を直接噴射するための燃料噴射弁３６、火花点火のための点火プラグ３５が配置されている。

吸気バルブ３３および排気バルブ３４は、それぞれ電動アクチュエータ３７、３８によって駆動される。電動アクチュエータ３７、３８は、例えば、開弁および閉弁用の電磁石を有する構造となっている。ＥＣＵ１００の制御によって、電磁石に印加する電圧を変更することにより、電動アクチュエータ３７、３８は、任意のタイミングで吸気バルブ３３および排気バルブ３４をそれぞれ開閉することが可能である。

排気式過給器４０は、排気エネルギーによって駆動されるタービン４２と、吸気を圧縮するコンプレッサ４４とを備える。排気式過給器４０は、過給圧を調節するため、コンプレッサ４４の駆動を補助するモータアシスト機構や、排気ガスの一部がタービン４２をバイパス可能とするウエストゲートバルブ等を備えてもよい。

ＥＣＵ１００は、周知のマイクロコンピュータで構成されている。ＥＣＵ１００は、クランク角センサ１０２およびアクセル開度センサ１０４と接続されており、これらからの電気信号を取得して、エンジン回転速度Ｎe、クランク角θcr、アクセル開度θacをそれぞれ検出する。ＥＣＵ１００は、検出したこれらの情報に基づいて、吸気バルブ３３、排気バルブ３４、点火プラグ３５、燃料噴射弁３６、スロットルバルブ７０等を制御することで、内燃機関１０の動作全体を制御する。

Ａ−２．動作：
図２〜図５を参照して、第１の実施例に係る内燃機関１０の動作について説明する。図２は、本実施例に係る内燃機関１０の運転条件と運転方式（燃焼方式）との対応関係の一例を示すマップである。図３は、本実施例に係る内燃機関１０の圧縮自着火運転時において、クランク角に対して吸気バルブ３３および排気バルブ３４を開閉させるタイミングを模式的に示した説明図である。図３中、Ｅ．Ｏ．は排気バルブ３４が開弁されるタイミングを、Ｅ．Ｃ．は排気バルブ３４が閉弁されるタイミングを示す。また、図３中、Ｉ．Ｏ．は吸気バルブ３３が開弁されるタイミングを、Ｉ．Ｃ．は吸気バルブ３３が閉弁されるタイミングを示す。図４および図５は、本実施例に係る内燃機関１０の圧縮自着火運転時における動作の概要を説明する説明図である。図４において、（ａ）〜（ｅ）で示される期間における内燃機関１０の動作が、図５（ａ）〜（ｅ）にそれぞれ概念的に示されている。図中でＴＤＣとは、ピストン２４が上死点の位置となるタイミングを示し、ＢＤＣとは、ピストン２４が下死点の位置となるタイミングを示している。

本実施例に係る内燃機関１０は、低負荷から中負荷に亘る所定の運転領域においては、４サイクル予混合圧縮自着火燃焼方式によって運転され、それ以外の運転領域においては、４サイクル予混合火花点火燃焼方式によって運転される。

ＥＣＵ１００は、図２に示すようなマップを記憶しており、検出したエンジン回転速度Ｎe、アクセル開度θac（要求負荷）に基づいて、マップを参照して燃焼方式を決定する。ＥＣＵ１００は、吸気バルブ３３、排気バルブ３４、スロットルバルブ７０、点火プラグ３５、燃料噴射弁３６を適切に制御し、決定した燃焼方式によって内燃機関１０を運転する。

４サイクル予混合火花点火燃焼方式は、現在主流となっている燃焼方式であり、周知であるので説明を省略する。

４サイクル予混合圧縮自着火燃焼方式によって運転されている場合における内燃機関１０の動作について説明する。説明の都合上、クランク角が圧縮上死点付近にあるタイミングで、燃焼室１５内の混合気を圧縮自着火により燃焼させた状態から説明する。

混合気が燃焼すると、燃焼室１５内には高圧の燃焼ガスが発生し、ピストン２４に対してピストン２４を押し下げる力が作用する。膨張行程では、ピストン２４が降下することによって、燃焼室１５内で発生した圧力がトルクに変換され、コネクティングロッド２６を介して、クランクシャフト２８から動力として出力される。

ピストン２４が下死点まで降下する前の適切なタイミングで排気バルブ３４が開かれ、排気行程に移る（図３および図４において、ＥＸ１で示される期間）。その後、ピストン２４は、下死点に達して上昇に転じ、燃焼室１５内の燃焼ガスを排気ポート３２へ押し出すように排気していく。

ピストン２４が吸気上死点に達する前の所定のタイミングで排気バルブ３４が閉じられ、排気行程が終了する。そして、この時点で排気されていない燃焼ガスは燃焼室１５内に閉じこめられる。排気バルブ３４が閉じられた後、ピストン２４は、吸気上死点に達して、降下に転じる。この時、図５（ａ）に示すように、排気バルブ３４および吸気バルブ３３は、共に閉じられている。本明細書では、排気行程後に排気バルブ３４および吸気バルブ３３が共に閉じられている期間を負のオーバーラップ期間という（図３および図４において、ＯＬで示される期間。）。また、負のオーバーラップ期間中に燃焼室１５内に閉じこめられている燃焼ガスを残留燃焼ガスという。

ここで、燃焼ガスを燃焼室１５内に閉じこめるのは、次サイクルの混合気に、残留燃焼ガスを混合させることによって、混合気を圧縮自着火させやすくするためである。圧縮自着火を生じさせるためには、ピストン２４が圧縮上死点付近にある時の混合気の温度（以下、圧縮端温度という。）が、所定温度以上に達する必要がある。燃焼室１５内に閉じ込められた燃焼ガス（残留燃焼ガス）は、燃焼中に発生した中間生成物（いわゆるラジカル）を含む高温ガスであり、高い熱エネルギーを有している。そこで、高い熱エネルギーを有する燃焼ガスを混合気に混合することで、混合気の圧縮端温度を高めて、自着火を生じやすくすることができる。言い換えれば、内燃機関１０は、圧縮自着火運転時には、負のオーバーラップ期間を設けることによって、自着火運転を実現している。

負のオーバーラップ期間後、吸気バルブ３３が開かれ、吸気が開始されるが、本実施例に係る内燃機関１０では、吸気バルブ３３が開かれる直前に、排気バルブ３４が開かれる。なお、吸気バルブ３３が開かれるタイミングは、吸気バルブ３３が開かれる直前に排気バルブ３４が開かれた時点で、燃焼室１５内の圧力が、排気ポート３２内の圧力より高くなるように設定されている。例えば、負のオーバーラップ期間中における熱損失が、考慮を要しない程小さい場合には、図３に示すように、吸気上死点から排気バルブ３４を開くタイミング（負のオーバーラップ期間ＯＬが終了するタイミング）までのクランク角度θ２が、排気行程において排気バルブ３４が閉じられるタイミング（負のオーバーラップ期間ＯＬが始まるタイミング）から上死点までのクランク角度θ１より、小さくなるように設定すれば良い。

このようなタイミングでは、燃焼室１５内と排気ポート３２内との圧力差により、排気バルブ３４が開かれると、図５（ｂ）に示すように、残留燃焼ガスの一部が、燃焼室１５内から排気ポート３２へと排出され、燃焼室１５内に、排気ポート３２方向への流れＦｅが形成される。

続いて、図５（ｃ）に示すように、吸気バルブ３３が開かれて吸気行程が開始され、空気が吸気ポート３１から燃焼室１５内へ流入する。この時、吸気ポート３１から燃焼室１５内への流れＦｉは、上述した排気ポート３２方向への流れＦｅに引かれ、流速がより高められる。そして、流れＦｉと流れＦｅとによって、吸気バルブ３３から流入して、燃焼室１５内を巡って排気バルブ３４に至る流れ（以下、主流という。）が形成される。例えば、吸気バルブ３３から流入する空気が、燃焼室１５の下方に向かって主に流入するように、吸気バルブ３３、燃焼室１５、吸気ポート３１の形状等を構成すれば、図５（ｄ）に示す主流Ｆｍのように、吸気バルブ３３から流入して、シリンダ２２の中心軸と垂直な軸周りに燃焼室内を循環して、排気バルブ３４付近に至る流れ（いわゆるタンブル流）が形成される。

その後、排気バルブ３４は閉じられるが、形成された主流Ｆｍは、図５（ｄ）に示すように１５内に残り、燃焼室１５内の混合気を撹拌する。排気バルブ３４が閉じられるタイミング（排気バルブ開弁期間ＥＸ２が終了するタイミング）は、自着火に必要な残留燃焼ガスを排出し過ぎることなく、かつ、ピストン２４の降下に伴って、一旦、排出された残留燃焼ガスが排気ポート３２から燃焼室１５内へと逆流して、吸入空気の流入や主流Ｆｍの形成を妨げないように設定される。

図５（ｄ）に示すように、排気バルブ３４が閉じられた後、燃料噴射弁３６によって霧状の燃料ガスが、燃焼室１５内に噴射される。この時、燃焼室１５内には主流Ｆｍが形成されているので、主流Ｆｍによって、残留燃焼ガス、吸入空気、燃料は、撹拌される。

ピストン２４が、下死点に達し上昇に転じた後、図５（ｅ）に示すように、吸気バルブ３３が閉じられ、圧縮行程に移る。圧縮行程において、燃焼室１５内に形成された混合気は、断熱圧縮され、ピストン２４が圧縮上死点付近にある所定のタイミングで、自着火する。

ここで、自着火運転される低負荷から中負荷に亘る所定の負荷範囲における低負荷運転時と、中負荷運転時との吸気バルブ３３および排気バルブ３４の開閉タイミングの違いについて説明する。図３（ａ）は、低負荷時、図３（ｂ）は中負荷時における吸気バルブ３３および排気バルブ３４の開閉タイミングを模式的に示している。内燃機関においては、要求負荷に応じて適切な燃焼エネルギーが得られるように、要求負荷が増大するに連れて必要な燃料噴射量は増大する。そして、要求負荷に基づいて決定された燃料噴射量に応じて、混合気が適切な空燃比となるよう吸入空気量が決定される。したがって、低負荷時は、必要な燃料噴射量が中負荷時より少なくなり、それに伴って、必要な吸入空気量も中負荷時より少なくなる。一方で、低負荷時は、機関の燃焼温度が低いため、残留燃焼ガスの熱エネルギーも低くなり、圧縮自着火のために必要な残留燃焼ガス量は中負荷時より多くなる。

このため、低負荷時においては、中負荷時と比較して、残留燃焼ガス量が多くなり、かつ、吸入空気量が少なくなるように、負のオーバーラップ期間ＯＬが長く、吸気バルブ開弁期間ＩＮおよび排気バルブ開弁期間ＥＸ１が短くなるように設定されている。すなわち、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、排気行程において排気バルブ３４を閉じるタイミングは、低負荷時の方が、中負荷時より早く設定され、吸気行程において吸気バルブ３３を開けるタイミングは、低負荷時の方が、中負荷時より遅く設定される。

一方で、上述したように、吸気バルブ開弁期間ＩＮの開始直前のタイミングで、かつ、図３に示すクランク角度θ２が、クランク角度θ１より小さくなるタイミングから、吸気バルブ開弁期間ＩＮ中までの所定期間に亘って、排気バルブ開弁期間ＥＸ２が設定されている点は、中負荷時においても、低負荷時においても同様である。

以上のように構成された本実施例に係る内燃機関１０によれば、負のオーバーラップ期間中に燃焼室１５内の気流の流れが少なくなるが、吸気バルブ３３が開弁された時には、排気バルブ３４が直前に開弁されており、燃焼室１５内から排気バルブ３４方向への流れＦｅが形成されている。このため、吸入空気の燃焼室１５内への流れＦｉの流速は、より早くなる。さらに、流れＦｉと流れＦｅとにより、燃焼室１５内に主流Ｆｍが形成される。この結果、燃焼室１５内の混合気は、形成された主流Ｆｍによって撹拌され、残留燃焼ガス、吸入空気、および、その後に燃焼室１５内に噴射される燃料間のミキシングが改善される。

また、負のオーバーラップ期間を設けて、混合気に高温の残留燃焼ガスを混合しているため、混合気の圧縮端温度を高めることができる。

したがって、内燃機関１０は、圧縮自着火運転時において、安定した自着火を実現することができる。

Ｂ．第２の実施例：
図６を参照して、本発明の第２の実施例に係る内燃機関の構成について説明する。図６は、第２の実施例に係る内燃機関１０の燃焼室１５の周辺構造を示す説明図である。図６（ａ）は燃焼室の断面構造を概念的に示した説明図である。図６（ｂ）は、図６（ａ）におけるＡ−Ａ断面を、シリンダヘッド３０側から見た上面図である。図６（ｂ）では、図を見やすくするため、シリンダ２２内面を実線で、燃料噴射弁３６、吸気バルブ（３３ａ、３３ｂ）、排気バルブ（３４ａ、３４ｂ）、吸気ポート（３１ａ、３１ｂ）、排気ポート（３２ａ、３２ｂ）を細い破線で表示し、他の構成については、その表示を省略している。

第２の実施例に係る内燃機関の概略構成は、図１に示した第１の実施例に係る内燃機関１０と全く同一であるため、概略構成の説明を省略し、以下の説明では、同一の符号を用いる。第２の実施例に係る内燃機関１０では、複数個備えられた吸気バルブ（３３ａ、３３ｂ）および排気バルブ（３４ａ、３４ｂ）について、それぞれ異なる制御をすることから、吸気バルブおよび排気バルブの構成についてのみ詳しく説明する。

図６（ｂ）に示すように、第２の実施例に係る内燃機関１０は、２つの吸気バルブ３３ａ、３３ｂと、２つの排気バルブ３４ａ、３４ｂとを備えている。このうち、吸気バルブ３３ａと排気バルブ３４ｂは、それぞれの中心ＩＣおよびＥＣが、燃焼室１５の内径中心点ＢＣを通る同一直線ＣＬ上に位置するように配置されている。

ここで、燃焼室１５の内径中心点とは、燃焼室１５を、図６（ａ）におけるＡ−Ａ断面のように、ピストンの摺動方向を法線とする平面で切断した切断面（例えば図６（ｂ））に現れる円の中心を通り、ピストンの摺動方向と平行な線（図６（ａ）においてＢＬで示されている。）上の点をいうものとする。また、内径中心点ＢＣを通る同一直線ＣＬ上に配置されているとは、厳密に点ＩＣ、ＢＣ、ＥＣが一直線上に並んでいることを意味する訳ではなく、吸気バルブ３３ａから燃焼室１５内に流入して、排気バルブ３４ｂから排出される空気が燃焼室の内径中心部を通るように、吸気バルブ３３ａと排気バルブ３４ｂと内径中心点ＢＣとが概ね一直線上に並んでいればよい。

図７および図８を参照して、第２の実施例に係る内燃機関１０の動作について説明する。図７は、本実施例に係る内燃機関１０の圧縮自着火運転時において、クランク角に対して吸気バルブ（３３ａ、３３ｂ）および排気バルブ（３４ａ、３４ｂ）を開閉させるタイミングを模式的に示した説明図である。図８は、本実施例に係る内燃機関１０の圧縮自着火運転時における動作を側面図（１）および上面図（２）により概念的に示した説明図である。説明の便宜のため、図８の側面図において、直線ＣＬ上に並んでいる吸気バルブ３３ａおよび排気バルブ３４ｂのみを図示し、吸気バルブ３３ｂ、排気バルブ３４ａは省略している。図８（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、図７において、（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）で示される期間における動作をそれぞれ示している。

第２の実施例に係る内燃機関１０は、低負荷から中負荷に亘る所定の運転領域においては、４サイクル予混合圧縮自着火燃焼方式によって運転され、それ以外の運転領域においては、４サイクル予混合火花点火燃焼方式によって運転される。この点については、第１の実施例と共通である。

自着火運転時における動作についても、基本的な部分は、第１の実施例と共通である。すなわち、第２の実施例に係る内燃機関１０においても、図７に示すように、第１の実施例と同じタイミングで、排気行程における排気バルブ開弁期間ＥＸ１、吸気行程における吸気バルブ開弁期間ＩＮ、排気バルブ開弁期間ＥＸ１と吸気バルブ開弁期間ＩＮとの間にある負のオーバーラップ期間ＯＬ、そして、吸気バルブ開弁期間ＩＮの開始直前から所定期間に亘る排気バルブ開弁期間ＥＸ２が設定されている。さらに、吸気バルブ開弁期間ＩＮ中に燃料噴射弁３６から、燃料が燃焼室１５内に噴射される。

ただし、第２の実施例に係る内燃機関１０においては、図７に示すように、排気バルブ開弁期間ＥＸ１では、２つの排気バルブ３４ａおよび３４ｂが共に開弁されるのに対して、排気バルブ開弁期間ＥＸ２では、排気バルブ３４ａは閉じられており、排気バルブ３４ｂのみが開弁される。さらに、吸気バルブ開弁期間ＩＮでは、吸気バルブ３３ａが開始時期に開弁され、もう一つの吸気バルブ３３ｂは、所定期間遅れて開弁される。

すなわち、図８（Ａ）に示すように、負のオーバーラップ期間後、先ず、排気バルブ３４ｂのみが開かれ、燃焼室１５内に、排気ポート３２ｂ方向への流れＦｅが形成される。その直後に、図８（Ｂ）に示すように、吸気バルブ３３ａが開かれて吸気が開始され、空気が吸気ポート３１ａから燃焼室１５内へ流入する。この時、吸気ポート３１ａから燃焼室１５内への流れＦｉは、流れＦｅに引かれて、内径中心部方向へと流れる。そして、流れＦｉと流れＦｅとによって、燃焼室１５内に、内径中心部を通る主流Ｆｍが形成される。

そして、その後、図８（Ｃ）に示すように、もう一つの吸気バルブ３３ｂが開かれ、吸気ポート３１ｂから燃焼室１５内に流入した吸入空気は、燃料噴射弁３６から噴射される燃料と同様に、主流Ｆｍによって撹拌されることになる。図７に示す例においては、吸気バルブ３３ｂが開かれるタイミングは、排気バルブ３４ｂが閉じられるタイミングと同時に設定されているが、必ずしも同時である必要はない。

以上説明したように、第２の実施例に係る内燃機関によれば、第１の実施例に係る内燃機関と同様の効果に加えて、以下のような効果を有する。

本実施例に係る内燃機関において、流れＦｅと流れＦｉは、燃焼室１５の内径中心点ＢＣを通る同一直線ＣＬ上に配置された排気バルブ３４ｂと吸気バルブ３３ａとによって、それぞれ形成される。この結果、流れＦｅと流れＦｉとによって、主流Ｆｍは、内径中心部を通るように形成される。したがって、混合気における残留燃焼ガス、吸入空気、燃料間のミキシングがより改善される。

また、流れＦｅを形成するために開弁される排気バルブが、１つの排気バルブ３４ｂに限定されるため、流れＦｅの流速を高めることができる。さらに、流れＦｉを形成するために開弁される吸気バルブが１つの吸気バルブ３３ａに限定されるため、流れＦｉの流速を高めることができる。この結果、流れＦｅと流れＦｉとによって形成される主流Ｆｍの流速が、より高められる。したがって、混合気における残留燃焼ガス、吸入空気、燃料間のミキシングがより改善される。

この結果、内燃機関１０は、圧縮自着火運転時において、より安定した自着火を実現することができる。

Ｃ．変形例：
上記実施例では、内燃機関１０は、低負荷から中負荷に亘る所定の圧縮自着火運転領域の全域において、排気バルブ開弁期間ＥＸ２を設定してミキシングを改善しているが、圧縮自着火運転領域のうち一部の領域のみにおいて、係る制御を行っても良い。例えば、燃料量および吸入空気量が共に多く、ミキシングがより悪い中負荷域のみにおいて、排気バルブ開弁期間ＥＸ２を設定しても良い。

上記実施例では、吸気バルブ３３および排気バルブ３４を電動アクチュエータ３７、３８によってそれぞれ駆動しているが、吸排気バルブの駆動方式は、任意のタイミングで駆動できる方式であればよい。例えば、吸気バルブ３３および排気バルブ３４を油圧を用いて駆動しても良い。

上記実施例では、内燃機関１０は排気式過給器４０を備えているが、過給器を備えない自然吸気式の内燃機関であってもよい。また、機械式過給器を備える内燃機関であってもよい。

上記実施例では、内燃機関１０は、火花点火運転と圧縮自着火運転とを切換可能な内燃機関であるが、少なくとも一部の運転領域において４サイクル圧縮自着火運転を行う内燃機関であれば良い。例えば、４サイクル運転と２サイクル運転に切換可能な可変サイクルエンジンであっても良い。

以上、本発明の実施例および変形例について説明したが、本発明はこれらの実施例および変形例になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々の態様での実施が可能である。

第１の実施例に係る内燃機関の概略構成を示す説明図である。 第１の実施例に係る内燃機関１０の運転条件と運転方式（燃焼方式）との対応関係の一例を示すマップである。 第１の実施例に係る内燃機関１０の圧縮自着火運転時において、クランク角に対して吸気バルブ３３および排気バルブ３４を開閉させるタイミングを模式的に示した説明図である。 第１の実施例に係る内燃機関１０の圧縮自着火運転時における動作の概要を説明する第１の説明図である。 第１の実施例に係る内燃機関１０の圧縮自着火運転時における動作の概要を説明する第２の説明図である。 第２の実施例に係る内燃機関１０の燃焼室１５の周辺構造を示す説明図である。 第２の実施例に係る内燃機関１０の圧縮自着火運転時において、クランク角に対して吸気バルブ（３３ａ、３３ｂ）および排気バルブ（３４ａ、３４ｂ）を開閉させるタイミングを模式的に示した説明図である。 第２の実施例に係る内燃機関１０の圧縮自着火運転時における動作を側面図および上面図により概念的に示した説明図である。

符号の説明

１０…内燃機関
１２…吸気管
１３…吸気通路
１５…燃焼室
１６…排気管
１７…排気通路
２０…シリンダブロック
２２…シリンダ
２４…ピストン
２６…コネクティングロッド
２８…クランクシャフト
３０…シリンダヘッド
３１、３１ａ、３１ｂ…吸気ポート
３２、３２ａ、３２ｂ…排気ポート
３３、３３ａ、３３ｂ…吸気バルブ
３４、３４ａ、３４ｂ…排気バルブ
３５…点火プラグ
３６…燃料噴射弁
３７、３８…電動アクチュエータ
４０…排気式過給器
４２…タービン
４４…コンプレッサ
５０…触媒装置
６０…サージタンク
６２…インタクーラ
６４…エアクリーナ
７０…スロットルバルブ
７２…電動アクチュエータ
１００…ＥＣＵ
１０２…クランク角センサ
１０４…アクセル開度センサ
ＥＸ１…第１の排気バルブ開弁期間
ＥＸ２…第２の排気バルブ開弁期間
ＩＮ…吸気バルブ開弁期間
ＯＬ…負のオーバーラップ期間

Claims (9)

1. 少なくとも一部の運転領域において、燃焼室内に形成した混合気を圧縮自着火させて運転される４サイクル内燃機関であって、
   前記燃焼室と連通する吸気通路および排気通路と、
   前記吸気通路を開閉する吸気バルブと、
   前記排気通路を開閉する排気バルブと、
   吸気上死点後に開始される吸気バルブ開弁期間に前記吸気バルブを開弁させる吸気バルブ駆動手段と、
   前記吸気上死点前に終了される第１の排気バルブ開弁期間と、前記吸気バルブ開弁期間の直前から前記吸気バルブ開弁期間中に亘る第２の排気バルブ開弁期間とに前記排気バルブを開弁させる排気バルブ駆動手段とを備え、
   前記第２の排気バルブ開弁期間の開始時期は、前記吸気上死点から前記第２の排気バルブ開弁期間の開始時期までのクランク角度が、前記第１の排気バルブ開弁期間の終了時期から前記吸気上死点までのクランク角度より小さくなる時期である４サイクル内燃機関。
2. 少なくとも一部の運転領域において、燃焼室内に形成した混合気を圧縮自着火させて運転される４サイクル内燃機関であって、
   前記燃焼室と連通する吸気通路および排気通路と、
   前記吸気通路を開閉する吸気バルブと、
   前記排気通路を開閉する排気バルブと、
   吸気上死点後に開始される吸気バルブ開弁期間に前記吸気バルブを開弁させる吸気バルブ駆動手段と、
   前記吸気上死点前に終了される第１の排気バルブ開弁期間と、前記吸気バルブ開弁期間の直前から前記吸気バルブ開弁期間中に亘る第２の排気バルブ開弁期間とに前記排気バルブを開弁させる排気バルブ駆動手段とを備え、
   前記第２の排気バルブ開弁期間の開始時期は、前記燃焼室内の圧力が、前記排気通路内の圧力より高い時期である４サイクル内燃機関。
3. 請求項１または請求項２に記載の４サイクル内燃機関において、
   前記吸気バルブは、複数個備えられ、
   前記吸気バルブ駆動手段は、前記吸気バルブ開弁期間の開始時期には、１つの吸気バルブのみを開弁させ、その他の吸気バルブは所定期間後に開弁させる４サイクル内燃機関。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の４サイクル内燃機関において、
   前記排気バルブは、複数個備えられ、
   前記排気バルブ駆動手段は、前記第２の排気バルブ開弁期間に、１つの排気バルブのみを開弁させる４サイクル内燃機関。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の４サイクル内燃機関において、
   前記吸気バルブ開弁期間の開始時期に開弁される前記吸気バルブと、前記第２の排気バルブ開弁期間に開弁される前記排気バルブとが、前記燃焼室の内径中心点を通る同一直線上に配置されている４サイクル内燃機関。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の４サイクル内燃機関において、
   前記燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備え、
   前記燃料噴射弁は、前記吸気バルブ開弁期間中に燃料を噴射する４サイクル内燃機関。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の４サイクル内燃機関において、
   前記排気バルブ駆動手段は、前記内燃機関の中負荷域における所定の負荷範囲においてのみ、前記第２の排気バルブ開弁期間に前記排気バルブを開弁させる４サイクル内燃機関。
8. 吸気上死点前から吸気上死点後にわたり、吸気バルブと排気バルブとを共に閉じた負のオーバーラップ期間を設けて圧縮自着火運転を行う４サイクル内燃機関のバルブ制御方法であって、
   前記吸気上死点前に、排気バルブを閉弁し、
   前記吸気上死点後に、前記排気バルブを再度開弁し、
   前記排気バルブを再度開弁した直後に、吸気バルブを開弁し、
   前記吸気バルブの開弁後、所定期間後に、前記再度開弁した排気バルブを閉弁し、
   前記排気バルブを再度開弁する時期は、前記吸気上死点から前記排気バルブを再度開弁する時期までのクランク角度が、吸気上死点前に、排気バルブを閉弁する時期から前記吸気上死点までのクランク角度より小さくなる時期であるバルブ制御方法。
9. 吸気上死点前から吸気上死点後にわたり、吸気バルブと排気バルブとを共に閉じた負のオーバーラップ期間を設けて圧縮自着火運転を行う４サイクル内燃機関のバルブ制御方法であって、
   前記吸気上死点前に、排気バルブを閉弁し、
   前記吸気上死点後に、前記排気バルブを再度開弁し、
   前記排気バルブを再度開弁した直後に、吸気バルブを開弁し、
   前記吸気バルブの開弁後、所定期間後に、前記再度開弁した排気バルブを閉弁し、
   前記排気バルブを再度開弁する時期は、前記内燃機関の燃焼室内の圧力が、前記排気バルブによって開閉される排気通路内の圧力より高い時期であるバルブ制御方法。

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