以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい形態について説明する。
図1は、本発明の実施の一形態に係る4サイクルガソリンエンジン10の概略構成を示す構成図であり、図2は図1に係るエンジン本体20の一つの気筒とそれに対して設けられた吸排気弁等の構造を示す断面略図である。
同図を参照して、図示の4サイクルガソリンエンジン10は、エンジン本体20を備えている。エンジン本体20は、クランクシャフト21を回転自在に支持するシリンダブロック22と、シリンダブロック22の上部に配置されたシリンダヘッド23とを一体的に有している。
シリンダブロック22およびシリンダヘッド23には、複数の気筒24が設けられている。本実施形態において、各気筒24の圧縮比は、12に設定されている。
各気筒24には、クランクシャフト21に連結されたピストン25と、ピストン25が気筒24内に形成する燃焼室26とが公知の構成と同様に設けられている。なお、シリンダブロック22には、クランクシャフト21の回転数を検出するクランク角センサ27が設けられている。
各燃焼室26の側部には、当該燃焼室26に直接燃料を噴射する燃料噴射弁28が設けられている。また、各燃焼室26の頂部には、点火プラグ29が装備され、そのプラグ先端が燃焼室26内に臨んでいる。点火プラグ29には、電子制御による点火タイミングのコントロールが可能な点火回路29aが接続されている。
エンジン本体20は、当該気筒24内に対して新気を供給する吸気システム30と、気筒24の燃焼室26で燃焼した既燃ガスを排気する排気システム50とを有している。
吸気システム30は、新気を気筒24内に供給するための吸気管31と、この吸気管31の下流側に連通するインテークマニホールド32と、このインテークマニホールド32から分岐してそれぞれ対応する気筒24に接続される分岐吸気管33とを備えている。図示の実施形態において、各気筒24には、2つ一組の吸気通路24aが形成されており(図1参照)、前記分岐吸気管33の下流端は、各気筒24の吸気通路に対応して二股に形成されている。
吸気システム30の吸気管31には、エアフローセンサ34が設けられている。また、各分岐吸気管33には、共通の軸35に一斉駆動される多連スロットル弁36が設けられている。多連スロットル弁36は、前記軸35を回転駆動するアクチュエータ37によって、開閉駆動されるように構成されている。
各気筒24に設けられた各吸気通路24aには、吸気弁40が設けられている。各吸気弁40は、動弁機構41によって駆動される構成になっている。動弁機構41は、吸気弁40の開弁タイミング(位相角度)を切換可能なVCT(Variable Camshaft Timing機構)42と、吸気弁40のリフト量(開弁量)を無段階で変更可能なVVE(Variable Valve Event)43とを備えている。
図3は、図1の実施形態に係る気筒に設けられた吸気弁40および排気弁60の模式的な平面略図である。
同図を参照して、各気筒24に設けられた2つ一組の各吸気弁40のうち、一方の吸気弁40のバルブステム40aには、直動式のタペット61が設けられているとともに、他方の吸気弁40のバルブステム40aには、VVL(Variable Valve Lift機構)70が設けられている。
図4は、図1の実施形態に係る動弁機構41の具体的な構成を示す斜視図である。
同図を参照して、動弁機構41は、各気筒24が並ぶ方向(図1参照)に沿って延びるカムシャフト41aを備えており、このカムシャフト41aにVCT42とVVE43とが組み込まれている。
VCT42は、カムシャフト41aの端部に固定されるロータ(入力部材)42aと、ロータ42aの外周に同心に配置されたケーシング(出力部材)42bと、このケーシング42bに固定され、前記カムシャフト41aの外周に相対的に回動自在に配置されたスプロケット42cとを有している。スプロケット42cには、クランクシャフト21(図2参照)から駆動力を伝達するチェーン42dが巻回されている。また、ロータ42aとケーシング42bとの間には、図略の作動油室が形成されており、電磁弁42eの油圧制御によって、ロータ42aとケーシング42bは、一体的な回転動作または相対的な回転動作に切換えられるようになっている。これにより、VCT42は、吸気弁40の開弁開始時期および閉弁時期を同時に変更可能な作動時期可変機構を構成している。後述するように、電磁弁42eは、制御装置としてのECU100のVCT制御手段122によって、駆動制御されるようになっており、この駆動制御により、ロータ42aとケーシング42bとが連結/非連結するようになっている。
次に、VVE43は、各吸気弁40に設けられた一対の吸気カム43a、43bを備えている。一方の吸気カム43aは、前記カムシャフト41aに固定されている。他方の吸気カム43bは、カムシャフト41aに対し、相対回転自在に取り付けられている。この他方のカム43bには、スリーブ状のカムジャーナル43cが同心に固定されている。
本実施形態においては、各気筒24に2つ一組で配置された吸気弁40のうち、一方には、直動式のタペット61が設けられているとともに、他方には、いわゆるロストモーション機能を有するVVL(バルブリフト可変機構)70が設けられている。これに対応して、VVE43に駆動される吸気カム43bがタペット61を駆動し、カムシャフト41aに固定された吸気カム43aがVVL70を駆動するように構成されている(図3参照)。
図5は、図4のVVEの要部を示す断面図であり、(A)は大リフト制御状態においてリフト量が0のときを示し、(B)は大リフト制御状態においてリフト量が最大のときを示し、(C)は小リフト制御状態においてリフト量が0のときを示し、(D)は小リフト制御状態においてリフト量が最大のときを示している。
図4並びに図5(A)〜(D)を参照して、カムシャフト41aに対して相対回転自在に取り付けられた吸気カム43bを一方の吸気カム43aと同期させるために、カムシャフト41aには、気筒24毎に設けられた偏心カム43dが固定されている。この偏心カム43dは、図5(A)〜(D)から明らかなように、カムシャフト41aに対して偏心している。偏心カム43dの外周には、オフセットリンク43eが回動自在に取り付けられている。オフセットリンク43eの外周部には、径方向に突出する突部43fが一体に設けられている。この突部43fには、カムシャフト41aと平行な連結ピン43gが貫通しており、この連結ピン43gによって、オフセットリンク43eの両側面には、それぞれリンクアーム43h、43iの一端部が回動自在に取り付けられている。一方のリンクアーム43hは、オフセットリンク43eと前記吸気カム43bとを連結するものであり、その他端部が、カムシャフト41aと平行なピン43jによって吸気カム43bの膨出部近傍部分に回動自在に連結されている。また、他方のリンクアーム43iは、オフセットリンク43eの位相を変更するエキセントリックシャフト43kにオフセットリンク43eを連結するためのものであり、このエキセントリックシャフト43kに固定されたコントロールアーム43mの端部に対し、他端部がカムシャフト41aと平行なピン43nで回動自在に連結されている。
図4に示すように、エキセントリックシャフト43kの途中部には、扇形のウォームホイール43pが固定されており、このウォームホイール43pに噛合するウォームギヤ43qが、ステッピングモータ43rによって回転駆動されるようになっている。後述するように、ステッピングモータ43rは、制御装置としてのECU100のVVE制御手段123によって、駆動制御されるようになっており、この駆動制御により、コントロールアーム43mの位相が決定され、それによって、オフセットリンク43eの位相が決定されるので、タペット61を駆動する吸気カム43bの回動軌跡が当該吸気弁40の軸方向において変化し、バルブリフト量が無段階で変更されるようになっている。
図5(B)を参照して、吸気弁40のバルブステム40aに設けられたタペット61は、吸気弁40のバルブステム40aの端部に固定されている。他方、吸気弁40のバルブステム40aは、周知のバルブガイド40bにガイドされている。このバルブガイド40bの外周には、スプリングシート部40cが一体に形成されており、このスプリングシート部40cには、当該タペット61の内奥部に形成されたスプリングシート部61aとの間に縮設されるバルブスプリング40dが着座している。
前記吸気カム43bは、このタペット61に接合し、バルブスプリング40dの付勢力を受けている。
この状態において、図5(A)(B)に示すように、ステッピングモータ43rによりエキセントリックシャフト43kおよびコントロールアーム43mを回動させて、図5(A)(B)に示すようにピン43nをエキセントリックシャフト43kの下方に位置付けると、吸気カム43bの揺動角が大きくなり、リフトピークにおけるバルブのリフト量が最も大きな大リフト制御状態になる。また、そこからコントロールアーム43mなどの回動によってピン43nを上方へ移動させると、これに応じて吸気カム43bの揺動角は小さくなり、図5(C)(D)に示すようにピン43nをカムシャフト41aの上方に位置付けると、バルブのリフト量が最も小さな小リフト制御状態になる。
図5(A)(B)に示す大リフト制御状態において、吸気カム43bは、同図(B)に示すようにカムノーズの先端側でタペット61を押圧し、該タペット61を介して吸気弁40を大きくリフトさせたリフトピークの状態(吸気カム43bがタペット61を介して吸気弁40を大きくリフトさせた状態)と、同図(D)に示すように吸気弁40(吸気弁40)のリフト量が0になる状態との間で揺動する。小リフト制御状態である図5(C)(D)の場合も同様にリフトピークの状態(カムノーズの基端側でタペット61を押圧)とリフト量0の状態との間で揺動する(同図(C)および(D)参照)。
図6は、図5(B)(D)の制御状態を模式的に表わすものであり、(A)は大リフト制御位置、(B)は小リフト制御位置に対応している。なお図6(A)(B)では、コントロールアーム43m、連結リンク43hおよびリンクアーム43iについては簡略に直線で表しており、また、偏心カム43dの中心(オフセットリンク43eの外輪の中心)の回転軌跡を符号T0として示している。
まず、図6(A)を参照して吸気カム43b自体のプロファイルを説明すると、この吸気カム43bの周面には、曲率半径が所定角度範囲一定の基円面(ベースサークル区間)θ1と、該θ1に続いて曲率半径が漸次大きくなっているカム面(リフト区間)θ2とが形成されている。
図6(A)に実線で示すのは吸気弁40がリフトピーク近傍にある図5(B)の状態であり、このときには、連結リンク43hによってピン43jが最も上方に引き上げられ、吸気カム43bは、カム面θ2のカムノーズ先端側がタペット61に当接した状態になっている。一方、仮想線で示すのはバルブリフト量Hが0の状態(図5(A))であり、このときには吸気カム43bの基円面θ1がタペット61に接していて、吸気弁40が閉じた状態になっている。
そして、カムシャフト41a(偏心カム43d)が図の時計回りに回転すると、これに伴いオフセットリンク43eの一端側(図の下端側)は、図に矢印で示すようにカムシャフト41aの軸心X周りを公転することになるが、このオフセットリンク43eの他端部の変位はそこに連結されたリンクアーム43iによって規制される。すなわち、リンクアーム43iは、エキセントリックシャフト43kの下方に位置付けられたピン43nを中心に図の実線の位置と仮想線の位置との間を揺動し、これに伴い、オフセットリンク43eの他端側(連結ピン43g)は、偏心カム43dが1回転する度に、ピン43nを中心として往復円弧運動をすることになる(この連結ピン43gの運動軌跡をT1として示す)。
前記連結ピン43gの往復円弧運動T1に伴い、この同じ連結ピン43gによって一端部がオフセットリンク43eに連結されている連結リンク43hの他端部(ピン43j)は、図にT2として示す軌跡で往復円弧運動し、そのピン43jによって連結リンク43hに連結されている吸気カム43bが図の実線の位置と仮想線の位置との間で揺動運動をする。すなわち、前記連結ピン43gが上方に移動するときには、連結リンク43hによってピン43jが上方に引き上げられて、吸気カム43bのカムノーズがタペット61を押し下げ、これによりバルブスプリング40d(図5(B)参照)を圧縮しながら、吸気弁40をリフトさせる。
一方、連結ピン43gが下方に移動するときには、連結リンク43hによってピン43jが下方に押し下げられて、吸気カム43bのカムノーズが上昇することになるので、前記の圧縮されたバルブスプリング40dの反力によってタペット61が押し上げられて、前記カムノーズの上昇に追従するように上方に移動し、吸気弁40が引き上げられて、吸気通路24aの吸気ポートが閉じられる。
つまり、大リフト制御状態では、吸気カム43bがその周面の基円面θ1およびカム面θ2の略全体によってタペット61を押圧するように大きく揺動し、このように大きな揺動角に対応してバルブのリフト量が大きくなるものである。
また、前記の大リフト制御状態から、コントロールアーム43mをエキセントリックシャフト43kの軸心回りに上方へ略水平になるまで回動させて、図5(D)や図6(B)に示すように、リンクアーム43iの回動軸であるピン43nを大リフト制御状態よりもカムシャフト41aの回転方向の手前側に位置付けると、小リフト制御状態になる。この図6(B)においても図6(A)と同様に吸気弁40がリフトピーク近傍にある状態を実線で示し、リフト量Hが0の状態を仮想線で示している。
図6(B)において、カムシャフト41a(偏心カム43d)が回転すると、前記大リフト制御状態と同様にオフセットリンク43eの連結ピン43gはリンクアーム43iによって変位が規制され、エキセントリックシャフト43kの側方に位置するピン43nを中心として、往復円弧運動T3をする(リンクアーム43iは図の実線位置と仮想線位置との間で往復回動する)。そして、その連結ピン43gの往復円弧運動T3に伴って連結リンク43hのピン43jが往復円弧運動T4をし、そのピン43jによって連結リンク43hに連結されている吸気カム43bが、図の実線の位置と仮想線の位置との間で揺動運動をして、吸気弁40を開閉するようになる。
つまり、小リフト制御状態では、前記大リフト制御状態と比べて吸気カム43bの揺動角が小さくなり、この吸気カム43bが、その周面の基円面θ1およびこれに連続するカム面θ2の一部分のみによってタペット61を押圧するようになって、バルブのリフト量が小さくなるものである。
本実施形態において、動弁機構41は、吸気弁40を上死点(クランク角度CA=0°)付近で開弁動作させ、吸気行程が3/4(クランク角度CA=135°)経過後の下死点(クランク角度CA=180°)前で閉弁動作させるように構成されている(後述する図13参照)。
次に、カムシャフト41aに直接駆動される吸気弁40に設けられたVVL70について説明する。
図7は、図1の実施形態に係るVVL70の分解斜視図であり、図8は同VVL70の正面断面図、図9は同VVL70の平面断面図である。
これらの図を参照して、VVL70は、所定のタイミングで吸気カム43aが吸気弁40のステム40aを押し下げる機能をON/OFFするいわゆるロストモーションを実現するためのものであり、図示の例では、タペット型のもので具体化されている。
VVL70は、矩形のハウジング71と、ハウジング71内に昇降可能に収容され、前記吸気弁40のステム40aの端部(ステムエンド)に固定されるサイドタペット72と、サイドタペット72に対し、当該サイドタペット72と相対変位可能に組み付けられ、吸気カム43aによって駆動されるセンタタペット73とを有している。
ハウジング71は、シリンダヘッド23と一体化され、両タペット72、73の上死点位置およびサイドタペット73の下死点位置を規制するとともに、センタタペット73を吸気カム43aに対して臨ませる構造体である。
サイドタペット72は、略円筒形に形成されており、平面でみて前記カムシャフト41aと直交する直径方向に収容凹部72aを形成している。各壁部72bには、前記カムシャフト41aと平行な挿通孔72cが形成されている。各挿通孔72cには、有底のスリーブ状ホルダ75a、75bが、それぞれ開口部を対向させた姿勢で固定されている。各ホルダ75a、75bは、後述するように、センタタペット73のピン孔73aに収容されるピンユニット78を駆動するためのものである。一方のスリーブ状ホルダ75aの外側(他方のスリーブ状ホルダ75bの反対側)には、軸受76が固定されており、その転動体76aが、ハウジング71の内壁に形成された縦溝71a(図8、図9参照)に転がり接触している。この結果、サイドタペット72は、周方向の回動が規制された状態で、軸方向(吸気弁40を開閉する方向)沿いに移動可能になっている。サイドタペット72の下部には、バルブスプリング40dを受けるスプリングシート72dが固定されている。
他方、センタタペット73は、平面でみて前記サイドタペット72の収容凹部72aの輪郭に沿う「I」字形の構造体であり、前記収容凹部72aと、ハウジング71に設けられた係止部に規定されたストロークSにおいて、サイドタペット72に対し相対的に昇降可能に組み付けられ、前記吸気カム43aに臨んでいる。
センタタペット73は、サイドタペット72の収容凹部72aの底部に配置された一対のコイルばね77によって、常時、吸気カム43aの方へ付勢されている。このコイルばね77の付勢力は、バルブスプリング40dの付勢力よりも充分小さくなるよう、コイルばね77のばね係数が設定されている。このため、自由状態において、サイドタペット72の壁部72bの上面と、センタタペット73の上面とは、図8に示すように面一になっている。この自由状態において、センタタペット73には、前記挿通孔72cと同心に連通するピン孔73aが穿設されている。このピン孔73aには、ピンユニット78が収容されている。ピンユニット78は、前記一方のスリーブ状ホルダ75aの内に出没可能に設けられたロックプランジャ78aと、このロックプランジャ78aとスリーブ状ホルダ75aの間に介装されるコイルばね78bと、ロックプランジャ78aのコイルばね78bと反対側に同心に配置されたロックピン78cと、ロックピン78cを前記ロックプランジャ78a側に駆動するために前記他方のスリーブ状ホルダ75b内に進退可能に収容されるロック解除プランジャ78dと、ロックピン78cを支持するためにピン孔73aの両開口端に固定される一対のブッシュ78e、78fと、ロックピン78cの略中央部に一体形成されたフランジ78gと軸受76の配置されている側のブッシュ78eとの間に介装されて、フランジ78gを介し、ロックピン78cをロック解除プランジャ78d側へ付勢するコイルばね78hとを有している。自由状態において、ロックプランジャ78a、ロックピン78cは、それぞれ壁部72bと、センタタペット73との間に介在している。従って、この状態では、ロックプランジャ78a、ロックピン78cがセンタタペット73をサイドタペット72にロックした状態になり、センタタペット73が吸気カム43aに駆動されると、サイドタペット72を介して、吸気弁40のステム40aを押し下げ、吸気弁40を開くことになる。
他方、ロックピン78cのロックを解除するために、他方の壁部(軸受76が設けられた壁部72bと反対側の壁部)72bと、この壁部72bに固定されたスリーブ状ホルダ75bとには、作動油回路PHが形成されている。後述するECU100の制御によって、この作動油回路PHに作動油回路79(図11参照)から作動油が供給されると、ロック解除プランジャ78dが、図8、図9の左側に駆動されて、ロックピン78cを壁部72bからセンタタペット73へ押込み、これと同時にロックプランジャ78aも対応する壁部72b内に押込まれ、これらの部材によるロックが解除される。このロック解除状態において、センタタペット73が吸気カム43aに駆動されると、センタタペット73は、サイドタペット72の収容凹部72a内で昇降し、その力は、コイルばね77に吸収されて吸気弁40のステム40aには伝達されなくなる。この結果、ピンユニット78によるロックを解除することによって、いわゆるロストモーション機能を持たせ、吸気カム43aによる吸気弁40の開弁を停止させることが可能になる。作動油回路79には、電磁弁79aが設けられており、この電磁弁79aは、制御装置としてのECU100によって制御されるようになっている。
次に、図1〜図3を参照して、排気システム50は、各気筒24に2つ一組で形成された排気通路24bに接続する二股状の分岐排気管51と、各分岐排気管51の下流端が集合するエキゾーストマニホールド52と、このエキゾーストマニホールド52から既燃ガスを排出する排気管53とを有している。排気管53には、酸素濃度センサ54が設けられている。
排気システム50は、前記排気通路24b毎に設けられた排気弁60を備えている。排気弁60も、一つの気筒24に対し、2つ一組で装備されている。そして、図3に示すように、排気システム50においては、双方の排気弁60に、上述したロストモーション機能を有するVVL70が装備されている。
図1および図2を参照して、排気システム50に採用された動弁機構62は、伝動機構64と、伝動機構64を介しクランクシャフト21の駆動力で駆動されるカムシャフト62aと、カムシャフト62aに一体化されて、所定の位相で排気弁60のステム60aを異なる位相で駆動する二組のカム62b、62cと、これらカム62b、62cとバルブステム60aとの間に介在するVVL70とを有しており、残余の構成は、前記動弁機構41と同様になっている。これらカム62b、62cは、一方(図示の例ではカム62b)が排気行程において、気筒24内の既燃ガスを排出するために排気弁60を開く第1排気カムであり、他方(図示の例ではカム62c)が、後述する吸気弁40の開弁タイミングにおいて排気弁60を再度開いて、筒内に排気ガスを還流させる第2排気カムである。図示の例において、第1排気カム62bは、2つ一組の対をなしており、第2排気カム62cは、カムシャフト62aの軸方向において、第1排気カム62b、62b間に配置されている。
図10は図1の実施形態に係る排気弁に採用されたVVL70の正面断面図である。
同図に示すように、第1排気カム62bは、VVL70のサイドタペット72に接合しており、常時、排気弁60を開閉動作させる構成になっている。他方、第2排気カム62cは、センタタペット73上に接合しており、後述する制御により、再開弁動作を停止することができるようになっている。なお図10において、62dは排気弁60のバルブスプリングである。バルブスプリング60dも吸気弁40のバルブスプリング40dと同様に、コイルばね77の付勢力に対し、充分大きな付勢力を得られるようなばね係数に設定されている。
図11は、吸気システム30並びに排気システム50に採用された作動油回路79、179、279の回路構成を示す概略図である。
同図に示すように、吸気弁40に採用された各VVL70には、作動油回路79が接続され、一斉にロック/ロック解除が行われるようになっている。他方、排気弁60に採用されたVVL70の内、吸気システム30に採用されたVVL70に対して、気筒24を中心に対称系に配置されているVVL70には、第1排気作動油回路179が、残余のVVL70には、第2排気作動油回路279がそれぞれ接続されている。各排気作動油回路179にも電磁弁179a、279aが設けられている。
次に、図1を参照して、前記吸気システム30、排気システム50の間には、過給機としてのターボチャージャ80と、排気された既燃ガスを吸気システム30に還流させる外部EGRシステム90とが設けられている。
ターボチャージャ80は、インテークマニホールド32とエキゾーストマニホールド52との間に形成された還流通路65に介在し、排気圧によって駆動されるタービンセクション81と、タービンセクション81によって駆動され、還流通路65の吸気側に新気を導入するコンプッサセクション82と、コンプレッサセクション82から導入された新気を冷却するインタークーラ83とを有しており、基本的には、従来から用いられているものをそのまま適用することが可能である。
外部EGRシステム90は、前記還流通路65に前記ターボチャージャ80と並列に接続され、EGRクーラー91と、EGR弁92と、EGR弁92を駆動するアクチュエータ93とを備えた公知のシステムである。
4サイクルガソリンエンジン10には、運転制御装置としてのECU100が設けられている。
図1を参照して、ECU100は、CPU101、メモリ102、インターフェース103並びにこれらのユニット101〜103を接続するバス104を有している。
ECU100のメモリ102には、図12〜図15の特性に基づく制御マップやデータ並びにプログラムが記憶されており、CPU101がこれら制御マップやデータ並びにプログラムを実行することによって、図2に示すように、運転状態を判定する運転状態判定手段110と、判定された運転状態に応じて吸気弁40の動弁機構41、62を制御するバルブ制御手段120とを機能的に有している。なお、バルブ制御手段120は、電磁弁79a〜279aを駆動制御することにより、吸気システム30および排気システム50にそれぞれ採用されているVVL70のロックを切換制御するVVL制御手段121と、吸気システム30の動弁機構41に設けられたVCT42の電磁弁42eを制御するVCT制御手段122と、吸気システム30に設けられたVVE43のステッピングモータ43rを制御するVVE制御手段123とを機能的に備えている。
ECU100のバス104には、入力要素として、クランク角センサ27、エアフローセンサ34、酸素濃度センサ54、並びにアクセル開度センサ66が接続されている。他方、制御要素として、スロットル弁36のアクチュエータ37、動弁機構41のVCT42に設けられた電磁弁42e、各VVL70を駆動する作動油回路79〜279の電磁弁79a〜279a、吸気システム30に設けたVVE43のステッピングモータ43r、並びに外部EGRシステム90のアクチュエータ93が接続されている。
次に、ECU100に記憶されている制御特性について、図12〜図15を参照しながら説明する。
図12は、図1の実施形態に係る運転状態に応じた制御を行うための運転領域設定の一例を示す特性図である。
同図を参照して、ECU100に設定されている運転領域としては、いわゆる圧縮自己着火運転(図中にHCCIと表記)を行う領域Aと、この領域A以外の領域Bとが設定されている。領域Aは、比較的回転数neが低い低中回転領域において、所定のエンジン負荷以下の場合が設定されている。
領域Aでは、さらに、エンジン負荷が低負荷側の低負荷運転領域A1と、高負荷側の高負荷運転領域A2とに分けられており、両者の境界部分が中負荷運転領域A3となっている。
ECU100の運転状態判定手段110は、クランク角センサ27やアクセル開度センサ66等から、エンジンの運転状態を検出し、何れの運転状態にあるかを判定する。
図13は、図12において、排気弁60の再開弁動作を行わせる領域Aと判定された場合の開弁動作の特性を示す特性図である。
同図を参照して、本実施形態においては、運転状態が領域Aにあると判定された場合、バルブ制御手段120は、吸気弁40を上死点付近で開弁して下死点よりも前に閉弁するようにしつつ、吸気行程の途中で排気弁60に再開弁動作を開始させ、下死点付近から圧縮行程初期にかけての期間内に排気弁60を閉弁させるように設定されている。
また、バルブ制御手段120は、吸気行程での吸気弁40のバルブリフト量H2を排気行程での排気弁60のバルブリフト量H1よりも小さくするとともに再開弁動作時の排気弁60のバルブリフト量H3を吸気行程での吸気弁40のバルブリフト量H2よりも小さくし、且つ、吸気行程の吸気弁40の開弁タイミングと排気行程の排気弁60の閉弁タイミングとが、それぞれ上死点付近となるように設定されている。
この設定に対する制御は、バルブ制御手段120のVVL制御手段121が、各動弁機構41、62の電磁弁79a、179a、279aを、VVE制御手段123が、吸気システム30のVVE43を制御することにより実現される。
具体的には、運転領域が領域Aである場合、VVL制御手段121は、吸気システム30に採用されているVVL70のロックを解除して、専ら吸気カム43bのみによって、開弁動作するように制御するとともに、排気システム50に採用されているVVL70のロックを保持して、排気弁60による再開弁動作を行われるように制御する。また、VVE制御手段123は、吸気システム30に採用されているVVE43を制御することにより、吸気カム43bによる開弁量を無段階で変更するように制御する。
そして、本実施形態において、バルブ制御手段120は、エンジン負荷に応じ、排気弁60の再開弁動作を行わせる運転領域Aのうちの高負荷運転領域A2では低負荷運転領域A1および中負荷運転領域A3に比べて吸気弁40のバルブリフト量Hが大きくなるように吸気弁駆動手段としての動弁機構41を制御する制御手段を構成している。
なお、運転領域が領域Bであると判定された場合、VVL制御手段121は、吸気システム30に採用されているVVL70のロックを保持し、両吸気カム43a、43bによって、開弁動作するように制御するとともに、排気システム50に採用されているVVL70のロックを全て解除して、排気弁60による再開弁動作を制止する。これにより、一般的な運転モードを得ることが可能になる。
上述のように、各作動油回路79、179、279の開弁タイミングは、次の表の通りとなる。
この結果、後述する高負荷運転領域において、吸気弁40のVVL70が作動して当該吸気弁40を閉弁させるとともに、排気弁60の内、一弁(作動油回路179に接続されているもの)のみに再開弁動作を行わせた際、開弁動作を行う吸気弁40に対して対角線上に位置する排気弁60を再開弁動作させることができるようになっている。
図13のような設定で開弁動作を制御した場合、圧縮上死点付近での筒内温度Tp、ブースト圧P、充填効率ηv、内部EGR率mは、それぞれ図14および図15で示す特性になる。
図14は、ブースト圧Pを横軸として、圧縮上死点付近での筒内温度Tp、充填効率ηv、内部EGR率mの関係を示したグラフであり、図15は、充填効率ηvを横軸として、圧縮上死点付近での筒内温度Tp、ブースト圧Pの関係を示したグラフである。なお各グラフにおいて、添え字1は、高負荷運転領域A2での運転状態、添え字2は、低負荷運転領域A1および中負荷運転領域A3での運転状態の特性であることをそれぞれ示している。
図14に示すように、ブースト圧Pの変化割合と筒内温度Tpとの関係では、何れの再開弁動作においても、ブースト圧Pが高圧になるにつれて(すなわち高負荷側になるに連れて)、筒内温度Tpが減少する特性なっているとともに、1弁での再開弁動作を採用した場合の方が、筒内温度Tpが低くなり、2弁での再開弁動作を採用した場合には、筒内温度Tpが高くなるようになっている。これは、2弁での再開弁動作の特性では、排気弁60の再開弁動作時に既燃ガスが気筒24内に導入されやすくなることによって、内部EGR率mが高まるため(図14の内部EGR率m1参照)、吸気行程において、新気の導入量が制限され、筒内温度が上がりやすい傾向にあるからである。これによって、本実施形態では、低負荷運転領域A1および中負荷運転領域A3での筒内温度Tpを比較的高温に維持し、ポンピングロスを低減しつつ、確実な圧縮自己着火を実現することが可能になる。他方、1弁での再開弁動作の特性では、吸気行程において、新気が導入されやすくなり、EGR率が相対的に低減されるからである。これによって、本実施形態では、高い充填効率ηvを確保しつつ高負荷運転領域A2でのノッキングを防止することが可能になっている。ここで、本実施形態におけるECU100は、高負荷運転領域A2においては、多連スロットル弁36を閉じ気味にして、新気量を低減し、外部EGR率を高めるように設定されている。これにより、外部EGR手段としての外部EGRシステム90によって、比較的冷たい外部EGRガスを筒内に大量に導入することにより、筒内温度Tpを低減し、ノッキングを抑制することができる。
また、図15を参照して、充填効率ηvとブースト圧Pとの関係で見ると、2弁での再開弁動作の特性では、内部EGR率mが高くなるため、高いブースト圧Pでも、低めの充填効率ηv(エンジン負荷相当)とすることができる。ここで、本実施形態におけるECU100は、低負荷運転領域A1および中負荷運転領域A3においては、多連スロットル弁36を開き気味にするように設定されている。これにより、ポンピングロスを低減し、燃費の向上を図ることができる。
他方、1弁での再開弁動作の特性では、内部EGR率mが抑制されて、同一ブースト圧Pに対する充填効率ηvは高くなっており、新気による充填効率ηvが優先されている。そのため、大気圧に近い高いブースト圧Pにおいて、高めの充填効率ηvを確保することができる。従って、高負荷運転領域A2においては、吸気通路24aへの既燃ガスの吹き返しが抑制され、新気による冷却効果と相俟って、ノッキング防止を図ることができる。さらに本実施形態では、吸気弁40のバルブリフト量を大バルブリフトに変更することにより、外部EGRシステム90による比較的低温の外部EGRガスを大量に導入することができる結果、一層、ノッキングの抑制に寄与することになる。
ここで、本実施形態においては、上述したVVE43のステッピングモータ43rを無段階で制御し、エンジン負荷が漸増するに連れて、滑らかに吸気弁40のバルブリフト量Hを変更するように前記バルブ制御手段120のVVE制御手段123が設定されている。これにより、個々の運転状態に対して、最適な特性でエンジンの吸排気制御を実行することが可能になる。
以上説明したように、本実施形態においては、排気弁60を吸気行程で再開弁動作させるに当たり、排気弁駆動手段としての動弁機構62が吸気行程途中で開弁させ、下死点付近から圧縮行程初期にかけての期間内に閉弁させるので、新気が排気通路24bから排出されるのを抑制するとともに、吸気通路24a側へ既燃ガスが排出されるのを抑制しつつ、排気行程で排出された既燃ガスを内部EGRガスとして比較的大量に気筒24内に導入することができる。これにより、ブースト圧(吸気圧力)Pができるだけ高い状態(大気圧側に寄った状態)で、充填効率ηvと内部EGR率mが変化する範囲を拡げて、エンジンの運転状態の変化に応じ、エンジン負荷に適した必要な充填効率ηvと適正な内部EGR率mを確保できる。その結果、ポンピングロスを低減しつつ、圧縮行程での圧縮自己着火性能を向上することができる。また、吸気行程において排気弁60を開く構成を採用しているので、排気弁60がピストン25と干渉しないタイミングで内部EGRを実現することができる。従って、幾何学的な圧縮比を可及的に高めることが可能になる。そして、本実施形態では、排気弁60を一気筒24当たり複数個(2個)設け、エンジン負荷に応じ、排気弁60の低負荷運転領域A1にて再開弁動作を行う排気弁60の個数が、高負荷運転領域A2にて再開弁動作を行う排気弁60の個数に比べて多くなるように動弁機構62を制御する制御手段としてのバルブ制御手段120を設けているので、ノッキングが生じやすい高負荷側ほど、高いブースト圧としながら内部EGRガスの導入量を減らして、圧縮上死点付近での筒内温度Tpの過剰上昇を抑制することが可能になる一方、低負荷運転領域A1では、高いブースト圧としながら内部EGR率mを高めて筒内温度Tpを高め、圧縮自己着火性能を向上することが可能になる。この結果、圧縮自己着火が可能な領域を可及的に高負荷運転領域A2にまで拡げることが可能になるとともに、大幅に燃費を低減することが可能になる。
さらに本実施形態において、動弁機構62は、当該再開弁動作を固定タイミングで行うものであるとともに、排気弁60が再開弁動作を行う運転領域のうちの高負荷運転領域A2では、複数の排気弁60のうち1弁のみを再開弁動作させるものである。このため、排気弁60の位相変化を要することなく圧縮上死点付近での筒内温度Tpとポンピングロスとの調整を図ることができ、構造が簡素化するとともに、低廉化に寄与することになる。
さらに本実施形態において、還流通路(外部EGR通路)65を介して冷却された排気ガスを吸気システム30に還流させる外部EGR手段としての外部EGRシステム90を備えるとともに、排気弁60の領域Aのうちでノッキングが生じやすい運転領域(特に高負荷運転領域A2)では、外部EGRシステム90によるEGR量を増大させるようにしている。本実施形態では、外部EGRシステム90によって、比較的冷たい外部EGRガスを筒内に導入することにより、圧縮上死点付近での筒内温度Tpを低減し、ノッキングを抑制することができる。
さらに本実施形態においては、吸気弁40を開弁動作させる吸気弁駆動手段としての動弁機構41を備え、バルブ制御手段120は、ノッキングが生じやすい運転領域(特に高負荷運転領域A2)では、吸気行程での吸気弁40の開弁量を無段階に変更するように動弁機構41を制御するものである。このため本実施形態では、エンジン負荷の状況に応じて滑らかに吸気弁40の開弁量をシフトすることにより、運転状態に応じて内部EGR率mと充填効率ηvとの調整を図ることができるので、高負荷側では、EGR率を抑制しつつ、充填効率ηvを高めることができるとともに、低負荷運転領域では、必要な充填効率ηvを確保しつつEGR率を高めて、筒内温度の上昇を図り、圧縮自己着火性能を向上することが可能になる。従って、個々の運転領域に応じて、ポンピングロスの低減を図りつつ、最適なEGR率、充填効率ηvを維持することが可能になる。
さらに本実施形態においては、吸気弁40および排気弁60を1気筒当たり2弁ずつ設け、高負荷運転領域A2では、一方の吸気弁40を閉弁手段としてのVVL70、作動油回路79で停止させるとともに、開弁動作を行う吸気弁40に対して対角線上に位置する排気弁60を再開弁動作させるように動弁機構41および動弁機構62を構成しているので、吸気時にスワールが生じる。この結果、筒内の混合気の乱れが生じ、吸気通路24aから導入された新気と排気弁60から導入された既燃ガスとの混合が促進される。このため、外部EGRガスが増量されることと相俟って、速やかな温度降下を図ることができ、より確実にノッキングを防止することが可能になる。また、乱れにより、燃料との混合も促進されるので、燃費が改善する他、リーン燃焼限界の向上にも寄与することになる。
さらに本実施形態においては、吸気弁40を開弁動作させる動弁機構41を設け、バルブ制御手段120は、吸気行程での吸気弁40の開弁量を排気行程での排気弁60の開弁量よりも小さくするとともに再開弁動作時の排気弁60の開弁量を吸気行程での吸気弁40の開弁量よりも小さくし、且つ、吸気行程の吸気弁40の開弁タイミングと排気行程の排気弁60の開弁タイミングとが、それぞれ上死点付近での開閉となるように動弁機構41および動弁機構62を制御するようにしている(図13参照)。このため本実施形態では、吸気行程、排気行程、並びに排気弁60の再開弁動作の何れにおいても、各弁がエンジンのピストン25と干渉しないタイミングで開くので、高圧縮比のエンジンに採用することが可能になる。また、バルブ制御手段120が、吸気行程での吸気弁40の開弁量を排気行程での排気弁60の開弁量よりも小さくするとともに再開弁動作時の排気弁60の開弁量を吸気行程での吸気弁40の開弁量よりも小さくするように、動弁機構41および動弁機構62を制御するので、内部EGRと充填効率ηvの確保が容易になる。
以上説明したように、本実施形態によれば、4サイクルガソリンエンジン10で圧縮自己着火を実現するに当たり、機械的な圧縮比を可及的に高め、ブースト圧Pを可及的に高めながら充填効率ηvの変化幅を拡大することにより、エンジンの運転状態の変化に応じて、ポンピングロスの低減を図りつつ、圧縮自己着火やトルクの確保のために適した必要な充填効率ηvと適正な内部EGR率mとを確保するという顕著な効果を奏する。
上述した実施形態は、本発明の好ましい具体例に過ぎず、本発明は上述した実施形態に限定されない。
図16は、本発明の別の実施形態に係る気筒の一つを概略的に示す平面略図であり、図17は、同実施形態に対応する吸気システムの動弁機構を概略的に示す斜視図である。
まず、図16を参照して、図示の実施形態では、吸気弁40および排気弁60を1気筒当たり2弁ずつ設けるに当たり、吸気システム30については、VVLを採用せず、何れの吸気弁40にも直動式のタペット61が装備されている。他方、図17に示すように、各吸気弁40のタペット61を駆動する吸気カム43a、43bは、カムジャーナル43cを介して一体化されている。
この構成では、図1の実施形態のように、スワール効果を持たせるような開弁動作はできないものの、吸気システム30にVVLやVVLを制御する油圧機構が不要となるので、ハード面で構成を簡略化し、コストを低減することが可能になる。
その他、本発明の特許請求の範囲内で種々の変更が可能であることは、いうまでもない。