JP4517516B2

JP4517516B2 - 4-cycle engine for automobiles

Info

Publication number: JP4517516B2
Application number: JP2001037527A
Authority: JP
Inventors: 光夫人見; 保史松下; 忠茂大場
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2001-02-14
Filing date: 2001-02-14
Publication date: 2010-08-04
Anticipated expiration: 2021-02-14
Also published as: JP2002242714A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼室内に既燃ガスを残留させることによる所謂内部ＥＧＲを積極的に利用するようにした自動車用４サイクルエンジンに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、エンジンの排気系と吸気系との間に外部ＥＧＲ通路を接続し、この外部ＥＧＲ通路を通して排気ガスの還流（ＥＧＲ）を行うことによりＮＯｘの低減を図ることは一般に知られている。しかし、このような外部ＥＧＲによると、そのための通路やＥＧＲバルブが必要になるとともに、ＥＧＲに伴って吸気系にデポジットが生じ易くなるという問題もある。
【０００３】
そこで、外部ＥＧＲ通路によって排気ガスの還流を行うものに替えて、積極的に燃焼室内に既燃ガスを残留させることによる所謂内部ＥＧＲを利用する手法が考えられており、この手法としては吸気弁と排気弁の開弁期間のオーバラップを大きくするものが一般的である。つまり、吸気弁や排気弁の開閉タイミングを変更可能とするバルブタイミング可変装置を用い、内部ＥＧＲを必要とする領域では上記オーバラップを大きくすることによりそのオーバラップ期間中の排気の吹き返し等で残存既燃ガス量を増加させるようにしている。
【０００４】
しかし、このように吸、排気弁の開弁期間のオーバラップを大きくすると、吸気上死点で吸気弁及び排気弁が比較的大きく開いた状態となるので、これらとの干渉を避けるためピストン頂面に深いリセスを設ける必要があり、これが燃焼に悪影響を及ぼす等の問題がある。
【０００５】
また、燃焼室内に既燃ガスを残留させる手法についての他の従来技術として、特開平１０−２６６８７８号公報に示されるように、排気弁を吸気上死点前に閉弁させるようにしたものが考えられている。
【０００６】
この公報に示された発明では、エンジンの低負荷から中負荷にわたる負荷範囲内で、排気弁を上死点前に閉じさせるとともに要求負荷が低くなるにつれて排気弁閉時期を早め、かつ、上記負荷範囲内で、吸気弁を上死点後に開かせるとともに要求負荷が低くなるにつれて吸気弁開時期を早めるようにしている。そして、この公報の記載によると、上記負荷範囲内で、排気弁閉時期を早めることにより燃焼室内の残留既燃ガスを増加させ、この残留既燃ガスを利用して燃焼室内で多点的に自己着火を生じさせ、これにより燃焼性を高めるとともに局所的な燃焼温度の高温化を避けてＮＯｘを抑制する。また、スロットル弁を略全開に保った状態で、排気弁閉時期を変えることによる残留既燃ガス量の調節により吸入空気量をコントロールして、要求負荷に応じた出力制御を行いつつポンピングロスの低減を図るようにしている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記の特開平１０−２６６８７８号公報に示された発明では、スロットル弁を略全開に保った状態で排気弁閉時期を変えることによる残留既燃ガス量の調節により、要求負荷に応じた吸入空気量のコントロールを行なおうとしているが、残留既燃ガス量が増大しすぎると燃焼安定性が損なわれるので、現実には、残留既燃ガス量は燃焼安定性を損なわない程度にとどめて、低負荷時にスロットル弁により吸入空気量の調節を行なうことが必要であり、それによってポンピングロスが生じることは避け難い。また、上記公報記載の発明では排気弁を上死点前に閉じるときに吸気弁を上死点後に開くようにしているが、上死点から吸気弁開時期までの期間は排気弁閉時期から上死点までの期間と同程度となっている。
【０００８】
このような上記公報記載のものでは、ポンピングロス低減等の面で改善の余地が残されている。
【０００９】
本発明は上記の事情に鑑み、エンジンの低負荷域で，排気弁を吸気上死点より前に閉じて適度の内部ＥＧＲ効果が得られるようにするとともに、ポンピングロス低減効果をより一層高めることができる自動車用４サイクルエンジンを提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、エンジンの冷却水温が所定温度以上の温間状態であって、エンジン負荷を、低負荷域、中負荷域、高負荷域に分けたときの低負荷域で、排気弁用カムリフト特性における加速度区間から定速度区間への移行時点をもって定義した排気弁閉時期を吸気上死点より所定期間前に設定するとともに、吸気弁用カムリフト特性における定速度区間から加速度区間への移行時点をもって定義した吸気弁開時期を、吸気上死点より後であって、吸気上死点から吸気弁開時期までの期間が排気弁閉時期から吸気上死点までの期間よりも長くなる時期に設定し、かつ、排気弁及び吸気弁のうちの少なくとも一方に対してバルブ開閉タイミングを変更可能とするバルブタイミング可変装置を備え、吸気上死点を挟んでの上記排気弁閉時期から上記吸気弁開時期までの期間を、中速中負荷域は、低速中負荷域に対して大きくするように運転状態に応じてバルブ開閉タイミングを変更するものである。
【００１１】
この発明によると、エンジンの温間状態での低負荷域で、排気弁が吸気上死点より所定期間前に閉じられることにより、燃焼室内に既燃ガスが残存して内部ＥＧＲ効果が得られ、ＮＯｘが低減される。また、排気弁閉時期が吸気上死点前、吸気弁開時期が吸気上死点後となっている場合、燃焼室内圧力は排気弁が閉じてから一端上昇して、吸気上死点を過ぎると下降し、さらに吸気弁が開かれると吸気圧力に対応するレベルとなり、このような燃焼室内圧力変化の過程で、吸気上死点ＴＤＣに達するまでの間の圧力と吸気上死点ＴＤＣを過ぎてからの圧力の格差分がポンピングロスとなるが、吸気上死点から吸気弁開時期までの期間が排気弁閉時期から吸気上死点までの期間よりも長くなる程度まで吸気弁開時期が遅くされることにより、吸気弁開時期が早い場合と比べて上記格差が小さくなるため、ポンピングロスが低減される。
【００１２】
本発明において、排気弁及び吸気弁のうちの少なくとも一方に対してバルブ開閉タイミングを変更可能とするバルブタイミング可変装置を備え、吸気上死点を挟んでの上記排気弁閉時期から上記吸気弁開時期までの期間を、少なくとも中負荷から負荷の増大につれて小さくするように運転状態に応じてバルブ開閉タイミングを変更することが好ましい。
【００１３】
このようにすると、低負荷側では排気弁閉時期から吸気弁開時期までの期間が比較的大きくされることでＮＯｘ抑制及びポンピングロス低減の効果が充分に得られるようにしつつ、高負荷側では上記期間が小さくされることで出力が確保される。
【００１４】
また、本発明において、エンジンの冷却水温が所定温度以上の温間状態であって、エンジン負荷を、低負荷域、中負荷域、高負荷域に分けたときの低負荷域で、上記排気弁閉時期から吸気上死点までの期間をクランク角で５°以上１５゜以下とし、かつ、吸気上死点を挟んでの上記排気弁閉時期から上記吸気弁開時期までの期間をクランク角で２０°以上３５゜以下とすることが好ましい。
【００１５】
このようにすることで、低負荷域でのＮＯｘ抑制及びポンピングロス低減の効果が充分に得られる。
【００１６】
また、本発明は燃焼室に直接燃料を噴射するインジェクタを備えた直噴式のエンジンに適用することが好ましい。このエンジンによると、低負荷域で成層燃焼により空燃比をリーンとしつつ燃焼安定性を高めて内部ＥＧＲ（残留既燃ガス）の許容量を増大することができる。従って、排気弁閉時期を吸気上死点より前とすることによる内部ＥＧＲ効果を充分に発揮させることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１８】
図１は本発明が適用される自動車用４サイクルエンジンの全体構造を概略的に示したものである。この図において、１はエンジン本体であり、複数の気筒を有し、その各気筒２には、シリンダボアに挿入されたピストン４の上方に燃焼室５が形成されている。この燃焼室５には吸気ポート７及び排気ポート８が開口し、これらのポート７，８は吸気弁９及び排気弁１０によって開閉されるようになっている。
【００１９】
上記吸気弁９及び排気弁１０はカムシャフト１１，１２等からなる動弁機構により開閉作動されるようになっている。また、吸気弁９に対する動弁機構及び排気弁１０に対する動弁機構には、それぞれ、バルブ開閉タイミングを変更可能にするバルブタイミング可変装置１３，１４が設けられている。このバルブタイミング可変装置１３，１４は、クランクシャフトに連動するカムプーリとカムシャフトとの間に設けられて、クランクシャフトに対するカムシャフトの位相を変更することにより、開弁期間は一定としつつ開時期及び閉時期を変更することができるようになっている。このようなバルブタイミング可変装置１３，１４は従来から種々知られているため、具体的な構造の図示及び説明は省略する。
【００２０】
上記燃焼室５の中央部には点火プラグ１６が配設され、そのプラグ先端が燃焼室に臨んでいる。さらに燃焼室５には、側方からインジェクタ１８の先端部が臨み、このインジェクタ１８から燃料が燃焼室５内に直接噴射されるようになっている。
【００２１】
上記エンジン本体１には吸気通路２０及び排気通路３０が接続されている。上記吸気通路２０には、その上流側から順に、エアクリーナ２１、エアフローセンサ２２、スロットル弁２３及びサージタンク２４が設けられている。上記スロットル弁２３は、図外のアクセルペダルに機械的に連結され、アクセルペダル踏込み量に応じた開度に開かれるようになっている。このスロットル弁２３に対し、その開度を検出するスロットル開度センサ２５が設けられている。
【００２２】
上記排気通路３０には、排気ガス中の酸素濃度を検出することによって空燃比を検出するＯ₂センサ３１が設けられるとともに、その下流に排気ガス浄化用の触媒３２が設けられている。この触媒３２は、三元触媒により構成してもよいが、空燃比をリーンにして成層運転を行う場合の浄化性能を高めるため、空燃比が理論空燃比よりもリーンな条件下にある場合でもＮＯｘを効果的に浄化することができる触媒を用いることが望ましい。当実施形態では、酸素過剰雰囲気で排気ガス中のＮＯｘを吸収し、空燃比がリーンからリッチ側に変化して酸素濃度が低下したときに、吸収していたＮＯｘを放出するとともに、雰囲気中に存在するＣＯ等の還元材によりＮＯｘを還元させるようになっているリーンＮＯｘ触媒が用いられている。
【００２３】
４０はエンジン制御用のコントロールユニット（ＥＣＵ）である。このＥＣＵ４０には、上記エアフローセンサ２２、スロットル開度センサ２５及びＯ₂センサ３１からの信号が入力されるとともに、クランク角センサ３５からエンジン回転数検出等のためのクランク角信号が入力され、さらにエンジン冷却水の温度を検出する水温センサ３６等からの信号も入力されている。
【００２４】
また、ＥＣＵ４０から、上記インジェクタ１８に対して燃料噴射を制御する信号が出力されるとともに、バルブタイミング可変装置１３，１４に対してこれを制御する信号が出力されている。
【００２５】
上記ＥＣＵ４０は、運転状態判別手段４１、バルブタイミング制御手段４２及び燃料噴射制御手段４３を含んでいる。運転状態判別手段４１は、クランク角センサ３５からのクランク角信号の周期の計測等によって検出されるエンジン回転数と、エアフローセンサ２２、スロットル開度センサ２５等からの信号によって調べられるエンジン負荷とに基づき、エンジンの運転状態を判別するようになっている。
【００２６】
バルブタイミング制御手段４２は、運転状態判別手段４１により判別される運転状態に応じ、バルブタイミング可変装置１３，１４を制御することにより、吸気弁１１及び排気弁１２の開閉タイミングを後に詳述するように設定、変更するようになっている。
【００２７】
また、燃料噴射制御手段４３は、運転状態判別手段４１により判別される運転状態に応じてインジェクタ１８からの燃料噴射量及び噴射時期を制御する。例えばエンジンの低負荷側の所定領域（後述の図４における領域Ｂもしくはこの領域Ｂを含む低負荷から中負荷にかけての低・中速域）では、空燃比を理論空燃比よりもリーンとするとともに、圧縮行程後半に燃料を噴射することにより点火プラグ１６まわりに混合気を偏在させて成層燃焼を行わせるように、燃料噴射量及び噴射タイミングを制御する。一方、上記所定領域以外の領域では、空燃比を理論空燃比もしくはこれに近い値とするとともに、吸気行程で燃料を噴射することにより混合気を拡散させて均一燃焼を行わせるように、燃料噴射量及び噴射タイミングを制御する。
【００２８】
図２は吸・排気弁の開閉タイミングを示すためのカムリフト曲線を表しており、ＩｎＶは吸気弁、ＥｘＶは排気弁を意味する。また、ＩｎＯ及びＩｎＣは吸気弁の開時期及び閉時期、ＥｘＯ及びＥｘＣは排気弁の開時期及び閉時期である。ここで、吸気弁及び排気弁の開時期ＩｎＯ，ＥｘＯは、カムリフト特性における定速度区間から加速度区間への移行時点をもって定義し、吸気弁及び排気弁の閉時期ＩｎＣ，ＥｘＣは、カムリフト特性における加速度区間から定速度区間への移行時点をもって定義することとする（図３参照）。
【００２９】
図２において、排気弁は開閉タイミング可変範囲内で最も進角したときに実線のように閉時期ＥｘＣが吸気上死点ＴＤＣより前、最も遅角したときに破線のように閉時期ＥｘＣが吸気上死点ＴＤＣより後となり、吸気弁は開閉タイミング可変範囲内で最も進角したときに破線のように開時期ＩｎＯが吸気上死点ＴＤＣより前、最も遅角したときに実線のように開時期ＩｎＯが吸気上死点ＴＤＣより後となる。従って、破線で示すような排気弁が遅角、吸気弁が進角の状態では両者の開弁期間にオーバラップがあるが、実線で示すような排気弁が進角、吸気弁が遅角の状態では両者の開弁期間にオーバラップがない。このようなオーバラップがない状態での排気弁閉時期ＥｘＣから吸気弁開時期ＩｎＯまでの期間を、実施形態の説明の中では便宜的にマイナスオーバラップ（マイナスＯ／Ｌ）と呼ぶ。
【００３０】
次に、運転状態に応じたバルブタイミングの設定、変更の仕方を、図４乃至図６を参照しつつ説明する。なお、以下の説明の中で吸気弁、排気弁の開閉タイミング等についての時期及び期間を表す数値はクランク角によるものであり、また、ＢＴＤＣは上死点前を意味し、ＡＴＤＣは上死点後を意味する。
【００３１】
エンジンの温間状態において、図４中に一点鎖線で囲った低負荷領域Ｂでは、図５に示すように、排気弁閉時期ＥｘＣが吸気上死点ＴＤＣより所定期間前に設定されるとともに、吸気弁開時期ＩｎＯが吸気上死点ＴＤＣより後であって、吸気上死点ＴＤＣから吸気弁開時期ＩｎＯまでの期間θInが排気弁閉時期ＥｘＣから吸気上死点ＴＤＣまでの期間θExよりも長くなる時期に設定される。
【００３２】
排気弁閉時期ＥｘＣが吸気上死点ＴＤＣより所定期間前とは、低負荷時の燃焼安定性を確保しつつ適量の内部ＥＧＲが得られる程度の時期であり、具体的には吸気上死点ＴＤＣより５°以上前、好ましくはＢＴＤＣ５〜１５°程度に設定される。また、吸気弁開時期ＩｎＯは、好ましくは［θIn−θEx］≧５°となる時期に設定され、例えばＡＴＤＣ１０〜２０°程度に設定される。なお、この領域Ｂでの排気弁閉時期ＥｘＣから吸気弁開時期ＩｎＯまでの期間は２０°以上であることが好ましい。
【００３３】
また、エンジンの中負荷乃至高負荷側の領域（中負荷域及び高負荷域のうちで全開及びその近傍の領域を除く領域）における中・高速域では、排気弁閉時期ＥｘＣが吸気上死点ＴＤＣより所定期間前とされるとともに吸気弁開時期ＩｎＯが吸気上死点ＴＤＣより後とされることにより、マイナスＯ／Ｌが生じるように設定される。そして、この中負荷乃至高負荷側の領域うちの中速域では高速域よりもマイナスＯ／Ｌが大きくされる。
【００３４】
すなわち、図４において、エンジン中負荷からこれより多少高負荷側にまでわたる領域における中速域（領域Ａ）でマイナスＯ／Ｌが最も大きくされる。具体的には、中速中負荷（上記領域Ａ内）では図６（ｂ）に示すように、排気弁閉時期ＥｘＣが吸気上死点ＴＤＣよりも２０°以上前、好ましくはＢＴＤＣ３０〜４０°に設定されるとともに、吸気弁開時期ＩｎＯが吸気上死点ＴＤＣより後、好ましくはＡＴＤＣ３５〜４５°に設定される。なお、中速中負荷域において吸気弁の閉時期ＩｎＣは吸気下死点後８０°程度、排気弁の開時期は排気下死点前８０°程度とされる。そして、当実施形態において用いられているバルブタイミング可変装置によると、吸気弁及び排気弁の開弁期間は一定に保たれつつ、吸気弁開時期の変化に伴って吸気弁閉時期も変化し、また排気弁閉時期の変化に対応して排気弁開時期も変化する。
【００３５】
領域Ａより高速側の領域である高速中負荷域では、図６（ｃ）に示すように、マイナスＯ／Ｌを有するがその期間が中速中負荷域より小さくされ、例えば排気弁閉時期ＥｘＣがＢＴＤＣ２０〜３０°に設定されるとともに、吸気弁開時期ＩｎＯがＡＴＤＣ２５〜３５°に設定される。
【００３６】
また、領域Ａから全開域に近づくと、それにつれて排気弁が徐々に遅角され、かつ、吸気弁が徐々に進角されることにより、マイナスＯ／Ｌが徐々に小さくされ、あるいはさらに正のオーバラップが生じる状態に至る。そして、中速全開域では、図６（ｅ）に示すように、排気弁閉時期ＥｘＣが吸気上死点ＴＤＣより後、例えばＡＴＤＣ１０°程度に設定されるとともに、吸気弁開時期ＩｎＯが吸気上死点ＴＤＣより前、例えばＢＴＤＣ１０〜１５°程度に設定される。また、高速高負荷域では、図６（ｆ）に示すように、排気弁閉時期ＥｘＣが吸気上死点ＴＤＣより後、例えばＡＴＤＣ１０°程度に設定されるとともに、吸気弁開時期ＩｎＯが吸気上死点ＴＤＣより後、例えばＡＴＤＣ１０〜１５°に設定される。
【００３７】
また、低速中負荷域では図６（ａ）のように、中速中負荷域よりマイナスＯ／Ｌが小さくされ、例えば排気弁閉時期ＥｘＣがＢＴＤＣ２０〜３０°、吸気弁開時期ＩｎＯがＡＴＤＣ２５〜３５°に設定される。低速全開域では図６（ｄ）のように、中速全開域と略同じで排気弁閉時期ＥｘＣがＡＴＤＣ１０°程度に設定されるとともに、吸気弁開時期ＩｎＯがＢＴＤＣ１０〜１５°程度に設定される。
【００３８】
なお、以上のような図５，図６に示すバルブ開閉タイミングの設定は、エンジンの冷却水温が所定温度以上の温間時のものであり、一方、冷却水温が所定温度よりも低い冷間時には、内部ＥＧＲを少なくして燃焼安定性を確保するように、排気弁閉時期ＥｘＣ及び吸気弁開時期ＩｎＯを略吸気上死点に設定しておけばよい。
【００３９】
以上のような当実施形態のエンジンによると、低負荷領域Ｂでは、排気弁閉時期ＥｘＣが吸気上死点ＴＤＣより前に設定されていることにより、既燃ガスを排出し終える前に排気弁が閉じるため燃焼室５内に既燃ガスが残存して内部ＥＧＲ効果が得られ、これによりＮＯｘが低減される。この場合、当実施形態のように燃焼室５に直接燃料を噴射するインジェクタ１８を備え、低負荷域Ｂを含む所定運転領域では空燃比を理論空燃比よりも大きいリーン空燃比とするとともに圧縮行程で燃料を噴射して成層燃焼を行なわせるようにした直噴式のエンジンでは、低負荷域Ｂでも成層燃焼によりリーン空燃比での燃焼安定性が高められて比較的多量の内部ＥＧＲが許容され、例えばＥＧＲ率で約３０％から４０％程度まで許容される。
【００４０】
そして、排気弁閉時期ＥｘＣを早くする程内部ＥＧＲ量が多くなるので、内部ＥＧＲ量が許容される範囲（燃焼安定性が損なわれない範囲）で排気弁閉時期ＥｘＣを早くすればよく、排気弁閉時期ＥｘＣをＢＴＤＣ５〜１５°程度とすることにより、低負荷領域Ｂでの燃焼安定性を損なわない適度の内部ＥＧＲ量が得られる。
【００４１】
さらに、このように排気弁閉時期ＥｘＣが吸気上死点ＴＤＣより所定期間前に設定されるとともに、吸気弁開時期ＩｎＯは吸気上死点ＴＤＣ後で、かつ、吸気上死点から吸気弁開時期までの期間θInが排気弁閉時期から吸気上死点までの期間θExよりも大きくなる時期に設定されているため、充分にポンピングロス低減効果が得られる。
【００４２】
このポンピングロス低減効果を、図７を参照しつつ説明する。吸気上死点ＴＤＣ前に排気弁が閉じると、燃焼室内圧力が排気圧力に対応するレベルから一端上昇して、吸気上死点ＴＤＣを過ぎると下降し、さらに吸気弁が開かれると吸気圧力に対応するレベルまで下降するが、この過程で、吸気上死点ＴＤＣに達するまでの間の圧力と吸気上死点ＴＤＣを過ぎてからの圧力の格差分がポンピングロスとなる。そして、吸気上死点ＴＤＣ後において比較的早い時期に吸気弁が開かれる場合（例えば吸気上死点ＴＤＣから吸気弁開時期までの期間が排気弁閉時期から吸気上死点ＴＤＣまでの期間と同じかそれより短い場合）には、吸気弁が開かれた時点で燃焼室内圧力が吸気圧力まで急減して上記格差が増大することによりポンピングロスが増大する。
【００４３】
これに対し、θIn＞θExとなるように吸気弁開時期ＩｎＯを遅らせば、燃焼室内圧力が吸気圧力まで低下する時期が遅れることにより、θIn＝θExの場合と比べて図７中にハッチングで示す分だけポンピングロスが低減されることとなる。とくに、［θIn−θEx］≧５°となる程度まで吸気弁開時期ＩｎＯを遅らせることにより充分にポンピングロス低減効果が高められる。ポンピングロス低減のために最も好ましくは、吸気弁が閉じている状態で燃焼室内圧力が吸気圧力とが略同じとなる時期に吸気弁を開くようにすればよい。
【００４４】
また、エンジンの中負荷乃至高負荷側の領域でもマイナスＯ／Ｌとされて内部ＥＧＲによりＮＯｘが低減され、とくに中負荷乃至高負荷側の領域での中・高速域では、低速低負荷域と比べて燃焼安定性が高いことから、マイナスＯ／Ｌが大きくされることにより、比較的多量の内部ＥＧＲが行われて充分にＮＯｘが低減される。さらに、排気弁閉時期ＥｘＣを吸気上死点ＴＤＣより所定期間前、吸気弁開時期ＩｎＯを吸気上死点ＴＤＣ後とすることにより、内部ＥＧＲによる燃焼室内の既燃ガスが充分に冷却されて熱効率の向上による燃費改善及び排気温度上昇抑制等の効果も得られる。
【００４５】
すなわち、排気弁閉時期ＥｘＣを吸気上死点ＴＤＣより所定期間前とするとともに吸気弁開時期ＩｎＯを吸気上死点ＴＤＣ後とした場合、図７に示したように排気弁閉時期ＥｘＣから吸気上死点ＴＤＣになるまで間に燃焼室内圧力が上昇し、吸気上死点ＴＤＣを過ぎてから燃焼室圧力が低下する。そして、圧力上昇に伴って温度が上昇し、圧力低下に伴って温度が低下するが、圧力上昇により燃焼室内温度が高められる期間には、燃焼室を構成する周囲の壁（ウォータジャケットが内蔵されて比較的温度が低いシリンダヘッドないしシリンダ壁）との温度差が大きくなることにより、この周囲の壁への放熱量が増大する。従って、排気弁が閉じた時点で燃焼室内に残留する既燃ガスの温度が高くても、排気弁が閉じてからの圧力が高い期間に充分に放熱が行われた上で、その後の圧力低下に伴い温度が低下する。こうして、既燃ガスを冷却する作用が得られ、これにより、外部から冷却されたＥＧＲガスを導入する場合と同様に、燃焼温度及び排気温度が低下する。
【００４６】
この場合、排気弁閉時期ＥｘＣから吸気上死点ＴＤＣまで燃焼室内圧力を上昇させるために吸気弁開時期ＩｎＯは少なくとも吸気上死点ＴＤＣ後であることが必要である。さらに、吸気上死点ＴＤＣ後でも比較的早い時期に吸気弁が開くとその時点で燃焼室内圧力が吸気圧力まで急減して放熱効果が損なわれるのに対し、吸気弁開時期を遅くすれば放熱の期間を稼ぎ得るので、例えば吸気上死点ＴＤＣから吸気弁開時期ＩｎＯまでの期間が排気弁閉時期ＥｘＣから吸気上死点ＴＤＣまでの期間以上となる程度にまで吸気弁開時期を遅くすることにより、燃焼温度及び排気温度の低下に寄与する。また、このように吸気弁開時期を遅くすることで上述のようにポンピングロス低減作用も得られる。
【００４７】
そして、燃焼温度の低下により、熱効率が向上され、これとポンピングロス低減作用とで燃費が改善されるとともに、排気温度の低下により、触媒の温度上昇が抑制されて触媒の信頼性、耐久性が向上される。さらに、燃焼温度の低下は、高負荷側の領域でノッキング抑制の効果も発揮する。
【００４８】
また、このようにマイナスＯ／Ｌによって内部ＥＧＲを得るようにすれば、吸気上死点で吸気弁及び排気弁が閉じているので、従来の正のオーバラップによって内部ＥＧＲを得る場合のようにピストン頂面に深いリセスを設ける必要がない。
【００４９】
さらに、このようなマイナスＯ／Ｌによると、エンジン回転速度が高くなるにつれ、吸気弁及び排気弁の有効開弁期間が減少することが実質的にマイナスＯ／Ｌを大きくするのと同等に作用するので、高速域では中速域と比べてマイナスＯ／Ｌを小さくしても内部ＥＧＲの確保及び燃焼温度、排気温度の低減等の効果が充分に得られる。従って、例えば中速中負荷では図６（ｂ）に示すように排気弁閉時期ＥｘＣがＢＴＤＣ３０〜４０°程度、吸気弁開時期ＩｎＯがＡＴＤＣ３５〜４５°程度に設定されてマイナスＯ／Ｌが大きくされるのに対し、高速中負荷では図６（ｃ）に示すように排気弁閉時期ＥｘＣがＢＴＤＣ２０〜３０°程度、吸気弁開時期ＩｎＯがＡＴＤＣ２５〜３５°程度に設定されてマイナスＯ／Ｌが中速中負荷よりも小さくされることにより、内部ＥＧＲ量が過剰になることが避けられ、上記のような効果が得られつつ出力が確保される。
【００５０】
また、エンジンの全開域では排気弁閉時期ＥｘＣが吸気上死点ＴＤＣよりも多少遅いＡＴＤＣ１０°程度とされることにより、内部ＥＧＲが極力少なくされて全開トルクが確保される。
【００５１】
なお、低速全開域では、中速全開域と略同様に吸気弁及び排気弁の開閉タイミングが設定されている。また、低速中負荷域では、燃焼安定性確保のため中速中負荷域と比べて内部ＥＧＲを少なくすべく、排気弁閉時期ＥｘＣを上死点ＴＤＣに近づけて、マイナスＯ／Ｌを小さくしている。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のエンジンによると、低負荷域で、排気弁閉時期を吸気上死点より所定期間前に設定するとともに、吸気弁開時期を、吸気上死点より後であって、吸気上死点から吸気弁開時期までの期間が排気弁閉時期から吸気上死点までの期間よりも長くなる時期に設定しているため、低負荷域で、内部ＥＧＲ効果により充分にＮＯｘが低減されるとともに、ポンピングロス低減効果を高め、大幅な燃費改善を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による４サイクルエンジンの概略図である。
【図２】吸気弁及び排気弁の開閉タイミングを示すためのカムリフト曲線を表した図である。
【図３】カムリフト曲線の部分拡大図である。
【図４】運転状態に応じたバルブタイミングの設定、変更の仕方をマップ的に示す説明図である。
【図５】低負荷域での排気弁の閉時期及び吸気弁の開閉時期を示す図である。
【図６】低速中負荷、中速中負荷、高速中負荷、低速全開、中速全開、高速全開の各運転域での排気弁の閉時期及び吸気弁の開閉時期を示す図である。
【図７】排気行程後期から吸気行程前期にかけての燃焼室容積及び燃焼室内圧力の変化を示す図である。
【符号の説明】
１エンジン本体
５燃焼室
９吸気弁
１０排気弁
１３，１４バルブタイミング可変装置
４０ＥＣＵ
４２バルブタイミング制御手段
４３燃料噴射制御手段[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a four-cycle engine for automobiles that actively utilizes so-called internal EGR by allowing burnt gas to remain in a combustion chamber.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, it is generally known to reduce NOx by connecting an external EGR passage between an exhaust system and an intake system of an engine and performing exhaust gas recirculation (EGR) through the external EGR passage. However, according to such an external EGR, there is a problem that a passage and an EGR valve for that purpose are required, and deposits are easily generated in the intake system along with the EGR.
[0003]
In view of this, instead of using the external EGR passage to recirculate the exhaust gas, a method of utilizing so-called internal EGR by actively leaving the burned gas in the combustion chamber has been considered. In general, the overlap of the valve opening period of the exhaust valve is increased. In other words, a variable valve timing device that can change the opening / closing timing of the intake valve and exhaust valve is used, and in an area where internal EGR is required, the above overlap is increased so that the exhaust gas blows back during the overlap period. The amount of burnt gas is increased.
[0004]
However, if the overlap between the intake and exhaust valve opening periods is increased in this way, the intake valve and exhaust valve are relatively open at the intake top dead center. It is necessary to provide a deep recess in the surface, which causes problems such as adversely affecting combustion.
[0005]
In addition, as another prior art for the method of remaining burnt gas in the combustion chamber, as disclosed in JP-A-10-266878, an exhaust valve is closed before intake top dead center. It is considered.
[0006]
In the invention disclosed in this publication, the exhaust valve is closed before top dead center within the load range from the low load to the medium load of the engine, and the exhaust valve closing timing is advanced as the required load decreases, and the load Within the range, the intake valve is opened after top dead center, and the intake valve opening timing is advanced as the required load decreases. According to the description of this publication, the remaining burned gas in the combustion chamber is increased by advancing the exhaust valve closing timing within the load range, and the remaining burnt gas is used in a multipoint manner in the combustion chamber. It causes self-ignition, thereby improving the combustibility and avoiding NOx by avoiding a high local combustion temperature. In addition, while maintaining the throttle valve substantially fully open, the intake air amount is controlled by adjusting the amount of residual burned gas by changing the exhaust valve closing timing, and the pumping loss is reduced while controlling the output according to the required load. We try to reduce it.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In the invention disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 10-266878, the intake air corresponding to the required load is adjusted by adjusting the amount of residual burned gas by changing the exhaust valve closing timing while keeping the throttle valve substantially fully open. Although the amount of residual burned gas increases too much, combustion stability is impaired, so in reality, the amount of residual burned gas is limited to a level that does not impair combustion stability. It is necessary to adjust the amount of intake air with a throttle valve at low load, and it is difficult to avoid a pumping loss due to this. Further, in the invention described in the above publication, the intake valve is opened after the top dead center when the exhaust valve is closed before the top dead center, but the period from the top dead center to the intake valve opening timing is from the exhaust valve closing timing. It is about the same as the period up to top dead center.
[0008]
In the above-mentioned publication, there is room for improvement in terms of pumping loss reduction and the like.
[0009]
In view of the above circumstances, the present invention closes the exhaust valve before the intake top dead center in the low load region of the engine to obtain an appropriate internal EGR effect, and further enhances the pumping loss reduction effect. The present invention provides a four-cycle engine for automobiles that can be used.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is an exhaust valve cam lift characteristic in a low load range when the engine coolant temperature is in a warm state of a predetermined temperature or higher and the engine load is divided into a low load range, a medium load range, and a high load range. The exhaust valve closing timing defined by the transition time from the acceleration section to the constant speed section in the engine is set a predetermined period before the intake top dead center, and defined at the transition time from the constant speed section to the acceleration section in the intake valve cam lift characteristics. The intake valve opening timing is set to a time after the intake top dead center and the period from the intake top dead center to the intake valve open timing is longer than the period from the exhaust valve close timing to the intake top dead center. And a valve timing variable device capable of changing a valve opening / closing timing with respect to at least one of the exhaust valve and the intake valve, and the intake valve from the exhaust valve closing timing across the intake top dead center. Time to opening time, load region in medium speed is to change the valve opening and closing timing according to the operating condition so as to increase relative to the low speed in the load range.
[0011]
According to the present invention, when the exhaust valve is closed a predetermined period before the intake top dead center in a low load range in a warm state of the engine, the burned gas remains in the combustion chamber and an internal EGR effect is obtained. NOx is reduced. In addition, when the exhaust valve closing timing is before the intake top dead center and the intake valve opening timing is after the intake top dead center, the pressure in the combustion chamber rises once after the exhaust valve closes and passes the intake top dead center. When the intake valve is further opened, it reaches a level corresponding to the intake pressure. In this process of pressure change in the combustion chamber, the pressure until the intake top dead center TDC is reached and the intake top dead center TDC are passed. The difference in pressure after the pumping is the pumping loss, but the intake valve opening timing is such that the period from the intake top dead center to the intake valve opening timing is longer than the period from the exhaust valve closing timing to the intake top dead center. By delaying, the disparity is reduced compared to the case where the intake valve opening timing is early, so that the pumping loss is reduced.
[0012]
In the present invention, there is provided a valve timing variable device capable of changing a valve opening / closing timing with respect to at least one of the exhaust valve and the intake valve, and the intake valve is opened from the exhaust valve closing timing with the intake top dead center interposed therebetween. It is preferable to change the valve opening / closing timing in accordance with the operating state so that the period until the timing is reduced at least as the load increases from the medium load.
[0013]
In this way, on the low load side, the period from the exhaust valve closing timing to the intake valve opening timing is made relatively large so that the effects of NOx suppression and pumping loss reduction can be sufficiently obtained, while on the high load side. Output is ensured by reducing the period.
[0014]
In the present invention, the exhaust valve is in a warm state where the engine coolant temperature is equal to or higher than a predetermined temperature , and the engine load is divided into a low load region, a medium load region, and a high load region. The period from the closing timing to the intake top dead center is set to a crank angle of 5 ° to 15 ° , and the period from the exhaust valve closing timing to the intake valve opening timing across the intake top dead center is determined by the crank angle. The angle is preferably 20 ° or more and 35 ° or less .
[0015]
By doing in this way, the effect of NOx suppression and pumping loss reduction in a low load region is sufficiently obtained.
[0016]
Further, the present invention is preferably applied to a direct injection type engine provided with an injector that directly injects fuel into the combustion chamber. According to this engine, it is possible to increase the allowable amount of internal EGR (residual burnt gas) by improving combustion stability while reducing the air-fuel ratio by stratified combustion in a low load region. Therefore, the internal EGR effect by making the exhaust valve closing timing before the intake top dead center can be sufficiently exhibited.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0018]
FIG. 1 schematically shows the overall structure of a four-cycle engine for automobiles to which the present invention is applied. In this figure, reference numeral 1 denotes an engine body, which has a plurality of cylinders, and each cylinder 2 is formed with a combustion chamber 5 above a piston 4 inserted into a cylinder bore. An intake port 7 and an exhaust port 8 are opened in the combustion chamber 5, and these ports 7 and 8 are opened and closed by an intake valve 9 and an exhaust valve 10.
[0019]
The intake valve 9 and the exhaust valve 10 are opened and closed by a valve operating mechanism including camshafts 11 and 12. Further, the valve mechanism for the intake valve 9 and the valve mechanism for the exhaust valve 10 are provided with variable valve timing devices 13 and 14 that can change the valve opening / closing timing, respectively. The variable valve timing devices 13 and 14 are provided between a cam pulley and a camshaft that are linked to the crankshaft, and by changing the phase of the camshaft with respect to the crankshaft, the valve opening period is kept constant while the valve opening period is constant. The closing time can be changed. Since such variable valve timing devices 13 and 14 are conventionally known, illustration and description of a specific structure are omitted.
[0020]
A spark plug 16 is disposed at the center of the combustion chamber 5 and the tip of the plug faces the combustion chamber. Further, the front end of the injector 18 faces the combustion chamber 5 from the side, and fuel is directly injected into the combustion chamber 5 from the injector 18.
[0021]
An intake passage 20 and an exhaust passage 30 are connected to the engine body 1. In the intake passage 20, an air cleaner 21, an air flow sensor 22, a throttle valve 23, and a surge tank 24 are provided in that order from the upstream side. The throttle valve 23 is mechanically connected to an accelerator pedal (not shown), and is opened to an opening degree corresponding to the accelerator pedal depression amount. A throttle opening sensor 25 that detects the opening of the throttle valve 23 is provided.
[0022]
The exhaust passage 30 is provided with an O ₂ sensor 31 that detects the air-fuel ratio by detecting the oxygen concentration in the exhaust gas, and an exhaust gas purification catalyst 32 is provided downstream thereof. The catalyst 32 may be constituted by a three-way catalyst, but even when the air-fuel ratio is leaner than the stoichiometric air-fuel ratio in order to improve the purification performance when performing the stratified operation with the air-fuel ratio lean. It is desirable to use a catalyst that can effectively purify NOx. In the present embodiment, NOx in the exhaust gas is absorbed in an oxygen-excess atmosphere, and when the oxygen concentration is reduced by changing the air-fuel ratio from lean to rich, the absorbed NOx is released and the atmosphere is released into the atmosphere. A lean NOx catalyst that reduces NOx by the existing reducing material such as CO is used.
[0023]
Reference numeral 40 denotes an engine control unit (ECU). The ECU 40 receives signals from the air flow sensor 22, the throttle opening sensor 25, and the O ₂ sensor 31 and a crank angle signal for detecting the engine speed from the crank angle sensor 35. A signal from a water temperature sensor 36 for detecting the temperature of the engine cooling water is also input.
[0024]
Further, the ECU 40 outputs a signal for controlling the fuel injection to the injector 18 and outputs a signal for controlling this to the valve timing variable devices 13 and 14.
[0025]
The ECU 40 includes an operation state determination unit 41, a valve timing control unit 42, and a fuel injection control unit 43. The operating state discriminating means 41 is based on the engine speed detected by measuring the cycle of the crank angle signal from the crank angle sensor 35, and the engine load checked by signals from the airflow sensor 22, the throttle opening sensor 25, etc. Based on this, the operating state of the engine is discriminated.
[0026]
The valve timing control means 42 controls the valve timing variable devices 13 and 14 according to the operating state discriminated by the operating state discriminating means 41 so that the opening / closing timings of the intake valve 11 and the exhaust valve 12 will be described in detail later. Set to change to.
[0027]
Further, the fuel injection control means 43 controls the fuel injection amount and the injection timing from the injector 18 in accordance with the operation state determined by the operation state determination means 41. For example, in a predetermined region on the low load side of the engine (region B in FIG. 4 described later or a low / medium speed region from low load to medium load including this region B), the air-fuel ratio is made leaner than the stoichiometric air-fuel ratio. Then, the fuel injection amount and the injection timing are controlled such that the fuel is injected in the latter half of the compression stroke so that the air-fuel mixture is unevenly distributed around the spark plug 16 and stratified combustion is performed. On the other hand, in areas other than the predetermined area, the fuel injection is performed so that the air-fuel ratio is the stoichiometric air-fuel ratio or a value close thereto, and fuel is injected during the intake stroke to diffuse the air-fuel mixture and perform uniform combustion. Control quantity and injection timing.
[0028]
FIG. 2 shows a cam lift curve for indicating the opening / closing timing of the intake / exhaust valves, where InV means an intake valve and ExV means an exhaust valve. InO and InC are intake valve opening and closing timings, and ExO and ExC are exhaust valve opening and closing timings. Here, the opening timings InO and ExO of the intake valves and the exhaust valves are defined at the transition time from the constant speed section to the acceleration section in the cam lift characteristics, and the closing timings InC and ExC of the intake valves and exhaust valves are the accelerations in the cam lift characteristics. It is defined by the transition time from the section to the constant speed section (see FIG. 3).
[0029]
In FIG. 2, when the exhaust valve is advanced most within the open / close timing variable range, the closing timing ExC is in front of the intake top dead center TDC as indicated by a solid line, and when it is most retarded, the closing timing ExC is intake as indicated by a broken line. After the top dead center TDC, the intake valve opens as indicated by a broken line when it is advanced most within the variable timing range, and the opening timing InO opens as indicated by a solid line when it is most retarded before the intake top dead center TDC. Timing InO is after intake top dead center TDC. Therefore, when the exhaust valve as shown by the broken line is retarded and the intake valve is advanced, there is an overlap in the valve opening period, but the exhaust valve as shown by the solid line is advanced and the intake valve is retarded. In the state, there is no overlap in both valve opening periods. The period from the exhaust valve closing timing ExC to the intake valve opening timing InO without such an overlap is referred to as a minus overlap (minus O / L) for convenience in the description of the embodiment.
[0030]
Next, how to set and change the valve timing according to the operating state will be described with reference to FIGS. In the following description, the numerical values representing the timing and period of the intake valve and exhaust valve opening / closing timing are based on the crank angle, BTDC means before the top dead center, and ATDC is the top dead center. Means after.
[0031]
In the low load region B surrounded by the alternate long and short dash line in FIG. 4 in the warm state of the engine, as shown in FIG. 5, the exhaust valve closing timing ExC is set a predetermined period before the intake top dead center TDC, The intake valve opening timing InO is after the intake top dead center TDC, and the period θIn from the intake top dead center TDC to the intake valve opening timing InO is longer than the period θEx from the exhaust valve closing timing ExC to the intake top dead center TDC. It is set at a longer time.
[0032]
The exhaust valve closing timing ExC before the intake top dead center TDC is a time when an appropriate amount of internal EGR can be obtained while ensuring combustion stability at low load, specifically, intake top dead center. It is set to about 5 ° or more before TDC, and preferably about 5 to 15 ° BTDC. Further, the intake valve opening timing InO is preferably set to a timing when [θIn−θEx] ≧ 5 °, for example, set to about ATDC 10 to 20 °. Note that the period from the exhaust valve closing timing ExC to the intake valve opening timing InO in this region B is preferably 20 ° or more.
[0033]
Further, in the middle and high speed regions of the engine in the middle load to the high load side (regions in the middle load region and the high load region excluding the fully open region and the vicinity thereof), the exhaust valve closing timing ExC is the intake top dead center. By setting the intake valve opening timing InO to be after the intake top dead center TDC before the predetermined time period from the TDC, a negative O / L is set. The minus O / L is made larger in the medium speed region of the medium load to high load region than in the high speed region.
[0034]
That is, in FIG. 4, the minus O / L is maximized in the medium speed region (region A) in the region extending from the engine intermediate load to a slightly higher load side. More specifically, as shown in FIG. 6 (b), the exhaust valve closing timing ExC is 20 ° or more before the intake top dead center TDC, preferably BTDC 30 to 40 ° at medium and medium speeds (in the region A). And the intake valve opening timing InO is preferably set to 35 ° to 45 ° after the intake top dead center TDC. Note that, in the middle speed and middle load range, the intake valve closing timing InC is about 80 ° after the intake bottom dead center, and the exhaust valve opening timing is about 80 ° before the exhaust bottom dead center. And, according to the valve timing variable device used in the present embodiment, the intake valve closing timing also changes with the change of the intake valve opening timing, while the valve opening period of the intake valve and the exhaust valve is kept constant, Further, the exhaust valve opening timing also changes corresponding to the change of the exhaust valve closing timing.
[0035]
As shown in FIG. 6C, the high-speed medium load region, which is a region on the higher speed side than the region A, has minus O / L, but the period is made smaller than the medium-speed medium load region, for example, the exhaust valve closing timing ExC Is set to BTDC 20 to 30 °, and the intake valve opening timing InO is set to ATDC 25 to 35 °.
[0036]
Further, when the fully open area is approached from the region A, the exhaust valve is gradually retarded and the intake valve is gradually advanced, so that the minus O / L is gradually reduced or further positive. It reaches the state where overlap occurs. In the middle speed fully open region, as shown in FIG. 6 (e), the exhaust valve closing timing ExC is set to, for example, about ATDC 10 ° after the intake top dead center TDC, and the intake valve opening timing InO is It is set to, for example, about BTDC 10 to 15 ° before the dead center TDC. Further, in the high speed and high load range, as shown in FIG. 6 (f), the exhaust valve closing timing ExC is set to, for example, about ATDC 10 ° after the intake top dead center TDC, and the intake valve opening timing InO is After the dead point TDC, for example, ATDC is set to 10 to 15 °.
[0037]
Further, as shown in FIG. 6A, minus O / L is made smaller in the low-speed medium load region than in the medium-speed medium load region. For example, the exhaust valve closing timing ExC is BTDC 20 to 30 °, and the intake valve opening timing InO is ATDC25. It is set to 35 °. As shown in FIG. 6 (d), the exhaust valve closing timing ExC is set to about ATDC 10 ° and the intake valve opening timing InO is set to about BTDC 10 to 15 °. The
[0038]
The valve opening / closing timing shown in FIGS. 5 and 6 is set when the engine cooling water temperature is higher than a predetermined temperature, and when the cooling water temperature is lower than the predetermined temperature. The exhaust valve closing timing ExC and the intake valve opening timing InO may be set to substantially the intake top dead center so as to reduce the internal EGR and ensure the combustion stability.
[0039]
According to the engine of the present embodiment as described above, in the low load region B, the exhaust valve closing timing ExC is set before the intake top dead center TDC. Is closed, burned gas remains in the combustion chamber 5 and an internal EGR effect is obtained, thereby reducing NOx. In this case, as in the present embodiment, an injector 18 that directly injects fuel into the combustion chamber 5 is provided. In a predetermined operation region including the low load region B, the air-fuel ratio is set to a lean air-fuel ratio that is larger than the stoichiometric air-fuel ratio and the compression stroke In a direct injection type engine in which fuel is injected in this way to perform stratified combustion, even in the low load region B, combustion stability at a lean air-fuel ratio is enhanced by stratified combustion and a relatively large amount of internal EGR is allowed, For example, an EGR rate of about 30% to about 40% is allowed.
[0040]
The earlier the exhaust valve closing timing ExC, the larger the internal EGR amount. Therefore, the exhaust valve closing timing ExC may be advanced within a range in which the internal EGR amount is allowed (combustion stability is not impaired). By setting the valve closing timing ExC to about BTDC 5 to 15 °, an appropriate internal EGR amount that does not impair the combustion stability in the low load region B can be obtained.
[0041]
Further, the exhaust valve closing timing ExC is set in a predetermined period before the intake top dead center TDC as described above, and the intake valve opening timing InO is set after the intake top dead center TDC and from the intake top dead center. Since the period θIn until the timing is set to a period when it becomes larger than the period θEx from the exhaust valve closing timing to the intake top dead center, the pumping loss reduction effect can be sufficiently obtained.
[0042]
This pumping loss reduction effect will be described with reference to FIG. When the exhaust valve closes before the intake top dead center TDC, the pressure in the combustion chamber increases once from the level corresponding to the exhaust pressure, decreases after passing the intake top dead center TDC, and further increases to the intake pressure when the intake valve is opened. In this process, the difference between the pressure until the intake top dead center TDC is reached and the pressure after the intake top dead center TDC passes is the pumping loss. When the intake valve is opened relatively early after the intake top dead center TDC (for example, the period from the intake top dead center TDC to the intake valve open timing is the period from the exhaust valve close timing to the intake top dead center TDC). In the case of the same or shorter), the pressure in the combustion chamber rapidly decreases to the intake pressure when the intake valve is opened, and the disparity increases, thereby increasing the pumping loss.
[0043]
On the other hand, if the intake valve opening timing InO is delayed so that θIn> θEx, the timing when the pressure in the combustion chamber decreases to the intake pressure is delayed, so that hatching is shown in FIG. 7 compared to the case of θIn = θEx. The pumping loss is reduced by that amount. In particular, the effect of reducing the pumping loss is sufficiently enhanced by delaying the intake valve opening timing InO to the extent that [θIn−θEx] ≧ 5 °. Most preferably, in order to reduce the pumping loss, the intake valve may be opened when the pressure in the combustion chamber is substantially the same as the intake pressure while the intake valve is closed.
[0044]
In addition, it is negative O / L even in the medium load or high load region of the engine and NOx is reduced by internal EGR. Especially in the medium and high load regions in the medium load or high load region, the low and low load regions Since the combustion stability is higher than that, by increasing the minus O / L, a relatively large amount of internal EGR is performed, and NOx is sufficiently reduced. Further, by setting the exhaust valve closing timing ExC to a predetermined period before the intake top dead center TDC and the intake valve opening timing InO after the intake top dead center TDC, the burned gas in the combustion chamber by the internal EGR is sufficiently cooled. Effects such as improvement of fuel efficiency and suppression of exhaust temperature rise due to improvement of thermal efficiency are also obtained.
[0045]
That is, when the exhaust valve closing timing ExC is set a predetermined time before the intake top dead center TDC and the intake valve opening timing InO is set after the intake top dead center TDC, as shown in FIG. The combustion chamber pressure rises until the top dead center TDC is reached, and the combustion chamber pressure decreases after the intake top dead center TDC. The temperature rises with an increase in pressure, and the temperature decreases with a decrease in pressure. During the period when the temperature in the combustion chamber is increased due to the increase in pressure, the surrounding wall (water jacket) that constitutes the combustion chamber is incorporated. As a result, the amount of heat radiation to the surrounding wall increases. Therefore, even if the temperature of the burned gas remaining in the combustion chamber is high when the exhaust valve is closed, the heat is sufficiently dissipated during the period when the pressure is high after the exhaust valve is closed, and the subsequent pressure drop As the temperature decreases. In this way, the effect | action which cools burnt gas is acquired, and combustion temperature and exhaust gas temperature fall by this like the case where the EGR gas cooled from the outside is introduce | transduced.
[0046]
In this case, in order to increase the pressure in the combustion chamber from the exhaust valve closing timing ExC to the intake top dead center TDC, the intake valve opening timing InO needs to be at least after the intake top dead center TDC. Further, if the intake valve opens at a relatively early time even after the intake top dead center TDC, the pressure in the combustion chamber rapidly decreases to the intake pressure at that time, and the heat dissipation effect is impaired. Therefore, for example, the intake valve opening timing is delayed so that the period from the intake top dead center TDC to the intake valve opening timing InO becomes equal to or longer than the period from the exhaust valve closing timing ExC to the intake top dead center TDC. This contributes to a decrease in combustion temperature and exhaust temperature. In addition, by reducing the intake valve opening timing in this manner, the pumping loss reducing effect can be obtained as described above.
[0047]
The reduction in the combustion temperature improves the thermal efficiency, and this and the pumping loss reduction effect improve the fuel efficiency. The decrease in the exhaust temperature suppresses the temperature rise of the catalyst, thereby improving the reliability and durability of the catalyst. Be improved. Further, the reduction in combustion temperature also exhibits the effect of suppressing knocking in the high load side region.
[0048]
Further, if the internal EGR is obtained by minus O / L in this way, the intake valve and the exhaust valve are closed at the intake top dead center, so that the internal EGR is obtained by the conventional positive overlap. There is no need to provide a deep recess on the top surface of the piston.
[0049]
Further, according to such minus O / L, the effective valve opening period of the intake valve and the exhaust valve decreases as the engine speed increases, which is substantially equivalent to increasing minus O / L. Therefore, even if the minus O / L is made smaller in the high speed range than in the medium speed range, the effects such as securing the internal EGR and reducing the combustion temperature and the exhaust temperature can be sufficiently obtained. Therefore, for example, at medium speed and medium load, as shown in FIG. 6B, the exhaust valve closing timing ExC is set to about BTDC 30 to 40 °, the intake valve opening timing InO is set to about ATDC 35 to 45 °, and the minus O / L is large. On the other hand, at high speed and medium load, as shown in FIG. 6C, the exhaust valve closing timing ExC is set to about BTDC 20 to 30 °, the intake valve opening timing InO is set to about ATDC 25 to 35 °, and minus O / L Is made smaller than the medium speed / medium load, it is avoided that the amount of internal EGR becomes excessive, and the output is secured while the above effects are obtained.
[0050]
Further, in the fully open region of the engine, the exhaust valve closing timing ExC is set to about ATDC 10 ° which is slightly later than the intake top dead center TDC, so that the internal EGR is reduced as much as possible to ensure the fully open torque.
[0051]
In the low speed fully open region, the opening and closing timings of the intake valve and the exhaust valve are set in substantially the same manner as the medium speed fully open region. Also, in the low-speed medium load range, the exhaust valve closing timing ExC is brought closer to the top dead center TDC and the minus O / L is reduced in order to reduce the internal EGR compared to the medium-speed medium load region in order to ensure combustion stability. Tei Ru.
[0052]
【The invention's effect】
As described above, according to the engine of the present invention, in the low load range, the exhaust valve closing timing is set a predetermined time before the intake top dead center, and the intake valve opening timing is set after the intake top dead center. Therefore, since the period from the intake top dead center to the intake valve open timing is set to be longer than the period from the exhaust valve close timing to the intake top dead center, the internal EGR effect is sufficient in the low load range. While NOx is reduced, the pumping loss reduction effect can be enhanced and a significant improvement in fuel consumption can be achieved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram of a four-cycle engine according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a cam lift curve for showing opening / closing timings of an intake valve and an exhaust valve.
FIG. 3 is a partially enlarged view of a cam lift curve.
FIG. 4 is an explanatory view showing a map of how to set and change the valve timing according to the operating state.
FIG. 5 is a diagram showing the closing timing of the exhaust valve and the opening / closing timing of the intake valve in a low load range.
FIG. 6 is a diagram illustrating the closing timing of the exhaust valve and the opening / closing timing of the intake valve in each of the operation ranges of low speed medium load, medium speed medium load, high speed medium load, low speed full open, medium speed full open, and high speed full open.
FIG. 7 is a diagram showing changes in the combustion chamber volume and the pressure in the combustion chamber from the latter half of the exhaust stroke to the first half of the intake stroke.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Engine main body 5 Combustion chamber 9 Intake valve 10 Exhaust valve 13, 14 Valve timing variable apparatus 40 ECU
42 Valve timing control means 43 Fuel injection control means

Claims

The engine cooling water temperature is at a predetermined temperature or higher, and the engine load is divided into a low load range when the engine load is divided into a low load range, a medium load range, and a high load range. The exhaust valve closing timing defined at the time of transition to the constant speed section is set a predetermined period before the intake top dead center, and the intake valve opening time defined at the transition from the constant speed section to the acceleration section in the intake valve cam lift characteristics is set. The timing is set to a time after the intake top dead center and the period from the intake top dead center to the intake valve open timing is longer than the period from the exhaust valve close timing to the intake top dead center , and the exhaust A variable valve timing device that can change the valve opening / closing timing with respect to at least one of the valve and the intake valve, and from the exhaust valve closing timing to the intake valve opening timing across the intake top dead center. The period, load region in medium speed of an automotive four-cycle engine, characterized in that changing the valve closing timing according to the operating condition so as to increase relative to the low speed in the load range.

2. The automobile according to claim 1, wherein the valve opening / closing timing is changed in accordance with an operating state so that a period from the exhaust valve closing timing to the intake valve opening timing is reduced at least as the load increases from a medium load. 4 cycle engine.

When the engine coolant temperature is at a predetermined temperature or higher and the engine load is divided into a low load range, a medium load range, and a high load range, the intake top dead from the exhaust valve closing timing. the period until the point was 5 ° or more 15 ° or less with the crank angle, and 35 ° or less 20 ° or more in crank angle period from the exhaust valve closing timing across the intake top dead center to the intake valve opening timing The automobile four-cycle engine according to claim 1 or 2, wherein

The automobile four-cycle engine according to any one of claims 1 to 3, further comprising an injector that directly injects fuel into the combustion chamber.