JP2002332877A

JP2002332877A - 自動車用４サイクルエンジン

Info

Publication number: JP2002332877A
Application number: JP2001139224A
Authority: JP
Inventors: Kensuke Tominaga; 健介富永
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2001-05-09
Filing date: 2001-05-09
Publication date: 2002-11-22

Abstract

(57)【要約】【課題】エンジンの低負荷・低速回転時における成層
燃焼性を損なうことなく、高負荷・高速回転時に、ノッ
キングの発生を抑制してエンジンの信頼性を高めること
ができるようにする。【解決手段】吸気弁９の開弁期間を一定としつつその
開閉タイミングを可変とする位相式のバルブタイミング
可変装置１３を備えた自動車用４サイクルエンジンにお
いて、エンジンが高負荷かつ高速回転の運転領域におけ
る吸気弁開時期を、吸気上死点以後であって、吸気弁の
開放により吸気ポートに吹き返すガス量が略０になる時
点に設定するとともに、上記運転領域における吸気弁閉
時期を、吸気下死点よりも所定値以上遅い時期に設定す
るバルブタイミング制御手段４２を備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、吸気弁の開弁期間
を一定としつつその開閉タイミングを可変とする位相式
のバルブタイミング可変装置を備えた自動車用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、例えば特開昭６１−１８７５２６
号公報に示されるように、過給機を備えたエンジンにお
いて、吸気弁のバルブタイミングを制御する可変バルブ
タイミング機構と、過給機の作動条件を検知する手段
と、この検知手段からの信号によって吸気弁のバルブタ
イミングを演算する手段と、この演算されたバルブタイ
ミングが得られるように可変バルブタイミング機構を駆
動する手段とを備え、上記検知手段によりエンジン回転
数、過給圧力または吸入空気温度等の過給機作動条件因
子を検知するとともに、この条件因子に基づいてバルブ
タイミングの遅れ量を上記演算手段により演算し、この
演算された遅れ量が得られるように上記可変バルブタイ
ミング機構を駆動するように構成された過給機付エンジ
ンのバルブタイミング制御装置が知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記公報に示されるよ
うに検知手段により検出されたエンジン回転数、過給圧
力または吸入空気温度等の過給機作動条件因子に基づい
てバルブタイミングの遅れ量を制御するように構成した
場合には、例えば過給圧の高い高負荷（全負荷）領域に
おける高速回転時に、上記吸気弁のバルブタイミングを
通常時に比べて遅らせることにより、幾何学的圧縮比を
高くして膨張比を稼ぎながら有効圧縮比を適度に抑える
ことができるため、圧縮上死点における燃焼室内温度の
上昇を抑制してノッキングの発生を防止することが可能
となる。

【０００４】しかし、吸気弁の開弁期間を一定としつつ
その開閉タイミングを可変とする位相式のバルブタイミ
ング可変装置を備えた自動車用４サイクルエンジンにお
いて、上記のようにエンジンの高負荷・高速回転時に吸
気弁閉時期を遅らせるようにした場合には、これに対応
して吸気弁開時期も同時に遅れることになる。そして、
吸気弁開時期の遅れが大きくなると、その遅れの間に燃
焼室内の圧力が低下することにより、吸気弁の開放と同
時に多量の吸気が燃焼室内に高速で流入し、その断熱圧
縮作用によって吸気の圧縮前温度が上昇することが避け
られず、これに伴って圧縮上死点温度が上昇してノッキ
ングが発生し易くなるという問題がある。

【０００５】上記のように吸気の圧縮前温度が上昇する
運転状態では、有効圧縮比を低下させても圧縮上死点温
度を低下させることができず、エンジンの耐ノック性を
改善することができないので、吸気弁の開弁期間を長く
して高負荷・高速回転時に吸気弁開時期を遅らせること
なく、その吸気弁閉時期を遅らせることにより吸気の圧
縮前温度が上昇しないようにすることも考えられる。し
かし、このように構成した場合には、エンジンの低負荷
（部分負荷）かつ低速回転の運転領域等において、燃費
の面で有利な成層燃焼を行うことができなくなるという
問題がある。

【０００６】すなわち、空燃比を理論空燃比よりもリー
ンとして成層燃焼を行うエンジンの低負荷・低速回転時
等には、吸気弁閉時期が遅くなり過ぎることに起因した
吸気の吹き返しを抑制して成層燃焼に適するように、吸
気弁閉時期を高負荷・高速回転時に比べて進角させる必
要がある。この場合に、吸気弁の開弁期間が長いと、上
記吸気弁閉時期の進角に応じて吸気弁開時期が過度に進
角され、吸気弁が開放された時点で多量の既燃ガスが吸
気ポートに吹き返されて燃焼安定性が損なわれる可能性
がある。

【０００７】したがって、上記位相式のバルブタイミン
グ可変装置を備えた自動車用４サイクルエンジンにおい
て、低負荷・低速回転時等の燃焼安定性を損なうことな
く、成層燃焼を適正に行うことができるようにするため
には、吸気弁の開弁期間を比較的短く、例えば２２０ｄ
ｅｇ〜２３０ｄｅｇ程度に設定することにより、上記吸
気弁閉時期を進角させる際に、吸気弁開時期が過度に進
角されるのを防止する必要がある。

【０００８】一方、吸気弁の閉弁期間が短く設定された
位相式のバルブタイミング可変装置を用いて、有効圧縮
比を適度に抑えるために、エンジンの高負荷・高速回転
時に吸気弁閉時期を遅角させる制御を実行すると、吸気
弁開時期も同時に遅角されることになるので、上記のよ
うに多量の吸気が燃焼室内に高速で流入して圧縮前温度
が上昇し、圧縮上死点における燃焼室内温度が上昇する
ことに起因してノッキングが発生し易くなるという問題
があり、このような弊害を防止することが望まれいた。

【０００９】本発明は上記の事情に鑑み、吸気弁の開弁
期間を一定としつつその開閉タイミングを可変とする位
相式のバルブタイミング可変装置を備えた自動車用４サ
イクルエンジンにおいて、エンジンの低負荷・低速回転
時における成層燃焼性を損なうことなく、高負荷・高速
回転時に、ノッキングの発生を抑制してエンジンの信頼
性を高め、エンジン出力の向上図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、吸気弁の開弁
期間を一定としつつその開閉タイミングを可変とする位
相式のバルブタイミング可変装置を備えた自動車用４サ
イクルエンジンにおいて、エンジンが高負荷かつ高速回
転の運転領域における吸気弁開時期を、吸気上死点以後
であって、吸気弁の開放により吸気ポートに吹き返すガ
ス量が略０になる時点に設定するとともに、上記運転領
域における吸気弁閉時期を、吸気下死点よりも所定値以
上遅い時期に設定するバルブタイミング制御手段を備え
たものである。

【００１１】この発明によると、エンジンが高負荷かつ
高速回転の運転領域にある場合に、吸気弁開時期および
吸気弁閉時期が上記のタイミングに設定されることによ
り、吸気弁の開弁期間を長くすることなく、吸気弁の開
放時に多量の吸気が燃焼室内に高速で流入することに起
因した吸気の圧縮前温度の上昇が防止されるとともに、
幾何学的圧縮比がかなり高い場合であっても有効圧縮比
が適度に抑えられてエンジン内部での圧縮仕事による温
度上昇が抑制されるため、ノッキングの発生が効果的に
防止されることになる。

【００１２】この発明のエンジンにおいて、ターボ過給
機と、このターボ過給機のタービンをバイパスするバイ
パス通路と、このバイパス通路を開閉するウエストゲー
トバルブと、上記ターボ過給機により過給される吸気を
冷却するインタークーラとを備え、上記ウエストゲート
バルブが開放状態となるインターセプト点付近から高速
回転側の運転領域で、上記バルブタイミング制御手段に
よる吸気弁開閉時期の制御を実行することが好ましい。

【００１３】このようにすると、エンジンが高負荷かつ
高速回転の運転領域にある場合に、上記バルブタイミン
グ制御手段による吸気弁開閉時期の制御が実行されると
ともに、上記ターボ過給機により過給される吸気がイン
タークーラで冷却された状態で燃焼室内に供給されるこ
とにより、圧縮上死点温度の上昇が抑制されつつ、上記
吸気弁閉時期が遅角されることによる吸気の充填量の減
少分が上記ターボ過給機による過給により補われるた
め、吸気の充填量が不足することに起因したエンジン出
力の低下が効果的に防止される。

【００１４】また、上記インターセプト点よりも高速回
転側の運転領域で、上記バルブタイミング制御手段によ
る高負荷かつ高速回転時における吸気弁開閉時期の制御
を実行することが好ましい。

【００１５】このようにすると、ターボ過給機に過給余
力がある状態で、上記吸気弁開閉時期を上記タイミング
に遅角させる制御が実行されるため、上記吸気弁閉時期
が遅角されることによる吸気の充填量の減少分が上記タ
ーボ過給機による過給により効果的に補われ、吸気の充
填不足に起因したエンジン出力の低下が確実に防止され
ることになる。

【００１６】また、上記インターセプト点よりも低速回
転側から高速回転側の運転領域で、上記バルブタイミン
グ制御手段による高負荷かつ高速回転時における吸気弁
開閉時期の制御を実行するとともに、上記インターセプ
ト点付近で吸気の動的効果が生じるように吸気通路を構
成してもよい。

【００１７】このようにすると、ターボ過給機による過
給余力がない上記インターセプト点よりも低速回転側で
は、上記吸気弁閉時期が遅角されることによる吸気の充
填量の減少分が、上記吸気の脈動効果により補われるた
め、吸気の充填不足に起因した出力低下が効果的に防止
されることになる。

【００１８】さらに、上記エンジンの高負荷かつ高速回
転時における排気弁閉時期を、吸気上死点よりも前に設
定することが好ましい。

【００１９】このようにすると、エンジンが高負荷かつ
高速回転の運転領域にある場合に、排気弁が吸気上死点
よりも前に閉じられることになり燃焼室内に残存する低
温の既燃ガスによる内部ＥＧＲ効果が得られるため、燃
焼室内の温度上昇がさらに抑制されてノッキングの発生
が確実に防止されることになる。

【００２０】

【発明の実施の形態】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および排気ポート８
が開口し、これらのポート７，８は吸気弁９および排気
弁１０により開閉されるようになっている。

【００２１】上記吸気弁９および排気弁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
および排気弁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、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、開弁期間を一定としつつ開時期および閉時期
を変更することができるように構成されている。なお、
上記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、その具体的な構造の説明は省略す
る。

【００２２】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５に臨んでいる。
さらに燃焼室５には、その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から燃焼室５内に
燃料が直接噴射されるようになっている。

【００２３】上記エンジン本体１には、吸気通路２０お
よび排気通路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。

【００２４】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を還元するリーンＮＯｘ触媒が用いられてい
る。

【００２５】また、上記エンジンには、吸気通路２０に
設けたコンプレッサ５１と、排気通路３０に設けたター
ビン５２と、両者を連結する軸体５３とを有するターボ
過給機５０が装備されている。このターボ過給機５０
は、排気ガス流によりタービン５２が回転し、それに連
動してコンプレッサ５１が回転することにより吸気を過
給するように構成されている。なお、上記吸気通路２０
におけるコンプレッサ５１の設置部の下流には、インタ
ークーラ５５が設けられている。さらに、上記排気通路
３０にはタービン５２の設置部をバイパスするウエスト
ゲート通路５６が設けられ、このウエストゲート通路５
６にはウエストゲートバルブ５７が設けられている。

【００２６】図１において、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ＥＣＵ４
０には、上記エアフローセンサ２２、スロットル開度セ
ンサ２５および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。

【００２７】そして、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、上記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、かつ上記ウエスト
ゲートバルブ５７のアクチュエータに対して開閉駆動信
号が出力されるようになっている。

【００２８】上記ＥＣＵ４０は、運転状態判別手段４
１、バルブタイミング制御手段４２および燃料噴射制御
手段４３を含んでいる。上記運転状態判別手段４１は、
クランク角センサ３５から出力されたクランク角信号の
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構成されている。

【００２９】バルブタイミング制御手段４２は、上記運
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および排気弁１２の開閉タイミングを
後述するように設定、変更するように構成されている。

【００３０】また、燃料噴射制御手段４３は、上記運転
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からの燃料噴射量および噴射時期を制御
するように構成されている。例えば、エンジンの低負荷
側の所定領域では、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、燃料噴射量および噴射タイミングが
制御されるようになっている。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
射量および噴射タイミングを制御する。

【００３１】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およびＩｎＣ
は吸気弁ＩｎＶの開時期および閉時期、ＥｘＯおよびＥ
ｘＣは排気弁ＥｘＶの開時期および閉時期である。ここ
で、吸気弁ＩｎＶおよび排気弁ＥｘＶ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ＩｎＶおよ
び排気弁ＥｘＶ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）。

【００３２】図２において、排気弁ＥｘＶ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より所定量だけ前、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Ｔ
ＤＣよりもやや後となり、吸気弁ＩｎＶ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よりもやや前、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
り所定量だけ後となる。

【００３３】したがって、破線で示すような排気弁Ｅｘ
Ｖが遅角、吸気弁ＩｎＶが進角した場合には、両者の開
弁期間に僅かなオーバラップがあるが、実線で示すよう
な排気弁ＥｘＶが進角、吸気弁ＩｎＶが遅角した場合に
は、両者の開弁期間にオーバラップがない状態、つまり
マイナスオーバラップ（マイナスＯ／Ｌ）状態となる。

【００３４】エンジンが高負荷かつ高速回転の運転領域
にある場合における吸気弁開閉時期ＩｎＯ，ＩｎＣは、
図２の実線で示すように設定され、吸気弁開時期ＩｎＯ
は、破線で示す通常時、例えば低負荷・低速回転時に比
べて所定量だけ遅角され、吸気上死点ＴＤＣ以後であっ
て、吸気弁ＩｎＶの開放により吸気ポートに吹き返すガ
ス量が略０になる時点に設定される。

【００３５】すなわち、上記吸気弁開時期ＩｎＯを吸気
上死点ＴＤＣ以前または吸気上死点後の早い時期に設定
した場合には、燃焼室５内の圧力が比較的高い状態で吸
気弁９が開放されるため、吸気弁９の開放と同時に燃焼
室５内の既燃ガスが吸気ポート７に吹き返すことにな
る。これに対して上記吸気弁開時期ＩｎＯを吸気上死点
ＴＤＣ後の比較的遅い時期に設定した場合には、燃焼室
５内の圧力が充分に低くなった状態で吸気弁９が開放さ
れるため、吸気弁の開放と同時に吸気ポート７に吹き返
すガス量が０となる。

【００３６】上記吸気弁９の開放時に既燃ガスが吸気ポ
ート７に吹き返しているか否かは、吸気ポート７内にお
ける吸気の流速を検出することにより検出することが可
能であり、例えば、図１に示すようなエンジンを使用し
て吸気弁９の開放時に、上記吸気の流速がどのように変
化するかを検出するシミュレーションを行ったところ、
図４に示すようなデータが得られた。上記シミュレーシ
ョンでは、幾何学的圧縮比を、１０．２と比較的高圧縮
比に設定し、エンジン回転数を、最大出力点である５０
００ｒｐｍに設定するとともに、エンジン負荷を全負荷
状態に設定した状態で、吸気弁開時期ＩｎＯを、上死点
ＴＤＣ後の０ｄｅｇ〜４０ｄｅｇの範囲内で種々変化さ
せて吸気流速の変化状態を検出した。なお、インターク
ーラ５５を通過した後の吸気温度は６０℃に設定した。

【００３７】上記データから吸気弁開時期ＩｎＯを、吸
気上死点ＴＤＣ後の比較的早い時期（０ｄｅｇ，１０ｄ
ｅｇ）に設定した場合には、吸気弁９の開放と同時に既
燃ガスが吸気ポート７に吹き返すことに起因して、吸気
流速が一時的に低下した後に上昇し始めることが確認さ
れた。そして、上記吸気弁開時期ＩｎＯを上死点ＴＤＣ
後の２０ｄｅｇの時期に設定した場合には、吸気弁Ｉｎ
Ｖの開放時に吸気流速の低下がほとんど見られず、吸気
ポート７に吹き返すガス量が略０になる状態にあること
が確認された。

【００３８】また、上記吸気弁開時期ＩｎＯを吸気上死
点ＴＤＣ後の３０ｄｅｇ，４０ｄｅｇの時期に設定した
場合には、吸気弁９の開放時に吸気流速の低下が全く見
られないとともに、吸気弁９の開放後に吸気流速が急上
昇することが確認された。すなわち、図５に示すよう
に、吸気ポートに吹き返すガス量が略０になる点（吸気
上死点後の２０ｄｅｇの時期）を超えて吸気弁開時期の
遅角量を増大させると、これに対応して吸気ポート内流
速のピーク値が次第に大きくなることが確認された。こ
れは、燃焼室５内の圧力が充分に低下した状態で、上記
吸気弁９が開放されるため、多量の吸気が燃焼室５内に
高速で流入することによると考えられる。

【００３９】一方、上記エンジンが高負荷かつ高速回転
の運転領域における吸気弁閉時期ＩｎＣは、図２の実線
で示すように、吸気下死点ＢＤＣよりも所定値以上遅い
時点、つまり吸気弁ＩｎＶが閉じた後に排気弁ＥｘＶが
開かれるまでの間で、有効圧縮比と比べて膨張比が大き
くなって、有効圧縮比が引き下げられつつ膨張比が充分
に確保される時点に設定される。例えば、幾何学的圧縮
比が１０．２に設定されたエンジンでは、上記運転領域
における吸気弁閉時期ＩｎＣが、吸気下死点ＢＤＣより
も６０ｄｅｇ〜７０ｄｅｇ程度だけ遅い時点に設定され
ることにより、膨張行程における膨張比に比べて吸気圧
縮時における有効圧縮比が小さな値に引き下げられる。

【００４０】なお、上記のように吸気弁開時期ＩｎＯを
圧縮上死点ＴＤＣよりも２０ｄｅｇだけ遅い時点に設定
するとともに、吸気弁閉時期ＩｎＣを圧縮下死点ＢＤＣ
よりも６０ｄｅｇ〜７０ｄｅｇ程度だけ遅い時点に設定
する場合には、吸気弁ＩｎＶの開弁期間が２２０ｄｅｇ
〜２３０ｄｅｇ程度の比較的短い期間に設定された動弁
機構が使用されることになる。

【００４１】また、上記バルブタイミング制御手段４２
により実行されるエンジンの高負荷かつ高速回転時にお
ける上記吸気弁開閉時期の制御は、ターボ過給機５０の
インターセプト点よりも高速回転側、つまり上記ターボ
過給機５０に過給余力がある運転領域で実行される。上
記インターセプト点は、ターボ過給機５０の過給能力が
要求過給圧よりも高くなって上記ウエストゲートバルブ
５８が開状態となる計算上のエンジン回転数、例えば３
５００ｒｐｍ程度を示すものである。

【００４２】なお、上記高負荷の運転領域において、エ
ンジン回転数が上記インターセプト点となった時点で、
上記バルブタイミング制御手段４２による吸気弁開閉時
期の制御が実行されることにより、燃焼室５内に吸気が
入りにくくなって要求過給圧が上昇するので、この要求
過給圧に対応するように上記ウエストゲートバルブ５８
を設定することによる実際のインターセプト点は、上記
吸気弁開閉時期の制御が実行されないと仮定した計算上
のインターセプト点よりも高速回転側に移行することに
なる。

【００４３】さらに、エンジンが高負荷かつ高速回転の
運転領域における排気弁開閉時期ＥｘＯ，ＥｘＣは、図
２の実線で示すように、排気弁閉時期ＥｘＣが、破線で
示す通常時、例えば低負荷・低速回転時に比べて所定量
だけ遅角され、吸気上死点ＴＤＣよりも前に設定され
る。この結果、上記排気弁閉時期ＥｘＣから吸気弁開時
期ＩｎＯまでの期間がマイナスオーバラップ（マイナス
Ｏ／Ｌ）状態となる。

【００４４】上記のように吸気弁９の開弁期間を一定と
しつつその開閉タイミングを可変とする位相式のバルブ
タイミング可変装置１３を備えた自動車用４サイクルエ
ンジンにおいて、エンジンが高負荷かつ高速回転の運転
領域における吸気弁開時期ＩｎＯを、吸気上死点ＴＤＣ
以後であって、吸気弁９の開放により吸気ポート７に吹
き返すガス量が略０になる時点に設定するとともに、上
記運転領域における吸気弁閉時期ＩｎＣを、吸気下死点
ＴＤＣよりも所定値以上遅い時期に設定する制御を上記
バルブタイミング制御手段４２により実行するようにし
たため、エンジンの低負荷・低速回転時における成層燃
焼性を損なうことなく、高負荷・高速回転時に、ノッキ
ングの発生を抑制してエンジンの信頼性を高めることが
できる。

【００４５】すなわち、エンジンの高負荷・高速回転時
に、ノッキングの発生を抑制するためには、圧縮上死点
温度を低下させることが有効である。この圧縮上死点温
度は、吸気弁閉時期ＩｎＣを遅角させることによる有効
圧縮比の低下効果、つまりエンジン内部での圧縮仕事量
を低減させることによる温度上昇の抑制効果と、吸気弁
開時期ＩｎＯを遅角させることによる断熱圧縮作用およ
び内部ＥＧＲの影響とを受けて変化するため、これらを
考慮して上記圧縮上死点温度を効果的に低下させること
ができるタイミングを選択して吸気弁開閉時期を設定す
ることにより、ノッキングの発生を抑制することが可能
となる。

【００４６】図６は、吸気弁開閉時期と、圧縮上死点温
度の変化量ΔＴ_TDCに対する上記有効圧縮比の低下効果
による影響度Ａ、上記断熱圧縮作用による影響度Ｂ、上
記内部ＥＧＲによる影響度Ｃおよびこれらの総合したも
のＤとの関係を示したものである。この図から、吸気弁
開閉時期を遅角させるのに伴い、上記有効圧縮比の低下
効果による影響度Ａが、圧縮上死点温度を低下させる方
向に作用するとともに、この作用が非線型的に増大す
る。

【００４７】また、上記吸気弁開閉時期の遅角量が所定
値となった時点で、上記断熱圧縮作用による影響度Ｂ
が、圧縮上死点温度を上昇させる方向に作用するととも
に、この作用が遅角量の増大に応じて非線型的に大きく
なる。これは、上記遅角量が所定値となって、吸気弁９
の開放と同時に吸気ポート７に対するガスの吹き返し量
が略０になる時期よりもさらに吸気弁閉時期が遅角され
ると、吸気が燃焼室５内に急激に流入することにより、
この吸気の流速エネルギーが燃焼室内で熱エネルギーに
変換されるためである。

【００４８】なお、吸気弁開閉時期を遅角させるのに伴
い、吸気の流入が抑制されてターボ過給機５０の要求過
給圧が上昇し、それに応じた設定によって排気圧（排気
ポート８に対する背圧）高くなることにより上記内部Ｅ
ＧＲ量が増大するため、この内部ＥＧＲによる影響度Ｃ
が圧縮上死点温度を上昇させる方向に作用する。この内
部ＥＧＲによる影響度Ｃは、上記有効圧縮比の低下効果
による影響度Ａおよび上記断熱圧縮作用による影響度Ｂ
に比べて相対的に小さいので、上記圧縮上死点温度を決
定する要素としては、上記有効圧縮比の低下効果による
影響度Ａおよび上記断熱圧縮作用による影響度Ｂが支配
的である。

【００４９】したがって、上記のようにエンジンが高負
荷かつ高速回転の運転領域における吸気弁開時期ＩｎＯ
を、吸気上死点ＴＤＣ以後であって、吸気弁９の開放に
より吸気ポート７に吹き返すガス量が略０になる時点に
設定することにより、上記断熱圧縮作用による影響を排
除して圧縮上死点温度の上昇を抑制することができる。
また、上記運転領域における吸気弁閉時期ＩｎＣを、吸
気下死点ＴＤＣよりも所定値以上遅い時期に設定するこ
とにより、上記有効圧縮比の低下効果を利用して圧縮上
死点温度を顕著に低下させることができるため、熱効率
向上等のため幾何学的圧縮比が９．５以上に設定された
高圧縮比のエンジンにおいても、ノッキングの発生を効
果的に防止してエンジンの信頼性を向上させることがで
きる。

【００５０】例えば、エンジンの幾何学的圧縮比を、１
０．２と比較的高圧縮比に設定し、エンジン回転数を、
最大出力点で５０００ｒｐｍに設定するとともに、エン
ジン負荷を全負荷状態に設定した状態で、吸気弁開時期
ＩｎＯを、吸気上死点ＴＤＣ後の０ｄｅｇ〜４０ｄｅｇ
の範囲内で種々変化させて圧縮上死点温度の変化状態を
計測するシミュレーションを行ったところ、図７に示す
ようなデータが得られた。このデータから、吸気開時期
ＩｎＯの遅角量を２０ｄｅｇに設定して圧縮上死点後２
０ｄｅｇの時点で吸気弁９を開放した場合、つまり吸気
弁９の開放時に吸気ポート７に吹き返すガス量が略０に
なる時点に吸気弁開時期ＩｎＯを設定した場合には、吸
気弁開時期ＩｎＯを圧縮上死点に設定した場合に比べ、
圧縮上死点温度の変化量ΔＴ_TDCが約１０℃のマイナス
方向となることが確認された。

【００５１】しかも、吸気弁９の開弁期間を一定としつ
つその開閉タイミングを可変とする位相式のバルブタイ
ミング可変装置１３を備えた自動車用４サイクルエンジ
ンにおいて、吸気弁開閉時期ＩｎＯ，ＩｎＣを上記タイ
ミングに設定した場合には、吸気弁開時期ＩｎＯを最大
限に遅角しつつ、吸気弁閉時期ＩｎＣの遅角量を所定値
とすることにより、吸気弁９の開弁期間を大きくするこ
となく、上記のようにエンジンの高負荷・高速回転時に
おけるノッキングを抑制することができる。

【００５２】したがって、空燃比を理論空燃比よりもリ
ーンとして成層燃焼を行うエンジンの低負荷・低速回転
時等に、吸気弁閉時期ＩｎＣを高負荷・高速回転時に比
べて進角させることにより、この吸気弁閉時期ＩｎＣが
遅くなり過ぎることに起因した吸気の吹き返しを抑制し
て成層燃焼に適した吸気が行われるように構成した場合
においても、吸気弁開時期ＩｎＯが過度に進角されるこ
とによる弊害、つまり吸気弁９が開放された時点で多量
の既燃ガス量が吸気ポートに吹き返されて燃焼安定性が
損なわれる事態の発生を効果的に防止することができ
る。

【００５３】また、上記実施形態では、ターボ過給機５
０と、このターボ過給機５０のタービン５２をバイパス
するバイパス通路５６と、このバイパス通路５６を開閉
するウエストゲートバルブ５７と、上記ターボ過給機５
０により過給される吸気を冷却するインタークーラ５５
とを備えたエンジンにおいて、上記吸気弁開閉時期の遅
角制御が実行される際に、ターボ過給機５０によって過
給される吸気をインタークーラ５５で冷却した状態で燃
焼室５内に供給するようにしたため、上記吸気弁閉時期
が遅角されることによる吸気の充填量の減少分を、上記
過給に応じて補うことにより、吸気の充填不足に起因し
たエンジン出力の低下を効果的に防止することができ
る。しかも、上記のようにインタークーラ５５で冷却さ
れた吸気を燃焼室５内に供給することにより、圧縮上死
点温度の上昇を抑制してノッキングの発生を効果的に防
止しつつ、吸気量を充分に確保してエンジン出力の低下
を抑制することができる。

【００５４】また、上記ウエストゲートバルブ５７が開
放状態となるインターセプト点（計算上のインターセプ
ト点）よりも高速回転側の運転領域で、つまりタービン
５２を駆動する排気ガス量が多く、ターボ過給機５０に
過給余力がある状態で、上記バルブタイミング制御手段
４２による高負荷・高速回転時の吸気弁開閉時期の制御
を実行するように構成した場合には、従来ではウエスト
ゲートバルブ５７の開放により大気に放出されていた排
気エネルギーを利用した高過給が行われるため、上記吸
気弁閉時期が遅角されることによる吸気の充填量の減少
分を上記ターボ過給機５０の過給によって確実に補うこ
とができる。これにより吸気の充填不足に起因したエン
ジン出力の低下を確実に防止することができるととも
に、ノッキングの発生を抑制した状態で、エンジン出力
をさらに向上させることも可能である。

【００５５】例えば、エンジンの幾何学的圧縮比が、１
０．２と比較的高圧縮比に設定されたエンジンにおいて
エンジ回転数を、１０００ｒｐｍ〜６０００ｒｐｍの範
囲内で種々変化させて、エンジン出力Ｐｅを計測するシ
ミュレーションを行ったところ、図７に示すようなデー
タが得られた。このデータから、上記制御を実行するこ
とにより、破線で示すように、エンジンの最大出力点で
ある５０００ｒｐｍの運転状態においてエンジン出力Ｐ
ｅを約５％向上できることが確認された。

【００５６】なお、上記実施形態に代え、インターセプ
ト点よりも低速回転側から高速回転側の運転領域で、上
記バルブタイミング制御手段４２による高負荷かつ高速
回転時における吸気弁開閉時期の制御を実行するととも
に、上記インターセプト点付近で吸気の動的効果が生じ
るように吸気通路を構成してもよい。このように構成し
た場合には、ターボ過給機５０による過給余力がない上
記インターセプト点よりも低速回転側で、上記吸気弁閉
時期が遅角されることによる吸気の充填量の減少分を、
上記吸気の脈動効果により補うことができるため、吸気
の充填不足に起因した出力低下を効果的に防止すること
できる。

【００５７】しかも、上記のようにインターセプト点よ
りも低速回転側から高速回転側の運転領域で、上記バル
ブタイミング制御手段４２による高負荷かつ高速回転時
における吸気弁開閉時期の制御を実行することにより、
インターセプト点よりも低速回転領域におけるエンジン
出力の低下を防止しつつ、この領域でのノッキングの発
生を防止することができるという利点がある。

【００５８】さらに、上記実施形態に示すように、エン
ジンの高負荷かつ高速回転時における排気弁閉時期Ｅｘ
Ｃを、吸気上死点ＴＤＣよりも前に設定した場合には、
吸気弁９の開放時に、燃焼室５内に既燃ガスを残存して
内部ＥＧＲ効果が得られる。。そして、吸気弁９は、吸
気上死点以後に開かれるため、排気弁１０が閉じてから
吸気上死点までに燃焼室５内の圧力が上昇し、それに伴
い燃焼室５内の温度が上昇している期間に充分に放熱が
行われた後に、吸気上死点後の圧力低下に伴って温度が
低下する。これにより燃焼室５内の既燃ガスが冷却さ
れ、低温のＥＧＲガスを導入する場合と同様に燃焼室５
内の温度上昇を抑制する作用が得られるため、ノッキン
グの発生をさらに効果的に防止できるという利点があ
る。

【００５９】

【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、エンジンが高負荷かつ高速回転の運転領域に
ある場合に、吸気弁開時期を、吸気上死点以後であっ
て、吸気弁の開放により吸気ポートに吹き返すガス量が
略０になる時点に設定するとともに、上記運転領域にお
ける吸気弁閉時期を、吸気下死点よりも所定値以上遅い
時期に設定するように構成したため、吸気弁の開弁期間
を長くすることなく、吸気弁の開放時に多量の吸気が燃
焼室内に高速で流入することに起因した吸気の圧縮前温
度の上昇を防止できるとともに、幾何学的圧縮比がかな
り高い場合であっても有効圧縮比を適度に抑えてエンジ
ン内部での圧縮仕事による温度上昇を防止でき、これに
よってエンジンの低負荷・低速回転時等に、エンジンの
高負荷・高速回転時にノッキングの発生を効果的に抑制
でき、しかもエンジンの低負荷・低速回転時における成
層燃焼性が損なわれるのを防止できる等の効果を奏する
ものである。

【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】吸気弁およ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】吸気ポート内流速の変化状態を示すシミュレー
ションデータである。

【図５】吸気ポート内流速ピークの変化状態を示すシミ
ュレーションデータである。

【図６】圧縮上死点温度の変化に対する各要因の影響度
を示すシミュレーションデータである。

【図７】圧縮上死点温度の変化状態を示すシミュレーシ
ョンデータである。

【図８】エンジン出力の変化状態を示すシミュレーショ
ンデータである。

【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４２バルブタイミング制御手段５０ターボ過給機５２タービン５５インタークーラ５６ウエストゲート通路５７ウエストゲートバルブ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｆ０２Ｂ 29/04 Ｆ０２Ｂ 29/04 Ｚ 37/00 ３０２ 37/00 ３０２Ａ 37/18 Ｆ０２Ｄ 23/00 ＫＦ０２Ｄ 23/00 43/00 ３０１Ｒ 43/00 ３０１３０１ＺＦ０２Ｂ 37/12 ３０１ＡＦターム(参考） 3G005 EA16 FA22 GA02 GB28 HA07 HA13 JA02 JA39 JA53 3G018 AA05 AB07 AB17 BA31 CA11 CA18 DA34 DA48 DA71 EA02 EA04 EA11 EA14 EA16 EA17 EA31 EA32 EA35 FA02 FA07 FA09 FA22 FA27 GA06 GA08 GA24 GA38 3G084 AA04 BA07 BA08 BA23 CA09 DA01 DA38 FA07 FA10 FA20 FA29 FA33 FA38 3G092 AA01 AA06 AA09 AA11 AA18 AB02 BA05 BA06 DA00 DA08 DA12 DC12 DF02 DF06 FA02 FA16 FA21 GA05 GA06 GA17 GA18 HA01Y HA06Z HA13X HB01X HB02X HD05Z HD09X HE01Z HE03Z HE08Z

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】吸気弁の開弁期間を一定としつつその開
閉タイミングを可変とする位相式のバルブタイミング可
変装置を備えた自動車用４サイクルエンジンにおいて、
エンジンが高負荷かつ高速回転の運転領域における吸気
弁開時期を、吸気上死点以後であって、吸気弁の開放に
より吸気ポートに吹き返すガス量が略０になる時点に設
定するとともに、上記運転領域における吸気弁閉時期
を、吸気下死点よりも所定値以上遅い時期に設定するバ
ルブタイミング制御手段を備えたことを特徴とする自動
車用４サイクルエンジン。
【請求項２】ターボ過給機と、このターボ過給機のタ
ービンをバイパスするバイパス通路と、このバイパス通
路を開閉するウエストゲートバルブと、上記ターボ過給
機により過給される吸気を冷却するインタークーラとを
備え、上記ウエストゲートバルブが開放状態となるイン
ターセプト点付近から高速回転側の運転領域で、上記バ
ルブタイミング制御手段による吸気弁開閉時期の制御を
実行することを特徴とする請求項１記載の自動車用４サ
イクルエンジン。
【請求項３】上記インターセプト点よりも高速回転側
の運転領域で、上記バルブタイミング制御手段による吸
気弁開閉時期の制御を実行することを特徴とする請求項
２記載の自動車用４サイクルエンジン。
【請求項４】上記インターセプト点よりも低速回転側
から高速回転側の運転領域で、上記バルブタイミング制
御手段による吸気弁開閉時期の制御を実行するととも
に、上記インターセプト点付近で吸気の動的効果が生じ
るように吸気通路を構成したことを特徴とする請求項２
記載の自動車用４サイクルエンジン。
【請求項５】エンジンの高負荷かつ高速回転時におけ
る排気弁閉時期を、吸気上死点よりも前に設定したこと
を特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の自動車用４
サイクルエンジン。