JP5581996B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、可変動弁機構を備える内燃機関に関する。

吸排気バルブのバルブタイミング、作動角及びリフト量を運転状態に応じて可変に制御する可変動弁システムを用いて、内燃機関の燃焼効率等の向上を図る技術が知られている。

例えば、特許文献１には、排気２弁式の内燃機関において、２つの排気バルブのバルブタイミング、バルブリフト量及び作動角を可変に制御し得る可変動弁システムが開示されている。このシステムでは、モータと油圧の２つのアクチュエータを用いて、２つの排気バルブのバルブタイミング、バルブリフト量、及び作動角を運転状態に応じて制御する。

例えば、低負荷時は小作動角、低回転高負荷時には中作動角（最大作動角と最小作動角の中間の大きさ）、高回転高負荷時には大作動角に設定している。

特開２００１−３５５４６９号公報

しかしながら、特許文献１のように両排気バルブのバルブタイミング、バルブリフト量、及び作動角を変化させるためにモータと油圧の２つのアクチュエータを用いる構成では、コストが高くなってしまう。また、低負荷等のシリンダ内流動が小さな運転領域においては、ＨＣ排出量が増加してしまう可能性もある。

そこで、本発明ではＨＣ排出量増加を回避することができる、低コストなシステムを提供することを目的とする。

本発明は、１気筒あたり２本の排気バルブを備える内燃機関である。そして、一方の排気バルブは作動角が一定の固定カムにより駆動し、他方の排気バルブは固定カムの作動角より小さい小作動角から固定カムの作動角より大きい大作動角の間で作動角を変化させ得る作動角可変機構を備える可変カムにより駆動する。さらに、小作動角時には可変カムの開タイミングまたは閉タイミングの少なくとも一方は、固定カムの開タイミングから閉タイミングの間にあり、作動角可変機構は、内燃機関の運転領域が低回転高負荷領域の場合には、前記可変カムの作動角が前記固定カムの作動角以下になるように、高回転高負荷領域の場合には前記可変カムの作動角を前記固定カムの作動角よりも大きくなるようにリフト特性を変化させる。

本発明によれば、小作動角の場合には、固定カムまたは可変カムのいずれか一方のみが開弁する片弁期間が生じ、この期間中は排気ポート内の排気の乱流強度が強まる。その結果、排気ポート内酸化が促進されるのでＨＣ排出量の増加を回避することができる。また、一方を固定カムとして、他方を作動角可変機構とするシンプルな構成によってバルブタイミング、バルブリフト量、及び作動角を変更できる安価なシステムを実現できる。

本発明を適用する作動角可変機構の構成図である。 第１実施形態のリフト特性図である。 作動角可変機構の制御に用いる運転領域マップである。 第２実施形態のリフト特性図である。 第３実施形態のリフト特性図である。

以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は第１実施形態で用いる作動角可変機構１の構成図である。

作動角可変機構１は、各気筒に排気バルブを２本備える排気２弁式の内燃機関に取り付けられ、一方の排気バルブを揺動カム８で、他方の排気バルブを固定カム９で開閉駆動するものである。

揺動カム８のバルブ駆動原理は、例えば特開２００３−２０１８６８号公報等に開示されている作動角可変機構と同様なので、概要のみを説明する。

駆動軸２及び制御軸５は、それぞれ内燃機関の気筒列と略平行に配置されている。駆動軸２は、タイミングチェーン等を介して内燃機関のクランクシャフトに同期して回転する。

駆動軸２の外周には偏心カム３が圧入等により固定され、偏心カム３の外周には第１リンク４が偏心カム３に対して相対回転可能に外嵌されている。

また、駆動軸２の一方の端部付近にはギヤ１３が圧入等により固定され、このギヤ１３はアクチュエータ１４のピニオンギヤ１５と噛み合っている。すなわち、アクチュエータ１４を駆動することで制御軸５を回転させることができる。このアクチュエータ１４の制御は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１６が、クランク角センサ１７で検出するエンジン回転速度、エアフローメータ１８で検出する機関負荷等に基づいて行う。制御の詳細については後述する。

制御軸５は、外周部が偏心カム状に形成された偏心カム部５ａを備えており、そこにロッカーアーム６が相対回転可能に外嵌されている。

第１リンク４の一端は連結ピン等を介してロッカーアーム６の一端と相対回転可能に連結されている。ロッカーアーム６の他端には第２リンク７の一端が連結ピン１０を介して相対回転可能に連結されている。第２リンク７の他端は、連結ピン１１を介して揺動カム８に相対回転可能に連結されている。揺動カム８は駆動軸２の外周に相対回転可能に外嵌されている。

固定カム９は駆動軸２の外周に圧入等により固定されている。

なお、連結ピン１０は、ロックボルト１２と、連結ピン１０を挟んでロックボルト１２に対向する位置に配置されるアジャスタスクリュー（図示せず）とによって、ロッカーアーム６のピン孔内での位置決めがなされる。連結ピン１０の位置が変化すると第２リンク７の位置も変化し、これに伴って揺動カム８の姿勢が変化する。そこで、作動角可変機構１を内燃機関に取り付ける際の適合では、アジャスタスクリュー等によって揺動カム８の姿勢を調整する。

上記のような構成により、駆動軸２が回転すると、偏心カム３を介して第１リンク４が並進移動し、これに応じてロッカーアーム６が制御軸５の偏心カム部分の軸心回りに揺動し、かつ第２リンク７を介して揺動カム８が駆動軸２回りに揺動する。これにより、揺動カム８は、バルブリフタ等を介して一方の排気バルブを内燃機関の回転に連動して開閉する。

そして、アクチュエータ１４によって制御軸５を回転制御することで、ロッカーアーム６の揺動中心となる偏心カム部５ａの軸心位置を変化させ、排気バルブのリフト特性を連続的に変化させることができる。例えば、偏心カム部５ａの軸心と駆動軸２の軸心との距離が近づくと作動角が大きくなり、これに伴いリフト量も増大する。作動角及びリフト量が変化する際には、作動角の中心位置（中心角）は動かず、中心角から開弁及び閉弁のタイミングまでの大きさが変化する。揺動カム８の作動角の可変量やバルブタイミング等については後述する。

また、駆動軸２が回転すると、駆動軸２に固定された固定カム９も回転し、一般的な内燃機関と同様に固定カム９が他方の排気バルブを開閉する。すなわち、固定カム９には可変機構はなく、作動角等は固定されている。

以上説明したように、作動角可変機構１は、排気２弁式内燃機関の一方の排気バルブについてのみ、バルブリフト量及び作動角を可変制御するものである。２本ある排気バルブのうち一方のみを可変制御する構成なので、２本の排気バルブを可変制御する構成に比べて、ロッカーアーム６や第２リンク等に作用するバルブ反力等が半減する。このため、ロッカーアーム６等に要求される強度は低くなり、またアクチュエータ１４に要求される出力は低くなるので、結果として部品の小型化、軽量化を図ることができる。

また、作動角可変機構１では、各部品の製造公差等のバラツキがバルブ開閉タイミングに与える影響が、特に小作動角時において固定カム９に比べて大きくなる。

これは、固定カム９と作動角可変機構１に駆動される揺動カム８が仮に同作動角だとしても、小作動角から大作動角まで調整可能な作動角可変機構１で作動角を小さくする場合は、固定カム９に比べてバルブ開閉タイミングのバラツキが大きくなるからである。つまり、リフト量の変化がリフト開始初期には急峻で、その後徐々に緩やかになるようにカム山が設定された揺動カム８を備える作動角可変機構１を小作動角に調整すると、カム山の、リフト量が急峻に変化する部分が主に使われるからである。

このため、作動角可変機構１には、上記バラツキによるバルブ開閉タイミングのずれを調整するための機構を設け、内燃機関組立時にバルブ開閉タイミングを調整する作業が必要になる。

しかし、本実施形態の構成では、小作動角時のバルブ開閉タイミングは固定カム９のカムプロフィールに支配されるため、２本の排気バルブを可変制御する構成に比べて、バラツキの影響は小さくなり、調整作業も容易になる。

なお、図１の作動角可変機構１はあくまでも一例として示したものであり、一方の排気バルブについてのみ作動角を可変制御できるものであれば、他の機構であってもよい。

次に、作動角可変機構１によるバルブリフト量及び作動角（リフト特性）について図２を参照して説明する。

図２は、本実施形態のリフト特性を示す図である。図中の実線Ｉは吸気バルブのリフト特性を示し、実線Ｅｆは固定カム９で駆動する排気バルブのリフト特性を示し、実線Ｅ１１〜Ｅ１３はそれぞれ揺動カム８で駆動する排気バルブの最小作動角、中間作動角、最大作動角におけるリフト特性を示している。また、図中の鎖線Ｃｖは揺動カム８の中心角、鎖線Ｃｆは固定カム９の中心角を示している。

固定カム９の作動角は、他の気筒との排気干渉が生じない大きさに設定する。具体的には、本実施形態を適用する内燃機関毎に、排気通路内の圧力波形に基づいて設定する。例えば、直列４気筒で排気行程がクランク角１８０度間隔で行われる場合には、作動角が２００〜２２０度より小さい範囲であれば排気干渉を回避できる。

揺動カム８の作動角は、固定カム９の作動角よりも小さい最小作動角（リフト特性Ｅ１１）と、固定カム９の作動角より大きい最大作動角（リフト特性Ｅ１３）と、これらの中間の大きさの中間作動角（リフト特性Ｅ１２）と、を切り替え可能である。

また、揺動カム８の中心角は固定カム９の中心角よりも進角側に設定し、揺動カム８が最小作動角時におけるリフト特性Ｅ１１の開弁タイミングと、固定カム９のリフト特性Ｉの開弁タイミングをほぼ一致させる。

そしてリフト特性Ｅ１１〜Ｅ１３の排気バルブ開タイミングは、それぞれ、機関回転速度が低速回転、中速回転、高速回転の場合に適した膨張比となるタイミングに設定する。

気筒全体としてみると、リフト特性Ｅ１１〜Ｅ１３のいずれの場合でも、最後に閉じるのは固定カム９側の排気バルブである。つまり、当該気筒の排気バルブの閉タイミングは固定カム９側の排気バルブの閉タイミングである。一方、固定カム９側の排気バルブの開タイミングは、排気バルブの開タイミングが最も遅いリフト特性Ｅ１１とほぼ同じなので、当該気筒の排気バルブの開タイミングは、揺動カム８側の排気バルブのリフト特性により決まる。

したがって、リフト特性Ｅ１１〜Ｅ１３を切り替えると、当該気筒の排気バルブの閉タイミングを変化させずに、開タイミングのみを変化させることになる。すなわち、クランクシャフトと駆動軸２の位相を変化させる位相可変機構を用いることなく、図１に示した作動角可変機構のみで、位相可変機構と同様に排気バルブの開タイミングを変化させることができる。

また、２本の排気バルブを同時に駆動する位相可変機構を用いる場合に比べると、オーバーラップ期間を長くした場合のポンプロスを小さくすることができる。すなわち、位相可変機構を用いる場合は、オーバーラップ期間を長くするために排気バルブ閉タイミングを遅らせると、開タイミングも遅れる。このため、オーバーラップ期間の長さによっては排気バルブ開タイミングが下死点後となり、排気を圧縮する仕事が発生してしまう。これに対して本実施形態の構成では、一方の排気バルブの閉タイミングを下死点後まで遅くしても、固定カム９側の排気バルブは下死点前に開弁するので、排気を圧縮する仕事は位相可変機構の場合に比べて小さい。

なお、作動角可変機構１の特性上、揺動カム８の作動角を小さくすればリフト量も小さくなり、作動角を大きくすればリフト量も大きくなる。

ここで、上述した各リフト特性について説明する。

揺動カム８の作動角が最小のリフト特性Ｅ１１では、揺動カム８側及び固定カム９側の排気バルブがほぼ同時に開弁する。そして、先に揺動カム８側の排気バルブが閉弁し、固定カム９側の排気バルブのみが開弁している状態（片弁期間ＩＩ）となる。その後、吸気バルブが開弁してオーバーラップ期間となり、固定カム９側の排気バルブが閉弁する。

上記のようなリフト特性Ｅ１１では、両排気バルブの開タイミングがほぼ同時なので、固定カム９側の排気バルブよりも揺動カム８側の排気バルブが早く開弁するリフト特性１２及びリフト特性１３と比較して、燃焼ガスが筒内に滞在する時間が長くなる。したがって、筒内温度上昇及び筒内酸化が促進される。

また、片弁期間ＩＩでは排気が固定カム９側の排気バルブからのみ排出されることで、両排気バルブから排出される場合と比較して排気ポート内の乱流強度が増すので、ポート内での酸化が促進される。

さらに、オーバーラップ期間には、吸気通路と排気通路の圧力差等に応じて、排気ポートから筒内へ排気が還流する内部ＥＧＲや、筒内に吸気が流入する勢いで排気が排気ポートへ押し出される掃気効果が得られる。

ここで、オーバーラップ期間中は片弁期間ＩＩであり、内部ＥＧＲの場合には片方の排気ポートからのみ排気が導入されるので、両方の排気ポートから導入される場合と比較してＥＧＲガスの乱流強度が増す。このためＥＧＲガスは十分に攪拌された状態となり、ＥＧＲ導入時の燃焼安定度を向上させることができる。また、掃気される場合は、一方の排気ポートからのみ排出されることによってポート内での酸化が促進される。

その他として、他気筒の排気干渉を低減することができる。すなわち、例えば直列４気筒内燃機関のようにクランク角１８０度間隔で爆発する内燃機関では、排気作動角を広くとると低速時に他気筒の排気干渉を受けるおそれがある。しかし固定カム９の作動角を、排気干渉を受けない大きさに設定すれば、リフト特性Ｅ１１の揺動カム８の作動角は固定カム９の作動角より小さいので、排気干渉を回避できる。その結果、筒内の残留ガスが低減されて全開域での体積効率が向上し、全開性能が向上する。

なお、排気ポート内での酸化が促進されれば、未燃成分が燃焼して排気の熱エネルギが増大するので、ターボ過給機付きの内燃機関の場合には、ターボ過給機の応答遅れを解消できる。

揺動カム８の作動角が最大のリフト特性Ｅ１３では、揺動カム８側の排気バルブが先に開弁し、揺動カム８側の排気バルブのみが開弁している状態（片弁期間Ｉ）となる。そして、固定カム９側の排気バルブが開弁した後は２つの排気バルブが開弁した状態となり、さらに吸気バルブが開弁してバルブオーバーラップ期間となった後、揺動カム８側及び固定カム９側の排気バルブがほぼ同時に閉弁する。

上記のようなリフト特性Ｅ１３では、片弁期間Ｉにおいてリフト特性Ｅ１１の片弁期間ＩＩと同様にポート内酸化が促進される。また、作動角可変機構１の特性上、作動角を大きくするとバルブリフト量も大きくなるので、排気バルブが開いたときの排気の流路（排気間口）がリフト特性Ｅ１１、Ｅ１２に比べて広くなる。このため、排気ポートの通路抵抗が低下して排気損失が低減する。

さらに、排気バルブの閉タイミングはそのままに開タイミングのみを進角させることができるので、筒内残留ガスの増加を招くことなく、機関運転状態に適した膨張比となる排気バルブ開タイミングを設定することができる。機関運転状態に適した膨張比にすれば、排気損失を低減し、熱効率を向上させて全開性能の向上を図ることができる。

揺動カム８の作動角が最小と最大の中間のリフト特性Ｅ１２にすると、揺動カム８側の排気バルブが先に開弁し、揺動カム８側の排気バルブのみが開弁している状態（片弁期間Ｉ）となる。なお、ここでの片弁期間Ｉは、作動角が最大であるリフト特性Ｅ３の片弁期間Ｉより短い。

そして、固定カム９側の排気バルブが開弁した後は、２つの排気バルブが開弁した状態となる。揺動カム８側の排気バルブは吸気バルブが開弁する前に閉弁し、その後は固定カム９側の排気バルブのみが開弁した状態（片弁期間ＩＩ）でオーバーラップ期間となり、固定カム９側の排気バルブも閉弁する。なお、ここでの片弁期間ＩＩは、作動角が最小であるリフト特性Ｅ１１の片弁期間ＩＩより短い。

上記のようなリフト特性Ｅ１２では、片弁期間Ｉにおいてポート内の乱流強化によってポート内酸化が促進される。また、片弁期間ＩＩ中のオーバーラップ期間において、内部ＥＧＲの攪拌効果が得られる。さらに、リフト特性Ｅ１３と同様に機関運転状態に応じた排気バルブ開タイミングを設定して全開性能の向上を図ることができる。

次に、ＥＣＵ１６によるリフト特性Ｅ１１〜Ｅ１３の切り替え制御について図３を参照して説明する。図３は、ＥＣＵ１６が作動角可変機構の制御に用いる内燃機関の運転領域マップであり、縦軸は機関負荷、横軸はエンジン回転速度である。図中の実線は全負荷状態を示している。

領域Ｉは、始動時及びアイドル運転中（冷機時及び暖機時）の領域、領域ＩＩは低回転低負荷で走行中の領域、領域ＩＩＩは低回転中負荷で走行中の領域、領域ＩＶは低回転高負荷領域、領域Ｖは中回転高負荷領域、領域ＶＩは高回転高負荷領域を示している。

ＥＣＵ１６は、クランク角センサ１７及びエアフローメータ１８からの信号及びイグニッションスイッチ（図示せず）からの信号に基づいて、現在の運転領域がいずれの領域に該当するかを判断し、領域ごとにリフト特性を切り替える。

ＥＣＵ１６は、領域Ｉであると判断した場合にはリフト特性Ｅ１１に設定する。領域Ｉはアイドル運転中であればＨＣ排出量の低減が主な課題となる。さらに、始動時や冷機時のアイドル運転の場合には、燃料噴射量は増量されており、かつ筒内壁面の温度が低いので、筒内温度の昇温も課題となる。

そこで、筒内酸化の促進、筒内温度上昇のためにリフト特性Ｅ１１に設定する。すなわち、筒内温度を速やかに暖機終了温度まで上昇させることで始動時燃料噴射量増量を終了させること、筒内酸化の促進、及び片弁期間ＩＩにおける排気ポート内の乱流強度増大による排気ポート内酸化の促進によってＨＣ排出量の低減を図る。

ＥＣＵ１６は、領域ＩＩと判断した場合にもリフト特性Ｅ１１に設定する。領域ＩＩは低回転低負荷領域なので、主に燃費性能の向上が課題となる。

そこで、内部ＥＧＲの攪拌を促進するためにリフト特性Ｅ１１にする。すなわち、オーバーラップ期間が片弁期間ＩＩと重なるようにし、内部ＥＧＲの攪拌を促進して燃焼安定度の改善を図る。領域ＩＩは燃焼が不安定になりがちなのでＥＧＲ量を増やすことが難しい領域であるが、上記のように燃焼安定性を改善すれば、より多くの内部ＥＧＲを導入することができ、その結果ポンプロスが低減し、比熱比が向上するので、燃費性能が向上するからである。

ＥＣＵ１６は、領域ＩＩＩであると判断した場合にはリフト特性Ｅ１２に設定する。領域ＩＩＩは低回転中負荷領域であり、領域ＩＩと同様に主に燃費性能の向上が課題となる。ただし、領域ＩＩに比べて負荷が大きい分だけ吸気量が多くなるので、排出する燃焼ガス量も多くなる。なお、吸気量が多くなると燃焼速度が速くなるので、領域ＩＩに比べれば燃焼安定性が高く、多くのＥＧＲガスを導入できる。

そこで、片弁期間ＩＩによる内部ＥＧＲの攪拌促進と、リフト特性Ｅ１１よりも大きな作動角及びリフト量でより多くの燃焼ガスを排出するために、リフト特性Ｅ１２に設定する。

ＥＣＵ１６は、領域ＩＶであると判断した場合にはリフト特性Ｅ１１に設定する。領域ＩＶは、例えば加速の過渡状態のような低回転高負荷領域なので、全開性能の向上が主な課題となる。

そこで、膨張比の適正化及びオーバーラップ期間の掃気効果を得るためにリフト特性Ｅ１１に設定する。すなわち、排気バルブの開タイミングを遅くして低回転領域に適した膨張比とすることで、筒内の残留ガス量及び排気損失を低減し、さらにオーバーラップ期間中の掃気効果も活用することで、熱効率を向上させて全開性能を向上させる。

また、気筒全体として見た場合の排気バルブ閉タイミングは固定カム９側の排気バルブの閉タイミングなので、他気筒との排気干渉を回避でき、さらに片弁期間ＩＩ中のＥＧＲガスの攪拌効果により燃焼安定性が改善するので、加速の過渡状態において加速性能を向上できる。

ＥＣＵ１６は、領域Ｖであると判断した場合にはリフト特性Ｅ１２に設定する。領域Ｖは中回転高負荷領域なので、全開性能の向上が主な課題となる。

そこで、膨張比の適正化のためにリフト特性Ｅ１２に設定する。すなわち、中速回転時に適した膨張比となるような排気バルブ開タイミングにすることで、筒内の残留ガス及び排気損失を低減して熱効率を向上させ、全開性能の向上を図る。

ＥＣＵ１６は、領域ＶＩであると判断した場合にはリフト特性Ｅ１３に設定する。領域ＶＩは高回転高負荷領域なので、全開性能の向上が主な課題となる。

そこで、膨張比の適正化及び排気間口拡大のためにリフト特性Ｅ１３に設定する。すなわち、高速回転時に適した膨張比となるような排気バルブ開タイミングにすることで、筒内の残留ガス及び排気損失を低減して熱効率を向上させ、さらにバルブリフト量を大きくして排気間口を拡大することで、全開性能の向上を図る。

なお、上述した領域以外の領域については、本実施形態を適用する車両に対して、その領域でどのような性能を重視するのか、例えば燃費性能、出力性能または排気性能のいずれを重視するのかに応じてリフト特性Ｅ１１〜Ｅ１３のいずれを選択するかを設定する。

以上により本実施形態では、次のような効果が得られる。

（１）排気２弁式内燃機関において、一方の排気バルブは排気干渉を回避し得るリフト特性の固定カム９により駆動し、他方の排気バルブは固定カム９の作動角より小さい小作動角から固定カム９の作動角より大きい大作動角の間で作動角を変化させ得る作動角可変機構１を備える揺動カム８により駆動する。そして、最小作動角時には揺動カム８の開閉タイミングはいずれも固定カム９の開タイミングから閉タイミングの間にある。これにより、最小作動角時には、固定カム９側の排気バルブが開弁し揺動カム８側の排気バルブが閉弁している期間が生じ、この期間中は排気ポート内の排気の乱流強度が強まる。その結果、排気ポート内酸化の促進または内部ＥＧＲの攪拌促進といった効果が得られる。また、揺動カム８が最小作動角の場合には、排気干渉を回避することができる。

（２）揺動カム８の中心角位置が固定カム９の中心角位置よりも進角側にあるので、揺動カム８側の排気バルブが閉じた後、固定カム９側の排気バルブのみが開いている片弁期間ＩＩが生じ、排気ポート内での酸化が促進される。

（３）作動角可変機構１は、低回転高負荷領域の場合には、揺動カム８の作動角が固定カム９の作動角以下になるように、高回転高負荷領域の場合には揺動カム８の作動角を固定カム９の作動角よりも大きくなるようにリフト特性を変化させる。これにより、加速の過渡状態（低回転高負荷領域）において、気筒全体としてみたときの排気バルブ閉タイミングは固定カム９の閉タイミングなので、排気干渉を抑制できる。また、片弁期間ＩＩ中の内部ＥＧＲの攪拌が促進されることで燃焼安定性が向上する。これら排気干渉の抑制及び燃焼安定性の向上により、加速性能の向上を図ることができる。さらに、最大作動角時の開タイミングを高回転高負荷領域に適した膨張比に設定すれば、当該領域では筒内残留ガスの低減、排気損失の低減等により全開性能が向上する。したがって、加速性能と全開性能を両立することができる。

（４）作動角可変機構１は、冷機運転中は固定カム９の開タイミングが揺動カム８の開タイミングより早く、高回転高負荷領域では揺動カム８の開タイミングが固定カム９の開タイミングより早くなるようにリフト特性を変化させる。そして、揺動カム８の中心角位置が固定カム９の中心角位置よりも進角側にある。これにより、冷機運転中には排気バルブ開タイミングが相対的に遅くなるので燃焼ガスの筒内酸化が促進され、これにより筒内温度の上昇が促進され、またＨＣ排出量が低減する。一方、高回転高負荷領域では上記（３）と同様に全開性能が向上する。

なお、上記説明では、機関回転速度及び負荷をそれぞれ３つの領域に分け、領域に応じて３種類のリフト特性を切り替える構成であったが、領域をより細かく分けて、これに応じた３種類以上のリフト特性を切り替えるように、または連続的に変化させるようにしてもよい。

また、上述したように、本実施形態では位相可変機構を備えなくても排気バルブの開閉タイミングを変化させることができ、位相可変機構を備える場合と同様の効果が得られる。しかし、位相可変機構を設けて、排気バルブの開閉タイミングをより幅広く変化させるようにしてもよい。

第２実施形態について説明する。

本実施形態では、作動角可変機構１の構成は基本的に第１実施形態と同様の構成であるが、揺動カム８側と固定カム９側の排気バルブのリフト特性が異なる。

図４は本実施形態のリフト特性を示す図である。図中の実線Ｉは吸気バルブのリフト特性を示し、実線Ｅｆは固定カム９で駆動する排気バルブのリフト特性を示し、実線Ｅ２１〜Ｅ２３はそれぞれ揺動カム８で駆動する排気バルブの最小作動角、中間作動角、最大作動角におけるリフト特性を示している。また、図中の鎖線Ｃｖは揺動カム８の中心角、鎖線Ｃｆは固定カム９の中心角を示している。

固定カム９の作動角は、オーバーラップ期間がないように、かつ、他の気筒との排気干渉が生じない大きさに設定する。

揺動カム８の作動角は、固定カム９の作動角よりも小さい最小作動角（リフト特性Ｅ２１）と、固定カム９の作動角より大きい最大作動角（リフト特性Ｅ２３）と、これらの中間の大きさの中間作動角（リフト特性Ｅ２２）と、を切り替え可能である。

揺動カム８の中心角は固定カム９の中心角よりも遅角側に設定し、揺動カム８が最小作動角時におけるリフト特性Ｅ２１の閉弁タイミングと、固定カム９のリフト特性Ｉの閉弁タイミングをほぼ一致させる。

リフト特性Ｅ２２、Ｅ２３は、オーバーラップ期間を設けるように排気バルブの閉タイミングを設定する。

気筒全体としてみると、リフト特性Ｅ２１〜Ｅ２３のいずれの場合でも、最初に開くのは固定カム９側の排気バルブである。つまり、当該気筒の排気バルブの開タイミングは固定カム９側の排気バルブの開タイミングである。一方、固定カム９側の排気バルブの閉タイミングは、排気バルブの閉タイミングが最も早いリフト特性Ｅ２１とほぼ同じなので、当該気筒の排気バルブの閉タイミングは、揺動カム８側の排気バルブのリフト特性により決まる。

したがって、リフト特性Ｅ２１〜Ｅ２３を切り替えると、位相可変機構を用いることなく、当該気筒の排気バルブの開タイミングを変化させずに閉タイミングのみを変化させることになる。

次に、上述した各リフト特性について説明する。

揺動カム８の作動角が最小のリフト特性Ｅ２１では、固定カム９側の排気バルブが先に開き、揺動カム８側の排気バルブが開くまでは片弁期間ＩＩＩとなる。その後両排気バルブが開いた状態となり、両排気バルブがほぼ同時に閉じる。このようなリフト特性Ｅ２１では、片弁期間ＩＩＩ中に排気ポート内の乱流強度が増すので、排気ポート内での酸化が促進される。

揺動カム８の作動角が最大のリフト特性Ｅ２３では、固定カム９側の排気バルブと揺動カム８側の排気バルブがほぼ同時に開く。そして、固定カム９側の排気バルブが先に閉じて片弁期間ＩＶとなり、片弁期間ＩＶの途中で吸気バルブが開きオーバーラップ期間となる。このようなリフト特性Ｅ２３では、内部ＥＧＲ導入時には片弁期間ＩＶになっており、導入ガスの攪拌が促進される。なお、揺動カム８側の排気バルブの閉タイミングを、片弁期間ＩＶ中に他気筒との排気干渉を受けるようなタイミングに設定することで、内部ＥＧＲ量の増大を図ることができる。

一方、オーバーラップ期間中に掃気される場合は、一方の排気ポートからのみ排出されることによってポート内での酸化が促進される。

また、作動角を大きくするとバルブリフト量も大きくなるので、排気間口が大きくなって排気の通路抵抗が低減する。

揺動カム８の作動角が最大と最小の中間であるリフト特性Ｅ２２では、固定カム９側の排気バルブが先に開いて片弁期間ＩＩＩとなる。その後、両排気バルブが開いた状態を経て固定カム９側の排気バルブが先に閉じて片弁期間ＩＶとなる。そして、オーバーラップ期間となってから揺動カム８側の排気バルブが閉じる。このようなリフト特性Ｅ２２では、内部ＥＧＲ導入時には片弁期間ＩＶになっており、導入ガスの攪拌が促進される。また、リフト特性Ｅ２３と同様に排気干渉による内部ＥＧＲ量増大効果も得られる。

次に、ＥＣＵ１６によるリフト特性Ｅ２１〜Ｅ２３の切り替え制御について図３を参照して説明する。領域Ｉ〜領域ＶＩは第１実施形態と同様である。

ＥＣＵ１６は、領域Ｉであると判断した場合には、リフト特性Ｅ２１に設定する。領域Ｉは始動時またはアイドル運転中の領域なので、ＨＣ排出量の低減や筒内温度の昇温が主な課題となる。そこで、片弁期間ＩＩＩ中の排気ポート内の乱流強度増大による酸化促進を図るためにリフト特性Ｅ２１に設定する。

ＥＣＵ１６は、領域ＩＩであると判断した場合には、リフト特性Ｅ２２に設定する。領域ＩＩは低回転低負荷領域であって、燃費性能の向上が主な課題となる。

そこで、内部ＥＧＲ量の増加及び攪拌のためにリフト特性Ｅ２２に設定する。すなわち、揺動カム８側の排気バルブの閉タイミングを遅らせることで排気干渉を起こさせて内部ＥＧＲ量を増加させ、片弁期間ＩＶにおける内部ＥＧＲの攪拌作用によって燃焼安定性を向上させる。これによりポンプロス低減及び比熱比向上による燃費性能向上を図る。

なお、リフト特性Ｅ２３としてもよい。バルブオーバーラップ期間の長さ、つまり内部ＥＧＲの導入量に相違があるが、基本的に得られる効果は同様だからである。

ＥＣＵ１６は、領域ＩＩＩであると判断した場合には、リフト特性Ｅ２３に設定する。領域ＩＩＩは低回転中負荷領域なので、燃費性能の向上が主な課題となる。

そこで、領域ＩＩの場合と同様に、内部ＥＧＲ量を増加させつつ燃焼安定性を確保することで燃費性能を向上させるためにリフト特性Ｅ２３に設定する。なお、リフト特性Ｅ２２としてもよい。バルブオーバーラップ期間の長さ、つまり内部ＥＧＲの導入量に相違があるが、基本的に得られる効果は同様だからである。

ＥＣＵ１６は、領域ＩＶであると判断した場合には、リフト特性Ｅ２３に設定する。領域ＩＶは低回転高負荷領域なので、全開性能の向上が主な課題となる。

そこで、オーバーラップ期間の掃気効果による筒内残留ガス量の低減を図るため、リフト特性Ｅ２３に設定する。すなわち、オーバーラップ期間による掃気効果で筒内残留ガスを低減することで、ノッキングが発生し難い条件にし、かつ吸入空気量を増加させて、より高い出力を発生させる。

なお、リフト特性Ｅ２２としてもよい。バルブオーバーラップ期間の長さ、つまり内部ＥＧＲの導入量に相違があるが、基本的に得られる効果は同様だからである。

ＥＣＵ１６が領域Ｖであると判断した場合には、リフト特性Ｅ２２に設定する。領域Ｖは中回転高負荷領域なので、全開性能の向上が主な課題となる。

そこで、排気工程時間を確保するためにリフト特性Ｅ２２に設定する。気筒全体としてみると、排気工程は固定カム９側の排気バルブが開いたときに始まり、揺動カム８側の排気バルブが閉じたときに終了する。したがって、揺動カム８側の排気バルブの閉タイミングが固定カム９側の排気バルブの閉タイミングより遅いリフト特性Ｅ２２にすることで、排気工程時間をより長くすることができる。これにより、筒内残留ガス量を低減して全開性能の向上が図れる。

なお、リフト特性Ｅ２２の閉タイミングは、チョーク時間を考慮して設定する必要がある。

ＥＣＵ１６が領域ＶＩであると判断した場合には、リフト特性Ｅ２３に設定する。領域ＶＩは高回転高負荷領域なので、全開性能の向上が主な課題となる。

そこで、排気間口を拡大させるためにリフト特性Ｅ２３に設定する。すなわち、排気間口を拡大することによって通路抵抗を低下させて排気損失を低減し、全開性能の向上を図る。

その他の領域については、第１実施形態と同様に、適用する車両に要求される性能に応じていずれかのリフト特性を選択する。

以上により本実施形態では、第１実施形態と同様の効果に加えて、さらに次のような効果が得られる。

（４）揺動カム８の中心角位置が固定カム９の中心角位置よりも遅角側にあるので、最小作動角時には固定カム９側の排気バルブのみが開いている片弁期間ＩＩＩが生じて排気ポート内の乱流強度が上昇し、これによりポート内酸化が促進されてＨＣ排出量が低減する。また、最大作動角時には揺動カム８側の排気バルブのみが開いている片弁期間ＩＶが生じるので、揺動カム８の閉タイミングを排気干渉が生じるタイミングに設定すれば、排気干渉によって内部ＥＧＲ量が増加する。さらに、このとき一方の排気ポートから流入するので、ＥＧＲガスの攪拌が促進されて燃焼安定性が向上する。したがって、内部ＥＧＲによる燃費改善効果が望める。

第３実施形態について説明する。

本実施形態では、作動角可変機構１の構成は基本的に第１実施形態と同様の構成であるが、揺動カム８側と固定カム９側の排気バルブのリフト特性が異なる。

図５は本実施形態のリフト特性を示す図である。図中の実線Ｉは吸気バルブのリフト特性を示し、実線Ｅｆは固定カム９で駆動する排気バルブのリフト特性を示し、実線Ｅ３１〜Ｅ３３はそれぞれ揺動カム８で駆動する排気バルブの最小作動角、中間作動角、最大作動角におけるリフト特性を示している。また、図中の鎖線Ｃｖは揺動カム８の中心角、鎖線Ｃｆは固定カム９の中心角を示している。

固定カム９の作動角は、オーバーラップ期間が有るように、かつ、他の気筒との排気干渉が生じない大きさに設定する。

揺動カム８の作動角は、固定カム９の作動角よりも小さい最小作動角（リフト特性Ｅ３１）と、固定カム９の作動角より大きい最大作動角（リフト特性Ｅ３３）と、これらの中間の大きさの中間作動角（リフト特性Ｅ３２）と、を切り替え可能である。

揺動カム８の中心角は固定カム９の中心角と一致するよう設定し、リフト特性Ｅ３２の開閉タイミングと、固定カム９のリフト特性Ｉの開閉タイミングを一致させる。

気筒全体としてみると、リフト特性Ｅ３３の場合には最初に開くのも最後に閉じるのも揺動カム８側の排気バルブである。リフト特性Ｅ３２の場合には、両排気バルブは同じタイミングで開閉する。リフト特性Ｅ３１の場合には、最初に開くのも最後に閉じるのも固定カム９側の排気バルブである。すなわち、リフト特性Ｅ３１〜Ｅ３３を切り替えることで、位相可変機構を用いることなく、当該気筒の排気バルブ開閉タイミングを変化させることができる。

次に、上述した各リフト特性について説明する。

揺動カム８の作動角が最小のリフト特性Ｅ３１では、固定カム９側の排気バルブが先に開き、揺動カム８側の排気バルブが開くまでは片弁期間Ｖとなる。その後両排気バルブが開いた状態となり、揺動カム８側の排気バルブが先に閉じて固定カム９側の排気バルブのみが開いた片弁期間ＶＩとなる。そして吸気バルブが開いてオーバーラップ期間となった後、固定カム９側の排気バルブは閉じる。

このようなリフト特性Ｅ３１では、片弁期間Ｖ、ＶＩ中に排気ポート内の乱流強度が増すので、排気ポート内での酸化が促進される。また、オーバーラップ期間が小さいので筒内残留ガス量も少なくなり、例えば冷機始動時等における燃焼安定性を確保できる。さらに、内部ＥＧＲ導入時には片弁期間ＶＩになっており、導入ガスの攪拌が促進される。

揺動カム８の作動角が最大のリフト特性Ｅ３３では、揺動カム８側の排気バルブが先に開いて片弁期間Ｖとなる。その後、両排気バルブが開いた状態となり、固定カム９側の排気バルブが先に閉じて、揺動カム８側の排気バルブのみが開いた片弁期間ＶＩとなる。そして吸気バルブが開いてオーバーラップ期間となった後、揺動カム８側の排気バルブは閉じる。

このようなリフト特性Ｅ３３では、内部ＥＧＲ導入時には片弁期間ＶＩとなっており、ＥＧＲガスの攪拌が促進される。また、揺動カム８側の排気バルブの開タイミングを機関回転速度に適した膨張比となるタイミングに設定することで、筒内残留ガスを低減し、かつ排気損失を低減することができる。

揺動カム８の作動角が最大と最小の中間であるリフト特性Ｅ３２では、両排気バルブがほぼ同様のタイミングで開閉する。このようなリフト特性Ｅ３２では、オーバーラップ期間の長さを掃気効果が高くなるように設定することで、筒内残留ガス量を低減し、かつ吸気の充填効率を高めることができる。また、排気バルブの開タイミングを機関回転速度に適した膨張比となるタイミングに設定することで、筒内残留ガスを低減し、かつ排気損失を低減することができる。

次に、ＥＣＵ１６によるリフト特性Ｅ３１〜Ｅ３３の切り替え制御について図３を参照して説明する。領域Ｉ〜領域ＶＩは第１実施形態と同様である。

ＥＣＵ１６は、領域Ｉであると判断した場合には、リフト特性Ｅ３１に設定する。領域Ｉは始動時及びアイドル運転中の領域なので、ＨＣ排出量の低減が主な課題となる。

そこで、片弁期間ＶＩ中の排気ポート内の乱流強度増大を図るために、リフト特性Ｅ３１に設定する。すなわち、乱流強度を増大させることで外気ポート内での酸化を促進してＨＣ排出量を低減させる。また、リフト特性Ｅ３１はリフト特性Ｅ３１〜Ｅ３３でオーバーラップ期間が最も短いので、筒内残留ガス量が最も少なくなる。このため、始動性が向上する。

ＥＣＵ１６は、領域ＩＩであると判断した場合には、リフト特性Ｅ３１に設定する。領域ＩＩは低回転低負荷領域低回転低負荷領域であって、燃費性能の向上が主な課題となる。

そこで、内部ＥＧＲの攪拌のためにリフト特性Ｅ３１に設定する。すなわち、片弁期間ＶＩ中にＥＧＲガスの攪拌を促進することで、燃焼安定性を向上させてより多くのＥＧＲガスの導入を可能にして、ポンプロスを低減し比熱比を向上させて燃費性能の向上を図る。

なお、ここでは片弁期間ＶＩの長さがリフト特性Ｅ３１と同じリフト特性Ｅ３２に設定してもよい。また、リフト特性Ｅ３３に設定してもよい。同様に内部ＥＧＲの攪拌効果が得られるからである。

ＥＣＵ１６は、領域ＩＩＩであると判断した場合には、リフト特性Ｅ３３に設定する。
領域ＩＩＩは低回転中負荷領域なので、燃費性能の向上が主な課題となる。

そこで、内部ＥＧＲ量を増加させつつ燃焼安定性を確保するためにリフト特性Ｅ３３に設定する。すなわち、揺動カム８側の排気バルブの閉タイミングを遅らせることで排気干渉を起こさせて内部ＥＧＲ量を増加させ、片弁期間ＩＶにおける内部ＥＧＲの攪拌作用によって燃焼安定性を向上させる。これによりポンプロス低減及び比熱比向上による燃費性能向上を図ることができる。

ＥＣＵ１６は、領域ＩＶであると判断した場合には、リフト特性Ｅ３２に設定する。領域ＩＶは、低回転高負荷領域なので、全開性能の向上が主な課題となる。

そこで、オーバーラップ期間の掃気効果による筒内残留ガス量の低減を図るため、リフト特性Ｅ３２に設定する。すなわち、オーバーラップ期間による掃気効果で筒内残留ガスが低減すれば、ノッキングが発生しにくくなり、かつ吸入空気量も増加するので、より高い出力を発生することができるからである。

ＥＣＵ１６は、領域Ｖであると判断した場合には、リフト特性Ｅ３２に設定する。領域Ｖは中回転高負荷領域なので、全開性能の向上が主な課題となる。

そこで、膨張比の適正化のためにリフト特性Ｅ３２に設定する。すなわち、中速回転時に適した膨張比となる排気バルブ開タイミングにすることで、筒内の残留ガス及び排気損失を低減して熱効率を向上させ、全開性能の向上を図る。

ＥＣＵ１６は、領域ＶＩであると判断した場合には、リフト特性Ｅ３３に設定する。領域ＶＩは高回転高負荷領域なので、全開性能の向上が主な課題となる。

そこで、膨張比の適正化及び排気間口拡大のためにリフト特性Ｅ３３に設定する。すなわち、高速回転時に適した膨張比となる排気バルブ開タイミングにすることで、筒内の残留ガス及び排気損失を低減して熱効率を向上させ、さらにバルブリフト量を大きくして排気間口を拡大することで、全開性能の向上を図る。

以上により本実施形態でも第１実施形態と同様の効果が得られる。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。例えば、上述した説明では、揺動カム８の作動角を最小作動角、中間作動角、及び最大作動角に切り替える制御について説明したが、作動角を連続可変的に制御するようにしてもよい。

１ 作動角可変機構
２ 駆動軸
３ 偏心カム
４ 第１リンク
５ 制御軸
６ ロッカーアーム
７ 第２リンク
８ 揺動カム
９ 固定カム
１０ 連結ピン
１１ 連結ピン
１２ ロックボルト
１３ ギヤ
１４ アクチュエータ
１５ ピニオンギヤ
１６ エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）
１７ クランク角センサ
１８ エアフローメータ

Claims (5)

1. 気筒あたり２本の排気バルブを備える内燃機関において、
   一方の排気バルブは作動角が一定の固定カムにより駆動し、
   他方の排気バルブは前記固定カムの作動角より小さい小作動角から前記固定カムの作動角より大きい大作動角の間で作動角を変化させ得る作動角可変機構を備える可変カムにより駆動し、
   前記小作動角時には前記可変カムの開タイミング又は閉タイミングの少なくとも一方は前記固定カムの開タイミングから閉タイミングの間にあり、
   前記作動角可変機構は、内燃機関の運転領域が低回転高負荷領域の場合には、前記可変カムの作動角が前記固定カムの作動角以下になるように、高回転高負荷領域の場合には前記可変カムの作動角を前記固定カムの作動角よりも大きくなるようにリフト特性を変化させることを特徴とする内燃機関。
2. 前記可変カムの中心角位置が前記固定カムの中心角位置よりも進角側にあることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記可変カムの中心角位置が前記固定カムの中心角位置よりも遅角側にあることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
4. 前記作動角可変機構は、内燃機関が冷機運転中は前記固定カムの排気バルブ開タイミングが前記可変カムの排気バルブ開タイミングより早く、内燃機関が高回転高負荷領域で運転中は前記可変カムの排気バルブ開タイミングが前記固定カムの排気バルブ開タイミングより早くなるようにリフト特性を変化させることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の内燃機関。
5. 気筒あたり２本の排気バルブを備える内燃機関において、
   一方の排気バルブは他気筒との排気干渉を回避し得るリフト特性に設定した固定カムにより駆動し、
   他方の排気バルブは前記固定カムの閉タイミングより小作動角時には進角側で閉じ、大作動角時には遅角側で閉じる、又は、他方の排気バルブは前記固定カムの開タイミングより小作動角時には遅角側で開き、大作動角時には進角側で開き得る作動角可変機構を備える可変カムにより駆動することを特徴とする内燃機関。

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