JP2002242714A - 自動車用４サイクルエンジン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 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
ることができるようにする。 【解決手段】 吸気弁及び排気弁に対してバルブタイミ
ング可変装置を設ける。そして、エンジンの低負荷域
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Ｅ
ｘＣ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ＩｎＯ
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θＩｎが排気弁閉時期から吸気上死点
までの期間θＥｘよりも長くなる時期に設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【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ＮＯ
ｘ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ＥＧ
Ｒ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１０−２６６
８７８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１０−２
６６８７８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、エンジンの温
間状態での低負荷域で、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たものである。

【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ＴＤ
Ｃ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、エンジンの温間状
態での低負荷域で、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ＮＯ
ｘ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４
１、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Ｅｘ
Ｃ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ＢＴ
ＤＣ５〜１５°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ＢＴ
ＤＣ１０〜１５°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ＢＴＤＣ１０〜１
５°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ＥＧ
Ｒ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ＢＴ
ＤＣ５〜１５°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ＴＤ
Ｃ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ＴＤ
Ｃ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Ｉ
ｎＯ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Ｅ
ＧＲ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ＡＴＤＣ３５〜４
５°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。ただし、排気弁閉時期ＥｘＣ及び
マイナスＯ／Ｌを変えなくても、エンジン回転数が低く
なるにつれて無効角が小さくなることにより、実質的に
マイナスＯ／Ｌが小さくなって内部ＥＧＲが減少するの
で、低速中負荷域における排気弁閉時期ＥｘＣ及びマイ
ナスＯ／Ｌは中速中負荷域と同程度としておくことも考
えられる。

【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 ４０ ＥＣＵ ４２ バルブタイミング制御手段 ４３ 燃料噴射制御手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大場 忠茂 広島県安芸郡府中町新地３番１号 マツダ 株式会社内 Ｆターム(参考） 3G092 AA01 AA06 AA09 AA11 BA05 BA06 BB01 BB06 DA01 DA02 DA09 DA12 EA01 EA06 EA07 FA21 FA25 GA05 HA01Z HA06Z HD05Z HE01Z HE03Z HE08Z

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 エンジンの温間状態での低負荷域で、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
   時期に設定したことを特徴とする自動車用４サイクルエ
   ンジン。
2. 【請求項２】 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。
3. 【請求項３】 エンジンの温間状態での低負荷域で、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°以上としたことを特徴とする請求項１または２
   記載の自動車用４サイクルエンジン。
4. 【請求項４】 燃焼室に直接燃料を噴射するインジェク
   タを備えていることを特徴とする請求項１乃至３のいず
   れかに記載の自動車用４サイクルエンジン。