JP2018168719A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】吸気工程の吸気弁の早閉じによるアトキンソンサイクル運転を行う場合において、吸気弁の急峻な開閉動作を抑えることが可能な内燃機関を提供する。【解決手段】吸気通路を開閉する吸気弁、第１排気通路を開閉する第１排気弁、第２排気通路を開閉する第２排気弁を開閉駆動させる弁開閉部を備え、前記弁開閉部は、排気工程において前記第１排気弁を開いて、前記燃焼室の排気を前記第１排気通路に排出し、吸気工程において前記吸気弁を開いて、前記吸気通路から前記燃焼室に混合気を供給し吸気下死点前に吸気弁を閉じ、圧縮行程において前記第２排気弁を開いて、前記燃焼室の混合気の一部を前記第２排気通路に排出するように、各弁を開閉駆動させる第１バルブタイミングを有し、前記第１バルブタイミングにより前記第２排気通路を流れる混合気は、前記吸気通路に戻ることを特徴とする内燃機関。【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関の技術に関する。

従来、吸気工程における吸気弁の閉じる時期を吸気下死点より前に閉じることにより（吸気弁の早閉じにより）、内燃機関の燃焼室の実膨張比に比較して実圧縮比を低下させるアトキンソンサイクル運転が公知である。このようなアトキンソンサイクル運転によれば、圧縮工程における燃焼室内の温度がそれほど高まることがないため、ノッキングの発生を抑制することができる。

アトキンソンサイクル運転を行ってノッキングの発生を抑制するものではないが、例えば、特許文献１には、燃焼室に夫々独立して接続され、混合気を燃焼室に供給する吸気通路、燃焼室の排気を排出する排気通路、燃焼室の排気を吸気通路に再循環させる再循環通路、吸気通路を開閉する吸気弁、排気通路を開閉する第１排気弁、及び再循環通路を開閉する第２排気弁を備え、吸気弁と第２排気弁の開閉時期の一部がオーバーラップしているときに、排気を燃焼室から再循環通路を介して吸気通路に戻す内燃機関が開示されている。

特開２０１５−２０９７９８号公報

ところで、従来の内燃機関において吸気工程の吸気弁の早閉じによるアトキンソンサイクル運転を行う場合、燃焼室の実圧縮比を低減してノッキングの発生を抑制するために、通常運転よりも非常に短い時間で、且つ同量の混合気を燃焼室に供給する必要がある。すなわち、通常運転より吸気弁の開閉期間を極端に短くし、且つバルブリフト量を同等程度とするような吸気弁の急峻な開閉動作が必要となる。このような吸気弁の急峻な開閉動作を行う場合、燃焼室に供給する混合気の供給圧力を非常に高く設定する必要が生じたり、燃焼室のポンプ損失が増加したりする場合がある。

そこで、本発明では、吸気工程の吸気弁の早閉じによるアトキンソンサイクル運転を行う場合において、吸気弁の急峻な開閉動作を抑えることが可能な内燃機関を提供することを目的とする。

本発明は、空気及び燃料を含む混合気を燃焼する燃焼室に夫々独立して接続される吸気通路、第１排気通路及び第２排気通路と、前記吸気通路を開閉する吸気弁、前記第１排気通路を開閉する第１排気弁、前記第２排気通路を開閉する第２排気弁と、前記吸気弁、前記第１排気弁、及び前記第２排気弁を開閉駆動させる弁開閉部と、を備え、前記弁開閉部は、排気工程において前記第１排気弁を開いて、前記燃焼室の排気を前記第１排気通路に排出し、吸気工程において前記吸気弁を開いて、前記吸気通路から前記燃焼室に混合気を供給し吸気下死点前に吸気弁を閉じ、圧縮行程において前記第２排気弁を開いて、前記燃焼室の混合気の一部を前記第２排気通路に排出するように、各弁を開閉駆動させる第１バルブタイミングを有し、前記第１バルブタイミングにより前記第２排気通路を流れる混合気は、前記吸気通路に戻ることを特徴とする内燃機関。

また、前記内燃機関において、前記弁開閉部は、内燃機関の負荷の低下に伴い、前記吸気弁の開閉時期を遅角すること、前記第２排気弁の開閉時期を進角すること、前記吸気弁の作用角を増加すること、及び前記第２排気弁の作用角を低減することのうち少なくともいずれか１つを行うことが好ましい。

また、前記内燃機関において、前記燃焼室に接続される第２吸気通路を備え、前記第２排気弁は、前記第２排気通路及び前記第２吸気通路を開閉し、前記弁開閉部は、排気工程において前記第１排気弁を開いて、前記燃焼室の排気を前記第１排気通路に排出し、吸気工程において前記吸気弁及び前記第２排気弁を開いて、前記吸気通路及び前記第２吸気通路から前記燃焼室に混合気を供給するように、各弁を開閉駆動させる第２バルブタイミングを有し、予め定められた高負荷領域では、前記第１バルブタイミングを行い、前記高負荷領域以外では前記第２バルブタイミングを行うことが好ましい。

また、前記内燃機関において 前記燃焼室に接続される第２吸気通路と、前記第２吸気通路を開閉する第２吸気弁と、を備え、前記弁開閉部は、排気工程において前記第１排気弁を開いて、前記燃焼室の排気を前記第１排気通路に排出し、吸気工程において前記吸気弁及び前記第２吸気弁を開いて、前記吸気通路及び前記第２吸気通路から前記燃焼室に混合気を供給するように、各弁を開閉駆動させる第３バルブタイミングを有し、予め定められた高負荷領域では、前記第１バルブタイミングを行い、前記高負荷領域以外では前記第３バルブタイミングを行うことが好ましい。

また、前記内燃機関において、前記燃焼室内に燃料を直接噴射する直噴型燃料インジェクタを有し、前記第１バルブタイミングにおける前記第２排気弁の閉弁時期は、前記直噴型燃料インジェクタによる燃料噴射前であることが好ましい。

本発明によれば、吸気工程の吸気弁の早閉じによるアトキンソンサイクル運転を行う場合において、吸気弁の急峻な開閉動作を抑えることが可能となる。

本実施形態に係る内燃機関の一例を示す概略構成図である。 気筒、吸気系及び排気系の概略構成を示す一部模式断面図である。 本実施形態の内燃機関における第１バルブタイミングを示す図である。 従来の内燃機関におけるアトキンソンサイクル運転のバルブタイミングを示す図である。 内燃機関の負荷の低下に伴い、吸気弁や第２排気弁の開閉時期又は作用角を調整した第１バルブタイミングを示す図である。 本実施形態に係る内燃機関の他の一例を示す概略構成図である。 本実施形態の内燃機関における第２バルブタイミングを示す図である。 本実施形態に係る内燃機関の他の一例を示す概略構成図である。 本実施形態の内燃機関における第３バルブタイミングを示す図である。

図１は、本実施形態に係る内燃機関の一例を示す概略構成図である。図１に示す内燃機関１００は、例えば、自動車等に搭載される。図１に示す内燃機関１００は、気筒１０、吸気通路１２、第１排気通路１４、第２排気通路１６、排気還流通路１８、吸気弁２０、第１排気弁２２、第２排気弁２４、過給器２８、インタークーラー３０、ＥＧＲクーラー３２、燃料インジェクタ３４、スロットルバルブ３６ａ，３６ｂ、排気触媒３８、ＥＣＵ４２、不図示の弁開閉部を備える。図１に示す気筒１０は１つであるが、複数でもよい。過給器２８は、コンプレッサ４４、タービン４６を備える。なお、図１に示す内燃機関１００は、火花点火を行うプラグを備えるが、その図示を省略している。

吸気通路１２及び第１排気通路１４は、それぞれ気筒１０に接続されている。また、第２排気通路１６の一端は、気筒１０に接続され、他端はコンプレッサ４４より上流の吸気通路１２に接続されている。また、排気還流通路１８の一端は、第１排気通路１４に接続され、他端は、スロットルバルブ３６ａより下流の吸気通路１２に接続されている。

過給器２８のコンプレッサ４４は吸気通路１２に設置され、過給器２８のタービン４６は第１排気通路１４に設置されている。過給器２８のタービン４６及びコンプレッサ４４は、回転軸４８の同軸上に配置されており、回転軸４８を介して一体的に構成されている。過給器２８は、第１排気通路１４を流れる排気のエネルギを利用してタービン４６を回転させ、そのタービン４６の回転力でコンプレッサ４４を駆動して、吸気通路１２を流れる空気を加圧する。

インタークーラー３０は、過給器２８のコンプレッサ４４より下流の吸気通路１２に設けられている。インタークーラー３０により、例えば吸気通路１２を流れる空気が冷却水と熱交換され、冷却される。

燃料インジェクタ３４は、インタークーラー３０より下流の吸気通路１２に設けられている。燃料インジェクタ３４により、吸気通路１２を流れる空気に燃料が噴射される。

スロットルバルブ３６ａは、燃料インジェクタ３４より下流の吸気通路１２に設置されている。スロットルバルブ３６ａにより、吸気通路１２を流れる混合気の流量が調整される。

排気触媒３８は、過給器２８のタービン４６より下流の第１排気通路１４に設けられている。排気触媒３８は、例えば、三元触媒や酸化触媒等であり、第１排気通路１４を流れる排気を浄化するものである。

ＥＧＲクーラー３２は、排気還流通路１８に設けられている。ＥＧＲクーラー３２により、例えば、吸気通路１２に還流する排気（ＥＧＲガス）が冷却水と熱交換され、冷却される。スロットルバルブ３６ｂは、ＥＧＲクーラー３２より下流の排気還流通路１８に設置されている。スロットルバルブ３６ｂにより、排気還流通路１８を流れる排気（ＥＧＲガス）の流量が調整される。

本実施形態の吸気系（吸気通路１２、吸気弁２０）及び排気系（第１排気通路１４、第２排気通路１６、第１排気弁２２、第２排気弁２４）の具体的構成について説明する。

図２は、気筒、吸気系及び排気系の概略構成を示す一部模式断面図である。気筒１０内には、ピストン５０が配置され、ピストン５０の上面及び気筒１０の内周壁からなる燃焼室５２が形成されている。気筒１０内のピストン５０は、不図示であるが、クランク機構を介してクランク軸に接続されている。クランク軸の近傍には、不図示であるが、クランク角度、内燃機関の回転数を検出するクランク角センサ、トルクを検出するトルクセンサ、ノッキングを検出するノッキングセンサ等が設けられている。

吸気通路１２、第１排気通路１４及び第２排気通路１６は燃焼室５２の上部に夫々独立して接続されている。吸気通路１２には吸気弁２０が設置され、吸気通路１２は吸気弁２０によって開閉される。第１排気通路１４には第１排気弁２２が設置され、第１排気通路１４は第１排気弁２２によって開閉される。第２排気通路１６には第２排気弁２４が設置され、第２排気通路１６は第２排気弁２４により開閉される。

弁開閉部は、吸気弁２０、第１排気弁２２及び第２排気弁２４をそれぞれ独立して開閉駆動するように構成され、例えば、カム軸と、複数のカム、可変バルブ機構等により構成される公知の構造である（例えば、特開２０１０−１３９４０号公報参照）。具体的には、カム軸は、タイミングベルトを介してクランク軸から駆動力が伝達され、回転する。複数のカムは、カム軸の外周に形成され、カム軸の回転に伴い吸気弁２０、第１排気弁２２及び第２排気弁２４を開閉駆動させる。可変バルブ機構は、例えばカム軸に設けられたカム、またはカムのプロファイルなどを変更することにより、各弁の開閉時期、リフト量及び作用角等を変更する。

弁開閉部は、排気工程において第１排気弁２２を開いて、燃焼室５２の排気を第１排気通路１４に排出し、吸気工程において吸気弁２０を開いて、吸気通路１２から燃焼室５２に混合気を供給し吸気下死点前に吸気弁２０を閉じ、圧縮行程において第２排気弁２４を開いて、燃焼室５２の混合気の一部を第２排気通路１６に排出するように、各弁を開閉駆動させる第１バルブタイミングを有する。ここで、上記吸気下死点とは、吸気工程においてピストン５０が下死点に達したクランク角を指す。なお、吸気上死点とは、吸気工程においてピストン５０が上死点に達したクランク角を指し、排気上死点とは、排気工程においてピストン５０が上死点に達したクランク角を指し、排気下死点とは、排気工程においてピストン５０が下死点に達したクランク角を指す。第１バルブタイミングの具体例については後述する。

ＥＣＵ４２は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、Ａ／Ｄ変換素子、Ｄ／Ａ変換素子等をバスで相互に接続して構成された周知のマイクロコンピュータである。図１に示すように、ＥＣＵ４２は、燃料インジェクタ３４、スロットルバルブ３６ａ，３６ｂ、不図示の点火プラグと電気的に接続されている。ＥＣＵ４２は、クランク角センサからの内燃機関の回転数、トルクセンサからの内燃機関のトルク、ノッキングセンサからのノッキング強度等の制御情報（データ）を取得し、その制御情報等に基づいて、燃料インジェクタ３４、スロットルバルブ３６ａ，３６ｂ、点火プラグを駆動制御し、燃料噴射量、混合気流量、排気流量、点火時期等を調整する。また、ＥＣＵ４２は、弁開閉部と電気的に接続され、弁開閉部の駆動を制御する。

次に、内燃機関１００の動作について説明する。

通常運転では、気筒１０の燃焼室５２内で燃焼した排気の一部は、第１排気弁２２を介して第１排気通路１４を流れ、過給器２８のタービン４６を回転駆動させた後、排気触媒３８で処理されて系外に排出される。タービン４６の回転駆動により、過給器２８のコンプレッサ４４が回転駆動され、吸気通路１２を通る空気が加圧される。加圧された空気はインタークーラー３０によって冷却された後、燃料インジェクタ３４から所定量の燃料が噴射される。また、吸気通路１２には、気筒１０から排出された排気の一部が排気還流通路１８を通り、ＥＧＲクーラー３２によって冷却された後、吸気通路１２に供給される。吸気通路１２を流れる混合気（空気と燃料）の流量、排気還流通路１８を通る排気の流量はスロットルバルブ３６ａ，３６ｂにより調整される。吸気通路１２を流れる混合気（空気、燃料、排気の混合気）は吸気弁２０を介して気筒１０内の燃焼室５２に供給される。燃焼室５２内の混合気は、点火プラグによって点火され、混合気の燃焼によって生じた圧力によってピストン５０が駆動される。燃焼室５２内で燃焼した混合気は、排気として第１排気弁２２を介して第１排気通路１４に排出される。

例えば、内燃機関１００の負荷が上昇し、ノッキングが発生する場合には、吸気工程における吸気弁２０の早閉じによるアトキンソンサイクル運転を行うことが好ましい。この場合、弁開閉部は第１バルブタイミングで吸気弁２０、第１排気弁２２及び第２排気弁２４を開閉駆動させる。具体的には、ＥＣＵ４２がトルクセンサやノッキングセンサから、内燃機関１００のトルク（負荷）データやノッキング強度データを取得し、これらの値が予め設定された閾値以上である場合には、ＥＣＵ４２から弁開閉部に制御信号が送信され、弁開閉部は、第１バルブタイミングで各弁を開閉駆動させる。

図３は、本実施形態の内燃機関における第１バルブタイミングを示す図である。図において、縦軸はバルブリフト量を示し、横軸はピストン５０のクランク角を示している。なお、図３の各弁の開閉時期は一例であってこれに制限されるものではない。

燃焼室５２における燃焼後、排気工程において、排気下死点付近（クランク角１８０°付近）において第１排気弁２２を開き、ピストン５０が上昇し、排気上死点付近（クランク角３６０°付近）で第１排気弁２２を閉じる。第１排気弁２２が開いており、ピストン５０が上昇している間に、燃焼室５２内の排気が第１排気通路１４から排出される。

吸気工程において、吸気上死点付近（クランク角３６０°付近）で、吸気弁２０を開き、ピストン５０が下降し、吸気下死点より手前（クランク角５４０°より手前）で吸気弁２０を閉じる（図３の実線を参照）。吸気弁２０が開くことで、吸気通路１２から混合気（燃料、空気及び排気）が燃焼室５２内に供給される。また、ノッキングの発生を抑制するため、吸気弁２０を吸気下死点より手前で閉じる早閉じを行い、燃焼室５２内の実圧縮比の低減を図っている。なお、通常運転では、例えば、吸気工程において、吸気上死点付近で吸気弁２０を開き、吸気下死点で吸気弁２０を閉じる（図３の破線を参照）。

ピストン５０が上昇し、燃焼室５２内の混合気が圧縮される圧縮行程において、第２排気弁２４を開閉し、燃焼室５２内の混合気の一部を第２排気通路１６に排気する。第２排気通路１６を流れる混合気は、吸気通路１２に戻されるので、燃料ロスは抑えられる。また、ノッキングを防止する点で、混合気をインタークーラー３０より上流側の吸気通路１２に戻し、混合気を冷却することが好ましい。

このように、本実施形態では、圧縮行程において第２排気弁２４を開き、燃焼室５２の混合気の一部を排気しているため、吸気工程において燃焼室５２に供給する混合気量を多くしても、燃焼室５２内の実圧縮比の低減は担保され、ノッキングの発生が抑制される。すなわち、吸気工程においては、吸気弁２０の開閉期間（弁が開いてから閉じるまでの時間）を通常運転の場合よりも極端に短くする必要はない。また、吸気弁２０の開閉期間をある程度長くすることができるため、バルブリフト量も低減することができる。したがって、吸気工程の吸気弁２０の早閉じによるアトキンソンサイクル運転を行う場合、上記のような第１バルブタイミングで各弁を開閉駆動させることで、吸気弁２０の急峻な開閉動作が抑えられる。

図４は、従来の内燃機関におけるアトキンソンサイクル運転のバルブタイミングを示す図である。従来の内燃機関においてアトキンソンサイクル運転を行う場合には、本実施形態のように圧縮行程において燃焼室の混合気の一部を排気しないため、図４の実線で示す吸気弁の開閉期間は、負荷の増加に伴い、図４の破線で示す通常運転の場合よりも極端に短い時間とする必要がる。そして、吸気弁の短い開閉時期の間に、通常運転と同量の混合気を燃焼室に供給するために、通常運転と同等程度のバルブリフト量とする必要がある。したがって、従来の内燃機関は、本実施形態の内燃機関と比べて、吸気工程の吸気弁の早閉じによるアトキンソンサイクル運転を行う場合、吸気弁の急峻な開閉動作が必要となる。

吸気弁の急峻な開閉動作は、燃焼室に供給する混合気の供給圧力（例えば、過給器の過給圧）を非常に高く設定する必要が生じたり、燃焼室のポンプ損失が増加したりする場合がある。しかし、本実施形態は、吸気弁の急峻な開閉動作が抑えられるため、従来の内燃機関と比べて、混合気の供給圧力や燃焼室のポンプ損失の低減を図ることが可能となる。

本実施形態では、アトキンソンサイクル運転を第１バルブタイミングで行う場合の吸気弁２０の開閉期間は、例えば、通常運転における吸気弁２０の開閉期間に対して２０％〜３０％程度低減させるだけでよく、吸気弁２０のバルブリフト量は、例えば、通常運転における吸気弁２０のバルブリフト量に対して２０％〜３０％低減させることができる。なお、従来の内燃機関では、アトキンソンサイクル運転における吸気弁の開閉期間は、例えば、通常運転における吸気弁の開閉期間に対して５０％以上低減させ、吸気弁のバルブリフト量は、例えば、通常運転における吸気弁のバルブリフト量と同程度とする必要がある。

図５は、内燃機関の負荷の低下に伴い、吸気弁や第２排気弁の開閉時期又は作用角を調整した第１バルブタイミングを示す図である。ここで、作用角とは、各弁のリフト量を時間で積分した値である開口時間面積を指す。すなわち、以下で述べる作用角の増加とは、リフト量や開閉期間を増加することを意味し、作用角の低減とは、リフト量や開閉期間を低減することを意味する。また、以下で述べる開閉時期の進角とは、作用角を変更せず、弁の開閉時期を早くすることを意味し、開閉時期の遅角とは、作用角を変更せず、弁の開閉時期を遅くすることを意味する。

例えば、ＥＣＵ４２がトルクセンサから、内燃機関１００のトルク（負荷）データを取得し、これらの値が予め設定された閾値以下となった場合には、ＥＣＵ４２から弁開閉部に制御信号が送信され、弁開閉部は、吸気弁２０や第２排気弁２４の開閉時期又は作用角を以下のように変更する。例えば、図５（Ａ）に示すように、吸気弁２０の開閉時期を遅角させる。すなわち、吸気弁２０の開閉時期を吸気下死点側（クランク角５４０°側）にシフトさせる。但し、第１バルブタイミング（アトキンソンサイクル運転）であるので、吸気弁２０は吸気下死点より前に閉じられる。また、例えば、図５（Ｂ）に示すように、第２排気弁２４の開閉時期を進角させる。すなわち、第２排気弁２４の開閉時期を吸気下死点側（クランク角５４０°側）にシフトさせる。また、例えば、図５（Ｃ）に示すように、吸気弁２０の作用角を増加させる。図５（Ｃ）では、吸気弁２０の開閉期間及びリフト量の両方を増加させているが、いずれか一方で良い。また、例えば、図５（Ｄ）に示すように、第２排気弁２４の作用角を低減させる。図５（Ｄ）では、第２排気弁２４の開閉期間及びリフト量の両方を低減させているが、いずれか一方で良い。上記のような吸気弁２０及び第２排気弁２４の開閉時期又は作用角の調整により、燃焼室５２のポンプ損失や過給器２８による混合気の過給圧をより低減することができる。なお、上記のような吸気弁２０及び第２排気弁２４の開閉時期又は作用角の調整により内燃機関の実圧縮比の低減率は緩和されるが、内燃機関の負荷が低下しノッキングの発生率も低下しているため、ノッキングへの影響は少ない。

吸気弁２０及び第２排気弁２４の開閉時期又は作用角の調整は、上記のように予め設定した閾値を基準に行う場合に限定されず、内燃機関１００の負荷の低下に伴い、段階的又は連続的に行ってもよい。また、内燃機関１００の負荷は、トルクセンサにより検出されたトルクデータを用いているが、内燃機関１００の負荷の増減を判断できるデータであればよく、例えば、ノッキングセンサにより検出されたノッキング強度データを用いてもよい。

図６は、本実施形態に係る内燃機関の他の一例を示す概略構成図である。図６に示す内燃機関２００において、図１に示す内燃機関１００と同様の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。図６に示す内燃機関２００は、第２吸気通路５４を備える。第２吸気通路５４の一端は、インタークーラー３０より下流側でスロットルバルブ３６ａより上流側の吸気通路１２に接続されている。第２吸気通路５４の他端は、第２排気通路１６に合流して１つの配管を成し、気筒１０の燃焼室５２に接続されている。第２排気弁２４は上記配管に設けられており、第２排気弁２４により第２吸気通路５４及び第２排気通路１６が開閉される。

弁開閉部は、前述の第１バルブタイミングと、排気工程において第１排気弁２２を開いて、燃焼室５２の排気を第１排気通路１４に排出し、吸気工程において吸気弁２０及び第２排気弁２４を開いて、吸気通路１２及び第２吸気通路５４から燃焼室５２に混合気を供給するように、各弁を開閉駆動する第２バルブタイミングと、を有する。

弁開閉部は、予め設定された高負荷領域では、第１バルブタイミングで、各弁を開閉駆動し、予め設定された高負荷領域以外では、第２バルブタイミングで、各弁を開閉駆動する。ここで、高負荷領域とは、例えば、トルクセンサから検出されたトルクデータが閾値以上となる内燃機関の運転状態、或いはノッキングセンサから検出されたノッキング強度データが閾値以上となる内燃機関の運転状態である。

＜第１バルブタイミングによる各弁の開閉駆動＞
ＥＣＵ４２がトルクセンサやノッキングセンサから、内燃機関１００のトルクデータ又はノッキング強度データを取得し、これらの値が予め設定された閾値以上である場合には、ＥＣＵ４２から弁開閉部に制御信号が送信され、弁開閉部は、第１バルブタイミングで各弁を開閉駆動させる。第１バルブタイミングによる各弁の開閉駆動は前述した通りであり、その説明を省略する（図３参照）。なお、第１バルブタイミングでは、圧縮行程中に第２排気弁２４を開閉することで、第２排気通路１６に排気された混合気の一部が、第２排気通路１６に連通する第２吸気通路５４側に漏れたり、第２吸気通路５４を流れる混合気が燃焼室５２内に流入したりする場合があるため、第２吸気通路５４にバルブを設置して、第１バルブタイミング中は第２吸気通路５４に設置したバルブを閉じておくことが望ましい。

＜第２バルブタイミングによる各弁の開閉駆動＞
ＥＣＵ４２がトルクセンサやノッキングセンサから、内燃機関１００のトルクデータ又はノッキング強度データを取得し、これらの値が予め設定された閾値未満である場合には、ＥＣＵ４２から弁開閉部に制御信号が送信され、弁開閉部は、第２バルブタイミングで各弁を開閉駆動させる。

図７は、本実施形態の内燃機関における第２バルブタイミングを示す図である。図において、縦軸はバルブリフト量を示し、横軸はピストン５０のクランク角を示している。なお、図７の各弁の開閉時期は一例であってこれに制限されるものではない。

燃焼室５２における燃焼後、排気工程において、排気下死点付近（クランク角１８０°付近）で第１排気弁２２を開き、ピストン５０が上昇し、排気上死点付近（クランク角３６０°付近）で第１排気弁２２を閉じる。第１排気弁２２が開いており、ピストン５０が上昇している間に、燃焼室５２内の排気が第１排気通路１４から排出される。

吸気工程において、吸気上死点付近（クランク角３６０°付近）で、吸気弁２０を開き、その後第２排気弁２４を開き、吸気下死点（クランク角５４０°付近）で吸気弁２０を閉じ、吸気下死点から所定時間経過後に第２排気弁２４を閉じる。吸気弁２０及び第２排気弁２４を開くことで、吸気通路１２及び第２吸気通路５４から混合気が燃焼室５２内に供給される。なお、第２バルブタイミングでは、第２吸気通路５４を流れる混合気の一部が第２吸気通路５４に連通する第２排気通路１６側に漏れる場合があるため、第２排気通路１６にバルブを設置して、第２バルブタイミング中は第２排気通路１６に設置したバルブを閉じておくことが望ましい。

このように、吸気通路１２及び第２吸気通路５４の２つから混合気を燃焼室５２に供給することで、各通路から供給される混合気量を調整することが可能となり、内燃機関２００の熱効率を向上させることができる。特に、図で示すように、吸気弁２０を開いて吸気通路１２から混合気を供給した後に、第２排気弁２４を開いて第２吸気通路５４から混合気を供給することが好ましい。

図８は、本実施形態に係る内燃機関の他の一例を示す概略構成図である。図８に示す内燃機関３００において、図１に示す内燃機関１００と同様の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。図８に示す内燃機関３００は、第２吸気通路５４及び第２吸気弁５６を備える。第２吸気通路５４の一端は、インタークーラー３０より下流側でスロットルバルブ３６ａより上流側の吸気通路１２に接続されている。第２吸気通路５４の他端は、気筒１０の燃焼室５２に接続されている。第２吸気通路５４には、第２吸気弁５６が設置され、第２吸気弁５６により第２吸気通路５４が開閉される。

弁開閉部は、前述の第１バルブタイミングと、排気工程において第１排気弁２２を開いて、燃焼室５２の排気を第１排気通路１４に排出し、吸気工程において吸気弁２０及び第２吸気弁５６を開いて、吸気通路１２及び第２吸気通路５４から燃焼室５２に混合気を供給するように、各弁を開閉駆動させる第３バルブタイミングと、を有する。弁開閉部は、予め設定された高負荷領域では、第１バルブタイミングで、各弁を開閉駆動し、予め設定された高負荷領域以外では、第３バルブタイミングで、各弁を開閉駆動する。

＜第１バルブタイミングによる各弁の開閉駆動＞
ＥＣＵ４２がトルクセンサやノッキングセンサから、内燃機関１００のトルクデータ又はノッキング強度データを取得し、これらの値が予め設定された閾値以上である場合には、ＥＣＵ４２から弁開閉部に制御信号が送信され、弁開閉部は、第１バルブタイミングで各弁を開閉駆動させる。第１バルブタイミングによる各弁の開閉駆動は前述した通りであり、その説明を省略する（図３参照）。

＜第３バルブタイミングによる各弁の開閉駆動＞
ＥＣＵ４２がトルクセンサやノッキングセンサから、内燃機関１００のトルクデータ又はノッキング強度データを取得し、これらの値が予め設定された閾値未満である場合には、ＥＣＵ４２から弁開閉部に制御信号が送信され、弁開閉部は、第３バルブタイミングで各弁を開閉駆動させる。

図９は、本実施形態の内燃機関における第３バルブタイミングを示す図である。図において、縦軸はバルブリフト量を示し、横軸はピストン５０のクランク角を示している。なお、図９の各弁の開閉時期は一例であってこれに制限されるものではない。

燃焼室５２における燃焼後、排気工程において、排気下死点付近（クランク角１８０°付近）で第１排気弁２２を開き、ピストン５０が上昇し、排気上死点付近（クランク角３６０°付近）で第１排気弁２２を閉じる。第１排気弁２２が開いており、ピストン５０が上昇している間に、燃焼室５２内の排気が第１排気通路１４から排出される。

吸気工程において、吸気上死点付近（クランク角３６０°付近）で、吸気弁２０を開き、その後第２吸気弁５６を開き、吸気下死点付近（クランク角５４０°付近）で吸気弁２０を閉じ、吸気下死点から所定時間経過後に第２吸気弁５６を閉じる。吸気弁２０及び第２吸気弁５６を開くことで、吸気通路１２及び第２吸気通路５４から混合気が燃焼室５２内に供給される。

このように、吸気通路１２及び第２吸気通路５４の２つから混合気を燃焼室５２に供給することで、各通路から供給される混合気量を調整することが可能となり、内燃機関３００の熱効率を向上させることができる。特に、図で示すように、吸気弁２０を開いて吸気通路１２から混合気を供給した後に、第２吸気弁５６を開いて第２吸気通路５４から混合気を供給することが好ましい。

これまでの実施形態では、吸気通路１２に燃料インジェクタ３４を配置した内燃機関について説明してきたが、燃料インジェクタ３４は、燃焼室５２内に燃料を直接噴射する直噴型燃料インジェクタでもよい。この場合、第１バルブタイミングにおける第２排気弁２４の閉弁時期は、直噴型燃料インジェクタによる燃料噴射前とすることが好ましい。これにより、直噴型燃料インジェクタにより噴射された燃料が第２排気弁２４を介して第２排気通路１６から排出されることが抑制される。

また、本実施形態では、各弁の開閉駆動を上記のようなカムを用いた弁開閉部により行っているが必ずしもこれに限定されるものではなく、例えば、電磁駆動方式等でもよい。電磁駆動方式の弁開閉部は、例えば、各弁に設置される電動アクチュエータと、駆動回路とを備える。駆動回路には、ＥＣＵ４２から、各弁のバルブタイミングについての制御信号が伝えられる。駆動回路は、制御信号に基づいて、電動アクチュエータを駆動させ、各弁を開閉駆動させる。

１０ 気筒、１２ 吸気通路、１４ 第１排気通路、１６ 第２排気通路、１８ 排気還流通路、２０ 吸気弁、２２ 第１排気弁、２４ 第２排気弁、２８ 過給器、３０ インタークーラー、３２ ＥＧＲクーラー、３４ 燃料インジェクタ、３６ａ，３６ｂ スロットルバルブ、３８ 排気触媒、４４ コンプレッサ、４６ タービン、４８ 回転軸、５０ ピストン、５２ 燃焼室、５４ 第２吸気通路、５６ 第２吸気弁、１００ ，２００，３００ 内燃機関。

Claims (5)

1. 空気及び燃料を含む混合気を燃焼する燃焼室に夫々独立して接続される吸気通路、第１排気通路及び第２排気通路と、
   前記吸気通路を開閉する吸気弁、前記第１排気通路を開閉する第１排気弁、前記第２排気通路を開閉する第２排気弁と、
   前記吸気弁、前記第１排気弁、及び前記第２排気弁を開閉駆動させる弁開閉部と、を備え、
   前記弁開閉部は、排気工程において前記第１排気弁を開いて、前記燃焼室の排気を前記第１排気通路に排出し、吸気工程において前記吸気弁を開いて、前記吸気通路から前記燃焼室に混合気を供給し吸気下死点前に吸気弁を閉じ、圧縮行程において前記第２排気弁を開いて、前記燃焼室の混合気の一部を前記第２排気通路に排出するように、各弁を開閉駆動させる第１バルブタイミングを有し、前記第１バルブタイミングにより前記第２排気通路を流れる混合気は、前記吸気通路に戻ることを特徴とする内燃機関。
2. 前記弁開閉部は、内燃機関の負荷の低下に伴い、前記吸気弁の開閉時期を遅角すること、前記第２排気弁の開閉時期を進角すること、前記吸気弁の作用角を増加すること、及び前記第２排気弁の作用角を低減することのうち少なくともいずれか１つを行うことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記燃焼室に接続される第２吸気通路を備え、前記第２排気弁は、前記第２排気通路及び前記第２吸気通路を開閉し、
   前記弁開閉部は、排気工程において前記第１排気弁を開いて、前記燃焼室の排気を前記第１排気通路に排出し、吸気工程において前記吸気弁及び前記第２排気弁を開いて、前記吸気通路及び前記第２吸気通路から前記燃焼室に混合気を供給するように、各弁を開閉駆動させる第２バルブタイミングを有し、予め定められた高負荷領域では、前記第１バルブタイミングを行い、前記高負荷領域以外では前記第２バルブタイミングを行う請求項１又は２に記載の内燃機関。
4. 前記燃焼室に接続される第２吸気通路と、前記第２吸気通路を開閉する第２吸気弁と、を備え、
   前記弁開閉部は、排気工程において前記第１排気弁を開いて、前記燃焼室の排気を前記第１排気通路に排出し、吸気工程において前記吸気弁及び前記第２吸気弁を開いて、前記吸気通路及び前記第２吸気通路から前記燃焼室に混合気を供給するように、各弁を開閉駆動させる第３バルブタイミングを有し、予め定められた高負荷領域では、前記第１バルブタイミングを行い、前記高負荷領域以外では前記第３バルブタイミングを行う請求項１又は２に記載の内燃機関。
5. 前記燃焼室内に燃料を直接噴射する直噴インジェクタを有し、
   前記第１バルブタイミングにおける前記第２排気弁の閉弁時期は、前記直噴インジェクタによる燃料噴射前であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関。
   

Images