JP2008303764A - 可変動弁機構を備える内燃機関およびその制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】一方の吸気弁の閉弁時期を他方の吸気弁の閉弁時期よりも早めることによって燃焼室内にスワールを生成する内燃機関において、吸気効率を良好に向上させることができ、これにより、無駄な圧縮比の低下を招いたり、燃焼室設計の自由度を狭めたりするのを良好に回避させる。
【解決手段】一方の吸気弁６２の閉弁時期と他方の吸気弁６０の閉弁時期とを独立して変更可能とし、かつ、バルブオーバーラップ期間を可変とする可変動弁機構として、吸気可変動弁機構および排気可変動弁機構を備える。一方の吸気弁６２の閉弁時期を他方の吸気弁６０の閉弁時期よりも早める片弁早閉じ制御を実行することで筒内にスワールを生成する。スワールの生成を主として担う主流ポート側の吸気弁６０のバルブ径を、従属ポート側の吸気弁６２のバルブ径よりも大きくなるように構成する。
【選択図】図２

Description

この発明は、可変動弁機構を備える内燃機関の制御装置およびその制御装置に関する。

従来、例えば特許文献１には、同一気筒内に配置された２つの吸気弁の開閉特性を独立して変更可能な可変動弁機構を備えた内燃機関が開示されている。より具体的には、上記従来の内燃機関では、所定の運転条件下において、一方の吸気弁の閉弁時期を他方の吸気弁の閉弁時期よりも早めるように可変動弁機構を制御することによって、燃焼室内にスワールを発生させるようにしている。

特開２００４−１００５５５号公報 特開２００５−２７３５９８号公報 特開昭６２−１７０７２２号公報

上述した従来の内燃機関のように、吸気弁開弁期間と排気弁開弁期間とが重なるバルブオーバーラップ期間を可変とする可変動弁機構を備える内燃機関においては、内部排気ガス再循環量（内部ＥＧＲガス量）の調整や吸入空気の吸気効率（充填効率）の向上を目的として、運転状態に応じて、バルブオーバーラップ期間（正のバルブオーバーラップ期間）の調整が行われる。

正のバルブオーバーラップ期間が十分に与えられるようにするためには、ピストンと吸排気弁との干渉を避けるために、ピストン側にバルブリセスを設けることが必要となる。しかしながら、このようなバルブリセスの存在は、無駄な圧縮比の低下を招いたり、必要な圧縮比を確保するための燃焼室設計の自由度を狭めたりしてしまう。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、一方の吸気弁の閉弁時期を他方の吸気弁の閉弁時期よりも早めることによって燃焼室内にスワールを生成する内燃機関において、吸気効率を良好に向上させることができ、これにより、無駄な圧縮比の低下を招いたり、燃焼室設計の自由度を狭めたりするのを良好に回避させ得る可変動弁機構を備える内燃機関およびその制御装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、一方の吸気弁の閉弁時期と他方の吸気弁の閉弁時期とを独立して変更可能とし、かつ、吸気弁開弁期間と排気弁開弁期間とが重なるバルブオーバーラップ期間を可変とする機能を有する可変動弁機構を備え、前記一方の吸気弁の閉弁時期を前記他方の吸気弁の閉弁時期よりも早める片弁早閉じ制御を実行することで筒内にスワールを生成する内燃機関であって、
前記他方の吸気弁が、スワールの生成を主として担う主流ポートの吸気弁とされ、
前記一方の吸気弁が、前記主流ポート以外のポートの吸気弁とされ、
前記他方の吸気弁のバルブ径が、前記一方の吸気弁のバルブ径よりも大きくなるように構成されていることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、前記一方の吸気弁のバルブ径と前記他方の吸気弁のバルブ径は、前記片弁早閉じ制御を実行した場合のスワール比と吸気ポートの流量係数のトレードオフが最良となる点で決定されていることを特徴とする。

また、第３の発明は、第１または第２の発明において、前記バルブオーバーラップ期間を、同一気筒内に配置された複数の吸気弁のバルブ径が同一とされる場合に同じ内部ＥＧＲガス量或いは同じ吸気効率を要求したときに必要とされるバルブオーバーラップ期間よりも短い期間となるように設定するオーバーラップ期間設定手段を更に備えることを特徴とする。

また、第４の発明は、第３の発明において、内燃機関のピストンの頂面に形成されたバルブリセスを更に備え、
前記バルブリセスの深さは、同一気筒内に配置された複数の吸気弁のバルブ径が同一とされる場合に同じ内部ＥＧＲガス量或いは同じ吸気効率を要求したときに必要とされるバルブリセスの深さよりも浅くなるように設定されていることを特徴とする。

また、第５の発明は、第１乃至第４の発明の何れかにおいて、前記一方の吸気弁のバルブ径と排気弁のバルブ径とが同一とされていることを特徴とする。

また、第６の発明は、第１乃至第５の発明の何れかにおいて、前記一方の吸気弁が配置されるポートが、ストレートポートであることを特徴とする。

また、第７の発明は、第１乃至第６の発明の何れかにおいて、内燃機関の運転状態に応じて、吸気弁の制御を、前記片弁早閉じ制御と、前記一方の吸気弁の閉弁時期と前記他方の吸気弁の閉弁時期とを一致させて行う制御との間で切り換えるバルブ制御切換手段を更に備え、
前記バルブ制御切換手段は、同一気筒内に配置された複数の吸気弁のバルブ径が同一とされる場合に必要な吸入空気量を満たしたときに前記片弁早閉じ制御が継続可能なスワール比を生成可能な限界領域よりも高負荷側の運転領域にまで、前記片弁早閉じ制御の実行領域が及ぶように制御することを特徴とする。

また、第８の発明は、第１乃至第６の発明の何れかにおいて、内燃機関の運転状態に応じて、吸気弁の制御を、前記片弁早閉じ制御と、前記一方の吸気弁の閉弁時期と前記他方の吸気弁の閉弁時期とを一致させて行う制御との間で切り換えるバルブ制御切換手段を更に備え、
前記バルブ制御切換手段は、同一気筒内に配置された複数の吸気弁のバルブ径が同一とされる場合に必要なスワール比を満たしたときのポンプ損失の許容限界値に達する運転領域よりも高負荷側の運転領域にまで、前記片弁早閉じ制御の実行領域が及ぶように制御することを特徴とする。

第１の発明によれば、スワールの生成を主として担う主流ポートの吸気弁のバルブ径を大きくすることによって、スワール比と流量係数とをともに改善することができるようになる。つまり、流量係数とスワール比のトレードオフの関係を改善することができる。このように、本発明によれば、吸気効率を大幅に向上できるようになるので、特に吸気側での正のバルブオーバーラップ期間を短くできるようになる。その結果、ピストンの頂面に設けられるバルブリセスを深くする必要がなくなるので、無駄な圧縮比低下を招いたり、そのようなバルブリセスの存在に起因して燃焼室設計の自由度が妨げられたりするのを良好に回避することが可能となる。

第２の発明によれば、内燃機関の全負荷運転時における要求吸入空気量を満足させつつ、吸気ポートの流量係数とスワール比のトレードオフの関係を最適なものとすることが可能となる。

第３の発明によれば、主流ポート側の吸気弁のバルブ径が拡大された構成を用いた場合において、適切なバルブオーバーラップ期間を設定することが可能となる。

第４の発明によれば、主流ポート側の吸気弁のバルブ径が拡大された構成を用いた場合において、無駄な圧縮比の低下を招いたり、バルブリセスの存在に起因して燃焼室設計の自由度が妨げられたりするのを良好に回避することができる。

第５の発明によれば、スワールや、特にスキッシュ流れを一様とすることができるようになる。これにより、バルブリセスの存在によって筒内気流を乱れるのを抑制することができ、排気エミッションをより改善することができる。

第６の発明によれば、スワール生成機能は主流ポート側で十分に確保しつつ（すなわち、スワールと流量係数とのトレードオフの関係を良好に改善させつつ）、スワール比が低い領域での流量係数を向上することができるようになる。このため、スワール比の低下を招くことなく、スワール比の可変幅を拡大することが可能となる。また、このような特性が得られることによって、高いスワールが要求されない領域において流量係数を高めることができるので、そのような領域において燃費低減と排気エミッションの更なる低減をも図ることができる。

第７または第８の発明によれば、スモーク排出量を増加させずに燃料を多く噴くことが可能となる。このため、特に過給遅れのために従来においては燃料を増量することが困難であった過渡時の加速性を向上させることができる。

実施の形態１．
［システム構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。図１に示すシステムは、内燃機関１０を備えている。内燃機関１０は、４サイクルのディーゼルエンジン（圧縮着火式内燃機関）である。内燃機関１０の各気筒には、燃料を筒内に直接噴射するインジェクタ１２が設置されている。各気筒のインジェクタ１２は、共通のコモンレール１４に接続されている。図示しない燃料タンク内の燃料は、サプライポンプ１６によって所定の燃圧まで加圧されて、コモンレール１４内に蓄えられ、コモンレール１４から各インジェクタ１２に供給される。

内燃機関１０の排気通路１８は、排気マニホールド２０により枝分かれして、各気筒の排気ポートに接続されている。本実施形態の内燃機関１０は、ターボ過給機２２を備えている。排気通路１８は、ターボ過給機２２の排気タービンに接続されている。また、排気通路１８におけるターボ過給機２２の下流側には、排気ガスを浄化するための排気浄化装置２４が設けられている。

内燃機関１０の吸気通路２６の入口付近には、エアクリーナ２８が設けられている。エアクリーナ２８を通って吸入された空気は、ターボ過給機２２の吸気圧縮機で圧縮された後、インタークーラ３０で冷却される。インタークーラ３０を通過した吸入空気は、吸気マニホールド３２により、各気筒の吸気ポートに分配される。

インタークーラ３０と吸気マニホールド３２との間には、吸気絞り弁３４が設置されている。また、エアクリーナ２８の下流近傍には、吸入空気量を検出するエアフローメータ３６が設置されている。また、吸気絞り弁３４の下流側には、吸気通路２６内の圧力を検出する吸気圧力センサ３８が設置されている。

また、図１に示すシステムは、各気筒の吸気弁６０、６２（図２参照）の開弁特性を変更可能とする吸気可変動弁機構４０と、排気弁６４（図２参照）の開弁特性を変更可能とする排気可変動弁機構４２とを備えている。より具体的には、吸気可変動弁機構４０は、気筒当たり２つ配置された吸気弁６０、６２（図２参照）の一方の吸気弁６２の閉弁時期を他方の吸気弁６０に比して早める（片弁早閉じ）ことができるものである。尚、そのような機能を有する吸気可変動弁機構４０は、例えば、国際出願の国際公開番号ＷＯ ２００６/０２５５６５ Ａ１号公報に詳述された可変動弁機構によって実現することができる。このため、ここでは、その詳細な説明を省略または簡略するものとする。

また、排気可変動弁機構４２は、排気弁６４の開閉時期をリフト量および作用角一定のままで変更できる機能を備えているものとする。そのような機能は、例えば、排気弁６４の開閉時期を制御するためのＶＶＴ機構（図示省略）を備えることによって実現することができる。また、吸気可変動弁機構４０についても、そのようなＶＶＴ機構（図示省略）を併せて備えているものとする。このようなＶＶＴ機構によれば、吸気弁開弁期間と排気弁開弁期間とが重なるバルブオーバーラップ期間を可変とすることができる。

また、本実施形態のシステムは、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を備えている。ＥＣＵ５０には、上述した各種のセンサに加え、エンジン回転数を検出するためのクランク角センサ５２やアクセル開度を検出するためのアクセル開度センサ５４が接続されているとともに、上述した各種のアクチュエータが接続されている。ＥＣＵ５０は、それらのセンサ信号や情報に基づき、所定のプログラムに従って各アクチュエータを駆動させることにより、内燃機関１０の運転状態を制御する。

図２は、本発明の実施の形態１における特徴的な吸排気弁６０、６２、６４の構成を、一般的な吸排気弁の構成と比較して説明するための図である。より具体的には、図２（Ａ）は一般的な吸排気弁の構成を示し、図２（Ｂ）は本実施形態の吸排気弁６０、６２、６４の構成を示している。

図２（Ａ）に示すように、一般的な吸排気弁の構成では、同一気筒内に配置された２つの吸気弁のバルブ径（バルブ面積）は同一のものとされる。これは、同一気筒内に配置された２つの排気弁についても同様である。また、一般的には、吸気弁のバルブ径は、排気弁のバルブ径よりも大きくなるように構成される。そのうえで、それらの吸気弁および排気弁のそれぞれの面積は、吸排気効率が最も良くなるように出来る限り大きく設定される。

上記のような一般的な吸排気弁の構成が用いられている場合には、２つの吸気弁のうちの何れか一方の吸気弁（以下、「従属ポート側の吸気弁」と称することがある）の閉じ時期が、他方の吸気弁（以下、「主流ポート側の吸気弁」と称することがある）の閉じ時期よりも早められるように吸気可変動弁機構によって制御されることで、スワールを効果的に生成できるようになる。

これに対し、本実施形態では、図２（Ｂ）に示すように、同一気筒内に配置された２つの吸気弁６０、６２のバルブ径（バルブ面積）が異ならされている。より具体的には、スワール生成時に筒内への吸入空気の供給を主として担う側のポートである主流ポート側の吸気弁６０のバルブ径が、当該吸気弁６０に比して早閉じされることになる従属ポート側の吸気弁６０のバルブ径よりも大きくなるように構成されている。つまり、主流ポート側の吸気弁６０のバルブ径が、同一気筒内に配置された吸排気弁６０、６２、６４の中で最も大きくなるように構成されている。

更に付け加えると、吸排気弁のバルブ径（バルブ面積）は、元々、燃焼室内の限られたスペース内で十分なバルブ径が得られるように設定されるものである。このため、主流ポート側の吸気弁６０のバルブ径が上記図２（Ａ）のベースの構成に対して大きくされるのに伴い、従属側の吸気弁６２のバルブ径は上記ベースの構成に対して小さくされている。また、２つの排気弁６４のバルブ径についても、主流ポート側の吸気弁６０のバルブ径の拡大に伴い、上記ベースの構成に対して小さくされている。

図３は、上記図２（Ｂ）に示す吸排気弁６０等の構成によって得られる顕著な効果を説明するための図である。より具体的には、図３は、吸気ポートの流量係数とスワール比との関係を示している。また、図３中の細線は上記図２（Ａ）に示すベースの構成が用いられた場合の波形を、図３中の太線は上記図２（Ｂ）に示す本実施形態のバルブ構成が用いられた場合の波形を、それぞれ示している。図３に示すように、吸気ポートの流量係数とスワール比とは、基本的にはトレードオフの関係にある。すなわち、基本的に、流量係数を高めるとスワール比が小さくなり（スワールが弱くなり）、逆に、スワール比を高めると流量係数が小さくなる。

上述した本実施形態の構成では、スワール生成時にスワールを強くするために多量の吸入空気を流通させるべき主流ポート側の吸気弁６０のバルブ径が従属ポート側の吸気弁６２のバルブ径よりも大きくなるように設定されている。このような構成によれば、上記ベース状態と同等のスワール比を得る際の流量係数を高めることができるようになる。つまり、流量係数とスワール比のトレードオフの関係を改善することができる。その結果、図３中に太線で示すように、流量係数を高めつつ、スワール比を高めることが可能となる。これにより、スワール比を高める際の流量係数の低下を抑制することができるので、ポンプ損失を改善し、燃費を良好に向上させることができるようになる。

以上説明したように、本実施形態の構成によれば、吸気可変動弁機構４０を用いることで、従属ポート側の吸気弁６２の閉弁時期を主流ポート側の吸気弁６０の閉弁時期よりも早めることによって燃焼室内にスワールを生成する内燃機関１０において、スワールの生成を主として担う主流ポート側の吸気弁６０のバルブ径を、早閉じ側である従属ポート側の吸気弁６２のバルブ径よりも大きくしたことによって、上記のように吸気効率を大幅に向上できるようになる。また、バルブ径の拡大に伴う主流ポートの拡大によってオーバーラップ期間中に吸気ポート（主流ポート）に吹き返す排気ガス量を増やすことができ、内部ＥＧＲガス量を増加させることができる。

このため、内部ＥＧＲガス量の調整や吸入空気の充填効率の向上を目的として正のバルブオーバーラップ期間を調整する際に、特に吸気側での正のバルブオーバーラップ期間を短くできるようになる。その結果、ピストンの頂面に設けられるバルブリセスを深くする必要がなくなるので、無駄な圧縮比低下を招いたり、そのようなバルブリセスの存在に起因して燃焼室設計の自由度が妨げられたりするのを良好に回避することが可能となる。

また、主流ポート側の吸気弁６０のバルブ径の拡大に伴う設計上の制約から、上記のように排気弁６４のバルブ径が小さくなる。これにより、排気効率の低下が懸念される。しかしながら、本実施形態の吸気可変動弁機構４０や排気可変動弁機構４２は、吸排気弁６０等の開閉時期を調整可能とするＶＶＴ機構を備えているため、排気弁６４の開き時期や吸気弁６０、６２の閉じ時期を他気筒からの排気干渉を避ける時期に最適化することによって対策可能である。

実施の形態２．
次に、図４を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
本実施形態においても、上述した実施の形態１と同様の構成、すなわち、図１および図２（Ｂ）に示す構成が採用されているものとする。そのうえで、本実施形態では、主流ポート側の吸気弁６０のバルブ径および従属ポート側の吸気弁６２のバルブ径の決定手法に特徴を有している。

図４は、本発明の実施の形態２における吸気弁６０、６２のバルブ径（バルブ面積）の特徴的な決定手法を説明するための図である。既述したように、吸排気弁のバルブ径は、基本的に、燃焼室内の限られたスペース内で可能な限りのバルブ径が得られるように決定されるものである。

そこで、本実施形態においても、前提として、主流ポート側の吸気弁６０のバルブ径を他のバルブ（すなわち、従属ポート側の吸気弁６２および２つの排気弁６４）のバルブ径よりも大きくしている。そして、そのうえで、主流ポート側の吸気弁６０のバルブ径と従属ポート側の吸気弁６２のバルブ径とは、図４に示すように、等スワール比条件下において、主流ポート側の吸気弁６０のバルブ径を大きくしていき、かつ、従属ポート側の吸気弁６２のバルブ径を小さくしていった際に、これらの２弁を通過する吸入空気量の合計値が最大となる点でのバルブ径を採用することを特徴としている。

より具体的には、主流ポート側の吸気弁６０のバルブ径を拡大していくこととすれば、上記図３に示すように、流量係数とスワールのトレードオフの関係を改善していくことができる。ただし、主流ポート側の吸気弁６０のバルブ径の拡大には、従属ポート側の吸気弁６２の縮小を伴うので、過剰に主流ポート側の吸気弁６０のバルブ径を拡大すると、吸気弁を１弁のみとする構成に近づき、却って上記トレードオフの関係を悪化させてしまう。そこで、本実施形態では、上記の如く、等スワール条件下で比較した際に、主流ポート側の吸気弁６０および従属ポート側の吸気弁６２の２弁を通過する吸入空気量の合計値が最大となる点で、これらの２弁のバルブ径を決定するようにしている。すなわち、本実施形態では、主流ポート側の吸気弁６０のバルブ径と従属ポート側の吸気弁６２のバルブ径とを、片弁早閉じ制御を実行した場合のスワール比と吸気ポートの流量係数のトレードオフが最良となる点で決定するようにしている。

以上説明した本実施形態の吸気弁６０、６２のバルブ径の決定手法によれば、内燃機関１０の全負荷運転時における要求吸入空気量を満足させつつ、吸気ポートの流量係数とスワール比のトレードオフの関係を最適なものとすることが可能となる。

実施の形態３．
次に、図５を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。
本実施形態においても、上述した実施の形態１と同様の構成、すなわち、図１および図２（Ｂ）に示す構成が採用されているものとする。更に、本実施形態のシステムでは、そのようなバルブ構成を有するシステムにおける正のバルブオーバーラップ期間の設定とバルブリセス深さの設定に特徴を有している。

図５は、本発明の実施の形態３における特徴的な正のバルブオーバーラップ期間の設定および特徴的なバルブリセスの設定を説明するための図である。より具体的には、図５（Ａ）は、内部ＥＧＲガス量と正のバルブオーバーラップ期間との関係を表している。尚、図５（Ａ）中に「ベース」と指示した曲線は、上記図２（Ａ）に示すベースの構成が用いられたときの曲線に対応している。このベース曲線で表されるように、内部ＥＧＲガス量は、正のバルブオーバーラップ期間が長くされるにつれ多くなるという傾向を有している。

また、吸気弁６０、６２のバルブ径が上記図２（Ｂ）の構成のように決定されている場合には、主流ポート側の吸気弁６０のバルブ径が拡大されたことによって、内部ＥＧＲガス量が増大する。このため、図５（Ａ）に示すように、同一の内部ＥＧＲガス量を得るために必要となる正のバルブオーバーラップ期間は、上記図２（Ｂ）の構成が採用されている場合には、上記ベースの構成が採用されている場合に比して短くて済むようになる。

内燃機関１０の低負荷運転領域において必要とされる正のバルブオーバーラップ期間は、内燃機関ごとの諸元に応じて予め定められたＨＣの排出抑制基準値との関係で定まるものである。従って、図５（Ａ）に示すように、ＨＣを所定の排出抑制基準値以下とするために必要とされる正のバルブオーバーラップ期間は、上記図２（Ｂ）の構成が採用された場合の方が上記ベースの構成が採用された場合に比して短くて済むようになる。また、内燃機関１０の低速領域や高速領域において必要とされる正のバルブオーバーラップ期間は、それぞれの領域においてどれだけのトルク或いは出力が要求されているかによって（すなわち、吸気効率の観点から）定まるものである。

本実施形態のシステムは、主流ポート側の吸気弁６０のバルブ径を早閉じ側である従属ポート側の吸気弁６２のバルブ径よりも大きくした構成を備える内燃機関１０において、正のバルブオーバーラップ期間を以下のような基準で設定するようにしたという点に特徴を有している。すなわち、本実施形態では、同一気筒内に配置された２つの吸気弁のバルブ径が同一とされる場合（上記ベースの構成）に同じ内部ＥＧＲガス量或いは同じ吸気効率（充填効率）を要求したときに必要とされる正のバルブオーバーラップ期間よりも短い期間となるように、正のバルブオーバーラップ期間を設定するようにしている。このような設定によれば、主流ポート側の吸気弁６０のバルブ径が拡大された構成を用いた場合において、適切な正のバルブオーバーラップ期間を設定することが可能となる。

また、図５（Ｂ）は、バルブリセス（図示省略）の深さと正のバルブオーバーラップ期間との関係を示している。バルブリセスの深さは、正のバルブオーバーラップ期間を設けた際にピストンと吸排気弁との干渉を避けるためにピストンの頂面に設けられるものである。このため、バルブリセスは、図５（Ｂ）に示すように、付与される正のバルブオーバーラップ期間が長くなるにつれ、より深くする必要がある。

上記のように、本実施形態では、上記ベースの構成が採用された場合よりも正のバルブオーバーラップ期間が短くなるように設定される。そこで、本実施形態では、図５（Ｂ）に示すように、バルブリセスの深さを、２つの吸気弁のバルブ径が同一とされる場合（上記ベースの構成）に同じ内部ＥＧＲガス量或いは同じ吸気効率（充填効率）を要求したときに必要とされるバルブリセスの深さよりも浅くするようにした。

以上説明したように、図５（Ａ）に示す正のバルブオーバーラップ期間の設定によれば、バルブリセスの深さを上記ベースの構成が採用された場合よりも浅くすることが可能となる。そして、本実施形態では、図５（Ｂ）に示すように、実際にバルブリセスの深さを上記ベースの構成が採用された場合よりも浅くするようにしたので、無駄な圧縮比の低下を招いたり、そのようなバルブリセスの存在に起因して燃焼室設計の自由度が妨げられたりするのを良好に回避することができる。

尚、上述した実施の形態３においては、ＥＣＵ５０が上述した実施の形態３の設定に従って正のバルブオーバーラップ期間を設定することにより前記第３の発明における「オーバーラップ期間設定手段」が実現されている。

実施の形態４．
次に、図６を参照して、本発明の実施の形態４について説明する。
図６は、本発明の実施の形態４における特徴的な吸排気弁の構成を説明するための図である。上述した図２（Ｂ）に示す構成では、吸排気弁のバルブ径は、バルブ径が大きい方から並べると、主流ポート側の吸気弁６０、従属ポート側の吸気弁６２、および２つの排気弁６４という順番であった。

これに対し、本実施形態では、図６に示すように、主流ポート側の吸気弁７０のバルブ径（バルブ面積）が、同一気筒内の他のバルブ、すなわち、従属ポート側の吸気弁７２および２つの排気弁７４のバルブ径よりも大きくなるように構成されているのとともに、従属ポート側の吸気弁７２のバルブ径と２つの排気弁７４のバルブ径とが同一となるように構成されている。

以上説明した本実施形態の構成によれば、一方の吸気弁７２と２つの排気弁７４との間で部品の共通化が可能となるのに加え、これらの３つのバルブ７２、７４に対するバルブリセスの大きさを揃えることができるようになる。このように、バルブリセスの大きさを揃えたことにより、スワールや、特にスキッシュ流れを一様とすることができるようになる。これにより、バルブリセスの存在によって筒内気流を乱れるのを抑制することができ、排気エミッションをより改善することができる。

実施の形態５．
次に、図７および図８を参照して、本発明の実施の形態５について説明する。
図７は、本発明の実施の形態５における内燃機関の吸気ポート８０の構造を説明するための図である。本実施形態の内燃機関は、吸気ポート８０の構造が異なる点を除き、上述した実施の形態１と同様の構成を備えているものとする。すなわち、本実施形態においても、図１および図２（Ｂ）に示す構成が採用されているものとする。

本実施形態では、上記図２（Ｂ）に示すバルブ構成を有するシステムにおいて、主流ポート８０ａと従属ポート８０ｂの構成に特徴を有している。すなわち、本実施形態では、図７に示すように、本実施形態の主流ポート８０ａを、タンジェンシャルポートとして構成するようにしている。このように構成された主流ポート８０ａによれば、主流ポート８０ａがシリンダ８２の接線方向に沿っているので、筒内に効果的にスワールを生成することができる。そして、本実施形態では、図７に示すように、従属ポート８０ｂを、高いスワールの生成を図る目的で用いられるヘリカルポート等ではなく、ストレートポートとして構成するようにしている。

図８は、本発明の実施の形態５の吸気ポート８０の構造により得られる効果を説明するための図である。本実施形態では、主流ポート８０ａ側の吸気弁６０のバルブ径が従属ポート８０ｂ側の吸気弁６２のバルブ径よりも大きくなるように構成されているので、吸入空気の流れは、主流ポート８０ａ側が主となる。その結果、スワールの生成に関しても、主流ポート８０ａ側が主となる。従って、従属ポート８０ｂが高スワールポートである必要性は低くなる。

このため、本実施形態のように、従属ポート８０ｂを高い流量係数が得られるストレートポートとすることにより、スワール生成機能は主流ポート８０ａ側で十分に確保しつつ（すなわち、スワールと流量係数とのトレードオフの関係を良好に改善させつつ）、スワール比が低い領域での流量係数を向上することができるようになる。このため、図８に示すように、スワール比の低下を招くことなく、スワール比の可変幅を拡大することが可能となる。また、このような特性が得られることによって、高いスワールが要求されない領域において流量係数を高めることができるので、そのような領域において燃費低減と排気エミッションの更なる低減をも図ることができる。

実施の形態６．
次に、図９および図１０を参照して、本発明の実施の形態６について説明する。
本実施形態においても、上述した実施の形態１と同様の構成、すなわち、図１および図２（Ｂ）に示す構成が採用されているものとする。更に、本実施形態のシステムでは、そのようなバルブ構成を有するシステムにおける片弁早閉じ制御（図９を参照して後述する）によるスワールアップ運転領域の設定に特徴を有している。

図９は、本発明の実施の形態６における片弁早閉じ制御によるスワールアップ運転領域を、同一気筒内の２つの吸気弁のバルブ径が同一である一般的な吸排気弁の構成と比較して説明するための図である。図９（Ａ）は、上記図２（Ａ）に示すベース構成が用いられた内燃機関の運転領域を示した図である。図９（Ａ）に示すように、低負荷（低トルク）領域においては、内部ＥＧＲガス量を増量させる目的で、正のバルブオーバーラップ期間がそれぞれの運転領域に応じた値で与えられる。また、高負荷側での低速領域および高速領域においても、吸気効率（充填効率）ηｖを向上させる目的で、正のバルブオーバーラップ期間がそれぞれの運転領域に応じた値で与えられる。

また、図９（Ａ）に示すように、中負荷領域においては、スワールを強化させる目的で、吸気可変動弁機構４０を用いて、吸気弁の片弁早閉じ制御が実行される。ここでは、そのような目的で片弁早閉じ制御が実行される運転領域（図９（Ａ）中に破線で囲まれた領域）を、「片弁早閉スワールＵＰ領域」と称することとする。付け加えると、片弁早閉スワールＵＰ領域以外の領域では、２つの吸気弁６０、６２の閉弁時期を一致させた制御が行われる。

これに対し、図９（Ｂ）は、図２（Ｂ）に示すバルブ構成が用いられた本実施形態の内燃機関１０の運転領域を示した図である。図９（Ｂ）に示す運転領域は、正のバルブオーバーラップ期間が設定される領域に関しては、上記図９（Ａ）に示すものと同様である。図９（Ｂ）に示す運転領域においては、片弁早閉スワールＵＰ領域が、上記図９（Ａ）に示すベースの構成に対して、より高負荷側の領域にまで及ぶように設定されている（図９（Ｂ）中に一点鎖線で囲まれた領域）。

言い換えると、図９（Ｂ）に示す本実施形態の片弁早閉スワールＵＰ領域は、同一気筒内に配置された２つの吸気弁のバルブ径が同一とされる場合（上記ベースの構成）に必要な吸入空気量を満たしたときに片弁早閉じ制御が継続可能なスワール比を生成可能な限界領域よりも、高負荷側の運転領域にまで及ぶように設定されている。

ここでいう「必要な吸入空気量」は、内燃機関１０の各運転領域において以下のように定まる。すなわち、ディーゼルエンジンである内燃機関１０においては、トルクはほぼ燃料噴射量で決定されることになる。また、内燃機関１０では、それぞれの運転領域毎に使用する空燃比が定められている。従って、燃料噴射量との関係によって、各運転領域における空燃比を満足するために「必要な吸入空気量」が決定されることになる。

図１０は、主流ポート側の吸気弁６０のバルブ径を従属ポート側の吸気弁６２のバルブ径よりも拡大した効果を説明するための図である。尚、図１０は、基本的に上記図３と同一の関係を表している。主流ポート側の吸気弁６０のバルブ径が拡大されたことによって、既述したように、スワール比と流量係数とのトレードオフの関係が改善される。このため、主流ポート側の吸気弁６０のバルブ径が拡大された本実施形態のバルブ構成において上記の必要な吸入空気量を満たした際に得られる最大スワール比は、同一気筒内に配置された２つの吸気弁のバルブ径が同一とされている場合（上記ベースの構成）に比して、図１０に示す差の分だけ大きくなる。

従って、本実施形態のバルブ構成を用いた場合には、一般的な上記ベースの構成を用いた場合に比して、上記の必要な吸入空気量を満足させつつ、図９（Ｂ）に示すように片弁早閉スワールＵＰ領域を拡大することが可能となる。これに対し、従来においては、高負荷領域においてもスワールＵＰさせて燃料噴射量を増量させたいという要求はあったが、片弁早閉じ制御の実行に伴う吸入空気量の低下によって上記の必要な吸入空気量が確保できなくなるのを回避するために、片弁早閉じ制御を止めて新気導入を優先させるようにしていた。

本実施形態のように片弁早閉スワールＵＰ領域を拡大することとすれば、スモーク排出量を増加させずに燃料を多く噴くことが可能となる（当量比φ≒１となるまで燃料噴射量を多くすることが可能となる）。このため、特に過給遅れのために従来においては燃料を増量することが困難であった過渡時の加速性を向上させることができる。また、主流ポート側の吸気弁６０のバルブ径を拡大したことによって、既述したように流量係数を向上でき、これにより、より多くの新気導入が可能となる。このため、正のバルブオーバーラップ期間の導入と片弁早閉じ制御の実行とを両立することも可能となる。

ところで、上述した実施の形態６においては、本実施形態の片弁早閉スワールＵＰ領域を、同一気筒内に配置された２つの吸気弁のバルブ径が同一とされる場合（上記ベースの構成）に必要な吸入空気量を満たしたときに片弁早閉じ制御が継続可能なスワール比を生成可能な限界領域よりも、高負荷側の運転領域にまで及ぶように設定するようにしている。しかしながら、本実施形態の吸気弁６０、６２のバルブ構成が採用されている場合における片弁早閉スワールＵＰ領域の設定手法は、これに限定されるものではなく、例えば、以下のように設定してもよい。すなわち、本実施形態の片弁早閉スワールＵＰ領域を、同一気筒内に配置された２つの吸気弁のバルブ径が同一とされている場合（上記ベースの構成）に必要なスワール比を満たしたときのポンプ損失の許容限界値に達する運転領域よりも、高負荷側の運転領域にまで及ぶように設定してもよい。このような設定によっても、上述した実施の形態６と同様の効果を奏する。

尚、上述した実施の形態６においては、ＥＣＵ５０が上記図９に示す運転領域に応じて片弁早閉じ制御の実行および不実行を切り換えることにより前記第７または第８の発明における「バルブ制御切換手段」が実現されている。

本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態１における特徴的な吸排気弁の構成を、一般的な吸排気弁の構成と比較して説明するための図である。 上記図２（Ｂ）に示す吸排気弁の構成によって得られる顕著な効果を説明するための図である。 本発明の実施の形態２における吸気弁のバルブ径（バルブ面積）の特徴的な決定手法を説明するための図である。 本発明の実施の形態３における特徴的な正のバルブオーバーラップ期間の設定および特徴的なバルブリセスの設定を説明するための図である。 本発明の実施の形態４における特徴的な吸排気弁の構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態５における内燃機関の吸気ポートの構造を説明するための図である。 本発明の実施の形態５の吸気ポートの構造により得られる効果を説明するための図である。 本発明の実施の形態６における片弁早閉じ制御によるスワールアップ運転領域を、同一気筒内の２つの吸気弁のバルブ径が同一である一般的な吸排気弁の構成と比較して説明するための図である。 主流ポート側の吸気弁のバルブ径を従属ポート側の吸気弁のバルブ径よりも拡大した効果を説明するための図である。

符号の説明

１０ 内燃機関
１２ インジェクタ
１８ 排気通路
２０ 排気マニホールド
２２ ターボ過給機
２６ 吸気通路
３２ 吸気マニホールド
４０ 吸気可変動弁機構
４２ 排気可変動弁機構
５０ ＥＣＵ(Electronic Control Unit)
６０、７０ 主流ポート側の吸気弁
６２、７２ 従属ポート側の吸気弁
６４、７４ 排気弁
８０ 吸気ポート
８０ａ 主流ポート
８０ｂ 従属ポート（ストレートポート）
８２ シリンダ

Claims (8)

1. 一方の吸気弁の閉弁時期と他方の吸気弁の閉弁時期とを独立して変更可能とし、かつ、吸気弁開弁期間と排気弁開弁期間とが重なるバルブオーバーラップ期間を可変とする機能を有する可変動弁機構を備え、前記一方の吸気弁の閉弁時期を前記他方の吸気弁の閉弁時期よりも早める片弁早閉じ制御を実行することで筒内にスワールを生成する内燃機関であって、
   前記他方の吸気弁が、スワールの生成を主として担う主流ポートの吸気弁とされ、
   前記一方の吸気弁が、前記主流ポート以外のポートの吸気弁とされ、
   前記他方の吸気弁のバルブ径が、前記一方の吸気弁のバルブ径よりも大きくなるように構成されていることを特徴とする可変動弁機構を備える内燃機関。
2. 前記一方の吸気弁のバルブ径と前記他方の吸気弁のバルブ径は、前記片弁早閉じ制御を実行した場合のスワール比と吸気ポートの流量係数のトレードオフが最良となる点で決定されていることを特徴とする請求項１記載の可変動弁機構を備える内燃機関。
3. 前記バルブオーバーラップ期間を、同一気筒内に配置された複数の吸気弁のバルブ径が同一とされる場合に同じ内部ＥＧＲガス量或いは同じ吸気効率を要求したときに必要とされるバルブオーバーラップ期間よりも短い期間となるように設定するオーバーラップ期間設定手段を更に備えることを特徴とする請求項１または２記載の可変動弁機構を備える内燃機関の制御装置。
4. 内燃機関のピストンの頂面に形成されたバルブリセスを更に備え、
   前記バルブリセスの深さは、同一気筒内に配置された複数の吸気弁のバルブ径が同一とされる場合に同じ内部ＥＧＲガス量或いは同じ吸気効率を要求したときに必要とされるバルブリセスの深さよりも浅くなるように設定されていることを特徴とする請求項３記載の可変動弁機構を備える内燃機関。
5. 前記一方の吸気弁のバルブ径と排気弁のバルブ径とが同一とされていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の可変動弁機構を備える内燃機関。
6. 前記一方の吸気弁が配置されるポートが、ストレートポートであることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項記載の可変動弁機構を備える内燃機関。
7. 内燃機関の運転状態に応じて、吸気弁の制御を、前記片弁早閉じ制御と、前記一方の吸気弁の閉弁時期と前記他方の吸気弁の閉弁時期とを一致させて行う制御との間で切り換えるバルブ制御切換手段を更に備え、
   前記バルブ制御切換手段は、同一気筒内に配置された複数の吸気弁のバルブ径が同一とされる場合に必要な吸入空気量を満たしたときに前記片弁早閉じ制御が継続可能なスワール比を生成可能な限界領域よりも高負荷側の運転領域にまで、前記片弁早閉じ制御の実行領域が及ぶように制御することを特徴とする前記１乃至６の何れか１項記載の可変動弁機構を備える内燃機関の制御装置。
8. 内燃機関の運転状態に応じて、吸気弁の制御を、前記片弁早閉じ制御と、前記一方の吸気弁の閉弁時期と前記他方の吸気弁の閉弁時期とを一致させて行う制御との間で切り換えるバルブ制御切換手段を更に備え、
   前記バルブ制御切換手段は、同一気筒内に配置された複数の吸気弁のバルブ径が同一とされる場合に必要なスワール比を満たしたときのポンプ損失の許容限界値に達する運転領域よりも高負荷側の運転領域にまで、前記片弁早閉じ制御の実行領域が及ぶように制御することを特徴とする前記１乃至６の何れか１項記載の可変動弁機構を備える内燃機関の制御装置。

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