JP2004257305A - 内燃機関および内燃機関の燃焼方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＥＧＲ成層燃焼において、ＥＧＲガスと吸入空気との混合を極力回避することにより、ポンピングロスを低減して燃費向上を図りながら、燃費悪化を防止し、高い排気浄化効果を得る。
【解決手段】吸気通路を仕切りによって３つの領域Ａ、Ｂ、Ｃに分け、うち１区画ＣにＥＧＲガスを導入し、他の区画Ｂから吸入空気を流入させる。そしてこれらが燃焼室内で同一方向、略同一中心軸として回転する３つのタンブルＴｅｇｒａ、Ｔｅｇｒｂ、Ｔｉｔを形成する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、内燃機関および内燃機関の燃焼方法に関し、特に、気筒内に燃料を直接噴射し、主として点火により燃焼させる筒内噴射ガソリンエンジンおよびその燃焼方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、気筒内（燃焼室内）に直接燃料を噴射する内燃機関（筒内噴射ガソリンエンジン）においては、部分負荷域において、燃料消費率を低減するために、混合気の成層化を図り、燃焼性を確保しつつ、スロットル弁を開いて燃料に対して空気を過剰とし、ポンピングロスを低減する手法が広く知られている。
【０００３】
また、このような燃焼形態では主として窒素酸化物（以下ＮＯｘと略す）の低減が必要になるので、ＮＯｘ還元触媒を用いてこれを解決するようにしたものが公知である（例えば、特許文献１）。
【０００４】
この内燃機関は、排気管に吸蔵型ＮＯｘ触媒と三元触媒からなる排気浄化触媒装置が取り付けられており、リーン空燃比で運転中にはＮＯｘ触媒にＮＯｘを吸着させ、吸蔵型ＮＯｘ触媒が吸蔵したＮＯｘを理論混合比（ストイキ）あるいはリッチ空燃比での運転によって還元除去させる構成となっている。以下、これをリッチスパイクと呼ぶ。そして、ＮＯｘ吸蔵型触媒が経時変化により劣化した際には、リッチ時間を長くとることにより、ＮＯｘの大気放出を避けるようにしている。
しかしながら、この方法には次に示すような問題点がある。
【０００５】
（１）リッチスパイク中には成層燃焼による燃費低減ができないばかりか、ＮＯｘ還元のためのエネルギとしては無駄な燃料を消費しており、せっかく希薄混合気により燃費を低減しても、リッチスパイクにより相殺されてしまうので、実質の燃費低減率が低くなってしまう。
【０００６】
（２）現在の技術では、ＮＯｘ還元触媒におけるＮＯｘの浄化率は、最高でも９０％程度で、三元触媒を用いた場合の９９％以上の浄化率と比べ、残留エミッションで比較すると、かなりの性能差があり、希薄燃焼によるＮＯｘの低減を考慮したとしても、テールパイプ、すなわち排気管からのエミッションの悪化を招く。
【０００７】
これを解決するために、本発明者らは、これまでに理論混合比成層燃焼エンジンを考案している。これは、ポンピングロス低減のためにリーン混合気とするのではなく、ＥＧＲ（排気還流）ガスを用い、これらを、例えば、上下に仕切った吸気通路の一方から燃焼室に吸入させることで、燃焼室内に吸入空気とＥＧＲガスからなる別々のスワールまたはタンブルを生成させる。そして、燃焼室内の吸入空気に向かって燃料を噴射し、局所的に混合気を作り、これを点火する。これにより、全体としての空燃比を理論混合比に保ち、三元触媒を利用することで、高いＮＯｘ浄化率と燃費低減の両立を図ろうとするものである。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００１−２０７８１号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような構成においては、次に示すような問題点がある。すなわち、主として吸入空気からなるスワールまたはタンブルと、ＥＧＲガスからなるスワールまたはタンブルは、燃焼室内で互いに逆方向に回転し、かつ中心軸の異なる流れであるため、その端部同士がぶつかり合って混り合い、期待したような吸入空気とＥＧＲガスの分離が十分でなく、ＥＧＲガスの流量を増やすと、燃焼が悪化しやすい。
【００１０】
この発明は、上述の如き問題点を解消するためになされたもので、その目的とするところは、排気浄化効率の高い三元触媒を有効に使用することにより、低コストでエミッションの悪化を抑制し、さらに、成層燃焼時にもリッチスパイクを行なわず、燃費の悪化を防じ、吸気行程から燃焼（点火）時点まで吸入空気とＥＧＲガスとが混じ合うことを効果的に抑制し、ＥＧＲガスが多い運転条件でも燃焼悪化を生じることがない内燃機関およびその燃焼方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、この発明による内燃機関は、燃料を燃焼室内に直接噴射する機構と、燃焼後の排気ガスを燃焼室に還流させる機構と、吸気通路の一部を閉塞してタンブルを生成する機構を備えており、前記吸気通路が３つ以上の区画に区分され、その第１の区画には吸入空気を主とする気体を通過させ、第２の区画には排気還流ガスを主とする気体を通過させ、第３の区画は閉塞する。
【００１２】
より詳細には、一つの燃焼室毎に２個の吸気弁および互いに並行な２本の独立吸気通路を有し、その各々の独立吸気通路が仕切板により下部通路と上部内側通路と上部外側通路との３区分され、前記下部通路および前記上部外側通路を閉塞する吸気制御弁を有し、前記上部外側通路に排気還流ガスを主とする気体を供給し、前記上部内側通路から吸入空気を流入させる、或いは、一つの燃焼室毎に２個の吸気弁および互いに並行な２本の独立吸気通路を有し、その各々の独立吸気通路が仕切板により外側通路と内側上部通路と内側下部通路との３区分され、前記外側通路および前記内側下部通路を閉塞する吸気制御弁を有し、前記外側通路に排気還流ガスを主とする気体を供給し、前記内側上部通路から吸入空気を流入させる。
【００１３】
この発明による内燃機関によれば、例えば、低負荷域では吸気制御弁を閉じ、排気還流ガスを主とする気体、つまりＥＧＲガスを、吸気制御弁によって閉塞されている区画に流入させておく。そして吸気弁が開くと、吸気通路の外側からはＥＧＲガスが燃焼室内に流入し、中心側（内側）には吸入空気が流入する。これらの２種類のガスは、同一方向で、略同一中心軸を持つタンブルとして流入するため、エンジンの吸気行程から圧縮行程の後半に至るまで、吸入空気とＥＧＲガスは混合せず、それぞれ独立したままになる。
【００１４】
圧縮行程後半において、吸入空気によるタンブルに向けて燃料を噴射する。混合気の空燃比は理論空燃比になるように燃料噴射量を制御する。このようにすれば、排出されるＥＧＲガスも、理論空燃比で燃焼した排気ガスと同様の組成になる。こうして混合気の成層化をはかり、ポンピングロスや冷却損失の低減により燃費を低減しながら、ガス全体としての空燃比を、三元触媒が利用できる理論空燃比とし、ＮＯｘ、ＨＣを同時に浄化する。
【００１５】
内燃機関が、高い負荷を必要とする場合には、吸気制御弁を開くことにより吸気抵抗を軽減して吸入空気量を増やし、かつ、燃料を吸気行程に噴射することにより十分な気化時間、および空気との混合時間を確保し、均質燃焼を行ない、必要な出力を確保することができる。
【００１６】
この発明による内燃機関は、負荷に応じた前記吸気制御弁の開閉制御により混合気の成層化あるいは均質な混合気の生成を行ない、いずれの場合にも混合気全体の空燃比が、三元触媒を作動させるために必要な理論空燃比近傍になるように制御する。これにより、全運転域において、三元触媒を有効に利用でき、ＮＯｘ、ＨＣを同時に高浄化率で浄化できる。
【００１７】
この発明による内燃機関は、吸気通路に排気還流ガスを主とする気体を供給するポートが吸気通路下流の燃焼室の方向に指向性をもって開口しており、燃焼室内における排気還流ガスによるタンブルの生成を助長できる。
【００１８】
この発明による内燃機関は、吸気弁の開閉時期を可変設定する機構を備えていてよく、成層燃焼時には、吸排気弁のオーバラップ期間がないよう、あるいは少なくなるよう、均質燃焼時に比して吸気弁の開閉時期タイミングを遅らせばよい。
【００１９】
また、この発明による内燃機関は、燃料を燃焼室内に直接噴射する機構と、燃焼後の排気ガスを機関燃焼室に還流させる機構と、燃焼室内で二つ以上のタンブルを生成する機構を備え、前記タンブル生成機構は、そのタンブルの組成が、一方は空気または可燃性混合気を主体とし、他方は排気還流ガス（ＥＧＲガス）を主とする気体とし、互いに回転方向が同一のタンブルとなるように形成される。
【００２０】
これらの２種類のガスは、同一方向で、略同一中心軸を持つタンブルとして流入するため、エンジンの吸気行程から圧縮行程の後半に至るまで、吸入空気とＥＧＲガスは混合せず、それぞれ独立したままになる。
【００２１】
また、この発明による内燃機関は、前記タンブルを生成する機構は、３つ以上に区分される同一方向に回転する同軸上のタンブルを生成し、そのうち、燃焼室内で、吸入空気を主とするタンブルが中央にあり、これを両側から挟みこむように排気還流ガスを主とするタンブルを生成する。そして、中央に存在する吸入空気を主とするタンブルに対して燃料噴射を行なう燃料噴射手段を有する。これにより、吸入空気によるタンブルに向けて燃料が噴射され、ポンピングロスが少ない良好な成層燃焼が行われる。
【００２２】
また、この発明による内燃機関は、タンブルによる成層燃焼と、通常吸気による均質燃焼とを運転状態に応じて切り換え、成層燃焼時には圧縮行程の後半で燃料を噴射し、均質燃焼時には吸気行程で燃料を噴射する。これにより、成層燃焼時には、吸入空気によるタンブルに向けて燃料を的確に噴射でき、均質燃焼時には、噴霧の気化時間および拡散時間を長くして吸入空気との混合を促進し、混合気の均質度を高めることができる。
【００２３】
また、上述の目的を達成するために、この発明による内燃機関の燃焼方法は、燃料を燃焼室内に直接噴射し、燃焼室内に、空気または可燃性混合気を主体としたタンブルと、排気還流ガスを主とする気体によるタンブルを互いに回転方向のタンブルとして生成し、燃料を燃焼室内の空気または可燃性混合気を主体としたタンブルに対して直接噴射し、成層燃焼を行なう。
この発明による内燃機関の燃焼方法によれば、排気還流ガスの使用により、ポンピングロスがない良好な成層燃焼を行なうことができる。
【００２４】
また、この発明による内燃機関の燃焼方法は、タンブルによる成層燃焼と、通常吸気による均質燃焼とを運転状態に応じて切り換え、成層燃焼時には圧縮行程の後半で燃料を噴射し、均質燃焼時には吸気行程で燃料を噴射する。これにより、成層燃焼時には、吸入空気によるタンブルに向けて燃料が的確に噴射され、均質燃焼時には、噴霧の気化時間および拡散時間を長くして吸入空気との混合を促進し、混合気の均質度を高めることができる。
【００２５】
この発明による内燃機関の燃焼方法では、成層燃焼時と均質燃焼時のいずれの場合も、混合気全体の空燃比を、三元触媒を作動させるために必要な理論空燃比近傍とする。これにより、三元触媒を有効に利用してＮＯｘ、ＨＣを同時に高浄化率で浄化でき、成層燃焼時にもリッチスパイクを行なわず、燃費の悪化を防ぐことができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下に添付の図を参照してこの発明の実施形態を詳細に説明する。
本発明による内燃機関の実施形態１を図１〜図８を参照して説明する。図１、図３は一つの気筒を上から見たもの、図２、図４は同じくそれを横方向から見たものについて示す。また、図５は独立吸気管流路の断面図を、図６は吸気制御弁を示している。なお、本発明の内燃機関は、主として多気筒エンジンを想定しているが、図では理解を簡単にするために１つの気筒について説明する。
この内燃機関（エンジン）は、各気筒毎に、２つの吸気弁１１１ａ、１１１ｂと、２つの排気弁１１２ａ、１１２ｂを有する４バルブ方式のものである。
【００２７】
吸気管１０１は、内燃機関（エンジン）の燃焼室１２３に近づくと、互いに並行な２つの独立吸気通路（吸気ポート）１０１ａ、１０１ｂに分かれ、各々個別の吸気弁１１１ａ、１１１ｂによって開閉される。吸気弁１１１ａ、１１１ｂは、可変カム式、電動式のもので、開閉時期を可変設定できる開閉時期可変式のものである。
【００２８】
独立吸気通路１０１ａ、１０１ｂは、各々、逆Ｔ字形の断面形状をもつ仕切板１０２によって、下部通路Ａと、上部内側通路Ｂと、上部外側通路Ｃとに３区分される。これら下部通路Ａ、上部内側通路Ｂ、上部外側通路Ｃを区画通路部と呼ぶ。実施形態１では、下部通路Ａと上部内側通路Ｂと上部外側通路Ｃの通路断面積の比率が、２：１：１になっている。
【００２９】
この各独立吸気通路１０１ａ、１０１ｂの区画通路部より上流部に、吸気制御弁１０３ａ、１０３ｂが設けられている。吸気制御弁１０３ａ、１０３ｂは、共通の弁軸１２０に取り付けられ、同時に同様に開閉される。吸気制御弁１０３ａ、１０３ｂは、各々９０度の回転角範囲に亘って切欠部１２１ａ、１２１ｂを有するバタフライ弁であり、弁開時には、独立吸気通路１０１ａ、１０１ｂの各々の下部通路Ａ、上部内側通路Ｂ、上部外側通路Ｃを全て開き、弁閉時には、独立吸気通路１０１ａ、１０１ｂの各々の下部通路Ａと上部外側通路Ｃを閉塞し、切欠部１２１ａ、１２１ｂによって上部内側通路Ｂの連通のみを維持する。
【００３０】
燃料噴射弁１２２は燃焼室１２３内に燃料（ガソリン系燃料）を直接噴射するように取り付けられている。吸入空気は、エアクリーナ１０６を通り、エアフローメータ１０５で流量を計測され、電子制御式のスロットル弁１０４で流量を調節された後、コレクタ１１６で各気筒に分配される。その後、前述の独立吸気通路１０１ａ、１０１ｂを通り、吸気弁１１１ａ、１１１ｂが開いた際に燃焼室１２３に流入する。
【００３１】
燃焼室１２３の頂部中央に点火プラグ１１３があり、点火プラグ１１３が燃料噴射弁１２２より噴射された燃料と吸入空気との混合気の点火を行なう。これにより、燃焼室１２３内で混合気の燃焼が行われる。
【００３２】
燃焼室１２３で燃焼したガスは、排気弁１１２ａ、１１２ｂの弁開によって排気ポート１２５ａ、１２５ｂより排気管１１０へ排出される。この既燃焼ガス（排気ガス）は排気管１１０を通った後、三元触媒コンバータ１１５によって浄化され、消音器（図示しない）を通って大気中に排気される。
【００３３】
排気ガスの一部はＥＧＲ制御弁１０８によって流量を調節されつつＥＧＲ通路１０９によって吸気管１０１に還流する。これが排気ガス再循環（ＥＧＲ）である。ＥＧＲ通路１０９は、独立吸気通路１０１ａ、１０１ｂの各々の上部外側通路Ｃに連通し、燃焼室１２３の方向に向けて開口したＥＧＲポート１０９Ａ（図７（ｂ）参照）より排気還流ガス（ＥＧＲガス）を噴出する。
【００３４】
インジェクタ１２２の燃料噴射時期と、点火プラグ１１３の点火時期と、吸気制御弁１０３ａ、１０３ｂ、スロットル弁１０４、ＥＧＲ制御弁１０８のそれぞれの開度は、エアフローメータ１０５で計測された吸入空気量、アクセル開度、エンジン水温、エンジン回転数、車速（いずれもその入力を行なうセンサを図示していない）などの情報を元に、コンピュータによる電子式エンジン制御装置（ＥＣＵ）２０１によって最適値、最適時期に設定、制御される。
【００３５】
主に、エンジンの低負荷時において成層燃焼を行なうときには、まず、吸気制御弁１０３ａ、１０３ｂを閉じ、独立吸気通路１０１ａ、１０１ｂの各々の下部通路Ａと上部外側通路Ｃを閉塞し、ＥＧＲ通路１０９、ＥＧＲ制御弁１０８を用いてＥＧＲガスを閉塞状態の上部外側通路Ｃの区画に流入させ、充填しておく。
【００３６】
エンジンの吸気行程で、２つの吸気弁１１１ａ、１１１ｂを開く。このとき、後述するように吸気弁１１１ａ、１１１ｂの開弁時期は通常よりも遅らせる。ピストン１０７の降下によって燃焼室１２３に発生した負圧により、独立吸気通路１０１ａ、１０１ｂの各々の上部外側通路ＣからＥＧＲガスが燃焼室１２３内に流入する。これにより、燃焼室１２３内に、図２で見て反時計廻り方向に旋回するＥＧＲガスによるタンブル（縦渦）Ｔｅｇｒａ、Ｔｅｇｒｂが発生する。
【００３７】
また、これとほぼ同時に、独立吸気通路１０１ａ、１０１ｂの各々の上部内側通路Ｂから燃焼室１２３に吸入空気が流入する。これにより、燃焼室１２３内に、図２で見て反時計廻り方向に旋回する吸入空気によるタンブル（縦渦）Ｔｉｔが発生する。このタンブル（縦渦）Ｔｉｔは、独立吸気通路１０１ａの上部内側通路Ｂ、独立吸気通路１０１ｂの上部内側通路Ｂとが互いに隣接していることにより、独立吸気通路１０１ａからの吸入空気と独立吸気通路１０１ｂからの吸入空気とが合流した流束によるものになる。
【００３８】
図１および図２に示されているように、これらのタンブルＴｅｇｒａ、Ｔｅｇｒｂ、Ｔｉｔの関係は、吸入空気によるタンブルＴｉｔが２つのＥＧＲガスによるタンブルＴｅｇｒａ、Ｔｅｇｒｂによって両側を挟まれており、またこれら３つのタンブルＴｅｇｒａ、Ｔｅｇｒｂ、Ｔｉｔは同一方向に旋回し、かつ、その旋回軸は略同一である。これにより、縦旋回するＥＧＲガスと同じく縦旋回する吸入空気との相対速度は小さく、衝突流、せん断流による混合が起こりにくいため、ＥＧＲガスと吸入空気との成層化状態を比較的長期間維持することができる。
【００３９】
続いて圧縮行程では、吸気弁１１１ａおよび１１１ｂが閉じ、ピストン１０７が上昇して燃焼室１２３内が圧縮される。ここで、燃料噴射弁１２２から燃料を燃焼室１２３内の中央部に噴射する。この燃料噴射弁１２２からの燃料噴霧Ｆが専ら吸入空気によるタンブルＴｉｔの領域に向かい、かつ、燃焼室１２３の壁面に衝突しないよう、燃料圧力等を調節して噴霧の広がり角や噴霧貫通力、すなわちペネトレーションを予め最適に設定しておく。燃料噴霧Ｆのうち、図２の上方に向かう成分が、下方に向かう成分よりも大きくなる、いわゆる偏向噴霧に設定しておく。
【００４０】
このように構成することによって、吸入空気によるタンブルＴｉｔと燃料噴霧Ｆとの混合が効率よく行われ、さらに燃料噴射時期を適切に選定することにより、点火プラグ１１３近傍の混合気をややリッチにして点火の安定度を高めることが可能になる。
【００４１】
ここで、吸入空気と燃料の混合比、すなわち空燃比は、三元触媒コンバータ１１５によって効率的に排気浄化が可能な理論空燃比近くになるように調節することが重要である。
圧縮行程の後半、すなわち最適な点火時期になったとき、ＥＣＵ２０１からの信号によって点火プラグ１１３が放電し、混合気の点火、燃焼が行われる。
【００４２】
このようにして燃焼室１２３の中心部に、良好な燃焼ができる理論空燃比の混合気を形成しながら、ＥＧＲガスにより全体としての吸気量を増やし、ポンピングロスや冷却損失を減らして燃費を向上させる。
【００４３】
従来技術のように希薄混合気で運転しないので、リーンＮＯｘ触媒を使用する必要がなく、ＮＯｘ触媒再生のためのリッチスパイクによる燃費の悪化や、ＮＯｘの除去率が低く排気浄化の効果が小さいといった問題もない。また、リーンＮＯｘ触媒と三元触媒を両方使用する必要がないため、コストダウンも図ることができる。
【００４４】
図７（ａ）、（ｂ）は低負荷時の吸気通路の状態を示している。図７（ａ）は図５に示されている独立吸気管通路１０１ｂのＶＩＩ−ＶＩＩにおける断面の内側部分を、図７（ｂ）は同じくＶＩＩ−ＶＩＩにおける断面の外側部分を、それぞれ内側すなわち独立吸気通路１０１ａ側から見た図である。なお、以下の独立吸気管通路１０１ｂに関する説明は、もう一方の独立吸気管通路１０１ａでも同じである。
【００４５】
低負荷時には、吸気制御弁１０３ｂが閉じられ、独立吸気通路１０１ｂの下部通路Ａと上部外側通路Ｃが閉じられる。そして、ＥＧＲ通路１０９からＥＧＲガスが上部外側通路Ｃに流入して滞留し、このＥＧＲガスはエンジンの吸気行程で燃焼室１２３に流入する。一方、上側内側通路Ｂは開放されており、エンジンの吸気行程で、そのまま吸入空気が燃焼室１２３に流入する。このようにして、燃焼室１２３内にＥＧＲガスによるタンブルＴｅｇｒｂと吸入空気によるタンブルＴｉｔを別々に生成することができる。
【００４６】
図３、図７、図８はエンジンの高負荷時の状態を示している。高負荷時には、スロットル弁１０４の開度を大きくし、吸入空気量を増やす。また、吸気制御弁１０３ａ、１０３ｂは全開し、独立吸気通路１０１ａ、１０１ｂの各々の下部通路Ａ、上部内側通路Ｂ、上部外側通路Ｃが連通状態になり、独立吸気通路１０１ａ、１０１ｂの全ての通路Ａ、Ｂ、Ｃに吸入空気が流れる。これにより、独立吸気通路１０１ａ、１０１ｂの通気抵抗が小さく、吸入空気量が多くなり、エンジンが高いトルクを得るようにすることができる。
【００４７】
高負荷時には、吸気行程で、インジェクタ１２２より燃料噴射を行なう。これにより、噴霧の気化時間および拡散時間を長くして吸入空気との混合を促進し、混合気の均質度を高めることができる。吸入空気量が大きいので、燃料噴射量を大きくすれば、多量の混合気形成を行なうことができ、大きなトルクを得ることができる。
【００４８】
なお、このときでも、負荷に応じてＥＧＲ制御弁１０８を開き、ＥＧＲ通路１０９からＥＧＲガスを流入させることができる。ＥＧＲ通路１０９の独立吸気通路１０１ａ、１０１ｂへの開口部１０９Ａが燃焼室１２３を指向し、またそれぞれ外側に開口しているため、高負荷時に燃焼室１２３に流入するＥＧＲガスは燃焼室１２３の外側領域を流れることになる。
【００４９】
これにより、燃焼室１２３の中心部、すなわち点火プラグ１１３近傍にＥＧＲガスが多く流入することを防ぐことができ、高負荷領域でも、ポンピングロスを減らしながら、ＥＧＲガスによる燃焼悪化を防いで燃焼効率を高めることができる。
【００５０】
図９は本実施形態における吸排気弁のリフトカーブを示している。エンジンの低負荷時に、ＥＧＲ成層燃焼を行なわせようとする場合、既燃焼ガスと吸入空気の混合がなるべく少なくなるように、吸気弁の開閉タイミングを遅らせ（特性ＩＴａ）、排気弁１１２と吸気弁１１１ａおよび１１１ｂが同時に開弁する期間、すなわち弁オーバラップを小さくするか、またはオーバラップが起こらないようにする。なお、ＥＸは排気弁の開閉特性を示している。
【００５１】
これに対し、エンジンの高負荷時には、吸気効率が最大となるように、吸気弁の開閉時期（特性ＩＴｂ）を設定する。
このようにして、低負荷時にＥＧＲガスが流入しても燃焼悪化を防止し、また高負荷時のエンジントルクを高くすることができる。
【００５２】
次に、本実施形態の動作を図１０に示されているフローチャートを参照して説明する。まず、ＥＣＵ２０１は、エンジン回転数、アクセル開度、水温、吸気圧力、排気温度、ギヤ位置をそれぞれのセンサから読み込み（ステップＳ１１）、これを元にして目標トルクを演算する（ステップＳ１２）。
【００５３】
次に、この演算による目標トルクを用いてエンジン回転数−目標トルクの運転状態マップを参照し、ＥＧＲ成層運転を行なう領域か、均質運転を行なう領域なのかを決定し（ステップＳ１３）、決定した運転モードに合った適切な燃料噴射量、点火時期、スロット弁開度、ＥＧＲ制御弁開度を決定する（ステップＳ１４〜Ｓ１７）。
【００５４】
次に、現在設定されている運転モードがＥＧＲ成層運転モードであるか否かを判別を行なう（ステップＳ１８）。ＥＧＲ成層運転モードである場合には、吸気制御弁１０３ａ、１０３ｂを閉じ（ステップＳ１９）、燃料噴射時期をエンジンの圧縮行程に設定する（ステップＳ２０）。そして、吸気弁１１１ａ、１１１ｂの開閉時期を遅らせる側（特性Ｔｉａ）に設定する。
【００５５】
次に、エンジンが吸気行程に入ると、吸気弁１１１ａおよび１１１ｂが動作する（ステップＳ２１）。すなわち、成層運転を行なう場合には、仕切板１０２で区画された独立吸気通路１０１ａ、１０１ｂの上部内側通路Ｂと上部外側通路Ｃから、吸入空気およびＥＧＲガスが別々に燃焼室１２３に流入し、それぞれ別々のタンブルＴｉｔ、Ｔｅｇｒａ、Ｔｅｇｒｂを生成する（ステップＳ２２）。ここで、インジェクタ１２２より吸入空気のタンブルＴｉｔに対して指向性をもたせて圧縮行程で燃料噴射を行なう（ステップＳ２３）。これにより、専ら点火プラグ１１３の周りに混合気を形成しながら、周囲をＥＧＲガスで成層化し（ステップＳ２４）、点火、燃焼を行なうことができる（ステップＳ２５）。
【００５６】
これに対し、ＥＧＲ成層運転を行なわない、つまり均質運転を行なう場合には、吸気制御弁１０３ａ、１０３ｂを開き（ステップＳ２６）、燃料噴射時期をエンジンの吸気行程に設定する（ステップＳ２７）。そして、吸気弁の開閉時期をＥＧＲ成層運転の場合よりも進角側（特性Ｔｉｂ）に設定する。
【００５７】
そして、吸気弁１１１ａ、１１１ｂが早めに開き（ステップＳ）、独立吸気通路１０１ａ、１０１ｂの各々全ての通路Ａ、Ｂ、Ｃから燃焼室１２３に空気が流入する。この状態では、吸気通路断面積が大きく、通気抵抗が少ないため、多くの空気が流入する（ステップＳ２９）。そして吸気行程で燃料噴射（を行なうことによりステップＳ３０）、気化時間を長くとることができ、混合気の均質性を高めることができる（ステップＳ３１）。
【００５８】
次に、決められた点火時期に従い点火を行なう（ステップＳ２５）。ここで燃焼が行われて出力が取り出され、続いて排気行程で燃焼ガスが排気通路１１０に排出される。以上により１回サイクルが終了し、これを繰り返すことによりエンジンの運転が行なわれる。
【００５９】
つぎに、本発明による内燃機関の実施形態２を図１１〜図１３を参照して説明する。なお、図１１〜図１３において、図１〜図５に対応する部分は、図１〜図５に付した符号と同一の符号を付けて、その説明を省略する。
【００６０】
この実施形態では、独立吸気通路１０１ａにはＥＧＲガスの供給を行なわず、独立吸気通路１０１ｂにのみ実施形態１と同様にＥＧＲガスの供給を行なう。
これに伴い、独立吸気通路１０１ａは、フラットな仕切板１２６によって下部通路Ａと上部通路Ｄとに２区分されている。独立吸気通路１０１ｂは、実施形態１と同様に、仕切板１０２によって、下部通路Ａと、上部内側通路Ｂと、上部外側通路Ｃとに３区分される。
【００６１】
独立吸気通路１０１ｂの吸気制御弁１０３ｂは、実施形態１のものと同様で、９０度の回転角範囲に亘って切欠部１２１ｂを有し、弁開時には、独立吸気通路１０１ｂの下部通路Ａ、上部内側通路Ｂ、上部外側通路Ｃを全て開き、弁閉時には、独立吸気通路１０１ｂの各々の下部通路Ａと上部外側通路Ｃを閉塞し、切欠部１２１ｂによって上部内側通路Ｂの連通のみを維持する。
【００６２】
これに対し、独立吸気通路１０１ａの吸気制御弁１０３ａは、独立吸気通路１０１ａの下部通路Ａのみを選択的に閉塞すべく、半円状のバタフライ弁によって構成されている。
【００６３】
この実施形態でも、低負荷時には、吸気制御弁１０３ａ、吸気制御弁１０３ｂが弁閉し、燃焼室１２３内には、主として吸入空気からからなるＴｉｔと、主としてＥＧＲガスからなるＴｅｇｒｂの二つが生成される。インジェクタ１２２はＥＣＵ２０１からの信号により、実施形態１と同様に、吸入空気からなるタンブルＴｉｔに向かって燃料を噴射する。
【００６４】
この実施形態では、ＥＧＲガス通路１０９の吸気管１０１への開口部（ＥＧＲポート）を１つにでき、構造が簡単で、より安価なシステムとすることができる。
つぎに、本発明による内燃機関の実施形態３を図１４、図１５を参照して説明する。
【００６５】
実施形態１では、独立吸気通路１０ａ、１０１ｂの各々の下部通路Ａと上部内側通路Ｂと上部外側通路Ｃの各々通路断面積の比率が、２：１：１になっているのに対し、実施形態３では、図１４に示されているように、仕切板１０２の配置位置によって独立吸気通路１０１ａ、１０１ｂの各々の下部通路Ａと上部内側通路Ｂと上部外側通路Ｃの各々通路断面積の比率が、３：２：１になっている。つまり、吸入空気側の上部内側通路Ｂの通路断面積がＥＧＲガス１側の上部外側通路Ｃの通路断面積の２倍になっており、吸入空気の割合を大きくしている。
【００６６】
当然、吸気制御弁１０３ａ、１０３ｂの形状は、上部内側通路Ｂの通路断面積が大きく、上部外側通路Ｃの通路断面積が小さくなるので、図１５に示されているように、これに対応した形状になる。
【００６７】
この実施形態において、燃焼室１２３内に生成されるタンブルは、実施形態１と同様に、吸入空気によるタンブルＴｉｔとＥＧＲガスによる２つのタンブルＴｅｇｒａ、Ｔｅｇｒｂの計３つで、吸入空気によるタンブルＴｉｔが２つのＥＧＲガスによるタンブルＴｅｇｒａ、Ｔｅｇｒｂによって両側を挟まれる。
【００６８】
この実施形態では、ＥＧＲガスの流量が少なく、吸気流量が比較的多いケースでも、燃焼室１２３に吸入される流速を上げ、とＥＧＲガスによるタンブルＴｅｇｒａ、Ｔｅｇｒｂの速度を速めて吸入空気の速度に近づけ、吸入空気とＥＧＲガスの混合を防止することができる。
【００６９】
なお、本実施形態より、ターゲットとする、よりＥＧＲガスを多く導入したい運転負荷領域に合わせて縦方向の仕切位置を最適化できることが明らかであり、これらは本発明の範囲に含まれる。
つぎに、本発明による内燃機関の実施形態４を図１６、図１７を参照して説明する。
【００７０】
この実施形態では、実施形態３とは逆に、ＥＧＲガスの通路断面積を大きくするために、独立吸気通路１０１ａ、１０１ｂについて、上下に分割する仕切板を廃止している。独立吸気通路１０１ａ、１０１ｂは、図１６に示されているように、各々、横転Ｔ字形の断面形状をもつ仕切板１２７によって、ＥＧＲガスを供給される外側通路Ｅと、吸入空気用の内側上部通路Ｆおよび内側下部通路Ｇに３区分される。実施形態４では、外側通路Ｅと内側上部通路Ｆと内側下部通路Ｇの通路断面積の比率が２：１：１になっている。
【００７１】
吸気制御弁１０３ａ、１０３ｂは、実施形態１のものと同様の構成のものであり、弁開時には、独立吸気通路１０１ａ、１０１ｂの各々の外側通路Ｅ、内側上部通路Ｆ、内側下部通路Ｇを全て開き、弁閉時には、独立吸気通路１０１ａ、１０１ｂの各々の外側通路Ｅと内側下部通路Ｇを閉塞し、内側上部通路Ｆの連通のみを維持する。
【００７２】
この実施形態では、独立吸気通路１０１ａ、１０１ｂの外側から流入するＥＧＲガスは、吸気通路の上下で流速に偏りが少なく、ＥＧＲガスによるタンブルＴｅｇｒａ、Ｔｅｇｒｂは弱くなる傾向がある。これに対し、独立吸気通路１０１ａ、１０１ｂの内側上部より燃焼室１２３に流入する吸入空気からなるタンブルＴｉｔは比較的強い。
【００７３】
このように構成すると、エンジンの負荷がごく小さい場合、例えば、アイドリング時などに吸入空気が少ない場合でも、強いタンブルＴｉｔにより燃料噴霧Ｆと吸入空気との混合を良好に行ないつつ、吸入空気とＥＧＲガスとの成層化を良好に行なうことができる。
【００７４】
なお、本実施形態でも。実施形態３と同様に、縦方向の仕切板位置は、ターゲットとする運転領域に対して最適となるように設定すればよいことが明らかであり、これらは本発明の範囲に含まれる。
【００７５】
図１８は本発明における内燃機関の回転数−トルクマップ上の成層−均質運転領域を示している。同一のエンジン回転数においては、負荷が小さいときには相対的に多量のＥＧＲガスを導入し、負荷が大きくなると、ＥＧＲガスは減少する。さらに負荷が大きくなると、均質燃焼に切り換える。
【００７６】
図１９は従来技術における回転数−トルクマップ上の成層−均質運転領域を、図２０は従来技術と本発明の燃料消費量を比較したものを、図２１は従来技術と本発明とのＮＯｘ排出量を比較したものをそれぞれ示している。
【００７７】
従来技術では、主として空気による成層化を行なっているが、本発明では、ＥＧＲガスを用いているので、エンジンの膨張行程において燃焼室内ガスの比熱比が増加し、エンジンの効率が向上する。また、ＥＧＲガスと可燃混合気との混合が最小限に抑えられるので、混合気の燃焼悪化を防ぐことができ、燃焼効率が向上する。このため、同一のエンジン回転数および負荷で比較した場合には、燃料消費量を少なくすることができる。
【００７８】
さらに、従来技術では、リーンＮＯｘ触媒の活性を維持するために、一定間隔でリッチスパイクをかける必要があり、この間の燃料消費が悪化する。このため、総合的な燃料消費量はさらに本発明のほうが小さくできる。
【００７９】
また、図２１に示されているように、本発明では、理論混合比での燃焼を主に行なうため、エンジン出口におけるＮＯｘ排出量は、リーン燃焼を行った場合よりもやや大きくなる。しかし、浄化効率（ＮＯｘ除去率）の大きな三元触媒を用いるため、触媒後すなわち大気開放時のＮＯｘレベルは従来の成層リーン運転の場合と比べてずっと低く、均質ストイキとほぼ同じレベルにすることができる。
【００８０】
本発明の効果を列挙すると、次のようになる。
（１）ＥＧＲガスを用いたため、成層燃焼を行ないポンピングロスを低減して効率向上を図りながら空燃比を常に理論空燃比近傍に保つことができ、三元触媒を有効に働かせて排気浄化を図れるので、従来のようなリーンＮＯｘ触媒を使用する必要がなく、リッチスパイクによる燃費の悪化が防止できるという効果がある。
（２）ＮＯｘの除去率が高く、排気浄化の効果が大きいという効果がある。
（３）リーンＮＯｘ触媒と三元触媒を両方使用する必要がないため、コストダウンも図ることができる。
（４）混合気とＥＧＲガスの成層化は吸気ポートやピストンキャビティの形状などによっていないので、高回転時や高負荷時の空気流動が妨げられることがなく、高出力で、かつ、低負荷時にポンピングロスが少なく燃費の良いエンジンにできる。
【００８１】
なお、以上の実施例では、ＥＧＲ成層による理論混合気燃焼の基本概念について述べたものであり、本発明の範囲は必ずしもこれに限定されるものではなく、例えば吸気通路の本数、あるいは吸気通路の形状が変わった場合でも、それらの通路を部分的に閉塞する仕切板と吸気制御弁を持ち、閉塞部分にＥＧＲガスを導入し、かつ、バルブタイミングを可変することにより、ＥＧＲガスと可燃性混合気の成層化をはかる構成であれば、あきらかに本発明の範囲に含まれる。
【００８２】
さらに、本実施形態は自然吸気エンジンについて記載しているが、ＥＧＲガスを用いた成層燃焼を行なうことができれば、過給機付きエンジンに関しても同様の動作を行なわせることができる。この場合には、吸入空気の圧力が大気圧よりも高まるので、ＥＧＲガスを入れても吸入空気量を多くすることができ、自然吸気の場合よりも成層運転範囲を広くすることができる。
【００８３】
【発明の効果】
以上の説明から理解される如く、この発明による内燃機関およびその燃焼方法によれば、燃焼室内に、空気または可燃性混合気を主体としたタンブルと排気還流ガスを主とする気体によるタンブルを回転方向が互いに同一のタンブルとして生成して成層燃焼を行なうから、ＥＧＲガスにより全体としての吸気量を増やし、ポンピングロスや冷却損失を減らして燃費を向上させることができ、排気浄化効率の高い三元触媒を有効に使用することにより、低コストでエミッションの悪化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による実施形態１の内燃機関を成層燃焼状態時（低負荷時）に燃焼室上側から見た構成図。
【図２】図１の内燃機関の略横側から見た構成図。
【図３】図１の内燃機関を均質燃焼状態時（高負荷時）に燃焼室上側から見た構成図。
【図４】図３の内燃機関の略横側から見た構成図。
【図５】図１の内燃機関の独立吸気管通路の構成を示する断面図。
【図６】図１の内燃機関の吸気制御弁の形状を示す図。
【図７】（ａ）、（ｂ）は成層燃焼状態時（低負荷時）の図５の線ＶＩＩ−ＶＩＩによる断面図。
【図８】均質燃焼状態時（高負荷時）の図５の線ＶＩＩ−ＶＩＩによる断面図。
【図９】本発明による実施形態１の内燃機関の吸排気弁リフト特性を示す図。
【図１０】図１の内燃機関の制御フローを示すフローチャート。
【図１１】本発明による実施形態２の内燃機関を成層燃焼状態時（低負荷時）に燃焼室上側から見た構成図。
【図１２】図１１の内燃機関の独立吸気管通路の構成を示する断面図。
【図１３】図１１の内燃機関の吸気制御弁の形状を示す図。
【図１４】本発明による実施形態３の内燃機関の独立吸気管通路の構成を示する断面図。
【図１５】図１４の内燃機関の吸気制御弁の形状を示す図。
【図１６】本発明による実施形態４の内燃機関の独立吸気管通路の構成を示する断面図。
【図１７】図１６の内燃機関の吸気制御弁の形状を示す図。
【図１８】本発明における内燃機関の回転−トルクマップ上のＥＧＲ成層−均質運転領域を示すグラフ。
【図１９】従来技術における回転−トルクマップ上の成層−均質運転領域を示すグラフ。
【図２０】本発明と従来技術との燃料消費量の比較図。
【図２１】本発明と従来技術とのＮＯｘ排出量の比較図。
【符号の説明】
１０１…吸気管
１０１ａ…独立吸気通路
１０１ｂ…独立吸気通路
１０２、１２６、１２７…仕切板
１０３ａ、１０３ｂ…吸気制御弁
１０４…スロットル弁
１０８…ＥＧＲ制御弁
１０９…ＥＧＲ通路
１１０…排気管
１１１ａ、１１１ｂ…吸気弁
１１２ａ、１１２ｂ…排気弁
１１３…点火プラグ
１１５…三元触媒コンバータ
１２２…インジェクタ
１２３…燃焼室

Claims (13)

1. 燃料を燃焼室内に直接噴射する機構と、燃焼後の排気ガスを燃焼室に還流させる機構と、吸気通路の一部を閉塞してタンブルを生成する機構を備えた内燃機関であって、
   前記吸気通路は、３つ以上の区画に区分され、その第１の区画には吸入空気を主とする気体を通過させ、第２の区画には排気還流ガスを主とする気体を通過させ、第３の区画は閉塞することを特徴とする内燃機関。
2. 一つの燃焼室毎に２個の吸気弁および互いに並行な２本の独立吸気通路を有し、その各々の独立吸気通路が仕切板により下部通路と上部内側通路と上部外側通路との３区分され、前記下部通路および前記上部外側通路を閉塞する吸気制御弁を有し、前記上部外側通路に排気還流ガスを主とする気体を供給し、前記上部内側通路から吸入空気を流入させることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 一つの燃焼室毎に２個の吸気弁および互いに並行な２本の独立吸気通路を有し、その各々の独立吸気通路が仕切板により外側通路と内側上部通路と内側下部通路との３区分され、前記外側通路および前記内側下部通路を閉塞する吸気制御弁を有し、前記外側通路に排気還流ガスを主とする気体を供給し、前記内側上部通路から吸入空気を流入させることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
4. 負荷に応じた前記吸気制御弁の開閉制御により混合気の成層化あるいは均質な混合気の生成を行ない、いずれの場合にも混合気全体の空燃比が、三元触媒を作動させるために必要な理論空燃比近傍になるように制御することを特徴とする請求項２又は３に記載の内燃機関。
5. 前記吸気通路に排気還流ガスを主とする気体を供給するポートが吸気通路下流の燃焼室の方向に指向性をもって開口していることを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載の内燃機関。
6. 吸気弁の開閉時期を可変設定する機構を備えていることを特徴とする請求項１から５の何れか一項に記載の内燃機関。
7. 燃料を燃焼室内に直接噴射する機構と、燃焼後の排気ガスを機関燃焼室に還流させる機構と、前記燃焼室内で二つ以上のタンブルを生成する機構を備え、該タンブル生成機構は、そのタンブルの組成が、一方は空気または可燃性混合気を主体とし、他方は排気還流ガスを主とする気体とし、互いに回転方向が同一のタンブルとなるように形成されていることを特徴とする内燃機関。
8. 前記タンブルを生成する機構は、３つ以上に区分される同一方向に回転する同軸上のタンブルを生成し、そのうち、前記燃焼室内で、吸入空気を主とするタンブルが中央にあり、これを両側から挟みこむように排気還流ガスを主とするタンブルを生成することを特徴とする請求項７に記載の内燃機関の吸気装置。
9. 中央に存在する吸入空気を主とするタンブルに対して燃料噴射を行なう燃料噴射手段を有することを特徴とする請求項８に記載の内燃機関。
10. タンブルによる成層燃焼と、通常吸気による均質燃焼とを運転状態に応じて切り換え、成層燃焼時には圧縮行程の後半で燃料を噴射し、均質燃焼時には吸気行程で燃料を噴射することを特徴とする請求項１から９の何れか一項に記載の内燃機関。
11. 燃料を燃焼室内に直接噴射し、燃焼室内に、空気または可燃性混合気を主体としたタンブルと、排気還流ガスを主とする気体によるタンブルを互いに回転方向のタンブルとして生成し、燃料を燃焼室内の空気または可燃性混合気を主体としたタンブルに対して直接噴射し、成層燃焼を行なうことを特徴とする内燃機関の燃焼方法。
12. タンブルによる成層燃焼と、通常吸気による均質燃焼とを運転状態に応じて切り換え、成層燃焼時には圧縮行程の後半で燃料を噴射し、均質燃焼時には吸気行程で燃料を噴射することを特徴とする請求項１１に記載の内燃機関の燃焼方法。
13. 成層燃焼時と均質燃焼時のいずれの場合も、混合気全体の空燃比を、三元触媒を作動させるために必要な理論空燃比近傍に設定することを特徴とする請求項１２に記載の内燃機関の燃焼方法。

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