JP4051261B2 - 理論空燃比成層燃焼内燃機関の制御方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリンダ内に直接燃料を噴射し、主として点火により燃焼させる内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、シリンダ内に直接燃料を噴射する内燃機関において、ＥＧＲガス（排気還流ガス）を導入することにより、排気中の有害成分の低減を図ったものが知られている。また、その際に、効果的に燃焼性能を維持するために、ＥＧＲガスの混合比を場所によって変えるようにしたものが知られている。これらの一例としては、例えば特開２００１−２８０１４０号公報に記載されているようなシステムがある。
【０００３】
このシステムは、主として圧縮着火機関に関するもので、１つのシリンダに開口する２つの吸気ポートにそれぞれ制御弁の付いたＥＧＲガス通路を接続し、吸気ポートの形状と、吸気弁の開弁期間をずらすことにより、シリンダ内にＥＧＲガスの多い層と少ない層を作っている。そして、シリンダの縦方向に成層化された吸気が、圧縮行程でスキッシュ流によってピストンキャビティ内で軸方向の成層となり、ここに燃料を噴射することにより、効果的にＮＯｘとスート（黒煙）の同時低減が図れるとしている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２８０１４０号公報（第５−６頁，第２図，第４図）
【０００５】
【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。
【０００６】
すなわち、従来の構成で用いられている独立吸気管は、スワールを発生させるのに好適な構成にはなっているが、吸気管に設けられた曲がりなどのために、高負荷時に通気抵抗が大きく、ピストンが下降する際に生じる負圧で十分な空気量を吸入することができず、出力の低下に繋がるという問題がある。また、ピストン形状についても、キャビティを持たせているので必然的にピストンの肉厚増加、すなわち重量増加につながり、エンジンを高回転化して出力を向上させる場合に障害になってしまうという問題がある。さらに、独立吸気管のそれぞれにEGRガスを導入する構成となっているので、そのための配管や機構が複雑になり、コストおよび重量増加などに繋がるという問題がある。
【０００７】
また、従来の構成で述べられている圧縮着火機関すなわちディーゼル機関には、黒煙とＮＯｘの同時低減が困難で、触媒の装着も難しいという難点があり、黒煙の燃焼装置も高価なものになっている。また、ガソリン機関の場合には、全体として希薄混合気を用いて成層燃焼を行う場合、エミッション（排出ガス）の低減のため従来からの三元触媒を使用しても効果がなく、特にＮＯｘ(窒素酸化物)の浄化のためにＮＯｘ還元触媒を用いるのが一般的であるが、この触媒の使用法として、一定時間毎に空燃比を１３程度に過濃（リッチ）化し、リーン運転時に吸着したＮＯｘを還元する運転を行う必要がある。これをリッチスパイクと呼んでいるが、リッチスパイク中には成層燃焼が出来ないばかりか、ＮＯｘ還元のために、エネルギー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向上しても、リッチスパイクにより相殺されてしまうので、実質の燃費向上率が低くなってしまうという問題点があった。またこのとき、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浄化率９９％と比べ低く、希薄燃焼によるＮＯｘ生成量の低減を考慮したとしても、結果的にテールパイプすなわち排気管から排気されるＮＯｘ量の増加を招くといった問題点があった。
【０００８】
本発明は以上の問題点を解決するためになされたものであり、ピストンを高回転実現のために好適な軽量とし、かつ、吸気通路の抵抗が少なく、高負荷時に十分な空気量を確保できる構成としながら、成層燃焼を行うことのできるシステムを提供することを第一の目的とする。また、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わないか、もしくは回数を極力少なくし、燃費の悪化を防ぐ成層燃焼システムを提供することを第二の目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は次のような手段を有する。
すなわち、シリンダ内に導入される空気量を制御する吸気弁と、燃料をシリンダ内に直接噴射する燃料噴射手段と、燃焼後の排気ガスをシリンダ内に還流または滞留させる EGR 制御手段とを備えた内燃機関の制御方法において、
吸気弁と前記燃料噴射弁とを制御してシリンダ内で空気および燃料を混合した理論空燃比近傍の混合気を点火プラグ近傍に形成すると共に、理論空燃比近傍の混合気が燃焼した排気ガスをＥＧＲガスとしてシリンダ内に導入するようにＥＧＲ制御手段を制御することを特徴とする制御方法である。
【００１０】
さらに、燃料を筒内に直接噴射できる内燃機関において、少なくとも２つに分割された独立吸気管と、その一方を閉塞することのできるスワール制御弁を備える。さらに、排気ガスを還流させるためのＥＧＲ(Exhaust Gas Recirculation) バルブを備え、閉塞された吸気管部分にＥＧＲ通路が開口するように構成する。そして、吸気弁が開いたとき、独立吸気管の一方から燃焼室に流入する気体は空気を主とし、独立吸気管の他方から流入する気体はＥＧＲガスを主とするようにする。
【００１１】
また、少なくとも１つの吸気弁について、開閉時の位相を、他の吸気弁と異ならせる、バルブタイミング可変機構を備える。
【００１２】
ピストンの頂面は平坦面またはバルブリセスを備えた凹凸面として構成し、軽量化をはかる。さらに、排気通路内に三元触媒を備える。
【００１３】
また、上記のように構成されたシリンダ内直接燃料噴射機関において、成層燃焼時には圧縮行程の後半に、均質運転時には吸気行程に燃料噴射を行うように、燃料噴射装置を制御する。
【００１４】
以上のように構成したので、本発明は次のような作用を有する。
【００１５】
エンジンの低負荷域ではスワール制御弁を閉じ、ＥＧＲバルブからのＥＧＲガスを、閉塞されている独立吸気管に流入させておく。そして、吸気行程でＥＧＲガスが流入している側の吸気弁を先に開き、ＥＧＲガスだけを燃焼室内に流入させる。そして、吸気行程の後半で、スワール制御弁によって閉塞されていない側の吸気弁を開き、燃焼用の空気を流入させる。ＥＧＲガスと燃焼用空気とを、時間差をつけて燃焼室内に流入させることにより、吸入空気とＥＧＲガスを分離させたままにする。その後の圧縮行程において、吸入空気に向けて燃料を噴射する。このとき、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向上しながら、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。
【００１６】
さらに、より高い負荷を必要とする場合には、スワール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および空気との混合時間を確保し、均質燃焼を行い、必要な出力を確保する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１および図２に、本発明の第１実施例における構成図を、図１では上から見たもの、図２では水平方向から見たものについて示す。本実施例では主として多気筒エンジンを想定しているが、図では簡単のために１つのシリンダについて説明する。
【００１８】
吸気管１０１にはスワール制御弁１０２が、２つある独立吸気管１０１ａ，１０１ｂのうち、１０１ｂを開閉可能となるように取り付けられている。
【００１９】
インジェクタ１２２は、シリンダ１２３内に直接燃料を噴射するように取り付けられている。
【００２０】
図の右側より吸入された空気は、エアクリーナ１０６を通り、エアフローメータ１０５で流量を計測し、電子制御スロットルチャンバ１０４で流量を調節した後、コレクタ１０３で各気筒に分配される。その後、前述した吸気管１０１ａおよび１０１ｂを通り、吸気弁１１１ａおよび１１１ｂが開いた際にシリンダ123に流入する。
【００２１】
シリンダで燃焼したガスは、排気弁１１２，排気管１１０を通った後、三元触媒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。このとき、ガスの一部をＥＧＲ制御弁１０８で流量を調節しながら、ＥＧＲ通路１０９を使用して吸気管１０１に還流させる。ＥＧＲ通路１０９は、ＥＧＲ側独立吸気管１０１ｂ内に開口するようにする。
【００２２】
インジェクタ１２２の燃料噴射時期，点火プラグ１１３の点火時期，スワール制御弁１０２，電子制御スロットルチャンバ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や、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２０１によって最適な値および時期に設定および制御される。
【００２３】
成層燃焼を行うときには、まずスワール制御弁１０２を閉じてＥＧＲ側独立吸気管１０１ｂを閉塞し、ＥＧＲ通路１０９，ＥＧＲ制御弁１０８を用いてＥＧＲガスをＥＧＲ側独立吸気管１０１ｂに流入させ、充填しておく。
【００２４】
エンジンの排気行程の後半、または吸気行程でＥＧＲ側吸気弁１１１ｂを先に開く。ピストン１０７によって発生した負圧により、ＥＧＲ側独立吸気管101ｂからＥＧＲガスが流入し、シリンダ１２３内に、図の上側からみて時計周りにスワール１２１を形成しながら充填される。ＥＧＲガスと吸入空気の混合がなるべく少なくなるように、ＥＧＲ側吸気弁１１１ｂのリフト開始および終了クランク角の変化量は２０度ＣＡ(※ＣＡはクランク角の略)以上とすることが望ましい。このようにすると従来のエンジンでは、排気行程の後半で排気弁１１２とＥＧＲ側吸気弁１１１ｂが同時に開く、いわゆるオーバーラップの期間が長くなり、吸気管への吹き戻しによってＥＧＲガスと空気が予期せず混ざったり、吸気の円滑な流れが阻害され、燃焼が不安定になったりする問題があったが、本発明では、ＥＧＲ側独立吸気管１０１ｂはスワール制御弁１０２によって閉塞されており、ＥＧＲ側独立吸気管１０１ｂ内にはもともとＥＧＲガスが充填されているので、排気弁１１２が開いていても問題はない。
【００２５】
次に、吸気行程の後半で吸気弁１１１ａを開くと、独立吸気管１０１ａおよび吸気弁１１１ａを通って空気がシリンダ１２３内に流入し、図の上側から見て反時計周りのスワール１２０を形成する。スワール１２０と１２１は、互いに逆方向の流れであるが、吸気弁１１１ａと１１１ｂの開く位相が異なるため、ＥＧＲガスのスワール１２０がシリンダ１２３の下側に、吸入空気のスワール１２１がシリンダ１２３の上側に位置し、エンジンの吸気〜圧縮行程の短時間であれば混合することなく、成層化して存在することができる。
【００２６】
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が上昇してシリンダ１２３内の空気が圧縮される。ここでインジェクタ１２２から燃料を噴射する。このとき、図２に示したように、噴霧１２５が吸入空気のスワール１２１に向かい、かつ、シリンダ壁や燃焼室の壁に衝突しないよう、燃料の圧力等を調節して噴霧貫通力すなわちペネトレーションを最適に設定しておく。さらにここで、燃料噴霧１２５は、図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しておく。このように構成することによって、スワール１２１と噴霧１２５との混合が効率よく行われる。また、吸入空気と燃料の混合比、すなわち空燃比は、三元触媒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。圧縮行程の後半、すなわち最適な点火時期になったとき、コンピュータ２０１からの信号によって点火プラグ１１３に点火し、燃焼を行わせる。
【００２７】
このようにして点火プラグの近傍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、同時に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。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、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。
【００２８】
図３に、本発明の第１実施例における、吸排気弁のリフトカーブを示す。吸気弁１１１ａと、２つの排気弁１１２の作動は変えずに、成層燃焼時のみＥＧＲ側吸気弁１１１ｂの作動を早める。ＥＧＲガスと吸入空気の混合がなるべく少なくなるように、リフト開始および終了クランク角の変化量は２０度ＣＡ（※ＣＡはクランク角の略）以上とすることが望ましい。このようにすると、排気行程の後半で排気弁１１２とＥＧＲ側吸気弁１１１ｂが同時に開く、いわゆるオーバーラップの期間が長くなるが、独立吸気管１０１ｂ内は閉管で、ＥＧＲガスが充填されているため、排気ガスの吹き返しなどの問題もない。吸気弁１１１ａが全開のリフト量になったとき、ＥＧＲ側吸気弁１１１ｂは閉じ始めており、図１および図２で説明したような吸入空気の動作を得ることができる。
【００２９】
図４および図５に、第１の実施例においてエンジン負荷が小さい場合の動作を示す。
【００３０】
まず、コンピュータ２０１からの信号により、電子制御スロットルチャンバ１０４の開度が小さく設定される。一方、ＥＧＲ制御弁１０８の開度は大きく設定される。これにより、エンジンの吸気行程において吸気弁１１１ａおよび111bが開いたときにシリンダ１２３内に吸入されるガスは、独立吸気管１０１ａを通った吸入空気よりも、ＥＧＲ側独立吸気管１０１ｂを通ったＥＧＲガスのほうが多くなり、スワール１２１よりもスワール１２０の量が多くなる。この場合でも吸入空気のスワール１２１は、最後にシリンダ１２３に吸入され、シリンダ123の上部、すなわちプラグ１１３の近傍にあり、また、噴霧１２５は図５の上方に向かう成分が大きい偏向噴霧であるので、噴霧１２５は主として吸入空気のスワール１２１と混合し、プラグ１１３周りに理論空燃比の混合気を形成することができる。それ以外の大部分が、ＥＧＲガスからなるスワール１２０であり、シリンダ１２３の下方を流れ、シリンダ１２３内全体としての空燃比を理論空燃比近傍に保ちながら、吸気量を増やしてポンピングロスや冷却損失を低減させることができる。
【００３１】
図６および図７に、第１の実施例においてエンジン負荷が中程度の場合の動作を示す。
【００３２】
まず、コンピュータ２０１からの信号により、電子制御スロットルチャンバ１０４の開度は、図４および図５で示した場合よりもやや大きく設定される。これに対し、ＥＧＲ制御弁１０８の開度はやや小さく設定される。これにより、エンジンの吸気行程において吸気弁１１１ａおよび１１１ｂが開いたときにシリンダ１２３内に吸入されるガスは、独立吸気管１０１ａを通った吸入空気のほうが、ＥＧＲ側独立吸気管１０１ｂを通ったＥＧＲガスよりも多くなり、ＥＧＲガスのスワール１２０よりも吸入空気のスワール１２１の量が多くなる。この場合でも図４および図５で述べた場合と同様に、吸入空気のスワール１２１は、最後にシリンダ１２３に吸入され、シリンダ１２３の上部、すなわちプラグ１１３の近傍にあり、また、噴霧１２５は図５の上方に向かう成分が大きい偏向噴霧であるので、噴霧１２５は主として吸入空気のスワール１２１と混合し、プラグ１１３周りに理論空燃比の混合気を形成することができる。それ以外の大部分が、EGRガスからなるスワール１２０であり、シリンダ１２３の下方を流れ、シリンダ１２３内全体としての空燃比を理論空燃比近傍に保ちながら、吸気量を増やしてポンピングロスや冷却損失を低減させることができる。
【００３３】
図４から図７において、反時計方向に回転する吸入空気または混合気のスワール１２１と、時計方向に回転するＥＧＲガスのスワール１２０の割合は運転状態によって変わるが、吸入空気量を基準すなわち１００％としたとき、例えば１０％から２００％程度まで変化させて設定することができる。
【００３４】
図８および図９に、第１の実施例においてエンジン負荷が大きい場合の動作を示す。
【００３５】
まず、コンピュータ２０１からの信号により、スワール制御弁１０２を開くように設定する。電子制御スロットルチャンバ１０４の開度は、図３で示した場合よりさらに大きく(全開に近く)設定される。これにより、吸気管１０１の吸気抵抗が低減するので、エンジンの吸気行程において吸気弁１１１ａおよび１１１ｂが開いたとき、独立吸気管１０１ａおよびＥＧＲ側独立吸気管１０１ｂの両方から、大量の新気を吸入させることができる。
【００３６】
さらに、ＥＧＲ制御弁１０８の開度は小さく設定される。また、ＥＧＲ側吸気弁１１１ｂのリフトカーブは、吸気弁１１１ａのリフトカーブと等しくし、吸気弁１１１ａと１１１ｂが同時に開閉するようにする。
【００３７】
またこのとき、エンジンの吸気行程でコンピュータ２０１からインジェクタ１２２に信号を送り、燃料噴射を行う。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うことができ、大きなトルクを得ることができる。
【００３８】
図１０に、図４〜図９に示した動作の制御フローチャートを示す。
【００３９】
まず、コンピュータ２０１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、これを元にして目標トルクを演算する。
【００４０】
次に、この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成層運転を行う領域か、均質運転を行う領域なのかを調べた後、適切な燃料噴射量，点火時期を決定する。
【００４１】
次に、ＥＧＲ成層運転を行う場合には、スワール制御弁１０２を閉じ、燃料噴射時期をエンジンの圧縮行程に設定する。そして、ＥＧＲ側吸気弁１１１ｂのリフト開始クランク角を早く設定する。
【００４２】
一方、ＥＧＲ成層運転を行わない、つまり均質運転を行う場合には、スワール制御弁１０２を開き、燃料噴射時期をエンジンの吸気行程に設定する。ＥＧＲ側吸気弁１１１ｂのリフト開始は吸気弁１１１ａと等しくする。
【００４３】
次に、エンジンが排気〜吸気行程に入ると吸気弁１１１ａおよび１１１ｂが上記で決められたように動作する。すなわち、成層運転を行う場合には、吸気弁１１１ｂが先に開いてＥＧＲガスがシリンダ１２３に流入し、スワール１２０を形成する。次に吸入空気のスワール１２１が形成される。ここで吸入空気のスワール１２１を指向して圧縮行程で燃料噴射を行う。これにより、プラグ１１３周りに混合気を形成しながら、周囲をＥＧＲガスで成層化し、燃焼を行うことができる。
【００４４】
一方、均質運転を行う場合には、スワール制御弁１０２が開き、吸気弁111ａと１１１ｂが同時に開いて、独立吸気管１０１ａとＥＧＲ側独立吸気管１０１ｂの両方から空気が流入する。通路断面積が大きく抵抗が少ないため、多くの空気が流入する。これに対して吸気行程で燃料噴射を行うことにより、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。
【００４５】
次に、決められた点火時期に従い点火を行う。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管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われる。
【００４６】
図１１に本発明の第２実施例における吸排気弁のリフトカーブを示す。第２実施例の基本的な構成は第１実施例と同じであるので説明は省略する。吸気弁111aおよび１１１ｂの可変機構について、第１実施例のようにＥＧＲ側吸気弁111ｂの作動開始を早めるだけでなく、吸気弁１１１ａのリフト量を少なくする機構を付加する。このように構成すると、シリンダ１２３に流入するＥＧＲガスのスワール１２０の量を増やしながら、吸入空気の量を減らすことができ、吸入空気の量に比べてより多くのＥＧＲガスを導入することができ、低負荷域でのポンピングロスを減らすことができる。
【００４７】
図１２に本発明の第３実施例における吸排気弁のリフトカーブを示す。第３実施例の基本的な構成は第１実施例と同じであるので説明は省略する。吸気弁111aおよび１１１ｂの作動可変機構について、バルブの作用角をそれぞれ独立して変える機構を備える。ＥＧＲ成層燃焼を行う場合、吸気弁１１１ａおよび１１１ｂの作用角を小さくし、ＥＧＲ側吸気弁１１１ｂの作動を早め、同時に吸入空気側吸気弁１１１ａの作動を遅くする。このように構成することにより、シリンダ１２３にＥＧＲガスのスワール１２０が流入するタイミングと、吸入空気のスワール１２１が流入するタイミングをずらすことができ、ＥＧＲガスと混合気の良好な成層化をはかることができ、多くのＥＧＲガスを導入することができるので、低負荷域でのポンピングロスを減らすことができる。
【００４８】
図１３に本発明の第４実施例における吸排気弁のリフトカーブを示す。第４実施例の基本的な構成は第１実施例と同じであるので説明は省略する。排気弁112については、開弁期間をずらす作動可変機構を備え、また吸気弁１１１ａについてはバルブの作用角を変える機構を備える。本実施例ではＥＧＲ側吸気弁には作動可変機構を備えていなくてもよい。ＥＧＲ成層燃焼を行う場合、排気弁１１２の閉弁時期をクランク角で２０°以上遅らせる。さらに、吸気弁１１１ａの作用角を２０°以上小さくし、同時にＥＧＲ側吸気弁１１１ｂに比べて２０°以上開弁を遅くする。このように構成することにより、シリンダ１２３に排気弁１１２から上死点を過ぎて戻ってきた燃焼ガスが残留し、その後ＥＧＲ側吸気弁111ｂからのＥＧＲガスがスワール１２０を生成し、最後に吸入空気が吸気弁１１１ａを通ってスワール１２１として流入する。排気弁１１２からもＥＧＲガスが導入できるので、大量のＥＧＲの導入が可能である。さらに、ＥＧＲ側吸気弁111ｂのタイミングを変更しなくてよいので、吸気側と排気側にそれぞれ１種類のバルブ作動可変機構を備えていれば良く、第２実施例または第３実施例に比べ構造が簡単になる。
【００４９】
図１４に、本発明における回転数−トルクマップ上の成層および均質運転領域の図を示す。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替える。
【００５０】
図１５に、従来技術における回転数−トルクマップ上の成層および均質運転領域を、図１６に、従来技術と本発明の、負荷による燃料消費量を比較したものを示す。
【００５１】
従来技術は、主として空気による成層化を行っているが、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シリンダ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。
【００５２】
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。
【００５３】
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吸気制御弁またはスワール制御弁を持ち、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。
【００５４】
さらに、本実施例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。
【００５５】
また、バルブ作動可変機構についても計４通りの実施例を示したが、これらの２つ以上を組み合わせて使用しても同様の効果が得られ、これらも明らかに本発明の範囲に含まれる。
【００５６】
【発明の効果】
本発明の効果を列挙すると次のようになる。
【００５７】
まず、ＥＧＲガスを用いたため、成層燃焼を行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。また、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。さらに、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という効果がある。
【００５８】
また、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という効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例をシリンダ上側から見た構成図。
【図２】本発明の第１実施例をシリンダ横側から見た構成図。
【図３】第１実施例における吸排気弁のリフトカーブ。
【図４】第１実施例における、低負荷時の作動状態を上から見た図。
【図５】第１実施例における、低負荷時の作動状態を横から見た図。
【図６】第１実施例における、中負荷時の作動状態を上から見た図。
【図７】第１実施例における、中負荷時の作動状態を横から見た図。
【図８】第１実施例における、高負荷時の作動状態を上から見た図。
【図９】第１実施例における、高負荷時の作動状態を横から見た図。
【図１０】第１実施例における作動フローチャート。
【図１１】本発明の第２実施例における吸排気弁のリフトカーブ。
【図１２】本発明の第３実施例における吸排気弁のリフトカーブ。
【図１３】本発明の第４実施例における吸排気弁のリフトカーブ。
【図１４】本発明における回転−トルクマップ上の成層および均質運転領域の図。
【図１５】従来技術における回転−トルクマップ上の成層および均質運転領域の図。
【図１６】本発明と従来技術との燃料消費量の比較図。
【符号の説明】
１０１…吸気管、１０１ａ…独立吸気管、１０１ｂ…ＥＧＲ側独立吸気管、１０２…スワール制御弁、１０３…コレクタ、１０４…電子制御スロットルチャンバ、１０５…エアフローメータ、１０６…エアクリーナ、１０７…ピストン、１０８…ＥＧＲ制御弁、１０９…ＥＧＲ通路、１１０…排気管、１１１ａ…吸入空気側の吸気弁、１１１ｂ…ＥＧＲ側の吸気弁、１１２…排気弁、１１３…点火プラグ、１１５…三元触媒、１２０…ＥＧＲガスによるスワール、１２１…吸入空気によるスワール、１２２…インジェクタ、１２３…シリンダ、１２５…燃料噴霧、２０１…コンピュータ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリンダ内に直接燃料を噴射し、主として点火により燃焼させる内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、シリンダ内に直接燃料を噴射する内燃機関において、ＥＧＲガス（排気還流ガス）を導入することにより、排気中の有害成分の低減を図ったものが知られている。また、その際に、効果的に燃焼性能を維持するために、ＥＧＲガスの混合比を場所によって変えるようにしたものが知られている。これらの一例としては、例えば特開２００１−２８０１４０号公報に記載されているようなシステムがある。
【０００３】
このシステムは、主として圧縮着火機関に関するもので、１つのシリンダに開口する２つの吸気ポートにそれぞれ制御弁の付いたＥＧＲガス通路を接続し、吸気ポートの形状と、吸気弁の開弁期間をずらすことにより、シリンダ内にＥＧＲガスの多い層と少ない層を作っている。そして、シリンダの縦方向に成層化された吸気が、圧縮行程でスキッシュ流によってピストンキャビティ内で軸方向の成層となり、ここに燃料を噴射することにより、効果的にＮＯｘとスート（黒煙）の同時低減が図れるとしている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２８０１４０号公報（第５−６頁，第２図，第４図）
【０００５】
【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。
【０００６】
すなわち、従来の構成で用いられている独立吸気管は、スワールを発生させるのに好適な構成にはなっているが、吸気管に設けられた曲がりなどのために、高負荷時に通気抵抗が大きく、ピストンが下降する際に生じる負圧で十分な空気量を吸入することができず、出力の低下に繋がるという問題がある。また、ピストン形状についても、キャビティを持たせているので必然的にピストンの肉厚増加、すなわち重量増加につながり、エンジンを高回転化して出力を向上させる場合に障害になってしまうという問題がある。さらに、独立吸気管のそれぞれにEGRガスを導入する構成となっているので、そのための配管や機構が複雑になり、コストおよび重量増加などに繋がるという問題がある。
【０００７】
また、従来の構成で述べられている圧縮着火機関すなわちディーゼル機関には、黒煙とＮＯｘの同時低減が困難で、触媒の装着も難しいという難点があり、黒煙の燃焼装置も高価なものになっている。また、ガソリン機関の場合には、全体として希薄混合気を用いて成層燃焼を行う場合、エミッション（排出ガス）の低減のため従来からの三元触媒を使用しても効果がなく、特にＮＯｘ(窒素酸化物)の浄化のためにＮＯｘ還元触媒を用いるのが一般的であるが、この触媒の使用法として、一定時間毎に空燃比を１３程度に過濃（リッチ）化し、リーン運転時に吸着したＮＯｘを還元する運転を行う必要がある。これをリッチスパイクと呼んでいるが、リッチスパイク中には成層燃焼が出来ないばかりか、ＮＯｘ還元のために、エネルギー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向上しても、リッチスパイクにより相殺されてしまうので、実質の燃費向上率が低くなってしまうという問題点があった。またこのとき、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浄化率９９％と比べ低く、希薄燃焼によるＮＯｘ生成量の低減を考慮したとしても、結果的にテールパイプすなわち排気管から排気されるＮＯｘ量の増加を招くといった問題点があった。
【０００８】
本発明は以上の問題点を解決するためになされたものであり、ピストンを高回転実現のために好適な軽量とし、かつ、吸気通路の抵抗が少なく、高負荷時に十分な空気量を確保できる構成としながら、成層燃焼を行うことのできるシステムを提供することを第一の目的とする。また、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わないか、もしくは回数を極力少なくし、燃費の悪化を防ぐ成層燃焼システムを提供することを第二の目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は次のような手段を有する。
すなわち、シリンダ内に導入される空気量を制御する吸気弁と、燃料をシリンダ内に直接噴射する燃料噴射手段と、燃焼後の排気ガスをシリンダ内に還流または滞留させる EGR 制御手段とを備えた内燃機関の制御方法において、
吸気弁と前記燃料噴射弁とを制御してシリンダ内で空気および燃料を混合した理論空燃比近傍の混合気を点火プラグ近傍に形成すると共に、理論空燃比近傍の混合気が燃焼した排気ガスをＥＧＲガスとしてシリンダ内に導入するようにＥＧＲ制御手段を制御することを特徴とする制御方法である。
【００１０】
さらに、燃料を筒内に直接噴射できる内燃機関において、少なくとも２つに分割された独立吸気管と、その一方を閉塞することのできるスワール制御弁を備える。さらに、排気ガスを還流させるためのＥＧＲ(Exhaust Gas Recirculation) バルブを備え、閉塞された吸気管部分にＥＧＲ通路が開口するように構成する。そして、吸気弁が開いたとき、独立吸気管の一方から燃焼室に流入する気体は空気を主とし、独立吸気管の他方から流入する気体はＥＧＲガスを主とするようにする。
【００１１】
また、少なくとも１つの吸気弁について、開閉時の位相を、他の吸気弁と異ならせる、バルブタイミング可変機構を備える。
【００１２】
ピストンの頂面は平坦面またはバルブリセスを備えた凹凸面として構成し、軽量化をはかる。さらに、排気通路内に三元触媒を備える。
【００１３】
また、上記のように構成されたシリンダ内直接燃料噴射機関において、成層燃焼時には圧縮行程の後半に、均質運転時には吸気行程に燃料噴射を行うように、燃料噴射装置を制御する。
【００１４】
以上のように構成したので、本発明は次のような作用を有する。
【００１５】
エンジンの低負荷域ではスワール制御弁を閉じ、ＥＧＲバルブからのＥＧＲガスを、閉塞されている独立吸気管に流入させておく。そして、吸気行程でＥＧＲガスが流入している側の吸気弁を先に開き、ＥＧＲガスだけを燃焼室内に流入させる。そして、吸気行程の後半で、スワール制御弁によって閉塞されていない側の吸気弁を開き、燃焼用の空気を流入させる。ＥＧＲガスと燃焼用空気とを、時間差をつけて燃焼室内に流入させることにより、吸入空気とＥＧＲガスを分離させたままにする。その後の圧縮行程において、吸入空気に向けて燃料を噴射する。このとき、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向上しながら、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。
【００１６】
さらに、より高い負荷を必要とする場合には、スワール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および空気との混合時間を確保し、均質燃焼を行い、必要な出力を確保する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１および図２に、本発明の第１実施例における構成図を、図１では上から見たもの、図２では水平方向から見たものについて示す。本実施例では主として多気筒エンジンを想定しているが、図では簡単のために１つのシリンダについて説明する。
【００１８】
吸気管１０１にはスワール制御弁１０２が、２つある独立吸気管１０１ａ，１０１ｂのうち、１０１ｂを開閉可能となるように取り付けられている。
【００１９】
インジェクタ１２２は、シリンダ１２３内に直接燃料を噴射するように取り付けられている。
【００２０】
図の右側より吸入された空気は、エアクリーナ１０６を通り、エアフローメータ１０５で流量を計測し、電子制御スロットルチャンバ１０４で流量を調節した後、コレクタ１０３で各気筒に分配される。その後、前述した吸気管１０１ａおよび１０１ｂを通り、吸気弁１１１ａおよび１１１ｂが開いた際にシリンダ123に流入する。
【００２１】
シリンダで燃焼したガスは、排気弁１１２，排気管１１０を通った後、三元触媒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。このとき、ガスの一部をＥＧＲ制御弁１０８で流量を調節しながら、ＥＧＲ通路１０９を使用して吸気管１０１に還流させる。ＥＧＲ通路１０９は、ＥＧＲ側独立吸気管１０１ｂ内に開口するようにする。
【００２２】
インジェクタ１２２の燃料噴射時期，点火プラグ１１３の点火時期，スワール制御弁１０２，電子制御スロットルチャンバ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や、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２０１によって最適な値および時期に設定および制御される。
【００２３】
成層燃焼を行うときには、まずスワール制御弁１０２を閉じてＥＧＲ側独立吸気管１０１ｂを閉塞し、ＥＧＲ通路１０９，ＥＧＲ制御弁１０８を用いてＥＧＲガスをＥＧＲ側独立吸気管１０１ｂに流入させ、充填しておく。
【００２４】
エンジンの排気行程の後半、または吸気行程でＥＧＲ側吸気弁１１１ｂを先に開く。ピストン１０７によって発生した負圧により、ＥＧＲ側独立吸気管101ｂからＥＧＲガスが流入し、シリンダ１２３内に、図の上側からみて時計周りにスワール１２１を形成しながら充填される。ＥＧＲガスと吸入空気の混合がなるべく少なくなるように、ＥＧＲ側吸気弁１１１ｂのリフト開始および終了クランク角の変化量は２０度ＣＡ(※ＣＡはクランク角の略)以上とすることが望ましい。このようにすると従来のエンジンでは、排気行程の後半で排気弁１１２とＥＧＲ側吸気弁１１１ｂが同時に開く、いわゆるオーバーラップの期間が長くなり、吸気管への吹き戻しによってＥＧＲガスと空気が予期せず混ざったり、吸気の円滑な流れが阻害され、燃焼が不安定になったりする問題があったが、本発明では、ＥＧＲ側独立吸気管１０１ｂはスワール制御弁１０２によって閉塞されており、ＥＧＲ側独立吸気管１０１ｂ内にはもともとＥＧＲガスが充填されているので、排気弁１１２が開いていても問題はない。
【００２５】
次に、吸気行程の後半で吸気弁１１１ａを開くと、独立吸気管１０１ａおよび吸気弁１１１ａを通って空気がシリンダ１２３内に流入し、図の上側から見て反時計周りのスワール１２０を形成する。スワール１２０と１２１は、互いに逆方向の流れであるが、吸気弁１１１ａと１１１ｂの開く位相が異なるため、ＥＧＲガスのスワール１２０がシリンダ１２３の下側に、吸入空気のスワール１２１がシリンダ１２３の上側に位置し、エンジンの吸気〜圧縮行程の短時間であれば混合することなく、成層化して存在することができる。
【００２６】
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が上昇してシリンダ１２３内の空気が圧縮される。ここでインジェクタ１２２から燃料を噴射する。このとき、図２に示したように、噴霧１２５が吸入空気のスワール１２１に向かい、かつ、シリンダ壁や燃焼室の壁に衝突しないよう、燃料の圧力等を調節して噴霧貫通力すなわちペネトレーションを最適に設定しておく。さらにここで、燃料噴霧１２５は、図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しておく。このように構成することによって、スワール１２１と噴霧１２５との混合が効率よく行われる。また、吸入空気と燃料の混合比、すなわち空燃比は、三元触媒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。圧縮行程の後半、すなわち最適な点火時期になったとき、コンピュータ２０１からの信号によって点火プラグ１１３に点火し、燃焼を行わせる。
【００２７】
このようにして点火プラグの近傍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、同時に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。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、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。
【００２８】
図３に、本発明の第１実施例における、吸排気弁のリフトカーブを示す。吸気弁１１１ａと、２つの排気弁１１２の作動は変えずに、成層燃焼時のみＥＧＲ側吸気弁１１１ｂの作動を早める。ＥＧＲガスと吸入空気の混合がなるべく少なくなるように、リフト開始および終了クランク角の変化量は２０度ＣＡ（※ＣＡはクランク角の略）以上とすることが望ましい。このようにすると、排気行程の後半で排気弁１１２とＥＧＲ側吸気弁１１１ｂが同時に開く、いわゆるオーバーラップの期間が長くなるが、独立吸気管１０１ｂ内は閉管で、ＥＧＲガスが充填されているため、排気ガスの吹き返しなどの問題もない。吸気弁１１１ａが全開のリフト量になったとき、ＥＧＲ側吸気弁１１１ｂは閉じ始めており、図１および図２で説明したような吸入空気の動作を得ることができる。
【００２９】
図４および図５に、第１の実施例においてエンジン負荷が小さい場合の動作を示す。
【００３０】
まず、コンピュータ２０１からの信号により、電子制御スロットルチャンバ１０４の開度が小さく設定される。一方、ＥＧＲ制御弁１０８の開度は大きく設定される。これにより、エンジンの吸気行程において吸気弁１１１ａおよび111bが開いたときにシリンダ１２３内に吸入されるガスは、独立吸気管１０１ａを通った吸入空気よりも、ＥＧＲ側独立吸気管１０１ｂを通ったＥＧＲガスのほうが多くなり、スワール１２１よりもスワール１２０の量が多くなる。この場合でも吸入空気のスワール１２１は、最後にシリンダ１２３に吸入され、シリンダ123の上部、すなわちプラグ１１３の近傍にあり、また、噴霧１２５は図５の上方に向かう成分が大きい偏向噴霧であるので、噴霧１２５は主として吸入空気のスワール１２１と混合し、プラグ１１３周りに理論空燃比の混合気を形成することができる。それ以外の大部分が、ＥＧＲガスからなるスワール１２０であり、シリンダ１２３の下方を流れ、シリンダ１２３内全体としての空燃比を理論空燃比近傍に保ちながら、吸気量を増やしてポンピングロスや冷却損失を低減させることができる。
【００３１】
図６および図７に、第１の実施例においてエンジン負荷が中程度の場合の動作を示す。
【００３２】
まず、コンピュータ２０１からの信号により、電子制御スロットルチャンバ１０４の開度は、図４および図５で示した場合よりもやや大きく設定される。これに対し、ＥＧＲ制御弁１０８の開度はやや小さく設定される。これにより、エンジンの吸気行程において吸気弁１１１ａおよび１１１ｂが開いたときにシリンダ１２３内に吸入されるガスは、独立吸気管１０１ａを通った吸入空気のほうが、ＥＧＲ側独立吸気管１０１ｂを通ったＥＧＲガスよりも多くなり、ＥＧＲガスのスワール１２０よりも吸入空気のスワール１２１の量が多くなる。この場合でも図４および図５で述べた場合と同様に、吸入空気のスワール１２１は、最後にシリンダ１２３に吸入され、シリンダ１２３の上部、すなわちプラグ１１３の近傍にあり、また、噴霧１２５は図５の上方に向かう成分が大きい偏向噴霧であるので、噴霧１２５は主として吸入空気のスワール１２１と混合し、プラグ１１３周りに理論空燃比の混合気を形成することができる。それ以外の大部分が、EGRガスからなるスワール１２０であり、シリンダ１２３の下方を流れ、シリンダ１２３内全体としての空燃比を理論空燃比近傍に保ちながら、吸気量を増やしてポンピングロスや冷却損失を低減させることができる。
【００３３】
図４から図７において、反時計方向に回転する吸入空気または混合気のスワール１２１と、時計方向に回転するＥＧＲガスのスワール１２０の割合は運転状態によって変わるが、吸入空気量を基準すなわち１００％としたとき、例えば１０％から２００％程度まで変化させて設定することができる。
【００３４】
図８および図９に、第１の実施例においてエンジン負荷が大きい場合の動作を示す。
【００３５】
まず、コンピュータ２０１からの信号により、スワール制御弁１０２を開くように設定する。電子制御スロットルチャンバ１０４の開度は、図３で示した場合よりさらに大きく(全開に近く)設定される。これにより、吸気管１０１の吸気抵抗が低減するので、エンジンの吸気行程において吸気弁１１１ａおよび１１１ｂが開いたとき、独立吸気管１０１ａおよびＥＧＲ側独立吸気管１０１ｂの両方から、大量の新気を吸入させることができる。
【００３６】
さらに、ＥＧＲ制御弁１０８の開度は小さく設定される。また、ＥＧＲ側吸気弁１１１ｂのリフトカーブは、吸気弁１１１ａのリフトカーブと等しくし、吸気弁１１１ａと１１１ｂが同時に開閉するようにする。
【００３７】
またこのとき、エンジンの吸気行程でコンピュータ２０１からインジェクタ１２２に信号を送り、燃料噴射を行う。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うことができ、大きなトルクを得ることができる。
【００３８】
図１０に、図４〜図９に示した動作の制御フローチャートを示す。
【００３９】
まず、コンピュータ２０１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、これを元にして目標トルクを演算する。
【００４０】
次に、この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成層運転を行う領域か、均質運転を行う領域なのかを調べた後、適切な燃料噴射量，点火時期を決定する。
【００４１】
次に、ＥＧＲ成層運転を行う場合には、スワール制御弁１０２を閉じ、燃料噴射時期をエンジンの圧縮行程に設定する。そして、ＥＧＲ側吸気弁１１１ｂのリフト開始クランク角を早く設定する。
【００４２】
一方、ＥＧＲ成層運転を行わない、つまり均質運転を行う場合には、スワール制御弁１０２を開き、燃料噴射時期をエンジンの吸気行程に設定する。ＥＧＲ側吸気弁１１１ｂのリフト開始は吸気弁１１１ａと等しくする。
【００４３】
次に、エンジンが排気〜吸気行程に入ると吸気弁１１１ａおよび１１１ｂが上記で決められたように動作する。すなわち、成層運転を行う場合には、吸気弁１１１ｂが先に開いてＥＧＲガスがシリンダ１２３に流入し、スワール１２０を形成する。次に吸入空気のスワール１２１が形成される。ここで吸入空気のスワール１２１を指向して圧縮行程で燃料噴射を行う。これにより、プラグ１１３周りに混合気を形成しながら、周囲をＥＧＲガスで成層化し、燃焼を行うことができる。
【００４４】
一方、均質運転を行う場合には、スワール制御弁１０２が開き、吸気弁111ａと１１１ｂが同時に開いて、独立吸気管１０１ａとＥＧＲ側独立吸気管１０１ｂの両方から空気が流入する。通路断面積が大きく抵抗が少ないため、多くの空気が流入する。これに対して吸気行程で燃料噴射を行うことにより、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。
【００４５】
次に、決められた点火時期に従い点火を行う。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管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われる。
【００４６】
図１１に本発明の第２実施例における吸排気弁のリフトカーブを示す。第２実施例の基本的な構成は第１実施例と同じであるので説明は省略する。吸気弁111aおよび１１１ｂの可変機構について、第１実施例のようにＥＧＲ側吸気弁111ｂの作動開始を早めるだけでなく、吸気弁１１１ａのリフト量を少なくする機構を付加する。このように構成すると、シリンダ１２３に流入するＥＧＲガスのスワール１２０の量を増やしながら、吸入空気の量を減らすことができ、吸入空気の量に比べてより多くのＥＧＲガスを導入することができ、低負荷域でのポンピングロスを減らすことができる。
【００４７】
図１２に本発明の第３実施例における吸排気弁のリフトカーブを示す。第３実施例の基本的な構成は第１実施例と同じであるので説明は省略する。吸気弁111aおよび１１１ｂの作動可変機構について、バルブの作用角をそれぞれ独立して変える機構を備える。ＥＧＲ成層燃焼を行う場合、吸気弁１１１ａおよび１１１ｂの作用角を小さくし、ＥＧＲ側吸気弁１１１ｂの作動を早め、同時に吸入空気側吸気弁１１１ａの作動を遅くする。このように構成することにより、シリンダ１２３にＥＧＲガスのスワール１２０が流入するタイミングと、吸入空気のスワール１２１が流入するタイミングをずらすことができ、ＥＧＲガスと混合気の良好な成層化をはかることができ、多くのＥＧＲガスを導入することができるので、低負荷域でのポンピングロスを減らすことができる。
【００４８】
図１３に本発明の第４実施例における吸排気弁のリフトカーブを示す。第４実施例の基本的な構成は第１実施例と同じであるので説明は省略する。排気弁112については、開弁期間をずらす作動可変機構を備え、また吸気弁１１１ａについてはバルブの作用角を変える機構を備える。本実施例ではＥＧＲ側吸気弁には作動可変機構を備えていなくてもよい。ＥＧＲ成層燃焼を行う場合、排気弁１１２の閉弁時期をクランク角で２０°以上遅らせる。さらに、吸気弁１１１ａの作用角を２０°以上小さくし、同時にＥＧＲ側吸気弁１１１ｂに比べて２０°以上開弁を遅くする。このように構成することにより、シリンダ１２３に排気弁１１２から上死点を過ぎて戻ってきた燃焼ガスが残留し、その後ＥＧＲ側吸気弁111ｂからのＥＧＲガスがスワール１２０を生成し、最後に吸入空気が吸気弁１１１ａを通ってスワール１２１として流入する。排気弁１１２からもＥＧＲガスが導入できるので、大量のＥＧＲの導入が可能である。さらに、ＥＧＲ側吸気弁111ｂのタイミングを変更しなくてよいので、吸気側と排気側にそれぞれ１種類のバルブ作動可変機構を備えていれば良く、第２実施例または第３実施例に比べ構造が簡単になる。
【００４９】
図１４に、本発明における回転数−トルクマップ上の成層および均質運転領域の図を示す。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替える。
【００５０】
図１５に、従来技術における回転数−トルクマップ上の成層および均質運転領域を、図１６に、従来技術と本発明の、負荷による燃料消費量を比較したものを示す。
【００５１】
従来技術は、主として空気による成層化を行っているが、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シリンダ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。
【００５２】
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。
【００５３】
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吸気制御弁またはスワール制御弁を持ち、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。
【００５４】
さらに、本実施例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。
【００５５】
また、バルブ作動可変機構についても計４通りの実施例を示したが、これらの２つ以上を組み合わせて使用しても同様の効果が得られ、これらも明らかに本発明の範囲に含まれる。
【００５６】
【発明の効果】
本発明の効果を列挙すると次のようになる。
【００５７】
まず、ＥＧＲガスを用いたため、成層燃焼を行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。また、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。さらに、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という効果がある。
【００５８】
また、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という効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例をシリンダ上側から見た構成図。
【図２】本発明の第１実施例をシリンダ横側から見た構成図。
【図３】第１実施例における吸排気弁のリフトカーブ。
【図４】第１実施例における、低負荷時の作動状態を上から見た図。
【図５】第１実施例における、低負荷時の作動状態を横から見た図。
【図６】第１実施例における、中負荷時の作動状態を上から見た図。
【図７】第１実施例における、中負荷時の作動状態を横から見た図。
【図８】第１実施例における、高負荷時の作動状態を上から見た図。
【図９】第１実施例における、高負荷時の作動状態を横から見た図。
【図１０】第１実施例における作動フローチャート。
【図１１】本発明の第２実施例における吸排気弁のリフトカーブ。
【図１２】本発明の第３実施例における吸排気弁のリフトカーブ。
【図１３】本発明の第４実施例における吸排気弁のリフトカーブ。
【図１４】本発明における回転−トルクマップ上の成層および均質運転領域の図。
【図１５】従来技術における回転−トルクマップ上の成層および均質運転領域の図。
【図１６】本発明と従来技術との燃料消費量の比較図。
【符号の説明】
１０１…吸気管、１０１ａ…独立吸気管、１０１ｂ…ＥＧＲ側独立吸気管、１０２…スワール制御弁、１０３…コレクタ、１０４…電子制御スロットルチャンバ、１０５…エアフローメータ、１０６…エアクリーナ、１０７…ピストン、１０８…ＥＧＲ制御弁、１０９…ＥＧＲ通路、１１０…排気管、１１１ａ…吸入空気側の吸気弁、１１１ｂ…ＥＧＲ側の吸気弁、１１２…排気弁、１１３…点火プラグ、１１５…三元触媒、１２０…ＥＧＲガスによるスワール、１２１…吸入空気によるスワール、１２２…インジェクタ、１２３…シリンダ、１２５…燃料噴霧、２０１…コンピュータ。
Claims (6)
- シリンダ内に導入される空気流を案内する２つの独立吸気管と、
前記独立吸気管にそれぞれ備えられる吸気弁と、
燃料を前記シリンダ内に直接噴射する燃料噴射手段と、
前記独立吸気管のうち一方に備えられ、燃焼後の排気ガスをシリンダ内に還流または滞留させるＥＧＲ制御手段と、
前記ＥＧＲ制御手段が備えられた独立吸気管を開閉する開閉弁とを備えた内燃機関の制御方法において、
前記開閉弁を閉じ、前記ＥＧＲ制御手段が備えられた吸気弁を開き、前記ＥＧＲ制御手段とを制御して理論空燃比近傍の混合気が燃焼した排気ガスをＥＧＲガスとして前記シリンダ内に導入した後に、
前記吸気弁のうち他方を開いて、空気を前記シリンダ内に導入し、導入された空気を点火プラグ近傍に形成し、
圧縮行程後半に前記燃料噴射手段を制御して、前記導入された空気に向かって燃料を噴射することにより、理論空燃比近傍の混合気を点火プラグ近傍に形成する制御方法。 - インジェクタからの噴霧を偏向噴霧とし、空気を主体とするスワールと混合するように噴霧方向や噴霧貫通力を調整することを特徴とする請求項１記載の制御方法。
- 前記吸気弁の開弁タイミングおよびリフト量を変更する手段を備え、前記ＥＧＲ制御手段が備えられた独立吸気管を開閉する吸気弁が、他方の吸気弁よりもクランク角相当で２０°以上早く開弁するようにしたことを特徴とする請求項１記載の制御方法。
- 前記吸気弁の開弁タイミングおよびリフト量を変更する手段を備え、前記ＥＧＲ制御手段が備えられた独立吸気管を開閉する吸気弁のリフト量を基準としたとき、他方の吸気弁のリフト量をこれよりも少なくなるようにしたことを特徴とする請求項１記載の制御方法。
- 前記吸気弁の開弁タイミングおよびリフト量を変更する手段を備え、前記ＥＧＲ制御手段が備えられた独立吸気管を開閉する吸気弁の開弁開始が他方の吸気弁の開弁開始よりも早く、かつ、開弁期間が他方の吸気弁の開弁期間よりも長いことを特徴とする請求項１記載の制御方法。
- 請求項５において、１つ以上の排気弁と、前記排気弁の開閉弁タイミングおよびリフト量を変更する手段とを備え、前記閉塞された吸気管に接続する吸気弁の開弁タイミングに基づいて、前記排気弁の閉弁タイミングを遅らせたことを特徴とする制御方法。
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