JP2003027977A - 過給機付火花点火式直噴エンジン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 吸気を過給するターボ過給機４０と、気筒２
内の燃焼室６に燃料を直接、噴射するインジェクタ１８
とを備え、高速高負荷側のλ＝１領域（ロ）及びエンリ
ッチ領域（ハ）において燃料を気筒２の吸気行程で噴射
させて、均一燃焼状態とするようにした火花点火式４サ
イクル直噴エンジン１において、特にエンリッチ領域
（ハ）内の特定領域においてエンジン１の最高出力を確
保しかつ排気系の信頼性を担保しながら、排気中のＰＭ
の低減を図る。 【解決手段】 エンジン１がエンリッチ領域（ハ）の高
速側の特定領域にあるときに、気筒２内の混合気の空燃
比Ａ／ＦをＡ／Ｆ≦１３となるように制御するとともに
（ＳＡ１３）、ＶＶＴ１５により吸気弁１２の閉弁時期
ICを遅角側に変更し（ＳＡ１４）、かつ吸気遅閉じによ
る吸気充填量の低下を補完するように、ターボ過給機４
０のウエストゲート弁４２の開度を制御して、最高過給
圧を高める（ＳＡ１５）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、吸気を過給する過
給機を備えるとともに、気筒内の燃焼室に直接噴射した
燃料を点火プラグの電極周りに成層化して燃焼させるよ
うにした過給機付火花点火式直噴エンジンに関し、特
に、高速高負荷側の特定の領域における燃焼制御の技術
分野に属する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、この種の過給機付火花点火式
直噴エンジンとして、例えば特開平１１−１７３１８０
号公報に開示されるように、通常、均質燃焼状態となる
比較的低速でかつ中負荷以上の運転領域において、燃料
噴射弁により燃料の一部を気筒の圧縮行程で噴射させる
ことで、排気中のスモークの軽減を図ったものがある。
すなわち、気筒内流動の弱い低速域では吸気行程で噴射
した燃料がピストン冠面のキャビティ内に偏って液膜状
に付着しやすく、このことが排気中のスモーク増大の原
因となるが、前記のように燃料の一部を相対的に気筒内
圧の高い圧縮行程で噴射させることで、燃料噴霧の貫徹
力を低下させるとともに、ピストンの上昇により燃料噴
霧を点火プラグ側に輸送して、ピストン冠面への燃料付
着を抑制することができるのである。

【０００３】尚、前記のような気筒の圧縮行程での燃料
噴射は、エンジン回転速度がある程度低く、燃料噴射の
終了時期があまり点火時期に近づかない、という条件下
で行われ、エンジンが高速高負荷の運転状態にあるとき
には、気筒の吸気行程初期から燃料噴射弁により燃料を
一気に噴射させるようにしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、一般に、火
花点火式直噴エンジンでは、燃料噴射量の多くなる高負
荷域において燃料を気筒の点火時点までに十分に気化霧
化させることが難しく、その燃料の一部が蒸し焼き状態
になって、ディーゼルエンジンのような浮遊粒子状物質
（パティキュレートマター、以下、ＰＭという）が排出
されやすいという問題がある。

【０００５】特に、エンジンが高速高負荷の運転状態に
あるときには燃料の噴射量が多くなる一方で、それを噴
射可能な時間間隔がエンジン回転速度の上昇に反比例し
て短くなり、自ずと燃料噴射の終了時期が遅角側に移動
することになるから、燃料の噴射から点火までの時間が
一層、短くなって、気化霧化がさらに困難になる。しか
も、気筒の圧縮行程では吸気行程に比べて気筒内流動が
減衰しているので、この圧縮行程で噴射された燃料は吸
気との混合が促進され難く、このことによっても気化霧
化が阻害されることになる。

【０００６】また、通常、火花点火式エンジンでは排気
系の信頼性を考慮して、高速ないし高負荷側の特定の領
域において空燃比を理論空燃比よりもリッチになるよう
に制御して、排気温度の上昇を抑えるようにしており、
このことで燃料の噴射供給量がさらに多くなるから、前
記のＰＭの問題が一層、顕著なものとなる。

【０００７】本発明は斯かる諸点に鑑みてなされたもの
であり、その目的とするところは、過給機を備えた火花
点火式直噴エンジンにおいて、高速高負荷側の特定の領
域における噴射燃料の気化霧化時間の確保に工夫を凝ら
して、エンジンの最高出力と排気系の信頼性とを担保し
ながら、排気中のＰＭの低減を図ることにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、本発明の解決手段では、高速高負荷側の特定領域
において、吸気弁の閉弁時期を大幅に遅角側に変更する
こと（いわゆる吸気弁の遅閉じ）により、気筒の圧縮行
程初期に燃焼室から吸気通路に混合気の一部を吹き返さ
せて、次の燃焼サイクルまでの間に十分に気化霧化させ
るようにした。

【０００９】具体的に、請求項１の発明では、図１に一
例を示すように、気筒への吸気を過給する過給機Ａと、
該気筒内の燃焼室に燃料を直接、噴射供給する燃料噴射
弁Ｂとを備え、少なくとも高速高負荷側の過給領域にお
いて前記燃料噴射弁Ｂにより燃料を気筒の吸気行程で噴
射させて均一燃焼状態とするようにした火花点火式４サ
イクル直噴エンジンＣを前提とする。そして、前記気筒
の吸気弁の少なくとも閉弁時期を可変とする可変動弁機
構Ｄと、前記過給機Ａによる吸気の過給圧を調整する過
給圧調整手段Ｅと、前記過給領域内の高速高負荷側に設
定した特定領域において前記燃料噴射弁Ｂにより燃料を
気筒の吸気行程から圧縮行程初期に亘って噴射させると
ともに、該燃料噴射弁による燃料噴射量を混合気の空燃
比Ａ／ＦがＡ／Ｆ≦１３になるように制御する燃料噴射
制御手段Ｆと、当該特定領域において気筒の圧縮行程初
期に燃焼室の混合気が吸気通路に吹き返されるよう、前
記可変動弁機構Ｄの作動により吸気弁の閉弁時期を所定
のクランク角以降に遅角させる動弁時期制御手段Ｇと、
当該特定領域においてその低速側に隣接する隣接領域に
比べて、過給圧力を一定に抑える目標過給圧が相対的に
高くなるように前記過給圧調整手段Ｅを制御する過給圧
制御手段Ｈとを備える構成とする。

【００１０】前記の構成により、エンジンＣが高速高負
荷側の特定領域にあるときには、まず、空燃比制御手段
ＦによりエンジンＣの気筒内の空燃比がリッチ化され
て、燃焼室に噴射供給される多量の燃料の気化潜熱によ
り排気温度の過度の上昇が抑制される。また、動弁時期
制御手段Ｇによる可変動弁機構Ｄの作動が行われて、吸
気弁の閉弁時期が遅角側に変更され、気筒の圧縮行程初
期に燃焼室の混合気が吸気通路に吹き返される。この吹
き返された混合気は次回の燃焼サイクルで再び気筒に吸
入されるまでの間に十分に気化霧化されることになるの
で、前記したように多量の燃料を燃焼室に供給していて
も、それらを十分に気化霧化させて良好に燃焼させるこ
とができ、もって、排気中のＰＭを低減できる。

【００１１】特に、圧縮行程の初期に吸気通路に吹き返
される混合気には、燃料噴射弁から最後に噴射された比
較的、粒の粗い燃料液滴が多く含まれており、この燃料
を十分に気化霧化できることがＰＭの低減のためには極
めて有効なものとなる。

【００１２】さらに、前記のように気筒の圧縮行程初期
に燃焼室の混合気が吸気通路に吹き返されると、そのこ
とによって気筒の吸気充填量が低下することになるが、
一方で、過給圧制御手段Ｈにより過給圧調整手段Ｅの制
御が行われて、過給圧が高められているので、吹き返し
に起因する充填量の低下が抑制されて、エンジンＣの最
高出力は確保される。

【００１３】請求項２の発明では、燃料噴射制御手段
を、特定領域において燃料噴射弁による燃料の噴射作動
を気筒の吸気行程における所定のクランク角以降で開始
させるものとする。こうすることで、燃料噴射弁による
燃料の噴射作動を例えば、吸気上死点後４０°ＣＡ（Ａ
ＴＤＣ４０°ＣＡ）以降とすれば、燃料噴射弁から噴射
された燃料噴霧は下降するピストンを追って燃焼室に拡
散しながら、該ピストンに追いつくことがなく、従っ
て、ピストン冠面への燃料の付着を防止できる。

【００１４】次に、請求項３の発明は、前記請求項１の
発明と同様の火花点火式４サイクル直噴エンジンＣを前
提とし（図１参照）、このものにおいて、気筒の吸気弁
の少なくとも閉弁時期を可変とする可変動弁機構Ｄと、
過給機Ａによる吸気の過給圧を調整する過給圧調整手段
Ｅと、過給領域内の高速高負荷側に設定した特定領域に
おいて燃料噴射弁Ｂによる燃料の噴射作動を気筒の吸気
上死点付近で開始させるとともに、該燃料噴射弁Ｂによ
る燃料噴射量を混合気の空燃比Ａ／ＦがＡ／Ｆ≦１３に
なるように制御する燃料噴射制御手段Ｆと、該燃料噴射
制御手段Ｆにより制御される燃料噴射弁Ｂの噴射作動が
気筒の圧縮行程で終了するときに、当該気筒の吸気弁の
閉弁時期が燃料噴射作動の終了時期よりも遅角側になる
ように前記可変動弁機構Ｄを制御する動弁時期制御手段
Ｇと、前記特定領域において該特定領域の低速側に隣接
する隣接領域に比べて、過給圧力を一定に抑える目標過
給圧が相対的に高くなるように前記過給圧調整手段Ｅを
制御する過給圧制御手段Ｈとを備える構成とする。

【００１５】この構成では、前記請求項１の発明と同様
に、エンジンＣが高速高負荷側の特定領域にあるとき
に、空燃比制御手段ＦによりエンジンＣの気筒内の空燃
比がリッチ化され、燃料噴射弁Ｂから噴射供給される多
量の燃料の気化潜熱により、排気温度の過度の上昇が抑
制される。この際、そのように多量の燃料をできるだけ
吸気行程で噴射するために、燃料噴射弁Ｂによる燃料の
噴射作動が気筒の吸気上死点付近で開始されるが、それ
でも尚、該燃料噴射弁Ｂの噴射作動の終了時期が気筒の
圧縮行程まで遅角した場合には、動弁時期制御手段Ｇに
よる可変動弁機構Ｄの作動が行われて、吸気弁の閉弁時
期が前記燃料噴射終了時期よりも遅角側に変更される。

【００１６】このことで、前記請求項１の発明と同様
に、噴射直後の粗い燃料液滴を含む混合気の一部を吸気
通路に吹き返して、十分に気化霧化させた上で次回の燃
焼サイクルにおいて良好に燃焼させることができ、これ
により排気中のＰＭを低減できる。また、過給圧制御手
段Ｈによる過給圧調整手段Ｅの制御によって吸気の過給
圧が高められることで、前記した吹き返しに起因する充
填量の低下を抑制して、エンジンＣの最高出力を確保す
ることができる。

【００１７】一方、エンジンが前記特定領域にあって
も、相対的に低速ないし低負荷であれば、燃料噴射弁Ｂ
による燃料噴射終了時期が圧縮行程まで遅角することは
なく、この場合には前記した吸気弁の遅閉じ等の制御は
行われない。すなわち、燃料噴射弁Ｂからの噴射燃料が
次回の燃焼サイクルに持ち越されることがなくなり、こ
のことで、燃料噴射の制御性が向上して、エンジンの運
転状態が急変したときにも優れた追従性が得られる。

【００１８】請求項４の発明では、請求項３の発明にお
ける燃料噴射制御手段を、特定領域において燃料噴射弁
による燃料の噴射作動を排気弁の閉弁時期よりも進角側
で開始させるものとする。

【００１９】こうすることで、燃料噴射弁による燃料の
噴射を可及的に早期に開始し、その燃料噴射をできるだ
け早期に終了するようにして、前記請求項３の発明の作
用効果を十分に得ることができる。また、燃料の噴射終
了からそのときの燃焼サイクルにおける点火時点までの
間に、燃料の気化霧化のために最大限に長い時間を確保
できる。尚、排気弁の閉弁時期よりも進角側というの
は、燃料噴射弁からの燃料噴霧が排気通路に流出するこ
とのないように、そのときのエンジン回転速度、気筒内
流動の強さ、燃料噴霧貫徹力等に応じて設定したクラン
ク角だけ進角側とするのが好ましく、このようにすれ
ば、噴射した燃料が無駄になることがない。

【００２０】請求項５の発明では、請求項１又は請求項
３のいずれかの発明における過給圧制御手段を、動弁時
期制御手段による可変動弁機構の制御が行われて気筒の
吸気弁の閉弁時期が遅角されたとき、このことによる吸
気充填量の低下を補完するように過給圧を高めるものと
する。

【００２１】このことで、エンジンが高速高負荷側の特
定領域にあって、可変動弁機構により吸気弁の閉弁時期
が遅角側に変更されても、そのことによる気筒の吸気充
填量の低下が過給量の増大により補完され、これによ
り、エンジンの最高出力を確実に維持できるとともに、
エンジンの運転状態が前記特定領域とそれ以外の領域と
の間で遷移するときの出力の変動を抑制できる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基いて説明する。

【００２３】図２は、本発明の実施形態に係る筒内噴射
式エンジン１の全体的な構成を示す。このエンジン１
は、複数の気筒２，２，…（１つのみ図示する）が直列
に並ぶように設けられたシリンダブロック３を有し、こ
のシリンダブロック３上にシリンダヘッド４が配置され
るとともに、各気筒２内にはピストン５が上下方向に往
復動可能に嵌挿されていて、そのピストン５の冠面とシ
リンダヘッド４の下面との間の気筒２内に燃焼室６が区
画形成されている。また、前記気筒２，２，…を囲むシ
リンダブロック３の側壁部には、図示しないがウオータ
ジャケットが形成されており、さらに、該シリンダブロ
ック３の下側部分には、気筒２，２，…に連通するよう
にクランク室７が形成され、ここにクランク軸８が収容
されている。このクランク軸８の一端側にはその回転角
度を検出するための電磁式のクランク角センサ９が配設
されている。

【００２４】前記各気筒２について図３に拡大して示す
ように、燃焼室６の天井部には互いに差し掛けられた屋
根のような形状をなす２つの傾斜面が形成されており、
その２つの傾斜面にそれぞれ吸気ポート１０及び排気ポ
ート１１が２つずつ開口していて、その各開口端に吸気
及び排気弁１２，１２，１３，１３が配置されている。
前記２つの吸気ポート１０，１０はそれぞれ燃焼室６か
ら斜め上方に向かって直線的に延びていて、エンジン１
の一側面（図２の右側面）に互いに独立して開口してお
り、一方、前記２つの排気ポート１１，１１は途中で１
つに合流して略水平に延び、エンジン１の他側面（図２
の左側面）に開口している。

【００２５】前記吸気弁１２及び排気弁１３は、それぞ
れ、シリンダヘッド４に配設された２本のカム軸１４，
１４（図２に示す）がタイミングベルトを介して前記ク
ランク軸８により回転駆動されることで、各気筒２毎に
所定のタイミングで開閉作動されるようになっている。
また、吸気側のカム軸１４には、クランク軸８に対する
回転位相を所定の角度範囲において連続的に変化させる
公知の可変動弁機構１５（Valiable Valve Timing：以
下、ＶＶＴと略称する）が付設されていて、このＶＶＴ
１５の作動により前記吸気弁１２の開閉作動時期が変更
されるようになっている。

【００２６】前記ＶＶＴ１５は、その概略構造を図４に
示すように、カム軸１４の端部に固定されたロータ１５
ａと、このロータ１５ｂを覆うように配置されてスプロ
ケット１５ｂに固定されたケーシング１５ｃとからな
る。前記ロータ１５ａの外周には外方に向かって放射状
に突出する４つのベーンが設けられ、一方、ケーシング
１５ｃの内周には内方に向かって延びる４つの区画壁が
設けられている。そして、それらのベーンと区画壁との
の間に複数の油圧作動室１５ｄ，１５ｅ，…が形成さ
れ、ここに作動油として供給されるエンジンオイルの油
圧がオイルコントロールバルブ１５ｆ（以下、ＯＣＶと
いう）によって調整されることにより、前記ロータ１５
ａとケーシング１５ｃ、即ちカム軸１４とスプロケット
１５ａとが相対的に回動されて、該カム軸１４のクラン
ク軸８に対する回転位相が連続的に変更される。

【００２７】より詳しくは、前記ＶＶＴ１５の油圧作動
室は、周方向に交互に配置された進角側及び遅角側の油
圧作動室１５ｄ，１５ｅ，…からなり、その進角側の油
圧作動室１５ｄ，１５ｄ，…の油圧力が増大すると、ロ
ータ１５ａはケーシング１５ｃに対しカム軸１４の回転
する向き（図に矢印で示す）に回動され、これにより、
前記図５に破線で示すように、吸気弁１２の開弁時期IO
及び閉弁時期ICが進角側にシフトされる。また、反対
に、前記遅角側の油圧作動室１５ｅ，１５ｅ，…の油圧
力が増大すると、ロータ１５ａはケーシング１５ｃに対
しカム軸１４の回転する向きとは反対に回動され、これ
により、図５に仮想線で示すように、吸気弁１２の開弁
時期IO及び閉弁時期ICが遅角側にシフトされる。

【００２８】尚、前記図５において、例えば吸気弁１２
について開弁時期IO、閉弁時期ICというのは、それぞれ
図示の如く緩衝部を除いた弁揚程曲線の始端及び終端の
ことである。そして、この実施形態では、開弁時期IO及
び閉弁時期ICが進角側又は遅角側にそれぞれ約２０°Ｃ
Ａずつ、合計、約４０°ＣＡに亘って連続的に変更され
るようになっている。

【００２９】また、前記図２、３に示すように、各気筒
２毎の燃焼室６の上方には、４つの吸排気弁１２，１３
に取り囲まれるように、点火プラグ１６が配設されてい
る。この点火プラグ１６の先端の電極は、エンジン１が
成層燃焼状態のときに燃焼室６の略中央位置に滞留する
混合気に対して確実に点火できるよう、該燃焼室６の天
井部から所定距離だけ突出した位置にある（図１４参
照）。一方、該点火プラグ１６の基端部には点火回路１
７（図２にのみ示す）が接続されていて、各気筒２毎に
所定の点火タイミングで点火プラグ１６に通電するよう
になっている。

【００３０】一方、前記燃焼室６の底部に相当するピス
トン５の冠面には、その略中央部において吸気側の周縁
部から排気側の周縁部に亘ってレモン型の凹部５ａが形
成されており、詳しくは後述するが、気筒２の吸気行程
で生成されたタンブル流Ｔが該凹部５ａに沿ってスムー
ズに流れ、当該気筒２の圧縮行程中期まで保持されると
ともに、インジェクタ１８からの燃料噴霧を包み込むよ
うに該インジェクタ１８に向かって安定して流れるよう
になる（図１３参照）。

【００３１】また、前記燃焼室６の吸気側の周縁部に
は、２つの吸気ポート１０，１０の下方においてそれら
に挟まれるようにインジェクタ（燃料噴射弁）１８が配
設されている。このインジェクタ１８は、先端部の噴孔
から燃料を旋回流として噴出させて、インジェクタ１８
の軸心の方向に沿うようにホローコーン状に噴射する公
知のスワールインジェクタであり、気筒２の燃料噴射時
点においてピストン５冠面の凹部５ａに沿って流れるタ
ンブル流Ｔに対し、燃料噴霧を略正対させて衝突させる
ような向きに配置されている（図１３参照）。

【００３２】前記した点火プラグ１６やインジェクタ１
８の配置構成により、エンジン１が低速低負荷の運転状
態のときには、各気筒２の圧縮行程でインジェクタ１８
から噴射される燃料噴霧の挙動をタンブル流Ｔにより制
御して、点火プラグ１６の電極近傍に適切に成層化さ
せ、良好な成層燃焼状態とすることができる。つまり、
このエンジン１は、燃料噴霧を気筒内流動により成層化
させるようにしたいわゆるエアーガイド方式の直噴エン
ジンである。

【００３３】前記の如く各気筒２毎に配設されたインジ
ェクタ１８，１８，…は、全ての気筒２，２，…に共通
の燃料分配管１９に接続されていて、燃料供給系２０か
ら供給される高圧の燃料が該燃料分配管１９により各気
筒２に分配されるようになっている。この燃料供給系２
０は、図示しないが、燃料ポンプや燃圧レギュレータ等
を備え、燃料タンクからの燃料を前記燃料分配管１９に
供給するとともに、その燃料の圧力状態（燃圧）をエン
ジン１の運転状態に応じて調整するようになっている。
また、前記燃料分配管１９にはその内部の燃圧を検出す
るための燃圧センサ２１が配設されている。

【００３４】前記図２に示すように、エンジン１の一側
面には、各気筒２の吸気ポート１０，１０にそれぞれ連
通する吸気通路２３が接続されている。この吸気通路２
３は、エンジン１の燃焼室６に対し図外のエアクリーナ
で濾過した吸気を供給するものであり、その上流側から
下流側に向かって順に、エンジン１に吸入される空気の
流量を検出するホットワイヤ式エアフローセンサ２４
と、後述のタービン３７により駆動されて吸気を圧縮す
るコンプレッサ２５と、このコンプレッサ２５により圧
縮した吸気を冷却するインタークーラ２６と、バタフラ
イバルブからなり、吸気通路２３を絞る電気式スロット
ル弁２７と、サージタンク２８とがそれぞれ配設されて
いる。前記電気式スロットル弁２７は、図外のアクセル
ペダルに対し機械的には連結されておらず、図示しない
電動モータにより駆動されて、アクセプペダルの操作量
（アクセル開度）に対応する適切な開度となるように開
閉される。

【００３５】また、前記サージタンク２８よりも下流側
の吸気通路２３は、各気筒２毎に分岐する独立通路とさ
れ、これらの各独立通路の下流端部がさらに２つに分岐
してそれぞれ吸気ポート１０，１０に連通している。こ
の２つの吸気ポート１０，１０の双方の上流側には、前
記図３にも示すように燃焼室６のタンブル流Ｔやスワー
ルの強さを調節するための開閉弁３０，３０（Tumble S
wirl Controk Valve：以下、ＴＳＣＶと略称する）が配
設され、例えばステッピングモータ３１等のアクチュエ
ータによって開閉作動されるようになっている。このＴ
ＳＣＶ３０は、円形のバタフライバルブの弁軸３０ａよ
りも下側の部分を切り欠いており、全閉状態でも吸気が
前記切り欠き部分から流通して、燃焼室６に強いタンブ
ル流Ｔを生成する。一方、ＴＳＣＶ３０が開かれると、
吸気は切り欠き部分以外からも流通するようになり、タ
ンブル流Ｔの強さは徐々に低下する。

【００３６】尚、前記吸気ポート１０やＴＳＣＶ３０の
形状は上述したものに限られず、例えば、バタフライバ
ルブの弁軸よりも上側の部分を切り欠いたものでもよ
い。また、吸気ポートは、上流側で１つに合流されたい
わゆるコモンポートであってもよく、この場合には、Ｔ
ＳＣＶとして、コモンポートの断面形状に対応する形状
のバタフライバルブの一部分を切り欠いたものとすれば
よい。

【００３７】前記図２に示すように、エンジン１の他側
面には、燃焼室６から既燃ガス（排気）を排出する排気
通路３３が接続されている。この排気通路３３の上流端
は、各気筒２毎に分岐して排気ポート１１に連通する排
気マニホルド３４により構成され、該排気マニホルド３
４の集合部には排気中の酸素濃度を検出するリニアＯ2
センサ３５が配設されている。このリニアＯ2センサ３
５は排気中の酸素濃度に基づいて空燃比を検出するため
に用いられるもので、理論空燃比を含む所定の空燃比範
囲において酸素濃度に対しリニアな出力が得られるもの
である。

【００３８】また、前記排気マニホルド３４の集合部よ
りも下流側の排気通路３３には、排気流を受けて回転さ
れるタービン３７と、排気管３６とが接続されていて、
この排気管３６の上流側から下流側に向かって順に、略
理論空燃比近傍の排気中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを浄化す
る三元触媒３８と、理論空燃比よりもリーンな排気中の
ＮＯｘを浄化可能ないわゆるリーンＮＯｘ触媒３９とが
配設されている。

【００３９】前記タービン３７は、吸気通路２３のコン
プレッサ２５と共にターボ過給機４０を構成するもので
あり、排気流によりタービン３７が回転されると、この
タービン３７と一体に回転するコンプレッサ２５が吸気
を圧縮して過給する。また、このターボ過給機４０に
は、前記タービン３７をバイパスして排気管３６の上流
側から下流側へ排気を流通させるウエストゲート通路４
１と、このウエストゲート通路４１を流通する排気の流
量を調整するウエストゲート弁４２とが設けられてい
る。ウエストゲート弁４２は、図示しないが、吸気通路
２３からパイロット通路により導かれる過給圧とコイル
バネの付勢力と電磁ソレノイドの発生する駆動力とのバ
ランスによりスプールの開度が調整されて、吸気通路２
３の過給圧を予め設定した最高過給圧（インターセプト
点：図１１参照）以下に維持するとともに、その電磁ソ
レノイドの駆動力を変更することで、最高過給圧をリニ
アに変更調整可能なものである。前記ウエストゲート通
路４１及びウエストゲート弁４２により、ターボ過給機
４０による吸気の過給圧を調整する過給圧調整手段が構
成されている。

【００４０】尚、図２に示す符号４３は、三元触媒３８
の劣化状態を判定するためにその下流側に配設されたラ
ムダＯ2センサである。また、図示は省略するが、前記
排気通路３３におけるタービン３７よりも上流側の部位
には、排気の一部を吸気側に還流させるＥＧＲ通路のの
上流端が分岐接続されている。このＥＧＲ通路の下流端
は前記サージタンク２８に接続され、その近傍には開度
調節可能な電気式のＥＧＲ弁が配設されていて、ＥＧＲ
通路による排気の還流量を調節できるようになってい
る。

【００４１】（エンジンの燃焼状態の制御）前記ＶＶＴ
１５、点火回路１７、インジェクタ１８、燃料供給系２
０、電気式スロットル弁２７、ＴＳＣＶ３０等は、いず
れもエンジンコントロールユニット５０（以下、ＥＣＵ
という）によって作動制御される。一方、このＥＣＵ５
０には、少なくとも、前記クランク角センサ９、燃圧セ
ンサ２１、エアフローセンサ２４等からの各出力信号が
入力されるとともに、シリンダブロック３のウオータジ
ャケットに臨んで冷却水の温度（エンジン水温）を検出
する水温センサ４７からの出力信号が入力され、さら
に、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ４８か
らの出力信号と、エンジン１の回転速度（クランク軸８
の回転速度）を検出する回転速度センサ４９からの出力
信号とが入力されるようになっている。

【００４２】すなわち、前記ＥＣＵ５０は、各センサか
ら入力される信号に基づいて、吸排気弁１２，１３の開
閉作動時期、点火プラグ１６による点火時期、インジェ
クタ１８による燃料噴射量、噴射時期及び噴射圧力、ス
ロットル弁２７により調節される吸入空気量、ＴＳＣＶ
３０により調節されるタンブル流Ｔの強さ等をそれぞれ
エンジン１の運転状態に応じて制御する。

【００４３】具体的には、例えば図６に一例を示すよう
に、温間のエンジン１では低速低負荷側の所定領域
（イ）が成層燃焼領域とされていて、この成層燃焼領域
（イ）において図７(a)に模式的に示すように、インジ
ェクタ１８により気筒２の圧縮行程で燃料を噴射させ
て、点火プラグ１６の電極付近に混合気が層状に偏在す
る状態で燃焼させる成層燃焼状態となる。また、この領
域（イ）ではエンジン１のポンプ損失を低減するため
に、スロットル弁２７の開度を相対的に大きくするよう
にしており、このときの燃焼室６の平均的な空燃比は理
論空燃比（Ａ/Ｆ≒１４．７）よりも大幅にリーンな状
態になる。

【００４４】一方、前記成層燃料領域（イ）以外はいわ
ゆる均一燃焼領域であり、図７(b)に模式的に示すよう
に、インジェクタ１８により気筒２の吸気行程で燃料を
噴射させて、燃焼室６に均一な混合気を形成した上で燃
焼させる状態になる。この均一燃焼領域の大部分はλ＝
１領域（ロ）であり、このλ＝１領域（ロ）において
は、気筒２の混合気の空燃比が略理論空燃比になるよう
に燃料噴射量やスロットル開度等を制御する。また、低
速全負荷ないし高速高負荷のエンリッチ領域（ハ）で
は、空燃比をいわゆるパワー空燃比（Ａ/Ｆ≒１３）か
それよりもリッチな状態にして、高負荷に対応した大出
力を得られるようにしている。

【００４５】特に、前記エンリッチ領域（ハ）における
高速側（例えば４０００ｒｐｍ以上）の特定領域では、
本発明の特徴部分であるが、高速側ないし高負荷側にな
るほど、混合気の空燃比をリッチ化させて、余剰の燃料
の気化潜熱によって排気温度の上昇を抑えるようにして
いる（図９参照）。また、この特定領域では、そのよう
に多量に噴射供給する燃料を良好に燃焼させるべく、後
述の如くターボ過給機４０の最高過給圧を高めるととも
に、吸気弁１２の閉弁時期を遅角させること（いわゆる
吸気遅閉じ）により、燃焼室６の混合気の一部を吸気ポ
ート１０に吹き返させ、次回の燃焼サイクルまでに該吸
気ポート１０内で十分に気化霧化させるようにしてい
る。

【００４６】尚、前記成層燃焼領域（イ）の高負荷側
（例えば１５００ｒｐｍ以上）からλ＝１領域（ロ）及
びエンリッチ領域（ハ）にかけては、排気流量がある程
度以上、多くなってターボ過給機４０により実質的に吸
気の過給が行われる過給領域となっている。

【００４７】以下、前記ＥＣＵ５０による制御の手順を
具体的に説明すると、図８のフローチャート図に示すよ
うに、まず、スタート後のステップＳＡ１では、クラン
ク角センサ９、エアフローセンサ２４、水温センサ４
７、アクセル開度センサ４８、回転速度センサ４９等か
らの出力信号を入力する。続いて、ステップＳＡ２にお
いて、回転速度センサ５２により検出されたエンジン回
転速度neとアクセル開度センサ５１により検出されたア
クセル開度とに基づいて、エンジン１の目標負荷Peを演
算し、この演算した目標負荷Peとエンジン回転速度neと
に基づいて、前記図４に示すような制御マップからエン
ジン１の運転モードを読み出すことにより、運転モード
を演算する。

【００４８】尚、前記目標負荷Peは、アクセル開度とエ
ンジン回転速度neとに対応する最適値が予め実験的に求
められてマップとして記録されており、このマップをＥ
ＣＵ５０のメモリに電子的に格納しておいて、現在のア
クセル開度とエンジン回転速度neとに対応する値を該マ
ップから読み出すようにすればよい。

【００４９】続いて、ステップＳＡ３以降の各ステップ
において、前記ステップＳＡ２において設定した運転モ
ード別に制御パラメータを演算し、この演算結果に基づ
いてＶＶＴ１５、点火回路１７、インジェクタ１８、ス
ロットル弁２７、ＴＳＣＶ３０等の作動制御を行う。す
なわち、ステップＳＡ３においてエンジン１が成層燃焼
モードにないＮＯと判定すれば、後述のステップＳＡ７
に進む一方、成層燃焼モードにあるＹＥＳと判定すれ
ば、このときにはステップＳＡ４〜ＳＡ６に進んで、成
層燃焼モードの制御を行う。

【００５０】詳しくは、成層燃焼モードの場合、まずス
テップＳＡ４において、前記ステップＳＡ２で求めた目
標負荷Peとエンジン回転速度neとに基づいて、エンジン
１の目標空燃比A/Fを演算する。すなわち、目標空燃比A
/Fの値は、目標負荷Peとエンジン回転速度neとに対応す
る最適値が予め実験的に求められて、図９に一例を示す
ような空燃比マップとして記録されており、このマップ
がＥＣＵ５０のメモリに電子的に格納されている。そし
て、現在の目標負荷Peとエンジン回転速度neとに基づい
て、前記空燃比マップから現在の目標負荷Peとエンジン
回転速度neとに対応する値を読み出す。

【００５１】続いて、ステップＳＡ５において、エンジ
ン１が成層燃焼状態となるように、インジェクタ１８や
スロットル弁２７等を制御する。すなわち、前記ステッ
プＳＡ４で求めた目標空燃比A/Fと吸気充填効率ceとに
基づいて、目標燃料噴射量を演算し、この目標燃料噴射
量と現在の燃圧とに基づいて、インジェクタ１８の開弁
時間間隔（パルス幅）を演算する。ここで、吸気充填効
率ceは、例えばエアフローセンサ２４からの出力とエン
ジン回転速度neとに基づいて演算すればよい。

【００５２】また、目標負荷Peとエンジン回転速度neと
に基づいて、インジェクタ１８の開弁開始タイミング
（燃料噴射時期）や点火プラグ１３による点火のタイミ
ング（点火時期）、或いはＴＳＣＶ３０の目標開度（Ｔ
ＳＣＶ開度）等を演算し、さらに、前記目標空燃比A/F
とエンジン回転速度neとに基づいてスロットル弁２７の
目標開度を演算し、エンジン回転速度neに基づいて目標
燃圧を演算する。そして、ＥＣＵ５０から点火回路１
７、インジェクタ１８、燃料供給系２０、スロットル弁
２７等にそれぞれ作動指令となる信号を出力する。

【００５３】尚、前記各制御パラメータの演算には、目
標負荷Pe、目標空燃比A/F、回転速度ne等、エンジン１
の運転状態を表すパラメータに対応付けて、各制御パラ
メータの最適値を実験的に設定して記録したマップを予
め作成し、このマップをＥＣＵ５０のメモリに電子的に
格納しておいて、このマップから現在のエンジン１の運
転状態に対応する各制御パラメータの値を読み出すよう
にすればよい。例えば、目標燃圧については、燃焼室６
におけるタンブル流Ｔの強さがエンジン回転速度neに応
じて変化することを考慮して、エンジン回転速度neの上
昇に伴うタンブル流速の増大に見合うように、その回転
速度neに応じて燃圧を高め、燃料噴霧の貫徹力を増大さ
せるようにしている。また、吸気流量が少なくてもある
程度のタンブル流Ｔ強さを確保できるよう、ＴＳＣＶ３
０は全閉とされている。

【００５４】続いて、ステップＳＡ６において、目標負
荷Peとエンジン回転速度neとに基づいて、吸気弁１２の
目標動弁時期、即ち開弁時期IO及び閉弁時期ICを演算す
る。この動弁時期についても、目標負荷Peとエンジン回
転速度neとに対応する最適値が予め実験的に求められ
て、図１０に一例を示すようなＶＶＴマップとして記録
されていて、このマップがＥＣＵ５０のメモリに電子的
に格納されており、現在の目標負荷Peとエンジン回転速
度neとに対応する値をマップから読み出すようにする。
このＶＶＴマップによれば、成層燃焼領域（イ）におい
ては、基本的には開弁時期IO＝ＢＴＤＣ１°ＣＡかつ閉
弁時期IC＝ＡＢＤＣ４５°ＣＡとし、そこから、例えば
アイドリング状態ではやや遅角側に、また負荷の大きい
ときにはやや進角側にというように、きめ細かな動弁時
期の設定がなされている。そして、ＥＣＵ５０からＶＶ
Ｔ１５のＯＣＶ１５ｆへ作動指令となる信号を出力し
て、しかる後にリターンする。

【００５５】以上、要するに、成層燃焼モードでは、ま
ず、要求される出力が得られるような仮の燃料噴射量を
決定し、これに対して空燃比を決定し、この空燃比にな
るようにスロットル開度を制御して必要な吸入空気量を
得るとともに、実際の吸入空気量に応じて最終的に燃料
噴射量を制御するようにしている。これにより、排気状
態の悪化を招くことなく、優れたドライバビリティと燃
費性能を得ることができる。

【００５６】これに対し、前記ステップＳＡ３において
成層燃焼モードでないＮＯと判定して進んだステップＳ
Ａ７では、今度はエンリッチモードかどうか判定し、こ
の判定がＹＥＳであれば、後述のステップＳＡ１１に進
む一方、判定がＮＯならばλ＝１モードであるから、ス
テップＳＡ８に進み、エンジン１の目標空燃比A/Fを理
論空燃比とする。続いて、ステップＳＡ９において前記
ステップＳＡ５と同様に目標燃料噴射量とインジェクタ
１８のパルス幅とを演算し、また、エンジン回転速度ne
に基づいて目標燃圧を演算するとともに、吸気充填効率
ceとエンジン回転速度neとに基づいて燃料噴射時期及び
点火時期を演算し、さらに、アクセル開度に基づいてス
ロットル弁２７の目標開度を演算する。そして、ＥＣＵ
５０から点火回路１７、インジェクタ１８、燃料供給系
２０、スロットル弁２７等にそれぞれ作動指令となる信
号を出力する。

【００５７】続いて、ステップＳＡ１０において、前記
ステップＳＡ６と同様に、目標負荷Peとエンジン回転速
度neとに基づいて、ＶＶＴマップから目標動弁時期を読
み込んで、作動指令となる信号をＶＶＴ１５のＯＣＶ１
５ｆに出力し、その後、リターンする。前記のＶＶＴマ
ップによれば、λ＝１領域（ロ）においても、前記成層
燃焼領域（イ）と同様に、IO＝ＢＴＤＣ１°ＣＡ、IC＝
ＡＢＤＣ４５°ＣＡを基本として、そこから、例えば低
速側では動弁時期が進角するように設定されている。

【００５８】以上、要するに、λ＝１モードでは、混合
気を略理論空燃比とすることを前提とし、要求される出
力、即ち混合気の量が得られるようにスロットル開度を
制御するとともに、実際の吸入空気量に応じて燃料噴射
量を制御するようにしており、これにより、十分な出力
と優れたドライバビリティを得ながら、三元触媒３８に
より排気を略完全に浄化することができる。

【００５９】そして、本願発明の特徴は、以下に述べる
ようなエンリッチモードでの制御にある。すなわち、前
記ステップＳＡ７においてエンリッチモードであるＹＥ
Ｓと判定してステップＳＡ１１に進んだ場合、まず、こ
のステップＳＡ１１において、前記ステップＳＡ４と同
様に、目標負荷Peとエンジン回転速度neとに基づいて、
空燃比マップからエンジン１の目標空燃比A/Fを読み込
む。ここで、該空燃比マップによれば、エンリッチ領域
（ハ）の低速側（図例では４０００ｒｐｍ以下）では、
目標空燃比A/Fは、均一燃焼の場合に最も高い出力の得
られるいわゆるパワー空燃比（Ａ／Ｆ≒１３）とされて
いる。

【００６０】一方、エンリッチ領域（ハ）の高速側の特
定領域（図例では４０００ｒｐｍよりも高い領域）にお
いては、目標空燃比A/Fは、Ａ／Ｆ≒１０〜１３の範囲
で高速側ないし高負荷側ほどリッチな値になるように設
定されている。このことで、エンジン１が前記特定領域
にあるときには、各気筒２内の混合気の空燃比Ａ／Ｆは
Ａ／Ｆ≦１３とされて、高負荷に対応する十分な高出力
が得られるとともに、その中でも高速側ないし高負荷側
になるほど空燃比が徐々にリッチ側に変更されて、吸入
空気量に対する燃料噴射量の割合が多くなり、そのよう
に多量に噴射供給される燃料の気化潜熱によって、排気
温度の上昇が抑制されることになる。

【００６１】続いて、ステップＳＡ１２において、前記
目標空燃比A/Fと吸気充填効率ceとに基づいて目標燃料
噴射量を演算し、この目標燃料噴射量と現在の燃圧とに
基づいてインジェクタ１８のパルス幅を演算する。ま
た、エンジン回転速度neに基づいて目標燃圧を演算する
とともに、吸気充填効率ceとエンジン回転速度neとに基
づいて燃料噴射時期及び点火時期を演算し、さらに、ア
クセル開度に基づいてスロットル弁２７の目標開度を演
算する。そして、ＥＣＵ５０から点火回路１７、インジ
ェクタ１８、燃料供給系２０、スロットル弁２７等にそ
れぞれ作動指令となる信号を出力する。ここで、インジ
ェクタ１８による燃料噴射時期、即ちインジェクタ１８
の噴射作動の開始時期は、気筒２の吸気行程でインジェ
クタ１８により噴射した燃料がピストン５冠面に付着す
ることを防止するために、その吸気行程における所定の
クランク角（例えば、ＡＴＤＣ４０°ＣＡ）以降とされ
ている。

【００６２】続いて、ステップＳＡ１３において、前記
ステップＳＡ６，ＳＡ１０と同様に、目標負荷Peとエン
ジン回転速度neとに基づいて、図１０のＶＶＴマップか
ら目標動弁時期を読み込んで、作動指令となる信号をＶ
ＶＴ１５のＯＣＶ１５ｆに出力する。このＶＶＴマップ
によれば、エンリッチ領域（ハ）の低速側では吸気弁１
２の動弁時期はλ＝１領域（ロ）よりもやや遅角側に設
定されている一方、エンリッチ領域（ハ）の高速側（特
定領域）においては、吸気弁１２の閉弁時期ICが、気筒
２の圧縮行程初期に燃焼室６の混合気が吸気ポート１０
に吹き返されるような所定のクランク角（例えばＡＢＤ
Ｃ５０°ＣＡ）以降となるように遅角側に設定されてい
る。詳しくは、前記特定領域における目標動弁時期は、
前記所定のクランク角よりも遅角側のＡＢＤＣ５０°〜
６５°ＣＡの範囲で、目標負荷Peとエンジン回転速度ne
とに応じて、エンジン１の高速側ないし高負荷側ほど徐
々に遅角側の値となるように設定されている。

【００６３】続いて、ステップＳＡ１４において、ター
ボ過給機４０の最高過給圧の設定値を高くなるように変
更する。すなわち、図１１に一例を示すように、ＥＣＵ
５０には、吸気弁１２の目標動弁時期に対応して最進角
側から最遅角側までに亘って、遅角側ほど最高過給圧が
徐々に高くなるようにウエストゲート弁４２の開度を設
定した過給圧テーブルが電子的に格納されている。言い
換えると、該過給圧テーブルでは、吸気弁１２の閉弁時
期が遅角側にずれて、混合気が吸気ポート１０へ吹き返
す割合が大きくなっても、そのことによる気筒２への充
填量の低下を相殺するように過給圧を高めるべく、その
ような最高過給圧の得られるウエストゲート弁４２の開
度が実験的に求められて設定されている。

【００６４】そして、前記ステップＳＡ１３で求めた目
標動弁時期に基づいて、前記過給圧テーブルから目標と
なる最高過給圧を読み込み、この最高過給圧に対応する
開度となるようにウエストゲート弁４２の電磁ソレノイ
ドに制御信号を出力して、しかる後にリターンする。

【００６５】このことで、前記特定領域では、その低速
側に隣接するλ＝１領域（隣接領域）に比べて、ターボ
過給機４０による吸気の最高過給圧が高くなる。また、
エンジン１の運転状態が前記特定領域とそれ以外の領域
との間で遷移するときには、ＴＳＣＶ３０やターボ過給
機４０のウエストゲート弁４２の制御がなされるが、そ
の際に気筒２の吸気充填量が急変することがないので、
エンジン出力の変動は十分に抑制される。

【００６６】以上、要するに、エンジン１がエンリッチ
領域（ハ）にあるときには、空燃比をいわゆるパワー空
燃比として高出力を得ながら、基本的には前記λ＝１モ
ードと同様の燃焼制御が行われるのであるが、特に高速
高負荷側の特定領域においては空燃比をさらにリッチ化
して、排気温度の上昇を抑制するとともに、このために
噴射される極めて多くの燃料を十分に気化霧化させて良
好に燃焼させるよう、吸気弁１２の遅閉じによって混合
気の一部を吸気ポート１０に吹き返し、そこで十分に気
化霧化させるようにしている。

【００６７】尚、前記フローのステップＳＡ１４では、
図１１に示すようにターボ過給機４０の最高過給圧を吸
気弁１２の目標動弁時期に対応付けて設定するようにし
ているが、これに限らず、同図のような特性が得られる
ように、最高過給圧を例えば目標負荷Peやエンジン回転
速度ne等に対応するマップとして設定記録しておき、こ
のマップに基づいてウエストゲート弁４２の開度を制御
するようにしてもよい。また、必ずしも吸気弁１２の動
弁時期変化に応じて、吸気充填量を維持するように最高
過給圧を変更する必要はなく、単に特定領域において最
高過給圧を高めるようにするだけでもよい。

【００６８】前記図８に示すフローチャート図におい
て、ステップＳＡ１１，ＳＡ１２により、エンジン１が
高速高負荷側のエンリッチ領域（ハ）に設定された特定
領域にあるときに、インジェクタ１８により燃料を気筒
２の吸気行程から圧縮行程初期に亘って噴射させるとと
もに、該インジェクタ１８による燃料噴射量を、混合気
の空燃比Ａ／ＦがＡ／Ｆ≦１３になるよう吸入空気量に
応じて制御する燃料噴射制御手段５０ａが構成されてい
る。

【００６９】また、ステップＳＡ１３により、前記特定
領域において、気筒２の圧縮行程初期に燃焼室６の混合
気が吸気ポート１０に吹き返されるよう、ＶＶＴ１５の
作動により吸気弁１２の閉弁時期を所定のクランク角以
降に遅角させる動弁時期制御手段５０ｂが構成されてい
る。

【００７０】さらに、ステップＳＡ１４により、前記特
定領域において、ＶＶＴ１５の作動により吸気弁１２の
閉弁時期が遅角されたときに、このことによる吸気充填
量の低下を補完するように過給圧を高める過給圧制御手
段５０ｃが構成されている。

【００７１】（エンジン１の運転動作）以下、この実施
形態に係るエンジン１の運転動作について詳細に説明す
る。

【００７２】まず、エンジン１が成層燃焼領域（イ）に
あるとき、図１２に示すように、気筒２の吸気行程にお
いて吸気ポート１０，１０から燃焼室６に流入する吸気
により、タンブル流Ｔが生成される。このタンブル流Ｔ
は、図１３に示すように、当該気筒２の圧縮行程中期以
降まで保存され、ピストン５冠面の凹部５ａに沿ってイ
ンジェクタ１８に向かって流れるようになる。この際、
圧縮行程におけるピストン５の上昇に伴いタンブル流Ｔ
は徐々に潰されてコンパクトになり、その流速も低下す
ることになるが、ペントルーフ型燃焼室６の天井部とピ
ストン５冠面の凹部５ａとの間に適切な形状の空間が残
されているため、タンブル流Ｔは当該気筒２の圧縮行程
中期以降まで崩壊することがない。

【００７３】そして、同図に示すように、インジェクタ
１８により燃料が噴射されると、この燃料噴霧の大部分
は、ピストン５冠面の凹部５ａに沿って流れるタンブル
流Ｔの流れの強いところに略正対するように衝突する。
これにより、燃料液滴の気化霧化や周囲の空気との混合
が促進されるとともに、その燃料噴霧がタンブル流Ｔを
押し退けるように進みながら、徐々に減速されて、図１
４に示す当該気筒２の点火時期において同図に斜線を入
れて示すように可燃混合気となって、点火プラグ１６の
電極付近に滞留するようになる。この状態で該点火プラ
グ１６に通電されることよって、可燃混合気層に点火さ
れる。

【００７４】つまり、低速低負荷側の成層燃焼領域
（イ）では、インジェクタ１８による燃料噴霧の貫徹力
を対向するタンブル流Ｔの流速に対応するように調節
し、かつ気筒２の点火時期から逆算した所定のタイミン
グで燃料を噴射させることにより、燃料噴霧貫徹力とタ
ンブル流速とをバランスさせて、点火プラグ１６の電極
周りに混合気を適切にかつ安定的に成層化させることが
でき、もって、良好な成層燃焼を実現できる。

【００７５】一方、エンジン１がλ＝１領域（ロ）又は
エンリッチ領域（ハ）にあるときには、図１５に示すよ
うに、気筒２の吸気行程においてピストン３の下降移動
により、燃焼室６に空気が吸入されて、タンブル流Ｔが
生成されるとともに、インジェクタ１８により燃料が噴
射され、その噴射噴霧が圧縮行程に比べて低圧の燃焼室
６内において相対的に大きく拡がるとともに、ピストン
５の下降移動に伴う燃焼室６の容積の増大によって拡散
する。そして、燃焼室６のタンブル流Ｔによって燃料噴
霧と吸気との混合が促進され、かつ燃料の気化霧化が十
分に促進されて、燃焼室６全体に略均一な可燃混合気が
形成されて、その後の点火時期において点火プラグ１６
の電極に通電されると、その近傍にて生成された火炎核
が急速に成長して、良好な均一燃焼状態となる。

【００７６】ここで、特に前記エンリッチ領域（ハ）に
おける高速側の特定領域においては、まず、各気筒２の
混合気の空燃比Ａ／ＦがＡ／Ｆ≦１３になるように、イ
ンジェクタ１８による燃料の噴射供給量が増大される一
方、エンジン回転速度neが高いことから、図１６に示す
ように、該インジェクタ１８の開弁期間（クランク角期
間）が長くなる。また、このときには燃料噴射時期、即
ちインジェクタ１８の噴射作動の開始時期が例えばＡＴ
ＤＣ４０°ＣＡ以降とされており、このことで、インジ
ェクタ１８からの燃料噴霧が下降するピストン５の冠面
に殆ど付着しないようになる。

【００７７】一方、そのようにインジェクタ１８による
燃料噴射作動の開始時期が比較的遅角側に設定され、か
つその開弁期間が長くなる結果、前記図１６に示すよう
に、燃料は気筒２の吸気行程から圧縮行程初期に亘って
噴射されることになり、特に圧縮行程で噴射された燃料
の気化霧化が難しいものとなる。しかし、この特定領域
においてはエンジン１の負荷状態及び回転速度neに基づ
いてＶＶＴ１５により、図１６に示すように吸気弁１２
の動弁時期が遅角側に変更され（吸気の遅閉じ）、該吸
気弁１２の閉弁時期ICがＡＢＤＣ５０°ＣＡ以降とされ
る。こうなると、図１７にクロスハッチを入れて示すよ
うに、気筒２の圧縮行程で燃焼室６の混合気及び燃料噴
霧の一部が吸気ポート１０に吹き返されることになり、
この混合気及び燃料噴霧は、吸気弁１２が閉じてから当
該気筒２の圧縮行程、膨張行程及び排気行程が経過する
までの間に吸気ポート１０内で十分に気化霧化される。

【００７８】そして、そのようにして十分に気化霧化さ
れた燃焼性の高い混合気は次回の燃焼サイクルの吸気行
程において吸気ポート１０から再び燃焼室６に吸入され
て、インジェクタ１８から新たに噴射される燃料噴霧
（図１３参照）と共に燃焼室６内に拡がって均一な混合
気を形成し、その後、点火プラグ１６により点火されて
良好に燃焼される。つまり、エンジン１が高速かつ高負
荷の特定領域にあって、インジェクタ１８により多量の
燃料が噴射供給されていても、それらを十分に気化霧化
させて良好に燃焼させることができ、もって排気中のＰ
Ｍを十分に低減できる。

【００７９】特に、前記のようにインジェクタ１８の燃
料噴射作動が気筒２の圧縮行程で終了するようになる
と、相対的に気筒内流動の弱い圧縮行程では燃料と吸気
との混合が悪くなり、気化霧化も促進され難い上に、イ
ンジェクタ１８から最後に噴射された燃料の液滴は比較
的、粒の粗いものとなるので、このような燃料液滴を一
旦、吸気ポート１０に吹き返して次回の燃焼サイクルま
での間に十分に気化霧化できることは、排気中のＰＭを
低減する上で極めて有効である。

【００８０】また、前記のように燃焼室６の混合気等が
吸気ポート１０に吹き返されると、そのことによって気
筒２の充填量が低下することになるが、一方で、この実
施形態ではウエストゲート弁４２の開度の制御によっ
て、ちょうど混合気の吹き返しに起因する充填量の低下
を補完するように、ターボ過給機４０の最高過給圧が高
められているので、エンジン１の最高出力は確保でき
る。

【００８１】図１８は、この実施形態のような過給機付
直噴エンジンを用いて、高速高負荷側の特定領域におい
て従来までのように単に混合気の空燃比をリッチ化させ
たものと（従来例）、上述したように、吸気弁１２を遅
閉じとしかつ最高過給圧を高めたものと（実施例）を対
比して、それぞれ、体積効率の変化と排気中のＰＭ排出
量の変化との相関関係を実験により求めた結果を示すも
のである。尚、エンジン回転速度は約６０００ｒｐｍと
し、実施例のものでは従来例と比較して吸気弁の閉弁時
期を約２０°ＣＡ遅角させている。

【００８２】同図によれば、従来例のものでは、実質的
に過給の行われない状態では（体積効率９０％くらいま
で）、ＰＭの排出量も少ないが、過給により体積効率が
高められると、その体積効率の上昇に略比例してＰＭの
排出量が増大するようになる。つまり、従来例のもので
は、エンジンの最高出力を確保しようとすれば、ＰＭの
排出を十分に抑制することはできない。

【００８３】これに対し、本願発明の実施例では、上述
したように、吸気弁１２の遅閉じによって混合気の一部
を吸気ポート１０に吹き返し、そこで十分に気化霧化さ
せるようにしているので、過給により体積効率を十分に
向上させながら、即ち十分に高い最高出力を確保しなが
ら、図示の如くＰＭの排出量を圧倒的に少なくすること
ができるものである。

【００８４】したがって、この実施形態に係る過給機付
火花点火式直噴エンジン１によると、エンジン１が高速
高負荷側の特定領域にあるときに、気筒２の混合気の空
燃比を高速側ないし高負荷側ほどリッチにさせて、燃料
の気化潜熱により排気温度の上昇を抑制し、もって排気
系の信頼性を確保することができる。

【００８５】その際、いわゆる吸気弁１２の遅閉じによ
り、気筒２の圧縮行程初期に燃焼室６の混合気等を吸気
ポート１０に吹き返させ、次回の燃焼サイクルまでの間
に十分に気化霧化させるようにしているので、燃焼状態
の改善により排気中のＰＭを低減できる。しかも、その
ような混合気等の吹き返しに起因する気筒２の充填量の
低下を過給圧の増大によって補完し、エンジン１の最高
出力も確保している。

【００８６】さらに、この実施形態では、前記特定領域
においてインジェクタ１８による燃料の噴射作動を所定
のクランク角以降で開始させるようにしており、このこ
とで、ピストン５冠面への燃料付着に起因する排気中の
ＨＣの増大やスモークの発生をも抑制できる。加えて、
この実施形態のエンジン１では、元々、全運転領域にお
ける燃焼性の改善のためにＶＶＴ１５を設けており、こ
のＶＶＴ１５を用いて前記のような作用が得られるもの
であるから、新たなハードウエアを追加する必要もな
く、コストの増大や構成の複雑化を回避できる。

【００８７】（他の実施形態）本願発明の構成は、前記
実施形態のものに限定されることはなく、その他の種々
の構成を包含するものである。すなわち、前記実施形態
では、吸気弁１２の少なくとも閉弁時期を可変とする可
変動弁機構として、吸気側のカム軸１４に配設した連続
位相可変式のＶＶＴ１５を用いているが、これに限ら
ず、例えば、ロッカーアーム切換式の可変動弁機構を用
いて、吸気弁１２の閉弁時期を変更するようにしてもよ
い。

【００８８】また、前記実施形態では、エンジン１が特
定領域にあるときにインジェクタ１８による燃料噴射を
気筒２の吸気行程における所定クランク角（例えばＡＴ
ＤＣ４０°ＣＡ）以降に開始させるようにしているが、
これに限らず、例えば、インジェクタ１８による燃料噴
射を気筒２の吸気上死点近傍で開始させるようにしても
よい。

【００８９】そして、その場合には、前記インジェクタ
１８による燃料噴射の終了時期が気筒２の圧縮行程にま
で遅角したときに、そのインジェクタ１８の噴射作動の
終了時期よりも遅角側になるように吸気弁１２の閉弁時
期ICを設定し、かつ、ターボ過給機４０の最高過給圧を
変更するようにすればよい。

【００９０】そのようにすれば、エンジン１が特定領域
にあっても相対的に低速ないし低負荷の状態であって、
仮にインジェクタ１８の燃料噴射終了時期が圧縮行程に
まで遅角しない場合には、吸気弁１２の遅閉じは行われ
ず、噴射燃料が次回の燃焼サイクルに持ち越されること
がなくなるから、燃料噴射量の制御性が向上し、エンジ
ン１の運転状態が急変したときにも優れた追従性が得ら
れる。また、インジェクタ１８の燃料噴射終了時期が圧
縮行程にまで遅角した場合ても、吸気弁１２の閉弁時期
ICの遅角量は必要最小限のものとなり、吸気ポート１０
に吹き返される混合気の量も必要最小限のものとなる。
このことで、次回の燃焼サイクルに持ち越される混合気
の割合が少なくなって、その分、燃料制御性の向上が図
られる。

【００９１】さらに、そうした場合には、インジェクタ
１８の噴射開始時期を排気弁１３の閉弁時期EXCよりも
進角側で開始させるようにしてもよく、そうすれば、燃
料の噴射を可及的に早期に終了することができるので、
そのときの燃焼サイクルにおける点火時点までの間に燃
料の気化霧化のために最大限に長い時間を確保できる。
尚、排気弁１３の閉弁時期EXCよりも進角側というの
は、インジェクタ１８からの燃料噴霧が排気ポート１１
に流出することのないように、そのときのエンジン回転
速度ne、気筒内流動の強さ、燃料噴霧貫徹力等に応じて
設定したクランク角だけ進角側とするのが好ましい。

【００９２】さらにまた、前記実施形態では、ターボ過
給機４０の最高過給圧を調整するウエストゲート通路４
１及びウエストゲート弁４２により、過給圧調整手段を
構成しているが、これに限るものではなく、例えば、タ
ービンへの排気を絞ってその流速を変更することによ
り、過給効率を可変とした可変ターボ過給機を用いるよ
うにしてもよい。

【００９３】また、過給機としてターボ過給機に限ら
ず、例えば、エンジン１のクランク軸８や電動モータに
より駆動する機械式過給機を用いるようにしてもよく、
この場合には、過給圧を逃がすリリーフ弁や過給機の駆
動力を調整する調整機構によって、過給圧調整手段を構
成すればよい。

【００９４】また、前記実施形態では、本願発明をいわ
ゆるエアーガイド方式の直噴エンジンに適用している
が、これに限らず、インジェクタにより燃焼室内に直接
噴射した燃料をピストン冠面の凹部内壁により案内して
点火プラグの電極周りに成層化させるようにした、いわ
ゆるウオールガイド方式の直噴エンジンにも同様に適用
することができる。

【００９５】

【発明の効果】以上、説明したように、請求項１の発明
に係る過給機付火花点火式直噴エンジンによると、少な
くとも高速高負荷側の過給領域において燃料噴射弁によ
り燃料を気筒の吸気行程で噴射させて、均一燃焼状態と
する場合に、その高速高負荷側の特定領域において、空
燃比制御手段により気筒内の空燃比をリッチ化させて、
燃焼室に噴射供給する多量の燃料の気化潜熱により排気
温度の過度の上昇を抑制するとともに、動弁時期制御手
段により可変動弁機構を作動させ、いわゆる吸気弁の遅
閉じにより燃焼室から吸気通路に混合気の一部を吹き返
させて、次の燃焼サイクルまでの間に十分に気化霧化さ
せるようにしたので、前記の如く多量の燃料を噴射供給
していても、それらを十分に気化霧化させて、良好に均
一燃焼させることができ、もって、排気中のＰＭを十分
に低減できる。しかも、過給圧制御手段により過給圧調
整手段を制御して過給圧を高めるようにしているので、
混合気の吹き返しに起因する充填効率の低下を抑制し
て、エンジンの最高出力を十分に確保することができ
る。

【００９６】請求項２の発明によると、エンジンが特定
領域にあるときに、燃料噴射弁による燃料の噴射作動を
気筒の吸気行程における所定のクランク角以降で開始さ
せることで、噴射燃料のピストン冠面への付着を防止で
きる。

【００９７】また、請求項３の発明に係る過給機付火花
点火式直噴エンジンによると、前記請求項１の発明と同
様に、エンジンが高速高負荷の特定領域にあるときに
も、排気温度の上昇を抑えながら十分な出力を確保し、
尚かつ排気中のＰＭを低減できるとともに、吸気弁の遅
閉じによって次回の燃焼サイクルに持ち越される混合気
の割合をできるだけ少なくして、燃料噴射の制御性を向
上できる。これにより、エンジンの運転状態が急変した
ときにも優れた追従性が得られる。

【００９８】請求項４の発明によると、エンジンが特定
領域にあるときに、燃料噴射弁による燃料の噴射作動を
排気弁の閉弁時期よりも進角側で開始させることで、そ
の燃料噴射を可及的に早期に終了するようにして、前記
請求項３の発明の効果を十分に得ることができる。

【００９９】請求項５の発明によると、請求項１又は請
求項３の発明において、可変動弁機構によりいわゆる吸
気弁の遅閉じを行うときに、このことによる気筒の充填
量の低下を補完するように過給圧を高めることで、エン
ジンの最高出力を維持できるとともに、エンジン出力の
変動をも抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の過給機付火花点火式直噴エンジンの概
略構成を示す模式図である。

【図２】実施形態に係るエンジンの全体構成図である。

【図３】ピストン冠面、吸気ポート、点火プラグ及びイ
ンジェクタの配置構成を示す斜視図である。

【図４】ＶＶＴ（可変動弁機構）の概略構成を示す部分
切り欠き斜視図である。

【図５】ＶＶＴによる動弁時期の変更を模式的に示すタ
イムチャート図である。

【図６】エンジンの運転モードを設定した制御マップの
一例を示す図である。

【図７】インジェクタによる燃料噴射時期を模式的に示
すタイムチャート図である。

【図８】エンジンの基本的な制御手順を示すフローチャ
ート図である。

【図９】目標負荷及びエンジン回転速度に対応する適切
な目標空燃比の値を設定して記録した空燃比マップの一
例を示す図である。

【図１０】目標負荷及びエンジン回転速度に対応する適
切な動弁時期を設定して記録したＶＶＴマップの一例を
示す図である。

【図１１】目標動弁時期に対応する適切な最高過給圧を
設定したテーブルの一例を示す図である。

【図１２】成層燃焼状態のときに気筒の吸気行程で燃焼
室に生成されるタンブル流の様子を示す図である。

【図１３】成層燃焼状態のときにタンブル流に衝突する
ように噴射される燃料噴霧の様子を示す図である。

【図１４】成層燃焼状態のときに気筒の点火時期におい
て点火プラグの電極付近に滞留する混合気の様子を示す
説明図である。

【図１５】均一燃焼状態のときに気筒の吸気行程で燃焼
室に生成されるタンブル流やインジェクタからの燃料噴
霧の様子を示す図である。

【図１６】特定領域における吸気弁の開弁及び閉弁時期
とインジェクタの噴射作動のタイミングとを対比して示
す図である。

【図１７】特定領域において気筒の圧縮行程初期に混合
気が燃焼室から吸気ポートに吹き返される様子を示す説
明図である。

【図１８】気筒への吸気充填量と排気中のＰＭ排出量と
の相関関係を従来例と対比して示す実験結果のグラフ図
である。

【符号の説明】

１ 過給機付火花点火式直噴エンジン ２ 気筒 ６ 燃焼室 １０ 吸気ポート（吸気通路） １２ 吸気弁 １５ ＶＶＴ（可変動弁機構） １６ 点火プラグ １８ インジェクタ（燃料噴射弁） ４０ ターボ過給機（過給機） ４１ ウエストゲート通路（過給圧調整手段） ４２ ウエストゲート弁（過給圧調整手段） ５０ ＥＣＵ ５０ａ 燃料噴射制御手段 ５０ｂ 動弁時期制御手段 ５０ｃ 過給圧制御手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０２Ｄ 13/02 Ｆ０２Ｄ 13/02 Ｊ 23/02 23/02 Ｈ 41/02 ３０１ 41/02 ３０１Ａ ３０１Ｄ ３０１Ｆ 41/04 ３０５ 41/04 ３０５Ｄ ３２０ ３２０ ３３５ ３３５Ｄ 43/00 ３０１ 43/00 ３０１Ｅ ３０１Ｆ ３０１Ｒ ３０１Ｚ (72)発明者 梅園 和明 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） 3G018 AB17 BA33 CA20 DA82 EA04 EA14 EA26 EA31 EA32 FA01 FA07 GA06 GA09 3G084 AA00 AA04 BA08 BA09 BA15 CA04 CA09 DA01 DA10 FA08 FA10 FA20 FA29 FA38 3G092 AA01 AA06 AA09 AA10 AA11 AA18 AB02 BA07 BB06 DA01 DA08 DB03 DE03S EA01 EA03 EA04 EA05 EC09 FA01 FA18 GA06 GA18 HA01Z HD05Z HE03Z HE08Z HF08Z 3G301 HA01 HA04 HA11 HA16 HA17 HA19 JA01 JA24 KA09 KA25 LA00 LA03 LA07 LB04 LC04 MA01 MA19 NC02 NE01 NE11 NE12 NE13 PA04Z PD04Z PE03Z PE08Z PF03Z

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 気筒への吸気を過給する過給機と、該気
   筒内の燃焼室に燃料を直接、噴射供給する燃料噴射弁と
   を備え、少なくとも高速高負荷側の過給領域において前
   記燃料噴射弁により燃料を気筒の吸気行程で噴射させて
   均一燃焼状態とするようにした火花点火式４サイクル直
   噴エンジンにおいて、 前記気筒の吸気弁の少なくとも閉弁時期を可変とする可
   変動弁機構と、 前記過給機による吸気の過給圧を調整する過給圧調整手
   段と、 前記過給領域内の高速高負荷側に設定した特定領域にお
   いて、前記燃料噴射弁により燃料を気筒の吸気行程から
   圧縮行程初期に亘って噴射させるとともに、該燃料噴射
   弁による燃料噴射量を混合気の空燃比Ａ／ＦがＡ／Ｆ≦
   １３になるように制御する燃料噴射制御手段と、 前記特定領域において、気筒の圧縮行程初期に燃焼室の
   混合気が吸気通路に吹き返されるよう、前記可変動弁機
   構の作動により吸気弁の閉弁時期を所定のクランク角以
   降に遅角させる動弁時期制御手段と、 前記特定領域において、該特定領域の低速側に隣接する
   隣接領域に比べて、過給圧力を一定に抑える目標過給圧
   が相対的に高くなるように前記過給圧調整手段を制御す
   る過給圧制御手段とを備えることを特徴とする過給機付
   火花点火式直噴エンジン。
2. 【請求項２】 請求項１において、 燃料噴射制御手段は、特定領域において、燃料噴射弁に
   よる燃料の噴射作動を気筒の吸気行程における所定のク
   ランク角以降で開始させるように構成されていることを
   特徴とする過給機付火花点火式直噴エンジン。
3. 【請求項３】 気筒への吸気を過給する過給機と、該気
   筒内の燃焼室に燃料を直接、噴射供給する燃料噴射弁と
   を備え、少なくとも高速高負荷側の過給領域において前
   記燃料噴射弁により燃料を気筒の吸気行程で噴射させて
   均一燃焼状態とするようにした火花点火式４サイクル直
   噴エンジンにおいて、 前記気筒の吸気弁の少なくとも閉弁時期を可変とする可
   変動弁機構と、 前記過給機による吸気の過給圧を調整する過給圧調整手
   段と、 前記過給領域内の高速高負荷側に設定した特定領域にお
   いて、前記燃料噴射弁による燃料の噴射作動を気筒の吸
   気上死点付近で開始させるとともに、該燃料噴射弁によ
   る燃料噴射量を混合気の空燃比Ａ／ＦがＡ／Ｆ≦１３に
   なるように制御する燃料噴射制御手段と、 前記燃料噴射制御手段により制御される燃料噴射弁の噴
   射作動が気筒の圧縮行程で終了するときに、当該気筒の
   吸気弁の閉弁時期が燃料噴射作動の終了時期よりも遅角
   側になるように前記可変動弁機構を制御する動弁時期制
   御手段と、 前記特定領域において、該特定領域の低速側に隣接する
   隣接領域に比べて、過給圧力を一定に抑える目標過給圧
   が相対的に高くなるように前記過給圧調整手段を制御す
   る過給圧制御手段とを備えることを特徴とする過給機付
   火花点火式直噴エンジン。
4. 【請求項４】 請求項３において、 燃料噴射制御手段は、特定領域において、燃料噴射弁に
   よる燃料の噴射作動を排気弁の閉弁時期よりも進角側で
   開始させるように構成されていることを特徴とする過給
   機付火花点火式直噴エンジン。
5. 【請求項５】 請求項１又は請求項３のいずれかにおい
   て、 過給圧制御手段は、動弁時期制御手段による可変動弁機
   構の制御が行われて、気筒の吸気弁の閉弁時期が遅角さ
   れたとき、このことによる吸気充填量の低下を補完する
   ように過給圧を高めるように構成されていることを特徴
   とする過給機付火花点火式直噴エンジン。