JP2007040147A - 予混合圧縮着火内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】吸気ポートに燃料噴射弁を備えた圧縮着火内燃機関において予混合燃焼を行う際、予混合燃焼用の噴射燃料の燃え残りの発生を可及的に抑制する。
【解決手段】圧縮行程上死点近傍の時期より早い時期の燃料噴射によって予混合気を形成することで予混合燃焼を行う予混合圧縮着火内燃機関１であって、予混合燃焼用の燃料を噴射する燃料噴射弁７と、燃料噴射弁７が設けられ且つ予混合圧縮着火内燃機関１の気筒２に繋がり該気筒２に燃料と新気を供給する第一吸気通路３ａと、気筒２に繋がり該気筒２に新気のみを供給する第二吸気通路３ｂと、を備え、第一吸気通路３ａの吸気供給方向は、気筒２の中心部方向に設定され、第二吸気通路３ｂの吸気供給方向は、気筒２の壁面に接する方向に設定される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、いわゆる予混合燃焼を行う圧縮着火内燃機関に関する。

圧縮着火内燃機関において、ＮＯｘの抑制とスモークの抑制を目的として予混合燃焼を行う場合がある。ここで、気筒内に予混合気を形成するために、吸気ポートに設けられた燃料噴射弁から燃料噴射を行い、その噴射燃料が新気と混じり気筒内に導かれることで、予混合燃焼を行う技術が公開されている（例えば、特許文献１を参照。）。

また、圧縮着火内燃機関ではなく火花点火式内燃機関ではあるが、気筒の中央寄りに吸気を流入させる第一吸気ポートと気筒壁面に沿って旋回流を生じさせる第二吸気ポートを備える火花点火式内燃機関に関する技術が公開されている（例えば、特許文献２を参照）。この技術によると、第一吸気ポートを流れる吸気に燃料を供給することで、点火栓の近傍に濃混合気が形成され、その周囲に希薄混合気が形成される。
特開２００４−１９７５９３号公報 特開２００２−９７９６２号公報 特開平７−８３１５４号公報 特開平８−１４０５３号公報

吸気ポートに燃料噴射弁を備えた圧縮着火内燃機関において、いわゆる予混合燃焼を行う場合、噴射燃料と新気とが十分に混合し均一な混合気を形成するために、吸気行程で吸気ポート内の混合気を気筒内に吸入する。その結果、気筒内で予混合燃焼が行われ、その際のＮＯｘ抑制やスモークの抑制が図られる。

しかし、圧縮着火が行われる場合、気筒内の温度は必ずしも同程度の温度分布とはならず、高温の部位と低温の部位とが存在する。例えば、気筒の内壁面近傍は気筒外部への放熱の影響により、気筒の中心部よりも温度が低くなる傾向がある。そのため、気筒内に混合気が均一に拡散すると、低温部である気筒の内壁面近傍に存在する混合気の燃焼が十分に行われず、燃料の燃え残りが増大する虞がある。

本発明では、上記した問題に鑑み、吸気ポートに燃料噴射弁を備えた圧縮着火内燃機関において予混合燃焼を行う際、予混合燃焼用の噴射燃料の燃え残りの発生を可及的に抑制することを目的とする。

本発明では、上記した課題を解決するために、予混合気を気筒内に形成するときに、気筒内において比較的低温の部位である気筒内壁面の近傍に、予混合気を形成することを可及的に回避するようにする。その際、吸気ポートから気筒内に吸気もしくは燃料を含む吸気（混合気）が流れ込む方向（以下、「吸気供給方向」という。）に着目し、気筒内における混合気の形成部位を制御する。これにより、混合気が気筒内の比較的低温の部位に位置しないようにし、燃料の燃え残りの発生を抑制し得る。

詳細には、本発明は、圧縮行程上死点近傍の時期より早い時期の燃料噴射によって予混合気を形成することで予混合燃焼を行う予混合圧縮着火内燃機関であって、前記予混合燃焼用の燃料を噴射する燃料噴射弁と、前記燃料噴射弁が設けられ且つ前記予混合圧縮着火
内燃機関の気筒に繋がり、該気筒に燃料と新気を供給する第一吸気通路と、前記気筒に繋がり、該気筒に新気のみを供給する第二吸気通路と、開閉することで前記第一吸気通路と前記気筒との連通状態を制御する第一吸気弁と、開閉することで前記第二吸気通路と前記気筒との連通状態を制御する第二吸気弁と、を備え、前記第一吸気通路の吸気供給方向は、前記気筒の中心部方向に設定され、前記第二吸気通路の吸気供給方向は、前記気筒の壁面に接する方向に設定される。

上記の圧縮着火内燃機関において予混合燃焼を行う場合は、第一吸気通路内に燃料噴射弁から燃料噴射を行い、そこで噴射燃料と新気とを混合し、第一吸気弁の開弁によりその混合気を気筒内に吸入する。その後、気筒内の混合気が圧縮されて着火し、燃焼が生じる。即ち、第一吸気通路内にて予め燃料噴射をし、その混合気を気筒内に導くことで、気筒内に燃料と新気とがより確実に混合した状態で存在することになり、ＮＯｘやスモークの抑制が図られることになる。

ここで、本発明に係る圧縮着火内燃機関には、燃料噴射弁が設けられた第一吸気通路に加えて、それとは並行して第二吸気通路が設けられている。この第二吸気通路には、燃料噴射弁は設けられておらず、そこから気筒内に供給されるのは新気のみであり、燃料は一切供給されない。尚、気筒内への新気や噴射燃料の供給を制御するのは、第一吸気弁または第二吸気弁であり、これらが開くことで各吸気通路と気筒とが連通した状態となり、新気や噴射燃料の供給が行われる。

そして、本発明に係る圧縮着火内燃機関においては、各吸気通路から気筒内への新気等の吸気供給方向に特徴点がある。即ち、第一吸気通路の吸気供給方向は、気筒の中心部方向に設定され、第二吸気通路の吸気供給方向は、気筒の壁面に接する方向に設定されている。ここでいう吸気供給方向とは、各吸気通路から気筒内に吸気が供給されるときに、吸気が気筒内に流れ込む方向をいう。

この結果、第一吸気弁および第二吸気弁が開弁されて、各吸気通路を流れる新気等が気筒内に入るとき、第一吸気通路を流れる燃料を含んだ新気（混合気）は気筒の中心部に至り、第二吸気通路を流れる新気は気筒の壁面に接する方向に流れることで該壁面に沿って気筒内に流れ込み、該壁面の近傍に至る。換言すると、予混合燃焼時に比較的温度が低くなる気筒の内壁面の周囲には、燃料を含まない新気が存在し、その新気に囲まれるように予混合燃焼時に比較的温度が高くなる気筒の中心部に、燃料を含む混合気が存在する。

そして、燃料噴射弁からの噴射燃料は、第一吸気通路を経て気筒内に到達するまでに、新気と十分に混合された状態となっている。従って、気筒の内壁面に沿って存在する新気に囲まれた混合気においても、新気と燃料が十分に混合され、予混合燃焼の効果を十分に発揮し得る。そして、その予混合燃焼が生じる際、気筒の壁面近傍には燃料を含む混合気が存在せず、比較的温度が高くなる中心部に混合気が存在するため、上述した予混合燃焼時の燃え残りを可及的に抑制することが可能となる。

以上をまとめると、本発明に係る圧縮着火内燃機関では、気筒内において予混合燃焼の際に、比較的温度が低くなる部位に混合気が形成されないように、各吸気通路の吸気供給方向を適切な方向に設定することで、燃料の燃え残りの発生を可及的に抑制する。

ここで、上記の予混合圧縮着火内燃機関において、前記予混合圧縮着火内燃機関で行われる燃焼に応じた量のＥＧＲガスを、前記第一吸気通路を介して前記気筒内に再循環させるＥＧＲ装置を、更に備えるようにしてもよい。

即ち、燃料が存在する混合気を気筒内に供給する第一吸気通路にのみＥＧＲガスが再循
環されることになる。その結果、予混合燃焼時に気筒内では、ＥＧＲガスは、気筒の中心部に混合気とＥＧＲガスが存在し、その壁面近傍には存在しない。換言すると、ＥＧＲガスは、燃料が存在する部位に集中的に存在し、燃料の存在しない部位には存在しない。その結果、予混合燃焼において過早着火が生じ得る部位（混合気が存在する部位）に最小限必要な量のＥＧＲガスを供給することが可能となり、以て気筒内の混合気の比熱が高くなり燃焼性が低下するのを回避し得る。

また、上述までの予混合圧縮着火内燃機関において、前記燃料噴射弁から噴射される燃料のセタン価は、所定値よりも低いセタン価であってもよい。ＥＧＲガスが供給される第一吸気通路において噴射される燃料のセタン価を比較的低い値とすることで、上記の予混合燃焼圧縮着火内燃機関における予混合燃焼での過早着火を抑制することが可能となる。また、ＥＧＲガスによって燃料が供給される部位の温度はより高くなるため、燃料の低セタン価による燃焼性の低下を補うことが可能となる。尚、ここで、低セタン価燃料とは、軽油自体のセタン価が低く設定された低セタン価軽油、ナフサ、ガソリン、灯油等が挙げられる。

また、上記の所定値とは、従来の圧縮着火内燃機関において予混合燃焼を行うときの燃料のセタン価に対応する値である。即ち、本発明に係る予混合圧縮着火内燃機関においては、ＥＧＲガスを気筒内の特定の部位、比較的温度が高い中心部近傍の部位に導くことで、燃焼性が低下することなく、よりセタン価の低い燃料を使用することが可能となり、以て予混合燃焼における過早着火をより確実に抑制することが可能となる。

ここで、上述までの予混合圧縮着火内燃機関において、その機関負荷が大きくなるに従い、前記燃料噴射弁からの燃料噴射時期を進角側に移行する噴射時期制御手段を、更に備えるようにしてもよい。予混合圧縮着火内燃機関の機関負荷が大きくなるに従い、燃料噴射弁からの燃料噴射量は増える。仮に、燃料噴射弁からの燃料噴射時期が一定とすると、燃料が噴射されてから燃料の圧縮着火時までの期間がほぼ一定となるため、気筒内に形成される混合気の濃度が機関負荷に応じて大きく異なってくる。

即ち、機関負荷が小さいと燃料噴射量が少ないため、気筒内に形成される混合気の濃度は低くなり、機関負荷が大きくなるに従い、混合気の濃度は高くなる。このように、機関負荷に応じて混合気濃度が大きく変動すると、燃焼条件の変動によって機関負荷に応じて燃焼が良好に行われたり行われなかったりし、良好なエミッションの維持も困難となる。そこで、上述のように燃料噴射時期を調整することで、燃料噴射量が多くなるに従い、噴射燃料と新気との混合時間を調整し、気筒内に濃度がより安定した混合気を形成することが可能となる。

また、上述までの予混合圧縮着火内燃機関において、前記第一吸気弁が開弁状態にあるときに、前記予混合圧縮着火内燃機関の機関負荷が大きくなるに従い前記燃料噴射弁からの噴射回数を多くする噴射回数制御手段を、更に備えるようにしてもよい。予混合圧縮着火内燃機関の機関負荷が大きくなるに従い、燃料噴射弁からの燃料噴射量は増える。ここで、燃料噴射量が増えたときその噴射を一度で行うと、気筒内に形成される混合気の濃度が場所によって大きく変動する。そこで、噴射回数を分割し、その分割回数を機関負荷に応じて調整することで、気筒内に形成される混合気の場所による濃度のむらを小さく抑える。これにより、混合気の濃度過多によるスモークの発生やＮＯｘの発生を抑制する。

また、上述までの予混合圧縮着火内燃機関において、前記第一吸気通路を流れる新気量を調整する新気量調整手段と、前記予混合圧縮着火内燃機関の機関負荷が大きくなるに従い、前記新気量調整手段によって前記第一吸気通路を流れる新気量を多くする新気量制御手段と、を更に備えるようにしてもよい。

気筒の中心部近傍に形成される混合気の燃料濃度は、圧縮着火内燃機関の機関負荷に対応する燃料噴射量や噴射された燃料と混合する空気量に依存する。ここで、圧縮着火内燃機関の機関負荷が低負荷である場合には気筒内で失火が生じないように、また機関負荷が比較的大きい場合には予混合燃焼時に過早着火が生じないように、混合気の濃度を制御するのが好ましい。そこで、上述のように、新気量制御手段によって新気量調整手段を制御することで、気筒内で形成される混合気の濃度を機関負荷に応じた濃度に設定する。

具体的には、機関負荷が低負荷であるときは、新気量制御手段によって新気量調整手段を介して第一吸気通路を流れる新気量を少なくすることで、気筒内に形成される混合気の濃度を失火が生じない程度の濃さに維持する。また、機関負荷が大きくなるに従い、新気量制御手段によって新気量調整手段を介して第一吸気通路を流れる新気量を次第に増やし、気筒内に形成される混合気の濃度を過早着火が生じない程度の濃さとする。

吸気ポートに燃料噴射弁を備えた圧縮着火内燃機関において予混合燃焼を行う際、予混合燃焼用の噴射燃料の燃え残りの発生を可及的に抑制することが可能となる。

ここで発明に係る予混合圧縮着火内燃機関の実施の形態について図面に基づいて説明する。

図１は、本発明が適用される圧縮着火内燃機関（以下、単に「内燃機関」という。）１の概略構成を表すブロック図である。内燃機関１は、複数の気筒２を有する圧縮着火式内燃機関である。また、内燃機関１には、二本の吸気枝管３が接続されており、吸気枝管３の各枝管は、吸気ポート４を介して燃焼室に接続される。更に、各吸気ポート４には、吸気弁５が設けられている。同様に、内燃機関１には排気枝管６が接続され、排気枝管６の各枝管は排気ポートを介して燃焼室に接続される。更に、各排気ポートには、排気弁が設けられている。

また、二本の吸気枝管３のうち一方には燃料を噴射する燃料噴射弁７が設けられており、他方には燃料噴射弁は設けられていない。尚、以下において、燃料噴射弁７が設けられている吸気枝管３を第一吸気枝管３ａと称し、燃料噴射弁７が設けられていない吸気枝管３を第二吸気枝管３ｂと称する。この燃料噴射弁７は、所定圧に加圧された燃料を貯留する蓄圧室と接続されている。

また、吸気枝管３は吸気管８に接続されている。更に、吸気管８における吸気枝管７の直上流に位置する部位には、吸気管８内を流れる吸気の流量を調節する吸気絞り弁９が設けられている。この吸気絞り弁９には、ステップモータ等で構成されて該吸気絞り弁９を開閉駆動する吸気絞り用アクチュエータが取り付けられている。

また、内燃機関１には、ＥＧＲ装置１１が設けられている。ＥＧＲ装置１１は、燃焼室から排出された排気の一部を吸気系に再循環させる。ＥＧＲ装置１１は、排気枝管１２側（上流側）から吸気枝管３側（下流側）へ延出しているＥＧＲ通路１２と、ＥＧＲ通路１２上に設けられそこを通るＥＧＲガスの流量を調整するＥＧＲ弁１３と、から構成される。そして、ＥＧＲ通路１２は、第一吸気枝管３ａとのみ連通し第二吸気枝管３ｂとは連通していない。

また、内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニット（以下、「Ｅ
ＣＵ」という）２０が併設されている。このＥＣＵ２０は、ＣＰＵの他、後述する各種のプログラム及びマップを記憶するＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えており、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態等を制御するユニットである。

ここで、燃料噴射弁７は、ＥＣＵ２０からの制御信号によって開閉動作を行う。即ち、ＥＣＵ２０からの指令によって、燃料噴射弁７からの燃料噴射時期および燃料噴射量が、内燃機関１の機関負荷や機関回転速度等の運転状態に応じて、噴射弁毎に制御され、以て内燃機関１において予混合燃焼が行われる。内燃機関１で行われる燃焼制御については、後述する。また、ＥＧＲ弁１３、吸気絞り弁９のアクチュエータ等も、ＥＣＵ２０からの指令に従って制御される。

更に、アクセル開度センサ２１がＥＣＵ２０と電気的に接続されており、ＥＣＵ２０はアクセル開度に応じた信号を受け取り、それより内燃機関１に要求される機関負荷等を算出する。また、クランクポジションセンサ２２がＥＣＵ２０と電気的に接続されており、ＥＣＵ２０は内燃機関１の出力軸の回転角に応じた信号を受け取り、内燃機関１の機関回転速度や、該機関回転速度とギア比等から内燃機関１が搭載されている車両の車両速度等を算出する。

ここで、上記の内燃機関１においては、機関回転速度および機関負荷で表される内燃機関１の運転状態に基づいて、予混合燃焼が行われる。燃料噴射弁７から燃料が噴射されると、第一吸気枝管３ａ内の新気と噴射燃料が混合されて、吸気弁５の開弁に従って気筒２内に供給される。その後、気筒２内で混合気が圧縮されて着火し、以て予混合燃焼が実行される。即ち、気筒２で圧縮行程上死点近傍の時期（圧縮着火時期）を迎える時点よりも早い時期に燃料噴射弁７から燃料噴射を行い、噴射燃料と新気との混合を進めることで予混合燃焼を行い、ＮＯｘやスモークの抑制が図られる。

また、予混合燃焼に際して、内燃機関１の機関負荷が大きくなり燃料噴射弁７からの燃料噴射量が増大すると、又は機関回転速度が高くなり気筒２内に予混合気を形成する実質的な時間が短くなると、気筒２内に形成される混合気が均一とならず、過早着火が生じやすくなる。そこで、予混合燃焼の際は、ＥＣＵ２０によってＥＧＲ弁１３の開度が、内燃機関１の機関負荷や機関回転速度等の運転状態に応じて制御され、過早着火の抑制とＥＧＲガス過多による燃焼の不安定化との均衡が図られる。

ここで、本実施例に係る内燃機関１における吸気枝管３による気筒２内への吸気の供給方法について、図２に基づいて説明する。第一吸気枝管３ａおよび第二吸気枝管３ｂはともにいわゆるヘリカルポートを有する吸気通路であり、そのヘリカル形状により気筒２内に供給された吸気は、気筒２内で旋回成分を有する気流となる。

そして、図２中に矢印で示すように、第一吸気枝管３ａの吸気供給方向は気筒２の中心部方向に設定され、第二吸気枝管３ｂの吸気供給方向は燃焼室の内壁面に概ね接する方向に設定されている。ここでいう吸気供給方向とは、各吸気枝管から吸気が気筒２内に流れ込む方向をいう。また、ヘリカルポートによる旋回流の場合、その旋回流の主流（気流の中心の流れ）が上記の吸気供給方向に一致するように、各吸気枝管が設定される。

このように吸気枝管３の吸気供給方向が設定されることで、図３に示すように概ね新気と混合気の層が気筒２内に形成される。即ち、第一吸気枝管３ａから気筒２内に供給される吸気は、新気と燃料噴射弁７からの噴射燃料との混合気であるが、この混合気は、第一吸気枝管３ａの吸気供給方向によって、気筒２の中心部近傍に存在することになる。一方で、第二吸気枝管３ｂから気筒２内に供給される吸気は、燃料が混合されていない新気のみである。この新気は、第二吸気枝管３ｂの吸気供給方向によって、気筒２内に供給され
た後は気筒２の内壁面に沿って流れるため、その内壁に沿って存在する。

この結果、第一吸気枝管３ａおよび第二吸気枝管３ｂを介して気筒２内に供給された吸気によって、気筒２内には、その内壁面に新気による空気の層が形成され、その層に囲まれるように気筒２の中心部に混合気の層が形成される。図４に、この混合気と新気の層による気筒２内の燃料濃度の分布の様子を示す。線Ｌ１で示されるのが本実施例にかかる内燃機関１での気筒２内での燃料の分布であり、線Ｌ２で示されるのが通常の予混合燃焼を行う内燃機関において気筒内に均一に燃料を拡散させたときの燃料の分布である。このように、本実施例に係る内燃機関１では、気筒２の中心部を中心として混合気が存在し、気筒２の内壁面の近傍には燃料の存在は少ない。

ここで、気筒２の内壁面近傍は、気筒２外部への放熱の影響を受けて、中心部と比べて温度が低くなる。従って、内壁面近傍に位置する混合気が圧縮着火しても十分に燃焼が行われず、燃え残りが発生する虞がある。しかし、上述したように、本実施例においては、気筒２の内壁面近傍には燃料を含む混合気ではなく新気のみが存在し、混合気は比較的温度が高くなる気筒２の中心部近傍に位置する。従って、本実施例に係る内燃機関１においては、気筒２内の比較的高温の部位に混合気を存在させ、比較的低温の部位には混合気を存在させないようにすることで、予混合燃焼時に生じる燃料の燃え残りを効率的に抑制することが可能となる。

また、本実施例に係る内燃機関１では、ＥＧＲ装置１１によって再循環されるＥＧＲガスは、第一吸気枝管３ａに供給される。即ち、燃料との混合気が形成される第一吸気枝管３ａのみにＥＧＲガスが供給されることになる。従って、図３に示すように、混合気が形成される気筒２の中心部近傍にＥＧＲガスは供給され、気筒２の内壁面近傍には供給されない。

この結果、予混合燃焼が実際に行われる混合気の存在する部位に局所的にＥＧＲガスが供給されるため、より少ないＥＧＲガスで予混合燃焼における過早着火を抑制するとともに、過度のＥＧＲガスの供給を抑制し気筒２内の気体の量を低減してその比熱を下げることで、圧縮着火によって生じた熱エネルギーを効率的に内燃機関１の出力に伝えることが可能となる。

また、本実施例に係る内燃機関１では、燃料噴射弁７から噴射される燃料には通常予混合燃焼を行う内燃機関で使用される燃料よりもセタン価が低い燃料の使用が可能である。使用される燃料のセタン価が低くなることで、予混合燃焼時における過早着火の発生を抑制し、より広い負荷領域で予混合燃焼の実行が可能となる。一方で、セタン価が低くなることで、燃料の着火性が低下し燃料の燃焼が効率的に行われず燃費が悪化する虞がある。

しかし、本実施例においては、混合気が形成される第一吸気枝管３ａにはＥＧＲ装置１１によってＥＧＲガスが導かれているため、混合気の温度が比較的高温となる。そのため、セタン価が比較的低い燃料を使用しても燃料の着火性が保たれ、燃費の悪化も回避することが可能となる。特に、本実施例においては、上述したように第一吸気枝管３ａと第二吸気枝管３ｂによる吸気供給方向によって、ＥＧＲガスと混合気が気筒２内に拡散せずその中心部近傍に位置するため、燃料の着火性をより確実に確保することが可能である。

また、気筒２への第一吸気枝管３ａおよび第二吸気枝管３ｂの吸気供給方法について、図５、図６に示すような各吸気枝管のポート形状を採用してもよい。図５には、第一吸気枝管３ａにはストレートポートを、第二吸気枝管３ｂにはヘリカルポートを採用した状態を示しており、図６には、第一吸気枝管３ａにはヘリカルポートを、第二吸気枝管３ｂにはストレートポートを採用した状態を示している。このように、各吸気枝管に採用するポ
ート形状にかかわらず、第一吸気枝管３ａの吸気供給方向が気筒２の中心部方向に設定され、第二吸気枝管３ｂの吸気供給方向が気筒２の内壁面に接する方向であれば、図３に示すように、気筒２内に混合気と新気の層を形成し、燃え残りの発生を抑制することが可能となる。

次に、本発明に係る予混合燃焼を行う内燃機関１の第二の実施例を以下に示す。尚、本実施例に係る内燃機関１の構成は図１に示すものと同一であり、その詳細な説明は省略する。ここで、本実施例に係る内燃機関１においては、図７に示す燃料噴射弁７からの燃料噴射時期の制御が行われる。この燃料噴射時期の制御は、ＥＣＵ２０から燃料噴射弁７への指令によって行われる。

図７に基づいて、この燃料噴射時期の制御について説明する。図７の上段は、吸気弁５のバルブリフトの状態を示す。吸気弁５は、吸気行程上死点（図中「ＴＤＣ」で表される）より若干前の時期から、吸気行程下死点（図中「ＢＤＣ」で表される）より若干後の時期までの間に、開弁状態となっている。図７の下段は、燃料噴射弁７からの燃料噴射時期（図中、白抜きの矢印で表される）を示す。

具体的には、本燃料噴射時期の制御では、内燃機関１の機関負荷が大きくなるに従い、進角側に移行される。即ち、低負荷時にはｉｎｊ１で表されるように吸気行程下死点ＢＤＣ近傍の時期で行われていた燃料噴射が、高負荷時にはｉｎｊ２で表されるように吸気行程上死点ＴＤＣ近傍の時期に移行される。尚、この間の中負荷時には、ｉｎｊ１とｉｎｊ２との間の時期に燃料噴射が行われる。

このように内燃機関１の機関負荷に応じて燃料噴射時期を制御することで、気筒２内に形成される混合気の燃料濃度を、機関負荷にかかわらずほぼ一定として安定した燃焼の確保およびエミッション悪化の抑制を図ることが可能となる。即ち、内燃機関１の機関負荷が低負荷であるとき、燃料噴射量は比較的少ない。従って、燃料噴射弁７から燃料が噴射されてから、燃料が気筒２内に導かれて混合気を形成されるまでに比較的長い時間が存在すると、気筒２内で燃料と新気との混合が進み、燃料濃度が低くなり、失火が発生する虞がある。この状態を、図８（ｂ）の線Ｌ６で示す。尚、図６の横軸は、気筒２の中心部からその壁面までの距離を表し、縦軸は気筒２内で形成される混合気の燃料濃度を表す。そこで、機関負荷が低負荷のときは、図７に示すように噴射時期を吸気弁５が閉弁状態となる直前の時期とすることで、燃料と新気との混合を抑制する。この結果、図８（ａ）の線Ｌ４に示すように、気筒２内で、比較的高い燃料濃度を維持することが可能となり、失火を回避することができる。

一方で、内燃機関１の機関負荷が高負荷であるとき、燃料噴射弁７から燃料が噴射されてから、燃料が気筒２内に導かれて混合気が形成されるまでに比較的短い時間しか存在しないと、燃料と新気との混合が進まず、燃料濃度が高くなり、予混合燃焼において過早着火が生じる虞がある。この状態を、図８（ｂ）の線Ｌ５で示す。そこで、機関負荷が高負荷のときは、図７で示すように噴射時期を吸気弁が開弁した直後の時期とすることで、燃料と新気との混合を促進させる。この結果、図８（ａ）の線Ｌ３に示すように、気筒２内で、燃料濃度を比較的低い状態に抑えることが可能となり、過早着火を回避することができる。

まとめると、図９の線Ｌ９に示すように、本燃料噴射時期の制御によって、機関負荷が低負荷のときは混合気の燃料濃度を比較的高く維持することで失火を回避し、機関負荷が高負荷のときは混合気の燃料濃度を比較的低く維持することで過早着火を回避することが可能となる。尚、図９中の線Ｌ７は、燃料噴射時期をｉｎｊ１のような遅角側の時期に固
定したときの燃料濃度の推移を表し、線Ｌ８は、燃料噴射時期をｉｎｊ２のような進角側の時期に固定したときの燃料濃度の推移を表している。

尚、機関負荷と燃料噴射時期との関係は、予め行われた実験等の結果に基づいて決定するようにしてもよい。

次に、本発明に係る予混合燃焼を行う内燃機関１の第三の実施例を以下に示す。尚、本実施例に係る内燃機関１の構成は図１に示すものと同一であり、その詳細な説明は省略する。ここで、本実施例に係る内燃機関１においては、図１０に示す燃料噴射弁７からの燃料噴射回数の制御が行われる。この燃料噴射回数の制御は、ＥＣＵ２０から燃料噴射弁７への指令によって行われる。

図１０に基づいて、この燃料噴射回数の制御について説明する。図１０の上段は、吸気弁５のバルブリフトの状態を示す。吸気弁５は、吸気行程上死点（図中「ＴＤＣ」で表される）より若干前の時期から、吸気行程下死点（図中「ＢＤＣ」で表される）より若干後の時期までの間に、開弁状態となっている。図１０の下段は、燃料噴射弁７からの燃料噴射の回数（図中、白抜きの矩形で表される）を示す。

具体的には、本燃料噴射回数の制御では、内燃機関１の機関負荷が大きくなるに従い、燃料噴射回数が多くなる。即ち、機関負荷の増大に従い、燃料噴射弁７からの総燃料噴射量が増大するが、その総量の燃料を機関負荷に応じた回数で分割して一回あたりの燃料噴射量を少なく維持する。

即ち、低負荷時にはｉｎｊ３で表されるように燃料噴射弁７からの一回の燃料噴射が行われているが、高負荷時にはｉｎｊ４で表されるように燃料噴射弁７からの三回の燃料噴射が行われる。尚、この間の中負荷時には、ｉｎｊ３とｉｎｊ４との間の中間の回数、例えば二回の燃料噴射が行われる。

このように内燃機関１の機関負荷に応じて燃料噴射回数を制御することで、気筒２内に形成される混合気の燃料濃度分布において、可及的に燃料濃度を平滑化することが可能となる。ここで、図１１に燃料噴射弁７から燃料噴射が行われたときの気筒２内に形成される混合気の燃料濃度の分布を示す。例えば、内燃機関１の機関負荷が大きくなると、燃料噴射弁７からの燃料噴射量が増大するが、ここで燃料噴射弁７からの燃料噴射を一回で行った場合の燃料濃度の分布を図１１中の線Ｌ１１で示し、図１０で示すように燃料噴射を三回で行った場合の燃料濃度の分布を図１１中の線Ｌ１０で示す。

一度に多量の燃料を噴射すると、噴射された燃料が気筒２内で十分に拡散しきれないため、気筒２の中心部の燃料濃度が比較的高い状態となる。一方で、三回に燃料噴射を分割して行うと、一回あたりの燃料噴射量が少なくなるため噴射された燃料は比較的円滑に気筒内に拡散する。そのため、線Ｌ１０で示すように、気筒２内での燃料の分布状態が平滑化された状態となる。この結果、気筒２内において、局所的に燃料濃度が高くなる状態を回避することが可能となるため、過早着火をより確実に回避することがなるとともに、スモークやＮＯｘの発生を抑制することが可能となる。

尚、機関負荷と燃料噴射回数との関係は、予め行われた実験等の結果に基づいて決定するようにしてもよい。

次に、本発明に係る予混合燃焼を行う内燃機関１の第四の実施例を以下に示す。尚、本
実施例に係る内燃機関１の構成は、図１に示すものと概ね同一であり、その詳細な説明は省略する。また、図１に示す内燃機関１と構成が異なる点については、図１２に基づいて説明する。

本実施例に係る内燃機関１においては、吸気管８から第一吸気枝管３ａと第二吸気枝管３ｂとが分枝する部位に、第一吸気枝管３ａに流れ込む新気の流量を調整する流量調整装置３０が設けられている。この流量調整装置３０は、ＥＣＵ２０からの指令によって駆動し、図１２に示すように、パネル状の物が軸を中心に回転することで、第一吸気枝管３ａと第二吸気枝管３ｂとに流れ込む新気の割合を調整する。例えば、図１２に示すように、流量調整装置３０が第一吸気枝管３ａ側に倒れこんでいる場合は、第一吸気枝管３ａを流れる新気流量が減り第二吸気枝管３ｂを流れる新気流量が増える。

ここで、本実施例に係る内燃機関１においては、予混合燃焼が行われる際に流量調整装置３０による第一吸気枝管３ａと第二吸気枝管３ｂとを流れる新気流量の制御が行われる。この新気流量の制御は、ＥＣＵ２０からの流量調整装置３０への指令によって行われる。

図１３に基づいて、この新気流量の制御について説明する。図１３（ａ）は、横軸が内燃機関１の機関負荷を示し、縦軸が第一吸気枝管３ａを流れる新気流量を示す。そして、線Ｌ１２は、本新気流量制御が行われるときの第一吸気枝管３ａを流れる新気流量の推移を表し、線Ｌ１３は、本新気流量制御が行われないとき、即ち第一吸気枝管３ａを流れる新気流量は常に一定であるときの該第一吸気枝管３ａを流れる新気流量の推移を表す。

図１３に示すように、本新気流量制御によると、機関負荷が低負荷であるときは、第一吸気枝管３ａを流れる新気流量が比較的小さくなるべく流量調整装置３０が制御される。そして、機関負荷の上昇に従い流量調整装置３０が制御されて、第一吸気枝管３ａを流れる新気流量が増大する。その後、機関負荷がある一定の大きさ以上の場合は、第一吸気枝管３ａを流れる新気流量は一定流量に維持される。

このように第一吸気枝管３ａを流れる新気流量が制御されることで、図１３（ｂ）に示されるように気筒２内に形成される混合気の燃料濃度が推移する。ここで、図１３（ｂ）は、横軸が内燃機関１の機関負荷を示し、縦軸が気筒２内に形成される混合気の燃料濃度を示す。そして、線Ｌ１４が図１３（ａ）の線Ｌ１２に示すように新気流量が推移したときの燃料濃度の推移を表し、線Ｌ１５が図１３（ａ）の線Ｌ１３に示すように新気流量が推移したときの燃料濃度の推移を表す。

これからも明らかなように、本新気流量の制御によると、機関負荷が低負荷であるときは混合気の燃料濃度が比較的高く維持されて失火が生じるのを確実に回避することが可能となる。そして、機関負荷の上昇とともに混合気の燃料濃度を若干低く維持することで予混合燃焼における過早着火をより確実に抑制することが可能となる。また、機関負荷がある一定の大きさ以上の場合は、第一吸気枝管３ａを流れる新気流量は一定流量に維持されるが、これは、第二吸気枝管３ｂによって気筒２の内壁面近傍に燃料を含まない新気の層を形成するために必要な最低限の新気量を、第二吸気枝管３ｂ側に確保するためである。

尚、機関負荷と流量調整装置３０による第一吸気枝管３ａを流れる新気流量との関係は、予め行われた実験等の結果に基づいて決定するようにしてもよい。

本発明の実施例に係る予混合圧縮着火内燃機関の概略構成を表す図である。 本発明の実施例に係る予混合圧縮着火内燃機関の、気筒内への吸気の供給の様子を表す第一の図である。 本発明の実施例に係る予混合圧縮着火内燃機関において、気筒内に形成される混合気と新気の層の状態を示す図である。 本発明の実施例に係る予混合圧縮着火内燃機関において、気筒内に形成される混合気の燃料濃度の分布を示す図である。 本発明の実施例に係る予混合圧縮着火内燃機関の、気筒内への吸気の供給の様子を表す第二の図である。 本発明の実施例に係る予混合圧縮着火内燃機関の、気筒内への吸気の供給の様子を表す第三の図である。 本発明の第二の実施例に係る予混合圧縮着火内燃機関において行われる燃料噴射時期の制御を示す図である。 図７に示す燃料噴射時期の制御が行われるときの気筒内に形成される混合気の燃料濃度の分布を示す図である。 図７に示す燃料噴射時期の制御が行われるときの、予混合圧縮着火内燃機関の機関負荷と気筒内に形成される混合気の燃料濃度との相関を示す図である。 本発明の第三の実施例に係る予混合圧縮着火内燃機関において行われる燃料噴射回数の制御を示す図である。 図１０に示す燃料噴射回数の制御が行われるときの気筒内に形成される混合気の燃料濃度の分布を示す図である。 本発明の第四の実施例に係る予混合圧縮着火内燃機関の、吸気枝管近傍の概略構成を示す図である。 本発明の第四の実施例に係る予混合圧縮着火内燃機関において行われる吸気枝管を流れる新気流量の制御を示す図である。

符号の説明

１・・・・予混合圧縮着火内燃機関（内燃機関）
２・・・・気筒
３・・・・吸気枝管
３ａ・・・・第一吸気枝管
３ｂ・・・・第二吸気枝管
５・・・・吸気弁
６・・・・排気枝管
７・・・・燃料噴射弁
８・・・・吸気管
１１・・・・ＥＧＲ装置
１２・・・・ＥＧＲ通路
１３・・・・ＥＧＲ弁
２０・・・・ＥＣＵ
２１・・・・アクセル開度センサ
２２・・・・クランクポジションセンサ
３０・・・・流量調整装置

Claims (6)

1. 圧縮行程上死点近傍の時期より早い時期の燃料噴射によって予混合気を形成することで予混合燃焼を行う予混合圧縮着火内燃機関であって、
   前記予混合燃焼用の燃料を噴射する燃料噴射弁と、
   前記燃料噴射弁が設けられ且つ前記予混合圧縮着火内燃機関の気筒に繋がり、該気筒に燃料と新気を供給する第一吸気通路と、
   前記気筒に繋がり、該気筒に新気のみを供給する第二吸気通路と、
   開閉することで前記第一吸気通路と前記気筒との連通状態を制御する第一吸気弁と、
   開閉することで前記第二吸気通路と前記気筒との連通状態を制御する第二吸気弁と、を備え、
   前記第一吸気通路の吸気供給方向は、前記気筒の中心部方向に設定され、
   前記第二吸気通路の吸気供給方向は、前記気筒の壁面に接する方向に設定されることを特徴とする予混合圧縮着火内燃機関。
2. 前記予混合圧縮着火内燃機関で行われる燃焼に応じた量のＥＧＲガスを、前記第一吸気通路を介して前記気筒内に再循環させるＥＧＲ装置を、更に備えることを特徴とする請求項１に記載の予混合圧縮着火内燃機関。
3. 前記燃料噴射弁から噴射される燃料のセタン価は、所定値よりも低いセタン価であることを特徴とする請求項２に記載の予混合圧縮着火内燃機関。
4. 前記予混合圧縮着火内燃機関の機関負荷が大きくなるに従い、前記燃料噴射弁からの燃料噴射時期を進角側に移行する噴射時期制御手段を、更に備えることを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の予混合圧縮着火内燃機関。
5. 前記第一吸気弁が開弁状態にあるときに、前記予混合圧縮着火内燃機関の機関負荷が大きくなるに従い前記燃料噴射弁からの噴射回数を多くする噴射回数制御手段を、更に備えることを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の予混合圧縮着火内燃機関。
6. 前記第一吸気通路を流れる新気量を調整する新気量調整手段と、
   前記予混合圧縮着火内燃機関の機関負荷が大きくなるに従い、前記新気量調整手段によって前記第一吸気通路を流れる新気量を多くする新気量制御手段と、を更に備えることを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の予混合圧縮着火内燃機関。

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