JP2008038859A - 予混合圧縮着火機関 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼室の燃焼状態を効果的に緩慢化することができ、且つ、高トルクの運転領域において異常燃焼の抑制が可能な予混合圧縮着火機関を提供する。
【解決手段】予混合圧縮着火機関１は燃焼室１０を有する。燃焼室１０において燃焼した混合気は、上流端及び下流端がそれぞれ燃焼室１０に連通した迂回経路３０を経由してＥＧＲガスとして燃焼室１０へ還流する。ＥＧＲガスは、第１運転領域においては、燃焼室１０の中心部へ供給され、第１運転領域よりも低トルクの第２運転領域においては、燃焼室１０の壁面に沿って流動するように供給される。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃焼室を有する予混合圧縮着火機関に関するものである。

予混合圧縮着火機関においては、過早着火やノッキング等の異常燃焼の発生を抑制することが課題であり、このような異常燃焼は、騒音や機関損傷の原因となる。

上記のような異常燃焼は、混合気が自着火温度に到達するのが早すぎる場合や、筒内の燃料量が多く、空気と燃料とが燃焼室において均一に混合され、燃焼室内全体において同時に自着火が生じ、急速な燃焼が行われる場合や、燃焼室内の温度（筒内温度）が均一な場合に発生しやすい。そこで、特許文献１には、外部ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation、排気ガス再循環）ガスを燃焼室へ還流させて、燃焼室内に不均一に分布させることにより、外部ＥＧＲガスによる燃焼緩慢効果、及び、混合気の不均一化による燃焼緩慢効果によって燃焼状態を緩慢化させて異常燃焼を抑制する技術が開示されている。

また、特許文献２には、低温のＥＧＲガスと、排気ポート内を逆流してくる高温の排気とを運転領域に応じて適宜燃焼室に供給して筒内（燃焼室内）に温度分布を生じさせることで、低負荷（低トルク）運転領域においては失火の発生や未燃成分の生成を抑制し、高負荷（高トルク）運転領域においては高負荷運転時の着火性を確保しつつ、異常燃焼を抑制する技術が開示されている（特許文献２の第４の実施の形態参照）。

特開２００２−２４２７２６号公報 特開２００５−３６６５５号公報

しかし、高負荷（高トルク）の運転領域においては、温度の高くなる燃焼室の（径方向における）中心部において過早着火が生じやすく、それに伴い発生する異常燃焼の抑制は困難となる。特許文献１には、当該問題に対する具体的対策の記載がないため、この技術を用いても燃焼状態を効果的に緩慢化できない。

また、特許文献２の技術では、高負荷（高トルク）運転領域において、低温の排気（外部ＥＧＲガス）を燃焼室の側壁面付近に分布させ、高温の排気を燃焼室の上壁面付近に分布させることで燃焼室を不均一な状態、すなわち、（径方向における）中心部に高温の排気が、周辺部に低温の排気が分布している状態にし、燃焼の緩慢化を図っている。しかし、より高負荷（高トルク）の運転領域での運転を考えると、温度の高くなる燃焼室中心部の燃焼抑制が不足してノッキング等の異常燃焼が発生しやすいため、この技術を用いても、より高負荷（高トルク）の運転領域では燃焼状態を十分に緩慢化できない。

そこで、本発明の目的は、燃焼室の燃焼状態を効果的に緩慢化することができ、且つ、高トルクの運転領域において異常燃焼の抑制が可能な予混合圧縮着火機関を提供することである。

課題を解決するための手段及び効果

上記の目的を達成するために、本発明の予混合圧縮着火機関は、燃焼室と前記燃焼室にて燃焼した混合気を排出する排気通路を有する予混合圧縮着火機関であって、上流端が前記排気通路に連通し、下流端が前記燃焼室に連通する迂回経路を経由してＥＧＲガスとして前記燃焼室へ直接還流させ、前記ＥＧＲガスは、第１運転領域においては、前記燃焼室の中心部へ供給され、前記第１運転領域よりも低トルクの第２運転領域においては、前記燃焼室の壁面に沿って流動するように供給される。

この構成によると、第２運転領域においては、燃焼室中心部での着火性が確保されつつ、燃焼室中心部での燃焼後の燃焼は、燃焼室の周辺部に配置された低温のＥＧＲガスによって効果的に緩慢化される。よって、ＥＧＲガスの導入時に懸念される失火を防止しつつ、騒音の緩和や機関の損傷の防止が可能となる。また、より高トルクの第１運転領域においては、温度が高く、着火の起点になりやすい燃焼室中心部へＥＧＲガスを供給することで、燃焼室周辺部又は燃焼室全体にＥＧＲを供給する場合よりも、燃焼室の燃焼状態が十分に緩慢化され、より高トルクの第１運転領域においても運転が可能となる。以上により、燃焼室の燃焼状態を効果的に緩慢化することができ、且つ、高トルクの運転領域において異常燃焼の抑制が可能な予混合圧縮着火機関が得られる。

前記ＥＧＲガスは、圧縮行程において噴射されることで、前記燃焼室へ還流してもよい。これによると、ＥＧＲガスが拡散しにくいためにＥＧＲガスの不均一性が保たれ、燃焼状態をより効果的に緩慢化できる。

前記ＥＧＲガスは、前記第１運転領域においては、圧縮行程の中乃至後期に前記燃焼室へ還流してもよい。これによると、圧縮行程中、遅めに還流することで、ＥＧＲガスが燃焼室内で拡散してしまうことなく中心部に保持され、第１運転領域において、燃焼室の燃焼状態がより十分に緩慢化される。

前記ＥＧＲガスは、前記第２運転領域においては、圧縮行程の中期に前記燃焼室へ還流してもよい。これによると、圧縮行程中、早めに燃焼室内にＥＧＲガスを流動させることによって、ＥＧＲガスが燃焼室の周辺部へ行き亘って保持され、第２運転領域において、燃焼室中心部での着火性がより確実に確保される。

前記ＥＧＲガスは、前記第２運転領域よりもさらに低トルクの第３運転領域では、前記燃焼室へ供給されなくてもよい。これによると、より低トルクの第３運転領域においても着火性を確保することができる。

前記運転領域が、前記燃焼室への燃料噴射量と機関回転数との関係により規定されてもよい。これによると、運転領域を正確に規定することができる。

前記第１運転領域よりも低トルクで、且つ、前記第２運転領域よりも高トルクの第４運転領域においては、前記ＥＧＲガスは、前記燃焼室内に均一に供給されてもよい。これによると、第１運転領域と第２運転領域の中間に位置する第４運転領域においても、燃焼室の燃焼状態を効果的に緩慢化することができる。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

（第１実施形態）
まず、図１を参照しつつ、第１実施形態に係る予混合圧縮着火機関について説明する。図１は、本実施形態に係る予混合圧縮着火機関１の構成を示す断面模式図である。

燃焼室１０は内燃機関におけるシリンダーの内部空間であり、燃焼室１０では、ピストン２０が図の上下方向に往復運動する。ガス燃料と空気とが混合した混合気は、吸気ポート３０ｅを通って燃焼室１０へ供給される。そして、排気が排気ポート３０ａを通して排出される。排出された排気の一部は、ＥＧＲ通路３０ｂを通り、再び吸気路３０ｃから燃焼室１０へと還流し、又は、ＥＧＲ通路３０ｂの途中から分岐して設けられた外部ＥＧＲ加圧装置８０ｂを経由して、外部ＥＧＲ噴射装置６０ｃ、６０ｄから燃焼室１０へと還流する。このように、予混合圧縮着火機関１においては、上流端及び下流端がそれぞれ燃焼室１０に連通した迂回経路３０が形成されており、これが外部ＥＧＲとして機能する。そして、排気はＥＧＲガスとして燃焼室１０へ還流する。また、吸気ポート３０ｅ及び排気ポート３０ａと燃焼室１０との間には、それぞれ、吸気弁５０、排気弁４０が配置されており、これらが、吸気、圧縮、燃焼・膨張、排気の各行程におけるピストン２０の上昇・下降に応じて適宜開閉されることにより、吸気及び排気が行なわれる。なお、上記の機構の動作は、図示しないＥＣＵ（Electronic Control Unit）により制御される。また、吸気ポート３０ｅ及び排気ポート３０ａは、図１では一つずつ示しているが、それぞれ二つずつ設けられている（図３（ａ）、（ｂ）の説明で後述）。

（吸気について）
吸気についてより具体的に説明する。図示しない吸気口より取り入れられた吸気（空気）は、吸気路３０ｃ、吸気路３０ｄを通ってガスミキサ８０ｄへと送られる。このときに、過給機８０ｃによって、空気が強制的に燃焼室１０方向へ送られている。また、ガスミキサ８０ｄには、図示しないガス供給源よりガス燃料が供給され、このガスミキサ８０ｄにおいて空気とガス燃料とが混合する。そして、この混合気が、吸気ポート３０ｅを通って燃焼室１０へ送られる。また、吸気ポート３０ｅは、燃焼室１０内に旋回流が生じるような形状に形成されている。

（排気及びＥＧＲについて）
排気及びＥＧＲについてより具体的に説明する。燃焼室１０からの排気は、排気ポート３０ａを通り、その一部がＥＧＲ通路３０ｂへと導入される。排気はＥＧＲ通路３０ｂの途中に設けられたＥＧＲクーラ８０ａにおいて冷却され、ＥＧＲ通路３０ｂを通り、バルブ７０ｂを開放することにより吸気路３０ｃへ、バルブ７０ａを開放することにより外部ＥＧＲ加圧装置８０ｂへと送られる。外部ＥＧＲ加圧装置８０ｂにおいて加圧された低温の排気は、燃焼室１０の中心部に排気を噴射するための外部ＥＧＲ噴射装置６０ｃ、又は、燃焼室１０の壁面に沿って流動するように排気を噴射するための外部ＥＧＲ噴射装置６０ｄによって燃焼室１０へ噴射されることで、ＥＧＲガスとして燃焼室１０へ還流する。

（ピストンについて）
ピストン２０上面の中心部には、凹部２０ｈが形成されており、これにより、圧縮行程後半において、ピストンの中心付近の混合気温度が、中心から離れた部分と比べて高くなる。そのため、ピストン中心付近から着火が生じやすくなるとともに、フラットな形状のピストンに比べて中心部の温度が高くなり、失火しにくくなる。

（動作）
次に、予混合圧縮着火機関１の動作について説明する。まず、運転領域分布を示す図２を用いて、本実施形態において想定する運転領域について説明する。運転領域は、燃焼室１０への燃料噴射量とエンジン回転数との関係により規定される。ここで、燃料噴射量は、トルクの大きさと対応するものであり、図２に示すように、運転領域は、トルクとエンジン回転数との関係により規定される。これにより、運転領域の正確な規定が可能となる。図２のＡ、Ｂ、Ｃの領域は、それぞれ第１運転領域、第２運転領域、第３運転領域を示している。図から分かるように、高トルク側の運転領域から順に、第１運転領域、第２運転領域、第３運転領域となっている。

次に、第１運転領域における予混合圧縮着火機関１の動作について、図３の（ａ）を用いつつ説明する。図３（ａ）は、燃焼室１０を上面から見たときの模式説明図である。また、図４には、圧縮上死点（ＴＤＣ、Top Dead Center）付近における燃焼室の内圧の状態を示した。横軸はクランク角度である。異常燃焼状態とは、図４の（ａ）のような状態であり、最高内圧付近のクランク角度において、鋭いピークを有していることが分かる。これを（ｂ）又は（ｃ）のような状態にすることが燃焼の緩慢化ということになる。

上記のように、燃焼室１０には、二つの吸気ポート３０ｅ及び二つの排気ポート３０ａが連通している。第１運転領域は、上記のようにより高トルクの運転領域であり、図４の（ａ）に示すような異常燃焼状態が発生しやすい。そこで、予混合圧縮着火機関１において、ＥＧＲガスをバルブ７０ｂを開放することにより、過給機８０ｃ前の吸気路３０ｃに戻して、混合気と共に燃焼室１０内に供給する。また、それと同時に、外部ＥＧＲ噴射装置６０ｃによって、ＥＧＲガスを燃焼室１０の中心部に噴射する（図３（ａ）参照）。図３（ａ）において、破線の領域が、外部ＥＧＲ噴射装置６０ｃからのＥＧＲガスの分布している領域（領域１０ｃ）となる。以上により、まず、過給機８０ｃ前に戻した低温のＥＧＲガスが燃焼室１０内に還流することで、筒内ガスの比熱増加、不活性ガスの増加が生じることによる燃焼緩慢化効果に加え、外部ＥＧＲ噴射装置６０ｃからの低温のＥＧＲガスが、燃焼室内でも温度が高く、着火の起点となる燃焼室中心部へ供給されることで、燃焼室１０の中心部の温度低下、比熱増加、不活性ガスの増加による反応速度の低下が生じて、燃焼室周辺部又は燃焼室全体にＥＧＲを供給する場合よりも、燃焼室１０の燃焼状態が十分に緩慢化される（図４で説明すると、（ａ）から（ｂ）のような状態にすることができる）。その結果、より高トルクの第１運転領域においても運転が可能となる。

また、外部噴射装置６０ｃからのＥＧＲガスは、圧縮行程において噴射されることで、燃焼室１０へ還流させている。これによると、ＥＧＲガスが拡散しにくく、燃焼室中心部に保持されやすいためにＥＧＲガスの不均一性が保たれ、燃焼状態を効果的に緩慢化できる。より具体的には、ＥＧＲガスは、圧縮行程の中乃至後期に燃焼室１０へ還流させている。このタイミングは、図４を用いて説明すると（ｄ）の期間に相当する。これによると、圧縮行程中、遅めに還流することで、より高トルクの第１運転領域において、ＥＧＲガスが燃焼室１０内で拡散してしまうことなく中心部に保持されるので、第１運転領域において、燃焼室の燃焼状態がより十分に緩慢化される。また、噴射によりＥＧＲガスを還流させることで、ＥＧＲガスを燃焼室１０内に還流させるタイミングを正確に制御でき、さらに、ＥＧＲガスの噴射圧力を上げることで、圧縮行程であってもＥＧＲガスを燃焼室内に還流させることができる。

次に、第２運転領域における予混合圧縮着火機関１の動作について、図３の（ｂ）を用いつつ説明する。図３（ｂ）は、燃焼室１０を上面から見たときの模式説明図であり、配置は図３（ａ）と対応している。第２運転領域は、上記のように第１運転領域よりも低トルクの運転領域であり、図４（ａ）に示すほどの異常燃焼状態には比較的なりにくい。また、燃焼室１０の（径方向における）中心部が比較的高温となっているのは第１運転領域と同様である。そこで、予混合圧縮着火機関１において、ＥＧＲガスをバルブ７０ｂを開放することにより、過給機８０ｃ前の吸気路３０ｃに戻して、混合気と共に燃焼室１０内に供給する。また、それと同時に、外部ＥＧＲ噴射装置６０ｄによって、ＥＧＲガスを燃焼室１０の壁面に沿って流動するように噴射する（図３（ｂ）参照）。図３（ｂ）において、破線の領域（領域１０ｄ）が、外部ＥＧＲ噴射装置６０ｄからのＥＧＲガスの分布している領域（周辺部）となる。上記のように、吸気ポート３０ｅにより、燃焼室１０内には旋回流が生じており、この旋回流に乗ることによっても、ＥＧＲガスは周辺部に行き亘る。以上により、まず、過給機８０ｃ前に戻した低温のＥＧＲガスが燃焼室１０内に分布することで燃焼状態が緩慢化する。また、ここで、第１運転領域よりも低トルクの第２運転領域においては、ＥＧＲガスが燃焼室内に均一に供給されると、着火性が過度に抑制され、失火や燃焼安定性の低下を招くおそれがある。そこで、外部ＥＧＲ噴射装置６０ｃからのＥＧＲガスが低温の周辺部に供給することで、燃焼室１０の周辺部に低温のＥＧＲガスが局所的に配置されて、中心部の温度を下げないようにして中心部における着火性を確保しつつ、周辺部に供給されたＥＧＲガスによりその後の燃焼を緩慢化できる（図４で説明すると、（ｂ）の状態を維持することができる）。その結果、燃焼室１０の燃焼状態が効果的に緩慢化される。よって、ＥＧＲガスの導入時に懸念される失火を防止しつつ、騒音の緩和や機関の損傷の防止が可能となる。

また、外部噴射装置６０ｄからのＥＧＲガスは、圧縮行程において噴射されることで、燃焼室１０へ還流させている。これによると、ＥＧＲガスが拡散しにくく、燃焼室周辺部に保持されやすいためにＥＧＲガスの不均一性が保たれるので、第２運転領域において、着火性を維持しつつその後の燃焼をより効果的に緩慢化できる。より具体的には、ＥＧＲガスは、圧縮行程の中期に燃焼室１０へ還流させている。このタイミングは図４の（ｅ）の期間に相当する。これによると、圧縮行程中、ＥＧＲガスが筒内に均一に拡散してしまうことなく、（吸気ポート３０ｅによって形成される旋回流に乗りつつ）ＥＧＲガスが燃焼室の周辺部へ行き亘って保持されるので、第２運転領域において、燃焼室中心部での着火性がより確実に確保される。

次に、第３運転領域における予混合圧縮着火機関の動作について説明する。第３運転領域は、第２運転領域よりもさらに低トルクであり、この状態でＥＧＲガスを燃焼室１０に還流させると、図４の（ｃ）の状態となり、失火のおそれがある。そこで、第３運転領域においてはＥＧＲガスを燃焼室１０に供給しない。これにより、より低トルクの第３運転領域においても着火性を確保して、適度に緩慢化された燃焼状態（図４の（ｂ）の状態）を維持することができる。

以上のようにすることで、燃焼室１０の燃焼状態を効果的に緩慢化することができ、且つ、高トルクの運転領域において異常燃焼の抑制が可能な予混合圧縮着火機関１が得られる。そして、予混合圧縮着火機関１においては、トルク（燃料噴射量）及び回転数によって規定される少なくとも３種類の運転領域において、それぞれに適するようにＥＧＲガスを還流させること、または還流させないことにより、適度に緩慢化された燃焼状態を維持することができる。

ここで、これらの運転領域（図２参照）については、後述するようなＥＧＲガスの供給を実際に行なって、その結果得られる効果（着火性の確保と燃焼状態の緩慢化）から決定される。例えば、ＥＧＲガスを燃焼室１０の中心部に供給して、良好な燃焼状態（着火性が確保されつつ、燃焼状態が十分に緩慢化された状態）が得られるトルク・回転数の領域が、第１運転領域として決定される。ここで、運転領域の境界については、このように、トルク・エンジン回転数と、ＥＧＲガス供給状態に対応して得られる燃焼状態との関係に基づいて決定してもよいし、排気ポート３０ａの空気過剰率（混合気の空燃比／理想空燃比）や、騒音（Ｃ／Ｖ、Conversion Noise）に基づいて決定してもよい。

（第１変形例）
次に、本実施形態の変形例について、図５〜図７を用いつつ、上記の実施形態と異なる部分を中心に説明する。なお、上記の実施形態と同様の部分については、同一の符号を付してその説明を省略する。まず、第１変形例に係る予混合圧縮着火機関２においては、図５の（ａ）のように、中心部には外部ＥＧＲ噴射装置がなく、周辺部には、外部ＥＧＲ噴射装置２６０ｄが回転可能に設けられている。そして、第１運転領域では、図５（ａ）に示すように、外部ＥＧＲ噴射装置２６０ｄの噴射口が燃焼室１０の中心部方向に向けられ、ＥＧＲガスは燃焼室１０の中心部へ供給される（図５（ａ）の破線部、領域１０ｃ）。また、第２運転領域においては、図５（ｂ）に示すように、外部ＥＧＲ噴射装置２６０ｄの噴射口が、燃焼室１０の壁面に沿って流動させるような方向に向けられ、ＥＧＲガスは周辺部へ供給される（図５（ｂ）の領域１０ｄ）。このような構成とすることで、周辺部に設けられた外部ＥＧＲ噴射装置２６０ｄのみによって、着火性を維持しつつその後の燃焼を効果的に緩慢化でき、且つ、高トルクの運転領域において燃焼室１０の燃焼状態を十分に緩慢化でき、異常燃焼の抑制が可能となる。ここでは一つの噴射装置に一つの噴射口が設けられ、噴射装置を回転させることで、ＥＧＲガスの噴射方向を切り替えているが、一つの噴射装置に二つの噴射口が設けられ、これらの噴射口を切り替えることにより、噴射方向を切り替えるような構成にしてもよい。

（第２変形例）
次に、第２変形例に係る予混合圧縮着火機関３について、図６を用いて説明する。予混合圧縮着火機関３においては、周辺部の外部ＥＧＲ噴射装置が、図のように周辺部に、等間隔に４つ配置され、それぞれの噴射口が、ＥＧＲガスを同じ方向（図の時計回り方向）に流動させるような方向に向けられている。これによると、第２運転領域において、周辺部へＥＧＲガスを確実に行き亘らせることによって、より確実に燃焼室１０の燃焼状態の緩慢化をすることができる。また、吸気ポート３０ｅが旋回流を生じるように形成されていなくても、このような構成とすることで、ＥＧＲガスを確実に周辺部へ行き亘らせることができる。

なお、第２変形例として外部ＥＧＲ噴射装置が４つ配置されているものについて説明したが、周辺部にＥＧＲガスを供給できれば、外部ＥＧＲ噴射装置の数は４つ以外であってもよい。

（第３変形例）
次に、第３変形例に係る予混合圧縮着火機関４について、図７を用いつつ説明する。予混合圧縮着火機関４においては、燃焼室１０からの排気は、バルブ４７０ａを開放することで、迂回経路４３０の一部であるＥＧＲ通路４３０ｂへと導入され、その先に設けられた外部ＥＧＲ用過給機４８０ｂ（特開２００４−１００５０８号公報参照）の作用により、外部ＥＧＲ噴射装置４６０ｃ、４６０ｄからＥＧＲガスを燃焼室１０内に還流させる。ここで、還流するＥＧＲガスは、ＥＧＲクーラ４８１ａ、４８２ａにより冷却されている。このような構成とすることで、ＥＧＲガスの加圧に起因するエネルギロスを低減できる。また、本変形例においては、過給機８０ｃ前に戻るＥＧＲ通路は形成されていない。このような構成によっても、着火性を維持しつつその後の燃焼を効果的に緩慢化でき、且つ、高トルクの運転領域において燃焼室の燃焼状態を十分に緩慢化でき、異常燃焼の抑制が可能となる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について、図８〜図１４を用いつつ、上記の実施形態と異なる部分を中心に説明する。なお、上記の実施形態と同様の部分については、同一の符号を付してその説明を省略する。

本実施形態に係る予混合圧縮着火機関の動作について説明する。まず、運転領域分布を示す図８を用いて、本実施形態において想定する運転領域について説明する。図８に示すように、運転領域は、トルクとエンジン回転数との関係により規定される。図８のＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの領域は、それぞれ第１運転領域、第２運転領域、第３運転領域、第４運転領域を示している。そして、図から分かるように、高トルク側の運転領域から順に、第１運転領域（Ａ）、第４運転領域（Ｄ）、第２運転領域（Ｂ）、第３運転領域（Ｃ）となっている。ここで、本実施形態に係る第１及び第２運転領域は、第１実施形態の第１及び第２運転領域とは異なる領域である。また、本実施形態における第１、第２及び第３運転領域のＥＧＲガス供給状態は、それぞれ、第１実施形態の第１、第２及び第３運転領域のＥＧＲガス供給状態と同様である。

ここで、図８、図９を用いて、第１乃至第４運転領域におけるＥＧＲガスの供給状態について説明する。まず、図８に示しているように、第３（Ｃ）、第２（Ｂ）、第４（Ｄ）、第１（Ａ）運転領域の順に、ＥＧＲガス供給量の総量が大きくなる。また、図９は、各運転領域におけるＥＧＲガスの供給状態を表わしており、図の円は、それぞれが燃焼室１０を表わしており、図の斜線部分は、燃焼室１０に供給されたＥＧＲガスを表わしている。下に行くほどトルク・エンジン回転数が大きい。すなわち、上から、第３（Ｃ）、第２（Ｂ）、第４（Ｄ）、第１（Ａ）運転領域におけるＥＧＲガス供給状態を表わしている。また、第２、第４、第１運転領域については、それぞれについてトルク・エンジン回転数を２段階に分けてＥＧＲガス供給状態を示している。図９において、下に行くほど、ＥＧＲガスの供給量が大きい。そのため、図９からも、第３、第２、第４、第１運転領域の順に、ＥＧＲガス供給量が大きくなっていることが分かる。

以下、図９のそれぞれのＥＧＲガス供給状態について説明する。まず、第３運転領域Ｄにおいては、ＥＧＲガスは供給されない（図９（ａ）参照）。次に、第２運転領域においては、燃焼室内の周辺部へＥＧＲガスが供給される（図９（ｂ）参照）そして、第２運転領域において、トルク・エンジン回転数が大きくなると、燃焼室の周辺部へのＥＧＲガス供給量がさらに増大し、燃焼室１０内への均一供給状態へ近付く（第９（ｃ）参照）。次に、第４運転領域においては、ＥＧＲが、燃焼室１０内に均一に供給される（図９（ｄ）参照）。また、さらに、第４運転領域において、トルク・エンジン回転数が大きくなると、燃焼室１０内のＥＧＲガス供給量が増大する（図９（ｅ）参照）。このようにすることで、第１運転領域と第２運転領域の中間に位置する第４運転領域においても、燃焼室１０の燃焼状態を効果的に緩慢化することができる。

次に、第１運転領域においては、燃焼室１０中心部へのＥＧＲガスの供給が開始される（図９（ｆ）参照）。そして、第１運転領域において、さらにトルク・エンジン回転数が大きくなると、燃焼室１０中心部へのＥＧＲガスの供給量がさらに増大する（図９（ｇ）参照）。このように、各運転領域においてＥＧＲガスの供給状態を変化させることによって、燃焼室１０の燃焼状態を効果的に緩慢化することができ、且つ、高トルクの運転領域において異常燃焼の抑制が可能となる。

次に、各運転領域におけるＥＧＲガスの噴射条件について説明する。図１０、１１及び１２は、それぞれ、第２運転領域、第４運転領域及び第１運転領域におけるＥＧＲガスの噴射条件を表わした模式図である。まず、第２運転領域（Ｂ領域）では、トルク・エンジン回転数が大きくなるほど、ＥＧＲガスの噴射開始時期を早く、噴射圧力を高く、噴射期間を長くして、ＥＧＲガスの噴射を行なう（図１０参照）。このように、噴射開始時期を早期化することで、ＥＧＲガスの燃焼室１０への均一供給状態に近付き、また、噴射圧力を高く、噴射期間を長くすることで、ＥＧＲガスの供給量が増大する。

次に、第４運転領域（Ｄ領域）では、トルク・エンジン回転数が大きくなるほど、ＥＧＲガスの噴射開始時期を早く、噴射圧力を高く、噴射期間を長くして、ＥＧＲガスの噴射を行なう（図１１参照）。このように、噴射開始時期を早期化し、噴射圧力を高く、噴射期間を長くすることで、ＥＧＲガスの均一供給状態が保持されつつ、ＥＧＲガスの供給量が増大する。

次に、第１運転領域（Ａ領域）では、トルク・エンジン回転数が大きくなるほど、噴射圧力を高く、噴射期間を長くして、ＥＧＲガスの噴射を行なう（図１２参照）。ここでは、ＥＧＲガスを燃焼室１０の中心部へ保持するため、ＥＧＲガスの噴射開始時期は早すぎない方がよい。このように、噴射圧力を高く、噴射期間を長くすることで、ＥＧＲガス燃焼室中心部に保持されつつ、ＥＧＲガスの供給量が増大する。

次に、図１３、図１４のフローチャートを用いつつ、上記のＥＧＲガス供給の切り替え方法について説明する。まず、図１３を参照して、ＥＧＲガス供給の基本的な切り替え方法について説明する。本実施形態において、予混合圧縮着火機関には図示しないコンピュータが接続されており、当該コンピュータは、記憶部、決定部、制御部を有して構成されている。まず、初期状態において、上記の記憶部には、図８の運転領域マップが記憶されており、当該運転領域マップを参照して、上記決定部により、入力されたトルク・エンジン回転数に応じて、運転領域（ＥＧＲのモード）が決定される（図１３のステップＳ１０１）。具体的には、第１乃至第４運転領域のいずれかが決定される。そして、上記記憶部から、上記制御部により、決定された運転領域に対応するＥＧＲ制御マップが読み込まれる（ステップＳ１０２）。そして、読み込まれた当該制御マップに基づき、上記制御部により予混合圧縮着火機関が制御され、各運転領域に応じて、ＥＧＲガスが供給される（ステップＳ１０３）。このとき、各運転領域におけるＥＧＲガスの供給は、上記のように、ＥＧＲガスの供給状態（図９）、ＥＧＲガスの燃料噴射条件（図１０乃至１２）に従って行なわれる。

次に、図１４を参照して、ＥＧＲガス供給量補正機構を有するＥＧＲガス供給の切り替え方法について説明する。予混合圧縮着火機関に接続されたコンピュータの構造は、上記と同様であり、判定部をさらに有している。まず、初期状態において、上記記憶部には、図８の運転領域マップが記憶されており、当該運転領域マップを参照して、上記決定部により、入力されたトルク・エンジン回転数に応じて、運転領域（ＥＧＲのモード）が決定される（図１３のステップＳ２０１）。具体的には、第１乃至第４運転領域のいずれかが決定される。そして、決定された運転領域に対応するＥＧＲ制御マップが、上記の記憶装置から、上記制御部により読み込まれる（ステップＳ２０２）。そして、読み込まれた当該制御マップに基づき、上記制御部によって予混合圧縮着火機関が制御され、各運転領域に応じて、ＥＧＲガスが供給される（ステップＳ２０３）。このとき、各運転領域におけるＥＧＲガスの供給は、上記のように、ＥＧＲガスの供給状態（図９）、ＥＧＲガスの燃料噴射条件（図１０乃至１２）に従う。そして、次に、燃焼騒音、圧力上昇率、燃焼期間等が所定の範囲内に入っているかが、上記判定部により判定される（ステップＳ２０４）。このとき、これらのパラメータが所定範囲内にあればフローは終了し（ステップＳ２０４：ＹＥＳ）、これらのパラメータが所定範囲内になければ（ステップＳ２０４：ＮＯ）、ＥＧＲガス供給量の制御が行なわれる（ステップＳ３０１）。具体的には、燃焼騒音、圧力上昇率が所定値（ここで燃焼騒音の所定値とは、騒音を許容できるレベルに抑えつつ、効率を損なわないような値である）よりも大きければ、又は、燃焼期間が所定期間よりも短ければ、ＥＧＲガス供給量を増加させるように予混合圧縮着火機関が制御される。また、燃焼騒音、圧力上昇率が所定値よりも小さければ、又は、燃焼期間が所定期間よりも長ければ、ＥＧＲガス供給量を減少させるように予混合圧縮着火機関が制御される。これらの燃焼騒音、圧力上昇率、燃焼期間等のパラメータは、筒内圧センサ（ＥＧＲガス供給量補正機構）などによる計測又は計算により求められ、上記のように、これらの計測・計算をＥＧＲガス供給の制御に適用することで、ＥＧＲガス供給量のより高度な制御が可能となる。具体的には、燃焼騒音等を所定値以下に抑制しつつ、失火や燃焼効率低下を防止することが可能となる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々に変更して実施することができるものである。

例えば、本実施形態においては、ＥＧＲガスを外部ＥＧＲ噴射装置６０ｃ、６０ｄを用いて燃焼室１０内に噴射している。しかし、ＥＧＲガスを燃焼室に還流させることができればよく、還流方法は噴射には限られない。

また、本実施形態においては、ガスミキサによって予混合気を形成しているが、吸気ポートや燃焼室内にガスインジェクタを配置して均一予混合気を形成しても良い。また、燃料はガス燃料には限られず、液体燃料であってもよい。

また、本実施形態においては、一つの燃焼室に、吸気ポート及び排気ポートがそれぞれ二つずつ設けられているが、これらの数はこれには限られない。

本発明の第一実施形態に係る予混合圧縮着火機関の全体構成を示す断面模式図。 図１の予混合圧縮着火機関の運転領域を示す模式図。 （ａ）は、図１の予混合圧縮着火機関における第１運転領域でのＥＧＲガスの噴射状態を示す模式説明図。（ｂ）は、図１の予混合圧縮着火機関における第２運転領域でのＥＧＲガスの噴射状態を示す模式説明図。 本発明の一実施形態におけるクランク角度と燃焼室内圧との関係を示す模式図。 図１の予混合圧縮着火機関の第１変形例を示す模式説明図。（ａ）は第１運転領域でのＥＧＲガスの噴射状態を示す模式説明図。（ｂ）は第２運転領域でのＥＧＲガスの噴射状態を示す模式説明図。 図１の予混合圧縮着火機関の第２変形例における第２運転領域でのＥＧＲガスの噴射状態を示す模式断面図。 図１の予混合圧縮着火機関の第３変形例における全体構成を示す断面模式図。 本発明の第２実施形態に係る予混合圧縮着火機関の運転領域を示す模式図。 第２実施形態に係る予混合圧縮着火機関において、各運転領域におけるＥＧＲガスの供給状態を表わす模式図。 第２実施形態に係る予混合圧縮着火機関において、第２運転領域におけるＥＧＲガスの噴射条件を表わす模式図。 第２実施形態に係る予混合圧縮着火機関において、第４運転領域におけるＥＧＲガスの噴射条件を表わす模式図。 第２実施形態に係る予混合圧縮着火機関において、第１運転領域におけるＥＧＲガスの噴射条件を表わす模式図。 第２実施形態に係る予混合圧縮着火機関において、ＥＧＲガス供給の基本的な切り替え方法を示すフローチャート。 第２実施形態に係る予混合圧縮着火機関において、ＥＧＲガス供給量補正機構を有するＥＧＲガス供給の切り替え方法を示すフローチャート。

符号の説明

１、２、３、４ 予混合圧縮着火機関
１０ 燃焼室
３０、４３０ 迂回経路
６９ｃ、６０ｄ、２６０ｄ、３６０ａ〜３６０ｄ、４６０ｃ、４６０ｄ 外部ＥＧＲ噴射装置

Claims (7)

1. 燃焼室と前記燃焼室にて燃焼した混合気を排出する排気通路を有する予混合圧縮着火機関であって、
   上流端が前記排気通路に連通し、下流端が前記燃焼室に連通する迂回経路を経由してＥＧＲガスとして前記燃焼室へ直接還流させ、
   前記ＥＧＲガスは、第１運転領域においては、前記燃焼室の中心部へ供給され、前記第１運転領域よりも低トルクの第２運転領域においては、前記燃焼室の壁面に沿って流動するように供給されることを特徴とする予混合圧縮着火機関。
2. 前記ＥＧＲガスは、圧縮行程において噴射されることで、前記燃焼室へ還流することを特徴とする請求項１に記載の予混合圧縮着火機関。
3. 前記ＥＧＲガスは、前記第１運転領域においては、圧縮行程の中乃至後期に前記燃焼室へ還流することを特徴とする請求項１又は２に記載の予混合圧縮着火機関。
4. 前記ＥＧＲガスは、前記第２運転領域においては、圧縮行程の中期に前記燃焼室へ還流することを特徴とする請求項１又は２に記載の予混合圧縮着火機関。
5. 前記ＥＧＲガスは、前記第２運転領域よりもさらに低トルクの第３運転領域では、前記燃焼室へ供給されないことを特徴とする請求４に記載の予混合圧縮着火機関。
6. 前記運転領域が、前記燃焼室への燃料噴射量と機関回転数との関係により規定されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の予混合圧縮着火機関。
7. 前記第１運転領域よりも低トルクで、且つ、前記第２運転領域よりも高トルクの第４運転領域においては、前記ＥＧＲガスは、前記燃焼室内に均一に供給されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の予混合圧縮着火機関。
   

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