JP2011144694A - 内燃機関の吸気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ノッキングを可能な限り抑制し、それにより、ドライバビリティ、燃費および排ガス特性を向上させることができる内燃機関の吸気装置を提供する。
【解決手段】この内燃機関３の吸気装置１は、シリンダヘッド３ｃに形成され、気筒３ａ内に連通する吸気ポート５と、排気通路６に排出された排ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気ポート５に還流させるためのＥＧＲ通路４１と、気筒３ａ内に新気を供給するための新気通路４と、を備え、吸気ポート５は、隔壁９によって上段吸気ポート５ａおよび下段吸気ポート５ｂに分割されており、上段吸気ポート５ａにＥＧＲ通路４１のみが接続され、下段吸気ポート５ｂに新気通路が接続されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、気筒内に気体を吸入する内燃機関の吸気装置に関する。

従来のこの種の吸気装置として、例えば特許文献１に開示されたものが知られている。この吸気装置は、燃焼室に連通する吸気ポートを備えており、この吸気ポートの燃焼室に近い部分は、左右２つの吸気ポート部に分割されている。これらの吸気ポート部の一方にはＥＧＲ通路が接続されており、排気通路に排出された排ガスの一部がＥＧＲガスとして、ＥＧＲ通路および一方の吸気ポート部を介して燃焼室に還流する。吸気ポートの２つの吸気ポート部よりも上流側には、インジェクタが設けられており、インジェクタから噴射された燃料がそれぞれの吸気ポート部を介して燃焼室に供給される。以上の構成により、燃焼室には、一方の吸気ポート部を介してＥＧＲガス、および新気と燃料との混合気が吸入され、他方の吸気ポート部を介して混合気のみが吸入される。また、吸気の際には、それぞれの吸気ポート部によって縦方向の渦流であるタンブル流が形成される。これにより、燃焼室内の一方の吸気ポート部側に主にＥＧＲガスと混合気を存在させ、他方の吸気ポート部側に主に混合気のみを存在させる。

燃焼室の天壁には、それぞれの吸気ポート部に対向するように２つの点火プラグが設けられており、一方の点火プラグにより、一方の吸気ポート部側のＥＧＲガスおよび混合気に点火した後、他方の点火プラグにより、他方の吸気ポート部側の混合気に点火することによって、火花点火燃焼が行われる。このように、従来の吸気装置では、ＥＧＲガスと混合気が混在する、燃焼速度が比較的遅い燃焼室内の部分で先に点火を行わせ、その後、混合気のみが存在する、燃焼速度が比較的速い燃焼室内の部分で点火を行わせる。これにより、ＥＧＲガスが還流する場合の火炎伝播の時間を短縮するようにしている。

また、従来の他の内燃機関の吸気装置として、例えば特許文献２に開示されたものが知られている。この吸気装置は、吸気ポートを備えており、この吸気ポートは、第１隔壁によって上下に仕切られた上側のタンブルポートと下側のバイパスポートを有している。タンブルポートは、２つの隔壁によって、中央ポートとその左右の側ポートに３分割されている。中央ポートにはインジェクタが設けられており、インジェクタから噴射された燃料が中央ポートを介して燃焼室に供給される。以上の構成により、燃焼室には、中央ポートを介して新気と燃料との混合気が吸入され、左右の側ポートを介して新気が吸入される。また、バイパスポートには制御弁が設けられ、燃焼室の天壁中央には、点火プラグが設けられている。

この吸気装置では、内燃機関が低速・低負荷状態のときには、制御弁を制御することによって、バイパスポートを全閉状態にすることにより、バイパスポートを介した新気の吸入が停止される。これにより、中央ポートを通った混合気のタンブル流が形成され、左右の側ポートを通った新気のタンブル流が形成されることによって、燃焼室内の中央には主として混合気が分布し、その左右に主として新気が分布し、全体として左右方向に層状に形成される。これにより、点火プラグ付近に混合気を分布させることによって、燃焼の安定化と運転性の向上を図るようにしている。

特開２００６−９６６０号公報 特開平６−１５９０７９号公報

ノッキングが発生する主要な原因は、燃焼室に吸入された気体のうち、燃焼の末期に燃焼すべき気体（以下「エンドガス」という）の一部が早期に自己着火によって燃焼することである。また、このエンドガスは通常、気筒内の内壁付近に存在する。これに対し、特許文献１の吸気装置では、左右の吸気ポート部の一方を介してＥＧＲガスと混合気が吸入され、他方の吸気ポート部を介して混合気のみが吸入される。また、特許文献２の吸気装置では、中央ポートを介して混合気が吸入され、左右の側ポートを介して新気が吸入される。このため、気筒内の内壁付近に混合気や新気が分布することによって、これらがエンドガスに多く含まれやすくなる。そのような場合には、燃焼温度の上昇に伴ってノッキングが発生しやすくなり、ドライバビリティや燃費、排ガス特性が悪化するおそれがある。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、ノッキングを可能な限り抑制し、それにより、ドライバビリティ、燃費および排ガス特性を向上させることができる内燃機関の吸気装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、請求項１に係る発明は、気筒３ａ内に新気を含む気体を吸入する内燃機関３の吸気装置１であって、シリンダヘッド３ｃに形成され、気筒３ａ内に連通する吸気ポート５と、排気通路６に排出された排ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気ポート５に還流させるためのＥＧＲ通路４１と、気筒３ａ内に新気を供給するための新気通路（実施形態における（以下、本項において同じ）吸気通路４）と、を備え、吸気ポート５は、隔壁９によって上段吸気ポート５ａおよび下段吸気ポート５ｂに分割されており、上段吸気ポート５ａにＥＧＲ通路４１のみが接続され、下段吸気ポート５ｂに新気通路が接続されていることを特徴とする。

この内燃機関の吸気装置によれば、気筒内に連通する吸気ポートは、隔壁によって上段吸気ポートおよび下段吸気ポートに分割されている。上側の上段吸気ポートには、ＥＧＲ通路のみが接続されており、これらのＥＧＲ通路および上段吸気ポートを介して、排気通路に排出された排ガスの一部をＥＧＲガスとして気筒内に還流させる。また、下側の下段吸気ポートには、新気通路が接続されており、これらの新気通路および下段吸気ポートを介して気筒内に新気が供給される。

以上のように、上側の上段吸気ポートからＥＧＲガスのみを気筒内に供給し、下側の下段吸気ポートから新気のみを気筒内に供給する。このため、ＥＧＲガスは、気筒内の内壁に沿って、新気を取り囲むように気筒内に流入する。これにより、気筒内の中央には主として新気が分布し、気筒内の内壁付近には主としてＥＧＲガスが分布し、成層化する。このようにして成層化された新気およびＥＧＲガスの燃焼は、中央の新気の部分から開始され、それに伴い、ＥＧＲガスの部分に至る。

前述したように、エンドガスは気筒内の内壁付近に存在する。このため、気筒内の内壁付近にＥＧＲガスを分布させることによって、エンドガスをＥＧＲガスで構成することができる。これにより、エンドガスの早期の自己着火を、可能な限り回避することができる。それにより、ノッキングを抑制できる結果、ドライバビリティ、燃費および排ガス特性を向上させることができる。

また、新気とＥＧＲガスを成層化するとともに、新気の部分から燃焼を開始させるので、燃焼速度、ひいては燃焼効率を向上させることができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の内燃機関３の吸気装置１において、上段吸気ポート５ａから気筒３ａ内に流入するＥＧＲガスによって、気筒３ａの内壁に沿って流れるＥＧＲガスのタンブル流が形成されることを特徴とする。

この構成によれば、ＥＧＲガスは、上段吸気ポートから気筒内に流入する際、気筒の内壁に沿うようにタンブル流を形成する。このため、気筒内の内壁付近にＥＧＲガスを確実に分布させることによって、ＥＧＲガスで新気を確実に取り囲むことができる。

請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載の内燃機関３の吸気装置１において、下段吸気ポート５ｂに向かって燃料を噴射するポート噴射用インジェクタ（ポート燃料噴射弁１０）をさらに備えることを特徴とする。

この構成によれば、ポート噴射用インジェクタは下段吸気ポートに向かって燃料を噴射するので、燃料と新気の混合時間を長く確保でき、燃料と新気との混合気の濃度の均一化を促進することができる。これにより、混合気の燃焼を安定して行うことができる。また、燃料を下段吸気ポートに向かって噴射することにより、エンドガス部に存在するＥＧＲガスへの燃料の混入を抑制でき、火炎伝播によりエンドガスが再圧縮されても自着火には至らず、ノッキングをより確実に抑制することができる。

請求項４に係る発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の内燃機関３の吸気装置１において、内燃機関３は、燃焼モードとして圧縮着火燃焼モードを有し、気筒３ａ内に直接、燃料を噴射する筒内噴射用インジェクタ（筒内燃料噴射弁１１）と、ＥＧＲガスの還流量を制御するＥＧＲ制御手段（ＥＣＵ２、第１ＥＧＲ制御弁１３、第２ＥＧＲ制御弁４２）と、をさらに備え、燃焼モードが圧縮着火燃焼モードのときに、筒内噴射用インジェクタから気筒３ａ内に燃料を噴射し、ＥＧＲ制御手段は、ＥＧＲガスの還流量を減少側に制御することを特徴とする。

圧縮着火による燃焼は、燃費を向上させるなどの観点から行われるものである。本発明によれば、燃焼モードが圧縮着火燃焼モードのときに、筒内噴射用インジェクタによって気筒内に燃料を直接、噴射するので、ポート噴射用インジェクタによる場合と比較して、燃料と新気の成層化が促進される。このように成層化された燃料および新気の圧縮着火による燃焼は、燃料の部分から開始され、新気の部分に至る。また、圧縮着火燃焼モードのときに、ＥＧＲガスの還流量を減少側に制御するので、ＥＧＲガスによるタンブル流が弱くなり、ＥＧＲガスによって燃料と新気が混合されるのを抑制することができる。その結果、燃料と新気の成層化状態を良好に維持でき、圧縮着火燃焼を安定して行うことができる。

請求項５に係る発明は、請求項４に記載の内燃機関３の吸気装置１において、気筒３ａ内の燃焼によって発生した既燃ガスを気筒３ａ内に存在させる内部ＥＧＲを実行するための内部ＥＧＲ手段（ＥＣＵ２、内部ＥＧＲ装置５０）をさらに備え、内部ＥＧＲ手段は、燃焼モードが圧縮着火燃焼モードのときに、内部ＥＧＲを実行することを特徴とする。

この構成によれば、圧縮着火燃焼モードのときに、内部ＥＧＲを実行することによって、気筒内の燃焼によって発生した既燃ガスを気筒内に存在させる。これにより、既燃ガスによって気筒内の温度を高め、圧縮着火に必要な温度を確保できる結果、圧縮着火による燃焼をより安定して行うことができる。

請求項６に係る発明は、請求項４または５に記載の内燃機関３の吸気装置１において、ＥＧＲ制御手段は、上段吸気ポート５ａに設けられ、上段吸気ポート５ａの開口面積を変更可能な第１ＥＧＲ制御機構（第１ＥＧＲ制御弁１３）を有することを特徴とする。

この構成によれば、第１ＥＧＲ制御機構により、上段吸気ポートの開口面積を変更することによって、気筒内に吸入されるＥＧＲガスの還流量が制御される。第１ＥＧＲ制御機構は、上段吸気ポートに設けられているので、気筒までの距離が比較的短い。このため、上段吸気ポートの開口面積が変更された場合、気筒内に吸入されるＥＧＲガスの応答遅れの影響を抑制することができる。

また、気筒内のピストンの上死点から下死点への移動に伴って、吸気ポートには負圧が作用する。本発明によれば、上段吸気ポートに第１ＥＧＲ制御機構を設けるので、気筒内のピストンの動作に伴う負圧を利用して、排気通路との差圧を十分に確保できる結果、ＥＧＲガスを気筒内に十分に吸入させることができる。さらに、ピストンの動作によって排気通路との差圧を確保するので、所望のＥＧＲガスを吸入するために、別途に負圧を制御する必要がなく、それに伴うポンピングロスを抑制することができる。

請求項７に係る発明は、請求項６に記載の内燃機関３の吸気装置１において、ＥＧＲ制御手段は、ＥＧＲ通路４１に設けられ、ＥＧＲ通路４１の開口面積を変更可能な第２ＥＧＲ制御機構（第２ＥＧＲ制御弁４２）をさらに有し、気筒３ａ内へのＥＧＲガスの還流動作を停止すべきか否かを判定する判定手段（ＥＣＵ２、図８のステップ３１）をさらに備え、判定手段によってＥＧＲガスの還流動作を停止すべきと判定されているときに、第１ＥＧＲ制御機構によって変更される上段吸気ポート５ａの開口面積をほぼ０に制御し、第２ＥＧＲ制御機構によって変更されるＥＧＲ通路４１の開口面積を減少側の所定の面積に制御することを特徴とする。

この構成によれば、ＥＧＲ通路に設けられた第２ＥＧＲ制御機構により、ＥＧＲ通路の開口面積を変更することによって、上段吸気ポートに供給されるＥＧＲガスの量が制御される。また、気筒内へのＥＧＲガスの還流動作を停止すべきと判定されているときには、第１ＥＧＲ制御機構によって変更される上段吸気ポートの開口面積がほぼ０に制御され、第２ＥＧＲ制御機構によって変更されるＥＧＲ通路の開口面積が減少側の所定の面積に制御される。

前述したように、第１ＥＧＲ制御機構は上段吸気ポートに設けられているので、ピストンの動作に伴う負圧による圧力が第１ＥＧＲ制御機構に作用し、特に、この圧力は、上段吸気ポートの開口面積を減少させるほど、より大きく作用するため、第１ＥＧＲ制御機構の上流側と下流側との差圧も大きくなる。このような場合、第１ＥＧＲ制御機構による上段吸気ポートのシール性は低下しやすい。このような観点に基づき、本発明によれば、気筒内へのＥＧＲガスの還流動作を停止すべきと判定されているときには、第２ＥＧＲ制御機構によって変更されるＥＧＲ通路の開口面積を減少側の所定の面積に制御するので、上段吸気ポートの開口面積をほぼ０に制御しても、第１ＥＧＲ制御機構の上流側と下流側との上段吸気ポートの差圧を小さくでき、第１ＥＧＲ制御機構による上段吸気ポートのシール性を確保することができる。

また、ＥＧＲ通路の開口面積を減少側に制御することで、ＥＧＲ通路はある程度、開放されているので、第１ＥＧＲ制御機構と第２ＥＧＲ制御機構との間にＥＧＲガスを満たしておくことができる。これにより、ＥＧＲガスの還流動作が再開され、多量のＥＧＲガスが要求された場合にも、それに応答よく追従して気筒内にＥＧＲガスを適切に供給させることができる。

本発明を適用した内燃機関の構成を概略的に示す図である。 吸気装置の概略構成を示すブロック図である。 図１の部分拡大図である。 燃焼制御処理を示すメインフローである。 図４の処理で用いられるマップの一例を示す図である。 ＥＧＲ制御処理を示すメインフローである。 目標外部ＥＧＲ量の算出処理を示すサブルーチンである。 外部ＥＧＲ制御処理を示すサブルーチンである。 内部ＥＧＲ制御処理を示すサブルーチンである。

以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態による吸気装置１、およびこれを適用した内燃機関（以下「エンジン」という）３の概略構成を示している。このエンジン３は、車両（図示せず）に搭載されたガソリンエンジンであり、例えば４つの気筒３ａ（１つのみ図示）を有している。各気筒３ａのピストン３ｂとシリンダヘッド３ｃとの間には、燃焼室３ｄが形成されている。なお、ピストン３ｂの頂面は平らに形成されている。

エンジン３のシリンダヘッド３ｃには、吸気通路４および排気通路６が接続されるとともに、気筒３ａごとに、筒内燃料噴射弁１１および点火プラグ１２（図２参照）が、燃焼室３ｄに臨むように取り付けられている。各筒内燃料噴射弁１１は、後述する吸気ポート５の下側に設けられており、燃焼室３ｄ内に燃料を直接、噴射する。筒内燃料噴射弁１１による燃料噴射量および燃料噴射時期と点火プラグ１２の点火時期は、後述するＥＣＵ２によって制御される。

また、エンジン３には、筒内燃料噴射弁１１に加え、ポート燃料噴射弁１０が気筒３ａごとに設けられている。各ポート燃料噴射弁１０は、吸気マニホルド４ａに取り付けられ、吸気ポート５の後述する下段吸気ポート５ｂに臨んでいる。ポート燃料噴射弁１０による燃料噴射量および燃料噴射時期もまた、ＥＣＵ２によって制御される。

また、このエンジン３では、燃焼モードとして、火花点火燃焼モード（以下「ＳＩ燃焼モード」という）と圧縮着火燃焼モード（以下「ＣＩ燃焼モード」という）を有し、その切替は、ＥＣＵ２によって制御される。ＳＩ燃焼モードは、ポート燃料噴射弁１０から燃料を吸気行程中に噴射することにより生成された、燃料と新気との混合気を、点火プラグ１２による火花点火によって燃焼させるものである。これに対し、ＣＩ燃焼モードは、筒内燃料噴射弁１１から燃料を噴射することにより、後述するように成層化された新気と燃料を、自己着火によって燃焼させるものである。

図３に示すように、吸気ポート５は、シリンダヘッド３ｃに形成されている。吸気ポート５には、左右方向に延びる隔壁９が設けられており、この隔壁９によって、吸気ポート５は、上側の上段吸気ポート５ａと下側の下段吸気ポート５ｂに分割されている。なお、この隔壁９は、上段吸気ポート５ａの開口面積が吸気ポート５の開口面積に対して所定割合（例えば２０％）になる位置に設けられている。

上段吸気ポート５ａには、後述する外部ＥＧＲ装置４０のＥＧＲ通路４１が接続されるとともに、第１ＥＧＲ制御弁１３が回動自在に設けられている。第１ＥＧＲ制御弁１３の開度（以下「ＥＧＲ弁開度」という）ＤＥＧＲは、ＥＣＵ２からの制御入力に応じて制御される。ＥＧＲ弁開度ＤＥＧＲは、ＥＧＲ弁開度センサ２１によって検出され、その検出信号はＥＣＵ２に出力される。

下段吸気ポート５ｂには、吸気マニホルド４ａを介して吸気通路４が接続されている。これにより、吸気通路４に吸入された新気は、下段吸気ポート５ｂを介して気筒３ａ内に供給される。

排気通路６には、フィルタ１４が設けられている。フィルタ１４は、排ガス中の煤などのＰＭを捕集することによって、大気中に排出されるＰＭの量を低減する。

外部ＥＧＲ装置４０は、排気通路６に排出された排ガスの一部を外部ＥＧＲガスとして上段吸気ポート５ａに還流させるものであり、上段吸気ポート５ａと排気通路６のフィルタ１４よりも下流側とに接続されたＥＧＲ通路４１と、このＥＧＲ通路４１を開閉する第２ＥＧＲ制御弁４２などで構成されている。ＥＧＲ通路４１は、吸気マニホルド４ａに形成されたＥＧＲ通路部４１ａと、このＥＧＲ通路部４１ａと排気通路６とに接続されたＥＧＲ管４１ｂで構成されており、ＥＧＲ通路部４１ａが上段吸気ポート５ａに連通している。

第２ＥＧＲ制御弁４２は、リフトが連続的に変化する電磁弁で構成されている。第２ＥＧＲ制御弁４２のリフト（以下「ＥＧＲリフト」という）ＬＥＧＲは、ＥＣＵ２からの制御入力に応じて制御される。ＥＧＲリフトＬＥＧＲは、ＥＧＲリフトセンサ２２によって検出され、その検出信号はＥＣＵ２に出力される。

以上の構成により、第１ＥＧＲ制御弁１３および第２ＥＧＲ制御弁４２を制御することによって、ＥＧＲ通路４１および上段吸気ポート５ａを介して気筒３ａ内に供給される排ガスの還流量（以下「外部ＥＧＲ量」という）ＧＥＧＲＥＸが制御される。

第１および第２ＥＧＲ制御弁１３，４２が開弁されると、外部ＥＧＲガスは、ＥＧＲ通路４１を通った後、上段吸気ポート５ａを介して気筒３ａ内に流入する。このとき、外部ＥＧＲガスは、排気弁８側の内壁に沿うように下方に案内されながら気筒３ａに流入し、ピストン３ｂの頂面に沿って吸気弁７側に案内される。その結果、外部ＥＧＲガスは、図３に実線Ａで示すように、タンブル流を形成しながら気筒３ａ内に流入する。これにより、気筒３ａ内には、下段吸気ポート５ｂを介して吸入された新気と燃料との混合気を取り囲むように混合気と外部ＥＧＲガスが成層化される。この成層化された混合気と外部ＥＧＲガスの燃焼は、中央の混合気の部分から開始され、外側の外部ＥＧＲガスの部分に至る。

ＥＧＲ通路４１には、ＥＧＲ圧センサ２３およびＥＧＲ温度センサ２４が設けられている。ＥＧＲ圧センサ２３は、ＥＧＲ通路４１内の圧力（以下「ＥＧＲ圧」という）ＰＥＧＲを検出し、それを表す検出信号をＥＣＵ２に出力する。ＥＧＲ温度センサ２４は、ＥＧＲ通路４１内の温度（以下「ＥＧＲ温度」という）ＴＥＧＲを検出し、それを表す検出信号をＥＣＵ２に出力する。

また、エンジン３は、気筒３ａ内で燃焼により発生した既燃ガスの一部を気筒３ａ内に残留させる内部ＥＧＲを実行するための内部ＥＧＲ装置５０を備えている。内部ＥＧＲ装置５０は、排気カムシャフト５１および排気カム位相可変機構５２などを備えている。

排気カムシャフト５１は、排気スプロケットおよびタイミングチェーン（いずれも図示せず）を介して、クランクシャフト３ｅに連結されており、クランクシャフト３ｅが２回転するごとに１回転する。

排気カム位相可変機構５２は、排気カムシャフト５１のクランクシャフト３ｅに対する相対的な位相（以下「排気カム位相」という）ＣＡＥＸを無段階に進角側または遅角側に変更するものである。その構成は、本出願人が特開２００５−３１５１６１号公報で既に提案したものと同様であるので、以下、その概略を簡単に説明する。

この排気カム位相可変機構５２は、排気カムシャフト５１の排気スプロケット側の端部に設けられており、電磁弁５３と、これを介して油圧が供給される進角室および遅角室（いずれも図示せず）などを備えている。この電磁弁５３は、ＥＣＵ２からの位相制御入力に応じて、進角室および遅角室に供給する油圧を変化させることで、排気カム位相ＣＡＥＸを所定の最遅角値と所定の最進角値との間で無段階に連続的に変化させる。これにより、排気弁８の開閉タイミングが、最遅角タイミングと最進角タイミングの間で、無段階に変更されることによって、気筒３ａ内に残留する既燃ガスの量（以下「内部ＥＧＲ量」という）ＧＥＧＲＩＮが制御される。

排気カムシャフト５１の排気カム位相可変機構５２と反対側の端部には、カム角センサ２５が設けられている。このカム角センサ２５は、排気カムシャフト５１の回転に伴い、パルス信号であるＣＡＭ信号を所定のカム角（例えば１゜）ごとにＥＣＵ２に出力する。ＥＣＵ２は、このＣＡＭ信号および後述するＣＲＫ信号に基づき、排気カム位相ＣＡＥＸを算出する。

また、エンジン３には、クランク角センサ２６が設けられている。このクランク角センサ２６は、クランクシャフト３ｅの回転に伴い、パルス信号であるＣＲＫ信号およびＴＤＣ信号をＥＣＵ２に出力する。

ＣＲＫ信号は、所定クランク角（例えば３０°）ごとに出力される。ＥＣＵ２は、このＣＲＫ信号に基づき、エンジン３の回転数（以下「エンジン回転数」という）ＮＥを算出する。また、ＴＤＣ信号は、いずれかの気筒３ａにおいてピストン３ｂが吸気行程の開始時の上死点よりも若干、手前の所定のクランク角位置にあることを表す信号であり、本実施形態のようにエンジン３が４気筒の場合には、クランク角１８０゜ごとに出力される。

吸気通路４には、上流側から順に、エアフローセンサ２７、吸気温センサ２８および吸気圧センサ２９が設けられている。エアフローセンサ２７は、エンジン３に吸入される新気量ＧＡＩＲを検出し、それを表す検出信号をＥＣＵ２に出力する。吸気温センサ２８は、吸気通路４内の温度（以下「吸気温」という）ＴＡを検出し、それを表す検出信号をＥＣＵ２に出力する。吸気圧センサ２９は、吸気通路４内の圧力（以下「吸気圧」という）ＰＢを検出し、それを表す検出信号をＥＣＵ２に出力する。

また、エンジン３の本体には、水温センサ３０が設けられている。この水温センサ３０は、エンジン３のシリンダブロック３ｆ内を循環する冷却水の温度（以下「エンジン水温」という）ＴＷを検出し、それを表す検出信号をＥＣＵ２に出力する。

ＥＣＵ２には、アクセル開度センサ３１から、車両のアクセルペダル（図示せず）の踏み込み量（以下「アクセル開度」という）ＡＰを表す検出信号が出力される。

ＥＣＵ２は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭおよびＩ／Ｏインターフェースなどから成るマイクロコンピュータ（いずれも図示せず）で構成されている。ＥＣＵ２は、前述した各種のセンサ２１〜３１の検出信号などに応じて判別したエンジン３の運転状態に応じて、エンジン３の燃焼モードを、ＳＩ燃焼モードまたはＣＩ燃焼モードに決定するとともに、決定した燃焼モードに応じて、燃焼制御を実行する。また、ＥＣＵ２は、外部ＥＧＲ量ＧＥＧＲＥＸおよび内部ＥＧＲ量ＧＥＧＲＩＮを制御するＥＧＲ制御を実行する。

なお、本実施形態では、ＥＣＵ２が、ＥＧＲ制御手段、内部ＥＧＲ手段および判定手段に相当する。

図４は、上述した燃焼制御処理を示すフローチャートである。本処理は、ＴＤＣ信号の発生に同期して実行される。本処理では、まずステップ１（「Ｓ１」と図示。以下同じ）において、エンジン３がＣＩ燃焼を実行すべき運転領域（以下「ＨＣＣＩ領域」という）にあるか否かを判別する。この判別は、図５に示すマップに基づき、エンジン回転数ＮＥおよび要求トルクＰＭＣＭＤに応じて行われる。このマップでは、ＨＣＣＩ領域は、エンジン回転数ＮＥが低〜中回転域にあり、かつ要求トルクＰＭＣＭＤが低〜中負荷域にある運転領域に設定されている。なお、要求トルクＰＭＣＭＤは、エンジン回転数ＮＥおよびアクセル開度ＡＰに応じ、所定のマップ（図示せず）を検索することによって算出される。

このステップ１の判別結果がＮＯで、エンジン３がＨＣＣＩ領域にないときには、燃焼モードをＳＩ燃焼モードに決定し、ＳＩ燃焼制御を実行した（ステップ２）後、本処理を終了する。

このＳＩ燃焼制御では、エンジン回転数ＮＥおよび要求トルクＰＭＣＭＤに応じて算出した燃料噴射量の燃料が、ポート燃料噴射弁１０から下段吸気ポート５ｂに向かって噴射される。これにより、噴射された燃料と吸気通路４を介して吸入された新気が下段吸気ポート５ｂ内で混合されることで混合気が生成され、気筒３ａに供給される。この混合気は、前述したように、点火プラグ１２による火花点火によって燃焼される。

一方、ステップ１の判別結果がＹＥＳで、エンジン３がＨＣＣＩ領域にあるときには、燃焼モードをＣＩ燃焼モードに決定し、ＣＩ燃焼制御を実行した（ステップ３）後、本処理を終了する。

このＣＩ燃焼制御では、エンジン回転数ＮＥおよび要求トルクＰＭＣＭＤに応じて算出した燃料噴射量の燃料が、筒内燃料噴射弁１１から気筒３ａ内に直接、噴射される。これにより、燃料と新気が成層化され、このように成層化された燃料および新気の圧縮着火による燃焼は、燃料の部分から開始され、新気の部分に至る。

図６は、前述したＥＧＲ制御処理を示すフローチャートである。本処理は、ＴＤＣ信号の発生に同期して実行される。本処理では、まずステップ１１において、燃焼モードがＣＩ燃焼モードであるか否かを判別する。この判別結果がＮＯで、燃焼モードがＳＩ燃焼モードのときには、外部ＥＧＲ量ＧＥＧＲＥＸの目標となる目標外部ＥＧＲ量ＧＥＧＲＥＸＣＭＤを算出する（ステップ１２）。

図７は、この目標外部ＥＧＲ量ＧＥＧＲＥＸＣＭＤの算出処理を示すサブルーチンである。本処理では、まずステップ２１において、エンジン３が、外部ＥＧＲ装置４０による外部ＥＧＲガスの還流動作を実行すべき運転領域（以下「外部ＥＧＲ領域」という）にあるか否かを判別する。この判別は、エンジン水温ＴＷ、エンジン回転数ＮＥおよび吸気温ＴＡに応じ、所定のマップ（図示せず）を検索することによって、行われる。

このステップ２１の判別結果がＮＯで、エンジン３が外部ＥＧＲ領域にないときには、目標外部ＥＧＲ量ＧＥＧＲＥＸＣＭＤを値０に設定し（ステップ２２）、本処理を終了する。

一方、ステップ２１の判別結果がＹＥＳで、エンジン３が外部ＥＧＲ領域にあるときには、エンジン回転数ＮＥおよび吸気圧ＰＢに応じ、所定のマップ（図示せず）を検索することによって、目標外部ＥＧＲ量ＧＥＧＲＥＸＣＭＤを算出し（ステップ２３）、本処理を終了する。

図６に戻り、前記ステップ１２に続くステップ１３では、内部ＥＧＲ量ＧＥＧＲＩＮの目標となる目標内部ＥＧＲ量ＧＥＧＲＩＮＣＭＤを値０に設定する。

一方、前記ステップ１１の判別結果がＹＥＳで、燃焼モードがＣＩ燃焼モードのときには、目標外部ＥＧＲ量ＧＥＧＲＥＸＣＭＤを値０に設定する（ステップ１４）とともに、エンジン回転数ＮＥおよび要求トルクＰＭＣＭＤに応じ、所定のマップ（図示せず）を検索することによって、目標内部ＥＧＲ量ＧＥＧＲＩＮＣＭＤを算出する（ステップ１５）。

ステップ１３または１５に続くステップ１６では、外部ＥＧＲ装置４０による外部ＥＧＲ制御を実行した後、内部ＥＧＲ装置５０による内部ＥＧＲ制御を実行し（ステップ１７）、本処理を終了する。

図８は、外部ＥＧＲ制御処理を示すサブルーチンである。本処理では、まずステップ３１において、外部ＥＧＲ装置４０による外部ＥＧＲガスの還流動作が停止中であるか否かを判別する。具体的には、目標外部ＥＧＲ量ＧＥＧＲＥＸＣＭＤが値０のときに、外部ＥＧＲガスの還流動作が停止中であると判別される。この判別結果がＹＥＳで、外部ＥＧＲガスの還流動作が停止中であるときには、第１ＥＧＲ制御弁１３を全閉状態に制御する（ステップ３２）。これにより、上段吸気ポート５ａの開口面積が０になり、上段吸気ポート５ａを介した気筒３ａ内への外部ＥＧＲガスの流入が阻止される。

次に、ＥＧＲリフトＬＥＧＲの目標となる目標ＥＧＲリフトＬＥＧＲＣＭＤを所定値ＬＲＥＦに設定する（ステップ３３）。この所定値ＬＲＥＦは、第２ＥＧＲ制御弁４２の全閉開度よりも若干、大きな値に設定されている。次いで、検出したＥＧＲリフトＬＥＧＲが目標ＥＧＲリフトＬＥＧＲＣＭＤになるように、第２ＥＧＲ制御弁４２を駆動し（ステップ３４）、本処理を終了する。これにより、ＥＧＲ通路４１の開口面積が減少側の所定の面積に制御される。

一方、前記ステップ３１の判別結果がＮＯで、外部ＥＧＲガスの還流動作が停止中でないときには、目標外部ＥＧＲ量ＧＥＧＲＥＸＣＭＤおよび外部ＥＧＲ量ＧＥＧＲＥＸに応じて、ＥＧＲ弁開度ＤＥＧＲの目標となる目標開度ＤＥＧＲＣＭＤを算出する（ステップ３５）。なお、外部ＥＧＲ量ＧＥＧＲＥＸは、ＥＧＲ圧センサ２３およびＥＧＲ温度センサ２４でそれぞれ検出されたＥＧＲ圧ＰＥＧＲおよびＥＧＲ温度ＴＥＧＲを用い、気体の状態方程式に基づいて、算出される。

次に、検出したＥＧＲ弁開度ＤＥＧＲが目標開度ＤＥＧＲＣＭＤになるように第１ＥＧＲ制御弁１３を駆動する（ステップ３６）とともに、第２ＥＧＲ制御弁４２を全開状態に制御し（ステップ３７）、本処理を終了する。以上により、外部ＥＧＲ量ＧＥＧＲＥＸが目標外部ＥＧＲ量ＧＥＧＲＥＸＣＭＤになるように制御される。

図９は、前述した内部ＥＧＲ制御処理を示すサブルーチンである。本処理では、まずステップ４１において、目標内部ＥＧＲ量ＧＥＧＲＩＮＣＭＤに応じて、排気カム位相ＣＡＥＸの目標となる目標排気カム位相ＣＡＥＸＣＭＤを算出する。

次に、検出した排気カム位相ＣＡＥＸが目標排気カム位相ＣＡＥＸＣＭＤになるように、電磁弁５３を駆動し（ステップ４２）、本処理を終了する。これにより、内部ＥＧＲ量ＧＥＧＲＩＮが目標内部ＥＧＲ量ＧＥＧＲＩＮＣＭＤになるように制御される。

以上のように、本実施形態によれば、上側の上段吸気ポート５ａには、ＥＧＲ通路４１のみが接続されているので、上段吸気ポート５ａから外部ＥＧＲガスのみが気筒３ａ内に供給される。また、下側の下段吸気ポート５ｂは、吸気通路４に接続されているので、下段吸気ポート５ｂから新気のみが気筒３ａ内に供給される。このため、外部ＥＧＲガスは、気筒３ａの内壁に沿って、タンブル流を形成しながら、混合気を取り囲むように気筒３ａ内に流入する。その結果、気筒３ａ内の内壁付近に存在するエンドガスを外部ＥＧＲガスで構成することができる。これにより、エンドガスの早期の自己着火を可能な限り回避でき、ノッキングを抑制できる結果、ドライバビリティ、燃費および排ガス特性を向上させることができる。

また、気筒３ａ内で成層化された混合気と外部ＥＧＲガスの燃焼は、中央の混合気の部分から開始されるので、燃焼速度、ひいては燃焼効率を向上させることができる。

さらに、ポート燃料噴射弁１０は下段吸気ポート５ｂに向かって燃料を噴射するので、燃料と新気の混合時間を長く確保でき、燃料と新気との混合気の濃度の均一化を促進することができる。これにより、混合気の燃焼を安定して行うことができる。同じ理由から、エンドガス部に存在するＥＧＲガスへの燃料の混入を抑制でき、火炎伝播によりエンドガスが再圧縮されても自着火には至らず、ノッキングをより確実に抑制することができる。

また、燃焼モードがＣＩ燃焼モードのときに、筒内燃料噴射弁１１によって気筒３ａ内に燃料を直接、噴射するので、ポート燃料噴射弁１０による場合と比較して、燃料と新気の成層化を促進することができる。さらに、ＣＩ燃焼モードのときに、外部ＥＧＲ量ＧＥＧＲＥＸを値０に制御する（図６のステップ１４，１６）ので、タンブル流の発生を防止でき、外部ＥＧＲガスによって燃料と新気が混合されるのを回避することができる。その結果、燃料と新気の成層化状態を良好に維持でき、圧縮着火燃焼を安定して行うことができる。

さらに、ＣＩ燃焼モードのときに、内部ＥＧＲ装置５０によって、気筒３ａ内の燃焼によって発生した既燃ガスを気筒３ａ内に残留させる（図６のステップ１５，１７）ので、既燃ガスによって気筒３ａ内の温度を高め、圧縮着火に必要な温度を確保できる結果、圧縮着火による燃焼をより安定して行うことができる。

また、外部ＥＧＲガスの還流動作を実行するときには、ＥＧＲ通路４１に設けた第２ＥＧＲ制御弁４２を全開状態に制御するとともに、上段吸気ポート５ａに設けた第１ＥＧＲ制御弁１３の開度を制御する（図８のステップ３５〜３７）ことによって、外部ＥＧＲ量ＧＥＧＲＥＸを制御する。このように、外部ＥＧＲ量ＧＥＧＲＥＸは、主に第１ＥＧＲ制御弁１３の開度を制御することによって、変更される。この第１ＥＧＲ制御弁１３は、上段吸気ポート５ａに設けられているので、気筒３ａ内に吸入される外部ＥＧＲガスの応答遅れの影響を抑制することができる。

さらに、上段吸気ポート５ａに第１ＥＧＲ制御弁１３を設けるので、気筒３ａ内のピストン３ｂの動作に伴う負圧を利用して、排気通路６との差圧を十分に確保できる結果、外部ＥＧＲガスを気筒３ａ内に十分に吸入させることができる。さらに、ピストン３ｂの動作によって排気通路６との差圧を確保するので、所望の外部ＥＧＲガスを吸入するために、別途に負圧を制御する必要がなく、それに伴うポンピングロスを抑制することができる。

また、外部ＥＧＲガスの還流動作の停止中には（図８のステップ３１：ＹＥＳ）、第１ＥＧＲ制御弁１３を全閉状態に制御するとともに、第２ＥＧＲ制御弁４２のＥＧＲリフトＬＥＧＲを、全閉状態よりも若干大きな所定値ＬＲＥＦに設定する（図８のステップ３２〜３４）。これにより、第１ＥＧＲ制御弁１３の上流側と下流側との差圧を小さくでき、第１ＥＧＲ制御弁１３による上段吸気ポート５ａのシール性を確保することができる。

さらに、第２ＥＧＲ制御弁４２によって、ＥＧＲ通路４１をある程度、開放しているので、第１ＥＧＲ制御弁１３と第２ＥＧＲ制御弁４２との間に外部ＥＧＲガスを満たしておくことができる。これにより、外部ＥＧＲガスの還流動作が再開され、多量の外部ＥＧＲガスが要求された場合にも、それに応答よく追従して気筒３ａ内に外部ＥＧＲガスを適切に供給させることができる。

なお、本発明は、説明した実施形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。例えば、実施形態では、第１ＥＧＲ制御弁１３を、上段吸気ポート５ａに設けているが、これに代えて、ＥＧＲ通路４１に設けてもよい。その場合、気筒内に吸入されるＥＧＲガスの応答遅れの影響を抑制するという観点から、第１ＥＧＲ制御弁はＥＧＲ通路の下流部に設けることが好ましい。

また、実施形態では、ＥＧＲ管４１ｂを、吸気マニホルド４ａに形成されたＥＧＲ通路部４１ａに接続しているが、ＥＧＲ通路部４１ａを省略し、上段吸気ポート５ａに直接、接続してもよい。

さらに、実施形態では、ＣＩ燃焼モードのときに、外部ＥＧＲ量ＧＥＧＲＥＸを、値０に制御しているが、これに限らず、弱いタンブル流が得られるような減少側の所定値に制御してもよい。

また、実施形態では、第１ＥＧＲ制御機構として、回動式の第１ＥＧＲ制御弁１３を用いているが、これに限らず、上段吸気ポート５ａの開口面積を変更できるものであれば他の形式のもの、例えばシャッタを用いてもよい。このことは、第２ＥＧＲ制御機構についても同様である。

さらに、実施形態では、ピストン３ｂの頂面を平らに形成しているが、これに限らず、タンブル流の形成の妨げにならないような形状であれば、他の形状を採用してもよい。

また、実施形態では、ＳＩ燃焼モードにおける燃料の噴射を、ポート燃料噴射弁１０のみで行っているが、筒内燃料噴射弁１１を併用して行ってもよい。

さらに、実施形態では、第１ＥＧＲ制御弁１３の開度を、外部ＥＧＲ量ＧＥＧＲＥＸを用いて制御しているが、これに限らず、外部ＥＧＲ量を表す他の適当なパラメータ、例えば外部ＥＧＲ率を用いて制御してもよい。

また、実施形態では、内部ＥＧＲ量ＧＥＧＲＩＮを、排気カム位相可変機構５２によって制御しているが、これに代えて、またはこれとともに、排気リフトを変更する排気リフト可変機構によって制御してもよく、あるいは、吸気カム位相を変更する吸気カム位相可変機構によって制御してもよい。

さらに、実施形態は、本発明を車両に搭載されたガソリンエンジンに適用した例であるが、本発明は、これに限らず、ガソリンエンジン以外のディーゼルエンジンなどの各種のエンジンに適用してもよく、また、車両用以外のエンジン、例えば、クランク軸を鉛直に配置した船外機などのような船舶推進機用エンジンにも適用可能である。その他、本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜、変更することが可能である。

１ 吸気装置
２ ＥＣＵ（ＥＧＲ制御手段、内部ＥＧＲ手段および判定手段）
３ エンジン
３ａ 気筒
３ｃ シリンダヘッド
４ 吸気通路（新気通路）
５ 吸気ポート
５ａ 上段吸気ポート
５ｂ 下段吸気ポート
６ 排気通路
９ 隔壁
１０ ポート燃料噴射弁（ポート噴射用インジェクタ）
１１ 筒内燃料噴射弁（筒内噴射用インジェクタ）
１３ 第１ＥＧＲ制御弁（ＥＧＲ制御手段および第１ＥＧＲ制御機構）
４１ ＥＧＲ通路
４２ 第２ＥＧＲ制御弁（ＥＧＲ制御手段および第２ＥＧＲ制御機構）
５０ 内部ＥＧＲ装置（内部ＥＧＲ手段）

Claims (7)

1. 気筒内に新気を含む気体を吸入する内燃機関の吸気装置であって、
   シリンダヘッドに形成され、前記気筒内に連通する吸気ポートと、
   排気通路に排出された排ガスの一部をＥＧＲガスとして前記吸気ポートに還流させるためのＥＧＲ通路と、
   前記気筒内に新気を供給するための新気通路と、を備え、
   前記吸気ポートは、隔壁によって上段吸気ポートおよび下段吸気ポートに分割されており、
   前記上段吸気ポートに前記ＥＧＲ通路のみが接続され、前記下段吸気ポートに前記新気通路が接続されていることを特徴とする内燃機関の吸気装置。
2. 前記上段吸気ポートから前記気筒内に流入するＥＧＲガスによって、当該気筒の内壁に沿って流れるＥＧＲガスのタンブル流が形成されることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の吸気装置。
3. 前記下段吸気ポートに向かって燃料を噴射するポート噴射用インジェクタをさらに備えることを特徴とする、請求項１または２に記載の内燃機関の吸気装置。
4. 前記内燃機関は、燃焼モードとして圧縮着火燃焼モードを有し、
   前記気筒内に直接、燃料を噴射する筒内噴射用インジェクタと、
   前記ＥＧＲガスの還流量を制御するＥＧＲ制御手段と、をさらに備え、
   前記燃焼モードが圧縮着火燃焼モードのときに、前記筒内噴射用インジェクタから前記気筒内に燃料を噴射し、前記ＥＧＲ制御手段は、前記ＥＧＲガスの還流量を減少側に制御することを特徴とする、請求項１ないし３のいずれかに記載の内燃機関の吸気装置。
5. 前記気筒内の燃焼によって発生した既燃ガスを当該気筒内に存在させる内部ＥＧＲを実行するための内部ＥＧＲ手段をさらに備え、
   当該内部ＥＧＲ手段は、前記燃焼モードが圧縮着火燃焼モードのときに、前記内部ＥＧＲを実行することを特徴とする、請求項４に記載の内燃機関の吸気装置。
6. 前記ＥＧＲ制御手段は、前記上段吸気ポートに設けられ、当該上段吸気ポートの開口面積を変更可能な第１ＥＧＲ制御機構を有することを特徴とする、請求項４または５に記載の内燃機関の吸気装置。
7. 前記ＥＧＲ制御手段は、前記ＥＧＲ通路に設けられ、当該ＥＧＲ通路の開口面積を変更可能な第２ＥＧＲ制御機構をさらに有し、
   前記気筒内への前記ＥＧＲガスの還流動作を停止すべきか否かを判定する判定手段をさらに備え、
   当該判定手段によって前記ＥＧＲガスの還流動作を停止すべきと判定されているときに、前記第１ＥＧＲ制御機構によって変更される前記上段吸気ポートの開口面積をほぼ０に制御し、前記第２ＥＧＲ制御機構によって変更される前記ＥＧＲ通路の開口面積を減少側の所定の面積に制御することを特徴とする、請求項６に記載の内燃機関の吸気装置。

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