JP2016205302A - 内燃機関の燃焼状態制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】成層状態をできる限り維持しながら成層燃焼を行うことを可能にする。
【解決手段】成層燃焼を実行可能な内燃機関の燃焼状態制御システムである本システムは、成層燃焼を実行するときに、混合気層と空気層の少なくとも一方の温度調整を行う温度調整手段と、成層燃焼を実行するときに、温度調整手段に混合気層と空気層の少なくとも一方に対する温度調整を行わせることにより、温度調整手段が温度調整を行わないときと比べて混合気層と空気層の温度差を小さくする制御装置と、を備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、成層燃焼を実行可能な内燃機関の燃焼状態制御システムに関する。

特許文献１の内燃機関は、燃料及び空気を含む混合気層と空気層とを燃焼室内に形成しかつ混合気層中の燃料を燃焼させる成層燃焼と、燃焼室内に燃料を均質状態で存在させかつ燃料を燃焼させる均質燃焼と、を選択的に実行可能である。
この内燃機関は、吸気通路と、吸気通路の中間部に設けた過給器と、を備えている。吸気通路の過給器より下流側の部位は二股に分岐しており、分岐した二つの部位はいずれも気筒（シリンダー）に接続されている。吸気通路の二股部の一方である冷却通路にはインタークーラーが設けてあるが、他方であるバイパス通路はインタークーラーを具備していない。さらに吸引通路の分岐部（冷却通路とバイパス通路の上流部が交わる部位）には流路切換え弁が設けられている。

内燃機関が均質燃焼を行うとき、過給器から吸気通路の下流側へ送られる空気流は、流路切換え弁の働きによって冷却通路側へ流れる。従って、この空気流はインタークーラーによって冷却されながら気筒内へ吸引されるので、内燃機関は均質燃焼時に高い出力を得ることが可能である。

一方、内燃機関が成層燃焼を行うとき、過給器から吸気通路の下流側へ送られる空気流は、流路切換え弁の働きによってバイパス通路側へ流れる。従って、この空気流はインタークーラーによって冷却されることなく気筒内へ吸引される。

特開平１１−２１０４７７号公報

成層燃焼時に燃料を効率よく燃焼するためには、気筒内の成層状態をできる限り維持する必要がある。換言すると、混合気層と空気層の混合が進むと、成層燃焼時に燃料を効率よく燃焼させるのが難しくなる。混合気層と空気層の間の温度差が大きいと両者は混合し易く、混合気層と空気層の間の温度差を小さくすると両者は混合し難くなる（成層状態を維持し易くなる）。従って、成層燃焼時には混合気層と空気層の間の温度差をできる限り小さくするのが理想的である。

しかし、気筒内に供給された混合気層は、燃料の気化潜熱によって空気層よりも低温になり易い。そのため、図４の左列（従来例）の各グラフから明らかなように、混合気層と空気層の温度を互いに近づける調整を行わない場合は、内燃機関の気筒内において混合気層と空気層の間の温度差が大きくなり易い。特に混合気層中の燃料の量が多くなればなるほど混合気層は低温となるので、混合気層と空気層の間の温度差がより大きくなってしまう。

しかし特許文献１の内燃機関は、成層燃焼時に混合気層及び空気層をインタークーラーによって冷却しない。即ち、混合気層と空気層の温度を近づけるための調整を行っていない。
そのため特許文献１の内燃機関は、成層燃焼時に燃料を効率よく燃焼できないおそれがある。また、燃料の燃え残りが増加し易いので、ＨＣを多量に含む排ガスが発生するおそれがある。さらに断熱層として機能する空気層が少なくなり易いので、内燃機関の冷却損失が大きくなり易い。

本発明は、上述した課題に対処するためになされたものである。即ち、本発明の目的の１つは、成層状態をできる限り維持しながら成層燃焼を行うことが可能な内燃機関の燃焼状態制御システムを提供することにある。

上記目的を達成するための本発明の内燃機関の燃焼状態制御システムは、
燃料及び空気を含む混合気層と空気層とを燃焼室内に形成しかつ前記混合気層中の前記燃料を燃焼させる成層燃焼を実行可能な内燃機関の燃焼状態制御システムにおいて、
前記混合気層と前記空気層との少なくとも一方の温度調整を行う温度調整手段と、
前記成層燃焼を実行するときに、前記温度調整手段に前記混合気層と前記空気層との少なくとも一方に対する温度調整を行わせることにより、前記温度調整手段が温度調整を行わないときと比べて前記混合気層と前記空気層の温度差を小さくする制御装置と、
を備える。

温度調整手段は、例えば、インタークーラー、ＥＧＲガス、及びヒータ等によって構成可能である。

本発明の内燃機関の燃焼状態制御システムは、内燃機関が成層燃焼を実行するときに、温度整手段が混合気層と空気層の少なくとも一方に対する温度調整を行ない、温度調整を行わないときと比べて混合気層と空気層の温度差を小さくする。そのため、内燃機関は成層状態をできる限り維持しながら成層燃焼を行うことが可能になる。

本発明の他の目的、他の特徴及び付随する利点は、以下の図面を参照しつつ記述される本発明の各実施形態についての説明から容易に理解されるであろう。

本発明の第１の実施形態に係る内燃機関及び燃焼状態制御システムの全体図である。 スワールポート、タンジェンシャルポート、及び燃焼室（シリンダの内部）を表す模式図である。 成層燃焼時のシリンダブロック、吸気系統、及び混合気と空気の流れを示す模式図であり、（ａ）は成層兼均質燃焼用インジェクタによる燃料の噴射量が小さいときの図であり、（ｂ）は成層兼均質燃焼用インジェクタ成層兼均質燃焼用インジェクタによる燃料の噴射量が大きいときの図である。 左列の各グラフは従来例の場合を示し、右列の各グラフは第１の実施形態の場合を示しており、（ａ）は燃料噴射量の時間ごとの変化量を表すグラフ、（ｂ）はインタークーラーを通る空気流量の時間ごとの変化量を表すグラフ、（ｃ）は混合気層及び空気層の温度の時間ごとの変化量を表すグラフ、（ｄ）は混合気層と空気層の温度差の時間ごとの変化量を表すグラフである。 エンジン回転速度ＮＥ及びアクセルペダルの操作量Accpと燃焼領域（燃焼状態）との関係を表すグラフである。 内燃機関の制御を表すフローチャートである。 本発明の第２の実施形態に係る内燃機関及び燃焼状態制御システムの全体図である。 成層燃焼時のシリンダブロック、吸気系統、及び混合気と空気の流れを示す模式図である。 図４の右列と同様のグラフである。 内燃機関の制御を表すフローチャートである。 本発明の第３の実施形態に係る内燃機関及び燃焼状態制御システムの全体図である。 成層兼均質燃焼用インジェクタの先端部の模式的な断面図である。 本発明の第４の実施形態に係る内燃機関のシリンダブロック、吸気系統、及び排気系統の一部を表す断面図である。

以下、図１から図６を参照しながら本発明の第１の実施形態に係る車両用の内燃機関１０及び燃焼状態制御システムについて説明する。図１は第１の実施形態に係る多気筒（例えば４気筒）内燃機関及び燃焼状態制御システムの概略構成を示している。なお、図１は、ある気筒の断面のみを示しているが、他の気筒も同様な構成を備えている。

この内燃機関１０は、シリンダブロック、シリンダブロックロワーケース及びオイルパン等を含むシリンダブロック部２０と、シリンダブロック部２０の上に固定されるシリンダヘッド部３０と、シリンダブロック部２０に燃料（例えばガソリン）と空気とからなる混合気を供給するための吸気系統４０と、シリンダブロック部２０からの排ガスを外部に放出するための排気系統５０と、を含んでいる。

シリンダブロック部２０は、シリンダ２１、ピストン２２、コンロッド２３及びクランク軸２４を含んでいる。ピストン２２はシリンダ２１内を往復動し、ピストン２２の往復動がコンロッド２３を介してクランク軸２４に伝達され、これによりクランク軸２４が回転するようになっている。シリンダ２１、ピストン２２のヘッド及びシリンダヘッド部３０によって囲まれた空間は燃焼室２５を形成している。

シリンダヘッド部３０は、燃焼室２５に連通した２つの吸気ポート３１（図１では一つのみ図示）、各吸気ポート３１をそれぞれ開閉する２つの吸気弁３２（図１では一つのみ図示）、各吸気弁３２を駆動するインテークカムシャフトを含むとともにインテークカムシャフトの位相角を連続的に変更する可変吸気タイミング装置３３、可変吸気タイミング装置３３のアクチュエータ３３ａ、燃焼室２５に連通した２つの排気ポート３４（図１では一つのみ図示）、各排気ポート３４をそれぞれ開閉する２つの排気弁３５（図１では一つのみ図示）、各排気弁３５を駆動するエキゾーストカムシャフト３６、点火プラグ３７、及び点火プラグ３７に与える高電圧を発生するイグニッションコイルを含むイグナイタ３８を備えている。

図２及び図３に示すように２つの吸気ポート３１の一つはスワールポート３１ａであり、他の一つはタンジェンシャルポート３１ｂである。スワールポート３１ａとタンジェンシャルポート３１ｂの形状は互いに異なるため、それぞれのポートを通って燃焼室２５に流れる気体は、燃焼室２５内にそれぞれ別形状かつ別配置の気体流を形成する。即ち、スワールポート３１ａを通った気体（混合気）は燃焼室２５の径方向中央部にスワール流（図２及び図３の矢印Ｓ参照）を形成し、タンジェンシャルポート３１ｂを通った気体（空気）は燃焼室２５の内周面に沿う（スワール流の外周側に位置する）タンジェンシャル流（図２及び図３の矢印Ｔ参照）を形成する。図２に示すようにスワールポート３１ａとタンジェンシャルポート３１ｂのそれぞれの内部には成層兼均質燃焼用インジェクタ３９ａと均質燃焼用インジェクタ３９ｂが配設してある（図３では均質燃焼用インジェクタ３９ｂの図示を省略している）。

図３に示すようにタンジェンシャルポート３１ｂは、下流側端部が燃焼室２５に接続するメイン通路３１ｂ１と、両端部がメイン通路３１ｂ１の２か所にそれぞれ接続する冷却用通路３１ｂ２と、を有している。
さらに冷却用通路３１ｂ２の中間部にはインタークーラー４５が設けられている。インタークーラー４５は空冷式であり、冷却用通路３１ｂ２を通過する空気を内燃機関１０の外部の空気を利用して冷却する。
そして冷却用通路３１ｂ２の上流側端部とメイン通路３１ｂ１との接続部（分岐部）の内部には、空気流切換え弁３１ｃが回転可能に設けられている。タンジェンシャルポート３１ｂ（メイン通路３１ｂ１）の上流側端部から流れてきた気体（空気）は、空気流切換え弁３１ｃを通り抜けることにより、一部がメイン通路３１ｂ１の下流側に流れかつ残りが冷却用通路３１ｂ２側に流れる。空気流切換え弁３１ｃは図示を省略した空気流切換え弁アクチュエータの駆動力により回転する。そして空気流切換え弁３１ｃの回転角度に応じて、メイン通路３１ｂ１の下流側に流れる気体の流量と冷却用通路３１ｂ２側に流れる気体の流量が変化する。

再び図１を参照すると吸気系統４０は、吸気ポート３１（スワールポート３１ａ及びタンジェンシャルポート３１ｂ）の上流側端部に連通したインテークマニホールド４１、インテークマニホールド４１に連通したサージタンク４２、サージタンク４２に一端が接続された吸気ダクト４３、エアフィルタ４４、過給機９１のコンプレッサ９１ａ、スロットル弁４６及びスロットル弁アクチュエータ４６ａを備えている。なお、インテークマニホールド４１、サージタンク４２及び吸気ダクト４３は、内燃機関１０の外部から取り込んだ空気を気筒内に導入する吸気通路を形成している。

エアフィルタ４４は、吸気ダクト４３の最も上流側の端部（サージタンク４２に接続された端部と反対側の端部）に配設されている。
コンプレッサ９１ａは、エアフィルタ４４よりも下流側の位置にて吸気ダクト４３に配設されている。

スロットル弁４６は、インタークーラー４５よりも下流側の位置にて吸気ダクト４３に配設されている。スロットル弁４６は吸気ダクト４３に回転可能に支持され、スロットル弁アクチュエータ４６ａの駆動力によってその開度が調整される。スロットル弁４６の開度が変わると、吸気ダクト４３の通路断面積が変化することにより吸気通路内を通過する空気量が変化する。

ＤＣモータからなるスロットル弁アクチュエータ４６ａは、後述する電気制御装置７０から送出される駆動信号に応じてスロットル弁４６を駆動するようになっている。

排気系統５０は、各排気ポート３４に連通しかつ各排気ポート３４とともに排気通路を形成するエキゾーストマニホールドを含む排気管５１、排気管５１内に配設された過給機９１のタービン９１ｂ及びタービン９１ｂよりも下流側の位置にて排気管５１に配設された三元触媒装置５２を備えている。

過給機９１のタービン９１ｂは排ガスのエネルギーにより回転する。更に、タービン９１ｂは、シャフトを介して吸気系統４０のコンプレッサ９１ａと連結されている。これにより、吸気系統４０のコンプレッサ９１ａがタービン９１ｂと一体となって回転して吸気通路内の空気を圧縮する。即ち、過給機９１は、内燃機関１０に空気を過給するようになっている。

さらに内燃機関１０は、クランクポジションセンサ６５とアクセル開度センサ６６とを備えている。
クランクポジションセンサ６５は、クランク軸２４が所定角度だけ回転する毎に信号を出力する。この信号は、クランク軸２４の１分当たりの回転数を表すエンジン回転速度ＮＥを取得するために使用される。
アクセル開度センサ６６は、運転者によって操作されるアクセルペダル６７の操作量を検出し、アクセルペダルの操作量Accpを表す信号を出力する。

内燃機関１０を制御するための電気制御装置（ＥＣＵ）７０は、互いにバスにより接続されたＣＰＵ７１、ＣＰＵ７１が実行するプログラム、テーブル（ルックアップテーブル、マップ）、定数等のデータを保持するようにそれらのデータを予め記憶したＲＯＭ７２、ＣＰＵ７１の指示に応じてデータを一時的に保持するＲＡＭ７３、内燃機関１０が運転状態にあるときにデータを記憶するとともに記憶したデータを内燃機関１０の運転が停止している間も保持するバックアップＲＡＭ７４、及びＡＤコンバータを含むインターフェース７５等からなるマイクロコンピュータである。

インターフェース７５はクランクポジションセンサ６５及びアクセル開度センサ６６と接続しており、クランクポジションセンサ６５とアクセル開度センサ６６の出力信号はＣＰＵ７１に対して送信される。さらにインターフェース７５は、ＣＰＵ７１の指示に応じて可変吸気タイミング装置３３のアクチュエータ３３ａ、イグナイタ３８、成層兼均質燃焼用インジェクタ３９ａ、均質燃焼用インジェクタ３９ｂ、スロットル弁アクチュエータ４６ａ、及び空気流切換え弁アクチュエータに駆動信号（指示信号）を送出するようになっている。

以上説明した構成のうちインタークーラー４５は「温度調整手段」に対応し、空気流切換え弁３１ｃ、空気流切換え弁アクチュエータ、及び電気制御装置７０は「制御装置」に対応する。

続いて燃焼状態制御システムの動作の概要について説明する。
ＥＣＵ７０は、エンジン回転速度ＮＥ及びアクセルペダルの操作量Accpに応じて、内燃機関１０の運転状態（燃焼状態）を成層燃焼と均質燃焼とに切り替える。具体的には、ＥＣＵ７０は、ＲＯＭ７２に記憶させた図５のデータ（領域マップ）を参照しながら内燃機関１０の燃焼状態を切り替える。即ちＥＣＵ７０は、エンジン回転速度ＮＥとアクセルペダルの操作量Accpが図５に示す「成層燃焼領域」にあるとき（内燃機関１０が低負荷状態にあるとき）内燃機関１０に成層燃焼を行わせ、エンジン回転速度ＮＥとアクセルペダルの操作量Accpが図５に示す「均質燃焼領域」にあるとき（内燃機関１０が高負荷状態にあるとき）内燃機関１０に均質燃焼を行わせる。

より具体的には、エンジン回転速度ＮＥとアクセルペダルの操作量Accpが図５に示す「成層燃焼領域」にあるとき、ＥＣＵ７０は成層兼均質燃焼用インジェクタ３９ａのみから燃料を噴射させ均質燃焼用インジェクタ３９ｂからは燃料を噴射させない。成層兼均質燃焼用インジェクタ３９ａからスワールポート３１ａ内に噴射された燃料は霧化し、過給機９１によって圧縮されかつスワールポート３１ａを流れる空気流と混ざることにより混合気流となる。そして混合気流は、内燃機関１０が吸気工程となったとき（吸気弁３２が吸気ポート３１を開いたとき）に、スワール流となって燃焼室２５に吸引され燃焼室２５内の点火プラグ３７近傍に混合気層を形成する。一方、過給機９１によって圧縮されかつタンジェンシャルポート３１ｂ側に流れる空気流は、タンジェンシャル流となって燃焼室２５に吸引され、混合気層の外周側に空気層を形成する。この状態で点火プラグ３７が着火すると、点火プラグ３７で発生した火花が混合気層に引火することにより、燃焼室２５内で成層燃焼が行われる。

一方、エンジン回転速度ＮＥとアクセルペダルの操作量Accpが図５に示す「均質燃焼領域」にあるとき、ＥＣＵ７０は成層兼均質燃焼用インジェクタ３９ａ及び均質燃焼用インジェクタ３９ｂの両方から燃料を噴射させる。成層兼均質燃焼用インジェクタ３９ａからスワールポート３１ａ内に噴射された燃料は混合気流となり、内燃機関１０が吸気工程となったときにスワール流となって燃焼室２５に吸引される。均質燃焼用インジェクタ３９ｂからタンジェンシャルポート３１ｂ内に噴射された燃料は霧化し、過給機９１によって圧縮されかつタンジェンシャルポート３１ｂを流れる空気流と混ざることにより混合気流となり、内燃機関１０が吸気工程となったときにタンジェンシャル流となって燃焼室２５に吸引される。このときのスワール流（混合気層）とタンジェンシャル流（混合気層）の空燃比はほとんど同一である。そのためこの状態で点火プラグ３７が着火すると点火プラグ３７で発生した火花が混合気層に引火することにより、燃焼室２５内で均質燃焼が行われる。

上述したように成層燃焼時に内燃機関１０が燃料を効率よく燃焼するためには、シリンダ２１（燃焼室２５）内の成層状態をできる限り維持する必要がある。換言すると、燃焼室２５内の混合気層（スワール流）と空気層（タンジェンシャル流）の温度差をできる限り近づける（理想的には同一にする）必要がある。
そこで本実施形態では内燃機関１０が成層燃焼を行うときにＥＣＵ７０が、成層兼均質燃焼用インジェクタ３９ａが噴射する燃料の噴射量に応じて空気流切換え弁３１ｃの回転位置を調整し、空気流切換え弁３１ｃを通ってメイン通路３１ｂ１の下流側に流れる気体の流量と空気流切換え弁３１ｃを通って冷却用通路３１ｂ２側に流れる気体の流量を調整する。

上述したように燃焼室２５が吸引した混合気は燃料の気化潜熱によって低温になり易く、混合気の燃料が多くなればなるほどより低温となる。そのため成層燃焼時には、混合気中の燃料の量に応じて、空気流切換え弁３１ｃの回転位置を調整する。即ち、ＥＣＵ７０は空気流切換え弁３１ｃの回転位置を調整することにより、混合気中の燃料が多くなるほど（成層兼均質燃焼用インジェクタ３９ａが噴射する燃料の噴射量が多くなるほど）、冷却用通路３１ｂ２側に流れる（インタークーラー４５によって冷却される）空気の流量を多くする（メイン通路３１ｂ１側に流れる空気の流量を少なくする）。その一方でＥＣＵ７０は、混合気中の燃料が少なくなるほど（成層兼均質燃焼用インジェクタ３９ａが噴射する燃料の噴射量が少なくなるほど）、冷却用通路３１ｂ２側に流れる（インタークーラー４５によって冷却される）空気の流量を少なくする（メイン通路３１ｂ１側に流れる空気の流量を多くする）。

このように混合気中の燃料の量の大小に応じて、タンジェンシャルポート３１ｂを通って燃焼室２５に吸引される空気の温度をインタークーラー４５によって低くすれば、（インタークーラー４５によって空気を冷やさない場合と比べて）燃焼室２５内の混合気層と空気層の温度が互いに接近するか同一になる。そのため、内燃機関１０は成層状態をできる限り維持しながら成層燃焼を行うことが可能になる。即ち、この制御によれば、内燃機関１０が成層燃焼を行うとき、成層兼均質燃焼用インジェクタ３９ａからの燃料噴射量、インタークーラー４５を通る空気流量、混合気層及び空気層の温度、並びに混合気層と空気層の温度差の時間ごとの変化量は、おおよそ図４の右列のグラフに示した通りになる。

そのため内燃機関１０は燃焼効率の良好な成層燃焼を実行可能である。
さらに燃料の燃え残りが減るので、排ガス中のＨＣが少なくなる。
また燃焼室２５の内周面に沿って十分な量の空気層を形成できるので、その空気層が断熱層として機能し、内燃機関１０の冷却損失を小さくすることができる。

一方、内燃機関１０が均質燃焼を行うときＥＣＵ７０は、空気流切換え弁３１ｃの回転位置を調整して、インテークマニホールド４１から空気流切換え弁３１ｃ側に流れたすべての空気流を冷却用通路３１ｂ２側へ流す。そのため、燃焼室２５内の混合気の温度が低くなるので、内燃機関１０は均質燃焼時に高い出力を得ることが可能である。

続いて内燃機関１０の具体的な制御方法を図６のフローチャートを参照しながら説明する。
内燃機関１０が運転を行っている間、ＥＣＵ７０はクランクポジションセンサ６５が検出したクランク角が所定のクランク角に一致する毎に、図６のフローチャートに示したルーチンを繰り返し実行する。
最初にＥＣＵ７０は、ステップ１００にてクランクポジションセンサ６５の出力信号（エンジン回転速度ＮＥ）とアクセル開度センサ６６の出力信号（アクセルペダルの操作量Accp）を検出する。

続いてＥＣＵ７０はステップ１１０にて、ＲＯＭ７２に記憶させた図５のデータ（領域マップ）を参照しながら、エンジン回転速度ＮＥとアクセルペダルの操作量Accpが成層燃焼領域と均質燃焼領域のいずれにあるかを判定する。

成層燃焼領域にある場合（ステップ１１０でＹＥＳの場合）、ＥＣＵ７０はステップ１２０に進み、成層兼均質燃焼用インジェクタ３９ａに噴射信号を送り、成層兼均質燃焼用インジェクタ３９ａからスワールポート３１ａに燃料を噴射させる。さらにこのときＥＣＵ７０は、アクセル開度センサ６６の出力信号（アクセルペダルの操作量Accp）の大きさに応じて、成層兼均質燃焼用インジェクタ３９ａによる燃料の噴射量を調整する（操作量Accpが大きいほど燃料の噴射量を多くする）。

次いでＥＣＵ７０はステップ１３０に進み、空気流切換え弁アクチュエータに対して成層兼均質燃焼用インジェクタ３９ａによる燃料噴射量に応じた駆動信号を送信し、空気流切換え弁３１ｃの回転位置を調整する。即ち、図３（ｂ）に示すように（図３中の矢印は空気流の流量を表している。矢印が太いほど流量が多いことを示し、細いほど流量が少ないことを示している）、成層兼均質燃焼用インジェクタ３９ａによる燃料噴射量が大きくなればなるほどインテークマニホールド４１から冷却用通路３１ｂ２側に流れる空気の流量を多くする。一方、図３（ａ）に示すように、成層兼均質燃焼用インジェクタ３９ａによる燃料噴射量が小さくなればなるほどインテークマニホールド４１から冷却用通路３１ｂ２側に流れる空気の流量を少なくする。

この後にＥＣＵ７０はステップ１４０に進み、イグナイタ３８に対して点火信号をセットする。この結果、所定のタイミングにて点火プラグ３７から火花が発生する。すると内燃機関１０が成層燃焼を行う。
ステップ１４０の処理が終了すると、ＥＣＵ７０は一旦処理を終了する。

一方、均質燃焼領域にある場合（ステップ１１０でＮＯの場合）は、ＥＣＵ７０はステップ１５０に進み、成層兼均質燃焼用インジェクタ３９ａ及び均質燃焼用インジェクタ３９ｂに噴射信号を送る。その結果、成層兼均質燃焼用インジェクタ３９ａがスワールポート３１ａに燃料を噴射しかつ均質燃焼用インジェクタ３９ｂがタンジェンシャルポート３１ｂ内に燃料を噴射する。さらにこのときＥＣＵ７０は、アクセル開度センサ６６の出力信号（アクセルペダルの操作量Accp）の大きさに応じて、成層兼均質燃焼用インジェクタ３９ａ及び均質燃焼用インジェクタ３９ｂによる燃料の噴射量を調整する（操作量Accpが大きいほど燃料の噴射量を多くする）。

次いでＥＣＵ７０はステップ１６０に進み、空気流切換え弁アクチュエータに対して駆動信号を送信し、空気流切換え弁３１ｃの回転位置を調整する。するとインテークマニホールド４１から空気流切換え弁３１ｃ側に流れたすべての空気流が冷却用通路３１ｂ２側（インタークーラー４５側）へ流れる。そして、スワールポート３１ａを流れる混合気（スワール流）とタンジェンシャルポート３１ｂを流れかつインタークーラー４５によって冷却された混合気（タンジェンシャル流）が燃焼室２５に吸引される。
この後にＥＣＵ７０は、イグナイタ３８に対して点火信号をセットする。この結果、所定のタイミングにて点火プラグ３７から火花が発生する。すると内燃機関１０が均質燃焼を行う（ステップ１７０）。
ステップ１７０の処理が終了すると、ＥＣＵ７０は一旦処理を終了する。

そのため本燃焼状態制御システムは、成層状態をできる限り維持しながら成層燃焼を行うことが可能である。

次に本発明の第２の実施形態に係る内燃機関１０及び燃焼状態制御システムについて図７から図１０を参照しながら説明する。

図７及び図８から明らかなように、本実施形態の内燃機関１０は第１の実施形態が備える冷却用通路３１ｂ２、空気流切換え弁３１ｃ、空気流切換え弁アクチュエータ、インタークーラー４５、及び過給機９１を具備していない。しかし温度調整手段として、スワールポート３１ａと排気管５１とを接続するＥＧＲ通路８０を備えており、さらに制御装置（の一部）としてＥＧＲ弁８１及びＥＧＲ弁アクチュエータ８２を備えている。ＥＧＲ通路８０は、燃焼室２５から排気ポート３４を介して排気管５１に排出された燃焼ガスの一部をＥＧＲガスとしてスワールポート３１ａ側へ還流させる。

ＥＧＲ通路８０の内部にはＥＧＲ弁８１が回転可能に設けてある。さらに、ＥＧＲ通路８０にはＥＧＲ弁８１を回転駆動するためのＥＧＲ弁アクチュエータ８２が設けてある。ＥＧＲ弁アクチュエータ８２はインターフェース７５と接続している。ＥＣＵ７０がＥＧＲ弁アクチュエータ８２に対して駆動信号を出力するとＥＧＲ弁アクチュエータ８２が駆動し、ＥＧＲ弁アクチュエータ８２の駆動力によってＥＧＲ通路８０内でＥＧＲ弁８１が回転する。するとＥＧＲ弁８１の回転角度に応じて、排気管５１からスワールポート３１ａへ還流されるＥＧＲガスの流量が変化する。ＥＧＲガスは吸気ダクト４３を通ってスワールポート３１ａへ流れる空気よりも高温である。そのため、スワールポート３１ａへ還流するＥＧＲガスの流量を調整することにより、スワールポート３１ａ内の（空気、ＥＧＲガス、燃料を含む）混合気の温度を、ＥＧＲガスを還流しない場合のスワールポート３１ａ内の（空気と燃料を含む）混合気よりも高くすることが可能である。

そのため本実施形態では内燃機関１０が成層燃焼を行うときにＥＣＵ７０は、ＥＧＲ弁８１の開度を調整することにより、混合気中の燃料が多くなるほど（成層兼均質燃焼用インジェクタ３９ａが噴射する燃料の噴射量が多くなるほど）、スワールポート３１ａ側に流れるＥＧＲガスの流量を多くする（スワールポート３１ａの混合気の温度を高くする）。その一方でＥＣＵ７０は、混合気中の燃料が少なくなるほど（成層兼均質燃焼用インジェクタ３９ａが噴射する燃料の噴射量が少なくなるほど）、スワールポート３１ａ側に流れるＥＧＲガスの流量を少なくする。
このように混合気中の燃料の量の大小に応じて、スワールポート３１ａの混合気の温度を調整すれば、（ＥＧＲガスを還流しない場合と比べて）燃焼室２５内の混合気層（スワールポート３１ａから流れ込んだスワール流）と空気層（タンジェンシャルポート３１ｂから流れこんだタンジェンシャル流）の温度が互いに接近するか同一になる。そのため、内燃機関１０は成層状態をできる限り維持しながら成層燃焼を行うことが可能になる。即ち、この制御によれば、内燃機関１０が成層燃焼を行うとき、成層兼均質燃焼用インジェクタ３９ａからの燃料噴射量、インタークーラー４５を通る空気流量、混合気層及び空気層の温度、並びに混合気層と空気層の温度差の時間ごとの変化量は、おおよそ図９のグラフに示した通りになる。
一方、内燃機関１０が均質燃焼を行うときはＥＧＲ弁８１を全閉状態にして、ＥＧＲガスのスワールポート３１ａへの還流を遮断する。

続いて本実施形態の内燃機関１０の具体的な制御方法を図１０のフローチャートを参照しながら説明する。
内燃機関１０が運転を行っている間、ＥＣＵ７０はクランクポジションセンサ６５が検出したクランク角が所定のクランク角に一致する毎に、図１０のフローチャートに示したルーチンを繰り返し実行する。
ステップ１１０までの処理は第１の実施形態と同じである。
ステップ１１０でＹＥＳの場合は、ＥＣＵ７０はステップ１２０を経てステップ１８０の処理を行う。ステップ１８０においてＥＣＵ７０は、ＥＧＲ弁アクチュエータ８２に対して成層兼均質燃焼用インジェクタ３９ａによる燃料噴射量に応じた駆動信号を送信しＥＧＲ弁８１の開度を調整する。即ち、成層兼均質燃焼用インジェクタ３９ａによる燃料噴射量が大きくなればなるほどスワールポート３１ａ側に流れるＥＧＲガスの流量を多くし、成層兼均質燃焼用インジェクタ３９ａによる燃料噴射量が小さくなればなるほどスワールポート３１ａ側に流れるＥＧＲガスの流量を少なくする。

この後にＥＣＵ７０はステップ１４０に進み、第１の実施形態と同様に、イグナイタ３８に対して点火信号をセットし点火プラグ３７から火花を発生させる。すると内燃機関１０が成層燃焼を行う。
ステップ１４０の処理が終了すると、ＥＣＵ７０は一旦処理を終了する。

一方、均質燃焼領域にある場合（ステップ１１０でＮＯの場合）、ＥＣＵ７０はステップ１５０を経てステップ１７０でイグナイタ３８に対して点火信号をセットし点火プラグ３７から火花を発生させる。すると内燃機関１０が均質燃焼を行う。
ステップ１７０の処理が終了すると、ＥＣＵ７０は一旦処理を終了する。

以上説明したように、本実施形態でも内燃機関１０は成層状態をできる限り維持しながら成層燃焼を行うことが可能である。

次に本発明の第３の実施形態に係る内燃機関１０及び燃焼状態制御システムについて図１１及び図１２を参照しながら説明する。

図１１から明らかなように、本実施形態の内燃機関１０は従前の実施形態が備える冷却用通路３１ｂ２、空気流切換え弁３１ｃ、空気流切換え弁アクチュエータ、インタークーラー４５、ＥＧＲ通路８０、ＥＧＲ弁８１、ＥＧＲ弁アクチュエータ８２、及び過給機９１を具備していない。その一方で、成層兼均質燃焼用インジェクタ３９ａの内部には、温度調節手段としてのヒータ８６が設けられている（図１２参照）。
ＥＣＵ７０が成層兼均質燃焼用インジェクタ３９ａ（ヒータ８６）に対して作動信号を出力するとヒータ８６が通電されて熱を発生し、発生する熱によって燃料噴射通路８５を流れる燃料が加熱される。そのためヒータ８６が発生する熱量を調整する（ヒータ８６への通電時間を調整する）ことにより、成層兼均質燃焼用インジェクタ３９ａが噴射する燃料の温度を高くすることが可能である。即ち、スワールポート３１ａ内の混合気の温度を、成層兼均質燃焼用インジェクタ３９ａにヒータ８６を設けない場合のスワールポート３１ａ内の混合気よりも高くすることが可能である。

そのため、内燃機関１０が成層燃焼を行う際にＥＣＵ７０は、混合気中の燃料が多くなるほど（成層兼均質燃焼用インジェクタ３９ａが噴射する燃料の噴射量が多くなるほど）、ヒータ８６が発生する熱量を多くする（成層兼均質燃焼用インジェクタ３９ａが噴射する燃料の温度を高める）。これにより、第２の実施形態と同様の作用効果を実現できる。

次に本発明の第４の実施形態に係る内燃機関１０及び燃焼状態制御システムについて図１３を参照しながら説明する。
本実施形態の内燃機関１０は直噴式の内燃機関である。
図１３に示すように、シリンダヘッド部３０の頭頂部には直噴インジェクタ８７と点火プラグ８８が設けてある。直噴インジェクタ８７もヒータ８６を内蔵している（図１３では図示略）。さらにピストン２２の上面にはキャビティ２２ａが形成してある。また２つの吸気ポート３１は互いに同じ形状である。

周知のように、内燃機関１０が圧縮工程にあるとき（図１３に示すようにキャビティ２２ａと直噴インジェクタ８７との距離が近いとき）に直噴インジェクタ８７がピストン２２のキャビティ２２ａに向けて燃料を噴射すると、噴射後に霧化した燃料がキャビティ２２ａによって混合気層となり点火プラグ８８側へ向かう。また、混合気層の周辺部には空気層が形成される。この状態で点火プラグ８８が着火すると、燃焼室２５内で成層燃焼が行われる。
一方、内燃機関１０が吸気工程にあるとき（キャビティ２２ａと直噴インジェクタ８７との距離が遠いとき）に直噴インジェクタ８７がピストン２２側に向けて燃料を噴射すると、噴射後に霧化した燃料が燃焼室２５全体に拡散する。その結果、燃焼室２５全体に混合気が拡がる。この状態で点火プラグ８８が着火すると、燃焼室２５内で均質燃焼が行われる。

従って、内燃機関１０が成層燃焼を行う際に、混合気層中の燃料が多くなるほど（直噴インジェクタ８７が噴射する燃料の噴射量が多くなるほど）、直噴インジェクタ８７のヒータ８６が発生する熱量を多くする（直噴インジェクタ８７が噴射する燃料の温度を高める）ことにより、第２及び第３の実施形態と同様の作用効果を実現できる。

以上、本発明を上記各実施形態に基づいて説明したが、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

例えば、成層燃焼を行う際に、吸気工程にある内燃機関１０の２つの吸気弁３２のうちの一方の吸気弁（タンジェンシャルポート３１ｂに対応する一方の吸気ポート３１を開閉するもの）のバルブリフト量を、他方の吸気弁（スワールポート３１ａに対応する他方の吸気ポート３１を開閉するもの）のバルブリフト量に比べて小さくするかゼロにすることにより、他方の吸気ポート３１から燃焼室２５に流れ込む混合気をスワール流Ｓにしてもよい。
この技術思想を第１〜第３の実施形態に適用した変形例（２つの吸気ポート３１は互いに同じ形状であってもよいし、それぞれをスワールポート３１ａとタンジェンシャルポート３１ｂにより構成してもよい）も、第１〜第３の実施形態と同様の作用効果を発揮可能である。

第１〜第３の実施形態（及び上記変形例）の内燃機関１０の一方の吸気ポート３１（タンジェンシャルポート３１ｂに対応する吸気ポート）からインジェクタを省略した上で、吸気ポート３１にスワールコントロールバルブを設けてもよい。そして成層燃焼を行う際は、スワールコントロールバルブを電気制御装置７０で制御することにより、一方の吸気ポート３１から燃焼室２５に流れ込む空気量を絞り、他方の吸気ポート３１（スワールポート３１ａに対応する吸気ポート）から燃焼室２５に流れ込む混合気をスワール流にする。その一方で、均質燃焼を行う際は、スワールコントロールバルブをＣＰＵ７０で制御することにより、両方の吸気ポート３１から燃焼室２５に流れ込む気体（混合気と空気）の流量差を小さくすることにより、燃焼室２５全体に混合気を拡散させる。
この変形例も第１〜第３の実施形態と同様の作用効果を発揮可能である。

一方の吸気ポート３１（タンジェンシャルポート３１ｂに対応する吸気ポート）を流れる空気流を冷却し、かつ、他方の吸気ポート３１（スワールポート３１ａに対応する吸気ポート）を流れる混合気を加熱することにより、両者を冷却及び加熱しない場合と比べて混合気層と空気層の温度差を小さくしてもよい。

１０・・・内燃機関、２５・・・燃焼室、３１・・・吸気ポート、３１ａ・・・スワールポート、３１ｂ・・・タンジェンシャルポート、３１ｂ１・・・メイン通路、３１ｂ２・・・冷却用通路、３１ｃ・・・空気流切換え弁（制御装置）、３９ａ・・・成層兼均質燃焼用インジェクタ、３９ｂ・・・均質燃焼用インジェクタ、４５・・・インタークーラー（温度調整手段）、６５・・・クランクポジションセンサ、６６・・・アクセル開度センサ、７０・・・電気制御装置（ＥＣＵ）（制御装置）、７１・・・ＣＰＵ、８０・・・ＥＧＲ通路（温度調整手段）、８１・・・ＥＧＲ弁（制御装置）、８２・・・ＥＧＲ弁アクチュエータ（制御装置）、８５・・・燃料噴射通路、８６・・・ヒータ（温度調整手段）、８７・・・直噴インジェクタ、８８・・・点火プラグ

Claims (1)

1. 燃料及び空気を含む混合気層と空気層とを燃焼室内に形成しかつ前記混合気層中の前記燃料を燃焼させる成層燃焼を実行可能な内燃機関の燃焼状態制御システムにおいて、
   前記混合気層と前記空気層との少なくとも一方の温度調整を行う温度調整手段と、
   前記成層燃焼を実行するときに、前記温度調整手段に前記混合気層と前記空気層との少なくとも一方に対する温度調整を行わせることにより、前記温度調整手段が温度調整を行わないときと比べて前記混合気層と前記空気層の温度差を小さくする制御装置と、
   を備える内燃機関の燃焼状態制御システム。

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