JP3817820B2 - 筒内噴射式エンジン - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内噴射式エンジンに関するものであって、とくに成層燃焼時に吸気通路にＥＧＲを供給するようにした筒内噴射式エンジンにおいて、均一燃焼から成層燃焼への切り替えに際して、吸気通路を暖めることにより成層燃焼開始初期における燃焼安定性を高めるようにした筒内噴射式エンジンに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車用のガソリンエンジンにおいては、燃費性能等の向上を図るために、燃料を燃焼室内に直接噴射するようにした筒内噴射式エンジンが普及しつつある。かかる筒内噴射式エンジンにおいては、混合気を点火プラグまわりに成層化することが容易であるので、低負荷領域では理論空燃比よりも大幅にリーンな空燃比（例えば、Ａ／Ｆ＝３０〜４０）で混合気を燃焼させることができ、燃費性能を大幅に高めることができる。なお、筒内噴射式エンジンにおいても、高負荷領域では、エンジン出力を高めるために混合気を燃焼室内にほぼ均一に分散させて均一燃焼を行うようになっている。
【０００３】
ところで、一般にエンジンにおいては、その排気ガスにＮＯｘ（窒素酸化物）、ＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）等の大気汚染物質が含まれているので、エンジンの排気系統には該大気汚染物質を浄化する排気ガス浄化装置が設けられる。そして、筒内噴射式エンジンにおいては、低負荷領域等で成層燃焼によりリーンな空燃比で運転が行われる際には、ＨＣ及びＣＯの発生割合は低くなり、したがって排気ガス中のＨＣ濃度及びＣＯ濃度は低くなる。
【０００４】
他方、例えば図６に示すように、筒内噴射式エンジンにおいて、リーンな空燃比で運転を行うと、ポート噴射エンジンに比べて、ＮＯｘの発生割合がかなり大きくなる。そして、３元触媒を用いた排気ガス浄化装置では、普通、排気ガス中のＨＣを還元剤として利用しＮＯｘをＮ2に還元（分解）するようになっているが、前記したとおり、成層燃焼時には排気ガス中のＨＣ濃度が低くなるので、成層燃焼時には、排気ガス浄化装置にさほど大きなＮＯｘ浄化作用を期待することはできない。
【０００５】
そこで、かかる筒内噴射式エンジンには、一般に、ＮＯｘの発生割合を低減するために、排気通路内の排気ガスの一部をＥＧＲとして吸気通路に供給（還流）するＥＧＲ装置が設けられる。ここで、ＥＧＲによるＮＯｘ発生割合の低減作用は、主としてＥＧＲ中に含まれるＣＯ2によって惹起されるが、筒内噴射式エンジンにおいて成層燃焼によりリーンな空燃比で運転を行う場合は、排気ガス中のＣＯ2濃度が低いので、比較的多量のＥＧＲを供給すること（いわゆる、ヘビーＥＧＲ）が要求される。なお、このように比較的大量のＥＧＲを吸気通路に供給した場合、ポンピング損失が低減されるので、これによって燃費性能が高められることになる。
【０００６】
ところで、かかるＥＧＲ装置においては、各気筒へのＥＧＲの分配を均一化するために、普通、ＥＧＲは吸気通路の各気筒への分岐部の上流側で吸気通路に供給されるようになっている（例えば、特開平５−１５７００９号公報参照）。また、吸気通路の各気筒への分岐部の上流側にサージタンク（容積部ないしは吸気集合部）が設けられるエンジンでは、普通、ＥＧＲは該サージタンク又はその直上流の吸気通路に供給されるようになっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
かくして、かかる筒内噴射式エンジンにおいて、均一燃焼から成層燃焼へ切り替えられたときには、該切り替え時から吸気通路にＥＧＲが供給されることになる。この場合、分岐部上流又はサージタンクもしくはその直上流にＥＧＲを供給するようにした従来のＥＧＲ装置においては、前記したとおり各気筒へのＥＧＲの分配性を高めるためにＥＧＲが比較的上流側に供給される関係上、ＥＧＲ供給初期にはＥＧＲが吸気通路を通過する際に冷却され、燃焼室には低温のＥＧＲ（いわゆる、コールドＥＧＲ）が大量に流入することになる。このため、成層燃焼初期における混合気の燃焼安定性が悪化するといった問題がある。
【０００８】
本発明は、上記従来の問題を解決するためになされたものであって、ＥＧＲの各気筒への分配性を良好に維持しつつ、均一燃焼から成層燃焼への切り替え時における成層燃焼の燃焼安定性を高めることができる筒内噴射式エンジンを提供することを解決すべき課題ないしは目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決すべくなされた本発明の基本的な態様は、燃料を燃焼室内に直接噴射する一方、燃焼室内で混合気を点火プラグまわりに成層化させ空燃比を理論空燃比よりもリーンにして該混合気を燃焼させる成層燃焼と、混合気を燃焼室内全体に分散させて燃焼させる均一燃焼とを、運転状態に応じて切り替えて行わせるようになっている筒内噴射式エンジンにおいて、運転状態を均一燃焼から成層燃焼へ切り替える際に、該切り替えに先立って吸気通路を暖める吸気通路昇温手段が設けられ、吸気通路の各気筒への分岐部又はこれより上流側で該吸気通路にＥＧＲを供給することができるＥＧＲ装置が設けられ、該ＥＧＲ装置が成層燃焼時には吸気通路にＥＧＲを供給するようになっていて、吸気通路昇温手段が、運転状態を均一燃焼から成層燃焼に切り替える際に、該切り替えに先立ってＥＧＲ装置にＥＧＲの供給を開始させることにより、吸気通路を暖めるようになっており、エンジン冷機時においては、エンジン温度が所定値まで上昇したときに、運転状態が均一燃焼から成層燃焼に切り替えられるようになっていて、吸気通路昇温手段が、エンジン温度が上記所定値よりも低い所定の温度になったときにＥＧＲ装置にＥＧＲの供給を開始させることにより、吸気通路を暖めるようになっていることを特徴とするものである。
【００１０】
この筒内噴射式エンジンにおいては、運転状態が均一燃焼から成層燃焼へ切り替えられる際には、該切り替えに先立って吸気通路が暖められるので、成層燃焼が開始される時点では、すでに吸気通路の温度が高められている。このため、成層燃焼すなわち理論空燃比よりも大幅にリーンな空燃比（例えば、Ａ／Ｆ＝３０〜４０）での運転における燃焼安定性が高められる。
【００１１】
また、成層燃焼時に吸気通路にＥＧＲが供給される場合において、各気筒へのＥＧＲの分配性を高めるために、吸気通路の比較的上流部、例えば各気筒への分岐部の上流、あるいは該分岐部の上流に設けられたサージタンクまたはその直上流にＥＧＲが供給されるようになっているときでも、成層燃焼開始時から燃焼室に暖かいＥＧＲが流入し（コールドＥＧＲが防止される）、成層燃焼初期における燃焼安定性が高められる。つまり、ＥＧＲの各気筒への分配性を良好に維持しつつ、成層燃焼開始時における燃焼安定性を高めることができ、もって燃費性能及びエミッション性能の向上を図ることができる（両性能が両立する）。
【００１２】
上記筒内噴射式エンジンにおいては、吸気通路の各気筒への分岐部又はこれより上流側で該吸気通路にＥＧＲを供給することができるＥＧＲ装置が設けられ、該ＥＧＲ装置が成層燃焼時には吸気通路にＥＧＲを供給するようになっていて、吸気通路昇温手段が、運転状態を均一燃焼から成層燃焼に切り替える際に、該切り替えに先立ってＥＧＲ装置にＥＧＲの供給を開始させることにより、吸気通路を暖めるようになっている。このため、吸気通路を暖めるための格別の装置を設けることなく、したがって低コストで、ＥＧＲの各気筒への分配性を良好に維持しつつ、成層燃焼開始時における燃焼安定性を高めることができ、これにより燃費性能及びエミッション性能の向上を図ることができる。
さらに、上記筒内噴射式エンジンにおいては、エンジン冷機時には、エンジン温度が所定値まで上昇したときに、運転状態が均一燃焼から成層燃焼に切り替えられるようになっていて、吸気通路昇温手段が、エンジン温度が上記所定値よりも低い所定の温度になったときにＥＧＲ装置にＥＧＲの供給を開始させることにより、吸気通路を暖めるようになっている。このため、エンジン温度（エンジン水温）に基づいて吸気通路へのＥＧＲの供給開始タイミングを決定することができ、ＥＧＲの制御機構が簡素化される。
【００１３】
また、上記筒内噴射式エンジンにおいては、均一燃焼が、ほぼ理論空燃比（空気過剰率λ≒１）又は理論空燃比よりもリッチな空燃比（空燃比λ＜１）で行われるようになっていれば、均一燃焼時におけるＥＧＲ供給量が、成層燃焼時におけるＥＧＲ供給量よりも少ない量に設定されているのが好ましい。空燃比がリッチなときは、発熱量が大きくなり、したがってＥＧＲ（排気ガス）の温度が高くなるので、ＥＧＲ供給量をさほど多くしなくても、十分に吸気通路を暖めることができるからである。
【００１５】
上記筒内噴射式エンジンにおいては、吸気通路昇温手段が、低負荷時において運転状態が均一燃焼から成層燃焼へ切り替えられる際にのみ、吸気通路を暖めるようになっていてもよい。低負荷領域では、均一燃焼時にＥＧＲを吸気通路に供給しても、新気不足となるおそれがないので、均一燃焼が安定化されるからである。つまり、均一燃焼における燃焼安定性と成層燃焼における安定性とが高められる。なお、この場合、スロットル弁を開き気味にするのが好ましい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を具体的に説明する。
＜実施の形態１＞
図１に示すように、ガソリンを燃料とする筒内噴射式のエンジン１においては、吸気弁２が開かれたときに、吸気通路３（第１、第２吸気通路１７、１８）から燃焼室４内に燃料燃焼用の空気が吸入され（以下、この空気を「吸入空気」という）、この吸入空気はピストン５によって圧縮され、このとき所定のタイミングで高圧インジェクタ９（燃料噴射弁）から燃焼室４内に燃料が噴射され、燃焼室４内に混合気が形成される。この混合気は点火プラグ６によって所定のタイミングで点火されて燃焼し、該燃焼によって生じた燃焼ガスは排気弁７が開かれたときに排気通路８に排出される。かくして、ピストン５の往復運動が連結機構を介してクランク軸１０に伝達され、クランク軸１０の回転運動に変換される。
【００１８】
燃焼室４に吸入空気を供給する吸気通路３には、吸入空気の流れ方向にみて上流側から順に、吸入空気中のダストを除去するエアクリーナ１１と、吸入空気量を検出するエアフローセンサ１２と、アクセルペダル２０の踏み込み量に応じて電気的に開閉されるエレキスロットル弁１３と、吸入空気の流れを安定させるサージタンク１４（容積部ないしは吸気集合部）とが設けられている。また、エレキスロットル弁１３をバイパスするバイパス吸気通路１５が設けられ、このバイパス吸気通路１５にはＩＳＣバルブ１６（アイドルスピードコントロールバルブ）が介設されている。アイドル時にはエレキスロットル弁１３が閉じられ、吸入空気はバイパス吸気通路１５を介して燃焼室４に供給されるが、このとき吸入空気量はエンジン水温に応じてＩＳＣバルブ１６によって制御され、これによりアイドルスピードコントロール（アイドル時のエンジン回転数制御）が行われる。
【００１９】
そして、吸気通路３は、サージタンク１４の下流で、各気筒毎に設けられる第１吸気通路１７及び第２吸気通路１８に分岐し、第２吸気通路１８にはこれを開閉するスワール制御弁１９が設けられている。ここで、所定の低負荷時にはスワール制御弁１９が閉じられ、吸入空気は第１吸気通路１７のみを通して燃焼室４に供給される。詳しくは図示していないが、第１吸気通路１７においては、その吸気ポートが燃焼室４内にスワールを生成するスワールポートとされ、スワール制御弁１９が閉じられる低負荷時には、燃焼室４内にスワールが生成される。これにより、燃焼室４内で燃料（混合気）が層状化されて層状燃焼が行われ、燃料（混合気）の燃焼性が高められ、リーンバーンが可能となる（例えば、空燃比Ａ／Ｆ＝３０〜４０、さらにはＡ／Ｆ＝５０〜６０も理論上は可能）。この場合、燃料は一般に圧縮行程後期に噴射される。
なお、高負荷時には、スワール制御弁１９が開かれ、両吸気通路１７、１８と通して燃焼室４に吸入空気が供給され、均一燃焼が行われる。この場合、燃料は一般に吸気行程前期に噴射される。
【００２０】
排気通路８には、排気ガス中の大気汚染物質（ＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯ等）を浄化する第１排気ガス浄化装置２１と、第２排気ガス浄化装置２２とが介設されている。そして、排気通路８内の排気ガスの一部をＥＧＲとして吸気系に還流させるＥＧＲ通路２３が設けられ、ＥＧＲのオン・オフないしは流量は大容量のＥＧＲバルブ２４によって制御されるようになっている。なお、ＥＧＲは、後で説明するように、成層燃焼時にはＮＯｘ発生量を低減するために吸気系に供給され、かつ均一燃焼から成層燃焼への切り替えに際しては、吸気系を暖めるために、該切り替えに先立って吸気系に供給される。
【００２１】
エンジン１に対しては、これを制御するためにマイクロコンピュータを備えたエンジンコントロールユニット２５（以下、これを「ＥＣＵ２５」という）が設けられている。このＥＣＵ２５は、アクセルセンサ２６によって検出されるアクセル開度、水温センサ２７によって検出されるエンジン水温、回転数センサ２８によって検出されるエンジン回転数、Ｏ2センサ２９によって検出される排気ガス中のＯ2濃度（空燃比）等を制御情報として、エンジン１の所定の各種制御を行うようになっている。例えば、ＥＣＵ２５によって、後記のＥＧＲ制御、空燃比のフィードバック制御、アイドルスピードコントロール等が行われる。
【００２２】
以下、エンジン１の燃料供給系統を説明する。
図３に示すように、エンジン１の燃料供給系統においては、燃料タンク３１内の燃料３２（ガソリン）が、低圧ポンプ３３によって第１燃料供給通路３４に低圧（大気圧よりは高圧）で吐出され、該第１燃料供給通路３４に介設されたフィルタ３５によってごみ等の固体の不純物が除去された後高圧ポンプ３６に供給される。この燃料は、高圧ポンプ３６によって第２燃料供給通路３７に高圧（例えば、５ＭＰａ）で吐出され、この第２燃料供給通路３７を通して高圧インジェクタ９に供給される。ここで、第１燃料供給通路３４を通して高圧ポンプ３６に供給された燃料の一部（過剰燃料）は第１燃料戻り通路４０を通して燃料タンク３３に戻される。なお、第１燃料戻り通路４０には、第１燃料供給通路３４内の燃料の圧力を調整する低圧レギュレータ４１が介設されている。また、第２燃料供給通路３７内の余剰の燃料は、第２燃料戻り通路３８を通して第１燃料戻り通路４０に戻される。なお、第２燃料戻り通路３８には、第２燃料供給通路３７内の燃料の圧力を調整する高圧レギュレータ３９が介設されている。
【００２３】
ここで、高圧インジェクタ９の燃料噴射量は、ＥＣＵ２５によってインジェクタドライバ４４を介して制御される。また、高圧ポンプ３６は、ＥＣＵ２５によってインジェクタドライバ４４を介して制御される高電圧駆動機構４５から供給される高電圧電力で駆動される。
この高圧インジェクタ９においては、詳しくは図示していないが、ＥＣＵ２５からインジェクタドライバ４４にオン信号が印加されているときには、該インジェクタドライバから高圧インジェクタ９内のコイルに電力が供給されて針弁が後方にストロークされ、高圧インジェクタ９から燃料が噴射される。他方、ＥＣＵ２５からインジェクタドライバ４４にオフ信号が印加されているときには、該インジェクタドライバ４４からコイルには電力が供給されず、針弁が前方にストロークされ、燃料噴射が停止される。そして、ＥＣＵ２５からインジェクタドライバ４４に印加されるオン信号のパルス幅（最終噴射パルス幅）、すなわち針弁の後方へのストローク時間に比例して燃料が噴射され、ＥＣＵ２５によって高圧インジェクタ９の燃料噴射量が計量制御される。
【００２４】
ところで、この筒内噴射式のエンジン１においては、リーンな空燃比で運転を行うと、前記したとおり（図６参照）、ＮＯｘの発生割合が大きくなる。そして、第１、第２排気ガス浄化装置２１、２２では、排気ガス中のＨＣを還元剤として利用してＮＯｘをＮ2に還元（分解）するようになっているが、成層燃焼時には排気ガス中のＨＣ濃度が低くなるので、成層燃焼時にはこれらの排気ガス浄化装置２１、２２にさほど大きなＮＯｘ浄化作用を期待することはできない。
【００２５】
そこで、成層燃焼時には、ＥＧＲ通路２３を通して吸気通路３にＥＧＲを供給し、ＮＯｘの発生割合を低減（抑制）するようにしている。ここで、ＥＧＲは、サージタンク１４のやや上流において吸気通路３に供給されるので、ＥＧＲはサージタンク１４内で吸入空気とよく混合され、各気筒へのＥＧＲの分配性が良好となる。前記したとおり、ＥＧＲによるＮＯｘ発生割合の低減作用は、主としてＥＧＲ中に含まれるＣＯ2によって惹起されるが、成層燃焼時においてリーンな空燃比で運転を行う場合は、排気ガス中のＣＯ2濃度が低いので、比較的多量のＥＧＲを供給する必要がある。なお、成層燃焼は、例えばポンピング損失が比較的大きい低負荷時等に行われるが、このように比較的大量のＥＧＲ（ヘビーＥＧＲ）が吸気通路３に供給されるので、ポンピング損失が低減され、これによって燃費性能が一層高められる。
【００２６】
かくして、エンジン１においては、基本的には、均一燃焼から成層燃焼へ切り替えられたときには、ＮＯｘ発生割合を低減するために吸気通路３にＥＧＲが供給されることになるが、この場合、切り替え時からＥＧＲの供給を開始すると、成層燃焼初期においては、ＥＧＲがサージタンク１４あるいは第１吸気通路１７等を通過する際に冷却され、燃焼室４にはコールドＥＧＲが大量に流入し、成層燃焼初期における混合気の燃焼安定性が悪化する。
【００２７】
そこで、このエンジン１では、運転状態が均一燃焼から成層燃焼に切り替えられる際には、該切り替えに先立って吸気通路３へのＥＧＲの供給を開始させることにより、サージタンク１４あるいは第１吸気通路１７等の吸気系統を暖めるといった、ＥＧＲ制御を行うようにしている。このようなＥＧＲ制御が行われるので、成層燃焼開始時から燃焼室４に暖かいＥＧＲが流入し（コールドＥＧＲが防止される）、成層燃焼初期における燃焼安定性が高められる。つまり、吸気通路３を暖めるための格別の昇温装置を設けることなく、したがって低コストで、ＥＧＲの各気筒への分配性を良好に維持しつつ、成層燃焼開始時における燃焼安定性が高められ、これにより燃費性能の向上とエミッション性能の向上とが図られる。
【００２８】
このエンジン１においては、均一燃焼は、ほぼ理論空燃比（空気過剰率λ≒１）で行われるようになっている。なお、均一燃焼を、理論空燃比よりもリッチな空燃比（空燃比λ＜１）で行うようにしてもよい。そして、均一燃焼から成層燃焼への切り替えに際して、該切り替えに先立って吸気通路３にＥＧＲを供給する場合、均一燃焼時におけるＥＧＲ供給量は、成層燃焼時におけるＥＧＲ供給量よりも少ない量に設定されている。すなわち、空燃比が比較的リッチなときは、発熱量が大きくなり、したがってＥＧＲ（排気ガス）の温度が高くなるので、ＥＧＲ供給量をさほど多くしなくても、十分にサージタンク１４あるいは第１吸気通路１７等を暖めることができるからである。
【００２９】
また、エンジン１では、エンジン冷機時等においては、エンジン水温twが所定値（例えば、８０°Ｃ）まで上昇したときに、運転状態が均一燃焼から成層燃焼に切り替えられるようになっている。そして、エンジン水温twが上記所定値よりも低い所定の温度（例えば、６０°Ｃ）になったときに、吸気通路３へのＥＧＲの供給を開始し、サージタンク１４あるいは第１吸気通路１７等を暖めるようにしている。このため、供給開始タイミングを容易に決定することができるので、該ＥＧＲ制御の制御ロジックが簡素化される。
【００３０】
なお、エンジン１においては、低負荷時において運転状態が均一燃焼から成層燃焼へ切り替えられる際にのみ、該切り替えに先立ってＥＧＲを供給して吸気通路３を暖めるようにするのが好ましい。低負荷領域では、均一燃焼時にＥＧＲを吸気通路３に供給しても、新気不足となるおそれがないので、均一燃焼が安定化されるからである。
また、エンジン１においては、エンジン冷機時には、均一燃焼時にも吸気通路３にＥＧＲを供給して該吸気通路３を暖めるようにしてもよい。一般に、エンジン冷機時には燃焼安定性が悪くなるが、このようにすれば均一燃焼時における燃焼安定性が高められるからである。
【００３１】
以下、図４に示すフローチャートに従って、ＥＣＵ２５による具体的なＥＧＲ制御の制御方法を説明する。
図４に示すように、この制御が開始されると、まずステップＳ１で、回転数センサ２８によって検出されるエンジン回転数neと、アクセルセンサ２６によって検出されるアクセル開度accと、エアフローセンサ１２（afs）によって検出される吸入空気量から求められる空気充填量ceと、水温センサ２７によって検出されるエンジン水温twとが制御情報として読み込まれる。
【００３２】
続いて、ステップＳ２で、エンジン水温twが、ＥＧＲ供給開始温度Ｔ１（例えば、６０°Ｃ）を超えているか否かが判定される。ＥＧＲ供給開始温度は、均一燃焼から成層燃焼に切り替えられる際に、該切り替えに先立って吸気通路３へのＥＧＲの供給を開始すべきエンジン水温である。ここで、エンジン水温twがＴ１を超えていなければ（ＮＯ）、ステップＳ４でＥＧＲバルブ２４が閉弁状態に維持され、すなわちＥＧＲが供給されず（off）、続いてステップＳ８で均一燃焼（均一混合運転）が行われる。
【００３３】
他方、ステップＳ２で、エンジン水温twがＥＧＲ供給開始温度Ｔ１を超えていれば（ＹＥＳ）、ステップＳ３で吸気通路３を暖めるためのＥＧＲの供給が開始される。ここで、ＥＧＲの供給量は、所定の第１ＥＧＲ供給量設定マップＭap１を用いて、エンジン回転数neと空気充填量ceとに応じて設定される。なお、このＥＧＲ供給量は、比較的小さい値とされている。すなわち、このＥＧＲは、均一燃焼時において吸気通路３を暖めるためのものであるが、均一燃焼はほぼ理論空燃比（空気過剰率λ≒１）で行われるので、発熱量が比較的大きく、したがってＥＧＲ（排気ガス）の温度が高いので、ＥＧＲ供給量をさほど多くしなくても、十分に吸気通路３を暖めることができるからである。
【００３４】
次に、ステップＳ５で、エンジン水温twが、成層燃焼開始温度Ｔ２（例えば、８０°Ｃ）を超えているか否かが判定される。この成層燃焼開始温度Ｔ２は、運転状態を均一燃焼から成層燃焼に切り替えるべきエンジン水温である。ここで、エンジン水温twがＴ２を超えていなければ（ＮＯ）、ステップＳ８で、吸気通路３にＥＧＲを供給しつつ均一燃焼（均一混合運転）が行われる。
【００３５】
他方、ステップＳ５で、エンジン水温twが成層燃焼開始温度Ｔ２を超えていれば（ＹＥＳ）、ステップＳ６でＮＯｘ発生割合を低減するためのＥＧＲ（ヘビーＥＧＲ）の供給が開始される。ここで、ＥＧＲの供給量は、所定の第２ＥＧＲ供給量設定マップＭap２を用いて、エンジン回転数neとアクセル開度accとに応じて設定される。なお、このＥＧＲ供給量は、ＮＯｘ発生割合を有効に低減するために比較的大きい値とされている。次に、ステップＳ７で成層燃焼が開始される（ＤＩＳＣ運転許可）。
【００３６】
図５は、このようなＥＧＲ制御が行われた場合における、エンジン１の燃焼の形態とＥＧＲの形態のエンジン水温twに対する変化特性を示す図である。図５において、Ａは、均一燃焼時において吸気通路３を暖めるためのＥＧＲが供給される領域を示している。また、Ｂは成層燃焼時においてＮＯｘ発生割合を低減するためにヘビーＥＧＲが供給される領域を示している。
【００３７】
かくして、このＥＧＲ制御によれば、均一燃焼から成層燃焼への切り替えに際して、成層燃焼開始時から燃焼室４に暖かいＥＧＲを供給することができ（コールドＥＧＲが防止される）、成層燃焼初期における燃焼安定性を高めることができる。つまり、吸気通路３を暖めるための格別の装置を設けることなく、したがって低コストで、ＥＧＲの各気筒への分配性を良好に維持しつつ、成層燃焼開始時における燃焼安定性を高めることができ、燃費性能の向上とエミッション性能の向上とを両立させることができる。
【００３８】
＜実施の形態２＞
以下、図２を参照しつつ本発明の実施の形態２を説明するが、実施の形態２にかかる筒内噴射式エンジンは、図１に示す実施の形態１にかかる筒内噴射式エンジンと基本構成は同様であるので、以下では説明の重複を避けるため、実施の形態１と異なる点についてのみ説明する。なお、図２に示す実施の形態２において、図１に示す実施の形態１と共通の部材には同一の番号を付している。
【００３９】
図２に示すように、実施の形態２では、第１排気ガス浄化装置２１のまわりにこれを覆うようにして、該第１排気ガス浄化装置２１の外表面とは適切な間隔を有するジャケット４６が設けられ、このジャケット４６は空気取り入れ口４７を介して大気と連通している。そして、ジャケット４６と第１排気ガス浄化装置２１との間に形成された空間部は、空気供給通路４８を介してエアクリーナ１１と連通している。ここで、空気供給通路４８には開閉弁４９が介設されている。
【００４０】
かくして、この実施の形態２にかかるエンジン１’においては、運転状態を均一燃焼から成層燃焼へ切り替える際には、該切り替えに先立って、ＥＣＵ２５によって開閉弁４９が開かれ、第１排気ガス浄化装置２１の放熱によって暖められたジャケット４６内の空気がエアクリーナ１１に供給され、この暖められた空気によって吸気通路３が暖められる。
【００４１】
このエンジン１’においては、運転状態が均一燃焼から成層燃焼へ切り替えられる際には、該切り替えに先立って上記空気によって吸気通路３が暖められるので、成層燃焼が開始される時点では、吸気通路３の温度が高められている。したがって、成層燃焼の開始と同時にＮＯｘ発生割合を低減するためのヘビーＥＧＲを開始しても、成層燃焼開始時から燃焼室４に暖かいＥＧＲが流入し（コールドＥＧＲが防止される）、成層燃焼初期における燃焼安定性が高められる。
つまり、実施の形態２においても、ＥＧＲの各気筒への分配性を良好に維持しつつ、成層燃焼開始時における燃焼安定性を高めることができ、燃費性能の向上とエミッション性能の向上とを両立させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１にかかる筒内噴射式エンジンのシステム構成図である。
【図２】 本発明の実施の形態２にかかる筒内噴射式エンジンのシステム構成図である。
【図３】 図１又は図２に示すエンジンの燃料供給系統のシステム構成図である。
【図４】 図１に示すエンジンのＥＧＲ制御の制御方法を示すフローチャートである。
【図５】 図４に示すＥＧＲ制御が行われた場合における、燃焼の形態及びＥＧＲの形態のエンジン水温twに対する変化特性を示す図である。
【図６】 普通のポート噴射エンジン及び筒内噴射式エンジンのＮＯｘ発生割合の空燃比に対する変化特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１…エンジン、１’…エンジン、２…吸気弁、３…吸気通路、４…燃焼室、５…ピストン、６…点火プラグ、７…排気弁、８…排気通路、９…高圧インジェクタ、１０…クランク軸、１１…エアクリーナ、１２…エアフローセンサ、１３…エレキスロットル弁、１４…サージタンク、１５…バイパス吸気通路、１６…ＩＳＣバルブ、１７…第１吸気通路、１８…第２吸気通路、１９…スワール制御弁、２０…アクセルペダル、２１…第１排気ガス浄化装置、２２…第２排気ガス浄化装置、２３…ＥＧＲ通路、２４…ＥＧＲバルブ、２５…ＥＣＵ、２６…アクセルセンサ、２７…水温センサ、２８…回転数センサ、２９…Ｏ2センサ、３１…燃料タンク、３２…燃料、３３…低圧ポンプ、３４…第１燃料供給通路、３５…フィルタ、３６…高圧ポンプ、３７…第２燃料供給通路、３８…第２燃料戻り通路、３９…高圧レギュレータ、４０…第１燃料戻り通路、４１…低圧レギュレータ、４４…インジェクタドライバ、４５…高電圧駆動機構、４６…ジャケット、４７…空気取り入れ口、４８…空気供給通路、４９…開閉弁。
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内噴射式エンジンに関するものであって、とくに成層燃焼時に吸気通路にＥＧＲを供給するようにした筒内噴射式エンジンにおいて、均一燃焼から成層燃焼への切り替えに際して、吸気通路を暖めることにより成層燃焼開始初期における燃焼安定性を高めるようにした筒内噴射式エンジンに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車用のガソリンエンジンにおいては、燃費性能等の向上を図るために、燃料を燃焼室内に直接噴射するようにした筒内噴射式エンジンが普及しつつある。かかる筒内噴射式エンジンにおいては、混合気を点火プラグまわりに成層化することが容易であるので、低負荷領域では理論空燃比よりも大幅にリーンな空燃比（例えば、Ａ／Ｆ＝３０〜４０）で混合気を燃焼させることができ、燃費性能を大幅に高めることができる。なお、筒内噴射式エンジンにおいても、高負荷領域では、エンジン出力を高めるために混合気を燃焼室内にほぼ均一に分散させて均一燃焼を行うようになっている。
【０００３】
ところで、一般にエンジンにおいては、その排気ガスにＮＯｘ（窒素酸化物）、ＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）等の大気汚染物質が含まれているので、エンジンの排気系統には該大気汚染物質を浄化する排気ガス浄化装置が設けられる。そして、筒内噴射式エンジンにおいては、低負荷領域等で成層燃焼によりリーンな空燃比で運転が行われる際には、ＨＣ及びＣＯの発生割合は低くなり、したがって排気ガス中のＨＣ濃度及びＣＯ濃度は低くなる。
【０００４】
他方、例えば図６に示すように、筒内噴射式エンジンにおいて、リーンな空燃比で運転を行うと、ポート噴射エンジンに比べて、ＮＯｘの発生割合がかなり大きくなる。そして、３元触媒を用いた排気ガス浄化装置では、普通、排気ガス中のＨＣを還元剤として利用しＮＯｘをＮ2に還元（分解）するようになっているが、前記したとおり、成層燃焼時には排気ガス中のＨＣ濃度が低くなるので、成層燃焼時には、排気ガス浄化装置にさほど大きなＮＯｘ浄化作用を期待することはできない。
【０００５】
そこで、かかる筒内噴射式エンジンには、一般に、ＮＯｘの発生割合を低減するために、排気通路内の排気ガスの一部をＥＧＲとして吸気通路に供給（還流）するＥＧＲ装置が設けられる。ここで、ＥＧＲによるＮＯｘ発生割合の低減作用は、主としてＥＧＲ中に含まれるＣＯ2によって惹起されるが、筒内噴射式エンジンにおいて成層燃焼によりリーンな空燃比で運転を行う場合は、排気ガス中のＣＯ2濃度が低いので、比較的多量のＥＧＲを供給すること（いわゆる、ヘビーＥＧＲ）が要求される。なお、このように比較的大量のＥＧＲを吸気通路に供給した場合、ポンピング損失が低減されるので、これによって燃費性能が高められることになる。
【０００６】
ところで、かかるＥＧＲ装置においては、各気筒へのＥＧＲの分配を均一化するために、普通、ＥＧＲは吸気通路の各気筒への分岐部の上流側で吸気通路に供給されるようになっている（例えば、特開平５−１５７００９号公報参照）。また、吸気通路の各気筒への分岐部の上流側にサージタンク（容積部ないしは吸気集合部）が設けられるエンジンでは、普通、ＥＧＲは該サージタンク又はその直上流の吸気通路に供給されるようになっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
かくして、かかる筒内噴射式エンジンにおいて、均一燃焼から成層燃焼へ切り替えられたときには、該切り替え時から吸気通路にＥＧＲが供給されることになる。この場合、分岐部上流又はサージタンクもしくはその直上流にＥＧＲを供給するようにした従来のＥＧＲ装置においては、前記したとおり各気筒へのＥＧＲの分配性を高めるためにＥＧＲが比較的上流側に供給される関係上、ＥＧＲ供給初期にはＥＧＲが吸気通路を通過する際に冷却され、燃焼室には低温のＥＧＲ（いわゆる、コールドＥＧＲ）が大量に流入することになる。このため、成層燃焼初期における混合気の燃焼安定性が悪化するといった問題がある。
【０００８】
本発明は、上記従来の問題を解決するためになされたものであって、ＥＧＲの各気筒への分配性を良好に維持しつつ、均一燃焼から成層燃焼への切り替え時における成層燃焼の燃焼安定性を高めることができる筒内噴射式エンジンを提供することを解決すべき課題ないしは目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決すべくなされた本発明の基本的な態様は、燃料を燃焼室内に直接噴射する一方、燃焼室内で混合気を点火プラグまわりに成層化させ空燃比を理論空燃比よりもリーンにして該混合気を燃焼させる成層燃焼と、混合気を燃焼室内全体に分散させて燃焼させる均一燃焼とを、運転状態に応じて切り替えて行わせるようになっている筒内噴射式エンジンにおいて、運転状態を均一燃焼から成層燃焼へ切り替える際に、該切り替えに先立って吸気通路を暖める吸気通路昇温手段が設けられ、吸気通路の各気筒への分岐部又はこれより上流側で該吸気通路にＥＧＲを供給することができるＥＧＲ装置が設けられ、該ＥＧＲ装置が成層燃焼時には吸気通路にＥＧＲを供給するようになっていて、吸気通路昇温手段が、運転状態を均一燃焼から成層燃焼に切り替える際に、該切り替えに先立ってＥＧＲ装置にＥＧＲの供給を開始させることにより、吸気通路を暖めるようになっており、エンジン冷機時においては、エンジン温度が所定値まで上昇したときに、運転状態が均一燃焼から成層燃焼に切り替えられるようになっていて、吸気通路昇温手段が、エンジン温度が上記所定値よりも低い所定の温度になったときにＥＧＲ装置にＥＧＲの供給を開始させることにより、吸気通路を暖めるようになっていることを特徴とするものである。
【００１０】
この筒内噴射式エンジンにおいては、運転状態が均一燃焼から成層燃焼へ切り替えられる際には、該切り替えに先立って吸気通路が暖められるので、成層燃焼が開始される時点では、すでに吸気通路の温度が高められている。このため、成層燃焼すなわち理論空燃比よりも大幅にリーンな空燃比（例えば、Ａ／Ｆ＝３０〜４０）での運転における燃焼安定性が高められる。
【００１１】
また、成層燃焼時に吸気通路にＥＧＲが供給される場合において、各気筒へのＥＧＲの分配性を高めるために、吸気通路の比較的上流部、例えば各気筒への分岐部の上流、あるいは該分岐部の上流に設けられたサージタンクまたはその直上流にＥＧＲが供給されるようになっているときでも、成層燃焼開始時から燃焼室に暖かいＥＧＲが流入し（コールドＥＧＲが防止される）、成層燃焼初期における燃焼安定性が高められる。つまり、ＥＧＲの各気筒への分配性を良好に維持しつつ、成層燃焼開始時における燃焼安定性を高めることができ、もって燃費性能及びエミッション性能の向上を図ることができる（両性能が両立する）。
【００１２】
上記筒内噴射式エンジンにおいては、吸気通路の各気筒への分岐部又はこれより上流側で該吸気通路にＥＧＲを供給することができるＥＧＲ装置が設けられ、該ＥＧＲ装置が成層燃焼時には吸気通路にＥＧＲを供給するようになっていて、吸気通路昇温手段が、運転状態を均一燃焼から成層燃焼に切り替える際に、該切り替えに先立ってＥＧＲ装置にＥＧＲの供給を開始させることにより、吸気通路を暖めるようになっている。このため、吸気通路を暖めるための格別の装置を設けることなく、したがって低コストで、ＥＧＲの各気筒への分配性を良好に維持しつつ、成層燃焼開始時における燃焼安定性を高めることができ、これにより燃費性能及びエミッション性能の向上を図ることができる。
さらに、上記筒内噴射式エンジンにおいては、エンジン冷機時には、エンジン温度が所定値まで上昇したときに、運転状態が均一燃焼から成層燃焼に切り替えられるようになっていて、吸気通路昇温手段が、エンジン温度が上記所定値よりも低い所定の温度になったときにＥＧＲ装置にＥＧＲの供給を開始させることにより、吸気通路を暖めるようになっている。このため、エンジン温度（エンジン水温）に基づいて吸気通路へのＥＧＲの供給開始タイミングを決定することができ、ＥＧＲの制御機構が簡素化される。
【００１３】
また、上記筒内噴射式エンジンにおいては、均一燃焼が、ほぼ理論空燃比（空気過剰率λ≒１）又は理論空燃比よりもリッチな空燃比（空燃比λ＜１）で行われるようになっていれば、均一燃焼時におけるＥＧＲ供給量が、成層燃焼時におけるＥＧＲ供給量よりも少ない量に設定されているのが好ましい。空燃比がリッチなときは、発熱量が大きくなり、したがってＥＧＲ（排気ガス）の温度が高くなるので、ＥＧＲ供給量をさほど多くしなくても、十分に吸気通路を暖めることができるからである。
【００１５】
上記筒内噴射式エンジンにおいては、吸気通路昇温手段が、低負荷時において運転状態が均一燃焼から成層燃焼へ切り替えられる際にのみ、吸気通路を暖めるようになっていてもよい。低負荷領域では、均一燃焼時にＥＧＲを吸気通路に供給しても、新気不足となるおそれがないので、均一燃焼が安定化されるからである。つまり、均一燃焼における燃焼安定性と成層燃焼における安定性とが高められる。なお、この場合、スロットル弁を開き気味にするのが好ましい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を具体的に説明する。
＜実施の形態１＞
図１に示すように、ガソリンを燃料とする筒内噴射式のエンジン１においては、吸気弁２が開かれたときに、吸気通路３（第１、第２吸気通路１７、１８）から燃焼室４内に燃料燃焼用の空気が吸入され（以下、この空気を「吸入空気」という）、この吸入空気はピストン５によって圧縮され、このとき所定のタイミングで高圧インジェクタ９（燃料噴射弁）から燃焼室４内に燃料が噴射され、燃焼室４内に混合気が形成される。この混合気は点火プラグ６によって所定のタイミングで点火されて燃焼し、該燃焼によって生じた燃焼ガスは排気弁７が開かれたときに排気通路８に排出される。かくして、ピストン５の往復運動が連結機構を介してクランク軸１０に伝達され、クランク軸１０の回転運動に変換される。
【００１８】
燃焼室４に吸入空気を供給する吸気通路３には、吸入空気の流れ方向にみて上流側から順に、吸入空気中のダストを除去するエアクリーナ１１と、吸入空気量を検出するエアフローセンサ１２と、アクセルペダル２０の踏み込み量に応じて電気的に開閉されるエレキスロットル弁１３と、吸入空気の流れを安定させるサージタンク１４（容積部ないしは吸気集合部）とが設けられている。また、エレキスロットル弁１３をバイパスするバイパス吸気通路１５が設けられ、このバイパス吸気通路１５にはＩＳＣバルブ１６（アイドルスピードコントロールバルブ）が介設されている。アイドル時にはエレキスロットル弁１３が閉じられ、吸入空気はバイパス吸気通路１５を介して燃焼室４に供給されるが、このとき吸入空気量はエンジン水温に応じてＩＳＣバルブ１６によって制御され、これによりアイドルスピードコントロール（アイドル時のエンジン回転数制御）が行われる。
【００１９】
そして、吸気通路３は、サージタンク１４の下流で、各気筒毎に設けられる第１吸気通路１７及び第２吸気通路１８に分岐し、第２吸気通路１８にはこれを開閉するスワール制御弁１９が設けられている。ここで、所定の低負荷時にはスワール制御弁１９が閉じられ、吸入空気は第１吸気通路１７のみを通して燃焼室４に供給される。詳しくは図示していないが、第１吸気通路１７においては、その吸気ポートが燃焼室４内にスワールを生成するスワールポートとされ、スワール制御弁１９が閉じられる低負荷時には、燃焼室４内にスワールが生成される。これにより、燃焼室４内で燃料（混合気）が層状化されて層状燃焼が行われ、燃料（混合気）の燃焼性が高められ、リーンバーンが可能となる（例えば、空燃比Ａ／Ｆ＝３０〜４０、さらにはＡ／Ｆ＝５０〜６０も理論上は可能）。この場合、燃料は一般に圧縮行程後期に噴射される。
なお、高負荷時には、スワール制御弁１９が開かれ、両吸気通路１７、１８と通して燃焼室４に吸入空気が供給され、均一燃焼が行われる。この場合、燃料は一般に吸気行程前期に噴射される。
【００２０】
排気通路８には、排気ガス中の大気汚染物質（ＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯ等）を浄化する第１排気ガス浄化装置２１と、第２排気ガス浄化装置２２とが介設されている。そして、排気通路８内の排気ガスの一部をＥＧＲとして吸気系に還流させるＥＧＲ通路２３が設けられ、ＥＧＲのオン・オフないしは流量は大容量のＥＧＲバルブ２４によって制御されるようになっている。なお、ＥＧＲは、後で説明するように、成層燃焼時にはＮＯｘ発生量を低減するために吸気系に供給され、かつ均一燃焼から成層燃焼への切り替えに際しては、吸気系を暖めるために、該切り替えに先立って吸気系に供給される。
【００２１】
エンジン１に対しては、これを制御するためにマイクロコンピュータを備えたエンジンコントロールユニット２５（以下、これを「ＥＣＵ２５」という）が設けられている。このＥＣＵ２５は、アクセルセンサ２６によって検出されるアクセル開度、水温センサ２７によって検出されるエンジン水温、回転数センサ２８によって検出されるエンジン回転数、Ｏ2センサ２９によって検出される排気ガス中のＯ2濃度（空燃比）等を制御情報として、エンジン１の所定の各種制御を行うようになっている。例えば、ＥＣＵ２５によって、後記のＥＧＲ制御、空燃比のフィードバック制御、アイドルスピードコントロール等が行われる。
【００２２】
以下、エンジン１の燃料供給系統を説明する。
図３に示すように、エンジン１の燃料供給系統においては、燃料タンク３１内の燃料３２（ガソリン）が、低圧ポンプ３３によって第１燃料供給通路３４に低圧（大気圧よりは高圧）で吐出され、該第１燃料供給通路３４に介設されたフィルタ３５によってごみ等の固体の不純物が除去された後高圧ポンプ３６に供給される。この燃料は、高圧ポンプ３６によって第２燃料供給通路３７に高圧（例えば、５ＭＰａ）で吐出され、この第２燃料供給通路３７を通して高圧インジェクタ９に供給される。ここで、第１燃料供給通路３４を通して高圧ポンプ３６に供給された燃料の一部（過剰燃料）は第１燃料戻り通路４０を通して燃料タンク３３に戻される。なお、第１燃料戻り通路４０には、第１燃料供給通路３４内の燃料の圧力を調整する低圧レギュレータ４１が介設されている。また、第２燃料供給通路３７内の余剰の燃料は、第２燃料戻り通路３８を通して第１燃料戻り通路４０に戻される。なお、第２燃料戻り通路３８には、第２燃料供給通路３７内の燃料の圧力を調整する高圧レギュレータ３９が介設されている。
【００２３】
ここで、高圧インジェクタ９の燃料噴射量は、ＥＣＵ２５によってインジェクタドライバ４４を介して制御される。また、高圧ポンプ３６は、ＥＣＵ２５によってインジェクタドライバ４４を介して制御される高電圧駆動機構４５から供給される高電圧電力で駆動される。
この高圧インジェクタ９においては、詳しくは図示していないが、ＥＣＵ２５からインジェクタドライバ４４にオン信号が印加されているときには、該インジェクタドライバから高圧インジェクタ９内のコイルに電力が供給されて針弁が後方にストロークされ、高圧インジェクタ９から燃料が噴射される。他方、ＥＣＵ２５からインジェクタドライバ４４にオフ信号が印加されているときには、該インジェクタドライバ４４からコイルには電力が供給されず、針弁が前方にストロークされ、燃料噴射が停止される。そして、ＥＣＵ２５からインジェクタドライバ４４に印加されるオン信号のパルス幅（最終噴射パルス幅）、すなわち針弁の後方へのストローク時間に比例して燃料が噴射され、ＥＣＵ２５によって高圧インジェクタ９の燃料噴射量が計量制御される。
【００２４】
ところで、この筒内噴射式のエンジン１においては、リーンな空燃比で運転を行うと、前記したとおり（図６参照）、ＮＯｘの発生割合が大きくなる。そして、第１、第２排気ガス浄化装置２１、２２では、排気ガス中のＨＣを還元剤として利用してＮＯｘをＮ2に還元（分解）するようになっているが、成層燃焼時には排気ガス中のＨＣ濃度が低くなるので、成層燃焼時にはこれらの排気ガス浄化装置２１、２２にさほど大きなＮＯｘ浄化作用を期待することはできない。
【００２５】
そこで、成層燃焼時には、ＥＧＲ通路２３を通して吸気通路３にＥＧＲを供給し、ＮＯｘの発生割合を低減（抑制）するようにしている。ここで、ＥＧＲは、サージタンク１４のやや上流において吸気通路３に供給されるので、ＥＧＲはサージタンク１４内で吸入空気とよく混合され、各気筒へのＥＧＲの分配性が良好となる。前記したとおり、ＥＧＲによるＮＯｘ発生割合の低減作用は、主としてＥＧＲ中に含まれるＣＯ2によって惹起されるが、成層燃焼時においてリーンな空燃比で運転を行う場合は、排気ガス中のＣＯ2濃度が低いので、比較的多量のＥＧＲを供給する必要がある。なお、成層燃焼は、例えばポンピング損失が比較的大きい低負荷時等に行われるが、このように比較的大量のＥＧＲ（ヘビーＥＧＲ）が吸気通路３に供給されるので、ポンピング損失が低減され、これによって燃費性能が一層高められる。
【００２６】
かくして、エンジン１においては、基本的には、均一燃焼から成層燃焼へ切り替えられたときには、ＮＯｘ発生割合を低減するために吸気通路３にＥＧＲが供給されることになるが、この場合、切り替え時からＥＧＲの供給を開始すると、成層燃焼初期においては、ＥＧＲがサージタンク１４あるいは第１吸気通路１７等を通過する際に冷却され、燃焼室４にはコールドＥＧＲが大量に流入し、成層燃焼初期における混合気の燃焼安定性が悪化する。
【００２７】
そこで、このエンジン１では、運転状態が均一燃焼から成層燃焼に切り替えられる際には、該切り替えに先立って吸気通路３へのＥＧＲの供給を開始させることにより、サージタンク１４あるいは第１吸気通路１７等の吸気系統を暖めるといった、ＥＧＲ制御を行うようにしている。このようなＥＧＲ制御が行われるので、成層燃焼開始時から燃焼室４に暖かいＥＧＲが流入し（コールドＥＧＲが防止される）、成層燃焼初期における燃焼安定性が高められる。つまり、吸気通路３を暖めるための格別の昇温装置を設けることなく、したがって低コストで、ＥＧＲの各気筒への分配性を良好に維持しつつ、成層燃焼開始時における燃焼安定性が高められ、これにより燃費性能の向上とエミッション性能の向上とが図られる。
【００２８】
このエンジン１においては、均一燃焼は、ほぼ理論空燃比（空気過剰率λ≒１）で行われるようになっている。なお、均一燃焼を、理論空燃比よりもリッチな空燃比（空燃比λ＜１）で行うようにしてもよい。そして、均一燃焼から成層燃焼への切り替えに際して、該切り替えに先立って吸気通路３にＥＧＲを供給する場合、均一燃焼時におけるＥＧＲ供給量は、成層燃焼時におけるＥＧＲ供給量よりも少ない量に設定されている。すなわち、空燃比が比較的リッチなときは、発熱量が大きくなり、したがってＥＧＲ（排気ガス）の温度が高くなるので、ＥＧＲ供給量をさほど多くしなくても、十分にサージタンク１４あるいは第１吸気通路１７等を暖めることができるからである。
【００２９】
また、エンジン１では、エンジン冷機時等においては、エンジン水温twが所定値（例えば、８０°Ｃ）まで上昇したときに、運転状態が均一燃焼から成層燃焼に切り替えられるようになっている。そして、エンジン水温twが上記所定値よりも低い所定の温度（例えば、６０°Ｃ）になったときに、吸気通路３へのＥＧＲの供給を開始し、サージタンク１４あるいは第１吸気通路１７等を暖めるようにしている。このため、供給開始タイミングを容易に決定することができるので、該ＥＧＲ制御の制御ロジックが簡素化される。
【００３０】
なお、エンジン１においては、低負荷時において運転状態が均一燃焼から成層燃焼へ切り替えられる際にのみ、該切り替えに先立ってＥＧＲを供給して吸気通路３を暖めるようにするのが好ましい。低負荷領域では、均一燃焼時にＥＧＲを吸気通路３に供給しても、新気不足となるおそれがないので、均一燃焼が安定化されるからである。
また、エンジン１においては、エンジン冷機時には、均一燃焼時にも吸気通路３にＥＧＲを供給して該吸気通路３を暖めるようにしてもよい。一般に、エンジン冷機時には燃焼安定性が悪くなるが、このようにすれば均一燃焼時における燃焼安定性が高められるからである。
【００３１】
以下、図４に示すフローチャートに従って、ＥＣＵ２５による具体的なＥＧＲ制御の制御方法を説明する。
図４に示すように、この制御が開始されると、まずステップＳ１で、回転数センサ２８によって検出されるエンジン回転数neと、アクセルセンサ２６によって検出されるアクセル開度accと、エアフローセンサ１２（afs）によって検出される吸入空気量から求められる空気充填量ceと、水温センサ２７によって検出されるエンジン水温twとが制御情報として読み込まれる。
【００３２】
続いて、ステップＳ２で、エンジン水温twが、ＥＧＲ供給開始温度Ｔ１（例えば、６０°Ｃ）を超えているか否かが判定される。ＥＧＲ供給開始温度は、均一燃焼から成層燃焼に切り替えられる際に、該切り替えに先立って吸気通路３へのＥＧＲの供給を開始すべきエンジン水温である。ここで、エンジン水温twがＴ１を超えていなければ（ＮＯ）、ステップＳ４でＥＧＲバルブ２４が閉弁状態に維持され、すなわちＥＧＲが供給されず（off）、続いてステップＳ８で均一燃焼（均一混合運転）が行われる。
【００３３】
他方、ステップＳ２で、エンジン水温twがＥＧＲ供給開始温度Ｔ１を超えていれば（ＹＥＳ）、ステップＳ３で吸気通路３を暖めるためのＥＧＲの供給が開始される。ここで、ＥＧＲの供給量は、所定の第１ＥＧＲ供給量設定マップＭap１を用いて、エンジン回転数neと空気充填量ceとに応じて設定される。なお、このＥＧＲ供給量は、比較的小さい値とされている。すなわち、このＥＧＲは、均一燃焼時において吸気通路３を暖めるためのものであるが、均一燃焼はほぼ理論空燃比（空気過剰率λ≒１）で行われるので、発熱量が比較的大きく、したがってＥＧＲ（排気ガス）の温度が高いので、ＥＧＲ供給量をさほど多くしなくても、十分に吸気通路３を暖めることができるからである。
【００３４】
次に、ステップＳ５で、エンジン水温twが、成層燃焼開始温度Ｔ２（例えば、８０°Ｃ）を超えているか否かが判定される。この成層燃焼開始温度Ｔ２は、運転状態を均一燃焼から成層燃焼に切り替えるべきエンジン水温である。ここで、エンジン水温twがＴ２を超えていなければ（ＮＯ）、ステップＳ８で、吸気通路３にＥＧＲを供給しつつ均一燃焼（均一混合運転）が行われる。
【００３５】
他方、ステップＳ５で、エンジン水温twが成層燃焼開始温度Ｔ２を超えていれば（ＹＥＳ）、ステップＳ６でＮＯｘ発生割合を低減するためのＥＧＲ（ヘビーＥＧＲ）の供給が開始される。ここで、ＥＧＲの供給量は、所定の第２ＥＧＲ供給量設定マップＭap２を用いて、エンジン回転数neとアクセル開度accとに応じて設定される。なお、このＥＧＲ供給量は、ＮＯｘ発生割合を有効に低減するために比較的大きい値とされている。次に、ステップＳ７で成層燃焼が開始される（ＤＩＳＣ運転許可）。
【００３６】
図５は、このようなＥＧＲ制御が行われた場合における、エンジン１の燃焼の形態とＥＧＲの形態のエンジン水温twに対する変化特性を示す図である。図５において、Ａは、均一燃焼時において吸気通路３を暖めるためのＥＧＲが供給される領域を示している。また、Ｂは成層燃焼時においてＮＯｘ発生割合を低減するためにヘビーＥＧＲが供給される領域を示している。
【００３７】
かくして、このＥＧＲ制御によれば、均一燃焼から成層燃焼への切り替えに際して、成層燃焼開始時から燃焼室４に暖かいＥＧＲを供給することができ（コールドＥＧＲが防止される）、成層燃焼初期における燃焼安定性を高めることができる。つまり、吸気通路３を暖めるための格別の装置を設けることなく、したがって低コストで、ＥＧＲの各気筒への分配性を良好に維持しつつ、成層燃焼開始時における燃焼安定性を高めることができ、燃費性能の向上とエミッション性能の向上とを両立させることができる。
【００３８】
＜実施の形態２＞
以下、図２を参照しつつ本発明の実施の形態２を説明するが、実施の形態２にかかる筒内噴射式エンジンは、図１に示す実施の形態１にかかる筒内噴射式エンジンと基本構成は同様であるので、以下では説明の重複を避けるため、実施の形態１と異なる点についてのみ説明する。なお、図２に示す実施の形態２において、図１に示す実施の形態１と共通の部材には同一の番号を付している。
【００３９】
図２に示すように、実施の形態２では、第１排気ガス浄化装置２１のまわりにこれを覆うようにして、該第１排気ガス浄化装置２１の外表面とは適切な間隔を有するジャケット４６が設けられ、このジャケット４６は空気取り入れ口４７を介して大気と連通している。そして、ジャケット４６と第１排気ガス浄化装置２１との間に形成された空間部は、空気供給通路４８を介してエアクリーナ１１と連通している。ここで、空気供給通路４８には開閉弁４９が介設されている。
【００４０】
かくして、この実施の形態２にかかるエンジン１’においては、運転状態を均一燃焼から成層燃焼へ切り替える際には、該切り替えに先立って、ＥＣＵ２５によって開閉弁４９が開かれ、第１排気ガス浄化装置２１の放熱によって暖められたジャケット４６内の空気がエアクリーナ１１に供給され、この暖められた空気によって吸気通路３が暖められる。
【００４１】
このエンジン１’においては、運転状態が均一燃焼から成層燃焼へ切り替えられる際には、該切り替えに先立って上記空気によって吸気通路３が暖められるので、成層燃焼が開始される時点では、吸気通路３の温度が高められている。したがって、成層燃焼の開始と同時にＮＯｘ発生割合を低減するためのヘビーＥＧＲを開始しても、成層燃焼開始時から燃焼室４に暖かいＥＧＲが流入し（コールドＥＧＲが防止される）、成層燃焼初期における燃焼安定性が高められる。
つまり、実施の形態２においても、ＥＧＲの各気筒への分配性を良好に維持しつつ、成層燃焼開始時における燃焼安定性を高めることができ、燃費性能の向上とエミッション性能の向上とを両立させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１にかかる筒内噴射式エンジンのシステム構成図である。
【図２】 本発明の実施の形態２にかかる筒内噴射式エンジンのシステム構成図である。
【図３】 図１又は図２に示すエンジンの燃料供給系統のシステム構成図である。
【図４】 図１に示すエンジンのＥＧＲ制御の制御方法を示すフローチャートである。
【図５】 図４に示すＥＧＲ制御が行われた場合における、燃焼の形態及びＥＧＲの形態のエンジン水温twに対する変化特性を示す図である。
【図６】 普通のポート噴射エンジン及び筒内噴射式エンジンのＮＯｘ発生割合の空燃比に対する変化特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１…エンジン、１’…エンジン、２…吸気弁、３…吸気通路、４…燃焼室、５…ピストン、６…点火プラグ、７…排気弁、８…排気通路、９…高圧インジェクタ、１０…クランク軸、１１…エアクリーナ、１２…エアフローセンサ、１３…エレキスロットル弁、１４…サージタンク、１５…バイパス吸気通路、１６…ＩＳＣバルブ、１７…第１吸気通路、１８…第２吸気通路、１９…スワール制御弁、２０…アクセルペダル、２１…第１排気ガス浄化装置、２２…第２排気ガス浄化装置、２３…ＥＧＲ通路、２４…ＥＧＲバルブ、２５…ＥＣＵ、２６…アクセルセンサ、２７…水温センサ、２８…回転数センサ、２９…Ｏ2センサ、３１…燃料タンク、３２…燃料、３３…低圧ポンプ、３４…第１燃料供給通路、３５…フィルタ、３６…高圧ポンプ、３７…第２燃料供給通路、３８…第２燃料戻り通路、３９…高圧レギュレータ、４０…第１燃料戻り通路、４１…低圧レギュレータ、４４…インジェクタドライバ、４５…高電圧駆動機構、４６…ジャケット、４７…空気取り入れ口、４８…空気供給通路、４９…開閉弁。
Claims (3)
- 燃料を燃焼室内に直接噴射する一方、燃焼室内で混合気を点火プラグまわりに成層化させ空燃比を理論空燃比よりもリーンにして該混合気を燃焼させる成層燃焼と、混合気を燃焼室内全体に分散させて燃焼させる均一燃焼とを、運転状態に応じて切り替えて行わせるようになっている筒内噴射式エンジンにおいて、
運転状態を均一燃焼から成層燃焼へ切り替える際に、該切り替えに先立って吸気通路を暖める吸気通路昇温手段が設けられ、
上記吸気通路の各気筒への分岐部又はこれより上流側で該吸気通路にＥＧＲを供給することができるＥＧＲ装置が設けられ、該ＥＧＲ装置が成層燃焼時には上記吸気通路にＥＧＲを供給するようになっていて、上記吸気通路昇温手段が、運転状態を均一燃焼から成層燃焼に切り替える際に、該切り替えに先立って上記ＥＧＲ装置にＥＧＲの供給を開始させることにより、上記吸気通路を暖めるようになっており、
エンジン冷機時においては、エンジン温度が所定値まで上昇したときに、運転状態が均一燃焼から成層燃焼に切り替えられるようになっていて、上記吸気通路昇温手段が、エンジン温度が上記所定値よりも低い所定の温度になったときに上記ＥＧＲ装置にＥＧＲの供給を開始させることにより、上記吸気通路を暖めるようになっていることを特徴とする筒内噴射式エンジン。 - 上記均一燃焼が、ほぼ理論空燃比又は理論空燃比よりもリッチな空燃比で行われるようになっていて、
均一燃焼時におけるＥＧＲ供給量が、成層燃焼時におけるＥＧＲ供給量よりも少ない量に設定されていることを特徴とする、請求項１に記載された筒内噴射式エンジン。 - 上記吸気通路昇温手段が、低負荷時において運転状態が均一燃焼から成層燃焼へ切り替えられる際に上記吸気通路を暖めるようになっていることを特徴とする、請求項１に記載された筒内噴射式エンジン。
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