JP3911945B2

JP3911945B2 - 圧縮自己着火式内燃機関

Info

Publication number: JP3911945B2
Application number: JP2000020549A
Authority: JP
Inventors: 幸大 ▲吉▼沢; 健内藤; 淳寺地; 英治青地
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2000-01-28
Filing date: 2000-01-28
Publication date: 2007-05-09
Anticipated expiration: 2020-01-28
Also published as: JP2001214741A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備え、ピストンの圧縮作用により燃焼室内の混合気を自己着火して燃焼させる圧縮自己着火式内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガソリン内燃機関の熱効率を改善するために、混合気をリーン化することでポンプ損失を低減するとともに、作動ガスの比熱比を大きくして理論熱効率を向上する手法が知られている。しかしながら、従来の火花点火式内燃機関では、空燃比をリーン化すると、燃焼期間が長期化して燃焼安定度が悪化する。このため、空燃比のリーン化には限界がある。
【０００３】
このような燃焼安定度の悪化を避けながら空燃比をリーン化する技術として、特開平７−３３２１４１号公報には、予混合圧縮自己着火燃焼を起こさせる圧縮自己着火内燃機関が開示されている。予混合圧縮自己着火燃焼では、燃焼室の複数の位置から燃焼反応が起こるため、空燃比がリーン化した場合においても火花点火に比べると、燃焼期間が長期化せずに、よりリーンな空燃比でも安定した燃焼が可能となる。また、空燃比がリーンのために燃焼温度が低下し、ＮＯxも大幅に低減できる。
【０００４】
ところが、自己着火燃焼は、空燃比の影響を強く受ける。例えば高負荷運転を考慮して空燃比をリッチ化した場合には、燃焼反応を起こす燃料量が増加し、燃焼が激しくなりノッキングを起こす。このため、高負荷での自己着火燃焼による運転が、困難であるという問題がある。
【０００５】
また、低負荷運転を考慮して空燃比をリーン化した場合には、燃料の濃度が低下して自己着火に至る反応が充分進展せずに、燃焼が不安定となり運転性が悪化する。
【０００６】
自己着火燃焼において燃料の着火性を改善する技術として、従来では特開平１１−１８２２４６号公報に、高温の排気を吸気系に導入してシリンダ内の温度を上昇させるものが開示されている。これは、二つの吸気通路の一方に、排気通路に一端が接続される排気還流通路の他端を接続し、この一方の吸気通路を介して燃焼室に排気を導入し、他方の吸気通路には燃料を噴射してその混合気を燃焼室に導入する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の内燃機関では、シリンダ内に高温の排気（ＥＧＲガス）を導入する構成となっているものの、燃料は、吸入空気中に噴射されるので、高温のＥＧＲガスによる熱の影響を受けにくく、着火性が充分に改善されないものとなる。
【０００８】
これに対し、例えば、ＥＧＲガス中に燃料を噴射するようにした場合には、ＥＲＧガス中の燃料が一気に燃焼を起こし、燃焼が激しくなり、ノッキングを引き起こす要因となる。
【０００９】
そこで、この発明は、広い運転範囲にてノッキングを発生させることなく自己着火性を向上させることを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、請求項１の発明は、燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備え、ピストンの圧縮作用により前記燃焼室内の混合気を自己着火して燃焼させる圧縮自己着火式内燃機関において、前記燃焼室から排出されて該燃焼室に還流させた排気を含むＥＧＲ層と、吸気通路から導入された新気で構成される空気層とで、これら各層相互間の境界部分がピストン移動方向に沿って形成されるよう成層化し、前記ＥＧＲ層と前記空気層との前記境界部分の前記燃焼室内における温度勾配が大きい領域に前記燃料噴射弁により燃料を噴射し、前記温度勾配の大きい領域から温度の低い領域へと自己着火燃焼させる構成としてある。
【００１１】
このような構成の圧縮自己着火式内燃機関によれば、高温側のＥＧＲ層と低温側の空気層との境界部分に燃料が噴射され、燃料が噴射された温度勾配の大きい領域から予反応が開始される。このとき温度勾配があるために、最初に着火するための着火源に必要な燃料は、ノッキングを起こすほど多くはない。また、着火後も、温度勾配に従って順次自己着火が温度の低い領域に進んでいくため、急激な燃焼が回避され、緩やかな燃焼となる。
【００１４】
請求項２の発明は、請求項１の発明の構成において、吸気通路を二つ設け、一方の吸気通路に、排気通路に一端が接続する排気還流通路の他端を接続し、前記一方の吸気通路を経て排気を還流させる構成としてある。
【００１５】
上記構成によれば、排気が排気還流通路から一方の吸気通路を経て燃焼室に還流され、これにより燃焼室内にＥＧＲ層が形成され、他方の吸気通路からは新気が燃焼室に導入されて空気層が形成される。
【００１６】
請求項３の発明は、請求項２の発明の構成において、二つの吸気通路に対応してそれぞれ設けられた二つの吸気弁の開時期を相互に異ならせた構成としてある。
【００１７】
上記構成によれば、燃焼室への排気の導入時期と新気の導入時期とが相互にずれ、先に導入したガスと後に導入したガスとで、ＥＧＲ層と空気層との成層化が容易となる。
【００１８】
請求項４の発明は、請求項１の発明の構成において、排気弁の閉時期を排気上死点後の吸気行程途中とし、排気弁および吸気弁が共に開いているオーバラップ期間を設定し、このオーバラップ期間中に、吸気導入によって空気層を形成するとともに、排気通路から排気を逆流させてＥＧＲ層を形成する構成としてある。
【００１９】
上記構成によれば、オーバラップ期間中に、ピストンが下降することで、吸気通路から新気が、排気通路から排気が、それぞれ燃焼室に導入されて、空気層およびＥＧＲ層をそれぞれ形成する。
【００２０】
請求項５の発明は、請求項１の発明の構成において、吸気通路内を二つの通路に分割する隔壁を設け、前記分割した一方の通路に、排気通路に一端が接続する排気還流通路の他端を接続し、前記一方の通路からのみ排気を還流させる構成としてある。
【００２１】
上記構成によれば、排気が、排気還流通路から、隔壁によって分割された一方の通路を経て燃焼室に還流され、これにより燃焼室内にＥＧＲ層が形成され、他方の通路からは新気が燃焼室に導入されて空気層が形成される。この場合は特に、燃焼室内でタンブル流を形成する場合には、ＥＧＲ層と空気層との成層化が容易となる。
【００２２】
請求項６の発明は、請求項１ないし５のいずれか１項の発明の構成において、機関負荷が高くなるほど、ＥＧＲ層の割合を低くする構成としてある。
【００２３】
ＥＧＲ層の割合が高くなると、当然空気層の割合が減少するため、燃焼室内の酸素量が減少し、これに伴い燃焼室に噴射できる燃料量が減少するため、機関負荷が低下する。また、燃料の着火性を考慮した場合には、燃料量が少ない低負荷では、ＥＧＲ層の割合を高くした方が有利である。
【００２４】
請求項７の発明は、請求項１ないし６のいずれか１項の発明の構成において、機関回転数が高くなるほど、ＥＧＲ層の割合を高くする構成としてある。
【００２５】
機関回転数が高くなるほど、予反応燃焼が進む実時間が少なくなるため、燃焼反応が進みにくくなる。これは、高回転ほど、燃料の着火性が悪化することを意味している。したがって、燃料の着火性を促進するためには、ＥＧＲ層の割合を高くした方が有利である。
【００２６】
請求項８の発明は、請求項１ないし７のいずれか１項の発明の構成において、ＥＧＲ層と空気層との割合の変化に応じて燃料噴射時期を変化させる構成としてある。
【００２７】
上記構成によれば、ＥＧＲ層と空気層との割合が変化すると、両層相互の境界部分の位置も変化し、これに対応して燃料噴射時期を変化させることで、境界部分への燃料供給が確実になされる。例えば、圧縮工程後半の上死点付近で燃料を噴射すると、圧縮上死点付近では背圧が高いので、燃料噴霧の貫徹力が抑えられることから、燃料噴射弁付近に前記境界部分が形成されている場合に有効となる。一方、上記した時期より早期に燃料噴射を行うと、背圧がより低い状態であるため、燃料噴霧の貫徹力は大きくなり、したがってこの場合には、燃料噴射弁から離れた位置に境界部分がある場合に有効となる。
【００２８】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備え、ピストンの圧縮作用により前記燃焼室内の混合気を自己着火して燃焼させる圧縮自己着火式内燃機関において、燃焼室から排出されて該燃焼室に還流させた排気を含むＥＧＲ層と、吸気通路から導入された新気で構成される空気層とで、これら各層相互間の境界部分がピストン移動方向に沿って形成されるよう成層化し、前記高温側のＥＧＲ層と前記低温側の空気層との前記境界部分の前記燃焼室内における温度勾配が大きい領域に前記燃料噴射弁により燃料を噴射し、前記温度勾配の大きい領域から温度の低い領域へと自己着火燃焼させるようにしたため、自己着火燃焼は、前記境界部分から順次発生し、急激な燃焼によるノッキング発生を防止することができ、より広い運転範囲にて安定した自己着火燃焼を生起させることができる。
【００３０】
請求項２の発明によれば、吸気通路を二つ設け、一方の吸気通路に、排気通路に一端が接続する排気還流通路の他端を接続し、前記一方の吸気通路を経て排気を還流させるようにしたため、排気が排気還流通路を通して一方の吸気通路から燃焼室に導入されてＥＧＲ層を形成するとともに、他方の吸気通路からは新気が導入されて空気層を形成し、これにより、温度勾配の大きい領域を形成することができる。
【００３１】
請求項３の発明によれば、二つの吸気通路に対応してそれぞれ設けられた二つの吸気弁の開時期を相互に異ならせたため、燃焼室への排気の導入時期と新気の導入時期とが相互にずれ、ＥＧＲ層と空気層との成層化が容易となり、温度勾配の大きい領域を確実に形成することができる。
【００３２】
請求項４の発明によれば、排気弁の閉時期を排気上死点後の吸気行程途中として、排気弁および吸気弁が共に開いているオーバラップ期間を設定し、このオーバラップ期間中に、吸気導入によって空気層を形成するとともに、排気通路から排気を逆流させてＥＧＲ層を形成するようにしたため、専用の排気還流装置を設けることなく、より簡素な構造で燃焼室内にて空気層およびＥＧＲ層をそれぞれ形成することができる。
【００３３】
請求項５の発明によれば、吸気通路内を二つの通路に分割する隔壁を設け、前記分割した一方の通路に、排気通路に一端が接続する排気還流通路の他端を接続し、前記一方の通路からのみ排気を還流させるようにしたため、排気が排気還流通路を通して一方の通路から燃焼室に導入されてＥＧＲ層を形成するとともに、他方の通路からは新気が導入されて空気層を形成し、これにより、温度勾配の大きい領域を形成することができる。
【００３４】
請求項６の発明によれば、機関負荷が高くなるほど、ＥＧＲ層の割合を低くするようにしたため、低負荷時での着火性が向上するなど、負荷条件が変化しても、ＥＧＲ層と空気層とを最適に形成することができて、より広い負荷領域において安定した圧縮自己着火運転が可能となる。
【００３５】
請求項７の発明によれば、機関回転数が高くなるほど、ＥＧＲ層の割合を高くするようにしたため、高回転数域での燃焼反応が進みやすくなって燃料の着火性が向上するなど、機関回転数が変化しても、ＥＧＲ層と空気層とを最適に形成することができて、より広い回転領域において安定した圧縮自己着火運転が可能となる。
【００３６】
請求項８の発明によれば、ＥＧＲ層と空気層との割合の変化に応じて燃料噴射時期を変化させるようにしたため、ＥＧＲ層と空気層との割合が変化して、両層相互の境界部分の位置が変化しても、前記境界部分に燃料を確実に噴射することができる。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００３８】
図１は、この発明の第１の実施の形態を示す圧縮自己着火式内燃機関の全体システム構成図、図２は、その機関本体１周辺の簡略化した平面図である。機関本体１は、ピストン３、燃焼室５、吸気通路を構成する二つの吸気ポート７、排気通路を構成する二つの排気ポート９、二つの吸気ポート７に対応してそれぞれ設けられた二つの吸気弁１１、二つの排気ポート９に対応してそれぞれ設けられた二つの排気弁１３をそれぞれ備え、燃焼室５の上部中央には、ガソリン燃料を燃焼室５に噴射供給する燃料噴射弁１５が設置され、燃料噴射弁１５に隣接して火花点火燃焼時に作動する点火プラグ１７が設置されている。
【００３９】
一方の吸気ポート７と一方の排気ポート９とは、排気還流通路１９によって接続され、排気還流通路１９には、排気還流制御弁２１が設けられている。この排気還流制御弁２１および前記した燃料噴射弁１５、点火プラグ１７は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）２３からの出力信号を受けて作動し、ＥＣＵ２３は、機関回転数を検出するクランク角センサ２５および、アクセル開度（機関負荷）を検出するアクセル開度センサ２７の各出力信号の入力を受ける。
【００４０】
ＥＣＵ２３は、燃焼パターン判定部２９、火花点火燃焼制御部３１、自己着火燃焼制御部３３、ＥＧＲ制御部３５および燃料噴射時期制御部３７をそれぞれ備え、例えばマイクロコンピュータのプログラムとして実現されている。
【００４１】
燃焼パターン判定部２９は、図３に示すように、中低負荷および中回転数以下の運転領域において圧縮自己着火運転を行い、高負荷または高回転数域において火花点火燃焼を行うよう燃焼パターンを判定する。火花点火燃焼制御部３１は、燃焼パターン判定部２９によって火花点火燃焼と判定されたときに、燃料噴射弁１５、点火プラグ１７を制御して火花点火燃焼を行わせ、一方自己着火燃焼制御部３３は、燃焼パターン判定部２９によって自己着火燃焼と判定されたときに、ＥＧＲ制御部３５および燃料噴射時期制御部３７をそれぞれ制御して自己着火燃焼を行わせる。ＥＧＲ制御部３５は、排気還流制御弁２１を制御して排気を吸気系に還流させる排気還流量を変更し、燃料噴射時期制御部３７は燃料噴射弁１５を制御して燃料噴射時期を変更する。
【００４２】
図４は、空燃比（Ａ／Ｆ）に対する自己着火燃焼が成立する範囲を斜線部で示している。空燃比をリーンにしていくと燃焼安定度が悪化し、機関のトルク変動が大きくなる。このため内燃機関として設計値、またはこの内燃機関を搭載し車両の性格などとして許容できる安定度限界が安定度限界値Ｓthとなる空燃比ＡＦＬがリーン限界となる。一方、空燃比をリッチにしていくと、ノッキング強度が増大する。これにより、ノッキング強度限界Ｎthにおける空燃比ＡＦＲがリッチ限界となる。
【００４３】
したがって、燃焼安定度限界ＡＦＬとノッキング強度限界ＡＦＲで囲まれる空燃比領域が、自己着火燃焼成立範囲となる。このように、自己着火燃焼は限られた空燃比範囲でしか成立しない。なお、ここではガスと燃料との割合を示す指標として空燃比Ａ／Ｆを例に説明したが、燃焼残留ガスあるいはＥＧＲガス（排気還流ガス）からなる既燃ガスが含まれる場合についても同様の傾向を示し、この場合には、図４における横軸は、新気と既燃ガスとを合わせたトータルのガス量と燃料量との割合Ｇ／Ｆとなる。
【００４４】
自己着火燃焼は、低温酸化反応であるため、中間生成部ができる予反応を経過した後、最終的な酸化反応である熱炎に至る。したがって、予反応の進展度を見ると、自己着火燃焼成立の可能性を予測できる。図５（ａ）および（ｂ）は、ある圧力条件において、一定時間経過後の予反応の進展度を、当量比（混合気濃度）および温度に対してそれぞれ示している。当量比が大きくなると、予反応の進展度が高くなっているが、その変化傾向は緩やかである。一方、温度に対しては、高温になるほど予反応の進展度が高く、その変化傾向は指数関数的であり、温度に関する予反応進展度の感度が当量比に比べて極めて高いことがわかる。
【００４５】
したがって、高温の燃焼ガスを使って自己着火燃焼を促進することは有効であり、ここでは、燃焼ガスとして排気を吸気系に還流させた排気還流ガス（ＥＧＲガス）を利用している。
【００４６】
図６は、一方の排気ポート９から排気還流通路１９を経て一方の吸気ポート７に排気を還流させたときの吸気行程後の燃焼室５内のガス分布である。図中で右側の一方の吸気ポート７に対応する燃焼室５における右側半分には新気とともにＥＧＲガスＡが、同左側半分には他方の吸気ポート７から吸入された新気Ｂがそれぞれ取り込まれている。
【００４７】
すなわち、燃焼室５内には、ＥＧＲガスＡを含むＥＧＲガス層と、新気Ｂからなる空気層との成層化が実現しており、各層の境界部分の中心Ｃに、図１に示してある燃焼噴射弁１５により燃料を噴射する。なお、この成層化を実現するためには、二つの吸気ポート７から吸入されるガス流をピストン頂部に設けた凹部に沿って旋回させる、いわゆるタンブル流を、ＥＧＲ層側と空気層側とで別々に形成することで、より効果が上がる。なお、ＥＧＲ層と空気層の配置は左右逆にしてもよい。
【００４８】
図７は、上記図６における燃焼室５内の温度分布（ａ）と、当量比（ｂ）と、予反応進展度（ｃ）をそれぞれ示しており、横軸が図６のＤ_１−Ｄ_２線に対応している。図７（ａ）に示すように、ＥＧＲ層と空気層との境界部分である燃焼室５の中心Ｌ付近には温度勾配が大きい領域が存在する。ここに燃料を噴射することで、図７（ｂ）のように中心部の当量比が大きくなる。
【００４９】
予反応燃焼は、燃料がリッチでかつ温度が高い領域から進展していくので、図７（ｃ）に示すように、予反応進展度の高い着火点Ｓ点で開始され、このとき温度勾配があるために最初に着火する燃料量はノッキングを起こすほど多くはない。また、着火後も、温度勾配に従って、順次自己着火が温度の低い領域に進んでいくため、急激な燃焼とはならず、ノッキングは発生しない。その結果、自己着火燃焼の成立負荷範囲がより高負荷側に拡大され、より広範囲にて安定した自己着火運転が可能となる。
【００５０】
これに対し、図８に示す例は、従来例における、燃料をＥＧＲ層に噴射した場合に対応するもので、この場合には、高温のＥＧＲ層にある燃料は、急激に予反応の進展が行われる。したがって、これをガソリンの自己着火燃焼に適用した場合には、図８（ｂ）に示すように高温のＥＧＲ層にある燃料のリッチな領域が、図８（ｃ）におけるＥで示すように、一度に自己着火を起こし、急激な燃焼となり、ノッキングを誘発してしまう。
【００５１】
一方、図９に示す例は、従来例における、燃料を吸入空気中に噴射したものに対応するもので、燃料を空気層に噴射したものである。この場合には、低温の空気層にある燃料は、予反応の進展がなされない。したがって、これをガソリンの自己着火燃焼に適用した場合には、図９（ｂ）に示すように低温の空気層にある燃料のリッチな領域が、図９（ｃ）におけるＦで示すように、反応が進まずに自己着火が起こらず、失火してしまう。
【００５２】
図１０は、この発明の第２の実施の形態を示す、前記図２に相当する平面図である。この実施の形態は、前記第１の実施の形態に対し、図中で左側の他方の吸気ポート７に吸気量を制限する吸気量制御弁３９を追加して設けるとともに、燃料噴射弁１５を燃焼室５の中心から、他方の吸気ポート７と他方の排気ポート９との間に移動させ、機関の運転負荷条件に応じ、ＥＧＲ層と空気層との割合を変化させるものである。
【００５３】
図１１は、ＥＧＲ層の割合に対する酸素量と機関負荷との関係を示している。ＥＧＲ層の割合が高くなると、新気の割合が減少するため、燃焼室５内の酸素量が減少する。この結果、燃焼室５内に噴射できる燃料量が減少するので、負荷が低下する。また、燃料の着火性を考慮した場合には、燃料量が少ない低負荷では、ＥＧＲ層の割合を高くした方が有利である。したがって、負荷に応じてＥＧＲ層と空気層との割合を変化させることが必要となる。
【００５４】
図１２は、低負荷時での燃焼室５内のガス分布である。低負荷時で吸気量制御弁３９を閉じ気味にすることで、他方の吸気ポート７から導入される新気Ｂの量が減少し、これに対応して図中で右側の一方の吸気ポート７から導入されるＥＲＧガスＡの量が増加してＥＧＲ層の割合が、前記図６に比べて高くなる。
【００５５】
図１３は、高負荷時での燃焼室５内のガス分布である。吸気量制御弁３９を全開にする一方、排気還流制御弁２１の開度を小さくすることで、ＥＧＲ層の割合を小さくしている。
【００５６】
図１４は、図１２に示した低負荷時でのガス分布における燃料噴射弁１５により噴射された燃料Ｇを、図１５は、図１３に示した高負荷時でのガス分布における燃焼噴射弁１５により噴射された燃料Ｇを、それぞれ示している。いずれにおいても、燃料Ｇは、ＥＧＲ層と空気層との境界部分に噴射されている。これによって、前述した第１の実施の形態と同様な理由により、温度勾配を利用して自己着火が順次行われていき、ノッキングを起こすことなく緩やかな自己着火燃焼が実現できる。なお、燃料Ｇは、中心部分のｇで示す領域がリッチであり、その周囲の領域がややリッチとなっている。
【００５７】
また、図１４および図１５のように、燃料ＧをＥＧＲ層と空気層との境界部分に噴射するためには、燃料噴射時期を変更することが必要である。低負荷条件では、圧縮行程後半の上死点付近で燃料噴射を行う。圧縮行程上死点付近では、背圧が高いため、燃料噴霧の貫徹力が抑えられるため、図１４のように、燃料噴射弁１５の近くにコンパクトな混合気が形成される。このようなコンパクトな混合気は、噴射燃料量の少ない低負荷時には、着火を促進するために有利である。
【００５８】
一方、高負荷条件では、低負荷条件に比べて早期に燃料噴射を行う。早期噴射を行う場合には、背圧が低い条件となるので、燃料噴霧の貫徹力が大きくなる。この結果、図１５のように、燃料噴射弁１５から離れた位置に混合気が形成される。高負荷条件では、噴射燃料量が多いため、燃料の拡散を促進するためにも、早期噴射が有利である。
【００５９】
図１６に、機関負荷に対する燃料噴射時期を示す。負荷が高くなるほど燃料噴射時期が進角されている。このように、ＥＧＲ層と空気層との割合に応じて、燃料噴射時期を変化させることによって、負荷条件が変わった場合においても、ＥＧＲガス層と空気層との境界部分に燃料を噴射することができ、圧縮自己着火燃料を成立させることができる。
【００６０】
次に、第３の実施の形態について説明する。この第３の実施の形態の構成は、前記図１０に示した第２の実施の形態と同様であるが、機関回転数に応じてＥＧＲ層と空気層とを変化させる点が、第２の実施の形態と異なる。そして、この場合においても、ＥＧＲ層と空気層との境界部分に燃料を噴射するよう、燃料噴射時期を変更する。
【００６１】
図１７は、特定クランク角条件における機関回転数に対する予反応進展度を示している。機関回転数が高くなるほど、予反応が進む実時間が少なくなるため、予反応進展度が低下する。これは、高回転ほど、燃料の着火性が悪化することを示している。したがって、高回転域では、着火性を促進させるために、ＥＧＲ層を高くした方が有利である。
【００６２】
このように、機関回転数に応じてＥＧＲ層と空気層との割合を変更するとともに、燃料噴射時期を変更することで、機関回転数が変化した場合においても、ＥＧＲ層と空気層との境界部分に燃料を噴射することができ、圧縮自己着火燃焼を成立させることができる。
【００６３】
図１８は、機関負荷および機関回転数に対するＥＧＲ層と空気層との割合を示す。低負荷で、高回転ほどＥＧＲ層の割合を大きくする。図１９は、機関負荷および機関回転数に対する燃料噴射時期を示す。低負荷で、高回転ほど燃料噴射時期を遅角する。これは、前述したように、ＥＧＲ層の割合が高くなるほど、ＥＧＲ層と空気層との境界部分が燃料噴射弁１５に近づくためである。
【００６４】
図２０は、圧縮自己着火燃焼の成立範囲を示す。実線で囲まれた範囲が、低負荷で、高回転ほどＥＧＲ層の割合を大きくした場合の本実施例による圧縮自己着火燃焼領域で、破線で囲まれた従来の圧縮自己着火燃焼領域に比べると、低負荷側および高負荷側でそれぞれ拡大され、機関回転数についても、より高回転側に拡大されている。
【００６５】
図２１は、この発明の第４の実施の形態を示す、前記図２に相当する平面図である。この実施の形態は、前記第１の実施の形態に対し、図中で左側の他方の吸気ポート７にも、排気還流通路１９を同左側の他方の排気ポート９に接続するとともに、二つの吸気ポート７に、燃焼室５の開口部から排気還流通路１９の接続部よりやや上流側まで延長される隔壁４１を設けている。燃料噴射弁１５は、第１の実施例と同様に燃焼室５の中央である。
【００６６】
図２２は、上記した第４の実施の形態における燃焼室５内のガス分布である。図中で右側の一方の吸気ポート７では、隔壁４１の右側の通路に排気が還流されてＥＲＧガスＡが導入されるので、燃焼室５内では、図中で右側の内壁に沿った位置にＥＧＲ層が形成される。また、図中で左側の他方の吸気ポート７では、隔壁４１の左側の通路に排気が還流されてＥＲＧガスＡが導入されるので、燃焼室５内では、図中で左側の内壁に沿った位置にＥＧＲ層が形成される。そして、左右のＥＧＲ層に挟まれた中央部分には、新気Ｂが導入されて空気層が形成される。なお、ＥＧＲ層と空気層の配置は逆にしてもよい。
【００６７】
図２３は、図２２に示したガス分布において燃焼噴射弁１５により噴射された燃料Ｇを示している。この場合の燃料噴射弁１５は、左右の境界部分に指向する噴射孔をそれぞれ備え、これによって燃料Ｇは、ＥＧＲ層と空気層との境界部分に噴射することが可能となっている。なお、この場合、左右の境界部分に指向する噴射孔を備えていなくても、通常の拡散型の噴射弁であっても構わない。
【００６８】
上記した第４の実施の形態においても、運転条件によって排気還流制御弁２１の開度を制御してＥＧＲ層と空気層との割合を変更したときに、ＥＧＲ層と空気層との境界部分が左右に変化するが、燃料噴射時期を変えることで、容易にＥＧＲ層と空気層との境界部分に燃料を噴射することが可能となる。
【００６９】
図２４は、この発明の第５の実施の形態を示す圧縮自己着火式内燃機関の全体システム構成図である。この実施の形態は、第１の実施の形態に対し、排気還流通路１９および排気還流制御弁２１がなく、排気弁１３に対する可変バルブタイミング機構４３を追加しており、排気弁１３の開閉タイミングを変更することによって、ＥＧＲ層と空気層とを形成するようにしている。可変バルブタイミング機構４３は、例えば電磁コイルによる電磁駆動弁機構を用いてもよく、機械的な公知の可変動弁機構を用いてもよい。燃料噴射弁１５は、吸気ポート７側に設置している。
【００７０】
図２５（ａ）〜（ｄ）は、吸気行程から排気行程までの４行程のガス分布を示す。図２５（ａ）の吸気行程では吸気弁１１および排気弁１３がともに開いているため、吸気ポート７からは新気が、排気ポート９からは排気が、燃焼室５内にそれぞれ流入し、燃焼室５内では、図中で右側の排気ポート９側の半分がＥＧＲガスＡが導入されたＥＧＲ層となり、左側の吸気ポート７側の半分が新気Ｂが導入された空気層となる。図２５（ｂ）の圧縮行程の上死点付近では、燃料噴射弁１５によりＥＧＲ層と空気層との境界部分に燃料を噴射し、自己着火燃焼した後に、同図（ｃ）の膨張行程および同図（ｄ）の排気行程に移行する。
【００７１】
図２６（ａ）は、圧縮自己着火燃焼時でのバルブリフト特性であり、同図（ｂ）で示す火花点火燃焼時での同特性に対し、排気弁１３の閉時期を、排気行程上死点（ＴＤＣ）後に充分遅角してある。このように、可変バルブタイミング機構４３により排気弁１３の閉時期を変更することで、火花点火燃焼と圧縮自己着火燃焼とを実現することができる。
【００７２】
図２７（ａ），（ｂ）は、この発明の第６の実施の形態を示している。この実施の形態は、前記図２４に示した第５の実施の形態と同様に、可変バルブタイミング機構により排気弁１３の閉時期を遅らせてＥＧＲ層と空気層とを形成するものであるが、第５の実施の形態に対し、燃料噴射弁１５を吸気ポート７側に移動させるとともに、排気弁１３の閉時期を変更してＥＧＲ層と空気層との割合を変更している。
【００７３】
図２８（ａ），（ｂ）は、共に圧縮自己着火燃焼時でのバルブリフト特性を示している。同図（ａ）は、排気弁１３の閉時期を図２６（ａ）の場合に対し、さらに吸気下死点（ＢＤＣ）側に遅角させて、図２７（ａ）に示すように、ＥＧＲガスＡの導入によるＥＧＲ層の割合を高くするものである。一方図２８（ｂ）は、排気弁１３の閉時期を図２６（ａ）の場合に対し、排気上死点（ＴＤＣ）側に進角させて、図２７（ｂ）に示すように、ＥＧＲ層の割合を低くするものである。
【００７４】
このように、排気弁１３の閉時期を制御することで、ＥＧＲ層と空気層との割合を変更でき、広い運転範囲での圧縮自己着火燃焼が可能となる。
【００７５】
また、燃料噴射弁１５を吸気ポート７側に設置してあるので、ＥＧＲ層と空気層との境界部分が、図２７（ａ）のように、吸気ポート７側に位置する場合や、図２７（ｂ）のように、排気ポート１３側に位置する場合など、変化しても、前記図１４および図１５で示したように、燃料噴射時期を変更することで、境界部分に燃料Ｇを噴射することが可能となる。すなわち、図２７（ａ）のように、ＥＧＲ層と空気層との境界部分が燃焼噴射弁１５に近い場合は、燃焼室５内の背圧が高い圧縮上死点付近で燃料を噴射し、図２７（ｂ）のように、ＥＧＲ層と空気層との境界部分が燃料噴射弁１５から離れている場合は、図２７（ａ）の場合よりも早期に燃料噴射を行う。
【００７６】
図２９は、この発明の参考例を示す、図２に相当する平面図である。この参考例は、二つの吸気ポート７の燃焼室５に対する接続方向が、燃焼室５内のガス流れが内壁に沿って周方向に旋回するスワール流となるよう傾斜している。なお、吸気ポート７を傾斜させる代わりにヘリカルポートを用いても構わない。
【００７７】
図３０は、燃焼室５内のガス分布を示している。図中下部側のピストン３に接する側がＥＧＲガスＡが導入されたＥＧＲ層で、上部側が新気Ｂが導入された空気層となっている。なお、ＥＧＲ層と空気層の配置は上下逆でもよい。燃焼噴射弁１５は、燃焼室５の中央上部に配置されており、噴射された燃料ＧはＥＧＲ層と空気層との境界部分に噴射している。この場合、燃焼噴射弁１５は、ピストン３が最も上昇した圧縮上死点付近で、かつ図中でほぼ水平方向に向けて噴射することで、より確実に上記境界部分に燃料を噴射することが可能となる。
【００７８】
燃焼室５内の上下に空気層とＥＧＲ層とを成層化するには、図３１（ａ），（ｂ）に示すように、二つの吸気ポート７を開閉するそれぞれの吸気弁が開となっている時期を異ならせることで、達成可能となる。すなわち、排気還流通路１９が接続されている一方の吸気ポート７側の吸気弁を先に開弁することで、図３０のようにＥＧＲガスＡが燃焼室５の下部側に導入されてＥＧＲ層が形成され、続いて図２９中で左側の他方の吸気ポート７側の吸気弁の開弁により新気Ｂが導入されて、ＥＧＲ層の上部に空気層が形成される。
【００７９】
図３１（ａ）は、同図（ｂ）のものに比べ、ＥＧＲ層を形成する側の吸気弁の開弁時間を長く、空気層を形成する側の吸気弁の開弁時間を短くして、ＥＧＲ層の割合を図３１（ｂ）より多くしている。
【００８０】
なお、空気層側の吸気弁を先に開き、ＥＧＲ層の吸気弁を後に開くようにすることで、図３０とは逆に、ピストン３に接する下部側を空気層とし、上部側をＥＧＲ層となるようにしてもよい。
【００８１】
また、燃焼室５内にスワール流を形成することなく、二つの吸気弁が開となっている時期を異ならせるだけでも、ＥＧＲ層と空気層との成層化が可能である。さらに、二つの吸気弁が開となっている時期を異ならせることなく、スワール流を形成するだけでも、ＥＧＲ層と空気層とを成層化できる。
【００８２】
なお、上記した各実施の形態におけるＥＧＲ層と空気層との境界部分は、燃焼室内における温度勾配の大きい領域に相当する。このため、ＥＲＧ層を形成せずに、単に空気層のみによって燃焼室内の温度勾配の大きい領域に燃料を噴射するようにしても、同様の効果が得られる。
【００８３】
一般に、燃焼室内では、内壁から外部に熱が放出されるので、この内壁付近の温度勾配が最も大きくなる。したがって、この内壁付近に燃料を噴射することで、内壁付近が燃料リッチとなり、この燃料リッチな温度勾配の大きい領域で自己着火が開始され、ここから温度の低い領域に向かって順次自己着火して緩やかな燃焼となる。これにより、急激な燃焼の発生によるノッキングが防止される。
【００８４】
このような温度勾配の大きい領域を形成するには、燃焼室内にスワール流を形成することでより一層効果がある。図３２（ａ）は、燃焼室内の中心から内壁にわたる温度勾配の変化を、実線で示すスワール有りの場合と、破線で示すスワール無しの場合とで示している。これによれば、スワール有りの場合の方が、内壁に沿う旋回流によって熱が外側に逃げるので、内壁付近にて温度勾配が大きく、したがって、同図（ｂ）のように、この内壁付近に燃料を噴射してこの付近を燃料リッチにすることで、急激な燃焼の発生によるノッキングが防止される。
【００８５】
また、図３３に示すように、ピストン３の形状を、ピストン頂部に凹部３ａを形成することでも、中央部分がより高温に保持され、内壁付近の温度勾配を大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態を示す圧縮自己着火式内燃機関の全体システム構成図である。
【図２】図１の圧縮自己着火式内燃機関における機関本体周辺の簡略化した平面図である。
【図３】図１の圧縮自己着火式内燃機関における運転条件に対する燃焼パターン特性図である。
【図４】空燃比（Ａ／Ｆ）に対する自己着火燃焼が成立する範囲を示す説明図である。
【図５】自己着火燃焼における予反応進展度特性図であり、（ａ）は当量比に対するもの、（ｂ）は温度に対するものである。
【図６】この発明の第１の実施の形態における燃焼室内のガス分布を示す説明図である。
【図７】図６のガス分布において、燃料をＥＧＲ層と空気層との境界部分に噴射した場合の燃焼室内の温度（ａ）、当量比（ｂ）、予反応進展度（ｃ）を示す説明図である。
【図８】図６のガス分布において、燃料をＥＧＲ層に噴射した場合の燃焼室内の温度（ａ）、当量比（ｂ）、予反応進展度（ｃ）を示す説明図である。
【図９】図６のガス分布において、燃料を空気層に噴射した場合の燃焼室内の温度（ａ）、当量比（ｂ）、予反応進展度（ｃ）を示す説明図である。
【図１０】この発明の第２の実施の形態を示す、図２に相当する平面図である。
【図１１】第２の実施の形態に係わるもので、ＥＧＲ割合に対する酸素量と負荷との相関図である。
【図１２】第２の実施の形態における機関低負荷時での燃焼室内のガス分布を示す説明図である。
【図１３】第２の実施の形態における機関高負荷時での燃焼室内のガス分布を示す説明図である。
【図１４】第２の実施の形態における機関低負荷時での燃料分布を示す説明図である。
【図１５】第２の実施の形態における機関高負荷時での燃料分布を示す説明図である。
【図１６】第２の実施の形態における機関負荷に対する燃料噴射時期特性図である。
【図１７】第３の実施の形態に係わるもので、機関回転数に対する予反応進展度特性図である。
【図１８】機関負荷と機関回転数に対するＥＧＲ層割合を示す説明図である。
【図１９】機関負荷と機関回転数に対する燃料噴射時期を示す説明図である。
【図２０】機関負荷および機関回転数に応じてＥＧＲ層割合および燃料噴射時期を変更した場合の圧縮自己着火燃焼領域を従来のものと比較して示した説明図である。
【図２１】この発明の第４の実施の形態を示す、図２に相当する平面図である。
【図２２】第４の実施の形態における燃焼室内のガス分布を示す説明図である。
【図２３】第４の実施の形態における燃焼室内の燃料分布を示す説明図である。
【図２４】この発明の第５の実施形態を示す圧縮自己着火式内燃機関の全体システム構成図である。
【図２５】第５の実施形態における４サイクル行程図である。
【図２６】第５の実施形態におけるバルブリフト特性であり、（ａ）は圧縮自己着火燃焼時でのもの、（ｂ）は火花点火燃焼時でのものである。
【図２７】第５の実施の形態における燃焼室内のガス分布および燃料分布を示す説明図であり、（ａ）はＥＧＲ層の割合が大、（ｂ）はＥＧＲ層の割合が小のものである。
【図２８】この発明の第６の実施の形態を示すバルブリフト特性図であり、（ａ）はＥＧＲ層の割合が大、（ｂ）はＥＧＲ層の割合が小のものである。
【図２９】この発明の第７の実施の形態を示す、図２に相当する平面図である。
【図３０】第７の実施の形態における燃焼室内のガス分布および燃料分布を示す説明図である。
【図３１】第７の実施形態におけるバルブリフト特性であり、（ａ）はＥＧＲ層の割合が大、（ｂ）はＥＧＲ層の割合が小のものである。
【図３２】（ａ）は燃焼室内における温度勾配特性図、（ｂ）は（ａ）の温度勾配の大きい領域に燃料を噴射した場合の当量比特性図である。
【図３３】燃焼室内に温度勾配を形成するためのピストン形状を示す断面図である。
【符号の説明】
３ピストン
５燃焼室
７吸気ポート（吸気通路）
９排気ポート（排気通路）
１１吸気弁
１３排気弁
１５燃料噴射弁
１９排気還流通路
４１隔壁
ＡＥＧＲガス
Ｂ新気

Claims

燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備え、ピストンの圧縮作用により前記燃焼室内の混合気を自己着火して燃焼させる圧縮自己着火式内燃機関において、前記燃焼室から排出されて該燃焼室に還流させた排気を含むＥＧＲ層と、吸気通路から導入された新気で構成される空気層とで、これら各層相互間の境界部分がピストン移動方向に沿って形成されるよう成層化し、前記ＥＧＲ層と前記空気層との前記境界部分の前記燃焼室内における温度勾配が大きい領域に前記燃料噴射弁により燃料を噴射し、前記温度勾配の大きい領域から温度の低い領域へと自己着火燃焼させることを特徴とする圧縮自己着火式内燃機関。
吸気通路を二つ設け、一方の吸気通路に、排気通路に一端が接続する排気還流通路の他端を接続し、前記一方の吸気通路を経て排気を還流させることを特徴とする請求項１記載の圧縮自己着火式内燃機関。
二つの吸気通路に対応してそれぞれ設けられた二つの吸気弁の開時期を相互に異ならせたことを特徴とする請求項２記載の圧縮自己着火式内燃機関。
排気弁の閉時期を排気上死点後の吸気行程途中とし、排気弁および吸気弁が共に開いているオーバラップ期間を設定し、このオーバラップ期間中に、吸気導入によって空気層を形成するとともに、排気通路から排気を逆流させてＥＧＲ層を形成することを特徴とする請求項１記載の圧縮自己着火式内燃機関。
吸気通路内を二つの通路に分割する隔壁を設け、前記分割した一方の通路に、排気通路に一端が接続する排気還流通路の他端を接続し、前記一方の通路からのみ排気を還流させることを特徴とする請求項１記載の圧縮自己着火式内燃機関。
機関負荷が高くなるほど、ＥＧＲ層の割合を低くすることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の圧縮自己着火式内燃機関。
機関回転数が高くなるほど、ＥＧＲ層の割合を高くすることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の圧縮自己着火式内燃機関。
ＥＧＲ層と空気層との割合の変化に応じて燃料噴射時期を変化させることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の圧縮自己着火式内燃機関。