JP3934934B2 - 理論空燃比で成層燃焼するエンジン及び該エンジンの成層燃焼方法 - 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及び該エンジンの燃焼方法に係り、特に、理論空燃比での成層燃焼運転を実現させる筒内噴射式エンジン及び該エンジンの成層燃焼方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在の自動車は、環境保全の観点から自動車の排気ガスに含まれる一酸化炭素ＣＯ、炭化水素ＨＣ、窒素酸化物ＮＯｘ等の排気物質の一層の削減が要求されている。これらの削減を目的とした一例としては、希薄（リーン）成層燃焼エンジンが挙げられる。これは、タンブル流による筒内空気活動を用いて燃料と吸入空気との混合気を成層化させて燃焼させるものであり、燃費低減及びＣＯ排出量の低減等を図っている。
【０００３】
これらのシステムの一例としては、例えば、特開平６−１５９０７９号公報所載の技術が提案されている。該提案の技術は、吸気ポートに隔壁が設けられ、該隔壁が前記吸気ポートを中央、左、右、及びバイパスポートの４区画に区分し、該バイパスポートの入口にはタンブル制御弁が設けられており、エンジンの低回転低負荷時には、前記タンブル制御弁を閉じて前記中央ポートに燃料を噴射するものである。これにより、燃焼室内にはタンブル流が生成されるとともに、混合気の成層化が行われ、リーン混合気においても安定した燃焼を行うことができ、燃焼の促進を図って燃費を向上させることができる技術である。
【０００４】
また、前記混合気の成層化に関するの他の一例としては、ＥＧＲガスを利用したエンジンの技術が各種提案されている（例えば、特開平８−８２２３３号公報、特開平９−４２０７０号公報、特開平１１−２１５８号公報等参照）。
さらに、近年の地球温暖化の現状及び資源保護の観点からは、燃費低減及びＣＯ２の削減を図るべく、筒内噴射式エンジンの技術が知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記従来の技術、特に、特開平６−１５９０７９号公報所載の技術は、ガスにリーン混合気を用いた成層燃焼が行われていることから、エミッション（排出ガス）の浄化のために従来から使用されている三元触媒では、浄化に対する効果がないという不都合が生ずることになる。
【０００６】
よって、これを解決するため、特にＮＯｘの浄化のためには、リーンＮＯｘ触媒が一般的に使用されている。該リーンＮＯｘ触媒は、リーン運転時にはＮＯｘを吸着させ、その後、リッチスパイクを行う、つまり、一定時間毎に排気ガスの空燃比を１３程度に過濃（リッチ）化させて、前記リーン運転時に吸着されたＮＯｘを還元させる必要がある触媒である。
【０００７】
つまり、前記リッチスパイクを行っている期間は、リーン混合気を用いた成層燃焼が行えず、前記ＮＯｘを還元させるためのエネルギー、換言すれば、無駄な燃料が消費されることになる。このように、燃料が余計に消費されるのでは、これまで折角リーン混合気によって燃費の低減が図られていたとしても、前記リッチスパイクによる燃料供給によって相殺されてしまい、実質の燃費低減率が低下するという問題点があった。
【０００８】
また、現在の技術では、前記リーンＮＯｘ触媒によるＮＯｘの浄化率は、最高でも９０％程度であり、前記三元触媒による場合の浄化率９９％に比べて低く、最終的なテールパイプ、すなわち、排気管からのエミッションの悪化を招くという問題が依然として残されている。
【０００９】
さらに、リーン混合気による成層化では、エンジンの吸入負圧によって空気量が制限されているため、前記エンジンの負荷が高めに要求される場合であっても前記吸入空気をそれ以上供給できず、前記リーン混合気ではこの要求された運転を行うことができないことから、成層運転できるトルクが低めに制限されざるを得ないという問題もある。
【００１０】
すなわち、本願発明者は、筒内噴射式エンジンの付加価値をより高めるべく、成層燃焼運転時にリッチスパイクを行わないか、若しくは該リッチスパイクの回数を極力低減させ、燃費の悪化を防ぐことができる成層燃焼システムを構築するとの新たな知見を得たものであり、排気ガス還流であるＥＧＲガスを用いて混合気を包み、理論空燃比近傍にて成層燃焼させる構成を導き出している。しかし、前記従来の技術は、前記ＥＧＲガスの通路出口が、吸気管のコレクタ付近に存在し、前記ＥＧＲガスは吸入空気と予混合されてシリンダ内に供給されており、また、前記ＥＧＲガスの通路出口が、シリンダ付近に存在していても、理論空燃比近傍にて成層燃焼させるための混合気とＥＧＲガスとの位置関係の点に関して格別の配慮がなされていない。
【００１１】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ＥＧＲガスで理論空燃比近傍の成層燃焼を行い、ポンピングロスを低減させて燃費向上を図るとともに、リッチスパイクによる燃費の悪化を防ぐことができ、しかも、高い排気浄化効果を得ることができる筒内噴射式エンジン及び該エンジンの成層燃焼方法を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成すべく、本発明に係る理論空燃比で成層燃焼するエンジンは、シリンダ内で燃料を直接に噴射させる燃料噴射弁と、前記シリンダ内で前記燃料と吸入空気との混合気に点火させる点火プラグと、を備えたエンジンにおいて、理論空燃比にて成層燃焼させるべく、前記点火プラグ近傍に前記混合気の層を形成するとともに、該混合気の周囲にＥＧＲガスの層を形成するために、前記シリンダ内に二つのタンブル流を形成し、該タンブル流の一方は、前記吸入空気を吸気弁から排気弁に沿ってピストンに向かう流れであり、前記タンブル流の他方は、前記ＥＧＲガスを前記ピストンの上面に沿って前記排気弁に向かう流れを形成する混合気成層化手段を備えたことを特徴としている。
【００１３】
前記の如く構成された本発明の理論空燃比で成層燃焼するエンジンは、混合気成層化手段が、成層燃焼運転時には、点火プラグ近傍に混合気の層を形成させ、該混合気をＥＧＲガスの層で囲むように機能しているので、シリンダ内では理論空燃比近傍の成層燃焼が可能になり、エンジンのポンピングロスが低減されることによる燃費の向上と、リッチスパイクが不要になることによる一層の燃費の向上とを図ることができ、筒内噴射式エンジンの価値をより高めることができる。
【００１４】
また、本発明に係る理論空燃比で成層燃焼するエンジンの具体的態様は、前記混合気成層化手段は、吸気管を区画して形成される複数個の吸気通路のうち、少なくとも一つの吸気通路を開閉させる吸気制御弁を備えているとともに、該開閉される吸気通路の前記吸気制御弁と前記シリンダとの間に前記ＥＧＲガスの通路出口を備えていることを特徴としている。
【００１５】
さらに、本発明に係る理論空燃比で成層燃焼するエンジンの他の具体的態様は、前記混合気成層化手段は、前記シリンダ内に二つのタンブル流を生成するものであって、該タンブル流の一方は、前記吸入空気を吸気弁から排気弁に沿ってピストンに向かう流れであり、前記タンブル流の他方は、前記ＥＧＲガスを前記ピストンの上面に沿って前記排気弁に向かう流れであること、又は前記燃料噴射弁の噴霧は、前記点火プラグ側への偏向噴霧であって、前記他方のタンブル流を通過するとともに、前記一方のタンブル流に混合させる貫通力を有することを特徴としている。
【００１６】
さらにまた、本発明に係る理論空燃比で成層燃焼するエンジンのさらに他の具体的態様は、前記混合気成層化手段は、前記シリンダ内で二つのスワール流を生成するものであって、該スワール流の一方は、前記ＥＧＲガスを前記シリンダの側壁面に沿う流れであり、前記スワール流の他方は、前記一方のスワール流とは反対方向への流れであって、前記吸入空気を前記ＥＧＲガスの内側に配置させる流れであることを特徴としている。
【００１７】
また、前記混合気成層化手段は、前記点火プラグ近傍に前記混合気の層を形成するとともに、該混合気の周囲に前記ＥＧＲガスの層を形成し、さらに該ＥＧＲガスの周囲に前記吸入空気の層を形成すること、若しくは前記混合気成層化手段は、前記点火プラグ近傍に前記混合気の層を形成するとともに、該混合気の周囲に前記吸入空気の層を形成し、さらに該吸入空気の周囲に前記ＥＧＲガスの層を形成すること、又は前記燃料噴射弁は、前記成層燃焼運転時には圧縮行程の後半で燃料を噴射し、均質燃焼運転時には吸気行程で燃料を噴射することを特徴としている。
【００１８】
さらに、本発明に係る理論空燃比で成層燃焼するエンジンは、シリンダ内で燃料を直接に噴射させる燃料噴射弁と、前記シリンダ内で前記燃料と空気との混合気を点火させる点火プラグと、を備えたエンジンであって、該エンジンは、成層燃焼運転時における前記シリンダ内の空燃比を理論空燃比にさせるべく、前記混合気を成層化させる混合気成層化手段を備えているとともに、前記成層燃焼運転時における排気ガスを浄化する三元触媒を備えていることを特徴とし、ＮＯｘの除去率が約９９％と高い三元触媒を用いることが可能になり、システムのコストダウン及び排気浄化の効果をより大きくさせることができ、これも、筒内噴射式エンジンの価値をより高めることになる。
【００１９】
さらに、本発明に係るエンジンの理論空燃比による成層燃焼方法は、吸気管を区画して形成される複数個の吸気通路のうち、少なくとも一つの吸気通路を開閉させる吸気制御弁と、該開閉される吸気通路の前記吸気制御弁とシリンダとの間にＥＧＲガスの通路出口とを有する混合気成層化手段により、前記シリンダ内で前記混合気とＥＧＲガスを成層化して燃焼させるエンジンの成層燃焼方法であって、前記吸気制御弁を閉じて前記開閉される吸気通路に前記ＥＧＲガスを充填し、次いで、前記エンジンの吸気行程にて、前記開閉される吸気通路以外の吸気通路から前記シリンダ内に前記吸入空気を流入させる流れを生成するとともに、前記開閉される吸気通路から前記シリンダ内に前記ＥＧＲガスを流入させる流れを生成し、前記エンジンの圧縮行程にて、前記燃料噴射弁が噴射することにより、前記点火プラグ近傍には前記混合気の層を形成するとともに、該混合気の周囲には前記ＥＧＲガスの層を形成することで、前記シリンダ内に理論空燃比による成層混合気を形成することを特徴としている。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面により本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の第一の実施形態における理論空燃比で成層燃焼するエンジン（理論空燃比成層燃焼エンジン）の構成図である。
該エンジン５０は、多気筒からなり、各シリンダ１２３には、吸気管１０１と排気管１１０とが吸気弁１１１及び排気弁１１２を介してそれぞれ接続されているとともに、シリンダ１２３内で燃料を直接に噴射させる燃料噴射弁１２２と、シリンダ１２３内で燃料と吸入空気との混合気を点火させる点火プラグ１１３とが備えられている。燃料噴射弁１２２は、シリンダ１２３の吸気管１０１側に、点火プラグ１１３は、シリンダ１２３の上部にそれぞれ設けられている。
【００２１】
吸気管１０１には、上側の吸気通路１０１ａと、下側の吸気通路１０１ｂとの上下に区画させる隔壁１１４が設けられており、該隔壁１１４の上流側端には、下側の吸気通路１０１ｂを開閉させる吸気制御弁（タンブル制御弁）１０２が設けられている。また、下側の吸気通路１０１ｂにおいて、タンブル制御弁１０２とシリンダ１２３との間には、後述する排気ガス還流であるＥＧＲガスの通路出口１０９ｅが設けられている。前記ＥＧＲガスは、後述するように、ピストン１０７の湾曲された上面に沿うようにシリンダ１２３内に流入される。
【００２２】
図１の右側から吸入された空気は、エアクリーナ１０６を通り、エアフローメータ１０５でその流量が計測され、電子制御スロットルチャンバ１０４でその流量の調節がなされた後、コレクタ１０３で各シリンダ１２３に分配される。そして、前述した吸気管１０１を通り、吸気弁１１１が開いた際にシリンダ１２３に流入される。
【００２３】
燃料噴射弁１２２は、成層燃焼運転時には圧縮行程の後半で燃料を噴射し、均質燃焼運転時には吸気行程で燃料を噴射しており、上記吸入空気との混合気を形成させ、該混合気は、点火プラグ１１３での点火によってシリンダ１２３内で燃焼される。なお、前記燃料噴射弁１２２の噴霧は、図示のように、点火プラグ１１３側に向かう量が多く、かつ、速度も大きくなる、いわゆる偏向噴霧１２５を用いている。
【００２４】
このシリンダ１２３で燃焼したガスは、排気弁１１２、排気管１１０を通った後、三元触媒１１５によって浄化され、消音器（図示しない）を介して大気中に放出されるが、前記燃焼したガスの一部は、ＥＧＲ制御弁１０８で流量の調節がなされつつ、ＥＧＲ通路１０９を介して前記ＥＧＲガスの通路出口１０９ｅから下側の吸気通路１０１ｂに還流される。
【００２５】
燃料噴射弁１２２の燃料噴射時期、点火プラグ１１３の点火時期、タンブル制御弁１０２、電子制御スロットルチャンバ１０４、ＥＧＲ制御弁１０８のそれぞれの開度は、エアフローメータ１０５で計測された吸入空気量、アクセル開度、エンジン水温、エンジン回転数、車速（いずれもその入力を行うセンサは図示しない）等の情報に基づいて、コンピュータ２０１によって最適な値及び時期に設定・制御される。
【００２６】
ここで、本実施形態のエンジン５０は、シリンダ１２３内のガス全体を理論空燃比にて成層燃焼させるべく、混合気を成層化させる混合気成層化手段１００を備えており、本実施形態の混合気成層化手段１００は、隔壁１１４、タンブル制御弁１０２、及びＥＧＲガスの通路出口１０９ｅを有している。
【００２７】
つまり、本実施形態の混合気成層化手段１００は、シリンダ１２３内でタンブル流を生成させるタンブル生成機構として機能するものであり、上側の吸気通路１０１ａのタンブル流１２０と、下側の吸気通路１０１ｂのタンブル流１２１との二つのタンブル流を生成している。
【００２８】
図示のように、上側の吸気通路１０１ａのタンブル流１２０は、コレクタ１０３からの吸入空気を吸気弁１１１から排気弁１１２に沿わせてピストン１０７に向かう流れ（順タンブル）であり、下側の吸気通路１０１ｂのタンブル流１２１は、ＥＧＲガスをピストン１０７の上面に沿わせてから排気弁１１２に向かう流れ（逆タンブル）である。
【００２９】
具体的には、本実施形態の如くの成層燃焼を行う場合には、混合気成層化手段１００は、まず、タンブル制御弁１０２を閉じて下側の吸気通路１０１ｂを閉塞し、ＥＧＲ通路１０９、ＥＧＲ制御弁１０８を介してＥＧＲガスを下側吸気通路１０１ｂに流入させて充填させる。
【００３０】
次に、エンジン５０の吸気行程でピストン１０７が下降し、吸気弁１１１が開くと、上側の吸気通路１０１ａを通った吸入空気は、吸気弁１１１の上側を通ってシリンダ１２３内に流入し、順タンブル１２０を形成する。
一方、これと同時に、下側の吸気通路１０１ｂに充填されていたＥＧＲガスは、吸気弁１１１の下側を通ってシリンダ１２３内に流入し、逆タンブル１２１を形成する。
【００３１】
そして、図示のように、逆タンブル１２１は、ピストン１０７に沿う流れとなってシリンダ１２３の下方に滞留する。順タンブル１２０は、逆タンブル１２１よりも上部に位置し、点火プラグ１１３の近傍を通る流れとなる。
続いて、エンジン５０の圧縮行程においては、吸気弁１１１を閉じ、ピストン１０７が上昇してシリンダ１２３内の空気が圧縮され、このとき、燃料噴射弁１２２は、逆タンブル１２１を突き抜けて通過するとともに、順タンブル１２０に到達したところで気化して混合させるペネトレーション（貫通力）を有する噴射がなされるように、燃料圧力等の最適調節がなされ、また、図の上方に向かう成分が下方に向かう成分よりも大きくなる偏向噴霧１２５であり、吸気弁１１１の上側から出た順タンブル１２０と燃料との効率の良い混合が行われる。
【００３２】
このように、本実施形態の混合気成層化手段１００は、二つのタンブル流１２０、１２１を生成し、点火プラグ１１３近傍には前記混合気の層を存在させ、該混合気の周囲には前記ＥＧＲガスの層を存在させており、前記混合気が前記ＥＧＲガスで包まれることによって、シリンダ１２３内では、希薄（リーン）空燃比ではなく、理論空燃比による成層燃焼を可能にしている。
そして、この成層燃焼運転時における排気ガスは、上述のように理論空燃比近傍に調節されているので、炭化水素ＨＣ、一酸化炭素ＣＯを酸化し、窒素酸化物ＮＯｘを還元する浄化機能を有する三元触媒１１５にて浄化される。
【００３３】
図２乃至図４は、本実施形態の混合気成層化手段１００によるエンジン負荷に応じた混合気とＥＧＲガスとの成層化について説明したものである。
図２は、エンジン低負荷域での動作説明図である。
エンジン低負荷域においては、まず、コンピュータ２０１からの信号により、電子制御スロットルチャンバ１０４の開度が小さく設定される。一方、ＥＧＲ制御弁１０８の開度は大きく設定される。これにより、エンジン５０の吸気行程において、吸気弁１１１が開かれたときには、シリンダ１２３内に吸入されるガスは、上側の吸気通路１０１ａを通った吸入空気よりも、下側の吸気通路１０１ｂを通ったＥＧＲガスの方が多くなり、つまり、順タンブル１２０よりも逆タンブル１２１の量が多く、かつ、流れも強くなる。
【００３４】
しかし、この場合においても、順タンブル１２０は、点火プラグ１１３の近傍を流れており、また、偏向噴霧１２５であることから、燃料噴射弁１２２からの燃料は、逆タンブル１２１との混合を最小限に留めながらも順タンブル１２０と混合され、点火プラグ１１３の周りに理論空燃比の混合気が形成される。
そして、逆タンブル１２１は、シリンダ１２３の下方に滞留し、シリンダ１２３内の空燃比を理論空燃比近傍に保ちながら、吸入ガス量（空気＋ＥＧＲガス）を増やしており、ポンピングロスや冷却損失を低減させることができる。
【００３５】
図３は、エンジン中負荷域での動作説明図である。
エンジン中負荷域においては、まず、コンピュータ２０１からの信号により、電子制御スロットルチャンバ１０４の開度が、低負荷域よりもやや大きく設定される。一方、ＥＧＲ制御弁１０８の開度は、低負荷域よりもやや小さく設定される。これにより、エンジン５０の吸気行程において、吸気弁１１１が開いたときには、シリンダ１２３内に吸入されるガスは、上側の吸気通路１０１ａを通った吸入空気の方が、下側の吸気通路１０１ｂを通ったＥＧＲガスよりも多くなり、つまり、逆タンブル１２１よりも順タンブル１２０の量が多く、かつ、流れも強くなる。
【００３６】
このとき、逆タンブル１２１のＥＧＲガスは、ピストン１０７の付近に滞留し、点火プラグ１１３の近傍を含むシリンダ１２３内の他の部分には、順タンブル１２０が流れており、また、燃料噴射弁１２２からの燃料は、逆タンブル１２１との混合を最小限に留めながらも順タンブル１２０と混合し、点火プラグ１１３の周りに理論空燃比の混合気が形成される。
【００３７】
そして、この場合にも、シリンダ１２３内全体の空燃比を理論空燃比近傍に保ちながら吸入ガス量を増やしており、ポンピングロスや冷却損失を低減させることができる。
なお、図２及び図３を通して、混合気とＥＧＲガスとの割合は、エンジン運転状態によって変わるものであるが、吸入空気量を基準、すなわち１００％としたときには、後述するように、例えば０％から１５０％程度まで変化させて設定することもできる。
【００３８】
また、エンジン５０の中程度の負荷状態において、従来技術である、主として空気を用いた成層燃焼の場合と比較すると、ＥＧＲ通路１０９を通ってきたＥＧＲガスの圧力は、圧力の高いエンジンの排圧に由来しているので、ＥＧＲ制御弁１０８が全開付近に設定されると、吸気管１０１を通る空気の圧力よりも大きくなる。すなわち、逆タンブル１２１は、従来技術である、空気を主とした成層燃焼の場合よりも、本実施形態の如く、ＥＧＲガスを主とした成層燃焼の場合の方が、最大流量を多くすることができるので、成層燃焼可能な負荷の上限が大きく、すなわち、成層燃焼運転できる領域の拡大を図ることができる。
【００３９】
図４は、エンジン高負荷域での動作説明図である。
エンジン高負荷域においては、まず、コンピュータ２０１からの信号により、電子制御スロットルチャンバ１０４の開度は、中負荷域よりもさらに大きく（全開に近く）設定されるとともに、タンブル制御弁１０２が開くように設定される。一方、ＥＧＲ制御弁１０８の開度は、中負荷域よりもさらに小さく設定される。これにより、吸気抵抗が低減するので、エンジン５０の吸気行程において、吸気弁１１１が開いたときには、上側の吸気通路１０１ａ及び下側の吸気通路１０１ｂの両方から、大量の新気をシリンダ１２３内に供給させる。
【００４０】
このときは、エンジンの吸気行程にて、コンピュータ２０１からの信号により、燃料噴射弁１２２が燃料噴射を行っており、噴霧の気化時間及び拡散時間を長くして吸入空気との混合を促進させ、シリンダ１２３内の均質度を高めている。そして、燃料の噴射量を大きくし、多量の混合気形成を行って大きなトルクを得ている。
【００４１】
図５は、図２から図４に示した各エンジン負荷域での動作フローチャートである。
ステップ１では、コンピュータ２０１が、エンジン回転数、アクセル開度、水温、吸気圧力、排気温度、ギヤ位置をそれぞれのセンサから読み込み、これらに基づいてステップ２にて目標トルクを演算し、ステップ３にて燃料噴射量を決定してステップ４に進む。
ステップ４では、前記目標トルクを用いてエンジン回転数と負荷との運転状態マップを参照し、成層燃焼運転を行う領域か、均質燃焼運転を行う領域かを調べた後、適切な燃料噴射量を決定し、ステップ５にて点火時期を決定する。
【００４２】
次に、ステップ６では、成層燃焼運転モードであるか否かを判定し、成層燃焼運転モードである場合、すなわち、ＹＥＳのときには、ステップ７に進んで混合気成層化手段１００が、タンブル制御弁１０２を閉じ、ステップ８にて燃料噴射弁１２２による燃料噴射時期をエンジン５０の圧縮行程に設定し、ステップ９に進む。
【００４３】
一方、ステップ６にて、成層燃焼運転を行わない、つまり、均質燃焼運転モードである場合には、ステップ１０に進んでタンブル制御弁１０２を開き、ステップ１１にて燃料噴射時期をエンジン５０の吸気行程に設定し、ステップ９に進む。
そして、ステップ９では、電子制御スロットルチャンバ１０４の開度を各エンジン負荷に応じた所定量に設定し、ステップ１２にて、ＥＧＲ制御弁１０８の開度を同じく各エンジン負荷に応じた所定量に設定して、ステップ１３に進む。
【００４４】
ステップ１３では、エンジン５０の吸気行程にて吸気弁１１１を開かせ、ステップ１４では、成層燃焼運転モードであるか否かを判定し、成層燃焼運転モードである場合、すなわち、ＹＥＳのときには、ステップ１５に進み、既にタンブル制御弁１０２が閉じられているので、混合気成層化手段１００が、吸入空気による順タンブル１２０と、ＥＧＲによる逆タンブル１２１とを生成し、ステップ１６にて、燃料噴射弁１２２が、順タンブル１２０を指向して圧縮行程で燃料噴射を行い、ステップ１７にて、点火プラグ１１３の周りに混合気の層を形成させ、その周囲をＥＧＲガスの層を形成させて成層化を図り、ステップ１８に進んで、点火プラグ１１３が前記混合気に点火し、シリンダ１２３内に対する理論空燃比近傍の燃焼を行って一連の動作を終了する。
【００４５】
一方、ステップ１４にて、均質燃焼運転モードである場合には、ステップ１９にて、既にタンブル制御弁１０２が開かれているので、上側の吸気通路１０１ａと下側の吸気通路１０１ｂの両方から空気が流入される。このときには、吸気管の通路断面積が大きく、抵抗が少ないため、多くの空気がシリンダ１２３内に供給される。そして、ステップ２０にて、燃料噴射弁１２２が、吸気行程で燃料噴射を行って気化時間を長くとることができ、ステップ２１にて、シリンダ１２３内の混合気の均質性を高め、ステップ１８に進んで、点火プラグ１１３が、前記混合気に点火して一連の動作を終了する。
そして、これらの燃焼による出力が取り出され、続いて、エンジン５０の排気行程にて燃焼ガスが排気通路１１０側に排出され、１回のサイクルが終了する。以後も同様に、この動作を繰り返すエンジン５０の運転が行われる。
【００４６】
図６及び図７は、本発明の第二の実施形態における理論空燃比で成層燃焼するエンジンの構成図である。ここで、前記第一の実施形態の混合気成層化手段１００は、吸気の際にシリンダ１２３内の長手軸方向に旋回するタンブル流を形成させたものであるのに対し、本実施形態の混合気成層化手段１００Ａは、前記長手軸の垂直方向に旋回するスワール流を形成させるものである。よって、本実施形態は、この点を除いて他の構成等は前記第一の実施形態と同様であることから、その相違点を中心に説明する。
【００４７】
すなわち、まず、本実施形態にて用いられるピストン１０７Ａには、図６に示すように、該ピストン１０７Ａの中心付近に設けられたキャビティ３０１と、該キャビティ３０１の外周方向に沿う凹面３０２とが、後述するように、一方の吸気通路３０５ｂのスワール流３０４と、他方の吸気通路３０５ａからのスワール流３０３との通路としてそれぞれ設けられている。
【００４８】
図７は、本実施形態における理論空燃比で成層燃焼するエンジンの構成図であり、該エンジン５０Ａのシリンダ１２３Ａには、吸気管１０１と排気管１１０とが、それぞれ二つの吸気弁１１１、１１１、二つの排気弁１１２、１１２を介してそれぞれ接続されており、吸気管１０１には、一方の吸気通路３０５ｂと、他方の吸気通路３０５ａとが左右に区画されており、該一方の吸気通路３０５ｂには、該吸気通路３０５ｂを開閉させる吸気制御弁３０６が設けられている。また、この一方の吸気通路３０５ｂにおいて、吸気制御弁３０６とシリンダ１２３Ａとの間には、ＥＧＲガスの通路出口１０９ｅが設けられている。なお、その他の吸気管１０１及び排気管１１０の構成、並びに燃料噴射弁１２２、コンピュータ２０１、点火プラグ１１３等の構成・制御等については、前記第一の実施形態と同一であるので説明は省略する。
【００４９】
そして、本実施形態のエンジン５０Ａもまた、シリンダ１２３Ａ内のガス全体を理論空燃比にて成層燃焼させるべく、混合気を成層化させる混合気成層化手段を備えており、本実施形態の混合気成層化手段１００Ａは、吸気制御弁３０６、及びＥＧＲガスの通路出口１０９ｅを有している。
【００５０】
つまり、本実施形態の混合気成層化手段１００Ａは、シリンダ１２３内でスワール流を生成させるスワール生成機構として機能するものであり、一方の吸気通路３０５ｂのスワール流３０４と、他方の吸気通路３０５ａのスワール流３０３との二つのスワール流を生成している。
【００５１】
図示のように、一方の吸気通路３０５ｂのスワール流３０４は、ＥＧＲガスをシリンダ１２３の内側壁面に沿わせる時針回りの流れであり、他方の吸気通路３０５ａのスワール流３０３は、前記一方のスワール流３０４とは反対方向の反時針回りの流れであって、コレクタ１０３からの吸入空気を前記ＥＧＲガスの内側に配置させる流れである。
【００５２】
具体的には、本実施形態の成層燃焼を行う場合には、まず、混合気成層化手段１００Ａは、吸気制御弁３０６を閉じて一方の吸気通路３０５ｂを閉塞し、ＥＧＲ通路１０９、ＥＧＲ制御弁１０８を介してＥＧＲガスを一方の吸気通路３０５ｂに流入させて充填させる。
【００５３】
次に、エンジン５０Ａの吸気行程でピストン１０７Ａが下降し、吸気弁１１１、１１１が開くと、他方の吸気通路３０５ａを通った吸入空気は、そのうち片側の吸気弁１１１の上側を通ってシリンダ１２３Ａ内に流入し、ピストン１０７上のキャビティ３０１に沿って流れ、図示のように反時針方向に回転する横渦流、すなわちスワール３０３を形成する。
【００５４】
一方、これと同時に、吸気通路３０５ｂに充填されていたＥＧＲガスは、ピストン１０７上の凹面３０２に沿って流れ、図示のように時針方向に回転するスワール３０４を形成する。そして、図示のように、ＥＧＲガスのスワール３０４は、シリンダ１２３の内側にて、一方の吸気通路３０５ｂに対向する側壁面側に滞留する。吸入空気のスワール３０３は、スワール３０４よりも内側に位置し、点火プラグ１１３の近傍を通る流れとなる。
【００５５】
続いて、エンジン５０Ａの圧縮行程においては、吸気弁１１１、１１１を閉じ、ピストン１０７Ａが上昇してシリンダ１２３Ａ内の空気が圧縮され、このとき、吸気通路３０５ａ及び３０５ｂの下側に配置された燃料噴射弁１２２は、燃料噴霧１２５が、スワール３０３を指向し、該スワール３０３内で気化して混合させるペネトレーション（貫通力）を有する噴射がなされるように、燃料圧力等の最適調節がなされている。
【００５６】
このように、本実施形態の混合気成層化手段１００Ａは、二つのスワール流３０３、３０４を生成し、点火プラグ１１３近傍には前記混合気の層を存在させ、該混合気の周囲には前記ＥＧＲガスの層を存在させており、前記混合気が前記ＥＧＲガスで包まれることによって、シリンダ１２３内では、リーン空燃比ではなく、理論空燃比による成層燃焼が可能にされている。
そして、この成層燃焼運転時における排気ガスは、上述のように理論空燃比近傍に調節されているので、炭化水素ＨＣ、一酸化炭素ＣＯを酸化し、窒素酸化物ＮＯｘを還元する浄化機能を有する三元触媒１１５にて浄化される。
【００５７】
また、エンジン５０Ａの負荷が大きくなると、吸気通路３０５ａを通る空気量が増え、相対的にＥＧＲガスが減少する。そして、さらに大きな負荷に対応させる場合には、吸気制御弁３０６を開いて吸気通路１０１の断面積を増やして通気抵抗を低減させ、前記第一の実施形態と同様に、吸気行程にて燃料噴射を行い、吸入空気と燃料の混合を促進させ、シリンダ１２３Ａ内の均質度を高めており、ＥＧＲによる成層燃焼と均質燃焼とを負荷に応じて適宜切り換えて運転している。
【００５８】
図８乃至図１０は、エンジン回転数と負荷とによるマップ上の運転領域を示したものである。
図８は、前記第一及び第二の実施形態における、エンジン回転数と負荷とによるマップ上の運転領域を示したものである。
図示のように、同一のエンジン回転数において、エンジン負荷が小さいときには、前記ＥＧＲガスを用いた成層燃焼を行うために、吸入空気に比して多量のＥＧＲガスを導入させている。そして、エンジン負荷が大きくなるにともなって、前記ＥＧＲガスの導入量を減少させるとともに、均質燃焼に切り換えていることが分かる。
【００５９】
図９は、前記第一及び第二実施形態とは別の実施例における、エンジン回転数と負荷とによるマップ上の運転領域を示したものである。
つまり、前記第一及び第二実施形態では、説明を簡略化するために、「ＥＧＲガスを用いた成層燃焼」と「均質燃焼」とについて示しているが、実機を鑑みると、従来の成層燃焼（図１０）の如く、吸入空気による層が存在していても良い。
【００６０】
換言すれば、前記混合気ではない部分に関しては、空気が存在する場合と、ＥＧＲガスが存在する場合のほか、両者の混合物である場合が考えられ、空気に対するＥＧＲガスの混合割合は、０％から１５０％程度まで変化させて設定することができる。また、その空燃比は任意である。
ただし、ＥＧＲガスの混合割合が低くされた場合には、従来の構成の様に、リーンＮＯｘ触媒が構成として必要になり、リッチスパイクを行う必要が生じて燃費の悪化が起こるので、成層リーン燃焼はなるべく最小限の時間に留めるべきである。
【００６１】
この点を考慮したのが図９のエンジン回転数と負荷とによるマップであり、例えば、アイドリング状態を含む極めて低回転又は低負荷状態においては、ＥＧＲガスが多いと燃焼不安定の原因となるので、この領域では、混合気を取り巻く気体を空気にする。そして、中程度のエンジン回転数又は中程度の負荷に達すると、前記実施形態に示したようにＥＧＲガスで混合気を取り巻いて、理論空燃比の成層燃焼を行う。さらに、高回転又は高負荷の領域では、均質燃焼を行い、出力を確保する。このようにして、燃焼安定性を確保しながら、リッチスパイクの回数を極力抑えて燃費の向上を図ることができる。
【００６２】
なお、図９の補足として、例えば、上述の如く混合気をＥＧＲガスで囲むＥＧＲ成層燃焼運転のほか、前記混合気を空気で囲む成層リーン燃焼運転と前記ＥＧＲ成層燃焼運転との各運転の境界付近等においては、成層燃焼運転時には燃料が圧縮行程の後半で噴射されることを鑑み、前記混合気成層化手段１００（１００Ａ）は、混合気をＥＧＲガスで包んでいる限り、点火プラグ１１３の近傍に前記混合気の層を存在させるとともに、該混合気の周囲に前記ＥＧＲガスの層を存在させ、さらに該ＥＧＲガスの周囲に前記吸入空気の層を存在させても良く、若しくは前記混合気成層化手段は、混合気をＥＧＲガスで包んでいる限り、点火プラグ１１３の近傍に前記混合気の層を存在させるとともに、該混合気の周囲に前記吸入空気の層を存在させ、さらに該吸入空気の周囲に前記ＥＧＲガスの層を存在させても良いものである。
以上のように、本発明の前記各実施形態は、上記の構成としたことによって次の機能を奏するものである。
【００６３】
すなわち、前記第一（第二）の実施形態の理論空燃比で成層燃焼するエンジン５０（５０Ａ）は、成層燃焼運転を行う場合には、混合気成層化手段１００（１００Ａ）が、吸入空気による順タンブル１２０（スワール３０３）及びＥＧＲガスによる逆タンブル１２１（スワール３０４）の二つのタンブル流（スワール流）を生成し、点火プラグ１１３近傍には燃料と吸入空気とからなる可燃性の混合気の層を存在させ、該混合気の周囲にはＥＧＲ通路１０９を介して、開閉される下側の吸気通路１０１ｂ（一方の吸気通路３０５ｂ）に導入されていたＥＧＲガスの層を存在させており、前記混合気が前記ＥＧＲガスで包まれることによって、シリンダ１２３（１２３Ａ）内のガス全体を、リーン空燃比ではなく、理論空燃比とした燃焼にするＥＧＲ成層燃焼を行っているので、ＥＧＲガスを用いてポンピングロスや冷却損失の減少させることによる燃費の向上のほか、シリンダ１２３（１２３Ａ）から排出された排気ガスに対し、ＮＯｘ、ＨＣ等を同時に浄化できる三元触媒１１５を用いて効率的な排気浄化を行うことによる排気浄化効果の向上、及び従来のようなリーンＮＯｘ触媒を用いる必要がないことによるシステムのコスト削減、並びにリッチスパイク動作が不要になることによる燃費の向上をも達成することができる。
【００６４】
また、前記混合気を前記ＥＧＲガスで囲むことができる前記混合気成層化手段１００（１００Ａ）によって、逆タンブル１２１（スワール３０４）の最大流量が多くなるので、成層燃焼運転可能な領域の拡大を図ることができ、この点からも燃費の向上に繋がることになる。
【００６５】
図１１は、本実施形態と従来技術とにおける、負荷による燃料消費量を比較したものである。
まず、上述の如く、従来技術は、混合気を主として空気で包む成層化が行われているのに対し、本実施形態では、混合気をＥＧＲガスで包む成層化が行われている。したがって、本実施形態は、エンジンの膨張行程においてシリンダ内のガスの比熱比が増加し、エンジンの効率の向上を図ることができる。
【００６６】
また、本実施形態では、ＥＧＲガスと混合気との混合は必要最小限に抑えられており、混合気の燃焼悪化防止が図られて、燃焼効率の向上を図ることができる。このため、同一のエンジン回転数及び負荷で比較した場合には、燃料消費量の悪化を防ぐことができる。
【００６７】
そして、図示のように、従来技術においては、リーンＮＯｘ触媒の活性を維持させるために、一定間隔でリッチスパイクをかける必要があり、この間の燃料消費量が大きくなっていることが分かる。これに対し、本実施形態では、上記のＥＧＲによる燃費向上分と、リッチスパイクをなくすことによる燃費向上分との双方とも得られることが分かる。
【００６８】
なお、図９にて説明したように、成層リーン燃焼とＥＧＲガスによる理論空燃比による成層燃焼とを併用した場合には、その効果は、従来技術と本実施形態の理論空燃比による成層燃焼との場合の中間程度になる。
以上、本発明の各実施形態について詳説したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の精神を逸脱しない範囲で、設計において種々の変更ができるものである。
【００６９】
まず、前記第一及び第二の実施形態は、ＥＧＲ成層燃焼の基本的な概念について述べたものであり、本発明の範囲は必ずしもこれに限定されるものではなく、例えば、吸気通路の本数、又は通路の隔壁の数、或いは吸気通路の形状が変わった場合でも、それらの通路を部分的に閉塞する吸気制御弁（タンブル制御弁）を持ち、この閉塞された部分にＥＧＲガスを導入する構成であれば良く、また、シリンダに設けられる燃料噴射弁及び点火プラグの位置についても、本実施形態の構成に限定されるものではなく、例えば、シリンダの真上から燃料を噴射し、該シリンダの側方から点火を行う構成であっても良く、これらの場合にも前記と同様の効果を奏することができる。
【００７０】
また、ピストンの形状についても、本発明はこの形状には必ずしも拘束されるものではなく、ＥＧＲガス側と混合気側とによるタンブル（スワール）がそれぞれ独立して存在し、燃焼開始までは極力混合しないことを目的とする形状・構造であれば良く、この場合にも前記と同様の効果を奏することができる。
【００７１】
さらに、本実施形態では、自然吸気エンジンについて記載されているが、ＥＧＲガスを用いた成層燃焼を行うことができれば、過給機付きエンジンに関しても同様の動作を行わせることができる。この場合には、吸入空気の圧力が大気圧よりも高まるので、ＥＧＲガスが供給されても吸入空気量を多くすることができ、自然吸気の場合よりも成層運転範囲を広くすることができる。
【００７２】
【発明の効果】
以上の説明から理解できるように、本発明の理論空燃比で成層燃焼するエンジンは、成層燃焼運転時には、ＥＧＲガスで混合気を包み、理論空燃比による燃焼が行われているので、燃費の向上と排気浄化効果の向上とを図ることができる。
また、成層・均質の各燃焼運転ともに、三元触媒を有効に働かせた排気浄化が行われるので、リーンＮＯｘ触媒を使用する場合に比して、燃費の更なる向上とシステムコストの低廉化とを図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施形態における理論空燃比成層燃焼エンジンの構成図。
【図２】図１のエンジンにおけるエンジン低負荷域での動作説明図。
【図３】図１のエンジンにおけるエンジン中負荷域での動作説明図。
【図４】図１のエンジンにおけるエンジン高負荷域での動作説明図。
【図５】図１のエンジンにおける動作フローチャート。
【図６】本発明の第二の実施形態における理論空燃比成層燃焼エンジンのピストン斜視図。
【図７】図６の理論空燃比成層燃焼エンジンの構成図。
【図８】図１及び図６の回転数と負荷とのマップ上の運転領域図。
【図９】本発明の他の実施例における回転数と負荷とのマップ上の運転領域図。
【図１０】従来技術の回転数と負荷とのマップ上の運転領域図。
【図１１】図８乃至図１０における燃料消費量の比較図。
【符号の説明】
５０ エンジン
５０Ａ エンジン
１００ 混合気成層化手段
１００Ａ 混合気成層化手段
１０１ 吸気管
１０１ａ 吸気通路（開閉される吸気通路以外の吸気通路）
１０１ｂ 吸気通路（開閉される吸気通路）
１０２ タンブル制御弁（吸気制御弁）
１０７ ピストン
１０９ｅ ＥＧＲガスの通路出口
１１１ 吸気弁
１１２ 排気弁
１１３ 点火プラグ
１１４ 隔壁
１１５ 三元触媒
１２０ タンブル流
１２１ タンブル流
１２２ 燃料噴射弁
１２３ シリンダ
１２３Ａ シリンダ
１２５ 燃料噴霧
３０３ スワール流
３０４ スワール流
３０５ａ 吸気通路（開閉される吸気通路以外の吸気通路）
３０５ｂ 吸気通路（開閉される吸気通路）
３０６ 吸気制御弁
３０５ｂ 吸気通路
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内噴射式エンジン及び該エンジンの燃焼方法に係り、特に、理論空燃比での成層燃焼運転を実現させる筒内噴射式エンジン及び該エンジンの成層燃焼方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在の自動車は、環境保全の観点から自動車の排気ガスに含まれる一酸化炭素ＣＯ、炭化水素ＨＣ、窒素酸化物ＮＯｘ等の排気物質の一層の削減が要求されている。これらの削減を目的とした一例としては、希薄（リーン）成層燃焼エンジンが挙げられる。これは、タンブル流による筒内空気活動を用いて燃料と吸入空気との混合気を成層化させて燃焼させるものであり、燃費低減及びＣＯ排出量の低減等を図っている。
【０００３】
これらのシステムの一例としては、例えば、特開平６−１５９０７９号公報所載の技術が提案されている。該提案の技術は、吸気ポートに隔壁が設けられ、該隔壁が前記吸気ポートを中央、左、右、及びバイパスポートの４区画に区分し、該バイパスポートの入口にはタンブル制御弁が設けられており、エンジンの低回転低負荷時には、前記タンブル制御弁を閉じて前記中央ポートに燃料を噴射するものである。これにより、燃焼室内にはタンブル流が生成されるとともに、混合気の成層化が行われ、リーン混合気においても安定した燃焼を行うことができ、燃焼の促進を図って燃費を向上させることができる技術である。
【０００４】
また、前記混合気の成層化に関するの他の一例としては、ＥＧＲガスを利用したエンジンの技術が各種提案されている（例えば、特開平８−８２２３３号公報、特開平９−４２０７０号公報、特開平１１−２１５８号公報等参照）。
さらに、近年の地球温暖化の現状及び資源保護の観点からは、燃費低減及びＣＯ２の削減を図るべく、筒内噴射式エンジンの技術が知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記従来の技術、特に、特開平６−１５９０７９号公報所載の技術は、ガスにリーン混合気を用いた成層燃焼が行われていることから、エミッション（排出ガス）の浄化のために従来から使用されている三元触媒では、浄化に対する効果がないという不都合が生ずることになる。
【０００６】
よって、これを解決するため、特にＮＯｘの浄化のためには、リーンＮＯｘ触媒が一般的に使用されている。該リーンＮＯｘ触媒は、リーン運転時にはＮＯｘを吸着させ、その後、リッチスパイクを行う、つまり、一定時間毎に排気ガスの空燃比を１３程度に過濃（リッチ）化させて、前記リーン運転時に吸着されたＮＯｘを還元させる必要がある触媒である。
【０００７】
つまり、前記リッチスパイクを行っている期間は、リーン混合気を用いた成層燃焼が行えず、前記ＮＯｘを還元させるためのエネルギー、換言すれば、無駄な燃料が消費されることになる。このように、燃料が余計に消費されるのでは、これまで折角リーン混合気によって燃費の低減が図られていたとしても、前記リッチスパイクによる燃料供給によって相殺されてしまい、実質の燃費低減率が低下するという問題点があった。
【０００８】
また、現在の技術では、前記リーンＮＯｘ触媒によるＮＯｘの浄化率は、最高でも９０％程度であり、前記三元触媒による場合の浄化率９９％に比べて低く、最終的なテールパイプ、すなわち、排気管からのエミッションの悪化を招くという問題が依然として残されている。
【０００９】
さらに、リーン混合気による成層化では、エンジンの吸入負圧によって空気量が制限されているため、前記エンジンの負荷が高めに要求される場合であっても前記吸入空気をそれ以上供給できず、前記リーン混合気ではこの要求された運転を行うことができないことから、成層運転できるトルクが低めに制限されざるを得ないという問題もある。
【００１０】
すなわち、本願発明者は、筒内噴射式エンジンの付加価値をより高めるべく、成層燃焼運転時にリッチスパイクを行わないか、若しくは該リッチスパイクの回数を極力低減させ、燃費の悪化を防ぐことができる成層燃焼システムを構築するとの新たな知見を得たものであり、排気ガス還流であるＥＧＲガスを用いて混合気を包み、理論空燃比近傍にて成層燃焼させる構成を導き出している。しかし、前記従来の技術は、前記ＥＧＲガスの通路出口が、吸気管のコレクタ付近に存在し、前記ＥＧＲガスは吸入空気と予混合されてシリンダ内に供給されており、また、前記ＥＧＲガスの通路出口が、シリンダ付近に存在していても、理論空燃比近傍にて成層燃焼させるための混合気とＥＧＲガスとの位置関係の点に関して格別の配慮がなされていない。
【００１１】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ＥＧＲガスで理論空燃比近傍の成層燃焼を行い、ポンピングロスを低減させて燃費向上を図るとともに、リッチスパイクによる燃費の悪化を防ぐことができ、しかも、高い排気浄化効果を得ることができる筒内噴射式エンジン及び該エンジンの成層燃焼方法を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成すべく、本発明に係る理論空燃比で成層燃焼するエンジンは、シリンダ内で燃料を直接に噴射させる燃料噴射弁と、前記シリンダ内で前記燃料と吸入空気との混合気に点火させる点火プラグと、を備えたエンジンにおいて、理論空燃比にて成層燃焼させるべく、前記点火プラグ近傍に前記混合気の層を形成するとともに、該混合気の周囲にＥＧＲガスの層を形成するために、前記シリンダ内に二つのタンブル流を形成し、該タンブル流の一方は、前記吸入空気を吸気弁から排気弁に沿ってピストンに向かう流れであり、前記タンブル流の他方は、前記ＥＧＲガスを前記ピストンの上面に沿って前記排気弁に向かう流れを形成する混合気成層化手段を備えたことを特徴としている。
【００１３】
前記の如く構成された本発明の理論空燃比で成層燃焼するエンジンは、混合気成層化手段が、成層燃焼運転時には、点火プラグ近傍に混合気の層を形成させ、該混合気をＥＧＲガスの層で囲むように機能しているので、シリンダ内では理論空燃比近傍の成層燃焼が可能になり、エンジンのポンピングロスが低減されることによる燃費の向上と、リッチスパイクが不要になることによる一層の燃費の向上とを図ることができ、筒内噴射式エンジンの価値をより高めることができる。
【００１４】
また、本発明に係る理論空燃比で成層燃焼するエンジンの具体的態様は、前記混合気成層化手段は、吸気管を区画して形成される複数個の吸気通路のうち、少なくとも一つの吸気通路を開閉させる吸気制御弁を備えているとともに、該開閉される吸気通路の前記吸気制御弁と前記シリンダとの間に前記ＥＧＲガスの通路出口を備えていることを特徴としている。
【００１５】
さらに、本発明に係る理論空燃比で成層燃焼するエンジンの他の具体的態様は、前記混合気成層化手段は、前記シリンダ内に二つのタンブル流を生成するものであって、該タンブル流の一方は、前記吸入空気を吸気弁から排気弁に沿ってピストンに向かう流れであり、前記タンブル流の他方は、前記ＥＧＲガスを前記ピストンの上面に沿って前記排気弁に向かう流れであること、又は前記燃料噴射弁の噴霧は、前記点火プラグ側への偏向噴霧であって、前記他方のタンブル流を通過するとともに、前記一方のタンブル流に混合させる貫通力を有することを特徴としている。
【００１６】
さらにまた、本発明に係る理論空燃比で成層燃焼するエンジンのさらに他の具体的態様は、前記混合気成層化手段は、前記シリンダ内で二つのスワール流を生成するものであって、該スワール流の一方は、前記ＥＧＲガスを前記シリンダの側壁面に沿う流れであり、前記スワール流の他方は、前記一方のスワール流とは反対方向への流れであって、前記吸入空気を前記ＥＧＲガスの内側に配置させる流れであることを特徴としている。
【００１７】
また、前記混合気成層化手段は、前記点火プラグ近傍に前記混合気の層を形成するとともに、該混合気の周囲に前記ＥＧＲガスの層を形成し、さらに該ＥＧＲガスの周囲に前記吸入空気の層を形成すること、若しくは前記混合気成層化手段は、前記点火プラグ近傍に前記混合気の層を形成するとともに、該混合気の周囲に前記吸入空気の層を形成し、さらに該吸入空気の周囲に前記ＥＧＲガスの層を形成すること、又は前記燃料噴射弁は、前記成層燃焼運転時には圧縮行程の後半で燃料を噴射し、均質燃焼運転時には吸気行程で燃料を噴射することを特徴としている。
【００１８】
さらに、本発明に係る理論空燃比で成層燃焼するエンジンは、シリンダ内で燃料を直接に噴射させる燃料噴射弁と、前記シリンダ内で前記燃料と空気との混合気を点火させる点火プラグと、を備えたエンジンであって、該エンジンは、成層燃焼運転時における前記シリンダ内の空燃比を理論空燃比にさせるべく、前記混合気を成層化させる混合気成層化手段を備えているとともに、前記成層燃焼運転時における排気ガスを浄化する三元触媒を備えていることを特徴とし、ＮＯｘの除去率が約９９％と高い三元触媒を用いることが可能になり、システムのコストダウン及び排気浄化の効果をより大きくさせることができ、これも、筒内噴射式エンジンの価値をより高めることになる。
【００１９】
さらに、本発明に係るエンジンの理論空燃比による成層燃焼方法は、吸気管を区画して形成される複数個の吸気通路のうち、少なくとも一つの吸気通路を開閉させる吸気制御弁と、該開閉される吸気通路の前記吸気制御弁とシリンダとの間にＥＧＲガスの通路出口とを有する混合気成層化手段により、前記シリンダ内で前記混合気とＥＧＲガスを成層化して燃焼させるエンジンの成層燃焼方法であって、前記吸気制御弁を閉じて前記開閉される吸気通路に前記ＥＧＲガスを充填し、次いで、前記エンジンの吸気行程にて、前記開閉される吸気通路以外の吸気通路から前記シリンダ内に前記吸入空気を流入させる流れを生成するとともに、前記開閉される吸気通路から前記シリンダ内に前記ＥＧＲガスを流入させる流れを生成し、前記エンジンの圧縮行程にて、前記燃料噴射弁が噴射することにより、前記点火プラグ近傍には前記混合気の層を形成するとともに、該混合気の周囲には前記ＥＧＲガスの層を形成することで、前記シリンダ内に理論空燃比による成層混合気を形成することを特徴としている。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面により本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の第一の実施形態における理論空燃比で成層燃焼するエンジン（理論空燃比成層燃焼エンジン）の構成図である。
該エンジン５０は、多気筒からなり、各シリンダ１２３には、吸気管１０１と排気管１１０とが吸気弁１１１及び排気弁１１２を介してそれぞれ接続されているとともに、シリンダ１２３内で燃料を直接に噴射させる燃料噴射弁１２２と、シリンダ１２３内で燃料と吸入空気との混合気を点火させる点火プラグ１１３とが備えられている。燃料噴射弁１２２は、シリンダ１２３の吸気管１０１側に、点火プラグ１１３は、シリンダ１２３の上部にそれぞれ設けられている。
【００２１】
吸気管１０１には、上側の吸気通路１０１ａと、下側の吸気通路１０１ｂとの上下に区画させる隔壁１１４が設けられており、該隔壁１１４の上流側端には、下側の吸気通路１０１ｂを開閉させる吸気制御弁（タンブル制御弁）１０２が設けられている。また、下側の吸気通路１０１ｂにおいて、タンブル制御弁１０２とシリンダ１２３との間には、後述する排気ガス還流であるＥＧＲガスの通路出口１０９ｅが設けられている。前記ＥＧＲガスは、後述するように、ピストン１０７の湾曲された上面に沿うようにシリンダ１２３内に流入される。
【００２２】
図１の右側から吸入された空気は、エアクリーナ１０６を通り、エアフローメータ１０５でその流量が計測され、電子制御スロットルチャンバ１０４でその流量の調節がなされた後、コレクタ１０３で各シリンダ１２３に分配される。そして、前述した吸気管１０１を通り、吸気弁１１１が開いた際にシリンダ１２３に流入される。
【００２３】
燃料噴射弁１２２は、成層燃焼運転時には圧縮行程の後半で燃料を噴射し、均質燃焼運転時には吸気行程で燃料を噴射しており、上記吸入空気との混合気を形成させ、該混合気は、点火プラグ１１３での点火によってシリンダ１２３内で燃焼される。なお、前記燃料噴射弁１２２の噴霧は、図示のように、点火プラグ１１３側に向かう量が多く、かつ、速度も大きくなる、いわゆる偏向噴霧１２５を用いている。
【００２４】
このシリンダ１２３で燃焼したガスは、排気弁１１２、排気管１１０を通った後、三元触媒１１５によって浄化され、消音器（図示しない）を介して大気中に放出されるが、前記燃焼したガスの一部は、ＥＧＲ制御弁１０８で流量の調節がなされつつ、ＥＧＲ通路１０９を介して前記ＥＧＲガスの通路出口１０９ｅから下側の吸気通路１０１ｂに還流される。
【００２５】
燃料噴射弁１２２の燃料噴射時期、点火プラグ１１３の点火時期、タンブル制御弁１０２、電子制御スロットルチャンバ１０４、ＥＧＲ制御弁１０８のそれぞれの開度は、エアフローメータ１０５で計測された吸入空気量、アクセル開度、エンジン水温、エンジン回転数、車速（いずれもその入力を行うセンサは図示しない）等の情報に基づいて、コンピュータ２０１によって最適な値及び時期に設定・制御される。
【００２６】
ここで、本実施形態のエンジン５０は、シリンダ１２３内のガス全体を理論空燃比にて成層燃焼させるべく、混合気を成層化させる混合気成層化手段１００を備えており、本実施形態の混合気成層化手段１００は、隔壁１１４、タンブル制御弁１０２、及びＥＧＲガスの通路出口１０９ｅを有している。
【００２７】
つまり、本実施形態の混合気成層化手段１００は、シリンダ１２３内でタンブル流を生成させるタンブル生成機構として機能するものであり、上側の吸気通路１０１ａのタンブル流１２０と、下側の吸気通路１０１ｂのタンブル流１２１との二つのタンブル流を生成している。
【００２８】
図示のように、上側の吸気通路１０１ａのタンブル流１２０は、コレクタ１０３からの吸入空気を吸気弁１１１から排気弁１１２に沿わせてピストン１０７に向かう流れ（順タンブル）であり、下側の吸気通路１０１ｂのタンブル流１２１は、ＥＧＲガスをピストン１０７の上面に沿わせてから排気弁１１２に向かう流れ（逆タンブル）である。
【００２９】
具体的には、本実施形態の如くの成層燃焼を行う場合には、混合気成層化手段１００は、まず、タンブル制御弁１０２を閉じて下側の吸気通路１０１ｂを閉塞し、ＥＧＲ通路１０９、ＥＧＲ制御弁１０８を介してＥＧＲガスを下側吸気通路１０１ｂに流入させて充填させる。
【００３０】
次に、エンジン５０の吸気行程でピストン１０７が下降し、吸気弁１１１が開くと、上側の吸気通路１０１ａを通った吸入空気は、吸気弁１１１の上側を通ってシリンダ１２３内に流入し、順タンブル１２０を形成する。
一方、これと同時に、下側の吸気通路１０１ｂに充填されていたＥＧＲガスは、吸気弁１１１の下側を通ってシリンダ１２３内に流入し、逆タンブル１２１を形成する。
【００３１】
そして、図示のように、逆タンブル１２１は、ピストン１０７に沿う流れとなってシリンダ１２３の下方に滞留する。順タンブル１２０は、逆タンブル１２１よりも上部に位置し、点火プラグ１１３の近傍を通る流れとなる。
続いて、エンジン５０の圧縮行程においては、吸気弁１１１を閉じ、ピストン１０７が上昇してシリンダ１２３内の空気が圧縮され、このとき、燃料噴射弁１２２は、逆タンブル１２１を突き抜けて通過するとともに、順タンブル１２０に到達したところで気化して混合させるペネトレーション（貫通力）を有する噴射がなされるように、燃料圧力等の最適調節がなされ、また、図の上方に向かう成分が下方に向かう成分よりも大きくなる偏向噴霧１２５であり、吸気弁１１１の上側から出た順タンブル１２０と燃料との効率の良い混合が行われる。
【００３２】
このように、本実施形態の混合気成層化手段１００は、二つのタンブル流１２０、１２１を生成し、点火プラグ１１３近傍には前記混合気の層を存在させ、該混合気の周囲には前記ＥＧＲガスの層を存在させており、前記混合気が前記ＥＧＲガスで包まれることによって、シリンダ１２３内では、希薄（リーン）空燃比ではなく、理論空燃比による成層燃焼を可能にしている。
そして、この成層燃焼運転時における排気ガスは、上述のように理論空燃比近傍に調節されているので、炭化水素ＨＣ、一酸化炭素ＣＯを酸化し、窒素酸化物ＮＯｘを還元する浄化機能を有する三元触媒１１５にて浄化される。
【００３３】
図２乃至図４は、本実施形態の混合気成層化手段１００によるエンジン負荷に応じた混合気とＥＧＲガスとの成層化について説明したものである。
図２は、エンジン低負荷域での動作説明図である。
エンジン低負荷域においては、まず、コンピュータ２０１からの信号により、電子制御スロットルチャンバ１０４の開度が小さく設定される。一方、ＥＧＲ制御弁１０８の開度は大きく設定される。これにより、エンジン５０の吸気行程において、吸気弁１１１が開かれたときには、シリンダ１２３内に吸入されるガスは、上側の吸気通路１０１ａを通った吸入空気よりも、下側の吸気通路１０１ｂを通ったＥＧＲガスの方が多くなり、つまり、順タンブル１２０よりも逆タンブル１２１の量が多く、かつ、流れも強くなる。
【００３４】
しかし、この場合においても、順タンブル１２０は、点火プラグ１１３の近傍を流れており、また、偏向噴霧１２５であることから、燃料噴射弁１２２からの燃料は、逆タンブル１２１との混合を最小限に留めながらも順タンブル１２０と混合され、点火プラグ１１３の周りに理論空燃比の混合気が形成される。
そして、逆タンブル１２１は、シリンダ１２３の下方に滞留し、シリンダ１２３内の空燃比を理論空燃比近傍に保ちながら、吸入ガス量（空気＋ＥＧＲガス）を増やしており、ポンピングロスや冷却損失を低減させることができる。
【００３５】
図３は、エンジン中負荷域での動作説明図である。
エンジン中負荷域においては、まず、コンピュータ２０１からの信号により、電子制御スロットルチャンバ１０４の開度が、低負荷域よりもやや大きく設定される。一方、ＥＧＲ制御弁１０８の開度は、低負荷域よりもやや小さく設定される。これにより、エンジン５０の吸気行程において、吸気弁１１１が開いたときには、シリンダ１２３内に吸入されるガスは、上側の吸気通路１０１ａを通った吸入空気の方が、下側の吸気通路１０１ｂを通ったＥＧＲガスよりも多くなり、つまり、逆タンブル１２１よりも順タンブル１２０の量が多く、かつ、流れも強くなる。
【００３６】
このとき、逆タンブル１２１のＥＧＲガスは、ピストン１０７の付近に滞留し、点火プラグ１１３の近傍を含むシリンダ１２３内の他の部分には、順タンブル１２０が流れており、また、燃料噴射弁１２２からの燃料は、逆タンブル１２１との混合を最小限に留めながらも順タンブル１２０と混合し、点火プラグ１１３の周りに理論空燃比の混合気が形成される。
【００３７】
そして、この場合にも、シリンダ１２３内全体の空燃比を理論空燃比近傍に保ちながら吸入ガス量を増やしており、ポンピングロスや冷却損失を低減させることができる。
なお、図２及び図３を通して、混合気とＥＧＲガスとの割合は、エンジン運転状態によって変わるものであるが、吸入空気量を基準、すなわち１００％としたときには、後述するように、例えば０％から１５０％程度まで変化させて設定することもできる。
【００３８】
また、エンジン５０の中程度の負荷状態において、従来技術である、主として空気を用いた成層燃焼の場合と比較すると、ＥＧＲ通路１０９を通ってきたＥＧＲガスの圧力は、圧力の高いエンジンの排圧に由来しているので、ＥＧＲ制御弁１０８が全開付近に設定されると、吸気管１０１を通る空気の圧力よりも大きくなる。すなわち、逆タンブル１２１は、従来技術である、空気を主とした成層燃焼の場合よりも、本実施形態の如く、ＥＧＲガスを主とした成層燃焼の場合の方が、最大流量を多くすることができるので、成層燃焼可能な負荷の上限が大きく、すなわち、成層燃焼運転できる領域の拡大を図ることができる。
【００３９】
図４は、エンジン高負荷域での動作説明図である。
エンジン高負荷域においては、まず、コンピュータ２０１からの信号により、電子制御スロットルチャンバ１０４の開度は、中負荷域よりもさらに大きく（全開に近く）設定されるとともに、タンブル制御弁１０２が開くように設定される。一方、ＥＧＲ制御弁１０８の開度は、中負荷域よりもさらに小さく設定される。これにより、吸気抵抗が低減するので、エンジン５０の吸気行程において、吸気弁１１１が開いたときには、上側の吸気通路１０１ａ及び下側の吸気通路１０１ｂの両方から、大量の新気をシリンダ１２３内に供給させる。
【００４０】
このときは、エンジンの吸気行程にて、コンピュータ２０１からの信号により、燃料噴射弁１２２が燃料噴射を行っており、噴霧の気化時間及び拡散時間を長くして吸入空気との混合を促進させ、シリンダ１２３内の均質度を高めている。そして、燃料の噴射量を大きくし、多量の混合気形成を行って大きなトルクを得ている。
【００４１】
図５は、図２から図４に示した各エンジン負荷域での動作フローチャートである。
ステップ１では、コンピュータ２０１が、エンジン回転数、アクセル開度、水温、吸気圧力、排気温度、ギヤ位置をそれぞれのセンサから読み込み、これらに基づいてステップ２にて目標トルクを演算し、ステップ３にて燃料噴射量を決定してステップ４に進む。
ステップ４では、前記目標トルクを用いてエンジン回転数と負荷との運転状態マップを参照し、成層燃焼運転を行う領域か、均質燃焼運転を行う領域かを調べた後、適切な燃料噴射量を決定し、ステップ５にて点火時期を決定する。
【００４２】
次に、ステップ６では、成層燃焼運転モードであるか否かを判定し、成層燃焼運転モードである場合、すなわち、ＹＥＳのときには、ステップ７に進んで混合気成層化手段１００が、タンブル制御弁１０２を閉じ、ステップ８にて燃料噴射弁１２２による燃料噴射時期をエンジン５０の圧縮行程に設定し、ステップ９に進む。
【００４３】
一方、ステップ６にて、成層燃焼運転を行わない、つまり、均質燃焼運転モードである場合には、ステップ１０に進んでタンブル制御弁１０２を開き、ステップ１１にて燃料噴射時期をエンジン５０の吸気行程に設定し、ステップ９に進む。
そして、ステップ９では、電子制御スロットルチャンバ１０４の開度を各エンジン負荷に応じた所定量に設定し、ステップ１２にて、ＥＧＲ制御弁１０８の開度を同じく各エンジン負荷に応じた所定量に設定して、ステップ１３に進む。
【００４４】
ステップ１３では、エンジン５０の吸気行程にて吸気弁１１１を開かせ、ステップ１４では、成層燃焼運転モードであるか否かを判定し、成層燃焼運転モードである場合、すなわち、ＹＥＳのときには、ステップ１５に進み、既にタンブル制御弁１０２が閉じられているので、混合気成層化手段１００が、吸入空気による順タンブル１２０と、ＥＧＲによる逆タンブル１２１とを生成し、ステップ１６にて、燃料噴射弁１２２が、順タンブル１２０を指向して圧縮行程で燃料噴射を行い、ステップ１７にて、点火プラグ１１３の周りに混合気の層を形成させ、その周囲をＥＧＲガスの層を形成させて成層化を図り、ステップ１８に進んで、点火プラグ１１３が前記混合気に点火し、シリンダ１２３内に対する理論空燃比近傍の燃焼を行って一連の動作を終了する。
【００４５】
一方、ステップ１４にて、均質燃焼運転モードである場合には、ステップ１９にて、既にタンブル制御弁１０２が開かれているので、上側の吸気通路１０１ａと下側の吸気通路１０１ｂの両方から空気が流入される。このときには、吸気管の通路断面積が大きく、抵抗が少ないため、多くの空気がシリンダ１２３内に供給される。そして、ステップ２０にて、燃料噴射弁１２２が、吸気行程で燃料噴射を行って気化時間を長くとることができ、ステップ２１にて、シリンダ１２３内の混合気の均質性を高め、ステップ１８に進んで、点火プラグ１１３が、前記混合気に点火して一連の動作を終了する。
そして、これらの燃焼による出力が取り出され、続いて、エンジン５０の排気行程にて燃焼ガスが排気通路１１０側に排出され、１回のサイクルが終了する。以後も同様に、この動作を繰り返すエンジン５０の運転が行われる。
【００４６】
図６及び図７は、本発明の第二の実施形態における理論空燃比で成層燃焼するエンジンの構成図である。ここで、前記第一の実施形態の混合気成層化手段１００は、吸気の際にシリンダ１２３内の長手軸方向に旋回するタンブル流を形成させたものであるのに対し、本実施形態の混合気成層化手段１００Ａは、前記長手軸の垂直方向に旋回するスワール流を形成させるものである。よって、本実施形態は、この点を除いて他の構成等は前記第一の実施形態と同様であることから、その相違点を中心に説明する。
【００４７】
すなわち、まず、本実施形態にて用いられるピストン１０７Ａには、図６に示すように、該ピストン１０７Ａの中心付近に設けられたキャビティ３０１と、該キャビティ３０１の外周方向に沿う凹面３０２とが、後述するように、一方の吸気通路３０５ｂのスワール流３０４と、他方の吸気通路３０５ａからのスワール流３０３との通路としてそれぞれ設けられている。
【００４８】
図７は、本実施形態における理論空燃比で成層燃焼するエンジンの構成図であり、該エンジン５０Ａのシリンダ１２３Ａには、吸気管１０１と排気管１１０とが、それぞれ二つの吸気弁１１１、１１１、二つの排気弁１１２、１１２を介してそれぞれ接続されており、吸気管１０１には、一方の吸気通路３０５ｂと、他方の吸気通路３０５ａとが左右に区画されており、該一方の吸気通路３０５ｂには、該吸気通路３０５ｂを開閉させる吸気制御弁３０６が設けられている。また、この一方の吸気通路３０５ｂにおいて、吸気制御弁３０６とシリンダ１２３Ａとの間には、ＥＧＲガスの通路出口１０９ｅが設けられている。なお、その他の吸気管１０１及び排気管１１０の構成、並びに燃料噴射弁１２２、コンピュータ２０１、点火プラグ１１３等の構成・制御等については、前記第一の実施形態と同一であるので説明は省略する。
【００４９】
そして、本実施形態のエンジン５０Ａもまた、シリンダ１２３Ａ内のガス全体を理論空燃比にて成層燃焼させるべく、混合気を成層化させる混合気成層化手段を備えており、本実施形態の混合気成層化手段１００Ａは、吸気制御弁３０６、及びＥＧＲガスの通路出口１０９ｅを有している。
【００５０】
つまり、本実施形態の混合気成層化手段１００Ａは、シリンダ１２３内でスワール流を生成させるスワール生成機構として機能するものであり、一方の吸気通路３０５ｂのスワール流３０４と、他方の吸気通路３０５ａのスワール流３０３との二つのスワール流を生成している。
【００５１】
図示のように、一方の吸気通路３０５ｂのスワール流３０４は、ＥＧＲガスをシリンダ１２３の内側壁面に沿わせる時針回りの流れであり、他方の吸気通路３０５ａのスワール流３０３は、前記一方のスワール流３０４とは反対方向の反時針回りの流れであって、コレクタ１０３からの吸入空気を前記ＥＧＲガスの内側に配置させる流れである。
【００５２】
具体的には、本実施形態の成層燃焼を行う場合には、まず、混合気成層化手段１００Ａは、吸気制御弁３０６を閉じて一方の吸気通路３０５ｂを閉塞し、ＥＧＲ通路１０９、ＥＧＲ制御弁１０８を介してＥＧＲガスを一方の吸気通路３０５ｂに流入させて充填させる。
【００５３】
次に、エンジン５０Ａの吸気行程でピストン１０７Ａが下降し、吸気弁１１１、１１１が開くと、他方の吸気通路３０５ａを通った吸入空気は、そのうち片側の吸気弁１１１の上側を通ってシリンダ１２３Ａ内に流入し、ピストン１０７上のキャビティ３０１に沿って流れ、図示のように反時針方向に回転する横渦流、すなわちスワール３０３を形成する。
【００５４】
一方、これと同時に、吸気通路３０５ｂに充填されていたＥＧＲガスは、ピストン１０７上の凹面３０２に沿って流れ、図示のように時針方向に回転するスワール３０４を形成する。そして、図示のように、ＥＧＲガスのスワール３０４は、シリンダ１２３の内側にて、一方の吸気通路３０５ｂに対向する側壁面側に滞留する。吸入空気のスワール３０３は、スワール３０４よりも内側に位置し、点火プラグ１１３の近傍を通る流れとなる。
【００５５】
続いて、エンジン５０Ａの圧縮行程においては、吸気弁１１１、１１１を閉じ、ピストン１０７Ａが上昇してシリンダ１２３Ａ内の空気が圧縮され、このとき、吸気通路３０５ａ及び３０５ｂの下側に配置された燃料噴射弁１２２は、燃料噴霧１２５が、スワール３０３を指向し、該スワール３０３内で気化して混合させるペネトレーション（貫通力）を有する噴射がなされるように、燃料圧力等の最適調節がなされている。
【００５６】
このように、本実施形態の混合気成層化手段１００Ａは、二つのスワール流３０３、３０４を生成し、点火プラグ１１３近傍には前記混合気の層を存在させ、該混合気の周囲には前記ＥＧＲガスの層を存在させており、前記混合気が前記ＥＧＲガスで包まれることによって、シリンダ１２３内では、リーン空燃比ではなく、理論空燃比による成層燃焼が可能にされている。
そして、この成層燃焼運転時における排気ガスは、上述のように理論空燃比近傍に調節されているので、炭化水素ＨＣ、一酸化炭素ＣＯを酸化し、窒素酸化物ＮＯｘを還元する浄化機能を有する三元触媒１１５にて浄化される。
【００５７】
また、エンジン５０Ａの負荷が大きくなると、吸気通路３０５ａを通る空気量が増え、相対的にＥＧＲガスが減少する。そして、さらに大きな負荷に対応させる場合には、吸気制御弁３０６を開いて吸気通路１０１の断面積を増やして通気抵抗を低減させ、前記第一の実施形態と同様に、吸気行程にて燃料噴射を行い、吸入空気と燃料の混合を促進させ、シリンダ１２３Ａ内の均質度を高めており、ＥＧＲによる成層燃焼と均質燃焼とを負荷に応じて適宜切り換えて運転している。
【００５８】
図８乃至図１０は、エンジン回転数と負荷とによるマップ上の運転領域を示したものである。
図８は、前記第一及び第二の実施形態における、エンジン回転数と負荷とによるマップ上の運転領域を示したものである。
図示のように、同一のエンジン回転数において、エンジン負荷が小さいときには、前記ＥＧＲガスを用いた成層燃焼を行うために、吸入空気に比して多量のＥＧＲガスを導入させている。そして、エンジン負荷が大きくなるにともなって、前記ＥＧＲガスの導入量を減少させるとともに、均質燃焼に切り換えていることが分かる。
【００５９】
図９は、前記第一及び第二実施形態とは別の実施例における、エンジン回転数と負荷とによるマップ上の運転領域を示したものである。
つまり、前記第一及び第二実施形態では、説明を簡略化するために、「ＥＧＲガスを用いた成層燃焼」と「均質燃焼」とについて示しているが、実機を鑑みると、従来の成層燃焼（図１０）の如く、吸入空気による層が存在していても良い。
【００６０】
換言すれば、前記混合気ではない部分に関しては、空気が存在する場合と、ＥＧＲガスが存在する場合のほか、両者の混合物である場合が考えられ、空気に対するＥＧＲガスの混合割合は、０％から１５０％程度まで変化させて設定することができる。また、その空燃比は任意である。
ただし、ＥＧＲガスの混合割合が低くされた場合には、従来の構成の様に、リーンＮＯｘ触媒が構成として必要になり、リッチスパイクを行う必要が生じて燃費の悪化が起こるので、成層リーン燃焼はなるべく最小限の時間に留めるべきである。
【００６１】
この点を考慮したのが図９のエンジン回転数と負荷とによるマップであり、例えば、アイドリング状態を含む極めて低回転又は低負荷状態においては、ＥＧＲガスが多いと燃焼不安定の原因となるので、この領域では、混合気を取り巻く気体を空気にする。そして、中程度のエンジン回転数又は中程度の負荷に達すると、前記実施形態に示したようにＥＧＲガスで混合気を取り巻いて、理論空燃比の成層燃焼を行う。さらに、高回転又は高負荷の領域では、均質燃焼を行い、出力を確保する。このようにして、燃焼安定性を確保しながら、リッチスパイクの回数を極力抑えて燃費の向上を図ることができる。
【００６２】
なお、図９の補足として、例えば、上述の如く混合気をＥＧＲガスで囲むＥＧＲ成層燃焼運転のほか、前記混合気を空気で囲む成層リーン燃焼運転と前記ＥＧＲ成層燃焼運転との各運転の境界付近等においては、成層燃焼運転時には燃料が圧縮行程の後半で噴射されることを鑑み、前記混合気成層化手段１００（１００Ａ）は、混合気をＥＧＲガスで包んでいる限り、点火プラグ１１３の近傍に前記混合気の層を存在させるとともに、該混合気の周囲に前記ＥＧＲガスの層を存在させ、さらに該ＥＧＲガスの周囲に前記吸入空気の層を存在させても良く、若しくは前記混合気成層化手段は、混合気をＥＧＲガスで包んでいる限り、点火プラグ１１３の近傍に前記混合気の層を存在させるとともに、該混合気の周囲に前記吸入空気の層を存在させ、さらに該吸入空気の周囲に前記ＥＧＲガスの層を存在させても良いものである。
以上のように、本発明の前記各実施形態は、上記の構成としたことによって次の機能を奏するものである。
【００６３】
すなわち、前記第一（第二）の実施形態の理論空燃比で成層燃焼するエンジン５０（５０Ａ）は、成層燃焼運転を行う場合には、混合気成層化手段１００（１００Ａ）が、吸入空気による順タンブル１２０（スワール３０３）及びＥＧＲガスによる逆タンブル１２１（スワール３０４）の二つのタンブル流（スワール流）を生成し、点火プラグ１１３近傍には燃料と吸入空気とからなる可燃性の混合気の層を存在させ、該混合気の周囲にはＥＧＲ通路１０９を介して、開閉される下側の吸気通路１０１ｂ（一方の吸気通路３０５ｂ）に導入されていたＥＧＲガスの層を存在させており、前記混合気が前記ＥＧＲガスで包まれることによって、シリンダ１２３（１２３Ａ）内のガス全体を、リーン空燃比ではなく、理論空燃比とした燃焼にするＥＧＲ成層燃焼を行っているので、ＥＧＲガスを用いてポンピングロスや冷却損失の減少させることによる燃費の向上のほか、シリンダ１２３（１２３Ａ）から排出された排気ガスに対し、ＮＯｘ、ＨＣ等を同時に浄化できる三元触媒１１５を用いて効率的な排気浄化を行うことによる排気浄化効果の向上、及び従来のようなリーンＮＯｘ触媒を用いる必要がないことによるシステムのコスト削減、並びにリッチスパイク動作が不要になることによる燃費の向上をも達成することができる。
【００６４】
また、前記混合気を前記ＥＧＲガスで囲むことができる前記混合気成層化手段１００（１００Ａ）によって、逆タンブル１２１（スワール３０４）の最大流量が多くなるので、成層燃焼運転可能な領域の拡大を図ることができ、この点からも燃費の向上に繋がることになる。
【００６５】
図１１は、本実施形態と従来技術とにおける、負荷による燃料消費量を比較したものである。
まず、上述の如く、従来技術は、混合気を主として空気で包む成層化が行われているのに対し、本実施形態では、混合気をＥＧＲガスで包む成層化が行われている。したがって、本実施形態は、エンジンの膨張行程においてシリンダ内のガスの比熱比が増加し、エンジンの効率の向上を図ることができる。
【００６６】
また、本実施形態では、ＥＧＲガスと混合気との混合は必要最小限に抑えられており、混合気の燃焼悪化防止が図られて、燃焼効率の向上を図ることができる。このため、同一のエンジン回転数及び負荷で比較した場合には、燃料消費量の悪化を防ぐことができる。
【００６７】
そして、図示のように、従来技術においては、リーンＮＯｘ触媒の活性を維持させるために、一定間隔でリッチスパイクをかける必要があり、この間の燃料消費量が大きくなっていることが分かる。これに対し、本実施形態では、上記のＥＧＲによる燃費向上分と、リッチスパイクをなくすことによる燃費向上分との双方とも得られることが分かる。
【００６８】
なお、図９にて説明したように、成層リーン燃焼とＥＧＲガスによる理論空燃比による成層燃焼とを併用した場合には、その効果は、従来技術と本実施形態の理論空燃比による成層燃焼との場合の中間程度になる。
以上、本発明の各実施形態について詳説したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の精神を逸脱しない範囲で、設計において種々の変更ができるものである。
【００６９】
まず、前記第一及び第二の実施形態は、ＥＧＲ成層燃焼の基本的な概念について述べたものであり、本発明の範囲は必ずしもこれに限定されるものではなく、例えば、吸気通路の本数、又は通路の隔壁の数、或いは吸気通路の形状が変わった場合でも、それらの通路を部分的に閉塞する吸気制御弁（タンブル制御弁）を持ち、この閉塞された部分にＥＧＲガスを導入する構成であれば良く、また、シリンダに設けられる燃料噴射弁及び点火プラグの位置についても、本実施形態の構成に限定されるものではなく、例えば、シリンダの真上から燃料を噴射し、該シリンダの側方から点火を行う構成であっても良く、これらの場合にも前記と同様の効果を奏することができる。
【００７０】
また、ピストンの形状についても、本発明はこの形状には必ずしも拘束されるものではなく、ＥＧＲガス側と混合気側とによるタンブル（スワール）がそれぞれ独立して存在し、燃焼開始までは極力混合しないことを目的とする形状・構造であれば良く、この場合にも前記と同様の効果を奏することができる。
【００７１】
さらに、本実施形態では、自然吸気エンジンについて記載されているが、ＥＧＲガスを用いた成層燃焼を行うことができれば、過給機付きエンジンに関しても同様の動作を行わせることができる。この場合には、吸入空気の圧力が大気圧よりも高まるので、ＥＧＲガスが供給されても吸入空気量を多くすることができ、自然吸気の場合よりも成層運転範囲を広くすることができる。
【００７２】
【発明の効果】
以上の説明から理解できるように、本発明の理論空燃比で成層燃焼するエンジンは、成層燃焼運転時には、ＥＧＲガスで混合気を包み、理論空燃比による燃焼が行われているので、燃費の向上と排気浄化効果の向上とを図ることができる。
また、成層・均質の各燃焼運転ともに、三元触媒を有効に働かせた排気浄化が行われるので、リーンＮＯｘ触媒を使用する場合に比して、燃費の更なる向上とシステムコストの低廉化とを図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施形態における理論空燃比成層燃焼エンジンの構成図。
【図２】図１のエンジンにおけるエンジン低負荷域での動作説明図。
【図３】図１のエンジンにおけるエンジン中負荷域での動作説明図。
【図４】図１のエンジンにおけるエンジン高負荷域での動作説明図。
【図５】図１のエンジンにおける動作フローチャート。
【図６】本発明の第二の実施形態における理論空燃比成層燃焼エンジンのピストン斜視図。
【図７】図６の理論空燃比成層燃焼エンジンの構成図。
【図８】図１及び図６の回転数と負荷とのマップ上の運転領域図。
【図９】本発明の他の実施例における回転数と負荷とのマップ上の運転領域図。
【図１０】従来技術の回転数と負荷とのマップ上の運転領域図。
【図１１】図８乃至図１０における燃料消費量の比較図。
【符号の説明】
５０ エンジン
５０Ａ エンジン
１００ 混合気成層化手段
１００Ａ 混合気成層化手段
１０１ 吸気管
１０１ａ 吸気通路（開閉される吸気通路以外の吸気通路）
１０１ｂ 吸気通路（開閉される吸気通路）
１０２ タンブル制御弁（吸気制御弁）
１０７ ピストン
１０９ｅ ＥＧＲガスの通路出口
１１１ 吸気弁
１１２ 排気弁
１１３ 点火プラグ
１１４ 隔壁
１１５ 三元触媒
１２０ タンブル流
１２１ タンブル流
１２２ 燃料噴射弁
１２３ シリンダ
１２３Ａ シリンダ
１２５ 燃料噴霧
３０３ スワール流
３０４ スワール流
３０５ａ 吸気通路（開閉される吸気通路以外の吸気通路）
３０５ｂ 吸気通路（開閉される吸気通路）
３０６ 吸気制御弁
３０５ｂ 吸気通路
Claims (9)
- シリンダ内で燃料を直接に噴射させる燃料噴射弁と、前記シリンダ内で前記燃料と吸入空気との混合気に点火させる点火プラグと、を備えたエンジンにおいて、
理論空燃比にて成層燃焼させるべく、前記点火プラグ近傍に前記混合気の層を形成するとともに、該混合気の周囲にＥＧＲガスの層を形成するために、前記シリンダ内に二つのタンブル流を形成し、該タンブル流の一方は、前記吸入空気を吸気弁から排気弁に沿ってピストンに向かう流れであり、前記タンブル流の他方は、前記ＥＧＲガスを前記ピストンの上面に沿って前記排気弁に向かう流れを形成する混合気成層化手段を備えたことを特徴とする理論空燃比で成層燃焼するエンジン。 - 前記混合気成層化手段は、吸気管を区画して形成される複数個の吸気通路のうち、少なくとも一つの吸気通路を開閉させる吸気制御弁を備えているとともに、該開閉される吸気通路の前記吸気制御弁と前記シリンダとの間に前記ＥＧＲガスの通路出口を備えていることを特徴とする請求項１に記載の理論空燃比で成層燃焼するエンジン。
- 前記燃料噴射弁の噴霧は、前記点火プラグ側への偏向噴霧であって、前記他方のタンブル流を通過するとともに、前記一方のタンブル流に混合させる貫通力を有することを特徴とする請求項１に記載の理論空燃比で成層燃焼するエンジン。
- 前記混合気成層化手段は、前記シリンダ内で二つのスワール流を生成するものであって、該スワール流の一方は、前記ＥＧＲガスを前記シリンダの側壁面に沿う流れであり、前記スワール流の他方は、前記一方のスワール流とは反対方向への流れであって、前記吸入空気を前記ＥＧＲガスの内側に配置させる流れであることを特徴とする請求項１に記載の理論空燃比で成層燃焼するエンジン。
- 前記混合気成層化手段は、前記点火プラグ近傍に前記混合気の層を形成するとともに、該混合気の周囲に前記吸入空気の層を形成し、さらに該吸入空気の周囲に前記ＥＧＲガスの層を形成することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の理論空燃比で成層燃焼するエンジン。
- シリンダ内で燃料を直接に噴射させる燃料噴射弁と、前記シリンダ内で前記燃料と吸入空気との混合気に点火させる点火プラグと、を備えたエンジンにおいて、
理論空燃比にて成層燃焼させるべく、前記点火プラグ近傍に前記混合気の層を形成するとともに、該混合気の周囲にＥＧＲガスの層を形成するために、前記点火プラグ近傍に前記混合気の層を形成するとともに、該混合気の周囲に前記ＥＧＲガスの層を形成し、さらに該ＥＧＲガスの周囲に前記吸入空気の層を形成する混合気成層化手段を備えたことを特徴とする理論空燃比で成層燃焼するエンジン。 - 前記燃料噴射弁は、前記成層燃焼運転時には圧縮行程の後半で燃料を噴射し、均質燃焼運転時には吸気行程で燃料を噴射することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の理論空燃比で成層燃焼するエンジン。
- 前記成層燃焼運転時における排気ガスを浄化する三元触媒を備えていることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の理論空燃比で成層燃焼するエンジン。
- 吸気管を区画して形成される複数個の吸気通路のうち、少なくとも一つの吸気通路を開閉させる吸気制御弁と、該開閉される吸気通路の前記吸気制御弁とシリンダとの間にＥＧＲガスの通路出口とを有する混合気成層化手段により、前記シリンダ内で前記混合気とＥＧＲガスを成層化して燃焼させるエンジンの成層燃焼方法であって、
前記吸気制御弁を閉じて前記開閉される吸気通路に前記ＥＧＲガスを充填し、次いで、前記エンジンの吸気行程にて、前記開閉される吸気通路以外の吸気通路から前記シリンダ内に前記吸入空気を流入させる流れを生成するとともに、前記開閉される吸気通路から前記シリンダ内に前記ＥＧＲガスを流入させる流れを生成し、前記エンジンの圧縮行程にて、前記燃料噴射弁が噴射することにより、前記点火プラグ近傍には前記混合気の層を形成するとともに、該混合気の周囲には前記ＥＧＲガスの層を形成することで、前記シリンダ内に理論空燃比による成層混合気を形成することを特徴とするエンジンの成層燃焼方法。
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