JP6299819B2 - 直噴エンジンの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ピストンが往復動可能に嵌装されて内側に燃焼室が形成された気筒を備えた直噴エンジンの制御装置に関する。

従来より、エンジンにおいて、燃費性能を高めるために、燃焼ガスの熱エネルギーが燃焼室の壁面からエンジン外部に放出されることに伴う損失すなわち冷却損失を小さく抑えることが求められている。

例えば、特許文献１には、燃焼室内に導入する吸気にオゾンを添加して混合気の燃焼速度を速くして、火炎が燃焼室の壁面に到達する前に燃焼を終了させるようにしたエンジンが開示されている。このエンジンによれば、燃焼室の壁面と高温の火炎とが接触して、この火炎から燃焼室の壁面を介して熱エネルギーが外部に放出されるのを抑制することができる。

特開２０１３−１９４７１２号公報

特許文献１のエンジンでは、吸気にオゾンを添加するために吸気管内等にオゾン発生装置を設ける必要があり、構造が複雑化するとともにコスト面で不利になる。そのため、簡単な構成で、冷却損失を小さく抑えることが求められる。また、特許文献１のエンジンにおいても、燃焼開始前に燃焼室内において吸気が燃焼室の壁面に沿うように流れている場合には、燃焼室の壁面近傍に混合気が生成される結果、燃焼ガスと燃焼室の壁面との接触を十分に抑制することができない。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、燃焼ガスと壁面との接触に伴う冷却損失の発生をより効果的に低減することのできる直噴エンジンの制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、ピストンが往復動可能に嵌装されて内側に燃焼室が形成された気筒を備えた直噴エンジンの制御装置であって、上記燃焼室の天井面に開口して当該気筒内に吸気を導入する吸気ポートと、上記吸気ポートの開口部分を開閉する吸気弁と、上記燃焼室の天井面に取り付けられて上記ピストンの冠面に向かって燃料を噴射する燃料噴射手段と、上記吸気弁を開閉させるとともに当該吸気弁の閉弁時期を変更可能な吸気弁駆動手段と、エンジン負荷が予め設定された基準負荷未満の低負荷領域において、上記燃焼室の中央部分の方が外周部分よりも燃焼開始直前の燃料濃度が高くなるように圧縮行程後期に上記燃料噴射手段によって燃料を噴射させる噴射制御手段と、上記低負荷領域での吸気弁の閉弁時期が、吸気下死点よりも遅角側の範囲においてエンジン回転数が高いときの方が低いときよりも進角されるように、かつ、少なくともエンジン回転数が低い側において気筒内の吸気が上記吸気ポートに吹き返すように、上記吸気弁駆動手段を制御するバルブ制御手段とを備え、上記燃焼室の内側面には、当該燃焼室の壁面よりも容積比熱が小さい断熱材が設けられていることを特徴とする直噴エンジンの制御装置を提供する（請求項１）。

本発明によれば、低負荷領域において、燃焼室内にその中央部分の燃料濃度の方が外周部分の燃料濃度よりも高い混合気が形成されるように圧縮行程後期に燃焼室の天井面側からピストンの冠面に向かって燃料が噴射されるため、燃焼室の壁面近傍で生じる燃焼ガスの量を少なく抑えることができる。従って、燃焼室の壁面を通じて外部に放出される燃焼ガスの熱エネルギーの増大すなわち冷却損失の増大を抑制して燃費性能を高めることができる。

しかも、本発明では、低負荷領域において、吸気弁の閉弁時期が、吸気下死点よりも遅角側とされ、かつ、エンジン回転数が高い方が進角側となるように制御される。そのため、圧縮に伴い高温となった吸気から燃焼室の壁面を介して外部に放出される熱エネルギーを小さく抑えることができるとともに、気筒内で生じた吸気の流れに乗って燃焼ガスが燃焼室の壁面と接触しやすくなるのを抑制することができ、冷却損失を小さくすることができる。

具体的には、吸気弁の閉弁時期を吸気下死点よりも遅角側とすれば、吸気弁が閉弁してから圧縮上死点までの時間であって吸気が圧縮される時間を短くすることができる。すなわち、圧縮されることに伴って高温となった吸気と気筒の壁面との接触時間を短く抑えることができる。従って、高温となった吸気から気筒の壁面を介して外部に放出される熱エネルギーを小さく抑えることができる。

しかしながら、吸気弁の閉弁時期を吸気下死点よりも遅角側であって吸気ポートに吹き返す時期にした場合は、吸気下死点付近から吸気弁が閉弁するまでの間、ピストンの上昇（燃焼室の天井面側への移動）に伴って吸気は気筒内において吸気ポートに向かう。ここで、吸気が勢いよく吸気ポート側に流れていると、吸気弁が閉弁されてもこの流れが気筒内に残される。その結果、吸気弁の閉弁後、吸気ポート向きに移動した吸気は、吸気弁および吸気弁が配置された燃焼室の天井面に衝突し、さらに、これに沿って移動するようになる。そして、これに伴い、圧縮上死点付近において、吸気およびこれと燃料との混合気は燃焼室の天井面に沿って移動し、混合気の燃焼により形成される燃焼ガスが燃焼室の天井面すなわち燃焼室の壁面と接触しやすくなってしまう。

これに対して、本発明は、上記のように、低負荷領域においてエンジン回転数が高い方が進角側となるように制御される。すなわち、エンジン回転数が高くピストンの移動スピードが速いことに伴って気筒内での吸気の流れが強くなる運転条件の方が、より吸気下死点に近い時期、つまりピストンの上昇量が小さく吸気ポートに向かう吸気の流れが比較的弱いタイミングで吸気弁が閉弁される。そのため、吸気弁の閉弁時期を吸気下死点よりも遅角側として圧縮に伴う吸気の高温化を抑制しつつ、エンジン回転数によらず吸気および混合気ひいては燃焼ガスが燃焼室の天井面に沿って移動するのを抑制することができ、燃焼ガスと燃焼室の壁面との接触を効果的に抑制することができる。

上記構成において、上記バルブ制御手段は、上記低負荷領域において、エンジン回転数が高くなるほど上記吸気弁の閉弁時期が進角されるように上記吸気弁駆動手段を制御するのが好ましい（請求項２）。

このようにすれば、エンジン回転数の増大に伴って強くなりやすい吸気ポートに向かう吸気の勢いを確実に小さく抑えて、吸気および混合気が燃焼室の壁面に沿って移動すること、ひいては、燃焼ガスと燃焼室の壁面とが接触するのを抑制して冷却損失を小さく抑えることができる。

上記構成において、上記噴射制御手段は、上記低負荷領域において、燃焼開始直前の上記燃焼室内において当該燃焼室の壁面近傍に燃料をほぼ含まないガスの層が形成されるように圧縮上死点よりも進角側の時期に複数回に分けて燃料を噴射するのが好ましい（請求項３）。

このようにすれば、混合気の燃焼時において燃焼室の壁面近傍に燃焼ガス以外のガス層を形成することができ、燃焼ガスと燃焼室の壁面との接触をより確実に抑制することができる。

以上説明したように、本発明の直噴エンジンの制御装置によれば、簡単な構成で効果的に冷却損失を小さくして燃費性能を高めることができる。

本発明の一実施形態にかかるエンジンシステムの構成を示した図である。 エンジン本体の概略断面図である。 燃焼室の天井面の概略平面図である。 燃料噴射装置の概略断面図である。 エンジンの制御系統を示すブロック図である。 エンジンの運転領域を示す図である。 吸気弁の閉弁時期を説明するために吸気弁のバルブリフトを示した図である。 燃焼室に形成される混合気を模式的に示した図である。 低負荷領域での噴射パターンと混合気層の形状との関係を示した図であり、（ａ）は第１噴射モードでの図、（ｂ）は切替噴射モードでの図、（ｃ）は第２噴射モードでの図である。 吸気弁の閉弁時期を遅角側としたときの気筒内の吸気の流れを模式的に示した図であり、（ａ）は吸気下死点前の図、（ｂ）は吸気下死点後かつ吸気弁の閉弁直前の図、（ｃ）は吸気弁の閉弁後の図、（ｄ）圧縮上死点付近の図である。 吸気弁の閉弁時期と混合気の分布との関係を説明するための図である。 低負荷領域における吸気弁の閉弁時期とエンジン回転数との関係を示した図である。 本実施形態における気筒内の吸気の流れを模式的に示した図であり、（ａ）は吸気下死点前の図、（ｂ）は吸気下死点後かつ吸気弁の閉弁直前の図、（ｃ）は吸気弁の閉弁後の図、（ｄ）圧縮上死点付近の図である。 気筒内の吸気の流れの数値計算結果を示した図であり、（ａ）本発明に係る結果、（ｂ）は比較例に係る結果である。 燃焼ガスの温度分布を示した図であり、（ａ）本発明に係る温度分布、（ｂ）は比較例に係る温度分布である。

（１）エンジンシステムの全体構成
図１は、本発明の実施形態にかかる直噴エンジンの制御装置が適用されたエンジンシステムの構成を示した図である。本実施形態のエンジンシステムは、４ストロークのエンジン本体１と、エンジン本体１に燃焼用の空気を導入するための吸気通路３０と、エンジン本体１で生成された排ガスを排出するための排気通路４０と、排ガスの一部を吸気に還流するＥＧＲ装置５０とを備える。エンジン本体１は、例えば、４つの気筒２を有する４気筒エンジンである。エンジン本体１に供給する燃料の種類は限定されないが、本実施形態ではガソリンを含む燃料が用いられる。このエンジンシステムは車両に搭載され、エンジン本体１は車両の駆動源として利用される。

吸気通路３０には、上流側から順に、エアクリーナ３１、スロットルバルブ３２、サージタンク３３が設けられており、これらを通過した後の空気がエンジン本体１に導入される。

スロットルバルブ３２は、吸気通路３０を開閉するものである。ただし、本実施形態では、エンジンの運転中、スロットルバルブ３２は基本的に全開もしくはこれに近い開度に維持されており、エンジンの停止時等の限られた運転条件のときにのみ閉弁されて吸気通路３０を遮断する。

排気通路４０には、三元触媒等を含み排ガスを浄化するための触媒装置４１が設けられている。

ＥＧＲ装置５０は、ＥＧＲ通路５１と、これを開閉するＥＧＲバルブ５２と、ＥＧＲクーラ５３とを有する。ＥＧＲ通路５１は、排気通路４０のうち触媒装置４１の上流側の部分と吸気通路３０のうちスロットルバルブの下流側の部分（図１の例では、サージタンク３３）とを接続しており、排気通路４０を流通する排ガスの一部は、ＥＧＲ通路５１を通って吸気通路３０に還流する。吸気通路３０に還流する排ガスすなわちＥＧＲガスの量は、ＥＧＲバルブ５２の開弁量によって調整される。ＥＧＲクーラ５３は、ＥＧＲガスを冷却するためのものであり、ＥＧＲガスはＥＧＲクーラ５３にて冷却された後、吸気通路３０に還流される。

（２）エンジン本体の構成
エンジン本体１の構成について次に説明する。

図２は、エンジン本体１の一部を拡大して示した断面図である。以下では、図２に示す上下方向を単に上下方向といい、図２の上、下を単に上、下として説明する。

図２に示すように、エンジン本体１は、気筒２が内部に形成されたシリンダブロック３と、シリンダブロック３の上面に設けられたシリンダヘッド４と、気筒２に往復動可能に嵌装されたピストン５とを有している。

ピストン５の上方には燃焼室８が形成されている。具体的には、燃焼室８は、気筒２の壁面（内側面）と、ピストン５の冠面６と、シリンダヘッド４の下面とで区画されている。燃焼室８は、外周側から中央に向かって上方に傾斜するいわゆるペントルーフ型であり、燃焼室８の天井面８ａ（シリンダヘッド４の下面）は、後述する吸気弁１３が設けられる吸気側と、後述する排気弁１４が設けられる排気側との２つの傾斜面からなる三角屋根状をなしている。

ピストン５の冠面６には、その中心部を含む領域を下方に凹ませたキャビティ７が形成されている。詳細には、ピストン５の冠面６には、その中心部を囲むように上方に隆起する部分が設けられており、この隆起部分の内側にキャビティ７が区画されている。キャビティ７は、ピストン５が上死点まで上昇したときの燃焼室８の大部分を占める容積を有するように形成されている。一方、ピストン５の冠面６のうち上記隆起部分よりも外周側すなわちキャビティ７よりも外周側の部分は、ピストン５が上死点まで上昇したときに燃焼室８の天井面８ａにほぼ沿って延びている。

本実施形態では、エンジン本体１の幾何学的圧縮比、つまり、ピストン５が下死点にあるときの燃焼室８の容積とピストン５が上死点にあるときの燃焼室８容積との比は、１７以上３５以下（例えば２５程度）に設定されている。

シリンダヘッド４には、吸気通路３０から供給される空気を気筒２内に導入するための吸気ポート１１と、気筒２内で生成された燃焼ガスを排気通路４０に導出するための排気ポート１２とが設けられている。各ポート１１，１２は、それぞれ燃焼室８の天井面８ａに開口している。各ポート１１，１２の開口部分はそれぞれ吸気弁１３，排気弁１４によって開閉される。すなわち、シリンダヘッド４には、燃焼室８の天井面８ａに形成された吸気ポート１１の開口部分を開閉する吸気弁１３と、燃焼室８の天井面８ａに形成された排気ポート１２の開口部分を開閉する排気弁１４とが設けられている。

本実施形態では、１つの気筒２に対して吸気ポート１１と排気ポート１２とがそれぞれ２つずつ設けられており、図３（燃焼室８の天井面８ａの概略平面図）に示すように、燃焼室８の天井面８ａには吸気ポート１１と排気ポート１２とがそれぞれ２つずつ開口している。そして、１つの気筒２に対して、吸気弁１３と排気弁１４とがそれぞれ２つずつ設けられている。また、これら吸気弁１３と排気弁１４（吸気ポート１１の開口部分と排気ポート１２の開口部分）とは、燃焼室８の天井面８ａのうちその中心を通る直線を挟んで互いに反対側となる部分に設けられている。図３に示す例では、吸気ポート１１の開口部分の面積すなわち吸気弁１３のバルブヘッドの面積の方が、排気ポート１２の開口部分の面積すなわち排気弁１４のバルブヘッドの面積よりも小さくなっている。

図２に示すように、吸気ポート１１は、いわゆるタンブルポートであって、燃焼室８の天井面８ａから上方かつ燃焼室８の径方向の外側に向かって緩やかに湾曲している。より詳細には、吸気ポート１１は、その中心線が、燃焼室８の天井面８ａに対して略直角（８５°〜９５°程度）となる姿勢で形成されている。

吸気弁１３は、吸気弁開閉機構（吸気弁駆動手段）１５によって開閉される。吸気弁開閉機構１５には、吸気弁１３の開閉時期を変更可能な吸気開閉時期変更機構１５ａが設けられており、運転条件等に応じて吸気弁１３の開弁時期および閉弁時期が変更されるようになっている。本実施形態では、吸気弁１３の開弁期間が一定に維持された状態でその開閉時期が変更される。

ここで、本実施形態では、燃焼室８内の燃焼ガスの熱が燃焼室８の外部に放出されるのを抑制して冷却損失を低減するべく、燃焼室８の壁面（内側面）の表面に、熱伝導率が低い断熱材７１が設けられている。具体的には、気筒２の内側面の上端部分と、ピストン５の冠面６と、燃焼室８の天井面８ａと、吸気弁１３および排気弁１４の各バルブヘッドの面とに、それぞれ断熱材７１が設けられている。なお、気筒２の壁面に設けられた断熱材７１は、ピストン５が上死点に位置した状態でピストンリングよりも上側となる部分に限定されており、ピストンリングが断熱材７１上を摺動しないようになっている。

断熱材７１としては、上記のように熱伝導率が低い材料で形成されればよく具体的な材料は限定されない。ただし、断熱材７１として、燃焼室８の壁面よりも容積比熱が小さい材料を用いるのが好ましい。すなわち、エンジン本体１が冷却水により冷却される場合、燃焼室８内のガス温度は燃焼サイクルの進行によって変動する一方、燃焼室８の壁面の温度は略一定に維持される。そのため、この温度差に伴って冷却損失が大きくなる。そこで、断熱材７１を容積比熱の小さい材料で形成すれば、断熱材７１の温度が燃焼室８内のガスの温度の変動に追従して変化するため、冷却損失を小さく抑えることができる。

例えば、断熱材７１は、燃焼室８の壁面上にＺｒＯ２等のセラミック材料がプラズマ溶射によりコーティングされることで形成されている。なお、このセラミック材料の中に多数の気孔が含まれるようにし、これにより断熱材７１の熱伝導率および容積比熱をさらに小さくしてもよい。また、図２に示す例では、吸気ポート１１の内側面にも断熱層７２が形成されている。

シリンダヘッド４には、さらに、燃焼室８内に燃料を噴射する燃料噴射装置（燃料噴射手段）２１と、燃焼室８内に形成された燃料と空気の混合気を点火するための点火プラグ２２（図３参照）とが取り付けられている。

図２および図３に示すように、燃料噴射装置２１は、その先端（燃焼室８側の端部）が燃焼室８の天井面８ａの中心に位置してキャビティ７のほぼ中央を臨むように配置されている。一方、点火プラグ２２は、その先端が、燃料噴射装置２１の側方であって吸気弁１３と排気弁１４との間に位置するように配置されている。

燃料噴射装置２１は、図外の燃料ポンプにより圧送された燃料を燃焼室８内に噴射する。本実施形態では外開き弁式の燃料噴射装置２１が用いられている。

図４は、燃料噴射装置２１の概略断面図である。この図４に示すように、燃料噴射装置２１は、先端（燃焼室８側の端部）にノズル口２１ｂが形成された燃料管２１ｃと、燃料管２１ｃの内側に配設されてノズル口２１ｂを開閉する外開き弁２１ａとを有する。燃料噴射装置２１は、上記のようにその先端すなわちノズル口２１ｂがキャビティ７の中央を臨むように配置されているとともに、ノズル口２１ｂおよび燃料管２１ｃの中心軸が気筒２の中心軸と平行に延びる姿勢で配置されている。外開き弁２１ａは、印加された電圧に応じて変形するピエゾ素子２１ｄに接続されている。外開き弁２１ａは、ピエゾ素子２１ｄに電圧が印加されていない状態でノズル口２１ｂと当接してノズル口２１ｂを閉弁し、ピエゾ素子２１ｄが電圧の印加に伴って変形することで、ノズル口２１ｂから先端側に突き出してノズル口２１ｂを開弁する。

ノズル口２１ｂおよび外開き弁２１ａのうちノズル口２１ｂと当接する部分は、先端側ほど径が大きくなるテーパ状を有しており、ノズル口２１ｂからは、ノズル口２１ｂの中心軸すなわち気筒２のほぼ中心軸を中心として、燃料がコーン状（詳しくはホローコーン状）に噴射される。例えば、このコーンのテーパ角は９０°〜１００°（ホローコーンにおける内側の中空部のテーパ角は７０°程度）となっている。

ここで、外開き弁２１ａの開弁期間およびリフト量（リフト量は、外開き弁２１ａの閉弁位置からの突出量でありノズル口２１ｂの開口量である）は、ピエゾ素子２１ｄへの電圧の印加期間および電圧の大きさに応じて変化する。そして、外開き弁２１ａのリフト量に応じて、ノズル口２１ｂから噴射される燃料噴霧のペネトレーション、単位時間あたりに噴射される燃料量および燃料噴霧の粒径は変化する。具体的には、リフト量が大きくノズル口２１ｂの開口量が大きくなると、燃料噴霧のペネトレーションは大きくなり、単位時間あたりの噴射燃料量が大きくなるとともに燃料噴霧の粒径が大きくなる。

上記構成に伴い、燃料噴射装置２１は、１〜２ｍｓｅｃの間に２０回程度の多段噴射を行うことができる。また、燃料噴射装置２１は、燃料噴射の間隔と、リフト量とをそれぞれ変更することによって、径方向（ノズル口２１ｂの中心軸と直交する方向）に対する燃料噴霧の広がりと、軸方向（ノズル口２１ｂの中心軸に沿う方向）に対する燃料噴霧の広がりとを独立して制御することが可能となっている。

例えば、燃料の噴射間隔が短くされることで、燃料噴霧の軸方向の広がりは促進される。すなわち、燃料の噴射間隔が短い方が、ホローコーンの内側により継続して負圧領域が形成されて軸方向により長い負圧領域が形成される。そのため、燃料の噴射間隔が短い方が、この負圧領域に引き寄せられて燃料噴霧が軸方向に広がりやすくなる。

一方、燃料噴射装置２１のリフト量が大きくされると、燃料噴霧の径方向の広がりが促進される。すなわち、リフト量が大きい場合には、上記のように燃料噴霧の粒径が大きくなって燃料噴霧の運動量が大きくなる。そのため、リフト量が大きい場合には、燃料噴霧は負圧領域に引き寄せられにくくなり、径方向の外方へより広がることになる。

（３）制御系統
（３−１）システム構成
図５は、エンジンの制御系統を示すブロック図である。本図に示すように、当実施形態のエンジンシステムは、ＰＣＭ（パワートレイン・コントロール・モジュール、噴射制御手段およびバルブ制御手段を含む制御手段）１００によって統括的に制御される。ＰＣＭ１００は、周知のとおり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成されるマイクロプロセッサである。

ＰＣＭ１００は、エンジンの運転状態を検出するための各種センサと電気的に接続されている。

例えば、シリンダブロック３には、クランク軸の回転角度および回転速度すなわちエンジン回転数を検出するクランク角センサＳＮ１が設けられている。また、吸気通路３０には、エアクリーナ３１を通過して各気筒２に吸入される空気量（新気量）を検出するエアフローセンサＳＮ２が設けられている。また、車両には、運転者により操作される図外のアクセルペダルの開度（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサＳＮ３が設けられている。

ＰＣＭ１００は、上記各種センサからの入力信号に基づいて種々の判定や演算等を実行しつつエンジンの各部を制御する。すなわち、ＰＣＭ１００は、スロットルバルブ３２、吸気開閉時期変更機構１５ａ、燃料噴射装置２１、ＥＧＲバルブ５２、点火プラグ２２等と電気的に接続されており、上記演算の結果等に基づいてこれらの機器にそれぞれ駆動用の制御信号を出力する。

具体的には、ＰＣＭ１００は、アクセル開度とエンジン回転数等から求められるエンジン負荷の要求値に応じて燃料の噴射量を算出して、これに対応する燃料を燃料噴射装置２１に噴射させる。また、ＰＣＭ１００は、図６に示す運転領域に応じて噴射モード等を変更する。図６は、横軸がエンジン回転数、縦軸がエンジン負荷のマップであり、本実施形態では、運転領域として、大きく、エンジン負荷が予め設定された基準負荷Ｔ１未満の低負荷領域Ａ１と、エンジン負荷が基準負荷Ｔ１以上の高負荷領域Ａ２とに分けられている。また、低負荷領域Ａ１が、エンジン負荷に応じて第１領域Ａ１＿ａと、第２領域Ａ１＿ｃと、切替領域Ａ１＿ｂとに分けられている。各領域の制御内容について以下に説明する。

（３−２）低負荷領域
低負荷領域Ａ１では、燃料と空気との混合気を予め混合させて、この混合気を圧縮上死点（ＴＤＣ）付近で自着火させる予混合圧縮自着火燃焼が実施される。そのため、低負荷領域Ａ１では、点火プラグ２２の駆動は停止される。

また、低負荷領域Ａ１では、冷却損失をより小さく抑えるべく、吸気弁１３の閉弁時期が吸気下死点よりも遅角側の時期に制御される。

すなわち、吸気弁１３の閉弁時期をより遅角側とすれば、吸気弁１３が閉弁してから圧縮上死点までの時間すなわち吸気が圧縮される時間を短くすることができる。そして、圧縮されることに伴って高温となった吸気と気筒２の壁面（燃焼室８の壁面）との接触時間を短く抑えることができる。従って、吸気弁１３の閉弁時期をより遅角側とすれば、上記接触に伴って高温の吸気から気筒２の壁面を介して外部に放出される熱エネルギーを小さく抑えることができる。そこで、低負荷領域Ａ１では、上記のように、吸気開閉時期変更機構１５ａによって、吸気弁１３の閉弁時期を吸気下死点よりも遅角側の時期に制御する。ここで、吸気弁１３の閉弁時期を吸気下死点よりも遅角側とすれば、ポンピングロスを小さく抑えることもでき、エネルギー効率をより高めることができる。なお、吸気弁１３の閉弁時期を吸気下死点よりも遅角側とすると有効圧縮比が小さくなるが、低負荷領域Ａ１は、エンジン負荷が小さい領域であるため、有効圧縮比を小さくしても要求に応じたエンジン出力を確保することができる。

なお、吸気弁１３の閉弁時期とは、図７に示すように、吸気弁１３のバルブリフトが最大となった後にランプ部Ｒを除いて最も小さくなるときの時期（クランク角での時期）であって気筒２内への気筒の流入が実質的に停止する時期をいう。例えば、吸気弁１３の閉弁時期は、バルブリフトが０．４ｍｍ以下に低下した時期をいう。

また、低負荷領域Ａ１では、混合気の発熱量が小さく燃焼温度が比較的低いため、燃焼により生成されるＮＯｘ（いわゆるＲａｗ ＮＯｘ）が少なく抑えられる。そのため、この領域Ａ１では、三元触媒４１によりＮＯｘを浄化させる必要がなく、空燃比を三元触媒によるＮＯｘ浄化が可能な理論空燃比にする必要がない。そこで、低負荷領域Ａ１では、燃費性能を高めるべく混合気の空燃比がリーンすなわち空気過剰率λ＞１とされる。

また、低負荷領域Ａ１では、ＥＧＲガスが気筒２内に還流される。すなわち、低負荷領域Ａ１では、ＥＧＲバルブ５２が開弁されて、排気通路４０内の排ガスの一部がＥＧＲガスとして吸気通路３０に還流される。

本実施形態では、低負荷領域Ａ１において、燃料量に対する燃焼室８内の全ガス重量の割合であるＧ／Ｆが３５以上となるようにＥＧＲガスが還流される。また、エンジン負荷が高いほどＥＧＲ率（気筒２内の全ガス重量のうちＥＧＲガスの重量が占める割合）が大きくされる。

また、低負荷領域Ａ１では、圧縮行程後半（圧縮上死点前９０°ＣＡ〜圧縮上死点まで）に、燃料噴射装置２１からすべての燃料（１燃焼サイクルで噴射される燃料の全量）が噴射される。例えば、圧縮上死点前３０°ＣＡ付近で全燃料が燃焼室８内に噴射される。

このように圧縮行程後半にすべての燃料が噴射されることで、低負荷領域Ａ１では、図８に示すように、圧縮上死点付近すなわち燃焼室８内での混合気の燃焼開始直前において、燃焼室８の中央部分に燃料濃度の高い混合気Ｑが形成される。すなわち、燃焼室８内には、その中央部分において燃料濃度が高く、その外周部分において燃料濃度が低い成層化された混合気が形成される。なお、燃焼室８の外周部分とは、ピストン５の冠面６の表面（冠面６上の断熱材７１の表面）、気筒２の壁面（壁面上の断熱材７１の表面）および燃焼室８の天井面８ａ付近を指す。

ここで、本実施形態では、混合気の燃焼開始直前において燃焼室８の外周部分に燃料をほぼ含まないガス層（以下、適宜、非燃焼ガス層という）が形成されるように、すなわち、燃焼室８の外周部分の燃料濃度がほぼゼロとなるように、エンジン負荷に応じて噴射モードが切り替えられるようになっている。

具体的には、低負荷領域Ａ１のうちよりエンジン負荷が低い第１領域Ａ１＿ａと、これよりもエンジン負荷の高い第２領域Ａ１＿ｃと、第１領域Ａ１＿ａと第２領域Ａ１＿ｃとの切替領域Ａ１＿ｂとにおいて、それぞれ噴射モードが、それぞれ図９（ａ）〜（ｃ）に示される第１噴射モード、第２噴射モード、切替領域噴射モードとされる。以下、各噴射モードの詳細について説明する。

図９（ａ）は、低負荷領域Ａ１のうちよりエンジン負荷が低い第１領域Ａ１＿ａで実施される第１噴射モードである。第１噴射モードでは、燃料噴射装置２１のリフト量が小さくかつ噴射間隔が短い噴射が複数回連続して行われる。なお、噴射回数は図の例に限らず適宜変更可能である。

上記のように、噴射間隔が短いと燃料噴霧は軸方向に長くなる。そして、リフト量が小さいと燃料噴霧の径方向の外方への広がりは抑制される。従って、第１噴射モードでは、燃料噴霧および燃料と空気との混合気は、径方向に対して軸方向の長さが相対的に長い縦長形状となる。ここで、第１領域Ａ１＿ａはエンジン負荷が特に低く、噴射される燃料量が小さい。そのため、混合気層が縦長形状とされつつその軸方向の長さは短く抑えられる。従って、燃焼室８の外周部分に非燃焼ガス層を形成することができる。

図９（ｃ）は、第２領域Ａ１＿ｃで実施される第２噴射モードである。第２噴射モードでは、燃料噴射装置２１のリフト量が第１噴射モードのリフト量よりも大きくかつ噴射間隔が第１噴射モードよりも長い噴射が複数回連続して行われる。なお、噴射回数は図の例に限らず適宜変更可能である。

上記のように、噴射間隔が長いと燃料噴霧は軸方向に短くなる。そして、リフト量が大きいと燃料噴霧は径方向の外方へ広がる。従って、第２噴射モードでは、燃料噴霧および混合気は、軸方向に対して径方向の長さが相対的に長い横長形状となる。ここで、圧縮上死点付近における燃焼室８の寸法は軸方向よりも径方向の方が長く、径方向については空間に余裕がある。そのため、横長形状であっても燃焼室の壁面までは混合気は到達しない。従って、燃焼室８の外周部分に非燃焼ガス層を形成することができる。

図９（ｂ）は、第３領域Ａ１＿ｃで実施される切替領域噴射モードである。切替領域噴射モードは、第１噴射モードと第２噴射モードとを組み合わせたモードである。例えば、図９（ｂ）に示すように、第２噴射モードの噴射を行った後（リフト量が大きくかつ噴射間隔が長い噴射を複数回連続させた後）、第１噴射モードの噴射を行う（リフト量が小さくかつ噴射間隔が短い噴射を複数回連続させる）。なお、これに代えて、第１噴射モードの噴射を行った後、第２噴射モードの噴射を行ってもよい。また、噴射回数は図の例に限らず適宜変更可能である。

切替領域噴射モードでは、第１噴射モードと第２噴射モードとの組み合わせにより、混合気層の特に径方向の外方への広がりが調整される。その結果、混合気層は、第１噴射モード時の混合気層よりも長くかつ、第２噴射モードの混合気層よりも短い形状となる。これにより、第１領域Ａ１＿ａと第２領域Ａ１＿ｃとの境界領域である切替領域Ａ１＿ｂでは、混合気の軸方向および径方向の広がりが適切に調整されて、燃焼室８の外周部分に非燃焼ガス層を形成することが可能となる。

なお、切替領域噴射モードは省略可能である。また、本実施形態では、上記のように、低負荷領域Ａ１では、空気過剰率λが１より大きくされて燃焼に寄与しない余剰の空気が存在するため、上記のように燃焼室８の外周部分に空気層が形成されても、燃焼室８の中央部分には燃焼に必要な空気が確保され、この部分の空燃比は適正な範囲におさめられる。

ここで、上記説明したように、低負荷領域Ａ１の各領域Ａ１＿ａ〜Ａ１＿ｃにおいて上記の各噴射モードを実施すれば、基本的には、燃焼室８の外周部分に非燃焼ガス層を形成して燃焼室８の外周部分の燃料濃度をほぼゼロにすることができる。しかしながら、本願発明者らは、気筒２内で生成される混合気および燃焼ガスの分布について詳細に調べた結果、運転条件によっては、上記各噴射モードを実施しても燃焼室８の外周部分に適切に非燃焼ガス層が形成されない場合があることを突き止めた。具体的には、上記のように吸気弁１３の閉弁時期を吸気下死点よりも遅角側とした場合において、この遅角量が比較的大きく、かつ、エンジン回転数が高い場合には、燃焼室８の外周部分に適切に非燃焼ガス層が形成されにくいことを突き止めた。

これについて図１０（ａ）〜（ｄ）および図１１を用いて説明する。これら図は、吸気弁１３の閉弁時期を吸気下死点よりも比較的大きく遅角側とし、かつ、エンジン回転数が高い場合における気筒２内の吸気の流れを模式的に示した図である。

まず、図１０（ａ）に示すように、吸気下死点前であって吸気弁１３が開いている状態でピストン５が下降しているときは、吸気ポート１１から気筒２内に向かって吸気（空気とＥＧＲガスとを含むガス）が流入する。このとき、気筒２内には、タンブル流が発生する。すなわち、気筒２内において、吸気は、吸気ポート１１からピストン５の冠面６に向かって排気側寄りの部分を通過しながら下降した後、ピストン５の冠面６付近から吸気側を通って上昇する。

その後、吸気下死点を超えてピストン５が上昇を開始すると、図１０（ｂ）に示すように、ピストン５に押しあげられることで気筒２内の吸気の上向きの流れは強くなる。このとき、吸気弁１３が開弁していると、気筒２内の吸気は吸気ポート１１に戻ろうとし、気筒２内の吸気は吸気弁１３に向かって流れる。この吸気弁１３に向かう吸気の勢いは、ピストン５が上昇するほど、すなわち、燃焼室８の容積が小さくなるほど強くなる。また、この吸気の勢いは、ピストン５の上昇スピードが速いほどすなわちエンジン回転数が高いほど強くなる。

ピストン５がある程度上昇して吸気弁１３に向かって吸気が勢いよく流れている状態で吸気弁１３が閉弁すると、図１０（ｃ）に示すように、吸気は吸気弁１３に衝突し、燃焼室８の天井面８ａに沿って排気側に移動するようになる。従って、気筒２内すなわち燃焼室８内には、ピストン５の冠面６から吸気弁１３に向かった後、燃焼室８の天井面８ａに沿って排気弁１４側に向かう比較的強い吸気流が生じる。

従って、圧縮上死点付近では、図１０（ｄ）に示すように、吸気側から排気側に向かう吸気の勢いの方が、排気側から吸気側に向かう吸気の勢いよりも強くなる。具体的には、圧縮上死点付近では、ピストン５の冠面６の外周部分と燃焼室８の天井面８ａとの間の空間から燃焼室８の中央に向かういわゆるスキッシュ流が発生する。しかし、吸気側から排気側に向かってはこのスキッシュ流に上記燃焼室８の天井面８ａに沿う流れが加わるため、吸気側から排気側に向かう流れ（実線で示した流れ）の方が、排気側から吸気側に向かうスキッシュ流（破線矢印で示した流れ）よりも大きくなり、燃焼室８内には、その天井面８ａ付近において吸気側から排気側に向かう強い流れが生じることになる。

そのため、この状態では、圧縮上死点前において上記各噴射モードを実施しても混合気が燃焼室８の天井面８ａに沿って排気側に流れてしまう。従って、本来ならば（気筒２内で吸気の流れがほとんどない状態では）図１１の実線で示すように混合気Ｑが形成されるところ、混合気は破線で示すように燃焼室８の天井面８ａに沿うように形成されてしまう。

そこで、本実施形態では、低負荷領域Ａ１において、図１２に示すように、エンジン回転数が高いほど吸気弁１３の閉弁時期を進角側であって吸気下死点に近づくように制御する。

すなわち、エンジン回転数が高くピストン５の上昇スピードが速く、これに伴って、気筒内での吸気の流れが強くなりやすい条件、ひいては、図１０（ｂ）に示す状態において吸気弁１３に向かう吸気の勢いが強くなりやすい条件ほど、ピストン５の上昇量がより少なく吸気弁１３に向かう吸気の勢いが小さく抑えられるタイミングで吸気弁１３を閉弁する。そして、これにより、燃焼室８の天井面８ａに沿う流れを弱くして、燃焼室８の中央部分に混合気が適切に形成されて燃焼室８の外周部分（燃焼室８の天井面８ａ近傍）に非燃焼ガスの層が形成されるようにする。

なお、本実施形態では、低負荷領域Ａ１の全域において、吸気弁１３の閉弁時期は吸気ポート１１に吸気が吹き返す時期に設定されているが、エンジン回転数が低い側において吸気ポート１１に吸気が吹き返す時期に吸気弁１３の閉弁時期が設定され、かつ、エンジン回転数が高い側ではこの吹き返しがない時期に吸気弁１３の閉弁時期が設定されていてもよい。

図１３（ａ）〜（ｄ）は、図１０（ａ）〜（ｄ）に対して吸気弁１３の閉弁時期をより進角側に制御したときの気筒２内の吸気の流れを模式的に示した図である。この図１３の（ｂ）〜（ｄ）に示すように、ピストン５の下降に伴って気筒２内にタンブル流が発生した場合であっても（図１３（ａ））、図１３（ｂ）および図１３（ｃ）に示すように、ピストン５が上昇を開始してから早いタイミングで吸気弁１３を閉弁すれば、吸気弁１３に向かう吸気の勢いは弱くなり、吸気はゆるやかに燃焼室８の天井面８ａの中央付近に向かって移動するようになる。そのため、図１３（ｄ）に示すように、圧縮上死点付近において、吸気側から排気側に向かう吸気の勢いと、排気側から吸気側に向かう吸気の勢いの差を小さくして、燃焼室８の天井面８ａに沿う流れを弱くすることができる。

（３−３）高負荷領域
高負荷領域Ａ２での制御について簡単に説明する。

高負荷領域Ａ２では、スモークの悪化を抑制するべく、燃焼室８内の混合気がより均質化された状態（空燃比が均一とされた状態）で燃焼が開始するように圧縮行程後期から膨張行程初期にかけて燃料が噴射されるとともに、燃焼室８全体に形成された混合気に点火が行われて、これにより燃焼が開始される。

また、高負荷領域Ａ２では、三元触媒によるＮＯｘ浄化が可能となるように、空燃比が理論空燃比とされる。すなわち、空気過剰率λが１とされる。また、高負荷領域Ａ２では、ＥＧＲバルブ５２が閉弁側に設定されてＥＧＲガスの還流が縮小あるいは停止され、Ｇ／Ｆが３５より小さい値とされる。

（４）作用等
以上のように、本実施形態では、低負荷領域Ａ１において、燃焼室８内にその中央部分の燃料濃度の方が外周部分の燃料濃度よりも高い混合気が形成されるように燃料が噴射される。そのため、燃焼室８の壁面近傍で生成される燃焼ガスの量を少なく抑えることができる。特に、本実施形態では、圧縮上死点前において燃料が複数回に分けて噴射されることによって、燃焼室８の壁面近傍に燃料をほとんど含まない非燃焼ガスの層を形成して、この状態で混合気を燃焼させることができる。従って、非燃焼ガスの層によって燃焼ガスと燃焼室８の壁面との接触を抑制することができ、燃焼室８の壁面から外部に放出される燃焼ガスの熱エネルギーの増大すなわち冷却損失の増大を抑制して燃費性能を高めることができる。

しかも、低負荷領域Ａ１において、吸気弁１３の閉弁時期が、吸気下死点よりも遅角側とされ、かつ、エンジン回転数が高い方が進角側となるように制御される。そのため、より確実に燃費性能を高めることができる。

すなわち、上記のように、吸気弁１３の閉弁時期が吸気下死点よりも遅角側とされることで、吸気弁１３が圧縮される時間を短く抑え、圧縮に伴い高温となった吸気から燃焼室８の壁面を介して外部に放出される熱エネルギーを小さく抑えることができるとともに、ポンピングロスを小さく抑えることができる。

また、エンジン回転数が高い方が吸気弁１３の閉弁時期が進角側となるように制御されることで、上記のように、吸気弁１３の閉弁後において吸気ポート１１に向かおうとするガスの流れ、ひいては、圧縮上死点付近において燃焼室８の天井面８ａに沿うガス流れを弱くすることができ、燃焼ガスと燃焼室８の天井面８ａとの接触を抑制して冷却損失をより確実に小さく抑えることができる。特に、本実施形態では、上記燃焼室８の天井面８ａに沿うガス流れを弱くすることで、燃焼室８の外周部分に非燃焼ガスの層をより確実に形成することができ、冷却損失を効果的に小さく抑えることができる。

ここで、図１４は、エンジン回転数が３０００ｒｐｍにおける燃焼室８内の吸気の流れを数値解析した結果を示したものである。

図１４の（ａ）は、本実施形態に係る制御を実施したときの結果である。具体的には、図１４の（ａ）は、吸気弁１３の閉弁時期をＡＢＤＣ（吸気下死点後）６０°ＣＡとしたときの結果である。また、図１４の（ａ）では、上から順に、ＡＢＤＣ５０°ＣＡすなわちＢＴＤＣ（圧縮上死点前）１５０°ＣＡ、ＡＢＤＣ８０°ＣＡすなわちＢＴＤＣ１００°ＣＡ、ＡＢＤＣ１５２°ＣＡすなわちＢＴＤＣ２８°ＣＡでの結果を示している。

一方、図１４の（ｂ）は比較例として吸気弁１３の閉弁時期をエンジン回転数が２０００ｒｐｍのときと同じ時期としたときの結果である。具体的には、図１４の（ｂ）は、吸気弁１３の閉弁時期をＡＢＤＣ８０°ＣＡとしたときの結果である。また、図１４の（ｂ）では、上から順に、ＡＢＤＣ５０°ＣＡすなわちＢＴＤＣ（圧縮上死点前）１５０°ＣＡ、ＡＢＤＣ８０°ＣＡすなわちＢＴＤＣ１００°ＣＡ、ＡＢＤＣ１５２°ＣＡすなわちＢＴＤＣ２８°ＣＡでの結果を示している。なお、図１４では、色の薄い方がガスの流れが強いことを示している。また、図１４の（ａ）、（ｂ）において最下段の図では燃焼室８を拡大して示している。

また、図１５（ａ）、（ｂ）は、図１４（ａ）、（ｂ）にそれぞれ対応する図であって、図１５（ａ）は本実施形態に係る制御を実施したときの混合気の燃焼開始直後（ＢＴＤＣ１５°ＣＡ）における燃焼室８内の温度分布（数値解析した結果）を示したものであり、図１５（ｂ）は比較例での混合気の燃焼開始直後（ＢＴＤＣ１５°ＣＡ）における燃焼室８内の温度分布（数値解析した結果）を示したものである。なお、図１５は、右側が吸気側、左側が排気側となる断面における図である。また、図１５では、色が濃いほど（燃焼室８を表す黒地部分を除く）温度が高いことを示している。

図１４の（ｂ）に示されるように、上記比較例では、吸気弁１３の閉弁直前において気筒２内の吸気は吸気弁１３側に向かって勢いよく流れる。そして、これが残存することで、圧縮上死点付近において吸気側から排気側に向かう吸気は勢いよく流れる。そして、これに伴い、図１５の（ｂ）に示すように、Ｘ１で示した領域において、燃焼ガスは燃焼室８の天井面８ａに沿って移動し、これらが接触する。

これに対して、図１４の（ａ）に示されるように、本実施形態では、吸気弁１３の閉弁後において気筒２内には燃焼室８の天井面８ａの中央に向かうガス流れが形成され、圧縮上死点付近において吸気側から排気側に向かう流れは弱められる。そして、これに伴い、図１５の（ａ）に示されるように、高温の燃焼ガスと燃焼室８の天井面８ａとの接触が抑制される。

このようにして、本実施形態では、上記のように、エンジン回転数が高いほど吸気弁１３の閉弁時期が進角側とされることで、高温の燃焼ガスと燃焼室８の天井面８ａとの接触が抑制されて冷却損失が小さく抑えられる。

（５）変形例
上記実施形態では、低負荷領域Ａ１においてエンジン回転数が高くなるほど吸気弁１３の閉弁時期を進角側とした場合について説明したが、吸気弁１３の閉弁時期は、エンジン回転数が高い方が進角側となるように制御されればよく、エンジン回転数に応じて段階的に変化するように構成されてもよい。

また、上記実施形態では、低負荷領域Ａ１において図９（ａ）〜（ｃ）に示す噴射モードで燃料を噴射した場合について説明したが、低負荷領域Ａ１では、燃焼開始直前の燃焼室８内の燃料濃度がその中央部分の方がその外周部分よりも高くなるように圧縮行程後期に燃料が噴射されればよく、具体的な噴射パターンはこれに限らない。ただし、圧縮行程後期において複数回に分けて燃料を噴射すれば、燃料の到達距離を短く抑えることができ、燃料濃度をより確実に成層化することができる。また、図９（ａ）〜（ｃ）に示す噴射モードとすれば、燃焼室８の外周部分に非燃焼ガスの層を形成することができ、冷却損失をより確実に小さく抑えることができる。

また、断熱材７１は省略可能である。ただし、断熱材７１を設ければ、より効果的に冷却損失を小さく抑えることができる。

また、燃料として、ガソリンを含まない燃料が用いられてもよい。

１ エンジン本体
２ 気筒
５ ピストン
６ ピストンの冠面
１３ 吸気弁
１５ 吸気弁開閉機構（吸気弁駆動手段）
２１ 燃料噴射装置（燃料噴射手段）
１００ ＰＣＭ（噴射制御手段、バルブ制御手段）

Claims (3)

1. ピストンが往復動可能に嵌装されて内側に燃焼室が形成された気筒を備えた直噴エンジンの制御装置であって、
   上記燃焼室の天井面に開口して当該気筒内に吸気を導入する吸気ポートと、
   上記吸気ポートの開口部分を開閉する吸気弁と、
   上記燃焼室の天井面に取り付けられて上記ピストンの冠面に向かって燃料を噴射する燃料噴射手段と、
   上記吸気弁を開閉させるとともに当該吸気弁の閉弁時期を変更可能な吸気弁駆動手段と、
   エンジン負荷が予め設定された基準負荷未満の低負荷領域において、上記燃焼室の中央部分の方が外周部分よりも燃焼開始直前の燃料濃度が高くなるように圧縮行程後期に上記燃料噴射手段によって燃料を噴射させる噴射制御手段と、
   上記低負荷領域での吸気弁の閉弁時期が、吸気下死点よりも遅角側の範囲においてエンジン回転数が高いときの方が低いときよりも進角されるように、かつ、少なくともエンジン回転数が低い側において気筒内の吸気が上記吸気ポートに吹き返すように、上記吸気弁駆動手段を制御するバルブ制御手段とを備え、
   上記燃焼室の内側面には、当該燃焼室の壁面よりも容積比熱が小さい断熱材が設けられていることを特徴とする直噴エンジンの制御装置。
2. 請求項１に記載の直噴エンジンの制御装置において、
   上記バルブ制御手段は、上記低負荷領域において、エンジン回転数が高くなるほど上記吸気弁の閉弁時期が進角されるように上記吸気弁駆動手段を制御することを特徴とする直噴エンジンの制御装置。
3. 請求項１または２に記載の直噴エンジンの制御装置において、
   上記噴射制御手段は、上記低負荷領域において、燃焼開始直前の上記燃焼室内において当該燃焼室の壁面近傍に燃料をほぼ含まないガスの層が形成されるように圧縮上死点よりも進角側の時期に複数回に分けて燃料を噴射することを特徴とする直噴エンジンの制御装置。
   

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