JP4315053B2

JP4315053B2 - 内燃機関

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Publication number: JP4315053B2
Application number: JP2004148253A
Authority: JP
Inventors: 裕史葛山
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2004-05-18
Filing date: 2004-05-18
Publication date: 2009-08-19
Anticipated expiration: 2024-05-18
Also published as: JP2005330842A

Description

本発明は、内燃機関に係り、詳しくは吸気行程の途中において排気ガスの一部を排気ポートから燃焼室内に逆流させる内部ＥＧＲが可能に構成された内燃機関に関する。

従来の内燃機関は大きく分けると、ＳＩ（Spark Ignition）エンジンと、ディーゼルエンジンの２つである。しかし、ＳＩエンジンはリーン化で熱効率向上が可能だが、火炎伝播可能な当量比に限界があるため、スロットルによる空気量の調整が必要で熱効率はディーゼルエンジンより劣る。また、ディーゼルエンジンは熱効率は良いが十分な混合がなされないため、局所高温燃焼によりＮＯｘが発生し易く、局所リッチで煤が発生し易い。

これらのエンジンと比較して、予混合圧縮自着火機関は予混合するため、局所の高温やリッチが発生する可能性が小さく、低ＮＯｘで煤の発生はほとんど無い。また、化学変化による着火のため、当量比に対する依存度がＳＩエンジンよりも少ないため、大幅なリーン化が可能でありディーゼルエンジン並の熱効率を得ることができる。これらの長所を備えた予混合圧縮自着火機関が注目されている。予混合圧縮自着火燃焼は、熱が十分すぎると急激な燃焼となり、逆に、熱が足りないと失火してしまうため、現行のエンジンと比較して失火やノック・過早着火等が発生し易くなり、運転可能範囲が狭くなり易いという問題がある。

ノッキング等の異常燃焼を抑制する予混合圧縮自着火燃焼を行わせるため、気筒内に不均一な分布状態を生ぜしめるようにした予混合圧縮自着火機関が提案されている（特許文献１参照。）。そして、気筒内に不均一な分布状態を生ぜしめる方法として、気筒内の燃料分布を不均一な状態とすること、環流ガスが気筒内で不均一な分布状態となるようにすること等が提案されている。

また、ガソリンエンジンにおいて安定した圧縮自着火燃焼を行わせるために、排気ポートから排気ガスを燃焼室内に逆流させるとともに、その逆流排気ガスを燃焼室の外周に沿って流入させることが提案されている（特許文献２参照。）。具体的には、図１０に示すように、燃焼室６１に連通する第１吸気ポート６２及び第２吸気ポート６３と、燃焼室６１に連通する第１排気ポート６４及び第２排気ポート６５とを備えている。各ポートの開口部６２ａ，６３ａ，６４ａ，６５ａは、それぞれ図示しない弁により開閉されるようになっている。第１吸気ポート６２には燃料噴射弁６６が設けられ、第２吸気ポート６３には開閉弁６７が設けられている。燃焼室６１の中心と対応する位置に点火プラグ６８が設けられている。

第２排気ポート６５は、第１排気ポート６４と同様に排気行程において既燃焼ガスを排出するが、吸気行程の途中において一時排気ガスが燃焼室６１に逆流するように弁が開閉制御される。第２排気ポート６５は逆流排気ガスが燃焼室６１の外周方向に沿って流入するように、かつ第１吸気ポート６２から流入する燃料が燃焼室６１の中心部に向かって流入する邪魔にならないように設けられている。そして、燃焼室６１の外周部領域に逆流排気（内部ＥＧＲ）が主として分布し、燃焼室６１の中心部領域に燃料と空気との混合気が分布する状態になっている。
特開２００２−２４２７２７号公報（明細書の段落［０００８］〜［００１１］、図１）特開平１１−２６４３１９号公報（明細書の段落［００１３］〜［００１５］、図２）

予混合圧縮自着火燃焼において、気筒内の温度ムラや混合気ムラは確かに燃焼状態に影響を与えるが、ムラの状態によってはノッキングから一気に失火する可能性もある。特許文献１には、具体的な気筒内混合気の状態に関して記載がない。一方、特許文献２に記載されたように、燃焼室の中心部に混合気を集め、燃焼室の壁面に沿うように内部ＥＧＲの逆流排気ガス（以下、単に内部ＥＧＲガスと言う。）を流入させる方法においては、予混合圧縮自着火燃焼を安定して行うことができる。ところで、内部ＥＧＲガスは既燃焼ガスのため燃えないので、内部ＥＧＲガス量はできるだけ少なくしたい。しかし、内部ＥＧＲガスを燃焼室の壁面に沿うように流入させる特許文献２の方法では、燃焼室の壁面は冷却水等の冷却効果で中心部より低くなっているため、内部ＥＧＲガスの温度が下がり易くなり、低負荷での運転時に燃焼が不安定になる虞がある。また、そのため、内部ＥＧＲガス量を少なくするのが難しく、その分、燃焼室に供給する混合気の量を多くすることができない。従って、内部ＥＧＲガスを燃焼室の壁面側に集める方法では、広い負荷範囲において安定して予混合圧縮自着火燃焼をおこなうのは難しい。

また、火花点火燃焼においても排気ガスの一部を排気ポートから燃焼室内に逆流させる前記内部ＥＧＲを使用したい場合があるが、温度が高い内部ＥＧＲガスを燃焼室の特定部分に集めると、ホットスポットでノッキングが発生し易くなる。特許文献２の構成では、内部ＥＧＲガスと吸気との混合を促進することは配慮されておらず、特許文献２の構成を火花点火燃焼に適用した場合、安定した燃焼は難しい。

本発明は、前記従来の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、排気ガスの一部を排気ポートから燃焼室内に逆流させる前記内部ＥＧＲを使用する際に、予混合圧縮自着火燃焼及び火花点火燃焼に限らず、広い負荷範囲で安定して燃焼を行うことができる内燃機関を提供することにある。

前記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、吸気行程の途中において排気ガスの一部を排気ポートから燃焼室内に逆流させる内部ＥＧＲを行う内部ＥＧＲ手段と、前記内部ＥＧＲ手段を構成し、排気ガスの一部を燃焼室内に逆流させる排気吸入ポートとを備えている。また、前記排気吸入ポートから前記燃焼室内に流入する排気ガスの流れと同方向の流れとなるように吸気を前記燃焼室に供給する第１吸気ポートと、前記排気吸入ポートから前記燃焼室内に流入する排気ガスとの混合を促進するように吸気を前記燃焼室に供給する第２吸気ポートと、前記第１吸気ポート及び第２吸気ポートから前記燃焼室へ供給される吸気の供給量を制御可能な流量調整弁とを備えている。また、機関の運転条件に基づいて前記流量調整弁を制御し、内部ＥＧＲガスと吸気との混合を促進したい場合に前記第２吸気ポートからのみ吸気を供給するように前記流量調整弁を制御する制御手段を備えている。ここで、「吸気」とは、燃焼室に接続された吸気ポートから燃焼室に供給される気体を意味し、空気等の含有酸素ガスに限らず、それらと燃料ガスとの混合気をも含む。

従って、この発明では、燃焼室への吸気の供給は、第１吸気ポート及び第２吸気ポートから供給可能であり、内部ＥＧＲを行う際には、第２吸気ポートからのみ吸気が供給されるように流量調整弁が制御される。従って、排気吸入ポートから燃焼室に流入する排気ガス、即ち内部ＥＧＲガスと吸気との混合が促進され、予混合圧縮自着火燃焼及び火花点火燃焼に限らず、安定して燃焼を行うことができる。

また、請求項１に記載の発明は、内燃機関は、燃料と酸素含有ガスとの混合気を燃焼室においてピストンで圧縮して自着火燃焼させ、前記ピストンの往復運動を出力軸の回転運動とする予混合圧縮自着火機関である。前記排気吸入ポートは前記燃焼室に流入する排気ガスが前記燃焼室の中心部に向かうように設けられている。また、前記第１吸気ポートは前記燃焼室に供給される吸気が前記燃焼室の内周面に沿う流れとなるように設けられ、前記第２吸気ポートは前記燃焼室に供給される吸気が前記燃焼室の内周面に沿う流れで前記第１吸気ポートから供給される吸気の流れと逆方向となるように設けられている。

この発明では、排気吸入ポートから燃焼室内に逆流される内部ＥＧＲガスは燃焼室の中心部に集まり、第１吸気ポート及び第２吸気ポートから燃焼室に供給される吸気は燃焼室の内周面沿う流れとなり、内部ＥＧＲガスと混合気とは内部ＥＧＲガスが内側の層状になる。そして、圧縮行程で圧縮されると、内部ＥＧＲガスと混合気との界面から予混合圧縮自着火燃焼が開始される。内部ＥＧＲガスが中心部に集まるため、内部ＥＧＲガスが少量でも温度を高くすることができ、高負荷においても安定した予混合圧縮自着火燃焼が可能になる。

また、請求項１に記載の発明は、前記燃焼室には点火装置が装備されるとともに、排気ポートは複数設けられ、一つの排気ポートが前記排気吸入ポートとなっている。前記制御手段は、内燃機関の運転条件に応じて、予混合圧縮自着火燃焼運転時において前記第１吸気ポートからのみ吸気を供給する状態と、予混合圧縮自着火燃焼運転時において前記第１吸気ポート及び第２吸気ポートの両方から吸気を供給する状態と、火花点火燃焼運転時において前記第２吸気ポートからのみ吸気を供給する状態とに前記流量調整弁を制御する。

従って、この発明では、内部ＥＧＲを行う場合、第１吸気ポートからのみ吸気を供給する状態では内部ＥＧＲガスと吸気とは成層状が乱されずに圧縮され中央付近から着火が生じる。また、第１吸気ポート及び第２吸気ポートから吸気を供給する状態では、第２吸気ポートから供給される吸気は、内部ＥＧＲガスと逆方向の流れのため吸気と内部ＥＧＲガスとの混合が促進されるとともに、第１吸気ポートから供給される吸気と流れが逆方向のため吸気同士でも混合が促進され。その結果、ホットスポットが少なくなり、燃焼が緩慢になってノッキング等の異常燃焼が抑制される。また、火花点火燃焼時には、第２吸気ポートのみから吸気を供給することにより、吸気と内部ＥＧＲガスとの混合がより促進され、自着火を起こすホットスポットを無くしてノッキングの抑制が行われる。従って、広い負荷条件において安定した燃焼を行うことができる。

また、請求項１に記載の発明は、前記予混合圧縮自着火燃焼運転時において前記第１吸気ポートからのみ吸気を供給する状態に前記流量調整弁を制御する場合は低負荷のときであり、前記予混合圧縮自着火燃焼運転時において前記第１吸気ポート及び第２吸気ポートの両方から吸気を供給する状態に前記流量調整弁を制御する場合は高負荷のときである。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記燃焼室に排気ポートは２個設けられ、一方の排気ポートが前記排気吸入ポートとなり、該排気吸入ポートには流量調整手段が設けられている。従って、この発明では、排気吸入ポートから排気ガスを逆流させて内部ＥＧＲを行う場合、排気吸入ポートを開閉する排気弁の開閉時期は一定でも、流量調整手段で流量を調整することにより、燃焼状態の制御が容易になる。

本発明によれば、排気ガスの一部を排気ポートから燃焼室内に逆流させる前記内部ＥＧＲを使用する際に、予混合圧縮自着火燃焼及び火花点火燃焼に限らず、安定して燃焼を行うことができる。

以下、本発明を予混合圧縮自着火機関に具体化した一実施形態を図１〜図６に従って説明する。図１は予混合圧縮自着火機関の燃焼室、吸気ポート、排気ポートの関係を示す模式平面図であり、図２は予混合圧縮自着火機関の概略構成図である。

図２に示すように、予混合圧縮自着火機関１０（以下、単に機関と称す場合もある。）は、機関本体１１と、予混合圧縮自着火機関１０を電子制御する制御装置１２とを備えている。

機関本体１１は、複数のシリンダ１３ａ（図では１個のみ図示）が形成されたシリンダブロック１３と、シリンダヘッド１４とを備えている。各シリンダ１３ａ内にはピストン１５が往復動可能に設けられている。ピストン１５と、シリンダ１３ａ及びシリンダヘッド１４によって燃焼室１６が形成されている。ピストン１５は燃焼室１６での吸気・圧縮後の爆発燃焼から得られる推進力によってシリンダ１３ａ内を往復運動し、ピストン１５の往復運動がコンロッド１７を介して出力軸としてのクランクシャフト１８の回転運動に変換されて出力が得られる。機関本体１１は４サイクル内燃機関である。

シリンダヘッド１４には第１吸気ポート１９及び第２吸気ポート２０と、第１の排気ポート２１と、排気吸入ポートとしての第２の排気ポート２２とが設けられている。第２の排気ポート２２はヘリカルポートとして形成されており、第２の排気ポート２２から燃焼室１６へ逆流する排気ガスが燃焼室１６の中心部に流入するように設けられている。第２の排気ポート２２は排気ガスが渦流となって燃焼室１６に流入し易い形状に形成されているため、排気行程における排気に適した形状ではない。排気行程における排気を円滑に行うため、第１の排気ポート２１は第２の排気ポート２２より内径が大きく形成されている。

第１吸気ポート１９は、吸気（新気）が、第２の排気ポート２２から燃焼室１６内に逆流する排気ガスの流れと同方向で燃焼室１６の周壁面に沿う流れとなって供給されるように形成されている。具体的には燃焼室１６の内壁面に対する接線方向に延びるように形成されている。第２吸気ポート２０は、吸気（新気）が、第１吸気ポート１９から燃焼室１６内に供給される吸気と逆方向で燃焼室１６の周壁面に沿う流れとなるように形成されている。

各吸気ポート１９，２０には燃焼室１６に臨む開口部をそれぞれ開閉する吸気弁２３，２４が設けられ、各排気ポート２１，２２には燃焼室１６に臨む開口部をそれぞれ開閉する排気弁２５，２６が設けられている。両吸気弁２３，２４は、可変動弁機構２７により同時に開閉可能に構成されている。両排気弁２５，２６は、可変動弁機構２８により、排気行程においては同時に開閉可能に、かつ吸気行程においては第２の排気ポート２２用の排気弁２６のみが所定のタイミングで開閉可能に構成されている。可変動弁機構２７，２８は、カムシャフト２９，３０を使用してカム３１，３２により吸気弁２３，２４あるいは排気弁２５，２６を開閉作動させる公知のバルブタイミング可変機構が使用されている。排気弁２６用のカム３２には２段カムが使用され、一つのカムで排気行程における排気弁２６の開閉と、吸気行程における排気弁２６の開閉とが可能に構成されている。

また、シリンダヘッド１４には、点火装置としての点火プラグ３３がその点火部を燃焼室１６に露出させた状態で設けられている。
シリンダヘッド１４には下流側で分岐して両吸気ポート１９，２０に繋がる吸気通路３４と、上流側で分岐して両排気ポート２１，２２に繋がる排気通路３５とがそれぞれ接続されている。吸気通路３４には分岐部より上流に燃料噴射ノズル３６が設けられ、燃料噴射ノズル３６は管路３７を介して図示しない燃料タンクに接続されている。管路３７の途中には燃料供給量を制御する電磁制御弁３８が設けられている。この実施形態では燃料として天然ガスが使用されている。また、吸気通路３４の燃料噴射ノズル３６より上流にはスロットルバルブ３９及びエアクリーナ４０が設けられている。スロットルバルブ３９はスロットルモータ（電動モータ）４１によって作動される電動式であり、スロットルバルブ３９を開度調整することにより、燃焼室１６内に供給される酸素含有ガスとしての吸入空気の流量が調整される。吸気通路３４には燃料噴射ノズル３６より上流側に、吸気通路３４内の温度を検出する温度センサ４２と、吸気流量を検出するエアフローメータ４３とが設けられている。

吸気通路３４の分岐部には、第１吸気ポート１９及び第２吸気ポート２０から燃焼室１６へ供給される吸気の供給量を制御可能な流量調整弁４４が設けられている。流量調整弁４４は、第１吸気ポート１９及び第２吸気ポート２０への吸気の流量が流量調整弁４４より上流における吸気通路３４内の吸気の流量の０〜１００％の範囲でそれぞれ調整可能になっている。即ち、流量調整弁４４は、第１吸気ポート１９からのみ吸気を供給する状態と、第１吸気ポート１９及び第２吸気ポート２０の両方から吸気を供給する状態と、第２吸気ポートからのみ吸気を供給する状態とに流量を調整可能になっている。流量調整弁４４として、例えばスプール弁を使用できる。

予混合圧縮自着火機関１０の運転を制御する制御装置１２は、出力設定手段４５により設定された負荷及び回転速度の要求を満たした状態で機関１０が運転されるように、可変動弁機構２７，２８、電磁制御弁３８、スロットルモータ４１、点火プラグ３３及び流量調整弁４４を制御する。

制御装置１２はマイクロコンピュータ（以下「マイコン」と称す）４６を内蔵する。マイコン４６は記憶装置としてのメモリ（ＲＯＭおよびＲＡＭ）４７を備える。温度センサ４２、エアフローメータ４３、機関本体１１における水温を検出する水温センサ４８、機関本体１１の回転速度、即ちクランクシャフト１８の回転速度を検出する回転速度センサ４９、出力設定手段４５は、制御装置１２の入力側（入力インタフェイス）にそれぞれ電気的に接続されている。可変動弁機構２７，２８、電磁制御弁３８、点火プラグ３３、スロットルモータ４１及び流量調整弁４４は、制御装置１２の出力側（出力インタフェイス）にそれぞれ電気的に接続されている。

制御装置１２は、各センサ類から出力される検出信号に基づいて予混合圧縮自着火機関１０の運転状態を判断し、所定の運転状態となるように可変動弁機構２７，２８、電磁制御弁３８、点火プラグ３３、スロットルモータ４１及び流量調整弁４４を制御する。制御装置１２は、エアフローメータ４３の検出信号及び電磁制御弁３８の開度に基づいて空燃比を演算する。

メモリ４７には、温度センサ４２、エアフローメータ４３、水温センサ４８及び回転速度センサ４９の検出信号から把握される運転状態に基づいて、予混合圧縮自着火機関１０の制御のために指令すべき各種指令値（制御値）の決定に用いられるマップ、式等が記憶されている。前記マップ、式等には、例えば燃料噴射量、スロットル開度、第１吸気ポート１９及び第２吸気ポート２０からの吸気供給量、点火時期等を決めるマップ、式等が含まれる。

メモリ４７には、予混合圧縮自着火燃焼運転用のマップが記憶されている。前記マップには図３に示すように、予混合圧縮自着火燃焼（ＨＣＣＩ）可能な範囲が、負荷とクランクシャフト１８の回転速度との関係として、即ち負荷と機関の回転速度との関係として表されているマップＭ１がある。また、安定な予混合圧縮自着火燃焼が可能な範囲での機関の回転速度及び負荷に対する空燃比のマップがある。また、第１及び第２吸気ポート１９，２０からどのように吸気を供給するか、即ち流量調整弁４４の適正調整状態を負荷及び機関の回転速度との関係で示すマップもある。また、メモリ４７には予混合圧縮自着火燃焼運転用のマップの他に、火花点火燃焼運転用のマップ（図示せず）も記憶されている。これらのマップは予め試験に基づいて作成される。

制御装置１２は、前記マップＭ１に基づいて要求負荷及び回転速度に対応して予混合圧縮自着火燃焼運転が可能か否かを判断し、予混合圧縮自着火燃焼運転が可能な場合は予混合圧縮自着火燃焼運転で、不能な場合は火花点火燃焼運転で、要求負荷及び回転速度に対応するように制御を行う。制御装置１２は、要求負荷及び回転速度に対応する予混合圧縮自着火機関１０の運転条件に基づいて吸気をどのような状態で燃焼室１６へ供給するか、即ち第１吸気ポート１９のみから、第２吸気ポート２０のみからあるいは第１吸気ポート１９及び第２吸気ポート２０の両方から供給するかを判断する。そして、判断結果に基づいて流量調整弁４４を制御する。

次に前記のように構成された装置の作用を説明する。
制御装置１２は、予混合圧縮自着火機関１０の運転に際して、予混合圧縮自着火燃焼運転を優先的に行うように運転を行うが、要求負荷及び機関回転速度が予混合圧縮自着火燃焼が可能な範囲にない場合は、火花点火燃焼運転を行う。また、制御装置１２は、暖機完了までは火花点火燃焼運転を行う。

制御装置１２は、水温センサ４８及び回転速度センサ４９等の検出信号から機関本体１１の運転状態を把握する。そして、暖機完了後、出力設定手段４５で設定された要求回転速度及び負荷を満たす状態で、予混合圧縮自着火燃焼運転が可能か否かをマップＭ１に基づいて判断し、その判断結果に従って予混合圧縮自着火燃焼運転あるいは火花点火燃焼運転を行うように、目標回転速度及び負荷を演算する。

制御装置１２は、予混合圧縮自着火燃焼運転の場合は、その目標回転速度及び負荷に対応した適正な燃焼状態となる、空燃比及び吸気の供給状態となるように、電磁制御弁３８、スロットルモータ４１及び流量調整弁４４を制御する。また、火花点火燃焼運転の場合は、目標回転速度及び負荷に対応した適正な燃焼状態となる、空燃比、吸気の供給状態及び点火時期となるように、電磁制御弁３８、スロットルモータ４１、点火プラグ３３及び流量調整弁４４を制御する。

第２の排気ポート２２から燃焼室１６へ逆流する排気ガス（内部ＥＧＲガス）は、一定方向の渦流（矢印Ｖ１）となって燃焼室１６の中心部に流入する。そして、第１吸気ポート１９からのみ吸気（新気）が供給され、第２の排気ポート２２から排気ガスが逆流する場合、図４（ａ）に示すように、吸気は内部ＥＧＲガスと同方向の流れ（矢印Ｙ１）となって燃焼室１６の内周に沿うように供給される。従って、内部ＥＧＲガスが中央付近に集まり、その外側が新気となる成層状態となり、圧縮行程において筒内中央が高温となって、中央付近から自着火が起こり、安定して予混合圧縮自着火燃焼が行われる。第１吸気ポート１９からのみ吸気が供給されるのは、比較的低負荷のときである。

また、第１吸気ポート１９及び第２吸気ポート２０の両者から吸気が供給され、第２の排気ポート２２から排気ガスが逆流する場合、図４（ｂ）に示すように、第２吸気ポート２０から供給される吸気は、第１吸気ポート１９から供給される吸気と逆方向の流れ（矢印Ｙ２）となる。第２吸気ポート２０から供給される吸気は、内部ＥＧＲガスとも流れの方向が逆のため、図４（ｂ）に二点鎖線で示す範囲において混合が促進される。また、第１吸気ポート１９から供給される吸気と、第２吸気ポート２０から供給される吸気とがぶつかり合うことによっても混合が促進される。その結果、圧縮行程において吸気及び内部ＥＧＲガスが高温になった際、ホットスポットが少なくなり、燃焼が緩慢になるため、予混合圧縮自着火燃焼が安定する。第１吸気ポート１９及び第２吸気ポート２０の両者から吸気が供給されるのは比較的高負荷のときである。

また、予混合圧縮自着火燃焼では対応できない火花点火燃焼の際に内部ＥＧＲを行う場合、第２吸気ポート２０のみから吸気を供給すると、吸気と内部ＥＧＲガスとの混合が大幅に促進されるため、自着火を起こすホットスポットが生じ難くなり、ノッキングが抑制される。

内部ＥＧＲは吸気行程の途中で第２の排気ポート２２を開閉することで行われる。図５は可変動弁機構２７，２８のバルブタイミングの一例を示す図である。吸気弁２３，２４及び排気弁２５，２６は、排気行程から吸気行程に移る際のピストン１５の上死点（ＴＤＣ）付近において開放状態のオーバーラップが存在するように開閉時期が設定されている。また、第２の排気ポート２２を開閉する排気弁２６は、排気行程においては排気弁２５と同じタイミングで開閉されるが、吸気行程において単独で開閉される。

予混合圧縮自着火機関１０の運転は図６のフローチャートに従って行われる。先ずステップＳ１で、暖機運転が行われる。制御装置１２はメモリ４７に記憶されている火花点火燃焼運転用のマップ（ＳＩ基本マップ）により、暖機運転の条件を満たす空燃比になるように、電磁制御弁３８及びスロットルモータ４１に指令信号を出力する。また、制御装置１２は、暖機運転の条件を満たす火花点火燃焼を行うのに適したバルブタイミング及び点火時期となるように、可変動弁機構２７，２８及び点火プラグ３３に指令信号を出力する。

次に制御装置１２はステップＳ２で、水温センサ４８の検出信号に基づき、暖機が完了したか否かを判断する。即ち、水温センサ４８の検出温度が暖機が完了した状態の温度以上か否かを判断し、暖機が完了していればステップＳ３に進み、暖機が完了していなければステップＳ１に戻る。暖機が完了した状態の温度は、予め試験により求められてメモリ４７に記憶されている。

制御装置１２はステップＳ３で、要求回転速度及び負荷に対して冷却水温が規定値より大きいか否かを判断する。そして、冷却水温が規定値より大きければステップＳ４に進み、冷却水温が規定値以下であればステップＳ５に進む。前記規定値は、要求回転速度及び負荷に対応して予混合圧縮自着火燃焼（ＨＣＣＩ）運転を安定して行うことができる状態の機関本体１１の温度を予め試験で確認して設定されたものであり、メモリ４７に記憶されている。

制御装置１２はステップＳ４で、要求回転速度及び負荷に対する予混合圧縮自着火燃焼運転可能領域を図３のマップＭ１から判断し、要求回転速度及び負荷に対する予混合圧縮自着火燃焼運転可能であればステップＳ６に進み、予混合圧縮自着火燃焼運転可能でなければステップＳ５に進む。制御装置１２はステップＳ５で、現在の水温において、要求回転速度及び負荷に対応する火花点火燃焼運転に適した空燃比となるように電磁制御弁３８及びスロットルモータ４１に指令信号を出力した後、ステップＳ３に進む。その結果、予混合圧縮自着火機関１０は要求回転速度及び負荷を満たすように火花点火燃焼で運転される。制御装置１２は、ステップＳ５において、内部ＥＧＲを行う場合は、第２吸気ポート２０のみから吸気を供給するように流量調整弁４４に指令信号を出力し、内部ＥＧＲを行わない場合は、第１吸気ポート１９及び第２吸気ポート２０から吸気を供給するように流量調整弁４４に指令信号を出力する。

制御装置１２はステップＳ６で、要求回転速度及び負荷に対応する目標回転速度及び負荷に対して、目標内部ＥＧＲ量、空燃比及び吸気の供給状態を演算する。そして、その目標内部ＥＧＲ量、空燃比及び吸気の供給状態となるように、可変動弁機構２７，２８、電磁制御弁３８、スロットルモータ４１及び流量調整弁４４に指令信号を出力した後、ステップＳ３に進む。その結果、予混合圧縮自着火機関１０は要求回転速度及び負荷を満たすように予混合圧縮自着火燃焼で運転される。

ステップＳ６を詳述すると、制御装置１２は、目標回転速度及び負荷に対して、内部ＥＧＲ量及び空燃比を設定するだけでなく、吸気の供給状態も設定する。吸気の供給状態とは、第１吸気ポート１９及び第２吸気ポート２０からそれぞれどれだけ吸気が燃焼室１６に供給されるかを意味し、この実施形態では、吸気の供給状態を設定するとは流量調整弁４４の流量配分を設定することである。制御装置１２は、運転条件に応じて第１吸気ポート１９からのみ吸気を供給するか、第１吸気ポート１９及び第２吸気ポート２０から吸気を供給するかを判断して、運転条件に適した吸気の供給状態に流量調整弁４４を調整するように指令信号を出力する。

この実施形態では以下の効果を有する。
（１）予混合圧縮自着火機関１０は、吸気行程の途中において排気ガスの一部を排気ポートから燃焼室１６内に逆流させる第２の排気ポート２２と、第２の排気ポート２２から燃焼室１６内に流入する排気ガス（内部ＥＧＲガス）の流れと同方向の流れとなるように吸気を燃焼室１６に供給する第１吸気ポート１９とを備えている。また、第２の排気ポート２２から燃焼室１６内に流入する排気ガスとの混合を促進するように吸気を燃焼室１６に供給する第２吸気ポート２０とを備えている。そして、少なくとも内部ＥＧＲガスと吸気との混合を促進したい場合に第２吸気ポート２０から吸気を供給するように流量調整弁４４を制御する制御装置１２を備えている。従って、内部ＥＧＲガスと吸気との混合が促進され、予混合圧縮自着火燃焼及び火花点火燃焼に限らず、安定して燃焼を行うことができる。

（２）内燃機関は、燃料と酸素含有ガスとの混合気を燃焼室１６においてピストン１５で圧縮して自着火燃焼させ、ピストン１５の往復運動を出力軸（クランクシャフト１８）の回転運動とする予混合圧縮自着火機関１０である。そして、排気吸入ポート（第２の排気ポート２２）は燃焼室１６に流入する排気ガスが燃焼室１６の中心部に向かうように設けられ、第１吸気ポート１９は燃焼室１６に供給される吸気が燃焼室１６の内周面に沿う流れとなるように設けられている。また、第２吸気ポート２０は燃焼室１６に供給される吸気が燃焼室１６の内周面に沿う流れで第１吸気ポート１９から供給される吸気の流れと逆方向となるように設けられている。従って、内部ＥＧＲガスと混合気とは内部ＥＧＲガスが内側の層状になり、圧縮行程で圧縮されると、内部ＥＧＲガスと混合気との界面から予混合圧縮自着火燃焼が開始される。その結果、着火性が向上し、低負荷側における予混合圧縮自着火燃焼可能な範囲が拡大する。また、内部ＥＧＲガスが中心部に集まるため、内部ＥＧＲガスが少量でも温度を高くすることができ、内部ＥＧＲガス量を少なくでき、その分混合気の量が増やせるため、高負荷側における予混合圧縮自着火燃焼可能な範囲が拡大する。

（３）内部ＥＧＲガスが燃焼室１６の中心部に集められるため、圧縮された状態において、燃焼室１６中央から周壁面の間の温度の勾配が急になる。内部ＥＧＲガスと吸気とが均一に混合されると、圧縮された状態において前記温度の勾配はなだらかになり、ノッキングが発生し易くなる。しかし、この実施形態では前記のように温度の勾配が急になるため、予混合圧縮自着火燃焼においてノッキングが発生し難くなる。

（４）吸気の供給状態が、第１吸気ポートからのみ吸気を供給する状態と、第１吸気ポート及び第２吸気ポートから吸気を供給する状態とに変更可能なため、広い負荷条件において安定して予混合圧縮自着火燃焼を行うことができる。

（５）燃焼室１６には点火プラグ３３が装備されるとともに、排気ポートは複数設けられ、一つの排気ポート２２が排気吸入ポートとなっている。そして、制御装置１２は、内部ＥＧＲを行う火花点火燃焼運転時において第２吸気ポート２０からのみ吸気を供給する状態に流量調整弁４４を制御する。その結果、吸気と内部ＥＧＲガスとの混合がより促進され、自着火を起こすホットスポットを無くしてノッキングを抑制することができ、広い負荷条件において安定した燃焼を行うことができる。

（６）第１吸気ポート１９及び第２吸気ポート２０からは、燃料と酸素含有ガスとの混合気が燃焼室１６に供給される。従って、いずれか一方の吸気ポートから燃料を供給し、他方の吸気ポートから酸素含有ガスを供給する構成に比較して、混合気を予混合圧縮自着火燃焼及び火花点火燃焼のいずれの場合においても適切な混合状態に制御するのが容易になる。

（７）排気ポートとして、排気を円滑に行う第１の排気ポート２１と、内部ＥＧＲを円滑に行う第２の排気ポート２２とが設けられている。従って、一つの排気ポートで排気と内部ＥＧＲとを行う構成に比較して、排気及び内部ＥＧＲの条件を満足できる構成が容易になる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば次のように構成してもよい。
○ 図７に示すように、排気吸入ポートとして使用される第２の排気ポート２２に流量調整手段５０が設けられた構成としてもよい。流量調整手段５０として、例えば、スロットルバルブが設けられる。この場合、第２の排気ポート２２（排気吸入ポート）から排気ガスを逆流させて内部ＥＧＲを行う場合、第２の排気ポート２２を開閉する排気弁２６の開閉時期が一定であっても、流量調整手段５０で流量を調整することにより、燃焼状態の制御性を高めることができ、より適正な状態で予混合圧縮自着火燃焼を行うことができる。

○ 第１吸気ポート１９及び第２吸気ポート２０から燃焼室１６へ供給される吸気が燃焼室１６の内周面に沿って流入する形状となるように、シリンダヘッド１４に両吸気ポート１９，２０を作り込む代わりに、図７に示すように、フラップ５１を吸気ポート１９，２０に設けてもよい。フラップ５１は図示しないロータリソレノイドにより、鎖線で示す待機位置と実線で示す作用位置とに配置されるように構成される。フラップ５１は、待機位置に配置された状態では吸気ポート１９，２０を流れる吸気に殆ど影響を与えず、作用位置に配置された状態では吸気が偏流となって燃焼室１６の内周面に沿うように流入する。従って、燃焼室１６に流入する吸気の流れの状態を調整する自由度が高くなり、燃焼室１６内の吸気と内部ＥＧＲガスとの混合状態の自由度が高くなる。その結果、予混合圧縮自着火燃焼の制御性を高めることができる。

○ １個の流量調整弁４４で第１吸気ポート１９及び第２吸気ポート２０から燃焼室１６へ供給される吸気の供給量を制御する構成に代えて、図８に示すように、第１吸気ポート１９及び第２吸気ポート２０にそれぞれ流量調整弁５２ａ，５２ｂを設けてもよい。流量調整弁５２ａ，５２ｂはバタフライバルブの一種であり、アクチュエータ５３によって駆動されて全閉位置と全開位置との間で回動する。この場合、流量調整弁の構造が簡単で制御も容易となる。

○ 第１吸気ポート１９及び第２吸気ポート２０から燃焼室１６へ供給される吸気の供給量を制御する流量調整弁として、図９に示すように、第１吸気ポート１９及び第２吸気ポート２０と吸気通路３４との分岐部に、図示しないアクチュエータにより駆動される弁５４を設けてもよい。弁５４は、第１吸気ポート１９を全閉する鎖線で示す位置と、第２吸気ポート２０を全閉する実線で示す位置との間で回動される。

○ 内部ＥＧＲを行う場合、予混合圧縮自着火機関１０の運転状態によっては、予混合圧縮自着火燃焼においても、吸気の供給を第２吸気ポート２０からのみ行うようにしてもよい。

○ 内部ＥＧＲを行う内部ＥＧＲ手段として、排気ガスを吸入する専用の排気吸入ポートを設け、該排気吸入ポートに開閉弁あるいは流量調整弁を設けた構成としてもよい。
○ 排気ポートを１個としてもよい。しかし、１個にした場合は、内部ＥＧＲガスを燃焼室１６の中心部に渦流として流入させ、排気行程で排気を円滑に行うように構成するのが難しい。

○ 予混合圧縮自着火機関１０の燃料は天然ガスに限らず、ガソリン、プロパンガス、メタノール、ジメチルエーテル、水素の他、ディーゼルエンジンで使用される燃料等任意の燃料を使用してもよい。

○ 点火プラグ３３を備えた構成において、暖機運転のときのみ火花点火燃焼で運転を行い、暖機完了後は予混合圧縮自着火燃焼で運転を行う構成としてもよい。
○ 暖機運転時のみ、燃料を圧縮自着火し易い燃料とし、暖機完了後に通常運転時の燃料に切り替える構成としてもよい。

○ 混合気は燃料が気体である必要はなく、霧状の液体であってもよい。
○ 燃料と混合する酸素含有ガスは空気に限らず、燃料を燃焼させるのに必要な酸素を含む酸素含有ガスであればよい。例えば、空気に酸素を混合して酸素濃度を高めたガスを使用してもよい。

○ 内部ＥＧＲガスを燃焼室１６の周壁面に沿って流入するように排気吸入ポート（第２の排気ポート２２）を設け、吸気を第１吸気ポート１９及び第２吸気ポート２０から燃焼室１６の中心側に供給する構成としてもよい。この場合も混合気と内部ＥＧＲガスとが層状になるため、安定した予混合圧縮自着火燃焼が可能となる。また、第１吸気ポート１９及び第２吸気ポート２０からの吸気の供給状態を変更することで、広い負荷範囲において安定した予混合圧縮自着火燃焼あるいは火花点火燃焼を行うことができる。

○ 予混合圧縮自着火機関１０に限らず、ディーゼルエンジンやガソリンエンジンに適用してもよい。
○ 吸気通路３４内に燃料を噴射して燃料と酸素含有ガスとを混合した混合気を燃焼室１６へ吸入する構成に限らず、燃料を吸気行程中に燃焼室１６に噴射する構成としてもよい。また、燃料はキャブレターやミキサー等で混合してもよい。

○ 予混合圧縮自着火機関１０はシリンダ（気筒）を複数備えた構成に限らず、単気筒であってもよい。
○ 吸気ポートを３個以上設けたり、排気ポートを３個以上設けたりしてもよい。

○ 可変動弁機構２７，２８は、カムシャフト２９，３０を使用してカム３１，３２により又はロッカアームを介して吸気弁２３，２４あるいは排気弁２５，２６を開閉作動させる構成に限らない。例えば、可変動弁機構２７，２８として、電磁駆動装置又は油圧アクチュエータで直接各吸気弁２３，２４あるいは排気弁２５，２６を開閉作動させる構成を採用してもよい。この場合、開閉時期の調整の自由度が高くなる。

○ 予混合圧縮自着火機関１０は定置式のものに限らず、自動車のエンジンに適用してもよい。
以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。

（１）前記第１吸気ポート及び第２吸気ポートからは、燃料と酸素含有ガスとの混合気が燃焼室に供給される。
（２）前記流量調整弁は前記第１吸気ポート及び第２吸気ポートにそれぞれ設けられている。

吸気ポートと排気ポートとの関係を示す模式平面図。予混合圧縮自着火機関の概略構成図。ＨＣＣＩ可能な範囲を機関の回転速度及び負荷との関係で示すマップ。（ａ）は第１吸気ポートからのみ吸気が供給される状態の模式図、（ｂ）は第１吸気ポート及び第２吸気ポートから吸気が供給される状態の模式図。吸気弁及び排気弁の開閉時期を示す図。予混合圧縮自着火機関の運転制御を説明するフローチャート。別の実施形態の吸気ポートと排気ポートを示す模式平面図。別の実施形態の流量調整弁を示す模式平面図。別の実施形態の流量調整弁を示す模式平面図。従来技術のガソリンエンジンの部分平面図。

符号の説明

１０…予混合圧縮自着火機関、１２…制御手段としての制御装置、１５…ピストン、１６…燃焼室、１８…出力軸としてのクランクシャフト、１９…第１吸気ポート、２０…第２吸気ポート、２１…第１の排気ポート、２２…排気吸入ポートとしての第２の排気ポート、３３…点火装置としての点火プラグ、４４，５２ａ，５２ｂ…流量調整弁、５０…流量調整手段。

Claims

吸気行程の途中において排気ガスの一部を排気ポートから燃焼室内に逆流させる内部ＥＧＲを行う内部ＥＧＲ手段と、
前記内部ＥＧＲ手段を構成し、排気ガスの一部を燃焼室内に逆流させる排気吸入ポートと、
前記排気吸入ポートから前記燃焼室内に流入する排気ガスの流れと同方向の流れとなるように吸気を前記燃焼室に供給する第１吸気ポートと、
前記排気吸入ポートから前記燃焼室内に流入する排気ガスとの混合を促進するように吸気を前記燃焼室に供給する第２吸気ポートと、
前記第１吸気ポート及び第２吸気ポートから前記燃焼室へ供給される吸気の供給量を制御可能な流量調整弁と、
機関の運転条件に基づいて前記流量調整弁を制御し、内部ＥＧＲガスと吸気との混合を促進したい場合に前記第２吸気ポートからのみ吸気を供給するように前記流量調整弁を制御する制御手段と
を備え、
内燃機関は、燃料と酸素含有ガスとの混合気を燃焼室においてピストンで圧縮して自着火燃焼させ、前記ピストンの往復運動を出力軸の回転運動とする予混合圧縮自着火機関であり、前記排気吸入ポートは前記燃焼室に流入する排気ガスが前記燃焼室の中心部に向かうように設けられ、前記第１吸気ポートは前記燃焼室に供給される吸気が前記燃焼室の内周面に沿う流れとなるように設けられ、前記第２吸気ポートは前記燃焼室に供給される吸気が前記燃焼室の内周面に沿う流れで前記第１吸気ポートから供給される吸気の流れと逆方向となるように設けられ、
前記燃焼室には点火装置が装備されるとともに、排気ポートは複数設けられ、一つの排気ポートが前記排気吸入ポートとなり、前記制御手段は、内燃機関の内部ＥＧＲを伴う運転条件に応じて、予混合圧縮自着火燃焼運転時において前記第１吸気ポートからのみ吸気を供給する状態と、予混合圧縮自着火燃焼運転時において前記第１吸気ポート及び第２吸気ポートの両方から吸気を供給する状態と、火花点火燃焼運転時において前記第２吸気ポートからのみ吸気を供給する状態とに前記流量調整弁を制御するよう構成され、
前記予混合圧縮自着火燃焼運転時において前記第１吸気ポートからのみ吸気を供給する状態に前記流量調整弁を制御する場合は低負荷のときであり、前記予混合圧縮自着火燃焼運転時において前記第１吸気ポート及び第２吸気ポートの両方から吸気を供給する状態に前記流量調整弁を制御する場合は高負荷のときである内燃機関。
前記燃焼室に排気ポートが２個接続され、一方の排気ポートが前記排気吸入ポートとなり、該排気吸入ポートには流量調整手段が設けられている請求項１に記載の内燃機関。