(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室内に、点火栓近傍領域が可燃空燃比となり、その周辺領域が稀薄な不可燃空燃比となる混合気層を形成して、成層燃焼を行わせることのできる内燃機関の排気浄化装置であって、
成層燃焼運転時にて、排気行程中期に前記燃焼室から排出されるべき排気ガスを通過させることで、前記成層燃焼により発生した排気ガスから、燃焼に寄与した排気ガスを分離する排気ガス分離手段と、
該手段により分離された燃焼に寄与した排気ガスの少なくとも一部を吸気系に還流する排気還流手段と、
を含んで構成され、
前記排気ガス分離手段は、第１の排気通路側の第１の排気弁と第２の排気通路側の第２の排気弁とのバルブタイミングを異ならせ、前記第１の排気弁の開時期を前記第２の排気弁の開時期より遅く設定し、前記第１の排気弁の閉時期を前記第２の排気弁の閉時期より早く設定して、燃焼に寄与した排気ガスを前記第１の排気通路内に、燃焼に寄与しなかった排気ガスを前記第２の排気通路内に至らしめ、
前記排気還流手段は、前記第１の排気通路より排気ガスの一部を吸気系に還流する内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
燃焼室内に、点火栓近傍領域が可燃空燃比となり、その周辺領域が稀薄な不可燃空燃比となる混合気層を形成して、成層燃焼を行わせることのできる内燃機関の排気浄化装置であって、
成層燃焼運転時にて、第１の排気通路側の第１の排気弁は、開期間が排気行程中期に設定されて、第２の排気通路側の第２の排気弁の開時期より遅く開弁するとともに、該第２の排気弁の閉時期より早く閉弁し、
前記第１の排気通路内の排気ガスの少なくとも一部を吸気系に還流する内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
成層燃焼運転時にて、前記第１の排気弁と前記第２の排気弁とがともに開弁しているときに、前記第１の排気通路の開口部の最小面積は、前記第２の排気通路の開口部の最小面積より大きいことを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
前記第１の排気弁のバルブタイミングを機関運転条件に応じて可変に設定可能な第１のバルブタイミング可変手段を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
前記第１のバルブタイミング可変手段は、前記機関運転条件としての機関回転数及び負荷のうち少なくとも一方の増加にあわせて、前記第１の排気弁の弁開期間を延長することを特徴とする請求項４記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
前記第１のバルブタイミング可変手段は、均質燃焼運転時にて、前記第１の排気弁のバルブタイミングを前記第２の排気弁のバルブタイミングに設定することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項７】
前記第２の排気弁のバルブタイミングを可変に設定可能な第２のバルブタイミング可変手段を備え、
均質燃焼運転時にて、前記第１及び第２の排気弁のバルブタイミングを同時期に設定することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項８】
前記第１及び第２のバルブタイミング可変手段のうち少なくとも一方は、バルブタイミングを連続的に設定可能であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項９】
燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、第１の排気弁により開閉される第１の排気通路と、第２の排気弁により開閉される第２の排気通路とを備え、点火栓近傍領域が可燃空燃比となり、その周辺領域が稀薄な不可燃空燃比となる混合気層を形成して、成層燃焼を行わせることのできる内燃機関の排気浄化装置であって、
排気ガスを吸気系に還流するための排気還流通路を前記第１の排気通路に接続するとともに、
前記燃料噴射弁の噴射方向を、前記第１及び第２の排気弁のうち、前記第１の排気弁の方向に設定して、前記成層燃焼により発生した排気ガスのうち、燃焼に寄与した排気ガスが吸気系に還流されるようにした内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。より詳細には、成層燃焼をすることのできる内燃機関において、排気還流を行って排気を浄化する場合に、成層燃焼運転時における排気還流量当たりの排気浄化効果を高めるための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地球温暖化防止の観点から内燃機関の燃費向上の必要性が高まり、特定運転領域にて稀薄空燃比燃焼、すなわち、理論空燃比よりリーンで運転される内燃機関が普及しつつある。その中には、特に低負荷低回転域にて成層燃焼、すなわち、点火栓近傍に適度の空燃比の混合気を形成し、さらにその周りに多量の余剰空気が存在する状態での燃焼を行うものがある。成層燃焼では、点火栓近傍の混合気のみが燃焼に寄与することになるため、均質燃焼の場合と比較して、空燃比を大幅にリーン化することができ、燃費向上効果が高い。
【０００３】
ところで、リーンでの運転、すなわち、燃焼が酸素過剰雰囲気で行われる場合には、燃焼の結果排出される排気ガスは酸素を多く含むうえ、還元成分が不足しているため、排気ガス中のＮＯｘを還元浄化することは難しい。よって、リーンで運転する場合に大気へのＮＯｘ放出量を低減するには、燃焼時に生成されるＮＯｘ自体を減少させる必要がある。このためには、排気還流（ＥＧＲ）が有効である。
【０００４】
このＥＧＲとは、既燃ガスの一部を吸気に導入して、混合気中におけるＣＯ2（比熱が大きい）濃度を増加させ、燃焼温度を低下させることにより、ＮＯｘ生成量を低減する技術である。
【０００５】
ところが、実際には、排気ガス中のＣＯ2濃度は、運転空燃比の変化に伴って変化するため、上記のようなリーン燃焼機関にあっては、ＥＧＲ流量に対するＮＯｘ低減効果が変化する。従って、このような内燃機関では、排気ガス中のＣＯ2濃度の変化に対応した対策を施すのが好ましい。これを目的とした従来技術として、特開平１１−２３６８５７号公報に開示されるものがある。
【０００６】
このものは、リーン運転時にＥＧＲを行う際に、ＥＧＲガスに含まれる既燃ガスの、全吸入ガスに対する割合を算出し、これが目標値と一致するように、ＥＧＲ量を制御するものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このものでは、次のような問題がある。
成層燃焼は、前述の通り燃費向上効果が高く、なるべく広い運転領域に渡って適用されるのが望ましい。成層燃焼では、燃焼に寄与する混合気が点火栓近傍に限られる分、均質燃焼の場合と比べて、多量にＥＧＲをしても燃焼安定性が損なわれ難いという一面がある。しかし、大幅なリーン化により排気ガス中のＣＯ2濃度が著しく低下しているため、ＥＧＲによるＮＯｘ低減効果は得られにくい。
【０００８】
このため、上記の従来技術によりＮＯｘ低減効果を回復しようとすれば、ＣＯ2濃度の低下に相当する分だけＥＧＲ量を増す必要があり、この要求を満たすようにＥＧＲ装置の最大流量も大きく設定する必要がある。こればかりでなく、成層燃焼運転時には、一般に吸排差圧が小さくなるため、ＥＧＲの効率が悪い。よって、この観点からも、ＥＧＲ装置の最大流量を大きく設定する必要が生じる。
【０００９】
ところが、このような大流量のＥＧＲ装置では、ＥＧＲ量の要求変化に対する制御応答性及び制御精度の両立が難しく、部品コストの上昇を招く可能性がある。特に、成層燃焼と均質燃焼とを切り換えて実施する内燃機関においては、制御性を確保するためにＥＧＲ装置の最大流量が制約されて、ＮＯｘ生成量を低減するために大量のＥＧＲを必要とする高負荷側の成層燃焼運転領域が制限される場合がある。
【００１０】
さらに、ＥＧＲを大量に行う場合には、高温の排気が大量に吸気側に供給されることとなるので、吸気全体の温度が過度に上昇し、吸気の密度が低下して、充填効率の低下、延いては出力低下に繋がる可能性もある。
【００１１】
このような実情に鑑み、本発明は、排気還流を行って排気浄化を図る場合に、成層燃焼運転時における排気還流量当たりの排気浄化効果を高め、ＥＧＲを大量に行わなくとも排気浄化の効果が得られるようにし、装置の小型化や、装置の大型化回避に資する内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、燃焼室内に、点火栓近傍領域が可燃空燃比となり、その周辺領域が稀薄な不可燃空燃比となる混合気層を形成して、成層燃焼を行わせることのできる内燃機関ＥＮＧの排気浄化装置であって、図１に示すように、成層燃焼運転時にて、排気行程中期に前記燃焼室から排出されるべき排気ガスを通過させることで、前記成層燃焼により発生した排気ガスから、燃焼に寄与した排気ガスを分離する排気ガス分離手段Ａと、該手段Ａにより分離された燃焼に寄与した排気ガスの少なくとも一部を吸気系に還流する排気還流手段Ｂと、を含んで構成される（請求項１）。
【００１３】
前記排気ガス分離手段Ａは、第１の排気通路側の第１の排気弁と第２の排気通路側の第２の排気弁とのバルブタイミングを異ならせ、前記第１の排気弁の開時期を前記第２の排気弁の開時期より遅く設定し、前記第１の排気弁の閉時期を前記第２の排気弁の閉時期より早く設定して、排気ガスを分離するものであり、燃焼に寄与した排気ガスを前記第１の排気通路内に、燃焼に寄与しなかった排気ガスを前記第２の排気通路内に至らしめる。
前記排気還流手段Ｂは、前記第１の排気通路より排気ガスの一部を吸気系に還流するものである。
【００１４】
【００１５】
本発明は、燃焼室内に、点火栓近傍領域が可燃空燃比となり、その周辺領域が稀薄な不可燃空燃比となる混合気層を形成して、成層燃焼を行わせることのできる内燃機関の排気浄化装置であって、成層燃焼運転時にて、第１の排気通路側の第１の排気弁は、開期間が排気行程中期に設定されて、第２の排気通路側の第２の排気弁の開時期より遅く開弁するとともに、該第２の排気弁の閉時期より早く閉弁し、前記第１の排気通路内の排気ガスの少なくとも一部を吸気系に還流することを特徴とする（請求項２）。
【００１６】
成層燃焼運転時にて、前記第１の排気弁と前記第２の排気弁とがともに開弁しているときには、前記第１の排気通路の開口部の最小面積は、前記第２の排気通路の開口部の最小面積より大きいのが好ましい（請求項３）。
【００１７】
本発明は、前記第１の排気弁のバルブタイミングを機関運転条件に応じて可変に設定可能な第１のバルブタイミング可変手段を備えるのが好ましい（請求項４）。
【００１８】
前記第１のバルブタイミング可変手段は、前記機関運転条件としての機関回転数及び負荷のうち少なくとも一方の増加にあわせて、前記第１の排気弁の弁開期間を延長するのが好ましい（請求項５）。
【００１９】
前記第１のバルブタイミング可変手段は、均質燃焼運転時にて、前記第１の排気弁のバルブタイミングを前記第２の排気弁のバルブタイミングに設定するのが好ましい（請求項６）。
【００２０】
本発明は、前記第２の排気弁のバルブタイミングを可変に設定可能な第２のバルブタイミング可変手段を備え、均質燃焼運転時にて、前記第１及び第２の排気弁のバルブタイミングを同時期に設定するのが好ましい（請求項７）。
【００２１】
前記第１及び第２のバルブタイミング可変手段のうち少なくとも一方は、バルブタイミングを連続的に設定可能であるのが好ましい（請求項８）。
また、本発明は、燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、第１の排気弁により開閉される第１の排気通路と、第２の排気弁により開閉される第２の排気通路とを備え、点火栓近傍領域が可燃空燃比となり、その周辺領域が稀薄な不可燃空燃比となる混合気層を形成して、成層燃焼を行わせることのできる内燃機関の排気浄化装置であって、排気ガスを吸気系に還流するための排気還流通路を前記第１の排気通路に接続するとともに、前記燃料噴射弁の噴射方向を、前記第１及び第２の排気弁のうち、前記第１の排気弁の方向に設定して、前記成層燃焼により発生した排気ガスのうち、燃焼に寄与した排気ガスが吸気系に還流されるようにしたことを特徴とする（請求項９）。
【００２２】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、次の効果を得ることができる。
成層燃焼では、点火栓近傍領域の可燃空燃比の混合気のみが燃焼に寄与することができ、その周辺領域の余剰空気は、燃焼に寄与することはできない。従って、燃焼直後の燃焼室内には、燃焼に寄与して生成された排気ガスと、燃焼に寄与せずに生成された排気ガスとが混在している。これらのうち、前者の燃焼に寄与した排気ガスは、ＣＯ2濃度が高く、後者の燃焼に寄与しなかった排気ガスは、ＣＯ2濃度が低い。
【００２３】
そこで、排気ガス分離手段Ａにより燃焼に寄与したＣＯ2濃度の高い排気ガスを分離し、そのうちの少なくとも一部を排気還流手段Ｂにより吸気系に還流することで、ＣＯ2濃度の高い排気ガスを選択的に還流することができ、ＥＧＲガス中のＣＯ2濃度を高め、比較的小流量でもＮＯｘ低減効果を得ることができるようになる。従って、排気還流手段Ｂを従来よりも小型化することができ、また場合によっては、その大型化を回避することもできる。
【００２４】
また、請求項１に係る発明によれば、燃焼に寄与した排気ガスは、排気ガス分離手段Ａにより燃焼に寄与しなかった排気ガスから分離された後、燃焼に寄与しなかった排気ガスとは別に、第１の排気通路内を流れる。そして、排気還流手段Ｂは、この第１の排気通路内の排気ガスをＥＧＲする。従って、燃焼に寄与した排気ガスは、燃焼に寄与しなかった排気ガスと混ざることなく吸気系へ還流されるので、ＥＧＲ量当たりの排気浄化効果をより高めることができる。
【００２５】
請求項１，２に係る発明によれば、次の効果を得ることができる。
前述のように、燃焼直後の燃焼室内には、燃焼に寄与した排気ガスと、燃焼に寄与しなかった排気ガスとが混在しているが、前者は主に点火栓周りの燃焼室略中央に分布しており、一方後者は、前記燃焼に寄与した排気ガス周辺の、より壁面に近いところに分布している。従って、排気時では、まず排気弁近傍の燃焼に寄与しなかった排気ガスが排気され、さらに燃焼に寄与した排気ガスが続き、最後に再び燃焼に寄与しなかった排気ガスが排気される。
【００２６】
そこで、排気時において、第１の排気弁が、第２の排気弁の開時期より遅く開き、また第２の排気弁の閉時期より早く閉じることで、主に燃焼室略中央に分布する燃焼に寄与した排気ガスを積極的に抽出し、排気ガスの分離を良好に達成して、ＣＯ2濃度の高い排気ガスを吸気系に還流することができる。
【００２７】
また、本発明は、特別な装置を追加することなく、既存のＥＧＲ装置付きの内燃機関ＥＮＧで実現することができる。
請求項３に係る発明によれば、第１の排気通路の排気ガス流量を、第２の排気通路の排気ガス流量よりも大きくすることができるため、燃焼に寄与した排気ガスは、第１の排気通路側により積極的に流入するようになる。このため、より多量の高ＣＯ2濃度のＥＧＲガスを確保することができ、成層燃焼運転領域の拡大を図ることができる。
【００２８】
請求項４に係る発明によれば、第１の排気弁のバルブタイミングを機関運転条件に応じて変更して、燃焼に寄与した排気ガスを効率的に取り出すことができるようになる。
【００２９】
請求項５に係る発明によれば、次の効果を得ることができる。
機関回転数が増加すると、１サイクル当たりの排気の実時間は減少する。このときに、第１のバルブタイミング可変手段により、第１の排気弁の弁開期間を延長することで、第１の排気弁による排気の実時間を延長して、燃焼に寄与した排気ガスの第１の排気通路への流入量を可及的に維持することができる。
【００３０】
また、負荷が増加すると、これに付随して燃料噴射量も増加して、燃焼に寄与することのできる混合気の絶対量が増える。従って、この場合にも第１の排気弁の弁開期間を延長することで、より多量の高ＣＯ2濃度のＥＧＲガスを確保することができる。
【００３１】
請求項６，７に係る発明によれば、燃焼室内の排気ガス中のＣＯ2濃度がほぼ均一となる均質燃焼運転時に、第１のバルブタイミング可変手段により、第１の排気弁のバルブタイミングを第２の排気弁のバルブタイミングに設定することで、他性能への悪影響、例えば高負荷高回転域における排気弁作動角不足による排気効率の低下を、防止することができる。
【００３２】
請求項８に係る発明によれば、バルブタイミングを連続的に可変としたことで、バルブタイミング切換え時の段差による運転性への影響を抑えることができる。また、成層燃焼運転時において、燃焼に寄与した排気ガスの発生状況に応じてバルブタイミングを変化させることもでき、ＣＯ2濃度の高い排気ガスを、より積極的にＥＧＲに利用することができる。
【００３３】
請求項９に係る発明によれば、燃料の噴射方向を第１の排気弁の方向に傾けることで、第１の排気弁近傍に燃焼に寄与することのできる混合気が集中的に分布されることとなる。このため、第１の排気弁と第２の排気弁とのバルブタイミングが同じ場合であっても、ＣＯ2濃度の高い排気ガスを、第２の排気通路よりも、第１の排気通路内に多量に取り込むことができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
図２は、本発明の第１の実施形態に係る内燃機関（以下、「エンジン」という。）１の構造を示す概略図であり、本発明に係る排気浄化装置を備えている。以下、同図を参照して、エンジン１の構造を概略説明する。
【００３５】
エンジン１の吸気通路２の入口には、エアクリーナ３が取り付けられている。このすぐ下流には、エアフローメータ４が設置されており、その検出信号が後述する電子制御ユニット４１に送られて、エンジン１への吸入空気量を測定可能となっている。
【００３６】
エアフローメータ４の下流の吸気通路２には、電子制御式のスロットル弁５が設置されており、これにより吸入空気量が制御される。さらに、スロットル弁５の下流には、コレクタ６及びポート部７が接続し、スロットル弁５により流量制御された空気は、これらを介して１気筒につき２つの吸気弁８（８ａ，８ｂ）の弁開期間にてシリンダ９内の燃焼室に供給される。これらの吸気弁８は、リフタ１０を介して、吸気側カム１１により同じバルブタイミングをもって駆動される。
【００３７】
シリンダ９の内部には、ピストン１２が往復動自在に挿入されている。このピストン１２の冠面には、タンブル制御のための凹凸１３が設けられており、燃焼室内に進入した吸入空気は、この凹凸１３により案内されてタンブル流を形成する。なお、ポート部７は、燃焼室に対して、タンブル流が形成され易い角度をもって接続している。
【００３８】
また、シリンダ９には、燃料噴射弁１４が、ポート部７の開口部近傍にて燃焼室内に直接臨むように設置されており、さらに点火栓１５が、燃焼室略中央に位置するように設置されている。上記のようにしてタンブル流を形成する吸入空気に対して、燃料噴射弁１４により所定のタイミングに、所定量の燃料が噴射供給され、このようにして形成された混合気は、点火栓１５の作動により、所定のタイミングにて着火燃焼する。
【００３９】
なお、燃料噴射弁１４は、エンジン１の燃焼方式に応じて噴射時期が切り換えられ、燃料を燃焼室内に均一に分布させて出力を得る均質燃焼の場合には、吸気行程にて噴射する。一方、燃焼に寄与することのできる可燃空燃比の混合気を点火栓１５の近傍に分布させて混合気を層状化して、燃費向上を狙う成層燃焼の場合には、圧縮行程にて噴射する。
【００４０】
燃焼後、生成された排気ガスは、排気通路１７に排出される。排気通路１７を開閉する排気弁１６は、１気筒につき２つ設けられ、リフタ１８を介して、排気側カム１９によりそれぞれ開閉駆動される。これらの排気弁１６（１６ａ，１６ｂ）のバルブタイミングは、前述の吸気弁８の場合とは違い、異なっている。バルブタイミングについては、さらに後述する。
【００４１】
ここに、排気弁１６と排気側カム１９とは、本発明の排気ガス分離手段を構成する。排気通路１７のポート部２０には、ＥＧＲ通路３１が接続している。ＥＧＲ通路３１は、このポート部２０と、吸気通路２のコレクタ６上流とを連通しており、排気ガスの一部を吸気系に還流することができるようになっている。ＥＧＲ流量の制御は、ＥＧＲ通路３１の途中に介装されたＥＧＲバルブ３２の開度調節による。
【００４２】
ここに、ＥＧＲ通路３１とＥＧＲバルブ３２とは、本発明の排気還流手段を構成する。
図３は、シリンダ９を上方から見たところを表しており、便宜上、吸気通路２ａ，２ｂ及び排気通路１７ａ，１７ｂは、点線で示している。ＥＧＲ通路３１は、第１の排気弁１６ａにより開閉される排気ポート２０ａに接続している。２つの排気通路１７ａと１７ｂとは、ＥＧＲ通路３１の排気ポート２０ａへの接続点Ｐより下流にて合流する。
【００４３】
図４は、第１の排気弁１６ａ及び第２の排気弁１６ｂのリフト量のクランク角に対する変化を示している。第１の排気弁１６ａは、プロフィールＰｒａ１に沿って、また第２の排気弁１６ｂは、プロフィールＰｒｂ１に沿って、それぞれ駆動される。
【００４４】
このように、第１の排気弁１６ａは、第２の排気弁１６ｂの開時期より遅く開弁し、第２の排気弁１６ｂの閉時期より早く閉弁する。つまり、図示の排気弁開期間（１）〜（３）のうち、膨張行程終了付近の排気初期（１）と排気後期（３）とでは、第２の排気弁１６ｂのみが開弁する。一方、排気中期（２）では、第１及び第２の排気弁１６ａ，１６ｂがともに開弁し、第１の排気弁１６ａのリフト量は、第２の排気弁１６ｂのリフト量よりも大きくなる。
【００４５】
図２において、ポート部２０の下流に接続されたマニホールド部２１には、Ｏ2センサ５１が設置されており、これにより排気ガス中のＯ2濃度を測定する。そして、エンジン１を理論空燃比で運転する際には、このＯ2センサ５１からの情報を基に、フィードバック制御を行う。
【００４６】
電子制御ユニット４１は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄ変換器及び入出力インタフェースを含んで構成され、吸入空気量ＱａやＯ2濃度の他、クランク角センサ５２からのクランク軸回転位置信号（これに基づいてエンジン回転数Ｎｅを算出することができる。）、アクセルセンサ５３からのアクセルペダル開度信号Ａｐｓ、及び水温センサ５４からのエンジン冷却水温Ｔｗなどの情報を入力し、これらを基に、スロットル弁５及びＥＧＲバルブ３２を制御する。
【００４７】
次に、電子制御ユニット４１の制御内容を、図５〜８に示すフローチャートを参照して説明する。まず始めに、図５を参照して、燃焼方式選択ルーチンについて説明した後、続いて、図６〜８を参照して、燃焼方式に応じたＥＧＲ制御ルーチンについて説明する。
【００４８】
図５は、燃焼方式選択ルーチンのフローチャートである。
まず、ステップ（以下、単に「Ｓ」という。）１で各種運転条件を読み込んだ後、続くＳ２で、アクセル開度Ａｐｓを基に、マップから目標トルクＴＴＣを求める。
【００４９】
Ｓ３では、エンジン回転数Ｎｅと目標トルクＴＴＣとを基に、燃焼フラグＦＣｍｂ（０〜２）を設定する。成層燃焼により燃費向上を図るべき運転条件においては、燃焼フラグＦＣｍｂは０に設定される。これ以外の運転条件では、均質燃焼が行われることとなるが、特に燃費を向上すべき領域においては、均質リーン燃焼のため、燃焼フラグＦＣｍｂは１に設定される。上記２つの領域以外の領域では、均質ストイキ燃焼のため、燃焼フラグＦＣｍｂは２に設定される。
【００５０】
Ｓ４では、水温Ｔｗを所定値ＴｗＬ以上か否かを判定する。所定値ＴｗＬ以上であると判定された場合には、本ルーチンをそのままリターンして、Ｓ３で設定された燃焼フラグＦＣｍｂを維持する。しかし、上記判定が否定的（即ち、水温Ｔｗが所定値ＴｗＬ未満）と判定された場合には、Ｓ５に進んで、燃焼フラグＦＣｍｂを２に設定する。冷機時では、リーン燃焼を行う場合に安定性が得られない可能性があるため、リーン燃焼を禁止し、理論空燃比での燃焼を行うためである。
【００５１】
次に、燃焼方式に応じたＥＧＲ制御ルーチンについて説明する。図６は、本ルーチンの基本的な流れを示すフローチャートである。
まず、Ｓ２１で、各種制御情報を読み込む。
【００５２】
Ｓ２２では、燃焼フラグＦＣｍｂが２でないか、すなわち、選択された燃焼方式が均質ストイキ燃焼でないか否かを判定する。その結果、ＦＣｍｂが０又は１であり、リーン燃焼（均質リーン燃焼又は成層燃焼）を行うべき運転領域にあると判定された場合には、Ｓ２３に進んで、エンジン回転数Ｎｅと目標トルクＴＴＣとを基に、マップから目標燃空比ＴＦＢＹＡを求める。なお、ＴＦＢＹＡは、空気過剰率λの逆数であり、理論空燃比では１をとり、またリーン時には、１より小さな値をとり、図の矢印方向に向かって大きく設定される。一方、ＦＣｍｂが２であり、理論空燃比（λ＝１）での運転が選択された場合には、Ｓ２４に進んで、ＴＦＢＹＡを１に設定する。
【００５３】
Ｓ２５では、エンジン回転数Ｎｅと目標燃空比ＴＦＢＹＡとを基に、マップから機関効率ＩＴＡを求める。
Ｓ２６では、目標トルクＴＴＣ、目標燃空比ＴＦＢＹＡ及び機関効率ＩＴＡに基づいて、目標新気量Ｑ（＝ＴＴＣ／ＴＦＢＹＡ／ＩＴＡ）を算出する。
【００５４】
Ｓ２７では、目標ＥＧＲ率ＴＭＥＧＲを算出し、これを基に、目標スロットル開度ＴＶＯと目標ＥＧＲバルブ開度ＴＡＥＧＲとを算出する。本ステップの詳細は、後述する。
【００５５】
Ｓ２８では、目標スロットル開度ＴＶＯ及び目標ＥＧＲバルブ開度ＴＡＥＧＲを基に、スロットル弁５及びＥＧＲバルブ３２の駆動指令を発する。
次に、図７及び８を参照して、上記Ｓ２７（ＥＧＲバルブ目標開度演算）の内容を説明する。
【００５６】
まず、Ｓ４１では、換算ＥＧＲ流量ＱＥＧＲを算出する。ＱＥＧＲは、ＥＧＲ流量の吸入空気量換算値であり、目標新気量Ｑに、目標ＥＧＲ率ＴＭＥＧＲ、ＣＯ2濃度補正係数ＫＣＯ2及び排圧・排温補正係数ＫＰｅを乗じて算出される（即ち、ＱＥＧＲ＝Ｑ×ＴＭＥＧＲ×ＫＣＯ2×ＫＰｅ）。以下、ＴＭＥＧＲ、ＫＣＯ2及びＫＰｅの算出方法について、図８を参照して説明する。
【００５７】
Ｓ６１では、燃焼フラグＦＣｍｂが１でないか、すなわち、選択された燃焼方式が均質リーン燃焼でないか否かを判定する。その結果、ＦＣｍｂが１であると判定された場合には、Ｓ６２へ進んで、目標ＥＧＲ率ＴＭＥＧＲを０に設定する。均質リーン燃焼を行う場合には、ＥＧＲの実施により燃焼が不安定となり易いので、ＥＧＲを禁止するためである。
【００５８】
一方、Ｓ６１で燃焼フラグＦＣｍｂが１以外であると判定された場合には、Ｓ６３に進んで、さらにＦＣｍｂが０であるか、すなわち、選択された燃焼方式が成層燃焼であるか否かを判定する。その結果、ＦＣｍｂが０であると判定された場合には、Ｓ６４に進み、それ以外の場合（即ち、ＦＣｍｂ＝２）には、Ｓ６７に進む。
【００５９】
Ｓ６４〜６６とＳ６７〜６９とは、それぞれ目標ＥＧＲ率ＴＭＥＧＲ、ＣＯ2濃度補正係数ＫＣＯ2及び排圧・排温補正係数ＫＰｅを算出するステップであるが、これらは、燃焼状態により算出方法が異なる。以下、まず、成層燃焼の場合（Ｓ６４〜６６）について説明した後、続いて均質ストイキ燃焼の場合（Ｓ６７〜６９）について説明する。
【００６０】
Ｓ６４では、エンジン回転数Ｎｅと目標トルクＴＴＣとを基に、マップから目標ＥＧＲ率ＴＭＥＧＲを求める。ＴＭＥＧＲは、図の矢印方向に向かって大きく設定される。
【００６１】
Ｓ６５では、エンジン回転数Ｎｅと目標トルクＴＴＣとを基に、マップからＣＯ2濃度補正係数ＫＣＯ2を求める。成層燃焼運転時では、Ｎｅ、ＴＴＣ、及び目標燃空比ＴＦＢＹＡに応じて、燃焼により燃焼室内に発生するＣＯ2の濃度分布が変化することから、ＥＧＲガス中のＣＯ2濃度が変化する。このため、本ステップにおいて、Ｎｅ及びＴＴＣに応じて、ＫＣＯ2を求めるのである。Ｎｅ及びＴＴＣに対するＫＣＯ2の傾向は、燃焼室内及び排気系におけるガス流動の形態に応じて異なるが、例えば、図に示すような傾向であり、矢印方向に向かって大きく設定される。
【００６２】
Ｓ６６では、エンジン回転数Ｎｅと目標トルクＴＴＣとを基に、マップから排圧・排温補正係数ＫＰｅを求める。ＫＰｅは、吸排差圧及び排気温度に起因するＥＲＧガス密度変化を補正するための係数であり、目標新気量Ｑと換算ＥＧＲ流量ＱＥＧＲとの比がスロットル弁５とＥＧＲバルブ３２との開口面積比と等しくなるように、設定される。例えば、図に示すような傾向を有し、矢印方向に向かって大きく設定される。
【００６３】
次に、均質ストイキ燃焼の場合について説明する。Ｓ６７では、エンジン回転数Ｎｅと目標トルクＴＴＣとを基に、上記Ｓ６４のものとは異なるマップから、目標ＥＧＲ率ＴＭＥＧＲを求める。
【００６４】
Ｓ６８では、ＣＯ2濃度補正係数ＫＣＯ2を求める。均質燃焼時では、ＥＧＲガス中のＣＯ2濃度は、エンジン回転数Ｎｅ及び目標トルクＴＴＣによらずほぼ一定であるので、ここでは、ＫＣＯ2を１に設定する。
【００６５】
Ｓ６９では、エンジン回転数Ｎｅと目標トルクＴＴＣとを基に、上記Ｓ６６のものとは異なるマップから、排圧・排温補正係数ＫＰｅを求める。成層燃焼運転時と均質ストイキ燃焼運転時とでは、同じＮｅ及びＴＴＣであっても、排圧や排気温度が異なるためである。
【００６６】
図７のＳ４２では、目標新気量Ｑに換算ＥＧＲ流量ＱＥＧＲを加えて、換算総吸気量Ｑａｌｌ（＝Ｑ＋ＱＥＧＲ）を算出する。Ｓ４３では、Ｑａｌｌをエンジン回転数Ｎｅで除したものに、単位換算のための係数Ｃを乗じて、目標総開口面積ＴＡＡ（＝Ｑａｌｌ／Ｎｅ×Ｃ）を算出する。
【００６７】
Ｓ４４では、目標新気量Ｑ、換算ＥＧＲ流量ＱＥＧＲ、換算総吸気量Ｑａｌｌ及び目標総開口面積ＴＡＡを基に、目標スロットル開度ＴＶＯ（＝ＴＡＡ×Ｑ／Ｑａｌｌ）と、目標ＥＧＲバルブ開度ＴＡＥＧＲ（＝ＴＡＡ×ＱＥＧＲ／Ｑａｌｌ）とを算出する。
【００６８】
以上のようにしてスロットル弁５及びＥＧＲバルブ３２が制御されることにより、排気ガスの一部が運転条件に応じて排気ポート２０ａから吸気系に還流され、ＮＯｘ生成量が低減される。
【００６９】
図９は、成層燃焼運転時における燃焼直後の燃焼室内のＣＯ2濃度の分布傾向を表している。
前述のようにして燃焼方式として成層燃焼が選択された場合（即ち、燃焼フラグＦＣｍｂ＝０）には、点火栓１５近傍の混合気のみが燃焼に寄与することができ、その周辺の混合気は稀薄な状態であって、燃焼に寄与することができない。このため、燃焼直後の燃焼室内のＣＯ2濃度分布は、図示のように、点火栓１５周りが高く、さらにその周りは低くなる。
【００７０】
このようなＣＯ2濃度の分布傾向は、排気弁１６が開いて排気が開始された後も、およそ維持される。すなわち、排気弁１６が開くと、まず、排気弁１６近傍のＣＯ2濃度の低い排気ガスが燃焼室から排出され、さらに燃焼に寄与して生成されたＣＯ2濃度の高い排気ガスが続き、最後に排気弁１６から遠い位置にあるＣＯ2濃度の低い排気ガスが排出されることとなる。従って、燃焼室から排気通路１７に排出される排気ガス中のＣＯ2濃度は、図１０に示すような傾向で変化する。
【００７１】
図１１は、図４に示す各排気弁開期間（１）〜（３）における排気状況（排気ガス流量及び排気ガス中のＣＯ2濃度）を表している。
排気初期（１）では、第２の排気弁１６ｂのみが駆動され、第１の排気弁１６ａは閉位置に保持されている。このため、燃焼室内の排気ガスは、第２の排気弁１６ｂを介して、排気通路１７ｂに流入する。この時の排気ポート２０ｂ内の排気ガス中のＣＯ2濃度は、低い。
【００７２】
排気中期（２）になると、第１の排気弁１６ａも駆動され、排気ガスは、両方の排気通路１７ａ及び１７ｂに流入する。前述のように、この時の第１の排気弁１６ａのリフト量は、第２の排気弁１６ｂのリフト量よりも大きくなるため、排気ポート２０ａの開口部の最少面積は、排気ポート２０ｂの開口部の最少面積よりも大きくなる。これにより、第２の排気通路１７ｂへの排気ガス流量よりも、第１の排気通路１７ａへの排気ガス流量のほうが大きくなり、排気初期（１）に排出されたＣＯ2濃度の低い排気ガスが下流の排気通路集合部を経由して、排気ポート２０ａ内を逆流し、ＥＧＲガスのＣＯ2濃度を減少させるのを防止することができる。また、作動角縮小に伴う排気効率の低下を防ぐこともできる。
【００７３】
また、排気中期（２）では、排気ポート２０ａ，２０ｂ内の排気ガス中のＣＯ2濃度は高くなっており、排気ポート２０ａ内を流れる排気ガスの一部は、ＥＧＲ通路３１に導かれて、ＥＧＲに利用される。第１の排気弁１６ａは、第２の排気弁１６ｂの閉時期より早くに閉弁する。
【００７４】
排気後期（３）では、第１の排気弁１６ａは、閉位置に保持される。このため、燃焼室内の排気ガスは、排気初期（１）の場合と同様に、第２の排気弁１６ｂを介して排気通路１７ｂに流入する。この時の排気ポート２０ｂ内の排気ガス中のＣＯ2濃度は、再び低くなる。
【００７５】
本発明によれば、以上のようにして、成層燃焼運転時においてＣＯ2濃度の高い排気ガスのみを積極的に排気ポート２０ａ内に取り込むことができる。そして、この排気ポート２０ａからＥＧＲガスを得ることとしたので、成層燃焼運転時でもＥＧＲガス中のＣＯ2濃度を高く保ち、比較的小さなＥＧＲ流量であっても大きなＥＧＲ効果を得ることができる。
【００７６】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
図１２は、本実施形態に係るエンジン１００の構造を示す概略図である。前述のエンジン１と同一の構成部分については、図２における符号と同一の符号を付している。
【００７７】
エンジン１００は、エンジン１に対して、さらに排気側カム１９の作動角可変機構６１を追加したものである。作動角可変機構６１は、本発明の第１のバルブタイミング可変手段を構成し、第１の排気弁１６ａに対するカムプロフィールのみが可変であり、第２の排気弁１６ｂに対するカムプロフィールは固定されている。作動角可変機構６１は、第１の排気弁１６ａのリフトカーブを連続的に変化させることができる。
【００７８】
しかし、これとは逆に、第２の排気弁１６ｂに対するカムプロフィールのみを可変としたり、または第１及び第２の排気弁１６ａ，１６ｂに対する両方のカムプロフィールを可変としてもよい。この場合の作動角可変機構６１は、本発明の第２のバルブタイミング可変手段を構成する。
【００７９】
また、作動角に加えて、リフト量を可変とすることも可能である。
図１３は、排気弁１６（ここでは、第１の排気弁１６ａ）の作動角制御ルーチンのフローチャートである。本実施形態における燃焼方式選択ルーチンや、ＥＧＲ制御ルーチンは、第１の実施形態のものと同様であってよいので、ここでの説明は省略する。以下、図１３を参照して説明する。
【００８０】
まず、Ｓ８１では、各種制御情報を読み込む。
Ｓ８２では、燃焼フラグＦＣｍｂが０であるか、すなわち、選択された燃焼方式が成層燃焼であるか否かを判定する。その結果、燃焼フラグＦＣｍｂが０であると判定された場合には、Ｓ８３に進んで、エンジン回転数Ｎｅと、目標トルクＴＴＣとに対応させて割り付けられたマップから、排気弁１６ａの目標バルブ作動角を設定する。これは、図の矢印方向に向かって大きく設定され、Ｎｅの増大に伴い、そして特にＴＴＣの増大に伴って大きく設定される。
【００８１】
例えば、運転条件が領域Ａにある場合には、第１及び第２の排気弁１６ａ，１６ｂのリフトカーブは、それぞれ図１４（ａ）に示すプロフィールＰｒａ２，Ｐｒｂ２のようになり、第１の排気弁１６ａの開時期は、第２の排気弁１６ｂの開時期より遅く設定され、また第１の排気弁１６ａの閉時期は、第２の排気弁１６ｂの閉時期より早く設定される。これにより、点火栓１５近傍において集中的に生成されるＣＯ2濃度の高い排気ガスを、第１の排気ポート２０ａ内に積極的に取り込むことができる。
【００８２】
これに対して、運転条件が領域Ｂにある場合には、図１４（ｂ）示すように、第１の排気弁１６ａのリフトカーブを、第２の排気弁１６ｂのリフトカーブに一致させる。これにより、燃焼室内のＣＯ2濃度がほぼ均一となる運転条件において、他性能への影響、例えば高負荷高回転域での排気弁作動角不足による排気効率の低下を防止することができる。
【００８３】
一方、Ｓ８２の判定結果が否定的、すなわち、選択された燃焼方式が均質燃焼（均質リーン燃焼又は均質ストイキ燃焼）であると判定された場合には、上記と同様の理由から、第１の排気弁１６ａのリフトカーブを、第２の排気弁１６ｂのリフトカーブに一致させる。
【００８４】
図１５は、成層燃焼運転時における燃焼直後の燃焼室内のＣＯ2濃度の分布傾向を、負荷の違い（高低）に分けて表したものである。また、図１６は、負荷が低い場合と高い場合とにおける排気弁１６ａ，１６ｂの作動角を、燃焼室から排出される排気ガス中のＣＯ2濃度の時間変化に対応させて示したものである。
【００８５】
低負荷側、すなわち、燃料噴射量が少ない場合には、図１５（ａ）に示すように、ＣＯ2濃度の高い部分は点火栓１５近傍のごく狭い範囲内に限られ、その周辺に形成されるＣＯ2濃度の低い部分の占める割合が大きくなる。このため、排気ガス中のＣＯ2濃度の時間変化は、図１６（ａ）のように一時的なピークを形成するので、ＥＧＲガスのＣＯ2濃度を高く維持するには、第１の排気弁１６ａの作動角を狭めた方がよい。
【００８６】
一方、高負荷側、すなわち、燃料噴射量が多い場合には、図１５（ｂ）に示すように、ＣＯ2濃度の高い部分は点火栓１５周りの比較的広い範囲に拡大するため、排気ガス中のＣＯ2濃度は、図１６（ｂ）のように高濃度値をある程度の時間維持する。従って、第１の排気弁１６ａの作動角を比較的広くとったとしても、ＥＧＲガス中のＣＯ2濃度を高く維持することができる。
【００８７】
以上のように、排気弁１６ａのバルブタイミングを運転条件に応じて連続的に可変とすることで、ＥＧＲガス中のＣＯ2濃度を常に高い状態に保つことができ、また均質燃焼との間の排気弁作動角切換え段差による運転性への悪影響も防ぐことができる。
【００８８】
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。
図１７は、本実施形態に係るエンジン２００の構造を示す概略図である。前述のエンジン１と同一の構成部分については、図２における符号と同一の符号を付している。
【００８９】
エンジン２００は、エンジン１と同様のエンジンにおいて、吸排気弁８，１６の動弁装置として、カム式の機構に代えて、電磁駆動式の機構（電磁アクチュエータ７１，７２）を設けたものである。これにより、排気弁１６ａ，１６ｂのバルブタイミング及びリフト量を、任意に可変設定することができる。
【００９０】
図１８は、エンジン２００の排気弁１６ａ，１６ｂの成層燃焼運転時におけるリフトカーブの一例を示しており、プロフィールＰｒａ３は第１の排気弁１６ａに、またプロフィールＰｒｂ３は第２の排気弁１６ｂに対応する。このように、成層燃焼運転時に、燃焼室からＣＯ2濃度の高い排気ガスが排出されるタイミングにあわせて第１の排気弁１６ａを開き、これとともに第２の排気弁１６ｂのリフト量を小さくすることも可能である。
【００９１】
なお、ここでは、吸気弁８及び排気弁１６の両方を電磁駆動する例を示しているが、これらのうち一方のみを電磁駆動し、他方はカムにより駆動することとしてもよい。
【００９２】
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。
図１９は、本実施形態に係るエンジン３００の構造を示す平面図である。前述のエンジン１と同一の構成部分については、図２における符号と同一の符号を付している。
【００９３】
このように、燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁８１の噴射方向を、第１の排気ポート２０ａの開口部（排気弁）に向けて設定し、この開口部近傍に燃焼に寄与することのできる混合気を集中させる。これにより、燃焼に寄与して生成されたＣＯ2濃度の高い排気ガスを、第２の排気ポート２０ｂよりも、第１の排気ポート２０ａ内に多量に取り込むことができる。
【００９４】
ここに、燃料噴射弁８１は、本発明の排気ガス分離手段を構成する。
以上に説明したように、本発明によれば、成層燃焼運転時において、ＥＧＲガス中のＣＯ2濃度を従来よりも高めることができる。
【００９５】
これにより、ＥＧＲ流量に対するＥＧＲ効果がこれまで以上に高められ、成層燃焼運転時におけるＥＧＲバルブ開度をこれまでよりも小さく設定することできるようになるので、成層燃焼運転領域の拡大や、ＥＧＲ装置の低流量化を図ることができる。
【００９６】
さらに、成層／均質燃焼切換え時におけるＥＧＲバルブ目標開度差が縮小されるので、上記切換え時におけるＥＧＲ制御の応答性を向上することができ、ＥＧＲ目標追従性の悪化に起因するＮＯｘ生成量の増大や、燃焼悪化を抑制することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の構成を示すブロック図
【図２】本発明の第１の実施形態に係る内燃機関の構成を概略示す断面図
【図３】同上内燃機関の平面図
【図４】同上内燃機関の排気弁のリフトカーブを示す図
【図５】燃焼方式選択ルーチンのフローチャート
【図６】ＥＧＲ制御ルーチンのフローチャート
【図７】ＥＧＲバルブ目標開度演算ルーチンのフローチャート
【図８】換算ＥＧＲ流量演算ルーチンのフローチャート
【図９】成層燃焼運転時における燃焼直後の燃焼室内のＣＯ2濃度の分布傾向を示す図
【図１０】成層燃焼運転時に燃焼室から排出される排気ガス中のＣＯ2濃度の時間変化を示す図
【図１１】成層燃焼運転時における排気状況の推移を示す図
【図１２】本発明の第２の実施形態に係る内燃機関の構成を概略示す断面図
【図１３】目標バルブ作動角設定ルーチンのフローチャート
【図１４】同上ルーチンにより設定される排気弁の２種類のリフトカーブを示す図
【図１５】ＣＯ2濃度分布の目標トルクに応じた変化傾向を示す図
【図１６】排気ガス中のＣＯ2濃度の時間変化及び排気弁作動角の目標トルクに応じた変化傾向を示す図
【図１７】本発明の第３の実施形態に係る内燃機関の構成を概略示す断面図
【図１８】同上内燃機関の排気弁のリフトカーブの一例を示す図
【図１９】本発明の第４の実施形態に係る内燃機関の作用を示す図
【符号の説明】
１…エンジン
２…吸気通路
４…エアフローメータ
５…スロットル弁
６…コレクタ
７…吸気ポート
８…吸気弁
９…シリンダ
１１…吸気側カム
１４…燃料噴射弁
１５…点火栓
１６…排気弁
１７…排気通路
１９…排気側カム
２０…排気ポート
３１…ＥＧＲ通路
３２…ＥＧＲバルブ
４１…電子制御ユニット
６１…排気側作動角可変機構
７１…吸気側電磁アクチュエータ
７２…排気側電磁アクチュエータ
【図１】
0003617419.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
0003617419.tif 000014
【図１４】
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【図１５】
0003617419.tif 000016
【図１６】
0003617419.tif 000017
【図１７】
0003617419.tif 000018
【図１８】
0003617419.tif 000019
【図１９】
0003617419.tif 000020