(57)【要約】【課題】着火時期の制御性および燃焼騒音を良好にしながら、より確実に適切な予混合圧縮着火燃焼を実現することのできる予混合圧縮着火式エンジンを提供する。【解決手段】燃焼室６のうち点火装置２３の電極部２３ａを含む第１領域Ｒ１の混合気Ｇ１が点火エネルギーを受けて燃焼した後、第１領域Ｒ１の外周側に位置する第２領域Ｒ２に形成された混合気Ｇ２が自着火するＳＩ＋ＣＩ燃焼が起きるように制御するとともに、ＳＩ＋ＣＩ燃焼の実行領域において、点火時期における第１領域Ｒ１内の混合気の空燃比を理論空燃比以上とし、ＳＩ＋ＣＩ燃焼の実行領域のうち高速領域Ａ２＿２では、点火時期における燃焼室内に生じる吸気流動の旋回数をエンジン回転数で割った値を低速領域Ａ２＿１よりも弱くする。【選択図】図９
2018087523.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室が形成された気筒を有するエンジン本体を備え、所定の条件下において前記燃焼室内で燃料と空気の混合気を自着火させる予混合圧縮着火式エンジンであって、
前記燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射装置と、
前記燃焼室の中央を臨み前記燃焼室内の混合気を点火して当該混合気に点火エネルギーを付与する電極部を備えた点火装置と、
前記燃焼室内の吸気の流動の強さを変更可能な吸気流動変更機構と、
エンジン本体の少なくとも一部の運転領域で、前記燃焼室のうち前記点火装置の電極部を含む第１領域に形成された混合気が前記点火装置から付与された点火エネルギーを受けて燃焼し、その後、前記燃焼室のうち前記第１領域の外周側に位置する第２領域に形成された混合気が自着火するＳＩ＋ＣＩ燃焼が起きるように、前記点火装置および前記燃料噴射装置を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、
前記ＳＩ＋ＣＩ燃焼の実行領域では、前記点火手段の点火時期における前記第１領域内の混合気の空燃比が理論空燃比以上となるように前記燃料噴射手段を制御するとともに、
前記ＳＩ＋ＣＩ燃焼の実行領域のうちエンジン回転数が基準回転数以上の高速領域では、前記点火時期において、前記ＳＩ＋ＣＩ燃焼の実行領域のうちエンジン回転数が前記基準回転数未満の低速領域に比べて、前記燃焼室内に生じる吸気流動の旋回数をエンジン回転数で割った値が小さくなるように前記吸気流動変更機構を制御することを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。
【請求項２】
請求項１に記載の予混合圧縮着火式エンジンにおいて、
前記吸気流動変更機構は、前記吸気弁の閉弁時期を変更可能であり、
前記制御手段は、前記高速領域では、前記吸気弁の閉弁時期が吸気下死点よりも進角側且つ前記低速領域での前記吸気弁の閉弁時期よりも進角側になるように、前記吸気流動変更機構を制御することを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。
【請求項３】
請求項１または２に記載の予混合圧縮着火式エンジンにおいて、
前記制御手段は、前記高速領域において、前記吸気弁の閉弁時期がクランク角で吸気下死点前１５度以上吸気下死点前５５度以下の角度になるように、前記吸気流動変更機構を制御することを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼室が形成された気筒を有するエンジン本体を備え、所定の条件下において前記燃焼室内で燃料と空気の混合気を自着火させる予混合圧縮着火式エンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ガソリンエンジン等において、予め混合された燃料と空気の混合気を燃焼室内で自着火させるいわゆる予混合圧縮着火燃焼を実施することが検討されている。
【０００３】
予混合圧縮着火燃焼では、圧縮比を高めることができること等に伴い熱効率を高めることができる一方、燃焼室内の各所において混合気が同時に燃焼を開始することで燃焼室内の圧力すなわち筒内圧が急激に上昇して燃焼騒音が悪化するという問題がある。また、燃焼の開始時期すなわち着火時期が燃焼室内の温度等によって変化しやすく、着火および燃焼時期を適切に制御するのが難しいという問題がある。
【０００４】
これに対して、例えば、特許文献１には、燃料を前段噴射と後段噴射とに分けて燃焼室内に噴射するとともに、これら前段噴射と後段噴射との間に混合気に点火を行うように構成されたエンジンが開示されている。
【０００５】
特許文献１のエンジンによれば、点火によって生じた火炎伝播燃焼によって混合気の温度を高めて混合気の自着火を開始させることができるため、点火時期を調整することによって着火時期を適切に制御することができるとともに、前段噴射により形成された混合気と後段噴射により形成された混合気の燃焼を異なるタイミングで開始させることができ、筒内圧の急上昇を抑えて燃焼騒音の悪化を抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−２４１５９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１のように、火炎伝播燃焼によって混合気の温度を高めることでこれを自着火させるエンジンでは、火炎伝播燃焼によって確実に混合気の温度を高める必要がある。
【０００８】
しかしながら、エンジン回転数が高い運転領域では燃焼室内の吸気の流動が大きくなり、火炎が吹き消されて混合気を適切に自着火燃焼させることができないおそれがある。
【０００９】
本発明は、前記のような事情に鑑みてなされたものであり、着火時期の制御性および燃焼騒音を良好にしながら、より確実に適切な予混合圧縮着火燃焼を実現することのできる予混合圧縮着火式エンジンを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決するために、本発明は、燃焼室が形成された気筒を有するエンジン本体を備え、所定の条件下において前記燃焼室内で燃料と空気の混合気を自着火させる予混合圧縮着火式エンジンであって、前記燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射装置と、前記燃焼室の中央を臨み前記燃焼室内の混合気を点火して当該混合気に点火エネルギーを付与する電極部を備えた点火装置と、前記燃焼室内の吸気の流動の強さを変更可能な吸気流動変更機構と、エンジン本体の少なくとも一部の運転領域で、前記燃焼室のうち前記点火装置の電極部を含む第１領域に形成された混合気が前記点火装置から付与された点火エネルギーを受けて燃焼し、その後、前記燃焼室のうち前記第１領域の外周側に位置する第２領域に形成された混合気が自着火するＳＩ＋ＣＩ燃焼が起きるように、前記点火装置および前記燃料噴射装置を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記ＳＩ＋ＣＩ燃焼の実行領域では、前記点火手段の点火時期における前記第１領域内の混合気の空燃比が理論空燃比以上となるように前記燃料噴射手段を制御するとともに、前記ＳＩ＋ＣＩ燃焼の実行領域のうちエンジン回転数が基準回転数以上の高速領域では、前記点火時期において、前記ＳＩ＋ＣＩ燃焼の実行領域のうちエンジン回転数が前記基準回転数未満の低速領域に比べて、前記燃焼室内に生じる吸気流動の旋回数をエンジン回転数で割った値が小さくなるように前記吸気流動変更機構を制御することを特徴とする予混合圧縮着火式エンジンを提供する（請求項１）。
【００１１】
この構成では、ＳＩ＋ＣＩ燃焼実行領域において、点火手段の電極部を含む第１領域に形成された混合気を点火によって強制的に燃焼させて火炎伝播を生じさせ、この火炎伝播により燃焼室内の温度を高めることで周囲（第２領域）の混合気を自着火燃焼させている。そのため、点火時期の調整によって混合気の着火時期を適切な時期に制御することができる。
【００１２】
しかも、ＳＩ＋ＣＩ燃焼実行領域において、第１領域に形成される混合気の空燃比を理論空燃比以上としており、このように理論空燃比またはこれよりもリーンな混合気を第１領域に形成することにより、第１領域に形成される混合気の火炎伝播燃焼を緩慢にできるとともに、これによって燃焼室内の温度および圧力の急上昇を抑制してその後の圧縮自着火燃焼も緩慢にすることができ、燃焼騒音を小さく抑えることができる。
【００１３】
ただし、このように混合気の空燃比をリーンにすることは火炎の伝播にとって不利であり、燃焼室内での吸気の流動が強い場合には火炎が吹き消されやすくなる。これに対して、本発明では、エンジン回転数が高いことに伴って吸気の流動が強くなりやすい高速領域において、燃焼室内の吸気の旋回数をエンジン回転数で割った値（いわゆるタンブル比）が、低速領域よりも小さくなるようにして、吸気の旋回数すなわち吸気の流動がエンジン回転数の増大に伴って強くなるのを抑制している。そのため、混合気の空燃比をリーンとしながら、火炎が吹き消されるのをより確実に抑制することができ、燃焼騒音を小さくしながら火炎伝播燃焼およびその後の自着火燃焼をより確実に実現することができる。
【００１４】
前記構成において、前記吸気流動変更機構は、前記吸気弁の閉弁時期を変更可能であり、前記制御手段は、前記高速領域では、前記吸気弁の閉弁時期が吸気下死点よりも進角側且つ前記低速領域での前記吸気弁の閉弁時期よりも進角側になるように、前記吸気流動変更機構を制御するのが好ましい（請求項２）。
【００１５】
この構成によれば、吸気弁の閉弁時期を変更するという簡単な構成で高速領域において燃焼室内の吸気の流動を小さくすることができる。
【００１６】
具体的には、仮に吸気弁の閉弁時期を吸気下死点よりも遅角側にすると、吸気下死点後、ピストンの上昇に伴って燃焼室内の吸気が吸気ポートに向かって勢いよく流れ込むことで、燃焼室内の吸気の流動が大きくなる。そのため、吸気弁の閉弁時期を吸気下死点よりも進角側とすれば、燃焼室内の吸気の流動を小さくすることができる。また、吸気弁の閉弁時期を進角側にすれば、吸気弁が閉弁してから点火時期までの時間すなわち燃焼室内において吸気の流れが安定するまでの長くすることができる。そのため、吸気弁の閉弁時期を、吸気下死点よりも進角側で且つより進角側（低速領域の閉弁時期よりも進角側）にすれば、燃焼室内の吸気の流動をより確実に小さくすることができる。
【００１７】
なお、吸気弁の閉弁時期をこのように進角側にすると、吸気弁の閉弁時期から吸気下死点までの間に筒内圧すなわち燃焼室内の圧力が低下することで、燃焼室内のガスの温度が低くなって当該ガスの燃焼室の壁面からの受熱量が多くなり、圧縮上死点付近における燃焼室内の混合気が高くなりやすくなる。そして、低速領域では、高速領域よりもこの受熱時間が長くなるため、圧縮上死点付近における混合気の温度がより上昇して混合気が過早自着火しやすくなる（想定している時期よりも早いタイミングで自着火しやすくなる）。そのため、低速領域では、吸気弁の閉弁時期をより遅角側（高速領域の閉弁時期よりも遅角側）にすることでこれを抑えることができ、混合気を適切に圧縮自着火燃焼させることができる。
【００１８】
前記構成において、高速領域における吸気弁の閉弁時期としては、例えば、クランク角で吸気下死点前５５度以上吸気下死点前５５度１５度以下の角度が挙げられる（請求項３）。
【発明の効果】
【００１９】
以上説明したように、本発明の予混合圧縮着火式エンジンによれば、着火時期の制御性および燃焼騒音を良好にしながら、より確実に適切な予混合圧縮着火燃焼を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】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。
【図２】エンジン本体の概略断面図である。
【図３】エンジンの制御系統を示すブロック図である。
【図４】制御マップを示した図である。
【図５】低負荷領域の燃料噴射パターンと熱発生率を示した概略図である。
【図６】燃焼室の概略断面図である。
【図７】中負荷領域の燃料噴射パターンと点火時期と熱発生率とを示した概略図である。
【図８】中負荷領域における混合気の形成手順を説明するための図であり、（１）〜（４）は互いに異なる時点での燃焼室内の状態を示している。
【図９】中負荷領域におけるエンジン回転数と吸気弁の閉弁時期との関係を示した図である。
【図１０】低速中負荷領域および高速中負荷領域での吸気弁のバルブリフトの一例を示した図である。
【図１１】吸気弁の閉弁時期を吸気下死点よりも遅角側としたときの燃焼室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。
【図１２】吸気弁の閉弁時期を吸気下死点よりも進角側としたときの燃焼室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。
【図１３】吸気弁の閉弁時期を吸気下死点よりも遅角側としたときの燃焼室内の乱れエネルギーの様子を示した図である。
【図１４】吸気弁の閉弁時期を吸気下死点よりも進角側としたときの燃焼室内の乱れエネルギーの様子を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１は、本発明の予混合圧縮着火エンジンが適用されるエンジンシステムの構成を示す図である。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で生成された排気を排出するための排気通路４０とを備える。
【００２２】
エンジン本体１は、例えば、４つの気筒２が図１の紙面と直交する方向に直列に配置された直列４気筒エンジンである。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。本実施形態では、エンジン本体１は、ガソリンを含む燃料の供給を受けて駆動される。なお、燃料は、バイオエタノール等を含むガソリンであってもよい。
【００２３】
（１）エンジン本体
図２は、エンジン本体１の概略断面図である。
【００２４】
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（上下動）可能に嵌装されたピストン５とを有する。
【００２５】
ピストン５の上方には燃焼室６が形成されている。燃焼室６はいわゆるペントルーフ型であり、シリンダヘッド４の下面で構成される燃焼室６の天井面６ａ（以下、単に、燃焼室天井面６ａという）は吸気側および排気側の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５ａ（以下、単に、ピストン冠面５ａという）には、その中心部を含む領域をシリンダヘッド４とは反対側（下方）に凹ませたキャビティ１０が形成されている。なお、ここでは、ピストン５の位置や混合気の燃焼状態によらず気筒２の内側空間のうちピストン冠面５ａと燃焼室天井面６ａとの間の空間を、燃焼室６という。
【００２６】
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６の容積とピストン５が上死点にあるときの燃焼室６の容積との比は、１６以上３５以下（例えば２０程度）に設定されている。
【００２７】
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（燃焼室６）内に導入するための吸気ポート１６と、気筒２内で生成された排気を排気通路４０に導出するための排気ポート１７とが形成されている。これら吸気ポート１６と排気ポート１７とは、気筒２毎にそれぞれ２つずつ形成されている。
【００２８】
シリンダヘッド４には、各吸気ポート１６の気筒２側の開口をそれぞれ開閉する吸気弁１８と、各排気ポート１７の気筒２側の開口をそれぞれ開閉する排気弁１９とが設けられている。
【００２９】
吸気弁１８および排気弁１９は、それぞれ吸気弁駆動機構２０および排気弁駆動機構２１によって駆動される。吸気弁駆動機構２０には、吸気弁１８の閉弁時期を変更可能な吸気閉弁時期変更機構（吸気流動変更機構）２０ａが組み込まれている。本実施形態では、吸気弁閉弁時期変更機構２０ａは、吸気弁１８の開弁時期を所定の時期に固定した状態で吸気弁１８のバルブリフト量を連続的に変更できるようになっており、このバルブリフト量を変更することで吸気弁１８の閉弁時期（以下、適宜、吸気閉弁時期という）を変更する。
【００３０】
シリンダヘッド４には、燃料を噴射するインジェクタ（燃料噴射装置）２２が設けられている。インジェクタ２２は、噴射口が形成された先端部が燃焼室天井面６ａの中央付近に位置して燃焼室６の中央を臨むように取り付けられている。インジェクタ２２は、燃焼室天井面６ａの中央付近からピストン冠面５ａに向かって、気筒２の中心軸を中心としたコーン状（詳しくはホローコーン状）に燃料を噴射するように構成されている。コーンのテーパ角（噴霧角）は、例えば９０°〜１００°である。
【００３１】
本実施形態では、インジェクタ２２として、外開式のインジェクタが用いられている。なお、インジェクタ２２は、前記のように気筒２の中心軸を中心としたコーン状に燃料を噴射可能なものであればどのような構成のものであってもよく、外開式に限らず、ＶＣＯ（Ｖａｌｖｅ  Ｃｏｖｅｒｅｄ  Ｏｒｉｆｉｃｅ）ノズルタイプのインジェクタや、先端部に複数の噴孔が設けられかつ所定の噴霧角で燃料を噴射するマルチホールタイプのインジェクタや、ホロ−コーン状に燃料を噴射するスワールインジェクタであってもよい。
【００３２】
シリンダヘッド４には、燃焼室６内の混合気を点火するための点火プラグ（点火装置）２３が設けられている。点火プラグ２３は、火花を放電して混合気に点火エネルギーを付与する電極が形成された電極部２３ａを有する。点火プラグ２３は、電極部２３ａが燃焼室天井面６ａの中央付近に位置して燃焼室６の中央を臨むように配置されている。
【００３３】
図１に戻り、吸気通路３０には、上流側から順に、エアクリーナ３１と、吸気通路３０を開閉するためのスロットルバルブ３２とが設けられている。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。
【００３４】
排気通路４０には、排気を浄化するための浄化装置４１が設けられている。浄化装置４１は、例えば、三元触媒を内蔵している。
【００３５】
排気通路４０には、排気通路４０を通過する排気の一部をＥＧＲガスとして吸気通路３０に還流するためのＥＧＲ装置４６が設けられている。ＥＧＲ装置４６は、吸気通路３０のうちスロットルバルブ３２よりも下流側の部分と排気通路４０のうち浄化装置４１よりも上流側の部分とを連通するＥＧＲ通路４７、および、ＥＧＲ通路４７を開閉するＥＧＲバルブ４８を有する。また、本実施形態では、ＥＧＲ通路４７に、これを通過するＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ４９が設けられており、ＥＧＲガスはＥＧＲクーラ４９にて冷却された後吸気通路３０に還流される。
【００３６】
（２）制御系統
（２−１）システム構成
図３は、エンジンの制御系統を示すブロック図である。図３に示すように、本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、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。
【００３７】
車両には各種センサが設けられており、ＰＣＭ１００はこれら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、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を通って各気筒２に吸入される空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。
【００３８】
ＰＣＭ１００は、これらセンサＳＮ１〜ＳＮ３等からの入力信号に基づいて種々の演算を実行して、点火プラグ２３、インジェクタ２２、スロットルバルブ３２、ＥＧＲバルブ４８、吸気閉弁時期変更機構２０ａ等のエンジンの各部を制御する。
【００３９】
本実施形態では、ＥＧＲバルブ４８は全運転領域において開弁され、全運転領域においてＥＧＲガスが吸気通路３０に還流される。
【００４０】
また、熱効率を高めるべく、点火プラグ２３の点火時期（点火プラグ２３が混合気を点火する時期）が、全運転領域において、熱発生率の重心、すなわち、燃焼室６に供給される燃料の全量（質量）の５０％が燃焼を完了するタイミングが、膨張行程となるように制御される。
【００４１】
また、本実施形態では、全運転領域において予混合圧縮着火燃焼（ＣＩ燃焼）が実施される。ただし、予混合圧縮着火燃焼を実現するための各種制御が運転領域に応じて異なっている。
【００４２】
図４は、横軸がエンジン回転数、縦軸がエンジン負荷の制御マップである。本実施形態では、制御領域として、エンジン負荷が予め設定された第１負荷Ｔｑ１未満の低負荷領域Ａ１と、エンジン負荷が第１負荷Ｔｑ１以上かつ第２負荷Ｔｑ２未満の中負荷領域Ａ２と、エンジン負荷が第２負荷Ｔｑ２以上の高負荷領域Ａ３とが設定されている。また、中負荷領域Ａ２が、エンジン回転数が予め設定された基準回転数Ｎ１未満の低速中負荷領域（低速領域）Ａ２＿１と、エンジン回転数が基準回転数Ｎ１以上の高速中負荷領域（高速領域）Ａ２＿２とに分けられている。以下に、各運転領域での制御内容について説明する。
【００４３】
（２−２）低負荷領域
図５は、低負荷領域Ａ１における燃料の噴射パターンおよび熱発生率ｄＱを概略的に示した図である。図５に示すように、低負荷領域Ａ１では、一括噴射Ｆ１０が行われ、１燃焼サイクルに燃焼室６に供給する燃料の全量が圧縮行程の前半にインジェクタ２２から燃焼室６に噴射される。なお、この噴射量（インジェクタ２２から噴射される燃料の量）は、アクセル開度等から算出されたエンジン負荷とエンジン回転数等から演算される。
【００４４】
このように、低負荷領域Ａ１では、燃料の全量が圧縮行程前半に燃焼室６内に噴射されて空気と混合される。そして、この混合気がピストン５の圧縮作用により昇温および昇圧することで圧縮上死点付近において自着火し、これにより、予混合圧縮着火燃焼が実現される。
【００４５】
（２−３）中負荷領域
中負荷領域Ａ２では、点火アシストによる予混合圧縮着火燃焼（ＳＩ＋ＣＩ燃焼）が実施される。すなわち、燃焼室６に形成された混合気に点火プラグ２３から放電を行い、点火プラグ２３周りの混合気を強制的に着火し、点火プラグ２３周りから火炎伝播を生じさせて燃焼室６内の混合気を昇温して、他の混合気を自着火させる。
【００４６】
中負荷領域Ａ２では、点火時期において、燃焼室６のうち点火プラグ２３の電極が形成された電極部２３ａを含む中央側領域（第１領域）Ｒ１に形成される第１混合気Ｇ１の空燃比と、燃焼室６のうち中央側領域Ｒ１よりも外周側の外周側領域（第２領域）Ｒ２に形成される第２混合気Ｇ２の空燃比とが異なるように制御される。
【００４７】
燃焼室６の概略断面図である図６に示すように、中央側領域Ｒ１は、気筒２の中心軸に沿う方向から見ておよそキャビティ１０が形成された領域であり、外周側領域Ｒ２は、キャビティ１０よりも気筒２の径方向の外側の領域である。
【００４８】
図７および図８を用いて詳しく説明する。図７は、中負荷領域Ａ２における、燃料噴射の噴射パターンと点火時期と熱発生率ｄＱとを概略的に示した図である。図８は、中負荷領域Ａ２における混合気の形成手順を説明するための図である。図８（１）〜（４）は、この順に時間が経過しており、図８の（１）は、吸気行程中の燃焼室６内の状態を、図８の（２）〜（４）は、圧縮行程中の燃焼室６内の状態を示している。
【００４９】
図８の（１）に示すように、インジェクタ２２は、まず、燃焼室６の全域に燃料を拡散させるための第１燃料噴射Ｆ２１を実施する。第１燃料噴射Ｆ２１は、吸気行程から圧縮行程前期までの期間内に実施される。なお、本明細書において圧縮行程等の○○行程の前期、中期、後期は、この行程を３等分したときの前期、中期、後期のことを指し、○○行程の前半、後半は、この行程を２等分したときの前半、後半のことを指す。
【００５０】
第１燃料噴射Ｆ２１の噴射量（第１燃料噴射Ｆ２１によって燃焼室６内に噴射された燃料の量）は、燃焼室６内の混合気の空燃比が理論空燃比よりもリーンになるように（混合気の空燃比Ａ／Ｆが理論空燃比よりも大きくなり、混合気の空気過剰率λがλ＞１となるように）設定される。すなわち、第１燃料噴射Ｆ２１の噴射量は、燃焼室６内の空気を理論空燃比で割った値よりも小さくされる。
【００５１】
図８の（２）に示すように、第１燃料噴射Ｆ２１の実施後しばらく後には、第１燃料噴射Ｆ２１により噴射された燃料は燃焼室６のほぼ全域に拡散し、燃焼室６には理論空燃比よりもリーンでほぼ均質な混合気が形成される。
【００５２】
次に、インジェクタ２２は、外周側領域Ｒ２に燃料を偏在させるための第２燃料噴射Ｆ２２を実施する。このとき、インジェクタ２２は、図８の（３）に示すように、インジェクタ２２から噴射された燃料がキャビティ１０の周縁部１０ｃと衝突するようなタイミングで燃料を噴射する。
【００５３】
図８の（３）に示すように、このように噴射された燃料はキャビティ１０の周縁部１０ｃへ至った後これに沿って燃焼室６の天井面６ａ側に向かい、キャビティ１０の外周側すなわち外周側領域Ｒ２に導入される。第２燃料噴射Ｆ２２は、例えば、圧縮行程中期（ＢＴＤＣ１２０°ＣＡからＢＴＤＣ６０°ＣＡまで）に実施される。
【００５４】
第２燃料噴射Ｆ２２の噴射量は、外周側領域Ｒ２の空燃比が理論空燃比となるような量とされる。すなわち、第２燃料噴射Ｆ２２の噴射量は、第１燃料噴射Ｆ２１によって形成された燃焼室６の混合気の空燃比を理論空燃比から差し引いた値に、外周側領域Ｒ２に存在する空気の量をかけた値に設定される。
【００５５】
この第２燃料噴射Ｆ２２によって、中負荷領域Ａ２では、図８の（４）に示すように、燃焼室６内が成層化される。すなわち、中央側領域Ｒ１に、第１燃料噴射Ｆ２１によって噴射された燃料と空気との混合気であって理論空燃比よりもリーンな混合気（第１混合気Ｇ１）が形成され、外周側領域Ｒ２に、第１燃料噴射Ｆ２１の燃料と第２燃料噴射Ｆ２２の燃料と空気との混合気であって理論空燃比となる混合気（第２混合気Ｇ２）が形成される。この成層状態は点火時期まで維持され、点火時期においても、中央側領域Ｒ１の混合気の空燃比は理論空燃比よりもリーンとなり、外周側領域Ｒ２の混合気の空燃比は理論空燃比となる。例えば、中負荷領域Ａ２では、中央側領域Ｒ１の混合気の空燃比は２０程度に制御される。
【００５６】
そして、圧縮上死点近傍で点火プラグ２３が点火を行う。図７に示すように、本実施形態では、圧縮上死点よりもわずかに進角側の時期で点火が行われる。
【００５７】
ここで、前記のように、点火プラグ２３の電極部２３ａは中央側領域Ｒ１内に配置されている。従って、図３に示すように、点火エネルギーは中央側領域Ｒ１に形成された第１混合気Ｇ１に供給され、第１混合気Ｇ１が火炎伝播燃焼（ＳＩ燃焼）を開始する。そして、この火炎伝播燃焼によって燃焼室６内が昇温され、外周側領域Ｒ２に形成された第２混合気Ｇ２が圧縮自着火燃焼（ＣＩ燃焼）する。
【００５８】
このように、中負荷領域Ａ２では、低速中負荷領域Ａ２＿１と高速中負荷領域Ａ２＿２とのいずれにおいても、前記のように燃焼室６内が成層化されつつ点火アシストによる圧縮自着火燃焼が実施される。
【００５９】
一方、低速中負荷領域Ａ２＿１と高速中負荷領域Ａ２＿２とでは、吸気弁１８の閉弁時期が異なるように制御される。具体的には、高速中負荷領域Ａ２＿２での吸気閉弁時期が、低速中負荷領域Ａ２＿１での吸気閉弁時期よりも進角側、かつ、吸気下死点よりも進角側とされる。
【００６０】
図９は、本実施形態における、中負荷領域でのエンジン回転数と吸気弁の閉弁時期との関係を示した図である。図１０は、クランク角に対する吸気弁１８のバルブリフトを示した図であり、この図１０には、所定のエンジン負荷における低速中負荷領域Ａ２＿１の吸気弁１８バルブリフトの一例を実線で、このエンジン負荷における高速中負荷領域Ａ２＿２のバルブリフトの一例を破線で示している。なお、図９では、基準回転数Ｎ１において、低速中負荷領域Ａ２＿１と高速中負荷領域Ａ２＿２とで吸気閉弁時期が不連続に切り替わる場合を示しているが、この図９に示した吸気閉弁時期は一例であって、例えば、基準回転数Ｎ１付近で、エンジン回転数に対して吸気閉弁時期が連続して変化するように設定されてもよい。また、図９では吸気閉弁時期がエンジン回転数に比例して変化する場合を例示しているが、各領域Ａ２＿１、Ａ２＿２において吸気閉弁時期はこのようにエンジン回転数に比例して変化しなくてもよい。
【００６１】
図９および図１０に示すように、本実施形態では、低速中負荷領域Ａ２＿１では、吸気閉弁時期は吸気下死点（ＢＤＣ）よりも遅角側とされる。一方、高速中負荷領域Ａ２＿２では、吸気閉弁時期は吸気下死点よりも進角側とされる。具体的には、高速中負荷領域Ａ２＿２の吸気閉弁時期は、ＢＢＤＣ（吸気下死点前）１５°ＣＡ以上ＢＢＤＣ５５°ＣＡ以下の範囲に設定される。
【００６２】
また、図９に示すように、本実施形態では、低速中負荷領域Ａ２＿１および高速中負荷領域Ａ２＿２のいずれにおいても、エンジン回転数が高くなるほど進角される。
【００６３】
なお、図１０に示すように、本明細書における吸気閉弁時期は、吸気弁１８が実質的に閉弁する時期、すなわち、吸気弁１８を介して吸気ポート１６と燃焼室６との間でガスの流通が停止する時期であり、バルブリフト量が０．３〜０．４ｍｍとなってバルブリフトのランプ部Ｒに到達する時期をいう。
【００６４】
（２−４）高負荷領域
高負荷領域Ａ３では、エンジン負荷が高く燃焼室６に供給される燃料量が非常に多いため、圧縮自着火燃焼を実施すると燃焼圧（燃焼時の筒内圧）が高くなって燃焼騒音が大きくなりやすい。
【００６５】
そこで、本実施形態では、高負荷領域Ａ３では、混合気全体を火炎伝播燃焼（ＳＩ燃焼）させる。すなわち、燃焼室６に形成された混合気に点火プラグ２３から放電を行い、点火プラグ２３周りの混合気を強制的に着火して点火プラグ２３周りから火炎伝播を生じさせる。そして、この火炎を燃焼室６全体に伝播させて燃焼室６内の混合気すべてを火炎伝播燃焼させる。
【００６６】
具体的には、高負荷領域Ａ３では、１燃焼サイクル中に燃焼室６に供給される燃料の全量Ｆ３１が吸気行程中にインジェクタ２２から燃焼室６に噴射される。そして、圧縮上死点付近で点火プラグ２３により混合気に点火が行われる。
【００６７】
（３）作用等
以上のように、本実施形態では、中負荷領域Ａ２において、点火アシストを行いつつ圧縮自着火燃焼（ＳＩ＋ＣＩ燃焼）を実施しており、点火時期を調整することで着火時期を適切な時期に制御することができる。すなわち、着火時期の制御性を高めることができるとともに、熱効率を高めることができる。
【００６８】
また、中負荷領域Ａ２において、中央側領域Ｒ１に形成される混合気の空燃比を理論空燃比よりもリーンとしている。そのため、中央側領域Ｒ１に形成される混合気の火炎伝播燃焼（ＳＩ燃焼）を緩慢にして、燃焼開始時の燃焼圧が急激に上昇するのを抑制することができる。また、火炎伝播燃焼（ＳＩ燃焼）に伴う燃焼室６内の温度の上昇を緩やかにすることができ、その後の圧縮自着火燃焼（ＣＩ燃焼）も緩慢にして、圧縮自着火燃焼（ＣＩ燃焼）に伴う燃焼圧の上昇を抑制することができる。従って、中負荷領域Ａ２であってエンジン負荷が比較的高くすべての混合気を単純に圧縮自着火燃焼（ＣＩ燃焼）させると燃焼騒音が高くなる領域において、燃焼騒音を小さく抑えつつ圧縮自着火燃焼（ＣＩ燃焼）を実現することができる。
【００６９】
一方で、このように中央側領域Ｒ１の混合気の空燃比をリーンにすると、点火により形成された火炎の周囲への伝播が難しくなる。これに対して、本実施形態では、高速中負荷領域Ａ２＿２において、吸気閉弁時期を吸気下死点よりも進角側であってより進角側の時期（低速中負荷領域Ａ２＿１の吸気閉弁時期よりも進角側）にしている。
【００７０】
そのため、高速中負荷領域Ａ２＿２において、点火プラグ２３の電極部２３ａで形成された火炎を周囲により確実に伝播させて、燃焼室６内の温度を適切に昇温し、外周側領域Ｒ２に存在する混合気を圧縮自着火燃焼させることができる。
【００７１】
図１１〜図１４を用いて具体的に説明する。図１１（ａ）〜（ｄ）吸気閉弁時期を吸気下死点よりも遅角側にしたときの、図１２（ａ）〜（ｄ）は吸気閉弁時期を吸気下死点よりも進角側にしたときの、それぞれ吸気の流れを概略的に示した図である。図１１および図１２において（ａ）〜（ｄ）はこの順に時間が経過している。図１３は吸気閉弁時期を吸気下死点よりも遅角側にしたときの、図１４は吸気閉弁時期を吸気下死点よりも進角側にしたときの、圧縮上死点付近における吸気の流れをそれぞれ解析した結果を示したものであり、色の濃い部分が、乱流エネルギーが高く吸気の流れが速いことを示している。なお、図１３および図１４は、それぞれエンジン回転数が基準回転数Ｎ１以上（３０００ｒｐｍ付近）のときの結果である。
【００７２】
図１１（ａ）および図１２（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、吸気ポート１１から燃焼室６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、燃焼室６内には、タンブル流が発生する。すなわち、燃焼室６内において、吸気は、吸気ポート１１からピストン冠面５ａに向かって下降した後、ピストン冠面５ａ付近から吸気側を通って上昇し、燃焼室６内には、上下方向（ピストン５の往復動方向）と直交するライン回りに旋回する旋回流（縦渦）が生じる。
【００７３】
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、ピストン５に押し上げられることで燃焼室６内の吸気の上向きの流れが強くなる。このとき、吸気弁１３が開弁している場合には、図１１（ｂ）に示すように、燃焼室６内の吸気が吸気ポート１１に戻ろうとすることで吸気の流れは特に強くなり吸気の旋回が促進される。すなわち、吸気下死点を超えて吸気弁１３が閉弁する場合は、吸気の旋回流が強くなって吸気の旋回数および旋回速度が大きくなる。
【００７４】
ここで、このピストン５の上昇に伴って吸気ポート１１に向かう吸気の勢いは、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速度およびエンジン回転数が高いほど強くなり、吸気の旋回速度および吸気の旋回数はエンジン回転速度およびエンジン回転数にそれぞれ比例して増大する。
【００７５】
従って、エンジン回転数が高いときに前記のように吸気閉弁時期を吸気下死点よりも遅角側にした場合には、図１１（ｃ）および図１３に示すように、圧縮上死点付近において、燃焼室６内に旋回速度および旋回数が大きく強い吸気流動が生成されることになる。そして、この強い吸気流動によって中央側領域Ｒ１で生じた火炎が吹き消され、火炎伝播燃焼が適切に実現されなくなり、燃焼室内の温度が十分に上昇せず外周側領域Ｒ２で混合気が適切に自着火しなくなる。
【００７６】
これに対して、吸気閉弁時期を吸気下死点よりも進角側にした場合は、図１２（ｂ）に示すように、吸気下死点を超えてピストン５が上昇したときに吸気弁１３が閉弁していることで、吸気ポート１１に向かう流れが弱められる。そのため、この場合には、図１２（ｃ）および図１４に示すように圧縮上死点付近における吸気の流動が弱くなり、燃焼室６内の吸気の旋回速度および旋回数は小さくなる。
【００７７】
従って、本実施形態では、前記のように高速領域Ａ２＿２であって、吸気閉弁時期を仮に吸気下死点よりも遅角側にするとエンジン回転数が高いことに伴って吸気の旋回速度および吸気の旋回数が大きくなってしまう運転条件において、吸気閉弁時期を吸気下死点よりも進角側にしていることで、圧縮上死点付近における吸気の流動を弱くし、燃焼室６内の吸気の旋回速度および旋回数を小さくすることができる。そして、これにより、外周側領域Ｒ２で混合気を適切に圧縮自着火燃焼させることができる。
【００７８】
ここで、前記のように、圧縮上死点付近において燃焼室６内に生成される吸気の旋回数は、基本的に（吸気弁の閉弁時期を同じとすると）エンジン回転数に比例して増大する。そのため、このように高速領域Ａ２＿２において吸気の流れを弱めて吸気の旋回数を小さくすれば、この吸気の旋回数をエンジン回転数で割った値であるタンブル比は、低速領域Ａ２＿１よりも小さくなる。換言すると、本実施形態では、このように、高速領域Ａ２＿２においてタンブル比を低速領域Ａ２＿１よりも小さくしている。
【００７９】
ただし、このように吸気閉弁時期を進角側にすると、吸気閉弁時期から吸気下死点までの間に筒内圧すなわち燃焼室内の圧力が低下することで、燃焼室内のガスの温度が低くなって当該ガスの燃焼室の壁面からの受熱量が多くなり、圧縮上死点付近における燃焼室内の混合気が高くなりやすくなる。そして、低速領域では、高速領域よりもこの受熱時間が長くなるため、圧縮上死点付近における混合気の温度がより上昇して混合気が過早自着火しやすくなる（想定している時期よりも早いタイミングで自着火しやすくなる）。これに対して、本実施形態では、燃焼室６内の吸気の流動が比較的弱く火炎が吹き消され難い低速中負荷領域Ａ２＿１では、吸気閉弁時期を遅角側（高速領域Ａ２＿２の吸気閉弁時期よりも遅角側）にしている。そのため、中負荷領域Ａ２全体での過早自着火、例えば、火炎伝播燃焼が開始される前に混合気が自着火してしまうのを抑制することができる。特に、本実施形態では、低速中負荷領域Ａ２＿１において吸気閉弁時期を吸気下死点よりも遅角側にしているため、より確実に過早自着火を防止することができ、混合気を適切に圧縮自着火燃焼させて、燃焼騒音や燃費性能等の悪化を防止することができる。
【００８０】
（４）変形例
前記実施形態では、中負荷領域Ａ２において中央側領域Ｒ２の混合気の空燃比を理論空燃比よりもリーンとした場合について説明したが、この空燃比を理論空燃比としてもよい。ただし、中央側領域Ｒ２の混合気の空燃比を理論空燃比よりもリーンとすれば、より確実に中央側領域Ｒ２での火炎伝播燃焼を緩慢にして燃焼騒音を小さくできる。また、この空燃比を理論空燃比とする場合には、燃焼騒音をより確実に小さく抑えるためにＥＧＲガスを還流させるようにするのがよい。
【００８１】
また、前記実施形態では、高速中負荷領域Ａ２＿２の吸気閉弁時期をＢＢＤＣ（吸気下死点前）１５°ＣＡ以上ＢＢＤＣ５５°ＣＡ以下の範囲に設定する場合について説明したが、前記吸気閉弁時期の具体的な値はこの範囲に限定されない。ただし、本願発明者らは、高速中負荷領域Ａ２＿２において吸気閉弁時期を前記範囲に設定すれば、要求されるエンジン出力を実現するのに必要な吸気の量を確保することができ、かつ、火炎の吹き消しが生じないことを突き止めた。従って、高速中負荷領域Ａ２＿２の吸気閉弁時期は前記範囲とされるのが好ましい。
【００８２】
また、前記実施形態では、高速中負荷領域Ａ２＿２において、吸気の流動を弱める手段として、吸気閉弁時期を進角側にする場合について説明したが、他の手段を用いて、点火時期における燃焼室６内の吸気の流動を弱めるようにしてもよい。例えば、次のような構成を用いてもよい。すなわち、２つの吸気ポートの径を異ならせて、低速中負荷領域Ａ２＿１では小径の吸気ポートから燃焼室６に吸気を導入し、高速中負荷領域Ａ２＿２では大径の吸気ポートから吸気を導入して高速中負荷領域Ａ２＿２の吸気の流速を小さくしてこれにより流動を弱めるという構成を用いてもよい。また、２つの吸気ポートまたはこれらに個別に接続される通路の長さを異ならせて、低速中負荷領域Ａ２＿１では、通路長が長く吸気脈動によって低いエンジン回転数で充填効率を高くできる方の吸気ポートまたは通路から燃焼室６に吸気を導入し、高速中負荷領域Ａ２＿２では両方の吸気ポートまたは通路から燃焼室６に吸気を導入し、これにより吸気の流速ひいては燃焼室６内での吸気の流動を弱めるという構成を用いてもよい。また、吸気ポート等に通気性を有する（吸気を通過させることが可能な）メッシュ状等のバルブ等を設けて、低速中負荷領域Ａ２＿１ではこのバルブを開弁させる一方、高速中負荷領域Ａ２＿２ではこのバルブを閉弁して吸気をこれに衝突させることで吸気の流速ひいては燃焼室６内での吸気の流動を弱めるという構成を用いてもよい。
【００８３】
また、前記実施形態では、中負荷領域Ａ２において外周側領域Ｒ２の混合気の空燃比ＡＦ＿Ｒ２を理論空燃比とした場合について説明したが、この空燃比はこれに限らない。ただし、外周側領域Ｒ２の混合気の空燃比を理論空燃比とすれば、この混合気をより確実に圧縮自着火燃焼させることができるとともに圧縮自着火燃焼時の燃え残りを抑制して排気性能を良好にすることができる。
【００８４】
また、前記実施形態では、全運転領域においてＥＧＲバルブ５２を開弁してＥＧＲガスを吸気通路３０に還流させる場合について説明したが、一部の領域でのみＥＧＲガスを還流させてもよい。また、ＥＧＲ装置４６を省略してもよい。ただし、中負荷領域Ａ２および高負荷領域Ａ３においてＥＧＲガスを還流させれば、燃焼室６内の不活性ガスを多くして燃焼温度の急激な上昇およびこれに伴う燃焼騒音の増大をより確実に抑制することができる。
【００８５】
また、エンジン本体の幾何学的圧縮比は前記に限らない。ただし、中負荷領域Ａ２等において第１領域Ａ１の混合気の空燃比をリーンとしながら適切な火炎伝播燃焼を実現するため、また、混合気の圧縮自着火燃焼を確実に実現するために、幾何学的圧縮比は前記実施形態のように設定されるのが好ましい。
【符号の説明】
【００８６】
１  エンジン本体
２  気筒
６  燃焼室
１８  吸気弁
２０ａ  吸気閉弁時期変更機構（吸気流動変更機構）
２２  インジェクタ（燃料噴射手段）
２３  点火プラグ（点火手段）
２３ａ  電極部
１００  ＰＣＭ（制御手段）
Ａ２＿１  低速領域（低速中負荷領域）
Ａ２＿２  高速領域（高速中負荷領域）
Ｎ１  基準回転数
Ｒ１  中央側領域（第１領域）
Ｒ２  外周側領域（第２領域）
【図１】
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【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】
2018087523.tif 000008
【図７】
2018087523.tif 000009
【図８】
2018087523.tif 000010
【図９】
2018087523.tif 000011
【図１０】
2018087523.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
2018087523.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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