(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
幾何学的圧縮比が１８以上とされ、吸気弁における少なくとも傘部の裏側部分に、断熱層がコーティングされた火花点火式直噴エンジンにおいて、該断熱層に堆積したカーボンを除去するカーボン除去方法であって、
所定回転数以上のエンジン回転数での累積運転時間を検出する累積運転時間検出ステップと、
上記累積運転時間検出ステップにて検出された上記累積運転時間が所定時間を超えたときに、上記断熱層にカーボンが堆積したとの判定を行うカーボン堆積判定ステップと、
上記カーボン堆積判定ステップにて上記断熱層にカーボンが堆積したとの判定を行った場合において、加速要求後のアクセル開度が所定開度以下の定常状態になったときに、吸気弁と排気弁との開弁期間のオーバーラップにより、吸気ポートに既燃ガスを導入することによって、上記断熱層に堆積したカーボンを焼去するカーボン焼去ステップとを含むことを特徴とするカーボン除去方法。
【請求項２】
幾何学的圧縮比が１８以上とされ、吸気弁における少なくとも傘部の裏側部分に、断熱層がコーティングされた火花点火式直噴エンジンであって、
所定回転数以上のエンジン回転数での累積運転時間を検出する累積運転時間検出手段と、
上記累積運転時間検出手段により検出された上記累積運転時間が所定時間を超えたときに、上記断熱層にカーボンが堆積したとの判定を行うカーボン堆積判定手段と、
アクセル開度を検出するアクセル開度検出手段と、
上記カーボン堆積判定手段により上記断熱層にカーボンが堆積したとの判定が行われた場合に、上記アクセル開度検出手段により、加速要求後の上記アクセル開度が所定開度以下の定常状態になったことが検出されたときに、吸気弁と排気弁との開弁期間のオーバーラップにより、吸気ポートに既燃ガスを導入することによって、上記断熱層に堆積したカーボンを焼去するカーボン焼去手段とを備えていることを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カーボン除去方法及び火花点火式直噴エンジンに関する技術分野に属する。
【背景技術】
【０００２】
例えば特許文献１には、火花点火式ガソリンエンジンの理論熱効率を高めるべく、シリンダヘッド下面に凹陥したキャビティと、ピストン冠面に凸設した突起部と、によって、燃焼室内を中央燃焼室と主燃焼室とに区画しつつ、燃焼室全体として、圧縮比を１６程度の高圧縮比に設定すると共に、中央燃焼室内では混合気を相対的にリッチに、主燃焼室内では混合気を相対的にリーンにすることで、燃焼室全体として、混合気をリーンにしたエンジンが記載されている。
【０００３】
また、例えば特許文献２には、冷却損失を低減させて熱効率を向上させる観点から、エンジンの燃焼室を区画形成する面を、母材よりも低い熱伝導率を有しかつ母材よりも低い又は母材とほぼ同等の単位体積あたりの熱容量を有する材料の内部に気泡が多数形成された断熱材によって構成する技術が開示されている。この特許文献２のエンジンの圧縮比は１６とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−２１７６２７号公報
【特許文献２】特開２００９−２４３３５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、火花点火式エンジンの理論サイクルであるオットーサイクルにおいては、エンジンの圧縮比を高めれば高めるほど、また、ガスの比熱比を高めれば高めるほど、理論熱効率が高くなる。このため、特許文献１に記載されているような高圧縮比化と混合気のリーン化との組み合わせは、熱効率（図示熱効率）の向上に、ある程度は有利になる。しかし、この場合、圧縮比１５程度で図示熱効率が最大になり、それ以上に圧縮比を高めても、図示熱効率は高くならない（逆に、圧縮比を高めれば高めるほど、図示熱効率が低くなる）。これは、混合気がリーンであるため比較的大量の空気がシリンダ内に導入される一方で、そのシリンダ内の大量の空気が、高圧縮比化に伴い大きく圧縮されて燃焼圧力及び燃焼温度が大幅に高くなってしまうためである。つまり、高い燃焼圧力及び燃焼温度によってシリンダの壁面等を通じた熱の放出量が増え、冷却損失が大幅に増大する結果、図示熱効率が低くなってしまうのである。
【０００６】
この点に関して、燃焼室壁面部に、特許文献２に記載されているような、低熱伝導率でかつ低容積比熱の断熱層を設けることよって、燃焼室の断熱化を行うようにすれば、冷却損失を低減することができ、高圧縮比による図示熱効率の向上化を図れる可能性が高くなる。
【０００７】
ここで、圧縮比を高くする場合、上記断熱層に加えて、又は上記断熱層に代えて、吸気温度を低くしておいて、燃焼時のガス温度を出来る限り低下させるようにすれば、ガス温度と燃焼室壁面部の温度との差温を小さくして、冷却損失を低減することができて好ましい。このように吸気温度を低下させるには、シリンダヘッドの吸気ポートや吸気弁における傘部の裏側部分（バルブステムを含む）にも断熱層を設けて、吸気がシリンダヘッドや吸気弁から受熱しないようにすることが好ましい。
【０００８】
しかし、吸気弁における傘部の裏側部分には、バルブステムの上部から潤滑オイルが流れてくるため、その潤滑オイルが原因で、上記断熱層にはカーボンが堆積してしまう。このように上記断熱層にカーボンが堆積すると、吸入空気の通路面積を縮小するので、吸入空気の充填量が低下して、エンジン出力の低下を招く。
【０００９】
本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、吸気弁における少なくとも傘部の裏側部分に設けられた断熱層にカーボンが堆積したとの判定を容易に行えるようにし、また、カーボンが堆積したとの判定を行った場合には、そのカーボンを容易に除去できるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するために、この発明では、幾何学的圧縮比が１８以上とされ、吸気弁における少なくとも傘部の裏側部分に、断熱層がコーティングされた火花点火式直噴エンジンにおいて、該断熱層に堆積したカーボンを除去するカーボン除去方法を対象として、所定回転数以上のエンジン回転数での累積運転時間を検出する累積運転時間検出ステップと、上記累積運転時間検出ステップにて検出された上記累積運転時間が所定時間を超えたときに、上記断熱層にカーボンが堆積したとの判定を行うカーボン堆積判定ステップと、上記カーボン堆積判定ステップにて上記断熱層にカーボンが堆積したとの判定を行った場合において、加速要求後のアクセル開度が所定開度以下の定常状態になったときに、吸気弁と排気弁との開弁期間のオーバーラップにより、吸気ポートに既燃ガスを導入することによって、上記断熱層に堆積したカーボンを焼去するカーボン焼去ステップとを含むものとする。
【００１１】
このことにより、所定回転数以上のエンジン回転数での累積運転時間を検出して、該検出された上記累積運転時間が所定時間を超えたときに、断熱層にカーボンが堆積したとの判定を行う。すなわち、所定回転数以上のエンジン回転数では、吸気弁における傘部の裏側部分の温度が、カーボンが堆積し易くなるような温度になり、そのような回転数での累積運転時間が所定時間を超えれば、断熱層にカーボンが堆積しているはずであり、カーボンが堆積したとの判定を行うことができる。よって、断熱層にカーボンが堆積したとの判定を容易に行うことができる。
【００１２】
そして、断熱層にカーボンが堆積したとの判定を行った場合に、吸気弁における傘部の裏側部分の温度を、断熱層に堆積したカーボンを燃やすことができる程度に高温（３００℃を超える温度）にすることができる。すなわち、加速要求に伴って燃焼室内のガス温度が高くなっており、その加速要求後における、吸気弁と排気弁との開弁期間のオーバーラップにより、上記高温のガスを吸気ポートへ逆流させることができ、これにより、吸気弁における傘部の裏側部分の温度が高くなって、断熱層に堆積したカーボンを容易に焼去することができる。こうして断熱層からカーボンを除去することで、カーボンの堆積による吸入空気の充填量の低下を抑制することができて、エンジン出力の低下を抑制することができる。また、断熱層により、吸気温度を低くして燃焼時のガス温度を出来る限り低下させることができ、ガス温度と燃焼室壁面部の温度との差温を小さくして、冷却損失を低減することが可能になる。これにより、１８以上と高圧縮比にして図示熱効率を向上させることができる。
【００１３】
本発明の別の態様は、幾何学的圧縮比が１８以上とされ、吸気弁における少なくとも傘部の裏側部分に、断熱層がコーティングされた火花点火式直噴エンジンの発明であり、この発明では、所定回転数以上のエンジン回転数での累積運転時間を検出する累積運転時間検出手段と、上記累積運転時間検出手段により検出された上記累積運転時間が所定時間を超えたときに、上記断熱層にカーボンが堆積したとの判定を行うカーボン堆積判定手段と、アクセル開度を検出するアクセル開度検出手段と、上記カーボン堆積判定手段により上記断熱層にカーボンが堆積したとの判定が行われた場合に、上記アクセル開度検出手段により、加速要求後の上記アクセル開度が所定開度以下の定常状態になったことが検出されたときに、吸気弁と排気弁との開弁期間のオーバーラップにより、吸気ポートに既燃ガスを導入することによって、上記断熱層に堆積したカーボンを焼去するカーボン焼去手段とを備えているものとする。
【００１４】
この発明により、上記カーボン除去方法の発明と同様に、断熱層にカーボンが堆積したとの判定を容易に行うことができるとともに、断熱層に堆積したカーボンを容易に除去することができる。
【発明の効果】
【００１５】
以上説明したように、本発明のカーボン除去方法によると、断熱層にカーボンが堆積したとの判定を容易に行うことができ、この判定を行った場合に、断熱層に堆積したカーボンを容易に除去することができる。さらに、本発明の火花点火式直噴エンジンによると、上記カーボン除去方法と同様の作用効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態に係る火花点火式直噴エンジンを示す概略図である。
【図２】傘部の燃焼室側の面及び裏側部分に断熱層が設けられた吸気弁の傘部の裏側部分の温度が、エンジン回転数及び空気充填量（エンジン負荷）によりどのように変化するかを調べた結果を示す図であり、（ａ）及び（ｂ）は、傘部の燃焼室側の面からバルブステムの軸方向に５ｍｍ及び１０ｍｍそれぞれ離れた部分の温度を示す。
【図３】断熱層が設けられていない吸気弁の場合の図２相当図であり、（ａ）及び（ｂ）は、傘部の燃焼室側の面からバルブステムの軸方向に５ｍｍ及び１０ｍｍそれぞれ離れた部分の温度を示す。
【図４】エンジン制御器（ＣＰＵ）による、カーボン堆積判定及びカーボン除去に関する制御動作を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１８】
図１は、本発明の実施形態に係る火花点火式直噴エンジン１（以下、単にエンジン１という）を概略的に示す。本実施形態では、エンジン１は、エンジン本体に付随する様々なアクチュエータ、様々なセンサ、及び、該センサからの信号に基づきアクチュエータを制御するエンジン制御器１００を含む。
【００１９】
エンジン１は、自動車等の車両に搭載され、その出力軸は、図示しないが、変速機を介して駆動輪に連結されている。エンジン１の出力が駆動輪に伝達されることによって、車両が推進する。エンジン１のエンジン本体は、シリンダブロック１２と、その上に載置されるシリンダヘッド１３とを備えており、シリンダブロック１２の内部に複数のシリンダ１１（気筒）が形成されている（図１では、１つのみ示す）。シリンダブロック１２及びシリンダヘッド１３の内部には、図示は省略するが、冷却水が流れるウォータージャケットが形成されている。
【００２０】
各シリンダ１１内には、ピストン１５が摺動自在にそれぞれ嵌挿されており、ピストン１５は、シリンダ１１及びシリンダヘッド１３と共に燃焼室１７を区画している。ピストン１５の冠面の中心部には、凹状のキャビティ１５ａが形成されている。
【００２１】
図１には１つのみ示すが、シリンダ１１毎に２つの吸気ポート１８がシリンダヘッド１３に形成され、それぞれがシリンダヘッド１３の下面（燃焼室１７の天井面）に開口することで燃焼室１７に連通している。同様に、シリンダ１１毎に２つの排気ポート１９がシリンダヘッド１３に形成され、それぞれがシリンダヘッド１３の下面（燃焼室１７の天井面）に開口することで燃焼室１７に連通している。吸気ポート１８は、シリンダ１１内に導入される新気が流れる吸気通路（図示省略）に接続されている。吸気通路には、吸気流量を調整するスロットル弁２０が介設しており、エンジン制御器１００からの制御信号を受けて、スロットル弁２０の開度が調整される。一方、排気ポート１９は、各シリンダ１１からの既燃ガス（排気ガス）が流れる排気通路（図示省略）に接続されている。排気通路には、図示は省略するが、１つ以上の触媒コンバータを有する排気ガス浄化システムが配置される。
【００２２】
シリンダヘッド１３には、吸気弁２１及び排気弁２２が、それぞれ吸気ポート１８及び排気ポート１９を燃焼室１７から遮断（閉）することができるように配設されている。吸気弁２１は、その傘部２１ａの裏側に設けられたバルブステム２１ｂを介して吸気弁駆動機構により駆動され、排気弁２２は、その傘部２２ａの裏側に設けられたバルブステム２２ｂを介して排気弁駆動機構により駆動される。吸気弁２１及び排気弁２２は所定のタイミングで往復動して、それぞれ吸気ポート１８及び排気ポート１９を開閉し、シリンダ１１内のガス交換を行う。吸気弁駆動機構及び排気弁駆動機構は、図示は省略するが、それぞれ、クランクシャフトに駆動連結された吸気カムシャフト及び排気カムシャフトを有し、これらのカムシャフトはクランクシャフトの回転と同期して回転する。また、少なくとも吸気弁駆動機構は、吸気カムシャフトの位相を所定の角度範囲内で連続的に変更可能な、液圧式又は機械式の位相可変機構（Variable Valve Timing：ＶＶＴ）２３を含んで構成されている。尚、ＶＶＴ２３と共に、弁リフト量を連続的に変更可能なリフト可変機構（ＣＶＶＬ（Continuous Variable ValveLift））を備えるようにしてもよい。
【００２３】
また、シリンダヘッド１３には、点火プラグ３１が配設されている。この点火プラグ３１は、例えばねじ等の周知の構造によって、シリンダヘッド１３に取付固定されている。点火プラグ３１は、本実施形態では、シリンダ１１の中心軸に対し、排気側に傾斜した状態で取付固定されており、その先端部（電極）は燃焼室１７の天井部に臨んでいる。尚、点火プラグ３１の配置はこれに限定されるものではない。そして、点火プラグ３１は、点火システム３２によって火花を発生する。点火システム３２は、エンジン制御器１００からの制御信号を受けて、点火プラグ３１が所望の点火タイミングで火花を発生するよう、それに通電する。一例として、点火システム３２はプラズマ発生回路を備え、点火プラグはプラズマ点火式のプラグとしてもよい。着火エネルギの高いプラズマ点火式のプラグの採用は、着火安定性を向上する上で有利になる。
【００２４】
シリンダヘッド１３におけるシリンダ１１の中心軸上には、燃焼室１７内に燃料を直接噴射するインジェクタ３３が配設されている。このインジェクタ３３は、例えばブラケットを使用する等の周知の構造でシリンダヘッド１３に取付固定されている。インジェクタ３３の先端は、燃焼室１７の天井部の中心に臨んでいる。尚、インジェクタ３３の配置はこれに限定されるものではない。本実施形態では、インジェクタ３３は、燃焼室内に燃料を噴射するノズル口を開閉する外開弁を有する、外開弁式のインジェクタである。この外開弁式のインジェクタでは、上記外開弁の、上記ノズル口を閉じた状態からのリフト量が大きいほど、ノズル口から燃焼室１７内に噴射される燃料噴霧のペネトレーションが大きくなるので、燃料噴霧のペネトレーションの調整が容易になる。
【００２５】
燃料供給システム３４は、インジェクタ３３に燃料を供給する燃料供給系と、インジェクタ３３を駆動する電気回路とを備えている。この電気回路は、エンジン制御器１００からの制御信号を受けてインジェクタ３３を作動させ、所定のタイミングで所望量の燃料を、燃焼室１７内に噴射させる。
【００２６】
ここで、エンジン１の燃料は、本実施形態ではガソリンであるが、バイオエタノール等を含むガソリンであってもよく、少なくともガソリンを含む燃料（液体燃料）であれば、どのような燃料であってもよい。
【００２７】
エンジン制御器１００は、周知のマイクロコンピュータをベースとするコントローラであって、プログラムを実行する中央演算処理装置（ＣＰＵ）と、例えばＲＡＭやＲＯＭにより構成されてプログラム及びデータを格納するメモリと、電気信号の入出力をする入出力（Ｉ／Ｏ）バスと、を備えている。
【００２８】
エンジン制御器１００は、少なくとも、エアフローセンサ７１からの吸気流量に関する信号、クランク角センサ７２からのクランク角パルス信号、アクセル・ペダルの踏み込み量を検出するアクセル開度センサ７３からのアクセル開度信号、及び、車速センサ７４からの車速信号をそれぞれ受ける。エンジン制御器１００は、これらの入力信号に基づいて、例えば、所望のスロットル開度信号、燃料噴射パルス、点火信号、バルブ位相角信号等といった、エンジン１の制御パラメーターを計算する。そして、エンジン制御器１００は、それらの信号を、スロットル弁２０（スロットル弁２０を動かすスロットルアクチュエータ）、燃料供給システム３４、点火システム３２、ＶＶＴ２３等に出力する。
【００２９】
このエンジン１の幾何学的圧縮比εは、１８以上とされている。幾何学的圧縮比εの上限値は４０であることが好ましく、幾何学的圧縮比εとして特に好ましいのは、２５以上３５以下である。本実施形態では、エンジン１は圧縮比＝膨張比となる構成から、高圧縮比と同時に、比較的高い膨張比を有するエンジン１でもある。尚、圧縮比≦膨張比となる構成（例えばアトキンソンサイクルや、ミラーサイクル）を採用してもよい。
【００３０】
燃焼室１７は、図１に示すように、シリンダ１１の壁面と、ピストン１５の冠面と、シリンダヘッド１３の下面（燃焼室１７の天井面）と、吸気弁２１及び排気弁２２それぞれの傘部２１ａ，２２ａの燃焼室側の面（下面）と、によって区画形成されている。そして、冷却損失を低減するべく、これらの各面部（つまり、燃焼室壁面部）に、断熱層６１，６２，６３，６４，６５が設けられることによって、燃焼室１７が断熱化されている。尚、以下において、これらの断熱層６１〜６５を総称する場合は、断熱層に符号「６」を付す場合がある。断熱層６は、燃焼室壁面部の全てに設けてもよいし、燃焼室壁面部の一部に設けてもよい。また、図例では、シリンダ壁面部の断熱層６１は、ピストン１５が上死点に位置した状態で、そのピストンリング１４よりも上側の位置に設けられており、これにより断熱層６１上をピストンリング１４が摺動しない構成としている。但し、シリンダ壁面部の断熱層６１はこの構成に限らず、断熱層６１を下向きに延長することによって、ピストン１５のストロークの全域、又は、その一部に断熱層６１を設けてもよい。また、燃焼室１７を直接区画する壁面部ではないが、吸気ポート１８や排気ポート１９における、燃焼室１７の天井面側の開口近傍のポート壁面部に断熱層を設けてもよい。尚、図１に図示する各断熱層６１〜６５の厚みは実際の厚みを示すものではなく単なる例示であると共に、各面における断熱層の厚みの大小関係を示すものでもない。
【００３１】
燃焼室１７の断熱構造について、さらに詳細に説明する。燃焼室１７の断熱構造は、上述の如く、燃焼室壁面部に設けた断熱層６１〜６５によって構成されるが、これらの断熱層６１〜６５は、燃焼室１７内の燃焼ガスの熱が、燃焼室壁面部を通じて放出されることを抑制するため、燃焼室１７を構成する金属製の母材よりも熱伝導率が低く設定される。ここで、シリンダ１１の壁面部に設けた断熱層６１については、シリンダブロック１２が母材であり、ピストン１５の冠面部に設けた断熱層６２についてはピストン１５が母材であり、シリンダヘッド１３の下面部に設けた断熱層６３については、シリンダヘッド１３が母材であり、吸気弁２１及び排気弁２２それぞれのバルブヘッドの燃焼室側の面部に設けた断熱層６４，６５については、吸気弁２１及び排気弁２２がそれぞれ母材である。したがって、母材の材質は、シリンダブロック１２、シリンダヘッド１３及びピストン１５については、アルミニウム合金や鋳鉄となり、吸気弁２１及び排気弁２２については、耐熱鋼や鋳鉄等となる。
【００３２】
また、断熱層６は、冷却損失を低減する上で、母材よりも容積比熱が低く設定される。つまり、燃焼室１７内のガス温度は燃焼サイクルの進行によって変動するが、燃焼室１７の断熱構造を有しない従来のエンジンは、シリンダヘッドやシリンダブロック内に形成したウォータージャケット内を冷却水が流れることにより、燃焼室壁面部の温度は、燃焼サイクルの進行にかかわらず、概略一定に維持される。
【００３３】
一方で、冷却損失は、冷却損失＝熱伝達率×伝熱面積×（ガス温度−燃焼室壁面部の温度）によって決定されることから、ガス温度と燃焼室壁面部の温度との差温が大きくなればなるほど冷却損失は大きくなってしまう。冷却損失を抑制するためには、ガス温度と燃焼室壁面部の温度との差温は小さくすることが望ましいが、冷却水によって燃焼室壁面部の温度を概略一定に維持した場合、ガス温度の変動に伴い差温が大きくなることは避けられない。そこで、断熱層６の熱容量を小さくして、燃焼室壁面部の温度が、燃焼室１７内のガス温度の変動に追従して変化するようにすることが好ましい。
【００３４】
また、本実施形態では、図１に示すように、吸気弁２１の傘部２１ａの裏側部分（バルブステム２１ｂを含む）にも、断熱層２１ｃがコーティングされている。この断熱層２１ｃは、上記断熱層６と同様に、母材よりも熱伝導率が低くかつ母材よりも容積比熱が低く設定されていて、例えば、母材上にＺｒＯ２等のセラミック材料をプラズマ溶射によってコーティングしたものである。このセラミック材料の中には、多数の気孔を含んでいてもよい。このようにすれば、その気孔率が大きいほど断熱層６の熱伝導率及び容積比熱を低くすることができる。尚、断熱層２１ｃと断熱層６とが同じ材料で構成されていてもよい。
【００３５】
上記断熱層２１ｃにより、新気が燃焼室１７内に吸い込まれる際、吸気弁２１から受熱して温度が上がることを抑制乃至回避し得る。これによって、燃焼室１７内に導入する新気の温度（圧縮前の初期のガス温度）が低くなるため、燃焼時のガス温度が低下し、ガス温度と燃焼室壁面部の温度との差温を小さくする上で有利になる。燃焼時のガス温度を低下させることは熱伝達率を低くし得るから、そのことによる冷却損失の低減にも有利になる。
【００３６】
さらに、本実施形態では、熱伝導率が非常に低くて断熱性に優れかつ耐熱性にも優れたチタン酸アルミニウム製のポートライナ１８１を、シリンダヘッド１３に一体的に鋳ぐるむことによって、吸気ポート１８に断熱層を設けている。これにより、新気が吸気ポート１８を通過するときに、シリンダヘッド１３から受熱して温度が上がることを抑制乃至回避し得ることになり、燃焼室１７内に導入する新気の温度をより一層低くすることができる。尚、吸気ポート１８に設ける断熱層の構成は、ポートライナ１８１の鋳ぐるみに限定されず、また、吸気ポート１８に断熱層を設ける必要は必ずしもない。
【００３７】
上記のような断熱構造に加えて、燃焼室１７内においてガス層による断熱層を形成することで、冷却損失をより一層低減することも可能である。この場合、エンジン１の燃焼室１７内の外周部に新気を含むガス層が形成されかつ中心部に混合気層が形成されるように、圧縮行程においてインジェクタ１１から燃焼室１７内に燃料を噴射させるようにする。すなわち、圧縮行程においてインジェクタ３３により燃焼室１７内に燃料を噴射させかつその燃料噴霧のペネトレーションを、燃料噴霧が燃焼室１７内の外周部まで届かないような大きさ（長さ）に抑えることで、燃焼室１７内の中心部に混合気層が形成されかつその周囲に新気を含むガス層が形成されるという、成層化が実現する。このガス層は、新気のみであってもよく、新気に加えて、既燃ガス（ＥＧＲガス）を含んでいてもよい。尚、ガス層に少量の燃料が混じっても問題はなく、ガス層が断熱層の役割を果たせるように混合気層よりも燃料リーンであればよい。
【００３８】
上記のようにガス層と混合気層とが形成された状態で点火プラグ３１による点火を行えば、混合気層とシリンダ１１の壁面との間のガス層により、混合気層の火炎がシリンダ１１の壁面に接触することがなく、そのガス層が断熱層となって、シリンダ１１の壁面からの熱の放出を抑えることができるようになる。
【００３９】
尚、冷却損失を低減させるだけでは、その冷却損失の低減分が排気損失に転換されて図示熱効率の向上にはあまり寄与しないところ、このエンジン１では、高圧縮比化に伴う高膨張比化によって、冷却損失の低減分に相当する燃焼ガスのエネルギを、機械仕事に効率よく変換している。すなわち、エンジン１は、冷却損失及び排気損失を共に低減させる構成を採用することによって、図示熱効率を大幅に向上させているということができる。
【００４０】
ここで、エンジン負荷が所定値以下である低負荷領域では、燃焼室１７内全体の空気過剰率λが２以上、又は、気筒内におけるガスの燃料に対する重量比Ｇ／Ｆが３５以上に設定される。これにより、低負荷領域において、断熱層による断熱化を図って図示熱効率を向上させながら、ＲａｗＮＯｘを低減することができる。ＲａｗＮＯｘ低減の観点からは、上記空気過剰率λ≧２．５がより一層好ましい。また、上記空気過剰率λ＝８で図示熱効率がピークになることから、上記空気過剰率λの範囲としては、２≦λ≦８（より好ましくは２．５≦λ≦８）が好ましい。尚、混合気のリーン化は、スロットル弁２０を開き側に設定することになるから、ガス交換損失（ポンピングロス）の低減による図示熱効率の向上にも寄与し得る。
【００４１】
一方、エンジン負荷が上記所定値よりも高い高負荷領域では、トルク優先により、燃焼室１７内全体の空気過剰率λ＝１に設定される（混合気層では、空気過剰率λ＜１となる）。尚、上記所定値は、エンジン回転数が大きくなるに連れて大きくなってもよく、エンジン回転数に関係なく一定の値であってもよい。
【００４２】
上記吸気弁２１における傘部２１ａの裏側部分には、バルブステム２１ｂの上部から潤滑オイルが流れてくるため、その潤滑オイルが原因で、断熱層２１ｃにはカーボンが堆積してしまう。このカーボンは、傘部２１ａの裏側部分の温度が、或る温度範囲（２００℃〜３００℃）内にあるときに堆積し易くなる。このように断熱層２１ｃにカーボンが堆積すると、吸入空気の通路面積を縮小するので、吸入空気の充填量が低下して、エンジン出力の低下を招く。
【００４３】
そこで、本実施形態では、エンジン制御器１００が、後述のようにして、断熱層６にカーボンが堆積したとの判定を行い、カーボンが堆積したとの判定を行った場合には、そのカーボンを除去（焼去）するようにする。
【００４４】
すなわち、吸気弁２１の傘部２１ａの裏側部分の温度が、カーボンが堆積し易くなるような温度（２００℃〜３００℃）となるような運転がなされれば、断熱層２１ｃにカーボンが堆積すると考えられ、その累積運転時間によって、断熱層２１ｃにカーボンが堆積したとの判定を行うことができる。
【００４５】
図２は、上記吸気弁２１の傘部２１ａの裏側部分の温度が、エンジン回転数（ｒｐｍ）及び空気充填量ｃｅ（つまりエンジン負荷）によりどのように変化するかを調べた結果を示し、（ａ）及び（ｂ）は、傘部２１ａの燃焼室側の面からバルブステム２１ｂの軸方向に５ｍｍ及び１０ｍｍそれぞれ離れた部分の温度を示す。また、図３は、断熱層６４及び断熱層２１ｃが設けられていない吸気弁の場合の図２相当図であり、（ａ）及び（ｂ）は、図２とそれぞれ同様の部分の温度を示す。
【００４６】
本実施形態では、図２に示すように、断熱層６４及び断熱層２１ｃにより、吸気弁２１の傘部２１ａの裏側部分の温度は、高負荷高回転領域でも３００℃を超えないようになっている。このため、断熱層２１ｃにカーボンが堆積した場合、そのカーボンは焼去されることはなく、堆積したままとなる。そして、所定回転数（エンジン負荷が大きいほど小さくなる）以上のエンジン回転数（ハッチングで示した範囲）では、傘部２１ａの裏側部分の温度が、カーボンが堆積し易くなるような温度（２００℃〜３００℃）となる。したがって、上記所定回転数（エンジン負荷が大きいほど小さくなる）以上のエンジン回転数での累積運転時間を検出し、この累積運転時間が所定時間を超えたときに、断熱層２１ｃにカーボンが堆積したとの判定を行うようにする。上記所定時間としては、カーボンがエンジン出力の低下を招く程度に堆積する時間であってもよく、微量でも堆積するような短い時間であってもよい。但し、短い時間とすると、後述のカーボン焼去運転が頻繁になされるので、エンジン出力の低下を招かない範囲で出来る限り長くするのがよい。また、本実施形態では、上記所定回転数は、エンジン負荷が大きいほど小さくなるようにしているが、一定値（例えば４０００ｒｐｍ）であってもよい。
【００４７】
ここで、断熱層６４及び断熱層２１ｃ（特に断熱層６４）が設けられていなければ、高負荷高回転領域で、燃焼室１７内の燃焼時の高温ガスの熱が傘部２１ａに伝わるため、図３に示すように、傘部２１ａの裏側部分（傘部２１ａの燃焼室側の面からバルブステム２１ｂの軸方向に５ｍｍ離れた部分）の温度が３００℃を超えるようになるが、傘部２１ａの燃焼室側の面からバルブステム２１ｂの軸方向に１０ｍｍ離れた部分の温度は、高負荷高回転領域でも３００℃を超えない。断熱層６４がなくて断熱層２１ｃを設ける場合も、これと同様である。このため、断熱層６４がなくて断熱層２１ｃを設ける場合も、断熱層２１ｃにカーボンが堆積したとの判定を行うことに意味があり、上記と同様にして、その判定を行うことができる（尚、上記１０ｍｍ離れた部分でのカーボンの堆積は、上記５ｍｍ離れた部分でのカーボンの堆積に比べて、エンジン出力への影響が低いので、上記所定時間を、断熱層６４及び断熱層２１ｃを設ける場合よりも長くすることができる）。
【００４８】
上記のようにして断熱層２１ｃにカーボンが堆積したとの判定を行った場合には、カーボン焼去運転を行うことによって、断熱層２１ｃに堆積したカーボンを焼去する。このカーボン焼去運転は、断熱層２１ｃにカーボンが堆積したとの判定を行った場合において、アクセル開度センサ７３により検出される加速要求後のアクセル開度が所定開度以下の定常状態（０を含む）になったときに行う。具体的には、カーボン焼去運転では、加速要求後のアクセル開度が所定開度以下の定常状態になったときに、ＶＶＴ２３により吸気弁２１を早開きにして、吸気弁２１と排気弁２２との開弁期間のオーバーラップを設けることにより、吸気ポート１８に既燃ガスを導入することによって、断熱層２１ｃに堆積したカーボンを焼去する。すなわち、加速要求に伴って燃焼室１７内のガス温度が３００℃を超える高い温度になっており、その加速要求後における上記オーバーラップにより、上記高温のガスを吸気ポート１８へ逆流させることができ、これにより、吸気弁２１における傘部２１ａの裏側部分の温度が高くなって、断熱層２１ｃに堆積したカーボンを容易に焼去することができる。尚、カーボン焼去運転は、例えば、燃焼サイクルで所定サイクル数（断熱層２１ｃに堆積したカーボンの殆どが焼去されるようなサイクル数であって、上記所定時間が長いほど多くなる）行う。また、上記オーバーラップの期間は、出来る限り長くすることが好ましい。
【００４９】
上記エンジン制御器１００（ＣＰＵ）による、カーボン堆積判定及びカーボン除去に関する制御動作を、図４のフローチャートにより説明する。
【００５０】
最初のステップＳ１で、エンジン回転数が、上記所定回転数以上であるか否かを判定する。このステップＳ１の判定がＮＯであるときには、ステップＳ１の動作を繰り返す一方、ステップＳ１の判定がＹＥＳであるときには、ステップＳ２に進む。
【００５１】
ステップＳ２では、上記所定回転数以上のエンジン回転数での累積運転時間を算出する。すなわち、前回までの累積運転時間（エンジン制御器１００のメモリに記憶しておく）に、今回の運転時間（エンジン制御器１００に設けられた不図示のタイマーにより計時する）を加えて、累積運転時間を算出する。
【００５２】
次のステップＳ３では、その累積運転時間が、所定時間を超えたか否かを判定し、ステップＳ３の判定がＮＯであるときには、ステップＳ１に戻る一方、ステップＳ３の判定がＹＥＳであるときには、ステップＳ４に進む。
【００５３】
ステップＳ４では、断熱層２１ｃにカーボンが堆積したとの判定を行い、次のステップＳ５で、加速要求後のアクセル開度が所定開度以下の定常状態になったか否かを判定する。このステップＳ５の判定がＮＯであるときには、ステップＳ５の動作を繰り返す一方、ステップＳ５の判定がＹＥＳであるときには、ステップＳ６に進んで、上記カーボン焼去運転を行う。ここでは、カーボン焼去運転は、燃焼サイクルで所定サイクル数行い、断熱層２１ｃに堆積したカーボンの殆どが焼去されるようにする。そして、次のステップＳ７で、累積運転時間を０にリセットして、それを上記メモリに記憶し、しかる後にリターンする。
【００５４】
上記エンジン制御器１００による制御動作により、カーボンが堆積すると推定される運転の累積時間（上記所定回転数以上のエンジン回転数での累積運転時間）が所定時間を超えたときに、断熱層２１ｃにカーボンが堆積したとの判定を行う。そして、断熱層２１ｃにカーボンが堆積したとの判定を行った場合において、加速要求後のアクセル開度が所定開度以下の定常状態になったときに、カーボン焼去運転により、断熱層２１ｃに堆積したカーボンを焼去する。
【００５５】
本実施形態においては、エンジン制御器１００（ＣＰＵ）が、本発明の累積運転時間検出手段、カーボン堆積判定手段及びカーボン焼去手段を構成し、アクセル開度センサ７３がアクセル開度検出手段を構成することになる。
【００５６】
したがって、本実施形態では、断熱層２１ｃにカーボンが堆積したとの判定を容易に行うことができるとともに、この判定を行った場合に、断熱層２１ｃに堆積したカーボンを容易に除去することができる。よって、カーボンの堆積による吸入空気の充填量の低下を抑制することができて、エンジン出力の低下を抑制することができる。また、断熱層２１ｃにより、吸気温度を低くして燃焼時のガス温度を出来る限り低下させることができ、燃焼室壁面部の断熱層６と相俟って、ガス温度と燃焼室壁面部の温度との差温を小さくして、冷却損失を低減することが可能になる。これにより、１８以上と高圧縮比にして図示熱効率を向上させることができる。
【００５７】
本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、請求の範囲の主旨を逸脱しない範囲で代用が可能である。
【００５８】
ここで、上記実施形態では、カーボン焼去運転として、加速要求後のアクセル開度が所定開度以下の定常状態になったときに、吸気弁２１と排気弁２２との開弁期間のオーバーラップにより、吸気ポート１８に既燃ガスを導入するようにしたが、以下のような参考例のカーボン焼去運転によって、断熱層２１ｃに堆積したカーボンを焼去するようにしてもよい。すなわち、断熱層２１ｃにカーボンが堆積したとの判定が行われた場合に、燃焼室１７内全体の空気過剰率λを１以下にしかつ混合気の燃焼開始を膨張行程の所定時期にリタードさせて、該膨張行程直後の排気行程で、上記オーバーラップにより吸気ポート１８に既燃ガスを導入するようにする。この参考例の場合も、高温のガスを吸気ポート１８へ逆流させることができる。そして、この参考例の場合、断熱層２１ｃにカーボンが堆積したとの判定を行ったときの運転領域が上記高負荷領域である場合には、直ぐに上記カーボン焼去運転を行うが、上記判定を行ったときの運転領域が上記低負荷領域である場合には、高負荷領域に移行するまでカーボン焼去運転を行わず、燃焼室１７内全体の空気過剰率λを１とする高負荷領域に移行した後に、カーボン焼去運転を行うことが好ましい。そして、上記カーボン焼去運転を、燃焼サイクルで所定サイクル数（断熱層２１ｃに堆積したカーボンの殆どが焼去されるようなサイクル数であって、上記所定時間が長いほど多くなる）行う。
【００５９】
上述の実施形態は単なる例示に過ぎず、本発明の範囲を限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は請求の範囲によって定義され、請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明は、幾何学的圧縮比が１８以上とされ、吸気弁における少なくとも傘部の裏側部分に、断熱層がコーティングされた火花点火式直噴エンジンに有用である。
【符号の説明】
【００６１】
１      火花点火式直噴エンジン
２１    吸気弁
２１ａ  傘部
２１ｃ  断熱層
７３    アクセル開度センサ（アクセル開度検出手段）
１００  エンジン制御器（累積運転時間検出手段）（カーボン堆積判定手段）
（カーボン焼去手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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