(57)【要約】【課題】多量のＥＧＲガスを導入することができ、燃費の良い均質燃焼型のガソリンエンジンを提供する。【解決手段】燃焼室（シリンダ）内に外部ＥＧＲ機構あるいは内部ＥＧＲ機構を用いてＥＧＲガスを導入し、然る後に新気と燃料との混合気を混合気噴射弁から直接燃焼室に噴射して点火プラグ近傍に当該混合気の領域を形成する。また、吸気弁が閉じた後に燃焼室（シリンダ）内へ供給される新気の量に応じて機関の運転パラメータを制御する。これにより大量ＥＧＲによる均質燃焼が可能になり、結果的に燃費が向上する。【選択図】  図１
2004150284.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ内にＥＧＲガスを充填するＥＧＲガス充填要素、
上記シリンダ内のＥＧＲガス中に、新気と燃料の混合気を供給する混合気供給要素
を備えた内燃機関の制御装置。
【請求項２】
シリンダ内にＥＧＲガスが充填された後に、新気と燃料との混合気を当該シリンダ内に供給して燃焼させる
内燃機関の燃焼方法。
【請求項３】
吸気弁が閉弁した後にシリンダ内へ供給される新気の量に応じて機関の運転パラメータを制御する
内燃機関の制御方法。
【請求項４】
吸気弁を介してシリンダに供給される新気の量を制御する第１空気量制御機構、
前記吸気弁を迂回してシリンダ内に供給される新気の量を調整する第２吸気量制御機構、
前記第１，第２空気量制御弁機構から前記シリンダ内に供給される空気量を検出する空気量検出装置
を備えた内燃機関の制御装置。
【請求項５】
燃焼室入り口に設けられた少なくとも１つの吸気バルブと燃焼室の出口に設けられた少なくとも１つの排気バルブと、燃焼室に取り付けられた少なくとも１つの点火プラグと、前記燃焼室に直接燃料と新気との混合気を供給する混合気噴射弁と、前記吸気バルブへの空気量を調整するスロットル弁と、前記排気バルブの下流の排気通路と前記吸気バルブの上流の吸気通路を結ぶ排気ガス戻し通路を備えると共に、
前記排気ガス戻し通路は前記スロットル弁と前記吸気バルブの間に連通し、前記排気ガス戻し通路から導入された排気ガスを前記燃焼室内に供給し、前記混合気噴射弁は排気ガスが充填された前記燃焼室に直接混合気を噴射し、前記エンジンの点火プラグ周囲に混合気領域を形成することを特徴とする筒内噴射エンジン。
【請求項６】
燃焼室の入り口に設けられた少なくとも１つの吸気バルブと燃焼室の出口に設けられた少なくとも１つの排気バルブと、前記吸気，排気バルブの開閉タイミングまたはストロークの少なくともいずれかを可変にする弁駆動機構と、燃焼室に取り付けられた少なくとも１つの点火プラグと、前記燃焼室に直接燃料と新気との混合気を供給する混合気噴射弁と、前記吸気バルブから前記燃焼室へ供給される空気量を調整するスロットル弁を備えるとともに、
前記排気バルブの閉弁タイミングを調整することで、前記燃焼室内に排気ガスを残留させた後に、当該燃焼室に前記混合気噴射弁から混合気を直接噴射し、前記エンジンの点火プラグ周囲に混合気領域を形成することを特徴とする筒内噴射エンジン。
【請求項７】
前記混合気噴射弁は燃料と新気を混合する混合室と、当該混合室に圧縮空気を噴射する空気噴射弁と、前記混合室に燃料を噴射する燃料噴射弁とを備えたことを特徴とする請求項５に記載の筒内噴射エンジン。
【請求項８】
前記混合気噴射弁は燃料と新気を混合する混合室と、当該混合室に圧縮空気を噴射する空気噴射弁と、前記混合室に燃料を噴射する燃料噴射弁とを備えたことを特徴とする請求項６に記載の筒内噴射エンジン。
【請求項９】
前記混合気噴射弁の前記混合室の容積Ｖｍは、前記エンジンの燃焼室容積をＶｓ、圧縮空気圧力をＰａとした場合に、式（１）で計算される値より小さいことを特徴とする請求項７に記載された筒内噴射エンジン。
Ｖｍ＝Ｖｓ／Ｐａ                                            …（１）
【請求項１０】
前記混合気噴射弁は燃料と新気を混合する混合室と、当該混合室に圧縮空気を噴射する空気噴射弁と、前記混合室に燃料を噴射する燃料噴射弁とを備え、
前記混合気噴射弁の前記混合室の容積Ｖｍは、前記エンジンの燃焼室容積をＶｓ、圧縮空気圧力をＰａとした場合に、式（１）で計算される値より小さいことを特徴とする請求項８に記載された筒内噴射エンジン。
Ｖｍ＝Ｖｓ／Ｐａ                                            …（１）
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガソリンを燃焼室（シリンダと同意）に直接噴射して燃焼させる内燃機関、つまり筒内噴射型のガソリンエンジンに関し、ことに、均質燃焼を伴うこの種内燃機関の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開平９−２８０１３８号公報に記載された筒内噴射型のガソリンエンジンには、従来技術としてＥＧＲガスと燃料（ガソリン）との混合気を燃焼室の外で形成し、燃焼室内に直接噴射する技術が記載されている。また、圧縮空気と燃料（ガソリン）との混合気を燃焼室の外で形成し、直接燃焼室に供給する技術が発明技術として記載されている。
【０００３】
特開２０００−９７０３２号公報に記載された筒内噴射型のガソリンエンジンでは、空気とＥＧＲガスを混合して燃焼室内に供給すると共に、燃料（ガソリン）を燃焼室に直接噴射して燃焼させる技術が記載されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−２８０１３８号公報
【特許文献２】
特開２０００−９７０３２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
これら従来技術ではＥＧＲガスを燃焼室の外で新気や燃料と混合した後燃焼室に供給するものであるため燃焼室に導入できるＥＧＲガスの量が種々の制約を受けてあまり多くできない。
【０００６】
また、ＥＧＲガスの量を多くすると燃焼室内での混合気の空燃比の濃淡分布に再現性が無くなり、燃焼性能が安定しない。
【０００７】
本発明の目的は、大量のＥＧＲガスを燃焼に導入するにも係わらず、燃焼の安定した筒内噴射型のガソリンエンジンを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために燃焼室内に導入されたＥＧＲガス中に燃料と新気の混合気を燃焼室に噴射するように構成した。
【０００９】
また、これを実現する方法として燃焼室内にＥＧＲガスを導入した後に燃料と新気の混合気を燃焼室に噴射するように構成した。
【００１０】
具体的には、ＥＧＲ装置と、燃料／新気混合装置と燃料と新気の混合気を直接燃焼室内に供給する混合気噴射装置とを備える。
【００１１】
燃料／新気混合装置と混合気噴射装置とは別体であっても良いし一体構造であっても良い。
【００１２】
ＥＧＲ装置としては外部ＥＧＲ，内部ＥＧＲのどちらかを用いることができる。
【００１３】
内部ＥＧＲ装置の場合は吸排気弁に可変弁機構を設けるのが有利である。
【００１４】
燃料と新気を混合して燃焼室内に供給するので燃焼室内に供給される新気吸気量は吸気バルブからの新気だけではない。従ってこの余分に供給される新気の量に応じて機関のパラメータ（例えば供給燃料量）が補正されるか、あるいはそれを考慮して求められる。
【００１５】
シリンダに供給される新気の量を計測するセンサは吸気バルブから供給される新気の量と、燃料と混合されて供給される新気の量の両方を検出するように工夫されている。
【００１６】
その他の特徴は実施例の説明で明らかになる。
【００１７】
請求項７に記載の筒内噴射エンジンは、エンジンの燃焼室に開口可能な弁部を有する混合気噴射弁と、混合気噴射弁の混合室に圧縮空気を噴射する空気噴射弁と、混合気噴射弁の混合室に燃料を噴射する燃料噴射弁と、エンジンの吸気バルブへの空気量を調整するスロットル弁を備えており、エンジンに吸入する空気を混合気噴射弁のみから供給する場合は、混合気噴射弁から噴射される混合気の空燃比を理論空燃比に設定し、吸気バルブからも空気を供給する場合は混合気噴射弁から噴射される混合気の空燃比を理論空燃比より過濃に設定する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明に関連する技術の背景を参考までに以下に記載する。
【００１９】
地球環境保全，省エネルギの観点から自動車などのエンジンに対して、燃料消費低減の要求が高まっている。それに対応するための技術として、ガソリンエンジンの分野では燃料噴射位置をエンジンの燃焼室内にする、いわゆる直噴化が開発され実用化されている。直噴化することで、空燃比４０以上での成層燃焼が可能になり、ポンプ損失の低減により燃料消費を低減している。
【００２０】
ところが、成層燃焼時の排気ガス中には多量の酸素が残っており、従来から排気ガスの浄化に使用されている三元触媒ではＮＯｘを十分に浄化できない課題がある。それに対しては、酸素雰囲気においてもＮＯｘを還元処理できるリーンＮＯｘ触媒が開発され、現在実用化されている直噴式ガソリンエンジンに広く用いられている。しかし、リーンＮＯｘ触媒はＮＯｘをある一定量吸着すると浄化効率が低下する特性があるため、エンジンからＨＣなどの成分を供給して浄化効率の再生処理が必要となる。現実的にはエンジンに供給する燃料量を一時的に増量し空燃比をリッチ化するリッチスパイク制御などが行われている。これにより燃料を余計に消費する。したがって、直噴式ガソリンエンジンは成層燃焼により燃料消費を低減しているものの、リッチスパイク制御のために燃料を消費しており燃費低減効果が減少してしまう。さらにリーンＮＯｘ触媒を備えることでシステム全体のコストが上昇し、直噴式ガソリンエンジン普及の妨げとなっている。
【００２１】
そのため、直噴式ガソリンエンジンの低排気化の検討が重要となっている。直噴式ガソリンエンジンの低排気化の観点からみると、２通りのアプローチが考えられる。１つはエンジンから排出されるＮＯｘを低減可能な圧縮着火エンジンシステムであり、もう１つはエンジンから排出される排気ガスを三元触媒により浄化するエンジンシステムである。三元触媒を用いて排気ガスを浄化するには、エンジン内での燃焼形態を均質燃焼にする必要がある。しかし、成層燃焼などのようにポンプ損失低減による燃費低減効果が期待できないため、均質燃焼を行う直噴式ガソリンエンジンの燃費低減技術が求められている。
【００２２】
従来より、均質燃焼を行うガソリンエンジンの燃費低減技術として、不活性ガスすなわち排気ガスを燃焼室に導入し、混合気に付加して燃焼させるＥＧＲが知られている。この場合、燃焼室に導入される排気ガス（以下、ＥＧＲガスと呼ぶ）により新気の吸入量が減少するため、ＥＧＲガス無しの場合と比較して同じエンジントルクを発生させるためにスロットル弁を大きく開くことになり、ポンプ損失が低減し燃費を低減できる。さらにＥＧＲガス導入により燃焼室内ガスの熱容量が増加することで、燃焼温度を低く抑えてＮＯｘの発生量を抑制できる効果もある。
【００２３】
しかしながら、ＥＧＲガスを燃焼室に導入し新気と混合した場合、新気の空燃比は均質燃焼するように１４．７  に設定されているものの、ＥＧＲガスと新気の混合気としてみた場合の混合比は１４．７  より大きく、すなわち希薄になり着火性が低下し失火しやすくなる。さらに、燃焼速度も遅くなることから冷却損失が大きくなり熱効率が低下するといった問題もある。つまり、ＥＧＲにより燃費低減，ＮＯｘ発生量の抑制などができるものの、上記の問題により多量のＥＧＲガスを導入することが出来ず、均質燃焼を行うガソリンエンジンの燃費低減技術としては不十分である。
【００２４】
以下に詳細を説明する本実施例を要約すると以下の通りである。
【００２５】
均質燃焼を行うガソリンエンジンの燃費低減技術として、排気ガスを燃焼室に導入し、混合気に付加して燃焼させるＥＧＲが知られている。この場合、燃焼室に導入される排気ガス（以下、ＥＧＲガスと呼ぶ）により新気の吸入量が減少するため、ＥＧＲガス無しの場合と比較して同じエンジントルクを発生させるためにスロットル弁を大きく開くことになり、ポンプ損失が低減し燃費を低減できる。さらにＥＧＲガス導入により燃焼室内ガスの熱容量が増加することで、燃焼温度を低く抑えてＮＯｘの発生量を抑制できる効果もある。しかしながら、ＥＧＲガスを燃焼室に導入し新気と混合した場合、新気の空燃比は均質燃焼するように１４．７  に設定されているものの、ＥＧＲガスと新気の混合気としてみた場合の混合比は１４．７  より大きく、すなわち希薄になり着火性が低下し失火しやすくなる。さらに、燃焼速度も遅くなることから冷却損失が大きくなり熱効率が低下するといった問題もある。つまり、ＥＧＲにより燃費低減，ＮＯｘ発生量の抑制などができるものの、上記の問題により多量のＥＧＲガスを導入することが出来ず、均質燃焼を行うガソリンエンジンの燃費低減技術としては不十分である。
【００２６】
本実施例はこのような課題に対して創案されたもので、燃焼室内にＥＧＲガスが導入された後に混合気噴射弁の混合室内に形成された混合気を燃焼室に噴射することで、大量ＥＧＲ燃焼を可能にする筒内噴射エンジンの混合気形成方法を提供する。
【００２７】
上記の目的を達成するための具体的手段として、次のように構成された筒内噴射エンジンの混合気形成方法を提供する。筒内噴射エンジンの燃焼室に開口可能な弁部を有する混合気噴射弁と、混合気噴射弁の混合室に圧縮空気を噴射する空気噴射弁と、燃料を噴射する燃料噴射弁と、エンジンの吸気バルブへの空気量を調整するスロットル弁と、エンジンの排気通路と吸気通路を結ぶ連絡通路を備えており、連絡通路はスロットル弁と吸気バルブの間に連通し、連絡通路から導入された排気ガスが燃焼室内に充満した後に、混合気噴射弁内の混合室に形成された混合気を弁部から噴射することで、エンジンの点火プラグ周囲に着火可能な混合気を形成することができる。
【００２８】
以下に実施態様を列挙する。
【００２９】
【実施態様１】
燃焼室に開口可能な弁部を有する混合気噴射弁と、混合気噴射弁の混合室に圧縮空気を噴射する空気噴射弁と、混合気噴射弁の混合室に燃料を噴射する燃料噴射弁と、エンジンの吸気バルブへの空気量を調整するスロットル弁と、エンジンの排気通路と吸気通路を結ぶ連絡通路を備えており、連絡通路はスロットル弁と吸気バルブの間に連通し、連絡通路から導入された排気ガスが燃焼室内に充満した後に、混合気噴射弁内の混合室に形成された混合気を弁部から噴射することで、エンジンの点火プラグ周囲に着火可能な混合気を形成する。
【００３０】
【実施態様２】
エンジンの燃焼室に組み合わされる吸気バルブ，排気バルブと、それぞれの開閉弁動作を可変にする可変機構と、燃焼室に開口可能な弁部を有する混合気噴射弁と、混合気噴射弁の混合室に圧縮空気を噴射する空気噴射弁と、混合気噴射弁の混合室に燃料を噴射する燃料噴射弁と、エンジンの吸気バルブへの空気量を調整するスロットル弁を備えており、排気バルブの閉弁タイミングを調整することで燃焼室内に排気ガスを残留させた後に、混合気噴射弁内の混合室に形成された混合気を弁部から噴射することで、エンジンの点火プラグ周囲に着火可能な混合気を形成する。
【００３１】
【実施態様３】
混合気噴射弁の混合室の内壁部には螺旋状の溝を設ける。これにより、混合室に噴射された燃料の気化が促進され、比較的早く混合気が形成できる。
【００３２】
【実施態様４】
混合気噴射弁の混合室に燃料を噴射する燃料噴射弁のノズル周辺部にヒーターを設ける。これにより混合室に噴射される燃料の気化が促進され、比較的早く混合気が形成できる。
【００３３】
【実施態様５】
混合気噴射弁の混合室先端の弁部周囲に高熱伝導材料を用いる。これにより燃焼室または排気通路からの伝熱で混合室先端の弁部周囲の温度が高くなり、混合室に噴射された燃料の気化が促進され、比較的早く混合気が形成できる。
【００３４】
【実施態様６】
エンジンの燃焼室に組み合わされる少なくとも１つの吸気バルブと少なくとも１つの排気バルブと、吸気バルブの開閉弁動作を可変にする可変機構と、排気バルブの開閉弁動作を可変にする可変機構と、少なくとも１つの点火プラグと、燃焼室に開口可能な弁部を有する混合気噴射弁と、混合気噴射弁の混合室に圧縮空気を噴射する空気噴射弁と、混合気噴射弁の混合室に燃料を噴射する燃料噴射弁と、エンジンの吸気バルブへの空気量を調整するスロットル弁を備え、
エンジンに吸入する空気を混合気噴射弁のみから供給する場合は、混合気噴射弁から噴射される混合気の空燃比を理論空燃比に設定し、吸気バルブからも空気を供給する場合は混合気噴射弁から噴射される混合気の空燃比を理論空燃比より過濃に設定する。
【００３５】
以下に図１〜図１９を用いて本発明が適用された具体的な実施形態を説明する。図１，図２は本発明を適用したエンジンの断面図およびエンジンヘッド６の下面図である。エンジン１はピストン２の２回転で吸気−圧縮−爆発−排気の４行程を行う４サイクルエンジンである。エンジン１に供給される空気は吸入通路１５ａを通りエアポンプ１６で圧縮される。エアポンプ１６はエンジン１の駆動力により動作する構成となっていて、エアポンプ内に予め決められた圧力に調圧する機構が内蔵されている。空気噴射弁１７は図示しないエンジンコントロールユニットからの指令に基づいて所定のタイミングで圧縮空気を混合室１３ａに噴射する。一方、エンジン１に供給される燃料は図示しない燃料ポンプにより加圧されて燃料通路２０を通り燃料噴射弁１８から、図示しないエンジンコントロールユニットからの指令に基づいて所定のタイミングで混合室１３ａに噴射される。噴射された燃料は混合室１３ａ内で気化し圧縮空気と混合する。混合気噴射弁１３の先端部には外開き式の弁（以下外開き弁と称す）１４が備えられており、通常はスプリングにより閉弁方向に押し付けられている。空気噴射弁１７より圧縮空気が噴射されると混合室１３ａ内の圧力が上昇し、外開き弁１４の弁座部に開弁方向の力が働き、スプリング力に打ち勝つと外開き弁１４が弁座から離れ混合気１２が噴射される。燃焼室１１内は前のサイクルで燃焼した排気ガス（以下、ＥＧＲガスと呼ぶ）の一部が残っている状態で、燃焼室中央から噴射された混合気１２は燃焼室内に広く拡散することもなく、燃焼室１１の中央部に滞留する。本実施例では図２に示すように、吸気バルブ，排気バルブはそれぞれ１つずつであり、混合気噴射弁１３は燃焼室の中央部に、点火プラグ２１，２２を２つ備えている例である。複数の点火プラグを設置することは着火機会の増加，燃焼速度の増加、さらに混合気の偏在に対するロバスト性向上などの効果がある。しかしながら、本発明を適用するエンジンのレイアウトはここに示す例に限られることはなく、現在一般的なエンジンの構成である吸気バルブ２つ、排気バルブ２つのおよび点火プラグ１つのシステムにも適用可能である。
【００３６】
図３はエンジン負荷が変化した時の混合気１２の状態を示す。低負荷時には燃焼室の大半がＥＧＲガスとなっており、噴射される混合気量は少なく混合気１２としての容積も少ない。負荷が大きくなるに従い、噴射される混合気量が多くなり混合気１２の容積が大きくなり、それに従いＥＧＲガス量は減少していく。しかし、常にＥＧＲガスが混合気噴射より先に燃焼室内に充填されているので、シリンダ壁面やピストン頂面付近にはＥＧＲガス層ができており、その内部に混合気が形成される。しかも、噴射される混合気は混合気噴射弁の混合室内で十分に気化し空気と混ざり理論空燃比に設定されているので、従来のエンジンのように燃焼室内で混合気を形成するプロセス（燃料の微粒化，気化，空気との混合）が不要となっている。その結果、液滴，液膜状態の燃料成分がシリンダ壁面やピストン頂面に付着することがなくなり、ＨＣの排出を低減できる。
【００３７】
本発明の第１のポイントは、ＥＧＲガスが燃焼室１１内に充填されていて、その中に可燃混合比に設定された混合気を形成することであり、第２のポイントはエンジン負荷に応じて混合気の容積が大きくなることである。
【００３８】
次にエンジン１の燃焼室内にＥＧＲガスを導入する方法について説明する。図４は外部ＥＧＲ方式の実施例、図５は内部ＥＧＲ方式の実施例を示している。図４において、エンジンに吸入される空気は吸気通路１５を通りエアフローセンサ２５により吸入空気量が計測される。エンジン負荷が所定値より小さい時は、スロットル弁２６は全閉状態に制御され、吸気通路１５を通った空気の全量がエアポンプ１６側（図中Ａ１で表示）に流れる。エンジン負荷が所定値より大きくなった時には、Ａ１のみでは空気量が不足するためスロットル弁２６が開弁制御され必要な空気量（図中Ａ２で表示）がエンジンに供給される。図４はエンジンの負荷が小さい状態を示しており、スロットル弁２６は全閉状態である。吸気通路１５を通った空気はエアポンプ１６側により圧縮され、吸入通路１５ａを通り空気噴射弁１７により混合室１３ａに噴射される。燃料噴射弁１８より噴射された燃料は混合室内で圧縮空気と混合し混合気を形成する。
【００３９】
エンジンの吸気行程において、スロットル弁２６が全閉なので吸気ポート７内は負圧となり、ＥＧＲ制御弁２８を開弁制御することで排気ポート２４から吸気ポート７へ排気ガスが流れ、ＥＧＲガスが燃焼室１１に導入される。したがって、吸気行程には燃焼室内にＥＧＲガスのみが供給され、充填されることになる。その後、吸気行程の後半に混合気噴射弁１３より混合室１３ａ内の混合気を噴射する。噴射される混合気の量は、図示しないエンジンコントロールユニットからの制御信号にしたがって、空気噴射弁１７および燃料噴射弁１８より噴射された空気および燃料の合計であり、理論空燃比になるように調整されている。
【００４０】
図５においても、エンジンに吸入される空気の動作状況は図４と同様である。図５はエンジンの負荷が小さい状態を示しており、スロットル弁２６は全閉状態である。吸気通路１５を通った空気は全量がエアポンプ１６側に流れ、エアポンプ１６により圧縮され、吸入通路１５ａを通り、空気噴射弁１７により混合室
１３ａに噴射される。燃料噴射弁１８より噴射された燃料は混合室内で圧縮空気と混合し混合気を形成する。
【００４１】
内部ＥＧＲ方式では前サイクルで燃焼した排気ガスを利用する。図６は位相変化式の可変バルブのリフトカーブを示している。排気バルブのリフトカーブを３３から３３ａのように位相を変化させると上死点（図中ＴＤＣ）付近に吸気バルブのリフトカーブ３１と重なる期間ができる。この期間は吸気バルブと排気バルブが同時に開いていることになるので、排気管から吸気管方向に排気ガスが逆流する現象が起こる。しかし、排気バルブの位相を３３ａのように遅らせると、排気バルブが開くタイミングも遅くなり排気行程にかかってしまう可能性がある。したがって排気バルブの位相変化量には限界があり、ＥＧＲガスを大量に導入できない。
【００４２】
図７は排気バルブのリフトカーブを３３から３６のように変化させる方式で、排気行程の途中で排気バルブを閉めることでＥＧＲガスを燃焼室内に残留させる方式である。この場合、排気バルブの閉弁タイミングで排気ガスの閉じ込め量を調整することができる。吸気バルブは通常は３１のようなリフトカーブで動作するが、図５に示した状態では吸気バルブは開弁動作をしない３２の状態である。スロットル弁２６は全閉状態になっていても多少の空気漏れがあり、吸気ポート７内には酸素成分を含んだ空気が存在している。吸気行程で吸気バルブ７ｂを開いた場合、吸気ポート７内に存在する空気が燃焼室１１内に入ってきてしまい、空燃比がずれてしまう可能性がある。したがって、運転状態に応じてバルブリフトを０にすることが可能な可変バルブ機構を、吸気バルブ７ｂまたはカムシャフト９に設けることが望ましい。吸気行程の後半に、燃焼室１１内に残留したＥＧＲガスの中に、混合気噴射弁１３より混合室１３ａ内の混合気を噴射する。噴射される混合気の量は、図示しないエンジンコントロールユニットからの制御信号にしたがって、空気噴射弁１７および燃料噴射弁１８より噴射された空気および燃料の合計であり、理論空燃比になるように調整されている。
【００４３】
次に混合気噴射弁の構成について説明する。図８は混合気噴射弁の断面図である。燃料タンク４１内の燃料４２は燃料ポンプ４３により加圧され、レギュレータ４４によって所定の燃料圧力に調圧されて燃料噴射弁１８に供給される。図示しないエンジンコントロールユニットからの制御信号が燃料噴射弁１８の端子１８ａに印加され、燃料噴射弁１８は制御信号に基づいた噴射タイミングで燃料を噴射する。空気は図示しないエアポンプにより圧縮され、吸入通路１５ａを通り空気噴射弁１７に供給される。図示しないエンジンコントロールユニットからの制御信号が空気噴射弁１７の端子１７ａに印加され、空気噴射弁１７は制御信号に基づいた噴射タイミングで空気を噴射する。
【００４４】
図９に空気噴射弁１７を含む面での混合気噴射弁１３の水平断面図を示す。圧縮空気の噴出位置は混合室１３ａの中心線よりオフセットして設定され、混合室１３ａ内で空気４５が燃料噴霧１９を取り囲むように、空気に螺旋状の旋回を与える構成になっている。さらに空気の噴射を続けると混合室１３ａ内の圧力が上昇し、外開き弁１４の弁座部に開弁方向の力が作用し、スプリング４８の力に押し勝って開弁する。
【００４５】
図１０に噴射動作中の混合気噴射弁の断面図を示す。混合気噴射弁の先端付近には混合気に旋回力を与える旋回素子４７が設定されており、噴射される混合気５０に５１のような旋回力を与える。その結果、混合気５０は噴射されたあとも周囲空気との混合が良好になり、混合気内に濃度むらができるのを防止できる。混合気に濃度むらができると一部で燃焼温度が上昇してしまい、排気ガスが悪化する可能性がある。
【００４６】
図１１に旋回素子４７の構造を示す。混合室１３ａ内の混合気は供給口４７ａを通り、旋回溝４７ｂを通過する。それぞれの旋回溝４７ｂは旋回室４７ｃに対して接線方向から入るように設計されており、旋回室４７ｃには５１ｂのような旋回渦ができる。旋回渦５１ｂの旋回強度は旋回溝４７ｂの形状，設置位置で変更可能である。また、旋回素子４７は外開き弁１４の開閉弁動作時のガイドとしても働いており、外開き弁１４が偏心するのを防止している。
【００４７】
図１２に混合室容積Ｖｍとピストン行程容積Ｖｓの関係を示す。自然吸気エンジンの場合、エンジンの燃焼室に供給できる混合気量は吸気圧力を１気圧とすると、最大でピストン行程容積Ｖｓ分である。混合気噴射弁の混合室は一時的にＶｓ分の混合気量を貯める必要があるため、次式が成立する。混合気噴射弁の混合室容積をＶｍ、ピストン行程容積をＶｓ、圧縮空気圧力をＰａとした場合、
Ｖｍ＝Ｖｓ／Ｐａ                                            …（１）
図１２は混合室１３ａと燃焼室１１を簡略化して示したもので、外開き弁１４により遮断されている。外開き弁１４が開くと混合室１３ａと燃焼室１１は平衡状態になるため（１）式が成立する。したがって、混合室１３ａの容積は（１）で算出できる。さらに混合室容積Ｖｍが必要以上に大きいと混合気が充満するのに時間がかかり応答性が悪化するので、（１）式以下とすることが望ましい。
【００４８】
次に混合気噴射弁での気化を促進する方法について説明する。図１３は混合室１３ａ内に螺旋状の溝５３を設けた構成となっている。螺旋溝５３は噴射燃料が付着する付近に設定され、その周辺にはヒーター５２が設置されている。ヒーター５２からの熱により螺旋溝５３周辺が熱せられ、螺旋溝は燃料との接触時間が長くなるように、表面積が多くなるように設計されている。さらに図１４はヒーター５４を燃料噴射弁１８のノズル周辺に設置した例であり、ノズル先端を約９０℃以上とすると十分な気化促進効果が得られる。また、図１５はエンジンヘッド６と混合気噴射弁１３の接触部付近に高熱伝導材料５５を配置した例であり、燃焼室や排気ポートからの伝熱で混合気噴射弁を加熱し、気化を促進する構成である。
【００４９】
次に本実施例のエンジン制御方法について説明する。図１６は本実施例のエンジンシステムの構成要素を簡素化して示したものである。エンジンコントロールユニット６０は各種センサからの信号を基にエンジンの運転状態を検出する。例えば、エアフローセンサ信号処理部６１はエンジンに吸入された空気量を計測し信号を出力する。排気センサ信号処理部６２は排気ガス中の酸素濃度を測定し信号を出力する。それらの信号を基に、エンジンコントロールユニット６０は各種アクチュエータを駆動するための制御信号を出力する。例えば、空気量を制御するためにスロットル弁や空気噴射弁の制御部６３および６４に、燃料噴射を制御するために燃料噴射弁の制御部６５に、ＥＧＲガス量を制御するためにＥＧＲ制御弁の制御部６６に制御信号を出力する。
【００５０】
図１７はエンジンの吸入空気量マップを示している。横軸はエンジン回転数、縦軸は要求エンジントルクである。エンジン回転数は回転センサから算出し、要求エンジントルクはアクセル踏込み量，車速などから算出する。図中の実線６７はスロットル弁全開時のエンジントルクを表しており、破線６８は等空気量曲線を表している。吸入空気量Ｑａは矢印６９のように増加する。本発明の混合気噴射弁を適用したエンジンでは吸入空気量が少ない領域（図中Ａ１領域）では、吸気バルブから新気を供給せずに吸入空気の全量を混合気噴射弁から供給する。一方、吸入空気量が増加した領域（図中Ａ１＋Ａ２領域）では、混合気噴射弁および吸気バルブから混合気および新気を供給する。したがって、均質燃焼を行う場合、Ａ１領域では混合気噴射弁から供給される混合気の空燃比は理論空燃比１４．７となっているが、Ａ１＋Ａ２領域では吸気バルブから供給された新気の分だけ混合気噴射弁から供給する空燃比をリッチ化し、燃焼室内全体の混合気の空燃比が理論空燃比となるようにする。エンジンコントロールユニット６０内の空気量制御部は、要求空気量に応じて混合気噴射弁（Ａ１）およびスロットル弁（Ａ２）を用いて実際の空気量を制御するが、混合気噴射弁（Ａ１）を優先的に使うようになっている。
【００５１】
図１８に外部ＥＧＲ方式での制御フローチャートを示す。ステップ１（図中Ｓ１）で各種センサから出力信号を読込む。その情報を基にエンジンの運転状態を検出し、ステップ２で要求エンジントルクを算出する。ステップ３では図１７に示したような空気量マップを用いて要求空気量を算出し、所定値（例えば、混合気噴射弁の設計空気量または許容空気量）以下かどうかを判定する。空気量マップは予めエンジンコントロールユニット６０内に格納されている。要求空気量が所定値以下の場合はステップ７に移行して、各種の制御信号を変更せずに現在の値を保持して切替制御を終了する。ステップ３で要求空気量が所定値より大きい場合は、ステップ４でスロットル弁を開弁方向に制御し吸気バルブを通って吸入される空気量を増加させる。ステップ５では増加した空気量に応じてＥＧＲガス量を減少させる。外部ＥＧＲ方式の場合、ＥＧＲガス量はＥＧＲ制御弁により調整される。ステップ６でエアフローセンサ信号処理部６１の出力信号（実際の空気量）が要求空気量に達したかどうかを判定し、実際の空気量が要求空気量に達していない場合にはステップ４に戻り、スロットル弁をさらに開弁方向に制御する。ステップ６で、実際の空気量が要求空気量に達した場合はステップ７に移行して、各種の制御信号を変更せずに現在の値を保持して切替制御を終了する。本切替制御ロジックはエンジンコントロールユニット６０内に格納されていて、メインの制御ロジックから必要に応じて呼び出され実行される。
【００５２】
図１９に内部ＥＧＲ方式での制御フローチャートを示す。ステップ１（図中Ｓ１）で各種センサから出力信号を読込む。その情報を基にエンジンの運転状態を検出し、ステップ２で要求エンジントルクを算出する。ステップ３では図１７に示したような空気量マップを用いて要求空気量を算出し、所定値（例えば、混合気噴射弁の設計空気量または許容空気量）以下かどうかを判定する。空気量マップは予めエンジンコントロールユニット６０内に格納されている。要求空気量が所定値以下の場合はステップ８に移行して、各種の制御信号を変更せずに現在の値を保持して切替制御を終了する。ステップ３で要求空気量が所定値より大きい場合は、ステップ４でスロットル弁を開弁方向に制御し、ステップ５で吸気バルブのリフトカーブを変更して吸気バルブを通って吸入される空気量を増加させる。ステップ６では増加した空気量に応じてＥＧＲガス量を減少させる。内部ＥＧＲ方式の場合、ＥＧＲガス量は排気バルブの閉弁タイミングにより調整される。ステップ７でエアフローセンサ信号処理部６１の出力信号（実際の空気量）が要求空気量に達したかどうかを判定し、実際の空気量が要求空気量に達していない場合にはステップ４に戻り、スロットル弁をさらに開弁方向に制御する。ステップ７で、実際の空気量が要求空気量に達した場合はステップ８に移行して、各種の制御信号を変更せずに現在の値を保持して切替制御を終了する。本切替制御ロジックはエンジンコントロールユニット６０内に格納されていて、メインの制御ロジックから必要に応じて呼び出され実行される。
【００５３】
混合気を予め用意しておいて混合気噴射弁により筒内噴射エンジンに直接供給するシステムでは、燃焼室内で混合気を形成するプロセスが不要となり燃焼制御上の自由度が向上する。また、以上詳述したように本発明によれば、混合気を噴射する前に燃焼室内にはＥＧＲガスが充填されており、その中に負荷に応じた量の混合気が噴射されるので、シリンダ壁面やピストン頂面上への液滴や液膜状態の燃料成分の付着が防止され、ＨＣの排出が抑制されるとともに、燃焼室末端のエンドガスが減少するのでノッキングの発生も抑制され、エンジンを高圧縮比化することが可能となる。噴射された混合気はＥＧＲガスに包み込まれているので、燃焼する領域の空燃比は理論空燃比に保たれ、大量ＥＧＲ燃焼にも関わらず燃焼速度は速い状態を維持できる。したがって、タンブルやスワールといった燃焼室内での空気流動は不要であり、吸気ポートに空気流動生成機構などを設ける必要は無い。
【００５４】
【発明の効果】
本発明によれば燃焼を不安定にすることなく大量ＥＧＲが可能になったので、燃費の良い筒内噴射型の内燃機関が得られた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用したエンジンの断面図。
【図２】本発明を適用したエンジンヘッドの下面図。
【図３】本発明によるところの、負荷に応じた混合気形成方法のイメージ図。
【図４】本発明の第１実施例のエンジン構成（外部ＥＧＲ方式）を示す図。
【図５】本発明の第２実施例のエンジン構成（内部ＥＧＲ方式）を示す図。
【図６】第２実施例における吸気，排気バルブの動作を説明する図。
【図７】第２実施例における吸気，排気バルブの動作を説明する図。
【図８】混合気噴射弁の構成を示す断面図。
【図９】空気噴射弁を含む面での混合気噴射弁の水平断面図。
【図１０】混合気噴射弁の構成を示す断面図。
【図１１】混合気噴射弁に内蔵される旋回素子の断面図。
【図１２】混合室容積と燃焼室容積の関係を示す図。
【図１３】混合室内の気化を促進するための構成例を示す図。
【図１４】混合室内の気化を促進するための構成例を示す図。
【図１５】混合室内で気化を促進するための構成例を示す図。
【図１６】本発明のエンジンシステム構成要素を簡素化して示した図。
【図１７】本発明を適用したエンジンの空気量マップを示す図。
【図１８】外部ＥＧＲ方式でのＡ１領域からＡ１＋Ａ２領域への切替制御のフローチャート。
【図１９】内部ＥＧＲ方式でのＡ１領域からＡ１＋Ａ２領域への切替制御のフローチャート。
【符号の説明】
１…混合気噴射弁付き筒内噴射エンジン、２…ピストン、３…コンロッド、４…エンジンブロック、５…冷却水通路、６…エンジンヘッド、７…吸気ポート、８…排気ポート、９…吸気カムシャフト、１０…排気カムシャフト、１１…燃焼室、１２，５０…混合気、１３…混合気噴射弁、１４…外開き弁、１５…吸気通路、１６…エアポンプ、１７…空気噴射弁、１８…燃料噴射弁、１９…燃料噴霧、２０…燃料通路、２１，２２…点火プラグ、２３…ヘッドボルト穴、２４…排気ポート、２５…エアフローセンサ、２６…スロットル弁、２７…外部ＥＧＲ通路、２８…ＥＧＲ制御弁、２９…三元触媒、３１…吸気バルブのリフトカーブ、３２…吸気バルブリフト、３３…排気バルブリフトカーブ、３４，３５，３６…排気バルブリフト、４１…燃料タンク、４２…燃料、４３…燃料ポンプ、４４…レギュレータ、４５…圧縮空気、４６…噴射した空気の旋回の様子、４７…旋回素子、４８…スプリング、５１…噴射した混合気の旋回の様子、５２，５４…ヒーター、５３…螺旋状の溝、５５…高熱伝導材料、６０…エンジンコントロールユニット、６１…エアフローセンサ信号処理部、６２…排気センサ信号処理部、６３…スロットル弁制御部、６４…空気噴射弁制御部、６５…燃料噴射弁制御部、６６…ＥＧＲ弁制御部、６７…全開トルク曲線、６８…等空気量線。
【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】
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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】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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