(57)【要約】【課題】成層混合気塊を燃焼室内に形成し、燃焼状態を良好に維持し、排気物質の排出を抑制しつつ、最大限の燃費低減効果を得る。【解決手段】ピストン冠面に凹状に形成されたボウル部と、少なくとも吸気弁の閉時期を可変とすることで吸気量を制御する吸気量制御手段とを有し、高負荷においては主に吸気行程に燃料を噴射して燃焼室全体に略均質な混合気を形成して均質燃焼を行い、低負荷においては主に圧縮行程に燃料を噴射してボウル部及びボウル部上空に略均質な混合気を形成して成層燃焼を行う筒内直噴火花点火式内燃機関において、成層燃焼時は少なくともボウル部の当量比を略一定に維持しつつ吸気量制御手段により吸気量を制御することでエンジン出力の制御を行う。【選択図】　図４
2004116333.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストン冠面に凹状に形成されたボウル部と、少なくとも吸気弁の閉時期を可変とすることで吸気量を制御する吸気量制御手段とを有し、高負荷においては主に吸気行程に燃料を噴射して燃焼室全体に略均質な混合気を形成して均質燃焼を行い、低負荷においては主に圧縮行程に燃料を噴射して前記ボウル部及び前記ボウル部上空に略均質な混合気を形成して成層燃焼を行う筒内直噴火花点火式内燃機関において、
成層燃焼時は少なくとも前記ボウル部の当量比を略一定に維持しつつ前記吸気量制御手段により吸気量を制御することでエンジン出力の制御を行うことを特徴とする筒内直噴火花点火式内燃機関。
【請求項２】
成層燃焼時の比較的高負荷においては、前記吸気量制御手段による吸気量の制御を行わずに前記ボウル部及び前記ボウル部上空の当量比を制御することでエンジン出力の制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の筒内直噴火花点火式内燃機関。
【請求項３】
均質燃焼時において、燃焼室全体の当量比を略一定に維持しつつ前記吸気量制御手段により吸気量を制御することでエンジン出力の制御を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の筒内直噴火花点火式内燃機関。
【請求項４】
均質燃焼時の比較的高負荷においては、前記吸気量制御手段による吸気量の制御を行わず、燃焼室全体の当量比を制御することでエンジン出力の制御を行うことを特徴とする請求項３に記載の筒内直噴火花点火式内燃機関。
【請求項５】
均質燃焼時及び成層燃焼時において、比較的高負荷における当量比によるエンジン出力制御と、比較的低負荷における吸気量によるエンジン出力制御との切替点となる負荷は、それぞれ燃焼室全体または前記ボウル部及び前記ボウル部上空の混合気が希薄燃焼限界となる負荷点であることを特徴とする請求項２または４に記載の筒内直噴火花点火式内燃機関。
【請求項６】
均質燃焼及び成層燃焼を行う場合の少なくとも一方において、前記吸気量制御手段に加えて、吸気通路に配置されたスロットル弁を併用して吸気量を制御することでエンジン出力の制御を行うことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の筒内直噴火花点火式内燃機関。
【請求項７】
均質燃焼と成層燃焼を切り替える負荷は、上死点における燃焼室全体の容積に対する上死点における前記ボウル部及び前記ボウル部上空の容積割合αに対して、設定された前記ボウル部及び前記ボウル部上空の最大当量比φｍａｘを乗じた当量比にて実現される負荷であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の筒内直噴火花点火式内燃機関。
【請求項８】
当量比とは、新気と燃料の比率に基づいて示されるものに限らず、残留ガスおよび還流された燃焼ガスと新気とを含む筒内ガスと燃料との比率に基づいて示されるものでもあることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の筒内直噴火花点火式内燃機関。
【請求項９】
前記吸気量制御手段は、クランク軸と吸気弁のカム軸の位相を変化させることで、少なくとも吸気弁の閉時期を可変としていることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の筒内直噴火花点火式内燃機関。
【請求項１０】
前記吸気量制御手段は、吸気弁の閉時期と開時期を独立に制御可能であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の筒内直噴火花点火式内燃機関。
【請求項１１】
成層燃焼時は前記ボウル部及び前記ボウル部上空の当量比を略一定に維持しつつ前記吸気量制御手段により吸気量を制御することでエンジン出力の制御を行うことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の筒内直噴火花点火式内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内直噴火花点火式内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】火花点火機関において、燃料噴射弁から直接筒内に燃料を噴射し筒内に成層化した混合気を形成することで大幅な希薄燃焼を行う機関は、特に低負荷において大幅に燃料消費が低減できることが知られている。
【０００３】
この様な直噴式火花点火機関においては、混合気を着実に点火・燃焼せしめるために、機関の回転・負荷に応じて、筒内に適切な混合気塊を、確実に成層化した状態で形成することが重要である。
【０００４】
直噴式火花点火機関の例としては、ピストン冠面に凹状に形成した燃焼室に対して燃料噴射弁から高圧で燃料を噴射し、燃焼室側壁に衝突した噴霧がスワール流に乗って移動することで、点火プラグの周囲に成層化した混合気塊を形成し、機関の負荷に対しては、基本的にこの混合気塊の大きさを変化させることで対応するものがある。（特許文献１を参照）
【０００５】
【特許文献１】
特開平８−３５４２９号公報（第３−５頁、第１−３図）。
【０００６】
一方、内燃機関のポンプロスを減じて燃料消費を低減する別の手法としては、吸気弁の閉時期を機関の負荷に対して遅角し、ポンプロスの発生を回避しつつ吸気量を減じることで、低負荷における燃料消費を改善するものがある。（特許文献２を参照）
【０００７】
【特許文献２】
特開５−５４３０号公報（第４−５頁、第７図）。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
直噴式火花点火機関最大の課題のひとつは、混合気を成層化した状態に形成することである。直噴式火花点火機関においては、ピストン冠面に凹状のボウル部を形成し、燃料噴射弁からこのボウル部に対して燃料を噴射することで、主に燃焼室のボウル部に成層化した混合気を形成する構成とすることが一般的である。
【０００９】
この時、エンジン出力の制御は、混合気塊の大きさを制御することで行われるが、この方式では、機関の回転や負荷に応じて、外部に対しては成層化した状態を維持し、かつ内部では噴霧の気化・混合を促進する混合気塊を形成することは困難であり、成層状態が不十分となって未燃ＨＣの排出が増加したり、混合気塊の内部に気化が不十分な部分が残り、スモーク排出の要因となったりするなどの問題点があった。
【００１０】
一方、機関の低負荷時においては、吸気弁の閉時期を遅角することで、いわゆるポンプロスを増大することを回避しつつ、吸気量の制御を行って燃費を改善する方式においては、吸気弁閉時期の可変範囲の制限により、吸気絞り弁による吸気量制御を併用する必要があることや、希薄燃焼を行ってポンプロスを低減する場合に比して、燃費の低減率が小さいという問題点があった。
【００１１】
本発明は係る問題点に鑑みなされたもので、機関の運転条件に応じて、内部が十分に気化・混合され、かつ外部に対しては成層化した状態の混合気塊を燃焼室内に形成し、機関の燃焼状態を良好に維持し、排気物質の排出を抑制しつつ、最大限の燃費低減効果を得る手段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】
そこで、本発明の筒内直噴火花点火式内燃機関は、成層燃焼時はピストン冠面に凹状に形成されたボウル部及び前記ボウル部上空の当量比を略一定に維持しつつ、少なくとも吸気弁の閉時期を可変とすることで吸気量を制御する吸気量制御手段により吸気量を制御することでエンジン出力の制御を行うことを特徴としている。
【００１３】
【発明の効果】
本発明によれば、成層燃焼時において混合気の良好な成層状態を維持しつつ、ポンプロスの増大を回避して燃料消費の低減を行うことが可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。
【００１５】
図１は本発明に係る直噴式火花点火機関の第１実施例の構成を示すシステム構成図である。図１において、内燃機関は、シリンダヘッド１、シリンダブロック２およびピストン３からなる燃焼室４を有し、吸気バルブ５および排気バルブ６を介して吸気ポート７から新気を導入および排気ポート８から排気を排出する。燃料噴射弁９は、燃焼室４のほぼ中央に配置され、燃料を直接燃焼室４内に噴射可能である。ピストン３の燃料噴射弁９に対面する部分には、ボウル部３ａが形成されており、噴射された燃料は主にこのボウル部３ａ内に成層化した混合気塊を形成する。燃焼室４内に形成された混合気は、点火プラグ１０により、点火・燃焼せしめられる。吸気バルブ５を駆動するカム軸には、クランク軸とカム軸の位相を変化させることで吸気バルブ５の開閉タイミングを制御する吸気量制御手段としての可変バルブタイミング機構５ａが具備されている。本内燃機関は、エンジンコントロールユニットＥＣＵ１１によって統合的に制御される。ＥＣＵ１１にはアクセル開度センサ１２や水温センサ１３およびクランク角センサ１４等からの信号が入力され、ＥＣＵ１１内部で必要な処理・演算を行い、燃料噴射弁９、点火プラグ１０および吸気バルブ５の可変バルブタイミング機構５ａ等を制御する。尚、本実施例における内燃機関には、吸気ポート７の吸気上流側となる図１の図示外にスロットル弁が配設されている。
【００１６】
図２は本実施例における、成層燃焼時の混合気形成過程を示したものである。燃料は、燃料噴射弁９からピストン３冠面上に形成されたボウル部３ａに向けて噴射される。ボウル部３ａ底面に衝突した噴霧は、ボウル部３ａ底面からボウル部３ａ側壁に沿って巻き上がり、図中Ａに示す様な循環流を形成しつつ、気化・拡散・混合が進行する。噴霧の循環流は、ボウル部３ａ内部だけでなく、その上空の燃焼室部分を含んで形成される。その結果、ボウル部３ａ及びボウル部３ａ上空に、内部は均質でありながら燃焼室４の残りの部分とは明確に成層化された混合気塊が形成される。
【００１７】
この混合気塊は点火プラグ１０により着火・燃焼せしめられる。以上は、本実施例における成層燃焼時の混合気形成過程の説明である。一方、均質燃焼時においては、燃料噴射弁９から主に吸気行程中に燃料を燃焼室４に噴射し、燃焼室４全体に対して略均質に混合せしめ、圧縮上死点近傍にて点火プラグ１０により着火・燃焼せしめられる。
【００１８】
図３は本実施例における、可変バルブタイミング機構５ａの動作を説明したものである。通常時においては、吸気バルブ５は上死点近傍で開弁し、下死点後しばらく後に閉弁する構成となっている。ＩＶＣの遅角時には、クランク軸と吸気カム軸の位相をずらすことにより、吸気バルブ５の閉弁時期が遅角せしめられる。ＩＶＣの遅角により、燃焼室４（筒内）に充填される空気の量が減少するため、この遅角量の制御により、吸気量を制御することが可能である。この方法は、上記スロットル弁（図示せず）により吸気量制御を行う場合に比べ、吸入負圧によるポンプロスを発生させないと言う点で燃費上有利な方法である。
【００１９】
図４は、本実施例における、負荷に対する各制御パラメータを示した図である。横軸は機関負荷を示しており、Ｔ４は全負荷相当、Ｔ２は均質燃焼と成層燃焼との切替負荷を示す。
【００２０】
機関の負荷がＴ２〜Ｔ４の間（高負荷）は、通常の火花点火機関と同様の運転を行う。すなわち、負荷の減少に応じて上記スロットル弁（図示せず）によって吸気量を制御する。この時、吸入負圧の発達によりポンプロスが発生する。機関の当量比は、一定値（φ４）に維持される。通常、この当量比（φ４）はいわゆる化学両論比（ストイキ）である。全負荷時には、当量比をストイキよりリッチにして最大出力を得ることが通常であるが、ここではその説明は省略する。
【００２１】
機関の負荷がＴ０〜Ｔ２の間（低負荷）においては、ボウル部３ａ及びボウル部３ａ上空に成層化した混合気を形成し、Ｔ０〜Ｔ２間の負荷において成層燃焼を行う。本発明の要旨は、この際の当量比φ２を一定に維持することにある。本実施例において、成層混合気塊は、ボウル部３ａ及びボウル部３ａ上空の空間に形成されるので、基本的に混合気塊の大きさは一定である。一定の大きさの混合気塊に対して、燃焼室４全体の当量比を一定（φ２）に維持しつつエンジン出力制御（負荷制御）を行うには、機関負荷の増大に伴って燃料噴射量が増加することから、吸気量を制御する必要がある。この吸気量の制御を、上記スロットル弁によって行えばポンプロスを発生し、成層燃焼機関の最大の利点である燃料消費の低減効果が薄れてしまう。そこで、本実施例では、吸気バルブ５の閉時期を可変とする吸気量制御手段５ａにより、この時の吸気量制御を行う。すなわち、低負荷ほど吸気量を減じる必要があるので、ＩＶＣが遅角される側へと制御を行い、当量比をφ２に維持する。この時、燃料はほぼボウル部３ａ及びボウル部３ａ上空のみに存在しているため、ボウル部３ａ及びボウル部３ａ上空の当量比は図４中に点線で示す如くφ２よりは大きめになっている。また、機関の負荷がＴ０〜Ｔ２の間では、体積効率ηｖが漸次増加し、負荷がＴ２となった時点で、体積効率ηｖがＷＯＴ（スロット全開）相当の値となる。
【００２２】
しかしながら、燃焼室４全体でのトータル当量比がリーンである状態では、ＮＯｘ排出を抑制する必要があり、ボウル部３ａ及びボウル部３ａ上空の当量比はこの点を考慮してφ４すなわちストイキよりもリーンに設定される。
【００２３】
ここで、均質燃焼と成層燃焼を切り替える負荷について規定する。
本発明においては、成層混合気塊がボウル部３ａ及びボウル部３ａ上空に、負荷によらず略一定の大きさで形成される。図５に示すように、圧縮上死点における燃焼室４全体の容積Ｖａｌｌに対するボウル部３ａ及びボウル部３ａ上空の容積Ｖｂｏｗｌの比を、ボウル容積比αとして定義する。この時、ある所定のボウル内最大当量比φｍａｘ（リッチ限界）にボウル容積比αを乗じて得られる当量比にて実現される負荷を、均質燃焼と成層燃焼の切替負荷とする。尚、この第１実施例においては、成層燃焼時のボウル部３ａ及びボウル部上空の当量比がφｍａｘとなっており、αφｍａｘ＝φ２となっている。
【００２４】
そして、第１実施例においては、体積効率ηｖがＷＯＴ（スロットル全開）相当で、燃焼室４全体の当量比がφ２のときに、成層燃焼から均質燃焼に切り換えられる。
【００２５】
以上の説明のように、本実施例によれば、成層燃焼時においてボウル部３ａ及びボウル部３ａ上空の当量比を略一定に維持しつつ、ボウル部３ａ及びボウル部３ａ上空に均質かつボウル部３ａ及びボウル部３ａ上空以外の部分とは明確に成層化された混合気塊を形成でき、ポンプロスの増大を回避しつつ吸気量の制御を行うことが可能となり、成層燃焼時において混合気を良好に燃焼せしめ、燃料消費の低減を行うことが可能となる。
【００２６】
次に、本発明の第２実施例について説明する。この第２実施例におけるシステム構成は、基本的に上述した第１実施例の構成と同一であり、ここでは説明を省略する。本実施例においては、図６に示す負荷に対する各パラメータの制御が前述の第１実施例と異なる。
【００２７】
横軸は機関負荷を示しており、機関負荷がＴ２〜Ｔ４の間（高負荷）は、第１実施例と同様に、通常の火花点火機関と同様の運転を行う。
【００２８】
機関負荷がＴ０〜Ｔ２の間（低負荷）においても、第１実施例と同様に、当量比を一定に維持しつつ、吸気バルブ５の閉時期により吸気量を制御するが、この方法によるエンジン出力制御（負荷制御）は、成層燃焼時における比較的低負荷に限定される。すなわち、負荷Ｔ０〜Ｔ１の間のみ、燃焼室４全体の当量比を上記φ２よりも小さいφ１（リーン限界）に維持しつつ、吸気バルブ５の閉時期によるエンジン出力制御（負荷制御）を行う。つまり、機関負荷がＴ０〜Ｔ１の間では、体積効率ηｖが漸次増加し、機関負荷がＴ１となった時点で体積効率ηｖはＷＯＴ（スロットル全開）相当の値となっている。
【００２９】
成層燃焼時の比較的高負荷（Ｔ１〜Ｔ２の間）においては、ボウル部３ａ及びボウル部３ａ上空に形成された成層混合気塊の当量比を変化させることでエンジン出力制御（負荷制御）を行う。すなわち、Ｔ１〜Ｔ２の間の負荷においては、吸気バルブ５閉時期による吸気量制御は行わず吸気量は略一定（体積効率ηｖはＷＯＴ相当の値で一定）であり、成層混合気塊の大きさも一定であるが、当量比φが負荷に応じて異なる。この第２実施例におけるボウル部３ａ及びボウル部３ａ上空の当量比を図示すると、図６に点線で示す如くとなる。
【００３０】
そして、上述した第１実施例と同様に、体積効率ηｖがＷＯＴ（スロットル全開）相当で、燃焼室４全体の当量比がφ２のときに（機関負荷がＴ２のときに）、成層燃焼から均質燃焼に切り換えられる。
【００３１】
以上の説明のように、この第２実施例によれば、成層燃焼時において、燃焼室４全体の当量比が上述した第１実施例に比べより希薄となり、燃料消費のさらなる低減が可能となるという利点があるとともに、可変バルブタイミング機構５ａによる吸気量制御の幅が小さくて済むという利点がある。
【００３２】
次に第３実施例について説明する。この第３実施例におけるシステム構成は、基本的に上述した第１実施例に示す構成と同一であり、ここでは説明を省略する。本実施例においては、図７に示す負荷に対する各パラメータの制御が前述の各実施例とは異なる。
【００３３】
横軸は機関負荷を示しており、負荷がＴ０〜Ｔ２の間は成層燃焼を行い、実施例１と同様に、当量比を一定に維持し、吸気バルブ５の閉時期による吸気量制御によってエンジン出力制御（負荷制御）を行う。
【００３４】
一方、機関負荷がＴ２〜Ｔ４の間においては、燃焼室４全体に略均質な混合気を形成し、その当量比は一定に制御されるが、エンジン出力制御（負荷制御）は吸気バルブ５の閉時期による吸気量制御により行われる。
【００３５】
尚、この第３実施例においても、上述した第１実施例と同様に、体積効率ηｖがＷＯＴ（スロットル全開）相当で、燃焼室４全体の当量比がφ２のときに（機関負荷がＴ２のときに）、成層燃焼から均質燃焼に切り換えられる。
【００３６】
以上の説明のように、本実施例によれば、均質燃焼時においても、燃焼室全体の当量比を略一定に維持しつつ、スロットル弁によるポンプロスの増大を回避して燃料消費のさらなる低減が可能となるという利点がある。
【００３７】
次に、本発明の第４実施例について説明する。この第４実施例におけるシステム構成は、基本的に上述した第１実施例に示す構成と同一であり、ここでは説明を省略する。本実施例においては、図８に示す負荷に対する各パラメータの制御が前述の各実施例と異なる。
【００３８】
横軸は機関負荷を示しており、成層燃焼時においては、第２実施例と同様に、比較的低負荷である負荷Ｔ０〜Ｔ１の間では、燃焼室４の当量比をφ１一定に維持しつつ、吸気バルブ５の閉時期による吸気量制御によって負荷制御を行い、比較的高負荷である負荷Ｔ１〜Ｔ２の間では、吸気量を一定に維持しつつ、燃焼室４の当量比によって負荷制御を行う。
【００３９】
一方、均質燃焼時における比較的低負荷（機関負荷がＴ２〜Ｔ３の間）においては、燃焼室４全体の当量比をφ３に維持しつつ、吸気バルブ５の閉時期による吸気量制御によってエンジン出力制御（負荷制御）行う。ここで、当量比φ３は、φ２＜φ３＜φｍａｘとなる値である。
【００４０】
そして、均質燃焼時における比較的高負荷（機関負荷がＴ３〜Ｔ４の間）においては、吸気量を一定に維持しつつ、燃焼室４全体の当量比を変化させることでエンジン出力制御（負荷制御）を行う。すなわち、機関負荷がＴ３〜Ｔ４の間では、燃焼室４全体の当量比が漸次増加し、機関負荷がＴ４となった時点で当量比はφ４となっている。
【００４１】
尚、この第４実施例においても、上述した第１実施例と同様に、体積効率ηｖがＷＯＴ（スロットル全開）相当で、燃焼室４全体の当量比がφ２のときに（機関負荷がＴ２のときに）、成層燃焼から均質燃焼に切り換えられる。
【００４２】
以上の説明のように、本実施例によれば、均質燃焼時において、燃焼室４全体の当量比がより希薄となり、燃料消費のさらなる低減が可能となるという利点があるとともに、可変バルブタイミング機構５ａによる吸気量制御の幅が小さくて済むという利点がある。
【００４３】
次に本発明の第５実施例について説明する。この第５実施例におけるシステム構成は、基本的に上述した第１実施例に示す構成と同一であり、ここでは説明を省略する。本実施例においては、図９に示す負荷に対する各パラメータの制御が前述の各実施例と異なる。
【００４４】
すなわち、上述した第１〜第４実施例においては、吸気バルブ５の閉時期により吸気量制御を行っているが、この第５実施例においては、吸気バルブ５の閉時期による吸気量制御とスロットル弁による吸気量制御を併用するものである。
【００４５】
吸気バルブ５の閉時期による吸気量制御は、スロットル弁による吸気量制御に対して、ポンプロスの増大を抑制できるという点で有利ではあるが、可変バルブタイミング機構５ａの構造的な制約によって、要求される吸気量に対して実際の吸気量が十分に減少出来ないことや、吸気バルブ５の閉時期の過遅角により、混合気に対する有効圧縮比が低下し、燃焼状態に悪影響を及ぼす可能性もある。
【００４６】
この第５実施例においては、各燃焼方式（成層燃焼及び均質燃焼）の比較的低負荷において、吸気バルブ５の閉時期をある所定値まで遅角しても吸気量が十分に制御出来ない場合には、スロットル弁による吸気量制御を併用する。すなわち、図９において、機関負荷がＴ０〜Ｔ１’の間及び機関負荷がＴ２〜Ｔ３’の間では、吸気バルブ５の閉時期は最大遅角位置に固定し、スロットル弁によって吸入負圧を生じることによって吸気量を制御し、燃焼室４内の当量比を一定に維持しつつ、エンジン出力制御（負荷制御）を行う。
【００４７】
尚、この第５実施例においても、上述した第１実施例と同様に、体積効率ηｖがＷＯＴ（スロットル全開）相当で、燃焼室４全体の当量比がφ２のときに（機関負荷がＴ２のときに）、成層燃焼から均質燃焼に切り換えられる。
【００４８】
以上の説明のように、この第５実施例によれば、吸気通路に配置されたスロットル弁を併用して吸気量を制御することでエンジン出力制御（負荷制御）を行う構成としたため、可変バルブタイミング機構５ａによる吸気量制御の幅が小さくて済むという利点がある。
【００４９】
ここで、上述した第２、第４及び第５実施例においては、各燃焼方式（成層燃焼及び均質燃焼）を実施する負荷範囲内の比較的低負荷および比較的高負荷において、当量比を一定に維持した吸気量制御によるエンジン出力制御（負荷制御）と、吸気量を一定に維持した当量比によるエンジン出力制御（負荷制御）とを切り替える負荷点（Ｔ１）を規定する必要がある。
【００５０】
同一負荷においては当量比がリーンである方が燃費に優れるため、比較的高負荷側から低負荷側にかけて徐々に当量比を小さくすることで負荷を減少し、燃焼室４全体またはボウル部３ａ及びボウル部３ａ上空の当量比が希薄燃焼限界となった負荷において、当量比によるエンジン出力制御（負荷制御）と吸気量によるエンジン出力制御（負荷制御）とを切り替えることで、最大の燃費低減効果が得られ、また失火の発生を回避出来る。すなわち、希薄燃焼限界となった負荷より低負荷側においては、当量比は希薄燃焼限界当量比に固定し、吸気バルブ５の閉時期による吸気量制御によるエンジン出力制御（負荷制御）を行う構成とするのがよい。
【００５１】
また、上述した各実施例においては、当量比はその定義に従い、混合気中の燃料と空気との比率に基づいて計算されるものとしてきた。しかしながら、成層燃焼機関においては、ＮＯｘ排出の低減のためにＥＧＲを行うことが通常であり、この場合、当量比の定義としては、混合気中の燃料と空気および既燃ガスとの比率に基づいて計算されるものと置き換えることが出来る。
【００５２】
次に本発明の第６実施例について説明する。
【００５３】
上述した第１〜第５実施例における可変バルブタイミング機構５ａは、クランク軸と吸気カム軸の位相をずらすことで、吸気バルブ５の閉時期を制御し吸気量を制御する構成であり、吸気バルブ５の閉時期を遅角すると同時に開時期も遅角するものであった。
【００５４】
しかしながら、この第６実施例においては、吸気バルブ５の開閉時期を可変として吸気量を制御する機構として、吸気バルブ５の開時期と閉時期をそれぞれ制御可能な機構を用いる。機関の構成は、図１に示すものとほぼ類似であるが、可変バルブタイミング機構５ａは、上記の如く、吸気バルブ５の閉時期と開時期の両方を独立に制御可能である。この様なバルブタイミング制御が可能な可変動弁機構は多数公知であり、機械的に構成されたものだけでなく、カム軸を有せず電磁気力や油圧によって弁を駆動するものであってもよい。
【００５５】
そして、この第６実施例においては、負荷に対する各パラメータの制御は、基本的にすでに説明された第１〜第５実施例のうちのいずれかと同じである。ただし、吸気バルブ５の閉時期を遅角して吸気量を減少する制御を行う場面では、逆に吸気バルブ５の閉時期を進角することで吸気量を減少させる。
【００５６】
この第６実施例においては、吸気バルブの閉時期と開時期を独立に制御可能であるので、吸気バルブ５の閉時期進角時においてもスロットル弁の開時期が一定となるように制御することも可能であるが、開時期についてもある程度進角することでバルブオーバーラップを増大し、内部ＥＧＲ量を制御することも可能である。内部ＥＧＲは、ＥＧＲバルブと排気還流通路を使用した外部ＥＧＲに対して、制御遅れが生じないなどの利点がある。また、場合によって外部ＥＧＲのためのバルブ等を廃止することも可能である。図１０は、第６実施例における吸気バルブ５の開閉タイミングを示したものである。
【００５７】
以上の説明のように、この第６実施例によれば、ポンプロスの増大を回避して燃料消費を低減するだけでなく、同時に残留ガス量を制御することでＥＧＲ率を制御しＮＯｘ排出を低減出来るという利点がある。
【００５８】
以下に上記各実施例から把握し得る本発明の技術的思想について、その効果とともに列記する。
【００５９】
（ａ）　ピストン冠面に凹状に形成されたボウル部と、少なくとも吸気弁の閉時期を可変とすることで吸気量を制御する吸気量制御手段とを有し、高負荷においては主に吸気行程に燃料を噴射して燃焼室全体に略均質な混合気を形成して均質燃焼を行い、低負荷においては主に圧縮行程に燃料を噴射して前記ボウル部及び前記ボウル部上空に略均質な混合気を形成して成層燃焼を行う筒内直噴火花点火式内燃機関において、成層燃焼時は少なくとも前記ボウル部の当量比を略一定に維持しつつ前記吸気量制御手段により吸気量を制御することでエンジン出力の制御を行う。これによって、成層燃焼時において混合気の良好な成層状態を維持しつつ、ポンプロスの増大を回避して燃料消費の低減を行うことが可能となる。
【００６０】
（ｂ）　前記（ａ）に記載の筒内直噴火花点火式内燃機関において、成層燃焼時の比較的高負荷においては、前記吸気量制御手段による吸気量の制御を行わずに前記ボウル部及び前記ボウル部上空の当量比を制御することでエンジン出力の制御を行う。これによって、成層燃焼時において燃焼室全体の当量比がより希薄となり、燃料消費のさらなる低減が可能となるという利点があるとともに、前記吸気量制御手段による吸気量制御の幅が小さくて済むという利点がある。
【００６１】
（ｃ）　前記（ａ）または（ｂ）に記載の筒内直噴火花点火式内燃機関において、均質燃焼時において、燃焼室全体の当量比を略一定に維持しつつ前記吸気量制御手段により吸気量を制御することでエンジン出力の制御を行う。これによって、均質燃焼時に吸気絞り弁によるポンプロスの増大を回避して燃料消費のさらなる低減が可能となるという利点がある。
【００６２】
（ｄ）　前記（ｃ）に記載の筒内直噴火花点火式内燃機関において、均質燃焼時の比較的高負荷においては、前記吸気量制御手段による吸気量の制御を行わず、燃焼室全体の当量比を制御することでエンジン出力の制御を行う。これによって、均質燃焼時において燃焼室全体の当量比がより希薄となり、燃料消費のさらなる低減が可能となるという利点があるとともに、前記吸気量制御手段による吸気量制御の幅が小さくて済むという利点がある。
【００６３】
（ｅ）　前記（ｂ）または（ｄ）に記載の筒内直噴火花点火式内燃機関において、均質燃焼時及び成層燃焼時において、比較的高負荷における当量比によるエンジン出力制御と、比較的低負荷における吸気量によるエンジン出力制御との切替点となる負荷は、それぞれ燃焼室全体または前記ボウル部及び前記ボウル部上空の混合気が希薄燃焼限界となる負荷点である。これによって、燃料消費の低減効果を最大限に引き出すことが可能となる。
【００６４】
（ｆ）　前記（ａ）〜（ｅ）のいずれかに記載の筒内直噴火花点火式内燃機関において、均質燃焼及び成層燃焼を行う場合の少なくとも一方において、前記吸気量制御手段に加えて、吸気通路に配置されたスロットル弁を併用して吸気量を制御することでエンジン出力の制御を行う。これによって、前記吸気量制御手段による吸気量制御の幅が小さくて済むという利点がある。
【００６５】
（ｇ）　前記（ａ）〜（ｆ）のいずれかに記載の筒内直噴火花点火式内燃機関において、均質燃焼と成層燃焼を切り替える負荷は、上死点における燃焼室全体の容積に対する上死点における前記ボウル部及び前記ボウル部上空の容積割合αに対して、設定された前記ボウル部及び前記ボウル部上空の最大当量比φｍａｘを乗じた当量比にて実現される負荷である。これによって、機関の制御パラメータのマッチングが容易となるという利点がある。
【００６６】
（ｈ）　前記（ａ）〜（ｇ）のいずれかに記載の筒内直噴火花点火式内燃機関において、当量比とは、新気と燃料の比率に基づいて示されるものに限らず、残留ガスおよび還流された燃焼ガスと新気とを含む筒内ガスと燃料との比率に基づいて示されるものでもある。これによって、燃料消費の低減と、ＥＧＲの導入によるＮＯｘ排出低減を同時に実現出来るという利点がある。
【００６７】
（ｉ）　前記（ａ）〜（ｈ）のいずれかに記載の筒内直噴火花点火式内燃機関において、前記吸気量制御手段は、クランク軸と吸気弁のカム軸の位相を変化させることで、少なくとも吸気弁の閉時期を可変としている。これによって、簡便かつ安価な構成で本発明の利点を実現出来るという利点がある。
【００６８】
（ｊ）　前記（ａ）〜（ｉ）のいずれかに記載の筒内直噴火花点火式内燃機関において、前記吸気量制御手段は、吸気弁の閉時期と開時期を独立に制御可能である。これによって、ポンプロスの増大を回避して燃料消費を低減するだけでなく、同時に残留ガス量を制御することでＥＧＲ率を制御しＮＯｘ排出を低減出来るという利点がある。
【００６９】
（ｋ）　前記（ａ）〜（ｊ）のいずれかに記載の筒内直噴火花点火式内燃機関において、成層燃焼時は前記ボウル部及び前記ボウル部上空の当量比を略一定に維持しつつ前記吸気量制御手段により吸気量を制御することでエンジン出力の制御を行う。これによって、成層燃焼時において混合気の良好な成層状態を維持しつつ、ポンプロスの増大を回避して燃料消費の低減を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る筒内直噴火花点火式内燃機関のシステム構成を示す説明図。
【図２】本発明に係る筒内直噴火花点火式内燃機関における成層混合気の形成過程を示した説明図。
【図３】本発明に係る筒内直噴火花点火式内燃機関におけるバルブタイミングを示した説明図。
【図４】本発明の第１実施例における負荷に対する各制御パラメータを示した説明図。
【図５】本発明におけるボウル容積比αの定義を示す説明図。
【図６】本発明の第２実施例における負荷に対する各制御パラメータを示した説明図。
【図７】本発明の第３実施例における負荷に対する各制御パラメータを示した説明図
【図８】本発明の第４実施例における負荷に対する各制御パラメータを示した説明図。
【図９】本発明の第５実施例における負荷に対する各制御パラメータを示した説明図。
【図１０】本発明の第６実施例におけるバルブタイミングを示す説明図。
【符号の説明】
１…シリンダヘッド
２…シリンダブロック
３…ピストン
４…燃焼室
５…吸気バルブ
６…排気バルブ
７…吸気ポート
８…排気ポート
９…燃料噴射弁
１０…点火プラグ
１１…エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）
１２…アクセル開度センサ
１３…水温センサ
１４…クランク角センサ
【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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