(57)【要約】燃焼を改善するために層状排気ガス再循環を使用する４サイクル往復動内燃機関を開示する。このエンジンは、シリンダと、シリンダ内に収容した往復ピストンと、シリンダヘッドとによって形成される少なくとも１つの燃焼室を含む。各燃焼室は、少なくとも１つの吸気ポート及び少なくとも１つの排気ポートと流体連通している。少なくとも１つの吸気ポートは、吸気バルブと、吸気ポート近傍に吸気流体流を作り出す吸気流動生成装置とを含む。少なくとも１つの排気ポートは、部分負荷時に吸気行程の間に開弁する排気バルブと、部分負荷時に吸気行程の間に排気ポート近傍に排気流体流を生成する排気流動生成装置とを含む。エンジン制御装置は、少なくとも１つのセンサからの信号を処理し、リフト及びタイミング可変バルブシステムに制御信号を出力して、各吸気バルブ及び各排気バルブを作動させ、残留排気流を少なくとも１つの排気ポートを通じて燃焼室内へ導入し、同時に空気又は燃料／空気混合気を少なくとも１つの吸気ポートを通じて燃焼室内に導入する。空気が燃焼室内に導入されると、燃料が燃焼室内の空気中に噴射される。エンジンは、ｉ）燃焼室内の排気ポートに隣接した第１の部分で回転し且つ実質的に燃焼室内のピストンの往復運動の方向に広がる排気渦の軸を中心にして回転する再循環排気ガスと、ｉｉ）燃焼室内の吸気ポートに隣接するの残りの部分で回転し且つ実質的に燃焼室内のピストンの往復運動の方向に広がる吸気流体渦の軸を中心にして回転する燃料／空気混合気と、を含む層状の排気ガス及び燃料／空気混合気を生成する。このエンジンは理論運転状態にあるので、従来の三元触媒を用いて排出物質を制御することができる。
2004502067.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
４サイクル往復動内燃機関であって、
シリンダと、該シリンダ内に収容した往復ピストンと、シリンダヘッドとによって形成される燃焼室と；
燃焼室と流体連通している排気ポートであって、排気バルブと、残留排気流体流が実質的に前記燃焼室内の前記ピストンの往復運動の方向に広がる排気渦の軸を中心にして回転するように、前記燃焼室内の前記排気ポートに隣接する第１の部分に残留排気流体流を生成するための排気流動生成装置とを含む排気ポートと；
前記燃焼室と流体連通している吸気ポートであって、該吸気ポートは、燃料／空気混合気を形成するために吸気ポート内の空気中に燃料を方向付けるための燃料噴射弁と連通しており、吸気バルブと、空気／燃料流体流が実質的に燃焼室内のピストンの往復運動の方向に広がる吸気流体渦の軸を中心にして回転するように、前記燃焼室内の前記吸気ポートに隣接する残りの部分に空気／燃料流体流れを生成するための吸気流動生成装置とを含む吸気ポートと；
少なくとも１つのエンジン運転状態を感知するための少なくとも１つのセンサと；
各センサに応答して、排気バルブと吸気バルブを作動させるために燃料噴射弁及びリフト及びタイミング可変バルブシステムに制御信号を与える制御装置と；
を備えており、
前記制御装置は、
吸気行程の少なくとも第１の部分の間、前記排気バルブが開弁し、前記排気ポートを通じて残留排気を前記燃焼室内に導入して、前記燃焼室の第１の部分に排気渦の軸を中心にして回転する残留排気流体流を生成し、
吸気行程の少なくとも第２の部分の間、前記吸気バルブを開弁し、前記吸気ポートを通じて燃料／空気混合気を燃焼室内に導入して、燃焼室の残りの部分に吸気流体渦の軸を中心にして回転する空気／燃料流体流を生成するために、記憶されているプログラムを実行することを特徴とする内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気ガスの一部を選択的に再循環させ、燃料及び空気と共にシリンダに加えて、燃焼室内に層状の排気ガス／燃料／空気混合気を生成する４サイクル往復ピストン内燃機関に関する。
【０００２】
【発明の背景】
火花点火式４サイクル往復ピストン内燃機関の設計では、多くの場合、低負荷又は部分負荷で効率の下がることがよく知られている。効率上の損失は、吸入混合気の絞りに起因する損失、絞られた混合気の低濃度に起因する緩慢な燃焼、及び燃焼室壁に関する過剰な熱損失を始めとする数々の要因により生じる。ある種のエンジンは、低／部分負荷での低効率に加えて、部分負荷運転中の窒素酸化物（ＮＯＸ）及び炭化水素（ＨＣ）を許容できないレベルで排出する。なお、この明細書では「機関」と「エンジン」を同義語として用いる。
【０００３】
この低／部分負荷運転に伴う効率と排気の問題に対する１つの解決策として、排気ガス再循環（ＥＧＲ）を使用するエンジン設計が開発されている。エンジンに排気ガス再循環を使用すれば、絞り損失がある程度緩和され、またピーク燃焼温度が低下することからエンジンのＮＯＸ排出が著しく低下することがはっきりと実証されている。また、排気ガス再循環を理論燃料／空気混合気と共に使用すると、従来の三元触媒を使用して効果的な排気物質制御ができることも知られている。
【０００４】
この技術分野では、均質なガス再循環を具体化したエンジン構成が数多く知られている。例えば、米国特許第４，８７０，９４１号には、ＥＧＲ通路によりエンジンの排気マニホールドが吸気マニホールドと流体が連通する関係に配置されたエンジンＥＧＲシステムの基本型が開示されている。この構成では、排気ガスはＥＧＲ通路及びＥＧＲバルブを介して吸気マニホールドに再循環すなわち戻される。米国特許第５，４０４，８４４号には、別の型式のエンジンＥＧＲシステムが開示されており、ここでは、シリンダ上部の排気ガスの第１の部分が排気ポートに吐出され、シリンダ下部からの排気ガスの第２の部分が吸気行程中に吸入される。更に別の型式のエンジンＥＧＲシステムが米国特許第５，００５，５５２号に開示されており、ここでは、吸気行程中に排気バルブを開き、これにより排気ガスの逆流をシリンダ内に取り込むことにより排気ガスをシリンダ内に再循環させている。
【０００５】
層状排気ガス再循環（ＥＧＲ）は、低／部分負荷運転に伴う効率と排出物質の問題に対する又別の解決策として開発されてきた。米国特許第４，３９３，８５３号、同第５，８７０，９９３号、同第５，８９４，８２６号、及び同第５，９１８，５７７号は、どれも、層状排気ガス再循環（ＥＧＲ）の各種形態を示している。
【０００６】
米国特許第４，３９３，８５３号は、層状排気ガス再循環（ＥＧＲ）方式を具体化したエンジンを開示する。この特許に記載されているエンジン構成では、渦流燃料／空気混合気が吸気バルブを通じてスパークプラグ近くのシリンダ中心に導入され、排気ガスが、別のシリンダ又は排気ガスマニホールドから、シリンダ壁の中間部に位置する接線ポートを通って導入される。このエンジン構成にあっては、排気ガスがシリンダ壁の付近で渦を巻き、燃料／空気混合気がシリンダの中心で渦を巻くという、半径方向の層状相を生成する。
【０００７】
米国特許第５，８７０，９９３号は、吸気行程中に排気バルブを開弁し、これにより排気ガスの逆流をシリンダ内に取り込むことにより排気ガスをシリンダに再循環させるエンジン構成を開する。排気バルブ開口部に設けられたチャンファが、往復ピストンの運動の方向に平行な軸を中心にして回転する再循環排気ガスの渦巻流を生成する。また、燃料／空気混合気がシリンダの中心領域にタンブル流を生成する方法でシリンダ内へと導入される。渦巻排気ガス流及びタンブル燃料−空気流は燃焼室内に層状相を生成する。
【０００８】
米国特許第５，８９４，８２６号は、シリンダの周辺領域に略円形の運動を作り出すためシリンダ内へ接線方向に空気を導入するための第１吸気ポートと、空気及びＥＧＲ通路により供給される再循環排気ガスをシリンダの中央に向けて導入するための第２吸気ポートとを備えたエンジンを開示する。
【０００９】
米国特許第５，９１８，５７７号は、吸気行程中に排気バルブを開き、これにより排気ガスの逆流をシリンダ内に取り込むことにより排気ガスをシリンダ内へ再循環させる別の層状ＥＧＲエンジンが開示する。螺旋状の排気ポートは、往復ピストンの運動方向に平行な軸を中心にして回転する再循環排気ガスの渦巻流を生成する。排気ガスは、実質的には、ピストン表面にシリンダ壁に沿って存続し、カップ状の領域を形成する。燃料／空気混合気は、また、燃料／空気混合気がシリンダの中心で渦を巻くような方法でシリンダ内に導入される。渦を巻いた排気ガス流れ及び燃料／空気流れにより、燃焼室内には層状相が生成される。
【００１０】
米国特許第４，３９３，８５３号、同第５，８７０，９９３号、及び同第５，９１８，５７７号のエンジン構成は、エンジン効率を改善し、排出物質を低減するが、これら先行技術による層状ＥＧＲシステムには欠点がある。空燃比は、エンジンのトルクと排出物質に大きな影響を及ぼすことが知られている。特に、ある特定の空燃比つまり理論混合気は、非常に重要な意味を持ち、仮に燃焼が完全であれば、燃料中の全ての水素及び炭素が、燃焼行程によりＨ２ＯとＣＯ２に変換されるような、空気と燃料との組み合わせに相当する。従って、排出物質を低減できるように、点火が起きる圧縮行程の終了前に、シリンダ内のスパークプラグ近傍に着火性混合気の存在することが望ましい。結果として、理想的な層状ＥＧＲシステムによって吸気及び圧縮の間は渦巻流を維持し、点火前に着火性混合気がシリンダ内のスパークプラグ近傍に存在するようにしなければならない。米国特許第４，３９３，８５３号、同第５，８７０，９９３号、同第５，８９４，８２６号、同第５，９１８，５７７号に開示のエンジン構成に伴う１つの欠点は、これらエンジン構成では、吸気及び圧縮の間、渦巻流を維持することができず、火花点火式燃焼の質と排出物質に悪影響及ぼしかねないということである。
【００１１】
例えば、米国特許第４，３９３，８５３号のエンジン構成は、あるレベルの層状相を提供するが、この設計では燃料／空気混合気と再循環排気ガスが相当に混合するのが避けられない。その結果、点火の前に、シリンダ内のスパークプラグ近傍に理論混合気に近い状態を実現するのは困難になる。同様に、米国特許第５，８７０，９９３号のエンジン構成は、層状相を提供するが、再循環排気ガスの渦巻流と燃料／空気混合気のタンブル流により、燃料／空気混合気と再循環排気ガスとの混合が避けられない。米国特許第５，８９４，８２６号のエンジン構成に関しては、このエンジンでは、燃料が排気ガスを通じてシリンダ周辺領域の空気内に噴射されるので、空気と燃料と排気ガスの相当な混合が生じる。最後に、米国特許第５，９１８，５７７号のエンジン構成では、燃料／空気混合気と排気ガスとの混合の制御に関し、米国特許第４，３９３，８５３号、同第５，８７０，９９３号及び同第５，８９４，８２６号に比べて改善されてはいるが、米国特許第５，９１８，５７７号に開示のエンジンにおいても、圧縮行程中にピストンが再循環排気ガスと燃料／空気混合気とを押し上げる際に、ピストンの頂部に存在する再循環排気ガスが燃料／空気混合気と混ざり合うことになるので、燃料／空気混合気と再循環排気ガスとがある程度混合してしまう。
【００１２】
従って、低／部分負荷エンジン運転に伴う効率と排出物質という問題への１つの解決策を提供する層状排気ガス再循環（ＥＧＲ）方式を最適に具現化する４サイクル往復ピストン内燃機関が依然として必要とされる。より具体的には、層状排気ガス再循環（ＥＧＲ）法を使用し、着火性且つ完全燃焼性混合気が点火前にシリンダの特定領域に存在するように、吸気及び圧縮の間、層状流を維持することのできる４サイクル往復ピストン内燃機関が必要とされる。
【００１３】
【発明の概要】
先行技術による層状排気ガス再循環（ＥＧＲ）方式の上記の不都合な点は、エンジンシリンダと、シリンダヘッドと、ピストンと、によって形成される燃焼室内に層状ＥＧＲ／燃料／空気混合気を生成するためのリフト及びタイミング可変バルブを備えた４サイクル往復式内燃機関を提供することにより克服される。このエンジンにより生成される層状の排気ガス／燃料／空気混合気は、燃焼室内で実質的にピストンの往復運動の方向に広がる排気渦の軸を中心にして回転する再循環排気ガスと、燃焼室内で実質的にピストンの往復運動の方向に広がる吸気流体渦の軸を中心にして回転する燃料／空気混合気とから構成される。このエンジンは、吸気及び圧縮の間、燃料／空気混合気と再循環排気ガスとの間の混合が全く発生しないか、若しくは発生しても最小限に抑えられるように、層状の再循環排気ガス／燃料／空気混合気の動きを精密に制御することができる。その結果、点火時にシリンダ内のスパークプラグ近傍に存在し、それによって室内での安定した点火及び実質的な完全燃焼を達成する理論燃料／空気混合気に隣接して、再循環排気ガスが位置付けられることになる。加えて、エンジンの理論運転により、従来の三元触媒を排出物質制御に用いることができる。
【００１４】
本発明による一つの態様の４サイクル往復式内燃機関は、シリンダ、シリンダ内に収容した往復ピストン、及びシリンダヘッドにより形成される燃焼室を備えている。燃焼室は、排気ポート及び吸気ポートと流体連通している。排気ポートは、部分負荷での吸気行程中に開く排気バルブと、排気流動生成装置と、任意であるが、これに関連した排気流方向制御装置とを備えている。排気流動生成装置は、部分負荷での吸気行程で、燃焼室の排気ポートに隣接する第１の部分に排気流体流を生成する。吸気ポートは、関連の吸気バルブと、吸気流動生成装置と、任意であるが、これに関連した吸気流方向制御装置とを備えている。吸気流動生成装置は、燃焼室の吸気ポートに隣接した残りの部分に吸気流体流を生成する。流動生成装置は螺旋状のポートであってもよく、気流方向制御装置はバルブマスク又はバルブシュラウドであってもよい。このエンジンは、排気バルブと吸気バルブを作動させるためのリフト及びタイミング可変バルブシステムと、エンジン運転状態を感知するための少なくとも１つのセンサと、エンジン制御装置を備えている。エンジン制御装置は、各センサからの信号を受信してこれを処理し、吸気行程時に排気残存流が排気ポートを通じて燃焼室内へと導入され、同時に燃料／空気混合気が吸気ポートを通じて燃焼室内に導入されて、先に述べた層状の排気ガス及び燃料／空気混合気が生成されるように、各吸気バルブと各排気バルブを作動させるために、リフト及びタイミング可変バルブシステムに制御信号を出力する。
【００１５】
本発明による他の態様の４サイクル往復式内燃機関は、シリンダと、このシリンダ内に収容した往復ピストンと、シリンダヘッドと、によって形成される燃焼室を備えている。燃焼室は、吸気ポート及び排気ポートと流体連通している。排気ポートは、部分負荷での吸気行程中に開弁する排気バルブと、排気流動生成装置と、任意であるが、これに関連した排気流方向制御装置とを備えている。排気流動生成装置は、部分負荷での吸気行程で、燃焼室の排気ポートに隣接する第１の部分に排気流体流を生成する。吸気ポートは、これに関連した吸気バルブと、吸気流動生成装置と、任意であるが、これに関連した吸気流方向制御装置とを備えている。吸気流動生成装置は、燃焼室の吸気ポートに隣接した残りの部分に吸気流体流を生成する。流動生成装置は螺旋状のポートであってもよく、気流方向制御装置はバルブマスク又はバルブシュラウドであってもよい。このエンジンは、燃料を燃焼室内の空気中に噴射するための、シリンダヘッド又はシリンダの側壁に取り付けられた燃料噴射弁と、排気バルブ及び吸気バルブを作動させるためのリフト及びタイミング可変バルブシステムと、エンジン運転状態を感知するための少なくとも１つのセンサと、エンジン制御装置を備えている。エンジン制御装置は、各センサから信号を受信してこれを処理し、そして、排気残存流が排気ポートを通じて燃焼室内へと導入され、同時に空気が吸気ポートを通じて燃焼室内に導入され、燃料が燃焼室内の空気中に直接噴射されて、先に述べた層状の排気ガス及び燃料／空気混合気が生成されるように吸気バルブ及び排気バルブを作動させるために、リフト及びタイミング可変バルブシステムに制御信号を出力する。
【００１６】
本発明の一つの態様では、層状の排気ガス及び燃料／空気混合気は、燃焼室の第１の部分で排気渦の軸を中心にして回転する再循環排気ガスと、燃焼室の残りの部分で吸気渦の軸を中心にして回転する燃料／空気混合気から構成される。排気ガスは、排気渦の軸を中心にして、シリンダ軸に垂直な面に実質的に平行に回転し、燃料／空気混合気は、吸気渦の軸を中心にして、前記面に実質的に平行に回転するのが望ましい。排気ガスと燃料／空気混合気は互いに反対方向に回転し、且つ実質的に同じ角速度で回転し、これにより再循環排気ガスと燃料／空気混合気との間の混合をなくすか、又は極めて最小限に抑えるのが最も望ましい。
【００１７】
以上より、本発明の有利な点は、低／部分負荷エンジン運転に付随する効率と排出物質の問題点に対する解決法を提供すべく層状排気ガス再循環（ＥＧＲ）方式を最適に具現化する４サイクル往復ピストン内燃機関を提供することである。
【００１８】
本発明の別の有利な点は、層状排気ガス再循環（ＥＧＲ）方式を使用し、点火前に、シリンダ内のスパークプラグ近傍に理論混合気に近い混合気が存在するように、吸気及び圧縮の間、層状流を維持することのできる４サイクル往復ピストン内燃機関を提供することである。
【００１９】
本発明の更に別の有利な点は、層状排気ガス再循環（ＥＧＲ）方式を使用し、少ない燃料で、ポンプ損失を低減しつつ安定な燃焼を維持し、これにより燃料の経済性を高める４サイクル往復ピストン内燃機関を提供することである。
【００２０】
本発明のまた別の有利な点は、層状排気ガス再循環（ＥＧＲ）方式を用いて燃焼温度を下げ、これによりＮＯＸ排出を低減する４サイクル往復ピストン内燃機関を提供することである。
【００２１】
本発明の更に別の有利な点は、層状排気ガス再循環（ＥＧＲ）方式を用いて、低エンジン負荷及び部分エンジン負荷において信頼できる燃焼を維持しつつ、シリンダの有効寸法を縮小した４サイクル往復ピストン内燃機関を提供することである。
【００２２】
本発明のまた別の有利な点は、層状排気ガス再循環（ＥＧＲ）方式を用いて、燃焼反応とシリンダ壁の一部との間に熱断層の役割を果たす排気ガスの層を生成し、これにより熱損失を低減する４サイクル往復ピストン内燃機関を提供することである。
【００２３】
本発明の更に別の有利な点は、層状排気ガス再循環（ＥＧＲ）方式を用いて低／部分負荷エンジン運転に付随する効率と排出物質の問題点に対する解決法を提供し、且つ従来の三元触媒を排気物質制御に使用できるようにした４サイクル往復ピストン内燃機関を提供することである。
【００２４】
本発明の更に別の有利な点は、層状排気ガス再循環（ＥＧＲ）方式を用いて、ピストンリング上方の隙間領域の部分を燃料／空気混合気から隔離した４サイクル往復ピストン内燃機関を提供することである。
【００２５】
本発明のまた別の有利な点は、層状排気ガス再循環（ＥＧＲ）方式を用いて、燃料噴射弁を中心に取り付けることを必要としない４サイクル往復ピストン内燃機関を提供することである。
【００２６】
本発明の別の有利な点は、更に高水準のＥＧＲを許容している点である。また別の、本発明のより特定的に有利な点は、ポンプ損失が低減され、その結果、燃料の経済性を改善することである。本発明の更に別の、より特定的に有利な点は、エンジンのＮＯＸと炭化水素の排出が著しく低減され、エンジンの理論運転のゆえに、従来の三元触媒を排出物質制御に使用できることである。本発明の更に別の有利な点は、シリンダ壁とピストンを経由する熱伝達が小さくなり、これによりエンジンの熱力学的効率を改善することである。本発明の更に有利な点は、燃料の経済性が高まることである。
【００２７】
【好適な実施形態の詳細な説明】
本発明の上記の特徴及び他の特徴、態様、目的、及び効果は、以下の詳細な説明、請求の範囲、及び添付した図面を考察に入れることにより一層明確に理解できるであろう。
【００２８】
尚、図面は、必ずしも縮尺が一致しているわけではなく、また実施形態は、時には、図形、仮想線、図式表現、及び部分図により示していることを理解されたい。ある例では、本発明を理解するうえで必要でない詳細な説明、または他の詳細事項を理解するのが困難となる詳細な説明は省略している。本発明はここで説明する特定の実施形態に必ずしも限定されるものではないことは勿論である。
【００２９】
以下の図面の説明では、図面間で類似又は同様の部分に言及する際には、同様の符号を付してある。
【００３０】
図１に示すように、多気筒の４サイクル往復動内燃機関１０の１つの気筒は、シリンダ１１と、コンロッド１４を備えたクランクシャフト１２と、シリンダ１１内に配置されたピストン１６とを有している。シリンダヘッド１７は、シリンダ１１の一端を閉じ、ピストン１６と協働して燃焼室１９を形成する。燃焼室１９は、吸気バルブ２０及び排気バルブ２４によって、吸気ポート１８及び排気ポート２２に連通している。吸気バルブ２０は吸気バルブアクチュエータ２５により操作され、排気バルブ２４は排気バルブアクチュエータ２６により操作される。燃料噴射弁２９は、燃料を吸気ポート１８内の空気中に噴射するために、吸気ポート１８と流体が連通する状態で配置されている。図１には、シリンダ、吸気バルブ、排気バルブ、吸気ポート、排気ポートがそれぞれ１つしか示されていないが、本発明は、複数のシリンダ、吸気バルブ、排気バルブ、吸気ポート、排気ポートを有するエンジンで使用できることは勿論である。
【００３１】
図１Ａは、別の態様の多気筒４サイクル往復動内燃機関１０Ａの内の１つのシリンダを示す。エンジン１０Ａは、図１のエンジン１０と同様に、シリンダ１１、コンロッド１４を備えたクランクシャフト１２、ピストン１６、シリンダヘッド１７、吸気ポート１８、排気ポート２２、吸気バルブ２２、排気バルブ２４、吸気バルブアクチュエータ２５、排気バルブアクチュエータ２６を有する。しかしながら、図１Ａのエンジン１０Ａにあっては、燃料噴射弁２９ａがシリンダヘッド１７に取り付けられ、燃料を燃焼室１９に直接噴射する。変形例として、燃料を燃焼室１９に直接噴射するために、燃料噴射弁２９ａをシリンダ１１の側壁に取り付けてもよい。エンジン１０Ａでは噴射弁２９ａを中心に取り付ける必要がないため、噴射弁２９ａはいずれの位置に取り付けてもよい。図１Ａでは、シリンダ、吸気バルブ、排気バルブ、吸気ポート、及び排気ポートがそれぞれ１つしか示されていないが、本発明は、複数のシリンダ、吸気バルブ、排気バルブ、吸気ポート、排気ポートを有するエンジンでも使用できることを理解されたい。
【００３２】
図２は、本発明によるエンジン制御システムを示す。エンジン制御装置３０は、エンジン作動センサ３２からの各種の入力を受信するが、このセンサ３２としては、エンジン制御に関わる当業者にとって既知の、この明細書で示唆する数々のセンサを含む。例えば、エンジン作動センサ３２は、エンジン回転数、エンジン負荷、空燃比、吸気マニホールド絶対圧力、エンジン吸入空気質量流量、エンジン排気温度、排気マニホールド絶対圧力、エンジン温度、車両速度、車両ギア選択、アクセル位置のようなパラメータを感知し、また、当業者に既知のこの明細書で示唆する他のパラメータを感知する。エンジン制御装置３０は、自動車の電子エンジン制御装置に関わる当業者にとって既知多くの形式の中の一つの電子エンジン作動コントローラを有し、この制御装置３０は、感知された作動パラメータを所定の値と比較し、各種エンジンアクチュエータを制御する電気信号を出力する。例えば、本発明では、エンジン制御装置３０は、吸気バルブアクチュエータ２５及び排気バルブアクチュエータ２６と電気的に接続されており、吸気バルブ２０と排気バルブ２４それぞれの運動を制御するために吸気バルブアクチュエータ２５と排気バルブアクチュエータ２６とが使用する電気信号を出力する。
【００３３】
吸気バルブ２０、排気バルブ２４、吸気バルブアクチュエータ２５、排気バルブアクチュエータ２６は、この技術分野では既知のリフト及びタイミング可変バルブシステムの一部を構成する。例えば、米国特許第５，４０４，８４４号及び同第５，２５５，６４１号にはリフト及びタイミング可変電子油圧式カム無しバルブシステムにより制御される動弁機構が示されており、米国特許第５，７４３，２２１号及び同第５，６９２，４６３号にはリフト及びタイミング可変電磁式カム無しバルブシステムにより制御される動弁機構が示されており、また米国特許第５，５９２，９０６号にはリフト及びタイミング可変機械式バルブシステムにより制御される動弁機構が示されている。これらの各特許を、この明細書に参考文献として援用する。これらの形式の動弁機構は、吸気バルブ２０と排気バルブ２４の両方のタイミング及びリフトを可変化できるフレキシビリティを提供する。従って、この明細書で用いる「リフト及びタイミング可変バルブシステム」という用語は、吸気バルブ２０と排気バルブ２４のタイミングとリフトの両方を可変化できる動弁機構を記述するために用いる。例えば、本発明の好適な形態では、吸気バルブアクチュエータ２５及び排気バルブアクチュエータ２６がエンジン制御装置３０から信号を受信し、吸気バルブ２０と排気バルブ２４のタイミング及びリフトを可変にする。
【００３４】
吸気バルブアクチュエータ２５及び吸気バルブ２０は、図１に示すエンジン１０の吸気行程で、吸気ポート１８から燃料／空気混合気を導入するために用いられる。エンジン制御装置３０は、感知された作動パラメータを負荷要求値及び所定値と比較し、電気信号を吸気バルブアクチュエータ２５に送る。続いて、吸気バルブアクチュエータ２５は、燃料／空気混合気が、吸気行程中に吸気ポート１８から燃焼室１９の所定の領域に流れ込むように吸気バルブ２０を作動させる。
【００３５】
吸気バルブアクチュエータ２５及び吸気バルブ２０は、図１Ａに示すエンジン１０Ａの吸気行程の間に吸気ポート１８から空気を導入するために用いられる。エンジン制御装置３０は、感知された作動パラメータを負荷要求値及び所定値と比較し、電気信号を吸気バルブアクチュエータ２５に送る。次いで、吸気バルブアクチュエータ２５は、空気が吸気行程中に吸気ポート１８から燃焼室１９の所定の領域に流れ込むように吸気バルブ２０を作動させる。
【００３６】
排気バルブアクチュエータ２６と排気バルブ２４は、エンジン１０又は１０Ａの吸気行程で排気ガスを排気ポート２２から導入するために用いられる。エンジン制御装置３０は、感知された作動パラメータを負荷要求値及び所定値と比較し、電気信号を排気バルブアクチュエータ２６に送る。次に、排気バルブアクチュエータ２６は、残留排気ガスが吸気行程中に排気ポート２２から燃焼室１９の所定の領域に流入するように排気バルブ２４を作動させる。ここで使用しているように、燃焼室に入る排気ガスの流れを「残留排気」と呼ぶ。
【００３７】
吸気バルブアクチュエータ２５と排気バルブアクチュエータ２６がエンジン制御装置３０から信号を受信し、吸気バルブ２０と排気バルブ２４のタイミング及びリフトを継続的に可変化するという、リフト及びタイミング可変バルブシステムを使用することの１つの具体的な利点は、吸気ポート１８を通じて燃焼室１９内に導入される吸入空気又は燃料／空気混合気の量を、負荷要求値及び感知されたエンジン負荷又は導き出されたエンジン負荷値に応じて変化させ、排気ポート２２を通じて燃焼室に導入される排気で燃焼室を満たし、それによりポンプ損失を低減するために可変化できることである。
【００３８】
本発明によれば、吸気ポート１８と排気ポート２２は、燃焼室１９内に導入される空気又は燃料／空気混合気及び排気ガスに特定の運動を生成するために、リフト及びタイミング可変バルブシステムと協働する流動生成装置を含む。図３には、それぞれ燃焼室１９の特定の領域に導入される吸入空気又は燃料／空気混合気及び残留排気に渦運動を生成するための手段として、リフト及びタイミング可変バルブシステムと共に使用される螺旋状吸気ポート４８と螺旋状排気ポート５０とを示す。変形例として、、吸気ポート１８及び排気ポート２２の流れ断面における不規則な表面を用いて、燃焼室１９内に導入される空気又は燃料／空気混合気及び残留排気に渦運動を発生させてもよい。
【００３９】
本発明の最も好適な態様によれば、吸気ポート１８及び排気ポート２２は、それぞれに関連する流れ方向制御装置を含む。流れ方向制御装置は、空気又は燃料／空気混合気及び残留排気を燃焼室１９の特定の領域に方向付けるため、リフト及びタイミング可変バルブシステムと共に作動する。図４、図５及び図５Ａは、流れ方向制御装置の１つの態様を示す。図４、図５及び図５Ａを見ると、ここでは、排気バルブ２４が開弁すると、残留排気を燃焼室１９の特定の領域に方向付ける、排気バルブ２４の一部に設けられたバルブシュラウド５８が示されている。無論、同じ型式のバルブシュラウドを、吸気バルブ２０が開弁すると、吸入空気又は燃料／空気混合気を燃焼室１９の特定の領域に方向付けるため、吸気バルブ２０上で使用することもできる。図６、図７、図７Ａは、流れ方向制御装置の別の態様を示す。図６、図７、図７Ａを見ると、ここでは、排気ポート２２の流れ断面の一方の側に設けられたバルブマスク４２と、吸気ポート１８の流れ断面の一方の側に設けられたバルブマスク２４ａとを示す。バルブマスク４２、４２ａは、吸気バルブ２０及び排気バルブ２４が開弁すると、空気又は燃料／空気混合気及び残留排気を燃焼室１９の特定の領域に方向付ける。図３〜図７Ａでは、シリンダ当たり４個のバルブを示すが、当業者には、ポート構造又はバルブ構造を使って燃焼室１９内に所望の空気及び排気ガスの運動又は方向を得ようとする場合には、シリンダ当たり如何なる数のバルブを使用してもよいことが分かるであろう。
【００４０】
本発明による図１のエンジン１０の作動中、吸気バルブ２０が閉弁している間又は開弁している間の何れかのときに、燃料／空気混合気を生成するために、燃料が噴射弁２９から吸気ポート１８内の空気中に噴射される。エンジン制御装置３０は、感知されたパラメータを受信してこれらを処理し、そして、吸気バルブアクチュエータ２５に命令を送って、要求負荷を達成するために、吸気バルブ２０を作動させて、吸気行程中に様々なレベルの燃料／空気混合気を燃焼室１９内に導入する。例えば、エンジン制御装置３０は、通常、負荷要求信号を受信し、エンジン負荷信号を受信又は導き出し、次いで、吸気バルブアクチュエータ２５に命令を送って吸気バルブ２０を作動させ、負荷要求値及び測定されたエンジン負荷により決まる特定のレベルの燃料／空気混合気を燃焼室内に導入する。また、吸気行程中、エンジン制御装置３０は、排気バルブアクチュエータ２６に命令を送って排気バルブ２４を作動させ、様々なレベルの残留排気ガスを排気ポート２２から燃焼室１９内へ導入する。残留排気ガスは、燃焼室１９を満たしポンプ損失を減じる。排気ガス質量対空気質量の比は、作動条件により０〜１の間で変化する。残留排気は、螺旋状の排気ポート５０とバルブシュラウド５８又はバルブマスク４２により、燃焼室１９の排気ポート２２に隣接する第１の部分に方向付けられ、実質的に燃焼室１９内のピストン１６の往復運動の方向に広がる排気渦の軸を中心にして回転する。同時に、吸気ポート１８を通じて導入された燃料／空気混合気は、螺旋状の吸気ポート４８及バルブシュラウド又はバルブマスク４２ａにより、燃焼室１９内の吸気ポート１８に近い残りの部分に方向付けられ、実質的に燃焼室１９内のピストン１６の往復運動の方向に広がる吸気流体渦の軸を中心にして回転する。これにより、燃焼室１９内に層状の排気及び燃料／空気混合気が生成される。
【００４１】
本発明による図１Ａのエンジン１０Ａの作動中、エンジン制御装置３０は、感知されたパラメータを受信し、これを処理して、吸気バルブアクチュエータ２５に命令を送って吸気バルブ２０を作動させ、吸気行程中に様々なレベルの空気を燃焼室内に導入して、要求負荷を達成する。例えば、エンジン制御装置３０は、通常、負荷要求信号を受信し、エンジン負荷信号を受信又は導き出し、次いで、吸気バルブアクチュエータ２５に命令を送って吸気バルブ２０を作動させ、負荷要求値及び測定されたエンジン負荷によって決まる、特定のレベルの空気を燃焼室に導入する。また、吸気行程中、エンジン制御装置３０は、排気バルブアクチュエータ２６に命令を送って排気バルブ２４を作動させ、様々なレベルの残留排気ガスを排気ポート２２から燃焼室１９内へ導入する。残留排気ガスは、燃焼室１９を満たしポンプ損失を減じる。排気ガス質量対空気質量の比は、作動条件により０〜１の間で変化する。残留排気は、螺旋状の排気ポート５０とバルブシュラウド５８又はバルブマスク４２により、燃焼室１９の排気ポート２２に隣接する第１の部分に方向付けられる。残留排気は、実質的に燃焼室１９内のピストン１６の往復運動の方向に広がる排気渦の軸を中心にして回転する。同時に、吸気ポート１８を通じて導入された空気は、螺旋状の吸気ポート４８及バルブシュラウド又はバルブマスク４２ａにより、燃焼室１９の吸気ポート１８に隣接する残りの部分に方向付けられる。空気は、実質的に燃焼室１９内のピストン１６の往復運動の方向に広がる吸気流体渦の軸を中心にして回転する。吸気行程の間に燃料噴射弁２９ａから燃料が燃焼室１９内の空気中に直接噴射され、層状の排気及び燃料／空気混合気が燃焼室１９内に生成される。燃料噴射弁２９ａからの燃料の液滴直径は、２０ミクロンよりも小さく、円錐角度及び貫通度（ペネトレーション）は、燃料が、燃焼室１９の第１の部分にある残留排気に入り込むのを防ぎ、ピストン１６及び／又はシリンダヘッド１７を濡らすのを防ぐために最適化されることが望ましい。
【００４２】
図８Ａ、図８Ｂ、図９は、エンジン１０及び１０Ａにより生成される層状混合気を示す。２つの向きだけが逆の同じ螺旋状のポート、即ち図３に示す螺旋状吸気ポート４８と螺旋状排気ポート５０とを用いることにより、逆向きの２つの強力なガス流渦巻が燃焼室１９に生成される。残留排気ガス流７０は、実質的には燃焼室１９内のピストンの往復運動の方向に広がる排気渦の軸を中心にして回転する。残留排気７０は、シリンダ１１の内壁の第１の部分に沿って、ピストン１６と、シリンダヘッド１７と、シリンダ１１の内壁の第１の部分と、残留排気７０がシリンダ１６の内壁の反対側に沿って燃料／空気混合気流８０に出会う場所である位置９４と位置９５の間に広がる境界面９１とによって形成されるボリューム内に滞留する。燃料／空気混合気流８０は、実質的に燃焼室１９内のピストン１６の往復運動の方向に広がる吸気流体渦の軸９２周りに回転する。燃料／空気混合気流８０は、シリンダ１１の内壁の第２の部分に沿って、ピストン１６と、シリンダヘッド１７と、シリンダ１１の内壁の第２の部分と、残留排気７０がシリンダ１６の内壁の反対側に沿って燃料／空気混合気流８０に出会う場所である位置９４と位置９５の間に広がる境界面９１と、により画定されるボリューム内に滞留する。燃焼室１９内に導入される空気又は燃料／空気混合気及び残留排気の正確な量は、様々なエンジンの作動状態によって異なる。図９に示すように、残留排気７０は、単数又は複数のピストンリングの上方の隙間領域７２の部分も覆い、燃料／空気混合気が隙間領域７２に入り込むことができなくなるようにする。これは、エンジンからの炭化水素の排出を低減する役割を果たす。
【００４３】
図８Ａ、図８Ｂ、図９に示す二つの逆渦巻き、即ち、残留排気流７０及び燃料／空気混合気流８０は、吸気行程の全期間に亘って安定した分離状態を呈する。明確な層状境界面９１が、残留排気流７０と燃料／空気混合気流８０の間に存在していて、境界面９１上の乱流運動エネルギーは極めて小さい（約数十ｍ２／ｓ２のレベル）ことが確認されており、これは、境界面９１で残留排気流７０と燃料／空気混合気流８０とが混ざり合う可能性が最小であることを意味している。この二つの逆渦巻流構造は極めて好都合である。他の先行技術による流れ構造が層状を維持するのに失敗している主な理由の１つは、２つの反時計回りの流体渦の間に相対速度があるために、シリンダの中心に高い乱流レベル（１２００ｍ２／ｓ２）が発生するからである。この強い乱流は、境界面区域で新鮮な空気とＥＧＲが混ざるのを加速する。２つの渦の相対運動を低減し、シリンダ内に残留排気流と燃料／空気混合気流の分離状態を維持できるようにするためには、残留排気流の渦と燃料／空気混合気流の渦は、上記のように逆方向に回転しなければならないことが分った。
【００４４】
上で詳しく説明したように、本発明のエンジン１０、１０Ａの作動中は、制御装置３０とリフト及びタイミング可変バルブシステムは、排気バルブ２４と吸気面２０の双方を作動させ、吸気行程の間に、残留排気及び空気又は燃料／空気混合気をシリンダ内へ導入する。二つの螺旋ポートすなわち図３に示す螺旋吸気ポート４８と螺旋排気ポート５０は、シリンダ１６内に逆向きの２つの強力な略同一の渦巻を生成する。吸気行程でピストン１６が上死点から下死点へと移動する間、空気又は燃料／空気混合気渦及び残留排気渦は安定しており各々のコヒーレント構造を維持する。乱流運動エネルギーは、両者の境界面領域では低レベル（約数十ｍ２／ｓ２）に保たれる。図１０には、上死点から１２０度のクランク角度での、ある切断面における速度ベクトル分布を示している。他の切断面及び他のクランク角度でも、同様の速度ベクトル分布が観察された。
【００４５】
図８Ａ、図８Ｂ、図９に示す層状混合気は、吸気及び圧縮行程の間、維持できるので、本発明によるエンジン１０（図１）によりエンジン効率の改善と排出物質の低減が実現できる。図１のエンジン１０の作動中、排気ガスは、吸気行程の間に排気ポート２２を通じて燃焼室１９に導入され、残留排気は、燃焼室内の排気ポートに隣接する第１の部分において、実質的に燃焼室内のピストンの往復運動の方向に広がる排気渦の軸を中心にして回転するが、一方、燃料／空気混合気は、吸気ポート１８を通じて導入され、燃焼室内の吸気ポートに隣接する残りの部分において、実質的に燃焼室内のピストンの往復運動の方向に広がる吸気流体渦の軸を中心にして回転する。残留排気と燃料／空気混合気の混ざり合いが最小限となるように、吸気行程で排気ガス及び燃料／空気混合気を燃焼室１９に導入することにより、火花点火式燃焼の質及び信頼性を改善できることが分かっている。好ましくは、残留排気と燃料／空気混合気とが一切混ざり合わず、吸気行程及び圧縮行程の結果、圧縮行程の終了前には、排気ガスの渦巻流（燃料／空気混合気は０％に近い）がシリンダの第１の部分に発生し、渦状の均質な理論燃料／空気混合気（排気は０％に近い）がシリンダの残りの部分に発生しているのがよい。
【００４６】
エンジン効率の改善と排出物質の低減は、図８Ａ、図８Ｂ、図９に示す層状混合気が吸気及び圧縮行程中に維持できることから、本発明による（図１Ａに示す）エンジン１０Ａによっても実現できる。図１Ａのエンジン１０Ａの作動中、排気ガスは、吸気行程の間に排気ポート２２を通じて燃焼室１９に導入され、残留排気は、燃焼室内の排気ポートに隣接する第１の部分において、実質的に燃焼室内のピストンの往復運動の方向に広がる排気渦の軸を中心にして回転し、一方、空気は、吸気ポート１８を通じて導入され、燃焼室内の吸気ポートに隣接する残りの部分において、実質的に燃焼室内のピストンの往復運動の方向に広がる吸気流体渦の軸を中心にして回転する。燃料は、燃料噴射弁２９ａにより燃焼室内の空気中に直接噴射される。残留排気と、燃料が空気中に噴射されたときに生成される燃料／空気混合気との混ざり合いが最小限となるように、吸気行程で排気ガスと空気を燃焼室１９に導入することにより、火花点火式燃焼の質及び信頼性を改善できることが分かっている。好ましくは、残留排気と燃料／空気混合気とが一切混ざり合わず、吸気行程及び圧縮行程の結果、圧縮行程の終了前には、排気ガスの渦巻流（燃料／空気混合気は０％に近い）がシリンダの第１の部分に発生し、渦状の均質な理論燃料／空気混合気（排気は０％に近い）がシリンダの残りの部分に発生しているのがよい。
【００４７】
本発明によるエンジン１０、１０Ａは、排気ガス及び燃料／空気混合気が別々の渦としてシリンダ内で逆方向に実質的に同じ角速度で回転する層状の排気ガス／燃料／空気混合気を生成し、これを維持することができるので、渦巻状の排気ガスと燃料／空気混合気との間の混ざり合いを排除するか、又は最小限にするのに特に有用である。排気ガスと燃料／空気混合気が逆方向に且つ実質的に同じ角速度で回転する場合、排気ガス／空気−燃料の境界面では相対運動が最小になり、従って、排気ガスと燃料／空気混合気との混ざり合いが最小になる。排気ガスと燃料／空気混合気とが別々の渦としてシリンダ内で逆方向に実質的に同じ角速度で回転する層状の排気ガス／燃料／空気混合気を生成し、これを維持することにより、エンジン設計上、火花点火の瞬間に、排気ガスの流れ（燃料／空気混合気は０％に近い）がシリンダ内の第１の部分に存在し、渦巻状の均質な理論燃料／空気混合気（排気は０％に近い）がシリンダ内のスパークプラグ近傍の残りの部分に存在することが保証される。
【００４８】
エンジン負荷センサ又はエンジン負荷値を導き出すことができる他のセンサ、吸入空気質量流量センサ、エンジン排気温度センサ、排気マニホールド絶対圧力センサ、これらセンサに応答する制御装置と、リフト及びタイミング可変バルブシステムとを、エンジン１０、１０Ａに組み込むことにより、エンジン負荷及び対応ＥＧＲ率を精密に制御し、排気ガスと燃料／空気混合気とが別々の渦として逆方向に実質的に同じ角速度で回転する層状の排気ガス／燃料／空気混合気を生成し、これを維持し、それにより排気ガスと燃料／空気混合気との混ざり合いを最小にすることができる。エンジン負荷センサ又はエンジン負荷値を導き出すことができる他のセンサは、燃料噴射弁及び燃焼室に入れる空気と残留排気ガスの正確な量を制御するために用いられる信号を提供する。吸入空気質量流量センサ、エンジン排気温度センサ、及び排気マニホールド絶対圧力センサも、燃焼室１９に入れる空気と残留排気ガスの量を制御するために使用される信号を提供する。上述した層状の排気ガス／燃料／空気混合気を生成するためには、吸気バルブ２０と排気バルブ２４は、同時に且つ同じ期間だけ開くのが望ましいということが分かっている。
【００４９】
従って、１）吸気ポート１８と排気ポート２２に、流動生成装置と、任意であるが、これに関連する流れ方向制御装置とを設け、２）エンジン負荷、吸入空気質量流量、エンジン排気温度、エンジン排気マニホールド絶対圧力を測定又は導き出し、３）リフト及びタイミング可変バルブシステムの可変タイミング特性を用いて吸気バルブ２０と排気バルブ２４とを吸気行程で実質的に同時に開弁し、そして４）リフト及びタイミング可変バルブシステムの可変リフト特定を用いて、吸気バルブ２０と排気バルブ２４とが開弁しているときに、可変量の空気又は空気−燃料及び排気ガスが、吸気ポート１８と排気ポート２２を通ってそれぞれに燃焼室１９に流入することによって、排気ガスと燃料／空気混合気とが別々の渦として逆方向に実質的に同じ角速度で回転する層状の排気ガス／燃料／空気混合気を生成することができる。
【００５０】
本発明によるエンジンには多くの利点がある。例えば、１）再循環排気ガスが燃焼室の容積を効果的に減じ、これによりポンプ損失を相殺するのに余分なパワーが不要となることから要求される燃料／空気混合気の量を低減でき、２）部分負荷運転中のシリンダ内の燃料／空気混合気のマスが小さくなり、隣接する未燃排気ガスが燃焼の最高温度を下げ、これによりＮＯＸ排出が低減され、３）残留排気がシリンダの内壁の一部に沿って滞留し、これにより燃焼室からの熱伝達が低下することから、エンジン効率が改善され、４）本発明のある態様では、排気ポート２２から残留排気ガスを取り込みながら、吸気ポート１８を通じて取り込まれる燃料／空気混合気を理論空燃比混合気にすることにより、全体希釈度が非常に高い混合気で、安定した燃焼が実現でき、５）本発明の別の態様では、排気ポート２２からの残留排気ガスを取り込みながら、吸気ポート１８から空気を取り込んで燃料をシリンダ内の空気中に直接噴射して理論空燃比の燃料／空気混合気を生成することにより、全体希釈度が非常に高い混合気で、安定した燃焼が実現でき、６）吸気及び圧縮行程で、層状の残留排気ガス／燃料／空気混合気の運動の精密な制御を維持することにより、理論空燃比の燃料／空気混合気が点火時にスパークプラグ近傍にあり、それによって完全燃焼に近い燃焼を実現でき、７）燃焼室を燃料／空気混合気と未燃排気ガスとで満すことによってポンプ損失が最小にな、８）エンジンが理論運転状態にあるので、従来の三元触媒を使って排出物質を制御することができ、９）本発明の燃料／空気混合気は、均一な排気／燃料／空気混合気よりも信頼性の高い燃焼を提供するので、ＥＧＲの量を増やすことができる、などである。
【００５１】
以上、本発明を、特定の実施形態に関連して詳細に説明したが、当業者にとって、本発明がこれらの実施形態以外によっても具現化でき、上述した実施形態は説明を目的とするもので本発明を限定するものではないことが分かるであろう。従って、請求の範囲に述べる本発明の範囲は実施形態の説明に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による可変バルブ制御式エンジンの概略図である。
【図１Ａ】本発明による、別の形式の可変バルブ制御式エンジンの概略図である。
【図２】本発明による制御システムのブロック線図である。
【図３】本発明による、エンジンの燃焼室に導入される渦巻状の吸気流と排気ガス流を作り出すための螺旋状の吸気ポート及び排気ポートを含むエンジンの概略図である。
【図４】本発明によるエンジンの燃焼室内に吸気流及び排気流を導くための手段を有するシリンダヘッドの底面図である。
【図５】図４のシリンダヘッドの５−５線に沿った断面図である。
【図５Ａ】図５のシリンダヘッドの５Ａ−５Ａ線に沿った断面図である。
【図６】本発明によるエンジンの燃焼室内に吸気流及び排気流を導くための手段を有する別のシリンダヘッド底面図である。
【図７】図６のシリンダヘッドの７−７線に沿った断面図である。
【図７Ａ】図６のシリンダヘッドの７Ａ−７Ａ線に沿った断面図である。
【図８Ａ】図９の８Ａ−８Ａ線に沿った、本発明によるエンジンの燃焼室内のチャージを示す概略平面図である。
【図８Ｂ】図９の８Ｂ−８Ｂ線に沿った、本発明によるエンジンの燃焼室内のチャージを示す別の概略平面図である。
【図９】本発明によるエンジンの燃焼室内のチャージを示す概略断面図である。
【図１０】図９の８Ａ−８Ａ線に沿った、本発明によるエンジンの速度ベクトル分布を示す図である。
【図２】
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【図８Ａ】
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【国際公開パンフレット】
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