内燃機関
【課題】全運転領域における予混合自着火式運転領域を拡大して燃費性能を向上させるとともに、燃焼温度を下げて排ガス成分の悪化を抑制し、しかも急速な燃焼やノッキングおよびそれに伴う燃焼騒音の発生を防止できる内燃機関を提供すること。
【解決手段】インジェクタ１９と、吸気ポート１５から燃焼室１４内に新気を導入可能とする２つの吸気バルブ１６Ａ，１６Ｂと、これら吸気バルブ１６Ａ，１６Ｂと対向する位置に配置され、燃焼室１４内の排気を排気ポート１７へ排出可能とする２つの排気バルブ１８Ａ，１８Ｂと、これら吸気バルブ１６Ａ，１６Ｂと排気バルブ１８Ａ，１８Ｂを所定のタイミングで開弁させる動弁機構と、吸気マニホールド（吸気通路）４１と排気マニホールド４２とを繋いで、排気を冷却して吸気マニホールド４１へ環流する排気冷却環流装置５０と、を備え、吸気バルブ１６Ａ側の吸気通路に冷却された排気を導入する。
【解決手段】インジェクタ１９と、吸気ポート１５から燃焼室１４内に新気を導入可能とする２つの吸気バルブ１６Ａ，１６Ｂと、これら吸気バルブ１６Ａ，１６Ｂと対向する位置に配置され、燃焼室１４内の排気を排気ポート１７へ排出可能とする２つの排気バルブ１８Ａ，１８Ｂと、これら吸気バルブ１６Ａ，１６Ｂと排気バルブ１８Ａ，１８Ｂを所定のタイミングで開弁させる動弁機構と、吸気マニホールド（吸気通路）４１と排気マニホールド４２とを繋いで、排気を冷却して吸気マニホールド４１へ環流する排気冷却環流装置５０と、を備え、吸気バルブ１６Ａ側の吸気通路に冷却された排気を導入する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は内燃機関に関し、さらに詳しくは、機関運転領域に応じて火花点火と予混合圧縮自着火とに切り替え可能な内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関としては、燃焼室内の混合気を火花点火により燃焼させる火花点火式燃焼に加えて、燃焼室内の混合気を圧縮して自着火させる予混合圧縮自着火式燃焼（ＨＣＣＩ：Homogeneous-Charge Compression Ignition）を利用したエンジンが提案されている。一般に、予混合圧縮自着火式燃焼は火花点火式燃焼に比べて低温燃焼形態をとるため、窒素酸化物（ＮＯｘ）がほとんど発生しない。また、このような予混合圧縮自着火式燃焼は、高い熱効率ポテンシャルを有するため大幅な二酸化炭素（ＣＯ２）削減効果が見込める。しかし、予混合圧縮自着火式燃焼では点火プラグのような外的な着火時期制御手段を用いないため、機関性能に大きな影響を及ぼす着火時期が、複雑なメカニズムからなる自着火過程により決定される。したがって、予混合圧縮自着火式燃焼では、燃料の着火時期の制御が困難であった。特に、高負荷の運転領域においては、ノッキングや急速な燃焼による燃焼室内の急激な圧力上昇により燃焼騒音が発生するため自着火運転が行えず、自着火運転の可能な運転領域が制限される。
【０００３】
従来の自着火燃焼機能を備えた内燃機関としては、吸気タイミングに排気タイミングの一部を重ねることにより、排気ポートから戻る温度の高い内部ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）や、吸気ポートに排気ポートに接続された外部流路を介して比較的温度の高い排気である外部ＥＧＲを筒内に導入してＥＧＲ領域と導入空気（新気）領域との成層化を図ったものが知られている（例えば、特許文献１参照）。このような内燃機関では、燃焼室内の導入気の成層化を図ることで燃焼速度の抑制を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２１４７４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述の内部ＥＧＲや外部ＥＧＲを用いて予混合圧縮自着火式燃焼を行わせる内燃機関では、燃焼室内の導入気の成層化を用いて燃焼速度の抑制を図っているものの、高い温度のＥＧＲ領域での着火性が高く、導入空気領域（新気領域）でも酸素の多いガス組成であるため着火性が高い。したがって、このような自着火燃焼においては、燃焼を十分に緩慢にさせることが困難であった。加えて、このような内燃機関では、高い温度のＥＧＲが導入されるため、燃料の濃い領域で燃焼温度が高くなり、窒素酸化物（ＮＯＸ）の生成、排出が生じてしまい、予混合圧縮自着火式燃焼での最大の利点の一つであるＮＯＸの排出が殆ど無いという利点も得られないものであった。
【０００６】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、全運転領域における予混合圧縮自着火式燃焼運転領域を拡大して燃費性能を向上させるとともに、燃焼温度を下げて窒素酸化物（ＮＯＸ）の生成、排出を抑制し、しかも急速な燃焼やノッキングおよびそれに伴う燃焼騒音の発生を防止できる内燃機関を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る内燃機関の態様は、燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、吸気通路から気筒内に新気を導入可能とする吸気弁と、燃焼室内の排気を排気通路へ排出可能とする排気弁と、吸気弁と排気弁とを同時に開弁可能な動弁機構と、燃焼室の外側に設けられて排気通路と吸気通路とを連通可能となし、排気通路内の排気を冷却して吸気通路へ環流させる排気冷却環流装置と、を備え、ピストンの圧縮作用により燃焼室内の混合気を自着火させる予混合圧縮自着火式燃焼運転を行う内燃機関であって、吸気行程で、排気通路から高温の排気を引き戻して燃焼室内に導入し、かつ、新気に排気冷却環流装置で冷却された排気を合流させて吸気弁から燃焼室内に導入して、燃焼室内で新気の混じった低温の排気と、新気の混じった高温の排気と、により成層化された温度分布を形成させることを特徴とする。
【０００８】
上記態様としては、吸気弁と排気弁がそれぞれ２つずつ備えられ、燃焼室の上部に、それぞれ吸気弁と排気弁の１つずつが互いに対向して対をなす第１の対と第2の対とが配置され、上記排気冷却環流装置が、冷却された排気を第１の対の吸気弁へ導入し得る位置の吸気通路に接続され、排気通路から燃焼室内へ引き戻される高温の排気が、第２の対の排気弁を通過するように設定されている構成とすることができる。
【０００９】
上記態様としては、予混合圧縮自着火式燃焼運転における少なくとも高負荷側の運転時に、排気冷却環流装置から排気を冷却して吸気通路へ導入させるようにしてもよい。
【００１０】
上記態様としては、燃料噴射弁が、予混合圧縮自着火式燃焼運転における吸気行程中に燃料を噴射することが好ましい。
【００１１】
上記態様としては、２つの吸気弁に連通する前記吸気通路が、少なくとも、排気冷却環流装置から冷却された排気が導入される位置よりも下流側が隔壁で互いに分離されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、全運転領域における予混合圧縮自着火式燃焼運転領域を拡大して燃費性能を向上させるとともに、燃焼温度を下げて窒素酸化物（ＮＯＸ）の生成、排出を抑制し、しかも急速な燃焼やノッキングおよびそれに伴う燃焼騒音の発生を防止できる内燃機関を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係る内燃機関の説明図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態に係る内燃機関における吸気バルブ、排気バルブ、および動弁機構の配置を示す側面図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態に係る内燃機関における燃料噴射弁、吸気バルブ、および動弁機構の配置を示す斜視図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態に係る内燃機関におけるシリンダヘッドに対する吸気バルブおよび排気バルブ、および排気冷却環流装置の配置を示す平面説明図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態に係る内燃機関の予混合圧縮自着火式燃焼運転における吸気バルブおよび排気バルブのリフト量（クランクアングル−バルブリフト量）を示す図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態に係る内燃機関のエンジン回転数とエンジン負荷との関係における運転領域を示した図であり、領域Ｉと領域IIIが火花点火式燃焼運転を行う領域を示し、領域IIと領域IVが予混合圧縮自着火式燃焼運転を行う領域を示す。
【図７】図７は、本発明の実施の形態に係る内燃機関における予混合圧縮自着火式燃焼運転時に燃焼室内が成層化される作用およびその状態を示す説明図である。
【図８】図８は、本発明の実施の形態に係る内燃機関のクランクアングルと筒内圧力との関係を示す図である。
【図９】図９は、本発明の実施の形態に係る内燃機関の変形例を示す平面説明図である。
【図１０】図１０は、本発明のその他の実施の形態に係る内燃機関の予混合圧縮自着火式燃焼運転における吸気バルブおよび排気バルブのリフト量（クランクアングル−バルブリフト量）を示す図である。
【図１１】図１１は、本発明のその他の実施の形態に係る内燃機関の予混合圧縮自着火式燃焼運転における吸気バルブおよび排気バルブのリフト量（クランクアングル−バルブリフト量）を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、本発明の実施の形態に係る内燃機関の詳細を図面に基づいて説明する。但し、図面は模式的なものであり、各部材の寸法や寸法の比率や形状などは現実のものと異なることに留意すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率や形状が異なる部分が含まれている。
【００１５】
（内燃機関の構成）
本実施の形態に係る内燃機関１０は、運転領域において、火花点火燃焼運転領域と、ピストンによる圧縮作用により混合気を自着火させて燃焼を行う予混合圧縮自着火式燃焼運転の領域と、を有し、火花点火燃焼と予混合圧縮自着火式（以下、自着火とも云う。）燃焼と、を切り替えて運転できるようになっている。
【００１６】
図１に示すように、本実施の形態に係る内燃機関１０は、燃焼室１４内に燃料を直接噴射するインジェクタ（燃料噴射弁）１９と、吸気ポート１５から燃焼室１４内に新気を導入可能とする２つの吸気バルブ（吸気弁）１６Ａ，１６Ｂと、これら吸気バルブ１６Ａ，１６Ｂと対向する位置に配置され、燃焼室１４内の排気を排気ポート１７へ排出可能とする２つの排気バルブ（排気弁）１８Ａ，１８Ｂと、これら吸気バルブ１６Ａ，１６Ｂと排気バルブ１８Ａ，１８Ｂを所定のタイミングで開弁させる動弁機構４０Ａ，４０Ｂ（図２および図３参照）と、吸気マニホールド（吸気通路）４１と排気マニホールド（排気通路）４２とを繋いで、排気を冷却して吸気マニホールド４１へ環流する排気冷却環流装置５０と、を備えて概略構成されている。
【００１７】
特に、本実施の形態の内燃機関１０では、自着火燃焼運転領域における吸気行程で、吸気バルブ１６Ａ，１６Ｂと排気バルブ１８Ｂを開弁して排気ポート１７から高温の排気を引き戻して燃焼室１４内に導入するようになっている。加えて、この内燃機関１０では、吸気行程において、一方の吸気バルブ１６Ａから燃焼室１４内に導入する新気に排気冷却環流装置５０から低温の排気を導入するようになっている。
【００１８】
したがって、燃焼室１４内では、新気の混じった低温の排気と高温の排気とにより成層化された温度分布が形成されるようになっている。本実施の形態では、排気冷却環流装置５０が、シリンダヘッド１１Ｂの吸気ポート（吸気通路）１５に接続される吸気マニホールド（吸気通路）４１と、排気ポート（排気通路）１７に接続される排気マニホールド（排気通路）４２と、を繋ぐように設けられている。
【００１９】
以下に、本実施の形態の具体的な構成について説明する。図１に示すように、内燃機関１０は、シリンダ（気筒）１１内を上下動するピストン１２を図示しないクランクシャフトにコンロッド１３を介して連結することにより、ピストン１２の往復運動を回転運動に変換して伝達するようになっている。
【００２０】
この内燃機関１０は、例えば４つのシリンダ１１が形成されたシリンダブロック１１Ａを備えている（図４参照）。このシリンダブロック１１Ａの上には、各シリンダ１１の位置に対応するシリンダ内面（上面）１１ａが形成されたシリンダヘッド１１Ｂが設けられている。シリンダブロック１１Ａおよびシリンダヘッド１１Ｂにおいて、それぞれのピストン１２の上面１２ａとシリンダ内面１１ａとの間の空間が燃焼室１４を構成している。また、シリンダヘッド１１Ｂのシリンダ内面の中央には、火花点火燃焼運転のときに用いられるプラグ２０が設けられている。
【００２１】
内燃機関１０は、ピストン１２の上下動と、吸気バルブ１６Ａ，１６Ｂおよび排気バルブ１８Ａ，１８Ｂを所定のタイミングで開閉させつつ、燃焼室１４内にインジェクタ１９から燃料を直接噴射させて、プラグ２０による火花点火燃焼または自着火燃焼によって燃焼させたときの爆発力でピストン１２を上下動させることができる。そして、内燃機関１０では、燃焼室１４内での燃焼用空気の吸入、混合気の圧縮・燃焼、この燃焼による膨張、燃焼ガスの排気を繰り返すようになっている。
【００２２】
次に、吸気バルブ１６Ａ，１６Ｂおよび排気バルブ１８Ａ，１８Ｂについて説明する。図１に示すように、燃焼室１４の上面を構成するシリンダヘッド１１Ｂの内面１１ａに、吸気ポート１５と排気ポート１７の開口１５ａ，１７ａがそれぞれ２つずつを並列に形成されている。２つの開口１５ａには、吸気バルブ１６Ａ，１６Ｂが配置され、２つの開口１７ａには、排気バルブ１８Ａ，１８Ｂが配置されており、各開口１５ａ，１７ａの開閉を行っている。吸気バルブ１６Ａ，１６Ｂと排気バルブ１８Ａ，１８Ｂは、バルブシャフト２１の先端部側に円板状の弁部１６ａ、１８ａが形成されている。そして、図１に示すように、吸気バルブ１６Ａ，１６Ｂと排気バルブ１８Ａ，Ｂの弁部１６ａ、１８ａが燃焼室１４内の上面１１ａに対してリフトされる状態に変位することにより隙間を形成して燃焼用空気の流通を許容するようになっている。
【００２３】
なお、図４は、シリンダ１１における２つの吸気バルブ１６Ａ，１６Ｂと２つの排気バルブ１８Ａ，１８Ｂの位置関係を示す説明図である。図４に示すように、吸気バルブ１６Ａ，１６Ｂは、４つのシリンダ１１が列をなす方向Ａ（図４中矢印で示す。）に沿って配置されている。排気バルブ１８Ａ，１８Ｂは、吸気バルブ１６Ａ，１６Ｂと対向するように方向Ａに沿って配置されている。したがって、吸気バルブ１６Ａと排気バルブ１８Ａが対向して第１の対をなし、吸気バルブ１６Ｂと排気バルブ１８Ｂとが対向して第２の対をなすように配置されている。
【００２４】
次に、図２および図３を用いて動弁機構４０Ａ，４０Ｂについて説明する。図２に示すように、吸気バルブ１６Ａ，１６Ｂと排気バルブ１８Ａ，１８Ｂは、スプリング２２によりバルブシャフト２１を引き上げ方向（リフト解消方向）に付勢されている。これら吸気バルブ１６Ａ，１６Ｂと排気バルブ１８Ａ，１８Ｂは、動弁機構４０Ａ，４０Ｂにより所定のタイミングで開閉動作するように設定されている。これら動弁機構４０Ａ，４０Ｂは、共に、ピボット２３と、ロッカアーム２４と、制御軸２５と、ローラ２６と、規制部材（揺動カム）２７と、揺動ローラ（カムフォロア）２８と、カム軸２９と、駆動カム３０と、を備えて構成されている。
【００２５】
ピボット２３は、先端部にロッカアーム２４の一端側を突き当てた状態でロッカアーム２４を揺動自在に支持している。このロッカアーム２４は、他端側に、バルブシャフト２１の後端部（上端部）がスプリング２２の付勢力により突き当てられている。また、このロッカアーム２４には、中間部に支持ピン２６ａにより回転自在に軸支されているローラ２６が設けられている。このロッカアーム２４は、ローラ２６が規制部材２７に当接した状態で規制部材２７の揺動に追従できるように揺動自在に取り付けられている。
【００２６】
制御軸２５には、上記規制部材２７が後述するバルブリフトのタイミングに応じた回転位置にネジ止め固定されている。また、この制御軸２５には、揺動部材２５Ａの一端部が固定されている。そして、揺動部材２５Ａの他端部には、揺動ローラ２８が支持ピン２８ａで回転自在に軸支されている。規制部材２７は、ロッカアーム２４の中間部のローラ２６との圧接位置に応じてバルブシャフト２１先端部の弁部１６ａ、１８ａのリフト量（開口量）を規制する。
【００２７】
図２に示すように、揺動ローラ２８は、制御軸２５を中心にする図中時計回り方向に図示しない付勢部材により付勢されている。カム軸２９は、図示しないクランクシャフトに同期するように回転駆動されていている。カム軸２９には、外周にカム面３０ａを有する駆動カム３０が固設されている。このカム面３０ａには、制御軸２５を中心にする時計回り方向に付勢される揺動ローラ２８の外周面が圧接されている。
【００２８】
このような構成により、駆動カム３０は、カム面３０ａに圧接する揺動ローラ２８を揺動させることができる。ロッカアーム２４は、揺動ローラ２８が軸支された揺動部材２５Ａと一体の規制部材２７に圧接しているローラ２６を介して揺動する。このため、吸気バルブ１６Ａ，１６Ｂと排気バルブ１８Ａ，１８Ｂは、ロッカアーム２４の揺動に追従してスプリング２２の付勢力に抗して引き下げられる（軸方向に変移させる）。したがって、バルブシャフト２１の先端部の弁部１６ａ、１８ａを吸気ポート１５、排気ポート１７の開口１５ａ，１７ａからリフトさせて吸排気が可能となる。また、吸気バルブ１６Ａ，１６Ｂと排気バルブ１８Ａ，１８Ｂは、バルブシャフト２１をスプリング２２の付勢力により軸方向に変移させて先端部の弁部１６ａ、１８ａを開口１５ａ、１７ａに密接させて閉塞することができる。
【００２９】
図３に示すように、規制部材２７は、揺動ローラ２８が設けられた揺動部材２５Ａの左右（制御軸２５の軸方向の両側）に隣接して、ロッカアーム２４のローラ２６が圧接する圧接面２７ａを備えている。この圧接面２７ａの形状としては、制御軸２５への位置決め固定位置に応じてその中心軸からの距離が変化する形状となっている。この規制部材２７は、圧接面２７ａのロッカアーム２４のローラ２６との圧接位置（相対回転位置）に応じて、そのロッカアーム２４の揺動量を調整することができる。したがって、規制部材２７が固定された制御軸２５の回転角度を調整することにより、規制部材２７の位相を変化させ、バルブリフト量を変化させることができる。
【００３０】
図５に示すように、本実施の形態では、排気行程においては、第１の対側の排気バルブ１８Ａのみを大リフト量で開弁するように、動弁機構４０Ｂを設定している。また、吸気行程においては、両方の吸気バルブ１６Ａ，１６Ｂを大リフト量で開弁すると同時に、第２の対側の排気バルブ１８Ｂを小リフト量で開弁するように動弁機構４０Ａ，４０Ｂを設定している。
【００３１】
上述のような設定に動弁機構４０Ａ，４０Ｂを調整するには、吸気バルブ１６Ａ，１６Ｂおよび排気バルブ１８Ａ，１８Ｂに対応する規制部材２７の位相を設定すればよい。なお、本実施の形態では、４つのシリンダ１１における排気バルブ１８Ａ，１８Ｂのそれぞれの開弁（時期、量、開期間）の設定は同様にしている。
【００３２】
図３に示すように、インジェクタ１９は、一対の吸気バルブ１６Ａ，１６Ｂの間に配置されている。このインジェクタ１９は、吸気バルブ１６Ａ，１６Ｂがピストン１２の上下運動（クランクシャフトの回転角）に同期させつつ吸気ポート１５の開口１５ａを開閉するようにリフト動作する際に、燃焼室１４内に直接燃料を噴射するようになっている。特に、本実施の形態では、インジェクタ１９の燃料噴射方向が、上死点付近の高い位置にあるピストン１２の上面１２ａの中心に向けて設定されている。
【００３３】
次に、排気冷却環流装置５０について説明する。図１および図４に示すように、排気冷却環流装置５０は、吸気マニホールド４１と排気マニホールド４２とを連通可能に繋ぐ循環用配管５１と、循環用配管５１における排気マニホールド４２側の位置に設けられ、排気マニホールド４２から導入した排気ガスを冷却させて吸気マニホールド４１側へ冷却された排気ガスを送出可能する機能を有するＥＧＲ冷却循環部５２と、循環用配管５１における吸気マニホールド４１側に設けられたＥＧＲバルブ５３と、を備えている。なお、ＥＧＲ冷却循環部５２は、水冷式または空冷式の冷却手段を用いてもよいし、配管長を長く設定して排気を冷却させる構成としてもよい。
【００３４】
図４に示すように、本実施の形態では、循環用配管５１を接続部５１Ａが吸気マニホールド４１に対して接続部５１Ａで接続されている。なお、この接続部５１Ａは、吸気マニホールド４１において、第１の対の吸気バルブ１６Ａが配置された側に冷却された排気ガス（外部ＥＧＲ）が導入されるように、吸気バルブ１６Ａへ向けて流れる燃焼用空気（新気）が流れる流路の上流位置に配置している。すなわち、接続部５１Ａは、冷却された排気が吸気バルブ１６Ｂに向かわずに吸気バルブ１６Ａへ向かうように、吸気バルブ１６Ａに近い側に配置されている。なお、ＥＧＲバルブ５３は、自着火燃焼運転を行う場合に所定の吸気タイミングに合わせて所定の開動作を行うように制御される。
【００３５】
また、本実施の形態では、自着火燃焼運転をさせる場合に、吸気行程中に図５に示したタイミングで第２の対側の排気バルブ１８Ｂが開弁して、排気ポート１７側の高温の排気が燃焼室１４に引き戻されるように排気バルブ１８Ｂが制御されるようになっている。
【００３６】
（内燃機関の作用・動作）
図６に示すように、本実施の形態に係る内燃機関１０は、エンジン回転数に対応する走行条件に応じたエンジン負荷の低負荷（領域I）と高負荷（領域III）では安定した燃焼のために、プラグ２０による火花点火燃焼制御を行う。これに対して、走行時に最も利用機会の多い中負荷の領域IIおよび領域IVでは、自着火燃焼制御を行なう。このように自着火燃焼制御を行うことにより、プラグ２０による点火を省いてエネルギー消費を抑えるともに、燃焼温度を下げて窒素酸化物（ＮＯＸ）の生成、排出を抑制し、しかも急速な燃焼やノッキングおよびそれに伴う燃焼騒音の発生を防止することができる。
【００３７】
本実施の形態では、その中負荷領域における燃焼室１４内のＥＧＲの流れが自着火燃焼に最適になるようになされている。なお、図６に示す領域IIは、排気冷却環流装置５０を備えない場合の自着火燃焼運転が可能な領域である。領域IIと領域IVとを合わせた領域は、排気冷却環流装置５０を備えて内部ＥＧＲと外部ＥＧＲとが成層化された本実施の形態に係る内燃機関１０における自着火燃焼運転の可能な領域を示している。
【００３８】
図５に示すように、この内燃機関１０では、吸気行程にて、両方の吸気バルブ１６Ａ，１６Ｂを大リフト量で開弁させるとともに、第２の対側の排気バルブ１８Ｂを小リフト量で開弁させて排気ポート１７の開口１７ａを開いて排出した排気（内部ＥＧＲ）を再度燃焼室１４内に導入（吸気）する。この吸気行程中に開く排気バルブ１８Ｂの斜向かい方向に位置する第１の対側の吸気バルブ１６Ａ側に排気冷却環流装置５０で冷却された排気（外部ＥＧＲ）を導入する。すなわち、接続部５１Ａから冷却された排気吸気バルブ１６Ａの上流の吸気マニホールド４１に導入する。なお、このような場合は、吸気タイミングに対応してＥＧＲバルブ５３を開く制御を行う。また、インジェクタ１９は、吸気行程中に燃焼室１４内に燃料を噴射させる。このような吸気行程中に燃料を噴射させることにより燃料を均一に拡散させることができる。
【００３９】
図７に示すように、上述のような吸気行程での動作により、燃焼室１４内の第２の対をなす吸気バルブ１６Ｂと排気バルブ１８Ｂとが配置された領域（燃焼室１４の図中右半分の領域）には、排気バルブ１８Ｂから導入した高温の排気（内部ＥＧＲ）とこの排気バルブ１８Ｂに対向する位置の吸気バルブ１６Ｂから導入した新気ａとでなる高温の気層が形成される。同時に、燃焼室１４内の他方側の半分には、第１の対側の吸気バルブ１６Ａから新気ａと冷却された排気（外部ＥＧＲ）が導入されて低温の気層が形成される。このように、燃焼室１４内に高温の気層と低温の気層と形成されて成層化することで、非常に温度成層性が大きくなり、緩慢な燃焼を実現することができる。この結果、本実施の形態では、図６に示す領域IIに加えて、この領域IIにおける高負荷側の領域IVを新たに運転可能領域として広げることができた。
【００４０】
特に、本実施の形態に係る内燃機関１０では、排気冷却環流装置５０を外部に設けて冷却された排気を吸気バルブ１６Ａ側へ循環させたことにより、従来の自着火燃焼を用いた内燃機関よりも大幅な温度差を有する温度の成層化を達成できる。つまり、本実施の形態に係る内燃機関１０は、従来の自着火燃焼を用いた内燃機関よりも、燃焼を十分に緩慢にさせることができる。また、本実施の形態では、燃焼室１４内で排気を完全燃焼させることが可能となり、排気ガスの浄化性能を向上させることができる。
【００４１】
本実施の形態に係る内燃機関１０では、冷却された排気と温度の低い新気とが比較的長い混合時間をとって均一混合状態となり、酸素の密度を適度に希薄にする。また、この冷却された混合気は、燃焼室１４内で、他方の対の排気バルブ１８Ｂから引き戻された高温の排気（内部ＥＧＲ）との温度勾配を有する成層化により、相対的に小さな体積にまとまることで、圧縮自着火燃焼を可能としつつ、その燃焼を十分に緩慢にさせることができる。特に、本実施の形態に係る内燃機関１０では、高温の排気と冷却された排気とを合わせると燃焼室１４内の排気の割合が大きくなり、局所的に燃焼速度が上がることを抑制でき、振動、騒音等を低減させることができる。また、高温の排気を導入するため、燃焼開始時の筒内温度を上げ、燃焼中の燃焼温度のピーク温度や燃焼圧力のピーク圧を下げることができる。さらに、本実施の形態では、冷却された排気が導入されない側の吸気ポート１５は、排気を引き戻す排気バルブ１８Ｂと対向する位置にあり、燃焼室１４内に新気導入する量が微少に下がるが、吸気ポート１５内の負圧が増大することを抑制することができる。
【００４２】
図８は、自着火燃焼による本実施の形態に係る内燃機関１０と排気冷却環流装置５０を有しない従来の内燃機関の作用効果を説明する図である。燃焼室１４内では、従来の自着火燃焼制御を採用すると、噴射燃料の雰囲気中における複数箇所で同時に自着火燃焼を生じさせるように調整制御することにより短時間で噴射燃料の燃焼を完了することになり、その燃焼室１４内での噴射燃料の爆発が重なって、図８に示すように筒内圧力Ｐ２は瞬間的に最大値にまで達する。一方、本実施の形態における燃焼室１４内では、プラグ２０付近を中心とする濃度分布にして、噴射燃料の混合気を大きな温度成層化させるので、その中心から自着火燃焼を開始させて徐々に周囲に広がる緩慢な燃焼を実現することができ、その燃焼室１４内での噴射燃料の爆発が集中することなく、その筒内圧力Ｐ１は緩やかに鈍らせて、先の筒内圧力Ｐ２よりも低くすることができる。
【００４３】
したがって、本実施の形態に係る内燃機関１０では、自着火燃焼において燃焼温度が高温にならず、ＮＯＸの生成、排出が殆ど無いという自着火燃焼の利点を損なうことがない。加えて、本実施の形態の内燃機関１０では、急速な燃焼やノッキングおよびそれに伴う燃焼騒音の発生を防止できる。
【００４４】
また、本実施の形態に係る内燃機関１０では、燃焼室１４の混合気が成層化されて、混合気の温度分布が不均一になることで、燃焼速度を抑制することができる。特に、本実施の形態では、排気冷却環流装置５０により冷却された低温の排気（外部ＥＧＲ）を混ぜることにより、高純度の新気部分が少なくなるので、燃焼室１４内において局所的に燃焼速度が上がることを抑制できる。したがって、燃焼速度を抑制できる観点からも急速な燃焼やノッキングおよびそれに伴う振動、騒音の発生を低減できる。このような作用によって、機関の全体的な運転領域の予混合圧縮自着火式燃焼運転が可能な負荷領域を中負荷領域から高負荷領域側へ拡大することができる。すなわち、図６に示すように、従来の予混合圧縮自着火式燃焼運転が可能な領域IIに加えてさらに高負荷領域側の領域IVまでも、予混合圧縮自着火式燃焼運転が可能な領域として拡大することができる。
【００４５】
さらに、本実施の形態に係る内燃機関１０では、動弁機構４０Ａ，４０Ｂにおいてプロフィールの同じ規制部材２７を用いてその位相だけを変えることで、少ない数の構成要素でバルブリフトタイミングを制御することができ、設定を簡略化できるという効果がある。
【００４６】
（変形例）
図９は、本発明の実施の形態に係る内燃機関１０の変形例に係る内燃機関１０Ａを示す平面説明図である。図９に示すように、この内燃機関１０Ａは、２つの吸気バルブ１６Ａ，１６Ｂに連通する吸気ポート（吸気通路）１５および吸気マニホールド（吸気通路）４１に亘って、吸気バルブ１６Ａに至る流路と、吸気バルブ１６Ｂに至る流路とを隔壁１５Ａで分離した構成である。なお、隔壁１５Ａは、少なくとも、排気冷却環流装置５０から冷却された排気が導入される接続部５１Ａよりも下流側の吸気通路に形成する。このような内燃機関１０Ａでは、吸気バルブ１６Ａに至る新気のみに排気冷却環流装置５０側からの冷却された排気を導入できる。したがって、冷却された排気を吸気バルブ１６Ｂ側へ流すことなく燃焼室１４に低温の混合気を導入させることが可能となる。したがって、この内燃機関１０Ａでは、燃焼室１４内での混合気の温度の成層化をより高めることができ、燃焼を十分に緩慢にさせることができる。
【００４７】
（その他の実施の形態）
以上、実施の形態について説明したが、この実施の形態の開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
【００４８】
例えば、上記実施の形態では、図５に示したように、排気行程において第２の対側の排気バルブ１８Ｂを閉弁して排気バルブ１８Ａのみを大リフト量で開弁し、吸気行程において排気バルブ１８Ｂも小リフト量で開弁するように設定したが、図１０に示すようなリフトタイミングを行う構成としてもよい。すなわち、図１０に示すように、排気行程において両方の排気バルブ１８Ａ，１８Ｂを大リフト量で開弁し、吸気行程において両方の吸気バルブ１６Ａ，１６Ｂが大リフト量で開弁するとともに、動弁機構４０Ｂに付加した、図示しない減圧手段（Decompression means）、所謂デコンプ機構または加圧手段（force means）により、例えば第２の対側の排気バルブ１８Ｂを小リフト量で開弁させる構成としてもよい。なお、減圧手段や加圧手段は、例えば油圧によりロッカアーム２４の他端部側を下方へ押圧する作用を及ぼす機構であればよい。
【００４９】
また、上記実施の形態では、吸気行程において、吸気バルブ１６Ａ，１６Ｂを同じリフト量で開弁したが、図１１に示すように、第２の対側の吸気バルブ１６Ｂのリフト量をやや小さくすることより、排気バルブ１８Ｂを通って排気ポート１７側から燃焼室１４へ戻る排気（内部ＥＧＲ）の量を大きい配分とする設定を行ってもよい。
【００５０】
さらに、上記実施の形態では、吸気バルブ１６Ａ，１６Ｂおよび排気バルブ１８Ａ，１８Ｂの開弁（時期、量、開期間）を、同じプロフィールの規制部材２７を用いてこれら規制部材２７の制御軸２５に対する位相を異ならせる構成としたが、それぞれプロフィールの異なる規制部材２７を用意して互いに位相が異なるような構成としてもよい。
【００５１】
また、上記実施の形態では、図２および図３に示すような動弁機構４０Ａ，４０Ｂを本発明に適用して説明したが、動弁機構としてはこれらに限定されるものではなく、各種の動弁機構を適用できることは云うまでもない。
【００５２】
さらに、上記実施の形態では、排気冷却環流装置５０を１つのシリンダ１１の排気マニホールド４２に接続した構成であるが、他の複数の排気マニホールド４２に排気冷却環流装置５０を接続した構成としても勿論よい。また、本発明に係る内燃機関では、上記実施の形態のような４気筒のものに限定されるものではない。
【符号の説明】
【００５３】
１０，１０Ａ 内燃機関
１１ シリンダ
１１Ｂ シリンダヘッド
１２ ピストン
１２ａ 上面
１４ 燃焼室
１５ 吸気ポート（吸気通路）
１５Ａ 隔壁
１６Ａ 吸気バルブ（一方の対側）
１６Ｂ 吸気バルブ（他方の対側）
１７ 排気ポート（排気通路）
１８Ａ 排気バルブ（一方の対側）
１８Ｂ 排気バルブ（他方の対側）
１９ インジェクタ
２０ プラグ
２５ 制御軸
２５Ａ 揺動部材
２７ 規制部材
２７ａ 圧接面
２８ 揺動ローラ
２９ カム軸
３０ 駆動カム
３０ａ カム面
４０Ａ，４０Ｂ 動弁機構
４１ 吸気マニホールド（吸気通路）
４２ 排気マニホールド（排気通路）
５０ 排気冷却環流装置
５１ 循環用配管
５１Ａ 接続部
５２ ＥＧＲ冷却循環部
５３ ＥＧＲバルブ
【技術分野】
【０００１】
本発明は内燃機関に関し、さらに詳しくは、機関運転領域に応じて火花点火と予混合圧縮自着火とに切り替え可能な内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関としては、燃焼室内の混合気を火花点火により燃焼させる火花点火式燃焼に加えて、燃焼室内の混合気を圧縮して自着火させる予混合圧縮自着火式燃焼（ＨＣＣＩ：Homogeneous-Charge Compression Ignition）を利用したエンジンが提案されている。一般に、予混合圧縮自着火式燃焼は火花点火式燃焼に比べて低温燃焼形態をとるため、窒素酸化物（ＮＯｘ）がほとんど発生しない。また、このような予混合圧縮自着火式燃焼は、高い熱効率ポテンシャルを有するため大幅な二酸化炭素（ＣＯ２）削減効果が見込める。しかし、予混合圧縮自着火式燃焼では点火プラグのような外的な着火時期制御手段を用いないため、機関性能に大きな影響を及ぼす着火時期が、複雑なメカニズムからなる自着火過程により決定される。したがって、予混合圧縮自着火式燃焼では、燃料の着火時期の制御が困難であった。特に、高負荷の運転領域においては、ノッキングや急速な燃焼による燃焼室内の急激な圧力上昇により燃焼騒音が発生するため自着火運転が行えず、自着火運転の可能な運転領域が制限される。
【０００３】
従来の自着火燃焼機能を備えた内燃機関としては、吸気タイミングに排気タイミングの一部を重ねることにより、排気ポートから戻る温度の高い内部ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）や、吸気ポートに排気ポートに接続された外部流路を介して比較的温度の高い排気である外部ＥＧＲを筒内に導入してＥＧＲ領域と導入空気（新気）領域との成層化を図ったものが知られている（例えば、特許文献１参照）。このような内燃機関では、燃焼室内の導入気の成層化を図ることで燃焼速度の抑制を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２１４７４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述の内部ＥＧＲや外部ＥＧＲを用いて予混合圧縮自着火式燃焼を行わせる内燃機関では、燃焼室内の導入気の成層化を用いて燃焼速度の抑制を図っているものの、高い温度のＥＧＲ領域での着火性が高く、導入空気領域（新気領域）でも酸素の多いガス組成であるため着火性が高い。したがって、このような自着火燃焼においては、燃焼を十分に緩慢にさせることが困難であった。加えて、このような内燃機関では、高い温度のＥＧＲが導入されるため、燃料の濃い領域で燃焼温度が高くなり、窒素酸化物（ＮＯＸ）の生成、排出が生じてしまい、予混合圧縮自着火式燃焼での最大の利点の一つであるＮＯＸの排出が殆ど無いという利点も得られないものであった。
【０００６】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、全運転領域における予混合圧縮自着火式燃焼運転領域を拡大して燃費性能を向上させるとともに、燃焼温度を下げて窒素酸化物（ＮＯＸ）の生成、排出を抑制し、しかも急速な燃焼やノッキングおよびそれに伴う燃焼騒音の発生を防止できる内燃機関を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る内燃機関の態様は、燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、吸気通路から気筒内に新気を導入可能とする吸気弁と、燃焼室内の排気を排気通路へ排出可能とする排気弁と、吸気弁と排気弁とを同時に開弁可能な動弁機構と、燃焼室の外側に設けられて排気通路と吸気通路とを連通可能となし、排気通路内の排気を冷却して吸気通路へ環流させる排気冷却環流装置と、を備え、ピストンの圧縮作用により燃焼室内の混合気を自着火させる予混合圧縮自着火式燃焼運転を行う内燃機関であって、吸気行程で、排気通路から高温の排気を引き戻して燃焼室内に導入し、かつ、新気に排気冷却環流装置で冷却された排気を合流させて吸気弁から燃焼室内に導入して、燃焼室内で新気の混じった低温の排気と、新気の混じった高温の排気と、により成層化された温度分布を形成させることを特徴とする。
【０００８】
上記態様としては、吸気弁と排気弁がそれぞれ２つずつ備えられ、燃焼室の上部に、それぞれ吸気弁と排気弁の１つずつが互いに対向して対をなす第１の対と第2の対とが配置され、上記排気冷却環流装置が、冷却された排気を第１の対の吸気弁へ導入し得る位置の吸気通路に接続され、排気通路から燃焼室内へ引き戻される高温の排気が、第２の対の排気弁を通過するように設定されている構成とすることができる。
【０００９】
上記態様としては、予混合圧縮自着火式燃焼運転における少なくとも高負荷側の運転時に、排気冷却環流装置から排気を冷却して吸気通路へ導入させるようにしてもよい。
【００１０】
上記態様としては、燃料噴射弁が、予混合圧縮自着火式燃焼運転における吸気行程中に燃料を噴射することが好ましい。
【００１１】
上記態様としては、２つの吸気弁に連通する前記吸気通路が、少なくとも、排気冷却環流装置から冷却された排気が導入される位置よりも下流側が隔壁で互いに分離されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、全運転領域における予混合圧縮自着火式燃焼運転領域を拡大して燃費性能を向上させるとともに、燃焼温度を下げて窒素酸化物（ＮＯＸ）の生成、排出を抑制し、しかも急速な燃焼やノッキングおよびそれに伴う燃焼騒音の発生を防止できる内燃機関を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係る内燃機関の説明図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態に係る内燃機関における吸気バルブ、排気バルブ、および動弁機構の配置を示す側面図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態に係る内燃機関における燃料噴射弁、吸気バルブ、および動弁機構の配置を示す斜視図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態に係る内燃機関におけるシリンダヘッドに対する吸気バルブおよび排気バルブ、および排気冷却環流装置の配置を示す平面説明図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態に係る内燃機関の予混合圧縮自着火式燃焼運転における吸気バルブおよび排気バルブのリフト量（クランクアングル−バルブリフト量）を示す図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態に係る内燃機関のエンジン回転数とエンジン負荷との関係における運転領域を示した図であり、領域Ｉと領域IIIが火花点火式燃焼運転を行う領域を示し、領域IIと領域IVが予混合圧縮自着火式燃焼運転を行う領域を示す。
【図７】図７は、本発明の実施の形態に係る内燃機関における予混合圧縮自着火式燃焼運転時に燃焼室内が成層化される作用およびその状態を示す説明図である。
【図８】図８は、本発明の実施の形態に係る内燃機関のクランクアングルと筒内圧力との関係を示す図である。
【図９】図９は、本発明の実施の形態に係る内燃機関の変形例を示す平面説明図である。
【図１０】図１０は、本発明のその他の実施の形態に係る内燃機関の予混合圧縮自着火式燃焼運転における吸気バルブおよび排気バルブのリフト量（クランクアングル−バルブリフト量）を示す図である。
【図１１】図１１は、本発明のその他の実施の形態に係る内燃機関の予混合圧縮自着火式燃焼運転における吸気バルブおよび排気バルブのリフト量（クランクアングル−バルブリフト量）を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、本発明の実施の形態に係る内燃機関の詳細を図面に基づいて説明する。但し、図面は模式的なものであり、各部材の寸法や寸法の比率や形状などは現実のものと異なることに留意すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率や形状が異なる部分が含まれている。
【００１５】
（内燃機関の構成）
本実施の形態に係る内燃機関１０は、運転領域において、火花点火燃焼運転領域と、ピストンによる圧縮作用により混合気を自着火させて燃焼を行う予混合圧縮自着火式燃焼運転の領域と、を有し、火花点火燃焼と予混合圧縮自着火式（以下、自着火とも云う。）燃焼と、を切り替えて運転できるようになっている。
【００１６】
図１に示すように、本実施の形態に係る内燃機関１０は、燃焼室１４内に燃料を直接噴射するインジェクタ（燃料噴射弁）１９と、吸気ポート１５から燃焼室１４内に新気を導入可能とする２つの吸気バルブ（吸気弁）１６Ａ，１６Ｂと、これら吸気バルブ１６Ａ，１６Ｂと対向する位置に配置され、燃焼室１４内の排気を排気ポート１７へ排出可能とする２つの排気バルブ（排気弁）１８Ａ，１８Ｂと、これら吸気バルブ１６Ａ，１６Ｂと排気バルブ１８Ａ，１８Ｂを所定のタイミングで開弁させる動弁機構４０Ａ，４０Ｂ（図２および図３参照）と、吸気マニホールド（吸気通路）４１と排気マニホールド（排気通路）４２とを繋いで、排気を冷却して吸気マニホールド４１へ環流する排気冷却環流装置５０と、を備えて概略構成されている。
【００１７】
特に、本実施の形態の内燃機関１０では、自着火燃焼運転領域における吸気行程で、吸気バルブ１６Ａ，１６Ｂと排気バルブ１８Ｂを開弁して排気ポート１７から高温の排気を引き戻して燃焼室１４内に導入するようになっている。加えて、この内燃機関１０では、吸気行程において、一方の吸気バルブ１６Ａから燃焼室１４内に導入する新気に排気冷却環流装置５０から低温の排気を導入するようになっている。
【００１８】
したがって、燃焼室１４内では、新気の混じった低温の排気と高温の排気とにより成層化された温度分布が形成されるようになっている。本実施の形態では、排気冷却環流装置５０が、シリンダヘッド１１Ｂの吸気ポート（吸気通路）１５に接続される吸気マニホールド（吸気通路）４１と、排気ポート（排気通路）１７に接続される排気マニホールド（排気通路）４２と、を繋ぐように設けられている。
【００１９】
以下に、本実施の形態の具体的な構成について説明する。図１に示すように、内燃機関１０は、シリンダ（気筒）１１内を上下動するピストン１２を図示しないクランクシャフトにコンロッド１３を介して連結することにより、ピストン１２の往復運動を回転運動に変換して伝達するようになっている。
【００２０】
この内燃機関１０は、例えば４つのシリンダ１１が形成されたシリンダブロック１１Ａを備えている（図４参照）。このシリンダブロック１１Ａの上には、各シリンダ１１の位置に対応するシリンダ内面（上面）１１ａが形成されたシリンダヘッド１１Ｂが設けられている。シリンダブロック１１Ａおよびシリンダヘッド１１Ｂにおいて、それぞれのピストン１２の上面１２ａとシリンダ内面１１ａとの間の空間が燃焼室１４を構成している。また、シリンダヘッド１１Ｂのシリンダ内面の中央には、火花点火燃焼運転のときに用いられるプラグ２０が設けられている。
【００２１】
内燃機関１０は、ピストン１２の上下動と、吸気バルブ１６Ａ，１６Ｂおよび排気バルブ１８Ａ，１８Ｂを所定のタイミングで開閉させつつ、燃焼室１４内にインジェクタ１９から燃料を直接噴射させて、プラグ２０による火花点火燃焼または自着火燃焼によって燃焼させたときの爆発力でピストン１２を上下動させることができる。そして、内燃機関１０では、燃焼室１４内での燃焼用空気の吸入、混合気の圧縮・燃焼、この燃焼による膨張、燃焼ガスの排気を繰り返すようになっている。
【００２２】
次に、吸気バルブ１６Ａ，１６Ｂおよび排気バルブ１８Ａ，１８Ｂについて説明する。図１に示すように、燃焼室１４の上面を構成するシリンダヘッド１１Ｂの内面１１ａに、吸気ポート１５と排気ポート１７の開口１５ａ，１７ａがそれぞれ２つずつを並列に形成されている。２つの開口１５ａには、吸気バルブ１６Ａ，１６Ｂが配置され、２つの開口１７ａには、排気バルブ１８Ａ，１８Ｂが配置されており、各開口１５ａ，１７ａの開閉を行っている。吸気バルブ１６Ａ，１６Ｂと排気バルブ１８Ａ，１８Ｂは、バルブシャフト２１の先端部側に円板状の弁部１６ａ、１８ａが形成されている。そして、図１に示すように、吸気バルブ１６Ａ，１６Ｂと排気バルブ１８Ａ，Ｂの弁部１６ａ、１８ａが燃焼室１４内の上面１１ａに対してリフトされる状態に変位することにより隙間を形成して燃焼用空気の流通を許容するようになっている。
【００２３】
なお、図４は、シリンダ１１における２つの吸気バルブ１６Ａ，１６Ｂと２つの排気バルブ１８Ａ，１８Ｂの位置関係を示す説明図である。図４に示すように、吸気バルブ１６Ａ，１６Ｂは、４つのシリンダ１１が列をなす方向Ａ（図４中矢印で示す。）に沿って配置されている。排気バルブ１８Ａ，１８Ｂは、吸気バルブ１６Ａ，１６Ｂと対向するように方向Ａに沿って配置されている。したがって、吸気バルブ１６Ａと排気バルブ１８Ａが対向して第１の対をなし、吸気バルブ１６Ｂと排気バルブ１８Ｂとが対向して第２の対をなすように配置されている。
【００２４】
次に、図２および図３を用いて動弁機構４０Ａ，４０Ｂについて説明する。図２に示すように、吸気バルブ１６Ａ，１６Ｂと排気バルブ１８Ａ，１８Ｂは、スプリング２２によりバルブシャフト２１を引き上げ方向（リフト解消方向）に付勢されている。これら吸気バルブ１６Ａ，１６Ｂと排気バルブ１８Ａ，１８Ｂは、動弁機構４０Ａ，４０Ｂにより所定のタイミングで開閉動作するように設定されている。これら動弁機構４０Ａ，４０Ｂは、共に、ピボット２３と、ロッカアーム２４と、制御軸２５と、ローラ２６と、規制部材（揺動カム）２７と、揺動ローラ（カムフォロア）２８と、カム軸２９と、駆動カム３０と、を備えて構成されている。
【００２５】
ピボット２３は、先端部にロッカアーム２４の一端側を突き当てた状態でロッカアーム２４を揺動自在に支持している。このロッカアーム２４は、他端側に、バルブシャフト２１の後端部（上端部）がスプリング２２の付勢力により突き当てられている。また、このロッカアーム２４には、中間部に支持ピン２６ａにより回転自在に軸支されているローラ２６が設けられている。このロッカアーム２４は、ローラ２６が規制部材２７に当接した状態で規制部材２７の揺動に追従できるように揺動自在に取り付けられている。
【００２６】
制御軸２５には、上記規制部材２７が後述するバルブリフトのタイミングに応じた回転位置にネジ止め固定されている。また、この制御軸２５には、揺動部材２５Ａの一端部が固定されている。そして、揺動部材２５Ａの他端部には、揺動ローラ２８が支持ピン２８ａで回転自在に軸支されている。規制部材２７は、ロッカアーム２４の中間部のローラ２６との圧接位置に応じてバルブシャフト２１先端部の弁部１６ａ、１８ａのリフト量（開口量）を規制する。
【００２７】
図２に示すように、揺動ローラ２８は、制御軸２５を中心にする図中時計回り方向に図示しない付勢部材により付勢されている。カム軸２９は、図示しないクランクシャフトに同期するように回転駆動されていている。カム軸２９には、外周にカム面３０ａを有する駆動カム３０が固設されている。このカム面３０ａには、制御軸２５を中心にする時計回り方向に付勢される揺動ローラ２８の外周面が圧接されている。
【００２８】
このような構成により、駆動カム３０は、カム面３０ａに圧接する揺動ローラ２８を揺動させることができる。ロッカアーム２４は、揺動ローラ２８が軸支された揺動部材２５Ａと一体の規制部材２７に圧接しているローラ２６を介して揺動する。このため、吸気バルブ１６Ａ，１６Ｂと排気バルブ１８Ａ，１８Ｂは、ロッカアーム２４の揺動に追従してスプリング２２の付勢力に抗して引き下げられる（軸方向に変移させる）。したがって、バルブシャフト２１の先端部の弁部１６ａ、１８ａを吸気ポート１５、排気ポート１７の開口１５ａ，１７ａからリフトさせて吸排気が可能となる。また、吸気バルブ１６Ａ，１６Ｂと排気バルブ１８Ａ，１８Ｂは、バルブシャフト２１をスプリング２２の付勢力により軸方向に変移させて先端部の弁部１６ａ、１８ａを開口１５ａ、１７ａに密接させて閉塞することができる。
【００２９】
図３に示すように、規制部材２７は、揺動ローラ２８が設けられた揺動部材２５Ａの左右（制御軸２５の軸方向の両側）に隣接して、ロッカアーム２４のローラ２６が圧接する圧接面２７ａを備えている。この圧接面２７ａの形状としては、制御軸２５への位置決め固定位置に応じてその中心軸からの距離が変化する形状となっている。この規制部材２７は、圧接面２７ａのロッカアーム２４のローラ２６との圧接位置（相対回転位置）に応じて、そのロッカアーム２４の揺動量を調整することができる。したがって、規制部材２７が固定された制御軸２５の回転角度を調整することにより、規制部材２７の位相を変化させ、バルブリフト量を変化させることができる。
【００３０】
図５に示すように、本実施の形態では、排気行程においては、第１の対側の排気バルブ１８Ａのみを大リフト量で開弁するように、動弁機構４０Ｂを設定している。また、吸気行程においては、両方の吸気バルブ１６Ａ，１６Ｂを大リフト量で開弁すると同時に、第２の対側の排気バルブ１８Ｂを小リフト量で開弁するように動弁機構４０Ａ，４０Ｂを設定している。
【００３１】
上述のような設定に動弁機構４０Ａ，４０Ｂを調整するには、吸気バルブ１６Ａ，１６Ｂおよび排気バルブ１８Ａ，１８Ｂに対応する規制部材２７の位相を設定すればよい。なお、本実施の形態では、４つのシリンダ１１における排気バルブ１８Ａ，１８Ｂのそれぞれの開弁（時期、量、開期間）の設定は同様にしている。
【００３２】
図３に示すように、インジェクタ１９は、一対の吸気バルブ１６Ａ，１６Ｂの間に配置されている。このインジェクタ１９は、吸気バルブ１６Ａ，１６Ｂがピストン１２の上下運動（クランクシャフトの回転角）に同期させつつ吸気ポート１５の開口１５ａを開閉するようにリフト動作する際に、燃焼室１４内に直接燃料を噴射するようになっている。特に、本実施の形態では、インジェクタ１９の燃料噴射方向が、上死点付近の高い位置にあるピストン１２の上面１２ａの中心に向けて設定されている。
【００３３】
次に、排気冷却環流装置５０について説明する。図１および図４に示すように、排気冷却環流装置５０は、吸気マニホールド４１と排気マニホールド４２とを連通可能に繋ぐ循環用配管５１と、循環用配管５１における排気マニホールド４２側の位置に設けられ、排気マニホールド４２から導入した排気ガスを冷却させて吸気マニホールド４１側へ冷却された排気ガスを送出可能する機能を有するＥＧＲ冷却循環部５２と、循環用配管５１における吸気マニホールド４１側に設けられたＥＧＲバルブ５３と、を備えている。なお、ＥＧＲ冷却循環部５２は、水冷式または空冷式の冷却手段を用いてもよいし、配管長を長く設定して排気を冷却させる構成としてもよい。
【００３４】
図４に示すように、本実施の形態では、循環用配管５１を接続部５１Ａが吸気マニホールド４１に対して接続部５１Ａで接続されている。なお、この接続部５１Ａは、吸気マニホールド４１において、第１の対の吸気バルブ１６Ａが配置された側に冷却された排気ガス（外部ＥＧＲ）が導入されるように、吸気バルブ１６Ａへ向けて流れる燃焼用空気（新気）が流れる流路の上流位置に配置している。すなわち、接続部５１Ａは、冷却された排気が吸気バルブ１６Ｂに向かわずに吸気バルブ１６Ａへ向かうように、吸気バルブ１６Ａに近い側に配置されている。なお、ＥＧＲバルブ５３は、自着火燃焼運転を行う場合に所定の吸気タイミングに合わせて所定の開動作を行うように制御される。
【００３５】
また、本実施の形態では、自着火燃焼運転をさせる場合に、吸気行程中に図５に示したタイミングで第２の対側の排気バルブ１８Ｂが開弁して、排気ポート１７側の高温の排気が燃焼室１４に引き戻されるように排気バルブ１８Ｂが制御されるようになっている。
【００３６】
（内燃機関の作用・動作）
図６に示すように、本実施の形態に係る内燃機関１０は、エンジン回転数に対応する走行条件に応じたエンジン負荷の低負荷（領域I）と高負荷（領域III）では安定した燃焼のために、プラグ２０による火花点火燃焼制御を行う。これに対して、走行時に最も利用機会の多い中負荷の領域IIおよび領域IVでは、自着火燃焼制御を行なう。このように自着火燃焼制御を行うことにより、プラグ２０による点火を省いてエネルギー消費を抑えるともに、燃焼温度を下げて窒素酸化物（ＮＯＸ）の生成、排出を抑制し、しかも急速な燃焼やノッキングおよびそれに伴う燃焼騒音の発生を防止することができる。
【００３７】
本実施の形態では、その中負荷領域における燃焼室１４内のＥＧＲの流れが自着火燃焼に最適になるようになされている。なお、図６に示す領域IIは、排気冷却環流装置５０を備えない場合の自着火燃焼運転が可能な領域である。領域IIと領域IVとを合わせた領域は、排気冷却環流装置５０を備えて内部ＥＧＲと外部ＥＧＲとが成層化された本実施の形態に係る内燃機関１０における自着火燃焼運転の可能な領域を示している。
【００３８】
図５に示すように、この内燃機関１０では、吸気行程にて、両方の吸気バルブ１６Ａ，１６Ｂを大リフト量で開弁させるとともに、第２の対側の排気バルブ１８Ｂを小リフト量で開弁させて排気ポート１７の開口１７ａを開いて排出した排気（内部ＥＧＲ）を再度燃焼室１４内に導入（吸気）する。この吸気行程中に開く排気バルブ１８Ｂの斜向かい方向に位置する第１の対側の吸気バルブ１６Ａ側に排気冷却環流装置５０で冷却された排気（外部ＥＧＲ）を導入する。すなわち、接続部５１Ａから冷却された排気吸気バルブ１６Ａの上流の吸気マニホールド４１に導入する。なお、このような場合は、吸気タイミングに対応してＥＧＲバルブ５３を開く制御を行う。また、インジェクタ１９は、吸気行程中に燃焼室１４内に燃料を噴射させる。このような吸気行程中に燃料を噴射させることにより燃料を均一に拡散させることができる。
【００３９】
図７に示すように、上述のような吸気行程での動作により、燃焼室１４内の第２の対をなす吸気バルブ１６Ｂと排気バルブ１８Ｂとが配置された領域（燃焼室１４の図中右半分の領域）には、排気バルブ１８Ｂから導入した高温の排気（内部ＥＧＲ）とこの排気バルブ１８Ｂに対向する位置の吸気バルブ１６Ｂから導入した新気ａとでなる高温の気層が形成される。同時に、燃焼室１４内の他方側の半分には、第１の対側の吸気バルブ１６Ａから新気ａと冷却された排気（外部ＥＧＲ）が導入されて低温の気層が形成される。このように、燃焼室１４内に高温の気層と低温の気層と形成されて成層化することで、非常に温度成層性が大きくなり、緩慢な燃焼を実現することができる。この結果、本実施の形態では、図６に示す領域IIに加えて、この領域IIにおける高負荷側の領域IVを新たに運転可能領域として広げることができた。
【００４０】
特に、本実施の形態に係る内燃機関１０では、排気冷却環流装置５０を外部に設けて冷却された排気を吸気バルブ１６Ａ側へ循環させたことにより、従来の自着火燃焼を用いた内燃機関よりも大幅な温度差を有する温度の成層化を達成できる。つまり、本実施の形態に係る内燃機関１０は、従来の自着火燃焼を用いた内燃機関よりも、燃焼を十分に緩慢にさせることができる。また、本実施の形態では、燃焼室１４内で排気を完全燃焼させることが可能となり、排気ガスの浄化性能を向上させることができる。
【００４１】
本実施の形態に係る内燃機関１０では、冷却された排気と温度の低い新気とが比較的長い混合時間をとって均一混合状態となり、酸素の密度を適度に希薄にする。また、この冷却された混合気は、燃焼室１４内で、他方の対の排気バルブ１８Ｂから引き戻された高温の排気（内部ＥＧＲ）との温度勾配を有する成層化により、相対的に小さな体積にまとまることで、圧縮自着火燃焼を可能としつつ、その燃焼を十分に緩慢にさせることができる。特に、本実施の形態に係る内燃機関１０では、高温の排気と冷却された排気とを合わせると燃焼室１４内の排気の割合が大きくなり、局所的に燃焼速度が上がることを抑制でき、振動、騒音等を低減させることができる。また、高温の排気を導入するため、燃焼開始時の筒内温度を上げ、燃焼中の燃焼温度のピーク温度や燃焼圧力のピーク圧を下げることができる。さらに、本実施の形態では、冷却された排気が導入されない側の吸気ポート１５は、排気を引き戻す排気バルブ１８Ｂと対向する位置にあり、燃焼室１４内に新気導入する量が微少に下がるが、吸気ポート１５内の負圧が増大することを抑制することができる。
【００４２】
図８は、自着火燃焼による本実施の形態に係る内燃機関１０と排気冷却環流装置５０を有しない従来の内燃機関の作用効果を説明する図である。燃焼室１４内では、従来の自着火燃焼制御を採用すると、噴射燃料の雰囲気中における複数箇所で同時に自着火燃焼を生じさせるように調整制御することにより短時間で噴射燃料の燃焼を完了することになり、その燃焼室１４内での噴射燃料の爆発が重なって、図８に示すように筒内圧力Ｐ２は瞬間的に最大値にまで達する。一方、本実施の形態における燃焼室１４内では、プラグ２０付近を中心とする濃度分布にして、噴射燃料の混合気を大きな温度成層化させるので、その中心から自着火燃焼を開始させて徐々に周囲に広がる緩慢な燃焼を実現することができ、その燃焼室１４内での噴射燃料の爆発が集中することなく、その筒内圧力Ｐ１は緩やかに鈍らせて、先の筒内圧力Ｐ２よりも低くすることができる。
【００４３】
したがって、本実施の形態に係る内燃機関１０では、自着火燃焼において燃焼温度が高温にならず、ＮＯＸの生成、排出が殆ど無いという自着火燃焼の利点を損なうことがない。加えて、本実施の形態の内燃機関１０では、急速な燃焼やノッキングおよびそれに伴う燃焼騒音の発生を防止できる。
【００４４】
また、本実施の形態に係る内燃機関１０では、燃焼室１４の混合気が成層化されて、混合気の温度分布が不均一になることで、燃焼速度を抑制することができる。特に、本実施の形態では、排気冷却環流装置５０により冷却された低温の排気（外部ＥＧＲ）を混ぜることにより、高純度の新気部分が少なくなるので、燃焼室１４内において局所的に燃焼速度が上がることを抑制できる。したがって、燃焼速度を抑制できる観点からも急速な燃焼やノッキングおよびそれに伴う振動、騒音の発生を低減できる。このような作用によって、機関の全体的な運転領域の予混合圧縮自着火式燃焼運転が可能な負荷領域を中負荷領域から高負荷領域側へ拡大することができる。すなわち、図６に示すように、従来の予混合圧縮自着火式燃焼運転が可能な領域IIに加えてさらに高負荷領域側の領域IVまでも、予混合圧縮自着火式燃焼運転が可能な領域として拡大することができる。
【００４５】
さらに、本実施の形態に係る内燃機関１０では、動弁機構４０Ａ，４０Ｂにおいてプロフィールの同じ規制部材２７を用いてその位相だけを変えることで、少ない数の構成要素でバルブリフトタイミングを制御することができ、設定を簡略化できるという効果がある。
【００４６】
（変形例）
図９は、本発明の実施の形態に係る内燃機関１０の変形例に係る内燃機関１０Ａを示す平面説明図である。図９に示すように、この内燃機関１０Ａは、２つの吸気バルブ１６Ａ，１６Ｂに連通する吸気ポート（吸気通路）１５および吸気マニホールド（吸気通路）４１に亘って、吸気バルブ１６Ａに至る流路と、吸気バルブ１６Ｂに至る流路とを隔壁１５Ａで分離した構成である。なお、隔壁１５Ａは、少なくとも、排気冷却環流装置５０から冷却された排気が導入される接続部５１Ａよりも下流側の吸気通路に形成する。このような内燃機関１０Ａでは、吸気バルブ１６Ａに至る新気のみに排気冷却環流装置５０側からの冷却された排気を導入できる。したがって、冷却された排気を吸気バルブ１６Ｂ側へ流すことなく燃焼室１４に低温の混合気を導入させることが可能となる。したがって、この内燃機関１０Ａでは、燃焼室１４内での混合気の温度の成層化をより高めることができ、燃焼を十分に緩慢にさせることができる。
【００４７】
（その他の実施の形態）
以上、実施の形態について説明したが、この実施の形態の開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
【００４８】
例えば、上記実施の形態では、図５に示したように、排気行程において第２の対側の排気バルブ１８Ｂを閉弁して排気バルブ１８Ａのみを大リフト量で開弁し、吸気行程において排気バルブ１８Ｂも小リフト量で開弁するように設定したが、図１０に示すようなリフトタイミングを行う構成としてもよい。すなわち、図１０に示すように、排気行程において両方の排気バルブ１８Ａ，１８Ｂを大リフト量で開弁し、吸気行程において両方の吸気バルブ１６Ａ，１６Ｂが大リフト量で開弁するとともに、動弁機構４０Ｂに付加した、図示しない減圧手段（Decompression means）、所謂デコンプ機構または加圧手段（force means）により、例えば第２の対側の排気バルブ１８Ｂを小リフト量で開弁させる構成としてもよい。なお、減圧手段や加圧手段は、例えば油圧によりロッカアーム２４の他端部側を下方へ押圧する作用を及ぼす機構であればよい。
【００４９】
また、上記実施の形態では、吸気行程において、吸気バルブ１６Ａ，１６Ｂを同じリフト量で開弁したが、図１１に示すように、第２の対側の吸気バルブ１６Ｂのリフト量をやや小さくすることより、排気バルブ１８Ｂを通って排気ポート１７側から燃焼室１４へ戻る排気（内部ＥＧＲ）の量を大きい配分とする設定を行ってもよい。
【００５０】
さらに、上記実施の形態では、吸気バルブ１６Ａ，１６Ｂおよび排気バルブ１８Ａ，１８Ｂの開弁（時期、量、開期間）を、同じプロフィールの規制部材２７を用いてこれら規制部材２７の制御軸２５に対する位相を異ならせる構成としたが、それぞれプロフィールの異なる規制部材２７を用意して互いに位相が異なるような構成としてもよい。
【００５１】
また、上記実施の形態では、図２および図３に示すような動弁機構４０Ａ，４０Ｂを本発明に適用して説明したが、動弁機構としてはこれらに限定されるものではなく、各種の動弁機構を適用できることは云うまでもない。
【００５２】
さらに、上記実施の形態では、排気冷却環流装置５０を１つのシリンダ１１の排気マニホールド４２に接続した構成であるが、他の複数の排気マニホールド４２に排気冷却環流装置５０を接続した構成としても勿論よい。また、本発明に係る内燃機関では、上記実施の形態のような４気筒のものに限定されるものではない。
【符号の説明】
【００５３】
１０，１０Ａ 内燃機関
１１ シリンダ
１１Ｂ シリンダヘッド
１２ ピストン
１２ａ 上面
１４ 燃焼室
１５ 吸気ポート（吸気通路）
１５Ａ 隔壁
１６Ａ 吸気バルブ（一方の対側）
１６Ｂ 吸気バルブ（他方の対側）
１７ 排気ポート（排気通路）
１８Ａ 排気バルブ（一方の対側）
１８Ｂ 排気バルブ（他方の対側）
１９ インジェクタ
２０ プラグ
２５ 制御軸
２５Ａ 揺動部材
２７ 規制部材
２７ａ 圧接面
２８ 揺動ローラ
２９ カム軸
３０ 駆動カム
３０ａ カム面
４０Ａ，４０Ｂ 動弁機構
４１ 吸気マニホールド（吸気通路）
４２ 排気マニホールド（排気通路）
５０ 排気冷却環流装置
５１ 循環用配管
５１Ａ 接続部
５２ ＥＧＲ冷却循環部
５３ ＥＧＲバルブ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、
吸気通路から気筒内に新気を導入可能とする吸気弁と、
前記燃焼室内の排気を排気通路へ排出可能とする排気弁と、
前記吸気弁と前記排気弁とを同時に開弁可能な動弁機構と、
前記燃焼室の外側に設けられて排気通路と吸気通路とを連通可能となし、前記排気通路内の排気を冷却して前記吸気通路へ環流させる排気冷却環流装置と、
を備え、
ピストンの圧縮作用により前記燃焼室内の混合気を自着火させる予混合圧縮自着火式燃焼運転を行う内燃機関であって、
吸気行程で、前記排気通路から高温の排気を引き戻して前記燃焼室内に導入し、かつ新気に前記排気冷却環流装置で冷却された排気を合流させて前記吸気弁から前記燃焼室内に導入して、前記燃焼室内で新気の混じった低温の排気と新気の混じった高温の排気とにより成層化された温度分布を形成させる
ことを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記吸気弁と前記排気弁は、それぞれ２つずつ備えられ、前記燃焼室の上部に、それぞれ前記吸気弁と前記排気弁の１つずつが互いに対向して対をなす第１の対と第２の対とが配置され、
前記排気冷却環流装置は、冷却された排気を前記第１の対の前記吸気弁へ導入し得る位置の前記吸気通路に接続され、前記排気通路から前記燃焼室内へ引き戻される高温の排気は、前記第２の対の前記排気弁を通過するように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記予混合圧縮自着火運転における少なくとも高負荷側の運転時に、前記排気冷却環流装置から排気を冷却して前記吸気通路へ導入させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記燃料噴射弁は、前記予混合圧縮自着火運転における吸気行程中に燃料を噴射することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の内燃機関。
【請求項５】
前記２つの吸気弁に連通する前記吸気通路は、少なくとも、前記排気冷却環流装置から冷却された排気が導入される位置よりも下流側が隔壁で互いに分離されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の内燃機関。
【請求項１】
燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、
吸気通路から気筒内に新気を導入可能とする吸気弁と、
前記燃焼室内の排気を排気通路へ排出可能とする排気弁と、
前記吸気弁と前記排気弁とを同時に開弁可能な動弁機構と、
前記燃焼室の外側に設けられて排気通路と吸気通路とを連通可能となし、前記排気通路内の排気を冷却して前記吸気通路へ環流させる排気冷却環流装置と、
を備え、
ピストンの圧縮作用により前記燃焼室内の混合気を自着火させる予混合圧縮自着火式燃焼運転を行う内燃機関であって、
吸気行程で、前記排気通路から高温の排気を引き戻して前記燃焼室内に導入し、かつ新気に前記排気冷却環流装置で冷却された排気を合流させて前記吸気弁から前記燃焼室内に導入して、前記燃焼室内で新気の混じった低温の排気と新気の混じった高温の排気とにより成層化された温度分布を形成させる
ことを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記吸気弁と前記排気弁は、それぞれ２つずつ備えられ、前記燃焼室の上部に、それぞれ前記吸気弁と前記排気弁の１つずつが互いに対向して対をなす第１の対と第２の対とが配置され、
前記排気冷却環流装置は、冷却された排気を前記第１の対の前記吸気弁へ導入し得る位置の前記吸気通路に接続され、前記排気通路から前記燃焼室内へ引き戻される高温の排気は、前記第２の対の前記排気弁を通過するように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記予混合圧縮自着火運転における少なくとも高負荷側の運転時に、前記排気冷却環流装置から排気を冷却して前記吸気通路へ導入させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記燃料噴射弁は、前記予混合圧縮自着火運転における吸気行程中に燃料を噴射することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の内燃機関。
【請求項５】
前記２つの吸気弁に連通する前記吸気通路は、少なくとも、前記排気冷却環流装置から冷却された排気が導入される位置よりも下流側が隔壁で互いに分離されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の内燃機関。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１３−９６３０２（Ｐ２０１３−９６３０２Ａ）
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３９４７５（Ｐ２０１１−２３９４７５）
【出願日】平成２３年１０月３１日（２０１１．１０．３１）
【出願人】（０００００２０８２）スズキ株式会社 (3,196)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月３１日（２０１１．１０．３１）
【出願人】（０００００２０８２）スズキ株式会社 (3,196)
【Ｆターム（参考）】
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