火花点火式直噴エンジン
【課題】火花点火式エンジンにおいて、冷却損失を低減する。
【解決手段】制御器１００は、エンジン本体（エンジン１）の運転状態が高負荷領域にあるときに、燃焼室１７内において、その中央部分に、それを囲む外周部分よりもリッチな混合気層が形成されるように圧縮行程において燃料噴射を実行すると共に、燃焼開始時の燃焼室内全体の空気過剰率λが１以上になるようにする。制御器１００はまた、空気過剰率λ≧１の高負荷領域において、燃焼室内に排気ガスを還流させる。
【解決手段】制御器１００は、エンジン本体（エンジン１）の運転状態が高負荷領域にあるときに、燃焼室１７内において、その中央部分に、それを囲む外周部分よりもリッチな混合気層が形成されるように圧縮行程において燃料噴射を実行すると共に、燃焼開始時の燃焼室内全体の空気過剰率λが１以上になるようにする。制御器１００はまた、空気過剰率λ≧１の高負荷領域において、燃焼室内に排気ガスを還流させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
ここに開示する技術は、火花点火式直噴エンジンに関する。
【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、燃焼室を区画形成する面を、多数の気泡を含んだ断熱材によって構成する技術が記載されている。
【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、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、前記特許文献１に記載されているような高圧縮比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ものの、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。火花点火式エンジンにおける熱効率の向上には、冷却損失の低減が重要である。
【０００６】
ここに開示する技術は、か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、火花点火式エンジンにおいて、冷却損失を低減することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本願発明者らは、冷却損失は、燃焼室の区画壁に接触する燃焼ガスとその区画壁との温度差に比例することから、燃焼ガスが区画壁に接触することを抑制すべく、燃焼室内における中央部分にリッチな混合気層を、それを囲む外周部分にリーンな混合気層を形成することに着目した。こうした成層化によって、外周部分は燃焼に実質的に寄与しなくなり、燃焼ガスが区画壁に接触することが抑制される。こうして、冷却損失の低減が図られる。また、空気の多い又は空気によって形成される外周部分は、燃焼ガスと区画壁との間の断熱層として機能するから、冷却損失の低減により一層有利になる。
【０００８】
ここで、エンジンの運転状態が低負荷領域にあるときには燃料噴射量が相対的に少ないため、空気過剰率λを、２以上のリーンに設定して、熱効率の向上及びＮＯｘ生成の抑制を図ることが可能になる一方で、エンジンの運転状態が高負荷領域にあるときには燃料噴射量が増量するため、空気過剰率λを２以上に維持することができず、三元触媒を利用する関係上、空気過剰率λを１以上に設定しなければならなくなる。
【０００９】
その場合に、前述したような成層化は、燃焼室全体として空気過剰率λを、λ≧１にしたとしても、燃焼に寄与しない外周部分に空気が存在している分だけ、燃焼に寄与する中央部分の混合気は空気が不足して空気過剰率がλ＜１となってしまう場合がある。この場合は、エミッション性能の低下を招く虞がある。
【００１０】
そこで、ここに開示する技術は、空気過剰率λ≧１とする高負荷領域において、排気還流（ＥＧＲ）を行うことで、燃焼室内に導入するガス量を増量することにした。このことは、燃焼室内における外周部分の空気量を低下させ、燃焼に寄与する中央部分の空気量を増やす。その結果、中央部分における空気過剰率λは可及的にλ≧１となり、冷却損失を低減しつつも、エミッション性能の低下が回避される。
【００１１】
具体的に、ここに開示する火花点火式直噴エンジンは、エンジン本体と、前記エンジン本体の燃焼室内に燃料を噴射するよう構成された燃料噴射弁と、前記エンジン本体の排気ガスを前記燃焼室内に還流させるよう構成された排気還流手段と、前記エンジン本体の運転状態に応じて、前記燃料噴射弁を通じた前記燃焼室内へ燃料噴射、及び、前記排気還流手段による排気還流を制御する制御器と、を備える。
【００１２】
そして、前記制御器は、前記エンジン本体の運転状態が高負荷領域にあるときに、前記燃焼室内において、その中央部分に、それを囲む外周部分よりもリッチな混合気層が形成されるように圧縮行程において燃料噴射を実行すると共に、燃焼開始時の前記燃焼室内全体の空気過剰率λが１以上になるようにし、前記制御器はまた、前記空気過剰率λ≧１の高負荷領域において、前記燃焼室内に前記排気ガスを還流させる。
【００１３】
ここで、「高負荷領域」は、エンジン本体の運転領域を低負荷領域及び高負荷領域の２つの領域に区分したときの高負荷領域としてもよいし、低負荷領域、中負荷領域、及び高負荷領域の３つの領域に区分したときの高負荷領域としてもよい。
【００１４】
前記の構成によると、エンジン本体の運転状態が高負荷領域にあるときに、燃焼室内において、その中央部分に、それを囲む外周部分よりもリッチな混合気層が形成されるように圧縮行程において燃料噴射を実行する。このことにより、前述の通り、相対的にリーンでかつ燃焼に寄与しない外周部分が、燃焼ガスと燃焼室の区画壁との間に介在するため、燃焼ガスが区画壁に接触することが抑制乃至防止されて、冷却損失の低減に有利になる。
【００１５】
一方で、燃焼開始時の燃焼室内全体の空気過剰率λが、λ≧１となるように設定されるため、外周部分に空気が含まれる分だけ、中央部分の空気が不足し易くなるところ、前記の構成では、λ≧１の高負荷領域において排気還流を行い、排気ガス（つまりＥＧＲガス）を燃焼室内に導入するため、外周部分に含まれる空気量が、ＥＧＲガスの導入量に応じて低減する。このことは、燃焼室内における中央部分の空気の量を増やすから、燃焼に寄与する中央部分の混合気はλ≧１に近づくようになり、エミッション性能の悪化を未然に回避することが可能になる。
【００１６】
前記火花点火式直噴エンジンは、前記エンジン本体に対する吸気通路上に配設されかつ、前記制御器によってその開度制御が行われる吸気絞り弁をさらに備え、前記制御器は、前記空気過剰率λ≧１の高負荷領域において、前記吸気絞り弁の開度を全開にする、としてもよい。
【００１７】
吸気絞り弁が全開であり、これ以上の新気の導入が望めないときに、排気還流を行うことは、排気側が吸気側よりも圧力が高いことを利用して燃焼室内へのガスの導入量を増やすことを可能にする。その結果、前述の通り、燃焼室内における中央部分の混合気の空気過剰率をλ≧１に維持することが可能になる。
【００１８】
前記エンジン本体の幾何学的圧縮比εは、１８以上４０以下に設定されている、としてもよい。
【００１９】
高圧縮比エンジンは熱効率の向上に有利になる一方で、前述の通り、冷却損失の増大を招く場合がある。この構成のエンジンは、燃焼室内における中央部分に相対的にリッチな混合気層を形成する成層化を行って、冷却損失の低減を図ると共に、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するから、図示熱効率を高めることが可能になる。
【００２０】
前記制御器は、前記エンジン本体の運転状態が低負荷領域にあるときには、前記燃焼室内全体の空気過剰率λが２以上８以下になるように燃料噴射を行うと共に、前記排気ガスの還流を停止する、としてもよい。
【００２１】
空気過剰率を高めたリーンバーンエンジンは、熱効率の向上及びエミッション性能の向上に有利になる。
【００２２】
前記制御器は、前記エンジン本体の運転状態が低負荷領域にあるときには、前記燃焼室内において、その中央部分に、それを囲む外周部分よりもリッチな混合気層が形成されるように燃料噴射を実行する、としてもよい。
【００２３】
エンジン本体の運転状態が低負荷領域にあるときにも、高負荷領域と同様に、燃焼室内において燃焼に寄与しない外周部分を設けることにより、冷却損失が低減して、熱効率の向上に有利になる。また、低負荷領域では、比較的少量の燃料量に対し十分な空気量が確保可能であるから、燃焼に寄与しない外周部分を設けつつ、排気ガスの還流を停止しても、エミッション性は悪化しない。
【発明の効果】
【００２４】
以上説明したように、前記の火花点火式直噴エンジンは、運転状態が高負荷領域にあるときに、燃焼室内における中央部分に、それを囲む外周部分よりもリッチな混合気層を形成することで、冷却損失の低減に有利になる一方、燃焼開始時の燃焼室内全体の空気過剰率λをλ≧１となるように設定しつつ、排気還流を行うことで、中央部分の混合気はλ≧１に近づくようになり、エミッション性能の悪化を未然に回避することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】火花点火式直噴エンジンの構成を概略的に示す図である。
【図２】火花点火式直噴エンジンの制御に係る構成を示すブロック図である。
【図３】燃焼室内のガスの構成を示す概念図である。
【図４】燃焼室内のガスの組成を比較する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、火花点火式直噴エンジン（以下、単にエンジンとも言う）の実施形態を図面に基づいて説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎない。図１、２に示すように、エンジン・システムは、エンジン１、エンジン１に付随する様々なアクチュエーター、様々なセンサ、及びセンサからの信号に基づきアクチュエーターを制御するエンジン制御器１００を有する。
【００２７】
エンジン１は、火花点火式内燃機関であって、図例では一つのみ図示するが、複数のシリンダ１１を有する。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の内部にシリンダ１１が形成されている。シリンダブロック１２及びシリンダヘッド１３の内部には、冷却水が流れるウォータージャケット１２１（但し、シリンダブロック１２内のウォータージャケットのみを図示する）が形成されている。
【００２８】
ピストン１５は、各シリンダ１１内に摺動自在に嵌挿されており、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。この実施形態では、ピストン１５の冠面に凹部が形成されている。
【００２９】
図１には一つのみ示すが、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の上面を区画する天井面）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４１に接続されている。吸気通路４１における図示省略の上流側には、吸気流量を調整するスロットル弁２０が介設しており、スロットル弁２０は、エンジン制御器１００からの制御信号を受けてそ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４２に接続されている。排気通路４２には、図示は省略するが、一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。
【００３０】
図１には概略的に示すが、排気通路４２と吸気通路４１との間には、既燃ガスの一部を吸気通路４１に還流するための排気還流通路（つまり、ＥＧＲ通路）４３が設けられている。ＥＧＲ通路４３の途中には、既燃ガス（言い換えるとＥＧＲガス）の還流量を調整するためのＥＧＲ弁４４が配設されていると共に、排気通路４２におけるＥＧＲ通路４３の接続位置よりも下流側には、排気絞り弁４５が配設されている。排気絞り弁４５は、通常時は、その開度が全開にされる一方、詳しくは後述するが、所定の運転状態において、その開度が絞られて背圧が高められる。そうして、ＥＧＲ弁４４及び排気絞り弁４５の双方の開度調整によって、燃焼室１７内へのＥＧＲガス量が調整されることになる。尚、図示は省略するが、ＥＧＲ通路４３上には、燃焼室１７内に導入するＥＧＲガスを冷却するための、例えば水冷式のＥＧＲクーラを配設してもよい。
【００３１】
吸気弁２１及び排気弁２２はそれぞれ、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は吸気弁駆動機構により、排気弁２２は排気弁駆動機構により、それぞれ駆動される。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、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。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 Valve Lift））を備えるようにしてもよい。
【００３２】
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に取り付けられている。点火プラグ３１は、この実施形態では、シリンダ１１の中心軸に対し、排気側に傾斜した状態で取り付けられており、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。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。
【００３３】
燃料噴射弁３３は、この実施形態ではシリンダ１１の中心軸に沿って配置され、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に取り付けられている。燃料噴射弁３３の先端は、燃焼室１７の天井部の中心に臨んでいる。燃料噴射弁３３は、この例では、外開弁タイプのピエゾ式インジェクタである。こうしたインジェクタは、ペネトレーションが比較的低い一方で、燃料の微粒化に優れており、詳しくは後述するが、燃焼室１７内において中央部分に比較的リッチな混合気を、それを囲む外周部分に比較的リーンな混合気（好ましくは空気のみ）を形成する上で、有利である。
【００３４】
燃料供給システム３４は、燃料噴射弁３３に燃料を供給する燃料供給系と、燃料噴射弁３３を駆動する電気回路と、を備えている。電気回路は、エンジン制御器１００からの制御信号を受けて燃料噴射弁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。ここで、このリーンバーンエンジン１の燃料は、この実施形態ではガソリンであるが、これに限定されるものではなく、例えばガソリン含有の各種の液化燃料としてもよい。
【００３５】
エンジン制御器１００は、図２に示すように、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。
【００３６】
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、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、以下のようなエンジン１の制御パラメーターを計算する。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、ＥＧＲ弁開度信号、排気絞り弁開度信号等である。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ー）、燃料供給システム３４、点火システム３２、ＶＶＴ２３、ＥＧＲ弁４４及び排気絞り弁４５等に出力する。
【００３７】
このリーンバーンエンジン１の特徴的な点は、エンジンの図示熱効率を高めて、燃費性能を従来に比べて大幅に向上させる観点から、エンジン１の幾何学的圧縮比εを１８以上４０以下の超高圧縮比に設定すると共に、少なくとも部分負荷の運転領域においては空気過剰率λを２以上８以下に設定して、混合気をリーン化することに対し、燃焼室１７の断熱構造を、さらに組み合わせる点にある。
【００３８】
ここで、このエンジン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。
【００３９】
また、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（天井面）と、吸気弁２１及び排気弁２２それぞれのバルブヘッドの面と、によって区画形成されており、これらの各面に、後述する構成を有する断熱層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、これらの区画面の全てに設けてもよいし、これらの区画面の一部に設けてもよい。また、図例では、シリンダ壁面の断熱層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。
【００４０】
このリーンバーンエンジン１では、前述の通り幾何学的圧縮比εを１８≦ε≦４０に設定している。理論サイクルであるオットーサイクルにおける理論熱効率ηｔｈは、ηｔｈ＝１−１／（εκ−１）であり、圧縮比εを高くすればするほど、理論熱効率ηｔｈは高くなる。また、ガスの比熱比κを高めれば高めるほど、言い換えると、空気過剰率λを高めれば高めるほど、理論熱効率ηｔｈは高くなる。
【００４１】
しかしながら、エンジン（正確には、燃焼室の断熱構造を有しないエンジン）の図示熱効率は、所定の幾何学的圧縮比ε（例えば１５程度）でピークになり、幾何学的圧縮比εをそれ以上に高めても図示熱効率は高くならず、逆に、図示熱効率は低下することになる。これは、燃料量及び吸気量を一定のままで幾何学的圧縮比を高くした場合、圧縮比が高くなればなるほど、燃焼圧力及び燃焼温度が高くなることに起因している。つまり、燃焼室１７を区画する面を通じて熱が放出することに伴う冷却損失は、冷却損失＝熱伝達率×伝熱面積×（ガス温度−区画面の温度）によって決定され、燃焼ガスの圧力及び温度が高くなるほど熱伝達率は高くなるから、燃焼圧力及び燃焼温度が高くなることは、その分、冷却損失を増大させることになる。その結果、リーンバーンエンジンは、幾何学的圧縮比が高くなればなるほど、図示熱効率が低下してしまうのである。このように、混合気をリーン化しつつ、幾何学的圧縮比を高めることによってエンジンの図示熱効率を高めようとしても、冷却損失が増大することにより、理論熱効率よりも大幅に低い図示熱効率で頭打ちなってしまう。
【００４２】
これに対し、このリーンバーンエンジン１では、高い幾何学的圧縮比εにおいて図示熱効率が高まるように、燃焼室１７の断熱構造を組み合わせている。つまり、燃焼室１７の断熱化により冷却損失を低減させ、それによって図示熱効率を高める。
【００４３】
一方で、燃焼室１７を断熱化して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、このリーンバーンエンジン１では、前述したように、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、このリーンバーンエンジン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。
【００４４】
ここで、空気過剰率λについて検討する。空気過剰率λが２よりも低くなると燃焼室１７内の最高燃焼温度が高くなって、燃焼室１７からＲａｗＮＯｘが排出され得る。前述したように、このリーンバーンエンジン１は、冷却損失と共に排気損失の低減をも図っているため、排気温度が比較的低く触媒の活性化には不利である。そのため、燃焼室１７からのＲａｗＮＯｘの排出を回避乃至抑制することが望ましく、そのためには、空気過剰率λを２以上に設定することが好ましい。言い換えると、燃焼室１７内の最高燃焼温度が所定温度（例えば、ＲａｗＮＯｘが生成し得る温度としての１８００Ｋ（ケルビン））以下となる範囲で、空気過剰率λを設定することが望ましい。エンジン制御器１００は、例えばエンジン１の部分負荷における運転領域内で、負荷の上昇に伴い（言い換えると、燃料噴射量の増量により空気過剰率λが下がることに伴い）、最高燃焼温度が所定温度を超えるようなときには、空気過剰率λを上げてエンジン１を運転することが望ましい。
【００４５】
一方、本願発明者らの検討によると、空気過剰率λ＝８で図示熱効率がピークになることから、空気過剰率λの範囲としては、２≦λ≦８が好ましい。尚、エンジン１の全負荷を含む高負荷の運転領域においては、トルク優先により、空気過剰率λをさらに下げて例えばλ＝１又はλ≧１としてもよい。前記の空気過剰率λの数値範囲は、エンジン１の、中負荷及び低負荷の運転領域における好ましい範囲である。
【００４６】
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。
【００４７】
次に、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、前述したように、燃焼室１７を区画する各区画面に設けた断熱層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、区画面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の天井面に設けた断熱層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面に設けた断熱層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。従って、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。但し、前述したように、このリーンバーンエンジン１は排気損失を低減していることから、排気ガス温度が大幅に低下しているため、特に排気弁２２については耐熱鋼でなくても、従来は使用することができなかった、又は、使用することが困難であった材料（例えばアルミニウム合金等）を使用することも可能である。
【００４８】
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小さいことが好ましい。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１７を区画する面の温度は、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。
【００４９】
一方で、冷却損失は、前述の通り、冷却損失＝熱伝達率×伝熱面積×（ガス温度−区画面の温度）によって決定されることから、ガス温度と壁面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、ガス温度と区画面の温度との差温は小さくすることが望ましいが、前述したように、燃焼室１７の区画面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。
【００５０】
そこで、前記の断熱層６は熱容量を小さくし、燃焼室１７の区画面の温度が、燃焼室１７内のガス温度の変動に追従して変化することが好ましい。
【００５１】
また、断熱層６の熱容量を小さくすることは、排気損失の低減にも有利になる。つまり、仮に断熱層の熱容量が大きいときは、燃焼室１７内の温度が低下したときでも、区画面の温度が下がらない一方で、燃焼室１７が断熱構造を有しているため、燃焼室１７内の温度を高温のままに維持してしまう。このことは、結果として排気損失を増大させることになり、エンジン１の熱効率の向上を阻害する。
【００５２】
これに対し、断熱層６の熱容量を小さくすることは、燃焼室１７内の温度が低下したときに、それに追従して区画面の温度が低下する。従って、燃焼室１７内の温度を高温に維持してしまうことを回避し得るから、前述した、温度追従性に伴う冷却損失の抑制のほか、排気損失の抑制にも有利になり得る。
【００５３】
断熱層６の例示として、この断熱層６は、シリンダ１１の壁面、ピストン１５の冠面、シリンダヘッド１３の天井面、並びに、吸気弁２１及び排気弁２２それぞれのバルブヘッド面、つまり、燃焼室１７を区画する区画面に、例えばプラズマ溶射により形成した、ジルコニア（ＺｒＯ２）、又は、部分安定化ジルコニア（ＰＳＺ）の皮膜によって構成してもよい。ジルコニア又は部分安定化ジルコニアは、熱伝導率が比較的低くかつ、容積比熱も比較的小さいため、母材によりも熱伝導率が低くかつ、容積比熱が母材と同じか、それよりも小さい断熱層６が構成される。
【００５４】
ここで、このリーンバーンエンジン１では、その温間時に、全負荷を含む高負荷の運転領域において空気過剰率をλ＝１にする場合は、点火プラグ３１の駆動によって燃焼室１７内の混合気に点火する火花点火モードとし、空気過剰率λを２〜８（又はＧ／Ｆを３０〜１２０）に設定するような、それ以外の運転領域（言い換えると中負荷乃至低負荷の運転領域）では、燃焼室１７内の混合気を圧縮着火させる圧縮着火モードとすればよい。尚、エンジン１の運転領域の全域で圧縮着火モードとしてもよい。
【００５５】
そうして、このリーンバーンエンジン１ではさらに、図３に概念的に示すように、燃焼室１７内における中央部分１７１に相対的にリッチな混合気を形成する一方、この中央部分１７１を囲む外周部分１７２に相対的にリーンな混合気、好ましくは燃料を含まない空気層を形成する。こうすることによって、中央部分１７１の混合気が燃焼に寄与し、外周部分１７２の混合気（又は空気）が燃焼に寄与しないようにする。このことは、燃焼ガスが燃焼室１７の区画壁に接触することを抑制しつつ、外周部分１７２の空気層が、前述した断熱層の一部として機能することで、冷却損失がさらに低減する。そのために、燃料噴射弁３３を、低ペネトレーションでかつ、燃料の微粒化に優れた外開弁タイプのピエゾ式インジェクタにすると共に、この燃料噴射弁３３による燃料の噴射タイミングを、圧縮行程の後期に設定する。ここでいう圧縮行程の後期とは、圧縮行程を、前期、中期及び後期の３つに分けたときの後期である。こうすることで、噴射した燃料が、燃焼室１７の壁面にまで到達してしまうことを防止しながら、燃料の微粒化が可能になる上に、噴射した燃料が燃焼室１７内で拡散する前に燃焼を開始することが可能になる。そうして、燃焼室１７内における中央部分１７１に相対的にリッチな混合気を形成する一方、この中央部分１７１を囲む外周部分１７２に相対的にリーンな混合気（又は空気層）を形成するような、成層化が実現する。
【００５６】
ここで、前述したように、高負荷の運転領域において空気過剰率を例えばλ＝１にする一方、中負荷及び低負荷の運転領域においては、空気過剰率λを２〜８に設定する場合において、λ＝１とする高負荷領域では、燃焼室１７内における中央部分１７１の空気過剰率がλ＜１の過濃な状態となる場合がある。すなわち、図４における左側に示すように、λ＝１とする負荷領域では、例えばスロットル弁２０が全開に設定されて、最大量の新気が燃焼室１７内に導入される一方で、燃焼室１７の全体としてλ＝１となるように、燃料噴射量が設定されることになる。ここで、前述の通り、燃焼室１７内における外周部分１７２に比較的リーンな混合気（つまり断熱層）が形成される場合、燃焼に寄与しない外周部分１７２に空気が存在する分だけ（図４の左図においてハッチングを付した部分）、中央部分１７１では空気が不足することになり、燃焼に寄与する中央部分１７１の空気過剰率がλ＜１の過濃になってしまうのである。この状態はエミッション性の悪化を招く虞がある。
【００５７】
そこで、このリーンバーンエンジン１では、図４における右側に示すように、λ＝１の高負荷領域において、ＥＧＲ弁４４を所定の開度に開けてＥＧＲ通路４３を通じた排気ガスの還流を行うことで、燃焼室１７内にＥＧＲガスを導入する。このことにより、図４の右図にハッチングを付して示すように、外周部分１７２にＥＧＲガスが含まれる分だけ、中央部分１７１の空気量が増えることになり、中央部分１７１の空気過剰率がλ＝１又はそれに近づくようになる。その結果、成層化によって冷却損失を低減しつつも、エミッション性の悪化が未然に回避される。
【００５８】
ここで、λ＝１の高負荷領域においては、排気側の圧力が、吸気側の圧力よりも高くなるため、スロットル弁２０を全開にした状態でも排気ガスを還流させて燃焼室１７内に、ＥＧＲガスを導入することが可能であるが、必要に応じて排気絞り弁４５を所定開度に閉じることで背圧を高めて、燃焼室１７内に所望量のＥＧＲガスを導入するようにしてもよい。尚、排気絞り弁４５は省略することも可能である。また、λ＝１の高負荷領域において、燃焼室１７内の温度を低下して冷却損失を低減する観点からは、前述の通り、ＥＧＲ通路４３にＥＧＲクーラを配置して、できるだけ低温のＥＧＲガスを燃焼室１７内に導入することが好ましい。
【００５９】
また、空気過剰率λを２〜８に設定する中負荷及び低負荷領域の内、特に低負荷領域では、燃焼室１７内の成層化を行う一方で、ＥＧＲ通路４３を通じた排気還流は停止する。燃焼室１７内の全体として、空気過剰率をリーンに設定した運転領域では、燃焼室１７内に供給する比較的少量の燃料量に対し十分な空気量が確保可能であるから、外周部分１７２を形成しつつ排気還流を停止しても、エミッション性が悪化しない。尚、中負荷領域では、排気還流を適宜実行してもよい。
【００６０】
尚、ここに開示する技術は、前述したような、燃焼室１７の断熱構造を有する高圧縮比のリーンバーンエンジン１への適用に限定されるものではなく、例えば燃焼室１７の断熱構造を省略してもよい。この場合でも、前述したように燃焼室１７内を、中央部分と外周部分とで成層化することにより燃焼室１７の断熱機能が得られるため、冷却損失を低減して、エンジン１の図示熱効率は向上する。
【００６１】
また、ここに開示する技術は冷却損失の低減に有効であるから、高圧縮比のリーンバーンエンジン１への適用に限定されず、火花点火式直噴エンジンに広く適用することが可能である。
【符号の説明】
【００６２】
１ エンジン（エンジン本体）
１７ 燃焼室
１００ エンジン制御器
２０ スロットル弁（吸気絞り弁）
３３ 燃料噴射弁
４３ ＥＧＲ通路（排気還流手段）
４４ ＥＧＲ弁（排気還流手段）
４５ 排気絞り弁（排気還流手段）
【技術分野】
【０００１】
ここに開示する技術は、火花点火式直噴エンジンに関する。
【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、燃焼室を区画形成する面を、多数の気泡を含んだ断熱材によって構成する技術が記載されている。
【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、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、前記特許文献１に記載されているような高圧縮比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ものの、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。火花点火式エンジンにおける熱効率の向上には、冷却損失の低減が重要である。
【０００６】
ここに開示する技術は、か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、火花点火式エンジンにおいて、冷却損失を低減することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本願発明者らは、冷却損失は、燃焼室の区画壁に接触する燃焼ガスとその区画壁との温度差に比例することから、燃焼ガスが区画壁に接触することを抑制すべく、燃焼室内における中央部分にリッチな混合気層を、それを囲む外周部分にリーンな混合気層を形成することに着目した。こうした成層化によって、外周部分は燃焼に実質的に寄与しなくなり、燃焼ガスが区画壁に接触することが抑制される。こうして、冷却損失の低減が図られる。また、空気の多い又は空気によって形成される外周部分は、燃焼ガスと区画壁との間の断熱層として機能するから、冷却損失の低減により一層有利になる。
【０００８】
ここで、エンジンの運転状態が低負荷領域にあるときには燃料噴射量が相対的に少ないため、空気過剰率λを、２以上のリーンに設定して、熱効率の向上及びＮＯｘ生成の抑制を図ることが可能になる一方で、エンジンの運転状態が高負荷領域にあるときには燃料噴射量が増量するため、空気過剰率λを２以上に維持することができず、三元触媒を利用する関係上、空気過剰率λを１以上に設定しなければならなくなる。
【０００９】
その場合に、前述したような成層化は、燃焼室全体として空気過剰率λを、λ≧１にしたとしても、燃焼に寄与しない外周部分に空気が存在している分だけ、燃焼に寄与する中央部分の混合気は空気が不足して空気過剰率がλ＜１となってしまう場合がある。この場合は、エミッション性能の低下を招く虞がある。
【００１０】
そこで、ここに開示する技術は、空気過剰率λ≧１とする高負荷領域において、排気還流（ＥＧＲ）を行うことで、燃焼室内に導入するガス量を増量することにした。このことは、燃焼室内における外周部分の空気量を低下させ、燃焼に寄与する中央部分の空気量を増やす。その結果、中央部分における空気過剰率λは可及的にλ≧１となり、冷却損失を低減しつつも、エミッション性能の低下が回避される。
【００１１】
具体的に、ここに開示する火花点火式直噴エンジンは、エンジン本体と、前記エンジン本体の燃焼室内に燃料を噴射するよう構成された燃料噴射弁と、前記エンジン本体の排気ガスを前記燃焼室内に還流させるよう構成された排気還流手段と、前記エンジン本体の運転状態に応じて、前記燃料噴射弁を通じた前記燃焼室内へ燃料噴射、及び、前記排気還流手段による排気還流を制御する制御器と、を備える。
【００１２】
そして、前記制御器は、前記エンジン本体の運転状態が高負荷領域にあるときに、前記燃焼室内において、その中央部分に、それを囲む外周部分よりもリッチな混合気層が形成されるように圧縮行程において燃料噴射を実行すると共に、燃焼開始時の前記燃焼室内全体の空気過剰率λが１以上になるようにし、前記制御器はまた、前記空気過剰率λ≧１の高負荷領域において、前記燃焼室内に前記排気ガスを還流させる。
【００１３】
ここで、「高負荷領域」は、エンジン本体の運転領域を低負荷領域及び高負荷領域の２つの領域に区分したときの高負荷領域としてもよいし、低負荷領域、中負荷領域、及び高負荷領域の３つの領域に区分したときの高負荷領域としてもよい。
【００１４】
前記の構成によると、エンジン本体の運転状態が高負荷領域にあるときに、燃焼室内において、その中央部分に、それを囲む外周部分よりもリッチな混合気層が形成されるように圧縮行程において燃料噴射を実行する。このことにより、前述の通り、相対的にリーンでかつ燃焼に寄与しない外周部分が、燃焼ガスと燃焼室の区画壁との間に介在するため、燃焼ガスが区画壁に接触することが抑制乃至防止されて、冷却損失の低減に有利になる。
【００１５】
一方で、燃焼開始時の燃焼室内全体の空気過剰率λが、λ≧１となるように設定されるため、外周部分に空気が含まれる分だけ、中央部分の空気が不足し易くなるところ、前記の構成では、λ≧１の高負荷領域において排気還流を行い、排気ガス（つまりＥＧＲガス）を燃焼室内に導入するため、外周部分に含まれる空気量が、ＥＧＲガスの導入量に応じて低減する。このことは、燃焼室内における中央部分の空気の量を増やすから、燃焼に寄与する中央部分の混合気はλ≧１に近づくようになり、エミッション性能の悪化を未然に回避することが可能になる。
【００１６】
前記火花点火式直噴エンジンは、前記エンジン本体に対する吸気通路上に配設されかつ、前記制御器によってその開度制御が行われる吸気絞り弁をさらに備え、前記制御器は、前記空気過剰率λ≧１の高負荷領域において、前記吸気絞り弁の開度を全開にする、としてもよい。
【００１７】
吸気絞り弁が全開であり、これ以上の新気の導入が望めないときに、排気還流を行うことは、排気側が吸気側よりも圧力が高いことを利用して燃焼室内へのガスの導入量を増やすことを可能にする。その結果、前述の通り、燃焼室内における中央部分の混合気の空気過剰率をλ≧１に維持することが可能になる。
【００１８】
前記エンジン本体の幾何学的圧縮比εは、１８以上４０以下に設定されている、としてもよい。
【００１９】
高圧縮比エンジンは熱効率の向上に有利になる一方で、前述の通り、冷却損失の増大を招く場合がある。この構成のエンジンは、燃焼室内における中央部分に相対的にリッチな混合気層を形成する成層化を行って、冷却損失の低減を図ると共に、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するから、図示熱効率を高めることが可能になる。
【００２０】
前記制御器は、前記エンジン本体の運転状態が低負荷領域にあるときには、前記燃焼室内全体の空気過剰率λが２以上８以下になるように燃料噴射を行うと共に、前記排気ガスの還流を停止する、としてもよい。
【００２１】
空気過剰率を高めたリーンバーンエンジンは、熱効率の向上及びエミッション性能の向上に有利になる。
【００２２】
前記制御器は、前記エンジン本体の運転状態が低負荷領域にあるときには、前記燃焼室内において、その中央部分に、それを囲む外周部分よりもリッチな混合気層が形成されるように燃料噴射を実行する、としてもよい。
【００２３】
エンジン本体の運転状態が低負荷領域にあるときにも、高負荷領域と同様に、燃焼室内において燃焼に寄与しない外周部分を設けることにより、冷却損失が低減して、熱効率の向上に有利になる。また、低負荷領域では、比較的少量の燃料量に対し十分な空気量が確保可能であるから、燃焼に寄与しない外周部分を設けつつ、排気ガスの還流を停止しても、エミッション性は悪化しない。
【発明の効果】
【００２４】
以上説明したように、前記の火花点火式直噴エンジンは、運転状態が高負荷領域にあるときに、燃焼室内における中央部分に、それを囲む外周部分よりもリッチな混合気層を形成することで、冷却損失の低減に有利になる一方、燃焼開始時の燃焼室内全体の空気過剰率λをλ≧１となるように設定しつつ、排気還流を行うことで、中央部分の混合気はλ≧１に近づくようになり、エミッション性能の悪化を未然に回避することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】火花点火式直噴エンジンの構成を概略的に示す図である。
【図２】火花点火式直噴エンジンの制御に係る構成を示すブロック図である。
【図３】燃焼室内のガスの構成を示す概念図である。
【図４】燃焼室内のガスの組成を比較する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、火花点火式直噴エンジン（以下、単にエンジンとも言う）の実施形態を図面に基づいて説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎない。図１、２に示すように、エンジン・システムは、エンジン１、エンジン１に付随する様々なアクチュエーター、様々なセンサ、及びセンサからの信号に基づきアクチュエーターを制御するエンジン制御器１００を有する。
【００２７】
エンジン１は、火花点火式内燃機関であって、図例では一つのみ図示するが、複数のシリンダ１１を有する。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の内部にシリンダ１１が形成されている。シリンダブロック１２及びシリンダヘッド１３の内部には、冷却水が流れるウォータージャケット１２１（但し、シリンダブロック１２内のウォータージャケットのみを図示する）が形成されている。
【００２８】
ピストン１５は、各シリンダ１１内に摺動自在に嵌挿されており、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。この実施形態では、ピストン１５の冠面に凹部が形成されている。
【００２９】
図１には一つのみ示すが、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の上面を区画する天井面）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４１に接続されている。吸気通路４１における図示省略の上流側には、吸気流量を調整するスロットル弁２０が介設しており、スロットル弁２０は、エンジン制御器１００からの制御信号を受けてそ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４２に接続されている。排気通路４２には、図示は省略するが、一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。
【００３０】
図１には概略的に示すが、排気通路４２と吸気通路４１との間には、既燃ガスの一部を吸気通路４１に還流するための排気還流通路（つまり、ＥＧＲ通路）４３が設けられている。ＥＧＲ通路４３の途中には、既燃ガス（言い換えるとＥＧＲガス）の還流量を調整するためのＥＧＲ弁４４が配設されていると共に、排気通路４２におけるＥＧＲ通路４３の接続位置よりも下流側には、排気絞り弁４５が配設されている。排気絞り弁４５は、通常時は、その開度が全開にされる一方、詳しくは後述するが、所定の運転状態において、その開度が絞られて背圧が高められる。そうして、ＥＧＲ弁４４及び排気絞り弁４５の双方の開度調整によって、燃焼室１７内へのＥＧＲガス量が調整されることになる。尚、図示は省略するが、ＥＧＲ通路４３上には、燃焼室１７内に導入するＥＧＲガスを冷却するための、例えば水冷式のＥＧＲクーラを配設してもよい。
【００３１】
吸気弁２１及び排気弁２２はそれぞれ、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は吸気弁駆動機構により、排気弁２２は排気弁駆動機構により、それぞれ駆動される。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、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。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 Valve Lift））を備えるようにしてもよい。
【００３２】
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に取り付けられている。点火プラグ３１は、この実施形態では、シリンダ１１の中心軸に対し、排気側に傾斜した状態で取り付けられており、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。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。
【００３３】
燃料噴射弁３３は、この実施形態ではシリンダ１１の中心軸に沿って配置され、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に取り付けられている。燃料噴射弁３３の先端は、燃焼室１７の天井部の中心に臨んでいる。燃料噴射弁３３は、この例では、外開弁タイプのピエゾ式インジェクタである。こうしたインジェクタは、ペネトレーションが比較的低い一方で、燃料の微粒化に優れており、詳しくは後述するが、燃焼室１７内において中央部分に比較的リッチな混合気を、それを囲む外周部分に比較的リーンな混合気（好ましくは空気のみ）を形成する上で、有利である。
【００３４】
燃料供給システム３４は、燃料噴射弁３３に燃料を供給する燃料供給系と、燃料噴射弁３３を駆動する電気回路と、を備えている。電気回路は、エンジン制御器１００からの制御信号を受けて燃料噴射弁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。ここで、このリーンバーンエンジン１の燃料は、この実施形態ではガソリンであるが、これに限定されるものではなく、例えばガソリン含有の各種の液化燃料としてもよい。
【００３５】
エンジン制御器１００は、図２に示すように、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。
【００３６】
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、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、以下のようなエンジン１の制御パラメーターを計算する。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、ＥＧＲ弁開度信号、排気絞り弁開度信号等である。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ー）、燃料供給システム３４、点火システム３２、ＶＶＴ２３、ＥＧＲ弁４４及び排気絞り弁４５等に出力する。
【００３７】
このリーンバーンエンジン１の特徴的な点は、エンジンの図示熱効率を高めて、燃費性能を従来に比べて大幅に向上させる観点から、エンジン１の幾何学的圧縮比εを１８以上４０以下の超高圧縮比に設定すると共に、少なくとも部分負荷の運転領域においては空気過剰率λを２以上８以下に設定して、混合気をリーン化することに対し、燃焼室１７の断熱構造を、さらに組み合わせる点にある。
【００３８】
ここで、このエンジン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。
【００３９】
また、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（天井面）と、吸気弁２１及び排気弁２２それぞれのバルブヘッドの面と、によって区画形成されており、これらの各面に、後述する構成を有する断熱層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、これらの区画面の全てに設けてもよいし、これらの区画面の一部に設けてもよい。また、図例では、シリンダ壁面の断熱層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。
【００４０】
このリーンバーンエンジン１では、前述の通り幾何学的圧縮比εを１８≦ε≦４０に設定している。理論サイクルであるオットーサイクルにおける理論熱効率ηｔｈは、ηｔｈ＝１−１／（εκ−１）であり、圧縮比εを高くすればするほど、理論熱効率ηｔｈは高くなる。また、ガスの比熱比κを高めれば高めるほど、言い換えると、空気過剰率λを高めれば高めるほど、理論熱効率ηｔｈは高くなる。
【００４１】
しかしながら、エンジン（正確には、燃焼室の断熱構造を有しないエンジン）の図示熱効率は、所定の幾何学的圧縮比ε（例えば１５程度）でピークになり、幾何学的圧縮比εをそれ以上に高めても図示熱効率は高くならず、逆に、図示熱効率は低下することになる。これは、燃料量及び吸気量を一定のままで幾何学的圧縮比を高くした場合、圧縮比が高くなればなるほど、燃焼圧力及び燃焼温度が高くなることに起因している。つまり、燃焼室１７を区画する面を通じて熱が放出することに伴う冷却損失は、冷却損失＝熱伝達率×伝熱面積×（ガス温度−区画面の温度）によって決定され、燃焼ガスの圧力及び温度が高くなるほど熱伝達率は高くなるから、燃焼圧力及び燃焼温度が高くなることは、その分、冷却損失を増大させることになる。その結果、リーンバーンエンジンは、幾何学的圧縮比が高くなればなるほど、図示熱効率が低下してしまうのである。このように、混合気をリーン化しつつ、幾何学的圧縮比を高めることによってエンジンの図示熱効率を高めようとしても、冷却損失が増大することにより、理論熱効率よりも大幅に低い図示熱効率で頭打ちなってしまう。
【００４２】
これに対し、このリーンバーンエンジン１では、高い幾何学的圧縮比εにおいて図示熱効率が高まるように、燃焼室１７の断熱構造を組み合わせている。つまり、燃焼室１７の断熱化により冷却損失を低減させ、それによって図示熱効率を高める。
【００４３】
一方で、燃焼室１７を断熱化して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、このリーンバーンエンジン１では、前述したように、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、このリーンバーンエンジン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。
【００４４】
ここで、空気過剰率λについて検討する。空気過剰率λが２よりも低くなると燃焼室１７内の最高燃焼温度が高くなって、燃焼室１７からＲａｗＮＯｘが排出され得る。前述したように、このリーンバーンエンジン１は、冷却損失と共に排気損失の低減をも図っているため、排気温度が比較的低く触媒の活性化には不利である。そのため、燃焼室１７からのＲａｗＮＯｘの排出を回避乃至抑制することが望ましく、そのためには、空気過剰率λを２以上に設定することが好ましい。言い換えると、燃焼室１７内の最高燃焼温度が所定温度（例えば、ＲａｗＮＯｘが生成し得る温度としての１８００Ｋ（ケルビン））以下となる範囲で、空気過剰率λを設定することが望ましい。エンジン制御器１００は、例えばエンジン１の部分負荷における運転領域内で、負荷の上昇に伴い（言い換えると、燃料噴射量の増量により空気過剰率λが下がることに伴い）、最高燃焼温度が所定温度を超えるようなときには、空気過剰率λを上げてエンジン１を運転することが望ましい。
【００４５】
一方、本願発明者らの検討によると、空気過剰率λ＝８で図示熱効率がピークになることから、空気過剰率λの範囲としては、２≦λ≦８が好ましい。尚、エンジン１の全負荷を含む高負荷の運転領域においては、トルク優先により、空気過剰率λをさらに下げて例えばλ＝１又はλ≧１としてもよい。前記の空気過剰率λの数値範囲は、エンジン１の、中負荷及び低負荷の運転領域における好ましい範囲である。
【００４６】
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。
【００４７】
次に、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、前述したように、燃焼室１７を区画する各区画面に設けた断熱層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、区画面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の天井面に設けた断熱層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面に設けた断熱層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。従って、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。但し、前述したように、このリーンバーンエンジン１は排気損失を低減していることから、排気ガス温度が大幅に低下しているため、特に排気弁２２については耐熱鋼でなくても、従来は使用することができなかった、又は、使用することが困難であった材料（例えばアルミニウム合金等）を使用することも可能である。
【００４８】
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小さいことが好ましい。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１７を区画する面の温度は、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。
【００４９】
一方で、冷却損失は、前述の通り、冷却損失＝熱伝達率×伝熱面積×（ガス温度−区画面の温度）によって決定されることから、ガス温度と壁面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、ガス温度と区画面の温度との差温は小さくすることが望ましいが、前述したように、燃焼室１７の区画面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。
【００５０】
そこで、前記の断熱層６は熱容量を小さくし、燃焼室１７の区画面の温度が、燃焼室１７内のガス温度の変動に追従して変化することが好ましい。
【００５１】
また、断熱層６の熱容量を小さくすることは、排気損失の低減にも有利になる。つまり、仮に断熱層の熱容量が大きいときは、燃焼室１７内の温度が低下したときでも、区画面の温度が下がらない一方で、燃焼室１７が断熱構造を有しているため、燃焼室１７内の温度を高温のままに維持してしまう。このことは、結果として排気損失を増大させることになり、エンジン１の熱効率の向上を阻害する。
【００５２】
これに対し、断熱層６の熱容量を小さくすることは、燃焼室１７内の温度が低下したときに、それに追従して区画面の温度が低下する。従って、燃焼室１７内の温度を高温に維持してしまうことを回避し得るから、前述した、温度追従性に伴う冷却損失の抑制のほか、排気損失の抑制にも有利になり得る。
【００５３】
断熱層６の例示として、この断熱層６は、シリンダ１１の壁面、ピストン１５の冠面、シリンダヘッド１３の天井面、並びに、吸気弁２１及び排気弁２２それぞれのバルブヘッド面、つまり、燃焼室１７を区画する区画面に、例えばプラズマ溶射により形成した、ジルコニア（ＺｒＯ２）、又は、部分安定化ジルコニア（ＰＳＺ）の皮膜によって構成してもよい。ジルコニア又は部分安定化ジルコニアは、熱伝導率が比較的低くかつ、容積比熱も比較的小さいため、母材によりも熱伝導率が低くかつ、容積比熱が母材と同じか、それよりも小さい断熱層６が構成される。
【００５４】
ここで、このリーンバーンエンジン１では、その温間時に、全負荷を含む高負荷の運転領域において空気過剰率をλ＝１にする場合は、点火プラグ３１の駆動によって燃焼室１７内の混合気に点火する火花点火モードとし、空気過剰率λを２〜８（又はＧ／Ｆを３０〜１２０）に設定するような、それ以外の運転領域（言い換えると中負荷乃至低負荷の運転領域）では、燃焼室１７内の混合気を圧縮着火させる圧縮着火モードとすればよい。尚、エンジン１の運転領域の全域で圧縮着火モードとしてもよい。
【００５５】
そうして、このリーンバーンエンジン１ではさらに、図３に概念的に示すように、燃焼室１７内における中央部分１７１に相対的にリッチな混合気を形成する一方、この中央部分１７１を囲む外周部分１７２に相対的にリーンな混合気、好ましくは燃料を含まない空気層を形成する。こうすることによって、中央部分１７１の混合気が燃焼に寄与し、外周部分１７２の混合気（又は空気）が燃焼に寄与しないようにする。このことは、燃焼ガスが燃焼室１７の区画壁に接触することを抑制しつつ、外周部分１７２の空気層が、前述した断熱層の一部として機能することで、冷却損失がさらに低減する。そのために、燃料噴射弁３３を、低ペネトレーションでかつ、燃料の微粒化に優れた外開弁タイプのピエゾ式インジェクタにすると共に、この燃料噴射弁３３による燃料の噴射タイミングを、圧縮行程の後期に設定する。ここでいう圧縮行程の後期とは、圧縮行程を、前期、中期及び後期の３つに分けたときの後期である。こうすることで、噴射した燃料が、燃焼室１７の壁面にまで到達してしまうことを防止しながら、燃料の微粒化が可能になる上に、噴射した燃料が燃焼室１７内で拡散する前に燃焼を開始することが可能になる。そうして、燃焼室１７内における中央部分１７１に相対的にリッチな混合気を形成する一方、この中央部分１７１を囲む外周部分１７２に相対的にリーンな混合気（又は空気層）を形成するような、成層化が実現する。
【００５６】
ここで、前述したように、高負荷の運転領域において空気過剰率を例えばλ＝１にする一方、中負荷及び低負荷の運転領域においては、空気過剰率λを２〜８に設定する場合において、λ＝１とする高負荷領域では、燃焼室１７内における中央部分１７１の空気過剰率がλ＜１の過濃な状態となる場合がある。すなわち、図４における左側に示すように、λ＝１とする負荷領域では、例えばスロットル弁２０が全開に設定されて、最大量の新気が燃焼室１７内に導入される一方で、燃焼室１７の全体としてλ＝１となるように、燃料噴射量が設定されることになる。ここで、前述の通り、燃焼室１７内における外周部分１７２に比較的リーンな混合気（つまり断熱層）が形成される場合、燃焼に寄与しない外周部分１７２に空気が存在する分だけ（図４の左図においてハッチングを付した部分）、中央部分１７１では空気が不足することになり、燃焼に寄与する中央部分１７１の空気過剰率がλ＜１の過濃になってしまうのである。この状態はエミッション性の悪化を招く虞がある。
【００５７】
そこで、このリーンバーンエンジン１では、図４における右側に示すように、λ＝１の高負荷領域において、ＥＧＲ弁４４を所定の開度に開けてＥＧＲ通路４３を通じた排気ガスの還流を行うことで、燃焼室１７内にＥＧＲガスを導入する。このことにより、図４の右図にハッチングを付して示すように、外周部分１７２にＥＧＲガスが含まれる分だけ、中央部分１７１の空気量が増えることになり、中央部分１７１の空気過剰率がλ＝１又はそれに近づくようになる。その結果、成層化によって冷却損失を低減しつつも、エミッション性の悪化が未然に回避される。
【００５８】
ここで、λ＝１の高負荷領域においては、排気側の圧力が、吸気側の圧力よりも高くなるため、スロットル弁２０を全開にした状態でも排気ガスを還流させて燃焼室１７内に、ＥＧＲガスを導入することが可能であるが、必要に応じて排気絞り弁４５を所定開度に閉じることで背圧を高めて、燃焼室１７内に所望量のＥＧＲガスを導入するようにしてもよい。尚、排気絞り弁４５は省略することも可能である。また、λ＝１の高負荷領域において、燃焼室１７内の温度を低下して冷却損失を低減する観点からは、前述の通り、ＥＧＲ通路４３にＥＧＲクーラを配置して、できるだけ低温のＥＧＲガスを燃焼室１７内に導入することが好ましい。
【００５９】
また、空気過剰率λを２〜８に設定する中負荷及び低負荷領域の内、特に低負荷領域では、燃焼室１７内の成層化を行う一方で、ＥＧＲ通路４３を通じた排気還流は停止する。燃焼室１７内の全体として、空気過剰率をリーンに設定した運転領域では、燃焼室１７内に供給する比較的少量の燃料量に対し十分な空気量が確保可能であるから、外周部分１７２を形成しつつ排気還流を停止しても、エミッション性が悪化しない。尚、中負荷領域では、排気還流を適宜実行してもよい。
【００６０】
尚、ここに開示する技術は、前述したような、燃焼室１７の断熱構造を有する高圧縮比のリーンバーンエンジン１への適用に限定されるものではなく、例えば燃焼室１７の断熱構造を省略してもよい。この場合でも、前述したように燃焼室１７内を、中央部分と外周部分とで成層化することにより燃焼室１７の断熱機能が得られるため、冷却損失を低減して、エンジン１の図示熱効率は向上する。
【００６１】
また、ここに開示する技術は冷却損失の低減に有効であるから、高圧縮比のリーンバーンエンジン１への適用に限定されず、火花点火式直噴エンジンに広く適用することが可能である。
【符号の説明】
【００６２】
１ エンジン（エンジン本体）
１７ 燃焼室
１００ エンジン制御器
２０ スロットル弁（吸気絞り弁）
３３ 燃料噴射弁
４３ ＥＧＲ通路（排気還流手段）
４４ ＥＧＲ弁（排気還流手段）
４５ 排気絞り弁（排気還流手段）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジン本体と、
前記エンジン本体の燃焼室内に燃料を噴射するよう構成された燃料噴射弁と、
前記エンジン本体の排気ガスを前記燃焼室内に還流させるよう構成された排気還流手段と、
前記エンジン本体の運転状態に応じて、前記燃料噴射弁を通じた前記燃焼室内へ燃料噴射、及び、前記排気還流手段による排気還流を制御する制御器と、を備え、
前記制御器は、前記エンジン本体の運転状態が高負荷領域にあるときに、前記燃焼室内において、その中央部分に、それを囲む外周部分よりもリッチな混合気層が形成されるように圧縮行程において燃料噴射を実行すると共に、燃焼開始時の前記燃焼室内全体の空気過剰率λが１以上になるようにし、
前記制御器はまた、前記空気過剰率λ≧１の高負荷領域において、前記燃焼室内に前記排気ガスを還流させる火花点火式直噴エンジン。
【請求項２】
請求項１に記載の火花点火式直噴エンジンにおいて、
前記エンジン本体に対する吸気通路上に配設されかつ、前記制御器によってその開度制御が行われる吸気絞り弁をさらに備え、
前記制御器は、前記空気過剰率λ≧１の高負荷領域において、前記吸気絞り弁の開度を全開にする火花点火式直噴エンジン。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の火花点火式直噴エンジンにおいて、
前記エンジン本体の幾何学的圧縮比εは、１８以上４０以下に設定されている火花点火式直噴エンジン。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の火花点火式直噴エンジンにおいて、
前記制御器は、前記エンジン本体の運転状態が低負荷領域にあるときには、前記燃焼室内全体の空気過剰率λが２以上８以下になるように燃料噴射を行うと共に、前記排気ガスの還流を停止する火花点火式直噴エンジン。
【請求項５】
請求項４に記載の火花点火式直噴エンジンにおいて、
前記制御器は、前記エンジン本体の運転状態が低負荷領域にあるときには、前記燃焼室内において、その中央部分に、それを囲む外周部分よりもリッチな混合気層が形成されるように燃料噴射を実行する火花点火式直噴エンジン。
【請求項１】
エンジン本体と、
前記エンジン本体の燃焼室内に燃料を噴射するよう構成された燃料噴射弁と、
前記エンジン本体の排気ガスを前記燃焼室内に還流させるよう構成された排気還流手段と、
前記エンジン本体の運転状態に応じて、前記燃料噴射弁を通じた前記燃焼室内へ燃料噴射、及び、前記排気還流手段による排気還流を制御する制御器と、を備え、
前記制御器は、前記エンジン本体の運転状態が高負荷領域にあるときに、前記燃焼室内において、その中央部分に、それを囲む外周部分よりもリッチな混合気層が形成されるように圧縮行程において燃料噴射を実行すると共に、燃焼開始時の前記燃焼室内全体の空気過剰率λが１以上になるようにし、
前記制御器はまた、前記空気過剰率λ≧１の高負荷領域において、前記燃焼室内に前記排気ガスを還流させる火花点火式直噴エンジン。
【請求項２】
請求項１に記載の火花点火式直噴エンジンにおいて、
前記エンジン本体に対する吸気通路上に配設されかつ、前記制御器によってその開度制御が行われる吸気絞り弁をさらに備え、
前記制御器は、前記空気過剰率λ≧１の高負荷領域において、前記吸気絞り弁の開度を全開にする火花点火式直噴エンジン。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の火花点火式直噴エンジンにおいて、
前記エンジン本体の幾何学的圧縮比εは、１８以上４０以下に設定されている火花点火式直噴エンジン。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の火花点火式直噴エンジンにおいて、
前記制御器は、前記エンジン本体の運転状態が低負荷領域にあるときには、前記燃焼室内全体の空気過剰率λが２以上８以下になるように燃料噴射を行うと共に、前記排気ガスの還流を停止する火花点火式直噴エンジン。
【請求項５】
請求項４に記載の火花点火式直噴エンジンにおいて、
前記制御器は、前記エンジン本体の運転状態が低負荷領域にあるときには、前記燃焼室内において、その中央部分に、それを囲む外周部分よりもリッチな混合気層が形成されるように燃料噴射を実行する火花点火式直噴エンジン。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１３−５７２５１（Ｐ２０１３−５７２５１Ａ）
【公開日】平成２５年３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９４５３７（Ｐ２０１１−１９４５３７）
【出願日】平成２３年９月７日（２０１１．９．７）
【出願人】（０００００３１３７）マツダ株式会社 (6,115)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月７日（２０１１．９．７）
【出願人】（０００００３１３７）マツダ株式会社 (6,115)
【Ｆターム（参考）】
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