自動車搭載用ディーゼルエンジン
【課題】自動車搭載用の、特に低圧縮比（１２〜１５）のディーゼルエンジン１において、燃料の着火性を確実に確保する。
【解決手段】エンジン１は、少なくとも相対的に低負荷かつ低回転である特定運転状態にあるときに、既燃ガスの一部を気筒１１ａ内に存在させるＥＧＲ手段を備える。ＥＧＲ手段は、少なくともその一部がエンジン１内に形成されかつ、通路長が所定長さ以下のＥＧＲ通路５１とＥＧＲ制御弁５１ａと制御器１０とを含んで構成される。特定運転状態にあるときには、エンジン１は、気筒１１ａ内の全ガス重量Ｇと燃料の重量Ｆとの関係が、３０≦Ｇ／Ｆ≦６０を満足するように運転され、制御器１０は、ＥＧＲ率が、エンジン１の幾何学的圧縮比εに対して、
（１０−α）×（１５−ε）＋２０−α≦ＥＧＲ率≦６０［％］
（但しα＝０．２×外気温度［℃］）を満たすように、ＥＧＲ制御弁の開度を制御する。
【解決手段】エンジン１は、少なくとも相対的に低負荷かつ低回転である特定運転状態にあるときに、既燃ガスの一部を気筒１１ａ内に存在させるＥＧＲ手段を備える。ＥＧＲ手段は、少なくともその一部がエンジン１内に形成されかつ、通路長が所定長さ以下のＥＧＲ通路５１とＥＧＲ制御弁５１ａと制御器１０とを含んで構成される。特定運転状態にあるときには、エンジン１は、気筒１１ａ内の全ガス重量Ｇと燃料の重量Ｆとの関係が、３０≦Ｇ／Ｆ≦６０を満足するように運転され、制御器１０は、ＥＧＲ率が、エンジン１の幾何学的圧縮比εに対して、
（１０−α）×（１５−ε）＋２０−α≦ＥＧＲ率≦６０［％］
（但しα＝０．２×外気温度［℃］）を満たすように、ＥＧＲ制御弁の開度を制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
ここに開示する技術は、自動車搭載用ディーゼルエンジンに関し、特に幾何学的圧縮比が１２以上１５以下に設定された、比較的低圧縮比のディーゼルエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
軽油を主体とした燃料が気筒内に供給され、その燃料が圧縮自己着火により燃焼するディーゼルエンジンでは、ＮＯｘ排出量の低減を目的の１つとして、その幾何学的圧縮比を、例えば１５以下といった、比較的低い圧縮比にすることが行われている。つまり、低い圧縮比は気筒内の燃焼を緩慢にし、ＮＯｘの生成を抑制する（例えば特許文献１参照）。また、エンジンの低圧縮比化は機械抵抗損失を低減させるため、エンジンの熱効率を向上させる点でも有利である。
【０００３】
ところが、ディーゼルエンジンの幾何学的圧縮比を低く設定した場合には、圧縮端温度がその分、低くなってしまうため、例えばエンジンの低負荷かつ低回転の運転領域においては自着火条件を満足し難くなってしまう。また特に、特許文献１にも記載されているように、ディーゼルエンジンにおいては、供給される燃料の性状によって、セタン価が低いほど着火性能が低くなってしまうため、運転条件及び燃料の性状に係る要因が組み合わさったときには、自着火条件がさらに成立し難くなってしまう。このことに関連して特許文献１には、エンジンの始動時に燃料のセタン価を推定し、その推定結果に応じて、グロープラグの温度や燃料噴射時期を変更することで、エンジンの始動性を向上しようとする制御が記載されている。
【０００４】
また、特許文献２には、所定の運転領域において圧縮着火燃焼を実行する火花点火式のエンジンにおいて、その圧縮系の劣化により圧縮比が低下したときには、排気弁の閉弁時期を早めて内部ＥＧＲ量を増量することにより、気筒内温度を高めて着火性を確保しようとする技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２６１２３６号公報
【特許文献２】特開２００７−４０２１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述したように、ディーゼルエンジンの低圧縮比化を図る上では、そのエンジンの運転条件や、供給される燃料の性状如何に拘わらず、燃料の着火性を確実に確保することが重要である。
【０００７】
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、自動車搭載用の、特に低圧縮比のディーゼルエンジンにおいて、燃料の着火性を確実に確保することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
ここに開示する技術は、幾何学的圧縮比が１２以上１５以下に設定された比較的低圧縮比のディーゼルエンジンにおいて、特に低負荷かつ低回転の運転領域（エンジンの始動時を含む）では、気筒内に既燃ガスを存在させることにより圧縮端温度を高める構成としたものであり、自着火条件を満足させるためには、圧縮端温度を最低限、どれだけ上昇させなければならないか、という観点から、その圧縮端温度の上昇分を達成することのできる、気筒内への既燃ガスの存在量を、外部ＥＧＲガスを用いる場合のＥＧＲ率や、内部ＥＧＲガスを用いる場合の排気弁の閉弁タイミングによって特定した技術である。
【０００９】
具体的に、ここに開示するディーゼルエンジンは、自動車に搭載されかつ軽油を主成分とした燃料が供給される気筒を有すると共に、当該気筒の幾何学的圧縮比εが１２以上１５以下に設定されたエンジン本体と、前記エンジン本体が少なくとも相対的に低負荷かつ低回転である特定運転状態にあるときに、既燃ガスの一部を、前記エンジン本体の気筒内に存在させるＥＧＲ手段と、を備える。
【００１０】
前記ＥＧＲ手段は、少なくともその一部が前記エンジン本体の内部に形成されて、排気通路内の既燃ガスの一部を吸気通路に還流させると共に、その通路長が所定長さ以下に設定されたＥＧＲ通路と、該ＥＧＲ通路の途中に介設されかつ、当該ＥＧＲ通路の既燃ガス流量を調整するＥＧＲ制御弁と、該ＥＧＲ制御弁の開度を制御する制御器と、を含んで構成され、前記エンジン本体は、前記特定運転状態にあるときには、前記気筒内の全ガス重量Ｇと前記気筒内に供給される燃料の重量Ｆとの関係Ｇ／Ｆが、３０≦Ｇ／Ｆ≦６０を満足するように運転され、前記制御器は、前記エンジン本体が前記特定運転状態にあるときには、前記気筒内の全ガスに対する既燃ガスの体積比（既燃ガス量／気筒内の全ガス量）で定義したＥＧＲ率［％］が、前記エンジン本体の幾何学的圧縮比εに対して、
（１０−α）×（１５−ε）＋２０−α≦ＥＧＲ率≦６０［％］ …（１）
を満たすように（但しα＝０．２×外気温度［℃］）、前記ＥＧＲ制御弁の開度を制御する。
【００１１】
ここで、ＥＧＲ率は、ＥＧＲ率＝吸気中のＣＯ２濃度／排気中のＣＯ２濃度×１００［％］によって算出される、としてもよい。
【００１２】
また、Ｇ／Ｆ（気筒内の全ガス（既燃ガス＋新気）重量／気筒に供給する燃料の重量）は、気筒内温度（燃焼温度）とＥＧＲ率とに関連するパラメータの１つであり、このＧ／Ｆを３０〜６０に、つまり、４５前後に設定することは、煤やＮＯｘ等についての排気エミッション性能等を考慮した場合に、適当な値である。尚、Ｇ／Ｆを４５前後に設定することは、空気過剰率λをλ＝１．１よりも若干リーンな程度に設定することに相当する。
【００１３】
そうして、前記の関係式（１）におけるＥＧＲ率の下限値（１０−α）×（１５−ε）＋２０−αは、エンジン本体の幾何学的圧縮比εに対し、自着火条件を満足するために最低限必要なＥＧＲ率としての下限値であり、ＥＧＲ率を当該下限値以上に設定することによって、最低限必要な量の既燃ガス（外部ＥＧＲガス）が気筒内に導入されて、自着火条件が満足する程度に圧縮端温度が上昇することになる。
【００１４】
ここで、前記の関係式を導出するにあたり設定する自着火条件は、燃料の性状を、着火性能が最も低い性状として設定することが望ましく、前記の関係式（１）は、エンジンに使用され得る限度で最も低いセタン価の燃料を想定して算出している。これによって、セタン価が最も低い燃料が使用される場合でも、前記の関係式（１）を満足する限り、自着火条件を満足させることが可能になる。尚、セタン価が比較的高い燃料が使用される場合には、前記の関係式（１）を満足することによって自着火条件が満足することは、いうまでもない。
【００１５】
また、前記関係式（１）におけるＥＧＲ率の下限値は、外気温度Ｔを一定（つまり、αを一定値）とした場合、幾何学的圧縮比εが大きいほど小さくなり、幾何学的圧縮比εが小さいほど大きくなる。すなわち、幾何学的圧縮比εが大きいほど圧縮端温度は高くなるため、自着火条件を満足させるために最低限必要となる圧縮端温度の上昇分は小さくなり、気筒内に導入する既燃ガスの量は少なくてすむ一方で、幾何学的圧縮比εが小さいほど圧縮端温度は低くなるため、自着火条件を満足させるために最低限必要となる圧縮端温度の上昇分は大きくなり、気筒内に導入する既燃ガスの量は多くしなければならない。
【００１６】
前記の関係式（１）における、ＥＧＲ率の上限値である６０［％］は、エンジン本体を空気過剰率λ＝１．１で運転するとした場合の上限値として設定されている。すなわち、ＥＧＲ率を６０％を超えるように比較的大きく設定したのでは、気筒内に導入される既燃ガスの量が多くなりすぎて、空気過剰率λ＝１．１を満足させる上で必要な量の新気が気筒内に入らなくなるのである。
【００１７】
こうして、前記の関係式（１）を満足するようにＥＧＲ率を設定することにより、エンジンの始動時を含む低負荷かつ低回転の特定運転状態において、また、着火性能の低い燃料であっても、燃料の着火性を確実に確保し得る。このことは、幾何学的圧縮比が１２〜１５に設定される、比較的低圧縮比のディーゼルエンジンを実現する。この低圧縮比のディーゼルエンジンは、燃焼の緩慢化によりＮＯｘ排出を大幅に低減して、高い排気エミッション性能を有すると共に、機械抵抗損失の低減に伴い熱効率が向上することで、燃費性能にも優れたエンジンである。
【００１８】
ここで、前記の構成においては、ＥＧＲ通路の少なくとも一部をエンジン本体内に形成しており、この構成はＥＧＲ通路内を既燃ガスが流れるときの放熱を抑制する上で有利な構成である。このことは、可及的に温度の高い既燃ガスを気筒内に導入することを可能にし、圧縮端温度を高める上で有利になる。つまり、幾何学的圧縮比が低いエンジンにおいて、低負荷かつ低回転の特定運転領域での着火性を確実に確保する上で有利になる。これに対し、例えばＥＧＲ通路をエンジン本体の外部に露出して形成した従来構成においては、ＥＧＲ通路内を既燃ガスが流れるときの放熱量が多く、気筒内に導入される既燃ガスの温度が低くなって、圧縮端温度を高める上で不利になる。その結果、幾何学的圧縮比が低いエンジンにおいては、前述のようなＥＧＲ率の設定だけでは、着火性を確保することができなくなるのである。
【００１９】
この放熱量に関して、前記の関係式（１）におけるＥＧＲ率の下限値は、幾何学的圧縮比εを固定した場合は、外気温度Ｔが高いほど小さくなり、外気温度Ｔが低いほど大きくなる。つまり、外気温度Ｔが低いほど、気筒内に導入される新気の温度が低下すると共に、ＥＧＲ通路内を流れる際の既燃ガスの放熱量が多くなって、気筒内に導入される既燃ガスの温度も低下し易い。このことは、着火性に関して不利になる。このようにＥＧＲ通路を介して既燃ガスを気筒内に導入するような、いわゆる外部ＥＧＲガスを利用する場合においては、着火性を確保すべくＥＧＲ率を設定する際に、外気温度Ｔが大きく影響するため、ＥＧＲ率の制御に関しては、関係式（１）のように、外気温度Ｔをもパラメータの１つとして考慮することが望ましい。
【００２０】
前記排気通路の一部は、前記エンジン本体の内部に形成されており、前記ＥＧＲ通路は、前記エンジン本体内に形成された前記排気通路に接続されている、としてもよい。ここでいう「排気通路」には、エンジン本体のシリンダヘッド内に形成される排気ポートは勿論のこと、例えばシリンダヘッド内に形成された排気ポートを集合させる排気マニホールドも含み得る。
【００２１】
この構成は、排気通路の一部及びＥＧＲ通路の一部をエンジン本体の内部に形成していることにより、前述したように排気通路及びＥＧＲ通路内を流れる際の、既燃ガスの放熱をさらに抑制することが可能になる。このことは、可及的に高い温度の既燃ガスを気筒内に導入して圧縮端温度を高める上で、特に、従来構成のＥＧＲ通路においては着火性の確保を実現し得ないような幾何学的圧縮比が比較的低いエンジンにおいて、より一層有利になり得る。
【００２２】
前記エンジン本体は、気筒列方向に並んだ複数の気筒を有しており、前記ＥＧＲ通路の通路長は、前記エンジン本体の前記気筒列方向の長さ以下に設定されている、としてもよい。
【００２３】
このことは、ＥＧＲ通路の通路長を、エンジン本体の外側に配設された従来構成のＥＧＲ通路と比べて大幅に短くすることを意味すると共に、エンジン本体の大きさに対応するように、できるだけ短い通路長のＥＧＲ通路が設定されることになる。従って、ＥＧＲ通路内を流れる際の既燃ガスの放熱を抑制して、圧縮端温度を高める上で有利になる。
【００２４】
ここに開示する別のエンジンは、ＥＧＲ手段が、排気通路と前記気筒とを連通させる排気ポートを開閉する排気弁と、前記排気弁の開閉タイミングを制御する制御器と、を含みかつ、当該制御器が、前記排気弁の閉弁タイミングを、上死点よりも所定のクランク角だけ前の排気行程の途中に設定することで、既燃ガスの一部を前記気筒内に残留させるように構成される。
【００２５】
そして、前記エンジン本体は、前記特定運転状態にあるときには、前記気筒内の全ガス重量Ｇと前記気筒内に供給される燃料の重量Ｆとの関係Ｇ／Ｆが、３０≦Ｇ／Ｆ≦６０を満足するように運転され、前記制御器は、前記エンジン本体が前記特定運転状態にあるときには、前記排気弁の閉弁タイミングθ［ＢＴＤＣ°ＣＡ］が、前記エンジン本体の幾何学的圧縮比εに対して、
１６×（１５−ε）＋２０≦θ≦８０ ［ＢＴＤＣ°ＣＡ］ …（２）
を満たすように、前記排気弁の閉弁タイミングを制御する。
【００２６】
ここで、排気弁の閉弁タイミングは、開き側緩衝部、揚程部、閉じ側緩衝部に区分される排気弁のリフトカーブにおいて揚程部と閉じ側緩衝部との切り換わり時点と定義してもよい。具体的な例としては、排気弁の０．５ｍｍリフト時点を、閉弁タイミングと設定してもよい。
【００２７】
前記の関係式（２）に含まれる排気弁の閉弁タイミングθは、早くなればなるほど（圧縮上死点前のクランク角［deg］で表されるθの値が大きくなればなるほど）、排気行程乃至吸気行程において吸気弁及び排気弁の双方を閉じるネガティブオーバーラップ期間が長くなり、気筒内に残留させる既燃ガスの量が増えることになる。つまり、この構成のＥＧＲ手段は、内部ＥＧＲガスによってＥＧＲ率を調整するように構成されており、前記の関係式（２）を満足することは、排気弁の閉弁タイミングθを所定よりも早いタイミングに設定して、所定量以上の既燃ガスを気筒内に残留させることで、圧縮端温度が上昇し、自着火条件が満足することになる。
【００２８】
そして、前記の関係式（２）における排気弁の閉弁タイミングθの下限値１６×（１５−ε）＋２０は、エンジン本体の幾何学的圧縮比εに対し、自着火条件を満足するために最低限必要な値としての下限値であり、排気弁の閉弁タイミングθを当該下限値以上に設定することによって、最低限必要な量のガスが気筒内に残留されて、自着火条件が満足する程度に圧縮端温度が上昇することになる。
【００２９】
この関係式（２）における閉弁タイミングθの下限値も、前記関係式（１）におけるＥＧＲ率の下限値と同様に、幾何学的圧縮比εが大きいほど小さくなり、幾何学的圧縮比εが小さいほど大きくなる特性を有している。また、関係式（２）における、閉弁タイミングθの上限値である８０［ＢＴＤＣ°ＣＡ］はまた、エンジン本体を空気過剰率λ＝１．１で運転するとした場合の上限値として設定されている。
【００３０】
こうして、関係式（２）を満足するように、制御器が排気弁の閉弁タイミングを制御することにより、エンジンの始動時を含む低負荷かつ低回転の特定運転状態において、また、着火性能の低い燃料であっても、燃料の着火性を確実に確保し得る。このことは、前記と同様に、幾何学的圧縮比が１２〜１５に設定される比較的低圧縮比のディーゼルエンジンを実現し、燃焼の緩慢化によりＮＯｘ排出を大幅に低減して、高い排気エミッション性能を有すると共に、機械抵抗損失の低減に伴い熱効率が向上することで、高い燃費性能も有する。
【００３１】
こうした内部ＥＧＲガスを利用して圧縮端温度を高めることは、前述したＥＧＲ通路を介した外部ＥＧＲガスを利用する場合と比較して、既燃ガスの放熱が無くなる乃至小さくなり、外気温度の影響を小さくし得るという利点がある。その結果、前述したように、ＥＧＲ通路をエンジン本体の外側に配設する従来構成では、着火性を確保することができないような幾何学的圧縮比が低いエンジンについて、特に有効である。
【００３２】
前記排気通路には、排気絞り弁が配設されており、前記制御器は、前記エンジン本体が前記特定運転状態にあって、前記排気絞り弁を所定開度に閉じたときには、前記排気弁の閉弁タイミングθ［ＢＴＤＣ°ＣＡ］が、前記エンジン本体の幾何学的圧縮比εに対して、
１０×（１５−ε）＋１５≦θ≦８０［ＢＴＤＣ°ＣＡ］ …（３）
を満たすように、前記排気弁の閉弁タイミングを制御する、としてもよい。
【００３３】
ここで、「排気絞り弁を所定開度に閉じる」ことは、排気が漏れる程度に絞り弁の開度を小さくすることであり、「部分的に開く」と言い換えてもよい。また、エンジン本体の背圧が、絞り弁を開いたとき（又は絞り弁を設けないとき）の背圧よりも高くかつ、理論上設定される排気側の臨界圧力よりも低くなるように、絞り弁を部分的に開く、と定義してもよい。
【００３４】
この構成によると、排気絞り弁を閉じることによってエンジン本体の背圧が上昇するため、例えば同一タイミングで排気弁を閉弁した場合でも、排気絞り弁を閉じているときは、排気絞り弁を閉じないとき又は排気絞り弁が無いときよりも既燃ガスの残留量が増えて、ＥＧＲ率は高くなり得る。つまり、式（２）と式（３）とを比較した場合に、閉弁タイミングの下限値は、式（３）の方が小さくなり得る。これは、幾何学的圧縮比が比較的低いエンジン本体において、より有利になり得る。すなわち、前述したようにエンジン本体の幾何学的圧縮比が小さくなればなるほど、最低限必要なＥＧＲ率が高くなり、排気弁をより早い時期に閉弁することが要求されるが、例えば燃焼室の形状特性や、排気弁の閉弁タイミングを変更する機構の特性上、排気弁の閉弁タイミングの最大進角量が、所定量に規制される場合があり得る。そのような場合に、排気絞り弁を閉じることを利用して、排気弁の閉弁タイミングを遅くすることは、比較的低圧縮比のエンジンにおいても、閉弁タイミングの制約を受けることなく必要量の既燃ガスを気筒内に残留させて、着火性を確保することを可能にする。
【発明の効果】
【００３５】
以上説明したように、前記の自動車搭載用ディーゼルエンジンによると、幾何学的圧縮比が１２以上１５以下の比較的低圧縮比のエンジンにおいて、外部ＥＧＲガスを用いる場合のＥＧＲ率を所定の関係式を満足するように設定したり、内部ＥＧＲガスを用いる場合の排気弁の閉弁タイミングを所定の関係式を満足するように設定したりすることで、圧縮端温度が上昇して燃料の着火性を確実に確保し得るため、排気エミッション性能及び燃費性能を共に高めたエンジンが実現する。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】ディーゼルエンジンの構成を示す概略図である。
【図２】ディーゼルエンジンの制御に係るブロック図である。
【図３】シリンダヘッド内に設けられたＥＧＲ通路を例示するエンジンの概略的な平面図である。
【図４】エンジンの幾何学的圧縮比εとＥＧＲ率との関係における圧縮端温度上昇分に係るコンター図であり、内部ＥＧＲ、外部ＥＧＲ、従来構成の外部ＥＧＲの各例での、着火性確保の条件を満足し得るＥＧＲ率の関係を示す図である。
【図５】エンジンの幾何学的圧縮比εとＥＧＲ率との関係における圧縮端温度上昇分に係るコンター図であって、外気温度が異なる場合の相違を示す図である。
【図６】図３とは異なるＥＧＲ通路の例を示す図３対応図である。
【図７】エンジンの幾何学的圧縮比εと排気弁の閉弁タイミングとの関係における圧縮端温度上昇分に係るコンター図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下、実施形態に係るディーゼルエンジン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は、実施形態に係るエンジン１の概略構成を示す。このエンジン１は、車両に搭載されると共に、軽油を主成分とした燃料が供給されるディーゼルエンジンであって、複数の気筒１１ａ（図１では１つのみ図示）が設けられたシリンダブロック１１と、このシリンダブロック１１上に配設されたシリンダヘッド１２と、シリンダブロック１１の下側に配設され、潤滑油が貯溜されたオイルパン１３とを有している。エンジン１は、この例では図３に示すように、第１〜第４の４つの気筒１１ａが一列に並んで配置された直列４気筒エンジンであるが、この直列４気筒エンジンに限定されるものではない。このエンジン１の各気筒１１ａ内には、ピストン１４が往復動可能にそれぞれ嵌挿されていて、このピストン１４の頂面にはリエントラント形燃焼室１４ａを区画するキャビティが形成されている。このピストン１４は、コンロッド１４ｂを介してクランクシャフト１５と連結されている。
【００３８】
前記シリンダヘッド１２には、各気筒１１ａ毎に吸気ポート１６及び排気ポート１７が形成されているとともに、これら吸気ポート１６及び排気ポート１７の燃焼室１４ａ側の開口を開閉する吸気弁２１及び排気弁２２がそれぞれ配設されている。図３に概略的に示すように、各気筒１１ａには、２つの吸気ポート１６及び２つの排気ポート１７がそれぞれ開口しており、これによって各気筒１１ａには、２つの吸気弁２１及び２つの排気弁２２がそれぞれ配設されている。図１では図示を省略するが、これら吸排気弁２１，２２をそれぞれ駆動する動弁系において、吸気弁側には吸気弁２１の開閉タイミングを変更可能な、液圧式又は機械式の吸気バルブタイミング可変機構（Variable Valve Timing：ＶＶＴ）が設けられ、排気弁側にも同様に、排気弁２２の開閉タイミングを変更可能な、液圧式又は機械式のＶＶＴが設けられている（図２の符号７１を参照）。
【００３９】
また、前記シリンダヘッド１２には、燃料を噴射するインジェクタ１８と、エンジン１の冷間時に吸入空気を暖めて燃料の着火性を高めるためのグロープラグ１９とが設けられている。前記インジェクタ１８は、その燃料噴射口が燃焼室１４ａの天井面から該燃焼室１４ａに臨むように配設されていて、圧縮行程上死点付近で燃焼室１４ａに燃料を直接噴射供給するようになっている。
【００４０】
前記エンジン１の一側面には、各気筒１１ａの吸気ポート１６に連通するように吸気通路３０が接続されている。一方、前記エンジン１の他側面には、各気筒１１ａの燃焼室１４ａからの既燃ガス（排気ガス）を排出する排気通路４０が接続されている。これら吸気通路３０及び排気通路４０には、詳しくは後述するが、吸入空気の過給を行う大型ターボ過給機６１と小型ターボ過給機６２とが配設されている。
【００４１】
吸気通路３０の上流端部には、吸入空気を濾過するエアクリーナ３１が配設されている。一方、吸気通路３０における下流端近傍には、サージタンク３３が配設されている。このサージタンク３３よりも下流側の吸気通路３０は、各気筒１１ａ毎に分岐する独立通路とされ、これら各独立通路の下流端が各気筒１１ａの吸気ポート１６にそれぞれ接続されている。サージタンク３３及び独立通路は、エンジン１の側面に取り付けられる吸気マニホールド３４によって構成されている（図３も参照）。
【００４２】
吸気通路３０におけるエアクリーナ３１とサージタンク３３との間には、大型及び小型ターボ過給機６１，６２のコンプレッサ６１ａ，６２ａと、該コンプレッサ６１ａ，６２ａにより圧縮された空気を冷却するインタークーラ３５と、前記各気筒１１ａの燃焼室１４ａへの吸入空気量を調節するスロットル弁３６とが配設されている。このスロットル弁３６は、基本的には全開状態とされるが、例えばエンジン１の停止時には、ショックが生じないように全閉状態とされる。
【００４３】
こうした吸気側の構成に対して、排気通路４０の上流側の部分は、各気筒１１ａ毎に分岐した排気ポート１７と、各排気ポート１７に接続される独立通路及び該各独立通路が集合する集合部を有する排気マニホールド３７と、によって構成されている。この排気マニホールド３７は、この例では図３に示すように、エンジン１のシリンダヘッド１２の内部に形成されている。
【００４４】
この排気通路４０における排気マニホールド３７よりも下流側には、上流側から順に、小型ターボ過給機６２のタービン６２ｂ、大型ターボ過給機６１のタービン６１ｂと、排気ガス中の有害成分を浄化する排気浄化装置４１と、サイレンサ４２とが配設されている。
【００４５】
この排気浄化装置４１は、酸化触媒４１ａと、ディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、フィルタという）４１ｂとを有しており、上流側から、この順に並んでいる。酸化触媒４１ａ及びフィルタ４１ｂは１つのケース内に収容されている。前記酸化触媒４１ａは、白金又は白金にパラジウムを加えたもの等を担持した酸化触媒を有していて、排気ガス中のＣＯ及びＨＣが酸化されてＣＯ２及びＨ２Ｏが生成する反応を促すものである。また、前記フィルタ４１ｂは、エンジン１の排気ガス中に含まれる煤等の微粒子を捕集するものである。尚、フィルタ４１ｂに酸化触媒をコーティングしてもよい。後述するように、このエンジン１は、低圧縮比化によりＮＯｘの生成を大幅に低減乃至無くしており、ＮＯｘ触媒の省略を可能にしている。
【００４６】
このエンジン１において排気側と吸気側とは、図１では図示を省略するが、既燃ガスの一部を吸気通路３０に還流するための排気ガス還流通路（ＥＧＲ通路）５１によって接続されている。このＥＧＲ通路５１は、エンジン１のシリンダヘッド１２内に形成されている。具体的には図３に示すように、エンジン１の気筒列方向の略中央位置において、ＥＧＲ通路５１の一端が、シリンダヘッド１２内に形成された排気マニホールド３７に接続されており、そのＥＧＲ通路５１は、第２気筒と第３気筒との間に相当する位置において、シリンダヘッド１２内を、気筒列に直交する方向に吸気側に向かって延びて形成されている。そうして、ＥＧＲ通路５１の他端が、エンジン１に取り付けられた吸気マニホールド３４内に配置されている。これにより、図３に一点鎖線で示すＥＧＲ通路５１の通路長は、大凡、エンジン１の気筒列に直交する方向の長さと等しくなり、エンジン１の気筒列方向の長さ以下に設定される。このＥＧＲ通路５１の通路長は、例えば図３に仮想的に示すように、エンジン１の外側に配設された従来のＥＧＲ通路５２よりも大幅に短い。このようにシリンダヘッド１２内にＥＧＲ通路５１を形成することは、その通路を通過しているときの既燃ガスの放熱を抑制し、既燃ガスを、高い温度を維持したまま気筒１１ａ内に導入することが可能になるという利点がある。尚、ＥＧＲ通路５１の途中には、既燃ガスの気筒１１ａ内への導入量を調整するためのＥＧＲ制御弁５１ａが配設されている。
【００４７】
大型ターボ過給機６１は、吸気通路３０に配設された大型コンプレッサ６１ａと、排気通路４０に配設された大型タービン６１ｂとを有している。大型コンプレッサ６１ａは、吸気通路３０におけるエアクリーナ３１とインタークーラ３５との間に配設されている。一方、大型タービン６１ｂは、排気通路４０における排気マニホールドと酸化触媒４１ａとの間に配設されている。
【００４８】
小型ターボ過給機６２は、吸気通路３０に配設された小型コンプレッサ６２ａと、排気通路４０に配設された小型タービン６２ｂとを有している。小型コンプレッサ６２ａは、吸気通路３０における大型コンプレッサ６１ａの下流側に配設されている。一方、小型タービン６２ｂは、排気通路４０における大型タービン６１ｂの上流側に配設されている。
【００４９】
すなわち、吸気通路３０においては、上流側から順に大型コンプレッサ６１ａと小型コンプレッサ６２ａとが直列に配設され、排気通路４０においては、上流側から順に小型タービン６２ｂと大型タービン６１ｂとが直列に配設されている。これら大型及び小型タービン６１ｂ，６２ｂが排気ガス流により回転し、これら大型及び小型タービン６１ｂ，６２ｂの回転により、該大型及び小型タービン６１ｂ，６２ｂとそれぞれ連結された前記大型及び小型コンプレッサ６１ａ，６２ａがそれぞれ作動する。
【００５０】
小型ターボ過給機６２は、相対的に小型のものであり、大型ターボ過給機６１は、相対的に大型のものである。すなわち、大型ターボ過給機６１の大型タービン６１ｂの方が小型ターボ過給機６２の小型タービン６２ｂよりもイナーシャが大きい。
【００５１】
そして、吸気通路３０には、小型コンプレッサ６２ａをバイパスする小型吸気バイパス通路６３が接続されている。この小型吸気バイパス通路６３には、該小型吸気バイパス通路６３へ流れる空気量を調整するための小型吸気バイパス弁６３ａが配設されている。この小型吸気バイパス弁６３ａは、無通電時には全閉状態（ノーマルクローズ）となるように構成されている。
【００５２】
一方、排気通路４０には、小型タービン６２ｂをバイパスする小型排気バイパス通路６４と、大型タービン６１ｂをバイパスする大型排気バイパス通路６５とが接続されている。小型排気バイパス通路６４には、該小型排気バイパス通路６４へ流れる排気量を調整するためのレギュレートバルブ６４ａが配設され、大型排気バイパス通路６５には、該大型排気バイパス通路６５へ流れる排気量を調整するためのウエストゲートバルブ６５ａが配設されている。レギュレートバルブ６４ａ及びウエストゲートバルブ６５ａは共に、無通電時には全開状態（ノーマルオープン）となるように構成されている。
【００５３】
このように構成されたディーゼルエンジン１は、パワートレイン・コントロール・モジュール（以下、ＰＣＭという）１０によって制御される。ＰＣＭ１０は、ＣＰＵ、メモリ、カウンタタイマ群、インターフェース及びこれらのユニットを接続するパスを有するマイクロプロセッサで構成されている。このＰＣＭ１０が制御装置を構成する。ＰＣＭ１０には、図２に示すように、エンジン冷却水の温度を検出する水温センサＳＷ１、サージタンク３３に取り付けられて、燃焼室１４ａに供給される空気の圧力を検出する過給圧センサＳＷ２、吸入空気の温度を検出する吸気温度センサＳＷ３、クランクシャフト１５の回転角を検出するクランク角センサＳＷ４、車両のアクセルペダル（図示省略）の操作量に対応したアクセル開度を検出するアクセル開度センサＳＷ５、及び、排気中の酸素濃度を検出するＯ２センサＳＷ６の検出信号が入力され、これらの検出信号に基づいて種々の演算を行うことによってエンジン１や車両の状態を判定し、これに応じてインジェクタ１８、グロープラグ１９，ＶＶＴ７１、各種の弁３６、５１ａ、６３ａ、６４ａ、６５ａのアクチュエータへ制御信号を出力する。
【００５４】
そうして、このエンジン１は、その幾何学的圧縮比を１２以上１５以下とした、比較的低圧縮比となるように構成されており、これによって排気エミッション性能の向上及び熱効率の向上を図るようにしている。一方で、幾何学的圧縮比を低く設定することに伴い、特に低負荷かつ低回転側の運転領域においては圧縮端温度が低くなり、自着火し難くなる虞があると共に、エンジン１に供給される燃料の性状によっては（例えばセタン価の低い燃料では）、自着火条件を満足しなくなる虞がある。
【００５５】
そこで、このエンジン１では、前述したＥＧＲ通路５１を通じて既燃ガスの還流を行い、これによって、少なくともエンジン１の低負荷かつ低回転側の特定運転状態では、比較的大量の外部ＥＧＲガスを気筒１１ａ内に導入して圧縮端温度を高めるようにしている。
特に低圧縮比エンジン１では、その運転条件や燃料の性状に拘わらず、燃料の着火性を確実に確保するために、エンジン１の幾何学的圧縮比に応じて、着火性の確保に必要となるＥＧＲ率を設定している点が特徴的である。ここで、低負荷かつ低回転側の特定運転状態には、エンジン１の始動時が含まれ、この始動時はまた、エンジン１の始動から、エンジン１が吹き上がって回転が安定し、さらにエンジン１の水温が上昇し始めるまで（水温が４０〜５０℃程度になるまで）の期間を含む。以下、この特徴的なエンジン１の制御について、図を参照しながら説明する。
【００５６】
図４は、エンジン１の幾何学的圧縮比ε（横軸）とＥＧＲ率との関係によって決定される圧縮端温度の上昇分の大きさ（ΔＴ）に係るコンター図（等値線図）を示している。つまり、エンジン１の幾何学的圧縮比εに対しＥＧＲ率をどう設定すれば、どの程度の圧縮端温度の上昇が見込めるかを示す図であり、ＥＧＲ率を変更しながら、後述するように所定のエンジン１の運転条件下で、エンジン１の幾何学的圧縮比毎に、圧縮端温度を推定演算することによって得られたものである。基本的には、ＥＧＲ率が高いほど、気筒１１ａ内の全ガスに対する高温の既燃ガスの割合が増えるため圧縮端温度が高まり、ＥＧＲ率が低いほど圧縮端温度が低下することになる。図４における破線は、温度上昇分の等温度線を示している。ここで図４には、後述するように、内部ＥＧＲを利用する場合、図３に示す短いＥＧＲ通路５１による外部ＥＧＲを利用する場合、及び、図３に仮想的に示す従来のＥＧＲ通路５２による外部ＥＧＲを利用する場合の３つの例が含まれており、ΔＴ１〜ΔＴ４の等温度線が示す温度はそれぞれの例で異なる。つまり、内部ＥＧＲを利用する場合、ΔＴ１＝８０Ｋ、ΔＴ２＝６０Ｋ、ΔＴ３＝４０Ｋ、ΔＴ４＝２０Ｋであり、図３に示す短いＥＧＲ通路５１による外部ＥＧＲを利用する場合、ΔＴ１＝６０Ｋ、ΔＴ２＝４５Ｋ、ΔＴ３＝３０Ｋ、ΔＴ４＝１５Ｋであり、図３に仮想的に示す従来のＥＧＲ通路５２による外部ＥＧＲを利用する場合、ΔＴ１＝２０Ｋ、ΔＴ２＝１５Ｋ、ΔＴ３＝１０Ｋ、ΔＴ４＝５Ｋである。
【００５７】
そうして図４に示す太実線はそれぞれ、相対的に低負荷かつ低回転側の所定のエンジン１の運転条件下で（前述の特定運転状態に対応する）、自着火条件を満足するために必要最低限のＥＧＲ率を示している。先ず参考例として、
ｙ＝９×（１５−ε）＋１８ …（４ａ）
は、既燃ガスをＥＧＲ通路を介さずに気筒１１ａ内に残留させる、いわゆる内部ＥＧＲを利用すると共に、エンジン１をＧ／Ｆが３０〜６０（つまり、４５前後）となるように運転した場合に導出されたＥＧＲ率の下限値を示している。この下限値以上となるように、ＥＧＲ率を設定することによって自着火条件が満足する。ここで、「Ｇ」は、気筒内の全ガス重量（既燃ガス＋新気）であり、「Ｆ」は気筒内に供給する燃料量（重量）である。Ｇ／Ｆは、気筒内温度（燃焼温度）とＥＧＲ率とに関連するパラメータの１つであり、このＧ／Ｆを３０〜６０に、つまり、４５前後に設定することは、煤やＮＯｘ等についての排気エミッション性能等を考慮した場合に、適当な値である。尚、Ｇ／Ｆを４５前後に設定することは、空気過剰率λをλ＝１．１よりも若干リーンな程度に設定することに相当する。
【００５８】
この下限値以上にＥＧＲ率を設定することによって、気筒１１ａ内に導入される既燃ガスの量が所定量以上となって圧縮端温度の上昇分を所定値以上にすることが可能になり、自着火条件を満足するようになる。ここで、この下限値を算出する上で必要となる自着火条件は、着火性能が最も低い性状の燃料（セタン価が最も低い燃料）を基準に設定される。こうすることで、セタン価が最も低い燃料が使用される場合においても、自着火条件を満足させることができるのである。尚、セタン価がそれよりも高い燃料が使用される場合は、自着火条件がその分下がるため、当然に自着火条件を満足するようになる。
【００５９】
ここで前記の式（４ａ）で示される下限値は、幾何学的圧縮比εが大きいほど小さくなり、幾何学的圧縮比εが小さいほど大きくなる。すなわち、幾何学的圧縮比εが大きいほど圧縮端温度は高くなるため、自着火条件を満足させるために最低限必要となる圧縮端温度の上昇分は小さくなり、必要な既燃ガスの量は少なくてすみ、ＥＧＲ率は低くなる一方で、幾何学的圧縮比εが小さいほど圧縮端温度は低くなるため、自着火条件を満足させるために最低限必要となる圧縮端温度の上昇分は大きくなり、既燃ガスの量を多くしなければならず、ＥＧＲ率は高くなる。
【００６０】
また、ＥＧＲ率を高めるほど、温度の高い既燃ガスの割合が増えて圧縮端温度を高める上では有利になり得るが、既燃ガスの量を増やすことは気筒１１ａ内に導入される新気の量を減らすことにもなる。そのため、ＥＧＲ率の上限値は、エンジン１を所定の空気過剰率λで運転させる上で必要な新気量を確保するという観点から設定され得る。図４に示すＥＧＲ率＝６０％の太実線は、空気過剰率λ＝１．１を維持するために設定されるＥＧＲ率の上限値であり、これはエンジン１の幾何学的圧縮比とは無関係であるため、幾何学的圧縮比の大きさに拘わらず一定になる。
【００６１】
従って、前記の式（４ａ）から、内部ＥＧＲを利用する場合には、ＥＧＲ率［％］が、
９×（１５−ε）＋１８≦ＥＧＲ率≦６０［％］ …（４）
を満足するようにすれば、当該エンジン１は、低圧縮比であっても自着火条件を満足し、エンジン１の運転状態や燃料の性状に拘わらず、燃料の着火性を確実に確保することが可能になる。
【００６２】
このように内部ＥＧＲを利用する場合に対して、外部ＥＧＲを利用する場合は、ＥＧＲ通路を流れる間の放熱によって既燃ガスの温度が低下するから、その分、着火性を確保するために必要となるＥＧＲガス量は増えることになる。つまり、ＥＧＲ率の下限値が高くなる。図４において、
ｙ＝１２×（１５−ε）＋２２ …（５ａ）
の式は、図３に示すように、シリンダヘッド１２内に、可及的に短いＥＧＲ通路５１を形成して外部ＥＧＲガスを利用する場合に必要となるＥＧＲ率の下限値である。この例において、ＥＧＲ通路５１の通路長は２００〜２５０ｍｍ程度である。この（５ａ）の式は、前述した内部ＥＧＲを利用する場合の、ＥＧＲ率（ｘ）と気筒１１ａ内の温度上昇（ｙ）との関係における昇温特性を、所定の傾き（ａ）の一次式で仮定した場合に（ｙ＝ａｘ）、前述した放熱により、気筒１１ａ内の温度上昇が７５％低下する（傾きが０．７５×ａになる）と仮定して算出した値である。式（４ａ）（５ａ）の比較から、前述の通り、外部ＥＧＲを利用する場合は、内部ＥＧＲを利用する場合と比べてＥＧＲ率の下限値は高くなり、図３に示すＥＧＲ通路５１を利用する場合は、
１２×（１５−ε）＋２２≦ＥＧＲ率≦６０ ［％］ …（５）
を満足するように、ＰＣＭ１０がＥＧＲ制御弁５１ａの制御を行うことにより、当該エンジン１は、低圧縮比であっても自着火条件を満足し、エンジン１の運転状態や燃料の性状に拘わらず、燃料の着火性を確実に確保することが可能になる。
【００６３】
また比較例として、図４の、
ｙ＝３６×（１５−ε）＋３０ …（６ａ）
の式は、図３に一点鎖線で示すように、ＥＧＲ通路５２をエンジン１の外側に設けた場合、言い換えると、従来のＥＧＲ通路構成を利用した場合の、ＥＧＲ率の下限値である。この場合、ＥＧＲ通路５２が外部に露出していること、及び、その通路長が８００〜１０００ｍｍ程度で比較的長いことが相俟って放熱量が大きくなり、既燃ガスの温度低下が大きくなる。そこで、この従来のＥＧＲ通路構成の式（６ａ）は、気筒１１ａ内の温度上昇分が放熱により２５％に低下する（傾きが０．２５×ａ）と仮定して導出している。従って、従来のＥＧＲ通路構成では、
３６×（１５−ε）＋３０≦ＥＧＲ率≦６０ ［％］ …（６）
を満足するようにＥＧＲ率を設定しなければならない。ここで、図４において明らかなように、幾何学的圧縮比が１４以下のエンジン１では、ＥＧＲ率をどのように設定しようとも着火性を確保し得ない。つまり、従来の外部ＥＧＲ通路構成は、幾何学的圧縮比が比較的低いエンジン１においては、着火性の確保のために利用することができない。このことは、図３に示すＥＧＲ通路５１のように、ＥＧＲ通路の少なくとも一部をエンジン１の内部に形成する構成、及び／又は、ＥＧＲ通路の通路長を短くすることによって既燃ガスの温度低下を抑制し、熱い既燃ガスを気筒１１ａ内に導入するようにした構成は、比較的低圧縮比のディーゼルエンジン１において、低負荷かつ低回転の特定運転状態にあるときの着火性の確保に、有効に利用することが可能である、と言い換えることができる。
【００６４】
ところで、ディーゼルエンジン１においては、外気温度が着火性に影響し、前述したように外部ＥＧＲガスを利用して着火性を確保しようとしたときには、外気温度の高低によって、ＥＧＲ通路における放熱量が変化するため、着火性への影響が大きくなる。さらにまた、低圧縮比のエンジン１において、比較的大量の既燃ガスを気筒１１ａ内に導入しようとするときには、低外気温による既燃ガスの温度低下は、着火性に与える影響が、より一層大きくなり得る。例えば図５は、図３に示すＥＧＲ通路５１を利用した場合において、外気温度を、−３０℃、−１０℃、１０℃にそれぞれ変更した場合の、エンジン１の幾何学的圧縮比εに対するＥＧＲ率の下限値の関係を示している。外気温度が低ければ低いほど着火性に関して不利になるから、着火性の確保のために必要なＥＧＲ率の下限値は、高くなる。ここで、外気温度をパラメータＴとすると、式（５ａ）は、
ｙ＝（１０−α）×（１５−ε）＋２０−α …（５ｂ）
に書き換えられる。但しα＝０．２×Ｔ［℃］である。従って、図３に示すＥＧＲ通路５１を利用する場合には、ＥＧＲ率が、
（１０−α）×（１５−ε）＋２０−α≦ＥＧＲ率≦６０［％］ …（１）
を満足するように、ＥＧＲ制御弁５１ａを設定することにより、低圧縮比エンジン１において、外気温度の高低に拘わらず、着火性を確実に確保することが可能になる。
【００６５】
尚、ＥＧＲ通路５１の構成は、図３に示す構成に限定されず、別の構成として図６に示すような構成を採用することが可能である。この構成例は、シリンダヘッド１２における第２気筒と第３気筒との間の位置にＥＧＲ通路を配設するのではなく、シリンダヘッド１２の後端部（図６における左端部）に、ＥＧＲ通路５３の一部を配設している。つまり、ＥＧＲ通路５３は、図３に示すエンジン１と同様にシリンダヘッド１２内に形成した排気マニホールド３７の後端から、第４気筒の側方を通って吸気側へと延び、そこから吸気マニホールド３４の略中央位置まで、気筒列方向に延びるように配設されている。このようなＥＧＲ通路５３においては、ＥＧＲ制御弁５１ａは、図６に例示するように、シリンダヘッド１２における吸気側の隅部に配置してもよい。図６の構成例では、ＥＧＲ通路５３の長さが４００〜４５０ｍｍ程度に設定され、エンジン１の気筒列方向の長さ以下に設定されるものの、図３に示すＥＧＲ通路５１よりも長くなる。また、ＥＧＲ通路５３の一部はシリンダヘッド１２の外に形成されることで、図３の構成例よりも、ＥＧＲ通路５３を流れる際の既燃ガスの放熱量は多くなり得る。しかしながら、図３において仮想的に示す従来のＥＧＲ通路５２の構成と比較した場合には、放熱量が大幅に抑制されるため、前述したように、幾何学的圧縮比が比較的低いエンジン１において、低負荷かつ低回転の特定運転状態で確実な着火性を確保することが可能である。
【００６６】
尚、図示は省略するが、シリンダヘッド１２内に形成するＥＧＲ通路の例としては、例えば排気側と吸気側とのポート同士を互いにつなぐような構成を採用してもよい。
【００６７】
（実施形態２）
実施形態１では、ＥＧＲ通路５１，５３を介して既燃ガスを気筒１１ａ内に導入することで所望のＥＧＲ率を達成し、その着火性を確保するようにしていたが、これとは異なり、内部ＥＧＲガスによって所望のＥＧＲ率を達成し着火性を確保することも可能である。内部ＥＧＲの実現に際しては種々な方法を採用し得るが、ここでは、排気弁２２の早閉じによって内部ＥＧＲを実現する。つまり、排気行程乃至吸気行程において吸気弁２１及び排気弁２２の双方を閉じるネガティブオーバーラップ期間を設けて、既燃ガスを気筒１１ａ内に残留させる。
【００６８】
この実施形態２においては、図１及び図２に仮想的に示している排気シャッターバルブ４３が、排気通路４０上の排気浄化装置４１とサイレンサ４２との間に配設されている。この排気シャッターバルブ４３は、ＰＣＭ１０によってその開度が制御され、通常時は開いているが、後述するように、この例では、エンジン１の低負荷かつ低回転の特定運転状態（エンジンの始動時を含む）において閉じられる場合がある。また、この実施形態２においては、図３、６に示すようなシリンダヘッド１２内に形成したＥＧＲ通路５１，５３の代わりに、図３に仮想的に示す従来構成のＥＧＲ通路５２が設けられている。但し、図３又は図６に示すようなシリンダヘッド１２内に形成したＥＧＲ通路５１又は５３としてもよい。
【００６９】
図７は、エンジン１の幾何学的圧縮比ε（横軸）と、排気弁２２の閉弁タイミング（縦軸）との関係によって決定される圧縮端温度の上昇分の大きさ（ΔＴ）を示すコンター図である。ここで排気弁２２の閉弁タイミングは、排気上死点に対するＢＴＤＣ°ＣＡで示される。この閉弁タイミングは、開き側緩衝部、揚程部、閉じ側緩衝部に区分される排気弁２２のリフトカーブにおいて、揚程部と閉じ側緩衝部との切り換わり時点を、閉弁タイミングと定義してもよい。より具体的には、０．５ｍｍリフト時点を、排気弁２２の閉弁タイミングと設定してもよい。閉弁タイミングが早いほど（縦軸の数値が大きいほど）、排気弁２２が早期に閉じて気筒１１ａ内に残る既燃ガスの量が増えるため、ＥＧＲ率が高くなる。つまり、圧縮端温度を高める上では有利になり、逆に、閉弁タイミングが遅いほど（縦軸の数値が小さいほど）、排気弁２２の閉じるタイミングが遅くなり気筒１１ａ内に残る既燃ガスの量が減るため、ＥＧＲ率は低くなる。
【００７０】
同図において、排気弁２２の閉弁タイミングが８０ＢＴＤＣ°ＣＡの太実線は、前述の通り、エンジン１を空気過剰率λ＝１．１で運転する場合のＥＧＲ率の上限値に相当する閉弁タイミングである。また、図７において、
ｙ＝１６×（１５−ε）＋２０ …（２ａ）
の式は排気弁２２の閉弁タイミングの下限値を示している。この下限値は、スロットル弁３６を絞らずかつ、排気シャッターバルブ４３を閉じない条件下での下限値である。スロットル弁３６を絞らないことにより吸気負圧が減るため、ＥＧＲ通路５２を介して気筒１１ａ内の導入される外部ＥＧＲガス量は相対的に少なくなるから、要求されるＥＧＲ率を達成するために内部ＥＧＲガス量を増やさなければならない。また、排気シャッターバルブ４３を閉じない条件下では、エンジン１の背圧が低いため、排気弁２２の閉弁タイミングを早めないと必要量の既燃ガスを気筒１１ａ内に残存させることができなくなる。従って、スロットル弁３６を絞らずかつ、排気シャッターバルブ４３を閉じない条件下では、排気弁２２の閉弁タイミングは比較的早く設定されることになる。
【００７１】
また、図７において、
ｙ＝６×（１５−ε）＋１０ …（７）
の式は、排気側の圧力を、理論上の臨界圧力と仮定した場合の、排気弁２２の閉弁タイミングの下限値である。これに対し、実用的な場合として、排気シャッターバルブ４３を、排気が漏れる程度に閉じたとき（排気シャッターバルブ４３を部分的に開いているときと言い換えることも可能であり、この状態を以下においては単に、排気シャッターバルブ４３を閉じたとき、という）の閉弁タイミングの下限値は、図７において、
ｙ＝１０×（１５−ε）＋１５ …（３ａ）
で示される。式（２ａ）と式（３ａ）との比較より、排気シャッターバルブ４３を閉じてエンジン１の背圧を高めることにより、排気弁２２の閉弁タイミングが同じであっても気筒内に残存する既燃ガスの量は増加するから、排気シャッターバルブ４３を閉じたときは、排気シャッターバルブ４３を開いているときと比較して、排気弁２２の閉弁タイミングの下限値を遅くし得ることになる。このことは特に、エンジン１の幾何学的圧縮比が低くなるほどＥＧＲ率を高める必要があるため、有利になる。つまり、吸気側及び排気側のＶＶＴ７１の機構上の制約により、排気弁２２の、進角側の閉弁タイミングは、所定のタイミングに規制されると共に、シリンダヘッド１２の底面形状やピストン１４の頂面形状によって規定される燃焼室の形状に基づき、排気弁２２とピストン１４との干渉を回避するためにも、排気弁２２の、進角側の閉弁タイミングは、所定のタイミングに規制される。ここで、排気弁２２の閉弁タイミングの限界が、例えば４０ＢＴＤＣ°ＣＡであると仮定する。この場合において、幾何学的圧縮比εが例えば１４のエンジンでは、式（２ａ）の下限値は、４０ＢＴＤＣ°ＣＡ以下になるため、排気シャッターバルブ４３を閉じなくても（又は、排気シャッターバルブ４３が無くても）、排気弁２２の閉弁タイミングの制御のみで所望の圧縮端温度を達成して、着火性を確保することが可能になる。これに対し、幾何学的圧縮比εが例えば１３のエンジンでは、式（２ａ）の下限値は、４０ＢＴＤＣ°ＣＡを超えるため、排気弁２２の閉弁タイミングの制御のみでは、所望の圧縮端温度を達成することができない。この場合、排気シャッターバルブ４３を閉じて、要求される閉弁タイミングの下限値を下げることは、着火性を確保すること上で、極めて有効である。すなわち、排気シャッターバルブ４３の制御と、排気弁２２の閉弁タイミングの制御との組み合わせは、特に幾何学的圧縮比が低いエンジン１において、低負荷かつ低回転の特定運転状態での着火性を確保する上で、有効である。
【００７２】
従って、排気シャッターバルブ４３を開いている条件下では、式（２ａ）から、
１６×（１５−ε）＋２０≦θ≦８０ ［ＢＴＤＣ°ＣＡ］ …（２）
を満たすように、排気弁２２の閉弁タイミングを制御すればよい。これに対し、排気シャッターバルブ４３を閉じている条件下では、式（３ａ）から
１０×（１５−ε）＋１５≦θ≦８０ ［ＢＴＤＣ°ＣＡ］ …（３）
を満たすように、排気弁２２の閉弁タイミングを制御すればよい。
【００７３】
尚、このように内部ＥＧＲガスを利用する場合は、比較的大量の既燃ガスを気筒１１ａ内に導入していて、新気の割合が比較的少ないこと、及び、既燃ガスの放熱がほとんどないこと、から、着火性に対する外気温度の影響は比較的小さい。つまり、外気温度が変化しても、排気弁２２の閉弁タイミングの下限値の変化は、比較的小さい。
【００７４】
前述したようにＥＧＲ制御弁５１ａの制御を通じてＥＧＲ率を所定範囲に設定することや、排気弁２２の閉弁タイミングを所定のタイミングに設定することにより、圧縮比１２〜１５といった比較的低圧縮比のディーゼルエンジン１において、仮に着火性の低い、低セタン価の燃料が供給されるような場合であっても、エンジン１の運転領域に拘わらず確実な着火性を確保し得る。このことは、ディーゼルエンジン１の低圧縮比化による緩慢燃焼を実現して、ＮＯｘ排出量を低減乃至無くし、煤の抑制と共に排気エミッション性能を向上させ得る。その結果、前述したようにＮＯｘ触媒を省略し得るようになる。また、エンジン１の低圧縮比化は、機械抵抗損失を低減させて熱効率を高め得る結果、燃費性能も向上する。
【符号の説明】
【００７５】
１ ディーゼルエンジン（エンジン本体）
１０ ＰＣＭ（制御器）
１１ａ 気筒
１２ シリンダヘッド
１７ 排気ポート（排気通路）
２２ 排気弁
３０ 吸気通路
３４ 吸気マニホールド（吸気通路）
３７ 排気マニホールド（排気通路）
４３ 排気シャッターバルブ（排気絞り弁）
５１ ＥＧＲ通路
５１ａ ＥＧＲ制御弁
５３ ＥＧＲ通路
【技術分野】
【０００１】
ここに開示する技術は、自動車搭載用ディーゼルエンジンに関し、特に幾何学的圧縮比が１２以上１５以下に設定された、比較的低圧縮比のディーゼルエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
軽油を主体とした燃料が気筒内に供給され、その燃料が圧縮自己着火により燃焼するディーゼルエンジンでは、ＮＯｘ排出量の低減を目的の１つとして、その幾何学的圧縮比を、例えば１５以下といった、比較的低い圧縮比にすることが行われている。つまり、低い圧縮比は気筒内の燃焼を緩慢にし、ＮＯｘの生成を抑制する（例えば特許文献１参照）。また、エンジンの低圧縮比化は機械抵抗損失を低減させるため、エンジンの熱効率を向上させる点でも有利である。
【０００３】
ところが、ディーゼルエンジンの幾何学的圧縮比を低く設定した場合には、圧縮端温度がその分、低くなってしまうため、例えばエンジンの低負荷かつ低回転の運転領域においては自着火条件を満足し難くなってしまう。また特に、特許文献１にも記載されているように、ディーゼルエンジンにおいては、供給される燃料の性状によって、セタン価が低いほど着火性能が低くなってしまうため、運転条件及び燃料の性状に係る要因が組み合わさったときには、自着火条件がさらに成立し難くなってしまう。このことに関連して特許文献１には、エンジンの始動時に燃料のセタン価を推定し、その推定結果に応じて、グロープラグの温度や燃料噴射時期を変更することで、エンジンの始動性を向上しようとする制御が記載されている。
【０００４】
また、特許文献２には、所定の運転領域において圧縮着火燃焼を実行する火花点火式のエンジンにおいて、その圧縮系の劣化により圧縮比が低下したときには、排気弁の閉弁時期を早めて内部ＥＧＲ量を増量することにより、気筒内温度を高めて着火性を確保しようとする技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２６１２３６号公報
【特許文献２】特開２００７−４０２１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述したように、ディーゼルエンジンの低圧縮比化を図る上では、そのエンジンの運転条件や、供給される燃料の性状如何に拘わらず、燃料の着火性を確実に確保することが重要である。
【０００７】
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、自動車搭載用の、特に低圧縮比のディーゼルエンジンにおいて、燃料の着火性を確実に確保することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
ここに開示する技術は、幾何学的圧縮比が１２以上１５以下に設定された比較的低圧縮比のディーゼルエンジンにおいて、特に低負荷かつ低回転の運転領域（エンジンの始動時を含む）では、気筒内に既燃ガスを存在させることにより圧縮端温度を高める構成としたものであり、自着火条件を満足させるためには、圧縮端温度を最低限、どれだけ上昇させなければならないか、という観点から、その圧縮端温度の上昇分を達成することのできる、気筒内への既燃ガスの存在量を、外部ＥＧＲガスを用いる場合のＥＧＲ率や、内部ＥＧＲガスを用いる場合の排気弁の閉弁タイミングによって特定した技術である。
【０００９】
具体的に、ここに開示するディーゼルエンジンは、自動車に搭載されかつ軽油を主成分とした燃料が供給される気筒を有すると共に、当該気筒の幾何学的圧縮比εが１２以上１５以下に設定されたエンジン本体と、前記エンジン本体が少なくとも相対的に低負荷かつ低回転である特定運転状態にあるときに、既燃ガスの一部を、前記エンジン本体の気筒内に存在させるＥＧＲ手段と、を備える。
【００１０】
前記ＥＧＲ手段は、少なくともその一部が前記エンジン本体の内部に形成されて、排気通路内の既燃ガスの一部を吸気通路に還流させると共に、その通路長が所定長さ以下に設定されたＥＧＲ通路と、該ＥＧＲ通路の途中に介設されかつ、当該ＥＧＲ通路の既燃ガス流量を調整するＥＧＲ制御弁と、該ＥＧＲ制御弁の開度を制御する制御器と、を含んで構成され、前記エンジン本体は、前記特定運転状態にあるときには、前記気筒内の全ガス重量Ｇと前記気筒内に供給される燃料の重量Ｆとの関係Ｇ／Ｆが、３０≦Ｇ／Ｆ≦６０を満足するように運転され、前記制御器は、前記エンジン本体が前記特定運転状態にあるときには、前記気筒内の全ガスに対する既燃ガスの体積比（既燃ガス量／気筒内の全ガス量）で定義したＥＧＲ率［％］が、前記エンジン本体の幾何学的圧縮比εに対して、
（１０−α）×（１５−ε）＋２０−α≦ＥＧＲ率≦６０［％］ …（１）
を満たすように（但しα＝０．２×外気温度［℃］）、前記ＥＧＲ制御弁の開度を制御する。
【００１１】
ここで、ＥＧＲ率は、ＥＧＲ率＝吸気中のＣＯ２濃度／排気中のＣＯ２濃度×１００［％］によって算出される、としてもよい。
【００１２】
また、Ｇ／Ｆ（気筒内の全ガス（既燃ガス＋新気）重量／気筒に供給する燃料の重量）は、気筒内温度（燃焼温度）とＥＧＲ率とに関連するパラメータの１つであり、このＧ／Ｆを３０〜６０に、つまり、４５前後に設定することは、煤やＮＯｘ等についての排気エミッション性能等を考慮した場合に、適当な値である。尚、Ｇ／Ｆを４５前後に設定することは、空気過剰率λをλ＝１．１よりも若干リーンな程度に設定することに相当する。
【００１３】
そうして、前記の関係式（１）におけるＥＧＲ率の下限値（１０−α）×（１５−ε）＋２０−αは、エンジン本体の幾何学的圧縮比εに対し、自着火条件を満足するために最低限必要なＥＧＲ率としての下限値であり、ＥＧＲ率を当該下限値以上に設定することによって、最低限必要な量の既燃ガス（外部ＥＧＲガス）が気筒内に導入されて、自着火条件が満足する程度に圧縮端温度が上昇することになる。
【００１４】
ここで、前記の関係式を導出するにあたり設定する自着火条件は、燃料の性状を、着火性能が最も低い性状として設定することが望ましく、前記の関係式（１）は、エンジンに使用され得る限度で最も低いセタン価の燃料を想定して算出している。これによって、セタン価が最も低い燃料が使用される場合でも、前記の関係式（１）を満足する限り、自着火条件を満足させることが可能になる。尚、セタン価が比較的高い燃料が使用される場合には、前記の関係式（１）を満足することによって自着火条件が満足することは、いうまでもない。
【００１５】
また、前記関係式（１）におけるＥＧＲ率の下限値は、外気温度Ｔを一定（つまり、αを一定値）とした場合、幾何学的圧縮比εが大きいほど小さくなり、幾何学的圧縮比εが小さいほど大きくなる。すなわち、幾何学的圧縮比εが大きいほど圧縮端温度は高くなるため、自着火条件を満足させるために最低限必要となる圧縮端温度の上昇分は小さくなり、気筒内に導入する既燃ガスの量は少なくてすむ一方で、幾何学的圧縮比εが小さいほど圧縮端温度は低くなるため、自着火条件を満足させるために最低限必要となる圧縮端温度の上昇分は大きくなり、気筒内に導入する既燃ガスの量は多くしなければならない。
【００１６】
前記の関係式（１）における、ＥＧＲ率の上限値である６０［％］は、エンジン本体を空気過剰率λ＝１．１で運転するとした場合の上限値として設定されている。すなわち、ＥＧＲ率を６０％を超えるように比較的大きく設定したのでは、気筒内に導入される既燃ガスの量が多くなりすぎて、空気過剰率λ＝１．１を満足させる上で必要な量の新気が気筒内に入らなくなるのである。
【００１７】
こうして、前記の関係式（１）を満足するようにＥＧＲ率を設定することにより、エンジンの始動時を含む低負荷かつ低回転の特定運転状態において、また、着火性能の低い燃料であっても、燃料の着火性を確実に確保し得る。このことは、幾何学的圧縮比が１２〜１５に設定される、比較的低圧縮比のディーゼルエンジンを実現する。この低圧縮比のディーゼルエンジンは、燃焼の緩慢化によりＮＯｘ排出を大幅に低減して、高い排気エミッション性能を有すると共に、機械抵抗損失の低減に伴い熱効率が向上することで、燃費性能にも優れたエンジンである。
【００１８】
ここで、前記の構成においては、ＥＧＲ通路の少なくとも一部をエンジン本体内に形成しており、この構成はＥＧＲ通路内を既燃ガスが流れるときの放熱を抑制する上で有利な構成である。このことは、可及的に温度の高い既燃ガスを気筒内に導入することを可能にし、圧縮端温度を高める上で有利になる。つまり、幾何学的圧縮比が低いエンジンにおいて、低負荷かつ低回転の特定運転領域での着火性を確実に確保する上で有利になる。これに対し、例えばＥＧＲ通路をエンジン本体の外部に露出して形成した従来構成においては、ＥＧＲ通路内を既燃ガスが流れるときの放熱量が多く、気筒内に導入される既燃ガスの温度が低くなって、圧縮端温度を高める上で不利になる。その結果、幾何学的圧縮比が低いエンジンにおいては、前述のようなＥＧＲ率の設定だけでは、着火性を確保することができなくなるのである。
【００１９】
この放熱量に関して、前記の関係式（１）におけるＥＧＲ率の下限値は、幾何学的圧縮比εを固定した場合は、外気温度Ｔが高いほど小さくなり、外気温度Ｔが低いほど大きくなる。つまり、外気温度Ｔが低いほど、気筒内に導入される新気の温度が低下すると共に、ＥＧＲ通路内を流れる際の既燃ガスの放熱量が多くなって、気筒内に導入される既燃ガスの温度も低下し易い。このことは、着火性に関して不利になる。このようにＥＧＲ通路を介して既燃ガスを気筒内に導入するような、いわゆる外部ＥＧＲガスを利用する場合においては、着火性を確保すべくＥＧＲ率を設定する際に、外気温度Ｔが大きく影響するため、ＥＧＲ率の制御に関しては、関係式（１）のように、外気温度Ｔをもパラメータの１つとして考慮することが望ましい。
【００２０】
前記排気通路の一部は、前記エンジン本体の内部に形成されており、前記ＥＧＲ通路は、前記エンジン本体内に形成された前記排気通路に接続されている、としてもよい。ここでいう「排気通路」には、エンジン本体のシリンダヘッド内に形成される排気ポートは勿論のこと、例えばシリンダヘッド内に形成された排気ポートを集合させる排気マニホールドも含み得る。
【００２１】
この構成は、排気通路の一部及びＥＧＲ通路の一部をエンジン本体の内部に形成していることにより、前述したように排気通路及びＥＧＲ通路内を流れる際の、既燃ガスの放熱をさらに抑制することが可能になる。このことは、可及的に高い温度の既燃ガスを気筒内に導入して圧縮端温度を高める上で、特に、従来構成のＥＧＲ通路においては着火性の確保を実現し得ないような幾何学的圧縮比が比較的低いエンジンにおいて、より一層有利になり得る。
【００２２】
前記エンジン本体は、気筒列方向に並んだ複数の気筒を有しており、前記ＥＧＲ通路の通路長は、前記エンジン本体の前記気筒列方向の長さ以下に設定されている、としてもよい。
【００２３】
このことは、ＥＧＲ通路の通路長を、エンジン本体の外側に配設された従来構成のＥＧＲ通路と比べて大幅に短くすることを意味すると共に、エンジン本体の大きさに対応するように、できるだけ短い通路長のＥＧＲ通路が設定されることになる。従って、ＥＧＲ通路内を流れる際の既燃ガスの放熱を抑制して、圧縮端温度を高める上で有利になる。
【００２４】
ここに開示する別のエンジンは、ＥＧＲ手段が、排気通路と前記気筒とを連通させる排気ポートを開閉する排気弁と、前記排気弁の開閉タイミングを制御する制御器と、を含みかつ、当該制御器が、前記排気弁の閉弁タイミングを、上死点よりも所定のクランク角だけ前の排気行程の途中に設定することで、既燃ガスの一部を前記気筒内に残留させるように構成される。
【００２５】
そして、前記エンジン本体は、前記特定運転状態にあるときには、前記気筒内の全ガス重量Ｇと前記気筒内に供給される燃料の重量Ｆとの関係Ｇ／Ｆが、３０≦Ｇ／Ｆ≦６０を満足するように運転され、前記制御器は、前記エンジン本体が前記特定運転状態にあるときには、前記排気弁の閉弁タイミングθ［ＢＴＤＣ°ＣＡ］が、前記エンジン本体の幾何学的圧縮比εに対して、
１６×（１５−ε）＋２０≦θ≦８０ ［ＢＴＤＣ°ＣＡ］ …（２）
を満たすように、前記排気弁の閉弁タイミングを制御する。
【００２６】
ここで、排気弁の閉弁タイミングは、開き側緩衝部、揚程部、閉じ側緩衝部に区分される排気弁のリフトカーブにおいて揚程部と閉じ側緩衝部との切り換わり時点と定義してもよい。具体的な例としては、排気弁の０．５ｍｍリフト時点を、閉弁タイミングと設定してもよい。
【００２７】
前記の関係式（２）に含まれる排気弁の閉弁タイミングθは、早くなればなるほど（圧縮上死点前のクランク角［deg］で表されるθの値が大きくなればなるほど）、排気行程乃至吸気行程において吸気弁及び排気弁の双方を閉じるネガティブオーバーラップ期間が長くなり、気筒内に残留させる既燃ガスの量が増えることになる。つまり、この構成のＥＧＲ手段は、内部ＥＧＲガスによってＥＧＲ率を調整するように構成されており、前記の関係式（２）を満足することは、排気弁の閉弁タイミングθを所定よりも早いタイミングに設定して、所定量以上の既燃ガスを気筒内に残留させることで、圧縮端温度が上昇し、自着火条件が満足することになる。
【００２８】
そして、前記の関係式（２）における排気弁の閉弁タイミングθの下限値１６×（１５−ε）＋２０は、エンジン本体の幾何学的圧縮比εに対し、自着火条件を満足するために最低限必要な値としての下限値であり、排気弁の閉弁タイミングθを当該下限値以上に設定することによって、最低限必要な量のガスが気筒内に残留されて、自着火条件が満足する程度に圧縮端温度が上昇することになる。
【００２９】
この関係式（２）における閉弁タイミングθの下限値も、前記関係式（１）におけるＥＧＲ率の下限値と同様に、幾何学的圧縮比εが大きいほど小さくなり、幾何学的圧縮比εが小さいほど大きくなる特性を有している。また、関係式（２）における、閉弁タイミングθの上限値である８０［ＢＴＤＣ°ＣＡ］はまた、エンジン本体を空気過剰率λ＝１．１で運転するとした場合の上限値として設定されている。
【００３０】
こうして、関係式（２）を満足するように、制御器が排気弁の閉弁タイミングを制御することにより、エンジンの始動時を含む低負荷かつ低回転の特定運転状態において、また、着火性能の低い燃料であっても、燃料の着火性を確実に確保し得る。このことは、前記と同様に、幾何学的圧縮比が１２〜１５に設定される比較的低圧縮比のディーゼルエンジンを実現し、燃焼の緩慢化によりＮＯｘ排出を大幅に低減して、高い排気エミッション性能を有すると共に、機械抵抗損失の低減に伴い熱効率が向上することで、高い燃費性能も有する。
【００３１】
こうした内部ＥＧＲガスを利用して圧縮端温度を高めることは、前述したＥＧＲ通路を介した外部ＥＧＲガスを利用する場合と比較して、既燃ガスの放熱が無くなる乃至小さくなり、外気温度の影響を小さくし得るという利点がある。その結果、前述したように、ＥＧＲ通路をエンジン本体の外側に配設する従来構成では、着火性を確保することができないような幾何学的圧縮比が低いエンジンについて、特に有効である。
【００３２】
前記排気通路には、排気絞り弁が配設されており、前記制御器は、前記エンジン本体が前記特定運転状態にあって、前記排気絞り弁を所定開度に閉じたときには、前記排気弁の閉弁タイミングθ［ＢＴＤＣ°ＣＡ］が、前記エンジン本体の幾何学的圧縮比εに対して、
１０×（１５−ε）＋１５≦θ≦８０［ＢＴＤＣ°ＣＡ］ …（３）
を満たすように、前記排気弁の閉弁タイミングを制御する、としてもよい。
【００３３】
ここで、「排気絞り弁を所定開度に閉じる」ことは、排気が漏れる程度に絞り弁の開度を小さくすることであり、「部分的に開く」と言い換えてもよい。また、エンジン本体の背圧が、絞り弁を開いたとき（又は絞り弁を設けないとき）の背圧よりも高くかつ、理論上設定される排気側の臨界圧力よりも低くなるように、絞り弁を部分的に開く、と定義してもよい。
【００３４】
この構成によると、排気絞り弁を閉じることによってエンジン本体の背圧が上昇するため、例えば同一タイミングで排気弁を閉弁した場合でも、排気絞り弁を閉じているときは、排気絞り弁を閉じないとき又は排気絞り弁が無いときよりも既燃ガスの残留量が増えて、ＥＧＲ率は高くなり得る。つまり、式（２）と式（３）とを比較した場合に、閉弁タイミングの下限値は、式（３）の方が小さくなり得る。これは、幾何学的圧縮比が比較的低いエンジン本体において、より有利になり得る。すなわち、前述したようにエンジン本体の幾何学的圧縮比が小さくなればなるほど、最低限必要なＥＧＲ率が高くなり、排気弁をより早い時期に閉弁することが要求されるが、例えば燃焼室の形状特性や、排気弁の閉弁タイミングを変更する機構の特性上、排気弁の閉弁タイミングの最大進角量が、所定量に規制される場合があり得る。そのような場合に、排気絞り弁を閉じることを利用して、排気弁の閉弁タイミングを遅くすることは、比較的低圧縮比のエンジンにおいても、閉弁タイミングの制約を受けることなく必要量の既燃ガスを気筒内に残留させて、着火性を確保することを可能にする。
【発明の効果】
【００３５】
以上説明したように、前記の自動車搭載用ディーゼルエンジンによると、幾何学的圧縮比が１２以上１５以下の比較的低圧縮比のエンジンにおいて、外部ＥＧＲガスを用いる場合のＥＧＲ率を所定の関係式を満足するように設定したり、内部ＥＧＲガスを用いる場合の排気弁の閉弁タイミングを所定の関係式を満足するように設定したりすることで、圧縮端温度が上昇して燃料の着火性を確実に確保し得るため、排気エミッション性能及び燃費性能を共に高めたエンジンが実現する。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】ディーゼルエンジンの構成を示す概略図である。
【図２】ディーゼルエンジンの制御に係るブロック図である。
【図３】シリンダヘッド内に設けられたＥＧＲ通路を例示するエンジンの概略的な平面図である。
【図４】エンジンの幾何学的圧縮比εとＥＧＲ率との関係における圧縮端温度上昇分に係るコンター図であり、内部ＥＧＲ、外部ＥＧＲ、従来構成の外部ＥＧＲの各例での、着火性確保の条件を満足し得るＥＧＲ率の関係を示す図である。
【図５】エンジンの幾何学的圧縮比εとＥＧＲ率との関係における圧縮端温度上昇分に係るコンター図であって、外気温度が異なる場合の相違を示す図である。
【図６】図３とは異なるＥＧＲ通路の例を示す図３対応図である。
【図７】エンジンの幾何学的圧縮比εと排気弁の閉弁タイミングとの関係における圧縮端温度上昇分に係るコンター図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下、実施形態に係るディーゼルエンジン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は、実施形態に係るエンジン１の概略構成を示す。このエンジン１は、車両に搭載されると共に、軽油を主成分とした燃料が供給されるディーゼルエンジンであって、複数の気筒１１ａ（図１では１つのみ図示）が設けられたシリンダブロック１１と、このシリンダブロック１１上に配設されたシリンダヘッド１２と、シリンダブロック１１の下側に配設され、潤滑油が貯溜されたオイルパン１３とを有している。エンジン１は、この例では図３に示すように、第１〜第４の４つの気筒１１ａが一列に並んで配置された直列４気筒エンジンであるが、この直列４気筒エンジンに限定されるものではない。このエンジン１の各気筒１１ａ内には、ピストン１４が往復動可能にそれぞれ嵌挿されていて、このピストン１４の頂面にはリエントラント形燃焼室１４ａを区画するキャビティが形成されている。このピストン１４は、コンロッド１４ｂを介してクランクシャフト１５と連結されている。
【００３８】
前記シリンダヘッド１２には、各気筒１１ａ毎に吸気ポート１６及び排気ポート１７が形成されているとともに、これら吸気ポート１６及び排気ポート１７の燃焼室１４ａ側の開口を開閉する吸気弁２１及び排気弁２２がそれぞれ配設されている。図３に概略的に示すように、各気筒１１ａには、２つの吸気ポート１６及び２つの排気ポート１７がそれぞれ開口しており、これによって各気筒１１ａには、２つの吸気弁２１及び２つの排気弁２２がそれぞれ配設されている。図１では図示を省略するが、これら吸排気弁２１，２２をそれぞれ駆動する動弁系において、吸気弁側には吸気弁２１の開閉タイミングを変更可能な、液圧式又は機械式の吸気バルブタイミング可変機構（Variable Valve Timing：ＶＶＴ）が設けられ、排気弁側にも同様に、排気弁２２の開閉タイミングを変更可能な、液圧式又は機械式のＶＶＴが設けられている（図２の符号７１を参照）。
【００３９】
また、前記シリンダヘッド１２には、燃料を噴射するインジェクタ１８と、エンジン１の冷間時に吸入空気を暖めて燃料の着火性を高めるためのグロープラグ１９とが設けられている。前記インジェクタ１８は、その燃料噴射口が燃焼室１４ａの天井面から該燃焼室１４ａに臨むように配設されていて、圧縮行程上死点付近で燃焼室１４ａに燃料を直接噴射供給するようになっている。
【００４０】
前記エンジン１の一側面には、各気筒１１ａの吸気ポート１６に連通するように吸気通路３０が接続されている。一方、前記エンジン１の他側面には、各気筒１１ａの燃焼室１４ａからの既燃ガス（排気ガス）を排出する排気通路４０が接続されている。これら吸気通路３０及び排気通路４０には、詳しくは後述するが、吸入空気の過給を行う大型ターボ過給機６１と小型ターボ過給機６２とが配設されている。
【００４１】
吸気通路３０の上流端部には、吸入空気を濾過するエアクリーナ３１が配設されている。一方、吸気通路３０における下流端近傍には、サージタンク３３が配設されている。このサージタンク３３よりも下流側の吸気通路３０は、各気筒１１ａ毎に分岐する独立通路とされ、これら各独立通路の下流端が各気筒１１ａの吸気ポート１６にそれぞれ接続されている。サージタンク３３及び独立通路は、エンジン１の側面に取り付けられる吸気マニホールド３４によって構成されている（図３も参照）。
【００４２】
吸気通路３０におけるエアクリーナ３１とサージタンク３３との間には、大型及び小型ターボ過給機６１，６２のコンプレッサ６１ａ，６２ａと、該コンプレッサ６１ａ，６２ａにより圧縮された空気を冷却するインタークーラ３５と、前記各気筒１１ａの燃焼室１４ａへの吸入空気量を調節するスロットル弁３６とが配設されている。このスロットル弁３６は、基本的には全開状態とされるが、例えばエンジン１の停止時には、ショックが生じないように全閉状態とされる。
【００４３】
こうした吸気側の構成に対して、排気通路４０の上流側の部分は、各気筒１１ａ毎に分岐した排気ポート１７と、各排気ポート１７に接続される独立通路及び該各独立通路が集合する集合部を有する排気マニホールド３７と、によって構成されている。この排気マニホールド３７は、この例では図３に示すように、エンジン１のシリンダヘッド１２の内部に形成されている。
【００４４】
この排気通路４０における排気マニホールド３７よりも下流側には、上流側から順に、小型ターボ過給機６２のタービン６２ｂ、大型ターボ過給機６１のタービン６１ｂと、排気ガス中の有害成分を浄化する排気浄化装置４１と、サイレンサ４２とが配設されている。
【００４５】
この排気浄化装置４１は、酸化触媒４１ａと、ディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、フィルタという）４１ｂとを有しており、上流側から、この順に並んでいる。酸化触媒４１ａ及びフィルタ４１ｂは１つのケース内に収容されている。前記酸化触媒４１ａは、白金又は白金にパラジウムを加えたもの等を担持した酸化触媒を有していて、排気ガス中のＣＯ及びＨＣが酸化されてＣＯ２及びＨ２Ｏが生成する反応を促すものである。また、前記フィルタ４１ｂは、エンジン１の排気ガス中に含まれる煤等の微粒子を捕集するものである。尚、フィルタ４１ｂに酸化触媒をコーティングしてもよい。後述するように、このエンジン１は、低圧縮比化によりＮＯｘの生成を大幅に低減乃至無くしており、ＮＯｘ触媒の省略を可能にしている。
【００４６】
このエンジン１において排気側と吸気側とは、図１では図示を省略するが、既燃ガスの一部を吸気通路３０に還流するための排気ガス還流通路（ＥＧＲ通路）５１によって接続されている。このＥＧＲ通路５１は、エンジン１のシリンダヘッド１２内に形成されている。具体的には図３に示すように、エンジン１の気筒列方向の略中央位置において、ＥＧＲ通路５１の一端が、シリンダヘッド１２内に形成された排気マニホールド３７に接続されており、そのＥＧＲ通路５１は、第２気筒と第３気筒との間に相当する位置において、シリンダヘッド１２内を、気筒列に直交する方向に吸気側に向かって延びて形成されている。そうして、ＥＧＲ通路５１の他端が、エンジン１に取り付けられた吸気マニホールド３４内に配置されている。これにより、図３に一点鎖線で示すＥＧＲ通路５１の通路長は、大凡、エンジン１の気筒列に直交する方向の長さと等しくなり、エンジン１の気筒列方向の長さ以下に設定される。このＥＧＲ通路５１の通路長は、例えば図３に仮想的に示すように、エンジン１の外側に配設された従来のＥＧＲ通路５２よりも大幅に短い。このようにシリンダヘッド１２内にＥＧＲ通路５１を形成することは、その通路を通過しているときの既燃ガスの放熱を抑制し、既燃ガスを、高い温度を維持したまま気筒１１ａ内に導入することが可能になるという利点がある。尚、ＥＧＲ通路５１の途中には、既燃ガスの気筒１１ａ内への導入量を調整するためのＥＧＲ制御弁５１ａが配設されている。
【００４７】
大型ターボ過給機６１は、吸気通路３０に配設された大型コンプレッサ６１ａと、排気通路４０に配設された大型タービン６１ｂとを有している。大型コンプレッサ６１ａは、吸気通路３０におけるエアクリーナ３１とインタークーラ３５との間に配設されている。一方、大型タービン６１ｂは、排気通路４０における排気マニホールドと酸化触媒４１ａとの間に配設されている。
【００４８】
小型ターボ過給機６２は、吸気通路３０に配設された小型コンプレッサ６２ａと、排気通路４０に配設された小型タービン６２ｂとを有している。小型コンプレッサ６２ａは、吸気通路３０における大型コンプレッサ６１ａの下流側に配設されている。一方、小型タービン６２ｂは、排気通路４０における大型タービン６１ｂの上流側に配設されている。
【００４９】
すなわち、吸気通路３０においては、上流側から順に大型コンプレッサ６１ａと小型コンプレッサ６２ａとが直列に配設され、排気通路４０においては、上流側から順に小型タービン６２ｂと大型タービン６１ｂとが直列に配設されている。これら大型及び小型タービン６１ｂ，６２ｂが排気ガス流により回転し、これら大型及び小型タービン６１ｂ，６２ｂの回転により、該大型及び小型タービン６１ｂ，６２ｂとそれぞれ連結された前記大型及び小型コンプレッサ６１ａ，６２ａがそれぞれ作動する。
【００５０】
小型ターボ過給機６２は、相対的に小型のものであり、大型ターボ過給機６１は、相対的に大型のものである。すなわち、大型ターボ過給機６１の大型タービン６１ｂの方が小型ターボ過給機６２の小型タービン６２ｂよりもイナーシャが大きい。
【００５１】
そして、吸気通路３０には、小型コンプレッサ６２ａをバイパスする小型吸気バイパス通路６３が接続されている。この小型吸気バイパス通路６３には、該小型吸気バイパス通路６３へ流れる空気量を調整するための小型吸気バイパス弁６３ａが配設されている。この小型吸気バイパス弁６３ａは、無通電時には全閉状態（ノーマルクローズ）となるように構成されている。
【００５２】
一方、排気通路４０には、小型タービン６２ｂをバイパスする小型排気バイパス通路６４と、大型タービン６１ｂをバイパスする大型排気バイパス通路６５とが接続されている。小型排気バイパス通路６４には、該小型排気バイパス通路６４へ流れる排気量を調整するためのレギュレートバルブ６４ａが配設され、大型排気バイパス通路６５には、該大型排気バイパス通路６５へ流れる排気量を調整するためのウエストゲートバルブ６５ａが配設されている。レギュレートバルブ６４ａ及びウエストゲートバルブ６５ａは共に、無通電時には全開状態（ノーマルオープン）となるように構成されている。
【００５３】
このように構成されたディーゼルエンジン１は、パワートレイン・コントロール・モジュール（以下、ＰＣＭという）１０によって制御される。ＰＣＭ１０は、ＣＰＵ、メモリ、カウンタタイマ群、インターフェース及びこれらのユニットを接続するパスを有するマイクロプロセッサで構成されている。このＰＣＭ１０が制御装置を構成する。ＰＣＭ１０には、図２に示すように、エンジン冷却水の温度を検出する水温センサＳＷ１、サージタンク３３に取り付けられて、燃焼室１４ａに供給される空気の圧力を検出する過給圧センサＳＷ２、吸入空気の温度を検出する吸気温度センサＳＷ３、クランクシャフト１５の回転角を検出するクランク角センサＳＷ４、車両のアクセルペダル（図示省略）の操作量に対応したアクセル開度を検出するアクセル開度センサＳＷ５、及び、排気中の酸素濃度を検出するＯ２センサＳＷ６の検出信号が入力され、これらの検出信号に基づいて種々の演算を行うことによってエンジン１や車両の状態を判定し、これに応じてインジェクタ１８、グロープラグ１９，ＶＶＴ７１、各種の弁３６、５１ａ、６３ａ、６４ａ、６５ａのアクチュエータへ制御信号を出力する。
【００５４】
そうして、このエンジン１は、その幾何学的圧縮比を１２以上１５以下とした、比較的低圧縮比となるように構成されており、これによって排気エミッション性能の向上及び熱効率の向上を図るようにしている。一方で、幾何学的圧縮比を低く設定することに伴い、特に低負荷かつ低回転側の運転領域においては圧縮端温度が低くなり、自着火し難くなる虞があると共に、エンジン１に供給される燃料の性状によっては（例えばセタン価の低い燃料では）、自着火条件を満足しなくなる虞がある。
【００５５】
そこで、このエンジン１では、前述したＥＧＲ通路５１を通じて既燃ガスの還流を行い、これによって、少なくともエンジン１の低負荷かつ低回転側の特定運転状態では、比較的大量の外部ＥＧＲガスを気筒１１ａ内に導入して圧縮端温度を高めるようにしている。
特に低圧縮比エンジン１では、その運転条件や燃料の性状に拘わらず、燃料の着火性を確実に確保するために、エンジン１の幾何学的圧縮比に応じて、着火性の確保に必要となるＥＧＲ率を設定している点が特徴的である。ここで、低負荷かつ低回転側の特定運転状態には、エンジン１の始動時が含まれ、この始動時はまた、エンジン１の始動から、エンジン１が吹き上がって回転が安定し、さらにエンジン１の水温が上昇し始めるまで（水温が４０〜５０℃程度になるまで）の期間を含む。以下、この特徴的なエンジン１の制御について、図を参照しながら説明する。
【００５６】
図４は、エンジン１の幾何学的圧縮比ε（横軸）とＥＧＲ率との関係によって決定される圧縮端温度の上昇分の大きさ（ΔＴ）に係るコンター図（等値線図）を示している。つまり、エンジン１の幾何学的圧縮比εに対しＥＧＲ率をどう設定すれば、どの程度の圧縮端温度の上昇が見込めるかを示す図であり、ＥＧＲ率を変更しながら、後述するように所定のエンジン１の運転条件下で、エンジン１の幾何学的圧縮比毎に、圧縮端温度を推定演算することによって得られたものである。基本的には、ＥＧＲ率が高いほど、気筒１１ａ内の全ガスに対する高温の既燃ガスの割合が増えるため圧縮端温度が高まり、ＥＧＲ率が低いほど圧縮端温度が低下することになる。図４における破線は、温度上昇分の等温度線を示している。ここで図４には、後述するように、内部ＥＧＲを利用する場合、図３に示す短いＥＧＲ通路５１による外部ＥＧＲを利用する場合、及び、図３に仮想的に示す従来のＥＧＲ通路５２による外部ＥＧＲを利用する場合の３つの例が含まれており、ΔＴ１〜ΔＴ４の等温度線が示す温度はそれぞれの例で異なる。つまり、内部ＥＧＲを利用する場合、ΔＴ１＝８０Ｋ、ΔＴ２＝６０Ｋ、ΔＴ３＝４０Ｋ、ΔＴ４＝２０Ｋであり、図３に示す短いＥＧＲ通路５１による外部ＥＧＲを利用する場合、ΔＴ１＝６０Ｋ、ΔＴ２＝４５Ｋ、ΔＴ３＝３０Ｋ、ΔＴ４＝１５Ｋであり、図３に仮想的に示す従来のＥＧＲ通路５２による外部ＥＧＲを利用する場合、ΔＴ１＝２０Ｋ、ΔＴ２＝１５Ｋ、ΔＴ３＝１０Ｋ、ΔＴ４＝５Ｋである。
【００５７】
そうして図４に示す太実線はそれぞれ、相対的に低負荷かつ低回転側の所定のエンジン１の運転条件下で（前述の特定運転状態に対応する）、自着火条件を満足するために必要最低限のＥＧＲ率を示している。先ず参考例として、
ｙ＝９×（１５−ε）＋１８ …（４ａ）
は、既燃ガスをＥＧＲ通路を介さずに気筒１１ａ内に残留させる、いわゆる内部ＥＧＲを利用すると共に、エンジン１をＧ／Ｆが３０〜６０（つまり、４５前後）となるように運転した場合に導出されたＥＧＲ率の下限値を示している。この下限値以上となるように、ＥＧＲ率を設定することによって自着火条件が満足する。ここで、「Ｇ」は、気筒内の全ガス重量（既燃ガス＋新気）であり、「Ｆ」は気筒内に供給する燃料量（重量）である。Ｇ／Ｆは、気筒内温度（燃焼温度）とＥＧＲ率とに関連するパラメータの１つであり、このＧ／Ｆを３０〜６０に、つまり、４５前後に設定することは、煤やＮＯｘ等についての排気エミッション性能等を考慮した場合に、適当な値である。尚、Ｇ／Ｆを４５前後に設定することは、空気過剰率λをλ＝１．１よりも若干リーンな程度に設定することに相当する。
【００５８】
この下限値以上にＥＧＲ率を設定することによって、気筒１１ａ内に導入される既燃ガスの量が所定量以上となって圧縮端温度の上昇分を所定値以上にすることが可能になり、自着火条件を満足するようになる。ここで、この下限値を算出する上で必要となる自着火条件は、着火性能が最も低い性状の燃料（セタン価が最も低い燃料）を基準に設定される。こうすることで、セタン価が最も低い燃料が使用される場合においても、自着火条件を満足させることができるのである。尚、セタン価がそれよりも高い燃料が使用される場合は、自着火条件がその分下がるため、当然に自着火条件を満足するようになる。
【００５９】
ここで前記の式（４ａ）で示される下限値は、幾何学的圧縮比εが大きいほど小さくなり、幾何学的圧縮比εが小さいほど大きくなる。すなわち、幾何学的圧縮比εが大きいほど圧縮端温度は高くなるため、自着火条件を満足させるために最低限必要となる圧縮端温度の上昇分は小さくなり、必要な既燃ガスの量は少なくてすみ、ＥＧＲ率は低くなる一方で、幾何学的圧縮比εが小さいほど圧縮端温度は低くなるため、自着火条件を満足させるために最低限必要となる圧縮端温度の上昇分は大きくなり、既燃ガスの量を多くしなければならず、ＥＧＲ率は高くなる。
【００６０】
また、ＥＧＲ率を高めるほど、温度の高い既燃ガスの割合が増えて圧縮端温度を高める上では有利になり得るが、既燃ガスの量を増やすことは気筒１１ａ内に導入される新気の量を減らすことにもなる。そのため、ＥＧＲ率の上限値は、エンジン１を所定の空気過剰率λで運転させる上で必要な新気量を確保するという観点から設定され得る。図４に示すＥＧＲ率＝６０％の太実線は、空気過剰率λ＝１．１を維持するために設定されるＥＧＲ率の上限値であり、これはエンジン１の幾何学的圧縮比とは無関係であるため、幾何学的圧縮比の大きさに拘わらず一定になる。
【００６１】
従って、前記の式（４ａ）から、内部ＥＧＲを利用する場合には、ＥＧＲ率［％］が、
９×（１５−ε）＋１８≦ＥＧＲ率≦６０［％］ …（４）
を満足するようにすれば、当該エンジン１は、低圧縮比であっても自着火条件を満足し、エンジン１の運転状態や燃料の性状に拘わらず、燃料の着火性を確実に確保することが可能になる。
【００６２】
このように内部ＥＧＲを利用する場合に対して、外部ＥＧＲを利用する場合は、ＥＧＲ通路を流れる間の放熱によって既燃ガスの温度が低下するから、その分、着火性を確保するために必要となるＥＧＲガス量は増えることになる。つまり、ＥＧＲ率の下限値が高くなる。図４において、
ｙ＝１２×（１５−ε）＋２２ …（５ａ）
の式は、図３に示すように、シリンダヘッド１２内に、可及的に短いＥＧＲ通路５１を形成して外部ＥＧＲガスを利用する場合に必要となるＥＧＲ率の下限値である。この例において、ＥＧＲ通路５１の通路長は２００〜２５０ｍｍ程度である。この（５ａ）の式は、前述した内部ＥＧＲを利用する場合の、ＥＧＲ率（ｘ）と気筒１１ａ内の温度上昇（ｙ）との関係における昇温特性を、所定の傾き（ａ）の一次式で仮定した場合に（ｙ＝ａｘ）、前述した放熱により、気筒１１ａ内の温度上昇が７５％低下する（傾きが０．７５×ａになる）と仮定して算出した値である。式（４ａ）（５ａ）の比較から、前述の通り、外部ＥＧＲを利用する場合は、内部ＥＧＲを利用する場合と比べてＥＧＲ率の下限値は高くなり、図３に示すＥＧＲ通路５１を利用する場合は、
１２×（１５−ε）＋２２≦ＥＧＲ率≦６０ ［％］ …（５）
を満足するように、ＰＣＭ１０がＥＧＲ制御弁５１ａの制御を行うことにより、当該エンジン１は、低圧縮比であっても自着火条件を満足し、エンジン１の運転状態や燃料の性状に拘わらず、燃料の着火性を確実に確保することが可能になる。
【００６３】
また比較例として、図４の、
ｙ＝３６×（１５−ε）＋３０ …（６ａ）
の式は、図３に一点鎖線で示すように、ＥＧＲ通路５２をエンジン１の外側に設けた場合、言い換えると、従来のＥＧＲ通路構成を利用した場合の、ＥＧＲ率の下限値である。この場合、ＥＧＲ通路５２が外部に露出していること、及び、その通路長が８００〜１０００ｍｍ程度で比較的長いことが相俟って放熱量が大きくなり、既燃ガスの温度低下が大きくなる。そこで、この従来のＥＧＲ通路構成の式（６ａ）は、気筒１１ａ内の温度上昇分が放熱により２５％に低下する（傾きが０．２５×ａ）と仮定して導出している。従って、従来のＥＧＲ通路構成では、
３６×（１５−ε）＋３０≦ＥＧＲ率≦６０ ［％］ …（６）
を満足するようにＥＧＲ率を設定しなければならない。ここで、図４において明らかなように、幾何学的圧縮比が１４以下のエンジン１では、ＥＧＲ率をどのように設定しようとも着火性を確保し得ない。つまり、従来の外部ＥＧＲ通路構成は、幾何学的圧縮比が比較的低いエンジン１においては、着火性の確保のために利用することができない。このことは、図３に示すＥＧＲ通路５１のように、ＥＧＲ通路の少なくとも一部をエンジン１の内部に形成する構成、及び／又は、ＥＧＲ通路の通路長を短くすることによって既燃ガスの温度低下を抑制し、熱い既燃ガスを気筒１１ａ内に導入するようにした構成は、比較的低圧縮比のディーゼルエンジン１において、低負荷かつ低回転の特定運転状態にあるときの着火性の確保に、有効に利用することが可能である、と言い換えることができる。
【００６４】
ところで、ディーゼルエンジン１においては、外気温度が着火性に影響し、前述したように外部ＥＧＲガスを利用して着火性を確保しようとしたときには、外気温度の高低によって、ＥＧＲ通路における放熱量が変化するため、着火性への影響が大きくなる。さらにまた、低圧縮比のエンジン１において、比較的大量の既燃ガスを気筒１１ａ内に導入しようとするときには、低外気温による既燃ガスの温度低下は、着火性に与える影響が、より一層大きくなり得る。例えば図５は、図３に示すＥＧＲ通路５１を利用した場合において、外気温度を、−３０℃、−１０℃、１０℃にそれぞれ変更した場合の、エンジン１の幾何学的圧縮比εに対するＥＧＲ率の下限値の関係を示している。外気温度が低ければ低いほど着火性に関して不利になるから、着火性の確保のために必要なＥＧＲ率の下限値は、高くなる。ここで、外気温度をパラメータＴとすると、式（５ａ）は、
ｙ＝（１０−α）×（１５−ε）＋２０−α …（５ｂ）
に書き換えられる。但しα＝０．２×Ｔ［℃］である。従って、図３に示すＥＧＲ通路５１を利用する場合には、ＥＧＲ率が、
（１０−α）×（１５−ε）＋２０−α≦ＥＧＲ率≦６０［％］ …（１）
を満足するように、ＥＧＲ制御弁５１ａを設定することにより、低圧縮比エンジン１において、外気温度の高低に拘わらず、着火性を確実に確保することが可能になる。
【００６５】
尚、ＥＧＲ通路５１の構成は、図３に示す構成に限定されず、別の構成として図６に示すような構成を採用することが可能である。この構成例は、シリンダヘッド１２における第２気筒と第３気筒との間の位置にＥＧＲ通路を配設するのではなく、シリンダヘッド１２の後端部（図６における左端部）に、ＥＧＲ通路５３の一部を配設している。つまり、ＥＧＲ通路５３は、図３に示すエンジン１と同様にシリンダヘッド１２内に形成した排気マニホールド３７の後端から、第４気筒の側方を通って吸気側へと延び、そこから吸気マニホールド３４の略中央位置まで、気筒列方向に延びるように配設されている。このようなＥＧＲ通路５３においては、ＥＧＲ制御弁５１ａは、図６に例示するように、シリンダヘッド１２における吸気側の隅部に配置してもよい。図６の構成例では、ＥＧＲ通路５３の長さが４００〜４５０ｍｍ程度に設定され、エンジン１の気筒列方向の長さ以下に設定されるものの、図３に示すＥＧＲ通路５１よりも長くなる。また、ＥＧＲ通路５３の一部はシリンダヘッド１２の外に形成されることで、図３の構成例よりも、ＥＧＲ通路５３を流れる際の既燃ガスの放熱量は多くなり得る。しかしながら、図３において仮想的に示す従来のＥＧＲ通路５２の構成と比較した場合には、放熱量が大幅に抑制されるため、前述したように、幾何学的圧縮比が比較的低いエンジン１において、低負荷かつ低回転の特定運転状態で確実な着火性を確保することが可能である。
【００６６】
尚、図示は省略するが、シリンダヘッド１２内に形成するＥＧＲ通路の例としては、例えば排気側と吸気側とのポート同士を互いにつなぐような構成を採用してもよい。
【００６７】
（実施形態２）
実施形態１では、ＥＧＲ通路５１，５３を介して既燃ガスを気筒１１ａ内に導入することで所望のＥＧＲ率を達成し、その着火性を確保するようにしていたが、これとは異なり、内部ＥＧＲガスによって所望のＥＧＲ率を達成し着火性を確保することも可能である。内部ＥＧＲの実現に際しては種々な方法を採用し得るが、ここでは、排気弁２２の早閉じによって内部ＥＧＲを実現する。つまり、排気行程乃至吸気行程において吸気弁２１及び排気弁２２の双方を閉じるネガティブオーバーラップ期間を設けて、既燃ガスを気筒１１ａ内に残留させる。
【００６８】
この実施形態２においては、図１及び図２に仮想的に示している排気シャッターバルブ４３が、排気通路４０上の排気浄化装置４１とサイレンサ４２との間に配設されている。この排気シャッターバルブ４３は、ＰＣＭ１０によってその開度が制御され、通常時は開いているが、後述するように、この例では、エンジン１の低負荷かつ低回転の特定運転状態（エンジンの始動時を含む）において閉じられる場合がある。また、この実施形態２においては、図３、６に示すようなシリンダヘッド１２内に形成したＥＧＲ通路５１，５３の代わりに、図３に仮想的に示す従来構成のＥＧＲ通路５２が設けられている。但し、図３又は図６に示すようなシリンダヘッド１２内に形成したＥＧＲ通路５１又は５３としてもよい。
【００６９】
図７は、エンジン１の幾何学的圧縮比ε（横軸）と、排気弁２２の閉弁タイミング（縦軸）との関係によって決定される圧縮端温度の上昇分の大きさ（ΔＴ）を示すコンター図である。ここで排気弁２２の閉弁タイミングは、排気上死点に対するＢＴＤＣ°ＣＡで示される。この閉弁タイミングは、開き側緩衝部、揚程部、閉じ側緩衝部に区分される排気弁２２のリフトカーブにおいて、揚程部と閉じ側緩衝部との切り換わり時点を、閉弁タイミングと定義してもよい。より具体的には、０．５ｍｍリフト時点を、排気弁２２の閉弁タイミングと設定してもよい。閉弁タイミングが早いほど（縦軸の数値が大きいほど）、排気弁２２が早期に閉じて気筒１１ａ内に残る既燃ガスの量が増えるため、ＥＧＲ率が高くなる。つまり、圧縮端温度を高める上では有利になり、逆に、閉弁タイミングが遅いほど（縦軸の数値が小さいほど）、排気弁２２の閉じるタイミングが遅くなり気筒１１ａ内に残る既燃ガスの量が減るため、ＥＧＲ率は低くなる。
【００７０】
同図において、排気弁２２の閉弁タイミングが８０ＢＴＤＣ°ＣＡの太実線は、前述の通り、エンジン１を空気過剰率λ＝１．１で運転する場合のＥＧＲ率の上限値に相当する閉弁タイミングである。また、図７において、
ｙ＝１６×（１５−ε）＋２０ …（２ａ）
の式は排気弁２２の閉弁タイミングの下限値を示している。この下限値は、スロットル弁３６を絞らずかつ、排気シャッターバルブ４３を閉じない条件下での下限値である。スロットル弁３６を絞らないことにより吸気負圧が減るため、ＥＧＲ通路５２を介して気筒１１ａ内の導入される外部ＥＧＲガス量は相対的に少なくなるから、要求されるＥＧＲ率を達成するために内部ＥＧＲガス量を増やさなければならない。また、排気シャッターバルブ４３を閉じない条件下では、エンジン１の背圧が低いため、排気弁２２の閉弁タイミングを早めないと必要量の既燃ガスを気筒１１ａ内に残存させることができなくなる。従って、スロットル弁３６を絞らずかつ、排気シャッターバルブ４３を閉じない条件下では、排気弁２２の閉弁タイミングは比較的早く設定されることになる。
【００７１】
また、図７において、
ｙ＝６×（１５−ε）＋１０ …（７）
の式は、排気側の圧力を、理論上の臨界圧力と仮定した場合の、排気弁２２の閉弁タイミングの下限値である。これに対し、実用的な場合として、排気シャッターバルブ４３を、排気が漏れる程度に閉じたとき（排気シャッターバルブ４３を部分的に開いているときと言い換えることも可能であり、この状態を以下においては単に、排気シャッターバルブ４３を閉じたとき、という）の閉弁タイミングの下限値は、図７において、
ｙ＝１０×（１５−ε）＋１５ …（３ａ）
で示される。式（２ａ）と式（３ａ）との比較より、排気シャッターバルブ４３を閉じてエンジン１の背圧を高めることにより、排気弁２２の閉弁タイミングが同じであっても気筒内に残存する既燃ガスの量は増加するから、排気シャッターバルブ４３を閉じたときは、排気シャッターバルブ４３を開いているときと比較して、排気弁２２の閉弁タイミングの下限値を遅くし得ることになる。このことは特に、エンジン１の幾何学的圧縮比が低くなるほどＥＧＲ率を高める必要があるため、有利になる。つまり、吸気側及び排気側のＶＶＴ７１の機構上の制約により、排気弁２２の、進角側の閉弁タイミングは、所定のタイミングに規制されると共に、シリンダヘッド１２の底面形状やピストン１４の頂面形状によって規定される燃焼室の形状に基づき、排気弁２２とピストン１４との干渉を回避するためにも、排気弁２２の、進角側の閉弁タイミングは、所定のタイミングに規制される。ここで、排気弁２２の閉弁タイミングの限界が、例えば４０ＢＴＤＣ°ＣＡであると仮定する。この場合において、幾何学的圧縮比εが例えば１４のエンジンでは、式（２ａ）の下限値は、４０ＢＴＤＣ°ＣＡ以下になるため、排気シャッターバルブ４３を閉じなくても（又は、排気シャッターバルブ４３が無くても）、排気弁２２の閉弁タイミングの制御のみで所望の圧縮端温度を達成して、着火性を確保することが可能になる。これに対し、幾何学的圧縮比εが例えば１３のエンジンでは、式（２ａ）の下限値は、４０ＢＴＤＣ°ＣＡを超えるため、排気弁２２の閉弁タイミングの制御のみでは、所望の圧縮端温度を達成することができない。この場合、排気シャッターバルブ４３を閉じて、要求される閉弁タイミングの下限値を下げることは、着火性を確保すること上で、極めて有効である。すなわち、排気シャッターバルブ４３の制御と、排気弁２２の閉弁タイミングの制御との組み合わせは、特に幾何学的圧縮比が低いエンジン１において、低負荷かつ低回転の特定運転状態での着火性を確保する上で、有効である。
【００７２】
従って、排気シャッターバルブ４３を開いている条件下では、式（２ａ）から、
１６×（１５−ε）＋２０≦θ≦８０ ［ＢＴＤＣ°ＣＡ］ …（２）
を満たすように、排気弁２２の閉弁タイミングを制御すればよい。これに対し、排気シャッターバルブ４３を閉じている条件下では、式（３ａ）から
１０×（１５−ε）＋１５≦θ≦８０ ［ＢＴＤＣ°ＣＡ］ …（３）
を満たすように、排気弁２２の閉弁タイミングを制御すればよい。
【００７３】
尚、このように内部ＥＧＲガスを利用する場合は、比較的大量の既燃ガスを気筒１１ａ内に導入していて、新気の割合が比較的少ないこと、及び、既燃ガスの放熱がほとんどないこと、から、着火性に対する外気温度の影響は比較的小さい。つまり、外気温度が変化しても、排気弁２２の閉弁タイミングの下限値の変化は、比較的小さい。
【００７４】
前述したようにＥＧＲ制御弁５１ａの制御を通じてＥＧＲ率を所定範囲に設定することや、排気弁２２の閉弁タイミングを所定のタイミングに設定することにより、圧縮比１２〜１５といった比較的低圧縮比のディーゼルエンジン１において、仮に着火性の低い、低セタン価の燃料が供給されるような場合であっても、エンジン１の運転領域に拘わらず確実な着火性を確保し得る。このことは、ディーゼルエンジン１の低圧縮比化による緩慢燃焼を実現して、ＮＯｘ排出量を低減乃至無くし、煤の抑制と共に排気エミッション性能を向上させ得る。その結果、前述したようにＮＯｘ触媒を省略し得るようになる。また、エンジン１の低圧縮比化は、機械抵抗損失を低減させて熱効率を高め得る結果、燃費性能も向上する。
【符号の説明】
【００７５】
１ ディーゼルエンジン（エンジン本体）
１０ ＰＣＭ（制御器）
１１ａ 気筒
１２ シリンダヘッド
１７ 排気ポート（排気通路）
２２ 排気弁
３０ 吸気通路
３４ 吸気マニホールド（吸気通路）
３７ 排気マニホールド（排気通路）
４３ 排気シャッターバルブ（排気絞り弁）
５１ ＥＧＲ通路
５１ａ ＥＧＲ制御弁
５３ ＥＧＲ通路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自動車に搭載されかつ軽油を主成分とした燃料が供給される気筒を有すると共に、当該気筒の幾何学的圧縮比εが１２以上１５以下に設定されたエンジン本体と、
前記エンジン本体が少なくとも相対的に低負荷かつ低回転である特定運転状態にあるときに、既燃ガスの一部を、前記エンジン本体の気筒内に存在させるＥＧＲ手段と、を備え、
前記ＥＧＲ手段は、少なくともその一部が前記エンジン本体の内部に形成されて、排気通路内の既燃ガスの一部を吸気通路に還流させると共に、その通路長が所定長さ以下に設定されたＥＧＲ通路と、該ＥＧＲ通路の途中に介設されかつ、当該ＥＧＲ通路の既燃ガス流量を調整するＥＧＲ制御弁と、該ＥＧＲ制御弁の開度を制御する制御器と、を含んで構成され、
前記エンジン本体は、前記特定運転状態にあるときには、前記気筒内の全ガス重量Ｇと前記気筒内に供給される燃料の重量Ｆとの関係Ｇ／Ｆが、３０≦Ｇ／Ｆ≦６０を満足するように運転され、
前記制御器は、前記エンジン本体が前記特定運転状態にあるときには、前記気筒内の全ガスに対する既燃ガスの体積比（既燃ガス量／気筒内の全ガス量）で定義したＥＧＲ率［％］が、前記エンジン本体の幾何学的圧縮比εに対して、
（１０−α）×（１５−ε）＋２０−α≦ＥＧＲ率≦６０ ［％］ （但しα＝０．２×外気温度［℃］）
を満たすように、前記ＥＧＲ制御弁の開度を制御する自動車搭載用ディーゼルエンジン。
【請求項２】
請求項１に記載の自動車搭載用ディーゼルエンジンにおいて、
前記ＥＧＲ率は、
ＥＧＲ率＝吸気中のＣＯ２濃度／排気中のＣＯ２濃度×１００ ［％］
によって算出される自動車搭載用ディーゼルエンジン。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の自動車搭載用ディーゼルエンジンにおいて、
前記排気通路の一部は、前記エンジン本体の内部に形成されており、
前記ＥＧＲ通路は、前記エンジン本体内に形成された前記排気通路に接続されている自動車搭載用ディーゼルエンジン。
【請求項４】
請求項３に記載の自動車搭載用ディーゼルエンジンにおいて、
前記エンジン本体は、気筒列方向に並んだ複数の気筒を有しており、
前記ＥＧＲ通路の通路長は、前記エンジン本体の前記気筒列方向の長さ以下に設定されている自動車搭載用ディーゼルエンジン。
【請求項５】
自動車に搭載されかつ軽油を主成分とした燃料が供給される気筒を有すると共に、当該気筒の幾何学的圧縮比εが１２以上１５以下に設定されたエンジン本体と、
前記エンジン本体が少なくとも相対的に低負荷かつ低回転である特定運転状態にあるときに、既燃ガスの一部を、前記エンジン本体の気筒内に存在させるＥＧＲ手段と、を備え、
前記ＥＧＲ手段は、排気通路と前記気筒との間に介設された排気弁と、前記排気弁の開閉タイミングを制御する制御器と、を含みかつ、当該制御器が、前記排気弁の閉弁タイミングを、上死点よりも所定のクランク角だけ前の排気行程の途中に設定することで、既燃ガスの一部を前記気筒内に残留させるように構成され、
前記エンジン本体は、前記特定運転状態にあるときには、前記気筒内の全ガス重量Ｇと前記気筒内に供給される燃料の重量Ｆとの関係Ｇ／Ｆが、３０≦Ｇ／Ｆ≦６０を満足するように運転され、
前記制御器は、前記エンジン本体が前記特定運転状態にあるときには、前記排気弁の閉弁タイミングθ［ＢＴＤＣ°ＣＡ］が、前記エンジン本体の幾何学的圧縮比εに対して、
１６×（１５−ε）＋２０≦θ≦８０ ［ＢＴＤＣ°ＣＡ］
を満たすように、前記排気弁の閉弁タイミングを制御する自動車搭載用ディーゼルエンジン。
【請求項６】
請求項５に記載の自動車搭載用ディーゼルエンジンにおいて、
前記排気通路には、排気絞り弁が配設されており、
前記制御器は、前記エンジン本体が前記特定運転状態にあって、前記排気絞り弁を所定開度に閉じたときには、前記排気弁の閉弁タイミングθ［ＢＴＤＣ°ＣＡ］が、前記エンジン本体の幾何学的圧縮比εに対して、
１０×（１５−ε）＋１５≦θ≦８０ ［ＢＴＤＣ°ＣＡ］
を満たすように、前記排気弁の閉弁タイミングを制御する自動車搭載用ディーゼルエンジン。
【請求項１】
自動車に搭載されかつ軽油を主成分とした燃料が供給される気筒を有すると共に、当該気筒の幾何学的圧縮比εが１２以上１５以下に設定されたエンジン本体と、
前記エンジン本体が少なくとも相対的に低負荷かつ低回転である特定運転状態にあるときに、既燃ガスの一部を、前記エンジン本体の気筒内に存在させるＥＧＲ手段と、を備え、
前記ＥＧＲ手段は、少なくともその一部が前記エンジン本体の内部に形成されて、排気通路内の既燃ガスの一部を吸気通路に還流させると共に、その通路長が所定長さ以下に設定されたＥＧＲ通路と、該ＥＧＲ通路の途中に介設されかつ、当該ＥＧＲ通路の既燃ガス流量を調整するＥＧＲ制御弁と、該ＥＧＲ制御弁の開度を制御する制御器と、を含んで構成され、
前記エンジン本体は、前記特定運転状態にあるときには、前記気筒内の全ガス重量Ｇと前記気筒内に供給される燃料の重量Ｆとの関係Ｇ／Ｆが、３０≦Ｇ／Ｆ≦６０を満足するように運転され、
前記制御器は、前記エンジン本体が前記特定運転状態にあるときには、前記気筒内の全ガスに対する既燃ガスの体積比（既燃ガス量／気筒内の全ガス量）で定義したＥＧＲ率［％］が、前記エンジン本体の幾何学的圧縮比εに対して、
（１０−α）×（１５−ε）＋２０−α≦ＥＧＲ率≦６０ ［％］ （但しα＝０．２×外気温度［℃］）
を満たすように、前記ＥＧＲ制御弁の開度を制御する自動車搭載用ディーゼルエンジン。
【請求項２】
請求項１に記載の自動車搭載用ディーゼルエンジンにおいて、
前記ＥＧＲ率は、
ＥＧＲ率＝吸気中のＣＯ２濃度／排気中のＣＯ２濃度×１００ ［％］
によって算出される自動車搭載用ディーゼルエンジン。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の自動車搭載用ディーゼルエンジンにおいて、
前記排気通路の一部は、前記エンジン本体の内部に形成されており、
前記ＥＧＲ通路は、前記エンジン本体内に形成された前記排気通路に接続されている自動車搭載用ディーゼルエンジン。
【請求項４】
請求項３に記載の自動車搭載用ディーゼルエンジンにおいて、
前記エンジン本体は、気筒列方向に並んだ複数の気筒を有しており、
前記ＥＧＲ通路の通路長は、前記エンジン本体の前記気筒列方向の長さ以下に設定されている自動車搭載用ディーゼルエンジン。
【請求項５】
自動車に搭載されかつ軽油を主成分とした燃料が供給される気筒を有すると共に、当該気筒の幾何学的圧縮比εが１２以上１５以下に設定されたエンジン本体と、
前記エンジン本体が少なくとも相対的に低負荷かつ低回転である特定運転状態にあるときに、既燃ガスの一部を、前記エンジン本体の気筒内に存在させるＥＧＲ手段と、を備え、
前記ＥＧＲ手段は、排気通路と前記気筒との間に介設された排気弁と、前記排気弁の開閉タイミングを制御する制御器と、を含みかつ、当該制御器が、前記排気弁の閉弁タイミングを、上死点よりも所定のクランク角だけ前の排気行程の途中に設定することで、既燃ガスの一部を前記気筒内に残留させるように構成され、
前記エンジン本体は、前記特定運転状態にあるときには、前記気筒内の全ガス重量Ｇと前記気筒内に供給される燃料の重量Ｆとの関係Ｇ／Ｆが、３０≦Ｇ／Ｆ≦６０を満足するように運転され、
前記制御器は、前記エンジン本体が前記特定運転状態にあるときには、前記排気弁の閉弁タイミングθ［ＢＴＤＣ°ＣＡ］が、前記エンジン本体の幾何学的圧縮比εに対して、
１６×（１５−ε）＋２０≦θ≦８０ ［ＢＴＤＣ°ＣＡ］
を満たすように、前記排気弁の閉弁タイミングを制御する自動車搭載用ディーゼルエンジン。
【請求項６】
請求項５に記載の自動車搭載用ディーゼルエンジンにおいて、
前記排気通路には、排気絞り弁が配設されており、
前記制御器は、前記エンジン本体が前記特定運転状態にあって、前記排気絞り弁を所定開度に閉じたときには、前記排気弁の閉弁タイミングθ［ＢＴＤＣ°ＣＡ］が、前記エンジン本体の幾何学的圧縮比εに対して、
１０×（１５−ε）＋１５≦θ≦８０ ［ＢＴＤＣ°ＣＡ］
を満たすように、前記排気弁の閉弁タイミングを制御する自動車搭載用ディーゼルエンジン。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−１４０９１７（Ｐ２０１２−１４０９１７Ａ）
【公開日】平成２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−３９６（Ｐ２０１１−３９６）
【出願日】平成２３年１月５日（２０１１．１．５）
【出願人】（０００００３１３７）マツダ株式会社 (6,115)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月５日（２０１１．１．５）
【出願人】（０００００３１３７）マツダ株式会社 (6,115)
【Ｆターム（参考）】
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