JP2008051017A - 予混合圧縮自着火内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】 残留ガスを用いて失火を生じない自着火燃焼を行わせつつ逆流ガスを用いて混合ガス温度を精度良く調整することが可能な予混合圧縮自着火内燃機関を提供すること。
【解決手段】 排気弁電磁駆動機構及び吸気弁電磁駆動機構は、第１排気弁開弁期間EX1及び吸気弁開弁期間INの負のオーバーラップにより既燃ガスの一部を残留ガスとして燃焼室内に残留させる。排気弁電磁駆動機構は吸気行程内の第２排気弁開弁期間EX2における排気弁の開弁により、既燃ガスの他の一部を逆流ガスとして排気ポートから燃焼室内へと逆流させる。逆流ガスの温度は残留ガスよりもやや低い。アクセル開度センサはアクセル操作量を検出し、この操作量は機関の負荷を表す。ＣＰＵは高負荷側運転時において、逆流ガス量に対する残留ガス量の比率が低負荷側運転時よりも小さくなるように、第１排気弁開弁期間EX1及び第２排気弁開弁期間EX2の終了タイミングを遅角させる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、圧縮行程にて燃焼室内の混合ガスを圧縮することにより自着火（自己着火）させ、膨張行程にてこの自着火した混合ガスを燃焼させる予混合圧縮自着火内燃機関（以下、単に「機関」ということがある。）に関する。

従来から知られたこの種の機関の一つは、空気、燃料及び既燃ガス（排ガス）を含むガスを燃焼させることにより、自着火燃焼を制御するようになっている。より具体的に述べると、この機関は外部ＥＧＲシステム又は内部ＥＧＲシステムを利用している。

外部ＥＧＲシステムは、排気還流用管路、ＥＧＲ弁及び熱交換器等を備える周知のシステムである。この外部ＥＧＲシステムは、燃焼室から排出された既燃ガスを熱交換器により冷却し、冷却された既燃ガスを排気還流用管路を通して機関の吸気系に戻す（還流させる）ことにより、燃焼室へと既燃ガスを流入させる。以下、この外部ＥＧＲシステムにより燃焼室に導入されるガスを「還流ガス」という。燃焼室へと流入する還流ガスの量は、ＥＧＲ弁の開度を変更することにより調整される。

内部ＥＧＲシステムの一つは、吸気動作中の所定の開弁期間において排気弁を開くことにより、排気ポートから燃焼室へと既燃ガスを逆流させるようになっている。この逆流する既燃ガスを「逆流ガス」という。逆流ガスの量は、吸気動作中の開弁期間を変更することにより調整される。また、内部ＥＧＲシステムの他の一つは、排気動作を終了するため排気弁を閉じた後に吸気動作を開始するため吸気弁を開き、この所謂「排気弁及び吸気弁の負のオーバーラップ」を利用して燃焼室に既燃ガスを残留させる。ここで燃焼室に残留する既燃ガスを「残留ガス」という。残留ガスの量は、負のオーバーラップ期間を変更することにより調整される。

例えば特許文献１に開示されている機関は、これら冷却された還流ガス及びより高温の逆流ガスの双方を用いる機関であって、還流ガス量及び逆流ガス量の比率を機関の負荷に応じて変化させるようになっている。即ち、この従来の機関は低負荷運転時に逆流ガスをより多くすることによって、自着火すべきタイミングにおける燃焼室内の混合ガスの温度（混合ガスが燃焼し始める圧縮端温度）をより高めて失火を防ぎ自着火による燃焼を安定させる。一方、この機関は高負荷運転時に還流ガスをより多くすることによって、自着火のタイミング前後における燃焼室内の過度の温度上昇を抑えて異常燃焼（過早着火又はノッキング等）を防いでいる。また、この特許文献１において、逆流ガスと残留ガスとを互いに置換可能な内部ＥＧＲガスとして扱うことができることが開示されている。即ち、その開示されている機関は、還流ガス量と逆流ガス量との比率に代えて、還流ガス量と残留ガス量との比率を機関の負荷に応じて変更するようになっている。

しかしながら、従来の機関において燃焼室内へと高負荷運転時により多く流入させる還流ガスは冷却されているから、燃焼室内の混合ガスの温度はその流入させる還流ガスの量が僅かに増大しただけで大きく低下してしまう。つまり、自着火のタイミングを制御するために混合ガスの温度を精度良く調整することが重要であるにもかかわらず、従来の機関では混合ガスの温度を微調整することが難しく、その結果、混合ガスが圧縮端温度に至って自着火するタイミングを十分精密に制御することが困難になっている。
特開２００５−１６４０７号公報

従って、本発明の目的の１つは、残留ガスを用いて失火等を生じない安定した自着火燃焼を行わせつつ、逆流ガスを用いて混合ガスの温度をより細やかに調整することが可能な予混合圧縮自着火内燃機関を提供することにある。

本発明に係る予混合圧縮自着火内燃機関は、吸気、圧縮、膨張及び排気の各動作を順に含む燃焼サイクルを所定数のシリンダにて順次実行する。本機関は各シリンダ内に形成された燃焼室において、空気と燃料とを含む混合ガスを圧縮することにより自着火させて燃焼させるようになっており、残留ガス生成手段と、逆流ガス生成手段と、出力状態検出手段と、比率制御手段とを備える。

残留ガス生成手段は、前回の燃焼サイクルにおいて混合ガスの燃焼により燃焼室内に生じた既燃ガスのうちの一部が残留ガスとして、前回の次ぎになる今回の燃焼サイクルにおいて燃焼する混合ガス中に含まれるように、この既燃ガスの一部を燃焼室内に残留させる。

逆流ガス生成手段は、前回の燃焼サイクルにおいて生じた後に排気動作により燃焼室から排気ポートへと一旦排出されたガスの一部となる既燃ガスのうちの他の一部が逆流ガスとして、今回の燃焼サイクルにおいて燃焼する混合ガス中に含まれるように、この既燃ガスの他の一部を燃焼室内に逆流させる。排気ポート内やバルブシートは燃焼室内よりも温度が低いから、逆流ガスは排気ポートやバルブシートに熱を奪われ、その温度は上記残留ガスよりもやや低くなる。その一方、逆流ガスの温度は前述した還流ガスの温度よりも高い。

出力状態検出手段は、機関の出力に応じて変化する出力状態値を検出する。具体的には、後述のように、この出力状態値として機関の負荷又は回転速度を用いる。更に、この出力状態値に機関のトルク、燃焼室内のガス又は排ガスの温度、圧縮上死点又は燃焼時前後における燃焼室内のガスの圧力などを用いてもよい。比率制御手段は、この検出された出力状態値に応じた機関の出力が大きくなるほど、上記逆流させられる逆流ガスの量に対する上記残留させられる残留ガスの量の比率がより小さくなるように、上記残留ガス生成手段及び上記逆流ガス生成手段の少なくとも一方を制御する。

本機関によれば、機関の出力が大きくなるほど、上記逆流させられる逆流ガスの量に対する上記残留させられる残留ガスの量の比率がより小さくなるように調整される。その結果、低出力運転時において残留ガス量の比率はより大きいから、失火を生じさせることなく自着火による燃焼をより安定させることができる。また、高出力運転時において、本機関は異常燃焼を防ぐために従来のように冷却された還流ガスの比率を高めるのではなく、残留ガスよりもやや温度が低い逆流ガスの比率を高めている。そのため、混合ガスの温度をより細やかに精度良く調整することが可能となる。これにより、低出力運転時か高出力運転時かに関わらず自着火のタイミングを適切に制御することができる。

本発明の予混合圧縮自着火内燃機関において、出力状態検出手段は出力状態値として機関の負荷を検出してよい。機関の負荷は、例えば吸入空気量、スロットル弁開度、アクセルペダルの操作量若しくは燃料噴射量などにより表すことが可能であるから、出力状態検出手段はこれらの何れかを検出する。ここでは、比率制御手段は上記残留ガス生成手段及び上記逆流ガス生成手段の少なくとも一方を、検出された機関の負荷が大きくなるほど逆流ガス量に対する残留ガス量の比率がより小さくなるように制御する。

通常、高負荷運転時には吸入空気量及び燃料噴射量が多くなり燃焼室内はより高温となるから、異常燃焼が生じやすくなる。これに対して、本機関では、高負荷運転時において残留ガス量の比率がより小さく調整されており、これによって高負荷運転時において混合ガスの圧縮端温度が過度に上昇して過早着火等の異常燃焼が起きることを防ぐことができる。

また、本発明の予混合圧縮自着火内燃機関において、出力状態検出手段は出力状態値として機関の回転速度を検出してもよい。ここでは、比率制御手段は上記残留ガス生成手段及び上記逆流ガス生成手段の少なくとも一方を、検出された機関の回転速度が大きくなるほど逆流ガス量に対する残留ガス量の比率がより小さくなるように制御する。

通常、高速運転時には排気動作のため排気弁を開く時間が短くなるから、既燃ガス自体が燃焼室内に留まろうとする慣性により既燃ガスが排気ポートへと排出され難くなる。そのため、高速運転時に残留ガス量が増加する。これとともに高速運転時には既燃ガスから燃焼室の側壁面への伝熱時間が短くなる。これらにより高速運転時に混合ガスの温度がより高くなる。これに対して、本機関では、高速運転時において残留ガス量の比率がより小さく調整されており、これによって高速運転時における異常燃焼が防がれている。

この機関は、検出された機関の回転速度が大きいほど燃焼室に吸入される空気の量をより多くするガス量調節手段を更に備えていることが好ましい。例えば、この高速運転時における吸入ガスの増量は、アクセル開度に対するスロットル弁開度を通常時よりも大きくするように補正することにより、またターボチャージャにより上昇される過給圧を通常時よりも大きな値に補正することにより行われる。これによると、高速運転時において、残留ガス又は逆流ガスよりも低温の空気が燃焼室内に多量に吸入されるから、混合ガスの圧縮端温度をより有効に低下させて異常燃焼を防ぐことができる。

本機関において、残留ガス生成手段は、前回の燃焼サイクル中の排気動作を行う期間である第１排気弁開弁期間にて排気弁を開くとともに今回の燃焼サイクル中の吸気動作を行う期間である吸気弁開弁期間にて吸気弁を開くことにより、混合ガスの燃焼により燃焼室内に生じた上記既燃ガスのうちの一部を上記残留ガスとして燃焼室内に残留させることが望ましい。そして、逆流ガス生成手段は、今回の燃焼サイクル中の吸気弁開弁期間内に開始タイミングを有する第２排気弁開弁期間にて排気弁を開くことにより、燃焼室から一旦排出されたガスの一部となる上記既燃ガスの他の一部を上記逆流ガスとして燃焼室内へと逆流させることが望ましい。これによると、混合ガスの温度を微調整する等といった効果が、排気弁及び吸気弁の開閉タイミングを変更するための簡便な構成により達せられ、複雑な構造を要しない。そのため、機関の製造コストを低く抑えることができる。

上述した機関においてシリンダは、（１）直列型に３気筒又はＶ型に各列３気筒ずつ６気筒配置してよい。以下、上述した機関において、このようなシリンダ配置を有する機関を単に「直列３気筒等の機関」と称する。この直列３気筒等の機関において、上記比率制御手段は上記逆流ガス生成手段を制御することによって、上記出力状態検出手段により検出された出力状態値（即ち、負荷又は回転速度等）が大きくなるほど第２排気弁開弁期間の終了タイミングをより遅らせるようになっていることが好ましい（図５の（Ａ）を参照。）。

ところで、一のシリンダにおける第２排気弁開弁期間は一般に吸気行程の中期から後期にかけての期間が設定される。そのため、直列３気筒等の機関においてこの第２排気弁開弁期間の初期は、他のシリンダの排気弁が開かれた直後にブローダウンが生ずるタイミングと略前後して重なり、その排気圧力（排気ポート、排気マニホールド及び排気管の近傍の圧力）は急激に変動して安定しない。一方、この第２排気弁開弁期間の後期における排気圧力は比較的安定している。

この第２排気弁開弁期間についてより具体的に説明する。本機関を直列３気筒機関として、各シリンダを、機関の出力を取り出す側と離れた位置から順に第１シリンダ、第２シリンダ、第３シリンダと特定する。第１シリンダにおける第２排気弁開弁期間（図４のシリンダ#1の第２排気弁開弁期間EX2）の初期は、第３シリンダにおける第１排気弁開弁期間（同図４のシリンダ#3の排気弁開弁期間EX1）の初期と重なり、この第３シリンダによるブローダウンが生じた直後のタイミングとなっている（同図４のＢＤ#3の実線を参照。）。ブローダウンによって排気圧力（同図４の排気圧力PE）は急激に上昇し、その後急激に下降する。このブローダウン前後のタイミングにて燃焼室内へと吸入される逆流ガスの量を調整しようとしても、その逆流ガスの量はその排気弁を開く度に大きく変動する可能性があり、また排気弁を開くタイミングの僅かな変化に対してその逆流ガス量は大きく変動してしまう。即ち、第２排気弁開弁期間における逆流ガス量を、その第２排気弁開弁期間の開始タイミングを変更することによって微調整することは難しい。これに対し、第２排気弁開弁期間の後期において排気圧力は比較的変化が乏しく安定しているから、このタイミングの前後にて逆流ガスを吸入すると、その逆流ガス量は安定している。つまり、第２排気弁開弁期間における逆流ガス量を、その第２排気弁開弁期間の終了タイミングを変更することによって微調整することが可能である。

従って、直列３気筒等の機関において上記検出された出力状態値（例えば負荷）が大きいほど、第２排気弁開弁期間の終了タイミングをより遅らせて逆流ガスを増やすことによって、他のシリンダのブローダウンによる影響が防がれつつ混合ガスの温度が微調整される。

また、直列３気筒等の機関において開始タイミング制御手段を更に設けてもよい。この開始タイミング制御手段は上記残留ガス生成手段を制御することによって、上記検出された出力状態値が大きくなるほど第１排気弁開弁期間の開始タイミングをより遅らせるようにこの開始タイミングを調節する（図５の（Ｂ）を参照。）。この場合、比率制御手段は上記逆流ガス生成手段を制御することによって、第２排気弁開弁期間の開始タイミングを、開始タイミング制御手段により調節される第１排気弁開弁期間の開始タイミングに対し予め調整されているタイミングまで遅らせる。

開始タイミング制御手段による第１排気弁開弁期間の開始タイミングの上述した調整は、例えば機関の膨張比を変更することを目的として行われる。即ち、ここでは、高負荷運転時において第１排気弁開弁期間の開始タイミング（及び終了タイミング）を低負荷側自着火運転時よりも遅角させ、これにより膨張比をより大きくする。このように膨張比を大きくすることにより熱効率が高められる。一方、低負荷側自着火運転時においてこの第１排気弁開弁期間の開始タイミング（及び終了タイミング）を高負荷運転時よりも進角させ、これにより膨張比を小さくする。既燃ガスを十分に断熱膨張させると温度が低下してしまうが、この第１排気弁開弁期間の進角によってその温度低下が抑えられる。また、この第１排気弁開弁期間の開始タイミングの調整は、残留ガス量を調整することを目的として行ってもよい。

更に、前述したように、直列３気筒又はＶ型６気筒等の機関では、一のシリンダにおける第２排気弁開弁期間の初期は他のシリンダにおける排気行程の初期と重なり、逆流ガス量（第２排気弁開弁期間における排気ポートからの既燃ガスの吸入量）を安定させることは難しい。これに対し、本機関のように、開始タイミング制御手段による第１排気弁開弁期間の開始タイミングの変更に合わせて、第２排気弁開弁期間の開始タイミングを予め調整されたタイミングまで遅らせれば、他のシリンダのブローダウンにより逆流ガス量が変動することを抑えることができる。（当然ながら、機関が有する複数のシリンダは同じように排気弁開弁期間の開始タイミングを調節され、また同じように第２排気弁開弁期間を変更されることを前提としている。）

加えて、先述した機関においてシリンダは、（２）直列型に４気筒又はＶ型に各列４気筒ずつ８気筒配置してもよい。以下、先述した機関において、このようなシリンダ配置を有する機関を単に「直列４気筒等の機関」と称する。直列４気筒等の機関において、上記比率制御手段は上記逆流ガス生成手段を制御することによって、上記出力状態検出手段により検出された出力状態値が大きくなるほど第２排気弁開弁期間の開始タイミングをより進めるようになっていることが望ましい（図５の（Ｃ）を参照。）。

第２排気弁開弁期間につきより具体的に説明する。本機関を直列４気筒機関として、上述と同様に、各シリンダを、出力側と離れた位置から順に第１シリンダ、第２シリンダ、第３シリンダ、第４シリンダと特定する。このとき、第１シリンダにおける第２排気弁開弁期間（図８のシリンダ#1の第２排気弁開弁期間EX2）の後期は、第４シリンダにおける第１排気弁開弁期間（同図８のシリンダ#4の第１排気弁開弁期間EX1）の初期と重なる。即ち、第１シリンダの第２排気弁開弁期間の後期は、第４シリンダによるブローダウンが生ずるタイミングとなっている。このブローダウン前後に排気圧力は激しく上下する（同図８のＢＤ#4の実線を参照。）。これに対して、第２排気弁開弁期間の初期における排気圧力は比較的安定している。

従って、直列４気筒機関等においては検出された出力状態値が大きいほど第２排気弁開弁期間の開始タイミングをより進めることにより逆流ガスを増やすことによって、第２排気弁開弁期間が他のシリンダのブローダウンと重なり、第２排気弁開弁期間における逆流ガス量がそのブローダウンの影響を受けて急激に変動することを防ぐことができる。

また、直列４気筒等の機関において別の開始タイミング制御手段を更に設けてもよい。この開始タイミング制御手段は上記残留ガス生成手段を制御することによって、上記検出された出力状態値が大きくなるほど第１排気弁開弁期間の開始タイミングをより遅らせるようにこの開始タイミングを調節する（図５の（Ｄ）を参照。）。このとき、比率制御手段は上記逆流ガス生成手段を制御することによって、第２排気弁開弁期間の終了タイミングを、開始タイミング制御手段により調節される第１排気弁開弁期間の開始タイミングに対し予め調整されているタイミングまで遅らせる。これによって、他のシリンダのブローダウンによる悪影響を回避することができる。

以下、本発明による予混合圧縮自着火内燃機関の各実施形態について図面を参照しつつ説明する。

ａ．第１実施形態
図１は第１実施形態に係る内燃機関の概略構成を示している。この内燃機関１０は４ストローク直列３気筒機関である。即ち、機関１０が有する３つのシリンダは（紙面と垂直な方向に）一列に並べて配置されており、各シリンダにおいて順次実行される１つの燃焼サイクルは順に吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程を含んでいる。また、機関１０は自着火運転方式と火花点火運転方式とを切り替えて運転するようになっている。なお、この図１には１つのシリンダの縦断面のみを示しているが、他のシリンダも同様の構成を備えている。

機関１０は、シリンダブロック、シリンダブロックロワーケース及びオイルパン等を含むシリンダブロック部２０と、シリンダブロック部２０の上に固定されるシリンダヘッド部３０と、シリンダブロック部２０に空気（新気）を供給するための吸気系４０と、シリンダブロック部２０からの排ガスを外部に放出するための排気系５０とを含んでいる。

シリンダブロック部２０は、シリンダ２１、ピストン２２、コンロッド２３及びクランク軸２４を含んでいる。ピストン２２はシリンダ２１内を往復動し、この往復動がコンロッド２３を通じてクランク軸２４に伝達され、これによりクランク軸２４が回転するようになっている。シリンダ２１の側壁面とピストン２２の頂面とは、シリンダヘッド部３０の下面とともにペントルーフ型の燃焼室２５を形成している。

シリンダヘッド部３０は、混合ガス（少なくとも空気と燃料とを含む。）を燃焼室２５内へと吸入させるための燃焼室２５に連通した吸気ポート３１、吸気ポート３１を開閉するための吸気弁３２、駆動回路３３に接続されていてこの駆動回路３３からの駆動信号に応答して吸気弁３２を電磁的に開閉する吸気弁電磁駆動機構３２ａを備えている。この吸気弁電磁駆動機構３２ａは吸気弁３２の開閉に先立って予め設定された開閉タイミング（クランク角度）にてまた予め設定されたリフト量VLだけ吸気弁３２を開くようになっている。ＣＰＵ７１はこの開閉タイミング及びリフト量VLを機関１０の負荷に応じて可変に設定することが可能である。後述する排気弁電磁駆動機構３８ａについても同様である。

また、シリンダヘッド部３０は、燃焼室２５内に、吸気行程中の所定のタイミングにて、混合ガスを形成するための燃料をこの燃焼室２５内の上部に向けて直接噴射する直噴弁３４、及び、燃焼室２５内の上部に露呈した電極部における火花放電より混合ガスに火花点火する点火プラグ３５を備えている。直噴弁３４には図示しない蓄圧室、燃料ポンプ及び燃料タンクが順に接続されている。これら蓄圧室、燃料ポンプ及び燃料タンクは機関１０に１つずつ設けられ、３つのシリンダに設けられた各直噴弁の間で共用される。燃料ポンプは燃料タンク内の燃料を高圧にしてから蓄圧室に供給し、蓄圧室は高圧の燃料を貯蔵するようになっている。直噴弁３４は、駆動信号（燃料噴射信号）に応答して開いたとき、蓄圧室から燃焼室２５内へと高圧の燃料を噴射するようになっている。点火プラグ３５には、この点火プラグ３５に与える高電圧を発生するイグニッションコイルを含むイグナイタ３６が接続されている。点火プラグ３５は火花点火運転時に混合ガスへの火花点火を行い、自着火運転時に火花点火を停止するように制御されるようになっている。

更に、シリンダヘッド部３０は、既燃ガス（混合ガスの燃焼により生じたガス）を燃焼室２５から排出させるための燃焼室２５に連通した排気ポート３７、排気ポート３７を開閉するための排気弁３８、及び、駆動回路３３に接続されていて駆動回路３３からの駆動信号に応答して排気弁３８を電磁的に開閉する排気弁電磁駆動機構３８ａを備えている。

吸気系４０は、下流側となる各シリンダの吸気ポート３１へとそれぞれ枝分かれして連通した吸気マニホールド４１、この吸気マニホールド４１の上流側への集合部となるサージタンク４２、サージタンク４２に一端が接続された吸気ダクト４３、吸気ダクト４３の他端部から下流に向けて吸気マニホールド４１側へと順に吸気ダクト４３に配設されたエアフィルタ４４、ターボチャージャ８１のコンプレッサ８１ａ、バイパス流量調整弁４５、インタークーラ４６及びスロットル弁４７を備えている。

加えて、吸気系４０は、インタークーラ４６をバイパスするためのバイパス通路４８を備えている。このバイパス通路４８の一端はバイパス流量調整弁４５と接続されており、その他端はインタークーラ４６とスロットル弁４７の間の位置にて吸気ダクト４３に接続されている。バイパス流量調整弁４５は、駆動信号に応答してバルブ開度を変更することにより、インタークーラ４６へと流入する空気量と、バイパス通路４８へと流入する空気量（インタークーラ４６をバイパスする空気量）とを調整できるようになっている。このインタークーラ４６は本例では水冷式であって、吸気ダクト４３を通過していく空気を冷却するようになっている。

スロットル弁４７は吸気ダクト４３内においてこの吸気ダクト４３に回動可能に支持されており、スロットルモータ４７ａに接続されている。スロットルモータ４７ａはスロットル弁４７を回転駆動し、これにより吸気ダクト４３の開口断面積を変更するようになっている。

排気系５０は、上流側となる各シリンダの排気ポート３７へとそれぞれ枝分かれして連通した通路と、この各通路を下流側にて合流させる集合部とからなる排気マニホールド５１、排気マニホールド５１の集合部の下流にてこの集合部から連通した排気管５２、排気管５２内に配設されたターボチャージャ８１のタービン８１ｂ、排ガスがタービン８１ｂをバイパスするように両端がこのタービン８１ｂの上流及び下流にて排気管５２に連通したウェイストゲート通路５３、ウェイストゲート通路５３に配設された過給圧調整弁５３ａ、及び、タービン８１ｂの下流の排気管５２に配設された三元触媒５４を備えている。

これらのように吸気系４０と排気系５０との各部を配置することによって、ターボチャージャ８１のタービン８１ｂは排ガスのエネルギーにより回転し、このタービン８１ｂの回転がタービン８１ｂと同軸上のコンプレッサ８１ａへと伝わり、この伝えられた回転によりコンプレッサ８１ａ内の空気が圧縮される。ターボチャージャ８１はこのようにして機関１０に空気を過給するようになっている。また、過給圧調整弁５３ａはタービン８１ｂへと流入していく排ガスの量を駆動信号に応答して調整し、これにより吸気マニホールド４１内の圧力（過給圧）を調整するようになっている。

機関１０はエアフローメータ６１、クランクポジションセンサ６２及びアクセル開度センサ６３を備えている。エアフローメータ６１は吸入されていく空気量Gaを表す信号を出力するようになっている。クランクポジションセンサ６２は、クランク軸２４が１０°回転する毎に幅狭のパルスを有するとともにクランク軸２４が３６０°回転する毎に幅広のパルスを有する信号を出力するようになっている。この幅広のパルス信号が機関１０の回転速度NEを表す。アクセル開度センサ６３は、運転者により操作されるアクセルペダル８２の操作量Accpを表す信号を出力するようになっている。

電気制御装置７０は、互いにバス接続されたＣＰＵ７１、ＣＰＵ７１が実行するルーチン（プログラム）、テーブル（ルックアップテーブル、マップ）、定数等を予め記憶したＲＯＭ７２、ＣＰＵ７１が必要に応じてデータを一時的に格納するＲＡＭ７３、電源が投入された状態でデータを格納するとともにこの格納したデータを電源が遮断されている間も保持するバックアップＲＡＭ７４、並びに、ＡＤコンバータを含むインターフェース７５等からなるマイクロコンピュータである。インターフェース７５は上記センサ６１〜６３と接続され、ＣＰＵ７１にセンサ６１〜６３からの信号を供給するようになっている。また、インターフェース７５は駆動回路３３、直噴弁３４、イグナイタ３６、バイパス流量調整弁４５、スロットルモータ４７ａ及び過給圧調整弁５３ａと接続されていて、ＣＰＵ７１の指示に応じてこれらに駆動信号を送出するようになっている。

加えて、電気制御装置７０は、自着火運転方式と火花点火運転方式との切り替え制御を機関１０の負荷L及び回転速度NEに応じて行い、更に、各運転方式に応じて吸気弁３２及び排気弁３８の開閉タイミング及びリフト量VL、直噴弁３４による燃料の噴射タイミング及び噴射量、点火プラク３５による火花点火の有無などを設定するようになっている。本例では機関１０の負荷Lをアクセルペダル８２の操作量Accpにより表す。

この運転方式の切り替えについてより具体的に説明する。先ず電気制御装置７０のＲＯＭ７２には図２に示した運転領域マップが記憶されている。この運転領域マップは低負荷側自着火運転方式、高負荷側（中高負荷側）自着火運転方式及び火花点火運転方式と、機関１０の負荷L（アクセルペダル８２の操作量Accp）及び回転速度NEとの関係を規定する。運転領域マップ中に示した低負荷側自着火領域Ｒ１及び高負荷側自着火領域Ｒ２において自着火運転方式による運転及び火花点火運転方式による運転が可能である。低負荷側自着火領域Ｒ１は全運転領域のうち、低負荷であって且つ低回転速度から中回転速度の領域であり、高負荷側自着火領域Ｒ２は低負荷側自着火領域Ｒ１よりも高負荷側となる領域である。低負荷側自着火領域Ｒ１及び高負荷側自着火領域Ｒ２は、運転中に大きな燃焼騒音や失火が発生しないこと等に基づいてその範囲が予め設定されている。後述するように、低負荷側自着火領域Ｒ１と高負荷側自着火領域Ｒ２との間では、吸気弁３２及び排気弁３８を開閉するタイミングが異なっている。

また、運転領域マップ中の火花点火領域Ｒ３においては火花点火運転方式による運転のみが可能である。火花点火領域Ｒ３は全運転領域から自着火領域Ｒ１，Ｒ２を除いた領域であって、全運転領域のうち「極低負荷又は高負荷であって且つ低回転速度から中回転速度の領域」及び「極低負荷から高負荷であって且つ高回転速度の領域」である。

（残留ガス量及び逆流ガス量の比率の調整）
機関１０の特徴の１つは自着火運転時において、低負荷側での運転（低負荷側自着火領域Ｒ１における運転）と高負荷側での運転（高負荷側自着火領域Ｒ２における運転）との間で吸気弁３２及び排気弁３８の開閉タイミングを異ならせることにある。これによって、燃焼室２５内における残留ガスの量と逆流ガスの量との比率を調整する。ここで、残留ガスとは排気行程において排気を終了したタイミングにて燃焼室２５内に残留している既燃ガスをいう。また、逆流ガスとは吸気行程内に開始タイミングを有する所定期間において排気弁３８を開くことによって排気ポート３７から燃焼室２５内へと逆流する既燃ガスをいう。

図３は自着火運転時における各シリンダの吸気弁３２及び排気弁３８のクランク角度CAに応じたリフト量VLの変化を模式的に示している。曲線Ｃ１は、低負荷側自着火運転時における排気動作のために開閉させる排気弁３８のリフト量VLの変化を表しており、曲線Ｃ２は、高負荷側自着火運転時における排気動作のために開閉させる排気弁３８のリフト量VLの変化を表している。曲線Ｃ３は、低負荷側自着火運転時及び高負荷側自着火運転時における吸気動作のために開閉させる吸気弁３２のリフト量VLの変化を表している。曲線Ｃ４は、低負荷側自着火運転時における逆流ガスの吸入のために開閉させる排気弁３８のリフト量VLの変化を表しており、曲線Ｃ５は、高負荷側自着火運転時における逆流ガスの吸入のために開閉させる排気弁３８のリフト量VLの変化を表している。

１つの燃焼サイクルは上述のように吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程を順に含んでいる。これら４つの行程のそれぞれはクランク角にして１８０°毎の行程であり、且つピストン位置にしてＴＤＣ（上死点）からＢＤＣ（下死点）まで又はＢＤＣからＴＤＣまでの行程である。ここでは、１つのシリンダにおける吸気弁３２及び排気弁３８等の作動について説明するが、他のシリンダにおいても吸気弁及び排気弁等が同様に作動するようになっている。機関１０が有する３つのシリンダについて、機関１０の出力が取り出される側から離れた位置にあるシリンダから順に第１シリンダ、第２シリンダ、第３シリンダという。機関１０における燃焼順序は、第１シリンダ→第３シリンダ→第２シリンダである。連続して燃焼を迎える２つのシリンダの間の位相差はクランク角にして２４０°と全て等しい。先ず低負荷側自着火運転時について、便宜上、前回の燃焼サイクルの後半における膨張行程及び排気行程から説明を始め、今回の燃焼サイクルの前半における吸気行程及び圧縮行程へと順に説明を続ける。

膨張行程は同図３に示したように圧縮ＴＤＣから膨張ＢＤＣまでの行程である。この膨張行程においてはその初期から燃焼室２５内にて自着火した混合ガスが燃焼して既燃ガスとなっていき、この燃焼の際に生じたガスの圧力がピストン２２を押し下げていく。そして、膨張行程後期にてクランク角が所定のクランク角度CAeo1となったとき、ＣＰＵ７１は駆動回路３３に駆動信号を送出して排気弁電磁駆動機構３８ａを駆動することにより、閉じていた排気弁３８を開く。この排気弁３８の開弁によって高温高圧となっている既燃ガスが燃焼室２５内から排気ポート３７へと排出される。排気弁３８を開いた直後から少しの間においてブローダウンが生じる。即ち、既燃ガスが排気ポート３７を通じて排気系５０へと一気に噴出し、排気圧力PE（排気ポート３７から排気管５２にかけての圧力）が一時的に急上昇する。この排気弁３８が開かれるタイミングCAeo1の直後当たりまでに、燃焼して膨張するガスがピストン２２を押し下げる仕事が終わる。つまり、このタイミングCAeo1により膨張比が決まる。

排気行程は膨張ＢＤＣから排気ＴＤＣまでの行程である。この排気行程においてその初期から既燃ガスが排気ポート３７へと排出され続けている。そして、排気行程後期に入りクランク角が所定のクランク角度CAec1となったとき、ＣＰＵ７１は排気弁電磁駆動機構３８ａを駆動することにより、その開いていた排気弁３８を閉じる。この排気弁３８の閉弁により燃焼室２５内にある既燃ガスの排出が終わる。排気行程における排気弁３８の開弁期間、即ち排気弁３８が開かれるタイミングCAeo1から閉じられるタイミングCAec1までの期間を第１排気弁開弁期間EX1という。次いで、排気行程末期にてクランク角が所定のクランク角度CAioとなったとき、ＣＰＵ７１は駆動回路３３に駆動信号を送出して吸気弁電磁駆動機構３２ａを駆動することにより、閉じていた吸気弁３２を開く。この吸気弁３２の開弁により、吸気ポート３２から燃焼室２５内へと空気が吸入され始める。

ここで、排気行程の後期にて排気弁３８が閉じられるタイミングCAec1と、この排気行程の末期にて吸気弁３２が開かれるタイミングCAioとは、燃焼室２５内に所定量の残留ガスが生成されるように予め調整されている。つまり、先の膨張行程にて生じた既燃ガスの一部が残留ガスとして、続く排気行程にて燃焼室２５内から排出されることなく吸気弁開弁期間INの開始タイミングCAioまで残留し、この残留ガスがこれ以降の行程に供されるようになっている。この吸気弁開弁期間INとは、吸気行程における吸気弁３２の開弁期間、言い換えれば吸気弁３２が開かれるタイミングCAioから閉じられる所定のタイミングCAicまでの期間をいう。そして、排気ＴＤＣに対して第１排気弁開弁期間EX1の終了タイミングCAec1及び吸気弁開弁期間INの開始タイミングCAioを調整することによって、即ち、排気ＴＤＣ前後において第１排気弁開弁期間EX1と吸気弁開弁期間INとの間で負又は正のオーバーラップを調整することによって、燃焼室２５内に残る残留ガスの量を増減することが可能である。

吸気行程は排気ＴＤＣから吸気ＢＤＣまでの行程である。吸気行程初期より空気が吸気ポート３１から燃焼室２５内へと吸入され続けている。その後、吸気行程中期に入る直前頃に、クランク角が所定のクランク角度CAdとなったとき、ＣＰＵ７１は直噴弁３４を開くことにより、燃焼室２５内に向けて燃料を噴射させる。この噴射された燃料と燃焼室２５内の空気とによって混合ガスが形成される。その後、吸気行程の中頃にてクランク角が所定のクランク角度CAeo2となったとき、ＣＰＵ７１は排気弁電磁駆動機構３８ａを駆動することにより、閉じていた排気弁３８を再び開く。この排気弁３８の再開弁により、既燃ガスが排気ポート３７から燃焼室２５内へと逆流ガスとして吸入され始める。一方、この間においても吸気ポート３１から燃焼室２５内へと空気が吸入され続けている。逆流ガスと空気と混合ガスとは交じり合って略均質なガスとなっていく。次いで、吸気行程後期にてクランク角が所定のクランク角度CAec2となったとき、ＣＰＵ７１は上述と同様にしてその開いていた排気弁３８を閉じる。この排気弁３８の閉弁により、燃焼室２５内への逆流ガスの吸入が終わる。吸気行程におけるこの排気弁３８の開弁期間、即ち排気弁３８が開かれるタイミングCAeo2から閉じられるCAec2までの期間を第２排気弁開弁期間EX2という。この第２排気弁開弁期間EX2を調整することによって、燃焼室２５内へと吸入される逆流ガスの量を増減することが可能である。

圧縮行程は吸気ＢＤＣから圧縮ＴＤＣまでの行程である。圧縮行程初期からピストン２２が上昇していき、これに伴い燃焼室２５内にて混合ガスが圧縮されていく。クランク角がクランク角度CAicとなったとき、ＣＰＵ７１は吸気弁電磁駆動機構３２ａを駆動することにより、その開いていた吸気弁３２を閉じる。燃焼室２５内への空気の流入は空気の慣性により吸気ＢＤＣ通過後も少しの間だけ続くが、この流入も吸気弁３２の閉弁によって終わる。本例では、この吸気弁開弁期間INの一部として第２排気弁開弁期間EX2が含まれている。その後、圧縮行程後期にかけて燃焼室２５内の混合ガスは圧縮されることにより高温高圧となる。この混合ガスは圧縮ＴＤＣ直前に自着火し、膨張行程にて激しく燃焼する。この混合ガスの自着火による燃焼がピストン２２を押し下げ、機関１０の動力を生み出す。

これらのようにして１サイクル分の燃焼サイクルが終わる。上述のように膨張行程後期から、この燃焼により生じた既燃ガスの排出が始まり、この燃焼サイクルが繰り返し実行されていく。

以上に示した低負荷側自着火運転時のシリンダにおける吸気弁３２及び排気弁３８の作動に対し、高負荷側自着火運転時には、同図３の曲線Ｃ１及び曲線Ｃ２に示したように第１排気弁開弁期間EX1の終了タイミング（排気弁３８が閉じられるタイミング）CAec1が低負荷側自着火運転時の終了タイミングCAec1よりも遅角される（遅らされる）。この終了タイミングCAec1の遅角によって、燃焼室２５内の残留ガス量が低負荷側自着火運転時よりも少なくなる。加えて、高負荷側自着火運転時には、同図３の曲線Ｃ４及び曲線Ｃ５に示したように第２排気弁開弁期間EX2の終了タイミングCAec2も低負荷側自着火運転時から遅角される。この終了タイミングCAec2の遅角によって、燃焼室２５内へと吸入される逆流ガス量がより多くなる。

つまり、本機関１０では、低負荷側運転時において、逆流ガス量に対する残留ガス量の比率が第１所定値となるように、第１排気弁開弁期間EX1の終了タイミングCAec1及び第２排気弁開弁期間EX2の終了タイミングCAec2が予め設定されている。そして、高負荷側運転時において、その残留ガス量の比率が上記第１所定値よりも小さな第２所定値となるように、第１排気弁開弁期間EX1の終了タイミングCAec1及び第２排気弁開弁期間EX2の終了タイミングCAec2が予め設定されている。ここで、低負荷側運転時及び高負荷側運転時におけるタイミングCAec1、CAec2の各値は実験又はシミュレーション等によって定められている。ＣＰＵ７１は、アクセルペダル８２の操作量Accpにより例えば低負荷側から高負荷側へと移行したことを検出すると、残留ガス量の比率が第１所定値から第２所定値となるように、低負荷側運転時における第１排気弁開弁期間EX1の終了タイミングCAec1及び第２排気弁開弁期間EX2の終了タイミングCAec2を、それぞれ、高負荷側運転時における第１排気弁開弁期間EX1の終了タイミングCAec1及び第２排気弁開弁期間EX2の終了タイミングCAec2に遅角させる。

更に具体的に高負荷側運転時における第２排気弁開弁期間EX2の終了タイミングCAec2の遅角につき図４を用いて説明する。同図４はクランク角度CAに応じた排気圧力PEの変化を示している。ここで、シリンダ#1、シリンダ#2及びシリンダ#3はそれぞれ第１シリンダ、第２シリンダ及び第３シリンダを表す。例えば第１シリンダの第２排気弁開弁期間EX2が開始する前後は、第３シリンダによりブローダウンが生じたタイミングの直後に重なっている。そのため、排気圧力PE（排気マニホールド５１から排気管５２にかけての圧力）は急激に変動して安定しない（同図４のＢＤ#3の実線を参照。）。このブローダウン前後のタイミングにて燃焼室内へと吸入される逆流ガスの量を調整しようとしても、その逆流ガスの量はその排気弁３８を開く度に大きく変動する可能性があり、また排気弁３８を開くタイミングの僅かな変化に対してその逆流ガス量は大きく変動してしまう。一方、第１シリンダの第２排気弁開弁期間EX2の後期において第３シリンダのブローダウンによる急激な排気圧力PEの変動は収まっており、排気圧力PEは比較的安定している。従って、第２排気弁開弁期間EX2における逆流ガス量を、その第２排気弁開弁期間EX2の終了タイミングCAec2を変更することにより微調整することが可能である。

本例では高負荷側運転時において逆流ガス量をより多くするために第２排気弁開弁期間EX2の終了タイミングCAec2が遅角されるから、他のシリンダのブローダウンによりその逆流ガス量が不安定となることが防がれている。つまり、例えばその開始タイミングCAeo2を変更するよりも精密に逆流ガス量を調整することができる。

以上説明したように、本発明の第１実施形態に係る機関１０によれば、逆流ガス量に対する残留ガス量の比率は機関１０の負荷Lに応じて調整される。具体的に、この調整は、図５（Ａ）に示したように高負荷側運転時における第１排気弁開弁期間EX1の終了タイミングCAec1及び第２排気弁開弁期間EX2の終了タイミングCAec2が低負荷側運転時よりも遅角されることにより行われる。

このように本機関は残留ガスを燃焼室２５内に残留させておくことにより圧縮端温度を高めるため、低負荷側自着火運転時において、失火を生じさせることなく自着火による燃焼をより安定させることができる。また、高負荷側自着火運転時において、本機関１０は異常燃焼又は異常燃焼による燃焼騒音が発生することを防ぐために従来のように冷却された還流ガス（周知の外部ＥＧＲシステムにより再循環されるガス）を用いることなく、残留ガスよりもやや温度が低い逆流ガスを用いている。そのため、混合ガスの温度をより細やかに精度良く調整することが可能となる。また、負荷Lが低負荷側であるか高負荷側であるかに応じて適切に残留ガス量及び混合ガス量が調整され、負荷Lの大きさに関わらず自着火のタイミングを適切に制御することができる。結果的に、従来よりも高負荷限界を拡大することができる。更に、これらの効果は、吸気弁３２及び排気弁３８の開閉タイミングを変更するための吸気弁電磁駆動機構３２ａ、排気弁電磁駆動機構３８ａ及びＣＰＵ７１等という簡便な構成により達せられ、複雑な構造を要しない。そのため、機関の製造コストを低く抑えることができる。

なお、上記実施形態に係る機関１０は、「吸気、圧縮、膨張及び排気の各動作を順に含む燃焼サイクルを所定数のシリンダにて順次実行し、各シリンダ内に形成された燃焼室において空気と燃料とを含む混合ガスを圧縮することにより自着火させて燃焼させる予混合圧縮自着火内燃機関」である。吸気弁３２、吸気弁電磁駆動機構３２ａ、排気弁３８、排気弁電磁駆動機構３８ａ及びＣＰＵ７１等が、「前回の燃焼サイクルにおいて混合ガスの燃焼により燃焼室内に生じた既燃ガスのうちの一部が残留ガスとして、前回の次ぎになる今回の燃焼サイクルにおいて燃焼する混合ガス中に含まれるように、既燃ガスの一部を燃焼室内に残留させる残留ガス生成手段」に相当する。また、排気弁３８、排気弁電磁駆動機構３８ａ及びＣＰＵ７１等が、「前回の燃焼サイクルにおいて生じた後に排気動作により燃焼室から排気ポートへと一旦排出されたガスの一部となる既燃ガスのうちの他の一部が逆流ガスとして、今回の燃焼サイクルにおいて燃焼する混合ガス中に含まれるように、既燃ガスの他の一部を燃焼室内に逆流させる逆流ガス生成手段」に相当する。

アクセル開度センサ６３が「機関の出力に応じて変化する出力状態値を検出する出力状態検出手段」に相当し、ＣＰＵ７１等が「検出された出力状態値に応じた機関の出力が大きくなるほど逆流させられる逆流ガスの量に対する残留させられる残留ガスの量の比率がより小さくなるように、残留ガス生成手段及び逆流ガス生成手段の少なくとも一方を制御する比率制御手段」に相当する。

ｂ．第２実施形態
次に、本発明の第２実施形態に係る内燃機関について説明する。本機関も第１実施形態と同様に４ストローク直列３気筒内燃機関であり、図２と同様の運転領域マップに基づき低負荷側自着火運転方式と高負荷側自着火運転方式と火花点火運転方式とを切り替えて運転することが可能である。第２実施形態の機関において、低負荷側自着火運転時の各シリンダにおける吸気弁３２及び排気弁３８の作動は上記第１実施形態の機関と同様である。第２実施形態の本機関は同図５（Ｂ）に示したように、高負荷側自着火運転時において第１排気弁開弁期間EX1（その開始タイミングCAeo1及び終了タイミングCAec1の双方）を低負荷側自着火運転時より遅角させ、これに連動させて第２排気弁開弁期間EX2を遅角させる点において同図５（Ａ）に示した第１実施形態と相違する。以下、かかる相違点を中心として説明する。

図６は自着火運転時における各シリンダの吸気弁３２及び排気弁３８のクランク角度CAに応じたリフト量VLの変化を模式的に示している。同図６において、図３と同様に、曲線Ｃ１、曲線Ｃ３及び曲線Ｃ４は、低負荷側自着火運転時における排気弁３８及び吸気弁３２のリフト量VLの変化を表しており、また曲線Ｃ２及び曲線Ｃ５は、高負荷側自着火運転時における排気弁３８のリフト量VLの変化を表している。

ＣＰＵ７１は、図６の曲線Ｃ１及び曲線Ｃ２に示したように高負荷側運転時において第１排気弁開弁期間EX1を遅角させる。これにより、残留ガス量が低負荷側運転時より少なくなり、逆流ガス量に対する残留ガス量の比率がより小さくなっている。つまり、低負荷側運転時において、逆流ガス量に対する残留ガス量の比率が第１所定値となるように、低負荷側運転時における第１排気弁開弁期間EX1の開始タイミングCAeo1及び終了タイミングCAec1が予め設定されている。その一方、高負荷側運転時において、その残留ガス量の比率が上記第１所定値よりも小さな第２所定値となるように、第１排気弁開弁期間EX1の開始タイミングCAeo1及び終了タイミングCAec1が予め設定されている。ＣＰＵ７１は、アクセルペダル８２の操作量Accpにより例えば低負荷側から高負荷側へと移行したことを検出すると、残留ガス量の比率が第１所定値から第２所定値となるように、低負荷側運転時における開始タイミングCAeo1及び終了タイミングCAec1を遅角させる。

そして、ＣＰＵ７１は高負荷側運転時において、上述した第１排気弁開弁期間EX1の遅角に合わせて、同図６の曲線Ｃ４及び曲線Ｃ５に示したように第２排気弁開弁期間EX2（その開始タイミングCAeo2及び終了タイミングCAec2の双方）を低負荷側運転時よりも遅角させる。これにより、後に詳述するように低負荷側運転時と高負荷側運転時とにおいて第２排気弁開弁期間EX2における逆流ガス量を略一定に維持することができる。ここで、第１シリンダ、第２シリンダ及び第３シリンダのそれぞれにおいて第１排気弁開弁期間EX1及び第２排気弁開弁期間EX2のそれぞれが同様に遅角されることを前提としている。

具体的にこの第２排気弁開弁期間EX2の遅角によりどのように逆流ガス量が略一定に維持されるのかについて図４を用いて説明する。第１排気弁開弁期間EX1の開始タイミングCAeo1を膨張ＢＤＣ前４５°とした場合、排気圧力PEは同図４の実線で示したように推移する。この場合、例えば第３シリンダのブローダウンが生ずるタイミングは第１シリンダの排気弁３８が第２排気弁開弁期間EX2において開かれる直前となり、第２排気弁開弁期間EX2の間、排気圧力PEはそれほど急激には変化せず略安定している。これに対して、第１排気弁開弁期間EX1の開始タイミングCAeo1を膨張ＢＤＣ前１５°と遅角させた場合、排気圧力PEは同図４の点線で示したように推移する。この場合、第３シリンダによるブローダウンのタイミングは第１シリンダの排気弁３８が第２排気弁開弁期間EX2において開かれた直後となり、第２排気弁開弁期間EX2の間、排気圧力PEは急激に上下し安定しない。これによると、高負荷側運転時において第１排気弁開弁期間EX1の開始タイミングCAeo1を膨張ＢＤＣ前４５°とした場合、燃焼室２５内へと吸入される逆流ガスの量は、低負荷側運転時において第１排気弁開弁期間EX1の開始タイミングCAeo1を膨張ＢＤＣ前１５°とした場合よりも著しく多くなる。

そこで、本機関は高負荷側運転時において、第１排気弁開弁期間EX1の開始タイミングCAeo1の遅角に応じて遅角するブローダウンによる排気圧力PEの推移に合わせて、このブローダウンが第２排気弁開弁期間EX2に重ならないように、第２排気弁開弁期間EX2を低負荷側運転時から遅角させる。この第２排気弁開弁期間EX2の遅角により高負荷側運転時においても低負荷側運転時においても逆流ガス量を略一定に維持しつつ、上記した第１排気弁開弁期間EX1の遅角によって残留ガス量及び逆流ガス量の比率を精度良く調整することが可能となる。

ｃ．第３実施形態
続いて、本発明の第３実施形態に係る内燃機関について説明する。本機関は第１実施形態及び第２実施形態とは異なり、４ストローク直列４気筒内燃機関である。また、本機関は第１実施形態及び第２実施形態と同様、運転領域マップに基づき低負荷側自着火運転方式と高負荷側自着火運転方式と火花点火運転方式とを切り替えて運転することが可能である。更に、第３実施形態の機関において、低負荷側自着火運転時の各シリンダにおける吸気弁３２及び排気弁３８等の作動は上記第１実施形態と同様である。直列４気筒機関である第３実施形態の本機関は図５（Ｃ）に示したように、高負荷側運転時における第１排気弁開弁期間EX1の終了タイミングCAec1の遅角に対して、第２排気弁開弁期間EX2の開始タイミングCAeo2を低負荷側運転時よりも進角させる（進める）点において図５（Ａ）に示した第１実施形態と相違する。かかる相違点を中心に説明する。

図７は図３及び図６と同様に、自着火運転時における各シリンダの吸気弁３２及び排気弁３８のクランク角度CAに応じたリフト量VLの変化を模式的に示している。図３及び図６と同様に、曲線Ｃ１、曲線Ｃ３及び曲線Ｃ４は低負荷側自着火運転時における排気弁３８及び吸気弁３２のリフト量VLの変化を表しており、また曲線Ｃ２及び曲線Ｃ５は、高負荷側自着火運転時における排気弁３８のリフト量VLの変化を表している。

ＣＰＵ７１は、図７の曲線Ｃ１及び曲線Ｃ２に示したように高負荷側運転時において第１排気弁開弁期間EX1の終了タイミングCAec1を遅角させることにより、残留ガス量を低負荷側運転時より少なくする。加えて、ＣＰＵ７１は、同図７の曲線Ｃ４及び曲線Ｃ５に示したように第２排気弁開弁期間EX2の開始タイミングCAeo2を進角させることにより、燃焼室２５内へと吸入される逆流ガス量をより多くする。つまり、本機関では、低負荷側運転時において、逆流ガス量に対する残留ガス量の比率が第１所定値となるように、第１排気弁開弁期間EX1の終了タイミングCAec1及び第２排気弁開弁期間EX2の開始タイミングCAeo2が予め設定されている。そして、高負荷側運転時において、その残留ガス量の比率が上記第１所定値よりも小さな第２所定値となるように、高負荷側運転時における第１排気弁開弁期間EX1の終了タイミングCAec1及び第２排気弁開弁期間EX2の開始タイミングCAeo2が予め設定されている。ＣＰＵ７１は、アクセルペダル８２の操作量Accpにより例えば低負荷側から高負荷側へと移行したことを検出すると、残留ガス量の比率が第１所定値から第２所定値となるように、低負荷側運転時における第１排気弁開弁期間EX1の終了タイミングCAec1を遅角させるとともに第２排気弁開弁期間EX2の開始タイミングCAeo2を進角させる。

具体的に高負荷側運転時における第２排気弁開弁期間EX2の開始タイミングCAeo2の進角につき図８を用いて説明する。例えば第１シリンダの第２排気弁開弁期間EX2が終了する前後は、第４シリンダによりブローダウンが生ずるタイミングの前後に重なっており、排気圧力PEは急激に変動して安定しない（同図８のＢＤ#4を参照。）。従って、このブローダウン前後のタイミングにて燃焼室内へと吸入される逆流ガスの量を調整しようとしても、その逆流ガスの量はその排気弁３８を開く度に大きく変動する可能性があり、また排気弁３８を開くタイミングの僅かな変化に対してその逆流ガス量は大きく変動する。即ち、このブローダウン前後のタイミングにて逆流ガス量を微調整することは困難である。一方、第１シリンダの第２排気弁開弁期間EX2の初期において排気圧力PEは比較的安定している。そこで、本例では高負荷側運転時において第２排気弁開弁期間EX2の開始タイミングCAeo2が低負荷側運転時よりも進角されることによって逆流ガス量がより多くなるように調整し、これによって他のシリンダのブローダウンの影響を受けて逆流ガス量が不安定となることを防いでいる。

ｄ．第４実施形態
本発明の第４実施形態に係る内燃機関について説明する。本機関も第３実施形態と同様に４ストローク直列４気筒内燃機関であり、同様に、運転領域マップに基づき低負荷側自着火運転方式と高負荷側自着火運転方式と火花点火運転方式とを切り替えて運転することが可能である。更に、第４実施形態の機関において、低負荷側自着火運転時の各シリンダにおける吸気弁３２及び排気弁３８等の作動は上記第３実施形態と同様である。第４実施形態の機関は図５（Ｄ）に示したように高負荷側自着火運転時において第１排気弁開弁期間EX1を低負荷側自着火運転時より遅角させ、これに連動させて第２排気弁開弁期間EX2の終了タイミングCAec2を遅角させる点において図５（Ｃ）に示した第３実施形態と相違する。

図９は図３等と同様に、自着火運転時における各シリンダの吸気弁３２及び排気弁３８のクランク角度CAに応じたリフト量VLの変化を模式的に示している。図３等と同様に、曲線Ｃ１、曲線Ｃ３及び曲線Ｃ４は低負荷側自着火運転時における排気弁３８及び吸気弁３２のリフト量VLの変化を表しており、また曲線Ｃ２及び曲線Ｃ５は、高負荷側自着火運転時における排気弁３８のリフト量VLの変化を表している。

ＣＰＵ７１は、図９の曲線Ｃ１及び曲線Ｃ２に示したように高負荷側運転時において第１排気弁開弁期間EX1を遅角させる。これにより、残留ガス量が低負荷側運転時より少なくなり、逆流ガス量に対する残留ガス量の比率がより小さくなっている。更に、ＣＰＵ７１は、この第１排気弁開弁期間EX1の遅角に合わせて、同図９の曲線Ｃ４及び曲線Ｃ５に示したように第２排気弁開弁期間EX2の終了タイミングCAec2を低負荷側運転時よりも遅角させる。これにより、以下に述べるように低負荷側運転時と高負荷側運転時とにおいて第２排気弁開弁期間EX2における逆流ガス量を安定して燃焼室２５内に流入させることができる。

具体的にこの第２排気弁開弁期間EX2の終了タイミングCAec2の遅角によりどのようにして逆流ガス量が安定させられるのかについて図８を用いて説明する。例えば低負荷側運転時の第１排気弁開弁期間EX1の開始タイミングCAeo1を膨張ＢＤＣ前３０°とした場合、排気圧力PEは同図８に示したように推移する。この場合、例えば第４シリンダのブローダウンが生ずるタイミングは第１シリンダの排気弁３８が第２排気弁開弁期間EX2において閉じられる直前となり、そのブローダウンが生じている期間の一部が第２排気弁開弁期間EX2の一部に重なっている。これに対して、高負荷側運転時において第１排気弁開弁期間EX1を膨張ＢＤＣ前３０°よりも遅角させた場合、第４シリンダのブローダウン期間も遅角し第１シリンダの第２排気弁開弁期間EX2と重ならなくなる。そこで、本機関はこのブローダウン期間の一部が高負荷側運転時においても低負荷側運転時と同様に第２排気弁開弁期間EX2内に含まれるように、第２排気弁開弁期間EX2の終了タイミングCAec2を遅角させる。これにより、高負荷側運転時と低負荷側運転時との間で逆流ガス量が急変することを防ぐことが可能となる。

以上説明したように各実施形態の機関は、残留ガスを用いて失火等を生じない安定した自着火燃焼を行わせつつ、逆流ガスを用いて混合ガスの温度をより細やかに調整することができる。即ち、各実施形態の機関においては従来のように冷却された還流ガスを用いることなく、残留ガスよりもやや温度が低い逆流ガスを用いることによって、高負荷運転時における残留ガスの異常燃焼を防いでいるため、混合ガスの温度をより細やかに精度良く調整することが可能である。

なお、本発明は上記実施形態（第１〜第４実施形態）に限定されることなく、その発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、上記実施形態において、電気制御装置７０は排気弁３８の開閉タイミングを変更することによって、残留ガス量又は逆流ガス量を調整している。これら開閉タイミングに加えて、排気弁のリフト量VLを適宜変更してもよい。当然ながら、第２排気弁開弁期間EX2における排気弁のリフト量VLの変更については排気圧力PEを考慮する。

また、上記実施形態において吸気弁開弁期間INの開始タイミングCAioは排気行程内に固定的に設定している。この開始タイミングCAioは、吸気行程内に設定してもよい。更に、残留ガス量を調整すること等を目的としてこの開始タイミングCAioを可変に設定してもよい。

上記実施形態において、電気制御装置７０は、第１排気弁開弁期間EX1及び第２排気弁開弁期間EX2の開始タイミング及び終了タイミングを、機関１０の負荷Lに応じて低負荷側自着火運転時と高負荷側自着火運転時との２段階に進角させ又は遅角させている。機関の負荷Lの段階数について、これを３段階以上に設定し、設定された段階に応じた排気弁開弁期間EX1,EX2の開始タイミング又は終了タイミングの調整を行ってもよい。機関の負荷Lについての閾値は機関の回転速度NEに応じて変化させてよい。

また、負荷Lに応じた排気弁開弁期間EX1,EX2の開始タイミング及び終了タイミングの調整とは異なりまたこれに加えて、これら排気弁開弁期間EX1,EX2の開始タイミング及び終了タイミングを、機関１０の回転速度NEに応じて進角させ又は遅角させてもよい。この場合、回転速度NEが大きいほど、燃焼室への吸入空気量をより多くするようになっていることが好ましい。具体的には、電気制御装置がスロットル弁開度又は過給圧を通常より大きめの値に補正することにより、吸入空気量を増量することができる。これによると、高速運転時において、残留ガス又は逆流ガスよりも低温の空気が燃焼室内に多量に吸入されるから、混合ガスの圧縮端温度をより有効に低下させて異常燃焼を防ぐことができる。

更に、回転速度NEに応じた排気弁開弁期間EX1,EX2の開始タイミング及び終了タイミングの調整とも異なり、例えば温度センサ（出力状態検出手段）により排ガスの温度を検出して、この検出温度に応じた排気弁開弁期間EX1,EX2の開始タイミング又は終了タイミングの進角又は遅角を行ってもよい。この場合、その検出温度が予め設定した目標温度よりも低ければ逆流ガス量に対する残留ガス量の比率が現在値よりも大きくなるように、排気弁開弁期間EX1,EX2の開始タイミング又は終了タイミングを調整する。その一方、その検出温度が目標温度よりも高ければ残留ガス量の比率が現在値よりも小さくなるように、排気弁開弁期間EX1,EX2の開始タイミング又は終了タイミングを調整する。排ガスの温度に代えて、燃焼室内のガスの温度、機関のトルク、燃焼時（圧縮ＢＤＣ）前後における燃焼室内のガスの圧力などを用いてもよい。

上記実施形態において、吸気弁電磁駆動機構３２ａ及び排気弁電磁駆動機構３８ａが電磁的に吸気弁３２及び排気弁３８を開閉させている。これに代えて、周知の可変バルブタイミングリフト機構を用いることができる。例えば吸気弁及び排気弁を機械的制御により又は更に油圧を用いた制御により開閉するようになっていてよい。機械的制御による場合、吸気弁駆動機構はカム及びカム軸を含んでおり、所定のタイミングにてまた所定のリフト量VLだけ吸気弁を開閉させるようになっている。更に油圧を用いた制御による場合、吸気弁駆動機構は、機関の運転状態に応じ油圧を用いてカム軸を進角又は遅角方向に回転させる機構を含んでいる。排気弁駆動機構についても同様である。開閉タイミング又はリフト量VLを可変に設定するために、ロッカーアームの支点の位置を変化させるようになっていてもよい。また、例えば機関が低回転速度のときに用いるカムプロフィールを有するカムと、機関が高回転速度のときに用いるカムプロフィールを有するカムとの２種のカムを切り換えるようになっていてもよい。更に、吸気弁及び排気弁の形状についてポペット状でなく、ロータリー型等であってもよい。

上記実施形態において、電気制御装置７０は自着火運転時に火花点火を停止するようにイグナイタ３６を制御している。これとは異なり、混合ガスの自着火をアシストするように所定のタイミングで火花点火してもよい。

上記実施形態において直噴弁３４による燃料噴射は吸気行程中に１回だけ行っている。燃料噴射は圧縮行程中に１回としてもよく、吸気行程中と圧縮行程中とで合わせて複数回としてもよい。また、高負荷運転時には吸気行程中に噴射し、低負荷運転時には圧縮行程中に噴射する等のように切り替えることも可能である。更に、直噴弁に代えて、ポート噴射弁を用いてよく、また直噴弁及びポート噴射弁の双方を用いてもよい。

本発明において、第２排気弁開弁期間EX2についてはその開始タイミングが吸気行程内にあればよく、終了タイミングは例えば吸気行程後期にあっても圧縮行程初期にあってもよい。

第１実施形態及び第２実施形態は直列３気筒機関とした。これら実施形態の機関は、吸気弁及び排気弁の開閉タイミングが同様となるＶ型６気筒機関等としてもよい。また、第３実施形態及び第４実施形態は直列４気筒機関とした。これら実施形態の機関は、吸気弁及び排気弁の開閉タイミングが同様のＶ型８気筒機関等としてもよい。

第２実施形態及び第４実施形態において、電気制御装置７０は低負荷側運転時と高負荷側運転時との間で第１排気弁開弁期間EX1に係る排気弁３８の作動角（作用角）を変化させていない。これと異なり、作動角の大きさを可変に調節してもよく、またその終了タイミングCAec1を変化させず一定のままとしてもよい。同様に、第２実施形態において第２排気弁開弁期間EX2に係る排気弁３８の作動角を変化させてもよい。

第２実施形態では、高負荷側自着火運転時において逆流ガス量に対する残留ガス量の比率をより小さくすることを目的として、第１排気弁開弁期間EX1を低負荷側自着火運転時よりも遅角させている。これに対して、膨張比をより大きくすることを目的として、この第１排気弁開弁期間EX1を遅角させてもよい。即ち、この機関は高負荷側自着火運転時において第１排気弁開弁期間EX1を低負荷側自着火運転時よりも遅角させ、これにより膨張比をより大きくする。このように膨張比を大きくすることにより熱効率が高められる。一方、低負荷側自着火運転時においてこの機関はこの第１排気弁開弁期間EX1をより進角させ、これにより膨張比を小さくする。既燃ガスを十分に断熱膨張させると温度が低下してしまうが、この第１排気弁開弁期間EX1の進角によってこの温度低下が抑えられる。

本発明の第１実施形態に係る内燃機関の概略構成図である。 電気制御装置のＣＰＵが参照する運転領域マップである。 自着火運転時の各シリンダにおける吸気弁及び排気弁の開閉タイミングを模式的に示した説明図である。 直列３気筒機関におけるクランク角に応じた排気圧力の変化を示したグラフである。 第１〜第４実施形態の各機関における第１及び第２排気弁開弁期間の相違を示した図である。 第２実施形態に係る機関の自着火運転時における各シリンダの吸気弁及び排気弁の開閉タイミングを模式的に示した説明図である。 第３実施形態に係る機関の自着火運転時における各シリンダの吸気弁及び排気弁の開閉タイミングを模式的に示した説明図である。 直列４気筒機関におけるクランク角に応じた排気圧力の変化を示したグラフである。 第４実施形態に係る機関の自着火運転時における各シリンダの吸気弁及び排気弁の開閉タイミングを模式的に示した説明図である。

符号の説明

１０…内燃機関、２５…燃焼室、３１…吸気ポート、３２…吸気弁、３２ａ…吸気弁電磁駆動機構、３４…直噴弁、３７…排気ポート、３８…排気弁、３８ａ…排気弁電磁駆動機構、７０…電気制御装置、７１…ＣＰＵ。

Claims (9)

1. 吸気、圧縮、膨張及び排気の各動作を順に含む燃焼サイクルを所定数のシリンダにて順次実行し、各シリンダ内に形成された燃焼室において空気と燃料とを含む混合ガスを圧縮することにより自着火させて燃焼させる予混合圧縮自着火内燃機関であって、
   前回の燃焼サイクルにおいて前記混合ガスの燃焼により燃焼室内に生じた既燃ガスのうちの一部が残留ガスとして、前回の次ぎになる今回の燃焼サイクルにおいて燃焼する前記混合ガス中に含まれるように、同既燃ガスの一部を同燃焼室内に残留させる残留ガス生成手段と、
   前記前回の燃焼サイクルにおいて生じた後に排気動作により燃焼室から排気ポートへと一旦排出されたガスの一部となる前記既燃ガスのうちの他の一部が逆流ガスとして、前記今回の燃焼サイクルにおいて燃焼する前記混合ガス中に含まれるように、同既燃ガスの他の一部を同燃焼室内に逆流させる逆流ガス生成手段と、
   前記機関の出力に応じて変化する出力状態値を検出する出力状態検出手段と、
   前記検出された出力状態値に応じた機関の出力が大きくなるほど前記逆流させられる逆流ガスの量に対する前記残留させられる残留ガスの量の比率がより小さくなるように、前記残留ガス生成手段及び前記逆流ガス生成手段の少なくとも一方を制御する比率制御手段と、
   を備えた予混合圧縮自着火内燃機関。
2. 請求項１に記載の予混合圧縮自着火内燃機関において、
   前記出力状態検出手段は、
   前記出力状態値として機関の負荷を検出し、
   前記比率制御手段は、
   前記残留ガス生成手段及び前記逆流ガス生成手段の少なくとも一方の制御を、前記検出された機関の負荷が大きくなるほど前記逆流ガス量に対する前記残留ガス量の比率がより小さくなるように行う予混合圧縮自着火内燃機関。
3. 請求項１に記載の予混合圧縮自着火内燃機関において、
   前記出力状態検出手段は、
   前記出力状態値として機関の回転速度を検出し、
   前記比率制御手段は、
   前記残留ガス生成手段及び前記逆流ガス生成手段の少なくとも一方の制御を、前記検出された機関の回転速度が大きくなるほど前記逆流ガス量に対する前記残留ガス量の比率がより小さくなるように行う予混合圧縮自着火内燃機関。
4. 請求項３に記載の予混合圧縮自着火内燃機関であって、
   前記検出された機関の回転速度が大きいほど燃焼室に吸入される空気の量をより多くするガス量調節手段を更に備えた予混合圧縮自着火内燃機関。
5. 請求項２乃至請求項４の何れか一項に記載の予混合圧縮自着火内燃機関において、
   前記残留ガス生成手段は、
   前記前回の燃焼サイクル中の排気動作を行う期間である第１排気弁開弁期間にて排気弁を開くとともに前記今回の燃焼サイクル中の吸気動作を行う期間である吸気弁開弁期間にて吸気弁を開くことにより、前記混合ガスの燃焼により前記燃焼室内に生じた前記既燃ガスのうちの一部を前記残留ガスとして同燃焼室内に残留させ、
   前記逆流ガス生成手段は、
   前記今回の燃焼サイクル中の前記吸気弁開弁期間内に開始タイミングを有する第２排気弁開弁期間にて排気弁を開くことにより、前記燃焼室から一旦排出されたガスの一部となる前記既燃ガスの他の一部を前記逆流ガスとして同燃焼室内へと逆流させるように構成された予混合圧縮自着火内燃機関。
6. 請求項５に記載の予混合圧縮自着火内燃機関において、
   前記シリンダは、
   前記機関にて直列型に３気筒又はＶ型に各列３気筒ずつ６気筒配置され、
   前記比率制御手段は、
   前記逆流ガス生成手段を制御することによって、前記検出された出力状態値が大きくなるほど前記第２排気弁開弁期間の終了タイミングをより遅らせるように構成された予混合圧縮自着火内燃機関。
7. 請求項５に記載の予混合圧縮自着火内燃機関であって、
   前記残留ガス生成手段を制御することによって、前記検出された出力状態値が大きくなるほど前記第１排気弁開弁期間の開始タイミングをより遅らせるように同開始タイミングを調節する開始タイミング制御手段を更に備え、
   前記シリンダは、
   前記機関にて直列型に３気筒又はＶ型に各列３気筒ずつ６気筒配置され、
   前記比率制御手段は、
   前記逆流ガス生成手段を制御することによって、前記第２排気弁開弁期間の開始タイミングを、前記調節される第１排気弁開弁期間の開始タイミングに対し予め調整されているタイミングまで遅らせるように構成された予混合圧縮自着火内燃機関。
8. 請求項５に記載の予混合圧縮自着火内燃機関において、
   前記シリンダは、
   前記機関にて直列型に４気筒又はＶ型に各列４気筒ずつ８気筒配置され、
   前記比率制御手段は、
   前記逆流ガス生成手段を制御することによって、前記検出された出力状態値が大きくなるほど前記第２排気弁開弁期間の開始タイミングをより進めるように構成された予混合圧縮自着火内燃機関。
9. 請求項５に記載の予混合圧縮自着火内燃機関であって、
   前記残留ガス生成手段を制御することによって、前記検出された出力状態値が大きくなるほど前記第１排気弁開弁期間の開始タイミングをより遅らせるように同開始タイミングを調節する開始タイミング制御手段を更に備え、
   前記シリンダは、
   前記機関にて直列型に４気筒又はＶ型に各列４気筒ずつ８気筒配置され、
   前記比率制御手段は、
   前記逆流ガス生成手段を制御することによって、前記第２排気弁開弁期間の終了タイミングを、前記調節される第１排気弁開弁期間の開始タイミングに対し予め調整されているタイミングまで遅らせるように構成された予混合圧縮自着火内燃機関。
   

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