JP4434056B2 - 予混合圧縮自着火機関 - Google Patents

Description

本発明は、燃料と酸素とを混合させた混合気を燃焼室で圧縮して自着火させる予混合圧縮自着火機関に関する。

排気ガスを吸気ガスに混入させる方法は、例えば特許文献１，２，３に開示されている。特許文献１では、吸気バルブと排気バルブとの開タイミングをオーバーラップさせて排気ガスを排気ポートから燃焼室へ再吸入するという内部ＥＧＲの手段が開示されている。特許文献２，３では、排気系と吸気系とを接続するＥＧＲ通路によって排気ガスを吸気系に還流させるという外部ＥＧＲの手段と、内部ＥＧＲの手段とが開示されている。特許文献２では、外部ＥＧＲと内部ＥＧＲとの切り換えができるようになっており、特許文献３では、外部ＥＧＲ量と内部ＥＧＲ量とを増減制御できるようになっている。特許文献２における外部ＥＧＲと内部ＥＧＲとの切り換えは、排気ガスの浄化を考慮したものであり、特許文献３における外部ＥＧＲ量と内部ＥＧＲ量との増減制御は、ＥＧＲの排気ガスの影響による過度の燃焼状態の悪化を考慮したものである。

一方、特許文献１における内部ＥＧＲは、燃焼室に再吸入された排気ガスの熱を利用して圧縮自着火燃焼を起こしやすいように考慮したものである。
排気ガスを吸気ガスに混入させる方法としては、燃焼後のガスの一部を排気行程にて燃焼室内に残留させておく方法がある。燃焼室に残留させた排気ガスの熱は、圧縮自着火燃焼に利用できる。燃焼室に再吸入された排気ガスの熱を圧縮自着火燃焼に利用する場合には、排気ガスを燃焼室に吸入することによるエネルギーロスが生じる。しかし、燃焼室に残留させた燃焼後のガスの熱を圧縮自着火燃焼に利用する場合には、再吸入された排気ガスの熱を利用する場合のようなエネルギーロスが少ない。つまり、燃焼後のガスの熱を圧縮自着火燃焼に利用する場合には、燃焼後のガスを燃焼室に残留させる方法が望ましい。
特開平１１−２６４３１９号公報 特開２００４−２６３６４２号公報 特開２００４−２９３３９２号公報

エンジン負荷が高い領域では多くの燃料（混合気）が必要であるが、自然吸気エンジンでは、残留ガス量が多いと燃焼室へ導入できる燃料の量が減り、高いエンジン負荷に必要な燃料を確保できなくなる。つまり、燃焼後のガスを燃焼室に残留させて圧縮自着火燃焼に利用する限りは、エンジン高負荷領域において圧縮自着火燃焼に限界がある。

本発明は、予混合圧縮自着火機関における圧縮自着火燃焼による運転が可能な領域を広げることを目的とする。

本発明は、燃料と酸素とを混合させた混合気を燃焼室で圧縮して自着火させる予混合圧縮自着火機関を対象とし、請求項１の発明は、前記燃焼室の排気ポートには、排気通路が接続されているとともに該排気ポートを開閉する排気弁が設けられ、前記燃焼室の排気吸入ポートには、前記排気通路と合流する排気吸入通路が接続されているとともに該排気吸入ポートを開閉する排気吸入弁が設けられ、排気行程の途中で前記排気弁及び前記排気吸入弁を開いた状態から閉じて排気を止めることにより、前記燃焼室内の燃焼後のガスの一部を前記燃焼室内に残留させる残留手段と、排気行程において前記排気吸入弁を閉じた状態を維持し、その次の吸気行程にて前記排気弁を閉じるとともに前記排気吸入弁を開けることで、排気行程にて前記燃焼室から前記排気ポートを介して排気された排気ガスの一部を、前記排気吸入ポートを介して前記燃焼室へ逆流させて還流させる還流手段と、エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段と、前記運転状態検出手段によって検出されたエンジン運転状態に応じて、前記残留手段の作動と前記還流手段の作動とのいずれか一方を選択して行わせる制御手段とを備えたことを特徴とする。

排気された排気ガスの一部を吸気行程にて燃焼室へ逆流させて還流した場合には、この還流時の排気ガスの断熱圧縮効果が混合気の昇温の度合いを大きくする。つまり、排気行程にて前記燃焼室内に残留された燃焼後のガス量と、還流された排気ガス量とが同じである場合には、排気ガスの還流による混合気の昇温の度合いは、排気ガスの残留による混合気の昇温度合いよりも大きい。つまり、還流手段は、予混合圧縮自着火機関における運転可能領域を広げる。

また、エンジン運転状態が残留手段の作動に適した状態である場合には、制御手段は、残留手段の作動を選択して行わせ、エンジン運転状態が還流手段の作動に適した状態である場合には、制御手段は、還流手段の作動を選択して行わせる。このような切り換えは、予混合圧縮自着火機関における運転可能領域を広げる。

好適な例では、前記燃焼室内の混合気を火花点火によって着火させる火花着火手段を備え、前記火花着火手段の作動を選択することで予混合圧縮自着火燃焼と火花着火燃焼とのいずれか一方を選択して行わせる制御機能と、前記予混合圧縮自着火燃焼と前記火花着火燃焼との一方から他方への切り換えの際には、前記還流手段を作動させるとともに、前記火花着火手段により点火アシストを行ないつつ予混合圧縮自着火燃焼を行わせる制御機能とを有する。

火花着火手段の作動は、還流手段の作動によっても安定した圧縮自着火燃焼が難しいエンジン運転状態において有効である。
また、還流手段の作動と火花着火手段の作動との併用は、圧縮自着火燃焼と火花着火燃焼との一方から他方への切り換えの際の不具合発生を回避する上で有効である。

好適な例では、還流手段は、前記燃焼室へ還流させる排気ガスの還流量を調整する還流量調整手段を備えている。
還流量調整手段の存在は、前記不具合発生の回避の確実性を高める上で有効である。

好適な例では、エンジン運転状態は、エンジン負荷を含み、前記制御手段は、エンジン負荷が高くなると前記残留手段の作動から前記還流手段の作動に切り換える。
エンジン負荷が高くなると残留手段のみの作動による圧縮自着火燃焼が困難となる。エンジン負荷が高くなると残留手段の作動から還流手段の作動に切り換える制御は、予混合圧縮自着火機関における圧縮自着火燃焼による運転が可能な領域を広げる。

好適な例では、前記還流手段は、排気吸入カムと、排気吸入ポートを開閉する排気吸入弁とを備え、前記排気吸入弁は、通常の排気を行なうための排気ポートを開閉する排気弁よりも低リフトである。

排気吸入弁を低リフトにすることにより排気ガスの還流速度が上がって断熱圧縮効果が高まり、排気ガスを残留させる場合よりも排気ガスを還流させる場合の方が温度上昇が大きい。

本発明は、予混合圧縮自着火機関における圧縮自着火燃焼による運転が可能な領域を広げることができるという優れた効果を奏する。

以下、定置式の予混合圧縮自着火機関に本発明を具体化した一実施形態を図１及び図２に基づいて説明する。
図１（ａ）に示すように、シリンダブロック１１に形成されたシリンダ１１１にはピストン１２が往復動可能に収容されている。シリンダ１１１内に燃焼室１１２を区画するピストン１２は、コネクティングロッド１３を介してクランク軸１４に連結されている。ピストン１２の往復運動は、コネクティングロッド１３を介してクランク軸１４の回転運動に変換される。シリンダは、クランク軸１４の軸方向に複数直列に配設されているが、以下においてはシリンダ１１１に関してのみ説明する。

シリンダブロック１１にはシリンダヘッド１５が連結されている。シリンダヘッド１５には一対の吸気ポート１５１Ａ，１５１Ｂ及び排気ポート１５２が形成されている。吸気ポート１５１Ａは、シリンダヘッド１５に装着された吸気弁１６Ａによって開閉され、吸気ポート１５１Ｂは、シリンダヘッド１５に装着された吸気弁１６Ｂによって開閉される。排気ポート１５２は、シリンダヘッド１５に装着された排気弁１７によって開閉される。

燃焼室１１２に臨むシリンダヘッド１５の内側にはスパークプラグ１０が装着されている。スパークプラグ１０は、燃焼室１１２内で火花を発生（点火）する。スパークプラグ１０の点火は、制御コンピュータＣによって制御される。

シリンダヘッド１５の上方には吸気カム軸１９及び排気カム軸２０が配設されている。吸気カム軸１９には一対の第１吸気カム２１Ａが設けられており、排気カム軸２０には第１オーバーラップカム２２が設けられている。吸気カム軸１９の回転に伴い、一対の第１吸気カム２１Ａがそれぞれカムレバー２３Ａ，２３Ｂを駆動すると、吸気弁１６Ａ，１６Ｂが駆動されて吸気ポート１５１Ａ，１５１Ｂが開閉される。吸気弁１６Ａ，１６Ｂは、同期して駆動される。排気カム軸２０の回転に伴い、第１オーバーラップカム２２がカムレバー２４を駆動すると、排気弁１７が駆動されて排気ポート１５２が開閉される。排気ポート１５２には排気通路４７が接続されている。

図１（ｂ）に示すように、シリンダヘッド１５には排気吸入ポート１５３が形成されている。排気吸入ポート１５３は、シリンダヘッド１５に装着された排気吸入弁１８によって開閉される。排気カム軸２０には第２オーバーラップカム２５が設けられている。排気カム軸２０の回転に伴い、第２オーバーラップカム２５がカムレバー２６を駆動すると、排気吸入弁１８が駆動されて排気吸入ポート１５３が開閉される。

排気吸入ポート１５３には排気吸入通路４８が接続されている。排気吸入通路４８は、排気通路４７に合流する。排気吸入通路４８にはスロットル弁４９が設けられている。スロットル弁４９は、電動モータ４９１によって開度変更される。電動モータ４９１は、制御コンピュータＣの制御を受ける。

図２（ａ）に示すように、吸気カム軸１９には一対の第２吸気カム２１Ｂが設けられている。一対の第２吸気カム２１Ｂと吸気弁１６Ａ，１６Ｂとの間には吸気カムレバー機構５０Ａ，５０Ｂが介在されている。吸気カム軸１９の回転に伴い、一対の第２吸気カム２１Ｂが吸気カムレバー機構５０Ａ，５０Ｂを駆動すると、吸気弁１６Ａ，１６Ｂが駆動されて吸気ポート１５１Ａ，１５１Ｂが開閉される。吸気ポート１５１Ａ，１５１Ｂには吸気通路３３が分岐して接続されている。

吸気カムレバー機構５０Ａ，５０Ｂは、油圧を供給されたときにのみ一対の第２吸気カム２１Ｂの回転駆動力を吸気弁１６Ａ，１６Ｂに伝達可能な機構である。つまり、吸気カムレバー機構５０Ａ，５０Ｂは、油圧供給により一対の第２吸気カム２１Ｂの回転駆動力を吸気弁１６Ａ，１６Ｂに伝達可能な有効状態と、油圧供給停止により一対の第２吸気カム２１Ｂの回転駆動力を吸気弁１６Ａ，１６Ｂに伝達不能な無効状態とに切り換え可能である。吸気カムレバー機構５０Ａ，５０Ｂが有効状態のときには、吸気弁１６Ａ，１６Ｂは、第２吸気カム２１Ｂのカムプロフィールに応じた往復運動を行なって吸気ポート１５１Ａ，１５１Ｂを開閉する。吸気カムレバー機構５０Ａ，５０Ｂが無効状態のときには、カムレバー２３Ａ，２３Ｂが一対の第１吸気カム２１Ａに接する有効状態となり、吸気弁１６Ａ，１６Ｂは、第１吸気カム２１Ａのカムプロフィールに応じた往復運動を行なって吸気ポート１５１Ａ，１５１Ｂを同期して開閉する。

排気カム軸２０には排気カム２７及び排気吸入カム２８が設けられている。排気カム２７と排気弁１７との間には排気カムレバー機構２９が介在されており、排気吸入カム２８と排気吸入弁１８との間には排気吸入カムレバー機構３０が介在されている。排気カム軸２０の回転に伴い、排気カム２７が排気カムレバー機構２９を駆動すると、排気弁１７が駆動されて排気ポート１５２が開閉される。排気カム軸２０の回転に伴い、排気吸入カム２８が排気吸入カムレバー機構３０を駆動すると、排気吸入弁１８が駆動されて排気吸入ポート１５３が開閉される。

排気カムレバー機構２９は、油圧を供給されたときにのみ排気カム２７の回転駆動力を排気弁１７に伝達可能な機構であり、排気吸入カムレバー機構３０は、油圧を供給されたときにのみ排気吸入カム２８の回転駆動力を排気吸入弁１８に伝達可能な機構である。つまり、排気カムレバー機構２９は、油圧供給により排気カム２７の回転駆動力を排気弁１７に伝達可能な有効状態と、油圧供給停止により排気カム２７の回転駆動力を排気弁１７に伝達不能な無効状態とに切り換え可能である。排気吸入カムレバー機構３０は、油圧供給により排気吸入カム２８の回転駆動力を排気弁１７に伝達可能な有効状態と、油圧供給停止により排気吸入カム２８の回転駆動力を排気弁１７に伝達不能な無効状態とに切り換え可能である。

排気カムレバー機構２９が有効状態のときには、排気弁１７は、排気カム２７のカムプロフィールに応じた往復運動を行なって排気ポート１５２を開閉する。排気カムレバー機構２９が無効状態のときには、カムレバー２４が第１オーバーラップカム２２に接する有効状態となり、排気弁１７は、第１オーバーラップカム２２のカムプロフィールに応じた往復運動を行なって排気ポート１５２を開閉する。排気吸入カムレバー機構３０が有効状態のときには、排気吸入弁１８は、排気吸入カム２８のカムプロフィールに応じた往復運動を行なって排気吸入ポート１５３を開閉する。排気吸入カムレバー機構３０が無効状態のときには、カムレバー２６が第２オーバーラップカム２５に接する有効状態となり、排気吸入弁１８は、第２オーバーラップカム２５のカムプロフィールに応じた往復運動を行なって排気吸入ポート１５３を開閉する。

排気カムレバー機構２９及び排気吸入カムレバー機構３０には油圧供給調整機構４０が油圧通路を介して接続されている。油圧供給調整機構４０は、排気カムレバー機構２９と排気吸入カムレバー機構３０とに油圧を供給する有効化状態と、排気カムレバー機構２９と排気吸入カムレバー機構３０とへの油圧供給を停止する無効化状態とに切り換え可能である。油圧供給調整機構４０は、制御コンピュータＣの制御を受ける。

吸気カム軸１９の端部側には公知の油圧式の可変バルブタイミング機構３１が設けられており、排気カム軸２０の端部側には公知の油圧式の可変バルブタイミング機構３２が設けられている。可変バルブタイミング機構３１は、クランク軸１４の回転駆動力を吸気カム軸１９に伝達し、かつ油圧によって吸気カム軸１９の回転位相を変更可能な構成となっている。可変バルブタイミング機構３２は、クランク軸１４の回転駆動力を排気カム軸２０に伝達し、かつ油圧によって排気カム軸２０の回転位相を変更可能な構成となっている。

可変バルブタイミング機構３１には油圧供給調整機構４１が油圧通路を介して接続されており、可変バルブタイミング機構３２には油圧供給調整機構４２が油圧通路を介して接続されている。油圧供給調整機構４１は、吸気カム軸１９の回転位相を調整している可変バルブタイミング機構３１の調整状態を規定し、油圧供給調整機構４２は、排気カム軸２０の回転位相を調整している可変バルブタイミング機構３２の調整状態を規定する。油圧供給調整機構４１，４２は、制御コンピュータＣの制御を受ける。

図１（ａ）に示すように、吸気ポート１５１Ａ，１５１Ｂに接続された吸気通路３３には噴射ノズル３４が接続されている。噴射ノズル３４は、燃料供給通路３５及び電磁式の流量制御弁３６を介して図示しない燃料供給源に接続されている。燃料は、天然ガスである。噴射ノズル３４は、吸気通路３３内に燃料を噴射する。流量制御弁３６は、制御コンピュータＣの制御を受ける。

噴射ノズル３４の設置位置よりも上流の吸気通路３３にはスロットル弁３７が設けられている。スロットル弁３７は、電動モータ３７１によって開度変更される。電動モータ３７１は、制御コンピュータＣの制御を受ける。スロットル弁３７は、エアクリーナ３９を介して吸気通路３３に吸入される空気の吸気流量を規制する。噴射ノズル３４から噴射された燃料は、吸気通路３３に吸気された空気と混合される。空気と燃料との混合気は、ピストン１２が上死点から下死点に向かう行程の時に吸気ポート１５１Ａ，１５１Ｂが開いていると、燃焼室１１２へ吸入される。燃焼室１１２へ吸入された混合気は、ピストン１２が下死点から上死点に向かう行程の時に、排気ポート１５２及び排気吸入ポート１５３が閉じていると、圧縮される。

スロットル弁３７の開度は、スロットル開度検出器３８によって検出される。スロットル開度検出器３８によって検出されたスロットル開度の情報は、制御コンピュータＣに送られる。

制御コンピュータＣには運転状態検出手段４３及びクランク角度検出器４４が信号接続されている。運転状態検出手段４３は、所望のエンジン負荷（本実施形態ではスロットル開度）及びエンジン回転数を制御コンピュータＣに入力するものである。制御コンピュータＣは、入力設定されたエンジン負荷及びエンジン回転数となるように、電動モータ３７１、流量制御弁３６、油圧供給調整機構４０，４１，４２、スパークプラグ１０を制御する。制御コンピュータＣは、クランク角度検出器４４によって検出されたクランク角度の情報に基づいてエンジン回転数を算出する。

制御コンピュータＣは、図２（ｅ）にグラフで示す（エンジン負荷−エンジン回転数）のマップＭを記憶している。制御コンピュータＣは、運転状態検出手段４３によって入力設定されたエンジン負荷Ｆ及びエンジン回転数Ｎの組〔以下、設定組（Ｆ−Ｎ）という〕がマップＭにおける領域Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４のうちのどの領域にあるかを判定する。

設定組（Ｆ−Ｎ）が領域Ｓ１に含まれる場合、制御コンピュータＣは、油圧供給調整機構４０を無効化状態に制御すると共に、スロットル弁４９が最大開度となるように電動モータ４９１を制御する。油圧供給調整機構４０が無効化状態に制御されると、吸気カムレバー機構５０Ａ，５０Ｂ、排気カムレバー機構２９及び排気吸入カムレバー機構３０が無効状態になる。吸気カムレバー機構５０Ａ，５０Ｂが無効状態になると、カムレバー２３Ａ，２３Ｂが有効状態となる。排気カムレバー機構２９が無効状態になると、カムレバー２４が有効状態となり、排気吸入カムレバー機構３０が無効状態になると、カムレバー２６が有効状態となる。カムレバー２４，２６が有効状態のときには、ピストン１２が上死点に達する前に、排気弁１７が排気ポート１５２を閉じると共に、排気吸入弁１８が排気吸入ポート１５３を閉じる。つまり、設定組（Ｆ−Ｎ）が領域Ｓ１に含まれる場合には、燃焼室１１２内の燃焼後のガスを排気する行程の途中で排気が止められ、燃焼室１１２内の燃焼後のガスの一部が次の吸気行程においても燃焼室１１２に残留する。領域Ｓ１は、空気と燃料（天然ガス）との混合気を圧縮自着火燃焼させるために、燃焼室１１２内の燃焼後のガスの一部を次の吸気行程においても燃焼室１１２に残留させることが望ましい領域として設定されている。

排気弁１７、第１オーバーラップカム２２、カムレバー２４、第１排気カムレバー機構２９及び油圧供給調整機構４０は、燃焼室１１２内の燃焼後のガスを排気する行程の途中で排気を止めて燃焼室１１２内に燃焼後のガスの一部を残留させる残留手段４５を構成する。

図２（ｂ）の曲線Ｅ１は、排気カムレバー機構２９及び排気吸入カムレバー機構３０が無効状態のときにおける排気弁１７の開閉タイミングを表す。曲線Ｄ１は、吸気カムレバー機構５０Ａ，５０Ｂが有効状態のときにおける吸気弁１６Ａ，１６Ｂの開閉タイミングを表す。クランク角度を表す横軸の方向における曲線Ｅ１の位置は、可変バルブタイミング機構３２の調整状態を制御することによって規定される。クランク角度を表す横軸の方向における曲線Ｄ１の位置は、可変バルブタイミング機構３１の調整状態を制御することによって規定されている。

吸気弁１６Ａ，１６Ｂは、吸気カムレバー機構５０Ａ，５０Ｂが無効状態のときよりも有効状態のときに、高リフトとなる。又、排気弁１７は、排気カムレバー機構２９が無効状態のときよりも有効状態のときに、高リフト（弁開度大）となり、排気吸入弁１８は、排気吸入カムレバー機構３０が無効状態のときよりも有効状態のときに、高リフトとなる。つまり、吸気弁１６Ａ，１６Ｂ、排気弁１７及び排気吸入弁１８は、油圧供給調整機構４０が作動されていないときよりも作動されているときに、高リフトとなり、油圧供給調整機構４０が作動されていないときには、吸気弁１６Ａ，１６Ｂ、排気弁１７及び排気吸入弁１８は、低リフト（弁開度小）となる。

又、油圧供給調整機構４０が作動されているとき、及び油圧供給調整機構４０が作動されていないときのいずれにおいても、排気吸入弁１８は、通常の排気を行なうための排気ポート１５２を開閉する排気弁１７よりも低リフトである。

設定組（Ｆ−Ｎ）が領域Ｓ２に含まれる場合、制御コンピュータＣは、油圧供給調整機構４０を有効化状態に制御する。油圧供給調整機構４０が有効化状態に制御されると、吸気カムレバー機構５０Ａ，５０Ｂ、排気カムレバー機構２９及び排気吸入カムレバー機構３０が有効状態になる。吸気カムレバー機構５０Ａ，５０Ｂが有効状態になると、カムレバー２３Ａ，２３Ｂが無効状態となる。排気カムレバー機構２９が有効状態になると、カムレバー２４が無効状態となり、排気吸入カムレバー機構３０が有効状態になると、カムレバー２６が無効状態となる。カムレバー２４，２６が無効状態のときには、排気弁１７は、図２（ｃ）に曲線Ｅ２で示す開閉タイミングで駆動され、排気吸入弁１８は、曲線Ｅ３で示す開閉タイミングで駆動される。つまり、設定組（Ｆ−Ｎ）が領域Ｓ２に含まれる場合には、排気行程にて燃焼室１１２から排気ポート１５２を経由して排気された排気ガスの一部が次の吸気行程にて排気吸入ポート１５３を経由して燃焼室１１２に逆流して還流する。領域Ｓ２は、空気と燃料（天然ガス）との混合気を圧縮自着火燃焼させるために、排気ポート１５２を経由して排気された排気ガスの一部を吸気行程にて排気吸入ポート１５３を経由して燃焼室１１２に還流させることが望ましい領域として設定されている。

又、カムレバー２３Ａ，２３Ｂが無効状態のときには、吸気弁１６Ａ，１６Ｂは、曲線Ｄ２で示す開閉タイミングで駆動される。横軸の方向における曲線Ｅ２，Ｅ３の位置は、可変バルブタイミング機構３２の調整状態を制御することによって規定されており、横軸の方向における曲線Ｄ２の位置は、可変バルブタイミング機構３１の調整状態を制御することによって規定されている。

さらに、制御コンピュータＣは、領域Ｓ２内における設定組（Ｆ−Ｎ）の位置に応じて、スロットル弁４９の開度を適正制御する。つまり、制御コンピュータＣは、領域Ｓ２に含まれる組（Ｆ−Ｎ）と、スロットル弁４９の開度とのマップを記憶しており、設定組（Ｆ−Ｎ）に対するスロットル弁４９の開度となるように、電動モータ４９１を制御する。マップにおけるスロットル弁４９の開度は、対応する組（Ｆ−Ｎ）に適した排気ガス還流量をもたらすものである。

また、スロットル弁３７により吸気通路３３を絞ることで、燃焼室１１２と排気通路４７との間に圧力差を生じさせて排気ガスが勢い良く燃焼室１１２に戻るようにすることで、断熱圧縮効果により燃焼室１１２に戻ってくる排気ガスの温度が高くなるようにしている。

排気吸入弁１８、排気吸入カム２８、排気吸入カムレバー機構３０、油圧供給調整機構４０、スロットル弁４９及び電動モータ４９１は、排気行程にて燃焼室１１２から排気された排気ガスの一部を次の吸気行程にて排気吸入ポート１５３を経由して燃焼室１１２へ逆流させて還流させる還流手段４６を構成する。

設定組（Ｆ−Ｎ）が領域Ｓ３に含まれる場合、制御コンピュータＣは、油圧供給調整機構４０を有効化状態に制御すると共に、スパークプラグ１０を所定タイミングで点火させる。吸気弁１６Ａ，１６Ｂ、排気弁１７及び排気吸入弁１８は、図２（ｃ）の場合と似たような開閉タイミングで駆動される。つまり、排気ガスの一部が吸気行程にて排気吸入ポート１５３を経由して燃焼室１１２に還流する。このような排気弁１７、排気吸入弁１８及び吸気弁１６Ａ，１６Ｂの駆動状態のもとにスパークプラグ１０が点火される。つまり、制御コンピュータＣは、還流手段４６を作動させるとともに、火花着火手段であるスパークプラグ１０により点火アシストを行なうことで予混合圧縮自着火燃焼を行わせる制御機能を有する。領域Ｓ３は、排気ポート１５２を経由して排気された排気ガスの一部を吸気行程にて排気吸入ポート１５３を経由して燃焼室１１２に還流させ、かつスパークプラグ１０を点火させることが望ましい領域として設定されている。

又、設定組（Ｆ−Ｎ）が領域Ｓ２側から領域Ｓ４側に向けて領域Ｓ３内を移行してゆくときには、制御コンピュータＣは、スロットル弁４９の開度を減少させてゆくように電動モータ４９１を制御する。逆に、設定組（Ｆ−Ｎ）が領域Ｓ４側から領域Ｓ２側に向けて領域Ｓ３内を移行してゆくときには、制御コンピュータＣは、スロットル弁４９の開度を増大させてゆくように電動モータ４９１を制御する。つまり、設定組（Ｆ−Ｎ）が領域Ｓ２側から領域Ｓ４側に向けて領域Ｓ３内を移行してゆくときには、排気吸入ポート１５３を経由して燃焼室１１２に還流される排気ガスの量が減ってゆく。逆に、設定組（Ｆ−Ｎ）が領域Ｓ４側から領域Ｓ２側に向けて領域Ｓ３内を移行してゆくときには、排気吸入ポート１５３を経由して燃焼室１１２に還流される排気ガスの量が増えてゆく。スロットル弁４９及び電動モータ４９１は、排気吸入ポート１５３を経由して燃焼室１１２へ還流させる排気ガスの還流量を調整する還流量調整手段を構成する。

設定組（Ｆ−Ｎ）が領域Ｓ４に含まれる場合、制御コンピュータＣは、油圧供給調整機構４０を有効化状態に制御すると共に、スパークプラグ１０を所定タイミングで点火させ、かつスロットル弁４９の開度を零とするように電動モータ４９１を制御する。つまり、領域Ｓ４では火花点火燃焼が行われる。排気弁１７は、図２（ｄ）に曲線Ｅ４で示す開閉タイミングで駆動され、排気吸入弁１８は、曲線Ｅ５で示す開閉タイミングで駆動される。吸気弁１６Ａ，１６Ｂは、曲線Ｄ３で示す開閉タイミングで駆動される。つまり、設定組（Ｆ−Ｎ）が領域Ｓ４に含まれる場合には、排気吸入ポート１５３が吸気行程において開いている期間があるが、排気吸入ポート１５３を経由して燃焼室１１２に還流する排気ガスの量は少なく、火花点火燃焼に悪影響を及ぼさない程度である。領域Ｓ４は、燃焼室１１２内に燃焼後のガスを残留させず、かつ燃焼室１１２内に排気ガスを還流させないで、スパークプラグ１０を点火させることが望ましい領域として設定されている。

横軸の方向における曲線Ｅ４，Ｅ５の位置は、可変バルブタイミング機構３２の調整状態を制御することによって規定されており、横軸の方向における曲線Ｄ３の位置は、可変バルブタイミング機構３１の調整状態を制御することによって規定されている。

制御コンピュータＣは、例えば、設定組（Ｆ−Ｎ）が図２（ｅ）に示す点Ｐ１から点Ｐ２へ切り換えられた場合には、点Ｐ１，Ｐ２を結ぶ線Ｌ１上の組（Ｆ−Ｎ）を点Ｐ１側から点Ｐ２側へと段階的に採用（自動設定）してゆき、最終的に点Ｐ２を採用する。逆に、設定組（Ｆ−Ｎ）が点Ｐ２から点Ｐ１へ切り換えられた場合、制御コンピュータＣは、線Ｌ１上の組（Ｆ−Ｎ）を点Ｐ２側から点Ｐ１側へと段階的に採用（自動設定）してゆき、最終的に点Ｐ１を採用する。同様に、設定組（Ｆ−Ｎ）が点Ｐ１と点Ｐ３との一方から他方へ切り換えられた場合には、制御コンピュータＣは、点Ｐ１，Ｐ３を結ぶ線Ｌ２上の組（Ｆ−Ｎ）を段階的に採用（自動設定）してゆく。又、同様に、設定組（Ｆ−Ｎ）が点Ｐ２と点Ｐ３との一方から他方へ切り換えられた場合には、制御コンピュータＣは、点Ｐ２，Ｐ３を結ぶ線Ｌ３上の組（Ｆ−Ｎ）を段階的に採用（自動設定）してゆく。

第１の実施形態では以下の効果が得られる。
（１−１）排気ポート１５２を経由して排気された排気ガスの一部を吸気行程にて排気吸入ポート１５３を経由して燃焼室１１２へ還流させた場合には、排気吸入弁１８を低リフトとすることにより排気ガスの還流速度を上昇させるとともに、スロットル弁３７を絞ることにより燃焼室１１２内と排気通路４７内との圧力差を生じさせることで、断熱圧縮効果が発生する。つまり、排気吸入弁１８を低リフトにすることにより排気ガスの還流速度が上がって断熱圧縮効果が得られ、燃焼室１１２へ還流する排気ガスの温度が高くなる。つまり、排気行程にて燃焼室１１２内に残留された燃焼後のガス量と、還流された排気ガス量とが同じである場合には、排気ガスの還流による混合気の昇温の度合いが燃焼後のガスの残留による混合気の昇温の度合いよりも大きい。Ｓ２の領域ではＳ１の領域よりもエンジン負荷が高いため、燃料の噴射量を多くしなくてはいけないが、排気ガスの還流による混合気の昇温によって、Ｓ１領域よりもＥＧＲの量を減らすことができ、それによりＳ２領域ではＳ１領域よりも多くの混合気を吸入させることができる。つまり、還流手段４６は、予混合圧縮自着火機関における圧縮自着火燃焼による運転が可能な領域を広げる。

（１−２）エネルギーロスの観点からすると還流手段４６の作動よりも残留手段４５の作動の方が望ましい。従って、残留手段４５の作動によっても安定した圧縮自着火燃焼が可能なエンジン運転状態の領域（Ｓ２）では残留手段４５を作動させることが望ましいが、領域Ｓ１よりもエンジン負荷が高いために燃料の噴射量を多くしなければならない領域Ｓ２では還流手段４６を作動させることが望ましい。

エンジン運転状態が残留手段４５の作動に適した状態〔つまり、設定組（Ｆ−Ｎ）が領域Ｓ１にある状態〕である場合には、制御コンピュータＣは、残留手段４５の作動を選択して行わせる。エンジン運転状態が還流手段４６の作動に適した状態〔つまり、設定組（Ｆ−Ｎ）が領域Ｓ２にある状態〕である場合には、制御コンピュータＣは、還流手段４６の作動を選択して行わせる。領域Ｓ１と領域Ｓ２とは隣接しており、設定組（Ｆ−Ｎ）が領域Ｓ１から領域Ｓ２へ移行されるときには、制御コンピュータＣは、残留手段４５の作動から還流手段４６の作動へ切り換える。逆に、設定組（Ｆ−Ｎ）が領域Ｓ２から領域Ｓ１へ移行されるときには、制御コンピュータＣは、還流手段４６の作動から残留手段４５の作動へ切り換える。このような切り換えは、エネルギーロス増を抑制しつつ予混合圧縮自着火機関における圧縮自着火燃焼による運転が可能な領域を広げる。

（１−３）スパークプラグ１０の点火は、還流手段４６の作動によっても安定した圧縮自着火燃焼が難しいエンジン運転状態〔つまり、設定組（Ｆ−Ｎ）が領域Ｓ３，Ｓ４にある状態〕において有効である。

（１−４）燃焼後のガスの温度は、スパークプラグ１０の点火による火花着火燃焼の場合の方が圧縮自着火燃焼の場合よりも、高い。そのため、還流手段４６の作動による圧縮自着火燃焼からスパークプラグ１０の点火による火花着火燃焼へ直接移行すると、失火が生じるおそれがある。逆に、スパークプラグ１０の点火による火花着火燃焼から還流手段４６の作動による圧縮自着火燃焼へ直接移行すると、激しい圧縮自着火燃焼が起きて異常騒音が発生するおそれがある。

制御コンピュータＣは、還流手段４６の作動の制御とスパークプラグ１０の点火の制御との一方から他方への切り換えの際には、還流手段４６の作動とスパークプラグ１０の作動とを併用して行わせる制御を経由する。このような併用は、スパークプラグ１０の点火による火花着火燃焼と、還流手段４６の作動による圧縮自着火燃焼との一方から他方への直接移行における失火、異常騒音等という不具合の発生の回避に有効である。

（１−５）領域Ｓ３内の設定組（Ｆ−Ｎ）が領域Ｓ２側から領域Ｓ４側へ移行してゆくにつれて、制御コンピュータＣは、スロットル弁４９の開度が減少してゆくように電動モータ４９１を制御する。つまり、領域Ｓ３内の設定組（Ｆ−Ｎ）が領域Ｓ２側から領域Ｓ４側へ領域Ｓ３内を移行してゆくにつれて、燃焼室１１２へ還流される排気ガス量が減らされてゆく。逆に、領域Ｓ３内の設定組（Ｆ−Ｎ）が領域Ｓ４側から領域Ｓ２側へ移行してゆくにつれて、制御コンピュータＣは、スロットル弁４９の開度が増大してゆくように電動モータ４９１を制御する。つまり、領域Ｓ３内の設定組（Ｆ−Ｎ）が領域Ｓ４側から領域Ｓ２側へ領域Ｓ３内を移行してゆくにつれて、燃焼室１１２へ還流される排気ガス量が増やされてゆく。このような排気ガスの還流量の増減は、失火、異常騒音等という不具合の発生の回避の確実性を高める上で有効である。

（１−６）制御コンピュータＣは、領域Ｓ２内における設定組（Ｆ−Ｎ）の位置に応じて、スロットル弁４９の開度を適正制御する。つまり、制御コンピュータＣは、領域Ｓ２内における設定組（Ｆ−Ｎ）の位置に応じた適正な排気ガス還流量をもたらすように、電動モータ４９１を制御する。スロットル弁４９及び電動モータ４９１からなる還流量調整手段は、領域Ｓ２内における設定組（Ｆ−Ｎ）の位置に応じた適正な排気ガス還流量をもたらす上で、好適な手段である。

本発明では以下のような実施形態も可能である。
（１）図２（ｃ）における曲線Ｅ３の横軸方向における位置は、可変バルブタイミング機構３２の調整状態を変更することによって変えられる。曲線Ｄ２に対する曲線Ｅ３の横軸方向における相対位置を変更すれば、排気ガスの還流量を変更することができる。曲線Ｄ２に対する曲線Ｅ３の横軸方向における相対位置を変更して排気ガスの還流量を変更するようにしてもよい。

（２）排気カムレバー機構２９用の油圧供給調整機構と、排気吸入カムレバー機構３０用の油圧供給調整機構とを別々にしてもよい。このようにすると、排気ガスの還流量を零にする場合には、排気吸入カムレバー機構３０用の油圧供給調整機構を無効化状態にすればよい。そうすると、第２オーバーラップカム２５の回転が排気吸入弁１８に伝えられ、排気行程において排気吸入ポート１５３が開かれる。つまり、排気ガスの還流量を零にした場合には、排気吸入ポート１５３は、排気ポートとして機能する。

（３）第１オーバーラップカム２２及び第２オーバーラップカム２５のいずれか一方を無くしてもよい。
（４）図２（ｃ）における曲線Ｄ２の位置と曲線Ｅ３の位置とを入れ替えるようにしてもよい。この場合、曲線Ｅ３が吸気行程にあれば、排気ガスの還流が可能である。

（５）スロットル弁４９及び電動モータ４９１を無くしてもよい。この場合、排気ガス還流量を増減するには、図２（ｄ）において曲線Ｅ５の内部領域（横軸と曲線Ｅ５とで囲まれる領域）と、曲線Ｄ３の内部領域（横軸と曲線Ｄ３とで囲まれる領域）との重合領域が変更されるように、可変バルブタイミング機構３２の調整状態を制御すればよい。

（６）スロットル弁３７の開度調整によって燃焼室１１２内の負圧を調整し、排気ガスの還流量を調整するようにしてもよい。
（７）排気通路４７と排気吸入通路４８との合流部よりも下流の排気通路４７に、排気圧を調整可能な排気絞り弁を設けてもよい。排気圧を高めるほど、排気吸入ポート１５３から燃焼室１１２に還流する排気ガスの断熱圧縮効果が高くなり、燃焼前の混合気の昇温度合いが大きくなる。

（８）第１オーバーラップカム２２の回転が排気カムレバー機構２９を介して排気弁１７に伝わり、第２オーバーラップカム２５の回転が排気吸入カムレバー機構３０を介して排気吸入弁１８に伝わる構成にしてもよい。この場合、排気カム２７の回転がカムレバー２４を介して排気弁１７に伝わり、排気吸入カム２８の回転がカムレバー２６を介して排気吸入弁１８に伝わるようにする。

（９）一対の第１吸気カム２１Ａの回転が吸気カムレバー機構５０Ａ，５０Ｂを介して吸気弁１６Ａ，１６Ｂに伝わり、一対の第２吸気カム２１Ｂの回転がカムレバー２３Ａ，２３Ｂを介して吸気弁１６Ａ，１６Ｂに伝わる構成にしてもよい。

（１０）予混合圧縮自着火機関の燃料としては、天然ガス以外に、ガソリン、プロパンガス、メタノール、ジメチルエーテル、水素等の気体燃料を用いてもよい。
（１１）予混合圧縮自着火機関の燃料として、液体燃料を霧状にしたものでもよい。

（１２）吸気行程中に燃料を燃焼室内に噴射して、空気と燃料とを混合するようにしてもよい。
（１３）予混合圧縮自着火機関は、単気筒であってもよい。

（１４）電磁駆動手段や油圧駆動手段によって吸気弁１６Ａ，１６Ｂ、排気弁１７あるいは排気吸入弁１８を駆動するようにしてもよい。
（１５）排気吸入ポート１５３及び排気吸入弁１８を無くし、電磁駆動手段や油圧駆動手段によって排気弁１７を駆動するようにしてもよい。この場合、排気ポート１５２から排気ガスを還流すればよく、排気ポート１５２が排気吸入ポートの役割を果たす。

（１６）予混合圧縮自着火機関は、定置式のものに限らず、自動車のエンジンに適用してもよい。この場合、アクセルペダルの踏み込み量を検出するセンサ、あるいはアクセルスロットルの開度を検出するセンサを運転状態検出手段とすればよい。

（１７）排気還流手段として２段排気カムを使用してもよい。そうすれば、排気弁が排気行程と吸気行程との両方で開くことで、実施形態と同様に、排気ガスを還流させることができる。

前記した実施形態から把握できる技術的思想について以下に記載する。
〔１〕前記残留手段は、排気カムと、第１オーバーラップカムと、前記排気カムの回転運動を往復運動に変換して排気ポートを開閉する排気弁に伝達するための第１排気カムレバー機構と、前記第１オーバーラップカムの回転運動を往復運動に変換して前記排気弁に伝達するための第２排気カムレバー機構と、前記第１排気カムレバー機構と前記第２排気カムレバー機構とのいずれか一方を有効状態にする第１切り換え手段とを備え、前記還流手段は、排気吸入カムと、前記排気吸入ポートを開閉する排気吸入弁と、前記排気吸入カムの回転運動を往復運動に変換して前記排気吸入弁に伝達するための排気吸入カムレバー機構と、前記排気吸入カムレバー機構を有効状態と無効状態とに切り換える第２切り換え手段とを備え、前記制御手段は、前記第１切り換え手段の切り換え状態と、前記第２切り換え手段の切り換え状態とを制御する予混合圧縮自着火機関。

実施形態では、油圧供給調整機構４０が第１切り換え手段及び第２切り換え手段となり、排気カムレバー機構２９が第１排気カムレバー機構となり、カムレバー２４が第２排気カムレバー機構となる。

〔２〕前記排気カム及び前記排気吸入カムの回転位相を変更するための可変バルブタイミング機構を備えており、前記制御手段は前記可変バルブタイミング機構を制御する予混合圧縮自着火機関。

一実施形態を示し、（ａ），（ｂ）は予混合圧縮自着火機関の概略構成図。 （ａ）は部分概略平面図。（ｂ）は、排気弁１７及び吸気弁１６Ａ，１６Ｂの開閉タイミングを示すタイミングチャート。（ｃ）は、排気弁１７、吸気弁１６Ａ，１６Ｂ及び排気吸入弁１８の開閉タイミングを示すタイミングチャート。（ｄ）は、排気弁１７、吸気弁１６Ａ，１６Ｂ及び排気吸入弁１８の開閉タイミングを示すタイミングチャート。（ｅ）は、マップを示すグラフ。

符号の説明

１０…火花着火手段としてのスパークプラグ。１１２…燃焼室。１５２…排気ポート。１５３…排気吸入ポート。１７…排気弁。１８…排気吸入弁。２８…排気吸入カム。４３…運転状態検出手段。４５…残留手段。４６…還流手段。４９…還流量調整手段を構成するスロットル弁。４９１…還流量調整手段を構成する電動モータ。Ｃ…制御手段としての制御コンピュータ。

Claims (5)

1. 燃料と酸素とを混合させた混合気を燃焼室で圧縮して自着火させる予混合圧縮自着火機関において、
   前記燃焼室の排気ポートには、排気通路が接続されているとともに該排気ポートを開閉する排気弁が設けられ、
   前記燃焼室の排気吸入ポートには、前記排気通路と合流する排気吸入通路が接続されているとともに該排気吸入ポートを開閉する排気吸入弁が設けられ、
   排気行程の途中で前記排気弁及び前記排気吸入弁を開いた状態から閉じて排気を止めることにより、前記燃焼室内の燃焼後のガスの一部を前記燃焼室内に残留させる残留手段と、
   排気行程において前記排気吸入弁を閉じた状態を維持し、その次の吸気行程にて前記排気弁を閉じるとともに前記排気吸入弁を開けることで、排気行程にて前記燃焼室から前記排気ポートを介して排気された排気ガスの一部を、前記排気吸入ポートを介して前記燃焼室へ逆流させて還流させる還流手段と、
   エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段と、
   前記運転状態検出手段によって検出されたエンジン運転状態に応じて、前記残留手段の作動と前記還流手段の作動とのいずれか一方を選択して行わせる制御手段とを備えた予混合圧縮自着火機関。
2. 前記燃焼室内の混合気を火花点火によって着火させる火花着火手段を備え、
   前記制御手段は、前記火花着火手段の作動を選択することで予混合圧縮自着火燃焼と火花着火燃焼とのいずれか一方を選択して行わせる制御機能と、前記予混合圧縮自着火燃焼と前記火花着火燃焼との一方から他方への切り換えの際には、前記還流手段を作動させるとともに前記火花着火手段により点火アシストを行ないつつ予混合圧縮自着火燃焼を行わせる制御機能とを有する請求項１に記載の予混合圧縮自着火機関。
3. 前記還流手段は、前記燃焼室へ還流させる排気ガスの還流量を調整する還流量調整手段を備えている請求項２に記載の予混合圧縮自着火機関。
4. エンジン運転状態は、エンジン負荷を含み、前記制御手段は、エンジン負荷が高くなると前記残留手段の作動から前記還流手段の作動に切り換える請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の予混合圧縮自着火機関。
5. 前記還流手段は、排気吸入カムと、排気吸入ポートを開閉する排気吸入弁とを備え、前記排気吸入弁は、通常の排気を行なうための排気ポートを開閉する排気弁よりも低リフトである請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の予混合圧縮自着火機関。

Images