内燃機関および排気再循環装置
【課題】新気と不活性ガスとの接触面積が減少して混合が低減されるとともに、新気と不活性ガスとの成層化が促進される内燃機関および排気再循環装置を提供する。
【解決手段】ＥＣＵ１６は、エンジン本体１１が吸気行程にあるとき、ＥＧＲ弁１５を開閉駆動する。これにより、吸気通路３２から燃焼室２７には、排気の濃度の高い高ＥＧＲ層と新気を主成分とする低ＥＧＲ層とが時期的にずれて流入する。そのため、燃焼室２７に流入した吸気は、燃焼室２７の軸方向へ成層化した高ＥＧＲ層および低ＥＧＲ層を形成する。その結果、高ＥＧＲ層と低ＥＧＲ層との接触面積は、燃焼室２７の軸に垂直な断面積に近似する程度に減少する。また、高ＥＧＲ層および低ＥＧＲ層は、いずれも燃焼室２７の軸方向の厚さが大きくなる。したがって、高ＥＧＲ層と低ＥＧＲ層との混合が低減され、高ＥＧＲ層と低ＥＧＲ層との成層化が促進される。
【解決手段】ＥＣＵ１６は、エンジン本体１１が吸気行程にあるとき、ＥＧＲ弁１５を開閉駆動する。これにより、吸気通路３２から燃焼室２７には、排気の濃度の高い高ＥＧＲ層と新気を主成分とする低ＥＧＲ層とが時期的にずれて流入する。そのため、燃焼室２７に流入した吸気は、燃焼室２７の軸方向へ成層化した高ＥＧＲ層および低ＥＧＲ層を形成する。その結果、高ＥＧＲ層と低ＥＧＲ層との接触面積は、燃焼室２７の軸に垂直な断面積に近似する程度に減少する。また、高ＥＧＲ層および低ＥＧＲ層は、いずれも燃焼室２７の軸方向の厚さが大きくなる。したがって、高ＥＧＲ層と低ＥＧＲ層との混合が低減され、高ＥＧＲ層と低ＥＧＲ層との成層化が促進される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関および排気再循環装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば内燃機関の排気や窒素など、燃料の燃焼に寄与しない不活性ガスを内燃機関の燃焼室に供給することにより、燃焼温度を低下させ、ＮＯｘの生成を抑制することが知られている。このような内燃機関として、特許文献１は、吸気通路を流れる新気に対し層状に排気を導入することを開示している。これにより、吸気通路を流れる吸気は、排気が混合されていない新気と排気とが不均一なまま燃焼室へ流入する。そのため、燃焼室には、成層化した新気と排気とが導入される。
【０００３】
しかしながら、特許文献１の場合、新気と排気とは流れ方向に沿って層状に成層化している。そのため、これら新気および排気は、燃焼室の内部においてピストンの往復移動方向すなわち燃焼室の軸と平行な境界の層を形成する。その結果、新気および排気の層の厚さが小さくなるとともに、新気と排気とが接触する面積は大きくなる。これにより、新気と排気とは、燃焼室の内部において混合しやすいという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８―１９６３０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、本発明の目的は、新気と不活性ガスとの接触面積が減少して混合が低減されるとともに、新気と不活性ガスとの成層化が促進される内燃機関および排気再循環装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１記載の発明では、制御手段は、不活性ガス供給部から吸気通路へ不活性ガスの供給を断続する不活性ガス供給弁を開閉駆動する。制御手段は、内燃機関本体が吸気行程にあるとき、新気および不活性ガスが燃焼室へ導入される時期を制御する。これにより、吸気通路から燃焼室には、不活性ガスの濃度が低い新気と不活性ガスとが時期的にずれて流入する。そのため、燃焼室に流入した吸気は、新気と不活性ガスとが燃焼室の軸方向へ層を形成する。その結果、新気と不活性ガスとの接触面積は、燃焼室の軸に垂直な断面積に近似する程度に減少する。また、新気の層および不活性ガスの層は、いずれも厚さが大きくなる。したがって、燃焼室に吸入された新気と不活性ガスとの混合が低減され、新気と不活性ガスとの成層化を促進することができる。なお、本明細書および特許請求の範囲において「不活性ガス」とは、新気に比較して酸素濃度が低下し、新気に比較して燃料の燃焼を促す作用が小さいものをいう。そのため、不活性ガスは、例えば二酸化炭素、窒素あるいは希ガスに限らず、排気再循環装置で再循環される排気も含む。
【０００７】
請求項２記載の発明では、制御手段は、不活性ガス供給弁の開閉駆動によって、接続部から燃焼室へ至る吸気通路において吸気に含まれる不活性ガスの濃度に差を形成する。これにより、新気と不活性ガスとは、燃焼室へ至る吸気通路において層状に濃度差を形成する。そして、層状に濃度差を形成している新気および不活性ガスは、吸気行程において吸気通路から燃焼室へ導入されるとき、吸気通路における濃度を維持した状態で燃焼室へ流入する。したがって、燃焼室に吸入された新気と不活性ガスとの混合が低減され、新気と不活性ガスとの成層化を促進することができる。
【０００８】
請求項３記載の発明では、運転状態取得手段は、内燃機関本体の運転状態を取得する。制御手段は、取得した内燃機関本体の運転状態に応じて不活性ガス供給弁の開閉時期を変更する。そのため、内燃機関本体の運転状態に応じて適切な新気および不活性ガスを燃焼室へ供給することができる。
【０００９】
請求項４記載の発明では、制御手段は、吸気行程の前半に不活性ガスの濃度を低め、吸気行程の後半に不活性ガスの濃度を高める。すなわち、制御手段は、吸気行程の前半において燃焼室へ不活性ガスの濃度の低い新気を供給し、吸気行程の後半において燃焼室へ供給する不活性ガスの濃度を高める。これにより、燃焼室には、吸気通路から遠い側に不活性ガスの濃度の低い新気の層が形成され、吸気通路から近い側に不活性ガスの濃度の高い層が形成される。そのため、燃焼室における燃料の燃焼は、不活性ガスの濃度の高い層で開始される。その結果、燃焼温度が低下し、ＮＯｘの生成が低減される。したがって、内燃機関本体から排出されるＮＯｘを低減することができる。
【００１０】
請求項５記載の発明では、制御手段は、吸気行程の前半に不活性ガスの濃度を高め、吸気行程の後半に不活性ガスの濃度を低める。すなわち、制御手段は、吸気行程の前半において燃焼室へ高い濃度の不活性ガスを供給し、吸気行程の後半において燃焼室へ不活性ガスの濃度の低い新気を供給する。これにより、燃焼室には、吸気通路から遠い側に不活性ガスの濃度の高い層が形成され、吸気通路から近い側に不活性ガスの濃度の低い新気の層が形成される。そのため、燃焼室を形成する内燃機関本体の壁面付近には、新気に比較して温度の高い不活性ガスの層が形成される。その結果、特に負荷が小さいときにおいて内燃機関本体から燃焼室内の吸気への熱の移動にともなう熱損失が低減されるとともに、燃焼室に噴射された燃料は酸素が豊富な新気によって燃焼が促進される。したがって、内燃機関本体の負荷が小さいときでも、熱効率を高めることができるとともに、安定した運転を確保することができる。
【００１１】
一般に、内燃機関本体の負荷が大きくなるほど、燃焼室における燃料の燃焼温度は上昇しやすく、燃料の燃焼によって生成するＮＯｘは増大する。そのため、内燃機関本体の負荷が大きくなるほど、燃焼室において燃料の燃焼が生じる位置に近い、すなわち吸気通路に近い位置において不活性ガスの濃度を高めることが望ましい。そこで、請求項６記載の発明では、制御手段は、内燃機関本体の負荷が大きくなるにしたがって、不活性ガスを供給する時期を吸気行程の後半にずらしている。これにより、燃焼室において燃料の燃焼が生じる位置に近い、すなわち吸気通路に近い位置において不活性ガスの濃度が高くなる。これとともに、新気と不活性ガスとが接する時間が短縮され、新気と不活性ガスとの混合も低減される。したがって、内燃機関本体の負荷に応じて燃料の燃焼温度を制御することができ、排気に含まれるＮＯｘを低減することができる。
【００１２】
請求項７記載の発明では、失火条件判断手段をさらに備えている。失火条件判断手段は、例えば冷却水の温度が低いとき、新気の酸素密度が低いとき、あるいは燃料のセタン価が低いときなどのように、内燃機関本体で燃料が失火しやすい条件にあるか否かを判断する。このように失火条件判断手段が内燃機関本体で失火しやすい条件が成立していると判断すると、制御手段は、吸気行程の前半に不活性ガスの濃度を高めるとともに、吸気行程の後半に不活性ガスの濃度を低める。そのため、燃焼室において燃料の燃焼が生じる位置に近い、すなわち吸気通路に近い位置には、不活性ガスの濃度が低い、すなわち酸素が豊富な新気の層が形成される。その結果、燃料の着火性が向上する。したがって、内燃機関本体の安定した運転を確保することができる。
【００１３】
請求項８記載の発明では、吸気系は、ストレートポートおよびヘリカルポートを有している。不活性ガスを供給する供給通路は、このストレートポートに接続している。そのため、不活性ガス供給部から供給される不活性ガスは、ストレートポートが形成する吸気通路を経由して燃焼室へ流入する。これにより、吸気は、層流に近い状態で燃焼室の径方向中心付近へ流入する。したがって、燃焼室における新気と不活性ガスとの混合が低減され、新気と不活性ガスとの成層化を促進することができる。
【００１４】
請求項９記載の発明では、排気を吸気通路へ還流する排気再循環部を備えている。そして、不活性ガス供給部は、排気通路を流れる排気を不活性ガスとして吸気通路へ供給する。したがって、排気再循環部を経由して循環する排気を不活性ガスとする場合でも、新気と排気との混合を低減することができ、新気と排気との成層化を促進することができる。
【００１５】
請求項１０記載の発明では、排気循環部は、吸気通路へ供給する排気を加圧する過給部を有している。これにより、吸気通路から燃焼室へ供給される排気は、圧力が高くなり、より迅速に燃焼室へ流入する。したがって、排気と新気との接触時間を低減することができ、燃焼室における新気と不活性ガスとの混合をより低減することができる。
【００１６】
請求項１１記載の発明では、制御手段は、排気通路から吸気通路へ再循環される排気の流れを断続する排気再循環弁を開閉駆動する。制御手段は、内燃機関本体が吸気行程にあるとき、新気および再循環される排気が燃焼室へ導入される時期を制御する。これにより、吸気通路から燃焼室には、排気の濃度が低く新鮮な空気の濃度が高い新気と、排気の濃度が高く新鮮な空気の濃度が低い最循環ガスとが時期的にずれて流入する。そのため、燃焼室に流入した吸気は、新気と再循環ガスとが燃焼室の軸方向へ層を形成する。その結果、新気と再循環ガスとの接触面積は、燃焼室の軸に垂直な断面積に近似する程度に減少する。また、新気の層および再循環ガスの層は、いずれも厚さが大きくなる。したがって、燃焼室に吸入された新気と再循環ガスとの混合が低減され、新気と再循環ガスとの成層化を促進することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１実施形態による内燃機関の概略構成を示す模式図
【図２】第１実施形態による内燃機関を示すブロック図
【図３】第１実施形態による内燃機関のＥＧＲ弁の作動時期を示す概略図
【図４】従来の内燃機関のＥＧＲ弁の作動時期を示す概略図
【図５】第１実施形態による内燃機関のＥＧＲ弁の作動時期と高ＥＧＲ層および低ＥＧＲ層の形成の流れを示す模式図
【図６】第１実施形態による内燃機関において吸気通路側に高ＥＧＲ層を形成した例を示す模式図
【図７】第１実施形態による内燃機関において吸気通路側に低ＥＧＲ層を形成した例を示す模式図
【図８】第１実施形態による内燃機関の処理の流れを示す概略図
【図９】エンジン回転数、燃料噴射量、目標成層度の関係を示す概略図
【図１０】第２実施形態による内燃機関の要部を示す模式図
【図１１】第３実施形態による内燃機関の図１０に相当する図
【図１２】第４実施形態による内燃機関の図１０に相当する図
【図１３】第５実施形態による内燃機関の図１に相当する図
【図１４】第６実施形態による内燃機関の図１に相当する図
【図１５】その他の実施形態による内燃機関の図１に相当する図
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、内燃機関の複数の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、複数の実施形態において実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
（第１実施形態）
図１に第１実施形態による内燃機関としてのディーゼルエンジン（以下、「エンジン」と称する。）１０を示す。エンジン１０は、内燃機関本体（以下、「エンジン本体」と称する。）１１、吸気系１２、排気系１３、不活性ガス供給部および排気再循環部としてのＥＧＲ（Exhoust Gas Recirculation）装置１４、不活性ガス供給弁としてのＥＧＲ弁１５、および制御手段としてＥＣＵ（Electronic Control Unit）１６を備えている。エンジン本体１１は、シリンダブロック２１、シリンダヘッド２２、ピストン２３、吸気バルブ２４、排気バルブ２５および図示しないバルブ駆動機構部などを備えている。シリンダブロック２１は、筒状のシリンダ２６を有している。ピストン２３は、このシリンダ２６の内部を軸方向へ往復移動する。シリンダブロック２１、シリンダヘッド２２およびピストン２３は、燃焼室２７を形成している。エンジン１０は、シリンダヘッド２２を貫いて端部が燃焼室２７に露出するインジェクタ２８を備えている。インジェクタ２８は、図示しない燃料ポンプで加圧された燃料を燃焼室２７へ噴射する。なお、エンジン１０は、吸気を過給する図示しないターボチャージャを備えていてもよい。
【００１９】
吸気系１２は、吸気管部材３１を有している。吸気管部材３１は、吸気通路３２を形成している。吸気通路３２の一方の端部は、図示しない吸気口を経由して大気に開放している。吸気通路３２の他方の端部は、燃焼室２７に接続している。吸気バルブ２４は、吸気通路３２と燃焼室２７との間を断続する。これにより、吸気通路３２の図示しない吸気口から吸入された空気は、吸気通路３２を経由して燃焼室２７へ供給される。排気系１３は、排気管部材３３を有している。排気管部材３３は、排気通路３４を形成している。排気通路３４の一方の端部は、図示しない触媒やマフラーを経由して大気に開放している。排気通路３４の他方の端部は、燃焼室２７に接続している。排気バルブ２５は、燃焼室２７と排気通路３４との間を断続する。これにより、燃焼室２７から排出された排気は、排気通路３４を経由して大気中へ放出される。吸気バルブ２４および排気バルブ２５は、ピストン２３の往復移動に同期する図示しないバルブ駆動機構部によって駆動される。
【００２０】
ＥＧＲ装置１４は、ＥＧＲ通路部材４１を有している。ＥＧＲ通路部材４１は、特許請求の範囲の通路形成部材に相当し、ＥＧＲ通路４２を形成している。ＥＧＲ通路４２は、一方の端部が排気通路３４に接続し、他方の端部が吸気通路３２に接続している。具体的には、ＥＧＲ通路４２の一方の端部は、排気通路３４の排気バルブ２５から図示しない触媒までの間に接続している。また、ＥＧＲ通路４２の他方の端部は、吸気通路３２の図示しない吸気口から燃焼室２７までの間に接続している。ＥＧＲ通路４２と吸気通路３２とは、接続部４３で接続している。これにより、排気通路３４を流れる排気の一部は、ＥＧＲ通路４２を経由して吸気通路３２へ戻される。以下、吸気通路３２へ戻される排気は「ＥＧＲガス」と称する。このＥＧＲガスは、燃焼室２７における燃料の燃焼によって酸素が消費されている。そのため、ＥＧＲガスに含まれる酸素の濃度は、吸気通路３２の図示しない吸気口から吸入された新鮮な空気（以下、「新気」と称する。）に比較して低下している。その結果、ＥＧＲガスは、新気に比較して燃料の燃焼を促す活性が低い。つまり、ＥＧＲガスは、特許請求の範囲の不活性ガスに相当する。
【００２１】
ＥＧＲ弁１５は、特許請求の範囲の排気再循環弁に相当し、このＥＧＲ通路４２に設けられている。ＥＧＲ弁１５は、ＥＧＲ通路部材４１が形成するＥＧＲ通路４２を開閉する。これにより、ＥＧＲ通路４２を流れるＥＧＲガスは、ＥＧＲ弁１５によって吸気通路３２への供給が断続される。ＥＧＲ弁１５は、アクチュエータ４４を有している。これにより、ＥＧＲ弁１５は、ＥＣＵ１６からアクチュエータ４４へ出力された電気信号にしたがってＥＧＲ通路４２を開閉する。ＥＣＵ１６は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭを有するマイクロコンピュータで構成されている。ＥＣＵ１６は、ＲＯＭに記憶されているコンピュータプログラムにしたがってエンジン１０の全体を制御する。
【００２２】
エンジン１０は、図２に示すように運転状態取得部５０を備えている。運転状態取得部５０は、アクセル開度センサ５１および回転数センサ５２などを有している。アクセル開度センサ５１は、図示しないアクセルペダルの踏み込み量を検出する。アクセル開度センサ５１は、検出したアクセルペダルの踏み込み量を電気信号としてＥＣＵ１６へ出力する。また、回転数センサ５２は、エンジン本体１１の回転数を検出する。回転数センサ５２は、検出したエンジン本体１１の回転数を電気信号としてＥＣＵ１６へ出力する。さらに、ＥＣＵ１６は、水温センサ５３、酸素濃度センサ５４およびセタン価取得部５５などに接続している。水温センサ５３は、エンジン本体１１の冷却水の温度を検出し、検出した冷却水の温度を電気信号としてＥＣＵ１６へ出力する。酸素濃度センサ５４は、吸気通路３２を流れる新気の酸素濃度を検出し、検出した酸素濃度を電気信号としてＥＣＵ１６へ出力する。セタン価取得部５５は、エンジン本体１１における燃料の燃焼状態から燃料のセタン価を取得し、取得した燃料のセタン価を電気信号としてＥＣＵ１６へ出力する。
【００２３】
ＥＣＵ１６は、負荷判断手段として負荷判断部５６、および失火条件判断手段としての失火条件判断部５７を有している。これら負荷判断部５６および失火条件判断部５７は、ＥＣＵ１６においてコンピュータプログラムを実行することにより、ソフトウェア的に実現されている。なお、負荷判断部５６および失火条件判断部５７は、ハードウェア的に実現してもよい。負荷判断部５６は、アクセル開度センサ５１で検出したアクセルペダルの開度、および回転数センサ５２で検出したエンジン本体１１の回転数に基づいて、エンジン１０の負荷状態を判断する。また、失火条件判断部５７は、水温センサ５３で検出した冷却水の温度、酸素濃度センサ５４で検出した新気の酸素濃度、およびセタン価取得部５５で取得した燃料のセタン価などに基づいて、エンジン本体１１において燃料の失火を招く条件が成立しているか否かを判断する。なお、失火条件判断部５７は、例示であり、上記のセンサに限らず、他のセンサから取得した情報を利用してもよい。
【００２４】
次に、上記した第１実施形態によるエンジン１０における吸気の供給について説明する。
第１実施形態によるエンジン１０は、通常のエンジンと同様に吸気行程、圧縮行程、燃焼行程および排気行程を順に実行する。第１実施形態の場合、ＥＣＵ１６は、図３に示すようにエンジン本体１１が吸気行程にあるとき、ＥＧＲ弁１５によってＥＧＲ通路４２を開閉する。そのため、ＥＧＲ通路４２は、圧縮行程、燃焼行程および排気行程にあるとき、ＥＧＲ弁１５によって閉鎖されている。一方、ＥＣＵ１６は、エンジン本体１１が吸気行程にあるとき、この吸気行程の全期間ではなく、圧縮行程に近い期間でＥＧＲ弁１５によってＥＧＲ通路４２を開放する。これにより、第１実施形態の場合、ＥＧＲ通路４２を経由して排気通路３４から戻されるＥＧＲガスは、吸気行程の後期に燃焼室２７へ供給される。ところで、従来のＥＧＲ装置を備えるエンジンの場合、運転状態が一定であれば、図４に示すようにエンジン本体がいずれの行程にあってもＥＧＲ弁の開度は一定である。そのため、従来のエンジンの場合、図示しない吸気口から導入された新気とＥＧＲ通路を経由して戻されたＥＧＲガスとは、所定の割合で混合されて燃焼室に供給される。
【００２５】
第１実施形態の場合、ＥＣＵ１６は、ＥＧＲ弁１５によって吸気行程の途中にＥＧＲ通路４２を開閉する。一般に排気通路３４からＥＧＲ通路４２を経由して吸気通路３２へ戻されるＥＧＲガスの圧力は、大気圧の空気を主とする新気の圧力よりも高い。また、ＥＧＲガスは、新気との間で温度差および濃度差も大きい。そのため、燃焼室２７に供給される吸気は、新気とＥＧＲガスとが容易に混合しにくい。その結果、燃焼室２７に供給される吸気は、接続部４３から燃焼室２７へ至る吸気通路３２において、新気を主成分としてＥＧＲガスの濃度が低い低ＥＧＲ層とＥＧＲガスを主成分としてＥＧＲガスの濃度が高い高ＥＧＲ層とが層状になる。
【００２６】
例えば図５に示すように吸気行程の後半にＥＧＲ弁１５によってＥＧＲ通路４２を開放すると、接続部４３から燃焼室２７へ至る吸気通路３２において燃焼室２７に近い側に低ＥＧＲ層６２が形成され、燃焼室２７から遠い側に高ＥＧＲ層６１が形成される。すなわち、エンジン本体１１が吸気行程に移行する直前において、吸気バルブ２４が吸気通路３２と燃焼室２７との間を閉鎖しているとき、吸気通路３２には図示しない吸気口から吸入された新気が充満している。そのため、吸気通路３２の燃焼室２７側は、新気を主成分とする低ＥＧＲ層６２となっている。そして、ＥＧＲ弁１５がＥＧＲ通路４２を開放すると、吸気通路３２にはＥＧＲ通路４２から排気が流入する。そのため、吸気通路３２の燃焼室２７から遠い側すなわち低ＥＧＲ層６２の図示しない吸気口側には、排気を主成分とする高ＥＧＲ層６１が形成される。
【００２７】
このとき、吸気バルブ２４が開弁し、吸気通路３２から燃焼室２７へ吸気が供給されると、図６に示すように燃焼室２７の軸方向において、吸気通路３２から遠いピストン２３側に低ＥＧＲ層６２が形成され、吸気通路３２に近い側に高ＥＧＲ層６１が形成される。このように、燃焼室２７には成層化した高ＥＧＲ層６１および低ＥＧＲ層６２が形成される。ここで、ＥＧＲ弁１５によるＥＧＲ通路４２の閉鎖時期が早すぎると、燃焼室２７へ高ＥＧＲ層６１を供給した後、再び低ＥＧＲ層６２が供給されることになる。また、ＥＧＲ弁１５によるＥＧＲ通路４２の閉鎖時期が遅すぎると、吸気バルブ２４が閉弁した後の吸気通路３２には高ＥＧＲ層６１が滞留することになる。したがって、ＥＣＵ１６は、これら吸気の移動時間も考慮してＥＧＲ弁１５の開閉時期を設定する。
【００２８】
このように、燃焼室２７においてピストン２３側に低ＥＧＲ層６２を形成し吸気通路３２側に高ＥＧＲ層６１を形成することにより、燃料が噴射されるインジェクタ２８の周辺には高ＥＧＲ層６１が形成される。そのため、インジェクタ２８から噴射された燃料は、酸素の濃度が比較的低い高ＥＧＲ層６１において緩やかに燃焼する。そして、インジェクタ２８から噴射された燃料は、十分に着火した状態で酸素の濃度が比較的高い低ＥＧＲ層６２へ到達する。これにより、特にエンジン１０の負荷が大きな高負荷状態のときでも、燃料の着火遅れが大きくなるとともに、燃焼温度が低下する。その結果、黒煙の原因となる粒子状物質（ＰＭ：Particulate Matter）の生成、騒音の発生およびＮＯｘの生成は、いずれも低減される。
【００２９】
一方、ＥＣＵ１６は、ＥＧＲ弁１５によって吸気行程の前半にＥＧＲ通路４２を開閉してもよい。この場合、接続部４３から燃焼室２７へ至る吸気通路３２において、燃焼室２７に近い側に高ＥＧＲ層６１が形成され、燃焼室２７から遠い側に低ＥＧＲ層６２が形成される。このとき、吸気通路３２から燃焼室２７へ吸気が供給されると、図７に示すように燃焼室２７の軸方向において、図６とは逆に吸気通路３２から遠いピストン２３側に高ＥＧＲ層６１が形成され、吸気通路３２に近い側に低ＥＧＲ層６２が形成される。
【００３０】
このように、燃焼室２７においてピストン２３側に高ＥＧＲ層６１を形成し吸気通路３２側に低ＥＧＲ層６２を形成することにより、燃料が噴射されるインジェクタ２８の周辺には低ＥＧＲ層６２が形成される。そのため、インジェクタ２８から噴射された燃料は、酸素の濃度が比較的高い低ＥＧＲ層６２によって速やかに着火する。また、この場合、燃焼室２７を形成するシリンダブロック２１およびピストン２３に近い側には、高ＥＧＲ層６１が形成される。そのため、シリンダブロック２１およびピストン２３に接する吸気は、排気を含むことにより比較的温度の高い高ＥＧＲ層６１となる。その結果、燃焼室２７を形成するシリンダブロック２１およびピストン２３の壁面から吸気が奪う熱量は小さくなる。これにより、特にエンジン１０の始動直後のように温度が低いとき、あるいはエンジン１０の負荷が小さな低負荷状態のときでも、燃料の安定した着火が確保されるとともに、熱効率の向上が図られる。
【００３１】
一般に、エンジン１０の負荷が大きくなるほど、燃焼室２７における燃料の燃焼温度は上昇しやすく、燃料の燃焼によって生成するＮＯｘは増大する。そのため、エンジン１０の負荷が大きくなるほど、図６に示すように燃焼室２７において燃料の燃焼が生じる位置に近い、すなわち吸気通路３２およびインジェクタ２８に近い位置に高ＥＧＲ層６１を形成することが望ましい。そこで、ＥＣＵ１６は、エンジン１０の負荷が大きくなるにしたがって、ＥＧＲ弁１５の開弁時期を遅らせ、高ＥＧＲ層６１を燃焼室２７へ供給する時期を吸気行程の後半にずらしてもよい。これにより、排気の濃度が高い高ＥＧＲ層６１は、燃焼室２７において燃料の燃焼が生じるインジェクタ２８に近い位置に形成される。また、高ＥＧＲ層６１の供給時期を吸気行程の後半にずらすことにより、高ＥＧＲ層６１と低ＥＧＲ層６２とが接する時間が短縮され、高ＥＧＲ層６１と低ＥＧＲ層６２との混合も低減される。
【００３２】
次に、上記した第１実施形態によるエンジン１０の作動の流れについて図８に基づいて説明する。
ＥＣＵ１６は、エンジン１０を運転しているとき、定期的にエンジン１０の運転状態を取得する（Ｓ１０１）。具体的には、ＥＣＵ１６は、アクセル開度センサ５１からアクセルペダルの踏み込み量を取得するとともに、回転数センサ５２からエンジン本体１１の回転数を取得する。ＥＣＵ１６は、取得したアクセルペダルの踏み込み量およびエンジン本体１１の回転数に基づいて、エンジン１０の運転状態を取得する。ＥＣＵ１６は、Ｓ１０１においてエンジン１０の運転状態を取得すると、吸気の成層化が必要であるか否かを判断する（Ｓ１０２）。ＥＣＵ１６は、Ｓ１０１で取得したエンジン１０の運転状態に応じて、燃焼室２７へ供給する吸気を成層化するか否かを判断する。
【００３３】
ＥＣＵ１６は、Ｓ１０２において吸気の成層化が必要であると判断すると（Ｓ１０２：Ｙｅｓ）、ＥＧＲ弁１５の開閉時期を設定する（Ｓ１０３）。そして、ＥＣＵ１６は、Ｓ１０３で設定したＥＧＲ弁１５の開閉時期にしたがってＥＧＲ弁１５を駆動する（Ｓ１０４）。一方、ＥＣＵ１６は、Ｓ１０２において吸気の成層化が必要でないと判断すると（Ｓ１０２：Ｎｏ）、Ｓ１０１へリターンし、エンジン１０の運転が継続している間、Ｓ１０１以降の処理を繰り返す。
【００３４】
ＥＣＵ１６は、Ｓ１０２において、図９に示すようなエンジン本体１１の回転数とエンジン本体１１への燃料噴射量との関係に基づいて目標成層度を設定する。図９に示す目標成層度は、エンジン本体１１の回転数と燃料噴射量との関係に基づいて予め設定され、例えば図示しないＲＯＭなどの記憶装置に記憶されている。燃料噴射量は、Ｓ１０１で取得したエンジン１０の運転状態に基づいて設定される。ここで、目標成層度とは、燃焼室２７へ供給される吸気に設定される成層度合いである。また、成層度合いとは、高ＥＧＲ層６１と低ＥＧＲ層６２との境界部の鮮明度、すなわち高ＥＧＲ層６１と低ＥＧＲ層６２との間におけるＥＧＲガスの濃度勾配の大きさに相当する。
【００３５】
図９に示すようにエンジン本体１１の回転数に対する燃料噴射量が小さいとき、エンジン１０の負荷は小さいと考えられる。そのため、ＥＣＵ１６の負荷判断部５６は、回転数に対する燃料噴射量が小さいときエンジン１０の負荷が小さいと判断する。そして、ＥＣＵ１６は、エンジン１０の負荷が小さいと判断したとき、目標成層度を低く設定する。一方、エンジン本体１１の回転数に対する燃料噴射量が大きいとき、エンジン１０の負荷は大きいと考えられる。そのため、ＥＣＵ１６の負荷判断部５６は、回転数に対する燃料噴射量が大きいとき、エンジン１０の負荷が大きいと判断する。そして、ＥＣＵ１６は、エンジン１０の負荷が大きいと判断したとき、目標成層度を高く設定する。このように、ＥＣＵ１６は、Ｓ１０１で取得したエンジン１０の運転状態に基づいて目標成層度を設定する。また、このとき、ＥＣＵ１６は、Ｓ１０１で取得したエンジン１０の運転状態に基づくエンジン１０の負荷状態から、高ＥＧＲ層６１および低ＥＧＲ層６２の供給順も設定する。
【００３６】
エンジン本体１１が吸気行程にあるとき、ＥＧＲ弁１５がＥＧＲ通路４２を開放する期間を短期間として、ＥＧＲ弁１５の開度を比較的大きくすると、比較的大量のＥＧＲガスは短期間で吸気通路３２へ流入する。そのため、新気とＥＧＲガスとは、吸気通路３２における接触期間が短かく、吸気通路３２において混合しにくい。その結果、高ＥＧＲ層６１と低ＥＧＲ層６２との境界部は鮮明となり、成層度は向上する。一方、エンジン本体１１が吸気行程にあるとき、ＥＧＲ弁１５がＥＧＲ通路４２を開放する期間を長期間として、ＥＧＲ弁１５の開度を比較的小さくすると、比較的少量のＥＧＲガスは長期間で吸気通路３２へ流入する。そのため、新気とＥＧＲガスとは、吸気通路３２における接触期間が長く、吸気通路３２において混合しやすくなる。その結果、高ＥＧＲ層６１と低ＥＧＲ層６２との境界部は不鮮明となり、成層度は低下する。このように、ＥＣＵ１６は、Ｓ１０３において設定した目標成層度に応じて、Ｓ１０４においてＥＧＲ弁１５を駆動する。これにより、吸気通路３２から燃焼室２７へ供給される吸気の成層度は、目標成層度に制御される。上述のように、エンジン１０の負荷が大きいとき、ＥＣＵ１６は低ＥＧＲ層６２および高ＥＧＲ層６１の順で燃焼室に吸気を供給する。一方、エンジン１０の負荷が小さいとき、ＥＣＵ１６は高ＥＧＲ層６１および低ＥＧＲ層６２の順で燃焼室２７に吸気を供給する。さらに、ＥＣＵ１６は、エンジン１０の負荷が大きくなるほど、高ＥＧＲ層６１を形成する時期を吸気行程の後半にずらしていく。このように、ＥＣＵ１６は、高ＥＧＲ層６１および低ＥＧＲ層６２の供給順序、ならびに高ＥＧＲ層６１の供給時期などを総合的に判断し、これらに基づいてＥＧＲ弁１５を駆動する。
【００３７】
以上説明したように、第１実施形態では、ＥＣＵ１６は、エンジン本体１１が吸気行程にあるとき、ＥＧＲ弁１５を開閉駆動して新気およびＥＧＲガスを燃焼室２７へ導入する時期を制御する。これにより、吸気通路３２から燃焼室２７には、高ＥＧＲ層６１と低ＥＧＲ層６２とが時期的にずれて流入する。そのため、燃焼室２７に流入した吸気は、燃焼室２７の軸方向へ成層化した高ＥＧＲ層６１および低ＥＧＲ層６２を形成する。その結果、高ＥＧＲ層６１と低ＥＧＲ層６２との接触面積は、燃焼室２７の軸に垂直な断面積に近似する程度に減少する。また、高ＥＧＲ層６１および低ＥＧＲ層６２は、いずれも燃焼室２７の軸方向の厚さが大きくなる。したがって、燃焼室２７に吸入された高ＥＧＲ層６１と低ＥＧＲ層６２との混合が低減され、高ＥＧＲ層６１と低ＥＧＲ層６２との成層化を促進することができる。
【００３８】
第１実施形態では、ＥＣＵ１６は、ＥＧＲ弁１５を開閉駆動することにより、接続部４３から燃焼室２７への至る吸気通路３２において吸気に含まれるＥＧＲガスの濃度に差を形成する。これにより、新気とＥＧＲガスとは、接続部４３から燃焼室２７へ至る吸気通路３２において層状に濃度差のある高ＥＧＲ層６１と低ＥＧＲ層６２とを形成する。そして、吸気通路３２において層状に濃度差を形成している高ＥＧＲ層６１および低ＥＧＲ層６２は、吸気行程において吸気通路３２から燃焼室２７へ導入されるとき、吸気通路３２における濃度差を維持した状態で燃焼室２７へ流入する。したがって、燃焼室２７に吸入された高ＥＧＲ層６１と低ＥＧＲ層６２との混合が低減され、高ＥＧＲ層６１と低ＥＧＲ層６２との成層化を促進することができる。
【００３９】
第１実施形態では、ＥＣＵ１６は、アクセル開度センサ５１および回転数センサ５２を経由してエンジン１０の運転状態を取得する。ＥＣＵ１６は、取得したエンジン１０の運転状態に応じてＥＧＲ弁１５の開閉時期を変更する。したがって、エンジン１０の負荷状態に応じた適切な高ＥＧＲ層６１および低ＥＧＲ層６２を形成して、燃焼室２７へ供給することができる。
【００４０】
第１実施形態では、ＥＣＵ１６は、吸気行程の前半に低ＥＧＲ層６２、吸気行程の後半に高ＥＧＲ層６１を供給する。これにより、燃焼室２７には、吸気通路３２から遠いピストン２３側に低ＥＧＲ層６２が形成され、吸気通路３２に近い側に高ＥＧＲ層６１が形成される。そのため、燃焼室２７における燃料の燃焼は、高ＥＧＲ層６１で開始される。その結果、燃料の燃焼温度が低下するとともに、燃料の着火遅れが生じる。したがって、エンジン本体１１から排出されるＮＯｘ、ＰＭおよび騒音を低減することができる。また、ＥＣＵ１６は、ＥＧＲ弁１５の開閉時期を調整することにより、逆に吸気行程の前半に高ＥＧＲ層６１、吸気行程の後半に低ＥＧＲ層６２を供給することもできる。これにより、燃焼室２７には、吸気通路３２から遠いピストン２３側に高ＥＧＲ層６１が形成され、吸気通路３２に近い側に低ＥＧＲ層６２が形成される。そのため、燃焼室２７を形成するシリンダブロック２１やピストン２３の壁面付近には、低ＥＧＲ層６２に比較して温度の高い高ＥＧＲ層６１が形成される。その結果、特に負荷が小さいときにおいてエンジン本体１１から燃焼室２７内の吸気への熱の移動にともなう熱損失が低減されるとともに、燃焼室２７に噴射された燃料は酸素が豊富な新気によって燃焼が促進される。したがって、エンジン１０の負荷が小さいときでも、熱効率を高めることができるとともに、安定した運転を確保することができる。
【００４１】
第１実施形態では、ＥＣＵ１６は、エンジン１０の負荷が大きくなるにしたがって、高ＥＧＲ層６１を供給する時期を吸気行程の後半にずらしている。これにより、高ＥＧＲ層６１は、燃焼室２７において燃料の燃焼が生じるインジェクタ２８に近い位置に形成される。これとともに、高ＥＧＲ層６１と低ＥＧＲ層６２とが接する時間が短縮され、高ＥＧＲ層６１と低ＥＧＲ層６２との混合も低減される。したがって、エンジン１０の負荷に応じて燃料の燃焼温度を制御することができるとともに、成層化を促進することができる。
【００４２】
第１実施形態では、排気を吸気通路３２へ還流するＥＧＲ装置１４を備えている。そして、ＥＧＲ装置１４は、排気通路３４を流れる排気を不活性ガスとして吸気通路３２へ供給する。したがって、ＥＧＲ装置１４を経由して循環するＥＧＲガスを使用する場合でも、新気とＥＧＲガスとの混合を低減して成層化を促進することができる。
【００４３】
（第１実施形態の変形例）
ＥＣＵ１６は、失火条件判断部５７においてエンジン本体１１で燃料の失火を招く条件が成立しているか否かを判断してもよい。具体的には、失火条件判断部５７は、水温センサ５３で検出した冷却水の温度、酸素濃度センサ５４で検出した新気の酸素濃度、およびセタン価取得部５５で検出した燃料のセタン価などに基づいて失火を招く条件が成立しているか否かを判断する。例えば冷却水の温度が低いとき、新気の酸素濃度が低いとき、あるいは燃料のセタン価が低いとき、燃焼室２７に噴射された燃料は、着火しにくく、失火することが考えられる。そこで、失火条件判断部５７は、各種センサから取得したデータに基づいて、失火を招く条件が成立しているか否かを判断する。
【００４４】
ＥＣＵ１６は、失火条件判断部５７において失火を招く条件が成立していると判断されると、吸気行程の前半にＥＧＲ通路４２を開放して高ＥＧＲ層６１を形成するとともに、吸気行程の後半にＥＧＲ通路４２を閉鎖して低ＥＧＲ層６２を形成する。これにより、燃焼室２７は、インジェクタ２８に近い側に比較的酸素の濃度の高い低ＥＧＲ層６２が形成される。そのため、インジェクタ２８から噴射された燃料は、酸素の豊富な低ＥＧＲ層６２と接することとなり、着火性が向上する。
【００４５】
第１実施形態の変形例では、失火条件判断部５７を備えている。ＥＣＵ１６は、失火条件判断部５７で失火しやすい条件が成立していると判断されると、吸気行程の前半にＥＧＲガスの濃度を高めるとともに、吸気行程の後半にＥＧＲガスの濃度を低める。そのため、燃焼室２７において燃料の燃焼が生じるインジェクタ２８に近い位置には、酸素が豊富な低ＥＧＲ層６２が形成される。その結果、燃料の着火性が向上する。したがって、エンジン本体１１の安定した運転を確保することができる。
【００４６】
（第２実施形態）
第２実施形態によるエンジンの要部を図１０に示す。
第２実施形態では、ＥＧＲ通路４２と吸気通路３２との接続部４３は燃焼室２７に近い位置に設けられている。第１実施形態の場合、図１に示すように接続部４３と燃焼室２７との間には、比較的長い距離が確保されている。これに対し、第２実施形態では、接続部４３を燃焼室２７に近い位置に設けることにより、接続部４３と燃焼室２７との距離は小さくなっている。このように接続部４３を燃焼室２７に近づけることにより、ＥＧＲ通路４２から吸気通路３２へ流入したＥＧＲガスは燃焼室２７までの経路が短縮される。そのため、吸気通路３２において新気とＥＧＲガスとが接触する機会は低減される。したがって、第２実施形態では、燃焼室２７における高ＥＧＲ層６１と低ＥＧＲ層６２との成層化をより向上することができる。
【００４７】
また、第２実施形態の場合、ＥＧＲ弁１５によるＥＧＲ通路４２の開放によって吸気通路３２に流入したＥＧＲガスは、吸気通路３２に残留している新気を図示しない吸気口側へ押しのけながら吸気通路３２に滞留する。そのため、吸気バルブ２４が閉弁しているとき、ＥＧＲ弁１５がＥＧＲ通路４２を開放すると、ＥＧＲガスは吸気通路３２の燃焼室２７側の端部に滞留する。その結果、吸気バルブ２４が開弁すると、高ＥＧＲ層６１が優先的に燃焼室２７へ流入する。さらに、第２実施形態では、接続部４３から燃焼室２７までの距離が短い。そのため、ＥＧＲ弁１５の開弁からＥＧＲガスの燃焼室２７への供給までの時期的な遅れは低減される。したがって、燃焼室２７における高ＥＧＲ層６１と低ＥＧＲ層６２との成層化をより向上することができる。
【００４８】
（第３実施形態）
第３実施形態によるエンジンの要部を図１１に示す。
第３実施形態の場合、エンジン１０の吸気系１２は、ストレートポート７１およびヘリカルポート７２を有している。すなわち、吸気通路３２は、ストレートポート７１側とヘリカルポート７２側に分岐している。ストレートポート７１は、吸気を燃焼室２７へ直進させて導入する。また、ヘリカルポート７２は、吸気を燃焼室２７へ旋回させながら導入する。これにより、ストレートポート７１を流れる吸気は、燃焼室２７へ向けて直線的に流入する。一方、ヘリカルポート７２を流れる吸気は、燃焼室２７へ向けて旋回流すなわちスワール流を形成しながら流入する。
【００４９】
この第３実施形態の場合、ＥＧＲ通路４２の接続部４３は、ストレートポート７１に設けられている。そのため、ＥＧＲ通路４２を流れるＥＧＲガスは、ストレートポート７１を経由して燃焼室２７へ導入される。ストレートポート７１を経由する吸気は、乱れが少ない層流に近い状態で燃焼室２７の径方向において中心付近に流入する。これにより、吸気行程の後半でＥＧＲガスを燃焼室２７へ導入する場合、高ＥＧＲ層６１はインジェクタ２８に近い燃焼室２７の中心軸付近でシリンダヘッド２２側に形成される。その結果、燃料が着火するインジェクタ２８の近傍に成層化した高ＥＧＲ層６１が形成される。したがって、燃料の燃焼温度を低下させることができ、ＮＯｘの生成を低減することができる。
【００５０】
（第４実施形態）
第４実施形態によるエンジンの要部を図１２に示す。
第４実施形態の場合、ＥＧＲ通路４２は吸気通路３２側の端部にガスインジェクタ７３を有している。この場合、接続部４３は、ＥＧＲガスを噴射するガスインジェクタ７３の噴孔に相当する。これにより、ＥＧＲ通路４２を流れるＥＧＲガスは、ガスインジェクタ７３によって吸気通路３２への流入が断続される。すなわち、ガスインジェクタ７３が開弁しているとき、ＥＧＲ通路４２を流れるＥＧＲガスは吸気通路３２を流れる新気に噴射される。一方、ガスインジェクタ７３が閉弁しているとき、ＥＧＲ通路４２を流れるＥＧＲガスは吸気通路３２への噴射が停止される。ＥＧＲガスは、排気通路３４から導入されるため、吸気通路３２を流れる新気よりも圧力が高い。したがって、ＥＧＲガスは、上述の複数の実施形態におけるＥＧＲ弁１５に代えてガスインジェクタ７３の開閉によって吸気通路３２への流入を調整することもできる。
【００５１】
（第５実施形態）
第５実施形態によるエンジンを図１３に示す。
第５実施形態の場合、ＥＧＲ装置１４は、過給部８０を有している。過給部８０は、排気通路３４から吸気通路３２へ戻されるＥＧＲガスを加圧する。過給部８０は、例えば排気通路３４を流れる排気によって過給するターボチャージャ、またはエンジン本体１１の駆動力によって過給するスーパーチャージャなどが適用される。これにより、ＥＧＲ通路４２から吸気通路３２へ流入するＥＧＲガスの圧力は、より高められる。そのため、ＥＧＲガスは、より短時間でより多くが吸気通路３２へ供給される。したがって、高ＥＧＲ層の形成がより容易になり、成層化をより促進することができる。
【００５２】
（第６実施形態）
第６実施形態によるエンジンを図１４に示す。
第６実施形態の場合、エンジン１０は不活性ガス供給部９０を備えている。不活性ガス供給部９０は、不活性ガスタンク９１、不活性ガス通路部材９２および不活性ガス供給弁９３を有している。不活性ガスタンク９１は、例えば窒素、二酸化炭素、アルゴンなどの燃料の燃焼に寄与しない不活性ガスを貯えている。不活性ガス通路部材９２は、不活性ガスタンク９１に貯えられている不活性ガスが流れる供給通路９４を形成している。供給通路９４は、接続部９５において吸気通路３２に接続している。不活性ガス供給弁９３は、ＥＣＵ１６からの指示にしたがうアクチュエータ４４によって供給通路９４を断続する。
【００５３】
第６実施形態の場合、上述の第１実施形態から第５実施形態におけるＥＧＲガスに代えて、不活性ガスタンク９１に貯えられている不活性ガスを吸気に供給する。この場合でも、第１実施形態から第５実施形態と同様に、燃焼室２７へ供給される吸気を、新気を主とする層と不活性ガスを主とする層とに成層化することができる。
【００５４】
（その他の実施形態）
以上説明した本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。
例えば、図１５に示すようにＥＧＲ通路４２は、二つに分岐させてもよい。分岐させた一方の分岐通路４２１は、吸気通路３２側の先端にガスインジェクタ４２２を設けている。これにより、ＥＧＲ通路４２から供給されるＥＧＲガスの一部は、吸気通路３２において燃焼室２７に近いところへ噴射される。これに対し、分岐させた他方のＥＧＲ通路４２３は、ガスインジェクタ４２２よりも吸気通路３２の上流側すなわち吸気通路３２の図示しない吸気口側に接続している。これにより、吸気に含まれるＥＧＲガスの割合を全体として高めるとき、ＥＧＲガスは上流側のＥＧＲ通路４２３を経由して吸気通路３２へ補給される。したがって、ＥＧＲガスの濃度を十分に確保することができる。
【００５５】
また、上述の複数の実施形態では、燃焼室２７において高ＥＧＲ層６１と低ＥＧＲ層６２とを二層に形成する例について説明した。しかし、エンジン１０の要求によっては、燃焼室２７において三層以上の高ＥＧＲ層６１と低ＥＧＲ層６２とを形成してもよい。この場合、ＥＣＵ１６は、吸気行程においてＥＧＲ弁１５を複数回開閉する。これにより、燃焼室２７における高ＥＧＲ層６１および低ＥＧＲ層６２は、三層以上でも安定した成層化を図ることができる。
【００５６】
また、上述の複数の実施形態では、内燃機関としてディーゼルエンジンを例に説明した。しかし、複数の実施形態は、ディーゼルエンジンに限らず、ガソリンエンジンに適用してもよい。
【符号の説明】
【００５７】
図面中、１０はエンジン（内燃機関）、１１はエンジン本体（内燃機関本体）、１２は吸気系、１３は排気系、１４はＥＧＲ装置（不活性ガス供給部、排気再循環部）、１５はＥＧＲ弁（不活性ガス供給弁）、１６はＥＣＵ（制御手段）、２７は燃焼室、３２は吸気通路、３４は排気通路、４２はＥＧＲ通路（供給通路）、４３は接続部、５０は運転状態取得部、５１はアクセル開度センサ（運転状態取得手段）、５２は回転数センサ（運転状態取得手段）、５３は水温センサ（失火条件判断手段）、５４は酸素濃度センサ（失火条件判断手段）、５５はセタン価取得部（失火条件判断手段）、５６は負荷判断部、５７は失火条件判断部、７１はストレートポート、７２はヘリカルポート、８０は過給部、９０は不活性ガス供給部、９１は不活性ガスタンク、９２は不活性ガス通路部材、９３は不活性ガス供給弁、９４は供給通路、９５は接続部を示す。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関および排気再循環装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば内燃機関の排気や窒素など、燃料の燃焼に寄与しない不活性ガスを内燃機関の燃焼室に供給することにより、燃焼温度を低下させ、ＮＯｘの生成を抑制することが知られている。このような内燃機関として、特許文献１は、吸気通路を流れる新気に対し層状に排気を導入することを開示している。これにより、吸気通路を流れる吸気は、排気が混合されていない新気と排気とが不均一なまま燃焼室へ流入する。そのため、燃焼室には、成層化した新気と排気とが導入される。
【０００３】
しかしながら、特許文献１の場合、新気と排気とは流れ方向に沿って層状に成層化している。そのため、これら新気および排気は、燃焼室の内部においてピストンの往復移動方向すなわち燃焼室の軸と平行な境界の層を形成する。その結果、新気および排気の層の厚さが小さくなるとともに、新気と排気とが接触する面積は大きくなる。これにより、新気と排気とは、燃焼室の内部において混合しやすいという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８―１９６３０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、本発明の目的は、新気と不活性ガスとの接触面積が減少して混合が低減されるとともに、新気と不活性ガスとの成層化が促進される内燃機関および排気再循環装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１記載の発明では、制御手段は、不活性ガス供給部から吸気通路へ不活性ガスの供給を断続する不活性ガス供給弁を開閉駆動する。制御手段は、内燃機関本体が吸気行程にあるとき、新気および不活性ガスが燃焼室へ導入される時期を制御する。これにより、吸気通路から燃焼室には、不活性ガスの濃度が低い新気と不活性ガスとが時期的にずれて流入する。そのため、燃焼室に流入した吸気は、新気と不活性ガスとが燃焼室の軸方向へ層を形成する。その結果、新気と不活性ガスとの接触面積は、燃焼室の軸に垂直な断面積に近似する程度に減少する。また、新気の層および不活性ガスの層は、いずれも厚さが大きくなる。したがって、燃焼室に吸入された新気と不活性ガスとの混合が低減され、新気と不活性ガスとの成層化を促進することができる。なお、本明細書および特許請求の範囲において「不活性ガス」とは、新気に比較して酸素濃度が低下し、新気に比較して燃料の燃焼を促す作用が小さいものをいう。そのため、不活性ガスは、例えば二酸化炭素、窒素あるいは希ガスに限らず、排気再循環装置で再循環される排気も含む。
【０００７】
請求項２記載の発明では、制御手段は、不活性ガス供給弁の開閉駆動によって、接続部から燃焼室へ至る吸気通路において吸気に含まれる不活性ガスの濃度に差を形成する。これにより、新気と不活性ガスとは、燃焼室へ至る吸気通路において層状に濃度差を形成する。そして、層状に濃度差を形成している新気および不活性ガスは、吸気行程において吸気通路から燃焼室へ導入されるとき、吸気通路における濃度を維持した状態で燃焼室へ流入する。したがって、燃焼室に吸入された新気と不活性ガスとの混合が低減され、新気と不活性ガスとの成層化を促進することができる。
【０００８】
請求項３記載の発明では、運転状態取得手段は、内燃機関本体の運転状態を取得する。制御手段は、取得した内燃機関本体の運転状態に応じて不活性ガス供給弁の開閉時期を変更する。そのため、内燃機関本体の運転状態に応じて適切な新気および不活性ガスを燃焼室へ供給することができる。
【０００９】
請求項４記載の発明では、制御手段は、吸気行程の前半に不活性ガスの濃度を低め、吸気行程の後半に不活性ガスの濃度を高める。すなわち、制御手段は、吸気行程の前半において燃焼室へ不活性ガスの濃度の低い新気を供給し、吸気行程の後半において燃焼室へ供給する不活性ガスの濃度を高める。これにより、燃焼室には、吸気通路から遠い側に不活性ガスの濃度の低い新気の層が形成され、吸気通路から近い側に不活性ガスの濃度の高い層が形成される。そのため、燃焼室における燃料の燃焼は、不活性ガスの濃度の高い層で開始される。その結果、燃焼温度が低下し、ＮＯｘの生成が低減される。したがって、内燃機関本体から排出されるＮＯｘを低減することができる。
【００１０】
請求項５記載の発明では、制御手段は、吸気行程の前半に不活性ガスの濃度を高め、吸気行程の後半に不活性ガスの濃度を低める。すなわち、制御手段は、吸気行程の前半において燃焼室へ高い濃度の不活性ガスを供給し、吸気行程の後半において燃焼室へ不活性ガスの濃度の低い新気を供給する。これにより、燃焼室には、吸気通路から遠い側に不活性ガスの濃度の高い層が形成され、吸気通路から近い側に不活性ガスの濃度の低い新気の層が形成される。そのため、燃焼室を形成する内燃機関本体の壁面付近には、新気に比較して温度の高い不活性ガスの層が形成される。その結果、特に負荷が小さいときにおいて内燃機関本体から燃焼室内の吸気への熱の移動にともなう熱損失が低減されるとともに、燃焼室に噴射された燃料は酸素が豊富な新気によって燃焼が促進される。したがって、内燃機関本体の負荷が小さいときでも、熱効率を高めることができるとともに、安定した運転を確保することができる。
【００１１】
一般に、内燃機関本体の負荷が大きくなるほど、燃焼室における燃料の燃焼温度は上昇しやすく、燃料の燃焼によって生成するＮＯｘは増大する。そのため、内燃機関本体の負荷が大きくなるほど、燃焼室において燃料の燃焼が生じる位置に近い、すなわち吸気通路に近い位置において不活性ガスの濃度を高めることが望ましい。そこで、請求項６記載の発明では、制御手段は、内燃機関本体の負荷が大きくなるにしたがって、不活性ガスを供給する時期を吸気行程の後半にずらしている。これにより、燃焼室において燃料の燃焼が生じる位置に近い、すなわち吸気通路に近い位置において不活性ガスの濃度が高くなる。これとともに、新気と不活性ガスとが接する時間が短縮され、新気と不活性ガスとの混合も低減される。したがって、内燃機関本体の負荷に応じて燃料の燃焼温度を制御することができ、排気に含まれるＮＯｘを低減することができる。
【００１２】
請求項７記載の発明では、失火条件判断手段をさらに備えている。失火条件判断手段は、例えば冷却水の温度が低いとき、新気の酸素密度が低いとき、あるいは燃料のセタン価が低いときなどのように、内燃機関本体で燃料が失火しやすい条件にあるか否かを判断する。このように失火条件判断手段が内燃機関本体で失火しやすい条件が成立していると判断すると、制御手段は、吸気行程の前半に不活性ガスの濃度を高めるとともに、吸気行程の後半に不活性ガスの濃度を低める。そのため、燃焼室において燃料の燃焼が生じる位置に近い、すなわち吸気通路に近い位置には、不活性ガスの濃度が低い、すなわち酸素が豊富な新気の層が形成される。その結果、燃料の着火性が向上する。したがって、内燃機関本体の安定した運転を確保することができる。
【００１３】
請求項８記載の発明では、吸気系は、ストレートポートおよびヘリカルポートを有している。不活性ガスを供給する供給通路は、このストレートポートに接続している。そのため、不活性ガス供給部から供給される不活性ガスは、ストレートポートが形成する吸気通路を経由して燃焼室へ流入する。これにより、吸気は、層流に近い状態で燃焼室の径方向中心付近へ流入する。したがって、燃焼室における新気と不活性ガスとの混合が低減され、新気と不活性ガスとの成層化を促進することができる。
【００１４】
請求項９記載の発明では、排気を吸気通路へ還流する排気再循環部を備えている。そして、不活性ガス供給部は、排気通路を流れる排気を不活性ガスとして吸気通路へ供給する。したがって、排気再循環部を経由して循環する排気を不活性ガスとする場合でも、新気と排気との混合を低減することができ、新気と排気との成層化を促進することができる。
【００１５】
請求項１０記載の発明では、排気循環部は、吸気通路へ供給する排気を加圧する過給部を有している。これにより、吸気通路から燃焼室へ供給される排気は、圧力が高くなり、より迅速に燃焼室へ流入する。したがって、排気と新気との接触時間を低減することができ、燃焼室における新気と不活性ガスとの混合をより低減することができる。
【００１６】
請求項１１記載の発明では、制御手段は、排気通路から吸気通路へ再循環される排気の流れを断続する排気再循環弁を開閉駆動する。制御手段は、内燃機関本体が吸気行程にあるとき、新気および再循環される排気が燃焼室へ導入される時期を制御する。これにより、吸気通路から燃焼室には、排気の濃度が低く新鮮な空気の濃度が高い新気と、排気の濃度が高く新鮮な空気の濃度が低い最循環ガスとが時期的にずれて流入する。そのため、燃焼室に流入した吸気は、新気と再循環ガスとが燃焼室の軸方向へ層を形成する。その結果、新気と再循環ガスとの接触面積は、燃焼室の軸に垂直な断面積に近似する程度に減少する。また、新気の層および再循環ガスの層は、いずれも厚さが大きくなる。したがって、燃焼室に吸入された新気と再循環ガスとの混合が低減され、新気と再循環ガスとの成層化を促進することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１実施形態による内燃機関の概略構成を示す模式図
【図２】第１実施形態による内燃機関を示すブロック図
【図３】第１実施形態による内燃機関のＥＧＲ弁の作動時期を示す概略図
【図４】従来の内燃機関のＥＧＲ弁の作動時期を示す概略図
【図５】第１実施形態による内燃機関のＥＧＲ弁の作動時期と高ＥＧＲ層および低ＥＧＲ層の形成の流れを示す模式図
【図６】第１実施形態による内燃機関において吸気通路側に高ＥＧＲ層を形成した例を示す模式図
【図７】第１実施形態による内燃機関において吸気通路側に低ＥＧＲ層を形成した例を示す模式図
【図８】第１実施形態による内燃機関の処理の流れを示す概略図
【図９】エンジン回転数、燃料噴射量、目標成層度の関係を示す概略図
【図１０】第２実施形態による内燃機関の要部を示す模式図
【図１１】第３実施形態による内燃機関の図１０に相当する図
【図１２】第４実施形態による内燃機関の図１０に相当する図
【図１３】第５実施形態による内燃機関の図１に相当する図
【図１４】第６実施形態による内燃機関の図１に相当する図
【図１５】その他の実施形態による内燃機関の図１に相当する図
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、内燃機関の複数の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、複数の実施形態において実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
（第１実施形態）
図１に第１実施形態による内燃機関としてのディーゼルエンジン（以下、「エンジン」と称する。）１０を示す。エンジン１０は、内燃機関本体（以下、「エンジン本体」と称する。）１１、吸気系１２、排気系１３、不活性ガス供給部および排気再循環部としてのＥＧＲ（Exhoust Gas Recirculation）装置１４、不活性ガス供給弁としてのＥＧＲ弁１５、および制御手段としてＥＣＵ（Electronic Control Unit）１６を備えている。エンジン本体１１は、シリンダブロック２１、シリンダヘッド２２、ピストン２３、吸気バルブ２４、排気バルブ２５および図示しないバルブ駆動機構部などを備えている。シリンダブロック２１は、筒状のシリンダ２６を有している。ピストン２３は、このシリンダ２６の内部を軸方向へ往復移動する。シリンダブロック２１、シリンダヘッド２２およびピストン２３は、燃焼室２７を形成している。エンジン１０は、シリンダヘッド２２を貫いて端部が燃焼室２７に露出するインジェクタ２８を備えている。インジェクタ２８は、図示しない燃料ポンプで加圧された燃料を燃焼室２７へ噴射する。なお、エンジン１０は、吸気を過給する図示しないターボチャージャを備えていてもよい。
【００１９】
吸気系１２は、吸気管部材３１を有している。吸気管部材３１は、吸気通路３２を形成している。吸気通路３２の一方の端部は、図示しない吸気口を経由して大気に開放している。吸気通路３２の他方の端部は、燃焼室２７に接続している。吸気バルブ２４は、吸気通路３２と燃焼室２７との間を断続する。これにより、吸気通路３２の図示しない吸気口から吸入された空気は、吸気通路３２を経由して燃焼室２７へ供給される。排気系１３は、排気管部材３３を有している。排気管部材３３は、排気通路３４を形成している。排気通路３４の一方の端部は、図示しない触媒やマフラーを経由して大気に開放している。排気通路３４の他方の端部は、燃焼室２７に接続している。排気バルブ２５は、燃焼室２７と排気通路３４との間を断続する。これにより、燃焼室２７から排出された排気は、排気通路３４を経由して大気中へ放出される。吸気バルブ２４および排気バルブ２５は、ピストン２３の往復移動に同期する図示しないバルブ駆動機構部によって駆動される。
【００２０】
ＥＧＲ装置１４は、ＥＧＲ通路部材４１を有している。ＥＧＲ通路部材４１は、特許請求の範囲の通路形成部材に相当し、ＥＧＲ通路４２を形成している。ＥＧＲ通路４２は、一方の端部が排気通路３４に接続し、他方の端部が吸気通路３２に接続している。具体的には、ＥＧＲ通路４２の一方の端部は、排気通路３４の排気バルブ２５から図示しない触媒までの間に接続している。また、ＥＧＲ通路４２の他方の端部は、吸気通路３２の図示しない吸気口から燃焼室２７までの間に接続している。ＥＧＲ通路４２と吸気通路３２とは、接続部４３で接続している。これにより、排気通路３４を流れる排気の一部は、ＥＧＲ通路４２を経由して吸気通路３２へ戻される。以下、吸気通路３２へ戻される排気は「ＥＧＲガス」と称する。このＥＧＲガスは、燃焼室２７における燃料の燃焼によって酸素が消費されている。そのため、ＥＧＲガスに含まれる酸素の濃度は、吸気通路３２の図示しない吸気口から吸入された新鮮な空気（以下、「新気」と称する。）に比較して低下している。その結果、ＥＧＲガスは、新気に比較して燃料の燃焼を促す活性が低い。つまり、ＥＧＲガスは、特許請求の範囲の不活性ガスに相当する。
【００２１】
ＥＧＲ弁１５は、特許請求の範囲の排気再循環弁に相当し、このＥＧＲ通路４２に設けられている。ＥＧＲ弁１５は、ＥＧＲ通路部材４１が形成するＥＧＲ通路４２を開閉する。これにより、ＥＧＲ通路４２を流れるＥＧＲガスは、ＥＧＲ弁１５によって吸気通路３２への供給が断続される。ＥＧＲ弁１５は、アクチュエータ４４を有している。これにより、ＥＧＲ弁１５は、ＥＣＵ１６からアクチュエータ４４へ出力された電気信号にしたがってＥＧＲ通路４２を開閉する。ＥＣＵ１６は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭを有するマイクロコンピュータで構成されている。ＥＣＵ１６は、ＲＯＭに記憶されているコンピュータプログラムにしたがってエンジン１０の全体を制御する。
【００２２】
エンジン１０は、図２に示すように運転状態取得部５０を備えている。運転状態取得部５０は、アクセル開度センサ５１および回転数センサ５２などを有している。アクセル開度センサ５１は、図示しないアクセルペダルの踏み込み量を検出する。アクセル開度センサ５１は、検出したアクセルペダルの踏み込み量を電気信号としてＥＣＵ１６へ出力する。また、回転数センサ５２は、エンジン本体１１の回転数を検出する。回転数センサ５２は、検出したエンジン本体１１の回転数を電気信号としてＥＣＵ１６へ出力する。さらに、ＥＣＵ１６は、水温センサ５３、酸素濃度センサ５４およびセタン価取得部５５などに接続している。水温センサ５３は、エンジン本体１１の冷却水の温度を検出し、検出した冷却水の温度を電気信号としてＥＣＵ１６へ出力する。酸素濃度センサ５４は、吸気通路３２を流れる新気の酸素濃度を検出し、検出した酸素濃度を電気信号としてＥＣＵ１６へ出力する。セタン価取得部５５は、エンジン本体１１における燃料の燃焼状態から燃料のセタン価を取得し、取得した燃料のセタン価を電気信号としてＥＣＵ１６へ出力する。
【００２３】
ＥＣＵ１６は、負荷判断手段として負荷判断部５６、および失火条件判断手段としての失火条件判断部５７を有している。これら負荷判断部５６および失火条件判断部５７は、ＥＣＵ１６においてコンピュータプログラムを実行することにより、ソフトウェア的に実現されている。なお、負荷判断部５６および失火条件判断部５７は、ハードウェア的に実現してもよい。負荷判断部５６は、アクセル開度センサ５１で検出したアクセルペダルの開度、および回転数センサ５２で検出したエンジン本体１１の回転数に基づいて、エンジン１０の負荷状態を判断する。また、失火条件判断部５７は、水温センサ５３で検出した冷却水の温度、酸素濃度センサ５４で検出した新気の酸素濃度、およびセタン価取得部５５で取得した燃料のセタン価などに基づいて、エンジン本体１１において燃料の失火を招く条件が成立しているか否かを判断する。なお、失火条件判断部５７は、例示であり、上記のセンサに限らず、他のセンサから取得した情報を利用してもよい。
【００２４】
次に、上記した第１実施形態によるエンジン１０における吸気の供給について説明する。
第１実施形態によるエンジン１０は、通常のエンジンと同様に吸気行程、圧縮行程、燃焼行程および排気行程を順に実行する。第１実施形態の場合、ＥＣＵ１６は、図３に示すようにエンジン本体１１が吸気行程にあるとき、ＥＧＲ弁１５によってＥＧＲ通路４２を開閉する。そのため、ＥＧＲ通路４２は、圧縮行程、燃焼行程および排気行程にあるとき、ＥＧＲ弁１５によって閉鎖されている。一方、ＥＣＵ１６は、エンジン本体１１が吸気行程にあるとき、この吸気行程の全期間ではなく、圧縮行程に近い期間でＥＧＲ弁１５によってＥＧＲ通路４２を開放する。これにより、第１実施形態の場合、ＥＧＲ通路４２を経由して排気通路３４から戻されるＥＧＲガスは、吸気行程の後期に燃焼室２７へ供給される。ところで、従来のＥＧＲ装置を備えるエンジンの場合、運転状態が一定であれば、図４に示すようにエンジン本体がいずれの行程にあってもＥＧＲ弁の開度は一定である。そのため、従来のエンジンの場合、図示しない吸気口から導入された新気とＥＧＲ通路を経由して戻されたＥＧＲガスとは、所定の割合で混合されて燃焼室に供給される。
【００２５】
第１実施形態の場合、ＥＣＵ１６は、ＥＧＲ弁１５によって吸気行程の途中にＥＧＲ通路４２を開閉する。一般に排気通路３４からＥＧＲ通路４２を経由して吸気通路３２へ戻されるＥＧＲガスの圧力は、大気圧の空気を主とする新気の圧力よりも高い。また、ＥＧＲガスは、新気との間で温度差および濃度差も大きい。そのため、燃焼室２７に供給される吸気は、新気とＥＧＲガスとが容易に混合しにくい。その結果、燃焼室２７に供給される吸気は、接続部４３から燃焼室２７へ至る吸気通路３２において、新気を主成分としてＥＧＲガスの濃度が低い低ＥＧＲ層とＥＧＲガスを主成分としてＥＧＲガスの濃度が高い高ＥＧＲ層とが層状になる。
【００２６】
例えば図５に示すように吸気行程の後半にＥＧＲ弁１５によってＥＧＲ通路４２を開放すると、接続部４３から燃焼室２７へ至る吸気通路３２において燃焼室２７に近い側に低ＥＧＲ層６２が形成され、燃焼室２７から遠い側に高ＥＧＲ層６１が形成される。すなわち、エンジン本体１１が吸気行程に移行する直前において、吸気バルブ２４が吸気通路３２と燃焼室２７との間を閉鎖しているとき、吸気通路３２には図示しない吸気口から吸入された新気が充満している。そのため、吸気通路３２の燃焼室２７側は、新気を主成分とする低ＥＧＲ層６２となっている。そして、ＥＧＲ弁１５がＥＧＲ通路４２を開放すると、吸気通路３２にはＥＧＲ通路４２から排気が流入する。そのため、吸気通路３２の燃焼室２７から遠い側すなわち低ＥＧＲ層６２の図示しない吸気口側には、排気を主成分とする高ＥＧＲ層６１が形成される。
【００２７】
このとき、吸気バルブ２４が開弁し、吸気通路３２から燃焼室２７へ吸気が供給されると、図６に示すように燃焼室２７の軸方向において、吸気通路３２から遠いピストン２３側に低ＥＧＲ層６２が形成され、吸気通路３２に近い側に高ＥＧＲ層６１が形成される。このように、燃焼室２７には成層化した高ＥＧＲ層６１および低ＥＧＲ層６２が形成される。ここで、ＥＧＲ弁１５によるＥＧＲ通路４２の閉鎖時期が早すぎると、燃焼室２７へ高ＥＧＲ層６１を供給した後、再び低ＥＧＲ層６２が供給されることになる。また、ＥＧＲ弁１５によるＥＧＲ通路４２の閉鎖時期が遅すぎると、吸気バルブ２４が閉弁した後の吸気通路３２には高ＥＧＲ層６１が滞留することになる。したがって、ＥＣＵ１６は、これら吸気の移動時間も考慮してＥＧＲ弁１５の開閉時期を設定する。
【００２８】
このように、燃焼室２７においてピストン２３側に低ＥＧＲ層６２を形成し吸気通路３２側に高ＥＧＲ層６１を形成することにより、燃料が噴射されるインジェクタ２８の周辺には高ＥＧＲ層６１が形成される。そのため、インジェクタ２８から噴射された燃料は、酸素の濃度が比較的低い高ＥＧＲ層６１において緩やかに燃焼する。そして、インジェクタ２８から噴射された燃料は、十分に着火した状態で酸素の濃度が比較的高い低ＥＧＲ層６２へ到達する。これにより、特にエンジン１０の負荷が大きな高負荷状態のときでも、燃料の着火遅れが大きくなるとともに、燃焼温度が低下する。その結果、黒煙の原因となる粒子状物質（ＰＭ：Particulate Matter）の生成、騒音の発生およびＮＯｘの生成は、いずれも低減される。
【００２９】
一方、ＥＣＵ１６は、ＥＧＲ弁１５によって吸気行程の前半にＥＧＲ通路４２を開閉してもよい。この場合、接続部４３から燃焼室２７へ至る吸気通路３２において、燃焼室２７に近い側に高ＥＧＲ層６１が形成され、燃焼室２７から遠い側に低ＥＧＲ層６２が形成される。このとき、吸気通路３２から燃焼室２７へ吸気が供給されると、図７に示すように燃焼室２７の軸方向において、図６とは逆に吸気通路３２から遠いピストン２３側に高ＥＧＲ層６１が形成され、吸気通路３２に近い側に低ＥＧＲ層６２が形成される。
【００３０】
このように、燃焼室２７においてピストン２３側に高ＥＧＲ層６１を形成し吸気通路３２側に低ＥＧＲ層６２を形成することにより、燃料が噴射されるインジェクタ２８の周辺には低ＥＧＲ層６２が形成される。そのため、インジェクタ２８から噴射された燃料は、酸素の濃度が比較的高い低ＥＧＲ層６２によって速やかに着火する。また、この場合、燃焼室２７を形成するシリンダブロック２１およびピストン２３に近い側には、高ＥＧＲ層６１が形成される。そのため、シリンダブロック２１およびピストン２３に接する吸気は、排気を含むことにより比較的温度の高い高ＥＧＲ層６１となる。その結果、燃焼室２７を形成するシリンダブロック２１およびピストン２３の壁面から吸気が奪う熱量は小さくなる。これにより、特にエンジン１０の始動直後のように温度が低いとき、あるいはエンジン１０の負荷が小さな低負荷状態のときでも、燃料の安定した着火が確保されるとともに、熱効率の向上が図られる。
【００３１】
一般に、エンジン１０の負荷が大きくなるほど、燃焼室２７における燃料の燃焼温度は上昇しやすく、燃料の燃焼によって生成するＮＯｘは増大する。そのため、エンジン１０の負荷が大きくなるほど、図６に示すように燃焼室２７において燃料の燃焼が生じる位置に近い、すなわち吸気通路３２およびインジェクタ２８に近い位置に高ＥＧＲ層６１を形成することが望ましい。そこで、ＥＣＵ１６は、エンジン１０の負荷が大きくなるにしたがって、ＥＧＲ弁１５の開弁時期を遅らせ、高ＥＧＲ層６１を燃焼室２７へ供給する時期を吸気行程の後半にずらしてもよい。これにより、排気の濃度が高い高ＥＧＲ層６１は、燃焼室２７において燃料の燃焼が生じるインジェクタ２８に近い位置に形成される。また、高ＥＧＲ層６１の供給時期を吸気行程の後半にずらすことにより、高ＥＧＲ層６１と低ＥＧＲ層６２とが接する時間が短縮され、高ＥＧＲ層６１と低ＥＧＲ層６２との混合も低減される。
【００３２】
次に、上記した第１実施形態によるエンジン１０の作動の流れについて図８に基づいて説明する。
ＥＣＵ１６は、エンジン１０を運転しているとき、定期的にエンジン１０の運転状態を取得する（Ｓ１０１）。具体的には、ＥＣＵ１６は、アクセル開度センサ５１からアクセルペダルの踏み込み量を取得するとともに、回転数センサ５２からエンジン本体１１の回転数を取得する。ＥＣＵ１６は、取得したアクセルペダルの踏み込み量およびエンジン本体１１の回転数に基づいて、エンジン１０の運転状態を取得する。ＥＣＵ１６は、Ｓ１０１においてエンジン１０の運転状態を取得すると、吸気の成層化が必要であるか否かを判断する（Ｓ１０２）。ＥＣＵ１６は、Ｓ１０１で取得したエンジン１０の運転状態に応じて、燃焼室２７へ供給する吸気を成層化するか否かを判断する。
【００３３】
ＥＣＵ１６は、Ｓ１０２において吸気の成層化が必要であると判断すると（Ｓ１０２：Ｙｅｓ）、ＥＧＲ弁１５の開閉時期を設定する（Ｓ１０３）。そして、ＥＣＵ１６は、Ｓ１０３で設定したＥＧＲ弁１５の開閉時期にしたがってＥＧＲ弁１５を駆動する（Ｓ１０４）。一方、ＥＣＵ１６は、Ｓ１０２において吸気の成層化が必要でないと判断すると（Ｓ１０２：Ｎｏ）、Ｓ１０１へリターンし、エンジン１０の運転が継続している間、Ｓ１０１以降の処理を繰り返す。
【００３４】
ＥＣＵ１６は、Ｓ１０２において、図９に示すようなエンジン本体１１の回転数とエンジン本体１１への燃料噴射量との関係に基づいて目標成層度を設定する。図９に示す目標成層度は、エンジン本体１１の回転数と燃料噴射量との関係に基づいて予め設定され、例えば図示しないＲＯＭなどの記憶装置に記憶されている。燃料噴射量は、Ｓ１０１で取得したエンジン１０の運転状態に基づいて設定される。ここで、目標成層度とは、燃焼室２７へ供給される吸気に設定される成層度合いである。また、成層度合いとは、高ＥＧＲ層６１と低ＥＧＲ層６２との境界部の鮮明度、すなわち高ＥＧＲ層６１と低ＥＧＲ層６２との間におけるＥＧＲガスの濃度勾配の大きさに相当する。
【００３５】
図９に示すようにエンジン本体１１の回転数に対する燃料噴射量が小さいとき、エンジン１０の負荷は小さいと考えられる。そのため、ＥＣＵ１６の負荷判断部５６は、回転数に対する燃料噴射量が小さいときエンジン１０の負荷が小さいと判断する。そして、ＥＣＵ１６は、エンジン１０の負荷が小さいと判断したとき、目標成層度を低く設定する。一方、エンジン本体１１の回転数に対する燃料噴射量が大きいとき、エンジン１０の負荷は大きいと考えられる。そのため、ＥＣＵ１６の負荷判断部５６は、回転数に対する燃料噴射量が大きいとき、エンジン１０の負荷が大きいと判断する。そして、ＥＣＵ１６は、エンジン１０の負荷が大きいと判断したとき、目標成層度を高く設定する。このように、ＥＣＵ１６は、Ｓ１０１で取得したエンジン１０の運転状態に基づいて目標成層度を設定する。また、このとき、ＥＣＵ１６は、Ｓ１０１で取得したエンジン１０の運転状態に基づくエンジン１０の負荷状態から、高ＥＧＲ層６１および低ＥＧＲ層６２の供給順も設定する。
【００３６】
エンジン本体１１が吸気行程にあるとき、ＥＧＲ弁１５がＥＧＲ通路４２を開放する期間を短期間として、ＥＧＲ弁１５の開度を比較的大きくすると、比較的大量のＥＧＲガスは短期間で吸気通路３２へ流入する。そのため、新気とＥＧＲガスとは、吸気通路３２における接触期間が短かく、吸気通路３２において混合しにくい。その結果、高ＥＧＲ層６１と低ＥＧＲ層６２との境界部は鮮明となり、成層度は向上する。一方、エンジン本体１１が吸気行程にあるとき、ＥＧＲ弁１５がＥＧＲ通路４２を開放する期間を長期間として、ＥＧＲ弁１５の開度を比較的小さくすると、比較的少量のＥＧＲガスは長期間で吸気通路３２へ流入する。そのため、新気とＥＧＲガスとは、吸気通路３２における接触期間が長く、吸気通路３２において混合しやすくなる。その結果、高ＥＧＲ層６１と低ＥＧＲ層６２との境界部は不鮮明となり、成層度は低下する。このように、ＥＣＵ１６は、Ｓ１０３において設定した目標成層度に応じて、Ｓ１０４においてＥＧＲ弁１５を駆動する。これにより、吸気通路３２から燃焼室２７へ供給される吸気の成層度は、目標成層度に制御される。上述のように、エンジン１０の負荷が大きいとき、ＥＣＵ１６は低ＥＧＲ層６２および高ＥＧＲ層６１の順で燃焼室に吸気を供給する。一方、エンジン１０の負荷が小さいとき、ＥＣＵ１６は高ＥＧＲ層６１および低ＥＧＲ層６２の順で燃焼室２７に吸気を供給する。さらに、ＥＣＵ１６は、エンジン１０の負荷が大きくなるほど、高ＥＧＲ層６１を形成する時期を吸気行程の後半にずらしていく。このように、ＥＣＵ１６は、高ＥＧＲ層６１および低ＥＧＲ層６２の供給順序、ならびに高ＥＧＲ層６１の供給時期などを総合的に判断し、これらに基づいてＥＧＲ弁１５を駆動する。
【００３７】
以上説明したように、第１実施形態では、ＥＣＵ１６は、エンジン本体１１が吸気行程にあるとき、ＥＧＲ弁１５を開閉駆動して新気およびＥＧＲガスを燃焼室２７へ導入する時期を制御する。これにより、吸気通路３２から燃焼室２７には、高ＥＧＲ層６１と低ＥＧＲ層６２とが時期的にずれて流入する。そのため、燃焼室２７に流入した吸気は、燃焼室２７の軸方向へ成層化した高ＥＧＲ層６１および低ＥＧＲ層６２を形成する。その結果、高ＥＧＲ層６１と低ＥＧＲ層６２との接触面積は、燃焼室２７の軸に垂直な断面積に近似する程度に減少する。また、高ＥＧＲ層６１および低ＥＧＲ層６２は、いずれも燃焼室２７の軸方向の厚さが大きくなる。したがって、燃焼室２７に吸入された高ＥＧＲ層６１と低ＥＧＲ層６２との混合が低減され、高ＥＧＲ層６１と低ＥＧＲ層６２との成層化を促進することができる。
【００３８】
第１実施形態では、ＥＣＵ１６は、ＥＧＲ弁１５を開閉駆動することにより、接続部４３から燃焼室２７への至る吸気通路３２において吸気に含まれるＥＧＲガスの濃度に差を形成する。これにより、新気とＥＧＲガスとは、接続部４３から燃焼室２７へ至る吸気通路３２において層状に濃度差のある高ＥＧＲ層６１と低ＥＧＲ層６２とを形成する。そして、吸気通路３２において層状に濃度差を形成している高ＥＧＲ層６１および低ＥＧＲ層６２は、吸気行程において吸気通路３２から燃焼室２７へ導入されるとき、吸気通路３２における濃度差を維持した状態で燃焼室２７へ流入する。したがって、燃焼室２７に吸入された高ＥＧＲ層６１と低ＥＧＲ層６２との混合が低減され、高ＥＧＲ層６１と低ＥＧＲ層６２との成層化を促進することができる。
【００３９】
第１実施形態では、ＥＣＵ１６は、アクセル開度センサ５１および回転数センサ５２を経由してエンジン１０の運転状態を取得する。ＥＣＵ１６は、取得したエンジン１０の運転状態に応じてＥＧＲ弁１５の開閉時期を変更する。したがって、エンジン１０の負荷状態に応じた適切な高ＥＧＲ層６１および低ＥＧＲ層６２を形成して、燃焼室２７へ供給することができる。
【００４０】
第１実施形態では、ＥＣＵ１６は、吸気行程の前半に低ＥＧＲ層６２、吸気行程の後半に高ＥＧＲ層６１を供給する。これにより、燃焼室２７には、吸気通路３２から遠いピストン２３側に低ＥＧＲ層６２が形成され、吸気通路３２に近い側に高ＥＧＲ層６１が形成される。そのため、燃焼室２７における燃料の燃焼は、高ＥＧＲ層６１で開始される。その結果、燃料の燃焼温度が低下するとともに、燃料の着火遅れが生じる。したがって、エンジン本体１１から排出されるＮＯｘ、ＰＭおよび騒音を低減することができる。また、ＥＣＵ１６は、ＥＧＲ弁１５の開閉時期を調整することにより、逆に吸気行程の前半に高ＥＧＲ層６１、吸気行程の後半に低ＥＧＲ層６２を供給することもできる。これにより、燃焼室２７には、吸気通路３２から遠いピストン２３側に高ＥＧＲ層６１が形成され、吸気通路３２に近い側に低ＥＧＲ層６２が形成される。そのため、燃焼室２７を形成するシリンダブロック２１やピストン２３の壁面付近には、低ＥＧＲ層６２に比較して温度の高い高ＥＧＲ層６１が形成される。その結果、特に負荷が小さいときにおいてエンジン本体１１から燃焼室２７内の吸気への熱の移動にともなう熱損失が低減されるとともに、燃焼室２７に噴射された燃料は酸素が豊富な新気によって燃焼が促進される。したがって、エンジン１０の負荷が小さいときでも、熱効率を高めることができるとともに、安定した運転を確保することができる。
【００４１】
第１実施形態では、ＥＣＵ１６は、エンジン１０の負荷が大きくなるにしたがって、高ＥＧＲ層６１を供給する時期を吸気行程の後半にずらしている。これにより、高ＥＧＲ層６１は、燃焼室２７において燃料の燃焼が生じるインジェクタ２８に近い位置に形成される。これとともに、高ＥＧＲ層６１と低ＥＧＲ層６２とが接する時間が短縮され、高ＥＧＲ層６１と低ＥＧＲ層６２との混合も低減される。したがって、エンジン１０の負荷に応じて燃料の燃焼温度を制御することができるとともに、成層化を促進することができる。
【００４２】
第１実施形態では、排気を吸気通路３２へ還流するＥＧＲ装置１４を備えている。そして、ＥＧＲ装置１４は、排気通路３４を流れる排気を不活性ガスとして吸気通路３２へ供給する。したがって、ＥＧＲ装置１４を経由して循環するＥＧＲガスを使用する場合でも、新気とＥＧＲガスとの混合を低減して成層化を促進することができる。
【００４３】
（第１実施形態の変形例）
ＥＣＵ１６は、失火条件判断部５７においてエンジン本体１１で燃料の失火を招く条件が成立しているか否かを判断してもよい。具体的には、失火条件判断部５７は、水温センサ５３で検出した冷却水の温度、酸素濃度センサ５４で検出した新気の酸素濃度、およびセタン価取得部５５で検出した燃料のセタン価などに基づいて失火を招く条件が成立しているか否かを判断する。例えば冷却水の温度が低いとき、新気の酸素濃度が低いとき、あるいは燃料のセタン価が低いとき、燃焼室２７に噴射された燃料は、着火しにくく、失火することが考えられる。そこで、失火条件判断部５７は、各種センサから取得したデータに基づいて、失火を招く条件が成立しているか否かを判断する。
【００４４】
ＥＣＵ１６は、失火条件判断部５７において失火を招く条件が成立していると判断されると、吸気行程の前半にＥＧＲ通路４２を開放して高ＥＧＲ層６１を形成するとともに、吸気行程の後半にＥＧＲ通路４２を閉鎖して低ＥＧＲ層６２を形成する。これにより、燃焼室２７は、インジェクタ２８に近い側に比較的酸素の濃度の高い低ＥＧＲ層６２が形成される。そのため、インジェクタ２８から噴射された燃料は、酸素の豊富な低ＥＧＲ層６２と接することとなり、着火性が向上する。
【００４５】
第１実施形態の変形例では、失火条件判断部５７を備えている。ＥＣＵ１６は、失火条件判断部５７で失火しやすい条件が成立していると判断されると、吸気行程の前半にＥＧＲガスの濃度を高めるとともに、吸気行程の後半にＥＧＲガスの濃度を低める。そのため、燃焼室２７において燃料の燃焼が生じるインジェクタ２８に近い位置には、酸素が豊富な低ＥＧＲ層６２が形成される。その結果、燃料の着火性が向上する。したがって、エンジン本体１１の安定した運転を確保することができる。
【００４６】
（第２実施形態）
第２実施形態によるエンジンの要部を図１０に示す。
第２実施形態では、ＥＧＲ通路４２と吸気通路３２との接続部４３は燃焼室２７に近い位置に設けられている。第１実施形態の場合、図１に示すように接続部４３と燃焼室２７との間には、比較的長い距離が確保されている。これに対し、第２実施形態では、接続部４３を燃焼室２７に近い位置に設けることにより、接続部４３と燃焼室２７との距離は小さくなっている。このように接続部４３を燃焼室２７に近づけることにより、ＥＧＲ通路４２から吸気通路３２へ流入したＥＧＲガスは燃焼室２７までの経路が短縮される。そのため、吸気通路３２において新気とＥＧＲガスとが接触する機会は低減される。したがって、第２実施形態では、燃焼室２７における高ＥＧＲ層６１と低ＥＧＲ層６２との成層化をより向上することができる。
【００４７】
また、第２実施形態の場合、ＥＧＲ弁１５によるＥＧＲ通路４２の開放によって吸気通路３２に流入したＥＧＲガスは、吸気通路３２に残留している新気を図示しない吸気口側へ押しのけながら吸気通路３２に滞留する。そのため、吸気バルブ２４が閉弁しているとき、ＥＧＲ弁１５がＥＧＲ通路４２を開放すると、ＥＧＲガスは吸気通路３２の燃焼室２７側の端部に滞留する。その結果、吸気バルブ２４が開弁すると、高ＥＧＲ層６１が優先的に燃焼室２７へ流入する。さらに、第２実施形態では、接続部４３から燃焼室２７までの距離が短い。そのため、ＥＧＲ弁１５の開弁からＥＧＲガスの燃焼室２７への供給までの時期的な遅れは低減される。したがって、燃焼室２７における高ＥＧＲ層６１と低ＥＧＲ層６２との成層化をより向上することができる。
【００４８】
（第３実施形態）
第３実施形態によるエンジンの要部を図１１に示す。
第３実施形態の場合、エンジン１０の吸気系１２は、ストレートポート７１およびヘリカルポート７２を有している。すなわち、吸気通路３２は、ストレートポート７１側とヘリカルポート７２側に分岐している。ストレートポート７１は、吸気を燃焼室２７へ直進させて導入する。また、ヘリカルポート７２は、吸気を燃焼室２７へ旋回させながら導入する。これにより、ストレートポート７１を流れる吸気は、燃焼室２７へ向けて直線的に流入する。一方、ヘリカルポート７２を流れる吸気は、燃焼室２７へ向けて旋回流すなわちスワール流を形成しながら流入する。
【００４９】
この第３実施形態の場合、ＥＧＲ通路４２の接続部４３は、ストレートポート７１に設けられている。そのため、ＥＧＲ通路４２を流れるＥＧＲガスは、ストレートポート７１を経由して燃焼室２７へ導入される。ストレートポート７１を経由する吸気は、乱れが少ない層流に近い状態で燃焼室２７の径方向において中心付近に流入する。これにより、吸気行程の後半でＥＧＲガスを燃焼室２７へ導入する場合、高ＥＧＲ層６１はインジェクタ２８に近い燃焼室２７の中心軸付近でシリンダヘッド２２側に形成される。その結果、燃料が着火するインジェクタ２８の近傍に成層化した高ＥＧＲ層６１が形成される。したがって、燃料の燃焼温度を低下させることができ、ＮＯｘの生成を低減することができる。
【００５０】
（第４実施形態）
第４実施形態によるエンジンの要部を図１２に示す。
第４実施形態の場合、ＥＧＲ通路４２は吸気通路３２側の端部にガスインジェクタ７３を有している。この場合、接続部４３は、ＥＧＲガスを噴射するガスインジェクタ７３の噴孔に相当する。これにより、ＥＧＲ通路４２を流れるＥＧＲガスは、ガスインジェクタ７３によって吸気通路３２への流入が断続される。すなわち、ガスインジェクタ７３が開弁しているとき、ＥＧＲ通路４２を流れるＥＧＲガスは吸気通路３２を流れる新気に噴射される。一方、ガスインジェクタ７３が閉弁しているとき、ＥＧＲ通路４２を流れるＥＧＲガスは吸気通路３２への噴射が停止される。ＥＧＲガスは、排気通路３４から導入されるため、吸気通路３２を流れる新気よりも圧力が高い。したがって、ＥＧＲガスは、上述の複数の実施形態におけるＥＧＲ弁１５に代えてガスインジェクタ７３の開閉によって吸気通路３２への流入を調整することもできる。
【００５１】
（第５実施形態）
第５実施形態によるエンジンを図１３に示す。
第５実施形態の場合、ＥＧＲ装置１４は、過給部８０を有している。過給部８０は、排気通路３４から吸気通路３２へ戻されるＥＧＲガスを加圧する。過給部８０は、例えば排気通路３４を流れる排気によって過給するターボチャージャ、またはエンジン本体１１の駆動力によって過給するスーパーチャージャなどが適用される。これにより、ＥＧＲ通路４２から吸気通路３２へ流入するＥＧＲガスの圧力は、より高められる。そのため、ＥＧＲガスは、より短時間でより多くが吸気通路３２へ供給される。したがって、高ＥＧＲ層の形成がより容易になり、成層化をより促進することができる。
【００５２】
（第６実施形態）
第６実施形態によるエンジンを図１４に示す。
第６実施形態の場合、エンジン１０は不活性ガス供給部９０を備えている。不活性ガス供給部９０は、不活性ガスタンク９１、不活性ガス通路部材９２および不活性ガス供給弁９３を有している。不活性ガスタンク９１は、例えば窒素、二酸化炭素、アルゴンなどの燃料の燃焼に寄与しない不活性ガスを貯えている。不活性ガス通路部材９２は、不活性ガスタンク９１に貯えられている不活性ガスが流れる供給通路９４を形成している。供給通路９４は、接続部９５において吸気通路３２に接続している。不活性ガス供給弁９３は、ＥＣＵ１６からの指示にしたがうアクチュエータ４４によって供給通路９４を断続する。
【００５３】
第６実施形態の場合、上述の第１実施形態から第５実施形態におけるＥＧＲガスに代えて、不活性ガスタンク９１に貯えられている不活性ガスを吸気に供給する。この場合でも、第１実施形態から第５実施形態と同様に、燃焼室２７へ供給される吸気を、新気を主とする層と不活性ガスを主とする層とに成層化することができる。
【００５４】
（その他の実施形態）
以上説明した本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。
例えば、図１５に示すようにＥＧＲ通路４２は、二つに分岐させてもよい。分岐させた一方の分岐通路４２１は、吸気通路３２側の先端にガスインジェクタ４２２を設けている。これにより、ＥＧＲ通路４２から供給されるＥＧＲガスの一部は、吸気通路３２において燃焼室２７に近いところへ噴射される。これに対し、分岐させた他方のＥＧＲ通路４２３は、ガスインジェクタ４２２よりも吸気通路３２の上流側すなわち吸気通路３２の図示しない吸気口側に接続している。これにより、吸気に含まれるＥＧＲガスの割合を全体として高めるとき、ＥＧＲガスは上流側のＥＧＲ通路４２３を経由して吸気通路３２へ補給される。したがって、ＥＧＲガスの濃度を十分に確保することができる。
【００５５】
また、上述の複数の実施形態では、燃焼室２７において高ＥＧＲ層６１と低ＥＧＲ層６２とを二層に形成する例について説明した。しかし、エンジン１０の要求によっては、燃焼室２７において三層以上の高ＥＧＲ層６１と低ＥＧＲ層６２とを形成してもよい。この場合、ＥＣＵ１６は、吸気行程においてＥＧＲ弁１５を複数回開閉する。これにより、燃焼室２７における高ＥＧＲ層６１および低ＥＧＲ層６２は、三層以上でも安定した成層化を図ることができる。
【００５６】
また、上述の複数の実施形態では、内燃機関としてディーゼルエンジンを例に説明した。しかし、複数の実施形態は、ディーゼルエンジンに限らず、ガソリンエンジンに適用してもよい。
【符号の説明】
【００５７】
図面中、１０はエンジン（内燃機関）、１１はエンジン本体（内燃機関本体）、１２は吸気系、１３は排気系、１４はＥＧＲ装置（不活性ガス供給部、排気再循環部）、１５はＥＧＲ弁（不活性ガス供給弁）、１６はＥＣＵ（制御手段）、２７は燃焼室、３２は吸気通路、３４は排気通路、４２はＥＧＲ通路（供給通路）、４３は接続部、５０は運転状態取得部、５１はアクセル開度センサ（運転状態取得手段）、５２は回転数センサ（運転状態取得手段）、５３は水温センサ（失火条件判断手段）、５４は酸素濃度センサ（失火条件判断手段）、５５はセタン価取得部（失火条件判断手段）、５６は負荷判断部、５７は失火条件判断部、７１はストレートポート、７２はヘリカルポート、８０は過給部、９０は不活性ガス供給部、９１は不活性ガスタンク、９２は不活性ガス通路部材、９３は不活性ガス供給弁、９４は供給通路、９５は接続部を示す。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室を形成する内燃機関本体と、
前記燃焼室に吸入される吸気が流れる吸気通路を形成する吸気系と、
前記燃焼室から排出される排気が流れる排気通路を形成する排気系と、
前記吸気通路に接続する供給通路を形成し、前記吸気通路に不活性ガスを供給する不活性ガス供給部と、
前記供給通路を開閉可能に設けられ、前記吸気通路への前記不活性ガスの供給を断続する不活性ガス供給弁と、
前記不活性ガス供給弁を開閉駆動して、前記吸気通路を流れる新気、および前記不活性ガス供給部から供給される前記不活性ガスが前記吸気通路へ導入される時期を制御し、前記内燃機関本体が吸気行程にあるとき、前記新気と前記不活性ガスとを成層状態として前記燃焼室へ供給する制御手段と、
を備える内燃機関。
【請求項２】
前記制御手段は、前記不活性ガス供給弁を開閉駆動して、前記吸気通路と前記供給通路との接続部から前記燃焼室に至る前記吸気通路において、吸気に含まれる前記不活性ガスの濃度に差を形成する請求項１記載の内燃機関。
【請求項３】
前記内燃機関本体の運転状態を取得する運転状態取得手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記運転状態取得手段で取得した前記内燃機関本体の運転状態に応じて前記不活性ガス供給弁の開閉時期を変更する請求項１または２記載の内燃機関。
【請求項４】
前記制御手段は、前記内燃機関本体の吸気行程において、前半に前記不活性ガスの濃度を低め、後半に前記不活性ガスの濃度を高める請求項３記載の内燃機関。
【請求項５】
前記制御手段は、前記内燃機関本体の吸気行程において、前半に前記不活性ガスの濃度を高め、後半に前記不活性ガスの濃度を低める請求項３記載の内燃機関。
【請求項６】
前記制御手段は、前記運転状態取得手段で取得した前記内燃機関本体の負荷状態が大きくなるにしたがって、前記不活性ガスを供給する時期を吸気行程の後半にずらす請求項３記載の内燃機関。
【請求項７】
前記内燃機関本体において燃料の失火を招く条件が成立しているか否かを判断する失火条件判断手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記失火条件判断手段で燃料の失火を招く条件が成立していると判断すると、前記内燃機関本体の吸気行程において、前半に前記不活性ガスの濃度を高め、後半に前記不活性ガスの濃度を低める請求項３記載の内燃機関。
【請求項８】
前記吸気系は、吸気が前記燃焼室へ直進して導入されるストレートポートと、吸気が前記燃焼室へ旋回しながら導入されるヘリカルポートとを有し、
前記供給通路は、前記ストレートポートに接続している請求項１から７のいずれか一項記載の内燃機関。
【請求項９】
前記排気通路を流れる排気を前記吸気通路へ還流する排気再循環部をさらに備え、
前記不活性ガス供給部は、前記排気通路を流れる排気を前記不活性ガスとして前記吸気通路へ供給する請求項１から８のいずれか一項記載の内燃機関。
【請求項１０】
前記排気再循環部は、前記排気通路から前記吸気通路へ還流する排気を加圧する過給部を有する請求項９記載の内燃機関。
【請求項１１】
燃焼室へ吸入される吸気が流れる吸気通路と前記燃焼室から排出される排気が流れる排気通路とを接続する排気再循環通路を形成する通路形成部材と、
前記排気再循環通路を開閉可能に設けられ、前記排気通路から前記吸気通路へ再循環される排気の流れを断続する排気再循環弁と、
前記排気再循環弁を開閉駆動して、前記吸気通路を流れる新気、および前記排気再循環通路から再循環される排気が前記吸気通路へ導入される時期を制御し、内燃機関本体が吸気行程にあるとき、前記新気と再循環された排気とを成層状態として前記燃焼室へ供給する制御手段と、
を備える排気再循環装置。
【請求項１】
燃焼室を形成する内燃機関本体と、
前記燃焼室に吸入される吸気が流れる吸気通路を形成する吸気系と、
前記燃焼室から排出される排気が流れる排気通路を形成する排気系と、
前記吸気通路に接続する供給通路を形成し、前記吸気通路に不活性ガスを供給する不活性ガス供給部と、
前記供給通路を開閉可能に設けられ、前記吸気通路への前記不活性ガスの供給を断続する不活性ガス供給弁と、
前記不活性ガス供給弁を開閉駆動して、前記吸気通路を流れる新気、および前記不活性ガス供給部から供給される前記不活性ガスが前記吸気通路へ導入される時期を制御し、前記内燃機関本体が吸気行程にあるとき、前記新気と前記不活性ガスとを成層状態として前記燃焼室へ供給する制御手段と、
を備える内燃機関。
【請求項２】
前記制御手段は、前記不活性ガス供給弁を開閉駆動して、前記吸気通路と前記供給通路との接続部から前記燃焼室に至る前記吸気通路において、吸気に含まれる前記不活性ガスの濃度に差を形成する請求項１記載の内燃機関。
【請求項３】
前記内燃機関本体の運転状態を取得する運転状態取得手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記運転状態取得手段で取得した前記内燃機関本体の運転状態に応じて前記不活性ガス供給弁の開閉時期を変更する請求項１または２記載の内燃機関。
【請求項４】
前記制御手段は、前記内燃機関本体の吸気行程において、前半に前記不活性ガスの濃度を低め、後半に前記不活性ガスの濃度を高める請求項３記載の内燃機関。
【請求項５】
前記制御手段は、前記内燃機関本体の吸気行程において、前半に前記不活性ガスの濃度を高め、後半に前記不活性ガスの濃度を低める請求項３記載の内燃機関。
【請求項６】
前記制御手段は、前記運転状態取得手段で取得した前記内燃機関本体の負荷状態が大きくなるにしたがって、前記不活性ガスを供給する時期を吸気行程の後半にずらす請求項３記載の内燃機関。
【請求項７】
前記内燃機関本体において燃料の失火を招く条件が成立しているか否かを判断する失火条件判断手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記失火条件判断手段で燃料の失火を招く条件が成立していると判断すると、前記内燃機関本体の吸気行程において、前半に前記不活性ガスの濃度を高め、後半に前記不活性ガスの濃度を低める請求項３記載の内燃機関。
【請求項８】
前記吸気系は、吸気が前記燃焼室へ直進して導入されるストレートポートと、吸気が前記燃焼室へ旋回しながら導入されるヘリカルポートとを有し、
前記供給通路は、前記ストレートポートに接続している請求項１から７のいずれか一項記載の内燃機関。
【請求項９】
前記排気通路を流れる排気を前記吸気通路へ還流する排気再循環部をさらに備え、
前記不活性ガス供給部は、前記排気通路を流れる排気を前記不活性ガスとして前記吸気通路へ供給する請求項１から８のいずれか一項記載の内燃機関。
【請求項１０】
前記排気再循環部は、前記排気通路から前記吸気通路へ還流する排気を加圧する過給部を有する請求項９記載の内燃機関。
【請求項１１】
燃焼室へ吸入される吸気が流れる吸気通路と前記燃焼室から排出される排気が流れる排気通路とを接続する排気再循環通路を形成する通路形成部材と、
前記排気再循環通路を開閉可能に設けられ、前記排気通路から前記吸気通路へ再循環される排気の流れを断続する排気再循環弁と、
前記排気再循環弁を開閉駆動して、前記吸気通路を流れる新気、および前記排気再循環通路から再循環される排気が前記吸気通路へ導入される時期を制御し、内燃機関本体が吸気行程にあるとき、前記新気と再循環された排気とを成層状態として前記燃焼室へ供給する制御手段と、
を備える排気再循環装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１２−２２５２１３（Ｐ２０１２−２２５２１３Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１５日（２０１２．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−９２０６０（Ｐ２０１１−９２０６０）
【出願日】平成２３年４月１８日（２０１１．４．１８）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【出願人】（０００００４６９５）株式会社日本自動車部品総合研究所 (1,981)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月１５日（２０１２．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月１８日（２０１１．４．１８）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【出願人】（０００００４６９５）株式会社日本自動車部品総合研究所 (1,981)
【Ｆターム（参考）】
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