(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関（２）の燃焼室（６）に吸入される吸入空気に燃料の燃焼を抑制する燃焼抑制ガスを混合する内燃機関の吸気制御装置において、
前記内燃機関の負荷が高負荷であることを判定する判定手段（５１）と、
前記判定手段により前記高負荷が判定されるとき、前記燃焼室の径方向外側領域における前記燃焼抑制ガスの濃度を、径方向内側領域における前記燃焼抑制ガスの濃度より低く調節する調節手段（１１、１２、３３、４０、５２）とを備え、
前記判定手段（５１）は、さらに、前記内燃機関の負荷が低負荷であることを判定するよう構成されており、
前記調節手段（１１、１２、３３、４０、５２）は、前記判定手段により前記低負荷が判定されるとき、前記燃焼室の径方向外側領域における前記燃焼抑制ガスの濃度を、径方向内側領域における前記燃焼抑制ガスの濃度より高く調節するよう構成されており、
前記判定手段（５１）は、さらに、前記内燃機関の負荷が前記高負荷と前記低負荷との間の中負荷であることを判定するよう構成されており、
前記調節手段（１１、１２、３３、４０、５２）は、前記判定手段により前記中負荷が判定されるとき、前記燃焼室内における径方向に関する前記燃焼抑制ガスの濃度分布を、前記高負荷または前記低負荷のときより抑制するよう構成されており、
前記調節手段（１１、１２、３３、４０、５２）は、
前記燃焼室に前記吸入空気を導入する吸入ポートであって、前記燃焼室内に導入された前記吸入空気にスワール流（ＳＷＲ）を生じさせる第１ポート（１１）と、
前記燃焼室に前記吸入空気を導入する吸入ポートであって、前記第１ポートに比べて前記燃焼室の径方向内側に前記吸入空気を導入する第２ポート（１２）と、
前記第１ポートと前記第２ポートとに前記燃焼抑制ガスを供給するとともに、前記第１ポートへの前記燃焼抑制ガスの供給量と、前記第２ポートへの前記燃焼抑制ガスの供給量とを調節するバルブ機構（３３）と、
前記判定手段の判定結果に応じて前記バルブ機構を制御する制御手段（５２）とを備えることを特徴とする内燃機関の吸気制御装置。
【請求項２】
前記調節手段（１１、１２、３３、４０、５２）は、
前記第１ポートに流れる気体と前記第２ポートに流れる気体とに温度差を与える温度調節手段（４０）をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の吸気制御装置。
【請求項３】
前記温度調節手段（４０）は、前記第１ポートに流れる気体を冷却する冷却器（４１）を備えることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の吸気制御装置。
【請求項４】
前記第２ポート（１２）は、前記燃焼室内に導入された前記吸入空気にタンブル流（ＴＭＢ）を生じさせるよう構成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の内燃機関の吸気制御装置。
【請求項５】
前記バルブ機構（３３）は、
前記第１ポート（１１）だけへ前記燃焼抑制ガスを供給する第１モードと、
前記第２ポート（１２）だけへ前記燃焼抑制ガスを供給する第２モードとを選択的に提供可能であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の内燃機関の吸気制御装置。
【請求項６】
前記バルブ機構（３３）は、
前記第１ポート（１１）と前記第２ポート（１２）との両方へ前記燃焼抑制ガスを供給する第３モードを、さらに、提供可能であることを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の吸気制御装置。
【請求項７】
前記バルブ機構（３３）は、
前記第３モードにおいて、前記第１ポート（１１）への前記燃焼抑制ガスの供給量と、前記第２ポート（１２）への前記燃焼抑制ガスの供給量とを、相反するように連続的に増減させることを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の吸気制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の燃焼室内に燃焼用の気体を供給する吸気制御装置に関する。より詳細には、内燃機関の燃焼室内の一部分に難燃性の気体を層状に供給することができる内燃機関の吸気制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関の燃焼室内に供給される気体に分布を生じさせることによって、望ましい燃焼を実現しようとする試みがなされている。例えば、特許文献１は、燃焼室内に酸素濃度の分布を生じさせる装置を開示している。また、特許文献２および特許文献３は、排気ガスの一部を燃焼室に還流させるＥＧＲシステム（Exhaust Gas Recirculation System）における改良を開示している。このＥＧＲ装置は、還流ガスを燃焼室に供給する。さらに、このＥＧＲ装置は、燃焼室内に不均一な還流ガスの濃度分布を生じさせる。その一例においては、円柱状または扁平な円盤状の燃焼室内において、同心円状の還流ガスの濃度分布が形成される。具体的には、燃料噴射量が少ないときに、燃焼室の径方向内側領域に大量の還流ガスを供給する。逆に、燃料噴射量が多いときには、燃焼室の径方向外側領域に大量の還流ガスを供給する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２８０１１号公報
【特許文献２】特開２００８−１９６３０６号公報
【特許文献３】特開２００９−３０５１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来技術の構成では、燃料噴射の形状に応じて適切な位置に還流ガスが供給される。ところが、燃料噴射量が多い高負荷時には、スモーク量を十分に抑制することができないという問題点があった。また、燃料噴射量が比較的少ない低負荷、中負荷の時には、燃焼消費量を十分に抑制することができないという問題点があった。また、低負荷、中負荷の時には、燃焼に伴う騒音を十分に抑制することができないという問題点があった。
【０００５】
さらに、従来技術の構成では、燃焼室内における気体の濃度分布は、専ら吸気ポートから燃焼室への流路の形状を改良することによって生成されている。ところが、吸気ポートから燃焼室への流れは複雑であるため、望ましい濃度分布を形成することが困難であった。例えば、従来技術では、円柱状の燃焼室の軸と平行な回転軸をもつスワール流を発生させる吸気ポートを用いることが提案されている。しかし、吸気バルブの近傍における乱流、他の吸気ポートからの流れとの衝突などの要因によって、望ましい流れを生成し、望ましい濃度分布を生成することが困難であった。
【０００６】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、高負荷時におけるスモーク量を抑制することができる内燃機関の吸気制御装置を提供することである。
【０００７】
本発明の他の目的は、低負荷時における燃料消費量を抑制することができる内燃機関の吸気制御装置を提供することである。
【０００８】
本発明のさらに他の目的は、燃焼室内における気体の濃度分布の生成を促進することができる内燃機関の吸気制御装置を提供することである。
【０００９】
本発明のさらに他の目的は、燃焼室内の気体の濃度分布を変化させることにより、燃焼状態を制御することができる内燃機関の吸気制御装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。
【００１１】
請求項１に記載の発明は、内燃機関（２）の燃焼室（６）に吸入される吸入空気に燃料の燃焼を抑制する燃焼抑制ガスを混合する内燃機関の吸気制御装置において、内燃機関の負荷が高負荷であることを判定する判定手段（５１）と、判定手段により高負荷が判定されるとき、燃焼室の径方向外側領域における燃焼抑制ガスの濃度を、径方向内側領域における燃焼抑制ガスの濃度より低く調節する調節手段（１１、１２、３３、４０、５２）とを備えることを特徴とする。
【００１２】
この構成によると、高負荷時には、燃焼室の径方向内側領域に供給された燃焼抑制ガスにより、着火遅れが大きくなり、スモークの発生が抑制される。
【００１３】
請求項１に記載の発明は、判定手段（５１）は、さらに、内燃機関の負荷が低負荷であることを判定するよう構成されており、調節手段（１１、１２、３３、４０、５２）は、判定手段により低負荷が判定されるとき、燃焼室の径方向外側領域における燃焼抑制ガスの濃度を、径方向内側領域における燃焼抑制ガスの濃度より高く調節するよう構成されていることを特徴とする。
【００１４】
この構成によると、低負荷時に、燃焼抑制ガスが燃焼室の径方向外側領域に供給されるため、着火遅れが小さくなる。さらに、燃焼抑制ガスを多く含む環状の空気層が、シリンダの内面などによる冷却損失を抑制し、燃料消費を改善する。
【００１５】
請求項１に記載の発明は、判定手段（５１）は、さらに、内燃機関の負荷が高負荷と低負荷との間の中負荷であることを判定するよう構成されており、調節手段（１１、１２、３３、４０、５２）は、判定手段により中負荷が判定されるとき、燃焼室内における径方向に関する燃焼抑制ガスの濃度分布を、高負荷または低負荷のときより抑制するよう構成されていることを特徴とする。この構成によると、中負荷時に、高負荷時と低負荷時との間の状態を提供することができる。
【００１６】
請求項１に記載の発明は、調節手段（１１、１２、３３、４０、５２）は、燃焼室に吸入空気を導入する吸入ポートであって、燃焼室内に導入された吸入空気にスワール流（ＳＷＲ）を生じさせる第１ポート（１１）と、燃焼室に吸入空気を導入する吸入ポートであって、第１ポートに比べて燃焼室の径方向内側に吸入空気を導入する第２ポート（１２）と、第１ポートと第２ポートとに燃焼抑制ガスを供給するとともに、第１ポートへの燃焼抑制ガスの供給量と、第２ポートへの燃焼抑制ガスの供給量とを調節するバルブ機構（３３）と、判定手段の判定結果に応じてバルブ機構を制御する制御手段（５２）とを備えることを特徴とする。この構成によると、濃度差の大きい顕著な濃度分布を燃焼室内において生成することができる。
【００１７】
請求項２に記載の発明は、調節手段（１１、１２、３３、４０、５２）は、第１ポートに流れる気体と第２ポートに流れる気体とに温度差を与える温度調節手段（４０）をさらに備えることを特徴とする。この構成によると、スワール流に作用する遠心力を温度差によって調節することができ、濃度分布の生成を促進することができる。
【００１８】
請求項３に記載の発明は、温度調節手段（４０）は、第１ポートに流れる気体を冷却する冷却器（４１）を備えることを特徴とする。この構成によると、第１ポートに流れる気体を冷却し、密度を高めることで、スワール流に作用する遠心力を大きくすることができる。
【００１９】
請求項４に記載の発明は、第２ポート（１２）は、燃焼室内に導入された吸入空気にタンブル流（ＴＭＢ）を生じさせるよう構成されていることを特徴とする。この構成によると、第２ポートから供給される気体を燃焼室の径方向内側領域に維持しやすい。
【００２０】
請求項５に記載の発明は、バルブ機構（３３）は、第１ポート（１１）だけへ燃焼抑制ガスを供給する第１モードと、第２ポート（１２）だけへ燃焼抑制ガスを供給する第２モードとを選択的に提供可能であることを特徴とする。この構成によると、バルブ機構によるモード切替によって燃焼室内における燃焼抑制ガスの濃度分布を調節することができる。
【００２１】
請求項６に記載の発明は、バルブ機構（３３）は、第１ポート（１１）と第２ポート（１２）との両方へ燃焼抑制ガスを供給する第３モードを、さらに、提供可能であることを特徴とする。この構成によると、バルブ機構によるモード切替によって燃焼室内における燃焼抑制ガスの濃度分布を調節することができる。
【００２２】
請求項７に記載の発明は、バルブ機構（３３）は、第３モードにおいて、第１ポート（１１）への燃焼抑制ガスの供給量と、第２ポート（１２）への燃焼抑制ガスの供給量とを、相反するように連続的に増減させることを特徴とする。この構成によると、第１モードと第２モードとの間において、燃焼室内における燃焼抑制ガスの濃度分布を連続的に調節することができる。
【００２３】
なお、特許請求の範囲および上記手段の項に記載した括弧内の符号は、ひとつの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明を適用した第１実施形態に係る内燃機関の吸気制御装置を示すブロック図である。
【図２】第１実施形態の内燃機関の構成を示す断面図である。
【図３】第１実施形態の燃焼室内における濃度分布を示す平面図である。
【図４】第１実施形態の燃焼室内における濃度分布を示す断面図である。
【図５】第１実施形態の燃焼室内における濃度分布を示す断面図である。
【図６】第１実施形態の燃焼室内における濃度分布を示す断面図である。
【図７】第１実施形態の制御特性を示すグラフである。
【図８】第１実施形態の制御特性を示すグラフである。
【図９】本発明を適用した第２実施形態に係る内燃機関の構成を示す断面図である。
【図１０】本発明を適用した第３実施形態に係る内燃機関の吸気制御装置を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下に、図面を参照しながら本発明を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した他の形態を適用することができる。各実施形態で具体的に組合せが可能であることを明示している部分同士の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、明示してなくとも実施形態同士を部分的に組み合せることも可能である。
【００２６】
（第１実施形態）
図１は、本発明を適用した第１実施形態に係る内燃機関の吸気制御装置を示すブロック図である。図２は、第１実施形態の内燃機関の構成を示す断面図である。吸気制御装置は、内燃機関の燃焼室に吸入される吸入空気に燃料の燃焼を抑制する燃焼抑制ガスを混合する。吸気制御装置は、燃焼抑制ガスとして、ＥＧＲシステム（Exhaust Gas Recirculation System）から供給される還流ガスを使用する。ＥＧＲシステムは、内燃機関の排気ガスの一部を燃焼室に戻すことにより、着火時期、燃焼速度、燃焼温度などの燃焼パラメータを調節する。燃焼室に戻される排気ガスは、還流ガスと呼ばれる。
【００２７】
内燃機関システム１は、圧縮着火型の多気筒の内燃機関２（以下、エンジン２という）を備える。図中には、代表となるひとつの気筒と、それに関連する要素が図示されている。以下の説明では、このひとつの気筒について説明する。エンジン２は、ディーゼルエンジンとも呼ばれる。エンジン２は、シリンダ３と、ピストン４と、シリンダヘッド５とを有する。シリンダ３は、円柱状のボアを提供している。ボアの軸は、シリンダ軸３ａと呼ばれる。ピストン４は、シリンダ３内に往復移動可能に収容されている。ピストン４の冠面は、凹状に形成されることによって燃焼空間の一部を提供するためのキャビティ４ａを有している。シリンダヘッド５は、シリンダ３の端部を閉塞するように配置されている。
【００２８】
エンジン２は、シリンダ３と、ピストン４と、シリンダヘッド５とによって燃焼室６を区画形成している。ピストン４の冠面は、燃焼室６の底面を提供する。シリンダ３の内面は、燃焼室６の外周面を提供する。シリンダヘッド５とそこに装着された部品は、燃焼室６の天井面を提供する。燃焼室６の形状は、円柱状である。燃焼室６の高さは、ピストン４の位置に応じて変化する。ピストン４が上死点にあるとき、燃焼室６の形状は、円板状となる。ピストン４が上死点の近傍にあるとき、燃焼室６は、主としてキャビティ４ａによって区画される。シリンダ軸３ａと垂直な方向を、径方向と呼ぶ。ピストン４の位置にかかわらず、燃焼室６の内部には、シリンダ軸３ａの周りに配置された複数の空間を想定することができる。燃焼室６の径方向外側領域は、シリンダ軸から所定距離だけ離れた環状の空間である。また、燃焼室６の径方向内側領域は、燃焼室６の径方向外側領域よりも、径方向内側に想定される環状または円柱状の空間である。燃焼室６の径方向内側領域は、シリンダ軸３ａを含むものとして想定される場合もある。
【００２９】
シリンダヘッド５には、燃料噴射弁７が設けられている。燃焼噴射弁７の燃料噴射孔は燃焼室６に露出して配置されている。燃料噴射弁７は、燃料噴射孔が燃焼室６のほぼ中央に位置するように配置されている。燃料噴射弁７は、圧縮行程の後期から膨張行程の初期にかけての期間のいずれかの時期に設定された燃料噴射時期に、燃焼室６内に向けて燃料を直接に噴射する。
【００３０】
内燃機関システム１は、吸気系統１０を備える。吸気系統１０は、燃焼室６に燃焼用の吸入空気を導入する吸入ポート１１、１２を備える。吸入ポート１１、１２は、シリンダヘッド５内、および吸気マニフォルド内に形成されている。
【００３１】
吸入ポート１１は、燃焼室６内に導入された吸入空気にスワール流ＳＷＲを生じさせる第１ポート１１とも呼ばれる。第１ポート１１は、燃焼室６の天井面から、燃焼室６の径方向外側に吸入空気を導入する。第１ポート１１は、シリンダ３の内面の接線方向に沿って吸入空気を導入するように延びている。第１ポート１１は、シリンダ軸３ａの周りを旋回する旋回成分を吸入空気に与えるために、わずかに渦巻状に形成されている。第１ポート１１から燃焼室６内に導入された吸入空気は、シリンダ３の内面に沿って流れるスワール流ＳＷＲを生成する。スワール流ＳＷＲは、シリンダ軸３ａの周りを周回する渦流である。
【００３２】
吸入ポート１２は、第１ポート１１に比べて燃焼室６の径方向内側に吸入空気を導入する第２ポート１２とも呼ばれる。第２ポート１２は、燃焼室６内に導入された吸入空気にタンブル流ＴＭＢを生じさせるよう構成されている。第２ポート１２から燃焼室６内に導入された吸入空気は、燃焼室６の径方向内側領域において、複雑に流れる。第２ポート１２から燃焼室６内に導入された吸入空気は、燃焼室６内を撹拌するように上下に流れるタンブル流ＴＭＢを生成する。
【００３３】
シリンダヘッド５には、第１ポート１１を開閉する吸気バルブ１３と、第２ポート１２を開閉する吸気バルブ１４とが設けられている。吸入ポート１１、１２を含み、燃焼室６に吸入空気を導く吸気通路１５には、エアフィルタ（ＦＬＴＲ）１６と、過給器１７と、インタークーラ（ＩＮＴＣ）１８とが設けられている。エンジン２によって吸気通路１５に吸入された空気は、エアフィルタ１６によって濾過される。濾過された空気は、過給器１７によって加圧される。加圧された空気は、インタークーラ１７によって冷却され、吸入ポート１１、１２に供給される。吸気通路１５は、第１ポート１１と第２ポート１２とへ分岐する。
【００３４】
内燃機関システム１は、排気系統２０を備える。排気系統２０は、燃焼室６から排出される排気ガスを流すための排気通路２１を備える。シリンダヘッド５には、排気通路２１を開閉する排気バルブ２２が設けられている。なお、エンジン２は、ひとつの燃焼室に２つの吸気バルブ１３、１４と、２つの排気バルブとを持つ。図中には、便宜上、１つの排気バルブ２２だけが図示されている。過給器１７は、排気タービンと吸気タービンとをもつターボ過給器である。
【００３５】
内燃機関システム１は、ＥＧＲシステム３０を有する。ＥＧＲシステム３０は、燃焼室６の径方向外側領域における還流ガスの濃度と、径方向内側領域における還流ガスの濃度とに差を与える調節手段の一部を提供する。ＥＧＲシステム３０は、径方向外側領域における還流ガスの濃度を、径方向内側領域における還流ガスの濃度より低く調節することができる。また、ＥＧＲシステム３０は、径方向外側領域における還流ガスの濃度を、径方向内側領域における還流ガスの濃度より高く調節することができる。さらに、ＥＧＲシステム３０は、燃焼室６内における径方向に関する還流ガスの濃度分布を抑制することもできる。燃焼室６内に還流ガスの濃度分布を生成することは、成層化とも呼ばれる。
【００３６】
ＥＧＲシステム３０は、還流ガスを流すためのＥＧＲ通路３１を備える。ＥＧＲ通路３１の一端は、排気通路２１に開口している。ＥＧＲ通路３１の他端部分は、第１ポート１１に連絡する通路と、第２ポート１２に連絡する通路とに分岐している。ＥＧＲ通路３１の他端は、吸気通路１５に開口している。第１ポート１１におけるＥＧＲ通路３１の開口１１ａは、第１ポート１１のほぼ中央に開口している。開口１１ａの位置は、燃焼室６の径方向外側に還流ガスを供給しやすいように、かつスワール流ＳＷＲの中央に還流ガスを供給しやすいように設定されている。第２ポート１２におけるＥＧＲ通路３１の開口１２ａは、第２ポート１２の中央よりもやや外側に偏って開口している。開口１２ａの位置は、燃焼室６の径方向内側に還流ガスを供給しやすいように、かつタンブル流ＴＭＢの中央に還流ガスを供給しやすいように設定されている。
【００３７】
ＥＧＲ通路３１には、ＥＧＲクーラ（ＥＧＲＣ）３２と、ＥＧＲバルブ（ＥＧＲＶ）３３とが設けられている。ＥＧＲクーラ３２は、還流ガスを冷却する。ＥＧＲバルブ３３は、ＥＧＲ通路３１の分岐部分に設けられている。ＥＧＲバルブ３３は、複数の吸入ポート１１、１２への還流ガスの分配比を調節する。ＥＧＲバルブ３３は、第１ポート１１と第２ポート１２とに還流ガスを供給するとともに、第１ポート１１への還流ガスの供給量と、第２ポート１２への還流ガスの供給量とを調節するバルブ機構を提供する。ＥＧＲバルブ３３は、第１ポート１１だけへ還流ガスを供給する第１モードと、第２ポート１２だけへ還流ガスを供給する第２モードとを選択的に提供可能である。ＥＧＲバルブ３３は、第１ポート１１と第２ポート１２との両方へ還流ガスを供給する第３モードを、さらに、提供可能である。また、ＥＧＲバルブ３３は、第３モードにおいて、第１ポート１１への還流ガスの供給量と、第２ポート１２への還流ガスの供給量とを、相反するように連続的に増減させることができる。
【００３８】
ＥＧＲバルブ３３は、ＥＧＲ通路３１の分岐部分を形成する通路部３３ａを備える。通路部３３ａは、還流ガスを導入する入口部３３ｂと、第１ポート１１に連絡する第１分岐通路３３ｃと、第２ポート１２に連絡する第２分岐通路３３ｄとを提供する。さらに、通路部３３ａは、開口部３３ｅを有する可動弁体３３ｆを移動可能に保持する弁体保持部材でもある。可動弁体３３ｆは、第１分岐通路３３ｃと第２分岐通路３３ｄとの両方にまたがるように配置されている。可動弁体３３ｆは、開口部３３ｅによって第１分岐通路３３ｃだけを開き、第２分岐通路３３ｄを閉じることにより第１モードを提供する。可動弁体３３ｆは、開口部３３ｅによって第２分岐通路３３ｄだけを開き、第１分岐通路３３ｃを閉じることにより第２モードを提供する。さらに、可動弁体３３ｆは、開口部３３ｅを第１分岐通路３３ｃと第２分岐通路３３ｄとの両方にまたがって位置させることで、第３モードを提供する。さらに、可動弁体３３ｆは、第３モードにおいて開口部３３ｅの位置を連続的に変化させることにより、第１ポート１１への還流ガスの供給量と、第２ポート１２への還流ガスの供給量とを、相反するように連続的に増減させることができる。具体的には、第１ポート１１への還流ガスの供給量を増加させるにつれて、第２ポート１２への還流ガスの供給量を減少させる。また、逆に、第１ポート１１への還流ガスの供給量を減少させるにつれて、第２ポート１２への還流ガスの供給量を増加させる。可動弁体３３ｆは、電磁アクチュエータ５７によって往復方向に移動される。電磁アクチュエータ５７は、スプリング３３ｇの付勢力に抗して可動弁体３３ｆを移動させる。また、可動弁体３３ｆの位置は、位置センサ５６によって検出される。よって、電磁アクチュエータ５７によって可動弁体３３ｆの位置を制御することにより、第１モード、第２モード、および第３モードを選択的に提供することができる。さらに、第３モードにおいては、第１モードから第２モードへ、あるいは第２モードから第１モードへ、還流ガスの供給量を連続的に調節することができる。
【００３９】
第１ポート１１をいわゆるスワールポートとし、第２ポート１２をいわゆるタンブルポートとすることによって、濃度差の大きい顕著な濃度分布を燃焼室内において生成することができる。さらに、これら第１ポート１１および第２ポート１２への還流ガスの供給を制御することにより、還流ガスの濃度分布を、互いに異なる分布に切替えることができる。
【００４０】
図３は、燃焼室６内における濃度分布の一形態を示す平面図である。図４は、燃焼室６内における濃度分布の一形態を示す断面図であって、図３のＩＶ−ＩＶ断面を示す。ＥＧＲバルブ３３は、第１モードにおいては、第１ポート１１にだけ還流ガスを供給する。よって、スワール流ＳＷＲにだけ還流ガスが混合される。この結果、径方向外側領域における還流ガスの濃度Ｃ４を、径方向内側領域における還流ガスの濃度Ｃ１より高く調節することができる。つまり、還流ガスを径方向外側に多く、径方向内側に少なく供給することができる。図示の例では、還流ガスの濃度Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４は、Ｃ１＜Ｃ２＜Ｃ３＜Ｃ４の関係にある。これにより、燃焼室６の中央から噴射される燃料の着火遅れを短くすることができる。この結果、安定した燃焼を実現でき、例えばＮＯｘを低減するなどの排気ガス成分の改善と、燃焼騒音の低減とを図ることができる。また、燃焼室６の径方向外側領域の還流ガス濃度を高くすることで、燃焼室６の径方向外側領域に、還流ガスを多く含む環状の断熱空気層を形成することができる。この断熱空気層は、シリンダ３の内面などによる燃焼室６内の冷却を抑制する。この結果、冷却損失を抑制することができ、燃焼消費の改善を図ることができる。
【００４１】
図５は、燃焼室６内における濃度分布の他の一形態を示す断面図である。ＥＧＲバルブ３３は、第２モードにおいては、第２ポート１２にだけ還流ガスを供給する。よって、タンブル流ＴＭＢにだけ還流ガスが混合される。この結果、径方向外側領域における還流ガスの濃度Ｃ４を、径方向内側領域における還流ガスの濃度Ｃ１より低く調節することができる。つまり、還流ガスを径方向外側に少なく、径方向内側に多く供給することができる。図示の例では、還流ガスの濃度Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４は、Ｃ１＞Ｃ２＞Ｃ３＞Ｃ４の関係にある。これにより、燃焼室６の中央から噴射される燃料の着火遅れを長くすることができる。この結果、燃焼における酸素利用率を向上することができ、スモークの発生を抑制することができる。
【００４２】
図６は、燃焼室６内における濃度分布のさらに他の一形態を示す断面図である。ＥＧＲバルブ３３は、第３モードにおいては、第１ポート１１と第２ポート１２との両方に還流ガスを供給する。よって、燃焼室６内における径方向に関する還流ガスの濃度分布が抑制される。図示の例では、還流ガスの濃度Ｃ５が燃焼室６の全体にわたり一様な濃度分布を形成することができる。これにより、第１モードと第２モードとの中間的な特性を得ることができる。
【００４３】
内燃機関システム１は、温度調節システム（ＴＭＰＣ）４０を有する。温度調節システム４０は、燃焼室６の径方向外側領域における還流ガスの濃度と、径方向内側領域における還流ガスの濃度とに差を与える調節手段の一部を提供する。温度調節システム４０は、燃焼室６内における径方向に関する還流ガスの濃度分布を促進し、顕著な濃度分布を形成するために貢献する。温度調節システム４０は、第１ポート１１に流れる気体と第２ポート１２に流れる気体とに温度差を与える温度調節手段を提供する。この実施形態では、温度調節システム４０は、開口１１ａ、１２ａより上流側に設けられている。よって、温度調節システム４０によって温度差を与えられる気体は、吸入空気である。
【００４４】
温度調節システム４０は、第１ポート１１に流れる空気とだけ熱交換するように、第１ポート１１にだけ設けられた熱交換器（ＨＥＸ）４１を備える。熱交換器４１は、その内部を流れる冷媒と第１ポート１１を流れる空気とを熱交換させる。温度調節システム４０は、熱交換器４１に冷媒を供給する冷凍機（ＲＣ）４２を備える。熱交換器４１と冷凍機４２とは、熱交換器４１を冷媒の蒸発器とする冷凍サイクルを構成することができる。熱交換器４１は、第１ポート１１に流れる気体を冷却する冷却器を提供する。温度調節システム４０は、第１ポート１１に流れる空気だけを冷却することにより、第１ポート１１に流れる空気と、第２ポート１２に流れる空気とに温度差を与える。ひとつの態様においては、温度調節システム４０は、第１ポート１１に流れる空気と、第２ポート１２に流れる空気とにおよそ８０°Ｃの温度差を与える。ひとつの態様においては、温度調節システム４０は、第１ポート１１に流れる空気の温度をおよそ０°Ｃに冷却する。一方、第２ポート１２に流れる空気の温度は、過給器１７とインタークーラ１８とによっておよそ８０°Ｃの近傍で変動する。
【００４５】
１００°Ｃの空気の密度は、０．９４ｋｇ／ｍ３である。０°Ｃの空気の密度は、１．２９３ｋｇ／ｍ３である。よって、第１ポート１１を経由して燃焼室６に導入された空気は、第２ポート１２を経由して燃焼室６に導入された空気より重い。重い空気によって形成されたスワール流ＳＷＲは、遠心力によって燃焼室６の径方向外側領域に保持される。このため、スワール流ＳＷＲは、燃焼室６の径方向外側領域から拡散することなく安定的に形成される。一方で、軽い空気によって形成されたタンブル流ＴＭＢは遠心力による拡散が抑えられる。このため、タンブル流ＴＭＢは、燃焼室６の径方向内側領域から広がることなく安定的に形成される。よって、スワール流ＳＷＲとタンブル流ＴＭＢとの混合が抑制される。
【００４６】
上記のＥＧＲバルブ３３の作動に加えて、温度調節システム４０がスワール流ＳＷＲに重い空気を供給すると、スワール流ＳＷＲに大きい遠心力が作用する。この結果、スワール流ＳＷＲが径方向外側領域に維持される。このため、スワール流ＳＷＲとタンブル流ＴＭＢとの混合が抑制される。これにより、燃焼室内において上記各モードにおける還流ガスの濃度分布を確実に維持することができる。特に、図４および図５に図示されるような濃度差の大きい顕著な濃度分布を燃焼室内において生成することができる。濃度分布は、燃料噴射弁７からの燃料噴射時期においても燃焼の開始、進行に影響を与える程度に維持される。
【００４７】
内燃機関システム１は、制御装置（ＣＮＴＬ）５０を含む制御システムを備える。制御装置５０は、コンピュータによって読み取り可能な記憶媒体を備えるマイクロコンピュータによって提供される。記憶媒体は、コンピュータによって読み取り可能なプログラムを格納している。記憶媒体は、メモリによって提供されうる。プログラムは、制御装置５０によって実行されることによって、制御装置５０をこの明細書に記載される装置として機能させ、この明細書に記載される制御方法を実行するように制御装置５０を機能させる。制御装置５０が提供する手段は、所定の機能を達成する機能的ブロック、またはモジュールとも呼ぶことができる。
【００４８】
制御装置５０は、エンジン２の負荷を検出し、負荷状態を判定する判定手段（ＬＤ）５１と、判定手段５１の判定結果に応じてＥＧＲバルブ３３を制御する制御手段（ＶＤ）５２とを備える。制御装置５０は、複数のセンサ５３、５４、５５、５６からの入力信号に応じて、エンジン２が適切に運転されるように、エンジン２の構成部品７、５７を制御する。この実施形態では、吸入空気の温度を検出する温度センサ５３、エンジン２の温度を検出する温度センサ５４、エンジン２のクランク角を検出するクランク角センサ５５、および位置センサ５６が図示されている。また、制御装置５０は、少なくとも燃料噴射弁７と、電磁アクチュエータ５７とを制御する。
【００４９】
図７は、第１実施形態の制御特性を示すグラフである。この図は、判定手段５１における判定特性を示している。横軸は、時間Ｔを示し、縦軸は、エンジン２の負荷ＥＧＬＤを示す。負荷ＥＧＬＤは、エンジン２の回転数、燃料噴射量、アクセルの操作量などから検出することができる。判定手段５１は、少なくとも、エンジン２の負荷が高負荷であることを判定するよう構成されている。負荷ＥＧＬＤが第１閾値ＴＨＨより高いとき、エンジン２は高負荷であると判定できる。判定手段５１は、さらに、エンジン２の負荷が低負荷であることを判定するよう構成されている。また、負荷ＥＧＬＤが第２閾値ＴＨＬより低いとき、エンジン２は低負荷であると判定できる。判定手段５１は、さらに、エンジン２の負荷が高負荷と低負荷との間の中負荷であることを判定するよう構成されている。負荷ＥＧＬＤが第１閾値ＴＨＨと第２閾値ＴＨＬとの間にあるとき、エンジン２は中負荷であると判定できる。
【００５０】
図８は、第１実施形態の制御特性を示すグラフである。この図は、制御手段５２における制御特性を示している。横軸は、時間Ｔを示し、縦軸は、ＥＧＲバルブ３３の電磁アクチュエータ５７の制御信号ＤＶＲＴを示す。制御信号ＤＶＲＴは、スワール流ＳＷＲにおける還流ガスの濃度ＳＷと、タンブル流ＴＭＢにおける還流ガスの濃度ＴＭとの比ＳＷ：ＴＭに対応する。制御信号ＤＶＲＴが最小値となり通電がＯＦＦ状態となるとき、比ＳＷ：ＴＭは、０：１００となる。このとき、径方向内側領域にだけ還流ガスが供給される。制御信号ＤＶＲＴが最大値となり通電がＯＮ状態となるとき、比ＳＷ：ＴＭは、１００：０となる。このとき、径方向外側領域にだけ還流ガスが供給される。制御装置５２は、判定手段５１において判定される負荷ＥＧＬＤに応じて制御信号ＤＶＲＴを調節する。
【００５１】
図示の例では、時刻ｔ０から時刻ｔ１の間においてエンジン２が高負荷であると判定されている。よって、燃焼室６内の還流ガスの濃度分布は、燃焼室６の中央が高濃度を示す集中型分布に調節される。時刻ｔ１と時刻ｔ２との間では、エンジン２が中負荷であると判定されている。そして、時刻ｔ３以後は、エンジン２が低負荷であると判定されている。よって、燃焼室６内の還流ガスの濃度分布は、燃焼室６の中央が低濃度を示す環状型分布に調節される。
【００５２】
制御手段５２は、エンジン２の負荷に応じて、第１ポート１１および第２ポート１２への還流ガスの供給量を調節するようにＥＧＲバルブ３３を制御する分配制御手段と、燃焼室６内に顕著な濃度分布を生成するように温度調節システム４０を制御する温度制御手段とを備える。
【００５３】
制御手段５２は、判定手段５１により高負荷が判定されるとき、燃焼室６の径方向外側領域における還流ガスの濃度を、径方向内側領域における還流ガスの濃度より低く調節するように、ＥＧＲバルブ３３を制御する。制御手段５２は、判定手段５１により低負荷が判定されるとき、燃焼室６の径方向外側領域における還流ガスの濃度を、径方向内側領域における燃焼抑制ガスの濃度より高く調節するように、ＥＧＲバルブ３３を制御する。制御手段５２は、判定手段５１により中負荷が判定されるとき、燃焼室６内における径方向に関する還流ガスの濃度分布を、高負荷または低負荷のときより抑制するように、ＥＧＲバルブ３３を制御する。
【００５４】
さらに、制御手段５２は、判定手段５１により高負荷が判定されるとき、および／または判定手段５１により低負荷が判定されるときに、温度調節システム４０を作動させ、第１ポート１１に流れる空気を冷却する。これにより、燃焼室６内における還流ガスの濃度分布の生成を促進することができる。また、制御手段５２は、判定手段５１により中負荷が判定されるときに、温度調節システム４０を停止させる。これにより、燃焼室６内における吸入空気と還流ガスとの混合を促進することができる。
【００５５】
この実施形態によると、燃焼室６内における還流ガスの濃度分布が、エンジン２の負荷に応じて、望ましい燃焼が実現されるように調節される。この結果、例えば、高負荷時におけるスモーク量を抑制することができる。また、低負荷時における燃料消費量を抑制することができる。さらに、スワール流ＳＷＲを生じるための第１ポート１１に流れる空気の温度が、第２ポート１２に流れる空気の温度より低くされる。これにより、燃焼室６内における還流ガスの濃度分布の生成を促進することができる。
【００５６】
（第２実施形態）
図９は、本発明を適用した第２実施形態に係る内燃機関の構成を示す断面図である。内燃機関システム２０１は、先行する実施形態の温度調節システム４０に代えて、温度調節システム２４０を備える。温度調節システム２４０は、第１ポート１１に流れる気体の温度を低下させる冷却器としての熱交換器４１に加えて、第２ポート１２に流れる気体の温度を上昇させる加熱器としてのヒータ（ＨＴＲ）２４３を備える。この構成によると、スワール流ＳＷＲの温度と、タンブル流ＴＭＢの温度との差を大きくすることができる。このため、燃焼室６内における還流ガスの濃度分布の生成を促進することができる。言い換えると、より顕著な濃度分布を生成することができる。
【００５７】
さらに、第１ポート１１におけるＥＧＲ通路３１の開口２１１ａと、第２ポート１２におけるＥＧＲ通路３１の開口２１２ａとは、吸気バルブ１３、１４の近傍に設けられている。これにより、還流ガスの拡散を抑制することができる。
【００５８】
（第３実施形態）
図１０は、本発明を適用した第３実施形態に係る内燃機関の吸気制御装置を示すブロック図である。内燃機関システム３０１は、先行する実施形態の還流ガスに代えて、燃焼に寄与しない不活性ガスを燃焼抑制ガスとして用いる。内燃機関システム３０１は、ＥＧＲシステム３０に代えて、不活性ガス供給システム３３０を備える。不活性ガス供給システム３３０は、不活性ガスとして例えば二酸化炭素ガス（ＣＯ２）を用いる。不活性ガスとして、窒素ガス（Ｎ２）が用いられてもよい。二酸化炭素ガスは、窒素ガスより重い。スワール流ＳＷＲにおける遠心力を効果的に利用するために、スワール流ＳＷＲを生成するための第１ポート１１には、重い二酸化炭素ガスを使用することが望ましい。逆に、径方向外側への拡散を抑制したいタンブル流ＴＭＢを生成するための第２ポート１２には、軽い窒素ガスを使用することが望ましい。不活性ガス供給システム３３０は、不活性ガスを供給する手段としてのタンク（ＩＮＴＴ）３３４と、タンク３３４から供給される二酸化炭素ガスを第１ポート１１、および／または第２ポート１２に供給するバルブ（ＩＮＴＶ）とを備える。
【００５９】
（他の実施形態）
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に何ら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々変形して実施することが可能である。上記実施形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むものである。
【００６０】
例えば、開口１１ａ、１２ａより下流側に温度調節システム４０を設けてもよい。この構成では、温度調節システム４０によって温度差を与えられる気体は、吸入空気と還流ガスとの混合気体である。
【００６１】
例えば、制御装置が提供する手段と機能は、ソフトウェアのみ、ハードウェアのみ、あるいはそれらの組合せによって提供することができる。例えば、制御装置をアナログ回路によって構成してもよい。
【符号の説明】
【００６２】
１  内燃機関システム、  ２  内燃機関（エンジン）、  ３  シリンダ、  ４  ピストン、  ５  シリンダヘッド、  ６  燃焼室、  ７  燃料噴射弁、  １０  吸気系統、  １１  第１ポート、  １２  第２ポート、  １３  吸気バルブ、  １４  吸気バルブ、  １５  吸気通路、  １６  エアフィルタ、  １７  過給器、  １８  インタークーラ、  ２０  排気系統、  ２１  排気通路、  ２２  排気バルブ、  ３０  ＥＧＲシステム、  ３１  ＥＧＲ通路、  ３２  ＥＧＲクーラ、  ３３  ＥＧＲバルブ、  ４０  温度調節システム、  ４１  熱交換器、  ４２  冷凍機、  ５０  制御装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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