JP2004036566A - 内燃機関の気筒内気流旋回方向制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】スワールコントロールバルブ（ＳＶＣ）を用いて、気筒内にスワール流を形成する場合に、ＳＶＣの開閉による制御では、スワール率が、内燃機関の諸状態に対応できていない。
【解決手段】その開度を段階的に制御可能なＳＣＶを設けたタンジェンシャルポートとスワールポートで、内燃機関の稼働状態が、低速、中速、高速の各状態に応じて、その開度を変化させる。また、ＶＶＴを更に備えた内燃機関で、負荷状態に応じて、ＶＶＴの実行を行うと共に、ＶＶＴを実行する際には、タンジェンシャルポートに設けられた吸気バルブの閉止時期を早めて、高スワール率のスワール流を形成可能とする。
【選択図】 図３
【解決手段】その開度を段階的に制御可能なＳＣＶを設けたタンジェンシャルポートとスワールポートで、内燃機関の稼働状態が、低速、中速、高速の各状態に応じて、その開度を変化させる。また、ＶＶＴを更に備えた内燃機関で、負荷状態に応じて、ＶＶＴの実行を行うと共に、ＶＶＴを実行する際には、タンジェンシャルポートに設けられた吸気バルブの閉止時期を早めて、高スワール率のスワール流を形成可能とする。
【選択図】 図３
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の吸気装置に関し、特に吸気の筒内流を制御する筒内気流旋回方向制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、吸気ポートを２以上有する内燃機関において、吸気ポートの１を筒内にスワール流を形成可能なスワールポートとし、他の吸気ポートを筒内にタンブル流を形成可能なタンジェンシャルポートとして、このスワールポートとタンジェンシャルポートの流量を制御して、筒内にスワール流、叉はタンブル流が形成される技術が公知である。
【０００３】
前記スワールポート、タンジェンシャルポートの流量を制御するものとしては、スワールコントロールバルブ（ＳＶＣ）が例示できる。このスワールコントロールバルブを各吸気ポートの吸気バルブより上流側に設置し、適宜開閉を行うことにより、気筒内にスワール流、タンブル流が形成される。
【０００４】
このスワール流、タンブル流を形成することにより、噴射燃料と、吸入空気等から構成される混合気の混合性を増すと共に、燃焼時の燃焼性能を向上させること等が可能となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
スワール流を形成するにあたり、スワールコントロールバルブの開閉による制御では、形成されるスワール流の程度であるスワール率が、内燃機関の諸状態に対して高すぎる場合や、低すぎる場合がある。
【０００６】
例えば、始動時等の冷間運転状態で、高スワール率のスワール流を形成すると、噴射された燃料が、スワール流によって燃焼室の隅々にまで行渡ることになる。内燃機関はまだ暖気されていないため気筒側壁の温度は低く、この壁面に噴射された燃料が曝されることにより、燃料の温度低下や、気体化した燃料が再び凝縮されて液体となる場合があり、この凝縮されて液化した燃料によって不完全燃焼が生じる可能性がある。また、筒内に直接燃料を噴射する直接噴射型内燃機関等の希薄燃焼内燃機関で、低負荷状態、すなわち噴射燃料量が少ない状態では、スワール流によって燃料が筒内で均一になることにより、着火時に混合気の点火性能が劣る場合が発生する。
【０００７】
また、内燃機関にて燃焼された排気を再び吸気系に環流させる排気再循環装置がある。これは、多量のＣＯ２を含む排気を吸気中に含ませることにより、燃焼温度の上昇を抑制し、ＮＯｘの発生を抑制する公知の技術である。この排気再循環装置により、排気の一部が吸気中に取込まれ、混合されることになるが、この排気を含む吸気中に燃料を噴射して混合気を形成する際に、充分混合されないと、混合気の一部分が、燃料と排気のみからなる混合気となる可能性がある。この燃料と排気のみから形成される混合気が形成されるのを回避するためにスワール流を形成し、筒内での混合を促進する。
【０００８】
スワール流を形成する際に、タンジェンシャルポートを閉じて、スワールポートのみを用いて吸気を行う方が、より高スワール率のスワール流を形成することが可能となる。しかし、内燃機関の高負荷状態においては、スワールポートのみを用いて吸気を行うことにより、強いスワール率のスワール流を形成可能であるが、片方の吸気ポートを閉じることにより、吸気ポートの断面積が小さくなると共に吸入負荷が大きくなり、特に吸気行程の初期においてこの負荷は大きくなる。即ち、スワールポートのみを用いて吸気を行うことにより、高スワール率のスワール流を形成可能であるが、結果としてピストンに負荷が係る場合がある。
【０００９】
本発明ではこれらの問題に鑑み、内燃機関の諸性状に適応した好適な吸気の筒内流を形成することを課題とする。また、内燃機関の諸性状に適応した好適な吸気の筒内流を形成する際の内燃機関にかかる負荷を低減することを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明は、内燃機関の気筒内にスワールを形成可能なスワールポートを含む複数の吸気ポートを備え、前記吸気ポートには、各ポートの吸気流量を任意に調節可能な制御弁を有すると共に、気筒内より排出される排気を再び吸気中に循環させる排気再循環装置を有する内燃機関であって、前記内燃機関の稼働状態を判定する稼働状態判定手段と、前記稼働状態判定手段による判定で稼働状態が冷間稼働状態と判定された時に、前記スワールポートに設けられた制御弁の開度を全閉とする冷間稼働時制御手段と、前記排気再循環装置が使用されて吸気中に排気が流入されると共に、前記稼働状態判定手段による判定で内燃機関が低速稼働状態若しくは中速稼働状態と判定されたときに、少なくとも前記スワールポートに設けられた制御弁の開度を全開とする低中速時制御手段と、前記排気再循環装置が停止していると共に、前記稼働状態判定手段による判定で稼働状態が高速稼働状態と判定された時に、少なくともスワールポート以外の吸気ポートに設けられた制御弁の開度を全開とする高速時制御手段と、を備えた筒内気流旋回方向制御装置とした。
【００１１】
前記スワールポートは、そのポート内部が螺旋加工されて吸気バルブより筒内に流入する吸気が回転運動するヘリカルポートや、タンジェンシャルポートの吸気バルブ位置を筒内壁面近傍に配置して、その吸気バルブから流入する吸気の流方向を筒内壁面に沿って流れるようにすること等により形成される。
【００１２】
排気再循環装置は、燃焼されてＣＯ２等の不活性ガスの割合が増加した排気（ＥＧＲガス）を再び吸気系に流入させ、燃料の酸化反応を抑制して、燃焼時の最高燃焼温度を低下させる装置である。内燃機関の稼働状態判定手段は、内燃機関の回転速度、燃料供給量、期間温度、及びアクセルペダル踏込量等から判定し、内燃機関にかかる負荷を算出する。
【００１３】
前記稼働状態判定手段で、内燃機関の稼働状態が冷間稼働状態と判定された時に、スワールポートに設けられた制御弁の開度を全閉とすることにより、気筒内にスワール流が形成されなくなる。これにより、噴射された燃料の撹拌はあまり進まなくなるが、逆に撹拌されないことにより、まだ冷えた状態の筒内壁面に燃料が曝されることが無くなる。冷えた状態の筒内壁面に燃料が曝されると、気化状態にある燃料が冷却されて凝縮する場合があり、スワール流を形成させないことにより、この燃料の凝縮を防止可能となる。また、燃料が撹拌されないことにより、局部的、即ち燃料噴射弁近傍に燃料の濃い混合気が形成され、この形成された燃料の濃い混合気に着火することにより冷間時の着火性能を確保することが可能となる。
【００１４】
前記稼働状態判定手段で、内燃機関の稼働状態が低速稼働状態若しくは中速稼働状態と判定されたときに、少なくとも前記スワールポートに設けられた制御弁の開度を全開とすることにより、スワールポート以外の吸気ポートであるタンジェンシャルポートに設けられた制御弁の開度を変化させて、スワール流のスワール率を変化させる。一般に、内燃機関の回転数が上昇するに従って、気筒内の温度は上昇するため、ＥＧＲガスを吸気中に混入し、温度上昇を抑制する。このＥＧＲガスを混入することにより、温度上昇を抑制可能となるが、不活性ガスからなるＥＧＲガスが吸気に混合されることにより、吸気と噴射された燃料との、混合性を促進する必要がある。よって、スワールポートよりの流量を増やして、高スワール率のスワール流を形成し、筒内での混合気の混合性を促進可能となる。
【００１５】
また、内燃機関が低速稼働状態では、中速稼働状態よりも、タンジェンシャルポートに設けられた制御弁の開度を小さくする。低速稼働状態では、流入する吸気の流速が遅いため、スワールポート、タンジェンシャルポートが同じ開度では、充分なスワール流が形成されない場合がある。よって、タンジェンシャルポートよりの流量を制限し、スワールポートよりの流量を増加させることにより、好適なスワール流を形成する。
【００１６】
前記稼働状態判定手段で、内燃機関の稼働状態が高速稼働状態であり、ＥＧＲガスの吸気への流入が無いと判定されたときに、少なくともスワールポート以外の吸気ポートに設けられた制御弁の開度を全開とすることにより、気筒内にタンブル流を形成させる。ＥＧＲガスを混入すると、その不活性ガスの増加により、燃焼速度が遅くなる。よって高速な燃焼速度が必要となる内燃機関の高回転状態では、ＥＧＲガスの混入を停止する。また、高回転状態では、吸気の流速が早くなるため、スワール流を形成することによって逆に吸気抵抗となる場合があり、この高回転状態では比較的吸気抵抗となりにくいダンブル流を形成するようにする。
【００１７】
ダンブル流を形成するために、スワールポート以外の吸気ポートであるタンジェンシャルポートを全開とすると共に、スワールポートは、その開度を全開とせずに、例えば中開状態、若しくは小開状態とする。この状態にすることにより、スワールポートから流入する吸気に比べてタンジェンシャルポートから流入する吸気の流量が大きくなるため、スワール流が形成されなくなり、また吸入負荷もあまり大きくならない。
【００１８】
また、前記内燃機関は、気筒内に直接燃料を噴射する直接燃料噴射弁を更に備えると共に、前記稼働状態判定手段で稼働状態が低速稼働状態と判定されたときに、スワールポートに設けられた制御弁の開度を中開とし、かつスワールポート以外の吸気ポートに設けられた制御弁の開度を全開とする低速時制御手段を備える。
【００１９】
気筒内に直接燃料噴射弁を設け、燃料を噴射して混合気を形成することにより、吸気ポート内に燃料を噴射して混合気を形成するよりも、混合気の空燃比をリーンとすることが可能となり、このような内燃機関を希薄燃焼内燃機関という。前述のように、この希薄燃焼内燃機関では空燃比がリーンとなるように燃料を噴射するため、燃料が気筒内で均一な雰囲気となった場合には、着火性が劣る場合がある。これらの理由で、低回転時に燃料噴射量が少なく、また気筒内温度が低い状態では、噴射された燃料を、着火源周辺に漂わせた方が、その着火性能は優れるものになる。
【００２０】
よって、タンジェンシャルポートを全開とすると共に、スワールポートに設けた制御弁の開度を中開として、タンジェンシャルポートよりの流量を大きくし、スワールポートよりの流量を小さくすることにより、筒内には、タンブル流が形成されることになる。
【００２１】
また、内燃機関の稼働状態が、高速稼働状態のときは、この希薄燃焼内燃機関では、スワールポート、タンジェンシャルポート両方に設けられた制御弁を全開としてスワール流を形成し、流量係数を増加させて、燃料と吸気の混合性を促進する。
【００２２】
高速稼働状態では、筒内が充分に加熱されており、また、燃料噴射から点火までの期間が短くなるため、希薄燃料として噴射された燃料は、点火前に自己着火して、ノッキングが発生する場合がある。よって、これを防止するためにスワール流を形成して、燃焼室内を均質化することを可能とする。
【００２３】
また、前記内燃機関は、各吸気ポートに設けられた吸気弁の開閉時期を制御する吸気弁開閉時期制御手段を更に有し、前記稼働状態判定手段による判定で、内燃機関が負荷状態にあると共に、スワールポートに設けられた制御弁の開度が全閉でない場合には、前記吸気弁開閉時期制御手段により、スワールポート以外の吸気ポートに設けられた吸気弁の閉鎖時期を制御する。
【００２４】
気筒内にスワール流を形成するにあたり、タンジェンシャルポートポートを閉鎖して、スワールポートのみから吸気を流入させることにより、効果的にスワール流を形成させることが可能となる。しかし、吸気ポートとして、スワールポートのみを使用する形態では、内燃機関に吸気負荷が発生する場合がある。本来、吸気行程における吸気は、ピストンが上死点から下死点に移動する際、気筒内に形成される燃焼室の体積膨張に依存するものである。よって、この体積膨張する際に、吸気が行われるわけであるが、この時、吸気ポートが狭いと、筒内が負圧となるのでピストンの動きを妨げることになり、結果として吸気負荷が発生する。
【００２５】
この吸気負荷は、吸気ポート内にある吸気が動き始める時、つまりは、ピストンが上死点から、下死点方向へ動き始める時に最も大きくなる。そして吸気が開始された後には、吸気負荷は小さくなり、逆に吸気ポートが狭くなっていることによって吸気の流速が早くなり、好適なスワール流を形成することが可能となる。
【００２６】
よって、吸気弁の開閉時期を制御し、好ましくは吸気開始時に全吸気弁を開放状態とし、その後は、スワールポートに設けられた吸気弁のみ開放状態として、他の吸気ポートに設けられた吸気弁を閉じるようにして、吸気負荷を減少すると共に、高スワール率のスワール流を形成可能となる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
本発明に係る内燃機関の筒内気流旋回方向制御装置を、ディーゼルエンジンシステムに適用した実施の形態について説明する。
【００２８】
図１において、内燃機関（以下、エンジンという）１は、燃料供給系１０、吸気系３０及び排気系４０等を主要部として構成される直列４気筒のディーゼルエンジンシステムである。以下、本ディーゼルエンジンシステムの構成について説明する。
【００２９】
燃料供給系１０は、サプライポンプ１１、蓄圧室（コモンレール）１２、燃料噴射弁１３、機関燃料通路Ｐ１等を備えて構成される。
【００３０】
サプライポンプ１１は燃料タンク（図外）からくみ上げた燃料を高圧にし、機関燃料通路Ｐ１を介してコモンレール１２に供給する。コモンレール１２はサプライポンプ１１から供給された高圧燃料を所定の圧力に保持（蓄圧）する機能を有し、この蓄圧した燃料を各燃料噴射弁１３に分配する。燃料噴射弁１３はその内部に電磁ソレノイド（図外）を備えた電磁弁であり、適宜開弁して燃焼室となる筒内に燃料を供給噴射する。
【００３１】
吸気系３０は、筒内に接続される吸気ポートであるタンジェンシャルポート３４ａとヘリカルポート３４ｂ、エンジン１の回転に応じて、前記吸気ポートと筒内とを遮断、連通する吸気バルブ３５ａ、吸気バルブ３５ｂ、各吸気ポート内通路に設けられて吸気ポート内を流れる吸気の流量を調整する電子制御式の開閉弁であるスワールコントロールバルブ３６ａ、スワールコントロールバルブ３６ｂ、吸気ポートに吸気を分岐させる吸気多岐管より構成され、各筒内内に供給される吸気空気の通路（吸気通路）を形成する。前記吸気ポートであるタンジェンシャルポート３４ａとヘリカルポート３４ｂは、燃焼室の上部壁となるシリンダヘッドに並列に設けられており、各ポートより流入する吸気量を制御することにより、燃焼室に対して縦方向の渦流となるタンブル流、同じく燃焼室に対して予行方向の渦流となるスワール流を形成可能となる。一方、排気系４０は、各筒内から排出される排気ガスの通路（排気通路）を形成する。
【００３２】
また、このエンジン１には、周知の過給器（ターボチャージャ）５０が備えられている。ターボチャージャ５０は、シャフト５１を介して連結されたタービンホイール５２とコンプレッサ５３とを備える。一方のコンプレッサ５３は吸気系３０内の吸気に晒され、他方のタービンホイール５２は排気系４０内の排気ガスに晒されている。このような構成を有するターボチャージャ５０は、タービンホイール５２が受ける排気流（排気圧）を利用してコンプレッサ５３を回転させ、吸気圧を高める効果（過給効果）を有する。
【００３３】
吸気系３０において、ターボチャージャ５０の下流に設けられたインタークーラ３１は、過給によって昇温した吸入空気を強制冷却する。インタークーラ３１よりも更に下流に設けられたスロットル弁３２は、その開度を無段階に調節することができる電子制御式の開閉弁であり、所定の条件下において吸気通路の流路面積を絞り、同吸入空気の供給量を調整（低減）する機能を有する。
【００３４】
また、エンジン１には、筒内の上流（吸気系３０）及び下流（排気系４０）をバイパスする排気環流通路（ＥＧＲ通路）６０が形成されている。具体的には、ＥＧＲ通路６０は排気系４０におけるターボチャージャ５０上流の排気集合管４０ａと吸気系３０におけるスロットル弁３２の下流側を連通している。このＥＧＲ通路６０は、排気ガスの一部を適宜吸気系３０に戻す機能を有する。ＥＧＲ通路６０には、電子制御によって無段階に開閉され、同通路を流れる排気流量を自在に調節することが可能なＥＧＲ弁６１と、ＥＧＲ通路６０を通過（環流）する排気ガスを冷却するためのＥＧＲクーラ６２が設けられている。
【００３５】
また、排気系４０において、燃焼室より接続する排気集合管４０ａ、タービンホイール５２が設けられた部位より下流側には、排気ガスの流路に沿って排気通路４０ｂ、その下流にＮＯｘ触媒ケーシング４２、更に下流に排気通路４０ｃが順次連結されている。ＮＯｘ触媒ケーシング４２には、排気ガス中に含まれる微粒子を除去するパティキュレートフィルタ、及びこのパティキュレートフィルタ上に担持されてＮＯｘ等の有害成分を浄化する吸蔵還元型ＮＯｘ触媒が収容されている。
【００３６】
また、エンジン１の各部位には、各種センサが取り付けられており、当該部位の環境条件やエンジン１の運転状態に関する信号を出力する。
【００３７】
すなわち、レール圧センサ７０は、コモンレール１２内に蓄えられている燃料の圧力に応じた検出信号を出力する。水温センサ７１はエンジンを冷却するためにエンジン駆体内部に設けられた冷却水路（図外）内を流れる冷却水の温度に応じた検出信号を出力する。エアフローメータ７２は、吸気系３０内のスロットル弁３２上流において吸入空気の流量（吸気量）に応じた検出信号を出力する。酸素濃度センサ（Ａ／Ｆセンサ）７３は触媒上流を流れる排気中の酸素濃度を測定する。
【００３８】
また、アクセル開度センサ７６はアクセルペダル（図外）に取り付けられ、同ペダルの踏込量に応じてエンジン１において要求する仕事量の基となる検出信号を出力する。クランク角センサ７７は、エンジン１の出力軸（クランクシャフト）が一定角度回転する毎に検出信号（パルス）を出力する。これら各センサ７０〜７９は、電子制御装置（ＥＣＵ）８０と電気的に接続されている。
【００３９】
図２に示すように、ＥＣＵ８０は中央演算処理装置（ＣＰＵ）８１、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）８２、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）８３及び運転停止後も記憶した情報が消去されないバックアップＲＡＭ８４、タイマカウンタ８５等と、Ａ／Ｄ変換器を含む入力ポート８６と、出力ポート８７とが、双方向性バス８８により接続されて構成される論理演算回路を備える。
【００４０】
ＥＣＵ８０は、前記各種センサの検出信号を入力ポート８６を介して入力し、これら信号に基づいてＥＣＵ８０に有するＣＰＵ８１において、ＲＯＭ８２に記憶されているプログラムから、エンジン１の吸気量についての基本制御を行う他、燃料噴射の供給量の決定等、エンジン１の運転状態に関係する各種制御を行う。
【００４１】
尚、スワールコントロールバルブ３６ａ、スワールコントロールバルブ３６ｂの開度を制御して吸気流量を変化させる吸気系３０、アクセル開度センサ７６に応じて燃料供給量を決定する燃料供給系１０等の機能を制御するＥＣＵ８０等は、併せて本実施の形態に係るエンジン１の吸気装置を構成する。前記スワールコントロールバルブ３６ａ、スワールコントロールバルブ３６ｂの開度制御等は、当該制御に関する指令信号を出力するＥＣＵ８０を含め、この吸気装置を構成する各種部材の作動を通じて実施される。
【００４２】
以下、エンジン１の諸状態に応じて筒内気流旋回方向を変化させるために、吸気ポートより筒内に流入する吸気量を制御する制御装置について説明する。
【００４３】
前述したように、本実施の形態１における吸気ポートは、吸気を直流として気筒内に流入させて、気筒内に縦方向の渦流となるタンブル流を形成するタンジェンシャルポート３４ａと、吸気を回転流として気筒内に流入させて、気筒内に横方向の下流となるスワール流を形成するヘリカルポート３４ｂから構成されている。このタンジェンシャルポート３４ａとヘリカルポート３４ｂには、それぞれ吸気ポートの吸気流量を調節するスワールコントロールバルブ３６ａ、スワールコントロールバルブ３６ｂが設けられており、このスワールコントロールバルブ３６ａ、スワールコントロールバルブ３６ｂは、ＥＣＵ８０に連動した駆動装置により、エンジン１の稼働状態に応じて、その開度を調節可能とする。
【００４４】
エンジン１の稼働状態は、ＥＣＵ８０で、クランク角センサ７７、アクセル開度センサ７６、水温センサ７１等から検出される信号に基づいて判断される。そして、この判断結果に基づいて、予めＲＯＭ８２に記憶された、スワールコントロールバルブ制御に基づいて、スワールコントロールバルブ３６ａ、スワールコントロールバルブ３６ｂの開度を制御する。
【００４５】
図３に、エンジン１の稼働状態と、この諸状態に対応する吸気バルブの開度を表した表を示す。ここで、吸気ポートのフロント側：Ｆｒをタンジェンシャルポート３４ａ、リア側：Ｒｒをヘリカルポート３４ｂとする。前記タンジェンシャルポート３４ａは、その噴出口より吸気を直状に噴出可能なポートであり、前記ヘリカルポート３４ｂは、ポートの通路内に、螺旋状に溝、若しくは板等が設けられて、噴出口より吸気を渦巻き状に噴射するポートである。
【００４６】
先ず、エンジン１の稼働状態が、冷間始動状態、及びアイドル状態と判断された場合、この時のエンジン１の駆体は冷却状態である。噴射されて気化した燃料がこの冷却状態の気筒内面に接すると、その気筒内面の温度により、気化した燃料が凝縮する場合がある。よって、噴射された燃料が気筒内面に触れないように気筒内の吸気の気流を制御する。
【００４７】
また、エンジン１が前記冷間始動状態、アイドル状態であるときは、エンジン回転数も低回転状態となっている。エンジン回転数が低回転状態になっていることにより、単位時間あたりの吸気量は少なくなる。単位時間あたりの吸気量が少なくなることにより、吸気ポートより流入する吸気の流速が遅くなる。よって、図４に示すように、吸気ポートのＦｒ側を全開とすると共にＲｒ側を全閉とする。これにより、吸気は、Ｆｒ側吸気ポートであるタンジェンシャルポート３４ａのみから低速で吸入されることになり、気筒内に吸入された燃料は、気筒内の隅々まで行渡らず、Ｆｒ側吸気バルブ３５ａ周辺に停滞する。よって、燃料は気筒内面に触れずに点火することが可能となる。
【００４８】
次に、エンジン１の稼働状態が、低速稼働状態と判断される。この場合には、吸気中にＥＧＲガスが混入されて燃焼温度を低下させて、ＮＯｘの排出量を低減している。このＥＧＲガスは、ＣＯ２を多量に含む不活性ガスであるので、仮にＥＧＲガスと燃料のみからなる吸気を燃焼させると、この燃料は不完全燃焼を起し、排気中に多量のＨＣ成分を含ませることになる。よってＥＧＲガスを含む吸気から形成される混合気を燃焼する際には、充分にＥＧＲガス、吸気、噴射燃料を混合する必要がある。
【００４９】
前記ガスを充分に混合するためには、気筒内でスワール流を形成する必要があるが、エンジン１の稼働状態が低速稼働状態であるため、その吸気が筒内に流入する際の流速は遅い状態となる。この流速が遅い状態では、好適なスワール流は形成されないので、筒内に流入する吸気の流速を早めるために、吸気ポートの面積を絞り、単位面積あたりの吸気流量を増やす必要がある。よって、図５に示すように、Ｆｒ側スワールコントロールバルブ３６ａの開度を中開状態と設定する。
【００５０】
ここでＦｒ側スワールコントロールバルブ３６ａを中開とするのは、吸気ポートの面積を絞ると共に、スワール流を形成する吸気流量を最大限確保するため、スワールを形成するポートであるＲｒ側ヘリカルポート３４ｂの開度を全開とするためである。このＦｒ側スワールコントロールバルブ３６ａの開度を中開状態とし、Ｒｒ側スワールコントロールバルブ３６ｂの開度を全開とすることにより、吸気の流速が遅い低速稼働状態においても、気筒内に好適にスワール流を形成可能となる。
【００５１】
次に中速稼働状態では、前記低速稼働状態と同様に、ＥＧＲガスが吸気中に混入されて燃焼温度を低下させている。この中速稼働状態では、低速稼働状態に比べてエンジン１の発熱量が大きくなるため、ＥＧＲガスの混入率も低速稼働状態に比べて大きくなっている。よって気筒内での混合性を低速稼働状態よりも増す必要がある。
【００５２】
この中速稼働状態では、低速稼働状態に比べてその吸気の流速が早くなっており、図６に示すように、Ｆｒ側スワールコントロールバルブ３６ａ、Ｒｒ側スワールコントロールバルブ３６ｂの開度を同一開度としても、Ｒｒ側ヘリカルポート３４ｂによって気筒内に好適なスワール流を形成することは可能である。よって、Ｆｒ側スワールコントロールバルブ３６ａ、Ｒｒ側スワールコントロールバルブ３６ｂの開度を双方全開として、低速稼働時と同様に気筒内に好適なスワール流を形成し、吸気の混合性を向上させる。
【００５３】
次に高速稼働状態では、ＥＧＲガスを流入することによる過給性能の低下を防止するためにＥＧＲ弁６１を閉止し、ＥＧＲガスの吸気への流入を停止する。また、ＥＧＲガスが混入していないために、燃料と吸気との混合性が良いこと、及び吸気の流速が高速なため、逆にスワール流を形成することによる負荷が発生すること等から、気筒内にタンブル流が発生するようにする。
【００５４】
このタンブル流を発生させるために、図７に示すように、Ｆｒ側スワールコントロールバルブ３６ａの開度を全開にすると共に、Ｒｒ側スワールコントロールバルブ３６ｂの開度を中開とする。これにより、タンブル流を形成することが可能なタンジェンシャルポート３４ａよりの吸気流量がスワールポートよりの吸気流量より多くなり、結果として気筒内にタンブル流が形成され、過給性能が上昇する。
【００５５】
以上、当該実施の形態１において、低速稼働状態では、Ｆｒ側スワールコントロールバルブ３６ａの開度を中開とし、高速稼働状態では、Ｒｒ側スワールコントロールバルブ３６ｂの開度を中開状態とした。この開度については、タンブル流を形成するＦｒ側タンジェンシャルポート３４ａと、スワール流を形成するＲｒ側ヘリカルポート３４ｂとの流量を変化させて、気筒内に好適な気流を形成可能ならば、特に中開状態に限定するものではなく、例えば小開状態としても良い。
【００５６】
（実施の形態２）
次に実施の形態２として、ガソリンエンジンシステムで筒内気流旋回方向制御装置を用いた場合について説明する。
【００５７】
図８において、内燃機関（以下、エンジンという）１０１は、燃料供給系１１０、吸気系１３０及び排気系１４０等を主要部として構成される直列４気筒のガソリンエンジンシステムである。このエンジンは、気筒内に直接燃料を噴射することにより、通常、吸気ポート内で噴射されて気筒内に吸気と共に取込まれるガソリンエンジンと比較して、空燃比を大幅に低下させることが可能な内燃機関である。以下、本ガソリンエンジンシステムの構成について説明する。
【００５８】
燃料供給系１１０は、サプライポンプ１１１、蓄圧室（コモンレール）１１２、燃料噴射弁１１３、燃料添加ノズル１１７、機関燃料通路Ｐ１１等を備えて構成される。
【００５９】
サプライポンプ１１１は燃料タンク（図外）からくみ上げた燃料を高圧にし、機関燃料通路Ｐ１１を介してコモンレール１２に供給する。コモンレール１１２はサプライポンプ１１１から供給された高圧燃料を所定の圧力に保持（蓄圧）する機能を有し、この蓄圧した燃料を各燃料噴射弁１１３に分配する。燃料噴射弁１１３はその内部に電磁ソレノイド（図外）を備えた電磁弁であり、適宜開弁して燃焼室となる筒内に燃料を供給噴射する。この供給噴射された燃料は、気筒内に臨むように設けられた点火プラグ１１４にて着火され燃焼する。
【００６０】
吸気系１３０は、吸気の噴出方向が気筒の中心方向に向いているタンジェンシャルポート１３４ａと、吸気の噴出方向が気筒の法線方向を向いている１３４ｂスワールポートとからなる吸気ポート、エンジン１の回転に応じて、前記吸気ポートと気筒内とを遮断、連通させる吸気バルブ１３５ａ、吸気バルブ１３５ｂ、各吸気ポート内通路に設けられて吸気ポート内を流れる吸気の流量を調整する電子制御式の開閉弁であるスワールコントロールバルブ１３６ａ、スワールコントロールバルブ１３６ｂ、吸気ポートに吸気を分岐させる吸気多岐管より構成され、各筒内内に供給される吸気空気の通路（吸気通路）１３３から形成される。前記吸気ポートの１であるスワールポート１３４ｂは、その形状がタンジェンシャルポート１３４ａと同じで、その吸気の噴出方向を気筒の法線方向とすることにより、吸気が気筒内に噴出した際に、気筒内面に沿って噴出し、結果として回転方向の流れとなり、この流がスワール流となる。また、このスワールポート１３４ｂは、タンジェンシャルポート１３４ａに対して、吸気の流れ方向前方に位置するようにシリンダヘッドに設けられており（菱形配置）、各ポートより流入する吸気量を制御することにより、燃焼室に対して縦方向の渦流となるタンブル流、同じく燃焼室に対して予行方向の渦流となるスワール流を形成可能となる。一方、排気系１４０は、各筒内から排出される排気ガスの通路（排気通路）を形成する。
【００６１】
前記排気系１４０において、燃焼室より接続する排気集合管１４０ａより下流側には、排気ガスの流路に沿って排気通路１４０ｂ、その下流に触媒ケーシング１４２、更に下流に排気通路１４０ｃが順次連結されている。触媒ケーシング１４２には、排気ガス中に含まれるＮＯｘ等の有害成分を浄化する三元触媒が収容されている。
【００６２】
また、エンジン１０１の各部位には、各種センサが取り付けられており、当該部位の環境条件やエンジン１０１の運転状態に関する信号を出力する。
【００６３】
すなわち、レール圧センサ１７０は、コモンレール１１２内に蓄えられている燃料の圧力に応じた検出信号を出力する。水温センサ１７１はエンジンを冷却するためにエンジン駆体内部に設けられた冷却水路（図外）内を流れる冷却水の温度に応じた検出信号を出力する。エアフローメータ１７２は、吸気系１３０内のスロットル弁１３２上流において吸入空気の流量（吸気量）に応じた検出信号を出力する。
【００６４】
また、アクセル開度センサ１７６はアクセルペダル（図外）に取り付けられ、同ペダルの踏込量に応じてエンジン１０１において要求する仕事量の基となる検出信号を出力する。クランク角センサ１７７は、エンジン１０１の出力軸（クランクシャフト）が一定角度回転する毎に検出信号（パルス）を出力する。これら各センサ１７０〜１７９は、電子制御装置（ＥＣＵ）１８０と電気的に接続されている。
【００６５】
図９に示すように、ＥＣＵ１８０は中央演算処理装置（ＣＰＵ）１８１、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）１８２、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）１８３及び運転停止後も記憶した情報が消去されないバックアップＲＡＭ１８４、タイマカウンタ１８５等と、Ａ／Ｄ変換器を含む入力ポート１８６と、出力ポート１８７とが、双方向性バス１８８により接続されて構成される論理演算回路を備える。
【００６６】
エンジン１の稼働状態は、ＥＣＵ１８０で、クランク角センサ１７７、アクセル開度センサ１７６、水温センサ１７１等から検出される信号に基づいて判断される。そして、この判断結果に基づいて、予めＲＯＭ１８２に記憶された、スワールコントロールバルブ制御手段に基づいて、スワールコントロールバルブ１３６ａ、スワールコントロールバルブ１３６ｂの開度を制御する。
【００６７】
尚、スワールコントロールバルブ１３６ａ、スワールコントロールバルブ１３６ｂの開度を制御して吸気流量を変化させる吸気系１３０、アクセル開度センサ１７６に応じて燃料供給量を決定する燃料供給系１１０等の機能を制御するＥＣＵ１８０等は、併せて本実施の形態に係るエンジン１０１の吸気装置を構成する。前記スワールコントロールバルブの開度制御等は、当該制御に関する指令信号を出力するＥＣＵ１８０を含め、この吸気装置を構成する各種部材の作動を通じて実施される。
【００６８】
図１０に、エンジン１０１の稼働状態と、この諸状態に対応する吸気バルブ１３５ａ、１３５ｂの開度を示す。ここで、吸気ポートのフロント側：Ｆｒをタンジェンシャルポート１３４ａ、リア側：Ｒｒをスワールポート１３４ｂとする。前記タンジェンシャルポート１３４ａは、その噴出口より吸気を直状に噴出可能なポートであり、前記スワールポート１３４ｂは、前記タンジェンシャルポート１３４ａを、その噴射方向が気筒断面の法線方向となるように設置されて、気筒内面に沿って噴射することにより、気筒内に吸気を渦巻き状に噴射することを可能としたポートである。
【００６９】
先ず、エンジン１０１の稼働状態が、冷間始動状態、及びアイドル状態と判断された場合、この時のエンジン１０１の駆体は冷却状態である。噴射されて気化した燃料がこの冷却状態の気筒内面に接すると、その気筒内面の温度により、気化した燃料が凝縮する場合がある。よって、噴射された燃料が気筒内面に触れないように気筒内の吸気の気流を制御する。
【００７０】
また、エンジン１０１が前記冷間始動状態、アイドル状態であるときは、エンジン回転数も低回転状態となっている。エンジン回転数が低回転状態になっていることにより、単位時間あたりの吸気量は少なくなる。単位時間あたりの吸気量が少なくなることにより、吸気ポートより流入する吸気の流速が遅くなる。よって、この吸気の流速が遅いことに加えて、Ｆｒ側タンジェンシャルポート１３４ａに設けられたスワールコントロールバルブ１３６ａを全開とすると共にＲｒ側スワールポート１３４ｂに設けられたスワールコントロールバルブ１３６ｂを全閉とする。これにより、吸気は、Ｆｒ側タンジェンシャルポート１３４ａから低速で吸入されることになり、気筒内に吸入された燃料は、気筒内の隅々まで行渡らず、Ｆｒ側吸気バルブ１３５ａ周辺に停滞する。よって、燃料は気筒内面に触れずに点火することが可能となる。
【００７１】
次に、エンジン１０１の稼働状態が、低速稼働状態と判断される。本実施の形態２は、火花点火方式である希薄燃料内燃機関である。このエンジン１０１で噴射される燃料量はあまり多量ではないため、吸気との混合性は良くなる。また、低速稼働状態であるため、その発熱量も多くなく、ノッキング等もあまり発生しない。よって、この低速稼働状態では、スワール流を形成して、噴射された燃料を気筒内に均一に行渡らせるよりも、噴射された燃料を点火装置である点火プラグ１１４周辺に漂わせ、着火性能を向上させる。
【００７２】
噴射された燃料を点火プラグ１１４周辺に漂わせるために、気筒内にタンブル流を形成する。タンブル流は、図１１に示すように、点火プラグ１１４が設けられた面を含む気筒の縦断面に沿って気筒内を渦流する流れである。よって、噴射された燃料は、このタンブル流に取込まれて気筒内面に突出した点火プラグ１１４位置周辺を流れることになる。この結果、点火プラグ１１４周辺に燃料が漂うことになる。このタンブル流を形成するために、Ｆｒ側スワールコントロールバルブ１３６ａの開度を全開とすると共に、Ｒｒ側スワールコントロールバルブ１３６ｂの開度を中開とする。スワール流を形成するＲｒ側スワールポート１３４ｂより噴出する吸気量が減少するため、気筒内にはタンブル流が形成されて着火性能が向上することにより、排気中に残存する未燃焼燃料が少なくなる。
【００７３】
次に中速稼働状態及び高速稼働状態では、前記低速稼働状態に比較して、吸気の流速が早くなる共に、燃焼によって発生する発熱量も多くなる。発熱量が多くなることにより、ノッキングや、部分的な高温箇所が発生することに起因するＮＯｘ排出量増加等の問題が発生する。このノッキングや部分的な高温箇所の発生を防止するためには、気筒内雰囲気を均一にすることが必要となるため、スワール流を形成して吸気を撹拌し、気筒内雰囲気を均一にする。
【００７４】
この中速稼働状態では、低速稼働状態に比べてその吸気の流速が早くなっており、吸気ポートに設けられたＦｒ側スワールコントロールバルブ１３６ａ、Ｒｒ側スワールコントロールバルブ１３６ｂの開度を同一開度としても、Ｒｒ側スワールポート１３４ｂによって気筒内に好適なスワール流を形成することは可能である。よって、Ｆｒ側スワールコントロールバルブ１３６ａ、Ｒｒ側スワールコントロールバルブ１３６ｂの開度を双方全開として気筒内に好適なスワール流を形成し、吸気の撹拌性を向上させる。
【００７５】
高速稼働状態では、中速稼働状態以上に吸気の流速が早くなり、燃焼によって発生する発熱量も多くなる。よって、中速稼働状態以上に吸気の流速が早いことを利用して、Ｆｒ側スワールコントロールバルブ１３６ａ、Ｒｒ側スワールコントロールバルブ１３６ｂの開度を双方全開として、気筒内に吸気の流れやすさの目安となる流量係数の高いスワール流を形成し、吸気の撹拌性を更に向上させる。
【００７６】
以上、当該実施の形態２において、低速稼働状態では、Ｒｒ側スワールコントロールバルブ１３６ａの開度を中開とした。この開度については、タンブル流を形成するＦｒ側タンジェンシャルポート１３４ａと、スワール流を形成するＲｒ側スワールポート１３４ｂとの流量を変化させて、気筒内に好適な気流を形成可能ならば、特に中開状態に限定するものではなく、例えば小開状態としても良い。また、中速稼働状態、及び高速稼働状態では、スワール流を形成することにより気流の撹拌性が増すことにより、噴射された燃料と吸気との混合性も増すことになる。
【００７７】
（実施の形態３）
前記実施の形態１及び実施の形態２では、内燃機関の稼働状態を示す指針として、機関水温及び、機関回転数を用い、この値に応じて吸気ポートに設けられたスワールコントロールバルブの開度を変化させて、吸気により形成される筒内旋回流を制御した。これに対して当該実施の形態３では、機関負荷を考慮して、筒内旋回流を制御する。
【００７８】
図１５に当該実施の形態３に係るガソリンエンジンを示す。当該実施の形態３では、実施の形態２で示したガソリンエンジンシステムで筒内気流旋回方向制御装置を用いると共に、吸排気バルブの開閉時期を変化させる可変バルブタイミング機構を備えた場合について説明する。
【００７９】
燃料供給系２１０は、サプライポンプ２１１、コモンレール２１２、燃料噴射弁２１３、機関燃料通路Ｐ２１等を備えて構成される。
【００８０】
サプライポンプ２１１は燃料タンク（図外）から燃料を汲上げて高圧にし、機関燃料通路Ｐ２１を介してコモンレール２１２に供給する。コモンレール２１２はサプライポンプ２１１から供給された高圧燃料を所定の圧力に保持する機能を有し、この蓄圧した燃料を吸気ポート内に設けられた各燃料噴射弁２１３に分配する。燃料噴射弁２１３はその内部に電磁ソレノイド（図外）を備えた電磁弁であり、適宜開弁して吸気ポート内に燃料を供給噴射する。そして、この噴射された燃料が気化した状態で、点火プラグ２１４に通電して火花を発生させ、点火する。
【００８１】
吸気系２３０は、吸気の噴出方向が気筒の中心方向に向いているタンジェンシャルポート２３４ａと、吸気の噴出方向が気筒の法線方向を向いているスワールポート２３４ｂとからなる吸気ポート、エンジン２０１の回転に応じて、前記吸気ポートと気筒内とを遮断、連通させる吸気バルブ２３５ａ、吸気バルブ２３５ｂ、各吸気ポート内通路に設けられて吸気ポート内を流れる吸気の流量を調整する電子制御式の開閉弁であるスワールコントロールバルブ２３６ａスワールコントロールバルブ２３６ｂ、吸気ポートに吸気を分岐させる吸気多岐管より構成され、各筒内内に供給される吸気空気の通路（吸気通路）２３３から形成される。前記吸気ポートの１であるスワールポート２３４ｂは、その形状がタンジェンシャルポート２３４ａと同じで、その吸気の噴出方向を気筒の法線方向とすることにより、吸気が気筒内に噴出した際に、気筒内面に沿って噴出し、結果として回転方向の流れとなり、この流れがスワール流となる。また、このスワールポート２３４ｂは、タンジェンシャルポート２３４ａに対して、吸気の流れ方向前方に位置するようにシリンダヘッドに設けられており、各ポートより流入する吸気量を制御することにより、燃焼室に対して縦方向の渦流となるタンブル流、同じく燃焼室に対して横方向の渦流となるスワール流を形成可能となる。
【００８２】
また、前記吸気系２３０において、大気より取り入れられた吸気は、エアクリーナ２３１で濾過される。このエアクリーナ２３１より下流の吸気通路２３３内に設けられたスロットル弁２３２は、その開度を無段階に調節することができる電子制御式の開閉弁であり、所定の条件下において吸気通路の流路面積を絞り、同吸気の供給量を調整（低減）する機能を有する。そしてこの供給量を調整された吸気はエンジン２０１の吸気ポートへ送られて、ここで前記燃料噴射弁２１３より噴射される燃料と混合され、混合気となる。一方、排気系２４０は、各筒内から排出される排気ガスの通路（排気通路）を形成する。
【００８３】
前記排気系２４０において、燃焼室より接続する排気集合管２４０ａより下流側には、排気ガスの流路に沿って排気通路２４０ｂ、その下流に触媒ケーシング４２、更に下流に排気通路２４０ｃが順次連結されている。触媒ケーシング４２には、排気ガス中に含まれるＮＯｘ等の有害成分を浄化する三元触媒が収容されている。
また、エンジン１の各部位には、各種センサが取り付けられており、当該部位の環境条件やエンジン１の運転状態に関する信号を出力する。
【００８４】
即ち、レール圧センサ２７０は、コモンレール２１２内に蓄えられている燃料の圧力に応じた検出信号を出力する。水温センサ２７１はエンジンを冷却するためにエンジン駆体内部に設けられた冷却水路（図外）内を流れる冷却水の温度に応じた検出信号を出力する。エアフローメータ２７２は、吸気系２３０内のスロットル弁２３２上流において吸入空気の流量（吸気量）に応じた検出信号を出力する。
【００８５】
また、アクセル開度センサ２７６はアクセルペダル（図外）に取り付けられ、同ペダルの踏込量に応じて、エンジン２０１において要求する仕事量の基となる検出信号を出力する。クランク角センサ２７７は、エンジン２０１の出力軸（クランクシャフト）が一定角度回転する毎に検出信号（パルス）を出力する。これら各センサ２７０〜２７９は、電子制御装置（ＥＣＵ）２８０と電気的に接続されている。
【００８６】
図１６に示すように、ＥＣＵ２８０は中央演算処理装置（ＣＰＵ）２８１、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）２８２、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）２８３及び運転停止後も記憶した情報が消去されないバックアップＲＡＭ２８４、タイマカウンタ２８５等と、Ａ／Ｄ変換器を含む入力ポート２８６と、出力ポート２８７とが、双方向性バス２８８により接続されて構成される論理演算回路を備える。
【００８７】
また、当該実施の形態３におけるエンジン１は、吸気ポートと気筒内とを仕切る吸気弁である吸気バルブ２３５ａ、吸気バルブ２３５ｂ、排気ポートと気筒内とを仕切る排気弁である排気バルブ２４５の開閉時期を可変する機構（可変バルブタイミング機構：ＶＶＴ）を有する。この可変バルブタイミング機構は、図１７に示すように、クランクシャフト２２０に取付けられたタイミングベルト２２１により駆動される吸気側カムシャフト２２２、及び排気側カムシャフト２２３がある。そしてこの吸気側カムシャフト２２２、及び排気側カムシャフト２２３には、それぞれカム２２４ａとカム２２４ｂが取付けれており、このカム２２４ａとカム２２４ｂとを切換えることにより、吸気弁及び排気弁の開閉タイミングを制御するものである。
【００８８】
前記可変バルブタイミング機構を使用して、吸気弁の開閉時期を制御する。具体的な制御としては、図１８、図１９に示すように、各ポートに設けられたスワールコントロールバルブ２３６ａ、スワールコントロールバルブ２３６ｂの開度を全て全開として、Ｆｒ側タンジェンシャルポート２３４ａ吸気バルブ２３５ａの閉止時間を変化させる。この吸気バルブ２３５ａの閉止時期を早くするとスワールポートより筒内に取込まれる吸気量が多くなり、気筒内に形成されるスワール流のスワール率が高くなる。
【００８９】
スワールコントロールバルブ２３６ａ、及びスワールコントロールバルブ２３６ｂのみを用いて上記のように高スワール率のスワール流を形成しようとすると、Ｆｒ側タンジェンシャルポート２３４ａに設けられたＦｒ側スワールコントロールバルブ２３６ａの開度を全閉状態として、Ｒｒ側スワールポート２３４ｂのみから気筒内に吸気が流入するようにする。これにより、高スワール比のスワール流を形成することは可能であるが、図２０に示すように、可変バルブタイミング機構を用いた際に形成されるスワール流のスワール比と同様のスワール比を、スワールコントロールバルブによる制御のみで形成しようとすると、その時の各ピストン位置での、吸気の流れやすさの目安となる流量係数は、可変バルブタイミング機構を用いた場合が高い値となる。
【００９０】
よって上記可変バルブタイミング機構を用いて、各水温時における負荷とエンジン回転数に応じた制御を行う。先ず水温センサ２７１により、水温が３０℃、即ち、始動時等の低水温状態と判断されたとする。低負荷状態、即ち燃料噴射量が少ない状態では、高スワール率のスワール流を形成しなくても、充分に燃料と吸気を混合可能なこと、及び、気筒内面も温度が低く、噴射された燃料も気化しにくい状態である、低回転状態であるならば、スワール流を形成しないようにＲｒ側スワールコントロールバルブ２３６ｂの開度を閉止状態とすることから、図２に示すように、可変バルブタイミング機構によるバルブの閉止時期の制御は行わずに、通常のバルブ開閉を行う。
【００９１】
同じく水温３０℃の状態で、中負荷状態になった場合には、低負荷状態に比べて燃料噴射量が増えるが、水温が低い状態、即ち機関温度である燃焼室内温度が低いため、低負荷状態に比べて、噴射燃料が凝縮しやすい状態にある。よって、図２１に示すように、可変バルブタイミング機構により、Ｆｒ側吸気バルブ２３５ａを早めに閉じ、吸気負荷を減らすと共に、気筒内に高スワール率のスワール流を形成し、噴射燃料の拡散、気化を促進する。
【００９２】
高負荷状態になった場合、この状態では、エンジン回転数もある程度高回転となって、吸気の流速も早くなっていることから、特にスワール流を形成するためにＦｒ側の吸気バルブ２３５ａを閉じる必要がない。また、高負荷状態であるために燃料噴射量が多く、この燃焼に必要な吸気量も多くなることから、吸気バルブを早く閉じることによってスワール率の高いスワール流を形成するよりも、吸気バルブを開けて流入吸気量を増やした方がより効率が良いこと等から、図２１に示すように、可変バルブタイミング機構によるバルブの閉止時期の制御は行わずに、通常のバルブ開閉を行う。
【００９３】
次に、エンジン２０１が暖機された状態、即ち水温センサ２７２で、水温が約８０℃になった状態とする。この状態においても、低負荷状態であるならば、噴射燃料量が少なく、特に高スワール率のスワール流を形成しなくても好適な混合気を形成可能となるため、可変バルブタイミング機構によるバルブの閉止時期の制御は行わずに、通常のバルブ開閉を行う。また、この低負荷状態でエンジン回転数が高い場合には、通常のバルブ開閉を行う負荷状態の上限値は、エンジン回転数が低い状態に比べて低くなる。
【００９４】
エンジン２０１が中負荷状態では、低水温状態と比較して、中負荷状態のある程度の負荷状態まで通常のバルブ開閉を行う。エンジン２０１が暖機された状態であるので、気筒内の温度も高く、噴射された燃料は気化しやすい状態になる。よって低負荷状態の燃料噴射量に比べて、中負荷状態で燃料噴射量が多くなった状態においても、燃料がが気化しやすいために、特に高スワール率のスワール流を形成しなくても、好適な混合気を形成可能である。よって、図２２に示すように、暖気状態では、中負荷状態の所定値まで通常のバルブの開閉を行い、中負荷状態の所定値より負荷が高い状態では、前記可変バルブタイミング機構によるバルブ閉止時期制御を行い、高スワール率のスワール流を形成し、好適な混合気を形成する。
【００９５】
また、エンジン２０１が中負荷状態であり、なおかつ高回転状態であるならば、この高回転状態により、エンジン２０１の気筒内温度は上昇する。この場合、ノッキング等が発生する可能性があるため、高スワール比のスワール流を形成し、気筒内雰囲気を均一化した方がよい。よって、図２２に示すように、高回転状態であるならば、可変バルブタイミング機構によるバルブの開閉制御を行い、高スワール比のスワール流を形成する。
【００９６】
エンジン２０１が高負荷状態では、低水温状態と同様に、エンジン回転数もある程度高回転となり、燃焼に必要な吸気量も多くなることから、吸気バルブ２３５ａを早く閉じることによってスワール率の高いスワール流を形成するよりも、吸気バルブを開けて流入吸気量を増やした方がより効率が良いこと等から、図２２に示すように、可変バルブタイミング機構によるバルブの閉止時期の制御は行わずに、通常のバルブ開閉を行う。
【００９７】
実施の形態１及び実施の形態２におけるスワールコントロールバルブによる制御は、排気性能確保のためには有効な制御であるが、スワール率を大きくした場合には、燃費が悪化する場合がある。これは、スワールコントロールバルブを使用したために吸気ポートの面積が狭くなり、吸気負荷が上昇したためである。気筒内への吸気の流入は、ピストンが上死点から下死点に下がる際の、気筒内体積膨張により行われている。よって、吸気負荷が大きくなることにより、ピストンが上死点から下死点に移動する際の動きを阻害することになる。
【００９８】
前記吸気負荷は、吸気開始直後、即ちピストンが上死点から下死点へ向って動き出した際に、吸気ポート内に漂っていた吸気が気筒内へ移動される時が一番大きくなる。よって、当該実施の形態３によって、各負荷状態に応じた吸気バルブの開閉時期制御を行うことにより、そこでこの最も吸気負荷の大きくなる吸気開始直後の負荷を極力少なくし、好適なスワール流を形成することが可能になる。
【００９９】
また、当該実施の形態３では、ＥＧＲガスの吸気への混入については特に明示していないが、当該実施の形態３と同様の構成において、ＥＧＲガスを混入した吸気についても同様な効果が期待できる。ＥＧＲガスは、燃焼温度抑制のために取入れられるため、エンジン２０１が低水温状態、暖気状態共で、エンジン１が高温状態に移行しやすい中負荷状態以上、高回転状態では、ＥＧＲガスが多量に混入される。この時には、前記バルブタイミング機構による制御で高スワール比のスワール流が形成されているため、不活性ガスであるＥＧＲガスと吸気、及び燃料との混合性が高まり、不完全燃焼を起すことなく燃焼温度を低下させ、この燃焼温度低下によりＮＯｘの生成を防止する。
【０１００】
【発明の効果】
本発明によれば、内燃機関の諸性状に適応した好適な吸気の筒内流を形成することが可能となる。また、内燃機関の諸性状に適応した好適な吸気の筒内流を形成する際の内燃機関にかかる負荷を低減することも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態１にかかるディーゼルエンジンの概略構成図。
【図２】同実施の形態１に係るＥＣＵ周りの概念図。
【図３】同実施の形態１に係る稼働状態とＳＶＣ開度の関係を示す表。
【図４】同実施の形態１に係る冷間時、アイドル時のバルブ開度を示す図。
【図５】同実施の形態１に係る低速回転時のＳＶＣ開度を示す図。
【図６】同実施の形態１に係る中速回転時のＳＶＣ開度を示す図。
【図７】同実施の形態１に係る高速回転時のＳＶＣ開度を示す図。
【図８】本実施の形態２にかかるディーゼルエンジンの概略構成図。
【図９】同実施の形態２に係るＥＣＵ周りの概念図。
【図１０】同実施の形態２に係る稼働状態とＳＶＣ開度の関係を示す表。
【図１１】同実施の形態２に係る冷間時、アイドル時のバルブ開度を示す図
。
【図１２】同実施の形態２に係る低速回転時のバルブ開度を示す図。
【図１３】同実施の形態２に係る中速回転時のバルブ開度を示す図。
【図１４】同実施の形態２に係る高速回転時のバルブ開度を示す図。
【図１５】本実施の形態３にかかるディーゼルエンジンの概略構成図。
【図１６】同実施の形態３に係るＥＣＵ周りの概念図。
【図１７】同実施の形態３に係る可変バルブタイミング機構を示す図。
【図１８】同実施の形態３に係るＳＶＣ開度を示す図。
【図１９】同実施の形態３に係る吸気バルブリフトとクランク角の関係を示
すグラフ。
【図２０】同実施の形態３に係るＶＶＴ制御とＳＣＶ制御とにおける流量係
数の差を示すグラフ。
【図２１】同実施の形態３に係る水温３０℃でのＶＶＴ制御実行の可否を示
すグラフ。
【図２２】同実施の形態３に係る水温８０℃でのＶＶＴ制御実行の可否を示
すグラフ。
【符号の説明】
１ エンジン
１０ 燃料供給系
１１ サプライポンプ
１２ コモンレール
１３ 燃料噴射弁
３０ 吸気系
３１ インタークーラ
３２ スロットル弁
３３ 吸気通路
３４ａ タンジェンシャルポート
３４ｂ ヘリカルポート
３５ａ 吸気バルブ
３５ｂ 吸気バルブ
３６ａ スワールコントロールバルブ
３６ｂ スワールコントロールバルブ
４０ 排気系
４０ａ 排気集合管
４０ｂ 排気通路
４０ｃ 排気通路
４２ 触媒ケーシング
５０ ターボチャージャ
５１ シャフト
５２ タービンホイール
５３ コンプレッサ
６０ ＥＧＲ通路
６１ ＥＧＲ弁
６２ ＥＧＲクーラ
７０ レール圧センサ
７１ 水温センサ
７２ エアフローメータ
７３ 酸素濃度センサ
７６ アクセル開度センサ
７７ クランク角センサ
７８ 排気温度センサ
８０ ＥＣＵ
８１ ＣＰＵ
８２ ＲＯＭ
８３ ＲＡＭ
８４ バックアップＲＡＭ
８５ タイマカウンタ
８６ 入力ポート
８７ 出力ポート
８８ 双方向性バス
１０１ エンジン
１１０ 燃料供給系
１１１ サプライポンプ
１１２ コモンレール
１１３ 燃料噴射弁
１１４ 点火プラグ
１１７ 燃料添加ノズル
１３０ 吸気系
１３２ スロットル弁
１３４ａ タンジェンシャルポート
１３４ｂ スワールポート
１３５ａ 吸気バルブ
１３５ｂ 吸気バルブ
１３６ａ スワールコントロールバルブ
１３６ｂ スワールコントロールバルブ
１４０ 排気系
１４０ａ 排気集合管
１４０ｂ 排気通路
１４０ｃ 排気通路
１４２ 触媒ケーシング
１７０ レール圧センサ
１７１ 水温センサ
１７２ エアフローメータ
１７３ 酸素濃度センサ
１７６ アクセル開度センサ
１７７ クランク角センサ
１８０ ＥＣＵ
１８１ ＣＰＵ
１８２ ＲＯＭ
１８３ ＲＡＭ
１８４ バックアップＲＡＭ
１８５ タイマカウンタ
１８６ 入力ポート
１８７ 出力ポート
１８８ 双方向性バス
２０１ エンジン
２１０ 燃料供給系
２１１ サプライポンプ
２１２ プレッシャレギュレータ
２１３ 燃料噴射弁
２１４ 点火プラグ
２２０ クランクシャフト
２２１ タイミングベルト
２２２ 吸気側カムシャフト
２２３ 排気側カムシャフト
２２４ａ カム
２２４ｂ カム
２３０ 吸気系
２３１ エアクリーナ
２３２ スロットル弁
２３３ 吸気通路
２３４ａ タンジェンシャルポート
２３４ｂ スワールポート
２３５ａ 吸気バルブ
２３５ｂ 吸気バルブ
２３６ａ スワールコントロールバルブ
２３６ｂ スワールコントロールバルブ
２４０ 排気系
２４０ａ 排気集合管
２４０ｂ 排気通路
２４０ｃ 排気通路
２４５ 排気バルブ
２７０ 燃圧センサ
２７１ 水温センサ
２７２ エアフローメータ
２７３ 酸素濃度センサ
２７２ 水温センサ
２７６ アクセル開度センサ
２７７ クランク角センサ
２８０ ＥＣＵ
２８１ ＣＰＵ
２８２ ＲＯＭ
２８３ ＲＡＭ
２８４ バックアップＲＡＭ
２８５ タイマカウンタ
２８６ 入力ポート
２８７ 出力ポート
２８８ 双方向性バス
Ｐ１ 機関燃料通路
Ｐ１１ 機関燃料通路
Ｐ２１ 機関燃料通路
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の吸気装置に関し、特に吸気の筒内流を制御する筒内気流旋回方向制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、吸気ポートを２以上有する内燃機関において、吸気ポートの１を筒内にスワール流を形成可能なスワールポートとし、他の吸気ポートを筒内にタンブル流を形成可能なタンジェンシャルポートとして、このスワールポートとタンジェンシャルポートの流量を制御して、筒内にスワール流、叉はタンブル流が形成される技術が公知である。
【０００３】
前記スワールポート、タンジェンシャルポートの流量を制御するものとしては、スワールコントロールバルブ（ＳＶＣ）が例示できる。このスワールコントロールバルブを各吸気ポートの吸気バルブより上流側に設置し、適宜開閉を行うことにより、気筒内にスワール流、タンブル流が形成される。
【０００４】
このスワール流、タンブル流を形成することにより、噴射燃料と、吸入空気等から構成される混合気の混合性を増すと共に、燃焼時の燃焼性能を向上させること等が可能となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
スワール流を形成するにあたり、スワールコントロールバルブの開閉による制御では、形成されるスワール流の程度であるスワール率が、内燃機関の諸状態に対して高すぎる場合や、低すぎる場合がある。
【０００６】
例えば、始動時等の冷間運転状態で、高スワール率のスワール流を形成すると、噴射された燃料が、スワール流によって燃焼室の隅々にまで行渡ることになる。内燃機関はまだ暖気されていないため気筒側壁の温度は低く、この壁面に噴射された燃料が曝されることにより、燃料の温度低下や、気体化した燃料が再び凝縮されて液体となる場合があり、この凝縮されて液化した燃料によって不完全燃焼が生じる可能性がある。また、筒内に直接燃料を噴射する直接噴射型内燃機関等の希薄燃焼内燃機関で、低負荷状態、すなわち噴射燃料量が少ない状態では、スワール流によって燃料が筒内で均一になることにより、着火時に混合気の点火性能が劣る場合が発生する。
【０００７】
また、内燃機関にて燃焼された排気を再び吸気系に環流させる排気再循環装置がある。これは、多量のＣＯ２を含む排気を吸気中に含ませることにより、燃焼温度の上昇を抑制し、ＮＯｘの発生を抑制する公知の技術である。この排気再循環装置により、排気の一部が吸気中に取込まれ、混合されることになるが、この排気を含む吸気中に燃料を噴射して混合気を形成する際に、充分混合されないと、混合気の一部分が、燃料と排気のみからなる混合気となる可能性がある。この燃料と排気のみから形成される混合気が形成されるのを回避するためにスワール流を形成し、筒内での混合を促進する。
【０００８】
スワール流を形成する際に、タンジェンシャルポートを閉じて、スワールポートのみを用いて吸気を行う方が、より高スワール率のスワール流を形成することが可能となる。しかし、内燃機関の高負荷状態においては、スワールポートのみを用いて吸気を行うことにより、強いスワール率のスワール流を形成可能であるが、片方の吸気ポートを閉じることにより、吸気ポートの断面積が小さくなると共に吸入負荷が大きくなり、特に吸気行程の初期においてこの負荷は大きくなる。即ち、スワールポートのみを用いて吸気を行うことにより、高スワール率のスワール流を形成可能であるが、結果としてピストンに負荷が係る場合がある。
【０００９】
本発明ではこれらの問題に鑑み、内燃機関の諸性状に適応した好適な吸気の筒内流を形成することを課題とする。また、内燃機関の諸性状に適応した好適な吸気の筒内流を形成する際の内燃機関にかかる負荷を低減することを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明は、内燃機関の気筒内にスワールを形成可能なスワールポートを含む複数の吸気ポートを備え、前記吸気ポートには、各ポートの吸気流量を任意に調節可能な制御弁を有すると共に、気筒内より排出される排気を再び吸気中に循環させる排気再循環装置を有する内燃機関であって、前記内燃機関の稼働状態を判定する稼働状態判定手段と、前記稼働状態判定手段による判定で稼働状態が冷間稼働状態と判定された時に、前記スワールポートに設けられた制御弁の開度を全閉とする冷間稼働時制御手段と、前記排気再循環装置が使用されて吸気中に排気が流入されると共に、前記稼働状態判定手段による判定で内燃機関が低速稼働状態若しくは中速稼働状態と判定されたときに、少なくとも前記スワールポートに設けられた制御弁の開度を全開とする低中速時制御手段と、前記排気再循環装置が停止していると共に、前記稼働状態判定手段による判定で稼働状態が高速稼働状態と判定された時に、少なくともスワールポート以外の吸気ポートに設けられた制御弁の開度を全開とする高速時制御手段と、を備えた筒内気流旋回方向制御装置とした。
【００１１】
前記スワールポートは、そのポート内部が螺旋加工されて吸気バルブより筒内に流入する吸気が回転運動するヘリカルポートや、タンジェンシャルポートの吸気バルブ位置を筒内壁面近傍に配置して、その吸気バルブから流入する吸気の流方向を筒内壁面に沿って流れるようにすること等により形成される。
【００１２】
排気再循環装置は、燃焼されてＣＯ２等の不活性ガスの割合が増加した排気（ＥＧＲガス）を再び吸気系に流入させ、燃料の酸化反応を抑制して、燃焼時の最高燃焼温度を低下させる装置である。内燃機関の稼働状態判定手段は、内燃機関の回転速度、燃料供給量、期間温度、及びアクセルペダル踏込量等から判定し、内燃機関にかかる負荷を算出する。
【００１３】
前記稼働状態判定手段で、内燃機関の稼働状態が冷間稼働状態と判定された時に、スワールポートに設けられた制御弁の開度を全閉とすることにより、気筒内にスワール流が形成されなくなる。これにより、噴射された燃料の撹拌はあまり進まなくなるが、逆に撹拌されないことにより、まだ冷えた状態の筒内壁面に燃料が曝されることが無くなる。冷えた状態の筒内壁面に燃料が曝されると、気化状態にある燃料が冷却されて凝縮する場合があり、スワール流を形成させないことにより、この燃料の凝縮を防止可能となる。また、燃料が撹拌されないことにより、局部的、即ち燃料噴射弁近傍に燃料の濃い混合気が形成され、この形成された燃料の濃い混合気に着火することにより冷間時の着火性能を確保することが可能となる。
【００１４】
前記稼働状態判定手段で、内燃機関の稼働状態が低速稼働状態若しくは中速稼働状態と判定されたときに、少なくとも前記スワールポートに設けられた制御弁の開度を全開とすることにより、スワールポート以外の吸気ポートであるタンジェンシャルポートに設けられた制御弁の開度を変化させて、スワール流のスワール率を変化させる。一般に、内燃機関の回転数が上昇するに従って、気筒内の温度は上昇するため、ＥＧＲガスを吸気中に混入し、温度上昇を抑制する。このＥＧＲガスを混入することにより、温度上昇を抑制可能となるが、不活性ガスからなるＥＧＲガスが吸気に混合されることにより、吸気と噴射された燃料との、混合性を促進する必要がある。よって、スワールポートよりの流量を増やして、高スワール率のスワール流を形成し、筒内での混合気の混合性を促進可能となる。
【００１５】
また、内燃機関が低速稼働状態では、中速稼働状態よりも、タンジェンシャルポートに設けられた制御弁の開度を小さくする。低速稼働状態では、流入する吸気の流速が遅いため、スワールポート、タンジェンシャルポートが同じ開度では、充分なスワール流が形成されない場合がある。よって、タンジェンシャルポートよりの流量を制限し、スワールポートよりの流量を増加させることにより、好適なスワール流を形成する。
【００１６】
前記稼働状態判定手段で、内燃機関の稼働状態が高速稼働状態であり、ＥＧＲガスの吸気への流入が無いと判定されたときに、少なくともスワールポート以外の吸気ポートに設けられた制御弁の開度を全開とすることにより、気筒内にタンブル流を形成させる。ＥＧＲガスを混入すると、その不活性ガスの増加により、燃焼速度が遅くなる。よって高速な燃焼速度が必要となる内燃機関の高回転状態では、ＥＧＲガスの混入を停止する。また、高回転状態では、吸気の流速が早くなるため、スワール流を形成することによって逆に吸気抵抗となる場合があり、この高回転状態では比較的吸気抵抗となりにくいダンブル流を形成するようにする。
【００１７】
ダンブル流を形成するために、スワールポート以外の吸気ポートであるタンジェンシャルポートを全開とすると共に、スワールポートは、その開度を全開とせずに、例えば中開状態、若しくは小開状態とする。この状態にすることにより、スワールポートから流入する吸気に比べてタンジェンシャルポートから流入する吸気の流量が大きくなるため、スワール流が形成されなくなり、また吸入負荷もあまり大きくならない。
【００１８】
また、前記内燃機関は、気筒内に直接燃料を噴射する直接燃料噴射弁を更に備えると共に、前記稼働状態判定手段で稼働状態が低速稼働状態と判定されたときに、スワールポートに設けられた制御弁の開度を中開とし、かつスワールポート以外の吸気ポートに設けられた制御弁の開度を全開とする低速時制御手段を備える。
【００１９】
気筒内に直接燃料噴射弁を設け、燃料を噴射して混合気を形成することにより、吸気ポート内に燃料を噴射して混合気を形成するよりも、混合気の空燃比をリーンとすることが可能となり、このような内燃機関を希薄燃焼内燃機関という。前述のように、この希薄燃焼内燃機関では空燃比がリーンとなるように燃料を噴射するため、燃料が気筒内で均一な雰囲気となった場合には、着火性が劣る場合がある。これらの理由で、低回転時に燃料噴射量が少なく、また気筒内温度が低い状態では、噴射された燃料を、着火源周辺に漂わせた方が、その着火性能は優れるものになる。
【００２０】
よって、タンジェンシャルポートを全開とすると共に、スワールポートに設けた制御弁の開度を中開として、タンジェンシャルポートよりの流量を大きくし、スワールポートよりの流量を小さくすることにより、筒内には、タンブル流が形成されることになる。
【００２１】
また、内燃機関の稼働状態が、高速稼働状態のときは、この希薄燃焼内燃機関では、スワールポート、タンジェンシャルポート両方に設けられた制御弁を全開としてスワール流を形成し、流量係数を増加させて、燃料と吸気の混合性を促進する。
【００２２】
高速稼働状態では、筒内が充分に加熱されており、また、燃料噴射から点火までの期間が短くなるため、希薄燃料として噴射された燃料は、点火前に自己着火して、ノッキングが発生する場合がある。よって、これを防止するためにスワール流を形成して、燃焼室内を均質化することを可能とする。
【００２３】
また、前記内燃機関は、各吸気ポートに設けられた吸気弁の開閉時期を制御する吸気弁開閉時期制御手段を更に有し、前記稼働状態判定手段による判定で、内燃機関が負荷状態にあると共に、スワールポートに設けられた制御弁の開度が全閉でない場合には、前記吸気弁開閉時期制御手段により、スワールポート以外の吸気ポートに設けられた吸気弁の閉鎖時期を制御する。
【００２４】
気筒内にスワール流を形成するにあたり、タンジェンシャルポートポートを閉鎖して、スワールポートのみから吸気を流入させることにより、効果的にスワール流を形成させることが可能となる。しかし、吸気ポートとして、スワールポートのみを使用する形態では、内燃機関に吸気負荷が発生する場合がある。本来、吸気行程における吸気は、ピストンが上死点から下死点に移動する際、気筒内に形成される燃焼室の体積膨張に依存するものである。よって、この体積膨張する際に、吸気が行われるわけであるが、この時、吸気ポートが狭いと、筒内が負圧となるのでピストンの動きを妨げることになり、結果として吸気負荷が発生する。
【００２５】
この吸気負荷は、吸気ポート内にある吸気が動き始める時、つまりは、ピストンが上死点から、下死点方向へ動き始める時に最も大きくなる。そして吸気が開始された後には、吸気負荷は小さくなり、逆に吸気ポートが狭くなっていることによって吸気の流速が早くなり、好適なスワール流を形成することが可能となる。
【００２６】
よって、吸気弁の開閉時期を制御し、好ましくは吸気開始時に全吸気弁を開放状態とし、その後は、スワールポートに設けられた吸気弁のみ開放状態として、他の吸気ポートに設けられた吸気弁を閉じるようにして、吸気負荷を減少すると共に、高スワール率のスワール流を形成可能となる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
本発明に係る内燃機関の筒内気流旋回方向制御装置を、ディーゼルエンジンシステムに適用した実施の形態について説明する。
【００２８】
図１において、内燃機関（以下、エンジンという）１は、燃料供給系１０、吸気系３０及び排気系４０等を主要部として構成される直列４気筒のディーゼルエンジンシステムである。以下、本ディーゼルエンジンシステムの構成について説明する。
【００２９】
燃料供給系１０は、サプライポンプ１１、蓄圧室（コモンレール）１２、燃料噴射弁１３、機関燃料通路Ｐ１等を備えて構成される。
【００３０】
サプライポンプ１１は燃料タンク（図外）からくみ上げた燃料を高圧にし、機関燃料通路Ｐ１を介してコモンレール１２に供給する。コモンレール１２はサプライポンプ１１から供給された高圧燃料を所定の圧力に保持（蓄圧）する機能を有し、この蓄圧した燃料を各燃料噴射弁１３に分配する。燃料噴射弁１３はその内部に電磁ソレノイド（図外）を備えた電磁弁であり、適宜開弁して燃焼室となる筒内に燃料を供給噴射する。
【００３１】
吸気系３０は、筒内に接続される吸気ポートであるタンジェンシャルポート３４ａとヘリカルポート３４ｂ、エンジン１の回転に応じて、前記吸気ポートと筒内とを遮断、連通する吸気バルブ３５ａ、吸気バルブ３５ｂ、各吸気ポート内通路に設けられて吸気ポート内を流れる吸気の流量を調整する電子制御式の開閉弁であるスワールコントロールバルブ３６ａ、スワールコントロールバルブ３６ｂ、吸気ポートに吸気を分岐させる吸気多岐管より構成され、各筒内内に供給される吸気空気の通路（吸気通路）を形成する。前記吸気ポートであるタンジェンシャルポート３４ａとヘリカルポート３４ｂは、燃焼室の上部壁となるシリンダヘッドに並列に設けられており、各ポートより流入する吸気量を制御することにより、燃焼室に対して縦方向の渦流となるタンブル流、同じく燃焼室に対して予行方向の渦流となるスワール流を形成可能となる。一方、排気系４０は、各筒内から排出される排気ガスの通路（排気通路）を形成する。
【００３２】
また、このエンジン１には、周知の過給器（ターボチャージャ）５０が備えられている。ターボチャージャ５０は、シャフト５１を介して連結されたタービンホイール５２とコンプレッサ５３とを備える。一方のコンプレッサ５３は吸気系３０内の吸気に晒され、他方のタービンホイール５２は排気系４０内の排気ガスに晒されている。このような構成を有するターボチャージャ５０は、タービンホイール５２が受ける排気流（排気圧）を利用してコンプレッサ５３を回転させ、吸気圧を高める効果（過給効果）を有する。
【００３３】
吸気系３０において、ターボチャージャ５０の下流に設けられたインタークーラ３１は、過給によって昇温した吸入空気を強制冷却する。インタークーラ３１よりも更に下流に設けられたスロットル弁３２は、その開度を無段階に調節することができる電子制御式の開閉弁であり、所定の条件下において吸気通路の流路面積を絞り、同吸入空気の供給量を調整（低減）する機能を有する。
【００３４】
また、エンジン１には、筒内の上流（吸気系３０）及び下流（排気系４０）をバイパスする排気環流通路（ＥＧＲ通路）６０が形成されている。具体的には、ＥＧＲ通路６０は排気系４０におけるターボチャージャ５０上流の排気集合管４０ａと吸気系３０におけるスロットル弁３２の下流側を連通している。このＥＧＲ通路６０は、排気ガスの一部を適宜吸気系３０に戻す機能を有する。ＥＧＲ通路６０には、電子制御によって無段階に開閉され、同通路を流れる排気流量を自在に調節することが可能なＥＧＲ弁６１と、ＥＧＲ通路６０を通過（環流）する排気ガスを冷却するためのＥＧＲクーラ６２が設けられている。
【００３５】
また、排気系４０において、燃焼室より接続する排気集合管４０ａ、タービンホイール５２が設けられた部位より下流側には、排気ガスの流路に沿って排気通路４０ｂ、その下流にＮＯｘ触媒ケーシング４２、更に下流に排気通路４０ｃが順次連結されている。ＮＯｘ触媒ケーシング４２には、排気ガス中に含まれる微粒子を除去するパティキュレートフィルタ、及びこのパティキュレートフィルタ上に担持されてＮＯｘ等の有害成分を浄化する吸蔵還元型ＮＯｘ触媒が収容されている。
【００３６】
また、エンジン１の各部位には、各種センサが取り付けられており、当該部位の環境条件やエンジン１の運転状態に関する信号を出力する。
【００３７】
すなわち、レール圧センサ７０は、コモンレール１２内に蓄えられている燃料の圧力に応じた検出信号を出力する。水温センサ７１はエンジンを冷却するためにエンジン駆体内部に設けられた冷却水路（図外）内を流れる冷却水の温度に応じた検出信号を出力する。エアフローメータ７２は、吸気系３０内のスロットル弁３２上流において吸入空気の流量（吸気量）に応じた検出信号を出力する。酸素濃度センサ（Ａ／Ｆセンサ）７３は触媒上流を流れる排気中の酸素濃度を測定する。
【００３８】
また、アクセル開度センサ７６はアクセルペダル（図外）に取り付けられ、同ペダルの踏込量に応じてエンジン１において要求する仕事量の基となる検出信号を出力する。クランク角センサ７７は、エンジン１の出力軸（クランクシャフト）が一定角度回転する毎に検出信号（パルス）を出力する。これら各センサ７０〜７９は、電子制御装置（ＥＣＵ）８０と電気的に接続されている。
【００３９】
図２に示すように、ＥＣＵ８０は中央演算処理装置（ＣＰＵ）８１、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）８２、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）８３及び運転停止後も記憶した情報が消去されないバックアップＲＡＭ８４、タイマカウンタ８５等と、Ａ／Ｄ変換器を含む入力ポート８６と、出力ポート８７とが、双方向性バス８８により接続されて構成される論理演算回路を備える。
【００４０】
ＥＣＵ８０は、前記各種センサの検出信号を入力ポート８６を介して入力し、これら信号に基づいてＥＣＵ８０に有するＣＰＵ８１において、ＲＯＭ８２に記憶されているプログラムから、エンジン１の吸気量についての基本制御を行う他、燃料噴射の供給量の決定等、エンジン１の運転状態に関係する各種制御を行う。
【００４１】
尚、スワールコントロールバルブ３６ａ、スワールコントロールバルブ３６ｂの開度を制御して吸気流量を変化させる吸気系３０、アクセル開度センサ７６に応じて燃料供給量を決定する燃料供給系１０等の機能を制御するＥＣＵ８０等は、併せて本実施の形態に係るエンジン１の吸気装置を構成する。前記スワールコントロールバルブ３６ａ、スワールコントロールバルブ３６ｂの開度制御等は、当該制御に関する指令信号を出力するＥＣＵ８０を含め、この吸気装置を構成する各種部材の作動を通じて実施される。
【００４２】
以下、エンジン１の諸状態に応じて筒内気流旋回方向を変化させるために、吸気ポートより筒内に流入する吸気量を制御する制御装置について説明する。
【００４３】
前述したように、本実施の形態１における吸気ポートは、吸気を直流として気筒内に流入させて、気筒内に縦方向の渦流となるタンブル流を形成するタンジェンシャルポート３４ａと、吸気を回転流として気筒内に流入させて、気筒内に横方向の下流となるスワール流を形成するヘリカルポート３４ｂから構成されている。このタンジェンシャルポート３４ａとヘリカルポート３４ｂには、それぞれ吸気ポートの吸気流量を調節するスワールコントロールバルブ３６ａ、スワールコントロールバルブ３６ｂが設けられており、このスワールコントロールバルブ３６ａ、スワールコントロールバルブ３６ｂは、ＥＣＵ８０に連動した駆動装置により、エンジン１の稼働状態に応じて、その開度を調節可能とする。
【００４４】
エンジン１の稼働状態は、ＥＣＵ８０で、クランク角センサ７７、アクセル開度センサ７６、水温センサ７１等から検出される信号に基づいて判断される。そして、この判断結果に基づいて、予めＲＯＭ８２に記憶された、スワールコントロールバルブ制御に基づいて、スワールコントロールバルブ３６ａ、スワールコントロールバルブ３６ｂの開度を制御する。
【００４５】
図３に、エンジン１の稼働状態と、この諸状態に対応する吸気バルブの開度を表した表を示す。ここで、吸気ポートのフロント側：Ｆｒをタンジェンシャルポート３４ａ、リア側：Ｒｒをヘリカルポート３４ｂとする。前記タンジェンシャルポート３４ａは、その噴出口より吸気を直状に噴出可能なポートであり、前記ヘリカルポート３４ｂは、ポートの通路内に、螺旋状に溝、若しくは板等が設けられて、噴出口より吸気を渦巻き状に噴射するポートである。
【００４６】
先ず、エンジン１の稼働状態が、冷間始動状態、及びアイドル状態と判断された場合、この時のエンジン１の駆体は冷却状態である。噴射されて気化した燃料がこの冷却状態の気筒内面に接すると、その気筒内面の温度により、気化した燃料が凝縮する場合がある。よって、噴射された燃料が気筒内面に触れないように気筒内の吸気の気流を制御する。
【００４７】
また、エンジン１が前記冷間始動状態、アイドル状態であるときは、エンジン回転数も低回転状態となっている。エンジン回転数が低回転状態になっていることにより、単位時間あたりの吸気量は少なくなる。単位時間あたりの吸気量が少なくなることにより、吸気ポートより流入する吸気の流速が遅くなる。よって、図４に示すように、吸気ポートのＦｒ側を全開とすると共にＲｒ側を全閉とする。これにより、吸気は、Ｆｒ側吸気ポートであるタンジェンシャルポート３４ａのみから低速で吸入されることになり、気筒内に吸入された燃料は、気筒内の隅々まで行渡らず、Ｆｒ側吸気バルブ３５ａ周辺に停滞する。よって、燃料は気筒内面に触れずに点火することが可能となる。
【００４８】
次に、エンジン１の稼働状態が、低速稼働状態と判断される。この場合には、吸気中にＥＧＲガスが混入されて燃焼温度を低下させて、ＮＯｘの排出量を低減している。このＥＧＲガスは、ＣＯ２を多量に含む不活性ガスであるので、仮にＥＧＲガスと燃料のみからなる吸気を燃焼させると、この燃料は不完全燃焼を起し、排気中に多量のＨＣ成分を含ませることになる。よってＥＧＲガスを含む吸気から形成される混合気を燃焼する際には、充分にＥＧＲガス、吸気、噴射燃料を混合する必要がある。
【００４９】
前記ガスを充分に混合するためには、気筒内でスワール流を形成する必要があるが、エンジン１の稼働状態が低速稼働状態であるため、その吸気が筒内に流入する際の流速は遅い状態となる。この流速が遅い状態では、好適なスワール流は形成されないので、筒内に流入する吸気の流速を早めるために、吸気ポートの面積を絞り、単位面積あたりの吸気流量を増やす必要がある。よって、図５に示すように、Ｆｒ側スワールコントロールバルブ３６ａの開度を中開状態と設定する。
【００５０】
ここでＦｒ側スワールコントロールバルブ３６ａを中開とするのは、吸気ポートの面積を絞ると共に、スワール流を形成する吸気流量を最大限確保するため、スワールを形成するポートであるＲｒ側ヘリカルポート３４ｂの開度を全開とするためである。このＦｒ側スワールコントロールバルブ３６ａの開度を中開状態とし、Ｒｒ側スワールコントロールバルブ３６ｂの開度を全開とすることにより、吸気の流速が遅い低速稼働状態においても、気筒内に好適にスワール流を形成可能となる。
【００５１】
次に中速稼働状態では、前記低速稼働状態と同様に、ＥＧＲガスが吸気中に混入されて燃焼温度を低下させている。この中速稼働状態では、低速稼働状態に比べてエンジン１の発熱量が大きくなるため、ＥＧＲガスの混入率も低速稼働状態に比べて大きくなっている。よって気筒内での混合性を低速稼働状態よりも増す必要がある。
【００５２】
この中速稼働状態では、低速稼働状態に比べてその吸気の流速が早くなっており、図６に示すように、Ｆｒ側スワールコントロールバルブ３６ａ、Ｒｒ側スワールコントロールバルブ３６ｂの開度を同一開度としても、Ｒｒ側ヘリカルポート３４ｂによって気筒内に好適なスワール流を形成することは可能である。よって、Ｆｒ側スワールコントロールバルブ３６ａ、Ｒｒ側スワールコントロールバルブ３６ｂの開度を双方全開として、低速稼働時と同様に気筒内に好適なスワール流を形成し、吸気の混合性を向上させる。
【００５３】
次に高速稼働状態では、ＥＧＲガスを流入することによる過給性能の低下を防止するためにＥＧＲ弁６１を閉止し、ＥＧＲガスの吸気への流入を停止する。また、ＥＧＲガスが混入していないために、燃料と吸気との混合性が良いこと、及び吸気の流速が高速なため、逆にスワール流を形成することによる負荷が発生すること等から、気筒内にタンブル流が発生するようにする。
【００５４】
このタンブル流を発生させるために、図７に示すように、Ｆｒ側スワールコントロールバルブ３６ａの開度を全開にすると共に、Ｒｒ側スワールコントロールバルブ３６ｂの開度を中開とする。これにより、タンブル流を形成することが可能なタンジェンシャルポート３４ａよりの吸気流量がスワールポートよりの吸気流量より多くなり、結果として気筒内にタンブル流が形成され、過給性能が上昇する。
【００５５】
以上、当該実施の形態１において、低速稼働状態では、Ｆｒ側スワールコントロールバルブ３６ａの開度を中開とし、高速稼働状態では、Ｒｒ側スワールコントロールバルブ３６ｂの開度を中開状態とした。この開度については、タンブル流を形成するＦｒ側タンジェンシャルポート３４ａと、スワール流を形成するＲｒ側ヘリカルポート３４ｂとの流量を変化させて、気筒内に好適な気流を形成可能ならば、特に中開状態に限定するものではなく、例えば小開状態としても良い。
【００５６】
（実施の形態２）
次に実施の形態２として、ガソリンエンジンシステムで筒内気流旋回方向制御装置を用いた場合について説明する。
【００５７】
図８において、内燃機関（以下、エンジンという）１０１は、燃料供給系１１０、吸気系１３０及び排気系１４０等を主要部として構成される直列４気筒のガソリンエンジンシステムである。このエンジンは、気筒内に直接燃料を噴射することにより、通常、吸気ポート内で噴射されて気筒内に吸気と共に取込まれるガソリンエンジンと比較して、空燃比を大幅に低下させることが可能な内燃機関である。以下、本ガソリンエンジンシステムの構成について説明する。
【００５８】
燃料供給系１１０は、サプライポンプ１１１、蓄圧室（コモンレール）１１２、燃料噴射弁１１３、燃料添加ノズル１１７、機関燃料通路Ｐ１１等を備えて構成される。
【００５９】
サプライポンプ１１１は燃料タンク（図外）からくみ上げた燃料を高圧にし、機関燃料通路Ｐ１１を介してコモンレール１２に供給する。コモンレール１１２はサプライポンプ１１１から供給された高圧燃料を所定の圧力に保持（蓄圧）する機能を有し、この蓄圧した燃料を各燃料噴射弁１１３に分配する。燃料噴射弁１１３はその内部に電磁ソレノイド（図外）を備えた電磁弁であり、適宜開弁して燃焼室となる筒内に燃料を供給噴射する。この供給噴射された燃料は、気筒内に臨むように設けられた点火プラグ１１４にて着火され燃焼する。
【００６０】
吸気系１３０は、吸気の噴出方向が気筒の中心方向に向いているタンジェンシャルポート１３４ａと、吸気の噴出方向が気筒の法線方向を向いている１３４ｂスワールポートとからなる吸気ポート、エンジン１の回転に応じて、前記吸気ポートと気筒内とを遮断、連通させる吸気バルブ１３５ａ、吸気バルブ１３５ｂ、各吸気ポート内通路に設けられて吸気ポート内を流れる吸気の流量を調整する電子制御式の開閉弁であるスワールコントロールバルブ１３６ａ、スワールコントロールバルブ１３６ｂ、吸気ポートに吸気を分岐させる吸気多岐管より構成され、各筒内内に供給される吸気空気の通路（吸気通路）１３３から形成される。前記吸気ポートの１であるスワールポート１３４ｂは、その形状がタンジェンシャルポート１３４ａと同じで、その吸気の噴出方向を気筒の法線方向とすることにより、吸気が気筒内に噴出した際に、気筒内面に沿って噴出し、結果として回転方向の流れとなり、この流がスワール流となる。また、このスワールポート１３４ｂは、タンジェンシャルポート１３４ａに対して、吸気の流れ方向前方に位置するようにシリンダヘッドに設けられており（菱形配置）、各ポートより流入する吸気量を制御することにより、燃焼室に対して縦方向の渦流となるタンブル流、同じく燃焼室に対して予行方向の渦流となるスワール流を形成可能となる。一方、排気系１４０は、各筒内から排出される排気ガスの通路（排気通路）を形成する。
【００６１】
前記排気系１４０において、燃焼室より接続する排気集合管１４０ａより下流側には、排気ガスの流路に沿って排気通路１４０ｂ、その下流に触媒ケーシング１４２、更に下流に排気通路１４０ｃが順次連結されている。触媒ケーシング１４２には、排気ガス中に含まれるＮＯｘ等の有害成分を浄化する三元触媒が収容されている。
【００６２】
また、エンジン１０１の各部位には、各種センサが取り付けられており、当該部位の環境条件やエンジン１０１の運転状態に関する信号を出力する。
【００６３】
すなわち、レール圧センサ１７０は、コモンレール１１２内に蓄えられている燃料の圧力に応じた検出信号を出力する。水温センサ１７１はエンジンを冷却するためにエンジン駆体内部に設けられた冷却水路（図外）内を流れる冷却水の温度に応じた検出信号を出力する。エアフローメータ１７２は、吸気系１３０内のスロットル弁１３２上流において吸入空気の流量（吸気量）に応じた検出信号を出力する。
【００６４】
また、アクセル開度センサ１７６はアクセルペダル（図外）に取り付けられ、同ペダルの踏込量に応じてエンジン１０１において要求する仕事量の基となる検出信号を出力する。クランク角センサ１７７は、エンジン１０１の出力軸（クランクシャフト）が一定角度回転する毎に検出信号（パルス）を出力する。これら各センサ１７０〜１７９は、電子制御装置（ＥＣＵ）１８０と電気的に接続されている。
【００６５】
図９に示すように、ＥＣＵ１８０は中央演算処理装置（ＣＰＵ）１８１、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）１８２、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）１８３及び運転停止後も記憶した情報が消去されないバックアップＲＡＭ１８４、タイマカウンタ１８５等と、Ａ／Ｄ変換器を含む入力ポート１８６と、出力ポート１８７とが、双方向性バス１８８により接続されて構成される論理演算回路を備える。
【００６６】
エンジン１の稼働状態は、ＥＣＵ１８０で、クランク角センサ１７７、アクセル開度センサ１７６、水温センサ１７１等から検出される信号に基づいて判断される。そして、この判断結果に基づいて、予めＲＯＭ１８２に記憶された、スワールコントロールバルブ制御手段に基づいて、スワールコントロールバルブ１３６ａ、スワールコントロールバルブ１３６ｂの開度を制御する。
【００６７】
尚、スワールコントロールバルブ１３６ａ、スワールコントロールバルブ１３６ｂの開度を制御して吸気流量を変化させる吸気系１３０、アクセル開度センサ１７６に応じて燃料供給量を決定する燃料供給系１１０等の機能を制御するＥＣＵ１８０等は、併せて本実施の形態に係るエンジン１０１の吸気装置を構成する。前記スワールコントロールバルブの開度制御等は、当該制御に関する指令信号を出力するＥＣＵ１８０を含め、この吸気装置を構成する各種部材の作動を通じて実施される。
【００６８】
図１０に、エンジン１０１の稼働状態と、この諸状態に対応する吸気バルブ１３５ａ、１３５ｂの開度を示す。ここで、吸気ポートのフロント側：Ｆｒをタンジェンシャルポート１３４ａ、リア側：Ｒｒをスワールポート１３４ｂとする。前記タンジェンシャルポート１３４ａは、その噴出口より吸気を直状に噴出可能なポートであり、前記スワールポート１３４ｂは、前記タンジェンシャルポート１３４ａを、その噴射方向が気筒断面の法線方向となるように設置されて、気筒内面に沿って噴射することにより、気筒内に吸気を渦巻き状に噴射することを可能としたポートである。
【００６９】
先ず、エンジン１０１の稼働状態が、冷間始動状態、及びアイドル状態と判断された場合、この時のエンジン１０１の駆体は冷却状態である。噴射されて気化した燃料がこの冷却状態の気筒内面に接すると、その気筒内面の温度により、気化した燃料が凝縮する場合がある。よって、噴射された燃料が気筒内面に触れないように気筒内の吸気の気流を制御する。
【００７０】
また、エンジン１０１が前記冷間始動状態、アイドル状態であるときは、エンジン回転数も低回転状態となっている。エンジン回転数が低回転状態になっていることにより、単位時間あたりの吸気量は少なくなる。単位時間あたりの吸気量が少なくなることにより、吸気ポートより流入する吸気の流速が遅くなる。よって、この吸気の流速が遅いことに加えて、Ｆｒ側タンジェンシャルポート１３４ａに設けられたスワールコントロールバルブ１３６ａを全開とすると共にＲｒ側スワールポート１３４ｂに設けられたスワールコントロールバルブ１３６ｂを全閉とする。これにより、吸気は、Ｆｒ側タンジェンシャルポート１３４ａから低速で吸入されることになり、気筒内に吸入された燃料は、気筒内の隅々まで行渡らず、Ｆｒ側吸気バルブ１３５ａ周辺に停滞する。よって、燃料は気筒内面に触れずに点火することが可能となる。
【００７１】
次に、エンジン１０１の稼働状態が、低速稼働状態と判断される。本実施の形態２は、火花点火方式である希薄燃料内燃機関である。このエンジン１０１で噴射される燃料量はあまり多量ではないため、吸気との混合性は良くなる。また、低速稼働状態であるため、その発熱量も多くなく、ノッキング等もあまり発生しない。よって、この低速稼働状態では、スワール流を形成して、噴射された燃料を気筒内に均一に行渡らせるよりも、噴射された燃料を点火装置である点火プラグ１１４周辺に漂わせ、着火性能を向上させる。
【００７２】
噴射された燃料を点火プラグ１１４周辺に漂わせるために、気筒内にタンブル流を形成する。タンブル流は、図１１に示すように、点火プラグ１１４が設けられた面を含む気筒の縦断面に沿って気筒内を渦流する流れである。よって、噴射された燃料は、このタンブル流に取込まれて気筒内面に突出した点火プラグ１１４位置周辺を流れることになる。この結果、点火プラグ１１４周辺に燃料が漂うことになる。このタンブル流を形成するために、Ｆｒ側スワールコントロールバルブ１３６ａの開度を全開とすると共に、Ｒｒ側スワールコントロールバルブ１３６ｂの開度を中開とする。スワール流を形成するＲｒ側スワールポート１３４ｂより噴出する吸気量が減少するため、気筒内にはタンブル流が形成されて着火性能が向上することにより、排気中に残存する未燃焼燃料が少なくなる。
【００７３】
次に中速稼働状態及び高速稼働状態では、前記低速稼働状態に比較して、吸気の流速が早くなる共に、燃焼によって発生する発熱量も多くなる。発熱量が多くなることにより、ノッキングや、部分的な高温箇所が発生することに起因するＮＯｘ排出量増加等の問題が発生する。このノッキングや部分的な高温箇所の発生を防止するためには、気筒内雰囲気を均一にすることが必要となるため、スワール流を形成して吸気を撹拌し、気筒内雰囲気を均一にする。
【００７４】
この中速稼働状態では、低速稼働状態に比べてその吸気の流速が早くなっており、吸気ポートに設けられたＦｒ側スワールコントロールバルブ１３６ａ、Ｒｒ側スワールコントロールバルブ１３６ｂの開度を同一開度としても、Ｒｒ側スワールポート１３４ｂによって気筒内に好適なスワール流を形成することは可能である。よって、Ｆｒ側スワールコントロールバルブ１３６ａ、Ｒｒ側スワールコントロールバルブ１３６ｂの開度を双方全開として気筒内に好適なスワール流を形成し、吸気の撹拌性を向上させる。
【００７５】
高速稼働状態では、中速稼働状態以上に吸気の流速が早くなり、燃焼によって発生する発熱量も多くなる。よって、中速稼働状態以上に吸気の流速が早いことを利用して、Ｆｒ側スワールコントロールバルブ１３６ａ、Ｒｒ側スワールコントロールバルブ１３６ｂの開度を双方全開として、気筒内に吸気の流れやすさの目安となる流量係数の高いスワール流を形成し、吸気の撹拌性を更に向上させる。
【００７６】
以上、当該実施の形態２において、低速稼働状態では、Ｒｒ側スワールコントロールバルブ１３６ａの開度を中開とした。この開度については、タンブル流を形成するＦｒ側タンジェンシャルポート１３４ａと、スワール流を形成するＲｒ側スワールポート１３４ｂとの流量を変化させて、気筒内に好適な気流を形成可能ならば、特に中開状態に限定するものではなく、例えば小開状態としても良い。また、中速稼働状態、及び高速稼働状態では、スワール流を形成することにより気流の撹拌性が増すことにより、噴射された燃料と吸気との混合性も増すことになる。
【００７７】
（実施の形態３）
前記実施の形態１及び実施の形態２では、内燃機関の稼働状態を示す指針として、機関水温及び、機関回転数を用い、この値に応じて吸気ポートに設けられたスワールコントロールバルブの開度を変化させて、吸気により形成される筒内旋回流を制御した。これに対して当該実施の形態３では、機関負荷を考慮して、筒内旋回流を制御する。
【００７８】
図１５に当該実施の形態３に係るガソリンエンジンを示す。当該実施の形態３では、実施の形態２で示したガソリンエンジンシステムで筒内気流旋回方向制御装置を用いると共に、吸排気バルブの開閉時期を変化させる可変バルブタイミング機構を備えた場合について説明する。
【００７９】
燃料供給系２１０は、サプライポンプ２１１、コモンレール２１２、燃料噴射弁２１３、機関燃料通路Ｐ２１等を備えて構成される。
【００８０】
サプライポンプ２１１は燃料タンク（図外）から燃料を汲上げて高圧にし、機関燃料通路Ｐ２１を介してコモンレール２１２に供給する。コモンレール２１２はサプライポンプ２１１から供給された高圧燃料を所定の圧力に保持する機能を有し、この蓄圧した燃料を吸気ポート内に設けられた各燃料噴射弁２１３に分配する。燃料噴射弁２１３はその内部に電磁ソレノイド（図外）を備えた電磁弁であり、適宜開弁して吸気ポート内に燃料を供給噴射する。そして、この噴射された燃料が気化した状態で、点火プラグ２１４に通電して火花を発生させ、点火する。
【００８１】
吸気系２３０は、吸気の噴出方向が気筒の中心方向に向いているタンジェンシャルポート２３４ａと、吸気の噴出方向が気筒の法線方向を向いているスワールポート２３４ｂとからなる吸気ポート、エンジン２０１の回転に応じて、前記吸気ポートと気筒内とを遮断、連通させる吸気バルブ２３５ａ、吸気バルブ２３５ｂ、各吸気ポート内通路に設けられて吸気ポート内を流れる吸気の流量を調整する電子制御式の開閉弁であるスワールコントロールバルブ２３６ａスワールコントロールバルブ２３６ｂ、吸気ポートに吸気を分岐させる吸気多岐管より構成され、各筒内内に供給される吸気空気の通路（吸気通路）２３３から形成される。前記吸気ポートの１であるスワールポート２３４ｂは、その形状がタンジェンシャルポート２３４ａと同じで、その吸気の噴出方向を気筒の法線方向とすることにより、吸気が気筒内に噴出した際に、気筒内面に沿って噴出し、結果として回転方向の流れとなり、この流れがスワール流となる。また、このスワールポート２３４ｂは、タンジェンシャルポート２３４ａに対して、吸気の流れ方向前方に位置するようにシリンダヘッドに設けられており、各ポートより流入する吸気量を制御することにより、燃焼室に対して縦方向の渦流となるタンブル流、同じく燃焼室に対して横方向の渦流となるスワール流を形成可能となる。
【００８２】
また、前記吸気系２３０において、大気より取り入れられた吸気は、エアクリーナ２３１で濾過される。このエアクリーナ２３１より下流の吸気通路２３３内に設けられたスロットル弁２３２は、その開度を無段階に調節することができる電子制御式の開閉弁であり、所定の条件下において吸気通路の流路面積を絞り、同吸気の供給量を調整（低減）する機能を有する。そしてこの供給量を調整された吸気はエンジン２０１の吸気ポートへ送られて、ここで前記燃料噴射弁２１３より噴射される燃料と混合され、混合気となる。一方、排気系２４０は、各筒内から排出される排気ガスの通路（排気通路）を形成する。
【００８３】
前記排気系２４０において、燃焼室より接続する排気集合管２４０ａより下流側には、排気ガスの流路に沿って排気通路２４０ｂ、その下流に触媒ケーシング４２、更に下流に排気通路２４０ｃが順次連結されている。触媒ケーシング４２には、排気ガス中に含まれるＮＯｘ等の有害成分を浄化する三元触媒が収容されている。
また、エンジン１の各部位には、各種センサが取り付けられており、当該部位の環境条件やエンジン１の運転状態に関する信号を出力する。
【００８４】
即ち、レール圧センサ２７０は、コモンレール２１２内に蓄えられている燃料の圧力に応じた検出信号を出力する。水温センサ２７１はエンジンを冷却するためにエンジン駆体内部に設けられた冷却水路（図外）内を流れる冷却水の温度に応じた検出信号を出力する。エアフローメータ２７２は、吸気系２３０内のスロットル弁２３２上流において吸入空気の流量（吸気量）に応じた検出信号を出力する。
【００８５】
また、アクセル開度センサ２７６はアクセルペダル（図外）に取り付けられ、同ペダルの踏込量に応じて、エンジン２０１において要求する仕事量の基となる検出信号を出力する。クランク角センサ２７７は、エンジン２０１の出力軸（クランクシャフト）が一定角度回転する毎に検出信号（パルス）を出力する。これら各センサ２７０〜２７９は、電子制御装置（ＥＣＵ）２８０と電気的に接続されている。
【００８６】
図１６に示すように、ＥＣＵ２８０は中央演算処理装置（ＣＰＵ）２８１、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）２８２、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）２８３及び運転停止後も記憶した情報が消去されないバックアップＲＡＭ２８４、タイマカウンタ２８５等と、Ａ／Ｄ変換器を含む入力ポート２８６と、出力ポート２８７とが、双方向性バス２８８により接続されて構成される論理演算回路を備える。
【００８７】
また、当該実施の形態３におけるエンジン１は、吸気ポートと気筒内とを仕切る吸気弁である吸気バルブ２３５ａ、吸気バルブ２３５ｂ、排気ポートと気筒内とを仕切る排気弁である排気バルブ２４５の開閉時期を可変する機構（可変バルブタイミング機構：ＶＶＴ）を有する。この可変バルブタイミング機構は、図１７に示すように、クランクシャフト２２０に取付けられたタイミングベルト２２１により駆動される吸気側カムシャフト２２２、及び排気側カムシャフト２２３がある。そしてこの吸気側カムシャフト２２２、及び排気側カムシャフト２２３には、それぞれカム２２４ａとカム２２４ｂが取付けれており、このカム２２４ａとカム２２４ｂとを切換えることにより、吸気弁及び排気弁の開閉タイミングを制御するものである。
【００８８】
前記可変バルブタイミング機構を使用して、吸気弁の開閉時期を制御する。具体的な制御としては、図１８、図１９に示すように、各ポートに設けられたスワールコントロールバルブ２３６ａ、スワールコントロールバルブ２３６ｂの開度を全て全開として、Ｆｒ側タンジェンシャルポート２３４ａ吸気バルブ２３５ａの閉止時間を変化させる。この吸気バルブ２３５ａの閉止時期を早くするとスワールポートより筒内に取込まれる吸気量が多くなり、気筒内に形成されるスワール流のスワール率が高くなる。
【００８９】
スワールコントロールバルブ２３６ａ、及びスワールコントロールバルブ２３６ｂのみを用いて上記のように高スワール率のスワール流を形成しようとすると、Ｆｒ側タンジェンシャルポート２３４ａに設けられたＦｒ側スワールコントロールバルブ２３６ａの開度を全閉状態として、Ｒｒ側スワールポート２３４ｂのみから気筒内に吸気が流入するようにする。これにより、高スワール比のスワール流を形成することは可能であるが、図２０に示すように、可変バルブタイミング機構を用いた際に形成されるスワール流のスワール比と同様のスワール比を、スワールコントロールバルブによる制御のみで形成しようとすると、その時の各ピストン位置での、吸気の流れやすさの目安となる流量係数は、可変バルブタイミング機構を用いた場合が高い値となる。
【００９０】
よって上記可変バルブタイミング機構を用いて、各水温時における負荷とエンジン回転数に応じた制御を行う。先ず水温センサ２７１により、水温が３０℃、即ち、始動時等の低水温状態と判断されたとする。低負荷状態、即ち燃料噴射量が少ない状態では、高スワール率のスワール流を形成しなくても、充分に燃料と吸気を混合可能なこと、及び、気筒内面も温度が低く、噴射された燃料も気化しにくい状態である、低回転状態であるならば、スワール流を形成しないようにＲｒ側スワールコントロールバルブ２３６ｂの開度を閉止状態とすることから、図２に示すように、可変バルブタイミング機構によるバルブの閉止時期の制御は行わずに、通常のバルブ開閉を行う。
【００９１】
同じく水温３０℃の状態で、中負荷状態になった場合には、低負荷状態に比べて燃料噴射量が増えるが、水温が低い状態、即ち機関温度である燃焼室内温度が低いため、低負荷状態に比べて、噴射燃料が凝縮しやすい状態にある。よって、図２１に示すように、可変バルブタイミング機構により、Ｆｒ側吸気バルブ２３５ａを早めに閉じ、吸気負荷を減らすと共に、気筒内に高スワール率のスワール流を形成し、噴射燃料の拡散、気化を促進する。
【００９２】
高負荷状態になった場合、この状態では、エンジン回転数もある程度高回転となって、吸気の流速も早くなっていることから、特にスワール流を形成するためにＦｒ側の吸気バルブ２３５ａを閉じる必要がない。また、高負荷状態であるために燃料噴射量が多く、この燃焼に必要な吸気量も多くなることから、吸気バルブを早く閉じることによってスワール率の高いスワール流を形成するよりも、吸気バルブを開けて流入吸気量を増やした方がより効率が良いこと等から、図２１に示すように、可変バルブタイミング機構によるバルブの閉止時期の制御は行わずに、通常のバルブ開閉を行う。
【００９３】
次に、エンジン２０１が暖機された状態、即ち水温センサ２７２で、水温が約８０℃になった状態とする。この状態においても、低負荷状態であるならば、噴射燃料量が少なく、特に高スワール率のスワール流を形成しなくても好適な混合気を形成可能となるため、可変バルブタイミング機構によるバルブの閉止時期の制御は行わずに、通常のバルブ開閉を行う。また、この低負荷状態でエンジン回転数が高い場合には、通常のバルブ開閉を行う負荷状態の上限値は、エンジン回転数が低い状態に比べて低くなる。
【００９４】
エンジン２０１が中負荷状態では、低水温状態と比較して、中負荷状態のある程度の負荷状態まで通常のバルブ開閉を行う。エンジン２０１が暖機された状態であるので、気筒内の温度も高く、噴射された燃料は気化しやすい状態になる。よって低負荷状態の燃料噴射量に比べて、中負荷状態で燃料噴射量が多くなった状態においても、燃料がが気化しやすいために、特に高スワール率のスワール流を形成しなくても、好適な混合気を形成可能である。よって、図２２に示すように、暖気状態では、中負荷状態の所定値まで通常のバルブの開閉を行い、中負荷状態の所定値より負荷が高い状態では、前記可変バルブタイミング機構によるバルブ閉止時期制御を行い、高スワール率のスワール流を形成し、好適な混合気を形成する。
【００９５】
また、エンジン２０１が中負荷状態であり、なおかつ高回転状態であるならば、この高回転状態により、エンジン２０１の気筒内温度は上昇する。この場合、ノッキング等が発生する可能性があるため、高スワール比のスワール流を形成し、気筒内雰囲気を均一化した方がよい。よって、図２２に示すように、高回転状態であるならば、可変バルブタイミング機構によるバルブの開閉制御を行い、高スワール比のスワール流を形成する。
【００９６】
エンジン２０１が高負荷状態では、低水温状態と同様に、エンジン回転数もある程度高回転となり、燃焼に必要な吸気量も多くなることから、吸気バルブ２３５ａを早く閉じることによってスワール率の高いスワール流を形成するよりも、吸気バルブを開けて流入吸気量を増やした方がより効率が良いこと等から、図２２に示すように、可変バルブタイミング機構によるバルブの閉止時期の制御は行わずに、通常のバルブ開閉を行う。
【００９７】
実施の形態１及び実施の形態２におけるスワールコントロールバルブによる制御は、排気性能確保のためには有効な制御であるが、スワール率を大きくした場合には、燃費が悪化する場合がある。これは、スワールコントロールバルブを使用したために吸気ポートの面積が狭くなり、吸気負荷が上昇したためである。気筒内への吸気の流入は、ピストンが上死点から下死点に下がる際の、気筒内体積膨張により行われている。よって、吸気負荷が大きくなることにより、ピストンが上死点から下死点に移動する際の動きを阻害することになる。
【００９８】
前記吸気負荷は、吸気開始直後、即ちピストンが上死点から下死点へ向って動き出した際に、吸気ポート内に漂っていた吸気が気筒内へ移動される時が一番大きくなる。よって、当該実施の形態３によって、各負荷状態に応じた吸気バルブの開閉時期制御を行うことにより、そこでこの最も吸気負荷の大きくなる吸気開始直後の負荷を極力少なくし、好適なスワール流を形成することが可能になる。
【００９９】
また、当該実施の形態３では、ＥＧＲガスの吸気への混入については特に明示していないが、当該実施の形態３と同様の構成において、ＥＧＲガスを混入した吸気についても同様な効果が期待できる。ＥＧＲガスは、燃焼温度抑制のために取入れられるため、エンジン２０１が低水温状態、暖気状態共で、エンジン１が高温状態に移行しやすい中負荷状態以上、高回転状態では、ＥＧＲガスが多量に混入される。この時には、前記バルブタイミング機構による制御で高スワール比のスワール流が形成されているため、不活性ガスであるＥＧＲガスと吸気、及び燃料との混合性が高まり、不完全燃焼を起すことなく燃焼温度を低下させ、この燃焼温度低下によりＮＯｘの生成を防止する。
【０１００】
【発明の効果】
本発明によれば、内燃機関の諸性状に適応した好適な吸気の筒内流を形成することが可能となる。また、内燃機関の諸性状に適応した好適な吸気の筒内流を形成する際の内燃機関にかかる負荷を低減することも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態１にかかるディーゼルエンジンの概略構成図。
【図２】同実施の形態１に係るＥＣＵ周りの概念図。
【図３】同実施の形態１に係る稼働状態とＳＶＣ開度の関係を示す表。
【図４】同実施の形態１に係る冷間時、アイドル時のバルブ開度を示す図。
【図５】同実施の形態１に係る低速回転時のＳＶＣ開度を示す図。
【図６】同実施の形態１に係る中速回転時のＳＶＣ開度を示す図。
【図７】同実施の形態１に係る高速回転時のＳＶＣ開度を示す図。
【図８】本実施の形態２にかかるディーゼルエンジンの概略構成図。
【図９】同実施の形態２に係るＥＣＵ周りの概念図。
【図１０】同実施の形態２に係る稼働状態とＳＶＣ開度の関係を示す表。
【図１１】同実施の形態２に係る冷間時、アイドル時のバルブ開度を示す図
。
【図１２】同実施の形態２に係る低速回転時のバルブ開度を示す図。
【図１３】同実施の形態２に係る中速回転時のバルブ開度を示す図。
【図１４】同実施の形態２に係る高速回転時のバルブ開度を示す図。
【図１５】本実施の形態３にかかるディーゼルエンジンの概略構成図。
【図１６】同実施の形態３に係るＥＣＵ周りの概念図。
【図１７】同実施の形態３に係る可変バルブタイミング機構を示す図。
【図１８】同実施の形態３に係るＳＶＣ開度を示す図。
【図１９】同実施の形態３に係る吸気バルブリフトとクランク角の関係を示
すグラフ。
【図２０】同実施の形態３に係るＶＶＴ制御とＳＣＶ制御とにおける流量係
数の差を示すグラフ。
【図２１】同実施の形態３に係る水温３０℃でのＶＶＴ制御実行の可否を示
すグラフ。
【図２２】同実施の形態３に係る水温８０℃でのＶＶＴ制御実行の可否を示
すグラフ。
【符号の説明】
１ エンジン
１０ 燃料供給系
１１ サプライポンプ
１２ コモンレール
１３ 燃料噴射弁
３０ 吸気系
３１ インタークーラ
３２ スロットル弁
３３ 吸気通路
３４ａ タンジェンシャルポート
３４ｂ ヘリカルポート
３５ａ 吸気バルブ
３５ｂ 吸気バルブ
３６ａ スワールコントロールバルブ
３６ｂ スワールコントロールバルブ
４０ 排気系
４０ａ 排気集合管
４０ｂ 排気通路
４０ｃ 排気通路
４２ 触媒ケーシング
５０ ターボチャージャ
５１ シャフト
５２ タービンホイール
５３ コンプレッサ
６０ ＥＧＲ通路
６１ ＥＧＲ弁
６２ ＥＧＲクーラ
７０ レール圧センサ
７１ 水温センサ
７２ エアフローメータ
７３ 酸素濃度センサ
７６ アクセル開度センサ
７７ クランク角センサ
７８ 排気温度センサ
８０ ＥＣＵ
８１ ＣＰＵ
８２ ＲＯＭ
８３ ＲＡＭ
８４ バックアップＲＡＭ
８５ タイマカウンタ
８６ 入力ポート
８７ 出力ポート
８８ 双方向性バス
１０１ エンジン
１１０ 燃料供給系
１１１ サプライポンプ
１１２ コモンレール
１１３ 燃料噴射弁
１１４ 点火プラグ
１１７ 燃料添加ノズル
１３０ 吸気系
１３２ スロットル弁
１３４ａ タンジェンシャルポート
１３４ｂ スワールポート
１３５ａ 吸気バルブ
１３５ｂ 吸気バルブ
１３６ａ スワールコントロールバルブ
１３６ｂ スワールコントロールバルブ
１４０ 排気系
１４０ａ 排気集合管
１４０ｂ 排気通路
１４０ｃ 排気通路
１４２ 触媒ケーシング
１７０ レール圧センサ
１７１ 水温センサ
１７２ エアフローメータ
１７３ 酸素濃度センサ
１７６ アクセル開度センサ
１７７ クランク角センサ
１８０ ＥＣＵ
１８１ ＣＰＵ
１８２ ＲＯＭ
１８３ ＲＡＭ
１８４ バックアップＲＡＭ
１８５ タイマカウンタ
１８６ 入力ポート
１８７ 出力ポート
１８８ 双方向性バス
２０１ エンジン
２１０ 燃料供給系
２１１ サプライポンプ
２１２ プレッシャレギュレータ
２１３ 燃料噴射弁
２１４ 点火プラグ
２２０ クランクシャフト
２２１ タイミングベルト
２２２ 吸気側カムシャフト
２２３ 排気側カムシャフト
２２４ａ カム
２２４ｂ カム
２３０ 吸気系
２３１ エアクリーナ
２３２ スロットル弁
２３３ 吸気通路
２３４ａ タンジェンシャルポート
２３４ｂ スワールポート
２３５ａ 吸気バルブ
２３５ｂ 吸気バルブ
２３６ａ スワールコントロールバルブ
２３６ｂ スワールコントロールバルブ
２４０ 排気系
２４０ａ 排気集合管
２４０ｂ 排気通路
２４０ｃ 排気通路
２４５ 排気バルブ
２７０ 燃圧センサ
２７１ 水温センサ
２７２ エアフローメータ
２７３ 酸素濃度センサ
２７２ 水温センサ
２７６ アクセル開度センサ
２７７ クランク角センサ
２８０ ＥＣＵ
２８１ ＣＰＵ
２８２ ＲＯＭ
２８３ ＲＡＭ
２８４ バックアップＲＡＭ
２８５ タイマカウンタ
２８６ 入力ポート
２８７ 出力ポート
２８８ 双方向性バス
Ｐ１ 機関燃料通路
Ｐ１１ 機関燃料通路
Ｐ２１ 機関燃料通路
Claims (3)
- 内燃機関の気筒内にスワールを形成可能なスワールポートを含む複数の吸気ポートを備え、前記吸気ポートには、各ポートの吸気流量を任意に調節可能な制御弁を有すると共に、気筒内より排出される排気を再び吸気中に循環させる排気再循環装置を有する内燃機関であって、
前記内燃機関の稼働状態を判定する稼働状態判定手段と、
前記稼働状態判定手段による判定で稼働状態が冷間稼働状態と判定された時に、前記スワールポートに設けられた制御弁の開度を全閉とする冷間稼働時制御手段と、
前記排気再循環装置が使用されて吸気中に排気が流入されると共に、前記稼働状態判定手段による判定で内燃機関が低速稼働状態若しくは中速稼働状態と判定されたときに、少なくとも前記スワールポートに設けられた制御弁の開度を全開とする低中速時制御手段と、
前記排気再循環装置が停止していると共に、前記稼働状態判定手段による判定で稼働状態が高速稼働状態と判定された時に、少なくともスワールポート以外の吸気ポートに設けられた制御弁の開度を全開とする高速時制御手段と、を備えた筒内気流旋回方向制御装置。 - 前記内燃機関は、気筒内に直接燃料を噴射する直接燃料噴射弁を更に備えると共に、前記稼働状態判定手段で稼働状態が低速稼働状態と判定されたときに、スワールポートに設けられた制御弁の開度を中開とし、かつスワールポート以外の吸気ポートに設けられた制御弁の開度を全開とする低速時制御手段を備える請求項１に記載の筒内気流旋回方向制御装置。
- 前記内燃機関は、各吸気ポートに設けられた吸気弁の開閉時期を制御する吸気弁開閉時期制御手段を更に有し、
前記稼働状態判定手段による判定で、内燃機関が負荷状態にあると共に、スワールポートに設けられた制御弁の開度が全閉でない場合には、前記吸気弁開閉時期制御手段により、スワールポート以外の吸気ポートに設けられた吸気弁の閉鎖時期を制御する請求項１叉は２に記載の筒内気流旋回方向制御装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002197219A JP2004036566A (ja) | 2002-07-05 | 2002-07-05 | 内燃機関の気筒内気流旋回方向制御装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002197219A JP2004036566A (ja) | 2002-07-05 | 2002-07-05 | 内燃機関の気筒内気流旋回方向制御装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004036566A true JP2004036566A (ja) | 2004-02-05 |
Family
ID=31705049
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002197219A Pending JP2004036566A (ja) | 2002-07-05 | 2002-07-05 | 内燃機関の気筒内気流旋回方向制御装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2004036566A (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007303386A (ja) * | 2006-05-11 | 2007-11-22 | Toyota Motor Corp | 内燃機関の動弁制御装置 |
| JP2008255815A (ja) * | 2007-04-02 | 2008-10-23 | Toyota Motor Corp | ディーゼル機関 |
| JP2009133249A (ja) * | 2007-11-30 | 2009-06-18 | Toyota Motor Corp | 内燃機関の吸気装置 |
| JP2013032786A (ja) * | 2012-11-21 | 2013-02-14 | Toyota Motor Corp | 内燃機関の吸気装置 |
| JP2019116863A (ja) * | 2017-12-27 | 2019-07-18 | トヨタ自動車株式会社 | 内燃機関 |
-
2002
- 2002-07-05 JP JP2002197219A patent/JP2004036566A/ja active Pending
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