JP2005127273A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮行程終期において燃焼室内のガスの成層化をより適切に行う。
【解決手段】スワール上流側吸気ポート１６を、シリンダ１０周壁側で且つスワール上流側である領域２と、シリンダ１０中心側で且つスワール下流側である領域３と、に分割する仕切壁３６が設けられている。領域２からシリンダ１０内に吸入されるガスにおける所定成分の濃度を、領域３からシリンダ１０内に吸入されるガス及びスワール下流側吸気ポート１８からシリンダ１０内に吸入されるガスにおける所定成分の濃度より濃くすることにより、圧縮行程終期において燃焼室内のガスの所定成分に関する成層化の度合いを向上させることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃焼室内のガスの成層化を行う内燃機関に関する。

内燃機関においては、燃焼室内のガスの燃焼を適切に行うために、燃焼室内のガスの成層化が行われている。このガスの成層化を行う内燃機関の従来例が特開２００１−２８０１３９号公報（特許文献１）に開示されている。特許文献１においては、スワール上流側吸気ポートからシリンダ内下側及びスワール下流側吸気ポートからシリンダ内上側へそれぞれ組成の異なるガスを吸入することにより、シリンダ内上側及び下側に組成の異なるガスのスワール流を形成している。これによって、圧縮行程終期における燃焼室内のガスの成層化を図っている。そして、スワール上流側の吸気バルブとスワール下流側の吸気バルブとでスワール上流側の吸気バルブの方が早期に開くように開弁時期の位相をずらすことにより、燃焼室内におけるガスの成層化の向上を図っている。さらに、スワール上流側吸気ポートに仕切壁を設け、仕切壁により分けられた各領域から組成の異なるガスをシリンダ内へ吸入することにより、燃焼室内におけるガスの成層化の向上を図っている。なお、特許文献１において排気成分に関する成層化を行う場合は、排気ポートの排気成分を吸気ポートへ環流させる外部ＥＧＲを用いて排気成分をシリンダ内に吸入している。ＥＧＲガスの吸気ポートへの供給流量は、内燃機関の運転状態に応じて制御弁により制御される。

特開２００１−２８０１３９号公報

特許文献１においては、スワール上流側吸気ポートに仕切壁を設けているが、仕切壁の最適な配設位置についてまでは開示がなく、仕切壁の配設の仕方が不適切であると逆に燃焼室内におけるガスの成層化の度合いが低下してしまう。そして、スワール上流側の吸気バルブとスワール下流側の吸気バルブとで開弁時期の位相をずらしているが、スワール上流側吸気ポートとスワール下流側吸気ポートとでシリンダ内へのガスの吸入量はほとんど差がないため、濃いガスを供給する方の吸気ポートにおけるガスの濃度には限度があり、その結果、燃焼室内におけるガスの成層化の度合いにも限度がある。

また、特許文献１において排気成分に関する成層化を行う場合は、外部ＥＧＲを用いて排気成分をシリンダ内に吸入しているが、外部ＥＧＲを用いて排気成分に関する成層化を行うと、排気成分に関する成層化を適切に行うことができない場合がある。例えばＥＧＲガスを吸気ポートに環流させてシリンダ内に供給する場合は、吸気ポートでＥＧＲガスが新気によって希釈された状態でシリンダ内に吸入されることになるため、燃焼室内における排気成分に関する成層化の度合いが低下してしまう。そして、排気成分に関する成層化の度合いを内燃機関の運転状態に応じて変化させる場合を考えると、内燃機関の運転状態の変化に対してＥＧＲガスのシリンダ内への供給量に応答遅れが生じるため、排気成分に関する成層化を適切に行うことが困難となる。さらに、ＥＧＲガスの吸気ポートへの供給流量を内燃機関の運転状態に応じて制御弁により制御しているため、吸気ポート周辺の構成が複雑化してしまい、内燃機関の大型化及びコスト高を招いてしまう。

以上のように、特許文献１においては、燃焼室内のガスのより適切な成層化を行うための構成について、まだ改善の余地がある。

本発明は、燃焼室内のガスの成層化をより適切に行うことができる内燃機関を提供することを目的の１つとする。また、本発明は、機関の大型化及びコスト高を招くことなく燃焼室内のガスの成層化を行うことができる内燃機関を提供することを目的の１つとする。

本発明に係る内燃機関は、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。

本発明に係る内燃機関は、吸気行程においてシリンダ内上側及び下側に所定成分の濃度が異なるガスのスワール流が形成されるように、スワール上流側吸気ポート及びスワール下流側吸気ポートからそれぞれ所定成分の濃度が異なるガスをシリンダ内へ吸入することで、圧縮行程終期において燃焼室内のガスの所定成分に関する成層化を行う内燃機関であって、スワール上流側吸気ポートを、シリンダ周壁側で且つスワール上流側である第１領域と、シリンダ中心側で且つスワール下流側である第２領域と、に分割する仕切壁が設けられており、前記第１領域からシリンダ内に吸入されるガスは、スワール下流側吸気ポートからシリンダ内に吸入されるガスと所定成分の濃度が異なることを要旨とする。

この本発明においては、スワール上流側吸気ポートを、シリンダ周壁側で且つスワール上流側である第１領域と、シリンダ中心側で且つスワール下流側である第２領域と、に分割する仕切壁が設けられている。そして、第１領域からシリンダ内に吸入されるガスとスワール下流側吸気ポートからシリンダ内に吸入されるガスとで、所定成分の濃度を異ならせることにより、圧縮行程終期において燃焼室内のガスの所定成分に関する成層化の度合いを向上させることができる。したがって、燃焼室内のガスの成層化をより適切に行うことができる。

この本発明に係る内燃機関において、前記第１領域からシリンダ内に吸入されるガスは、前記第２領域からシリンダ内に吸入されるガス及びスワール下流側吸気ポートからシリンダ内に吸入されるガスより所定成分の濃度が濃いものとすることもできる。この本発明に係る内燃機関において、スワール上流側吸気ポートには、前記第２領域からシリンダ内へのガスの吸入を遮断する遮断手段が設けられており、吸気行程において前記第１領域のガスがスワール下流側吸気ポートのガスより早期にシリンダ内に吸入されるものとすることもできる。この本発明に係る内燃機関において、スワール上流側吸気ポートはタンジェンシャルポートであり、スワール下流側吸気ポートはヘリカルポートであるものとすることもできる。

また、本発明に係る内燃機関は、吸気行程においてシリンダ内上側及び下側に所定成分の濃度が異なるガスのスワール流が形成されるように、スワール上流側吸気バルブ及びスワール下流側吸気バルブを開けてスワール上流側吸気ポート及びスワール下流側吸気ポートからそれぞれ所定成分の濃度が異なるガスをシリンダ内へ吸入することで、圧縮行程終期において燃焼室内のガスの所定成分に関する成層化を行う内燃機関であって、所定成分の濃度が濃い方のガスは、所定成分の濃度が薄い方のガスよりシリンダ内への吸入量が少ないことを要旨とする。

この本発明においては、所定成分の濃度が濃い方のガスについて所定成分の濃度が薄い方のガスよりシリンダ内への吸入量を少なくすることにより、濃い方のガスにおける所定成分の濃度をさらに濃くすることができるので、圧縮行程終期において燃焼室内のガスの所定成分に関する成層化の度合いを向上させることができる。したがって、燃焼室内のガスの成層化をより適切に行うことができる。

この本発明に係る内燃機関において、所定成分の濃度が濃い方のガスをシリンダ内へ吸入させる吸気バルブは、所定成分の濃度が薄い方のガスをシリンダ内へ吸入させる吸気バルブより開弁期間及びフルリフト量の少なくとも一方が少ないものとすることもできる。

また、本発明に係る内燃機関は、吸気行程においてスワール上流側吸気バルブ及びスワール下流側吸気バルブを開けてスワール上流側吸気ポート及びスワール下流側吸気ポートからそれぞれ所定成分の濃度が異なるガスをシリンダ内へ吸入する内燃機関であって、スワール上流側吸気バルブとスワール下流側吸気バルブとが略同時に開く場合は、シリンダ内下側及び上側に所定成分の濃度が異なるガスのスワール流が形成されないようにスワール上流側吸気ポート及びスワール下流側吸気ポートの形状が設定されており、スワール上流側吸気バルブとスワール下流側吸気バルブとで開弁タイミングを異ならせることにより、シリンダ内下側及び上側に所定成分の濃度が異なるガスのスワール流が形成され、圧縮行程終期において燃焼室内のガスの所定成分に関する成層化が行われることを要旨とする。

この本発明においては、スワール上流側吸気バルブとスワール下流側吸気バルブとで開弁タイミングを異ならせることにより、吸気ポート周辺の構成が複雑化することなく圧縮行程終期において燃焼室内のガスの所定成分に関する成層化を行うことができる。したがって、機関の大型化及びコスト高を招くことなく燃焼室内のガスの成層化を行うことができる。

この本発明に係る内燃機関において、スワール上流側吸気ポート及びスワール下流側吸気ポートは、ともにヘリカルポートであるものとすることもできる。

また、本発明に係る内燃機関は、圧縮行程終期において燃焼室内のガスの排気成分に関する成層化を行う内燃機関であって、吸気行程の際に、シリンダ内が排気成分で略満たされておりピストンが下死点側へ移動しているときに吸気バルブを開け、吸気ポートからガスを吸入してシリンダ内上側にスワール流を形成することにより、圧縮行程開始時においてシリンダ下側の排気成分の濃度がシリンダ上側より濃いことを要旨とする。

この本発明においては、シリンダ内が排気成分で略満たされておりピストンが下死点側へ移動しているときに吸気バルブを開け、吸気ポートからガスを吸入してシリンダ内上側にスワール流を形成することにより、排気ポートの排気成分を吸気ポートへ環流させる外部ＥＧＲを用いることなく、圧縮行程終期において燃焼室内のガスの排気成分に関する成層化を行うことができる。したがって、燃焼室内のガスの排気成分に関する成層化をより適切に行うことができる。

この本発明に係る内燃機関において、排気行程の際に、ピストンが上死点に達して下死点側へ移動しても吸気バルブを開けずに排気バルブを開状態にして、排気ポートの排気成分をシリンダ内へ逆流させることにより、吸気バルブを開ける前にシリンダ内を排気成分で略満たすものとすることもできる。この本発明に係る内燃機関において、排気行程の際に、ピストンが上死点に達する前に排気バルブを閉じてシリンダ内の排気成分を閉じこめることにより、吸気バルブを開ける前にシリンダ内を排気成分で略満たすものとすることもできる。この本発明に係る内燃機関において、シリンダ内が排気成分で略満たされておりピストンが下死点側へ移動しているときに、スワール下流側吸気バルブを開けスワール下流側吸気ポートからガスを吸入してシリンダ内上側にスワール流を形成するとともに、スワール上流側吸気バルブを開けスワール下流側吸気ポートのガスより排気成分の濃いガスをスワール上流側吸気ポートから吸入してシリンダ内下側にスワール流を形成するものとすることもできる。

また、本発明に係る内燃機関は、圧縮行程終期において燃焼室内のガスの排気成分に関する成層化を行う内燃機関であって、吸気行程の際にピストンが下死点に達する前に吸気バルブを閉じて排気バルブを一時的に開け、排気ポートの排気成分を逆流させてシリンダ内上側にスワール流を形成することにより、圧縮行程開始時においてシリンダ上側の排気成分の濃度がシリンダ下側より濃いことを要旨とする。

この本発明においては、吸気行程の際にピストンが下死点に達する前に吸気バルブを閉じて排気バルブを一時的に開け、排気ポートの排気成分を逆流させてシリンダ内上側にスワール流を形成することにより、排気ポートの排気成分を吸気ポートへ環流させる外部ＥＧＲを用いることなく、圧縮行程終期において燃焼室内のガスの排気成分に関する成層化を行うことができる。したがって、燃焼室内のガスの排気成分に関する成層化をより適切に行うことができる。

この本発明に係る内燃機関において、吸気行程の際に吸気ポートから吸入されたガスはシリンダ内にスワール流を形成し、シリンダ内上側に形成される排気成分のスワール流が吸気ポートから吸入されたガスのスワール流と同一方向であるものとすることもできる。この態様の本発明に係る内燃機関において、前記排気ポートは、スワール上流側排気ポート及びスワール下流側排気ポートにより構成され、前記排気バルブは、スワール上流側排気バルブ及びスワール下流側排気バルブにより構成され、スワール上流側排気ポート及びスワール下流側排気ポートはともにヘリカルポートであり、ピストンが下死点に達する前に吸気バルブを閉じてスワール上流側排気バルブ及びスワール下流側排気バルブを一時的に開けるものとすることもできる。この態様の本発明に係る内燃機関において、前記排気ポートは、スワール上流側排気ポート及びスワール下流側排気ポートにより構成され、前記排気バルブは、スワール上流側排気バルブ及びスワール下流側排気バルブにより構成され、スワール下流側排気ポートはタンジェンシャルポートであり、ピストンが下死点に達する前に吸気バルブを閉じてスワール上流側排気バルブを開けずにスワール下流側排気バルブを一時的に開けるものとすることもできる。この本発明に係る内燃機関において、スワール上流側吸気バルブを開けスワール上流側吸気ポートからガスを吸入してシリンダ内下側にスワール流を形成するとともに、スワール下流側吸気バルブを開けスワール上流側吸気ポートのガスより排気成分の濃いガスをスワール下流側吸気ポートから吸入してシリンダ内上側にスワール流を形成するものとすることもできる。

以下、本発明を実施するための形態（以下実施形態という）を図面に従って説明する。

「第１実施形態」
図１〜３は、本発明の第１実施形態に係る内燃機関の構成の概略を示す模式図であり、図１は燃焼室周辺の内部構成図を示し、図２はシリンダ及び吸気ポートの外観斜視図を示し、図３はシリンダ及び吸気ポートの上面図を示す。本実施形態に係る内燃機関は、吸気行程においてシリンダ１０内上側及び下側に所定成分の濃度が異なるガスのスワール流を同一方向に形成することにより、燃焼室１２内のガスが燃焼する直前の圧縮行程終期において燃焼室１２内のガスの成層化を行うものである。

そして、本実施形態に係る内燃機関は、頂面の中央部にキャビティ部３４が形成されたピストン１４と、シリンダ１０内の上方に配設されたスワール上流側吸気ポート１６及びスワール下流側吸気ポート１８と、スワール上流側吸気ポート１６とシリンダ１０内とを開閉するスワール上流側吸気バルブ２０と、スワール下流側吸気ポート１８とシリンダ１０内とを開閉するスワール下流側吸気バルブ２２と、シリンダ１０内の上方に配設されたスワール上流側排気ポート２４及びスワール下流側排気ポート２６と、スワール上流側排気ポート２４とシリンダ１０内とを開閉するスワール上流側排気バルブ２８と、スワール下流側排気ポート２６とシリンダ１０内とを開閉するスワール下流側排気バルブ３０と、を備えている。

吸気行程においては、スワール下流側吸気バルブ２２及びスワール上流側吸気バルブ２０が開き、第１吸気ガス５２がスワール下流側吸気ポート１８からシリンダ１０内へ吸入されるとともに、第２吸気ガス５４がスワール上流側吸気ポート１６からシリンダ１０内へ吸入される。ここで、第１吸気ガス５２と第２吸気ガス５４とで、所定成分の濃度が異なっている。具体例としては、ＥＧＲを行う際に第１吸気ガス５２と第２吸気ガス５４とで排気成分の濃度が異なっている例や、第１吸気ガス５２と第２吸気ガス５４とで予混合気の空燃比が異なっている例等が挙げられる。

図２に示すように、スワール下流側吸気ポート１８の形状の一例はヘリカルポート形状であり、第１吸気ガス５２のシリンダ１０下方向の速度成分は小さく、第１吸気ガス５２のシリンダ１０周壁に沿ったスワール流がシリンダ１０内上側に形成される。一方、図２に示すように、スワール上流側吸気ポート１６の形状の一例はタンジェンシャルポート形状であり、第２吸気ガス５４がシリンダ１０斜め下方向に流出し、第２吸気ガス５４のシリンダ１０周壁に沿った第１吸気ガス５２と同一方向のスワール流がシリンダ１０内下側に形成される。以上の動作によって、吸気行程において所定成分の濃度が異なる吸気ガス５２，５４の同一方向のスワール流がシリンダ１０内上側及び下側にそれぞれ形成される。

圧縮行程においては、シリンダ１０内へ吸入された吸気ガス５２，５４がピストン１４により圧縮される。圧縮行程の後半には、ピストン１４の頂面の周辺部上に存在するガスが中央部のキャビティ部３４内へ流入するスキッシュ流が発生するとともに、遠心力によってキャビティ部３４の周壁に沿って流れ、キャビティ部３４の底面に向かう。図４（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、キャビティ部３４内は、第２吸気ガス５４でほぼ満たされた状態から、時間の経過とともに中央領域に第１吸気ガス５２が流入する。その結果、キャビティ部３４内の中央領域に第１吸気ガス５２が主に分布し、キャビティ部３４内の周辺領域及び底部領域に第２吸気ガス５４が主に分布する。そして、第１吸気ガス５２の濃度と第２吸気ガス５４の濃度とがほぼ等しくなる境界面は、図１に示すように、燃焼室１２の天井面中心部を中心とする概略扁平半球面３８となる。

以下、圧縮行程終期においてキャビティ部３４内の中央領域すなわち概略扁平半球面３８の内側における所定成分の濃度がキャビティ部３４内の周辺領域及び底部領域すなわち概略扁平半球面３８の外側における所定成分の濃度より濃い成層状態を「正成層」と称することにする。一方、圧縮行程終期においてキャビティ部３４内の周辺領域及び底部領域すなわち概略扁平半球面３８の外側における所定成分の濃度がキャビティ部３４内の中央領域すなわち概略扁平半球面３８の内側における所定成分の濃度より濃い成層状態を「逆成層」と称することにする。また、圧縮行程終期においてキャビティ部３４内の中央領域すなわち概略扁平半球面３８の内側における所定成分の濃度がキャビティ部３４内の周辺領域及び底部領域すなわち概略扁平半球面３８の外側における所定成分の濃度とほぼ等しい（成層化されていない）状態を「均質」と称することにする。なお、成層状態を示す「正成層」、「逆成層」及び「均質」の用語の意味は、各実施形態において上記の同一の意味で用いられる。

以上の動作によって、圧縮行程終期において燃焼室１２内のガスの所定成分に関する成層化が行われる。一方、成層化を行わない場合は、第１吸気ガス５２と第２吸気ガス５４とで所定成分の濃度をほぼ等しくする。なお、吸気行程及び圧縮行程におけるより詳細な動作については、特開２００１−２８０１３９号公報（特許文献１）を参照されたい。

そして、燃焼室１２内のガスが燃焼（火花点火機関の場合はプラグの点火による燃焼、圧縮点火機関の場合は圧縮着火による燃焼）することで、図示しないクランク軸に回転力を発生させる。燃焼後におけるシリンダ１０内のガスは、排気行程においてスワール上流側排気バルブ２８及びスワール下流側排気バルブ３０が開くことで、スワール上流側排気ポート２４及びスワール下流側排気ポート２６へ排出される。

次に、本願発明者が行った解析結果について説明する。

本実施形態においては、スワール上流側吸気ポート１６を分割する仕切壁３６を設けるが、スワール上流側吸気ポート１６をどのように分割すれば成層化の向上効果が大きいかをシミュレーションにより調べた。

図５（Ａ）に示すように、タンジェンシャルポート形状のスワール上流側吸気ポート１６を仕切壁３６−１，３６−２により領域１〜４に４分割し、吸気行程において領域１〜４のいずれか１領域からシリンダ１０内へ所定ガスを吸入させるシミュレーションを行った。その場合の圧縮行程終期における燃焼室１２内の所定ガスに関する濃度分布を調べた。ここで、仕切壁３６−１はスワール上流側吸気ポート１６をシリンダ１０周壁側領域（領域１，２）及びシリンダ１０中心側領域（領域３，４）に分割し、仕切壁３６−２はスワール上流側吸気ポート１６をスワール上流側領域（領域２，４）及びスワール下流側領域（領域１，３）に分割する。したがって、図５（Ａ）において、領域１はシリンダ１０周壁側で且つスワール下流側であり、領域２はシリンダ１０周壁側で且つスワール上流側であり、領域３はシリンダ１０中心側で且つスワール下流側であり、領域４はシリンダ１０中心側で且つスワール上流側である。

図５（Ｂ）に示すように、領域２からシリンダ１０内へ所定ガスを吸入させることにより、圧縮行程終期において燃焼室１２内の所定ガスに関する成層化の度合い（以下成層度とする）を向上できることがわかる。そこで、本実施形態では、図３及び図６（Ｄ）に示すように、スワール上流側吸気ポート１６を、シリンダ１０周壁側で且つスワール上流側である領域２と、シリンダ１０中心側で且つスワール下流側である領域３と、に分割する仕切壁３６を設ける。この仕切壁３６をスワール上流側吸気ポート１６に設けることによって、圧縮行程終期における燃焼室１２内の成層度を向上させる。

ここで、図６（Ａ）に示すように、仕切壁３６が無く、スワール上流側吸気ポート１６からＥＧＲ成分を含むガス（ＥＧＲ率５３．２％）をシリンダ１０内に吸入するとともに、スワール下流側吸気ポート１８から新気をシリンダ１０内に吸入することで、正成層化を行う場合の解析結果を図６（Ｂ），（Ｃ）に示す。図６（Ｂ）は圧縮行程中期におけるシリンダ１０内の排気成分に関する濃度分布を示し、図６（Ｃ）は圧縮行程終期における燃焼室１２内の排気成分に関する濃度分布を示す。

一方、図６（Ｄ）に示すように、スワール上流側吸気ポート１６に仕切壁３６を設け、領域２からほぼＥＧＲ成分で満たされたガス（ＥＧＲ率９６．９％）をシリンダ１０内に吸入するとともに、領域３及びスワール下流側吸気ポート１８から新気をシリンダ１０内に吸入することで、正成層化を行う場合の解析結果を図６（Ｅ），（Ｆ）に示す。図６（Ｅ）は圧縮行程中期におけるシリンダ１０内の排気成分に関する濃度分布を示し、図６（Ｆ）は圧縮行程終期における燃焼室１２内の排気成分に関する濃度分布を示す。なお、図６（Ｂ），（Ｃ）と図６（Ｅ），（Ｆ）とで、シリンダ１０内平均のＥＧＲ率がほぼ等しくなるように、シリンダ１０内へ吸入するガスのＥＧＲ率が設定されている。

図６（Ｃ），（Ｆ）に示すように、スワール上流側吸気ポート１６に仕切壁３６を設けて領域２からシリンダ１０内へＥＧＲガスを吸入させることにより、圧縮行程終期における燃焼室１２内の排気成分に関する成層度（最も濃度が濃い部分と最も濃度が薄い部分との比）を１．３から１．５に向上させることができる。

以上説明したように、本実施形態においては、スワール上流側吸気ポート１６を、シリンダ１０周壁側で且つスワール上流側である領域２と、シリンダ１０中心側で且つスワール下流側である領域３と、に分割する仕切壁３６が設けられている。そして、領域２からシリンダ１０内に吸入されるガスにおける所定成分の濃度を、領域３からシリンダ１０内に吸入されるガス及びスワール下流側吸気ポート１８からシリンダ１０内に吸入されるガスにおける所定成分の濃度より濃くすることにより、圧縮行程終期において燃焼室１２内のガスの所定成分に関する正成層化の度合いを向上させることができる。したがって、圧縮行程終期において燃焼室１２内のガスの成層化をより適切に行うことができる。

「第２実施形態」
図７は、本発明の第２実施形態に係る内燃機関の構成の概略を示す模式図であり、シリンダ及び吸気ポートの上面図を示す。本実施形態においては、第１実施形態と比較して、スワール上流側吸気ポート１６の領域３とシリンダ１０内とを開閉可能なバルブ４０が設けられている。

本実施形態において、燃焼室１２内のガスの所定成分に関する成層化を行うときは、バルブ４０を閉じて領域３からシリンダ１０内へのガスの吸入を遮断する。そして、スワール下流側吸気ポート１８から第１吸気ガス５２を吸入してシリンダ１０内上側にスワール流を形成するとともに、スワール上流側吸気ポート１６の領域２から第２吸気ガス５４を吸入してシリンダ１０内下側にスワール流を形成する。さらに、吸気行程において、領域２からの第２吸気ガス５４がスワール下流側吸気ポート１８からの第１吸気ガス５２より早期にシリンダ１０内に吸入されるように、スワール上流側吸気バルブ２０をスワール下流側吸気バルブ２２より早期に開ける。図８（Ａ），（Ｂ）はその例を示し、図８（Ａ）はスワール上流側吸気バルブ２０の方がスワール下流側吸気バルブ２２より早期に開くようにスワール上流側吸気バルブ２０とスワール下流側吸気バルブ２２とで開弁時期の位相をずらした場合を示す。そして、図８（Ｂ）はスワール上流側吸気バルブ２０の方がスワール下流側吸気バルブ２２より早期に開き、フルリフトタイミングが早く、且つ開弁期間及びフルリフト量が多い場合を示す。このように、スワール上流側吸気バルブ２０とスワール下流側吸気バルブ２２とで、開弁タイミングだけでなく、開弁期間及びフルリフト量の少なくとも一方を異ならせることも可能である。

ここで、第２吸気ガス５４における所定成分の濃度を第１吸気ガス５２における所定成分の濃度より濃くすることにより、所定成分に関する正成層化を行うことができる。一方、第１吸気ガス５２における所定成分の濃度を第２吸気ガス５４における所定成分の濃度より濃くすることにより、所定成分に関する逆成層化を行うことができる。

また、成層化を行わない場合は、バルブ４０を開け、第１吸気ガス５２と第２吸気ガス５４とで所定成分の濃度をほぼ等しくする。さらに、スワール上流側吸気バルブ２０とスワール下流側吸気バルブ２２とで開弁時期を同位相にする。成層化を行う場合と行わない場合とで吸気バルブのリフト特性が異なるが、リフト特性を異ならせることについては周知の可変バルブタイミング機構を用いることで実現可能である。

なお、他の構成及び動作については第１実施形態と同様であるため説明を省略する。

ここで、仕切壁３６及びバルブ４０が無く、スワール上流側吸気バルブ２０とスワール下流側吸気バルブ２２とで開弁時期が同位相である場合の解析結果を図９（Ａ）に示す。図９（Ａ）は、スワール上流側吸気ポート１６からＥＧＲ成分を含むガスをシリンダ１０内に吸入するとともにスワール下流側吸気ポート１８から新気をシリンダ１０内に吸入することで、排気成分に関する正成層化を行う場合であり、圧縮行程におけるシリンダ１０内の排気成分の濃度分布を示す。

次に、仕切壁３６を設けてバルブ４０を閉じ、スワール上流側吸気バルブ２０とスワール下流側吸気バルブ２２とで開弁時期が同位相である場合の解析結果を図９（Ｂ）に示す。図９（Ｂ）も、スワール上流側吸気ポート１６からＥＧＲ成分を含むガスをシリンダ１０内に吸入するとともにスワール下流側吸気ポート１８から新気をシリンダ１０内に吸入することで、排気成分に関する正成層化を行う場合であり、圧縮行程におけるシリンダ１０内の排気成分の濃度分布を示す。図９（Ｂ）の解析結果によれば、図９（Ａ）の解析結果よりスワール強度は向上するが、圧縮行程終期において成層化が行われない。

次に、仕切壁３６を設けてバルブ４０を閉じ、スワール上流側吸気バルブ２０の方がスワール下流側吸気バルブ２２より早期に開くようにスワール上流側吸気バルブ２０とスワール下流側吸気バルブ２２とで開弁時期の位相をずらした場合の解析結果を図９（Ｃ）に示す。図９（Ｃ）も、スワール上流側吸気ポート１６からＥＧＲ成分を含むガスをシリンダ１０内に吸入するとともにスワール下流側吸気ポート１８から新気をシリンダ１０内に吸入することで、排気成分に関する正成層化を行う場合であり、圧縮行程におけるシリンダ１０内の排気成分の濃度分布を示す。なお、図９（Ａ）〜（Ｃ）で、シリンダ１０内平均のＥＧＲ率がほぼ等しくなるように、シリンダ１０内へ吸入するガスのＥＧＲ率が設定されている。

図９（Ｃ）の解析結果によれば、図９（Ａ）の解析結果よりスワール強度が向上し、成層度も向上させることができる。さらに、濃度分布の軸対称性も向上させることができる。

このように、本実施形態においては、領域３からシリンダ１０内へのガスの吸入を遮断し、スワール下流側吸気ポート１８からシリンダ１０内に吸入される第１吸気ガス５２と領域３からシリンダ１０内へ吸入される第２吸気ガス５４とで所定成分の濃度を異ならせている。さらに、スワール上流側吸気バルブ２０をスワール下流側吸気バルブ２２より早期に開けることにより、圧縮行程終期において燃焼室１２内のガスの所定成分に関する成層化の度合いを向上させることができる。したがって、圧縮行程終期において燃焼室１２内のガスの成層化をより適切に行うことができる。

「第３実施形態」
本実施形態においては、第１実施形態と比較してスワール上流側吸気ポート１６の仕切壁３６が省略されている。

本実施形態において、燃焼室１２内のガスの所定成分に関する成層化を行うときは、所定成分の濃度が濃い方の吸気ガスのシリンダ１０内への吸入量を所定成分の濃度が薄い方の吸気ガスより少なくする。そのために、所定成分の濃度が濃い方の吸気ガスをシリンダ１０内へ吸入させる吸気バルブは、所定成分の濃度が薄い方の吸気ガスをシリンダ１０内へ吸入させる吸気バルブより開弁期間及びフルリフト量の少なくとも一方が少ない。これによって、所定成分の濃度が濃い方の吸気ガスのシリンダ１０内への吸入量が減少する分、その吸気ガスにおける所定成分の濃度を濃くすることができるので、成層度を向上させることができる。以下、本実施形態におけるスワール上流側吸気バルブ２０及びスワール下流側吸気バルブ２２のリフト特性について、幾つか具体例を挙げて説明する。

図１０（Ａ）〜（Ｃ）は、スワール下流側吸気ポート１８から所定成分の濃度が濃い方の第１吸気ガス５２を吸入してシリンダ１０内上側にスワール流を形成するとともに、スワール上流側吸気ポート１６から所定成分の濃度が薄い方の第２吸気ガス５４を吸入してシリンダ１０内下側にスワール流を形成することにより、逆成層化を行う場合のバルブリフト特性例を示す。一方、図１０（Ｄ）、（Ｅ）は、スワール下流側吸気ポート１８から所定成分の濃度が薄い方の第１吸気ガス５２を吸入してシリンダ１０内上側にスワール流を形成するとともに、スワール上流側吸気ポート１６から所定成分の濃度が濃い方の第２吸気ガス５４を吸入してシリンダ１０内下側にスワール流を形成することにより、正成層化を行う場合のバルブリフト特性例を示す。

図１０（Ａ）は、スワール下流側吸気バルブ２２の方がスワール上流側吸気バルブ２０より開弁期間及びフルリフト量が少ない場合を示す。さらに、スワール下流側吸気バルブ２２の方がスワール上流側吸気バルブ２０より遅いタイミングで開き且つフルリフトタイミングが遅く、スワール下流側吸気バルブ２２がスワール上流側吸気バルブ２０とほぼ同じタイミングで閉じる場合を示す。

図１０（Ｂ）は、スワール下流側吸気バルブ２２の方がスワール上流側吸気バルブ２０より開弁期間が少ない場合を示す。さらに、スワール下流側吸気バルブ２２の方がスワール上流側吸気バルブ２０より遅いタイミングで開きフルリフトタイミングが遅く且つ遅いタイミングで閉じる場合を示す。なお、図１０（Ｂ）の場合は、スワール上流側吸気バルブ２０とスワール下流側吸気バルブ２２とで、フルリフト量はほぼ等しい。

図１０（Ｃ）は、スワール下流側吸気バルブ２２の方がスワール上流側吸気バルブ２０よりフルリフト量が少ない場合を示す。さらに、スワール下流側吸気バルブ２２はスワール上流側吸気バルブ２０とほぼ同じタイミングで開きフルリフトタイミングがほぼ同じで且つほぼ同じタイミングで閉じる場合を示す。

図１０（Ｄ）は、スワール上流側吸気バルブ２０の方がスワール下流側吸気バルブ２２より開弁期間及びフルリフト量が少ない場合を示す。さらに、スワール上流側吸気バルブ２０がスワール下流側吸気バルブ２２とほぼ同じタイミングで開き、フルリフトタイミングが早く且つ早いタイミングで閉じる場合を示す。

図１０（Ｅ）は、スワール上流側吸気バルブ２０の方がスワール下流側吸気バルブ２２より開弁期間が少ない場合を示す。さらに、スワール上流側吸気バルブ２０の方がスワール下流側吸気バルブ２２より早いタイミングで開きフルリフトタイミングが早く且つ早いタイミングで閉じる場合を示す。なお、図１０（Ｅ）の場合は、スワール上流側吸気バルブ２０とスワール下流側吸気バルブ２２とで、フルリフト量はほぼ等しい。

また、成層化を行わない場合は、第１吸気ガス５２と第２吸気ガス５４とで所定成分の濃度をほぼ等しくし、スワール上流側吸気バルブ２０とスワール下流側吸気バルブ２２とで開弁時期を同位相にする。成層化を行う場合と行わない場合とで吸気バルブのリフト特性が異なるが、リフト特性を異ならせることについては周知の可変バルブタイミング機構を用いることで実現可能である。

なお、他の構成及び動作については第１実施形態と同様であるため説明を省略する。

ここで、図１１（Ａ）に示すようにスワール上流側吸気バルブ２０とスワール下流側吸気バルブ２２とで開弁時期が同位相、すなわち第１吸気ガス５２と第２吸気ガス５４とでシリンダ１０内への吸入量がほぼ等しい場合におけるシリンダ１０内の予混合気に関する濃度分布の解析結果を図１１（Ｂ）〜（Ｄ）に示す。図１１（Ｂ）は吸気行程中期における濃度分布を示し、図１１（Ｃ）は圧縮行程初期における濃度分布を示し、図１１（Ｄ）は圧縮行程終期における濃度分布を示す。また、図１１（Ｂ）〜（Ｄ）は、シリンダ１０内平均で当量比がほぼ０．２となるように、スワール下流側吸気ポート１８から予混合気が濃い方の第１吸気ガス５２（当量比０．４）をシリンダ１０内に吸入するとともに、スワール上流側吸気ポート１６から予混合気が薄い方の第２吸気ガス５４（当量比０）をシリンダ１０内に吸入した場合の解析結果である。

一方、図１１（Ｅ）に示すようにスワール下流側吸気バルブ２２の方がスワール上流側吸気バルブ２０より開弁期間及びフルリフト量が少ない場合におけるシリンダ１０内の予混合気に関する濃度分布の解析結果を図１１（Ｆ）〜（Ｈ）に示す。図１１（Ｆ）は吸気行程中期における濃度分布を示し、図１１（Ｇ）は圧縮行程初期における濃度分布を示し、図１１（Ｈ）は圧縮行程終期における濃度分布を示す。また、図１１（Ｆ）〜（Ｈ）は、シリンダ１０内平均で当量比がほぼ０．２となるように、スワール下流側吸気ポート１８から予混合気が濃い方の第１吸気ガス５２（当量比０．９）をシリンダ１０内に吸入するとともに、スワール上流側吸気ポート１６から予混合気が薄い方の第２吸気ガス５４（当量比０）をシリンダ１０内に吸入した場合の解析結果である。

図１１に示すように、本実施形態の吸気バルブのリフト特性により、圧縮行程終期における燃焼室１２内の予混合気に関する成層度を１．３から２．５に向上させることができる。このように、本実施形態においては、所定成分の濃度が濃い方の吸気ガスのシリンダ１０内への吸入量を所定成分の濃度が薄い方の吸気ガスより少なくすることにより、圧縮行程終期における燃焼室１２内のガスの成層度を向上させることができる。したがって、圧縮行程終期において燃焼室１２内のガスの成層化をより適切に行うことができる。

「第４実施形態」
本実施形態においても、第１実施形態と比較してスワール上流側吸気ポート１６の仕切壁３６が省略されている。そして、本実施形態においては、スワール上流側吸気ポート１６及びスワール下流側吸気ポート１８の形状の一例は、図１２に示すように、ともにヘリカルポート形状である。

本実施形態の構成において、まずスワール上流側吸気バルブ２０とスワール下流側吸気バルブ２２とで、図１３（Ａ）に示すように開弁時期が同位相である場合を考える。その場合におけるシリンダ１０内の排気成分に関する濃度分布の解析結果を図１３（Ｂ）〜（Ｄ）に示す。ここで、図１３（Ｂ）は圧縮行程初期における濃度分布を示し、図１３（Ｃ）は圧縮行程中期における濃度分布を示し、図１３（Ｄ）は圧縮行程後期における濃度分布を示す。また、図１３（Ｂ）〜（Ｄ）は、スワール下流側吸気ポート１８からＥＧＲ率の低い方の第１吸気ガス５２をシリンダ１０内に吸入するとともに、スワール上流側吸気ポート１６からＥＧＲ率の高い方の第２吸気ガス５４をシリンダ１０内に吸入した場合の解析結果である。

スワール上流側吸気バルブ２０とスワール下流側吸気バルブ２２とで開弁時期が同位相である場合は、スワール下流側吸気ポート１８から吸入された第１吸気ガス５２及びスワール上流側吸気ポート１６から吸入された第２吸気ガス５４は、シリンダ１０内上側及び下側に濃度の異なるスワール流を形成しない。そして、図１３（Ｂ）〜（Ｄ）に示すように、第１吸気ガス５２及び第２吸気ガス５４は、吸気行程後には絡み合う２つの螺旋状の流れを形成し、圧縮行程後期には混ざり合って成層化が行われない。すなわち、この場合、圧縮行程終期における成層状態は「均質」となる。

次に、スワール上流側吸気バルブ２０の方がスワール下流側吸気バルブ２２より早期に開くように、スワール上流側吸気バルブ２０とスワール下流側吸気バルブ２２とで開弁時期の位相をずらした場合（図１３（Ｅ）に示す場合）を考える。その場合におけるシリンダ１０内の排気成分に関する濃度分布の解析結果を図１３（Ｆ）〜（Ｉ）に示す。図１３（Ｆ）は圧縮行程初期における濃度分布を示し、図１３（Ｇ）は圧縮行程中期における濃度分布を示し、図１３（Ｈ）は圧縮行程後期における濃度分布を示し、図１３（Ｉ）は圧縮行程終期における濃度分布を示す。また、図１３（Ｆ）〜（Ｉ）は、スワール下流側吸気ポート１８からＥＧＲ率の低い方の第１吸気ガス５２をシリンダ１０内に吸入するとともに、スワール上流側吸気ポート１６からＥＧＲ率の高い方の第２吸気ガス５４をシリンダ１０内に吸入した場合の解析結果である。

スワール上流側吸気バルブ２０の方がスワール下流側吸気バルブ２２より早く開くことで、吸気行程の際にスワール上流側吸気ポート１６から吸入された第２吸気ガス５４がピストン１４の下死点への移動によりシリンダ１０内下側へ引っ張られてシリンダ１０内下側にスワール流を形成するとともに、スワール下流側吸気ポート１８から吸入された第１吸気ガス５２がシリンダ１０内上側にスワール流を形成する。したがって、吸気行程の際に、シリンダ１０内下側の排気成分の濃度がシリンダ１０内上側の排気成分の濃度より濃い状態で、排気成分に関する成層化が行われる。その後、図１３（Ｆ）〜（Ｈ）に示すように圧縮行程の際にもこの成層状態が維持され、図１３（Ｉ）に示すように圧縮行程終期において排気成分に関する正成層化が行われる。

一方、スワール上流側吸気バルブ２０の方がスワール下流側吸気バルブ２２より早期に開く状態で、スワール下流側吸気ポート１８からＥＧＲ率の高い方の第１吸気ガス５２をシリンダ１０内に吸入するとともにスワール上流側吸気ポート１６からＥＧＲ率の低い方の第２吸気ガス５４をシリンダ１０内に吸入することにより、圧縮行程終期において排気成分に関する逆成層化が行われる。

また、スワール下流側吸気バルブ２２の方がスワール上流側吸気バルブ２０より早期に開く場合は、吸気行程の際に第１吸気ガス５２の方がシリンダ１０内下側にスワール流を形成する。この場合は、スワール下流側吸気ポート１８からＥＧＲ率の高い方の第１吸気ガス５２をシリンダ１０内に吸入するとともにスワール上流側吸気ポート１６からＥＧＲ率の低い方の第２吸気ガス５４をシリンダ１０内に吸入することにより、圧縮行程終期において排気成分に関する正成層化が行われる。一方、スワール下流側吸気ポート１８からＥＧＲ率の低い方の第１吸気ガス５２をシリンダ１０内に吸入するとともにスワール上流側吸気ポート１６からＥＧＲ率の高い方の第２吸気ガス５４をシリンダ１０内に吸入することにより、圧縮行程終期において排気成分に関する逆成層化が行われる。ただし、スワール下流側吸気バルブ２２及びスワール上流側吸気バルブ２０の両方が開いているときは、スワール上流側吸気ポート１６からの第２吸気ガス５４がスワール下流側吸気ポート１８からの第１吸気ガス５２よりシリンダ１０内下側へ流れようとする。したがって、スワール下流側吸気バルブ２２の方をスワール上流側吸気バルブ２０より早期に開けることにより成層化を行う場合は、スワール下流側吸気バルブ２２の開弁時期とスワール上流側吸気バルブ２０の開弁時期とのオーバーラップ期間が短い方が好ましい。

なお、他の構成及び動作については第１実施形態と同様であるため説明を省略する。

本実施形態においては、スワール上流側吸気バルブ２０とスワール下流側吸気バルブ２２とで開弁タイミングが同じときは、圧縮行程終期において燃焼室１２内のガスの成層化が行われない。ただし、スワール上流側吸気バルブ２０とスワール下流側吸気バルブ２２とで開弁タイミングが異なるときは、圧縮行程終期において燃焼室１２内のガスの成層化が行われる。このように、スワール上流側吸気バルブ２０とスワール下流側吸気バルブ２２とで開弁タイミングを異ならせることにより、圧縮行程終期において燃焼室１２内のガスの成層化を行うことができる。したがって、吸気ポート１６，１８周辺の構成が複雑化することなく、燃焼室１２内のガスの成層化を行うことができる。

なお、成層化を行う場合と行わない場合とで吸気バルブのリフト特性が異なるが、リフト特性を異ならせることについては周知の可変バルブタイミング機構を用いることで実現可能である。また、本実施形態においても、スワール上流側吸気バルブ２０とスワール下流側吸気バルブ２２とで、開弁タイミングだけでなく、開弁期間及びフルリフト量の少なくとも一方を異ならせることも可能である。その場合は、第３実施形態と同様に、所定成分の濃度が濃い方のガスをシリンダ１０内へ吸入させる吸気バルブについて、開弁期間及びフルリフト量の少なくとも一方を少なくすることが好ましい。

「第５実施形態」
本実施形態においても、第１実施形態と比較してスワール上流側吸気ポート１６の仕切壁３６が省略されている。そして、本実施形態においては、圧縮行程終期において燃焼室１２内のガスの排気成分に関する成層化を行う。

正成層化を行う場合は、図１４（Ａ）に示すように、スワール上流側吸気バルブ２０及びスワール下流側吸気バルブ２２を開ける前に、シリンダ１０内を排気成分（残留ガス）で略満たした状態にする。ここで、図１５（Ａ）のバルブタイミング線図に示すように、排気行程の際にピストン１４が上死点に達して下死点側への移動を開始しても、吸気バルブ２０，２２を開けることなく排気バルブ２８，３０を開状態とすることにより、排気ポート２４，２６の排気成分をシリンダ１０内へ逆流させる。この排気成分の逆流によって、吸気バルブ２０，２２を開ける前にシリンダ１０内を排気成分で略満たすことができる。あるいは、図１５（Ｂ）のバルブタイミング線図に示すように、排気行程の際にピストン１４が上死点に達する前に排気バルブ２８，３０を閉じてシリンダ１０内の排気成分（残留ガス）を閉じこめることによっても、吸気バルブ２０，２２を開ける前にシリンダ１０内を排気成分（残留ガス）で略満たすことができる。なお、図１５（Ｂ）のバルブタイミング線図においては、バルブオーバーラップ期間は無く、排気バルブ２８，３０が閉じた後にクランク軸が所定角度回転してから吸気バルブ２０，２２が開く（負のオーバーラップ）。

そして、図１４（Ｂ）に示すように、シリンダ１０内が排気成分（残留ガス）で略満たされておりピストン１４が下死点側へ移動しているときに、吸気バルブ２０，２２を開ける。吸気バルブ２０，２２が開くと、スワール下流側吸気ポート１８及びスワール上流側吸気ポート１６から第１吸気ガス５２及び第２吸気ガス５４がそれぞれシリンダ１０内に吸入される。ここで、第１吸気ガス５２及び第２吸気ガス５４は、例えばともに新気である。そして、シリンダ１０下方向の速度成分が小さい吸気ガス５２，５４のスワール流がシリンダ１０内上側に形成されるように、スワール上流側吸気ポート１６及びスワール下流側吸気ポート１８の形状が設定されている。一例を挙げると、スワール上流側吸気ポート１６及びスワール下流側吸気ポート１８の形状は、ともにヘリカルポート形状とする。吸気バルブ２０，２２が開くと、図１４（Ｂ）に示すように、シリンダ１０内の排気成分（残留ガス）は第１吸気ガス５２及び第２吸気ガス５４（ともに新気）のスワール流により押しのけられるとともに、ピストン１４の下死点への下降によりシリンダ１０内下側に引っ張られて下降する。

その結果、圧縮行程開始時（吸気行程後）には、図１４（Ｃ）に示すように、シリンダ１０内上側には新気が主に分布し、シリンダ１０内下側には排気成分（残留ガス）が主に分布する。すなわち、圧縮行程開始時において、シリンダ１０内下側の排気成分（残留ガス）の濃度がシリンダ１０内上側の排気成分（残留ガス）の濃度より濃い状態で、排気成分（残留ガス）に関する成層化が行われる。この圧縮行程開始時における排気成分に関する成層化によって、圧縮行程終期において排気成分に関する正成層化が行われる。

一方、逆成層化を行う場合は、図１６（Ａ）に示すように、まず吸気行程の際にスワール下流側吸気バルブ２２及びスワール上流側吸気バルブ２０が開き、スワール下流側吸気ポート１８及びスワール上流側吸気ポート１６から第１吸気ガス５２及び第２吸気ガス５４がそれぞれシリンダ１０内に吸入される。ここで、第１吸気ガス５２及び第２吸気ガス５４は、例えばともに新気である。また、シリンダ１０内に僅かに残っていた排気成分（残留ガス）は、シリンダ１０内にほぼ均等に拡散する。

そして、図１７のバルブタイミング線図に示すように、ピストン１４が下死点に達する前に吸気バルブ２０，２２を閉じる。その後排気バルブを一時的に開けることにより、排気ポートの排気成分をシリンダ１０内に逆流させる。ここで、吸気ガス５２，５４のスワール流と同一方向でシリンダ１０下方向の速度成分が小さい排気成分５６のスワール流がシリンダ１０内上側に形成されるように、排気ポートの形状及び開ける排気バルブが設定されている。例えば、図１８（Ａ）に示すように、スワール上流側排気ポート２４及びスワール下流側排気ポート２６の形状をともにスワール上流側吸気ポート１６及びスワール下流側吸気ポート１８と略同一形状のヘリカルポート形状とする。この場合は、吸気バルブ２０，２２を閉じた後にスワール上流側排気バルブ２８とスワール下流側排気バルブ３０の両方を開ける。あるいは、図１８（Ｂ）に示すように、スワール上流側排気ポート２４及びスワール下流側排気ポート２６の形状をタンジェンシャルポート形状とすることもできる。この場合は、吸気バルブ２０，２２を閉じた後にスワール上流側排気バルブ２８を開けずにスワール下流側排気バルブ３０のみを開ける。排気バルブが開いて排気ポートの排気成分５６がシリンダ１０内に逆流すると、図１６（Ｂ）に示すように、シリンダ１０内の新気は排気成分５６のスワール流により押しのけられるとともに、ピストン１４の下死点への下降によりシリンダ１０内下側に引っ張られて下降する。

その結果、圧縮行程開始時には、図１６（Ｃ）に示すように、シリンダ１０内上側には排気成分が主に分布し、シリンダ１０内下側には新気が主に分布する。すなわち、圧縮行程開始時において、シリンダ１０内上側の排気成分の濃度がシリンダ１０内下側の排気成分の濃度より濃い状態で、排気成分に関する成層化が行われる。この圧縮行程開始時における排気成分に関する成層化によって、圧縮行程終期において排気成分に関する逆成層化が行われる。

ここで、排気成分に関する正成層化を行う場合における吸気バルブ２０，２２を開くタイミングについては、成層化を行わない「均質」の場合よりタイミングが遅くなる。そして、正成層化を行う場合における排気バルブ２８，３０を閉じるタイミングについては、図１５（Ａ）に示すバルブタイミング線図の場合は「均質」の場合よりタイミングが遅くなり、図１５（Ｂ）に示すバルブタイミング線図の場合は「均質」の場合よりタイミングが早くなる。一方、排気成分に関する逆成層化を行う場合における吸気バルブ２０，２２を閉じるタイミングについては、「均質」の場合よりタイミングが早くなる。このように、排気成分に関する成層化を行う場合と行わない場合とで、吸気バルブ２０，２２及び排気バルブ２８，３０のリフト特性が異なるが、リフト特性を異ならせることについては周知の可変バルブタイミング機構を用いることで実現可能である。

なお、他の構成及び動作については第１実施形態と同様であるため説明を省略する。また、本実施形態のように、排気ポートの排気成分を吸気ポートへ環流させることなく行うＥＧＲを内部ＥＧＲと称することにする。

このように、本実施形態においては、排気ポートの排気成分を吸気ポートへ環流させる外部ＥＧＲを用いることなく、圧縮行程終期において燃焼室１２内のガスの排気成分に関する成層化を行うことができる。したがって、燃焼室１２内のガスの排気成分に関する成層化をより適切に行うことができる。さらに、燃焼室１２内における正成層〜均質〜逆成層の成層状態の変更を応答よく行うことができる。

「第６実施形態」
本実施形態においても第５実施形態と同様に、圧縮行程終期において燃焼室１２内のガスの排気成分に関する成層化を行う。ただし、本実施形態では、第５実施形態の内部ＥＧＲと外部ＥＧＲの両方を用いる。

正成層化を行う場合は、図１９（Ａ）に示すように、スワール上流側吸気バルブ２０及びスワール下流側吸気バルブ２２を開ける前に、シリンダ１０内を排気成分（残留ガス）で略満たした状態にする。吸気バルブ２０，２２を開ける前にシリンダ１０内を排気成分（残留ガス）で略満たす動作については、第５実施形態と同様であるため説明を省略する。

そして、図１９（Ｂ）に示すように、シリンダ１０内が排気成分（残留ガス）で略満たされておりピストン１４が下死点側へ移動しているときに、吸気バルブ２０，２２を開ける。吸気バルブ２０，２２が開くと、スワール下流側吸気ポート１８及びスワール上流側吸気ポート１６から第１吸気ガス５２及び第２吸気ガス５４がそれぞれシリンダ１０内に吸入される。ここで、第１吸気ガス５２は例えば新気であり、第２吸気ガス５４は例えばＥＧＲ成分を含むガス（排気成分のみ、またはＥＧＲ率の高いガス）である。そして、シリンダ１０下方向の速度成分が小さい第１吸気ガス５２のスワール流がシリンダ１０内上側に形成され第２吸気ガス５４のスワール流がシリンダ１０内下側に形成されるように、スワール上流側吸気ポート１６及びスワール下流側吸気ポート１８の形状が設定されている。例えば、スワール上流側吸気ポート１６の形状はタンジェンシャルポート形状とし、スワール下流側吸気ポート１８の形状はヘリカルポート形状とする。吸気バルブ２０，２２が開くと、図１９（Ｂ）に示すように、シリンダ１０内の排気成分は第１吸気ガス５２（新気）のスワール流により押しのけられるとともに、ピストン１４の下死点への下降によりシリンダ１０内下側に引っ張られて下降する。

その結果、圧縮行程開始時（吸気行程後）には、図１９（Ｃ）に示すように、シリンダ１０内上側には新気が主に分布し、シリンダ１０内下側には排気成分が主に分布する。すなわち、圧縮行程開始時において、シリンダ１０内下側の排気成分の濃度がシリンダ１０内上側の排気成分の濃度より濃い状態で、排気成分に関する成層化が行われる。この圧縮行程開始時における排気成分に関する成層化によって、圧縮行程終期において排気成分に関する正成層化が行われる。

一方、逆成層化を行う場合は、図２０（Ａ）に示すように、まず吸気行程の際にスワール下流側吸気バルブ２２及びスワール上流側吸気バルブ２０が開き、スワール下流側吸気ポート１８及びスワール上流側吸気ポート１６から第１吸気ガス５２及び第２吸気ガス５４がそれぞれシリンダ１０内に吸入される。ここで、第１吸気ガス５２は例えばＥＧＲ成分を含むガス（排気成分のみ、またはＥＧＲ率の高いガス）であり、第２吸気ガス５４は例えば新気である。そして、既述の正成層化を行う例と同様に、シリンダ１０下方向の速度成分が小さい第１吸気ガス５２のスワール流がシリンダ１０内上側に形成され第２吸気ガス５４のスワール流がシリンダ１０内下側に形成されるように、スワール上流側吸気ポート１６及びスワール下流側吸気ポート１８の形状が設定されている。

そして、図１７に示すように、ピストン１４が下死点に達する前に吸気バルブ２０，２２を閉じる。その後排気バルブを一時的に開くことにより、排気ポートの排気成分をシリンダ１０内に逆流させる。ここで、既述の第５実施形態と同様に、吸気ガス５２，５４のスワール流と同一方向でシリンダ１０下方向の速度成分が小さい排気成分５６のスワール流がシリンダ１０内上側に形成されるように、排気ポートの形状及び開ける排気バルブが設定されている。例えば、スワール上流側排気ポート２４及びスワール下流側排気ポート２６の形状をともにスワール下流側吸気ポート１８と略同一形状のヘリカルポート形状とし、吸気バルブ２０，２２を閉じた後にスワール上流側排気バルブ２８とスワール下流側排気バルブ３０の両方を開ける。あるいは、スワール上流側排気ポート２４及びスワール下流側排気ポート２６の形状をタンジェンシャルポート形状とし、吸気バルブ２０，２２を閉じた後にスワール上流側排気バルブ２８を開けずにスワール下流側排気バルブ３０のみを開ける。排気バルブが開いて排気ポート内の排気成分５６がシリンダ１０内に逆流すると、図２０（Ｂ）に示すように、シリンダ１０内の新気はピストン１４の下死点への下降によりシリンダ１０内下側に引っ張られて下降する。

その結果、圧縮行程開始時には、図２０（Ｃ）に示すように、シリンダ１０内上側には排気成分が主に分布し、シリンダ１０内下側には新気が主に分布する。すなわち、圧縮行程開始時において、シリンダ１０内上側の排気成分の濃度がシリンダ１０内下側の排気成分の濃度より濃い状態で、排気成分に関する成層化が行われる。この圧縮行程開始時における排気成分に関する成層化によって、圧縮行程終期において排気成分に関する逆成層化が行われる。

なお、他の構成及び動作については第５実施形態と同様であるため説明を省略する。

本実施形態においても、内部ＥＧＲを用いて排気成分に関する成層化を行うことにより、燃焼室１２内のガスの排気成分に関する成層化をより適切に行うことができる。さらに、燃焼室１２内における正成層〜均質〜逆成層の成層状態の変更を応答よく行うことができる。

ここで、図１５（Ｂ）のバルブタイミング線図により内部ＥＧＲを行うことで正成層化を行った場合の解析結果を図２１に示す。このように、本実施形態によれば、内部ＥＧＲを用いることにより、圧縮行程終期において燃焼室１２内のガスの排気成分に関する成層化を行うことができる。

各実施形態において、正成層〜均質〜逆成層の成層状態については、内燃機関の回転速度及び負荷等の運転状態に応じて変更することも可能である。例えば、排気成分に関する成層化の場合は、低回転速度及び低負荷運転のときは正成層化を行い、中回転速度及び中負荷運転のときは均質化を行い、高回転速度及び高負荷運転のときは逆成層化を行うことも可能である。

各実施形態における燃焼室１２内のガスの成層化の具体例については、主に排気成分に関する成層化の場合について説明した。ただし、第１〜４実施形態においては、例えば予混合気の成層化等、他の種類のガスに関する成層化も行うことができる。

また、本発明は、火花点火機関及び圧縮点火機関に関係なく適用可能である。そして、本発明は、燃料を吸気管内に噴射する内燃機関及び燃料を筒内に直接噴射する内燃機関に関係なく適用可能である。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明の第１実施形態に係る内燃機関の内部構成の概略を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る内燃機関の構成の概略を示す斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る内燃機関の構成の概略を示す上面図である。 圧縮行程におけるシリンダ内のガスの濃度分布を示す図である。 スワール上流側吸気ポートを４分割した場合における燃焼室内のガスの濃度分布を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る内燃機関による成層度向上を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る内燃機関の構成の概略を示す上面図である。 本発明の第２実施形態に係る内燃機関の動作を説明するための吸気バルブのリフト特性例を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る内燃機関による成層度向上を示す図である。 本発明の第３実施形態に係る内燃機関の動作を説明するための吸気バルブのリフト特性例を示す図である。 本発明の第３実施形態に係る内燃機関による成層度向上を示す図である。 本発明の第４実施形態に係る内燃機関の構成の概略を示す斜視図である。 本発明の第４実施形態に係る内燃機関による成層度向上を示す図である。 本発明の第５実施形態に係る内燃機関の動作を説明する図である。 本発明の第５実施形態に係る内燃機関の動作を説明するためのバルブタイミング線図である。 本発明の第５実施形態に係る内燃機関の動作を説明する図である。 本発明の第５実施形態に係る内燃機関の動作を説明するためのバルブタイミング線図である。 本発明の第５実施形態に係る内燃機関に用いられる排気ポートの例を示す図である。 本発明の第６実施形態に係る内燃機関の動作を説明する図である。 本発明の第６実施形態に係る内燃機関の動作を説明する図である。 本発明の第６実施形態に係る内燃機関による成層度向上を示す図である。

符号の説明

１０ シリンダ、１２ 燃焼室、１４ ピストン、１６ スワール上流側吸気ポート、１８ スワール下流側吸気ポート、２０ スワール上流側吸気バルブ、２２ スワール下流側吸気バルブ、２４ スワール上流側排気ポート、２６ スワール下流側排気ポート、２８ スワール上流側排気バルブ、３０ スワール下流側排気バルブ、３６ 仕切壁、４０ バルブ、５２ 第１吸気ガス、５４ 第２吸気ガス。

Claims (17)

1. 吸気行程においてシリンダ内上側及び下側に所定成分の濃度が異なるガスのスワール流が形成されるように、スワール上流側吸気ポート及びスワール下流側吸気ポートからそれぞれ所定成分の濃度が異なるガスをシリンダ内へ吸入することで、圧縮行程終期において燃焼室内のガスの所定成分に関する成層化を行う内燃機関であって、
   スワール上流側吸気ポートを、シリンダ周壁側で且つスワール上流側である第１領域と、シリンダ中心側で且つスワール下流側である第２領域と、に分割する仕切壁が設けられており、
   前記第１領域からシリンダ内に吸入されるガスは、スワール下流側吸気ポートからシリンダ内に吸入されるガスと所定成分の濃度が異なることを特徴とする内燃機関。
2. 請求項１に記載の内燃機関であって、
   前記第１領域からシリンダ内に吸入されるガスは、前記第２領域からシリンダ内に吸入されるガス及びスワール下流側吸気ポートからシリンダ内に吸入されるガスより所定成分の濃度が濃いことを特徴とする内燃機関。
3. 請求項１に記載の内燃機関であって、
   スワール上流側吸気ポートには、前記第２領域からシリンダ内へのガスの吸入を遮断する遮断手段が設けられており、
   吸気行程において前記第１領域のガスがスワール下流側吸気ポートのガスより早期にシリンダ内に吸入されることを特徴とする内燃機関。
4. 請求項１〜３のいずれか１に記載の内燃機関であって、
   スワール上流側吸気ポートはタンジェンシャルポートであり、スワール下流側吸気ポートはヘリカルポートであることを特徴とする内燃機関。
5. 吸気行程においてシリンダ内上側及び下側に所定成分の濃度が異なるガスのスワール流が形成されるように、スワール上流側吸気バルブ及びスワール下流側吸気バルブを開けてスワール上流側吸気ポート及びスワール下流側吸気ポートからそれぞれ所定成分の濃度が異なるガスをシリンダ内へ吸入することで、圧縮行程終期において燃焼室内のガスの所定成分に関する成層化を行う内燃機関であって、
   所定成分の濃度が濃い方のガスは、所定成分の濃度が薄い方のガスよりシリンダ内への吸入量が少ないことを特徴とする内燃機関。
6. 請求項５に記載の内燃機関であって、
   所定成分の濃度が濃い方のガスをシリンダ内へ吸入させる吸気バルブは、所定成分の濃度が薄い方のガスをシリンダ内へ吸入させる吸気バルブより開弁期間及びフルリフト量の少なくとも一方が少ないことを特徴とする内燃機関。
7. 吸気行程においてスワール上流側吸気バルブ及びスワール下流側吸気バルブを開けてスワール上流側吸気ポート及びスワール下流側吸気ポートからそれぞれ所定成分の濃度が異なるガスをシリンダ内へ吸入する内燃機関であって、
   スワール上流側吸気バルブとスワール下流側吸気バルブとが略同時に開く場合は、シリンダ内下側及び上側に所定成分の濃度が異なるガスのスワール流が形成されないようにスワール上流側吸気ポート及びスワール下流側吸気ポートの形状が設定されており、
   スワール上流側吸気バルブとスワール下流側吸気バルブとで開弁タイミングを異ならせることにより、シリンダ内下側及び上側に所定成分の濃度が異なるガスのスワール流が形成され、圧縮行程終期において燃焼室内のガスの所定成分に関する成層化が行われることを特徴とする内燃機関。
8. 請求項７に記載の内燃機関であって、
   スワール上流側吸気ポート及びスワール下流側吸気ポートは、ともにヘリカルポートであることを特徴とする内燃機関。
9. 圧縮行程終期において燃焼室内のガスの排気成分に関する成層化を行う内燃機関であって、
   吸気行程の際に、シリンダ内が排気成分で略満たされておりピストンが下死点側へ移動しているときに吸気バルブを開け、吸気ポートからガスを吸入してシリンダ内上側にスワール流を形成することにより、圧縮行程開始時においてシリンダ下側の排気成分の濃度がシリンダ上側より濃いことを特徴とする内燃機関。
10. 請求項９に記載の内燃機関であって、
    排気行程の際に、ピストンが上死点に達して下死点側へ移動しても吸気バルブを開けずに排気バルブを開状態にして、排気ポートの排気成分をシリンダ内へ逆流させることにより、吸気バルブを開ける前にシリンダ内を排気成分で略満たすことを特徴とする内燃機関。
11. 請求項９に記載の内燃機関であって、
    排気行程の際に、ピストンが上死点に達する前に排気バルブを閉じてシリンダ内の排気成分を閉じこめることにより、吸気バルブを開ける前にシリンダ内を排気成分で略満たすことを特徴とする内燃機関。
12. 請求項９〜１１のいずれか１に記載の内燃機関であって、
    シリンダ内が排気成分で略満たされておりピストンが下死点側へ移動しているときに、スワール下流側吸気バルブを開けスワール下流側吸気ポートからガスを吸入してシリンダ内上側にスワール流を形成するとともに、スワール上流側吸気バルブを開けスワール下流側吸気ポートのガスより排気成分の濃いガスをスワール上流側吸気ポートから吸入してシリンダ内下側にスワール流を形成することを特徴とする内燃機関。
13. 圧縮行程終期において燃焼室内のガスの排気成分に関する成層化を行う内燃機関であって、
    吸気行程の際にピストンが下死点に達する前に吸気バルブを閉じて排気バルブを一時的に開け、排気ポートの排気成分を逆流させてシリンダ内上側にスワール流を形成することにより、圧縮行程開始時においてシリンダ上側の排気成分の濃度がシリンダ下側より濃いことを特徴とする内燃機関。
14. 請求項１３に記載の内燃機関であって、
    吸気行程の際に吸気ポートから吸入されたガスはシリンダ内にスワール流を形成し、
    シリンダ内上側に形成される排気成分のスワール流が吸気ポートから吸入されたガスのスワール流と同一方向であることを特徴とする内燃機関。
15. 請求項１４に記載の内燃機関であって、
    前記排気ポートは、スワール上流側排気ポート及びスワール下流側排気ポートにより構成され、
    前記排気バルブは、スワール上流側排気バルブ及びスワール下流側排気バルブにより構成され、
    スワール上流側排気ポート及びスワール下流側排気ポートはともにヘリカルポートであり、
    ピストンが下死点に達する前に吸気バルブを閉じてスワール上流側排気バルブ及びスワール下流側排気バルブを一時的に開けることを特徴とする内燃機関。
16. 請求項１４に記載の内燃機関であって、
    前記排気ポートは、スワール上流側排気ポート及びスワール下流側排気ポートにより構成され、
    前記排気バルブは、スワール上流側排気バルブ及びスワール下流側排気バルブにより構成され、
    スワール下流側排気ポートはタンジェンシャルポートであり、
    ピストンが下死点に達する前に吸気バルブを閉じてスワール上流側排気バルブを開けずにスワール下流側排気バルブを一時的に開けることを特徴とする内燃機関。
17. 請求項１３〜１６のいずれか１に記載の内燃機関であって、
    スワール上流側吸気バルブを開けスワール上流側吸気ポートからガスを吸入してシリンダ内下側にスワール流を形成するとともに、スワール下流側吸気バルブを開けスワール上流側吸気ポートのガスより排気成分の濃いガスをスワール下流側吸気ポートから吸入してシリンダ内上側にスワール流を形成することを特徴とする内燃機関。