JP2006266088A - エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明の目的は、ＥＧＲを実施するエンジンにおいて、簡単な構成で、燃焼室における排ガスの成層化又は均質化を行い、更に、運転状態に合わせて適宜排ガスの成層化及び均質化を切り換えて、燃焼状態を安定化し、且つ、低ＮＯｘを実現する。
【解決手段】 排ガス供給部１１として、排ガス混合経路容積の１サイクル吸気容積に対する排ガス混合経路割合（ＶＬ／ＶＧ）が０．５以上且つ１．０未満の範囲内又は１．５以上２．０未満の成層化用排ガス供給部１１Ａを備えて燃焼室１における排ガスＥの成層化を行う、又は、排ガス供給部１１として、排ガス混合経路割合が０．５未満の範囲内、１．０以上且つ１．５未満の範囲内又は２．０以上の均質化用排ガス供給部１１Ｂを備えて燃焼室１における排ガスＥの均質化を行うように構成されている。
【選択図】 図５

Description

本発明は、上部に点火プラグを有する燃焼室と、前記燃焼室に吸気される新気が流通する吸気路と、前記燃焼室から排出された排ガスが流通する排気路と、前記排気路から分岐し前記吸気路の排ガス供給部に接続されるＥＧＲ路とを備え、前記排気路から前記ＥＧＲ路に流入した排ガスが前記排ガス供給部から前記吸気路に流入するエンジンに関する。

エンジンにおいてＮＯｘ（窒素酸化物）の生成を抑制する方法として、排気路と吸気路とを接続するＥＧＲ路を設け、燃焼室から排気路に排出された排ガスをそのＥＧＲ路を通じて吸気路に還流させる排ガス還流法（以下、ＥＧＲと呼ぶ。）が知られており、このＥＧＲを行うことにより、比較的比熱が大きな排ガスを燃焼室に吸気される新気に混合することで、新気の熱容量を増加させ、燃焼温度の上昇を抑制することができる。

上記のようにＥＧＲを実施するエンジンとして、吸気路を２流路に分割し、その一方側の流路にのみＥＧＲ路を接続して排ガスを供給して、燃焼室において排ガスを成層化するように構成されたエンジン（例えば、特許文献１を参照。）や、吸気路において新気と排ガスとを夫々旋回させて混合を促進するための混合機構を備えて、燃焼室において排ガスを均質化するように構成されたエンジン（例えば、特許文献２を参照。）が知られている。

そして、燃焼室において上部の点火プラグ付近に燃料を偏らせて燃焼させる所謂成層燃焼エンジンでは、燃焼室において排ガスを成層化する形態でＥＧＲを実施することで、燃焼室上部の濃混合気に対しては排ガスの供給量を多くして燃焼速度及び燃焼温度の過剰上昇を抑制してＮＯｘの生成を抑制し、一方、他の淡混合気に対しては排ガスの供給量を少なくして、安定した燃焼状態を実現し、ＣＯ（一酸化炭素）及びＴＨＣ（未燃炭化水素）の生成を抑制することができる。

一方、燃焼室において全体的に高当量比の混合気を均質燃焼させるエンジンでは、燃焼室において排ガスを均質化する形態でＥＧＲを実行することで、排ガスが局所的に過剰に供給されることで燃焼状態が不安定になることを抑制しながら、多くの排ガスを燃焼室に還流させて、ＮＯｘの生成を大幅に抑制することができる。

特開２００２−１０６４１９号公報 特開平１０−８９６５号公報

しかしながら、上記特許文献１及び２に記載のエンジンでは、燃焼室において排ガスを成層化又は均質化するために、非常に煩雑な構造を採用しており、高コスト化及び大型化を招く恐れがある。

また、例えばエンジンの運転状態に合わせて、燃焼室において排ガスを成層化する状態と均質化する状態とを切り換えるようには構成されておらず、例えば、このように構成する場合には、夫々独立の吸気路の構造を採用する必要がある。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ＥＧＲを実施するエンジンにおいて、簡単な構成で、燃焼室において排ガスを成層化又は均質化することができ、更に、運転状態に合わせて適宜燃焼室において排ガスを成層化又は均質化することにより、燃焼室における燃焼状態を安定したものに維持したまま、充分な量の排ガスを還流させてＮＯｘの生成を確実に抑制することができるエンジンを提供する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係るエンジンは、上部に点火プラグを有する燃焼室と、前記燃焼室に吸気される新気が流通する吸気路と、前記燃焼室から排出された排ガスが流通する排気路と、前記排気路から分岐し前記吸気路の排ガス供給部に接続されるＥＧＲ路とを備え、前記排気路から前記ＥＧＲ路に流入した排ガスが前記排ガス供給部から前記吸気路に流入するエンジンであって、その第１特徴構成は、前記吸気路において前記排ガス供給部から前記燃焼室の入口までの容積を排ガス混合経路容積、前記燃焼室における１サイクルあたりの吸気容積を１サイクル吸気容積、前記排ガス混合経路容積の前記１サイクル吸気容積に対する割合を排ガス混合経路割合とし、
前記排ガス供給部として、前記排ガス混合経路割合が０．５以上且つ１．０未満の範囲内又は１．５以上２．０未満の範囲内となる成層化用排ガス供給部を備え、前記成層化用排ガス供給部から前記吸気路に排ガスを流入させて前記燃焼室の上部に排ガスを成層化するように構成された点にある。

排気路と吸気路とを接続するＥＧＲ路を通じて排気路の背圧を利用して排ガスを吸気路に還流させるＥＧＲを実施するエンジンにおいて、特に吸気路に発生する脈動により、吸気路には、新気に対する排ガスの濃度が高い濃排ガス部と、新気に対する排ガスの濃度が低い淡排ガス部とからなる濃淡分布が形成される。

即ち、吸気路において新気の流れが停止している時期、即ち吸気行程以外の時期に、排ガス供給部から吸気路に排ガスが供給されると、新気に対する排ガスの濃度が高くなることから上記濃排ガス部が形成され、一方、吸気路において新気が流れている時期、即ち吸気行程の時期に、排ガス供給部から吸気路に排ガスが供給されると、新気に対する排ガスの濃度が低くなることから上記淡排ガス部が形成される。結果、吸気路には、燃焼室における１サイクルあたりの吸気容積に相当する間隔で、上記濃排ガス部と上記淡排ガス部とからなる濃淡分布が出現する状態となる。

そして、上記第１特徴構成によれば、吸気路において、上記のような排ガス混合経路割合を有する成層化用排ガス供給部を設け、ＥＧＲを実施するにあたり、その成層化用排ガス供給部から前記吸気路に排ガスを供給することで、その吸気路における新気に対する排ガスの濃淡分布を良好に維持したまま、濃排ガス部を燃焼室上部の点火領域に偏在させる状態で、その新気を燃焼室に吸気することができる。

即ち、上記排ガス混合経路割合が、０．５以上且つ１．０未満の範囲内又は１．５以上２．０未満の範囲内である成層化用排ガス供給部から前記吸気路に排ガスを供給すると、吸気行程以外の時期に、排ガス供給部付近に形成された排ガスの濃淡分布における濃排ガス部の多くは、新気流の影響が比較的少ない吸気行程の後期に燃焼室に吸気されることになるので、その濃排ガス部の拡散を抑制した状態でその新気を燃焼室に吸気すると共に、吸気行程の後期に燃焼室に吸気される濃排ガス部を燃焼室上部の点火領域に偏在させることができる。
よって、点火領域においては混合気を多くの排ガスにより緩慢燃焼させてＮＯｘの生成を抑制し、点火領域以外の領域においては、混合気に対して排ガスが過剰に供給されることを抑制して、安定した燃焼を実現し、ＣＯ及びＴＨＣの排出を抑制することができる。

また、成層化用排ガス供給部の排ガス混合経路割合を０．５以上且つ１．０未満の範囲内とすれば、成層化用排ガス供給部付近に形成された濃排ガス部の多くを、次の吸気行程という非常に短い時間で燃焼室に吸気することができるので、吸気路において濃排ガスの拡散を一層抑制して、良好な燃焼状態を実現することができる。

本発明に係るエンジンの第２特徴構成は、上記第１特徴構成に加えて、前記燃焼室の上部に燃料を成層化して燃焼させる成層燃焼を行うように構成され、
前記成層燃焼を行う場合に、前記成層化用排ガス供給部から前記吸気路に排ガスを流入させて前記燃焼室の上部に排ガスを成層化する点にある。

上記第２特徴構成によれば、例えば燃焼室において上部の点火プラグ付近に燃料を偏らせる形態で上部に燃料を成層化して燃焼させる所謂成層燃焼を行う場合において、成層化用排ガス供給部から吸気路に排ガスを流入させて燃焼室の上部に排ガスを成層化することで、点火領域においては濃混合気を多くの排ガスにより緩慢燃焼させてＮＯｘの生成を抑制し、点火領域以外の領域においては、淡混合気に対して排ガスが過剰に供給されることを抑制して、安定した燃焼を実現し、ＣＯ及びＴＨＣの排出を抑制することができる。よって、例えば、燃焼室において低当量比の混合気を成層燃焼させる場合でも、安定した燃焼状態を実現することができる。

本発明に係るエンジンの第３特徴構成は、前記吸気路において前記排ガス供給部から前記燃焼室の入口までの容積を排ガス混合経路容積、前記燃焼室における１サイクルあたりの吸気容積を１サイクル吸気容積、前記排ガス混合経路容積の前記１サイクル吸気容積に対する割合を排ガス混合経路割合とし、
前記排ガス供給部として、前記排ガス混合経路割合が０．５未満の範囲内、１．０以上且つ１．５未満の範囲内又は２．０以上の範囲内となる均質化用排ガス供給部を備え、前記均質化用排ガス供給部から前記吸気路に排ガスを流入させて燃焼室において排ガスを均質化するように構成されている点にある。

上記第３特徴構成によれば、吸気路において、上記のような排ガス混合経路割合を有する均質化用排ガス供給部を設け、ＥＧＲを実施するにあたり、その均質化用排ガス供給部から吸気路に排ガスを供給することで、その吸気路における新気に対する排ガスの濃淡分布を解消して均質化した状態で、燃焼室に新気を吸気することができる。

即ち、上記排ガス混合経路割合が０．５未満の範囲内又は１．０以上且つ１．５未満の範囲内である均質化用排ガス供給部から吸気路に排ガスを供給すると、吸気行程以外の時期に、排ガス供給部付近に形成された排ガスの濃淡分布における濃排ガス部の多くは、新気流の影響が比較的大きい吸気行程の初期に燃焼室に吸気されることになるので、その新気流により濃排ガス部の拡散が促進され、排ガスを均質化した状態でその新気を燃焼室に吸気することができる。
また、上記排ガス混合経路割合が２．０以上の範囲内である均質化用排ガス供給部から吸気路に排ガスを供給すると、均質化用排ガス供給部付近に形成された濃排ガス部の多くを、３サイクル以上先の吸気行程という非常に長い時間で燃焼室に吸気することができるので、吸気路において濃排ガス部の拡散を一層促進して、排ガスを一層均質化した状態でその排ガスが供給された新気を燃焼室に吸気することができる。
よって、排ガスが局所的に過剰に供給されることで燃焼状態が不安定になることを抑制しながら、多くの排ガスを燃焼室に還流させて、ＮＯｘの生成を大幅に抑制することができる。

本発明に係るエンジンの第４特徴構成は、上記第３特徴構成に加えて、前記燃焼室において燃料を均質化して燃焼させる均質燃焼を行うように構成され、
前記均質燃焼を行う場合に、前記均質化用排ガス供給部から前記吸気路に排ガスを流入させて燃焼室において排ガスを均質化する点にある。

上記第４特徴構成によれば、燃焼室において全体的に燃料を均質化して燃焼させる所謂均質燃焼を行う場合において、均質化用排ガス供給部から前記吸気路に排ガスを流入させて燃焼室において排ガスを均質化することで、燃焼室全体において、燃料に対して排ガスを均質に混合して安定した燃焼状態を実現することができる。よって、燃焼室において高当量比の混合気を燃焼させる場合でも、多くの排ガスを燃焼室に還流させて、ＮＯｘの生成を大幅に抑制することができる。

本発明に係るエンジンの第５特徴構成は、前記吸気路において前記排ガス供給部から前記燃焼室の入口までの容積を排ガス混合経路容積、前記燃焼室における１サイクルあたりの吸気容積を１サイクル吸気容積、前記排ガス混合経路容積の前記１サイクル吸気容積に対する割合を排ガス混合経路割合とし、
前記排ガス供給部として、前記排ガス混合経路割合が０．５以上且つ１．０未満の範囲内又は１．５以上２．０未満の範囲内となる成層化用排ガス供給部と、前記排ガス混合経路割合が０．５未満の範囲内、１．０以上且つ１．５未満の範囲内又は２．０以上の範囲内となる均質化用排ガス供給部とを備え、
前記成層化用排ガス供給部から前記吸気路に排ガスを流入させて前記燃焼室の上部に排ガスを成層化する排ガス成層化運転モードと、前記均質化用排ガス供給部から前記吸気路に排ガスを流入させて燃焼室において排ガスを均質化する排ガス均質化運転モードとを切り換える運転モード切換手段を備え、
運転状態に基づいて前記運転モード切換手段を制御する制御手段を備えた点にある。

上記第５特徴構成によれば、上記成層化用排ガス供給部と上記均質化用排ガス供給部とを設けることから、上記第１又は第３特徴構成と同様の作用効果を発揮することができ、更に、上記制御手段により、燃焼室における燃料の分布などの運転状態に基づいて運転モード切換手段を制御して上記排ガス成層化運転モードと上記排ガス均質化運転モードとを切り換えることで、低ＮＯｘ化及び安定燃焼を実現しえる適切な運転モードで運転を行うことができる。

本発明に係るエンジンの第６特徴構成は、上記第５特徴構成に加えて、前記燃焼室において燃料を成層化して燃焼させる成層燃焼と、前記燃焼室において燃料を均質化して燃焼させる均質燃焼とを択一的に行うように構成され、
前記制御手段が、前記燃焼室において成層燃焼を行う場合には前記運転モード切換手段を前記排ガス成層化運転モードとし、前記燃焼室において均質燃焼を行う場合には前記運転モード切換手段を前記排ガス均質化運転モードとする点にある。

上記第６特徴構成によれば、上記制御手段は、燃焼室で燃焼される混合気の当量比が例えば設定値よりも低く、その混合気が成層燃焼する場合には、上記運転モード切換手段により排ガス成層化運転モードに切り換えて、点火領域におけるＮＯｘの生成と、点火領域以外の領域における安定燃焼を実現することができる。一方、上記制御手段は、燃焼室で燃焼される混合気の当量比が例えば設定値よりも高く、その混合気が均質燃焼する場合には、上記運転モード切換手段により排ガス均質化運転モードに切り換えて、安定した燃焼状態を実現しながら、多くの排ガスを燃焼室に還流させて、ＮＯｘの生成を大幅に抑制することができる。

本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。
エンジンには、図１等に示すように、シリンダ３の内面とシリンダヘッド４の下面とピストン５の頂面とで規定され、上部に点火プラグ２を有する燃焼室１と、吸気弁６を介して接続され、燃焼室１に吸気される新気Ｉが流通する吸気路８と、燃焼室１に排気弁７を介して接続され、燃焼室１から排出された排ガスＥが流通する排気路９とが設けられている。

また、ピストン５は、連結棒（図示せず）に揺動自在に連結されており、ピストン５の往復動はその連結棒によって１つのクランク軸（図示せず）の回転運動として得られ、このような構成は通常のエンジンと変わるところが無い。

吸気路８を流通する新気Ｉは、適宜過給機等により過給された後に燃焼室１に吸気され、吸気路８又は燃焼室１に設けられた燃料供給部（図示せず）により天然ガス等の気体燃料が供給されて混合気となり、その混合気が燃焼室１において燃焼する。

そして、燃焼室１において混合気は、ピストン５の上昇により圧縮された後に、点火プラグ２により火花点火されて燃焼する。

排気路９から分岐し吸気路８の排ガス供給部１１に接続されるＥＧＲ路１５が設けられており、このＥＧＲ路１５を通じて、排気路９の背圧を利用して排ガスＥが吸気路８に排ガス供給部１１から供給される所謂ＥＧＲが実施される。
また、ＥＧＲ路１５にはＥＧＲ弁１６が設けられており、ＥＧＲ弁１６の開度を調整して吸気路８への排ガスＥの供給量であるＥＧＲ量を制御することができる。

以下、上記排ガス供給路１１による吸気路８への排ガスＥの供給状態について説明する。
吸気路８を流通する新気Ｉの流通状態は、吸気弁６の開閉動作に伴って、サイクル周期で周期的に変動する。即ち、吸気路８において、吸気弁６が開状態となる吸気行程においては、新気Ｉが燃焼室１に吸い込まれて圧力が低下し、それ以外の行程においては、新気Ｉが吸い込まれずに圧力が低下しないという、脈動が発生する。

よって、排ガス供給部１１付近の圧力は、上記吸気路８における新気Ｉの脈動と同期して変化し、具体的には、最も新気Ｉの流速が大きい吸気行程の中期において、上記排ガス供給部１１付近の圧力が最も低下することになる。

そして、上記排ガス供給部１１から吸気路８への排ガスＥの供給量は、上記のような新気Ｉの脈動により、サイクル周期で周期的に変化することになる。特に、吸気弁６が閉状態となり吸気路８における新気Ｉの流れが停止した瞬間には、排ガスＥの流れにおける慣性により、新気Ｉに対して多くの排ガスＥが供給されることになる。よって、吸気路８には、前記吸気路８に排ガスＥが他の部分よりも濃い濃排ガス部Ｒと、その濃排ガス部Ｒよりも排ガスＥが薄い淡排ガス部Ｌとが、流れ方向に沿って燃焼室１における１サイクルあたりの吸気容積に相当する間隔で交互に発現する所謂排ガスの濃淡分布を有する新気Ｉが形成されることになる。そして、吸気路８の次の吸気行程において燃焼室１に吸気される新気Ｉが存在する吸気領域ＩＡの一部には、１つの濃排ガス部Ｒが偏在することになる。

更に、このエンジンは、詳細については後述するが、排ガス供給部１１として、吸気路８において適切に配置された成層化用排ガス供給部１１Ａや均質化用排ガス供給部１１Ｂを設けて、成層化用排ガス供給部１１Ａから吸気路８に排ガスＥを供給して燃焼室１における排ガスＥの成層化を行ったり、均質化用排ガス供給部１１Ｂから吸気路８に排ガスＥを供給して燃焼室１における排ガスＥの均質化を行うように構成されている。
以下、排ガスの成層化を行う場合のエンジン構成としての第１及び第２実施形態、及び、排ガスの均質化を行う場合のエンジン構成としての第３及び第４実施形態について説明する。
尚、以下の説明において、吸気路８において排ガス供給部１１から燃焼室１の入口までの容積を排ガス混合経路容積（ＶＬ）、燃焼室１における１サイクルあたりの吸気容積を１サイクル吸気容積（ＶＧ）、その排ガス混合経路容積（ＶＬ）の１サイクル吸気容積（ＶＧ）に対する割合を排ガス混合経路割合（ＶＬ／ＶＧ）と呼ぶ。また、上記１サイクル吸気容積（ＶＧ）は、吸気路８の次の吸気行程において燃焼室１に吸気される新気Ｉが存在する吸気領域ＩＡの容積に相当し、エンジンの排気量（燃焼室の最大容積と最小容積との差）と充填効率との積として求められる。

〔第１実施形態〕
第１実施形態として、図１に示す排ガスＥの成層化を行う場合のエンジン構成について説明する。

図１に示すエンジンは、排ガス供給部１１として、排ガス混合経路割合（ＶＬ／ＶＧ）が０．５以上且つ１．０未満の範囲内となる成層化用排ガス供給部１１Ａを備え、その成層化用排ガス供給部１１Ａから吸気路８に排ガスＥを供給して吸気路８に排ガスＥの濃淡分布を形成するように構成されている。

即ち、図１（ａ）に示すように、吸気行程の開始時期（ＴＤＣ）には、濃排ガス部Ｒの位置が、上記のように設定された成層化用排ガス供給部１１Ａの位置、即ち、次の吸気行程で吸気される新気Ｉが存在する吸気領域ＩＡの後端側の位置となる。
そして、その濃排ガス部Ｒは、図１（ｂ）に示すように、新気Ｉの流れが強くなる吸気行程の中間時期（９０°ＡＴＤＣ）においては未だ燃焼室１に吸気されず、図１（ｃ）に示すように、新気Ｉの流れが弱くなる吸気行程の終了時期（ＢＤＣ）よりも少し前の時期に燃焼室１に吸気されることになる。
よって、濃排ガス部Ｒの拡散が抑制され、燃焼室１上部の点火領域に濃排ガス部Ｒを偏在させた状態で、新気Ｉは燃焼室１に吸気されることになる。
即ち、燃焼室１における混合気の全体的な当量比を低くした場合でも、燃焼室１の上部に排ガスＥを成層化することで、燃焼室１上部の点火領域においては、混合気の燃焼による温度上昇を高濃度の排ガスＥにより十分に抑制して、ＮＯｘの生成を抑制することができ、一方、点火領域以外の領域においては、混合気の燃焼を排ガスＥにより阻害されることを抑制して安定した燃焼状態を実現することができる。

〔第２実施形態〕
第２実施形態として、図２に示す排ガスＥの成層化を行う場合のエンジン構成について説明する。
図２に示すエンジンは、排ガス供給部１１として、排ガス混合経路割合（ＶＬ／ＶＧ）が１．５以上且つ２．０未満の範囲内となる成層化用排ガス供給部１１Ａを備え、その成層化用排ガス供給部１１Ａから前記吸気路８に排ガスＥを供給して吸気路８に排ガスＥの濃淡分布を形成するように構成されている。

即ち、図２（ａ）に示すように、吸気行程の開始時期（ＴＤＣ）には、濃排ガス部Ｒの位置が、上記のように設定された成層化用排ガス供給部１１Ａの位置となることから、２サイクル先の吸気行程の開始時期には、上記第１実施形態と同様に、排ガス混合経路割合（ＶＬ／ＶＧ）が０．５以上且つ１．０未満の範囲内となる位置、即ち、即ち吸気領域ＩＡの後端側の位置となる。

よって、図２に示すエンジンにおいても、濃排ガス部Ｒの拡散が抑制され、燃焼室１上部の点火領域に濃排ガス部Ｒを偏在させた状態で、新気Ｉは燃焼室１に吸気されることになる。

更に、第１実施形態のエンジンと第２実施形態のエンジンとを比較すると、第１実施形態のエンジンの方が、成層化用排ガス供給部１１Ａの位置が燃焼室１に近いことから、濃排ガス部Ｒの拡散を一層抑制できると考えられる。

また、この成層化用排ガス供給部１１Ａに接続されるＥＧＲ路１５Ａに設けられたＥＧＲ弁１６Ａの開度を調整して、成層化用排ガス供給部１１Ａから吸気路８へのＥＧＲ量を制御することができる。

また、上記第１及び第２実施形態において、燃焼室１における混合気の全体的な当量比を低くして、燃焼室１の上部即ち点火領域に燃料を成層化して、その点火領域の濃混合気を点火プラグ２により火花点火して燃焼させる所謂成層燃焼を行う場合に、成層化用排ガス供給部１１Ａから吸気路８に排ガスＥを供給して燃焼室１の上部に排ガスＥを成層化することで、点火領域においては、濃混合気の燃焼による温度上昇が高濃度の排ガスＥにより十分に抑制されて、ＮＯｘの生成が抑制され、一方、点火領域以外の領域においては、淡混合気の燃焼が排ガスＥにより阻害されることが抑制され安定した燃焼状態が実現される。

尚、上記燃焼室１の上部に燃料を成層化するための構成としては、公知の方法を採用することができ、例えば、吸気行程の後期又は圧縮工程の初期に燃焼室１の点火領域に直接燃料を供給する方法や、吸気路８において、燃料ガスを供給する燃料供給部を、これまで説明してきた成層化用排ガス供給部１１Ａと同様に配置して吸気路８に形成された混合気を燃焼室１に吸気させる方法などを採用することができる。

〔第３実施形態〕
第３実施形態として、図３に示す排ガスＥの均質化を行う場合のエンジン構成について説明する。
図３に示すエンジンは、排ガス供給部１１として、排ガス混合経路割合（ＶＬ／ＶＧ）が２．０以上の範囲内となる均質化用排ガス供給部１１Ｂを備え、その均質化用排ガス供給部１１Ｂから前記吸気路８に排ガスＥを供給して吸気路８に排ガスＥの濃淡分布を形成するように構成されている。

即ち、図３（ａ）に示すように、吸気行程の開始時期（ＴＤＣ）には、濃排ガス部Ｒの位置が、上記のように設定された均質化用排ガス供給部１１Ｂの位置、即ち燃焼室１から十分に離間した位置となる。
そして、その濃排ガス部Ｒは、吸気路８において、３サイクル以上先の吸気行程の開始時期までに十分に拡散が促進されて、吸気領域ＩＡに到達することになるので、吸気領域ＩＡには比較的均質な排ガスＥが存在することになる。よって、図３（ｂ）及び図３（ｃ）に示すように、燃焼室１において排ガスＥを均質化した状態で燃焼室１に新気Ｉを吸気することができる。
即ち、燃焼室１における混合気の全体的な当量比を高くした場合でも、燃焼室１において排ガスＥを均質化することで、一部の混合気に混合される排ガスＥが過剰に薄くなることを防止して、ＮＯｘの排出を抑制しながら、一部の混合気に混合される排ガスＥが過剰に濃くなることを防止して、ＣＯ及びＴＨＣの排出を抑制することができる。

〔第４実施形態〕
第４実施形態として、図４に示す排ガスＥの均質化を行う場合のエンジン構成について説明する。
図４に示すエンジンは、排ガス供給部１１として、排ガス混合経路割合（ＶＬ／ＶＧ）が０．５未満の範囲内となる均質化用排ガス供給部１１Ｂを備え、その均質化用排ガス供給部１１Ｂから前記吸気路に排ガスＥを供給して吸気路８に排ガスＥの濃淡分布を形成するように構成されている。

即ち、図４（ａ）に示すように、吸気行程の開始時期（ＴＤＣ）には、濃排ガス部Ｒの位置が、上記のように設定された均質化用排ガス供給部１１Ｂの位置、即ち、吸気領域ＩＡの前端側の位置となる。

そして、その濃排ガス部Ｒは、図４（ｂ）に示すように、新気Ｉの流れが強くなる吸気行程の中間時期（９０°ＡＴＤＣ）において燃焼室１に吸気されて、その新気Ｉの流れにより拡散を促進させることができるので、図４（ｃ）に示すように、燃焼室１において排ガスＥを均質化した状態で燃焼室１に新気Ｉを吸気することができる。

また、排ガス供給部１１として、排ガス混合経路割合（ＶＬ／ＶＧ）が１．０以上且つ１．５未満の範囲内となる均質化用排ガス供給部１１Ｂを備え、その均質化用排ガス供給部１１Ｂから前記吸気路に排ガスＥを供給して吸気路８に排ガスＥの濃淡分布を形成するように構成した場合でも、２サイクル先の吸気行程の開始時期には、上記第４実施形態と同様に、濃排ガス部Ｒの位置が吸気領域ＩＡの前端側の位置となることから、燃焼室１において排ガスＥを均質化した状態で燃焼室１に新気Ｉを吸気することができる。

更に、第３実施形態のエンジンと第４実施形態のエンジンとを比較すると、第３実施形態のエンジンの方が、均質化用排ガス供給部１１Ｂの位置が燃焼室１から遠いことから、濃排ガス部Ｒの拡散を一層促進できると考えられる。

また、この均質化用排ガス供給部１１Ｂに接続されるＥＧＲ路１５Ｂに設けられたＥＧＲ弁１６Ｂの開度を調整して、均質化用排ガス供給部１１Ｂから吸気路８へのＥＧＲ量を制御することができる。

また、上記第３及び第４実施形態において、燃焼室１における混合気の全体的な当量比を高くして、燃焼室１全体に燃料を均質化して、その均質な混合気を火花点火して燃焼させる所謂均質燃焼を行う場合に、均質化用排ガス供給部１１Ｂから吸気路８に排ガスＥを供給して燃焼室１において排ガスＥを均質化することで、燃焼室１全体において、燃料に対して排ガスＥが均質に混合されて安定した燃焼状態が実現され、例えば、多くの排ガスを燃焼室１に還流することで、高当量比の混合気の燃焼によるＮＯｘの生成が大幅に抑制される。

尚、上記燃焼室１の上部に燃料を均質化するための構成としては、公知の方法を採用することができ、例えば、吸気行程の初期に燃焼室１に直接燃料して新気流によりその燃料を撹拌させる方法や、吸気路８において、燃料ガスを供給する燃料供給部を、これまで説明してきた均質化用排ガス供給部１１Ｂと同様に配置して、吸気路８に形成された混合気を燃焼室１に吸気させる方法などを採用することができる。

上記実施形態では、燃焼室１における排ガスＥの成層化と均質化との何れかを行うようにエンジンを構成したが、成層化と均質化との両方を択一的に行うようにエンジンを構成しても構わない。以下、このように、燃焼室１における排ガスＥの成層化と均質化との両方を択一的に行うように構成したエンジン構成として、第５実施形態について説明する。

〔第５実施形態〕
図５に示すエンジンは、排ガス供給部１１として、上記第１実施形態のエンジンと同様に、排ガス混合経路割合（ＶＬ／ＶＧ）が０．５以上且つ１．０未満の範囲内となる成層化用排ガス供給部１１Ａと、第３実施形態のエンジンと同様に、排ガス混合経路割合（ＶＬ／ＶＧ）が２．０以上の範囲内となる均質化用排ガス供給部１１Ｂとを備える。
また、上記成層化用排ガス供給部１１Ａは、ＥＧＲ路１５から分岐された成層化用ＥＧＲ路１５Ａの吸気路８に対する開口部として形成され、一方、上記均質化用排ガス供給部１１Ｂは、ＥＧＲ路１５から分岐された均質化用ＥＧＲ路１５Ｂの吸気路８に対する開口部として形成されている。

尚、成層化用排ガス供給部１１Ａとして、第２実施形態のエンジンと同様に、排ガス混合経路割合（ＶＬ／ＶＧ）が１．５以上且つ２．０未満の範囲内となる成層化用排ガス供給部１１Ａを備えても構わない。また、均質化用排ガス供給部１１Ｂとして、第４実施形態のエンジンと同様に、排ガス混合経路割合（ＶＬ／ＶＧ）が０以上且つ０．５未満の範囲内となる均質化用排ガス供給部１１Ｂを備えても構わない。

更に、成層化用排ガス供給部１１Ａに通じる成層化用ＥＧＲ路１５Ａに設けられた成層化用ＥＧＲ弁１６Ａは、その成層化用排ガス供給部１１Ａへの排ガスＥの供給を断続可能に構成され、一方、均質化用排ガス供給部１１Ｂに通じる均質化用ＥＧＲ路１５Ｂに設けられた均質化用ＥＧＲ弁１６Ｂは、その均質化用排ガス供給部１１Ｂへの排ガスＥの供給を断続可能に構成されている。

そして、コンピュータからなるエンジンコントロールユニット（以下、ＥＣＵと呼ぶ。）３０は、成層化用ＥＧＲ弁１６Ａを開状態とし均質化用ＥＧＲ弁１６Ｂを閉状態として、成層化用排ガス供給部１１Ａから吸気路８に排ガスＥを供給して燃焼室１における排ガスＥの成層化を行う排ガス成層化運転モードとし、一方、成層化用ＥＧＲ弁１６Ａを閉状態とし均質化用ＥＧＲ弁１６Ｂを開状態として、均質化用排ガス供給部１１Ｂから吸気路８に排ガスＥを供給して燃焼室１における排ガスＥの均質化を行う排ガス均質化運転モードとする形態で、排ガス成層化運転モードと排ガス均質化運転モードとを切り換える運転モード切換手段３１として機能し、更に、燃焼室１における混合気の燃焼状態に基づいて運転モード切換手段３１を制御する制御手段３２として機能するように構成されている。

即ち、制御手段３２は、排気路９を流通する排ガスＥの酸素濃度を計測する酸素濃度センサ２０の計測結果から、上記燃焼室１で燃焼される混合気の全体的な当量比を検出し、その当量比が所定の設定値未満と低い場合には、公知の手法により燃焼室１において混合気を成層燃焼させると共に、上記運転モード切換手段３１により排ガス成層化運転モードに切り換えて燃焼室１における排ガスＥの成層化を行い、一方、その当量比が上記設定値以上と高い場合には、公知の手法により燃焼室１において混合気を均質燃焼させると共に、上記運転モード切換手段３１により排ガス均質化運転モードに切り換えて燃焼室１における排ガスＥの均質化を行うことで、燃焼室１の燃焼状態に応じて燃焼室１における排ガスＥの分布を変化させて低ＮＯｘ且つ燃焼状態の安定化を実現する。

尚、上記実施形態では、燃焼室１における混合気の当量比に基づいて排ガス成層化運転モードと排ガス均質化運転モードとを切り換えたが、燃焼室１の温度などの別の状態に基づいて切り換えても構わない。例えば、燃焼室１の温度が低い場合には、排ガス成層化運転モードに切り換えて、点火領域において緩慢燃焼としてＮＯｘの生成を抑制しながら燃焼室１全体では安定した燃焼状態を実現し、一方、燃焼室１の温度が高い場合には、排ガス成層化運転モードに切り換えて、燃焼室１全体のＮＯｘの生成を抑制することができる。

また、排ガス成層化運転モードと排ガス均質化運転モードとの間の移行時に、例えば、成層化用ＥＧＲ弁１６Ａと均質化用ＥＧＲ弁１６Ｂとの開度割合を調整して、成層化用排ガス供給部１１Ａからの排ガスＥの供給量と、均質化用排ガス供給部１１Ｂからの排ガスＥの供給量とを適切に調整するように構成しても構わない。

尚、上記実施の形態では、成層化用排ガス供給部１１Ａと均質化用排ガス供給部１１Ｂとを別の排ガス供給部１１として設けたが、１つの排ガス供給部１１の位置を調整することにより、その排ガス供給部１１を成層化用排ガス供給部１１Ａと均質化用排ガス供給部１１Ｂとに択一的に機能させるように構成しても構わない。

尚、上記の実施の形態では、燃料として天然ガス系都市ガスを用いたが、燃料としては、天然ガス系都市ガス以外の気体燃料等を用いることもできる。

第１実施形態のエンジンの吸気行程における状態を示す概略図 第２実施形態のエンジンの吸気行程における状態を示す概略図 第３実施形態のエンジンの吸気行程における状態を示す概略図 第４実施形態のエンジンの吸気行程における状態を示す概略図 第５実施形態のエンジン構成を示す概略図

符号の説明

１：燃焼室
２：点火プラグ
６：吸気弁
８：吸気路
１１：排ガス供給部
１１Ａ：成層化用排ガス供給部
１１Ｂ：均質化用排ガス供給部
１５Ａ，１５Ｂ：ＥＧＲ路
３１：運転モード切換手段
３２：制御手段
Ｉ：新気
Ｅ：排ガス

Claims (6)

1. 上部に点火プラグを有する燃焼室と、前記燃焼室に吸気される新気が流通する吸気路と、前記燃焼室から排出された排ガスが流通する排気路と、前記排気路から分岐し前記吸気路の排ガス供給部に接続されるＥＧＲ路とを備え、前記排気路から前記ＥＧＲ路に流入した排ガスが前記排ガス供給部から前記吸気路に流入するエンジンであって、
   前記吸気路において前記排ガス供給部から前記燃焼室の入口までの容積を排ガス混合経路容積、前記燃焼室における１サイクルあたりの吸気容積を１サイクル吸気容積、前記排ガス混合経路容積の前記１サイクル吸気容積に対する割合を排ガス混合経路割合とし、
   前記排ガス供給部として、前記排ガス混合経路割合が０．５以上且つ１．０未満の範囲内又は１．５以上２．０未満の範囲内となる成層化用排ガス供給部を備え、前記成層化用排ガス供給部から前記吸気路に排ガスを流入させて前記燃焼室の上部に排ガスを成層化するように構成されたエンジン。
2. 前記燃焼室の上部に燃料を成層化して燃焼させる成層燃焼を行うように構成され、
   前記成層燃焼を行う場合に、前記成層化用排ガス供給部から前記吸気路に排ガスを流入させて前記燃焼室の上部に排ガスを成層化する請求項１に記載のエンジン。
3. 上部に点火プラグを有する燃焼室と、前記燃焼室に吸気される新気が流通する吸気路と、前記燃焼室から排出された排ガスが流通する排気路と、前記排気路から分岐し前記吸気路の排ガス供給部に接続されるＥＧＲ路とを備え、前記排気路から前記ＥＧＲ路に流入した排ガスが前記排ガス供給部から前記吸気路に流入するエンジンであって、
   前記吸気路において前記排ガス供給部から前記燃焼室の入口までの容積を排ガス混合経路容積、前記燃焼室における１サイクルあたりの吸気容積を１サイクル吸気容積、前記排ガス混合経路容積の前記１サイクル吸気容積に対する割合を排ガス混合経路割合とし、
   前記排ガス供給部として、前記排ガス混合経路割合が０．５未満の範囲内、１．０以上且つ１．５未満の範囲内又は２．０以上の範囲内となる均質化用排ガス供給部を備え、前記均質化用排ガス供給部から前記吸気路に排ガスを流入させて燃焼室において排ガスを均質化するように構成されているエンジン。
4. 前記燃焼室において燃料を均質化して燃焼させる均質燃焼を行うように構成され、
   前記均質燃焼を行う場合に、前記均質化用排ガス供給部から前記吸気路に排ガスを流入させて燃焼室において排ガスを均質化する請求項３に記載のエンジン。
5. 上部に点火プラグを有する燃焼室と、前記燃焼室に吸気される新気が流通する吸気路と、前記燃焼室から排出された排ガスが流通する排気路と、前記排気路から分岐し前記吸気路の排ガス供給部に接続されるＥＧＲ路とを備え、前記排気路から前記ＥＧＲ路に流入した排ガスが前記排ガス供給部から前記吸気路に流入するエンジンであって、
   前記吸気路において前記排ガス供給部から前記燃焼室の入口までの容積を排ガス混合経路容積、前記燃焼室における１サイクルあたりの吸気容積を１サイクル吸気容積、前記排ガス混合経路容積の前記１サイクル吸気容積に対する割合を排ガス混合経路割合とし、
   前記排ガス供給部として、前記排ガス混合経路割合が０．５以上且つ１．０未満の範囲内又は１．５以上２．０未満の範囲内となる成層化用排ガス供給部と、前記排ガス混合経路割合が０．５未満の範囲内、１．０以上且つ１．５未満の範囲内又は２．０以上の範囲内となる均質化用排ガス供給部とを備え、
   前記成層化用排ガス供給部から前記吸気路に排ガスを流入させて前記燃焼室の上部に排ガスを成層化する排ガス成層化運転モードと、前記均質化用排ガス供給部から前記吸気路に排ガスを流入させて燃焼室において排ガスを均質化する排ガス均質化運転モードとを切り換える運転モード切換手段を備え、
   運転状態に基づいて前記運転モード切換手段を制御する制御手段を備えたエンジン。
6. 前記燃焼室において燃料を成層化して燃焼させる成層燃焼と、前記燃焼室において燃料を均質化して燃焼させる均質燃焼とを択一的に行うように構成され、
   前記制御手段が、前記燃焼室において成層燃焼を行う場合には前記運転モード切換手段を前記排ガス成層化運転モードとし、前記燃焼室において均質燃焼を行う場合には前記運転モード切換手段を前記排ガス均質化運転モードとする請求項５に記載のエンジン。

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