JP2009030511A - 内燃機関の排気還流装置 - Google Patents

Abstract

【課題】効果的な位置にＥＧＲガスを配置することにより、適切な量のＥＧＲガスにて燃焼温度の上昇を抑えることができる内燃機関の排気還流装置を提供する。
【解決手段】吸気バルブ１５の傘部１５ａにフラップを設けて、吸気バルブ１５にて吸気ポート１２の開口部１２ａが開かれた際に、吸気ポート１２に導入されたＥＧＲガスを含むガスの流れをフラップを利用して複数の流れに分割する。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関のシリンダへ空気を導く吸気装置に排気通路から取り出した排気の一部をＥＧＲガスとして導入する内燃機関の排気還流装置に関する。

内燃機関の排気還流装置として、シリンダ内に燃料を噴射する燃料噴射ノズルの近傍に排気の一部であるＥＧＲガスを噴射する副噴射ノズルを備え、燃料噴射開始前等にＥＧＲガスをシリンダ内に噴射させるものが知られている（特許文献１）。その他、本発明に関連する先行技術文献として、特許文献２〜６が存在する。

特開平５−５４６７号公報 特開平５−２０９５６１号公報 特開２００４−２１１６８８号公報 特開２００４−３４６７９６号公報 特開２００５−１２７２７３号公報 特開平５−８６９９２号公報

特許文献１の排気還流装置は、副噴射ノズルによって燃料噴射ノズルの噴孔を囲むようにＥＧＲガスを分布させた後に燃料が噴射することによって、燃料噴射ノズルが噴射する燃料噴霧にＥＧＲガスが巻き込まれる。しかし、燃料噴霧に巻き込まれるＥＧＲガスの量は、主に燃料噴霧がＥＧＲガスを巻き込む力により決定されるため、ＥＧＲガスの過不足が生じ易い。そのため、燃焼温度の上昇を適切な量のＥＧＲガスにて十分に抑えることができない可能性がある。

そこで、本発明は、効果的な位置にＥＧＲガスを配置することにより、適切な量のＥＧＲガスにて燃焼温度の上昇を抑えることができる内燃機関の排気還流装置を提供することを目的とする。

本発明の内燃機関の排気還流装置は、シリンダに開口する開口部を有する吸気ポートと、前記吸気ポートの前記開口部を開閉できる傘部及び前記傘部の上面側から直線的に延びるステム部を有する吸気バルブとを有し、前記シリンダの中心線の回りを旋回するスワールを前記シリンダ内に形成できる吸気装置を備えた内燃機関に適用される内燃機関の排気還流装置において、前記内燃機関の排気通路から取り出した排気の一部をＥＧＲガスとして前記吸気ポート内に導入できる導入手段と、前記吸気バルブの前記傘部の上面に設けられ、かつ前記傘部の半径方向及び前記ステム部の軸線方向のそれぞれに延びる板状部材を有し、前記吸気バルブにて前記開口部が開かれた際に、前記導入手段が導入したＥＧＲガスを含むガスの流れを前記板状部材を利用して複数の流れに分割できる分割手段と、を備えることにより上述した課題を解決する（請求項１）。

この排気還流装置によれば、導入手段にて吸気ポート内に導入されたＥＧＲガスを含む流れが吸気バルブの傘部に設けられた板状部材にて複数の流れに分割される。板状部材にて分割された流れはシリンダの異なる位置に導かれて、シリンダ内に形成されたスワールに巻き込まれる。スワールにＥＧＲガスが巻き込まれる位置は板状部材にて分割された流れの状態によって異なるから、例えば板状部材のシリンダに対する設置角度を適宜設定して分割された流れの流量等の流れの状態を変化させることにより、シリンダ内の所望の場所にＥＧＲガスを配置できる。それにより、適用対象となる内燃機関の仕様に適したＥＧＲガスの配置を実現できる。

本発明の一態様においては、前記吸気バルブを前記ステム部の軸線の回りに回転させることができ、かつ前記吸気バルブの回転位置を所定位置に保持できるバルブ回転手段と、前記内燃機関の運転状態に応じて前記吸気バルブの回転位置が変化するように、前記バルブ回転手段を制御する制御手段と、を更に備えてもよい（請求項２）。内燃機関の運転状態が変わることで運転状態に適したＥＧＲガスの配置状態も変化する。この態様によれば、運転状態に応じて吸気バルブの回転位置が変化することにより板状部材のシリンダに対する角度が変わる。このため、その回転位置を適宜設定することにより内燃機関の運転状態の変化に対してＥＧＲガスの配置状態を合わせ込むことが可能となる。これにより、内燃機関の運転状態のそれぞれに適したＥＧＲガスの配置が可能となるので、内燃機関の運転状態の変化に伴うＥＧＲガスの過不足を防止できる。

この態様においては、前記内燃機関には前記シリンダの中央部から放射状に前記シリンダ内へ燃料を噴射できる燃料噴射弁が設けられており、前記制御手段は、前記燃料噴射弁による燃料噴射量が多い場合は少ない場合に比べて前記シリンダの中心線及び前記ステム部の軸線のそれぞれと直交する基準線に対する前記板状部材の傾斜角が小さくなるように、前記バルブ回転機構を制御してもよい（請求項３）。燃料噴射量が多い場合は少ない場合よりも燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧がシリンダの中心から遠くまで到達する。燃料噴霧の先端から燃焼が開始するため、その先端をＥＧＲガスで冷却することが効果的である。この態様によれば、燃料噴射量が多い場合は少ない場合に比べて基準線に対する板状部材の傾き角が小さくなる結果、シリンダの中心から遠い側へ多くのＥＧＲガスが導かれる。このため、シリンダの中心から遠い側にＥＧＲガスを偏在させることができ燃料噴霧の先端を効果的に冷却できる。逆に、燃料噴射量が少ない場合は多い場合に比べて基準線に対する板状部材の傾き角が大きくなる結果、シリンダの中心に近い側へ多くのＥＧＲガスが導かれる。このため、シリンダの中心に近い側にＥＧＲガスを偏在させることができ燃料噴霧の先端を効果的に冷却できる。このように、燃料噴射量の変化に合わせてＥＧＲガスを配置を変えることができるため、ＥＧＲガスによる効率的な冷却が実現される。

本発明の一態様において、前記分割手段は、前記シリンダの中心線及び前記ステム部の軸線のそれぞれと直交する基準線に対する角度が互いに相違するように、前記板状部材が前記傘部の周方向に関して複数個並べられた板状部材群を有していてもよい（請求項４）。この場合には、複数の板状部材によって流れの方向が互いに異なる複数の流れに分割される。そのため、これらの流れがスワールに巻き込まれ始まる開始位置は流れ毎に相違するから、これらの流れがスワールに巻き込まれて随伴する距離が互いに異なる。これにより、シリンダの周方向に関して濃淡がある濃度分布となるようなＥＧＲガスの配置が可能になる。

この態様において、板状部材の数及びその設置位置は適宜に定めてよい。例えば、前記内燃機関には、前記シリンダの中央部から放射状に前記シリンダ内へ燃料を噴射するための複数の噴孔を持つ燃料噴射弁が設けられており、前記板状部材群は、前記燃料噴射弁の前記複数の噴孔からそれぞれ噴射される燃料噴霧の位置におけるＥＧＲガスの濃度が他の位置よりも濃くなるように、前記燃料噴射弁が持つ前記噴孔の数と関連する数の前記板状部材を有し、かつ前記関連する数の前記板状部材の各設置位置が設定されていてもよい（請求項５）。噴孔の数は燃料噴射弁が噴射する燃料噴霧の数と等しい。このため、それらの燃料噴霧の位置におけるＥＧＲガスの濃度が他の位置よりも濃くなるように、板状部材群が噴孔の数と関連する数の板状部材を有し、かつこれらの板状部材の設置位置が設定されることにより、ＥＧＲガスの濃度の濃淡を燃料噴霧に対応させることができる。その関連する数として、例えば、噴孔の数と同数、噴孔の数が２より大きな偶数個の場合は噴孔の数の１／２、及び噴孔の数が３より大きな奇数個の場合は噴孔の数の１／３、等を例示することができる。これらのうち、噴孔の数と同数の板状部材を板状部材群が持つ場合は、シリンダの周方向に関して、燃料噴霧の位置のＥＧＲガスの濃度を濃く、それ以外の位置のＥＧＲガスの濃度を薄くすることが可能となり、ＥＧＲガスのガス量を必要最小限に留めることができる。

また、板状部材群に含まれる板状部材の各設置位置は適宜決定してよい。例えば、前記板状部材群に含まれる前記板状部材の各設置位置は、前記吸気バルブから前記板状部材群が除かれた仮想吸気バルブの存在を仮定し、前記開口部が前記仮想吸気バルブにて開かれることにより前記仮想吸気バルブの前記傘部の上面側を流れる流れを考慮して決定されてもよい（請求項６）。この場合、仮想吸気バルブは板状部材群の存在を除いて吸気バルブと同一構成を有しているので、その仮想吸気バルブの傘部の上面側の流れを考慮することにより、各板状部材にて分割される複数の流れの状態を正確に見積ることができるようになる。具体的には、前記仮想吸気バルブの前記傘部の上面側中央部における複数の流速ベクトルの先端を相互に結んだ閉曲線を前記ステム部の軸線と直交する平面に投影し、前記平面に投影された閉曲線にて囲まれた面積を前記板状部材の数と同数に均等に分割できかつ前記軸線と前記平面との交点から延びる複数の直線を得ることにより、前記複数の直線の位置が前記各設置位置として決定されていてもよい（請求項７）。この場合、ステム部の軸線と直交する平面に投影された閉曲線の面積は傘部の上面側中央部における流量に相当する。その面積を板状部材の数と同数に均等に分割する複数の直線の位置に各板状部材が設置されることで、各板状部材にて分割される複数の流れの流量が揃うことになる。これにより、シリンダの周方向に並ぶＥＧＲガスの濃度が濃い部分のそれぞれの濃さのばらつきを抑えることができる。

また、前記吸気バルブを前記ステム部の軸線の回りに回転させることができ、かつ前記吸気バルブの回転位置を所定位置に保持できるバルブ回転手段と、前記シリンダ内に形成されるスワールの強さに応じて前記吸気バルブの回転位置が変化するように、前記バルブ回転手段を制御する制御手段と、を更に備えてもよい（請求項８）。スワールの強さが強まると燃料噴霧がスワールの進行方向に流されるため、スワールの強さが弱い場合よりもＥＧＲガスを配置すべき位置がシフトする。この態様によれば、スワールの強さに応じて吸気バルブの回転位置が変化するので、そのようなシフトに伴うＥＧＲガスの位置ずれを解消することができる。

また、一回の吸気行程における前記吸気バルブのリフト量、リフト時期及びリフト回数を含む動弁特性を変更可能に構成され、かつ所定の動弁特性にて前記吸気バルブを開閉駆動できるバルブ駆動手段を更に備え、前記制御手段は、前記シリンダ内に形成されるスワールの強さが強い場合は弱い場合に比べて一回の吸気行程における前記リフト回数が多くなるように前記バルブ駆動手段を制御してもよい（請求項９）。スワールの強さが強まることにより燃料噴霧がスワールの進行方向に流されるが、特に燃料噴霧の先端に向かうほどスワールにて大きく流される。その結果、燃料噴霧の形状が二次元的に留まらず三次元的に変化する。この態様によれば、一回の吸気行程の間に時期をずらしてＥＧＲガスがシリンダ内に導入されるので、シリンダの上下方向に関してＥＧＲガスの配置を変えることができる。スワールの強さが強いほど燃料噴霧の三次元的な変化が顕著になるが、この態様はスワールの強さが強いほどリフト回数が増えてシリンダの上下方向に関するＥＧＲガスの配置状態を変化させる幅が広がるので、スワールの強さに応じて適切なＥＧＲガスの配置が可能になる。

また、前記制御手段は、前記吸気バルブのリフト量及び前記リフト時期の少なくとも一方が前記内燃機関の運転状態に応じて変化するように前記バルブ駆動手段を制御してもよい（請求項１０）。内燃機関の運転状態として、例えば燃料噴射時期、燃料噴射量、燃料噴射圧が変化すると、燃料噴霧の到達位置が変わる。それにより、ＥＧＲガスの配置に適した位置も変化する。この態様によれば、吸気バルブのリフト量及びリフト時期の少なくとも一方が内燃機関の運転状態に応じて変化するため、ＥＧＲガスの配置に適した位置の変化に対して適切に対応できる。

また、前記制御手段は、前記シリンダ内に形成されるスワールの強さが弱い第１状態からその強さが強い第２状態へ変化する場合、前記第１状態に対応した前記吸気バルブの回転位置及び動弁特性を前記第２状態に対応した前記吸気バルブの回転位置及び動弁特性へ複数回の吸気行程を経て変更する過程で、前記第１状態に対応した前記吸気バルブの回転位置が維持された状態で前記シリンダ内へのＥＧＲガスの導入量が増量するように前記吸気バルブの動弁特性を変更する増量操作を前記バルブ回転手段及び前記バルブ駆動手段に対して実行し、その後の吸気行程で、前記増量操作にて変更された後の動弁特性が維持された状態で前記吸気バルブの回転位置を前記第２状態に対応した回転位置に変更する回転操作を前記バルブ回転手段及び前記バルブ駆動手段に対して実行し、その後の吸気行程で、前記回転操作にて変更された回転位置が維持された状態で前記シリンダ内へのＥＧＲガスの導入量が前記増量操作にて増量された量から前記第２状態に対応した量へ減量するように前記吸気バルブの動弁特性を前記第２状態に対応した動弁特性に変更する減量操作を前記バルブ回転手段及び前記バルブ駆動手段に対して実行してもよい（請求項１１）。スワールの強さが第１状態から第２状態へ変化する場合、これらの状態に適した吸気バルブの回転位置及び動弁特性を一気に変更しても、ＥＧＲガスの配置状態の変更が間に合わないため、その過渡状態において燃焼変動が大きくなる。この態様によれば、第１状態に対応した吸気バルブの回転位置及び動弁特性から第２状態に対応した吸気バルブの回転位置及び動弁特性へ変更する過程において、増量操作、回転操作及び減量操作が複数の吸気行程を経て実行される。これらの操作によって配置状態が徐々に変化していくことになるため、過渡状態における燃焼変動を抑制することができる。

この増量操作はＥＧＲガスの導入量が増量するものであれば形態は問わない。例えば、前記増量操作は、複数回の吸気行程を経て前記バルブ回転手段及び前記バルブ駆動手段に対して実行されるものであり、かつ前記第１状態に対応したリフト時期及びリフト回数が維持された状態で前記吸気バルブの２回目のリフトにおけるリフト量を増加するリフト量増加操作、前記リフト量増加操作にて増加された２回目のリフトのリフト量が維持された状態で、２回目のリフトの後に前記吸気バルブの３回目のリフトが行われるようにリフト回数を変更するリフト回数変更操作、及び前記リフト量増加操作にて増加された前記吸気バルブの２回目のリフトのリフト量が維持されかつ前記リフト回数変更操作にて変更されたリフト回数が維持された状態で前記吸気バルブの２回目のリフトのリフト時期を進角させるリフト時期進角操作を含んでいてもよい（請求項１２）。これらの操作を含むことにより、過渡状態における燃焼変動を適切に抑制することができる。

また、前記内燃機関には、排気中の成分を検出する排気成分検出手段が設けられており、前記制御手段は、前記排気成分検出手段が検出した特定成分に基づいて、前記燃料噴射弁が噴射した燃料噴霧と前記シリンダ内に導入されたＥＧＲガスとの重なり具合を推定する推定手段と、前記推定手段の推定結果に基づいて前記重なり具合が改善する方向に前記吸気バルブの回転位置を補正する補正手段とを有していてもよい（請求項１３）。燃料噴霧の位置におけるＥＧＲガスの濃度が他の位置よりも濃くなる関係が成立していても、例えば経時変化等の事後的な原因でその関係が崩れることが予想される。そのような関係が崩れて燃料噴霧とＥＧＲガスとの重なり具合が悪化すると、ＥＧＲガスによるエミッションの改善効果が悪化する関係にあるため、排気中の特定成分に基づいてその重なり具合を推定することができる。この態様によれば、重なり具合の推定結果に基づいてその重なり具合が改善する方向に吸気バルブの回転位置が補正されるため、上述したような経時変化等が発生しても燃料噴霧の位置におけるＥＧＲガスの濃度が他の位置よりも濃くなる関係を維持することができる。

この場合、前記制御手段は、前記補正手段による補正後において前記重なり具合が改善しない場合に前記吸気バルブを現在位置から任意に回転させる故障解消操作を前記回転手段に対して実行する故障解消手段を更に備えてもよい（請求項１４）。補正手段による補正が実行されても重なり具合が改善しない場合は吸気バルブの回転方向の固着等の故障が考えられる。この態様によれば、そのような場合は吸気バルブを現在位置から任意に回転させる故障解消操作が行われるため、吸気バルブの回転方向の固着がその原因である場合にはそのような故障を装置自身によって解消できる。更に、前記制御手段は、前記故障解消操作の実行後に前記重なり具合が所定レベルを超えて変化しない場合に前記内燃機関の運転を停止させる機関停止手段を更に備えてもよい（請求項１５）。故障解消操作の実行後に重なり具合の変化が所定レベルを超えない場合は故障が解消されないと判断できる。そのような場合に機関停止手段が内燃機関を停止することによって安全を確保することができる。

以上説明したように、本発明によれば、板状部材にて分割された流れはシリンダの異なる位置に導かれて、シリンダ内に形成されたスワールに巻き込まれる。スワールにＥＧＲガスが巻き込まれる位置は板状部材にて分割された流れの状態によって異なるから、例えば板状部材のシリンダに対する設置角度を適宜設定して分割された流れの流量等の流れの状態を変化させることにより、シリンダ内の所望の場所にＥＧＲガスを配置できるようになる。

（第１の形態）
図１は本発明の一形態に係る排気還流装置が適用された内燃機関の要部を示した全体図であり、図２は図１の内燃機関の一部を拡大して示した斜視図である。内燃機関１は不図示の車両に走行用動力源として搭載され、４つ（図では１つ）のシリンダ２が一列に並べられた直列４気筒のディーゼルエンジンとして構成されている。各シリンダ２はシリンダブロック３に形成されており、各シリンダ２の上部はシリンダヘッド４にて塞がれる。各シリンダ２にはピストン５が往復運動自在に設けられ、ピストン５はコンロッド７を介してクランクシャフト６に連結される。各シリンダ２の天井面には燃料噴射弁８がその先端をシリンダ２内に臨ませるようにしてシリンダ２の中央部に設けられている。燃料噴射弁８は不図示のコモンレールに接続されて所定燃圧の燃料が供給されるようになっている。

各シリンダ２には吸気通路１０及び排気通路１１がそれぞれ接続されている。吸気通路１０は、シリンダ２に開口するようにしてシリンダヘッド４に形成されて一つのシリンダ２に対して二つずつ設けられた吸気ポート１２、１３と、各吸気ポート１２、１３に接続される吸気マニホールド１４とを含んでいる。これらを含んだ吸気通路１０は本発明に係る吸気装置に相当する。各吸気ポート１２、１３のシリンダ２側の開口部１２ａ、１３ａは吸気バルブ１５、１６にて開閉される。図２に示すように、二つの吸気ポート１２、１３はそれぞれ周知のヘリカルポートとして構成されており、シリンダ２へ空気を導く過程で中心線ＣＬと交差する面内を旋回しながら中心線ＣＬの方向へ向かう旋回流Ｓｒを生成できる。これによって、所用の吸気流量を確保しつつシリンダ２内にその中心線ＣＬの回りを旋回するスワールＦｓｗが生成される。なお、図示を省略したが、内燃機関１には、一方の吸気ポート１３のみを絞ることができるスワールコントロールバルブ（ＳＣＶ）が設けられており、そのＳＣＶの開度を変化させることによりスワールＦｓｗの強さが運転状態に適したものに調整される。

図１に示すように、排気通路１１はシリンダ２に開口するようにしてシリンダヘッド４に形成された複数の排気ポート２０と排気ポート２０に接続される排気マニホールド２１とを含んでいる。図示しないが、排気ポート２０は一つのシリンダ２に対して二つずつ設けられる。各排気ポート２０のシリンダ２側の開口部は排気バルブ２２にて開閉される。吸気バルブ１５、１６及び排気バルブ２２はその開閉タイミングがクランクシャフト６の回転と同期するようにして動弁装置２３にて駆動される。もっとも、動弁装置２３は、吸気バルブ１５の駆動用として一回の吸気行程におけるリフト量、リフト時期及びリフト回数等を含む動弁特性を自在に変更できる周知の電磁駆動装置２４を備えている。詳細な説明は省略するが、電磁駆動装置２４は吸気バルブ１５に固定された磁性体の変位をソレノイドの磁力を調整することにより任意に変更できるようになっている。

吸気通路１０には空気濾過用のエアフィルタ２５、ターボチャージャー２６のコンプレッサ２６ａ、ターボチャージャー２６にて加圧された空気を冷却するインタークーラ２７、及び吸気マニホールド１４の上流に配置されて空気流量を調整するスロットルバルブ２８がそれぞれ設けられている。排気通路１１にはターボチャージャー２６のタービン２６ｂ及び排気を浄化するための排気浄化装置２９がそれぞれ設けられている。ターボチャージャー２６はコンプレッサ２６ａとタービン２６ｂとが一体回転する周知のものである。

内燃機関１には排気の一部をＥＧＲガスとして取り出して吸気通路１０に導入する排気還流装置３０が設けられている。排気還流装置３０は排気通路１１から取り出したＥＧＲガスを導く排気還流通路３１と、ＥＧＲガスを冷却する冷却装置３２と、排気還流通路３１が導くＥＧＲガスを吸気通路１０に導入するための導入装置３３とを備えている。排気還流通路３１と導入装置３３との組み合わせが本発明に係る導入手段に相当する。排気還流通路３１の入口側は排気マニホールド２１に接続されている。つまり排気還流装置３０のＥＧＲガスの取出位置３１ａはタービン２６ｂの上流側に設定されている。図２に示すように、排気還流通路３１の出口側は導入装置３３に接続される。導入装置３３は排気還流通路３１と一方の吸気ポート１２に通じた吸気マニホールド１４のブランチ１４ａとを結ぶ接続通路３４と、その接続通路３４に設けられた調整バルブ３５と、ブランチ１４ａに設けられた調整バルブ３６とを備えている。スロットルバルブ２８及び二つの調整バルブ３５、３６を互いに連係して操作することによりＥＧＲ率を調整することができる。

導入装置３３にて吸気ポート１２に導かれたＥＧＲガスは、ブランチ１４ａを流れる空気とともに吸気ポート１２の開口部１２ａと吸気バルブ１５との間に形成される隙間を経由してシリンダ２内に導入される。図３は吸気バルブ１５の詳細を示す斜視図である。吸気バルブ１５は吸気ポート１２の開口部１２ａを開閉できる傘部１５ａとその傘部１５ａの上面側から直線的に延びるステム部１５ｂを有している。傘部１５ａの上面には、傘部１５ａの半径方向及びステム部１５ｂの軸線Ａｘ１の方向のそれぞれに延びる板状部材としてのフラップ４０が設けられている。フラップ４０は吸気バルブ１５に一体化されている。シリンダ２に導かれるガスの流れはフラップ４０によって複数の流れに分割される。これによりフラップ４０が分割手段として機能する。

図１に示すように、フラップ４０のシリンダ２に対する相対的な回転位置（角度）はバルブ回転手段としてのバルブ回転機構５０にて調整される。図４はバルブ回転機構５０の詳細を示しており、図５は図４のV−V線に関する断面図を示している。これらの図に示すように、バルブ回転機構５０は吸気バルブ１５のステム部１５ｂにその外周面から半径方向外側に突出するように設けられた４つの案内突起５１と、これらの案内突起５１をそれぞれ収容する案内溝５２が形成されかつシリンダヘッド４に対して回転自在に支持された回転部材５３と、回転部材５３を駆動する駆動装置５４とを備えている。案内突起５１は回転部材５３の案内溝５２内でステム部１５ｂの軸線Ａｘ１の方向に往復動可能な状態でその案内溝５２内に収容される。駆動装置５４は電動モータ５５の回転を回転部材５３に伝達する伝達機構５６を有している。その伝達機構５６は回転部材５３の外周に設けられたリングギア５７と、電動モータ５５の出力軸に取り付けられたピニオン５８と、リングギア５７及びピニオン５８のそれぞれと噛み合う中間ギア装置５９とを有する。中間ギア装置５９はシリンダヘッド４に対して回転自在に支持されたピニオン軸５９ａと、そのピニオン軸５９ａの両端に固定されて電動モータ５５のピニオン及び回転部材５３のリングギア５７のそれぞれと噛み合う一対のピニオン５９ｂ、５９ｃとを有している。これにより、バルブ回転機構５０は電動モータ５５の回転が適宜制御されることにより、吸気バルブ１５を軸線Ａｘの回りに回転させることができ、かつその回転位置を所定位置に保持することができる。これにより、所定の回転位置を維持しながら吸気バルブ１５を開閉駆動することができる。

図６〜図９はフラップ４０の回転位置とシリンダ２内に配置されるＥＧＲガスとの関係を説明する説明図である。図６はシリンダ２の中心線ＣＬと軸線Ａｘ１とに直交する基準線ＳＬに対するフラップ４０の傾斜角θが小さい場合を、図７はその基準線ＣＬに対するフラップ４０の傾斜角θが大きい場合をそれぞれ示している。図８は傾斜角θが小さい図６の場合にシリンダ２内に形成されるＥＧＲガスＧの配置状態を、図９は傾斜角θが大きい図７の場合にシリンダ２内に形成されるＥＧＲガスＧの配置状態をそれぞれ示している。

図６に示すように、傾斜角θが小さい場合はフラップ４０にて分割された二つの流れｆ１、ｆ２のうち、シリンダ２の内壁面に近い流れｆ１の流量がシリンダ２の中心に近い流れｆ２よりも多くなる。これにより、図８に示すように、ＥＧＲガスＧはシリンダ２の内周面に近い側に偏って配置される。このような配置は、燃料噴射弁８にて噴射される燃料噴霧Ｆｓが遠くまで到達する場合、換言すれば燃料噴射量が多い場合に適している。つまり、シリンダ２の内周面付近に位置する燃料噴霧Ｆｓの先端に集中的にＥＧＲガスＧを配置できる。一方、図７に示すように、傾斜角θが大きい場合は二つの流れｆ１、ｆ２の関係が図６とは反対になる。つまり、これらの流れｆ１、ｆ２のうち、シリンダ２の内周面に近い流れｆ１の流量がシリンダ２の中心に近い流れｆ２よりも少なくなる。これにより、図９に示すように、ＥＧＲガスＧはシリンダ２の中心に近い側に偏って配置される。このような配置は、燃料噴霧Ｆｓの到達距離が短い場合（燃料噴射量が少ない場合）に適している。つまり、シリンダ２の中心付近に位置する燃料噴霧Ｆｓの先端に集中的にＥＧＲガスＧを配置できる。このように、ＥＧＲガスの配置する場所は内燃機関１の運転状態（燃料噴射量等）に応じて変化する。このため、内燃機関１の運転状態に応じて吸気バルブ１５の回転位置を設定することにより内燃機関１の運転領域に合わせて効率的なＥＧＲガスの配置が実現される。

次に、ＥＧＲガスを導入するための排気還流制御について説明する。ＥＧＲガスの導入量（ＥＧＲ量）、ＥＧＲ率等の排気還流に関わるパラメータは制御手段としてのエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）７０にて制御される（図１及び図２参照）。ＥＣＵ７０は不図示のマイクロプロセッサ及びその動作に必要なＲＡＭ、ＲＯＭ等の周辺装置を備えたコンピュータとして構成されている。ＥＣＵ７０は各種のセンサから取得した情報に基づいて内燃機関１の運転状態を制御するため、内燃機関１に対する各種制御プログラムを予め保持している。一例として、ＥＣＵ７０は各種のセンサから取得した情報に基づいて燃料噴射量、燃料噴射時期、燃料噴射期間等の内燃機関１の基本的な運転パラメータを計算し内燃機関１の制御対象例えば燃料噴射弁８等を操作する。また、ＥＣＵ７０に接続される各種のセンサとしては、図１に示すように、内燃機関１の回転数（回転速度）に応じた信号を出力するクランク角センサ７１、吸気通路１０を流れる空気流量に応じた信号を出力するエアフローメータ７２、内燃機関１の冷却水温に応じた信号を出力する水温センサ７３、及び排気通路１１を流れる排気中の酸素濃度に応じた信号を出力する酸素濃度センサ７４が設けられている。その他にも過給圧センサ、アクセル開度センサ等の多数のセンサがＥＣＵ７０に接続されているが図示を省略する。

ＥＣＵ７０は排気還流制御の実行のため、上述した導入装置３３の二つの調整バルブ３５、３６、スロットルバルブ２８、吸気バルブ１５を駆動する電磁駆動装置２４及び吸気バルブ１５を回転させるバルブ回転機構５０のそれぞれの動作を制御する。

図１０はＥＣＵ７０が実行する排気還流制御の制御ルーチンの一例を示したフローチャートである。このルーチンのプログラムはＥＣＵ７０のＲＯＭに保持されており、適時に読み出されて所定の演算間隔で繰り返し実行される。ＥＣＵ７０は、まずステップＳ１で内燃機関１の運転状態を取得する。本形態では運転状態を代表するパラメータとして、機関回転数と燃料噴射量とを取得する。機関回転数はクランク角センサ７１の信号に基づいて取得される。燃料噴射量としては図１０と並行して実行される燃料噴射制御（不図示）の演算結果が使用される。

次に、ステップＳ２において、内燃機関１の運転状態に基づいて成層ＥＧＲが必要か否かを判定する。成層ＥＧＲとは図８や図９のようにＥＧＲガスを層状に、換言すればシリンダ２内にＥＧＲガスの濃度が濃い部分と薄い部分とが併存するように、ＥＧＲガスをシリンダ２内導入することを意味する。従って、このようなＥＧＲガスの配置が必要ない場合はステップＳ８に進んで所定の通常制御を実行して今回のルーチンを終了する。

次に、ステップＳ３において、吸気バルブ１５に与える動弁特性を算出する。その動弁特性にはリフト量、リフト時期及びリフト回数が含まれる。要求されるＥＧＲガスの配置形態に応じてこれらのパラメータの値が算出される。それらの算出は予め実験的に作成したマップをＥＣＵ７０が参照することにより実現できる。

次に、ステップＳ４において、フラップ４０の回転位置（吸気バルブ１５の回転位置）を算出する。この算出は燃料噴射量等を変数として回転位置を与えるマップを予め実験的に作成しておき、そのマップをＥＣＵ７０が参照することにより実現できる。そのマップは燃料噴射量が多い場合は少ない場合に比べて基準線ＳＬに対する傾斜角θ（図６及び図７参照）が小さくなるような回転位置を与える。それにより、燃料噴射量が多いほどＥＧＲガスの配置がシリンダ２の内周面に近づくようになる。

次に、ステップＳ５において、排気還流に関連する各バルブ、即ち調整バルブ３５、３６、スロットルバルブ２８及び吸気バルブ１５の開度量を算出する。これらのバルブの開度量の組み合わせによってＥＧＲガスの導入量及びＥＧＲ率が変化するため、内燃機関１の運転状態に適したＥＧＲガスの導入量及びＥＧＲ率が得られるように各バルブの開度量が算出される。次に、ステップＳ６において、ＥＣＵ７０はステップＳ５で算出した開度量で各バルブを作動させる。次に、ステップＳ７において、ＥＣＵ７０はステップＳ３で算出した動弁特性に従って吸気バルブ１５が作動するように電磁駆動装置２４を制御する。そして、今回のルーチンを終了する。

図１０のルーチンによれば、内燃機関１の運転状態に応じて吸気バルブ１５の回転位置が設定されるため、内燃機関１の運転状態に合わせて効率的なＥＧＲガスの配置が実現される。

（第２の形態）
次に、本発明の第２の形態を図１１〜図２５を参照して説明する。第２の形態は吸気バルブ１５に複数のフラップを設ける点及びそれに対応した制御に特徴がある。それ以外は第１の形態と同一であるので、第１の形態との共通点についての説明は省略する。図１１は吸気バルブ１５に複数の板状部材としてのフラップ４０Ａ・・・が設けられた一例を示しており、図１２は吸気バルブ１５を上方から見た状態を示した平面図である。これらの図に示すように、これらのフラップ４０Ａ・・・が傘部１５ａの周方向に関して所定間隔で並べられることにより板状部材群としてのフラップ群１００が構成される。なお、以下の説明で、複数のフラップ４０Ａ・・・に関し、これらを互いに区別する必要がない場合はフラップ４０と表示する。

図１１及び図１２から明らかなように、複数のフラップ４０が傘部１５ａの周方向に関して並べられていることにより、上述した基準線ＳＬに対する各フラップ４０の傾斜角θ（図６及び図７参照）は互いに相違する。これにより、シリンダ２内に導入されるガスの流れは、フラップ４０の数に応じて複数の流れｆ１・・・に分割される。そのため、シリンダ２内に形成されるスワールＦｓｗに巻き込まれ始まる開始位置が流れ毎に相違するから、これらの流れｆ１・・・がスワールＦｓｗに巻き込まれて随伴する距離が互いに異なる。これにより、シリンダ２の周方向に関して濃淡がある濃度分布となるようなＥＧＲガスの配置が可能になる。

本形態では、燃料噴霧の位置にＥＧＲガスの濃度が濃い部分を配置できるように、フラップ４０の数を燃料噴霧の本数つまり燃料噴射弁８の噴孔の数と同数としている。更に、燃料噴霧が周方向に略等間隔で噴射される形態であるため、ＥＧＲガス濃度の濃淡の位置が周方向に略等間隔になるように各フラップ４０の吸気バルブ１５に対する設置位置が決定されている。

図１３及び図１４は各フラップ４０の設置位置の決定方法を説明する説明図である。まず、図１３に示すように、各設置位置を決定する前提として、フラップ４０が除かれた仮想吸気バルブ１５′の存在を仮定する。そして、吸気ポート１２の開口部１２ａが仮想吸気バルブ１５′にて開かれることにより傘部１５ａ′の上面側を流れる流れＦｘを求める。次に、その流れＦｘが持っている、傘部１５ａ′の上面側中央部における複数の流速ベクトルｖ・・・の先端を相互に結んだ閉曲線Ｃを求める。次に、図１４に示すように、その閉曲線Ｃを軸線Ａｘ１と直交する平面Ｐに投影した閉曲線Ｃ′を求める。そして、その閉曲線Ｃ′にて囲まれる面積Ｓを、噴孔数と同数の８つに均等に分割でき、かつ軸線Ａｘ１と直交する８本の直線Ｌ１〜Ｌ８を求める。つまり、閉曲線Ｃ′に囲まれる領域をこれらの直線Ｌ１〜Ｌ８にて８つの小領域に分割し、各小領域の面積ｓ１〜ｓ８が互いに等しくなるようにする。最後に、これらの直線Ｌ１〜Ｌ８の位置をフラップ４０の設置位置として決定する。閉曲線Ｃ′の面積Ｓは流れＦの流量に相当するため、直線Ｌ１〜Ｌ８の位置にフラップ４０を設置することにより、流れＦを均等に分割できる。

図１５は以上の方法で決定した設置位置にフラップ４０を設けた吸気バルブ１５によって得られるシリンダ２内のＥＧＲガスの配置状態を模式的に示している。この図から理解できるように、ＥＧＲガスを含んだガスの流れは、各フラップ４０にて８つの流れｆ１〜ｆ８に分割される。これらの流れｆ１〜ｆ８がスワールＦｓｗに巻き込まれ始まる開始位置は互いに相違する。このため、流れｆ１〜ｆ８がスワールＦｓｗに巻き込まれて周方向に関する移動距離が相違する。これにより、周方向に関して略等間隔にＥＧＲガスの濃度が濃い部分Ｇ１〜Ｇ８が形成される。また、流れｆ１〜ｆ８の流量は互いに等しいため、これらの部分Ｇ１〜Ｇ８の濃さのばらつきが抑えられる。

ＥＧＲガスがスワールに巻き込まれてからの経過時間が長くなるほど、ＥＧＲガスが拡散するため周方向の濃淡が失われていく。そこで、本形態では１回の吸気行程における吸気バルブ１５のリフト回数を２回以上にすることによって、燃料噴射弁８による燃料噴霧とＥＧＲガスの濃度が濃い部分Ｇ１〜Ｇ８とが重なるように１回目以降の吸気バルブ１５のリフト時期を調整している。

図１６は一回の吸気行程における吸気バルブ１５のリフト波形の一例を示しており、図１７〜図１９は図１６の波形に従って吸気バルブが動作した場合における、吸気行程から燃料噴射までのシリンダ２内の状態の変化を模式的に示している。図１６に示すように、吸気バルブ１５はそのリフト回数が２回である。１回目のリフト（第１バルブリフト）のリフト量ｈ１及び作用角α１はともに２回目のリフト（第２バルブリフト）のリフト量ｈ２及び作用角α２よりも大きくなっている。そのため、第１バルブリフトにて導入されるＥＧＲガスのガス量のほうが第２バルブリフトにて導入されるＥＧＲガスのガス量よりも多くなる。

第１バルブリフトにおいては、第２バルブリフトよりも作用角α１が長くかつリフト時期が早いため、図１７に示すように、第１バルブリフトにて導入されたＥＧＲガスＧは周方向に関する濃度の濃淡が失われ均一化される。第２バルブリフトにおいては、吸気行程の後半の限られた期間に行われるため、周方向に関する濃淡が維持されて濃度が濃い部分Ｇ１〜Ｇ８が略等間隔に並ぶ。第２バルブリフトのリフト時期は燃料噴霧とこれらの部分Ｇ１〜Ｇ８が重なるように設定されている。これにより、図１９に示すように、部分Ｇ１〜Ｇ８を各燃料噴霧Ｆｓ１〜Ｆｓ８の先端に配置することができる。このような吸気バルブ１５の動作制御は、第１の形態で説明した図１０のステップＳ３の動弁特性の算出処理にて行われる。

次に、本形態に特有の吸気バルブ１５の回転制御について説明する。図２０及び図２１は回転制御の考え方を説明する説明図である。なお、以下の説明は全ての燃料噴霧Ｆｓ１〜Ｆｓ８とＥＧＲガスとの関係について成り立つものであるが、便宜上、一部の燃料噴霧とＥＧＲガスとの関係を例示して説明する。図２０に示すように、スワールＦｓｗの強さが強くなると、燃料噴霧Ｆｓ３は破線の位置から実線の位置へスワールＦｓｗの進行方向に流され易くなる。このため、図２１に示すように、吸気バルブ１５を破線の位置から実線の位置まで、スワールＦｓｗの進行方向と同方向Ｄに若干回転させる。これにより、フラップ４０で分割された流れｆ３の位置が矢印の方向にスライドする。その結果、スワールＦｓｗへの巻き込み位置が変わり、図２０に示すように、ＥＧＲガスの濃度が濃い部分Ｇ３の位置も破線の位置から実線の位置へスライドする。これにより、燃料噴霧Ｆｓ３のずれに対して最適な位置に部分Ｇ３を配置することが可能になる。このような吸気バルブ１５の回転制御は、第１の形態で説明した図１０のステップＳ４の回転位置の算出処理にて実行できる。例えば、スワールＦｓｗの強さを代表する物理量であるスワール比やスワール速度を変数として吸気バルブ１５の回転角度を与えるマップを準備しておき、ＥＣＵ７０がそのマップを参照することにより、適切な回転角度を求めることができる。

次に、本形態に特有の吸気バルブ１５のリフト量及びリフト時期の制御について説明する。図２２及び図２３はリフト量及びリフト時期の制御の考え方を説明する説明図であり、図２２は燃料噴射時期が早い場合におけるＥＧＲガスの配置の様子を、図２３は燃料噴射量が少ない場合におけるＥＧＲガスの配置の様子をそれぞれ示している。これらの図はシリンダ２の中心線ＣＬに沿う方向の断面を模式的に示している。

本形態において、吸気バルブ１５のリフト量及びリフト時期は内燃機関１の運転状態に適したＥＧＲガスの配置が実現できるように設定される。例えば、燃料噴射時期が早期側（例えばＴＤＣより先）の場合では、ピストン５が上がりきる前に燃料噴射が開始されるため、燃料噴霧Ｆｓのペネトレーションは強い。そのため、このような運転状態の場合は図２２のような配置状態が要求される。つまり、第２バルブリフトによるＥＧＲガスＧｓを破線に示す位置よりも中心線ＣＬ方向の上側に配置することが望まれる。そこで、このような運転状態の場合は通常に比べて第２バルブリフトにおける吸気バルブ１５のリフト量を大きくし、かつ第２バルブリフトのリフト時期を進角側に変化させる。これにより、リフト量が大きくなった分だけ、短時間にＥＧＲガスＧｓを配置することができ、かつ進角側で吸気することにより中心線ＣＬ方向にやや広げることが可能になる。なお、第１バルブリフトによるＥＧＲガスＧｆはＥＧＲガスＧｓの下側に配置される。

例えば、また、燃料噴射量が少ない場合は図２３のような配置状態が要求されるため、第２バルブリフトにおける吸気バルブ１５のリフト量を大きくし、かつ第２バルブリフトにおけるリフト時期を遅角側に変化させる。これにより、第２バルブリフトによるＥＧＲガスＧｓの分布量を増加させ、かつそのガスＧｓをシリンダ２の中央側に分布させることができる。これにより、ＥＧＲガスＧｓを効果的に燃料噴霧Ｆｓに当てることが可能になる。なお、図２３の場合は条件によって第１バルブリフトのリフト時期も遅角側に変化させてもよい。その第１バルブリフトによるＥＧＲガスＧｆは第２バルブリフトＧｓの下側でかつシリンダ２の中央部に配置される。

吸気バルブ１５のリフト回数は２回に限られず３回以上でもよい。図２４及び図２５はスワールＦｓｗの強さが強い場合にバルブリフトを３回行ったときのシリンダ２内の状態を示した説明図であり、図２４はその状態を模式的に示した平面図、図２５はその状態を模式的に示した斜視図である。これらの図に示すように、スワールＦｓｗの強さが強まることにより燃料噴霧ＦｓがスワールＦｓｗの進行方向に流されるが、特に燃料噴霧Ｆｓの先端に向かうほどスワールＦｓｗにて大きく流される。その結果、図２５に示すように、燃料噴霧Ｆｓの形状が二次元的に留まらず三次元的に変化する。この場合第３バルブリフトにより、第１及び第２バルブリフトよりも後にＥＧＲガスＧｔが導入されるため、第２バルブリフトによるＥＧＲガスＧｓの上にＥＧＲガスＧｔが重ねられる。よって、燃料噴霧ＦｓがスワールＦｓｗに流されてその先端部が引き延ばされた場合であっても、各ＥＧＲガスＧｆ、Ｇｓ、Ｇｔが適所に無駄なく配置されるから、ＮＯｘとスモークの同時低減のみならずＨＣの低減も可能となる。以上説明した吸気バルブ１５のリフト回数、リフト量及びリフト時期の制御は、第１の形態で説明した図１０のステップＳ３の動弁特性の算出処理において運転状態に応じた値をＥＣＵ７０が算出することにより実現できる。

（第３の形態）
次に本発明の第３の形態を図２６〜図２８を参照して説明する。この形態は吸気バルブ１５の動弁特性の変化前後の過渡期間における制御に特徴があり、上述した各形態に好適に適用できる。図２６は、スワールの強さが弱い第１状態ＳＴ１に適した吸気バルブ１５の動弁特性と、スワールの強さが弱い第２状態ＳＴ２に適した吸気バルブ１５の動弁特性とをそれぞれ示した説明図である。第１状態ＳＴ１から第２状態ＳＴ２へスワールの強さが変化した場合、吸気バルブ１５の動弁特性及び回転位置を一気に変更しても、ＥＧＲガスの配置状態の変更が間に合わないので、その過渡期間ＴＰにおいて燃焼変動が大きくなる。

図２７は、過渡期間ＴＰにおける動弁特性及び回転位置の変更操作の手順Ａ〜Ｅを説明する説明図である。また、図２８は手順Ａ〜Ｅにおけるシリンダ２内のＥＧＲガスの配置状態を模式的に示しており、その上方が平面図、下方が斜視図に相当する。手順Ａ〜Ｅは複数の吸気行程に亘って実行されるものである。

これらの図に示すように、まず、手順Ａでは、第２バルブリフトにおけるリフト量を増加させる。このとき、第１状態ＳＴ１の吸気バルブ１５の回転位置、第１バルブリフトのリフト量及びリフト時期、並びに第２バルブリフトのリフト時期はそれぞれ第１状態ＳＴ１から引き続き維持される。手順Ａにより、第２バルブリフトによるＥＧＲガスＧｓが多く導入される。吸気バルブ１５の回転位置は変わらないが、ＥＧＲガスＧｓのガス量が増えるため、燃料噴霧Ｆｓが大きく流されてもある程度カバーすることができる。

次に、手順Ｂでは、第３バルブリフトが行われるようにリフト回数を変更する。これ以外の要素は手順Ａと同様の状態に維持される。手順Ｂにより、手順Ａを実行しても依然としてＥＧＲガスが不足していた燃料噴霧Ｆｓの曲がりの根元の位置に第３バルブリフトによるＥＧＲガスＧｔを配置することができる。

次に、手順Ｃでは、第２バルブリフトのリフト時期を進角させる。これ以外の要素は手順Ｂと同様の状態に維持される。第２バルブリフトのリフト時期を進角させることにより、ＥＧＲガスＧｓの分布がスワールＦｓｗの進行方向へ広がるため、手順Ｂで不十分であった燃料噴霧Ｆｓの先端部をある程度カバーすることができる。もっとも、手順Ｃで燃料噴霧Ｆｓの先端部が完全にカバーはできていない。

そこで、次の手順Ｄでは、吸気バルブ１５をスワールＦｓｗの進行方向と同方向に所定量回転させる。これ以外の要素は手順Ｃと同様の状態に維持される。スワールＦｓｗの進行方向と同方向に回転するため、フラップ４０にて分割される流れｆが破線の位置から実線の位置に変更する。これにより、ＥＧＲガスＧｓの位置がスワールＦｓｗの進行方向にスライドして手順Ｃでは行き届いていなかった燃料噴霧Ｆｓの先端部にまでＥＧＲガスＧｓが推移する。

次に、手順Ｅでは、第２バルブリフトのリフト量を規定値（即ち第２状態ＳＴ２に適したリフト量）に減量する。これ以外の要素は手順Ｄの状態と同様の状態に維持される。

以上の手順Ａ〜Ｅを実行することにより、図２６に示した第１状態ＳＴ１から第２状態ＳＴ２の変化に伴って、燃焼悪化を抑えつつ適した動弁特性及び回転位置に変更することができる。即ち、手順ＡでＥＧＲガスＧｓのガス量を増やすことによりＮＯｘの急増を防止できる。しかも、ＥＧＲガスを複数の吸気行程に亘って分割して増減できるから、ガス量の増量は最小限に抑えることが可能であるためスモークの低減にも寄与できる。

本形態において、手順Ａ〜Ｃが本発明に係る増量操作に相当し、手順Ｄが本発明に係る回転操作に相当し、手順Ｅが本発明に係る減量操作に相当する。そして、手順Ａが本発明に係るリフト量増加操作に、手順Ｂが本発明に係るリフト回数変更操作に、手順Ｃが本発明に係るリフト時期進角操作にそれぞれ相当する。

（第４の形態）
次に、本発明の第４の形態を図２９〜図３１を参照して説明する。この形態は吸気バルブ１５の回転位置を排気の状態に基づいて補正する補正制御に特徴があり、上述した各形態に好適に適用できる。内燃機関１の運転状況の経時変化等の事後的な原因により、理想的なＥＧＲガスの配置を実現するために予め用意していたマップが適応できなくなる場合がある。例えば、ＥＧＲガスの導入を長期間続けることにより、吸気ポート１２内にＥＧＲガスの導入に伴うデポジッドが付着するなどの原因が考えられる。このような場合には、想定しているスワールの強さと実際のスワールの強さとの間に乖離が生じたり、燃料噴霧の形状が変化したりすることで、燃料噴霧とＥＧＲガスとの重なり具合が悪化する。図３０はこれらの重なり具合が悪化した場合を模式的に示した説明図である。この図から明らかなように、燃料噴霧Ｆｓに第２バルブリフトによるＥＧＲガスＧｓが当たらずにＥＧＲガスの配置が非効率なものとなっている。

そこで、この形態ではこのような事態を回避するため、ＥＣＵ７０は図２９に示す補正制御を実行する。図２９のルーチンのプログラムはＥＣＵ７０のＲＯＭに予め保持されており、適時に読み出されて所定間隔で繰り返し実行される。まず、ＥＣＵ７０は、ステップＳ４１において、図１に示した酸素濃度センサ７４の信号から酸素濃度を特定し、それに基づいて排気中の特定成分としての未燃ＨＣの量を算出する。次に、ステップＳ４２において、正常時の未燃ＨＣとの差分を算出し、その差分が所定のしきい値を超えているか否かを判定する。しきい値を超えていない場合は正常時と判断できるので、以後の処理をスキップして今回のルーチンを終える。一方、その差分がしきい値を超えている場合には、ステップＳ４３以降に規定された吸気バルブの補正角度Ｘの決定処理に進む。

図３１は未燃ＨＣと補正角度Ｘとの関係を示した説明図である。この図に示すように、未燃ＨＣの差分は図３０の噴霧間角度βの１／２の位置で最大値を取る。なぜなら、このときに燃料噴霧ＦｓからＥＧＲガスＧｓが最も離れることになるからである。そこで、図２９のステップＳ４３では、差分がその最大値を下回るか否かを判定し、下回っていない場合にはステップＳ４９に進んで補正角度Ｘをβ／２に設定する。一方、差分が最大値を下回っている場合は、図３０から明らかなように、同じ差分でもＥＧＲガスＧｓの位置によって二つの解が存在することになる。そこで、ステップＳ４４では一方の解であるＸ１を暫定的な補正角度の候補として設定する。そして、次のステップＳ４５において、補正角度Ｘ１に対応する回転角度を吸気バルブ１５に与えることにより、フラップ４０を回転させる。続くステップＳ４６では差分がしきい値未満かどうかを判定し、しきい値未満の場合は補正角度Ｘ１が適正であることが判明するため、今回のルーチンを終了する。一方、差分がしきい値を超えている場合は、他方の解であるＸ２が補正角度として正しいことが分るので、続くステップＳ４７においてＸ２を補正角度として設定する。そして、次のステップＳ４８において、補正角度Ｘ２に対応する回転角度を吸気バルブ１５に与えることにより、フラップ４０を回転させて今回のルーチンを終了する。

ステップＳ４９で補正角度がβ／２に設定された場合は、続くステップＳ５０にて補正角度β／２に対応する回転角度を吸気バルブ１５に与えることによってフラップ４０を回転させる。次に、ステップＳ５１において、差分が最大値未満かどうかを判断する。最大値未満の場合は適正な補正が行われたことになるので、今回のルーチンを終了する。一方、差分が最大値のまま、或いは最大値を超えて悪化する場合には、何らかの故障が生じたと判断されるためステップＳ５２に進み故障解消操作を行う。故障の原因としては上述したスワールコントロールバルブの固着や、吸気バルブ１５の回転方向に関する固着が考えられる。そのため、本形態の故障解消操作としては、上述したスワールコントロールバルブを全開、全閉動作と、吸気バルブ１５の全周回転動作とを実行する。これにより、解決可能な故障であれば装置自身によって解決できる。故障解消操作の後にステップＳ５３で差分の変化を判定する。その変化が所定レベルとしての所定範囲内に留まっている場合は故障が解消されないと判断されるので、安全確保のためステップＳ５４に進んで内燃機関１を停止させる。一方、差分の変化が所定範囲を超えている場合には故障が解消されたものと判断できるので、ステップＳ４１に戻って、上述した各処理を再度実行する。故障解消操作としては、少なくとも吸気バルブ１５を任意の方向に回転させればよく、必ずしも全周回転動作させなくてもよい。

本形態においては、酸素濃度センサ７４が本発明に係る排気成分検出手段に相当する。また、ＥＣＵ７０は、図１２のステップＳ４２、ステップＳ４３及びステップＳ４６を実行することにより、燃料噴霧とＥＧＲガスとの重なり具合を推定する本発明に係る推定手段として、図１２のステップＳ４４、ステップＳ４５、ステップＳ４７、ステップＳ４８、ステップＳ４９及びステップＳ５０を実行することにより、本発明に係る補正手段として、図１２のステップＳ５１及びステップＳ５２を実行することにより、本発明に係る故障解消手段として、図１２のステップＳ５３及びステップＳ５４を実行することにより、本発明に係る機関停止手段として、それぞれ機能する。

以上第１〜第４の形態を説明したが本発明はこれらの形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の形態にて実施することができる。また、これらの各形態を適宜組み合わせることを妨げるものではなく、これらの形態を互いに矛盾しない範囲で組み合わせてもよい。

上述した各形態では、フラップ４０が設けられた吸気バルブ１５にて開閉される吸気ポート１２はヘリカルポートとして構成されている。しかし、本発明に係る吸気ポート及びその吸気ポートへＥＧＲガスを導入する導入手段は、上記各形態に限定されるものではない。例えば、これらを図３２〜図３４に示す形態にて実施することもできる。

図３２は他の形態に係る吸気ポート及び導入手段が組み込まれた内燃機関の一部を拡大して示した斜視図であり図２に対応する。なお、その他の基本的な構成は図１と同様である。図３２に示すように、吸気ポート８０はシリンダ２へ空気を導く過程で、シリンダ２の内周面の接線方向に向かう接線流Ｓｔを生成し、かつシリンダの中心線ＣＬと交差する面内を旋回しながら中心線ＣＬの方向へ向かう旋回流Ｓｒを生成できるように構成されている。つまり、吸気ポート８０は一つのポートで二種類の流れを生成できる。図３３は吸気ポート８０の詳細を示し、シリンダ２の上方から見た平面図とａ〜ｄの各断面図とがそれぞれ示されている。吸気ポート８０は、シリンダ２に開口する開口部８１と、吸気バルブ１５のステム部１５ｂの周りに沿って湾曲しながら開口部８１に続くヘリカル部８２と、ヘリカル部８２の上流側（シリンダ２から離れる側）に接続された導入部８３とを備えている。導入部８３は図３３のａ−ａ及びｂ−ｂの各断面図に示すように、シリンダ２の上下方向に関して上側に位置する上層部８３ａと下側に位置する下層部８３ｂとを有する。これら上層部８３ａ及び下層部８３ｂは上下に隣接するようにして吸気ポート８３内に設けられる。導入部８３は上層部８３ａの横幅Ｗ１が下層部８３ｂの横幅Ｗ２よりも狭く、かつヘリカル部８２に近付くに従ってこれらの領域の横幅の差が徐々に拡大するように構成されている。つまり、上層部８３ａはヘリカル部８２に近づくに従って徐々に絞り込まれるように構成されている。

ヘリカル部８２は、図３３のｃ−ｃ及びｄ−ｄの各断面図に示すように、開口部８１に向かって湾曲する過程でシリンダ２の上下方向に関する高さＨが漸次低くなるように構成されている。吸気ポート８０によれば、これに導かれる空気が導入部８３の下層部８３ｂを通過することで、接線流Ｓｔが形成され、空気が導入部８３の上層部８３ａ及びこれに続くヘリカル部８２を通過することで、旋回流Ｓｒが形成される。

図３２に示すように、導入装置８４は排気還流通路３１から二つに分岐した分岐通路８５、８６と、これら分岐通路８５、８６に設けられた二つの調整バルブ８７、８８とを有している。以下、これらを互いに区別するため、下側分岐通路８５及び上側分岐通路８６と表示する場合がある。二つの分岐通路８５、８６は吸気ポート８０と吸気マニホールド１４との間に介在する筒状のスペーサ８９に接続される。

図３４は図３２の矢印XXXIVの方向から見た状態を示した図である。図３２及び図３４に示すように、下側分岐通路８５はスペーサ８９に形成された下側の開口部９１に、上側分岐通路８６はスペーサ８９に形成された上側の開口部９２にそれぞれ接続される。吸気通路１０はその一部としてスペーサ８９も含むので、二つの分岐通路８５、８６は吸気通路１０の異なる位置に開口する。図示の形態では分岐通路８５、８６は吸気通路１０の上下の内壁にそれぞれ開口する。図３４からも明らかなように、下側分岐通路８５は破線で示すＥＧＲガスを吸気ポート８０の下側、つまり下層部８３ｂの側に導入し、上側分岐通路８６はＥＧＲガスを吸気ポート８０の上側、つまり上層部８３ａの側に導入する（図３２も参照）。上述のように、吸気ポート８０は空気をシリンダ２に導く過程で接線流Ｓｔと旋回流Ｓｒとをそれぞれ生成し、これらの流れがシリンダ２に導入される。これにより、ＥＧＲガスは吸気ポート８０が生成する接線流Ｓｔ及び旋回流Ｓｒのそれぞれに乗ってシリンダ２に導入される。

図３２に示すように、各調整バルブ８７、８８は開度を自在に変更してＥＧＲガスの導入量を変化させることができる。各調整バルブ８７、８８はＥＣＵ７０にて動作が制御される。そのため、各調整バルブ８７の開度比を適宜設定することにより、ＥＧＲガスを接線流Ｓｔに乗せる割合と、ＥＧＲガスを旋回流Ｓｔに乗せる割合とを調整することができる。ＥＧＲガスを接線流Ｓｔに乗せる配分を多くすることにより、シリンダ２の内周面に近い側に集中的にＥＧＲガスを導入することができる。そのため、上述した図２等に示した吸気ポート１２の場合よりもフラップ群１００（図１１参照）を利用してＥＧＲガスの成層度を明確に分けやすくなり、より理想的なＥＧＲガスの配置が実現できる。更に、吸気ポート８０の上層部８３ａと下層部８３ｂとの間で役割を明確化できるから、周方向にＥＧＲガスの濃度の濃淡を作成する際には、ＥＧＲガスを接線流Ｓｔに乗せる配分を多くすることにより、二酸化炭素濃度が高いガス、つまり、ＥＧＲガスの濃度が高いガスをシリンダ２内に導入できる。そのため、フラップ群１００によって効果的に流れを周方向に分散することができ、周方向の濃淡を強くすることも可能である。

また、フラップ群１００を構成するフラップ４０の数は特に制限がないが、燃料噴射弁８の噴孔の数に関連する個数にするとよい。上述の各形態では、噴孔の数と同数のフラップ４０を設けたが、例えば、噴孔の数が２より大きい偶数の場合は噴孔の数の１／２にすることもできる。図３５はフラップ４０の数を噴孔の数の１／２にした場合のシリンダ２内のＥＧＲガスの配置状態を示している。この場合にはＥＧＲガスの燃料噴霧Ｆｓ毎にＥＧＲガスＧｓを配置できないが、周方向に濃度の濃淡を作ることができるため従来よりもＥＧＲガスの供給量を減量することは可能である。

また、吸気バルブ１５の回転はバルブリフト中に行うこともできる。このようにすれば、吸気バルブ１５のリフト回数を３回に設定した場合、第２バルブリフトと第３バルブリフトとの間でフラップ４０の方向（回転位置）を変更することが可能となる。図３６は、そのような変更を行った場合のシリンダ２内の状態の一例を示している。図３６のＡは第２バルブリフトと第３バルブリフトとの間でフラップ４０の回転位置を変えない比較例を示し、図３６のＢは第２バルブリフトと第３バルブリフトとの間でフラップ４０の回転位置を変化させた場合を示している。図３６のＡとＢとを比較すると明らかなように、第２バルブリフトによるＥＧＲガスＧｓと第３バルブリフトによるＥＧＲガスＧｔとの干渉を回避できるため、過度のＥＧＲガスの供給を抑制できる。これにより燃費が改善する。

本発明の一形態に係る排気還流装置が適用された内燃機関の要部を示した全体図。 図１の内燃機関の一部を拡大して示した斜視図。 吸気バルブの詳細を示す斜視図。 図１の回転機構の詳細を示した図。 図４のV−V線に関する断面図。 フラップの回転位置とシリンダ内に配置されるＥＧＲガスとの関係を説明する説明図であり、基準線ＳＬに対するフラップの傾斜角θが小さい場合を示した図。 フラップの回転位置とシリンダ内に配置されるＥＧＲガスとの関係を説明する説明図であり、基準線ＣＬに対するフラップの傾斜角θが大きい場合を示した図。 図６の場合にシリンダ内に形成されるＥＧＲガスの配置状態を示した図。 図７の場合にシリンダ内に形成されるＥＧＲガスの配置状態を示した図。 排気還流制御の制御ルーチンの一例を示したフローチャート。 吸気バルブに複数の板状部材としてのフラップが設けられた一例を示した図。 図１１の吸気バルブを上方から見た状態を示した平面図。 各フラップの設置位置の決定方法の第１手順を説明する説明図。 各フラップの設置位置の決定方法の第２手順を説明する説明図。 図１３及び図１４に示した方法で決定した設置位置にフラップを設けた吸気バルブにて得られるシリンダ内のＥＧＲガスの配置状態を模式的に示した図。 一回の吸気行程における吸気バルブのリフト波形の一例を示した図。 図１６の波形に従って吸気バルブが動作した場合における、吸気行程から燃料噴射までのシリンダ内の状態の変化を模式的に示した第１の図。 図１６の波形に従って吸気バルブが動作した場合における、吸気行程から燃料噴射までのシリンダ内の状態の変化を模式的に示した第２の図。 図１６の波形に従って吸気バルブが動作した場合における、吸気行程から燃料噴射までのシリンダ内の状態の変化を模式的に示した第３の図。 吸気バルブの回転制御の考え方を説明する第１の説明図。 吸気バルブの回転制御の考え方を説明する第２の説明図。 吸気バルブのリフト量及びリフト時期の制御の考え方を説明する第１の説明図。 吸気バルブのリフト量及びリフト時期の制御の考え方を説明する第２の説明図。 スワールの強さが強い場合にバルブリフトを３回行ったときのシリンダ内の状態を模式的に示した平面図。 スワールの強さが強い場合にバルブリフトを３回行ったときのシリンダ内の状態を模式的に示した斜視図。 スワールの強さが弱い第１状態ＳＴ１に適した吸気バルブの動弁特性と、スワールの強さが弱い第２状態ＳＴ２に適した吸気バルブの動弁特性とをそれぞれ示した説明図。 過渡期間ＴＰにおける動弁特性及び回転位置の変更操作の手順Ａ〜Ｅを説明する説明図。 手順Ａ〜Ｅにおけるシリンダ２内のＥＧＲガスの配置状態を模式的に示した説明図であり、上方が平面図、下方が斜視図である。 補正制御の一例を示したフローチャート。 燃料噴霧とＥＧＲガスとの重なり具合が悪化した場合を模式的に示した説明図。 未燃ＨＣと補正角度Ｘとの関係を示した説明図。 他の形態に係る吸気ポート及び導入手段が組み込まれた内燃機関の一部を拡大して示した斜視図。 図３２に示した吸気ポートの詳細を示した図。 図３２の矢印XXXIVの方向から見た状態を示した図。 フラップの数を噴孔の数の１／２にした場合のシリンダ内のＥＧＲガスの配置状態を示した図。 第２バルブリフトと第３バルブリフトとの間でフラップの方向（回転位置）を変更した場合のシリンダ内の状態の一例を示した図。

符号の説明

１ 内燃機関
２ シリンダ
８ 燃料噴射弁
１２ 吸気ポート
１２ａ 開口部
１５ 吸気バルブ
１５ａ 傘部
１５ｂ ステム部
１５′ 仮想吸気バルブ
２４ 電磁駆動装置（バルブ駆動手段）
３０ 排気還流装置
３３ 導入装置（導入手段）
４０ フラップ（板状部材、分割手段）
５０ バルブ回転機構（バルブ回転手段）
７０ ＥＣＵ（制御手段、推定手段、補正手段、故障解消手段、機関停止手段）
７４ 酸素濃度センサ（排気成分検出手段）
８０ 吸気ポート
８１ 開口部
８４ 導入装置（導入手段）
１００ フラップ群（板状部材群、分割手段）
ＣＬ シリンダの中心線
Ａｘ１ ステム部の軸線
Ｆｓｗ スワール
ＳＬ 基準線
Ｃ 閉曲線
Ｃ′ 閉曲線
ｖ 流速ベクトル
Ｐ 平面
Ｌ１〜Ｌ８ 複数の直線

Claims (15)

1. シリンダに開口する開口部を有する吸気ポートと、前記吸気ポートの前記開口部を開閉できる傘部及び前記傘部の上面側から直線的に延びるステム部を有する吸気バルブとを有し、前記シリンダの中心線の回りを旋回するスワールを前記シリンダ内に形成できる吸気装置を備えた内燃機関に適用される内燃機関の排気還流装置において、
   前記内燃機関の排気通路から取り出した排気の一部をＥＧＲガスとして前記吸気ポート内に導入できる導入手段と、前記吸気バルブの前記傘部の上面に設けられ、かつ前記傘部の半径方向及び前記ステム部の軸線方向のそれぞれに延びる板状部材を有し、前記吸気バルブにて前記開口部が開かれた際に、前記導入手段が導入したＥＧＲガスを含むガスの流れを前記板状部材を利用して複数の流れに分割できる分割手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の排気還流装置。
2. 前記吸気バルブを前記ステム部の軸線の回りに回転させることができ、かつ前記吸気バルブの回転位置を所定位置に保持できるバルブ回転手段と、前記内燃機関の運転状態に応じて前記吸気バルブの回転位置が変化するように、前記バルブ回転手段を制御する制御手段と、を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気還流装置。
3. 前記内燃機関には前記シリンダの中央部から放射状に前記シリンダ内へ燃料を噴射できる燃料噴射弁が設けられており、
   前記制御手段は、前記燃料噴射弁による燃料噴射量が多い場合は少ない場合に比べて前記シリンダの中心線及び前記ステム部の軸線のそれぞれと直交する基準線に対する前記板状部材の傾斜角が小さくなるように、前記バルブ回転機構を制御することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気還流装置。
4. 前記分割手段は、前記シリンダの中心線及び前記ステム部の軸線のそれぞれと直交する基準線に対する傾斜角が互いに相違するように、前記板状部材が前記傘部の周方向に関して複数個並べられた板状部材群を有していることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気還流装置。
5. 前記内燃機関には、前記シリンダの中央部から放射状に前記シリンダ内へ燃料を噴射するための複数の噴孔を持つ燃料噴射弁が設けられており、
   前記板状部材群は、前記燃料噴射弁の前記複数の噴孔からそれぞれ噴射される燃料噴霧の位置におけるＥＧＲガスの濃度が他の位置よりも濃くなるように、前記燃料噴射弁が持つ前記噴孔の数と関連する数の前記板状部材を有し、かつ前記関連する数の前記板状部材の各設置位置が設定されていることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の排気還流装置。
6. 前記板状部材群に含まれる前記板状部材の各設置位置は、前記吸気バルブから前記板状部材群が除かれた仮想吸気バルブの存在を仮定し、前記開口部が前記仮想吸気バルブにて開かれることにより前記仮想吸気バルブの前記傘部の上面側を流れる流れを考慮して決定されていることを特徴とする請求項４又は５に記載の内燃機関の排気還流装置。
7. 前記仮想吸気バルブの前記傘部の上面側中央部における複数の流速ベクトルの先端を相互に結んだ閉曲線を前記ステム部の軸線と直交する平面に投影し、前記平面に投影された前記閉曲線に囲まれた面積を前記板状部材の数と同数に均等に分割できかつ前記軸線と前記平面との交点から延びる複数の直線を得ることにより、前記複数の直線の位置が前記各設置位置として決定されていることを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の排気還流装置。
8. 前記吸気バルブを前記ステム部の軸線の回りに回転させることができ、かつ前記吸気バルブの回転位置を所定位置に保持できるバルブ回転手段と、前記シリンダ内に形成されるスワールの強さに応じて前記吸気バルブの回転位置が変化するように、前記バルブ回転手段を制御する制御手段と、を更に備えることを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の排気還流装置。
9. 一回の吸気行程における前記吸気バルブのリフト量、リフト時期及びリフト回数を含む動弁特性を変更可能に構成され、かつ所定の動弁特性にて前記吸気バルブを開閉駆動できるバルブ駆動手段を更に備え、
   前記制御手段は、前記シリンダ内に形成されるスワールの強さが強い場合は弱い場合に比べて一回の吸気行程における前記リフト回数が多くなるように前記バルブ駆動手段を制御することを特徴とする請求項８に記載の内燃機関の排気還流装置。
10. 前記制御手段は、前記吸気バルブのリフト量及び前記リフト時期の少なくとも一方が前記内燃機関の運転状態に応じて変化するように前記バルブ駆動手段を制御することを特徴とする請求項９に記載の内燃機関の排気還流装置。
11. 前記制御手段は、前記シリンダ内に形成されるスワールの強さが弱い第１状態からその強さが強い第２状態へ変化する場合、前記第１状態に対応した前記吸気バルブの回転位置及び動弁特性を前記第２状態に対応した前記吸気バルブの回転位置及び動弁特性へ複数回の吸気行程を経て変更する過程で、前記第１状態に対応した前記吸気バルブの回転位置が維持された状態で前記シリンダ内へのＥＧＲガスの導入量が増量するように前記吸気バルブの動弁特性を変更する増量操作を前記バルブ回転手段及び前記バルブ駆動手段に対して実行し、その後の吸気行程で、前記増量操作にて変更された後の動弁特性が維持された状態で前記吸気バルブの回転位置を前記第２状態に対応した回転位置に変更する回転操作を前記バルブ回転手段及び前記バルブ駆動手段に対して実行し、その後の吸気行程で、前記回転操作にて変更された回転位置が維持された状態で前記シリンダ内へのＥＧＲガスの導入量が前記増量操作にて増量された量から前記第２状態に対応した量へ減量するように前記吸気バルブの動弁特性を前記第２状態に対応した動弁特性に変更する減量操作を前記バルブ回転手段及び前記バルブ駆動手段に対して実行する、ことを特徴とする請求項９に記載の内燃機関の排気還流装置。
12. 前記増量操作は、複数回の吸気行程を経て前記バルブ回転手段及び前記バルブ駆動手段に対して実行されるものであり、かつ前記第１状態に対応したリフト時期及びリフト回数が維持された状態で前記吸気バルブの２回目のリフトにおけるリフト量を増加するリフト量増加操作、前記リフト量増加操作にて増加された２回目のリフトのリフト量が維持された状態で、２回目のリフトの後に前記吸気バルブの３回目のリフトが行われるようにリフト回数を変更するリフト回数変更操作、及び前記リフト量増加操作にて増加された前記吸気バルブの２回目のリフトのリフト量が維持されかつ前記リフト回数変更操作にて変更されたリフト回数が維持された状態で前記吸気バルブの２回目のリフトのリフト時期を進角させるリフト時期進角操作を含んでいる、ことを特徴とする請求項１１に記載の内燃機関の排気還流装置。
13. 前記内燃機関には、排気中の成分を検出する排気成分検出手段が設けられており、
    前記制御手段は、前記排気成分検出手段が検出した特定成分に基づいて、前記燃料噴射弁が噴射した燃料噴霧と前記シリンダ内に配置されたＥＧＲガスとの重なり具合を推定する推定手段と、前記推定手段の推定結果に基づいて前記重なり具合が改善する方向に前記吸気バルブの回転位置を補正する補正手段とを有することを特徴とする請求項８に記載の内燃機関の排気還流装置。
14. 前記制御手段は、前記補正手段による補正後において前記重なり具合が改善しない場合に前記吸気バルブを現在位置から任意に回転させる故障解消操作を前記回転手段に対して実行する故障解消手段を更に備えることを特徴とする請求項１３に記載の内燃機関の排気還流装置。
15. 前記制御手段は、前記故障解消操作の実行後に前記重なり具合が所定レベルを超えて変化しない場合に前記内燃機関の運転を停止させる機関停止手段を更に備えることを特徴とする請求項１４に記載の内燃機関の排気還流装置。

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