JP2009215960A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】排ガスをシリンダ内の燃焼空間へ再循環させる際に、冷却損失を低減すること。
【解決手段】内燃機関１は、第１吸気ポート４Ａ、第２吸気ポート４Ｂを備え、それぞれに第１ポート噴射弁２Ａ、第２ポート噴射弁２Ｂが設けられる。第１吸気ポート４Ａの内部には、仕切り部材３０が設けられており、これによって第１吸気ポート４Ａ内は、シリンダ１Ｓの内面１ＳＷ側と中心軸Ｚ側とに仕切られる。仕切り部材３０によって仕切られた空気／排ガス通路３１には、排ガス導入口１６Ｅが開口する。燃焼空間１Ｂから排出された排ガスＥｘを再び燃焼空間１Ｂへ戻す場合、排ガス導入口１６Ｅから空気／排ガス通路３１へ排ガスＥｘが流入し、燃焼空間１Ｂへ導入される。このとき、第２ポート噴射弁２Ｂのみから燃料が供給される。
【選択図】 図４

Description

本発明は、内燃機関で排ガスをシリンダ内の燃焼空間に戻す排ガス再循環を実行する際の技術に関する。

ガソリン機関やディーゼル機関等では、排ガスの一部を燃焼用の空気に混入して、燃料と空気との混合気と燃焼させることにより、窒素酸化物の発生を抑制し、また燃料消費量を低減する、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation：排ガス再循環）と呼ばれる技術が用いられる。特許文献１には、それぞれのシリンダについてプライマリポート及びセカンダリポートを備え、かつそれぞれに燃料噴射弁を備え、また、セカンダリポートには全閉弁及び排ガス再循環を実行する際に排ガスをセカンダリポートに導入する還流口を備えており、排ガス再循環を実行する際には、全閉弁を閉じてセカンダリポートから排ガスを導入するとともに、プライマリポートが備える燃料噴射弁から燃料を噴射する技術が開示されている。

特開２００３−３１４２８８号公報（００４８〜００５３、図３）

シリンダ内をピストンが往復運動する内燃機関では、燃料と空気との混合気が燃焼した燃焼ガスの熱エネルギーが、シリンダの内面から奪われて、発生した熱量を有効に利用できず冷却損失が発生することがある。また、排ガスと混合気とがシリンダ内に混在する状態で燃焼させる場合、排ガスの量が増加するにしたがって、燃焼が不安定になりやすい。そして、特にシリンダの内面付近においては火炎が消失する消炎が発生しやすく、燃焼状態が悪化することがある。特許文献１には、かかる点について言及されておらず、改善の余地がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、排ガスをシリンダ内の燃焼空間へ再循環させる際に、冷却損失を低減すること、燃焼状態の悪化を抑制することのうち少なくとも一方を達成することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る内燃機関は、ピストンが往復運動するシリンダ内の空間であって、燃料と空気との混合気が燃焼する燃焼空間と、前記燃焼空間に接続されて開口する第１の吸気通路及び第２の吸気通路と、前記第１の吸気通路の内部に設けられて、前記第１の吸気通路を前記シリンダの内面側と中心軸側とに仕切る仕切り部材と、前記仕切り部材によって仕切られた前記シリンダの中心軸側における前記第１の吸気通路へ燃料を供給する第１の燃料供給手段と、前記第２の吸気通路へ燃料を供給する第２の燃料供給手段と、前記仕切り部材によって仕切られた前記シリンダの内面側における前記第１の吸気通路へ開口して、前記燃焼空間から排出された排ガスを前記第１の吸気通路へ導入する排ガス導入口と、を備えることを特徴とする。

このような構成により、シリンダの内面の近傍には排ガスの層が形成され、その内側に混合気の層が形成される。そして、この状態で混合気に点火され、混合気が燃焼すると、シリンダの内面近傍の排ガスによる断熱作用により、冷却損失を低減でき、また、シリンダの内面近傍における消炎を抑制できるので、燃焼状態の悪化を抑制できる。

本発明の好ましい態様としては、前記内燃機関において、前記燃焼空間から排出された排ガスを前記排ガス導入口から前記第１の吸気通路へ導入する際には、前記第１の燃料供給手段の動作を停止し、前記第２の燃料供給手段のみから前記燃料を供給することが望ましい。

本発明の好ましい態様としては、前記内燃機関において、前記第１の吸気通路の内部であって、前記第１の吸気通路を流れる前記空気の流れ方向上流側における前記仕切り部材の端部よりも前記空気の流れ方向上流側に、前記第１の吸気通路を開閉する通路切換手段を備えることが望ましい。

本発明の好ましい態様としては、前記内燃機関において、前記燃焼空間から排出された排ガスを前記排ガス導入口から前記第１の吸気通路へ導入する際には、前記通路切換手段によって前記第１の吸気通路を閉じることが望ましい。

本発明の好ましい態様としては、前記内燃機関において、少なくとも前記第２の燃料供給手段から供給される燃料の方向を、前記シリンダの中心側へ向けることが望ましい。

本発明の好ましい態様としては、前記内燃機関において、前記ピストンは、頂部が凸形状であることが望ましい。

本発明は、排ガスをシリンダ内の燃焼空間へ再循環させる際に、冷却損失を低減すること、燃焼状態の悪化を抑制することのうち少なくとも一方を達成できる。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この発明を実施するための最良の形態（以下実施形態という）によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。

以下の実施形態は、ピストンが往復運動するシリンダ内の空間であって、燃料と空気との混合気が燃焼する燃焼空間と、前記燃焼空間に接続されて開口する第１の吸気通路及び第２の吸気通路とを備える内燃機関において、前記燃焼空間へ排ガスを再循環させる際には、前記第１の吸気通路から前記燃焼空間へ前記排ガスを導入し、前記第２の吸気通路から前記燃焼空間へ前記燃料及び前記空気を導入して、前記燃焼空間内に、前記排ガスの層と前記燃料及び前記空気が混合した混合気の層とを形成する点に特徴がある。

（実施形態１）
実施形態１は、内燃機関において、１個のシリンダ内の燃焼空間へ接続される第１の吸気通路及び第２の吸気通路へそれぞれ燃料供給手段を設け、仕切り部材によって第１の吸気通路をシリンダの内面側と中心軸側とに仕切り、この仕切り部材によって仕切られたシリンダの内面側における前記第１の吸気通路へ開口する排ガス導入口を設けて、この排ガス導入口から、燃焼空間から排出された燃焼後の混合気である排ガスを、第１の吸気通路へ導入する点に特徴がある。ここで、燃料供給手段から内燃機関の吸気通路へ燃料を供給するということは、内燃機関へ燃料を供給することと同義である。

図１は、実施形態１に係る内燃機関を示す説明図である。図２は、実施形態１に係る内燃機関をシリンダヘッド側から見た状態を示す平面図である。図３は、図２のＸ−Ｘ断面図である。図４は、実施形態１に係る内燃機関をシリンダヘッド側から見た状態を示す平面図である。図５は、実施形態１に係る内燃機関において、排ガス再循環を実行した状態を示す模式図である。実施形態１では、内燃機関１が備える単一の気筒を取り出して説明するが、本発明は多気筒の内燃機関、単気筒の内燃機関を問わずに適用できる。内燃機関１は、ピストン５がシリンダ１Ｓの内部を往復運動する、いわゆるレシプロ式の内燃機関である。

内燃機関１は、機関ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０によって制御される。内燃機関１のシリンダ１Ｓは、円筒状の構造体であって、一端部がシリンダヘッド１Ｈに取り付けられ、他端部がクランクケース１Ｃに取り付けられる。シリンダ１Ｓの内面１ＳＷと、ピストン５の頂面と、シリンダヘッド１Ｈの内面とで囲まれる空間１Ｂが、内燃機関１へ供給される燃料Ｆが燃焼する空間となる。この空間１Ｂを、燃焼空間１Ｂという。内燃機関１へ供給される燃料Ｆは、炭化水素を含む燃料であり、例えばガソリンが用いられる。

シリンダ１Ｓには、ウォータージャケットＷＪが形成される。内燃機関１の運転中には、ウォータージャケットＷＪに内燃機関１を冷却するための水（冷却水）が流されて、内燃機関１を冷却する。冷却水の温度は、冷却水温度センサ４２によって検出され、機関ＥＣＵ５０に取り込まれ、内燃機関１の制御に用いられる。

シリンダヘッド１Ｈには、燃料Ｆの燃焼に供する空気（燃焼用空気）Ａを燃焼空間１Ｂへ導入するための第１の吸気通路である第１吸気ポート４Ａ及び第２の吸気通路である第２吸気ポート４Ｂが形成される。また、シリンダヘッド１Ｈには、燃焼空間１Ｂで燃料Ｆが燃焼した後の燃焼ガス（排ガス）Ｅｘを燃焼空間１Ｂの外部へ排出する排気通路である排気ポート９が形成される。

第１吸気ポート４Ａ及び第２吸気ポート４Ｂ及び排気ポート９は、それぞれ燃焼空間１Ｂに接続されるとともに、それぞれの一方の端部が燃焼空間１Ｂに開口して開口部を形成し、他方の端部は、吸気通路である吸気導入通路８に接続される。燃焼空間１Ｂに開口する第１吸気ポート４Ａの開口部４Ａｏ、第２吸気ポート４Ｂの開口部４Ｂｏには、それぞれ第１吸気弁１０Ａ、第２吸気弁１０Ｂが配置され、燃焼空間１Ｂに開口する排気ポート９の開口部９ｏには排気弁１５が配置される。第１吸気弁１０Ａ、第２吸気弁１０Ｂは、燃焼空間１Ｂに開口する第１吸気ポート４Ａの開口部４Ａｏ、第２吸気ポート４Ｂの開口部４Ｂｏを開閉し、排気弁１５は、燃焼空間１Ｂに開口する排気ポート９の開口部９ｏを開閉する。

内燃機関１は、第１吸気ポート４Ａ内へ燃料Ｆを噴射して内燃機関１へ供給する第１の燃料供給手段として、第１ポート噴射弁２Ａを備え、第２吸気ポート４Ｂ内へ燃料Ｆを噴射して内燃機関１へ供給する第２の燃料供給手段として、第２ポート噴射弁２Ｂを備える。本実施形態において、第１ポート噴射弁２Ａ及び第２ポート噴射弁２Ｂは、シリンダヘッド１Ｈへ取り付けられる。また、内燃機関１のシリンダヘッド１Ｈには、燃焼空間１Ｂ内に形成される、燃料と空気Ａとの混合気に点火する点火手段として、点火プラグ７が取り付けられる。燃焼空間１Ｂ内の混合気は、点火プラグ７からの放電によって点火され、燃焼する。このように、内燃機関１は、いわゆる火花点火式の内燃機関である。なお、吸気通路である吸気ポートの本数は２本に限定されるものではなく、燃料供給手段であるポート噴射弁の個数も２個に限定されるものではない。

内燃機関１が備える第１ポート噴射弁２Ａ及び第２ポート噴射弁２Ｂは、ポート噴射弁用燃料分配管２０に取り付けられており、機関ＥＣＵ５０の機関制御部５４によって動作が制御される。そして、第１ポート噴射弁２Ａ、第２ポート噴射弁２Ｂは、ポート噴射弁用燃料分配管２０から燃料が供給されて、内燃機関１の第１吸気ポート４Ａ内の空気Ａ、第２吸気ポート４Ｂ内の空気Ａへ燃料Ｆを噴射し、供給する。これによって、燃料Ｆと空気Ａとを十分に混合させた混合気を形成する。

第１吸気ポート４Ａ、第２吸気ポート４Ｂと接続される吸気導入通路８には、スロットル弁１４が取り付けられる。スロットル弁１４は、弁体１４Ｖと、弁体１４Ｖに取り付けられてこれを動作させるスロットル弁用アクチュエータ１４Ａとで構成される。弁体１４Ｖの開度を調整することにより、吸気通路の通路断面積が変化して、燃焼空間１Ｂへ導入される空気Ａの量が調整される。スロットル弁１４の弁体１４Ｖよりも空気Ａの流れ方向の上流側には、エアフローセンサ４０が配置されており、吸気通路を流れる空気Ａの流量（質量流量）、すなわち、燃焼空間１Ｂへ流入する空気Ａの流量が計測される。エアフローセンサ４０が計測した空気Ａの流量は、機関ＥＣＵ５０に取り込まれ、内燃機関１の制御に用いられる。エアフローセンサ４０よりも空気Ａの流れ方向の上流側には、エアクリーナー７０が配置されており、吸気導入通路８へ流入し、内燃機関１の燃焼空間１Ｂへ流入する空気Ａから塵やごみ等が取り除かれる。

第１ポート噴射弁２Ａ、第２ポート噴射弁２Ｂから第１吸気ポート４Ａ内、第２吸気ポート４Ｂ内へ供給される燃料Ｆは、燃料タンク１３内へ貯留される。燃料タンク１３の内部にはフィードポンプ１３Ｐが配置されている。フィードポンプ１３Ｐとポート噴射弁用燃料分配管２０とは、燃料配管１８で接続されており、フィードポンプ１３Ｐが吐出する燃料タンク１３内の燃料Ｆは、燃料配管１８を通ってポート噴射弁用燃料分配管２０へ送られる。フィードポンプ１３Ｐの動作は、機関ＥＣＵ５０の機関制御部５４によって制御される。

第１吸気弁１０Ａ、第２吸気弁１０Ｂが開き、ピストン５が下死点へ向かうと、第１吸気ポート４Ａの開口部４Ａｏ、第２吸気ポート４Ｂの開口部４Ｂｏから燃焼空間１Ｂへ向かって、空気Ａと燃料Ｆとの混合気が流入する（吸気行程）。ここで、燃料Ｆは、吸気行程の前に、第１ポート噴射弁２Ａ、第２ポート噴射弁２Ｂから第１吸気ポート４Ａ、第２吸気ポート４Ｂへ供給されたものである。ピストン５が下死点を通過し、第１吸気弁１０Ａ、第２吸気弁１０Ｂ及び排気弁１５が閉じた状態でピストン５が上死点（すなわちシリンダヘッド１Ｈの方向）へ向かうと、燃焼空間１Ｂ内に形成される、燃料Ｆと空気Ａとの混合気が圧縮される（圧縮行程）。

ピストン５が上死点に到達する前に、点火プラグ７が放電して圧縮された前記混合気へ点火する。これによって、燃焼空間１Ｂ内の前記混合気が燃焼する。ここで、点火プラグ７の点火タイミングは、機関ＥＣＵ５０の機関制御部５４によって制御される。

前記混合気が燃焼したときの燃焼圧力によりピストン５が下死点へ向かって移動する（膨張行程）。下死点を通過したピストン５は、再び上死点へ向かって移動するが、このとき排気弁１５が開いて、燃焼空間１Ｂ内の燃焼ガス（排ガスＥｘ）が開口部９ｏを通って排気ポート９へ排出される（排気行程）。これによって、内燃機関の１サイクルが終了する。なお、例えば、排気行程中に第１ポート噴射弁２Ａ、第２ポート噴射弁２Ｂから第１吸気ポート４Ａ、第２吸気ポート４Ｂ内へ、次のサイクルの燃料Ｆが供給される。

ピストン５が上死点の近傍にくると、第１吸気弁１０Ａ、第２吸気弁１０Ｂが開き、排気弁１５は閉じて、内燃機関１の次のサイクルが開始する。このように、内燃機関１は、ピストン５がシリンダ１Ｓ内を２往復する間に１サイクルが終了する、４ストローク１サイクルの内燃機関である。ピストン５の往復運動は、コネクティングロッド３を介してクランクケース１Ｃ内のクランクシャフト６へ伝達され、回転運動へ変換される。

クランクシャフト６の回転角度は、クランク角センサ４１によって検出される。機関ＥＣＵ５０の機関制御部５４は、クランク角センサ４１が検出したクランクシャフト６の回転角度を取り込み、これに基づいてクランクシャフト６の回転数（機関回転数）を演算する。ここで、機関回転数は、単位時間あたりにおけるクランクシャフト６の回転数である。

排ガスＥｘは、排気ポート９に接続される排気通路９Ｍを通って浄化触媒へ導かれ、ここで浄化されてから大気中へ排出される。図１、図２に示すように、排気通路９Ｍと第１吸気ポート４Ａとは、排ガス再循環通路１６で接続される。排気通路９Ｍには排ガス入口１６Ｉが開口する。排ガス入口１６Ｉは、排ガス再循環通路１６が排気通路９Ｍに開口する開口部であり、排気通路９Ｍ内の排ガスを排ガス再循環通路１６へ導入する。

排ガス再循環通路１６には、機関ＥＣＵ５０で制御される弁装置１７が設けられる。弁装置１７は、排ガス再循環通路１６の通路断面積（排ガス再循環通路１６を流れる排ガスＥｘの流れ方向に直交する断面の面積）を変更する機能を有する。これによって、排気通路９Ｍと第１吸気ポート４Ａとを排ガス再循環通路１６で連通したり、排気通路９Ｍと第１吸気ポート４Ａとの連通を遮断したりする。その結果、排気通路９Ｍの排ガスＥｘを、第１吸気ポート４Ａへ導入したり、第１吸気ポート４Ａへの排ガスＥｘの導入を停止したりすることができる。

弁装置１７は、ＯＮ−ＯＦＦ弁を用いたり、流量調整弁を用いたりすることができる。弁装置１７にＯＮ−ＯＦＦ弁を用いる場合、開時間と閉時間との比率を変更することにより、排ガス再循環通路１６を流れる排ガスＥｘの量を調整できる。弁装置１７に流量調整弁を用いる場合、弁装置１７の開度を調整することにより、すなわち、弁装置１７によって排ガス再循環通路１６の通路断面積を変更することによって、排ガス再循環通路１６を流れる排ガスＥｘの量を調整できる。

内燃機関１の運転中に排ガス再循環（以下ＥＧＲという）を実行する際には弁装置１７が開かれ、排ガス再循環通路１６は、第１吸気ポート４Ａを介して燃焼空間１Ｂから排出された排ガスＥｘを燃焼空間１Ｂへ戻す。そして、排ガスＥｘが燃焼空間１Ｂに存在する状態で、燃料Ｆと空気Ａとの混合気を燃焼させる。これによって、窒素酸化物の発生を抑制し、また燃料消費量を低減する。

図２、図３に示すように、第１吸気ポート４Ａの内部には、仕切り部材３０が設けられる。仕切り部材３０は、第１吸気ポート４Ａをシリンダ１Ｓの内面１ＳＷ側とシリンダ１Ｓの中心軸Ｚ側とに仕切る。第１ポート噴射弁２Ａは、仕切り部材３０によって仕切られた、シリンダ１Ｓの中心軸Ｚ側における第１吸気ポート４Ａに燃料Ｆを供給する。仕切り部材３０によって仕切られた、シリンダ１Ｓの中心軸Ｚ側における第１吸気ポート４Ａを、空気通路３２という。

仕切り部材３０によって仕切られた、シリンダ１Ｓの内面１ＳＷ側における第１吸気ポート４Ａには、排ガス導入口１６Ｅが開口する。排ガス導入口１６Ｅは、排ガス再循環通路１６が第１吸気ポート４Ａに開口する開口部であり、ＥＧＲ時においては、排ガス再循環通路１６を通過した排ガスＥｘを、第１吸気ポート４Ａへ導入する。ここで、仕切り部材３０と、シリンダ１Ｓの内面１ＳＷ側における第１吸気ポート４Ａとで囲まれる空間を、空気／排ガス通路３１という。

空気／排ガス通路３１の上流側（すなわち、第１吸気ポート４内を流れる空気Ａの流れ方向上流側）は、空気／排ガス通路入口３１ｉが開口している。また、空気／排ガス通路入口３１ｉの上流側には、通路切換手段である通路切換弁１９が設けられている。通路切換弁１９は、図１に示す通路切換弁駆動用アクチュエータ１９Ａで駆動されて、第１吸気ポート４Ａを開閉する。通路切換弁駆動用アクチュエータ１９Ａは、機関ＥＣＵ５０で制御される。

通路切換弁１９が閉じられると、第１吸気ポート４Ａが遮断され、通路切換弁１９よりも下流、すなわち燃焼空間１Ｂへ空気Ａは流れない。この場合、排ガスＥｘは、空気／排ガス通路３１を通って燃焼空間１Ｂへ流れる。通路切換弁１９が開かれると、通路切換弁１９の上流側と下流側とが通じるので、通路切換弁１９よりも下流に空気Ａが流れ、燃焼空間１Ｂへ空気Ａが流入する。この場合、空気Ａは、空気／排ガス通路３１及び空気通路３２、すなわち、第１吸気ポート４Ａ全体を通って燃焼空間１Ｂへ流れる。

本実施形態においては、ＥＧＲを実行する場合としない場合とで、通路切換弁１９の開又は閉を切り替える。ＥＧＲを実行しない場合、図２に示すように、通路切換弁１９は開となり、第１吸気ポート４Ａ内全体、すなわち、空気／排ガス通路３１及び空気通路３２の両方を空気Ａが流れる。この場合、空気Ａが流れる際の抵抗をできるだけ低減するため、通路切換弁１９が空気Ａの流れ方向と平行になるようにすることが好ましい。

本実施形態でＥＧＲを実行しない場合、図２に示すように、第１吸気ポート４Ａ及び第２吸気ポート４Ｂの両方から燃焼空間１Ｂへ空気Ａを導入する。そして、第１ポート噴射弁２Ａ及び第２ポート噴射弁２Ｂの両方で、内燃機関１へ燃料Ｆを供給する。この場合、図２に示すように、第１吸気ポート４Ａの燃料噴射孔２ｏ及び第２吸気ポート４Ｂの燃料噴射孔２ｏから燃料噴霧Ｆｍが噴射される。

ＥＧＲを実行する場合、図４に示すように、通路切換弁１９は閉じられて、通路切換弁１９よりも下流側には空気Ａは流れない状態となる。この状態で弁装置１７が開かれると、排気通路９Ｍの排ガスＥｘは、排ガス再循環通路１６を通り、排ガス導入口１６Ｅから空気／排ガス通路３１へ流入する。上述したように、空気／排ガス通路３１は、第１吸気ポート４Ａのシリンダ１Ｓの内面１ＳＷ側に形成されている。したがって、空気／排ガス通路３１を流れる排ガスＥｘは、図２に示すように、第１吸気弁１０Ａと第１吸気ポート４Ａの開口部４Ａｏ（図１）との間から燃焼空間１Ｂ内へ流入し、シリンダ１Ｓの内面１ＳＷに沿って流れる。

本実施形態でＥＧＲを実行する場合、図４に示すように、第１吸気ポート４Ａの空気／排ガス通路３１から排ガスＥｘを燃焼空間１Ｂへ導入し、第２吸気ポート４Ｂから空気Ａを燃焼空間１Ｂへ導入する。そして、第１ポート噴射弁２Ａの動作を停止させ、第２ポート噴射弁２Ｂのみを用いて内燃機関１へ燃料Ｆを供給する。この場合、図４に示すように、第２吸気ポート４Ｂの燃料噴射孔２ｏからのみ、燃料噴霧Ｆｍが噴射される。したがって、本実施形態において、ＥＧＲを実行する場合には、ＥＧＲを実行しない場合と比較して、第２ポート噴射弁２Ｂからはおよそ２倍の燃料Ｆが供給される。

本実施形態においてＥＧＲを実行すると、図４、図５に示すように、空気／排ガス通路３１内の排ガスＥｘは、シリンダ１Ｓの内面１ＳＷに沿って流れて（図５の矢印Ｒ方向）、シリンダ１Ｓの内面１ＳＷの近傍に排ガスＥｘの層（排ガス層）Ｅｘ＿Ｒを形成する。そして、第２吸気ポート４Ｂからは、第２ポート噴射弁２Ｂから供給された燃料Ｆと第２吸気ポート４Ｂを流れる空気Ａとの混合気が燃焼空間１Ｂ内へ流入し、図５に示すように、排ガスＥｘの層が形成されていないシリンダ１Ｓ内の中央部分に、混合気の層（混合気層）Ｇｍ＿Ｒが形成される。

本実施形態では、ＥＧＲ時においては、図５に示すように、シリンダ１Ｓの内面１ＳＷの近傍に排ガス層Ｅｘ＿Ｒを形成し、その内側に混合気層Ｇｍ＿Ｒを形成した状態で、混合気を燃焼させる。これによって、良好な燃焼状態が得られる。また、本実施形態では、シリンダ１Ｓの内面１ＳＷの近傍に存在する排ガス層Ｅｘ＿Ｒによる断熱効果が得られるので、冷却損失が低減され、また、シリンダ１Ｓの内面１ＳＷの近傍での消炎が抑制される。その結果、燃料消費が抑制されるとともに、未燃成分が低減される。ここで、冷却損失とは、混合気の燃焼により発生する燃焼ガスがシリンダ１Ｓの内面１ＳＷに接触して、燃焼ガスの熱がシリンダ１Ｓへ奪われることをいう。

内燃機関１は、図４に示すように、第１ポート噴射弁２Ａの燃料噴射孔２ｏが、空気通路３２へ開口している。ＥＧＲを実行する場合、排ガスＥｘは、空気／排ガス通路３１を通過するので、第１ポート噴射弁２Ａの燃料噴射孔２ｏと排ガスＥｘとが直接接触することを回避できる。これによって、第１ポート噴射弁２Ａの燃料噴射孔２ｏへカーボンや燃焼かすが堆積することを抑制できる。

ＥＧＲを実行する場合、空気／排ガス通路入口３１ｉから空気／排ガス通路３１内の排ガスＥｘが漏れると、シリンダ１Ｓの内面１ＳＷに沿って流れる排ガスＥｘの量が低減し、排ガス層Ｅｘ＿Ｒによる断熱効果が低下するおそれがある。このため、通路切換弁１９を閉じたときに、通路切換弁１９によって空気／排ガス通路入口３１ｉが閉じられるようにすることが好ましい。これによって、排ガス層Ｅｘ＿Ｒによる断熱効果が低下するおそれを低減できる。

第２ポート噴射弁２Ｂから燃料Ｆを供給する場合、第２吸気弁１０Ｂの中心、すなわちステム１１に向かって燃料噴霧Ｆｍを形成すると、第２吸気弁１０Ｂの傘部１２で燃料噴霧Ｆｍが分散され、シリンダ１Ｓの内面１ＳＷの近傍に形成される排ガス層Ｅｘ＿Ｒにも燃料Ｆが拡散する。排ガス層Ｅｘ＿Ｒは燃焼に供する酸素が少ないため、排ガス層Ｅｘ＿Ｒに拡散した燃料Ｆは燃焼せずに燃焼空間１Ｂから排出される。その結果、未燃のＨＣの増加、燃料消費量の増加といった問題が発生することがある。

このため、第２ポート噴射弁２Ｂから燃料Ｆを供給する場合、図４に示すように、第２ポート噴射弁２Ｂから供給される燃料Ｆの燃料噴霧Ｆｍを、シリンダ１Ｓの中心軸Ｚに向けることが好ましい。すなわち、第２ポート噴射弁２Ｂから供給される燃料Ｆの燃料噴霧Ｆｍを第１ポート噴射弁２Ａ側に偏向させることが好ましい。より具体的には、第１吸気弁１０Ａのステム１１と第２吸気弁１０Ｂのステム１１との間に向かって燃料噴霧Ｆｍを形成する。これにより、シリンダ１Ｓ内における混合気層Ｇｍ＿Ｒは、図４に示すようにシリンダ１Ｓの中心軸Ｚの周囲に形成されるので、シリンダ１Ｓの内面１ＳＷの近傍に形成される排ガス層Ｅｘ＿Ｒへの燃料Ｆの拡散を抑制できる。その結果、燃焼に供されない燃料Ｆの量を低減できるので、未燃のＨＣの増加及び燃料消費量を抑制できる。

少なくとも第２ポート噴射弁２Ｂによって形成される燃料噴霧Ｆｍが、シリンダ１Ｓの中心軸Ｚに向いていればよい。しかし、ＥＧＲを実行しない場合においてシリンダ１Ｓ内に形成される混合気の分布を考慮すると、図２に示すように、第１ポート噴射弁２Ａによって形成される燃料噴霧Ｆｍも、シリンダ１Ｓの中心軸Ｚに向いていることが好ましい。これによって、ＥＧＲを実行しない場合においても、図４に示すようにシリンダ１Ｓの中心軸Ｚの周囲に混合気層を形成できるので、良好な燃焼が実現できる。また、シリンダ１Ｓの内面１ＳＷに付着する燃料Ｆの量も低減できるので、未燃のＨＣの増加及び燃料消費量を抑制でき、また、内燃機関１の摺動部を潤滑する潤滑油の燃料希釈も抑制できる。

図１、図５に示すように、内燃機関１のピストン５の頂部５Ｔは、凸形状に形成される。これによって、シリンダ１Ｓの内面１ＳＷの排ガス層Ｅｘ＿Ｒを保持させ、排ガス層Ｅｘ＿Ｒと混合気層Ｇｍ＿Ｒとの混合を抑制する。その結果、燃焼に供されない燃料Ｆの量を低減できるので、未燃のＨＣの増加及び燃料消費量を抑制できる。

上述した例では、通路切換弁１９を用いるが、通路切換弁１９は必ずしも用いる必要はない。第１吸気ポート４Ａに通路切換弁１９を設けず、ＥＧＲ時には弁装置１７の操作のみで空気／排ガス通路入口３１ｉへ排ガスＥｘを導入し、燃焼空間１Ｂへ排ガスＥｘを流入させてもよい。このようにしても、シリンダ１Ｓの内面１ＳＷに沿った排ガス層Ｅｘ＿Ｒを形成できる。なお、通路切換弁１９を用いた方が、シリンダ１Ｓの内面１ＳＷに沿った排ガス層Ｅｘ＿Ｒを確実に形成できるので、より好ましい。

次に、機関ＥＣＵ５０について説明する。機関ＥＣＵ５０は、入出力部５０ＩＯと、処理部５０Ｐと、内燃機関１の制御に用いる各種マップ等を格納する記憶部５０Ｍとを有する。入出力部５０ＩＯには、エアフローセンサ４０、クランク角センサ４１、冷却水温度センサ４２、アクセル開度センサ４３、第１ポート噴射弁２Ａ、第２ポート噴射弁２Ｂ、点火プラグ７、フィードポンプ１３Ｐ、スロットル弁用アクチュエータ１４Ａ、通路切換弁駆動用アクチュエータ１９Ａが接続される。そして、入出力部５０ＩＯは、エアフローセンサ４０やクランク角センサ４１等からの入力信号や、第１ポート噴射弁２Ａ、第２ポート噴射弁２Ｂや通路切換弁駆動用アクチュエータ１９Ａ等への出力信号の入出力を行う。

処理部５０Ｐは、例えば、メモリ及びＣＰＵ（Central Processing Unit：中央演算装置）により構成されている。処理部５０Ｐは、制御条件判定部５１と、ＥＧＲ制御部５２と、燃料供給制御部５３と、機関制御部５４とを有している。記憶部５０Ｍは、フラッシュメモリ等の不揮発性のメモリ、ＲＯＭ（Read Only Memory）のような読み出しのみが可能なメモリ、あるいはＲＡＭ（Random Access Memory）のような読み書きが可能なメモリ、あるいはこれらの組み合わせにより構成できる。記憶部５０Ｍには、内燃機関１を制御する際に用いる制御プログラムや制御用データマップ等が格納してある。次に、本実施形態に係る内燃機関の運転方法を説明する。この内燃機関の運転方法は、ＥＧＲに関するものである。

図６は、実施形態１に係る内燃機関の運転方法の手順を示すフローチャートである。図７は、ＥＧＲ率が記述されたＥＧＲ率設定マップの模式図である。本実施形態に係る内燃機関の運転方法を実行するにあたり、ステップＳ１０１において、機関ＥＣＵ５０の処理部５０Ｐを構成する制御条件判定部５１は、冷却水温度センサ４２から内燃機関１の冷却水温度Ｔｗを取得する。

内燃機関１が十分に暖機されていない場合、ＥＧＲは実行しないため、次に、ステップＳ１０２へ進み、制御条件判定部５１は、ステップＳ１０１で取得した冷却水温度Ｔｗと、冷却水温度閾値Ｔｃとを比較する。冷却水温度閾値Ｔｃは、ＥＧＲを実行できる条件にあるか否かを判定するための冷却水温度の閾値である。ステップＳ１０２でＮｏと判定された場合、すなわち、制御条件判定部５１がＴｗ≦Ｔｗｃであると判定した場合、ＥＧＲを実行しないで内燃機関１が運転されるので、ステップＳ１０３へ進む。

ステップＳ１０３において、機関ＥＣＵ５０の処理部５０Ｐを構成するＥＧＲ制御部５２は、ＥＧＲ率を０に設定する。Ｔｗ≦Ｔｗｃであるため、ＥＧＲを実行できる条件ではないからである。ここで、ＥＧＲ率は、燃焼空間１Ｂ内へ導入される排ガスＥｘの量をＱｅ、燃焼空間１Ｂ内へ導入される空気Ａの量（吸入空気量）をＱａとすると、Ｑｅ／（Ｑｅ＋Ｑａ）×１００（％）となる。

次に、ステップＳ１０４へ進み、ＥＧＲ制御部５２は、図２に示すように通路切換弁１９を開き、ステップＳ１０５で、機関ＥＣＵ５０の処理部５０Ｐを構成する燃料供給制御部５３は、第１ポート噴射弁２Ａ及び第２ポート噴射弁２Ｂの両方で、内燃機関１へ燃料Ｆを供給する。ここで、内燃機関１の運転条件によって定まる全燃料供給量をτａとすると、第１ポート噴射弁２Ａ、第２ポート噴射弁２Ｂは、それぞれτａ／２ずつ燃料Ｆを供給する。機関制御部５４は、内燃機関１の運転条件に応じて、適切な点火時期を設定し、点火プラグ７から放電させて燃焼空間１Ｂ内の混合気に点火する。

次に、ステップＳ１０２へ戻って説明する。ステップＳ１０２でＹｅｓと判定された場合、すなわち、制御条件判定部５１がＴｗ＞Ｔｗｃであると判定した場合、ＥＧＲを実行できる条件となる。この場合、ステップＳ１０６へ進む。アクセル開度ＯＰが大きい場合、ＥＧＲは実行しないため、ステップＳ１０６ではアクセル開度ＯＰに基づいてＥＧＲを実行できる条件にあるか否かを判定する。ステップＳ１０６において、制御条件判定部５１は、アクセル開度センサ４３からアクセル開度ＯＰを取得し、予め定めたアクセル開度閾値ＯＰｃと比較する。

ステップＳ１０６でＮｏと判定された場合、すなわち、制御条件判定部５１がＯＰ≧ＯＰｃであると判定した場合、ＥＧＲを実行できる条件ではないと判定される。この場合、ＥＧＲを実行しないで内燃機関１が運転されるので、ステップＳ１０３〜ステップＳ１０５が実行される。

ステップＳ１０６でＹｅｓと判定された場合、すなわち、制御条件判定部５１がＯＰ＜ＯＰｃであると判定した場合、ステップＳ１０７へ進む。ステップＳ１０７において、制御条件判定部５１は、ＥＧＲを実行する領域で内燃機関１が運転されているか否かを判定する。ＥＧＲを実行する領域は、内燃機関１の負荷率ＫＬと機関回転数Ｎｅとで判定される。

図７に示すＥＧＲ率設定マップ６０は、内燃機関１の負荷率ＫＬと機関回転数Ｎｅとに応じてＥＧＲ率が記述されている。ＥＧＲ率が０％よりも外の領域は、ＥＧＲを実行しない領域、すなわち、ＥＧＲ率＝０である。制御条件判定部５１は、図１に示すクランク角センサ４１が検出したクランクシャフト６の信号に基づいて機関回転数Ｎｅを求め、エアフローセンサ４０が検出した信号から得られる内燃機関１の吸入空気量Ｑａに基づいて負荷率ＫＬを求める。負荷率ＫＬ及び機関回転数Ｎｅが得られたら、制御条件判定部５１は、図７に示すＥＧＲ率設定マップ６０に負荷率ＫＬ及び機関回転数Ｎｅを与えて、ＥＧＲを実行する領域で内燃機関１が運転されているか否かを判定する。

ステップＳ１０７でＮｏと判定された場合、ＥＧＲを実行する領域で内燃機関１が運転されていないと判定される。例えば、制御条件判定部５１がＥＧＲ率設定マップ６０に負荷率ＫＬ及び機関回転数Ｎｅを与えた結果、ＥＧＲ率＝０％の結果が得られた場合は、ＥＧＲを実行する領域で内燃機関１が運転されていないと判定される。この場合、ＥＧＲを実行しないで内燃機関１が運転されるので、ステップＳ１０３〜ステップＳ１０５が実行される。ステップＳ１０７でＹｅｓと判定された場合、すなわち、ＥＧＲを実行する領域で内燃機関１が運転されていると制御条件判定部５１が判定した場合、ＥＧＲを実行する。この場合、ステップＳ１０８へ進む。

ステップＳ１０８において、ＥＧＲ制御部５２は、必要なＥＧＲ率を求める。例えば、ＥＧＲ制御部５２は、ステップＳ１０７の判定において、内燃機関１の負荷率ＫＬ及び機関回転数Ｎｅを図７に示すＥＧＲ率設定マップ６０に与えて得られたＥＧＲ率を取得して、必要なＥＧＲ率とする。

必要なＥＧＲ率が得られたら、ステップＳ１０９へ進み、ＥＧＲ制御部５２は、図４に示すように通路切換弁１９を閉じる。そして、ステップＳ１１０において、燃料供給制御部５３は、第１ポート噴射弁２Ａの動作を停止し、第２ポート噴射弁２Ｂのみで内燃機関１へ燃料Ｆを供給する。ここで、内燃機関１の運転条件によって定まる全燃料供給量をτａとすると、第２ポート噴射弁２Ｂがτａの燃料Ｆを供給する。機関制御部５４は、内燃機関１の運転条件に応じて、適切な点火時期を設定し、点火プラグ７から放電させて燃焼空間１Ｂ内の混合気に点火する。

以上、本実施形態では、ＥＧＲを実行する際には、第１吸気ポートから燃焼空間へ排ガスを導入し、第２吸気ポートから燃焼空間へ燃料及び空気を導入して、燃焼空間内へ排ガスの層と、燃料及び空気が混合した混合気の層とを形成する。これを実現するため、本実施形態では、１個のシリンダ内の燃焼空間へ接続される第１吸気ポート、第２吸気ポートへ、それぞれ第１ポート噴射弁、第２ポート噴射弁を設ける。また、仕切り部材によって第１の吸気通路をシリンダの内面側と中心軸側とに仕切り、この仕切り部材によって仕切られたシリンダの内面側における第１吸気ポートへ開口する排ガス導入口を設ける。そして、この排ガス導入口から、燃焼空間から排出された排ガス（燃焼後の混合気）を、第１吸気ポートへ導入する。

これによって、シリンダの内面の近傍には排ガスの層が形成され、その内側に混合気の層が形成され、この状態で混合気に点火され、混合気が燃焼する。その結果、シリンダの内面近傍の排ガスによる断熱作用により、冷却損失の低減、シリンダの内面近傍における消炎の抑制といった効果が得られる。このため、ＥＧＲによるＮＯｘ低減、ポンプ損失の低減、燃料消費量の低減といった効果が得られることに加え、燃料消費が抑制されるとともに、未燃成分が低減されるという効果が得られる。

また、シリンダの内面の近傍には排ガスの層が形成され、その内側に混合気の層が形成されるので、ＥＧＲによって燃焼空間へ導入された排ガスと混合気とが混ざり合うことによる燃焼悪化が抑制される。これによって、良好な燃焼状態が得られるので、燃焼空間へより多くの排ガスを導入しても、燃焼状態が悪化しにくくなる。その結果、燃焼空間へより多くの排ガスを導入して、さらにＮＯｘの低減、ポンプ損失の低減、燃料消費量の低減を図ることができる。

（実施形態２）
実施形態２は、燃焼空間内へタンブル流が形成され、かつ燃焼空間に２本の吸気通路（吸気ポート）が接続されて開口するとともに、それぞれの吸気通路へ燃料供給手段（ポート噴射弁）を備える内燃機関において、燃焼空間へ排ガスを導入するための排ガス導入通路を両方の吸気通路へ設けるとともに、一方の吸気通路には排ガス導入口よりも排ガスの流れ方向上流側に空気通路切換手段を配置する点に特徴がある。

図８は、実施形態２に係る内燃機関を示す説明図である。図９、図１０は、実施形態２に係る内燃機関をシリンダヘッド側から見た状態を示す平面図である。図１１は、実施形態２に係る内燃機関において、排ガス再循環を実行した状態を示す模式図である。内燃機関１ａは、実施形態１で説明した内燃機関１と略同様の構成なので、共通する構成の説明は省略する。図８に示すように、第１吸気弁１０Ａ及び第２吸気弁１０Ｂが開いたときには、第１吸気ポート４Ａの開口部４Ａｏ、第２吸気ポート４Ｂの開口部４Ｂｏから空気Ａ及び燃料Ｆが流入する。この空気Ａ及び燃料Ｆは、燃焼空間１Ｂ内でタンブル流（縦渦）Ｔを形成する。このタンブル流Ｔは、シリンダヘッド１Ｈ側において、第１吸気ポート４Ａ及び第２吸気ポート４Ｂから排気ポート９へ向かい、ピストン５の頂部５Ｔ近傍では、排気ポート９から第１吸気ポート４Ａ及び第２吸気ポート４Ｂへ向かう流れである。なお、タンブル流Ｔの方向はこれに限定されるものではなく、反対方向でもよい。

図９〜図１１に示すように、内燃機関１ａは、点火手段として第１点火プラグ７Ａ及び第２点火プラグ７Ｂを備える。第１点火プラグ７Ａは、シリンダ１Ｓの中心軸Ｚの近傍、すなわちシリンダ１Ｓの中央部分に配置され、第２点火プラグ７Ｂは、第２吸気ポート４Ｂ側におけるシリンダ１Ｓの内面１ＳＷ側に配置される。

図８〜図１０に示すように、排気通路９Ｍと第１吸気ポート４Ａとは、第１排ガス再循環通路１６Ａで接続される。第１吸気ポート４Ａには、第１排ガス導入口１６ＥＡが開口する。第１排ガス導入口１６ＥＡは、第１排ガス再循環通路１６Ａが第１吸気ポート４Ａに開口する開口部であり、ＥＧＲ時においては、第１排ガス再循環通路１６Ａを通過した排ガスＥｘを、第１吸気ポート４Ａへ導入する。また、第２吸気ポート４Ｂには、第２排ガス導入口１６ＥＢが開口する。第２排ガス導入口１６ＥＢは、第２排ガス再循環通路１６Ｂが第２吸気ポート４Ｂに開口する開口部であり、ＥＧＲ時においては、第２排ガス再循環通路１６Ｂを通過した排ガスＥｘを、第２吸気ポート４Ｂへ導入する。

第１排ガス再循環通路１６Ａには、機関ＥＣＵ５０で制御される第１弁装置１７Ａが設けられる。同様に、排気通路９Ｍと第２吸気ポート４Ｂとは、第２排ガス再循環通路１６Ｂで接続される。第２排ガス再循環通路１６Ｂには、機関ＥＣＵ５０で制御される第２弁装置１７Ｂが設けられる。第１弁装置１７Ａ及び第２弁装置１７Ｂは、実施形態１で説明した弁装置１７と同様であり、第１弁装置１７Ａ及び第２弁装置１７Ｂは、機関ＥＣＵ５０により制御される。内燃機関１ａは、第１弁装置１７Ａの開度、第２弁装置１７Ｂの開度を調整することにより、第１吸気ポート４Ａと第２吸気ポート４Ｂとの少なくとも一方を介して燃焼空間１Ｂ内へ排ガスＥｘを導入できる。

第１排ガス導入口１６ＥＡの上流側には、通路切換手段である通路切換弁１９ａが設けられている。通路切換弁１９ａは、図８に示す通路切換弁駆動用アクチュエータ１９Ａａで駆動されて、第１吸気ポート４Ａを開閉する。通路切換弁駆動用アクチュエータ１９Ａａは、機関ＥＣＵ５０で制御される。

通路切換弁１９ａが閉じられると、第１吸気ポート４Ａが遮断され、通路切換弁１９ａよりも下流、すなわち燃焼空間１Ｂへ空気Ａは流れない。この場合、排ガスＥｘは、第１排ガス導入口１６ＥＡから第１吸気ポート４Ａを通って燃焼空間１Ｂへ流れる。通路切換弁１９ａが開かれると、通路切換弁１９ａの上流側と下流側とが通じるので、通路切換弁１９ａよりも下流に空気Ａが流れ、燃焼空間１Ｂへ空気Ａが流入する。この場合、空気Ａは、第１吸気ポート４Ａ全体を通って燃焼空間１Ｂへ流れる。

本実施形態においては、ＥＧＲを実行する場合としない場合とで、通路切換弁１９ａの開又は閉を切り替える。また、ＥＧＲを実行する場合でも、シリンダ１Ｓ内に排ガスＥｘと混合気とが混じり合った状態とする場合（均質ＥＧＲという）と、排ガスＥｘの層と混合気の層とをシリンダ１Ｓ内に形成する場合（成層ＥＧＲという）とを使い分けるため、通路切換弁１９ａの開又は閉を切り替える。

まず、本実施形態でＥＧＲを実行しない場合、図９に示すように、第１吸気ポート４Ａ及び第２吸気ポート４Ｂの両方から燃焼空間１Ｂへ空気Ａを導入する。そして、第１ポート噴射弁２Ａ及び第２ポート噴射弁２Ｂの両方で、内燃機関１へ燃料Ｆを供給する。この場合、図９に示すように、第１吸気ポート４Ａの燃料噴射孔２ｏ及び第２吸気ポート４Ｂの燃料噴射孔２ｏから燃料が供給され、燃料噴霧Ｆｍが形成される。ＥＧＲを実行しない場合には、第１点火プラグ７Ａを用いて、シリンダ１Ｓ内の混合気に点火する。

ＥＧＲを実行しない場合、図９に示すように、通路切換弁１９ａは開となり、第１吸気ポート４Ａ内全体を空気Ａが流れる。この場合、空気Ａが流れる際の抵抗をできるだけ低減するため、通路切換弁１９ａが空気Ａの流れ方向と平行になるようにすることが好ましい。

シリンダ１Ｓ内に排ガスＥｘと混合気とが混じり合った状態とする場合、すなわち均質ＥＧＲを実行する場合、図９に示すように、第１吸気ポート４Ａ及び第２吸気ポート４Ｂの両方から燃焼空間１Ｂへ空気Ａを導入する。そして、第１ポート噴射弁２Ａ及び第２ポート噴射弁２Ｂの両方で、内燃機関１へ燃料Ｆを供給する。この状態で、第１弁装置１７Ａ及び第２弁装置１７Ｂを開き、第１排ガス再循環通路１６Ａ及び第２排ガス再循環通路１６Ｂを介して、第１吸気ポート４Ａ内及び第２吸気ポート４Ｂ内へ排ガスＥｘを導入する。この場合、図９に示すように、第１吸気ポート４Ａの燃料噴射孔２ｏ及び第２吸気ポート４Ｂの燃料噴射孔２ｏから燃料が供給され、燃料噴霧Ｆｍが形成される。

均質ＥＧＲ時には、第１点火プラグ７Ａを用いて、シリンダ１Ｓ内に存在する混合気に点火する。なお、均質ＥＧＲを実行する際には、吸気行程前に第１ポート噴射弁２Ａ及び第２ポート噴射弁２Ｂから燃料Ｆを供給して、第１吸気ポート４Ａ及び第２吸気ポート４Ｂの熱による燃料Ｆの気化及び小バルブリフトでの混合により、燃焼空間１Ｂ内の均質化を促進する。

排ガスＥｘの層と混合気の層とをシリンダ１Ｓ内に形成する場合、すなわち成層ＥＧＲを実行する場合、図１０に示すように、通路切換弁１９ａは閉じられて、通路切換弁１９ａよりも下流側には空気Ａは流れない状態とする。この状態で第１弁装置１７Ａが開かれると、排気通路９Ｍの排ガスＥｘは、第１排ガス再循環通路１６Ａを通り、第１排ガス導入口１６ＥＡから第１吸気ポート４Ａ内へ流入する。この排ガスＥｘは、第１吸気弁１０Ａと第１吸気ポート４Ａの開口部４Ａｏ（図８）との間から燃焼空間１Ｂ内へ流入し、シリンダ１Ｓの第１吸気ポート４Ａ側に排ガスＥｘの層（排ガス層）Ｅｘ＿Ｒを形成する。

成層ＥＧＲを実行する場合、図１０に示すように、第１吸気ポート４Ａから排ガスＥｘを燃焼空間１Ｂへ導入し、第２吸気ポート４Ｂから空気Ａを燃焼空間１Ｂへ導入する。そして、第１ポート噴射弁２Ａの動作を停止させ、第２ポート噴射弁２Ｂのみを用いて内燃機関１へ燃料Ｆを供給する。この場合、図１０に示すように、第２吸気ポート４Ｂの燃料噴射孔２ｏからのみ、燃料が供給されて燃料噴霧Ｆｍが噴射形成される。したがって、本実施形態において、成層ＥＧＲを実行する場合には、成層ＥＧＲを実行しない場合と比較して、第２ポート噴射弁２Ｂからはおよそ２倍の燃料Ｆが供給される。

成層ＥＧＲを実行すると、図１０、図１１に示すように、排ガスＥｘは、シリンダ１Ｓ内の第１吸気ポート４Ａ側に排ガス層Ｅｘ＿Ｒを形成する。そして、第２吸気ポート４Ｂからは、第２ポート噴射弁２Ｂから供給された燃料Ｆと第２吸気ポート４Ｂを流れる空気Ａとの混合気が燃焼空間１Ｂ内へ流入し、図１１に示すように、シリンダ１Ｓ内の第２吸気ポート４Ｂ側に、混合気層Ｇｍ＿Ｒが形成される。なお、成層ＥＧＲを実行する際には、吸気行程前に同期させて第２ポート噴射弁２Ｂのみから燃料Ｆを供給する。

内燃機関１ａは、シリンダ１Ｓ内にタンブル流が形成される。第１吸気ポート４Ａからシリンダ１Ｓ内へ流入した排ガスＥｘは、シリンダ１Ｓ内で第１タンブル流ＴＡを形成し、第２吸気ポート４Ｂからシリンダ１Ｓ内へ流入した燃料Ｆと空気Ａとはシリンダ１Ｓ内で第２タンブル流ＴＢを形成する。これによって、排ガス層Ｅｘ＿Ｒは第１タンブル流ＴＡとなり、混合気層Ｇｍ＿Ｒは第２タンブル流ＴＢとなるので、両者の混合が抑制される。また、ピストン５ａの頂部５Ｔａには、第１吸気ポート４Ａ及び第２吸気ポート４Ｂから排気ポート９へ向かって延びる２個の凹部５Ｕが形成される。これによって、排ガス層Ｅｘ＿Ｒと混合気層Ｇｍ＿Ｒとの混合がさらに抑制される。

成層ＥＧＲ時には、第２点火プラグ７Ｂを用いて、シリンダ１Ｓ内の第２吸気ポート４Ｂ側に偏在する、ほとんど排ガスＥｘが混入していない混合気層Ｇｍ＿Ｒに点火する。これによって、確実に混合気に点火できるとともに、混合気を良好に燃焼させることができる。その結果、成層ＥＧＲでは、均質ＥＧＲよりも高いＥＧＲ率で、同等以上の燃焼を確保できる。次に、本実施形態に係る内燃機関の運転方法を説明する。この内燃機関の運転方法は、ＥＧＲに関するものである。

図１２は、実施形態２に係る内燃機関の運転方法の手順を示すフローチャートである。図１３〜図１６は、実施形態２に係る内燃機関の運転方法に用いる制御データが記述されたデータマップの模式図である。本実施形態に係る内燃機関の運転方法のステップＳ２０１、ステップＳ２０２は、実施形態１に係る内燃機関の運転方法のステップＳ１０１、ステップＳ１０２と同様なので、説明を省略する。ステップＳ２０２でＮｏと判定された場合、すなわち、図８に示す制御条件判定部５１がＴｗ≦Ｔｗｃであると判定した場合、ＥＧＲを実行しないで内燃機関１ａが運転されるので、ステップＳ２０３へ進む。

ステップＳ２０３において、図８に示すＥＧＲ制御部５２は、ＥＧＲ率を０に設定する。すなわち、ＥＧＲは実行しない。次に、ステップＳ２０４へ進み、ＥＧＲ制御部５２は、図９に示すように通路切換弁１９ａを開く。そして、ステップＳ２０５で、図８に示す燃料供給制御部５３は、燃料供給量及び燃料供給時期を決定する。

本実施形態において、ＥＧＲを実行しない場合、第１ポート噴射弁２Ａ及び第２ポート噴射弁２Ｂの両方を用いて内燃機関１ａへ燃料Ｆを供給する。したがって、内燃機関１ａの運転条件によって定まる全燃料供給量をτａとすると、燃料供給制御部５３は、第１ポート噴射弁２Ａと第２ポート噴射弁２Ｂとがそれぞれτａ／２ずつ燃料Ｆを供給するように、それぞれの燃料供給量を設定する。また、燃料供給制御部５３は、燃料供給時期を決定する。ＥＧＲを実行しない場合、吸気行程の前に第１ポート噴射弁２Ａ及び第２ポート噴射弁２Ｂから燃料Ｆを供給するように、燃料供給時期が決定される。

燃料供給量及び燃料供給時期が決定されたら、ステップＳ２０６に進み、燃料供給制御部５３は、第１ポート噴射弁２Ａ及び第２ポート噴射弁２Ｂの両方で、内燃機関１ａへ燃料Ｆを供給する。なお、ＥＧＲを実行しない場合、第１弁装置１７Ａ及び第２弁装置１７Ｂは閉じられている。そして、ステップＳ２０７において、機関制御部５４は、内燃機関１ａの運転条件に応じて、適切な点火時期を設定し、第１点火プラグ（中央点火プラグ）７Ａから放電させて燃焼空間１Ｂ内の混合気に点火する。

次に、ステップＳ２０２へ戻って説明する。ステップＳ２０２でＹｅｓと判定された場合、すなわち、制御条件判定部５１がＴｗ＞Ｔｗｃであると判定した場合、ＥＧＲを実行できる条件となる。この場合、ステップＳ２０８へ進む。ステップＳ２０８は、実施形態１に係る内燃機関の運転方法のステップＳ１０６と同様なので、説明を省略する。

ステップＳ２０８でＮｏと判定された場合、すなわち、制御条件判定部５１がＯＰ≧ＯＰｃであると判定した場合、ＥＧＲを実行できる条件ではないと判定される。この場合、ＥＧＲを実行しないで内燃機関１ａが運転されるので、ステップＳ２０３〜ステップＳ２０７が実行される。

ステップＳ２０８でＹｅｓと判定された場合、すなわち、制御条件判定部５１がＯＰ＜ＯＰｃであると判定した場合、ステップＳ２０９へ進む。ステップＳ２０９において、制御条件判定部５１は、成層ＥＧＲを実行する領域で内燃機関１ａが運転されているか否かを判定する。成層ＥＧＲを実行する領域は、内燃機関１ａの負荷率ＫＬと機関回転数Ｎｅとで判定される。

図１３に示す判定マップ６１は、成層ＥＧＲの領域Ｌと均質ＥＧＲの領域Ｎとが記述されている。判定マップ６１の領域Ｌにおける負荷率ＫＬ及び機関回転数Ｎｅで内燃機関１ａが運転されている場合、成層ＥＧＲを実行する。また、判定マップ６１の領域Ｎにおける負荷率ＫＬ及び機関回転数Ｎｅで内燃機関１ａが運転されている場合、均質ＥＧＲを実行する。

制御条件判定部５１は、図８に示すクランク角センサ４１が検出したクランクシャフト６の信号に基づいて機関回転数Ｎｅを求め、エアフローセンサ４０が検出した信号から得られる内燃機関１ａの吸入空気量Ｑａに基づいて負荷率ＫＬを求める。負荷率ＫＬ及び機関回転数Ｎｅが得られたら、制御条件判定部５１は、図１３に示す判定マップ６１に負荷率ＫＬ及び機関回転数Ｎｅを与えて、成層ＥＧＲを実行する領域で内燃機関１ａが運転されているか否かを判定する。

ステップＳ２０９でＮｏと判定された場合、均質ＥＧＲを実行する領域で内燃機関１ａが運転されていると判定される。この場合、ステップＳ２１０に進み、ＥＧＲ制御部５２は、均質ＥＧＲに必要なＥＧＲ率を求める。例えば、ＥＧＲ制御部５２は、ステップＳ２０９の判定において得られた内燃機関１ａの負荷率ＫＬ及び機関回転数Ｎｅを、図１４に示す均質ＥＧＲ率設定マップ６３に与えて得られたＥＧＲ率を取得して、均質ＥＧＲに必要なＥＧＲ率とする。次に、ステップＳ２０４〜ステップＳ２０７が実行される。この場合、ステップＳ２０６において、ＥＧＲ制御部５２は、ステップＳ２１０で求めたＥＧＲ率が実現できる開度に第１弁装置１７Ａ及び第２弁装置１７Ｂを開く。

次に、ステップＳ２０９へ戻って説明する。ステップＳ２０９においてＹｅｓと判定された場合、成層ＥＧＲを実行する領域で内燃機関１ａが運転されていると判定される。この場合、ステップＳ２１１に進み、ＥＧＲ制御部５２は、成層ＥＧＲに必要なＥＧＲ率を求める。例えば、ＥＧＲ制御部５２は、ステップＳ２０９の判定において得られた内燃機関１ａの負荷率ＫＬ及び機関回転数Ｎｅを、図１５に示す成層ＥＧＲ率設定マップ６２に与えて得られたＥＧＲ率を取得して、成層ＥＧＲに必要なＥＧＲ率とする。

次にステップＳ２１２へ進み、ＥＧＲ制御部５２は、図１０に示すように通路切換弁１９ａを閉じる。そして、ステップＳ２１３に進み、燃料供給制御部５３は、燃料供給量及び燃料供給時期を決定する。本実施形態において、成層ＥＧＲを実行する場合、第１ポート噴射弁２Ａを停止して、第２ポート噴射弁２Ｂのみを用いて内燃機関１ａへ燃料Ｆを供給する。したがって、内燃機関１ａの運転条件によって定まる全燃料供給量をτａとすると、燃料供給制御部５３は、第２ポート噴射弁２Ｂ単独でτａの燃料Ｆを供給するように設定する。

また、燃料供給制御部５３は、燃料供給時期を決定する。成層ＥＧＲを実行する場合、吸気行程と同期させて第２ポート噴射弁２Ｂから燃料Ｆを供給する。本実施形態では、図１６に示す成層ＥＧＲ時燃料供給時期マップ６４によって、燃料供給時期を決定する。例えば、燃料供給制御部５３は、ステップＳ２０９の判定において得られた内燃機関１ａの負荷率ＫＬ及び機関回転数Ｎｅを、成層ＥＧＲ時燃料供給時期マップ６４に与え、対応する燃料供給時期ＩＴを設定する。ここで、燃料供給時期ＩＴ２は、燃料供給時期ＩＴ１よりも進角側である。

燃料供給量及び燃料供給時期が決定されたら、ステップＳ２１４に進み、燃料供給制御部５３は、第１ポート噴射弁２Ａの動作を停止し、第２ポート噴射弁２Ｂのみを用いて、ステップＳ２１３で決定した燃料供給量及び燃料供給時期で、内燃機関１ａへ燃料Ｆを供給する。そして、ステップＳ２１５において、機関制御部５４は、内燃機関１ａの運転条件に応じて適切な点火時期を設定し、第２点火プラグ７Ｂ（サイド点火プラグ）から放電させて燃焼空間１Ｂ内の混合気に点火する。

以上、本実施形態では、ＥＧＲを実行する際には、第１吸気ポートから燃焼空間へ排ガスを導入し、第２吸気ポートから燃焼空間へ燃料及び空気を導入して、燃焼空間内へ排ガスの層と、燃料及び空気が混合した混合気の層とを形成する。これを実現するため、本実施形態では、シリンダ内にタンブル流が形成されるように構成するとともに、１個のシリンダ内の燃焼空間へ接続される第１吸気ポート、第２吸気ポートへ、それぞれ第１ポート噴射弁、第２ポート噴射弁を設ける。また、第１吸気ポートへ開口する第１排ガス導入口、及び第２吸気ポートへ開口する第２排ガス導入口を設けるとともに、第１排ガス導入口の上流側に、空気通路切換弁を設ける。そして、ＥＧＲを実行する際には、第１排ガス導入口から、燃焼空間から排出された排ガス（燃焼後の混合気）を、第１吸気ポートへ導入するとともに、第２吸気ポートからは空気と燃料とを燃焼空間へ導入する。

これによって、シリンダ内は、第１吸気ポート側に排ガス層が形成され、第２吸気ポート側に混合気層が形成される。そして、第２吸気ポート側に配置した第２点火プラグにより、ほとんど排ガスＥｘが混入していない混合気層に点火する。その結果、確実に混合気に点火できるとともに、混合気を良好に燃焼させることができる。このように、本実施形態では、成層ＥＧＲによって良好な燃焼状態が得られるので、燃焼空間へより多くの排ガスを導入しても、燃焼状態が悪化しにくくなる。その結果、燃焼空間へより多くの排ガスを導入して、さらにＮＯｘの低減、ポンプ損失の低減、燃料消費量の低減を図ることができる。

また、本実施形態では、内燃機関の運転条件に応じて均質ＥＧＲと成層ＥＧＲとを切り替える。これによって、例えば、低負荷時に成層ＥＧＲを用いることにより、より多くの排ガスを燃焼空間へ導入して運転できるので、燃料消費をより低減できる。また、成層ＥＧＲにより、燃焼の悪化が抑制されるので、これまではＥＧＲを実行できなかった運転条件でもＥＧＲを実行できる。

さらに、上述した実施形態１、実施形態２からは、次の発明が把握される。第１の本発明は、ピストンが往復運動するシリンダ内の空間であって、燃料と空気との混合気が燃焼する燃焼空間と、前記燃焼空間に接続されて開口する第１の吸気通路及び第２の吸気通路とを備える内燃機関の前記燃焼空間へ、前記燃焼空間から排出された排ガスを再循環させる際に、前記第１の吸気通路から前記燃焼空間へ前記排ガスを導入し、前記第２の吸気通路から前記燃焼空間へ前記燃料と前記空気とを導入して、前記燃焼空間へ前記排ガスの層と、前記燃料及び前記空気が混合した混合気の層とを形成することを特徴とする内燃機関の運転方法である。

これによって、シリンダ内は、第１の吸気通路側に排ガス層が形成され、第２の吸気通路側に混合気層が形成される。そして、第２の吸気通路側に配置した点火手段により、ほとんど排ガスが混入していない混合気層に点火する。その結果、確実に混合気に点火できるとともに、混合気を良好に燃焼させることができる。

本発明の好ましい態様としては、第１の本発明において、前記シリンダの内面に沿って前記排ガスの層を形成し、前記排ガスの層の内側に、前記混合気の層を形成することを特徴とする内燃機関の運転方法である（第２の本発明）。第２の本発明では、シリンダの内面の近傍には排ガスの層が形成され、その内側に混合気の層が形成され、この状態で混合気に点火され、混合気が燃焼する。これによって、シリンダの内面近傍の排ガスによる断熱作用により、冷却損失の低減、シリンダの内面近傍における消炎の抑制といった効果が得られる。

以上のように、本発明に係る内燃機関は、排ガス再循環を実行する場合に有用であり、特に、冷却損失の低減や燃焼状態の悪化を抑制することに適している。

実施形態１に係る内燃機関を示す説明図である。 実施形態１に係る内燃機関をシリンダヘッド側から見た状態を示す平面図である。 図２のＸ−Ｘ断面図である。 実施形態１に係る内燃機関をシリンダヘッド側から見た状態を示す平面図である。 実施形態１に係る内燃機関において、排ガス再循環を実行した状態を示す模式図である。 実施形態１に係る内燃機関の運転方法の手順を示すフローチャートである。 ＥＧＲ率が記述されたＥＧＲ率設定マップの模式図である。 実施形態２に係る内燃機関を示す説明図である。 実施形態２に係る内燃機関をシリンダヘッド側から見た状態を示す平面図である。 実施形態２に係る内燃機関をシリンダヘッド側から見た状態を示す平面図である。 実施形態２に係る内燃機関において、排ガス再循環を実行した状態を示す模式図である。 実施形態２に係る内燃機関の運転方法の手順を示すフローチャートである。 実施形態２に係る内燃機関の運転方法に用いる制御データが記述されたデータマップの模式図である。 実施形態２に係る内燃機関の運転方法に用いる制御データが記述されたデータマップの模式図である。 実施形態２に係る内燃機関の運転方法に用いる制御データが記述されたデータマップの模式図である。 実施形態２に係る内燃機関の運転方法に用いる制御データが記述されたデータマップの模式図である。

符号の説明

１、１ａ 内燃機関
１Ｂ 燃焼空間（空間）
１Ｃ クランクケース
１Ｓ シリンダ
１ＳＷ 内面
１Ｈ シリンダヘッド
２Ａ 第１ポート噴射弁
２Ｂ 第２ポート噴射弁
３ コネクティングロッド
４Ａ 第１吸気ポート
４Ｂ 第２吸気ポート
５、５ａ ピストン
５Ｔ、５Ｔａ 頂部
６ クランクシャフト
７ 点火プラグ
７Ａ 第１点火プラグ
７Ｂ 第２点火プラグ
８ 吸気導入通路
９ 排気ポート
９Ｍ 排気通路
１０Ａ 第１吸気弁
１０Ｂ 第２吸気弁
１５ 排気弁
１６ 排ガス再循環通路
１６Ａ 第１排ガス再循環通路
１６Ｂ 第２排ガス再循環通路
１６Ｅ 排ガス導入口
１６ＥＡ 第１排ガス導入口
１６ＥＢ 第２排ガス導入口
１７ 弁装置
１７Ａ 第１弁装置
１７Ｂ 第２弁装置
１８ 燃料配管
１９、１９ａ 通路切換弁
１９Ａ、１９Ａａ 通路切換弁駆動用アクチュエータ
２０ ポート噴射弁用燃料分配管
３０ 仕切り部材
３１ 空気／排ガス通路
３１ｉ 空気／排ガス通路入口
３２ 空気通路
４０ エアフローセンサ
４１ クランク角センサ
４２ 冷却水温度センサ
４３ アクセル開度センサ
５０ 機関ＥＣＵ
５０ＩＯ 入出力部
５０Ｍ 記憶部
５０Ｐ 処理部
５１ 制御条件判定部
５２ ＥＧＲ制御部
５３ 燃料供給制御部
５４ 機関制御部
６０ ＥＧＲ率設定マップ
６１ 判定マップ
６２ 成層ＥＧＲ率設定マップ
６３ 均質ＥＧＲ率設定マップ
６４ 成層ＥＧＲ時燃料供給時期マップ

Claims (6)

1. ピストンが往復運動するシリンダ内の空間であって、燃料と空気との混合気が燃焼する燃焼空間と、
   前記燃焼空間に接続されて開口する第１の吸気通路及び第２の吸気通路と、
   前記第１の吸気通路の内部に設けられて、前記第１の吸気通路を前記シリンダの内面側と中心軸側とに仕切る仕切り部材と、
   前記仕切り部材によって仕切られた前記シリンダの中心軸側における前記第１の吸気通路へ燃料を供給する第１の燃料供給手段と、
   前記第２の吸気通路へ燃料を供給する第２の燃料供給手段と、
   前記仕切り部材によって仕切られた前記シリンダの内面側における前記第１の吸気通路へ開口して、前記燃焼空間から排出された排ガスを前記第１の吸気通路へ導入する排ガス導入口と、
   を備えることを特徴とする内燃機関。
2. 前記燃焼空間から排出された排ガスを前記排ガス導入口から前記第１の吸気通路へ導入する際には、前記第１の燃料供給手段の動作を停止し、前記第２の燃料供給手段のみから前記燃料を供給することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記第１の吸気通路の内部であって、前記第１の吸気通路を流れる前記空気の流れ方向上流側における前記仕切り部材の端部よりも前記空気の流れ方向上流側に、前記第１の吸気通路を開閉する通路切換手段を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関。
4. 前記燃焼空間から排出された排ガスを前記排ガス導入口から前記第１の吸気通路へ導入する際には、前記通路切換手段によって前記第１の吸気通路を閉じることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関。
5. 少なくとも前記第２の燃料供給手段から供給される燃料の方向を、前記シリンダの中心側へ向けることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関。
6. 前記ピストンは、頂部が凸形状であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の内燃機関。

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