JP2011220220A - 内燃機関の排気還流装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＥＧＲガスを導入する内燃機関において冷却損失を低減しノッキングの発生を抑制する。
【解決手段】燃焼室に連通する２つの吸気ポートと、前記各吸気ポート内部を上下方向に区画し上側通路及び下側通路を形成する隔壁と、前記各吸気ポートの前記下側通路以外に燃料を噴射する燃料噴射弁と、前記下側通路に連通し前記内燃機関の排気通路を流れる排気の一部をＥＧＲガスとして前記下側通路に流入させるＥＧＲ通路と、を備え、前記２つの吸気ポートは、前記燃焼室の中心軸線を含む平面に対して対称に設けられ、各吸気ポートから前記燃焼室内に流入するガスにより形成されるタンブル流の流れベクトルが前記燃焼室の中心軸線を含む前記平面に垂直な方向において互いに対向するように構成され、前記上側通路は、前記下側通路よりも前記燃焼室の中心軸線に近い側にガスを流入させるように構成される。
【選択図】図４

Description

本発明は、内燃機関の排気還流装置に関する。

筒内噴射式内燃機関において、吸気ポート及び排気ポートをそれぞれ上側通路と下側通路に区画するための隔壁を備え、筒内温度が低い特定の運転条件下において、吸気ポート及び排気ポートの上側通路を閉塞するとともに吸気行程中の所定期間に排気弁を開くことにより、筒内の新気及びＥＧＲガスを成層化することを図る技術が提案されている（特許文献１を参照）。

特開２００９−０４１５３１号公報 特開２００７−２３１９１６号公報 特開２００２−１０６４１９号公報 国際公開２００５／０１７３４８号公報

上記特許文献１に記載の技術では、燃料の燃焼により発生した熱エネルギーがシリンダ壁面を介して失われる冷却損失が生じる。また、直前の燃焼によって生成された高温の排気がＥＧＲガスとして排気ポートから気筒内に導入されるため、筒内温度が上昇し、ノッキングの発生を抑制できない場合があった。

本発明はこの点に鑑みてなされたものであり、ＥＧＲガスを導入する内燃機関において冷却損失を低減しノッキングの発生を抑制することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係る内燃機関の排気還流装置は、
燃焼室に連通する２つの吸気ポートと、
前記各吸気ポート内部を上下方向に区画し上側通路及び下側通路を形成する隔壁と、
前記各吸気ポートの前記下側通路以外に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
前記下側通路に連通し前記内燃機関の排気通路を流れる排気の一部をＥＧＲガスとして前記下側通路に流入させるＥＧＲ通路と、
を備え、
前記２つの吸気ポートは、前記燃焼室の中心軸線を含む平面に対して対称に設けられ、各吸気ポートから前記燃焼室内に流入するガスにより形成されるタンブル流の流れベクトルが前記燃焼室の中心軸線を含む前記平面に垂直な方向において互いに対向するように構成され、
前記上側通路は、前記下側通路よりも前記燃焼室の中心軸線に近い側にガスを流入させるように構成されることを特徴とする。

２つの吸気ポートから燃焼室内に流入するガスは対向する２つのタンブル流となる。２つの吸気ポートは燃焼室の中心軸線を含む平面に対して対称に設けられるので、この２つのタンブル流は燃焼室中心軸近傍で衝突する。この時、上側通路からのガスは中心軸線に近い側に流入するため、各吸気ポートの上側通路から流入したガス同士が中心軸線近傍で衝突し、燃焼室上方の中心軸線近傍に滞留する。

一方、下側通路から流入したガスは、タンブル流によって燃焼室内を下降するが、燃焼室上方の中心軸線近傍に上側通路から流入したガスが滞留しているため、その外側に滞留する。このようなガス流動の結果、各吸気ポートの上側通路から流入したガスは燃焼室中央部上方に滞留し、各吸気ポートの下側通路から流入したガスは当該中央部上方に滞留するガスを包み込むように燃焼室壁面及びピストン頂面付近に滞留し、燃焼室内で層状のガス分布が形成される。

本発明の構成によれば、上側通路から燃焼室に流入するガスは空気と燃料との混合気であり、下側通路から燃焼室に流入するガスは空気とＥＧＲガスの混合気（燃料噴射弁が上側通路及び下側通路より上流側の吸気ポートに燃料を噴射する構成の場合）又は空気と燃料とＥＧＲガスの混合気（燃料噴射弁が上側通路に燃料を噴射する構成の場合）である。

従って、燃焼室内では、燃焼室中央部上方の領域に空気と燃料の混合気が局在し、この混合気を外側及び下方から上記のＥＧＲガスを含むガスが包み込むような層状のガス分布が形成される。点火プラグは燃焼室上部の燃焼室中心軸線又はその近傍の位置に設けられるので、空気と燃料の混合気が点火プラグ周囲に局在し、この混合気と燃焼室壁面やピストン頂面等の熱散逸の原因となる低温部材との間にはＥＧＲガスを含むガスの層が介在することになる。

このＥＧＲガスは、排気通路を流れる排気がＥＧＲ通路を介して下側通路に流入するいわゆる外部ＥＧＲガスであるため、冷却が容易であり、燃焼ガスの温度や排気ポートから燃焼室に吸入されるいわゆる内部ＥＧＲガスの温度と比較して低温にすることができる。従って、燃焼室壁面やピストン頂面等の低温部材との温度差が小さく、これら低温部材を介した熱散逸を抑制できる。これにより、冷却損失を低減することができる。

また、エンドガスはＥＧＲガスを主成分とするガスになるため、自着火しにくくなる。これにより、ノッキングの発生を抑制することができる。

上記構成において、燃料噴射弁は、前記上側通路に燃料を噴射するようにしても良い。

これにより、燃焼室中央部上方に局在するガスの層が空気と燃料の混合気となり、このガスの層を包み込み燃焼室壁面やピストン頂面等の低温部材との間に介在するガスの層が空気とＥＧＲガスの混合気となる。従って、冷却損失をより低減することができるとともに、ノッキングの発生をより確実に抑制することができる。また、燃焼室中央部上方の空気の層にのみ燃料が存在し、ＥＧＲガスの層には燃料が存在しないガス分布となるため、燃焼悪化、ＨＣやＣＯの発生、効率低下を抑制することができる。また、ストイキ運転を行なった場合には三元触媒を良好に機能させることが可能になるため、排気の悪化を抑制できる。

本発明は、筒内噴射方式の内燃機関にも適用することができる。その場合の本発明に係る内燃機関の排気還流装置は、
燃焼室に連通する２つの吸気ポートと、
前記各吸気ポート内部を上下方向に区画し上側通路及び下側通路を形成する隔壁と、
前記燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
前記下側通路に連通し前記内燃機関の排気通路を流れる排気の一部をＥＧＲガスとして前記下側通路に流入させるＥＧＲ通路と、
を備え、
前記２つの吸気ポートは、前記燃焼室の中心軸線を含む平面に対して対称に設けられ、各吸気ポートから前記燃焼室内に流入するガスにより形成されるタンブル流の流れベクト
ルが前記燃焼室の中心軸線を含む前記平面に垂直な方向において互いに対向するように構成され、
前記上側通路は、前記下側通路よりも前記燃焼室の中心軸線に近い側にガスを流入させるように構成され、
前記燃料噴射弁は、燃料噴霧が前記上側通路から前記燃焼室内に流入するガスが形成する層を前記下側通路から前記燃焼室内に流入するガスが形成する層よりも長く通過するように構成されることを特徴とする。

この構成によれば、上側通路から燃焼室に流入するガスは空気であり、下側通路から燃焼室に流入するガスは空気とＥＧＲガスの混合気である。

従って、燃焼室内では、燃焼室中央部上方の領域に空気が局在し、この空気を外側及び下方から上記のＥＧＲガスを含むガスが包み込むような層状のガス分布が形成される。

燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧は上側通路から燃焼室内に流入するガスが形成する層、すなわち空気の層を、下側通路から燃焼室内に流入するガスが形成する層、すなわちＥＧＲガスを含むガスの層よりも長く通過するので、燃焼は主に燃焼室中央部上方の空気の層において起こる。そして、この燃焼が起こる空気の層と燃焼室壁面やピストン頂面等の低温部材との間にはＥＧＲガスを含む層が介在するので、燃焼により生じたエネルギーが低温部材を介して熱散逸することを抑制でき、冷却損失を低減することができる。また、燃焼が主に空気の層で起こるため、燃焼悪化、ＨＣやＣＯの発生、効率低下を抑制することができる。

本発明において、前記下側通路の上流側から前記下側通路へのガスの流入を遮断することができる遮断手段を備えても良い。

下側通路の上流側からは空気が流入するため、下側通路から燃焼室に流入するガスは上記のように空気とＥＧＲガスの混合気であるが、遮断手段により下側通路への空気の流入を遮断することにより、下側通路から燃焼室に流入するガスはＥＧＲガスのみになる。これにより空気層における燃焼を向上させることができるとともに、冷却効率低減及びノッキング抑制の効果をより一層高めることができる。

本発明において、前記ＥＧＲ通路から前記下側通路へ流入するＥＧＲガスの流量を調整する流量調整手段を備えても良い。

これにより内燃機関の運転状態に応じて適切な流量のＥＧＲガスを還流させることができる。また、ＥＧＲガスを還流させない運転条件において、ＥＧＲ通路から下側通路へのＥＧＲガスの流入を遮断することができる。ＥＧＲ通路から下側通路へのＥＧＲガスの流入を遮断した場合、燃焼室中央部上方には燃料と空気の混合気の層が局在し、その外側及び下側に空気のみの層が分布する（燃料噴射弁が上側通路に燃料を噴射する構成の場合）。従って、点火プラグ近傍に可燃混合気が局在するとともに、燃焼室壁面やピストン頂面等の低温部材と混合気との間に空気のみの層が介在することになるため、特に機関始動時や冷間時の着火性を向上させることができ、燃焼安定性と燃費性能や排気特性を両立させることが可能になる。

上記目的を達成するために本発明に係る内燃機関の排気還流装置は、
燃焼室に連通する２つの吸気ポートと、
前記各吸気ポート内部を上下方向に区画し上側通路及び下側通路を形成する隔壁と、
前記下側通路の上流側から前記下側通路へのガスの流入を遮断することができる遮断手段と、
前記各吸気ポートの前記下側通路以外に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
前記各吸気ポートを開閉する吸気バルブと、
前記燃焼室に連通し前記内燃機関の排気通路を流れる排気の一部をＥＧＲガスとして前記燃焼室内に流入させるＥＧＲ通路と、
前記ＥＧＲ通路から前記燃焼室内へ流入するＥＧＲガスの流量を調整する流量調整手段と、
前記内燃機関の運転を制御する制御手段と、
を備え、
前記２つの吸気ポートは、前記燃焼室の中心軸線を含む平面に対して対称に設けられ、各吸気ポートから前記燃焼室内に流入するガスにより形成されるタンブル流の流れベクトルが前記燃焼室の中心軸線を含む前記平面に垂直な方向において互いに対向するように構成され、
前記上側通路は、前記下側通路及び前記ＥＧＲ通路よりも前記燃焼室の中心軸線に近い側にガスを流入させるように構成され、
前記制御手段は、
１サイクル中の前記吸気バルブが開く前の所定期間は前記燃焼室内へＥＧＲガスが流入し、それ以外の期間は前記燃焼室内へＥＧＲガスが流入しないように前記流量調整手段を制御し、
１サイクル中の前記吸気バルブが開弁する期間は前記下側通路の上流側から前記下側通路への吸気の流入を遮断するよう前記遮断手段を制御することを特徴とする。

この構成によれば、吸気バルブが開く前の所定期間に、上側通路から流入するガスよりも燃焼室中心軸線から遠い側からＥＧＲガスが流入し、燃焼室下方の領域（ピストン頂面付近）及び燃焼室壁面付近に局在して滞留する。その後、吸気バルブが開弁すると、２つの吸気ポートの上側通路のみから空気と燃料の混合気が流入し、対向する２つのタンブル流を形成する。２つの吸気ポートは燃焼室の中心軸線を含む平面に対して対称に設けられるので、この２つのタンブル流は燃焼室中心軸近傍で衝突する。この時、上側通路から流入する混合気は上記のＥＧＲガスよりも中心軸線に近い側に流入し、中心軸線近傍で衝突し、燃焼室中央部上方の領域に局在して滞留する。

このようなガス流動の結果、燃焼室内には、中央部上方に滞留する空気と燃料の混合気の層と、それを包み込むように燃焼室壁面及びピストン頂面付近に滞留するＥＧＲガスの層と、からなる層状のガス分布が形成される。

点火プラグは燃焼室上部の燃焼室中心軸線又はその近傍の位置に設けられるので、空気と燃料の混合気が点火プラグ周囲に局在し、この混合気と燃焼室壁面やピストン頂面等の熱散逸の原因となる低温部材との間の点火プラグから離れた位置においてＥＧＲガスの層が介在することになる。

このＥＧＲガスは、排気通路を流れる排気がＥＧＲ通路を介して下側通路に流入するいわゆる外部ＥＧＲガスであるため、冷却が容易であり、燃焼ガスの温度や排気ポートから燃焼室に吸入されるいわゆる内部ＥＧＲガスの温度と比較して低温にすることができる。従って、燃焼室壁面やピストン頂面等の低温部材との温度差が小さく、これら低温部材を介した熱散逸を抑制できる。これにより、冷却損失を低減することができる。

また、エンドガスはＥＧＲガスを主成分とするガスになるため、自着火しにくくなる。これにより、ノッキングの発生を抑制することができる。

この構成において、燃料噴射弁を上側通路に燃料を噴射する構成としても良い。上記の構成では、下側通路への吸気の流入は遮断されるので、燃料噴射弁が上側通路及び下側通
路より上流側の吸気ポートに設けられる場合も上側通路に設けられる場合も、燃焼室中央部上方の空気の層にのみ燃料が存在し、ＥＧＲガスの層には燃料が存在しないガス分布となるため、燃焼悪化、ＨＣやＣＯの発生、効率低下を抑制することができる。また、ストイキ運転を行なった場合には三元触媒を良好に機能させることが可能になるため、排気の悪化を抑制できる。

上記のように構成される本発明は筒内噴射式の内燃機関にも適用可能である。その場合、本発明に係る内燃機関の排気還流装置は、
燃焼室に連通する２つの吸気ポートと、
前記各吸気ポート内部を上下方向に区画し上側通路及び下側通路を形成する隔壁と、
前記下側通路の上流側から前記下側通路へのガスの流入を遮断することができる遮断手段と、
前記燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
前記各吸気ポートを開閉する吸気バルブと、
前記燃焼室に連通し前記内燃機関の排気通路を流れる排気の一部をＥＧＲガスとして前記燃焼室内に流入させるＥＧＲ通路と、
前記ＥＧＲ通路から前記燃焼室内へ流入するＥＧＲガスの流量を調整する流量調整手段と、
前記内燃機関の運転を制御する制御手段と、
を備え、
前記２つの吸気ポートは、前記燃焼室の中心軸線を含む平面に対して対称に設けられ、各吸気ポートから前記燃焼室内に流入するガスにより形成されるタンブル流の流れベクトルが前記燃焼室の中心軸線を含む前記平面に垂直な方向において互いに対向するように構成され、
前記上側通路は、前記下側通路及び前記ＥＧＲ通路よりも前記燃焼室の中心軸線に近い側にガスを流入させるように構成され、
前記燃料噴射弁は、燃料噴霧が前記上側通路から前記燃焼室内に流入するガスが形成する層を前記ＥＧＲ通路から前記燃焼室内に流入するガスが形成する層よりも長く通過するように構成され、
前記制御手段は、
１サイクル中の前記吸気バルブが開く前の所定期間は前記燃焼室内へＥＧＲガスが流入し、それ以外の期間は前記燃焼室内へＥＧＲガスが流入しないように前記流量調整手段を制御し、
１サイクル中の前記吸気バルブが開弁する期間は前記下側通路の上流側から前記下側通路への吸気の流入を遮断するように前記遮断手段を制御することを特徴とする。

この構成によれば、上側通路から燃焼室に流入するガスは空気である。従って、燃焼室内では、燃焼室下方の領域（ピストン頂面付近）及び燃焼室壁面付近にＥＧＲガスが局在して滞留し、燃焼室中央部上方の領域に空気が局在して滞留する。この結果、燃焼室内には、中央部上方に滞留する空気の層と、それを包み込むように燃焼室壁面及びピストン頂面付近に滞留するＥＧＲガスの層と、からなる層状のガス分布が形成される。

燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧は上側通路から燃焼室内に流入するガスが形成する層、すなわち空気の層を、ＥＧＲ通路から燃焼室内に流入するガスが形成する層、すなわちＥＧＲガスの層よりも長く通過するので、燃焼は主に燃焼室中央部上方の空気の層において起こる。そして、この燃焼が起こる空気の層と燃焼室壁面やピストン頂面等の低温部材との間にはＥＧＲガスの層が介在するので、燃焼により生じたエネルギーが低温部材を介して熱散逸することを抑制でき、冷却損失を低減することができる。また、燃焼が主に空気の層で起こるため、燃焼悪化、ＨＣやＣＯの発生、効率低下を抑制することができる。

上記構成において、前記内燃機関の吸気通路を流れる吸気の一部を前記ＥＧＲ通路に流入させる通路と、
前記排気通路から前記ＥＧＲ通路への排気の流入を遮断することができる排気遮断手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記内燃機関の所定の運転状態において、前記排気通路から前記ＥＧＲ通路への排気の流入を遮断するように前記排気遮断手段を制御することにより、前記ＥＧＲ通路から前記燃焼室内に吸気の一部を流入させるようにしても良い。

この構成によれば、ＥＧＲガスの還流を行なわない運転条件において、ＥＧＲ通路から燃焼室内へＥＧＲガスの代わりに空気を流入させることができる。この場合、燃焼室中央部上方には燃料と空気の混合気の層が局在し、その外側及び下側に空気のみの層が分布する。従って、点火プラグ近傍に可燃混合気が局在するとともに、燃焼室壁面やピストン頂面等の低温部材と混合気との間に空気のみの層が介在することになるため、特に機関始動時や冷間時の着火性を向上させることができ、燃焼安定性と燃費性能や排気特性を両立させることが可能になる。

本発明によれば、ＥＧＲガスを導入する内燃機関において冷却損失を低減しノッキングの発生を抑制することが可能になる。

実施例１及び２に係る内燃機関の概略構成を示す図である。 吸気ポートから燃焼室内に流入するガスの流れを説明するための図である。 吸気ポートの内部構造を説明するための図である。 実施例１に係る内燃機関の概略構成を示す図である。図４（Ａ）は図１の矢印Ａで示す方向から見た内燃機関の断面を示し、図４（Ｂ）は図１の矢印Ｂで示す方向から見た内燃機関の断面を示す。 実施例１に係る内燃機関おいてＥＧＲ弁を閉弁するとともに遮断弁を開弁した場合の作用を説明するための図である。図５（Ａ）は図１の矢印Ａで示す方向から見た内燃機関の断面を示し、図５（Ｂ）は図１の矢印Ｂで示す方向から見た内燃機関の断面を示す。 実施例２に係る内燃機関の概略構成を示す図である。図６（Ａ）は図１の矢印Ａで示す方向から見た内燃機関の断面を示し、図６（Ｂ）は図１の矢印Ｂで示す方向から見た内燃機関の断面を示す。 実施例２に係る内燃機関おいてＥＧＲ弁を閉弁するとともに遮断弁を開弁した場合の作用を説明するための図である。図７（Ａ）は図１の矢印Ａで示す方向から見た内燃機関の断面を示し、図７（Ｂ）は図１の矢印Ｂで示す方向から見た内燃機関の断面を示す。 実施例３及び４に係る内燃機関の概略構成を示す図である。 実施例３に係る内燃機関の概略構成を示す図である。図９（Ａ）は図８の矢印Ａで示す方向から見た内燃機関の断面を示し、図９（Ｂ）は図８の矢印Ｂで示す方向から見た内燃機関の断面を示す。 実施例３に係る内燃機関においてＥＧＲ通路から燃焼室に空気を流入させるための構成を説明するための図である。図１０（Ａ）は図８の矢印Ａで示す方向から見た内燃機関の断面を示し、図１０（Ｂ）は図８の矢印Ｂで示す方向から見た内燃機関の断面を示す。 実施例４に係る内燃機関の概略構成を示す図である。図１１（Ａ）は図８の矢印Ａで示す方向から見た内燃機関の断面を示し、図１１（Ｂ）は図８の矢印Ｂで示す方向から見た内燃機関の断面を示す。 実施例４に係る内燃機関においてＥＧＲ通路から燃焼室に空気を流入させるための構成を説明するための図である。図１２（Ａ）は図８の矢印Ａで示す方向から見た内燃機関の断面を示し、図１２（Ｂ）は図８の矢印Ｂで示す方向から見た内燃機関の断面を示す。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。本実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置等は、特に記載がない限りは、発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

（実施例１）
図１は本発明の第１の実施例に係る内燃機関の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、４つの気筒２を直列に備えた火花点火式エンジンである。図１では紙面の上側が排気マニホールドが備わる排気側、紙面の下側が吸気マニホールドが備わる吸気側とする。図面が煩雑になることを避けるために図１では点火プラグ、吸気バルブ、排気バルブ、吸気マニホールド、排気マニホールドについて図示を省略した。

各気筒２には、気筒２の燃焼室内に連通する２つの吸気ポート３Ａ，３Ｂ及び２つの排気ポート４Ａ，４Ｂが備わる。２つの吸気ポート３Ａ，３Ｂは、気筒２の中心軸線（燃焼室の中心軸線。紙面に垂直な直線）Ｃを含む平面Ｓ１（紙面に垂直な平面）に対して対称の位置に設けられ、２つの排気ポート４Ａ，４Ｂは、気筒２の中心軸線Ｃを含む平面Ｓ１に対して対称の位置に設けられる。また、吸気ポート３Ａ，３Ｂが接続される燃焼室開口部と、排気ポート４Ａ，４Ｂが接続される燃焼室開口部とは、中心軸線Ｃを含みクランクシャフトに平行な面に対して異なる側に配置される。図１では右端の１つの気筒２についてのみ吸気ポート３Ａ，３Ｂ及び排気ポート４Ａ，４Ｂを図示したが、他の３つの気筒２も同様に吸気ポート及び排気ポートを２つずつ備える。

図２は吸気ポート３Ａ，３Ｂから燃焼室内に流入するガスの流れを説明するための図であり、図１の矢印Ａで示す方向から見た内燃機関１の断面を示す。なお、図２は本実施例の内燃機関１が備える後述するいくつかの構成要素について図面の煩雑さを避けるために図示を省略している。図２に示すように、気筒２にはピストン１６が上下方向に摺動可能に挿入されている。符号１７はピストンピンを表す。ピストン１６の頂面と気筒２の内壁面とにより燃焼室２０が区画される。吸気ポート３Ａが接続される燃焼室２０の開口部は吸気バルブ８Ａによって開閉され、吸気ポート３Ｂが接続される燃焼室２０の開口部は吸気バルブ８Ｂによって開閉される。吸気バルブ８Ａ，８Ｂはそれぞれ図示しないバルブ駆動装置により開閉駆動される。燃焼室２０の上部中央（中心軸線Ｃが通る位置）には燃焼室２０内の混合気に点火するための点火プラグ１４が備わる。

２つの吸気ポート３Ａ，３Ｂは、２つの吸気ポート３Ａ，３Ｂから燃焼室２０に流入するガスがそれぞれタンブル流を形成し、このタンブル流の流れベクトルが燃焼室２０の中心軸線Ｃを含む平面Ｓ１に垂直な方向において互いに対向するように構成されている。２つの吸気ポート３Ａ，３Ｂは燃焼室２０の中心軸線Ｃを含む平面Ｓ１に対して対称の位置に設けられるので、各吸気ポートから燃焼室２０に流入したガスによる２つのタンブル流は中心軸線Ｃの近傍で衝突し、吸気ポート３Ａから流入したガスＧＡが吸気バルブ８Ａの下方に滞留するとともに、吸気ポート３Ｂから流入したガスＧＢが吸気バルブ８Ｂの下方に滞留する。これにより、吸気ポート３Ａ，３Ｂから流入したガスＧＡ，ＧＢは、図２に示すように、燃焼室２０内で層状に局在する。なお、２つの吸気ポート３Ａ，３Ｂは共に図示しない吸気マニホールドに接続され、吸気マニホールドは図示しない吸気通路が接続されている。吸気通路から吸気マニホールドに流入した空気が、吸気ポート３Ａ，３Ｂを
通過して各気筒２の燃焼室２０に流入する。

図３は吸気ポート３Ａ，３Ｂの内部構造を説明するための図であり、図１の矢印Ａで示す方向から見た内燃機関１の断面を示す。なお、図３は本実施例の内燃機関１が備える後述するいくつかの構成要素について図面の煩雑さを避けるために図示を省略している。図３に示すように、本実施例の吸気ポート３Ａ，３Ｂは、内部を上下方向に区画し上側通路１１Ａ，１１Ｂ及び下側通路１２Ａ，１２Ｂを形成する隔壁９Ａ，９Ｂを備える。

上述したように、吸気ポート３Ａ，３Ｂから燃焼室２０に流入するガスは中心軸線Ｃの近傍で衝突する対向タンブル流を形成するので、上側通路１１Ａ，１１Ｂから燃焼室２０に流入したガスＧＡ１，ＧＢ１は中心軸線Ｃ近傍で衝突して滞留し、図３に示すように、中心軸線Ｃの近傍の燃焼室２０の上方に局在する。一方、下側通路１２Ａ，１２Ｂから燃焼室２０に流入したガスも対向タンブル流を形成するが、燃焼室２０上方の中心軸線Ｃ近傍には上側通路１１Ａ，１１Ｂから流入したガスＧＡ１，ＧＢ１が滞留しているため、下側通路１２Ａ１２Ｂから流入したガスＧＡ２，ＧＢ２は燃焼室２０壁面及びピストン１６頂面付近に滞留し、図３に示すように、燃焼室２０上方中央部のガスＧＡ１，ＧＢ１を包み込むように燃焼室２０の下方及び壁面付近に局在する。

このように、本実施例の吸気ポート３Ａ，３Ｂは、燃焼室２０内で対向タンブル流を形成するように構成されると共に、内部に隔壁９Ａ，９Ｂを備え、上側通路１１Ａ，１１Ｂ及び下側通路１２Ａ，１２Ｂに区画されていることにより、上側通路１１Ａから燃焼室２０に流入したガスＧＡ１と、下側通路１２Ａから燃焼室２０に流入したガスＧＡ２と、上側通路１１Ｂから燃焼室２０に流入したガスＧＢ１と、下側通路１２Ｂから燃焼室２０に流入したガスＧＢ２と、が燃焼室２０内で図３に示すように層状に局在するガス分布が形成される。

図４は、本実施例の内燃機関１における吸気ポート３Ａ，３Ｂの詳細な構成を説明するための図であり、図４（Ａ）は図１の矢印Ａで示す方向から見た内燃機関１の断面を示し、図４（Ｂ）は図１の矢印Ｂで示す方向から見た内燃機関１の断面を示す。図４（Ｂ）において符号２５Ａは排気ポート４Ａを開閉する排気バルブである。

図４（Ａ）に示すように、本実施例の内燃機関１には、吸気ポート３Ａ，３Ｂの上側通路１１Ａ，１１Ｂに燃料を噴射する燃料噴射弁７Ａ，７Ｂが備わる。燃料噴射弁７Ａ，７Ｂからはそれぞれ上側通路１１Ａ，１１Ｂに燃料ＧｆＡ，ＧｆＢが供給される。また、内燃機関１には、吸気ポート３Ａ，３Ｂの下側通路１２Ａ，１２Ｂにそれぞれ連通し、内燃機関１の図示しない排気通路を流れる排気の一部をＥＧＲガスとして下側通路１２Ａ，１２Ｂに流入させるＥＧＲ通路１３Ａ，１３Ｂが備わる。

隔壁９Ａ，９Ｂより上流側の吸気ポート３Ａ，３Ｂから下側通路１２Ａ，１２Ｂへの空気の流入を遮断することができる遮断弁１０Ａ，１０Ｂ（遮断手段）が備わる。更に、ＥＧＲ通路１３Ａ，１３Ｂの流路面積を調節することによってＥＧＲ通路１３Ａ，１３Ｂから下側通路１２Ａ，１２Ｂへ流入するＥＧＲガスの流量を調整することができるＥＧＲ弁１８Ａ，１８ＢがＥＧＲ通路１３Ａ，１３Ｂに備わる（流量調整手段）。

内燃機関１には、内燃機関１の運転を制御するマイクロコンピュータであるＥＣＵ１５が備わる。ＥＣＵ１５には上述した点火プラグ１４、燃料噴射弁７Ａ，７Ｂ、遮断弁１０Ａ，１０Ｂ、ＥＧＲ弁１８Ａ，１８Ｂを含む各種機器が接続され、ＥＣＵ１５からの指令によりこれらの機器の動作が制御される。

図４（Ａ）には、遮断弁１０Ａ，１０Ｂを閉弁して下側通路１２Ａ，１２Ｂに上流側か
ら空気が流入することを遮断するとともに、ＥＧＲ弁１８Ａ，１８Ｂを開弁して下側通路１２Ａ，１２ＢにＥＧＲガスを流入させるように制御した場合を示している。この場合、上側通路１１Ａ，１１Ｂから燃焼室２０に流入するガス（図３のＧＡ１，ＧＢ１）は空気と燃料との混合気となり、下側通路１２Ａ，１２Ｂから燃焼室２０に流入するガス（図３のＧＡ２，ＧＢ２）はＥＧＲガスとなる。従って、燃焼室２０内では、図４（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、燃焼室２０の中央部上方の領域に空気と燃料の混合気Ｇｍ１が局在し、この混合気を外側及び下方からＥＧＲガスＧｅ２が包み込むような層状のガス分布が形成される。

これにより、本実施例の内燃機関１では、点火プラグ１４の近傍に空気と燃料の混合気Ｇｍ１が局在し、この混合気と燃焼室壁面やピストン頂面等の熱散逸の原因となる低温部材との間にはＥＧＲガスの層Ｇｅ２が介在することになる。

ここで、図４（Ａ）及び（Ｂ）には図示していないが、ＥＧＲ通路１３Ａ，１３Ｂはともに図示しない排気マニホールドや排気マニホールドに接続される排気管に接続する。すなわち、本実施例の内燃機関１においてＥＧＲ通路１３Ａ，１３Ｂを介して行なわれる排気の還流はいわゆる外部ＥＧＲであり、冷却が容易であるため、排気ポートから直前の燃焼ガスを燃焼室内に吸入するいわゆる内部ＥＧＲガスや燃焼ガスの温度と比較して低温にすることができる。従って、本実施例の内燃機関１ではＥＧＲガスの層は燃焼室壁面やピストン頂面等の低温部材との温度差を小さくすることができ、これら低温部材を介した熱散逸を抑制し、冷却損失を低減することが可能になる。

また、図４に示すようにエンドガスのほとんどはＥＧＲガスとなるため、エンドガスが自着火しにくくなる。これにより、ノッキングの発生を抑制することができ、効率を向上させることが可能になる。更に、ＥＧＲガスを還流させた場合でも、燃料は燃焼室２０の中央部上方の空気の層にのみ存在し、ＥＧＲガスの層には燃料噴射弁７Ａ，７Ｂから噴射された燃料が存在しないガス分布となるため、燃焼悪化、ＨＣやＣＯの発生、効率低下を好適に抑制することができる。また、ストイキ運転を行なった場合には排気通路に配置される三元触媒（図示省略）の排気浄化作用を良好に発揮させることが可能な排気性状となるため、排気の悪化を抑制することもできる。

なお、上記実施例では燃料噴射弁７Ａ，７Ｂはそれぞれ上側通路１１Ａ，１１Ｂに設けられるが、燃料噴射弁７Ａ，７Ｂは上側通路１１Ａ，１１Ｂ及び下側通路１２Ａ，１２Ｂより上流側の吸気ポート３Ａ，３Ｂに設けても良い。この場合、遮断弁１０Ａ，１０Ｂを閉弁して上流側から下側通路１２Ａ，１２Ｂへのガスの流入を遮断した場合には、図４の場合と同様、上側通路１１Ａ，１１Ｂから燃焼室２０に流入するガスは空気と燃料との混合気となり、下側通路１２Ａ，１２Ｂから燃焼室２０に流入するガスはＥＧＲガスとなるので、燃焼室２０の中央部上方に空気と燃料の混合気の層が局在し、その周囲及び下方にＥＧＲガスの層が局在するガス分布となる。従って、上記の実施例と同様に、ノッキングの抑制及び冷却損失の低減の効果が得られる。

一方、遮断弁１０Ａ，１０Ｂを開弁して上流側から下側通路１２Ａ，１２Ｂへガスが流入できるようにした場合には、下側通路１２Ａ，１２Ｂにも空気及び燃料が流入するため、下側通路１２Ａ，１２Ｂから燃焼室２０に流入するガスはＥＧＲガスと空気と燃料の混合気となる。この場合、燃焼室２０に形成されるガス分布は、中央部上方の点火プラグ１４近傍に空気と燃料の混合気の層が局在し、その混合気と燃焼室壁面やピストン頂面との間にＥＧＲガスを含むガスが介在する層状のガス分布になる。この場合も、主たる燃焼が起こる空気と燃料の混合気の層が低温のＥＧＲガスを含むガスによって包み込まれるので、燃焼室壁面やピストン頂面等の低温部材を介した熱散逸を好適に抑制でき、冷却損失を低減することができるとともに、ノッキングの発生を抑制することができる。つまり、燃
料噴射弁７Ａ，７Ｂは下側通路１２Ａ，１２Ｂ以外であれば、吸気ポート３Ａ，３Ｂのどこに設けても良い。また、遮断弁１０Ａ，１０Ｂを備えていなくても上記の説明のように冷却損失低減及びノッキングの抑制は可能である。

ＥＧＲ弁１８Ａ，１８Ｂも、燃焼室２０の中央部上方の点火プラグ１４近傍に空気と燃料の混合気を局在させ、その周囲及び下方にＥＧＲガスの層を局在させる、という上記実施例の作用を生じせしめるためには必須の構成ではない。しかしながら、ＥＧＲ弁１８Ａ，１８Ｂを備えた構成では、ＥＧＲ弁１８Ａ，１８Ｂを閉弁して下側通路１２Ａ，１２ＢへのＥＧＲガスの流入を遮断することにより、特定の運転条件において以下に説明する有利な効果を奏することができる。

図５は、図４に示した内燃機関１の構成において、ＥＧＲ弁１８Ａ，１８Ｂを閉弁するとともに遮断弁１０Ａ，１０Ｂを開弁した場合の作用を説明するための図であり、図５（Ａ）は図１の矢印Ａで示す方向から見た内燃機関１の断面を示し、図５（Ｂ）は図１の矢印Ｂで示す方向から見た内燃機関１の断面を示す。

図５（Ａ）に示すように、ＥＧＲ弁１８Ａ，１８Ｂを閉弁するとともに遮断弁１０Ａ，１０Ｂを開弁した場合、下側通路１２Ａ，１２Ｂから燃焼室２０に流入するガスは空気のみになる。従って、燃焼室２０内のガス分布は、燃焼室２０の中央部上方の点火プラグ１４近傍の領域に上側通路１１Ａ，１１Ｂから流入した空気と燃料の可燃混合気Ｇｍ１が局在し、その周囲及び下方に下側通路１２Ａ，１２Ｂから流入した空気Ｇａ２が局在する層状のガス分布となる。このような層状のガス分布が形成されることにより、機関始動時や冷間時において燃料濃度を過濃にしなくても燃焼状態を安定させることができるので、燃費性能と排気性能の低下を抑制できる。また、ＥＧＲガスの還流を行なわない運転条件においても、低温の空気の層Ｇａ２により可燃混合気の層Ｇｍ１が包み込まれるような層状のガス分布となるので、燃焼室壁面やピストン頂面等の低温部材とそれに接するガスとの温度差を小さくすることができ、上述したＥＧＲガスの還流を行なう運転条件の場合と同様に、冷却損失を低減することができるとともに、エンドガスに燃料が含まれないためノッキングを抑制することができる。

ＥＣＵ１５は、内燃機関１の運転条件（回転数や負荷等）を取得し、ＥＧＲガスの還流を行なうべき運転条件の場合には目標ＥＧＲガス流量に対応する開度にＥＧＲ弁１８Ａ，１８Ｂを開弁するとともに遮断弁１０Ａ，１０Ｂを閉弁し、ＥＧＲガスの還流を行なわない運転条件の場合にはＥＧＲ弁１８Ａ，１８Ｂを閉弁するとともに遮断弁１０Ａ，１０Ｂを開弁するように制御を行なうことができる。そうすることで、ＥＧＲガス還流の実施の有無によらず、冷却損失低減及びノッキング発生抑制の効果が得られる。

（実施例２）
上記の実施例１の構成による燃焼室内ガスの成層化は、筒内噴射式内燃機関にも適用できる。本実施例は、上述した吸気ポート３Ａ，３Ｂの上側通路１１Ａ，１１Ｂから燃焼室２０に流入するガスと下側通路１２Ａ，１２Ｂから燃焼室２０に流入するガスとを燃焼室２０内で成層化させる構成を筒内噴射式内燃機関に適用した実施例である。

図６は、本実施例に係る内燃機関１の概略構成を説明するための図であり、図６（Ａ）は図１の矢印Ａで示す方向から見た内燃機関１の断面を示し、図６（Ｂ）は図１の矢印Ｂで示す方向から見た内燃機関１の断面を示す。図６に示す本実施例の内燃機関１の構成と図４に示す実施例１の内燃機関１の構成との相違は、実施例１における燃料噴射弁７Ａ，７Ｂの代わりに本実施例では燃焼室２０内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁３０を備えた点である。

本実施例の内燃機関１の吸気ポート３Ａ，３Ｂは実施例１と同等の構成を有しており、図６（Ａ）に示すように遮断弁１０Ａ，１０Ｂが閉弁され且つＥＧＲ弁１８Ａ，１８Ｂが開弁された状態では、上側通路１１Ａ，１１Ｂから燃焼室２０に流入するガスは空気となり、下側通路１２Ａ，１２Ｂから燃焼室２０に流入するガスはＥＧＲガスとなる。従って、燃焼室２０内では、図６（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、燃焼室２０の中央部上方の領域に空気Ｇａ１が局在し、この空気の層を外側及び下方からＥＧＲガスＧｅ２が包み込むような層状のガス分布が形成される。

これにより、本実施例の内燃機関１では、点火プラグ１４の近傍に空気Ｇａ１が局在し、この空気と燃焼室壁面やピストン頂面等の熱散逸の原因となる低温部材との間にはＥＧＲガスの層Ｇｅ２が介在することになる。

ここで、燃料噴射弁３０は、燃料噴霧が、上側通路１１Ａ，１１Ｂから燃焼室２０に流入するガスが形成する層（空気Ｇａ１）を下側通路１２Ａ，１２Ｂから燃焼室２０に流入するガスが形成する層（ＥＧＲガスＧｅ１）よりも長く通過するように、燃焼室２０の中央部上方に向かって燃焼室２０の側面上部から燃料を噴射するように構成される。これにより、図６（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、燃料噴射弁３０からの燃料噴霧Ｇｆは、主に燃焼室２０内に形成されるガス分布の空気の層Ｇａ１を通過する。従って、燃焼室２０の中央部上方の点火プラグ１４近傍の領域において燃焼が起こり、燃焼エネルギーが燃焼室壁面やピストン頂面等を介して失われることを抑制でき、冷却損失を低減することが過濃になる。また、エンドガスのほとんどはＥＧＲガスとなるため、エンドガスが自着火しにくくなり、ノッキングの発生を抑制することができる。

本実施例においても、実施例１と同様に、ＥＧＲ弁１８Ａ，１８Ｂ、遮断弁１０Ａ，１０Ｂは必須ではないが、ＥＧＲガスの還流を行なわない運転条件においてＥＧＲ弁１８Ａ，１８Ｂを閉弁して下側通路１２Ａ，１２ＢへのＥＧＲガスの流入を遮断することにより、上述したＥＧＲガスの還流を行なう場合と同様に冷却損失の低減及びノッキングの抑制が可能になる。

図７は、図６に示した内燃機関１の構成においてＥＧＲ弁１８Ａ，１８Ｂを閉弁するとともに遮断弁１０Ａ，１０Ｂを開弁した場合の作用を説明するための図であり、図７（Ａ）は図１の矢印Ａで示す方向から見た内燃機関１の断面を示し、図７（Ｂ）は図１の矢印Ｂで示す方向から見た内燃機関１の断面を示す。

図７（Ａ）に示すように、ＥＧＲ弁１８Ａ，１８Ｂを閉弁するとともに遮断弁１０Ａ，１０Ｂを開弁した場合、下側通路１２Ａ，１２Ｂから燃焼室２０に流入するガスは空気のみになる。従って、燃焼室２０内のガス分布は、燃焼室２０の中央部上方の点火プラグ１４近傍の領域に上側通路１１Ａ，１１Ｂから流入した空気Ｇａ１が局在し、その周囲及び下方に下側通路１２Ａ，１２Ｂから流入した空気Ｇａ２が局在する層状のガス分布となる。そして、点火プラグ１４近傍の領域の空気の層Ｇａ１に向かって燃料噴射弁３０から燃料が噴射されるので、燃焼は主に燃焼室中央部上方の領域において起こることになる。このような層状のガス分布が形成されることにより、機関始動時や冷間時において燃料濃度を過濃にしなくても燃焼状態を安定させることができるので、燃費性能と排気性能の低下を抑制できる。

（実施例３）
実施例１及び実施例２は、対向タンブル流が生じるように対称配置した吸気ポート３Ａ，３Ｂを上側通路１１Ａ，１１Ｂ及び下側通路１２Ａ，１２Ｂに区画することにより、燃焼室中央部上方の点火プラグ１４近傍の領域に局在するガスの層とその周囲及び下方に局在するガスの層とからなる層状のガス分布を燃焼室２０内に形成したが、本実施例は、こ
のようなガス分布を異なる構成の内燃機関により形成できるようにした実施例である。

図８は本実施例に係る内燃機関の概略構成を示す図である。図８に示す内燃機関は、４つの気筒２を直列に備えた火花点火式エンジンである。図８では紙面の上側が排気マニホールドが備わる排気側、紙面の下側が吸気マニホールドが備わる吸気側とする。図面が煩雑になることを避けるために図８では点火プラグ、吸気バルブ、排気バルブ、吸気マニホールド、排気マニホールドについて図示を省略した。

各気筒２には、気筒２の燃焼室内に連通する２つの吸気ポート３Ｃ，３Ｄ及び２つの排気ポート４Ｃ，４Ｄが備わる。２つの吸気ポート３Ｃ，３Ｄは、気筒２の中心軸線（燃焼室の中心軸線。紙面に垂直な直線）Ｃを含む平面Ｓ２（紙面に垂直な平面）に対して対称の位置に設けられ、２つの排気ポート４Ｃ，４Ｄは、気筒２の中心軸線Ｃを含む平面Ｓ２に対して対称の位置に設けられる。図８では右端の１つの気筒２についてのみ吸気ポート３Ａ，３Ｂ及び排気ポート４Ａ，４Ｂを図示したが、他の３つの気筒２も同様に吸気ポート及び排気ポートを２つずつ備える。図１に示した実施例１の構成と図８に示した本実施例の構成とを比較すると、実施例１では２つの吸気ポートの対称面Ｓ１が気筒列の方向に対して垂直であるのに対し、本実施例では２つの吸気ポートの対称面Ｓ２が気筒列の方向に垂直な面に対して図８に示すように傾きを有しているので、隣り合う気筒間での吸気ポートと排気ポートとの干渉が起こりにくいという利点がある。

燃焼室上部において、吸気ポート３Ｃ，３Ｄが接続される燃焼室開口部よりも中心軸線Ｃから遠い位置であって、排気ポート４Ｃ，４Ｄが接続される燃焼室開口部の間に設けられる開口部５には、燃焼室内に直接外部ＥＧＲガスを還流させるＥＧＲ通路６が接続される。

図９は、本実施例の内燃機関の詳細な構成を説明するための図であり、図９（Ａ）は図８の矢印Ａで示す方向から見た内燃機関１の断面を示し、図９（Ｂ）は図８の矢印Ｂで示す方向から見た内燃機関１の断面を示す。図９（Ｂ）において符号２５Ｃは排気ポート４Ｃを開閉する排気バルブである。

図９（Ａ）に示すように、本実施例の内燃機関１の吸気ポート３Ｃ，３Ｄの構成は、図４に示す実施例１の内燃機関１の吸気ポート３Ａ，３Ｂの構成において下側通路１２Ａ，１２Ｂに接続されたＥＧＲ通路１３Ａ，１３Ｂが本実施例では存在しない点以外は略同等である。すなわち、２つの吸気ポート３Ｃ，３Ｄは、２つの吸気ポート３Ｃ，３Ｄから燃焼室２０に流入するガスがそれぞれタンブル流を形成し、このタンブル流の流れベクトルが燃焼室２０の中心軸線Ｃを含む平面Ｓ２に垂直な方向において互いに対向するように構成され、各吸気ポートから燃焼室２０に流入したガスによる２つのタンブル流は中心軸線Ｃの近傍で衝突し、吸気ポート３Ｃから流入したガスは吸気バルブ８Ｃの下方に滞留し、吸気ポート３Ｄから流入したガスは吸気バルブ８Ｄの下方に滞留する。

また、吸気ポート３Ｃ，３Ｄは、内部を上下方向に区画し上側通路１１Ｃ，１１Ｄ及び下側通路１２Ｃ，１２Ｄを形成する隔壁９Ｃ，９Ｄを備え、隔壁９Ｃ，９Ｄより上流側の吸気ポート３Ｃ，３Ｄから下側通路１２Ｃ，１２Ｄへの空気の流入を遮断することができる遮断弁１０Ｃ，１０Ｄ（遮断手段）が備わる。上側通路１１Ｃ，１１Ｄには燃料噴射弁７Ｃ，７Ｄが設けられ、燃料噴射弁７Ｃ，７Ｄからはそれぞれ上側通路１１Ｃ，１１Ｄに燃料ＧｆＣ，ＧｆＤが供給される。従って、吸気ポート３Ｃ，３Ｄから燃焼室２０に流入するガスは上側通路１１Ｃ，１１Ｄから流入する空気と燃料の混合気であり、燃焼室２０内には燃焼室２０の中央部上方の点火プラグ１４の近傍の領域に局在する混合気の層Ｇｍ１が形成される。

本実施例の内燃機関１の特徴点は、上側通路１１Ｃ，１１Ｄよりも中心軸線Ｃから遠い側にＥＧＲガスを流入させるＥＧＲ通路６が、燃焼室２０の上部の開口部５に接続されている点である。図９（Ｂ）に示すように、ＥＧＲ通路６は中心軸線Ｃを挟んで吸気ポート３Ｃ，３Ｄと反対側の、排気ポート４Ｃ，４Ｄよりも更に遠い位置に接続されており、燃焼室２０の上部から下方に向かってＥＧＲガスが流入するように構成されている。ＥＧＲ通路６から燃焼室２０に流入するＥＧＲガスの流量は開口部５を開閉するＥＧＲ弁３１により調整される（流量調整手段）。

ＥＣＵ１５は、内燃機関１の運転状態に応じて燃料噴射弁７Ｃ，７Ｄ、遮断弁１０Ｃ，１０Ｄ、点火プラグ１４、ＥＧＲ弁３１を含む各種の機器を制御する。すなわち、ＥＣＵ１５は、１サイクル中の吸気バルブ８Ｃ，８Ｄが開く前の所定期間のみＥＧＲ弁３１を開弁し、それ以外の期間はＥＧＲ弁３１を閉弁する。これにより、当該所定期間にＥＧＲ通路６から燃焼室２０にＥＧＲガスが流入し、燃焼室壁面近傍及びピストン頂面近傍に局在するＥＧＲガスの層Ｇｅ６を形成する。更に、ＥＣＵ１５は、１サイクル中の吸気バルブ８Ｃ，８Ｄが開弁する期間は遮断弁１０Ｃ，１０Ｄを閉弁することにより、下側通路１２Ｃ，１２Ｄの上流側から下側通路１２Ｃ，１２Ｄへの空気の流入を遮断する。これにより、空気と燃料の混合気が上側通路１１Ｃ，１１Ｄから燃焼室２０に流入するとともに、下側通路１２Ｃ，１２Ｄから燃焼室２０へはガスの流入は起こらなくなる。

従って、本実施例の内燃機関１の燃焼室２０内に形成されるガス分布は、図９（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、吸気ポート３Ｃ，３Ｄの上側通路１１Ｃ，１１Ｄから流入し燃焼室２０の中央部上方の点火プラグ１４の近傍に局在する混合気Ｇｍ１と、ＥＧＲ通路６から流入し燃焼室下方及び燃焼室壁面付近の点火プラグ１４から遠い領域に局在するＥＧＲガスＧｅ６と、からなる層状のガス分布になる。

ここで、図９（Ａ）及び（Ｂ）には図示していないが、ＥＧＲ通路６は図示しない排気マニホールドや排気マニホールドに接続される排気管に接続する。すなわち、本実施例の内燃機関１においてＥＧＲ通路６を介して行なわれる排気の還流はいわゆる外部ＥＧＲであり、冷却が容易であるため、排気ポートから直前の燃焼ガスを燃焼室内に吸入するいわゆる内部ＥＧＲガスや燃焼ガスの温度と比較して低温にすることができる。従って、本実施例の内燃機関１ではＥＧＲガスの層は燃焼室壁面やピストン頂面等の低温部材との温度差を小さくすることができ、これら低温部材を介した熱散逸を抑制し、冷却損失を低減することが可能になる。

また、図９（Ａ）及び図９（Ｂ）に示すようにエンドガスのほとんどはＥＧＲガスとなるため、エンドガスが自着火しにくくなる。これにより、ノッキングの発生を抑制することができ、効率を向上させることが可能になる。更に、ＥＧＲガスを還流させた場合でも、燃料は燃焼室２０の中央部上方の空気の層にのみ存在し、ＥＧＲガスの層には燃料噴射弁７Ｃ，７Ｄから噴射された燃料が存在しないガス分布となるため、燃焼悪化、ＨＣやＣＯの発生、効率低下を好適に抑制することができる。また、ストイキ運転を行なった場合には排気通路に配置される三元触媒（図示省略）の排気浄化作用を良好に発揮させることが可能な排気性状となるため、排気の悪化を抑制することもできる。

本実施例においても、実施例１と同様、燃料噴射弁７Ｃ，７Ｄは下側通路１２Ｃ，１２Ｄ以外の吸気ポート３Ｃ，３Ｄのどこに設けても良い。

本実施例の内燃機関１では、吸気ポート３Ｃ，３Ｄの上側通路１１Ｃ，１１Ｄから燃焼室２０に流入したガスが燃焼室２０の中央部上方の点火プラグ１４近傍の領域に局在し、ＥＧＲ通路６から燃焼室２０に流入したガスは燃焼室２０の下方及び内壁面近傍に局在する。従って、実施例１と同様に、ＥＧＲガスの還流を行なわない運転条件においても、Ｅ
ＧＲ通路６からＥＧＲガスの代わりに空気を流入させれば、燃焼室の中央部上方の領域に局在する可燃混合気を外側の空気の層で包み込むようなガス分布を形成することができ、ＥＧＲガスの還流を行なった場合と同様に冷却損失の低減やノッキングの抑制といった効果を得ることができる。

そこで、ＥＧＲガスの還流を行なわない運転条件においてＥＧＲ通路６から燃焼室２０に空気を流入させることができるように、図１０に示すように、ＥＧＲ通路６への排気の流入を遮断することができる排気遮断弁３５（排気遮断手段）をＥＧＲ通路６に設けるとともに、排気遮断弁３５より下流側のＥＧＲ通路６に吸気通路に連通する空気導入路３３を接続し、ＥＧＲガスを還流させない運転条件において排気遮断弁３５によりＥＧＲ通路６への排気の流入を遮断するようにＥＣＵ１５による制御を行なうようにしても良い。

こうすることにより、図１０（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、ＥＧＲ通路６から燃焼室２０に流入するガスは空気になる。従って、燃焼室２０内のガス分布は、燃焼室２０の中央部上方の点火プラグ１４近傍の領域に上側通路１１Ｃ，１１Ｄから流入した空気と燃料の可燃混合気Ｇｍ１が局在し、その周囲及び下方にＥＧＲ通路６から流入した空気Ｇａ６が局在する層状のガス分布となる。このような層状のガス分布が形成されることにより、機関始動時や冷間時において燃料濃度を過濃にしなくても燃焼状態を安定させることができるので、燃費性能と排気性能の低下を抑制できる。また、ＥＧＲガスの還流を行なわない運転条件においても、低温の空気の層Ｇａ６により可燃混合気の層Ｇｍ１が包み込まれるような層状のガス分布となるので、燃焼室壁面やピストン頂面等の低温部材とそれに接するガスとの温度差を小さくすることができ、上述したＥＧＲガスの還流を行なう運転条件の場合と同様に、冷却損失を低減することができるとともに、エンドガスに燃料が含まれないためノッキングを抑制することができる。

ＥＣＵ１５は、内燃機関１の運転条件（回転数や負荷等）を取得し、ＥＧＲガスの還流を行なうべき運転条件の場合には目標ＥＧＲガス流量に対応する開度にＥＧＲ弁３１を開弁するとともにＥＧＲ通路６への排気の流入を遮断しないように排気遮断弁３５を制御し、ＥＧＲガスの還流を行なわない運転条件の場合にはＥＧＲ弁３１を開弁するとともにＥＧＲ通路６への排気の流入を遮断するように排気遮断弁３５を制御する。そうすることで、ＥＧＲガス還流の実施の有無によらず、冷却損失低減及びノッキング発生抑制の効果が得られる。排気遮断弁３５は、図１０（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、ＥＧＲ通路６へ流入するガスを排気又は空気のいずれかにすることができるような三方弁とすることも好ましい。

（実施例４）
上記の実施例３の構成による燃焼室内ガスの成層化は、筒内噴射式内燃機関にも適用できる。本実施例は、上述した吸気ポート３Ｃ，３Ｄの上側通路１１Ｃ，１１Ｄから燃焼室２０に流入するガスとＥＧＲ通路６から燃焼室２０に流入するガスとを燃焼室２０内で成層化させる構成を筒内噴射式内燃機関に適用した実施例である。

図１１は、本実施例に係る内燃機関１の概略構成を説明するための図であり、図１１（Ａ）は図８の矢印Ａで示す方向から見た内燃機関１の断面を示し、図１１（Ｂ）は図８の矢印Ｂで示す方向から見た内燃機関１の断面を示す。図１１に示す本実施例の内燃機関１の構成と図９に示す実施例３の内燃機関１の構成との相違は、実施例３における燃料噴射弁７Ｃ，７Ｄの代わりに本実施例では燃焼室２０内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁３０を備えた点である。

本実施例の内燃機関１の吸気ポート３Ｃ，３Ｄは実施例３と同等の構成を有しており、吸気バルブ８Ｃ，８Ｄが開弁される期間は遮断弁１０Ｃ，１０Ｄが閉弁され、上側通路１
１Ｃ，１１Ｄから燃焼室２０に流入するガスは空気となり、ＥＧＲ通路６から燃焼室２０に流入するガスはＥＧＲガスとなる。従って、燃焼室２０内では、図１１（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、燃焼室２０の中央部上方の領域に空気Ｇａ１が局在し、この空気の層を外側及び下方からＥＧＲガスＧｅ６が包み込むような層状のガス分布が形成される。

これにより、本実施例の内燃機関１では、点火プラグ１４の近傍に空気Ｇａ１が局在し、この空気と燃焼室壁面やピストン頂面等の熱散逸の原因となる低温部材との間にはＥＧＲガスの層Ｇｅ６が介在することになる。

ここで、燃料噴射弁３０は、燃料噴霧が、上側通路１１Ｃ，１１Ｄから燃焼室２０に流入するガスが形成する層（空気Ｇａ１）をＥＧＲ通路６から燃焼室２０に流入するガスが形成する層（ＥＧＲガスＧｅ６）よりも長く通過するように、燃焼室２０の中央部上方に向かって燃焼室２０の側面上部から燃料を噴射するように構成される。これにより、図１１（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、燃料噴射弁３０からの燃料噴霧Ｇｆは、主に燃焼室２０内に形成されるガス分布の空気の層Ｇａ１を通過する。従って、燃焼室２０の中央部上方の点火プラグ１４近傍の領域において燃焼が起こり、燃焼エネルギーが燃焼室壁面やピストン頂面等を介して失われることを抑制でき、冷却損失を低減することが過濃になる。また、エンドガスのほとんどはＥＧＲガスとなるため、エンドガスが自着火しにくくなり、ノッキングの発生を抑制することができる。

本実施例においても、実施例３と同様に、ＥＧＲガスの還流を行なわない運転条件においてＥＧＲ通路６から燃焼室２０に空気を流入させることができれば、ＥＧＲガスの還流を行なわない運転条件においても、燃焼室の中央部上方の領域に局在する可燃混合気を外側の空気の層で包み込むようなガス分布を形成することができ、ＥＧＲガスの還流を行なった場合と同様に冷却損失の低減やノッキングの抑制といった効果を得ることができる。

図１２は、図１１に示した本実施例の構成に、ＥＧＲガスの還流を行なわない運転条件においてＥＧＲ通路６から燃焼室２０に空気を流入させることができる構成を加えた内燃機関１の概略構成を示す図である。図１０に示した実施例３の場合の構成と同様に、ＥＧＲ通路６への排気の流入を遮断することができる排気遮断弁３５（排気遮断手段）をＥＧＲ通路６に設けるとともに、排気遮断弁３５より下流側のＥＧＲ通路６に吸気通路に連通する空気導入路３３を接続し、ＥＧＲガスを還流させない運転条件において排気遮断弁３５によりＥＧＲ通路６への排気の流入を遮断するようにＥＣＵ１５による制御を行なう。

これにより、図１２（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、ＥＧＲ通路６から燃焼室２０に流入するガスは空気になる。従って、燃焼室２０内のガス分布は、燃焼室２０の中央部上方の点火プラグ１４近傍の領域に上側通路１１Ｃ，１１Ｄから流入した空気Ｇａ１が局在し、その周囲及び下方にＥＧＲ通路６から流入した空気Ｇａ６が局在する層状のガス分布となる。このような層状のガス分布が形成されることにより、機関始動時や冷間時において燃料濃度を過濃にしなくても燃焼状態を安定させることができるので、燃費性能と排気性能の低下を抑制できる。また、ＥＧＲガスの還流を行なわない運転条件においても、低温の空気の層Ｇａ６により可燃混合気の層Ｇｍ１が包み込まれるような層状のガス分布となるので、燃焼室壁面やピストン頂面等の低温部材とそれに接するガスとの温度差を小さくすることができ、上述したＥＧＲガスの還流を行なう運転条件の場合と同様に、冷却損失を低減することができるとともに、エンドガスに燃料が含まれないためノッキングを抑制することができる。

なお、以上述べた実施例は本発明を説明するための一例であって、本発明の本旨を逸脱しない範囲内において上記の実施例は組み合わせたり変更を加えたりすることができる。

１ 内燃機関
２ 気筒
３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ 吸気ポート
４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ 排気ポート
５ 開口部
６ ＥＧＲ通路
７Ａ，７Ｂ，７Ｃ，７Ｄ 燃料噴射弁
８Ａ，８Ｂ，８Ｃ，８Ｄ 吸気バルブ
９Ａ，９Ｂ，９Ｃ，９Ｄ 隔壁
１０Ａ，１０Ｂ 遮断弁
１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ 上側通路
１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄ 下側通路
１３Ａ，１３Ｂ ＥＧＲ通路
１４ 点火プラグ
１５ ＥＣＵ
１６ ピストン
１７ ピストンピン
１８Ａ，１８Ｂ ＥＧＲ弁
２０ 燃焼室
２５Ａ，２５Ｃ 排気バルブ
３０ 燃料噴射弁
３１ ＥＧＲ弁
３３ 空気導入路
３５ 排気遮断弁
Ｓ１，Ｓ２ 対称面
Ｃ 中心軸線

Claims (8)

1. 燃焼室に連通する２つの吸気ポートと、
   前記各吸気ポート内部を上下方向に区画し上側通路及び下側通路を形成する隔壁と、
   前記各吸気ポートの前記下側通路以外に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
   前記下側通路に連通し前記内燃機関の排気通路を流れる排気の一部をＥＧＲガスとして前記下側通路に流入させるＥＧＲ通路と、
   を備え、
   前記２つの吸気ポートは、前記燃焼室の中心軸線を含む平面に対して対称に設けられ、各吸気ポートから前記燃焼室内に流入するガスにより形成されるタンブル流の流れベクトルが前記燃焼室の中心軸線を含む前記平面に垂直な方向において互いに対向するように構成され、
   前記上側通路は、前記下側通路よりも前記燃焼室の中心軸線に近い側にガスを流入させるように構成されることを特徴とする内燃機関の排気還流装置。
2. 請求項１において、
   前記燃料噴射弁は、前記上側通路に燃料を噴射することを特徴とする内燃機関の排気還流装置。
3. 燃焼室に連通する２つの吸気ポートと、
   前記各吸気ポート内部を上下方向に区画し上側通路及び下側通路を形成する隔壁と、
   前記燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
   前記下側通路に連通し前記内燃機関の排気通路を流れる排気の一部をＥＧＲガスとして前記下側通路に流入させるＥＧＲ通路と、
   を備え、
   前記２つの吸気ポートは、前記燃焼室の中心軸線を含む平面に対して対称に設けられ、各吸気ポートから前記燃焼室内に流入するガスにより形成されるタンブル流の流れベクトルが前記燃焼室の中心軸線を含む前記平面に垂直な方向において互いに対向するように構成され、
   前記上側通路は、前記下側通路よりも前記燃焼室の中心軸線に近い側にガスを流入させるように構成され、
   前記燃料噴射弁は、燃料噴霧が前記上側通路から前記燃焼室内に流入するガスが形成する層を前記下側通路から前記燃焼室内に流入するガスが形成する層よりも長く通過するように構成されることを特徴とする内燃機関の排気還流装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項において、
   前記下側通路の上流側から前記下側通路へのガスの流入を遮断することができる遮断手段を備えることを特徴とする内燃機関の排気還流装置。
5. 請求項１から４のいずれか１項において、
   前記ＥＧＲ通路から前記下側通路へ流入するＥＧＲガスの流量を調整する流量調整手段を備えることを特徴とする内燃機関の排気還流装置。
6. 燃焼室に連通する２つの吸気ポートと、
   前記各吸気ポート内部を上下方向に区画し上側通路及び下側通路を形成する隔壁と、
   前記下側通路の上流側から前記下側通路へのガスの流入を遮断することができる遮断手段と、
   前記各吸気ポートの前記下側通路以外に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
   前記各吸気ポートを開閉する吸気バルブと、
   前記燃焼室に連通し前記内燃機関の排気通路を流れる排気の一部をＥＧＲガスとして前
   記燃焼室内に流入させるＥＧＲ通路と、
   前記ＥＧＲ通路から前記燃焼室内へ流入するＥＧＲガスの流量を調整する流量調整手段と、
   前記内燃機関の運転を制御する制御手段と、
   を備え、
   前記２つの吸気ポートは、前記燃焼室の中心軸線を含む平面に対して対称に設けられ、各吸気ポートから前記燃焼室内に流入するガスにより形成されるタンブル流の流れベクトルが前記燃焼室の中心軸線を含む前記平面に垂直な方向において互いに対向するように構成され、
   前記上側通路は、前記下側通路及び前記ＥＧＲ通路よりも前記燃焼室の中心軸線に近い側にガスを流入させるように構成され、
   前記制御手段は、
   １サイクル中の前記吸気バルブが開く前の所定期間は前記燃焼室内へＥＧＲガスが流入し、それ以外の期間は前記燃焼室内へＥＧＲガスが流入しないように前記流量調整手段を制御し、
   １サイクル中の前記吸気バルブが開弁する期間は前記下側通路の上流側から前記下側通路への吸気の流入を遮断するよう前記遮断手段を制御することを特徴とする内燃機関の排気還流装置。
7. 燃焼室に連通する２つの吸気ポートと、
   前記各吸気ポート内部を上下方向に区画し上側通路及び下側通路を形成する隔壁と、
   前記下側通路の上流側から前記下側通路へのガスの流入を遮断することができる遮断手段と、
   前記燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
   前記各吸気ポートを開閉する吸気バルブと、
   前記燃焼室に連通し前記内燃機関の排気通路を流れる排気の一部をＥＧＲガスとして前記燃焼室内に流入させるＥＧＲ通路と、
   前記ＥＧＲ通路から前記燃焼室内へ流入するＥＧＲガスの流量を調整する流量調整手段と、
   前記内燃機関の運転を制御する制御手段と、
   を備え、
   前記２つの吸気ポートは、前記燃焼室の中心軸線を含む平面に対して対称に設けられ、各吸気ポートから前記燃焼室内に流入するガスにより形成されるタンブル流の流れベクトルが前記燃焼室の中心軸線を含む前記平面に垂直な方向において互いに対向するように構成され、
   前記上側通路は、前記下側通路及び前記ＥＧＲ通路よりも前記燃焼室の中心軸線に近い側にガスを流入させるように構成され、
   前記燃料噴射弁は、燃料噴霧が前記上側通路から前記燃焼室内に流入するガスが形成する層を前記ＥＧＲ通路から前記燃焼室内に流入するガスが形成する層よりも長く通過するように構成され、
   前記制御手段は、
   １サイクル中の前記吸気バルブが開く前の所定期間は前記燃焼室内へＥＧＲガスが流入し、それ以外の期間は前記燃焼室内へＥＧＲガスが流入しないように前記流量調整手段を制御し、
   １サイクル中の前記吸気バルブが開弁する期間は前記下側通路の上流側から前記下側通路への吸気の流入を遮断するように前記遮断手段を制御することを特徴とする内燃機関の排気還流装置。
8. 請求項６又は７において、
   前記内燃機関の吸気通路を流れる吸気の一部を前記ＥＧＲ通路に流入させる通路と、
   前記排気通路から前記ＥＧＲ通路への排気の流入を遮断することができる排気遮断手段と、
   を備え、
   前記制御手段は、前記内燃機関の所定の運転状態において、前記排気通路から前記ＥＧＲ通路への排気の流入を遮断するように前記排気遮断手段を制御することにより、前記ＥＧＲ通路から前記燃焼室内に吸気の一部を流入させることを特徴とする内燃機関の排気還流装置。

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