JP2013160119A

JP2013160119A - 内燃機関

Info

Publication number: JP2013160119A
Application number: JP2012021803A
Authority: JP
Inventors: Masaharu Ito; 昌晴伊藤; Kohei Motoo; 幸平元尾
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 2012-02-03
Filing date: 2012-02-03
Publication date: 2013-08-19
Anticipated expiration: 2032-02-03
Also published as: DE102013100902A1; JP5689830B2

Abstract

【課題】高い制御性を必要とすることなく、燃焼室における新気の層と排気が混合している層との成層化が促進され、内燃機関から排出される特定物質が低減される内燃機関を提供する。
【解決手段】新気供給部７０は、吸気弁３５がタンブル通路３３と燃焼室２０との間を閉鎖しているとき、タンブル通路３３の吸気弁３５の近傍に新気を供給する。吸気行程に移行して吸気弁３５が開弁すると、燃焼室２０には、径方向外側にスワール流の低ＥＧＲガスの層が形成されるとともに、その内側に成層化したタンブル流の新気の層および高ＥＧＲガスの層が形成される。圧縮行程において燃料が噴射されると、燃料は、まず高ＥＧＲガスの層に接して着火して緩やかに燃焼するとともに、続いて新気の層９２に接して安定して燃焼する。その結果、燃料の燃焼速度や燃焼温度の急激な上昇が抑制され、ＰＭやＮＯｘの生成、および騒音が低減される。
【選択図】図２

Description

本発明は、排気再循環（ＥＧＲ：Exhaust Gas Recirculation）を行う内燃機関に関する。

従来、例えば内燃機関の排気や窒素など、燃料の燃焼に寄与しない不活性ガスを内燃機関の燃焼室へ供給することにより、燃焼温度を低下させ、ＮＯｘの生成を抑制することが知られている。特許文献１は、排気が循環する排気循環通路を開閉することにより、吸気行程において燃焼室へ新気と排気とを交互に供給することを開示している。新気と排気とを交互に供給することにより、燃焼室に形成される新気の層と排気の層とは成層化される。このように新気と排気とを成層化することにより、圧縮行程が終了したとき、燃焼室は酸素の濃度に差が生じる。

しかしながら、特許文献１のような内燃機関の場合、燃焼室へ戻される排気は吸気弁の開閉よりも短い周期で供給を断続する必要がある。そのため、燃焼室で要求される排気の量を確保するためには、高速で開閉する大流量の開閉手段を必要とする。このような高速かつ大流量の開閉手段は、制御精度が低く、燃焼室へ戻す排気の流量を高精度に制御することが難しい。また、開閉手段は、排気が通過するため、排気に含まれる煤などの未燃焼物質が付着しやすい。その結果、開閉手段の応答性の悪化を招き、全体として内燃機関から排出されるＰＭ（Particulate Matter）などの特定物質の増加を招くという問題がある。

特開平７−１８０６１６号公報

そこで、本発明の目的は、高い制御性を必要とすることなく、燃焼室における新気の層と排気が混合している層との成層化が促進され、内燃機関から排出される特定物質が低減される内燃機関を提供することにある。

請求項１記載の発明では、タンブル通路部へ接続する新気供給部を備えている。新気供給部は、タンブル通路部における吸気の流れ方向において吸気弁よりも上流側に接続している。これにより、吸気弁がタンブル通路部と燃焼室との間を閉鎖しているとき、吸気弁の近傍のタンブル通路部には、排気を含まない新気が充満する。吸気行程に移行して吸気弁がタンブル通路部と燃焼室との間を開放すると、スワール通路部から燃焼室へ流入した吸気は燃焼室の軸を中心に周方向へ旋回するスワール流を形成する。そのため、燃焼室の外周側つまり燃焼室を形成する機関本体の壁面側には、スワール通路部から供給された比較的排気の濃度の低い層が形成される。一方、吸気弁の開放によって、タンブル通路部から燃焼室へ流入した吸気は燃焼室の軸方向へ旋回するタンブル流を形成する。このとき、タンブル通路部の吸気弁付近には、新気供給部から供給された新気が充満している。そのため、タンブル流として燃焼室へ流入する吸気は、燃焼室の軸付近において吸気弁から遠い側に排気を含まない新気の層を形成する。そして、タンブル通路部から燃焼室には、この新気に引き続き、スワール通路部よりも排気の濃度が高い吸気が流入する。その結果、新気に引き続いてタンブル流として燃焼室へ流入する吸気は、燃焼室の軸付近において吸気弁に近い側に排気の濃度が高い層を形成する。このように、燃焼室には、径方向の外側の壁面に沿って比較的排気の濃度の低い層が形成され、これに包まれる径方向の中心において吸気弁から遠い側に新気の層、および吸気弁に近い側に排気の濃度の高い層が形成される。これにより、燃焼室には、酸素の濃度の異なる層が成層化して形成される。

このように成層化した吸気は、圧縮行程によって圧縮され、燃料が噴射される。噴射された燃料は、成層化されている吸気のうち排気の濃度が最も高い、つまり酸素の濃度が最も低い吸気に接して着火し、緩やかに燃焼する。そして、着火した燃料は、成層化されている吸気のうち排気の濃度が最も低い、つまり酸素の濃度の最も高い新気に接して安定して燃焼する。燃焼している燃料は、燃焼室の外周側を包む排気の濃度の低い吸気に接することにより、安定した燃焼速度での燃焼が確保される。したがって、燃焼室における新気の層と排気が混合している層との成層化を促進することができ、内燃機関から排出される特定物質を低減することができる。

また、請求項１記載の発明では、新気は吸気弁の開閉にともなって燃焼室へ供給される。つまり、新気の供給時期は、吸気弁の開閉によって制御される。そして、タンブル通路部には、吸気弁が開放される前に、新気の層と高い濃度の排気を含む層とが予め形成されている。これにより、吸気弁が開放されると、タンブル通路部で形成された新気の層と排気の層とが成層化状態を維持したまま燃焼室へ流入する。また、新気供給部は、排気が流入せず、排気に含まれる未燃焼物質が堆積することもない。したがって、複雑な制御や高い制御性を必要とすることなく、長期間安定して燃焼室における吸気の成層化を促進することができる。

一実施形態による内燃機関の概略的な構成を示す模式図一実施形態による内燃機関の燃焼室の近傍を拡大した模式的な断面図一実施形態による内燃機関の燃焼室の近傍を拡大した模式的な斜視図一実施形態による内燃機関の電気的な構成を示すブロック図一実施形態による内燃機関の作動を示す模式図であって、吸気行程の直前を示す図一実施形態による内燃機関の作動を示す模式図であって、吸気行程を示す図一実施形態による内燃機関において、通路開閉弁および吸気弁の作動時期を示す概略図一実施形態による内燃機関の作動を示す模式図であって、吸気行程の末期を示す図一実施形態による内燃機関において、新気の供給期間と成層化の程度との関係を示す模式図一実施形態による内燃機関において、通路開閉弁の閉鎖時期と成層化の程度との関係を示す模式図一実施形態による内燃機関において、新気の供給割合と成層化の程度との関係を示す模式図一実施形態による内燃機関の作動を示す模式図であって、圧縮行程を示す図一実施形態による内燃機関の変形例を示す図７に相当する図

以下、内燃機関の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１に示すように内燃機関としてのディーゼルエンジン１０は、機関本体１１、排気系１２、吸気系１３、ターボチャージャ１４、排気還流部１５を備えている。機関本体１１は、複数のシリンダ１６を有している。機関本体１１は、図２に示すようにシリンダブロック１７、シリンダヘッド１８およびピストン１９などを有している。ピストン１９は、シリンダ１６の内側を軸方向へ往復移動する。燃焼室２０は、これらシリンダブロック１７、シリンダヘッド１８およびピストン１９の間に形成されている。

排気系１２は、図１に示すように排気マニホールド２１および排気通路部２２を有している。排気マニホールド２１および排気通路部２２は、排気通路２３を形成している。排気通路部２２から分岐する排気マニホールド２１は、機関本体１１の各燃焼室２０に接続している。機関本体１１の燃焼室２０から排出された排気は、排気マニホールド２１および排気通路部２２が形成する排気通路２３を経由して少なくとも一部が大気中へ放出される。排気系１２は、排気浄化部２４を有している。排気浄化部２４は、例えば酸化触媒、還元触媒およびＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）などを有している。排気浄化部２４は、排気に含まれるＮＯｘやＰＭなどを、酸化若しくは還元などの化学反応または吸着などの物理的な作用によって浄化する。

吸気系１３は、吸気通路部２５、エアクリーナ２６およびインタークーラ２７などを有している。吸気通路部２５は、吸気通路２８を形成している。吸気通路２８は、一方の端部がエアクリーナ２６を経由して大気に開放している。機関本体１１に吸入される新鮮な吸気は、吸気通路２８の大気に開放しているエアクリーナ２６側の端部から吸入される。吸気系１３は、吸気通路２８における吸気の流量を調整する図示しないスロットルバルブを有していてもよい。また、吸気系１３は、タンブル通路部３１およびスワール通路部３２を有している。タンブル通路部３１は、図２に示すようにタンブル通路３３を形成している。スワール通路部３２は、スワール通路を３４形成している。タンブル通路３３およびスワール通路３４は、それぞれ機関本体１１の各燃焼室２０に接続している。タンブル通路３３およびスワール通路３４と燃焼室２０との間は、それぞれ吸気弁３５によって開閉される。

ターボチャージャ１４は、図１に示すようにタービン３６およびコンプレッサ３７を有している。タービン３６は、排気通路２３に設けられており、排気通路２３を流れる排気によって回転する。コンプレッサ３７は、吸気通路２８に設けられている。コンプレッサ３７は、図示しないシャフトによってタービン３６に接続している。これにより、コンプレッサ３７は、シャフトを経由してタービン３６の回転が伝達される。そのため、排気の流れによってタービン３６が回転すると、コンプレッサ３７も回転する。その結果、吸気通路２８を流れる吸気は、コンプレッサ３７の回転によって圧縮される。圧縮されることにより温度が上昇した吸気は、インタークーラ２７で冷却された後、機関本体１１側へ供給される。

排気還流部１５は、ＥＧＲ通路部４１、ＥＧＲ弁４２、高濃度通路部４３および接続通路部４４を有している。ＥＧＲ通路部４１は、排気通路２３とＥＧＲ弁４２との間を接続するＥＧＲ通路５１を形成している。高濃度通路部４３は、このＥＧＲ弁４２とタンブル通路３３との間を接続する高濃度通路５３を形成している。接続通路部４４は、ＥＧＲ弁４２とスワール通路３４との間を接続する接続通路５４を形成している。ＥＧＲ弁４２は、ＥＧＲ通路５１を開閉して、排気通路２３からタンブル通路３３およびスワール通路３４へ戻される排気の総量を制御する。

高濃度通路５３は、タンブル通路３３に接続している。これにより、排気通路２３から戻された排気の一部は、ＥＧＲ通路５１および高濃度通路５３を経由してタンブル通路３３へ戻される。そのため、排気通路２３からタンブル通路３３を経由して燃焼室２０へ流入する吸気の大部分は、機関本体１１から排出された排気である。これにより、高濃度通路５３からタンブル通路３３を経由して燃焼室２０へ流入する吸気は、スワール通路３４から燃焼室２０へ戻される排気よりも排気の濃度が高くなる。以下、高濃度通路５３からタンブル通路３３を経由して燃焼室２０へ流入する吸気は、含まれる排気の濃度が高いことから「高ＥＧＲガス」という。

接続通路５４は、スワール通路３４に接続している。これにより、排気通路２３から戻された排気の一部は、ＥＧＲ通路５１および接続通路５４を経由してスワール通路３４へ戻される。このスワール通路３４は、接続通路５４だけでなく吸気通路２８にも接続している。そのため、スワール通路３４は、排気を含まない新気も供給される。これにより、スワール通路３４から燃焼室２０へ流入する吸気は、新気と排気とが混合され、排気の濃度が比較的低いものとなる。以下、スワール通路３４から燃焼室２０へ流入する吸気は、含まれる排気の濃度が低いことから「低ＥＧＲガス」という。

このように、大気に開放された端部から吸気通路２８へ吸入された新気は、スワール通路３４において排気と混合され、燃焼室２０へ供給される。また、排気通路２３からＥＧＲ通路５１へ戻された排気は、一部がそのままタンブル通路３３を経由して高ＥＧＲガスとして燃焼室２０へ供給されるとともに、残部が新気と混合されてスワール通路３４から低ＥＧＲガスとして燃焼室２０へ供給される。

吸気系１３は、流量制御弁６１を有している。流量制御弁６１は、吸気通路２８に設けられ、吸気通路２８からスワール通路３４へ流れる吸気すなわち新気の流量を制御する。また、排気還流部１５は、流量制御弁６２を有している。流量制御弁６２は、接続通路５４に設けられ、接続通路５４を経由してスワール通路３４へ戻される排気の流量を制御する。排気還流部１５は、ＥＧＲ弁４２および流量制御弁６２の開度を調整することにより、燃焼室２０へ供給する吸気に含まれる排気の割合を制御する。

ディーゼルエンジン１０は、上記の構成に加え新気供給部７０を備えている。新気供給部７０は、新気通路部７１、通路開閉弁７２およびコンプレッサ７３を有している。新気通路部７１は、吸気通路部２５とタンブル通路部３１との間に設けられている。新気通路部７１が形成する新気通路７４は、吸気通路部２５が形成する吸気通路２８とタンブル通路部３１が形成するタンブル通路３３との間を接続している。新気通路７４の一方の端部は、吸気の流れ方向においてインタークーラ２７の下流側、すなわちインタークーラ２７の出口側に接続している。新気通路７４の他方の端部は、図２および図３に示すように各タンブル通路３３における吸気の流れ方向において吸気弁３５よりも上流側に接続している。これにより、吸気通路２８を流れる吸気すなわち排気を含まない新気の一部は、新気通路７４を経由してタンブル通路３３へ供給される。通路開閉弁７２は、新気通路７４を開閉し、吸気通路２８からタンブル通路３３へ供給される新気の流れを断続する。コンプレッサ７３は、新気通路７４を経由してタンブル通路３３へ供給される新気を加圧する。コンプレッサ７３は、機関本体１１の駆動力によって機械的に駆動してもよく、図示しないバッテリの電力により電気的に駆動してもよい。

ディーゼルエンジン１０は、図４に示すようにさらに制御装置８０を備えている。制御装置８０は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭを有するマイクロコンピュータで構成され、ディーゼルエンジン１０の各部を制御する。制御装置８０は、回転センサ８１およびアクセルセンサ８２に接続している。回転センサ８１は、機関本体１１の図示しないクランクシャフトの回転を検出する。回転センサ８１は、検出したクランクシャフトの回転を電気信号として制御装置８０へ出力する。アクセルセンサ８２は、図示しないアクセルペダルの踏み込み量を検出する。アクセルセンサ８２は、検出したアクセルペダルの踏み込み量を電気信号として制御装置８０へ出力する。なお、制御装置８０は、例えば水温センサ、吸気温度センサあるいは吸気流量センサなど図示しない各種のセンサに接続している。

制御装置８０は、噴射制御部８３および排気還流制御部８４をソフトウェア的に実現している。噴射制御部８３は、回転センサ８１で検出したクランクシャフトの回転およびアクセルセンサ８２で検出したアクセルペダルの踏み込み量に基づいて、燃焼室２０に噴射する燃料の噴射量を設定する。噴射制御部８３は、設定した燃料の噴射量に基づいて、図２に示すインジェクタ８５を制御する。噴射制御部８３は、インジェクタ８５からの燃料の噴射量および燃料の噴射時期を制御する。排気還流制御部８４は、同様に回転センサ８１で検出したクランクシャフトの回転およびアクセルセンサ８２で検出したアクセルペダルの踏み込み量に基づいて、燃焼室２０へ戻す排気の量を制御する。排気還流制御部８４は、流量制御弁６１、流量制御弁６２およびＥＧＲ弁４２を制御し、燃焼室２０へ戻す排気の量を制御する。また、排気還流制御部８４は、通路開閉弁７２を制御し、新気をタンブル通路３３へ供給する時期を制御する。また、排気還流制御部８４は、コンプレッサ７３を制御して、新気の吐出量を制御する。なお、噴射制御部８３および排気還流制御部８４は、ハードウェア的またはハードウェアとソフトウェアとの組み合わせによって実現してもよい。

次に、上記の構成によるディーゼルエンジン１０の作用について説明する。
機関本体１１の燃焼室２０は、図２に示すようにタンブル通路３３およびスワール通路３４が接続している。タンブル通路３３と燃焼室２０との間、およびスワール通路３４と燃焼室２０との間は、それぞれ吸気弁３５によって開閉される。

機関本体１１は、吸気行程、圧縮行程、燃焼行程および排気行程の順で繰り返し作動する。図５に示すように機関本体１１が排気行程から吸気行程へ移行する直前にあるとき、ピストン１９は上死点にある。このとき、吸気弁３５は、タンブル通路３３およびスワール通路３４と燃焼室２０との間を閉鎖している。そして、機関本体１１が吸気行程へ移行すると、図６に示すようにピストン１９は上死点から下死点へ移動する。また、吸気弁３５は、タンブル通路３３およびスワール通路３４と燃焼室２０との間を開放する。そのため、スワール通路３４の低ＥＧＲガスは、図６の網掛け部分で示すようにスワール通路３４から燃焼室２０へ流入する。スワール通路３４は、燃焼室２０の軸に対しやや傾斜して接続している。そのため、スワール通路３４から流入した低ＥＧＲガスは、燃焼室２０の軸を中心に周方向へ旋回するスワール流を形成する。これにより、燃焼室２０の径方向外側すなわちシリンダ１６を形成する機関本体１１の壁面側には、スワール通路３４から流入した比較的排気の濃度の低い低ＥＧＲガスの層９１が形成される。

ところで、図５に示すように吸気弁３５が開弁する前、つまり排気行程において吸気弁３５がタンブル通路３３と燃焼室２０との間を閉鎖しているとき、通路開閉弁７２は新気通路７４を開放している。そのため、タンブル通路３３は、図５の斜線で示すように吸気弁３５の近傍に新気が充満している。具体的には、排気還流制御部８４は、図７に示すように排気行程の末期において、図５に示すように新気通路７４の通路開閉弁７２を開放する。そのため、新気通路７４を経由して吸気通路２８から供給された新気、つまり排気を含まない新鮮な空気は、タンブル通路３３の吸気弁３５側の端部近傍に流入する。ここで、先の吸気行程で吸気弁３５がタンブル通路３３と燃焼室２０との間を閉鎖すると、タンブル通路３３の吸気弁３５の近傍には先に供給された高ＥＧＲガスが残存する。そのため、コンプレッサ７３で加圧された新気をタンブル通路３３へ供給することにより、加圧された新気は、タンブル通路３３の吸気弁３５の近傍に充満している高ＥＧＲガスを押しのけながら、高ＥＧＲガスに代わってタンブル通路３３に充満する。

このように、タンブル通路３３の吸気弁３５の近傍に新気が充満している状態にあるとき、機関本体１１は排気行程から吸気行程へ移行する。そのため、吸気弁３５は、タンブル通路３３と燃焼室２０との間を開放する。これにより、タンブル通路３３に充満している新気は、図６に示すようにピストン１９の上死点から下死点への移動にともなって燃焼室２０へ吸入される。一方、通路開閉弁７２は、このピストン１９が上死点から下死点へ移動している途中、すなわち機関本体１１が吸気行程にある途中で図７に示すように通路開閉弁７２を閉鎖する。これにより、図８に示すように通路開閉弁７２は新気通路７４を閉鎖し、新気通路７４からタンブル通路３３への新気の流入は停止する。このとき、機関本体１１は吸気行程にあるため、図６に示すように吸気弁３５はタンブル通路３３と燃焼室２０との間を開放している。そのため、タンブル通路３３から燃焼室２０には、図８の点模様で示すようにタンブル通路３３に供給されている高ＥＧＲガスが吸入される。

タンブル通路３３は、燃焼室２０の中央付近に燃焼室２０の軸とほぼ平行に接続している。そのため、タンブル通路３３から燃焼室２０へ流入した新気または高ＥＧＲガスは、燃焼室２０の軸方向へ旋回するタンブル流を形成する。これにより、吸気行程の初期において燃焼室２０の径方向内側すなわち燃焼室２０の中心付近には、図６に示すようにタンブル通路３３から流入した新気の層９２が形成される。さらに、吸気行程において通路開閉弁７２が新気通路７４を閉鎖した後、燃焼室２０の中心付近には、図８に示すようにタンブル通路３３から流入した高ＥＧＲガスの層９３が形成される。

つまり、機関本体１１が吸気行程の末期にあるとき、タンブル通路３３から流入した新気の層９２および高ＥＧＲガスの層９３は、スワール通路３４から流入した低ＥＧＲガスの層９１に外周側が包まれた状態となる。そして、上述のように、タンブル通路３３から燃焼室２０には、新気が流入した後に高ＥＧＲガスが流入する。その結果、燃焼室２０の中心付近には、ピストン１９に近い側に新気の層９２が形成され、ピストン１９から遠い吸気弁３５側に高ＥＧＲガスの層９３が形成される。

これら、低ＥＧＲガスの層９１、新気の層９２および高ＥＧＲガスの層９３は、互いに排気の濃度すなわち酸素の濃度に大きな差を有している。そのため、吸気行程から圧縮行程の短期間に、低ＥＧＲガスの層９１、新気の層９２および高ＥＧＲガスの層９３は、互いにほとんど混合することなく、成層化される。ここで、新気を供給する期間つまり通路開閉弁７２が新気通路７４を開放する期間は、図７および図９に示すように吸気弁３５がタンブル通路３３と燃焼室２０との間を開放している期間よりも長い。このように、通路開閉弁７２が新気通路７４を開放する期間が吸気弁３５の開弁期間よりも長く設定しても、図９に示すように燃焼室２０における成層化の程度は維持される。そのため、通路開閉弁７２は、吸気弁３５よりも長い周期で開閉することができ、吸気弁３５に比較して開閉の制御を容易にすることができる。

また、図１０に示すように、通路開閉弁７２が新気通路７４を閉鎖する時期は、吸気弁３５が開弁している間にあることが好ましい。すなわち、吸気行程において吸気弁３５がタンブル通路３３と燃焼室２０とを開放する前に、通路開閉弁７２は新気通路７４を開放する。そして、吸気行程において吸気弁３５がタンブル通路３３と燃焼室２０とを開放した後、吸気弁３５が再びタンブル通路３３と燃焼室２０との間を閉鎖する前に、通路開閉弁７２は新気通路７４を閉鎖する。このような時期に通路開閉弁７２を開閉することにより、図１０に示すように燃焼室２０における低ＥＧＲガスの層９１、新気の層９２および高ＥＧＲガスの層９３の成層化の程度は向上する。つまり、排気還流制御部８４は、吸気行程の前に吸気弁３５が閉弁している状態で新気の供給を開始し、吸気弁３５が閉弁する前に新気の供給を停止する。

ここで、成層化の程度とは、吸気行程の後、圧縮行程が完了した段階で最も排気の濃度が高い部分と最も排気濃度が低い部分との差を意味する。言い換えると、成層化の程度とは、圧縮行程が完了した段階で最も酸素の濃度が低い部分と最も酸素の濃度が高い部分との差を意味する。この排気の濃度差または酸素の濃度差が大きくなるほど、成層化の程度は大きくなる。

また、図１１に示すようにタンブル通路３３から燃焼室２０へ供給する吸気の総量のうち新気の割合は、燃焼室２０における成層化の程度に影響する。具体的には、タンブル通路３３から燃焼室２０へ供給する吸気の総量に対し、新気の割合が容積で６０％から８０％のとき、燃焼室２０における成層化の程度は高くなる。すなわち、新気の割合が８０％より大きくなると、タンブル通路３３から燃焼室２０へ供給された吸気は大部分が新気となる。そのため、燃焼室２０において高ＥＧＲガスの層９３がほとんど形成されず、新気の層９２と高ＥＧＲガスの層９３との成層化が不十分となる。一方、新気の割合が６０％未満になると、燃焼室２０に供給されるＥＧＲガスの割合が新気に比較して過剰となる。そのため、燃焼室２０における酸素が不足し、燃料の十分な燃焼が確保しにくくなる。したがって、安定した燃焼と各層の成層化とを両立するためには、燃焼室２０へ供給する新気の割合Ｒは６０％≦Ｒ≦８０％であることが好ましい。

以上のように成層化された燃焼室２０の吸気は、吸気行程の後、圧縮行程へ移行することにより、図１２に示すようにピストン１９の上昇にともなって圧縮される。そして、ピストン１９が上死点に至る圧縮行程の末期から上死点を通過した燃焼行程の初期にかけて、圧縮された吸気にはインジェクタ８５から燃料が噴射される。燃料が噴射されるとき、成層化された吸気は各層が成層状態を維持したまま圧縮される。そのため、高ＥＧＲガスの層９３は、燃焼室２０の中心軸付近においてピストン１９から遠い側、すなわちインジェクタ８５側に形成される。

燃料を噴射するインジェクタ８５の図示しない噴孔は、この燃焼室２０の中心軸付近において上端すなわちシリンダヘッド１８側に配置される。そのため、インジェクタ８５から噴射された燃料は、まず高ＥＧＲガスの層９３に接する。これにより、インジェクタ８５から噴射された燃料は、高温かつ高圧であるものの酸素の濃度の低い高ＥＧＲガスの層９３と接することにより、緩やかな燃焼状態となる。その結果、噴射された燃料は、燃焼速度が遅く、着火遅れも大きくなり、ＰＭの生成が抑制される。

高ＥＧＲガスの層９３で着火した燃料は、続いて酸素の濃度の高い新気の層９２と接する。そのため、燃料は、安定して燃焼する。さらに、燃料の火炎は、燃焼室２０の外周側を包む低ＥＧＲガスの層９１と接する。これにより、燃焼室２０に噴射された燃料は、燃焼速度や温度の急激な上昇を招くことなく、安定した燃焼速度での燃焼が確保される。

以上説明した一実施形態では、新気供給部７０を備えている。これにより、吸気弁３５がタンブル通路３３と燃焼室２０との間を閉鎖しているとき、吸気弁３５の近傍のタンブル通路３３には、排気を含まない新気が充満する。吸気行程に移行して吸気弁３５がタンブル通路３３と燃焼室２０との間を開放すると、タンブル流として燃焼室２０へ流入する吸気は、燃焼室２０の中心軸付近において吸気弁３５から遠い側に排気を含まない新気の層９２を形成する。これとともに、タンブル流として燃焼室２０へ流入する吸気は、燃焼室２０の中心軸付近において吸気弁３５に近い側に、高ＥＧＲガスの層９３を形成する。また、燃焼室２０は、スワール通路３４から供給された吸気のスワール流によって径方向の外側の壁面に沿って低ＥＧＲガスの層９１が形成される。これにより、燃焼室２０は、低ＥＧＲガスの層９１に包まれる径方向の中心にピストン１９側から新気の層９２および高ＥＧＲガスの層９３が形成される。その結果、燃焼室２０には、酸素の濃度の異なる層が成層化して形成される。このように成層化した吸気は、圧縮行程によって圧縮され、燃料が噴射される。噴射された燃料は、高ＥＧＲガスの層９３に接して着火し、緩やかに燃焼する。そして、着火した燃料は、新気の層９２に接して安定して燃焼する。燃焼している燃料は、燃焼室２０の外周側を包む低ＥＧＲガスの層９１に接することにより、安定した燃焼速度での燃焼が確保される。これらにより、燃料の燃焼速度や燃焼温度の急激な上昇が抑制され、ＰＭやＮＯｘの生成、および騒音が低減される。したがって、燃焼室２０において低ＥＧＲガスの層９１、新気の層９２、および高ＥＧＲガスの層９３の成層化を促進することができ、ＰＭやＮＯｘなどの特定物質の排出を低減することができる。

また、一実施形態では、新気は吸気弁３５の開閉によって燃焼室２０へ供給される。つまり、新気の供給時期は、吸気弁３５の開閉によって制御される。そして、タンブル通路３３には、吸気弁３５が開弁する前に、新気の層９２と高ＥＧＲガスの層９３とが予め形成されている。これにより、吸気弁３５が開放されると、タンブル通路３３で形成された新気の層９２と高ＥＧＲガスの層９３とが成層化状態を維持したまま燃焼室２０へ流入する。また、新気供給部７０は、吸気通路２８から新気のみが流入し、排気が流入しない。そのため、新気供給部７０の通路開閉弁７２などには、排気に含まれる煤や未燃焼のオイルなどの未燃焼物質が流入したり、これらが堆積することもない。したがって、複雑な制御や高い制御性を必要とせず、長期間安定して燃焼室２０における吸気の成層化を促進することができる。

さらに、一実施形態では、新気供給部７０が新気を供給する時期を規定している。すなわち、新気供給部７０は、吸気行程の前に吸気弁３５が閉弁しているときから、吸気行程において吸気弁３５が開弁している間にタンブル通路３３へ新気を供給する。これにより、新気供給部７０が新気を供給する時期、すなわち通路開閉弁７２が新気通路７４を開放している期間は、吸気弁３５が開弁している期間よりも長い。そのため、通路開閉弁７２の開閉周期は、吸気弁３５の開閉周期よりも長く設定可能である。したがって、通路開閉弁７２の開閉の制御を容易にすることができ、複雑な制御や高い制御性を必要としない。また、吸気行程の前に吸気弁３５が閉弁しているときから、吸気行程において吸気弁３５が開弁している間にタンブル通路３３へ新気を供給することにより、燃焼室２０には十分な新気と高ＥＧＲガスとが供給される。したがって、特定物質の排出を低減しつつ安定した燃料の燃焼を確保することができる。

一実施形態では、新気供給部７０がタンブル通路３３を経由して燃焼室２０へ供給する新気の量は、タンブル通路３３から燃焼室２０へ供給する新気の総量に対して容積で６０％から８０％である。新気の割合が過剰になると、燃焼室２０において高ＥＧＲガスの層９３が形成されにくく成層化が阻害されやすい。また、新気の割合が不足すると、燃焼室２０における酸素が不足し、安定した燃焼が確保しにくくなる。したがって、新気の割合を規定することにより、安定した燃焼と成層化とを両立することができる。

以上説明した本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。
例えば、一実施形態では、図７に示すように通路開閉弁７２は、吸気弁３５が開弁した後に新気通路７４を閉鎖する構成について説明した。しかし、通路開閉弁７２は、図１２に示すように吸気弁３５が開弁する前に新気通路７４を閉鎖する構成としてもよい。例えば、新気通路７４とタンブル通路３３との接続部分が吸気弁３５から遠い位置にある場合、タンブル通路３３は、新気通路７４との接続部分から燃焼室２０の入口までの間に十分な距離を有する。そのため、吸気弁３５が開弁する前に通路開閉弁７２が新気通路７４を開放すると、タンブル通路３３には十分な量の新気の層が形成される。この場合、通路開閉弁７２が新気通路７４を閉鎖しても、吸気弁３５の開弁によって燃焼室２０へ流入する吸気は新気の層と高ＥＧＲガスの層とが形成される。このように、例えばタンブル通路３３の形状や新気通路７４との接続位置などディーゼルエンジン１０の形状に応じて、通路開閉弁７２の開閉時期は任意に設定することができる。

図面中、１０はディーゼルエンジン（内燃機関）、１１は機関本体、１５は排気還流部、２０は燃焼室、３１はタンブル通路部、３２はスワール通路部、３５は吸気弁、７０は新気供給部を示す。

Claims

複数の燃焼室（２０）を形成する機関本体（１１）と、
前記燃焼室（２０）のそれぞれに接続して前記燃焼室（２０）に吸入される吸気が流れ、前記燃焼室（２０）へ吸入された吸気が前記燃焼室（２０）の軸を中心として周方向へ旋回するスワール流を形成するスワール通路部（３２）と、
前記燃焼室（２０）のそれぞれに接続して前記燃焼室（２０）に吸入される吸気が流れ、前記燃焼室（２０）へ吸入された吸気が前記燃焼室（２０）の軸方向へ旋回するタンブル流を形成するタンブル通路部（３１）と、
前記燃焼室（２０）から排出された排気を前記スワール通路部（３２）へ戻すとともに、前記燃焼室（２０）から排出された排気を前記スワール通路部（３２）へ戻す排気よりも高い濃度で前記タンブル通路部（３１）へ戻す排気還流部（１５）と、
前記スワール通路部（３２）と前記燃焼室（２０）との間、および前記タンブル通路部（３１）と前記燃焼室（２０）との間を開閉する吸気弁（３５）と、
前記タンブル通路部（３１）における吸気の流れ方向において前記吸気弁（３５）よりも上流側に接続し、前記タンブル通路部（３１）へ排気を含まない新気を供給する新気供給部（７０）と、
を備える内燃機関。
前記新気供給部（７０）は、吸気行程の前において前記吸気弁（３０）が前記タンブル通路部（３１）と前記燃焼室（２０）との間を閉鎖しているときから、吸気行程において前記吸気弁（３５）が前記タンブル通路部（３１）と前記燃焼室（２０）との間を開放して前記吸気弁（３５）が前記タンブル通路部（３１）と前記燃焼室（２０）との間を再び閉鎖するまでの間に、前記タンブル通路部（３１）に新気を供給する請求項１記載の内燃機関。
前記新気供給部（７０）は、前記タンブル通路部（３１）を経由して前記燃焼室（２０）へ供給する吸気の全体のうち容積で６０％から８０％の新気を供給する請求項１または２記載の内燃機関。