JP2015102015A - 内燃機関の吸気制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼室に燃料を直接噴射してその燃料を圧縮自着火燃焼させるように構成された内燃機関の燃焼室に気体燃料を吸入するとともに、冷損を十分に低減できる内燃機関の吸気制御装置を提供する。【解決手段】内燃機関の吸気制御装置としてのエンジンシステム１において、排気濃度が希薄なＥＧＲリーンガスが流れる通路２２が、内燃機関としてのエンジン１０のスワール生成ポート１２に接続され、排気濃度が濃厚なＥＧＲリッチガス及び改質器７３で改質された気体燃料が流れる通路２５がタンブル生成ポート１３に接続される。通路２５には、ＥＧＲリッチガス及び気体燃料の吸気流量を絞る吸気制御バルブ４２が設けられる。ＥＧＲリーンガスはスワール流で吸入し、ＥＧＲリッチガス及び気体燃料は吸気流量を絞ってタンブル流で吸入する。これにより、燃焼室の外周領域にＥＧＲリーンガスを、中央領域にＥＧＲリッチガス及び気体燃料を成層分布させる。【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の燃焼室への吸気を制御する装置に関し、詳細には、燃焼室に直接噴射した燃料が圧縮自着火燃焼するように構成された内燃機関の燃焼室に気体燃料を吸入する内燃機関の吸気制御装置に関する。

従来、燃焼室に直接噴射した燃料を圧縮自着火燃焼させるように構成された内燃機関（圧縮自着火型の内燃機関）において、燃焼エネルギー（発熱量）を増加させるために、燃焼室に直接噴射する燃料とは別に気体燃料を吸入する技術が知られている（特許文献１参照）。

例えば特許文献１の発明は、単位量当たりの燃料から出力される燃焼エネルギーが増加するよう、燃料の性状を触媒上で改質する改質器を備える。そして、改質器で改質された改質燃料（気体燃料）を排気ポートに噴射して、排気口から排気ガスとともに燃焼室内の内周面に沿って環状に、つまり燃焼室の外周領域に吸入する。また、改質されていない非改質燃料を燃焼室の中央領域に直接噴射する。そして、非改質燃料は圧縮自着火燃焼させ、改質燃料は非改質燃料の燃焼を火種として着火燃焼させている。これによれば、燃料を改質するにあたり、自着火性低下の問題を解消し、燃焼熱がシリンダ壁面から逃げていくことによる熱損失、つまり冷損を低減できるとしている。

特開２０１３−１０４３６４号公報

しかしながら、特許文献１の構成では、非改質燃料による高温燃焼は燃焼室の外周領域から離れた中央領域で生じるので、外周領域で高温燃焼をする場合に比べて冷損は低減できるものの、中央領域の温度は高温であるので、冷損の低減効果は依然として不十分であるという問題点がある。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、燃焼室に燃料を直接噴射してその燃料を圧縮自着火燃焼させるように構成された内燃機関の燃焼室に気体燃料を吸入するとともに、冷損を十分に低減できる内燃機関の吸気制御装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するための、本発明は、燃焼室を有し、その燃焼室に燃料を直接噴射してその燃料を圧縮自着火燃焼させるように構成された内燃機関の前記燃焼室の外周領域に第１ガスを吸入し、前記外周領域の内側の中央領域に第２ガスを吸入する内燃機関の吸気制御装置であって、
前記第１ガスを、前記内燃機関の排気系から吸気系に還流される排気ガスであるＥＧＲガスの濃度が前記第２ガスよりも希薄な空気であるＥＧＲリーンガスとし、
前記第２ガスを、前記ＥＧＲガスの濃度が前記第１ガスよりも濃厚な空気であるＥＧＲリッチガスと気体燃料とを含んだガスとしたことを特徴とする。

本発明によれば、特許文献１と同様に、燃焼室の外周領域と中央領域との間でガスを成層分布させるが、外周領域、中央領域に吸入する各ガス（第１ガス、第２ガス）は、本発明と特許文献１とで異なっている。具体的には、本発明では、燃焼室の外周領域にＥＧＲガス（排気ガス）が希薄な空気であるＥＧＲリーンガス（第１ガス）を吸入し、中央領域にＥＧＲガスが濃厚な空気であるＥＧＲリッチガスと気体燃料とを含んだガス（第２ガス）を吸入する。これによって、圧縮自着火燃焼したときに高温となる中央領域の酸素濃度を外周領域よりも低くすることができ、外周領域にＥＧＲリッチガス、中央領域にＥＧＲリーンガスを吸入した場合に比べて、中央領域の燃焼温度を下げることができる。また、本発明では、中央領域に気体燃料を吸入するので、外周領域に吸入する場合に比べて、気体燃料の着火性を向上できるとともに、着火した気体燃料の火炎が燃焼室の外周壁から逃げてしまうのを低減できる。ゆえに、本発明では冷損を十分に低減できる。なお、本明細書におけるＥＧＲリーンガスには、ＥＧＲガスの濃度がゼロの場合、つまり新気のみの場合も含む趣旨である。

エンジンシステム１の構成図である。 気筒１１の断面図である。 改質器７３の概略構成を示した図である。 変形例に係るエンジンシステム２の構成図である。 ＥＧＲリーンガス通路２２の一部と、ＥＧＲリッチガス通路２５の一部を抜き出した図である。 吸気バルブのリフト量の変化（図６（Ａ））と、ＥＧＲリーンガスの吸気流量、ＥＧＲリッチガス及び気体燃料の吸気流量（図６（Ｂ））とを示した図である。 燃焼室１１０に吸入されるガスの流れ（スワール流、タンブル流）を模式的に示した図である。 燃焼室１１０の平面視断面図におけるガスの成層分布を示した図である。 圧縮行程終了時における燃焼室の様子を示し、燃焼室の各部における排気濃度を色の濃淡で表した図である。 燃焼室の外周領域にＥＧＲリーンガスを、中央領域にＥＧＲリッチガス及び気体燃料を成層分布させた場合における燃焼温度を示した図である。 燃焼室の外周領域にＥＧＲリッチガスを、中央領域にＥＧＲリーンガス及び気体燃料を成層分布させた場合における燃焼温度を示した図である。 未成層と比較した冷却損失の低減割合を示した図である。

以下、本発明に係る内燃機関の吸気制御装置の実施形態を図面を参照しながら説明する。図１は、車両に搭載されたエンジンシステム１の構成図を示している。エンジンシステム１は、内燃機関としてのディーゼルエンジン１０（以下、単にエンジンという）と、そのエンジン１０の運転に必要な各種構成とを備える形で構成されている。なお、本実施形態では、エンジン１０は、４つの気筒１１（シリンダ）を有した４気筒エンジンである。エンジン１０は、各気筒１１において、吸気、圧縮、燃焼、排気の４行程を経て動力を生み出す４ストローク機関である。吸気、圧縮、燃焼、排気の４行程のよる燃焼サイクル（「７２０°ＣＡ」周期）が、例えば各気筒１１間で「１８０°ＣＡ」ずらして逐次実行される。図１の右側の気筒１１から順に１番から４番までの番号を付けたときに、例えば、１番、３番、４番、２番の気筒１１の順に燃焼サイクルが実行される。

図２は気筒１１の断面図を示している。図２に示すように、気筒１１は、気筒１１の側壁を構成するシリンダブロック１１１とそのシリンダブロック１１１の上部に配置されたシリンダヘッド１１２とにより構成されている。シリンダブロック１１１にはウォータージャケット１１３が形成されており、ウォーターポンプ（図示外）から吐出される冷却水がウォータージャケット１１３内を循環して、シリンダブロック１１１を冷却している。また、気筒１１内にはピストン１６が収容されており、そのピストン１６の往復運動により、エンジン１０の出力軸であるクランク軸（図示外）が回転するようになっている。

そして、これらシリンダブロック１１１、シリンダヘッド１１２及ピストン１６で囲まれた領域１１０を燃焼室として、その燃焼室１１０で圧縮自着火燃焼が行われるようになっている。すなわち、シリンダヘッド１１２の中心（燃焼室１１０の中央領域１１０ｂの直上）には燃焼室１１０に燃料（例えば軽油）を噴射するインジェクタ１８が設けられており、そのインジェクタ１８から噴射された燃料が燃焼室１１０で圧縮自着火燃焼する。

各気筒１１には、燃焼室１１０に吸入される吸入空気（ガス）の導入口となる吸気ポートとして、スワール生成ポート１２とタンブル生成ポート１３の２つの吸気ポートが形成されている。それら吸気ポート１２、１３はシリンダヘッド１１２内に形成されている。スワール生成ポート１２は、スワール生成ポート１２から燃焼室１１０に吸入されるガスにスワール流（横渦）を生じさせる吸気ポートである。タンブル生成ポート１３は、タンブル生成ポート１３から燃焼室１１０に吸入されるガスにタンブル流（縦渦）を生じさせる吸気ポートである。

また、各吸気ポート１２、１３と燃焼室１１０とを繋ぐ開口には、その開口の開閉を行う吸気バルブ１４が設けられている。また、シリンダヘッド１１２内には、燃焼室１１０での燃焼後のガスを燃焼室１１０から排出する排気ポート１７が形成されている。その排気ポート１７と燃焼室１１０との繋ぐ開口にはその開口の開閉を行う排気バルブ１５が設けられている。

図１に示すように、エンジンシステム１には、燃焼室１１０に吸入される新気が流れる吸気通路２１が設けられている。その吸気通路２１には、上流側から、新気を圧縮する過給器３１、過給器３１で圧縮された新気を冷却するインタークーラ３２が設けられている。また、インタークーラ３２より下流の吸気通路２１には、新規量を調整するスロットル３３が設けられている。そのスロットル３３より下流の吸気通路２１から、各気筒１１に繋がる通路２２（インテークマニホールドの通路。以下、ＥＧＲリーンガス通路という）が分岐している。各ＥＧＲリーンガス通路２２は各気筒１１のスワール生成ポート１２に接続されている。ＥＧＲリーンガス通路２２及び吸気通路２１には、新気のみ又は新気にＥＧＲバルブ４１の開度に応じたＥＧＲガスや後述する接続通路２９から流入するＥＧＲガスが混ざったガス（以下、ＥＧＲリーンガスという）が流れる。

また、各気筒１１には、各気筒１１から排出される排気ガスをまとめて排気通路２７に渡すためのエキゾーストマニホールド２３が接続されている。なお、排気通路２７には、上流側から、排気ガスからエネルギーを回収する過給器のタービン３７（可変ノズルターボ（ＶＮＴ））、排気ガスに対して所定の処理を行う後処理装置３８、排気ガスの流量を調整する排気絞り弁３９がこの順で配置されている。後処理装置３８は、排気ガス中のＣＯ、ＨＣ等を酸化して除去する酸化触媒や排気ガス中のＰＭを除去するＤＰＦなどである。

後処理装置３８より下流の排気通路２７に一端が接続され、他端が過給器３１よりも上流にて吸気通路２１に接続された低圧ＥＧＲ通路２８が設けられている。そして、この低圧ＥＧＲ通路２８を介して、ＶＮＴ３７通過後の排気ガスの一部が吸気通路２１に還流されるようになっている。低圧ＥＧＲ通路２８には、その低圧ＥＧＲ通路２８を流れるＥＧＲガスを冷却する低圧ＥＧＲクーラ４０や、そのＥＧＲガスの流量を調整する低圧ＥＧＲバルブ４１が設けられている。なお、これら低圧ＥＧＲ通路２８、低圧ＥＧＲクーラ４０及び低圧ＥＧＲバルブ４１を有した低圧ＥＧＲシステムが備えられていなくても良い。この場合には、吸気通路２１には新気のみが流れることになる。

エキゾーストマニホールド２３には、排気ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気系に還流させるための高圧ＥＧＲ通路２４が接続されている。その高圧ＥＧＲ通路２４には、高圧ＥＧＲ通路２４を流れるＥＧＲガスを冷却する高圧ＥＧＲクーラ３４や、その高圧ＥＧＲクーラ３４より下流にはＥＧＲガスの流量を調整する高圧ＥＧＲバルブ３５が設けられている。その高圧ＥＧＲバルブ３５より下流の高圧ＥＧＲ通路２４からは、各気筒１１に繋がる通路２５（以下、ＥＧＲリッチガス通路という）が分岐している。各ＥＧＲリッチガス通路２５は、各気筒１１のタンブル生成ポート１３に接続されている。ＥＧＲリッチガス通路２５には、ＥＧＲリーンガス通路２２を流れるＥＧＲリーンガスよりもＥＧＲガスの濃度が濃い（排気濃度が高い、酸素濃度が低い）ガス（以下、ＥＧＲリッチガスという）が流れる。

また、エンジンシステム１には、吸気通路２１と高圧ＥＧＲ通路２４とを接続する接続通路２９が設けられている。その接続通路２９は、ＥＧＲリーンガス通路２２に分岐する前の吸気通路２１と、ＥＧＲリッチガス通路２５に分岐する前の高圧ＥＧＲ通路２４とを接続している。その接続通路２９により、吸気通路２１及びその下流のＥＧＲリーンガス通路２２を流れるガスの圧力と、高圧ＥＧＲ通路２４及びその下流のＥＧＲリッチガス通路２５を流れるガスの圧力とを同等にできる。その結果、燃焼室におけるＥＧＲリーンガスとＥＧＲリッチガスとの成層分布が乱れるのを抑制できる。

さらに、低圧ＥＧＲ通路２８から還流されるＥＧＲガスやＥＧＲリッチガス通路２５を流れるＥＧＲリッチガス（排気ガス）だけではＥＧＲ率の目標値（目標ＥＧＲ率）を達成できない場合には、接続通路２９を介して高圧ＥＧＲ通路２４から吸気通路２１にＥＧＲガスを流し、又は吸気通路２１から高圧ＥＧＲ通路２４に新気を流すことで、目標ＥＧＲ率を達成できるようになっている。すなわち、目標ＥＧＲ率が高い場合には、接続通路２９を介して高圧ＥＧＲ通路２４から吸気通路２１にＥＧＲガスを流して吸気通路２１及びＥＧＲリーンガス通路２２を流れるＥＧＲリーンガスのＥＧＲ濃度を高くすることで、ＥＧＲ率を上げることができる。反対に目標ＥＧＲ率が低い場合には、接続通路２９を介して吸気通路２１から高圧ＥＧＲ通路２４に新気を流して高圧ＥＧＲ通路２４及びＥＧＲリッチガス通路２５を流れるＥＧＲリッチガスのＥＧＲ濃度を低くすることで、ＥＧＲ率を下げることができる。なお、ＥＧＲ率は、燃焼室に吸入されるＥＧＲガス（排気ガス）の量を、燃焼室に吸入されるガスの総吸入量（新気の吸入量＋ＥＧＲガスの吸入量＋気体燃料の吸入量）で割った値である。

また、エンジンシステム１には、燃焼室での燃焼エネルギーを増加させるために、インジェクタ１８から燃焼室に直接噴射する燃料とは別に気体燃料（燃料ガス）を吸入するシステム（以下、気体燃料吸入システムという）が備えられている。その気体燃料吸入システムは、特許文献１と同様に、メタノール（ＣＨ３−ＯＨ）等の液体燃料（アルコール燃料）を、単位量当たりの燃料から出力される発熱量が増加するように、水素（Ｈ２）や一酸化炭素（ＣＯ）に改質し、その改質後の燃料（改質燃料、気体燃料）を燃焼室に吸入するシステムである。

具体的には、気体燃料吸入システムは、改質前の燃料（例えばメタノール）を貯蔵する貯蔵部７１と、その貯蔵部７１と改質器７３の間を繋ぐ通路７２と、改質器７３と、改質器７３により改質された改質燃料（気体燃料）が流れる通路７４とを備えている。なお、図１では図示していないが、気体燃料吸入システムは、貯蔵部７１で貯蔵された燃料を通路７２を介して改質器７３側に圧送するポンプや、通路７２を流れる燃料の流量を調整する弁なども備えている。

ポンプにより貯蔵部７１から吐出された燃料は通路７２を介して改質器７３に供給される。その改質器７３は、単位量当たりの燃料から出力される発熱量が増加するように貯蔵部７１から供給された燃料の性状を触媒上で改質する。ここで、図３は、改質器７３の概略構成を示している。改質器７３は、特許文献１の改質器と同様の構成を有している。すなわち、改質器７３は、メタノール等の燃料をＨ２やＣＯ等の改質燃料に変換する化学反応を促進させる触媒７０１と、その触媒７０１の周囲に配置された熱交換器７０２とを有している。また、改質器７３には、排気通路２７（図１参照）を流れる排気ガスが供給されるようになっており、改質器７３は、供給された排気ガスが改質器７３内を流れる排気通路７０３を有している。その排気通路７０３は、排気通路７０３を流れる排気ガスと熱交換器７０２との間で熱交換するように、熱交換器７０２の周囲に配置されている。また、改質器７３は、貯蔵部７１から供給された燃料が改質器７３内を流れる燃料通路７０４を有している。その燃料通路７０４は、触媒７０１上を通過する形で配置されている。

改質器７３の作用を説明すると、排気通路７０３を流れる排気ガスは高温（数１００℃）となっているので、熱交換器７０２を介して、排気ガスと触媒７０１との間で熱交換が行われる。つまり、触媒７０１は、排気ガスにより暖められ、活性化する。なお、熱交換後の排気ガスは改質器７３外に排出される。改質器７３に供給された燃料は、燃料通路７０４を通って排気ガスにより暖められた触媒７０１に供給され、その触媒７０１上でＨ２Ｏ（水）と反応してＨ２やＣＯ等の気体燃料に改質（変換）される。なお、触媒７０１上で燃料と反応させるためのＨ２Ｏとして、例えば排気ガス中に含まれたＨ２Ｏを用いれば良い。気体燃料は、触媒７０１を通過した後の燃料通路７０４を通って、改質器７３から排出される。なお、気体燃料（Ｈ２、ＣＯ）は、改質前の燃料（ＣＨ３−ＯＨ）に比べて自着火性が低下するものの、単位量当たりの発熱量が増加した燃料である。

図１に示すように、改質器７３で改質された気体燃料は、通路７４を介して、各ＥＧＲリッチガス通路２５に分岐する前、かつ、接続通路２９より下流の高圧ＥＧＲ通路２４１に供給されるようになっている。よって、高圧ＥＧＲ通路２４１より下流の各ＥＧＲリッチガス通路２５には、ＥＧＲリッチガスと気体燃料とを含んだガスが流れる。また、接続通路２９より下流で気体燃料を供給することにより、接続通路２９を介してＥＧＲリーンガス通路２２に気体燃料が供給されてしまうのを抑制できる。

各ＥＧＲリッチガス通路２５には、ＥＧＲリッチガス通路２５を流れるガスの流量を調整するバルブ４２（以下、吸気制御バルブという）が設けられている。吸気制御バルブ４２としては例えばバタフライ弁が用いられる。吸気制御バルブ４２の設置位置はできるだけ吸気バルブ１４に近いほうが良い。なぜなら、吸気バルブ１４から吸気制御バルブ４２までの容積が小さくなり、吸気流量の制御性が良くなるからである。

ただし、図４のエンジンシステム２のように、各ＥＧＲリッチガス通路２５に分岐する前の通路２４１に吸気制御バルブ４２を設けたとしても良い。この通路２４１は気体燃料が供給される通路であるが、図４では、吸気制御バルブ４２は気体燃料の供給口よりも下流に設けられている。なお、図４のエンジンシステム２は、吸気制御バルブ４２の設置位置及び個数が図１のエンジンシステム１と異なっており、それ以外は図１のエンジンシステム１と同じである。図２の位置に吸気制御バルブ４２を設けることで、吸気制御バルブ４２の個数を１つに削減できる。

図１に戻り、エンジンシステム１には、吸気制御バルブ４２に接続してその吸気制御バルブ４２を作動させるアクチュエータ４３が設けられている。そのアクチュエータ４３は、例えばモータであったり、油圧、負圧で作動するアクチュエータであったりする。なお、アクチュエータ４３は、吸気制御バルブ４２ごとに設けられたとしても良いし、４つの吸気制御バルブ４２間で共通のアクチュエータであったとしても良い。

エンジンシステム１には、吸気制御バルブ４２を含む各バルブ（スロットル３３、ＥＧＲバルブ３５、４１など）の開閉（開閉時期や開度など）やインジェクタ１８（図２参照）による燃料供給、吸入する気体燃料の量などを制御することでエンジン１０の運転を制御するＥＣＵ５０が設けられている。そのＥＣＵ５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えたコンピュータを主として構成されている。

ＥＣＵ５０は、エンジン１０から排出されるエミッションを抑制するためや、燃焼エネルギーを増加させるためや、冷損を低減するために、ＥＧＲリーンガスと、ＥＧＲリッチガス及び気体燃料とが燃焼室で成層分布するように、それらガスを燃焼室に吸入させている。図５は、ＥＧＲリーンガス通路２２の一部と、ＥＧＲリッチガス通路２５の一部を抜き出して、それら通路２２、２５を並べて示した図である。また、図６は、吸気行程において、ＥＧＲリーンガスと、ＥＧＲリッチガス及び気体燃料とをどのように吸入するのかを説明する図である。詳細には、図６は、クランク角に対する吸気バルブ１４のリフト量の変化（図６（Ａ））、ＥＧＲリーンガスの吸気流量、ＥＧＲリッチガス及び気体燃料の吸気流量の変化（図６（Ｂ））を示している。なお、図６（Ｂ）において、ライン２０１はスワール生成ポート１２から吸入されるガス、つまりＥＧＲリーンガスの吸気流量を示している。ライン２０２は、タンブル生成ポート１３から吸入されるガス、つまりＥＧＲリッチガス及び気体燃料の吸気流量を示している。

図５に示すように、ＥＧＲリーンガス通路２２には、吸気制御バルブが設けられていないので、ＥＧＲリーンガスは、図６（Ｂ）のライン２０１で示すように、吸気バルブ１４のリフト量（図６（Ａ）参照）に応じた吸気流量で燃焼室に吸入される。これに対して、ＥＧＲリッチガス及び気体燃料の吸入に関し、ＥＣＵ５０は、図５に示すように、吸気行程の間中、吸気制御バルブ４２を全開よりも小さい開度にする。これによって、図６（Ｂ）のライン２０２で示すように、ＥＧＲリッチガス及び気体燃料の吸気流量をＥＧＲリーンガスの吸気流量（ライン２０１）よりも少なくする。なお、吸気行程中、吸気制御バルブ４２は全開ではないものの低開度で開いていることになるので、ＥＧＲリッチガス及び気体燃料は、吸気バルブ１４のリフトに連動して燃焼室に吸入、つまり、吸気行程の前半から吸入されることになる。このように、ＥＧＲリッチガス及び気体燃料の吸気流量を絞る結果、ＥＧＲリッチガス及び気体燃料はＥＧＲリーンガスよりも弱く吸入されることになる。

なお、１回の吸気行程で燃焼室に吸入されるガスの総吸入量に対するＥＧＲリッチガス及び気体燃料の吸入量の割合が３０％程度となるように、ＥＧＲリッチガス及び気体燃料の吸気流量を絞るのが好ましい。つまり、ＥＧＲリーンガス：ＥＧＲリッチガス及び気体燃料＝７：３程度とするのが好ましい。この割合にすることで、ＥＧＲ成層化の程度を高くすることができるという知見を本発明者は得ている。なお、ＥＧＲ成層化の程度とは、吸気行程の後、圧縮行程が終了した段階で最も排気濃度が高い部分（最も酸素濃度が低い部分）と最も排気濃度が低い部分（最も排気濃度が高い部分）との差を意味する。そして、ＥＧＲ成層化の程度が高くなると、エミッション（ＮＯｘ、スモーク）を低減できるという知見を本発明者は得ている。

図７は、スワール生成ポート１２から燃焼室１１０に吸入されるガスの流れ（スワール流）と、タンブル生成ポート１３から吸入されるガスの流れ（タンブル流）とを模式的に示している。図７に示すように、スワール流（ＥＧＲリーンガス）は燃焼室１１０の外周寄りに吸入されるのに対し、タンブル流（ＥＧＲリッチガス及び気体燃料）は燃焼室１１０の中央寄りに吸入される。

図６（Ｂ）のようにＥＧＲリッチガス及び気体燃料の吸気流量が絞られ、かつ、ＥＧＲリーンガス、ＥＧＲリッチガス及び気体燃料が図７のように吸入される結果、吸気行程終了時（圧縮行程開始時）では、図２、図８に示すように燃焼室１１０においてガスを成層分布させることができる。なお、図８は、燃焼室１１０を図２のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線で切ったときの図（燃焼室１１０の平面視断面図）である。すなわち、燃焼室１１０の下部（ピストン１６側）にＥＧＲリーンガスが配置され、上部（インジェクタ１８側）の中央領域１１０ｂにはＥＧＲリッチガス及び気体燃料が配置され、外周領域１１０ａ、つまりシリンダブロック１１１の内周面に沿って環状にＥＧＲリーンガスが配置される。

その後、圧縮行程の終了時になると、図９に示すように、燃焼室の中央領域１６１（インジェクタ１８の直下領域）に気体燃料を含んだＥＧＲリッチガスを、つまり排気濃度が高い（酸素濃度が低い）ガスを配置できる。また、中央領域１６１の周りのスキッシュエリア（ピストンの上面外周部とシリンダヘッドの間の隙間）及びピストンの上面（頂部）に形成されたキャビティエリア（図９の符号「１６２」のエリア。以下、スキッシュ及びキャビティエリアという）に、ＥＧＲリーンガスを、つまり排気濃度が低い（酸素濃度が高い）ガスを配置できる。なお、図９は、圧縮行程終了時における燃焼室の様子を示し、燃焼室の各部における排気濃度の違いを色の濃淡の違いで表した図である。図９において、色が濃くなるほど排気濃度が高いことを示している。

中央領域１６１は、酸素量が多くなりやすくかつ燃焼温度が高くなりやすい領域であり、窒素と酸素が結びついてＮＯｘが発生しやすい領域である。これに対して、スキッシュ及びキャビティエリア１６２（燃焼室の外周領域）は、酸素量が少なくなりやすく、スモーク（煤）が発生しやすい領域である。よって、中央領域１６１に配置された、酸素濃度が低いＥＧＲリッチガス及び気体燃料の層はＮＯｘの低減に寄与し、スキッシュ及びキャビティエリア１６２に配置された、酸素濃度が高いＥＧＲリーンガスの層はスモークの低減に寄与する。つまり、図９のように成層化することで、エミッション（ＮＯｘ、スモーク）を低減できる。

また、燃焼室に気体燃料を吸入しているので、気体燃料を吸入しない場合に比べて燃焼エネルギーを増加できる。さらに、着火しにくい気体燃料（Ｈ２、ＣＯ）をＥＧＲリッチガスとともに燃焼室の中央領域１６１（図９参照）に配置するように吸入しているので、インジェクタ１８から噴射された燃料の圧縮自着火燃焼を火種として気体燃料を容易に着火燃焼させることができる。つまり、気体燃料をスキッシュ及びキャビティエリア１６２に配置する場合に比べて、気体燃料の着火性を向上できるとともに、着火した気体燃料の燃焼エネルギーが燃焼室の外周壁（シリンダブロック１１１）から逃げてしまうのを低減できる。

また、中央領域１６１にはＥＧＲリッチガスを吸入しているので、中央領域１６１の酸素濃度を低くでき、その結果、中央領域１６１の燃焼温度（インジェクタ１８からの燃料及び気体燃料の燃焼温度）を下げることができる。

ここで、図１０は、燃焼室の外周領域にＥＧＲリーンガスを、中央領域にＥＧＲリッチガス及び気体燃料を成層分布させた場合における燃焼温度を示している。詳細には、図１０の上段には、燃焼室の平面視断面図において、燃焼室の外周領域にＥＧＲリーンガスを、中央領域にＥＧＲリッチガス及び気体燃料を成層分布させた状態を示している。図１０の下段には、図１０の上段の平面視断面図における燃焼室の中心Ｏから外周Ｘまでの燃焼温度の分布を示している。図１０の下段の図では、燃焼温度の違いを色の濃淡の違いで示しており、燃焼温度が３０００Ｋに近づくほど色が濃くなっている。また、図１１は、図１０に対する比較例の図であり、燃焼室の外周領域にＥＧＲリッチガスを、中央領域にＥＧＲリーンガス及び気体燃料を成層分布させた場合における燃焼温度を示しており、詳細には、図１０と同様に、上段に燃焼室の平面視断面図を、下段に燃焼温度の分布を示している。

図１０、図１１の成層分布のどちらも、燃焼室の中心Ｏ付近（中央領域）は、外周Ｘ付近（外周領域）に比べて燃焼温度が高くなっている。一方、本発明の成層分布（図１０）のほうが、比較例の成層分布（図１１）よりも中心Ｏ付近の燃焼温度が低い（色が薄い）ことがわかる。また、外周Ｘ付近の燃焼温度は、図１０、図１１の成層分布間でそれほど差異がないことがわかる。このことから、図１０の成層分布のほうが、図１１の成層分布より冷損を低減できるといえる。

図１２は、本発明のように成層分布させることで冷損を低減できることを示した図である。詳細には、図１２は、気体燃料を含むガスを未成層で吸入した場合の冷却損失（冷損）を基準（１００％）としたときの、本発明の成層分布、比較例の成層分布における冷却損失の低減割合を示している。図１２の左の結果は、新気、ＥＧＲガス及び気体燃料を燃焼室で混ざるように吸入、つまり未成層で吸入した場合における冷却損失（１００％）を示している。図１２の真ん中の結果は、図１１と同様に成層分布させた場合、つまり燃焼室の外周領域にＥＧＲリッチガスを、中央領域にＥＧＲリーンガス及び気体燃料を成層分布させた場合における冷却損失を示している。図１２の右の結果は、図１０と同様に成層分布させた場合、つまり燃焼室の外周領域にＥＧＲリーンガスを、中央領域にＥＧＲリッチガス及び気体燃料を成層分布させた場合における冷却損失を示している。

図１２に示すように、気体燃料を燃焼室の中央領域に成層分布させると、成層分布させない場合に比べて冷却損失を低減できることがわかる。具体的には、焼室の外周領域にＥＧＲリッチガスを、中央領域にＥＧＲリーンガス及び気体燃料を成層分布させた場合（図１２の真ん中の結果）には、成層分布させない場合に比べて冷却損失が１０％低減する。また、燃焼室の外周領域にＥＧＲリーンガスを、中央領域にＥＧＲリッチガス及び気体燃料を成層分布させた場合（図１２の右の結果）には、成層分布させない場合に比べて冷却損失が２８％低減する。これは、気体燃料を燃焼室の中央領域に成層分布させると、気体燃料の燃焼が燃焼室の外周壁から逃げてしまうのを低減できるためである。

また、図１２の真ん中の結果と右の結果を比較すると、ＥＧＲリッチガスを燃焼室の中央領域に成層分布させたほうが、外周領域に成層分布させた場合に比べて冷却損失を低減できることがわかる。これは、図１０、図１１で説明したように、ＥＧＲリッチガスを燃焼室の中央領域に成層分布させたほうが、燃焼室の中央領域の燃焼温度を低減できるためである。

以上説明したように、本実施形態によれば、燃焼室の外周領域にＥＧＲリーンガスを、中央領域にＥＧＲリッチガス及び気体燃料を成層分布させているので、エミッションを低減できるとともに、発熱量を増加でき、冷損を低減、つまり熱効率を向上できる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載を逸脱しない限度で種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態では、４つの気筒を有したエンジンシステムに本発明を適用した例を説明したが、単気筒エンジンや４気筒エンジン以外の多気筒エンジンの吸気に本発明を適用しても良い。また、上記実施形態では、改質燃料を吸入する例を説明したが、ＣＮＧ等の気体燃料を改質しないで直接吸入しても良い。

また、吸気行程の前半は吸気制御バルブを閉じてＥＧＲリッチガス及び気体燃料の吸入を停止させ、後半から吸気制御バルブを開いてＥＧＲリッチガス及び気体燃料の吸入を開始するようにしても良い。これによっても、燃焼室の外周領域にＥＧＲリーンガスを、中央領域にＥＧＲリッチガス及び気体燃料を成層分布させることができる。また、吸気制御バルブを省略して、タンブル生成ポートに設けられた吸気バルブのリフト量を、スワール生成ポートに設けられた吸気バルブのリフト量よりも抑えることで、成層分布を実現しても良い。また、上記実施形態では、インジェクから燃焼室に軽油を供給していたが、改質器で改質する前の非改質燃料をインジェクタから供給するシステムに本発明を適用しても良い。

なお、上記実施形態において、エンジンシステム１、２が本発明に係る「内燃機関の吸気制御装置」に相当する。通路２１、２２が本発明の「第１通路」に相当する。通路２４、２５が本発明の「第２通路」に相当する。吸気制御バルブ４２が本発明の「流量調整手段」に相当する。通路７４が本発明の「供給手段」に相当する。

１、２ エンジンシステム（内燃機関の吸気制御装置）
１０ ディーゼルエンジン１０（内燃機関）
１１０ 燃焼室
１１０ａ 燃焼室の外周領域
１１０ｂ 燃焼室の中央領域

Claims (5)

1. 燃焼室（１１０）を有し、その燃焼室に燃料を直接噴射してその燃料を圧縮自着火燃焼させるように構成された内燃機関（１０）の前記燃焼室の外周領域（１１０ａ）に第１ガスを吸入し、前記外周領域の内側の中央領域（１１０ｂ）に第２ガスを吸入する内燃機関の吸気制御装置（１、２）であって、
   前記第１ガスを、前記内燃機関の排気系から吸気系に還流される排気ガスであるＥＧＲガスの濃度が前記第２ガスよりも希薄な空気であるＥＧＲリーンガスとし、
   前記第２ガスを、前記ＥＧＲガスの濃度が前記第１ガスよりも濃厚な空気であるＥＧＲリッチガスと気体燃料とを含んだガスとしたことを特徴とする内燃機関の吸気制御装置。
2. 前記内燃機関は、前記燃焼室にガスを吸入するための吸気ポートとして吸入したガスにスワール流を生じさせるスワール生成ポート（１２）と、タンブル流を生じさせるタンブル生成ポート（１３）とを備え、
   前記第１ガスが流れる通路であって前記スワール生成ポートに接続された第１通路（２１、２２）と、
   前記第２ガスが流れる通路であって前記タンブル生成ポートに接続された第２通路（２４、２５）とを備えることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の吸気制御装置。
3. 前記タンブル生成ポートから前記燃焼室に吸入する前記第２ガスの流量を、前記スワール生成ポートから前記燃焼室に吸入する前記第１ガスの流量より少なくなるように調整する流量調整手段（４２）を備えることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の吸気制御装置。
4. 前記スワール生成ポート及び前記タンブル生成ポートの上流で前記第１通路と前記第２通路との間を接続する接続通路（２９）を備え、
   前記接続通路より前記タンブル生成ポートに近い位置で前記第２通路内に前記気体燃料を供給する供給手段（７４）を備えることを特徴とする請求項２又は３に記載の内燃機関の吸気制御装置。
5. 単位量当たりの燃料から出力される発熱量が増加するよう、燃料の性状を触媒上で改質する改質器（７３）を備え、
   前記気体燃料は、前記改質器で燃料の性状が改質された改質燃料であ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の吸気制御装置。