JP6001497B2 - 内燃機関の吸気装置 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関の筒内への吸気を行う装置に関し、詳細には、濃度が異なるガスを筒内に層状に吸入する内燃機関の吸気装置に関する。
従来、内燃機関から排出されるエミッション（ＮＯｘ、スモーク）を抑制するために、排気系から吸気系に還流したＥＧＲガスと、新気とを別々に吸気して、それらガスを筒内で層状に分布（成層分布）させる技術がある（例えば特許文献１参照）。例えば特許文献１の吸気装置では、新気が流れる通路と、ＥＧＲガスが流れる通路とが設けられ、それら通路が吸気ポートの上流で合流して合流後の通路が吸気ポートに接続される。また、各通路にはそれぞれバルブが設けられる。そして、吸気行程の前半では、ＥＧＲガスが流れる通路に設けられたバルブを閉じ、新気が流れる通路に設けられたバルブを開けて、筒内に新気を吸入する。その後、吸気行程の後半では、新気が流れる通路に設けられたバルブを閉じ、ＥＧＲガスが流れる通路に設けられたバルブを開けて、筒内にＥＧＲガスを吸入する。
このように、特許文献１の吸気装置では、ＥＧＲガスの濃度が希薄なＥＧＲリーンガス（新気）と、ＥＧＲガスの濃度が濃厚なＥＧＲリッチガス（ＥＧＲガス）とを１つの吸気ポートから交互に吸入することで、筒内にてそれらＥＧＲリーンガス、ＥＧＲリッチガスを層状に分布させている。
特開２００６−２６６１５９号公報
しかしながら、特許文献１の方法では、吸気行程中に各バルブの開閉を切り替える際のバルブの応答時間（バルブが閉弁から全開になるまでの時間、又は全開から閉弁になるまでの時間）に、ＥＧＲリーンガスとＥＧＲリッチガスとが混合してしまう。その結果、筒内におけるＥＧＲリーンガスとＥＧＲリッチガスとの成層化の程度が低下してしまう。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、ＥＧＲリーンガスとＥＧＲリッチガスとの成層化の程度を向上できる内燃機関の吸気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に、本発明の内燃機関の吸気装置は、筒内に繋がる第１の吸気ポートとその第１の吸気ポートが繋がる筒内と同一の筒内に繋がる、前記第１の吸気ポートとは異なる第２の吸気ポートとを有した内燃機関の前記第１の吸気ポートに接続され、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ガスの濃度が希薄なＥＧＲリーンガスが流れる第１通路と、
前記第２の吸気ポートに接続され、前記ＥＧＲガスの濃度が濃厚なＥＧＲリッチガスが流れる第２通路と、
前記第１の吸気ポート及び前記第２の吸気ポートより上流にて前記第１通路と前記第２通路とを接続する接続通路と、
前記第１の吸気ポートから前記筒内に吸入された前記ＥＧＲリーンガスと前記第２の吸気ポートから前記筒内に吸入された前記ＥＧＲリッチガスとが層状に分布するように前記ＥＧＲリッチガスの吸気流量を制御する流量制御手段と、を備え、
前記第１通路を流れる前記ＥＧＲリーンガスを前記接続通路から前記第２通路に流入させ、又は前記第２通路を流れる前記ＥＧＲリッチガスを前記接続通路から前記第１通路に流入させることで、前記筒内に吸入される前記ＥＧＲガスの量を前記筒内に吸入されるガスの総吸入量で割った値であるＥＧＲ率の目標値を達成できるようになっており、
前記流量制御手段は、前記接続通路から前記第２通路に流入する前記ＥＧＲリーンガスの量又は前記第１通路に流入する前記ＥＧＲリッチガスの量が減るように、前記目標値に応じて前記ＥＧＲリッチガスの吸気流量を変更するとともに、前記ＥＧＲリーンガスの吸入開始に遅れて前記ＥＧＲリッチガスの吸入が開始するように、前記ＥＧＲリッチガスの吸気流量を制御することを特徴とする。
本発明によれば、ＥＧＲリーンガスとＥＧＲリッチガスとを異なる吸気ポートから吸入し、ＥＧＲリッチガスの吸気流量を調整することで、それらＥＧＲリーンガス、ＥＧＲリッチガスを層状に分布させている。これによって、同一の吸気ポートから交互に吸入する方式に比べて、吸入されるまでの間にＥＧＲリーンガスとＥＧＲリッチガスとが混合されてしまうのを抑制でき、結果、成層化の程度を向上できる。
また、本発明では、ＥＧＲリーンガスが流れる第１通路とＥＧＲリッチガスが流れる第２通路とを接続する接続通路が設けられているので、ＥＧＲリーンガスの圧力とＥＧＲリッチガスの圧力とを同等にできる。その結果、筒内において圧力の違いによりＥＧＲリーンガスとＥＧＲリッチガスとの成層分布が乱れてしまうのを抑制できる。つまり、成層化の程度を向上できる。
また、接続通路を介して第１通路にＥＧＲリッチガスを流入させたり、第２通路にＥＧＲリーンガスを流入させたりすることでＥＧＲ率を調整することができる。さらに、本発明の流量制御手段は、ＥＧＲ率の目標値に応じてＥＧＲリッチガスの吸気流量を変更するので、その変更をしない場合に比べて、接続通路から第１通路に流入するＥＧＲリッチガスの量や第２通路に流入するＥＧＲリーンガスの量を減らすことができる。これによって、ＥＧＲリーンガスとＥＧＲリッチガスとの間でＥＧＲガスの濃度差が小さくなってしまうのを抑制でき、その結果、筒内での成層化の程度を向上できる。
第１実施形態におけるエンジンシステムの構成図である。 クランク角に対する各吸気バルブのリフト量変化を示した図である。 各吸気ポートから吸入されるガスの吸気流量を示した図である。 筒内に吸入されるスワール流とタンブル流とを模式的に示した図である。 吸気行程終了時における筒内でのガスの分布を示した図である。 圧縮行程終了時における筒内でのガスの分布を示した図である。 圧縮行程終了時における筒内の様子を示し、筒内の各部における排気濃度を色の濃淡で表した図である。 ＥＧＲリッチガス量とＥＧＲ成層化の程度の関係をＥＧＲ率が低いときと高いときとで比較した図である。 吸気バルブのリフト量を目標ＥＧＲ率が高いとき、低いときとで比較した図である。 目標ＥＧＲ率が低いときにおける吸気流量を示した図である。 目標ＥＧＲ率が高いときにおける吸気流量を示した図である。 ＥＧＲ率に応じて吸気バルブの制御を変更する手順を示したフローチャートである。 目標ＥＧＲ率ごとの吸気バルブの開度（リフト量）のテーブルを例示した図である。 目標ＥＧＲ率ごとの吸気バルブの開弁開始時期のテーブルを例示した図である。 第２実施形態におけるエンジンシステムの構成図である。 吸気バルブのリフト量の変化、吸気制御バルブの開度の変化及び各吸気ポートからの吸気流量を示した図である。
（第１実施形態）
以下、本発明に係る内燃機関の吸気装置の第１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行程による燃焼サイクル（「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。
各気筒１１には、筒内（気筒１１の内部）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つの吸気ポートが接続されている。それら吸気ポート１２、１３は、気筒１１の上部に設けられたエンジンヘッド内に形成されている。スワール生成ポート１２は、筒内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、筒内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。これら２つの吸気ポート１２、１３により、インジェクタ（図示外）から噴射された燃料と吸気ポート１２、１３から吸入されたガスとの混じりを良くできる。
また、スワール生成ポート１２と筒内とを繋ぐ開口１７１にはその開口１７１の開閉を行う吸気バルブ１４１が設けられている。同じく、タンブル生成ポート１３と筒内とを繋ぐ開口１７２にはその開口１７２の開閉を行う吸気バルブ１４２が設けられている。また、各気筒１１には、筒内での燃焼後のガスを筒内から排出する排気ポートが接続されている。その排気ポートと筒内とを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。
エンジンシステム１には、筒内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、新気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（厳密にはエンジンヘッド）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ガスが混ざったガスｇｌｅａｎ（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３７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。その低圧ＥＧＲ通路２８は排気ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気通路２１に還流するための通路である。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（厳密にはエンジンヘッド）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を流れるガス、すなわち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ｇｒｉｃｈ（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、筒内において、圧力の違いにより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、筒内に吸入されるＥＧＲガス（排気ガス）の量を、筒内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）で割った値である。
エンジンシステム１には、各バルブ（スロットル３３、ＥＧＲバルブ３５、４１、吸気バルブ１４１、１４２、排気バルブ１５など）の開閉（開閉時期や開度など）やインジェクタ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には、エンジン１０の回転数を検出する回転数センサ６１や、車両を運転する運転者の要求トルクを車両側に知らせるための運転操作部に相当するアクセルペダルの操作量（踏み込み量）を検出するアクセルセンサ６２が接続されている。そして、ＥＣＵ５０は、それらセンサから入力されたエンジン回転数、アクセルペダルの操作量等に基づき、燃料噴射時期や噴射量や目標ＥＧＲ率を決定したり、各バルブの開閉を制御したりする。また、ＥＣＵ５０は、自身が実行する処理のプログラム等の各種情報を記憶したＲＯＭ、ＲＡＭ等のメモリ５１を備えている。
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に、ＥＧＲリーンガスとＥＧＲリッチガスとが筒内で成層分布するように、それらＥＧＲリーンガス、ＥＧＲリッチガスを筒内に吸入させている。詳細には、ＥＣＵ５０は、吸気行程の間中、スワール生成ポート１２からＥＧＲリーンガスを吸入し続ける。また、ＥＣＵ５０は、ＥＧＲリーンガスの吸入開始に遅れてＥＧＲリッチガスの吸入を開始させる。これにより、ＥＧＲリーンガスとＥＧＲリッチガスとの成層化を実現している。
ここで、図２は、吸気行程におけるクランク角に対する各吸気バルブ１４１、１４２のリフト量変化を示している。図２において、ライン２０１は、スワール生成ポート１２に設けられた吸気バルブ１４１のリフト量変化を示している。ライン２０２は、タンブル生成ポート１３に設けられた吸気バルブ１４２のリフト量変化を示している。なお、図２は、例えば、１番目の気筒１１の吸気行程の期間（クランク角が０°〜１８０°ＣＡの期間）での、１番目の気筒１１の各吸気バルブ１４１、１４２のリフト量変化を示している。２番〜４番目の気筒１１の各吸気バルブ１４１、１４２のリフト量変化も図２と同様となっている。すなわち、１番目の気筒１１の次に吸気行程が行われる３番目の気筒１１の各吸気バルブ１４１、１４２は、３番目の気筒１１の吸気行程の期間（１８０°〜３６０°ＣＡの期間）において、図２と同様のリフト量変化を示す。３番目の気筒１１の次に吸気行程が行われる４番目の気筒１１の各吸気バルブ１４１、１４２は、４番目の気筒１１の吸気行程の期間（３６０°〜５４０°ＣＡの期間）において、図２と同様のリフト量変化を示す。４番目の気筒１１の次に吸気行程が行われる２番目の気筒１１の各吸気バルブ１４１、１４２は、２番目の気筒１１の吸気行程の期間（５４０°〜７２０°ＣＡの期間）において、図２と同様のリフト量変化を示す。
図２に示すように、ＥＣＵ５０は、タンブル生成ポート１３に設けられた吸気バルブ１４２の開弁開始時期を、スワール生成ポート１２に設けられた吸気バルブ１４１の開弁開始時期から遅らせている。さらに、ＥＣＵ５０は、吸気バルブ１４２のリフト量を吸気バルブ１４１のリフト量より小さくしている。なお、各吸気バルブ１４１、１４２の閉弁時期は同じとなっている。なお、図２において、ライン２０１（吸気バルブ１４１）のリフトが開始されてから、ライン２０１及びライン２０２（吸気バルブ１４１、１４２）のリフトが終了するまでの期間が１気筒当たりの吸気行程の期間である。
図３は、各吸気バルブ１４１、１４２が図２のように制御されたときの各吸気ポート１２、１３から吸入されるガスの流量のクランク角に対する変化を示している。図３において、ライン２０３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２０４は、タンブル生成ポート１３から吸入されるガス、つまりＥＧＲリッチガスの吸気流量を示している。図３のライン２０３が示すように、ＥＧＲリーンガスは吸気行程の間中、吸入され続ける。これに対し、吸気バルブ１４１の開弁に対して吸気バルブ１４２の開弁が遅れる結果、ＥＧＲリッチガスは、吸気行程の前半よりも後半で吸気流量が増加している（ライン２０４参照）。
また、図４は、スワール生成ポート１２から筒内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４に示すように、スワール流（ＥＧＲリーンガス）は筒内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）は筒内１１０の中央寄りに吸入される。その結果、図５に示すように、吸気行程終了時（圧縮行程開始時）では、筒内１１０の下部（ピストン１６側）にＥＧＲリーンガスｇｌｅａｎが配置され、上部（吸気バルブ側）にＥＧＲリッチガスｇｒｉｃｈが配置される。詳細には、筒内１１０の上部の中央付近にＥＧＲリッチガスｇｒｉｃｈが配置され、そのＥＧＲリッチガスｇｒｉｃｈの周りにＥＧＲリーンガスｇｌｅａｎが配置される。このように、圧縮行程開始時に、ＥＧＲリーンガスｇｌｅａｎとＥＧＲリッチガスｇｒｉｃｈとを筒内１１０で層状に分布させることができる。
その後、圧縮行程の終了時になると、図６に示すように、インジェクタ４７の直下の中央エリア１６３にＥＧＲリッチガスｇｒｉｃｈ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、中央エリア１６３の周りのスキッシュエリア１６２（ピストン１６の上面外周部とエンジンヘッドの間の隙間）にＥＧＲリーンガスｇｌｅａｎを配置できる。さらに、ピストン１６の上面（頂部）にはキャビティ１６１が形成されており、そのキャビティ１６１の底面（以下、キャビティ底面１６１という）にＥＧＲリーンガスｇｌｅａｎを配置できる。
また、図７は、図６と同様に圧縮行程終了時における筒内の様子を示し、筒内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７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。図７に示すように、ＥＧＲリーンガスとＥＧＲリッチガスとの成層化を行うことにより、中央エリア１６３は排気濃度を高く（酸素濃度を低く）、キャビティ底面１６１やスキッシュエリア１６２は排気濃度を低く（酸素濃度を高く）することができる。
中央エリア１６３は、酸素量が多くかつ温度が高くなりやすいエリアであり、窒素と酸素が結びついてＮＯｘが発生しやすいエリアとなっている。これに対し、キャビティ底面１６１やスキッシュエリア１６２は、酸素量が少なくスモーク（煤）が発生しやすいエリアである。よって、中央エリア１６３に配置された、酸素濃度が低いＥＧＲリッチガスｇｒｉｃｈの層はＮＯｘの低減に寄与し、スキッシュエリア１６２及びキャビティ底面１６１に配置された、酸素濃度が高いＥＧＲリーンガスｇｌｅａｎの層はスモークの低減に寄与する。つまり、図６、図７のように層状に配置することで、エミッション（ＮＯｘ、スモーク）を低減できる。
上述したように、エンジンシステム１では、ＥＧＲリーンガスが流れる通路とＥＧＲリッチガスが流れる通路とを上流にて接続する接続通路２９やＥＧＲバルブ３５、４１の開度調整により、平均ＥＧＲ率を調整でき、目標ＥＧＲ率を達成できるようになっている。ところが、タンブル生成ポート１３から吸入するＥＧＲリッチガスの吸入量（ＥＧＲリッチガス量）を目標ＥＧＲ率にかかわらず固定とすると、目標ＥＧＲ率によっては接続通路２９からＥＧＲリーンガスとＥＧＲリッチガスとの混合が進み、筒内でのＥＧＲ成層化の程度が低下してしまう。そのことを図８を参照して説明する。図８は、ＥＧＲ率が低いときと高いときとで、タンブル生成ポート１３から吸入されたＥＧＲリッチガス量に応じてＥＧＲ成層化の程度がどのように変化するかを模式的に示した図である。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（最も酸素濃度が高い部分）との差を意味する。図８において、ライン２０５は、ＥＧＲ率が低いときにおけるＥＧＲリッチガス量に対するＥＧＲ成層化の程度の変化を示している。ライン２０６は、ＥＧＲ率が高いときにおけるＥＧＲリッチガス量に対するＥＧＲ成層化の程度の変化を示している。
ＥＧＲ成層化の程度を高くするためには、スワール生成ポート１２からはできるだけ排気ガスが混ざっていないガス、つまり新気のまま吸入し、タンブル生成ポート１３からはできるだけ新気が混ざっていないガス、つまりＥＧＲガス（排気ガス）のまま吸入するのが望ましい。つまり、ＥＧＲ成層化の程度を高くするためには、接続通路２９を介して吸気通路２１から高圧ＥＧＲ通路２４に流入する新気（ＥＧＲリーンガス）、高圧ＥＧＲ通路２４から吸気通路２１に流入するＥＧＲガス（ＥＧＲリッチガス）をできるだけ少なくするのが望ましい。
例えば、目標ＥＧＲ率が３０％であるとすると、スワール生成ポート１２からは１回の吸気行程で吸入される総吸入量の７０％の新気が吸入され、タンブル生成ポート１３からは総吸入量の３０％のＥＧＲガスが吸入されたときに、理論上、ＥＧＲ成層化の程度は最も高くなる。一方で、タンブル生成ポート１３から例えば総吸入量の２０％のＥＧＲリッチガス（ＥＧＲガス）しか吸入されなかった場合には、目標ＥＧＲ率３０％を満足させるためには、残り１０％分のＥＧＲガスを接続通路２９から吸気通路２１に流入させて、スワール生成ポート１２から吸入する必要がある。そうすると、ＥＧＲリーンガス通路２２を流れるＥＧＲリーンガスと、ＥＧＲリッチガス通路２５を流れるＥＧＲリッチガスとの間で排気濃度の差が小さくなってしまい、筒内においてＥＧＲ成層化の程度が低下してしまう。
反対に、タンブル生成ポート１３から例えば総吸入量の４０％のＥＧＲリッチガスが吸入された場合には、そのＥＧＲリッチガスがＥＧＲガスそのものとすると目標ＥＧＲ率３０％を超えてしまうので、接続通路２９から高圧ＥＧＲ通路２４に１０％分の新気を流入させて、ＥＧＲリッチガスの排気濃度を薄める必要がある。この場合も、ＥＧＲリーンガスとＥＧＲリッチガスとの間で排気濃度の差が小さくなってしまい、筒内においてＥＧＲ成層化の程度が低下してしまう。つまり、目標ＥＧＲ率を固定とすると、図８の各ライン２０５、２０６で示すように、ＥＧＲリッチガス量が少なすぎても多すぎてもＥＧＲ成層化の程度が低下してしまう。具体的に言うと、ＥＧＲリッチガス量がゼロから増えていくにしたがって、ＥＧＲ成層化の程度は最初は上昇していく。そして、さらに、ＥＧＲリッチガス量が増えていくと、ＥＧＲ成層化の程度は反対に低下していく。
また、例えば、目標ＥＧＲ率が４０％のときでは、スワール生成ポート１２からは１回の吸気行程で吸入される総吸入量の６０％の新気が吸入され、タンブル生成ポート１３からは総吸入量の４０％のＥＧＲガスが吸入されたときに、理論上、ＥＧＲ成層化の程度は最も高くなる。つまり、目標ＥＧＲ率が変わると、ＥＧＲリッチガス量とＥＧＲ成層化の程度の関係も変わる。具体的には、図８に示すように、ＥＧＲリッチガス量とＥＧＲ成層化の程度の関係を示すラインが、ＥＧＲ率の増加によりＥＧＲリッチガス量が増加する方向にシフトする。つまり、ＥＧＲ率が低いときのライン２０５よりも、ＥＧＲ率が高いときのライン２０６のほうが、ＥＧＲ成層化の程度を最高にするためのＥＧＲリッチガス量が増加する。
そのため、図８に示すように、例えばＥＧＲ率にかかわらずＥＧＲリッチガス量をＸ１で固定とした場合には、ＥＧＲ率が低いとき（ライン２０５）にはＥＧＲ成層化の程度を高くできるものの、ＥＧＲ率が高くなったときには（ライン２０６）、ＥＧＲ成層化の程度が低下してしまう。
そこで、ＥＣＵ５０は、吸気行程終了時に図５のように成層分布するようにＥＧＲリーンガスとＥＧＲリッチガスとを吸入しつつ、目標ＥＧＲ率が高いときには、低いときに比べてＥＧＲリッチガス量が増加するように、吸気バルブ１４２の制御の仕方を変更している。具体的には、ＥＣＵ５０は、図９で示すように、目標ＥＧＲ率に応じて吸気バルブ１４２のリフト量や開弁開始時期を変更している。図９は、クランク角に対する各吸気バルブ１４１、１４２のリフト量の変化を示し、詳細には、ライン２０７は吸気バルブ１４１のリフト量を、ライン２０８は目標ＥＧＲ率が低いときにおける吸気バルブ１４２のリフト量を、ライン２０９は目標ＥＧＲ率が高いときにおける吸気バルブ１４２のリフト量を示している。
ＥＣＵ５０は、図９のライン２０８、２０９で示すように、目標ＥＧＲ率が高いときには、低いときに比べて、吸気バルブ１４２のリフト量を大きくしたり、開弁開始時期を進角させたりする。なお、リフト量の変更と、開弁開始時期の変更のどちらか一方のみを行っても良いし、両方を行っても良い。
図１０は、目標ＥＧＲ率が低いときにおける、つまり、図９のライン２０７、２０８のように各吸気バルブ１４１、１４２を制御したときにおけるクランク角に対する吸気流量の変化を示している。図１０のライン２１０は、スワール生成ポート１２から吸入されるＥＧＲリーンガスの吸気流量を示している。図１０のライン２１１は、タンブル生成ポート１３から吸入されるＥＧＲリッチガスの吸気流量を示している。図１１は、目標ＥＧＲ率が高いときにおける、つまり、図９のライン２０７、２０９のように各吸気バルブ１４１、１４２を制御したときにおけるクランク角に対する吸気流量の変化を示している。図１１のライン２１２は、スワール生成ポート１２から吸入されるＥＧＲリーンガスの吸気流量を示している。ライン２１３は、タンブル生成ポート１３から吸入されるＥＧＲリッチガスの吸気流量を示している。
図１０、図１１のライン２１１、２１３の比較によると、目標ＥＧＲ率が増加して、図９のライン２０８からライン２０９のように吸気バルブ１４２のリフト量や開弁開始時期を変更することで、ＥＧＲリッチガスの吸気流量が増加していることがわかる。このとき、目標ＥＧＲ率に応じて吸気バルブ１４２のリフト量や開弁開始時期をどの程度変更するかは、図８の関係を考慮して決定する。具体的には、例えば図８において、ＥＧＲ率が低いときにはＥＧＲリッチガス量がＸ１（ライン２０５でＥＧＲ成層化の程度が最高になるときのＥＧＲリッチガス量）になるように吸気バルブ１４２のリフト量や開弁開始時期を決定する。また、ＥＧＲ率が高いときにはＥＧＲリッチガス量がＸ２（ライン２０６でＥＧＲ成層化の程度が最高になるときのＥＧＲリッチガス量）になるように吸気バルブ１４２のリフト量や開弁開始時期を決定する。これにより、ＥＧＲ率が低いときも高いときも接続通路２９から流入するガス量を少なくでき、結果、ＥＧＲ成層化の程度を高い値に維持できる。
具体的には、ＥＣＵ５０は、例えば図１２のフローチャートの処理により、ＥＧＲ率に応じた吸気バルブ１４２の制御を実行する。具体的には、先ず、エンジン１０の運転状態として、回転数センサ６１（図１参照）が検出したエンジン回転数と、エンジン１０の負荷とを取得する（Ｓ１１）。なお、エンジン１０の負荷として、具体的には、アクセルセンサ６２（図１参照）が検出するアクセルペダルの操作量に基づいてＥＣＵ５０自身が求めた燃料噴射量を取得する。
次に、Ｓ１１で取得したエンジン１０の運転状態（エンジン回転数、負荷）に基づいて目標ＥＧＲ率を設定する（Ｓ１２）。具体的には、メモリ５１（図１参照）に、エンジン１０の運転状態に応じた目標ＥＧＲ率のマップをあらかじめ記憶しておき、そのマップと、Ｓ１１で取得した今回の運転状態とから、目標ＥＧＲ率を設定する。
次に、Ｓ１２で設定した目標ＥＧＲ率に応じた吸気バルブ１４２のリフト量（開度）や開弁開始時期を決定する（Ｓ１３）。具体的には、目標ＥＧＲ率ごとに、図８で示すようなＥＧＲリッチガス量とＥＧＲ成層化の程度の関係をあらかじめ調べておく。そして、得られたＥＧＲリッチガス量とＥＧＲ成層化の程度の関係に基づいて、各目標ＥＧＲ率においてＥＧＲ成層化の程度が高くなるＥＧＲリッチガス量（例えばＥＧＲ成層化の程度が最高になるＥＧＲリッチガス量）を求める。そして、そのＥＧＲリッチガス量にするための吸気バルブ１４２のリフト量や開弁開始時期を求める。得られた目標ＥＧＲ率ごとのリフト量や開弁開始時期をメモリ５１に記憶しておく。
ここで、図１３は、メモリ５１に記憶された目標ＥＧＲ率ごとの吸気バルブ１４２の開度（リフト量）のテーブル３００を例示している。また、図１４は、メモリ５１に記憶された目標ＥＧＲ率ごとの吸気バルブ１４２の開弁開始時期のテーブル３１０を例示している。テーブル３００には、目標ＥＧＲ率が格納されるＥＧＲ率格納欄３０１と、そのＥＧＲ率格納欄３０１に格納された各目標ＥＧＲ率に応じた吸気バルブ１４２の開度が格納される開度格納欄３０２とが設けられている。同様に、テーブル３１０には、目標ＥＧＲ率が格納されるＥＧＲ率格納欄３１１と、そのＥＧＲ率格納欄３１１に格納された各目標ＥＧＲ率に応じた吸気バルブ１４２の開弁開始時期が格納される開時期格納欄３１２とが設けられている。なお、図１３、図１４のＥＧＲ率格納欄３０１、３１１の各欄には、目標ＥＧＲ率の範囲が格納されている。
図１３の開度格納欄３０２には、図９で説明したように、目標ＥＧＲ率が高くなるほど大きい開度が格納される。つまり、図１３において、開度Ａ１よりも開度Ａ２のほうが大きく、その開度Ａ２よりも開度Ａ３のほうが大きい。図１４の開時期格納欄３１２には、図９で説明したように、目標ＥＧＲ率が高くなるほど進角した開弁開始時期が格納される。なお、目標ＥＧＲ率に応じて開度だけを変更する場合には、図１４のテーブル３１０は不要であり、目標ＥＧＲ率に応じて開弁開始時期だけを変更する場合には、図１３のテーブル３００は不要である。
そしてＳ１３では、Ｓ１２で設定した今回の目標ＥＧＲ率に応じた開度や開弁開始時期を、メモリ５１に記憶された図１３、図１４のテーブル３００、３１０から読み出す。
次に、各気筒１１の吸気行程において、Ｓ１２で決定した作動プロフィール（開度や開弁開始時期）で吸気バルブ１４２を作動させる（Ｓ１４）。これによって、目標ＥＧＲ率に応じてＥＧＲリッチガス量が増減し、これにより、目標ＥＧＲ率が変化してもＥＧＲ成層化の程度を高い値に維持できる。Ｓ１４の後、図１２のフローチャートの処理を終了する。
以上説明したように、本実施形態によれば、目標ＥＧＲ率に応じて吸気バルブ１４２の制御の仕方を変更しているので、接続通路２９からＥＧＲリーンガス通路２２に流入するＥＧＲリッチガス、ＥＧＲリッチガス通路２５に流入するＥＧＲリーンガスの流入量を少なくできる。これにより、ＥＧＲ成層化の程度が低下するのを抑制できる。
また、本実施形態では、ＥＧＲリーンガスとＥＧＲリッチガスとが別々の吸気ポートから吸入されるので、特許文献１のように、同じ吸気ポートからバルブの切り替えで交互に吸入する場合に比べて、ＥＧＲ成層化の程度を向上できる。特許文献１の方法では、新気とＥＧＲガスとの吸入を切り替えるバルブの応答時間に、それら新気、ＥＧＲガスとが混合してしまい、結果、ＥＧＲ成層化の程度が低下してしまう。また、本実施形態では、スワール生成ポートに設けられた吸気バルブと、タンブル生成ポートに設けられた吸気バルブとの間で開弁時期に差を設けた可変バルブ機構を採用することで、成層化を実現している。これにより、吸気バルブ以外に、ＥＧＲリーンガスやＥＧＲリッチガスの吸入を制御するバルブを設ける必要がないので、バルブ数を削減できる。
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態を上記実施形態と異なる部分を中心に説明する。図１５は本実施形態のエンジンシステムの構成図を示している。なお、図１５において、図１と変更が無い部分には同一符号を付している。図１５のエンジンシステム２は、吸気制御バルブ４２とアクチュエータ４３とが設けられている点で図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。
吸気制御バルブ４２は、ＥＧＲリッチガス通路２５に設けられ、そのＥＧＲリッチガス通路２５の開閉を行うバルブである。吸気制御バルブ４２としては例えばバタフライ弁やシャッター弁などが用いられる。吸気制御バルブ４２の設置位置はできるだけ吸気バルブ１４２に近いほうが良い。なぜなら、吸気バルブ１４２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。吸気制御バルブ４２はタンブル生成ポート１３内に設けられていたとしても良い。なお、吸気制御バルブ４２は、各気筒１１のＥＧＲリッチガス通路２５ごとに設けられている。
アクチュエータ４３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。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。
本実施形態のＥＣＵ５０は、吸気行程中に吸気制御バルブ４２の開閉の制御を行うことで、ＥＧＲリーンガスとＥＧＲリッチガスとの成層化を実現する。ここで、図１６は、吸気行程において吸気制御バルブ４２をどのように開閉させるかを説明する図である。詳細には、図１６は、クランク角に対する吸気バルブ１４１、１４２のリフト量の変化（図１６（Ａ））、吸気制御バルブ４２の開度の変化（図１６（Ｂ））、各吸気ポート１２、１３から吸入されるガスの流量の変化（図１６（Ｃ））を示している。なお、図１６（Ａ）〜（Ｃ）間で横軸のクランク角が同じとなっている。なお、図１６（Ｂ）において、吸気制御バルブ４２が閉弁状態の開度を０°、全開状態の開度を９０°としている。また、図１６（Ｃ）において、ライン２１４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２１５は、タンブル生成ポート１３から吸入されるガス、つまりＥＧＲリッチガスの吸気流量を示している。
図１６（Ａ）に示すように、本実施形態では、ＥＣＵ５０は、両吸気バルブ１４１、１４２（図１５参照）を同期して作動させる。また、図１６（Ｂ）に示すように、ＥＣＵ５０は、吸気制御バルブ４２を吸気バルブ１４２の開弁開始時期に遅れて開弁、つまり吸気行程の途中から開弁するように、アクチュエータ４３を駆動させる。なお、図１６（Ｂ）では、吸気行程の終了時で吸気制御バルブ４２が全開となる例を示しているが、ＥＣＵ５０は、吸気行程の終了前に吸気制御バルブ４２を全開にし、その後、吸気行程の終了時には閉弁するようにしても良い。これによって、図１６（Ｃ）のライン２１４で示すように、ＥＧＲリーンガスは、吸気行程の間中（吸気行程の前半、後半ともに）、吸入され続ける。これに対し、ライン２１５で示すように、ＥＧＲリッチガスは、吸気行程の前半よりも後半で吸気流量が増加している。なお、図１６（Ｃ）では、吸気行程の前半にもＥＧＲリッチガスが多少吸入されていることを示しているが、これは吸気制御バルブ４２の漏れなどによるものであり、意図した吸入ではない。
ＥＧＲリーンガスとＥＧＲリッチガスとが図１６（Ｃ）のように吸入される結果、吸気行程終了時に図５のように成層分布させることができ、圧縮行程終了時に図６のように成層分布させることができる。よって、エミッションを抑制できる。
そして、ＥＣＵ５０は、第１実施形態と同様の趣旨で、目標ＥＧＲ率が高いときには低いときに比べてＥＧＲリッチガス量が増加するように、吸気制御バルブ４２の開度を大きくしたり、開弁開始時期を進角させたりする。具体的には、メモリ５１には、図１３、図１４と同様の、目標ＥＧＲ率ごとの吸気制御バルブ４２の開度や開弁開示時期のテーブルが記憶される。そして、図１２のＳ１３では、そのテーブルから、今回の目標ＥＧＲ率に応じた吸気制御バルブ４２の開度や開弁開始時期を読み出す。続くＳ１４では、各気筒１１の吸気行程において、Ｓ１３で読み出した開度や開弁開始時期で吸気制御バルブ４２を作動させる。これによって、接続通路２９からＥＧＲリーンガス通路２２に流入するＥＧＲリッチガス、ＥＧＲリッチガス通路２５に流入するＥＧＲリーンガスの流入量を少なくでき、ひいてはＥＧＲ成層化の程度が低下するのを抑制できる。
以上説明したように、本実施形態では、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。加えて、両吸気バルブ１４１、１４２間で開弁時期に差を設ける必要がないので、吸気バルブの制御が容易となる。
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いない限度で種々の変更が可能である。例えば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、ディーゼルエンジンの吸気に本発明を適用した例を説明したが、ガソリン直噴エンジンの吸気に本発明を適用しても良い。
１０ エンジン
１２ スワール生成ポート
１３ タンブル生成ポート
１４１、１４２ 吸気バルブ
２２ ＥＧＲリーンガス通路
２５ ＥＧＲリッチガス通路
２９ 接続通路
４２ 吸気制御バルブ
４３ アクチュエータ
５０ ＥＣＵ

Claims (3)

  1. 筒内に繋がる第１の吸気ポート（１２）とその第１の吸気ポートが繋がる筒内と同一の筒内に繋がる、前記第１の吸気ポートとは異なる第２の吸気ポート（１３）とを有した内燃機関（１０）の前記第１の吸気ポートに接続され、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ガスの濃度が希薄なＥＧＲリーンガスが流れる第１通路（２１、２２）と、
    前記第２の吸気ポートに接続され、前記ＥＧＲガスの濃度が濃厚なＥＧＲリッチガスが流れる第２通路（２４、２５）と、
    前記第１の吸気ポート及び前記第２の吸気ポートより上流にて前記第１通路と前記第２通路とを接続する接続通路（２９）と、
    前記第１の吸気ポートから前記筒内に吸入された前記ＥＧＲリーンガスと前記第２の吸気ポートから前記筒内に吸入された前記ＥＧＲリッチガスとが層状に分布するように前記ＥＧＲリッチガスの吸気流量を制御する流量制御手段（５０、１４２、４２、４３）と、を備え、
    前記第１通路を流れる前記ＥＧＲリーンガスを前記接続通路から前記第２通路に流入させ、又は前記第２通路を流れる前記ＥＧＲリッチガスを前記接続通路から前記第１通路に流入させることで、前記筒内に吸入される前記ＥＧＲガスの量を前記筒内に吸入されるガスの総吸入量で割った値であるＥＧＲ率の目標値を達成できるようになっており、
    前記流量制御手段は、前記接続通路から前記第２通路に流入する前記ＥＧＲリーンガスの量又は前記第１通路に流入する前記ＥＧＲリッチガスの量が減るように、前記目標値に応じて前記ＥＧＲリッチガスの吸気流量を変更するとともに、前記ＥＧＲリーンガスの吸入開始に遅れて前記ＥＧＲリッチガスの吸入が開始するように、前記ＥＧＲリッチガスの吸気流量を制御することを特徴とする内燃機関の吸気装置。
  2. 前記流量制御手段は、前記目標値の増加により前記ＥＧＲリッチガスの吸気流量を増やし、前記目標値の減少により前記ＥＧＲリッチガスの吸気流量を減らすことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の吸気装置。
  3. 前記第１の吸気ポートは前記筒内に吸気するガスにスワール流を生じさせるスワール生成ポートであり、
    前記第２の吸気ポートは前記筒内に吸気するガスにタンブル流を生じさせるタンブル生成ポートであることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の吸気装置。
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