JP2008280884A

JP2008280884A - 内燃機関の排気還流装置

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Publication number: JP2008280884A
Application number: JP2007124571A
Authority: JP
Inventors: Hirokazu Ito; 弘和伊藤; Yasuo Sato; 康夫佐藤; Hisanori Itou; 寿記伊藤; Osamu Horikoshi; 修堀越; Tomoyuki Takada; 倫行高田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-05-09
Filing date: 2007-05-09
Publication date: 2008-11-20
Anticipated expiration: 2027-05-09
Also published as: JP4715804B2

Abstract

【課題】内燃機関の運転状態に応じてＥＧＲガスを偏在させる位置を変えることができる内燃機関の排気還流装置を提供する。
【解決手段】排気還流装置は、シリンダ２へ空気を導く過程でシリンダ２の内周面の接線方向へ向かう接線流Ｓｔを生成する下層部１８ｂと、シリンダ２へ空気を導く過程で中心線ＣＬと交差する面内を旋回しながら中心線ＣＬの方向へ向かう旋回流Ｓｒを生成する上層部１８ｂとが隣接するようにして同一ポート内に形成されたスワール生成ポート１２にＥＧＲガスを導入する。二つの調整弁５１、５２を内燃機関１の運転状態に応じて操作することにより下層部１８ｂへのＥＧＲガスの導入量と上層部１８ａへのＥＧＲガスの導入量とをそれぞれ制御してこれらの導入量の配分を変え、かつ配分調整弁６１の位置を操作することにより下層部１８ｂの左右方向に関するＥＧＲガスの配分を変える。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関のシリンダへ空気を導く吸気装置に排気通路から取り出した排気の一部をＥＧＲガスとして導入する内燃機関の排気還流装置に関する。

内燃機関の排気還流装置として、ＥＧＲガスを導く排気還流通路を内燃機関の吸気弁の近傍かつシリンダの中央側に開口させ、吸気弁の開弁時期と同期させてＥＧＲガスを導入することにより、ＥＧＲガスをシリンダの中央部に層状に流入させるものが知られている（特許文献１）。その他、本発明に関連する先行技術文献として、特許文献２〜４が存在する。

特開平７−１８０６１６号公報特開平５−２４８２４９号公報特開２００２−１０６４１９号公報特開２００４−２５７３０５号公報

特許文献１の排気還流装置は、ＥＧＲガスをシリンダ内に均一に導入せずにシリンダの中央部に層状に導入するものであるため、シリンダ内に噴射された燃料がシリンダの中央部に偏在するＥＧＲガスを通過することによって燃焼温度の上昇をある程度抑えることができる。しかしながら、この排気還流装置は内燃機関の運転状態に応じてＥＧＲガスの偏在位置を変えることができないため、ＥＧＲガスの絶対量の調整だけでは燃焼温度の上昇を十分に抑えることができない可能性がある。

そこで、本発明は、内燃機関の運転状態に応じてＥＧＲガスを偏在させる位置を変えることができる内燃機関の排気還流装置を提供することを目的とする。

本発明の内燃機関の排気還流装置は、内燃機関のシリンダへ空気を導く吸気装置に、前記内燃機関の排気通路から取り出した排気の一部をＥＧＲガスとして導入する内燃機関の排気還流装置において、前記吸気装置は、前記シリンダへ空気を導く過程で前記シリンダの内周面の接線方向へ向かう接線流を生成する接線流生成部と、前記シリンダへ空気を導く過程で前記シリンダの中心線と交差する面内を旋回しながら前記中心線の方向へ向かう旋回流を生成する旋回流生成部とを有し、前記接線流生成部及び前記旋回流生成部のそれぞれへＥＧＲガスを導入でき、かつ前記接線流生成部へのＥＧＲガスの導入量及び前記旋回流生成部へのＥＧＲガスの導入量のそれぞれを変化させることができる導入手段と、前記内燃機関の運転状態に応じて前記導入手段を操作することにより、前記接線流生成部へのＥＧＲガスの導入量と前記旋回流生成部へのＥＧＲガスの導入量とをそれぞれ制御する導入制御手段と、前記導入手段にて前記接線流生成部に導入されるＥＧＲガスの前記接線流生成部の左右方向に関する配分を変化させることができる配分調整手段と、を備えることにより上述した課題を解決する（請求項１）。

吸気装置は空気をシリンダに導く過程で接線流と旋回流とを生成する。接線流がシリンダ内に導入されることにより、シリンダの内周面に沿う方向に流れるスワールがシリンダ内に生成される。旋回流はスワールの内側に流れて十分な空気流量を確保しつつスワールの生成を促進するように機能する。これらの流れにより、シリンダ内に位置的に不均一な流れ場が形成される。ＥＧＲガスは導入手段によって接線流生成部及び旋回流生成部のそれぞれに導入されることにより、接線流及び旋回流に乗ってシリンダ内に導入される。接線流に乗ったＥＧＲガスはシリンダの半径方向外側に主に導かれ、旋回流に乗ったＥＧＲガスはシリンダの中央部に主に導かれる。導入手段は内燃機関の運転状態に応じて操作されて、接線流生成部へのＥＧＲガスの導入量及び旋回流生成部へのＥＧＲガスの導入量がそれぞれ制御される。これにより、内燃機関の運転状態に応じてシリンダ内にＥＧＲガスが偏在する位置を変えることができる。更に、配分調整手段により接線流生成部に導入されるＥＧＲガスの配分をその左右方向に関して変化させることができるので、シリンダ内に偏在するＥＧＲガスの濃度分布を変えることができる。

吸気装置は上述した接線流と旋回流とを生成できる限度で種々の態様を採用できる。例えば、接線流を生成できる接線流生成部を有した吸気ポートと旋回流を生成できる旋回流生成部を有した吸気ポートとが一つのシリンダに対して設けられることによって吸気装置が構成されてもよい。また、他の一態様として、前記吸気装置は、前記シリンダに開口し、かつ前記接線流生成部と前記旋回流生成部とが上下方向に隣接するようにして同一ポート内に設けられたスワール生成ポートを有してもよい（請求項２）。この態様の場合、一つの吸気ポートで接線流と旋回流とをそれぞれ生成することができるので、スワール生成ポートによりスワールの生成と十分な空気流量の確保とを両立できる。

配分調整手段も種々の態様を採用できる。例えば、前記配分調整手段は、前記導入手段が前記接線流生成部へＥＧＲガスを導入するための導入位置よりも下流側に配置され、かつ上下方向に延びて下流側の端部に位置する回転軸線回りに回転できる配分調整部材と、前記配分調整部材を回転駆動する駆動装置とを有してもよい（請求項３）。この場合には、配分調整部材の回転角度を変更することで、接線流生成部へ導かれるＥＧＲガスの左右の配分を変えることができる。

本発明の一態様においては、前記内燃機関の運転状態に応じて前記配分調整手段を操作することにより、前記接線流生成部に導入されるＥＧＲガスの前記配分を制御する配分制御手段を更に備えてもよい（請求項４）。この場合には、シリンダ内に偏在するＥＧＲガスの濃度分布を内燃機関の運転状態に応じて変更することが可能になるので、シリンダ内に偏在するＥＧＲガスの状態をよりきめ細かく制御することができる。

例えば、前記内燃機関は前記シリンダ内に燃料を噴射する燃料噴射弁を有し、前記導入制御手段は、前記燃料噴射弁にて噴射された燃料の燃焼が行われる領域にＥＧＲガスが偏在するように、前記接線流生成部へのＥＧＲガスの導入量と前記旋回流生成部へのＥＧＲガスの導入量とをそれぞれ制御し、前記配分制御手段は、前記シリンダ内の温度が低いほど前記シリンダの前記内周面に近い側に導かれるＥＧＲガスが少なくなるように、前記接線流生成部に導入されたＥＧＲガスの前記配分を制御してもよい（請求項５）。

噴射燃料の燃焼が行われる領域は他の領域よりも高温になる。この態様によれば、そのような高温場にＥＧＲガスを偏在させることができるので、ＥＧＲガスによる燃焼温度低減効果を効率的に得ることができる。つまり、ＥＧＲガスの導入による効果が得やすい位置にＥＧＲガスを偏在させることができるため、シリンダ内に導入するＥＧＲガスの総量を減らすことが可能である。これにより、大量にＥＧＲガスを導入することによる弊害を回避することができる。噴射燃料の燃焼はその最先端部からシリンダの中央に向かって進行するため、シリンダ内の温度が低い場合には、噴射燃料の最先端部の着火性を確保しつつ急激な燃焼を抑えて未燃燃料の排出を抑えることが好ましい。この態様によれば、シリンダ内の温度が低いほどシリンダの内周面に近い側に導かれるＥＧＲガスが減るので、噴射燃料の最先端部におけるＥＧＲガスの濃度が低下する。これにより、燃焼が開始する噴射燃料の最先端部の着火性を確保しつつ急激な燃焼を抑制できる。これにより、シリンダ内の温度が低温のときにおける未燃燃料の排出を効果的に抑えることが可能になる。

本発明の一態様においては、前記導入手段は、前記接線流生成部の側に開口してＥＧＲガスを導入する第１の導入通路と、前記旋回流生成部の側に開口してＥＧＲガスを導入する第２の導入通路と、前記第１の導入通路によるＥＧＲガスの導入量を調整する第１の調整弁と、前記第２の導入通路によるＥＧＲガスの導入量を調整する第２の調整弁と、を有し、前記導入量制御手段は、前記第１の調整弁及び前記第２の調整弁のそれぞれの開度を操作することにより、前記接線流生成部へのＥＧＲガスの導入量と前記旋回流生成部へのＥＧＲガスの導入量とをそれぞれ制御してもよい（請求項６）。この態様によれば、接線流生成部及び旋回流生成部のそれぞれの側に導入通路と調整弁とが一つずつ設けられているので、二つの調整弁の開度を操作することにより、接線流生成部へ導入されるＥＧＲガスの量と旋回流生成部へ導入されるＥＧＲガスの量とをそれぞれ正確に制御することができる。

なお、本発明において接線流生成部の左右方向とは、接線流生成部を横切りかつシリンダの中心線と直交する平面と平行な方向を意味する。また、上下方向とはシリンダの中心線と平行な方向を意味する。

以上説明したように、本発明によれば、吸気装置にＥＧＲガスを導入する導入手段が内燃機関の運転状態に応じて操作されて、シリンダ内に接線流を導く接線流生成部へのＥＧＲガスの導入量及びシリンダ内に旋回流を導く旋回流生成部へのＥＧＲガスの導入量がそれぞれ制御されるため、内燃機関の運転状態に応じてシリンダ内にＥＧＲガスが偏在する位置を変えることができる。更に、接線流生成部に導入されたＥＧＲガスの配分をその左右方向に関して変化させることができるので、シリンダ内に偏在するＥＧＲガスの濃度分布を変えることができる。

図１は本発明の一形態に係る排気還流装置が適用された内燃機関の要部を示した全体図であり、図２は図１の内燃機関の一部を拡大して示した斜視図である。内燃機関１は不図示の車両に走行用動力源として搭載され、４つ（図では１つ）のシリンダ２が一列に並べられた直列４気筒のディーゼルエンジンとして構成されている。各シリンダ２はシリンダブロック３に形成されており、各シリンダ２の上部はシリンダヘッド４にて塞がれる。各シリンダ２にはピストン５が往復運動自在に設けられ、ピストン５はコンロッド７を介してクランクシャフト６に連結される。各シリンダ２の天井面には燃料噴射弁８がその先端をシリンダ２内に臨ませるようにしてシリンダ２の中央部に設けられている。燃料噴射弁８は不図示のコモンレールに接続されて所定燃圧の燃料が供給されるようになっている。

各シリンダ２には吸気通路１０及び排気通路１１がそれぞれ接続されている。吸気通路１０は、シリンダ２に開口するようにしてシリンダヘッド４に形成されて一つのシリンダ２に対して二つずつ設けられた吸気ポート１２、１３と、各吸気ポート１２、１３に接続される吸気マニホールド１４とを含んでいる。これらを含んだ吸気通路１０は本発明に係る吸気装置に相当する。各吸気ポート１２、１３のシリンダ２側の開口部は吸気弁１５にて開閉される。図２に示すように、吸気ポート１２、１３は互いに構造が異なっており、一方の吸気ポート１２は本発明に係るスワール生成ポートに相当する。吸気ポート１２はシリンダ２へ空気を導く過程で、シリンダ２の内周面の接線方向に向かう接線流Ｓｔを生成し、かつシリンダの中心線ＣＬと交差する面内を旋回しながら中心線ＣＬの方向へ向かう旋回流Ｓｒを生成できるように構成されている。一方、吸気ポート１２の隣に配置された吸気ポート１３は、周知のヘリカルポートとして構成され、上記と同様の旋回流Ｓｒを生成して主にシリンダ２へ導かれる空気の流量を確保する。吸気ポート１３としては中心線ＣＬ方向へ空気を導くことができる周知のストレートポートとして構成してもよい。なお、以下の説明では、吸気ポート１２をスワール生成ポートと表示して、吸気ポート１３と区別する場合がある。

図３はスワール生成ポート１２の詳細を示し、シリンダ２の上方から見た平面図とａ〜ｄの各断面図とがそれぞれ示されている。スワール生成ポート１２は、シリンダ２に開口する開口部１６と、吸気弁１５のステム部の周りに沿って湾曲しながら開口部１６に続くヘリカル部１７と、ヘリカル部１７の上流側（シリンダ２から離れる側）に接続された導入部１８とを備えている。導入部１８は図３のａ−ａ及びｂ−ｂの各断面図に示すように、シリンダ２の上下方向に関して上側に位置する上層部１８ａと下側に位置する下層部１８ｂとを有する。これら上層部１８ａ及び下層部１８ｂは上下方向に隣接するようにしてスワール生成ポート１２内に設けられる。導入部１８は上層部１８ａの横幅Ｗ１が下層部１８ｂの横幅Ｗ２よりも狭く、かつヘリカル部１７に近付くに従ってこれらの領域の横幅の差が徐々に拡大するように構成されている。つまり、上層部１８ａはヘリカル部１７に近づくに従って徐々に絞り込まれるように構成されている。

ヘリカル部１７は、図３のｃ−ｃ及びｄ−ｄの各断面図に示すように、開口部１６に向かって湾曲する過程でシリンダ２の上下方向に関する高さｈが漸次低くなるように構成されている。スワール生成ポート１２によれば、これに導かれる空気が導入部１８の下層部１８ｂを通過することで、接線流Ｓｔが形成され、空気が導入部１８の上層部１８ａ及びこれに続くヘリカル部１７を通過することで、旋回流Ｓｒが形成される。これによって、図２に示すように、所用の吸気流量を確保しつつシリンダ２内にその内周面の周方向に沿うスワールＦｓｗが生成される。即ち、図示の形態の下層部１８ｂが本発明に係る接線流生成部に相当し、上層部１８ａ及びヘリカル部１７が本発明に係る旋回流生成部に相当する。

図１に示すように、排気通路１１はシリンダ２に開口するようにしてシリンダヘッド４に形成された複数の排気ポート２０と排気ポート２０に接続される排気マニホールド２１とを含んでいる。図示しないが、排気ポート２０は一つのシリンダ２に対して二つずつ設けられる。各排気ポート２０のシリンダ２側の開口部は排気弁２２にて開閉される。吸気弁１５及び排気弁２２はその開閉タイミングがクランクシャフト６の回転と同期するようにして動弁装置２３にて駆動される。吸気通路１０には空気濾過用のエアフィルタ２５、空気流量を検出するエアフローメータ２６、ターボチャージャー２７のコンプレッサ２７ａ及びターボチャージャー２７にて加圧された空気を冷却するインタークーラ２８がそれぞれ設けられている。排気通路１１にはターボチャージャー２７のタービン２７ｂ及び排気を浄化するための排気浄化装置２９がそれぞれ設けられている。ターボチャージャー２７はコンプレッサ２７ａとタービン２７ｂとが一体回転する周知のものである。

内燃機関１には排気の一部をＥＧＲガスとして取り出して吸気通路１０に導入する排気還流装置３０が設けられている。排気還流装置３０は排気通路１１から取り出したＥＧＲガスを導く排気還流通路３１と、ＥＧＲガスを冷却する冷却装置３２と、排気還流通路３１が導くＥＧＲガスを吸気通路１０に導入するための導入装置３３とを備えている。排気還流通路３１の入口側は排気マニホールド２１に接続されている。つまり排気還流装置３０のＥＧＲガスの取出位置３１ａはタービン２７ｂの上流側に設定されている。図２に示すように、排気還流通路３１の出口側は、二つの分岐通路４１、４２に分岐されている。分岐通路４１は本発明に係る第１の導入通路に、分岐通路４２は本発明に係る第２の導入通路にそれぞれ相当する。以下、これらを互いに区別するため、下側分岐通路４１及び上側分岐通路４２と表示する場合がある。二つの分岐通路４１、４２はスワール生成ポート１２と吸気マニホールド１４との間に介在する筒状のスペーサ４３に接続される。詳しくは、下側分岐通路４１はスペーサ４３に形成された下側の開口部４５に、上側分岐通路４２はスペーサ４３に形成された上側の開口部４６にそれぞれ接続される。図１に示すように、吸気通路１０はその一部としてスペーサ４３も含むので、二つの分岐通路４１、４２は吸気通路１０の異なる位置に開口する。図示の形態では分岐通路４１、４２は吸気通路１０の上下の内壁にそれぞれ開口する。下側分岐通路４１には調整弁５１が、上側分岐通路４２には調整弁５２がそれぞれ設けられている。各調整弁５１、５２は開度を自在に変更してＥＧＲガスの導入量を変化させることができる。調整弁５１は本発明に係る第１の調整弁に、調整弁５２は本発明に係る第２の調整弁にそれぞれ相当する。調整弁５１は駆動装置５３により、調整弁５２は駆動装置５４によりそれぞれ駆動される。

図４は図２の矢印IVの方向から見た状態を示している。この図から明らかなように、下側分岐通路４１は破線で示すＥＧＲガスをスワール生成ポート１２の下側、つまり下層部１８ｂの側に導入し、上側分岐通路４２はＥＧＲガスをスワール生成ポート１２の上側、つまり上層部１８ａの側に導入する（図３も参照）。上述のように、スワール生成ポート１２は空気をシリンダ２に導く過程で接線流Ｓｔと旋回流Ｓｒとをそれぞれ生成し、これらの流れがシリンダ２に導入される。これにより、シリンダ２内に位置的に不均一な流れ場が形成される。つまり、シリンダ２の内周面に沿ったスワールＦｓｗが形成されるとともに、シリンダ２の中心部にはスワールＦｓｗよりも流速の遅い流れが形成される。下側分岐通路４１にて下層部１８ｂの側に、上側分岐通路４２にて上層部１８ａの側にＥＧＲガスがそれぞれ導入されることにより、ＥＧＲガスはスワール生成ポート１２が生成する接線流Ｓｔ及び旋回流Ｓｒのそれぞれに乗ってシリンダ２に導入される。接線流Ｓｔに乗ったＥＧＲガスはシリンダ２のスワールＦｓｗによって半径方向外側に主に導かれる。一方、旋回流Ｓｒに乗ったＥＧＲガスはシリンダ２の中央部に主に導かれる。つまり、シリンダ２内に層状のＥＧＲガスを導入できる。換言すれば、シリンダ２内に、ＥＧＲガスの濃度がその半径方向に変化する濃度分布を作ることができる。その濃度分布はＥＧＲガスの導入位置に依存して変化するので、二つの調整弁５１、５２の開度を操作することによりＥＧＲガスが偏在する位置を変えることができる。本実施形態は、スワール生成ポート１２が持つこのような性質を利用して、下側分岐通路４１によるＥＧＲガスの導入量と上側分岐通路４２によるＥＧＲガスの導入量とを内燃機関１の運転状態に応じてそれぞれ変化させることにより、シリンダ２内にＥＧＲガスを偏在させる位置を変える。

図５は図２の矢印Vの方向から見た状態を示している。図２、図４及び図５に示すように、排気還流装置３０はスワール生成ポート１２の下層部１８ｂの左右方向に関するＥＧＲガスの配分を調整するため、配分調整手段としての配分調整機構６０を更に備えている。配分調整機構６０は、空気又はＥＧＲガスの流れ方向に延びて、その下流側の端部６１ａに位置する回転軸線Ａｘ１の回りに回転できる配分調整部材としての配分調整弁６１と、配分調整弁６１を回転駆動するための駆動装置６２（図２参照）とを備えている。回転軸線Ａｘ１はスペーサ４３の略中央に位置して上下方向に延びている。図５に示すように、配分調整弁６１は下層部１８ｂに続くスペーサ４３の下部領域４３ａを左右に区分する。即ち、下部領域４３ａは配分調整弁６１にて右側領域４３ａＲと左側領域４３ａＬとに区分される。駆動装置６２は配分調整弁６１を図５の位置ａから位置ｂまでの間で駆動でき、かつそれらの間の任意の位置に保持することができる。例えば、配分調整弁６１が図５の中間位置ｃに保持された場合は、開口部４５から流入したＥＧＲガスは右側領域４３ａＲと左側領域４３ａＬとに均等に配分される。また、配分調整弁６１が中間位置ｃよりも位置ａ側へ偏った位置に保持された場合は、右側領域４３ａＲの入口が左側領域４３ａＬの入口よりも大きくなるので、ＥＧＲガスは左側領域４３ａＬよりも右側領域４３ａＲへ多く配分される。逆に、配分調整弁６１が中間位置ｃよりも位置ｂ側へ偏った位置に保持された場合は、ＥＧＲガスは右側領域４３ａＲよりも左側領域４３ａＬへ多く配分される。このように、配分調整弁６１の位置を変更することにより、下層部１８ｂに導かれるＥＧＲガスの左右方向に関する配分を変化させることができる。その配分が変化すると、接線流Ｓｔに乗るＥＧＲガスをその左右方向に関して不均一にできるので、シリンダ２内の所定の位置に偏在するＥＧＲガスの濃度分布を変えることができる。

図１に示すように、二つの調整弁５１、５２の開度制御及び配分調整弁６１の位置制御は内燃機関１の運転状態を制御するエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）７０が各駆動装置５３、５４、６２の動作を制御することによりそれぞれ実現される。ＥＣＵ７０は不図示のマイクロプロセッサ及びその動作に必要なＲＡＭ、ＲＯＭ等の周辺装置を備えたコンピュータであり、主として内燃機関１の燃料噴射量、燃料噴射時期、燃料噴射率等の各種運転パラメータを各種センサからの入力信号を参照して制御する。各種センサとしては、上述したエアフローメータ２６の他に、内燃機関１の回転数（回転速度）に応じた信号を出力できるクランク角センサ７１、機関温度を代表する物理量として用いられる冷却水温に応じた信号を出力できる水温センサ７２などがある。これら以外にも、アクセル開度センサや過給圧センサなどからの信号がＥＣＵ７０に入力されるが図示を省略する。

図６は本発明に関連してＥＣＵ７０が実行する排気還流制御の制御ルーチンの一例を示したフローチャートである。このルーチンのプログラムはＥＣＵ７０のＲＯＭに保持されており、適時に読み出されて所定の演算間隔で繰り返し実行される。ＥＣＵ７０は、まずステップＳ１で内燃機関１の運転状態として例えば機関回転数Ｎｅと燃料噴射量Ｑを取得する。機関回転数Ｎｅはクランク角センサ６１の信号に基づいて取得される。燃料噴射量Ｑとしては図６と並行して実行される燃料噴射制御（不図示）の演算結果が使用される。次に、ステップＳ２において、図２に示した調整弁５１と調整弁５２との開度比を設定する。この開度比は下側分岐通路４１が導入するＥＧＲガスの導入量と上側分岐通路４２が導入するＥＧＲガスの導入量との比（下側：上側）と同じ意義を持つ。開度比は機関回転数Ｎｅ及び燃料噴射量Ｑに応じて設定される。図７は開度比を設定するためにＥＣＵ６０が参照するマップの一例を示している。この図から明らかなように、調整弁５１と調整弁５２との開度比は、燃料噴射量Ｑが多いほど、スワール生成ポート１２に導入されるＥＧＲガスの導入量に対する下側分岐通路４１によるＥＧＲガスの導入量の比率が高くなるように設定されている。なお、図に示す具体的数値は一例にすぎない。また、この比率を０％として上側分岐通路４２のみから、又はこの比率を１００％として下側分岐通路４１のみからＥＧＲガスを導入するような開度比を設けることもできる。つまり、開度比を０：１０又は１０：０とする場合を図示のマップの設定値に含めることもできる。

ここで、図７のように開度比を設定する理由について、図９〜図１１を参照して説明する。図９は燃料噴射量が少ない場合のＥＧＲガスと燃料噴霧との関係を、図１１は燃料噴射量が多い場合のＥＧＲガスと燃料噴霧との関係を、図１０は燃料噴射量が図９と図１１との中間程度の場合のＥＧＲガスと燃料噴霧との関係をそれぞれ示した説明図である。これらの図に示すように、内燃機関１は燃料噴射弁８がシリンダ２の中央部から放射状に燃料を噴射する。そのように噴射された噴射燃料（燃料噴霧）Ｆはその先端部から燃焼が開始して高温の燃焼場を形成する。図９と図１１とを比較すれば明らかなように、燃料噴霧Ｆの先端部の位置は燃料噴射量が多いほどシリンダ２の中心から離れた位置に、換言すれば燃料噴射量が多いほどシリンダ２の半径方向外側の位置に変化する。つまり噴射された燃料が燃焼する位置は燃料噴射量が多いほどシリンダ２の中心から離れる。

一方、下側分岐通路４１によるＥＧＲガスの導入量の比率が高いほど、それだけスワール生成ポート１２の下層部１８ｂにＥＧＲガスが導かれる割合が増える。そのため、スワール生成ポート１２が生成する接線流ＳｔにＥＧＲガスが乗る量、換言すればＥＧＲガスが接線流Ｓｔに随伴する量は、その比率が高いほど増加する。これにより、その比率が高いほどシリンダ２の内周面に近い位置に高濃度のＥＧＲガスを層状に偏在させることができる。つまり、図９に示すように、燃料噴射量が少ない場合はその比率が低くなるように開度比が設定されているため、ＥＧＲガスＧはシリンダ２の中央部に偏在することによって、燃料噴霧Ｆが燃焼する領域はＥＧＲガスＧにて効率的に冷却される。また、図１１に示すように、燃料噴射量が多い場合はその比率が高くなるように開度比が設定されているため、ＥＧＲガスＧはシリンダ２の内周面に近い領域に偏在することによって、燃料噴霧Ｆが燃焼する領域はＥＧＲガスＧにて効率的に冷却される。また、図１０に示す中間の燃料噴射量においても、図１１の場合よりもＥＧＲガスＧが偏在する領域がシリンダ２の中心側に変化するので、燃料噴霧Ｆが燃焼する領域はＥＧＲガスＧにて効率的に冷却される。従って、燃料噴射量が多いほど、下側分岐通路４１によるＥＧＲガスの導入量の比率を高めることによって、燃料噴霧の先端部の位置にＥＧＲガスを偏在させることができるようになる。こうした考えに基づいて、ＥＧＲガスが適切な領域に（噴射された燃料が燃焼する領域に）配置されるように図７の開度比が設定されている。

図６に戻り、ステップＳ２で開度比を設定した後に、ステップＳ３に進んで燃料の噴射時期が所定範囲内にあるか否かを判定する。燃料噴霧の伸長具合は燃料噴射弁８から燃料が噴射される時の雰囲気圧（筒内圧）に強く依存する。つまり圧縮上死点よりも早期に燃料が噴射された場合には燃料噴霧の伸長が過度に進んでいわゆる予混合気を形成する。このような予混合気が形成される場合の燃料噴霧とＥＧＲガスとの関係を図１２に示す。図１２から明らかなように、図９〜図１１に示す形態と対照的に、燃料噴霧の放射状の痕跡が消失して混合気の塊Ｈとして存在する。このように、噴射時期に応じて燃焼が行われる領域が変化するため、ステップＳ３ではその変化に合わせて開度比を補正をする必要性を判断することを目的として噴射時期を判定する。所定範囲は開度比の補正の要否を基準として設定される。噴射時期が所定範囲内の場合は補正の必要がなく、所定範囲外の場合は補正の必要がある。噴射時期が所定範囲外の場合はステップＳ４に進み開度比を補正する。燃料噴射時期が所定範囲内にある場合はステップＳ５に進む。

図８は開度比の補正方法を説明する説明図である。この図に示すように、噴射時期が上死点ＴＤＣよりも遅角側の時期Ａから進角側の時期Ｂまでの間は補正比率は１に設定される。つまり、時期Ａから時期Ｂまでの範囲は上述した所定範囲に相当し、開度比の補正は行われないことを示している。噴射時期が時期Ａよりも早い場合は、噴射時期が早いほど上述した混合気の塊が生成される傾向となる。そのため、ＥＧＲガスがシリンダ２の中央部に偏在させる方向に、つまりシリンダ２の半径方向外側へのＥＧＲガスの偏在が緩和される方向に開度比を補正する。換言すれば、下側分岐通路４１によるＥＧＲガスの導入量の比率を減少する方向に補正する。図示の括弧内に示したように、例えばステップＳ２で開度比が８：２（下側：上側）に設定された場合は、最も補正される補正比率０．２５の状態でその開度比は２：８まで補正される。一方、時期Ｂよりも遅い場合も筒内圧は下がるため噴射燃料の混合が促進し、時期Ａよりも早い状況と同様となる。そのため、噴射時期が時期Ｂよりも遅いほど、下側分岐通路４１によるＥＧＲガスの導入量の比率を減少する方向に補正する。このように、開度比が補正されることにより、燃料噴射時期の変化に伴う燃焼形態の変化に対応させてＥＧＲガスを導入することができる。

図６に戻り、ステップＳ５においては、上述した開度比を維持しつつ調整弁５１、５２のそれぞれに与える最終的な開度量を設定する。この開度量は機関回転数と燃料噴射量（負荷）に応じて算出されるＥＧＲガス量に基づいて設定される。ＥＧＲガス量は不図示のマップを参照することにより取得し、そのＥＧＲガス量のＥＧＲガスが導入されるように調整弁５１、５２のそれぞれに与える最終的な開度量を設定する。この開度量の設定は、ＥＧＲガス量と開度比とを変数として、調整弁５１の開度量及び調整弁５２の開度量を与えるマップを参照することにより実現できる。

次に、ステップＳ６ではシリンダ２内の温度を取得する。シリンダ２内の温度は冷却水温と相関して変化するため、冷却水温を水温センサ７２の出力信号を参照して取得し、その冷却水温に基づいた推定によってシリンダ２内の温度を取得することができる。もっとも、シリンダ２内の温度に応じた信号を出力する温度センサを設け、その温度センサの出力信号に基づいてシリンダ２内の温度を取得することも可能である。

次に、ステップＳ７では配分調整弁６１の位置（回転角度）を設定する。この形態では、その設定はステップＳ６で取得したシリンダ２内の温度に基づいて行われ、シリンダ２内の温度が低いほどシリンダの内周面に近い側に導かれるＥＧＲガスが少なくなるように配分調整弁６１の位置が設定される。図１３は配分調整弁６１の位置とＥＧＲガスの濃度分布との関係を説明する説明図である。この図は、高負荷時におけるシリンダ２内の温度が高い場合（高温時）と低い場合（低温時）とのそれぞれについて、シリンダ２内に偏在するＥＧＲガスＧのシリンダ２の半径方向の位置ｒ１から位置ｒ２までの濃度分布を示している。

この図から明らかなように、高温時時には配分調整弁６１の位置が位置ａ側寄りに設定される（図５も参照）。これにより、高温時は低温時よりもシリンダ２の内周面に近い側に導かれるＥＧＲガスが多くなる。その結果、ＥＧＲガスの濃度分布のピークがシリンダ２の内周面に近い側に位置する。高温時にこのような濃度分布が形成されるので、燃料噴霧Ｆの燃焼が開始する最先端部に高濃度のＥＧＲガスが供給されることとなり、高温時の燃焼温度を低下させて窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生を抑えることができる。一方、低温時には、配分調整弁６１の位置が位置ｂ側寄りに設定される（図５も参照）。これにより、低温時は高温時よりもシリンダ２の内周面に近い側に導かれるＥＧＲガスが少なくなる。その結果、ＥＧＲガスの濃度分布のピークが高温時よりもシリンダ２の中心側に後退するので、燃料噴霧Ｆの最先端部におけるＥＧＲガスの濃度が低下して最先端部の過冷却を防止できる。これにより、低温時における燃料噴霧Ｆの最先端部の着火性を確保しつつ、燃焼開始後の急激な燃焼を抑制できる。そのため、低温時における未燃燃料の排出を抑えることが可能になる。このような配分調整弁６１の位置の設定は、例えば、その位置とシリンダ２内の温度とを対応付けたマップをＥＣＵ７０のＲＯＭに保持しておき、ＥＣＵ７０がそのマップを参照することにより実現できる。なお、外気温、気圧等の環境条件によって配分調整弁６１の位置の補正が必要であれば、マップから得た値に乗じる補正係数を計算し、環境条件を駆動装置６２の動作量に反映させてもよい。

図６に戻り、ステップＳ８では、ステップＳ５で設定した開度量が得られるように、駆動装置５３及び駆動装置５４をそれぞれ操作することにより調整弁５１及び調整弁５２の開度をそれぞれ操作する。続くステップＳ９では、ステップＳ７で設定した位置に配分調整弁６１が保持されるように駆動装置６２を操作する。その後、今回のルーチンを終了する。

以上の形態において、ＥＣＵ７０は、図６の制御ルーチンを実行することにより、本発明に係る導入制御手段及び配分制御手段として機能する。

上述した形態では、一つのポートに接線流生成部と旋回流生成部とが設けられたスワール生成ポートを吸気装置として例示したが、本発明に係る吸気装置の構成はこれに限定されない。図１４は吸気装置を他の形態で実施した排気還流装置の一例を示している。図１４の形態は、一つのシリンダ２に対して、空気を導く過程で接線流Ｓｔを生成するストレートポート１４１と、旋回流Ｓｒを生成するヘリカルポート１４２とを設けるとともに、これらのポートへＥＧＲガスを導入するように、図２に示した分岐通路４１をスペーサ４３を介してストレートポート１４１に、分岐通路４２をスペーサ４３を介してヘリカルポート１４２にそれぞれ接続し、更に、ストレートポート１４１側のスペーサ４３内に上述した配分調整機構６０を設けたものである。図１４の形態では、ストレートポート１４１が本発明に係る接線流生成部に、ヘリカルポート１４２が本発明に係る旋回流生成部にそれぞれ相当し、ストレートポート１４１とヘリカルポート１４２との組み合わせが本発明に係る吸気装置に相当する。以上から明らかなように、上述した形態の吸気装置を図１４の形態に置き換えた場合でも、ストレートポート１４１へのＥＧＲガスの導入量と、ヘリカルポート１４２へのＥＧＲガスの導入量とをそれぞれ制御することにより、シリンダ２内にＥＧＲガスを偏在させる位置を制御でき、なおかつ、配分調整機構６０を操作することで、偏在するＥＧＲガスの濃度分布を変えることができる。

本発明に係る配分調整手段は上述した配分調整機構６０に限定されない。図１５に配分調整手段の他の形態を示す。この形態は、図２に示した下側分岐通路４１が更に二つの分岐通路４１Ａ、４１Ｂに分岐され、これらの通路４１Ａ、４１Ｂがスペーサ４３に形成された二つの開口部４５Ａ、４５Ｂに接続されたものである。これらの開口部４５Ａ、４５Ｂは左右方向に関して開口位置が互いに異なる。分岐通路４１Ａには調整弁５１Ａが、分岐通路４１Ｂには調整弁５１Ｂがそれぞれ接続される。調整弁５１Ａは駆動装置５３Ａにより、調整弁５１Ｂは駆動装置５３Ｂによりそれぞれ駆動される。これらの調整弁５１Ａ、５１Ｂの各開度を変化させることにより、二つの開口部４５Ａ、４５Ｂから流入するＥＧＲガスの配分を変えることができる。二つの開口部４５Ａ、４５Ｂは左右方向に関して互いに異なる位置に開口しているので、調整弁５１Ａ、５１Ｂによってスワール生成ポート１２の下層部１８ｂに導入されるＥＧＲガスの左右方向に関する配分を変化させることができる。即ち、図１５に示す調整弁５１Ａ及び調整弁５１Ｂは本発明に係る配分調整手段として機能する。各調整弁５１Ａ、５１Ｂの開度はＥＣＵ７０にて操作される。その操作は配分調整機構６０に対するものと同様の制御ルーチンに従って行われる。即ち、シリンダ２の内周面に近い側に導かれるＥＧＲガスを増加させて、その濃度分布のピークを内周面側に偏らせる場合には、調整弁５１Ｂの開度を調整弁５１Ａの開度よりも大きく設定する。逆にその濃度分布をシリンダ２の中央側に偏らせる場合には、調整弁５１Ａの開度を調整弁５１Ｂの開度よりも大きく設定する。このようにＥＣＵ７０が調整弁５１Ａ、５１Ｂの各開度を操作することにより、ＥＣＵ７０は本発明に係る配分制御手段として機能する。なお、各調整弁５１、５２の開度制御は図６の処理と同一でよく、図１５の形態においてもＥＣＵ７０は本発明に係る導入制御手段として機能する。また、図１５の形態を図１４の形態の吸気装置に適用して本発明を実施することもできる。

本発明の一形態に係る排気還流装置が適用された内燃機関の要部を示した全体図。図１の内燃機関の一部を拡大して示した斜視図。スワール生成ポートの詳細を示した図。図２の矢印IVの方向から見た状態を示した図。図２の矢印Vの方向から見た状態を示した図。排気還流制御の制御ルーチンの一例を示したフローチャート。開度比を設定するために参照されるマップの一例を示した図。開度比の補正方法を説明する説明図。燃料噴射量が少ない場合のＥＧＲガスと燃料噴霧との関係を示した説明図。燃料噴射量が中間程度の場合のＥＧＲガスと燃料噴霧との関係を示した説明図。燃料噴射量が多い場合のＥＧＲガスと燃料噴霧との関係を示した説明図。予混合気が形成される場合の燃料噴霧とＥＧＲガスとの関係を示した説明図。配分調整弁の位置とＥＧＲガスの濃度分布との関係を説明する説明図。吸気装置を他の形態で実施した排気還流装置の一例を示した図。配分調整手段を他の形態で実施した排気還流装置の一例を示した図。

符号の説明

１内燃機関
２シリンダ
８燃料噴射弁
１１排気通路
１２スワール生成ポート（吸気装置）
１８ａ上層部（旋回流生成部）
１８ｂ下層部（接線流生成部）
３０排気還流装置
３３導入装置（導入手段）
４１分岐通路（第１の導入通路）
４２分岐通路（第２の導入通路）
５１調整弁（第１の調整弁）
５２調整弁（第２の調整弁）
６０配分調整機構（配分調整手段）
６１配分調整部材（配分調整弁）
６２駆動装置
７０ＥＣＵ（導入制御手段、配分制御手段）
１４１ストレートポート（接線流生成部）
１４２ヘリカルポート（旋回流生成部）
Ａｘ１回転軸線
ＣＬシリンダの中心線
Ｓｔ接線流
Ｓｒ旋回流
Ｆｓｗスワール

Claims

内燃機関のシリンダへ空気を導く吸気装置に、前記内燃機関の排気通路から取り出した排気の一部をＥＧＲガスとして導入する内燃機関の排気還流装置において、
前記吸気装置は、前記シリンダへ空気を導く過程で前記シリンダの内周面の接線方向へ向かう接線流を生成する接線流生成部と、前記シリンダへ空気を導く過程で前記シリンダの中心線と交差する面内を旋回しながら前記中心線の方向へ向かう旋回流を生成する旋回流生成部とを有し、
前記接線流生成部及び前記旋回流生成部のそれぞれへＥＧＲガスを導入でき、かつ前記接線流生成部へのＥＧＲガスの導入量及び前記旋回流生成部へのＥＧＲガスの導入量のそれぞれを変化させることができる導入手段と、前記内燃機関の運転状態に応じて前記導入手段を操作することにより、前記接線流生成部へのＥＧＲガスの導入量と前記旋回流生成部へのＥＧＲガスの導入量とをそれぞれ制御する導入制御手段と、前記導入手段にて前記接線流生成部に導入されるＥＧＲガスの前記接線流生成部の左右方向に関する配分を変化させることができる配分調整手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の排気還流装置。
前記吸気装置は、前記シリンダに開口し、かつ前記接線流生成部と前記旋回流生成部とが上下方向に隣接するようにして同一ポート内に設けられたスワール生成ポートを有していることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気還流装置。
前記配分調整手段は、前記導入手段が前記接線流生成部へＥＧＲガスを導入するための導入位置よりも下流側に配置され、かつ上下方向に延びて下流側の端部に位置する回転軸線回りに回転できる配分調整部材と、前記配分調整部材を回転駆動する駆動装置とを有してい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排気還流装置。
前記内燃機関の運転状態に応じて前記配分調整手段を操作することにより、前記接線流生成部に導入されるＥＧＲガスの前記配分を制御する配分制御手段を更に備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気還流装置。
前記内燃機関は前記シリンダ内に燃料を噴射する燃料噴射弁を有し、
前記導入制御手段は、前記燃料噴射弁にて噴射された燃料の燃焼が行われる領域にＥＧＲガスが偏在するように、前記接線流生成部へのＥＧＲガスの導入量と前記旋回流生成部へのＥＧＲガスの導入量とをそれぞれ制御し、
前記配分制御手段は、前記シリンダ内の温度が低いほど前記シリンダの前記内周面に近い側に導かれるＥＧＲガスが少なくなるように、前記接線流生成部に導入されたＥＧＲガスの前記配分を制御することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の排気還流装置。
前記導入手段は、前記接線流生成部の側に開口してＥＧＲガスを導入する第１の導入通路と、前記旋回流生成部の側に開口してＥＧＲガスを導入する第２の導入通路と、前記第１の導入通路によるＥＧＲガスの導入量を調整する第１の調整弁と、前記第２の導入通路によるＥＧＲガスの導入量を調整する第２の調整弁と、を有し、
前記導入制御手段は、前記第１の調整弁及び前記第２の調整弁のそれぞれの開度を操作することにより、前記接線流生成部へのＥＧＲガスの導入量と前記旋回流生成部へのＥＧＲガスの導入量とをそれぞれ制御す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排気還流装置。