JP2005282542A - 予混合圧縮自着火運転が可能な内燃機関の制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 自着火に到る直前の燃料分解開始時点における混合ガスの温度不均一性を増大させることにより、燃焼を緩慢化し、燃焼音の低減を図ること。
【解決手段】 電気制御装置７０は、空気とインジェクタ３７から噴射される燃料とを含む混合ガスを燃焼室２５に形成し、その混合ガスを圧縮行程にて圧縮することにより自着火させて燃焼させる予混合圧縮自着火運転が可能な内燃機関１０に適用される。電気制御装置は、圧縮行程中であって燃料の分解開始時点よりも前の所定の時期において混合ガスの温度の不均一性を増大させるように、空気などの高圧流体を空気噴射弁３８から混合気に対して噴射する。これにより、燃料の分解開始時点における混合ガスの温度の不均一性が、混合ガスを圧縮行程にて圧縮することのみにより生ずる温度の不均一性より大きくなる。その結果、燃焼が緩慢化され、燃焼音が低減する。
【選択図】 図９

Description

本発明は、少なくとも空気と燃料とを含む混合ガスを燃焼室に形成し、同混合ガスを圧縮行程にて圧縮することにより自着火（自己着火）させて燃焼させる予混合圧縮自着火運転が可能な内燃機関に適用される内燃機関の制御装置に関する。
従来から、空気と燃料とを含む混合ガスを燃焼室に形成し、その混合ガスを圧縮行程にて圧縮することにより自着火させて燃焼させる予混合圧縮自着火式内燃機関が知られている。予混合圧縮自着火式内燃機関においては、空燃比を極めてリーンな空燃比とし且つ圧縮比を高くすることができる。従って、広い運転領域で予混合圧縮自着火運転をすることができれば、燃費を改善することができるとともにNOxを低減することができると考えられている。
ところで、自着火による燃焼においては、圧縮された混合ガスは多数の着火点においてほぼ同時に着火され、極めて短期間のうちに燃焼する。このため、特に燃料量が多い高負荷領域において、燃焼室内の圧力（筒内圧力）が急激に上昇し、燃焼音（騒音）が非常に大きくなる。現状、所定の高負荷域で自着火運転を採用できないのは、かかる燃焼音が過度に大きくなってしまうからである。
一方、自着火による燃焼を緩慢に進ませることができれば、筒内圧力の上昇率は低下するから、燃焼音を小さくすることができる。このため、従来の予混合圧縮自着火式内燃機関は、圧縮行程前の吸気行程において燃焼室から排出された高温の燃焼ガス（ＥＧＲガス）を二つの給気ポートのうちの一つから導入するとともに他の給気ポートから低温の空気を導入することにより、燃焼室内に温度勾配が大きくなる領域（ＥＧＲガス層と空気層とが接する領域）を形成し、その領域に燃料を噴射するようになっている。これによれば、温度勾配の大きな領域から温度勾配に従って温度の低い領域へと順次自着火燃焼が進むので、急激な燃焼を抑制できることができると考えられている（例えば、特許文献１を参照。）。
特開２００１−２１４７４１（請求項１、段落番号００２８乃至００２９、段落番号００４４乃至００４９、図４、図５及び図２６（ａ））
しかしながら、種々の検討によれば、圧縮行程の前までに燃焼室内に形成された温度勾配（混合ガスの温度の空間的な不均一性）は、圧縮行程の前半にて減少（実質的に消滅）してしまうことが判明した。従って、上記従来の予混合圧縮自着火式内燃機関においては、圧縮上死点近傍の着火に係る反応が開始する時点で、燃焼室内の混合ガスに十分な温度の不均一性が存在せず、その結果、燃焼を十分に緩慢にすることができないという問題がある。
本発明の目的は、燃料分解開始時点における混合ガスの温度の不均一性を、圧縮行程での圧縮作用により自然に得られる混合ガスの温度の不均一性よりも大きくすることにより、予混合圧縮自着火による燃焼を緩慢にすることが可能な内燃機関の制御装置を提供することにある。
本発明による内燃機関の制御装置は、燃料をシリンダとピストンとにより構成される燃焼室に噴射する燃料噴射手段を備え、少なくとも一部の所定運転領域である自着火運転領域において少なくとも空気と前記燃料噴射手段により噴射された燃料とを含む混合ガスを同燃焼室に形成し、同混合ガスを圧縮行程にて圧縮することにより自着火させて燃焼させる予混合圧縮自着火運転が可能な内燃機関に適用される。
この内燃機関の制御装置は、前記混合ガスの圧縮行程中に生じる前記燃料の分解開始時点での同混合ガスの温度の不均一性が、同混合ガスを同圧縮行程にて圧縮することのみにより生ずる温度の不均一性より大きくなるように、同圧縮行程中であって同燃料の分解開始時点よりも前の所定の時期において同混合ガスの温度の不均一性を増大させるように同混合ガスに作用する温度不均一性追加手段を備える。
これによれば、圧縮行程中であって燃料の分解開始時点よりも前の所定の時期において混合ガスの温度の不均一性が増大せしめられる。これにより、着火の直前に生じる燃料の分解開始時点における混合ガスの温度の不均一性が、混合ガスを圧縮行程にて単に圧縮することのみにより自然に生ずる温度の不均一性より大きくなる。一方、燃焼反応速度は、混合ガスの温度の影響を強く受ける。従って、混合ガスの燃焼速度が（高温部と低温部とで）不均一になるので、自着火燃焼が緩慢に行われて燃焼期間が長期化する。その結果、燃焼室内の圧力上昇率が過大になることが防止され、燃焼音が低減される。
この場合、温度不均一性追加手段は、前記所定の時期に高圧流体を前記混合ガスに向けて噴射することにより、同混合ガスの温度の不均一性を増大させるように構成されることが好適である。
これによれば、高圧の流体をそれよりも低圧の燃焼室内の混合ガス内に噴射するので、高圧流体の断熱膨張効果によって同流体の温度は低下する。従って、混合ガスに対し、より効果的に温度不均一性を付与することができる。
この場合、前記温度不均一性追加手段は、
前記内燃機関の運転状態が前記自着火運転領域内であって同内燃機関の負荷が所定高負荷閾値以上の高負荷であるときにのみ前記高圧流体を噴射するように構成されることが好適である。
これによれば、高圧流体は燃焼音が大きく或いはノッキングに類似の現象が発生し易い加速時などにのみ噴射される。従って、使用される高圧流体の量を低減したり、流体を加圧するのに必要なエネルギーの消費量を低減することができる。
上記制御装置において、前記温度不均一性追加手段が前記高圧流体を噴射する前記所定の時期は、前記圧縮行程の開始後に前記混合ガスの温度の不均一性が最も小さくなる時点から前記燃料分解開始時点よりも所定のクランク角度だけ前の時点までの間（即ち、圧縮行程中期）に設定されることが好適である。
圧縮行程の初期においては、燃焼室内の乱流によって混合ガスの混合が急激に進行する。従って、圧縮行程初期において広い温度分布を有する混合ガス（温度の不均一性が大きい混合ガス）を形成しても、その広い温度分布は減衰してしまう。従って、圧縮行程初期（圧縮行程開始〜混合ガスの温度の不均一性が最も小さくなる時点）において混合ガスに温度の不均一性を追加的に付与しても、その温度の不均一性は燃焼反応が活発化する圧縮行程後期まで残存することができず、燃焼を緩慢化して燃焼期間を長期化することはできない。
これに対し、燃料分解開始時点から所定のクランク角度だけ前の時点から開始する圧縮行程後期（特に、燃料分解開始時点以降）においては、燃焼反応は、ガスの混合度合の進行に比較して非常に早く進行する。従って、この時期に温度不均一性を追加的に付与しても、ガスの混合の進行によって低温の領域に燃料の粒子が存在するようになる前に燃焼反応が進行してしまうので、燃焼を緩慢にすることができない。
そこで、上記構成のように、圧縮行程中期に高圧流体を噴射して混合ガスの温度不均一性を大きくすれば、温度不均一性は燃焼の実質的な開始時点（例えば、燃料分解開始時点）まで消滅することなく、且つ、燃焼の実質的な開始時点において低温部に燃料の粒子が適度に混合された状態となる。即ち、圧縮行程中期における高圧流体の噴射により、燃焼の緩慢化をもたらすことができる「有意で大きな温度不均一性」を混合ガスに与えることができる。その結果、燃焼が緩慢化され、燃焼期間が長期化するので、圧力上昇率が過大になることが防止され、燃焼音が低減される。
更に、前記温度不均一性追加手段は、前記高圧流体を前記シリンダのボアの接線方向に沿って噴射するように構成されることが好適である。
これによれば、高圧流体がシリンダボアの接線方向に沿って噴射されるので、燃焼室内にスワール流が発生する。従って、混合ガスと混合ガスよりも温度の低いシリンダ壁面との間の伝熱が促進され、混合ガスはシリンダ壁面近傍で冷却される。この結果、混合ガスの温度不均一性をより効果的に形成することができる。
前記高圧流体は高圧空気であることが好適である。空気は大気から導入することができるので、空気を貯蔵するタンクやボンベが必要ない。従って、高圧流体を高圧空気とすることにより、装置を簡素化することができる。
前記高圧流体は高圧水素又は高圧一酸化炭素であることも好適である。水素は、燃料が自着火する前に生成される中間生成物の発生を抑制すると考えられている。また、水素は自着火し難い（自着火性が悪い）が、着火すると燃焼が早く進むという特性を有している。従って、水素と燃料の混合ガスは、水素を含まない混合ガスよりも着火に時間を要する。一方、一酸化炭素は、ガソリンと同程度に自着火し易い（ガソリンと同程度の自着火性を有する）が、着火すると燃焼がガソリンよりも遅く進むという特性を有している。この結果、高圧流体を水素又は一酸化炭素とすれば、混合ガスの温度の不均一性のみでなく、混合ガスに着火及び／又は燃焼を遅らせる水素ガス又は一酸化炭素が混在することによる濃度不均一性により、燃焼期間を効果的に長期化することができる。
前記高圧流体は前記燃焼室から排出された燃焼ガスを圧縮した高圧燃焼ガスであることも好適である。燃焼ガス中の酸素濃度は空気中の酸素濃度よりも小さい。従って、混合ガスに対し高圧燃焼ガスを噴射すると、空気を噴射した場合よりも混合ガスの着火に遅れが生じる。更に、燃焼ガスの比熱は空気の比熱よりも大きいから、燃焼ガス濃度が高い部分の混合ガスの温度上昇が遅れる。この結果、混合ガスの温度不均一性のみでなく、混合ガスに着火を遅らせる燃焼ガスが混在することによる濃度不均一性により、燃焼期間を効果的に長期化することができる。
前記高圧流体は高圧水であることも好適である。水は、気化熱（潜熱）と比熱が大きいので、混合ガスは噴射された水により部分的に効果的に冷却される。更に、水は非圧縮性流体であるので、空気などの圧縮性流体を圧縮するよりも少ない仕事量で圧縮することができる。従って、高圧水を得るために車両に搭載される圧縮機の仕事量を低減することができる。
本発明による制御装置の他の態様は、
燃料をシリンダとピストンとにより構成される燃焼室に噴射する燃料噴射手段と、
前記燃焼室内に臨む火花点火手段と、
前記燃焼室内に高圧水を噴射する高圧水噴射手段と、
を備えてなり、
膨張行程、排気行程、掃気行程、給気行程及び圧縮行程をクランク角度が３６０度経過する毎に繰り返す２サイクル内燃機関であって、
所定運転領域である自着火運転領域において少なくとも空気と前記燃料噴射手段により噴射された燃料とを含む混合ガスを前記圧縮行程の開始前までに同燃焼室に形成し、同混合ガスを同圧縮行程にて圧縮することにより自着火させて燃焼させる予混合圧縮自着火運転モードと、前記自着火運転領域以外の運転領域である火花点火運転領域において少なくとも空気と前記燃料噴射手段により噴射された燃料とを含む混合ガスを前記圧縮行程にて圧縮した後に前記火花点火手段によって火花点火させて燃焼させる火花点火運転モードと、の何れかのモードにて運転される内燃機関に適用される。
この制御装置は、高圧水噴射制御手段を備える。高圧水噴射制御手段は、前記内燃機関の運転モードが前記予混合圧縮自着火運転モードにあるとき、前記圧縮行程中であって前記混合ガス中の燃料の分解開始時点よりも前の所定の時期において前記高圧水噴射手段から前記高圧水を噴射する。
これにより、燃焼の実質的な開始時点において混合気が大きな温度不均一性を有することになるので、燃焼が緩慢化され、燃焼期間が長期化する。その結果、予混合圧縮自着火運転モードにおける燃焼室内の圧力上昇率が過大になることが防止され、燃焼音が低減される。
また、高圧水噴射制御手段は、前記内燃機関の運転モードが前記火花点火運転モードにあるとき、前記掃気行程中、前記給気行程中及び同掃気行程から同給気行程に及ぶ期間中の何れかの時期において前記高圧水噴射手段から前記高圧水を噴射する。
これにより、圧縮行程初期の乱流により混合ガス全体が冷却される。この結果、空気の充填効率を向上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。
この場合、前記高圧水噴射制御手段は、前記内燃機関の運転モードが前記予混合圧縮自着火運転モードにある場合、同内燃機関の負荷が第１の高負荷閾値以上の高負荷であるときにのみ前記高圧水を噴射するように構成されることが好適である。
これによれば、高圧水は燃焼音が大きく或いはノッキングに類似の現象が発生し易い加速時などにのみ噴射される。従って、使用される水の量を低減したり、水を加圧するのに必要なエネルギーの消費量を低減しながら、燃焼音等を抑制することができる。
また、前記高圧水噴射制御手段は、前記内燃機関の運転モードが前記火花点火運転モードにある場合、同内燃機関の負荷が第２の高負荷閾値以上の高負荷であるときにのみ前記高圧水を噴射するように構成されることが好適である。
これによれば、充填効率の増大が必要であり、且つ、ノッキングが発生し易い高負荷時にのみ高圧水が噴射されるので、高圧水の消費量を低減することができる。
また、前記高圧流体は前記燃料よりも自着火し難いアルコールを含む高圧液体燃料であってもよい。アルコールは化学的に着火を遅らせる作用を有するから、燃焼が緩慢になる。また、アルコールは気化熱（潜熱）と比熱が大きいので、混合ガスは噴射されたアルコールにより部分的に効果的に冷却される。
本発明による制御装置の他の態様は、
燃料をシリンダとピストンとにより構成される燃焼室に噴射する燃料噴射手段と、
前記燃焼室内に臨む火花点火手段と、
前記燃焼室内に前記燃料よりも自着火し難いアルコールを含む高圧液体燃料を噴射する高圧液体燃料噴射手段と、
を備えてなり、
膨張行程、排気行程、掃気行程、給気行程及び圧縮行程をクランク角度が３６０度経過する毎に繰り返す２サイクル内燃機関であって、
所定運転領域である自着火運転領域において少なくとも空気と前記燃料噴射手段により噴射された燃料とを含む混合ガスを前記圧縮行程の開始前までに同燃焼室に形成し、同混合ガスを同圧縮行程にて圧縮することにより自着火させて燃焼させる予混合圧縮自着火運転モードと、前記自着火運転領域以外の運転領域である火花点火運転領域において少なくとも空気と前記燃料噴射手段により噴射された燃料とを含む混合ガスを前記圧縮行程にて圧縮した後に前記火花点火手段によって火花点火させて燃焼させる火花点火運転モードと、の何れかのモードにて運転される内燃機関に適用される。
この制御装置は、高圧液体燃料噴射制御手段を備える。高圧液体燃料噴射制御手段は、
前記内燃機関の運転モードが前記予混合圧縮自着火運転モードにあるとき、前記圧縮行程中であって前記混合ガス中の燃料の分解開始時点よりも前の所定の時期において前記高圧液体燃料噴射手段から前記高圧液体燃料を噴射する。
これにより、燃焼の実質的な開始時点において混合気が大きな温度不均一性を有することになるので、燃焼が緩慢化され、燃焼期間が長期化する。その結果、予混合圧縮自着火運転モードにおける燃焼室内の圧力上昇率が過大になることが防止され、燃焼音が低減される。
また、高圧液体燃料噴射制御手段は、前記内燃機関の運転モードが火花点火運転モードにあるとき、前記掃気行程中、前記給気行程中及び同掃気行程から同給気行程に及ぶ期間中の何れかの時期において前記高圧液体燃料噴射手段から前記高圧液体燃料を噴射する。
これにより、圧縮行程初期の乱流により混合ガス全体が冷却される。この結果、空気の充填効率を向上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。
前記高圧液体燃料噴射制御手段は、前記内燃機関の運転モードが前記予混合圧縮自着火運転モードにある場合、同内燃機関の負荷が第１の高負荷閾値以上の高負荷であるときにのみ前記高圧液体燃料を噴射するように構成されることが好適である。
これによれば、高圧液体燃料は燃焼音が大きく或いはノッキングに類似の現象が発生し易い加速時などにのみ噴射される。従って、使用される液体燃料の量を低減したり、液体燃料を加圧するのに必要なエネルギーの消費量を低減しながら、燃焼音等を抑制することができる。
また、前記高圧液体燃料噴射制御手段は、前記内燃機関の運転モードが前記火花点火運転モードにある場合、同内燃機関の負荷が第２の高負荷閾値以上の高負荷であるときにのみ前記高圧液体燃料を噴射するように構成されることが好適である。
これによれば、充填効率の増大が必要であり、且つ、ノッキングが発生し易い高負荷時にのみ高圧液体燃料が噴射されるので、高圧液体燃料の消費量を低減することができる。
また、前記高圧流体は前記燃料を部分酸化することにより得られる一酸化炭素及び水素を含む合成ガスであることが好適である。
水素は自着火し難い（自着火性が悪い）が、着火すると燃焼が早く進むという特性を有している。一酸化炭素は、ガソリンと同程度に自着火し易い（ガソリンと同程度の自着火性を有する）が、着火すると燃焼が遅く進むという特性を有している。従って、合成ガスと燃料の混合ガスは、合成ガスを含まない混合ガスよりも着火及び／又は燃焼に時間を要する。この結果、高圧流体を合成ガスとすれば、混合ガスの温度の不均一性のみでなく、混合ガスに着火を遅らせる水素ガス又は一酸化炭素が混在することによる濃度不均一性により、燃焼期間を効果的に長期化することができる。
更に、前記温度不均一性追加手段は、前記燃料を前記高圧流体として前記燃料噴射手段から噴射するように構成されることが好適である。
これによれば、混合ガスは、追加的に噴射された燃料の大きな気化熱（潜熱）と比熱とにより部分的に効果的に冷却される。
本発明による制御装置の他の態様は、
燃料をシリンダとピストンとにより構成される燃焼室に噴射する燃料噴射手段と、
前記燃焼室内に臨む火花点火手段と、
前記燃焼室内に高圧流体を噴射する高圧流体噴射手段と、
を備えるとともに、
所定運転領域である自着火運転領域において少なくとも空気と前記燃料噴射手段により噴射された燃料とを含む混合ガスを前記圧縮行程の開始前までに同燃焼室に形成し、同混合ガスを同圧縮行程にて圧縮することにより自着火させて燃焼させる予混合圧縮自着火運転モードと、前記自着火運転領域以外の運転領域である火花点火運転領域において少なくとも空気と前記燃料噴射手段により噴射された燃料とを含む混合ガスを前記圧縮行程にて圧縮した後に前記火花点火手段によって火花点火させて燃焼させる火花点火運転モードと、の何れかのモードにて運転される内燃機関に適用される内燃機関の制御装置であって、
前記内燃機関の運転モードが前記予混合圧縮自着火運転モードにあるときと前記火花点火運転モードにあるときとにおいて、クランク角が互いに異なる所定のクランク角となったとき、前記高圧流体噴射手段から前記高圧流体を噴射する高圧流体噴射制御手段を備えた内燃機関の制御装置である。
この高圧流体は、空気、水素、一酸化炭素、前記燃焼室から排出された燃焼ガスを圧縮した燃焼ガス、水、アルコールを含む液体燃料、前記燃料を部分酸化することにより得られる一酸化炭素と水素とを含む合成ガス及び前記燃料のうちの何れか一つを含む流体であってよい。
これによれば、前記予混合圧縮自着火運転モードにあるときと前記火花点火運転モードにあるときとにおいて、互いに異なるタイミングにて高圧流体が噴射される。例えば、内燃機関の運転モードが前記予混合圧縮自着火運転モードにあるとき、圧縮行程中であって前記混合ガス中の燃料の分解開始時点よりも前の所定の時期において前記高圧流体が噴射せしめられる。これにより、燃焼の実質的な開始時点において混合気が大きな温度不均一性を有することになるので、燃焼が緩慢化され、燃焼期間が長期化する。その結果、予混合圧縮自着火運転モードにおける燃焼室内の圧力上昇率が過大になることが防止され、燃焼音が低減される。
また、例えば、前記内燃機関の運転モードが前記火花点火運転モードにあるとき、圧縮行程前の所定の時期において前記流体が噴射される。これにより、混合ガス全体が冷却される。この結果、空気の充填効率を向上することができるとともに、火花点火運転時のノッキングの発生を抑制することができる。
このように、本態様の制御装置によれば、高圧流体噴射手段を有効に活用し、運転モードに適したタイミングにて高圧流体を噴射する。従って、内燃機関の燃費を改善したり、騒音等を低減することが可能となる。
この場合、前記高圧流体噴射手段は、前記内燃機関の運転モードが前記予混合圧縮自着火運転モードにある場合、同内燃機関の負荷が第１の高負荷閾値以上の高負荷であるときにのみ前記高圧流体を噴射するように構成されることが望ましい。
これによれば、高圧流体は燃焼音が大きく或いはノッキングに類似の現象が発生し易い加速時などにのみ噴射される。従って、使用される高圧流体の量を低減したり、流体を加圧して高圧流体とするのに必要なエネルギーの消費量を低減しながら、燃焼音等を抑制することができる。
更に、この場合、前記高圧水噴射制御手段は、前記内燃機関の運転モードが前記火花点火運転モードにある場合、同内燃機関の負荷が第２の高負荷閾値以上の高負荷であるときにのみ前記高圧流体を噴射するように構成されることが好適である。
これによれば、充填効率の増大が必要であり、且つ、ノッキングが発生し易い高負荷時にのみ高圧流体が噴射されるので、高圧流体の消費量を低減することができる。
本発明による制御装置の他の態様は、
燃料をシリンダとピストンとにより構成される燃焼室に噴射する燃料噴射手段を備えるとともに、所定運転領域である自着火運転領域において少なくとも空気と前記燃料噴射手段により噴射された燃料とを含む混合ガスを圧縮行程の開始前までに同燃焼室に形成し、同混合ガスを同圧縮行程にて圧縮することにより自着火させて燃焼させる予混合圧縮自着火運転が可能な内燃機関に適用される内燃機関の制御装置であって、
前記内燃機関の負荷が高負荷閾値以上の高負荷であるとき、前記機関に要求される燃料量の一部を前記圧縮行程の開始前に噴射するとともに、同要求される燃料量の残りの燃料を前記圧縮行程中であって前記噴射された燃料の分解開始時点よりも前の所定の時期において同燃料噴射手段から噴射し、
前記内燃機関の負荷が前記高負荷閾値より小さい中負荷閾値以上の中負荷であるとき、前記機関に要求される燃料量の全部を前記圧縮行程前において前記燃料噴射手段から噴射し、
前記内燃機関の負荷が前記中負荷閾値より小さい軽負荷であるとき、前記機関に要求される燃料量の全部を前記圧縮行程中において前記燃料噴射手段から噴射する燃料噴射制御手段を備えた内燃機関の制御装置である。
これによれば、前記内燃機関の負荷が高負荷閾値以上の高負荷であるとき、前記機関に要求される燃料量の一部が前記圧縮行程の開始前に噴射される。更に、前記要求される燃料量の残りの燃料が前記圧縮行程中であって前記噴射された燃料の分解開始時点よりも前の所定の時期において同燃料噴射手段から噴射される。従って、圧縮行程開始前において噴射により形成された均質混合ガスは、圧縮行程中であって前記噴射された燃料の分解開始時点よりも前の所定の時期において追加的に噴射された燃料の大きな気化熱（潜熱）と比熱とにより部分的に冷却される。
この結果、燃焼の実質的な開始時点において混合気が大きな温度不均一性を有することになるので、燃焼が緩慢化され、燃焼期間が長期化する。従って、予混合圧縮自着火運転モードにおける燃焼室内の圧力上昇率が過大になることが防止され、燃焼音が低減される。
また、前記内燃機関の負荷が前記高負荷閾値より小さい中負荷閾値以上の中負荷であるとき、前記機関に要求される燃料量の全部が前記圧縮行程前において前記燃料噴射手段から噴射される。これによれば、均質混合ガスが得られるので、安定した自着火燃焼を得ることができる。
更に、前記内燃機関の負荷が前記中負荷閾値より小さい軽負荷であるとき、前記機関に要求される燃料量の全部が前記圧縮行程中において前記燃料噴射手段から噴射される。これによれば、弱成層混合ガスが得られるので、少ない燃料でも安定した自着火燃焼を得ることができる。
さらに、この態様の制御装置は、既存の燃料噴射手段から追加的な燃料噴射を行うことにより混合ガスに温度不均一性を追加しているので、燃料以外の流体を必要としない。また、燃料以外の流体を噴射するための噴射弁等は不要である。従って、システム全体を簡素化でき、軽量化及びコストダウンを図ることができる。
本発明による制御装置の他の態様は、
燃料をシリンダとピストンとにより構成される燃焼室に噴射する燃料噴射手段を備えてなり、
膨張行程、排気行程、掃気行程、給気行程及び圧縮行程をクランク角度が３６０度経過する毎に繰り返す２サイクル内燃機関であって、
所定運転領域である自着火運転領域において少なくとも空気と前記燃料噴射手段により噴射された燃料とを含む混合ガスを前記圧縮行程の開始前までに同燃焼室に形成し、同混合ガスを同圧縮行程にて圧縮することにより自着火させて燃焼させる予混合圧縮自着火運転が可能な内燃機関に適用される内燃機関に適用される。この制御装置は、燃料噴射制御手段を備える。
燃料噴射制御手段は、前記内燃機関の負荷が高負荷閾値以上の高負荷であるとき、前記機関に要求される燃料量の一部を前記掃気行程中、前記給気行程中及び同掃気行程から同給気行程に及ぶ期間中の何れかの時期において前記燃料噴射手段から噴射するとともに、同要求される燃料量の残りの燃料を前記圧縮行程中であって前記噴射された燃料の分解開始時点よりも前の所定の時期において同燃料噴射手段から噴射する。
これによれば、掃気行程中、給気行程中及び掃気行程から給気行程に及ぶ期間中の何れかの時期において噴射により形成された均質混合ガスは、圧縮行程中であって前記噴射された燃料の分解開始時点よりも前の所定の時期において追加的に噴射された燃料の大きな気化熱（潜熱）と比熱とにより部分的に冷却される。
これにより、燃焼の実質的な開始時点において混合気が大きな温度不均一性を有することになるので、燃焼が緩慢化され、燃焼期間が長期化する。その結果、予混合圧縮自着火運転モードにおける燃焼室内の圧力上昇率が過大になることが防止され、燃焼音が低減される。
また、燃料噴射制御手段は、前記内燃機関の負荷が前記高負荷閾値より小さい中負荷閾値以上の中負荷であるとき、前記機関に要求される燃料量の全部を前記掃気行程中、前記給気行程中及び同掃気行程から同給気行程に及ぶ期間中の何れかの時期において前記燃料噴射手段から噴射する。
これによれば、均質混合ガスが得られるので、安定した自着火燃焼を得ることができる。
更に、燃料噴射制御手段は、前記内燃機関の負荷が前記中負荷閾値より小さい軽負荷であるとき、前記機関に要求される燃料量の全部を前記圧縮行程中において前記燃料噴射手段から噴射する。
これによれば、弱成層混合ガスが得られるので、少ない燃料でも安定した自着火燃焼を得ることができる。
さらに、この態様の制御装置は、既存の燃料噴射手段から追加的な燃料噴射を行うことにより混合ガスに温度不均一性を追加しているので、燃料以外の流体を必要としない。また、燃料以外の流体を噴射するための噴射弁等は不要である。従って、システム全体を簡素化でき、軽量化及びコストダウンを図ることができる。
以下、本発明による内燃機関の制御装置の各実施形態について説明する。各実施形態の制御装置は、予混合圧縮自着火が可能な内燃機関（予混合圧縮自着火式内燃機関）に適用され、燃焼室内に形成される混合ガスの温度の不均一性（混合ガスの空間的な温度分布の広狭）を適切に制御することにより自着火による燃焼を緩慢にする装置である。そこで、先ず、燃焼室内の混合ガスの温度の不均一性が自着火による燃焼に及ぼす影響について述べる。
図１は、クランク角度に対する燃焼室内の混合ガスの圧力（以下、「筒内圧力」とも言う。）の変化を、燃料分解開始時期（燃料の濃度が初期値の９０％になった時点、燃料の１０％が分解された時点）θ１における混合ガスの温度分布別にシミュレーションにより求めた結果である。図１の実線、破線及び一点鎖線により示された筒内圧力は、図２の実線、破線及び一点鎖線により示された温度分布にそれぞれ対応した筒内圧力である。図２の実線、破線及び一点鎖線により示された温度分布は、標準偏差がそれぞれσ１＝０．６Ｋ（温度の不均一性が小）、σ２＝６．４Ｋ（温度の不均一性が中）及びσ３＝２０．７Ｋ（温度の不均一性が大）である温度分布である。
図１の実線により示されたように、燃料分解開始時点（燃料分解開始時期）θ１における温度の不均一性が小さいと筒内圧力は極めて急激に上昇し、燃焼は短期間内に終了する。これに対し、図１の破線及び一点鎖線により示されたように、燃料分解開始時点θ１における温度の不均一性が大きくなるほど筒内圧力の上昇率は低下し、燃焼が緩慢になっている。このことから、燃料分解開始時点θ１における燃焼室内の混合ガスの温度を不均一にすることができれば自着火による燃焼を緩慢化できることが理解される。
ところで、着火時期を大きく変化させることなく燃焼を緩慢にするためには、混合ガス全体が一律の燃焼反応速度で燃焼するのではなく、混合ガスが部分ごとに異なる燃焼反応速度で燃焼すれば良い。
一方、燃焼反応速度は、下記（１）式の特性式に示されるように、混合ガス（混合気）の燃焼反応に係る成分（即ち、燃料及び酸化剤であり、以下、単に「燃焼反応成分」と言う。）の濃度と混合ガスの温度とに依存することが知られている。
燃焼反応速度＝Ｋ・（燃料濃度）ａ・（酸化剤濃度）ｂ・exp(−Ea/RT) …（１）
（１）式において、Ｋ、ａ、ｂは定数、Eaは混合ガス（混合気）の活性化エネルギー、Rは気体定数、Tは混合ガス（混合気）の温度である。
以上のことから、混合ガスを部分ごとに異なる燃焼反応速度で燃焼させて燃焼を緩慢にするためには、混合ガスの温度及び燃焼反応成分の濃度を不均一にすればよいと考えられる。また、上記（１）式から、燃焼反応速度は、燃焼反応成分の濃度の累乗に比例して変化するのに対し、混合ガスの温度に関して指数関数的に変化すると言うことができる。従って、燃焼は、燃焼反応成分の濃度に比較して混合ガスの温度に対し、より敏感に変化するということができる。
実際の内燃機関においては、燃焼室内に乱流（給気の流れによる乱れ等）が発生しているから、物質及び熱について種々の伝達現象が生じている。この伝達現象により、燃焼反応成分の濃度分布及び混合ガスの温度分布は変化する。そこで、燃焼反応成分の濃度分布及び混合ガスの温度分布が圧縮行程中にどのように変化するかをシミュレーションにより調べ、その結果を図３及び図４にそれぞれ示した。
図３に示した燃焼反応成分の濃度分布の変化から理解されるように、濃度の不均一性は、圧縮行程の開始時点においては大きいが、圧縮行程初期の強い乱流により圧縮行程の後期までに実質的に消滅してしまう。
これに対し、図４に示した温度分布の変化から理解されるように、温度の不均一性は、圧縮行程初期から圧縮行程中期までは小さくなるが、圧縮行程中期から圧縮行程後期にかけて再び大きくなる。これは、シリンダ壁面（燃焼室壁面）と混合ガスとの間の熱の伝達（伝熱）によりもたらされると考えられる。
なお、本明細書において、圧縮行程の初期は、給気弁閉弁時点から混合ガスの温度が最も均一化される時点までの期間として定義される。圧縮行程の中期は、圧縮行程初期の終了時点から燃料分解開始時点θ１より所定クランク角度θｙ（例えば、２０〜３０度のクランク角度）前の時点までの期間として定義される。圧縮行程の後期は、圧縮行程中期の終了時点から着火時期までの期間として定義される。着火時期は、便宜上、最大発生熱量の５％の熱量が発生したときと定義される。
以上を要約すると、燃焼反応成分の濃度分布を圧縮行程開始時から圧縮行程後期まで維持することは難しく、且つ、燃焼反応成分の濃度分布の燃焼に対する影響は相対的に小さいと言うことができる。また、混合ガスの温度分布を圧縮行程後期まで維持することは燃焼反応成分の濃度分布を維持することに比較してそれほど困難でなく、且つ、混合ガスの温度分布の燃焼に対する影響は相対的に大きいと言うことができる。従って、予混合圧縮自着火式内燃機関においては、圧縮行程中に混合ガスの温度分布を形成することが、燃焼を緩慢にして燃焼期間を長期化することに対して効果的であると言うことができる。
次に、シリンダの壁温と燃焼期間との関係をシミュレーションにより調べた。上述したように、混合ガスの温度の不均一性はシリンダ壁面と混合ガスとの間の伝熱によってもたらされると考えられるからである。シミュレーション結果を図５に示す。図５から、シリンダ壁温が低いほど温度分布は広くなり（温度の不均一性は大きくなり）、その結果、燃焼期間が長くなっていることが理解される。換言すると、混合ガスとシリンダ壁面との間の熱伝達を大きくすることは、燃焼期間の長期化に有効であると言える。
次に、圧縮行程期間中のどのような時期に温度分布を形成することが燃焼を緩慢にすること（燃焼期間の長期化）に対して効果的であるかについて検討した。いま、燃焼室内の乱流に対して燃焼反応が極端に早いとすれば、燃焼は殆ど乱流の影響を受けない。一方、燃焼室内の乱流に対して燃焼反応が極端に遅いとすれば、燃焼は燃焼室内の乱流によるガスの混合現象に大きく依存することになる。
図６は、圧縮行程中においてガスが混合される度合い（ガスの混合度合）の変化を計算により求めた結果を示している。この計算から、ガスの混合度合は、圧縮行程の開始後（圧縮行程初期）に直ちに減衰し、圧縮行程中期〜圧縮行程後期までの期間においては、殆ど変化しないことが判明した。即ち、乱流による混合ガスの活発な混合は、圧縮行程初期において相対的に非常に強く生じる。
図７は、圧縮行程中における燃焼反応速度（化学反応速度）の度合の変化を計算により求めた結果を示している。この計算から、燃焼反応は、圧縮行程の初期から中期までの期間において混合ガスの温度が高くないために殆ど進まず、圧縮行程後期において混合ガスの温度が高くなると一気に進行することが判明した。
以上の検討から、次の結論が導き出される。
（１）圧縮行程初期においては、乱流による混合ガスの混合が急激に進行する。従って、圧縮行程初期において広い温度分布を有する混合ガスが形成されても（混合ガスの温度の不均一性が大きくされても）、その広い温度分布は燃焼反応が活発化する圧縮行程後期まで残存することができない。従って、圧縮行程初期に広い温度分布の混合ガスを形成しても、燃焼を長期化することはできない。
（２）圧縮行程中期においては、混合ガスの混合の進行が緩慢に進む。これに対し、燃焼反応は徐々に活発化する。但し、この燃焼反応は、爆発的な燃焼反応よりは進行が遅い「着火に到るための予反応」である。この予反応は比較的緩慢に進行するから、乱流による混合ガスの混合の影響は予反応により打ち消されてしまうことはなく、後に発生する爆発的な燃焼反応に影響を及ぼすことができる。従って、圧縮行程中期において、混合ガスの温度の不均一性を大きくすれば（混合ガスの空間的な温度分布が広くなるように混合ガスに何らかの作用を施せば）、燃焼を緩慢にすることができる。また、乱流による混合ガスの混合は、混合ガスとシリンダ壁面との間の伝熱を活発化するとともに、シリンダ壁面により冷却された混合ガスを周辺の混合ガスと混合させるから、燃焼を効果的に緩慢化することができる。
（３）圧縮行程後期（特に、燃料分解開始時期以降）においては、燃焼反応は、ガスの混合度合の進行に比較して非常に早く進行する。従って、この時期に温度不均一性を追加的に付与しても、ガスの混合の進行によって低温の領域に燃料の粒子が存在するようになる前に燃焼が開始してしまうので、燃焼を緩慢にすることができない。
以上から、圧縮行程中期における混合ガスの流れによる混合を利用して燃料分解開始時期における混合ガスの温度不均一性を大きくすることが、燃焼を緩慢にし、燃焼期間の長期化に効果的であるという結論に到達した。
実際、燃料分解開始時期における燃焼室内の混合ガスの温度分布を変化させ、燃焼期間がどのように変化するかを計算により調べ、結果を図８に示した。図８から、燃焼期間は、燃料分解開始時期における燃焼室内の混合ガスの最高温度（筒内最高温度）と最低温度（筒内最低温度）との差に略比例する（例えば、温度差を２０Ｋから４０Ｋへと２倍にしたとき約２倍となる。）ことが理解できる。従って、燃料分解開始時期における混合ガスの温度不均一性を大きくすることが燃焼を変化させるために効果的であるという上記結論の妥当性が確認できた。
本発明による内燃機関の制御装置の各実施形態は、上述した検討に基づいてなされたものであり、圧縮行程中期において混合ガスの温度不均一性を大きくするように同混合ガスに何らかの作用（例えば、種々の高圧ガスを噴射する等の作用）を施し、この作用と圧縮行程中期の乱流による混合ガスの混合とを利用して燃料分解開始時期における混合ガスの温度の不均一性を大きくすることにより、燃焼を緩慢化する。
次に、本発明による内燃機関の制御装置の各実施形態について図面を参照しつつ説明する。
（第１実施形態）
図９は、本発明の第１実施形態に係る内燃機関の制御装置を２サイクル予混合圧縮自着火式内燃機関に適用したシステムの概略を示している。２サイクル内燃機関とは、クランク角度が３６０度経過する毎に、膨張行程、排気行程、掃気行程、給気行程及び圧縮行程を繰り返す内燃機関をいう。
予混合圧縮自着火式内燃機関１０は、シリンダブロック、シリンダブロックロワーケース及びオイルパン等を含むシリンダブロック部２０と、シリンダブロック部２０の上に固定されるシリンダヘッド部３０と、シリンダブロック部２０に空気（新気）を供給するための給気系統４０と、シリンダブロック部２０からの排ガスを外部に放出するための排気系統５０とを含んでいる。
シリンダブロック部２０は、シリンダ２１、ピストン２２、コンロッド２３及びクランク軸２４を含んでいる。ピストン２２はシリンダ２１内を往復動し、ピストン２２の往復動がコンロッド２３を介してクランク軸２４に伝達され、これにより同クランク軸２４が回転するようになっている。シリンダ２１とピストン２２のヘッドは、シリンダヘッド部３０とともに燃焼室２５を形成している。
シリンダヘッド部３０は、燃焼室２５に連通した給気ポート３１、給気ポート３１を開閉する給気弁３２、給気弁３２を駆動する給気弁駆動機構３２ａ、燃焼室２５に連通した排気ポート３３、排気ポート３３を開閉する排気弁３４、排気弁３４を駆動する排気弁駆動機構３４ａ、点火プラグ３５、点火プラグ３５に与える高電圧を発生するイグニッションコイルを含むイグナイタ３６、燃料（ガソリン燃料）を燃焼室２５内に噴射するインジェクタ（ガソリン燃料噴射弁、燃料噴射弁）３７及び空気噴射弁３８を備えている。給気弁駆動機構３２ａ及び排気弁駆動機構３４ａは、駆動回路３９に接続されていていて、駆動回路３９からの信号に応答して、給気弁３２及び排気弁３４をそれぞれ開閉するようになっている。
インジェクタ３７は、蓄圧室３７ａ、燃料ポンプ３７ｂ及び図１０に示した燃料タンク３７ｃに順に接続されている。燃料ポンプ３７ｂは駆動信号に応答して燃料タンク３７ｃ内の燃料を高圧にしてから蓄圧室３７ａに供給するようになっている。蓄圧室３７ａは高圧の燃料を貯蔵するようになっている。これにより、インジェクタ３７は、駆動信号に応答して開弁したとき、燃焼室２５内に高圧の燃料を噴射するようになっている。なお、これらは燃料噴射手段を構成している。
空気噴射弁３８は、図１０に示したように、空気蓄圧タンク３８ａ、熱交換器３８ｂ、空気圧縮機（空気圧縮ポンプ）３８ｃ及びエアクリーナ３８ｄに順に接続されている。空気圧縮機３８ｃは、駆動信号に応答してエアクリーナ３８ｄを経由して導入した空気を圧縮し、圧縮した空気を熱交換器３８ｂに供給するようになっている。熱交換器３８ｂは、圧縮された空気を冷却し、冷却した空気を空気蓄圧タンク３８ａに供給するようになっている。空気蓄圧タンク３８ａは、冷却された高圧の空気を貯蔵するようになっている。空気噴射弁３８は、燃焼室２５に臨み、高圧空気をシリンダ２１のボア（シリンダボア）の接線方向に噴射するように配設されている。以上の構成により、空気噴射弁３８は、駆動信号に基づいて開弁したとき、シリンダボアの接線方向に沿って燃焼室２５内に高圧且つ低温の空気を噴射するようになっている。なお、これらは高圧流体噴射手段としての空気噴射手段を構成している。
再び図９を参照すると、給気系統４０は、給気ポート３１に連通し同給気ポート３１とともに給気通路を形成するインテークマニホールド４１、インテークマニホールド４１に連通したサージタンク４２、サージタンク４２に一端が接続された給気ダクト４３、給気ダクト４３の他端部から下流（インテークマニホールド４１）に向けて順に給気ダクト４３に配設されたエアフィルタ４４、ターボチャージャ９１のコンプレッサ９１ａ、バイパス流量調整弁４５、インタークーラ４６及びスロットルバルブ４７を備えている。
給気系統４０は、更に、バイパス通路４８を備えている。バイパス通路４８の一端はバイパス流量調整弁４５と接続され、他端はインタークーラ４６とスロットルバルブ４７の間の位置にて給気ダクト４３に接続されている。バイパス流量調整弁４５は、駆動信号に応答して図示しないバルブ開度を変更することにより、インタークーラ４６へ流入する空気量とインタークーラ４６をバイパスする空気量（バイパス通路４８へ流入する空気量）とを調整できるようになっている。
インタークーラ４６は水冷式であって、給気ダクト４３を通過する空気を冷却するようになっている。インタークーラ４６は、インタークーラ４６内の冷却水の熱を大気中に放出するラジエタ４６ａと、インタークーラ４６とラジエタ４６ａの間で冷却水を循環する循環ポンプ４６ｂとに接続されている。
スロットルバルブ４７は給気ダクト４３内において同給気ダクト４３に回動可能に支持されている。スロットルバルブ４７は、スロットルバルブ駆動手段を構成するスロットルバルブアクチュエータ４７ａと接続されている。スロットルバルブ４７は、スロットルバルブアクチュエータ４７ａにより回転駆動され、給気ダクト４３の開口断面積を変更するようになっている。
排気系統５０は、排気ポート３３に連通し同排気ポート３３とともに排気通路を形成するエキゾーストマニホールドを含む排気管５１、排気管５１内に配設されたターボチャージャ９１のタービン９１ｂ、タービン９１ｂをバイパスするように両端がタービン９１ｂの上流及び下流において排気管５１に連通されたウェストゲート通路５２、ウェストゲート通路５２に配設された過給圧調整弁５２ａ及びタービン９１ｂの下流の排気管５１に配設された三元触媒装置５３を備えている。
このような配置により、ターボチャージャ９１のタービン９１ｂは排ガスのエネルギーにより回転し、これにより給気系統４０のコンプレッサ９１ａが回転して空気を圧縮する。これにより、ターボチャージャ９１は、内燃機関１０に空気を過給するようになっている。過給圧調整弁５２ａは、駆動信号に応答してタービン９１ｂへ流入する排ガス量を調整し、これにより、給気通路４１内の圧力（過給圧）を調整するようになっている。なお、過給圧は内燃機関１０の負荷（例えば、アクセルペダル操作量Accp）とエンジン回転速度NEとにより定まる目標過給圧と一致するように、過給圧調整弁５２ａなどにより制御されるようになっている。
一方、このシステムは、エアフローメータ６１、クランクポジションセンサ６２、筒内圧センサ６３及びアクセル開度センサ６４を備えている。エアフローメータ６１は吸入された空気量Gaを表す信号を出力するようになっている。クランクポジションセンサ６２は、クランク軸２４が一定微少角度だけ回転する毎に幅狭のパルスを有するとともに同クランク軸２４が３６０°回転する毎に幅広のパルスを有する信号を出力するようになっている。この信号は、エンジン回転速度NE及びクランク角度CAを表す。筒内圧センサ６３は、燃焼室２５内の圧力（筒内圧）Paを表す信号を出力するようになっている。アクセル開度センサ６４は、運転者によって操作されるアクセルペダル６５の操作量Accpを表す信号を出力するようになっている。
電気制御装置７０は、互いにバスで接続されたＣＰＵ７１、ＣＰＵ７１が実行するプログラム、テーブル（ルックアップテーブル、マップ）及び定数等を予め記憶したＲＯＭ７２、ＣＰＵ７１が必要に応じてデータを一時的に格納するＲＡＭ７３、電源が投入された状態でデータを格納するとともに同格納したデータを電源が遮断されている間も保持するバックアップＲＡＭ７４並びにＡＤコンバータを含むインターフェース７５等からなるマイクロコンピュータである。
インターフェース７５は、前記センサ６１〜６４と接続され、ＣＰＵ７１にセンサ６１〜６４からの信号を供給するようになっている。インターフェース７５は、イグナイタ３６、インジェクタ３７、燃料ポンプ３７ｂ、空気噴射弁３８、空気圧縮機３８ｃ、駆動回路３９、バイパス流量調整弁４５、スロットルバルブアクチュエータ４７ａ及び過給圧調整弁５２ａと接続されていて、ＣＰＵ７１の指示に応じてこれらに駆動信号を送出するようになっている。
次に、上記のように構成された内燃機関の制御装置の作動について説明する。電気制御装置７０のＣＰＵ７１は、図１１にフローチャートにより示した運転領域判定ルーチンを所定時間の経過毎に繰り返し実行するようになっている。
従って、所定のタイミングになると、ＣＰＵ７１はステップ１１００から処理を開始してステップ１１０５に進み、現時点の負荷（この例では、アクセルペダル操作量Accp）及び現時点のエンジン回転速度NEと、図１２に示した領域判定マップとに基づいて、内燃機関の運転状態が２サイクル自着火領域Ｒ１（混合ガス温度分布制御なし）にあるか否かを判定する。
図１２に示したように、自着火領域は、２サイクル自着火領域Ｒ１（混合ガス温度分布制御なし）と２サイクル自着火領域Ｒ２（混合ガス温度分布制御あり）とからなる。２サイクル自着火領域Ｒ１は、２サイクル自着火領域のうちの軽負荷域及び中負荷域である。２サイクル自着火領域Ｒ２は、自着火領域のうちの高負荷域である。２サイクル火花点火領域Ｒ３は、２サイクル自着火領域よりも高負荷側かつ高回転側の領域である。
いま、内燃機関の運転状態が２サイクル自着火領域Ｒ１にあると仮定して説明を続ける。この場合、ＣＰＵ７１はステップ１１０５にて「Ｙｅｓ」と判定し、ステップ１１１０に進んでフラグXR1の値を「１」に設定するとともにフラグXR2の値を「０」に設定し、ステップ１１９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。
一方、ＣＰＵ７１は図１３にフローチャートにより示した内燃機関の制御量及び制御時期を決定するルーチンを、クランク角度が上死点（又は、上死点から上死点後９０度までの所定のクランク角度）に一致する毎に実行するようになっている。
従って、所定のタイミングになると、ＣＰＵ７１はステップ１３００から処理を開始してステップ１３０５に進み、現時点のアクセルペダル操作量Accp及び現時点のエンジン回転速度NEと、アクセルペダル操作量Accp及びエンジン回転速度NEと燃料噴射量TAUとの関係を規定するテーブルMapTAUとに基づいて燃料噴射量TAU（＝MapTAU(Accp，NE)）を決定する。
なお、以下の説明において、MapX(a,b)と標記されるテーブルは、変数ａ及び変数ｂと値Ｘとの関係を規定するテーブルを意味することとする。また、値ＸをテーブルMapX(a,b)に基づいて求めるとは、値Ｘを現時点の変数ａ及び現時点の変数ｂと、テーブルMapX(a,b)とに基づいて求める（決定する）ことを意味することとする。
次に、ＣＰＵ７１はステップ１３１０に進んで燃料噴射開始時期θinjをテーブルMapθinj(Accp，NE)に基づいて求め、ステップ１３１５に進んで排気弁開弁時期ＥＯをテーブルMapEO(Accp,NE)に基づいて求める。続いて、ＣＰＵ７１はステップステップ１３２０に進んで給気弁開弁時期ＩＯをテーブルMapIO(Accp，NE)に基づいて求めるとともに、ステップ１３２５に進んで排気弁閉弁時期ＥＣをテーブルMapEC(Accp,NE)に基づいて求める。
次に、ＣＰＵ７１はステップ１３３０に進んで給気弁閉弁時期ＩＣをテーブルMapIC(Accp,NE)に基づいて求め、続くステップ１３３５にてフラグXR1の値が「１」であるか否かを判定する。前述したように、現時点では、内燃機関１０は２サイクル自着火領域Ｒ１で運転されているから、フラグXR1の値は「１」に設定されている。従って、ＣＰＵ７１はステップ１３３５にて「Ｙｅｓ」と判定し、ステップ１３９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。
更に、ＣＰＵ７１は、図１４にフローチャートにより示した駆動制御ルーチンを、クランク角度が微少のクランク角度だけ経過する毎に実行するようになっている。従って、所定のタイミングになると、ＣＰＵ７１はステップ１４００から本ルーチンの処理を開始してステップ１４０５に進み、現時点のクランク角度が前述した図１３のステップ１３１５にて決定された排気弁開弁時期ＥＯと一致しているか否かを判定する。そして、現時点のクランク角度が排気弁開弁時期ＥＯと一致していると、ＣＰＵ７１はステップ１４０５にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ１４１０に進み、駆動回路３９に対し排気弁３４を開弁するための駆動信号を送出する。これにより、排気弁駆動機構３４ａが作動し、排気弁３４が開弁せしめられる。
以降、ＣＰＵ７１はステップ１４１５〜１４５０の処理に従って、排気弁３４を開弁させる場合と同様に各種の駆動信号を適当なタイミングにて発生し、以下に記述する各種の動作を行う。
ステップ１４１５及びステップ１４２０…クランク角度が図１３のステップ１３２０にて決定された給気弁開弁時期ＩＯとなったとき、給気弁３２を開弁するための駆動信号を駆動回路３９に対して発生し、給気弁３２を給気弁駆動機構３２ａの作動により開弁する。
ステップ１４２５及びステップ１４３０…クランク角度が図１３のステップ１３１０にて決定された燃料噴射開始時期θinjとなったとき、インジェクタ３７を燃料噴射量TAUに応じた時間だけ開弁し、燃料噴射量TAUの燃料を燃焼室２５内に噴射する。
ステップ１４３５及びステップ１４４０…クランク角度が図１３のステップ１３２５にて決定された排気弁閉弁時期ＥＣとなったとき、排気弁３４を閉弁するための駆動信号を駆動回路３９に対して発生し、排気弁３４を排気弁駆動機構３４ａの作動により閉弁する。
ステップ１４４５及びステップ１４５０…クランク角度が図１３のステップ１３３０にて決定された給気弁閉弁時期ＩＣとなったとき、給気弁３２を閉弁するための駆動信号を駆動回路３９に対して発生し、給気弁３２を給気弁駆動機構３２ａの作動により閉弁する。
次に、ＣＰＵ７１はステップ１４５５に進み、フラグXR2の値が「１」に設定されているか否かを判定する。この場合、フラグXR2の値は先のステップ１１１０にて「０」に設定されている。従って、ＣＰＵ７１はステップ１４５５にて「Ｎｏ」と判定してステップ１４７０に直接進み、フラグXR1の値及びフラグXR2の値の両者が共に「０」に設定されているか否かを判定する。この場合、フラグXR1の値が「１」に設定されているから、ＣＰＵ７１はステップ１４７０にて「Ｎｏ」と判定し、ステップ１４９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。
以上により、図１５に示したように、排気弁開弁時期ＥＯにて排気弁３４が開弁して排気期間（排気行程）が開始し、燃焼室２５から排気ポート３３へ高温の燃焼ガスが排出され始める。次いで、給気弁開弁時期ＩＯにて給気弁３２が開弁して掃気期間（掃気行程）が開始する。掃気期間では、給気ポート３１から燃焼室２５へ低温の空気（新気）が導入され、また、この空気の導入により、燃焼室２５から排気ポート３３へ高温の燃焼ガスが排出される。
そして、下死点付近の適切な燃料噴射開始時期θinjにて燃料噴射が実行され、燃焼室２５内に燃焼ガス、空気及び燃料からなる混合ガスが形成され始める。その後、排気弁閉弁時期ＥＣにて排気弁３４が閉弁して掃気期間が終了するとともに過給期間（給気行程）が開始し、更に空気が燃焼室２５内に供給される。次に、給気弁閉弁時期ＩＣにて給気弁３２が閉弁して過給期間が終了するとともに圧縮行程が開始する。その後、クランク角度が上死点（ＴＤＣ）近傍になると、混合ガスは自着火し膨張行程が開始する。なお、この場合、内燃機関の運転状態は２サイクル自着火領域Ｒ１にあるから、後述する高圧空気の噴射及び点火は実行されない。
次に、内燃機関の運転状態が２サイクル自着火領域Ｒ２（混合ガス温度分布制御あり）に移行したと仮定して説明を続ける。この領域Ｒ２は、内燃機関の運転状態が自着火運転領域（領域Ｒ１と領域Ｒ２を合わせた領域）にあって、内燃機関の負荷が第１の高負荷閾値以上の高負荷であると言うこともできる。
この場合、ＣＰＵ７１は図１１のステップ１１０５にて「Ｎｏ」と判定してステップ１１１５に進み、現時点の負荷及び現時点の回転速度NEと、図１２に示した領域判定マップとに基づいて、内燃機関の運転状態が２サイクル自着火領域Ｒ２にあるか否かを判定する。そして、ＣＰＵ７１はステップ１１１５にて「Ｙｅｓ」と判定し、ステップ１１２０に進んでフラグXR1の値を「０」に設定するとともにフラグXR2の値を「１」に設定し、ステップ１１９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。
このとき、ＣＰＵ７１が図１３のステップ１３００から処理を開始すると、ステップ１３０５〜ステップ１３３０の処理を実行してステップ１３３５に進む。そして、ＣＰＵ７１は、ステップ１３３５にて「Ｎｏ」と判定してステップ１３４０に進み、フラグXR2の値が「１」であるか否かを判定する。この場合、フラグXR2の値は「１」である。従って、ＣＰＵ７１はステップ１３４０にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ１３４５に進み、ガス噴射開始時期（この実施形態では、空気噴射開始時期）θaddをテーブルMapθadd(Accp,NE)に基づいて決定し、その後、ステップ１３９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。テーブルMapθadd(Accp,NE)は、ガス噴射開始時期θaddが圧縮行程の中期に存在するように設定されている。
以降、ＣＰＵ７１が図１４に示したルーチンを実行すると、同ＣＰＵ７１はステップ１４００乃至ステップ１４５０の処理により上述した排気弁３４や給気弁３２等の開閉制御等を実行する。また、この場合、フラグXR2の値は「１」に設定されている。従って、ＣＰＵ７１はステップ１４５５にて「Ｙｅｓ」と判定するようになり、ステップ１４６０及びステップ１４６５によってクランク角度が図１３に示したステップ１３４５にて決定したガス噴射開始時期（空気噴射開始時期）θaddとなったとき、空気噴射弁３８を所定時間だけ開弁する。一方、ＣＰＵ７１は、ステップ１４７０に進んだとき、同ステップ１４７０にて「Ｎｏ」と判定し、ステップ１４９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。
このように、内燃機関の運転状態が２サイクル自着火領域Ｒ２にある場合（フラグXR2
の値が「１」に設定されている場合）、図１５に示したように、クランク角度がガス噴射開始時期θaddとなると、低温で高圧の空気がシリンダボアの接線方向に沿って少なくとも圧縮行程中期に噴射される。従って、この時点において、燃焼室２５内の比較的高温の混合ガスに低温の高圧空気が噴射されるので、混合ガスの温度の不均一性が増大する。換言すると、混合ガスの温度分布が拡大せしめられるように、噴射された高圧の空気が混合ガスに作用する。
前述したように、この時期に形成された温度の不均一性は、圧縮行程後期の燃料分解開始時期（燃料の濃度が初期値の９０％になった時点、燃料の１０％が分解された時期）まで持続する。この結果、燃料分解開始時期における混合ガスの不均一性は、高圧空気の噴射がなく圧縮行程の圧縮のみによって形成される混合ガスの不均一性よりも大きくなる。従って、自着火及び燃焼が緩慢となり、燃焼期間が増大するので、圧力上昇率が過大とならず、騒音（燃焼音）が小さくなる。
次に、内燃機関の運転状態が２サイクル火花点火運転領域Ｒ３に移行したと仮定して説明を続ける。この場合、ＣＰＵ７１は図１１のステップ１１０５及びステップ１１１５にて「Ｎｏ」と判定してステップ１１２５に進み、フラグXR1及びフラグXR2の値を共に「０」に設定し、ステップ１１９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。
このとき、ＣＰＵ７１が図１３のステップ１３００から処理を開始すると、同ＣＰＵ７１は、ステップ１３０５〜ステップ１３３０の処理を実行し、続くステップ１３３５及びステップ１３４０の両ステップにて「Ｎｏ」と判定してステップ１３５０に進む。ＣＰＵ７１は、ステップ１３５０にて、点火時期θigをテーブルMapθig(Accp,NE)に基づいて決定し、その後、ステップ１３９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。
以降、ＣＰＵ７１が図１４に示したルーチンを実行すると、同ＣＰＵ７１はステップ１４００乃至ステップ１４５０の処理により上述した排気弁３４や給気弁３２等の開閉制御等を実行する。また、この場合、フラグXR1及びフラグXR2の値は「０」に設定されている。従って、ＣＰＵ７１はステップ１４５５にて「Ｎｏ」と判定して直接ステップ１４７０に進み、同ステップ１４７０にて「Ｙｅｓ」と判定するようになる。この結果、ステップ１４７５及びステップ１４８０によってクランク角度が点火時期θigとなったとき、ＣＰＵ７１はイグナイタ３６に駆動信号（点火信号）を送出し、点火プラグ３５による混合ガスの火花点火を行う。
以上、説明したように、第１実施形態に係る内燃機関の制御装置によれば、圧縮行程中期において低温且つ高圧の空気（高圧流体）が空気噴射弁３８から燃焼室２５内に噴射される。これにより、遅くとも燃料分解開始時期よりもクランク角度で２０〜３０度早い時点における混合ガスの温度不均一性が大きくなり、且つ、この時点の温度不均一性は燃料分解開始時期まで持続する。また、空気噴射がなされた時点からクランク角度で２０〜３０度だけ時間が経過する間に、空気と混合ガス（燃料）との混合が進む。従って、燃料分解開始時期の混合ガスが、燃焼の緩慢化をもたらす有意で大きな温度不均一性を有することになるので、燃焼が緩慢化され、燃焼期間が長期化せしめられる。その結果、圧力上昇率が過大になることが防止され、騒音（燃焼音）が低減される。
更に、第１実施形態においては、低温の高圧空気がシリンダボアの接線方向に沿って燃焼室２５内に噴射されるので、燃焼室２５内にスワール流が発生する。従って、混合ガスと混合ガスよりも温度の低いシリンダ２１の壁面との間の伝熱が促進されて、シリンダ２１の壁面の熱伝達率が高められる。その結果、混合ガスの温度不均一性をより効果的に形成することができる。
加えて、この実施形態は、高圧の空気をそれよりも低圧の燃焼室２５内の混合ガス内に噴射するので、高圧空気の断熱膨張効果によって同空気の温度は低下する。従って、混合ガスに対し、より効果的に温度不均一性を付与することができる。
一方、このような空気噴射によれば、低温部がシリンダ２１の壁面付近において環状に形成される。他方、燃焼室２５の中央部に存在する混合ガスの温度は低下しないから、中央部の混合ガスの着火性は空気噴射を行わない場合に比べて大きく変化しない。従って、着火時期を大きく変化させることなく、燃焼期間の長期化だけを容易に達成することができる。
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る内燃機関の制御装置について説明する。第２実施形態に係る制御装置は、高圧の空気に代え、高圧流体としての高圧の水素ガス（又は高圧の一酸化炭素ガス）を燃焼室２５内に噴射する点において第１実施形態の制御装置と相違している。従って、以下、かかる相違点を中心として説明する。
この制御装置は、図１６に示したように、空気噴射弁３８に代わるガス噴射弁８１を備えている。ガス噴射弁８１は、ガス蓄圧タンク８１ａ、熱交換器８１ｂ、ガス圧縮機（ガスポンプ）８１ｃ及びガスタンク８１ｄに順に接続されている。ガス圧縮機８１ｃは、駆動信号に応答してガスタンク８１ｄ内の水素ガスを圧縮し、圧縮した水素ガスを熱交換器８１ｂに供給するようになっている。熱交換器８１ｂは、圧縮された水素ガスを冷却し、冷却した水素ガスをガス蓄圧タンク８１ａに供給するようになっている。ガス蓄圧タンク８１ａは、冷却された高圧の水素ガスを貯蔵するようになっている。ガス噴射弁８１は、燃焼室２５に臨み、高圧の水素ガスをシリンダ２１のボア（シリンダボア）の接線方向に噴射するように配設されている。
以上の構成により、ガス噴射弁８１は、駆動信号に基づいて開弁したとき、シリンダボアの接線方向に沿って燃焼室２５内に高圧且つ低温の水素ガスを噴射するようになっている。
第２実施形態に係る電気制御装置７０は、第１実施形態の電気制御装置７０とほぼ同様に作動する。但し、図１３のステップ１３４５において使用されるテーブルMapθadd(Accp,NE)は、水素ガス用に適合されている。
このように、第２実施形態に係る内燃機関の制御装置によれば、圧縮行程中期において冷却された水素ガスがガス噴射弁８１から燃焼室２５内に噴射される。これにより、混合ガス内に水素分子が不均一（斑状）に存在することとなり、この水素分子により遅くとも燃料分解開始時期よりもクランク角度で２０〜３０度だけ早い時点における混合ガスの温度不均一性が大きくなる。
この時点の温度不均一性は燃料分解開始時期まで持続する。また、水素ガス噴射がなされた時点からクランク角度で２０〜３０度だけ時間が経過する間に、水素分子と混合ガス（燃料）との混合が進む。これにより、燃料分解開始時期の混合ガスが、燃焼の緩慢化をもたらす有意で大きな温度不均一性を有することになるので、燃焼が緩慢化され、燃焼期間が長期化せしめられる。その結果、圧力上昇率が過大になることが防止され、騒音（燃焼音）が低減される。
更に、第２実施形態においては、低温で高圧の水素ガスがシリンダボアの接線方向に沿って燃焼室２５内に噴射されるので、燃焼室２５内にスワール流が発生する。従って、混合ガスと混合ガスよりも温度の低いシリンダ２１の壁面との間の伝熱が促進されて、シリンダ２１の壁面の熱伝達率が高められる。その結果、温度不均一性をより効果的に形成することができる。
また、水素は、ガソリン（燃料）が自着火する際に生成される中間生成物の発生を抑制すると考えられている。従って、水素とガソリンの混合ガスは、水素を含まないガソリン（或いは軽油）の混合ガスよりも着火に時間を要する。従って、第２実施形態によれば、混合ガスの温度の不均一性のみでなく、混合ガスに着火を遅らせる水素ガスが混在することによる濃度不均一性により、燃焼期間を効果的に長期化することができる。
加えて、第２実施形態は、高圧の水素ガスをそれよりも低圧の燃焼室２５内の混合ガス内に噴射するので、高圧水素ガスの断熱膨張効果によって同水素ガスの温度は低下する。従って、混合ガスに対し、より効果的に温度不均一性を付与することができる。
一方、このような水素ガス噴射によれば、低温部がシリンダ２１の壁面付近において環状に形成される。他方、燃焼室２５の中央部に存在する混合ガスの温度は低下しないから、中央部の混合ガスの着火性は水素ガス噴射を行わない場合に比べて大きく変化しない。従って、着火時期を大きく変化させることなく、燃焼期間の長期化だけを容易に達成することができる。
また、第２実施形態においては、水素濃度が高い部分が遅れて燃焼を開始する。一方、水素は一旦着火されれば反応性の高いガスである。この結果、燃焼後期において多量に発生する傾向を有する炭化水素ＨＣ及び一酸化炭素ＣＯの生成量を減少することができる。
なお、第２実施形態では水素Ｈ２を使用しているが、水素ガスに代え一酸化炭素ガスＣＯを噴射しても、水素ガスを噴射した場合と同様な効果が得られる。但し、水素は自着火し難い（自着火性が悪い）が、着火すると燃焼が早く進むという特性を有している。これに対し、一酸化炭素は、ガソリンと同程度に自着火し易い（ガソリンと同程度の自着火性を有する）が、着火すると燃焼が遅く進むという特性を有している。従って、一酸化炭素を高圧流体として使用した場合、着火時期を遅らせるよりも、燃焼速度を低下させることによる燃焼期間の長期化がもたらされる。
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に係る内燃機関の制御装置について説明する。第３実施形態に係る制御装置は、高圧の空気に代えて、燃焼室２５から取り出されて圧縮及び冷却がなされた高圧流体としての燃焼ガス（既燃ガス、ＥＧＲガス、排ガス）を再度燃焼室２５内に噴射する点において第１実施形態の制御装置と相違している。従って、以下、かかる相違点を中心として説明する。
この制御装置は、図１７に示したように、空気噴射弁３８に代わるガス噴射弁８２を備えている。ガス噴射弁８２は、ガス蓄圧タンク８２ａ、熱交換器８２ｂ、ガス圧縮機（ガスポンプ）８２ｃ及びＥＧＲガス通路８２ｄを経由して排気ポート３３に接続されている。ガス圧縮機８２ｃは、駆動信号に応答して排気ポート３３から導入した燃焼ガスを圧縮し、圧縮した燃焼ガスを熱交換器８２ｂに供給するようになっている。熱交換器８２ｂは、圧縮された燃焼ガスを冷却し、冷却した燃焼ガスをガス蓄圧タンク８２ａに供給するようになっている。ガス蓄圧タンク８２ａは、冷却された高圧の燃焼ガスを貯蔵するようになっている。ガス噴射弁８２は、燃焼室２５に臨み、高圧の燃焼ガスをシリンダ２１のボア（シリンダボア）の接線方向に噴射するように配設されている。
以上の構成により、ガス噴射弁８２は、駆動信号に基づいて開弁したとき、シリンダボアの接線方向に沿って燃焼室２５内に高圧且つ低温の燃焼ガスを噴射するようになっている。
第３実施形態に係る電気制御装置７０は、第１実施形態の電気制御装置７０と同様に作動する。但し、図１３のステップ１３４５において使用されるテーブルMapθadd(Accp,NE)は、燃焼ガス用に変更されている。
この第３実施形態に係る内燃機関の制御装置によれば、圧縮行程中期において排気ポート３３（排気通路）から取り出され、加圧・冷却された高圧で低温の燃焼ガスがガス噴射弁８２から燃焼室２５内に噴射される。これにより、遅くとも燃料分解開始時期よりもクランク角度で２０〜３０度だけ早い時点における混合ガスの温度不均一性が大きくなり、且つ、この時点の温度不均一性は燃料分解開始時期まで持続する。
また、燃焼ガスの噴射がなされた時点からクランク角度で２０〜３０度だけ時間が経過する間に、燃焼ガスの分子と混合ガス（燃料）との混合が進む。従って、燃料分解開始時期の混合ガスが、燃焼の緩慢化をもたらす有意で大きな温度不均一性を有することになるので、燃焼が緩慢化され、燃焼期間が長期化せしめられる。その結果、圧力上昇率が過大になることが防止され、騒音（燃焼音）が低減される。
更に、第３実施形態においては、低温で高圧の燃焼ガスがシリンダボアの接線方向に沿って燃焼室２５内に噴射されるので、燃焼室２５内にスワール流が発生する。従って、混合ガスと混合ガスよりも温度の低いシリンダ２１壁面との間の伝熱が促進されて、シリンダ２１の壁面の熱伝達率が高められる。その結果、温度不均一性をより効果的に形成することができる。
また、燃焼ガス中の酸素濃度は空気中の酸素濃度よりも小さい。従って、第３実施形態のように燃焼ガスを噴射すると、空気を噴射した場合よりも着火に遅れが生じる。更に、燃焼ガスの比熱は空気の比熱よりも大きい。従って、第３実施形態のように低温の燃焼ガスを噴射すると、低温の燃焼ガス濃度が高い部分の混合ガスの温度上昇が遅れるから、同部分の混合ガスは他の部分の混合ガスよりも遅れて着火する。従って、混合ガスの温度不均一性のみでなく、混合ガスに着火を遅らせる燃焼ガスが混在することによる濃度不均一性により、燃焼期間を効果的に長期化することができる。
加えて、第３実施形態は、高圧の燃焼ガスをそれよりも低圧の燃焼室２５内の混合ガス内に噴射するので、燃焼ガスの断熱膨張効果によって同燃焼ガスの温度は低下する。従って、混合ガスに対し、より効果的に温度不均一性を付与することができる。
一方、このような燃焼ガス噴射によれば、低温部がシリンダ２１の壁面付近において環状に形成される。他方、燃焼室２５の中央部に存在する混合ガスの温度は低下しないから、中央部の混合ガスの着火性は燃焼ガスの噴射を行わない場合に比べて大きく変化しない。従って、着火時期を大きく変化させることなく、燃焼期間の長期化だけを容易に達成することができる。
更に、第３実施形態は燃焼ガスを燃焼室２５内に噴射するようにしているので、新たに燃焼室２５内に噴射するためのガスを必要としない。従って、噴射されるガスを貯蔵するタンク等が不要であるから、装置全体を簡素化することができる。
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態に係る内燃機関の制御装置について説明する。第４実施形態に係る制御装置は、内燃機関の運転状態が２サイクル自着火領域Ｒ２にあるときに高圧の空気に代えて高圧流体としての高圧水を噴射する点、及び、内燃機関の運転状態が２サイクル火花点火運転領域Ｒ３の高負荷側領域にあるときにも高圧水を噴射する点において第１実施形態の制御装置と相違している。従って、以下、かかる相違点を中心として説明する。
この制御装置は、図１８に示したように、空気噴射弁３８に代わる水噴射弁８３を備えている。水噴射弁８３は、蓄圧タンク８３ａ、水ポンプ８３ｂ及び水タンク８３ｃに順に接続されている。水ポンプ８３ｂは、駆動信号に応答して水タンク８３ｃ内の水を圧縮し、圧縮した水を蓄圧タンク８３ａに供給するようになっている。蓄圧タンク８３ａは、高圧の水を貯蔵するようになっている。水噴射弁８３は、燃焼室２５に臨み、高圧の水を燃焼室２５の中央部に向けて噴射するように配設されている。
以上の構成により、水噴射弁８３は、駆動信号に基づいて開弁したとき、高圧の水を燃焼室２５の中央部に向けて噴射するようになっている。なお、シリンダ壁面における液膜の形成が問題とならない場合、高圧水をシリンダボアの接線方向に沿って燃焼室２５内に噴射してもよい。
第４実施形態に係る電気制御装置７０は、第１実施形態の電気制御装置７０と同様に作動する。但し、図１３のステップ１３４５において使用されるテーブルMapθadd(Accp,NE)は、高圧水用に変更されている。また、図１３のステップ１３４５、図１４のステップ１４６０及びステップ１４６５は、高圧水噴射用のステップに置換される。これらのステップは、高圧水噴射制御手段（高圧流体噴射制御手段）の一部を構成している。
更に、電気制御装置７０は、内燃機関の運転状態が２サイクル火花点火運転領域Ｒ３の高負荷側領域にあるとき（内燃機関の負荷が第２の高負荷閾値以上の高負荷であるとき）、高圧水を掃気行程から給気行程の間に噴射するようになっている。即ち、内燃機関が２サイクル火花点火運転領域Ｒ３の所定の高負荷以上の高負荷側領域で運転されているとき、ＣＰＵ７１はテーブルMapθaddk(Accp,NE)により水噴射開始時期θaddkを決定し、クランク角度が水噴射開始時期θaddkと一致したとき所定時間だけ水噴射弁８３から高圧水を噴射する。かかる機能は、高圧水噴射制御手段（高圧流体噴射制御手段）の機能の一部を構成している。
この第４実施形態に係る内燃機関の制御装置によれば、２サイクル自着火領域Ｒ２にあるとき（即ち、内燃機関の運転状態が自着火運転領域（領域Ｒ１と領域Ｒ２を合わせた領域）にあって、内燃機関の負荷が第１の高負荷閾値以上の高負荷であるとき）、高圧水が水噴射弁８３から燃焼室２５内に噴射される。従って、混合ガスは、噴射された水の大きな気化熱（潜熱）と比熱とにより部分的に冷却される。これにより、遅くとも燃料分解開始時期よりもクランク角度で２０〜３０度だけ早い時点における混合ガスの温度不均一性が大きくなり、且つ、この時点の温度不均一性は燃料分解開始時期まで持続する。
また、高圧水の噴射がなされた時点からクランク角度で２０〜３０度だけ時間が経過する間に、水と混合ガス（燃料）との混合が進む。従って、燃料分解開始時期の混合ガスが、燃焼の緩慢化をもたらす有意で大きな温度不均一性を有することになるので、燃焼が緩慢化され、燃焼期間が長期化せしめられる。その結果、圧力上昇率が過大になることが防止され、騒音（燃焼音）が低減される。
更に、第４実施形態においては、内燃機関が２サイクル火花点火運転領域Ｒ３の所定の高負荷（第２の高負荷閾値）以上の高負荷側領域で運転されているとき、高圧水を掃気行程から給気行程の間（掃気行程のみ、給気行程のみ、或いは両行程に渡る時期、或いは、圧縮行程開始前まで）に噴射する。これにより、圧縮行程初期の乱流により混合ガス全体が冷却される。この結果、空気の充填効率を向上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。この機能も、高圧水噴射制御手段（高圧流体噴射制御手段）の機能の一部である。
また、水は非圧縮性流体であるから、水ポンプ８３ｂによって容易に圧縮することができる。従って、空気等のガスからなる圧縮性流体を圧縮する場合にくらべ、水ポンプ８３ｂのポンピング仕事が小さいので、結果として、燃費を向上することができる。
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態に係る内燃機関の制御装置について説明する。第５実施形態に係る制御装置は、第４実施形態において噴射される高圧水に代えて、高圧流体としてのメタノール（メチルアルコール）などのアルコール（又は、アルコールと水との混合物）を含むガソリン燃料より自着火し難い高圧液体燃料を噴射する点において、第４実施形態の制御装置と相違している。従って、以下、かかる相違点を中心として説明する。
この制御装置は、図１９に示したように、水噴射弁８３に代わるアルコール噴射弁８４を備えている。アルコール噴射弁８４は、蓄圧タンク８４ａ、アルコールポンプ８４ｂ及びアルコールタンク８４ｃに順に接続されている。アルコールポンプ８４ｂは、駆動信号に応答してアルコールタンク８４ｃ内のアルコールを圧縮し、圧縮したアルコールを蓄圧タンク８４ａに供給するようになっている。蓄圧タンク８４ａは、高圧のアルコールを貯蔵するようになっている。アルコール噴射弁８４は、燃焼室２５に臨み、高圧のアルコールを燃焼室２５の中央部に向けて噴射するように配設されている。
以上の構成により、アルコール噴射弁８４は、駆動信号に基づいて開弁したとき、燃焼室２５の中央部に向けて高圧のアルコールを噴射するようになっている。なお、シリンダ壁面における液膜の形成が問題とならない場合、アルコールをシリンダボアの接線方向に沿って燃焼室２５内に噴射してもよい。
この第５実施形態に係る内燃機関の制御装置によれば、２サイクル自着火領域Ｒ２にあるとき、第４実施形態の高圧水噴射制御手段に代わる高圧液体燃料噴射制御手段（高圧流体噴射手段）によって、高圧のアルコールが圧縮行程開始後の所定の時期（圧縮行程中期）にアルコール噴射弁８４から燃焼室２５内に噴射される。混合ガスは、噴射されたアルコールの大きな気化熱（潜熱）と比熱とにより部分的に冷却される。遅くとも燃料分解開始時期よりもクランク角度で２０〜３０度だけ早い時点における混合ガスの温度不均一性が大きくなり、且つ、この時点の温度不均一性は燃料分解開始時期まで持続する。
また、高圧のアルコールの噴射がなされた時点からクランク角度で２０〜３０度だけ時間が経過する間に、アルコールと混合ガス（燃料）との混合が進む。従って、燃料分解開始時期の混合ガスが、燃焼の緩慢化をもたらす有意で大きな温度不均一性を有することになるので、燃焼が緩慢化され、燃焼期間が長期化せしめられる。その結果、圧力上昇率が過大になることが防止され、騒音（燃焼音）が低減される。
更に、アルコールは着火性がガソリンよりも良好でない（自着火し難い）。従って、アルコールとガソリンの混合ガスは、アルコールを含まないガソリン（或いは軽油）の混合ガスよりも着火に時間を要する。従って、第５実施形態によれば、混合ガスの温度の不均一性のみでなく、混合ガスに着火を遅らせるアルコールが混在することによる濃度不均一性により、燃焼期間を効果的に長期化することができる。
また、第５実施形態は、高圧液体燃料噴射制御手段により、内燃機関が２サイクル火花点火運転領域Ｒ３の所定の高負荷（第２の高負荷閾値）以上の高負荷側領域で運転されているとき、アルコールを掃気行程から給気行程の間（圧縮行程行程開始前）に噴射する。これにより、圧縮行程初期の乱流により混合ガス全体が冷却される。この結果、空気の充填効率を向上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。なお、噴射するアルコールとして、メタノール以外のアルコールを使用することもできる。更に、アルコールと水との混合液を使用することもできる。
（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態に係る内燃機関の制御装置について説明する。第６実施形態に係る制御装置は、第１実施形態において噴射される空気に代えて、高圧流体として、燃料を燃料改質器により部分酸化（改質）することにより形成される一酸化炭素及び水素を主成分とする合成ガスを噴射する点において、第１実施形態の制御装置と相違している。従って、以下、かかる相違点を中心として説明する。
この制御装置は、図２０に示したように、空気噴射弁３８に代わるガス噴射弁８５を備えている。ガス噴射弁８５は、ガス蓄圧タンク８５ａ、ガス圧縮機（ガスポンプ）８５ｂ及び燃料改質器８５ｃに順に接続されている。燃料改質器８５ｃは、燃料導入管８５ｄを介して燃料タンク３７ｃに接続されている。
燃料改質器８５ｃは、燃料タンク３７ｃから取り出した燃料を部分酸化させ、一酸化炭素及び水素を主成分とする合成ガス（Syngas）を生成する。ガス圧縮機８５ｂは、駆動信号に応答して燃料改質器８５ｃから供給される合成ガスを圧縮し、圧縮した合成ガスをガス蓄圧タンク８５ａに供給するようになっている。ガス蓄圧タンク８５ａは、高圧の合成ガスを貯蔵するようになっている。ガス噴射弁８５は、燃焼室２５に臨み、高圧の合成ガスをシリンダ２１のボア（シリンダボア）の接線方向に噴射するように配設されている。
以上の構成により、ガス噴射弁８５は、駆動信号に基づいて開弁したとき、シリンダボアの接線方向に沿って燃焼室２５内に高圧の合成ガスを噴射するようになっている。
第６実施形態に係る電気制御装置７０は、第１実施形態の電気制御装置７０とほぼ同様に作動する。但し、図１３のステップ１３４５において使用されるテーブルMapθadd(Accp,NE)は、合成ガス用に適合されている。
この第６実施形態に係る内燃機関の制御装置によれば、圧縮行程中期において合成ガスがガス噴射弁８５から燃焼室２５内に噴射される。これにより、遅くとも燃料分解開始時期よりもクランク角度で２０〜３０度だけ早い時点における混合ガスの温度不均一性が大きくなり、且つ、この時点の温度不均一性は燃料分解開始時期まで持続する。
また、合成ガスの噴射がなされた時点からクランク角度で２０〜３０度だけ時間が経過する間に、合成ガスと混合ガス（燃料）との混合が進む。従って、燃料分解開始時期の混合ガスが、燃焼の緩慢化をもたらす有意で大きな温度不均一性を有することになるので、燃焼が緩慢化され、燃焼期間が長期化せしめられる。その結果、圧力上昇率が過大になることが防止され、騒音（燃焼音）が低減される。
更に、第６実施形態においては、高圧の合成ガスがシリンダボアの接線方向に沿って燃焼室２５内に噴射されるので、燃焼室２５内にスワール流が発生する。従って、混合ガスと混合ガスよりも温度の低いシリンダ２１の壁面との間の伝熱が促進されて、シリンダ２１の壁面の熱伝達率が高められる。その結果、温度不均一性をより効果的に形成することができる。
また、水素は自着火し難い（自着火性が悪い）が、着火すると燃焼が早く進むという特性を有している。他方、一酸化炭素は、ガソリンと同程度に自着火し易い（ガソリンと同程度の自着火性を有する）が、着火すると燃焼が遅く進むという特性を有している。従って、合成ガスとガソリンの混合ガスは、水素の存在により、合成ガスを含まないガソリン（或いは軽油）の混合ガスよりも着火に時間を要するとともに、一酸化炭素の存在により燃焼速度が低下する。従って、第６実施形態によれば、混合ガスの温度の不均一性のみでなく、混合ガスに合成ガスが混在することによる濃度不均一性により、燃焼期間を効果的に長期化することができる。
加えて、第６実施形態は、高圧の合成ガスをそれよりも低圧の燃焼室２５内の混合ガス内に噴射するので、合成ガスの断熱膨張効果によって同合成ガスの温度は低下する。従って、混合ガスに対し、より効果的に温度不均一性を付与することができる。
更に、このような合成ガス噴射によれば、ガス温度の不均一性がシリンダ２１の壁面付近において環状に形成される。他方、燃焼室２５の中央部に存在する混合ガスの温度は低下しないから、中央部の混合ガスの着火性は燃焼ガスの噴射を行わない場合に比べて大きく変化しない。従って、着火時期を大きく変化させることなく、燃焼期間の長期化だけを容易に達成することができる。
また、第６実施形態は、燃料の温度不均一性を形成するための高圧流体として部分酸化されたガソリン（燃料）を使用しているので、ガソリン以外の流体を貯蔵しておくタンクやボンベを必要とせず、車両の軽量化を図ることができる。
（第７実施形態）
次に、本発明の第７実施形態に係る内燃機関の制御装置について説明する。第７実施形態に係る制御装置は、高圧の空気に代えて高圧流体として燃料を追加的に噴射する点において第１実施形態の制御装置と相違している。換言すると、この制御装置は、下死点近傍（掃気行程〜給気行程の圧縮行程開始前）において噴射すべき燃料量の大部分を噴射して混合ガスを形成するとともに、圧縮行程開始後の圧縮行程中期において噴射すべき燃料量の残余分を噴射することにより、燃焼を緩慢にする。以下、かかる点を中心として説明する。
第７実施形態の制御装置は、第１実施形態から空気噴射弁３８、空気蓄圧タンク３８ａ、熱交換器３８ｂ、空気圧縮機３８ｃ及びエアクリーナ３８ｄを省略した構成を備えている。また、電気制御装置７０のＣＰＵ７１は、図１３及び図１４にそれぞれ代わる図２１及び図２２に示したルーチンを実行するようになっている。なお、図２１及び図２２において、既に説明したステップと同一のステップには同一の符合を付し、その詳細な説明を省略する。
具体的に説明すると、ＣＰＵ７１は、クランク角度が上死点に一致したときに図２１のステップ２１００から処理を開始し、ステップ１３０５〜ステップ１３３０の処理を実行して種々の制御量及び制御時期を決定する。そして、内燃機関１０が２サイクル自着火領域Ｒ１で運転されているときは、そのままステップ２１９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。また、内燃機関１０が２サイクル火花点火運転領域Ｒ３で運転されているときは、ステップ１３３５、ステップ１３４０及びステップ１３５０の処理を実行してから本ルーチンを一旦終了する。以上の作動は、第１実施形態の作動と同一である。
なお、ステップ１３１０で使用されるテーブルθinj(Accp,NE)は、内燃機関１０の運転状態が２サイクル自着火領域Ｒ１の軽負荷側（内燃機関の負荷が所定の中負荷閾値より小さい軽負荷の領域）で運転されているとき、燃料噴射時期θinjが圧縮行程中に存在するように（噴射期間が圧縮行程中となるように）設定されている。
また、テーブルθinj(Accp,NE)は、内燃機関１０の運転状態が２サイクル自着火領域Ｒ１の中の高負荷側（内燃機関の負荷が前記中負荷閾値より大きく同中負荷閾値よりも大きい所定の高負荷閾値より小さい中負荷の領域）で運転されているとき、及び、内燃機関１０の運転状態が２サイクル自着火領域Ｒ２（内燃機関の負荷が前記高負荷閾値以上の高負荷の領域）で運転されているとき、燃料噴射時期θinjが掃気行程又は給気行程中に存在するように（即ち、噴射開始時期から噴射終了時期までの燃料噴射期間が、圧縮行程開始前の掃気行程から給気行程の間（掃気行程のみ、給気行程のみ、或いは両行程に渡る時期）となるように）設定されている。
一方、内燃機関１０が２サイクル自着火領域Ｒ２で運転されているとき（内燃機関の負荷が前記高負荷閾値以上の高負荷の領域にあるとき）、ＣＰＵ７１はステップ１３４０にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ１３４５に進み、追加の燃料噴射開始時期θaddをテーブルMapθadd(Accp,NE)から求める。次いで、ＣＰＵ７１はステップ１３５５に進み、追加の燃料噴射量をテーブルMapTAUadd(Accp,NE)に基づいて決定し、続くステップ１３６０にて先のステップ１３０５において決定した燃料噴射量TAUから追加の燃料噴射量TAUaddを減じてメイン燃料噴射量TAUmainを求める。その後、ＣＰＵ７１はステップ２１９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。
また、図２２に示したルーチンは、図１４に示したルーチンのステップ１４３０、ステップ１４６０及びステップ１４６５をそれぞれステップ２２０５、ステップ２２１０及びステップ２２１５に置換したルーチンである。即ち、ＣＰＵ７１は、図２２に示したルーチンを繰り返し実行することにより、給気弁３２及び排気弁３４の開閉制御を行うとともに、クランク角度が燃料噴射時期θinjに一致するとステップ２２０５にて燃料噴射量TAumainに応じた燃料量の燃料を噴射する。また、ＣＰＵ７１は、ステップ１４５５、ステップ２２１０及びステップ２２１５の処理を実行することにより、内燃機関１０が２サイクル自着火領域Ｒ２で運転されている場合、クランク角度が追加の燃料噴射時期θaddに一致したタイミングにて追加の燃料噴射量TAUaddに応じた燃料量の燃料を追加的に噴射する。
このように、第７実施形態に係る内燃機関の制御装置によれば、内燃機関１０が２サイクル自着火領域Ｒ２で運転されている場合、噴射すべき燃料量（機関に要求される燃料量）TAUの大部分であるTAUmainの燃料量の燃料が下死点近傍の燃料噴射時期θinjにて主たる噴射として噴射され、噴射すべき燃料量TAUの残余分であるTAUaddの燃料量の燃料が圧縮行程中期の燃料噴射時期θaddにて追加的に噴射される。
従って、主たる噴射（メイン噴射）により形成された均質混合ガスは、追加的な噴射（サブ噴射）により噴射された燃料の大きな気化熱（潜熱）と比熱とにより部分的に冷却される。これにより、遅くとも燃料分解開始時期よりもクランク角度で２０〜３０度早い時点における混合ガスの温度不均一性が大きくなり、且つ、この時点の温度不均一性は燃料分解開始時期まで持続する。
従って、燃料分解開始時期の混合ガスが、燃焼の緩慢化をもたらす有意で大きな温度不均一性を有することになるので、燃焼が緩慢化され、燃焼期間が長期化せしめられる。その結果、圧力上昇率が過大になることが防止され、騒音（燃焼音）が低減される。
また、第７実施形態に係る内燃機関の制御装置によれば、自着火運転領域であって前記内燃機関の負荷が前記高負荷閾値より小さい中負荷閾値以上の中負荷であるとき、機関に要求される燃料量TAUの全部が、前記掃気行程中、前記給気行程中及び同掃気行程から同給気行程に及ぶ期間中（圧縮行程開始前の期間）の何れかの時期においてインジェクタ３７から噴射される。
これによれば、中負荷域において均質混合ガスが得られるので、安定した自着火燃焼を得ることができる。
更に、自着火運転領域であって前記内燃機関の負荷が前記中負荷閾値より小さい軽負荷であるとき、前記機関に要求される燃料量の全部が前記圧縮行程中の時期においてインジェクタ３７から噴射される。
これによれば、弱成層混合ガスが得られるので、軽負荷域であって燃料が少ない場合でも、安定した自着火燃焼を得ることができる。
また、第７実施形態は、既存のインジェクタ３７から追加的（二次的）な燃料噴射を行うことにより混合ガスに温度不均一性を追加しているので、燃料以外の流体を必要としない。また、燃料以外の流体を噴射するためのインジェクタ３７以外の噴射弁や、流体を圧縮する燃料ポンプ３７ｂ以外のポンプ等は不要である。従って、システム全体を簡素化でき、軽量化及びコストダウンを図ることができる。
なお、図２１のステップ１３０５、１３１０、１３４５、１３５５及び１３６０、並びに、図２２のステップステップ１４２５、２２０５、２２１０及び２２１５等は、燃料噴射制御手段を構成している。
以上説明したように、本発明による各実施形態によれば、燃料分解開始時点において温度不均一性が大きな混合ガスが形成されるので、自着火燃焼が緩慢となり、燃焼音を低減することができる。
なお、これらの実施形態において、図１３のステップ１３４５、図１４のステップ１４６０及びステップ１４６５、並びに上述した高圧流体噴射手段（例えば、第１実施形態における空気噴射手段）は、「混合ガスの圧縮行程中に生じるガソリン燃料の分解開始時点での同混合ガスの温度の不均一性が、同混合ガスを同圧縮行程にて圧縮することのみにより生ずる温度の不均一性より大きくなるように、同燃料の分解開始時点よりも前の同圧縮行程中の所定の時期にて同混合ガスの温度の不均一性を増大させるように同混合ガスに作用する温度不均一性追加手段」を構成している。また、図２１のステップ１３４５及びステップ１３５５並びに図２２のステップ２２１０及びステップ２２１５と、上述した燃料噴射手段も、噴射する高圧流体として燃料を使用する温度不均一性追加手段を構成している。
本発明は上記各実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、上記各実施形態においては、高圧流体噴射開始時期（例えば、第１実施形態における空気噴射開始時期θadd）が圧縮行程の中期に存在するように設定されていたが、高圧流体噴射開始時点を圧縮行程初期の終了直前とし、高圧流体噴射終了時点を圧縮行程の中期となるように設定してもよい。即ち、高圧空気などの高圧流体の噴射期間の一部が少なくとも前記圧縮行程中期に存在していればよい。もちろん、高圧流体噴射開始時期及び高圧流体噴射終了時期の両時期が圧縮行程中期に存在していることが好ましい。
また、温度不均一性は、筒内の最高温度と最低温度の温度差として考えることもできる。この場合、その温度差は、標準偏差で２０乃至３０Ｋ程度であることが好ましい。更に、上記各実施形態は、２サイクル内燃機関の制御装置であったが、４サイクル内燃機関（４サイクル自着火式内燃機関及び４サイクル火花点火式内燃機関）にも当然に適用することができる。更に、予混合圧縮自着火運転を行っている場合に、火花点火を補助的に用いてもよい。
なお、例えば、上記第５実施形態に係る制御装置は、
燃料をシリンダとピストンとにより構成される燃焼室に噴射する燃料噴射手段と、
前記燃焼室内に臨む火花点火手段と、
前記燃焼室内に高圧流体を噴射する高圧流体（高圧水）噴射手段と、
を備えるとともに、
所定運転領域である自着火運転領域において少なくとも空気と前記燃料噴射手段により噴射された燃料とを含む混合ガスを前記圧縮行程の開始前までに同燃焼室に形成し、同混合ガスを同圧縮行程にて圧縮することにより自着火させて燃焼させる予混合圧縮自着火運転モードと、前記自着火運転領域以外の運転領域である火花点火運転領域において少なくとも空気と前記燃料噴射手段により噴射された燃料とを含む混合ガスを前記圧縮行程にて圧縮した後に前記火花点火手段によって火花点火させて燃焼させる火花点火運転モードと、の何れかのモードにて運転される内燃機関に適用される内燃機関の制御装置であって、
前記内燃機関の運転モードが前記予混合圧縮自着火運転モードにあるときと前記火花点火運転モードにあるときとにおいて、クランク角が互いに異なる所定のクランク角となったとき、前記高圧流体噴射手段から前記高圧流体を噴射する高圧流体噴射制御手段を備えた内燃機関の制御装置と云うこともできる。つまり、前記内燃機関の運転モードが前記予混合圧縮自着火運転モードにあるときは水噴射開始時期θaddにて、前記内燃機関の運転モードが火花点火運転モードにあるときは水噴射開始時期θaddk（θaddはθaddkと異なる。）にて高圧流体としての高圧水を噴射する。
そして、この高圧流体は、第５実施形態の水に限定されず、空気、水素、一酸化炭素、前記燃焼室から排出された燃焼ガスを圧縮した燃焼ガス、アルコールを含む液体燃料、前記燃料を部分酸化することにより得られる一酸化炭素と水素とを含む合成ガス及び前記燃料のうちの何れか一つを含む流体とすることもできる。
これによれば、前記予混合圧縮自着火運転モードにあるときと前記火花点火運転モードにあるときとにおいて、互いに異なるタイミングにて高圧流体が噴射される。例えば、内燃機関の運転モードが前記予混合圧縮自着火運転モードにあるとき、圧縮行程中であって前記混合ガス中の燃料の分解開始時点よりも前の所定の時期において前記高圧流体が噴射せしめられる。これにより、燃焼の実質的な開始時点において混合気が大きな温度不均一性を有することになるので、燃焼が緩慢化され、燃焼期間が長期化する。その結果、予混合圧縮自着火運転モードにおける燃焼室内の圧力上昇率が過大になることが防止され、燃焼音が低減される。
また、例えば、前記内燃機関の運転モードが前記火花点火運転モードにあるとき、圧縮行程前の所定の時期において前記流体が噴射される。これにより、混合ガス全体が冷却される。この結果、空気の充填効率を向上することができるとともに、火花点火運転時のノッキングの発生を抑制することができる。
このように構成された内燃機関の制御装置によれば、高圧流体噴射手段を有効に活用し、運転モードに適したタイミングにて高圧流体を噴射する。従って、内燃機関の燃費を改善したり、騒音等を低減することが可能となる。
この場合、第５実施形態の説明において述べたように、前記高圧流体噴射手段は、前記内燃機関の運転モードが前記予混合圧縮自着火運転モードにある場合、同内燃機関の負荷が第１の高負荷閾値以上の高負荷であるときにのみ前記高圧流体を噴射するように構成されることが望ましい。
これによれば、高圧流体は燃焼音が大きく或いはノッキングに類似の現象が発生し易い加速時などにのみ噴射される。従って、使用される高圧流体の量を低減したり、流体を加圧して高圧流体とするのに必要なエネルギーの消費量を低減しながら、燃焼音等を抑制することができる。
更に、この場合、前記高圧水噴射制御手段は、前記内燃機関の運転モードが前記火花点火運転モードにある場合、同内燃機関の負荷が第２の高負荷閾値以上の高負荷であるときにのみ前記高圧水を噴射するように構成されることが好適である。
これによれば、充填効率の増大が必要であり、且つ、ノッキングが発生し易い高負荷時にのみ高圧流体が噴射されるので、高圧流体の消費量を低減することができる。
クランク角度に対する燃焼室内の混合ガスの圧力の変化を示すグラフである。 図１に示した各曲線に対応した混合ガスの温度分布を示すグラフである。 圧縮行程における燃焼反応成分の濃度分布の変化を模式的に示した図である。 圧縮行程における混合ガスの温度分布の変化を模式的に示した図である。 クランク角度に対する燃焼室内の圧力及び投入熱量に対する熱発生率の変化を示すグラフである。 圧縮行程中においてガスが混合される度合い（ガスの混合度合）の変化を示したグラフである。 圧縮行程中における燃焼反応速度（化学反応速度）の度合の変化を示したグラフである。 燃料分解開始時期における燃焼室内の混合ガスの温度分布（筒内最高温度と筒内最低温度との差）に対する燃焼期間の変化を示したグラフである。 本発明の第１実施形態に係る内燃機関の制御装置を２サイクル予混合圧縮自着火式内燃機関に適用したシステムの概略図である。 図９に示したシステムの燃料噴射手段及び高圧空気噴射手段を模式的に示した図である。 図９に示したＣＰＵが実行する領域判定ルーチンを表すフローチャートである。 図９に示したＣＰＵが図１１のフローチャートを実行する際に参照する運転領域マップである。 図９に示したＣＰＵが実行する内燃機関の制御量及び制御タイミングを決定するためのルーチンを表すフローチャートである。 図９に示したＣＰＵが実行する駆動制御ルーチンを表すフローチャートである。 第１実施形態に係る内燃機関のバルブタイミング、燃料噴射時期及び空気噴射時期等を概念的に示した説明図である。 本発明による第２実施形態が備える燃料噴射手段及び高圧ガス（水素ガス）噴射手段を模式的に示した図である。 本発明による第３実施形態が備える燃料噴射手段及び高圧ガス（燃焼ガス）噴射手段を模式的に示した図である。 本発明による第４実施形態が備える燃料噴射手段及び高圧水噴射手段を模式的に示した図である。 本発明による第５実施形態が備える燃料噴射手段及び高圧液体燃料噴射手段を模式的に示した図である。 本発明による第６実施形態が備える燃料噴射手段及び高圧合成ガス噴射手段を模式的に示した図である。 本発明による第７実施形態に係る内燃機関の制御装置のＣＰＵが実行する同内燃機関の制御量及び制御タイミングを決定するためのルーチンを表すフローチャートである。 本発明による第７実施形態に係る内燃機関の制御装置のＣＰＵが実行する駆動制御ルーチンを表すフローチャートである。
符号の説明
１０…予混合圧縮自着火式内燃機関、２１…シリンダ、２２…ピストン、２５…燃焼室、３１…給気ポート、３２…給気弁、３２ａ…給気弁駆動機構、３３…排気ポート、３４…排気弁、３４ａ…排気弁駆動機構、３８…空気噴射弁、３５…点火プラグ、３７…インジェクタ、３７ａ…蓄圧室、３７ｂ…燃料ポンプ、４１…給気管、４３…給気ダクト、４６…インタクーラ、５２ａ…過給圧調整弁、６３…筒内圧センサ、７０…電気制御装置、８１…ガス噴射弁、８２…ガス噴射弁、８３…水噴射弁、８４…アルコール噴射弁、８５ガス噴射弁、９１…ターボチャージャ。

Claims (24)

  1. 燃料をシリンダとピストンとにより構成される燃焼室に噴射する燃料噴射手段を備え、少なくとも一部の所定運転領域である自着火運転領域において少なくとも空気と前記燃料噴射手段により噴射された燃料とを含む混合ガスを同燃焼室に形成し、同混合ガスを圧縮行程にて圧縮することにより自着火させて燃焼させる予混合圧縮自着火運転が可能な内燃機関に適用される内燃機関の制御装置であって、
    前記混合ガスの圧縮行程中に生じる前記燃料の分解開始時点での同混合ガスの温度の不均一性が、同混合ガスを同圧縮行程にて圧縮することのみにより生ずる温度の不均一性より大きくなるように、同圧縮行程中であって同燃料の分解開始時点よりも前の所定の時期において同混合ガスの温度の不均一性を増大させるように同混合ガスに作用する温度不均一性追加手段を備えた内燃機関の制御装置。
  2. 請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、
    前記温度不均一性追加手段は、
    前記所定の時期に高圧流体を前記混合ガスに向けて噴射することにより同混合ガスの温度の不均一性を増大させるように構成された内燃機関の制御装置。
  3. 請求項２に記載の内燃機関の制御装置において、
    前記温度不均一性追加手段は、
    前記内燃機関の運転状態が前記自着火運転領域内であって同内燃機関の負荷が所定高負荷閾値以上の高負荷であるときにのみ前記高圧流体を噴射するように構成された内燃機関の制御装置。
  4. 請求項２又は請求項３に記載の内燃機関の制御装置において、
    前記温度不均一性追加手段が前記高圧流体を噴射する前記所定の時期は、前記圧縮行程の開始後に前記混合ガスの温度の不均一性が最も小さくなる時点から前記燃料の分解開始時点よりも所定のクランク角度だけ前の時点までの間に設定された内燃機関の制御装置。
  5. 請求項２乃至請求項４の何れか一項に記載の内燃機関の制御装置において、
    前記温度不均一性追加手段は、
    前記高圧流体を前記シリンダのボアの接線方向に沿って噴射するように構成された内燃機関の制御装置。
  6. 請求項２乃至請求項５の何れか一項に記載の内燃機関の制御装置において、
    前記高圧流体は高圧空気である内燃機関の制御装置。
  7. 請求項２乃至請求項５の何れか一項に記載の内燃機関の制御装置において、
    前記高圧流体は高圧水素又は高圧一酸化炭素である内燃機関の制御装置。
  8. 請求項２乃至請求項５の何れか一項に記載の内燃機関の制御装置において、
    前記高圧流体は前記燃焼室から排出された燃焼ガスを圧縮した高圧燃焼ガスである内燃機関の制御装置。
  9. 請求項２乃至請求項５の何れか一項に記載の内燃機関の制御装置において、
    前記高圧流体は高圧水である内燃機関の制御装置。
  10. 燃料をシリンダとピストンとにより構成される燃焼室に噴射する燃料噴射手段と、
    前記燃焼室内に臨む火花点火手段と、
    前記燃焼室内に高圧水を噴射する高圧水噴射手段と、
    を備えてなり、
    膨張行程、排気行程、掃気行程、給気行程及び圧縮行程をクランク角度が３６０度経過する毎に繰り返す２サイクル内燃機関であって、
    所定運転領域である自着火運転領域において少なくとも空気と前記燃料噴射手段により噴射された燃料とを含む混合ガスを前記圧縮行程の開始前までに同燃焼室に形成し、同混合ガスを同圧縮行程にて圧縮することにより自着火させて燃焼させる予混合圧縮自着火運転モードと、前記自着火運転領域以外の運転領域である火花点火運転領域において少なくとも空気と前記燃料噴射手段により噴射された燃料とを含む混合ガスを前記圧縮行程にて圧縮した後に前記火花点火手段によって火花点火させて燃焼させる火花点火運転モードと、の何れかのモードにて運転される内燃機関に適用される内燃機関の制御装置であって、
    前記内燃機関の運転モードが前記予混合圧縮自着火運転モードにあるとき、前記圧縮行程中であって前記混合ガス中の燃料の分解開始時点よりも前の所定の時期において前記高圧水噴射手段から前記高圧水を噴射し、前記内燃機関の運転モードが前記火花点火運転モードにあるとき、前記掃気行程中、前記給気行程中及び同掃気行程から同給気行程に及ぶ期間中の何れかの時期において前記高圧水噴射手段から前記高圧水を噴射する高圧水噴射制御手段を備えた内燃機関の制御装置。
  11. 請求項１０に記載の内燃機関の制御装置において、
    前記高圧水噴射制御手段は、前記内燃機関の運転モードが前記予混合圧縮自着火運転モードにある場合、同内燃機関の負荷が第１の高負荷閾値以上の高負荷であるときにのみ前記高圧水を噴射するように構成された内燃機関の制御装置。
  12. 請求項１０又は請求項１１に記載の内燃機関の制御装置において、
    前記高圧水噴射制御手段は、前記内燃機関の運転モードが前記火花点火運転モードにある場合、同内燃機関の負荷が第２の高負荷閾値以上の高負荷であるときにのみ前記高圧水を噴射するように構成された内燃機関の制御装置。
  13. 請求項２乃至請求項５の何れか一項に記載の内燃機関の制御装置において、
    前記高圧流体は前記燃料よりも自着火し難いアルコールを含む高圧液体燃料である内燃機関の制御装置。
  14. 燃料をシリンダとピストンとにより構成される燃焼室に噴射する燃料噴射手段と、
    前記燃焼室内に臨む火花点火手段と、
    前記燃焼室内に前記燃料よりも自着火し難いアルコールを含む高圧液体燃料を噴射する高圧液体燃料噴射手段と、
    を備えてなり、
    膨張行程、排気行程、掃気行程、給気行程及び圧縮行程をクランク角度が３６０度経過する毎に繰り返す２サイクル内燃機関であって、
    所定運転領域である自着火運転領域において少なくとも空気と前記燃料噴射手段により噴射された燃料とを含む混合ガスを前記圧縮行程の開始前までに同燃焼室に形成し、同混合ガスを同圧縮行程にて圧縮することにより自着火させて燃焼させる予混合圧縮自着火運転モードと、前記自着火運転領域以外の運転領域である火花点火運転領域において少なくとも空気と前記燃料噴射手段により噴射された燃料とを含む混合ガスを前記圧縮行程にて圧縮した後に前記火花点火手段によって火花点火させて燃焼させる火花点火運転モードと、の何れかのモードにて運転される内燃機関に適用される内燃機関の制御装置であって、
    前記内燃機関の運転モードが前記予混合圧縮自着火運転モードにあるとき、前記圧縮行程中であって前記混合ガス中の燃料の分解開始時点よりも前の所定の時期において前記高圧液体燃料噴射手段から前記高圧液体燃料を噴射し、前記内燃機関の運転モードが火花点火運転モードにあるとき、前記掃気行程中、前記給気行程中及び同掃気行程から同給気行程に及ぶ期間中の何れかの時期において前記高圧液体燃料噴射手段から前記高圧液体燃料を噴射する高圧液体燃料噴射制御手段を備えた内燃機関の制御装置。
  15. 請求項１４に記載の内燃機関の制御装置において、
    前記高圧液体燃料噴射制御手段は、前記内燃機関の運転モードが前記予混合圧縮自着火運転モードにある場合、同内燃機関の負荷が第１の高負荷閾値以上の高負荷であるときにのみ前記高圧液体燃料を噴射するように構成された内燃機関の制御装置。
  16. 請求項１４又は請求項１５に記載の内燃機関の制御装置において、
    前記高圧水噴射制御手段は、前記内燃機関の運転モードが前記火花点火運転モードにある場合、同内燃機関の負荷が第２の高負荷閾値以上の高負荷であるときにのみ前記高圧液体燃料を噴射するように構成された内燃機関の制御装置。
  17. 請求項２乃至請求項５の何れか一項に記載の内燃機関の制御装置において、
    前記高圧流体は前記燃料を部分酸化することにより得られる一酸化炭素及び水素を含む合成ガスである内燃機関の制御装置。
  18. 請求項２乃至請求項４の何れか一項に記載の内燃機関の制御装置において、
    前記温度不均一性追加手段は、前記燃料を前記高圧流体として前記燃料噴射手段から噴射するように構成された内燃機関の制御装置。
  19. 燃料をシリンダとピストンとにより構成される燃焼室に噴射する燃料噴射手段と、
    前記燃焼室内に臨む火花点火手段と、
    前記燃焼室内に高圧流体を噴射する高圧流体噴射手段と、
    を備えるとともに、
    所定運転領域である自着火運転領域において少なくとも空気と前記燃料噴射手段により噴射された燃料とを含む混合ガスを前記圧縮行程の開始前までに同燃焼室に形成し、同混合ガスを同圧縮行程にて圧縮することにより自着火させて燃焼させる予混合圧縮自着火運転モードと、前記自着火運転領域以外の運転領域である火花点火運転領域において少なくとも空気と前記燃料噴射手段により噴射された燃料とを含む混合ガスを前記圧縮行程にて圧縮した後に前記火花点火手段によって火花点火させて燃焼させる火花点火運転モードと、の何れかのモードにて運転される内燃機関に適用される内燃機関の制御装置であって、
    前記内燃機関の運転モードが前記予混合圧縮自着火運転モードにあるときと前記火花点火運転モードにあるときとにおいて、クランク角が互いに異なる所定のクランク角となったとき、前記高圧流体噴射手段から前記高圧流体を噴射する高圧流体噴射制御手段を備えた内燃機関の制御装置。
  20. 請求項１９に記載の内燃機関の制御装置において、
    前記高圧流体噴射手段は、前記内燃機関の運転モードが前記予混合圧縮自着火運転モードにある場合、同内燃機関の負荷が第１の高負荷閾値以上の高負荷であるときにのみ前記高圧流体を噴射するように構成された内燃機関の制御装置。
  21. 請求項１９又は請求項２０に記載の内燃機関の制御装置において、
    前記高圧流体噴射手段は、前記内燃機関の運転モードが前記火花点火運転モードにある場合、同内燃機関の負荷が第２の高負荷閾値以上の高負荷であるときにのみ前記高圧流体を噴射するように構成された内燃機関の制御装置。
  22. 請求項１９乃至請求項２１の何れか一項に記載の内燃機関の制御装置において、
    前記高圧流体は、空気、水素、一酸化炭素、前記燃焼室から排出された燃焼ガスを圧縮した燃焼ガス、水、アルコールを含む液体燃料、前記燃料を部分酸化することにより得られる一酸化炭素と水素とを含む合成ガス及び前記燃料のうちの何れか一つを含む流体である内燃機関の制御装置。
  23. 燃料をシリンダとピストンとにより構成される燃焼室に噴射する燃料噴射手段を備えるとともに、所定運転領域である自着火運転領域において少なくとも空気と前記燃料噴射手段により噴射された燃料とを含む混合ガスを圧縮行程の開始前までに同燃焼室に形成し、同混合ガスを同圧縮行程にて圧縮することにより自着火させて燃焼させる予混合圧縮自着火運転が可能な内燃機関に適用される内燃機関の制御装置であって、
    前記内燃機関の負荷が高負荷閾値以上の高負荷であるとき、前記機関に要求される燃料量の一部を前記圧縮行程の開始前に噴射するとともに、同要求される燃料量の残りの燃料を前記圧縮行程中であって前記噴射された燃料の分解開始時点よりも前の所定の時期において同燃料噴射手段から噴射し、
    前記内燃機関の負荷が前記高負荷閾値より小さい中負荷閾値以上の中負荷であるとき、前記機関に要求される燃料量の全部を前記圧縮行程前において前記燃料噴射手段から噴射し、
    前記内燃機関の負荷が前記中負荷閾値より小さい軽負荷であるとき、前記機関に要求される燃料量の全部を前記圧縮行程中において前記燃料噴射手段から噴射する燃料噴射制御手段を備えた内燃機関の制御装置。
  24. 燃料をシリンダとピストンとにより構成される燃焼室に噴射する燃料噴射手段を備えてなり、
    膨張行程、排気行程、掃気行程、給気行程及び圧縮行程をクランク角度が３６０度経過する毎に繰り返す２サイクル内燃機関であって、
    所定運転領域である自着火運転領域において少なくとも空気と前記燃料噴射手段により噴射された燃料とを含む混合ガスを前記圧縮行程の開始前までに同燃焼室に形成し、同混合ガスを同圧縮行程にて圧縮することにより自着火させて燃焼させる予混合圧縮自着火運転が可能な内燃機関に適用される内燃機関の制御装置であって、
    前記内燃機関の負荷が高負荷閾値以上の高負荷であるとき、前記機関に要求される燃料量の一部を前記掃気行程中、前記給気行程中及び同掃気行程から同給気行程に及ぶ期間中の何れかの時期において前記燃料噴射手段から噴射するとともに、同要求される燃料量の残りの燃料を前記圧縮行程中であって前記噴射された燃料の分解開始時点よりも前の所定の時期において同燃料噴射手段から噴射し、
    前記内燃機関の負荷が前記高負荷閾値より小さい中負荷閾値以上の中負荷であるとき、前記機関に要求される燃料量の全部を前記掃気行程中、前記給気行程中及び同掃気行程から同給気行程に及ぶ期間中の何れかの時期において前記燃料噴射手段から噴射し、
    前記内燃機関の負荷が前記中負荷閾値より小さい軽負荷であるとき、前記機関に要求される燃料量の全部を前記圧縮行程中において前記燃料噴射手段から噴射する燃料噴射制御手段を備えた内燃機関の制御装置。
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