JP2006017020A - 予混合圧縮自着火式内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 未燃の炭化水素の排出量を低減することが可能な予混合圧縮自着火式内燃機関の制御装置を提供すること。
【解決手段】 この制御装置は、ピストン２２の頂面の外周とファーストリング２６ｂとの間の同ピストン２２の側面であるピストントップランドと燃焼室２５の側壁との間に形成されるクエンチ領域Ｂに、空気噴射弁６２ｄからガス噴射孔６１ｃを介して不燃ガス（空気）を噴射する。この結果、クエンチ領域Ｂの混合ガスが燃焼室２５の中央部へ押し出されるので、クエンチ領域Ｂ内の燃料濃度を低減することができる。これにより、クエンチ領域Ｂにおいて未燃の炭化水素が生成されにくくなり、同未燃の炭化水素の排出量を低減することができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、燃焼室内に形成された混合ガスを圧縮して自着火させる予混合圧縮自着火燃焼を行う予混合圧縮自着火式内燃機関の制御装置に関する。

従来から、燃焼室内に形成された均質な（燃料濃度が均一な）混合ガスを圧縮して自着火させる予混合圧縮自着火燃焼（自着火燃焼）を行う予混合圧縮自着火式内燃機関が知られている（例えば、特許文献１を参照。）。自着火燃焼においては、混合ガスが散在する多数の位置においてほぼ同時に着火する。このため、自着火燃焼は、点火プラグを使用することにより混合ガスを着火して燃焼させる火花点火燃焼に比較して短期間内に終了する。この結果、自着火燃焼におけるＮＯｘの排出量（内燃機関から外部に排出される量）は火花点火燃焼に比べて減少すると言われている。
特開２００１−２８０１６５号公報

ところで、ピストン頂面の外周とピストンリングとの間のピストンの側面であるピストントップランドと燃焼室の側壁との間に形成されるクエンチ領域においては、混合ガスの体積に対する同混合ガスが接する低温の壁面（ピストントップランド及び燃焼室の側壁）の面積の割合が大きいので、混合ガスは冷却されやすい。このため、クエンチ領域における混合ガスは、その温度が燃焼を開始する温度に達しないので、燃焼しないまま未燃ガスとして残留したり、不完全に燃焼したりする。

一方、混合ガスを自着火させるためには、同混合ガスの温度を極めて高い温度まで上昇させる必要がある。このため、予混合圧縮自着火式内燃機関は、混合ガスを大きく圧縮する。従って、自着火燃焼が開始する直前（即ち、上死点近傍）においては、混合ガスは単位体積あたりに多くの燃料を含む。このとき、混合ガスの燃料濃度は均一であるので、クエンチ領域に多量の燃料が進入することになる。このため、同クエンチ領域にて未燃の炭化水素（ＨＣ）が多く生成され、その結果、同未燃の炭化水素の排出量が多くなるという問題がある。

本発明は上述した課題に対処するためになされたものであって、その目的は、未燃の炭化水素の排出量を低減することが可能な予混合圧縮自着火式内燃機関の制御装置を提供することにある。かかる目的を達成するため本発明の制御装置は、シリンダと、同シリンダ内において往復運動するピストンと、同シリンダと同ピストンとにより構成される燃焼室の気密性を高めるために同ピストンの側面に形成されたリング溝に装着されたピストンリングと、を備え、前記燃焼室内に形成された混合ガスを圧縮して自着火させる予混合圧縮自着火燃焼を行う予混合圧縮自着火式内燃機関に適用される。

本発明の制御装置は、前記ピストンの頂面の外周と前記ピストンリングとの間の同ピストンの側面であるピストントップランドと前記燃焼室の側壁との間に形成されるクエンチ領域に不燃ガスを噴射して、同クエンチ領域の混合ガスを同クエンチ領域から前記燃焼室の中央部へ押し出すガス噴射手段を備えてなる。

これによれば、ピストントップランドと燃焼室の側壁との間に形成されるクエンチ領域に不燃ガスが噴射される。この結果、不燃ガスにより、クエンチ領域の混合ガスを燃焼室の中央部へ押し出すことができるので、同クエンチ領域内の燃料濃度を低減することができる。これにより、クエンチ領域において未燃の炭化水素が生成されにくくなり、同未燃の炭化水素の排出量を低減することができる。

更に、不燃ガスからなる断熱層が燃焼室の側壁と混合ガスとの間に形成されるので、燃焼室の側壁と混合ガスとの間の熱伝達量を減少させることができる。これにより、混合ガスの冷却を抑制することができ、安定した自着火燃焼を実現することができる。

この場合、前記ガス噴射手段は、
前記ピストンが上死点近傍にあるときに前記クエンチ領域に連通するガス噴射孔と、
駆動信号に応答して前記ガス噴射孔に前記不燃ガスを噴射するガス噴射弁と、
前記不燃ガスが前記ガス噴射孔を介して前記クエンチ領域に噴射されるように所定のタイミングにて前記駆動信号を発生するガス噴射弁制御手段と、
を含んでなることが好適である。

これによれば、ピストンが上死点近傍にあるとき、即ち、自着火燃焼が開始する直前或いは自着火燃焼の初期から中期にかけて、混合ガスがクエンチ領域から燃焼室の中央部へ押し出されるので、同混合ガスは確実に燃焼させられる。また、不燃ガスの噴射が早過ぎることにより、自着火燃焼が開始する前に再びクエンチ領域に混合ガスが進入することもない。従って、未燃の炭化水素の排出量を確実に低減することができる。

この場合、前記ガス噴射手段は、
前記内燃機関が暖機運転されるときは混合ガスが燃焼することにより生成された燃焼ガスを前記不燃ガスとして噴射することが好適である。

これによれば、燃焼室を構成する壁面（シリンダボア壁及びピストンの側面）が一層低温となる暖機運転時において、高温の燃焼ガスがクエンチ領域に噴射される。この結果、高温の燃焼ガスからなる断熱層が燃焼室の側壁と混合ガスとの間に形成されるので、燃焼室の側壁と混合ガスとの間の熱伝達量を一層減少させることができ、暖機運転時において安定した自着火燃焼を実現することができる。

以下、本発明による内燃機関の制御装置の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、実施形態に係る前記制御装置を２サイクル予混合圧縮自着火式運転が可能な多気筒（本例では、直列４気筒）且つピストン往復動型内燃機関（レシプロエンジン）に適用したシステムの概略構成を示している。なお、図１は、特定気筒の断面のみを示しているが、他の気筒も同様な構成を備えている。

この内燃機関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（燃焼ガス）を外部に放出するための排気系統５０と、シリンダブロック部２０に空気又は燃焼ガスを噴射するためのガス噴射部６０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内において往復運動し、ピストン２２の往復運動がコンロッド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及びピストン２２は、シリンダヘッド部３０とともに燃焼室２５を構成している。

シリンダ２１とピストン２２との境界の概略拡大断面図である図２に示したように、ピストン２２の側面には同ピストン２２頂面から下方に向けてファーストリング溝２６ａ、セカンドリング溝２７ａ及びオイルリング溝２８ａの３つのリング溝が形成されており、これらのリング溝にはピストン２２頂面から下方に向けてそれぞれファーストリング（ピストンリング）２６ｂ、セカンドリング２７ｂ及びオイルリング２８ｂが装着されている。

ファーストリング２６ｂ及びセカンドリング２７ｂは、燃焼室２５の気密性を高めるようになっている。オイルリング２８ｂは、シリンダ２１のボア壁面に形成された余分な油膜を下方へかき落とすようになっている。なお、ピストン２２頂面の外周とファーストリング２６ｂとの間の同ピストン２２の側面（即ち、ピストントップランド）とシリンダ２１のボア壁及び後述するガスケット６１の燃焼室穴６１ａを構成する側壁（即ち、燃焼室２５の側壁）との間に形成される領域（図２の符号Ｂが付された点線にて囲まれた領域）はクエンチ領域Ｂである。

再び図１を参照しながら説明を続けると、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させるイグニッションコイルを含むイグナイタ３６、燃料を燃焼室２５内に噴射するインジェクタ３７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。

給気系統４０は、給気ポート３１に連通したインテークマニホールド４１及びインテークマニホールド４１に連通したサージタンク４２を備えている。図示しない給気系統４０の上流部は空気を外部から取り込み、サージタンク４２に導入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を備えている。図示しない排気系統５０の下流部は排ガスを外部へ放出するようになっている。

ガス噴射部６０は、シリンダブロック部２０とシリンダヘッド部３０との間に挟持されたガスケット６１、ガスケット６１を介して燃焼室２５内に不燃ガスとしての空気を噴射する空気噴射部６２及びガスケット６１を介して燃焼室２５内に不燃ガスとしての燃焼ガスを噴射する燃焼ガス噴射部６３を備えている。

ガスケット６１は、図２及び図３に示したように、燃焼室穴６１ａ、環状ガス通路６１ｂ、１つの燃焼室穴６１ａにつき複数個（本例では８個）あるガス噴射孔６１ｃ、第１連通路６１ｄ及び第２連通路６１ｅを備えている。燃焼室穴６１ａは、シリンダ２１のボア径と同径の貫通穴である。燃焼室穴６１ａを構成する側壁はシリンダ２１のボア壁とともに燃焼室２５の側壁（広義のシリンダボア壁）を形成している。環状ガス通路６１ｂは、ガスケット６１内部に形成された燃焼室穴６１ａと同心の環状空間である。

各ガス噴射孔６１ｃは、その一端が燃焼室穴６１ａに連通し、他端が環状ガス通路６１ｂに連通する円柱状の孔である。ガス噴射孔６１ｃは、燃焼室穴６１ａの外周に一定の中心角（本例では４５°）毎に配置され、燃焼室穴６１ａの中心から放射状に形成されている。

第１連通路６１ｄは、ガスケット６１内部に形成され、環状ガス通路６１ｂとガスケット６１の外部とを連通する直線状の通路である。同様に、第２連通路６１ｅは、ガスケット６１内部に形成され、環状ガス通路６１ｂとガスケット６１の外部とを連通する直線状の通路である。第１連通路６１ｄ及び第２連通路６１ｅの延長線上にはガス噴射孔６１ｃは存在しないように、第１連通路６１ｄ、第２連通路６１ｅ及びガス噴射孔６１ｃの位置関係が定められている。

ガス噴射部６０の空気噴射部６２は、図１及び図３に示したように、空気ポンプ６２ａ、逆止弁６２ｂ、空気蓄圧室６２ｃ及びガス噴射弁としての空気噴射弁６２ｄを備える。空気ポンプ６２ａは、サージタンク４２に接続されている。空気ポンプ６２ａは、空気蓄圧室６２ｃ内の圧力が所定の圧力（本例では４ＭＰａ）以下となったときに駆動され、サージタンク４２から導入した空気を圧縮するようになっている。逆止弁６２ｂは、空気ポンプ６２ａと空気蓄圧室６２ｃとの間に介装され、空気が空気蓄圧室６２ｃから空気ポンプ６２ａへ流入することを防止するようになっている。

空気蓄圧室６２ｃは、逆止弁６２ｂを介して空気ポンプ６２ａから供給された高圧の空気を蓄えるようになっている。空気噴射弁６２ｄは、空気蓄圧室６２ｃと接続されている。また、空気噴射弁６２ｄの噴射口（図示省略）は、ガスケット６１の第１連通路６１ｄと接続されている。空気噴射弁６２ｄは、駆動信号に応答して、図示しない弁体を駆動することにより開弁し、空気蓄圧室６２ｃから供給される高圧の空気を第１連通路６１ｄに噴射するようになっている。

以上の構成により、空気噴射部６２は、サージタンク４２から導入した空気を圧縮した後、同圧縮された空気を図３の矢印Ｃ１及びＤに示したように各気筒の第１連通路６１ｄ、環状ガス通路６１ｂ及びガス噴射孔６１ｃを介して燃焼室２５内に噴射できるようになっている。

ガス噴射部６０の燃焼ガス噴射部６３は、図１及び図３に示したように、燃焼ガスポンプ６３ａ、燃焼ガスフィルタ６３ｂ、逆止弁６３ｃ、燃焼ガス蓄圧室６３ｄ及びガス噴射弁としての燃焼ガス噴射弁６３ｅを備える。燃焼ガスポンプ６３ａは、排気管５１に接続されている。燃焼ガスポンプ６３ａは、燃焼ガス蓄圧室６３ｄ内の圧力が所定の圧力（本例では４ＭＰａ）以下となったときに駆動され、排気管５１から導入した燃焼ガスを圧縮するようになっている。燃焼ガスフィルタ６３ｂ及び逆止弁６３ｃは、燃焼ガスポンプ６３ａと燃焼ガス蓄圧室６３ｄとの間に介装されている。燃焼ガスフィルタ６３ｂは、燃焼ガスから煤などの微粒子を取り除くようになっている。逆止弁６３ｃは、燃焼ガスが燃焼ガス蓄圧室６３ｄから燃焼ガスフィルタ６３ｂへ流入することを防止するようになっている。

燃焼ガス蓄圧室６３ｄは、燃焼ガスフィルタ６３ｂ及び逆止弁６３ｃを介して燃焼ガスポンプ６３ａから供給された高圧の燃焼ガスを蓄えるようになっている。燃焼ガス噴射弁６３ｅは、燃焼ガス蓄圧室６３ｄと接続されている。また、燃焼ガス噴射弁６３ｅの噴射口（図示省略）は、ガスケット６１の第２連通路６１ｅと接続されている。燃焼ガス噴射弁６３ｅは、駆動信号に応答して、図示しない弁体を駆動することにより開弁し、燃焼ガス蓄圧室６３ｄから供給される高圧の燃焼ガスを第２連通路６１ｅに噴射するようになっている。

以上の構成により、燃焼ガス噴射部６３は、排気管５１から導入した燃焼ガスを圧縮した後、同圧縮された燃焼ガスを図３の矢印Ｃ２及びＤに示したように各気筒の第２連通路６１ｅ、環状ガス通路６１ｂ及びガス噴射孔６１ｃを介して燃焼室２５内に噴射できるようになっている。

次に、電気ブロック図である図４を参照しながら、内燃機関１０を制御する電気制御装置７０について説明する。なお、電気制御装置７０は内燃機関１０の一部である内燃機関制御部を構成すると捉えることもできる。

この電気制御装置７０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及びインターフェース等（何れも図示省略）を含むマイクロコンピュータである。電気制御装置７０には、図示しないアクセルペダルの操作量Accpを検出するアクセルペダル操作量センサ８１と、クランク軸２４の回転速度からエンジン回転速度NEを検出するエンジン回転速度センサ８２と、内燃機関１０の冷却水の温度Twを検出する冷却水温度センサ８３とが接続されている。電気制御装置７０は、これらのセンサから各検出信号を入力するようになっている。更に、電気制御装置７０は、給気弁駆動機構３２ａ、排気弁駆動機構３４ａ、イグナイタ３６及びインジェクタ３７、並びに、空気噴射弁６２ｄ及び燃焼ガス噴射弁６３ｅと接続されていて、これらに駆動信号を送出するようになっている。

（作動）
次に、上記のように構成された制御装置の作動について説明する。この制御装置は、燃焼室穴６１ａを構成する側壁面に開口するガス噴射孔６１ｃからクエンチ領域Ｂに向けて、内燃機関１０が暖機運転されるとき（暖機前、機関冷間時）は燃焼ガスを噴射し、同内燃機関１０が暖機運転されないとき（暖機後）は空気を噴射する。

（制御量及び制御タイミングの決定）
具体的に述べると、電気制御装置７０のＣＰＵは、図５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タイミングを決定するためのルーチンを、第ｎ気筒（ｎは、１、２、３及び４）のクランク角が第ｎ気筒の上死点に一致する毎に第ｎ気筒専用に実行するようになっている。

従って、第ｎ気筒のクランク角が第ｎ気筒の上死点に一致すると、ＣＰＵはステップ５００から処理を開始してステップ５１０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)と表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、ＣＰＵはステップ５２０に進んで燃料噴射開始タイミングθfuelをテーブルMapθfuel(Accp,NE)に基づいて求め、ステップ５３０に進んで排気弁開弁タイミングEOをテーブルMapEO(Accp,NE)に基づいて求める。続いて、ＣＰＵはステップ５４０に進んで給気弁開弁タイミングIOをテーブルMapIO(Accp,NE)に基づいて求め、ステップ５５０に進んで排気弁閉弁タイミングECをテーブルMapEC(Accp,NE)に基づいて求める。その後、ＣＰＵはステップ５６０に進んで給気弁閉弁タイミングICをテーブルMapIC(Accp,NE)に基づいて求め、ステップ５９９に進んで本ルーチンを一旦終了する。以上により、各気筒のインジェクタ３７、給気弁３２及び排気弁３４を制御するタイミングが決定される。

（駆動制御）
更に、ＣＰＵは、図６にフローチャートにより示した内燃機関１０を駆動制御するためのルーチンを、クランク角が所定の微小なクランク角だけ経過する毎に第ｎ気筒専用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、ＣＰＵはステップ６００から本ルーチンの処理を開始してステップ６０５に進み、第ｎ気筒の現時点のクランク角が前述した図５のステップ５３０にて決定された第ｎ気筒の排気弁開弁タイミングEOと一致しているか否かを判定する。そして、第ｎ気筒の現時点のクランク角が第ｎ気筒の排気弁開弁タイミングEOと一致していると、ＣＰＵはステップ６０５にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ６１０に進み、排気弁駆動機構３４ａに駆動信号を送出して第ｎ気筒の排気弁３４を開弁させる。

以降、ＣＰＵはステップ６１５からステップ６５０までの処理に従って、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わせる。

ステップ６１５及びステップ６２０…第ｎ気筒の現時点のクランク角が図５のステップ５４０にて決定された第ｎ気筒の給気弁開弁タイミングIOと一致したとき、給気弁駆動機構３２ａに駆動信号を送出して第ｎ気筒の給気弁３２を開弁させる。

ステップ６２５及びステップ６３０…第ｎ気筒の現時点のクランク角が図５のステップ５２０にて決定された第ｎ気筒の燃料噴射開始タイミングθfuelと一致したとき、第ｎ気筒のインジェクタ３７を燃料噴射量TAUに応じた時間だけ開弁させ、燃料噴射量TAUの燃料を燃焼室２５内に噴射させる。

ステップ６３５及びステップ６４０…第ｎ気筒の現時点のクランク角が図５のステップ５５０にて決定された第ｎ気筒の排気弁閉弁タイミングECと一致したとき、排気弁駆動機構３４ａに駆動信号を送出して第ｎ気筒の排気弁３４を閉弁させる。

ステップ６４５及びステップ６５０…第ｎ気筒の現時点のクランク角が図５のステップ５６０にて決定された第ｎ気筒の給気弁閉弁タイミングICと一致したとき、給気弁駆動機構３２ａに駆動信号を送出して第ｎ気筒の給気弁３２を閉弁させる。

次に、ＣＰＵはステップ６５５に進み、第ｎ気筒の現時点のクランク角が所定のガス噴射開始タイミングθgasと一致しているか否かを判定する。ここで、ガス噴射開始タイミングθgas及びガス噴射の時間は少なくともガス噴射孔６１ｃがピストントップランドと対向している期間内にガス噴射が実行されるように設定されている。本例においては、ガス噴射孔６１ｃを備えるガスケット６１がシリンダ２１の上端に固定されているので、ガス噴射孔６１ｃがピストントップランドと対向している期間はピストン２２が上死点近傍にあるときとなる。

そして、第ｎ気筒の現時点のクランク角がガス噴射開始タイミングθgasと一致していると、ＣＰＵはステップ６５５にて「Ｙｅｓ」と判定し、ステップ６６０に進んで冷却水温度センサ８３から出力される信号による内燃機関１０の冷却水温度Twを読み込む。次に、ＣＰＵはステップ６６５に進んで冷却水温度Twが所定の温度（本例では６０℃）より低いか否かを判定する。

（暖機運転時）
いま、内燃機関１０の運転が開始された直後であると仮定して説明を続ける。この場合、冷却水温度Twは外気の温度に略等しい。従って、ＣＰＵはステップ６６５にて「Ｙｅｓ」と判定し、続くステップ６７０に進んで第ｎ気筒の燃焼ガス噴射弁６３ｅに駆動信号を送出して同燃焼ガス噴射弁６３ｅを所定の時間だけ開弁させる。これにより、高圧の燃焼ガスがクエンチ領域Ｂに噴射される。なお、ステップ６５５及びステップ６７０の処理が実行されることは、ガス噴射弁制御手段の機能が達成されることに対応している。その後、ＣＰＵはステップ６９９に進んで本ルーチンを一旦終了する。

以上により、図７に示したように、排気弁開弁タイミングEOにて排気弁３４が開弁して排気期間が開始し、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、給気弁開弁タイミングIOにて給気弁３２が開弁して掃気期間が開始する。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タイミングθfuel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、排気弁閉弁タイミング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、給気弁閉弁タイミング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期間が開始する。

その後、上死点付近の適切なガス噴射開始タイミングθgasにてガス噴射が実行され、クエンチ領域Ｂに向けて高圧の燃焼ガスが噴射される。これにより、図２の符号Ａが付された矢印にて示したように、クエンチ領域Ｂ内の混合ガスは燃焼室２５の中央部に押し出され、噴射された燃焼ガスからなる断熱層が燃焼室２５の側壁と同混合ガスとの間に形成される。その後、クランク角が上死点（ＴＤＣ）近傍になると、混合ガスは自着火し膨張期間が開始する。

（非暖機運転時）
次に、内燃機関１０が十分な時間運転されたことにより冷却水温度Twが６０℃以上となった場合について、具体的な作動を説明する。

この場合、ＣＰＵは図６のステップ６６５にて「Ｎｏ」と判定し、ステップ６７５に進んで第ｎ気筒の空気噴射弁６２ｄに駆動信号を送出して同空気噴射弁６２ｄを所定の時間だけ開弁させる。これにより、高圧の空気がクエンチ領域Ｂに噴射される。なお、ステップ６７５の処理が実行されることは、ガス噴射弁制御手段の機能の一部が達成されることに対応している。その後、ＣＰＵはステップ６９９に進んで本ルーチンを一旦終了する。

以上説明したように、本発明による内燃機関の制御装置の実施形態は、不燃ガスである燃焼ガス又は空気をクエンチ領域Ｂに噴射する。この結果、不燃ガスにより、クエンチ領域Ｂの混合ガスを燃焼室の中央部へ押し出すことができるので、同クエンチ領域Ｂ内の燃料濃度を低減することができる。これにより、クエンチ領域Ｂにおいて未燃の炭化水素が生成されにくくなり、同未燃の炭化水素の排出量を低減することができる。

更に、実施形態は、不燃ガスからなる断熱層を燃焼室２５の側壁と混合ガスとの間に形成するので、燃焼室２５の側壁と混合ガスとの間の熱伝達量を減少させることができる。これにより、混合ガスの冷却を抑制することができ、安定した自着火燃焼を実現することができる。

加えて、実施形態は、自着火燃焼が開始する直前或いは自着火燃焼の初期から中期にかけて、混合ガスをクエンチ領域Ｂから燃焼室２５の中央部へ押し出すので、同混合ガスは確実に燃焼させられる。また、不燃ガスの噴射が早過ぎることにより、自着火燃焼が開始する前に再びクエンチ領域Ｂに混合ガスが進入することもない。従って、未燃の炭化水素の排出量を確実に低減することができる。

更に、実施形態は、燃焼室２５を構成する壁面（シリンダボア壁及びピストン２２の側面）が一層低温となる暖機運転時において、高温の燃焼ガスをクエンチ領域Ｂに噴射する。この結果、高温の燃焼ガスからなる断熱層が燃焼室２５の側壁と混合ガスとの間に形成されるので、燃焼室２５の側壁と混合ガスとの間の熱伝達量を一層減少させることができ、暖機運転時において安定した自着火燃焼を実現することができる。

なお、本発明は上記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、不燃ガスの噴射を開始するタイミングは、ピストン２２頂面がガス噴射孔６１ｃの下端より高い位置となった時点からピストン２２が上死点に達する時点までの期間内に設定されていることが好ましい。

また、不燃ガスの噴射を開始するタイミングは、上死点を原点としクランク軸２４の回転方向と逆方向を正にとったクランク角（ＢＴＤＣ）で２０°以降であることが好ましい。これによれば、自着火燃焼が開始する時期はＢＴＤＣで５°から１０°であることが多いので、不燃ガスの噴射が早過ぎることはなく、自着火燃焼が開始する前に再びクエンチ領域Ｂに混合ガスが進入することもない。

更に、上記実施形態における予混合圧縮自着火式運転（自着火運転）は２サイクルであったが、４サイクル自着火運転を行う内燃機関にも本発明を適用することができる。また、自着火運転中において失火を確実に防止するために点火プラグ３５によって火花を補助的に発生してもよい。更に、少なくとも自着火運転中において、スーパチャージャ及びターボチャージャ等により過給を行うことが望ましい。

また、火花点火燃焼を行う内燃機関にも本発明を適用することができる。これによれば、上記実施形態と同様に、クエンチ領域Ｂにおいて生成される未燃の炭化水素の量を低減することができる。

更に、上記実施形態においては不燃ガスとして空気又は燃焼ガスを噴射することとしているが、不燃ガスとして窒素やアルゴンを噴射してもよい。また、噴射される不燃ガスは燃焼ガスの様に、クエンチ領域Ｂに進入する混合ガスの燃料濃度よりも低い燃料濃度のガスであればよい。

本発明による制御装置を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構成図である。 図１に示したシリンダとピストンとの境界の概略拡大断面図である。 図１に示したガスケットの概略断面、空気噴射部及び燃焼ガス噴射部を示した図である。 図１に示した内燃機関と電気制御装置との関係を示すブロック図である。 図４に示した電気制御装置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４に示した電気制御装置が実行する内燃機関を駆動制御するためのルーチンを表すフローチャートである。 実施形態に係る内燃機関の弁開閉タイミング、燃料噴射タイミング及びガス噴射タイミング等を概念的に示した説明図である。

符号の説明

１０…内燃機関、２０…シリンダブロック部、２１…シリンダ、２２…ピストン、２５…燃焼室、２６ａ…ファーストリング溝、２６ｂ…ファーストリング、２７ａ…セカンドリング溝、２７ｂ…セカンドリング、２８ａ…オイルリング溝、２８ｂ…オイルリング、３０…シリンダヘッド部、３２…給気弁、３２ａ…給気弁駆動機構、３４…排気弁、３４ａ…排気弁駆動機構、３７…インジェクタ、６１…ガスケット、６１ａ…燃焼室穴、６１ｂ…環状ガス通路、６１ｃ…ガス噴射孔、６１ｄ…第１連通路、６１ｅ…第２連通路、６２ｄ…空気噴射弁、６３ｅ…燃焼ガス噴射弁、８３…冷却水温度センサ、Ｂ…クエンチ領域。

Claims (3)

1. シリンダと、同シリンダ内において往復運動するピストンと、同シリンダと同ピストンとにより構成される燃焼室の気密性を高めるために同ピストンの側面に形成されたリング溝に装着されたピストンリングと、
   を備え、前記燃焼室内に形成された混合ガスを圧縮して自着火させる予混合圧縮自着火燃焼を行う予混合圧縮自着火式内燃機関の制御装置であって、
   前記ピストンの頂面の外周と前記ピストンリングとの間の同ピストンの側面であるピストントップランドと前記燃焼室の側壁との間に形成されるクエンチ領域に不燃ガスを噴射して、同クエンチ領域の混合ガスを同クエンチ領域から前記燃焼室の中央部へ押し出すガス噴射手段を備えた予混合圧縮自着火式内燃機関の制御装置。
2. 請求項１に記載の予混合圧縮自着火式内燃機関の制御装置において、
   前記ガス噴射手段は、
   前記ピストンが上死点近傍にあるときに前記クエンチ領域に連通するガス噴射孔と、
   駆動信号に応答して前記ガス噴射孔に前記不燃ガスを噴射するガス噴射弁と、
   前記不燃ガスが前記ガス噴射孔を介して前記クエンチ領域に噴射されるように所定のタイミングにて前記駆動信号を発生するガス噴射弁制御手段と、
   を含む予混合圧縮自着火式内燃機関の制御装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の予混合圧縮自着火式内燃機関の制御装置において、
   前記ガス噴射手段は、
   前記内燃機関が暖機運転されるときは混合ガスが燃焼することにより生成された燃焼ガスを前記不燃ガスとして噴射する予混合圧縮自着火式内燃機関の制御装置。
   

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