JP2006077655A - 内燃機関及び掃気補助制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】掃気を補助するための気体の供給量に上限がある場合でも、確実に残留ガスを掃気してノッキングを抑制すること。
【解決手段】この内燃機関１０は、吸気弁８ｉと排気弁８ｅとを有し、燃焼室１ｂに存在する残留ガスＧｂの掃気を補助するために用いる掃気補助ガスＧａを発生する高圧空気タンク２３を備える。高圧空気タンク２３から送られる掃気補助ガスＧａは、調圧弁２２で圧力を調整されて、噴射弁２１から所定の時期に噴射される。そして、吸気弁８ｉと排気弁８ｅとのオーバーラップ期間が長くなるにしたがって、調圧弁２２は掃気補助ガスＧａの圧力を低下させ、噴射弁２１は、掃気補助ガスＧａの供給時間を長くする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関に関し、さらに詳しくは、燃焼室内の残留ガスの掃気を促進する気体が供給される内燃機関及び掃気補助制御装置に関する。

近年の内燃機関では、燃焼室内の残留ガスの掃気を促進するため、空気を燃焼室内へ噴射するものがある。このような内燃機関には、例えば、特許文献１に開示されているように、バルブオーバーラップ期間中に吸気ポートへ高圧空気を噴射して、燃焼室内に残留した燃焼ガスを掃気する技術がある。

特開平７−２２４６７１号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術は、空気供給量に上限がある場合、供給可能な空気がなくなってしまうことがある。その結果、残留ガスを確実に掃気できない場合が発生して、ノッキングの発生を十分に抑制できない場合がある。特に、バルブオーバーラップ期間が大きい状態で内燃機関が運転される場合には空気の消費量が多くなるので、前記問題が顕著に現れる。また、特許文献１に開示された技術では、排気慣性効果によって、掃気を補助するための空気を供給しなくとも、十分に残留ガスを掃気できる場合については言及されておらず、かかる場合においてノッキングを改善する余地はある。

そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、掃気を補助する気体を燃焼室へ供給することで燃焼室内の残留ガスの掃気を促進するにあたり、前記気体の供給量に上限がある場合でも、確実に残留ガスを掃気してノッキングを抑制すること、掃気を補助するための気体を供給しなくとも残留ガスを掃気できる場合においてノッキングを抑制することのうち、少なくとも一つを達成できる内燃機関及び掃気補助制御装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る内燃機関は、吸気弁と排気弁とを有する内燃機関であって、前記内燃機関の燃焼室に存在する残留ガスの掃気を補助するために用いる掃気補助ガスを発生する掃気補助ガス供給源と、前記吸気弁と前記排気弁とのオーバーラップ期間が長くなるにしたがって、前記掃気補助ガスの圧力を低下させるとともに、前記掃気補助ガスの供給時間を長くして前記燃焼室へ供給する掃気補助ガス供給手段と、を備えることを特徴とする。

この内燃機関は、吸気弁と排気弁とのオーバーラップ期間（以下必要に応じてオーバーラップ期間という）が長くなるにしたがって、燃焼室へ供給する掃気補助ガスの圧力を低下させるとともに、供給時間を長くする。これにより、オーバーラップ期間の大小に関わらず、ほぼ一定量の掃気補助ガスを内燃機関の燃焼室内へ導入することができる。その結果、オーバーラップ期間が大きくなった場合でも、オーバーラップ期間の途中で掃気補助ガスが途切れることなく前記掃気補助ガスを燃焼室内へ導入することができる。また、オーバーラップ期間が小さい場合であっても、限られた量の掃気補助ガスを確実に燃焼室内へ導入できる。このように、本発明に係る内燃機関では、掃気補助ガスの供給量に上限がある場合でも、確実に残留ガスを掃気してノッキングを抑制することができる。

次の本発明に係る内燃機関は、吸気弁と排気弁とを有する内燃機関であって、前記内燃機関の燃焼室に存在する残留ガスの掃気を補助するために用いる掃気補助ガスを発生する掃気補助ガス供給源と、排気行程中の所定の時期に、前記掃気補助ガスを前記燃焼室へ供給する掃気補助ガス供給手段と、前記掃気補助ガスを供給しなくとも、前記残留ガスが前記内燃機関の排気ポート内へ吸い出される場合には、前記掃気補助ガスの流れを前記内燃機関のシリンダヘッド側に向ける掃気補助ガス偏向手段と、を備えることを特徴とする。

この内燃機関は、掃気補助ガスの流れる方向を変更可能な掃気補助ガス偏向手段を備える。そして、排気ポート内の圧力が燃焼室内の圧力よりも低いときのように、掃気補助ガスを供給しなくとも、残留ガスが内燃機関の排気ポート内へ吸い出される場合には、掃気補助ガスの流れをシリンダヘッド壁面に向ける。このように、掃気補助ガスを供給しなくとも残留ガスの掃気ができる場合には、掃気補助ガスによってシリンダヘッドを冷却して、ノッキングを抑制できる。

次の本発明に係る内燃機関は、前記内燃機関において、前記掃気補助ガス供給手段は、前記吸気弁が開く前に前記掃気補助ガスの供給を開始することを特徴とする。

この内燃機関は、前記内燃機関と同一の構成を備えるので、前記内燃機関と同様の作用、効果を奏する。さらに、この内燃機関は、吸気弁が開く前に掃気補助ガスの供給を開始する。これにより、吸気弁が開弁するよりも早く掃気補助ガスを供給できるので、掃気補助ガスが噴射されてから燃焼室まで到達するまでの時間遅れを改善することができる。

次の本発明に係る内燃機関は、前記内燃機関において、前記吸気弁と前記排気弁とのオーバーラップ期間が存在しないときには、前記掃気補助ガス供給手段は、前記内燃機関の圧縮行程で前記掃気補助ガスを供給することを特徴とする。

この内燃機関は、前記内燃機関と同一の構成を備えるので、前記内燃機関と同様の作用、効果を奏する。さらに、この内燃機関は、オーバーラップ期間が存在しない場合、圧縮行程で前記掃気補助ガスを供給する。これによって、吸気弁を通して燃焼室内へ掃気補助ガスを導入することはできない場合には、掃気補助ガスによって吸気弁及びその近傍を冷却することができる。その結果、燃焼室内の燃焼ガス温度を低減できるので、ノッキングを抑制することができる。

次の本発明に係る内燃機関は、前記内燃機関において、前記内燃機関が、その吸気通路へ燃料を供給するポート噴射弁を備える場合、前記掃気補助ガス供給手段が前記掃気補助ガスを前記燃焼室へ供給するときには、前記ポート噴射弁からの燃料噴射は吸気非同期とすることを特徴とする。

この内燃機関は、前記内燃機関と同一の構成を備えるので、前記内燃機関と同様の作用、効果を奏する。さらに、この内燃機関は、内燃機関がポート噴射弁を備える場合、掃気補助ガスを燃焼室へ供給するときには、ポート噴射弁からの燃料噴射は吸気非同期とする。これにより、ポート噴射弁から噴射された燃料の噴霧は、掃気補助ガスによってほとんど乱されることがなくなるので、燃料の余分な壁面付着を低減できる。その結果、掃気補助ガスを供給した場合でも、掃気補助ガスを供給しない場合と同等のエミッションや、燃料消費を維持できる。

次の本発明に係る内燃機関は、前記内燃機関において、さらに、前記掃気補助ガスの流れ方向を変更可能な掃気補助ガス偏向手段を備え、前記掃気補助ガスを供給しなくとも、前記残留ガスが前記内燃機関の排気ポート内へ吸い出される場合には、前記掃気補助ガス偏向手段によって前記掃気補助ガスの流れを前記内燃機関のシリンダヘッド側に向けることを特徴とする。

この内燃機関は、前記内燃機関と同一の構成を備えるので、前記内燃機関と同様の作用、効果を奏する。さらに、この内燃機関は、掃気補助ガスの流れる方向を変更可能な掃気補助ガス偏向手段を備える。そして、排気ポート内の圧力が燃焼室内の圧力よりも低いときのように、前記掃気補助ガスを供給しなくとも、残留ガスが内燃機関の排気ポート内へ吸い出される場合には、掃気補助ガスの流れをシリンダヘッド壁面に向ける。このように、掃気補助ガスを供給しなくとも残留ガスの掃気ができる場合には、掃気補助ガスによってシリンダヘッドを冷却して、ノッキングを抑制できる。

次の本発明に係る掃気補助制御装置は、吸気弁と排気弁とを有する内燃機関の制御に用いるものであり、前記内燃機関の運転状態から、前記内燃機関の燃焼室に存在する残留ガスの掃気を補助するために用いる掃気補助ガスを前記燃焼室に供給する条件であるか否かを判定する運転状態判定部と、前記掃気補助ガスを前記燃焼室に供給する条件であるときには、前記吸気弁と前記排気弁とのオーバーラップ期間が長くなるにしたがって、前記掃気補助ガスの圧力を低下させるとともに、前記掃気補助ガスの供給時間を長く設定するガス供給条件設定部と、前記ガス供給条件設定部が設定した圧力及び供給時間で、前記掃気補助ガスを前記燃焼室へ供給させるガス供給制御部と、を含んで構成されることを特徴とする。

この掃気補助制御装置は、吸気弁と排気弁とのオーバーラップ期間が長くなるにしたがって、燃焼室へ供給する掃気補助ガスの圧力を低下させるとともに、供給時間を長くするように制御する。これにより、オーバーラップ期間の大小に関わらず、ほぼ一定量の掃気補助ガスを内燃機関の燃焼室内へ導入することができる。その結果、オーバーラップ期間が大きくなった場合でも、オーバーラップ期間の途中で掃気補助ガスが途切れることなく前記掃気補助ガスを燃焼室内へ導入できる。また、オーバーラップ期間が小さい場合であっても、限られた量の掃気補助ガスを確実に燃焼室内へ導入できる。このように、本発明に係る内燃機関では、掃気補助ガスの供給量に上限がある場合でも、確実に残留ガスを掃気してノッキングを抑制することができる。

次の本発明に係る掃気補助制御装置は、吸気弁と排気弁とを有する内燃機関の制御に用いるものであり、前記内燃機関の運転状態から、前記内燃機関の燃焼室に存在する残留ガスの掃気を補助するために用いる掃気補助ガスを前記燃焼室に供給する条件であるか否かを判定する運転状態判定部と、前記掃気補助ガスを前記燃焼室に供給する条件であるときには、前記掃気補助ガスを前記燃焼室へ供給する時期を決定するガス供給条件設定部と、前記掃気補助ガスを供給しなくとも、前記残留ガスが前記内燃機関の排気ポート内へ吸い出されると前記運転状態判定部が判定したきには、前記掃気補助ガスの流れを前記内燃機関のシリンダヘッド側に向けるように、前記内燃機関が備える前記掃気補助ガス偏向手段を制御するガス供給制御部と、を含んで構成されることを特徴とする。

この掃気補助制御装置は、制御対象の内燃機関が、掃気補助ガスの流れる方向を変更可能な掃気補助ガス偏向手段を備える場合、前記掃気補助ガスを供給しなくとも、残留ガスが前記内燃機関の排気ポート内へ吸い出されるときには、掃気補助ガスの流れをシリンダヘッド壁面に向けるように制御する。このように、掃気補助ガスを供給しなくとも残留ガスの掃気ができる場合には、掃気補助ガスによってシリンダヘッドを冷却して、ノッキングを抑制できる。

次の本発明に係る掃気補助制御装置は、前記掃気補助制御装置において、前記ガス供給条件設定部は、前記吸気弁が開く前に前記掃気補助ガスの供給を開始するように前記掃気補助ガスの供給開始時期を設定し、前記ガス供給制御部は、設定された供給開始時期で前記掃気補助ガスの供給を開始させることを特徴とする。

この掃気補助制御装置は、前記掃気補助制御装置と同一の構成を備えるので、前記掃気補助制御装置と同様の作用、効果を奏する。さらに、この掃気補助制御装置は、吸気弁が開く前に掃気補助ガスの供給を開始するように制御する。これにより、吸気弁が開弁するよりも早く掃気補助ガスを供給できるので、掃気補助ガスが噴射されてから燃焼室まで到達するまでの時間遅れを改善することができる。

次の本発明に係る掃気補助制御装置は、前記掃気補助制御装置において、前記運転状態判定部が、前記吸気弁と前記排気弁とのオーバーラップ期間が存在しないと判定したときには、前記ガス供給条件設定部は、前記掃気補助ガスの供給時期を、前記内燃機関の圧縮行程に設定し、前記ガス供給制御部は、前記ガス供給条件設定部が設定した供給時期で前記掃気補助ガスを供給させることを特徴とする。

この掃気補助制御装置は、前記掃気補助制御装置と同一の構成を備えるので、前記掃気補助制御装置と同様の作用、効果を奏する。さらに、この掃気補助制御装置は、オーバーラップ期間が存在しない場合、圧縮行程で前記掃気補助ガスを供給するように制御する。これによって、吸気弁を通して燃焼室内へ掃気補助ガスを導入することはできない場合には、掃気補助ガスによって吸気弁及びその近傍を冷却することができる。その結果、燃焼室内の燃焼ガス温度を低減できるので、ノッキングを抑制することができる。

次の本発明に係る掃気補助制御装置は、前記掃気補助制御装置において、さらに、前記内燃機関の吸気通路へ燃料を供給するポート噴射弁の燃料噴射時期を制御可能な燃料噴射制御部を備え、前記掃気補助ガスを前記燃焼室に供給する条件であると前記運転状態判定部が判定したときには、前記燃料噴射制御部は、前記ポート噴射弁からの燃料噴射は吸気非同期とすることを特徴とする。

この掃気補助制御装置は、前記掃気補助制御装置と同一の構成を備えるので、前記掃気補助制御装置と同様の作用、効果を奏する。さらに、この掃気補助制御装置は、制御対象の内燃機関がポート噴射弁を備える場合、掃気補助ガスを燃焼室へ供給するときには、ポート噴射弁からの燃料噴射は吸気非同期となるように制御する。これにより、ポート噴射弁から噴射された燃料の噴霧は、掃気補助ガスによってほとんど乱されることがなくなるので、燃料の余分な壁面付着を低減させることができる。その結果、掃気補助ガスを供給した場合でも、掃気補助ガスを供給しない場合と同等のエミッションや、燃料消費を維持させることができる。

次の本発明に係る掃気補助制御装置は、前記掃気補助制御装置において、さらに、前記内燃機関が前記掃気補助ガスの流れ方向を変更可能な掃気補助ガス偏向手段を備える場合、前記掃気補助ガスを供給しなくとも、前記残留ガスが前記内燃機関の排気ポート内へ吸い出されると前記運転状態判定部が判定した場合には、前記ガス供給制御部は、前記掃気補助ガスの流れを前記内燃機関のシリンダヘッド側に向けるように、前記掃気補助ガス偏向手段を制御することを特徴とする。

この掃気補助制御装置は、前記掃気補助制御装置と同一の構成を備えるので、前記掃気補助制御装置と同様の作用、効果を奏する。さらに、この掃気補助制御装置は、制御対象の内燃機関が、掃気補助ガスの流れる方向を変更可能な掃気補助ガス偏向手段を備える場合、前記掃気補助ガスを供給しなくとも、残留ガスが前記内燃機関の排気ポート内へ吸い出されるときには、掃気補助ガスの流れをシリンダヘッド壁面に向けるように制御する。このように、掃気補助ガスを供給しなくとも残留ガスの掃気ができる場合には、掃気補助ガスによってシリンダヘッドを冷却して、ノッキングを抑制できる。

本発明に係る内燃機関及び掃気補助制御装置では、掃気を補助するための気体の供給量に上限がある場合でも、確実に残留ガスを掃気してノッキングを抑制すること、掃気を補助するための気体を供給しなくとも残留ガスを掃気できる場合においてノッキングを抑制することのうち、少なくとも一つを達成できるという効果を奏する。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下に説明する実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、以下の実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。特に本発明は、吸排気弁を備える内燃機関に対して好適である。

実施例１に係る内燃機関は、吸気弁と排気弁とのオーバーラップ期間が長くなるにしたがって、燃焼室内の残留ガスの掃気を補助する掃気補助ガスの圧力を低下させるとともに、前記掃気補助ガスの供給時間を長くする点に特徴がある。図１は、実施例１に係る内燃機関の一例を示す説明図である。実施例１では、内燃機関が備える単一の気筒を取り出して説明するが、本発明は多気筒、単気筒を問わずに適用できる。

図１に示すように、実施例１に係る内燃機関１０は、燃焼室１ｂ内の残留ガスＧｂの掃気を補助するための気体（以下掃気補助ガスという）を供給する掃気補助ガス導入通路２０を備える。実施例１において、掃気補助ガス導入通路２０は、吸気通路の一部である吸気ポート４ｐ内へ掃気補助ガスＧａを供給し、吸気ポート４ｐを通して燃焼室１ｂ内へ掃気補助ガスＧａを供給する。実施例１において、掃気補助ガスＧａには空気を用いるが、掃気補助ガスＧａは空気に限定されるものではない（以下の実施例でも同様）。掃気アシストガスは、少なくとも吸気弁８ｉが開いている時期に、掃気補助ガス導入通路２０から燃焼室１ｂ内へ供給されて、気筒１ｓ内の燃焼室１ｂに残留する排ガスＥｘの掃気を補助する。

図２は、掃気補助ガス導入通路の他の例を示す説明図である。図２に示す内燃機関１０'のように、掃気補助ガス導入通路２０を直接燃焼室１ｂ内へ開口させるとともに、掃気補助ガス導入通路２０の途中に燃焼室１ｂからの逆流を防止し、かつ燃焼室１ｂへの流れを許容する逆止弁２６を設けて、掃気補助ガスＧａを燃焼室１ｂへ直接供給してもよい。

掃気補助ガス導入通路２０は、掃気補助ガス発生手段である高圧空気タンク２３に貯留される加圧された高圧の空気を、吸気通路の一部である吸気ポート４ｐへ導入する。予め一定量の空気を充填した高圧空気タンク２３が、内燃機関１０が搭載される車両等に搭載される。また、掃気補助ガス発生手段は、例えば内燃機関１０や電動機によって駆動される圧縮機と高圧空気タンクとを組み合わせて使用してもよい。高圧空気タンク２３と掃気補助ガス導入通路２０との間には、ガス圧力調整手段である調圧弁２２と、ガス供給時間可変手段である噴射弁２１とが備えられている。

調圧弁２２は、高圧空気タンク２３に貯留されている空気の圧力を必要な大きさに調整して、吸気ポート４ｐへ供給する。なお、ガス圧力調整手段として、調圧弁２２の代わりに、例えば、圧力可変式のプレッシャーレギュレータを用いることができる。噴射弁２１は、例えばＯＮ−ＯＦＦ弁であり、開弁時間を変化させることによって、掃気補助ガス導入通路に対する空気の供給時間を調整する。実施例１においては、掃気補助ガス導入通路２０と、ガス圧力調整手段と、ガス供給時間可変手段とを含んで、掃気補助ガス供給手段が構成されている。

実施例１に係る内燃機関１０は、気筒１ｓの燃焼室１ｂ内へ直接燃料を噴射する直噴噴射弁３を備えた、いわゆる直噴内燃機関である。内燃機関１０への燃料供給は、直噴噴射弁３に限られず、吸気通路の一部である吸気ポート４ｐへ燃料を噴射するポート噴射弁を用いてもよく、また、直噴噴射弁３とポート噴射弁とを兼備して、内燃機関１０の運転条件に応じて両者の燃料噴射割合を変更して、内燃機関１０へ燃料を供給してもよい。

実施例１に係る内燃機関１０では、吸気カム６２ｉが形成されている吸気カムシャフト６１ｉには、吸気弁開閉時期変更機構６０ｉが取り付けられ、また、排気カム６２ｅが形成されている排気カムシャフト６１ｅには、排気弁開閉時期変更機構６０ｅが取り付けられている。図３は、吸気弁開閉時期変更機構及び排気弁開閉時期変更機構の一例を示す説明図である。なお、図３では、吸気側は遅角状態に、排気側は進角状態を表している。

吸気弁８ｉ、排気弁８ｅの開閉時期は、図３に示す機構により変更することができる。この機構について簡単に説明する。吸気側ハウジング６４ｉは吸気側ドリブンギヤ６３ｉに固定されており、排気側ハウジング６４ｅは排気側ドリブンギヤ６３ｅに固定されている。また、吸気側ベーン部６５ｉは吸気カムシャフト６１ｉに固定されており、排気側ベーン部６５ｅは排気カムシャフト６１ｅに固定されている。

吸気側ハウジング６４ｉと吸気側ベーン部６５ｉとの間の空間、及び排気側ハウジング６４ｅと排気側ベーン部６５ｅとの間の空間には、吸気側進角室６６ｉ、吸気側遅角室６７ｉ、及び排気側進角室６６ｅ、排気側遅角室６７ｅが形成される。吸気側進角室６６ｉ、排気側進角室６６ｅ等にはカム作動油が供給され、進角室、遅角室に作用するカム作動油の油圧を制御することにより、吸気側ベーン部６５ｉあるいは排気側ベーン部６５ｅを回転させ、吸気カムシャフト６１ｉあるいは排気カムシャフト６１ｅの位相を連続的に変化させる。上記機構によって吸気弁開時期と排気弁閉時期とを変更することにより、オーバーラップ期間を変更することができる。

これにより、吸気弁８ｉの開弁時期と閉弁時期及び排気弁８ｅの開弁時期と閉弁時期を可変できる。そして、吸気弁開閉時期変更機構６０ｉ又は排気弁開閉時期変更機構６０ｅの少なくとも一方を作動させることにより、吸気弁８ｉと排気弁８ｅとのオーバーラップ期間を変化させることができる。実施例１においては、吸気弁開閉時期変更機構６０ｉ及び排気弁開閉時期変更機構６０ｅが、オーバーラップ期間可変手段となる。なお、前記オーバーラップ期間を変化させるためには、吸気弁開閉時期変更機構６０ｉ又は排気弁開閉時期変更機構６０ｅの少なくとも一方を備えていればよい。また、吸気弁開閉時期変更機構６０ｉ及び排気弁開閉時期変更機構６０ｅの両方を備える場合には、両者のうち少なくとも一方を動作させることにより、オーバーラップ期間を変化させることができる。

図４は、オーバーラップ期間の説明図である。図４のＴＤＣはTop Dead Centerであり、上死点を表す。また、ＢＤＣは、Bottom Dead Centerであり、下死点を表す。ＩＶＯは、Intake Valve Openであり、吸気弁８ｉが開き始める時期を表し、ＩＶＣは、Intake Valve Closeであり、吸気弁８ｉが閉じ始める時期を表す。また、ＥＶＯは、Exhaust Valve Openであり、排気弁８ｅが開き始める時期を表し、ＥＶＣは、Exhaust Valve Closeであり、排気弁８ｉが閉じ始める時期を表す。

ここで、「オーバーラップ期間」とは、排気弁８ｅの閉じる前に吸気弁８ｉが開き始める場合において、吸気弁８ｉの開く時期（ＩＶＯ）から排気弁８ｅの閉じる時期（ＥＶＣ）までの期間（図４参照）である。より具体的には、燃焼室内の残留ガスＧｂの排気時において、排気弁８ｉが開いている期間と吸気弁８ｅが開いている期間とが重なる期間をいう（図４参照）。また、「残留ガス」とは、膨張行程後において内燃機関１０の燃焼室１ｂに存在する燃焼ガスをいう。実施例１に係る内燃機関では、吸気弁開閉時期変更機構６０ｉ又は排気弁開閉時期変更機構６０ｅの少なくとも一方を作動させることにより、前記オーバーラップ期間を長くしたり、短くしたり、あるいは無くしたりすることができる。

内燃機関１０には、その運転を制御するため、クランク角センサ４１、アクセル開度センサ４２、エアフローセンサ４３、ノックセンサ４４、吸気カム角度センサ４５ｉ、排気カム角度センサ４５ｅ、Ａ／Ｆセンサ４６その他のセンサ類が取り付けられている。エンジンＥＣＵ（Engine Control Unit）５０は、前記センサ類からの出力を取得して、内燃機関１０の点火時期や燃料噴射量を決定したり、吸気弁８ｉと排気弁８ｅとのバルブオーバーラップ期間を決定したり、内燃機関１０の運転を制御したりする。

内燃機関１０に供給される燃料Ｆは直噴噴射弁３から燃焼室１ｂ内に噴射され、吸気弁８ｉから流入する空気と混合気を形成する。内燃機関１０に供給される空気は、吸気通路４の入口に取り付けられるエアクリーナ４Ｃでごみ等が除去されてから、内燃機関１０へ送られる。内燃機関１０へ供給される空気は、吸気通路４に設けられるスロットル弁７０によって流量が調整される。このスロットル弁７０は、バタフライ弁７１をスロットルアクチュエータ７２で駆動する、電子スロットル弁である。

実施例１において、アクセル７４の開度はアクセル開度センサ４２で検出されて、エンジンＥＣＵ５０に取り込まれる。エンジンＥＣＵ５０は、バタフライ弁７１に取り付けられるスロットル弁開度センサ７３からの信号を用いて、スロットル弁７０のスロットルアクチュエータ７２をフィードバック制御して、バタフライ弁７１を開閉する。このように、スロットル弁７０の開度は、アクセル７４と連動するように構成される。アクセル開度センサ４２からのアクセル開度情報を元に、エンジンＥＣＵ５０はスロットル弁７０の開度を調整する。

アクセル開度が大きくなると、スロットル弁７０の開度は大きくなり、アクセル開度が小さくなると、スロットル弁７０の開度は小さくなる。内燃機関１０へ供給される空気は、吸気通路４であってスロットル弁７０の上流に設けられるエアフローセンサ４３で流量が計測されて、その計測値はエンジンＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０に取り込まれる。エンジンＥＣＵ５０は、エアフローセンサ４３により計測される吸入空気量Ｑａと、回転数センサ４３で計測される内燃機関１０の機関回転数ＮＥとから、内燃機関１０に対する燃料噴射量Ｑｆを決定する。

燃焼室１ｂ内に導かれた空気と、燃焼室１ｂ内へ噴射された燃料Ｆとによって形成された混合気は、シリンダヘッド１ｈに取り付けられる点火プラグ７で着火されて燃焼し、燃焼ガスとなる。燃焼ガスの燃焼圧力はピストン５に伝えられ、ピストン５を往復運動させる。ピストン５の往復運動は、コネクティングロッド６ｃを介してクランク軸６へ伝達され、ここで回転運動に変換される。内燃機関１０の燃焼室１ｂで燃焼した混合気は、排ガスＥｘとなって排気弁８ｅを通って排気ポート９ｐへ排出される。この排ガスＥｘは、排気通路を構成するエキゾーストマニホールド９ｍを通って浄化触媒９Ｃへ導かれ、ここで浄化されてから消音器９Ｍで消音されて、大気中へ排出される。

次に、実施例１に係る掃気補助制御装置について説明する。図５は、実施例１に係る掃気補助制御装置を示す説明図である。実施例１に係る掃気補助制御は、実施例１に係る掃気補助制御装置３０によって実現できる。図５に示すように、掃気補助制御装置３０は、エンジンＥＣＵ５０に組み込まれて構成されている。エンジンＥＣＵ５０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit：中央演算装置）５０ｐと、記憶部５０ｍと、入力及び出力ポート５５、５６と、入力及び出力インターフェイス５７、５８とから構成される。

なお、エンジンＥＣＵ５０とは別個に、実施例１に係る掃気補助制御装置３０を用意し、これをエンジンＥＣＵ５０に接続してもよい。そして、実施例１に係る掃気補助制御を実現するにあたっては、エンジンＥＣＵ５０が備える内燃機関１０の制御機能を、前記掃気補助制御装置３０が利用できるように構成してもよい。

掃気補助制御装置３０は、運転状態判定部３１と、ガス供給条件設定部３２と、ガス供給制御部３３とを含んで構成される。これらが、実施例１に係る掃気補助制御を実行する部分となる。実施例１において、掃気補助制御装置３０は、エンジンＥＣＵ５０を構成するＣＰＵ（Central Processing Unit：中央演算装置）５０ｐの一部として構成される。この他に、ＣＰＵ５０ｐには、内燃機関１０の運転の制御を司る制御部５３が含まれている。

ＣＰＵ５０ｐと、記憶部５０ｍとは、バス５４₁〜５４₃を介して、入力ポート５５及び出力ポート５６を介して接続される。これにより、掃気補助制御装置３０を構成する運転状態判定部３１とガス供給条件設定部３２とガス供給制御部３３とは、相互に制御データをやり取りしたり、一方に命令を出したりできるように構成される。また、掃気補助制御装置３０は、エンジンＥＣＵ５０が有する燃料噴射量のデータマップや吸排気弁開閉弁時期のデータマップその他の、内燃機関の運転制御データを取得してこれを利用することができる。また、掃気補助制御装置３０は、実施例１に係る掃気補助制御をエンジンＥＣＵ５０が予め備えている運転制御ルーチンに割り込ませたりすることができる。

入力ポート５５には、入力インターフェイス５７が接続されている。入力インターフェイス５７には、クランク角センサ４１、アクセル開度センサ４２、エアフローセンサ４３、ノックセンサ４４、吸気カム角度センサ４５ｉ、排気カム角度センサ４５ｅ、Ａ／Ｆセンサ４６その他の、内燃機関１０の運転制御に必要な情報を取得するセンサ類が接続されている。これらのセンサ類から出力される信号は、入力インターフェイス５７内のＡ／Ｄコンバータ５７ａやディジタルバッファ５７ｄにより、ＣＰＵ５０ｐが利用できる信号に変換されて入力ポート５５へ送られる。これにより、ＣＰＵ５０ｐは、内燃機関１０の運転制御や、実施例１に係る掃気補助制御に必要な情報を取得することができる。

出力ポート５６には、出力インターフェイス５８が接続されている。出力インターフェイス５８には、噴射弁２１、調圧弁２２、吸排気弁開閉時期変更機構６０ｉ、６０ｅその他の、内燃機関１０の運転制御に必要な制御対象が接続されている。なお、アクチュエータ２５も制御対象であるが、これについては実施例２で説明する。出力インターフェイス５８は、制御回路５８₁、５８₂等を備えており、ＣＰＵ５０ｐで演算された制御信号に基づき、前記制御対象を動作させる。このような構成により、前記センサ類からの出力信号に基づき、エンジンＥＣＵ５０のＣＰＵ５０ｐは、内燃機関１０を制御することができる。

記憶部５０ｍには、実施例１に係る掃気補助制御の処理手順を含むコンピュータプログラムや制御マップ、あるいは実施例１に係る掃気補助制御に用いる掃気補助ガスＧａの圧力や供給時間や供給時期等を記述した制御マップ等が格納されている。ここで、記憶部５０ｍは、ＲＡＭ（Random Access Memory）のような揮発性のメモリ、フラッシュメモリ等の不揮発性のメモリ、あるいはこれらの組み合わせにより構成することができる。

上記コンピュータプログラムは、ＣＰＵ５０ｐへすでに記録されているコンピュータプログラムと組み合わせによって、実施例１に係る掃気補助制御の処理手順を実現できるものであってもよい。また、この掃気補助制御装置３０は、前記コンピュータプログラムの代わりに専用のハードウェアを用いて、運転状態判定部３１、ガス供給条件設定部３２及びガス供給制御部３３の機能を実現するものであってもよい。次に、実施例１に係る掃気補助制御について説明する。次の説明においては、適宜図１〜５を参照されたい。

図６は、実施例１に係る掃気補助制御の手順を示すフローチャートである。図７は、掃気補助ガスを供給する運転領域を判定するデータマップの一例を示す説明図である。実施例１に係る掃気補助制御を実行するにあたり、掃気補助制御装置３０が備える運転状態判定部３１は、内燃機関１０の機関回転数ＮＥ、負荷率ＫＬ、オーバーラップ期間ＯＬを取得して（ステップＳ１０１）、掃気補助ガスＧａを供給する運転領域であるか否かを判定する（ステップＳ１０２）。

掃気補助ガスＧａを供給する運転領域であるか否かは、許容できないノッキングが発生するおそれがあるか否かを基準として判定する。例えば、図７に示すデータマップ８０のように、ある機関回転数域において、所定の負荷率以上になっている場合には、掃気補助ガスＧａを供給する運転条件であると判定する。また、ノックセンサ４４により、許容できないノッキングを検知したときには、掃気補助ガスＧａを供給する運転条件であると判定してもよい。

掃気補助ガスＧａを供給する運転領域でない場合（ステップＳ１０２；Ｎｏ）、運転状態判定部３１は引き続き内燃機関１０の運転状態を監視する。掃気補助ガスＧａを供給する運転領域である場合（ステップＳ１０２；Ｙｅｓ）、掃気補助制御装置３０が備えるガス供給条件設定部３２は、オーバーラップ期間ＯＬ、吸気弁開時期Ｔｉｏ、排気弁閉時期Ｔｅｃを取得し、掃気補助ガスＧａの圧力Ｐ、供給開始時期Ｔｓ、供給時間Ｔｉを設定する（ステップＳ１０３）。次に、この決定方法について説明する。

図８−１は、掃気補助ガスの圧力及び供給時間を決定するためのデータマップの一例を示す説明図である。図８−２は、オーバーラップ期間と掃気補助ガスの圧力及び供給時間との関係を示す説明図である。図８−１中、オーバーラップ時間ＯＬ₁＜ＯＬ_nであり、掃気補助ガスの圧力Ｐ₁＞Ｐ_nであり、供給時間Ｔｉ₁＜Ｔｉ_nである。図８−１に示すデータマップ８１のように、実施例１では、オーバーラップ期間中に掃気補助ガスＧａを供給する場合、オーバーラップ期間が短くなるにしたがって、掃気補助ガスＧａの圧力Ｐを大きくするとともに、供給時間Ｔｉは短くする。また、オーバーラップ期間が長くなるにしたがい、掃気補助ガスＧａの圧力Ｐを小さくするとともに、供給時間Ｔｉは長くする。

これにより、図８−２に示すように、オーバーラップ期間の大小に関わらず、掃気補助ガスＧａの供給量Ｑをほぼ一定として、内燃機関１０の燃焼室１ｂ内へ導入することができる。その結果、オーバーラップ期間が大きくなった場合でも、オーバーラップ期間の途中で掃気補助ガスＧａが途切れることなく前記掃気補助ガスＧａを燃焼室１ｂ内へ導入することができる。これにより、供給可能な掃気補助ガスＧａの量が限られている場合であっても、効果的に残留ガスＧｂを掃気して、燃焼室の温度上昇を抑制できる。また、オーバーラップ期間が小さい場合には、掃気補助ガスＧａの圧力Ｐを大きくするとともに、供給時間Ｔｉは短くする。これにより、短いオーバーラップ期間中でも、限られた量の掃気補助ガスＧａを確実に燃焼室１ｂ内へ導入して効果的に残留ガスＧｂを掃気して、燃焼室の温度上昇を抑制できる。このように、実施例１によれば、限られた量の掃気補助ガスＧａを最大限有効に利用して、効果的にノッキングを抑制することができる。

次に、掃気補助ガスＧａの供給開始時期及び供給期間について説明する。図９−１〜図９−４は、掃気補助ガスの供給時期及び供給期間の説明図である。実施例１においては、原則としてオーバーラップ期間中に掃気補助ガスＧａを燃焼室１ｂ内へ導入する。すなわち、吸気弁８ｉが開き始める（ＩＶＯ）とともに噴射弁２１から掃気補助ガスＧａを供給し、排気弁８ｅが閉じ始める（ＥＶＣ）とともに噴射弁２１からの掃気補助ガスＧａの供給を停止する（図９−１）。しかし、内燃機関１０の運転条件によっては、掃気補助ガスＧａの供給開始、停止時期や供給期間を変化させてもよい。

図９−２は、掃気補助ガスの供給開始時期を、吸気弁８ｉの開弁時期よりも早くした例を示している。クランク角度ＣＡで考えれば、掃気補助ガスＧａの供給開始時期を吸気弁８ｉの開弁時期よりも進角させることになる。このようにすれば、吸気弁８ｉが開弁するよりも早く掃気補助ガスＧａを供給できるので、掃気補助ガスＧａが噴射弁２１から噴射されてから吸気弁８ｉ、すなわち燃焼室１ｂまで到達するまでの時間遅れを改善することができる。機関回転数ＮＥが大きくなる程、前記時間遅れの影響は大きくなり、限られた量の掃気補助ガスＧａの利用効率が低下するおそれがある。例えば、機関回転数ＮＥが大きくなる程、掃気補助ガスＧａの供給開始時期を吸気弁８ｉの開弁時期よりも進角させるようにすれば、高回転領域においても限られた量の掃気補助ガスＧａを有効に利用して、効果的にノッキングを抑制することができる。

図９−３は、掃気補助ガスの供給期間を、オーバーラップ期間よりも短くした例を示している。この例では、掃気補助ガスＧａの供給終了時期を、排気弁８ｅの閉弁時期よりも進角させている。例えば、内燃機関１０の機関回転数ＮＥによっては、内燃機関１０の排気慣性効果によって、燃焼室１ｂ内の残留ガスＧｂが排気弁８ｅから吸い出されるようになる。この場合には、掃気補助ガスＧａの供給量が少なくても十分に燃焼室１ｂから残留ガスＧｂが掃気される。したがって、内燃機関１０の排気慣性効果が利用できる内燃機関１０の運転条件においては、掃気補助ガスＧａの供給期間をオーバーラップ期間よりも短くして、燃焼室１ｂ内へ導入する掃気補助ガス量を低減する。これにより、排気慣性効果と掃気補助ガスＧａとを利用して残留ガスＧｂを効果的に燃焼室１ｂから掃気して効果的にノッキングを抑制するとともに、掃気補助ガスＧａの消費量を抑制できる。これによって、限られた量の掃気補助ガスＧａをさらに有効に利用できる。

図９−４は、オーバーラップが存在しない場合、圧縮行程で掃気補助ガスを燃焼室１ｂ内へ導入する例を示している。オーバーラップ期間が存在しない場合、吸気弁８ｉを通して燃焼室１ｂ内へ掃気補助ガスＧａを導入することはできない。この場合には、圧縮行程で掃気補助ガスＧａを噴射弁２１から供給して、吸気弁８ｉ及びその近傍を冷却する。これによって、燃焼室１ｂ内の燃焼ガス温度を低減できるので、ノッキングを抑制することができる。また、燃焼室１ｂ内の温度を低減できるので、空気の充填効率を向上させて、内燃機関１０の出力を向上させることができる。

圧縮行程で内燃機関１０の燃焼室１ｂへ掃気補助ガスＧａを供給すると、その圧縮行程後の吸気行程で、この掃気補助ガスＧａは、新しく燃焼室１ｂ内へ導入される混合気（あるいは空気）とともに燃焼室１ｂ内へ導入される。このため、エアフローセンサ４３で測定された空気量よりも多くの空気が燃焼室１ｂ内へ導入されることになり、空燃比Ａ／Ｆに狂いが生ずる場合がある。このため、圧縮行程で掃気補助ガスＧａを供給する場合には、例えば、Ａ／Ｆセンサ４６（図１参照）の測定値に基づき燃料噴射量制御や吸入空気量制御等を実行して、内燃機関１０の空燃比Ａ／Ｆを補正することが好ましい。また、圧縮行程で掃気補助ガスＧａを供給する場合には、予め実験や解析等によって燃料噴射量や吸入空気量等を補正したデータマップを用意して、これに基づいて内燃機関１０の運転を制御してもよい。

オーバーラップ期間中に掃気補助ガスＧａを供給する場合、ガス供給条件設定部３２が掃気補助ガスＧａの圧力Ｐ、供給開始時期Ｔｓ、供給時間Ｔｉを設定するにあたっては、「オーバーラップ期間が短くなるにしたがって、掃気補助ガスＧａの圧力Ｐを大きくする」という原則に従う。さらに、上述したように、機関回転数ＮＥや排気慣性効果を考慮して、掃気補助ガスＧａの供給開始時期をオーバーラップ期間の開始時よりも進角させたり、供給時間をオーバーラップ期間よりも短くしたりしてもよい。オーバーラップ期間が存在しない場合は、圧縮行程で掃気補助ガスＧａを供給する。

ガス供給条件設定部３２が掃気補助ガスＧａの圧力Ｐ、供給開始時期Ｔｓ、供給時間Ｔｉを設定したら（ステップＳ１０３）、ガス供給制御部３３は、ガス供給条件設定部３２の決定値にしたがって調圧弁２２を調整し、噴射弁２１の開弁時期及び開弁時間を制御して、掃気補助ガスＧａを供給する（ステップＳ１０４）。実施例１では、上記手順により内燃機関１０の燃焼室１ｂ内へ掃気補助ガスＧａを供給し、燃焼室１ｂ内の残留ガスＧｂの掃気を促進するとともに、燃焼室１ｂ内のガス温度を低減してノッキングを抑制する。

次に、内燃機関がポート噴射弁を備える場合の燃料噴射時期について説明する。図１０は、ポート噴射弁を備える内燃機関の一例を示す一部断面図である。図１１は、燃料噴射時期と掃気補助ガスの噴射時期との関係を示す説明図である。図１０に示す内燃機関１０ａは、吸気通路の一部である吸気ポート４ｐに燃料を噴射して、内燃機関１０ａに燃料を供給するポート噴射弁２８を備える。また、この内燃機関１０ａでは、吸気ポート４ｐ内へ掃気補助ガス導入通路２０が開口しており、吸気弁８ｉへ向かって掃気補助ガスＧａを供給する。

内燃機関１０ａがポート噴射弁２８を備える場合、ポート噴射弁２８からの燃料噴射時期が掃気補助ガスＧａの供給時期と重なってしまうと（図１１）、掃気補助ガスＧａの影響により吸気ポート４ｐや燃焼室１ｂの内壁に付着する燃料が変化したり、燃料噴霧の流れが掃気補助ガスＧａにより影響を受けたりする。その結果、余分に吸気ポート４ｐや燃焼室１ｂの内壁へ燃料が付着して、エミッションを悪化させたり、燃料消費を増加させたりするおそれがある。

そこで、ポート噴射弁２８から燃料を噴射する際には、燃料の噴射時期と掃気補助ガスＧａの供給時期とが重ならないようにする。すなわち、吸気同期でポート噴射弁２８から燃料を噴射する場合であっても、燃料供給時期を吸気非同期に変更して燃料を噴射する（図１１）。ここで、「ポート噴射弁２８から吸気非同期で燃料を噴射する」とは、吸気弁８ｉが開き始める前に、ポート噴射弁２８からの燃料噴射が完了することをいう。このようにすれば、ポート噴射弁２８から噴射された燃料の噴霧は、掃気補助ガスＧａによってほとんど乱されることがないので、燃料の余分な壁面付着は極めて少なくなる。その結果、掃気補助ガスＧａを供給した場合でも、掃気補助ガスＧａを供給しない場合と同等のエミッションや、燃料消費を維持できる。

また、吸気ポート４ｐの内壁に付着する燃料は常時一定となり、ポート噴射弁２８からの燃料噴射量の補正に使用される燃料の壁面付着係数は一つになる。その結果、掃気補助ガスＧａを供給した場合でも、吸気ポート４ｐや燃焼室１ｂの内壁に燃料が付着することによる燃料噴射量の補正を変更する必要はなく、燃料噴射制御を簡易化できる。また、ポート噴射弁２８から噴射した燃料噴霧の流れが掃気補助ガスＧａから受ける影響を極めて低減できる。その結果、掃気補助ガスＧａを供給した場合でも安定して混合気を形成して、掃気補助ガスＧａを供給しない場合と同様の燃焼状態を維持できる。

図１２は、ポート噴射弁を備える内燃機関に対する掃気補助制御装置を示す説明図である。図１３は、ポート噴射弁を備える内燃機関に対する掃気補助制御の手順を示すフローチャートである。ポート噴射弁２８を備える内燃機関１０ａに実施例１に係る掃気補助制御を適用する場合、掃気補助制御装置３０ａは、燃料噴射時期変更部３４をさらに備える。他の構成は上記掃気補助制御装置３０と同様なので、説明を省略する。

ポート噴射弁を備える内燃機関に対して実施例１に係る掃気補助制御を実行するにあたって、ステップＳ２０１〜Ｓ２０３は、すでに説明した上記ステップＳ１０１〜Ｓ１０３と同様なので説明を省略する。ガス供給条件設定部３２が掃気補助ガスＧａの圧力Ｐ、供給開始時期Ｔｓ、供給時間Ｔｉを設定したら（ステップＳ２０３）、運転状態判定部３１は、内燃機関１０ａの機関回転数ＮＥや負荷率ＫＬ等の運転条件から、吸気非同期でポート噴射弁２８から燃料を噴射する条件にあるか否かを判定する（ステップＳ２０４）。

内燃機関１０ａの運転条件が吸気非同期で燃料を供給する条件である場合（ステップＳ２０４；Ｙｅｓ）、掃気補助ガスＧａを供給する際には、もともと吸気非同期でポート噴射弁２８から燃料を噴射することになっている。したがって、ガス供給制御部３３は、ガス供給条件設定部３２の決定値にしたがって調圧弁２２を調整し、噴射弁２１の開弁時期及び開弁時間を制御し、掃気補助ガスＧａを供給する（ステップＳ２０５）。

なお、掃気補助ガスＧａを吸気弁８ｉの開弁時期よりも前に供給する場合（図９−２）、吸気非同期でポート噴射弁２８から燃料を噴射しても、ポート噴射弁２８からの燃料噴霧が掃気補助ガスＧａの影響を受ける場合がある。このような場合には、例えば、掃気補助ガスＧａの供給開始前にポート噴射弁２８からの燃料噴射を終了させて、掃気補助ガスＧａの影響を低減させてもよい。

吸気同期で燃料を噴射する条件である場合（ステップＳ２０４；Ｎｏ）、掃気補助ガスＧａを供給する際には、吸気同期でポート噴射弁２８から燃料を噴射することになっている。したがって、燃料噴射時期変更部３４は、ポート噴射弁２８からの燃料噴射時期を吸気非同期に変更して（ステップＳ２０６）、燃料を噴射させる。そして、ガス供給制御部３３は、ガス供給条件設定部３２の決定値にしたがって調圧弁２２を調整し、噴射弁２１の開弁時期及び開弁時間を制御し、掃気補助ガスＧａを供給する（ステップＳ２０７）。

以上、実施例１によれば、吸気弁と排気弁とのオーバーラップ期間が長くなるにしたがって、掃気補助ガスの圧力を低下させるとともに、掃気補助ガスの供給時間を長くして内燃機関の燃焼室へ供給する。これにより、オーバーラップ期間の大小に関わらず、ほぼ一定量の掃気補助ガスを内燃機関の燃焼室内へ導入することができる。その結果、オーバーラップ期間が大きくなった場合でも、オーバーラップ期間の途中で掃気補助ガスが途切れることなく前記掃気補助ガスを燃焼室内へ導入することができる。また、オーバーラップ期間が小さい場合には、掃気補助ガスの圧力を大きくするとともに、供給時間は短くする。これにより、オーバーラップ期間が小さい場合であっても、限られた量の掃気補助ガスを確実に燃焼室内へ導入できる。そして、確実に残留ガスＧｂを掃気して、燃焼室の温度上昇を抑制し、効果的にノッキングを抑制できる。

このように、実施例１によれば、限られた量の掃気補助ガスを最大限有効に利用して、効果的にノッキングを抑制することができる。特に、車両に搭載する内燃機関では、掃気補助ガスの貯蔵量に制限があり、無尽蔵に掃気補助ガスを供給できる訳ではないが、実施例１によれば、限られた掃気補助ガスを最大限に有効利用して、確実に残留ガスＧｂを掃気できる。なお、実施例１で開示した構成は、以下の実施例に対しても必要に応じて適宜適用することができる。また、実施例１で開示した構成と同様の構成を備えれば、実施例１と同様の作用、効果を奏する。

実施例２は、掃気補助ガスの流れ方向を変更可能な掃気補助ガス偏向手段を備え、排気慣性効果によって燃焼室内の残留ガスＧｂが排気ポートへ吸い出されるときには、掃気補助ガス偏向手段によって掃気補助ガスの流れをシリンダヘッド側に向ける点に特徴がある。次の説明では、実施例１と共通する構成には同一の符号を付し、説明を省略する。

図１４−１〜図１４−４は、実施例２に係る内燃機関を示す説明図である。実施例２の内燃機関１０ｂは、ポート噴射弁２８により燃料Ｆを供給するが、直噴噴射弁によって燃料Ｆを供給してもよい。また、ポート噴射弁と直噴噴射弁とを併用してもよい。内燃機関１０ｂは、吸気通路の一部である吸気ポート４ｐ内に、掃気補助ガス導入通路２０が開口しており、吸気ポート４ｐを通して燃焼室１ｂ内へ掃気補助ガスＧａを導入する。そして、掃気補助ガス導入通路２０の開口部２０ｏには、掃気補助ガス偏向手段である回転弁２４が設けられている。回転弁２４にはアクチュエータ２５が取り付けられている（図１４−３）。このアクチュエータ２５はエンジンＥＣＵ５０に接続されており、エンジンＥＣＵ５０内の掃気補助制御装置３０が備えるガス供給制御部３３からの指令で、アクチュエータ２５を動作させることにより、回転軸ｚｒを中心として回転する。

回転弁２４は、回転軸ｚｒが、内燃機関１０ｂのクランク軸６とほぼ平行になるように配置される。また、図１４−２、図１４−３に示すように、回転弁２４は、その回転軸ｚｒと交差するようにガス通路２４ｐが形成されており、回転軸ｚｒを中心として回転すると、吸気ポート４ｐの管軸ｚｐに対するガス通路２４ｐの角度が変化する。これにより、掃気補助ガス導入通路２０から吸気ポート４ｐへ供給される掃気補助ガスＧａの方向が変化するので、燃焼室１ｂ内へ導入される掃気補助ガスＧａの方向を、気筒中心軸Ｚ方向に変化させることができる。

実施例２に係る内燃機関１０ｂのピストン５は、ピストン頂部５ｔに凹部５ｃが形成されている。燃焼室１ｂ内の残留ガスＧｂの掃気を補助する場合、図１４−１に示すように、吸気弁８ｉの傘部８ｉｕのボア端部１ｂｔ側を狙って、掃気補助ガスＧａを燃焼室１ｂ内へ導入する。燃焼室１ｂ内へ導入された掃気補助ガスＧａは、ボア端部１ｂｔ側における傘部８ｉｕに当たってピストン頂部５ｔ方向へ流れる。そして、ピストン頂部５ｔに形成された凹部５ｃに沿って排気弁８ｅ側に流れながら、燃焼室１ｂ内の残留ガスＧｂを排気弁８ｅから十分に掃気する。その結果、燃焼室１ｂ内の残留ガスＧｂの量を低減できるので、ノッキングの発生を抑制し、内燃機関１０の出力も向上させることができる。

オーバーラップ期間中（排気弁８ｅ及び吸気弁８ｉが同時に開いている状態）において、排気慣性効果が利用できる場合には、排気ポート内の圧力Ｐｅｘが燃焼室１ｂ内の圧力Ｐｂよりも低くなる。この場合、オーバーラップ期間中に、燃焼室１ｂ内の残留ガスＧｂが排気弁８ｅを通って排気ポート９ｐへ吸い出される。この場合、掃気補助ガスＧａを燃焼室１ｂ内へ導かなくても、十分に残留ガスＧｂを掃気できる。したがって、実施例２では、エンジンＥＣＵ５０内の掃気補助制御装置３０が備えるガス供給制御部３３が、エンジンＥＣＵ５０に接続されるアクチュエータ２５を駆動して回転弁２４を回転させ、掃気補助ガスＧａの流れをシリンダヘッド１ｈ側に変更する。そして、掃気補助ガスＧａがシリンダヘッド壁面１ｈｗに沿って排気弁８ｅへ流れるようにする。これによって、限られた量の掃気補助ガスＧａによって、残留ガスＧｂの掃気を損なうことなく、同時にシリンダヘッド壁面１ｈｗの温度を低下させることができる。その結果、さらに効果的にノッキングを抑制できる。

燃焼室１ｂ内の残留ガスＧｂの量が増える場合には、回転弁２４を回転させて掃気補助ガスＧａの流れをピストン頂部５ｔ側に向けて、掃気補助ガスＧａが吸気弁８ｉの傘部８ｉｕのピストン５側を通過するようにする。これによって、掃気補助ガスＧａは、ピストン頂部５ｔに形成された凹部５ｃに沿って排気弁８ｅ側に流れながら、燃焼室１ｂ内の残留ガスＧｂを排気弁８ｅから掃気する。

オーバーラップ期間中において、排気ポート内の圧力Ｐｅｘが、燃焼室１ｂ内の圧力Ｐｂよりも低い場合は、排気慣性効果が有効に作用する場合である。排気系の構成が変化しない場合、排気慣性が有効に作用する条件は、内燃機関１０の機関回転数ＮＥに依存する。排気系の構成が変化する場合、排気慣性が有効に作用する条件は、内燃機関１０の機関回転数ＮＥと排気系の構成とに依存する。

例えば、排気通路の長さが運転条件によって変化する、可変排気構造を備える場合、排気通路の長さと機関回転数ＮＥとによって前記条件が決定される。また、オーバーラップ期間が可変できる場合には、オーバーラップ期間によっても排気慣性が有効に作用する条件が変化する。排気ポート９ｐ内の圧力Ｐｅｘが、燃焼室１ｂ内の圧力Ｐｂよりも低くなり、燃焼室１ｂから排気ポート９ｐへ残留ガスＧｂが吸い出される条件は、機関回転数ＮＥ、排気系の構成、オーバーラップ期間等を勘案して、予め実験や解析により求めておく。そして、求めた結果に基づいて掃気補助ガスＧａの流れを制御することができる。

オーバーラップ期間中において、排気ポート内の圧力が燃焼室１ｂや吸気ポート４ｐ内の圧力よりも高い場合には、掃気補助制御装置３０が備えるガス供給制御部３３がアクチュエータ２５を駆動して回転弁２４を回転させる。そして、燃焼室１ｂのボア端部１ｂｔ側における吸気弁８ｉの傘部８ｉｕを狙って掃気補助ガスＧａを流し、これを燃焼室１ｂ内へ導入する（図１４−１）。次に、実施例３に係る掃気補助制御について説明する。次の説明においては、適宜図１〜図５、図１４−１〜図１４−４を参照されたい。

図１５は、実施例２に係る掃気補助制御の手順を示すフローチャートである。実施例２に係る掃気補助制御は、実施例１に係る掃気補助制御装置３０（図５）により実現できる。図１５は、掃気補助ガスＧａを供給する運転領域を判定するデータマップの一例を示す説明図である。実施例２に係る掃気補助制御を実行するにあたって、掃気補助制御装置３０が備える運転状態判定部３１は、内燃機関１０の機関回転数ＮＥ、負荷率ＫＬ、オーバーラップ期間ＯＬを取得して（ステップＳ３０１）、掃気補助ガスＧａを供給する運転領域であるか否かを判定する（ステップＳ３０２）。なお、掃気補助ガスＧａは、燃焼室１ｂ内の残留ガスＧｂの掃気を促進するために供給されるので、掃気補助ガスＧａを供給する運転領域は、内燃機関１０ｂの排気弁８ｅが開いている状態である。

掃気補助ガスＧａを供給する運転領域でない場合（ステップＳ３０２；Ｎｏ）、運転状態判定部３１は引き続き内燃機関１０ｂの運転状態を監視する。掃気補助ガスＧａを供給する運転領域である場合（ステップＳ３０２；Ｙｅｓ）、運転状態判定部３１は、排気弁８ｅを通して燃焼室１ｂ内の残留ガスＧｂが排気ポート９ｐへ吸い出される条件であるか否かを判定する（ステップＳ３０３）。

残留ガスＧｂが排気弁８ｅを通して排気ポート９ｐへ吸い出されるか否かは、内燃機関１０ｂの排気系の構成及びオーバーラップ期間が一定であれば、機関回転数ＮＥに依存する。また、オーバーラップ期間が変化すれば、残留ガスＧｂが排気弁８ｅを通して排気ポート９ｐへ吸い出されるか否かは、機関回転数ＮＥと、オーバーラップ期間及び排気弁閉時期とに依存する。したがって、機関回転数ＮＥやオーバーラップ期間等から、残留ガスＧｂが排気弁８ｅを通して排気ポート９ｐへ吸い出されるか否かを判定することができる。

また、例えば、内燃機関１０ｂの排気ポート９ｐ内の圧力Ｐｅｘが燃焼室１ｂ内の圧力Ｐｂよりも低いか否かによって、残留ガスＧｂが排気弁８ｅを通して排気ポート９ｐへ吸い出されるか否かを判定することもできる。すなわち、Ｐｅｘ＜Ｐｂである場合は、残留ガスＧｂが排気弁８ｅを通して排気ポート９ｐへ吸い出され、Ｐｅｘ≧Ｐｂである場合は残留ガスＧｂが排気弁８ｅを通して排気ポート９ｐへ吸い出されない。排気ポート９ｐ内の圧力Ｐｅｘと燃焼室１ｂ内の圧力Ｐｂとの比較により前記判定をする場合、例えば燃焼室１ｂ及び排気ポート９ｐに、それぞれ圧力センサを取り付け、実際に圧力を測定する。

残留ガスＧｂが排気弁８ｅを通して排気ポート９ｐへ吸い出されない場合（ステップＳ３０３；Ｎｏ）、すなわちＰｅｘ≧Ｐｂである場合、掃気補助制御装置３０が備えるガス供給条件設定部３２は、オーバーラップ期間ＯＬ、吸気弁開時期Ｔｉｏ、排気弁閉時期Ｔｅｃを取得する。そして、ガス供給条件設定部３２は、掃気補助ガスＧａの圧力Ｐ、供給開始時期Ｔｓ、供給時間Ｔｉを設定する（ステップＳ３０４）。これらの決定方法は、実施例１と同様である。ガス供給条件設定部３２が掃気補助ガスＧａの圧力Ｐ、供給開始時期Ｔｓ、供給時間Ｔｉを設定したら（ステップＳ３０４）、ガス供給制御部３３は、ガス偏向手段である回転弁２４を動作させて、掃気補助ガスＧａの流れが内燃機関１０のピストン頂部５ｔ側に向くようにする（ステップＳ３０５）。その後、ガス供給制御部３３は、ガス供給条件設定部３２の決定値にしたがって調圧弁２２を調整し、噴射弁２１の開弁時期及び開弁時間を制御し、掃気補助ガスＧａを供給する（ステップＳ３０６）。

残留ガスＧｂが排気弁８ｅを通して排気ポート９ｐへ吸い出される場合（ステップＳ３０３；Ｙｅｓ）、すなわちＰｅｘ＜Ｐｂである場合、掃気補助ガスＧａを供給しなくとも残留ガスＧｂを掃気できる。この場合、実施例２では、上述したように掃気補助ガスＧａをシリンダヘッド壁面１ｈｗに向けて流し、前記壁面を冷却する。ガス供給条件設定部３２は、オーバーラップ期間ＯＬ、吸気弁開時期Ｔｉｏ、排気弁閉時期Ｔｅｃを取得し、掃気補助ガスＧａをシリンダヘッド壁面１ｈｗに向けて流す場合における掃気補助ガスＧａの圧力Ｐ、供給開始時期Ｔｓ、供給時間Ｔｉを設定する（ステップＳ３０７）。これらの決定方法は、実施例１と同様である。

掃気補助ガスＧａの圧力Ｐ、供給開始時期Ｔｓ、供給時間Ｔｉを設定したら（ステップＳ３０７）、ガス供給制御部３３は、ガス偏向手段である回転弁２４を動作させて、掃気補助ガスＧａの流れが内燃機関１０のシリンダヘッド１ｈ側を向くようにする（ステップＳ３０８）。これにより、掃気補助ガスＧａを、シリンダヘッド壁面１ｈｗ側に沿って流すことができる。その後、ガス供給制御部３３は、ガス供給条件設定部３２の決定値にしたがって調圧弁２２を調整し、噴射弁２１の開弁時期及び開弁時間を制御し、掃気補助ガスＧａを供給する（ステップＳ３０６）。

なお、上記制御は、内燃機関１０がオーバーラップ期間可変手段を備える場合のものであるが、実施例２に係る掃気補助制御は、オーバーラップ期間化変種段を備えない、すなわちオーバーラップ期間が固定の内燃機関に対しても適用できる。すなわち、実施例２に係る掃気補助制御は、オーバーラップ期間の変化の有無に関わらず適用できる。

以上、実施例２では、内燃機関が、掃気補助ガスの流れる方向を変更可能な掃気補助ガス偏向手段を備えている場合、排気ポート内の圧力が燃焼室内の圧力よりも低いときには、掃気補助ガスの流れをシリンダヘッド壁面に向ける。これによって、掃気補助ガスを供給しなくとも残留ガスの掃気ができる場合には、残留ガスを確実に掃気できるとともに、掃気補助ガスによってシリンダヘッドを冷却して、効果的にノッキングを抑制できる。なお、上記実施例１で開示した、吸気弁が開く前に掃気補助ガスの供給を開始する制御や、オーバーラップ期間が存在しないときには圧縮行程で掃気補助ガスを供給する制御や、ポート噴射弁を備える場合には、吸気非同期で燃料を噴射する制御は、実施例２に適用することができる。

以上のように、本発明に係る内燃機関及び掃気補助制御装置は、気体を燃焼室に供給することによって燃焼室内の残留ガスを掃気する内燃機関に有用であり、特に、燃焼室内の残留ガスを確実に掃気することに適している。

実施例１に係る内燃機関の一例を示す説明図である。 掃気補助ガス導入通路の他の例を示す説明図である。 吸気弁開閉時期変更機構及び排気弁開閉時期変更機構の一例を示す説明図である。 オーバーラップ期間の説明図である。 実施例１に係る掃気補助制御装置を示す説明図である。 実施例１に係る掃気補助制御の手順を示すフローチャートである。 掃気補助ガスを供給する運転領域を判定するデータマップの一例を示す説明図である。 掃気補助ガスの圧力及び供給時間を決定するためのデータマップの一例を示す説明図である。 オーバーラップ期間と掃気補助ガスの圧力及び供給時間との関係を示す説明図である。 掃気補助ガスの供給時期及び供給期間の説明図である。 掃気補助ガスの供給時期及び供給期間の説明図である。 掃気補助ガスの供給時期及び供給期間の説明図である。 掃気補助ガスの供給時期及び供給期間の説明図である。 ポート噴射弁を備える内燃機関の一例を示す一部断面図である。 燃料噴射時期と掃気補助ガスの噴射時期との関係を示す説明図である。 ポート噴射弁を備える内燃機関に対する掃気補助制御装置を示す説明図である。 ポート噴射弁を備える内燃機関に対する掃気補助制御の手順を示すフローチャートである。 実施例２に係る内燃機関を示す説明図である。 実施例２に係る内燃機関を示す説明図である。 実施例２に係る内燃機関を示す説明図である。 実施例２に係る内燃機関を示す説明図である。 実施例２に係る掃気補助制御の手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１ｈ シリンダヘッド
１ｈｗ シリンダヘッド壁面
１ｂ ボア端部
１ｓ 気筒
１ｂｔ 燃焼室
４ 吸気通路
４ｐ 吸気ポート
８ｉ 吸気弁
８ｉｕ 傘部
８ｅ 排気弁
９ｐ 排気ポート
１０、１０'、１０ａ、１０ｂ 内燃機関
２０ 掃気補助ガス導入通路
２１ 噴射弁
２２ 調圧弁
２３ 高圧空気タンク
２４ 回転弁
２５ アクチュエータ
２６ 逆止弁
２８ ポート噴射弁
３０、３０ａ 掃気補助制御装置
３１ 運転状態判定部
３２ ガス供給条件設定部
３３ ガス供給制御部
３４ 燃料噴射時期変更部
５０ エンジンＥＣＵ
６０ｉ 吸気弁開閉時期変更機構
６０ｅ 排気弁開閉時期変更機構

Claims (12)

1. 吸気弁と排気弁とを有する内燃機関であって、
   前記内燃機関の燃焼室に存在する残留ガスの掃気を補助するために用いる掃気補助ガスを発生する掃気補助ガス供給源と、
   前記吸気弁と前記排気弁とのオーバーラップ期間が長くなるにしたがって、前記掃気補助ガスの圧力を低下させるとともに、前記掃気補助ガスの供給時間を長くして前記燃焼室へ供給する掃気補助ガス供給手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関。
2. 吸気弁と排気弁とを有する内燃機関であって、
   前記内燃機関の燃焼室に存在する残留ガスの掃気を補助するために用いる掃気補助ガスを発生する掃気補助ガス供給源と、
   排気行程中の所定の時期に、前記掃気補助ガスを前記燃焼室へ供給する掃気補助ガス供給手段と、
   前記掃気補助ガスを供給しなくとも、前記残留ガスが前記内燃機関の排気ポート内へ吸い出される場合には、前記掃気補助ガスの流れを前記内燃機関のシリンダヘッド側に向ける掃気補助ガス偏向手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関。
3. 前記掃気補助ガス供給手段は、前記吸気弁が開く前に前記掃気補助ガスの供給を開始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。
4. 前記吸気弁と前記排気弁とのオーバーラップ期間が存在しないときには、
   前記掃気補助ガス供給手段は、前記内燃機関の圧縮行程で前記掃気補助ガスを供給することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関。
5. 前記内燃機関が、その吸気通路へ燃料を供給するポート噴射弁を備える場合、
   前記掃気補助ガス供給手段が前記掃気補助ガスを前記燃焼室へ供給するときには、前記ポート噴射弁からの燃料噴射は吸気非同期とすることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関。
6. さらに、前記掃気補助ガスの流れ方向を変更可能な掃気補助ガス偏向手段を備え、
   前記掃気補助ガスを供給しなくとも、前記残留ガスが前記内燃機関の排気ポート内へ吸い出される場合には、前記掃気補助ガス偏向手段によって前記掃気補助ガスの流れを前記内燃機関のシリンダヘッド側に向けることを特徴とする請求項１、３〜５のいずれか１項に記載の内燃機関。
7. 吸気弁と排気弁とを有する内燃機関の制御に用いるものであり、
   前記内燃機関の運転状態から、前記内燃機関の燃焼室に存在する残留ガスの掃気を補助するために用いる掃気補助ガスを前記燃焼室に供給する条件であるか否かを判定する運転状態判定部と、
   前記掃気補助ガスを前記燃焼室に供給する条件であるときには、前記吸気弁と前記排気弁とのオーバーラップ期間が長くなるにしたがって、前記掃気補助ガスの圧力を低下させるとともに、前記掃気補助ガスの供給時間を長く設定するガス供給条件設定部と、
   前記ガス供給条件設定部が設定した圧力及び供給時間で、前記掃気補助ガスを前記燃焼室へ供給させるガス供給制御部と、
   を含んで構成されることを特徴とする掃気補助制御装置。
8. 吸気弁と排気弁とを有する内燃機関の制御に用いるものであり、
   前記内燃機関の運転状態から、前記内燃機関の燃焼室に存在する残留ガスの掃気を補助するために用いる掃気補助ガスを前記燃焼室に供給する条件であるか否かを判定する運転状態判定部と、
   前記掃気補助ガスを前記燃焼室に供給する条件であるときには、前記掃気補助ガスを前記燃焼室へ供給する時期を決定するガス供給条件設定部と、
   前記掃気補助ガスを供給しなくとも、前記残留ガスが前記内燃機関の排気ポート内へ吸い出されると前記運転状態判定部が判定したきには、前記掃気補助ガスの流れを前記内燃機関のシリンダヘッド側に向けるように、前記内燃機関が備える前記掃気補助ガス偏向手段を制御するガス供給制御部と、
   を含んで構成されることを特徴とする掃気補助制御装置。
9. 前記ガス供給条件設定部は、前記吸気弁が開く前に前記掃気補助ガスの供給を開始するように前記掃気補助ガスの供給開始時期を設定し、
   前記ガス供給制御部は、設定された供給開始時期で前記掃気補助ガスの供給を開始させることを特徴とする請求項７又は８に記載の掃気補助制御装置。
10. 前記運転状態判定部が、前記吸気弁と前記排気弁とのオーバーラップ期間が存在しないと判定したときには、
    前記ガス供給条件設定部は、前記掃気補助ガスの供給時期を、前記内燃機関の圧縮行程に設定し、
    前記ガス供給制御部は、前記ガス供給条件設定部が設定した供給時期で前記掃気補助ガスを供給させることを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の掃気補助制御装置。
11. さらに、前記内燃機関の吸気通路へ燃料を供給するポート噴射弁の燃料噴射時期を制御可能な燃料噴射制御部を備え、
    前記掃気補助ガスを前記燃焼室に供給する条件であると前記運転状態判定部が判定したときには、
    前記燃料噴射制御部は、前記ポート噴射弁からの燃料噴射は吸気非同期とすることを特徴とする請求項７〜１０のいずれか１項に記載の掃気補助制御装置。
12. さらに、前記内燃機関が前記掃気補助ガスの流れ方向を変更可能な掃気補助ガス偏向手段を備える場合、
    前記掃気補助ガスを供給しなくとも、前記残留ガスが前記内燃機関の排気ポート内へ吸い出されると前記運転状態判定部が判定した場合には、
    前記ガス供給制御部は、前記掃気補助ガスの流れを前記内燃機関のシリンダヘッド側に向けるように、前記掃気補助ガス偏向手段を制御することを特徴とする請求項７、９〜１１のいずれか１項に記載の掃気補助制御装置。

Images