(57)【要約】【課題】従来のノッキング防止技術は、燃焼全体を早めるものであり、ノッキングの原因となる燃焼後半のみを改善するものではない。また、筒内直接噴射型内燃機関では、噴射した燃料が気筒内壁面に付着して不完全燃焼し、排気中のＨＣ、煤等が増加する問題があった。【解決手段】複数の噴孔５４を設けたリング５３と高圧空気通路５６を穿設したスペーサ５２とをシリンダヘッド２２とシリンダブロック２１で狭持する。そして、混合気を圧縮して点火プラグ２８で点火すると同時かその直後に、噴孔５４より高圧空気を噴射して燃焼室２０の側壁面付近に乱流を形成する。この乱流により火炎面伝播速度が加速され、燃焼室２０の周辺部を素早く燃焼させることが可能となる。また、筒内直接噴射型内燃機関で同様に高圧空気を噴射することにより、燃焼室内側壁面周辺にエアカーテンを形成し、燃焼室内に噴射される燃料が燃焼室内側壁面に付着しないようにする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃焼室内側壁面に設けられて燃焼室内に気体を噴射する複数の高圧気体噴孔と、
高圧気体噴射孔より燃焼室内に気体を噴射する高圧気体噴射弁と、
前記高圧気体噴孔より噴射する高圧気体を供給する高圧気体供給手段と、
を備える内燃機関の燃焼補助装置。
【請求項２】
前記内燃機関はその燃焼室内に乱流を発生させる乱流発生手段を有し、
前記乱流発生手段は、燃焼室内側壁面に設けられた噴孔より、その燃焼室内側壁面に向かって気体を噴射する噴射手段であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃焼補助装置。
【請求項３】
前記内燃機関はその燃焼室内に燃焼室内側壁面に沿って流れる壁流を発生させる壁流発生手段を有し、前記壁流発生手段は、燃焼室内側壁面に設けられた噴孔より、その燃焼室内側壁面に沿って気体を噴射する噴射手段であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃焼補助装置。
【請求項４】
前記内燃機関の稼働状態に応じて前記燃焼室内に気体を噴射する気体噴射制御手段を有することを特徴とする請求項１〜３何れかに記載の内燃機関の燃焼補助装置。
【請求項５】
前記気体噴射制御手段は、前記噴孔より噴射された気体に内燃機関の燃焼による火炎が到達する前に気体の噴射を停止させることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の燃焼補助装置。
【請求項６】
混合気への点火時期を前記内燃機関の稼動状態に応じて変更する点火手段をさらに備え、前記気体噴射制御手段は、気体噴射停止と点火時期との間隔を一定とすることを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の燃焼補助装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の燃焼室内に気体を噴射する燃焼制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンのシリンダ内に高圧空気を噴射して高負荷時の燃焼後半における拡散燃焼を速やかに完了させる技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、直噴ディーゼルエンジンにおいて、燃焼室内に空気噴射弁を配設し、膨張行程中に燃料噴射方向の旋回流下流側に向けて高圧空気を噴射することで、密集している燃料を擾乱させる技術（例えば、特許文献２参照）、シリンダボア壁に、燃料噴射弁方向又は燃焼室接線方向に１つ以上の空気噴射孔を設け、ピストンの下死点時に圧縮空気を噴射することで、噴射燃料の貫徹制御、拡散防止、燃料の微粒化促進を行う技術（例えば、特許文献３参照）、筒内直噴エンジンにおいて、燃焼室内に空気噴射弁を配設し、燃料噴射時に高圧空気を噴射することで、噴射した燃料の分散を抑制し、点火プラグ近傍に可燃混合気を形成させる技術（例えば、特許文献４参照）、燃料を噴射する気筒内の圧力よりも高い圧力の他の気筒から圧縮空気をアシストエアとして供給する技術（例えば、特許文献５参照）が知られている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平８−３１９８３７号公報（第３頁、図１）
【特許文献２】
特開昭６２−２６７５１９号公報（第２、３頁、図１）
【特許文献３】
実開平１−７４３２３号公報（第３−７頁、図１）
【特許文献４】
特開２００１−２４８４４３号公報（第３、４頁、図１、２）
【特許文献５】
特開平２−１１５５６９号公報（第２−４頁、図１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記した従来の技術によるノッキング防止の効果は燃焼室内の初期燃焼（０〜１０％燃焼期間）と、ノッキングが主に発生する後期燃焼（１０〜９０％燃焼期間）と、の双方に作用するため、後期燃焼における燃焼速度低下のみを改善することは出来ず、ノッキング防止のための根本的原因の改善とはならない。
【０００５】
また、直接噴射型内燃機関で噴射した燃料が燃焼室内に付着する問題においても、圧縮着火式内燃機関では燃焼室内温度を上昇させるなどして噴射燃料の気化を促進するなどの方法があるが、火花点火型内燃機関では、燃焼室内温度を上昇させることよる前記ノッキングなどの問題が発生する。
【０００６】
本発明は前記のような事情に鑑み、燃焼過程後期の燃焼速度を増加させることによるノッキングの抑制、および燃焼室内側壁面への燃料付着を防止することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明は、内燃機関の燃焼室内側壁面に設けられて燃焼室内に気体を噴射する複数の高圧気体噴孔と、高圧気体噴射孔より燃焼室内に気体を噴射する高圧気体噴射弁と、前記高圧気体噴孔より噴射する高圧気体を供給する高圧気体供給手段とを備える内燃機関の燃焼補助装置を使用した。
【０００８】
前記内燃機関はその燃焼室内に乱流を発生させる乱流発生手段を有し、前記乱流発生手段は、燃焼室内側壁面に設けられた噴孔より、その燃焼室内側壁面に向かって気体を噴射する噴射手段であることとした。
【０００９】
ノッキングが発生する原因は、火源である点火装置より伝播する火炎面が燃焼室端部に到達する前に、燃焼室内側壁面周辺より混合気が自然発火し、急激に燃焼することに起因する。よって、点火装置より発生する火炎面の伝播速度を速めて、燃焼室端部から発火する前に燃焼室端部まで火炎面を到達させる。これに加えて、燃焼室内側壁面の加熱された混合気を撹拌することにより燃焼室内側壁面周辺の気体の温度を均一化する。この均一化により、他の部分に比べて高温となる箇所が発生しなくなり、この結果、燃焼室内側壁面周辺の気体が自然発火しなくなる。これらノッキングを低減するために、燃焼室内側壁面に複数の噴孔を設けて、この噴孔より燃焼室内に気体を噴射する。
【００１０】
この噴射される気体は主として空気であり、外部より取り込んだ空気を高圧ポンプ等の高圧気体供給手段で加圧して高圧にする。また、噴孔には構造的に弁を設けることが難しいので、高圧ポンプと噴孔との間の通路に噴射弁を設けて、この弁により空気の噴射制御を行うことが好ましい。
【００１１】
前記噴孔より噴射される空気は燃焼室内の壁面、若しくは他の噴孔より噴射される空気の流れに接触することにより、その流れが乱され、乱流が発生する。また、噴射する時期としては、ピストンが上昇して、混合気が十分に圧縮されて点火装置により点火される直前が良い。したがって、この噴孔が取り付けられる位置は、ピストンが上昇しても燃焼室内側壁面を形成している位置、すなわち燃焼室の上部である、シリンダブロックとシリンダヘッドの接合面付近に取り付けられるのがよい。この噴孔の噴射位置は、均一に乱流が発生するように取り付けられることが望ましい。
【００１２】
前記の乱流が燃焼室端部に発生することにより、この燃焼室端部に停滞していた混合気が撹拌され、その燃焼速度を増加することが可能となる。
【００１３】
次に、前記燃焼補助装置の形態を用いて、前記内燃機関はその燃焼室内に燃焼室内側壁面に沿って流れる壁流を発生させる壁流発生手段を有し、前記壁流発生手段は、燃焼室内側壁面に設けられた噴孔より、その燃焼室内側壁面に沿って気体を噴射する噴射手段であることとした。
【００１４】
燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内直接噴射型内燃機関では、液体である燃料を細粒化して燃焼室内に噴射する。一般に燃焼室内温度は高温であるため、この噴射された燃料は気化するが、一部は気化する前に燃焼室内側壁面まで達し、この燃焼室内側壁面に付着する。
【００１５】
前記燃焼室は、その側壁内部に内燃機関を冷却する冷却水路を有している。よって冷却水路を流れる冷却水により燃焼室内側壁面は冷却され、噴射されてこの燃焼室内側壁面に付着した燃料は、より気化し難い状態になる。そして、気化していない燃料は、内燃機関の燃焼行程において不完全燃焼を起こしやすくなる。その結果として煤、ＨＣ等の汚染物質を発生させる。
【００１６】
よって、燃料が燃焼室内側壁面に付着防止するために、燃焼室内側壁面に気体を噴射する噴孔を設け、この噴孔より燃焼室内側壁面に沿って気体を噴射し、この気体による気流の壁を形成する。この形成された気流の壁により、燃焼室壁面に近づいた細粒化された燃料は、気流内に取り込まれて燃焼室内中を漂い、壁面に付着することが無くなる。また、この細粒化された燃料が燃焼室内を漂う途中で気化することもある。
【００１７】
この壁流を形成するために、噴孔は燃焼室内側壁面に沿う形状に気体を噴射するように設けられる。前記噴孔は、同一位置に均等な間隔で並ぶように燃焼室内側壁面に設けられる。
【００１８】
噴孔より噴射を行う時期としては、燃焼室内に燃料が噴射されてこの噴射された燃料が燃焼室内側壁面に到達する以前である。また、前記噴孔は、この燃料が噴射された時点でのピストン位置よりも上方に設けられる。
【００１９】
前記内燃機関の稼働状態に応じて前記燃焼室内に気体を噴射する気体噴射制御手段を有することとした。
【００２０】
前記火花点火式内燃機関では、ノッキング防止のために当該燃焼補助装置を使用する。よって内燃機関がノッキングの起こらない条件にて稼働している状態では、当該燃焼補助装置を使用する必要性は無い。また前記筒内直接噴射型内燃機関では、噴射された燃料が燃焼室側壁への付着防止のために当該燃焼補助装置を使用する。よって燃料付着が起きない条件であるならば、当該燃焼補助装置を使用する必要は無い。したがって、内燃機関の諸条件により、当該燃焼補助装置の気体噴射を実行するかどうかを決定する。
【００２１】
本発明においては、前記気体噴射制御手段は、前記噴孔より噴射された気体に内燃機関の燃焼による火炎が到達する前に気体の噴射を停止させることができることとした。
【００２２】
前記噴孔より噴射された気体に内燃機関の燃焼による火炎が到達すると、この空気により火炎が冷却され、燃焼速度が低下する虞がある。燃焼速度が低下することにより、ノッキングが発生し易くなるため、火炎到達前に気体の噴射を停止させてノッキングの発生を抑制する。
【００２３】
本発明においては、混合気への点火時期を前記内燃機関の稼動状態に応じて変更する点火手段をさらに備え、前記気体噴射制御手段は、気体噴射停止と点火時期との間隔を一定とすることができることとした。
【００２４】
一般に内燃機関が高回転になると点火時期が進角される。ここで、気体の噴射の停止時期もこれに連動して進角させることにより、気体噴射停止時期と点火時期との間隔を一定に保つことができる。これにより、火炎温度の低下を抑制することが可能となる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
＜第１の実施の形態＞
本発明に係る内燃機関の燃焼補助装置を、火花点火式内燃機関であるガソリンエンジンシステムに適用した実施の形態について説明する。
【００２６】
図１において、内燃機関（以下、エンジンという）１は、燃料供給系１０、燃焼室２０、吸気系３０及び排気系４０等を主要部として構成される直列４気筒のガソリンエンジンシステムである。以下、本ガソリンエンジンシステムの構成について説明する。
【００２７】
燃料供給系１０は、サプライポンプ１１、蓄圧室（コモンレール）１２、燃料噴射弁１３、機関燃料通路Ｐ１等を備えて構成される。
【００２８】
サプライポンプ１１は燃料タンク（図外）からくみ上げた燃料を高圧にし、機関燃料通路Ｐ１を介してコモンレール１２に供給する。コモンレール１２はサプライポンプ１１から供給された高圧燃料を所定の圧力に保持（蓄圧）する機能を有し、この蓄圧した燃料を吸気ポート内に設けられた各燃料噴射弁１３に分配する。燃料噴射弁１３はその内部に電磁ソレノイド（図外）を備えた電磁弁であり、適宜開弁して吸気ポート内に燃料を供給噴射する。
【００２９】
吸気系３０は、各燃焼室２０内に供給される吸気空気の通路（吸気通路）を形成する。一方、排気系４０は、各燃焼室２０から排出される排気ガスの通路（排気通路）を形成する。
【００３０】
吸気系３０において、大気より取り入れられた吸入空気は、エアクリーナ３１で濾過される。このエアクリーナ３１より下流に設けられたスロットル弁３２は、その開度を無段階に調節することができる電子制御式の開閉弁であり、所定の条件下において吸気通路の流路面積を絞り、同吸入空気の供給量を調整（低減）する機能を有する。そしてこの供給量を調整された空気はエンジン１の吸気ポートへ送られ、ここで前記燃料噴射弁１３より噴射される燃料と混合され、混合気となる。
【００３１】
排気系４０において、燃焼室より接続する排気集合管４０より下流側には、排気ガスの流路に沿って排気通路４０ｂ、その下流に触媒ケーシング４２、更に下流に排気通路４０ｃが順次連結されている。触媒ケーシング４２には、排気ガス中に含まれるＮＯｘ等の有害成分を浄化する三元触媒、若しくは吸蔵還元型ＮＯｘ触媒が収容されている。
【００３２】
また、エンジン１の各部位には、各種センサが取り付けられており、当該部位の環境条件やエンジン１の運転状態に関する信号を出力する。
【００３３】
すなわち、レール圧センサ７０は、コモンレール１２内に蓄えられている燃料の圧力に応じた検出信号を出力する。エアフローメータ７２は、吸気系３０内のスロットル弁３２上流において吸入空気の流量（吸気量）に応じた検出信号を出力する。酸素濃度（Ａ／Ｆ）センサ７３は、排気系４０の触媒ケーシング４２上流において排気ガス中の酸素濃度に応じて連続的に変化する検出信号を出力する。触媒流出排気温度センサ７４は、同じく排気系４０の触媒ケーシング４２下流において排気ガスの温度（排気温度）に応じた検出信号を出力する。
【００３４】
また、アクセル開度センサ７６はアクセルペダル（図外）に取り付けられ、同ペダルの踏込量に応じてエンジン１において要求する仕事量の基となる検出信号を出力する。クランク角センサ７７は、エンジン１の出力軸（クランクシャフト）が一定角度回転する毎に検出信号（パルス）を出力する。これら各センサ７０〜７９は、電子制御装置（ＥＣＵ）８０と電気的に接続されている。
【００３５】
ＥＣＵ８０は中央演算処理装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び運転停止後も記憶した情報が消去されないバックアップＲＡＭ、タイマカウンタ等と、Ａ／Ｄ変換器を含む入力ポートと、出力ポートとが、双方向性バスにより接続されて構成される論理演算回路を備える。
【００３６】
ＥＣＵ８０は、前記各種センサの検出信号を入力ポートを介して入力し、これら信号に基づいてＥＣＵ８０に有するＣＰＵにおいて、ＲＯＭに記憶されているプログラムから、エンジン１の燃料噴射等についての基本制御を行う他、エンジン１の運転状態に関係する各種制御を行う。
【００３７】
図２に示すように燃焼室２０は、側壁をシリンダブロック２１、上壁をシリンダヘッド２２にて形成され、このシリンダブロック２１内にピストン２３が下方より挿入されて形成される。燃焼室２０の側壁を形成するシリンダブロック２１にはシリンダライナ２４が貫入されて、このシリンダライナ２４の内面が燃焼室２０の内側壁面となると共に、このシリンダライナ２４とシリンダブロック２１とのの接合面には冷却水路２５が各気筒のシリンダライナ２４側面を流通するように設けられている。
【００３８】
燃焼室２０の上壁を形成するシリンダヘッド２２には、吸気系３０より連なる吸気ポート３３、排気系４０へ連なる排気ポート３８が設けられている。そして吸気バルブ２７ａ、排気バルブ２７ｂがそれぞれ吸気ポート３３、排気ポート３８の弁となるように取り付けられる。また、シリンダヘッド２１の燃焼室２０中央部には点火装置となる点火プラグ２８が取り付けられる。
【００３９】
燃焼室２０の下方に設けられたピストン２３はその下部でコンロッド（図外）の一端に連結され、このコンロッドは他端をクランクシャフト（図外）に連結する。そしてピストンの往復運動をクランクシャフトの回転運動に変更する。
【００４０】
前記シリンダヘッド２２とシリンダブロック２１の間にはスペーサ５２が狭持されると共に、燃焼室２０との接続部には噴孔付きリング５３が狭持される。この噴孔付きリング５３には、円形の断面を持つ燃焼室２０の法線に対して斜に穿設されて、燃焼室２０内部に高圧空気を噴射する複数の噴孔５４と、この複数の噴孔５４に環状に連なる環状通路５５とが設けられている。
【００４１】
前記スペーサ５２には前記環状通路５５に連なり、シリンダブロック２１側面まで連なる高圧空気通路５６を穿設する。前記高圧空気通路５６の上流には、高圧空気を噴射する際の弁となる高圧空気噴射弁５１が設けられている。この高圧空気噴射弁５１の上流には、空気を加圧して高圧空気噴射弁５１に送る高圧ポンプ５０が設けられている。そして高圧ポンプ５０には前記吸気系３０よりエアクリーナ３１にて浄化された空気が流入する。
【００４２】
以下、前記噴孔５４より噴射される高圧空気によるノッキング抑制方法について述べる。通常の燃焼工程では、混合気が吸気ポート３３より燃焼室２０内部に流入し、ピストン２３でこの混合気が圧縮されて点火プラグ２８により点火されて燃焼、体積膨張し、ピストン２３を下方に押し戻す。これに対してノッキングはピストン２３により圧縮された混合気が、この圧縮による自己発熱と、燃焼室温度とにより、点火プラグ２８で点火された火炎面が燃焼室端部に到達する前に、燃焼室端部より自然発火して急激に延焼する現象である。よってノッキングを抑制するには、燃焼室端部より自然発火する前に火炎面を燃焼室端部まで到達させる方法や、局部的に過熱状態となった混合気を他の非過熱状態の混合気と撹拌し、温度を低下させる方法がある。
【００４３】
具体的な方法としては、ピストン２３により混合気が圧縮され、点火プラグ２８により混合気に点火される。そして点火された火炎の火炎面は燃焼室２０中央に設けられた点火プラグ２８位置より燃焼室端部へ広がっていく。この時に高圧空気噴射弁５１を開放し、シリンダヘッド２２とシリンダブロック２１との間に狭持したリング５３に設けた複数の噴孔５４より圧縮空気を噴射して燃焼室２０側壁近傍に乱流を発生させる。
【００４４】
前記高圧空気噴射弁５１はＥＣＵ８０によりその噴射時期を制御される。より具体的には、ＥＣＵ８０はクランク角センサ７７やアクセル開度センサ７６等より検出する信号に基づいて点火プラグ２８の点火時期、及び燃焼噴射弁１３より噴射される燃料噴射量を決定し、この決定された添加時期、燃料噴射量、及びクランク角センサ７７より求められるピストン位置から高圧空気噴射弁５１の高圧空気噴射時期を制御する。また、高圧ポンプ５０はクランクシャフトと連動し、クランクシャフトが回転すると共に噴射する空気を加圧する。
【００４５】
噴孔５４は図３に示すように、それぞれ法線に対して同一角度で設けられており、また噴孔５４より噴射される圧縮空気流は、隣接する噴孔５４より発射される圧縮空気流と干渉し、この干渉により乱流が発生する。乱流が発生することにより、燃焼室内側壁面周辺で停滞していた混合気は撹拌されることになる。よって火炎面が乱流域まで到達した時点で火炎面伝播速度は加速され、ノッキングが開始する前に燃焼室内側壁面まで火炎面を到達させることが可能となる。また、乱流が発生し、混合気が撹拌されることで、燃焼室内側壁面で加熱されている混合気も均一に撹拌されて、部分的温度上昇が緩やかになり、自然発火を起こしにくくなる。
【００４６】
なお、前記ノッキング抑制方法を行うにあたり、エンジン１の稼働状態がノッキングを誘発する状態でないならば、特にこのノッキング抑制方法を行う必要はない。ノッキングは図４に示すように高回転であり、かつ高負荷時（高出力時）のみ発生している。よって、予め高圧空気噴射を行わない状況でノッキング発生領域を計測し、この計測結果に基づいて回転数と負荷にてノッキング発生領域をマッピングする。そしてエンジン１の稼働状態がこのマッピングの領域内ならば、本実施の形態１にある、高圧空気噴射による燃焼補助装置を作動させ、領域外ならばノッキングを抑制する必要はないため、燃料補助装置は作動されない。
【００４７】
以上ノッキング抑制方法を図５のチャートに基づいて説明する。先ず、Ｓ５０１でエンジン１の稼働状態がノッキングを誘発する状態であるかどうかを判断する。ここでノッキングが発生する状態であるならばＳ５０２へ進み、ノッキングが発生しない状態であるならばＳ５０７へ進んで本チャートを終了する。
【００４８】
次に、Ｓ５０２で点火プラグ２８によって点火する直前に高圧空気噴射弁５１を開放し、噴孔５４より高圧空気を発射する。
【００４９】
次に、Ｓ５０３で複数の噴孔５４より噴射された高圧空気は他の噴孔５４より噴射された高圧空気と干渉し、燃焼室内側壁面周辺に乱流を発生して高乱流域を形成する。この高圧空気で高乱流域を形成することにより、燃焼室内側壁面周辺の混合気は停滞することが無くなるため、燃焼室内側壁面周辺の混合気のみが加熱されることが無くなる。
【００５０】
次に、Ｓ５０４でＳ５０２の時に点火プラグ２８により点火された火炎の火炎面が高乱流域に到達する。高乱流域では気流の流れが速くなっているため、Ｓ５０５で、この気流の流れによって火炎面の伝播が加速され、燃焼速度の低下を防止する。
【００５１】
そしてＳ５０６でノッキングの発生を抑制した後にＳ５０７へ進み本チャートを終了する。
【００５２】
尚、本実施の形態１では、乱流を発生させることによって燃焼速度が増加すると共に、この乱流を発生させることによる混合気の撹拌が進み、より燃焼効率を高めることが可能となる。
＜第２の実施の形態＞
次に、本発明に係る実施の形態２について、燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内直接噴射型内燃機関である、ディーゼルエンジンシステムに適用した実施の形態について説明する。
【００５３】
図６において、エンジン１０１は、燃料供給系１１０、燃焼室１２０、吸気系１３０及び排気系１４０等を主要部として構成される直列４気筒のディーゼルエンジンシステムである。以下、本ディーゼルエンジンシステムの構成について説明する。
【００５４】
燃料供給系１１０は、サプライポンプ１１１、蓄圧室（コモンレール）１１２、燃料噴射弁１１３、機関燃料通路Ｐ１等を備えて構成される。
【００５５】
サプライポンプ１１１は燃料タンク（図外）からくみ上げた燃料を高圧にし、機関燃料通路Ｐ１を介してコモンレール１１２に供給する。コモンレール１１２はサプライポンプ１１１から供給された高圧燃料を所定の圧力に保持（蓄圧）する機能を有し、この蓄圧した燃料を各燃料噴射弁１１３に分配する。燃料噴射弁１１３はその内部に電磁ソレノイド（図外）を備えた電磁弁であり、適宜開弁して燃焼室１２０内に燃料を供給噴射する。
【００５６】
吸気系１３０は、各燃焼室１２０内に供給される吸気空気の通路（吸気通路）を形成する。一方、排気系１４０は、各燃焼室１２０から排出される排気ガスの通路（排気通路）を形成する。
【００５７】
また、このエンジン１０１には、周知の過給器（ターボチャージャ）１４５が備えられている。ターボチャージャ１４５は、シャフト１４６を介して連結されたタービンホイール１４７とコンプレッサ１４８とを備える。一方のコンプレッサ１４８は吸気系１３０内の吸気に晒され、他方のタービンホイール１４７は排気系１４０内の排気ガスに晒されている。このような構成を有するターボチャージャ１４５は、タービンホイール１４７が受ける排気流（排気圧）を利用してコンプレッサ１４８を回転させ、吸気圧を高める効果（過給効果）を有する。
【００５８】
吸気系１３０において、ターボチャージャ１４５の下流に設けられたインタークーラ１３１は、過給によって昇温した吸入空気を強制冷却する。インタークーラ１３１よりも更に下流に設けられたスロットル弁１３２は、その開度を無段階に調節することができる電子制御式の開閉弁であり、所定の条件下において吸気通路の流路面積を絞り、同吸入空気の供給量を調整（低減）する機能を有する。
【００５９】
また、エンジン１０１には、燃焼室１２０の上流（吸気系１３０）及び下流（排気系１４０）をバイパスする排気環流通路（ＥＧＲ通路）１６０が形成されている。具体的には、ＥＧＲ通路１６０は排気系１４０におけるターボチャージャ１４５上流の排気集合管１４０ａと吸気系１３０におけるスロットル弁１３２の下流側を連通している。このＥＧＲ通路１６０は、排気ガスの一部を適宜吸気系１３０に戻す機能を有する。ＥＧＲ通路１６０には、電子制御によって無段階に開閉され、同通路を流れる排気流量を自在に調節することが可能なＥＧＲ弁１６１と、ＥＧＲ通路１６０を通過（環流）する排気ガスを冷却するためのＥＧＲクーラ１６２が設けられている。
【００６０】
また、排気系１４０において、燃焼室より接続する排気集合管１４０ａ、タービンホイール１４７が設けられた部位より下流側には、排気ガスの流路に沿って排気通路１４０ｂ、その下流に触媒ケーシング１４２、更に下流に排気通路１４０ｃが順次連結されている。触媒ケーシング１４２には、排気ガス中に含まれるＮＯｘ等の有害成分を浄化する吸蔵還元型ＮＯｘ触媒が収容されている。
【００６１】
また、エンジン１０１の各部位には、各種センサが取り付けられており、当該部位の環境条件やエンジン１０１の運転状態に関する信号を出力する。
【００６２】
すなわち、レール圧センサ１７０は、コモンレール１１２内に蓄えられている燃料の圧力に応じた検出信号を出力する。エアフローメータ１７２は、吸気系１３０内のスロットル弁１３２上流において吸入空気の流量（吸気量）に応じた検出信号を出力する。酸素濃度（Ａ／Ｆ）センサ１７３は、排気系１４０の触媒ケーシング１４２上流において排気ガス中の酸素濃度に応じて連続的に変化する検出信号を出力する。触媒流出排気温度センサ１７４は、同じく排気系１４０の触媒ケーシング１４２下流において排気ガスの温度（排気温度）に応じた検出信号を出力する。
【００６３】
また、アクセル開度センサ１７６はアクセルペダル（図外）に取り付けられ、同ペダルの踏込量に応じてエンジン１０１において要求する仕事量の基となる検出信号を出力する。クランク角センサ１７７は、エンジン１０１の出力軸（クランクシャフト）が一定角度回転する毎に検出信号（パルス）を出力する。これら各センサ１７０〜１７７は、電子制御装置（ＥＣＵ）１８０と電気的に接続されている。
【００６４】
ＥＣＵ１８０は中央演算処理装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び運転停止後も記憶した情報が消去されないバックアップＲＡＭ、タイマカウンタ等と、Ａ／Ｄ変換器を含む入力ポートと、出力ポートとが、双方向性バスにより接続されて構成される論理演算回路を備える。
【００６５】
ＥＣＵ１８０は、前記各種センサの検出信号を入力ポートを介して入力し、これら信号に基づいてＥＣＵ１８０に有するＣＰＵにおいて、ＲＯＭに記憶されているプログラムから、エンジン１０１の燃料噴射等についての基本制御を行う他、エンジン１０１の運転状態に関係する各種制御を行う。
【００６６】
図７に示す燃焼室１２０は、側壁をシリンダブロック１２１、上壁をシリンダヘッド１２２にて形成され、このシリンダブロック１２１内にピストン１２３が下方より挿入されて形成される。燃焼室１２０の側壁を形成するシリンダブロック１２１にはシリンダライナ１２４が貫入されて、このシリンダライナ１２４の内面が燃焼室１２０の内側壁面となると共に、このシリンダライナ１２４とシリンダブロック１２１とのの接合面には冷却水路１２５が各気筒のシリンダライナ１２４側面を流通するように設けられている。
【００６７】
燃焼室１２０の上壁を形成するシリンダヘッド１２２には、吸気系１３０より連なる吸気ポート１３３、排気系１４０へ連なる排気ポート１３８が設けられている。そして吸気バルブ１２７ａ、排気バルブ１２７ｂがそれぞれ吸気ポート１３３、排気ポート１３８の弁となるように取り付けられる。また、シリンダヘッド１２２の燃焼室１２０中央には燃焼室１２０内に直接燃料を噴射する燃料噴射装置１１３が取り付けられる。
【００６８】
前記シリンダヘッド１２２とシリンダブロック１２１の間にはスペーサ１５２が狭持されると共に、燃焼室１２０との接続部にはリング１５３が狭持される。このリング１５３には、断面形状が円形である燃焼室１２０に向かう法線に対して斜に穿設されて、燃焼室１２０内部に高圧空気を噴射する複数の噴孔１５４と、この複数の噴孔１５４に環状に連なる環状通路１５５とが設けられている。前記スペーサ１５２には前記環状通路１５５に連なり、シリンダブロック１２１側面まで連なる高圧空気通路１５６を穿設する。
【００６９】
前記高圧空気通路１５６の上流には、高圧空気を噴射する際の弁となる高圧空気噴射弁１５１が設けられている。この高圧空気噴射弁１５１の上流には、空気を加圧して高圧空気噴射弁１５１に送る高圧ポンプ１５０が設けられている。そして高圧ポンプ１５０には前記吸気系１３０よりエアクリーナにて浄化された空気が流入する。
【００７０】
前記ピストン１２３の頂部には、凹部が設けられている。この凹部は前記燃料噴射装置１１３の噴出孔に対応して、噴出孔よりの燃料がこの凹部に向けて噴射される。そしてこの凹部に燃料が噴射されることにより、この凹部周辺に噴射された燃料が停滞することになる。
【００７１】
前記のように燃料室１２０内に噴射された燃料は、ピストン１２３の凹部に噴射されることにより、ほぼ燃焼室１２０中心部に留まることとなるが、燃料の一部は、噴射された際に、燃焼室内側壁面であるシリンダライナ１２４に付着する。このシリンダライナ１２４は、冷却水で冷却されているため、その表面温度が燃焼室温度に対して低くなるようになっている。よってシリンダライナ１２４に付着した燃料は、燃焼室内に噴射されて浮遊している燃料に比べて、蒸発しにくい状態にある。そして、この付着して気化しない燃料は、燃焼室内で燃焼が起こる際に、不完全燃焼を起こし、その結果として排気中のＨＣや煤等を増加させることになる。
【００７２】
以下、前記噴孔１５４より噴射される高圧空気による燃料の燃焼室内側壁面への付着抑制方法について述べる。通常の燃焼工程では、まず最初にピストン１２３が上昇することにより燃焼室１２０内に取り込まれた空気を圧縮する。そして圧縮された状態、すなわちピストン１２３が上方へあがった状態で燃料を噴射する。その後更にピストン１２３は上昇し、上死点付近で圧縮された空気の自己発熱により燃料に点火し、燃焼が始まる。
【００７３】
よって、燃料の燃焼室内側壁面への付着を防止するためには、燃料噴射後、着火し、火炎が広がるまでの間に、噴射された燃料が燃焼室内側壁面に付着しないようにすればよい。このため、図８に示すように前記噴孔１５４より、空気を噴射してエアカーテンを形成し、このエアカーテンにより噴射された燃料が燃焼室内側壁面に付着するのを防止する。
【００７４】
具体的な手順としては、燃焼室１２０内に燃料が噴射されると同時か、若しくはその直前に高圧空気噴射弁１５１を開放し、複数設けられた噴孔１５４より高圧空気を噴射する。この噴孔１５４は燃焼室内側壁面に沿って空気が噴射できるように設けられている。各噴孔１５４より燃焼室内側壁面に沿って空気を噴出することにより、燃焼室内側面に沿って環状の気流が発生する。この発生した環状の気流をエアカーテンとして、噴射された燃料が燃焼室内側壁面に付着することを防止する。
【００７５】
本実施の形態２では、燃焼室内に噴射された燃料が燃焼室内側壁面に付着しないようにすることを目的としている。よって噴射された燃料が燃焼室内側壁面に付着しない条件、例えばエンジン１０１が高温の状態で、噴射される燃料が少量である等の条件では本実施の形態２を行わなくても燃料が燃焼室内側壁面に付着することは無い。よって各条件によって本実施の形態２を行うかどうかを定めることにより、空気を高圧にする際のエンジン１の動力損失を減少することが可能となる。
【００７６】
また、本実施の形態２では筒内直接噴射型内燃機関としてディーゼルエンジンシステムを用いたが、燃焼室内に直接燃料を噴射する形態の内燃機関であるならば、ガソリンエンジン等の火花点火式内燃機関にも本実施の形態２を適応することが可能である。
【００７７】
また、本実施の形態２では気体の流れによる壁流を形成して、燃焼室内側壁面に付着に付着する燃料を減少させることにより、燃焼室内に噴射された燃料の完全燃焼する割合を高めることができる。つまりは燃焼室内に噴射された燃料の燃焼効率が高まることになる。
【００７８】
本実施の形態１及び本実施の形態２では、燃焼室内に高圧空気を噴射することにより、吸気ポートから取り入れる空気とは別に燃焼室内に空気を取り込む結果となっている。しかし、本実施の形態で、噴射される高圧空気として取り込まれる空気の量は、例えば、噴孔面積約０．１ｍｍ＾２、噴射時間約０．５ミリ秒、噴射圧力１０ＭＰａで行っており、これによる空燃比（Ａ／Ｆ）の変化は約０．２〜０．１程度となる。この値は、本実施の形態では特に問題となるような値でない。よって特に空燃比の再設定は行われていないが、他の形態においては空燃比も考慮して本実施の形態と同様に高圧空気を噴射する方法も想定される。
【００７９】
また、本実施の形態１及び本実施の形態２では、高圧空気を作成するのに高圧ポンプを用いて、この高圧ポンプより直接高圧空気を高圧空気噴射弁より噴射した。この他にも、予め蓄圧室を設けて高圧空気を溜め、この蓄圧室より高圧空気噴射弁に高圧空気を送り噴射しても良い。この蓄圧室を設けることにより、エンジンが低負荷時に予め高圧ポンプで高圧空気を貯留しておき、高負荷時に高圧ポンプを停止することが可能となる。これにより動力を最も必要とする高負荷時に、高圧ポンプを稼働することによる動力損失を起こすことなく本実施の形態を行うことが可能となる。
＜第３の実施の形態＞
本実施の形態では、燃焼室内で混合気が燃焼したときの火炎が噴射された高圧空気に到達する前に高圧空気の噴射を停止させる。これを実現させるために、本実施の形態では、混合気の点火時期に連動して高圧空気の噴射時期を変化させる。
【００８０】
尚、本実施の形態では、火花点火式内燃機関であるガソリンエンジンシステムに適用した実施の形態について説明するが、ディーゼルエンジンシステムにおいても、点火プラグによる点火時期を燃料噴射弁による燃料噴射時期に置き換えることにより適用可能となる。
【００８１】
本実施の形態においては、高圧空気の噴射制御が異なるものの、適用対象となるエンジンやその他ハードウェアの基本構成は第１の実施の形態と共通なので説明を割愛する。
【００８２】
ここで、燃焼室２０内に噴射される高圧空気は、燃焼室２０内の火炎よりも温度が低いため、噴射直後の高圧空気に火炎が接触すると、該火炎の温度が低下する。これにより、火炎伝播速度が遅くなると、火炎面が燃焼室端部に到達する前に混合気が自然着火してノッキングが発生してしまう。よって、ノッキングの発生を抑制するには、火炎面が高圧空気に到達する前に高圧空気の噴射を停止させ、燃焼後期の燃焼速度の低下を抑制し、燃焼室端部より自然発火する前に火炎面を燃焼室端部まで到達させることが有効である。
【００８３】
本実施の形態では、点火プラグ２８の点火時期と連動して高圧空気の噴射開始時期及び噴射停止時期を変化させる。尚、本実施の形態では、高圧空気を噴射している期間を一定とするため、噴射開始時期及び噴射停止時期の変更量は等しくなる。
【００８４】
図９は、点火プラグ２８の点火時期と高圧空気噴射期間との関係を示したタイムチャート図である。図９（Ａ）は進角前、図９（Ｂ）は進角後の状態を示している。点火時期は、エンジン１が高回転になると進角される。これにより、高圧空気噴射開始時期も同角度進角させる。これにより、高圧噴射停止時期も同角度進角され、点火時期と一定の間隔を保つことができる。この一定の間隔は、ノッキングが発生する虞のない間隔を予め実験等により求めておく。
【００８５】
以上説明したように、本実施の形態によれば、高圧空気の噴射時期を混合気の点火時期と連動させることにより、高圧空気による火炎温度の低下及び火炎伝播速度の低下を抑制することが可能となり、ノッキングを抑制することができる。
【００８６】
【発明の効果】
本発明に係る内燃機関の燃焼補助装置を用いることにより、燃焼過程後期の燃焼速度を増加させることによるノッキングの抑制、および燃焼室内側壁面への燃料付着を防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態１に係る火花点火式内燃機関を示す概略構成図。
【図２】本実施の形態１に係る燃焼室周辺の概略断面図。
【図３】本実施の形態１に係る噴孔周辺の概略図。
【図４】本実施の形態１に係る内燃機関の稼働状態と高圧空気噴射との関係を示すグラフ。
【図５】本実施の形態１に係る高圧空気噴射を行う際のフローチャート。
【図６】本実施の形態２に係る筒内直接噴射型内燃機関を示す概略構成図。
【図７】本実施の形態２に係る燃焼室周辺の概略断面図。
【図８】本実施の形態２に係る噴孔周辺の概略図。
【図９】本実施の形態３に係る点火プラグの点火時期と高圧空気噴射期間との関係を示したタイムチャート図。図９（Ａ）は進角前、図９（Ｂ）は進角後の状態を示している。
【符号の説明】
１　エンジン
１０　燃料供給系
１１　サプライポンプ
１２　コモンレール
１３　燃料噴射弁
２０　燃焼室
２１　シリンダブロック
２２　シリンダヘッド
２３　ピストン
２４　シリンダライナ
２５　冷却水路
２７ａ　吸気バルブ
２７ｂ　排気バルブ
２８　点火プラグ
３０　吸気系
３１　エアクリーナ
３２　スロットル弁
３３　吸気ポート
３８　排気ポート
４０　排気系
４０ａ　排気集合管
４０ｂ　排気通路
４０ｃ　排気通路
４２　触媒ケーシング
５０　高圧ポンプ
５１　高圧空気噴射弁
５２　スペーサ
５３　リング
５４　噴孔
５５　環状通路
５６　高圧空気通路
７０　レール圧センサ
７２　エアフローメータ
７３　酸素濃度センサ
７４　触媒流出排気温度センサ
７６　アクセル開度センサ
７７　クランク角センサ
１０１　エンジン
１１０　燃料供給系
１１１　サプライポンプ
１１２　コモンレール
１１３　燃料噴射弁
１２０　燃焼室
１２１　シリンダブロック
１２２　シリンダヘッド
１２３　ピストン
１２４　シリンダライナ
１２５　冷却水路
１２７ａ　吸気バルブ
１２７ｂ　排気バルブ
１３０　吸気系
１３１　インタークーラ
１３２　スロットル弁
１３３　吸気ポート
１３８　排気ポート
１４０　排気系
１４０ａ　排気集合管
１４０ｂ　排気通路
１４０ｃ　排気通路
１４２　触媒ケーシング
１４５　ターボチャージャ
１４６　シャフト
１４７　タービンホイール
１４８　コンプレッサ
１５０　高圧ポンプ
１５１　高圧空気噴射弁
１５２　スペーサ
１５３　リング
１５４　噴孔
１５５　環状通路
１５６　高圧空気通路
１６０　ＥＧＲ通路
１６１　ＥＧＲ弁
１６２　ＥＧＲクーラ
１７０　レール圧センサ
１７２　エアフローメータ
１７３　酸素濃度センサ
１７４　触媒流出排気温度センサ
１７６　アクセル開度センサ
１７７　クランク角センサ
Ｐ１　機関燃料通路
【図１】
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【図２】
2004003428.tif 000004
【図３】
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【図４】
2004003428.tif 000006
【図５】
2004003428.tif 000007
【図６】
2004003428.tif 000008
【図７】
2004003428.tif 000009
【図８】
2004003428.tif 000010
【図９】
2004003428.tif 000011