(57)【要約】【課題】筒内の未燃成分の排出を促進して排気浄化性能や触媒の暖機性能を向上させることが可能な二次空気供給方法を提供する。【解決手段】シリンダ１４内からの排気時に、シリンダ１４外の排気通路６内に開口する噴孔２８ａ、２８ｂから、開弁中の排気ポート１５ａ、１５ｂの隙間を介してシリンダ１４内のピストン頂面１７ａの周辺領域１８に達するように二次空気を吹き付けることにより、ピストン頂面の周辺のクエンチングゾーン１８に滞留している未燃成分をかき乱して未燃成分のシリンダ１４外への排出を促進する。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の筒内からの排気時に筒内のピストン頂面の周辺領域に向かって二次空気を吹き付ける内燃機関の二次空気供給方法。
【請求項２】
筒外の排気通路内に開口する噴孔から、開弁中の排気ポートの隙間を介して筒内の前記周辺領域に達するように二次空気を吹き付けることを特徴とする請求項１に記載の二次空気供給方法。
【請求項３】
前記筒内に開口する噴孔から前記周辺領域に向けて二次空気を吹き付けることを特徴とする請求項１に記載の二次空気供給方法。
【請求項４】
複数の噴孔から気筒の中心線の方向に関して互いに異なる位置に向けて前記二次空気を吹き付けることを特徴とする請求項２又は３に記載の二次空気供給方法。
【請求項５】
第１の噴孔によりピストンが下死点付近にあるときのピストン頂面の周辺領域に向けて二次空気を吹き付け、第２の噴孔によりピストンが上死点付近にあるときのピストン頂面の周辺領域に向けて二次空気を吹き付けることを特徴とする請求項２又は３に記載の二次空気供給方法。
【請求項６】
気筒の中心線の回りを旋回するスワール流が生成されるように前記二次空気を吹き付けることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の二次空気供給方法。
【請求項７】
内燃機関の吸気ポートとは別に設けられた噴孔から筒内に空気を供給可能とした内燃機関の筒内空気供給装置において、前記噴孔がピストン頂面の周辺領域に向かって空気を吹き付けるように設けられていることを特徴とする筒内空気供給装置。
【請求項８】
筒外の排気通路から開弁中の排気ポートの隙間を介して筒内の前記周辺領域に空気が達するように前記噴孔が前記排気通路内に開口していることを特徴とする請求項７に記載の筒内空気供給装置。
【請求項９】
前記噴孔が前記空気の噴射方向を前記周辺領域に向けた状態で前記筒内に開口し、前記噴孔は空気の供給路を開閉する弁手段と接続されていることを特徴とする請求項７に記載の筒内空気供給装置。
【請求項１０】
排気中の所定時期に前記弁手段が開くように前記弁手段の動作を制御する弁制御手段を備えることを特徴とする請求項９に記載の筒内空気供給装置。
【請求項１１】
複数の噴孔がそれぞれの空気の噴射方向を気筒の中心線の方向に関して互いに異なる位置に向けた状態で設けられていることを特徴とする請求項７〜１０のいずれか１項に記載の筒内空気供給装置。
【請求項１２】
前記噴孔として、ピストンが下死点付近にあるときのピストン頂面の周辺領域に向けて二次空気を吹き付ける第１の噴孔と、ピストンが上死点付近にあるときのピストン頂面の周辺領域に向けて二次空気を吹き付ける第２の噴孔とが設けられていることを特徴とする請求項７〜１０のいずれか１項に記載の筒内空気供給装置。
【請求項１３】
気筒の中心線の回りを旋回するスワール流が形成されるように、前記噴孔からの空気の噴射方向が前記中心線に対していずれか一方向に偏っていることを特徴とする請求項７〜１２のいずれか１項に記載の筒内空気供給装置。
【請求項１４】
噴孔から筒内に空気を供給可能とした内燃機関の筒内空気供給装置において、前記噴孔が、開弁中の排気ポートの隙間を介して筒内に空気を吹き込むように排気通路内に開口していることを特徴とする筒内空気供給装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の筒内に二次空気を供給して排気ガスの浄化性能や触媒の暖機特性を向上させる二次空気供給方法及びそれに適した筒内空気供給装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
膨張行程中に筒内に二次空気を導入して排気ガスの酸化を促進し、それによりＨＣやＣＯを低減させる空気供給装置が特許文献１に記載されている。この空気供給装置は、吸気ポートや排気ポートとは別に、二次空気を供給するための噴孔を点火プラグの近傍で筒内に開口させて形成し、その噴孔を弁手段にて開閉して二次空気の供給及び供給停止を切り替えている。
【０００３】
【特許文献１】
実願平１−７７４２８（実開平３−１７２２８号）のマイクロフィルム
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
内燃機関のピストンの外周には複数本のピストンリングが装着されているが、最上部のピストンリングはピストンの頂面よりもクランク室側に幾らか後退した位置にあり、そのピストンリングとピストンの上端外周部との間には比較的狭い環状の隙間が形成される。この部分には火炎が伝播し難く、未燃成分が残り易い。そのため、当該隙間部分はクエンチングゾーンと呼ばれることもある。しかも、排気中のピストンの上昇により未燃成分はクエンチングゾーンに押し込まれるようになり、筒外に排出され難い。そして、筒内に未燃成分が残っていると次の吸気行程で筒内に導入される新気が減少し、その結果、燃焼状態が悪化して排気ガス中のＨＣやＣＯ等の有害成分が増加する。特に、冷間始動時には筒内温度が低いので未燃成分の残留によって燃焼状態が悪化し易く、また、排気ガス温度が必要以上に低下するために排気浄化用の触媒の暖機に悪影響を及ぼす。上述した公報記載の空気供給装置では二次空気を点火プラグの近傍から筒内に拡散させており、クエンチングゾーンに残った未燃成分の排出には効果がない。
【０００５】
本発明は、筒内の未燃成分の排出を促進して排気浄化性能や触媒の暖機性能を向上させることが可能な二次空気供給方法及びその方法を実現するために適した筒内空気供給装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の内燃機関の二次空気供給方法は、内燃機関の筒内からの排気時に筒内のピストン頂面の周辺領域に向かって二次空気を吹き付けることにより、上述した課題を解決する（請求項１）。
【０００７】
この方法によれば、排気中にピストン頂面の周辺領域へ二次空気が吹き付けられることにより、その周辺領域に滞留している未燃成分がかき乱されて未燃成分の筒外への排出が促進される。これにより、筒内における未燃成分と新気との交換が促進されて燃焼状態が改善され、ＨＣやＣＯの排出量が減少する。また、排気ガス中の未燃成分が二次空気と混ざり合って排気通路に排出されるため、排気通路内における未燃成分の二次燃焼が促進され、それにより触媒の暖機が促進されて触媒が早期に活性化される。
【０００８】
本発明の二次空気供給方法においては、筒外の排気通路内に開口する噴孔から、開弁中の排気ポートの隙間を介して筒内の前記周辺領域に達するように二次空気を吹き付けてもよい（請求項２）。このように排気通路の噴孔から筒内に二次空気を供給する場合には、排気弁の開閉動作を利用して二次空気の筒内への供給及びその停止を切り換えることができるので、排気動作の開始や終了に合わせて二次空気の供給及び供給停止を切り換えたり噴孔を開閉する必要がない。
【０００９】
一方、本発明の二次空気供給方法においては、前記筒内に開口する噴孔から前記周辺領域に向けて二次空気を吹き付けてもよい（請求項３）。この場合には周辺領域の近傍に噴孔を開口させることにより、二次空気をピストン頂面の周辺領域に容易かつ確実に供給することができる。空気の供給時期が排気弁の開弁中に制限されない利点もある。
【００１０】
なお、排気中のピストン位置の変化に伴ってクエンチングゾーンも移動するため、複数の噴孔から気筒の中心線の方向に関して互いに異なる位置に向けて前記二次空気を吹き付けることが望ましい（請求項４）。これにより、二次空気が吹き付けられる範囲を気筒の中心線の方向に関して拡大し、一箇所に二次空気を集中して吹き付ける場合よりも長時間に亘ってクエンチングゾーンに二次空気を吹き付けて未燃成分の排出効果を高めることができる。特に、第１の噴孔によりピストンが下死点付近にあるときのピストン頂面の周辺領域に向けて二次空気を吹き付け、第２の噴孔によりピストンが上死点付近にあるときのピストン頂面の周辺領域に向けて二次空気を吹き付けた場合には（請求項５）、排気行程中のピストンの位置に拘わりなくクエンチングゾーンに二次空気が供給されて未燃成分の排出効果が極めて高くなる。
【００１１】
さらに、本発明の二次空気供給方法においては、気筒の中心線の回りを旋回するスワール流が生成されるように前記二次空気を吹き付けてもよい（請求項６）。この場合には、二次空気のスワール流がクエンチングゾーンを周回することにより、未燃成分の排出効果をクエンチングゾーンの全周に亘ってほぼ均質に発揮させることができる。
【００１２】
本発明の内燃機関の筒内空気供給装置は、内燃機関の吸気ポートとは別に設けられた噴孔から筒内に空気を供給可能とした内燃機関の筒内空気供給装置において、前記噴孔がピストン頂面の周辺領域に向かって空気を吹き付けるように設けられることにより、上述した課題を解決する（請求項７）。この装置によれば、排気中に噴孔から筒内に空気を供給することにより本発明の二次空気供給方法を実現することができる。
【００１３】
本発明の筒内空気供給装置においては、筒外の排気通路から開弁中の排気ポートの隙間を介して筒内の前記周辺領域に空気が達するように前記噴孔が前記排気通路内に開口してもよい（請求項８）。この場合には、排気弁の開閉動作を利用して二次空気の筒内への供給及びその停止を切り換えることができるので、排気動作の開始や終了に合わせて二次空気の供給及び供給停止を切り換えたり噴孔を開閉する必要がなく、装置の構成が簡素化される。
【００１４】
また、本発明の筒内空気供給装置においては、前記噴孔が前記空気の噴射方向を前記周辺領域に向けた状態で前記筒内に開口し、前記噴孔は空気の供給路を開閉する弁手段と接続されてもよい（請求項９）。この場合には、筒内に混合気を閉じ込めるために噴孔を閉じる弁手段を必要とするものの、排気通路に噴孔を設ける場合と比較して、噴孔をピストン頂面の周辺領域により近い位置に配置できるので、周辺領域に容易かつ確実に空気を供給することができる。さらに、排気中の所定時期に前記弁手段が開くように前記弁手段の動作を制御する弁制御手段を備えることにより（請求項１０）、排気中のピストン頂面の周辺領域に確実に空気を吹き付けることができる。
【００１５】
本発明の筒内空気供給装置においては、複数の噴孔がそれぞれの空気の噴射方向を気筒の中心線の方向に関して互いに異なる位置に向けた状態で設けられてもよい（請求項１１）。これにより、空気が吹き付けられる範囲を気筒の中心線の方向に関して拡大し、一箇所に空気を集中して吹き付ける場合よりも長時間に亘ってクエンチングゾーンに空気を吹き付けて未燃成分の排出効果を高めることができる。
【００１６】
特に、前記噴孔として、ピストンが下死点付近にあるときのピストン頂面の周辺領域に向けて二次空気を吹き付ける第１の噴孔と、ピストンが上死点付近にあるときのピストン頂面の周辺領域に向けて二次空気を吹き付ける第２の噴孔とが設けられた場合には（請求項１２）、排気行程中のピストンの位置に拘わりなくクエンチングゾーンに二次空気が供給されて未燃成分の排出効果が極めて高くなる。
【００１７】
さらに、本発明の筒内空気供給装置においては、気筒の中心線の回りを旋回するスワール流が形成されるように、前記噴孔からの空気の噴射方向が前記中心線に対していずれか一方向に偏っていてもよい（請求項１３）。このように噴孔を配置することにより、気筒の内周面に沿ってスワール流を生じさせて未燃成分の排出効果をクエンチングゾーンの全周においてほぼ均質に生じさせることができる。
【００１８】
本発明の他の筒内空気供給装置は、噴孔から筒内に空気を供給可能とした内燃機関の筒内空気供給装置において、前記噴孔が、開弁中の排気ポートの隙間を介して筒内に空気を吹き込むように排気通路内に開口しているものである（請求項１４）。この装置によれば、開弁時の排気ポートの隙間は排気弁の周辺に生じるので、排気通路からその隙間を狙って筒内に空気を吹き込むことにより、その空気は気筒の内周面に向かようになる。このため、ピストン頂面の周辺に生じるクエンチングゾーンに空気を導いて未燃成分を排出させることが可能である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
図１は本発明の一実施形態における二次空気供給装置（筒内空気供給装置）とこれが適用される内燃機関の概略を示している。内燃機関１は自動車に搭載される直列式の４気筒ガソリンエンジンとして構成されている。周知のように、内燃機関１の吸気通路２には、スロットルバルブ４の開度に応じた空気（一次空気）がエアフィルタ３を介して吸入され、その空気はインテークマニホールド５を介して各シリンダ（気筒）１４に取り込まれる。シリンダ１４からの排気ガスは排気通路６を経て触媒７に導かれて浄化された後、不図示の消音器を経て大気へ排出される。触媒７はＨＣ、ＣＯを酸化する一方で、ＮＯｘを還元する周知の三元触媒、あるいはＮＯｘを吸蔵するＮＯｘ吸蔵型触媒である。
【００２０】
吸気通路２には吸入空気量に対応した信号を出力するエアフローメータ８、スロットルバルブ４の開度に対応した信号を出力するスロットル開度センサ９が、排気通路６の触媒７の前後には排気ガス中の酸素量に対応した信号を出力するＯ２センサ（酸素センサ、但し空燃比センサに置換してもよい。）１０、１１がそれぞれ設けられる。各センサ８〜１１の出力信号はエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１２に導かれる。ＥＣＵ１２はマイクロプロセッサ、及びその動作に必要なＲＯＭ、ＲＡＭ等の周辺回路を備えたコンピュータとして構成される。ＥＣＵ１２は各種のセンサの出力信号を参照して、内燃機関１の運転状態の制御に必要な各種の演算処理及び各種の機器の動作制御を実行する。例えば、ＥＣＵ１２はＯ２センサ１０、１１の出力信号に基づいて所定の空燃比の混合気が形成されるように燃料噴射弁１３の燃料噴射量を制御する。ＥＣＵ１２が参照するセンサとしては、上述したエアフローメータ８等の他にも、内燃機関１の冷却水温度に対応した信号を出力する水温センサ、吸気温に対応した信号を出力する吸気温センサ、クランク軸の角度に対応した信号を出力するクランク角センサ等が存在するが、それらの図示は省略した。
【００２１】
二次空気供給装置２０は、空気供給源としての電動式のエアポンプ２１と、そのエアポンプ２１から吐出される二次空気を排気通路６に導く二次空気通路２２と、二次空気通路２２を開閉するためのバキュームコントロールバルブ（ＶＳＶ）２３及びエアースイッチングバルブ（ＡＳＶ）２４とを備えている。二次空気通路２２の二次空気は噴孔２８ａ、２８ｂを介して各シリンダ１４の内部に導かれる。噴孔２８ａ、２８ｂの詳細は後述する。
【００２２】
ＶＳＶ２３はＥＣＵ１２からの指示に従って開閉される電磁弁である。ＶＳＶ２３が開くとインテークマニホールド５の負圧が通路２５を開してＡＳＶ２４に導かれてＡＳＶ２４の内部流路が開放される。ＡＳＶ２４が開放されることにより、エアフィルタ２６にて濾過された二次空気がエアポンプ２１から二次空気通路２２を介して排気通路６に供給される。二次空気通路２２には圧力センサ２７が設置される。圧力センサ２７は二次空気通路２２の圧力に対応した信号をＥＣＵ１２に出力する。
【００２３】
空気供給装置２０による二次空気の供給及びその停止は、エアフローメータ８等の出力信号に基づいて特定される運転条件に応じてＥＣＵ１２により切り換え制御される。例えば、ＥＣＵ１２は、内燃機関１の始動後の経過時間、内燃機関１の回転数、車速、負荷等の様々なパラメータに基づいて二次空気を供給すべきか否か判断し、供給すべきと判断したときにエアポンプ２１を起動するとともにＡＳＶ２４を開いて二次空気を供給する。触媒７の暖機が十分に完了したと判断した場合、ＥＣＵ１２はエアポンプ２１を停止しかつＡＳＶ２４を閉じて二次空気の供給を終了する。二次空気の供給及び供給停止の切り換え制御に関する詳細は公知の種々の空気供給装置と同様に行えばよく、詳細な説明は省略する。なお、二次空気の供給が必要と判断された場合、エアポンプ２１は各シリンダ１４が吸気、圧縮、膨張、又は排気のいずれの行程にあるかに拘わりなく所定の速度で継続的に運転される。
【００２４】
次に、図２〜図４を参照して二次空気供給装置２０の噴孔２８ａ，２８ｂについて説明する。なお、以下の説明において、噴孔２８ａ，２８ｂを区別する必要がないときは両者を噴孔２８と表記することがある。
【００２５】
これらの図から明らかなように、一つのシリンダ１４には二つの排気ポート１５ａ，１５ｂが開口し、排気通路６の端部は排気ポート１５ａ，１５ｂに対応して２本の排気ブランチ６ａ，６ｂに分かれている。噴孔２８ａ，２８ｂは排気ブランチ６ａ，６ｂにそれぞれ開口している。そして、一方の噴孔２８ａは排気ポート１５ａと排気弁１６との隙間からピストン１７の頂面１７ａの外周部とピストンリング１９との間に挟まれたクエンチングゾーン１８（図３及び図４参照）に向かって二次空気を吹き付けるように設けられ、他方の噴孔２８ｂは排気ポート１５ｂと排気弁１６との隙間からクエンチングゾーン１８に向かって二次空気を吹き付けるように設けられている。なお、図２〜図４では各噴孔２８からの空気の噴射方向をそれぞれ矢印Ａ，Ｂで示している。
【００２６】
各噴孔２８ａ，２８ｂの噴射方向はシリンダ１４の中心線の方向（図３において上下方向）に関して互いに異なる位置に向けられている。好ましくは、一方の噴孔２８ａからの噴射方向は、ピストン１７が下死点付近に位置するときのクエンチングゾーン１８に向かって二次空気を吹き付けるように設定され、他方の噴孔２８ｂからの噴射方向は、ピストン１７が上死点付近に位置するときのクエンチングゾーン１８に向かって二次空気を吹き付けるように設定される。また、図４から明らかなように、噴孔２８ａ，２８ｂからの空気の噴射方向は、排気ポート１５ａ，１５ｂ側からみてシリンダ１４の中心線に対していずれか一方の側（図４では上側）に偏っている。従って、噴孔２８ａ，２８ｂからの二次空気の吹き付けにより、シリンダ１４内にはその中心線の回りを旋回するスワール流ＳＷが形成される。
【００２７】
以上のように構成された二次空気供給装置２０によれば、冷間始動時のように触媒の暖機が十分ではないと判断されたときにエアポンプ２１が起動され、噴孔２８から排気通路６内に二次空気が供給される。排気弁１６が閉じている間は二次空気が排気通路６から触媒７側へと導かれるが、排気弁１６が開くと噴孔２８からの二次空気が排気ポート１５ａ，１５ｂと排気弁１６との隙間からシリンダ１４内に導入され、クエンチングゾーン１８に二次空気が吹き付けられる。これにより、クエンチングゾーン１８に滞留している未燃成分がかき乱されてそのシリンダ外への排出が促進される。しかも、シリンダ１４内に導入された二次空気はスワール流ＳＷを形成し、かつ噴孔２８ａ，２８ｂの噴射位置が上下にずれているからスワール流ＳＷもシリンダ１４の一箇所に集中せず、上下方向（シリンダ１４の中心線の方向）に相当の範囲に亘って生成される。従って、ピストン１７がどの位置にあってもクエンチングゾーン１８のほぼ全周に亘って二次空気が行き渡り、未燃成分が効果的に排出される。
【００２８】
排気通路６に排出された未燃成分は二次空気と混ざり合って触媒７に導かれ、その過程で未燃成分が二次燃焼を起こす。これにより触媒７の暖機が促進される。排気を終えたシリンダ１４には、クエンチングゾーン１８の未燃成分が排出されているために次の吸気行程で十分な量の新気が導入される。そのため、燃焼状態が改善され、ＨＣやＣＯ等の有害物質の生成量が減少する。
【００２９】
（第２の実施形態）
図５は本発明の第２の実施形態における空気供給装置とこれが適用される内燃機関の概略を示している。この例において、内燃機関５１は自動車に搭載される４サイクルガソリンエンジンとして構成されている。周知のように、内燃機関１のシリンダブロック５２にはシリンダ（気筒）５３が形成され、そのシリンダ５３はシリンダヘッド５４にて閉じられ、内部にはピストン５５が上下動自在に挿入される。シリンダヘッド５４には、シリンダ５３の略中心線ＣＬ上に位置させて点火プラグ５６が取り付けられ、その点火プラグ５６の左右に吸気ポート５７及び排気ポート５８が形成される。各ポート５７，５８は吸気バルブ５９及び排気弁６０によって開閉される。吸気ポート５７には不図示の燃料噴射弁からガソリン燃料が噴射される。燃料噴射弁からの燃料の噴射時期及び噴射量はエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）６１にて制御される。ＥＣＵ６１はマイクロプロセッサ及びその主記憶装置としてのＲＡＭ、ＲＯＭ等を備えたコンピュータとして構成される。
【００３０】
内燃機関５１には、シリンダ５３内に空気を供給する筒内空気供給装置７０が装備されている。筒内空気供給装置７０は、エアフィルタ７１と、そのエアフィルタ７１で濾過された空気を所定の圧力まで昇圧して吐出するエアポンプ７２と、エアポンプ７２から吐出される空気の供給及び供給停止を切り替える弁手段としての開閉弁７３と、その開閉弁７３から空気通路７４を介して導かれる二次空気をシリンダ５３内の所定領域に導くための噴射リング（噴孔形成部材）７５とを備えている。なお、開閉弁７３、空気通路７４及び噴射リング７５はシリンダ５３毎に設けられ、エアフィルタ７１及びエアポンプ７２は全てのシリンダ５３に対して共通に設けられる。
【００３１】
図６にも示したように、噴射リング７５は半径方向の幅及び直径方向の厚さがそれぞれ一定の中空環状体に形成されている。噴射リング７５はシリンダブロック５２とシリンダヘッド５４との間に挟まれるようにしてシリンダブロック５２のリング取付溝５２ａ（図５）に装着される。噴射リング７５の内周面７５ａ（図６）はシリンダ５３の内壁面と略面一である。噴射リング７５にはその周方向に一定のピッチで複数（図では８個）の噴孔７６が形成されている。噴孔７６の一端はシリンダ５３に開口し、噴孔７６の他端はリング７５の外周に設けられた環状溝７７に通じている。噴射リング７５がシリンダブロック５２のリング取付溝５２ａに取り付けられることにより環状溝７７はその外周側から閉じられるが、その取り付け状態で環状溝７７の一部は空気通路７４に接続される。従って、開閉弁７３を通過した空気は空気通路７４、環状溝７７及び噴孔７６を順に通過してシリンダ５３内に導入される。
【００３２】
図６から明らかなように、噴孔７６はその軸線７６ａを噴射リング７５の半径方向に対していずれも同一の側に等しい角度だけ傾けて形成されている。これにより、各噴孔７６からはシリンダ５３の半径方向及び接線方向に対して同一角度だけ斜めに傾いた方向に空気流７８が噴射される。噴射リング７５の内周面７５ａと噴孔７６の軸線７６ａとの交点を通過する内周面７５ａの接線７９と噴孔７６の軸線７６ａとがなす角度θは好適には３０°以下に設定される。なお、シリンダ５３の中心線の方向に関しては噴孔７６はその一端から他端まで同一の高さに形成されている。従って、各噴孔７６からはシリンダ５３の中心線ＣＬの方向に関してはシリンダヘッド５４又はピストン５５のいずれの側にも偏ることなく空気が噴射される。
【００３３】
シリンダ５３の中心線ＣＬの方向に関する噴射リング７５の取り付け位置は、噴孔７６からの空気流７８が、ピストン５５の頂面５５ａの外周部とピストンリング８０とに挟まれたクエンチングゾーン８１に吹き込まれるような位置に設定される。クエンチングゾーン８１はピストン５５の位置に応じて中心線ＣＬの方向に変化するが、例えばピストン５５が上死点付近に達したとき（但し、排気弁６０が閉じるよりも早い時期）のクエンチングゾーン８１に対して噴孔７６が隣接するように噴射リング７５の取り付け位置を定める。複数の噴孔７６のうち、少なくとも一部の噴孔７６の噴射方向をクランク軸８２側に傾けることにより、下死点付近にピストン５５が位置するときにクエンチングゾーン８１に対して空気流７８が吹き込まれるようにしてもよい。
【００３４】
図５のＥＣＵ６１は、内燃機関１の運転中に図７の二次空気供給制御ルーチンを一定の周期で繰り返し実行することにより、筒内空気供給装置７０の弁制御手段として機能する。図７の二次空気供給制御ルーチンにおいて、ＥＣＵ６１はまずステップＳ１で二次空気を供給する条件が成立しているか否か判断する。この判断は、第１の実施形態のエアポンプ２０についての起動するか否かの判断と同様に行えばよい。二次空気を供給する条件が成立していないときはステップＳ６に進み、エアポンプ７２をオフするとともに全てのシリンダ５３に対応付けられた開閉弁７３を閉じて図７のルーチンを終える。一方、ステップＳ１にて二次空気を供給する条件が成立しているときはステップＳ２へ進んでエアポンプ７２をオンし、ステップＳ３でクランク角センサ８３（図５）の信号に基づいてクランク角を取得する。続くステップＳ４では、クランク角に基づいて、いずれかのシリンダ５３において二次空気を供給する時期が到来しているか否か判断する。つまり、いずれかのシリンダ５３において、噴孔７６からの空気流７８がクエンチングゾーン８１に吹き込まれる位置にピストン５５が移動する時期か否かを判断する。そして、供給時期であると判断されたときはステップＳ５に進み、そのシリンダ５３に対応付けられた開閉弁７３を開いて今回のルーチンを終了する。
【００３５】
以上の処理によれば、噴孔７６からの空気流７８によりクエンチングゾーン８１に滞留する未燃成分をかき乱してシリンダ５３外への排出を促進することができる。従って、第１の実施形態と同様に、シリンダ内における未燃成分と新気との交換が促進されて燃焼状態が改善され、ＨＣやＣＯ等の有害物質の生成量が減少する。また、未燃成分と二次空気とが混ざり合って触媒まで導かれて二次燃焼による触媒の暖機が促進される。
【００３６】
本発明は以上の実施形態に限定されず、種々の形態にて実施してよい。例えば、噴孔は複数設ける例に限らず、単一の噴孔から筒内に空気を吹き込むようにしてもよい。第１の実施形態において、噴孔２８ａ，２８ｂは同一の排気ポート１５ａ（又は１５ｂ）から空気を吹き込むように設けられてもよい。排気弁の数と噴孔の数とは１：１に対応する例に限らず、一つの排気弁に対して複数の噴孔を設けてもよいし、排気弁の数よりも噴孔の数を減らしてもよい。第２の実施形態においては、各噴孔７６からの噴射方向を中心線ＣＬの方向に互いにずらしておき、それらの噴孔７６から一度に空気を吹き込んだり、ピストン５５の上昇に伴って噴射位置が下から上に変化するように各噴孔７６からの噴射タイミングを調整してもよい。排気弁の開弁時期を調整可能な可変動弁機構を備えた内燃機関に適用される場合において、各噴孔７６からの噴射方向を中心線ＣＬの方向に互いにずらしておき、排気弁の開弁時期の変化に応じて使用する噴孔を切り替えることにより、開弁時期に拘わりなく適切な位置に二次空気が噴射できるようにしてもよい。
【００３７】
本発明における排気時はピストンが下死点から上死点まで移動する排気行程中に限定されず、排気弁が開いている限りは排気中の概念に含まれる。例えば膨張行程の終期で排気弁を開く場合も排気時に含まれる。さらに、本発明において、ピストン頂面の周辺領域は、ピストンの上端部の外周面とピストンリングとシリンダの内壁とに囲まれた空間に限定されず、ピストンの外周付近であって未燃成分が残るクエンチングゾーンとして認識される全ての領域を含む。例えば、図８に示すように、ピストン９０の頂面９０ａの中央部に凹部９０ｂが形成され、ピストン９０が上死点付近に位置するときにシリンダ９１とピストン９０との間のみならず、シリンダヘッド９２と頂面９０ａの凹部９０ｂよりも外側の部分との隙間も微小になる構成の場合、シリンダヘッドと頂面９０ａとの隙間部分もクエンチングゾーン９３が生じることがある。このようなクエンチングゾーン９３もピストン頂面の周辺領域として二次空気を吹き付ける対象に含めてよい。
【００３８】
なお、第２の実施形態の筒内空気供給装置７０はシリンダ５３内に開口する噴孔７６から空気を供給するため、排気弁６０の開時期に限定されず、様々なタイミングで筒内に空気を供給することも可能である。従って、クエンチングゾーン８１への二次空気の供給に限らず、筒内に空気を導入する必要がある限り他の目的にも利用してよい。
【００３９】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、排気中にピストン頂面の周辺領域へ二次空気が吹き付けられることにより、その周辺領域に滞留している未燃成分がかき乱されて未燃成分の筒外への排出が促進される。これにより、筒内における未燃成分と新気との交換が促進されてＨＣやＣＯの排出量が減少する。また、排気ガス中の未燃成分と二次空気とが混ざり合うことによる排気通路内の二次燃焼が促進され、それにより触媒の暖機が促進されて触媒が早期に活性化される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態における空気供給装置の構成を示す図。
【図２】図１の空気供給装置における噴孔の配置を示す斜視図。
【図３】図１の空気供給装置における噴孔の配置を示す気筒の中心線に沿った断面図。
【図４】図１の空気供給装置における噴孔の配置を示す気筒の中心線と直交する断面図。
【図５】本発明の第２の実施形態における空気供給装置の構成を示す図。
【図６】図５の噴射リングの平面図。
【図７】図５のＥＣＵが実行する二次空気供給制御ルーチンのフローチャート。
【図８】ピストン頂面の周辺領域の他の例を示す図。
【符号の説明】
１　内燃機関
６　排気通路
６ａ，６ｂ　排気ブランチ
７　触媒
１２　エンジンコントロールユニット
１３　燃料噴射弁
１４　シリンダ（気筒）
１５ａ，１５ｂ　排気ポート
１６　排気弁
１７　ピストン
１７ａ　ピストンの頂面
１８　クエンチングゾーン（周辺領域）
１９　ピストンリング
２０　二次空気供給装置（筒内空気供給装置）
２１　エアポンプ
２２　二次空気通路
２８ａ　一方の噴孔（第１の噴孔）
２８ｂ　他方の噴孔（第２の噴孔）
５１　内燃機関
５５　ピストン
５５ａ　ピストンの頂面
５８　排気ポート
６０　排気弁
６１　エンジンコントロールユニット（弁制御手段）
７０　筒内空気供給装置
７２　エアポンプ
７３　開閉弁（弁手段）
７５　噴射リング
７６　噴孔
８０　ピストンリング
８１　クエンチングゾーン（周辺領域）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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