(57)【要約】【課題】吸気に還流ガスを大量に導入することなく、燃焼室内における自着火抑制効果を最大限に発揮させる。【解決手段】気筒内に収容されたピストンと、吸気通路に設けられる吸気バルブと、排気通路に設けられる排気バルブと、燃焼室の中央部に設けられる点火手段と、排気通路の排気の一部を還流ガスとして吸気に導入する排気ガス再循環装置と、燃焼室内に吸気のスワール流を発生させるスワール流発生手段と、スワール流に乗せて還流ガスを燃焼室内へ導入することにより、燃焼室内の外周部に還流ガス層を、中央部に混合気層を形成する場合における、還流ガス層の径方向厚さを調整する還流ガス層厚調整手段と、を備え、還流ガス層厚調整手段は、還流ガス層の径方向厚さが、燃焼室内の内周壁に付着した潤滑油の液滴が半径方向内側へ向かって飛散する最大の潤滑油飛散距離以上となるように、スワール流の強さ及び還流ガスの導入量又はそのいずれかを調整するエンジンの制御装置とした。【選択図】図２
2016114001.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気筒内に収容されたピストンと、
前記気筒の燃焼室へ通じる吸気通路に設けられる吸気バルブと、
前記燃焼室から引き出される排気通路に設けられる排気バルブと、
前記燃焼室の中央部に設けられる点火手段と、
前記排気通路の排気の一部を還流ガスとして吸気に導入する排気ガス再循環装置と、
前記燃焼室内に吸気のスワール流を発生させるスワール流発生手段と、
前記スワール流に乗せて前記還流ガスを前記燃焼室内へ導入することにより、前記燃焼室内の外周部に還流ガス濃度が所定値以上の還流ガス層を、中央部に還流ガス濃度が所定値未満の混合気層を形成する場合における、前記還流ガス層の径方向厚さを調整する還流ガス層厚調整手段と、
を備え、
前記還流ガス層厚調整手段は、前記還流ガス層の径方向厚さが、前記燃焼室内の内周壁に付着した潤滑油の液滴が半径方向内側へ向かって飛散する最大の潤滑油飛散距離以上となるように、前記スワール流の強さ及び前記還流ガスの導入量又はそのいずれかを調整する
エンジンの制御装置。
【請求項２】
前記最大の潤滑油飛散距離は、
前記燃焼室内の内周壁から飛散する液滴の半径方向初速と、
前記燃焼室内の吸気中を飛散する液滴に作用する液滴摩擦力と、
をもとに算出される請求項１に記載のエンジンの制御装置。
【請求項３】
前記最大の潤滑油飛散距離は、
前記燃焼室内の内周壁から飛散する液滴の前記内周壁からの飛び出し時から前記気筒内に収容されたピストンが上死点に至るまでの時間
をもとに算出される請求項２に記載のエンジンの制御装置。
【請求項４】
前記半径方向初速は、
前記気筒内に収容されたピストンの圧縮行程における最大減速度と、
前記燃焼室内の内周壁から飛散する液滴の気筒の軸心方向に直交する方向に対する飛び出し角度と、
をもとに算出される請求項２又は３に記載のエンジンの制御装置。
【請求項５】
前記最大の潤滑油飛散距離は、
前記スワール流によって液滴に作用する液滴遠心力を基に算出され、
前記液滴遠心力は、
前記スワール流における水平方向速度成分の垂直方向速度成分に対する比で構成されるスワール比と、
前記燃焼室内で混合気の自着火の着火源となり得る最小径の液滴の重量と、
をもとに算出される請求項２から４の何れか１項に記載のエンジンの制御装置。
【請求項６】
前記液滴摩擦力は、
前記燃焼室内で混合気の自着火の着火源となり得る液滴の最小径と、
前記燃焼室内における吸気の密度又は吸気の圧力と、
をもとに算出される請求項２から５のいずれか１項に記載のエンジンの制御装置。
【請求項７】
前記還流ガス層の径方向厚さは、
前記燃焼室内に導入される前記還流ガスが全て前記還流ガス層に分布すると仮定した場合における前記燃焼室内の容積と前記燃焼室内に導入される吸気全体に占める前記還流ガスの比率で構成される還流ガス率とから得られる前記還流ガス層の幾何学的径方向厚さと、
前記還流ガス層と前記混合気層との分離の度合いを示す指標である成層化率と、
をもとに算出される請求項１から６の何れか１項に記載のエンジンの制御装置。
【請求項８】
前記成層化率は、
前記スワール比をもとに算出され、前記燃焼室内で還流ガスと新気とが完全分離する状態の前記成層化率を１とし、その成層化率１になるための旋回流を生じさせる前記スワール比Ｓｒを最大スワール比Ｓｒ（ｍａｘ）とし、前記スワール比Ｓｒが前記最大スワール比Ｓｒ（ｍａｘ）以下の場合は、前記成層化率をＳｒ／Ｓｒ（ｍａｘ）とし、
前記還流ガス層の径方向厚さは、
前記還流ガス層の幾何学的径方向厚さに前記成層化率を乗じて算出される
請求項７に記載のエンジンの制御装置。
【請求項９】
前記スワール流発生手段は、
１つの気筒に設けられる複数の前記吸気バルブ及び複数の前記排気バルブと、
前記複数の吸気バルブ及び前記複数の排気バルブの全てを開閉する通常開閉モードと、前記複数の吸気バルブ及び前記複数の排気バルブのうち一部を開閉して前記燃焼室内に吸気のスワール流を発生させる部分開閉モードと、に切り換えるバルブ開閉モード切換手段とを備え、
前記バルブ開閉モード切換手段により部分開閉モードが選択された際に前記還流ガスを前記スワール流に沿って導入して前記還流ガス層及び前記混合気層を形成する
請求項１から８の何れか１項に記載のエンジンの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、排気ガス再循環装置を備えたエンジンの制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両等に搭載されるエンジンには、排気ガス再循環装置が備えられる場合が多い。排気ガス再循環装置は、エンジンの燃焼室から排気通路を通じて大気に排出される排気の一部を吸気通路に還流させることにより、燃焼室内における燃焼温度を低下させ、排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出を抑制している。
【０００３】
また、排気ガス再循環装置により、吸気通路に還流された排気ガス（以下、「還流ガス」と称する）を用いて、エンジンの燃焼室内における異常燃焼を低減させる技術がある。
【０００４】
例えば、特許文献１では、還流ガスの吸気通路への排出口を燃焼室近くに配置し、燃焼室に導入された還流ガスがシリンダの内周壁を沿って流れるように、その排出口の向きを設定している。燃焼室内をシリンダの内周壁に沿って旋回した還流ガスは、燃焼室内のうち、内周壁に近い部分に環状の還流ガス層を形成する。これにより、点火プラグが配置される燃焼室の中央部では、排気濃度を比較的低くし点火性能を高めるとともに、燃焼室の外周部では、シリンダの内周壁付近の排気濃度を高めエンドガスが自着火する現象、いわゆるプレイグニッションと呼ばれる異常燃焼を抑制している。
【０００５】
また、特許文献２では、吸排気用のバルブを一つの気筒に２つずつ備えた４バルブエンジンにおいて、吸気バルブ及び排気バルブの全てを開閉する通常開閉モードと、吸気バルブ及び排気バルブをそれぞれ一つずつ開閉して、吸気がシリンダの内周壁に沿って旋回するスワール流を発生させる部分開閉モードとに切り換え可能としている。また、還流ガスは、スワール流の旋回方向に沿うように排出方向が設定されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭６２−１３１９６１号公報
【特許文献２】特開２０１３−８７６２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
プレイグニッションの発生原因の一つは、燃焼室内に堆積したデポジットやシリンダの内周壁から飛散する潤滑油の液滴が、燃焼室内の温度上昇とともに発火し、それがエンドガスを自着火させる火種になっているといわれている。
【０００８】
プレイグニッションを防止する手法として、例えば、吸気温度を低下させる手法や、混合気中の酸素濃度を下げる手法が挙げられる。
【０００９】
吸気温度を下げるためには、例えば、ウェイストゲートバルブ制御等により吸気の過給圧を低下させたり、可変バルブタイミング機構による吸気バルブの遅角制御により実圧縮比を下げる手法等がある。しかし、これらの手法を採用すると、運転条件によっては顕著な出力低下を招く場合がある。
【００１０】
混合気中の酸素濃度を下げるためには、例えば、燃焼室内の不活性ガスの濃度を高めることで、相対的に酸素濃度を下げる手法がある。具体的には、還流ガスの導入量を増やすことが考えられる。しかし、還流ガスの導入量を増やすと、燃焼室内の温度が上昇してしまうので、逆に、プレイグニッションを誘発してしまう場合もある。このため、還流ガスの導入量を増やすには限界がある。
【００１１】
また、燃焼室内の温度上昇を防ぐために、排気ガス再循環装置に還流ガスを冷却する装置を取り付けることも可能であるが、特に、高負荷領域では、燃焼安定の観点から、還流ガスの導入量を増やすには限界がある。さらに、特許文献１及び特許文献２の技術では、還流ガスの導入はプレイグニッションの抑制に真に必要な還流ガス量に基づいて制御されておらず、不必要に大量の還流ガスを導入してしまうことも考えられる。
【００１２】
そこで、この発明の課題は、吸気に還流ガスを大量に導入することなく、燃焼室内における自着火抑制効果を最大限に発揮することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の課題を解決するために、この発明は、気筒内に収容されたピストンと、前記気筒の燃焼室へ通じる吸気通路に設けられる吸気バルブと、前記燃焼室から引き出される排気通路に設けられる排気バルブと、前記燃焼室の中央部に設けられる点火手段と、前記排気通路の排気の一部を還流ガスとして吸気に導入する排気ガス再循環装置と、前記燃焼室内に吸気のスワール流を発生させるスワール流発生手段と、前記スワール流に乗せて前記還流ガスを前記燃焼室内へ導入することにより、前記燃焼室内の外周部に還流ガス濃度が所定値以上の還流ガス層を、中央部に還流ガス濃度が所定値未満の混合気層を形成する場合における、前記還流ガス層の径方向厚さを調整する還流ガス層厚調整手段と、を備え、前記還流ガス層厚調整手段は、前記還流ガス層の径方向厚さが、前記燃焼室内の内周壁に付着した潤滑油の液滴が半径方向内側へ向かって飛散する最大の潤滑油飛散距離以上となるように、前記スワール流の強さ及び前記還流ガスの導入量又はそのいずれかを調整するエンジンの制御装置を採用した。
【００１４】
これらの各構成において、前記最大の潤滑油飛散距離は、前記燃焼室内の内周壁から飛散する液滴の半径方向初速と、前記燃焼室内の吸気中を飛散する液滴に作用する液滴摩擦力とをもとに算出することができる。
【００１５】
さらに、その最大の潤滑油飛散距離は、前記燃焼室内の内周壁から飛散する液滴の前記内周壁からの飛び出し時から前記気筒内に収容されたピストンが上死点に至るまでの時間をもとに算出することができる。
【００１６】
前記半径方向初速は、前記気筒内に収容されたピストンの圧縮行程における最大減速度と、前記燃焼室内の内周壁から飛散する液滴の気筒の軸心方向に直交する方向に対する飛び出し角度をもとに算出することができる。
【００１７】
前記最大の潤滑油飛散距離は、前記スワール流によって液滴に作用する液滴遠心力を基に算出され、前記液滴遠心力は、前記スワール流における水平方向速度成分の垂直方向速度成分に対する比で構成されるスワール比と、前記燃焼室内で混合気の自着火の着火源となり得る最小径の液滴の重量とをもとに算出することができる。
【００１８】
前記液滴摩擦力は、前記燃焼室内で混合気の自着火の着火源となり得る液滴の最小径と、前記燃焼室内における吸気の密度又は吸気の圧力とをもとに算出することができる。
【００１９】
これらの各構成において、前記還流ガス層の径方向厚さは、前記燃焼室内に導入される前記還流ガスが全て前記還流ガス層に分布すると仮定した場合における前記燃焼室内の容積と前記燃焼室内に導入される吸気全体に占める前記還流ガスの比率で構成される還流ガス率とから得られる前記還流ガス層の幾何学的径方向厚さと、前記還流ガス層と前記混合気層との分離の度合いを示す指標である成層化率とをもとに算出することができる。
【００２０】
ここで、前記成層化率は、前記スワール比をもとに算出され、前記燃焼室内で還流ガスと新気とが完全分離する状態の前記成層化率を１とし、その成層化率１になるための旋回流を生じさせる前記スワール比Ｓｒを最大スワール比Ｓｒ（ｍａｘ）とし、前記スワール比Ｓｒが前記最大スワール比Ｓｒ（ｍａｘ）以下の場合は、前記成層化率をＳｒ／Ｓｒ（ｍａｘ）とし、前記還流ガス層の径方向厚さは、前記還流ガス層の幾何学的径方向厚さに前記成層化率を乗じて算出することができる。
【００２１】
これらの各構成において、前記スワール流発生手段は、１つの気筒に設けられる複数の前記吸気バルブ及び複数の前記排気バルブと、前記複数の吸気バルブ及び前記複数の排気バルブの全てを開閉する通常開閉モードと、前記複数の吸気バルブ及び前記複数の排気バルブのうち一部を開閉して前記燃焼室内に吸気のスワール流を発生させる部分開閉モードと、に切り換えるバルブ開閉モード切換手段とを備え、前記バルブ開閉モード切換手段により部分開閉モードが選択された際に前記還流ガスを前記スワール流に沿って導入して前記還流ガス層及び前記混合気層を形成する構成を採用することができる。
【発明の効果】
【００２２】
この発明は、スワール流発生手段により形成されたスワール流に乗せて排気の還流ガスを燃焼室内へ導入することにより、燃焼室内の外周部に還流ガス濃度が所定値以上の還流ガス層を、中央部に還流ガス濃度が所定値未満の混合気層を形成する場合における、還流ガス層の径方向厚さを調整する還流ガス層厚調整手段を備えた。還流ガス層厚調整手段は、還流ガス層の径方向厚さが、燃焼室内の内周壁に付着した潤滑油の液滴が半径方向内側へ向かって飛散する最大の潤滑油飛散距離以上となるように、スワール流の強さ及び還流ガスの導入量又はそのいずれかを調整する。
【００２３】
このため、還流ガス層の径方向厚さを必要最小限にとどめることができ、その結果、吸気に還流ガスを大量に導入することなく、燃焼室内における自着火抑制効果を最大限に発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】この発明の一実施形態を示すエンジンの要部拡大平面図である。
【図２】（ａ）（ｂ）は、燃焼室内の吸気の状態を示す縦断面図である。
【図３】（ａ）（ｂ）は、燃焼室内の潤滑油の液滴の状態を示す平面図である。
【図４】燃焼室内の混合気層と還流ガス層の位置関係を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
この発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。図１は、この発明のエンジンの一つの気筒を示す要部拡大平面図である。
【００２６】
この実施形態のエンジンは自動車用の４サイクルガソリンエンジンである。図１及び図２に示すように、エンジンのシリンダ内にはピストン２が収容されている。シリンダの内壁面、及び、ピストン２の上面等により燃焼室３が形成されている。
【００２７】
エンジンは、ピストン２を収容した各シリンダの燃焼室３内に吸気を送り込む吸気通路４、燃焼室３から引き出された排気通路５、燃焼室３内へ燃料を噴射する燃料噴射装置１５等を備えている。また、シリンダヘッド側からシリンダの軸線に沿って下向きに、点火手段１４として点火プラグが備えられている。
【００２８】
これらの図面では、この発明に直接関係する部材、手段を中心に示し、他の部材等については図示省略している。また、図面では、一つのシリンダのみを示しているが、エンジンは単気筒であってもよいし、複数のシリンダを備えた多気筒であってもよい。
【００２９】
各シリンダの吸気通路４は、燃焼室３の手前で２つの吸気通路４ａ，４ｂに分岐している。また、燃焼室３からの排気通路５は、２つの排気通路５ａ，５ｂが引き出され、下流側で合流している。これらの２つに分かれた部分の吸気通路４を、第一吸気通路４ａ、第二吸気通路４ｂと称する。また、これらの２つに分かれた部分の排気通路５を、第一排気通路５ａ、第二排気通路５ｂと称する。
【００３０】
各吸気通路４ａ，４ｂの燃焼室３への開口部である吸気弁孔８は、第一吸気弁孔８ａ、第二吸気弁孔８ｂが、それぞれ吸気バルブ６である第一吸気バルブ６ａ、第二吸気バルブ６ｂによって開閉される。また、各排気通路５ａ，５ｂの燃焼室３への開口部である排気弁孔９は、第一排気弁孔９ａ、第二排気弁孔９ｂが、それぞれ排気バルブ７である第一排気バルブ７ａ、第二排気バルブ７ｂによって開閉される。
【００３１】
第一吸気弁孔８ａ及び第一吸気バルブ６ａと、第二排気弁孔９ｂ及び第二排気バルブ７ｂとは、燃焼室３の中央部を挟んで互いに対向する位置に配置されている。また、第二吸気弁孔８ｂ及び第二吸気バルブ６ｂと、第一排気弁孔９ａ及び第一排気バルブ７ａとは、燃焼室３の中央部を挟んで互いに対向する位置に配置されている。
【００３２】
これらの吸気バルブ６及び排気バルブ７は、シリンダヘッド側に設けたカムシャフトにバルブリフタを介して接続されているので、カムシャフトの回転によって、所定のタイミングで吸気弁孔８、排気弁孔９を開閉する。カムシャフトへの動力の伝達は、カムシャフト側に設けたスプロケットとクランクシャフト側に設けたスプロケットとの間をタイミングチェーン等で連結することにより行われている。
【００３３】
また、このエンジンは、可変バルブタイミング機構を備えている。可変バルブタイミング機構の制御により、吸気バルブ６は、一方の吸気バルブ６である第一吸気バルブ６ａと、他方の吸気バルブ６である第二吸気バルブ６ｂの開閉タイミングが互いに異なるように、また、排気バルブ７は、一方の排気バルブ７である第一排気バルブ７ａと、他方の排気バルブ７である第二排気バルブ７ｂの開閉タイミングが互いに異なるように設定できる。
【００３４】
また、可変バルブタイミング機構の制御により、吸気バルブ６の第一吸気バルブ６ａと第二吸気バルブ６ｂの開閉タイミングが互いに同じになるように、排気バルブ７の第一排気バルブ７ａと第二排気バルブ７ｂの開閉タイミングが互いに同じになるようにも設定できる。
【００３５】
さらに、可変バルブタイミング機構の制御により、上記のような２つの吸気バルブ６と２つの排気バルブ７の全てを開閉する通常開閉モードと、それとは別に、２つの吸気バルブ６と２つの排気バルブ７のうちそれぞれ１つを開閉して他を開閉しない部分開閉モードとに、選択的に設定できる。
【００３６】
部分開閉モードでは、例えば、第二吸気バルブ６ｂと第一排気バルブ７ａのみが開閉し、第一吸気バルブ６ａと第二排気バルブ７ｂは開閉せず停止している状態に設定できる。この通常開閉モードと部分開閉モードの選択の設定は、可変バルブタイミング機構が備えるバルブ開閉モード切換手段によって行われる。
【００３７】
これらの吸気バルブ６や排気バルブ７、可変バルブタイミング機構、点火手段１４、燃料噴射装置１５、その他エンジンの動作に必要な機器は、それぞれケーブルを通じて、電子制御ユニット（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）２０に備えられた制御手段によって制御される。
【００３８】
また、排気通路５と吸気通路４とは、排気ガス再循環装置１０を構成する還流ガス通路１１によって連通している。排気ガス再循環装置１０は、エンジンから排出される排気ガスの一部を、還流ガスとして吸気通路４に還流する機能を有する。
【００３９】
還流ガス通路１１には、流路を開閉することにより通過するガス量を調整できる還流ガス制御手段１２が設けられている。
【００４０】
また、還流ガス通路１１の吸気通路４への接続部である還流ガス排出口１３は、２つの吸気通路４のうち、第二吸気通路４ｂ側に開口して設けられている。その還流ガス排出口１３の向きは、第二吸気通路４ｂ内の吸気の流れに還流ガスをスムーズに合流させることができるように、燃焼室３側へ向くように配置されている。
【００４１】
還流ガス制御手段１２の制御と、吸気通路４内に設けたスロットルバルブ（図示せず）等の制御に伴う吸気通路４内の圧力状態に応じて、還流ガス通路１１を通じて、エンジンから排出される排気ガスの一部が、必要な量だけ還流ガスとして吸気通路４に還流する。これらの制御も、運転状況に応じて、電子制御ユニット２０が行う。
【００４２】
ここで、バルブの部分開閉モードでは、図１の燃焼室３内に矢印で示すように、吸気のスワール流が発生する。スワール流は、燃焼室３内の内周壁の周方向に沿って、円弧状に流れる吸気の流れである。可変バルブタイミング機構のバルブ開閉モード切換手段は、燃焼室３内に、このような吸気のスワール流を発生させるスワール流発生手段として機能している。
【００４３】
排気ガス再循環装置１０によって、開閉動作中である第二吸気バルブ６ｂ側に設けた還流ガス排出口１３から吸気に還流ガスを導入すると、その還流ガスは、燃焼室３内でスワール流に沿って導入され、燃焼室３内の外周寄りの部分に還流ガスを多く含む還流ガス層を形成する。
【００４４】
この還流ガス層は、図２（ｂ）及び図４に示すように、燃焼室３の内周壁から内径方向へ向かってある程度の厚さ（径方向厚さ）の範囲の円筒状空間に形成され、その内側の円柱状空間には、還流ガスが少ない又は還流ガスを含まない混合気層が形成される。還流ガス層は、主として還流ガスと空気、場合によってはそれに加えて僅かな気化燃料で構成され、混合気層は、空気と気化燃料、場合によってはそれに加えて僅かな還流ガスで構成される。
【００４５】
還流ガス層は、還流ガス濃度が所定値以上の部分と規定され、通常はこれを還流ガス濃度５０％以上としている。また、混合気層は、還流ガス濃度が所定値未満の部分と規定され、通常は、還流ガス濃度５０％未満としている。なお、この還流ガス層と混合気層とを規定する還流ガス濃度の数値は、エンジンに求められる仕様に応じて変更することもできる。
【００４６】
還流ガス層の径方向厚さは、スワール流の強さや還流ガスの導入量によって調整することができる。例えば、スワール流の強さを一定にして、還流ガスの導入量を増減することによって、還流ガス層の径方向厚さを増減させることもできるし、逆に、還流ガスの導入量を一定にして、スワール流の強さを増減させることにより、還流ガス層の径方向厚さを増減させることもできる。また、スワール流の強さと還流ガスの導入量の両方を増減させることによっても、還流ガス層の径方向厚さを増減させることができる。
【００４７】
スワール流の強さは、スロットルバルブ等の制御によって、吸気通路４内に導入される吸気の量や、吸気バルブ６の開閉制御によって調整することができる。また、還流ガスの導入量は、排気ガス再循環装置１０の還流ガス制御手段１２の制御や、吸気通路４内の圧力状態の制御によって調整することができる。これらのスワール流の強弱設定をする手段と、還流ガスの導入量を設定する手段は、還流ガス層の径方向厚さを増減させる還流ガス層厚調整手段として機能している。
【００４８】
この発明では、プレイグニッションの発生原因の一つが、シリンダの内周壁から飛散する潤滑油の液滴が、燃焼室３内の温度上昇とともに発火し、それが内周壁に近い部分のエンドガスを自着火させる火種になっていることに鑑み、還流ガス層厚調整手段が、還流ガス層の径方向厚さを、燃焼室３内の内周壁に付着した潤滑油の液滴が半径方向内側へ向かって飛散する最大の潤滑油飛散距離以上となるように設定するものである。
【００４９】
還流ガス層の径方向厚さが、潤滑油の液滴が飛散する最大の潤滑油飛散距離以上となっていれば、その潤滑油の液滴は還流ガス層内に位置するので、自着火の発生を抑え、プレイグニッションを抑制することができる。特に、還流ガス層の径方向厚さを、潤滑油の液滴が飛散する最大の潤滑油飛散距離と等しく設定すれば、導入する還流ガス量を最小限にすることができる。
【００５０】
以下、その制御について説明する。
【００５１】
プレイグニッション、特に、低速高負荷時に生じるいわゆる低速プレイグニッションを生じさせる原因となる燃料の液滴が、シリンダの内周壁から飛散した際に、その飛散した液滴の最大移動距離である最大の潤滑油飛散距離Ｄ０を、ピストン２の速度や液滴の直径ＤＬ、その液滴に作用する遠心力（液滴遠心力）Ｆｃ、その液滴に作用する摩擦力（液滴摩擦力）Ｆｆ等との関係から求める。
【００５２】
最大の潤滑油飛散距離Ｄ０が、還流ガス層の径方向厚さＤｅ以内となるように、還流ガス率（１サイクルにおいて燃焼室３内に導入される吸気全体に占める還流ガスの比率）や、スワール比（スワール流における水平方向速度成分の垂直方向速度成分に対する比）を制御する。還流ガス率やスワール比は、還流ガス層厚調整手段の制御により設定することができる。
【００５３】
まず、最大の潤滑油飛散距離Ｄ０を算出する。
【００５４】
プレイグニッションを生じさせる原因となる燃料の液滴のうち、最小のものの直径をＤＬとする。このＤＬには、実験値を採用することができる。直径ＤＬの液滴の質量をＤｍとする。
【００５５】
最大の潤滑油飛散距離Ｄ０は、シリンダの内周壁からの半径方向距離であり、シリンダの軸線に直交する方向の距離で算定される。
【００５６】
まず、液滴の飛び出し初速度Ｖ０を求める。初速度Ｖ０は、シリンダの内周壁からの半径方向への速さである。液滴が内周壁から飛び出した瞬間は、その時のエンジン諸元とエンジン回転速度から決まるピストン２の速度と同じ速度で放出されると仮定することができる。飛び出し時にピストン２は圧縮行程にある。
【００５７】
飛び出しのタイミングは、ピストン２の慣性力が最大時と仮定し、圧縮行程中の減速度が最大（シリンダの軸線方向に対するマイナスの加速度が最小）となるクランク角θの時点とする。この飛び出し時のクランク角θは、エンジン諸元やその時のエンジン回転速度から求めることができる。つまり、シリンダの内周壁からの液滴の飛び出しは、ピストン２の最大減速時と仮定する。
【００５８】
液滴の飛び出し方向は、図２（ｂ）に示すように、シリンダの軸線方向に対して斜め方向と考えられるため、液滴の飛び出し初速度Ｖ０を求めるには、液滴の飛び出し方向への初速度（斜め方向初速度と称する）Ｖｐに対して、その飛び出し方向と気筒の軸心方向に直交する方向との成す飛び出し角度γによって補正を行う。
初速度Ｖ０＝斜め方向初速度Ｖｐ×ｃｏｓγ
となる。なお、飛び出し角度γは、実験値では概ね７０°から８０°程度である。
【００５９】
斜め方向初速度Ｖｐは、エンジンの回転速度に比例して増大するため、ピストン２の圧縮行程における最大減速度時に液滴に発生する斜め方向初速度Ｖｐは、圧縮行程中におけるエンジン回転速度が１０００（回転／分）当たりに生じる理論最大減速時ピストン速度をβ（θ）とすると、
斜め方向初速度Ｖｐ＝β（θ）×回転速度／１０００
で求められる。β（θ）は、理論値から求めることができる。
【００６０】
すなわち、液滴の半径方向初速Ｖ０は、気筒内に収容されたピストン２の圧縮行程における最大減速度と、燃焼室３内の内周壁から飛散する液滴の気筒の軸心方向に直交する方向に対する飛び出し角度γとをもとに算出することができる。
【００６１】
つぎに、液滴摩擦力Ｆｆを算出する。
【００６２】
飛散する液滴の半径方向（ボア径方向）速度をＶ、空気抵抗係数をμａ（ρ）、気筒の軸心方向平面視における液滴投影面積をＳｕとすると、液滴に対してシリンダの半径方向に係る空気抵抗、すなわち、液滴摩擦力Ｆｆは、
液滴摩擦力Ｆｆ＝Ｖ２×Ｓｕ×μａ（ρ）
となる。
【００６３】
ここで、μａはρの関数であり、ρは筒内空気密度である。また、
Ｓｕ＝π×ＤＬ２×（１／４）
である。Ｖは、初速Ｖ０から徐々に減速するため、平均値としてＶ０／３を用いることができる。
【００６４】
すなわち、液滴摩擦力Ｆｆは、燃焼室３内で混合気の自着火の着火源となり得る液滴の最小径ＤＬと、燃焼室３内における吸気の密度ρをもとに算出することができる。吸気の密度ρに代えて、吸気の圧力を用いてもよい。
【００６５】
つぎに、液滴遠心力Ｆｃを算出する。
【００６６】
液滴はごく小さい粒であるため、その液滴は、図３（ａ）（ｂ）に示すように、完全にスワール流に乗って燃焼室３内を旋回しながら徐々に半径方向内側へ進むと仮定する。この場合、スワール流の単位時間当たりの角速度、すなわち、スワール角速度ωｓは、スワール比Ｓｒに比例する。
【００６７】
スワール比Ｓｒとは、スワール流における水平方向速度成分の垂直方向速度成分に対する比で構成され、スワール流の相対的強さを表す指標として用いられる。スワール流の回転方向への角速度であるスワール角速度ωｓは、スワールメータや内視装置などによって実験的に計測することもできるが、燃焼室３内の各種情報に基づいて、解析ソフトを使ってコンピュータ上で計算によって求めることもできる。このため、スワール比Ｓｒがわかれば、スワール角速度ωｓを求めることができる。
【００６８】
液滴の加速度α、すなわち、シリンダの内周壁に沿う周方向への加速度αは、液滴のシリンダの中心Ｏからの距離をｒとすると、
加速度α＝ｒ×ωｓ２
である。ここで、飛び出し直後では、シリンダの直径（ボア径）をＤ１とすると、
距離ｒ＝Ｄ１／２
である。
【００６９】
よって、液滴遠心力Ｆｃは、
液滴遠心力Ｆｃ＝Ｄｍ×α
となる。  
【００７０】
すなわち、液滴遠心力Ｆｃは、スワール流における水平方向速度成分の垂直方向速度成分に対する比で構成されるスワール比Ｓｒと、燃焼室３内で混合気の自着火の着火源となり得る最小径の液滴の重量Ｄｍとをもとに算出することができる。
【００７１】
ここで、仮に、液滴自体は円周運動をしているわけではなく、遠心力は働かないと仮定することもできる。この場合は、Ｆｃ＝０となる。
【００７２】
最後に、液滴の飛散時間Ｔｄを定義する。飛散時間Ｔｄは、液滴の最大の潤滑油飛散距離Ｄ０を算定するに当たり、その算定のベースとなる時間である。ここでは、シリンダの内周壁から液滴が飛び出した時点から、ピストン２の圧縮行程における上死点位置に至るまでの時間と仮定する。飛散時間Ｔｄの算定を、ピストン２の上死点位置で打ち切るのは、ピストン２が上死点位置を過ぎれば、もはやプレイグニッション発生の危惧がないからである。
【００７３】
シリンダの内周壁から液滴が飛び出した時点から、ピストン２の圧縮行程における上死点位置に至るまでの時間は、エンジン回転速度によって算定できる。
【００７４】
よって、液滴の最大の潤滑油飛散距離Ｄ０は、液滴が、初速Ｖ０、液滴摩擦力Ｆｆで減速する質量Ｄｍの物体が、時間Ｔｄで移動する距離で求めることができる。最大の潤滑油飛散距離Ｄ０は、
最大の潤滑油飛散距離Ｄ０＝Ｖ０×Ｔｄ−（Ｆｆ／Ｄｍ）×Ｔｄ２／２
となる。
【００７５】
このように、最大の潤滑油飛散距離Ｄ０は、燃焼室３内の内周壁から飛散する液滴の半径方向初速Ｖ０と、スワール流によって液滴に作用する液滴遠心力Ｆｃと、燃焼室３内の吸気中を飛散する液滴に作用する液滴摩擦力Ｆｆとをもとに算出することができる。また、その算定に際し、最大の潤滑油飛散距離Ｄ０は、燃焼室３内の内周壁から飛散する液滴の内周壁からの飛び出し時から気筒内に収容されたピストン２が上死点に至るまでの時間Ｔｄをもとに算出することができる。
【００７６】
つぎに、還流ガス層の径方向厚さＤｅについて説明する。
【００７７】
まず、還流ガス層の成層化率Ｓｚの定義について述べる。スワール流発生手段と還流ガス層厚調整手段の制御により、燃焼室３内の外周部に還流ガス層を、中心部に混合気層を形成する場合に、スワール流のスワール比Ｓｒが弱いと、還流ガス層のガスと混合気層のガスが混ざりあってしまう傾向がある。
【００７８】
ここで、例えば、燃焼室３内で、還流ガスと新気とが理論上、完全分離するような状態を成層化率１とする。スワール比Ｓｒを徐々に増加させていった場合に、成層化率１の状態に到達するスワール比Ｓｒを、最大スワール比Ｓｒ（ｍａｘ）とする。したがって、スワール比Ｓｒが最大スワール比Ｓｒ（ｍａｘ）である場合の成層化率Ｓｚは１である。この場合、成層化率Ｓｚは、前記最大スワール比Ｓｒ（ｍａｘ）を分母に、その際のスワール比Ｓｒを分子にした値となる。
【００７９】
例えば、最大スワール比Ｓｒ（ｍａｘ）を６とする場合、スワール比Ｓｒ＝６の場合は、成層化率Ｓｚは１である。これは、還流ガス層のガスと混合気層のガスが混ざり合わず、完全に分離した理想的な状態である（図２（ｂ）の状態参照）。逆に、スワール比Ｓｒ＝１の場合、成層化率Ｓｚは１／６である。これは、還流ガス層のガスと混合気層のガスが完全に混ざり合って燃焼室全体に混在する状態である（図２（ａ）の状態参照）。
【００８０】
よって、
スワール比Ｓｒ＝６の場合、成層化率Ｓｚは６／６＝１
スワール比Ｓｒ＝５の場合、成層化率Ｓｚは５／６
スワール比Ｓｒ＝４の場合、成層化率Ｓｚは４／６
スワール比Ｓｒ＝３の場合、成層化率Ｓｚは３／６
スワール比Ｓｒ＝２の場合、成層化率Ｓｚは２／６
スワール比Ｓｒ＝１の場合、成層化率Ｓｚは１／６
である。
【００８１】
すなわち、スワール比Ｓｒに対する成層化率Ｓｚは、最大スワール比Ｓｒ（ｍａｘ）、を用い、
Ｓｚ＝Ｓｒ／Ｓｒ（ｍａｘ）
で表される。
【００８２】
すなわち、スワール比Ｓｒが高いほどスワール流が強まり、成層化率は１に近くなる。スワール比Ｓｒが低いほど、スワール流は弱まり、成層化率は低くなる。
【００８３】
整理すると、成層化率が１となる（つまり還流ガスと新気とが筒内で完全分離する）ような旋回流を生じさせるスワール比を最大スワール比Ｓｒ（ｍａｘ）とした場合、スワール比Ｓｒが最大スワール比Ｓｒ（ｍａｘ）以下の場合は、成層化率はＳｒ／Ｓｒ（ｍａｘ）で算出される。
【００８４】
したがって、例えば、Ｓｒ（ｍａｘ）＝６の場合，
Ｓｒ＝６以上ではＳｚ＝Ｓｒ／Ｓｒ（ｍａｘ）＝６／６＝１
Ｓｒ＝３ではＳｚ＝Ｓｒ／Ｓｒ（ｍａｘ）＝３／６＝０．５
Ｓｒ＝１ではＳｚ＝Ｓｒ／Ｓｒ（ｍａｘ）＝１／６＝０．１７・・・
なお、スワール比Ｓｒの最小値が１以外の場合も想定されるので、例えば、
Ｓｒ＝０．５ではＳｚ＝Ｓｒ／Ｓｒ（ｍａｘ）＝０．５／６＝０．０８・・・
となる。
【００８５】
成層化率が１となるＳｒ（ｍａｘ）はエンジンの種別や仕様により異なるが、概ね、Ｓｒ（ｍａｘ）＝６〜１０程度であると考えられる。
【００８６】
ここで、還流ガス層の径方向厚さＤｅは、燃焼室３内に導入される還流ガスが全て還流ガス層に分布すると仮定した場合に、燃焼室３内の容積（例えば、点火直前時点におけるクランク角θでの容積）と、燃焼室３内に導入される吸気全体に占める還流ガスの比率で構成される還流ガス率とから得られる還流ガス層の幾何学的径方向厚さＤｒに、前述の成層化率Ｓｚを乗じて算出することができる。
【００８７】
すなわち、成層化率１の場合（完全分離の場合）、還流ガス層の径方向厚さＤｅは、還流ガス率により幾何学的に一義的に決まる。図４に示すように、ΦＤ１の円筒（燃焼室３の容積に相当）の容積と、その円筒内に置いたΦＤ２の円筒（混合気層に相当）の外側部分（還流ガス層に相当）の容積とを比較する。
【００８８】
平面視における直径Ｄ１の円の面積Ｓ１と、直径Ｄ２の円の面積Ｓ２の比較から、還流ガス率をＲｅとすると、
Ｒｅ＝（Ｓ１−Ｓ２）／Ｓ１
＝{（Ｄ１／２）２−（Ｄ２／２）２}／（Ｄ１／２）２
＝{（Ｄ１）２−（Ｄ２）２}／（Ｄ１）２
＝１−（Ｄ２）２／（Ｄ１）２
となる。
【００８９】
よって、
Ｄ２＝Ｄ１×（１−Ｒｅ）１／２
で表される。
【００９０】
つまり、還流ガス層の径方向厚さＤｅは、
Ｄｅ＝（Ｄ１−Ｄ２）／２
＝{Ｄ１−Ｄ１×（１−Ｒｅ）１／２}／２
＝Ｄ１×{１−（１−Ｒｅ）１／２}／２
で求めることができる。ただし、成層化率Ｓｚ＝１とした場合に限る。
【００９１】
ただし、この還流ガス層の径方向厚さＤｅは、成層化率Ｓｚ＝１とした還流ガス層の幾何学的径方向厚さＤｒであるので、成層化率Ｓｚに基づいて補正を行う。
【００９２】
その補正により、還流ガス層の径方向厚さＤｅは、
Ｄｅ＝Ｄ１×{１−（１−Ｒｅ）１／２}／２×Ｓｚ
となる。ただし、Ｓｚは成層化率。
【００９３】
この算出される還流ガス層の径方向厚さＤｅが、燃焼室３内の内周壁に付着した潤滑油の液滴が飛散する最大の潤滑油飛散距離Ｄ０以上となるように、還流ガス層厚調整手段は、スワール比Ｓｒ及び還流ガスの導入量、あるいは、そのいずれかを設定する。これにより、還流ガス層の径方向厚さを必要最小限にとどめることができ、その結果、吸気に還流ガスを大量に導入することなく、燃焼室３内における自着火抑制効果を最大限に発揮することができる。
【００９４】
なお、上記の実施形態では、燃焼の噴射装置としてシリンダの燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内噴射弁を燃料噴射装置１５としたが、この筒内噴射弁に代えて又は加えて、吸気通路４内に燃料を噴射するポート噴射弁を備えてもよい。
【００９５】
また、上記の実施形態では、吸気バルブ６及び排気バルブ７を１つの気筒に２個ずつ備えられる構成としたが、燃焼室３内に吸気のスワール流を発生させることができる限りにおいて、バルブの数は自由に設定できる。例えば、一つの気筒に、吸気バルブ６や排気バルブ７を３つずつ備えてもよいし、逆に１つずつ備える構成としてもよい。
【００９６】
スワール流発生手段としては、一つのシリンダ（気筒）に、吸気バルブ６及び排気バルブ７を複数備え、その複数の吸気バルブ６及び複数の排気バルブ７のうち一部のみを開閉させることにより、燃焼室３内にスワール流を発生させる構成としてもよいし、それ以外にも、吸気通路４の燃焼室３への開口方向を、燃焼室３内にスワール流を発生できる向きに設定する構成、また１つの吸気ポートにシリンダ内での円周方向へ吸気の流れを加速させるためのバルブ（スワールコントロールバルブ）を設け、これを閉じることでスワールの流れの方向を強くする構成を採用してもよい。スワールコントロールバルブを備える構成の場合にはスワール流の強さは、スワールコントロールバルブの開度制御によって調整することができる。
【００９７】
この実施形態では、自動車用の４サイクルガソリンエンジンを例に、この発明の構成を説明したが、プレイグニッションを生じさせる可能性のある他の形式のエンジンにおいても、この発明を適用できる。
【符号の説明】
【００９８】
１  シリンダ
２  ピストン
３  燃焼室
４  吸気通路
４ａ  第一吸気通路
４ｂ  第二吸気通路
５  排気通路
５ａ  第一排気通路
５ｂ  第二排気通路
６  吸気バルブ
６ａ  第一吸気バルブ
６ｂ  第二吸気バルブ
７  排気バルブ
７ａ  第一排気バルブ
７ｂ  第二排気バルブ
８  吸気弁孔
８ａ  第一吸気弁孔
８ｂ  第二吸気弁孔
９  排気弁孔
９ａ  第一排気弁孔
９ｂ  第二排気弁孔
１０  排気ガス再循環装置
１１  還流ガス通路
１２  還流ガス制御手段
１３  還流ガス排出口
１４  点火手段
１５  燃料噴射装置
２０  電子制御ユニット(Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ)
【図１】
2016114001.tif 000003
【図２】
2016114001.tif 000004
【図３】
2016114001.tif 000005
【図４】
2016114001.tif 000006