(57)【要約】【課題】  内燃機関において、熱効率を低下させることなく、ノッキングを抑制する。【解決手段】  空気とガソリンとを含む混合気を火花点火装置２７によって点火する内燃機関１であって、混合気の温度上昇に対して層流燃焼速度の増加率が増加する温度を変化点Ｔｓとした場合に、ノッキングを抑制するために、火花点火装置による燃焼開始から燃焼完了までの燃焼期間における混合気の未燃部分の温度の最大値を変化点以上に制御することを特徴とする。変化点における層流燃焼速度の増加率の増加は、Ｈ２Ｏ２の分解反応によって生じる。【選択図】    図５
2017133460.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気とガソリンとを含む混合気を火花点火装置によって点火する内燃機関であって、
前記混合気の温度上昇に対して層流燃焼速度の増加率が増加する温度を変化点とした場合に、ノッキングを抑制するために、前記火花点火装置による燃焼開始から燃焼完了までの燃焼期間における前記混合気の未燃部分の温度の最大値を前記変化点以上に制御することを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記変化点における層流燃焼速度の増加率の増加は、Ｈ２Ｏ２の分解反応によって生じることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記燃焼期間における前記混合気の未燃部分の温度の最大値Ｔｍａｘ（Ｋ）が、以下の数式（１）を満たすように制御することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内燃機関。
Ｔｍａｘ＞（３０φ−３５）Ｐ＋（９９０−１６０φ）＋５０  ...（１）
ここで、φは前記混合気の未燃部分の当量比、Ｐは前記混合気の未燃部分の圧力（ＭＰａ）である。
【請求項４】
前記燃焼期間における前記混合気の未燃部分の温度Ｔ（Ｋ）が、以下の数式（２）を満たす期間が０．７ｍｓ以下となるように制御することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関。
（３０φ−３５）Ｐ＋（９９０−１６０φ）−５０≦Ｔ≦（３０φ−３５）Ｐ＋（９９０−１６０φ）＋５０  ...（２）
【請求項５】
層流燃焼速度と、前記混合気の未燃部分が任意の温度及び圧力において自己着火するまでに要する時間である自己着火時間との積を自己着火前伝播距離とした場合に、前記燃焼期間における前記混合気の未燃部分の温度の最大値が前記変化点以上になるときに、前記自己着火前伝播距離が２．０ｍｍ以上となるように制御することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内燃機関。
【請求項６】
前記燃焼期間において、前記自己着火前伝播距離が２．０ｍｍ未満となる期間が０．７ｍｓ以下となるように制御することを特徴とする請求項５に記載の内燃機関。
【請求項７】
前記混合気の当量比は、０．６以上であることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つの項に記載の内燃機関。
【請求項８】
前記燃焼期間における前記混合気の未燃部分の温度の最大値は、クランク角が上死点後０°以上３０°以下のときに発生することを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１つの項に記載の内燃機関。
【請求項９】
前記混合気の均質度を９０％以上にするように制御することを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１つの項に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、火花点火式の内燃機関においてノッキングを抑制する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
火花点火式の内燃機関において、燃焼室周縁の未燃混合気が自己着火することによって異音や振動を発生するノッキングは、燃焼室壁面を溶損させる虞があるため、各種の対策が講じられている。ノッキングは、未燃混合気の温度が高いほど発生し易いと考えられてきたため、例えば燃焼室周縁部をウォータジャケットで囲み、圧縮上死点における未燃混合気を冷却するようにしたものがある（例えば、特許文献１）。また、燃焼室に流入する吸気温度を低下させるべく、吸気系に冷却器を含む吸気冷却通路を設けたものがある（例えば、特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−３２１６６２号公報
【特許文献２】特開平７−２８６５６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、未燃混合気を冷却することによってノッキングを抑制する手法は、冷却損失が増加すると共に、燃焼安定性が低下するため、内燃機関の熱効率が低下する。
【０００５】
本発明は、以上の背景を鑑み、内燃機関において、熱効率を低下させることなく、ノッキングを抑制することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために本発明の一態様は、空気とガソリンとを含む混合気を火花点火装置（２７）によって点火する内燃機関（１）であって、前記混合気の温度上昇に対して層流燃焼速度の増加率が増加する温度を変化点（Ｔｓ）とした場合に、ノッキングを抑制するために、前記火花点火装置による燃焼開始から燃焼完了までの燃焼期間における前記混合気の未燃部分の温度の最大値を前記変化点以上に制御することを特徴とする。変化点における層流燃焼速度の増加率の増加は、Ｈ２Ｏ２の分解反応によって生じる。
【０００７】
この態様によれば、熱効率を低下させることなく、ノッキングを抑制することができる。ノッキングは、火花点火装置によって開始した火炎伝播が完了する前に、自己着火が発生する現象である。そのため、自己着火に要する時間内、火炎伝播が完了すればノッキングは発生しない。火炎伝播燃焼には、乱流火炎伝播燃焼と層流火炎伝播燃焼とが含まれる。乱流火炎伝播燃焼は、乱流効果ｕ'によって定まり、層流火炎伝播燃焼よりも燃焼速度が速い。乱流火炎伝播燃焼は、火炎伝播燃焼の大部分において支配的である。しかし、火炎が燃焼室の周縁部に到達する燃焼終期においては、乱流効果が消え、層流火炎伝播燃焼が支配的になる。本態様では、燃焼室の周縁部における層流火炎伝播燃焼の燃焼速度を高めることによって、自己着火が発生するよりも前に、火炎伝播を完了させる。層流燃焼速度は、変化点以上の温度領域では、温度上昇に対する燃焼速度の増加率が大きく増加し、かつ自己着火に要する時間内に火炎伝播を完了させることができる程度に燃焼速度が速い。本態様は、従来混合気の未燃部分の温度を上げるとノッキングが起こり易くなると考えられていたところ、ノッキングが起こり易くなる温度領域を越えた領域まで温度を上昇させることによってノッキングを抑制する。
【０００８】
また、上記の態様において、内燃機関は、前記燃焼期間における前記混合気の未燃部分の温度の最大値Ｔｍａｘ（Ｋ）が、以下の数式（１）を満たすように制御するとよい。
Ｔｍａｘ＞（３０φ−３５）Ｐ＋（９９０−１６０φ）＋５０  ...（１）
ここで、φは前記混合気の未燃部分の当量比、Ｐは前記混合気の未燃部分の圧力（ＭＰａ）である。
【０００９】
この態様によれば、混合気の未燃部分の温度の最大値が、ノッキングが起こり易い温度領域を確実に超えるため、ノッキングが確実に抑制される。
【００１０】
また、上記の態様において、前記内燃機関は、前記燃焼期間における前記混合気の未燃部分の温度Ｔ（Ｋ）が、以下の数式（２）を満たす期間が０．７ｍｓ以下となるように制御するとよい。
（３０φ−３５）Ｐ＋（９９０−１６０φ）−５０≦Ｔ≦（３０φ−３５）Ｐ＋（９９０−１６０φ）＋５０  ...（２）
【００１１】
この態様によれば、一層確実にノッキングが抑制される。燃焼期間において、ピストンの上昇及び混合気の既燃部分の膨張及び温度上昇に伴う混合気の未燃部分の温度及び圧力の上昇によって、混合気の未燃部分の温度は、数式（２）で表される火炎伝播の完了よりも自己着火の方が優位となる領域を通過することになる。この領域を短期間で脱することによって、火炎伝播の完了の方が自己着火よりも優位となり、ノッキングが抑制される。
【００１２】
また、上記の態様において、層流燃焼速度と、前記混合気の未燃部分が任意の温度及び圧力において自己着火するまでに要する時間である自己着火時間との積を自己着火前伝播距離とした場合に、前記燃焼期間における前記混合気の未燃部分の温度の最大値が前記変化点以上になるときに、前記自己着火前伝播距離が２．０ｍｍ以上となるように制御するとよい。
【００１３】
この態様によれば、確実にノッキングが抑制される。
【００１４】
また、上記の態様において、前記内燃機関は、前記燃焼期間において、前記自己着火前伝播距離が２．０ｍｍ未満となる期間が０．７ｍｓ以下となるように制御するとよい。
【００１５】
この態様によれば、ピストン７の上昇及び混合気の既燃焼部分の膨張及び温度上昇に伴う混合気の未燃部分の温度及び圧力の上昇によって、火炎伝播の完了よりも自己着火の方が優位となる領域に入るが、この領域を短期間で脱することによって、火炎伝播の完了の方が自己着火よりも優位になり、ノッキングが抑制される。
【００１６】
また、上記の態様において、前記混合気の当量比は、０．６以上であってもよい。
【００１７】
本発明は、混合気の濃度が比較的濃い条件に適用されるとよい。
【００１８】
また、上記の態様において、前記燃焼期間における前記混合気の未燃部分の温度の最大値は、クランク角が上死点後０°以上３０°以下のときに発生するとよい。
【００１９】
この態様によれば、熱効率を高めることができる。
【００２０】
また、上記の態様において、前記内燃機関は、前記混合気の均質度を９０％以上にするように制御するとよい。
【００２１】
この態様によれば、層流燃焼が促進され、ノッキングが発生する前に火炎伝播が完了する。
【発明の効果】
【００２２】
以上の構成によれば、内燃機関において、熱効率を低下させることなく、ノッキングを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本実施形態に係る内燃機関の構成を示す説明図
【図２】未燃混合気温度と層流燃焼速度との関係を示すグラフ
【図３】未燃混合気圧力、未燃混合気温度、及び層流燃焼速度の関係を示すグラフ
【図４】未燃混合気圧力、未燃混合気温度、及び自己着火時間の逆数の関係を示すグラフ
【図５】当量比が０．５の場合の、未燃混合気圧力、未燃混合気温度、及び自己着火前火炎伝播距離の関係を示すグラフ
【図６】当量比が１．０の場合の、未燃混合気圧力、未燃混合気温度、及び自己着火前火炎伝播距離の関係を示すグラフ
【図７】（Ａ）実施例及び比較例に係る内燃機関の図示有効圧力に対する図示熱効率を示すグラフ、（Ｂ）実施例及び比較例に係る内燃機関の図示有効圧力に対する点火時期を示すグラフ
【図８】実施例及び比較例の未燃混合気温度を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、図面を参照して、本発明を適用した実施形態について説明する。
【００２５】
実施形態に係る内燃機関１は、ガソリンを燃料とする火花点火式の４ストローク機関である。図１に示すように、内燃機関１は、シリンダブロック及びシリンダブロック等から構成される機関本体２を有する。機関本体２には、上下に延びるシリンダ４が形成されている。シリンダ４の直径は、６３ｍｍ以上９５ｍｍ以下、好ましくは６８ｍｍ以上８６ｍｍ以下である。シリンダ４の上端部は、半球状に形成された燃焼室天井部４Ａによって閉じられている。シリンダ４の下端は、機関本体２の下部に形成れたクランク室６に向けて開口している。シリンダ４には、ピストン７が往復動可能に受容されている。燃焼室天井部４Ａと、シリンダ４の周壁面と、ピストン７とによって燃焼室８が画定されている。
【００２６】
燃焼室天井部４Ａには、吸気通路１１の下流端をなす２つの吸気ポート１１Ａと、排気通路１２の上流端をなす２つの排気ポート１２Ａとが開口している。燃焼室天井部４Ａにおいて、一側（吸気側）に２つの吸気ポート１１Ａが配置され、他側（排気側）に２つの排気ポート１２Ａが配置されている。各吸気ポート１１Ａ及び排気ポート１２Ａの燃焼室天井部４Ａ側の開口端は、ポペットバルブである吸気バルブ１３及び排気バルブ１４によって開閉される。
【００２７】
吸気通路１１は、上流側からエアインレット１７、エアクリーナ１８、過給機１９、インタークーラー２１、吸気加熱装置２２、スロットルバルブ２３、タンブル流促進装置２４が設けられている。過給機１９は、ターボチャージャ又はスーパーチャージャであってよい。吸気加熱装置２２は、吸気通路１１を通過する吸気を加熱する装置であり、例えば電気ヒータであってよい。インタークーラー２１及び吸気加熱装置２２は、燃焼室８に供給される吸気を所望の温度に調節するものであり、インタークーラー２１の冷却能力に応じて吸気加熱装置２２を省略してもよい。
【００２８】
タンブル流促進装置２４は、吸気ポート１１Ａからシリンダ内に流入する吸気のタンブル流を促進する装置である。タンブル流促進装置２４は、例えば吸気ポート１１Ａに設けられた板状のタンブルコントロールバルブであり、吸気ポート１１Ａの一部を閉塞することによって吸気を吸気ポート１１Ａの一側の壁部に偏らせ、燃焼室８に流入する吸気のタンブル流を促進し（タンブル比を促進し）、吸気の乱流運動エネルギー（ＴＫＥ）を増加させる。タンブル比は例えば圧縮工程中に最大値が２．０以上となるとよい。他の実施形態では、吸気ポート１１Ａの形状によってタンブル流を促進し、吸気の乱流運動エネルギーを増加するようにしてもよい。この場合、吸気ポート１１Ａがタンブル流促進装置２４を構成するといえる。
【００２９】
本実施形態では、ガソリンを噴射するインジェクタ２６が機関本体２に、噴射孔が燃焼室８に向けて開口するように設けられている。インジェクタ２６から霧状に噴射されたガソリンと吸気（空気）が混合されることによって、混合気が形成される。インジェクタ２６は、吸気行程の後半から圧縮行程における所定のタイミングで燃料を噴射する。通常、噴射時期が点火時期に対して早いほど、混合気の均質度が高くなる。混合気の当量比は、特に限定がなく任意の値に設定することができる。混合気の当量比は、例えば０．６以上（ＡＦ（空燃比）が２４．５以下）と設定することができる。他の実施形態では、インジェクタ２６は、噴射孔が吸気ポート１１Ａに向けて開口するように設けられてもよい。
【００３０】
機関本体２には、発火部が燃焼室８内に位置するようにスパークプラグ２７（火花点火装置）が設けられている。スパークプラグ２７の発火点は、燃焼室天井部４Ａの中央に配置されている。スパークプラグ２７は、圧縮行程における上死点よりも進角した時期にスパークを発生し、混合気の点火を行う。より詳細には、上死点後０ｄｅｇＣＡ以上３０ｄｅｇＣＡ以下（ＡＴＤＣ０°以上３０°以下）のときに、混合気の未燃部分（未燃混合気）の圧力が最大となるように、スパークプラグ２７の点火時期が設定されている。混合気の未燃焼部分の圧力は、ピストン７の位置、及び混合気の既燃焼部分（既燃混合気）の圧力に応じて変化する。
【００３１】
吸気加熱装置２２、スロットルバルブ２３、タンブル流促進装置２４、インジェクタ２６、及びスパークプラグ２７は、制御装置３１によって制御されている。吸気通路１１の吸気加熱装置２２と吸気ポート１１Ａとの間の部分には吸気温度センサ３２が設けられている。機関本体２には、機関本体２の振動を検出することによってノッキングを検出するノックセンサ３３が設けられている。制御装置３１には、吸気温度センサ３２及びノックセンサ３３の検出信号が入力される。
【００３２】
内燃機関１は、ノッキングを抑制するために、スパークプラグ２７による混合気の燃焼開始から燃焼完了までの燃焼期間において、未燃混合気温度Ｔの最大値Ｔｍａｘが後述する変化点Ｔｓ以上となるように制御する。ここで、未燃混合気温度の最大値Ｔｍａｘは、燃焼期間の任意のタイミングにおいて達成される温度である。未燃混合気温度は、ピストン７による圧縮、既燃混合気の膨張による圧縮、既燃焼混合気からの伝熱に起因して上昇するため、未燃混合気温度の最大値Ｔｍａｘは燃焼期間の後期に発生する。変化点Ｔｓは、混合気の温度上昇に対して層流燃焼速度ＶＬの増加率が増加する温度である。以下、変化点Ｔｓについて詳述する。
【００３３】
図２は、横軸を未燃混合気温度（Ｋ）、縦軸を混合気の層流燃焼速度（ｃｍ／ｓ）としたグラフであり、未燃混合気圧力が１、２、４、６、８、１０ＭＰａの場合について示している。図２は、当量比を０．５とした場合のシミュレーション結果である。シミュレーションは、使用解析ソフトに「Ｃｈｅｍｋｉｎ  Ｐｒｏ」を使用し、使用反応モデルにガソリンサロゲート反応モデル（橋本公太郎、越光男、三好明、村上能規、小口達夫、酒井康行、安東弘光、土屋健太郎、「ガソリン燃焼反応モデルの構築」、自動車技術会学術講演会前刷集、Ｎｏ．２９−１２、Ｐ２１−２４（２０１２）参照）を使用し、使用燃料をＴＲＦ９０（トルエン２７％、イソオクタン５６％、ノルマルヘプタン１７％）として行った。
【００３４】
図２に示すように、未燃混合気圧力がいずれの場合も、未燃混合気温度の上昇に伴って層流燃焼速度が増加する傾向が確認される。また、未燃混合気圧力毎に相違する変化点Ｔｓにおいて、未燃混合気温度変化に対する層流燃焼速度の増加率が変化することが確認される。例えば、未燃混合気圧力が１０ＭＰａの場合、変化点Ｔｓは７３０Ｋであり、層流燃焼速度の増加率は未燃混合気温度が変化点Ｔｓ以上の範囲では、変化点Ｔｓ未満の範囲と比べて大きくなっている。すなわち、変化点Ｔｓにおいて、層流燃焼速度の増加率に急峻（急激）な増加が生じる。変化点Ｔｓは、未燃混合気圧力が８ＭＰａのとき７８０Ｋであり、６ＭＰａのとき８００Ｋであり、４ＭＰａのとき９００Ｋであり、２ＭＰａのとき９５０Ｋであり、１ＭＰａのとき１０４０Ｋである。変化点Ｔｓは、未燃混合気圧力の増加に応じて低下する。
【００３５】
この変化点Ｔｓにおける層流燃焼速度の増加率の変化は、Ｈ２Ｏ２の分解反応に起因している。各圧力において未燃混合気温度が変化点Ｔｓ未満の場合、層流燃焼速度に寄与する素反応は、以下の４つの化学反応が主に行われる。
Ｏ２＋Ｈ＋Ｍ＝ＨＯ２＋Ｍ
ＯＨ＋ＨＯ２＝Ｈ２Ｏ＋Ｏ２
ＣＯ＋ＯＨ＝ＣＯ２＋Ｈ
Ｏ２＋Ｈ＝ＯＨ＋Ｏ
ここで、Ｍは第３体である。このように、未燃混合気温度が変化点Ｔｓ未満の場合、主に酸素・水素反応と、一酸化炭素反応とが層流燃焼速度に正に寄与している。これは、通常の火炎反応と同じである。
【００３６】
一方、各圧力において未燃混合気温度が変化点Ｔｓ以上の場合、層流燃焼速度に寄与する素反応は、以下の４つの化学反応が主に行われる。
ＣＨ３＋ＨＯ２＝ＣＨ４＋Ｏ２
ＯＨ＋ＨＯ２＝Ｈ２Ｏ＋Ｏ２
ＣＨ２Ｏ＋ＨＯ２＝ＨＣＯ＋Ｈ２Ｏ２
Ｈ２Ｏ２＝２ＯＨ
このように、未燃混合気温度が変化点Ｔｓ以上の場合、Ｈ２Ｏ２の分解反応が生じ、これによって生成されるＯＨラジカルが層流燃焼速度に正に寄与すると考えられる。Ｈ２Ｏ２の分解反応は以下の反応ループを形成する。
Ｈ２Ｏ２＋Ｍ＋２１６ｋＪ→ＯＨ＋ＯＨ＋Ｍ
ＯＨ＋ＣＨ２Ｏ→ＨＣＯ＋Ｈ２Ｏ＋１２２ｋＪ
ＨＣＯ＋Ｏ２→ＣＯ＋ＨＯ２＋１３８ｋＪ
ＨＯ２＋ＨＯ２→Ｈ２Ｏ２＋Ｏ２＋１６８ｋＪ
このように、Ｈ２Ｏ２が分解することによってＯＨラジカルが生成された後、更に発熱反応を通じてＨ２Ｏ２が再生産されるＨ２Ｏ２反応ループが進行し、これにより層流燃焼速度が増大しているものと考えられる。Ｈ２Ｏ２反応ループは、トータルでは下式のようにホルムアルデヒドが酸化されて発熱する反応となっている。
２ＣＨ２Ｏ＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ＋２ＣＯ＋４７３ｋＪ
【００３７】
以上の現象から、未燃混合気温度の最大値Ｔｍａｘが変化点Ｔｓ以上となるように制御することによって、層流燃焼速度を増加させ、比較的早い状態とすることができる。
【００３８】
内燃機関１は、ノッキングを抑制するために、スパークプラグ２７による混合気の燃焼開始から燃焼完了までの燃焼期間において、未燃混合気温度の最大値Ｔｍａｘが以下の数式（１）を満たすように制御する。
【００３９】
Ｔｍａｘ＞（３０φー３５）Ｐ＋（９９０−１６０φ）＋５０  ...（１）
ここで、φは未燃混合気（混合気の未燃部分）の当量比、Ｐは未燃混合気圧力である。
【００４０】
数式（１）は、以下の方法によって導出される。図３は、横軸を未燃混合気圧力とし、縦軸を未燃混合気温度とした場合の層流燃焼速度ＶＬの変化を示す図である。図３は、図２の表示方法を変更したものであり、同様の結果を表す。図３では、図２と同様に、未燃混合気圧力の増加に応じて層流燃焼速度ＶＬが増加し、未燃混合気温度の増加に応じて層流燃焼速度ＶＬが増加することが確認される。また、未燃混合気温度が比較的高い領域（変化点Ｔｓ以上）では、未燃混合気温度の増加に対する層流燃焼速度ＶＬの増加率の増加が大きいことがわかる。図３中の曲線Ｃは、圧縮行程におけるピストン７の上昇及びスパークプラグ２７による燃焼に伴う未燃混合気焼温度及び未燃混合気圧力の変化を示す。すなわち、クランク角が進むにつれて未燃混合気焼温度及び未燃混合気圧力は曲線Ｃに沿って上昇する。
【００４１】
図４は、横軸を未燃混合気圧力とし、縦軸を未燃混合気温度とした場合の自己着火時間（着火遅れ時間）ＴＤの逆数の変化を示す図である。ここで、自己着火時間ＴＤとは、未燃混合気が、任意の温度及び圧力環境に置かれてから、自己着火するまでに要する時間（ｓｅｃ）をいう。自己着火時間ＴＤは、温度が高いほど短くなり、圧力が高いほど短くなる。図４のグラフは、図３と同様のシミュレーションによって得られる。未燃混合気の当量比は、０．５である。図４から判るように、混合気の未燃焼部分の圧力の増加に応じて自己着火時間ＴＤの逆数の値が増加（自己着火時間ＴＤが減少）し、未燃混合気温度の増加に応じて自己着火時間ＴＤの逆数の値が増加（自己着火時間ＴＤが減少）することが確認される。図４中の曲線Ｃは、圧縮行程におけるピストン７の上昇及びスパークプラグ２７による燃焼に伴う未燃混合気焼温度及び未燃混合気圧力の変化を示す。
【００４２】
図５は、横軸を未燃混合気圧力、縦軸を未燃混合気温度として自己着火前伝播距離Ｄとの関係を示す図である。ここで、自己着火前伝播距離Ｄは、層流燃焼速度ＶＬと自己着火時間ＴＤとの積で表され、未燃混合気が発火点に達してから自己着火する前に火炎が伝播可能な距離を示す。すなわち、自己着火前伝播距離Ｄは、値が大きいほど自己着火する前に火炎がより遠くまで到達することができることを表す。図５の自己着火前伝播距離Ｄは、図３及び図４のデータに基づいて、任意の未燃混合気圧力及び温度における層流燃焼速度ＶＬと自己着火時間ＴＤとの積を算出することによって求めることができる。図３及び図４のデータは、当量比が０．５の場合についての結果であるため、図５のデータは当量比が０．５についての結果となる。
【００４３】
図５から判るように、自己着火前伝播距離Ｄは、Ｄが極小となる領域Ｘ（Ｄ≦１．３）が長円形のアイランド状に形成される。領域Ｘは、概ね未燃混合気圧力が６．０〜８．５ＭＰａ、かつ未燃混合気温度が７５０〜８５０Ｋの範囲に位置している。領域Ｘでは、未燃混合気温度及び未燃混合気圧力の上昇に対する層流燃焼速度ＶＬの増加量よりも自己着火時間ＴＤの減少量の方が大きいために自己着火前伝播距離Ｄが小さな値となる。一方、領域Ｘよりも未燃混合気温度及び圧力が高い領域では、層流燃焼速度ＶＬの増加量が自己着火時間ＴＤの減少量よりも大きいために、温度及び圧力の増加に応じて自己着火前伝播距離Ｄが増加する。
【００４４】
自己着火前伝播距離Ｄの最小値は、領域Ｘの長軸上、すなわちＴ＝−２０Ｐ＋９１０の直線（第１中心線という）上に位置する。ここで、Ｔは未燃混合気温度、Ｐは未燃混合気圧力である。領域Ｘは、第１中心線と平行な第１上側境界線及び第１下側境界線で区画された領域Ｘ'に近似することができる。この場合、第１上側境界線は、Ｔ＝−２０Ｐ＋９６０、第１下側境界線は、Ｔ＝−２０Ｐ＋８６０となる。領域Ｘは、−２０Ｐ＋８６０≦Ｔ≦−２０Ｐ＋９６０で表される領域Ｘ'に含まれる。
【００４５】
図６は、当量比を１．０とした場合の自己着火前伝播距離Ｄを示す図である。図６の自己着火前伝播距離Ｄは、当量比を１．０として算出された層流燃焼速度ＶＬと自己着火時間ＴＤとの積を算出することによって算出される。
【００４６】
図６から判るように、自己着火前伝播距離Ｄは、Ｄ≦１．３の領域Ｙが長円形に形成される。領域Ｙは、概ね未燃混合気圧力が６．０以上、かつ未燃混合気温度が７６０〜８６０Ｋの範囲に位置している。自己着火前伝播距離Ｄの最小値は、領域Ｙの長軸上、すなわちＴ＝−５Ｐ＋８３０の直線（第２中心線という）上に位置する。領域Ｙは、第２中心線と平行な第２上側境界線及び第２下側境界線で区画された領域Ｙ'に近似することができる。この場合、第２上側境界線は、Ｔ＝−５Ｐ＋８８０、第２下側境界線は、Ｔ＝−５Ｐ＋７８０となる。領域Ｙは、−５Ｐ＋７８０≦Ｔ≦−５Ｐ＋８８０で表される領域Ｙ'に含まれる。（領域Ｙとノッキングとの関係を記載）
【００４７】
当量比が０．５から１．０に増加すると、自己着火前伝播距離Ｄが１．３ｃｍ以下の領域の長軸の傾きが変化する。当量比φが０．５の場合の領域Ｘ'（−２０Ｐ＋８６０≦Ｔ≦−２０Ｐ＋９６０）と、当量比φが１．０の場合の領域Ｙ'（−５Ｐ＋７８０≦Ｔ≦−５Ｐ＋８８０）と当量比φを用いて表すと、領域Ｚは、以下の数式（２）で表される。
（３０φ−３５）Ｐ＋（９９０−１６０φ）−５０≦Ｔ≦（３０φ−３５）Ｐ＋（９９０−１６０φ）＋５０  ...（２）
【００４８】
数式（１）は、数式（２）で表されるバンド状の領域Ｚよりも上側の領域に、燃焼期間における未燃混合気温度の最大値Ｔｍａｘがあることを表している。換言すると、自己着火前伝播距離Ｄが必ず１．３ｃｍより大きい値となるように、燃焼期間における未燃混合気温度の最大値Ｔｍａｘが設定されている。
【００４９】
図５に示すように、燃焼期間における未燃混合気温度の最大値Ｔｍａｘが数式（１）を満たす場合にも、未燃混合気温度及び圧力は、クランク角が進むに従って、ピストン７による圧縮や既燃混合気の膨張等に起因して増加するため、領域Ｘ（領域Ｚ）を通過する期間が生じる。領域Ｘでは、自己着火前伝播距離Ｄが１．３ｃｍ以下となる場合があり、ノッキングの発生確率が上昇する。そのため、内燃機関１は、燃焼期間における未燃混合気温度Ｔが、数式（２）を満たす期間が０．７ｍｓ以下となるように制御することが好ましい。
【００５０】
以上のように構成した内燃機関１の効果について説明する。内燃機関１は、熱効率を低下させることなく、ノッキングを抑制することができる。ノッキングは、スパークプラグ２７によって開始した火炎伝播が完了する前に、自己着火が発生する現象であるため、自己着火時間内に火炎伝播が完了すればノッキングは発生しない。火炎伝播燃焼には、乱流火炎伝播燃焼と層流火炎伝播燃焼とが含まれる。乱流火炎伝播燃焼は、乱流効果ｕ'によって定まり、層流火炎伝播燃焼よりも燃焼速度が速い。乱流火炎伝播燃焼は、火炎伝播燃焼の大部分において支配的である。しかし、火炎が燃焼室８の周縁部に到達する燃焼終期においては、乱流効果が消え、層流火炎伝播燃焼が支配的になる。内燃機関１では、層流火炎伝播燃焼の燃焼速度（火炎伝播速度）を高めることによって、自己着火が発生するよりも前に、火炎伝播を完了させる。層流燃焼速度は、変化点以上の温度領域では、Ｈ２Ｏ２の分解反応によって温度上昇に対する燃焼速度の増加率が大きく増加し、かつ自己着火時間内に火炎伝播を完了させることができる程度に燃焼速度が速い。
【００５１】
未燃混合気温度の最大値Ｔｍａｘが数式（１）を満たす範囲にある場合、自己着火前伝播距離Ｄが２．０ｃｍより大きくなり、自己着火が発生するよりも前に火炎伝播が完了するため、一層確実にノッキングが抑制される。また、燃焼期間における未燃混合気温度Ｔが、数式（２）を満たす期間が０．７ｍｓ以下である場合、自己着火前伝播距離Ｄが１．３ｃｍ以下となる期間を短期間で通過するため、更に一層確実にノッキングが抑制される。
【００５２】
未燃混合気温度を上昇させるためには、燃焼室８に供給される吸気の温度を上昇させる手法と、燃焼室８における乱流火炎燃焼を促進し、混合気の既燃部分の温度を上昇させる手法がある。燃焼室８に供給される吸気の温度を上昇させる手法では、インタークーラー２１の低能力化や省略化、吸気加熱装置２２による吸気の加熱等を行うとよい。混合気の既燃部分の温度を上昇させる手法では、タンブル流促進装置２４を使用して燃焼室８に供給される吸気のタンブル比を増加させ、乱流エネルギーを増加させるとよい。燃焼室８に供給される吸気のタンブル比が増加すると、その結果として乱流エネルギーが増加し、乱流火炎燃焼が促進され、混合気の既燃部分の温度が上昇し、混合気の未燃部分への伝熱が増加する。また、乱流火炎燃焼が促進されることによって既燃部分の体積が増加し、未燃部分が圧縮されることによって温度が上昇する。
【実施例】
【００５３】
以上のように構成した内燃機関１の実施例及び比較例について説明する。実施例及び比較例では、上記の内燃機関１において、シリンダ４の直径を７３ｍｍ、ピストン７のストロークを８９ｍｍ、排気量を３７２ｃｃ、圧縮比を１３．０、当量比（φ）を０．５、エンジン回転数を２０００ｒｐｍとした。この条件の内燃機関１において、タンブル流促進装置２４を調節して、圧縮上死点における未燃混合気のタンブル比を０．５〜２．５の間で変化させ、圧縮上死点における未燃混合気の温度及び圧力を変化させた。圧縮上死点における未燃混合気の温度及び圧力が、各値（図５中のＡ〜Ｊ）となるときのノッキングの発生の有無を図５に記号（●、×、△）として記入した。図５中の「●」はノッキングが発生しなかったことを表し、「×」はノッキングが発生し、「△」はノッキングが若干発生したことを表す。図５中の点Ａ、Ｂが本実施形態における内燃機関１の実施例に対応し、点Ｃ〜Ｈが本実施形態における内燃機関１の比較例に対応する。
【００５４】
図５に示すように、点Ａでは圧縮上死点における未燃混合気のタンブル比が２．５、均質度が９３％、温度及び圧力が第１上側境界線（Ｔ＝−２０Ｐ＋９６０）よりも上方に位置する。点Ｂでは圧縮上死点における未燃混合気のタンブル比が２．０、均質度が９１％、温度及び圧力が第１上側境界線よりも上方に位置する。圧縮上死点における未燃混合気の温度及び圧力が点Ａ及びＢとなるときは、ノッキングが確認されなかった。一方、点Ｃ〜Ｉでは、圧縮上死点における未燃混合気のタンブル比が１．８以下、均質度が９０％以下、温度及び圧力が第１上側境界線よりも下方、かつ第２下側境界線（Ｔ＝−２０Ｐ＋８６０）よりも上方に位置する。圧縮上死点における未燃混合気の温度及び圧力が点Ｃ〜Ｇとなるときは、ノッキングが確認された。点Ｊでは、圧縮上死点における未燃混合気のタンブル比が２．０、均質度が９１％、温度及び圧力が第１上側境界線よりも上方に位置する。圧縮上死点における未燃混合気の温度及び圧力が点Ｈとなるときは、ノッキングが若干確認された。
【００５５】
図７は、実施例及び比較例（点Ａ、Ｂ、Ｆ、Ｊに対応）における圧縮上死点付近における未燃混合気の温度変化を示すグラフである。図７からわかるように、圧縮上死点付近における未燃混合気の温度及び圧力が点Ａに到達するときは、クランク角の増加に対する温度の増加率が比較的大きく、上記の数式（２）で表される領域を通過するために要する時間が０．３５ｍｓとなる。同様に、圧縮上死点付近における未燃混合気の温度及び圧力が点Ｂに到達するときは、上記の数式（２）で表される領域を通過するために要する時間が０．７ｍｓとなる。一方、圧縮上死点付近における未燃混合気の温度及び圧力が点Ｊに到達するときは、点Ａ、Ｂの場合と比べて、クランク角の増加に対する温度の増加率が小さく、上記の数式（２）で表される領域を通過するために要する時間が０．７５ｍｓとなる。そのため、圧縮上死点付近における未燃混合気の温度及び圧力が点Ｊに到達するときは、圧縮上死点付近における未燃混合気の温度及び圧力が数式（１）を満たしても（第１上側境界線より上方に位置しても）、若干のノッキングが生じたと考えられる。
【００５６】
図８（Ａ）は実施例（点Ａに対応）及び比較例（点Ｆに対応）における図示有効圧力に対する図時熱効率を示すグラフであり、図８（Ｂ）は実施例（点Ａに対応）及び比較例（点Ｆに対応）における図示有効圧力に対する点火時期を示すグラフである。図８（Ｂ）に示すように、上記の点Ｆに対応した比較例では図示有効圧力が９００ｋＰａを越えたあたりからノッキングが生じるようになるため、点火時期を遅角化してノッキングの発生を抑制する必要がある。そして、点火時期の遅角化は、図示有効圧力が約１１５０ｋＰａで限界になり、これ以上は図示有効圧力を増加させることができない。図８（Ａ）に示すように、比較例では図示有効圧力が９００ｋＰａ以上の範囲において遅角化する必要があるため、筒内圧が最大となるときと燃焼時期とがずれ、図示有効圧力が１０００ｋＰａ以上の範囲において図示熱効率が急激に低下する。比較例では、図示有効圧が約９００ｋＰａのときに、図示熱効率は最大値となる。
【００５７】
一方、上記の点Ａに対応した実施例では、ノッキングが抑制されているため、図８（Ｂ）に示すように図示有効圧力が１２００ｋＰａ以下の範囲では点火時期の遅角化を行う必要がない。実施例では、図示有効圧力が１２００ｋＰａを越えた範囲では点火時期の遅角化を行うことによって、図示有効圧力が１６００ｋＰａ程度までノッキングを抑制しつつ、運転を行うことができる。実施例では、図示有効圧が１２００ｋＰａのときに、図示熱効率は最大値となる。
【００５８】
実施例は、比較例に対して、ノッキングが抑制された状態で図示有効圧力の最大値が４５０ｋＰａ程度増加し、図示熱効率の最大値が１．０％程度増加することが確認された。また、図示有効圧力が１１００ｋＰａのときで実施例及び比較例を比較すると、実施例では遅角化を行う必要がないため、点火時期は上死点前（ＢＴＤＣ）４０ｄｅｇＣＡとなった。一方、比較例では、ノッキングを抑制するために遅角化が必要になり、点火時期は上死点前（ＢＴＤＣ）１７ｄｅｇＣＡとなった。
【００５９】
以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、上記実施形態の内燃機関１では、燃焼期間における未燃混合気温度の最大値Ｔｍａｘが、数式（１）を満たすことを条件としたが、この条件に代えて、燃焼期間における未燃混合気温度の最大値Ｔｍａｘが変化点以上になるときに、自己着火前伝播距離Ｄが２．０ｍｍ以上となることを条件としてもよい。この条件は、火炎伝播の完了よりもノッキングの発生の方が優位になる領域（自己着火前伝播距離Ｄ≦１．３）を避けるものであり、図５及び図６から導き出されたものである。自己着火前伝播距離Ｄが２．０未満の条件は、数式（２）と概ね同じ範囲を表し、表現方法を変更したものといえる。
【００６０】
タンブル流促進装置２４は、省略可能である。タンブル流促進装置２４を省略する場合、吸気ポート１１Ａの形状や吸気バルブ１３の形状によって、シリンダ内の混合気の乱流運動エネルギーを増加させるようにするとよい。
【００６１】
吸気加熱装置２２は、省略可能である。吸気加熱装置２２を省略する場合、インタークーラー２１の冷却能力を低減させる等して、燃焼室８に供給される吸気の温度を上昇させるとよい。
【００６２】
上記の実施形態では、インジェクタ２６が燃焼室８に直接に燃料を噴射する構成としたが、他の実施形態ではインジェクタ２６は吸気ポート１１Ａ等の吸気通路１１に燃料を噴射してもよい。この場合、燃料噴射時期から点火時期までの期間が長くなり、混合気の未燃部分の均質度が向上する。
【００６３】
制御装置３１は、ノックセンサ３３からの信号に基づいてノッキングを検出した場合に、吸気加熱装置２２を制御して燃焼室８に供給される吸気の温度を上昇させるとよい。また、制御装置３１は、ノックセンサ３３からの信号に基づいてノッキングを検出した場合に、タンブル流促進装置２４を制御して燃焼室８に供給される吸気の乱流運動エネルギーを増加させるとよい。
【００６４】
また、他の実施形態では、スパークプラグによる点火回数を複数回にすることによって、燃焼期間における未燃混合気温度の最大値Ｔｍａｘを増加させてもよい。
【符号の説明】
【００６５】
１            ：内燃機関
２            ：機関本体
４            ：シリンダ
８            ：燃焼室
１１          ：吸気通路
１２          ：排気通路
１９          ：過給機
２１          ：インタークーラー
２２          ：吸気加熱装置
２３          ：スロットルバルブ
２４          ：タンブル流促進装置
２６          ：インジェクタ
２７          ：スパークプラグ（火花点火装置）
３１          ：制御装置
３２          ：吸気温度センサ
３３          ：ノックセンサ
Ｄ            ：自己着火前伝播距離
Ｐ            ：未燃混合気圧力
Ｔ            ：未燃混合気温度
Ｔｍａｘ      ：未燃混合気温度の最大値
Ｔｓ          ：変化点
ＴＤ          ：自己着火時間
ＶＬ          ：層流燃焼速度
ｕ'          ：乱流効果
φ            ：当量比
【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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