(57)【要約】【課題】  高負荷運転領域における自着火運転時の騒音を低減することが可能な内燃機関を提供すること。【解決手段】  この内燃機関は、ピストン２２が所定位置より上死点位置側にあるとき燃焼室２５が互いに独立した高部燃焼室２５ａ及び低部燃焼室２５ｂからなる２つの空間に分割されるとともに、ピストンが上死点位置にあるときの高部燃焼室の容積に対する同ピストンが同所定位置にあるときの同容積の比VH0/VH1が、同ピストンが上死点位置にあるときの低部燃焼室の容積に対する同ピストンが同所定位置にあるときの同容積の比VL0/VL1より大きくなるように構成される。これにより、高部燃焼室内の混合ガスが自着火され、所定の時間が経過した後、低部燃焼室内の混合ガスが自着火される。この結果、燃焼室２５内の混合ガスが一時に自着火される場合より燃焼に伴う騒音を低減することができる。【選択図】  図３
2006257999.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダボアが形成されたシリンダブロックと、前記シリンダブロックの上部に配置されたシリンダヘッドと、前記シリンダボア内において往復動するピストンと、少なくとも前記シリンダボアの壁面と前記シリンダヘッドの下面と前記ピストンの頂面とにより構成される燃焼室内に供給される燃料を噴射する燃料噴射手段と、前記シリンダヘッドに形成され空気を前記燃焼室内に供給する吸気ポートを開閉する吸気弁と、前記シリンダヘッドに形成され前記燃焼室内の燃焼ガスを同燃焼室から排出する排気ポートを開閉する排気弁と、を備え、
前記燃焼室内に空気と燃料と燃焼ガスとを含む混合ガスを形成し同混合ガスを圧縮することにより自着火させて燃焼させる予混合圧縮自着火方式による運転を行う内燃機関において、
前記燃焼室は、前記ピストンが所定位置より上死点位置側にあるとき互いに独立した第１空間及び第２空間からなる２つの空間に分割され、且つ、同ピストンが上死点位置にあるときの同第１空間の容積に対する同ピストンが同所定位置にあるときの同第１空間の容積の比である第１空間容積比が、同ピストンが上死点位置にあるときの同第２空間の容積に対する同ピストンが同所定位置にあるときの同第２空間の容積の比である第２空間容積比より大きくなるように、構成された内燃機関。
【請求項２】
請求項１に記載の内燃機関において、
前記ピストンは、同ピストンの頂面が前記シリンダボアの中心軸線に直交する平面に直交する面であるピストン頂部縦壁面を有するように形成されるとともに、
前記シリンダヘッドは、同シリンダヘッドの下面が前記シリンダボアの中心軸線に直交する平面に直交する面であるシリンダヘッド縦壁面を有するように形成され、且つ、
前記燃焼室は、前記ピストンが前記所定位置より上死点位置側にあるとき、前記ピストン頂部縦壁面と、前記シリンダヘッド縦壁面と、が互いに対向することにより前記２つの空間に分割されるように構成された内燃機関。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の内燃機関において、
前記排気弁は、前記第１空間に臨むように配置されるとともに、
前記吸気弁は、前記第２空間に臨むように配置される内燃機関。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３に記載の内燃機関であって、
前記内燃機関の負荷が所定の軽負荷閾値より小さい軽負荷であるとき、同内燃機関に対して要求される負荷に応じて定まる量の燃料のうち、前記ピストンの移動による圧縮に伴って前記第１空間内に形成された混合ガスが自着火されて燃焼するために必要な量の燃料が、同混合ガスに含まれるように、前記燃料噴射手段により燃料を噴射させ、一方、
前記内燃機関の負荷が前記軽負荷閾値以上の中高負荷であるとき、前記ピストンの移動による圧縮に伴って前記２つの空間のそれぞれにおいて形成された混合ガスが自着火されて燃焼するために必要な量の燃料が、同各混合ガスに含まれるように、前記燃料噴射手段により燃料を噴射させる燃料噴射制御手段を備えた内燃機関。
【請求項５】
請求項４に記載の内燃機関において、
前記燃料噴射制御手段は、前記内燃機関の負荷が前記軽負荷閾値より大きい所定の高負荷閾値より小さく、且つ、同軽負荷閾値以上である中負荷であるとき、前記第１空間内の混合ガスに含まれる燃料の量に対する前記第２空間内の混合ガスに含まれる燃料の量の比である空間燃料比が、同内燃機関の負荷が同高負荷閾値以上の高負荷であるときの同空間燃料比より大きくなるように、前記燃料噴射手段により燃料を噴射させる内燃機関。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５に記載の内燃機関において、
前記内燃機関の回転速度が所定の高回転速度閾値以上の高回転速度であるとき、同内燃機関に対して要求される負荷に応じて定まる量の燃料のうち、前記ピストンの移動による圧縮に伴って前記第１空間内に形成された混合ガスが自着火されて燃焼するために必要な量の燃料が、同混合ガスに含まれるように、前記燃料噴射手段により燃料を噴射させ、一方、
前記内燃機関の回転速度が前記高回転速度閾値より小さい所定の低回転速度閾値より小さい低回転速度であるとき、同内燃機関に対して要求される負荷に応じて定まる量の燃料のうち、前記ピストンの移動による圧縮に伴って前記第２空間内に形成された混合ガスが自着火されて燃焼するために必要な量の燃料が、同混合ガスに含まれるように、前記燃料噴射手段により燃料を噴射させる燃料噴射制御手段を備えた内燃機関。
【請求項７】
請求項６に記載の内燃機関において、
前記シリンダヘッド、前記ピストン及び前記燃料噴射手段は、同燃料噴射手段により燃料を噴射させるタイミングにおける同ピストンの位置がより下死点位置側にあるほど、噴射される燃料のうち前記第１空間内に形成される混合ガスに含まれる燃料の量が多くなるように構成されてなる内燃機関。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７に記載の内燃機関において、
前記シリンダヘッド、前記ピストン及び前記燃料噴射手段は、同燃料噴射手段により燃料を噴射させるタイミングを変化させることにより前記２つの空間内にそれぞれ形成される混合ガスに含まれる燃料の量が変化するように構成され、且つ、
前記燃料噴射制御手段は、前記内燃機関の運転状態に応じて前記２つの空間内にそれぞれ形成される混合ガスに含まれる燃料の量を制御するように、１つの燃焼サイクルに対して複数回の異なるタイミングにて、前記燃料噴射手段により燃料を噴射させるように構成された内燃機関。
【請求項９】
請求項１乃至請求項７に記載の内燃機関において、
前記燃料噴射手段は、前記２つの空間の各空間にそれぞれ臨み、同各空間を構成するための面に向けてそれぞれ独立に燃料を噴射する２つの燃料噴射弁を備え、
前記燃料噴射制御手段は、前記内燃機関の運転状態に応じて前記２つの空間内にそれぞれ形成される混合ガスに含まれる燃料の量を制御するように、前記２つの燃料噴射弁のそれぞれから所定量の燃料を噴射させる内燃機関。
【請求項１０】
シリンダボアが形成されたシリンダブロックと、前記シリンダブロックの上部に配置されたシリンダヘッドと、前記シリンダボア内において往復動するピストンと、少なくとも前記シリンダボアの壁面と前記シリンダヘッドの下面と前記ピストンの頂面とにより構成される燃焼室内に供給される燃料を噴射する燃料噴射手段と、前記燃焼室に臨むように前記シリンダヘッドに配置され火花を発生する点火プラグと、を備え、
一部の運転領域において前記燃焼室内に空気及び燃料を含む混合ガスを形成し同混合ガスを前記点火プラグが発生する火花により点火して燃焼させる火花点火方式による運転を行い、他の運転領域において同燃焼室内に空気と燃料と燃焼ガスとを含む混合ガスを形成し同混合ガスを圧縮することにより自着火させて燃焼させる予混合圧縮自着火方式による運転を行う内燃機関であって、
前記燃焼室は、前記ピストンが所定位置より上死点位置側にあるとき互いに独立した第１空間及び第２空間からなる２つの空間に分割され、且つ、同ピストンが上死点位置にあるときの同第１空間の容積に対する同ピストンが同所定位置にあるときの同第１空間の容積の比である第１空間容積比が、同ピストンが上死点位置にあるときの同第２空間の容積に対する同ピストンが同所定位置にあるときの同第２空間の容積の比である第２空間容積比より大きくなるように構成され、
前記内燃機関の運転状態に応じて前記予混合圧縮自着火方式及び前記火花点火方式のうちの一方の運転方式を選択する運転方式選択手段と、
前記内燃機関に対して要求される負荷と、前記選択された運転方式と、に基づいて前記燃料噴射手段により噴射される燃料の量である噴射燃料量及び同燃料噴射手段により燃料を噴射させるタイミングである燃料噴射タイミングを決定し、同決定された噴射燃料量及び燃料噴射タイミングに基づいて同燃料噴射手段により燃料を噴射させる燃料噴射制御手段と、
前記火花点火方式から前記予混合圧縮自着火方式に運転方式を切り換えるとき、同運転方式切り換え直後の最初の燃焼サイクルにおける前記第１空間内の混合ガスに含まれる燃料の量に対する前記第２空間内の混合ガスに含まれる燃料の量の比である空間燃料比を、同燃焼サイクルにおける噴射燃料量及び燃料噴射タイミングが前記燃料噴射制御手段により決定される時点にて前記内燃機関に対して要求されている負荷と同一の負荷下において同予混合圧縮自着火方式による運転が定常的に行われている時点の同空間燃料比より大きくするように、前記決定された噴射燃料量及び燃料噴射タイミングを補正する切換時燃料噴射補正手段と、
を備える内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気と燃料とを含む混合ガスを燃焼室内に形成し、その混合ガスを同燃焼室内にて圧縮することにより自着火させて燃焼させる予混合圧縮自着火方式による運転を行う内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、空気と燃料とを含む混合ガスを燃焼室内に形成し、その混合ガスを同燃焼室内にて圧縮することにより自着火させて燃焼させる予混合圧縮自着火方式による運転（自着火運転）を行う内燃機関が知られている（例えば、特許文献１を参照。）。
【特許文献１】特開２００２−２２７６８０号公報
【０００３】
この従来の内燃機関は、燃焼室内の混合ガスの空燃比を極めてリーンな空燃比（超希薄空燃比）とし且つ圧縮比を高くして運転される。その結果、燃費を改善することができるとともに燃焼に伴って生成されるＮＯｘの量を低減することができる。
【０００４】
ところで、自着火運転を行う内燃機関の燃焼室においては、圧縮された混合ガスは、多数の散在する位置にてほぼ同時に着火され、極めて短い期間のうちに燃焼する。従って、特に燃料量が多い高負荷運転領域において自着火運転を行うと、極めて短い期間のうちに、極めて大きな熱エネルギーが発生する。
【０００５】
このため、高負荷運転領域においては、燃焼室を構成するピストン、シリンダブロック及びシリンダヘッド等の部材が燃焼により発生した熱エネルギーにより単位時間当たりに受ける衝撃の力が過大となり、この衝撃に伴って発生する騒音が過大となるので、自着火運転を行うことができないという問題があった。
【発明の開示】
【０００６】
本発明は上述した課題に対処するためになされたものであって、その目的の１つは、高負荷運転領域における自着火運転時の騒音を低減することが可能な内燃機関を提供することにある。かかる目的を達成するため本発明による内燃機関は、シリンダボアが形成されたシリンダブロックと、前記シリンダブロックの上部に配置されたシリンダヘッドと、前記シリンダボア内において往復動するピストンと、少なくとも前記シリンダボアの壁面と前記シリンダヘッドの下面と前記ピストンの頂面とにより構成される燃焼室内に供給される燃料を噴射する燃料噴射手段と、前記シリンダヘッドに形成され空気を前記燃焼室内に供給する吸気ポートを開閉する吸気弁と、前記シリンダヘッドに形成され前記燃焼室内の燃焼ガスを同燃焼室から排出する排気ポートを開閉する排気弁と、を備える。
【０００７】
本発明による内燃機関は、前記燃焼室内に空気と燃料と燃焼ガスとを含む混合ガスを形成し同混合ガスを圧縮することにより自着火させて燃焼させる予混合圧縮自着火方式による運転を行う。
【０００８】
前記燃焼室は、前記ピストンが所定位置より上死点位置側にあるとき互いに独立した第１空間及び第２空間からなる２つの空間に分割され、且つ、同ピストンが上死点位置にあるときの同第１空間の容積に対する同ピストンが同所定位置にあるときの同第１空間の容積の比である第１空間容積比が、同ピストンが上死点位置にあるときの同第２空間の容積に対する同ピストンが同所定位置にあるときの同第２空間の容積の比である第２空間容積比より大きくなるように構成されてなる。
【０００９】
これによれば、ピストンが所定位置より上死点位置側にあるとき、燃焼室は互いに独立した第１空間及び第２空間からなる２つの空間に分割される。更に、ピストンが上死点位置にあるときの第１空間の容積に対する同ピストンが同所定位置にあるときの同第１空間の容積の比（第１空間容積比）は、同ピストンが上死点位置にあるときの第２空間の容積に対する同ピストンが同所定位置にあるときの同第２空間の容積の比（第２空間容積比）より大きくなっている。
【００１０】
従って、ピストンが所定位置から上死点位置まで移動することにより、第１空間内の混合ガスは、第２空間内の混合ガスより大きく圧縮される。その結果、第１空間内の混合ガスの温度は、第２空間内の混合ガスの温度より高くなる。このため、第１空間内の混合ガスが第２空間内の混合ガスより先に自着火されて燃焼する。即ち、２つの空間において互いに異なるタイミングにて混合ガスが自着火されて燃焼する。
【００１１】
これにより、燃焼室を構成するピストン、シリンダブロック及びシリンダヘッド等の部材が燃焼により発生した熱エネルギーにより単位時間当たりに受ける衝撃の力の大きさは、燃焼室内の混合ガスが一時に（極めて短い期間内に）自着火されて燃焼する場合と比べて小さくなるので、同衝撃に伴って発生する騒音が低減される。この結果、より高い負荷運転領域において予混合圧縮自着火方式による運転（自着火運転）を行うことができるので、燃費を良好にすることができるとともに、燃焼に伴って生成されるＮＯｘの量を低減することができる。
【００１２】
この場合、前記ピストンは、同ピストンの頂面が前記シリンダボアの中心軸線に直交する平面に直交する面であるピストン頂部縦壁面を有するように形成されるとともに、
前記シリンダヘッドは、同シリンダヘッドの下面が前記シリンダボアの中心軸線に直交する平面に直交する面であるシリンダヘッド縦壁面を有するように形成され、且つ、
前記燃焼室は、前記ピストンが前記所定位置より上死点位置側にあるとき、前記ピストン頂部縦壁面と、前記シリンダヘッド縦壁面と、が互いに対向することにより前記２つの空間に分割されるように構成されることが好適である。
【００１３】
これによれば、ピストンが上記所定位置より上死点位置側にあるとき２つの空間に分割される上記燃焼室を容易に構成することができる。
【００１４】
この場合、前記排気弁は、前記第１空間に臨むように配置されるとともに、
前記吸気弁は、前記第２空間に臨むように配置されることが好適である。
【００１５】
一般に、自着火運転を行う内燃機関においては、混合ガスの温度を高めることにより同混合ガスを自着火され易くする（同混合ガスの着火性を良好にする）ために、燃焼ガスが利用される。燃焼ガスを混合ガスに含ませるために、前回の燃焼サイクルにおける燃焼により生成された燃焼ガスの一部を燃焼室内に残留させたり、燃焼室から排出された燃焼ガスを排気ポートから再び燃焼室内に導入したり、することが多い。その結果、燃焼室内に形成される混合ガスのうち、排気弁の近傍における混合ガスは、吸気弁の近傍における混合ガスより多くの燃焼ガスを含む。
【００１６】
従って、上記構成のように、第１空間に臨むように排気弁が配置されるとともに、第２空間に臨むように吸気弁が配置されることにより、同第１空間において形成される混合ガスに対する同混合ガスに含まれる燃焼ガスの割合は、同第２空間において形成される混合ガスに対する同混合ガスに含まれる燃焼ガスの割合より、高くなる。
【００１７】
このため、第１空間において形成される混合ガスの温度を、第２空間において形成される混合ガスの温度より、一層高くすることができる。この結果、第１空間内の混合ガスの着火性と、第２空間内の混合ガスの着火性と、の差をより大きくすることができる。従って、ピストンのバランス等を維持するために第１空間容積比と第２空間容積比との差を大きくできなくても、２つの空間内の混合ガスのそれぞれが自着火されるタイミングを互いに大きく異ならせることができる。
【００１８】
この場合、前記内燃機関の負荷が所定の軽負荷閾値より小さい軽負荷であるとき、同内燃機関に対して要求される負荷に応じて定まる量の燃料のうち、前記ピストンの移動による圧縮に伴って前記第１空間内に形成された混合ガスが自着火されて燃焼するために必要な量の燃料が、同混合ガスに含まれるように、前記燃料噴射手段により燃料を噴射させ、一方、
前記内燃機関の負荷が前記軽負荷閾値以上の中高負荷であるとき、前記ピストンの移動による圧縮に伴って前記２つの空間のそれぞれにおいて形成された混合ガスが自着火されて燃焼するために必要な量の燃料が、同各混合ガスに含まれるように、前記燃料噴射手段により燃料を噴射させる燃料噴射制御手段を備えることが好適である。
【００１９】
軽負荷運転領域においては、内燃機関により要求される燃料の量が少なくなるので、燃焼室における燃料の空間的分布密度が低くなる。このため、軽負荷運転領域において、燃焼室内の混合ガスが自着火されずに燃焼サイクルが終了する（失火する）恐れがある。
【００２０】
ところで、上述したように、ピストンの移動による圧縮に伴って、第１空間内の混合ガスの温度は、第２空間内の混合ガスの温度より高くなる。即ち、第１空間内の混合ガスの着火性は、第２空間内の混合ガスの着火性より良好である。
【００２１】
従って、上記構成のように、軽負荷運転領域においては、温度がより高くなる第１空間内の混合ガスに同混合ガスが自着火されるために必要な量の燃料を含ませることにより、同第１空間内の混合ガスの着火性をより一層良好にすることができる。この結果、第１空間内の混合ガスを確実に自着火させることができる。
【００２２】
この場合、前記燃料噴射制御手段は、前記内燃機関の負荷が前記軽負荷閾値より大きい所定の高負荷閾値より小さく、且つ、同軽負荷閾値以上である中負荷であるとき、前記第１空間内の混合ガスに含まれる燃料の量に対する前記第２空間内の混合ガスに含まれる燃料の量の比である空間燃料比が、同内燃機関の負荷が同高負荷閾値以上の高負荷であるときの同空間燃料比より大きくなるように、前記燃料噴射手段により燃料を噴射させることが好適である。
【００２３】
過大な騒音が発生する恐れが小さい中負荷運転領域においては、ピストンが上死点位置の近傍にあるとき、２つの空間において混合ガスが略同時に自着火されて燃焼すると、等容度が高くなるので燃費が良好となる。
【００２４】
従って、上記構成のように、中負荷運転領域においては、第１空間内の混合ガスに含まれる燃料の量に対する第２空間内の混合ガスに含まれる燃料の量の比である空間燃料比が、高負荷運転領域における同空間燃料比より大きくなるように、燃料噴射手段により燃料を噴射させる。
【００２５】
これにより、過大な騒音が発生する恐れが小さい中負荷運転領域においては、第１空間内の混合ガスが自着火されるタイミングと、第２空間内の混合ガスが自着火されるタイミングと、の着火時期間隔が、高負荷運転領域における同着火時期間隔より小さくなる。この結果、等容度を高くすることができるので、燃費を向上させることができる。
【００２６】
この場合、前記内燃機関の回転速度が所定の高回転速度閾値以上の高回転速度であるとき、同内燃機関に対して要求される負荷に応じて定まる量の燃料のうち、前記ピストンの移動による圧縮に伴って前記第１空間内に形成された混合ガスが自着火されて燃焼するために必要な量の燃料が、同混合ガスに含まれるように、前記燃料噴射手段により燃料を噴射させ、一方、
前記内燃機関の回転速度が前記高回転速度閾値より小さい所定の低回転速度閾値より小さい低回転速度であるとき、同内燃機関に対して要求される負荷に応じて定まる量の燃料のうち、前記ピストンの移動による圧縮に伴って前記第２空間内に形成された混合ガスが自着火されて燃焼するために必要な量の燃料が、同混合ガスに含まれるように、前記燃料噴射手段により燃料を噴射させる燃料噴射制御手段を備えることが好適である。
【００２７】
ピストンが上死点位置の近傍にあるとき、同ピストンにより圧縮された燃焼室内の混合ガスの温度は高い。燃焼室内の混合ガスは、同混合ガスの温度が所定の閾値温度より高い高温状態が所定の時間続くことにより自着火される。ところで、高回転運転領域においては、ピストンが上死点位置近傍にある時間が短いので、燃焼室内の混合ガスが高温状態となる時間も短くなる。このため、燃焼室内の混合ガスが自着火されない（失火する）恐れがある。
【００２８】
これに対し、上記構成によれば、高回転運転領域においては、より早く高温状態となる第１空間内の混合ガスに同混合ガスが自着火されるために必要な量の燃料が含まれる。これにより、同第１空間内の混合ガスの着火性をより一層良好にすることができる。この結果、第１空間内の混合ガスを確実に自着火させることができる。
【００２９】
一方、低回転運転領域においては、ピストンが上死点位置の近傍にある時間が長いので、ピストンが上死点位置に到達する前の時点において、燃焼室内の混合ガスの高温状態が所定の時間続いた状態となる。このため、より早く高温状態となる第１空間内の混合ガスが過早に自着火される恐れがある。
【００３０】
これに対し、上記構成によれば、低回転運転領域においては、より遅く高温状態となる第２空間内の混合ガスに同混合ガスが自着火されるために必要な量の燃料が含まれる。これにより、第１空間内の混合ガスに含まれる燃料の量が減少するので、同第１空間における燃料の空間的分布密度を低くすることができる。この結果、第１空間内の同混合ガスが過早に自着火されることを防止することができる。
【００３１】
この場合、前記シリンダヘッド、前記ピストン及び前記燃料噴射手段は、同燃料噴射手段により燃料を噴射させるタイミングにおける同ピストンの位置がより下死点位置側にあるほど、噴射される燃料のうち前記第１空間内に形成される混合ガスに含まれる燃料の量が多くなるように構成されてなることが好適である。
【００３２】
噴射された燃料が十分に気化されていないと、混合ガスは自着火されない。燃料が気化されるためには、所定の時間が必要とされる。ところで、高回転運転領域においては、燃料が噴射されてからピストンが圧縮上死点に到達するまでの時間が極めて短い。このため、噴射された燃料が十分に気化されにくく、第１空間内の混合ガスに同混合ガスが自着火されるために必要な量の燃料が含まれていても、同第１空間内の混合ガスが自着火されない恐れがある。
【００３３】
これに対し、上記構成によれば、燃料を噴射させるタイミングに対応するピストンの位置がより下死点位置側にあるほど、噴射される燃料のうち第１空間内に形成される混合ガスに含まれる燃料の量が多くなる。従って、例えば、高回転運転領域においては、第１空間内の混合ガスに多くの燃料を含ませるために、ピストンの位置が十分に下死点位置側にあるときに燃料が噴射される。この結果、噴射された燃料が十分に気化されるために必要な時間が確保されるので、第１空間において、混合ガスを確実に自着火させることができる。
【００３４】
また、上記内燃機関のいずれかの前記シリンダヘッド、前記ピストン及び前記燃料噴射手段は、同燃料噴射手段により燃料を噴射させるタイミングを変化させることにより前記２つの空間内にそれぞれ形成される混合ガスに含まれる燃料の量が変化するように構成され、且つ、
前記燃料噴射制御手段は、前記内燃機関の運転状態に応じて前記２つの空間内にそれぞれ形成される混合ガスに含まれる燃料の量を制御するように、１つの燃焼サイクルに対して複数回の異なるタイミングにて、前記燃料噴射手段により燃料を噴射させるように構成されていることが好適である。
【００３５】
これによれば、内燃機関の運転状態に応じて２つの空間にてそれぞれ形成される混合ガスに含まれる燃料の量が制御される。これにより、各空間内の混合ガスが自着火されるタイミングを適切に制御することができる。この結果、例えば、第１空間において燃焼により単位時間あたりに発生する熱エネルギーが最大となるタイミングと、第２空間において燃焼により単位時間あたりに発生する熱エネルギーが最大となるタイミングと、の中間のタイミングが、ピストンの位置が上死点位置となるタイミングと一致するように、各空間内の混合ガスが自着火されるタイミングを制御することにより、燃費を向上させることができる。
【００３６】
一方、前記燃料噴射手段は、前記２つの空間の各空間にそれぞれ臨み、同各空間を構成するための面に向けてそれぞれ独立に燃料を噴射する２つの燃料噴射弁を備え、
前記燃料噴射制御手段は、前記内燃機関の運転状態に応じて前記２つの空間内にそれぞれ形成される混合ガスに含まれる燃料の量を制御するように、前記２つの燃料噴射弁のそれぞれから所定量の燃料を噴射させることが好適である。
【００３７】
これによれば、各燃料噴射弁から噴射された燃料の略全部が、同燃料噴射弁が臨む空間にそれぞれ滞留させられる。これにより、２つの空間内の混合ガスのそれぞれに含まれる燃料の量を制御することができるとともに、燃料を噴射させるタイミングを変更することができる。その結果、例えば、高回転運転領域においては、より早く高温状態となる第１空間内の混合ガスに同混合ガスが自着火されるために必要な量の燃料を含ませることができるとともに、同燃料を早期に噴射することにより噴射された燃料が十分に気化されるために必要な時間を確保することができる。この結果、第１空間において、混合ガスを確実に自着火させることができる。
【００３８】
また、本発明による内燃機関は、シリンダボアが形成されたシリンダブロックと、前記シリンダブロックの上部に配置されたシリンダヘッドと、前記シリンダボア内において往復動するピストンと、少なくとも前記シリンダボアの壁面と前記シリンダヘッドの下面と前記ピストンの頂面とにより構成される燃焼室内に供給される燃料を噴射する燃料噴射手段と、前記燃焼室に臨むように前記シリンダヘッドに配置され火花を発生する点火プラグと、を備える。
【００３９】
本発明による内燃機関は、一部の運転領域において前記燃焼室内に空気及び燃料を含む混合ガスを形成し同混合ガスを前記点火プラグが発生する火花により点火して燃焼させる火花点火方式による運転を行い、他の運転領域において同燃焼室内に空気と燃料と燃焼ガスとを含む混合ガスを形成し同混合ガスを圧縮することにより自着火させて燃焼させる予混合圧縮自着火方式による運転を行う。
【００４０】
前記燃焼室は、前記ピストンが所定位置より上死点位置側にあるとき互いに独立した第１空間及び第２空間からなる２つの空間に分割され、且つ、同ピストンが上死点位置にあるときの同第１空間の容積に対する同ピストンが同所定位置にあるときの同第１空間の容積の比である第１空間容積比が、同ピストンが上死点位置にあるときの同第２空間の容積に対する同ピストンが同所定位置にあるときの同第２空間の容積の比である第２空間容積比より大きくなるように構成される。
【００４１】
本発明による内燃機関は、運転方式選択手段と、燃料噴射制御手段と、切換時燃料噴射補正手段と、を備える。
運転方式選択手段は、前記内燃機関の運転状態に応じて前記予混合圧縮自着火方式及び前記火花点火方式のうちの一方の運転方式を選択する。
【００４２】
燃料噴射制御手段は、前記内燃機関に対して要求される負荷と、前記選択された運転方式と、に基づいて前記燃料噴射手段により噴射される燃料の量である噴射燃料量及び同燃料噴射手段により燃料を噴射させるタイミングである燃料噴射タイミングを決定し、同決定された噴射燃料量及び燃料噴射タイミングに基づいて同燃料噴射手段により燃料を噴射させる。
【００４３】
切換時燃料噴射補正手段は、前記火花点火方式から前記予混合圧縮自着火方式に運転方式を切り換えるとき、同運転方式切り換え直後の最初の燃焼サイクルにおける前記第１空間内の混合ガスに含まれる燃料の量に対する前記第２空間内の混合ガスに含まれる燃料の量の比である空間燃料比を、同燃焼サイクルにおける噴射燃料量及び燃料噴射タイミングが前記燃料噴射制御手段により決定される時点にて前記内燃機関に対して要求されている負荷と同一の負荷下において同予混合圧縮自着火方式による運転が定常的に行われている時点の同空間燃料比より大きくするように、前記決定された噴射燃料量及び燃料噴射タイミングを補正する。
【００４４】
自着火運転時においては、混合ガスの温度を高めて着火性を良好とするために、燃焼室内に多量の燃焼ガスが導入される。ところで、火花点火方式による運転（火花点火運転）時における混合ガスの空燃比は、自着火運転時における同空燃比より小さい空燃比（例えば、理論空燃比）である。従って、火花点火運転時において燃焼により生成される燃焼ガスの温度は自着火運転時における同燃焼ガスの温度より高い。
【００４５】
このため、火花点火方式から予混合圧縮自着火方式に運転方式を切り換えると、切り換えた直後の最初の燃焼サイクルにおいて燃焼ガスを導入した混合ガスの温度は、定常的に自着火運転を行っている場合より高くなる。その結果、より早く高温状態となる第１空間内の混合ガスが過早に自着火される恐れがある。
【００４６】
これに対し、上記構成によれば、燃焼サイクルが火花点火方式から予混合圧縮自着火方式に運転方式を切り換えた直後の最初の燃焼サイクルであるとき、第１空間内の混合ガスに含まれる燃料の量に対する前記第２空間内の混合ガスに含まれる燃料の量の比である空間燃料比が、定常的に自着火運転を行う場合より大きくなるように、燃料が噴射される。これにより、より早く高温状態となる第１空間内の混合ガスに、定常的に自着火運転を行う場合より少ない量の燃料が含まれる。この結果、第１空間における燃料の空間的分布密度が低くなるので、同第１空間内の混合ガスが過早に自着火されることを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４７】
（第１実施形態）
以下、本発明による内燃機関の各実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、第１実施形態に係る内燃機関１０の概略構成を示している。この内燃機関１０は、４サイクル予混合圧縮自着火方式と４サイクル火花点火方式とを切り換えて運転することが可能な多気筒（４気筒）内燃機関である。なお、図１は、特定気筒の断面のみを示しているが、他の気筒も同様な構成を備えている。
【００４８】
内燃機関１０は、シリンダブロック、シリンダブロックロワーケース及びオイルパン等を含むシリンダブロック部２０と、シリンダブロック部２０の上に固定されるシリンダヘッド部３０と、シリンダブロック部２０に空気を供給するための吸気系統４０と、シリンダブロック部２０からの排ガスを外部に放出するための排気系統５０とを含んでいる。
【００４９】
シリンダブロック部２０は、中心軸を有する中空円筒状のシリンダ（シリンダボア）２１、略円柱状のピストン２２、コンロッド２３及びクランク軸２４を含んでいる。ピストン２２はシリンダ２１内を往復動し、ピストン２２の往復動がコンロッド２３を介してクランク軸２４に伝達され、これにより同クランク軸２４が回転するようになっている。シリンダ２１のボア壁面（シリンダボアの壁面）とピストン２２の頂面（ピストンヘッド）及びシリンダヘッド部３０の下面は、燃焼室２５を形成している。
【００５０】
ピストン２２の頂面は、図１及び図２に示したように、ピストン２２の基準位置（例えば、クランクピン位置又は下端部）から同ピストン２２の頂面までのシリンダ２１の中心軸線方向の距離が長いピストン高部上面２２ａと、同距離が短いピストン低部上面２２ｂと、からなっている。
【００５１】
ピストン高部上面２２ａは、正面視において、ピストン２２の頂面が形成する円を２等分することにより得られる２つの半円の一方に一致するようになっている。ピストン低部上面２２ｂは、正面視において同２つの半円の他方に一致するようになっている。ピストン高部上面２２ａと、ピストン低部上面２２ｂと、の間には、シリンダ２１の中心軸線に直交する平面に直交する平面であって同中心軸線を含む平面を構成するピストン頂部縦壁面２２ｃが形成されている。
【００５２】
ピストン２２の側面及びピストン頂部縦壁面２２ｃには、ピストン高部上面２２ａ近傍の位置にてピストン高部用リング溝が形成されている。このピストン高部用リング溝には、ピストン高部用リング２２ａ１が装着されている。ピストン高部用リング２２ａ１は、炭素を主成分とする樹脂からなっている。ピストン高部用リング２２ａ１は、後述するように、燃焼室２５が２つの空間に分割されている期間において、各空間の気密性を高めるようになっている。更に、ピストン高部用リング２２ａ１は、同期間において、ピストン２２の中心軸がシリンダ２１の中心軸に対して傾斜すること（ピストン２２の首振り）を防止するようになっている。
【００５３】
更に、ピストン２２の側面には、ピストン低部上面２２ｂと、ピストン２２の下端部と、の間のピストン低部上面２２ｂ近傍の位置にて３つのリング溝が形成されている。これらのリング溝には、それぞれピストンリング２２ｄが装着されている。
【００５４】
ピストンリング２２ｄは、鋼又は鋳鉄からなっている。ピストンリング２２ｄは、燃焼室２５の気密性を高めるとともに、シリンダ２１のボア壁面に形成された余分な油膜を下方へかき落とすようになっている。
【００５５】
再び図１を参照しながら説明を続けると、シリンダヘッド部３０は、燃焼室２５に連通した吸気ポート３１、吸気ポート３１を開閉する吸気弁３２、吸気弁３２を駆動する吸気弁駆動手段としての吸気弁駆動機構３２ａ、燃焼室２５に連通した排気ポート３３、排気ポート３３を開閉する排気弁３４、排気弁３４を駆動する排気弁駆動手段としての排気弁駆動機構３４ａ、第１点火プラグ３５ａ、第２点火プラグ３５ｂ、第１点火プラグ３５ａ及び第２点火プラグ３５ｂに与える高電圧を発生させるイグニッションコイルを含むイグナイタ３６及び燃料を燃焼室２５内に直接噴射する燃料噴射弁（燃料噴射手段）３７を備えている。吸気弁駆動機構３２ａ及び排気弁駆動機構３４ａは、駆動回路３８に接続されている。
【００５６】
シリンダヘッド部３０の下面は、図１及び図２に示したように、ピストン２２の基準位置から同シリンダヘッド部３０の下面までのシリンダ２１の中心軸線方向の距離が長いシリンダヘッド高部下面３０ａと、同距離が短いシリンダヘッド低部下面３０ｂと、からなっている。
【００５７】
シリンダヘッド高部下面３０ａは、正面視において、シリンダ２１の中心軸線に直交する面による同シリンダ２１の断面が形成する円をピストン頂部縦壁面２２ｃが含まれる平面により２等分することにより得られる２つの半円のうちのピストン高部上面２２ａに対向する一方に一致するようになっている。シリンダヘッド低部下面３０ｂは、正面視において同２つの半円の他方に一致するようになっている。
【００５８】
シリンダヘッド低部下面３０ｂは、クランク軸２４の回転角度（クランク角）がＢＴＤＣ９０°であるときにピストン高部上面２２ａが構成する平面内に存在する平面を構成するように形成されている。ＢＴＤＣは、上死点（ＴＤＣ）を原点としクランク軸２４の回転方向と逆方向を正にとったクランク角である。なお、本明細書においては、クランク角がＢＴＤＣ９０°であるときのピストン２２の位置を、燃焼室分割ピストン位置と称呼する。
【００５９】
シリンダヘッド高部下面３０ａは、同シリンダヘッド高部下面３０ａとシリンダヘッド低部下面３０ｂとの間の距離Ｌ１が、ピストン高部上面２２ａとピストン低部上面２２ｂとの間の距離Ｌ２より小さくなるように形成されている。
【００６０】
シリンダヘッド高部下面３０ａと、シリンダヘッド低部下面３０ｂと、の間には、ピストン頂部縦壁面２２ｃと平行な平面であって、シリンダ２１の中心軸線を含む平面を構成するシリンダヘッド縦壁面３０ｃが形成されている。
【００６１】
ここで、クランク角の変化（ピストン２２の移動）に対する燃焼室２５（シリンダ２１のボア壁面とピストン２２の頂面とシリンダヘッド部３０の下面とにより構成される空間）の変化について図３を参照しながら説明を加える。
【００６２】
クランク角がＢＴＤＣ１８０°であるとき（ピストン２２が下死点位置ＢＤＣにあるとき）、図３の（Ａ）に示したように、シリンダ２１のボア壁面、ピストン高部上面２２ａ、ピストン低部上面２２ｂ、ピストン頂部縦壁面２２ｃ、シリンダヘッド高部下面３０ａ、シリンダヘッド低部下面３０ｂ及びシリンダヘッド縦壁面３０ｃ、により、１つの独立した空間としての燃焼室２５が構成される。
【００６３】
一方、クランク角がＢＴＤＣ９０°であるとき（ピストン２２が上記燃焼室分割ピストン位置にあるとき）、図３の（Ｂ）に示したように、シリンダ２１のボア壁面と、ピストン高部上面２２ａと、シリンダヘッド高部下面３０ａと、シリンダヘッド縦壁面３０ｃと、により、１つの独立した空間としての高部燃焼室２５ａ（第１空間）が構成される。更に、シリンダ２１のボア壁面と、ピストン低部上面２２ｂと、シリンダヘッド低部下面３０ｂと、ピストン頂部縦壁面２２ｃと、により、１つの独立した空間としての低部燃焼室２５ｂ（第２空間）が構成される。
【００６４】
このように、ピストン２２が、所定位置である燃焼室分割ピストン位置より上死点位置側（シリンダヘッド部３０側）にあるとき、ピストン頂部縦壁面２２ｃと、シリンダヘッド縦壁面３０ｃと、が互いに対向することにより、互いに独立した２つの空間としての高部燃焼室２５ａ（第１空間）及び低部燃焼室２５ｂ（第２空間）が構成される。
【００６５】
ところで、ピストン２２が燃焼室分割ピストン位置にあるときの高部燃焼室２５ａの容積VH0及び低部燃焼室２５ｂの容積VL0は、燃焼室２５が２つの空間に分割された状態において、それぞれの空間における最大の容積である。
【００６６】
更に、クランク角がＢＴＤＣ０°であるとき（ピストン２２が上死点位置ＴＤＣにあるとき）、図３の（Ｃ）に示したように、高部燃焼室２５ａの容積VH1及び低部燃焼室２５ｂの容積VL1は、それぞれの空間における最小の容積となる。
【００６７】
上述した構成により、この例においては、ピストン２２が上死点位置にあるときの高部燃焼室２５ａの容積VH1に対する同ピストン２２が燃焼室分割ピストン位置にあるときの同高部燃焼室２５ａの容積VH0の比である高部燃焼室容積比（第１空間容積比）VH0／VH1は、同ピストン２２が上死点位置にあるときの低部燃焼室２５ｂの容積VL1に対する同ピストン２２が同燃焼室分割ピストン位置にあるときの同低部燃焼室２５ｂの容積VL0の比である低部燃焼室容積比（第２空間容積比）VL0／VL1より大きい。
【００６８】
従って、ピストン２２が燃焼室分割ピストン位置から上死点位置まで移動することにより燃焼室２５内の混合ガスが圧縮される場合、高部燃焼室２５ａにおける混合ガスは、低部燃焼室２５ｂにおける混合ガスより大きく圧縮され、より高い温度となる。
【００６９】
吸気ポート３１は、シリンダヘッド部３０の下面を燃焼室２５側から見た図４に示したように、シリンダヘッド低部下面３０ｂ内の２箇所に開口するように形成されている。従って、シリンダヘッド部３０には２個の吸気弁３２が備えられている。各吸気弁３２は、各吸気ポート３１の開口を開閉するようになっている。吸気ポート３１は、その開口が吸気弁３２により開かれたとき燃焼室２５（燃焼室２５が２つの空間に分割されている期間においては、低部燃焼室２５ｂ）と連通し、その開口が吸気弁３２により閉じられたとき燃焼室２５と遮断せしめられるようになっている。
【００７０】
排気ポート３３は、シリンダヘッド高部下面３０ａ内の２箇所に開口するように形成されている。従って、シリンダヘッド部３０には２個の排気弁３４が備えられている。各排気弁３４は、各排気ポート３３の開口を開閉するようになっている。排気ポート３３は、その開口が排気弁３４により開かれたとき燃焼室２５（燃焼室２５が２つの空間に分割されている期間においては、高部燃焼室２５ａ）と連通し、その開口が排気弁３４により閉じられたとき燃焼室２５と遮断せしめられるようになっている。
【００７１】
第１点火プラグ３５ａは、２つの排気ポート３３（従って、２つの排気弁３４）の間の位置にてシリンダヘッド部３０に配設されている。第２点火プラグ３５ｂは、２つの吸気ポート３１（従って、２つの吸気弁３２）の間の位置にてシリンダヘッド部３０に配設されている。第１点火プラグ３５ａ及び第２点火プラグ３５ｂは、それぞれ点火用火花を発生する先端部を備え、同先端部がそれぞれ燃焼室２５に露呈するようになっている。
【００７２】
燃料噴射弁３７は、図１、図２及び図４に示したように、燃焼室２５のシリンダヘッド低部下面３０ｂ側の側壁面であって、シリンダヘッド縦壁面３０ｃが構成する平面に直交し、且つ、シリンダ２１の中心軸線を通過する直線上の位置に配設されている。燃料噴射弁３７は、燃焼室２５の略中央に向けて燃料を噴射するようになっている。燃料噴射弁３７には、図示しない燃料圧力調整手段及び燃料ポンプにより図示しない燃料タンク内の燃料が供給されるようになっている。
【００７３】
このような構成により、燃料噴射弁３７から燃料を噴射させたとき、ピストン２２の位置が上死点位置側にあると、噴射された燃料は、ピストン頂部縦壁面２２ｃにより遮られピストン高部上面２２ａの上方の空間に到達しにくくなる。換言すると、燃料を噴射させるタイミング（燃料噴射タイミング）におけるピストン２２の位置が下死点位置側にあるほど、ピストン高部上面２２ａの上方の空間に到達する燃料の量が多くなる。
【００７４】
再び図１を参照しながら説明を続けると、吸気系統４０は、吸気ポート３１に連通したインテークマニホールド４１、インテークマニホールド４１に連通したサージタンク４２、サージタンク４２に一端が接続されインテークマニホールド４１及びサージタンク４２とともに吸気通路を形成する吸気ダクト４３、吸気ダクト４３の他端部から下流（サージタンク４２）に向けて順に吸気ダクト４３に配設されたエアフィルタ４４、過給機９１のコンプレッサ９１ａ、インタークーラ４５及びスロットル弁４６を備えている。
【００７５】
インタークーラ４５は水冷式であって、吸気ダクト４３を通過する空気を冷却するようになっている。インタークーラ４５は、図示しないラジエタ及び循環ポンプによりインタークーラ４５内の冷却水の熱を大気中に放出するようになっている。
【００７６】
スロットル弁４６は吸気ダクト４３に回転可能に支持され、スロットル弁アクチュエータ４６ａにより駆動されることにより吸気通路の開口断面積を可変とするようになっている。
【００７７】
排気系統５０は、排気ポート３３に連通し同排気ポート３３とともに排気通路を形成するエキゾーストマニホールドを含む排気管５１、排気管５１内に配設された過給機９１のタービン９１ｂ及びタービン９１ｂの下流の排気管５１に配設された触媒装置５２を備えている。
【００７８】
このような配置により、過給機９１のタービン９１ｂは排ガスのエネルギーにより回転する。更に、タービン９１ｂは、シャフトを介して吸気系統４０のコンプレッサ９１ａと連結されている。これにより、吸気系統４０のコンプレッサ９１ａがタービン９１ｂと一体となって回転して吸気通路内の空気を圧縮する。即ち、過給機９１は、排ガスのエネルギーを利用して内燃機関１０に空気を過給するようになっている。
【００７９】
一方、このシステムは、電気制御装置７０を備えている。電気制御装置７０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及びインターフェース等（いずれも図示省略）を含むマイクロコンピュータである。電気制御装置７０には、クランク軸２４の回転速度からエンジン回転速度ＮＥを検出するクランクポジションセンサ６１と、図示しないアクセルペダルの操作量Accpを検出するアクセル開度センサ６２と、が接続されている。電気制御装置７０は、これらのセンサから各検出信号を入力するようになっている。更に、電気制御装置７０は、各気筒のイグナイタ３６、燃料噴射弁３７、駆動回路３８及びスロットル弁アクチュエータ４６ａと接続されている。電気制御装置７０は、これらに駆動信号を送出するようになっている。
【００８０】
この内燃機関１０は、図５に示したように、燃料噴射制御手段を含む自着火運転実行手段Ｆ１、燃料噴射制御手段を含む火花点火運転実行手段Ｆ２及び運転方式選択手段を含む運転切換え手段Ｇ１等の手段を含んでいる。これらの手段の機能は、電気制御装置７０のＣＰＵが所定のプログラムを実行することにより達成される。従って、以下、ＣＰＵによる各種の動作を上記各手段が行うものとして説明する。
【００８１】
運転切換え手段Ｇ１は、図６に示した運転領域マップを電気制御装置７０のＲＯＭに記憶している。運転領域マップは、内燃機関１０の負荷及びエンジン回転速度（回転速度）ＮＥと、運転方式と、の関係を規定するマップである。
【００８２】
この運転領域マップにおいては、運転方式として予混合圧縮自着火方式と、火花点火方式と、が指定されている。この運転領域マップにおいては、予混合圧縮自着火方式が指定されている運転領域である自着火運転領域Ａは、全運転領域のうちの所定の極高負荷閾値より小さい負荷の領域、且つ、所定の極高回転速度閾値より小さい回転速度の領域である。更に、この運転領域マップにおいては、火花点火方式が指定されている運転領域である火花点火運転領域Ｂは、自着火運転領域Ａよりも高負荷側の領域又は高回転速度側の領域である。
【００８３】
更に、自着火運転領域Ａは、高負荷自着火運転領域Ａ１と、中負荷自着火運転領域Ａ２と、軽負荷自着火運転領域Ａ３と、高回転自着火運転領域Ａ４と、低回転自着火運転領域Ａ５と、からなっている。
【００８４】
高負荷自着火運転領域Ａ１は、自着火運転領域Ａのうちの所定の高負荷閾値以上の負荷である高負荷の領域（高負荷運転領域）である。中負荷自着火運転領域Ａ２は、自着火運転領域Ａのうちの上記高負荷閾値より小さく、且つ、同高負荷閾値より小さい所定の軽負荷閾値以上の負荷である中負荷の領域（中負荷運転領域）の一部であって、所定の高回転速度閾値より小さく、且つ、同高回転速度閾値より小さい所定の低回転速度閾値以上の回転速度である中回転速度の領域（中回転運転領域）である。
【００８５】
軽負荷自着火運転領域Ａ３は、上記軽負荷閾値より小さい負荷である軽負荷の領域（軽負荷運転領域）である。高回転自着火運転領域Ａ４は、上記中負荷運転領域のうちの上記高回転速度閾値以上の回転速度である高回転速度の領域（高回転運転領域）である。低回転自着火運転領域Ａ５は、上記中負荷運転領域のうちの上記低回転速度閾値より小さい回転速度である低回転速度の領域（低回転運転領域）である。
【００８６】
運転切換え手段Ｇ１は、上記運転領域マップと、内燃機関１０の負荷及びエンジン回転速度ＮＥと、に基づいて運転方式を決定し、同決定された運転方式により運転を行う。内燃機関１０の負荷は、アクセルペダルの操作量Accpとエンジン回転速度ＮＥとに基づいて決定される要求トルクTqtgtであってもよく、単にアクセルペダルの操作量Accpであってもよい。
【００８７】
（内燃機関１０が上記高負荷自着火運転領域Ａ１にて運転されるとき）
内燃機関１０が上記高負荷自着火運転領域Ａ１にて運転されるとき（高負荷自着火運転時）、運転切換え手段Ｇ１は運転領域マップに従って自着火運転実行手段Ｆ１を選択する。これにより、内燃機関１０は自着火運転実行手段Ｆ１によって運転される。
【００８８】
自着火運転実行手段Ｆ１は、燃焼室２５（高部燃焼室２５ａ及び低部燃焼室２５ｂ）において、同燃焼室２５に導入された空気と燃料噴射弁３７から噴射された燃料と燃焼ガスとを含む混合ガスを形成しながら同混合ガスを圧縮することにより同混合ガスを自着火させて燃焼させる。より具体的に述べると、自着火運転実行手段Ｆ１は、図７に示したように、吸気弁駆動機構３２ａ、排気弁駆動機構３４ａ及び燃料噴射弁３７をそれぞれ作動させて内燃機関１０の運転を行う。
【００８９】
先ず、自着火運転実行手段Ｆ１は、排気弁駆動機構３４ａを駆動させることにより、内燃機関１０の負荷に応じた自着火用排気弁開弁タイミングＥＯにて排気弁３４を開弁させる（（１）を参照。）。これにより、前回の燃焼サイクルにおける燃焼により生成された燃焼ガスの排気が開始する。次いで、自着火運転実行手段Ｆ１は、排気弁駆動機構３４ａを駆動させることにより、内燃機関１０の負荷に応じた自着火用排気弁閉弁タイミングＥＣにて排気弁３４を閉弁させる（（２）を参照。）。これにより、排気が終了する。
【００９０】
その後、自着火運転実行手段Ｆ１は、吸気弁駆動機構３２ａを駆動させることにより、内燃機関１０の負荷に応じた自着火用吸気弁開弁タイミングＩＯにて吸気弁３２を開弁させる（（３）を参照。）。これにより、吸気が開始する。このように、排気が終了した時点から吸気が開始する時点までの期間である負のオーバーラップ期間が設けられている。この結果、燃焼室２５内に燃焼ガスが残留する。残留した燃焼ガスは、吸気弁３２の近傍より排気弁３４の近傍に多く存在する。
【００９１】
次に、自着火運転実行手段Ｆ１は、吸気弁駆動機構３２ａを駆動させることにより、内燃機関１０の負荷に応じた自着火用吸気弁閉弁タイミングＩＣにて吸気弁３２を閉弁させる（（４）を参照。）。これにより、吸気が終了するとともに空気と燃焼ガスとからなるガスの圧縮が開始する。
【００９２】
そして、自着火運転実行手段Ｆ１は、燃料噴射弁３７を開弁させることにより、クランク角がＢＴＤＣ１３５°となるタイミング（図７のＡ１が付された一点破線により示されたタイミング）θinjにて燃料を噴射させる（（５）を参照。）。このとき噴射される燃料の量は、燃焼室２５内の混合ガスの空燃比を極めてリーンな空燃比（超希薄空燃比）とするように、内燃機関１０の負荷とエンジン回転速度ＮＥとに基づいて定まる量である。
【００９３】
この時点では、ピストン頂部縦壁面２２ｃの上端部と、シリンダヘッド縦壁面３０ｃの下端部と、の間の距離は、かなり小さくなっている。従って、噴射された燃料の略半分は、図８の（Ａ）に示したように、ピストン頂部縦壁面２２ｃに遮られることによりピストン低部上面２２ｂの上方の空間に滞留する。一方、噴射された燃料の残りの略半分は、ピストン高部上面２２ａの上方の空間に到達する。
【００９４】
その後、図８の（Ｂ）に示したように、クランク角がＢＴＤＣ９０°となる（ピストン２２の位置が燃焼室分割ピストン位置となる）タイミングにて、燃焼室２５は高部燃焼室２５ａ及び低部燃焼室２５ｂからなる２つの空間に分割される。これにより、略等しい燃料の空間的分布密度を有する混合ガスが、高部燃焼室２５ａ及び低部燃焼室２５ｂにおいてそれぞれ形成される。また、排気弁３４が臨む高部燃焼室２５ａにおいては、低部燃焼室２５ｂより多くの燃焼ガスを含む混合ガスが形成される。
【００９５】
そして、ピストン２２が上死点位置に近づくと、より多くの燃焼ガスを含むとともにより大きく圧縮される高部燃焼室２５ａにおける混合ガスがより早く高温状態となるので、低部燃焼室２５ｂにおける混合ガスより先に自着火される。その後、ピストン２２が更に上死点位置に近づくと、低部燃焼室２５ｂにおいて混合ガスが自着火される。
【００９６】
図９の実線により示した曲線Ｃ１は、このような運転がなされる場合におけるクランク角に対する発生熱エネルギーの変化を示している。発生熱エネルギーは、混合ガスの燃焼により単位時間あたりに発生する熱エネルギーである。この曲線Ｃ１により示されるように、発生熱エネルギーは、互いに異なる２つのクランク角にて、高部燃焼室２５ａにおける燃焼に起因するピークと、低部燃焼室２５ｂにおける燃焼に起因するピークと、をそれぞれ有するように変化する。
【００９７】
これにより、燃焼室２５を構成するピストン２２、シリンダブロック部２０及びシリンダヘッド部３０等の部材が燃焼により発生した熱エネルギーにより単位時間当たりに受ける衝撃の力の大きさは、燃焼室２５内の混合ガスが一時に（極めて短い期間内に）自着火されて燃焼する場合（図９の破線により示した曲線Ｃ２を参照。）と比べて小さくなる。この結果、高負荷運転領域において過大となりやすい同衝撃に伴って発生する騒音を低減することができる。
【００９８】
その後、自着火による燃焼に伴うガスの膨張が始まる。
このようにして、上記高負荷自着火運転領域Ａ１にて、内燃機関１０は自着火運転される。
【００９９】
（内燃機関１０が上記中負荷自着火運転領域Ａ２又は上記低回転自着火運転領域Ａ５にて運転されるとき）
一方、内燃機関１０が上記中負荷自着火運転領域Ａ２又は上記低回転自着火運転領域Ａ５にて運転されるとき（中負荷自着火運転時又は低回転自着火運転時）について説明する。このとき、内燃機関１０は上記高負荷自着火運転時と同様に、自着火運転実行手段Ｆ１により運転される。
【０１００】
中負荷自着火運転時又は低回転自着火運転時における自着火運転実行手段Ｆ１は、上記高負荷自着火運転時における自着火運転実行手段Ｆ１に対し、燃料を噴射させるタイミングを遅角させる点においてのみ相違する。従って、以下、係る相違点を中心として説明する。
【０１０１】
自着火運転実行手段Ｆ１は、吸気弁３２を閉弁させることにより、吸気が終了するとともに空気と燃焼ガスとからなるガスの圧縮が開始した後であって、クランク角がＢＴＤＣ１２０°となるタイミング（図７のＡ２，Ａ５が付された一点破線により示されたタイミング）θinjにて、燃料噴射弁３７を開弁させることにより燃料を噴射させる（（５）を参照。）。このとき噴射される燃料の量は、燃焼室２５内の混合ガスの空燃比を超希薄空燃比とするように、内燃機関１０の負荷とエンジン回転速度ＮＥとに基づいて定まる量である。
【０１０２】
この時点では、ピストン頂部縦壁面２２ｃの上端部は、シリンダヘッド縦壁面３０ｃの下端部に略到達している。従って、噴射された燃料の大部分は、図１０の（Ａ）に示したように、ピストン頂部縦壁面２２ｃに遮られることにより、ピストン低部上面２２ｂの上方の空間に滞留する。残りの少量の燃料は、ピストン高部上面２２ａの上方の空間に到達する。
【０１０３】
その後、図１０の（Ｂ）に示したように、クランク角がＢＴＤＣ９０°となる（ピストン２２の位置が燃焼室分割ピストン位置となる）タイミングにて、燃焼室２５は高部燃焼室２５ａ及び低部燃焼室２５ｂからなる２つの空間に分割される。これにより、低部燃焼室２５ｂにて、高部燃焼室２５ａ内の燃料の空間的分布密度より高い空間的分布密度の燃料を含む混合ガスが形成される。
【０１０４】
従って、中負荷自着火運転時においては、高部燃焼室２５ａ内の混合ガスに含まれる燃料の量に対する低部燃焼室２５ｂ内の混合ガスに含まれる燃料の量の比である空間燃料比が、高負荷自着火運転時における同空間燃料比より大きくなっている。
【０１０５】
そして、ピストン２２が上死点位置に極めて近づくと、先ず、高部燃焼室２５ａにおける混合ガスが自着火され、その直後に、低部燃焼室２５ｂにおいて混合ガスが自着火される。
【０１０６】
このように、中負荷自着火運転時における上記空間燃料比が高負荷自着火運転時における同空間燃料比と等しい場合と比較すると、高部燃焼室２５ａ内の混合ガスが自着火されるタイミングは遅角側に移行し、一方、低部燃焼室２５ｂ内の混合ガスが自着火されるタイミングは進角側に移行する。
【０１０７】
このようにして、過大な騒音が発生する恐れが小さい中負荷運転領域においては、高部燃焼室２５ａ内の混合ガスが自着火されるタイミングと、低部燃焼室２５ｂ内の混合ガスが自着火されるタイミングと、の着火時期間隔が、高負荷運転領域における同着火時期間隔より小さくなる。この結果、等容度を高くすることができるので、燃費を向上させることができる。
【０１０８】
また、高部燃焼室２５ａ及び低部燃焼室２５ｂのそれぞれにおける燃料の空間的分布密度が互いに等しい場合と比較すると、高部燃焼室２５ａ内の混合ガスが自着火されるタイミングは遅角側に移行する。従って、低回転運転領域においては、より早く高温状態となる高部燃焼室２５ａ内の混合ガスが過早に自着火されることを防止することができる。
【０１０９】
このようにして、上記中負荷自着火運転領域Ａ２又は上記低回転自着火運転領域Ａ５にて、内燃機関１０は自着火運転される。
【０１１０】
（内燃機関１０が上記軽負荷自着火運転領域Ａ３又は上記高回転自着火運転領域Ａ４にて運転されるとき）
一方、内燃機関１０が上記軽負荷自着火運転領域Ａ３又は上記高回転自着火運転領域Ａ４にて運転されるとき（軽負荷自着火運転時又は高回転自着火運転時）について説明する。このとき、内燃機関１０は上記高負荷自着火運転時と同様に、自着火運転実行手段Ｆ１により運転される。
【０１１１】
軽負荷自着火運転時又は高回転自着火運転時における自着火運転実行手段Ｆ１は、上記高負荷自着火運転時における自着火運転実行手段Ｆ１に対し、燃料を噴射させるタイミングを進角させる点においてのみ相違する。従って、以下、係る相違点を中心として説明する。
【０１１２】
自着火運転実行手段Ｆ１は、吸気弁３２を閉弁させることにより、吸気が終了するとともに空気と燃焼ガスとからなるガスの圧縮が開始した後であって、クランク角がＢＴＤＣ１５０°となるタイミング（図７のＡ３，Ａ４が付された一点破線により示されたタイミング）θinjにて、燃料噴射弁３７を開弁させることにより燃料を噴射させる（（５）を参照。）。このとき噴射される燃料の量は、燃焼室２５内の混合ガスの空燃比を超希薄空燃比とするように、内燃機関１０の負荷とエンジン回転速度ＮＥとに基づいて定まる量である。
【０１１３】
この時点では、ピストン頂部縦壁面２２ｃの上端部と、シリンダヘッド縦壁面３０ｃの下端部と、の間の距離は、十分に大きくなっている。従って、噴射された燃料の大部分は、図１１の（Ａ）に示したように、ピストン頂部縦壁面２２ｃに遮られることなくピストン高部上面２２ａの上方の空間に到達する。残りの少量の燃料は、ピストン低部上面２２ｂの上方の空間に滞留する。
【０１１４】
その後、図１１の（Ｂ）に示したように、クランク角がＢＴＤＣ９０°となる（ピストン２２の位置が燃焼室分割ピストン位置となる）タイミングにて、燃焼室２５は高部燃焼室２５ａ及び低部燃焼室２５ｂからなる２つの空間に分割される。これにより、高部燃焼室２５ａにて、低部燃焼室２５ｂ内の燃料の空間的分布密度より高い空間的分布密度の燃料を含む混合ガスが形成される。
【０１１５】
この場合、燃料は、比較的早期に噴射されているので、ピストン２２が上死点位置の近傍に到達するまでに十分に気化される。従って、ピストン２２が上死点位置に近づくと、より多くの燃焼ガスを含むとともにより大きく圧縮される高部燃焼室２５ａにおける混合ガスがより早く高温状態となるので、低部燃焼室２５ｂにおける混合ガスより先に自着火される。このように、失火しやすい軽負荷運転領域及び高回転運転領域において、高部燃焼室２５ａ内の混合ガスを確実に自着火させることができる。
【０１１６】
その後、低部燃焼室２５ｂにおいて混合ガスが自着火される。なお、低部燃焼室２５ｂにおいて混合ガスが自着火されない場合、ピストン２２が燃焼室分割ピストン位置より下死点位置側に移動すると、高部燃焼室２５ａにて生成された高温且つ高圧の燃焼ガスにより低部燃焼室２５ｂにて自着火されなかった混合ガスが圧縮されるとともに加熱される。これにより、低部燃焼室２５ｂにおける同混合ガスは燃焼される。
このようにして、上記軽負荷自着火運転領域Ａ３又は高回転自着火運転領域Ａ４にて、内燃機関１０は自着火運転される。
【０１１７】
（内燃機関１０が上記火花点火運転領域Ｂにて運転されるとき）
内燃機関１０が上記火花点火運転領域Ｂにて運転されるとき（火花点火運転時）、運転切換え手段Ｇ１は運転領域マップに従って火花点火運転実行手段Ｆ２を選択する。これにより、内燃機関１０は火花点火運転実行手段Ｆ２によって運転される。
【０１１８】
火花点火運転実行手段Ｆ２は、燃焼室２５（高部燃焼室２５ａ及び低部燃焼室２５ｂ）において、同燃焼室２５に導入された空気と燃料噴射弁３７から噴射された燃料とを含む混合ガスを形成しながら同混合ガスを圧縮し、同圧縮された混合ガスを火花発生手段である第１点火プラグ３５ａ及び第２点火プラグ３５ｂが発生する点火用火花によって点火して同混合ガスを火花点火燃焼させる。より具体的に述べると、火花点火運転実行手段Ｆ２は、図１２に示したように、吸気弁駆動機構３２ａ、排気弁駆動機構３４ａ、第１点火プラグ３５ａ、第２点火プラグ３５ｂ及び燃料噴射弁３７をそれぞれ作動させて内燃機関１０の運転を行う。
【０１１９】
先ず、火花点火運転実行手段Ｆ２は、排気弁駆動機構３４ａを駆動させることにより、内燃機関１０の負荷に応じた火花点火用排気弁開弁タイミングＥＯにて排気弁３４を開弁させる（（１）を参照。）。これにより、前回の燃焼サイクルにおける燃焼により生成された燃焼ガスの排気が開始する。次いで、火花点火運転実行手段Ｆ２は、排気弁駆動機構３４ａを駆動させることにより、内燃機関１０の負荷に応じた火花点火用排気弁閉弁タイミングＥＣにて排気弁３４を閉弁させる（（２）を参照。）。これにより、排気が終了する。
【０１２０】
その後、火花点火運転実行手段Ｆ２は、吸気弁駆動機構３２ａを駆動させることにより、内燃機関１０の負荷に応じた火花点火用吸気弁開弁タイミングＩＯにて吸気弁３２を開弁させる（（３）を参照。）。火花点火運転時においては、混合ガスに含ませるための燃焼ガスを自着火運転時ほど必要としないため、負のオーバーラップ期間は自着火運転時における同期間より短くなるように設定される。このため、火花点火用吸気弁開弁タイミングＩＯは、自着火用吸気弁開弁タイミングＩＯよりも進角側となるように設定される。これにより、吸気が開始する。
【０１２１】
そして、火花点火運転実行手段Ｆ２は、燃料噴射弁３７を開弁させることにより、火花点火用吸気弁開弁タイミングＩＯから後述する火花点火用吸気弁閉弁タイミングＩＣまでの吸気行程の初期及び／又は中期のタイミングθinjにて燃料を噴射させる（（４）を参照。）。このとき噴射される燃料の量は、燃焼室２５内の混合ガスの空燃比を理論空燃比とするように、内燃機関１０の負荷とエンジン回転速度ＮＥとに基づいて定まる量である。噴射された燃料は、燃焼室２５内に続いて吸入される空気の流れにより同燃焼室２５内に均質に分布する。
【０１２２】
次に、火花点火運転実行手段Ｆ２は、吸気弁駆動機構３２ａを駆動させることにより、内燃機関１０の負荷に応じた火花点火用吸気弁閉弁タイミングＩＣにて吸気弁３２を閉弁させる（（５）を参照。）。火花点火用吸気弁閉弁タイミングＩＣは、混合ガスが大きく圧縮されることにより発生しやすいノッキングを回避するため、自着火用吸気弁閉弁タイミングＩＣよりも遅角側となるように設定される。これにより、吸気が終了するとともに燃料と空気とを含む混合ガスの圧縮が開始する。
【０１２３】
次に、火花点火運転実行手段Ｆ２は、ピストン２２の位置が上死点位置の近傍の位置となる点火タイミングθigにて第１点火プラグ３５ａ及び第２点火プラグ３５ｂの先端部から点火用火花を発生させ、混合ガスを火花により点火して（火花点火により）燃焼させる（（６）を参照。）。このとき、火花点火運転実行手段Ｆ２は、点火タイミングθigを、内燃機関１０の負荷とエンジン回転速度ＮＥとに基づいて決定する。なお、第１点火プラグ３５ａによる点火タイミングと、第２点火プラグ３５ｂによる点火タイミングと、は異なるタイミングであってもよい。
【０１２４】
その後、火花点火による燃焼に伴うガスの膨張が始まる。
このようにして、上記火花点火運転領域Ｂにて、内燃機関１０は火花点火運転される。
【０１２５】
以上、説明したように、本発明による内燃機関の第１実施形態は、ピストンが燃焼室分割ピストン位置より上死点位置側にあるとき、燃焼室２５が互いに独立した高部燃焼室２５ａ及び低部燃焼室２５ｂからなる２つの空間に分割されるように構成されている。更に、第１実施形態は、ピストン２２が上死点位置にあるときの高部燃焼室２５ａの容積VH1に対する同ピストン２２が燃焼室分割ピストン位置にあるときの同高部燃焼室２５ａの容積VH0の比（第１空間容積比）VH0／VH1が、同ピストン２２が上死点位置にあるときの低部燃焼室２５ｂの容積VL1に対する同ピストン２２が同燃焼室分割ピストン位置にあるときの同低部燃焼室２５ｂの容積VL0の比（第２空間容積比）VL0／VL1より大きくなるように構成されている。
【０１２６】
これにより、２つの空間において互いに異なるタイミングにて混合ガスが自着火されて燃焼する。この結果、燃焼室２５を構成するピストン２２、シリンダブロック部２０及びシリンダヘッド部３０等の部材が燃焼により発生した熱エネルギーにより単位時間当たりに受ける衝撃の力の大きさは、燃焼室内の混合ガスが一時に（極めて短い期間内に）自着火されて燃焼する場合と比べて小さくなるので、同衝撃に伴って発生する騒音が低減される。この結果、より高い負荷運転領域において自着火運転を行うことができるので、燃費を良好にすることができるとともに、燃焼に伴って生成されるＮＯｘの量を低減することができる。
【０１２７】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る内燃機関について説明する。第２実施形態に係る内燃機関は、燃焼サイクルが火花点火方式から予混合圧縮自着火方式に運転方式を切り換えた直後の最初の燃焼サイクルであるとき、自着火運転実行手段Ｆ１が高部燃焼室２５ａ内の混合ガスに定常的に自着火運転を行う場合より少ない量の燃料を含ませるように構成されている点において第１実施形態に係る内燃機関と相違している。以下、かかる相違点を中心として説明する。
【０１２８】
上述したように運転切換え手段Ｇ１は、図６に示した運転領域マップに従って、火花点火運転実行手段Ｆ２による火花点火運転から自着火運転実行手段Ｆ１による自着火運転へ運転方式を切り換えて運転を行う。このような運転方式の切り換えが行われた直後の最初の燃焼サイクル（切換直後自着火燃焼サイクル）においては、火花点火運転における空燃比が自着火運転における空燃比より小さいので、定常的に自着火運転を行う場合より燃焼室２５内に導入される燃焼ガスの温度が高い。従って、燃焼室２５内に形成される混合ガスの温度が高くなり、特に高部燃焼室２５ａ内の混合ガスが過早に自着火される恐れがある。
【０１２９】
そこで、燃焼サイクルが切換直後自着火燃焼サイクルであるとき、自着火運転実行手段Ｆ１は、図７に示した燃料を噴射させるタイミングより遅角させて燃料を噴射させることにより、高部燃焼室２５ａにおける燃料の空間的分布密度を低くして、同高部燃焼室２５ａ内の混合ガスが過早に自着火されることを防止する。即ち、第２実施形態に係る自着火運転実行手段Ｆ１は、切換時燃料噴射補正手段を含んでいる。以下、場合を分けて具体的に説明する。
【０１３０】
（内燃機関１０の運転状態が上記火花点火運転領域Ｂから上記高負荷自着火運転領域Ａ１に移行した場合）
この場合において、燃焼サイクルが切換直後自着火燃焼サイクルであるとき、自着火運転実行手段Ｆ１は、上記高負荷自着火運転領域Ａ１にて定常的に自着火運転を行うときのクランク角がＢＴＤＣ１３５°となるタイミング（図７のＡ１が付された一点破線により示されたタイミング）に代えて、クランク角がＢＴＤＣ１２０°となるタイミング（図７のＡ２，Ａ５が付された一点破線により示されたタイミング）にて、燃料噴射弁３７を開弁させることにより燃料を噴射させる（（５）を参照。）。このとき噴射される燃料の量は、燃焼室２５内の混合ガスの空燃比を超希薄空燃比とするように、内燃機関１０の負荷とエンジン回転速度ＮＥとに基づいて定まる量である。
【０１３１】
これにより、噴射された燃料の大部分は、前述したように、ピストン低部上面２２ｂの上方の空間に滞留する（図１０の（Ａ）を参照。）。残りの少量の燃料は、ピストン高部上面２２ａの上方の空間に到達する。
【０１３２】
その後、図１０の（Ｂ）に示したように、クランク角がＢＴＤＣ９０°となる（ピストン２２の位置が燃焼室分割ピストン位置となる）タイミングにて、燃焼室２５は高部燃焼室２５ａ及び低部燃焼室２５ｂからなる２つの空間に分割される。これにより、低部燃焼室２５ｂにて、高部燃焼室２５ａ内の燃料の空間的分布密度より高い空間的分布密度の燃料を含む混合ガスが形成される。
【０１３３】
このように、高部燃焼室２５ａ内の混合ガスに含まれる燃料の量に対する低部燃焼室２５ｂ内の混合ガスに含まれる燃料の量の比である空間燃料比は、上記高負荷自着火運転領域Ａ１にて定常的に自着火運転を行う場合（図８の（Ｂ）を参照。）より大きい。即ち、より早く高温状態となる高部燃焼室２５ａ内の混合ガスに、上記高負荷自着火運転領域Ａ１にて定常的に自着火運転を行う場合より少ない量の燃料が含まれる。この結果、高部燃焼室２５ａにおける燃料の空間的分布密度が低くなるので、同高部燃焼室２５ａ内の混合ガスが過早に自着火されることを防止することができる。
【０１３４】
（内燃機関１０の運転状態が上記火花点火運転領域Ｂから上記中負荷自着火運転領域Ａ２又は上記低回転自着火運転領域Ａ５に移行した場合）
この場合において、燃焼サイクルが切換直後自着火燃焼サイクルであるとき、自着火運転実行手段Ｆ１は、上記中負荷自着火運転領域Ａ２又は上記低回転自着火運転領域Ａ５にて定常的に自着火運転を行うときのクランク角がＢＴＤＣ１２０°となるタイミング（図７のＡ２，Ａ５が付された一点破線により示されたタイミング）に代えて、クランク角がＢＴＤＣ１００°となるタイミングにて、燃料噴射弁３７を開弁させることにより燃料を噴射させる。
【０１３５】
これにより、より早く高温状態となる高部燃焼室２５ａ内の混合ガスに、上記中負荷自着火運転領域Ａ２又は上記低回転自着火運転領域Ａ５にて定常的に自着火運転を行う場合より少ない量の燃料が含まれ、その結果、高部燃焼室２５ａ内の混合ガスが同場合において自着火されるタイミングより過早のタイミングにて自着火されることを防止することができる。
【０１３６】
（内燃機関１０の運転状態が上記火花点火運転領域Ｂから上記軽負荷自着火運転領域Ａ３又は上記高回転自着火運転領域Ａ４に移行した場合）
この場合において、燃焼サイクルが切換直後自着火燃焼サイクルであるとき、自着火運転実行手段Ｆ１は、上記軽負荷自着火運転領域Ａ３又は上記高回転自着火運転領域Ａ４にて定常的に自着火運転を行うときのクランク角がＢＴＤＣ１５０°となるタイミング（図７のＡ３，Ａ４が付された一点破線により示されたタイミング）に代えて、クランク角がＢＴＤＣ１３５°となるタイミング（図７のＡ１が付された一点破線により示されたタイミング）にて、燃料噴射弁３７を開弁させることにより燃料を噴射させる。
【０１３７】
これにより、より早く高温状態となる高部燃焼室２５ａ内の混合ガスに、上記軽負荷自着火運転領域Ａ３又は上記高回転自着火運転領域Ａ４にて定常的に自着火運転を行う場合より少ない量の燃料が含まれ、その結果、高部燃焼室２５ａ内の混合ガスが同場合において自着火されるタイミングより過早のタイミングにて自着火されることを防止することができる。
【０１３８】
このように、本発明による内燃機関の第２実施形態は、燃焼サイクルが火花点火方式から予混合圧縮自着火方式に運転方式を切り換えた直後の最初の燃焼サイクルであるとき、高部燃焼室２５ａ内の混合ガスに含まれる燃料の量に対する低部燃焼室２５ｂ内の混合ガスに含まれる燃料の量の比である空間燃料比が、定常的に自着火運転を行う場合より大きくなるように、燃料を噴射する。これにより、より早く高温状態となる高部燃焼室２５ａ内の混合ガスに、定常的に自着火運転を行う場合より少ない量の燃料が含まれる。この結果、高部燃焼室２５ａにおける燃料の空間的分布密度が低くなるので、同高部燃焼室２５ａ内の混合ガスが過早に自着火されることを防止することができる。
【０１３９】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に係る内燃機関について説明する。第３実施形態に係る内燃機関は、自着火運転実行手段Ｆ１が１つの燃焼サイクルに対して２回の異なるタイミングにて燃料を噴射させるように構成されている点において第１実施形態に係る内燃機関と相違している。以下、かかる相違点を中心として説明する。
【０１４０】
内燃機関１０が上記中負荷自着火運転領域Ａ２又は上記低回転自着火運転領域Ａ５にて運転されるとき（中負荷自着火運転時又は低回転自着火運転時）、内燃機関１０は上記第１実施形態と同様に、自着火運転実行手段Ｆ１により運転される。
【０１４１】
自着火運転実行手段Ｆ１は、図１３に示したように、吸気弁３２を閉弁させることにより、吸気が終了するとともに空気と燃焼ガスとからなるガスの圧縮が開始した後であって、クランク角がＢＴＤＣ１６０°となる第１のタイミングθinj1にて、燃料噴射弁３７を開弁させることにより第１の量の燃料を噴射させる（（５）を参照。）。
【０１４２】
このとき、噴射された燃料の略全部は、図１４の（Ａ）に示したように、ピストン頂部縦壁面２２ｃに遮られることなくピストン高部上面２２ａの上方の空間に到達する。
【０１４３】
そして、自着火運転実行手段Ｆ１は、図１３に示したように、クランク角がＢＴＤＣ１００°となる第２のタイミングθinj2にて、燃料噴射弁３７を開弁させることにより第１の量より多い第２の量の燃料を噴射させる（（６）を参照。）。このとき、噴射された燃料の略全部は、図１４の（Ｂ）に示したように、ピストン頂部縦壁面２２ｃに遮られることにより、ピストン低部上面２２ｂの上方の空間に滞留する。
【０１４４】
以上、２回に分けて噴射された燃料の総量は、燃焼室２５内の混合ガスの空燃比を超希薄空燃比とするように、内燃機関１０の負荷とエンジン回転速度ＮＥとに基づいて定まる量である。
【０１４５】
その後、図１４の（Ｃ）に示したように、クランク角がＢＴＤＣ９０°となる（ピストン２２の位置が燃焼室分割ピストン位置となる）タイミングにて、燃焼室２５は高部燃焼室２５ａ及び低部燃焼室２５ｂからなる２つの空間に分割される。これにより、第１のタイミングθinj1にて噴射された燃料が、高部燃焼室２５ａ内の混合ガスに含まれるとともに、第２のタイミングθinj2にて噴射された燃料が、低部燃焼室２５ｂ内の混合ガスに含まれる。この結果、上記第１実施形態の中負荷自着火運転時又は低回転自着火運転時と同様に、低部燃焼室２５ｂにて、高部燃焼室２５ａ内の燃料の空間的分布密度より高い空間的分布密度の燃料を含む混合ガスを形成することができる。
【０１４６】
一方、内燃機関１０が上記軽負荷自着火運転領域Ａ３又は上記高回転自着火運転領域Ａ４にて運転されるとき（軽負荷自着火運転時又は高回転自着火運転時）、自着火運転実行手段Ｆ１は、クランク角がＢＴＤＣ１６０°となる第１のタイミングθinj1にて、燃料噴射弁３７を開弁させることにより第１の量の燃料を噴射させるとともに、クランク角がＢＴＤＣ１００°となる第２のタイミングθinj2にて、燃料噴射弁３７を開弁させることにより第１の量より少ない第２の量の燃料を噴射させる。このとき、２回に分けて噴射された燃料の総量は、燃焼室２５内の混合ガスの空燃比を超希薄空燃比とするように、内燃機関１０の負荷とエンジン回転速度ＮＥとに基づいて定まる量である。
【０１４７】
その後、クランク角がＢＴＤＣ９０°となる（ピストン２２の位置が燃焼室分割ピストン位置となる）タイミングにて、燃焼室２５は高部燃焼室２５ａ及び低部燃焼室２５ｂからなる２つの空間に分割される。これにより、第１のタイミングθinj1にて噴射された燃料が、高部燃焼室２５ａ内の混合ガスに含まれるとともに、第２のタイミングθinj2にて噴射された燃料が、低部燃焼室２５ｂ内の混合ガスに含まれる。この結果、上記第１実施形態の軽負荷自着火運転時又は高回転自着火運転時と同様に、高部燃焼室２５ａにて、低部燃焼室２５ｂ内の燃料の空間的分布密度より高い空間的分布密度の燃料を含む混合ガスを形成することができる。
【０１４８】
また、内燃機関１０が上記高負荷自着火運転領域Ａ１にて運転されるとき（高負荷自着火運転時）、自着火運転実行手段Ｆ１は、クランク角がＢＴＤＣ１６０°となる第１のタイミングθinj1にて、燃料噴射弁３７を開弁させることにより第１の量の燃料を噴射させるとともに、クランク角がＢＴＤＣ１００°となる第２のタイミングθinj2にて、燃料噴射弁３７を開弁させることにより第１の量と略等しい第２の量の燃料を噴射させる。このとき、２回に分けて噴射された燃料の総量は、燃焼室２５内の混合ガスの空燃比を超希薄空燃比とするように、内燃機関１０の負荷とエンジン回転速度ＮＥとに基づいて定まる量である。
【０１４９】
その後、クランク角がＢＴＤＣ９０°となる（ピストン２２の位置が燃焼室分割ピストン位置となる）タイミングにて、燃焼室２５は高部燃焼室２５ａ及び低部燃焼室２５ｂからなる２つの空間に分割される。これにより、第１のタイミングθinj1にて噴射された燃料が、高部燃焼室２５ａ内の混合ガスに含まれるとともに、第２のタイミングθinj2にて噴射された燃料が、低部燃焼室２５ｂ内の混合ガスに含まれる。この結果、上記第１実施形態の高負荷自着火運転時と同様に、略等しい燃料の空間的分布密度を有する混合ガスを、高部燃焼室２５ａ及び低部燃焼室２５ｂにおいてそれぞれ形成することができる。
【０１５０】
このように、本発明による内燃機関の第３実施形態は、１つの燃焼サイクルに対して２回の異なるタイミングにて、燃料噴射弁３７から燃料を噴射させる。これにより、内燃機関の運転状態に応じて２つの空間にてそれぞれ形成される混合ガスに含まれる燃料の量が制御される。この結果、各空間内の混合ガスが自着火されるタイミングを適切に制御することができる。
【０１５１】
なお、上記第３実施形態においては、１つの燃焼サイクルに対して２回の異なるタイミングにて燃料噴射弁３７から燃料を噴射させていたが、３回以上の複数回の異なるタイミングにて燃料を噴射させてもよい。
【０１５２】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態に係る内燃機関について説明する。第４実施形態に係る内燃機関は、燃料噴射手段として、分割された燃焼室の２つの空間のそれぞれに臨む２つの燃料噴射弁を備える点において第１実施形態に係る内燃機関と相違している。以下、かかる相違点を中心として説明する。
【０１５３】
この内燃機関は、図１５に示したように、燃料噴射弁３７に代わる燃料噴射手段としての第１燃料噴射弁８１ａ及び第２燃料噴射弁８１ｂを備えている。
【０１５４】
第１燃料噴射弁８１ａは、燃焼室２５のシリンダヘッド高部下面３０ａ側の側壁面であって、シリンダヘッド縦壁面３０ｃが構成する平面に直交し、且つ、シリンダ２１の中心軸線を通過する直線上の位置に配設されている。第１燃料噴射弁８１ａは、高部燃焼室２５ａを構成するための面であるシリンダヘッド縦壁面３０ｃに向けて燃料を噴射するようになっている。
【０１５５】
第２燃料噴射弁８１ｂは、シリンダヘッド低部下面３０ｂであって、シリンダヘッド縦壁面３０ｃが構成する平面に直交し、且つ、シリンダ２１の中心軸線を通過する直線上のシリンダ２１のボア壁面側の位置に配設されている。第２燃料噴射弁８１ｂは、低部燃焼室２５ｂを構成するための面であるピストン低部上面２２ｂに向けて燃料を噴射するようになっている。
【０１５６】
第１燃料噴射弁８１ａ及び第２燃料噴射弁８１ｂには、図示しない燃料圧力調整手段及び燃料ポンプにより図示しない燃料タンク内の燃料がそれぞれ供給されるようになっている。
【０１５７】
このような構成により、第１燃料噴射弁８１ａから噴射される燃料は、ピストン高部上面２２ａの上方の空間に滞留させられ、一方、第２燃料噴射弁８１ｂから噴射される燃料は、ピストン低部上面２２ｂの上方の空間に滞留させられる。
【０１５８】
内燃機関１０が上記軽負荷自着火運転領域Ａ３又は上記高回転自着火運転領域Ａ４にて運転されるとき（軽負荷自着火運転時又は高回転自着火運転時）、自着火運転実行手段Ｆ１は、図１５の（Ａ）に示したように、クランク角がＢＴＤＣ１６０°となるタイミングθinjにて、第１燃料噴射弁８１ａ及び第２燃料噴射弁８１ｂをそれぞれ開弁させることにより、第１燃料噴射弁８１ａから第１の量の燃料を噴射させるとともに、第２燃料噴射弁８１ｂから第１の量より少ない第２の量の燃料を噴射させる。このとき、第１燃料噴射弁８１ａ及び第２燃料噴射弁８１ｂからそれぞれ噴射された燃料の総量は、燃焼室２５内の混合ガスの空燃比を超希薄空燃比とするように、内燃機関１０の負荷とエンジン回転速度ＮＥとに基づいて定まる量である。
【０１５９】
その後、図１５の（Ｂ）に示したように、クランク角がＢＴＤＣ９０°となる（ピストン２２の位置が燃焼室分割ピストン位置となる）タイミングにて、燃焼室２５は高部燃焼室２５ａ及び低部燃焼室２５ｂからなる２つの空間に分割される。これにより、第１燃料噴射弁８１ａから噴射された燃料が、高部燃焼室２５ａ内の混合ガスに含まれるとともに、第２燃料噴射弁８１ｂから噴射された燃料が、低部燃焼室２５ｂ内の混合ガスに含まれる。
【０１６０】
この結果、上記第１実施形態の軽負荷自着火運転時又は高回転自着火運転時と同様に、高部燃焼室２５ａにて、低部燃焼室２５ｂ内の燃料の空間的分布密度より高い空間的分布密度の燃料を含む混合ガスを形成することができる。更に、クランク角がＢＴＤＣ１６０°となる十分に早いタイミングにて燃料を噴射しているので、噴射された燃料を十分に気化させることができる。これらにより、高部燃焼室２５ａ内の混合ガスを一層確実に自着火させることができる。
【０１６１】
一方、内燃機関１０が上記中負荷自着火運転領域Ａ２又は上記低回転自着火運転領域Ａ５にて運転されるとき（中負荷自着火運転時又は低回転自着火運転時）、自着火運転実行手段Ｆ１は、クランク角がＢＴＤＣ１６０°となるタイミングθinjにて、第１燃料噴射弁８１ａ及び第２燃料噴射弁８１ｂをそれぞれ開弁させることにより、第１燃料噴射弁８１ａから第１の量の燃料を噴射させるとともに、第２燃料噴射弁８１ｂから第１の量より多い第２の量の燃料を噴射させる。このとき、第１燃料噴射弁８１ａ及び第２燃料噴射弁８１ｂからそれぞれ噴射された燃料の総量は、燃焼室２５内の混合ガスの空燃比を超希薄空燃比とするように、内燃機関１０の負荷とエンジン回転速度ＮＥとに基づいて定まる量である。
【０１６２】
その後、クランク角がＢＴＤＣ９０°となる（ピストン２２の位置が燃焼室分割ピストン位置となる）タイミングにて、燃焼室２５は高部燃焼室２５ａ及び低部燃焼室２５ｂからなる２つの空間に分割される。これにより、第１燃料噴射弁８１ａから噴射された燃料が、高部燃焼室２５ａ内の混合ガスに含まれるとともに、第２燃料噴射弁８１ｂから噴射された燃料が、低部燃焼室２５ｂ内の混合ガスに含まれる。この結果、上記第１実施形態の中負荷自着火運転時又は低回転自着火運転時と同様に、低部燃焼室２５ｂにて、高部燃焼室２５ａ内の燃料の空間的分布密度より高い空間的分布密度の燃料を含む混合ガスを形成することができる。
【０１６３】
また、内燃機関１０が上記高負荷自着火運転領域Ａ１にて運転されるとき（高負荷自着火運転時）、自着火運転実行手段Ｆ１は、クランク角がＢＴＤＣ１６０°となるタイミングθinjにて、第１燃料噴射弁８１ａ及び第２燃料噴射弁８１ｂをそれぞれ開弁させることにより、第１燃料噴射弁８１ａから第１の量の燃料を噴射させるとともに、第２燃料噴射弁８１ｂから第１の量と略等しい第２の量の燃料を噴射させる。このとき、第１燃料噴射弁８１ａ及び第２燃料噴射弁８１ｂからそれぞれ噴射された燃料の総量は、燃焼室２５内の混合ガスの空燃比を超希薄空燃比とするように、内燃機関１０の負荷とエンジン回転速度ＮＥとに基づいて定まる量である。
【０１６４】
その後、クランク角がＢＴＤＣ９０°となる（ピストン２２の位置が燃焼室分割ピストン位置となる）タイミングにて、燃焼室２５は高部燃焼室２５ａ及び低部燃焼室２５ｂからなる２つの空間に分割される。これにより、第１燃料噴射弁８１ａから噴射された燃料が、高部燃焼室２５ａ内の混合ガスに含まれるとともに、第２燃料噴射弁８１ｂから噴射された燃料が、低部燃焼室２５ｂ内の混合ガスに含まれる。この結果、上記第１実施形態の高負荷自着火運転時と同様に、略等しい燃料の空間的分布密度を有する混合ガスを、高部燃焼室２５ａ及び低部燃焼室２５ｂにおいてそれぞれ形成することができる。
【０１６５】
このように、本発明による内燃機関の第４実施形態は、燃料噴射手段として、分割された燃焼室の２つの空間（高部燃焼室２５ａ及び低部燃焼室２５ｂ）の各空間にそれぞれ臨み、同各空間を構成するための面に向けてそれぞれ独立に燃料を噴射する２つの燃料噴射弁（第１燃料噴射弁８１ａ及び第２燃料噴射弁８１ｂ）を備える。これにより、各燃料噴射弁から噴射された燃料が、同各燃料噴射弁が臨む空間にそれぞれ滞留させられる。この結果、燃料の気化及び混合ガスの自着火タイミングの観点から、２つの空間内の混合ガスのそれぞれに含まれる燃料の量を適切に制御することができるとともに、燃料を噴射させるタイミングを適切に変更することができる。
【０１６６】
以上、説明したように、本発明による内燃機関の各実施形態は、ピストン２２が燃焼室分割ピストン位置より上死点位置側にあるとき、燃焼室２５が互いに独立した高部燃焼室２５ａ及び低部燃焼室２５ｂからなる２つの空間に分割されるように構成されている。更に、各実施形態は、第１空間容積比が第２空間容積比より大きくなるように構成されている。
【０１６７】
これにより、２つの空間において互いに異なるタイミングにて混合ガスが自着火されて燃焼する。この結果、燃焼室２５を構成するピストン２２、シリンダブロック部２０及びシリンダヘッド部３０等の部材が燃焼により発生した熱エネルギーにより単位時間当たりに受ける衝撃の力の大きさは、燃焼室内の混合ガスが一時に（極めて短い期間内に）自着火されて燃焼する場合と比べて小さくなるので、同衝撃に伴って発生する騒音が低減される。この結果、より高い負荷運転領域において自着火運転を行うことができるので、燃費を良好にすることができるとともに、燃焼に伴って生成されるＮＯｘの量を低減することができる。
【０１６８】
なお、本発明は上記各実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、上記各実施形態におけるピストン頂部縦壁面２２ｃ及びシリンダヘッド縦壁面３０ｃは平面であったが、曲面であってもよい。また、上記各実施形態における過給機９１はターボチャージャであったが、機械式過給機（スーパーチャージャ）であってもよい。更に、自着火運転時において、点火用火花を補助的に発生させることにより、より安定した燃焼を確保してもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１６９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る内燃機関の概略図である。
【図２】図１に示した内燃機関の燃焼室近傍の部分拡大断面図である。
【図３】図１に示した燃焼室の変化をクランク角に対して模式的に示した図である。
【図４】図１に示したシリンダヘッド部の下面を燃焼室側から見た概略図である。
【図５】図１に示した電気制御装置のＣＰＵが実行するプログラムを示した機能ブロック図である。
【図６】図１に示した電気制御装置のＣＰＵが参照する運転領域マップを示した図である。
【図７】図１に示した内燃機関が予混合圧縮自着火方式により運転される場合におけるある気筒の吸気弁及び排気弁の開閉タイミングと燃料噴射タイミングとを概念的に示した説明図である。
【図８】図７に示した燃料噴射タイミングにて噴射された燃料の空間的な分布を概念的に示した説明図である。
【図９】燃焼室内での発生熱エネルギーをクランク角に対して示したグラフである。
【図１０】図７に示した燃料噴射タイミングにて噴射された燃料の空間的な分布を概念的に示した説明図である。
【図１１】図７に示した燃料噴射タイミングにて噴射された燃料の空間的な分布を概念的に示した説明図である。
【図１２】図１に示した内燃機関が火花点火方式により運転される場合におけるある気筒の吸気弁及び排気弁の開閉タイミングと燃料噴射タイミングと火花点火タイミングとを概念的に示した説明図である。
【図１３】本発明の第３実施形態に係る内燃機関が予混合圧縮自着火方式により運転される場合におけるある気筒の吸気弁及び排気弁の開閉タイミングと燃料噴射タイミングとを概念的に示した説明図である。
【図１４】図１３に示した燃料噴射タイミングにて噴射された燃料の空間的な分布を概念的に示した説明図である。
【図１５】本発明の第４実施形態が備える燃料噴射手段と、噴射された燃料の空間的な分布と、を模式的に示した図である。
【符号の説明】
【０１７０】
１０…内燃機関、２０…シリンダブロック部、２１…シリンダ、２２…ピストン、２２ａ…ピストン高部上面、２２ａ１…ピストン高部用リング、２２ｂ…ピストン低部上面、２２ｃ…ピストン頂部縦壁面、２２ｄ…ピストンリング、２３…コンロッド、２４…クランク軸、２５…燃焼室、２５ａ…高部燃焼室、２５ｂ…低部燃焼室、３０…シリンダヘッド部、３０ａ…シリンダヘッド高部下面、３０ｂ…シリンダヘッド低部下面、３０ｃ…シリンダヘッド縦壁面、３１…吸気ポート、３２…吸気弁、３２ａ…吸気弁駆動機構、３３…排気ポート、３４…排気弁、３４ａ…排気弁駆動機構、３５ａ…第１点火プラグ、３５ｂ…第２点火プラグ、３６…イグナイタ、３７…燃料噴射弁、３８…駆動回路、６１…クランクポジションセンサ、６２…アクセル開度センサ、７０…電気制御装置、８１ａ…第１燃料噴射弁、８１ｂ…第２燃料噴射弁。
【図１】
2006257999.tif 000003
【図２】
2006257999.tif 000004
【図３】
2006257999.tif 000005
【図４】
2006257999.tif 000006
【図５】
2006257999.tif 000007
【図６】
2006257999.tif 000008
【図７】
2006257999.tif 000009
【図８】
2006257999.tif 000010
【図９】
2006257999.tif 000011
【図１０】
2006257999.tif 000012
【図１１】
2006257999.tif 000013
【図１２】
2006257999.tif 000014
【図１３】
2006257999.tif 000015
【図１４】
2006257999.tif 000016
【図１５】
2006257999.tif 000017