(57)【要約】【課題】  副燃焼室に燃料を直接噴射しない構成を採る場合でも熱効率を向上させることができる副室式内燃機関を提供する。【解決手段】  内燃機関１は、主燃焼室６３と、副燃焼室６１と、グロープラグ７０のヒートコイルパイプとを備えている。副燃焼室６１は、主燃焼室６３に隣接している。グロープラグ７０のヒートコイルパイプは、副燃焼室６１の内部に設けられており、主燃焼室６３から副燃焼室６１に導入された新気混合気を熱面着火させる。そして、この副室式の内燃機関１では、副室着火時間を変化させる。副室着火時間とは、新気混合気が副燃焼室６１に導入されてから副燃焼室６１において新気混合気が着火するまでの時間である。【選択図】      図１
2006144649.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主燃焼室と、
前記主燃焼室に隣接する副燃焼室と、
前記副燃焼室の内部に設けられ、前記主燃焼室から前記副燃焼室に導入された新気混合気を熱面着火させる着火手段と、
を備え、
前記新気混合気が前記副燃焼室に導入されてから前記新気混合気が着火するまでの時間である副室着火時間を変化させる、副室式内燃機関。
【請求項２】
前記副室着火時間は、高負荷運転時よりも低負荷運転時のほうが短くなる、
請求項１に記載の副室式内燃機関。
【請求項３】
前記低負荷運転時には、前記高負荷運転時に比べて、上死点付近における前記副燃焼室の内部の残留ガス割合が小さくなる、
請求項２に記載の副室式内燃機関。
【請求項４】
前記着火手段は、着火性の異なる複数の着火部を有しており、着火性の高い着火部が着火性の低い着火部に比べて前記主燃焼室から離れた位置に配置される、
請求項２に記載の副室式内燃機関。
【請求項５】
機関圧縮比を変化させる可変圧縮比機構と、
前記可変圧縮比機構を制御し、前記低負荷運転時には、前記高負荷運転時に比べて、前記機関圧縮比を高く設定する制御部と、
をさらに備える、請求項２又は３に記載の副室式内燃機関。
【請求項６】
前記主燃焼室の吸気バルブの開閉タイミングを変化させる可変バルブタイミング機構と、
前記可変バルブタイミング機構を制御し、前記低負荷運転時には、前記高負荷運転時に比べて、前記吸気バルブが閉まるタイミングを下死点近くに設定する制御部と、
をさらに備える、請求項２又は３に記載の副室式内燃機関。
【請求項７】
前記主燃焼室を介さずに前記副燃焼室から残留ガスを排出するための残留ガス排出通路と、
前記残留ガス排出通路に設けられる制御弁と、
をさらに備える、請求項１から３のいずれか１項に記載の副室式内燃機関。
【請求項８】
前記複数の着火部は、表面温度の違いにより着火性が異なる、
請求項４に記載の副室式内燃機関。
【請求項９】
前記着火手段は、前記複数の着火部として、表面温度が異なる複数のヒータ部を有している、
請求項８に記載の副室式内燃機関。
【請求項１０】
前記着火手段は、前記複数の着火部として、表面に温度勾配があるヒータ部を有している、
請求項８に記載の副室式内燃機関。
【請求項１１】
前記複数の着火部は、それぞれコイルヒータを有しており、前記コイルヒータへの印可電圧の違いにより表面温度が異なる、
請求項８から１０のいずれか１項に記載の副室式内燃機関。
【請求項１２】
前記複数の着火部は、それぞれコイルヒータを有しており、前記コイルヒータの巻き数の違いにより表面温度が異なる、
請求項８から１０のいずれか１項に記載の副室式内燃機関。
【請求項１３】
前記複数の着火部は、コーティングされる触媒の違いにより着火性が異なる、
請求項４に記載の副室式内燃機関。
【請求項１４】
前記着火手段は、前記複数の着火部として、コーティングされる触媒が異なる複数のヒータ部を有している、
請求項１３に記載の副室式内燃機関。
【請求項１５】
前記着火手段は、前記複数の着火部として、着火性が異なる複数の触媒がコーティングされたヒータ部を有している、
請求項１３に記載の副室式内燃機関。
【請求項１６】
前記複数の着火部は、コーティングされる触媒の触媒成分の違いによって着火性が異なる、
請求項１３から１５のいずれか１項に記載の副室式内燃機関。
【請求項１７】
前記複数の着火部は、コーティングされる触媒の担持量の違いによって着火性が異なる、
請求項１３から１５のいずれか１項に記載の副室式内燃機関。
【請求項１８】
前記複数の着火部は、コーティングされる触媒のコーティング面積の違いによって着火性が異なる、
請求項１３から１５のいずれか１項に記載の副室式内燃機関。
【請求項１９】
前記主燃焼室に供給する気体の圧力を高めるための過給機をさらに備え、
前記制御部は、前記高負荷運転時には、前記低負荷運転時に比べて、前記吸気バルブが閉まるタイミングを下死点から離れるように設定するとともに、前記過給機を制御して前記主燃焼室に供給する新気の圧力を高める、
請求項６に記載の副室式内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、副室式内燃機関、特に、副燃焼室において熱面着火が行われる副室式内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、主燃焼室及びその主燃焼室に隣接して設けられる副燃焼室を備えた副室式内燃機関が提案されている。（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平６−７４１３７号公報（第１−３頁、第１−４図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、特許文献１の内燃機関では、小さな副燃焼室の内部に熱面着火のためのグロープラグに加えて燃料噴射弁が配備されている。このため、構造が複雑となっている。
【０００４】
また、副室式内燃機関において液体燃料を副燃焼室に噴射する構成を採る場合には、燃料気化の安定性を確保するため、副燃焼室のサイズや形状に制約がかかる。
【０００５】
このようなことから、副燃焼室に燃料噴射弁を配備せず、主燃焼室から副燃焼室に導入されてきた新気混合気をそのまま熱面着火させることが考えられるが、この場合には、着火の時期（タイミング）が成り行きとなり、所望の時期に着火を行わせることが困難となって、内燃機関の熱効率が低下する恐れがある。
【０００６】
本発明の課題は、副燃焼室に燃料を直接噴射しない構成を採る場合でも熱効率を向上させることができる副室式内燃機関を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る副室式内燃機関は、主燃焼室と、副燃焼室と、着火手段とを備えている。副燃焼室は、主燃焼室に隣接している。着火手段は、副燃焼室の内部に設けられており、主燃焼室から副燃焼室に導入された新気混合気を熱面着火させる。そして、この副室式内燃機関では、副室着火時間を変化させる。副室着火時間とは、新気混合気が副燃焼室に導入されてから副燃焼室において新気混合気が着火するまでの時間である。
【０００８】
ここでは、副燃焼室に導入された新気混合気が、着火手段の熱面に触れて着火（熱面着火）する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る副室式内燃機関では、主燃焼室から副燃焼室に新気混合気が導入されてから新気混合気が着火するまでの時間である副室着火時間は、特に工夫がなければ、主燃焼室から着火手段までの距離などにより成り行きで決まってしまう。
【００１０】
しかし、本発明によれば、副室着火時間を成り行きに任せるのではなく、積極的に副室着火時間を変化させる構成を採っている。このため、所望の時期に着火を行わせることができるようになり、副燃焼室で熱面着火を行わせる構造の副室式内燃機関において、熱効率を向上させることができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態に係る副室式の内燃機関を、図１および図２に示す。
【００１２】
＜内燃機関の構成＞
副室式の内燃機関１は、主燃焼室６３、吸排気機構、燃料噴射弁２７、副燃焼室６１、グロープラグ７０、可変圧縮比機構３０、ＥＣＵ（制御部）４０などから構成されている。
【００１３】
主燃焼室６３は、シリンダヘッド２０，シリンダブロック１０およびピストン３に囲まれた室である。ピストン３がシリンダブロック１０の側壁に沿って往復運動することにより、主燃焼室６３の容積が変化する。シリンダヘッド２０には、主燃焼室６３に新気を供給するための吸気ポート２３と、主燃焼室６３から既燃ガスを排気ガスとして排出するための排気ポート２４とが形成されている。
【００１４】
また、吸排気機構として、吸気ポート２３には吸気バルブ２１が、排気ポート２４には排気バルブ２２が配備されている。クランクシャフトの回転に連動して回転する吸気用カム軸２１ｂ／排気用カム軸２２ｂに固定された吸気用カム２１ａ／排気用カム２２ａは、吸気バルブ２１／排気バルブ２２の上方に配置されており、吸気バルブ２１／排気バルブ２２を開閉させる。
【００１５】
燃料噴射弁２７は、主燃焼室６３に直接ガソリン燃料を噴射する弁である。燃料配管２６を介して燃料噴射弁２７に燃料を送り出す燃料ポンプ２５は、吸気用カム軸２１ｂの端部近傍に配備されており、ガソリン燃料を加圧する。
【００１６】
副燃焼室６１は、主燃焼室６３に隣接して設けられる室であり、副燃焼室壁６１ａに囲まれている。具体的には、シリンダヘッド２０において吸気ポート２３と排気ポート２４との間に形成された空間に、略円筒状の副燃焼室壁６１ａが配置され、副燃焼室６１が形成される。また、副燃焼室壁６１ａの膨出した半球状の底面には、主燃焼室６３と副燃焼室６１とを連通する複数の連通路６１ｂが形成されている。
【００１７】
グロープラグ７０は、そのヒートコイルパイプ７１（着火手段）が副燃焼室６１の内部において主燃焼室６３から遠い位置から主燃焼室６３に近い位置へと延びている。言い換えると、グロープラグ７０は、図３に示すように、副燃焼室６１の外側に、ヒートコイルパイプ７１が副燃焼室６１の内部に突き出るように取り付けられている。グロープラグ７０のヒートコイルパイプ７１は、その中に、コイルヒータ７３と絶縁粉末とを有している。コイルヒータ７３に通電することで、ヒートコイルパイプ７１の先端部７２の表面が赤熱する。ここでは、ヒートコイルパイプ７１の先端部７２を、副燃焼室６１の中央付近に位置させている。
【００１８】
なお、先端部７２が赤熱し続けるグロープラグ７０は、所定のタイミングで火花を放つスパークプラグに比べて着火性がよく、副燃焼室６１に導入されてくる新気混合気がかなり希薄（リーン）な状態であっても着火安定性を確保することができる。
【００１９】
可変圧縮比機構３０は、機関圧縮比を変更することができる複リンク式ピストン−クランク機構である。この可変圧縮比機構３０は、図２に示すように、主として、ロアリンク３１、アッパーリンク３２、制御リンク３３、偏芯カム３４、および圧縮比可変アクチュエータ３５を備えている。ロアリンク３１は、クランクシャフト５のクランクピン５ａに回転可能に外嵌・支持されている。クランクシャフト５は、シリンダブロック１０に主軸受を介して回転可能に支持されている。アッパーリンク３２は、その一端が、ピストンピン４を介してピストン３に回転可能に連結されている。また、アッパーリンク３２の他端は、第１連結ピン３２ａを介してロアリンク３１に回転可能に連結されている。ピストン３に燃焼荷重が作用すると、この燃焼荷重は、ピストン３からアッパーリンク３２及びロアリンク３１を経由して、クランクシャフト５へ回転動力として伝達される。制御リンク３３は、その一端が、第２連結ピン３３ａを介してロアリンク３１に回転可能に連結されている。制御リンク３３の他端は、偏芯カム３４に回転可能に外嵌・支持されている。偏芯カム３４は、制御軸３６に偏芯して固定されている。制御軸３６は、シリンダブロック１０に回転可能に支持される軸である。また、制御軸３６の一端には、スライド溝３７ａが形成された制御プレート３７が固定されている。圧縮比可変アクチュエータ３５は、制御軸３６をシリンダブロック１０に対して回動させたり、制御軸３６をシリンダブロック１０に対して回転しないように保持させたりする役割を果たす。この圧縮比可変アクチュエータ３５は、電動式であり、主として、略筒状のスレッドドライブ３５ａ、棒状のスレッドドリブン３５ｂ、および駆動装置としての電動機（図示省略）から構成されている。スレッドドライブ３５ａは、電動機によって軸回りに回転駆動される筒状部材であり、内周面にギアが形成されている。スレッドドリブン３５ｂは、スレッドドライブ３５ａの内周面のギアに噛合しており、スレッドドライブ３５ａの回転に応じて軸方向（図２の方向Ｄ１）に進退する。スレッドドリブン３５ｂの先端には、コントロールシャフトピン３５ｃが設けられている。このコントロールシャフトピン３５ｃは、制御プレート３７のスライド溝３７ａに摺動可能に嵌合している。この圧縮比可変アクチュエータ３５によって制御軸３６を回動させることにより、クランク角θに対するピストン行程が変化し、機関圧縮比が変化する。なお、圧縮比可変アクチュエータ３５は、油圧駆動式としてもよい。
【００２０】
ＥＣＵ４０は、クランク角センサ５１，水温センサ５２，アクセル開度センサ５３などのセンサからの信号入力を受け、ドライバーの要求するアクセル開度に相当するエンジントルクを出力できるように、燃料噴射量、着火タイミング、スロットル開度などを調節し、主燃焼室６３における燃焼状態を適切に制御するための制御装置である。ＥＣＵ４０は、燃料噴射弁２７、燃料ポンプ２５、グロープラグ７０、可変圧縮比機構３０の電動機などに電気的に接続されており、例えば負荷演算部４１で演算したエンジン負荷に応じて燃料噴射制御部４２において必要な燃料噴射量を決めて燃料噴射弁２７に指令を送る。
【００２１】
＜内燃機関の概略動作＞
内燃機関１では、吸気行程において、燃料ポンプ２５で加圧された燃料が、燃料配管２６を介して燃料噴射弁２７に供給される。燃料噴射弁２７は、吸気ポート２３から主燃焼室６３に供給された新気空気に燃料を噴射する。これにより、主燃焼室６３において概ね均質な新気混合気が生成される。
【００２２】
圧縮行程においては、主燃焼室６３で新気混合気が圧縮されるとともに、主燃焼室６３の新気混合気の一部が、連通路６１ｂを介して主燃焼室６３から副燃焼室６１へ導入される。
【００２３】
副燃焼室６１では、グロープラグ７０のヒートコイルパイプ７１に新気混合気が接触したときに、新気混合気が熱面着火されて燃焼する。副燃焼室６１の燃焼ガス（火炎）は、連通路６１ｂを介して主燃焼室６３へトーチ状に放射され、主燃焼室６３の均質な新気混合気を燃焼させる。
【００２４】
膨張行程では、新気混合気が燃焼して発生した燃焼圧力によって、ピストン３が押し下げられる。
【００２５】
排気行程では、主燃焼室６３で燃焼された既燃ガスが、排気ガスとして排気ポート２４へ排出される。
【００２６】
＜内燃機関の副燃焼室における着火動作の詳細＞
副燃焼室６１には、圧縮行程において、連通路６１ｂを介して主燃焼室６３から概ね均質な新気混合気（図３の新気混合気ＭＧを参照）が導入されてくる。このとき、図３に示すように、副燃焼室６１内の残留ガスＲＧと新気混合気ＭＧとが、副燃焼室６１において概ね層状に分布する。すなわち、圧縮行程において副燃焼室６１に導入された新気混合気ＭＧは、残留ガスＲＧを副燃焼室６１の上方に押しやる。これにより、残留ガスＲＧは、副燃焼室６１の上方空間に分布し、新気混合気ＭＧは副燃焼室６１の残りの領域（下方空間）に分布することになる。図３において、残留ガスＲＧと新気混合気ＭＧとの境界を破線で示す。
【００２７】
この残留ガスＲＧと新気混合気ＭＧとの副燃焼室６１における境界は、例えばピストン３が上死点にあるタイミングで比較して、圧縮比が高い場合には主燃焼室６３から比較的遠い位置に、圧縮比が低い場合には主燃焼室６３から比較的近い位置にくる。
【００２８】
したがって、機関圧縮比が高い場合には、副燃焼室６１に新気混合気ＭＧが導入されてから新気混合気ＭＧがヒートコイルパイプ７１の先端部７２に触れて着火するまでの時間である副室着火時間が短くなる。一方、機関圧縮比が低い場合には、副室着火時間が長くなる。
【００２９】
別の見方をすると、副燃焼室６１内の残留ガスＲＧと新気混合気ＭＧとが層状に分布することから、ピストン３が上死点にあるときに、機関圧縮比が高い場合には、残留ガスＲＧが副燃焼室６１において占める容積の割合である残留ガス割合が小さくなり、機関圧縮比が低い場合には、残留ガス割合が大きくなると言える。そして、残留ガス割合が小さくなるときには副室着火時間が短くなり、残留ガス割合が大きくなるときには副室着火時間が長くなる。
【００３０】
＜内燃機関の制御＞
まず、内燃機関１では、ＥＣＵ４０によって、燃焼室全体の平均当量比を図５の２点鎖線で示すように制御している。すなわち、比較的エンジン負荷の低い運転条件においては、燃焼室全体の平均当量比が理論当量比よりもリーンとなるように制御し、比較的エンジン負荷の高い運転条件においては、燃焼室全体の平均当量比が概ね理論当量比となるように制御し、エンジン負荷が最大負荷付近になる運転条件においては、燃焼室全体の平均当量比が理論当量比よりもリッチとなるように制御している。
【００３１】
また、上記のような副燃焼室６１における着火動作の特性に鑑み、内燃機関１のＥＣＵ４０は、以下のようにして副燃焼室６１における着火タイミングを制御し、その着火タイミングをエンジン負荷に適した時期（以下、副燃焼室要求着火時期という。）にしている。
【００３２】
具体的には、図４に示すエンジン負荷と副燃焼室要求着火時期との関係が成り立つように、エンジン負荷に応じて副燃焼室６１における着火タイミングを制御している。
【００３３】
図４に示すように、エンジン負荷が低いほど、燃焼温度が低く燃焼速度が遅いため、冷却損失が小さくなる。このため、エンジン負荷が低くなると、最大トルクを発生する要求燃焼時期は相対的に進角側にシフトする。これに伴い、副燃焼室要求着火時期も相対的に進角側にシフトすることになる。反対に、エンジン負荷が高くなると、最大トルクを発生する要求燃焼時期は相対的に遅角側にシフトし、副燃焼室要求着火時期も相対的に遅角側にシフトする。
【００３４】
副燃焼室６１における着火が図４に示す副燃焼室要求着火時期に起こるように、ＥＣＵ４０は、負荷演算部４１で演算したエンジン負荷に応じて、圧縮比制御部４３によって可変圧縮比機構３０を制御している。
【００３５】
上記のように、機関圧縮比が高い場合には残留ガス割合が小さくなって副室着火時間が短くなり、機関圧縮比が低い場合には残留ガス割合が大きくなって副室着火時間が長くなるため、可変圧縮比機構３０を制御して機関圧縮比を変化させることで副燃焼室６１における着火タイミングを制御することができる。これに鑑み、ＥＣＵ４０は、図６の一点鎖線で示す機関圧縮比になるように可変圧縮比機構３０を制御し、副燃焼室６１の残留ガス割合が図６の実線で示す形になるようにしている。これにより、エンジン負荷が低くなるほど残留ガス割合が低くなるという状態が実現され、エンジン負荷が低くなるほど副室着火時間が短くなって副燃焼室６１における着火タイミングが早まる状態が実現される。そして、図４に示すエンジン負荷と副燃焼室要求着火時期との関係が成り立つようになり、内燃機関１の高い熱効率が確保されている。
【００３６】
なお、図５および図６における残留ガス割合は、上死点における副燃焼室６１内の残留ガスＲＧの容積の割合を示している。
【００３７】
＜内燃機関の特徴＞
内燃機関１では、副燃焼室６１に新気混合気ＭＧが導入されてから新気混合気ＭＧがヒートコイルパイプ７１の先端部７２に触れて着火するまでの時間である副室着火時間を変化させ、その副室着火時間が高負荷運転時よりも低負荷運転時のときに短くなるようにしている。
【００３８】
具体的には、ＥＣＵ４０が可変圧縮比機構３０を制御して機関圧縮比をエンジン負荷に応じて図６の１点鎖線で示すように変化させることによって、副燃焼室６１の残留ガス割合を図６の実線で示すように変化させ、低負荷運転時の副室着火時間が高負荷運転時の副室着火時間よりも短くなるようにしている。
【００３９】
これにより、図４に示すエンジン負荷と副燃焼室要求着火時期との関係が実現されており、内燃機関１の熱効率を高くすることができている。
【００４０】
＜第１実施形態に係る内燃機関の変形例＞
（１）
上記の第１実施形態ではヒートコイルパイプ７１の先端部７２だけが赤熱した着火部となっているグロープラグ７０を採用しているが、図７（Ａ）に示すヒートコイルパイプ７１ａを有するグロープラグを採用することもできる。
【００４１】
ヒートコイルパイプ７１ａでは、先端の第１ヒータ部７２ａに加えて、第１ヒータ部７２ａよりも主燃焼室６３から遠い位置に第２ヒータ部７２ｂが形成されている。第２ヒータ部７２ｂのコイルヒータ７３ｂには、第１ヒータ部７２ａのコイルヒータ７３ａよりも高い印可電圧で電流を流す。これにより、第２ヒータ部７２ｂの表面温度は第１ヒータ部７２ａの表面温度よりも高くなっている。
【００４２】
この場合、主燃焼室６３から副燃焼室６１に導入された新気混合気が比較的リーンなときには、その新気混合気が表面温度の低い第１ヒータ部７２ａまで到達しても着火せず、表面温度の高い第２ヒータ部７２ｂまで新気混合気が到達したときに初めて副燃焼室６１において着火が為されるようになる。反対に、新気混合気が比較的リッチなときには、その新気混合気が表面温度の低い第１ヒータ部７２ａまで到達した段階で、副燃焼室６１において着火が為される。
【００４３】
このように、表面温度の異なる第１ヒータ部７２ａおよび第２ヒータ部７２ｂを設けることで、エンジン負荷に応じて変化する新気混合気の当量比に合わせて副燃焼室６１における着火タイミングを変えることができるようになる。
【００４４】
（２）
上記の変形例（１）では、印可電圧を変えることによって第１ヒータ部７２ａの表面温度と第２ヒータ部７２ｂの表面温度とに差をつけているが、図７（Ｂ）に示すようにコイルヒータの巻き数を変えることで差をつけてもよい。
【００４５】
図７（Ｂ）に示すヒートコイルパイプ７１ｂでは、先端の第１ヒータ部７２ｃに加えて、第１ヒータ部７２ｃよりも主燃焼室６３から遠い位置に第２ヒータ部７２ｄが形成されている。第２ヒータ部７２ｄのコイルヒータ７３ｄは、第１ヒータ部７２ｃのコイルヒータ７３ｃよりも密に巻かれており、巻き数も多い。これにより、第２ヒータ部７２ｄの表面温度は第１ヒータ部７２ｃの表面温度よりも高くなる。
【００４６】
（３）
上記の変形例（１），（２）では、複数のヒータ部がそれぞれコイルヒータを有する構成を採っているが、複数のヒータ部に対して共通のコイルヒータを採用することも可能である。
【００４７】
図７（Ｃ）に示すヒートコイルパイプ７１ｃでは、先端から基端に向けて（主燃焼室６３から離れる方向に向けて）、複数のヒータ部、具体的には第１ヒータ部７２ｅ，第２ヒータ部７２ｆおよび第３ヒータ部７２ｇが設けられている。これらのヒータ部７２ｅ，７２ｆ，７２ｇの内部には、１つのコイルヒータ７３ｅが配備されている。コイルヒータ７３ｅは、主燃焼室６３から離れるにしたがって、すなわち先端から離れるにしたがって、密に巻かれて単位長さあたりの巻き数が多くなっている。これにより、第２ヒータ部７２ｆの表面温度は第１ヒータ部７２ｅの表面温度よりも高くなっており、第３ヒータ部７２ｇの表面温度は第２ヒータ部７２ｆの表面温度よりも高くなっている。言い換えれば、ヒートコイルパイプ７１ｃでは、先端から離れるにしたがって、徐々に表面温度が高くなっており、長手方向（主燃焼室６３から離れる方向）において着火性が異なるようにされている。
【００４８】
（４）
上記の変形例（１）では、印可電圧を変えることによって第１ヒータ部７２ａの表面温度と第２ヒータ部７２ｂの表面温度とに差をつけて着火性の違いを生み出しているが、図７（Ｄ）に示すように異なる触媒を表面にコーティングすることで着火性の違いを生成してもよい。
【００４９】
図７（Ｄ）に示すヒートコイルパイプ７１ｄでは、先端の第１ヒータ部７２ｈに加えて、第１ヒータ部７２ｈよりも主燃焼室６３から遠い位置に第２ヒータ部７２ｉが形成されている。第２ヒータ部７２ｉのコイルヒータ７３ｇは、第１ヒータ部７２ｈのコイルヒータ７３ｆと同じ巻き数であり、印可電圧も同じである。しかし、第１ヒータ部７２ｈの表面には第１触媒７４ａがコーティングされ、第２ヒータ部７２ｉの表面には第２触媒７４ｂがコーティングされている。第１触媒７４ａおよび第２触媒７４ｂとしては、白金、アルミ、プラチナ、銅など任意の触媒を用いればよい。そして、ここでは、第２触媒７４ｂをコーティングした第２ヒータ部７２ｉの着火性のほうが第１触媒７４ａをコーティングした第１ヒータ部７２ｈの着火性よりも高くなるように、第１触媒７４ａおよび第２触媒７４ｂの触媒成分が選定される。
【００５０】
このように、着火性の異なる第１ヒータ部７２ｈおよび第２ヒータ部７２ｉを設けることで、エンジン負荷に応じて変化する新気混合気の当量比に合わせて副燃焼室６１における着火タイミングを変えることができるようになる。
【００５１】
なお、第１触媒７４ａおよび第２触媒７４ｂの触媒成分の違いによって第１ヒータ部７２ｈおよび第２ヒータ部７２ｉの着火性に差を出す方法に代えて、第１ヒータ部および第２ヒータ部にコーティングする触媒の担持量を変えることで着火性に差を出す方法や、第１ヒータ部に対する触媒のコーティング面積と第２ヒータ部に対する触媒のコーティング面積とを変えて着火性に差を出す方法を用いてもよい。
【００５２】
また、第１ヒータ部７２ｈおよび第２ヒータ部７２ｉそれぞれにコイルヒータ７３ｆ，７３ｇを持たせるのではなく、第１ヒータ部７２ｈおよび第２ヒータ部７２ｉに共通のコイルヒータを持たせるような構成とすることも可能である。
【００５３】
（５）
上記の第１実施形態では、燃料噴射弁２７から主燃焼室６３に加圧燃料を直接噴射する構成を採っているが、本発明は、吸気ポート２３に対して燃料を噴射する構成の副室式内燃機関に対して適用することもできる。
【００５４】
＜第２実施形態＞
本発明の第２実施形態に係る副室式の内燃機関を、図８および図９に示す。
【００５５】
副室式の内燃機関１ａは、主燃焼室６３、吸排気機構、燃料噴射弁２７、副燃焼室６１、グロープラグ７０、可変バルブタイミング機構８１，８２、過給機９０、ＥＣＵ（制御部）４０ａなどから構成されている。
【００５６】
本実施形態の内燃機関１ａでは、第１実施形態の内燃機関１における可変圧縮比機構３０の代わりに、可変バルブタイミング機構８１，８２と過給機９０とが配備されている。ＥＣＵ４０ａを除くその他の構成については、第１実施形態の内燃機関１と同様であるので、第２実施形態の内燃機関１ａにおいても同様の部品に対して同じ番号をふり、繰り返しになる説明は原則として省略する。グロープラグ７０についても、第１実施形態のものと同様であり、図３に示すものを採用している。
【００５７】
＜可変バルブタイミング機構の構成＞
可変バルブタイミング機構８１，８２は、油圧駆動式であり、クランクシャフトに対するカム軸２１ｂ，２２ｂの位相を変化させることで、吸気バルブ２１，排気バルブ２２の開閉時期を進角化あるいは遅角化させる。可変バルブタイミング機構８１，８２の具体的構成については、周知であるため、ここでは説明を省略する。
【００５８】
なお、油圧駆動式の可変バルブタイミング機構８１，８２ではなく、電磁ブレーキによる摩擦制動を利用してクランクシャフトに対するカム軸の位相を変化させる可変バルブタイミング機構を採用してもよい。例えば、特開２００２−９７９０８号公報に開示されている可変バルブタイミング装置を採用することができる。
【００５９】
＜過給機の構成＞
過給機９０は、可変ノズル機構付きターボチャージャーであって、主として、吸気ポート２３につながる吸気流路に配設されるコンプレッサ９１と、排気ポート２４の下流の排気流路に配設されるタービン９２と、結合シャフト９３と、可変ノズル機構９４とから構成されている。結合シャフト９３は、コンプレッサ９１の回転軸とタービン９２の回転軸とを結合している。可変ノズル機構９４は、そのノズルが制御されることで過給圧を可変することができる。
【００６０】
過給機９０の可変ノズル機構９４は、ＥＣＵ４０ａの過給圧制御部４５によって制御される。
【００６１】
＜ＥＣＵの構成＞
ＥＣＵ４０ａは、クランク角センサ５１，水温センサ５２，アクセル開度センサ５３などのセンサからの信号入力を受け、ドライバーの要求するアクセル開度に相当するエンジントルクを出力できるように、燃料噴射量、着火タイミング、スロットル開度などを調節し、主燃焼室６３における燃焼状態を適切に制御するための制御装置である。ＥＣＵ４０は、燃料噴射弁２７、燃料ポンプ２５、グロープラグ７０、可変バルブタイミング機構８１，８２の油圧駆動装置、過給機９０の可変ノズル機構９４などに電気的に接続されており、例えば負荷演算部４１で演算したエンジン負荷に応じて燃料噴射制御部４２において必要な燃料噴射量を決めて燃料噴射弁２７に指令を送る。
【００６２】
＜内燃機関の概略動作＞
第１実施形態と同様である。
【００６３】
＜内燃機関の副燃焼室における着火動作の詳細＞
第１実施形態と同様である。
【００６４】
＜内燃機関の制御＞
まず、内燃機関１ａでも、第１実施形態と同様に、ＥＣＵ４０ａによって、燃焼室全体の平均当量比を図５の２点鎖線で示すように制御している。すなわち、比較的エンジン負荷の低い運転条件においては、燃焼室全体の平均当量比が理論当量比よりもリーンとなるように制御し、比較的エンジン負荷の高い運転条件においては、燃焼室全体の平均当量比が概ね理論当量比となるように制御し、エンジン負荷が最大負荷付近になる運転条件においては、燃焼室全体の平均当量比が理論当量比よりもリッチとなるように制御している。
【００６５】
そして、副燃焼室６１における着火動作の特性に鑑み、内燃機関１ａのＥＣＵ４０ａは、以下のようにして副燃焼室６１における着火タイミングを制御し、その着火タイミングをエンジン負荷に適した時期（副燃焼室要求着火時期）にしている。
【００６６】
具体的には、図４に示すエンジン負荷と副燃焼室要求着火時期との関係が成り立つように、エンジン負荷に応じて副燃焼室６１における着火タイミングを制御している。
【００６７】
副燃焼室６１における着火が図４に示す副燃焼室要求着火時期に起こるように、ＥＣＵ４０ａは、負荷演算部４１で演算したエンジン負荷に応じて、バルブタイミング制御部４４によって可変バルブタイミング機構８１を制御して吸気バルブ２１が閉まるタイミング（以下、吸気バルブ閉タイミングという。）を調整するとともに、過給圧制御部４５によって過給機９０を制御して過給圧を可変する。これらの制御を、図１０を参照して説明する。
【００６８】
図１０は、エンジン負荷と吸気バルブ閉タイミングとの関係、エンジン負荷と過給圧との関係、およびエンジン負荷と残留ガス割合との関係を示している。これらの関係が図１０に示すようになるように、ＥＣＵ４０ａによる可変バルブタイミング機構８１および過給機９０の制御が行われる。
【００６９】
まず、エンジン負荷と吸気バルブ閉タイミングとの関係であるが、ＥＣＵ４０ａは、図１０の２点鎖線で示すように、すなわちエンジン負荷が低くなるほど吸気バルブ閉タイミングが下死点に近づくように、可変バルブタイミング機構８１の制御を行っている。これにより、エンジン負荷が低くなるほど上死点における新気混合気の圧力が大きくなる効果（有効圧縮比が高くなるという効果）が得られ、低負荷運転時において副燃焼室６１における残留ガス割合を低くすることができ、エンジン負荷が低くなるほど副燃焼室６１における着火タイミングが進角化し、図４に示すエンジン負荷と副燃焼室要求着火時期との関係が成り立つようになる。
【００７０】
また、エンジン負荷と過給圧との関係であるが、ＥＣＵ４０ａは、図１０の破線で示すように、すなわちエンジン負荷が高くなるほど過給圧が高くなるように、過給機９０の制御を行っている。これにより、エンジン負荷が高いときに吸気バルブ閉タイミングを下死点から遠ざけていることによる不具合、すなわち高負荷時における充填効率の低下を抑制することができている。言い換えると、高負荷時に過給圧が高くなるように制御しているため、吸気バルブ閉タイミングが下死点から遠ざかっていても、所定の充填効率を確保することができている。
【００７１】
このように、第２実施形態の内燃機関１ａにおいても、エンジン負荷が低くなるほど副燃焼室６１の残留ガス割合が低くなるという図１０の実線で示す状態が実現され、エンジン負荷が低くなるほど副室着火時間が短くなって副燃焼室６１における着火タイミングが早まる状態が実現される。そして、図４に示すエンジン負荷と副燃焼室要求着火時期との関係が成り立つようになり、内燃機関１の高い熱効率が確保されている。
【００７２】
なお、図１０における残留ガス割合は、上死点における副燃焼室６１内の残留ガスの容積の割合を示している。
【００７３】
＜内燃機関の特徴＞
第２実施形態の内燃機関１ａでは、副燃焼室６１に新気混合気が導入されてから新気混合気がヒートコイルパイプ７１の先端部７２に触れて着火するまでの時間である副室着火時間を変化させ、その副室着火時間が高負荷運転時よりも低負荷運転時のときに短くなるようにしている。
【００７４】
具体的には、ＥＣＵ４０ａが可変バルブタイミング機構８１を制御して吸気バルブ閉タイミングをエンジン負荷に応じて図１０の２点鎖線で示すように変化させることによって、副燃焼室６１の残留ガス割合を図１０の実線で示すように変化させ、低負荷運転時の副室着火時間が高負荷運転時の副室着火時間よりも短くなるようにしている。
【００７５】
これにより、図４に示すエンジン負荷と副燃焼室要求着火時期との関係が実現されており、内燃機関１ａの熱効率を高くすることができている。
【００７６】
＜第３実施形態＞
本発明の第３実施形態に係る副室式の内燃機関を、図１１に示す。
【００７７】
副室式の内燃機関１ｂは、主燃焼室６３、吸排気機構、燃料噴射弁２７、副燃焼室６１、グロープラグ７０、ＥＣＵ（制御部）４０ｂなどから構成されている。
【００７８】
本実施形態の内燃機関１ｂでは、第１実施形態の内燃機関１における可変圧縮比機構３０の代わりに、副燃焼室６１から排気ポート２４へ残留ガスを排出するためのバイパス通路９７とバイパスバルブ９８とが配備されている。ＥＣＵ４０ｂを除くその他の構成については、第１実施形態の内燃機関１と同様であるので、第３実施形態の内燃機関１ｂにおいても同様の部品に対して同じ番号をふり、繰り返しになる説明は原則として省略する。グロープラグ７０についても、第１実施形態のものと同様であり、図３に示すものを採用している。
【００７９】
＜副燃焼室の構成＞
副燃焼室６１は、主燃焼室６３に隣接して設けられる室であり、副燃焼室壁６１ａに囲まれている。具体的には、シリンダヘッド２０において吸気ポート２３と排気ポート２４との間に形成された空間に、略円筒状の副燃焼室壁６１ａが配置され、副燃焼室６１が形成される。また、副燃焼室壁６１ａの膨出した半球状の底面には、主燃焼室６３と副燃焼室６１とを連通する複数の連通路６１ｂが形成されている。
【００８０】
グロープラグ７０は、図３に示すように、副燃焼室６１の外側に、ヒートコイルパイプ７１が副燃焼室６１の内部に突き出るように取り付けられている。
【００８１】
バイパス通路９７は、副燃焼室６１の最上部（主燃焼室６３から遠い部分）から排気ポート２４へと延び副燃焼室６１と排気ポート２４とを連通させる通路であり、シリンダヘッド２０に形成されている。バイパス通路９７を通る副燃焼室６１の残留ガスは、主燃焼室６３を介さずに、すなわち主燃焼室６３を通ることなく、排気ポート２４へ掃気される。
【００８２】
バイパスバルブ９８は、バイパス通路９７を開閉する開閉制御弁であり、バイパス通路９７に設けられている。バイパスバルブ９８は、例えば吸気バルブ２１や排気バルブ２２と類似の構成とすることができるが、バイパス通路９７を開閉できる構造であれば任意の構造を用いることができる。バイパスバルブ９８は、その開閉のタイミングがＥＣＵ４０ｂによって制御される。この制御によって、副燃焼室６１内の残留ガスの排気ポート２４への掃気量が調節されることになる。
【００８３】
＜ＥＣＵの構成＞
ＥＣＵ４０ｂは、クランク角センサ５１，水温センサ５２，アクセル開度センサ５３などのセンサからの信号入力を受け、ドライバーの要求するアクセル開度に相当するエンジントルクを出力できるように、燃料噴射量、着火タイミング、スロットル開度などを調節し、主燃焼室６３における燃焼状態を適切に制御するための制御装置である。ＥＣＵ４０は、燃料噴射弁２７、燃料ポンプ２５、グロープラグ７０、バイパスバルブ９８などに電気的に接続されており、例えば負荷演算部４１で演算したエンジン負荷に応じて燃料噴射制御部４２において必要な燃料噴射量を決めて燃料噴射弁２７に指令を送る。
【００８４】
＜内燃機関の概略動作＞
第１実施形態と同様である。
【００８５】
＜内燃機関の副燃焼室における着火動作の詳細＞
第１実施形態と同様である。
【００８６】
＜内燃機関の制御＞
まず、内燃機関１ｂでも、第１実施形態と同様に、ＥＣＵ４０ｂによって、燃焼室全体の平均当量比を図５の２点鎖線で示すように制御している。すなわち、比較的エンジン負荷の低い運転条件においては、燃焼室全体の平均当量比が理論当量比よりもリーンとなるように制御し、比較的エンジン負荷の高い運転条件においては、燃焼室全体の平均当量比が概ね理論当量比となるように制御し、エンジン負荷が最大負荷付近になる運転条件においては、燃焼室全体の平均当量比が理論当量比よりもリッチとなるように制御している。
【００８７】
そして、副燃焼室６１における着火動作の特性に鑑み、内燃機関１ｂのＥＣＵ４０ｂは、以下のようにして副燃焼室６１における着火タイミングを制御し、その着火タイミングをエンジン負荷に適した時期（副燃焼室要求着火時期）にしている。
【００８８】
具体的には、図４に示すエンジン負荷と副燃焼室要求着火時期との関係が成り立つように、エンジン負荷に応じて副燃焼室６１における着火タイミングを制御している。
【００８９】
副燃焼室６１における着火が図４に示す副燃焼室要求着火時期に起こるように、ＥＣＵ４０ｂのバイパスバルブ制御部４６は、負荷演算部４１で演算したエンジン負荷に応じて、図１２に示すようにバイパスバルブ９８を閉じるタイミング（以下、バイパスバルブ閉タイミングという。）を調整している。
【００９０】
バイパスバルブ９８の制御であるが、基本的には、排気行程で開、圧縮行程の途中で閉としている。その上で、圧縮行程におけるバイパスバルブ閉タイミングを、エンジン負荷が低くなるほど遅角化させ、エンジン負荷が高くなるほど進角化させている。このようにエンジン負荷が低い運転条件においてバイパスバルブ閉タイミングを遅角化しているため、低負荷時に副燃焼室６１の残留ガス割合が低くなって着火タイミングが進角化する。一方、エンジン負荷が高い運転条件においてバイパスバルブ閉タイミングを進角化しているため、高負荷時に副燃焼室６１の残留ガス割合が高くなって着火タイミングが遅角化する。すなわち、図４に示すエンジン負荷と副燃焼室要求着火時期との関係が成り立つようになる。
【００９１】
このように、第３実施形態の内燃機関１ｂにおいても、エンジン負荷が低くなるほど副燃焼室６１の残留ガス割合が低くなるという図５の実線で示す状態が実現され、エンジン負荷が低くなるほど副室着火時間が短くなって副燃焼室６１における着火タイミングが早まる状態が実現される。そして、図４に示すエンジン負荷と副燃焼室要求着火時期との関係が成り立つようになり、内燃機関１の高い熱効率が確保される。
【００９２】
＜内燃機関の特徴＞
第３実施形態の内燃機関１ｂでは、副燃焼室６１に新気混合気が導入されてから新気混合気がヒートコイルパイプ７１の先端部７２に触れて着火するまでの時間である副室着火時間を変化させ、その副室着火時間が高負荷運転時よりも低負荷運転時のときに短くなるようにしている。
【００９３】
具体的には、ＥＣＵ４０ｂがバイパスバルブ９８を制御して圧縮行程におけるバイパスバルブ閉タイミングをエンジン負荷に応じて図１２に示すように変化させることによって、副燃焼室６１の残留ガス割合を図５の実線で示すように変化させ、低負荷運転時の副室着火時間が高負荷運転時の副室着火時間よりも短くなるようにしている。
【００９４】
これにより、図４に示すエンジン負荷と副燃焼室要求着火時期との関係が実現されており、内燃機関１ｂの熱効率を高くすることができている。
【００９５】
＜第３実施形態に係る内燃機関の変形例＞
（１）
第３実施形態の内燃機関１ｂでは、第１実施形態の内燃機関１のような可変圧縮比機構を有していないが、さらに可変圧縮比機構を有していてもかまわない。
【００９６】
（２）
第３実施形態の内燃機関１ｂでは、バイパス通路９７によって副燃焼室６１から排気ポート２４へ残留ガスを排出する構成を採っているが、副燃焼室６１から吸気ポート２３へ残留ガスを排出する構成を採ることも考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００９７】
本発明に係る副室式内燃機関は、所望の時期に着火を行わせて熱効率を向上させることができ、副燃焼室において熱面着火が行われる副室式内燃機関として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】本発明の第１実施形態に係る副室式内燃機関の全体概略図。
【図２】第１実施形態の可変圧縮比機構の概略図。
【図３】第１実施形態の副燃焼室の内部のグロープラグの拡大図。
【図４】第１実施形態におけるエンジン負荷と副燃焼室要求着火時期との関係を示す図。
【図５】第１実施形態におけるエンジン負荷と当量比・副燃焼室の残留ガス割合との関係を示す図。
【図６】第１実施形態におけるエンジン負荷と機関圧縮比との関係を示す図。
【図７】第１実施形態の各変形例のグロープラグのヒートコイルパイプの拡大図。
【図８】本発明の第２実施形態に係る副室式内燃機関の全体概略図。
【図９】第２実施形態の過給機の概略図。
【図１０】第２実施形態におけるエンジン負荷と吸気バルブ閉タイミング・副燃焼室の残留ガス割合・過給圧との関係を示す図。
【図１１】本発明の第３実施形態に係る副室式内燃機関の全体概略図。
【図１２】第３実施形態におけるエンジン負荷とバイパスバルブ閉タイミングとの関係を示す図。
【符号の説明】
【００９９】
１    副室式内燃機関
２１    吸気バルブ
３０    可変圧縮比機構
４０，４０ａ，４０ｂ    ＥＣＵ（制御部）
６１    副燃焼室
６３    主燃焼室
７０    グロープラグ
７１    ヒートコイルパイプ（着火手段）
７１，７１ａ，７１ｂ，７１ｃ，７１ｄ    ヒートコイルパイプ
７２ａ，７２ｃ，７２ｅ，７２ｈ    第１ヒータ部（着火部）
７２ｂ，７２ｄ，７２ｆ，７２ｉ    第２ヒータ部（着火部）
７２ｇ    第３ヒータ部（着火部）
７３ａ〜７３ｇ    コイルヒータ
７４ａ    第１触媒
７４ｂ    第２触媒
８１，８２    可変バルブタイミング機構
９０    過給機
９７    バイパス通路（残留ガス排出通路）
９８    バイパスバルブ（制御弁）
【図１】
2006144649.tif 000003
【図２】
2006144649.tif 000004
【図３】
2006144649.tif 000005
【図４】
2006144649.tif 000006
【図５】
2006144649.tif 000007
【図６】
2006144649.tif 000008
【図７】
2006144649.tif 000009
【図８】
2006144649.tif 000010
【図９】
2006144649.tif 000011
【図１０】
2006144649.tif 000012
【図１１】
2006144649.tif 000013
【図１２】
2006144649.tif 000014