(57)【要約】      （修正有）【課題】機関負荷が比較的高いときであっても燃焼騒音を抑制する。【解決手段】内燃機関は、燃料噴射弁と、点火プラグと、頂面にキャビティを有するピストンと、制御装置とを備える。燃料噴射弁は、燃料の噴射方向を変更することができるように構成される。制御装置は、メイン燃料の噴射と着火アシスト燃料の噴射とを順次行うと共に、着火アシスト燃料の噴射によって形成された混合気を点火プラグによって火炎伝播燃焼させ、残りの燃料を予混合圧縮自着火燃焼させるように燃料噴射弁及び点火プラグを制御する着火アシスト制御を実行可能である。制御装置は、着火アシスト制御中において、機関負荷が相対的に高いときには、機関負荷が相対的に低いときに比べて、燃料噴射弁から噴射された燃料が、キャビティを画定する壁面のうち燃料噴射弁からの距離が相対的に短い部分に向かうように、燃料噴射弁からの燃料の噴射方向を制御する。【選択図】図１８
2018123704.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
各気筒の上面に配置された燃料噴射弁と、燃焼室内の混合気に点火する点火プラグと、頂面にキャビティを有するピストンと、前記燃料噴射弁及び前記点火プラグを制御する制御装置と、を備えた内燃機関であって、
前記燃料噴射弁は、当該燃料噴射弁からの燃料の噴射方向を変更することができるように構成され、且つ前記気筒の軸線方向に見たときに前記キャビティ内に位置するように配置され、
前記制御装置は、前記燃料噴射弁からメイン燃料の噴射と着火アシスト燃料の噴射とを順次行うと共に、前記着火アシスト燃料の噴射によって形成された混合気を前記点火プラグによって火炎伝播燃焼させ且つ該火炎伝播燃焼によって生じる熱を用いて残りの燃料を予混合圧縮自着火燃焼させるように前記メイン燃料及び前記着火アシスト燃料の噴射量及び噴射時期並びに前記点火プラグによる点火時期を制御する着火アシスト制御を実行可能であり、
前記制御装置は、前記着火アシスト制御中において、機関負荷が相対的に高いときには、機関負荷が相対的に低いときに比べて、前記燃料噴射弁から噴射された燃料が、前記キャビティを画定する壁面のうち前記燃料噴射弁からの距離が相対的に短い部分に向かうように、前記燃料噴射弁からの燃料の噴射方向を制御する、内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料噴射弁からメイン燃料の噴射と着火アシスト燃料の噴射とを順次行うと共に、着火アシスト燃料の噴射によって形成された混合気を点火プラグによって火炎伝播燃焼させ、火炎伝播燃焼によって生じる熱や圧力上昇を利用して残りの燃料を予混合圧縮自着火燃焼させるようにした内燃機関が知られている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２６３０６５号公報
【特許文献２】特開２００９−０３６１２６号公報
【特許文献３】特開２００４−１５０３１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上述したような内燃機関では、機関負荷が低いときには自着火燃焼が生じにくい。これは、自着火燃焼は燃焼室内の圧力が高いほど生じやすいところ、機関負荷が低いときには燃焼室内に供給される吸気ガスの圧力が低いことによるものである。したがって、上述したように燃料噴射及び点火を行った場合、点火プラグ近傍の混合気が火炎伝播燃焼した後に、点火プラグから離れた領域に位置する混合気が内側から外側に向かって順次自着火燃焼するようになる。
【０００５】
一方、機関負荷が比較的高いときには、燃焼室内に供給される吸気ガスの圧力が高いことから、自着火燃焼が生じやすい。したがって、上述したように燃料噴射及び点火を行った場合、点火プラグ近傍の混合気が火炎伝播燃焼した後に、その周囲に存在する混合気が一気に自着火燃焼することになる。このように、混合気が一気に自着火燃焼してしまうと、燃焼騒音が大きくなってしまう。
【０００６】
そこで、上記課題に鑑みて、本発明の目的は、点火プラグによる着火アシストを行って燃焼室内の混合気の一部を自着火燃焼させる内燃機関において、機関負荷が比較的高いときであっても燃焼騒音を抑制することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その要旨は以下のとおりである。
【０００８】
（１）  各気筒の上面に配置された燃料噴射弁と、燃焼室内の混合気に点火する点火プラグと、頂面にキャビティを有するピストンと、前記燃料噴射弁及び前記点火プラグを制御する制御装置と、を備えた内燃機関であって、前記燃料噴射弁は、当該燃料噴射弁からの燃料の噴射方向を変更することができるように構成され、且つ前記気筒の軸線方向に見たときに前記キャビティ内に位置するように配置され、前記制御装置は、前記燃料噴射弁からメイン燃料の噴射と着火アシスト燃料の噴射とを順次行うと共に、前記着火アシスト燃料の噴射によって形成された混合気を前記点火プラグによって火炎伝播燃焼させ且つ該火炎伝播燃焼によって生じる熱を用いて残りの燃料を予混合圧縮自着火燃焼させるように前記メイン燃料及び前記着火アシスト燃料の噴射量及び噴射時期並びに前記点火プラグによる点火時期を制御する着火アシスト制御を実行可能であり、前記制御装置は、前記着火アシスト制御中において、機関負荷が相対的に高いときには、機関負荷が相対的に低いときに比べて、前記燃料噴射弁から噴射された燃料が、前記キャビティを画定する壁面のうち前記燃料噴射弁からの距離が相対的に短い部分に向かうように、前記燃料噴射弁からの燃料の噴射方向を制御する、内燃機関。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、点火プラグによる着火アシストを行って燃焼室内の混合気の一部を自着火燃焼させる内燃機関において、機関負荷が比較的高いときであっても燃焼騒音を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、第一実施形態に係る内燃機関全体の概略図である。
【図２】図２は、機関本体の断面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、燃料噴射弁の先端部の概略的な断面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、燃料噴射弁の先端部を燃焼室側から見た概略的な平面図である。
【図４Ａ】図４Ａは、内側ニードルがリフトされている状態における燃料噴射弁の先端部の概略的な断面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、内側ニードルがリフトされている状態における燃料噴射弁の先端部の概略的な平面図である。
【図５Ａ】図５Ａは、外側ニードルがリフトされている状態における燃料噴射弁の先端部の概略的な断面図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、外側ニードルがリフトされている状態における燃料噴射弁の先端部の概略的な平面図である。
【図６】図６は、図２の線ＶＩ−ＶＩに沿って見たピストン上部の断面図である。
【図７】図７は、各運転モードでの運転が行われる運転領域を示す図である。
【図８Ａ】図８Ａは、吸気弁及び排気弁のリフト量の推移を示す図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、吸気弁及び排気弁のリフト量の推移を示す図である。
【図９】図９は、着火アシストを実施して予混合気を圧縮自着火燃焼させる場合における、燃料噴射率、点火時期及び熱発生率のクランク角推移を示す図である。
【図１０】図１０は、機関負荷が相対的に低いときのキャビティ内での燃焼の推移を示す図である。
【図１１】図１１は、機関負荷が相対的に高いときのキャビティ内での燃焼の推移を示す図である。
【図１２】図１２は、機関負荷に応じた燃料噴射率、点火時期及び熱発生率のクランク角推移を示す図である。
【図１３】図１３は、燃料噴射弁から噴射された燃料がキャビティの側壁面から離れたところまでしか到達していない状態におけるキャビティ内の様子を概略的に示した図である。
【図１４】図１４は、燃料噴射弁から噴射された燃料がキャビティの側壁面近傍まで到達している状態におけるキャビティ内の様子を概略的に示した図である。
【図１５】図１５は、機関負荷が比較的低い場合における、燃料噴射弁からの燃料の噴射方向を概略的に示した図である。
【図１６】図１６は、機関負荷が比較的高い場合における、燃料噴射弁からの燃料の噴射方向を概略的に示した図である。
【図１７】図１７は、基本的な燃焼制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図１８】図１８は、燃料噴射弁のニードル選択制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図１９Ａ】図１９Ａは、燃料噴射弁の先端部の概略的な断面図である。
【図１９Ｂ】図１９Ｂは、燃料噴射弁の先端部を燃焼室側から見た概略的な平面図である。
【図２０Ａ】図２０Ａは、機関負荷が比較的低い場合における、燃料噴射弁からの燃料の噴射方向を示す燃料噴射弁の先端部の概略的な断面図である。
【図２０Ｂ】図２０Ｂは、機関負荷が比較的高い場合における、燃料噴射弁からの燃料の噴射方向を示す燃料噴射弁の先端部の概略的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。
【００１２】
＜第一実施形態＞
≪内燃機関全体の説明≫
まず、図１及び図２を参照して第一実施形態に係る内燃機関１の構成について説明する。図１は、ガソリンを燃料とする内燃機関１の概略的な構成図である。図２は、内燃機関１の機関本体１０の概略的な断面図である。
【００１３】
図１及び図２に示したように、内燃機関１は、機関本体１０、可変動弁機構２０、燃料供給装置３０、吸気系４０、排気系５０、ＥＧＲ機構６０、及び制御装置７０を備える。
【００１４】
機関本体１０は、複数の気筒１１が形成されたシリンダブロック１２と、シリンダヘッド１３とを備える。各気筒１１内には、各気筒１１内を往復運動するピストン１４が配置されている。ピストン１４とシリンダヘッド１３との間の気筒１１内には混合気が燃焼する燃焼室１５が形成されている。シリンダヘッド１３には、各気筒１１の中央付近において、燃焼室１５内の混合気に点火するための点火プラグ１６が設けられている。
【００１５】
シリンダヘッド１３には、吸気ポート１７及び排気ポート１８が形成されている。これら吸気ポート１７及び排気ポート１８は各気筒１１の燃焼室１５に連通している。燃焼室１５と吸気ポート１７との間には吸気弁２１が配置されて、この吸気弁２１が吸気ポート１７を開閉する。同様に、燃焼室１５と排気ポート１８との間には排気弁２２が配置されて、この排気弁２２が排気ポート１８を開閉する。
【００１６】
可変動弁機構２０は、各気筒の吸気弁２１を開閉駆動する吸気可変動弁機構２３と、各気筒の排気弁２２を開閉駆動する排気可変動弁機構２４とを備える。吸気可変動弁機構２３は、吸気弁２１の開弁時期、閉弁時期やリフト量を制御可能である。同様に、排気可変動弁機構２４は、排気弁２２の開弁時期、閉弁時期やリフト量を制御可能である。これら可変動弁機構２３、２４は、電磁アクチュエータによって吸気弁２１や排気弁２２を開閉駆動することで開弁時期等を変更するように構成されている。或いは、これら可変動弁機構２３、２４は、油圧等によって、クランクシャフトに対するカムシャフトの相対位相を変更したり、カムプロフィールを変更したりすることで開弁時期等を変更するように構成されてもよい。
【００１７】
燃料供給装置３０は、燃料噴射弁３１、デリバリパイプ３２、燃料供給管３３、燃料ポンプ３４、及び燃料タンク３５を備える。燃料噴射弁３１は、各気筒１１の燃焼室１５内に燃料を直接噴射するようにシリンダヘッド１３に配置されている。特に、本実施形態では、燃料噴射弁３１は、点火プラグ１６の電極部が燃料噴射弁３１からの燃料噴射領域Ｆ又はその近傍に位置するように、点火プラグ１６に隣接して各気筒１１の中央近傍に配置されている。
【００１８】
燃料噴射弁３１は、デリバリパイプ３２及び燃料供給管３３を介して燃料タンク３５に連結されている。燃料供給管３３には、燃料タンク３５内の燃料を圧送する燃料ポンプ３４が配置される。燃料ポンプ３４によって圧送された燃料は、燃料供給管３３を介してデリバリパイプ３２に供給され、燃料噴射弁３１が開弁されるのに伴って燃料噴射弁３１から燃焼室１５内に直接噴射される。
【００１９】
吸気系４０は、吸気枝管４１、サージタンク４２、吸気管４３、エアクリーナ４４、排気ターボチャージャ５のコンプレッサ５ａ、インタークーラ４５、及びスロットル弁４６を備える。各気筒１１の吸気ポート１７はそれぞれ対応する吸気枝管４１を介してサージタンク４２に連通しており、サージタンク４２は吸気管４３を介してエアクリーナ４４に連通している。吸気管４３には、吸気管４３内を流通する吸入空気を圧縮して吐出する排気ターボチャージャ５のコンプレッサ５ａと、コンプレッサ５ａによって圧縮された空気を冷却するインタークーラ４５とが設けられている。インタークーラ４５は、吸入空気の流れ方向においてコンプレッサ５ａの下流側に配置されている。スロットル弁４６は、インタークーラ４５とサージタンク４２との間の吸気管４３内に配置されている。スロットル弁４６は、スロットル弁駆動アクチュエータ４７によって回動せしめられることで、吸気通路の開口面積を変更することができる。なお、吸気ポート１７、吸気枝管４１、サージタンク４２、及び吸気管４３は、燃焼室１５に吸気ガスを供給する吸気通路を形成する。
【００２０】
排気系５０は、排気マニホルド５１、排気管５２、排気ターボチャージャ５のタービン５ｂ、及び排気後処理装置５３を備える。各気筒１１の排気ポート１８は、排気マニホルド５１に連通しており、排気マニホルド５１は排気管５２に連通している。排気管５２には、排気ターボチャージャ５のタービン５ｂが設けられている。タービン５ｂは、排気ガスのエネルギによって回転駆動せしめられる。排気ターボチャージャ５のコンプレッサ５ａとタービン５ｂとは回転軸によって接続されており、タービン５ｂが回転駆動せしめられると、これに伴ってコンプレッサ５ａが回転し、よって吸入空気が圧縮せしめられる。また、排気管５２にはタービン５ｂの排気流れ方向下流側において排気後処理装置５３が設けられている。排気後処理装置５３は、排気ガスを浄化した上で外気中に排出するための装置であって、有害物質を浄化する各種の排気浄化触媒や有害物質を捕集するフィルタなどを備える。なお、排気ポート１８、排気マニホルド５１、及び排気管５２は、燃焼室１５から排気ガスを排出する排気通路を形成する。
【００２１】
ＥＧＲ機構６０は、ＥＧＲ管６１と、ＥＧＲ制御弁６２と、ＥＧＲクーラ６３とを備える。ＥＧＲ管６１は、排気マニホルド５１とサージタンク４２とに連結され、これらを互いに連通させる。ＥＧＲ管６１には、ＥＧＲ管６１内を流れるＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ６３が設けられている。加えて、ＥＧＲ管６１には、ＥＧＲ管６１によって形成されるＥＧＲ通路の開口面積を変更することができるＥＧＲ制御弁６２が設けられている。ＥＧＲ制御弁６２の開度を制御することによって、排気マニホルド５１からサージタンク４２へ還流させるＥＧＲガスの流量が調整される。
【００２２】
制御装置７０は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）７１及び各種センサを備える。ＥＣＵ７１は、デジタルコンピュータから構成され、双方向性バス７２を介して相互に接続されたＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）７３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）７４、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）７５、入力ポート７６、及び出力ポート７７を備える。
【００２３】
シリンダヘッド１３には、各気筒１１内の圧力（筒内圧力）を検出するための筒内圧センサ８１が配置される。また、デリバリパイプ３２には、デリバリパイプ３２内の燃料の圧力、すなわち燃料噴射弁３１から気筒１１内に噴射される燃料の圧力（噴射圧）を検出するための燃圧センサ８２が設けられている。吸気管４３には、排気ターボチャージャ５のコンプレッサ５ａの吸気流れ方向上流側に、吸気管４３内を流れる空気の流量を検出するエアフロメータ８３が設けられている。スロットル弁４６には、その開度（スロットル開度）を検出するためのスロットル開度センサ８４が設けられている。加えて、サージタンク４２には、サージタンク４２内の吸気ガスの圧力、すなわち気筒１１内に吸入される吸気ガスの圧力（吸気圧）を検出するための吸気圧センサ８５が設けられている。さらに、サージタンク４２には、サージタンク４２内の吸気ガスの温度、すなわち気筒１１内に吸入される吸気ガスの温度（吸気温）を検出するための吸気温センサ８６が設けられている。これら、筒内圧センサ８１、燃圧センサ８２、エアフロメータ８３、スロットル開度センサ８４、吸気圧センサ８５及び吸気温センサ８６の出力は、対応するＡＤ変換器７８を介して入力ポート７６に入力される。
【００２４】
また、アクセルペダル８７にはアクセルペダル８７の踏み込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ８８が接続され、負荷センサ８８の出力電圧は対応するＡＤ変換器７８を介して入力ポート７６に入力される。したがって、本実施形態では、アクセルペダル８７の踏み込み量が機関負荷として用いられる。クランク角センサ８９は例えば機関本体１０のクランクシャフトが例えば１５度回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスが入力ポート７６に入力される。ＣＰＵ７５ではこのクランク角センサ８９の出力パルスから機関回転速度が計算される。
【００２５】
一方、ＥＣＵ７１の出力ポート７７は、対応する駆動回路７９を介して、内燃機関１の運転を制御する各アクチュエータに接続される。図１及び図２に示した例では、出力ポート７７は、点火プラグ１６、吸気可変動弁機構２３、排気可変動弁機構２４、燃料噴射弁３１、燃料ポンプ３４、スロットル弁駆動アクチュエータ４７、及びＥＧＲ制御弁６２に接続されている。ＥＣＵ７１は、これらアクチュエータを制御する制御信号を出力ポート７７から出力して、内燃機関１の運転を制御する。
【００２６】
≪燃料噴射弁の構造及び動作≫
次に、図３Ａ〜図５Ｂを参照して、本実施形態の内燃機関において用いられる燃料噴射弁３１の構造及び動作について説明する。図３Ａは、燃焼室１５内に曝される燃料噴射弁３１の先端部の概略的な断面図であり、図３Ｂは、燃料噴射弁３１の先端部を燃焼室１５側から見た概略的な平面図である。なお、図３Ａの断面図は、図３Ｂの断面線Ａ−Ａに沿って見た断面図となっている（以下、図４Ａ、図５Ａにおいても同様）。
【００２７】
図３Ａからわかるように、燃料噴射弁３１は、内側ニードル３１１と、内側ニードル３１１の外側に配置された外側ニードル３１２と、これら内側ニードル３１１及び外側ニードル３１２を収容するニードルホルダ３１３とを備える。
【００２８】
内側ニードル３１１は、円柱状に形成されると共にその先端が円錐形状に形成される。内側ニードル３１１は、ニードルホルダ３１３の軸線Ｘの方向に移動可能にニードルホルダ３１３内に配置され、燃料噴射弁３１の圧電アクチェエータ（図示せず）等のアクチュエータによってニードルホルダ３１３の軸線方向に駆動される。特に、本実施形態では、内側ニードル３１１と外側ニードル３１２とは別々に駆動されることができる。
【００２９】
外側ニードル３１２は、中空管状に形成されると共に、その先端が切頭円錐形状に形成される。また、外側ニードル３１２内にはその軸線に沿った中央孔が形成されており、この中央孔内には内側ニードル３１１が外側ニードル３１２の軸線方向に移動可能にすなわちニードルホルダ３１３の軸線方向に移動可能に収容される。また、外側ニードル３１２も、ニードルホルダ３１３の軸線方向に移動可能にニードルホルダ３１３内に配置され、燃料噴射弁３１の圧電アクチェエータ（図示せず）等のアクチュエータによってニードルホルダ３１３の軸線方向に駆動される。
【００３０】
内側ニードル３１１の外周面と、外側ニードル３１２との間には、第１燃料供給通路３１４が形成される。また、外側ニードル３１２の外周面とニードルホルダ３１３の内周面との間には、第２燃料供給通路３１５が形成される。これら第１燃料供給通路３１４及び第２燃料供給通路３１５は、共に、デリバリパイプ３２に接続される。よって、これら第１燃料供給通路３１４及び第２燃料供給通路３１５には高圧の燃料が供給される。
【００３１】
ニードルホルダ３１３には、内側ニードル３１１の円錐形状の先端部と接する部分に、６つの内側噴孔３１６が設けられている。図３Ｂに示したように、内側噴孔３１６は、ニードルホルダ３１３の軸線Ｘを中心とした周方向において等間隔に配置されている。加えて、ニードルホルダ３１３には、外側ニードル３１２の切頭円錐形状の先端部と接する部分に、６つの外側噴孔３１７が設けられている。図３Ｂに示したように、外側噴孔３１７は、ニードルホルダ３１３の軸線Ｘを中心とした周方向において等間隔に配置されている。また、各外側噴孔３１７は、軸線Ｘを中心とした周方向において、隣り合う内側噴孔３１６の中央に位置するように配置される。したがって、軸線Ｘを中心とした周方向において、内側噴孔３１６と外側噴孔３１７とが交互に等間隔に配置されることになる。
【００３２】
また、図３Ａに示したように、内側噴孔３１６及び外側噴孔３１７は、ニードルホルダ３１３の軸線Ｘに対して、内側噴孔３１６の延びる角度と、外側噴孔３１７の延びる角度とが等しくなるように形成される。したがって、内側噴孔３１６から噴射される燃料と外側噴孔３１７から噴射される燃料とは、軸線Ｘに対して等しい角度で噴射される。
【００３３】
図４Ａは、内側ニードル３１１がリフトされている状態における燃料噴射弁３１の先端部の概略的な断面図であり、図４Ｂは、内側ニードル３１１がリフトされている状態における燃料噴射弁３１の先端部の概略的な平面図である。
【００３４】
図４Ａに示したように、内側ニードル３１１がリフトされている状態では、内側噴孔３１６が開かれる。このため、第１燃料供給通路３１４を介して供給された燃料が、図４Ｂに示したように、内側噴孔３１６から燃焼室１５内に噴射されることになる。
【００３５】
図５Ａは、外側ニードル３１２がリフトされている状態における燃料噴射弁３１の先端部の概略的な断面図であり、図５Ｂは、外側ニードル３１２がリフトされている状態における燃料噴射弁３１の先端部の概略的な平面図である。
【００３６】
図５Ａに示したように、外側ニードル３１２がリフトされている状態では、外側噴孔３１７が開かれる。このため、第１燃料供給通路３１４及び第２燃料供給通路３１５を介して供給された燃料が、図５Ｂに示したように、外側噴孔３１７から燃焼室１５内に噴射されることになる。上述したように、内側噴孔３１６と外側噴孔３１７とは、軸線Ｘを中心とした周方向において、交互に等間隔に配置されている。このため、外側ニードル３１２がリフトされたときには、内側ニードル３１１がリフトされたときとは異なる方向に、燃料噴射が行われる。本実施形態では、外側ニードル３１２がリフトされたときの各噴霧の噴射方向は、外側ニードル３１２がリフトされたときに隣り合って噴射される二つの噴霧の間の方向とされる。
【００３７】
なお、上記実施形態では、内側噴孔３１６及び外側噴孔３１７はそれぞれ６つずつ形成されている。しかしながら、内側噴孔３１６及び外側噴孔３１７それぞれの数は必ずしも６つでなくてもよく、６つより多くても少なくてもよい。ただし、内側噴孔３１６及び外側噴孔３１７は、その噴射方向が互いに異なるように構成されることが必要である。さらに、燃料噴射弁３１の構成及び動作は、上述した態様に限定されるものではない。燃料噴射弁３１は、燃料噴射弁３１からの噴射方向を変更することができれば、如何なる構成を有するものであってもよい。
【００３８】
≪ピストンの構造≫
図６は、図２の線ＶＩ−ＶＩに沿って見たピストン上部の断面図である。図２及び図６からわかるように、ピストン１４は、その頂面に形成されたキャビティ９１を有する。図６に示したように、キャビティ９１は、気筒１１の軸線方向に見たときに燃料噴射弁３１を囲うように形成され、特に本実施形態では燃料噴射弁３１が中心に位置するように形成される。逆に言うと、燃料噴射弁３１は、気筒１１の軸線方向に見たときにキャビティ９１内に位置するように、特に本実施形態ではキャビティ９１の中心に位置するように配置される。
【００３９】
また、キャビティ９１は、底壁面９２と側壁面９３とを有する。底壁面９２は、ピストン１４の軸線に対して概ね垂直な方向に延びる。一方、側壁面９３は、底壁面９２の周囲に連結され、キャビティ９１の外周を画定する。
【００４０】
キャビティ９１の側壁面９３は、燃料噴射弁３１を中心とした円周方向において内側及び外側に波打つように形成される。換言すると、キャビティ９１の側壁面９３は、燃料噴射弁３１からの距離が相対的に短い部分である内側凸部９３ａと、燃料噴射弁３１からの距離が相対的に長い部分である外側凹部９３ｂとが周方向において交互に配置されるように形成される。特に、本実施形態では、内側凸部９３ａ及び外側凹部９３ｂはそれぞれ気筒の周方向において等間隔に配置される。
【００４１】
加えて、図６に示した例では、内側凸部９３ａ及び外側凹部９３ｂはそれぞれ６つずつ形成される。特に、本実施形態では、内側凸部９３ａ及び外側凹部９３ｂは、内側噴孔３１６によって噴射された燃料が外側凹部９３ｂに向かうように、且つ外側噴孔３１７によって噴射された燃料が内側凸部９３ａに向かうように形成される。すなわち、内側凸部９３ａ及び外側凹部９３ｂは、燃料噴射弁３１の軸線を中心として、内側噴孔３１６と外側凹部９３ｂとが同一放射線上に位置するように、且つ外側噴孔３１７と内側凸部９３ａとが同一放射線上に位置するように形成される。また、図６に示した例では、内側凸部９３ａは燃料噴射弁３１の軸線に向かって円弧状に突出するように形成され、外側凹部９３ｂは燃料噴射弁３１の軸線から離れるように円弧状に凹むように形成される。
【００４２】
加えて、本実施形態では、内側凸部９３ａ及び外側凹部９３ｂは、ピストン１４の軸線を含む断面において、ほぼ同一の形状となるように形成される。特に、本実施形態では、内側凸部９３ａ及び外側凹部９３ｂのいずれも、その断面が図２に示したように、ピストン１４の軸線に対して僅かに傾斜して延びるように形成される。
【００４３】
なお、図６に示した例では、内側凸部９３ａ及び外側凹部９３ｂはそれぞれ６つずつ形成されている。しかしながら、これら内側凸部９３ａ及び外側凹部９３ｂの数はそれぞれ７つずつ以上であってもよいし、５つずつ以下であってもよい。ただし、キャビティ９１は、内側凸部９３ａ及び外側凹部９３ｂを少なくともそれぞれ二つ備えるように形成されることが必要である。
【００４４】
また、図６に示した例では、内側凸部９３ａ及び外側凹部９３ｂはそれぞれ円弧状に形成されている。しかしながら、内側凸部９３ａは外側凹部９３ｂよりも燃料噴射弁３１までの距離が短ければ、如何なる形状であってもよい。また、外側凹部９３ｂは、内側凸部９３ａよりも燃料噴射弁３１までの距離が長ければ、如何なる形状であってもよい。
【００４５】
以上より、本実施形態では、キャビティ９１は、燃料噴射弁３１からキャビティ９１の側壁面までの距離が周方向において変化するように形成されているといえる。
【００４６】
≪基本的な燃焼制御≫
次に、図７〜図９を参照して、本実施形態の制御装置７０による基本的な燃焼制御について説明する。本実施形態では、制御装置７０は、火花点火運転モード（以下、「ＳＩ運転モード」という）と圧縮自着火運転モード（以下、「ＣＩ運転モード」という）との二つの運転モードにて内燃機関の運転を行う。
【００４７】
制御装置７０は、ＳＩ運転モードでは、基本的に燃焼室１５内に理論空燃比又は理論空燃比近傍の予混合気を形成し、この予混合気に点火プラグ１６による点火を行う。これにより、予混合気が燃焼室１５内で火炎伝播燃焼する。
【００４８】
また、制御装置７０は、ＣＩ運転モードでは、基本的に燃焼室１５内に理論空燃比よりもリーンな空燃比（例えば、３０〜４０程度）の予混合気を形成し、その予混合気を圧縮自着火燃焼させる。特に、本実施形態では、予混合気として、燃焼室１５の中央部に可燃層を有すると共に気筒１１の内壁面周りに空気層を有する成層予混合気を形成している。
【００４９】
予混合圧縮自着火燃焼は、火炎伝播燃焼と比べて空燃比をリーンにしても実施することができ、また圧縮比を高くしても実施することができる。そのため、予混合圧縮自着火燃焼を実施することで、燃費を向上させることができると共に、熱効率を向上させることができる。また、予混合圧縮自着火燃焼は、火炎伝播燃焼と比べて燃焼温度が低くなるため、ＮＯｘの発生を抑制することができる。さらに燃料の周りには十分な酸素が存在するため、未燃ＨＣの発生も抑制することができる。
【００５０】
また、予混合圧縮自着火燃焼では、燃焼室１５内で混合気が自着火するまでには反応時間が必要であり、機関回転速度が高くなると、混合気が自着火するのに必要な反応時間を確保することができなくなる。このため、機関回転速度が高い領域ではＳＩ運転モードでの運転が行われる。また、機関負荷が高くなって内燃機関による発生トルクが大きくなると過早着火が生じ、ノッキングが発生することになり、良好な自着火燃焼を行うことができなくなる。このため、機関負荷が高い領域でもＳＩ運転モードでの運転が行われる。この結果、本実施形態では、機関負荷及び機関回転速度から把握される機関運転状態が図７において実線で囲まれた自着火領域ＲＲ内にあれば、ＣＩ運転モードにより内燃機関が運転され、自着火領域ＲＲ外の領域にあれば、ＳＩ運転モードにより内燃機関が運転される。
【００５１】
次に、図８Ａ、図８Ｂ及び図９を参照して、本実施形態のＣＩ運転モードにおける可変動弁機構２０、点火プラグ１６及び燃料噴射弁３１の制御について説明する。
【００５２】
予混合圧縮自着火燃焼を実施するには、予混合気を自着火させることが可能な温度まで筒内温度を上昇させる必要があり、ＳＩ運転モード中のように予混合気を燃焼室１５内で全て火炎伝播燃焼させるときよりも筒内温度を高温にする必要がある。そのため本実施形態では、例えば図８Ａ及び図８Ｂに示すように、ＣＩ運転モード中は、必要に応じて排気弁２２が排気行程の他に吸気行程でも開弁するように排気可変動弁機構２４を制御している。このように、排気弁２２を吸気行程中に再度開弁する排気弁２度開き動作を実施することで、排気行程中に或る気筒から排出された高温の排気ガスを直後の吸気行程中にその気筒に吸い戻させることができる。これにより筒内温度を上昇させて、各気筒１１の筒内温度を、予混合圧縮自着火燃焼を実施可能な温度に維持している。
【００５３】
図８Ａに示したように、吸気弁２１のリフト量が小さいときに排気弁２２を開弁すれば、多量の排気ガスを自気筒に吸い戻すことができるので、筒内温度を大きく上昇させることができる。一方で図８Ｂに示すように、吸気弁２１のリフト量がある程度大きくなった後に排気弁２２を開弁すれば、筒内にある程度空気（新気）が吸入された後に排気ガスが吸い戻されることになるので、自気筒に吸い戻される排気ガスの量を抑えて筒内温度の上昇幅を抑えることができる。このように、排気弁２度開き動作を実施するタイミングに応じて、筒内温度の上昇幅を制御することができる。
【００５４】
加えて、本実施形態では、ＣＩ運転モードにおいても、点火プラグ１６によって混合気への点火が行われる。より詳細には、予混合気を燃焼室１５内で圧縮自着火燃焼させるにあたって、点火プラグ１６による着火アシストを行って燃料の一部を火炎伝播燃焼させ、この火炎伝播燃焼によって生じる熱を用いて筒内温度を強制的に上昇させることで、残りの燃料を予混合圧縮自着火燃焼させる着火アシスト制御を実施している。このような着火アシストを実施して予混合気を圧縮自着火燃焼させることで、予混合気の自着火時期を任意の時期に制御することが容易となる。
【００５５】
図９は、着火アシストを実施して予混合気を圧縮自着火燃焼させる場合における、クランク角と、燃料噴射率、点火時期及び熱発生率との関係を示す図である。熱発生率（ｄＱ／ｄθ）［Ｊ／ｄｅｇ．ＣＡ］は、混合気の燃焼によって生じる単位クランク角あたりの熱量、すなわち単位クランク角あたりの熱発生量Ｑを意味する。図中の実線（熱発生率パターンＡ）は、着火アシストを実施して予混合気を圧縮自着火燃焼させた場合の熱発生率の推移を、図中の一点鎖線（熱発生率パターンＺ）は、着火アシストを実施せずに予混合気を圧縮自着火燃焼させた場合の熱発生率の推移を、それぞれ示している。
【００５６】
図９に示したように、着火アシストを実施して予混合気を圧縮自着火燃焼させる場合には、燃料噴射弁３１によるメイン燃料の噴射、燃料噴射弁３１による着火アシスト燃料の噴射、及び点火プラグ１６による点火が順次行われる。
【００５７】
メイン燃料の噴射は、吸気行程から圧縮行程中の任意の時期（図９の例では、−５０［ｄｅｇ．ＡＴＤＣ］程度）に行われる。メイン燃料の噴射量は、各サイクルにおける総燃料噴射量の半分以上であることが好ましい。メイン燃料の噴射により燃焼室１５内には予混合気が形成される。なお、図９に示した例では、メイン燃料を圧縮行程中に１度だけ噴射する態様を示しているが、メイン燃料を複数回に分けて噴射するようにしてもよい。
【００５８】
着火アシスト燃料の噴射は、メイン燃料を噴射した後の圧縮行程後半の任意の時期（図９の例では−１０［ｄｅｇ．ＡＴＤＣ］程度）に行われる。着火アシスト燃料の噴射により、点火プラグ１６の周りには、メイン燃料の噴射によって燃焼室１５内に形成されている予混合気よりもリッチな空燃比のリッチ混合気が形成される。
【００５９】
点火プラグ１６による点火は、着火アシスト燃料を噴射した後の圧縮行程後半の任意の時期（図９の例では−８［ｄｅｇ．ＡＴＤＣ］程度）に行われる。これにより、点火プラグ１６の周りに形成されていたリッチ混合気（着火アシスト燃料）が点火され、主にこのリッチ混合気が火炎伝播燃焼せしめられる。斯かるリッチ混合気の火炎伝播燃焼により図９に熱発生率パターンＡ１で示したように熱が発生し、このように発生した熱により筒内温度が強制的に上昇せしめられ、これにより予混合気（メイン燃料）が圧縮自着火せしめられる。斯かる予混合気の圧縮自着火燃焼により図９に熱発生率パターンＡ２で示したように熱が発生する。この結果、火炎伝播燃焼及び圧縮自着火燃焼が生じた燃焼室１５では、熱発生率パターンＡで示したように熱発生率が推移することになる。
【００６０】
以上より、本実施形態では、制御装置７０は、燃料噴射弁３１からメイン燃料の噴射と着火アシスト燃料の噴射とを順次行うと共に、着火アシスト燃料の噴射によって形成された混合気を点火プラグ１６によって火炎伝播燃焼させると共に、火炎伝播燃焼によって生じる熱を用いて残りの燃料を予混合圧縮自着火燃焼させるように、メイン燃料及び着火アシスト燃料の噴射量及び噴射時期並びに点火時期を制御する着火アシスト制御を実行可能であるといえる。
【００６１】
このように、着火アシストを実施して予混合気を圧縮自着火燃焼させることにより、予混合気の着火時期を容易に任意の時期に制御することができるようになる。また、燃料の一部を火炎伝播燃焼させるので、圧縮自着火燃焼によって消費される燃料量が少なくなる。このため、全ての燃料が予混合圧縮自着火燃焼によって消費される場合と比較して、燃焼騒音を低減することができる。このように燃焼騒音を低減することができる理由について以下に説明する。
【００６２】
予混合気を圧縮自着火燃焼させた場合は、燃焼室１５内に拡散させた燃料が多点で同時期に自着火するので、火炎伝播燃焼させたときよりも燃焼速度が速くなって燃焼期間が短くなる。そのため、図９に一点鎖線で示した熱発生率パターンＢのように、予混合気を圧縮自着火燃焼させた場合は、熱発生率のピーク値、及び熱発生率の最大上昇速度（すなわち、熱発生率上昇時における熱発生パターンの傾き（ｄ2Ｑ／（ｄθ）2））のそれぞれが比較的大きくなる傾向にある。
【００６３】
燃焼騒音は、この熱発生率のピーク値及び熱発生率の最大上昇速度のそれぞれと相関があり、熱発生率のピーク値が大きくなるほど、またその熱発生率の最大上昇速度が大きくなるほど、大きくなる。そのため、予混合気を圧縮自着火燃焼させた場合は、予混合気を火炎伝播燃焼させたときよりも、燃焼騒音が増大する。
【００６４】
これに対して、着火アシストを実施して予混合気を圧縮自着火燃焼させた場合、図９に実線で示した熱発生率パターンＡのように、熱発生率のピーク値及び熱発生率の最大上昇速度（ｄ2Ｑ／（ｄθ）2）のそれぞれは熱発生率パターンＢと比較して小さくなる。このため、着火アシストを実施して予混合気を圧縮自着火燃焼させた場合には、燃焼騒音を低減することができる。
【００６５】
≪負荷と燃焼との関係≫
次に、図１０〜図１２を参照して、機関負荷とＣＩ運転モードにおける燃焼状態との関係について説明する。図１０〜図１２は、本実施形態とは異なり、ピストン１４に形成されたキャビティ９１’が周方向において内側及び外側に波打つことがなく、よって気筒１１の軸線方向に見たときに円形になるように形成されている場合を示している。
【００６６】
まず、図１０を参照して、機関負荷が相対的に低いときについて説明する。図７を参照して説明した自着火領域ＲＲのうち、機関負荷が比較的低い領域においては、燃焼室１５に供給される吸気ガスの圧力は比較的低い。これは、スロットル弁４６の開度が小さいことや排気ターボチャージャ５による過給圧が比較的低く抑えられることによるものである。このように燃焼室１５に供給される吸気ガスの圧力が低いと、燃焼室１５内の吸気ガスの圧力も比較的低いものとなる。
【００６７】
ところで、予混合圧縮自着火燃焼における自着火の発生し易さは、燃焼室１５内の混合気の温度及び圧力並びに混合気の局所的な当量比（混合気内の燃料の濃度）に応じて変化する。燃焼室１５内の温度が高いほど、燃焼室１５の圧力が高いほど、及び混合気の当量比が高いほど、自着火が発生し易い。
【００６８】
上述したように、機関負荷が比較的低いときには、燃焼室１５内の吸気ガスの圧力が比較的低い。このため、燃焼室１５内に形成された予混合気は比較的自着火しにくい。このような状況下では、燃焼室１５内では、段階的に自着火燃焼が発生することになる。
【００６９】
図１０は、機関負荷が比較的低いときのキャビティ９１’内での燃焼の推移を示す図である。着火アシストを実施してキャビティ９１’内で予混合気を圧縮自着火燃焼させるときには、まず、図９に示したようにメイン燃料の噴射及び着火アシスト燃料の噴射が行われる。加えて、着火アシスト燃料の噴射直後に、図１０に示したように、点火プラグ１６によって点火ＩＧが行われる（図１０の（ａ））。
【００７０】
点火プラグ１６による点火が行われると、着火アシスト燃料の噴射によって点火プラグ１６周りに形成されていた予混合気の火炎伝播燃焼ＳＡが生じる（図１０の（ｂ））。着火アシスト燃料の噴射は点火プラグ１６による点火の直前に行われるため、着火アシスト燃料は点火プラグ１６周りの狭い範囲内にのみ噴霧されていることから、火炎伝播燃焼ＳＡも点火プラグ１６周りの狭い範囲内においてのみ生じる。
【００７１】
火炎伝播燃焼ＳＡによりキャビティ９１’内の混合気の温度及び圧力が上昇すると、これによってキャビティ９１’内の予混合気の自着火燃焼ＳＩ１が開始される。ここで、図１０に示した例では、機関負荷が比較的低く、よってキャビティ９１’内は自着火が発生しにくい雰囲気になっているため、キャビティ９１’内の全領域で同時に自着火が発生するのではなく、まずはキャビティ９１’内の一部の領域において自着火が発生する。特に、点火プラグ１６に比較的近い中央寄りの領域では、キャビティ９１’中央付近で火炎伝播燃焼が生じているため、温度が高く、よって自着火燃焼が生じ易い。このため、予混合気の自着火燃焼ＳＩ１は最初は点火プラグ１６に比較的近い領域においてのみ発生する（図１０の（ｃ））。
【００７２】
その後、中央寄りの領域における自着火燃焼に伴うキャビティ９１’内の温度や圧力の上昇により、キャビティ９１’内の残りの領域についても自着火が生じ易い雰囲気となり、ＳＩ２で示したように徐々に予混合気が自着火燃焼していく（図１０（ｄ））。
【００７３】
図１２は、機関負荷に応じた、燃料噴射率、点火時期及び熱発生率のクランク角推移を示す図である。図１２中の破線Ａは、機関負荷が相対的に低いときの熱発生率の推移を示しており、図１２の実線Ｂは、機関負荷が相対的に高いときの熱発生率の推移を示している。
【００７４】
上述したように、機関負荷が比較的低いときには、まず火炎伝播燃焼ＳＡが生じる。このため、熱発生率パターンＡで示したように、熱発生率は上昇初期において比較的緩やかに上昇する。また、機関負荷が比較的低いときには、キャビティ９１’内において自着火燃焼がキャビティ９１’内全体で同時に生じるわけはなく、段階的に生じることになる。このため、熱発生率パターンＡで示したように、熱発生率は急激に上昇することがなく、よって熱発生率のピーク値及び熱発生率の最大上昇速度は比較的小さくなる。したがって、機関負荷が比較的低いときには、燃焼騒音は低く抑えられる。
【００７５】
次に、図１１を参照して、機関負荷が相対的に高いときについて説明する。図７を参照して説明した自着火領域ＲＲのうち、機関負荷が比較的高い領域においては、燃焼室１５に供給される吸気ガスの圧力は比較的高い。これは、スロットル弁４６の開度が大きいことや排気ターボチャージャ５による過給圧が比較的高いことによるものである。このように燃焼室１５に供給される吸気ガスの圧力が低いと、燃焼室１５内の吸気ガスの圧力も比較的高いものとなる。このため、キャビティ９１’内に形成された予混合気は比較的自着火し易い。このような状況下では、キャビティ９１’内では、混合気が一気に自着火することになる。
【００７６】
図１１は、機関負荷が相対的に高いときのキャビティ９１’内での燃焼の推移を示す図である。図示した例でも、図１０に示した例と同様に、着火アシスト燃料の噴射直後に、点火プラグ１６によって点火ＩＧが行われる（図１１の（ａ））。
【００７７】
点火プラグ１６による点火が行われると、図１０（ｂ）に示した場合と同様に、着火アシスト燃料の噴射によって点火プラグ１６周りに形成されていた予混合気の火炎伝播燃焼ＳＡが生じる（図１１の（ｂ））。加えて、機関負荷が比較的高いときには、予混合気は自着火し易い。したがって、点火プラグ１６周りでの火炎伝播燃焼ＳＡの発生直後に、キャビティ９１’内の様々な領域において自着火燃焼（ＳＩ１）が生じ（図１１（ｂ）、ＳＩ２で示したように自着火燃焼がキャビティ９１’内において一気に広がる（図１１（ｃ））。
【００７８】
したがって、機関負荷が比較的高いときには、自着火燃焼ＳＩ１が火炎伝播燃焼ＳＡの発生直後に生じる。このため、熱発生率パターンＢで示したように、熱発生率は上昇初期から比較的急激に上昇する。また、機関負荷が比較的高いときには、キャビティ９１’内において自着火燃焼がキャビティ９１’内全体で同時に生じる。このため、熱発生率パターンＢで示したように、熱発生率は急激に上昇することになり、よって熱発生率のピーク値及び熱発生率の最大上昇速度は比較的大きくなる。したがって、機関負荷が比較的高いときには、燃焼騒音が大きくなってしまう。
【００７９】
≪噴霧の位置と燃焼性≫
ところで、燃料噴射弁３１からの燃料噴射が行われた場合、燃料はキャビティ９１’内には必ずしも均一には分散しない。したがって、燃料噴射弁３１からの燃料噴射が行われると、キャビティ９１’内には燃料濃度の濃い領域（当量比の高い領域）と薄い領域（当量比の低い領域）とができる。また、燃料は燃料噴射弁３１から噴射されるとキャビティ９１’内で気化することになるが、気化に際しては気化熱を奪うため、雰囲気温度を低下させる。したがって、キャビティ９１’内の当量比の高い混合気の温度は相対的に低くなり、当量比の低い混合気の温度は相対的に高くなる。
【００８０】
ここで、上述したように、自着火の発生し易さは、混合気の温度及び圧力並びに混合気の局所的な当量比に応じて変化し、キャビティ９１’内の温度が高いほど、キャビティ９１’の圧力が高いほど、及び混合気の当量比が高いほど、自着火が発生し易い。結果的に、キャビティ９１’内の当量比の高い低温の混合気と、当量比の低い高温の混合気とは自着火の発生し易さが同程度になる。したがって、点火によって生じる火炎伝播燃焼を考慮しなければ、基本的には、燃料噴射弁３１からの燃料噴射を行った後には、自着火のし易さはキャビティ９１’内全体において同程度となる。
【００８１】
しかしながら、キャビティ９１’を画定する側壁面９３’はキャビティ９１’内の混合気に比べて温度が低いことから、キャビティ９１’の側壁面９３’近傍では混合気と側壁面９３’との間で熱交換が行われ、この結果、キャビティ９１’の側壁面９３’近傍では混合気の温度が低くなる。上述したように自着火の発生し易さは、混合気の温度に応じて変化することから、キャビティ９１’の側壁面）３’近傍では自着火が発生しにくくなる。
【００８２】
図１３は、燃料噴射弁３１から噴射された燃料Ｆがキャビティ９１’の側壁面９３’から離れたところまでしか到達していない状態を示している。このような状態では、燃料Ｆによって形成された混合気は、キャビティ９１’の側壁面９３’との間で熱交換を行わない。このため、燃料Ｆによって形成された混合気は全域に亘って自着火のし易さがほぼ等しくなる。したがって、機関負荷が比較的高い場合、燃料噴射弁３１から噴射された燃料Ｆが図１３に示したような状態にあるときにキャビティ９１’内で自着火燃焼が生じると、キャビティ９１’内全体で同時に自着火が生じ、燃焼騒音が大きなものとなる。一方、機関負荷が比較的低い場合には、燃料噴射弁３１から噴射された燃料Ｆが図１３に示したような状態にあるときにキャビティ９１’内で自着火燃焼が生じても、上述したように段階的に自着火燃焼が発生し、よって燃焼騒音は小さく抑えられる。
【００８３】
図１４は、燃料噴射弁３１から噴射された燃料Ｆがキャビティ９１’の側壁面９３’近傍まで到達している状態を示している。このような状態では、燃料Ｆによって形成された混合気は、側壁面９３’近傍の領域において側壁面９３’との間で熱交換を行う。したがって、燃料Ｆによって形成された混合気は、キャビティ９１’の中央領域では自着火し易くなると共に、周辺領域では自着火しにくくなる。したがって、機関負荷が比較的高い場合であっても、燃料噴射弁３１から噴射された燃料Ｆが図１４に示したような状態にあるときにキャビティ９１’内で自着火燃焼が生じるときには、先に中央領域で自着火燃焼が生じ、その後で周辺領域で自着火燃焼が生じるようになる。すなわち、段階的に自着火燃焼が生じるようになり、よって燃焼騒音を小さく抑えることができる。一方、機関負荷が比較的低い場合には、そもそもキャビティ９１’内は自着火燃焼が生じにくい雰囲気にあることから、キャビティ９１’内の周辺領域では混合気の自着火時期が遅くなり、よってキャビティ９１’内での混合気の燃焼が緩慢になり過ぎてしまう。
【００８４】
≪本実施形態における制御≫
そこで、本実施形態では、機関負荷に応じて、燃料噴射弁３１からの燃料の噴射方向を変更することで、キャビティ９１の側壁面９３からの距離を変化させるようにしている。以下、図１５及び図１６を参照して、本実施形態における機関負荷に応じた燃料の噴射方向の変化について説明する。
【００８５】
図１５は、機関負荷が比較的低い場合における、燃料噴射弁３１からの燃料の噴射方向を概略的に示した図である。本実施形態では、機関負荷が比較的低い場合、内側ニードル３１１をリフトさせることによって燃料噴射が行われる。このため、燃料は内側噴孔３１６を介して噴射されることになり、よって燃料噴射弁３１からの燃料の噴射方向は、図１５に示したように、外側凹部９３ｂへ向かう方向、すなわち側壁面９３のうち燃料噴射弁３１からの距離が相対的に長い部分に向かう方向となる。
【００８６】
ここで、キャビティ９１の外側凹部９３ｂは燃料噴射弁３１からの距離が比較的長いため、混合気が自着火燃焼を開始する時点において、燃料噴射弁３１から噴射された燃料Ｆはキャビティ９１の側壁面９３から離れたところまでしか到達していない。このため、燃料Ｆによって形成された混合気は全域に亘って自着火のし易さがほぼ等しくなる。したがって、キャビティ９１内の周辺領域において混合気の自着火時期が遅くなることがなくなり、よってキャビティ９１内での混合気の燃焼が緩慢になり過ぎてしまうことが抑制される。また、機関負荷が比較的低いことから、燃焼騒音も小さく抑えられる。
【００８７】
一方、図１６は、機関負荷が比較的高い場合における、燃料噴射弁３１からの燃料の噴射方向を概略的に示した図である。本実施形態では、機関負荷が比較的高い場合、外側ニードル３１２をリフトさせることによって燃料噴射が行われる。このため、燃料は外側噴孔３１７を介して噴射されることになり、よって燃料噴射弁３１からの燃料の噴射方向は、図１６に示したように、内側凸部９３ａへ向かう方向、すなわち側壁面９３のうち燃料噴射弁３１からの距離が相対的に短い部分に向かう方向となる。
【００８８】
ここで、キャビティ９１の内側凸部９３ａは燃料噴射弁３１からの距離が比較的短いため、混合気が自着火燃焼を開始する時点において、燃料噴射弁３１から噴射された燃料Ｆはキャビティ９１の側壁面９３付近にまで到達する。このため、燃料Ｆによって形成された混合気は、キャビティ９１の中央領域では自着火し易くなると共に、周辺領域では自着火しにくくなる。この結果、段階的に自着火燃焼が生じるようになり、よって燃焼騒音を小さく抑えることができる。
【００８９】
このように、本実施形態では、機関負荷が比較的低いときには、内側噴孔３１６から外側凹部９３ｂへ向かって燃料噴射が行われる。これにより、キャビティ９１内での混合気の燃焼が緩慢になり過ぎてしまうことが抑制される。一方、機関負荷が比較的高いときには、外側噴孔３１７から内側凸部９３ａへ向かって燃料噴射が行われる。これにより、機関負荷が比較的高いときでも燃焼騒音を小さく抑えることができる。この結果、本実施形態では、機関負荷が比較的低いときに混合気の燃焼が緩慢になりすぎることを抑制しつつ、機関負荷が比較的高いときに燃焼騒音を小さく抑えることができる。
【００９０】
なお、上述したように、内側噴孔３１６の数及び外側噴孔３１７の数（すなわち、各噴孔群の数）は、必ずしもキャビティ９１の外側凹部９３ｂの数及び内側凸部９３ａの数とそれぞれ等しい数となっている必要はない。したがって、これら各噴孔群の数は、外側凹部９３ｂの数又は内側凸部９３ａよりも少なくてもよい。この場合には、内側噴孔３１６は、複数の外側凹部９３ｂのうち一部の外側凹部９３ｂのみに向かって噴射されるように配置され、外側噴孔３１７は、複数の内側凸部９３ａのうち一部の内側凸部９３ａのみに向かって噴射されるように配置される。
【００９１】
また、内側噴孔３１６を内側凸部９３ａに向かって燃料を噴射するように構成し、外側噴孔３１７を外側凹部９３ｂに向かって燃料を噴射するように構成してもよい。この場合、機関負荷が比較的低いときに外側噴孔３１７から燃料噴射が行われ、機関負荷が比較的高いときに内側噴孔３１６から燃料噴射が行われることになる。
【００９２】
≪フローチャート≫
図１７は、基本的な燃焼制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは、一定時間間隔（例えば、４ｍｓ）毎に繰り返し実行される。
【００９３】
図１７を参照すると、まずステップＳ１１において、負荷センサ８８によって検出された機関負荷及びクランク角センサ８９に基づいて算出された機関回転速度を用いて、機関運転状態が検出される。次いで、ステップＳ１２において、ステップＳ１１にて検出された現在の機関運転状態が自着火領域ＲＲ内にあるか否かが判断される。ステップＳ１２において、現在の機関運転状態が自着火領域ＲＲ内にあると判断された場合には、ステップＳ１３へと進む。
【００９４】
ステップＳ１３では、負荷センサ８８によって検出された機関負荷等に基づいて総燃料噴射量Ｑｔが算出される。総燃料噴射量Ｑｔは、例えば、機関負荷と総燃料噴射量との関係を定めたマップをＥＣＵ７１のＲＯＭ７４に保存し、このマップを用いて機関負荷に基づいて算出される。総燃料噴射量Ｑｔは、機関負荷が大きくなるほど多くなるように設定される。
【００９５】
次いで、ステップＳ１４では、総燃料噴射量Ｑｔに対する着火アシスト燃料の噴射量Ｑａの割合Ｒが算出される。割合Ｒは、例えば、機関負荷が小さくなるほど、大きくなるように設定される。これは、機関負荷が小さくなるほど吸入空気量が減少し、予混合気の温度及び圧力が低下して圧縮自着火燃焼が発生しにくくなることから、機関負荷が小さくなったときに圧縮自着火燃焼が発生し易くなるように着火アシスト燃料の噴射量を増大させるようにしたものである。
【００９６】
次いで、ステップＳ１５では、ステップＳ１３において算出された総燃料噴射量Ｑｔと、ステップＳ１４において算出された着火アシスト噴射割合Ｒとに基づいて、メイン燃料の噴射量Ｑｍ及び着火アシスト燃料の噴射量Ｑａが算出される。次いで、ステップＳ１６では、ＥＣＵ７１のＲＯＭ７４に保存された予め定められたマップ等を用いて、機関負荷及び機関回転速度に基づいて、メイン燃料の噴射時期Ｔｍ、着火アシスト燃料の噴射時期Ｔａ及び点火プラグ１６による点火時期Ｔｉｇが算出され、制御ルーチンが終了せしめられる。メイン燃料の噴射時期、着火アシスト燃料の噴射時期及び点火時期は、例えば、機関回転速度が速くなるほど進角されるように設定される。
【００９７】
一方、ステップＳ１２において、現在の機関運転状態が自着火領域ＲＲ内にないと判断された場合には、ステップＳ１７へと進む。ステップＳ１７では、ＳＩ運転モードにて燃焼室１５内での燃焼が行われるように燃料噴射弁３１、点火プラグ１６等が制御される。
【００９８】
図１８は、燃料噴射弁３１のニードル選択制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは、一定時間間隔（例えば、４ｍｓ）毎に繰り返し実行される。
【００９９】
図１８を参照すると、まずステップＳ２１において、図１７のステップＳ１１と同様に、機関運転状態が検出される。次いで、ステップＳ２２において、ステップＳ２１にて検出された機関運転状態が自着火領域ＲＲ内にあるか否かが判断される。ステップＳ２２において、機関運転状態が自着火領域ＲＲ内にあると判断された場合には、ステップＳ２３へと進む。
【０１００】
ステップＳ２３では、負荷センサ８８によって検出された機関負荷Ｌが予め定められた基準負荷Ｌｒｅｆ未満であるか否かが判断される。ここで、基準負荷Ｌｒｅｆは、図５に示したように自着火領域ＲＲ内の負荷であり、燃料噴射弁３１からの燃料が外側凹部９３ｂに向かって直線的に進行しても燃焼騒音が所定値以下になるような負荷の上限値以下に設定される。
【０１０１】
ステップＳ２３において、機関負荷Ｌが基準負荷Ｌｒｅｆ未満であると判定された場合にはステップＳ２４へと進む。ステップＳ２４では、内側噴孔３１６から燃料噴射が行われるように、燃料噴射弁３１から燃料噴射を行うときには内側ニードル３１１を使用するように設定され、制御ルーチンが終了せしめられる。一方、ステップＳ２３において、機関負荷Ｌが基準負荷Ｌｒｅｆ以上であると判定された場合にはステップＳ２５へと進む。ステップＳ２５では、外側噴孔３１７から燃料噴射が行われるように、燃料噴射弁３１から燃料噴射を行うときには外側ニードル３１２を使用するように設定され、制御ルーチンが終了せしめられる。
【０１０２】
＜第二実施形態＞
次に、図１９Ａから図２０Ｂを参照して、第二実施形態に係る内燃機関について説明する。第二実施形態に係る内燃機関の構成及び制御は、基本的に第一実施形態に係る内燃機関の構成及び制御と同様である。したがって、以下では、主に第一実施形態に係る内燃機関とは異なる部分について説明する。
【０１０３】
≪燃料噴射弁の構造≫
まず、図１９Ａ及び図１９Ｂを参照して、本実施形態の内燃機関において用いられる燃料噴射弁３１’の構造及び動作について説明する。図１９Ａは、燃料噴射弁３１’の先端部の概略的な断面図であり、図１９Ｂは、燃料噴射弁３１’の先端部を燃焼室１５側から見た概略的な平面図である。なお、図１９Ａの断面図は、図１９Ｂの断面線Ａ−Ａに沿って見た断面図となっている。
【０１０４】
図１９Ａからわかるように、本実施形態における燃料噴射弁３１’も、内側ニードル３１１と、内側ニードル３１１の外側に配置された外側ニードル３１２と、これら内側ニードル３１１及び外側ニードル３１２を収容するニードルホルダ３１３とを備える。また、内側ニードル３１１の外周面と、外側ニードル３１２との間には、第１燃料供給通路３１４が形成される。また、外側ニードル３１２の外周面とニードルホルダ３１３の内周面との間には、第２燃料供給通路３１５が形成される。
【０１０５】
加えて、本実施形態における燃料噴射弁３１’は、第一実施形態における燃料噴射弁３１と同様に、内側噴孔３１６’及び外側噴孔３１７’を備える。しかしながら、第一実施形態では、内側噴孔３１６及び外側噴孔３１７は、ニードルホルダ３１３の軸線Ｘに対して、内側噴孔３１６の延びる角度と、外側噴孔３１７の延びる角度とが等しくなるように形成されていた。これに対して、本実施形態では、内側噴孔３１６’及び外側噴孔３１７’は、軸線Ｘに対して内側噴孔３１６’の延びる角度θ１が、軸線Ｘに対して外側噴孔３１７’の延びる角度θ２よりも小さくなるように形成される。この結果、軸線Ｘに対する内側噴孔３１６’からの燃料噴射方向（すなわち、気筒１１の軸線に対する内側噴孔３１６’からの燃料噴射方向）の角度は、軸線Ｘに対する外側噴孔３１７’からの燃料噴射方向（すなわち、気筒１１の軸線に対する外側噴孔３１７’からの燃料噴射方向）の角度よりも小さくなる。
【０１０６】
なお、図１９Ａ及び図１９Ｂに示した例では、軸線Ｘを中心とした周方向において、内側噴孔３１６’と外側噴孔３１７’とが交互に等間隔に配置されている。しかしながら、本実施形態では、これら内側噴孔３１６’と外側噴孔３１７’とは必ずしも交互に配置される必要はなく、燃料噴射弁３１’は、内側噴孔３１６’と外側噴孔３１７’とが同一放射線上に配置されるように構成されてもよい。
【０１０７】
また、本実施形態でも、キャビティ９１の側壁面９３は、燃料噴射弁３１を中心とした円周方向において内側及び外側に波打つように形成される。しかしながら、キャビティ９１の側壁面９３は必ずしもこのように形成される必要はなく、例えば円形状等、任意の形状に形成されてもよい。
【０１０８】
≪本実施形態における制御≫
次に、図２０Ａ及び図２０Ｂを参照して、本実施形態における機関負荷に応じた燃料の噴射方向の変化について説明する。
【０１０９】
図２０Ａは、機関負荷が比較的低い場合における、燃料噴射弁３１からの燃料の噴射方向を示す燃料噴射弁の先端部の概略的な断面図である。本実施形態では、機関負荷が比較的低い場合、内側ニードル３１１をリフトさせることによって燃料噴射が行われる。このため、燃料は内側噴孔３１６を介して噴射されることになり、よって軸線Ｘに対する燃料噴射弁３１からの燃料噴射方向の角度θは、図２０Ａに示したように小さくなる。
【０１１０】
このように燃料噴射弁３１からの噴射角度θが小さくなると、燃料噴射弁３１から噴射された燃料は、側壁面９３のうち底壁面９２に近い部分、または底壁面９２のうち側壁面９３に近い部分に向かって噴射されることになる。すなわちキャビティ９１の壁面のうち燃料噴射弁３１からの距離が相対的に長い部分に向かう方向となる。
【０１１１】
この結果、混合気が自着火燃焼を開始する時点において、燃料噴射弁３１から噴射された燃料Ｆはキャビティ９１の壁面から離れたところまでしか到達していない。このため、燃料Ｆによって形成された混合気は全域に亘って自着火のし易さがほぼ等しくなる。したがって、キャビティ９１内の周辺領域において混合気の自着火時期が遅くなることがなくなり、よってキャビティ９１内での混合気の燃焼が緩慢になり過ぎてしまうことが抑制される。また、機関負荷が比較的低いことから、燃焼騒音も小さく抑えられる。
【０１１２】
一方、図２０Ｂは、機関負荷が比較的高い場合における、燃料噴射弁３１からの燃料の噴射方向を示す燃料噴射弁の先端部の概略的な断面図である。本実施形態では、機関負荷が比較的高い場合、外側ニードル３１２をリフトさせることによって燃料噴射が行われる。このため、燃料は外側噴孔３１７を介して噴射されることになり、よって軸線Ｘに対する燃料噴射弁３１からの燃料噴射方向の角度θは、図２０Ｂに示したように大きくなる。
【０１１３】
このように燃料噴射弁３１からの噴射角度θが大きくなると、燃料噴射弁３１から噴射された燃料は、側壁面９３のうち頂部に近い部分に向かって噴射されることになる。すなわちキャビティ９１の壁面のうち燃料噴射弁３１からの距離が相対的に短い部分に向かう方向となる。
【０１１４】
この結果、混合気が自着火燃焼を開始する時点において、燃料噴射弁３１から噴射された燃料Ｆはキャビティ９１の壁面付近にまで到達する。このため、燃料Ｆによって形成された混合気は、キャビティ９１の中央領域では自着火し易くなると共に、周辺領域では自着火しにくくなる。この結果、段階的に自着火燃焼が生じるようになり、よって燃焼騒音を小さく抑えることができる。
【０１１５】
このように、本実施形態では、機関負荷が比較的低いときには、内側噴孔３１６から小さい噴射角度で燃料噴射が行われる。これにより、キャビティ９１内での混合気の燃焼が緩慢になり過ぎてしまうことが抑制される。一方、機関負荷が比較的高いときには、外側噴孔３１７から大きい噴射角度で燃料噴射が行われる。これにより、機関負荷が比較的高いときでも燃焼騒音を小さく抑えることができる。この結果、本実施形態では、機関負荷が比較的低いときに混合気の燃焼が緩慢になりすぎることを抑制しつつ、機関負荷が比較的高いときに燃焼騒音を小さく抑えることができる。
【０１１６】
以上をまとめると、第一実施形態及び第二実施形態の内燃機関では、制御装置７０は、着火アシスト制御中において、機関負荷が相対的に高いときには、機関負荷が相対的に低いときに比べて、燃料噴射弁３１から噴射された燃料が、キャビティ９１を画定する壁面のうち燃料噴射弁３１からの距離が相対的に短い部分に向かうように、燃料噴射弁３１からの燃料の噴射方向を制御しているといえる。
【符号の説明】
【０１１７】
１    内燃機関
１０    機関本体
１５    燃焼室
１６    点火プラグ
３１    燃料噴射弁
７１    電子制御ユニット（ＥＣＵ）
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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