(57)【要約】【課題】  高負荷時に燃焼騒音の発生を抑えつつ、燃焼室内を高温に保つことにより熱効率が低下することを防ぐことが可能な予混合圧縮自着火内燃機関を提供すること。【解決手段】  本機関は、吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程を順に繰り返し実行する。ポート噴射弁３４は、混合ガスGmを形成するための燃料を噴射する。吸気行程初期から吸気弁電磁駆動装置３２ａが吸気弁３２を開閉させることにより、混合ガスGmの一部を残留した内部ＥＧＲガスGiと燃焼室２５内において混合して第１温度層Gmiを形成する。これとともに、吸気行程中期にて排気弁電磁駆動装置３９ａが排気弁３９を開閉させることにより、混合ガスGmの他の一部を逆流してくる外部ＥＧＲガスGoと燃焼室２５内において混合して第２温度層Gmoを形成する。圧縮行程後期の自着火直前にて、第２温度層Gmoは第１温度層Gmiよりも低い温度を有するように層別されている。【選択図】  図４
2008025534.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程を順に含んでおり、同４つの行程のそれぞれは、クランク角度にして１８０°毎の行程であり且つピストン位置にして上死点から下死点まで又は下死点から上死点までの行程である燃焼サイクルを実行し、少なくとも空気と燃料とを含む混合ガスを燃焼室内におい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内燃機関であって、
前記混合ガスを形成するための前記燃料を噴射する燃料噴射手段と、
前記燃焼室に連通した吸気ポートと、
前記吸気ポートを開閉するための吸気弁と、
前記燃焼室に連通した排気ポートと、
前記排気ポートを開閉するための排気弁と、
一の燃焼サイクルの前の燃焼サイクル中の排気行程内の少なくとも一部の期間を含む第１排気弁開弁期間にて前記排気弁を開くとともに当該一の燃焼サイクル中の吸気行程内の少なくとも一部の期間を含む吸気弁開弁期間にて前記吸気弁を開くことによって、当該前の燃焼サイクル中の膨張行程における前記混合ガスの燃焼により生じた燃焼ガスの一部を当該一の燃焼サイクルに供される内部ＥＧＲガスとして、前記燃焼室内に残留させる内部ＥＧＲガス残留手段と、
前記一の燃焼サイクル中の圧縮行程における前記自着火の時点までに前記混合ガスとなるガスの一部を前記内部ＥＧＲガスと前記燃焼室内において混合することにより、同自着火の時点までに同混合ガス中に第１温度層を形成するとともに、同自着火の時点までに同混合ガスとなるガスの他の一部を、前記前の燃焼サイクルに対する前記第１排気弁開弁期間にて同燃焼室から一旦排出された前記燃焼ガスの他の一部である外部ＥＧＲガスと同燃焼室内において混合することにより、同自着火の時点までに同混合ガス中に同第１温度層よりも低い温度を有するように層別された第２温度層を形成する混合ガス層別手段と、
を備えた予混合圧縮自着火内燃機関。
【請求項２】
請求項１に記載の予混合圧縮自着火内燃機関において、
前記混合ガス層別手段は、
前記一の燃焼サイクルに対する前記吸気弁開弁期間にて前記吸気弁を開くことによって当該一の燃焼サイクル中の前記自着火の時点までに前記混合ガスとなるガスを前記吸気ポートから前記燃焼室内へと吸入し、且つ同吸入されていくガスの一部を同燃焼室内において前記内部ＥＧＲガスと混合していくとともに、同吸気弁開弁期間内に開始時点を有する第２排気弁開弁期間にて前記排気弁を開くことによって前記外部ＥＧＲガスを前記排気ポートから同燃焼室内へと吸入し、且つ同吸気ポートから吸入されていく同ガスの他の一部を同燃焼室内において同排気ポートから吸入されていく同外部ＥＧＲガスと混合していくように構成された予混合圧縮自着火内燃機関。
【請求項３】
請求項２に記載の予混合圧縮自着火内燃機関において、
前記吸気ポートは、
前記形成される第１温度層が前記自着火の時点に前記燃焼室内の上部に位置し且つ前記形成される第２温度層が同自着火の時点に同燃焼室内の下部に位置するように、同燃焼室内のガスにタンブル流を発生させる形状となっており、
前記混合ガス層別手段は、
前記第２排気弁開弁期間を、前記燃焼室内のガスに発生している前記タンブル流の流れを用いて前記第１温度層及び前記第２温度層が形成されるように予め調整された期間に設定するように構成された予混合圧縮自着火内燃機関。
【請求項４】
請求項３に記載の予混合圧縮自着火内燃機関において、
前記燃料噴射手段は、
燃料を前記吸気ポート内に向けて噴射するように構成された予混合圧縮自着火内燃機関。
【請求項５】
請求項４に記載の予混合圧縮自着火内燃機関であって、
燃料を前記自着火の時点の直前に前記燃焼室内の上部に向けて直接噴射する燃料直噴手段を更に備えた予混合圧縮自着火内燃機関。
【請求項６】
請求項３に記載の予混合圧縮自着火内燃機関において、
前記燃料噴射手段は、
前記燃焼室内に露呈した少なくとも２つの噴射口から前記吸気弁開弁期間中に同燃焼室内に燃料を直接噴射するように構成されるとともに、同２つの噴射口のうちの一の噴射口からの燃料噴霧の飛行する向きが前記タンブル流の流れに沿う向きとなり、且つ同２つの噴射口のうちの他の噴射口からの燃料噴霧の飛行する向きが同タンブル流の流れに対向する向きとなるように構成された予混合圧縮自着火内燃機関。
【請求項７】
請求項６に記載の予混合圧縮自着火内燃機関において、
前記燃料噴射手段は、
前記一の噴射口からの燃料噴霧の貫通力が、前記他の噴射口からの燃料噴霧の貫通力に比べて小さくなるように燃料を噴射する予混合圧縮自着火内燃機関。
【請求項８】
請求項６又は請求項７に記載の予混合圧縮自着火内燃機関において、
前記燃料噴射手段は、
一の吸気行程において、前記吸気弁開弁期間内の期間であって前記第２排気弁開弁期間と重ならない期間である部分期間中と、同第２排気弁開弁期間中とに燃料を噴射するように構成された予混合圧縮自着火内燃機関。
【請求項９】
請求項３乃至請求項８の何れか一項に記載の予混合圧縮自着火内燃機関であって、
前記燃焼室内の上部に露呈した点火部における火花点火により前記混合ガスの自着火をアシストする火花点火手段を更に備えた予混合圧縮自着火内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮行程にて燃焼室内の混合ガスを圧縮することにより自着火（自己着火）させ、膨張行程にてこの自着火した混合ガスを燃焼させる予混合圧縮自着火内燃機関（以下、単に「機関」ということがある。）に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から知られたこの種の予混合圧縮自着火内燃機関において、燃焼室にて圧縮された混合ガスの自着火による燃焼は、この混合ガス中に多数の着火点が生じることによって通常極めて短時間内に進む。そのため、従来の機関では、特に燃料量の多い高負荷時における燃焼にて燃焼室内の圧力が急激に上昇し、更にこの急激な圧力変化により大きな燃焼騒音が発生するという問題点がある。
【０００３】
これに対処するため、特許文献１に開示されている予混合圧縮自着火内燃機関は、圧縮行程にて燃焼室内の混合ガス中の燃料が実質的に燃焼し始める直前に、この混合ガスに対して高圧流体、具体的には圧縮空気及び排気ポートへと一旦排出された燃焼ガスを圧縮したガス等を噴射するようになっている。この従来の機関では、燃焼室内のより低圧の混合ガス中に噴射された高圧流体が燃焼室内にて断熱膨張することによって、高圧流体の近傍にある混合ガスの温度が低くなる。即ち、従来の機関は、上述のように高圧流体を噴射することによって、混合ガス中の高圧流体に近い部分と、その高圧流体から離れた部分との間で温度不均一を生じさせており、これによって混合ガスの燃焼が緩慢にされている。更に、その結果、燃焼室内における急激な圧力変化と、これによる燃焼騒音の発生とが抑えられている。
【０００４】
しかしながら、従来の機関においては、圧縮行程の燃料の燃焼開始直前に混合ガスに対して高圧流体を噴射することにより混合ガスの一部が冷却されるため、燃料の有する化学エネルギーの一部は、その冷却された混合ガスの温度を上昇させるために消費される熱エネルギーとなって、ピストンの運動エネルギー（ピストンによる機械的仕事）へと変換されない。更に、噴射する高圧流体を形成するため空気等を圧縮する際にエネルギー消費する。従って、上述した高圧流体の噴射によって、高負荷時における燃焼騒音の発生が抑えられているものの、機関の熱効率が低下してしまう可能性がある。
【特許文献１】特開２００５−２８２５４２号公報
【発明の開示】
【０００５】
従って、本発明の目的の一つは、圧縮行程にて燃料が実質的に燃焼し始める直前までに燃焼室内の混合ガスを温度不均一にしておくことにより、高負荷時に燃焼騒音の発生を抑えつつ、これに加えて、燃焼室内全体をより高温に保つことによって、機関の熱効率が低下することを防ぐことが可能な予混合圧縮自着火内燃機関を提供することにある。
【０００６】
本発明に係る予混合圧縮自着火内燃機関は、吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程を順に含む燃焼サイクルを実行する。これら４つの行程のそれぞれは、クランク角度にして１８０°毎の行程であり且つピストン位置にして上死点から下死点まで又は下死点から上死点までの行程である。本機関は、少なくとも空気と燃料とを含む混合ガスを燃焼室内において圧縮することにより自着火させて燃焼させるようになっており、燃料噴射手段と、吸気ポートと、吸気弁と、排気ポートと、排気弁と、内部ＥＧＲガス残留手段と、混合ガス層別手段とを備える。
【０００７】
燃料噴射手段は、混合ガスを形成するための燃料を噴射する。吸気ポートが燃焼室に連通しており、吸気弁はこの吸気ポートを開閉するために設けられている。また、排気ポートが燃焼室に連通しており、排気弁はこの排気ポートを開閉するために設けられている。
【０００８】
内部ＥＧＲガス残留手段は、一の燃焼サイクルの前の燃焼サイクル中の排気行程内の少なくとも一部の期間を含む第１排気弁開弁期間にて排気弁を開くとともに当該一の燃焼サイクル中の吸気行程内の少なくとも一部の期間を含む吸気弁開弁期間にて吸気弁を開く。内部ＥＧＲガス残留手段は、この排気弁と吸気弁との開閉によって、上記前の燃焼サイクル中の膨張行程における混合ガスの燃焼により生じた燃焼ガスの一部を上記一の燃焼サイクルに供される内部ＥＧＲガスとして、燃焼室内に残留させる。
【０００９】
混合ガス層別手段は、上記一の燃焼サイクル中の圧縮行程（後期）における自着火の時点までに混合ガスとなるガスの一部を上記内部ＥＧＲガスと燃焼室内において混合することにより、その自着火の時点までに混合ガス中に第１温度層を形成する。これとともに、混合ガス層別手段は、自着火の時点までに混合ガスとなる上記ガスの他の一部を外部ＥＧＲガスと燃焼室内において混合することにより、その自着火の時点までに混合ガス中に第１温度層よりも低い温度を有するように層別された第２温度層を形成する。この外部ＥＧＲガスは、上記前の燃焼サイクルに対する上記第１排気弁開弁期間にて燃焼室から一旦排出された燃焼ガスの他の一部である。
【００１０】
ここで、第１温度層の温度と第２温度層の温度とにつき更に説明する。外部ＥＧＲガスは、燃焼室より低温の排気ポートへと排出された燃焼ガスから得られるので、燃焼室内に残留したままとなっている内部ＥＧＲガスよりも温度が低い。従って、上記ガス（自着火の時点までに混合ガスとなるガス）の一部が内部ＥＧＲガスと混合されることによってできた第１温度層は、このガスの他の一部が外部ＥＧＲガスと混合されることによってできた第２温度層よりも高温である。つまり、この第１温度層は、第２温度層よりも着火しやすい（自着火が起こりやすい）状態となっている。
【００１１】
このように、本機関によれば、圧縮行程後期における自着火の時点までに、混合ガス中に第１温度層と第２温度層とが形成されていき、これら各温度層が層別された後にはその層別状態が保たれる。そして、圧縮行程後期を迎えたとき、混合ガス中においてより高温となっている第１温度層内にて自着火が起こる。更に、この第１温度層内での自着火が混合ガスの燃焼の引き金となって、膨張行程にてその燃焼が第１温度層から第２温度層へと広がっていく。
【００１２】
本機関において、自着火する直前の燃焼室内の混合ガスは第１温度層と第２温度層とに層別されており、即ち、混合ガスの温度は空間的に不均一である。このため、温度が略均一となっている場合に比べて、燃焼時における急激な圧力変化が抑えられるので、高負荷時においても大きな燃焼騒音が発生し難い。加えて、いずれもかなりの高温となっている内部ＥＧＲガス及び外部ＥＧＲガスがそれぞれ用いられて、混合ガスの第１温度層及び第２温度層が形成される。そのため、従来のように燃焼室内の混合ガスに高圧流体を噴射する場合に比べて燃焼室内はより高温に維持されることになり、その結果、機関の熱効率が低下することを防ぐことができる。
【００１３】
また、本発明の予混合圧縮自着火内燃機関において、上記混合ガス層別手段は、一の燃焼サイクルに対する吸気弁開弁期間にて吸気弁を開くことによってこの一の燃焼サイクル中の自着火の時点までに混合ガスとなるガスを吸気ポートから燃焼室内へと吸入し、且つこの吸入されていくガスの一部を燃焼室内において内部ＥＧＲガスと混合していくようになっていることが好ましい。これとともに、上記混合ガス層別手段は、上記吸気弁開弁期間内に開始時点を有する第２排気弁開弁期間にて排気弁を開くことによって外部ＥＧＲガスを排気ポートから燃焼室内へと吸入し、且つ吸気ポートから吸入されていく上記ガスの他の一部を燃焼室内において排気ポートから吸入されていく外部ＥＧＲガスと混合していくようになっていることが好ましい。
【００１４】
この機関よれば、先ず、上記吸気弁開弁期間にて吸気弁を開くことにより、吸気ポートから燃焼室内へと吸入されていくガス（後述するように混合ガス又は混合ガスが形成される前の空気）の一部が内部ＥＧＲガスと混合されていく。その後、上記吸気弁開弁期間内に開始時点を有する第２排気弁開弁期間にて排気弁を開くことにより、排気ポートから燃焼室へと外部ＥＧＲガスが吸入され、吸気ポートから吸入されていくガス（混合ガス又は空気）の他の一部がこの外部ＥＧＲガスと混合されていく。ここでは、第２排気弁開弁期間に排気弁が開くようにするという簡便な構成によって、圧縮流体に比べて高温の外部ＥＧＲガスが層別にとり適切なタイミングで燃焼室内に取り込まれている。
【００１５】
本予混合圧縮自着火内燃機関において、吸気ポートは、混合ガス層別手段により形成される第１温度層が自着火の時点に燃焼室内の上部に位置し且つこの形成される第２温度層が自着火の時点に燃焼室内の下部に位置するように、燃焼室内のガスにタンブル流を発生させる形状となっていることが望ましい。この場合、混合ガス層別手段は、上記第２排気弁開弁期間を、燃焼室内のガスに発生しているタンブル流の流れを用いて上記第１温度層及び上記第２温度層が形成されるように予め調整された期間に設定するように構成する。
【００１６】
この機関によれば、上記のようなタンブル比が略１となるタンブル流（クランク軸が１回転する間に燃焼室内を略１回転するタンブル流）により、自着火の時点において混合ガスの第１温度層が燃焼室内の上部に位置し且つ第２温度層がその下部に位置する。即ち、混合ガスが自着火する際、互いに温度の異なる第１温度層と第２温度層とは短円筒形状（直径に対して軸が短い円筒状）をした燃焼室内において縦方向に並んで位置し、横方向に並んで位置する場合よりも大きな面積で接することになる。そのため、第１温度層で起きた燃焼はよりスムーズに第２温度層へと伝わっていく。
【００１７】
本予混合圧縮自着火内燃機関において、（１）上記燃料噴射手段は、燃料を吸気ポート内に向けて噴射するように構成してよい。この態様の機関によれば、燃焼室内に達する以前の吸気ポート内において、燃料が空気に噴射されることにより混合ガスが形成されるため、高負荷時においても燃料を空気内で十分に分散させ混合ガスを均質化することができる。
【００１８】
この機関において、更に、燃料を自着火の時点の直前に燃焼室内の上部に向けて直接噴射する燃料直噴手段を補助的に設けてもよい。燃料直噴手段が噴射する燃料は、燃料噴射手段が吸気ポート内に向けて噴射する燃料と同じでもよく、例えばこの燃料より着火性のよい燃料を用いるよう異なっていてもよい。
【００１９】
この機関によれば、圧縮行程の混合ガスを自着火させるべきタイミングにて、燃焼室内の上部に存在するより高温の第１温度層中に燃料が直接噴射され、これを元にして混合ガスの自着火が起こり、更に燃焼室内全体へと燃焼が広がっていく。そのため、この自着火を促す燃料の直接噴射によって、その自着火するタイミングをより精密に制御することが可能となる。
【００２０】
また、他の態様として、（２）混合ガスを形成するための上記燃料噴射手段を、吸気ポート内に代えて燃焼室内に設けてもよい。この場合、燃料噴射手段は、燃焼室内に露呈した少なくとも２つの噴射口から上記吸気弁開弁期間中に燃焼室内に燃料を直接噴射するように構成する。更に、この燃料噴射手段は、２つの噴射口のうちの一の噴射口からの燃料噴霧の飛行する向きがタンブル流の流れに沿う向き（タンブル流にとり順流となる向き）となり、且つ２つの噴射口のうちの他の噴射口からの燃料噴霧の飛行する向きがタンブル流の流れに対向する向き（タンブル流にとり逆流となる向き）となるように構成する。
【００２１】
ここで、例えばシリンダヘッドに吸気弁及び排気弁がそれぞれ２つずつ隣り合うように取り付けられることを前提として、上記一の噴射口からの燃料噴霧が飛行していく向きと、上記他の噴射口からの燃料噴霧が飛行していく向きとについてより具体的に説明する。燃料噴射手段は１つのノズルの先端部に２対の噴射口を有する。２対のうちの第１対の噴射口が上記一の噴射口に対応し、２対のうちの第２対の噴射口が上記他の噴射口に対応する。そのノズルの先端部は、円筒状の燃焼室内の上部となるシリンダとシリンダヘッドとのつなぎ目近傍であって、２つの吸気弁の間となる位置の下方において燃焼室内へと現出し、そのノズル先端部の現出位置からは２つの吸気弁が左右上方に臨まれる。更に、各対の２つの噴射口のうちの一方の噴射口は、ノズル先端部の現出位置からシリンダの軸に向かって燃焼室左側の半円筒領域内に燃料噴霧が飛行していくように、ノズルの左側に設けられている。また、各対の２つの噴射口のうちの他方の噴射口は、ノズル先端部の現出位置からシリンダの軸に向かって燃焼室右側の半円筒領域内に燃料噴霧が飛行していくように、ノズルの右側に設けられている。
【００２２】
この第１対の左右にある噴射口から飛行する燃料噴霧は、それぞれ、燃焼室の左右の各半円筒領域内にある第１ポイント（図６のP1）の近傍へと達する。この第１ポイントP1は、シリンダの軸方向においてピストンの上死点と下死点との真ん中となるストローク中央位置にある。更に、この第１ポイントP1は、シリンダの軸と直交する直交面において、「噴射口をこの直交面に垂直に投影した位置となる第１投影ポイントPO1」から「左右のうちの対応する排気弁の中心をこの直交面に垂直に投影した位置となる第２投影ポイントPO2」へと伸ばした半直線がシリンダボア壁と交わる壁面位置（同図６の下図）にある。この第１対の噴射口のそれぞれから対応する各第１ポイントP1へと飛行する燃料噴霧の向きは、燃焼室内の上部におけるタンブル流の流れに沿う向き（ノズル先端部の現出位置から燃焼室内を見たときの手前側から排気弁のある奥側へと向かう向き）となる。
【００２３】
また、第２対の左右にある噴射口から飛行する燃料噴霧は、それぞれ、燃焼室の左右の各半円筒領域内にある第２ポイント（図６のP2）の近傍へと達する。この第２ポイントP2は、シリンダの軸方向において上記ストローク中央位置にあって、その軸との直交面内において上記壁面位置（P1の直交面内の位置）を燃焼室内の下部におけるタンブル流に沿って（ノズル先端部の現出位置から燃焼室内を見たときの奥側から手前側へと向かうように）シリンダの左右への直径上へと垂直に投影した位置にある。この第２対の噴射口のそれぞれから対応する各第２ポイントP2へと飛行する燃料噴霧の向きは、燃焼室内の下部において奥側から手前側へと向かうタンブル流の流れに対向する向きとなる。
【００２４】
この態様の機関によれば、燃焼室内のガス（空気）に対してその発生しているタンブル流の流れに沿う向きと対向する向きとに燃料が噴射される（噴射口から燃料噴霧を噴出させる）ことにより混合ガスが形成される。このため、高負荷時においても燃料を空気内において十分に分散させ混合ガスを均質化することができる。更に、ここでは、吸気ポート内で燃料を噴射する必要がない。そのため、吸気ポート内の燃料噴射手段が現出させるノズルによりタンブル流が乱されるようなことがなく、吸気ポートの形状等に応じて燃焼室内に形成される所望のタンブル流を安定させることができる。
【００２５】
この態様の機関において、燃料噴射手段は、上記一の噴射口からの燃料噴霧の貫通力（貫徹力）が、上記他の噴射口からの燃料噴霧の貫通力に比べて小さくなるように燃料を噴射することが好ましい。例えば、上記第１対の噴射口（一の噴射口に対応）からタンブル流の流れに沿った燃料噴霧を飛行させるための噴射圧力と、上記第２対の噴射口（他の噴射口に対応）からタンブル流の流れに対向した燃料噴霧を飛行させるための噴射圧力とを同一とした場合、この第１対の噴射口の径を第２対の噴射口よりも小さくすることによって、第１対の噴射口からの燃料噴霧の貫通力を第２対の噴射口からの燃料噴霧の貫通力に比べて小さくすることができる。
【００２６】
このように、タンブル流の流れに沿う向きへの燃料噴霧の貫通力を、タンブル流の流れに対向する向きへの燃料噴霧の貫通力に比べて小さくなるように調節しておくことによって、燃料と空気との混合をより偏りなく行い、混合ガスの均質化をよりスムーズに行うことができる。
【００２７】
更に、この態様の機関において、燃料噴射手段は、一の吸気行程において、吸気弁開弁期間内の期間であって上記第２排気弁開弁期間と重ならない期間である部分期間中と、第２排気弁開弁期間中とに燃料を噴射するように構成されていることが望ましい。
【００２８】
これによれば、吸気弁開弁期間内の部分期間中に第１回目に噴射された燃料は、吸入されていく空気と内部ＥＧＲガスとが混合されて生ずるガス（混合ガスの第１温度層）中で均質な分布を有するように分散される。また、その後の第２排気弁開弁期間中に第２回目に噴射された燃料は、主として、吸入されていく空気と外部ＥＧＲガスとが混合されて生ずるガス（混合ガスの第２温度層）中で均質な分布を有するように分散される。これらの第１温度層と第２温度層との双方でそれぞれ分布の均質化が図られている混合ガスによれば、燃焼がよりスムーズに広がっていく。
【００２９】
以上の機関において、燃焼室内の上部に露呈した点火部における火花点火により混合ガスの自着火をアシストする火花点火手段を更に設けてもよい。これによれば、自着火の時点にて混合ガスの第１温度層が、発生させたタンブル流により燃焼室内の上部に位置しているときにその第１温度層内において火花を発生させることができるので、この第１温度層における自着火をスムーズに促すことができる。特にこの火花点火手段としてＣＤＩ装置（コンデンサ放電式点火装置或いは容量放電型点火装置）を用いる場合、通常のトランジスタ点火装置を用いる場合よりも火花放電の時間が極めて短いから、その自着火するタイミングをより精密に制御することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明による予混合圧縮自着火内燃機関の各実施形態について図面を参照しつつ説明する。
【００３１】
ａ．第１実施形態
図１は第１実施形態に係る内燃機関の概略構成を示している。この内燃機関１０は４ストローク多気筒内燃機関である。即ち、機関１０における１つの燃焼サイクルは吸気行程から始まり、機関１０は続いて順に圧縮行程、膨張行程及び排気行程を実行する。また、機関１０は自着火運転方式と火花点火運転方式とを切り換えて運転するようになっている。なお、この図１には１つの気筒（シリンダ）の縦断面のみを示しているが、他の気筒も同様の構成を備えている。
【００３２】
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（新気）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。
【００３３】
シリンダブロック部２０は、シリンダ２１、ピストン２２、コンロッド２３及びクラング軸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の側壁面（シリンダボア壁面）とピストン２２の頂面は、シリンダヘッド部３０の下面とともにペントルーフ型の燃焼室２５を形成している。
【００３４】
シリンダヘッド部３０は、少なくとも空気と燃料とを含む混合ガスGmを燃焼室２５内へと吸入させるための燃焼室２５に連通した吸気ポート３１、吸気ポート３１を開閉するための吸気弁３２、駆動回路３３に接続されていて駆動回路３３からの駆動信号に応答して吸気弁３２を電磁的に開閉する吸気弁電磁駆動機構３２ａ、及び、上記混合ガスGmを形成するために、吸気ポート３１内に露呈した噴射口から燃料をこの吸気ポート３１内に向けて噴射するポート噴射弁３４を備えている。
【００３５】
吸気ポート３１は、タンブル比が１となるタンブル流を燃焼室２５内の混合ガスGmに生じさせる形状となっている。即ち、吸気弁３２が開かれることにより燃焼室２５内へと吸入されてくる混合ガスGmが、クランク軸２４が１回転する間に燃焼室２５内を縦方向に略１回転旋回するように、シリンダブロック内における吸気ポート３１の断面形状及び曲がり方等が設定されている。加えて、燃焼室２５の形状、吸気弁３２の形状及び動作、運転時の過給圧（後述）等も上記したタンブル流が形成されるように適宜調整されている。
【００３６】
吸気弁電磁駆動機構３２ａは予め設定されたタイミング（クランク角度）にてまた予め設定されたリフト量だけ吸気弁３２を開閉させるようになっている。後述する排気弁電磁駆動機構３９ａについても同様である。一方、ポート噴射弁３４には図示しない蓄圧室、燃料ポンプ及び燃料タンクが順に接続されている。燃料ポンプは燃料タンク内の燃料を高圧にしてから蓄圧室に供給し、この蓄圧室は高圧の燃料を貯蔵するようになっている。ポート噴射弁３４は、駆動信号（燃料噴射信号）に応答して開いたとき、蓄圧室から吸気ポート３１内へと燃料を噴射するようになっている。
【００３７】
また、シリンダヘッド部３０は、燃焼室２５内に、混合ガスGmが自着火する直前に燃料をこの燃焼室２５内の上部に向けて直接噴射する直噴弁３５、及び、燃焼室２５内の上部に露呈した点火部（電極部）における火花放電により混合ガスGmに火花点火する点火プラグ３６を備えている。
【００３８】
直噴弁３５は、上記ポート噴射弁３４と同様に蓄圧室、燃料ポンプ及び燃料タンクが順に接続されており、駆動信号に応答して開いたとき、蓄圧室から燃焼室２５内へと高圧の燃料を噴射するようになっている。本例ではこの直噴弁３５の燃料にポート噴射弁３４と同じ燃料を用いる。全燃料量の９０％の燃料をポート噴射弁３４が噴射し、残りの１０％の燃料を直噴弁３５が噴射する。点火プラグ３６には、この点火プラグ３６に与える高電圧を発生するイグニッションコイルを含むイグナイタ（本例ではＣＤＩ装置）３７が接続されている。点火プラグ３６は火花点火運転時に混合ガスGmへの通常の火花点火を行い、自着火運転時に混合ガスGmの自着火をアシストするように、その点火時期が制御されるようになっている。
【００３９】
更に、シリンダヘッド部３０は、燃焼ガス（混合ガスGmの燃焼により生じたガス）を燃焼室２５から排出させるための燃焼室２５に連通した排気ポート３８、排気ポート３８を開閉するための排気弁３９、及び、駆動回路３３に接続されていて駆動回路３３からの駆動信号に応答して排気弁３９を電磁的に開閉する排気弁電磁駆動機構３９ａを備えている。
【００４０】
吸気系統４０は、下流側となる各気筒の吸気ポート３１へとそれぞれ枝分かれして連通したインテークマニホールド４１、このインテークマニホールド４１の上流側への集合部となるサージタンク４２、サージタンク４２に一端が接続された吸気ダクト４３、吸気ダクト４３の他端部から下流に向けて（インテークマニホールド４１側へと）順に吸気ダクト４３に配設されたエアフィルタ４４、ターボチャージャ８１のコンプレッサ８１ａ、バイパス流量調整弁４５、インタークーラ４６及びスロットル弁４７を備えている。
【００４１】
加えて、吸気系統４０はバイパス通路４８を備えている。このバイパス通路４８の一端はバイパス流量調整弁４５と接続されており、その他端はインタークーラ４６とスロットル弁４７の間の位置にて吸気ダクト４３に接続されている。バイパス流量調整弁４５は、駆動信号に応答してバルブ開度を変更することにより、インタークーラ４６へ流入する空気量と、バイパス通路４８へ流入する空気量（インタークーラ４６をバイパスする空気量）とを調整できるようになっている。このインタークーラ４６は本例では水冷式であって、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。
【００４２】
スロットル弁４７は吸気ダクト４３内においてこの吸気ダクト４３に回動可能に支持されており、スロットル弁アクチュエータ４７ａに接続されている。スロットル弁アクチュエータ４７ａはスロットル弁４７を回転駆動し、これにより吸気ダクト４３の開口断面積が変更されるようになっている。
【００４３】
排気系統５０は、上流側となる各気筒の排気ポート３８へとそれぞれ枝分かれして連通した通路とこの通路を下流側へと流れる排ガスを合流させる集合部とからなるエキゾーストマニホールド５１、エキゾーストマニホールド５１の集合部の下流にてこの集合部から連通した排気管５２、排気管５２内に配設されたターボチャージャ８１のタービン８１ｂ、排ガスがタービン８１ｂをバイパスするように両端がこのタービン８１ｂの上流及び下流にて排気管５２に連通したウェストゲート通路５３、ウェストゲート通路５３に配設された過給圧調整弁５３ａ、及び、タービン８１ｂの下流の排気管５２に配設された三元触媒５４を備えている。
【００４４】
これらのように吸気系統４０と排気系統５０との各部を配置することによって、ターボチャージャ８１のタービン８１ｂは排ガスのエネルギーにより回転し、このタービン８１ｂの回転がタービン８１ｂと同軸上のコンプレッサ８１ａに伝わり、この伝わった回転によりコンプレッサ８１ａ内の空気が圧縮される。ターボチャージャ８１はこのようにして機関１０に空気を過給するようになっている。また、過給圧調整弁５３ａはタービン８１ｂへと流入していく排ガスの量を駆動信号に応答して調整し、これによりインテークマニホールド４１内の圧力（過給圧）を調整するようになっている。
【００４５】
機関１０はエアフローメータ６１、クランクポジションセンサ６２及びアクセル開度センサ６３を備えている。エアフローメータ６１は吸入されていく空気量Gaを表す信号を出力するようになっている。クランクポジションセンサ６２は、クランク軸２４が１０°回転する毎に幅狭のパルスを有するとともにこのクランク軸２４が３６０°回転する毎に幅広のパルスを有する信号を出力するようになっている。この幅広のパルス信号が上記のエンジン回転速度NEを表す。アクセル開度センサ６３は、運転者により操作されるアクセルペダル８２の操作量Accpを表す信号を出力するようになっている。
【００４６】
電気制御装置７０は、互いにバス接続されたＣＰＵ７１、ＣＰＵ７１が実行するルーチン（プログラム）、テーブル（ルックアップテーブル、マップ）、定数等を予め記憶したＲＯＭ７２、ＣＰＵ７１が必要に応じてデータを一時的に格納するＲＡＭ７３、電源が投入された状態でデータを格納するとともにこの格納したデータを電源が遮断されている間も保持するバックアップＲＡＭ７４、並びに、ＡＤコンバータを含むインターフェース７５等からなるマイクロコンピュータである。
【００４７】
インターフェース７５は上記センサ６１〜６３と接続され、ＣＰＵ７１にセンサ６１〜６３からの信号を供給するようになっている。また、インターフェース７５は駆動回路３３、ポート噴射弁３４、直噴弁３５、イグナイタ３７、バイパス流量調整弁４５、スロットル弁アクチュエータ４７ａ及び過給圧調整弁５３ａと接続されていて、ＣＰＵ７１の指示に応じてこれらに駆動信号を送出するようになっている。
【００４８】
これらの構成の機関１０は、更に、運転方式を切り換えて運転を行うようになっている。ここでの運転方式には自着火運転方式と自着火アシスト運転方式と火花点火運転方式とが含まれる。電気制御装置７０はこれら３つの運転方式の切り換え制御を機関１０の負荷及びエンジン回転速度NEに応じて行い、更に、各運転方式に応じて吸気弁３２及び排気弁３９の開閉タイミング及びリフト量、ポート噴射弁３４及び直噴弁３５による燃料の噴射タイミング及び噴射量、点火プラグ３６による火花点火の有無などを設定するようになっている。
【００４９】
この運転方式の切り替えについてより具体的に説明する。先ず電気制御装置７０のＲＯＭ７２には図２に示した運転領域マップが記憶されている。この運転領域マップは上記３つの運転方式と、機関１０の負荷及びエンジン回転速度NEとの関係を規定する。機関１０は全運転領域において火花点火運転方式による運転が可能である。運転領域マップ中に示した自着火領域Ｒ１において自着火運転方式による運転が可能であり、また自着火アシスト領域Ｒ２において自着火アシスト運転方式による運転が可能である。火花点火領域Ｒ３においては自着火運転方式又は自着火アシスト運転方式によることができず、火花点火運転方式による運転のみが可能である。
【００５０】
自着火領域Ｒ１は全運転領域のうち、低負荷から中負荷であって且つ低回転速度から中回転速度の領域であり、運転中に大きな燃焼騒音や失火が発生しないこと等に基づいてその範囲が定められる。自着火アシスト領域Ｒ２は自着火領域Ｒ１よりも高負荷側となる領域であり、この自着火アシスト領域Ｒ２での運転時においては、自着火領域Ｒ１での運転時に用いられない点火プラグ３６の火花点火によって混合ガスGmの自着火がアシストされる。この自着火アシスト領域Ｒ２の範囲は自着火領域Ｒ１と同様にその運転中に燃焼騒音や失火が発生しないこと等に基づいて定められる。更に、火花点火領域Ｒ３は全運転領域から自着火領域Ｒ１及び自着火アシスト領域Ｒ２を除いた領域であって、全運転領域のうち「極低負荷又は高負荷であって且つ低回転速度から中回転速度の領域」及び「極低負荷から高負荷であって且つ高回転速度の領域」である。
【００５１】
（燃焼室内における混合ガスの２つの温度層への層別）
機関１０の特徴の１つは自着火運転時及び自着火アシスト運転時において、燃焼室２５内に吸入される混合ガスGmを「この混合ガスGm及び内部ＥＧＲガスGiの混合により得られる第１温度層Gmi」と、「混合ガスGm及び外部ＥＧＲガスGoの混合により得られる第２温度層Gmo」とに層別することにある。ここにいう内部ＥＧＲガスGiは燃焼室２５内に残留している燃焼ガスの一部であり、外部ＥＧＲガスGoは燃焼室２５内から一旦排出された燃焼ガスの他の一部である。燃焼室２５内における混合ガスGmの２つの温度層による層別は、吸気行程初期から圧縮行程後期にかけて行われる。以下、図３及び図４を用いながらこの混合ガスGmの２つの温度層への層別について説明する。
【００５２】
図３は自着火運転時及び自着火アシスト運転時における各気筒の吸気弁３２及び排気弁３９の開閉タイミングと燃料噴射タイミングとを模式的に示している。１つの燃焼サイクルは上述のように吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程を順に含んでいる。これら４つの行程はクランク角度にして１８０°毎の行程であり、且つピストン位置にしてＴＤＣ（上死点）からＢＤＣ（下死点）まで又はＢＤＣからＴＤＣまでの行程である。ここでは、１つの気筒における作動について説明するが、他の気筒も同様に作動する。機関１０の複数の気筒における着火順序についてはその気筒数を３として順に第１気筒（一端に配置）、第３気筒（他端に配置）、第２気筒（中央に配置）とする。連続して排気ＴＤＣを迎える２つの気筒の間の位相差はクランク角度にして２４０°とすべて等しい。先ず自着火運転時について、便宜上、膨張行程から説明を始める。
【００５３】
膨張行程は同図３に示したように圧縮ＴＤＣから膨張ＢＤＣまでの行程である。この膨張行程においてはその初期から燃焼室２５内にて自着火した混合ガスGmが燃焼して燃焼ガスとなっていき、この燃焼の際に生じたガスの圧力がピストン２２を押し下げていく。そして、膨張行程後期にてそのクランク角が所定のクランク角度CAeo1になったとき、ＣＰＵ７１は駆動回路３３に駆動信号を送出して排気弁電磁駆動機構３９ａを駆動することにより、閉じていた排気弁３９を開く。この排気弁３９の開弁によって高温高圧となっている燃焼ガスが燃焼室２５内から排気ポート３８へと排出され始める。
【００５４】
排気行程は膨張ＢＤＣから排気ＴＤＣまでの行程である。この排気行程においてはその初期から燃焼ガスが排気ポート３８へと排出され続けている。そして、排気行程後期に入りそのクランク角が所定のクランク角度CApとなったとき、ＣＰＵ７１はポート噴射弁３４を開くことにより、その気筒の吸気ポート３１内に向けて燃料を噴射させる。全燃料量は、燃焼室２５内にて平均した混合ガスGmの空燃比がリーンな空燃比（希薄空燃比）となるように、機関１０の負荷とエンジン回転速度NEとに基づいて定められる。本例では、ポート噴射弁３４は全燃料量のうちの９０％の燃料を噴射する。このポート噴射弁３４による吸気ポート３１に向けての燃料噴射によって、吸気ポート３１内に混合ガスGmが形成される。
【００５５】
続いて、排気行程後期にてそのクランク角が所定のクランク角度CAec1となったとき、ＣＰＵ７１は排気弁電磁駆動機構３９ａを駆動することにより、その開いていた排気弁３９を閉じる。この排気弁３９の閉弁により燃焼室２５内にある燃焼ガスの排出が終わる。排気行程における排気弁３９の開弁期間（排気行程内の少なくとも一部の期間を含む排気弁３９の開弁期間）、即ち排気弁３９を開くクランク角度CAeo1から排気弁３９を閉じるクランク角度CAec1までの期間を第１排気弁開弁期間という。
【００５６】
吸気行程は排気ＴＤＣから吸気ＢＤＣまでの行程である。吸気行程初期にてそのクランク角が所定のクランク角度CAioとなったとき、ＣＰＵ７１は駆動回路３３に駆動信号を送出してその吸気弁電磁駆動機構３２ａを駆動することにより、その閉じていた吸気弁３２を開く。この吸気弁３２の開弁により、吸気ポート３２から燃焼室２５内へと既に形成されていた混合ガスGmの吸入が始まる（図４の（Ａ）を参照。）。
【００５７】
ここで、直前の排気行程にて排気弁３９が閉じられるクランク角度CAec1と、この吸気行程にて吸気弁３２が開かれるクランク角度CAioとは、燃焼室２５内に内部ＥＧＲガスGiが残留するように予め調節されている。即ち、先の膨張行程にて生じた燃焼ガスの一部が内部ＥＧＲガスGiとして、続く排気行程にて燃焼室２５内から排出されることなく吸気弁３２の開弁タイミングCAioまで残留し、この吸気行程以降の混合ガスの第１温度層Gmiの形成に供されるようになっている。
【００５８】
ところで、吸気ポート３１の形状等は、上述したように混合ガスGmが燃焼室２５内においてタンブル流を形成するように構成されている。そのため、吸気弁３２の開弁により吸気ポート３１から吸入されていく混合ガスGmはタンブル流となって燃焼室２５内を旋回し、その混合ガスGmの一部が燃焼室２５内に残留している上記内部ＥＧＲガスGiと徐々に混合されていく。この混合ガスGmの内部ＥＧＲガスGiとの混合部分は、後の圧縮行程中期までに混合ガスの第１温度層Gmiを形成することになる。
【００５９】
その後、吸気行程中期にてそのクランク角が所定のクランク角度CAeo2となったとき、ＣＰＵ７１は駆動回路３３を通じて排気弁電磁駆動機構３９ａを駆動することにより、閉じていた排気弁３９を開く。この排気弁３９の開弁により、排気ポート３８から燃焼室２５内へと外部ＥＧＲガスGoの吸入が始まる（図４の（Ｂ）を参照。）。吸気ポート３１から吸入されてくる混合ガスGmの一部（上記内部ＥＧＲガスと混合される混合ガスGmの部分とは異なる他の部分）はタンブル流の流れに乗って燃焼室２５内の排気弁３９の直下辺りに達しており、この混合ガスGmの一部がその排気ポート３８から吸入されてくる外部ＥＧＲガスGoと徐々に混合されていく。この混合ガスGmの外部ＥＧＲガスGiとの混合部分は、後の圧縮行程中期までに混合ガスの第２温度層Gmoを形成することになる。一方、この間においても燃焼室２５内の吸気弁３２の下方から点火プラグ３６の下方にかけての領域において混合ガスGmと内部ＥＧＲガスGiとの混合が続いている。
【００６０】
続いて、吸気行程後期にてそのクランク角が所定のクランク角度CAec2となったとき、ＣＰＵ７１は同様に排気弁電磁駆動機構３９ａを駆動することにより、その開いていた排気弁３９を閉じる。この排気弁３９の閉弁により、外部ＥＧＲガスGoの吸入が終わる。吸気行程におけるこの排気弁３９の開弁期間、即ち排気弁３９を開くクランク角度CAeo2から排気弁３９を閉じるクランク角度CAec2までの期間を第２排気弁開弁期間という。
【００６１】
圧縮行程は吸気ＢＤＣから圧縮ＴＤＣまでの行程である。圧縮行程初期にてクランク角が所定のクランク角度CAicとなったとき、ＣＰＵ７１は吸気弁電磁駆動機構３２ａを駆動することにより、その開いていた吸気弁３２を閉じる。吸気弁３２の閉弁により、燃焼室２５内への混合ガスGmの吸入は終わる。吸気行程における吸気弁３２の開弁期間、即ち吸気弁３２を開くクランク角度CAioから吸気弁３２を閉じるクランク角度CAicまでの期間を吸気弁開弁期間という。本例では、第２排気弁開弁期間は吸気弁開弁期間の一部としてこの吸気弁開弁期間に含まれている。
【００６２】
そして、吸気弁開弁期間末期である吸気弁開弁期間の一部を含む圧縮行程初期からその中期に至ると、混合ガスGmと内部ＥＧＲガスGiとの混合が進んで第１温度層Gmiが発達していき、また混合ガスGmと外部ＥＧＲガスGoとの混合が進んで第２温度層Gmoが発達していく（図４の（Ｃ）を参照。）。これら２つの温度層Gmi，Gmoの殆どの部分は、混合ガスGmが自着火してその燃焼が始まるまで層別されたままの状態を保つ。
【００６３】
その後、圧縮行程中期から後期にかけて、先に形成されていた第１温度層Gmi及び後に形成された第２温度層Gmoはともにタンブル流の流れに乗って旋回していき（先に形成されていた第１温度層Gmiは後に形成された第２温度層Gmoに押されるように旋回していき）、圧縮行程の後期にて第１温度層Gmiは燃焼室２５の上部へと達する（図４の（Ｄ）を参照。）。
【００６４】
次いで、圧縮行程後期に（自着火の時点の直前に）クランク角が所定のクランク角度CAdとなったとき、ＣＰＵ７１は直噴弁３５を開くことにより、この直噴弁３５から燃焼室２５内の上部にある混合ガスGm、即ち第１温度層Gmiに向けて燃料（全燃料量のうちの１０％の燃料）を噴射させる。混合ガスGmは圧縮により高温高圧の状態となっているから、この噴射による燃料噴霧Fは噴射直後に燃焼を開始する。この燃料噴霧Fの燃焼が元となって第１温度層Gmiにおいて自着火が起こり、更にこの第１温度層Gmiにおける自着火による燃焼が、燃焼室２５内の圧力を上昇させることにより第２温度層Gmoにおける自着火を引き起こす。このようにして、混合ガスGmの燃焼が燃焼室２５内に広がっていく。
【００６５】
これらのようにして１サイクル分の燃焼サイクルが終了し、前述のように膨張行程後期からこの燃焼によって生じた燃焼ガスの排出が始まり、燃焼サイクルが繰り返し実行されていく。
【００６６】
これに対し、機関１０が図２に示した自着火アシスト運転方式によって運転されている場合、即ち自着火運転時よりも負荷が少しだけ大きい場合、直噴弁３５から噴射される燃料量が多くなるので、直噴弁３５からの燃料噴射のみによっては第１温度層Gmiにおける自着火の時期は安定しない。この場合、圧縮行程後期において直噴弁３５から燃料を噴射した直後にクランク角が所定のクランク角度CAiとなったとき、ＣＰＵ７１はイグナイタ３７に駆動信号（点火信号）を送出することにより、点火プラグ３６がその点火部に火花点火を生じさせる。そして、この火花点火によりその点火部の近傍に噴出されている燃料噴霧Fが着火し、燃料噴霧Fの燃焼が始まる。この燃料噴霧Fの燃焼が元となり混合ガスの第１温度層Gmiにおいて自着火が起こる。更にこの第１温度層Gmiにおける自着火による燃焼がその第２温度層Gmoにおける自着火を誘発する。この点火プラク３６による火花点火によって、混合ガスGmの自着火を促すとともに、複数の燃焼サイクルの間にて着火時期のばらつきをなくすことができる。
【００６７】
以上説明したように、本発明の第１実施形態に係る機関１０によれば、圧縮行程後期における自着火の時点までに、混合ガス中に第１温度層Gmiと第２温度層Gmoとが形成されていき、これら各温度層が層別された後その層別状態が保たれる。そして、圧縮行程後期を迎え、混合ガスGm中においてより高温となっている第１温度層Gmi内にて（燃料噴霧Fの着火による）自着火が起こる。更に、この第１温度層Gmi内での自着火が混合ガスGmの燃焼の引き金となって、膨張行程にてその燃焼が第１温度層Gmiから第２温度層Gmoへと広がっていく。
【００６８】
本機関１０において、圧縮行程にて自着火する直前の燃焼室２５内の混合ガスGmは第１温度層Gmiと第２温度層Gmoとに層別されており、即ち、混合ガスGmの温度は空間的に不均一である。このため、温度が均一となっている場合に比べて、燃焼時における急激な圧力変化が抑えられ、高負荷時においても大きな燃焼騒音が生じない。加えて、いずれもかなりの高温となっている内部ＥＧＲガスGi及び外部ＥＧＲガスGoがそれぞれ用いられて、混合ガスの第１温度層Gmi及び第２温度層Gmoが形成される。そのため、従来のように燃焼室内の混合ガスに高圧流体を噴射する場合に比べて燃焼室内はより高温に保たれ、その結果、機関の熱効率が低下することを防ぐことができる。
【００６９】
更に、本機関１０は燃焼室内に温度不均一性を持たせるために簡便な構成を用いており、複雑な構造を有しないから、機関の製造コストをより低く抑えることができる。
【００７０】
なお、上記実施形態に係る機関１０は、「吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程を順に含んでおり、４つの行程のそれぞれは、クランク角度にして１８０°毎の行程であり且つピストン位置にして上死点から下死点まで又は下死点から上死点までの行程である燃焼サイクルを実行し、少なくとも空気と燃料とを含む混合ガスを燃焼室内におい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内燃機関」である。
【００７１】
ポート噴射弁３４は「混合ガスを形成するための燃料を噴射する燃料噴射手段」に相当する。そして、吸気ポート３１が「燃焼室に連通した吸気ポート」に相当し、吸気弁３２が「吸気ポートを開閉するための吸気弁」に相当する。また、排気ポート３８が「燃焼室に連通した排気ポート」に相当し、排気弁３９が「排気ポートを開閉するための排気弁」に相当する。
【００７２】
更に、吸気弁３２、吸気弁電磁駆動装置３２ａ、排気弁３９、排気弁電磁駆動装置３９ａ及びＣＰＵ７１等が「一の燃焼サイクルの前の燃焼サイクル中の排気行程内の少なくとも一部の期間を含む第１排気弁開弁期間にて排気弁を開くとともに当該一の燃焼サイクル中の吸気行程内の少なくとも一部の期間を含む吸気弁開弁期間にて吸気弁を開くことによって、当該前の燃焼サイクル中の膨張行程における混合ガスの燃焼により生じた燃焼ガスの一部を当該一の燃焼サイクルに供される内部ＥＧＲガスとして、燃焼室内に残留させる内部ＥＧＲガス残留手段」に相当する。
【００７３】
また、吸気弁３２、吸気弁電磁駆動装置３２ａ、排気弁３９、排気弁電磁駆動装置３９ａ、ＣＰＵ７１及び吸気ボート３１の形状等が「一の燃焼サイクル中の圧縮行程における自着火の時点までに混合ガスとなるガスの一部を内部ＥＧＲガスと燃焼室内において混合することにより、自着火の時点までに混合ガス中に第１温度層を形成するとともに、自着火の時点までに混合ガスとなるガスの他の一部を、前の燃焼サイクルに対する第１排気弁開弁期間にて燃焼室から一旦排出された燃焼ガスの他の一部である外部ＥＧＲガスと燃焼室内において混合することにより、自着火の時点までに混合ガス中に第１温度層よりも低い温度を有するように層別された第２温度層を形成する混合ガス層別手段」に相当する。
【００７４】
ｂ．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。本機関も第１実施形態の内燃機関と同様に４ストローク多気筒内燃機関であり、自着火運転方式と自着火アシスト運転方式と火花点火運転方式とを切り換えて運転することが可能である。本機関は主として、ポート噴射弁３４及び直噴弁３５に代え直噴弁９１（図６を参照。）が用いられ、この直噴弁９１により燃焼室２５内にて混合ガスが形成される点において第１実施形態の内燃機関と相違する。以下では図５及び図６を用いつつ、かかる相違点を中心として説明する。
【００７５】
図５は、第２実施形態の内燃機関の自着火運転時（及び自着火アシスト運転時）における各気筒の吸気弁３２及び排気弁３９の開閉タイミングと燃料噴射タイミングとを模式的に示している。本機関は自着火運転時に第１実施形態の内燃機関と同様、第１排気弁開弁期間及び第２排気弁開弁期間にて排気弁３９を開くとともに、吸気弁開弁期間にて吸気弁３２を開くようになっている。これらのタイミングと本機関の吸気ポート３１の形状等によって、第１実施形態の機関１０と同様に燃焼室２５内のガス（燃料噴射前の空気又は燃料噴射後の混合ガス）にはタンブル比が１となるタンブル流が生じており、また同様に燃焼室２５内のガスが第１温度層Gmi及び第２温度層Gmoへと層別される。
【００７６】
他方、同図５に示したように本機関は第１実施形態の内燃機関とは異なり、吸気行程にて直噴弁９１から２回燃料を噴射するようになっている。即ち、本機関は吸気行程にて第２排気弁開弁期間と重ならない吸気弁開弁期間内の部分期間（クランク角度CAioからクランク角度CAeo2までの期間）中にて第１回目の燃料噴射を行い、第２排気弁開弁期間中にて第２回目の燃料噴射を行うようになっている。
【００７７】
より詳細には、ある気筒（他の気筒についても同様）の吸気行程が開始された後、そのクランク角が上記部分期間中の所定のクランク角度CAc1になったとき、ＣＰＵ７１は直噴弁９１を開くことにより、直噴弁９１からその気筒の燃焼室２５内に向けて第１回目の燃料噴射を行わせる。
【００７８】
図６は直噴弁９１から噴出する燃料噴霧の飛行経路（その燃料噴霧の中心が飛行していく経路）を示している。直噴弁９１はその有しているノズル９１ａの先端部を燃焼室２５内に現出（露呈）させており、このノズル９１ａには、燃料噴霧が次に示す飛行経路となる３対の噴射口が設けられている。本例では、これら３対の噴射口からの燃料の噴射は同時に行われるようになっている。各対の２つの噴射口のうちの一方の噴射口は、ノズル９１ａの先端部の現出位置からシリンダ２１の軸Lに向かって燃焼室２５の左側の半円筒領域内に燃料噴霧が飛行していくように、ノズル９１ａの左側に設けられている。また、各対の２つの噴射口のうちの他方の噴射口は、ノズル９１ａの先端部の現出位置からシリンダ２１の軸Lに向かって燃焼室２５の右側の半円筒領域内に燃料噴霧が飛行していくように、ノズル９１ａの右側に設けられている。
【００７９】
第１対の左右にある噴射口から噴出する燃料噴霧は、同図６に示したように、それぞれ、燃焼室２５の左右の各半円筒領域内にある第１ポイントP1の近傍へと達する。この第１ポイントP1は、シリンダ２１の軸方向（軸Lと平行な方向）においてピストンのＴＤＣとＢＤＣとの真ん中となるストローク中央位置SCにある。更に、この第１ポイントP1は、シリンダ２１の軸Lと直交する直交面内において、「噴射口をこの直交面に垂直に投影した位置となる第１投影ポイントPO1」から「左右のうちの対応する排気弁３９の中心をこの直交面に垂直に投影した位置となる第２投影ポイントPO2」へと伸ばした半直線がシリンダボア壁と交わる壁面位置にある。この第１対の噴射口のそれぞれから対応する各第１ポイントP1へと飛行する燃料噴霧の向きは、燃焼室２５内の上部におけるタンブル流の流れに沿うように（ノズル９１ａ先端部の現出位置から燃焼室２５内を見たときの手前側から奥側へと向かうように、また紙面に向かって大よそ左側から右側へと）飛行していく。
【００８０】
第２対の左右にある噴射口から噴出する燃料噴霧は、それぞれ、燃焼室２５の左右の各半円筒領域内にある第２ポイントP2の近傍へと達する。この第２ポイントP2は、シリンダ２１の軸方向において上記ストローク中央位置SCにある。更に、この第２ポイントP2は、その軸Lとの直交面内において上記壁面位置を、燃焼室２５内の下部におけるタンブル流に沿って（即ち、紙面に向かって右側から左側へと向かうように）、シリンダ２１の左右方向（図６の上図では紙面に垂直な方向）への直径の上に投影した位置にある。この第２対の噴射口のそれぞれから対応する各第２ポイントP2へと飛行する燃料噴霧の向きは、燃焼室２５内の下部におけるタンブル流の流れに対向する向きとなる。
【００８１】
なお、この第２対の噴射口からの燃料噴霧の貫通力は、第１対の噴射口からの燃料噴霧の貫通力に比べて大きくなるように予め調節されている。このように、タンブル流の流れに沿う向きへの燃料噴霧の貫通力をタンブル流の流れに対向する向きへの燃料噴霧の貫通力に比べて小さくなるように調節しておくことによって、燃焼室２５の上部にある空気と下部にある空気との間で燃料が均質化して分散し、燃料と空気との混合をより偏りなく行うことができる。
【００８２】
また、第３対の噴射口のうちの各噴射口から噴出する燃料噴霧は、それぞれ、燃焼室２５の左右の各半円筒領域内にある第３ポイントP3の近傍へと達する。この第３ポイントP3は、シリンダ２１の軸方向においてピストンのＢＤＣと同じ位置にある。更に、この第３ポイントP3は、その軸Lとの直交面内においてシリンダ２１の左右方向への直径がシリンダボア壁に達する位置にある。この第３対の噴射口のそれぞれから対応する各第３ポイントP3へと飛行する燃料噴霧は、燃焼室２５内のタンブル流の流れが殆どない淀み点の近傍に向かうことになる。
【００８３】
これら３対の噴射口から上記部分期間中にてその第１回目に噴射される燃料は、燃焼室２５内に吸入されてくる空気と、内部ＥＧＲガスGiとが混合されて生ずるガス（混合ガスの第１温度層Gmi）中で均質に分散していく。この部分期間中には排気弁３９は閉じているから、この第１回目に噴射された燃料が排気ポート３８へと流出することはまずない。即ち、適切な噴射タイミングの設定により燃費の悪化が防がれている。
【００８４】
ここで、各対の噴射口から噴出する燃料噴霧が液状のままシリンダボア壁に衝突し、これにより燃料噴霧がシリンダボア壁に形成されている潤滑用の油膜にトラップされることを防ぐため、燃料噴霧がシリンダボア壁に達する頃には燃料の微粒化が終えているように、各対の噴射口の径、その噴射圧、燃料噴霧の貫通力等を予め調節しておくことが好ましい。燃料噴霧のシリンダボア壁によるトラップは燃費の悪化、未燃炭化水素の発生及びスモーク（パティキュレート）の発生の原因ともなるから、その燃料噴霧のトラップを防ぐことによりこれに起因する燃費の悪化等の他の悪影響を防ぐことができる。
【００８５】
その後、吸気行程後期に入りそのクランク角が第２排気弁開弁期間中の所定のクランク角度CAc2になったとき、ＣＰＵ７１は再び直噴弁９１を開くことにより、直噴弁９１から燃焼室２５内に向けて第２回目の燃料噴射を行わせる。特にこのクランク角度CAc2は、排気弁３９の開弁後に、排気ポート３８から燃焼室２５内への外部ＥＧＲガスGoの流れが安定する時期に合わせて設定されている。
【００８６】
この第２回目に噴射される燃料は、主として、吸気ポート３１から燃焼室２５内に吸入されてくる空気と、排気ポート３８から燃焼室２５内に吸入されてくる燃焼ガス（外部ＥＧＲガス）とが混合されて生ずるガス（混合ガスの第２温度層Gmo）中で均質に分散していく。第２排気弁開弁期間中の第２回目の燃料噴射のタイミングは、排気ポート３８からの外部ＥＧＲガスGoの流れが安定する時期に設定されているから、上記第１回目と同様、燃料が排気ポート３８へと流出して燃費が悪化することが防止されている。
【００８７】
これら３対の噴射口による２回の燃料噴射によって、短い時間における混合ガスの効果的な均質化が図られている。このような混合ガスの均質化は、局部的な窒素酸化物の発生を抑えるために有効である。
【００８８】
なお、本発明は上記実施形態（第１実施形態及び第２実施形態）に限定されることなく、その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、上記実施形態においては、電気制御装置７０は第１排気弁開弁期間と吸気弁開弁期間との間にマイナスのオーバーラップを設けるように排気弁電磁駆動機構３９ａ及び吸気弁電磁駆動機構３２ａを通じて、排気弁３９及び吸気弁３２の開閉を制御するようになっている。即ち、ピストン２２が排気ＴＤＣに達するまでに排気弁３９が閉じられるとともに吸気弁３２が開かれない。
【００８９】
これに代え、排気弁の開弁タイミングを遅角させること、吸気弁の開弁タイミングを進角させること、又はこれらの双方によって、第１排気弁開弁期間と吸気弁開弁期間との間に（プラスの）オーバーラップを設けてもよい。即ち、このオーバーラップを適切に設定することによって必要量の内部ＥＧＲガスを確保することができる。
【００９０】
更に、上記実施形態においては、バルブオーバーラップ期間はクランク角に応じて設定される不変の期間とした。これとは異なり、このバルブオーバーラップ期間を機関の回転速度に応じて可変に設定してもよい。この場合、燃焼室内の適量の内部ＥＧＲガスにより混合ガス中に第１温度層と第２温度層とがスムーズに形成されるようにそのバルブオーバーラップ期間を予め調整しておく。
【００９１】
上記実施形態においては、第２排気弁開弁期間の全体は吸気弁開弁期間に含まれている。これとは異なり、第２排気弁開弁期間の全体が吸気弁開弁期間内に含まれていなくてもよい。即ち、例えばピストンが吸気ＢＤＣへと下降中に、吸気弁を早めに閉じ、その閉弁タイミングよりも遅くなるように、第２排気弁開弁期間を終える排気弁の閉弁タイミングを設定してもよい。
【００９２】
また、自着火アシスト運転時における吸気弁３２及び排気弁３９の開閉タイミング等は自着火運転時のそれらと同じであっても異なっていてもよい。
【００９３】
加えて、上記実施形態においては、電気制御装置７０が排気弁３８を開くことによって、外部ＥＧＲガスGoを燃焼室２５内に吸入した。これとは異なり、他の方法によって外部ＥＧＲガスを燃焼室内に吸入してもよい。例えば、従来から用いられている排気ガス再循環装置を利用することが可能である。即ち、機関に、排気ポートより下流となる部位から燃焼室内へと排ガスを循環させるために所定のポンプ、管路及び熱交換器等を設け、この循環させる排ガスを外部ＥＧＲガスとして用いる。この場合、所望の第２温度層が適切に形成されるように、燃焼室内の適切な位置にてその管路の一端となるノズルを現出させる。
【００９４】
上記実施形態においては、吸気弁電磁駆動機構３２ａ及び排気弁電磁駆動機構３９ａが電磁的に吸気弁３２及び排気弁３９を開閉させた。これとは異なり、吸気弁及び排気弁を機械的制御により又は更に油圧を用いた制御により開閉するようになっていてもよい。機械的制御による場合、吸気弁駆動機構はカム及びカム軸を含んでおり、所定のタイミングにてまた所定のリフト量だけ吸気弁を開閉させるようになっている。更に油圧制御を用いる場合、吸気弁駆動機構は、機関の運転状態に応じ油圧を用いてカム軸を進角又は遅角方向に回転させる機構を含んでいる。排気弁駆動機構についても同様である。また、例えば機関が低回転速度のときに用いるカムプロフィールを有するカムと、機関が高回転速度のときに用いるカムプロフィールを有するカムとの２種のカムを切り換えるようになっていてもよい。
【００９５】
上記実施形態においては、吸気弁３２及び排気弁３９は１つの気筒に対して２個ずつ設けられている。これとは異なり、吸気弁及び排気弁を１つの気筒に対して１個又は３個以上設けてもよい。吸気弁又は排気弁を複数個ずつ設ける場合、一の吸気弁と他の吸気弁との開閉タイミングを異ならせ、その開閉タイミングを予め調整しておくことによって、よりスムーズに混合ガス中に第１温度層及び第２温度層を形成することができる。
【００９６】
また、上記実施形態においては、燃焼室２５内にて、主に、吸気ポート３１の形状と、吸気弁３２及び排気弁３９の開閉タイミングとを適切に調整することによって、タンブル流（上述の例ではタンブル比が１）を形成し、このタンブル流を用いながら、燃焼室２５内において混合ガスGmと内部ＥＧＲガスGiとの混合による第１温度層Gmiと、混合ガスGmと外部ＥＧＲガスGoとの混合による第２温度層Gmoとを形成した。これに代え、スワール流又は逆タンブル流を用いながら、燃焼室内において第１温度層と第２温度層とを形成してもよい。
【００９７】
更に、吸気弁開弁期間は吸気行程内の少なくとも一部の期間を含んでいればよい。即ち、吸気弁開弁期間が排気ＴＤＣから吸気ＢＤＣまでの一部の期間と重なる期間を含んでいればよい。同様に、第１排気弁開弁期間は排気行程内の少なくとも一部の期間を含んでいればよい。
【００９８】
加えて、第１実施形態においては、ポート噴射弁３４及び直噴弁３５は同じ燃料を用い、ポート噴射弁３４が全燃料量９０％の燃料を噴射し、直噴弁３５が残りの１０％を噴射するようになっている。同じ燃料を用いる場合、ポート噴射弁からの燃料噴射量を圧縮しても自着火に至らない量となる全量の８０〜９５％の範囲うちにて定め、その残りとなる全量の２０〜５％を直噴弁からの燃料噴射量としてよい。ポート噴射弁からの燃料噴射量と直噴弁からの燃料噴射量との割合を機関の負荷等に応じて可変に設定してもよい。更に、これらの場合とは異なり、直噴弁の燃料に、ポート噴射弁よりも着火性のよい燃料を用いてもよい。
【００９９】
また、第１実施形態の内燃機関では、直噴弁３５により燃料を噴射した。これとは異なり、直噴弁からの燃料噴射を用いないようにしてもよい。
【０１００】
更に、第２実施形態において、直噴弁９１は燃料噴射を一の吸気行程にて２回だけ且つ各回の噴射において３対の噴射口から同時に行っている。これと異なり、例えば直噴弁は３対の噴射口のうちのいずれかの噴射口を選択的に用いて、異なるタイミングで燃料噴射行ってもよい。この場合、より具体的には、上述した第１回目の噴射にて第１対の噴射口及び第２対の噴射口を用いるとともに、第２回目の燃料噴射にて第３対の噴射口を用いるようにする。また、例えばその噴射回数を機関１０の負荷に応じて１〜３回等と可変に設定してもよい。この場合、より具体的には、電気制御装置は図７に示した運転領域マップを用いつつ、低負荷側自着火運転領域Ｒ１１にて自着火運転をする場合には直噴弁から２回同時に燃料を噴射させ、また高負荷側自着火運転利用域Ｒ１２にて自着火運転をする場合には直噴弁から３回同時に燃料を噴射させる。このように負荷（燃料量）に応じて噴射回数を可変に設定することによって、より短い時間内に、タンブル流の流れの中で混合ガスの一層の均質化が図られる。
【０１０１】
また、第２実施形態において、直噴弁９１は空気に対して燃料を噴射した。これに代えて、混合ガスに対して燃料を噴射してもよい。即ち、この場合、第１実施形態と同様にポート噴射弁が設けられ、このポート噴射弁は吸気ポート内にて空気に対し燃料を噴射してこれにより混合ガスを形成するようになっている。そして、吸気弁を開閉させることによってこの混合ガスが燃焼室内に吸入され、直噴弁はこの吸入された混合ガスに対して燃料を噴射するようになっている。ここで、ポート噴射弁が噴射する燃料は、直噴弁から噴射する燃料と同じでも異なっていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１０２】
【図１】本発明の第１実施形態に係る内燃機関の概略構成図である。
【図２】電気制御装置のＣＰＵが参照する運転領域マップである。
【図３】自着火運転時及び自着火アシスト運転時の各気筒における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模式的に示した説明図である。
【図４】燃焼室内における混合ガスの２つの温度層への層別を示した説明図である。
【図５】第２実施形態に係る内燃機関の自着火運転時及び自着火アシスト運転時における各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模式的に示した説明図である。
【図６】３対の噴射口からの燃料の飛行経路を示した説明図である。
【図７】変形例の内燃機関における電気制御装置のＣＰＵが参照する運転領域マップである。
【符号の説明】
【０１０３】
１０…内燃機関、２５…燃焼室、３１…吸気ポート、３２…吸気弁、３２ａ…吸気弁電磁駆動機構、３４…ポート噴射弁、３８…排気ポート、３９…排気弁、３９ａ…排気弁電磁駆動機構、７０…電気制御装置、７１…ＣＰＵ。
【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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