(57)【要約】【課題】希薄燃焼を行うことができ、排ガス中の窒素酸化物が少ない内燃機関を提供する。【解決手段】このエンジンは、シリンダ１４２と、ピストン１４４と、燃焼室１５０内に燃料を噴射することができる第１の燃料噴射部１５と、を備える。ピストン１４４は、頂部１４４ｈに設けられた複数の凹部１４４ｐと、凹部１４４ｐから第１の燃料噴射部１５の位置に向かう向きに設けられている溝部１４４ｑと、を有する。第１の燃料噴射部１５は、１サイクルで燃焼される燃料のうちの少なくとも一部を凹部１４４ｐまたは溝部１４４ｑに向けて噴射する。一部の燃料は、凹部１４４ｐに向けて噴射されたあと拡散して混合気を形成する。他の一部の燃料は、凹部１４４ｐ内にとどまったあと混合気を形成した一部の燃料に比べて遅れて気化して、すでに形成されている混合気よりも濃い混合気を形成する。【選択図】  図３
2004190587.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダと、ピストンと、前記シリンダと前記ピストンとで形成される燃焼室内に燃料を噴射することができる第１の燃料噴射部と、を備えるエンジンであって、
前記ピストンは、
前記ピストンの頂部に設けられた複数の凹部と、
前記ピストンの前記頂部において、少なくとも一部の凹部に接続され、前記ピストンの往復方向に垂直な平面に投影したときに前記少なくとも一部の凹部から前記第１の燃料噴射部の位置に向かう向きに設けられている溝部と、を有し、
前記第１の燃料噴射部は、１サイクルで燃焼される燃料のうちの少なくとも一部を前記凹部または前記溝部に向けて噴射する、エンジン。
【請求項２】
請求項１記載のエンジンであって、
前記複数の凹部のうち少なくとも一部の凹部は、凹部を構成する面の少なくとも一部に凹曲面を有しており、
前記第１の燃料噴射部は、前記凹曲面に向けて燃料を噴射する、エンジン。
【請求項３】
請求項１記載のエンジンであって、
前記凹部のうち前記ピストンの往復方向に測ったもっとも深い部分は、前記凹部に接続された溝部のうち前記ピストンの往復方向に測ったもっとも深い部分よりも深い、エンジン。
【請求項４】
請求項１記載のエンジンであって、
前記ピストンは、前記シリンダの中心軸を中心としてほぼ均等な角度に配されている複数の前記凹部を有する、エンジン。
【請求項５】
請求項１記載のエンジンであって、
前記シリンダの中心軸を含む一つの平面であって、前記燃焼室の断面積を最も大きくする平面を基準平面とし、
前記ピストンの頂部を、
前記基準平面に平行な二つの平面によって分割される３つの領域であって、前記ピストンの往復方向に垂直な平面に投影したときに、前記シリンダの中心軸を通り前記基準平面と垂直である直線に沿った寸法が１：１：１となる第１、第２および第３の頂部領域に分け、
前記三つの頂部領域のうち前記シリンダの中心軸を含む頂部領域を第２の頂部領域としたときに、
前記ピストンは、
前記第２の頂部領域に、複数の前記凹部を実質的に有しており、
前記第１および第３の頂部領域に、前記凹部を実質的に有していない、エンジン。
【請求項６】
請求項１記載のエンジンであって、
前記複数の凹部の少なくとも一部は、バルブリセスを兼ねている、エンジン。
【請求項７】
請求項１記載のエンジンであって、
前記シリンダは、前記燃焼室の内壁の一部を形成し、前記ピストンの往復方向の延長線上で前記ピストンと向かい合う天井部を有し、
前記第１の燃料噴射部は、前記天井部の、前記シリンダの中心軸との交点の近傍から燃料を噴射できるように設けられている、エンジン。
【請求項８】
請求項１記載のエンジンであって、さらに、
前記燃焼室に前記酸素含有ガスを導入するための吸気管と、
前記吸気管内に燃料を噴射することができるように設けられている吸気管燃料噴射部を備える、エンジン。
【請求項９】
請求項１記載のエンジンであって、
前記複数の凹部は、前記第１の燃料噴射部からの距離が異なる２以上の凹部を含んでおり、
前記第１の燃料噴射部は、
前記第１の燃料噴射部からの距離が比較的大きい凹部に対しては、比較的小さい噴射角で前記燃料を噴射し、
前記第１の燃料噴射部からの距離が比較的小さい凹部に対しては、比較的大きい噴射角で前記燃料を噴射する、エンジン。
【請求項１０】
請求項１記載のエンジンであって、
前記第１の燃料噴射部は、前記ピストンが最も下降したときに、前記第１の燃料噴射部から噴射するほぼすべての燃料を前記凹部内に噴射できるように構成されている、エンジン。
【請求項１１】
請求項１記載のエンジンであって、さらに、
前記燃焼室内の燃料に点火を行うことができる点火部を備え、
前記点火部は、前記燃焼室内の位置であって前記凹部の一つと向かい合う位置において燃料に点火を行うことができるように設けられている、エンジン。
【請求項１２】
請求項１１記載のエンジンであって、
前記点火部と向かい合う凹部は、前記シリンダの中心軸の近傍に設けられている、エンジン。
【請求項１３】
請求項１１記載のエンジンであって、さらに、
前記燃焼室内の燃焼状態を検出することができる燃焼状態検出センサと、
前記第１の燃料噴射部と前記点火部の制御を行う制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記燃焼状態検出センサが燃焼状態の異常を検出した場合には、前記異常が検出されたサイクルの次のサイクルにおいて、
前記第１の燃料噴射部に、直前のサイクルで圧縮期間中期に噴射した量よりも多い量の燃料を、圧縮期間中期の所定の時間区間中に噴射させ、
前記点火部に、前記燃料に対して点火を行わせる、エンジン。
【請求項１４】
請求項１記載のエンジンであって、さらに、
前記第１の燃料噴射部、吸気バルブおよび排気バルブを制御する制御部を備え、
前記制御部は、
４サイクル運転を行う運転モードであって、
排気行程において前記排気バルブを閉じた後に前記吸気バルブを開き、前記排気バルブを閉じてから前記吸気バルブを開くまでの期間中の所定の時間区間において前記第１の燃料噴射部に燃料を噴射させる運転モードを有する、エンジン。
【請求項１５】
請求項１記載のエンジンであって、さらに、
前記第１の燃料噴射部、吸気バルブおよび排気バルブを制御する制御部を備え、
前記制御部は、
２サイクル運転を行う運転モードであって、
前記吸気バルブを開いた後、前記排気バルブを閉じるまでの掃気期間中の所定の時間区間において前記第１の燃料噴射部に燃料を噴射させる運転モードを有する、エンジン。
【請求項１６】
請求項１記載のエンジンであって、さらに、
前記第１の燃料噴射部を制御する制御部を備え、
前記制御部は、
比較的負荷が低いときには、前記第１の燃料噴射部に比較的早い時期に燃料の噴射を終了させ、
比較的負荷が高いときには、前記第１の燃料噴射部に比較的遅い時期に燃料を噴射させる、エンジン。
【請求項１７】
請求項１記載のエンジンであって、さらに、
前記燃焼室に接続された吸気通路内または前記燃焼室内に燃料を噴射することができる第２の燃料噴射部と、
前記第１および第２の燃料噴射部を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
比較的負荷が低いときには、前記第２の燃料噴射部に燃料を噴射させずに、前記第１の燃料噴射部に燃料を噴射させ、
比較的負荷が高いときには、まず、前記第２の燃料噴射部に燃料を噴射させ、その後、前記第１の燃料噴射部に燃料を噴射させる、エンジン。
【請求項１８】
請求項１７記載のエンジンであって、
前記シリンダは、前記燃焼室の内壁の一部を形成し、前記ピストンの往復方向の延長線上で前記ピストンと向かい合う天井部を有し、
前記第１の燃料噴射部は、前記天井部の、前記シリンダの中心軸との交点の近傍から燃料を噴射できるように設けられており、
前記第２の燃料噴射部は、前記燃焼室の内側壁近傍から燃料を噴射できるように設けられている、エンジン。
【請求項１９】
請求項１記載のエンジンであって、さらに、
前記第１の燃料噴射部、吸気バルブおよび排気バルブを制御する制御部を備え、
前記制御部は、
４サイクル運転を行う運転モードであって、
前記排気バルブを閉じて排気行程を終了した後に前記吸気バルブを開く運転モードであり、
前記排気バルブを閉じてから前記吸気バルブを開くまでの期間中の所定の第１の時間区間と、圧縮期間中期の所定の第２の時間区間と、のそれぞれにおいて前記第１の燃料噴射部に燃料を噴射させる運転モードを有するエンジン。
【請求項２０】
請求項１９記載のエンジンであって、
前記制御部は、
前記第１の時間区間において、比較的高い圧力で前記第１の燃料噴射部に燃料を噴射させ、
前記第２の時間区間において、比較的低い圧力で前記第１の燃料噴射部に燃料を噴射させる、エンジン。
【請求項２１】
請求項１記載のエンジンであって、さらに、
前記第１の燃料噴射部、吸気バルブおよび排気バルブを制御する制御部を備え、
前記制御部は、
２サイクル運転を行う運転モードであって、
前記吸気バルブを開いてから前記排気バルブを閉じるまでの掃気期間中の所定の第１の時間区間と、圧縮期間中期の所定の第２の時間区間と、のそれぞれにおいて前記第１の燃料噴射部に燃料を噴射させる運転モードを有するエンジン。
【請求項２２】
請求項１６記載のエンジンであって、
前記制御部は、
前記第１の時間区間において、単位時間当たりの噴射量が比較的少ない噴射で前記第１の燃料噴射部に燃料を噴射させ、
前記第２の時間区間において、単位時間当たりの噴射量が比較的多い噴射で前記第１の燃料噴射部に燃料を噴射させる、エンジン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、希薄燃焼を行うことができるエンジンに関し、さらに詳しくは、空気過剰率が高い状態で燃料を燃焼させることができるエンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、理論空燃比よりも空気の多い状態で燃料を燃焼させる、希薄燃焼を行うことができる内燃機関が知られている。このような内燃機関において、空気過剰率の高い状態で燃焼を起こさせるために、燃料噴射を２回に分けて行って、部分的に燃料の濃い混合気領域を作り出す内燃機関が存在する（例えば、特許文献１参照）。燃料の濃い混合気領域は、２回目の燃料噴射によって形成される。この２回目の燃料噴射によって形成される混合気領域は、理論空燃比またはそれよりも燃料が多い混合気領域となるため、着火しやすい。よって、このような内燃機関によれば全体としては空気過剰率の高い状態でも燃焼を起こさせることができる。なお、関連文献として、特許文献２〜４がある。
【特許文献１】
特開２００１−２０７８５０号公報
【特許文献２】
特開２００１−２１４７４１号公報
【特許文献３】
特開平０２−０７８７２５号公報
【特許文献４】
特開２００１−１５２９１９号公報
【０００３】
なお、「空気過剰率」は、混合気中に含まれる燃料と過不足なく燃焼するだけの空気の量に対して、実際の混合気中に含まれている空気は何倍であるか、を表す指標である。たとえば、空気過剰率が「２」であるとき、混合気中には、空気と燃料とが互いに過不足なく燃焼する量の２倍だけ、空気が含まれている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の内燃機関においては、一部に形成された理論空燃比またはそれよりも燃料が多い混合気領域の燃焼においてＮＯｘが生じ、希薄燃焼によるＮＯｘ低減の効果を減殺してしまうという問題があった。
【０００５】
この発明は従来技術における上述した課題を解決するためになされたものであり、ＮＯｘを過度に発生させることなく空気過剰率が高い状態で燃料を燃焼させることができる内燃機関を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明では、シリンダと、ピストンと、シリンダとピストンとで形成される燃焼室内に燃料を噴射することができる第１の燃料噴射部と、を備えるエンジンにおいて、以下の構成を採用する。ピストンは、ピストンの頂部に設けられた複数の凹部と、溝部と、を有する。溝部は、ピストンの頂部において、少なくとも一部の凹部に接続され、ピストンの往復方向に垂直な平面に投影したときに少なくとも一部の凹部から第１の燃料噴射部の位置に向かう向きに設けられている。第１の燃料噴射部は、１サイクルで燃焼される燃料のうちの少なくとも一部を凹部または溝部に向けて噴射する。このような態様とすれば、凹部近辺に、比較的濃い、しかし、理論空燃比よりは空気の多い混合気を生じさせ、その混合気において自着火を起こさせることができる。よって、ＮＯｘを過度に発生させることなく、空気過剰率が高い状態で燃料を燃焼させることができる。
【０００７】
なお、複数の凹部のうち少なくとも一部の凹部は、凹部を構成する面の少なくとも一部に凹曲面を有しており、第１の燃料噴射部は、凹曲面に向けて燃料を噴射することが好ましい。このような態様とすれば、凹部に向けて噴射された燃料の一部は、凹曲面に沿って向きを変えられ、燃焼室内に拡散される。このため、凹部近傍の混合気の自着火の後、燃焼室全体に拡散した混合気においても偏りなく自着火を起こさせることができる。よって、ＮＯｘを低減することができる。
【０００８】
また、凹部のうちピストンの往復方向に測ったもっとも深い部分は、凹部に接続された溝部のうちピストンの往復方向に測ったもっとも深い部分よりも深いことが好ましい。このような態様とすれば、溝部に向けて噴射された燃料を、溝部から凹部に誘導し、凹部内にとどめやすくすることができる。このため、一定の場所である凹部近傍に比較的濃い混合気を形成することができ、一定の場所に形成された混合気にまず自着火を起こさせて、燃焼室内の燃料を偏りなく自着火させることができる。よって、ＮＯｘを低減することができる。
【０００９】
ピストンは、シリンダの中心軸を中心としてほぼ均等な角度に配されている複数の凹部を有することが好ましい。このような態様とすれば、均等に配された複数の凹部近傍において燃焼を開始させることができ、燃焼室全体で均等に自着火燃焼を行わせることができる。よって、ＮＯｘを低減することができる。
【００１０】
また、凹部の配置は以下のようにすることもできる。すなわち、シリンダの中心軸を含む一つの平面であって、燃焼室の断面積を最も大きくする平面を基準平面とする。そして、ピストンの頂部を、基準平面に平行な二つの平面によって分割される３つの領域であって、ピストンの往復方向に垂直な平面に投影したときに、シリンダの中心軸を通り基準平面と垂直である直線に沿った寸法が１：１：１となる第１、第２および第３の頂部領域に分ける。ここで、三つの頂部領域のうちシリンダの中心軸を含む頂部領域を第２の頂部領域とする。このとき、ピストンは、第２の頂部領域に、複数の凹部を実質的に有しており、第１および第３の頂部領域に、凹部を実質的に有していない、という構成とすることが好ましい。このような態様とすれば、各凹部によって形成される比較的濃い混合気の燃焼が、燃焼室全体に均等に伝わりやすい。よって、燃焼室全体で均等に自着火燃焼を行わせることができ、ＮＯｘを低減することができる。
【００１１】
なお、シリンダが、燃焼室に酸素含有ガスを吸入するための吸気口と、燃焼室から排ガスを排出するための排気口と、を備え、エンジンが、さらに、吸気口を開閉する吸気バルブと、排気口を開閉する排気バルブと、を備える態様においては、以下のような構成とすることが好ましい。すなわち、複数の凹部の少なくとも一部は、吸気バルブと排気バルブとの少なくとも一方と、ピストンとの干渉を避けることができる位置および大きさで設けられていることが好ましい。言い換えれば、複数の凹部の少なくとも一部は、バルブリセスを兼ねている態様とすることが好ましい。このような態様とすれば、ピストンのＳ／Ｖ比、すなわち（表面積／体積）比を小さくすることができ、燃焼の際の冷却損失を少なくすることができる。よって、燃料のエネルギーを、効率的に仕事として取り出すことができる。
【００１２】
また、シリンダが、燃焼室の内壁の一部を形成し、ピストンの往復方向の延長線上でピストンと向かい合う天井部を有する態様において、第１の燃料噴射部は、天井部の、シリンダの中心軸との交点の近傍から燃料を噴射できるように設けられていることが好ましい。このような態様とすれば、ピストン上面に設けられた複数の凹部または溝部に対して、燃料噴射部から容易に燃料を噴射することができる。よって、凹部近傍に比較的濃い混合気を形成しやすい。
【００１３】
さらに、エンジンが、燃焼室に酸素含有ガスを導入するための吸気管を備える場合には、吸気管内に燃料を噴射することができるように設けられている吸気管燃料噴射部を備える態様とすることもできる。このような態様とすれば、吸気管燃料噴射部から噴射した燃料を、酸素含有ガスとともに燃焼室に導き入れて、十分拡散させることができる。このため、凹部近傍の混合気の自着火の後、燃焼室全体に拡散した混合気においても偏りなく自着火を起こさせることができる。
【００１４】
なお、複数の凹部が、第１の燃料噴射部からの距離が異なる２以上の凹部を含んでいる態様においては、第１の燃料噴射部は、第１の燃料噴射部からの距離が比較的大きい凹部に対しては、比較的小さい噴射角で燃料を噴射し、第１の燃料噴射部からの距離が比較的小さい凹部に対しては、比較的大きい噴射角で燃料を噴射することが好ましい。このような態様とすれば、燃料噴射部から噴射した燃料が凹部からはみ出しにくい。よって、凹部近傍に比較的濃い混合気を形成しやすい。
【００１５】
また、第１の燃料噴射部は、ピストンが最も下降したときに、第１の燃料噴射部から噴射するほぼすべての燃料を凹部内に噴射できるように構成されていることが好ましい。このような態様とすれば、ピストンが任意の位置にあるときに燃料を噴射しても、燃料を凹部または溝部に噴射することができる。よって、凹部近傍に比較的濃い混合気を形成しやすい。
【００１６】
なお、燃焼室内の燃料に点火を行うことができる点火部を備える態様においては、点火部は、燃焼室内の位置であって凹部の一つと向かい合う位置において燃料に点火を行うことができるように設けられていることが好ましい。このような態様とすれば、燃料が自着火しにくい状態においても、比較的着火しやすい凹部近傍の混合気に、点火部によって点火して燃焼を起こさせることができる。
【００１７】
また、点火部と向かい合う凹部は、シリンダの中心軸の近傍に設けられていることが好ましい。このような態様とすれば、燃焼室の中央近辺に形成される比較的濃い混合気に点火を行って、燃焼室の中央から周辺に向かって効率的に燃焼を起こさせることができる。
【００１８】
燃焼室内の燃焼状態を検出することができる燃焼状態検出センサと、第１の燃料噴射部と点火部の制御を行う制御部と、を備えるエンジンにおいては、以下のような態様とすることが好ましい。すなわち、制御部は、燃焼状態検出センサが燃焼状態の異常を検出した場合には、異常が検出されたサイクルの次のサイクルにおいて、第１の燃料噴射部に、直前のサイクルで圧縮期間中期に噴射した量よりも多い量の燃料を、圧縮期間中期の所定の時間区間中に噴射させ、点火部に、燃料に対して点火を行わせる。このような態様とすれば、いったん燃焼状態に異常が生じても、次のサイクル以降で安定した燃焼状態を回復することができる。
【００１９】
シリンダが、燃焼室に酸素含有ガスを吸入するための吸気口と、燃焼室から排ガスを排出するための排気口と、を備え、エンジンが、吸気口を開閉する吸気バルブと、排気口を開閉する排気バルブと、第１の燃料噴射部、吸気バルブおよび排気バルブを制御する制御部と、を備えるエンジンにおいては、以下のような態様とすることが好ましい。すなわち、４サイクル運転を行う運転モードであって、排気行程において排気バルブを閉じた後に吸気バルブを開き、排気バルブを閉じてから吸気バルブを開くまでの期間中の所定の時間区間において第１の燃料噴射部に燃料を噴射させる運転モードを有することが好ましい。このような態様とすれば、４サイクル運転において、既燃ガスの熱を利用して混合気を十分に気化させ、拡散させることができる。このため、凹部近傍の混合気の自着火の後、燃焼室全体に拡散した混合気においても偏りなく自着火を起こさせることができる。
【００２０】
また、２サイクル運転を行う運転モードであって、吸気バルブを開いた後、排気バルブを閉じるまでの掃気期間中の所定の時間区間において第１の燃料噴射部に燃料を噴射させる運転モードを有する態様とすることもできる。このような態様とすれば、２サイクル運転において、既燃ガスの熱を利用して混合気を十分に気化させ、拡散させることができる。
【００２１】
なお、比較的負荷が低いときには、第１の燃料噴射部に比較的早い時期に燃料の噴射を終了させ、比較的負荷が高いときには、第１の燃料噴射部に比較的遅い時期に燃料を噴射させることが好ましい。このような態様とすれば、高負荷時の燃焼速度を遅くすることができ、高負荷時の騒音を低減することができる。
【００２２】
また、第１の燃料噴射部に加えて、燃焼室に接続された吸気通路内または燃焼室内に燃料を噴射することができる第２の燃料噴射部と、第１および第２の燃料噴射部を制御する制御部と、を備えるエンジンにおいては、以下のような態様とすることが好ましい。すなわち、比較的負荷が低いときには、第２の燃料噴射部に燃料を噴射させずに、第１の燃料噴射部に燃料を噴射させ、比較的負荷が高いときには、まず、第２の燃料噴射部に燃料を噴射させ、その後、第１の燃料噴射部に燃料を噴射させる。このような態様とすれば、比較的負荷が高いときには、まず第２の燃料噴射部から噴射した燃料で均質な混合気を形成し、その後、第１の燃料噴射部から凹部または溝部に噴射した燃料で、比較的濃い混合気を形成することができる。
【００２３】
なお、第１の燃料噴射部は、天井部の、シリンダの中心軸との交点の近傍から燃料を噴射できるように設けられており、第２の燃料噴射部は、燃焼室の内側壁近傍から燃料を噴射できるように設けられていることが好ましい。このような態様とすれば、第２の燃料噴射部から噴射した燃料を、十分拡散させつつ、第１の燃料噴射部から噴射した燃料で凹部近傍に比較的濃い混合気を形成することができる。
【００２４】
なお、以下のような運転を行うこともできる。すなわち、４サイクル運転を行う運転モードであって、排気バルブを閉じて排気行程を終了した後に吸気バルブを開く運転モードであり、排気バルブを閉じてから吸気バルブを開くまでの期間中の所定の第１の時間区間と、圧縮期間中期の所定の第２の時間区間と、のそれぞれにおいて第１の燃料噴射部に燃料を噴射させる運転モードを有することが好ましい。このような態様とすれば、排気バルブが閉じてから吸気バルブが開く前までの期間中に噴射した燃料は十分に気化させ、拡散させることができ、一方、圧縮期間において噴射した燃料によって、凹部近傍に比較的濃い混合気を形成することができる。
【００２５】
また、上記の４サイクル運転においては、第１の時間区間において、比較的高い圧力で第１の燃料噴射部に燃料を噴射させ、第２の時間区間において、比較的低い圧力で第１の燃料噴射部に燃料を噴射させることが好ましい。このような態様においては、第２の時間区間において噴射する燃料の粒径を大きくすることができる。その結果、燃料の蒸発に時間がかかり、ピストンが圧縮上死点に達するまでに気化した燃料が燃焼室内に拡散しにくい。よって、高濃度の混合気を凹部近傍に形成することができる。
【００２６】
さらに、２サイクル運転を行う運転モードであって、吸気バルブを開いてから排気バルブを閉じるまでの掃気期間中の所定の第１の時間区間と、圧縮期間中期の所定の第２の時間区間と、のそれぞれにおいて第１の燃料噴射部に燃料を噴射させる運転モードを有する態様とすることもできる。このような態様とすれば、排気バルブが閉じてから吸気バルブが開く前までの期間中に噴射した燃料は十分に気化させ、拡散させることができ、一方、圧縮期間において噴射した燃料によって、比較的濃い混合気を凹部近傍に形成することができる。
【００２７】
なお、上記の２サイクル運転においては、第１の時間区間において、単位時間当たりの噴射量が比較的少ない噴射で第１の燃料噴射部に燃料を噴射させ、第２の時間区間において、単位時間当たりの噴射量が比較的多い噴射で第１の燃料噴射部に燃料を噴射させることが好ましい。このような態様においては、第１の時間区間において噴射する燃料は、一度に大量の燃料が噴射される場合に比べて拡散しやすい。
【００２８】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、可変サイクルエンジン、そのエンジンを用いた車両または移動体、運転モード切り換え方法、運転モード切り換え装置、その装置または方法の機能を実現するためのコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体、そのコンピュータプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号、等の態様で実現することができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
本発明の作用・効果をより明確に説明するために、次の順序に従って、本発明の実施例について説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ−１．装置構成：
Ａ−２．シリンダヘッドとピストンの構造：
Ａ−３．運転領域による運転モードの切り換え：
Ａ−４．４サイクル自着火モードにおけるバルブ開閉タイミングと燃料噴射：
Ａ−５．２サイクル自着火モードにおけるバルブ開閉タイミングと燃料噴射：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．第３実施例：
Ｄ．第４実施例：
Ｅ．第５実施例：
Ｆ．第６実施例：
Ｇ．変形例：
【００３０】
Ａ．第１実施例：
Ａ−１．装置構成：
図１は、第１実施例のエンジン１０の構造を概念的に示した説明図である。第１実施例のエンジン１０は、４サイクル運転と、２サイクル運転とを含む複数の運転モードを選択的に実行することができる。「４サイクル運転」（正確には「４ストローク／１サイクル運転」）とは、吸気、圧縮、膨張、排気の４つのピストン行程で１サイクルが構成される運転である。「２サイクル運転」（正確には「２ストローク／１サイクル運転」）とは、掃気・圧縮期間と、膨張行程の２つのピストン行程で１サイクルが構成される運転である。
【００３１】
図１では、エンジン１０の構造を示すために、燃焼室１５０のほぼ中央で断面を取って表示している。エンジン１０の本体は、シリンダブロック１４０の上部にシリンダヘッド１３０が組み付けられて構成されている。このシリンダブロック１４０とシリンダヘッド１３０とで、円筒形のシリンダ１４２が構成されており、このシリンダ１４２の内部をピストン１４４が上下に摺動する。シリンダヘッド１３０のうち、ピストンの往復方向の延長線上でピストンと向かい合う部分が、「天井部」１３０ｒである。天井部１３０ｒと、ピストン１４４の頂部と、シリンダ１４２の側壁と、で囲まれた空間が燃焼室１５０となる。
【００３２】
ピストン１４４は、コネクティングロッド１４６を介してクランクシャフト１４８に接続されており、ピストン１４４はクランクシャフト１４８の回転にともなってシリンダ１４２内を上下に摺動する。
【００３３】
シリンダヘッド１３０には、燃焼室１５０に吸入空気を取り入れるための吸気通路１２と、燃焼室１５０内の混合気に点火するための点火プラグ１３６と、燃焼室１５０内で発生した燃焼ガスを排出するための排気通路１６が設けられている。吸気通路１２を通ってきた酸素を含む空気は、シリンダヘッド１３０の天井部１３０ｒに設けられた吸気口１２ｏを介して燃焼室１５０内に流入する。また、燃焼室内の既燃ガスは、天井部１３０ｒに設けられた吸気口１６ｏを介して排気通路１６から排出される。
【００３４】
シリンダヘッド１３０には、さらに、吸気バルブ１３２と排気バルブ１３４とが設けられている。吸気バルブ１３２および排気バルブ１３４は、それぞれに電動アクチュエータ１６２，１６４によって任意のタイミングで駆動され、ピストン１４４の動きに同期して吸気口１２ｏおよび排気口１６ｏを開閉する。
【００３５】
吸気通路１２には、スロットル弁２２が設けられている。電動アクチュエータ２４を駆動してスロットル弁２２を適切な開度に制御することで、燃焼室１５０内に吸入される空気量を制御することができる。
【００３６】
第１実施例のエンジン１０は、シリンダヘッド１３０に設けられた筒内燃料噴射部１５を備えている。筒内燃料噴射部１５は、燃焼室１５０内にガソリンを直接噴射するものであり、６個の燃料噴射口を有している。筒内燃料噴射部１５は、ガソリンの噴射圧力を変えることで単位時間当たりに噴射するガソリンの量を増減させることができる。ガソリンは図示しないガソリンタンクに蓄えられており、図示しない燃料ポンプで汲み上げられて筒内燃料噴射部１５に供給されている。
【００３７】
エンジン１０の動作は、エンジン制御用ユニット（以下、ＥＣＵ）３０によって制御されている。ＥＣＵ３０は、ＣＰＵや、ＲＡＭ、ＲＯＭ、Ａ／Ｄ変換素子、Ｄ／Ａ変換素子などをバスで相互に接続して構成された周知のマイクロコンピュータである。ＥＣＵ３０は、エンジン回転速度Ｎe やアクセル開度θacを検出し、これらに基づいてスロットル弁２２を適切な開度に制御する。エンジン回転速度Ｎe は、クランクシャフト１４８の先端に設けたクランク角センサ３２によって検出することができる。アクセル開度θacは、アクセルペダルに内蔵されたアクセル開度センサ３４によって検出することができる。ＥＣＵ３０は、筒内燃料噴射部１５、点火プラグ１３６などを適切に駆動する制御も司っている。
【００３８】
またＥＣＵ３０は、シリンダブロック１４０に設けられた圧力センサ２３によって、燃焼室１５０内の燃焼状態を検出することができる。圧力センサ２３によって所定のしきい値以上に圧力が上昇しなかったことを検出した場合には、ＥＣＵ３０は、燃焼異常を解消するように運転状態を変更する。エンジンの運転については後述する。なお、圧力センサ２３に代えて、燃焼室１５０内の温度を検出する温度センサ２７を、シリンダブロック１４０あるいはシリンダヘッド１３０に設けることとしてもよい。その場合には、温度センサ２７が所定のしきい値以上に温度が上昇しなかったことを検出したときに、ＥＣＵ３０は、燃焼異常を解消するように運転状態を変更する。
【００３９】
また、ＥＣＵ３０は、エンジン回転速度Ｎe やアクセル開度θacを検出し、これらに基づいて４サイクル運転と２サイクル運転とを含む複数の運転モードを切り換える制御も行う。４サイクル運転では、ピストンが２往復する間に１回の割合で、混合気の吸入と燃焼と排気とを行うのに対し、２サイクル運転では、ピストンが１往復するたびに、吸入と燃焼と排気とを行う。ピストン１４４の動きに同期させて、吸気バルブ１３２、排気バルブ１３４を開閉させるタイミングを変更し、また、筒内燃料噴射部１５、点火プラグ１３６などを駆動するタイミングを切り換えてやれば、４サイクル運転と２サイクル運転とを切り換えることができる。
【００４０】
具体的には、ＥＣＵ３０は、エンジン回転速度Ｎe やアクセル開度θacに基づいて、吸気バルブ１３２、排気バルブ１３４の開閉タイミングを設定する。そして、それら吸気バルブ１３２および排気バルブ１３４の開閉タイミングは、電磁駆動弁駆動回路４０に伝えられる。電磁駆動弁駆動回路４０は、それらの値にしたがって、電動アクチュエータ１６２，１６４を適切なタイミングで駆動する。
【００４１】
Ａ−２．シリンダヘッドとピストンの構造：
図２は、ピストン１４４の頂部１４４ｈの構造と燃料噴射の状態を示す平面図である。ピストン１４４は、その往復方向に垂直な断面が、略円形の形状を有している。ここで、「略円形」とは、真円以外に、真円からわずかにつぶれた形状をも含み、具体的には、短径の寸法が長径の寸法の９８％〜１００％である形状を含む。そして、ピストン１４４の頂部１４４ｈには、ピストン１４４の略円形の中心点を中心として、６０°ずつの角度で６個（筒内燃料噴射部１５の噴射口の数と同数）の凹部１４４ｐが設けられている。それぞれの凹部１４４ｐは凹曲面で構成されており、ピストン１４４の略円形の中心点から等しい距離にある。なお、ここで、略円形の断面を有するピストン１４４の「中心点」とは、ピストンがシリンダに組み付けられたときにシリンダの中心軸と一致する地点である。
【００４２】
図３は、シリンダヘッド１３０およびピストン１４４の頂部１４４ｈの構造と燃料噴射の状態を示す説明図（縦断面図）である。ピストン１４４は、図２および図３に示すように、各凹部１４４ｐからシリンダ１４２の中心軸に向かう向きに設けられた溝部１４４ｑを有している。各溝部１４４ｑは、シリンダ１４２の中心軸の位置においてもっとも浅く、各凹部１４４ｐとの接続部分においてもっとも深くなるように設けられている。ただし、図３に示すように、溝部１４４ｑの各凹部１４４ｐとの接続部分の深さよりも、各凹部１４４ｐの深さの方が深い。なお、ここで凹部または溝部の「深さ」は、ピストン１４４のクランクシャフト１４８から最も遠い部分から、ピストンの往復方向に沿って、クランクシャフト１４８の向きにむけて測る寸法である（図１参照）。
【００４３】
図３に示すように、点火プラグ１３６は、シリンダの中心軸Ｏに対して吸気口１２ｏが設けられている側の位置に設けられている。そして、図２および図３に示すように、点火プラグ１３６は、点火のための火花を飛ばす電極１３６ｓが凹部１４４ｐの一つと向かい合う位置に来るように、ピストン１４４およびシリンダヘッド１３０に対して、取り付けられている。
【００４４】
また、筒内燃料噴射部１５は、燃料Ｆを噴射する各噴射口がシリンダ１４２の中心軸の近傍に位置するように、シリンダヘッド１３０の天井部１３０ｒに対して取り付けられている。ここで「シリンダの中心軸の近傍」とは、ピストンの往復方向に垂直な平面に投影したときに、シリンダの中心軸を中心としシリンダの半径の１／３の半径を有する円の中に含まれる範囲をいう。
【００４５】
この筒内燃料噴射部１５は、凹部１４４ｐと同数、すなわち６個の燃料噴射口を有しているホールノズルである。そして、図２および図３に示すように、各燃料噴射口は、ピストン１４４がもっとも下降したときの近傍（下死点前１０°〜下死点後１０°）で、すなわちシリンダヘッド１３０からもっとも遠ざかったときに、各燃料噴射口から噴射された燃料Ｆが各凹部１４４ｐ内に向けて噴射されるように、構成されている。
【００４６】
Ａ−３．運転領域による運転モードの切り換え：
図４は、エンジンの運転条件によって異なる運転モードが設定されているマップを示す説明図である。図４の横軸は、クランクシャフト１４８の単位時間当たりの回転数Ｎｅを表す。そして、図４の縦軸は、ＥＣＵ３０がアクセル開度などに基づいて設定する、エンジン１０に対する要求負荷（要求トルク）Ｌを表す。ＥＣＵ３０は、図４のマップをＲＯＭに記憶しており、そのマップにしたがって運転モードを決定する。
【００４７】
ＥＣＵ３０は、低負荷低回転のとき（領域Ｉ）および高負荷高回転のとき（領域ＶＩ）に、４サイクル運転であって、点火プラグ１３６で点火を行う４サイクル火花点火モードで運転を行う。そして、中負荷中回転のとき（領域ＩＩ〜Ｖ）に、燃料に自着火を起こさせる自着火モードで運転を行う。また、中負荷中回転の領域（領域ＩＩ〜Ｖ）にあって、比較的低回転の領域（領域ＩＩ，ＩＩＩ）においては、２サイクル運転であって燃料に自着火を起こさせる２サイクル自着火モードによる運転を行い、比較的高回転の領域（領域ＩＶ，Ｖ）においては、４サイクル運転であって燃料に自着火を起こさせる４サイクル自着火モードによる運転を行う。
【００４８】
さらに、比較的低回転の領域ＩＩ，ＩＩＩのうち、比較的低負荷の領域ＩＩにおいて、１サイクル中の燃料を１度に噴射する、第１の２サイクル自着火モードで運転を行う。また、比較的高負荷の領域ＩＩＩにおいて、１サイクル中の燃料を２度に分けて噴射する、第２の２サイクル自着火モードで運転を行う。
【００４９】
また、比較的高回転の領域ＩＶ，Ｖのうち、比較的低負荷の領域ＩＶにおいて、１サイクル中の燃料を１度に噴射する、第１の４サイクル自着火モードで運転を行う。そして、比較的高負荷の領域Ｖにおいて、１サイクル中の燃料を２度に分けて噴射する、第２の２サイクル自着火モードで運転を行う。
【００５０】
なお、「２サイクル自着火モード」および「４サイクル自着火モード」の名称は、このモードにおいて常に自着火燃焼が起こっていることを示すものではない。すなわち、後述するように、２サイクル自着火モードや４サイクル自着火モードにおいても火花点火燃焼を起こさせる場合がある。
【００５１】
自着火燃焼では燃焼室内で短時間にいっきに燃焼が起こる。このため、一般的な火花点火燃焼のような、初期に燃焼した領域が長時間にわたって高温に維持されることによる影響が少ない。さらに、自着火燃焼は、火花点火燃焼が困難な希薄な混合気においても短時間で燃料が燃焼するという特徴を有するため、火花点火燃焼に比べてＮＯｘ発生量が著しく低くなる条件が存在する。よって、できるだけ広い運転領域で、このような自着火燃焼を利用する自着火モードによる運転を行うことが好ましい。
【００５２】
しかし、要求負荷Ｌが小さい領域では、燃焼室内に吸入される空気量および燃料量が少ないので、燃焼室内の混合気の圧縮開始時の圧力が低くなる。このため、ピストンで圧縮しても混合気が自着火し難い傾向がある。そこで、要求負荷Ｌが小さい領域では、４サイクル火花点火モードで運転を行う。
【００５３】
また、自着火燃焼では燃焼室内で短時間にいっきに燃焼が起こる。このため、自着火燃焼では、要求負荷Ｌが大きい領域および回転数が高い領域では、火花点火燃焼の場合に比べて騒音が大きくなる。よって、要求負荷Ｌが大きい領域および回転数が高い領域では、４サイクル火花点火モードで運転を行う。
【００５４】
さらに、中負荷の領域（領域ＩＩ〜Ｖ）においては、自着火モードによる運転を行うが、比較的回転数の低い領域においては２サイクル自着火モードによる運転を行い、比較的高回転の領域では４サイクル自着火モードによる運転を行う。これは、回転数が高くなると、２サイクル運転の掃気期間において十分に既燃ガスを排出し、吸気を行うことが難しくなるためである。
【００５５】
Ａ−４．４サイクル自着火モードにおけるバルブ開閉タイミングと燃料噴射：
（１）第１の４サイクル自着火モード：
図５は、第１の４サイクル自着火モード（図４の領域ＩＶ参照）において、ピストン１４４の動きに同期させて吸気バルブ１３２および排気バルブ１３４を開閉させるタイミングを示した説明図である。図５において、「ＴＤＣ」はピストンが上死点となるタイミングを示し、「ＢＤＣ」はピストンが下死点となるタイミングを示している。そして、吸気バルブ１３２を開くタイミングを「ＩＶＯ」で表し、吸気バルブ１３２を閉じるタイミングを「ＩＶＣ」で表す。そして、吸気バルブ１３２が開いている区間を、両端に矢印を付した円弧ＩＶで示す。一方、排気バルブ１３４を開くタイミングを「ＥＶＯ」で表し、排気バルブ１３４を閉じるタイミングを「ＥＶＣ」で表す。そして、排気バルブ１３４が開いている区間を、両端に矢印を付した円弧ＥＶで示す。
【００５６】
図５においては、各バルブの開閉タイミングおよび燃料噴射のタイミングは、ピストン１４４が上死点と下死点の間を往復する間のクランクシャフト１４８の回転角度に対応させて、たとえば、上死点前５°、下死点前３５°のように表す。図５において、「ＢＴＤＣ」は「上死点前」を表し、「ＡＴＤＣ」は「上死点後」を表す。そして、「ＢＢＤＣ」は「下死点前」を表し、「ＡＢＤＣ」は「下死点後」を表す。
【００５７】
図５の４サイクル自着火モードにおいては、ピストン１４４が上死点前６０°のときに排気バルブ１３４を閉じる（図５のＥＶＣ）。このとき、吸気バルブ１３２は閉じている。そして、ピストン１４４が上死点ＴＤＣを越えて上死点後６０°の位置にきたときに吸気バルブ１３２を開く（図５のＩＶＯ）。その間、上死点後４５°から吸気バルブ１３２を開くまでの間の所定の時間区間において、筒内燃料噴射部１５から燃料噴射Ｅ４１が行われる。なお、４サイクル運転において排気バルブ１３４の閉弁ＥＶＣから吸気バルブ１３２の開弁ＩＶＯまでの期間を「負のオーバーラップ」と呼ぶ。その後、ピストン１４４が下降して下死点ＢＤＣを越え、上昇に転じて、下死点後４５°の位置にきたときに、吸気バルブ１３２を閉じる（図５のＩＶＣ）。吸気バルブ１３２が開いており、ピストン１４４が下降している間に、吸気通路１２から吸気が行われる（吸気行程）。
【００５８】
その後、吸気バルブ１３２と排気バルブ１３４がともに閉じた状態で、ピストン１４４がさらに上昇して燃焼室１５０内の燃料ガスを圧縮し（圧縮行程）、上死点（ＴＤＣ）近傍において燃焼室１５０内で燃料の自着火が起きる。
【００５９】
自着火により燃焼室１５０内の燃料が燃えてピストン１４４を押し下げ（爆発行程）、ピストン１４４が下死点前４５°の位置にきたときに、排気バルブ１３４を開く（図５のＥＶＯ）。そして、ピストン１４４が下降から上昇に転じ、ピストン１４４が上死点前６０°の位置に来たときに排気バルブ１３４を閉じる（図５のＥＶＣ）。排気バルブ１３４が開いており、ピストン１４４が上昇している間に、排気通路１６から既燃ガスの排出が行われる（排気行程）。以下、同様に運転サイクルが繰り返される。
【００６０】
図６は、４サイクル運転における燃料噴射Ｅ４１の際の燃料の流れを示した説明図である。筒内燃料噴射部１５は、ピストン１４４が下死点前１０°〜下死点後１０°にあるときに燃料を凹部１４４ｐに噴射できるように構成されている。よって、上死点後４５°〜６０°の間に行われる燃料噴射Ｅ４１においては、燃料は、矢印Ｆ４２に示すように、凹部１４４ｐではなく溝部１４４ｑに噴射される（図３参照）。そして、噴射された燃料の一部は霧状のまま、矢印Ｆ４４に示すように、溝部１４４ｑに沿って凹部１４４ｐに移動する。また、他の一部は液体として溝部１４４ｑに付着し、凹部１４４ｐに流入する。その後、霧状の燃料は、矢印Ｆ４６で示すように、凹部１４４ｐの凹曲面に沿ってシリンダヘッド１３０の方向に向かう。なお、燃料噴射Ｅ４１の際には、ピストン１４４は、矢印Ａｐで示すように、下降中である（図５参照）。
【００６１】
図７は、４サイクル自着火モードの運転における燃料の拡散と蒸発を示した説明図である。燃料が噴射された後、吸気バルブ１３２が開き、矢印Ａ４１に示すように、燃焼室１５０内に空気が導入される。この空気の流れにより、凹部１４４ｐの凹曲面に沿ってシリンダヘッド１３０の方向に向かった燃料（図６において矢印Ｆ４６で示した。）は、燃焼室１５０内で十分に拡散される。図中の黒点は、拡散される燃料を表す。一方、凹部１４４ｐ内に液体として残っていた燃料Ｆｒは、矢印Ｆ４８に示すように、少しずつ蒸発する。
【００６２】
図８は、燃焼室１５０内の比較的薄い混合気Ｇ４１と比較的濃い混合気Ｇ４２の様子を示す説明図である。図８の段階では、吸気バルブ１３２はすでに閉じられており、ピストン１４４は、矢印Ａｐで示すように、上昇に転じている（図５参照）。図６において矢印Ｆ４６で示した燃料は、図７に示したように、吸気によって燃焼室１５０内で十分に拡散され、図８の段階では比較的薄い混合気Ｇ４１を形成している。一方、凹部１４４ｐから蒸発した燃料（図７において矢印Ｆ４８で示した。）は、矢印Ｆ４６の燃料に比べて遅れて気化するため、拡散が進まず比較的濃い混合気Ｇ４２を形成する。混合気の濃淡は、図８において、黒点の密度で表現した。
【００６３】
図９は、燃焼室１５０内における自着火の様子を示す説明図である。白い星印は、発火した燃料を示す。図８の状態の後、さらにピストンが上昇すると、図９に示すように、比較的濃い混合気Ｇ４２において自着火が起こる。そして、燃焼室１５０内の比較的薄い混合気Ｇ４１も燃焼する。
【００６４】
（２）第２の４サイクル自着火モード：
図１０は、第２の４サイクル自着火モード（図４の領域Ｖ参照）において、ピストン１４４の動きに同期させて吸気バルブ１３２および排気バルブ１３４を開閉させるタイミングを示した説明図である。図中の各表記は、図５と同様である。第２の４サイクル自着火モードにおいては、上死点後４５°から吸気バルブ１３２を開くまでの間の所定の時間区間中に行われる燃料噴射Ｅ４１に加えて、下死点後９０°〜９５°の間の所定の時間区間中において、燃料噴射Ｅ４２を行う。燃料噴射Ｅ４２において噴射する燃料は、燃料噴射Ｅ４１において噴射する燃料よりも少ない。なお、１サイクル中で噴射する燃料の量は、負荷Ｌが大きいほど多くなる（図４参照）。
【００６５】
第２の４サイクル自着火モードにおいても、燃料噴射Ｅ４１における燃料の流れは、図６および図７に示した第１の４サイクル自着火モードの場合と同様である。ただし、負荷が異なるため、燃料の噴霧量は異なっている（図４参照）。
【００６６】
図１１は、４サイクル運転における燃料噴射Ｅ４２の際の燃料の流れを示した説明図である。下死点後９０°〜９５°の間に行われる燃料噴射Ｅ４２においては、燃料は、図１１の矢印Ｆ５２に示すように、溝部１４４ｑに噴射され、矢印Ｆ５４に示すように、一部は霧状のまま溝部１４４ｑに沿って凹部１４４ｐに移動する。その後、霧状の燃料は、矢印Ｆ５６に示すように、凹部１４４ｐの凹曲面に沿ってシリンダヘッド方向１３０のに向かう。
【００６７】
また、他の一部は液体として溝部１４４ｑに付着し、凹部１４４ｐに流入する。凹部１４４ｐ内に液体として誘導された燃料は、その後、蒸発する。なお、燃料噴射Ｅ４２の際には燃料噴射Ｅ４１のときに比べてピストン１４４が筒内燃料噴射部１５に近づいている。このため、燃料噴射Ｅ４２においては、噴射した燃料のうち、液体として溝部１４４ｑに付着し、凹部１４４ｐに流入する燃料（図１１においてＦｒで示す。）の割合は、燃料噴射Ｅ４１の場合に比べて高い。
【００６８】
図１２は、燃焼室１５０内の比較的薄い混合気Ｇ４１と比較的濃い混合気Ｇ４３の様子を示す説明図である。燃料噴射Ｅ４２が行われる際には、図１１に示すように、燃焼室１５０中にはすでに比較的薄い混合気Ｇ４１が形成されている。このため、燃料噴射Ｅ４２において噴射された燃料は、燃料噴射Ｅ４１において噴射された燃料に比べて気化されにくく、燃焼室１５０中に拡散しにくい。また、燃料噴射Ｅ４２は燃料噴射Ｅ４１よりも後に行われるため、ピストン１４４が上死点に達するまでの時間が短い。よって、この点からも、燃料噴射Ｅ４２において噴射された燃料は、燃焼室１５０中に拡散しにくい。よって、燃料噴射Ｅ４２において噴射された燃料は、凹部１４４ｐ近傍において、比較的濃い混合気Ｇ４３を形成する。混合気Ｇ４３を形成している燃料の一部は、燃料噴射Ｅ４１の燃料であり、他の一部は、燃料噴射Ｅ４２の燃料である。
【００６９】
その後、さらにピストンが上昇に転ずると、比較的濃い混合気Ｇ４３において自着火が起こる。そして、燃焼室１５０内の混合気Ｇ４１も燃焼する。
【００７０】
（３）プラグによる点火：
図１３は、燃焼不良を検出した場合の燃料噴射のタイミングを示す説明図である。燃焼室１５０において予定した燃焼が起こらなかった場合には、燃焼室内の圧力は予定した燃焼が起こった場合の値まで上昇しないことがある。ＥＣＵ３０は、第１および第２の４サイクル自着火モードにおいて、１サイクル中に燃焼室１５０内の圧力が所定のしきい値に達しなかった場合には、そのシリンダの次の１サイクルにおいては、圧縮期間中期の所定の時間区間中に、１サイクルで燃焼されるすべての燃料を噴射する燃料噴射Ｅ４３を行う。通常の状態では、燃料は吸気期間前のみで噴射するか（図５参照）、吸気期間前と、圧縮期間中期とに分けて噴射する（図１０参照）。よって、燃料噴射Ｅ４３において圧縮期間中期に１サイクルで燃焼されるすべての燃料を噴射することによって、圧縮期間中期に噴射される燃料は大幅に増加する。なお、「圧縮期間中期」とは、圧縮期間の下死点後７５°〜１１５度の区間を意味する。そして、上死点前３０°のタイミングで点火プラグ１３６よる点火ＥＧを行う。
【００７１】
（４）効果：
本実施例では、ピストンは、頂部に凹部１４４ｐと、凹部１４４ｐに接続された溝部１４４ｑとを有している。このため、比較的濃い混合気を凹部１４４ｐ近傍に形成することができる。よって、まず比較的濃い混合気から自着火をおこさせることで、均一に混合した場合には自着火が起こらないような、空気過剰率が高い混合気においても、安定して自着火を行わせることができる。
【００７２】
なお、本実施例においては、凹部１４４ｐ近傍に形成される比較的濃い混合気の空気過剰率が１より大きくても、自着火が生じる。よって、燃焼を起こさせるために、部分的に、理論空燃比と同じかそれよりも濃い、すなわち、空気過剰率が１以下である混合気を形成する場合に比べて、燃焼によって生じるＮＯｘの量を少なくすることができる。
【００７３】
また、本実施例においては、ピストン１４４に、凹部１４４ｐに接続された溝部１４４ｑが設けられている。このため、溝部１４４ｑに向けて噴射された燃料は溝部１４４ｑを伝って凹部１４４ｐに流れる。したがって、ピストン１４４がＢＤＣ近傍にないときに噴射した燃料も、凹部１４４ｐに導くことができる。
【００７４】
また、本実施例では、凹部１４４ｐは、ピストン１４４の頂部１４４ｈにおいて、シリンダの中心軸を中心として均等な角度で配されている。このため、燃焼室１５０内において均等な空間に一箇所ずつ比較的濃い混合気を形成することができる。よって、自着火による燃焼を、燃焼室１５０内において均等に行わせることができる。また、筒内燃料噴射部１５は、凹部１４４ｐと同数の噴射口を備えている。このため、各凹部１４４ｐに向けてそれぞれ異なる噴霧束で燃料を噴射することができる。
【００７５】
本実施例においては、筒内燃料噴射部１５は、各噴射口がシリンダ１４２の中心軸の近傍に位置するように設けられている。よって、ピストン頂部に設けられた各凹部１４４ｐおよび各溝部１４４ｑに対して、容易に燃料を噴射することができる。すなわち、ピストン１４４の頂部の構造に妨げられて、燃料が凹部に到達しない可能性が低い。また、溝部１４４ｑは、ピストン１４４の頂部において、燃料噴射部の噴射口と向かい合う中央から各凹部１４４ｐに向けて放射状に設けられている。そして、筒内燃料噴射部１５は、ピストン１４４がもっとも下降したときに、燃料が各凹部１４４ｐ内に向けて噴射されるように、構成されている。このため、筒内燃料噴射部１５は、ピストンが任意の位置にあるときに、燃料を溝部１４４ｑまたは凹部１４４ｐに噴射することができる。
【００７６】
シリンダ１４２の内壁（シリンダライナ）に付着した燃料や、シリンダ１４２の内壁の近傍にある燃料は、シリンダに熱を奪われるために、燃焼しにくい。また、シリンダ１４２の内壁とピストン１４４側面の間に入り込んだ燃料も、同様に燃焼しにくい。しかし、本実施例においては、図６に示すように、噴射された燃料は、溝部１４４ｑおよび凹部１４４ｐの内壁の凹曲面に沿って移動する。このため、燃料は、シリンダ１４２の内壁近傍の領域に移動しにくく、また、シリンダ１４２の内壁とピストン１４４の間に入り込みにくい。よって、本実施例のような態様においては、未燃燃料が生じにくい。また、本実施例においては、特に、凹部は凹曲面で構成されているため、より効果的である。
【００７７】
さらに、４サイクル自着火モードにおいては、排気行程において排気バルブ１３４を閉じた後、吸気バルブ１３２を開いて吸気を開始している（図５および図１０参照）。すなわち、サイクル中に、いわゆる「負のオーバーラップ」を有している。そして、その「負のオーバーラップ」の間に燃料を噴射している。このため、４サイクル運転モードにおいては、前のサイクルで生じた高温の既燃ガスが残留している燃焼室１５０に、燃料を噴射することができる。よって、図６において矢印Ｆ４６で示し、図８においてＧ４１で示した比較的薄い混合気を、燃焼室１５０内において十分に気化させ、拡散させることができる。
【００７８】
第２の４サイクル自着火モードにおいては、燃料噴射を、燃料噴射Ｅ４１と、下死点後９０°〜９５°の間の燃料噴射Ｅ４２とに分けて行う。すなわち、第１の４サイクル自着火モードに比べて、より遅い時期にも燃料の噴射を行う。このため、燃焼室１５０内の燃料全体の自着火のタイミングを遅らせることができ、燃焼室１５０内の燃料全体が燃焼するのにかかる時間を長くすることができる。その結果、燃焼の際の騒音を低減することができる。よって、より高負荷の領域においても自着火による運転を行うことができる。言い換えれば、図４において、４サイクル自着火モードによる運転を行う領域Ｖを、より高負荷側に広げることができる。
【００７９】
また、第２の４サイクル自着火モードにおいては、負のオーバーラップ中に行う燃料噴射Ｅ４１によって、比較的薄い均一な混合気Ｇ４１を形成することができ、圧縮期間中期に行う燃料噴射Ｅ４２によって、比較的濃い混合気Ｇ４３を形成することができる。よって、全体として空気過剰率が高い場合にも、安定して自着火を行わせることができる。
【００８０】
前サイクルの既燃ガス（内部ＥＧＲガス）を利用する自着火運転においては、一度失火が起こると、そのサイクルでは高温の既燃ガスが生じないため、次のサイクルでも失火が生じやすい。しかし、本実施例では、失火が起こった場合には、図１３に示すように、次のサイクルにおいて点火プラグ１３６による点火を行う。このため、失火した次のサイクルにおいては、点火プラグ１３６を使用して、高い確度で燃焼を起こさせることができる。その結果、更に次のサイクルでは、前のサイクルの既燃ガスを利用することができ、高い確率で自着火を起こさせることができる。そして、その後、再び安定した燃焼を起こさせやすい。
【００８１】
また、本実施例では、点火プラグ１３６は、その電極１３６ｓが、凹部１４４ｐの一つと向かい合う位置に来るように、ピストン１４４およびシリンダヘッド１３０に対して、取り付けられている。よって、比較的濃い混合気中で点火を行うことができ、空気過剰率が高い場合にも、比較的薄い混合気中で点火を行う場合に比べて、より確実に燃料に着火することができる。
【００８２】
さらに、本実施例では、点火プラグ１３６による点火を行う際には、そのサイクルで燃焼されるすべての燃料を、圧縮期間中期で燃焼室１５０内に噴射している（図１３参照）。このため、凹部１４４ｐ近辺には、混合気Ｇ４２（図８および図９に示す、第１の４サイクル自着火モードの燃焼参照。）やＧ４３（図１２に示す、第２の４サイクル自着火モードの燃焼参照。）よりも濃い混合気が形成される。よって、この点からも、空気過剰率が高い場合にも、より確実に燃料に点火を行うことができる。
【００８３】
Ａ−５．２サイクル自着火モードにおけるバルブ開閉タイミングと燃料噴射：
（１）第１の２サイクル自着火モード：
図１４は、第１の２サイクル自着火モードに（図４の領域ＩＩ参照）おいて、ピストン１４４の動きに同期させて吸気バルブ１３２および排気バルブ１３４を開閉させるタイミングを示した説明図である。図中の各表記は、図５と同様である。図１４に示すように、第１の２サイクル自着火モードにおいては、ピストン１４４が下降して下死点前６５°の位置にきたときに排気バルブ１３４を開く。このとき、吸気バルブ１３２は閉じている。そして、ピストン１４４がさらに下降して下死点前４０°の位置にきたときに吸気バルブ１３２を開く。その後、ピストン１４４が下降から上昇に転じて下死点後２５°の位置にきたとき、排気バルブ１３４を閉じる。
【００８４】
ピストン１４４が下死点前４０°から下死点後２５°にある間、吸気通路１２から吸気が行われ、排気通路１６から既燃ガスの排出が行われる。すなわち、掃気が行われる。なお、２サイクル運転で掃気を行う際には、図示しない過給器を用いて吸気の圧力（給気圧）を上昇させるのが一般的である。この掃気期間中に、下死点前１０°〜下死点後１０°の間の所定の時間区間において、筒内燃料噴射部１５から燃料噴射Ｅ２１が行われる。
【００８５】
その後、ピストン１４４が下死点後４０°の位置にきたときに、吸気バルブ１３２を閉じる。そして、ピストン１４４が上昇して燃焼室１５０内の空気および燃料を圧縮すると、上死点ＴＤＣ近辺で燃料が自着火を起こし、ピストン１４４を押し下げる。以下、同様に運転サイクルが繰り返される。
【００８６】
図１５は、２サイクル運転における燃料噴射Ｅ２１の際の燃料の流れを示した説明図である。筒内燃料噴射部１５は、ピストンが下死点前１０°〜下死点後１０°にあるときに燃料を凹部１４４ｐに噴射できるように構成されている。よって、下死点前１０°〜下死点後１０°の間に行われる燃料噴射Ｅ２１においては、燃料は、矢印Ｆ６２に示すように、凹部１４４ｐに噴射される。そして、噴射された燃料の一部は、矢印Ｆ６６に示すように、凹部１４４ｐの凹曲面に沿ってシリンダヘッド１３０の方向に向かう。他の一部は液体として凹部１４４ｐの内面に付着する。
【００８７】
燃料噴射Ｅ２１は、図１４に示すように、掃気期間において行われる。よって、燃料噴射Ｅ２１が行われているときには、矢印Ａ２１に示すように、吸気口から燃焼室１５０内に空気が流入する。そして、矢印Ａ２２に示すように、排気口から燃焼室１５０内の既燃ガスが流出する。この空気の流れにより、凹部１４４ｐの凹曲面に沿ってシリンダヘッド１３０の方向に向かった燃料（図１５において矢印Ｆ６６で示した。）は、燃焼室１５０内で十分に拡散される。また、燃焼室１５０内に残留している高温の既燃ガスによって、燃料が気化される。その結果、燃焼室１５０内において比較的薄い混合気Ｇ２１が形成される。なお、図中の黒点は、気化し、拡散される燃料を表す。
【００８８】
図１６は、２サイクル自着火モードの運転における燃料の拡散と蒸発を示した説明図である。凹部１４４ｐ内に液体として残っていた燃料Ｆｒは、矢印Ｆ６８に示すように、少しずつ蒸発する。その結果、比較的濃い混合気Ｇ２２（図示せず）が形成される。その後、さらにピストンが上昇すると、図８および図９に示した４サイクル自着火モードの場合と同様に、比較的濃い混合気Ｇ２２において自着火が起こる。そして、燃焼室１５０内の他の混合気も燃焼する。
【００８９】
（２）第２の２サイクル自着火モード：
図１７は、第２の２サイクル自着火モード（図４の領域ＩＩＩ参照）において、ピストン１４４の動きに同期させて吸気バルブ１３２および排気バルブ１３４を開閉させるタイミングを示した説明図である。図中の各表記は、図５と同様である。第２の４サイクル自着火モードにおいては、下死点前１０°〜下死点後１０°の間の所定の時間区間中に行われる燃料噴射Ｅ２１に加えて、下死点後９０°〜９５°の間の所定の時間区間中において、燃料噴射Ｅ２２を行う。燃料噴射Ｅ２２において噴射する燃料は、燃料噴射Ｅ２１において噴射する燃料よりも少ない。なお、４サイクル自着火モードと同様、１サイクル中で噴射する燃料の量は、負荷Ｌが大きいほど多くなる。
【００９０】
燃料噴射Ｅ２１における燃料の流れは、図１５および図１６に示した第１の２サイクル自着火モードの場合と同様である。そして、燃料噴射Ｅ２２における燃料の流れは、図１１および図１２に示した第２の４サイクル自着火モードの場合と同様である。ただし、噴射される燃料の量は、負荷に応じて異なる。
【００９１】
（３）プラグによる点火：
ＥＣＵ３０は、４サイクル自着火モードの場合と同様、第１および第２の２サイクル自着火モードにおいても、失火が起こったと判断できる場合には、そのシリンダの次の１サイクルにおいては、圧縮期間中期（下死点後８０°〜１００°）の所定の時間区間中に、１サイクルで燃焼されるすべての燃料を噴射する。そして、上死点前３０°のタイミングで点火プラグ１３６よる点火を行う（図１３参照）。
【００９２】
（４）効果：
本実施例では、筒内燃料噴射部１５の各燃料噴射口は、ピストン１４４がもっとも下降したとき、すなわち、ピストン１４４がＢＤＣ近傍（下死点前１０°〜下死点後１０°）にあるときに、各燃料噴射口から噴射された燃料が各凹部１４４ｐ内に向けて噴射されるように、構成されている。よって、燃料噴射Ｅ２１の燃料は、凹部１４４ｐ内に噴射される。その結果、凹部１４４ｐ近傍において、自着火しやすい比較的濃い混合気を作ることができる。よって、空気過剰率が高い場合にも、安定して自着火を行わせることができる。
【００９３】
また、２サイクル自着火モードにおいては、掃気期間中に燃料噴射Ｅ２１を行っている。このため、前のサイクルで生じた高温の既燃ガスが残留している燃焼室１５０に、燃料を噴射することができる。よって、図１５において矢印Ｆ６６で示した比較的薄い混合気を、燃焼室１５０内において十分に気化させ、拡散させることができる。
【００９４】
第２の２サイクル自着火モードにおいては、燃料噴射を、燃料噴射Ｅ２１と、下死点後９０°〜９５°の間の燃料噴射Ｅ２２とに分けて行う。このため、第２の４サイクル自着火モードの場合と同様の理由から、燃焼の際の騒音を低減することができる。よって、図４において、２サイクル自着火モードによる運転を行う領域ＩＩＩを、より高負荷側に広げることができる。
【００９５】
また、第２の４サイクル自着火モードにおいては、掃気期間中に行う燃料噴射Ｅ２１によって、比較的薄い均一な混合気を形成することができ、圧縮期間中期に行う燃料噴射Ｅ２２によって、比較的濃い混合気を形成することができる。よって、空気過剰率が高い場合にも、安定して自着火を行わせることができる。
【００９６】
Ｂ．第２実施例：
図１８は、第２実施例のシリンダヘッド１３０ｂおよびピストン１４４ｂの頂部の構造と燃料噴射の状態を示す説明図（縦断面図）である。第２実施例は、第１実施例とは、燃料噴射部と点火プラグの位置が異なっており、これに応じてピストン頂部の形状も変更されている。すなわち、第２実施例においては、吸気通路１２内に吸気管燃料噴射部１５ｂが設けられており、シリンダ１４２の側壁に筒内燃料噴射部１５ｃが設けられている。筒内燃料噴射部１５ｃは、シリンダヘッド１３０ｂ上であって、シリンダの中心軸Ｏに対して吸気口１２ｏが設けられている側の位置に設けられている。そして、点火プラグ１３６ｂは、シリンダ１４２の中心軸近傍に電極１３６ｓがくるように、シリンダヘッド１３０の天井部１３０ｒに対して取り付けられている。
【００９７】
なお、筒内燃料噴射部１５ｃは、シリンダヘッド１３０において、燃焼室の内側壁近傍から燃料を噴射できる位置に設けられている。ここで、「燃焼室の内側壁近傍」とは、シリンダヘッドの天井部１３０ｒをピストンの往復方向に垂直な平面に投影したときに、「シリンダの内側壁からシリンダの半径方向内側にシリンダの半径の１／５だけ近寄った位置」から「シリンダの内側壁からシリンダの半径方向外側にシリンダの半径の１／５だけ離れた位置」までの範囲を意味する。その際、燃料噴射部がシリンダヘッドに設けられているか、シリンダブロックに設けられているかは問わない。
【００９８】
図１９は、第２実施例におけるピストン１４４ｂの頂部１４４ｈの構造と燃料噴射の状態を示す平面図である。第２実施例においては、ピストン１４４ｂの頂部１４４ｈには、ピストン１４４がシリンダに組み付けられたときにシリンダ１４２の中心軸の近傍にくる位置に、点火凹部１４４ｒが設けられている。なお、「凹部がシリンダの中心軸の近傍に設けられている」とは、ピストンの頂部をピストンの往復方向に垂直な平面に投影したときに、シリンダの中心軸を中心としシリンダの半径の１／３の半径を有する円の中に、凹部の射影の面積の７５％以上が含まれることを意味する。
【００９９】
また、ピストン１４４ｂの頂部の外周近傍には、他の４個の凹部１４４ｓが設けられている。４個の凹部１４４ｓは、筒内燃料噴射部１５ｃとシリンダ１４２の中心軸Ｏを結ぶ線に対して対称の位置および形状に設けられている。図１９においては、筒内燃料噴射部１５ｃとシリンダ１４２の中心軸Ｏを結ぶ線、および筒内燃料噴射部１５ｃとシリンダ１４２の中心軸Ｏを結ぶ線に垂直でシリンダ１４２の中心軸Ｏを通る線を、一点鎖線で示す。
【０１００】
また、各凹部１４４ｒ、１４４ｓには、溝部１４４ｔがそれぞれ設けられている。これらの溝部１４４ｔは、ピストン１４４ｂの往復方向に垂直な平面に投影したときに各凹部１４４ｒ，１４４ｓから筒内燃料噴射部１５ｃの位置に向かう向きに伸びている。
【０１０１】
筒内燃料噴射部１５ｃは、５個の凹部１４４ｒ，１４４ｓと同数、すなわち５個の燃料噴射口を有している。そして、図１８および図１９に示すように、各燃料噴射口は、ピストン１４４がもっとも下降したとき、各燃料噴射口から噴射された燃料が各凹部１４４ｒ，１４４ｓ内に向けて噴射されるように、構成されている。さらに、筒内燃料噴射部１５ｃの各燃料噴射口は、筒内燃料噴射部１５ｃから遠い凹部に燃料を噴射するものほど、小さい噴射角で燃料を噴射するように設けられている。ここで、「噴射角」とは、一つの噴射口から噴射される燃料の広がりの角度を意味する。第２実施例のエンジンの他のハードウェア構成は、第１実施例のエンジンと同様である。
【０１０２】
第２実施例のエンジンの運転の仕方は、第１実施例のエンジンとほぼ同様である。ただし、４サイクル火花点火モードを行う際（図４の領域ＩおよびＶＩ）には、吸気管燃料噴射部１５ｂのみから燃料を噴射する。また、４サイクル自着火モードを行う際（図４の領域ＩＶおよびＶ）には、筒内燃料噴射部１５ｃのみから燃料を噴射する。そして、２サイクル自着火モードを行う際（図４の領域ＩＩおよびＩＩＩ）には、掃気期間中に行う燃料噴射Ｅ２１は、吸気管燃料噴射部１５ｂから行い、圧縮期間中に行う燃料噴射Ｅ２２は、筒内燃料噴射部１５ｃから行う。第２実施例のエンジンの運転についての他の点は、第１実施例のエンジンの運転と同様である。
【０１０３】
第２実施例においては、吸気管に設けられた吸気管燃料噴射部１５ｂを備えている。このため、２サイクル自着火モードにおいて掃気期間中に行う燃料噴射Ｅ２１によって噴射する燃料を、空気とともに燃焼室１５０に導入することができる。よって、燃料噴射Ｅ２１によって噴射された燃料を、燃焼室１５０中で十分に拡散させることができる。
【０１０４】
また、第２実施例においては、筒内燃料噴射部１５ｃは、筒内燃料噴射部１５ｃから遠い凹部ほど、小さい噴射角で燃料を噴射する複数の噴射口を有している。このため、筒内燃料噴射部１５ｃから遠い凹部についても、凹部の外に燃料が噴射されてしまう可能性が低い。
【０１０５】
さらに、第２実施例のピストン１４４ｂは、各凹部１４４ｒ、１４４ｓから筒内燃料噴射部１５ｃに向かう向きに溝部１４４ｔを有している。このため、ピストンが最も下降したとき以外のタイミングで筒内燃料噴射部１５ｃから燃料を噴射しても、噴射された燃料は溝部１４４ｔに沿って凹部１４４ｒ、１４４ｓに導入される。このため、噴射された燃料の一部は凹部１４４ｒ、１４４ｓ近傍にとどまり、比較的濃い混合気を形成し、他の一部は凹部１４４ｒ、１４４ｓの内壁に沿って、燃焼室内に拡散する。その結果、圧縮の際に、凹部１４４ｒ、１４４ｓ近傍の比較的濃い混合気からまず自着火を起こさせ、その後、燃焼室内全体に均等拡散した混合気に、均等に自着火を起こさせることができる。よって、燃焼によって生じるＮＯｘの量を低減することができる。
【０１０６】
また、第２実施例のエンジンは、シリンダ１４２の中心軸の近傍に設けられた点火凹部１４４ｒと向かい合う位置に、点火プラグ１３６ｂの電極がくるように、点火プラグ１３６ｂが設けられている。このため、点火プラグ１３６ｂによって点火を行う場合に、炎または既燃ガスの圧力は均等に燃焼室内に伝播する。また、凹部１４４ｒ，１４４ｓは、筒内燃料噴射部１５ｃとシリンダ１４２の中心軸を結ぶ線に対して対称の位置および形状に設けられている。このため、各凹部で形成される混合気が自着火して生じた火炎または既燃ガスの圧力が、均等に燃焼室１５０内に伝播する。よって、燃焼室内全体に均等拡散した混合気に、均等に自着火を起こさせることができ、燃焼によって生じるＮＯｘの量を低減することができる。
【０１０７】
Ｃ．第３実施例：
図２０は、第３実施例におけるピストン１４４ｃの頂部の構造と燃料噴射の状態を示す説明図（縦断面図）である。第３実施例のエンジンにおいては、筒内燃料噴射部１５ｄは、燃焼室の内側壁近傍から燃料を噴射できる位置に設けられており、吸気管燃料噴射部は設けられていない。筒内燃料噴射部１５ｄは、シリンダヘッド１３０ｃ上であって、シリンダの中心軸Ｏに対して吸気口１２ｏが設けられている側の位置に設けられている。第３実施例のシリンダヘッド１３０ｃについての他の構成は、第２実施例のシリンダヘッド１３０ｂと同様である。
【０１０８】
図２１は、第３実施例のシリンダヘッド１３０ｃおよびピストン１４４ｃの頂部の構造と燃料噴射の状態を示す平面図である。図２１の表記は、図１９と同様である。第３実施例のピストン１４４ｃは、第２実施例と同様に、頂部に５個の凹部１４４ｕ，１１４４ｖ，１４４ｗを有する。シリンダ１４２の中心軸近傍には、点火凹部１４４ｕが設けられている。そして、ピストン１４４ｃの外周近傍であって吸気バルブ１３２に近い側には、２個の凹部１４４ｖが設けられており、排気バルブ１３４に近い側にも、２個の凹部１４４ｗが設けられている。なお、「ピストンの外周近傍」とは、ピストンの頂部をピストンの往復方向に垂直な平面に投影したときに、ピストンの頂部の範囲内であって、シリンダの中心軸を中心としシリンダの半径の１／３の半径を有する円の外側にある領域をいう。そして、「凹部がピストンの外周近傍に設けられている」とは、凹部をピストンの往復方向に垂直な平面に投影したときに、「ピストンの外周近傍」に、凹部の射影の面積の７５％以上が含まれることを意味する。周囲にある４個の凹部１４４ｖ，１４４ｗは、筒内燃料噴射部１５ｃとシリンダ１４２の中心軸を結ぶ線に対して対称の位置および形状に設けられている。
【０１０９】
凹部１４４ｖは、上死点にあるピストン１４４ｃと全開状態にある吸気バルブ１３２とが干渉しないような形状に設けられている。また、凹部１４４ｗは、上死点にあるピストン１４４ｃと全開状態にある排気バルブ１３４とが干渉しないような形状に設けられている。第３実施例のエンジンの他の構成は、第２実施例と同様である。また、第３実施例のエンジンの運転は、第１実施例のエンジンと同様である。なお、図２０においては、シリンダの中心軸を示す一点鎖線Ｏの左側には、凹部１４４ｖの断面を破線で示し、右側には、凹部１４４ｗの断面を破線で示している。凹部１４４ｖ、１４４ｗは、いずれも底面としてピストンの往復方向に垂直で円形の平面を有している。図２０で示す凹部１４４ｖ、１４４ｗの断面は、それぞれの底面の円の中心を含みシリンダの中心軸に平行な面Ｌｓ１，Ｌｓ２（図２１参照）における断面である。
【０１１０】
ところで、従来から、ピストンには、吸気バルブや排気バルブと干渉しないように、「逃げ」のための凹部、すなわちバルブリセスが設けられることがある。すなわち、「バルブリセス」とは、ピストン頂部に設けられる凹部であって、全開状態にある吸気バルブおよび排気バルブと上死点にあるピストンとが干渉しないような形状に設けられる凹部である。仮に、このバルブリセスと、燃料を拡散しまたは滞留させるための凹部とを、それぞれの機能の要請に基づいて形成すると、ピストンの形状が複雑になる。その結果、ピストンの体積に対する表面積の比が大きくなって、燃焼の際の冷却損失が増大する。しかし、第３実施例のピストン１４４ｃにおいては、燃料を拡散し、または滞留させるための凹部１４４ｖ、１４４ｗが、それぞれ吸気バルブ１３２、排気バルブ１３４と干渉しないような形状に設けられている。このため、各バルブとピストンの干渉防止ならびに燃料の拡散および滞留という要請を満たしつつ、燃焼の際の冷却損失を小さくすることができる。その結果、燃料を燃焼させることによって得られるエネルギーを、効率的に仕事として取り出すことができる。
【０１１１】
Ｄ．第４実施例：
図２２は、第４実施例のシリンダヘッド１３０ｄおよびピストン１４４ｄの頂部の構造と燃料噴射の状態を示す説明図（縦断面図）である。第３実施例との相違点は、シリンダヘッドの天井部の形状と、ピストン頂部の形状である。第４実施例のシリンダヘッド１３０ｄにおいては、燃焼室１５０を構成する天井部１３０ｒのうち、吸気口１２ｏの外周を形成している天井部分Ｐｉと、排気口１６ｏの外周を形成している天井部分Ｐｅとが互いに向かい合うような傾斜を有しており、それらのなす角度が他の実施例よりも小さい。その結果、天井部分ＰｉとＰｅに挟まれた天井部分Ｐｍ（「天井頂部Ｐｍ」と呼ぶ。）は、他の実施例よりも奥まっており、クランクシャフト１４８から遠くなっている（図１参照）。天頂部分Ｐｍは、図２２において紙面に垂直な方向に尾根のような形状を有する。このような燃焼室の形式を、ペントルーフ型という。
【０１１２】
点火プラグ１３６ｄは、天頂部分Ｐｍの、シリンダ１４２の中心軸近傍に設けられている。また、筒内燃料噴射部１５ｅは、第３実施例と同様に、燃焼室１５０の内側壁近傍に設けられている。
【０１１３】
図２３は、第４実施例におけるピストン１４４ｄの頂部の構造と燃料噴射の状態を示す平面図である。第４実施例のピストン１４４ｄは、頂部に３個の凹部１４４ｙ，１４４ｚを有する。各凹部を構成する曲面は、球面の一部である。シリンダ１４２の中心軸Ｏの近傍には、点火凹部１４４ｙが設けられている。そして、点火凹部１４４ｙを挟んで２個の凹部１４４ｚが設けられている。２個の凹部１４４ｚは、筒内燃料噴射部１５ｅとシリンダの中心軸Ｏを結ぶ線Ｌｍに対して対称の位置および形状に設けられている。筒内燃料噴射部１５ｅとシリンダの中心軸Ｏを結ぶ線Ｌｍを、左右方向の一点鎖線で示す。
【０１１４】
凹部１４４ｙ、１４４ｚは、筒内燃料噴射部１５ｅとシリンダの中心軸Ｏを結ぶ線Ｌｍに対して垂直な方向に沿って並んでいる。いいかえれば、３個の凹部１４４ｙ、１４４ｚは、天頂部分Ｐｍと向かい合うように配されている。
【０１１５】
前述したように、天頂部分Ｐｍは、図２２において紙面に垂直な方向に尾根のような形状で分布する。ここで、シリンダ１４２の中心軸Ｏを含む平面であって燃焼室１５０の断面積を最も大きくする基準平面ＰＲ１を規定すると、この平面ＰＲ１は、図２３に破線で示した位置になる。すなわち、筒内燃料噴射部１５ｅとシリンダの中心を結ぶ線Ｌｍに対して垂直な面となる。この基準平面ＰＲ１に平行な二つの平面Ｐｄ１，Ｐｄ２で仮想的にピストンの頂部１４４ｈを三つの領域Ａ１〜Ａ３に分割する。その際、これらの頂部領域Ａ１〜Ａ３をシリンダ１４２の中心軸Ｏに垂直な平面（図２３において紙面に平行な平面）に投影したとき、シリンダ１４２の中心軸Ｏを通り基準平面ＰＲ１と垂直な方向の直線Ｌｍに沿って測った三つの頂部領域Ａ１〜Ａ３の寸法Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３が１：１：１となるように、平面Ｐｄ１，Ｐｄ２を規定する。
【０１１６】
これらの三つの頂部領域Ａ１，Ａ２，Ａ３のうち、頂部領域Ａ２は、図２２に示すように、天頂部分Ｐｍと向かい合う。このため、ピストン１４４ｄの往復方向に沿った頂部領域Ａ２から天井部１３０ｒまでの平均距離は、他の頂部領域Ａ１，Ａ３から天井部１３０ｒまでの平均距離に比べて遠い。ピストン１４４ｄの頂部に設けられた３個の凹部１４４ｙ、１４４ｚは、図２３に示すように、頂部領域Ａ２に設けられている。
【０１１７】
また、第４実施例のピストン１４４ｄの頂部１４４ｈには、三つの凹部１４４ｙ，１４４ｚに共通する一つの溝部１４４ｏが設けられている。この溝部１４４ｏは、ピストン１４４ｄの往復方向に垂直な平面に投影したときの筒内燃料噴射部１５ｅの位置から三つの凹部１４４ｙ，１４４ｚに向けて略三角形状に広がった形状を有している。第４実施例のエンジンの他の点は、第３実施例のエンジンと同様である。
【０１１８】
仮に、３個の凹部が、筒内燃料噴射部１５ｅとシリンダの中心を結ぶ直線Ｌｍに沿って配されていたとすると、各凹部で形成された比較的濃い混合気で発火が起こったときに、火炎や既燃ガスの圧力は、天井部分Ｐｉの下部や天井部分Ｐｅの下部には比較的早期に達するものの、天頂部分Ｐｍには比較的遅れて到達することになる（図２２参照）。このため、燃焼にばらつきが生じ、また、燃焼時間も長くなる。
【０１１９】
しかし、第４実施例では、３個の凹部１４４ｙ、１４４ｚは、凹部１４４ｙ、１４４ｚは、筒内燃料噴射部１５ｅとシリンダの中心Ｏを結ぶ線Ｌｍに対して垂直な方向に並んでいる。すなわち、尾根状の天頂部分Ｐｍと向かい合うようには配置されている。このため、各凹部１４４ｙ、１４４ｚの混合気で発火が起こったときに、火炎や既燃ガスの圧力は、比較的均等な時間で天頂部分Ｐｍにまで到達する。このため、燃焼のばらつきを小さくすることができ、かつ、燃焼時間を短くすることができる。その結果、ＮＯｘを低減することができる。
【０１２０】
Ｅ．第５実施例：
図２４は、第５実施例のシリンダヘッド１３０ｅおよびピストン１４４ｅの頂部の構造と燃料噴射の状態を示す説明図（縦断面図）である。第５実施例のエンジンは、筒内燃料噴射部が２個設けられている点と、点火プラグの位置とが他の実施例と異なっている。すなわち、第５実施例のエンジンでは、シリンダの天井部１３０ｒであってシリンダ１４２の中心軸Ｏの近傍の位置に、第１の筒内燃料噴射部１５ｆを有し、さらに、燃焼室１５０の内側壁近傍から燃料を噴射できる第２の筒内燃料噴射部１５ｇを有している。ピストン１４４ｅの形状は、第１実施例のピストン１４４と同様である。
【０１２１】
第２の筒内燃料噴射部１５ｇは、シリンダヘッド１３０ｅ上であって、シリンダの中心軸Ｏに対して吸気口１２ｏが設けられている側の位置に設けられている。そして、点火プラグ１３６ｅは、シリンダ１４２の中心軸Ｏを挟んで第２の筒内燃料噴射部１５ｇと向かい合う位置に設けられている。すなわち、点火プラグ１３６ｅは、シリンダヘッド１３０ｅ上であって、シリンダの中心軸Ｏに対して排気口１６ｏが設けられている側の位置に設けられている。また、点火プラグ１３６ｅは、その電極１３６ｓがピストン１４４ｅの凹部１４４ｐの一つの直上にくるように設けられている。
【０１２２】
第２の筒内燃料噴射部１５ｇは、図２４において破線で示すように、水平に近い角度で燃焼室１５０内に燃料を噴射する。第１の筒内燃料噴射部１５ｆの燃料噴射口は、図２４において斜線部で示すように、ピストン１４４ｅが最も下降したときに、各凹部１４４ｐ内に燃料を噴射できるように構成されている。第１および第２の筒内燃料噴射部１５ｆ，１５ｇは、燃料の噴射圧力を変えることで単位時間当たりに噴射する燃料の量を増減することができるタイプの燃料噴射弁である。第５実施例のエンジンの他のハードウェア構成は、第１実施例のエンジンと同様である。
【０１２３】
第５実施例のエンジンの運転は、第１実施例のエンジンと同様に行われる。ただし、燃料噴射において、第１および第２の筒内燃料噴射部１５ｆ，１５ｇを使い分ける。すなわち、第１の４サイクル自着火モード（図４および図５参照）においては、負のオーバーラップ中に行う燃料噴射Ｅ４１は、第１の筒内燃料噴射部１５ｆで行う。そして、第２の４サイクル自着火モード（図４および図１０参照）においては、負のオーバーラップ中に行う燃料噴射Ｅ４１は、第２の筒内燃料噴射部１５ｇで行い、圧縮期間中期に行う燃料噴射Ｅ４２は、第１の筒内燃料噴射部１５ｆで比較的低い圧力で行う。
【０１２４】
一方、第１の２サイクル自着火モード（図４および図１４参照）においては、掃気期間に行う燃料噴射Ｅ２１は、第１の筒内燃料噴射部１５ｆで行う。そして、第２の２サイクル自着火モード（図４および図１７参照）においては、掃気期間に行う燃料噴射Ｅ２１は、第２の筒内燃料噴射部１５ｇで、比較的低い圧力で単位時間当たりの燃料噴射量を比較的少なくして行う。そして、圧縮期間中期に行う燃料噴射Ｅ２２は、第１の筒内燃料噴射部１５ｆで、比較的高い圧力で単位時間当たりの燃料噴射量を比較的多くして行う。他の点は、第１実施例のエンジンの運転と同様である。
【０１２５】
第５実施例のエンジンは、２回に分けて燃料を噴射するモードにおいて比較的薄い混合気を形成する燃料を噴射する第２の筒内燃料噴射部１５ｇを、ピストン頂部の凹部１４４ｐに向けて燃料を噴射する第１の筒内燃料噴射部１５ｆとは別に備えている。このため、燃焼室１５０内において拡散しやすいように適切に噴霧方向や噴霧圧力を設定して、比較的薄い混合気を形成する燃料を噴射することができる。その結果、燃焼室１５０内において比較的薄い混合気を均質に形成することができ、圧縮の際に、そのような燃焼室内全体に均等拡散した混合気に、均等に自着火を起こさせることができる。その結果、燃焼によって生じるＮＯｘの量を低減することができる。
【０１２６】
第２の４サイクル自着火モード（図１０参照）においては、１回目の燃料噴射Ｅ４１は、吸気バルブ１３２および排気バルブ１３４が閉じている状態、すなわち、燃焼室１５０の圧力が比較的高い状態で行われる。よって、燃料噴射Ｅ４１は、排気バルブが開いているときに行われる燃料噴射Ｅ４２に比べて高い圧力で行われる。これにより、燃料噴射Ｅ４１において、燃焼室１５０内の圧力に抗して燃料を燃焼室内に送り込むことができる。
【０１２７】
一方、第２の４サイクル自着火モードの２回目の燃料噴射Ｅ４２は、比較的低い圧力で行われる。その結果、液体燃料の粒の径が燃料噴射Ｅ４１の場合に比べて大きくなる。よって、燃料噴射Ｅ４２で凹部に向けて噴射された燃料は、蒸発に時間を要し、ピストンが上死点近傍に達するまでに燃焼室１５０中に拡散しにくい。その結果、燃料噴射Ｅ４２で噴射された燃料によって、凹部近傍に比較的濃い混合気を作りやすい。よって、空気過剰率が高い場合にも、自着火を起こさせやすい。
【０１２８】
また、第２の２サイクル自着火モード（図１７参照）においては、１回目の燃料噴射Ｅ２１は、単位時間当たりの燃料噴射量を比較的少なくして行われる。よって、燃料噴射Ｅ２１で噴射された燃料は、一度に大量の燃料が噴射される場合に比べて、燃焼室１５０中で蒸発および拡散しやすい。その結果、比較的薄い混合気を燃焼室１５０内で均質に作ることができる。
【０１２９】
一方、第２の２サイクル自着火モードの２回目の燃料噴射Ｅ２２は、単位時間当たりの燃料噴射量を比較的多くして行われる。よって、燃料噴射Ｅ２２で噴射された燃料は、燃焼室１５０中で蒸発および拡散しにくい。燃料噴射Ｅ２２の際には、すでに燃焼室１５０内には燃料噴射Ｅ２１によって混合気が形成されているため、燃料噴射Ｅ２２において噴射された燃料は、拡散しにくい。よって、燃料噴射Ｅ２２において噴射する燃料によって比較的濃い混合気を凹部近辺に作ることができる。よって、空気過剰率が高い場合にも、自着火を起こさせやすい。
【０１３０】
Ｆ．第６実施例：
図２５は、エンジンの運転条件によって異なる運転モードが設定されている第６実施例のマップを示す説明図である。上記各実施例では、中負荷領域（図４において領域Ｉと領域ＩＶに挟まれた領域）では、第１および第２の２サイクル自着火モード、ならびに第１および第２の４サイクル自着火モードの４つのモードを使い分けていた。しかし、中負荷領域において、３個以下のモードを使い分けることとしてもよい。たとえば、図２５に示すように、領域Ｉと領域ＩＶに挟まれた中負荷領域において、比較的負荷が小さい領域ＩＩでは、第１の２サイクル自着火モードを実行し、比較的負荷が大きい領域ＩＩＩでは、第２の２サイクル自着火モードを実行する態様とすることもできる。
【０１３１】
また、中負荷領域において、比較的負荷が小さい領域では、第１の４サイクル自着火モードを実行し、比較的負荷が大きい領域では、第２の４サイクル自着火モードを実行する態様とすることもできる。さらに、２サイクル自着火モードと４サイクル自着火モードを含む２または３のモードを使い分けることとしてもよく、また、第１実施例で示した第１および第２の２サイクル自着火モード、ならびに第１および第２の４サイクル自着火モードの４つのモードのうちの、何れか一つのみを行うこととしてもよい。
【０１３２】
たとえば、図２４に示した第５実施例のように二つの筒内燃料噴射部１５ｆ，１５ｇを有するハードウェア構成において、中負荷領域は、第１および第２の４サイクル自着火モードのみを実行する場合には、次のような運転を行うことができる。すなわち、第２の４サイクル自着火モード（図１０参照）において、負のオーバーラップ中に行う燃料噴射Ｅ４１は第２の筒内燃料噴射部１５ｇで行い、圧縮期間中期に行う燃料噴射Ｅ４２は第１の筒内燃料噴射部１５ｆで行う。このような態様においては、第２の筒内燃料噴射部１５ｇは、比較的高い一定の圧力で燃料を噴射するように設定し、第１の筒内燃料噴射部１５ｆは、比較的低い一定の圧力で燃料を噴射するように設定することができる。
【０１３３】
一方、第５実施例のように二つの燃料噴射部を有するハードウェア構成において、中負荷領域は、第１および第２の２サイクル自着火モードのみを実行する場合には、次のような運転を行うことができる。すなわち、第２の２サイクル自着火モード（図１７参照）において、負のオーバーラップ中に行う燃料噴射Ｅ２１は第２の筒内燃料噴射部１５ｇで行い、圧縮期間中期に行う燃料噴射Ｅ２２は第１の筒内燃料噴射部１５ｆで行う。そして、第２の筒内燃料噴射部１５ｇは、単位時間当たりの燃料噴射量を比較的低い一定値に設定し、第１の筒内燃料噴射部１５ｆは、単位時間当たりの燃料噴射量を比較的高い一定値に設定することができる。
【０１３４】
Ｇ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【０１３５】
（１）第１の変形例：
第１実施例では、少なくとも一つの筒内燃料噴射部１５は、ピストンが最も下降したときの近傍（下死点前１０°〜下死点後１０°）で各凹部に燃料を噴射できるように構成されていた。しかし、燃料噴射部はそのような態様に限られず、他の構成とすることもできる。すなわち、少なくとも一つの筒内燃料噴射部が、１サイクルで燃焼される燃料のうちの少なくとも一部を凹部または溝部に向けて噴射することができるように構成されていればよい。
【０１３６】
また、第１実施例では、筒内燃料噴射部１５の噴射口の数は、ピストン１４４の頂部１４４ｈに設けられた凹部の数と同じであった。しかし、筒内燃料噴射部の噴射口の数は、凹部の数と異なっていてもよい。たとえば、筒内燃料噴射部の噴射口の数を凹部の数よりも少なくし、ピストンが所定の位置にあるときに、各噴射口からそれぞれ一つの凹部に向けて燃料を噴射できるように構成することができる。また、筒内燃料噴射部の噴射口の数を凹部の数よりも多くし、一部の噴射口は、それぞれ凹部に向けて燃料を噴射できるように構成し、他の一部の噴射口は、燃焼室内に燃料を均等に拡散させることができるように、構成してもよい。
【０１３７】
なお、筒内燃料噴射部は、ピストンが特定の位置にあるときに、筒内燃料噴射部から噴射するほぼすべての燃料を凹部内に噴射できるように構成することが好ましい。そして、ピストンが最も下降したとき、すなわち、下死点ＢＤＣにあるとき、筒内燃料噴射部から噴射するほぼすべての燃料を凹部内に噴射できるように構成することが特に好ましい。ここで、「噴射するほぼすべての燃料を凹部内に噴射できる」とは、仮に凹部をその凹部と同じ大きさ、位置を有する「底を有しない孔」に置き換えたときに、噴射する燃料の８５％以上がその孔を通過することができることを意味する。
【０１３８】
また、圧力や単位時間当たりの噴射量を変えて燃料噴射を行う運転については、二つの筒内燃料噴射部を備える第５実施例において説明した。しかし、そのような運転は、第１実施例のような筒内燃料噴射部を一つしか備えないエンジンにおいて行うこともできる。すなわち、同一の筒内燃料噴射部を使用して、運転モードに応じて燃料噴射の圧力や単位時間当たりの噴射量を変えて運転を行ってもよい。
【０１３９】
（２）第２の変形例：
第１実施例では、ピストン１４４の頂部に設けられた各凹部１４４ｐはシリンダ１４２の中心軸を中心として、互いに等しい角度で設けられていた。そして、各凹部１４４ｐは、シリンダ１４２の中心軸から等しい距離に設けられていた。しかし、凹部はこのような態様に限られず、他の態様とすることもできる。すなわち、ピストン頂部の任意の位置に複数の凹部を設けることができる。ただし、各凹部は、ピストンが上死点にある状態で、燃焼室内のほぼ均等な大きさの空間について一つずつ設けられていることが好ましい。そのような態様とすれば、凹部近傍に生成された混合気の自着火による火炎または既燃ガスの圧力が、燃焼室内に均等に伝播することができる。あるいは、点火部の電極と向かい合っている点火凹部以外の各凹部が、燃焼室内のほぼ均等な大きさの空間について一つずつ設けられている態様とすることもできる。
【０１４０】
また、上記実施例では、凹部は凹曲面で構成されていたが、凹部は、すべてが曲面で構成されている必要はない。すなわち、凹部を構成する内面のうち、燃料噴射部で噴射された燃料を噴射する部位が曲面で構成されていればよい。なお、曲面の一端の延長線が、シリンダヘッドの方向を向いているように曲面を構成することが好ましい。
【０１４１】
燃焼室内のほぼ均等な大きさの空間について一つずつ凹部を設ける態様として、シリンダ１４２の中心軸を中心としてほぼ均等な角度に凹部を配することも好ましい。ここで、「ほぼ均等な角度」とは、シリンダの中心軸と隣り合う凹部のなす角の大きさに関して、最も小さい角度が最も大きい角度の７５％以上であることを意味する。たとえば、第１実施例では、各凹部１４４ｐはピストンの中心点（シリンダの中心軸）を中心として、６０°ずつの均等の角度をあけて設けられていたが、シリンダの中心軸と隣り合う凹部のなす角の大きさが、円周方向に一つおきに５０°と７０°であるような態様とすることもできる。
【０１４２】
また、たとえば、２ｎ個（ｎは正の整数）の凹部がシリンダの中心軸を中心として、ほぼ均等の角度で設けられている態様において、１個おきのｎ個の凹部はシリンダの中心軸から第１の距離の位置に設けられており、１個おきの他のｎ個はシリンダの中心軸から第１の距離とは異なる第２の距離の位置に設けられている態様としてもよい。また、シリンダの中心軸から第１の距離の位置にほぼ均等の角度で設けられているｎ個の凹部と、シリンダの中心軸から第１の距離とは異なる第２の距離の位置にほぼ均等の角度で設けられている別のｎ個の凹部を備える態様とすることもできる。
【０１４３】
また、第４実施例（図２２および図２３参照）では、各凹部は、第２の頂部領域Ａ２内に配されていた。しかし、各凹部の一部が第２の頂部領域Ａ２外に位置する態様とすることもできる。ただし、ピストンは、第２の頂部領域Ａ２に、複数の凹部を実質的に有しており、第１および第３の頂部領域Ａ１，Ａ３に、凹部を実質的に有していない態様であることが好ましい。ここで、「ある領域に凹部を実質的に有している」とは、その領域および凹部をピストンの往復方向に垂直な平面に投影したときに、その凹部の射影の面積の７５％以上がその領域に含まれることを意味する。そして、「ある領域に凹部を実質的に有していない」とは、その領域に凹部が含まれていないか、またはある凹部の一部がその領域に含まれる場合には、その領域および凹部をピストンの往復方向に垂直な平面に投影したときに、その領域に含まれるその凹部の面積が２５％未満であることを意味する。
【０１４４】
（３）第３の変形例：
図１０および図１７に示した運転モードでは、下死点後９０°〜９５°の間の所定の時間区間中において、２回目の燃料噴射Ｅ４２，Ｅ２２を行っていた。しかし、２回目の燃料噴射は、他の時間区間で行うこともできる。すなわち、２回目の燃料噴射は、圧縮期間中期の所定の時間区間において行うことができる。ここで、「圧縮期間中期」とは、圧縮期間の下死点後７５°〜１１５度の区間である。よって、圧縮期間の下死点後８５°〜１００度や下死点後９０°〜１０５度など、その区間に含まれる時間区間であれば、どのような時間区間で燃料の噴射を行ってもよい。
【０１４５】
また、燃料噴射は、２回だけでなく、１回で行ってもよいし、３回以上に分けて行ってもよい。ただし、比較的負荷が低いときには、比較的早い時期に燃料の噴射を終え、比較的負荷が高いときには、比較的遅い時期まで燃料を噴射させる態様とすることが好ましい。その際、第１、第３，第４実施例のような態様（図３、図２０および図２２参照）において、同一の筒内燃料噴射部で燃料の噴射を行ってもよいし、第２および第５実施例のような態様（図１８および図２４参照）において、異なる２以上の燃料噴射部で行ってもよい。
【０１４６】
さらに、上記実施例では、燃焼状態の異常を検出したときには、図１３に示したように、１サイクルで燃焼されるすべての燃料を圧縮期間中期に噴射し、次のサイクルにおいて点火プラグ１３６による点火を行っていた。しかし、そのような場合でも、１サイクルで燃焼されるすべての燃料を圧縮期間中期に噴射する必要はなく、直前のサイクルで圧縮期間中期に噴射した量よりも多い量の燃料を、圧縮期間中期の所定の時間区間中に噴射することとすればよい。なお、その際、燃料噴射量は、１サイクルで燃焼されるすべての燃料の５０％以上であることが好ましく、７５％以上であることがさらに好ましい。
【０１４７】
（４）第４の変形例：
上記実施例では、失火が起こったと判断された場合には、次の１サイクルについて点火プラグによる点火を行っていた。しかし、点火プラグによる点火を行うサイクルは１サイクルに限られるものではなく、２サイクル、３サイクル、５サイクルなど他の回数としてもよい。また、失火以外にも燃焼が不十分である場合や、点火タイミングの異常など、燃焼状態についての他の異常を検知した場合にも、点火プラグによる点火を行うことができる。それらの燃焼状態の異常は、圧力センサで圧力の変動を検知したり、温度センサで温度変化を検知したりすることで、行うことができる。また、気柱振動を利用するノックセンサ２５を燃焼異常の検出に使用してもよい。
【０１４８】
（５）第５の変形例：
上記各実施例および変形例では、各バルブの開閉タイミング、火花点火のタイミングは、数値を挙げて説明した。しかし、それらは一例に過ぎず、各バルブの開閉タイミング、火花点火のタイミングは、シリンダの内径、ピストンのストローク量、バルブの径など、エンジンの設計値に応じた所定のタイミングとすることができる。
【０１４９】
また、上記実施例では、吸気バルブ１３２と排気バルブ１３４は、それぞれ電動アクチュエータ１６２，１６４によって駆動されることとした。しかし、吸気バルブ１３２と排気バルブ１３４は油圧によって駆動するものなど、他の手段で駆動してもよい。すなわち、このエンジンは、吸気バルブの開閉のタイミングを変えることができる吸気バルブ駆動部と、排気バルブの開閉のタイミングを変えることができる排気バルブ駆動部を備えるものであればよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例のエンジンの構造を概念的に示した説明図。
【図２】ピストン１４４の頂部の構造と燃料噴射の状態を示す平面図。
【図３】シリンダヘッド１３０およびピストン１４４の頂部の構造と燃料噴射の状態を示す説明図（縦断面図）。
【図４】エンジンの運転条件によって異なる運転モードが設定されているマップを示す説明図。
【図５】第１の４サイクル自着火モードにおいて、ピストン１４４の動きに同期させて吸気バルブ１３２および排気バルブ１３４を開閉させるタイミングを示した説明図。
【図６】４サイクル運転における燃料噴射Ｅ４１の際の燃料の流れを示した説明図。
【図７】４サイクル自着火モードの運転における燃料の拡散と蒸発を示した説明図。
【図８】燃焼室１５０内の比較的薄い混合気と比較的濃い混合気の様子を示す説明図。
【図９】燃焼室１５０内における自着火の様子を示す説明図。
【図１０】第２の４サイクル自着火モードにおいて、ピストン１４４の動きに同期させて吸気バルブ１３２および排気バルブ１３４を開閉させるタイミングを示した説明図。
【図１１】４サイクル運転における燃料噴射Ｅ４２の際の燃料の流れを示した説明図。
【図１２】燃焼室１５０内の比較的薄い混合気と比較的濃い混合気の様子を示す説明図。
【図１３】燃焼不良を検出した場合の燃料噴射のタイミングを示す説明図。
【図１４】第１の２サイクル自着火モードにおいて、ピストン１４４の動きに同期させて吸気バルブ１３２および排気バルブ１３４を開閉させるタイミングを示した説明図。
【図１５】２サイクル運転における燃料噴射Ｅ２１の際の燃料の流れを示した説明図。
【図１６】２サイクル自着火モードの運転における燃料の拡散と蒸発を示した説明図。
【図１７】第２の２サイクル自着火モードにおいて、ピストン１４４の動きに同期させて吸気バルブ１３２および排気バルブ１３４を開閉させるタイミングを示した説明図。
【図１８】第２実施例のシリンダヘッド１３０ｂおよびピストン１４４ｂの頂部の構造と燃料噴射の状態を示す説明図（縦断面図）。
【図１９】第２実施例におけるピストン１４４ｂの頂部の構造と燃料噴射の状態を示す平面図。
【図２０】第３実施例におけるピストン１４４ｃの頂部の構造と燃料噴射の状態を示す説明図（縦断面図）。
【図２１】第３実施例のシリンダヘッド１３０ｃおよびピストン１４４ｃの頂部の構造と燃料噴射の状態を示す平面図。
【図２２】第４実施例のシリンダヘッド１３０ｄおよびピストン１４４ｄの頂部の構造と燃料噴射の状態を示す説明図（縦断面図）。
【図２３】第４実施例におけるピストン１４４ｄの頂部の構造と燃料噴射の状態を示す平面図。
【図２４】第５実施例のシリンダヘッド１３０ｅおよびピストン１４４ｅの頂部の構造と燃料噴射の状態を示す説明図（縦断面図）。
【図２５】エンジンの運転条件によって異なる運転モードが設定されている第６実施例のマップを示す説明図。
【符号の説明】
１０…エンジン
１２…吸気通路
１３…シリンダヘッド
１５，１５ｃ〜ｇ…筒内燃料噴射部
１５ｂ…吸気管燃料噴射部
１６…排気通路
２０…エアクリーナ
２２…スロットル弁
２３…圧力センサ
２４…電動アクチュエータ
２５…ノックセンサ
２６…触媒
３０…エンジン制御用ユニット（ＥＣＵ）
３２…クランク角センサ
３４…アクセル開度センサ
３６…エアフローメータ
４０…電磁駆動弁駆動回路
１３０，１３０ｂ〜ｅ…シリンダヘッド
１３０ｒ…天井部
１３２…吸気バルブ
１３４…排気バルブ
１３６，１３６ｂ〜ｅ…点火プラグ
１３６ｓ…電極
１４０…シリンダブロック
１４２…シリンダ
１４４，１４４ｃ〜ｅ…ピストン
１４４ｈ…ピストンの頂部
１４４ｐ…凹部
１４４ｑ…溝部
１４４ｒ，１４４ｕ，１４４ｙ…点火凹部
１４４ｓ…凹部
１４４ｔ…溝部
１４４ｖ，１４４ｗ，１４４ｚ…凹部
１４６…コネクティングロッド
１４８…クランクシャフト
１５０…燃焼室
１６２，１６４…電動アクチュエータ
Ａ１，Ａ３…天井部分
Ａ２…もっとも奥まった部分を含む天井部分
Ａ２１，Ａ４１…吸気の流入を示す矢印
Ａ２２…既燃ガスの排出を示す矢印
Ａｐ…ピストンの往復方向を示す矢印
ＢＤＣ…下死点
Ｅ２１，Ｅ２２…燃料噴射
Ｅ４１，Ｅ４２…燃料噴射
ＥＶ…排気バルブが開いている区間
Ｆ４２，Ｆ４４，Ｆ４６，Ｆ４８…燃料の流れを示す矢印
Ｆ５２，Ｆ５４…矢印
Ｆ６６，Ｆ６８…矢印
Ｇ２１…比較的薄い混合気
Ｇ２２…比較的濃い混合気
Ｇ４１…比較的薄い混合気
Ｇ４２，Ｇ４３…比較的濃い混合気
Ｉ…４サイクル火花点火モードを行う領域
ＩＩ…第１の２サイクル自着火モードを行う領域
ＩＩＩ…第２の２サイクル自着火モードを行う領域
ＩＶ…第１の４サイクル自着火モードを行う領域
Ｌ…要求負荷
Ｌ１…天井部分Ａ１の寸法
Ｌｍ…基準平面に垂直な直線
Ｎe…エンジン回転速度（回転数）
Ｏ…中心軸
ＰＲ１…基準平面
Ｐｄ１，Ｐｄ２…基準平面ＰＲ１に平行な平面
Ｐｅ…排気口の外周を形成する天井部分
Ｐｉ…吸気口の外周を形成する天井部分
Ｐｍ…天井部分ＰｉとＰｅに挟まれた天井部分（天頂部分）
ＴＤＣ…上死点
Ｖ…第２の４サイクル自着火モードを行う領域
ＶＩ…４サイクル火花点火モードを行う領域
θac…アクセル開度
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2004190587.tif 000013
【図１２】
2004190587.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2004190587.tif 000017
【図１６】
2004190587.tif 000018
【図１７】
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【図１８】
2004190587.tif 000020
【図１９】
2004190587.tif 000021
【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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