(57)【要約】【課題】混合気を圧縮自着火させるメリットを最大限に引き出して、燃料消費効率と大気汚染物質の排出量とを大幅に抑制する。【解決手段】燃焼室内で圧縮されるだけでは自着火しない割合で燃料と空気とが混合した第１の混合気を該燃焼室内に形成する。この第１の混合気にタンブル流を付与することで、ピストン頂面を一方向に向かう流れを形成しておく。次いで、ピストン頂面の流れに乗せて該燃焼室内に燃料を噴射する。噴射された燃料は、頂面形状に導かれて燃焼室内を点火プラグの方向に進み、第１の混合気よりも燃料濃度の高い第２の混合気を形成する。こうすれば、火花点火によって燃焼する第２の混合気の比率を、圧縮自着火燃焼する第１の混合気に対して抑制することができ、予混合圧縮自着火燃焼のメリットを最大限に引き出すことが可能となる。タンブル流に限らず、逆タンブル流や、スキッシュ流、スワール流などを利用することも可能である。【選択図】　図１１
2004100670.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室内で燃料と空気との混合気を圧縮した後、該燃焼室内で点火プラグから火花を飛ばして動力を発生させる内燃機関であって、
前記混合気を圧縮するピストンと、
前記ピストンの圧縮面上を一方向に流れるように前記燃焼室内で旋回するとともに、燃料と空気とが該ピストンによる圧縮では自着火しない割合で混合した第１の混合気を、該燃焼室内に形成する第１の混合気形成手段と、
前記第１の混合気よりも燃料濃度の高い第２の混合気を、前記点火プラグの近傍に形成する第２の混合気形成手段と、
前記第２の混合気に点火して燃焼させることにより、前記第１の混合気を圧縮し自着火に至らしめるべく、前記点火プラグを駆動する点火プラグ駆動手段と
を備え、
前記第２の混合気形成手段は、前記ピストンに向かって、該ピストンの圧縮面上の流れに沿う方向から燃料を噴射し、該噴射した燃料を該圧縮面の形状によって前記燃焼室内を前記点火プラグの方向に向かわせることによって、前記第２の混合気を形成する手段である内燃機関。
【請求項２】
請求項１記載の内燃機関であって、
前記燃焼室内に空気を取り入れるための吸気弁と、
前記燃焼室に燃料を前記吸気弁側から噴射する燃料噴射弁と、
前記燃焼室内で燃焼した燃焼ガスを排出するための排気弁と
を備え、
前記第１の混合気形成手段は、前記第１の混合気として、前記ピストンの圧縮面上を前記吸気弁側から前記排気弁側に向かって流れるように旋回する混合気を形成する手段である内燃機関。
【請求項３】
前記燃焼室には、前記吸気弁から前記排気弁に向かう空気の流れを妨げるマスク壁が、該吸気弁の開口部近傍に設けられている請求項２記載の内燃機関。
【請求項４】
燃焼室内で燃料と空気との混合気を圧縮した後、該燃焼室内で点火プラグから火花を飛ばして動力を発生させる内燃機関であって、
前記混合気を圧縮するピストンと、
前記ピストンの圧縮面上を一方向に流れるように前記燃焼室内で旋回するとともに、燃料と空気とが該ピストンによる圧縮では自着火しない割合で混合した第１の混合気を、該燃焼室内に形成する第１の混合気形成手段と、
前記第１の混合気よりも燃料濃度の高い第２の混合気を、前記点火プラグの近傍に形成する第２の混合気形成手段と、
前記第２の混合気に点火して燃焼させることにより、前記第１の混合気を圧縮し自着火に至らしめるべく、前記点火プラグを駆動する点火プラグ駆動手段と
を備え、
前記第２の混合気形成手段は、前記ピストンに向かって、該ピストンの圧縮面上の流れに対向する方向から燃料を噴射することで、該噴射した燃料を該圧縮面上の流れを利用して前記点火プラグの方向に向かわせることによって、前記第２の混合気を形成する手段である内燃機関。
【請求項５】
請求項４記載の内燃機関であって、
前記燃焼室内に空気を取り入れるための吸気弁と、
前記燃焼室内に燃料を前記吸気弁側から噴射する燃料噴射弁と、
前記燃焼室内で燃焼した燃焼ガスを排出するための排気弁と
を備え、
前記第１の混合気形成手段は、前記第１の混合気として、前記ピストンの圧縮面上を前記排気弁側から前記吸気弁側に向かって流れるように旋回する混合気を形成する手段である内燃機関。
【請求項６】
燃焼室内で燃料と空気との混合気を圧縮した後、該燃焼室内で点火プラグから火花を飛ばして動力を発生させる内燃機関であって、
前記混合気を圧縮するピストンと、
燃料と空気とが前記ピストンによる圧縮では自着火しない割合で混合した第１の混合気を、前記燃焼室内に形成する第１の混合気形成手段と、
前記第１の混合気よりも燃料濃度の高い第２の混合気を、前記点火プラグの近傍に形成する第２の混合気形成手段と、
前記第２の混合気に点火して燃焼させることにより、前記第１の混合気を圧縮し自着火に至らしめるべく、前記点火プラグを駆動する点火プラグ駆動手段と
を備え、
前記第２の混合気形成手段は、前記燃焼室の縁部の少なくとも一部に形成されたスキッシュ領域に燃料を供給した後、前記ピストンの上昇に伴って該スキッシュ領域から前記燃焼室の略中央に向かって生じるスキッシュ流を利用して該スキッシュ領域の燃料を前記点火プラグ近傍に集めることにより、前記第２の混合気を形成する手段である内燃機関。
【請求項７】
請求項６記載の内燃機関であって、
前記燃焼室内に空気を取り入れるための吸気弁と、
前記燃焼室内に燃料を前記吸気弁側から噴射する燃料噴射弁と、
前記燃焼室内で燃焼した燃焼ガスを排出するための排気弁と
を備え、
前記第２の混合気形成手段は、前記ピストンの圧縮面に向かって燃料を噴射することで、該噴射した燃料を前記排気弁側に設けられた前記スキッシュ領域に供給することによって、前記第２の混合気を形成する手段である内燃機関。
【請求項８】
前記排気弁側に設けられたスキッシュ領域を冷却する冷却手段を備えている請求項７記載の内燃機関。
【請求項９】
請求項６記載の内燃機関であって、
前記燃焼室内に空気を取り入れるための吸気弁と、
前記燃焼室内に燃料を前記吸気弁側から噴射する燃料噴射弁と、
前記燃焼室内で燃焼した燃焼ガスを排出するための排気弁と
を備え、
前記ピストンは、前記圧縮面の形状が、前記吸気弁側から噴射された燃料を該吸気弁側に反転させるような形状に形成されたピストンであり、
前記第２の混合気形成手段は、前記ピストンの圧縮面に向かって燃料を噴射することで、該噴射した燃料を前記吸気弁側に設けられた前記スキッシュ領域に供給することによって、前記第２の混合気を形成する手段である内燃機関。
【請求項１０】
前記スキッシュ領域が、前記燃焼室の周縁に略三日月状に設けられている請求項６ないし請求項９のいずれかに記載の内燃機関。
【請求項１１】
燃焼室内で燃料と空気との混合気を圧縮した後、該燃焼室内で点火プラグから火花を飛ばして動力を発生させる内燃機関であって、
前記混合気を圧縮するピストンと、
燃料と空気とが前記ピストンによる圧縮では自着火しない割合で混合した第１の混合気を、前記燃焼室内に形成する第１の混合気形成手段と、
前記点火プラグに向けて燃料を噴射することにより、前記第１の混合気よりも燃料濃度の高い第２の混合気を該点火プラグの近傍に形成する第２の混合気形成手段と、
前記第２の混合気に点火して燃焼させることにより、前記第１の混合気を圧縮し自着火に至らしめるべく、前記点火プラグを駆動する点火プラグ駆動手段と
を備える内燃機関。
【請求項１２】
燃焼室内で燃料と空気との混合気を圧縮した後、該燃焼室内で点火プラグから火花を飛ばして動力を発生させる内燃機関であって、
前記燃焼室内を摺動して前記混合気を圧縮するピストンと、
前記燃焼室と前記ピストンとの摺動面に沿って該燃焼室内を旋回しながら降下するとともに、燃料と空気とが該ピストンによる圧縮では自着火しない割合で混合した第１の混合気を、該燃焼室内に形成する第１の混合気形成手段と、
前記第１の混合気よりも燃料濃度の高い第２の混合気を、前記点火プラグの近傍に形成する第２の混合気形成手段と、
前記第２の混合気に点火して燃焼させることにより、前記第１の混合気を圧縮し自着火に至らしめるべく、前記点火プラグを駆動する点火プラグ駆動手段と
を備え、
前記第２の混合気形成手段は、前記第１の混合気の旋回中心の近傍に向けて燃料を噴射することによって、前記第２の混合気を形成する手段である内燃機関。
【請求項１３】
請求項１２記載の内燃機関であって、
前記燃焼室内に空気を取り入れる吸気弁と、
前記吸気弁の上流側に設けられて、該吸気弁を通過する空気に旋回成分を付与する旋回ポートと
を備える内燃機関。
【請求項１４】
請求項１２記載に内燃機関であって、
前記ピストンは、前記圧縮面の形状が、前記燃焼室と該ピストンとの摺動面に沿って旋回しながら降下する前記第１の混合気を、該旋回流の内側を上方に向かう流れに方向変換させるような形状に形成されたピストンである内燃機関。
【請求項１５】
内燃機関の燃焼室の一部を構成するピストンで圧縮された燃料と空気との混合気を、該燃焼室内で点火プラグから火花を飛ばして燃焼させるための燃焼方法であって、
前記ピストンの圧縮面上を一方向に流れるように前記燃焼室内で旋回するとともに、燃料と空気とが該ピストンによる圧縮では自着火しない割合で混合した第１の混合気を、該燃焼室内に形成する第１の工程と、
前記第１の混合気よりも燃料濃度の高い第２の混合気を、前記点火プラグの近傍に形成する第２の工程と、
前記第２の混合気に点火して燃焼させることにより、前記第１の混合気を圧縮し自着火に至らしめるべく、前記点火プラグを駆動する第３の工程と
を備え、
前記第２の工程は、前記ピストンに向かって、該ピストンの圧縮面上の流れに沿う方向から燃料を噴射し、該噴射した燃料を該圧縮面の形状によって前記燃焼室内を前記点火プラグの方向に向かわせることによって、前記第２の混合気を形成する工程である混合気の燃焼方法。
【請求項１６】
内燃機関の燃焼室の一部を構成するピストンで圧縮された燃料と空気との混合気を、該燃焼室内で点火プラグから火花を飛ばして燃焼させるための燃焼方法であって、
前記ピストンの圧縮面上を一方向に流れるように前記燃焼室内で旋回するとともに、燃料と空気とが該ピストンによる圧縮では自着火しない割合で混合した第１の混合気を、該燃焼室内に形成する第１の工程と、
前記第１の混合気よりも燃料濃度の高い第２の混合気を、前記点火プラグの近傍に形成する第２の工程と、
前記第２の混合気に点火して燃焼させることにより、前記第１の混合気を圧縮し自着火に至らしめるべく、前記点火プラグを駆動する第３の工程と
を備え、
前記第２の工程は、前記ピストンに向かって、該ピストンの圧縮面上の流れに対向する方向から燃料を噴射することで、該噴射した燃料を該圧縮面上の流れを利用して前記点火プラグの方向に向かわせることによって、前記第２の混合気を形成する工程である混合気の燃焼方法。
【請求項１７】
内燃機関の燃焼室の一部を構成するピストンで圧縮された燃料と空気との混合気を、該燃焼室内で点火プラグから火花を飛ばして燃焼させるための燃焼方法であって、
燃料と空気とが前記ピストンによる圧縮では自着火しない割合で混合した第１の混合気を、前記燃焼室内に形成する第１の工程と、
前記第１の混合気よりも燃料濃度の高い第２の混合気を、前記点火プラグの近傍に形成する第２の工程と、
前記第２の混合気に点火して燃焼させることにより、前記第１の混合気を圧縮し自着火に至らしめるべく、前記点火プラグを駆動する第３の工程と
を備え、
前記第２の工程は、前記燃焼室の縁部の少なくとも一部に形成されたスキッシュ領域に燃料を供給した後、前記ピストンの上昇に伴って該スキッシュ領域から前記燃焼室の略中央に向かって生じるスキッシュ流を利用して該スキッシュ領域の燃料を前記点火プラグ近傍に集めることにより、前記第２の混合気を形成する工程である混合気の燃焼方法。
【請求項１８】
内燃機関の燃焼室の一部を構成するピストンで圧縮された燃料と空気との混合気を、該燃焼室内で点火プラグから火花を飛ばして燃焼させるための燃焼方法であって、
燃料と空気とが前記ピストンによる圧縮では自着火しない割合で混合した第１の混合気を、前記燃焼室内に形成する第１の工程と、
前記点火プラグに向けて燃料を噴射することにより、前記第１の混合気よりも燃料濃度の高い第２の混合気を該点火プラグの近傍に形成する第２の工程と、
前記第２の混合気に点火して燃焼させることにより、前記第１の混合気を圧縮し自着火に至らしめるべく、前記点火プラグを駆動する第３の工程と
を備える混合気の燃焼方法。
【請求項１９】
内燃機関の燃焼室の一部を構成するピストンで圧縮された燃料と空気との混合気を、該燃焼室内で点火プラグから火花を飛ばして燃焼させるための燃焼方法であって、
前記燃焼室と前記ピストンとの摺動面に沿って該燃焼室内を旋回しながら降下するとともに、燃料と空気とが該ピストンによる圧縮では自着火しない割合で混合した第１の混合気を形成する第１の工程と、
前記第１の混合気よりも燃料濃度の高い第２の混合気を、前記点火プラグの近傍に形成する第２の工程と、
前記第２の混合気に点火して燃焼させることにより、前記第１の混合気を圧縮し自着火に至らしめるべく、前記点火プラグを駆動する第３の工程と
を備え、
前記第２の工程は、前記第１の混合気の旋回中心の近傍に向けて燃料を噴射することによって、前記第２の混合気を形成する工程である混合気の燃焼方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃焼室内で燃料と空気との混合気を圧縮し、自着火させることによって動力を取り出す技術に関し、より詳しくは、混合気の自着火を制御することで、燃焼により生じる大気汚染物質の発生を抑制しつつ、高い効率で動力を取り出す技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関は、比較的小型でありながら大きな動力を発生させることができるので、自動車や、船舶、航空機など種々の移動手段の動力源として、あるいは工場などの定置式の動力発生源として広く使用されている。これら内燃機関はいずれも、燃焼室内で燃料を燃焼させ、このときに発生する圧力を、機械的仕事に変換して出力することを動作原理としている。
【０００３】
近年では、地球環境を保護するために、内燃機関から排出される大気汚染物質の排出量を低減させることが、強く要請されるようになってきた。また、地球の温暖化要因となる二酸化炭素の排出量を低減する観点から、あるいは内燃機関の運転コストを低減させるために、燃料消費量の更なる低減が強く要請されるようになってきた。
【０００４】
これらの要請に応えるべく、混合気を燃焼室内で圧縮自着火させる燃焼方式（本明細書では、この燃焼方式を「予混合圧縮自着火燃焼方式」と呼ぶ）の内燃機関が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２など）。詳細には後述するが、予混合圧縮自着火燃焼方式を採用した内燃機関は、排気ガス中に含まれる大気汚染物質の排出量および燃料消費量が、従来の内燃機関に比べてたいへんに少ないという優れた特性を備えている。しかし、かかる燃焼方式は混合気を圧縮自着火させている関係上、内燃機関を高い負荷で運転すると、混合気が自着火する時期が早くなり過ぎて圧縮中に自着火し、強いノックが発生することがある。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−３８００号公報
【特許文献２】
特開２００１−２５４６６０号公報
【０００６】
本願の出願人は、負荷の高い運転条件でもノックを発生させることなく、混合気を圧縮自着火燃焼させるために、次のような技術を開発して既に出願済みである（特願２００２−１８８０４２号）。かかる技術においては、先ず初めに、燃料と空気との混合気を燃焼室内に形成する。この混合気を第１の混合気と呼ぶことにする。次いで、ピストンを上昇させて第１の混合気を圧縮する。負荷が低い運転条件では、こうしてピストンを上昇させて第１の混合気を圧縮するだけで、ほぼ圧縮上死点付近で自着火させることができる。一方、負荷が高い運転条件では、第１の混合気が圧縮中に自着火しないよう、空気に対する燃料の割合を少なくしておく。そして、圧縮行程の半ば以降の適切な時期に燃料を燃焼室内に直接噴射し、燃焼室内の一部の領域に第２の混合気を形成して、圧縮上死点付近の所望のタイミングで第２の混合気に点火してやる。点火された第２の混合気は速やかに燃焼して燃焼室内の圧力を上昇させ、その結果、第１の混合気が圧縮されて自着火に至る。こうすれば、第２の混合気に点火する時期を制御することで、第１の混合気を所望の時期に自着火させることができる。従って、負荷の高い運転条件においてもノックを発生させることなく予混合圧縮自着火燃焼を実現することが可能である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
こうした出願済みの技術においては、燃料消費量および大気汚染物質の排出量をより一層低減するためには、できるだけ少ない燃料を用いて効率よく第２の混合気を形成することが望ましい。これは第２の混合気は、従来の燃焼方式と同じく火炎の伝播を伴った燃焼形態となっており、圧縮自着火しているわけではないので、第２の混合気として燃焼させる燃料が多くなるほど、大気汚染物質の排出量および燃料消費量の改善効果が目減りしてしまうためである。
【０００８】
しかし、第２の混合気を効率よく形成することは必ずしも容易なことではなく、従って、内燃機関から排出される大気汚染物質の排出量および燃料消費量を大幅に改善するべく、混合気を適切に形成することが可能な技術の開発が要請されている。
【０００９】
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、予混合圧縮自己着火燃焼方式を適用した内燃機関において、混合気を適切に形成するための技術を提供することを目的とする。
【００１０】
【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、本発明の第１の内燃機関は次の構成を採用した。すなわち、
燃焼室内で燃料と空気との混合気を圧縮した後、該燃焼室内で点火プラグから火花を飛ばして動力を発生させる内燃機関であって、
前記混合気を圧縮するピストンと、
前記ピストンの圧縮面上を一方向に流れるように前記燃焼室内で旋回するとともに、燃料と空気とが該ピストンによる圧縮では自着火しない割合で混合した第１の混合気を、該燃焼室内に形成する第１の混合気形成手段と、
前記第１の混合気よりも燃料濃度の高い第２の混合気を、前記点火プラグの近傍に形成する第２の混合気形成手段と、
前記第２の混合気に点火して燃焼させることにより、前記第１の混合気を圧縮し自着火に至らしめるべく、前記点火プラグを駆動する点火プラグ駆動手段と
を備え、
前記第２の混合気形成手段は、前記ピストンに向かって、該ピストンの圧縮面上の流れに沿う方向から燃料を噴射し、該噴射した燃料を該圧縮面の形状によって前記燃焼室内を前記点火プラグの方向に向かわせることによって、前記第２の混合気を形成する手段であることを要旨とする。
【００１１】
また、上記の内燃機関に対応する本発明の第１の燃焼方法は、
内燃機関の燃焼室の一部を構成するピストンで圧縮された燃料と空気との混合気を、該燃焼室内で点火プラグから火花を飛ばして燃焼させるための燃焼方法であって、
前記ピストンの圧縮面上を一方向に流れるように前記燃焼室内で旋回するとともに、燃料と空気とが該ピストンによる圧縮では自着火しない割合で混合した第１の混合気を、該燃焼室内に形成する第１の工程と、
前記第１の混合気よりも燃料濃度の高い第２の混合気を、前記点火プラグの近傍に形成する第２の工程と、
前記第２の混合気に点火して燃焼させることにより、前記第１の混合気を圧縮し自着火に至らしめるべく、前記点火プラグを駆動する第３の工程と
を備え、
前記第２の工程は、前記ピストンに向かって、該ピストンの圧縮面上の流れに沿う方向から燃料を噴射し、該噴射した燃料を該圧縮面の形状によって前記燃焼室内を前記点火プラグの方向に向かわせることによって、前記第２の混合気を形成する工程であることを要旨とする。
【００１２】
かかる第１の内燃機関および第１の燃焼方法においては、次のようにして燃焼室内に第１の混合気と第２の混合気とを形成する。ここで、第１の混合気は、ピストンで圧縮されただけでは自着火しない割合で燃料と空気とが混合した混合気であり、第２の混合気は該第１の混合気よりも燃料濃度の高い混合気である。初めに形成する第１の混合気は、ピストンの圧縮面上を一方向に向かって流れるように燃焼室内を旋回させる。そして、圧縮面上に形成されている流れに沿う方向から、ピストンに向かって燃料を噴射する。噴射された燃料は流れに乗って圧縮面上を移動し、該圧縮面の形状に導かれて燃焼室内を点火プラグの方向に向かう。この結果、点火プラグの近傍に第２の混合気が形成される。
【００１３】
こうすれば、噴射した燃料を点火プラグの近傍に確実に運ぶことができるので、僅かな燃料を噴射するだけで、第２の混合気を点火プラグの近傍に確実に且つ効率よく形成することができる。その結果、予混合圧縮自着火燃焼方式の備えるメリットを十分に引き出して、燃料消費量および大気汚染物質の排出量を大きく減少させることが可能となる。
【００１４】
こうした第１の内燃機関においては、燃料を燃料噴射弁から燃焼室に直接噴射することとして、吸気行程の半ば以前の適切な時期に該燃料噴射弁から燃料を噴射することによって、前記第１の混合気を形成することとしても良い。
【００１５】
燃料を吸気行程の前半に噴射しておけば、噴射した燃料を燃焼室内に流入した空気と十分に混ざり合わせることができるので、第１の混合気を均一な混合気とすることができる。第１の混合気が均一な混合気となっていれば、圧縮されたときにほぼ同時に自着火させることができ、燃焼を速やかに完了させることができる。この結果、予混合圧縮自着火燃焼方式の有する特長である、燃料消費量と大気汚染物質の排出量とを同時に低減させることができるというメリットを十分に引き出すことが可能となるので好適である。
【００１６】
また、第２の混合気については、圧縮行程の半ば以降の適切な時期に、前記燃料噴射弁から燃焼室内に燃料を直接噴射することによって形成することとしてもよい。
【００１７】
第２の混合気は点火プラグで点火することで燃焼を開始させる必要があるが、その一方で、第１の混合気よりも燃料濃度が高い分だけ自着火し易くなっている。点火プラグで点火する前に第２の混合気が自着火してしまったのでは、第１の混合気が自着火する時期を適切に制御することはできない。そこで、圧縮行程の半ば以降の適切な時期に燃料を噴射することによって第２の混合気を形成してやる。こうすれば、燃料を噴射後ほどなく点火することになるので、第２の混合気が自着火する前に点火によって確実に燃焼を開始させることが可能となるので好ましい。
【００１８】
こうした第１の内燃機関は、燃焼室内に空気を取り入れるための吸気弁と、該燃焼室内で燃焼した燃焼ガスを排出するための排気弁とを備え、燃料噴射弁で燃料を吸気弁側から燃焼室内に噴射することとして、ピストンの圧縮面上を該吸気弁側から該排気弁側に向かって流れるように旋回する第１の混合気を形成することとしてもよい。
【００１９】
こうすれば、ピストンの圧縮面上の流れに沿った方向から燃料を噴射することになるので、噴射した燃料を点火プラグの近傍に導いて第２の混合気を確実に形成することができる。また、こうすれば、燃料噴射弁を排気弁側ではなく吸気弁側に設けることができるので、排気弁を通過する燃焼ガスからの熱を受けて燃料噴射弁が高温となるおそれがないので好ましい。
【００２０】
燃焼室内に吸気弁が開口する部分の近傍に、該吸気弁から排気弁に向かう空気の流れを妨げるようなマスク壁を設けておくこととしても良い。
【００２１】
こうしたマスク壁を設けておけば、吸気弁から燃焼室内に空気が流入する際に、排気弁の方向に流入する空気の流れが妨げられるため、自ずから空気は吸気弁側の燃焼室内を下降していき、ピストンの圧縮面上で吸気弁側から排気弁側に向きを変えることになる。従って、排気弁側にマスク壁を設けておけば、ピストンの圧縮面上を吸気弁側から排気弁側に向かう旋回流を、簡便に且つ確実に形成することが可能となるので好適である。
【００２２】
また、従来技術における前述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の第２の内燃機関は次の構成を採用した。すなわち、
燃焼室内で燃料と空気との混合気を圧縮した後、該燃焼室内で点火プラグから火花を飛ばして動力を発生させる内燃機関であって、
前記混合気を圧縮するピストンと、
前記ピストンの圧縮面上を一方向に流れるように前記燃焼室内で旋回するとともに、燃料と空気とが該ピストンによる圧縮では自着火しない割合で混合した第１の混合気を、該燃焼室内に形成する第１の混合気形成手段と、
前記第１の混合気よりも燃料濃度の高い第２の混合気を、前記点火プラグの近傍に形成する第２の混合気形成手段と、
前記第２の混合気に点火して燃焼させることにより、前記第１の混合気を圧縮し自着火に至らしめるべく、前記点火プラグを駆動する点火プラグ駆動手段と
を備え、
前記第２の混合気形成手段は、前記ピストンに向かって、該ピストンの圧縮面上の流れに対向する方向から燃料を噴射することで、該噴射した燃料を該圧縮面上の流れを利用して前記点火プラグの方向に向かわせることによって、前記第２の混合気を形成する手段であることを要旨とする。
【００２３】
また、上記の内燃機関に対応する本発明の第２の燃焼方法は、
内燃機関の燃焼室の一部を構成するピストンで圧縮された燃料と空気との混合気を、該燃焼室内で点火プラグから火花を飛ばして燃焼させるための燃焼方法であって、
前記ピストンの圧縮面上を一方向に流れるように前記燃焼室内で旋回するとともに、燃料と空気とが該ピストンによる圧縮では自着火しない割合で混合した第１の混合気を、該燃焼室内に形成する第１の工程と、
前記第１の混合気よりも燃料濃度の高い第２の混合気を、前記点火プラグの近傍に形成する第２の工程と、
前記第２の混合気に点火して燃焼させることにより、前記第１の混合気を圧縮し自着火に至らしめるべく、前記点火プラグを駆動する第３の工程と
を備え、
前記第２の工程は、前記ピストンに向かって、該ピストンの圧縮面上の流れに対向する方向から燃料を噴射することで、該噴射した燃料を該圧縮面上の流れを利用して前記点火プラグの方向に向かわせることによって、前記第２の混合気を形成する工程であることを要旨とする。
【００２４】
かかる第２の内燃機関および第２の燃焼方法においては、ピストンの圧縮面上を一方向に向かって旋回するような第１の混合気を形成しておき、この流れに対向する方向からピストンに向かって燃料を噴射する。こうすれば、噴射された燃料はピストンの圧縮面上を流れる第１の混合気と衝突する形となるので、方向転換して点火プラグの近傍に運ばれて、この領域に第２の混合気を形成することになる。
【００２５】
こうした第２の内燃機関およびこれに対応する第２の燃焼方法によれば、噴射した燃料を点火プラグの近傍に確実に運ぶことができるので、僅かな燃料を噴射するだけで、第２の混合気を点火プラグの近傍に確実に且つ効率よく形成することができる。その結果、予混合圧縮自着火燃焼方式の備えるメリットを十分に引き出して、燃料消費量および大気汚染物質の排出量を大きく減少させることが可能となる。
【００２６】
こうした第２の内燃機関においては、燃料を燃料噴射弁から燃焼室に直接噴射することとして、吸気行程の半ば以前の適切な時期に該燃料噴射弁から燃料を噴射することで前記第１の混合気を形成することとしても良い。また、第２の混合気については、圧縮行程の半ば以降の適切な時期に、前記燃料噴射弁から燃焼室内に燃料を直接噴射することによって形成することとしてもよい。
【００２７】
燃料を吸気行程の前半に噴射してやれば、第１の混合気を燃料と空気とが十分に混ざり合った均一な混合気とすることができる。また、圧縮行程の後半の適切な時期に燃料を噴射して第２の混合気を形成してやれば、この混合気が自着火する前に、点火プラグで確実に点火することが可能となるので好適である。
【００２８】
こうした第２の内燃機関は、燃焼室内に空気を取り入れるための吸気弁と、該燃焼室内で燃焼した燃焼ガスを排出するための排気弁とを備え、燃料噴射弁で燃料を吸気弁側から燃焼室内に噴射することとして、ピストンの圧縮面上を該排気弁側から該吸気弁側に向かって流れるように旋回する第１の混合気を形成することとしてもよい。
【００２９】
こうすれば、燃料を自ずから、ピストンの圧縮面上の流れに対向する方向から噴射することになるので、点火プラグの近傍に確実に第２の混合気を形成することができる。また、こうすれば、燃料噴射弁を排気弁側ではなく吸気弁側に設けることができるので、燃料噴射弁が高温となるおそれがないので好ましい。
【００３０】
また、従来技術における前述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の第３の内燃機関は次の構成を採用した。すなわち、
燃焼室内で燃料と空気との混合気を圧縮した後、該燃焼室内で点火プラグから火花を飛ばして動力を発生させる内燃機関であって、
前記混合気を圧縮するピストンと、
燃料と空気とが前記ピストンによる圧縮では自着火しない割合で混合した第１の混合気を、前記燃焼室内に形成する第１の混合気形成手段と、
前記第１の混合気よりも燃料濃度の高い第２の混合気を、前記点火プラグの近傍に形成する第２の混合気形成手段と、
前記第２の混合気に点火して燃焼させることにより、前記第１の混合気を圧縮し自着火に至らしめるべく、前記点火プラグを駆動する点火プラグ駆動手段と
を備え、
前記第２の混合気形成手段は、前記燃焼室の縁部の少なくとも一部に形成されたスキッシュ領域に燃料を供給した後、前記ピストンの上昇に伴って該スキッシュ領域から前記燃焼室の略中央に向かって生じるスキッシュ流を利用して該スキッシュ領域の燃料を前記点火プラグ近傍に集めることにより、前記第２の混合気を形成する手段であることを要旨とする。
【００３１】
また、上記の内燃機関に対応する本発明の第３の燃焼方法は、
内燃機関の燃焼室の一部を構成するピストンで圧縮された燃料と空気との混合気を、該燃焼室内で点火プラグから火花を飛ばして燃焼させるための燃焼方法であって、
燃料と空気とが前記ピストンによる圧縮では自着火しない割合で混合した第１の混合気を、前記燃焼室内に形成する第１の工程と、
前記第１の混合気よりも燃料濃度の高い第２の混合気を、前記点火プラグの近傍に形成する第２の工程と、
前記第２の混合気に点火して燃焼させることにより、前記第１の混合気を圧縮し自着火に至らしめるべく、前記点火プラグを駆動する第３の工程と
を備え、
前記第２の工程は、前記燃焼室の縁部の少なくとも一部に形成されたスキッシュ領域に燃料を供給した後、前記ピストンの上昇に伴って該スキッシュ領域から前記燃焼室の略中央に向かって生じるスキッシュ流を利用して該スキッシュ領域の燃料を前記点火プラグ近傍に集めることにより、前記第２の混合気を形成する工程であることを要旨とする。
【００３２】
かかる第３の内燃機関および第３の燃焼方法においては、燃焼室の縁部の少なくとも一部の領域にスキッシュ領域を形成しておき、このスキッシュ領域に燃料を供給する。ピストンが上昇すると、スキッシュ領域からは燃焼室の略中央に向かってスキッシュ流が生じるので、スキッシュ領域に供給しておいた燃料をこのスキッシュ流を利用して点火プラグの近傍に集めることができる。こうすれば、噴射した燃料を点火プラグの近傍に確実に集めることができるので、僅かな燃料を噴射しただけで、点火プラグの近傍に第２の混合気を確実に且つ効率よく形成することができる。その結果、予混合圧縮自着火燃焼方式の備えるメリットを十分に引き出して、燃料消費量および大気汚染物質の排出量を大きく減少させることが可能となる。
【００３３】
こうした第３の内燃機関においても、吸気行程の半ば以前の適切な時期に燃料噴射弁から燃料を噴射することで前記第１の混合気を形成し、圧縮行程の半ば以降の適切な時期に燃料を噴射することによって前記第２の混合気を形成することとしてもよい。
【００３４】
こうすれば、第１の混合気を均一な混合気とするとともに、第２の混合気が自着火する前に点火プラグで確実に点火することが可能となる。
【００３５】
また、第３の内燃機関および第３の燃焼方法では、燃料をピストンに向かって噴射することで、噴射した燃料をピストンの圧縮面を利用してスキッシュ領域に導くようにしても良い。
【００３６】
ピストンの圧縮面を利用すれば、燃料を確実にスキッシュ領域に供給することができ、延いては第２の混合気を点火プラグの近傍に効率よく形成することができる。また、ピストンの圧縮面に沿って進む間に噴射した燃料を気化させて、第２の混合気を均一な混合気とすることができるという利点もある。更に、かかる方法によれば、圧縮面を適切な形状とすることで、噴射された燃料をスキッシュ領域に適切に導くことによって、更に効率よく第２の混合気を形成することが可能となる。
【００３７】
こうした第３の内燃機関は、燃焼室内に空気を取り入れるための吸気弁と、該燃焼室内で燃焼した燃焼ガスを排出するための排気弁とを備え、燃料噴射弁で燃焼室内に吸気弁側からピストンの圧縮面に向かって燃料を噴射することにより、噴射した燃料を排気弁側に設けられたスキッシュ領域に供給することとしても良い。
【００３８】
こうすれば、燃料噴射弁を排気弁側ではなく吸気弁側に設けることができるので、燃料噴射弁が排気弁側からの熱を受けて、高温となるおそれがないので好ましい。
【００３９】
また、このように、排気弁側に設けられたスキッシュ領域に燃料を供給する場合には、冷却手段を用いてスキッシュ領域を冷却することとしても良い。冷却には、内燃機関に用いられている冷却水や潤滑油などを利用することができる。また、冷却する箇所としては、ピストンや燃焼室の排気弁側など、いずれの箇所とすることもできる。
【００４０】
こうしてスキッシュ領域を冷却してやれば、スキッシュ領域に供給された燃料が加熱されて、第２の混合気が点火プラグで点火する前に自着火してしまうことを、確実に防止することが可能となる。
【００４１】
また、燃焼室内に空気を取り入れるための吸気弁と、該燃焼室内で燃焼した燃焼ガスを排出するための排気弁と、燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁とを備える第３の内燃機関においては、次のようにして第２の混合気を形成することとしても良い。先ず、ピストンの圧縮面の形状を、吸気弁側から噴射された燃料を再び吸気弁側に反転させるような形状に予め形成しておく。そして、燃焼室の吸気弁側からピストンの圧縮面に向かって燃料を噴射してやる。こうすれば、噴射された燃料はピストンの圧縮面の形状に導かれて、燃焼室の吸気弁側に設けられたスキッシュ領域に供給される。次いで、ピストンが上昇すると、スキッシュ流によって燃料が点火プラグの近傍に集められて、この領域に第２の混合気を形成する。
【００４２】
この様にしても、噴射した燃料を点火プラグの近傍に確実に運んで、この領域に第２の混合気を形成することができる。このため、僅かな燃料を噴射するだけで、第２の混合気を点火プラグの近傍に確実に且つ効率よく形成することが可能となって好適である。
【００４３】
こうしたスキッシュ領域は、燃焼室の周縁部におおよそ三日月形状に設けることとしても良い。
【００４４】
スキッシュ領域をこの様な形状に設けておけば、スキッシュ流は燃焼室の周辺から中央方向に集まるような流れとなるので、スキッシュ領域に供給した燃料を点火プラグの近傍に効率よく集めることができる。このため、第２の混合気を点火プラグの近傍に確実に且つ効率よく形成することが可能となる。
【００４５】
また、従来技術における前述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の第４の内燃機関は次の構成を採用した。すなわち、
燃焼室内で燃料と空気との混合気を圧縮した後、該燃焼室内で点火プラグから火花を飛ばして動力を発生させる内燃機関であって、
前記混合気を圧縮するピストンと、
燃料と空気とが前記ピストンによる圧縮では自着火しない割合で混合した第１の混合気を、前記燃焼室内に形成する第１の混合気形成手段と、
前記点火プラグに向けて燃料を噴射することにより、前記第１の混合気よりも燃料濃度の高い第２の混合気を該点火プラグの近傍に形成する第２の混合気形成手段と、
前記第２の混合気に点火して燃焼させることにより、前記第１の混合気を圧縮し自着火に至らしめるべく、前記点火プラグを駆動する点火プラグ駆動手段と
を備えることを要旨とする。
【００４６】
また、上記の内燃機関に対応する本発明の第４の燃焼方法は、
内燃機関の燃焼室の一部を構成するピストンで圧縮された燃料と空気との混合気を、該燃焼室内で点火プラグから火花を飛ばして燃焼させるための燃焼方法であって、
燃料と空気とが前記ピストンによる圧縮では自着火しない割合で混合した第１の混合気を、前記燃焼室内に形成する第１の工程と、
前記点火プラグに向けて燃料を噴射することにより、前記第１の混合気よりも燃料濃度の高い第２の混合気を該点火プラグの近傍に形成する第２の工程と、
前記第２の混合気に点火して燃焼させることにより、前記第１の混合気を圧縮し自着火に至らしめるべく、前記点火プラグを駆動する第３の工程と
を備えることを要旨とする。
【００４７】
かかる第４の内燃機関および第４の燃焼方法においては、点火プラグに向けて燃料を噴射しているので、第２の混合気を点火プラグの近傍に確実に且つ効率よく形成することが可能である。燃焼室内に燃料を噴射する通常の内燃機関では、点火プラグに向かって燃料を噴射した場合、ススが多量に発生したり、点火プラグが燃料で濡れて、点火不良を起こすといった問題が生じ易いので、従来は、点火プラグに向かって燃料を噴射することは避けられてきた。しかし、第４の内燃機関のように、燃焼室内で混合気を圧縮自着火させる内燃機関では、高温且つ高圧の燃焼室内に燃料を噴射している。このため、噴射した燃料は速やかに気化し、更に燃料の到達距離も短いために、こうした問題が生じることなく、点火プラグの近傍に確実に且つ効率よく第２の混合気を形成することができる。この結果、予混合圧縮自着火燃焼方式の備えるメリットを十分に引き出して、燃料消費量および大気汚染物質の排出量を大きく減少させることが可能となる。
【００４８】
また、従来技術における前述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の第５の内燃機関は次の構成を採用した。すなわち、
燃焼室内で燃料と空気との混合気を圧縮した後、該燃焼室内で点火プラグから火花を飛ばして動力を発生させる内燃機関であって、
前記燃焼室内を摺動して前記混合気を圧縮するピストンと、
前記燃焼室と前記ピストンとの摺動面に沿って該燃焼室内を旋回しながら降下するとともに、燃料と空気とが該ピストンによる圧縮では自着火しない割合で混合した第１の混合気を、該燃焼室内に形成する第１の混合気形成手段と、
前記第１の混合気よりも燃料濃度の高い第２の混合気を、前記点火プラグの近傍に形成する第２の混合気形成手段と、
前記第２の混合気に点火して燃焼させることにより、前記第１の混合気を圧縮し自着火に至らしめるべく、前記点火プラグを駆動する点火プラグ駆動手段と
を備え、
前記第２の混合気形成手段は、前記第１の混合気の旋回中心の近傍に向けて燃料を噴射することによって、前記第２の混合気を形成する手段であることを要旨とする。
【００４９】
また、上記の内燃機関に対応する本発明の第５の燃焼方法は、
内燃機関の燃焼室の一部を構成するピストンで圧縮された燃料と空気との混合気を、該燃焼室内で点火プラグから火花を飛ばして燃焼させるための燃焼方法であって、
前記燃焼室と前記ピストンとの摺動面に沿って該燃焼室内を旋回しながら降下するとともに、燃料と空気とが該ピストンによる圧縮では自着火しない割合で混合した第１の混合気を形成する第１の工程と、
前記第１の混合気よりも燃料濃度の高い第２の混合気を、前記点火プラグの近傍に形成する第２の工程と、
前記第２の混合気に点火して燃焼させることにより、前記第１の混合気を圧縮し自着火に至らしめるべく、前記点火プラグを駆動する第３の工程と
を備え、
前記第２の工程は、前記第１の混合気の旋回中心の近傍に向けて燃料を噴射することによって、前記第２の混合気を形成する工程であることを要旨とする。
【００５０】
かかる第５の内燃機関および第５の燃焼方法においては、燃焼室とピストンとの摺動面に沿って該燃焼室内を旋回しながら降下する第１の混合気を形成し、この旋回流の中心付近に向けて燃料を噴射することによって第２の混合気を形成する。旋回流の中心付近は流速が比較的小さいため、第２の混合気は周囲の第１の混合気とあまり混じることが無い。従って、旋回流の中心付近に向けて燃料を噴射するこうした方法では、僅かな燃料を噴射しただけで、点火プラグの近傍に確実に且つ効率よく第２の混合気を形成することが可能となる。この結果、予混合圧縮自着火燃焼方式の備えるメリットを十分に引き出して、燃料消費量および大気汚染物質の排出量を大きく減少させることが可能となる。
【００５１】
また、こうした方法においては、摺動面に沿って燃焼室内を降下する第１の混合気によって、吸気行程の直前に燃焼室内を満たしていた高温の燃焼ガスが燃焼室の中央付近に集められる。従って、第１の混合気の旋回中心に向けて燃料を噴射してやれば、中心付近に集められた燃焼ガスによって燃料を速やかに気化させることができる。その結果、こうして形成した第２の混合気を、燃料と空気とが均一に混ざり合った混合気とすることができるので好ましい。
【００５２】
こうした第５の内燃機関および第５の燃焼方法においては、吸気弁から燃料室内に空気を流入させる際に、吸気弁の上流側に設けた旋回ポートによって空気に旋回成分を付与することとしても良い。
【００５３】
こうすれば、燃焼室とピストンとの摺動面に沿って該燃焼室内を旋回しながら降下する旋回流を簡便に且つ確実に形成することができるので好ましい。
【００５４】
こうした内燃機関では、ピストンの圧縮面を次のような形状としても良い。すなわち、燃焼室とピストンとの摺動面に沿って旋回しながら降下する前記第１の混合気を、該旋回流の内側を上方に向かう流れに方向変換させるような形状に、ピストンの圧縮面を形成しておいてもよい。
【００５５】
ピストンの圧縮面をこの様な形状としておけば、摺動面に沿って降下する旋回流を変換して、旋回の内側を上昇するような流れを確実に形成することができる。その結果、燃焼室内を満たしていた高温の燃焼ガスを、燃焼室の上部中央付近、すなわち点火プラグの近傍に効率よく集めることができる。この領域に燃料を噴射してやれば、第２の混合気を点火プラグの近傍に確実に且つ効率よく形成することが可能となるので好適である。
【００５６】
【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．各実施例に共通する事項：
Ａ−１．装置構成：
Ａ−２．エンジン制御の概要：
Ｂ．第１実施例：
Ｂ−１．第１実施例における燃焼室の構成：
Ｂ−２．第１実施例における混合気の燃焼方法：
Ｂ−３．変形例：
Ｃ．第２実施例：
Ｃ−１．第２実施例における燃焼室の構成：
Ｃ−２．第２実施例における混合気の燃焼方法：
Ｃ−３．変形例：
Ｄ．第３実施例：
Ｄ−１．第３実施例における燃焼室の構成：
Ｄ−２．第３実施例における混合気の燃焼方法：
Ｄ−３．変形例：
Ｅ．第４実施例：
Ｆ．第５実施例：
Ｆ−１．第５実施例における燃焼室の構成：
Ｆ−２．第５実施例における混合気の燃焼方法：
Ｆ−３．変形例：
【００５７】
Ａ．各実施例に共通する事項：
以下では、各種実施例について説明する。これら実施例は、主に燃焼室の構成と、これに付随する混合気の燃焼方法が異なっているが、互いに共通する部分も多く存在している。そこで、先ず初めに各実施例に共通する事項について説明しておく。
【００５８】
Ａ−１．装置構成：
以下に説明する各種実施例の内燃機関では、予混合圧縮自着火燃焼方式を用いて混合気を燃焼させる。図１は、予混合圧縮自着火燃焼方式を適用した本実施例のエンジン１０の構造を概念的に示した説明図である。本実施例のエンジン１０は、吸気・圧縮・膨張・排気の４つの行程を繰り返しながら燃焼室内で混合気を燃焼させることによって動力を出力する４サイクル式のエンジンである。図１では、エンジン１０の構造を示すために、燃焼室のほぼ中央で断面を取って表示している。図示されているようにエンジン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。シリンダブロック１４０の内部には、円筒形のシリンダ１４２が形成されており、このシリンダ１４２の内部には、ピストン１４４が摺動可能に設けられている。シリンダ１４２とピストン１４４とシリンダヘッド１３０の下面とで囲まれた空間が燃焼室となる。
【００５９】
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。
【００６０】
シリンダヘッド１３０には、燃焼室に吸入空気を取り入れるための吸気通路１２と、燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁１４と、燃焼室内の混合気に点火するための点火プラグ１３６と、燃焼室内で発生した燃焼ガスを排出するための排気通路１６などが接続されている。また、シリンダヘッド１３０には、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、それぞれにカム機構によって駆動され、ピストン１４４の動きに同期して吸気通路１２および排気通路１６を開閉する。尚、図１では、燃料噴射弁１４が吸気バルブ１３２の側に設けられている場合を示しているが、これに限らず、排気バルブ１３４側に設けることとしても構わない。詳細には、各実施例の説明において後述する。
【００６１】
吸気通路１２の上流側にはエアクリーナ２０が設けられており、エアクリーナ２０には空気中の異物を除去するためのフィルタが内蔵されている。エンジンに吸入される空気は、エアクリーナ２０を通過する際にフィルタで異物を除去された後、燃焼室内に吸入される。また、吸気通路１２には、スロットル弁２２が設けられており、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、燃焼室内に吸入される空気量を制御することができる。
【００６２】
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とともに、燃料噴射弁１４や、点火プラグ１３６を適切なタイミングで駆動する。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。
【００６３】
Ａ−２．エンジン制御の概要：
図１に示すような構成を有するエンジン１０は、ＥＣＵ３０の制御の下で、燃焼室内で混合気を圧縮自着火させながら動力を出力する。図２は、ＥＣＵ３０が行うエンジン運転制御ルーチンの流れを示したフローチャートである。以下、フローチャートに従って説明する。
【００６４】
エンジン制御ルーチンを開始すると、先ず初めにＥＣＵ３０は、エンジン１０が発生させるべき目標出力トルクを算出する処理を行う（ステップＳ１００）。目標出力トルクは、アクセル開度センサ３４で検出したアクセル開度θａｃに基づいて算出する。すなわち、エンジンの操作者は、エンジンの出力トルクを増やしたいと思った場合はアクセルペダルを踏み増す操作を行い、出力トルクを減らしたいと思った場合はアクセルペダルを戻す操作を行う。特に、エンジンからトルクを発生させる必要がないと考えた場合は、アクセルペダルを全閉状態とする。このことから、アクセルペダルの操作量はエンジンの操作者が要求しているトルクを代表していると考えることができる。ステップＳ１００では、こうした原理に基づいて、アクセル開度θａｃからエンジンが出力すべき目標出力トルクを算出する。
【００６５】
次いで、ＥＣＵ３０はエンジン回転速度Ｎｅ　を検出する（ステップＳ１０２）。エンジン回転速度Ｎｅ　は、クランク角センサ３２の出力に基づいて算出することができる。
【００６６】
目標出力トルクおよびエンジン回転速度を検出したら、制御方式を設定する処理を行う（ステップＳ１０４）。これは、次のような処理である。前述したように、予混合圧縮自着火燃焼方式を採用するエンジンは、大気汚染物質の排出量が少なく、燃料消費量も少ないという優れた特性を備えているが、エンジンの負荷が高くなるとノックを起こし易くなる。詳細には後述するが、こうした問題を解決するために、以下に説明する各実施例のエンジン１０は、エンジンの負荷が高い条件では、圧縮行程中の半ば以降の適切なタイミングで燃焼室内に追加の燃料を噴射して、燃焼室内の一部に燃料濃度の濃い混合気（第２の混合気）を形成し、この混合気に点火して残余の領域の混合気（第１の混合気）を圧縮し自着火に至らせることによって、ノッキングの発生を回避している。尚、第２の混合気は、第１の混合気に対して相対的に燃料濃度が高ければ良く、燃料濃度が過濃な混合気である必要はない。このように、異なる燃焼方式が実現可能であるため、ステップＳ１０４では、圧縮行程中に追加の燃料を噴射してノックの発生を回避するための制御を行うか、あるいは通常の予混合圧縮自着火燃焼させるための制御を行うかを、エンジンの負荷に応じて設定する処理を行う。具体的には、ＥＣＵ３０に内蔵されたＲＯＭには、エンジン回転速度と目標出力トルクとの組合せに応じて、低負荷条件あるいは高負荷条件のいずれの制御を行うかがマップの形式で予め記憶されており、低負荷条件であれば通常の予混合圧縮自着火燃焼の制御を、高負荷条件であれば圧縮行程中に追加の燃料を噴射してノックの発生を回避するための制御を行う。図３は、ＥＣＵ３０のＲＯＭに記憶されているマップを概念的に示したものである。
【００６７】
制御方式を設定したら、続いて燃焼室内に噴射する燃料量および吸入空気量を算出する処理を行う（ステップＳ１０６）。これらの燃料噴射量および吸入空気量の値は、低負荷条件あるいは高負荷条件のそれぞれに用意されているマップを参照することによって算出する。
【００６８】
図４は、低負荷条件用のマップを概念的に示した説明図である。低負荷条件用のマップは、吸入空気量のマップと燃料噴射量のマップの２つのマップが用意されており、それぞれのマップには、エンジン回転速度および目標出力トルクの組合せに応じて、それぞれ適切な吸入空気量あるいは燃料噴射量が設定されている。
【００６９】
ここで、図４に示すような吸入空気量および燃料噴射量を設定するための基本的な考え方について簡単に説明しておく。図５は、予混合圧縮自着火燃焼方式において、混合気を形成するための基本的な考え方を概念的に示したブロック図である。予混合圧縮自着火燃焼においては、先ず初めに内燃機関が出力すべきトルク（要求トルク）を設定する。要求トルクが決まると、この値に応じて、燃料量を決めることができる。すなわち、内燃機関は燃料を燃焼させて燃焼室内の圧力上昇させ、この圧力をトルクに変換して出力している。従って、トルクの発生量と燃料量とはほぼ一対一に対応しており、要求トルクが決まれば、これに応じて必要な燃料量を決めることができる。燃料量を決定したら、次に空気量を決定する。混合気を圧縮して自着火させるためには、空気と燃料とが所定の割合で混合していることが必要である。従って、燃料量を決めると、この燃料と混合すべき空気量を自ずから決定することができる。こうして決定した分量の燃料と空気とによる混合気を燃焼室内で圧縮自着火させれば、要求トルクを出力することができる。
【００７０】
図４に示したマップには、図５に示した考え方を基礎として、実験的な手法により求められた適切な値が設定されている。尚、低負荷条件用のマップは、目標出力トルクが小さな条件で参照されるマップであり、ある目標出力トルク以上の領域では、燃料噴射量のマップ値も吸入空気量のマップ値もクリップされた値が設定されている。理屈の上からは、低負荷条件用のマップは目標出力トルクが小さな領域のみマップ値が設定されていれば足りるが、何らかの原因で低負荷条件用の制御中に、目標出力トルクの高い領域を参照してしまった場合を考慮して、一応マップ値が設定されている。但し、ノックが発生しないように、小さな目標出力トルクのマップ値にクリップされている。
【００７１】
図６は、高負荷条件用のマップを概念的に示した説明図である。高負荷条件用のマップは、吸入空気量のマップと主燃料噴射量のマップと副燃料噴射量のマップとの合計３つのマップが用意されている。それぞれのマップには、エンジン回転速度と目標出力トルクとに応じて、吸入空気量、主燃料噴射量、副燃料噴射量がそれぞれ設定されている。これらのマップの設定値も、図５に示した考え方を基礎として、実験的な手法により求められた適切な値が設定されている。
【００７２】
図２のステップＳ１０６では、このように対応するマップを参照しながら、低負荷条件用の制御時には吸入空気量および燃料噴射量を算出し、高負荷条件用の制御時には吸入空気量および主燃料噴射量、副燃料噴射量をそれぞれ算出する処理を行う。
【００７３】
こうして吸入空気量および燃料噴射量（高負荷条件時には、主燃料噴射量および副燃料噴射量）を算出したら、算出した分量の空気が各燃焼室に吸入されるように、スロットル弁２２の開度を制御する処理を行う（ステップＳ１０８）。スロットル弁の開度の制御は周知の種々の方法で行うことができる。例えば、吸気通路１２に設けたエアフローセンサで吸入空気量を計測し、適切な空気量となるようにスロットル弁２２の開度を制御すればよい。あるいは、エアフローセンサを用いるのではなく、スロットル弁２２の下流側の吸気通路内圧力を計測して、吸入空気量を算出してもよい。簡便には、エンジン回転数に応じて適切な空気量が得られるようなスロットル開度を予めマップに設定しておき、このマップを参照してスロットル開度を設定することとしてもよい。
【００７４】
ＥＣＵ３０は、スロットル制御に続いて燃料噴射制御を行う（ステップＳ１１０）。燃料噴射制御では、ピストン１４４の動きに合わせて適切なタイミングで燃料噴射弁１４を駆動することにより、燃焼室内に燃料を噴射する。燃料の噴射量は、先にステップＳ１０６において算出されている。燃料噴射制御の詳細については、別図を用いて後述する。
【００７５】
図７は、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、燃料噴射弁１４をそれぞれ駆動するタイミングをした説明図である。図中にＴＤＣと表示されているのは、ピストン１４４が上死点となるタイミングを示し、図中にＢＤＣと表示されているのは、ピストン１４４が下死点となるタイミングを示している。図示されているように吸気バルブ１３２は、ピストンが上死点に達する少し手前のタイミングで開き、ピストンが下死点に達した少し後のタイミングで閉じる。吸気バルブ１３２が開いている間にピストン１４４が降下することによって吸入空気が燃焼室内に吸い込まれ、この期間が吸気行程となる。また、吸気バルブ１３２を閉じた後は、ピストン１４４を上昇させるに連れて燃焼室内の混合気が圧縮される。吸気バルブ１３２を閉じてからピストンが上死点に達するまでの期間が圧縮行程となる。そして、ピストンが上死点を過ぎて排気バルブ１３４が開くまでの期間が膨張行程である。排気バルブ１３４は、ピストンが下死点になる少し前のタイミングで開き、上死点に達した少し後のタイミングで閉じてやる。排気バルブ１３４が開いている間にピストン１４４が上昇すると、これに伴って燃焼室内の燃焼ガスが排気バルブ１３４から排出され、この期間が排気行程となる。図２に示したステップＳ１１０の処理（燃料噴射制御）では、吸気行程中にハッチングを付して示した期間に燃料噴射弁１４を駆動して、燃焼室内に燃料を噴射する制御を行う。
【００７６】
こうして燃料噴射制御を行ったらＥＣＵ３０は、実行中の制御方式が高負荷条件用の制御か否かを判断する（ステップＳ１１２）。高負荷条件用の制御を行っている場合は（ステップＳ１１２：ｙｅｓ）、続いて副燃料噴射制御を行う（ステップＳ１１４）。これは、先にステップＳ１０６において副燃料噴射量として算出しておいた追加の燃料を、圧縮行程の半ば以降の適切なタイミングで燃料噴射弁１４から燃焼室内に噴射する制御である。更に続けて、圧縮上死点付近の適切なタイミングで点火プラグから火花を飛ばして混合気に点火する制御を行う（ステップＳ１１６）。図７には、副燃料噴射制御において燃料を噴射する期間、および点火制御において点火プラグ１３６から火花を飛ばすタイミングも例示されている。また、ステップＳ１１２において、高負荷条件用の制御を行っていないと判断された場合は（ステップＳ１１２：ｎｏ）、燃焼室内の混合気をピストンによる圧縮のみで自着火させることとして、副燃料噴射制御（ステップＳ１１４）や点火制御（ステップＳ１１６）はスキップする。
【００７７】
このように、本実施例のエンジン１０は、低負荷条件時には吸気行程中に形成した混合気を圧縮して自着火させ、また高負荷条件時には吸気行程および圧縮行程の２回に分けて形成した混合気に点火して燃焼させる。こうすることで、低負荷条件時あるいは高負荷条件時のいずれにおいても、ノックを発生させることなく予混合圧縮自着火燃焼を実現している。この理由については後述する。
【００７８】
こうして混合気を燃焼させると、燃焼室内の圧力が急激に上昇してピストン１４４を下方向に押し下げようとする。この力は、コネクティングロッド１４６を介してクランクシャフト１４８に伝えられ、クランクシャフト１４８でトルクに変換されて動力として出力される。
【００７９】
次いで、ＥＣＵ３０は、エンジンを停止する旨が設定されたか否かを確認し（ステップＳ１１８）、停止する旨が設定されていなければステップＳ１００に戻って続く一連の処理を繰り返す。エンジンを停止する旨が設定された場合は、そのままエンジン運転制御ルーチンを終了する。こうして、エンジン１０は、ＥＣＵ３０の制御の下で、図２の制御ルーチンに従って運転され、操作者の設定に応じたトルクを出力する。
【００８０】
ここで、本実施例のエンジン１０が、吸気行程および圧縮行程の２回に分けて燃料を噴射することで、高負荷条件時にもノックを発生させることなく予混合圧縮自着火燃焼させることが可能な理由について説明する。
【００８１】
図８は、燃焼室内に混合気が形成されている様子を概念的に示している。図中に示した大きな円は燃焼室を模式的に表したものであり、燃焼室内に粗く斜線を付した領域は、吸気行程中に燃料を噴射することによって形成された混合気（第１の混合気）を表し、細かく斜線を付した領域は、圧縮行程中に燃料を噴射す得ることによって形成された混合気（第２の混合気）を表している。
【００８２】
高負荷条件では混合気が自着火し易いので、以下に説明する各実施例では、図８中で粗い斜線を付した領域の混合気（第１の混合気）は、ピストン１４４により圧縮されただけでは自着火しない程度に空気過剰率を大きな値に設定しておく。ここで空気過剰率とは、混合気中に含まれる空気量と燃料量との割合を示す指標である。空気過剰率が「１」とは、空気と燃料とが、互いに過不足無く燃焼するような比率で混合気に含まれていることを意味しており、空気過剰率が「２」とは、燃料を過不足無く燃やすために必要な割合の２倍の空気が混合気中に含まれていることを意味している。
【００８３】
次いで、圧縮行程の半ば以降のタイミングで、燃焼室内に追加の燃料を噴射することにより第２の混合気を形成する。追加の燃料は、第１の混合気が形成されている上に噴射されることから、第２の混合気の空気過剰率は第１の混合気に比べて小さな値となる。尚、本実施例では、第２の混合気は、空気過剰率が「１」よりは大きいものの、第１の混合気の空気過剰率よりは小さな値に設定されている。こうして形成された第２の混合気に、点火プラグ１３６から火花を飛ばして点火する。第２の混合気は空気過剰率が小さい（燃料濃度が高い）ので点火後は速やかに燃焼し、燃焼室内の圧力を上昇させる。この結果、第１の混合気は、ピストン１４４による圧縮に加えて、第２の混合気が燃焼したことによって圧縮され、ついには自着火に至る。図８中に示した黒い矢印は、第２の混合気が燃焼したことにより、周囲に形成されている第１の混合気を圧縮している様子を概念的に表したものである。
【００８４】
このように、吸気行程中に形成される第１の混合気は大きな空気過剰率に設定されているので、ピストン１４４が上昇している途中で自着火することを回避することができる。そして、圧縮行程の半ば以降に追加の燃料を噴射して点火プラグ１３６の近傍に第２の混合気を形成し、この第２の混合気に点火することで、第１の混合気を圧縮して自着火に至らしめる。こうすれば、第２の混合気に点火するタイミングを制御することで、第１の混合気を適切なタイミングで自着火させることが可能となる。第２の混合気は、第１の混合気に比べて空気過剰率が小さいので、その分だけ自着火し易いが、この混合気は形成された後、自着火する前に点火されるので、第２の混合気が自着火してしまうことはない。また、空気過剰率が小さくなっているために点火後は速やかに燃焼し、第１の混合気を圧縮して自着火させることができる。尚、図８では、第１の混合気が形成された上に燃料を噴射して第２の混合気を形成するものとして説明したが、第２の混合気の空気過剰率を、第１の混合気よりも小さくすることができれば、この様な方法に限らず他の方法を用いることとしても良い。例えば、第１の混合気が形成されている領域とは別の領域に燃料を噴射することによって第２の混合気を形成することとしても構わない。
【００８５】
以上に説明したように、ピストンによる圧縮では自着火しない第１の混合気と、第１の混合気よりも空気過剰率の小さな第２の混合気とを形成し、第２の混合気に点火してやれば、高負荷条件においてもノックを発生させることなく予混合圧縮自着火燃焼を実現することが可能である。しかし、第２の混合気については従来の燃焼方式と同様に、火炎の伝播を伴った燃焼形態となっており、自着火しているわけではない。従って、第２の混合気として燃焼させる部分については、予混合圧縮自着火燃焼させることによる効果は得られない。このことから明らかなように、本実施例のエンジン１０において、予混合圧縮自着火燃焼させるメリットを最大限に活かして、燃料消費量および大気汚染物質の排出量をより一層低減するためには、第２の混合気をできるだけ少ない燃料を用いて効率よく形成することが望ましい。更に、第２の混合気に確実に点火できるように、第２の混合気は点火プラグ１３６の近傍に形成してやる必要がある。こうしたことは、燃焼室の構成を工夫することによって実現することができる。以下では、こうした各種実施例について説明する。
【００８６】
Ｂ．第１実施例：
Ｂ−１．第１実施例における燃焼室の構成：
図９は、第１実施例における燃焼室の断面を拡大して示した説明図である。図示するように燃焼室は、シリンダブロック１４０に設けられたシリンダ１４２と、シリンダ１４２内を摺動するピストン１４４と、シリンダブロック１４０の上に組み付けられたシリンダヘッド１３０とによって形成されている。シリンダヘッド１３０には、吸気バルブ１３２と排気バルブ１３４とが設けられており、吸入空気は吸気ポート１３３から吸気バルブ１３２を通って燃焼室内に流入し、混合気が燃焼することによって生じた燃焼ガスは排気バルブ１３４から排気ポート１３５を通って排気ガスとして排出される。また、シリンダヘッド１３０の吸気側には燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁１４が設けられ、燃焼室のほぼ中央には点火プラグ１３６が設けられている。
【００８７】
第１実施例の燃焼室では、吸気バルブ１３２が開口する部分の排気側に、マスク壁１３８が設けられている。このため、吸気バルブ１３２が開いて燃焼室内に空気が流入する際に、マスク壁１３８に遮られて、排気側方向へは空気が流れ難くなっている。図９に即して説明すると、吸気バルブ１３２が開いて空気が流入する場合に、排気バルブ１３４の方向に向かう流れはマスク壁１３８で遮られてしまう。このため吸気バルブ１３２から流入する空気は、下方に向かって（図９に示した例では燃料噴射弁１４が設けられている方向に向かって）、主に流入することになる。
【００８８】
また、ピストン１４４の頂面には、燃料噴射弁１４から噴射された燃料を点火プラグ１３６の方向に導くための凹部１４３が設けられている。第１実施例では、凹部１４３は、燃料噴射弁１４から噴射された燃料がピストン頂面に衝突する付近から、点火プラグ１３６が設けられているほぼ中央付近に亘って形成されている。
【００８９】
Ｂ−２．第１実施例における混合気の燃焼方法：
こうした構成の燃焼室を有する第１実施例において、第１の混合気および第２の混合気を形成して燃焼させる様子について説明する。
【００９０】
先ず初めに、低負荷条件時の場合について説明する。図１０は、低負荷条件において燃焼室内に混合気を形成し、圧縮自着火させる様子を概念的に示した説明図である。図１０（ａ）は、吸気行程中に燃料を噴射している様子を示している。吸気バルブ１３２を開いてピストン１４４を降下させると、吸気バルブ１３２を通って空気が燃焼室内に流入する。ここで図９を用いて説明したように、第１実施例においては、吸気バルブ１３２が開口する部分の排気側にはマスク壁１３８が設けられている。このため、吸気バルブ１３２から排気側に向かう流れはマスク壁１３８に妨げられ、ほとんどの空気は、シリンダ１４２に沿って燃焼室内を下降する方向に流入する。図１０（ａ）には、吸気バルブ１３２からシリンダ１４２に沿って空気が流れる様子を、矢印で表している。こうして燃焼室内を下降した空気の流れはピストン１４４の頂面で向きを変え、ピストン頂面を横切った後、反対側のシリンダ１４２に衝突して今度は排気側の燃焼室内を上昇していく。この結果、図１０（ａ）に示すように、吸入した空気は燃焼室内を縦に旋回する流れ（いわゆる逆タンブル流）を形成することになる。
【００９１】
図７を用いて説明したように、燃料は吸気行程の前半の所定のタイミングで噴射してやる。図１０（ａ）では、噴射された燃料を細かいハッチングを付して表している。こうして噴射された燃料は、吸気バルブｂ１３２から流入した空気とともに燃焼室内を旋回しながら混合して、燃焼室内に均一な混合気を形成する。
【００９２】
吸気行程が終了すると、吸気バルブ１３２を閉じてピストン１４４を上昇させることにより、圧縮行程を開始する。図１０（ｂ）は、ピストン１４４を上昇させて燃焼室内の混合気を圧縮している様子を概念的に表している。燃焼室内には吸気行程中に逆タンブル流が形成されており、圧縮行程では、こうした旋回流を圧縮することになる。
【００９３】
ピストンによる圧縮は熱が周囲に逃げて行く速度に比べて極めて迅速に行われる。このため、混合気は断熱圧縮されて次第に温度が上昇し、ついには発火点温度を超えて自着火に至る。言うまでもなく燃焼室内の圧力は燃焼室内の位置によらず一様に上昇するから、混合気温度もほぼ一様に上昇する。従って、混合気の空気過剰率が均一であれば、燃焼室内の混合気はほぼ同時に自着火することになる。実際、燃料噴射弁１４から噴射された燃料は、空気とともに燃焼室内を旋回しながら混ざり合って十分に均一な混合気となっており、燃焼室内の混合気はほぼ同時に自着火する。図１０（ｃ）は、こうして燃焼室内の混合気がほぼ同時に自着火している様子を概念的に表している。
【００９４】
次に、図１１を参照しながら、高負荷条件の場合について説明する。前述したように高負荷条件では、燃焼室内に第１の混合気および第２の混合気を形成し、第２の混合気に点火することで第１の混合気を圧縮して自着火に至らしめる。図１１（ａ）は、高負荷条件時に吸気行程中に燃料を噴射することにより、第１の混合気を形成している様子を示している。高負荷条件時に第１の混合気を形成する様子は、前述した低負荷条件時に混合気を形成する様子と同様である。すなわち、吸気バルブ１３２から流入する空気は、マスク壁１３８の作用によって燃焼室内に逆タンブル流を形成する。そして、燃料噴射弁１４から噴射された燃料は、空気とともに燃焼室内を旋回しながら混合する。このため、第１の混合気は燃料と空気とが十分に混合した均一な混合気となっている。尚、第１の混合気の空気過剰率は、低負荷条件時に形成した混合気の空気過剰率よりも大きな値に設定されている。
【００９５】
次いで、圧縮行程の半ば以降の適切なタイミングで、燃料噴射弁１４からピストン１４４に向かって燃料を噴射することで、第２の混合気を形成する。図１１（ｂ）は、第１実施例において第２の混合気を形成する様子を概念的に表している。前述したように、吸気行程では、燃焼室内の混合気には逆タンブル流が付与されており、圧縮行程では、逆タンブル方向に旋回する第１の混合気を圧縮して行く。このとき、ピストン頂面では、第１の混合気は吸気側から排気側に向かって一方向に流れている。そして図１１（ｂ）に示したように、圧縮行程の半ば以降で追加の燃料を噴射するタイミングでも、燃焼室内にはこうした旋回流が残存している。圧縮行程の半ば以降のタイミングでは、このような状態の燃焼室内に、燃料噴射弁１４からピストン頂面に向かって燃料を噴射する。図１１（ｂ）では、噴射された燃料を細かいハッチングを付して表している。また、燃焼室内に付された粗いハッチングは、吸気行程に噴射された燃料によって第１の混合気が形成されていることを表している。前述したように燃料噴射弁１４は吸気側に設けられているから、燃料噴射弁１４から燃焼室内に燃料を噴射すると、燃焼室内で旋回している第１の混合気の流れに沿って燃料を噴射することになる。
【００９６】
噴射された燃料は、ピストン頂面に設けられた凹部１４３で受け止められた後、燃料の持つ勢いにより、凹部１４３に沿ってピストン頂面の中央方向に向かって進んで行く。ピストン頂面では、混合気は吸気側から排気側に向かって流れているので、この混合気の流れも燃料の進行を促進する方向に作用する。こうして凹部１４３に沿って進んだ燃料は、凹部１４３の形状によって進行方向を変えられて、燃焼室内を点火プラグ１３６の方向に向かう。図１１（ｂ）には、噴射された燃料が凹部１４３の壁面によって向きを変えられて点火プラグ１３６の方向に進んでいる様子が示されている。このように、ピストン頂面に設けられた凹部１４３は、圧縮行程中に噴射された燃料を受け止められるような位置に形成され、そして凹部１４３に沿って進んだ燃料が点火プラグ１３６に向かって方向転換するような形状に形成されている。
【００９７】
こうして、噴射された燃料を点火プラグ１３６の方向に向かわせれば、第２の混合気を確実に点火プラグ１３６の近傍に形成することができる。点火プラグ１３６から火花を飛ばして、こうして形成した第２の混合気に点火してやる。すると、第２の混合気が速やかに燃焼して燃焼室内圧力を上昇させて、第１の混合気を圧縮自着火させることができる。図１１（ｃ）は、点火プラグ１３６を用いて第２の混合気に点火することにより、第１の混合気を自着火させている様子を模式的に表している。
【００９８】
以上に説明したように、第１実施例においては、燃焼室内に形成した旋回流に沿った方向からピストン頂面に向けて燃料を噴射し、噴射した燃料をピストン頂面の形状で点火プラグ１３６の方向に導くことによって、第２の混合気を形成する。こうすれば、第２の混合気は、確実に点火プラグ１３６の近傍に形成されることになる。従って、噴射した燃料が僅かであっても、これら燃料は確実に点火プラグ１３６の近傍に運ばれるので、第２の混合気を効率よく形成し、点火プラグで確実に点火することが可能となる。
【００９９】
また、燃料は、燃料噴射弁１４からピストン頂面に向かって噴射された後、頂面の形状に導かれて直ちに点火プラグ１３６の方向に進んで第２の混合気を形成する。このように、燃料噴射弁１４から噴射された燃料が、点火プラグ１３６の周りに第２の混合気を形成するまでの間に燃焼室内を移動する距離が比較的短いので、燃料はさほど広い範囲に拡散することなく、点火プラグ１３６の近傍の狭い範囲に第２の混合気を形成することができる。従って、僅かな燃料を噴射しただけで、点火プラグ１３６の周りに十分な燃料濃度の混合気を形成することができるので、それだけ第２の混合気を効率よく形成することが可能となる。
【０１００】
Ｂ−３．変形例：
上述した第１実施例には各種の変形例が存在する。以下では、これら変形例について簡単に説明する。
【０１０１】
上述した第１実施例では、吸気バルブ１３２から流入する空気は主にシリンダ１４２に沿って降下し、燃焼室内に逆タンブル流を形成するものとして説明した。しかし、燃焼室内にタンブル流を形成した場合にも、同様にして第２の混合気を効率よく形成することができる。以下では、図１２を参照しながら、こうした第１実施例の変形例について説明する。
【０１０２】
図１２は、タンブル流を形成する変形例において、燃焼室内に第２の混合気を効率よく形成する様子を概念的に示す説明図である。図１２（ａ）は、吸気行程中に燃料を噴射して、第１の混合気を形成している様子を概念的に示している。前述した第１実施例では、吸気バルブ１３２が燃焼室内に開口する部分の排気側にはマスク壁１３８が設けられており、このため、吸気バルブ１３２から流入する空気は、吸気側をシリンダ１４２に沿って降下していた。これに対して、図１２に示す変形例では、吸気バルブ１３２を通過する空気は主に排気側の開口部から、燃焼室内に流入する。こうした流れは、吸気ポートの形状を工夫することによって比較的容易に形成することができる。もちろん、吸気バルブ１３２が燃焼室内に開口する部分の吸気側にマスク壁を設けることとしてもよい。こうすれば、吸気側の開口部から空気が流入することが阻害され、主に排気側の開口部から流入することになる。
【０１０３】
こうして、吸気バルブ１３２の排気側の開口部から主に流入した空気は、排気バルブ１３４の上を通過してシリンダ１４２の排気側の内周面に沿って降下した後、ピストン１４４に達して方向を変え、ピストン頂面を横切るように流れる。図１２（ａ）では、こうした空気の流れを、矢印によって模式的に表している。この結果、燃焼室内には、ピストン頂面上を排気側から吸気側に向かって横切るような旋回流（タンブル流）が形成されることになる。吸気行程中に燃料噴射弁１４から噴射した燃料は、こうした空気の流れとともに燃焼室内を旋回して、均一な第１の混合気を形成する。圧縮行程では、このように燃焼室内で旋回している混合気を圧縮することになる。
【０１０４】
図１２（ｂ）は圧縮行程の半ば以降に追加の燃料を噴射して、第２の混合気を形成している様子を概念的に示している。第１実施例の変形例では、燃料噴射弁１４は排気側に設けられており、この燃料噴射弁１４からピストン頂面に向かって燃料を噴射する。吸気行程中に形成されたタンブル流は圧縮行程中にも残存しており、排気側からピストン頂面に向かって燃料を噴射してやれば、タンブル流に沿った方向から燃料を噴射することになる。
【０１０５】
噴射された燃料は、ピストン頂面に設けられた凹部１４３で受け止められた後、燃料自身の慣性によって、凹部１４３上をピストン頂面の中央付近に向かって流れていく。ピストン頂面を排気側から吸気側に向かう混合気の旋回流は、燃料の流れを促進する方向に作用する。そして、頂面のほぼ中央付近に達すると、凹部１４３によって流れの方向を変えられて、燃焼室内を点火プラグ１３６の方向に向かって進み、点火プラグの近傍に第２の混合気を形成する。
【０１０６】
この様にしても、圧縮行程の半ば以降に噴射した燃料を確実に点火プラグ１３６の近傍に運んで、第２の混合気を形成することができる。従って、燃料を僅かに噴射した場合でも、これら燃料を用いて、点火プラグ１３６の近傍に確実に第２の混合気を形成することが可能となる。
【０１０７】
尚、以上に説明した第１実施例では、燃焼室側に形成されたマスク壁１３８を用いているが、マスク壁１３８の代わりに、シュラウド弁を用いることとしても良いことはもちろんである。
【０１０８】
また、上述した第１実施例では、ピストン頂面に設けた凹部１４３で燃料の向きを変更するものとして説明した。しかし、ピストン頂面の形状は、燃料の向きを点火プラグ１３６の方向に変換することができさえすれば、どのような形状であっても良く、必ずしも凹んだ形状でなても構わない。例えば、ピストンの頂面に対して突部が形成されているような形状とすることも可能である。
【０１０９】
Ｃ．第２実施例：
上述した第１実施例では、燃焼室内に形成した旋回流に沿った方向から燃料を噴射している。しかし、これとは逆に、旋回流に対向する方向から燃料を噴射することで、点火プラグの近傍に効率よく第２の混合気を形成することも可能である。以下では、こうした第２実施例について説明する。
【０１１０】
Ｃ−１．第２実施例における燃焼室の構成：
図１３は、第２実施例の燃焼室の断面を拡大して示した説明図である。図１３に示した第２実施例は、図９に示した第１実施例とは異なり、マスク壁１３８は設けられていない。吸気ポート１３３の形状は、燃焼室内にタンブル流を形成するべく、吸気バルブ１３２の主に排気側の開口部から空気が燃焼室内に流入するような形状となっている。燃料噴射弁１４は吸気側に設けられている。また、前述した第１実施例とは異なり、ピストン１４４の頂面は、燃料を点火プラグ１３６に導くような特殊な形状とする必要はない。図１３に示した例では、ピストン頂面はほぼ平坦な形状となっている。尚、第２実施例においても、図９に示した第１実施例と同様にマスク壁１３８を設けた構成とすることも可能であるが、こうした変形例については後述する。
【０１１１】
Ｃ−２．第２実施例における混合気の燃焼方法：
図１３に示した第２実施例では、高負荷条件時に、次のようにして第１の混合気および第２の混合気を形成する。以下、図１４を参照しながら説明する。図１４（ａ）は、吸気行程中に燃料を噴射することによって、第１の混合気を形成している様子を概念的に示したものである。ここでは、吸気ポート１３３は、吸気バルブ１３２の排気側の開口部から空気を流入させるような形状に形成されており、このため燃焼室内には、図１４（ａ）に矢印で示すようなタンブル流が形成される。また、燃料噴射弁１４から燃焼室内に噴射された燃料は、タンブル流に乗って燃焼室内を旋回しつつ、空気と混合して均一な第１の混合気を形成する。図１４（ａ）では、燃料噴射弁１４から噴射された燃料を細かいハッチングを付すことによって表している。
【０１１２】
図１４（ｂ）は、圧縮行程の半ば以降の適切なタイミングで燃料噴射弁１４から追加の燃料を噴射することにより、第２の混合気を形成している様子を示している。吸気行程中に形成したタンブル流は圧縮行程においても残存しており、追加の燃料を噴射するタイミングでは、第１の混合気は、ピストン頂面を排気側から吸気側に横切って流れている。第２実施例においては、このような状態の燃焼室内に燃料を噴射する。燃料噴射弁１４は吸気側に設けられているから、ピストン頂面に向かって燃料を噴射すると、燃焼室内で旋回する第１の混合気の流れに対向する方向から燃料を噴射することになる。噴射された燃料には慣性があるので、ピストン頂面に衝突した後も暫くは混合気の流れに逆らって進むが、やがて混合気に流れによって流れの向きを変えて、燃焼室内を点火プラグ１３６の方向に進み、第２の混合気を形成する。こうして点火プラグ１３６の近傍に第２の混合気を形成しておけば、所望のタイミングで点火プラグ１３６から火花を飛ばすことによって、第２の混合気に確実に点火することができ、延いては第１の混合気を圧縮して自着火させることが可能となる。図１４（ｃ）は、第２の混合気に点火することにより、第１の混合気を自着火させている様子を概念的に表している。
【０１１３】
こうした第２実施例においても、前述した第１実施例と同様に、圧縮行程中に燃料噴射弁１４から噴射した燃料を点火プラグ１３６の近傍に運んで確実に第２の混合気を形成することができる。従って、噴射する燃料が僅かであっても、この燃料を点火プラグ１３６の近傍に確実に運んで、効率よく第２の混合気を形成することが可能となる。
【０１１４】
また、こうした第２実施例では、ピストン頂面に燃料を導くための凹部を設ける必要がないので、燃料の分布が偏りにくく、第１の混合気をより均一なものとすることが可能となる。もちろん、第２実施例においても、混合気の流れによって方向を変えた燃料の向きを点火プラグ１３６の方向に導くための小さな凸部を設けておいても構わないことは言うまでもない。
【０１１５】
第２実施例では、燃焼室内に形成された混合気の流れに対向させて燃料を噴射し、混合気の流れを利用して燃料の向きを変えている。このことから、噴射した燃料が混合気の流れによって直ぐに押し戻されてしまうことの無いように、燃料噴射弁１４は噴霧の貫徹力の大きな噴射弁、例えば、ファンスプレーあるいは中実コーンタイプの噴射弁を用いることが望ましい。これに対して、前述した第１実施例では、混合気の流れに乗せて燃料を噴射していることから、第１実施例の燃料噴射弁１４としては、噴霧の貫徹力の小さな噴射弁、例えば、ホローコーンあるいは多孔衝突噴霧型の噴射弁を用いることが望ましい。
【０１１６】
また第２実施例では、燃料は、燃料噴射弁１４からピストン頂面に向かって噴射された後、混合気の流れによって点火プラグ１３６の方向に進路を変え、プラグの周辺に第２の混合気を形成する。すなわち、第２実施例においても、燃料が燃料噴射弁１４から噴射された後、点火プラグ１３６の周りに第２の混合気を形成するまでに燃焼室内を移動する距離は比較的短いので、燃料が広い範囲に拡散することなく、点火プラグ１３６の近傍の狭い範囲に第２の混合気を形成することができる。このため、僅かな燃料を噴射しただけで、点火プラグ１３６の周りに十分な燃料濃度の混合気を形成することができ、効率よく第２の混合気を形成することが可能となる。
【０１１７】
Ｃ−３．変形例：
上述した第２実施例では、燃焼室内にタンブル流を形成するものとして説明したが、もちろん、逆タンブル流を形成しておき、この流れに対向する方向から燃料を噴射することとしても良い。逆タンブル流は、図９に示したようにマスク壁１３８を設けたり、あるいはシュラウド弁などを用いることによって形成することができる。逆タンブル流を形成した場合、ピストン頂面では、混合気は吸気側から排気側に向かって流れるので、燃料噴射弁１４を排気側に設けておけば良い。こうして、圧縮行程の半ば以降のタイミングで、ピストン頂面に向けて燃料を噴射してやれば、混合気の流れに対向する方向から燃料を噴射することになる。噴射した燃料は、ピストン頂面の混合気の流れによって進行方向を変えるので、点火プラグ１３６の近傍に第２の混合気を形成することができる。
【０１１８】
Ｄ．第３実施例：
上述した各種実施例では、ピストン頂面の上を一方向に流れるような旋回流を燃焼室内に形成しておき、この旋回流を利用することによって点火プラグの近傍に第２の混合気を効率よく形成した。しかし、こうした旋回流を利用せずとも、点火プラグ１３６の近傍に効率よく第２の混合気を形成することは可能である。以下では、こうした第３の実施例について説明する。
【０１１９】
Ｄ−１．第３実施例における燃焼室の構成：
図１５は、第３実施例の燃焼室の構成を示す説明図である。図１５（ａ）は燃焼室の断面を拡大して示した説明図であり、図１５（ｂ）は、シリンダヘッド１３０の下面側（シリンダブロック１４０の側）から見た燃焼室形状を示す説明図である。図１５に示されているように、第３実施例の燃焼室には、吸気側に燃料噴射弁１４が設けられており、排気側にスキッシュエリア１５０が設けられている。後述するように、スキッシュエリア１５０は、圧縮行程の後半に、ピストン１４４との間にある混合気を燃焼室の中央に向けて押し出すことにより、いわゆるスキッシュ流を発生させる機能を有している。また、第３実施例のスキッシュエリア１５０は、図１５（ｂ）に示されているように、燃焼室の周縁部に、おおよそ三日月形状に形成されている。
【０１２０】
第３実施例では、圧縮行程後半に発生するスキッシュ流を利用することにより、第２の混合気を点火プラグ１３６の近傍に効率よく形成する。従って、上述した第１実施例や第２実施例のように、吸気バルブ１３２の開口部周辺にマスク壁１３８を設けたり、あるいは吸気ポート１３３を特殊な形状にするといったことにより、燃焼室内に旋回流を付与してやる必要はない。また、図１５（ｂ）では、吸気バルブ１３２および排気バルブ１３４は、いずれも２つずつ設けられている場合を示しているが、それぞれのバルブの数はこれに限定されるものではない。例えば、吸気バルブ１３２あるいは排気バルブ１３４のいずれかが１つであってもよく、更にはどちらのバルブも１つであっても良い。
【０１２１】
また、第３実施例におけるピストン１４４の頂面は、ほぼ平坦な形状となっている。特に、シリンダヘッド１３０側のスキッシュエリア１５０に向かい合う部分は、圧縮行程後半で混合気を効率よく押し出すことができるように、スキッシュエリア１５０とほぼ並行な形状に形成されている。
【０１２２】
Ｄ−２．第３実施例における混合気の燃焼方法：
図１６を参照しながら、第３実施例において第１の混合気および第２の混合気を形成して燃焼させる方法について説明する。図１６は、高負荷条件時に燃焼室内に混合気を形成している様子を概念的に示した説明図である。
【０１２３】
図１６（ａ）は、吸気行程中に燃料を噴射して第１の混合気を形成している様子を表している。第３実施例では、前述した各種実施例のようにマスク壁１３８が設けられていたり、特殊な形状の吸気ポート１３３が採用されているわけではなく、吸入空気は吸気バルブ１３２のほぼ全周から燃焼室内に流入する。図１６（ａ）では、吸気バルブ１３２から流入する空気の流れを矢印で表している。第１の混合気は、吸気行程の前半の適切なタイミングでに燃料噴射弁１４から燃料を噴射することによって形成する。燃焼室内には、ピストン１４４の動きに伴って空気の流れが誘起されるので、噴射された燃料はこの空気の流れによって均一に攪拌され、燃焼室内に第１の混合気を形成する。尚、第３実施例においても、前述した各種実施例と同様にタンブル流あるいは逆タンブル流を形成することによって、均一な第１の混合気を形成しても構わない。
【０１２４】
圧縮行程ではピストン１４４を上昇させることにより、こうして形成した第１の混合気を圧縮する。図１６（ｂ）は、圧縮行程の半ば以降の適切なタイミングで、燃料噴射弁１４から追加の燃料を噴射している様子を概念的に示している。燃料噴射弁１４は吸気側に設けられているので、ピストン頂面に向かって燃料を噴射すると、噴射した燃料は頂面に沿って排気側に進み、スキッシュエリア１５０の下方の領域に集められる。第３実施例においては、ピストン１４４の頂面は噴射した燃料が、スキッシュエリア１５０の下方の領域に向かう流れを阻害しないような形状に形成されている。
【０１２５】
更にピストン１４４を上昇させて行くと、ピストン１４４の頂面がシリンダヘッド１３０に設けられたスキッシュエリア１５０に迫って行くので、スキッシュエリア１５０の下方にある空気が中央方向に向かって押し出され、スキッシュ流が発生する。図１６（ｃ）は、ピストン１４４の上昇に伴って、スキッシュエリア１５０から燃焼室の中央に向かってスキッシュ流が発生している様子を示している。前述したように、圧縮行程の後半に噴射された燃料はスキッシュエリア１５０に集められており、この燃料もスキッシュ流によって、燃焼室の中央の点火プラグ１３６に向かって押し出される。また、図１５（ｂ）に示したように、スキッシュエリア１５０は燃焼室の周縁部に略三日月形状に形成されており、このためスキッシュ流は、周囲から燃焼室のほぼ中央に設けられた点火プラグに向かって集まるような流れを形成することになる。
【０１２６】
こうしてスキッシュ流によって押し出された燃料は、点火プラグ１３６の近傍に第２の混合気を形成する。図１６（ｄ）は、点火プラグ１３６の周りに、第２の混合気が形成されている様子を表している。続いて、圧縮上死点の近傍の適切なタイミングで点火プラグ１３６から火花を飛ばしてやれば、第２の混合気に確実に点火して燃焼させることができ、その結果、第１の混合気を確実に自着火させることが可能となる。
【０１２７】
以上に説明した第３実施例においては、圧縮行程の半ば以降の適切なタイミングで噴射した燃料を、スキッシュエリア１５０内に集め、ピストン１４４の上昇に伴って発生するスキッシュ流を利用して点火プラグ１３６の方向に戻してやる。こうすれば、噴射した燃料を確実に点火プラグ１３６の近傍に集めることができる。従って、圧縮行程の半ば以降に噴射する燃料が僅かであっても、この燃料を用いて点火プラグ１３６の近傍に、第２の混合気を確実に且つ効率よく形成することが可能となる。
【０１２８】
また、上述した第３実施例では、ピストン１４４の頂面を比較的平坦な形状とすることができるので、吸気行程中に噴射した燃料の分布がピストン頂面によって偏るおそれがない。すなわち、第１の混合気を、燃料と空気とが十分に混ざった均一な混合気とすることができる。
【０１２９】
Ｄ−３．変形例：
上述した第３実施例についても各種の変形例が存在している。以下では、これら変形例について簡単に説明する。
【０１３０】
（１）第１の変形例：
図１７は、第３実施例における第１の変形例の燃焼室構造を示す説明図である。第１の変形例では、スキッシュエリア１５０に対向する部分のピストン１４４の内部に、クーリングチャネル１５２と呼ばれる空洞が設けられている。この空洞は、ピストン１４４の裏面側に開口する開口部が設けられている。シリンダブロック１４０に設けられた図示しないオイルギャラリからは、クーリングチャネル１５２の開口部を狙ってエンジンオイルが噴射されており、クーリングチャネル１５２内にエンジンオイルが供給されるようになっている。
【０１３１】
こうした第１の変形例においては、ピストン１４４の排気側を、クーリングチャネル１５２に供給されるエンジンオイルによって冷却することができる。このため、圧縮行程の半ば以降に噴射されてスキッシュエリア１５０の下方に集められた燃料が暖められ、点火プラグ１３６で点火する前に自着火してしまうことを回避することが可能となる。
【０１３２】
（２）第２の変形例：
図１８は、第３実施例における第２の変形例の燃焼室構造を示す説明図である。図１８（ａ）は、燃焼室の断面を拡大して示した説明図であり、図１８（ｂ）は、シリンダヘッド１３０の下面側（シリンダブロック１４０側）から見た燃焼室形状を示す説明図である。図示されているように、第２の変形例では、スキッシュエリア１５０も燃料噴射弁１４も、いずれも吸気側に設けられている。スキッシュエリア１５０の形状は、前述した実施例と同様に、おおよそ三日月状に形成されている。また、吸気側から噴射した燃料を、吸気側に設けたスキッシュエリア１５０の下方に集めるため、ピストン１４４の頂面には特殊な形状の凹部１５４が設けられている。凹部１５４の作用については後述する。
【０１３３】
図１９は、第３実施例の第２の変形例において、第２の混合気を形成する様子を示した説明図である。尚、第２の変形例においても、第１の混合気については上述した各種の実施例と同様に、吸気行程中に燃料を噴射することによって形成する。図１９（ａ）は、圧縮行程の半ば以降の適切なタイミングで、燃料噴射弁１４からピストン頂面に向かって追加の燃料を噴射している様子を示している。図中では噴射された燃料を、細かいハッチングを付すことによって表している。図示されているように、吸気側から噴射された燃料は、先ず初めに、ピストン頂面に設けられた凹部１５４で受け止められる。次いで、凹部１５４の形状に導かれて進行方向が反転させられた後、吸気側に設けられたスキッシュエリア１５０の下方の領域に集められる。
【０１３４】
ピストン１４４を上昇させると、スキッシュエリア１５０とピストン頂面との間が次第に狭まってくるので、この領域の混合気が燃焼室の中央付近に向かって押し出されてスキッシュ流が発生する。スキッシュエリア１５０の下方に集められていた燃料は、このようにして生じたスキッシュ流により、点火プラグ１３６の方向に押し出される。図１９（ｂ）は、スキッシュ流によって燃料が点火プラグ１３６の方向に押し出される様子を概念的に表している。
【０１３５】
スキッシュ流によって押し出された燃料は、点火プラグ１３６の近傍に第２の混合気を形成する。図１９（ｃ）は、点火プラグ１３６の周りに第２の混合気が形成されている様子を表している。こうして形成された第２の混合気に点火してやれば、第１の混合気を圧縮して自着火させることが可能となる。
【０１３６】
こうした第２の変形例においては、スキッシュエリア１５０を吸気側に設けることができる。シリンダヘッド１３０もピストン頂面も、吸気側は排気側と異なり、比較的温度が低いので、クーリングチャネル１５２などを用いて冷却しなくても、第２の混合気が暖められて点火前に自着火するおそれが無い。
【０１３７】
また、第２の変形例においては、燃料噴射弁１４も吸気側に設けることができる。排気ポートから排出される排気ガスの熱を受けるため、燃焼室の排気側は高温になっている。このため、燃料噴射弁１４を排気側に設けた場合は、熱による悪影響を受けないような配慮が必要になる場合があるが、燃料噴射弁１４を吸気側に設けておけば、こうした特別な配慮は不要となる。
【０１３８】
Ｅ．第４実施例：
上述した各種実施例では、吸気行程中に生成したタンブル流または逆タンブル流などの旋回流を利用して、あるいは圧縮行程で生成したスキッシュ流を利用して、点火プラグ１３６の近傍に第２の混合気を形成した。もっとも、本実施例のように、圧縮行程の半ば以降のタイミングで燃料を噴射して第２の混合気を形成する場合には、燃料噴射弁１４から点火プラグ１３６に向けて直接燃料を噴射することとしても良い。
【０１３９】
図２０は、こうした第４実施例において、圧縮行程の後半に第２の混合気を形成している様子を示す説明図である。燃焼室内に付された粗いハッチングは、吸気行程中に燃料を噴射したことで第１の混合気が形成されている様子を概念的に表している。第４実施例では、燃料噴射弁１４は点火プラグ１３６に向けて燃料を噴射する。しかし、吸気行程中は吸気バルブ１３２から勢いよく空気が流れ込むので、点火プラグ１３６に向けて噴射しても燃料は流入する空気に流されながら燃焼室内に流入し、空気と均一に混合して第１の混合気を形成する。
【０１４０】
また図２０中で、燃焼室内に細かいハッチングを付された部分は、圧縮行程の半ば以降の適切なタイミングで燃料噴射弁１４から噴射された燃料を表している。圧縮行程では吸気行程のような強い空気の流れは存在しないので、噴射された燃料は点火プラグ１３６に向かって進み、プラグの近傍に第２の混合気を形成する。第２の混合気が形成される様子について補足して説明する。
【０１４１】
燃料を直接燃焼室内に噴射する、いわゆる筒内噴射エンジンでは、通常は、点火プラグ１３６に向かって燃料を噴射することは避けられてきた。これは、点火プラグ１３６に向けて燃料を噴射すると、次のような問題が生じるためである。先ず、噴射された燃料は直ぐに点火プラグ１３６に達してしまうので、燃料が十分に気化して空気と混合することができず、このため、点火プラグ１３６から火花を飛ばしても着火しなかったり、あるいは着火してもススが発生すると言う問題があった。また、気化しない燃料が点火プラグ１３６に付着すると、チャネリングと呼ばれる現象が生じて火花を飛ばすことができなくなったり、あるいは点火プラグ１３６のくすぶりが発生して、火花を飛ばせなくなってしまうことがあった。こうしたことから、点火プラグ１３６に向かって燃料を直接噴射することは、通常は避けられていた。
【０１４２】
ところが、本実施例のように、エンジンの負荷が高い運転条件で、しかも圧縮行程の後半に燃料を噴射する場合には、燃焼室内の混合気は、ピストンで圧縮されて十分に高温かつ高圧となっているので、噴射した燃料は速やかに気化してしまう。また、高圧雰囲気中に燃料を噴射すると、燃料噴霧の到達距離が短くなるので、点火プラグ１３６に達するまでに空気と均一に混合することも可能となる。このため、点火プラグ１３６に向かって燃料を直接噴射した場合でも、プラグの近傍に、燃料と空気とが十分に混合した第２の混合気を形成することができ、ススが発生したり、チャネリングや点火プラグのくすぶりなどが生じることはない。加えて、圧縮行程中には僅かな燃料しか噴射しないので、この点からも、こうした問題の発生を確実に回避することが可能となっている。
【０１４３】
このように、第４実施例においては、圧縮行程の半ば以降の適切なタイミングで、燃料噴射弁１４から点火プラグ１３６に向かって燃料を直接噴射することで、第２の混合気をプラグの近傍に確実に且つ効率よく形成することが可能となる。
【０１４４】
Ｆ．第５実施例：
また、燃焼室内にスワール流を形成することによっても、第２の混合気を点火プラグ１３６の近傍に確実に且つ効率よく形成することが可能である。以下、こうした第５実施例について説明する。
【０１４５】
Ｆ−１．第５実施例における燃焼室の構成：
図２１は、第５実施例の燃焼室の構成を示すために、燃焼室の断面を拡大して示した説明図である。第５実施例では吸気ポート１３３として、いわゆるヘリカルポートが採用されている。１つの燃焼室に複数の吸気ポート１３３が設けられている場合は、全ての吸気ポート１３３をヘリカルポートとしても良いし、一部の吸気ポートのみをヘリカルポートとすることも可能である。ヘリカルポートは、ポートを通過する空気に、吸気バルブ１３２のバルブ軸を中心として旋回する速度成分を付与する機能を有している。
【０１４６】
Ｆ−２．第５実施例における混合気の燃焼方法：
図２２を参照しながら、第５実施例において第１の混合気および第２の混合気を形成して燃焼させる方法について説明する。図２２は、高負荷条件時に燃焼室内に混合気を形成している様子を概念的に示した説明図である。
【０１４７】
図２２（ａ）は、吸気行程中に燃料を噴射して第１の混合気を形成している様子を表している。第５実施例では、吸気ポート１３３にヘリカルポートが用いられているので、吸気バルブ１３２から流入する空気はバルブ軸周りに旋回しながら燃焼室内に流入し、燃焼室内にスワール流が形成される。図２２（ａ）中では空気の流れを矢印を用いて表すことにより、ヘリカルポートで空気の流れに旋回成分が付与されて、燃焼室内にスワール流が形成される様子を概念的に表している。また、図中に示した細かいハッチングは、燃料噴射弁１４から燃料が噴射されている様子を表している。噴射された燃料は、吸気バルブ１３２から流入する空気の流れに流されながら、空気と均一に混合して第１の混合気を形成する。
【０１４８】
図２２（ｂ）は、ピストン１４４がほぼ下死点付近まで降下した様子を概念的に示している。燃焼室内には、シリンダ１４２の内周面に沿って旋回しながら降下するスワール流が形成されている。また、シリンダ１４２の中心軸付近では、逆に上昇する流れが形成されている。シリンダの中心軸付近を上昇するこの様な流れは、次のようなメカニズムによって発生する。通常、吸気バルブ１３２から燃焼室内に流入する空気は、燃焼室の壁面に沿って流入する傾向がある。これは、吸気バルブ１３２の先端にはバルブ軸に直角に傘部が設けられているので、吸気バルブ１３２を通過する空気が、傘部によって燃焼室の壁面に沿う方向に進路を曲げられるためである。このため、燃焼室内に流入する空気の主流はシリンダ１４２の内周面を旋回しながら降下することになり、シリンダ１４２の中央部を降下する流れはほとんど生じない。シリンダ１４２の内周面に沿って降下した主流は、やがてピストン１４４の頂面にぶつかって、シリンダ１４２の中心軸の方向に流れの向きを変える。ピストン頂面の中央付近では、こうしてピストン頂面にぶつかった主流が向きを変えて周囲から流れ込み、そして衝突し合って、シリンダ１４２の中心軸付近を上昇する流れを発生させるのである。
【０１４９】
このように、吸気バルブ１３２から流入した空気は、先ずシリンダ１４２の内周面に沿って降下し、次いでピストン頂面で反転した後、シリンダの中心軸付近を上昇していく。このため、吸気行程の開始直前に燃焼室を満たしていた高温の燃焼ガスは、吸気の流れに押し出されるようにして、シリンダ上部の中央付近、すなわち点火プラグ１３６の近傍の領域に集められる。そして、その他の領域には、第１の混合気が形成されることになる。図２２（ｂ）中で、燃焼室内に粗いハッチングが付された領域は第１の混合気が形成されている領域を示し、燃焼室の中央付近のハッチングの付されていない領域は、高温の燃焼ガスが集められている領域を示している。
【０１５０】
次いで、ピストン１４４を上昇させて第１の混合気を圧縮し、圧縮行程の半ば以降の適切なタイミングで燃料噴射弁１４から燃料を噴射する。圧縮行程中もスワール流は保たれており、このため、点火プラグ１３６の近傍に集められた燃焼ガスは、周囲の混合気とさほど混合せず、温度も比較的高温に保たれている。第５実施例では、こうした高温の領域に向かって燃料を噴射するために、燃料を速やかに気化させることができる。図２２（ｃ）は、こうして燃料を噴射することにより、スワール流の中心付近に第２の混合気を形成している様子を概念的に表している。次いで、更にピストン１４４を上昇させれば、点火プラグ１３６の近傍に第２の混合気が形成されることになる。図２２（ｄ）は、点火プラグ１３６の近傍に第２の混合気が形成されている様子を概念的に表している。こうして第２の混合気を形成してやれば、あとは適切なタイミングで点火プラグ１３６から火花を飛ばすことで、第２の混合気に確実に点火することができる。その結果、第１の混合気が圧縮されて自着火することになる。
【０１５１】
以上に説明した第５実施例においては、燃焼室内にスワール流を形成しておき、圧縮行程の半ば以降の適切なタイミングで、スワール流の中心付近に向けて燃料を噴射することによって第２の混合気を形成する。前述したように、燃焼室内にスワール流を形成すると、高温の燃焼ガスを点火プラグ１３６の近傍に集めることができるので、この領域に燃料を噴射することで、第２の混合気を点火プラグ１３６の近傍に確実に形成することが可能となる。
【０１５２】
また、スワール流の中心付近は流れの速度が小さいので、回転中心の近くに第２の混合気を形成してやれば、第２の混合気はほとんど周囲に拡散することがない。このため、圧縮行程中に噴射する燃料が僅かであっても、点火プラグ１３６の近傍に効率よく第２の混合気を形成することが可能となる。
【０１５３】
Ｆ−３．変形例：
上述した第５実施例においては、ピストン頂面はほぼ平坦な形状であるものとして説明した。この様な場合でも、シリンダ１４２の中心軸付近を上昇する流れを発生させて、燃焼ガスを点火プラグ１３６の近傍に集めることができる。もっとも、こうした上昇流をより効率よく発生させるために、ピストン頂面を特殊な形状としてもよい。以下では、こうした第５実施例の変形例について簡単に説明する。
【０１５４】
図２３は、第５実施例の変形例における燃焼室構成を示す説明図である。変形例では、ピストン１４４の頂面上を旋回するスワール流を、僅かに中心方向に向かわせつつ上昇流に変換するように形成された斜面１５６が、ピストン頂面に設けられている。このため、図２２（ａ）および（ｂ）に示したように、吸気行程中に形成されたスワール流がシリンダ１４２の内周面に沿って降下しピストン頂面に達すると、ピストン頂面に形成された斜面１５６によってスワール流を導くことにより、シリンダ１４２の中心軸付近を上昇する流れに効率よく変換することが可能である。その結果、燃焼ガスを点火プラグ１３６の近傍に効率よく集めることができ、第２の混合気を確実に形成することが可能となる。
【０１５５】
以上、各種の実施例について説明してきたが、本発明は上記すべての実施例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で実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】各実施例に共通するエンジンの構造を示す説明図である。
【図２】エンジン運転制御ルーチンの流れを示すフローチャートである。
【図３】エンジン回転速度と目標出力トルクとの組合せに応じて、低負荷条件あるいは高負荷条件のいずれの制御を行うかがマップの形式で記憶されている様子を概念的に示した説明図である。
【図４】低負荷条件用のマップに燃料噴射量と吸入空気量が設定されている様子を概念的に示した説明図である。
【図５】予混合圧縮自着火燃焼方式において、混合気を形成するための基本的な考え方を概念的に示したブロック図である。
【図６】高負荷条件用のマップに主燃料噴射量と副燃料噴射量と吸入空気量とが設定されている様子を概念的に示した説明図である。
【図７】吸気バルブおよび排気バルブの開閉時期、燃料の噴射タイミング、点火タイミングの関係を概念的に示した説明図である。
【図８】燃焼室内で第２の混合気に点火することで、第１の混合気が圧縮される様子を概念的に示した説明図である。
【図９】第１実施例の燃焼室の構成を示す説明図である。
【図１０】第１実施例において低負荷条件時に混合気を圧縮自着火させる様子を概念的に示した説明図である。
【図１１】第１実施例において高負荷条件時に第１の混合気および第２の混合気を形成して圧縮自着火させる様子を概念的に示した説明図である。
【図１２】第１実施例の変形例において高負荷条件時に第１の混合気および第２の混合気を形成して圧縮自着火させる様子を概念的に示した説明図である。
【図１３】第２実施例の燃焼室の構成を示す説明図である。
【図１４】第２実施例において高負荷条件時に第１の混合気および第２の混合気を形成して圧縮自着火させる様子を概念的に示した説明図である。
【図１５】第３実施例の燃焼室の構成を示す説明図である。
【図１６】第３実施例において高負荷条件時に第１の混合気および第２の混合気を形成する様子を概念的に示した説明図である。
【図１７】第３実施例における第１の変形例としての燃焼室の構成を示す説明図である。
【図１８】第３実施例における第２の変形例としての燃焼室の構成を示す説明図である。
【図１９】第３実施例の第２の変形例において高負荷条件時に第１の混合気および第２の混合気を形成する様子を概念的に示した説明図である。
【図２０】第４実施例において高負荷条件時に第２の混合気を形成する様子を概念的に示す説明図である。
【図２１】第５実施例の燃焼室の構成を示す説明図である。
【図２２】第５実施例において高負荷条件時に第１の混合気および第２の混合気を形成する様子を概念的に示した説明図である。
【図２３】第５実施例の変形例における燃焼室の構成を示す説明図である。
【符号の説明】
１０…エンジン
１２…吸気通路
１４…燃料噴射弁
１６…排気通路
２０…エアクリーナ
２２…スロットル弁
２４…電動アクチュエータ
３０…ＥＣＵ
３２…クランク角センサ
３４…アクセル開度センサ
１３０…シリンダヘッド
１３２…吸気バルブ
１３３…吸気ポート
１３４…排気バルブ
１３５…排気ポート
１３６…点火プラグ
１３８…マスク壁
１４０…シリンダブロック
１４２…シリンダ
１４３…凹部
１４４…ピストン
１４６…コネクティングロッド
１４８…クランクシャフト
１５０…スキッシュエリア
１５２…クーリングチャネル
１５４…凹部
１５６…斜面
【図１】
2004100670.tif 000003
【図２】
2004100670.tif 000004
【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】
2004100670.tif 000009
【図８】
2004100670.tif 000010
【図９】
2004100670.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
2004100670.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
2004100670.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
2004100670.tif 000019
【図１８】
2004100670.tif 000020
【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
2004100670.tif 000025