(57)【要約】【課題】筒内噴射式内燃機関において、部分負荷時の燃費改善を確保すると同時にエミッション低減の負担を減らす。【解決手段】可動ピストン２８−１，２８−２によって副室２４内に容積可変の混合気形成領域３０を形成し、噴射弁２０から混合気形成領域３０内へ噴射される燃料噴射量に応じて、可動ピストン２８−１，２８−２の位置を制御することで、混合気形成領域３０の容積を制御する。これによって、燃料噴射量で負荷の調整を行う場合に、混合気形成領域３０内の混合気濃度分布を成層的に形成しないで、ほぼ均一空燃比とした状態で負荷の調整を行うことができるので、部分負荷時の燃費改善を確保すると同時にエミッション低減の負担を減らすことができる。【選択図】　　　　図２
2004108224.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ内に空気を吸入し、ピストンにより吸入空気を圧縮するとともに、噴射弁により燃料を燃焼室内に直接噴射して混合気を形成し、該混合気を燃焼させることで回転力を発生させる筒内噴射式内燃機関であって、
燃焼室内に容積可変の混合気形成領域を形成する領域形成手段と、
噴射弁から混合気形成領域内へ噴射される燃料噴射量に応じて、領域形成手段により形成された混合気形成領域の容積を制御する容積制御手段と、
を有することを特徴とする筒内噴射式内燃機関。
【請求項２】
請求項１に記載の筒内噴射式内燃機関であって、
前記噴射弁は、燃料の噴射広がり角度が可変であり、
燃料噴射量に応じて燃料の噴射広がり角度を変化させる広がり角度制御手段をさらに有することを特徴とする筒内噴射式内燃機関。
【請求項３】
請求項１または２に記載の筒内噴射式内燃機関であって、
前記噴射弁は複数備えられ、
混合気形成領域内へ噴射される燃料噴射量に応じて燃料を噴射する噴射弁の数を変化させる噴射弁制御手段をさらに有することを特徴とする筒内噴射式内燃機関。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１に記載の筒内噴射式内燃機関であって、
前記容積制御手段は、（混合気形成領域の容積）／（燃料噴射量）の値が所望の一定値にほぼ保たれるように、混合気形成領域の容積を制御することを特徴とする筒内噴射式内燃機関。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１に記載の筒内噴射式内燃機関であって、
前記容積制御手段は、（混合気形成領域の容積）／（燃料噴射量）の値を燃料噴射量に応じて予め決められた値になるように、混合気形成領域の容積を制御することを特徴とする筒内噴射式内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料を燃焼室内に直接噴射する筒内噴射式内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の筒内噴射式内燃機関の一例が特開平９−１５８７３６号公報（特許文献１）に示されている。この従来の筒内噴射式内燃機関においては、燃料を直接燃焼室内に噴射して混合気を形成している。部分負荷時には、点火プラグに近い程空燃比がリッチになるように混合気を成層的に形成し、点火プラグによりプラグ近傍のリッチ混合気を点火してリッチ混合気からリーン混合気へ火炎伝播させている。これによって、希薄燃焼を可能としており、部分負荷時の燃費改善を図っている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平９−１５８７３６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この従来の筒内噴射式内燃機関においては、部分負荷時に混合気を成層的に形成するため、燃焼室内の混合気濃度分布は理論空燃比を挟んでリッチ空燃比からリーン空燃比まで広範囲の分布を有する。リッチ混合気の部分については煤の発生原因となる可能性があり、リーン混合気の部分については未燃ＨＣの発生原因となる可能性がある。したがって、この従来の筒内噴射式内燃機関においては、部分負荷時の燃費改善は実現できるものの、燃焼室内の混合気濃度がリッチ空燃比からリーン空燃比まで広範囲の分布を有するので、煤や未燃ＨＣ等のエミッションの低減に負担がかかるという課題があった。
【０００５】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、部分負荷時の燃費改善を確保すると同時に、エミッション低減の負担を減らすことができる筒内噴射式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】
このような目的を達成するために、第１の本発明に係る筒内噴射式内燃機関は、シリンダ内に空気を吸入し、ピストンにより吸入空気を圧縮するとともに、噴射弁により燃料を燃焼室内に直接噴射して混合気を形成し、該混合気を燃焼させることで回転力を発生させる筒内噴射式内燃機関であって、燃焼室内に容積可変の混合気形成領域を形成する領域形成手段と、噴射弁から混合気形成領域内へ噴射される燃料噴射量に応じて、領域形成手段により形成された混合気形成領域の容積を制御する容積制御手段と、を有することを特徴とする。
【０００７】
このように、燃焼室内に容積可変の混合気形成領域を形成し、噴射弁から混合気形成領域内へ噴射される燃料噴射量に応じて混合気形成領域の容積を制御することにより、燃料噴射量で負荷の調整を行う場合に、混合気形成領域内の混合気濃度分布を成層的に形成しないで、ほぼ均一空燃比とした状態で負荷の調整を行うことができる。したがって、部分負荷時の燃費改善を確保すると同時に、エミッション低減の負担を減らすことができる。
【０００８】
第２の本発明に係る筒内噴射式内燃機関は、第１の本発明に記載の内燃機関であって、前記噴射弁は、燃料の噴射広がり角度が可変であり、燃料噴射量に応じて燃料の噴射広がり角度を変化させる広がり角度制御手段をさらに有することを特徴とする。
【０００９】
このように、噴射弁は燃料の噴射広がり角度が可変であり、燃料噴射量に応じて燃料の噴射広がり角度を変化させることにより、燃料噴射量で負荷の調整を行う場合に、混合気形成領域内の混合気濃度分布をより均一化することができる。したがって、エミッション低減の負担をさらに減らすことができる。
【００１０】
第３の本発明に係る筒内噴射式内燃機関は、第１または第２の本発明に記載の内燃機関であって、前記噴射弁は複数備えられ、混合気形成領域内へ噴射される燃料噴射量に応じて燃料を噴射する噴射弁の数を変化させる噴射弁制御手段をさらに有することを特徴とする。
【００１１】
このように、混合気形成領域内へ噴射される燃料噴射量に応じて燃料を噴射する噴射弁の数を変化させることにより、燃料噴射量で負荷の調整を行う場合に、混合気形成領域内の混合気濃度分布をより均一化することができる。したがって、エミッション低減の負担をさらに減らすことができる。
【００１２】
第４の本発明に係る筒内噴射式内燃機関は、第１〜３の本発明のいずれか１に記載の内燃機関であって、前記容積制御手段は、（混合気形成領域の容積）／（燃料噴射量）の値が所望の一定値にほぼ保たれるように、混合気形成領域の容積を制御することを特徴とする。
【００１３】
このように、（混合気形成領域の容積）／（燃料噴射量）の値が所望の一定値にほぼ保たれるように、混合気形成領域の容積が制御されることにより、燃料噴射量で負荷の調整を行う場合に、負荷の高低に関係なく空燃比を所望の一定値にほぼ保つことができる。したがって、エミッション低減の負担をさらに減らすことができる。
【００１４】
第５の本発明に係る筒内噴射式内燃機関は、第１〜３の本発明のいずれか１に記載の内燃機関であって、前記容積制御手段は、（混合気形成領域の容積）／（燃料噴射量）の値を燃料噴射量に応じて予め決められた値になるように、混合気形成領域の容積を制御することを特徴とする。
【００１５】
このように、（混合気形成領域の容積）／（燃料噴射量）の値が、燃料噴射量に応じて予め決められた値になるように、混合気形成領域の容積が制御されることにより、例えば、低負荷時には空燃比をリーンにすることができ、高負荷時には空燃比をリッチにすることができる。したがって、低負荷時のさらなる燃費低減及び高負荷時の高回転力を実現できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。
【００１７】
図１，２は、本発明の実施形態に係る筒内噴射式内燃機関の内部構成の概略を示す図であり、図１は側面図であり、図２は上面図である。そして、本実施形態においては、火花点火式内燃機関に本発明を適用した場合を示す。本実施形態の筒内噴射式内燃機関は、例えば車両駆動用の原動機として利用され、シリンダ１０、シリンダヘッド１２、ピストン１４、吸気弁１６、排気弁１８、噴射弁２０、点火プラグ２２を備えている。そして、シリンダヘッド１２には略円筒形状の副室２４が形成され、副室２４が燃焼室となっている。副室２４とシリンダ１０内とは連通口２６を介してつながっている。そして、噴射弁２０、点火プラグ２２は副室２４の周壁２４ａに設けられている。また、ピストン１４は図示しないコネクティングロッドを介して図示しないクランク軸と連結されている。
【００１８】
吸気行程においては、吸気弁１６が開きシリンダ１０内に空気が吸入される。圧縮行程においては、吸気弁１６が閉じピストン１４により吸入空気が圧縮されるとともに、噴射弁２０により燃料が副室２４内に直接噴射されて副室２４内に混合気が形成される。そして、点火プラグ２２により副室２４内の混合気を点火して燃焼させる。膨張行程においては、燃焼ガスが膨張して図示しないクランク軸に回転力を発生させ、排気行程においては、排気弁１８が開きシリンダ１０内の燃焼ガスが排気弁１８から排出される。なお、筒内噴射式内燃機関においては、噴射弁２０からの燃料噴射量を調整することで負荷を調整し、図示しない電子制御装置により燃料の噴射量及び噴射タイミングを制御する。
【００１９】
本実施形態においては、副室２４内に周壁２４ａに沿って摺動可能な領域形成手段としての２つの可動ピストン２８−１，２８−２が設けられている。この２つの可動ピストン２８によって副室２４内に混合気形成領域３０が形成される。可動ピストン２８−１，２８−２の周囲にはガスシールリング３６−１，３６−２がそれぞれ設けられ、ガスシールリング３６−１，３６−２が周壁２４ａと接触している。そして、可動ピストン２８−１，２８−２の各々はロッド３２−１，３２−２とそれぞれ連結され、ロッド３２−１，３２−２は副室２４内から壁面２４ｂを貫いて副室２４外へ延びている。壁面２４ｂ位置でのロッド３２−１，３２−２の周囲にガスシールリング３４−１，３４−２がそれぞれ設けられており、これによって副室２４内の気密が保たれている。ロッド３２−１，３２−２は図示しないリニアアクチュエータと連結されており、リニアアクチュエータを駆動して可動ピストン２８−１，２８−２を周壁２４ａに沿って互いに逆方向に駆動することで、混合気形成領域３０の容積を変化させることができる。なお、噴射弁２０及び点火プラグ２２は、混合気形成領域３０が形成される位置の周壁２４ａに設けられている。そして、混合気形成領域３０とそれ以外の副室２４の部分とは連通口２６を介して連通している。また、可動ピストン２８−１，２８−２及びロッド３２−１，３２−２の材料としては燃焼ガスの温度に対して十分な耐熱性を有する材料を使用することが好ましい。
【００２０】
そして、本実施形態では、噴射弁２０から混合気形成領域３０内へ噴射される燃料噴射量に応じて、リニアアクチュエータにより可動ピストン２８−１，２８−２の位置を制御することで、混合気形成領域３０の容積を制御する。すなわち図示しない電子制御装置は、燃料噴射量を示す制御指令値からリニアアクチュエータへの制御指令値を算出して出力する容積制御手段を有している。ここで、噴射弁２０からの燃料噴射量は内燃機関の負荷に基づいて設定されるため、内燃機関の負荷に基づいて燃料噴射量及び混合気形成領域３０の容積が制御されることになる。より具体的には、負荷が増大するときは、燃料噴射量及び混合気形成領域３０の容積をともに増大させ、負荷が減少するときは、燃料噴射量及び混合気形成領域３０の容積をともに減少させる。
【００２１】
本実施形態の圧縮行程時には、図３（Ａ）に示すように、シリンダ１０内の空気が連通口２６を通って副室２４内に流入し、副室２４内では周壁２４ａの形状に沿って旋回気流が発生する。さらに、圧縮行程時に、噴射弁２０から混合気形成領域３０内へ燃料が噴射され、図３（Ｂ）に示すように、噴射された燃料は空気と混合される。その際に旋回気流によって混合が促進されるため、図３（Ｃ）に示すように、混合気形成領域３０内の混合気濃度分布は略均一となる。さらに、混合気は旋回気流によって混合気形成領域３０外へはほとんど拡散しない。そして、略均一の濃度分布となっている混合気形成領域３０内の混合気を点火プラグ２２により点火して燃焼させる。この混合気形成領域３０内における略均一な濃度分布の混合気の形成については、負荷が変化しても維持される。すなわち従来の筒内噴射式内燃機関においては、部分負荷時には混合気濃度分布を成層的に形成していたのに対し、本実施形態の筒内噴射式内燃機関においては、部分負荷時にも混合気形成領域３０内の混合気濃度分布は略均一状態を維持する。ただし、略均一状態であるときの空燃比については、後述するように負荷に応じて変化する場合もある。
【００２２】
圧縮行程における噴射弁２０からの燃料噴射タイミングについては、機関回転速度に応じて変化させてもよい。例えば、図４（Ａ）に示すように、機関回転速度が高回転になるとともに燃料噴射タイミングを早めることにより、高回転時においても濃度分布の略均一な混合気の形成を確保することができる。さらに、噴射弁２０からの燃料噴射タイミングを負荷に応じて変化させてもよく、例えば、図４（Ｂ）に示すように、負荷の増大とともに燃料噴射タイミングを早めることにより、燃料噴射量の多い高負荷時においても濃度分布の略均一な混合気の形成を確保することができる。
【００２３】
次に、燃料噴射量に応じて混合気形成領域３０の容積をどのように制御するかについて、電子制御装置内に記憶されている燃料噴射量−混合気形成領域容積特性の具体例を幾つか挙げて説明する。
【００２４】
図５（Ａ）においては、燃料噴射量−混合気形成領域容積特性が略正比例関係にある場合を示している。すなわち図５（Ａ）においては、（混合気形成領域３０の容積）／（燃料噴射量）の値が規定の一定値Ａ０にほぼ保たれている。ここでの規定の一定値Ａ０については、混合気形成領域３０内の濃度分布が略均一に形成されたときの空燃比が理論空燃比となるための値に設定される。図５（Ａ）に示す特性になるように混合気形成領域３０の容積を制御する場合、混合気形成領域３０内における略均一の空燃比は、図５（Ｂ）に示すように、負荷の高低に関係なく理論空燃比にほぼ保たれる。
【００２５】
図６（Ａ）においては、燃料噴射量が所定値Ｌ１以下のときは、燃料噴射量−混合気形成領域容積特性が図５（Ａ）と同様の略正比例関係を保ち、燃料噴射量が所定値Ｌ１より大きいときは、（混合気形成領域３０の容積）／（燃料噴射量）の値が規定の一定値Ａ０より小さくなる場合を示している。なお、燃料噴射量の所定値Ｌ１は、図５（Ｂ）の負荷の高低に関係なく理論空燃比に保たれる場合の最大噴射量にほぼ等しい値が好ましい。図６（Ａ）に示す特性になるように混合気形成領域３０の容積を制御する場合、混合気形成領域３０内における略均一の空燃比は、図６（Ｂ）に示すように、低中負荷時には理論空燃比にほぼ保たれ、高負荷時には理論空燃比よりリッチになる。
【００２６】
図７（Ａ）においては、燃料噴射量が所定範囲Ｌ２〜Ｌ３内のときは（混合気形成領域３０の容積）／（燃料噴射量）の値が規定の一定値Ａ０より大きく、燃料噴射量が所定範囲の下限値Ｌ２近傍のときは（混合気形成領域３０の容積）／（燃料噴射量）の値が規定の一定値Ａ０にほぼ等しく、燃料噴射量が所定範囲の上限値Ｌ３より大きいときは（混合気形成領域３０の容積）／（燃料噴射量）の値が規定の一定値Ａ０より小さくなる場合を示している。図７（Ａ）に示す特性になるように混合気形成領域３０の容積を制御する場合、混合気形成領域３０内における略均一の空燃比は、図７（Ｂ）に示すように、極低負荷時にはほぼ理論空燃比となり、低中負荷時には理論空燃比よりリーンになり、高負荷時には理論空燃比よりリッチになる。
【００２７】
図８（Ａ）においては、燃料噴射量が所定範囲Ｌ４〜Ｌ５内のときは（混合気形成領域３０の容積）／（燃料噴射量）の値が規定の一定値Ａ０より小さい一定値Ａ１をほぼ保ち、燃料噴射量が所定範囲の上限値Ｌ５より大きいときは（混合気形成領域３０の容積）／（燃料噴射量）の値が一定値Ａ１より小さくなる場合を示している。図８（Ａ）に示す特性になるように混合気形成領域３０の容積を制御する場合、混合気形成領域３０内における略均一の空燃比は、図８（Ｂ）に示すように、低中負荷時には理論空燃比より若干リッチになり、高負荷時には低中負荷時よりさらにリッチになる。
【００２８】
本実施形態においては、可動ピストン２８−１，２８−２によって副室２４内に容積可変の混合気形成領域３０を形成している。そして、噴射弁２０から混合気形成領域３０内へ噴射される燃料噴射量に応じて、可動ピストン２８−１，２８−２の位置を制御することで、混合気形成領域３０の容積を制御している。したがって、燃料噴射量で負荷の調整を行う場合に、混合気形成領域３０内の混合気濃度分布を成層的に形成しないで、ほぼ均一空燃比とした状態で負荷の調整を行うことができる。例えば、低負荷時には混合気形成領域３０の容積を高負荷時の容積より小さくすることで、燃料噴射量が少なくても混合気濃度分布を成層的に形成しないで安定した燃焼を実現できる。したがって、部分負荷時の燃費改善を確保すると同時に、エミッション低減の負担を減らすことができる。
【００２９】
そして、図５（Ａ）の燃料噴射量−混合気形成領域容積特性に示すように混合気形成領域３０の容積が制御される場合、混合気形成領域３０内における略均一の空燃比は負荷の高低に関係なく理論空燃比にほぼ保たれるので、全負荷域においてエミッション低減の負担をさらに減らすことができる。
【００３０】
また、図６（Ａ）の燃料噴射量−混合気形成領域容積特性に示すように混合気形成領域３０の容積が制御される場合、混合気形成領域３０内における略均一の空燃比は、低中負荷時には理論空燃比にほぼ保たれ、高負荷時には理論空燃比よりリッチになる。したがって、低中負荷時にはエミッション低減の負担をさらに減らすことができ、高負荷時には回転力を増大させることができる。
【００３１】
また、図７（Ａ）の燃料噴射量−混合気形成領域容積特性に示すように混合気形成領域３０の容積が制御される場合、混合気形成領域３０内における略均一の空燃比は、極低負荷時にはほぼ理論空燃比となり、低中負荷時には理論空燃比よりリーンになり、高負荷時には理論空燃比よりリッチになる。したがって、極低負荷時には燃焼を安定させ、低中負荷時にはＮＯｘ低減及び燃費改善を実現し、高負荷時には回転力を増大させることができる。
【００３２】
また、図８（Ａ）の燃料噴射量−混合気形成領域容積特性に示すように混合気形成領域３０の容積が制御される場合、混合気形成領域３０内における略均一の空燃比は、低中負荷時には理論空燃比より若干リッチになり、高負荷時には低中負荷時よりさらにリッチになる。したがって、例えば冷間始動時のような触媒の早期暖気が必要な場合に排気温度を短時間で高めることができ、高負荷時には回転力を増大させることができる。
【００３３】
さらに、本実施形態の噴射弁２０は燃料の噴射広がり角度を変化させることができ、電子制御装置は燃料噴射量に応じて燃料の噴射広がり角度を変化させる広がり角度制御手段を有していてもよい。ここで、燃料の噴射広がり角度を変化させるための噴射弁の構成については、特開平１１−３５１１０３号公報に開示の構成を用いて実現でき、以下、図９，１０を用いてこの構成について説明する。
【００３４】
図９は噴射弁における噴射孔付近の先端部を示した断面図であり、図１０はそのサック部４３を取り出して示した断面図である。サック部４３には２つの噴射孔４８，４９が貫通形成されている。噴射孔４８，４９は図１０（Ｂ）、（Ｃ）の断面図に示すように広がり角度が互いに異なっており、噴射孔４８の広がり角度α１は噴射孔４９の広がり角度α２より小さい。ニードル弁４４はその先端に噴射孔選択部４５を有している。噴射孔選択部４５はサック部４３の内壁に沿って摺動可能であり、その内部には外部と連通する燃料通路５１が形成されている。ニードル弁４４は電気的または機械的駆動手段によりその位置が制御されることで、噴射孔選択部４５の位置が制御される。ニードル弁４４の外側には燃料通路５０が形成されており、ニードル弁４４の駆動により燃料が燃料通路５０から燃料通路５１へと流れ込む。図９（Ａ）に示すように、燃料通路５１と噴射孔４８とが連通するように噴射孔選択部４５の位置を制御すれば燃料は広がり角度α１で噴射され、図９（Ｂ）に示すように、燃料通路５１と噴射孔４９とが連通するように噴射孔選択部４５の位置を制御すれば燃料は広がり角度α２で噴射される。このように、噴射孔選択部４５の位置を制御して燃料通路５１と連通させる噴射孔を選択することにより、噴射広がり角度を変化させることができる。
【００３５】
広がり角度制御手段は、燃料噴射量が所定値Ｌ６以下すなわち混合気形成領域３０の容積の値が所定値Ｖ６以下の場合は、燃料通路５１と噴射孔４８とを連通させて図１１（Ａ）の上面図に示すように狭い噴射広がり角度α１で燃料が噴射されるように、噴射孔選択部４５の位置を制御する。一方、燃料噴射量が所定値Ｌ６より大きいすなわち混合気形成領域３０の容積の値が所定値Ｖ６より大きい場合は、燃料通路５１と噴射孔４９とを連通させて図１１（Ｂ）の上面図に示すように広い噴射広がり角度α２で燃料が噴射されるように、噴射孔選択部４５の位置を制御する。このように、燃料噴射量が少ないすなわち混合気形成領域３０の容積が小さい場合は狭い噴射広がり角度で燃料を噴射し、燃料噴射量が多いすなわち混合気形成領域３０の容積が大きい場合は広い噴射広がり角度で燃料を噴射することで、混合気形成領域３０内により均一に燃料を噴射することができ、広範囲の負荷の変動に対して混合気形成領域３０内の混合気濃度分布をより均一化することができる。したがって、エミッション低減の負担をさらに減らすことができる。
【００３６】
図９〜１１においては、燃料の噴射広がり角度を２段階に変化させる場合について説明しているが、同様の原理を用いて燃料の噴射広がり角度を３段階以上に変化させてもよい。
【００３７】
さらに、噴射弁２０は副室２４の周壁２４ａの異なる位置に複数備えられ、電子制御装置は混合気形成領域３０内へ噴射される燃料噴射量に応じて燃料を噴射する噴射弁２０の数を変化させる噴射弁制御手段を有していてもよい。このとき、点火プラグ２２については、噴射弁２０の各々に対応して副室２４の周壁２４ａに複数設けられ、点火に用いるプラグの数を燃料を噴射する噴射弁２０の数に応じて変化させることが好ましい。噴射弁制御手段は、図１２の上面図に示すように、燃料噴射量の増大すなわち混合気形成領域３０の容積の増大に応じて、燃料を噴射する噴射弁２０の数を増加させる。このように、混合気形成領域３０の容積の増加に応じて燃料を噴射する噴射弁２０の数を増加させるので、混合気形成領域３０内により均一に燃料を噴射することができ、広範囲の負荷の変動に対して混合気形成領域３０内の混合気濃度分布をより均一化することができる。したがって、エミッション低減の負担をさらに減らすことができる。
【００３８】
図１２においては、３つの噴射弁２０を備えた場合について説明しているが、噴射弁２０の数については任意に設定することができる。
【００３９】
また、図１３（Ａ）の側面図に示すように、ピストン１４はその頂部に突起３８を備え、上死点付近で突起３８がシリンダ１０内と副室２４とを連通する連絡口２６に収まるようにしてもよい。これによって、混合気がほとんど拡散しない連絡口２６分の容積を減少させて燃焼室中の混合気形成領域３０の割合を増やすことができるので、高負荷時にさらに高い回転力を実現できる。
【００４０】
さらに、図１３（Ｂ）の側面図に示すように、連絡口２６は副室２４側へ向かうにつれて開口面積が小さくなるテーパ形状で、ピストン１４の突起３８も上死点付近で連絡口２６に収まるようなテーパ形状であってもよい。これによって、シリンダ１０内の空気が副室２４内へ流入するときの効率を高めることができ、さらに突起３８の過熱も回避できる。
【００４１】
なお、混合気形成領域３０の容積を変化させるための構成は図２に示す構成に限るものではなく、例えば図１４〜１７の上面図に示す構成においても混合気形成領域３０の容積を変化させることができる。ただし、図１４〜１６においては、副室２４及びその周辺の構成のみ図示し、他の構成の図示を省略している。
【００４２】
図１４においては、可動ピストン２８−１，２８−２の側面にスライダ６１−１，６１−２がそれぞれ連結されており、スライダ６１−１，６１−２は周壁２４ａに設けられた開口部２４ｃを通過して副室２４外へ延びている。スライダ６１−１，６１−２はシャフト６２の回転によりシャフト軸方向に互いに逆方向に並進駆動されることで、可動ピストン２８−１，２８−２が周壁２４ａに沿って互いに逆方向に駆動される。スライダ６１−１，６１−２をシャフト軸方向に並進駆動する機構は例えばボールねじを用いることで実現でき、ねじを互いに逆方向に切ることでスライダ６１−１，６１−２の互いに逆方向の並進駆動を実現できる。シャフト６２は図示しないアクチュエータによって回転駆動される。副室２４は開口部２４ｃを介して図示しないブローバイガス回収装置と連通しており、開口部２４ｃを通って漏れてくる僅かな燃焼ガスはブローバイガス回収装置で回収される。他の構成については図２に示す構成と同様であるため説明を省略する。また、スライダ６１−１，６１−２及びシャフト６２の材料としては燃焼ガスの温度に対して十分な耐熱性を有する材料を使用することが好ましい。
【００４３】
図１５においては、可動ピストン２８−１，２８−２内部にラック７１−１，７１−２がそれぞれ連結されており、ラック７１−１，７１−２はシャフト７２−１，７２−２の略中央部に設けられたピニオン７３−１，７３−２とそれぞれ噛み合っている。シャフト７２−１，７２−２が同方向に回転駆動されることで、ラック７１−１，７１−２が互いに逆方向に並進駆動されて可動ピストン２８−１，２８−２が周壁２４ａに沿って互いに逆方向に駆動される。シャフト７２−１，７２−２は、可動ピストン２８−１，２８−２の側面をそれぞれ貫通し、さらに周壁２４ａを貫通して副室２４外へ延びている。そして、シャフト７２−１，７２−２は図示しないアクチュエータによって回転駆動される。周壁２４ａ位置でのシャフト７２−１，７２−２周囲にガスシールリング７４−１，７４−２がそれぞれ設けられており、これによって副室２４内の気密が保たれている。他の構成については図２に示す構成と同様であるため説明を省略する。また、ラック７１−１，７１−２及びシャフト７２−１，７２−２の材料としては燃焼ガスの温度に対して十分な耐熱性を有する材料を使用することが好ましい。
【００４４】
図１６においては、可動片８１及び固定片８２−１，８２−２によって副室２４が形成されている。可動片８１は副室２４内に混合気形成領域３０を形成するための仕切壁８３を備えている。可動片８１は例えば油圧シリンダ８４等のアクチュエータによって固定片８２−１，８２−２の側面に沿って並進駆動されることで、混合気形成領域３０の容積を変化させることができる。可動片８１の側面と固定片８２−１の側面の間及び可動片８１の側面と固定片８２−２の側面の間にはガスシールリング８５−１，８５−２がそれぞれ設けられており、これによって副室２４内の気密が保たれている。噴射弁２０及び点火プラグ（図示せず）は可動片８１側面の混合気形成領域３０側に設けられている。他の構成については図２に示す構成と同様であるため説明を省略する。
【００４５】
図１７においては、可動ピストン２８−１，２８−２及びスライダ６１−１，６１−２に、可動ピストンとスライダとが互いに引き合う磁石が設けられ、可動ピストン２８−１とスライダ６１−１との相対位置関係及び可動ピストン２８−２とスライダ６１−２との相対位置関係が磁力によって規定される。スライダ６１−１，６１−２はシャフト６２の回転によりシャフト軸方向に互いに逆方向に並進駆動され、スライダ６１−１，６１−２の互いに逆方向の並進駆動に連動して可動ピストン２８−１，２８−２が周壁２４ａに沿って互いに逆方向に駆動される。スライダ６１−１，６１−２をシャフト軸方向に並進駆動する機構は例えばボールねじを用いることで実現でき、ねじを互いに逆方向に切ることでスライダ６１−１，６１−２の互いに逆方向の並進駆動を実現できる。シャフト６２は図示しないアクチュエータによって回転駆動される。他の構成については図２に示す構成と同様であるため説明を省略する。
【００４６】
以上の説明においては、点火プラグにより混合気を点火させる火花点火式内燃機関の場合について説明したが、本発明の適用が可能な筒内噴射式内燃機関は火花点火式内燃機関に限るものではなく、混合気を圧縮着火させる圧縮着火式内燃機関の場合でも本発明の適用が可能である。圧縮着火式内燃機関において、燃料噴射量に応じて混合気形成領域３０の容積を変化させることにより、燃料噴射量の増減による自着火時期の変化を少なくすることができ、自着火運転範囲を大幅に広げることができる。
【００４７】
図１８，１９に示す燃料噴射量−混合気形成領域容積特性においては、部分負荷時には混合気を点火プラグにより点火させずに圧縮着火させて燃焼させる場合の特性を示している。
【００４８】
図１８（Ａ）においては、燃料噴射量が所定範囲の下限値Ｌ７より小さいときは（混合気形成領域３０の容積）／（燃料噴射量）の値が規定の一定値Ａ０より十分大きく、燃料噴射量が所定範囲Ｌ７〜Ｌ８内のときは（混合気形成領域３０の容積）／（燃料噴射量）の値が規定の一定値Ａ０にほぼ等しく、燃料噴射量が所定範囲の上限Ｌ８より大きいときは（混合気形成領域３０の容積）／（燃料噴射量）の値が規定の一定値Ａ０より小さくなる場合を示している。そして、燃料噴射量が所定範囲の下限値Ｌ７より小さいときは圧縮着火運転を行い、それ以外のときは火花点火運転を行う。図１８（Ａ）に示す特性になるように混合気形成領域３０の容積を制御する場合、混合気形成領域３０内における略均一の空燃比は、図１８（Ｂ）に示すように、低中負荷時には理論空燃比より極めてリーンになり、中負荷時にはほぼ理論空燃比となり、高負荷時には理論空燃比よりリッチになる。これによって、低中負荷時にはさらなるＮＯｘ低減及び燃費改善を実現し、高負荷時には回転力を増大させることができる。
【００４９】
図１９（Ａ）においては、燃料噴射量が所定範囲の下限値Ｌ９より小さいときは（混合気形成領域３０の容積）／（燃料噴射量）の値が規定の一定値Ａ０にほぼ等しいか若干大きく、燃料噴射量が所定範囲Ｌ９〜Ｌ１０内のときは（混合気形成領域３０の容積）／（燃料噴射量）の値が規定の一定値Ａ０より十分大きく、燃料噴射量が所定範囲Ｌ１０〜Ｌ１１内のときは（混合気形成領域３０の容積）／（燃料噴射量）の値が規定の一定値Ａ０にほぼ等しく、燃料噴射量が所定範囲の上限値Ｌ１１より大きいときは（混合気形成領域３０の容積）／（燃料噴射量）の値が規定の一定値Ａ０より小さくなる場合を示している。そして、燃料噴射量が所定範囲Ｌ９〜Ｌ１０内のときは圧縮着火運転を行い、それ以外のときは火花点火運転を行う。図１９（Ａ）に示す特性になるように混合気形成領域３０の容積を制御する場合、混合気形成領域３０内における略均一の空燃比は、図１９（Ｂ）に示すように、極低負荷時にはほぼ理論空燃比か理論空燃比より若干リーンとなり、低中負荷時には理論空燃比より極めてリーンになり、中負荷時にはほぼ理論空燃比となり、高負荷時には理論空燃比よりリッチになる。これによって、極低負荷時には燃焼を安定させ、低中負荷時にはさらなるＮＯｘ低減及び燃費改善を実現し、高負荷時には回転力を増大させることができる。
【００５０】
図２０に示す燃料噴射量−混合気形成領域容積特性においては、部分負荷時には圧縮行程途中に燃料を噴射して圧縮着火により混合気を燃焼させ、高負荷時には圧縮行程末期に燃料を噴射してディーゼル燃焼させる場合の特性の一例を示している。図２０（Ａ）においては、燃料噴射量が所定値Ｌ１２以下のときは（混合気形成領域３０の容積）／（燃料噴射量）の値が規定の一定値Ａ０より十分大きく、燃料噴射量が所定値Ｌ１２より大きいときは（混合気形成領域３０の容積）／（燃料噴射量）の値が、規定の一定値Ａ０より大きく、かつ燃料噴射量が所定値Ｌ１２以下のときの値より小さくなる場合を示している。そして、燃料噴射量が所定値Ｌ１２以下のときは圧縮行程途中に燃料を噴射して圧縮着火により混合気を燃焼させ、それ以外のときは圧縮行程末期に燃料を噴射してディーゼル燃焼させる。図２０（Ａ）に示す特性になるように混合気形成領域３０の容積を制御する場合、混合気形成領域３０内における略均一の空燃比は、図２０（Ｂ）に示すように、低中負荷時には理論空燃比より極めてリーンになり、高負荷時には低中負荷時よりリッチで理論空燃比よりリーンになる。これによって、低中負荷時にはさらなるＮＯｘ低減及び燃費改善を実現できる。
【００５１】
圧縮着火式内燃機関においても、圧縮行程における噴射弁２０からの燃料噴射タイミングについては、機関回転速度に応じて変化させてもよい。例えば、図２１（Ａ）に示すように、圧縮行程途中に燃料を噴射して圧縮着火運転を行う機関回転速度の範囲内において、高回転になるとともに燃料噴射タイミングを早めることにより、濃度分布の略均一な混合気の形成を確保することができる。なお、圧縮着火運転を行う機関回転速度の範囲を超えた場合は、燃料噴射タイミングを圧縮行程末期まで遅らせてディーゼル燃焼による運転に切り換える。
【００５２】
さらに、噴射弁２０からの燃料噴射タイミングを負荷に応じて変化させてもよく、例えば、図２１（Ｂ）に示すように、圧縮行程途中に燃料を噴射して圧縮着火運転を行う負荷の範囲内において、負荷の増大とともに燃料噴射タイミングを早めることにより、濃度分布の略均一な混合気の形成を確保することができる。なお、圧縮着火運転を行う負荷の範囲を超えた場合は、燃料噴射タイミングを圧縮行程末期まで遅らせてディーゼル燃焼による運転に切り換える。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、燃焼室内に容積可変の混合気形成領域を形成し、噴射弁から混合気形成領域内へ噴射される燃料噴射量に応じて混合気形成領域の容積を制御することにより、部分負荷時の燃費改善を確保すると同時にエミッション低減の負担を減らすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る筒内噴射式内燃機関の内部構成の概略を示す側面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る筒内噴射式内燃機関の内部構成の概略を示す上面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る筒内噴射式内燃機関の圧縮行程を説明する図である。
【図４】本発明の実施形態における燃料噴射タイミング制御の一例を説明する図である。
【図５】本発明の実施形態における燃料噴射量−混合気形成領域容積特性の一例を示す図である。
【図６】本発明の実施形態における燃料噴射量−混合気形成領域容積特性の一例を示す図である。
【図７】本発明の実施形態における燃料噴射量−混合気形成領域容積特性の一例を示す図である。
【図８】本発明の実施形態における燃料噴射量−混合気形成領域容積特性の一例を示す図である。
【図９】本発明の他の実施形態に用いられる噴射弁の構成を示す断面図である。
【図１０】本発明の他の実施形態に用いられる噴射弁の構成を示す断面図である。
【図１１】本発明の他の実施形態に用いられる噴射弁の構成を示す断面図である。
【図１２】本発明の他の実施形態に係る筒内噴射式内燃機関の動作を説明する上面図である。
【図１３】本発明の他の実施形態に係る筒内噴射式内燃機関の動作を説明する上面図である。
【図１４】本発明の実施形態における混合気形成領域の容積を変化させる他の構成の概略を示す上面図である。
【図１５】本発明の実施形態における混合気形成領域の容積を変化させる他の構成の概略を示す上面図である。
【図１６】本発明の実施形態における混合気形成領域の容積を変化させる他の構成の概略を示す上面図である。
【図１７】本発明の実施形態における混合気形成領域の容積を変化させる他の構成の概略を示す上面図である。
【図１８】本発明の他の実施形態における燃料噴射量−混合気形成領域容積特性の一例を示す図である。
【図１９】本発明の他の実施形態における燃料噴射量−混合気形成領域容積特性の一例を示す図である。
【図２０】本発明の他の実施形態における燃料噴射量−混合気形成領域容積特性の一例を示す図である。
【図２１】本発明の他の実施形態における燃料噴射タイミング制御の一例を説明する図である。
【符号の説明】
２０　噴射弁、２２　点火プラグ、２４　副室、２８−１，２８−２　可動ピストン、３０　混合気形成領域。
【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】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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