(57)【要約】【課題】予混合圧縮自着火燃焼方式の有する優れた特徴を損なうことなく、高負荷条件での運転を可能とする。【解決手段】２サイクルエンジンの誘発自着火燃焼運転では、第１の燃料噴射によって第１の混合気を形成し、第２の燃料噴射によって第２の混合気を点火プラグ１３６の近傍に形成した後に、点火プラグ１３６の点火で第２の混合気を燃焼させて第１の混合気の自着火を誘発させる。燃料噴射弁１４は、シリンダヘッド１３０のほぼ中央に設けられ、燃料を吸気弁１３２寄りの方向に噴射するように構成されており、点火プラグ１３６は吸気弁１３２の近傍に設けられている。吸気経路には、逆タンブル流を発生させるための逆タンブル流付与部（マスク壁１３８）が設けられている。また、ピストン１４４の頂部の吸気弁１３２寄りの位置には、第２の混合気を逆タンブル流に従って点火プラグ１３６の近傍に誘導するための凹部２００が形成されている。【選択図】  図５
2004245171.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自着火運転が可能な内燃機関であって、
シリンダとピストンとで構成される燃焼室と、
前記燃焼室内に燃料を直接噴射するための燃料噴射弁と、
前記シリンダのヘッド部に設けられた吸気弁および排気弁と、
前記シリンダのヘッド部に設けられた点火プラグと、
前記内燃機関の運転を制御するための制御部と、
を備え、
前記制御部は、２サイクル運転モードとして、前記燃料噴射弁からの第１の燃料噴射によって前記ピストンの上昇に伴う圧力上昇では自着火しない第１の混合気を形成し、前記燃料噴射弁からの第２の燃料噴射によって前記第１の混合気中に燃料濃度のより高い第２の混合気を前記点火プラグの近傍に形成した後に、前記点火プラグを点火させ前記第２の混合気を燃焼させることによって前記第１の混合気の自着火を誘発させる２サイクル誘発自着火運転モードを有しており、
前記燃料噴射弁は、前記シリンダのヘッド部のほぼ中央に設けられて、燃料を前記吸気弁寄りの方向に噴射するように構成されており、
前記点火プラグは、前記吸気弁の近傍に設けられており、
吸気経路に、前記吸気経路を介して前記燃焼室内に導入される吸気流に偏りを生じさせて前記燃焼室内に逆タンブル流を発生させるための逆タンブル流付与部が設けられており、
前記ピストンの頂部の前記吸気弁寄りの位置に、前記２サイクル誘発自着火運転モードにおいて前記第２の混合気を前記逆タンブル流に従って前記点火プラグの近傍に誘導するための凹部が形成されている、内燃機関。
【請求項２】
請求項１記載の内燃機関であって、
前記凹部の内表面は、前記シリンダの中心軸と、前記吸気弁から前記排気弁に向かう方向と、の両方にほぼ垂直な軸を中心とする円筒面を有するように形成されている、内燃機関。
【請求項３】
請求項１または２記載の内燃機関であって、
前記ピストンの頂部の前記排気弁寄りの位置に、前記ピストンが上死点近傍に到達したときに前記吸気弁側に向かうスキッシュ流を発生させるスキッシュ部が設けられている、内燃機関。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の内燃機関であって、
前記燃料噴射弁は、比較的噴霧貫徹力の弱い型式の燃料噴射弁である、内燃機関。
【請求項５】
請求項４記載の内燃機関であって、
前記燃料噴射弁は、ホロコーン型または多孔衝突噴霧型の燃料噴射弁である、内燃機関。
【請求項６】
自着火運転が可能な内燃機関であって、
シリンダとピストンとで構成される燃焼室と、
前記燃焼室内に燃料を直接噴射するための燃料噴射弁と、
前記シリンダのヘッド部に設けられた吸気弁および排気弁と、
前記シリンダのヘッド部に設けられた点火プラグと、
前記内燃機関の運転を制御するための制御部と、
を備え、
前記制御部は、４サイクル運転モードとして、前記燃料噴射弁からの第１の燃料噴射によって前記ピストンの上昇に伴う圧力上昇では自着火しない第１の混合気を形成し、前記燃料噴射弁からの第２の燃料噴射によって前記第１の混合気中に燃料濃度のより高い第２の混合気を前記点火プラグの近傍に形成した後に、前記点火プラグを点火させ前記第２の混合気を燃焼させることによって前記第１の混合気の自着火を誘発させる４サイクル誘発自着火運転モードを有しており、
前記燃料噴射弁は、前記シリンダのヘッド部のほぼ中央に設けられて、燃料を前記排気弁寄りの方向に噴射するように構成されており、
前記点火プラグは、前記排気弁の近傍に設けられており、
前記ピストンの頂部の前記排気弁寄りの位置に、前記４サイクル誘発自着火運転モードにおいて前記第２の混合気を前記点火プラグの近傍に誘導するための凹部が形成されている、内燃機関。
【請求項７】
請求項６記載の内燃機関であって、
前記凹部の内表面は、前記ピストンの中心から前記点火プラグの直下に相当する位置に向けて下降する傾斜面を有する、内燃機関。
【請求項８】
請求項６または７記載の内燃機関であって、
前記燃料噴射弁は、比較的噴霧貫徹力の強い型式の燃料噴射弁である、内燃機関。
【請求項９】
請求項８記載の内燃機関であって、
前記燃料噴射弁は、ファンスプレー型、中実コーン型、または、スリット型の燃料噴射弁である、内燃機関。
【請求項１０】
請求項６ないし９のいずれかに記載の内燃機関であって、前記シリンダの前記ヘッド部と前記ピストン頂部の前記凹部とのうちの少なくとも一方において、前記点火プラグの近傍の位置に、前記第２の混合気を滞留させるための滞留部が設けられている、内燃機関。
【請求項１１】
自着火運転が可能な内燃機関であって、
シリンダとピストンとで構成される燃焼室と、
前記燃焼室内に燃料を直接噴射するための燃料噴射弁と、
前記シリンダのヘッド部に設けられた吸気弁および排気弁と、
前記シリンダのヘッド部に設けられた点火プラグと、
前記内燃機関の運転を制御するための制御部と、
を備え、
前記制御部は、４サイクル運転モードとして、前記燃料噴射弁からの第１の燃料噴射によって前記ピストンの上昇に伴う圧力上昇では自着火しない第１の混合気を形成し、前記燃料噴射弁からの第２の燃料噴射によって前記第１の混合気中に燃料濃度のより高い第２の混合気を前記点火プラグの近傍に形成した後に、前記点火プラグを点火させ前記第２の混合気を燃焼させることによって前記第１の混合気の自着火を誘発させる４サイクル誘発自着火運転モードを有しており、
前記燃料噴射弁は、前記シリンダのヘッド部のほぼ中央に設けられて、燃料を前記排気弁寄りの方向に噴射するように構成された比較的噴霧貫徹力の弱い型式の燃料噴射弁であり、
前記点火プラグは、前記排気弁の近傍に設けられており、
前記シリンダに形成されている吸気ポートは、前記燃焼室内に正タンブル流を発生させるように構成されており、
前記ピストンの頂部は、前記４サイクル誘発自着火運転モードにおいて、前記第２の燃料噴射で噴射された燃料噴霧を前記正タンブル流に従って前記点火プラグの近傍に誘導するように、略平坦に形成されている、内燃機関。
【請求項１２】
請求項１１記載の内燃機関であって、
前記燃料噴射弁は、ホロコーン型または多孔衝突噴霧型燃料噴射弁である、内燃機関。
【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て自着火させる自着火運転が可能な内燃機関に関する。
【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】
ここで、燃料を燃焼させるために現在採用されている方式は、次の２つの方式に大別される。１つめの方式は、いわゆるガソリンエンジンのように、燃焼室内に燃料と空気との混合気を予め形成しておき、この混合気中で火花を飛ばして燃焼させる方式である。火花を飛ばして混合気の一部に着火すると、火炎が周囲の混合気に速やかに燃え広がるので、燃焼室全体の混合気を燃焼させることができる。こうした燃焼方式は、燃焼室内に予め形成しておいた混合気に火花を飛ばして点火することから、「予混合火花点火燃焼方式」と呼ばれる。２つめの燃焼方式は、いわゆるディーゼルエンジンのように、燃焼室内で空気を高圧に圧縮し、この圧縮空気中に燃料液滴を噴射して燃焼させる方式である。圧縮された空気は高温となっているので、燃焼室内に噴射された燃料液滴の表面からは直ちに燃料が蒸発し、周囲の高温高圧の空気と混合して自着火する。この自着火による影響で更に燃料液滴の蒸発が促進されて、燃料液滴全体の燃焼を速やかに完了させることができる。こうした燃焼方式は、圧縮されて高温になった空気中で、燃料液滴から燃料蒸気が拡散しながら自着火によって燃焼が開始されるので、「圧縮自着火拡散燃焼方式」あるいは単に「拡散燃焼方式」と呼ばれる。
【０００４】
近年では、地球環境を保護するために、混合気の燃焼によって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。
【０００５】
これらの要請に応えるべく、内燃機関は種々の局面で改良および研究が行われているが、予混合火花点火燃焼方式あるいは拡散燃焼方式に代わる新たな燃焼方式も模索されている。このような新たな燃焼方式の一つとして、燃焼室内に混合気を形成しておき、これを圧縮して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）がある（例えば、特許文献１，２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、原理的には、排気ガス中に含まれる大気汚染物質の排出量と燃料消費量とを同時に、しかも大幅に低減することが可能と考えられている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−３８００号公報
【特許文献２】特開２００１−２５４６６０号公報
【特許文献３】特開平６−４２３５２号公報
【特許文献４】特開平１０−１３１７５８号公報
【特許文献５】特開平１１−１８２２４７号公報
【特許文献６】実用新案登録第２５７２４５０号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、予混合圧縮自着火燃焼方式の内燃機関は、高負荷条件で運転すると強い過早着火による大きな燃焼音が発生してしまい、内燃機関を広い負荷範囲で運転することができないという問題がある。すなわち、高負荷条件で運転しようとして燃料の供給量を増加させると、圧縮中に混合気が一気に燃焼してしまい、大きな燃焼音が発生するので運転者に不快感を与えるだけでなく、そのまま運転を継続すると最悪の場合には内燃機関にダメージを与えるおそれがある。このため、予混合圧縮自着火燃焼方式の内燃機関は、使用可能な運転条件が負荷の低い条件に限られてしまうという問題がある。
【０００８】
この発明は、従来技術における上述の課題を解決するためになされたものであり、予混合圧縮自着火燃焼方式の有する優れた特徴を損なうことなく、高負荷条件での運転を可能とする技術の提供を目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明による第１の内燃機関は、自着火運転が可能な内燃機関であって、
シリンダとピストンとで構成される燃焼室と、
前記燃焼室内に燃料を直接噴射するための燃料噴射弁と、
前記シリンダのヘッド部に設けられた吸気弁および排気弁と、
前記シリンダのヘッド部に設けられた点火プラグと、
前記内燃機関の運転を制御するための制御部と、
を備え、
前記制御部は、２サイクル運転モードとして、前記燃料噴射弁からの第１の燃料噴射によって前記ピストンの上昇に伴う圧力上昇では自着火しない第１の混合気を形成し、前記燃料噴射弁からの第２の燃料噴射によって前記第１の混合気中に燃料濃度のより高い第２の混合気を前記点火プラグの近傍に形成した後に、前記点火プラグを点火させ前記第２の混合気を燃焼させることによって前記第１の混合気の自着火を誘発させる２サイクル誘発自着火運転モードを有しており、
前記燃料噴射弁は、前記シリンダのヘッド部のほぼ中央に設けられて、燃料を前記吸気弁寄りの方向に噴射するように構成されており、
前記点火プラグは、前記吸気弁の近傍に設けられており、
吸気経路に、前記吸気経路を介して前記燃焼室内に導入される吸気流に偏りを生じさせて前記燃焼室内に逆タンブル流を発生させるための逆タンブル流付与部が設けられており、
前記ピストンの頂部の前記吸気弁寄りの位置に、前記２サイクル誘発自着火運転モードにおいて前記第２の混合気を前記逆タンブル流に従って前記点火プラグの近傍に誘導するための凹部が形成されている。
【００１０】
第１の内燃機関では、１回目の燃料噴射で形成される第１の混合気はピストンの上昇に伴う圧力上昇のみでは自着火しないので、高負荷の運転条件における過早着火を防止することができる。また、２回目の燃料噴射では点火プラグの近傍に燃料濃度のより高い第２の混合気が形成されるので、点火プラグの点火によってこの第２の混合気に着火することができ、これによって第１の混合気を圧縮させて自着火を誘発することができる。従って、高負荷の運転条件でも過早着火を発生させることなく自着火燃焼を行うことが可能である。また、ピストン頂部に凹部を設けるとともに、逆タンブル流付与部によって燃焼室内に逆タンブル流を発生させるので、これらの作用によって第２の混合気を点火プラグの近傍に誘導することができる。この結果、点火プラグの点火による第２の混合気の着火をより確実に行うことができる。
【００１１】
上記第１の内燃機関において、前記凹部の内表面は、前記シリンダの中心軸と、前記吸気弁から前記排気弁に向かう方向と、の両方にほぼ垂直な軸を中心とする円筒面を有するように形成されていることが好ましい。
【００１２】
この構成によれば、円筒面によって逆タンブル流が維持されるので、第２の混合気を点火プラグ近傍により効率的に誘導することが可能である。
【００１３】
また、第１の内燃機関において、前記ピストンの頂部の前記排気弁寄りの位置に、前記ピストンが上死点近傍に到達したときに前記吸気弁側に向かうスキッシュ流を発生させるスキッシュ部が設けられているようにしてもよい。
【００１４】
この構成によれば、スキッシュ流の作用によって、第２の混合気を点火プラグ近傍により効率的に誘導することが可能である。
【００１５】
なお、前記燃料噴射弁は、比較的噴霧貫徹力の弱い型式の燃料噴射弁であることが好ましく、このような燃料噴射弁としては、ホロコーン型または多孔衝突噴霧型の燃料噴射弁を採用可能である。
【００１６】
比較的噴霧貫徹力の弱い燃料噴射弁を採用すれば、第２の混合気が逆タンブル流に従って流れ易くなるので、第２の混合気を点火プラグ近傍により確実に誘導することができる。
【００１７】
本発明による第２の内燃機関は、自着火運転が可能な内燃機関であって、
シリンダとピストンとで構成される燃焼室と、
前記燃焼室内に燃料を直接噴射するための燃料噴射弁と、
前記シリンダのヘッド部に設けられた吸気弁および排気弁と、
前記シリンダのヘッド部に設けられた点火プラグと、
前記内燃機関の運転を制御するための制御部と、
を備え、
前記制御部は、４サイクル運転モードとして、前記燃料噴射弁からの第１の燃料噴射によって前記ピストンの上昇に伴う圧力上昇では自着火しない第１の混合気を形成し、前記燃料噴射弁からの第２の燃料噴射によって前記第１の混合気中に燃料濃度のより高い第２の混合気を前記点火プラグの近傍に形成した後に、前記点火プラグを点火させ前記第２の混合気を燃焼させることによって前記第１の混合気の自着火を誘発させる４サイクル誘発自着火運転モードを有しており、
前記燃料噴射弁は、前記シリンダのヘッド部のほぼ中央に設けられて、燃料を前記排気弁寄りの方向に噴射するように構成されており、
前記点火プラグは、前記排気弁の近傍に設けられており、
前記ピストンの頂部の前記排気弁寄りの位置に、前記４サイクル誘発自着火運転モードにおいて前記第２の混合気を前記点火プラグの近傍に誘導するための凹部が形成されている。
【００１８】
この第２の内燃機関においても、第１の内燃機関と同様に、点火プラグの点火によって第２の混合気に着火し、これによって第１の混合気を圧縮させて自着火を誘発することができる。従って、高負荷の運転条件でも過早着火を発生させることなく自着火燃焼を行うことが可能である。また、ピストン頂部の排気弁寄りの位置に凹部を設けているので、この凹部によって第２の混合気を点火プラグの近傍に誘導することができる。この結果、点火プラグの点火による第２の混合気の着火をより確実に行うことができる。
【００１９】
上記第２の内燃機関において、前記凹部の内表面は、前記ピストンの中心から前記点火プラグの直下に相当する位置に向けて下降する傾斜面を有することが好ましい。
【００２０】
この構成によれば、第２の混合気が凹部の傾斜面に沿って下降して行くことによって点火プラグの近傍に誘導されるので、第２の混合気をより確実に点火プラグの近傍に誘導することができる。
【００２１】
なお、第２の内燃機関の燃料噴射弁は、比較的噴霧貫徹力の強い型式の燃料噴射弁であることが好ましく、このような燃料噴射弁としては、ファンスプレー型、中実コーン型、または、スリット型の燃料噴射弁を採用可能である。
【００２２】
比較的噴霧貫徹力の強い燃料噴射弁を採用すれば、タンブル流の存在下でも、第２の混合気をピストン頂部の凹部の内表面付近までに到達させることができ、この凹部に沿って第２の混合気を点火プラグ近傍に誘導することができる。
【００２３】
なお、第２の内燃機関において、前記シリンダの前記ヘッド部と前記ピストン頂部の前記凹部とのうちの少なくとも一方において、前記点火プラグの近傍の位置に、前記第２の混合気を滞留させるための滞留部が設けられているようにしてもよい。
【００２４】
この構成によれば、点火プラグ近傍に第２の混合気をより確実に滞留させることができる。従って、より少ない燃料で確実に着火させることが可能である。
【００２５】
本発明による第３の内燃機関は、自着火運転が可能な内燃機関であって、
シリンダとピストンとで構成される燃焼室と、
前記燃焼室内に燃料を直接噴射するための燃料噴射弁と、
前記シリンダのヘッド部に設けられた吸気弁および排気弁と、
前記シリンダのヘッド部に設けられた点火プラグと、
前記内燃機関の運転を制御するための制御部と、
を備え、
前記制御部は、４サイクル運転モードとして、前記燃料噴射弁からの第１の燃料噴射によって前記ピストンの上昇に伴う圧力上昇では自着火しない第１の混合気を形成し、前記燃料噴射弁からの第２の燃料噴射によって前記第１の混合気中に燃料濃度のより高い第２の混合気を前記点火プラグの近傍に形成した後に、前記点火プラグを点火させ前記第２の混合気を燃焼させることによって前記第１の混合気の自着火を誘発させる４サイクル誘発自着火運転モードを有しており、
前記燃料噴射弁は、前記シリンダのヘッド部のほぼ中央に設けられて、燃料を前記排気弁寄りの方向に噴射するように構成された比較的噴霧貫徹力の弱い型式の燃料噴射弁であり、
前記点火プラグは、前記排気弁の近傍に設けられており、
前記シリンダに形成されている吸気ポートは、前記燃焼室内に正タンブル流を発生させるように構成されており、
前記ピストンの頂部は、前記４サイクル誘発自着火運転モードにおいて、前記第２の燃料噴射で噴射された燃料噴霧を前記正タンブル流に従って前記点火プラグの近傍に誘導するように、略平坦に形成されている。
【００２６】
この第３の内燃機関においても、第１や第２の内燃機関と同様に、点火プラグの点火によって第２の混合気に着火し、これによって第１の混合気を圧縮させて自着火を誘発することができる。従って、高負荷の運転条件でも過早着火を発生させることなく自着火燃焼を行うことが可能である。また、燃料噴射弁として比較的貫徹力の弱いものを採用しているので、２回目の燃料噴射によって形成される第２の混合気が、正タンブル流に従って燃料噴射弁から点火プラグ近傍の方向に誘導される。このとき、第２の混合気が燃料噴射弁から点火プラグ近傍に移動する時間が短いので、燃料の拡散が減少し、比較的少ない燃料で点火プラグ近傍に点火可能な第２の混合気を形成することができる。また、ピストン頂部に凹部が形成されていないので、燃焼室内の混合気がより均一となり、燃料の壁面付着を低減することができるので、燃料の壁面付着に起因するＨＣ（未燃燃料）やスモークの発生を低減することができる。
【００２７】
第３の内燃機関において、前記燃料噴射弁としては、ホロコーン型または多孔衝突噴霧型の燃料噴射弁を採用することができる。
【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、内燃機関エンジン）やその運転方法等の態様で実現することができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．誘発自着火燃焼方式の概要：
Ｂ．第１実施例：
Ｃ．第２実施例：
Ｄ．第３実施例：
Ｅ．第４実施例：
Ｆ．変形例：
【００３０】
Ａ．誘発自着火燃焼方式の概要：
本願の発明者は、予混合圧縮自着火燃焼方式の備える優れた特性を活用すべく、長年研究開発を行ってきたが、この燃焼方式に更なる改良を加えることで、高負荷条件でも運転可能とする新たな燃焼方式を開発した。本明細書中では、新たに開発した燃焼方式を「誘発自着火燃焼方式」と呼ぶことにする。誘発自着火燃焼方式を内燃機関に適用すれば、後述するように、高負荷条件の下でも過早着火を起こすことなく運転することが可能となり、しかも予混合圧縮自着火燃焼方式の備える優れた特長は、ほとんど損われることがない。以下では、理解の便宜から先ず初めに「誘発自着火燃焼方式」の概要について説明し、その後、この燃焼方式を内燃機関に適用した各種実施例について説明する。
【００３１】
図１は、誘発自着火燃焼方式を適用した内燃機関の動作の概要を、一例を取って説明する説明図である。いわゆる４サイクル式の内燃機関は、燃焼室Ａ内でピストンＢを上下動させ、これに同期して吸気バルブＣおよび排気バルブＤを開閉させながら、燃料と空気との混合気を燃焼させることによって動力を取り出している。図１には、４サイクル機関の４つの行程、すなわち吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程の４つの行程を、左から右に向かって順番に表示している。また、誘発自着火燃焼方式では、負荷に応じて運転形態を切り換える。図１の上段には、負荷の低い条件での運転形態を示し、下段には負荷の高い条件での運転形態を示している。尚、図１では理解の便宜から、内燃機関は４サイクル機関であるものとしたが、後述するように誘発自着火燃焼方式は４サイクル機関に限らず、２サイクル機関あるいは６サイクル機関など異なる方式の内燃機関に適用することも可能である。
【００３２】
初めに、図１の上段を参照しながら、負荷が低い条件での運転形態について説明する。ピストンＢが一番上にある状態から、吸気バルブＣを開きながらピストンＢを降下させると、吸気バルブＣから燃焼室Ａ内に空気が流入して吸気行程が開始される。図１では、吸気バルブＣから燃焼室Ａ内に空気が流入する様子を矢印で表示している。吸気行程では、空気の流入に合わせて、燃焼室Ａ内に設けた燃料噴射弁Ｅから燃料噴霧を噴射してやる。図１では、噴射された燃料噴霧をハッチングを付して表示している。噴射された燃料噴霧は、吸入空気とともに燃焼室Ａで攪拌され、燃焼室内にほぼ均一な密度で分散して混合気を形成する。
【００３３】
ピストンＢが一番下まで下がりきるのに合わせて吸気バルブＣを閉じ、ピストンＢを上昇させて圧縮行程を開始する。圧縮行程では吸気バルブＣも排気バルブＤも閉じられており、燃焼室Ａ内に形成された混合気は断熱圧縮されるので、ピストンＢの上昇とともに急激に温度が上昇していく。そして、ほぼピストンＢが上がりきった時点で混合気は発火温度に達し、燃焼室Ａ内の混合気がほぼ同時に燃え始めて、速やかに燃焼が完了する。燃焼室Ａ内の圧力は、混合気の燃焼によって更に高くなり、その結果、ピストンＢを強い力で押し下げようとする。圧縮行程に続く膨張行程では、ピストンＢを降下させながら、ピストンＢが受ける力を動力に変換して外部に出力する。
【００３４】
ピストンＢが下がりきってしまうと、それ以上は動力を取り出すことができないので、排気バルブＤを開いてピストンＢを上昇させ、排気行程を開始する。排気行程では、燃焼室内で混合気が燃焼したことによって発生した燃焼生成物が、排気ガスとして排気バルブＤから外部に排出される。燃焼生成物には、二酸化炭素や水蒸気の他、窒素酸化物、未燃の炭化水素、一酸化炭素、ススなどが含まれている。図１では、これら燃焼生成物が、排気バルブＤから排気ガスとして排出される様子を矢印で表示している。こうしてピストンＢが上がりきって、ほぼ全ての排気ガスを排出したら、排気バルブＤを閉じる。そして、吸気バルブＣを開きながらピストンＢを降下させると、再び吸気行程が開始される。
【００３５】
このように、低負荷運転領域では、燃焼室内に燃料と空気との混合気を形成し、これを圧縮自着火させて動力を発生させる。詳細には後述するが、こうすることで、燃焼による大気汚染物質の排出量および燃料消費量を、ともに大きく減少させることが可能である。この低負荷条件での運転形態は、いわゆる予混合圧縮自着火燃焼方式として提案されている運転形態と基本的には同じである。
【００３６】
次に、高負荷条件での運転形態（誘発自着火燃焼方式）について説明する。図１の下段には、内燃機関が高負荷条件で運転されているときの４つの行程が、左から順番に示されている。先ず、吸気行程においては、吸気バルブＣを開いてピストンＢを降下することによって燃焼室Ａ内に空気を吸入する。高負荷時においても、吸気行程では、空気の流入に合わせて燃料噴射弁Ｅから燃料噴霧を噴射することで、燃焼室Ａ内に混合気を形成してやる。ここで、高負荷時に形成される混合気の空気過剰率は、低負荷時に形成される混合気の空気過剰率よりも大きな値となるように（燃料の密度が小さくなるように）、燃料の噴射量が設定されている。すなわち、低負荷時に形成される混合気は、ピストンＢが上昇したときに、混合気が圧縮されて自着火するような空気過剰率に設定されているが、高負荷時の混合気は、ピストンＢの上昇による圧縮では自着火しないように、低負荷時の空気過剰率よりも大きな空気過剰率に設定されている。
【００３７】
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。混合気中で空気量と燃料量との割合を示す指標として良く使用される空燃比は、燃料量に対する空気量の重量比によって空気量と燃料量との比率を表しているのに対して、空気過剰率は、空気と燃料とが過不足無く燃焼するような割合を基準として、空気量と燃料量との比率を表現する。燃料の重量は燃料の種類によって変わるから、空気に対して同じように燃料を供給しても空燃比は異なった値を取るのに対し、空気過剰率を用いれば、燃料の種類によらずに空気量と燃料量との割合を表示することが可能である。例えば、どのような燃料を用いた場合でも、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いる。また、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。
【００３８】
ピストンＢが、ほぼ一番下まで下がるのに合わせて吸気バルブＣを閉じ、次いでピストンＢを上昇させて、燃焼室Ａ内に形成した混合気の圧縮を開始する。低負荷時には、このままピストンＢを上昇させて混合気を自着火させたが、高負荷時には、圧縮行程の半ば以降に、燃料噴射弁Ｅから追加の燃料を燃焼室Ａ内に噴射する。こうして追加の燃料を噴射する結果、燃焼室Ａ内には、吸気行程で形成した燃料の密度の薄い（すなわち空気過剰率の大きい）ままの混合気の領域と、追加の燃料が噴射されて燃料の密度が局部的に濃くなった（すなわち空気過剰率が小さくなった）混合気の領域とが形成される。ピストンＢはそのまま上昇を続け、こうして燃焼室Ａ内に形成された２つの領域は、互いに混じり合うだけの時間の無いまま圧縮される。図１の下段の圧縮行程では、吸気行程で形成した混合気中に燃料噴射弁Ｅ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。図中に荒いハッチングを付した部分は、吸気行程中に形成された燃料の密度の薄い混合気を模式的に表したものである。また、燃料噴射弁Ｅから噴射された燃料噴霧は、細かいハッチングを付して表している。
【００３９】
ピストンＢがほぼ一番上に上がりきった頃合いの適切なタイミングを見計らって火花を飛ばし、追加の燃料が噴射された領域の混合気に点火してやる。すると、点火によって形成された火炎は、追加の燃料が噴射された領域に半ば選択的に燃え広がって、この領域の混合気を速やかに燃焼させる。混合気が燃える速度は空気過剰率の影響を強く受けており、燃焼速度が最も速くなる最適な空気過剰率が存在する。前述したように吸気行程中に形成した混合気は、ピストンＢの圧縮によっては自着火しない程度に大きな空気過剰率に設定されているので、追加の燃料が噴射された領域は、追加の燃料が届かなかった領域よりも燃焼し易い空気過剰率となっている。このことから、点火によって形成された火炎は、先ず初めに、追加の燃料が噴射された領域の混合気を選択的に且つ速やかに燃焼させる。こうして混合気の一部が速やかに燃焼すると、これに伴って燃焼室Ａ内の圧力が速やかに上昇し、吸気行程中に形成した空気過剰率の大きな混合気の温度が上昇して自着火温度に達するため、その混合気がほぼ同時に自着火する。その結果、燃焼室Ａ内に形成された全ての混合気を速やかに燃焼させることができる。
【００４０】
なお、複数回の燃料噴射によって点火プラグ１３６の近傍に局所的に燃料濃度のより高い混合気を形成する燃焼方式は、「成層燃焼」とも呼ばれている。
【００４１】
２回目の燃料噴射で噴射される燃料量は、その燃焼によって空気過剰率の大きな混合気を断熱圧縮して自着火させる分量で足りる。従って、２回目の燃料噴射では、１サイクルでの全噴射燃料量の２〜１５％の燃料を噴射すれば十分であり、特に３％〜７％の燃料を噴射することが好ましい。また、１回目の燃料噴射で形成される混合気の空気過剰率は、約２〜約３の範囲に設定されることが好ましく、２回目の燃料噴射で形成される局所的な混合気の空気過剰率は約１．３〜約１．７の範囲に設定されることが好ましい。これから理解できるように、２回目の燃料噴射で形成されるより濃度の高い局所的な第２の混合気も、空気過剰率が１よりも大きなリーン混合気である。
【００４２】
こうして燃焼室Ａ内の混合気が燃焼すると、ピストンＢは押し下げられる方向に強い力を受けることになる。続く膨張行程では、ピストンＢを降下させながら、ピストンＢが受ける力を動力に変換して外部に出力する。そして、ピストンＢが下がりきってしまうと、排気バルブＤを開いてピストンＢを上昇させ、排気バルブＤから排気ガスを排出させる。ピストンＢが上がりきって、ほぼ全ての排気ガスを排出したら、排気バルブＤを閉じて排気行程を終了する。
【００４３】
このように誘発自着火燃焼方式では、高負荷時には、ピストンの上昇によっては自着火しない空気過剰率の大きな混合気と、これよりは燃料の密度の濃い（空気過剰率の小さい）混合気とを形成する。そして、火花を飛ばして空気過剰率の小さな混合気を燃焼させ、燃焼による圧力上昇で空気過剰率の大きな混合気を圧縮して自着火させる。こうすれば、混合気の燃焼開始を火花を飛ばす時期によって制御することが可能であり、従って高負荷運転時であっても、燃焼開始時期を適切に制御してやることで過早着火による大きな燃焼騒音の発生を回避することができる。
【００４４】
火花によって点火されて初めに燃焼する混合気は、追加の燃料が噴射されて空気過剰率が小さくなっており速やかに燃焼するので、燃焼室内の圧力を速やかに上昇させ、吸気行程中に形成した混合気を効果的に圧縮して自着火させることができる。加えて、火花を飛ばして燃焼を開始するのは、ピストンがほぼ上がりきった付近の燃焼室容積が最も小さくなる付近であり、わずかな混合気を燃焼させるだけで燃焼室内圧力を効果的に上昇させることができる。すなわち、圧縮行程の半ば以降に追加で噴射する燃料は、全体の燃料量に対して僅かな分量で良く、大部分の燃料は、低負荷運転時と同様に自着火して燃焼させることができる。このため、大気汚染物質の排出量および燃焼消費量の大幅な低減という低負荷運転時に得られる効果をほとんど損なうことなく、高負荷条件で運転することが可能となる。
【００４５】
図２は、２サイクルガソリンエンジンの動作を概念的に示した説明図である。前述した４サイクル式のガソリンエンジンとは異なり、２サイクル式のガソリンエンジンは掃気行程と呼ばれる独特な行程を有している。更に、２サイクルエンジンは、クランクシャフトが１回転する間に１サイクルが完了する点でも４サイクルエンジンとは異なっている。そこで、理解の便宜を図るため、まず一般的な２サイクル式ガソリンエンジンの動作について、図２を参照しながら簡単に説明しておく。
【００４６】
図２（ａ）〜（ｆ）には、２サイクルエンジンの膨張、排気、掃気、吸気、圧縮の動作が概念的に示されている。２サイクルエンジンでは、シリンダ１４２内でピストン１４４を上下動させながら、吸気バルブ１３２および排気弁１３４の２つのバルブを適切なタイミングで開閉させることにより、これらの行程を次々と切り換えていく。
【００４７】
説明の都合上、点火プラグ１３６で混合気に点火して、燃焼室内の混合気を燃焼させた状態から説明する。混合気を燃焼させると、燃焼室内には高圧の燃焼ガスが発生してピストンを押し下げようとする。図２（ａ）に示すように膨張行程では、ピストンを降下させながら、燃焼室内で発生した圧力をトルクに変換して動力として出力する。
【００４８】
ピストンがある程度まで降下したら、適切なタイミングで排気バルブを開いてやる。燃焼室内には、燃焼ガスが未だ高い圧力のまま閉じこめられているから、ピストンの降下中でも、排気バルブを開くことにより燃焼ガスを排出させることができる。図２（ｂ）は、ピストンの降下中に排気バルブを開いて、排気ガスを排出している様子を概念的に示している。
【００４９】
燃焼ガスの排出に伴って、燃焼室内の圧力は次第に低下して燃焼ガスを効果的に排出することができなくなるので、適切なタイミングで吸気バルブを開いてやる。過給器によって吸気通路内は加圧されているので、吸気バルブを開くと加圧された空気が流入し、燃焼室内に残っている燃焼ガスを押し出すようにして排気バルブから排出させる。図２（ｃ）は、このように加圧された空気によって燃焼室内の燃焼ガスが排出される様子を概念的に表している。図中でハッチングが付されている部分は、燃焼ガスが残存している領域を示している。また、ハッチングを付されていない部分は、吸入空気が流入した領域を表している。このように、吸入空気で押し出すようにして燃焼室内から燃焼ガスを排出させる動作は「掃気」と呼ばれる。
【００５０】
２サイクルエンジンでは、吸気通路内が加圧されているので、ピストンが下死点を過ぎて上昇に転じても、なお燃焼室内の燃焼ガスを掃気することができる。図２（ｄ）は、掃気の後半にピストンを上昇させながら、燃焼室内を掃気している様子を概念的に示している。
【００５１】
掃気によって燃焼室内から燃焼ガスがほぼ排出されたタイミングを見計らって、図２（ｅ）に示すように、排気弁を閉じてやる。その結果、燃焼室内の圧力が吸気通路内の圧力に達するまで、吸気弁から吸入空気が流入する。燃焼室内圧力が吸気通路内の圧力に達したタイミングを見計らって、吸気弁を閉じ、ピストンを上昇させて燃焼室内の混合気を圧縮する。図２（ｆ）はピストン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示している。そして、ピストンの上死点付近の所定のタイミングで点火プラグから火花を飛ばして、圧縮した混合気に点火する。それ以降は、図２（ａ）に示す状態に戻って、同様の動作を繰り返す。
【００５２】
図３は、２サイクルガソリンエンジンにおける誘発自着火燃焼方式の動作を概念的に示した説明図である。図３（ａ）に示す第１回目の燃料噴射は、下死点近傍の適切なタイミングで行われる。こうして、噴射された燃料噴霧は吸入空気の流れに乗って拡散し、混合気を形成する。この混合気は、ピストンによる圧縮だけでは自着火しないように、低負荷条件時よりも空気過剰率が大きな値に設定されている。例えば、この空気過剰率は２〜３の範囲の適切な値に設定される。
【００５３】
次いで、ピストンを上昇させて燃焼室内の混合気を圧縮し、所定のタイミングで燃料噴射弁１４から燃焼室内に追加の燃料噴霧を噴射する。図３（ｂ）は、こうして追加の燃料噴霧を噴射している様子を概念的に示している。図中では、追加で噴射された燃料噴霧は細かいハッチングを付して表している。また、粗いハッチングは、掃気行程の後半で噴射された燃料噴霧による混合気を示している。図示されているように、噴射された燃料噴霧はピストン頂面に衝突し、頂面形状に導かれるようにして点火プラグ１３６の近傍に運ばれる。その結果、点火プラグ１３６の近傍には、掃気行程の後半の燃料噴射によって形成された混合気よりも空気過剰率の小さな混合気が形成される。この混合気の空気過剰率は、通常、１．３〜１．７の範囲で適切な値に設定される。
【００５４】
低負荷条件では、このままピストンで圧縮することによって混合気を自着火させることができる。しかし、高負荷条件時には、混合気の空気過剰率が大きな値に設定されているので、ピストンによる圧縮だけで自着火することはない。また、点火プラグ１３６の近傍には、圧縮行程中に噴射された燃料噴霧による空気過剰率の小さな領域が形成されているが、この領域の燃料は噴射されてから時間がほとんど経っておらず、従って、混合気内部では自着火に至る種々の素反応が進行しているものの、未だ自着火には達しない。そこで、点火プラグ１３６から火花を飛ばして、プラグ近傍に形成された混合気に点火する。点火プラグ近傍に形成された混合気は空気過剰率が小さな値に設定されているので、点火後、速やかに燃焼を完了して燃焼室内圧力を上昇させると共に、燃焼室内の温度を上昇させる。こうして燃焼室内圧力を上昇させれば、空気過剰率が大きな値に設定された混合気を自着火させることができる。
【００５５】
なお、２サイクルエンジンにおいても、４サイクルエンジンと同様に、２回目の燃料噴射では１サイクルでの全噴射燃料量の２〜１５％の燃料を噴射することが好ましく、３％〜７％の燃料を噴射することが特に好ましい。
【００５６】
以上のように、点火プラグ１３６で火花を飛ばして燃焼室内の混合気を自着火させれば、火花を飛ばすタイミングを制御することにより、燃焼室内の混合気を自着火させるタイミングを適切に制御することができる。その結果、２サイクル式ガソリンエンジンを、高負荷運転時にも過早着火を起こさせることなく運転することが可能となる。また、こうした方法では、空気過剰率の大きな混合気を圧縮自着火させる形態で燃焼させることから、前述した予混合圧縮自着火燃焼方式と同様に、大気汚染物質の排出量および燃料消費量を同時に且つ大幅に減少させることが可能となる。
【００５７】
このように、２サイクルガソリンエンジンの誘発自着火燃焼方式においても、高負荷時には、ピストンの上昇によっては自着火しない空気過剰率の大きな混合気と、これよりは燃料の密度の濃い（空気過剰率の小さい）局所的な混合気とを形成する。そして、火花を飛ばして空気過剰率の小さな局所的な混合気を燃焼させ、燃焼による圧力上昇で空気過剰率の大きな混合気を圧縮して自着火させる。こうすれば、混合気の燃焼開始を火花を飛ばす時期によって制御することが可能であり、従って高負荷運転時であっても、燃焼開始時期を適切に制御してやることで過早着火の発生を回避することができる。
【００５８】
以上、概要のみを説明したが、誘発自着火燃焼方式は、予混合圧縮自着火燃焼方式では過早着火による大きな燃焼騒音が発生して運転することができない高負荷条件においても、混合気の着火時期を適切に制御してやることで過早着火を発生させることなく運転することができる。しかも、大気汚染物質の排出量および燃料消費量を同時に且つ大幅に低減可能という予混合圧縮自着火燃焼方式の備えるメリットは、ほとんど損なわれることがない。
【００５９】
Ｂ．第１実施例：
図４は、本発明の第１実施例としてのガソリンエンジン１００の構成を概念的に示した説明図である。図４には、ガソリンエンジン１００の燃焼室の中心で断面を取ったときの燃焼室の構造が表示されている。
【００６０】
このガソリンエンジン１００の燃焼室は、シリンダブロック１４０内に設けられた中空円筒形のシリンダ１４２と、シリンダ１４２内を上下に摺動するピストン１４４と、シリンダブロック１４０の上部に設けられたシリンダヘッド１３０によって形成されている。なお、シリンダブロック１４０とシリンダヘッド１３０の両方で構成される筒状体を、広義の「シリンダ」と呼ぶ。各燃焼室には、燃焼室の内圧（「筒内圧」とも呼ばれる）を測定するための筒内圧センサ３６（「燃焼圧センサ」とも呼ぶ）が設けられている。
【００６１】
シリンダヘッド１３０には、吸入空気が流入する吸気ポート１３３の開口部を開閉する吸気弁１３２と、排気ガスが流出する排気ポート１３５の開口部を開閉する排気弁１３４と、点火プラグ１３６と、燃焼室内に燃料噴霧を噴射する燃料噴射弁１４とが設けられている。吸気弁１３２および排気弁１３４は、それぞれ電動アクチュエータ１６２，１６４で駆動されている。電動アクチュエータ１６２，１６４は、任意のタイミングでそれぞれの吸気弁１３２および排気弁１３４を開閉することが可能である。なお、電動アクチュエータの代わりに、油圧アクチュエータやカム機構などの他の種類の可変動弁機構によって吸気弁１３２および排気弁１３４を駆動しても良い。
【００６２】
吸気ポート１３３には吸入空気を導く吸気通路１２が接続され、排気ポート１３５には排気ガスが通過する排気通路１６が接続されている。排気通路１６の下流には、排気ガスに含まれる大気汚染物質を浄化するための触媒２６と、過給器５０のタービン５２とが設けられている。排気通路１６内を通過する排気ガスはタービン５２を回転させた後、大気に放出される。また、吸気通路１２には、過給器５０のコンプレッサ５４が設けられている。コンプレッサ５４は、シャフト５６を介してタービン５２に接続されており、排気ガスによってタービン５２が回転するとコンプレッサ５４も回転する。その結果、コンプレッサ５４はエアクリーナ２０から吸い込んだ空気を加圧した後、吸気ポートに向かって圧送する。
【００６３】
コンプレッサ５４で加圧すると空気温度が上昇するので、吸入空気を冷却するために、コンプレッサ５４の下流側にはインタークーラ６２が設けられている。また、吸気通路１２内にはサージタンク６０や、スロットル弁２２も設けられている。サージタンク６０は、燃焼室が空気を吸い込んだときに生じる圧力波を緩和させる作用を有しており、またスロットル弁２２は電動アクチュエータ２４によって適切な開度に設定されて、吸入空気量を調整する機能を有している。
【００６４】
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、クランクシャフト１４８には、クランク角度を検出するクランク角センサ３２が取り付けられている。
【００６５】
このガソリンエンジン１００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、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の開度の制御や、点火プラグ１３６の点火タイミング制御、燃料噴射弁１４の制御を実行する。エンジン回転速度Ｎｅ  はクランク角センサ３２によって検出され、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によって検出される。
【００６６】
図５（Ａ）は、第１実施例における燃焼室の断面を拡大して示す説明図であり、図５（Ｂ）はピストン頂面の形状を示す説明図である。第１実施例では、シリンダヘッド１３０のほぼ中央に燃料噴射弁１４が設けられており、シリンダヘッド１３０の吸気弁１３２近傍の位置に点火プラグ１３６が設けられている。なお、図５（Ｂ）に示されているように、このエンジン１００は、吸気弁１３２と排気弁１３４とがそれぞれ２つずつ設けられた４バルブ式ガソリンエンジンである。点火プラグ１３６は、２つの吸気弁１３２の間に配置されている。
【００６７】
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の近傍に導くための凹部２００（「キャビティ」とも呼ぶ）と、いわゆるスキッシュを発生させるためのスキッシュ部２１０とが設けられている。凹部２００は、燃料噴射弁１４の直下付近から、点火プラグ１３６の直下付近にわたって形成されている。なお、本明細書において「直下」とは、シリンダ１４２の中心軸に沿ってシリンダヘッド１３０から離れる方向を意味している。凹部２００の内表面の大部分は、紙面に垂直な軸を中心とする円筒面として形成されている。換言すれば、この円筒面は、シリンダ１４２の中心軸と、吸気弁１３２から排気弁１３４に向かう方向と、の両方にほぼ垂直な軸を中心とする円筒面である。本実施例のエンジン１００は、４バルブ方式を採用しているので、凹部２００の円筒面と逆タンブル流ＲＴＦの循環方向とが整合している。この結果、逆タンブル流ＲＴＦを効率良く維持することができる。
【００６８】
スキッシュ部２１０は、ピストン１４４が上死点近傍に上昇したときにスキッシュを発生させるためのものである。すなわち、スキッシュ部２１０は、ピストン１４４が上死点にある状態おいて、シリンダヘッド１３０との間に微小な隙間を形成する傾斜面である。このスキッシュ部２１０は、凹部２００と共に、誘発自着火燃焼運転時において、比較的濃い局所的な混合気を点火プラグ１３６の近傍に導く働きを有している。このような凹部２００とスキッシュ部２１０の働きについては後述する。
【００６９】
図５（Ａ）に示すように、吸気弁１３２の開口部分の排気側の壁面（吸気ポートの壁面）には、マスク壁１３８が設けられている。このマスク壁１３８は、２サイクル運転を行う際に、いわゆる逆タンブル流ＲＦＴを燃焼室内に発生させるためのものである。具体的に言えば、吸気弁１３２が開いて燃焼室内に空気が流入する際に、マスク壁１３８に遮られるので、排気弁１３４の方向へは空気が流れ難くなっている。すなわち、吸気弁１３２が開いて空気が流入する場合に、排気弁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、吸気弁１３２から流入する空気は、下方に向かって（図５（Ａ）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）主に流入し、これによって逆タンブル流ＲＴＦが発生する。なお、逆タンブル流ＲＴＦとは、シリンダ１４２の中心軸とは垂直な軸回りに循環する流れであって、吸気弁１３２の開口部近傍から下降してピストン頂部に至り、その後上昇して排気弁１３４の開口部近傍を経由して吸気弁１３２の開口部近傍に至る循環的な流れを言う。誘導自着火燃焼運転時には、燃料噴射弁１４からの２回目の燃料噴射で噴射された燃料が、この逆タンブル流ＲＴＦに従って点火プラグ１３６近傍に寄せ集められる。この動作についてはさらに後述する。
【００７０】
図６は、第１実施例のエンジン１００の運転モードを示すマップである。このマップに示されているように、第１実施例のエンジン１００は、２サイクル運転と４サイクル運転とを切り換えて実行することが可能である。図６の横軸はエンジンの回転数、縦軸は負荷（トルク）である。エンジンの回転数が小さいときには２サイクル運転が実行され、回転数が大きいときには４サイクル運転が実行される。
【００７１】
２サイクル運転領域は、負荷に応じて４つの運転領域Ｒ１〜Ｒ４に区分されている。第１の運転領域Ｒ１は、成層リーン自着火燃焼領域である。この領域Ｒ１では、図３で説明した２回の燃料噴射を行うが、点火プラグ１３６の点火無しでリーン混合気が自着火して燃焼する。第２の運転領域Ｒ２は、均質リーン自着火燃焼領域である。この領域Ｒ２では、下死点近傍で１回だけ燃料噴射が行われ、その後、点火プラグ１３６の点火無しでリーン混合気が自着火して燃焼する。第３の運転領域Ｒ３は、成層リーン火花点火誘発自着火燃焼領域である。この領域Ｒ３では、図３で説明したように、２回の燃料噴射を行い、点火プラグ１３６の点火によって比較的濃い局所的な混合気が着火し、それに応じて他の混合気が自着火して燃焼する。第４の運転領域Ｒ４は、均質ストイキ火花点火燃焼領域である。この領域Ｒ４では、理論空燃比（いわゆるストイキ）に近い空燃比の混合気が形成され、点火プラグ１３６の点火によって混合気を燃焼させる。但し、領域Ｒ４では、過早着火防止のために実圧縮率は他の２サイクル運転領域Ｒ１〜Ｒ３に比べてかなり低い値に設定される。４サイクル運転が行われる運転領域Ｒ５は、火花点火燃焼領域であり、熱効率の高いアトキンソンサイクルが採用されている。なお、図６の運転領域の区分は単なる一例であり、これ以外の種々の区分が可能である。本明細書において、１つの運転領域で行われるエンジンの運転方法を「運転モード」とも呼ぶ。
【００７２】
図６のように２サイクル運転と４サイクル運転を使い分けるのは、以下のような理由による。一般に、着火燃焼を行う場合、４サイクル運転に比べて残留ガスを多量に使用できる２サイクル運転の方が運転領域は広い。自着火運転を活用できる領域が広いということは、リーンな条件で運転する領域が広いということである。ガソリンエンジンにおいて、よりリーンな条件で運転を行うことは、燃費が向上し、また、排気ガス中の汚染物質濃度の低下につながる（又は汚染物質濃度を低下させることにつながる）。るさらに、自着火運転を行えば、燃費の向上と排気ガス中の汚染物質濃度を大幅に低下させるという効果がさらに高まることが知られている。但し、２サイクル運転ではいわゆる掃気（吸気によって排気を押し出す動作）が行われるが、高回転では掃気を十分に行えない場合がある。そこで、高回転の運転条件では、４サイクル運転の方が適している。
【００７３】
図７（Ａ）は、均質リーン自着火燃焼運転（図６の運転領域Ｒ２）におけるバルブタイミングを示しており、図７（Ｂ）は、誘発自着火燃焼運転（図６の運転領域Ｒ３）におけるバルブタイミングを示している。
【００７４】
図７（Ａ）に示す均質リーン自着火燃焼運転では、上死点（ＴＤＣ）近傍で混合気が燃焼した後、ピストンがある程度まで降下すると排気弁１３４が開かれる。その後、排気弁から燃焼ガスがある程度流出したタイミングで吸気弁１３２が開くと、これに伴って給気ポートから空気が流入する。そして、掃気期間であってピストン１４４が下死点近傍にあるときに、燃料噴射弁１４が燃焼室内に燃料噴霧を噴射する。下死点の後、まもなく排気弁１３４が閉じられるので、下死点近傍で燃料噴霧を噴射すれば、噴射した燃料噴霧が排気弁１３４から排出されることがほとんどなく、また、燃料と新気とを十分に混合させることができる。
【００７５】
燃料を噴射後、所定のタイミングで排気弁１３４を閉じると、吸気弁１３２から加圧された空気が燃焼室内に流入する。掃気期間に噴射された燃料噴霧は、吸入空気の流れによって燃焼室内に分散され、吸入空気と混合する。吸気弁１３２が閉じた以降は、ピストン１４４の上昇とともに燃焼室内の混合気が圧縮される。吸気弁１３２が開いている間は、ピストンが上昇しても燃焼室内の混合気を圧縮することはできない。従って、２サイクル運転においては、吸気弁１３２を閉じるタイミングによって混合気の実質的な圧縮比（「実圧縮率」と呼ぶ）が決定される。吸気弁１３２を閉じた後、ピストン１４４を上昇していくと、燃焼室内で混合気が圧縮され、ピストン１４４の上死点付近で自着火する。その結果、燃焼室内の形成された混合気を速やかに燃焼させることができる。
【００７６】
図７（Ｂ）に示す誘発自着火燃焼運転では、下死点近傍に１回目の燃料噴射が行われ、吸気弁１３２の閉弁後の圧縮期間中に２回目の燃料噴射が行われる。なお、前述したように、例えば１回目の燃料噴射で全噴射燃料量の８５〜９８％の燃料が噴射され、２回目の燃料噴射で２〜１５％の燃料が噴射される。そして、上死点近傍において、点火プラグ１３６が点火して自着火を誘発する。
【００７７】
図８は、誘発自着火燃焼運転の２回目の燃料噴射の様子を示す説明図である。図８（Ａ）は、２回目の燃料噴射がされている状態である。この図に示されているように、燃料噴射弁１４は、シリンダヘッドのほぼ中央に設けられており、燃料をやや吸気弁１３２寄りの方向に噴射するように構成されている。１回目の燃料噴射は、下死点近傍で行われているので、上死点近傍に至るまでの間に燃焼室内全体に均質でリーンな第１の混合気ＭＸ１が形成される。この第１の混合気ＭＸ１の空気過剰率は、約２〜３の範囲に設定されており、ピストン１４４の上昇に伴う圧力上昇のみによっては自着火しない値に設定されている。
【００７８】
図８（Ａ）に示す２回目の燃料噴射時には、吸気弁１３２も排気弁１３４もどちらも閉じられているが、マスク壁１３８によって発生した逆タンブル流ＲＴＦが燃焼室内に残っている。この逆タンブル流ＲＴＦは、シリンダ頂面の凹部２００の内曲面（円筒面）によって案内され、紙面に垂直な軸の回りに循環している。２回目の燃料噴射で形成された燃料濃度の濃い局所的な第２の混合気ＭＸ２は、図８（Ａ）〜（Ｄ）に順次示すように、この逆タンブル流ＲＴＦに従って流れてゆく。また、図８（Ｄ）に示すように、ピストン１４４が上死点近傍に上昇して来ると、スキッシュ部２１０が燃焼室外周から中心に向かうスキッシュ流ＳＦを発生させる。このスキッシュ流ＳＦと逆タンブル流ＲＴＦとによって、第２の混合気ＭＸ２が点火プラグ１３６の近傍に寄せ集められる。この第２の混合気ＭＸ２（「成層リーン混合気」とも呼ぶ）の空気過剰率は、約１．５である。なお、図８（Ｅ）はピストン頂面の平面図であり、図８（Ｄ）の状態におけるスキッシュ流ＳＦの様子が示されている。
【００７９】
点火プラグ１３６近傍の第２の混合気ＭＸ２は、火花点火可能な燃料濃度を有しているので、点火プラグ１３６の点火に応じて第２の混合気ＭＸ２が着火する。そして、その火炎伝播によって未燃の第１の混合気ＭＸ１が断熱圧縮されて自着火が誘発される。
【００８０】
燃料噴射弁１４としては、ホロコーン型や、多孔衝突噴霧型、ファンスプレー型、中実コーン型、スリット型などが知られているが、第１実施例で使用される燃料噴射弁１４としては、これらの中で比較的噴霧貫徹力の小さいホロコーン型や、多孔衝突噴霧型を採用することが好ましい。こうすれば、第２の混合気ＭＸ２を逆タンブル流ＲＴＦに乗せて点火プラグ１３６の近傍に集めやすいという利点がある。また、第２の混合気ＭＸ２は凹部２００内に滞留するので、シリンダ１４２の壁面への燃料付着が軽減され、ＨＣ（未燃燃料）やスモークの排出量を低減することができるという利点もある。
【００８１】
このように、第１実施例では、誘発自着火燃焼運転時において、２回目の燃料噴射で形成される局所的な比較的濃い混合気ＭＸ２が、逆タンブル流ＲＦＴとスキッシュ流ＳＦとに導かれて点火プラグ１３６の近傍に誘導される。この作用は、ピストン頂面の凹部２００の内面形状（円筒面）と、スキッシュ部２１０とによって大幅に強化されている。従って、点火プラグ１３６が点火したときに、この比較的濃い混合気ＭＸ２に確実に着火させることができる。また、各サイクル毎の混合気形成の偏りが軽減されるので、サイクル間変動も改善されるという利点がある。
【００８２】
なお、点火プラグ１３６の点火時期は、エンジンの負荷（要求トルク）が高くなるほど遅角する。一般に、点火時期の上死点からの遅角量が増えると、点火時の混合気温度も低下して着火し難くなる傾向にある。この場合にも、本実施例では、点火プラグ１３６の近傍に比較的濃い局所的な混合気ＭＸ２が誘導されているので、確実に着火することが可能である。また、高負荷な運転条件においても自着火燃焼を行うことができるので、燃焼騒音の悪化やＮＯｘの増加を大幅に抑制することができる。また、点火プラグ１３６の点火によって混合気の着火を誘発できるので、自着火燃焼運転を行える運転領域を広く確保することが可能である。
【００８３】
Ｃ．第２実施例：
図９（Ａ）は、第２実施例における燃焼室の断面を拡大して示す説明図であり、図９（Ｂ）はピストン頂面の形状を示す説明図である。第２実施例は、シリンダヘッド１３０のほぼ中央に燃料噴射弁１４が設けられている点は第１実施例と同じであるが、点火プラグ１３６がシリンダヘッド１３０の排気弁近傍の位置に設けられている点が第１実施例と異なっている。なお、図９（Ｂ）に示されているように、点火プラグ１３６は、２つの排気弁１３４の間に配置されている。また、後述するように、第２実施例では２サイクル運転を行わないのでマスク壁１３８（図５（Ａ））は設けられていない。
【００８４】
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の近傍に導くための凹部２２０（キャビティ）が設けられている。第２実施例の凹部２２０は、燃料噴射弁１４の直下付近から、点火プラグ１３６の直下付近にわたって形成されている。凹部２２０の外周には、点火プラグ１３６の直下の位置に、点火プラグ１３６の方向に向かってほぼ真上に伸びる壁面２２１が設けられている。
【００８５】
図１０は、第２実施例における運転モードを示すマップである。このマップに示されているように、第２実施例のエンジンは、常に４サイクル運転で運転される。運転領域全体は、負荷と回転数に応じて４つの運転領域Ｒ１１〜Ｒ１４に区分されている。第１の運転領域Ｒ１１は、成層リーン火花点火燃焼領域である。この領域Ｒ１１では、図１で説明した２回の燃料噴射を行い、また、点火プラグ１３６の点火を行ってリーン混合気に着火させる。但し、第１の領域Ｒ１１の燃焼形態は、自着火ではなく火花点火である点で誘導自着火燃焼とは異なっている。第２の運転領域Ｒ１２は、均質リーン自着火燃焼領域である。この領域Ｒ１２では、下死点近傍で１回だけ燃料噴射が行われ、その後、点火プラグ１３６の点火無しでリーン混合気が自着火して燃焼する。第３の運転領域Ｒ１３は、成層リーン火花点火誘発自着火燃焼領域である。この領域Ｒ１３では、図１で説明したように、２回の燃料噴射を行い、点火プラグ１３６の点火によって比較的濃い局所的な混合気が着火し、それに応じてリーン混合気が自着火して燃焼する。第４の運転領域Ｒ１４は、火花点火燃焼領域であり、熱効率の高いアトキンソンサイクルが採用されている。回転数の高い運転領域も、この第４の運転領域Ｒ１４に含まれている。なお、図１０の運転領域の区分は単なる一例であり、これ以外の種々の区分が可能である。
【００８６】
図１１は、第２実施例の誘発自着火燃焼運転（図１０の運転領域Ｒ１３）におけるバルブタイミングを示している。吸気弁１３２の開弁時期ＩＮＯは排気上死点よりも遅角側に設定されており、閉弁時期ＩＮＣは下死点よりも遅角側に設定されている。また、排気弁１３４の開弁時期ＥＸＯは下死点よりも進角側に設定されており、閉弁時期ＥＸＣは排気上死点よりも進角側に設定されている。この結果、排気上死点近傍にいわゆる負のオーバーラップ（吸気弁１３２と排気弁１３４の両者とも閉弁している期間）が生じている。負のオーバーラップは、排気期間の後に燃焼室内により多くの排気ガスを残留させるためのものである。なお、残留排気ガスは、内部ＥＧＲとも呼ばれている。内部ＥＧＲ量を増加させると、燃焼室内のガス温度が上昇するので、自着火燃焼を継続し易くなるという利点がある。
【００８７】
この４サイクルエンジンの誘発自着火燃焼運転では、下死点近傍に１回目の燃料噴射が行われ、排気弁１３４の閉弁時期ＥＸＣの直後に２回目の燃料噴射が行われる。なお、前述したように、例えば１回目の燃料噴射で全噴射燃料量の８５〜９８％の燃料が噴射され、２回目の燃料噴射で２〜１５％の燃料が噴射される。そして、上死点近傍において、点火プラグ１３６が点火して自着火を誘発する。
【００８８】
図１２は、第２実施例における２回目の燃料噴射の様子を示す説明図である。図１２（Ａ）は、２回目の燃料噴射がされている状態である。第２実施例では、燃料噴射弁１４は、燃料をやや排気弁１３４寄りの方向に噴射するように構成されている。１回目の燃料噴射は、下死点近傍で行われているので、上死点近傍に至るまでの間に燃焼室内全体に均質でリーンな第１の混合気ＭＸ１が形成される。この第１の混合気ＭＸ１の空気過剰率は、約２〜３の範囲に設定されており、ピストン１４４の上昇に伴う圧力上昇のみによっては自着火しない値に設定されている。
【００８９】
２回目の燃料噴射時には、吸気弁１３２も排気弁１３４もどちらも閉じられているが、吸気弁１３２からの吸気の自然な流入によって発生した正タンブル流ＴＦが燃焼室内に残っている。この正タンブル流ＴＦは、紙面に垂直な軸の回りに循環している点では逆タンブル流ＲＴＦ（図８）と共通しているが、逆タンブル流ＲＴＦとは逆方向に循環している。第２実施例のエンジンでは、第１実施例のエンジンに採用されていたマスク壁１３８（図５（Ａ））が設けられておらず、このような正タンブル流ＴＦが発生する。なお、正タンブル流を積極的に発生させるような正タンブル流発生部（例えば吸気ポート１３３内に設けられた流路制御弁など）を、吸気経路に設けるようにしてもよい。
【００９０】
２回目の燃料噴射で形成された燃料濃度の濃い局所的な第２の混合気ＭＸ２は、図１２（Ａ）〜（Ｃ）に順次示すように、排気弁１３４直下に形成された凹部２２０の傾斜に沿って下降してゆく。図１２（Ｃ）に示すように、ピストン１４４が上死点近傍に上昇して来ると、第２の混合気ＭＸ２が凹部２２０の壁面２２１に沿って上昇し、点火プラグ１３６の近傍に誘導される。一方、燃焼室内には正タンブル流ＴＦが発生しているので、壁面２２１に沿った第２の混合気ＭＸ２の上昇が、この正タンブル流ＴＦによって遮られる。このように、第２の混合気ＭＸ２は、凹部２２０の斜面と正タンブル流ＴＦの作用によって、点火プラグ１３６の近傍に誘導されて滞留する。その後の燃焼動作は第１実施例とほぼ同様である。
【００９１】
なお、第２実施例の燃料噴射弁１４としては、比較的噴霧貫徹力の大きいファンスプレー型や、中実コーン型、スリット型を採用することが好ましい。こうすれば、第２の燃料噴射の際に、正タンブル流ＴＦによって燃料噴霧が排気弁１３４側に流されずに、ピストン頂面の凹部２２０近傍に到達させることができる。従って、凹部２２０の斜面とその端部の壁面２２１の作用によって、第２の混合気ＭＸ２を点火プラグ１３６の近傍に集めやすいという利点がある。
【００９２】
このように、第２実施例では、誘発自着火燃焼運転時において、２回目の燃料噴射で形成される局所的な比較的濃い混合気ＭＸ２が凹部２２０に導かれて点火プラグ１３６の近傍に誘導される。この作用は、ピストン頂面の凹部２２０の端部にある壁面２２１によって強化されており、また、正タンブル流ＴＦによって、第２の混合気ＭＸ２が点火プラグ１３６近傍に留められている。この結果、点火プラグ１３６が点火したときに、この比較的濃い混合気ＭＸ２に確実に着火させることができるので、安定した着火性が得られる。また、２回目の燃料噴射で形成された第２の混合気ＭＸ２が排気弁１３４近傍に滞留するので、燃焼室内で比較的温度の高い排気弁１３４側の混合気温度を下げることができる。この効果によって、過早着火の発生を抑制することができ、より高負荷の運転条件で自着火運転を行うことが可能である。
【００９３】
Ｄ．第３実施例：
図１３（Ａ），（Ｂ）は、第３実施例における燃焼室の形状と混合気ＭＸ１，ＭＸ２の状態を示す説明図である。第３実施例の燃焼室は、第２実施例の凹部２２０の点火プラグ１３６直下の位置に、滞留部２２２を追加したものであり、他の構成は第２実施例と同じである。この滞留部２２２は、上死点近傍において、第２の混合気ＭＸ２を点火プラグ１３６近傍に滞留させるための小さな凹部である。
【００９４】
第３実施例では、滞留部２２２に第２の混合気ＭＸ２を滞留させることができるので、点火プラグ１３６の点火による着火をより確実に行うことができる。従って、より少ない燃料量で自着火燃焼を誘発することができるので、燃費を向上させることが可能である。
【００９５】
Ｅ．第４実施例：
図１４は、第４実施例における燃焼室の断面を拡大して示す説明図である。図９（Ａ）に示した第２実施例との差異は、ピストン１４４の頂面がほぼ平坦であって凹部が形成されていない点と、燃料噴射弁１４として比較的噴霧貫徹力の小さい噴射弁（ホロコーン型や、多孔衝突噴霧型）を採用している点と、の２点だけであり、他の構成は第２実施例と同じである。
【００９６】
図１５は、第４実施例における誘発自着火燃焼運転の２回目の燃料噴射の様子を示す説明図である。図１５（Ａ）は、２回目の燃料噴射がされている状態である。第４実施例の燃料噴射弁１４は、燃料を、下方よりも水平に近い方向（すなわち、シリンダの中心軸から４５°以上の角度をなす方向）に噴射するように構成されている。なお、１回目の燃料噴射によって燃焼室内全体に均質でリーンな第１の混合気ＭＸ１が形成されている点や、燃焼室内に正タンブル流ＴＦが発生している点は、第２実施例と同じである。
【００９７】
燃料噴射は、燃料噴射弁１４からほぼ横方向に排気弁１３４側に向けて噴射される。従って、２回目の燃料噴射で形成される第２の混合気ＭＸ２は、燃料噴射弁１４から排気弁１３４側に向かって流れてゆく。燃料噴射弁１４の貫徹力は弱いので、図１５（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、混合気ＭＸ２は正タンブル流ＴＦによって点火プラグ１３６の近傍に誘導される。その後の動作は第２実施例とほぼ同様である。
【００９８】
このように、第４実施例では、比較的貫徹力の弱い燃料噴射弁１４を用いて燃料を排気弁１３４寄りの方向に噴射し、これによって形成される局所的な比較的濃い混合気ＭＸ２を、燃料噴射弁１４から点火プラグ１３６の近傍まで直接移動させている。この混合気ＭＸ２の移動距離は、他の実施例に比べて少ないので、２回目の燃料噴射から点火プラグ１３６近傍における第２の混合気ＭＸ２の形成までの時間を短縮することができる。この結果、第２の混合気ＭＸ２の分散や拡散を抑制できるので、より少ない燃料で第２の混合気ＭＸ２を点火プラグ１３６近傍に形成することが可能である。また、この効果により、燃費を向上させることが可能である。
【００９９】
さらに、ピストン頂部に凹部（キャビティ）を形成する必要が無いので、ピストンの形状を簡略化できる。なお、ピストン頂部に凹部を設けないようにすれば、燃焼室内の混合気の均質性が高まるので、シリンダ壁面への燃料付着を防止することができ、これによってＨＣやスモークの発生を抑制することができるという利点もある。
【０１００】
Ｆ．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。
【０１０１】
Ｆ１．変形例１：
上記実施例では、２サイクル運転が可能なエンジン（図５）において、吸気流に逆タンブル流を発生するためにマスク壁１３８を設けていたが、マスク壁の代わりに、吸気流に偏りを生じさせて逆タンブル流を発生するための種々の構成（逆タンブル流付与部）を採用することが可能である。例えば、吸気ポート中に、吸気ポートの流路抵抗を調整して逆タンブル流を発生させる流路制御弁を設けるようにしてもよい。
【０１０２】
Ｆ２．変形例２：
上記実施例では、１回目の燃料噴射時と２回目の燃料噴射時において、それぞれ１回ずつ燃料を噴射を行うものとしたが、これらの２回の燃料噴射時において多重噴射（少量の燃料を複数回ずつ噴射する）を行うようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】４サイクルガソリンエンジンにおける通常の点火燃焼動作と誘発自着火燃焼の動作とを比較して示す説明図。
【図２】２サイクルガソリンエンジンの通常の点火燃焼動作を概念的に示す説明図。
【図３】２サイクルガソリンエンジンにおける誘発自着火燃焼の動作を説明する説明図。
【図４】本発明の第１実施例としてのガソリンエンジン１００の構成を概念的に示した説明図。
【図５】第１実施例における燃焼室の断面とピストン頂面とを示す説明図。
【図６】第１実施例の運転モードを示すマップ。
【図７】第１実施例の均質リーン自着火燃焼運転と誘発自着火燃焼運転におけるバルブタイミングを示す説明図。
【図８】第１実施例における誘発自着火燃焼運転の２回目の燃料噴射の様子を示す説明図。
【図９】第２実施例における燃焼室の断面とピストン頂面とを示す説明図。
【図１０】第２実施例の運転モードを示すマップ。
【図１１】第２実施例の誘発自着火燃焼運転におけるバルブタイミングを示す説明図。
【図１２】第２実施例における誘発自着火燃焼運転の２回目の燃料噴射の様子を示す説明図。
【図１３】第３実施例における燃焼室の形状と混合気ＭＸ１，ＭＸ２の状態を示す説明図。
【図１４】第４実施例における燃焼室の断面を拡大して示す説明図である。
【図１５】第４実施例における誘発自着火燃焼運転の２回目の燃料噴射の様子を示す説明図。
【符号の説明】
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
２６…触媒
３０…ＥＣＵ
３２…クランク角センサ
３４…アクセル開度センサ
３６…筒内圧センサ
５０…過給器
５２…タービン
５４…コンプレッサ
５６…シャフト
６０…サージタンク
６２…インタークーラ
１００…ガソリンエンジン
１３０…シリンダヘッド
１３２…吸気バルブ
１３２…吸気弁
１３３…吸気ポート
１３４…排気弁
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
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
１６２，１６４…電動アクチュエータ
２００…凹部（キャビティ）
２１０…スキッシュ部
２２０…凹部（キャビティ）
２２１…壁面
２２２…滞留部
【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】
2004245171.tif 000014
【図１３】
2004245171.tif 000015
【図１４】
2004245171.tif 000016
【図１５】
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