(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストン冠面に設けられたキャビティと、
燃焼室の略中央に配置され、燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、
この燃料噴射弁の近傍に配置され、連通路を通して前記燃焼室内に燃料着火源となる火炎を放出して、前記燃焼室内の混合気に着火する副室式の着火装置と、
前記燃料噴射弁の噴射時期および前記着火装置の着火時期を制御するコントロールユニットと、
を備える内燃機関において、
機関の中・高負荷域では前記燃料噴射弁から早期噴射と後期噴射との分割噴射を行い、前記早期噴射によって前記キャビティ内およびその上空あるいは前記燃焼室全体にリーンな混合気を形成するとともに、前記キャビティへ向かって噴射する前記後期噴射によって前記キャビティの側壁部に沿って上方へ円筒状に立ち上がる局部的にリッチな混合気を形成するように構成し、
さらに、前記着火装置の連通路を、平面視において前記キャビティの内周側に配置し、かつ、前記後期噴射によって形成される局部的にリッチな混合気が前記着火装置の連通路に達する前に前記着火装置による着火を行うことを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記着火装置は、
前記燃焼室と前記連通路を介して連通する副室と、
該副室内のガスに点火する点火手段と、
を含んで構成されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記点火手段は点火プラグであることを特徴とする請求項２記載の内燃機関。
【請求項４】
前記燃料噴射弁は、吸気行程後期から圧縮行程中期の間に燃料の早期噴射を行い、その後の圧縮行程中期から圧縮行程後期の間に燃料の後期噴射を行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関。
【請求項５】
前記燃料噴射弁は、機関の高負荷域では、吸気行程中に燃料の早期噴射を行い、前記燃焼室全体にリーンな混合気を形成することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関。
【請求項６】
前記燃料噴射弁は、圧縮行程中に燃料の後期噴射を行うことを特徴とする請求項５記載の内燃機関。
【請求項７】
前記燃料噴射弁は、負荷の増大に伴い、前記早期噴射の噴射時期を進角することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の内燃機関。
【請求項８】
前記燃料噴射弁は、負荷の増大に伴い、前記後期噴射の噴射時期を遅角することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼室内に直接噴射された燃料に、噴出火炎などの燃料着火源を放出して着火を行う内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、特許文献１に開示されているように、副室式内燃機関において、主燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、主燃焼室内に噴出火炎などの燃料着火源を放出して、燃料噴射弁から噴射された燃料に着火する着火装置（副室および点火プラグを含む）とを設け、副室内での燃焼にて、副室の連通路から主燃焼室内に形成される略柱状の噴出火炎により主燃焼室内の混合気をトーチ燃焼させることが知られている。これにより、主燃焼期間を火花点火式内燃機関に対して大幅に短縮し、より希薄な混合気の燃焼を可能にし、燃費向上につながる非常に高効率な燃焼を実現可能にしている。
【０００３】
また、特許文献２に開示されているように、内燃機関の燃焼室構造において、燃焼室の外周縁部に、複数の噴孔を介して燃焼室と連通された小容積の周辺チャンバが形成され、周辺チャンバからの火炎が燃焼室周方向に噴出されることが知られている。この場合、周辺チャンバの、混合気のリッチな部分が偏在しやすい吸気ポート側の噴孔の開口面積を排気ポート側より小さくすること、または、周辺チャンバを排気ポート側にオフセットして配置することで、吸気ポート側のリッチ領域の急速燃焼を抑制する。
【特許文献１】特開昭６０−４５７１６号公報
【特許文献２】特開平７−２６９６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の副室式内燃機関では、機関負荷の増大に伴い、主燃焼室内において相対的にリッチ化された混合気へのトーチ燃焼により発生する異常急速燃焼、及び、異常急速燃焼に伴う燃焼温度の上昇により、熱せられた副室壁面での主燃焼室混合気の早期着火（プレイグニッション）が発生し、大きな振動や音を発生することが懸念される。
【０００５】
また、特許文献２に記載の内燃機関の燃焼室構造では、吸気ポート側のリッチ混合気の偏在は意図したものではなく、仮に運転条件等の違いにより吸気ポート側にリッチな混合気が偏在しなかった場合は、吸気ポート側の燃焼が過度に遅くなったり、逆に排気ポート側の燃焼が過度に速くなったりして燃焼が不安定になる恐れがある。また、壁面近傍にもリッチ混合気が偏在しているため、壁流が増加し未燃ＨＣの排出が比較的多いと推察される。
【０００６】
本発明は、上記問題に鑑みなされたものであり、プレイグニッションの発生を抑制すると共に、燃料噴射量が多い運転条件（例えば、高負荷運転領域）においても燃料着火源によるトーチ燃焼を安定して行うことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
そのため本発明では、ピストン冠面に設けられたキャビティと、燃焼室の略中央に配置され、燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、この燃料噴射弁の近傍に配置され、連通路を通して前記燃焼室内に燃料着火源となる火炎を放出して、前記燃焼室内の混合気に着火する副室式の着火装置と、前記燃料噴射弁の噴射時期および前記着火装置の着火時期を制御するコントロールユニットと、を備える内燃機関において、機関の中・高負荷域では前記燃料噴射弁から早期噴射と後期噴射との分割噴射を行い、前記早期噴射によって前記キャビティ内およびその上空あるいは前記燃焼室全体にリーンな混合気を形成するとともに、前記キャビティへ向かって噴射する前記後期噴射によって前記キャビティの側壁部に沿って上方へ円筒状に立ち上がる局部的にリッチな混合気を形成するように構成し、さらに、前記着火装置の連通路を、平面視において前記キャビティの内周側に配置し、かつ、前記後期噴射によって形成される局部的にリッチな混合気が前記着火装置の連通路に達する前に前記着火装置による着火を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、着火装置の連通路近傍にはリーンな成層混合気が形成されるため、異常急速燃焼やプレイグニッションの発生を抑制できると共に、連通路近傍から離れた位置に形成されるリッチな成層混合気には、着火装置から放出される火炎により着火を行うため、燃料噴射量が多い運転条件においても安定した運転ができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態について図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態における内燃機関（以下、「エンジン」と称する）１の構成図である。図２は、燃料噴射弁６から主燃焼室４内に燃料を直接噴射した後に、副室８内のガスに点火することで主燃焼室４内に略柱状の噴出火炎（燃料着火源）を形成した状態を示した図である。
【００１０】
エンジン１は、吸気ポート２を介して吸気バルブ３を開いた時に主燃焼室４内に新気を導入する。主燃焼室４は、ピストン５、吸気バルブ３、排気バルブ１０、シリンダヘッド内壁およびシリンダブロック内壁により構成される。
主燃焼室４の下部には、シリンダ内を往復運動するピストン５が設けられている。図１では、ピストン５の冠面に、燃料噴射弁６から噴射された燃料を受ける円形のキャビティ５ａを形成している。キャビティ５ａには、略円形の底部５ｂと、この底部５ｂの周縁部の側壁部５ｃとが形成されている。
【００１１】
一方、主燃焼室４の上部の略中央には、ピストン５のキャビティ５ａに向けて燃料を噴射する燃料噴射弁６が設けられており、この燃料噴射弁６の近傍に、点火プラグ７を内部に具備した副室８が設けられている。なお、図１では、副室８と点火プラグ７とを含んで着火装置を構成している。
燃料噴射弁６は、運転条件（負荷）に応じて燃料噴射時期および燃料噴射量を変更でき、また、総燃料噴射量の一部を先に噴射し、その後に残りの燃料を噴射することができるようになっている。燃料噴射弁６が総燃料噴射量の一部を先に噴射することで、図２に示すように、主燃焼室４全体にリーンな混合気を形成し、その後に残りの燃料を噴射することでピストン５のキャビティ５ａ内および側壁部５ｃの上側にリッチな混合気を形成する。
【００１２】
副室８は、主燃焼室４と比較して容積が小さく、連通路９を介して主燃焼室４と連通している。図１では、副室８の先端部が略半円球状に形成されており、ここに連通路９が円周方向に所定間隔で複数個形成されている。
このため、副室８には、燃料噴射弁６から噴射された燃料の一部が主燃焼室４内の空気と混合された状態でピストン４の圧縮により流入する。これにより、副室８内には燃焼に適した混合気（ガス）が主燃焼室４から供給される。
【００１３】
また、主燃焼室４内では、燃料噴射弁６から噴射される燃料が主燃焼室４内の空気と混合することにより空燃比のリッチおよびリーンの分布がある成層混合気が形成される。
図２（Ａ）では、主燃焼室４内に燃料噴射弁６から噴射された燃料が、ピストン５のキャビティ５ａ内および該キャビティ側壁部５ｃの上側にリッチな成層混合気が形成されている例を示している。
【００１４】
この場合、燃料噴射弁６から噴射された燃料は、主としてピストン５のキャビティ５ａの底部５ｂに衝突して側壁部５ｃからシリンダ軸方向上側に略中空円筒状に上昇する。副室８は、図示しないが平面視した場合には、ピストン５のキャビティ５ａの側壁部５ｃより内側の位置に設けられている。このため、着火装置の燃料着火源放出部（副室８の連通路９）の近傍位置にリーンな成層混合気が形成される一方、リッチな成層混合気は、副室８の連通路９から離れた位置に形成される。なお、リーンな成層混合気の空燃比は、プレイグニッションが発生しない程度の空燃比になっている。
【００１５】
また、副室８内のガスに点火プラグ７により点火をした場合には、副室８内の混合気が爆発することで、主燃焼室４内に放出される燃料着火源として略柱状のトーチ（噴出火炎）が形成され、このトーチによりリッチな成層混合気に着火・燃焼を可能にする。
なお図２（Ｂ）は、燃料噴射弁６および副室８を吸気バルブ３近傍の主燃焼室４の側面（サイド）側に設定した参考例を示している。
【００１７】
図１を再度参照して、燃焼終了後の排気は、排気バルブ１０を開いて排気通路１１に排出される。排気通路１１には排気空燃比センサ１２が設けられ、その下流には排気浄化触媒１３が設けられている。さらに、排気浄化触媒１３には、温度センサ１４が設けられている。
吸気バルブ３および排気バルブ１０は、それぞれ吸気カム１５および排気カム１６により駆動される。吸気カム軸端には燃料ポンプ１７が介装されており、ここで加圧された燃料は高圧燃料配管１８を通して燃料噴射弁６に導かれる。また高圧燃料配管１５には燃圧センサ１９が設けられ、ここで燃料圧力を検知し、その信号はエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２０に送られる。
【００１８】
なお、エンジン１はＥＣＵ２０により統合的に制御される。このため、ＥＣＵ２０には、吸入空気量を検出するエアフローメータの信号、アクセル開度信号、クランク角センサ信号、冷却水温センサ信号などの信号が入力され、これらの信号に基づいて燃料噴射弁６、点火プラグ７等の制御を行う。
また図１では、副室８内へ、主燃焼室４からの混合気導入以外に別途燃料を直接導入する構成としてないが、トーチ点火の勢いを増大させ、より主燃焼室４内の燃焼速度を促進させるために、副室８内へ直接、ガソリン、または水素等の改質燃料、または改質ガス等を導入する構成でも勿論よい。
【００１９】
また、主燃焼室８内に略柱状の燃料着火源を形成する手段として、副室８内に設けられた点火プラグ７を用いることについて説明したが、これに限定されるものではない。例えば着火装置としては、プラズマやマイクロ波などを発生させる装置を用いて、リッチな成層混合気に体積着火できる熱源を形成することができるものであればよい。
また、図１では、燃料噴射弁６から噴射された燃料は、ピストン５のキャビティ５ａにより空燃比のリッチおよびリーンの分布がある成層混合気が形成されることについて説明したが、これに限定されるものではない。例えば、燃料噴射弁６により、主燃焼室４内において空燃比のリッチおよびリーンの分布がある成層混合気が形成できる場合には、ピストン５のキャビティ５ａを形成しなくともよい。
【００２０】
次に、図３を参照して、本発明のエンジンと従来のエンジン（特許文献１のエンジンの構成を簡略化して示したもの）とにおいて、機関負荷に対する混合気の分布について説明する。
図３（Ａ）は特許文献１における混合気の分布であり、図３（Ｂ）は本発明における混合気の分布である。これらは、ピストン５が圧縮上死点近傍にあるときにおける混合気の形成を示している。なお、負荷は、例えばアクセル開度や燃料噴射弁６からの燃料噴射量に基づいて求める。
【００２１】
特許文献１のエンジンでは、図３（Ａ）に示すように、ピストンの冠面が平らに形成されており、吸気マニホールドに取り付けられた燃料噴射弁から吸気行程中に主燃焼室内へ燃料噴射を行うことで、燃焼室全体に略均一の混合気を形成する。そして、着火装置（点火プラグが内蔵された副室）の先端部から略柱状の燃料着火源を形成して混合気に着火する。
【００２２】
この場合、機関負荷の増大に伴い、燃料噴射弁から噴射される燃料噴射量が増加することから、主燃焼室全体の混合気濃度が低負荷時と比較して相対的にリッチ化していく。主燃焼室全体の混合気は略均一なので、略柱状の燃料着火源近傍の混合気濃度も、同様に相対的にリッチ化していき、ある相対的にリッチ化された混合気濃度に達した際には、異常急速燃焼及びこれに伴うプレイグニッションが発生する。
【００２３】
また、機関負荷の低減に伴い、燃焼室全体の混合気濃度が相対的にリーン化されるが、略柱状の噴出火炎による希薄限界当量比（＝１４．７／空燃比）が存在する。この当量比よりリーン化は不可能なため、さらに低負荷時は、スロットルを絞って負の仕事（ポンプロス）を発生させ、負荷調整を行う。
本発明のエンジン１では、図３（Ｂ）（Ｉ）〜（IV）に示すように、低負荷から高負荷までの各運転条件においてそれぞれ最適な混合気が形成される。
【００２４】
運転条件が低負荷である場合には、図３（Ｂ）（Ｉ）に示すように、ピストン５のキャビティ５ａ内およびその上側に略均一な混合気を形成する。
運転条件が中負荷近傍である場合には、図３（Ｂ）（II）に示すように、主燃焼室４全体に略均一なリーン混合気を形成する。
運転条件が中負荷から高負荷である場合には、図３（Ｂ）（III）に示すように、着火装置の燃料着火源放出部の近傍にはリーンな成層混合気が形成される一方、燃料着火源放出部から離れた位置、すなわち、ピストン５のキャビティ５ａ内およびキャビティ側壁部５ｃの上側の位置には、リッチな成層混合気が形成される。なお、この運転条件では、燃料噴射弁６は、吸気行程後期から圧縮行程中期（または圧縮行程前期）の間で総燃料噴射量の一部の燃料を噴射する早期噴射を行い、その後の圧縮行程中期から圧縮行程後期の間に残りの燃料を噴射する後期噴射を行う。
【００２５】
ピストン５のキャビティ５ａには、底部５ｂとこの底部５ｂからシリンダ軸方向上側に形成された側壁部５ｃとが形成されているため、燃料噴射弁６から噴射された燃料は、キャビティ５ａの底部５ｂに衝突し、側壁部５ｃから上側に略円筒状のリッチな成層混合気を形成する。また、リッチな成層混合気の外側では空燃比がリーンになっている。
そして、副室８の先端部（連通路９）は、平面視した場合にピストン５のキャビティ５ａの側壁部５ｃ内に配置される構造であるため、略円筒状のリッチな成層混合気より内側で空燃比がリーンな成層混合気が形成されているところに配置される。これにより、副室８の先端部が主燃焼室４内における燃焼により高温状態となった場合においても、副室８内の点火プラグ７により点火をするまで燃料が自然着火することを防止できる。但し、副室８内の点火プラグ７の点火時期は、リッチな成層混合気が副室８の連通路９に達する前に、副室８から噴出火炎をリッチな成層混合気に放出できるよう適切に設定する。
【００２６】
更に、副室８の先端部に形成された連通路９が円周方向に所定間隔で複数個形成されており、副室８内の点火プラグ７により副室８の連通路９から燃料着火源である略柱状の噴出火炎により、ピストン５の側壁部５ｃから上側に形成されたリッチな成層混合気に着火して燃焼を行う。これにより、リーンな成層混合気が形成されている副室８の先端部近傍では異常急速燃焼やプレイグニッションの発生を防止でき、燃料噴射量が多く、異常急速燃焼やプレイグニッションが発生しやすい運転条件（中負荷以上）においても安定した運転ができる。
【００２７】
また、中負荷から高負荷時では、ピストン５のキャビティ５ａ内およびキャビティ側壁部５ｃのシリンダ軸方向上側にリッチな混合気が形成されているため、非成層化時に対しポンプロスによる負の仕事が低減するため燃費が良く、また、シリンダ壁流が低減するため、未燃ＨＣの排出も低減できる。
運転条件が高負荷である場合には、図３（Ｂ）（IV）に示すように、着火装置の燃料着火源放出部の近傍にはリーンな成層混合気が形成される一方、燃料着火源放出部から離れた位置、すなわち、ピストン５のキャビティ５ａ内およびキャビティ側壁部５ｃの上側の位置には、リッチな成層混合気が形成される。
【００２８】
図３（Ｂ）（IV）に示すような成層混合気は、吸気行程中に燃料の早期噴射を行って主燃焼室４全体にリーンな成層混合気を形成し、その後の圧縮行程中に燃料の後期噴射を行うことで形成する。
そして、図３（Ｂ）（III）と同様に、ピストン５のキャビティ５ａには、底部５ｂとこの底部５ｂからシリンダ軸方向上側に形成された側壁部５ｃとが形成されているため、燃料噴射弁６から噴射された燃料は、キャビティ５ａに衝突し、側壁部５ｃから上側に略円筒状のリッチな成層混合気を形成する。
【００２９】
しかしながら、図３（Ｂ）（IV）では、燃料噴射弁６から噴射される燃料量が図３（Ｂ）（III）と比較して多いため、ピストン５のキャビティ５ａ内およびキャビティ側壁部５ｃのシリンダ軸方向上側に形成される成層混合気は、よりリッチになる。この時、キャビティ側壁部５ｃのシリンダ軸方向上側に形成されたリッチな成層混合気の外側では空燃比がリーンになっているが、図３（Ｂ）（III）と比較してリッチになっている。また、リッチな成層混合気が形成された位置以外では、主燃焼室４全体に、理論空燃比（１４．７）よりリーンな成層混合気が形成されている。
【００３０】
次に、本発明における機関負荷に対する混合気の当量比について図４を用いて説明する。図４には、主燃焼室４全体の混合気の当量比を実線α、キャビティ５内およびキャビティ側壁部５ｃのシリンダ軸方向上側に形成されるリッチ成層混合気の当量比（図４（Ｂ）にて破線にて示した位置の当量比）を破線β、および、副室８の先端部（連通路９）近傍の当量比（図４（Ｂ）にて一点鎖線にて示した位置の当量比）を一点鎖線γでそれぞれ示している。なお、副室８からの噴出火炎による希薄燃焼が可能な限界の当量比をφＬ、異常急速燃焼によるプレイグニッションが起きる限界の当量比をφＨでそれぞれ示している。
【００３１】
運転条件が比較的低負荷領域にある場合には、図３（Ｂ）（Ｉ）に示すように、混合気をキャビティ５ａの上空に成層化する。図４（Ａ）（Ｉ）の負荷領域に示すように、低負荷領域において負荷が比較的高い場合には、キャビティ５ａの上空の混合気の当量比は、φＨ近傍においてφＨよりリーン側に設定される。極低負荷時は、キャビティ中心位置の上空の混合気の当量比は、φＬ近傍においてφＬよりリッチ側に設定される。
【００３２】
運転条件が比較的中負荷領域にある場合には、図３（Ｂ）（II）に示すように、主燃焼室４全体に略均一な混合気を形成するが、その混合気の当量比範囲の下限値は、図４（Ａ）（II）の負荷領域に示すように、φＬ近傍においてφＬよりリッチ側に設定され、上限値はφＨ近傍においてφＨよりリーン側に設定される。なお、この領域では負荷が高くなると当量比がリッチになる。
【００３３】
運転条件が中〜高負荷領域にある場合には、図３（Ｂ）（III）に示すように、成層混合気に濃度分布を持たせる。この場合、図４（Ａ）（III）の負荷領域に示すように、負荷の増大に伴い主燃焼室４全体の当量比は相対的にリッチ化していくが、キャビティ中心位置の上空における当量比は、φＨ近傍においてφＨよりリーン側で略一定に設定される一方、キャビティ５ａ内および側壁部５ｃの上空の当量比は、負荷の増大に伴い相対的にリッチ化していく。
【００３４】
運転条件が高負荷領域にある場合には、図３（Ｂ）（IV）に示すように、中〜高負荷領域と同様、負荷の増大に伴い主燃焼室４全体の当量比は相対的にリッチ化し、キャビティ中心位置の上空における当量比は、図４（Ａ）（IV）の負荷領域に示すように、φＨ近傍においてφＨよりリーン側で略一定に設定されるが、キャビティ５ａ内および側壁部５ｃの上空の当量比は、負荷の増大に伴い相対的にリッチ化していく。
【００３５】
次に、運転条件が中負荷以上になった場合における混合気挙動について説明する。
図５は、図３（Ｂ）（III）に示すように、中負荷から高負荷領域においてキャビティ５ａ内および側壁部５ｃの上側にリッチな混合気を形成する場合の混合気挙動を示す図である。
先ず、燃料噴射弁６は、吸気行程後期から圧縮行程中期（または圧縮行程前期）の間に、キャビティ５ａ内に総燃料噴射量の一部の燃料を噴射する早期噴射を行う（図５（Ｉ））。早期噴射の噴射時期は、副室８の連通路９の近傍におけるリーン混合気の均一性を高め、ＮＯｘの少ない燃焼を実現するため、エンジン負荷の増大に伴い進角する。
【００３６】
噴射された燃料は、キャビティ底部５ｂに衝突後、噴霧の運動量により、周囲空気を巻き込みながらキャビティ側壁部５ｃからシリンダ軸方向上側へ誘導される（図５（II））。そして、キャビティ５ａ内及びその上空に略均一なリーン混合気を形成する（図５（III））。なお、この時、ピストン５の圧縮により副室８内には連通路９を介して可燃混合気が供給される。
【００３７】
その後、圧縮行程中期〜後期に、キャビティ５ａ内に残りの燃料を噴射する後期噴射を行う（図５（III））。後期噴射で噴射された燃料は、ピストン５のキャビティ底部５ｂに衝突し、キャビティ側壁部５ｃからシリンダヘッドの内壁へ導かれ、副室８側へ誘導される前に、副室８の連通路９から放出された略柱状の噴出火炎により着火・燃焼される（図５（IV））。これにより、ピストン５のキャビティ側壁部５ｃの上側に形成されたリッチな成層混合気に、副室８からの略柱状の噴出火炎により燃焼が行われる。
【００３８】
また図６は、図３（Ｂ）（IV）に示すように、高負荷領域においてキャビティ５ａ内および側壁部５ｃのシリンダ軸方向上側にリッチな成層混合気を形成する場合の混合気挙動を示している。なお、図６では、圧縮下死点（ＢＤＣ）方向から圧縮上死点（ＴＤＣ）方向までの各状態と、機関負荷が増加した状態とのそれぞれについて示している。すなわち、図６（ａ）〜（ｃ）は、圧縮下死点方向から圧縮上死点方向までにおいて運転条件が中負荷領域である場合について示しており、図６（ａ’）〜（ｃ’）は、図６（ａ）〜（ｃ）において負荷が高くなった場合をそれぞれ示している。
【００３９】
この場合、燃料噴射弁６は、吸気行程中の早期に総燃料噴射量の一部の燃料を噴射して、主燃焼室４全体にリーンな混合気を形成する（図６（ａ），（ａ’））。
そして、圧縮行程中にキャビティ５ａ内に残りの燃料を後期噴射する（図６（ｂ），（ｂ’））。なお、図６（ｂ’）では、キャビティ側壁部５ｃのシリンダ軸方向上側からリッチ成層混合気が副室８側へ移動することを防止するため、負荷の増大に伴い燃料噴射時期を遅角する。
【００４０】
図６（ｃ），（ｃ’）では、後期噴射をした燃料がピストン５のキャビティ底部５ｂに衝突し、キャビティ側壁部５ｃから上側に略中空筒状のリッチ混合気を形成する。この場合、図５（ｄ）に示す中〜高負荷における成層混合気と比較して、図６（ａ）では早期噴射により主燃焼室４全体にリーンな混合気を形成するようにしているため、後期噴射をした場合には、主燃焼室４内のキャビティ側壁部５ｃより外側においてもリーンな混合気が分布する。これにより、主燃焼室４全体で燃料を完全燃焼させる。
【００４１】
本実施形態によれば、燃焼室４内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁６と、燃焼室４内に燃料着火源（例えば噴出火炎）を放出して、燃料噴射弁６から噴射された燃料に着火する着火装置と、を備える内燃機関において、着火装置の燃料着火源放出部の近傍位置にリーンな成層混合気を形成し、着火装置の燃料着火源放出部から離れた位置に燃料着火源により着火されるリッチな成層混合気を形成する。このため、着火装置の燃料着火源放出部近傍にはリーンな成層混合気が形成されるため、異常急速燃焼やプレイグニッションの発生を抑制できると共に、燃料着火源放出部近傍から離れた位置に形成されるリッチな成層混合気には、着火装置から放出される燃料着火源により着火を行うため、燃料噴射量が多い運転条件においても安定した運転ができる。
【００４２】
また本実施形態によれば、ピストン冠面に燃料噴射弁６から噴射された燃料を受けるキャビティ５ａを形成し、リッチな成層混合気は、キャビティ５ａ内およびその上側に形成される。このため、リッチな成層混合気を所定位置に安定して形成することができる。
また本実施形態によれば、キャビティ５ａの周縁部には、側壁部５ｃが形成されており、キャビティ５ａの上側に形成されるリッチな成層混合気は、キャビティ５ａの側壁部５ｃの上側に形成される。このため、燃料噴射弁６から噴射した燃料をキャビティ５ａの側壁部５ｃによりそのシリンダ軸方向上側に形成することができる。
【００４３】
また本実施形態によれば、着火装置は、燃焼室４と連通路９を介して連通する副室８と、該副室８内のガスに点火して、連通路９の燃焼室４側の燃料着火源放出部から燃焼室４内に燃料着火源を放出する点火手段と、を含んで構成される。このため、点火手段により副室８内のガスに点火して連通路９から主燃焼室４内に燃料着火源を放出することができる。
【００４４】
また本実施形態によれば、点火手段は点火プラグ７である。このため、容易に副室８内のガスに点火することができる。
また本実施形態によれば、リッチ成層混合気およびリーン成層混合気は、所定運転条件の時に形成される。このため、運転条件に応じて適切にリッチ成層混合気およびリーン成層混合気を形成できる。
【００４５】
また本実施形態によれば、所定運転条件は、中負荷から高負荷時である。このため、この運転負荷レベルでの運転ができ、異常急速燃焼やプレイグニッションを抑制できる。また、この運転負荷レベル未満において成層混合気を形成していない時に対し、中負荷から高負荷時ではポンプロスによる負の仕事が低減するため、未燃成分の排出も低減できる。
また本実施形態によれば、燃料噴射弁６は、吸気行程後期から圧縮行程中期の間に燃料の早期噴射を行い、その後の圧縮行程中期から圧縮行程後期の間に燃料の後期噴射を行う。このため、早期噴射により主燃焼室４内にリーンな成層混合気を形成でき、後期噴射により主燃焼室４内にて着火装置の燃料着火源放出部から離れた位置にリッチ成層混合気を形成することができる。
【００４６】
また本実施形態によれば、燃料噴射弁６は、所定運転条件が高負荷である時に、吸気行程中に燃料の早期噴射を行い、主燃焼室４全体にリーンな混合気を形成する。このため、主燃焼室４内全体に成層混合気を形成でき、着火装置による着火を行った際に主燃焼室４全体で完全燃焼を行うことができる。
また本実施形態によれば、燃料噴射弁６は、圧縮行程中に燃料の後期噴射を行う。このため、主燃焼室４内において着火手段の燃料着火源放出部から離れた位置にリッチな成層混合気を形成することができる。
【００４７】
また本実施形態によれば、燃料噴射弁６は、負荷の増大に伴い、早期噴射の噴射時期を進角する。このため、リッチな成層混合気が着火装置の燃料着火源放出部へ移動することを防止できる。
また本実施形態によれば、燃料噴射弁６は、負荷の増大に伴い、後期噴射の噴射時期を遅角する。このため、着火装置の燃料着火源放出部近傍のリーン混合気の均一性が高まり、比較的ＮＯｘの少ない燃焼が実現できる。
【００４８】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
本実施形態は、触媒昇温要求時に、図３（Ｂ）（III）に示すようなリーンな成層混合気およびリッチな成層混合気を形成する制御を行うものであり、図７のフローチャートに従ってなされる。
ステップ１（図では「Ｓ１」と示す。以下同様）では、触媒１３の昇温要求時、すなわち触媒１３が活性化しているか否かを判定する。この判定は、例えば触媒１３の温度を検出する温度センサ１４により触媒温度を検出し、触媒温度が所定温度以上である場合に触媒１３が活性しているとする。なお、触媒温度センサを有しない場合は、冷却水温ならびに始動後サイクル数に基づいて触媒の活性を判定したり、または、低負荷領域の連続運転の経過時間などから現時点の触媒温度を推測して触媒１３の活性を判定したりする。
【００４９】
ステップ１にて、触媒１３の昇温要求時、すなわち、触媒１３が非活性状態であると判定した場合には、ステップ２へ進む。一方、触媒１３が活性状態であると判定した場合には、ステップ３へ進む。
ステップ２では、触媒昇温要求制御として、図３（Ｂ）（III）に示すようにリッチな成層混合気がピストン側壁部５ｃのシリンダ軸方向上側に形成されるように燃料噴射弁６の燃料噴射時期および燃料噴射量を制御する一方、副室８内の点火プラグ７の点火により副室８の連通路９から主燃焼室４内に略柱状の噴出火炎（燃料着火源）を形成することで、主燃焼室４内で燃焼を行う。
【００５０】
触媒昇温要求制御では、中〜高負荷領域において圧縮行程早期に燃料噴射弁６から総燃料噴射量の一部の燃料を噴射する早期噴射を行う。
これにより、吸気行程後期から圧縮行程中期（または圧縮行程前期）の間に噴射された燃料は、キャビティ底部５ｂに衝突後し、噴霧の運動量により、周囲空気を巻き込みながらキャビティ側壁部５ｃからシリンダ軸方向上側へ誘導され、キャビティ５ａ内及びその上空に略均一な成層リーン混合気を形成する（図５（III））。そして、着火装置の燃料着火源放出部近傍にはリーンな成層混合気を形成し、異常急速燃焼やプレイグニッションの発生を抑制すると共に、燃料着火源放出部近傍から離れた位置にはリッチな成層混合気を形成し、着火装置から放出される燃料着火源により着火を行うため、燃料噴射量が多い運転条件においても安定した運転ができる。
【００５１】
また、早期噴射の噴射時期は、副室８の連通路９の近傍におけるリーンな混合気の均一性を高め、ＮＯｘの少ない燃焼を実現するため、エンジン負荷の増大に伴い進角する。その後、圧縮行程中期から圧縮行程後期の間に、キャビティ５ａ内に燃料の後期噴射を行う（図５（III））。
そして、後期噴射で噴射された燃料によるリッチ混合気が、キャビティ側壁部５ｃからシリンダヘッドの内壁へ導かれ、副室８側へ誘導される前に、副室８の連通路９から略柱状の噴出火炎を形成する（図５（ｄ））。これにより、ピストン５のキャビティ側壁部５ｃのシリンダ軸方向上側に形成されたリッチな成層混合気に、副室８からの略柱状の噴出火炎により着火がされ燃焼が行われる。
【００５２】
更に、キャビティ側壁部５ｃの上側に形成された中空円筒状のリッチな成層混合気の外側においては、シリンダ壁流が低減するため未燃ＨＣの排出も低減する。また、燃焼効率を落とすために、点火時期は通常運転時よりも遅角側に設定される。
ステップ３では、通常制御へ移行する。
本実施形態によれば、排気通路１１に配置された排気浄化触媒１３の昇温要求時（ステップ１）に、リッチ成層混合気およびリーン成層混合気を形成する。このため、触媒１３の昇温要求時には、排気ガス温度を上昇させて噴射された燃料の多くをＨＣやＣＯなどの排気未燃焼成分とし排気通路１１内に排出し、燃焼効率を落とした燃焼制御を行うが、この場合、仮に機関低負荷時においても通常運転時に対し相対的に、総燃料噴射量が増大するため、主燃焼室４全体、すなわち着火装置の燃料着火源放出部から離れた位置における混合気の濃度が相対的にリッチとなるが、本構成では、それに伴う異常急速燃焼やプレイグニッションの発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の第１の実施形態における内燃機関の構成図
【図２】主燃焼室内に略柱状の燃料着火源を形成した状態を示した図
【図３】機関負荷に対する混合気の分布を示す図
【図４】機関負荷に対する混合気の当量比
【図５】中負荷から高負荷領域におけるリッチ成層混合気の形成挙動を示す図
【図６】高負荷領域におけるリッチ成層混合気の形成挙動を示す図
【図７】リーン成層混合気およびリッチ混合気を形成する制御フロー
【符号の説明】
【００５４】
１  エンジン
４  主燃焼室
５  ピストン
５ａ  キャビティ
５ｂ  底部
５ｃ  側壁部
６  燃料噴射弁
７  点火プラグ
８  副室
９  連通路
１３  触媒
１４  温度センサ
１７  燃料ポンプ
２０  ＥＣＵ
【図１】
0004609227.tif 000002
【図２】
0004609227.tif 000003
【図３】
0004609227.tif 000004
【図４】
0004609227.tif 000005
【図５】
0004609227.tif 000006
【図６】
0004609227.tif 000007
【図７】
0004609227.tif 000008