(57)【要約】【課題】  混合気と燃焼室壁面との間の熱伝達を促進して、混合気に大きな温度不均一性を付与し、これにより、自着火による燃焼を緩慢化して燃焼音を小さくすること。【解決手段】  この予混合圧縮自着火内燃機関は、ピストン２２の頂面２２ａ上に半球状凹部２２ｂを複数備えている。給気弁３２の開弁に伴って燃焼室２６に流入する空気は、逆タンブル流Ａとなってピストンの頂面上を通過する。このとき、空気は半球状凹部により乱され、同半球状凹部において効率よく冷却される。また、半球状凹部により表面積が増大しているので、壁との衝突により消滅する活性ラジカル成分の濃度が半球状凹部近傍において低下する。これらの結果、低い温度且つ低い活性ラジカル濃度を有する混合気が部分的に形成され、その混合気の着火開始時期が遅れるので、全体として燃焼を緩慢化することができ、燃焼音を小さくすることができる。【選択図】  図９
2005330814.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともシリンダボア壁面とシリンダヘッド下面とピストン頂面とにより構成されるとともに燃料と空気とを含む混合気を圧縮して自着火させ同自着火により同混合気を燃焼させる燃焼室、を有する予混合圧縮自着火内燃機関において、
前記燃焼室を構成する面に複数の凹部又は凸部を形成したことを特徴とする予混合圧縮自着火内燃機関。
【請求項２】
請求項１に記載の予混合圧縮自着火内燃機関であって、
前記燃料を前記燃焼室内に直接噴射する燃料噴射手段と、前記内燃機関の負荷を検出する負荷検出手段と、前記検出された負荷が大きくなるほど前記燃料噴射手段による燃料の噴射開始時期を早くする燃料噴射時期制御手段と、を含む制御装置、
を備えた予混合圧縮自着火内燃機関。
【請求項３】
請求項１に記載の予混合圧縮自着火内燃機関において、
前記凹部又は凸部は、前記ピストン頂面に形成された半球状の凹部である予混合圧縮自着火内燃機関。
【請求項４】
請求項３に記載の予混合圧縮自着火内燃機関において、
前記ピストン頂面の凹部は、同ピストン頂面の中央部から周辺部へ向うにつれて径及び深さが次第に小さくなるように形成されてなる予混合圧縮自着火式内燃機関。
【請求項５】
請求項１に記載の予混合圧縮自着火内燃機関であって、
前記燃焼室は同燃焼室に流入する空気により同燃焼室内にタンブル流又は逆タンブル流が発生するように構成され、
前記凹部又は凸部は、前記ピストン頂面に形成され、前記タンブル流又は前記逆タンブル流に対して直交する方向に伸びる長手方向の軸を有する凹状の溝又は凸状のリブである予混合圧縮自着火内燃機関。
【請求項６】
請求項５に記載の予混合圧縮自着火内燃機関であって、
前記シリンダヘッド下面に給気弁及び排気弁が露呈するように配設された２サイクル内燃機関である予混合圧縮自着火内燃機関。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載の予混合圧縮自着火内燃機関において、
前記凹部又は凸部は、少なくとも表面が前記燃焼室を構成する他の部分の壁面よりも熱伝達率の高い部材により構成されてなる予混合圧縮自着火式内燃機関。
【請求項８】
少なくともシリンダボア壁面とシリンダヘッド下面とピストン頂面とにより構成されるとともに燃料と空気とを含む混合気を圧縮して自着火させ同自着火により同混合気を燃焼させる燃焼室、を有する予混合圧縮自着火内燃機関において、
前記シリンダヘッド下面の周辺部及び前記ピストン頂面の周辺部を互いに対向する平坦面とするとともに同ピストン頂面の中央部にキャビティを形成することにより前記燃焼室内の周辺部にスキッシュ部が形成され、且つ、前記形成されるスキッシュ部に近接した位置にウォータジャケットが形成されてなる混合圧縮自着火式内燃機関。
【請求項９】
請求項８に記載の予混合圧縮自着火内燃機関において、
前記ピストン頂面の周辺部に同ピストン頂面の中央から放射状に伸びる複数の溝が形成された予混合圧縮自着火内燃機関。
【請求項１０】
請求項８に記載の予混合圧縮自着火内燃機関において、
前記ピストン頂面の中央部のキャビティは円形の外形を有するように形成され、
前記ピストン頂面の周辺部に前記キャビティの外形の接線方向に伸びる複数の溝が形成された予混合圧縮自着火内燃機関。
【請求項１１】
請求項８乃至請求項１０の何れか一項に記載の予混合圧縮自着火内燃機関において、
前記ピストンの平坦面は、少なくとも表面が前記燃焼室を構成する他の部分の壁面よりも熱伝達率の高い部材により被覆されてなる予混合圧縮自着火式内燃機関。
【請求項１２】
少なくともシリンダボア壁面とシリンダヘッド下面とピストン頂面とにより構成されるとともに燃料と空気とを含む混合気を圧縮して自着火させ同自着火により同混合気を燃焼させる燃焼室と、
シリンダボア壁により前記燃焼室と隔てられたウォータジャケットと、
を有する予混合圧縮自着火内燃機関であって、
前記燃焼室に給気スワールを形成するスワールポートを備えるとともに、
前記ピストンが下死点位置にあるときの前記ピストン頂面の位置近傍の燃焼室領域と前記ウォータジャケットとを隔てる前記シリンダボア壁の肉厚を、同燃焼室の他の領域と同ウォータジャケットとを隔てる同シリンダボア壁の肉厚より薄く構成した予混合圧縮自着火内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料と空気とを含む混合気を圧縮して自着火（自己着火）させ、同自着火により同混合気を燃焼させる燃焼室を有する予混合圧縮自着火内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、空気と燃料とを含む混合気を燃焼室に形成し、その混合気を同燃焼室内にて圧縮することにより自着火させて燃焼させる予混合圧縮自着火内燃機関が知られている。予混合圧縮自着火内燃機関においては、空燃比を極めてリーンな空燃比とし且つ圧縮比を高くすることができる。従って、広い運転領域で予混合圧縮自着火運転を行うことができれば、燃費を改善することができるとともにNOxを低減することができると考えられている。
【０００３】
ところで、自着火による燃焼においては、圧縮された混合気は多数の着火点においてほぼ同時に着火され、極めて短期間のうちに燃焼する。このため、特に燃料量が多い高負荷領域において、燃焼室内の圧力（筒内圧力）が急激に上昇し、燃焼音（騒音）が非常に大きくなる。
【０００４】
一方、自着火による燃焼を緩慢に進ませることができれば、筒内圧力の上昇率は低下するから、燃焼音を小さくすることができる。このため、従来の予混合圧縮自着火内燃機関は、圧縮行程前の吸気行程において燃焼室から排出された高温の燃焼ガス（ＥＧＲガス）を二つの給気ポートのうちの一つから導入するとともに他の給気ポートから低温の空気を導入することにより、燃焼室内に温度勾配が大きくなる領域（ＥＧＲガス層と空気層とが接する領域）を形成し、その領域に燃料を噴射するようになっている（例えば、特許文献１を参照。）。これによれば、温度勾配の大きな領域から温度勾配に従って温度の低い領域へと順次自着火燃焼が進むので、急激な燃焼を抑制することができると考えられている。
【特許文献１】特開２００１−２１４７４１（請求項１、段落番号００２８乃至００２９、段落番号００４４乃至００４９、図４、図５及び図２６（ａ））
【０００５】
しかしながら、種々の検討によれば、吸気行程において燃焼室内に形成された温度勾配（混合気の温度の空間的な不均一性）は、圧縮上死点近傍の自着火に係る反応が開始する時点（燃料分解開始時点）までに小さくなってしまうことが判明した。従って、上記従来の予混合圧縮自着火内燃機関は、自着火に係る反応が開始する時点において燃焼室内の混合気に十分な温度の不均一性を与えておくことができず、その結果、燃焼を十分に緩慢にすることができないので燃焼音を低減できないという問題を有している。
【発明の開示】
【０００６】
本発明の目的は、燃焼室を構成する壁と混合気との間の熱伝達を促進することにより、混合気を部分的に冷却して同混合気に大きな温度不均一性を付与し、もって、予混合圧縮自着火による燃焼を緩慢にして、燃焼騒音を低減することが可能な予混合圧縮自着火内燃機関を提供することにある。
【０００７】
本発明による内燃機関は、少なくともシリンダボア壁面とシリンダヘッド下面とピストン頂面とにより構成されるとともに燃料と空気とを含む混合気を圧縮して自着火させ同自着火により同混合気を燃焼させる燃焼室、を有する予混合圧縮自着火内燃機関において、前記燃焼室を構成する面に複数の凹部又は凸部を形成したことを特徴とする予混合圧縮自着火内燃機関である。
【０００８】
これによれば、燃焼室に流入する空気の流れが複数の凹部又は凸部により乱される。また、複数の凹部又は凸部を備えている燃焼室の表面積は、凹部又は凸部を備えない燃焼室の表面積よりも大きい。従って、燃焼室内に流入した空気及び燃焼室内にて形成される混合気は、凹部又は凸部において燃焼室を構成している部材と熱の交換を多く行って部分的に効率良く冷却されるので、自着火に係る反応が開始する時点での混合気の温度分布を大きくすることができる。これにより、凹部又は凸部近傍の温度の低い混合気の燃焼開始時期が遅れる。更に、自着火反応の起こり易さに影響を及ぼす活性ラジカル成分（例えば、ＯＨ，Ｏ，Ｈなど）は壁面との衝突により消滅し易いので、表面積が大きい凹部又は凸部の近傍では活性ラジカル濃度が低下する。従って、この活性ラジカル濃度の低下によっても凹部又は凸部近傍の混合気の燃焼開始時期は遅れる。これらの結果、混合気全体として燃焼期間が長くなる（燃焼が緩慢となる）ので、筒内圧力上昇率が過大とならず、燃焼に伴う騒音が低減され得る。
【０００９】
この内燃機関は、前記燃料を前記燃焼室内に直接噴射する燃料噴射手段と、前記内燃機関の負荷を検出する負荷検出手段と、前記検出された負荷が大きくなるほど前記燃料噴射手段による燃料の噴射開始時期を早くする燃料噴射時期制御手段と、を含む制御装置、を備えていることが好適である。
【００１０】
混合気を確実に自着火させるためには、混合気中の総ての燃料を十分に気化させておく必要がある。一方、内燃機関の負荷が大きいとき（高負荷時）、燃焼室に噴射される燃料の量（燃料噴射量）は大きくなる。従って、総ての燃料を十分に気化させるのに必要な時間は負荷が大きいほど長くなる。また、一般に、燃料噴射量の増大とともに燃料噴射時間は長くなるので、負荷の大きさに関わらず燃料噴射開始時期を一定としていると燃料噴射終了時期が遅くなる。従って、高負荷時に燃料噴射開始時期が遅い場合、圧縮上死点までに燃料を十分に気化させることができず、混合気を確実に自着火できない恐れがある。そこで、上記構成のように、内燃機関の負荷が大きくなるほど燃料噴射開始時期を早めれば、高負荷時においても総ての燃料を十分に気化させる時間が確保できるので、安定した自着火による燃焼を実現することができる。
【００１１】
これに対し、内燃機関の負荷が非常に小さい場合（極軽負荷時）、燃焼室に噴射される燃料の量は非常に少なくなるので、燃焼ガス温度が低下する。従って、極軽負荷時において、圧縮行程を経た時点の混合気の温度（圧縮端温度）は、燃焼ガスを利用しても、高負荷時ほど高温とならない。また、燃料が燃焼室内に噴射されると、同燃料が気化し、その気化熱により燃焼室壁面の温度が直ちに低下してしまう。従って、燃料噴射開始時期が早い場合、混合気は低温の燃焼室壁面から受熱することになるので、混合気が燃焼室壁面から受ける熱量が低下する。これらの結果、極軽負荷時において、圧縮端温度は自着火に必要な温度に到達しない場合があり得る。
【００１２】
そこで、上記構成のように、極軽負荷時には燃料噴射開始時期が遅くなるように燃料を噴射すれば、噴射された燃料の気化熱により燃焼室壁面の温度が低下し始めるまでの比較的長い期間、燃焼室内の空気（実際には空気及び燃焼ガスからなるガス）が高温に維持されている燃焼室壁面（特に、表面積が大きい複数の凹部又は凸部）から受熱する（加熱される）ことになり、同空気の温度が上昇する。この結果、混合気の圧縮端温度を高めることができるので、極低負荷時にも安定した自着火による燃焼を行うことができる。従って、自着火による燃焼を行うことが可能な低負荷領域を拡大することができる。
【００１３】
この場合、前記凹部又は凸部は、前記ピストン頂面に形成された半球状の凹部であることが好適である。
【００１４】
これによれば、燃焼室内に発生する混合気流によりピストン頂面近傍を流れる混合気の一部を同ピストン頂面に形成された半球状凹部に滞留させ、且つ、混合気流に乱れを発生させることができる。従って、混合気と凹部との間の熱交換が効率良く行われるので、自着火に係る反応が開始する時点での混合気の温度分布を大きくすることができる。この結果、自着火による燃焼を緩慢化することができる。また、ピストン頂面に凹部を形成することは、ピストン頂面以外の燃焼室壁面に凹部又は凸部を形成するよりも容易である。従って、上記構成によれば、より簡単な製造方法により燃焼室壁面に前記凹部を形成することもできる。
【００１５】
この場合、前記ピストン頂面の凹部は、同ピストン頂面の中央部から周辺部へ向うにつれて径が次第に小さくなるように形成されていることが好適である。
【００１６】
これによれば、ピストン頂面の中央部の表面積（ピストン頂面の正面視における同ピストン頂面の単位面積あたりにおける実際の表面積）が周辺部の表面積よりも大きくなり、且つ、燃焼室中央部では混合気流が速いので気流の乱れも周辺部より大きくなる。従って、燃焼室中央部での混合気とピストンとの間の熱伝達率が燃焼室周辺部でのそれらの間の熱伝達率よりも高くなる。この結果、燃焼室中央部の混合気の温度を大きく低下させることができるので、燃焼室周辺部の混合気の温度を燃焼室中央部の混合気の温度よりも高くすることができる。更に、活性ラジカル濃度は、表面積が大きいピストン頂面の中央部にて周辺部よりも大きく低下する。これらの結果、未燃の炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）が発生し易い燃焼室の周辺部の混合気の燃焼が最後の燃焼とはならないので、未燃の炭化水素及び一酸化炭素の量を抑制しながら燃焼を緩慢にすることができる。
【００１７】
一方、本発明による内燃機関の他の態様において、前記燃焼室は同燃焼室に流入する空気により同燃焼室内にタンブル流又は逆タンブル流が発生するように構成され、前記凹部又は凸部は前記ピストン頂面に形成され且つ前記タンブル流又は前記逆タンブル流に対して直交する方向に伸びる長手方向の軸を有する凹状の溝又は凸状のリブである。
【００１８】
これによれば、凹状の溝又は凸状のリブがタンブル流又は逆タンブル流（これらの流れは「縦スワール」とも称呼される。）に対して直交する方向に伸びているので、同溝又は同リブの近傍において気流の乱れが効果的に発生する。従って、凹状の溝又は凸状のリブが形成されているピストン頂面の部分と混合気との間の熱伝達量が増大するので、混合気を部分的に効率良く冷却することができる。この結果、自着火に係る反応が開始する時点での混合気の温度分布を大きくすることができるので、自着火による燃焼を緩慢とすることができる。また、半球状の凹部を形成する場合に比べ、燃焼室の表面積が大きくならないので、圧縮上死点における燃焼室の体積に対する同燃焼室の表面積の比（＝燃焼室表面積／燃焼室体積）を小さくすることができる。従って、この内燃機関が所定の運転領域において火花点火運転を行う機関であれば、火花点火運転における燃焼時の冷却損失を低減することができる。
【００１９】
このような溝又はリブを有する予混合圧縮自着火内燃機関は、前記シリンダヘッド下面に給気弁及び排気弁が露呈するように配設された２サイクル内燃機関であることが好適である。
【００２０】
これによれば、給気弁から流入する空気が逆タンブル流又はタンブル流を燃焼室内に発生せしめ、その逆タンブル流又はタンブル流はピストン頂面に形成された溝又はリブにより乱される。従って、燃焼室に流入した空気は前記溝又は前記リブ及びそれらの近傍に滞留するようになるから、空気が燃焼室の下部から（即ち、シリンダヘッド下面側からでなくピストン頂面側から）順に満たされ易くなる。この結果、２サイクル内燃機関が有する給気弁の開弁期間と排気弁の開弁期間とが重複する期間（掃気期間）において、新たに燃焼室内に流入した空気のうち排気弁を介して燃焼室外に排出されてしまう空気の量（所謂、空気の吹き抜け量）を低減することができる。
【００２１】
また、上述した何れかの予混合圧縮自着火内燃機関における前記凹部又は凸部は、少なくとも表面が前記燃焼室を構成する部材（例えば、鉄など）よりも熱伝達率の高い部材（例えば、銅など）により構成されていることが好適である。これは、凹部又は凸部の全体が燃焼室を構成する他の部材の熱伝達率よりも高い熱伝達率を有する部材により形成されている態様を含む。
【００２２】
これによれば、凹部又は凸部の熱伝達率が増大するから、混合気を凹部又は凸部において効果的に冷却することができる。従って、混合気の温度分布を一層拡大することができ、自着火に係る反応が開始する時点まで混合気の大きな温度分布を確実に維持することができるので、自着火燃焼をより一層緩慢にすることができる。なお、燃焼室の壁が例えばセラミックにより構成されている場合、前記凹部又は凸部をセラミックスよりも熱伝達率の高い例えば鉄などの部材により構成してもよい。
【００２３】
本発明による内燃機関の他の態様は、
少なくともシリンダボア壁面とシリンダヘッド下面とピストン頂面とにより構成されるとともに燃料と空気とを含む混合気を圧縮して自着火させ同自着火により同混合気を燃焼させる燃焼室、を有する予混合圧縮自着火内燃機関において、
前記シリンダヘッド下面の周辺部及び前記ピストン頂面の周辺部を互いに対向する平坦面とするとともに同ピストン頂面の中央部にキャビティを形成することにより前記燃焼室内の周辺部にスキッシュ部が形成され、且つ、前記形成されるスキッシュ部に近接した位置にウォータジャケットが形成されてなる予混合圧縮自着火内燃機関である。
【００２４】
これによれば、ピストンが圧縮上死点に近づく圧縮行程中期以降において、前記シリンダヘッド下面の周辺部及び前記ピストン頂面の周辺部に互いに対向するように形成された平坦面によりスキッシュ部が形成され、そのスキッシュ部からピストン頂面の中央部のキャビティに向けて混合気が高い速度で移動する。従って、混合気とピストン頂面の平坦部との間の熱伝達率が増大し、混合気は同平坦部において効果的に冷却された後にキャビティに流れ込む。更に、ピストンがスキッシュ流を発生させるような位置（圧縮上死点に近い位置）となった場合、そのピストンの頂面及びシリンダヘッド下面の周辺部により形成されるスキッシュ部に近接した位置にウォータジャケットが形成されているので、同ピストンは冷却され続ける。従って、スキッシュ流となっている混合気はピストン頂面において効果的に冷却される。
【００２５】
この結果、当初よりキャビティに存在していた相対的に温度の高い混合気と、キャビティに流れ込む相対的に温度の低い混合気とにより、キャビティ内に温度分布が大きい混合気が形成される。これにより、自着火に係る反応が開始する時点において混合気の大きな温度分布を形成しておくことができるので、自着火による燃焼が緩慢となり、燃焼に伴う騒音を低減することができる。
【００２６】
上記スキッシュ部を有する内燃機関の場合、前記ピストン頂面の周辺部に同ピストン頂面の中央部から放射状に伸びる複数の溝（ピストン頂面の径方向に沿う長手方向を有する溝）が形成されていることが好適である。
【００２７】
これによれば、平坦部にて冷却された混合気が平坦部からキャビティに直接的に高い速度を持って流れ込むとともに、平坦部にて冷却された混合気が平坦部から複数の溝の中にも流れ込み、この複数の溝を経由してキャビティに低い速度を持って流れ込む。従って、キャビティに一時に多量の冷却された混合気が流れ込まないので、キャビティにおける混合気の温度が均一となってしまうことを回避することができる。この結果、自着火に係る反応が開始する時点まで混合気の大きな温度分布を確実に維持することができるので、自着火による燃焼を確実に緩慢にすることができる。
【００２８】
また、上記スキッシュ部を有する内燃機関の場合、前記ピストン頂面の中央部のキャビティは円形の外形を有するように形成され、前記ピストン頂面の周辺部に前記キャビティの外形の接線方向に伸びる複数の溝が形成されることも好適である。
【００２９】
これによれば、平坦部にて冷却された混合気が平坦部からキャビティに高い速度を持って直接的に流れ込む。また、平坦部にて冷却された混合気が、平坦部から複数の溝を経由してキャビティに低い速度を持って、且つ、円形のキャビティの接線方向に沿って流れ込む。従って、平坦部にて冷却されて温度が低くなっている混合気がキャビティの外周部に沿って緩やかに旋回するとともに、温度が高い混合気はキャビティの中央部に存在するようになる。この結果、キャビティ内の混合気の温度が均一化せず、自着火に係る反応が開始する時点まで混合気の大きな温度分布を維持することができる。従って、自着火による燃焼を確実に緩慢にすることができる。
【００３０】
また、上述したスキッシュ部を有する内燃機関において、前記ピストンの平坦面は、少なくとも表面が前記燃焼室を構成する他の部分の壁面よりも熱伝達率の高い部材により被覆されていることが好適である。
【００３１】
これによれば、ピストン頂面の平坦部と混合気との間の熱伝達率が増大するので、スキッシュ部において混合気が効率的に冷却される。従って、スキッシュ流が弱い時点（スキッシュ流の発生開始直後）から混合気を冷却することできる。この結果、機関が高回転にて運転されている場合であっても混合気の冷却を十分に行うことができるので、自着火に係る反応が開始する時点での混合気の温度分布を大きくすることができ、自着火燃焼を緩慢にすることができる。更に、燃焼室末端のガスの冷却を十分に行うことができるので、この内燃機関が所定の高負荷運転領域において火花点火による混合気の燃焼（火花点火運転）を行う機関であれば、火花点火運転におけるノッキングの発生を抑制することができる。
【００３２】
本発明による内燃機関の他の態様は、
少なくともシリンダボア壁面とシリンダヘッド下面とピストン頂面とにより構成されるとともに燃料と空気とを含む混合気を圧縮して自着火させ同自着火により同混合気を燃焼させる燃焼室と、
前記シリンダボア壁面を形成するシリンダボア壁により前記燃焼室と隔てられたウォータジャケットと、
を有する予混合圧縮自着火内燃機関であって、
前記燃焼室に給気スワールを形成するスワールポートを備えるとともに、
前記ピストンが下死点位置にあるときの前記ピストン頂面の位置近傍の燃焼室領域と前記ウォータジャケットとを隔てる前記シリンダボア壁の肉厚を、同燃焼室の他の領域と同ウォータジャケットとを隔てる同シリンダボア壁の肉厚より薄く構成した予混合圧縮自着火内燃機関である。
【００３３】
これによれば、ピストンが吸気下死点近傍にあって、給気スワールが発生してから同スワールが比較的強く残存している期間、燃焼室内の空気（又は混合気）は薄肉のシリンダボア壁を隔てて形成されているウォータジャケット内の冷却水により効率的に冷却される。この結果、自着火に係る反応が開始する時点での燃焼室内の混合気に十分な温度の不均一性を与えることができるので、自着火燃焼が緩慢となり、燃焼に伴う騒音を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、本発明による予混合圧縮自着火内燃機関の各実施形態について説明する。この予混合圧縮自着火内燃機関は、２サイクル多気筒（本例では、３気筒）内燃機関であり、各気筒は少なくともシリンダボア壁面（シリンダの側壁面）とシリンダヘッド下面とピストン頂面とにより構成されるとともに燃料と空気とを含む均質混合気を圧縮して自着火させ同自着火により同混合気を燃焼させる（自着火燃焼させる）燃焼室を備える機関である。
【００３５】
ただし、本発明による内燃機関は、自着火による燃焼を常に行う予混合圧縮自着火内燃機関に限定されることはなく、少なくとも一部の運転領域において混合気を自着火により燃焼させる運転（自着火運転）を行い、他の運転領域において混合気を火花点火により燃焼させる運転（火花点火運転）を行う内燃機関を含む。更に、自着火運転を行っているとき、補助的に火花点火を実行する内燃機関も、本発明による予混合圧縮自着火内燃機関に含まれる。
【００３６】
本発明による内燃機関の各実施形態に共通する技術的特徴は、混合気と燃焼室を構成する壁との間の熱伝達を促進することにより、混合気に大きな温度不均一性（空間的温度不均一性）を付与し、もって、予混合圧縮自着火による燃焼を緩慢にする点である。先ず、係る混合気の温度不均一性が自着火燃焼に及ぼす影響について検討した結果を説明する。
【００３７】
図１は、混合気を自着火燃焼させた場合におけるクランク角に対する燃焼室内の圧力（以下、「筒内圧力」とも言う。）を、燃料分解開始時期（燃料の濃度が初期値の９０％になった時点、即ち、燃料の１０％が分解された時点）θ１における混合気の温度分布別にシミュレーションにより求めた結果を表すグラフである。燃料分解開始時期θ１は、自着火に係る反応の開始時点である。図１の実線、破線及び一点鎖線により示された筒内圧力は、図２の実線、破線及び一点鎖線により示された温度分布にそれぞれ対応した筒内圧力である。図２の実線、破線及び一点鎖線により示された温度分布は、標準偏差がそれぞれσ１＝０．６Ｋ（温度の不均一性が小）、σ２＝６．４Ｋ（温度の不均一性が中）及びσ３＝２０．７Ｋ（温度の不均一性が大）である温度分布である。
【００３８】
図１の実線により示されたように、燃料分解開始時期θ１における混合気の温度の不均一性が小さいと筒内圧力は極めて急激に上昇し、燃焼は短期間内に終了する。これに対し、図１の破線及び一点鎖線により示されたように、燃料分解開始時期θ１における温度の不均一性が大きくなるほど筒内圧力の上昇率は低下し、燃焼が緩慢になっている。このことから、燃料分解開始時期θ１における燃焼室内の混合気の温度を不均一にすることができれば自着火による燃焼を緩慢化でき、燃焼音を低減できることが理解される。
【００３９】
ところで、着火時期を大きく変化させることなく燃焼を緩慢にするためには、混合気全体が一律の燃焼反応速度で燃焼するのではなく、混合気が部分ごとに異なる燃焼反応速度で燃焼すれば良い。
【００４０】
一方、燃焼反応速度は、下記（１）式の特性式に示されるように、燃焼反応に係る成分（即ち、燃料及び酸化剤であり、以下、単に「燃焼反応成分」と言う。）の濃度と混合気の温度とに依存することが知られている。
燃焼反応速度＝Ｋ・（燃料濃度）ａ・（酸化剤濃度）ｂ・exp（−Ea／(R・T)）…（１）
（１）式において、Ｋ、ａ、ｂは定数、Eaは混合気の活性化エネルギー、Rは気体定数、Tは混合気の温度である。上記（１）式から、燃焼反応速度は、燃焼反応成分の濃度の累乗に比例して変化するのに対し、混合気の温度に関して指数関数的に変化すると言うことができる。従って、燃焼は、燃焼反応成分の濃度よりも混合気の温度に対して敏感に変化するということができる。
【００４１】
そこで、本発明の発明者は、混合気の温度に着目し、燃焼室内に生じている乱流により混合気の温度分布が圧縮行程中にどのように変化するかをシミュレーションにより調べた。その結果を図３に示す。図３に示した温度分布の変化から理解されるように、温度の不均一性は、圧縮行程初期から圧縮行程中期までは小さくなり、圧縮行程中期から圧縮行程後期にかけて再び大きくなる。これは、燃焼室壁面（シリンダボア壁面、シリンダヘッド下面及びピストン頂面）と混合気との間の熱の伝達（伝熱）により、燃焼室壁面近傍の混合気が冷却されることによると考えられる。
【００４２】
なお、本明細書において、圧縮行程の初期は、給気弁閉弁時点から混合気の温度が最も均一化される時点までの期間として定義される。圧縮行程の中期は、圧縮行程初期の終了時点から燃料分解開始時点θ１より所定クランク角θｙ（例えば、２０〜３０度のクランク角）前の時点までの期間として定義される。圧縮行程の後期は、圧縮行程中期の終了時点から着火時期までの期間として定義される。着火時期は、便宜上、最大発生熱量の５％の熱量が発生したときと定義される。
【００４３】
次に、シリンダボアの壁温と燃焼期間との関係をシミュレーションにより調べた。上述したように、混合気の温度の不均一性は燃焼室壁面のひとつであるシリンダボア壁面と混合気との間の伝熱によってもたらされると考えられるからである。シミュレーション結果を図４に示す。図４に示した筒内圧力の変化から、シリンダ壁温が低いほど燃焼期間が長くなっていることが理解される。換言すると、混合気と燃焼室を構成する壁面との間の熱伝達を大きくすることは、燃焼期間の長期化に有効であると言える。
【００４４】
次に、圧縮行程期間中のどのような時期に温度分布を形成することが燃焼を緩慢にすること（燃焼期間の長期化）に対して効果的であるかについて検討した。いま、燃焼室内の乱流による混合気の混合度合いの変化に対して燃焼反応が極端に早いとすれば、燃焼は殆ど乱流の影響を受けない。一方、燃焼室内の乱流による混合気の混合度合いの変化に対して燃焼反応が遅いとすれば、燃焼は燃焼室内の乱流に依存して変化することになる。
【００４５】
図５は、圧縮行程中において混合気が混合される度合い（混合気の混合度合）の変化を計算により求めた結果を示している。この計算から、混合気の混合度合は、圧縮行程の開始後（圧縮行程初期）に直ちに減衰し、圧縮行程中期〜圧縮行程後期までの期間においては、殆ど変化しないことが判明した。即ち、乱流による混合気の混合は、圧縮行程初期において相対的に非常に強く生じる。
【００４６】
図６は、圧縮行程中における燃焼反応速度（化学反応速度）の度合の変化を計算により求めた結果を示している。この計算から、燃焼反応は、圧縮行程の初期から中期までの期間において混合気の温度が高くないために殆ど進まず、圧縮行程後期において混合気の温度が高くなると一気に進行することが判明した。
【００４７】
以上の検討から、次の結論が導き出される。
（１）圧縮行程初期においては、乱流による混合気の混合が比較的激しく進行する。従って、圧縮行程初期までに相当に広い温度分布を有する混合気を形成しておかなければ、燃焼反応が活発化する圧縮行程後期における温度分布を大きくすることが難しい。換言すると、圧縮行程初期までに、強く冷却された混合気を燃焼室内に局所的に形成することができれば、燃焼を緩慢化することができる。
【００４８】
（２）圧縮行程中期においては、混合気の混合の進行が緩慢に進む。これに対し、燃焼反応は徐々に活発化する。但し、この燃焼反応は、爆発的な燃焼反応よりは進行が遅い「着火に到るための予反応」である。この予反応は比較的緩慢に進行するから、乱流による混合気の混合の影響は予反応により打ち消されてしまうことはなく、後に発生する爆発的な燃焼反応に影響を及ぼすことができる。従って、圧縮行程中期において、混合気の温度の不均一性を大きくすることができれば、燃焼をより効果的に緩慢化することができる。      
【００４９】
（３）圧縮行程後期（特に、燃料分解開始時期以降）においては、燃焼反応は、ガスの混合度合の進行に比較して非常に早く進行する。従って、この時期に低温の流体を付与するなどにより混合気に温度不均一性を追加的に付与しても、ガスの混合の進行によって低温の領域に燃料の粒子が存在するようになる前に燃焼が開始してしまうので、燃焼を緩慢にすることができない。
【００５０】
実際、燃料分解開始時期における燃焼室内の混合気の温度分布を変化させ、燃焼期間がどのように変化するかを計算により調べた。結果を図７に示す。図７から、燃焼期間は、燃料分解開始時期における燃焼室内の混合気の最高温度（筒内最高温度）と最低温度（筒内最低温度）との差に略比例する（例えば、温度差を２０Ｋから４０Ｋへと２倍にしたとき燃焼期間は約２倍の長さとなる。）ことが理解できる。従って、燃料分解開始時期における混合気の温度不均一性を大きくすることが燃焼を変化させるために効果的であるという上記結論の妥当性が確認できた。本発明の各実施形態に係る予混合圧縮自着火内燃機関は、上記検討に基づいてなされたものである。
【００５１】
次に、本発明による２サイクル予混合圧縮自着火内燃機関の各実施形態について図面を参照しつつ説明する。
（第１実施形態）
図８は、本発明の第１実施形態に係る２サイクル予混合圧縮自着火内燃機関及びその制御装置（システム）の概略を示している。２サイクル内燃機関とは、クランク角が３６０度経過する毎に、膨張行程、排気行程、掃気行程、給気行程及び圧縮行程を繰り返す内燃機関をいう。なお、制御装置は内燃機関の一部として捉えることもできる。
【００５２】
予混合圧縮自着火内燃機関１０は、シリンダブロック、シリンダブロックロワーケース及びオイルパン等を含むシリンダブロック部２０と、シリンダブロック部２０の上に固定されるシリンダヘッド部３０と、シリンダブロック部２０に空気（新気）を供給するための給気系統４０と、シリンダブロック部２０からの排ガスを外部に放出するための排気系統５０とを含んでいる。
【００５３】
シリンダブロック部２０は、シリンダ２１、ピストン２２、ウォータジャケット２３、コンロッド２４及びクランク軸２５を含んでいる。ピストン２２はシリンダ２１内を往復動し、ピストン２２の往復動がコンロッド２４を介してクランク軸２５に伝達され、これにより同クランク軸２５が回転するようになっている。
【００５４】
シリンダ２１の上部及びピストン２２の上部を含む内燃機関１０の部分拡大断面図である図９に示したように、シリンダボア壁面（シリンダ２１の側壁面）２１ａと、シリンダヘッド部３０により形成されるシリンダ２１のヘッド下面（シリンダヘッド下面）２１ｂと、ピストン２２の頂面（ピストン上面）２２ａは、後述する給気弁３２及び排気弁３４とともに燃焼室２６を構成している。ウォータジャケット２３は、シリンダ２１の周囲（燃焼室２６の周囲）に形成されている。なお、本明細書において、燃焼室２６とは少なくとも上記の三つの面２１ａ，２１ｂ及び２２ａにより画定される空間を意味し、ピストン２２が上死点位置にある場合に上記の三つの面２１ａ，２１ｂ及び２２ａにより確定される空間のみを意味するものではない。
【００５５】
ピストン２２の頂面２２ａには、図９及び図１０に示したように、複数の半球状の凹部（窪み）２２ｂが形成されている。複数の凹部２２ｂは、互いに同一の形状を有し、ピストン２２の頂面２２ａの互いに直交する中心線ＣＬ１及びＣＬ２のそれぞれに対して線対称位置に配列されている。
【００５６】
シリンダヘッド部３０は、図８に示したように、燃焼室２６に連通した給気ポート３１、給気ポート３１を開閉する給気弁３２、給気弁３２を駆動する給気弁駆動機構３２ａ、燃焼室２６に連通した排気ポート３３、排気ポート３３を開閉する排気弁３４、排気弁３４を駆動する排気弁駆動機構３４ａ、点火プラグ３５、点火プラグ３５に与える高電圧を発生するイグニッションコイルを含むイグナイタ３６及び燃料（ガソリン燃料）を燃焼室２６内に噴射するインジェクタ３７を備えている。給気弁駆動機構３２ａ及び排気弁駆動機構３４ａは、駆動回路３８に接続されていていて、駆動回路３８からの信号に応答して、給気弁３２及び排気弁３４をそれぞれ開閉するようになっている。なお、給気弁３２及び給気弁駆動機構３２ａからなる組と、排気弁３４及び排気弁駆動機構３４ａとからなる組は、一つの気筒にそれぞれ２組ずつ備えられている。
【００５７】
ここで、シリンダヘッドの下面２１ｂの構造（形状）について述べる。シリンダヘッド下面２１ｂには、図９に示したように、給気弁３２と排気弁３４との間（シリンダの略中央部）にマスク壁２１ｃが形成されている。このマスク壁２１ｃは、給気弁３２が最大リフト量位置に移動した場合の同給気弁３２の先端部（傘部）の位置よりも、燃焼室２６側に突出している。マスク壁２１ｃは、２つの給気弁３２と２つの排気弁３４との間においてシリンダを横断するように延設されている。
【００５８】
この結果、給気弁３２が開弁したとき、給気ポート３１から燃焼室２６内に流入する空気は、主としてシリンダ２１の給気弁３２が配設されている側のシリンダボア壁面に沿って下降する。これにより、燃焼室２６内には、図９の矢印Ａにて示したように、逆タンブル流（縦スワール）が発生する。従って、後述する掃気期間（給気弁３２及び排気弁３４が共に開弁している期間）において、給気弁３２の周囲を介して燃焼室２６内に流入した空気のうち、そのまま排気弁３４の周囲を介して排気ポート３３に流出してしまう空気の量（吹き抜け量）が低減されるとともに、燃焼室２６内に流入する空気（空気の逆タンブル流）により燃焼室２６内に残存する燃焼ガスが効率よく排気ポート３３に押し出されるようになっている。
【００５９】
インジェクタ３７は、図８に示したように、蓄圧室３７ａ、燃料ポンプ３７ｂ及び図示しない燃料タンクに順に接続されている。燃料ポンプ３７ｂは駆動信号に応答して燃料タンク内の燃料を高圧にしてから蓄圧室３７ａに供給するようになっている。蓄圧室３７ａは高圧の燃料を貯蔵するようになっている。これにより、インジェクタ３７は、駆動信号に応答して開弁したとき、燃焼室２６内に高圧の燃料を噴射するようになっている。なお、これらは燃料噴射手段を構成している。
【００６０】
給気系統４０は、給気ポート３１に連通したインテークマニホールド４１、インテークマニホールド４１に連通するとともに給気管を構成するサージタンク４２、サージタンク４２に一端が接続された給気ダクト４３、給気ダクト４３の他端部から下流（サージタンク４２）に向けて順に給気ダクト４３に配設されたエアフィルタ４４、ターボチャージャ５２のコンプレッサ５２ａ、エアバイパスバルブ４５（以下、ＡＢＶ４５と称呼する。）、スーパーチャージャ（機械式過給機）４６、インタークーラ４７及びスロットル弁４８を備えている。なお、給気ポート３１、インテークマニホールド４１及びサージタンク４２等は、スロットル弁４８の下流の吸気通路を構成している。
【００６１】
スーパーチャージャ４６はスーパーチャージャ用クラッチ４６ａを備えている。スーパーチャージャ用クラッチ４６ａは、駆動信号に応答して、スーパーチャージャ４６を内燃機関１０によって機械的に駆動する状態（作動状態、即ち、過給状態）と、スーパーチャージャ４６を内燃機関１０によって駆動しない状態（非作動状態、即ち、非過給状態）との何れかの状態を選択的に達成するようになっている。インタークーラ４７は水冷式であって、給気ダクト４３を通過する空気を冷却するようになっている。
【００６２】
給気系統４０は、更に、バイパス通路４９を備えている。バイパス通路４９の一端はＡＢＶ４５と接続され、他端はスーパーチャージャ４６とインタークーラ４７との間の位置にて給気ダクト４３に接続されている。ＡＢＶ４５は、駆動信号に応答してそのバルブ開度を変更することにより、スーパーチャージャ４６へ流入する空気量とスーパーチャージャ４６をバイパスする空気量とを調整するようになっている。
【００６３】
スロットル弁４８は給気ダクト４３内において同給気ダクト４３に回動可能に支持されている。スロットル弁４８は、スロットル弁駆動手段を構成するスロットル弁アクチュエータ４８ａと接続されている。スロットル弁４８は、スロットル弁アクチュエータ４８ａにより回転駆動され、給気ダクト４３の開口断面積（即ち、給気通路断面積）を変更するようになっている。
【００６４】
排気系統５０は、排気ポート３３に連通し同排気ポート３３とともに排気通路を形成するエキゾーストマニホールドを含む排気管５１、排気管５１内に配設されたターボチャージャ５２のタービン５２ｂ、タービン５２ｂをバイパスするように両端がタービン５２ｂの上流及び下流において排気管５１に連通されたウェストゲート通路５３、ウェストゲート通路５３に配設された過給圧調整弁５３ａ及びタービン５２ｂの下流の排気管５１に配設された三元触媒装置５４を備えている。
【００６５】
このような配置により、ターボチャージャ５２のタービン５２ｂは排ガスのエネルギーにより回転し、これにより給気系統４０のコンプレッサ５２ａが回転して空気を圧縮する。これにより、ターボチャージャ５２は、内燃機関１０に空気を過給するようになっている。過給圧調整弁５３ａは、駆動信号に応答してタービン５２ｂへ流入する排ガス量を調整し、これにより、過給圧を調整するようになっている。なお、過給圧は内燃機関１０の負荷（例えば、アクセルペダル操作量Accp）とエンジン回転速度ＮＥとにより定まる目標過給圧と一致するように、スーパーチャージャ用クラッチ４６ａ、ＡＢＶ４５及び過給圧調整弁５３ａにより制御されるようになっている。
【００６６】
一方、制御装置は、エアフローメータ６１、クランクポジションセンサ６２、スロットル弁開度センサ６３及びアクセル開度センサ６４を備えている。これらのセンサは、内燃機関１０の適所に配設されている。
【００６７】
エアフローメータ６１は吸入された空気の流量Ｇａを表す信号を出力するようになっている。クランクポジションセンサ６２は、クランク軸２５が一定微少角度だけ回転する毎に幅狭のパルス出力するようになっている。この信号に基づいてエンジン回転速度ＮＥが求められるようになっている。また、クランクポジションセンサ６２から出力されるパルスと、クランク角が７２０度回転して圧縮上死点になるたびに一つのパルスを出力する図示しない基準位置センサからのパルスとにより、クランク角が求められるようになっている。スロットル弁開度センサ６３は、スロットル弁４８の開度を検出し、スロットル弁開度ＴＡを表す信号を出力するようになっている。アクセル開度センサ６４は、運転者によって操作されるアクセルペダル６５の操作量Accpを表す信号を出力するようになっている。
【００６８】
電気制御装置７０は、互いにバスで接続されたＣＰＵ７１、ＣＰＵ７１が実行するプログラム、テーブル（ルックアップテーブル、マップ）及び定数等を予め記憶したＲＯＭ７２、ＣＰＵ７１が必要に応じてデータを一時的に格納するＲＡＭ７３、電源が投入された状態でデータを格納するとともに同格納したデータを電源が遮断されている間も保持するバックアップＲＡＭ７４並びにＡＤコンバータを含むインターフェース７５等からなるマイクロコンピュータである。
【００６９】
インターフェース７５は、前記センサ６１〜６４と接続されていて、ＣＰＵ７１にセンサ６１〜６４からの信号を供給するようになっている。インターフェース７５は、イグナイタ３６、インジェクタ３７、燃料ポンプ３７ｂ、駆動回路３８、ＡＢＶ４５、スーパーチャージャ用クラッチ４６ａ、スロットル弁アクチュエータ４８ａ及び過給圧調整弁５３ａと接続されていて、ＣＰＵ７１の指示に応じてこれらに駆動信号を送出するようになっている。
【００７０】
次に、上記のように構成された内燃機関の作動について説明する。電気制御装置７０のＣＰＵ７１は、図１１にフローチャートにより示した運転領域判定ルーチンを所定時間の経過毎に繰り返し実行するようになっている。
【００７１】
従って、所定のタイミングになると、ＣＰＵ７１はステップ１１００から処理を開始してステップ１１０５に進み、現時点の負荷（この例では、アクセルペダル操作量Accp）及び現時点のエンジン回転速度ＮＥと、アクセルペダル操作量Accp及びエンジン回転速度ＮＥと目標トルクTqtgtとの関係を規定するテーブルMapTqtgtとに基づいて目標トルクTqtgt（＝MapTqtgt(Accp，ＮＥ)）を決定する。
【００７２】
なお、以下の説明において、MapＸ(ａ,ｂ)と標記されるテーブルは、変数ａ及び変数ｂと値Ｘとの関係を規定するテーブルを意味することとする。また、値ＸをテーブルMapＸ(ａ,ｂ)に基づいて求めるとは、値Ｘを現時点の変数ａ及び現時点の変数ｂと、テーブルMapＸ(ａ,ｂ)とに基づいて求める（決定する）ことを意味することとする。
【００７３】
次に、ＣＰＵ７１はステップ１１１０に進み、同ステップ１１１０内に示した運転領域判定マップと、上記決定された目標トルクTqtgt及び現時点のエンジン回転速度ＮＥと、に基づいて内燃機関の運転状態が２サイクル自着火運転領域にあるか、４サイクル火花点火運転領域にあるかを決定する。そして、ＣＰＵ７１はステップ１１１５に進んで、運転状態が２サイクル自着火運転領域にあるか否かを判定する。
【００７４】
いま、内燃機関の運転状態が２サイクル自着火運転領域にあると仮定して説明を続ける。この場合、ＣＰＵ７１はステップ１１１５にて「Ｙｅｓ」と判定し、ステップ１１２０に進んで自着火運転フラグXJIの値を「１」に設定し、ステップ１１９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。
【００７５】
一方、ＣＰＵ７１は図１２にフローチャートにより示した内燃機関の制御量及び制御時期を決定するルーチンを、第１気筒のクランク角が第１気筒の上死点（又は、上死点から上死点後９０度までの所定のクランク角）に一致する毎に実行するようになっている。なお、ＣＰＵ７１は、図１２に示したルーチンと同一のルーチンを、第２気筒のクランク角が第２気筒の上死点に一致する毎に第２気筒制御用として独立に実行するようになっている。同様に、ＣＰＵ７１は、図１２に示したルーチンと同一のルーチンを、第３気筒のクランク角が第３気筒の上死点に一致する毎に第３気筒制御用として独立に実行するようになっている。
【００７６】
第１気筒のクランク角が第１気筒の上死点と一致すると、ＣＰＵ７１はステップ１２００から処理を開始してステップ１２０５に進み、自着火運転フラグXJIの値が「１」であるか否かを判定する。先の前提に従えば、現在の運転領域は自着火運転領域であるから、自着火運転フラグXJIの値は「１」に設定されている。従って、ＣＰＵ７１は、ステップ１２０５にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ１２１０〜１２３５に進み、以下の処理を行った後、ステップ１３９５にて本ルーチンを一旦終了する。
【００７７】
ステップ１２１０…燃料噴射量ＴＡＵを、テーブルMap2TAU(Accp,NE)に基いて求める。
ステップ１２１５…燃料噴射開始時期（燃料噴射時期）θinjをテーブルMap2θinj(Accp,NE)に基いて求める。このテーブルMap2θinj(Accp,NE)は、負荷が高くなるほど（即ち、アクセルペダル操作量Accpが大きくなるほど）燃料噴射開始時期θinjが早くなるように定められている。より具体的に述べると、このテーブルMap2θinj(Accp,NE)により定められる燃料噴射開始時期θinjは、高負荷時には後述する給気弁開弁時期ＩＯと給気下死点までの間の所定のクランク角となり、負荷が小さくなるにつれて遅角側に移行し、極軽負荷時には下死点よりも遅れて到来する後述の給気弁閉弁時期ＩＣ近傍のクランク角となる。
【００７８】
ステップ１２２０…排気弁開弁時期ＥＯをテーブルMap2EO(Accp,NE)に基いて求める。
ステップ１２２５…給気弁開弁時期ＩＯをテーブルMap2IO(Accp,NE)に基いて求める。
ステップ１２３０…排気弁閉弁時期ＥＣをテーブルMap2EC(Accp,NE)に基いて求める。
ステップ１２３５…給気弁閉弁時期ＩＣをテーブルMap2IC(Accp,NE)に基いて求める。
以上により、２サイクル予混合圧縮自着火運転用の各種制御量及び制御時期が決定される。なお、上記テーブルMap2EO(Accp,NE)、Map2IO(Accp,NE)、Map2EC(Accp,NE)及びMap2IC(Accp,NE)Mapは、排気弁開弁時期ＥＯ、給気弁開弁時期ＩＯ、排気弁閉弁時期ＥＣ及び給気弁閉弁時期ＩＣがクランク角の増大にしたがって順に到来するように予め設定されている。
【００７９】
更に、ＣＰＵ７１は、図１３にフローチャートにより示した第１気筒用の駆動制御ルーチンを、クランク角が微少のクランク角だけ経過する毎に実行するようになっている。従って、ＣＰＵ７１は、所定のタイミングにてステップ１３００から処理を開始し、以下のステップ１３０５〜ステップ１３６５までの処理を適宜実行した後、ステップ１３９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。なお、ＣＰＵ７１は、図１３に示したルーチンと同一のルーチンを、第２気筒及び第３気筒に対してそれぞれ独立に実行するようになっている。
【００８０】
ステップ１３０５及びステップ１３１０…第１気筒のクランク角が図１２のステップ１２２０にて決定された排気弁開弁時期ＥＯとなったとき、第１気筒の排気弁３４を開弁するための駆動信号を駆動回路３８に対して発生し、その排気弁３４を排気弁駆動機構３４ａの作動により開弁する。
ステップ１３１５及びステップ１３２０…第１気筒のクランク角が図１２のステップ１２２５にて決定された給気弁開弁時期ＩＯとなったとき、第１気筒の給気弁３２を開弁するための駆動信号を駆動回路３８に対して発生し、その給気弁３２を給気弁駆動機構３２ａの作動により開弁する。
ステップ１３２５及びステップ１３３０…第１気筒のクランク角が図１２のステップ１２１５にて決定された燃料噴射開始時期θinjとなったとき、第１気筒のインジェクタ３７を図１２のステップ１２１０にて求めた燃料噴射量ＴＡＵに応じた時間だけ開弁し、燃料噴射量ＴＡＵの燃料を燃焼室２６内に噴射する。
【００８１】
ステップ１３３５及びステップ１３４０…第１気筒のクランク角が図１２のステップ１２３０にて決定された排気弁閉弁時期ＥＣとなったとき、第１気筒の排気弁３４を閉弁するための駆動信号を駆動回路３８に対して発生し、その排気弁３４を排気弁駆動機構３４ａの作動により閉弁する。
ステップ１３４５及びステップ１３５０…第１気筒のクランク角が図１２のステップ１２３５にて決定された給気弁閉弁時期ＩＣとなったとき、第１気筒の給気弁３２を閉弁するための駆動信号を駆動回路３８に対して発生し、その給気弁３２を給気弁駆動機構３２ａの作動により閉弁する。
【００８２】
ステップ１３５５、ステップ１３６０及びステップ１３６５…自着火運転フラグXJIの値が「０」に設定されていて、第１気筒のクランクが点火時期θigとなったとき、第１気筒のイグナイタ３６に駆動信号（点火信号）を送出し、点火プラグ３５による混合気の火花点火を行う。なお、現在の運転領域は自着火運転領域であるから、自着火運転フラグXJIの値は「１」である。従って、ステップ１３６５は実行されない。
【００８３】
このＣＰＵ７１の処理により、内燃機関１０の負荷が高い場合（高負荷時）には、第１気筒の燃焼サイクルは次のように進行する。なお、他の気筒も同様である。現時点が第１気筒の上死点であるとすると、この時点では第１気筒の給気弁３２及び排気弁３４は共に閉弁している。また、図１４に示したように、上死点から暫くの期間、自着火による燃焼に基づいて燃焼室２６内の混合気が膨張する。その後、クランク角が増大して排気弁開弁時期ＥＯとなると、排気弁３４が開弁して排気期間（排気行程）が開始し、燃焼室２６から排気ポート３３へ高温の燃焼ガスが排出され始める。
【００８４】
次いで、給気弁開弁時期ＩＯが到来すると、給気弁３２が開弁して掃気期間（掃気行程）が開始する。掃気期間では、給気ポート３１から燃焼室２６へ低温の空気（新気）が導入されるとともに、この空気の導入により（前述した逆タンブル流により）燃焼室２６から排気ポート３３へ高温の燃焼ガスが効率よく排出（掃気）される。
【００８５】
その後、下死点近傍のクランク角になると燃料噴射開始時期θinjが到来し、燃料が燃焼室２６内に噴射される。これにより、燃焼室２６内に、空気、燃料及び残留した燃焼ガスからなる混合気が形成され始める。次いで、排気弁閉弁時期ＥＣが到来すると、排気弁３４が閉弁して掃気期間が終了するとともに過給期間（給気行程）が開始し、更に空気が燃焼室２６内に供給される。続いて、給気弁閉弁時期ＩＣが到来すると、給気弁３２が閉弁して過給期間が終了する。そして、給気弁閉弁時期ＩＣから混合気が圧縮され始め、クランク角が上死点近傍になると、混合気は自着火し膨張行程が開始する。
【００８６】
前述したように、掃気期間中には、図９の矢印Ａにより示したタンブル流（縦スワール）が燃焼室２６内に発生する。そして、このタンブル流は、図９の矢印Ｂにより示したように、ピストン２２の頂面２２ａに形成された凹部２２ｂにより乱される。また、ピストン２２の頂面２２ａの表面積は、複数の凹部２２ｂの存在により、凹部２２ｂがない同一径のピストンの頂面の表面積に比べて大きくなっている。
【００８７】
これにより、特に、掃気期間において、空気（又は燃料噴射後であれば混合気）とピストン２２の頂面２２ａ（凹部２２ｂ）との間で熱伝達量が増大し、熱交換が活発に行われる。従って、空気又は混合気はピストン２２の頂面２２ａ（凹部２２ｂ）の近傍において部分的に効率よく冷却されるので、圧縮行程開始時における混合気の温度の不均一性が非常に大きくなる。このため、このように形成された混合気の温度の不均一性は自着火による燃焼の予備的な反応である燃料分解開始時点まで消滅しない。更に、自着火反応の起こり易さに影響を及ぼす活性ラジカル成分（例えば、ＯＨ，Ｏ，Ｈなど）は壁面との衝突により消滅し易いので、表面積が大きくなっている凹部２２ｂの近傍では活性ラジカル濃度が低下する。
【００８８】
この結果、高温であって且つ活性ラジカル濃度が高い混合気（が存在している部分）から自着火が開始され、その後、凹部２２ｂにより冷却され且つ活性ラジカル濃度が低下している混合気（が存在している部分）が自着火する。従って、混合気全体として燃焼期間が長くなる（燃焼が緩慢となる）ので、筒内圧力上昇率が過大とならず、燃焼に伴う騒音が低減される。
【００８９】
また、高負荷時には、燃料噴射が比較的早期に行われる（下死点近傍にて行われる）ので、燃料噴射が終了してから混合気が自着火すべき上死点近傍のタイミングとなるまでの時間が長い。従って、同タイミングまでに量の多い高負荷時における燃料が十分に気化するので、安定した自着火による燃焼を実現することができる。
【００９０】
一方、内燃機関１０の負荷が小さいとき（軽負荷時）、給気弁３２及び排気弁３４は高負荷時と同じ順序で開閉される。他方、内燃機関１０の負荷が小さくなるほど燃料噴射開始時期θinjは遅れ、極軽負荷時には燃料噴射が給気弁閉弁時期ＩＣ近傍にて行われる。
【００９１】
これにより、噴射される燃料の気化熱（潜熱）により燃焼室２６の壁面（特に、ピストン頂面２２ａ）の温度が低下する前に、燃焼室２６内の空気（実際には空気及び燃焼ガスからなるガス）は同燃焼室２６の壁面（特に、表面積が大きい複数の凹部２２ｂ）によって加熱されるので、その温度が上昇する。この結果、内燃機関１０の負荷が極めて小さいために燃料量が小さく、従って、燃焼ガス温度が低温であって混合気の初期温度が低い場合であっても、同混合気の圧縮端温度を十分に高めることができる。それゆえ、極低負荷時にも安定した自着火による燃焼を行うことができるので、自着火による燃焼を行うことが可能な低負荷領域を拡大することができる。
【００９２】
次に、内燃機関の運転状態が４サイクル火花点火運転領域にあると仮定して説明を続ける。この場合、ＣＰＵ７１は図１１のステップ１１１５にて「Ｎｏ」と判定し、ステップ１１２５に進んで自着火運転フラグXJIの値を「０」に設定し、ステップ１１９５に進んでそのルーチンを一旦終了する。これにより、ＣＰＵ７１が図１２に示したステップ１２０５に進んだとき、同ＣＰＵ７１はステップ１２０５にて「Ｎｏ」と判定し、ステップ１２４０〜１２７０に進んで以下の処理を行い、その後、ステップ１２９５に進んでそのルーチンを一旦終了する。
【００９３】
ステップ１２４０…燃料噴射量ＴＡＵをテーブルMap4TAU(Accp,NE)に基いて求める。
ステップ１２４５…燃料噴射開始時期θinjをテーブルMap4θinj(Accp,NE)に基いて求める。
ステップ１２５０…排気弁開弁時期ＥＯをテーブルMap4EO(Accp,NE)に基いて求める。
ステップ１２５５…給気弁開弁時期ＩＯをテーブルMap4IO(Accp,NE)に基いて求める。
ステップ１２６０…排気弁閉弁時期ＥＣをテーブルMap4EC(Accp,NE)に基いて求める。
ステップ１２６５…給気弁閉弁時期ＩＣをテーブルMap4IC(Accp,NE)に基いて求める。
ステップ１２７０…点火時期θigをテーブルMap4θig(Accp,NE)に基いて求める。
以上により、周知の４サイクル火花点火運転用の各種制御量及び制御時期が決定される。そして、ＣＰＵ７１が図１３に示したルーチンを実行することにより、決定された制御量及び制御時期に応じた制御がなされる。
【００９４】
以上、説明したように、第１実施形態の予混合圧縮自着火内燃機関によれば、燃焼室２６に設けられた凹部２２ｂにより混合気が部分的に効率よく冷却されるので、自着火燃焼を緩慢にすることができ、高負荷時の燃焼音を低減することができる。
【００９５】
（第１実施形態の第１変形例）
次に、第１実施形態の第１変形例について説明する。この第１変形例は、図１５に示したように、第１実施形態の凹部２２ｂに代わる凹部２２ｃ１〜２２ｃ３がピストン２２の頂面２２ａに形成されている点のみにおいて第１実施形態と相違している。従って、以下、かかる相違点について説明する。
【００９６】
凹部２２ｃ１〜２２ｃ３は半球状の窪み（半球状凹部）である。
凹部２２ｃ１は、ピストン２２の頂面２２ａの中心位置に一つだけ形成されている。凹部２２ｃ１の径（及び深さ）は、凹部２２ｃ２，２２ｃ３の径（及び深さ）よりも大きい。
【００９７】
凹部２２ｃ２は、凹部２２ｃ１に隣接するとともに、凹部２２ｃ１の周囲を取り囲むように、且つ、中心線ＣＬ１及びＣＬ２のそれぞれに関して線対称となる全部で８箇所の位置に形成されている。凹部２２ｃ２の径（及び深さ）は、凹部２２ｃ３の径（及び深さ）よりも大きい。
凹部２２ｃ３は、凹部２２ｃ２の外側位置（ピストン頂面２２ａの周辺）位置であって、中心線ＣＬ１及びＣＬ２のそれぞれに関して線対称となる全部で１２箇所の位置に形成されている。
【００９８】
このように、第１変形例においては、ピストン頂面２２ａに形成された凹部がピストン頂面２２ａの中央部（中心）から周辺部へ向うにつれて径（及び深さ）が次第に小さく（浅く）なるように形成されている。従って、逆タンブル流（混合気流）の流速が大きいピストン頂面２２ａの中央部における混合気の温度を周辺部に比べてより大きく低下させることができる。この結果、未燃の炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）が発生し易い燃焼室２６の周辺部の混合気の燃焼が最後の燃焼とはならないので、未燃の炭化水素及び一酸化炭素の量を抑制しながら燃焼を緩慢にすることができる。
【００９９】
（第１実施形態の第２変形例）
次に、第１実施形態の第２変形例について説明する。この第２変形例は、図１６に示したように、第１実施形態の凹部２２ｂに代わる凹部２２ｄ１〜２２ｄ３がピストン２２の頂面２２ａに形成されている点のみにおいて、第１実施形態と相違している。従って、以下、かかる相違点について説明する。
【０１００】
凹部２２ｄ１〜２２ｄ３は半球状の窪み（半球状凹部）である。
複数（この例では全部で５個）の凹部２２ｄ１の平面視における各中心位置は、ピストン２２の頂面２２ａの中心線ＣＬ１上に存在している。複数の凹部２２ｄ１は等間隔毎に設けられている。中心線ＣＬ１は、燃焼室２６内に生成される逆タンブル流のピストン頂面２２ａ上における向きと平行である。凹部２２ｄ１の径（及び深さ）は、凹部２２ｄ２，２２ｄ３の径（及び深さ）よりも大きい。
【０１０１】
凹部２２ｄ２は、凹部２２ｄ１に隣接している。複数（この例では全部で１０個であり、片側に５個）の凹部２２ｄ２の平面視における各中心位置は、中心線ＣＬ１と平行であって且つピストン頂面２２ａの中心から所定距離（第１距離）だけ離れた点を通る二本の直線上に存在している。換言すると、中心線ＣＬ１に対して一つの側にある５個の凹部２２ｄ２と、中心線ＣＬ１に対して他の側にある５個の凹部２２ｄ２とは、中心線ＣＬ１に関して線対称の関係にある。凹部２２ｄ２の径（及び深さ）は、凹部２２ｄ３の径（及び深さ）よりも大きい。
【０１０２】
凹部２２ｄ３は、凹部２２ｄ２に隣接している。複数（この例では全部で８個であり、片側に４個）の凹部２２ｄ３の平面視における各中心位置は、中心線ＣＬ１と平行であって且つピストン頂面２２ａの中心から第１距離よりも大きい所定距離（第２距離）だけ離れた点を通る二本の直線上に存在している。換言すると、中心線ＣＬ１に対して一つの側にある４個の凹部２２ｄ３と、中心線ＣＬ１に対して他の側にある４個の凹部２２ｄ３とは、中心線ＣＬ１に関して線対称の関係にある
【０１０３】
このように、第２変形例においては、ピストン頂面２２ａ上を流れる逆タンブル流の流速が最も大きくなる部分である中心線ＣＬ１上に配列された凹部２２ｄ１の径（及び深さ）が最も大きく（深く）、中心線ＣＬ１から離れるにしたがって凹部の径（及び深さ）が次第に小さく（浅く）なるように形成されている。従って、凹部２２ｄ１近傍の混合気の温度を、凹部２２ｄ２及び凹部２２ｄ３の近傍の混合気の温度より大きく低下させることができる。この結果、混合気の温度の不均一性を大きくすることができるので、自着火による燃焼を効果的に緩慢にすることができる。
【０１０４】
（第１実施形態の第３変形例）
次に、第１実施形態の第３変形例について説明する。この第３変形例は、図１７に示したように、凹部２２ｂの表面を、燃焼室２６の壁面を構成する部材（例えば、鉄）よりも熱伝達率が高い部材（例えば、銅）２２ｅにより被覆（構成）した点のみにおいて、上記第１実施形態と相違している。
【０１０５】
これによれば、部材２２ｅで被覆された凹部２２ｂにより混合気を部分的に且つ効果的に冷却することができるので、混合気の温度分布を一層拡大することができる。なお、図１７の破線により示した凹部２２ｂを含むピストン２２の上部を、燃焼室２６を構成する部材より熱伝達率が高い部材により構成してもよい。また、燃焼室２６を構成する壁を例えばセラミックにより構成しておき、凹部２２ｂをセラミックスよりも熱伝達率の高い例えば鉄などの部材により被覆・構成してもよい。
【０１０６】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る予混合圧縮自着火内燃機関について説明する。第２実施形態に係る予混合圧縮自着火内燃機関は、図１８及び図１９に示したように、第１実施形態の半球状凹部２２ｂに代わる凹状の溝２２ｆ１〜２２ｆ３をピストン頂面２２ａに複数形成した点においてのみ、同第１実施形態と相違している。従って、以下、かかる相違点を中心に説明する。
【０１０７】
凹状の溝２２ｆ１は、図１９に示したように、ピストン２２の頂面２２ａの正面視において、頂面２２ａの中心線ＣＬ１上に位置する短軸と、中心線ＣＬ１に直交する中心線ＣＬ２上に位置する長軸（長手方向の軸）とを備える楕円形状を有している。図１８に示したように、凹状の溝２２ｆ１の長軸に直交する平面で同凹状の溝２２ｆ１を切断した断面の形状は半円形である。
【０１０８】
凹状の溝２２ｆ２は、図１９に示したように、ピストン２２の頂面２２ａの正面視において、中心線ＣＬ１上に位置する短軸と、中心線ＣＬ２と並行な方向に伸びる長軸とを備える楕円形状を有している。凹状の溝２２ｆ２は、凹状の溝２２ｆ１に隣接するように、中心線ＣＬ２に関して線対称となる２箇所の位置に形成されている。凹状の溝２２ｆ２の長軸は、凹状の溝２２ｆ１の長軸よりも短くなっている。図１８に示したように、凹状の溝２２ｆ２の長軸に直交する平面で同凹状の溝２２ｆ２を切断した断面の形状は半円形である。
【０１０９】
凹状の溝２２ｆ３は、図１９に示したように、ピストン２２の頂面２２ａの正面視において、中心線ＣＬ１上に位置する短軸と、中心線ＣＬ２と並行な方向に伸びる長軸とを備える楕円形状を有している。凹状の溝２２ｆ３は、凹状の溝２２ｆ２に隣接し、頂面２２ａの中心線ＣＬ１方向の両端部であって中心線ＣＬ２に関して線対称となる２箇所の位置に形成されている。凹状の溝２２ｆ３の長軸は、凹状の溝２２ｆ２の長軸よりも短くなっている。図１８に示したように、凹状の溝２２ｆ３の長軸に直交する平面で同凹状の溝２２ｆ３を切断した断面の形状は半円形である。
【０１１０】
これによれば、凹状の溝２２ｆ１〜２２ｆ３（の長軸）が、図１８及び図１９に矢印Ａにより示したピストン２２の頂面２２ａ上における逆タンブル流の方向に対して直交する方向に伸びているので、凹状の溝２２ｆ１〜２２ｆ３及びその近傍において空気（又は燃料噴射後であれば混合気）の乱れが大きく発生する。この空気又は混合気の乱れにより、空気又は混合気とピストン頂面２２ａ（凹状の溝２２ｆ１〜２２ｆ３）との熱伝達量が増大し、熱交換が活発に行われる。従って、空気又は混合気はピストン２２の頂面２２ａ（凹状の溝２２ｆ１〜２２ｆ３）の近傍において部分的に効率よく冷却されるので、圧縮行程開始時における混合気の温度の不均一性が非常に大きくなる。このため、このように形成された混合気の温度の不均一性は自着火による燃焼の予備的な反応である燃料分解開始時点まで消滅しないので、自着火燃焼が緩慢となる。この結果、燃焼に伴う騒音が低減される。
【０１１１】
また、半球状の凹部をピストン頂面２２ａに形成する場合に比べ、燃焼室２６の表面積が大きくならないので、燃焼室の体積に対する表面積の比（＝燃焼室表面積／燃焼室体積）を小さくすることができる。従って、この内燃機関１０が所定の火花点火運転にて運転される際、燃焼時の冷却損失を小さくすることができる。
【０１１２】
更に、給気弁３２から流入して逆タンブル流となる空気は、凹状の溝２２ｆ１〜２２ｆ３及びその近傍に滞留するようになるから、給気弁３２及び排気弁３４が燃焼室２６の上方（シリンダヘッド下面２１ｂ側）に配置された本実施形態の２サイクル内燃機関において、空気が燃焼室２６の下部から（即ち、シリンダヘッド下面２１ｂ側からでなくピストン頂面２２ａ側から）順に満たされ易くなる。この結果、給気弁３２の開弁期間と排気弁３４の開弁期間とが重複する掃気期間において、新たに燃焼室２６内に導入された空気のうち排気弁３４を介して燃焼室２６外部に排出されてしまう空気の量（所謂、空気の吹き抜け量）を低減することができる。
【０１１３】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に係る予混合圧縮自着火内燃機関について説明する。第３実施形態に係る予混合圧縮自着火内燃機関は、図２０及び図２１に示したように、第１実施形態のシリンダブロック部２０及びシリンダヘッド部３０にそれぞれ代わるシリンダブロック部８０及びシリンダヘッド部９０を備えている点のみにおいて同第１実施形態と相違している。従って、以下、かかる相違点について説明する。
【０１１４】
シリンダブロック部８０は、第１実施形態のシリンダ２１、ピストン２２及びウォータジャケット２３にそれぞれ代わるシリンダ８１、ピストン８２及びウォータジャケット８３を備えている。シリンダ８１の側壁面（シリンダボア壁面）８１ａ、シリンダヘッド部９０により形成されるシリンダ８１のヘッド下面（シリンダヘッド下面）８１ｂ及びピストン８２の頂面８２ａは、燃焼室８４を構成している。シリンダヘッド下面８１ｂであって、燃焼室８４の周辺部は平坦面（平坦部）８１ｂ１となっている。
【０１１５】
ピストン８２の頂面８２ａの周辺部は、シリンダヘッド下面８１ｂの平坦面に対向する平坦面８２ａ１となっている。ピストン８２の頂面８２ａの中央部にはキャビティ８２ａ２が形成されている。キャビティ８２ａ２の外形は、図２１に示したように、ピストン８２の頂面８２ａの正面視において略円形である。ウォータジャケット８３は、クランク角が圧縮行程中期に対応する角度となっているときに（即ち、図２０に示したピストン８２が圧縮上死点に近接した位置となっているときに）形成されている燃焼室８４の周囲を含む位置に配設されている。
【０１１６】
シリンダヘッド部９０は、インテークマニホールド４１に接続された給気ポート９１と、給気ポート９１を開閉する給気弁９２と、図示しない排気ポート及び排気弁と、ウォータジャケット９３とを備えている。給気ポート９１は、給気弁９２の中心軸を回転中心とするらせん状の渦巻き部を含むヘリカルポート（ヘリカルスワールポート）である。ウォータジャケット９３は、シリンダヘッド下面８１ｂの平坦面８１ｂ１の近傍（燃焼室８４の周辺部の上部）に設けられている。
【０１１７】
次に、第３実施形態の作動について説明する。図示しないインジェクタから噴射された燃料と給気ポート９１から導入された空気（及び燃焼ガス）とによって燃焼室８４に形成された混合気は圧縮行程において圧縮され、その温度が上昇する。そして、ピストン８２が圧縮上死点に近づく圧縮行程中期以降において、燃焼室８４の周辺部にはシリンダのヘッド下面８１ｂの平坦面８１ｂ１及びピストン８２の平坦面８２ａ１とからなるスキッシュ部が形成される。
【０１１８】
これにより、燃焼室８４の周辺部（スキッシュ部）からピストン頂面８２ａの中央部に形成されたキャビティ８２ａ２に向けて混合気が高い速度で移動する。即ち、図２０及び図２１に矢印にて示したように、燃焼室８４の中央部に向かうスキッシュ流が発生する。従って、混合気とピストン頂面８２ａの平坦面８２ａ１との間の熱伝達率が増大し、混合気は同平坦面８２ａ１において効果的に冷却されながらキャビティ８２ａ２に流れ込む。更に、ピストン８２は、このスキッシュ流を発生させるような位置（圧縮上死点に近い位置）となった場合であっても、燃焼室８４の周囲に形成されたウォータジャケット８３により冷却され続けている。従って、ピストン８２の平坦面８２ａ１は、スキッシュ流となっている混合気を効果的に冷却する。
【０１１９】
この結果、当初よりキャビティ８２ａ２に存在していた相対的に温度の高い混合気と、キャビティ８２ａ２に流れ込む相対的に温度の低い混合気とにより、燃焼の予備的な反応である燃料分解開始時点においてキャビティ８２ａ２内に空間的温度分布が大きい混合気が形成される。これにより、自着火による燃焼が緩慢となり、燃焼に伴う騒音を低減することができる。
【０１２０】
（第３実施形態の第１変形例）
次に、第３実施形態の第１変形例について説明する。この第１変形例は、図２２に示したように、第３実施形態のピストン８２の頂面８２ａの周辺部に形成された平坦面８２ａ１（即ち、スキッシュ部を構成することになる部分）に、複数の溝８２ａ３を形成した点のみにおいて、上記第３実施形態と相違している。従って、以下、かかる相違点について説明する。
【０１２１】
複数の溝８２ａ３は、全部で８箇所に設けられている。各溝８２ａ３は、ピストン８２の頂面８２ａの中央から放射状に伸びている。換言すると、各溝８２ａ３の軸線は、頂面８２ａの径方向と一致している。任意の溝８２ａ３の軸線とその溝に隣接する溝８２ａ３の軸線とがなす角度は４５度（所定の一定角度）である。即ち、複数の溝８２ａ３は、ピストン頂面８２ａ上において等中心角毎に設けられている。
【０１２２】
この第１変形例によれば、圧縮行程中期以降となると、混合気の一部が平坦面８２ａ１にて冷却されながら同平坦面８２ａ１からキャビティ８２ａ２に高い速度を持って直接的に流れ込む。また、平坦面８２ａ１にて冷却された混合気の他の一部は同平坦面８２ａ１から複数の溝８２ａ３の中にも流れ込み、この複数の溝８２ａ３を経由してキャビティ８２ａ２に相対的に低い速度を持って流れ込む。従って、キャビティ８２ａ２に一時に多量の冷却された空気が流れ込まないので、キャビティ８２ａ２における混合気の温度が均一となってしまうことを回避することができる。この結果、燃焼の予備的な反応である燃料分解開始時点において混合気の温度分布を確実に形成できるので、自着火による燃焼を一層緩慢にすることができる。
【０１２３】
（第３実施形態の第２変形例）
次に、第３実施形態の第２変形例について説明する。この第２変形例は、図２３に示したように、第３実施形態のピストン８２の頂面８２ａの周辺部に形成された平坦面８２ａ１（即ち、スキッシュ部を構成することになる部分）に、複数の溝８２ａ４を形成した点のみにおいて、上記第３実施形態と相違している。従って、以下、かかる相違点について説明する。
【０１２４】
複数の溝８２ａ４は、全部で８箇所に設けられている。各溝８２ａ４は、ピストン８２の頂面８２ａの周辺部である平坦面８２ａ１において、キャビティ８２ａ２の外形の略接線方向に伸びる軸線を有するように形成されている。換言すると、溝８２ａ４は、同溝８２ａ４を介してキャビティ８２ａ２に気体が流れ込むとき、ピストン８２の平面視において同キャビティ８２ａ２に左回りの旋回流を発生させるように形成されている。
【０１２５】
この第２変形例によれば、圧縮行程中期以降となると、混合気の一部が平坦面８２ａ１にて冷却されながら同平坦面８２ａ１からキャビティ８２ａ２に高い速度を持って直接的に流れ込む。また、平坦面８２ａ１にて冷却された混合気の他の一部は同平坦面８２ａ１から複数の溝８２ａ４の中にも流れ込み、この溝８２ａ４を経由してキャビティ８２ａ２に低い速度を持って、且つ、円形のキャビティ８２ａ２の接線方向に沿って流れ込む。従って、冷却されて温度が低い混合気がキャビティ８２ａ２の外周部に沿って緩やかに旋回するとともに、温度が高い混合気はキャビティ８２ａ２の中央部に存在するようになる。この結果、燃焼の予備的な反応である燃料分解開始時点において混合気の温度分布を確実に形成できるので、自着火による燃焼を緩慢にすることができる。
【０１２６】
（第３実施形態の第３変形例）
この第３変形例は、第３実施形態のピストン８２の頂面８２ａの平坦面８２ａ１を、燃焼室８４（の壁面）を構成する部材よりも熱伝達率の高い部材により構成（又は被覆）したものである。この場合、更に、シリンダヘッド下面８１ｂの平坦面８１ｂ１を同様に熱伝達率の高い部材により被覆してもよい。即ち、例えば、前記スキッシュ部となる平坦面８２ａ１及び８１ｂ１の表面を燃焼室８４の他の壁面を構成する鉄よりも熱伝達率が高い銅などの部材により被覆してもよく、或いは、スキッシュ部の表面（平坦面８２ａ１及び８１ｂ１の表面）を鉄により構成するとともに同スキッシュ部以外の燃焼室８４の壁面をセラミックスなどの鉄よりも熱伝達率の低い部材により構成してもよい。
【０１２７】
これによれば、平坦面８２ａ１（及び／又は平坦面８１ｂ１）と混合気との間の熱伝達率が増大するので、スキッシュ部において混合気が効率的に冷却される。従って、スキッシュ流が弱い時点（スキッシュ流の発生開始直後）から混合気を冷却することできる。この結果、機関が高回転にて運転されている場合であっても混合気の冷却を十分に行うことができるので、自着火に係る反応が開始する時点での混合気の温度分布を大きくすることができ、自着火燃焼を緩慢にすることができる。更に、燃焼室８４末端のガスの冷却を十分に行うことができるので、火花点火運転を行う際のノッキングの発生を抑制することができる。
【０１２８】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態に係る予混合圧縮自着火内燃機関について説明する。第４実施形態に係る予混合圧縮自着火内燃機関は、図２４に示したように、第３実施形態のシリンダブロック部８０に代わるシリンダブロック部１００を備えている点のみにおいて同第３実施形態と相違している。従って、以下、かかる相違点について説明する。
【０１２９】
シリンダブロック部１００は、第３実施形態のシリンダ８１、ピストン８２及びウォータジャケット８３にそれぞれ代わるシリンダ１０１、ピストン１０２及びウォータジャケット１０３を備えている。シリンダ１０１の側壁面（シリンダボア壁面）１０１ａと、シリンダヘッド部９０により形成されるシリンダ１０１のヘッド下面（シリンダヘッド下面）１０１ｂと、ピストン８２の頂面１０２ａとは、燃焼室１０４を構成している。
【０１３０】
ウォータジャケット１０３は、シリンダボア壁面１０１ａを一面にて形成しているシリンダボア壁１０３ａにより、燃焼室１０４と隔てられている。シリンダボア壁１０３ａは、厚肉部１０３ａ１と厚肉部１０３ａ１より肉厚の薄い薄肉部１０３ａ２とを備えている。薄肉部１０３ａ２は、ピストン１０２が下死点位置にあるときのピストン１０２の頂面１０２ａの位置近傍（ピストン１０２が掃気行程から給気行程にかけて移動するときのピストン１０２の頂面１０２ａが存在する位置に隣接した位置）に形成されている。
【０１３１】
次に、第４実施形態の作動について説明する。前述したように、給気ポート９１はヘリカルポートであるから、給気弁９２が開弁したとき、給気弁９２の周囲を介して燃焼室１０４内に供給される空気により同燃焼室１０４内にスワール（横スワール）が発生する。そして、このような給気スワールが比較的強く存在又は残存している期間（即ち、給気弁開弁後〜圧縮行程初期の期間）、燃焼室１０４内の空気（又は、燃料噴射後であれば混合気）の多くがシリンダボア壁面１０１ａに沿って移動するので、その空気（又は混合気）は薄肉部１０３ａ２（薄肉のシリンダ側壁）を隔てて形成されているウォータジャケット１０３内の冷却水により部分的に効率的に冷却される。更に、このとき、スワールの中心となる燃焼室１０４の中央部には高温の混合気が形成される。この結果、第４実施形態においても、燃焼室１０４内に形成された混合気の温度分布が大きくなるので、自着火による燃焼が緩慢となり、燃焼に伴う騒音を低減することができる。
【０１３２】
以上、説明したように、本発明による内燃機関においては、燃焼室内の空気（又は混合気）と燃焼室を構成する壁面との間の熱交換により同空気（又は混合気）を効果的且つ部分的に冷却し、もって、燃焼室内の混合気の温度分布を拡大する。この結果、燃焼の予備的な反応である燃料分解開始時点において混合気の温度分布を大きくすることができるので、自着火による燃焼が緩慢となり、燃焼に伴う騒音を低減することができる。これにより、自着火運転領域を拡大することができるので、燃費が改善され、且つ、NOxの排出量を低減することができる。また、着火時期は混合気の高温に維持されている部分により定まるので、着火時期を遅らすことなく燃焼を緩慢にすることができ、その結果、等容度が悪化しない。
【０１３３】
なお、本発明は上記各実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において以下に述べるような種々の変形例を採用することができる。
【０１３４】
上記第１実施形態のピストン２２の頂面２２ａ上に、半球状凹部２２ｂに代えて半球状凸部を形成してもよい。また、半球状凹部２２ｂ及び半球状凸部の両方を頂面２２ａ上に形成してもよい。更に、これらの凹部２２ｂ及び半球状凸部は、ピストン２２の頂面２２ａに加えて或いは頂面２２ａに代えて、燃焼室２６を構成する他の壁面（シリンダボア壁面２１ａ、シリンダヘッド下面２１ｂ）に設けてもよい。
【０１３５】
上記第２実施形態のピストン２２の頂面２２ａ上に、凹状の溝２２ｆ１〜２２ｆ３に代えて、凸状のリブを複数形成してもよい。更に、これらの凹状の溝２２ｆ１〜２２ｆ３及び凸状のリブは、ピストン２２の頂面２２ａに加えて或いは頂面２２ａに代えて、燃焼室２６を構成する他の壁面（シリンダボア壁面２１ａ、シリンダヘッド下面２１ｂ）に設けてもよい。更に、上述した各実施形態の内燃機関は、２サイクル予混合圧縮自着火内燃機関であったが、４サイクル自着火内燃機関であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１３６】
【図１】クランク角に対する燃焼室内の混合気の圧力の変化を示すグラフである。
【図２】図１に示した各曲線に対応した混合気の温度分布を示すグラフである。
【図３】圧縮行程における混合気の温度分布の変化を模式的に示した図である。
【図４】クランク角に対する燃焼室内の圧力及び投入熱量に対する熱発生率の変化を示すグラフである。
【図５】圧縮行程中においてガスが混合される度合い（ガスの混合度合）の変化を示したグラフである。
【図６】圧縮行程中における燃焼反応速度（化学反応速度）の度合の変化を示したグラフである。
【図７】燃料分解開始時期における燃焼室内の混合気の温度分布（筒内最高温度と筒内最低温度との差）に対する燃焼期間の変化を示したグラフである。
【図８】本発明の第１実施形態に係る２サイクル予混合圧縮自着火内燃機関（及びその制御装置）の概略図である。
【図９】図８に示した内燃機関の部分拡大断面図である。
【図１０】図９に示したピストンの頂面の正面図である。
【図１１】図８に示したＣＰＵが実行する運転領域判定用ルーチンを表すフローチャートである。
【図１２】図８に示したＣＰＵが実行する内燃機関の制御量及び制御時期を決定するためのルーチンを表すフローチャートである。
【図１３】図８に示したＣＰＵが実行する駆動制御ルーチンを表すフローチャートである。
【図１４】図８に示した内燃機関のバルブタイミング及び燃料噴射時期等を概念的に示した説明図である。
【図１５】第１実施形態の第１変形例のピストンの頂面の正面図である。
【図１６】第１実施形態の第２変形例のピストンの頂面の正面図である。
【図１７】第１実施形態の第３変形例のピストンの上部の断面図である。
【図１８】本発明の第２実施形態に係る予混合圧縮自着火内燃機関の部分拡大断面図である。
【図１９】図１８に示したピストンの頂面の正面図である。
【図２０】本発明の第３実施形態に係る予混合圧縮自着火内燃機関の部分拡大断面図である。
【図２１】図２０に示したピストンの頂面の正面図である。
【図２２】第３実施形態の第１変形例のピストンの頂面の正面図である。
【図２３】第３実施形態の第２変形例のピストンの頂面の正面図である。
【図２４】本発明の第４実施形態に係る予混合圧縮自着火内燃機関の部分拡大断面図である。
【符号の説明】
【０１３７】
１０…予混合圧縮自着火内燃機関、２１…シリンダ、２１ａ…シリンダボア壁面、２１ｂ…シリンダヘッド下面、２１ｃ…マスク壁、２２…ピストン、２２ａ…ピストン頂面、２２ｂ、２２ｃ１〜２２ｃ３、２２ｄ１〜２２ｄ３…半球状凹部、２２ｅ…高熱伝達率部材、２２ｆ１〜２２ｆ３…凹状の溝、２３…ウォータジャケット、２６…燃焼室、３１…給気ポート、３２…給気弁、３３…排気ポート、３４…排気弁、４６…スーパーチャージャ、４７…インタークーラ、５２…ターボチャージャ、７０…電気制御装置、７１…ＣＰＵ、８１…シリンダ、８１ａ…シリンダボア壁面、８１ｂ…シリンダヘッド下面、８１ｂ１…平坦面（平坦部）、８２…ピストン、８２ａ…ピストン頂面、８２ａ１…平坦面（平坦部）、８２ａ２…キャビティ（中央凹部）、８２ａ３、８２ａ４…溝、８３…ウォータジャケット、８４…燃焼室、９１…給気ポート、９２…給気弁、９３…ウォータジャケット、１０１…シリンダ、１０１ａ…シリンダボア壁面、１０２…ピストン、１０２ａ…ピストン頂面、１０３…ウォータジャケット、１０３ａ…シリンダボア壁、１０３ａ１…厚肉部、１０３ａ２…薄肉部、１０４…燃焼室。
【図１】
2005330814.tif 000003
【図２】
2005330814.tif 000004
【図３】
2005330814.tif 000005
【図４】
2005330814.tif 000006
【図５】
2005330814.tif 000007
【図６】
2005330814.tif 000008
【図７】
2005330814.tif 000009
【図８】
2005330814.tif 000010
【図９】
2005330814.tif 000011
【図１０】
2005330814.tif 000012
【図１１】
2005330814.tif 000013
【図１２】
2005330814.tif 000014
【図１３】
2005330814.tif 000015
【図１４】
2005330814.tif 000016
【図１５】
2005330814.tif 000017
【図１６】
2005330814.tif 000018
【図１７】
2005330814.tif 000019
【図１８】
2005330814.tif 000020
【図１９】
2005330814.tif 000021
【図２０】
2005330814.tif 000022
【図２１】
2005330814.tif 000023
【図２２】
2005330814.tif 000024
【図２３】
2005330814.tif 000025
【図２４】
2005330814.tif 000026