(57)【要約】【課題】  燃焼室内の混合気が圧縮上死点近傍で安定して自着火するように内燃機関の制御を行い、広い運転領域で予混合圧縮自火燃焼方式による内燃機関の運転を行うことを可能とする。【解決手段】  内燃機関は、シリンダとピストンとで構成される燃焼室と、燃焼室内に燃料を供給する燃料噴射機構と、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、内燃機関の運転を制御するための制御部とを備えている。制御部は、燃料噴射機構からの第１の燃料噴射によってピストンの上昇に伴う燃焼室内の圧力上昇では自着火しない混合気を燃焼室内に形成した後に、圧縮上死点近傍で燃料噴射機構から燃焼室内に直接燃料を噴射する第２の燃料噴射を行い、第２の燃料噴射によって噴射された燃料の気化および膨張に伴う燃焼室内の圧力上昇によって燃焼室内の混合気を自着火燃焼させる運転モードを有する。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
予混合圧縮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供給する燃料噴射機構と、
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、前記燃料噴射機構からの第１の燃料噴射によって前記ピストンの上昇に伴う前記燃焼室内の圧力上昇では自着火しない混合気を前記燃焼室内に形成した後に、圧縮上死点近傍で前記燃料噴射機構から前記燃焼室内に直接燃料を噴射する第２の燃料噴射を行い、前記第２の燃料噴射によって噴射された燃料の気化および膨張に伴う前記燃焼室内の圧力上昇によって前記燃焼室内の混合気を自着火燃焼させる運転モードを有する、内燃機関。
【請求項２】
請求項１記載の内燃機関であって、さらに、
前記ピストンの頂面に蓄熱層を備え、
前記第２の燃料噴射は、燃料が前記蓄熱層に衝突するように行われる、内燃機関。
【請求項３】
請求項１記載の内燃機関であって、
前記第２の燃料噴射によって噴射される燃料は、前記第１の燃料噴射によって噴射される燃料より、気化しやすい燃料である、内燃機関。
【請求項４】
請求項３記載の内燃機関であって、
前記燃料噴射機構は前記燃焼室内に２種類の燃料を直接噴射できる２種燃料用燃料噴射弁である、内燃機関。
【請求項５】
請求項１記載の内燃機関であって、
前記燃料噴射機構は、前記第１の燃料噴射を行う第１の燃料噴射弁と、前記第２の燃料噴射を行う第２の燃料噴射弁と、を備え、
前記第２の燃料噴射は、燃料が前記排気弁または前記排気弁周囲の前記燃焼室内壁に衝突するように行われる、内燃機関。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の内燃機関であって、
前記内燃機関は、２ストローク運転を行うエンジンであり、
前記第１の燃料噴射は、前記内燃機関の掃気期間に行われる、内燃機関。
【請求項７】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の内燃機関であって、
前記内燃機関は、４ストローク運転を行うエンジンであり、
前記第１の燃料噴射は、前記内燃機関の吸気期間に行われる、内燃機関。
【請求項８】
予混合圧縮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供給する燃料噴射弁と、
前記燃焼室内に空気を直接噴射する空気噴射弁と、
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、前記燃料噴射弁からの燃料噴射によって前記ピストンの上昇に伴う前記燃焼室内の圧力上昇では自着火しない混合気を前記燃焼室内に形成した後に、圧縮上死点近傍で前記空気噴射弁からの空気噴射を行い、前記空気噴射によって噴射された空気の膨張に伴う前記燃焼室内の圧力上昇によって前記燃焼室内の混合気を自着火燃焼させる運転モードを有する、内燃機関。
【請求項９】
請求項８記載の内燃機関であって、さらに、
前記ピストンの頂面に蓄熱層を備え、
前記空気噴射は、空気が前記蓄熱層に衝突するように行われる、内燃機関。
【請求項１０】
請求項８記載の内燃機関であって、
前記空気噴射は、空気が前記排気弁または前記排気弁周囲の前記燃焼室内壁に衝突するように行われる、内燃機関。
【請求項１１】
請求項８ないし請求項１０のいずれかに記載の内燃機関であって、
前記内燃機関は、２ストローク運転を行うエンジンであり、
前記燃料噴射は、前記内燃機関の掃気期間に行われる、内燃機関。
【請求項１２】
請求項８ないし請求項１０のいずれかに記載の内燃機関であって、
前記内燃機関は、４ストローク運転を行うエンジンであり、
前記燃料噴射は、前記内燃機関の吸気期間に行われる、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。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の燃焼方式として、近年、通常のガソリンエンジンのような「予混合火花点火燃焼方式」や、通常のディーゼルエンジンのような「拡散燃焼方式」に代わる、新たな燃焼方式が模索されている。このような新たな燃焼方式の１つとして、燃焼室内に予め混合気を形成しておき、これを圧縮して自着火燃焼させる「予混合圧縮自着火燃焼方式」がある。予混合圧縮自着火燃焼方式は、超リーン混合気を高圧縮比で圧縮し、一気に自着火燃焼させて短時間に燃焼を完了させる燃焼方式であり、原理的には、排気ガス中に含まれる大気汚染物質の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。
【０００３】
この予混合圧縮自着火燃焼方式は、低負荷運転時における失火の発生による燃焼の不安定や、高負荷運転時における過早着火による激しい燃焼音の発生が問題となりやすい。そのため、広い運転領域で予混合圧縮自着火燃焼運転を行うためには、燃焼室内の混合気が圧縮上死点近傍で安定して自着火するように運転を行うことが必要である。
【０００４】
広い運転領域で予混合圧縮自着火燃焼運転を安定して行うための技術として、１サイクル中に２回の燃料噴射を行う技術が知られている。この技術は、第１回目の燃料噴射により圧縮上死点近傍で自着火しない第１の混合気を形成し、第２回目の燃料噴射により圧縮上死点近傍で自着火する第２の混合気を形成し、その後ピストンの上昇による圧縮によって第２の混合気が自着火した後に、燃焼している第２の混合気から第１の混合気へと燃焼を広がらせるように燃焼の制御を行う技術である。この技術によると、第２の混合気の自着火時期によって混合気の燃焼を制御し、内燃機関の自着火性を向上させると共に、燃焼音を抑制することが可能である。
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−２０７８５０号公報
【特許文献２】特開平１１−１０１１２７号公報
【特許文献３】特開２００１−００３８００号公報
【特許文献４】特開２００１−２５４６６０号公報
【特許文献５】特開２０００−２４０４９２号公報
【特許文献６】特開２００１−２６３０６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、混合気の自着火時期は、混合気の圧縮端温度や燃料および空気の量等によって変動するため、第２の混合気の自着火時期によって混合気の燃焼を制御する上記のような技術では、混合気が圧縮上死点近傍で安定して自着火するように制御するのは困難であり、予混合圧縮自着火燃焼方式による内燃機関の運転を行うことができる運転領域が制限されるという問題があった。
【０００７】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃焼室内の混合気が圧縮上死点近傍で安定して自着火するように内燃機関の制御を行い、広い運転領域で予混合圧縮自火燃焼方式による内燃機関の運転を行うことを可能とする技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の第１の内燃機関は、予混合圧縮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供給する燃料噴射機構と、
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、前記燃料噴射機構からの第１の燃料噴射によって前記ピストンの上昇に伴う前記燃焼室内の圧力上昇では自着火しない混合気を前記燃焼室内に形成した後に、圧縮上死点近傍で前記燃料噴射機構から前記燃焼室内に直接燃料を噴射する第２の燃料噴射を行い、前記第２の燃料噴射によって噴射された燃料の気化および膨張に伴う前記燃焼室内の圧力上昇によって前記燃焼室内の混合気を自着火燃焼させる運転モードを有する。
【０００９】
この内燃機関では、圧縮上死点近傍において第２の燃料噴射によって噴射された燃料が速やかに気化・膨張して燃焼室内の圧力を上昇させ、その圧力上昇によって燃焼室内の混合気を自着火燃焼させる運転モードを有するため、燃焼室内の混合気が圧縮上死点近傍で安定して自着火燃焼し、そのため広い運転領域で予混合圧縮自火燃焼方式による運転を行うことができる。
【００１０】
上記内燃機関において、さらに、前記ピストンの頂面に蓄熱層を備え、
前記第２の燃料噴射は、燃料が前記蓄熱層に衝突するように行われるとしてもよい。
【００１１】
このようにすれば、第２の燃料噴射によって噴射された燃料が気化・膨張する際に、蓄熱層に蓄えられた熱を利用することができる。従って、第２の燃料噴射による燃料をより速やかに気化・膨張させることができると共に、第１の燃料噴射により燃焼室内に形成されている混合気が、第２の燃料噴射による燃料によって熱を奪われ、温度が低下することを抑制することができる。従って、混合気の自着火時期をより精度良く制御することができると共に、さらに上死点近傍における自着火時期が安定し、より広い運転領域で予混合圧縮自着火燃焼方式による内燃機関の運転を行うことができる。
【００１２】
また、上記内燃機関において、前記第２の燃料噴射によって噴射される燃料は、前記第１の燃料噴射によって噴射される燃料より、気化しやすい燃料であるとしてもよい。
【００１３】
このようにすれば、第２の燃料噴射によって噴射される燃料は、より速やかに気化・膨張して燃焼室内の圧力を上昇させることができるため、第２の燃料噴射時期から燃焼室内の混合気が自着火燃焼に至るまでの時間がより短くなる。そのため、混合気の自着火時期をより精度良く制御することができ、その結果、より広い運転領域で予混合圧縮自着火燃焼方式による内燃機関の運転を行うことができる。
【００１４】
さらに上記内燃機関において、前記燃料噴射機構は前記燃焼室内に２種類の燃料を直接噴射できる２種燃料用燃料噴射弁であるとしてもよい。
【００１５】
このようにすれば、２種類の燃料を用いる場合でも１つの燃料噴射弁を設けるだけでよく、シリンダヘッドの設計自由度を向上させることができる。
【００１６】
また、上記内燃機関において、前記燃料噴射機構は、前記第１の燃料噴射を行う第１の燃料噴射弁と、前記第２の燃料噴射を行う第２の燃料噴射弁と、を備え、
前記第２の燃料噴射は、燃料が前記排気弁または前記排気弁周囲の前記燃焼室内壁に衝突するように行われるとしてもよい。
【００１７】
このようにすれば、第２の燃料噴射によって噴射された燃料が気化・膨張する際に、比較的高温な排気弁または排気弁周辺の燃焼室内壁の熱を利用することができる。従って、第２の燃料噴射による燃料をより速やかに気化・膨張させることができると共に、第１の燃料噴射により燃焼室内に形成されている混合気が、第２の燃料噴射による燃料によって熱を奪われ、温度が低下することを抑制することができる。従って、混合気の自着火時期をより精度良く制御することができると共に、さらに上死点近傍における自着火時期が安定し、より広い運転領域で予混合圧縮自着火燃焼方式による内燃機関の運転を行うことができる。
【００１８】
また、上記内燃機関において、前記内燃機関は、２ストローク運転を行うエンジンであり、前記第１の燃料噴射は、前記内燃機関の掃気期間に行われるとしてもよい。
【００１９】
このようにすれば、２ストローク運転において、燃料の吹き抜けを抑制しつつ、燃料と空気とを十分に混合させることができる。
【００２０】
また、上記内燃機関において、前記内燃機関は、４ストローク運転を行うエンジンであり、前記燃料噴射は、前記内燃機関の吸気期間に行われるとしてもよい。
【００２１】
このようにすれば、４ストローク運転において、燃料と空気とを十分に混合させることができる。
【００２２】
また、上記課題を解決するために、本発明の第２の内燃機関は、予混合圧縮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供給する燃料噴射弁と、
前記燃焼室内に空気を直接噴射する空気噴射弁と、
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、前記燃料噴射弁からの燃料噴射によって前記ピストンの上昇に伴う前記燃焼室内の圧力上昇では自着火しない混合気を前記燃焼室内に形成した後に、圧縮上死点近傍で前記空気噴射弁からの空気噴射を行い、前記空気噴射によって噴射された空気の膨張に伴う前記燃焼室内の圧力上昇によって前記燃焼室内の混合気を自着火燃焼させる運転モードを有する。
【００２３】
この内燃機関では、圧縮上死点近傍における空気噴射によって噴射された空気が速やかに膨張して燃焼室内の圧力を上昇させ、その圧力上昇によって燃焼室内の混合気を自着火燃焼させる運転モードを有するため、燃焼室内の混合気が圧縮上死点近傍で安定して自着火燃焼し、そのため広い運転領域で予混合圧縮自火燃焼方式による運転を行うことができる。
【００２４】
上記内燃機関において、前記ピストンの頂面に蓄熱層を備え、前記空気噴射は、空気が前記蓄熱層に衝突するように行われるとしてもよい。
【００２５】
このようにすれば、空気噴射によって噴射された空気が膨張する際に、蓄熱層に蓄えられた熱を利用することができる。従って、噴射された空気をより速やかに膨張させることができると共に、燃料噴射により燃焼室内に形成されている混合気が、噴射された空気によって熱を奪われ、温度が低下することを抑制することができる。従って、混合気の自着火時期をより精度良く制御することができると共に、さらに上死点近傍における自着火時期が安定し、より広い運転領域で予混合圧縮自着火燃焼方式による内燃機関の運転を行うことができる。
【００２６】
また、上記内燃機関において、前記空気噴射は、空気が前記排気弁または前記排気弁周囲の前記燃焼室内壁に衝突するように行われるとしてもよい。
【００２７】
このようにすれば、空気噴射によって噴射された空気が膨張する際に、比較的高温な排気弁または排気弁周辺の燃焼室内壁の熱を利用することができる。従って、噴射された空気をより速やかに膨張させることができると共に、燃料噴射により燃焼室内に形成されている混合気が、噴射された空気によって熱を奪われ、温度が低下することを抑制することができる。従って、混合気の自着火時期をより精度良く制御することができると共に、さらに上死点近傍における自着火時期が安定し、より広い運転領域で予混合圧縮自着火燃焼方式による内燃機関の運転を行うことができる。
【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、内燃機関や、内燃機関の運転方法、内燃機関の燃料噴射装置、内燃機関の燃料噴射方法等の態様で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
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．第１実施例：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．第３実施例：
Ｄ．第４実施例：
Ｅ．第５実施例：
Ｆ．第６実施例：
Ｇ．変形例：
【００３０】
Ａ．第１実施例：
図１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１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示されている。
【００３１】
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と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と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。また、本明細書においては、シリンダ１４２の中心軸に沿って、ピストン１４４がシリンダヘッド１３０に近づく方向を上方向と、ピストン１４４がシリンダヘッド１３０から離れる方向を下方向として説明する。
【００３２】
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。
【００３３】
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を駆動してもよい。
【００３４】
吸気ポート１３３には吸入空気を導く吸気通路１２が接続されており、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１３３に向かって圧送する。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
このガソリンエンジン１００の動作は、エンジン制御ユニット（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、筒内圧Ｐｓ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の燃料噴射制御を実行する。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。また、筒内圧Ｐｓは、前述のとおり、筒内圧センサ３６によって検出される。
【００３８】
図２は、第１実施例におけるガソリンエンジン１００のシリンダの縦断面を拡大して示す説明図である。前述のようにシリンダヘッド１３０には、燃料噴射弁１４が設けられている。図２には、燃料噴射弁１４から燃焼室内に噴射された燃料の様子をハッチングを付して表している。
【００３９】
図３は、第１実施例におけるガソリンエンジン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実施例のガソリンエンジン１００は、２ストローク運転と４ストローク運転とを切り替えて実行することが可能である。図３の横軸はエンジンの回転数、縦軸は負荷（トルク）である。
【００４０】
ガソリンエンジン１００の運転領域は、回転数および負荷に応じて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、火花点火燃焼による４ストローク運転を行う運転領域である。この領域Ｒ１は、負荷のごく小さい運転領域であり、点火プラグ１３６を用いた火花点火燃焼による運転を行う。第２の運転領域Ｒ２は、均質リーン自着火燃焼による２ストローク運転を行う運転領域である。この領域Ｒ２は、一定の高回転領域、低負荷領域および高負荷領域を除く広い運転領域であり、均質なリーン混合気を自着火燃焼させて２ストローク運転を行う。運転領域Ｒ２における運転の詳細は後述する。第３の運転領域Ｒ３は、均質ストイキ火花点火燃焼による２ストローク運転を行う運転領域である。この領域Ｒ３は、高負荷運転領域であり、理論空燃比（いわゆるストイキ）に近い空燃比の混合気を形成し、混合気を点火プラグ１３６の点火によって燃焼させて運転を行う。ただし、領域Ｒ３では、過早着火・ノック防止のために実圧縮率は運転領域Ｒ１およびＲ２に比べてかなり低い値に設定される。第４の運転領域Ｒ４は、火花点火燃焼による４ストローク運転を行う運転領域である。この領域Ｒ４は、回転数が一定の値を越える高回転の運転領域であり、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３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。
【００４１】
なお、図３のように２ストローク運転と４ストローク運転を使い分けるのは、以下のような理由による。一般に、自着火燃焼を行う場合、４ストローク運転に比べて残留ガスを多量に使用できる２ストローク運転の方が運転領域は広い。自着火燃焼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）。さらに、自着火燃焼運転を行えば、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。ただし、２ストローク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ストローク運転の方が適している。
【００４２】
図４は、均質リーン自着火燃焼による２ストローク運転領域（図３の領域Ｒ２）における、ガソリンエンジン１００の動作の一例を概念的に示した説明図である。図４（ａ）〜（ｆ）には、２ストローク運転の膨張、排気、掃気、給気、圧縮の動作が概念的に示されている。２ストローク運転では、シリンダ１４２内でピストン１４４を上下動させながら、吸気弁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、これらの動作を次々と切り換えて運転を行っている。そして、ピストン１４４の２ストローク（すなわちクランクシャフト１４８の１回転）の間にエンジンの１サイクルが完了する。
【００４３】
説明の都合上、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１４４を押し下げようとする。図４（ａ）に示すように膨張行程では、ピストン１４４を下降させながら、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。
【００４４】
ピストン１４４がある程度まで下降したら、適切なタイミングで排気弁１３４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１４４の下降中でも、排気弁１３４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４（ｂ）は、ピストン１４４の下降中に排気弁１３４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。
【００４５】
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弁１３２を開いてやる。吸気通路内は過給器によって加圧されているので、吸気弁１３２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弁１３４から排出させる。図４（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、過給された空気が流入した領域を表している。このように、過給された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。
【００４６】
本実施例では、吸気通路内が加圧されているので、ピストン１４４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４（ｄ）は、掃気の後半にピストン１４４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。
【００４７】
また、下死点近傍の適切なタイミングで燃料噴射弁１４による第１回目の燃料噴射が行われる。図４（ｄ）には、燃料噴射弁１４から噴射された燃料を細かいハッチングを付して表している。
【００４８】
掃気が進行した適切なタイミングを見計らって、図４（ｅ）に示すように、排気弁１３４を閉じてやる。このとき、燃焼ガスは完全には排出されず、一部は燃焼室内に残留する。このような、掃気期間中に排出されず燃焼室内に残留する高温の燃焼ガスを内部ＥＧＲとも呼ぶ。図４（ｅ）には、燃焼室内に残留した燃焼ガス（内部ＥＧＲ）を細かいハッチングを付して表している。
【００４９】
排気弁１３４が閉じられた後も、図４（ｅ）に示すように、燃焼室内の圧力が吸気通路内の圧力に達するまで、吸気弁から過給された空気が流入する。燃料噴射弁１４の第１回目の燃料噴射により噴射された燃料は、過給された空気の流れに乗って拡散すると共に、燃焼室内の内部ＥＧＲとも混ざり合って混合気を形成する。図４（ｅ）には、このように形成されている混合気を粗いハッチングを付して表している。
【００５０】
燃焼室内の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１３２を閉じ、ピストン１４４を上昇させて燃焼室内の混合気を圧縮する。図４（ｆ）はピストン１４４を上昇させて燃焼室内の混合気を圧縮している様子を概念的に示している。図４（ｆ）には、圧縮されている混合気を粗いハッチングを付して表している。燃焼室内の混合気は圧縮されることにより、急激に温度が上昇していく。
【００５１】
ここで、この混合気は、ピストン１４４の上昇による圧縮だけでは自着火燃焼しないように形成されている。従って、図４（ｆ）に示すように、ピストン１４４が上死点近傍まで上昇しても、自着火燃焼しない。このような混合気の形成については後に詳述する。
【００５２】
ピストン１４４が上死点近傍まで上昇した適切なタイミングで、燃料噴射弁１４からの第２回目の燃料噴射を行って、燃焼室内に追加の燃料を噴射する。図４（ｆ）では、燃料噴射弁１４からの第２回目の燃料噴射の様子を概念的に示している。図４（ｆ）中には、燃料噴射弁１４の第２回目の噴射により噴射された追加の燃料を細かいハッチングを付して表している。
【００５３】
ピストン１４４の上死点近傍では燃焼室内の圧力は非常に高くなっており、燃料噴射弁１４は、このような高圧の状態の燃焼室内に燃料を噴射することができる高圧用の噴射弁が用いられている。そして、第２回目の燃料噴射における追加の燃料は、燃焼室内の圧力より圧力の高い状態で燃焼室内に噴射される。
【００５４】
このように圧力の非常に高い状態となっている第２回目の燃料噴射における追加の燃料は、燃焼室内に噴射されると速やかに気化して膨張し、これによって燃焼室内の圧力は速やかに上昇する。燃焼室内の圧力が上昇すると、既に燃焼室内に形成されている第１回目の燃料噴射による混合気の温度が上昇して自着火温度に達し、自着火燃焼する。
【００５５】
こうして燃焼室内の混合気が自着火燃焼すると、ピストン１４４は強い力を受けて押し下げられる。それ以降は、図４（ａ）に示す状態に戻って、同様の動作を繰り返す。
【００５６】
このように、本実施例におけるガソリンエンジン１００は、運転領域Ｒ２において、第１回目の燃料噴射によってピストン１４４の上昇による圧縮だけでは自着火しない混合気を形成し、上死点近傍における第２回目の燃料噴射によって噴射される追加の燃料の気化・膨張による燃焼室内の圧力上昇により混合気を自着火燃焼させて運転を行っている。
【００５７】
図５は、均質リーン自着火燃焼による２ストローク運転領域（図３の領域Ｒ２）における、ガソリンエンジン１００のバルブタイミングの一例を概念的に示した説明図である。図５において、ＴＤＣは上死点を、ＢＤＣは下死点を、ＩＮＯは吸気弁１３２の開弁時期を、ＩＮＣは吸気弁１３２の閉弁時期を、ＥＸＯは排気弁１３４の開弁時期を、ＥＸＣは排気弁１３４の閉弁時期をそれぞれ表している。
【００５８】
図５に示すように、燃料噴射弁１４による第１回目の燃料噴射は、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行われる。下死点近傍で第１回目の燃料噴射を行えば、下死点の後、まもなく排気弁１３４が閉じられるので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、燃料噴射時期から上死点近傍までの時間も十分に確保できるため燃料と新気とを十分に混合させることができる。
【００５９】
また、燃料噴射弁１４による第２回目の燃料噴射は、ピストン１４４が上死点近傍にあるときに行われる。第２回目の燃料噴射により噴射された燃料は、前述したように、速やかに気化して膨張し、燃焼室内の圧力を速やかに上昇させて燃焼室内の混合気を自着火燃焼させる。従って、上死点近傍で第２回目の燃料噴射を行えば、上死点近傍で混合気を自着火燃焼させることができる。
【００６０】
図６は、均質リーン自着火燃焼による２ストローク運転領域（図３の領域Ｒ２）における、ガソリンエンジン１００の燃焼室内の圧力変化の一例を概念的に示した説明図である。図６では、横軸にクランク角をとり、燃焼室内の圧力の変化の推移を示している。
【００６１】
図６中のＰａは、燃焼室内の混合気が自着火する境界の圧力（以下「自着火境界圧力」と呼ぶ）を示している。すなわち、燃焼室内の圧力が、自着火境界圧力Ｐａを越えないときは混合気は自着火温度に達せず、自着火燃焼しない。一方、燃焼室内の圧力が、自着火境界圧力Ｐａを越えると混合気は自着火温度に達し、自着火燃焼する。
【００６２】
図６において破線で示した曲線は、第１回目の燃料噴射のみを行い、第２回目の燃料噴射を行わないときの燃焼室内の圧力変化を示している。このときの燃焼室内の圧力は、ピストン１４４の上昇に伴い上昇していき、上死点（ＴＤＣ）近傍で最大となっている。このときの最大の圧力をＰ１とする。上死点を過ぎると、ピストン１４４の下降に伴い、燃焼室内の圧力は下降している。
【００６３】
図６に示すように、第１回目の燃料噴射のみを行ったときは、燃焼室内の圧力は、自着火境界圧力Ｐａを越えない。すなわち、Ｐ１の値はＰａの値より小さくなっている。これは、前述したように、第１回目の燃料噴射による混合気はピストン１４４の上昇による圧縮だけでは自着火しないように形成されているからである。従って、第１回目の燃料噴射のみを行ったときは、燃焼室内の混合気は燃焼せず失火する。なお、本明細書において、ＰａとＰ１との差を「不足圧力量ΔＰｓ」と呼ぶ。
【００６４】
一方、図６において実線で示した曲線は、第１回目の燃料噴射を行った後に、上死点近傍の所定のタイミングで、第２回目の燃料噴射を行うときの、第２回目の燃料噴射以降の燃焼室内の圧力変化を示している。このときの第２回目の燃料噴射から上死点近傍までの燃焼室内の圧力変化は、第１回目の燃料噴射のみを行うときの圧力変化と比較して、より大きく圧力上昇している。これは、ピストン１４４の上昇に伴う圧力上昇に加えて、第２回目の燃料噴射により噴射された追加の燃料が気化・膨張することにより燃焼室内の圧力が上昇するからである。燃焼室内の圧力は、上死点近傍で最大となり、上死点を過ぎると下降していく。このときの最大の圧力をＰ２とすると、第２回目の燃料噴射により噴射された追加の燃料が気化・膨張することによる燃焼室内の圧力上昇量（以下「追加燃料による圧力上昇量ΔＰｆ」と呼ぶ）は、Ｐ２とＰ１との差で表される。
【００６５】
図６に示すように、第１回目の燃料噴射を行った後に第２回目の燃料噴射を行うときは、燃焼室内の圧力は、第２回目の燃料噴射後まもなく自着火境界圧力Ｐａを越えている。すなわち、追加燃料による圧力上昇量ΔＰｆの値が、不足圧力量ΔＰｓの値より大きくなり、Ｐ２の値がＰａの値より大きくなっている。従って、このとき、燃焼室内の混合気は、自着火燃焼する。
【００６６】
ここで、本実施例では、第２回目の燃料噴射は、一定の範囲の量の追加の燃料が一定の範囲の圧力で噴射されるように設定されており、従って、追加燃料による圧力上昇量ΔＰｆの値（すなわちＰ２とＰ１との差）も一定の範囲の値となっている。
【００６７】
そして、本実施例では、不足圧力量ΔＰｓの値が、追加燃料による圧力上昇量ΔＰｆの値より小さくなるように、燃焼室内の混合気が形成される。そのようにすることによって、燃焼室内の混合気は、第２回目の燃料噴射を行わないときは自着火燃焼しないが、第２回目の燃料噴射によって追加の燃料を噴射すると自着火燃焼するようにすることができる。
【００６８】
このような混合気の形成は、例えば内部ＥＧＲ量を調整することにより行うことができる。すなわち、内部ＥＧＲは高温であるため、その量を増加させれば混合気は自着火しやすくなり、自着火境界圧力Ｐａの値は小さくなる。一方、内部ＥＧＲ量を減少させれば混合気は自着火しにくくなり、自着火境界圧力Ｐａの値は大きくなる。
【００６９】
例えば、燃料量が少ないため混合気が自着火しにくい低負荷運転時では、不足圧力量ΔＰｓの値が大きくなっている。このとき、内部ＥＧＲ量を増加させて自着火限界圧力Ｐａの値を小さくすることにより、不足圧力量ΔＰｓの値を、追加燃料による圧力上昇量ΔＰｆの値より小さくすることができる。また反対に、燃料量が多いため混合気が自着火しやすい高負荷運転時では、不足圧力量ΔＰｓの値が負の値になっている。すなわち、第２回目の燃料噴射を行わなくても混合気が自着火燃焼する状態となっている。このとき、内部ＥＧＲ量を減少させて自着火限界圧力Ｐａの値を大きくすることにより、不足圧力量ΔＰｓの値を正の値とすることができる。このように、内部ＥＧＲ量を調整することにより、広い運転領域において、燃焼室内の混合気が、第２回目の燃料噴射を行わないときは自着火燃焼しないが、第２回目の燃料噴射によって追加の燃料を噴射すると自着火燃焼するようにすることができる。
【００７０】
なお、内部ＥＧＲ量の調整は、バルブタイミングの変更や掃気圧の増減によって行うことができる。例えば、排気弁１３４の閉弁時期を遅角させると、排気弁１３４の開いている時間が長くなって内部ＥＧＲ量は減少する。反対に、排気弁１３４の閉弁時期を進角させると、排気弁１３４の開いている時間が短くなって内部ＥＧＲ量は増加する。また、例えば、掃気圧を小さくすると、燃焼ガスを押し出す作用が小さくなって内部ＥＧＲ量は増加する。反対に、掃気圧を大きくすると、燃焼ガスを押し出す作用が大きくなって内部ＥＧＲ量は減少する。
【００７１】
以上のように、本実施例におけるガソリンエンジン１００は、均質リーン自着火燃焼による２ストローク運転時に、第１回目の燃料噴射によりピストン１４４の上昇による圧縮だけでは自着火しない混合気を燃焼室内に形成し、上死点近傍における第２回目の燃料噴射により噴射された追加の燃料の気化・膨張に伴う燃焼室内の圧力上昇によって混合気を自着火燃焼させることができる。従って、上死点近傍で安定して混合気を自着火燃焼させることができ、低負荷運転時における失火の発生や、高負荷運転時における過早着火による激しい燃焼音の発生を抑制することができる。このようにして、広い運転領域において圧縮自着火燃焼によるエンジンの運転を行うことができる。
【００７２】
ここで、混合気の自着火燃焼時期としては、燃料消費量の低減や燃焼音抑制の点から、圧縮上死点に近いほど好ましい。また、上述のように第２回目の燃料噴射から燃焼室内の混合気の自着火までの時間は、ごく僅かである。従って、第２回目の燃料噴射を行う圧縮上死点近傍とは、圧縮上死点前５０度から圧縮上死点後２０度の範囲であることが好ましく、圧縮上死点前３０度から圧縮上死点後１０度の範囲であることがさらに好ましい。さらに、圧縮上死点前２０度から圧縮上死点の範囲であることがより好ましい。なお、後述の第２実施例から第５実施例における第２回目の燃料噴射を行う圧縮上死点近傍についても、同様である。
【００７３】
また、第２回目の燃料噴射により噴射される追加の燃料量は、全体の燃料量に対して僅かな量でよい。これは、上述したように、第２回目の燃料噴射により噴射される追加の燃料量は、その追加の燃料の気化・膨張による圧力上昇量ΔＰｆの値が、不足圧力量ΔＰｓの値より大きくなるような量であればよく、本実施例では、内部ＥＧＲ量を調整することによって、不足圧力量ΔＰｓがなるべく小さな値となるような混合気を形成することができるからである。また、第２回目の燃料噴射が行われる上死点近傍は、燃焼室容積が小さくなっており、僅かな量の燃料の気化・膨張によっても、燃焼室内の圧力を効果的に上昇させることができるからでもある。
【００７４】
従って、第２回目の燃料噴射により噴射される追加の燃料を除く大部分の燃料は、第１回目の燃料噴射により噴射され予混合圧縮自着火燃焼するので、大気汚染物質排出量および燃料消費量の大幅な低減という予混合圧縮自着火燃焼の効果をほとんど損なうことがない。
【００７５】
このように、本実施例のガソリンエンジン１００は、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、広い運転領域で予混合圧縮自着火燃焼方式によるエンジンの運転を行うことができる。
【００７６】
Ｂ．第２実施例：
図７は、第２実施例におけるガソリンエンジン１００の運転モードを示すマップである。第２実施例におけるガソリンエンジン１００は、運転モードが図３に示した第１実施例の運転モードと異なるだけで、その他の点は第１実施例と同じである。図７のマップに示されているように、第２実施例のガソリンエンジン１００は、常に４ストローク運転で運転されている。運転領域全体は、負荷と回転数に応じて３つの運転領域Ｒ１１〜Ｒ１３に区分されている。第１の運転領域Ｒ１１は、火花点火燃焼領域である。この領域Ｒ１１は、負荷のごく小さい運転領域であり、点火プラグ１３６の火花点火により混合気を燃焼させる運転を行う。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は、一定の高回転領域、低負荷領域および高負荷領域を除く広い運転領域であり、均質なリーン混合気を自着火燃焼させて運転を行う。運転領域Ｒ１２における運転の詳細は後述する。第３の運転領域Ｒ１３は、火花点火燃焼領域である。この領域Ｒ１３は、高負荷運転領域および高回転運転領域であり、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７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。
【００７７】
図８は、均質リーン自着火燃焼による４ストローク運転領域（図７の領域Ｒ１２）における、ガソリンエンジン１００の動作の一例を概念的に示した説明図である。図８（ａ）〜（ｄ）には、４ストローク運転の吸気、圧縮、膨張、排気の動作が概念的に示されている。４ストローク運転では、シリンダ１４２内でピストン１４４を上下動させながら、吸気弁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、これらの動作を次々と切り換えて運転を行っている。そして、ピストン１４４の４ストローク（すなわちクランクシャフト１４８の２回転）の間にエンジンの１サイクルが完了する。
【００７８】
まず、吸気期間においては、吸気弁１３２を開いてピストン１４４を下降させることによって燃焼室内に空気を吸入する。図８（ａ）では、吸気弁１３２から燃焼室内に空気が流入する様子を概念的に示している。吸気期間では、空気の流入に合わせて、燃焼室内に設けた燃料噴射弁１４から第１回目の燃料噴射を行う。図８（ａ）では、噴射された燃料をハッチングを付して表している。噴射された燃料噴霧は、吸入空気とともに燃焼室内で攪拌され、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。
【００７９】
本実施例では、吸気通路内が加圧されているので、ピストン１４４が下死点を過ぎて上昇に転じても、なお燃焼室内に空気を吸入することができる。燃焼室内の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１３２を閉じ、ピストン１４４を上昇させて燃焼室内の混合気を圧縮する。図８（ｂ）はピストン１４４を上昇させて燃焼室内の混合気を圧縮している様子を概念的に示している。図８（ｂ）には、圧縮されている混合気を粗いハッチングを付して表している。圧縮期間では吸気弁１３２も排気弁１３４も閉じられており、燃焼室内に形成された混合気は断熱圧縮されるので、ピストン１４４の上昇とともに急激に温度が上昇していく。
【００８０】
ここで、第１実施例と同様に、第１回目の燃料噴射による混合気は、ピストン１４４の上昇による圧縮だけでは自着火燃焼しないように形成されている。従って、図８（ｂ）に示すように、ピストン１４４が上死点近傍まで上昇しても、自着火燃焼しない。
【００８１】
ピストン１４４が上死点近傍まで上昇した適切なタイミングで、燃料噴射弁１４からの第２回目の燃料噴射を行って、燃焼室内に追加の燃料を噴射する。図８（ｂ）では、燃料噴射弁１４からの第２回目の燃料噴射の様子を概念的に示している。図８（ｂ）中には、燃料噴射弁１４の第２回目の噴射により噴射された追加の燃料を細かいハッチングを付して表している。
【００８２】
ここで、第２実施例においても、第１実施例と同様に、ピストン１４４の上死点近傍では燃焼室内の圧力は非常に高くなっており、燃料噴射弁１４は、このような高圧の状態の燃焼室内に燃料を噴射することができる高圧用の噴射弁が用いられている。そして、第２回目の燃料噴射における追加の燃料は、燃焼室内の圧力より圧力の高い状態で燃焼室内に噴射される。
【００８３】
このように圧力の非常に高い状態となっている第２回目の燃料噴射における追加の燃料は、燃焼室内に噴射されると速やかに気化して膨張し、これによって燃焼室内の圧力は速やかに上昇する。燃焼室内の圧力が上昇すると、既に燃焼室内に形成されている第１回目の燃料噴射による混合気の温度が上昇して自着火温度に達し、自着火燃焼する。図８（ｃ）では、燃焼室内の混合気が自着火燃焼している様子を概念的に示している。
【００８４】
燃焼室内の混合気が自着火燃焼すると、ピストン１４４は強い力を受けて押し下げられる。こうして、図８（ｃ）に示すように膨張期間では、ピストン１４４を下降させながら、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。
【００８５】
ピストン１４４が下死点近傍まで下降した適切なタイミングに、排気弁１３４を開いてやる。燃焼室内の燃焼ガスは高圧のため、ピストン１４４が下降中でも、排気弁１３４を開くことにより燃焼ガスを排出させることができる。また、ピストン１４４が上昇に転じた後は、ピストン１４４により押し出すようにして燃焼ガスを排出させる。図８（ｄ）では、燃焼室内の混合気が排出されている様子を概念的に示している。排気が進行した適切なタイミングで排気弁１３４を閉じ、その後、吸気弁１３２を開きながらピストン１４４を下降させると、再び図８（ａ）に示す吸気期間が開始される。
【００８６】
このように、第２実施例におけるガソリンエンジン１００の運転領域Ｒ１２でも、第１実施例の運転領域Ｒ２における運転と同様に、第１回目の燃料噴射によってピストン１４４の上昇による圧縮だけでは自着火しない混合気を形成し、上死点近傍における第２回目の燃料噴射によって噴射される追加の燃料の気化・膨張による燃焼室内の圧力上昇により混合気を自着火燃焼させて運転を行っている。
【００８７】
図９は、均質リーン自着火燃焼による４ストローク運転領域（図７の領域Ｒ１２）における、ガソリンエンジン１００のバルブタイミングの一例を概念的に示した説明図である。図９では、吸気、圧縮、膨張、排気の１サイクルにおけるバルブタイミングを示しており、ＴＤＣは上死点を、ＢＤＣは下死点を、ＩＮＯは吸気弁１３２の開弁時期を、ＩＮＣは吸気弁１３２の閉弁時期を、ＥＸＯは排気弁１３４の開弁時期を、ＥＸＣは排気弁１３４の閉弁時期をそれぞれ表している。
【００８８】
図９に示すように、燃料噴射弁１４による第１回目の燃料噴射は、吸気期間の初期に行われる。吸気期間の初期に第１回目の燃料噴射を行えば、燃料噴射から上死点近傍までの時間を十分に確保できるため燃料と新気とを十分に混合させることができる。
【００８９】
また、燃料噴射弁１４による第２回目の燃料噴射は、圧縮期間内であってピストン１４４が上死点近傍にあるときに行われる。第２回目の燃料噴射により噴射された燃料は、前述したように、速やかに気化して膨張し、燃焼室内の圧力を速やかに上昇させて燃焼室内の混合気を自着火燃焼させる。従って、上死点近傍で第２回目の燃料噴射を行えば、上死点近傍で混合気を自着火燃焼させることができる。
【００９０】
なお、吸気弁１３２の開弁時期ＩＮＯは吸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。
【００９１】
排気上死点近傍には、いわゆる負のオーバーラップ（吸気弁１３２と排気弁１３４との両者とも閉弁している期間）が生じており、この負のオーバーラップの期間を変更することにより、内部ＥＧＲの量を変更することができる。すなわち、排気弁１３４の閉弁時期ＥＸＣを遅角して負のオーバーラップの期間を短くすると、内部ＥＧＲ量は減少する。反対に、排気弁１３４の閉弁時期ＥＸＣを進角して負のオーバーラップの期間を長くすると、内部ＥＧＲ量は増加する。
【００９２】
このように、第２実施例のガソリンエンジン１００は、負のオーバーラップの期間を変更することにより、内部ＥＧＲ量を調整することができる。従って、第１実施例と同様に、第１回目の燃料噴射によりピストン１４４の上昇による圧縮だけでは自着火しない混合気を燃焼室内に形成し、上死点近傍における第２回目の燃料噴射により噴射された追加の燃料の気化・膨張に伴う燃焼室内の圧力上昇によって混合気を自着火燃焼させることができる。また、第１実施例と同様に、第２回目の燃料噴射により噴射される追加の燃料を除く大部分の燃料は、第１回目の燃料噴射により噴射され予混合圧縮自着火燃焼するので、大気汚染物質排出量および燃料消費量の大幅な低減という予混合圧縮自着火燃焼の効果をほとんど損なうことがない。
【００９３】
以上のように、第２実施例のガソリンエンジン１００は、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、広い運転領域で予混合圧縮自着火燃焼方式によるエンジンの運転を行うことができる。
【００９４】
Ｃ．第３実施例：
図１０は、第３実施例におけるガソリンエンジン１００のシリンダの断面を拡大して示す説明図である。図２に示した第１実施例との違いは、ピストン１４４の頂面に蓄熱層１４５が設けられている点だけであり、他の点は第１実施例と同じである。
【００９５】
蓄熱層１４５は、例えばチタンのような保温性に優れた材料によって、薄い円板状の形状に成型された蓄熱材であり、ピストン１４４の頂面に鋳込まれている。蓄熱層１４５は、燃焼によって生じる燃焼室内の熱を蓄えることができ、ガソリンエンジン１００の運転中は、燃焼室内に面した他の部分（例えば、シリンダ１４２の内壁面など）と比較して高温となっている。
【００９６】
第３実施例のガソリンエンジン１００は、第１実施例と同様に、自着火燃焼による運転を行うときは、まず、第１回目の燃料噴射を燃料噴射弁１４によって行う。第１回目の燃料噴射によって噴射された燃料は、燃焼室内で空気と混合し、混合気を形成する。
【００９７】
その後、上死点近傍で、第２回目の燃料噴射を燃料噴射弁１４によって行う。図１０では、燃料噴射弁１４からの第２の燃料噴射によって燃焼室内に追加の燃料が噴射されている様子を概念的に示しており、噴射された追加の燃料をハッチングを付して表している。図１０に示すように、追加の燃料は蓄熱層１４５に衝突するように噴射される。
【００９８】
ここで、第３実施例においても、第１実施例と同様に、ピストン１４４の上死点近傍では燃焼室内の圧力は非常に高くなっており、燃料噴射弁１４は、このような高圧の状態の燃焼室内に燃料を噴射することができる高圧用の噴射弁が用いられている。そして、第２回目の燃料噴射における追加の燃料は、燃焼室内の圧力より圧力の高い状態で燃焼室内に噴射される。
【００９９】
圧力の非常に高い状態となっている第２回目の燃料噴射における追加の燃料は、燃焼室内に噴射されると速やかに気化して膨張するが、第３実施例では追加の燃料は蓄熱層１４５に衝突するように噴射されるため、気化・膨張する際に蓄熱層１４５に蓄えられた熱を利用することができる。従って、追加の燃料をより速やかに気化・膨張させることができると共に、第１回目の燃料噴射により燃焼室内に形成されている混合気が、追加の燃料によって熱を奪われ、温度が低下することを抑制することができる。
【０１００】
第２回目の燃料噴射における追加の燃料が気化・膨張すると、燃焼室内の圧力が上昇し、第１実施例と同様に、燃焼室内の混合気が自着火燃焼する。
【０１０１】
以上のように、第３実施例におけるガソリンエンジン１００では、ピストン１４４の頂面に蓄熱層１４５を設け、第２回目の燃料噴射として追加の燃料を蓄熱層１４５に衝突するように噴射する。これにより、第２回目の燃料噴射における追加の燃料をより速やかに気化・膨張させることができると共に、第１回目の燃料噴射により形成される混合気の温度低下を抑制できる。このため、混合気の自着火時期をより精度良く制御することができると共に、さらに上死点近傍における自着火時期が安定する。従って、より広い運転領域で予混合圧縮自着火燃焼方式によるエンジンの運転を行うことができる。
【０１０２】
Ｄ．第４実施例：
図１１は、第４実施例におけるガソリンエンジン１００のシリンダの縦断面を拡大して示す説明図である。図２に示した第１実施例との違いは、燃料噴射弁１４が吸気ポート１３３に設けられ、燃料を吸気ポート１３３内に噴射できる点と、シリンダヘッド１３０に燃焼室内に異種燃料を直接噴射することができる異種燃料用噴射弁１３が設けられている点だけである。異種燃料用噴射弁１３には図示しない異種燃料用タンクに貯留された異種燃料が図示しないポンプによって供給される。異種燃料用噴射弁１３によって噴射される異種燃料は、例えば水素燃料のような、燃料噴射弁１４によって噴射される燃料より低沸点で気化しやすい燃料である。その他の点は第１実施例と同じである。
【０１０３】
第４実施例のガソリンエンジン１００は、第１実施例と同様に、自着火燃焼による運転を行うときは、まず、第１回目の燃料噴射を燃料噴射弁１４によって行う。第１回目の燃料噴射によって噴射された燃料は、燃焼室内で空気と混合し、混合気を形成する。
【０１０４】
その後、上死点近傍で、第２回目の燃料噴射を異種燃料用噴射弁１３によって行う。ここで、異種燃料用噴射弁１３は、第１実施例における燃料噴射弁１４と同様に、高圧の状態の燃焼室内に燃料を噴射することができる高圧用の噴射弁が用いられている。そして、第２回目の燃料噴射における異種燃料は、燃焼室内の圧力より圧力の高い状態で燃焼室内に噴射される。
【０１０５】
第２回目の燃料噴射によって噴射された異種燃料は、第１実施例と同様に、気化・膨張して燃焼室内の圧力を上昇させ、燃焼室内の混合気を自着火燃焼させる。このとき、異種燃料用噴射弁１３によって噴射される異種燃料は、燃料噴射弁１４によって噴射される燃料より低沸点で気化しやすい燃料であるため、より速やかに気化・膨張して燃焼室内の圧力を上昇させることができる。
【０１０６】
従って、第２回目の燃料噴射時期から、燃焼室内の混合気が自着火燃焼に至るまでの時間がより短くなり、混合気の自着火時期をより精度良く制御することができる。その結果、より広い運転領域で予混合圧縮自着火燃焼方式によるエンジンの運転を行うことができる。
【０１０７】
Ｅ．第５実施例：
図１２は、第５実施例におけるガソリンエンジン１００のシリンダの縦断面を拡大して示す説明図である。図２に示した第１実施例との違いは、燃料噴射弁１４が吸気ポート１３３に設けられ、燃料を吸気ポート１３３内に噴射できる点と、シリンダヘッド１３０に燃焼室内に燃料を直接噴射することができる燃料噴射弁１５が設けられ、燃料噴射弁１５は、燃料が排気弁１３４または排気弁１３４周辺の燃焼室内壁に衝突するように、燃料噴射することができる点だけである。その他の点は第１実施例と同じである。
【０１０８】
第５実施例のガソリンエンジン１００は、第１実施例と同様に、自着火燃焼による運転を行うときは、まず、第１回目の燃料噴射を燃料噴射弁１４によって行う。第１回目の燃料噴射によって噴射された燃料は、燃焼室内で空気と混合し、混合気を形成する。
【０１０９】
その後、上死点近傍で、第２回目の燃料噴射を燃料噴射弁１５によって行う。図１２では、燃料噴射弁１５からの第２の燃料噴射によって燃焼室内に追加の燃料が噴射されている様子を概念的に示しており、噴射された追加の燃料をハッチングを付して表している。図１２に示すように、追加の燃料は排気弁１３４または排気弁１３４周辺の燃焼室内壁に衝突するように噴射される。
【０１１０】
第５実施例においても、第１実施例と同様に、ピストン１４４の上死点近傍では燃焼室内の圧力は非常に高くなっており、燃料噴射弁１５は、このような高圧の状態の燃焼室内に燃料を噴射することができる高圧用の噴射弁が用いられている。そして、第２回目の燃料噴射における追加の燃料は、燃焼室内の圧力より圧力の高い状態で燃焼室内に噴射される。
【０１１１】
圧力の非常に高い状態となっている第２回目の燃料噴射における追加の燃料は、燃焼室内に噴射されると速やかに気化して膨張する。ここで、第５実施例では、追加の燃料は排気弁１３４または排気弁１３４周辺の燃焼室内壁に衝突するように噴射される。そして、排気弁１３４または排気弁１３４周辺の燃焼室内壁は、高温の燃焼ガスによって、燃焼室内の中で比較的高温となっている。そのため、追加の燃料は、気化・膨張する際に排気弁１３４または排気弁１３４周辺の燃焼室内壁の熱を利用することができる。従って、追加の燃料をより速やかに気化・膨張させることができると共に、第１回目の燃料噴射により燃焼室内に形成されている混合気が、追加の燃料によって熱を奪われ、温度が低下することを抑制することができる。
【０１１２】
第２回目の燃料噴射における追加の燃料が気化・膨張すると、燃焼室内の圧力が上昇し、第１実施例と同様に、燃焼室内の混合気が自着火燃焼する。
【０１１３】
以上のように、第５実施例におけるガソリンエンジン１００では、第２回目の燃料噴射として追加の燃料を排気弁１３４または排気弁１３４周辺の燃焼室内壁に衝突するように噴射する。これにより、第２回目の燃料噴射における追加の燃料をより速やかに気化・膨張させることができると共に、第１回目の燃料噴射により形成される混合気の温度低下を抑制できる。このため、混合気の自着火時期をより精度良く制御することができると共に、さらに上死点近傍における自着火時期が安定する。従って、より広い運転領域で予混合圧縮自着火燃焼方式によるエンジンの運転を行うことができる。
【０１１４】
Ｆ．第６実施例：
図１３は、第６実施例におけるガソリンエンジン１００のシリンダの縦断面を拡大して示す説明図である。図２に示した第１実施例との違いは、燃料噴射弁１４が吸気ポート１３３に設けられ、燃料を吸気ポート１３３内に噴射できる点と、シリンダヘッド１３０に燃焼室内に空気を直接噴射することができる空気噴射弁１７が設けられている点だけである。空気噴射弁１７には図示しないポンプによって空気が供給される。その他の点は第１実施例と同じである。
【０１１５】
第６実施例のガソリンエンジン１００は、第１実施例と同様に、自着火燃焼による運転を行うときは、まず、燃料噴射を燃料噴射弁１４によって行う。燃料噴射によって噴射された燃料は、燃焼室内で空気と混合し、混合気を形成する。
【０１１６】
その後、上死点近傍で、第１実施例における第２回目の燃料噴射の代わりに、空気噴射弁１７によって空気噴射を行う。図１３では、空気噴射弁１７からの空気噴射によって燃焼室内に空気が噴射されている様子を概念的に示している。
【０１１７】
ピストン１４４の上死点近傍では燃焼室内の圧力は非常に高くなっており、空気噴射弁１７は、このような高圧の状態の燃焼室内に燃料を噴射することができる高圧用の噴射弁が用いられている。そして、空気噴射弁１７によって、空気が燃焼室内の圧力より圧力の高い状態で燃焼室内に噴射される。
【０１１８】
このように圧力の非常に高い状態となっている空気は、上死点近傍で燃焼室内に噴射されると速やかに膨張し、これによって燃焼室内の圧力は速やかに上昇する。この圧力上昇によって、第１実施例と同様に、燃焼室内の混合気が上死点近傍で自着火燃焼する。
【０１１９】
このように、第６実施例におけるガソリンエンジン１００は、第１実施例と同様に、上死点近傍で安定して混合気を自着火燃焼させることができ、低負荷運転時における失火の発生や、高負荷運転時における過早着火による激しい燃焼音の発生を抑制することができる。このようにして、広い運転領域において圧縮自着火燃焼によるエンジンの運転を行うことができる。
【０１２０】
なお、混合気の自着火燃焼時期としては、燃料消費量の低減や燃焼音抑制の点から、圧縮上死点に近いほど好ましい。また、上述のように空気噴射から燃焼室内の混合気の自着火までの時間は、ごく僅かである。従って、空気噴射を行う圧縮上死点近傍とは、圧縮上死点前５０度から圧縮上死点後２０度の範囲であることが好ましく、圧縮上死点前３０度から圧縮上死点後１０度の範囲であることがさらに好ましい。さらに、圧縮上死点前２０度から圧縮上死点の範囲であることがより好ましい。
【０１２１】
さらに、第６実施例では、第１実施例における第２回目の燃料噴射の代わりに空気噴射を行うため、燃費の悪化を抑制することができる。また、局所的に燃料濃度の濃い領域が発生することによりＮＯｘなどの大気汚染物質排出量が増加することがなく、大気汚染物質排出量をさらに低減することができる。
【０１２２】
なお、第６実施例のガソリンエンジン１００は、第１実施例および第２実施例における第２回目の燃料噴射の代わりに空気噴射弁１７による空気噴射を行うものであり、第１実施例および第２実施例と同様に、回転数および負荷に応じた２ストローク運転および４ストローク運転を行うことができる。
【０１２３】
また、第６実施例においても、図１０を用いて説明した第３実施例と同様に、ピストン１４４の頂面に蓄熱層１４５を設け、空気噴射弁１７により空気を蓄熱層１４５に衝突するように噴射するようにしてもよい。これにより、空気噴射弁１７によって噴射された空気の膨張の際に蓄熱層１４５に蓄えられた熱を利用することができる。従って、噴射された空気をより速やかに膨張させることができると共に、燃料噴射により燃焼室内に形成されている混合気が、噴射された空気に熱を奪われ、温度が低下することを抑制することができる。このため、混合気の自着火時期をより精度良く制御することができると共に、さらに上死点近傍における自着火時期が安定する。従って、より広い運転領域で予混合圧縮自着火燃焼方式によるエンジンの運転を行うことができる。
【０１２４】
さらに、第６実施例においても、図１２を用いて説明した第５実施例と同様に、空気噴射弁１７により空気を排気弁１３４または排気弁１３４周辺の燃焼室内壁に衝突するように噴射するようにしてもよい。これにより、空気噴射弁１７によって噴射された空気の膨張の際に排気弁１３４または排気弁１３４周辺の燃焼室内壁の熱を利用することができる。従って、噴射された空気をより速やかに膨張させることができると共に、燃料噴射により燃焼室内に形成されている混合気が、噴射された空気に熱を奪われ、温度が低下することを抑制することができる。このため、混合気の自着火時期をより精度良く制御することができると共に、さらに上死点近傍における自着火時期が安定する。従って、より広い運転領域で予混合圧縮自着火燃焼方式によるエンジンの運転を行うことができる。
【０１２５】
Ｇ．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。
【０１２６】
Ｇ１．変形例１：
各実施例では、ガソリンエンジン１００の運転モードのマップを示して説明したが、これらは単なる一例であり、運転領域の区分はこれら以外の種々の区分が可能であり、また運転モードはこれら以外の種々の運転モードの採用が可能である。例えば、均質リーン自着火燃焼運転を行う運転領域の一部において、１回のみの燃料噴射を行う通常の自着火燃焼運転を行ってもよい。
【０１２７】
Ｇ２．変形例２：
第４実施例から第６実施例では、燃料噴射弁１４が吸気ポート１３３に設けられ、燃料噴射弁１４による燃料噴射は燃料を吸気ポート１３３内に噴射しているが、燃料噴射弁１４は燃焼室内に燃料を供給できればよく、例えば燃料噴射弁１４をシリンダヘッド１３０に設けて燃料を直接燃焼室内に噴射するようにしてもよい。ただし、燃料噴射弁１４を吸気ポート１３３に設けると、燃料噴射弁１４を安価で信頼性の高い低圧用の燃料噴射弁とすることができ、また、シリンダヘッド１３０の設計自由度を向上させることができる。
【０１２８】
Ｇ３．変形例３：
第４実施例では、吸気ポート１３３に設けられた燃料噴射弁１４と、シリンダヘッド１３０に設けられた異種燃料用噴射弁１３との２つの燃料噴射弁を用いているが、通常の燃料と異種燃料とを噴射できる１つの２種燃料用燃料噴射弁をシリンダヘッド１３０に設けて、その１つの２種燃料用燃料噴射弁によって、第１回目の燃料噴射と第２回目の燃料噴射との両方を行うようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１２９】
【図１】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２】第１実施例におけるガソリンエンジン１００のシリンダの縦断面を拡大して示す説明図。
【図３】第１実施例におけるガソリンエンジン１００の運転モードを示すマップ。
【図４】均質リーン自着火燃焼による２ストローク運転領域におけるガソリンエンジン１００の動作の一例を概念的に示した説明図。
【図５】均質リーン自着火燃焼による２ストローク運転領域におけるガソリンエンジン１００のバルブタイミングの一例を概念的に示した説明図。
【図６】均質リーン自着火燃焼による２ストローク運転領域におけるガソリンエンジン１００の燃焼室内の圧力変化の一例を概念的に示した説明図。
【図７】第２実施例におけるガソリンエンジン１００の運転モードを示すマップ。
【図８】均質リーン自着火燃焼による４ストローク運転領域におけるガソリンエンジン１００の動作の一例を概念的に示した説明図。
【図９】均質リーン自着火燃焼による４ストローク運転領域におけるガソリンエンジン１００のバルブタイミングの一例を概念的に示した説明図。
【図１０】第３実施例におけるガソリンエンジン１００のシリンダの縦断面を拡大して示す説明図。
【図１１】第４実施例におけるガソリンエンジン１００のシリンダの縦断面を拡大して示す説明図。
【図１２】第５実施例におけるガソリンエンジン１００のシリンダの縦断面を拡大して示す説明図。
【図１３】第６実施例におけるガソリンエンジン１００のシリンダの縦断面を拡大して示す説明図。
【符号の説明】
【０１３０】
１２...吸気通路
１３...異種燃料用噴射弁
１４...燃料噴射弁
１５...燃料噴射弁
１６...排気通路
１７...空気噴射弁
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
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...吸気弁
１３３...吸気ポート
１３４...排気弁
１３５...排気ポート
１３６...点火プラグ
１４０...シリンダブロック
１４２...シリンダ
１４４...ピストン
１４５...蓄熱層
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
【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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