(57)【要約】【課題】キャビティ内に燃料を噴射することで成層混合気を形成する筒内直接噴射式エンジンにおいて、燃料が早期に噴射されても噴射された燃料をキャビティ内に収めることができるようにし、これによって成層燃焼を行なうことができる運転領域を拡大する。【解決手段】  筒内直接噴射式エンジンにおいて、クランクシャフト４２と、シリンダ２２内に摺動可能に収装され、冠面にキャビティ３１が形成されたピストン３と、キャビティに向けて燃料を噴射する燃料噴射弁１４と、ピストン３とクランクシャフト４２とエンジン本体２とに連結され前記ピストンのピストンモーションを変更する複リンク式ピストンクランク機構（４０、４１、４４）とを備える。【選択図】      図１
2005256777.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
クランクシャフトと、
シリンダ内に摺動可能に収装され、冠面にキャビティが形成されたピストンと、
前記キャビティに向けて燃料を噴射する燃料噴射弁と、
前記ピストンと前記クランクシャフトとエンジン本体とに連結されて前記ピストンのピストンモーションを変更する複リンク式ピストンクランク機構と、
を備えたことを特徴とする筒内直接噴射式エンジン。
【請求項２】
前記燃料噴射弁は前記エンジンの燃焼室上部の中央に設けられており、
前記キャビティは前記ピストンの冠面の中央に凹設されたキャビティである、
ことを特徴とする請求項１に記載の筒内直接噴射式エンジン。
【請求項３】
前記複リンク式ピストンクランク機構を用いて前記ピストンのピストンモーションを変更し、上死点付近における前記ピストンの加速度を減少させる手段を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の筒内直接噴射式エンジン。
【請求項４】
前記複リンク式ピストンクランク機構を用いて前記ピストンのピストンモーションを変更し、上死点付近の前記ピストンの加速度を、ストローク量が同一でクランクシャフト中心からシリンダ上面までの高さが同一の単リンク式エンジンよりも小さくする手段を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の筒内直接噴射式エンジン。
【請求項５】
前記複リンク式ピストンクランク機構を用いて前記ピストンのピストンモーションを変更し、上死点付近の前記ピストンの加速度を下死点付近の前記ピストンの加速度よりも小さくする手段を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の筒内直接噴射式エンジン。
【請求項６】
燃料噴霧が前記キャビティ内に収まるようなタイミングで前記燃料噴射弁から燃料を噴射する第１のモードと、前記キャビティ外に燃料噴霧がはみ出るようなタイミングで前記燃料噴射弁から燃料を噴射する第２のモードとを切り換える手段と、
前記複リンク式ピストンクランク機構を用いて前記ピストンのピストンモーションを変更し、前記第１のモードでの上死点付近における前記ピストンの加速度を前記第２のモードでの上死点付近における前記ピストンの加速度よりも小さくする手段と、
を備えたことを特徴とする請求項１から５のいずれかひとつに記載の筒内直接噴射式エンジン。
【請求項７】
点火プラグを備え、
前記第１のモードは、圧縮上死点よりも手前で前記燃料噴射弁から前記キャビティに向けて燃料を噴射して前記キャビティ内に前記キャビティ外よりも濃い混合気を形成し、前記点火プラグからの火花点火により混合気に着火する成層燃焼モードであり、
前記第２のモードは、吸気行程で燃料を噴射することで燃焼室全体に均質な混合気を形成し、前記点火プラグからの火花点火により混合気に着火する均質燃焼モードである、
ことを特徴とする請求項６に記載の筒内直接噴射式エンジン。
【請求項８】
点火プラグを備え、
前記第１のモードは、圧縮上死点よりも手前で前記燃料噴射弁から前記キャビティに向けて燃料を噴射して前記キャビティ内に前記キャビティ外よりも濃い混合気を形成し、圧縮自己着火により混合気を燃焼させる成層圧縮自己着火モードであり、
前記第２のモードは、吸気行程で燃料を噴射して燃焼室全体に均質な混合気を形成し、前記点火プラグからの火花点火により混合気に着火する均質燃焼モードである、
ことを特徴とする請求項６に記載の筒内直接噴射式エンジン。
【請求項９】
前記第１のモードは、圧縮上死点よりも手前で前記燃料噴射弁から前記キャビティに向けて燃料を噴射して前記キャビティ内で燃料と空気を予め混合し、圧縮自己着火により混合気を燃焼させる予混合燃焼モードであり、
前記第２のモードは、空気のみを圧縮して高温・高圧とし、この高温・高圧となった空気に燃料を噴射することで燃焼させる拡散燃焼モードである、
ことを特徴とする請求項６に記載の筒内直接噴射式エンジン。
【請求項１０】
前記エンジンの運転点が第１の運転領域にあるときは第１のモードで前記エンジンを運転し、前記エンジンの運転点が前記第１の運転領域よりも高回転側にある第２の運転領域にあるときは第２のモードで前記エンジン運転することを特徴とする請求項６から９のいずれかひとつに記載の筒内直接噴射式エンジン。
【請求項１１】
前記エンジンの運転点が第１の運転領域にあるときは前記第１のモードで前記エンジンを運転し、前記エンジンの運転点が前記第１の運転領域よりも高負荷側にある第２の運転領域にあるときは前記第２のモードで前記エンジン運転することを特徴とする請求項６から９のいずれかひとつに記載の筒内直接噴射式エンジン。
【請求項１２】
前記成層圧縮自己着火モードでは、前記複リンク式ピストンクランク機構を用いて前記ピストンのピストンモーションを変更し、前記ピストンの上死点位置を上昇させることを特徴とする請求項８に記載の筒内直接噴射式エンジン。
【請求項１３】
前記エンジンの異常燃焼を検出する手段を備え、
前記予混合燃焼モードで運転中に前記エンジンの異常燃焼が検出されたときは、前記複リンク式ピストンクランク機構を用いて前記ピストンのピストンモーションを変更し、前記ピストンの上死点位置を下げることを特徴とする請求項９に記載の筒内直接噴射式エンジン。
【請求項１４】
前記複リンク式ピストンクランク機構は第１、第２及び第３のリンクで構成され、
前記第１のリンクは前記ピストンと前記第２のリンクを連結し、
前記第２のリンクは前記エンジンのクランクシャフトと前記第１のリンクを連結し、
前記第３のリンクは前記第１または第２のリンクと前記エンジン本体を連結する、
ことを特徴とする請求項１から１３のいずれかひとつに記載の筒内直接噴射式エンジン。
【請求項１５】
前記複リンク式ピストンクランク機構は、前記第３のリンクの前記エンジン本体に対する回動中心を移動させることで前記ピストンのピストンモーションを変更することを特徴とする請求項１４に記載の筒内直接噴射式エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料をシリンダ内に直接噴射する筒内直接噴射式エンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
特開２００３−８３１１９（特許文献１）は、燃料噴射弁からシリンダ内に燃料を直接噴射し、シリンダ内に成層化した混合気を形成し、理論空燃比よりも大幅に希薄な空燃比で燃焼を行なう筒内直接噴射式エンジンを開示している。このエンジンにおいては、燃料は、ピストンの圧縮上死点よりも早い時期にピストン冠面に形成されたキャビティに向けて噴射され、キャビティ内において燃料と空気が混合され、キャビティ内に均質な混合気が形成される。
【特許文献１】特開２００３−８３１１９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
キャビティ内の混合気を均質にするためには、より早い時期に燃料を噴射し、燃料と空気が混合する時間を確保する必要がある。
【０００４】
しかしながら、燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧は噴口から離れるにつれて拡散することから、燃料噴射時期を早めていくと、ある時期を境に燃料噴射弁から噴射された燃料がキャビティに収まらず、外にはみ出るようになる。キャビティの外に燃料がはみ出るとシリンダ内側壁等に燃料が付着するので、未燃ＨＣの排出量が増え、また、エンジンの冷却損失が大きくなって燃費を悪化させる原因となる。上記従来技術では燃料噴射時期を早めることで燃料と空気の混合時間を確保しているが、噴射された燃料をキャビティ内に確実に収めることを考慮すると、燃料噴射時期の早期化には限度がある。
【０００５】
サイクルの実時間が短くなる高回転運転時や、燃料の噴射量が多くなる高負荷運転時は、燃料噴射時期を早めて燃料と空気が混合する時間を確保する必要があるが、このように燃料噴射時期の早期化には限度があるため、成層燃焼運転領域を高回転側、高負荷側に拡大することが難しかった。
【０００６】
本発明は、かかる技術的課題を鑑みてなされたもので、キャビティ内に燃料を噴射することで成層混合気を形成する筒内直接噴射式エンジンにおいて、燃料が早期に噴射されても噴射された燃料をキャビティ内に収めることができるようにし、これによって成層燃焼を行なうことができる運転領域を拡大することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
筒内直接噴射式エンジンにおいて、クランクシャフトと、シリンダ内に摺動可能に収装され、冠面にキャビティが形成されたピストンと、キャビティに向けて燃料を噴射する燃料噴射弁と、ピストンとクランクシャフトとエンジン本体とに連結され前記ピストンのピストンモーションを変更する複リンク式ピストンクランク機構とを備える。
【発明の効果】
【０００８】
複リンク式ピストンクランク機構を用いてピストンモーションを変更すれば、上死点付近におけるピストンの加速度を小さくするとともに、上死点付近に近づくまでのピストンの上昇速度を高めることができる。これにより、燃料噴射時期を早めてもキャビティ内に燃料噴霧を収めることができ、燃料と空気の混合時間（実時間）を確保できるので、成層燃焼運転が可能な運転領域を高回転側、高負荷側に拡大することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
【００１０】
図１、図２は本発明に係る火花点火式ガソリンエンジンの構成を示したものであり、図１はエンジンをクランクシャフトの軸方向から見たもの、図２はエンジンを吸気側から見たものである。
【００１１】
シリンダヘッド１とシリンダブロック２とピストン３の間には燃焼室４が画成されており、燃焼室４にはシリンダヘッド１に形成された吸気ポート５と排気ポート６が連通している。吸気ポート５、排気ポート６は、それぞれ吸気カム８、排気カム９によって駆動される吸気弁１０、排気弁１１によって所定のタイミングで開閉される。
【００１２】
燃焼室４の上部の略中央には、点火プラグ１３がそのギャップを燃焼室４内に突出させるように設けられており、また、点火プラグ１３の近傍には、燃料噴射弁１４がその噴口を燃焼室４内に突出させるように設けられている。燃料噴射弁１４の噴口は先端部に複数形成されており、図３に示すように燃料を所定の噴霧角θで燃焼室４内に噴射することができる。
【００１３】
また、シリンダブロック２には、ピストン３を滑動可能に収装するシリンダ２２が形成されており、シリンダ２２の周りには冷却水の通路２４が形成されている。また、ピストン３の冠面３ａの略中央には円筒状のキャビティ３１が凹設されている。
【００１４】
ピストン３はコンロッド４０（第１のリンク）、ロアリンク４１（第２のリンク）を介してクランクシャフト４２に連結されている。また、ロアリンク４１にはコントロールリンク４４（第３のリンク）が連結されており、コントロールリンク４４の他端はエンジン本体、例えば、シリンダブロック２の下部に制御シャフト４５の偏心部４６を介して連結されている。この実施形態ではロアリンク４１にコントロールリンク４４を連結しているが、ロアリンク４１ではなくコンロッド４０にコントロールリンク４４を連結するようにしてもかまわない。このように、コンロッド４０、ロアリンク４１、コントロールリンク４４からなる「複リンク」を介してピストン３をクランクシャフト４２に連結し、ピストン３を駆動する機構を「複リンク式ピストンクランク機構」をと称する。
【００１５】
複リンク式ピストンクランク機構についてさらに説明する。図４は図１を矢印Ｘの方向からみたものである。制御シャフト４５は軸受カバー５０、５１を介してシリンダブロック２下部に軸支される。制御シャフト４５の途中に形成される偏心部４５は、軸受カバー５０、５１の間に配置され、偏心部４５の外周にコントロールリンク４４が連結されている。制御シャフト４５の一端にはウォームホイール５３が設けられ、ウォームホイール５３にはモータ５４がウォームギア５５を介して接続されている。モータ５４はエンジンコントローラ２０からの信号を受けて駆動され、モータ５４を回転駆動するとウォームギア５５、ウォームホイール５３が回転し、これによって、制御シャフト４５が回転し、偏心部４６の回転角が変化する。
【００１６】
偏心部４６の回転角を変更するとコントロールリンク４４のエンジン本体に対する回動中心が移動するので、クランクシャフト４２が回転するときのピストンモーション（ピストンの上死点位置、上死点付近における加速度）が変化する。例えば、偏心部４６の回転角を適当な角に調節すると、ピストン３の上死点位置を殆ど変えることなく上死点付近におけるピストン３の加速度のみを小さくすることができる。上死点付近におけるピストン３の加速度を小さくすると、上死点付近まで上昇するときのピストン３の速度は高くなるので、より早い時間にピストン３が上死点付近に近づくとともに、ピストン３が上死点付近に長く留まるようになる。あるいは、この実施形態では使用しないが、ピストン３の上死点位置を上昇させてエンジンの圧縮比を高めるとともに上死点付近におけるピストン３の加速度を小さくすることも可能であり、またあるいは、ピストン３の上死点位置を下げて圧縮比を下げるとともに上死点付近における加速度を小さくすることも可能である。
【００１７】
図５はピストン３の上死点位置を変えることなく上死点付近におけるピストン３の加速度を小さくした場合のピストンモーションの履歴を示したものである。図５には比較のため、図１〜図４に示した複リンク式ピストンクランク機構を備えたエンジン（以下、複リンク式エンジン）のピストンモーションの履歴を実線で示し、ピストンのストローク量及びクランク軸中心からシリンダ上面までの高さが同じ従来の単リンク式ピストンクランク機構（ピストンとクランクシャフトがコンロッドで直結される構成）を備えたエンジン（以下、単リンク式エンジン）のピストンモーションを破線で示す。
【００１８】
これに示されるように、複リンク式エンジンにおいては、上死点付近の加速度が下死点付近の加速度よりも小さくなっており、ピストンモーションの履歴は上死点付近が太ったサインカーブになる。つまり、ピストン３の上死点位置を略変えることなく、上死点付近におけるピストン３の加速度のみを単リンク式エンジンよりも、また下死点付近におけるピストン３の加速度よりも小さくすることができる。上死点付近におけるピストン３の加速度が小さくなるということは、より早い時期にピストン３が上死点位置に近づき、かつ上死点付近でのピストン３の変位量が小さくなって、ピストン３が上死点付近により長い間留まることを意味する。
【００１９】
図６の（ａ）〜（ｃ）、図７の（ａ）〜（ｃ）は、あるクランク角で燃料をキャビティに向けて噴射した場合の燃焼室内の燃料噴霧の様子を時系列順に示したものである。図６は単リンク式エンジンの場合、図７は複リンク式エンジンでピストンの上死点位置はそのままに上死点付近のピストン加速度を単リンク式エンジンよりも小さくした場合を示している。図６、図７とも同じクランク角で燃料を噴射しているが、複リンク式エンジンと単リンク式エンジンとではピストンモーションが異なるため、同じクランク角でもピストン位置が異なり、燃焼室内に噴射された燃料噴霧の動きも両者で異なる。
【００２０】
単リンク式エンジンでは、図６の（ａ）〜（ｃ）に示すように、上死点付近のピストン加速度が大きいため、上死点付近までのピストンの上昇速度が遅く、（ａ）に示す燃料を噴射したタイミングではピストンはまだ低い位置にある。そのため、燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧はキャビティに収まらず、キャビティの外側にはみ出してしまう。キャビティからはみ出した燃料噴霧はピストン冠面の外側で反射してシリンダの側壁に向けて流れるため、シリンダの側壁に付着し、未燃ＨＣの排出量を増やしたり、また、エンジンの冷却損失が大きくなって燃費を悪化させる原因となる。
【００２１】
これに対し、複リンク式エンジンでは、図７の（ａ）〜（ｃ）に示すように、単リンク式エンジンと同じタイミングで燃料を噴射しても、ピストン３がより上死点付近に近づいているため、噴射された燃料噴霧は略全てキャビティ内に収められ、さらに、キャビティの底面、側面に誘導されて燃焼室中央に設けられた点火プラグの近傍へと向かう縦に旋回する循環流動となって、周辺の空気を巻き込んで濃度むらの少ない均質な混合気をキャビティ内及びその上方（点火プラグ近傍）に形成することができる。つまり、複リンク式エンジンにおいては、単リンク式エンジンよりも早い時期に燃料を噴射しても燃料噴霧をキャビティ内に収めることができ、かつ燃料と空気の混合時間（実時間）を十分長く確保することができる。
【００２２】
図１に戻って本発明に係るエンジンの構成についてさらに説明すると、エンジンコントローラ２０には、エンジンの運転状態を示す信号として、エンジンの回転速度を検出する回転速度センサ（クランク角センサ）２５、アクセルペダルの操作量を検出するアクセル操作量センサ２６、スロットル弁開度を検出するスロットル開度センサ２７等からの信号が入力される。
【００２３】
エンジンコントローラ２０は、入力された信号に基づき目標とするエンジントルクを演算し、目標エンジントルクが実現されるよう燃料噴射弁１４から噴射される燃料量、燃料噴射のタイミング、点火プラグ１３による点火のタイミング、スロットル弁の開度を制御する。
【００２４】
また、エンジンコントローラ２０は、エンジンの運転点に応じて図９に示すような燃焼モードマップを参照し、エンジンの燃焼モードを切り替え、低中回転かつ低中負荷領域では、圧縮行程の上死点よりも手前で燃料をキャビティ内に噴射してキャビティ３１内及びその上方に均質な混合気を形成し、燃焼室４全体としては理論空燃比よりも大幅に希薄な空燃比で燃焼させる成層燃焼モードとする。また、サイクルの実時間が短くなる高回転領域や、噴射する燃料量が増えて燃料噴射時間も長くなる高負荷領域では、吸気行程で燃料をシリンダ２２内に噴射し、燃料と空気の混合時間を十分に確保して燃焼室４全体に理論空燃比の均質な混合気を形成した上で燃焼させる均質燃焼モードとする。さらに、本発明に係るエンジンでは、上記複リンク式ピストンクランク機構の特性を利用して、エンジンの燃焼モードに応じてピストン３の上死点付近の加速度を切り換え、成層燃焼運転が可能な領域を単リンク式エンジンよりも高回転側、高負荷側に拡大する。
【００２５】
図８はエンジンコントローラ２０が行なう燃焼モード切換制御の内容を示したフローチャートであり、所定時間毎、例えば１０ｍｓｅｃ毎に実行される。
【００２６】
これによると、まず、ステップＳ１ではエンジンの回転速度と、エンジン負荷を読み込む。エンジンの回転速度としては回転速度センサ２５の検出値を読み込み、エンジン負荷としてはエンジンコントローラ２０内部で演算される目標エンジントルクを読み込む。なお、ここでは、エンジンの負荷を示す値として目標エンジントルクを用いているが、これに代えてアクセル操作量や、燃料噴射量（燃料噴射弁１４の開弁時間、燃料噴射弁１４への通電時間、エンジンコントローラで演算される目標燃料噴射量等）を用いても構わない。
【００２７】
次に、ステップＳ２では、ステップＳ１で読み込んだエンジンの回転速度及び負荷に基づき、図９に示す燃焼モードマップを参照してエンジンの燃焼モードを判断する。エンジンの運転点が、低中速回転かつ低中負荷領域である領域Ａ（第１の運転領域）にあると判断されたときはステップＳ３に進み、領域Ａの高回転側、高負荷側にあり、領域Ａの外側を取り囲むように設定される領域Ｂ（第２の運転領域）にあると判断されたときはステップＳ５に進む。
【００２８】
エンジンの運転点が領域Ａにあるとして進んだステップＳ３では、エンジンの燃焼モードを成層燃焼モードに切り換える。成層燃焼モードでは、圧縮上死点よりも手前で燃料をキャビティ３１内に向けて噴射し、キャビティ３１内及びその上方（点火プラグ１３の近傍）に均質な混合気を形成し、点火プラグ１３からの火花点火で着火、燃焼させる成層燃焼モードに切り替える。
【００２９】
さらに、この成層燃焼モードではキャビティ３１内で燃料と空気を十分に混合させ、キャビティ３１内及びその上方に均質な混合気を形成する必要があることから、ステップＳ４において、モータ５４を駆動して制御シャフト４５の偏心部４６の回転角を変更し、ピストン３の上死点位置はそのままに、上死点付近のピストン３の加速度を減少させる。これにより、ピストン３が上死点付近に近づくまでの上昇速度が高まってピストン３がより早い時期に（より早いクランク角で）上死点位置に近づくので、燃料を単リンク式エンジンよりも早い時期に噴射しても噴射された燃料がキャビティ３１内に収まるようになり、また、混合時間を長く取ることができることから、噴射された燃料と空気を十分に混合させることができる。
【００３０】
一方、エンジンの運転点が高回転高負荷領域である領域Ｂにあるとして進んだステップＳ５では、エンジンの燃焼モードを均質燃焼モードに切り換える。均質燃焼モードでは、エンジンの吸気行程中に燃料をシリンダ２２内に噴射し、燃料と空気を十分に混合して燃焼室４全体に均質な混合気を形成し、点火プラグ１３からの火花点火で着火、燃焼させる。さらに、ステップＳ６では、モータ５４を駆動して偏心部４６を回転させ、ピストンの上死点位置はそのままに上死点付近のピストンの加速度を減少させる。これにより、ピストン３を上死点付近から速やかに退避させ、ピストン３が長い間上死点位置近傍に留まることによるエンジンの冷却損失を抑えることができる。
【００３１】
このように、本発明に係るエンジンでは、成層燃焼モードにおいて複リンク式ピストンクランク機構を用いてピストン３のピストンモーションを変更し、上死点付近におけるピストン３の加速度を減少させるので、成層燃焼運転が可能な領域（図９の領域Ａ）を図９中矢印Ｙで示すように単リンク式エンジンに比べて高負荷側、高回転側に拡大することができる。これは、より早い時期に燃料を噴射しても、燃料噴霧をキャビティ３１内に収めることができ、また、ピストン３が長い間上死点近傍に留まるため、燃料と空気を十分に混合することができるためである。
【００３２】
さらに、上死点近傍では高温、高圧場が継続して形成されるので、燃料の霧化、蒸発が促進され、安定した燃焼を実現することができる。また、成層燃焼領域を高負荷側に拡大しようとすると、噴射される燃料の量が増えることから、単リンク式エンジンでは燃料と空気の混合が十分に進まず、当量比２以上の過濃混合気塊より発生するとされている黒煙の増大が問題になるが、本発明に係る複リンク式エンジンにおいては、混合気の均質化が十分に行われることから黒煙の発生も十分に抑制できる。
【００３３】
また、燃料噴射弁１４を燃焼室４上部の中央に設け、キャビティ３１をピストン３の冠面の中央に凹設したので、燃焼が燃焼室側面から離れた燃焼室中心で行なわれるので、冷却損失を低減し、燃費を向上させることができる。
【００３４】
続いて、本発明の第２の実施形態について説明する。
【００３５】
第２の実施形態に係るエンジンの構成は図１〜図４に示した第１の実施形態の構成と同じであるが、エンジンの燃焼モードが異なる。第２の実施形態では、低中速回転かつ低中負荷領域（第１の運転領域）では点火プラグを用いない圧縮自己着火運転を行い、高速あるいは高負荷領域（第２の運転領域）では点火プラグを用いた火花点火運転を行なう。
【００３６】
図１０はエンジンコントローラ２０が行なう燃焼モード切換制御の内容を示したフローチャートであり、所定時間毎、例えば１０ｍｓｅｃ毎に実行される。
【００３７】
これについて説明すると、まず、ステップＳ１１ではエンジンの回転速度と、エンジン負荷を読み込む。エンジンの回転速度としては回転速度センサ２５の検出値を読み込み、エンジン負荷としてはエンジン内部で演算される目標エンジントルクを読み込む。なお、ここでは、エンジンの負荷を示す値として目標エンジントルクを用いるが、これに代えてアクセル操作量や、燃料噴射量（燃料噴射弁１４の開弁時間、燃料噴射弁１４への通電時間、エンジンコントローラで演算される目標燃料噴射量等）を用いても構わない。
【００３８】
ステップＳ１２では、ステップＳ１１で読み込んだエンジンの回転速度及び負荷に基づき、図１１に示す燃焼モードマップを参照してエンジンの燃焼モードを判断する。エンジンの運転点が低中速回転かつ低負荷領域である領域Ｃにあると判断されたときはステップＳ１３に進み、低中速回転かつ中負荷領域である領域Ｄにあると判断されたときはステップＳ１５に進み、領域Ｄの外側の高回転あるいは高負荷領域である領域Ｅにあると判断されたときはステップＳ１７に進む。
【００３９】
エンジンの運転点が領域Ｃにあるとして進んだステップＳ１３では、エンジンの燃焼モードを成層圧縮自己着火モードにする。成層圧縮自己着火モードでは、圧縮上死点よりも手前で燃料を噴射して、キャビティ３１内及びその上方（点火プラグ１３の近傍）に均質な混合気を形成して、高温、高圧下で自己着火させる運転を行なう。さらに、キャビティ３１内及びその上方に均質な混合気を形成するためには、噴射された燃料をキャビティ３１内に収めることができる噴射時期を早め、キャビティ３１内での燃料と空気の混合時間を長くした方がよいこと、また、燃焼室内を高温、高圧にして混合気を自己着火させるにはエンジンの圧縮比が高い方がよいことから、複リンク式ピストンクランク機構を利用して、ピストン３の上死点前後における加速度を小さくし、かつ、ピストン３の上死点位置を上昇させてエンジンの圧縮比を高める。具体的にはモータ５４を駆動して制御シャフト４５の偏心部４６を所定量だけ回転させ、その回転角を変更する。
【００４０】
キャビティ３１がピストン冠面３ａの略中央に凹設され、燃焼室４の略中央に配置されるので、この成層圧縮自己着火モードで運転中は、燃焼中の火炎は燃焼室４の壁面から遠くなってエンジンの冷却損失が小さくなり、また、エンジンの高圧縮比化と相俟って、燃費の良い燃焼を実現することができる。また、複リンク式ピストンクランク機構を利用することで、燃料の噴射時期を早めても燃料噴霧をキャビティ３１内に収めることができるようにし、かつ、キャビティ３１内での燃料と空気の混合時間を長くしたので、成層圧縮自己着火運転が可能な運転領域を単リンク式エンジンに比べて高負荷側、高回転側に拡大することができる。
【００４１】
一方、領域Ｄにあるとして進んだステップＳ１５では、エンジンの燃焼モードを均質圧縮自己着火モードにする。領域Ｄでは、領域Ｃに比べてエンジンの負荷が高くなることから燃料噴射弁１４から噴射される燃料量が増え、領域Ｃのように混合気の成層化を行なうとキャビティ３１内の燃料が濃くなりすぎ、また、複リンク式ピストンクランク機構を利用して上死点付近のピストン３の加速度を下げたとしても、燃料と空気の十分な混合時間を確保するのが難しくなる。
【００４２】
そこで、この領域Ｄでは、混合気の成層化をやめ、燃焼室４全体に略均質な混合気を形成して点火プラグ１３を用いない圧縮自己着火運転を行なう。燃焼室４全体に略均質な混合気を形成する方法としては、一回目の噴射をキャビティ３１の外側に燃料を噴射し、２回目の噴射でキャビティ３１内に噴射するというように燃料を複数回に噴射することで燃焼室全体に略均質な混合気を形成する方法、あるいは、燃料噴霧が直接キャビティ３１内に入らないような早期のタイミングに噴射して、燃焼室４内の燃料と空気を十分に混合する方法など、いずれの方法を採用しても良い。
【００４３】
さらに、燃焼室４内の混合気を均質にするには上死点付近のピストン３の加速度を小さくして十分な混合時間を確保するのがよく、また、圧縮自己着火運転を行なうためには燃焼室を高温、高圧にするのがよいことから、複リンク式ピストンクランク機構を利用して、上死点付近のピストン３の加速度を小さくし、かつ、ピストン３の上死点位置を上昇させてエンジンの圧縮比を高める。
【００４４】
この均質燃焼自己着火モードでは、燃焼室４全体に略均質な混合気を形成して圧縮自己着火を起こさせるので、局所的に濃い混合気が存在することによって発生する過早着火、ノッキングの問題を回避することができる。また、複リンク式ピストンクランク機構を利用してエンジンの高圧縮比化を行なうことで、圧縮自己着火燃焼時の燃焼安定性を高め、圧縮自己着火運転が可能な運転領域を拡大することができる。
【００４５】
エンジンの運転点が領域ＥにあるときはステップＳ１７に進み、エンジンの燃焼モードを火花点火モードに切り換える。火花点火モードでは、エンジンの吸気行程中に燃料をシリンダ２２内に噴射し、燃料と空気を十分に混合した上で点火プラグ１３を利用して点火する。これは、高負荷領域では噴射される燃料の量が増え、また、高回転領域では実サイクル時間が短くなって燃料と空気の混合時間が十分に確保できないことから、均質な混合気を形成するのが難しく、過早着火、ノッキングが起こりやすくなるからである。
【００４６】
さらに、ステップＳ１８では、複リンク式ピストンクランク機構を利用して上死点付近のピストン３の加速度を増大させ、ピストン３を上死点付近から速やかに退避させてエンジンの冷却損失を低減する。さらに、ピストン３の上死点位置を下げてエンジンの圧縮比を下げ、高負荷、高回転領域での過早着火、ノッキングの発生を抑えて、高出力運転を実現する。
【００４７】
このように、本実施形態では、低中速回転、低負荷領域では圧縮自己着火運転を行なうが、この際、複リンク式ピストンクランク機構を利用して上死点付近におけるピストン３の加速度を小さくし、かつ、ピストン３の上死点位置を上昇させて圧縮比を高めるようにしたので、圧縮着火運転を安定して行なうことができ、圧縮自己着火運転可能な運転領域を高回転側、高負荷側に拡大し、燃費を向上させることができる。
【００４８】
また、高回転あるいは高負荷領域においては、複リンク式ピストンクランク機構を利用して、上死点付近におけるピストンの加速度を大きくし、かつピストン３の上死点位置を下げて圧縮比を下げるようにしたので、高回転、高負荷領域における過早着火、ノッキングを効果的に抑えることができる。
【００４９】
続いて、本発明の第３の実施形態について説明する。
【００５０】
図１２、図１３は本発明に係るディーゼルエンジンの構成を示し、図１２はエンジンをクランクシャフトの軸方向から見たもの、図２はエンジンを吸気側から見たものである。基本的な構成は図１〜図４に示した火花点火式のガソリンエンジンとほぼ同じであるが、ディーゼルエンジンであるため、点火プラグは設けられておらず、また、スロットル弁が存在しないことから、その開度を検出するスロットル開度センサは設けられていない。
【００５１】
第１の実施形態と共通の構成には同じ参照符号を付して説明を省略し、異なる構成を中心に説明すると、第３の実施形態では、燃焼時に発生する振動から過早着火、ノッキングの発生を検出する異常燃焼検出センサ２８がエンジンのシリンダブロック２に設けられている。異常燃焼検出センサ２８の検出結果はエンジンコントローラ２０に入力される。なお、ここでは、燃焼時に発生する振動から過早着火、ノッキングの発生を検出しているが、エンジンの燃焼圧を検出して過早着火、ノッキングの発生を判断するなど、他の方法を用いて検出するようにしても構わない。
【００５２】
また、第３の実施形態では、エンジンの運転点に応じて、圧縮上死点よりも早い時期に燃料をキャビティ３１内に噴射して予め燃料と空気を混合し、キャビティ３１内に均質な混合気を形成した上で混合気を圧縮着火させる予混合燃焼モードと、従来のディーゼルエンジンと同じく、空気のみを予め圧縮して高温、高圧とし、この高温、高圧となった空気に燃料を噴射することで燃焼させる拡散燃焼モードを切り換える。
【００５３】
図１４はエンジンコントローラ２０が行なう燃焼モード切換制御の内容を示したフローチャートであり、所定時間毎、例えば１０ｍｓｅｃ毎に実行される。
【００５４】
これについて説明すると、まず、ステップＳ２１ではエンジンの回転速度と、エンジン負荷を読み込む。エンジンの回転速度としては回転速度センサ２５で検出された値を読み込み、エンジン負荷としてはエンジン内部で演算される目標エンジントルクを読み込む。ここでは、エンジンの負荷を示す値として目標エンジントルクを用いるが、これに代えてアクセル操作量や、燃料噴射量（燃料噴射弁１４の開弁時間、燃料噴射弁１４への通電時間、エンジンコントローラで演算される目標燃料噴射量等）を用いても構わない。
【００５５】
ステップＳ２２では、ステップＳ２１で読み込んだエンジンの回転速度及び負荷に基づき、図１５に示す燃焼モードマップを参照してエンジンの燃焼モードを判断する。エンジンの運転点が低中速回転かつ低中負荷領域である領域Ｆにあると判断されたときはステップＳ２３に進み、領域Ｇの外側の高回転あるいは高負荷領域である領域Ｇにあると判断されたときはステップＳ２７に進む。
【００５６】
エンジンの運転点が領域Ｆにあるとして進んだステップＳ２３では、エンジンの燃焼モードを予混合燃焼モードに切り換える、予混合燃焼モードでは、圧縮上死点よりも手前で燃料をキャビティ３１内に噴射して予め燃料と空気を混合し、キャビティ３１内に均質な混合気を形成した上で混合気を圧縮着火させる。さらに、予混合燃焼モードでは、燃料を早い時期に噴射し、燃料と空気を十分に混合する時間を確保する必要があることから、複リンク式ピストンクランク機構を利用してピストンモーションを変更し、上死点付近でのピストン３の加速度を小さくするとともに、上死点付近に近づくまでのピストン３の上昇速度を高める。
【００５７】
さらに、ステップ２５では、異常燃焼検出センサ２８によって過早着火が検出されたか判断する。そして、過早着火が検出され、等容度の悪化が見られる場合は、ステップＳ２６に進んで、複リンク式ピストンクランク機構を利用してピストンモーションをさらに変更し、ピストン３の上死点位置を下げてエンジンの圧縮比を下げ、過早着火を抑制する。
【００５８】
一方、エンジンの運転点が領域Ｇにあるとして進んだステップＳ２７では、エンジンの燃焼モードを拡散燃焼モードに切り換える。拡散燃焼モードでは、圧縮行程で空気のみを圧縮し、高温、高圧となった空気中に燃料を噴射することで燃焼を行なわせる。さらに、ステップＳ２８では、複リンク式ピストンクランク機構を利用して上死点付近でのピストン３の加速度を大きくして、ピストン３が上死点付近から速やかに退避するようにし、燃焼室４からピストン３を通じて逃げる熱の量を少なくし、冷却損失の少ない運転を行なう。
【００５９】
このように、第３の実施形態では、低中回転かつ低中負荷領域では予混合燃焼を実現し、排気中のＮＯｘと黒煙を同時に低減することができる。特に、複リンク式ピストンクランク機構を組み合わせて上死点付近でのピストン加速度を小さくしたことにより、燃料をより早い時期に噴射しても燃料噴霧をキャビティ内に収め、キャビティ３１内において燃料と空気を十分に混合することができるので、従来のディーゼルエンジンに比べ、予混合燃焼運転が可能な運転領域を高回転側、高負荷側に拡大することが可能となる。また、このとき、エンジンにおいて燃料の過早着火が発生しているかの監視も併せて行い、燃料の過早着火が発生しているときは複リンク式ピストンクランク機構を用いてストン３の上死点位置を下げ、エンジンの圧縮比を下げるようにしたので、燃料の過早着火も抑えることができる。
【００６０】
さらに、第３の実施形態では、高回転あるいは高負荷領域では拡散燃焼に切換えるが、同じく複リンクピストンクランク機構を利用して上死点付近でのピストン加速度を増大させるので、エンジンの冷却損失が少なくなり、従来のディーゼルエンジンに比べて燃費を向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明は、燃焼室内に成層混合気を形成するエンジンに適用することができ、成層燃焼運転が可能な運転領域を拡大し、エンジンの燃費を向上させるのに有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】複リンク式ピストンクランク機構を備えた火花点火式ガソリンエンジン（複リンク式エンジン）をクランクシャフトの軸方向から見た図である。
【図２】同じく吸気側から見た図である。
【図３】燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧の様子を示した図である。
【図４】複リンク式ピストンクランク機構の偏心部を説明するための図である。
【図５】複リンク式エンジンのピストンモーションを説明するための図である。
【図６】単リンク式エンジンにおいて、あるクランク角で燃料を噴射した場合の燃焼室内での燃料噴霧の状態を時系列順に示した図である。
【図７】複リンク式エンジンにおいて、図６と同じタイミング（クランク角）で燃料を噴射した場合の燃焼室内での燃料噴霧の状態を時系列順に示した図である。
【図８】エンジンコントローラが行なう燃焼モード切換制御を示したフローチャートである。
【図９】エンジンの燃焼モードマップである。
【図１０】エンジンコントローラが行なう燃焼モード切換制御の別の例を示したフローチャートである（第２の実施形態）。
【図１１】エンジンの燃焼モードマップの別の例である。
【図１２】複リンク式ピストンクランク機構を備えたディーゼルエンジンをクランクシャフトの軸方向から見た図である（第３の実施形態）。
【図１３】同じく吸気側から見た図である。
【図１４】第３の実施形態においてエンジンコントローラが行なう燃焼モード切換制御を示したフローチャートである。
【図１５】エンジンの燃焼モードマップである。
【符号の説明】
【００６３】
１    クランクシャフト
２    シリンダブロック
３    ピストン
３ａ  ピストン冠面
４    燃焼室
１３  点火プラグ
１４  燃料噴射弁
２０  エンジンコントローラ
２２  シリンダ
２５  回転速度センサ
２６  アクセル操作量センサ
２７  スロットル開度センサ
２８  異常燃焼検出センサ
３１  キャビティ
４０  コンロッド（第１のリンク）
４１  ロアリンク（第２のリンク）
４２  クランクシャフト
４４  コントロールリンク（第３のリンク）
４５  制御シャフト
４６  偏心部
５３  ウォームホイール
５４  モータ
５５  ウォームギア
【図１】
2005256777.tif 000003
【図２】
2005256777.tif 000004
【図３】
2005256777.tif 000005
【図４】
2005256777.tif 000006
【図５】
2005256777.tif 000007
【図６】
2005256777.tif 000008
【図７】
2005256777.tif 000009
【図８】
2005256777.tif 000010
【図９】
2005256777.tif 000011
【図１０】
2005256777.tif 000012
【図１１】
2005256777.tif 000013
【図１２】
2005256777.tif 000014
【図１３】
2005256777.tif 000015
【図１４】
2005256777.tif 000016
【図１５】
2005256777.tif 000017