(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
火花点火運転時は燃焼室内に設けた点火プラグにより燃焼室内の混合気を火花点火して燃焼させ、圧縮自己着火運転時はピストンの圧縮作用により燃焼室内の混合気を自己着火して燃焼させる圧縮自己着火式ガソリン内燃機関において、燃焼室壁の高温領域となる排気バルブ配置側の部位に、燃焼室よりも容積の小さな副室と、副室断面積よりも小さな開口面積に形成されて該副室と燃焼室とを連絡する噴口とを設け、
前記噴口を、圧縮自己着火運転時に着火燃焼前の燃料の混合気が圧縮行程で指向する方向とほぼ対向する位置に設け、
圧縮自己着火運転時には、圧縮行程で前記噴口を通じて副室内に混合気を流入させ、当該混合気を燃焼室内の混合気よりも早く反応させて副室内にラジカルを生成させ、
圧縮行程中の圧力上昇によって、前記副室内から噴口を通じてラジカルを含む高温ガス噴流を燃焼室内へ吹き出させ、当該高温ガス噴流により燃焼室内の混合気を活性化させて自己着火燃焼させるようにしたことを特徴とする圧縮自己着火式ガソリン内燃機関。
【請求項２】
噴口を、燃焼室内の該噴口から最も遠い吸気バルブ配置側へ向けて形成したことを特徴とする請求項１に記載の圧縮自己着火式ガソリン内燃機関。
【請求項３】
吸気系に、吸気行程で燃焼室内に旋回流を発生させるガス流動生成手段を設けたことを特徴とする請求項１，２に記載の圧縮自己着火式ガソリン内燃機関。
【請求項４】
燃焼室内に、該燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁を設けたことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の圧縮自己着火式ガソリン内燃機関。
【請求項５】
圧縮自己着火運転時における燃料噴射弁の噴射時期を、圧縮行程に設定したことを特徴とする請求項４に記載の圧縮自己着火式ガソリン内燃機関。
【請求項６】
圧縮自己着火運転時における燃料噴射弁の噴射時期を、圧縮行程の前半と後半とに２回設定したことを特徴とする請求項４に記載の圧縮自己着火式ガソリン内燃機関。
【請求項７】
圧縮自己着火運転時における燃料噴射弁の噴射時期を、吸気行程と圧縮行程とに２回設定したことを特徴とする請求項４に記載の圧縮自己着火式ガソリン内燃機関。
【請求項８】
ピストンの冠面には、圧縮自己着火運転時に燃料噴射弁より噴射された燃料噴霧を、ピストンの圧縮作用により噴口に指向して流動ガイドする凹部を設けたことを特徴とする請求項４〜７に記載の圧縮自己着火式ガソリン内燃機関。
【請求項９】
燃料噴射弁を二つの吸気弁間の近傍位置で燃焼室内に臨ませて設けると共に、点火プラグを燃焼室内の略中心位置に臨ませて設け、前記噴口を点火プラグに近接して該点火プラグの排気バルブ配置側となる位置に開口させ、かつ、吸気系にはガス流動生成手段として吸気行程で燃焼室内に順タンブル流を生成するタンブル生成手段を設けたことを特徴とする請求項４〜８の何れかに記載の圧縮自己着火式ガソリン内燃機関。
【請求項１０】
火花点火運転時は燃焼室内に設けた点火プラグにより燃焼室内の混合気を火花点火して燃焼させ、圧縮自己着火運転時はピストンの圧縮作用により燃焼室内の混合気を自己着火して燃焼させる圧縮自己着火式ガソリン内燃機関において、燃焼室壁の高温領域となる排気バルブ配置側の部位に、燃焼室よりも容積の小さな副室と、副室断面積よりも小さな開口面積に形成されて該副室と燃焼室とを連絡する噴口とを設け、
前記噴口を、圧縮自己着火運転時に着火燃焼前の燃料の混合気が圧縮行程で指向する方向とほぼ対向する位置に設け、
燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁を二つの吸気弁間の近傍位置で当該燃焼室内に臨ませて設けると共に、点火プラグを燃焼室内の略中心位置に臨ませて設け、前記噴口を点火プラグに近接して該点火プラグの排気バルブ配置側となる位置に開口させ、かつ、吸気系にはガス流動生成手段として吸気行程で燃焼室内に順タンブル流を生成するタンブル生成手段を設け、
圧縮自己着火運転時には、圧縮行程で前記噴口を通じて副室内に混合気を流入させるとともに、圧縮自己着火時期よりも早い時期に前記点火プラグを点火作動させて燃焼室内の混合気が副室内へ流入する直前で点火エネルギに相当した分だけ混合気ラジカルを発生させ、この混合気ラジカルを火種として副室内にラジカルを生成させ、
圧縮行程中の圧力上昇によって、前記副室内から噴口を通じてラジカルを含む高温ガス噴流を燃焼室内へ吹き出させ、当該高温ガス噴流により燃焼室内の混合気を活性化させて自己着火燃焼させるようにしたことを特徴とする圧縮自己着火式ガソリン内燃機関。
【請求項１１】
火花点火運転時における燃料噴射弁の噴射時期を、吸気行程に設定したことを特徴とする請求項１〜１０の何れかに記載の圧縮自己着火式ガソリン内燃機関。
【請求項１２】
噴口および副室を断熱構造としたことを特徴とする請求項１〜１１の何れかに記載の圧縮自己着火式ガソリン内燃機関。
【請求項１３】
副室を噴口の中心軸線上に長軸を持つ回転楕円形に形成し、噴口断面積は副室最大断面積より小さくしたことを特徴とする請求項１〜１２の何れかに記載の圧縮自己着火式ガソリン内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は圧縮自己着火式ガソリン内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガソリン内燃機関の熱効率向上手段として、混合気のリーン化が挙げられるが通常の火花点火と火炎伝播による燃焼では、燃焼が不安定となってリーン化にも自ずと限界が生じてしまうことと、リーン燃焼時には排気浄化のための触媒がいわゆる量論比での燃焼時ほど浄化性能、特にＮＯx の還元性能を発揮できなくなってしまうため、このリーン燃焼の運転可能な負荷範囲の拡大と低ＮＯx 化を目的として、例えば特開平１０−１９６４２４号公報に示されているように、機関の低中負荷時等に燃焼室内の混合気をピストンの圧縮作用により自己着火燃焼させるようにした圧縮自己着火燃焼式のガソリン内燃機関が知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
圧縮自己着火燃焼のような化学反応は燃焼室内の圧力，温度，混合気の組成と濃度等に依存しており、ディーゼル機関と異なりセタン価が低く着火性の悪いガソリンを燃料として用いるガソリン内燃機関では、圧縮自己着火燃焼を成立させる１つの手法として、圧縮比を高く設定することと併せて、燃焼室内の温度を高く維持して混合気の活性化を促進するために、吸，排気バルブのバルブオーバーラップを大きく設定することにより高温の既燃ガスを大量に残留させて所謂内部ＥＧＲ率を高める等の手段を講じる必要がある。
【０００４】
ところが、高圧縮比，高内部ＥＧＲ率に設定した場合、圧縮上死点付近での燃焼室内の圧力および温度が一様に高まるために、圧縮自己着火燃焼が一斉に生じる所謂急速燃焼が行われ、圧力上昇率が著しく高くなって打音が発生する傾向となり易い。
【０００５】
また、この高圧縮比，高内部ＥＧＲ率の設定は空燃比の希薄限界やノッキング限界を生じて、圧縮自己着火燃焼の運転可能領域を狭めたり、火花点火燃焼を行わせる高回転・高負荷域の運転性能の悪化をもたらす。
【０００６】
更に、燃焼室内ではその周壁面付近では冷却により温度が低くなるため燃焼室全体の温度が不均一となり、また、混合気も燃焼室全体で完全に均一となることはないため、圧縮自己着火燃焼の開始時期が燃焼場の自己着火条件の整，不整にによって変動し、燃焼が不安定となってサイクル毎の出力変動を来す可能性がある。
【０００７】
そこで、本発明は圧縮自己着火燃焼を多段的な熱発生の形態をとる調速燃焼とすることができて燃焼時の打音発生を回避することができ、かつ、圧縮比および内部ＥＧＲ率を可及的に低減できて圧縮自己着火運転領域を拡大できると共に火花点火運転域でのノッキング発生を抑制でき、しかも、圧縮自己着火の開始時期を確定できて燃焼を安定化することができる圧縮自己着火式ガソリン内燃機関を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明にあっては、火花点火運転時は燃焼室内に設けた点火プラグにより燃焼室内の混合気を火花点火して燃焼させ、圧縮自己着火運転時はピストンの圧縮作用により燃焼室内の混合気を自己着火して燃焼させる圧縮自己着火式ガソリン内燃機関において、燃焼室壁の高温領域となる排気バルブ配置側の部位に、燃焼室よりも容積の小さな副室と、副室断面積よりも小さな開口面積に形成されて該副室と燃焼室とを連絡する噴口を設け、前記噴口を、圧縮自己着火運転時に着火燃焼前の燃料の混合気が圧縮行程で指向する方向とほぼ対向する位置に設け、圧縮自己着火運転時には、圧縮行程で前記噴口を通じて副室内に混合気を流入させ、当該混合気を燃焼室内の混合気よりも早く反応させて副室内にラジカルを生成させ、圧縮行程中の圧力上昇によって、前記副室内から噴口を通じてラジカルを含む高温ガス噴流を燃焼室内へ吹き出させ、当該高温ガス噴流により燃焼室内の混合気を活性化させて自己着火燃焼させるようにしたことを特徴としている。
【０００９】
請求項２の発明にあっては、請求項１に記載の噴口を、燃焼室内の該噴口から最も遠い吸気バルブ配置側へ向けて形成したことを特徴としている。
【００１０】
請求項３の発明にあっては、請求項１，２に記載の圧縮自己着火式ガソリン内燃機関の吸気系に、吸気行程で燃焼室内に旋回流を発生させるガス流動生成手段を設けたことを特徴としている。
【００１１】
請求項４の発明にあっては、請求項１〜３に記載の燃焼室内に、該燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁を設けたことを特徴としている。
【００１２】
請求項５の発明にあっては、請求項４に記載の圧縮自己着火運転時における燃料噴射弁の噴射時期を、圧縮行程に設定したことを特徴としている。
【００１３】
請求項６の発明にあっては、請求項４に記載の圧縮自己着火運転時における燃料噴射弁の噴射時期を、圧縮行程の前半と後半とに２回設定したことを特徴としている。
【００１４】
請求項７の発明にあっては、請求項４に記載の圧縮自己着火運転時における燃料噴射弁の噴射時期を、吸気行程と圧縮行程とに２回設定したことを特徴としている。
【００１５】
請求項８の発明にあっては、請求項４〜７に記載の圧縮自己着火式ガソリン内燃機関のピストンの冠面には、圧縮自己着火運転時に燃料噴射弁より噴射された燃料噴霧を、ピストンの圧縮作用により噴口に指向して流動ガイドする凹部を設けたことを特徴としている。
【００１６】
請求項９の発明にあっては、請求項４〜８に記載の燃料噴射弁を二つの吸気弁間の近傍位置で燃焼室内に臨ませて設けると共に、点火プラグを燃焼室内の略中心位置に臨ませて設け、前記噴口を点火プラグに近接して該点火プラグの排気バルブ配置側となる位置に開口させ、かつ、吸気系にはガス流動生成手段として吸気行程で燃焼室内に順タンブル流を生成するタンブル生成手段を設けたことを特徴としている。
【００１７】
請求項１０の発明にあっては、火花点火運転時は燃焼室内に設けた点火プラグにより燃焼室内の混合気を火花点火して燃焼させ、圧縮自己着火運転時はピストンの圧縮作用により燃焼室内の混合気を自己着火して燃焼させる圧縮自己着火式ガソリン内燃機関において、燃焼室壁の高温領域となる排気バルブ配置側の部位に、燃焼室よりも容積の小さな副室と、副室断面積よりも小さな開口面積に形成されて該副室と燃焼室とを連絡する噴口とを設け、前記噴口を、圧縮自己着火運転時に着火燃焼前の燃料の混合気が圧縮行程で指向する方向とほぼ対向する位置に設け、燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁を二つの吸気弁間の近傍位置で当該燃焼室内に臨ませて設けると共に、点火プラグを燃焼室内の略中心位置に臨ませて設け、前記噴口を点火プラグに近接して該点火プラグの排気バルブ配置側となる位置に開口させ、かつ、吸気系にはガス流動生成手段として吸気行程で燃焼室内に順タンブル流を生成するタンブル生成手段を設け、圧縮自己着火運転時には、圧縮行程で前記噴口を通じて副室内に混合気を流入させるとともに、圧縮自己着火時期よりも早い時期に前記点火プラグを点火作動させて燃焼室内の混合気が副室内へ流入する直前で点火エネルギに相当した分だけ混合気ラジカルを発生させ、この混合気ラジカルを火種として副室内にラジカルを生成させ、圧縮行程中の圧力上昇によって、前記副室内から噴口を通じてラジカルを含む高温ガス噴流を燃焼室内へ吹き出させ、当該高温ガス噴流により燃焼室内の混合気を活性化させて自己着火燃焼させるようにしたことを特徴としている。
【００１８】
請求項１１の発明にあっては、請求項１〜１０に記載の圧縮自己着火式ガソリン内燃機関の火花点火運転時における燃料噴射弁の噴射時期を、吸気行程に設定したことを特徴としている。
【００１９】
請求項１２の発明にあっては、請求項１〜１１に記載の圧縮自己着火式ガソリン内燃機関の噴口および副室を断熱構造としたことを特徴としている。
【００２０】
請求項１３の発明にあっては、請求項１〜１２に記載の圧縮自己着火式ガソリン内燃機関の副室を、噴口の中心軸線上に長軸を持つ回転楕円形に形成し、噴口断面積は副室最大断面積より小さくしたことを特徴としている。
【００２１】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、燃焼室と副室とを連絡する噴口は副室断面積よりも小さな開口面積であるため、該副室は十分な掃気がなされずに既燃ガスが残る温度の高い空間となり、しかも、該副室は排気バルブ配置側の高温領域にあって壁温も高い空間であるため、圧縮自己着火運転時は圧縮行程で噴口を通じて副室内に流入する混合気は燃焼室内の混合気よりも早く反応してラジカルを多量に生成する。
【００２２】
このラジカルの生成による発熱は副室内の圧力上昇を伴い、この圧力上昇によってラジカルは絞られた噴口を通過する際に噴流となって燃焼室内へ吹き出し、このラジカルを含んだ高温ガス噴流により燃焼室内の混合気を活性化して自己着火燃焼させる。
【００２３】
このような噴口から噴出するラジカルをトリガーとした自己着火燃焼は、燃焼室内の全域で一斉蜂起的に発生する自己着火燃焼と異なって多段的な熱発生の形態をとる調速燃焼となり、これにより燃焼時の打音発生を防止することができる。
【００２４】
また、自己着火のトリガーとなるラジカルを準備できるため、従来、燃焼室内の全域で圧縮自己着火を発生させるために高めていた圧縮比および内部ＥＧＲ率を下げることができ、この結果、圧縮自己着火運転によるリーン燃焼領域を拡大できると共に火花点火運転領域でのノッキング発生を抑制することができる。
【００２５】
しかも、噴口から噴出するラジカルによって燃焼室内の混合気を確実に圧縮自己着火燃焼させることができるため、混合気をより稀薄化でき、前記圧縮自己着火運転によるリーン燃焼領域を拡大できることと相俟って、燃費を一段と向上することができる。
【００２６】
更に、前述のように副室内で発生したラジカルをトリガーとして圧縮自己着火燃焼を行わせるため、圧縮自己着火燃焼の開始時期を確定できて燃焼を安定化することができる。
【００２７】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１の発明の効果に加えて、副室内で発生したラジカルを噴口から最も遠い吸気バルブ配置側へ向けて噴出させることができるため、燃焼室全体で効率よく圧縮自己着火燃焼を行わせることができる。
【００２８】
請求項３に記載の発明によれば、請求項１，２の発明の効果に加えて、燃焼室内に形成される旋回流によって混合気を噴口付近に分布させることができるので、圧縮行程でピストンの圧縮作用により噴口から副室内への混合気の流入を良好に行わせることができる。
【００２９】
請求項４に記載の発明によれば、請求項１〜３の発明の効果に加えて、副室内で生成するラジカルをトリガーとする圧縮自己着火の開始時期を燃料噴射時期に応じて確定できるので、圧縮自己着火開始時期を最適にコントロールすることができる。
【００３１】
請求項５に記載の発明によれば、請求項４の発明の効果に加えて、圧縮自己着火運転時は圧縮行程で燃料噴射弁から燃料を噴射させるため、噴口を経由して副室内へ濃混合気を供給でき、一層多くのラジカルの生成，増殖を促進することができる。
【００３２】
また、燃料の圧縮行程噴射によって成層燃焼を実現できるため、混合気の希薄限界を広げることができる。
【００３３】
請求項６に記載の発明によれば、請求項４の発明の効果に加えて、圧縮自己着火運転時は圧縮行程の前半と後半でそれぞれ燃料噴射弁から燃料を噴射させるため、この圧縮行程における短時間での２回の燃料噴霧により燃焼室内の混合気層が２層となって、燃焼による熱発生を２段階にして熱のピークを下げることができ、従って、圧縮自己着火運転領域の高負荷側でのノッキング発生を防止することができる。
【００３４】
また、燃料の圧縮行程噴射によって、噴口を経由して副室内へ濃混合気を供給できて一層多くのラジカルの生成，増殖を促進することができ、かつ、該燃料の圧縮行程噴射によって成層燃焼を実現できて混合気の希薄限界を広げることができる。
【００３５】
請求項７に記載の発明によれば、請求項４の発明の効果に加えて、圧縮自己着火運転時は吸気行程と圧縮行程でそれぞれ燃料噴射弁から燃料を噴射させるため、吸気行程での１回目の燃料噴射によって燃焼室内に均一な希薄混合気が準備され、圧縮行程でこの希薄混合気が副室内に流入して活性化された状態で、該圧縮行程で２回目の燃料噴射が行われることによって濃い混合気が副室内に流入し、副室内でのラジカルの生成，増殖をより促進することができる。
【００３６】
しかも、このように吸気行程での１回目の燃料噴射によって燃焼室全域に均一な希薄混合気が準備された状態で、圧縮行程で２回目の燃料噴射を行って副室で生成したラジカルの放出により圧縮自己着火燃焼を行うため、燃焼を燃焼室全域で安定化させることができると共に、燃焼室内の混合気層が２層となって燃焼による熱発生を２段階にして熱のピークを下げることができ、従って、圧縮自己着火運転領域の高負荷側でのノッキング発生を防止することができる。
【００３７】
請求項８に記載の発明によれば、請求項４〜７の発明の効果に加えて、燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧をピストン冠面の凹部により噴口に指向して流動ガイドできるため、混合気の副室への流入を確実に行わせることができる。
【００３８】
請求項９に記載の発明によれば、請求項４〜８の発明の効果に加えて、燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧を順タンブル流によって点火プラグ周りを経由して該点火プラグに近接した噴口に向わせることができるため、点火プラグ周りに滞留する高温の既燃ガスとともに混合気を副室へ良好に供給することができる。
【００３９】
この結果、圧縮自己着火運転時は副室内でのラジカルの生成，増殖を促進できる一方、火花点火運転時は点火プラグによる着火火炎を副室に速かに波及させることができ、燃焼の最終了域が該副室内となることを回避して副室がノッキングの発生源となるのを防止することができる。
【００４０】
請求項１０に記載の発明によれば、圧縮自己着火運転時は圧縮自己着火時期よりも早い時期に点火プラグを点火作動させるため、混合気が副室へ流入する直前で点火エネルギーに相当した分だけ混合気にラジカルを発生させ、このラジカルを火種として副室内で大量のラジカルを生成することが可能となる。
【００４１】
このため、圧縮自己着火の正確なトリガー時期を決定することができると共に、高回転時のように燃焼時間の短い運転域でも安定した燃焼を行えるため、圧縮自己着火運転領域を更に拡大することができる。
【００４２】
請求項１１に記載の発明によれば、請求項１〜１０の発明の効果に加えて、火花点火運転時は吸気行程で燃料噴射弁から燃料を噴射させるため、均一予混合燃焼を実現して出力を確保することができる。
【００４３】
請求項１２に記載の発明によれば、請求項１〜１１の発明の効果に加えて、噴口および副室を断熱構造としてあるため噴口および副室の高温保持性が高められ、ラジカルの生成，増殖を更に促進することができると共に、噴口からの噴出流の冷却損失を小さく抑制することができる。
【００４４】
請求項１３に記載の発明によれば、請求項１〜１２の発明の効果に加えて、副室形状を噴口の中心軸線上に長軸を持つ回転楕円形としてあるため、ＳＶ比を小さくして冷却損失を小さくすることができると共に、副室内のラジカルを含んだ高温ガスを噴口からスムーズに噴出させることができて、圧縮自己着火燃焼の反応速度を高めることができる。
【００４５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面と共に詳述する。
【００４６】
図１，２において、１はシリンダブロック、２はピストン、３はシリンダヘッド、４はこれらシリンダブロック１，ピストン２，およびシリンダヘッド３により形成された燃焼室を示す。
【００４７】
シリンダヘッド３は２つの吸気ポート５とこれら吸気ポート５を開閉する吸気バルブ６、およびこれら吸気ポート５，吸気バルブ６と対向的に配置された２つの排気ポート７とこれら排気ポート７を開閉する排気バルブ８を備え、一側の吸気ポート５から吸気して他側の排気ポート７から排気するクロスフローポート構造としてある。
【００４８】
シリンダヘッド３には燃焼室４内の略中心位置に臨んで点火プラグ９を設けて、高回転・高負荷運転時には、該点火プラグ９によって火花点火燃焼を行わせるようにしている。
【００４９】
また、シリンダヘッド３には燃焼室壁の最も高温領域となる排気バルブ配置側の部位、具体的には前記２つの排気ポート７，７および排気バルブ８，８に囲まれた部位に、燃焼室４よりも容積の小さな副室１０と、この副室１０の断面積よりも小さな開口面積に形成されて、該副室１０と燃焼室４とを連絡する噴口１１とを設けてある。
【００５０】
これら副室１０および噴口１１は図３に示すように周壁に鋳鉄層あるいは空気断熱層等の断熱層１２を設けた断熱構造としてある。
【００５１】
また、副室１０は噴口１１の中心軸線Ｏ上に長軸を持つ回転楕円形に形成してある。
【００５２】
この実施形態では燃料噴射弁１３を燃焼室４内に臨んで設けて、該燃料噴射弁１３により直接燃料を燃焼室４内に噴射する筒内噴射式の機関構造としてある。
【００５３】
この燃料噴射弁１３は、燃焼室４内の前記噴口１１とほぼ対向する吸気弁配置側の側部で２つの吸気弁６，６間の近傍位置に所要の俯角を持って配置してある。
【００５４】
前記副室１０の噴口１１は、この燃料噴射弁１３から後述するように圧縮行程で噴射された燃料噴霧が指向する方向とほぼ対向する位置に設けられ、従って、この実施形態では噴口１１を燃焼室４内の該噴口１１から最も遠い吸気バルブ配置側に向けて形成してある。
【００５５】
即ち、噴口１１は前記燃焼室４の略中心位置の点火プラグ９に近接して開口し、換言すれば該点火プラグ９は燃料噴射弁１３と噴口１１との間で該噴口１１に近接した位置に設けられる。
【００５６】
また、本実施形態ではピストン２の冠面の略吸気弁配置側の半部に、前記圧縮行程で燃料噴射弁１３より噴射された燃料噴霧Ｆをガス流動により適確に前記噴口１１に指向して流動ガイドさせるための凹部１４を設けてある。
【００５７】
一方、吸気系の前記２つの吸気ポート５，５のうちの１つには、圧縮自己着火運転時に吸気行程で燃焼室４内に旋回流の中でも横方向旋回流であるスワールを発生させるガス流動生成手段としてのスワール制御バルブ１５を設けてある。
【００５８】
このスワール制御バルブ１５は圧縮自己着火運転時に全閉作動され、他方の吸気ポート５のみから吸気を行わせることによって新気を燃焼室４の内周面に沿って流動させてスワール流を生成させるもので、場合によってこの他方の吸気ポート５をヘリカルポート構造としてスワール流を強化するようにしてもよい。
【００５９】
本実施形態では前記点火プラグ９の点火時期は、火花点火運転領域でのみ最適点火時期（ＭＢＴ）に設定される。
【００６０】
また、燃料噴射弁１３は圧縮自己着火運転領域では噴射時期が圧縮行程に設定され、火花点火運転領域では噴射時期が吸気行程に設定される。
【００６１】
以上の実施形態の構成によれば、燃焼室４と副室１０とを連絡する噴口１１は副室断面積よりも小さな開口面積であるため、該副室１０は十分な掃気がなされずに既燃ガスが残る温度の高い空間となり、しかも、該副室１０は排気バルブ配置側の高温領域にあって壁温も高い空間であるため、圧縮自己着火運転時は圧縮行程で噴口１１を通じて副室１０内に流入する混合気は燃焼室４内の混合気よりも早く反応してラジカルを多量に発生する。
【００６２】
このラジカルの生成による発熱は副室１０内の圧力上昇を伴い、この圧力上昇によってラジカルは絞られた噴口１１を通過する際に噴流となって燃焼室４内へ吹き出し、このラジカルを含んだ高温ガス噴流により燃焼室４内の混合気を活性化して自己着火燃焼させる。
【００６３】
図４は以上のような圧縮自己着火燃焼のプロセスを模式的に示している。
【００６４】
図４の（ａ）は吸気行程終了から圧縮行程への移行時期を示しており、本実施形態では前述のように吸気行程では２つの吸気ポート５，５のうちの一方に設けたスワール制御バルブ１５が全閉にされて他方の吸気ポート５のみから吸気が行われて、燃焼室４内にスワール流を生成する。
【００６５】
この燃焼室４内のスワール生成により整流されるガス流動は圧縮行程でピストン２の冠面とシリンダヘッド３との間でのスキッシュ作用によって、ピストン２の冠面から点火プラグ９近傍の燃焼室中心方向への上昇流れを形成する。
【００６６】
圧縮行程が進むと所定の噴射時期で図４の（ｂ）に示すように燃料噴射弁１３から燃料が噴射される。
【００６７】
この燃料噴霧Ｆはピストン２の冠面の凹部１４で受けとめられると共にその弧状面に沿って上方へ偏向されて、図４の（ｃ），（ｄ）に示すようにピストン２の上昇と共に凹部１４の弧状面に流動ガイドされて噴口１１に指向し、前記スワールおよびスキッシュ作用によって該噴口１１周りに集中して分布するようになる。
【００６８】
このように燃料噴霧Ｆが噴口１１周りに分布すると、ピストン２の圧縮作用と相俟って図４の（ｅ）に示すように燃料噴霧Ｆの一部が噴口１１を通って、高温の既燃ガスが残留した副室１０内に流入し、図４の（ｆ）に示すように燃焼室４内の混合気よりも一早く反応してラジカルを多量に発生する。
【００６９】
特に本実施形態では燃料噴射弁１３の燃料噴射時期を圧縮行程に設定しているため、噴口１１周りに濃混合気を分布させてこれを副室１０内へ供給できるため、多量のラジカルを発生させることができ、しかも、噴口１１および副室１０は断熱層１２を設けた断熱構造としてあり、かつ、副室１０は回転楕円形としてＳＶ比を小さくしてあるため、冷却損失を可及的に小さく抑制できて、ラジカルの生成，増殖を促進することができる。
【００７０】
ここで、図９は圧縮自己着火を決める因子である着火遅れ時間をτ1 〜τ3 として圧力，温度に対して示している。
【００７１】
着火遅れ時間は高温，高圧ほど短くなって爆発反応が起き易くなるが、ガソリンのようにセタン価の低い燃料では同図に示すように負の温度係数と呼ばれる着火しにくい特定温度領域が存在し、燃焼室の周壁近傍にこれに近い温度領域が分布する傾向にあって、この負の温度係数の存在が自己着火に大きく影響する。
【００７２】
一方、前記副室１０内と燃焼室４内とでは、ピストン２の圧縮作用による同一圧力履歴の下でも、圧力上昇に対する副室１０内の温度上昇はＢ線で示すように燃焼室４内の温度上昇（Ａ線）よりも高くなり、副室１０内ではこの温度が高くなる分、より着火遅れの短い領域へと進行し、例えばある同一の圧力Ｐa の下では燃焼室４内では着火遅れ時間がτ3 であるのに対して、副室１０内では着火遅れ時間がτ1 とより短くなって、副室１０内で燃焼室４内よりも一早く自己着火が進行することになる。
【００７３】
このようにして副室１０内に流入した混合気が燃焼室４内の混合気よりも早く反応してラジカルを多量に発生すると、このラジカルの生成による発熱に伴う圧力上昇で図４の（ｇ）に示すように該副室１０内からラジカルを含んだ高温ガスが噴口１１を通して燃焼室４内に噴出して、このラジカルを含んだ高温ガス噴流によって燃焼室４内の混合気が反応して自己着火燃焼を発生し、図４の（ｈ）に示すように燃焼室４内の周壁付近でも確実に自己着火を誘起させることができ、特に噴口１１は吸気弁配置側に向けて形成してあるため、該噴口１１から最も遠い吸気弁配置側の燃焼室周壁の隅々に至るまで確実な圧縮自己着火燃焼を行わせることができる。また、噴口１１は前述のように断熱構造としてあるために、噴口１１からの噴出流の冷却損失を抑えてラジカルの熱エネルギーの減衰を回避でき、かつ、回転楕円形の副室１０の長軸が噴口１１の中心軸線上に設定されているため、前記噴出流を燃焼室４内にスムーズに流出させることができる。
【００７４】
これを図１０により具体的に説明すると、図１０は燃焼室４内と副室１０内の駆動運転時圧力ＡP ，ＢP をそれぞれ時間軸（クランク角度）に対して示しており、燃焼室４内と副室１０内とでは噴口１１の絞りが存在するため両室内の圧力上昇にずれが生じて、副室１０内の方が燃焼室４内の圧力上昇に対して遅れた挙動を示し、噴口１１の絞りがきついとその差異は大きくなる。
【００７５】
燃焼室４内の圧力ピークは圧縮上死点（ＴＤＣ）となるが、副室１０内ではその圧力ピークがα分遅角側へずれる。
【００７６】
このため、膨張行程ではある時期、例えばαt から副室１０内の圧力が燃焼室４内の圧力よりも高くなり、これに加えて前述のように副室１０内でのラジカルの生成による発熱に伴う圧力上昇があるため、該副室１０内の圧力ピーク時期よりも進角側で副室１０内からラジカルが燃焼室４内へ噴出して、燃焼室４内の混合気の自己着火を誘起させる。
【００７７】
このような噴口１１から噴出するラジカルをトリガーとした自己着火燃焼は、燃焼室４内の全域で一斉蜂起的に発生する従来の自己着火燃焼と異なって多段的な熱発生の形態をとる調速燃焼となり、これにより燃焼時の打音発生を防止することができる。
【００７８】
また、自己着火のトリガーとなるラジカルを準備できるため、従来、燃焼室内の全域で圧縮自己着火を発生させるために高めていた圧縮比および内部ＥＧＲ率を下げることができ、この結果、圧縮自己着火運転によるリーン燃焼領域を拡大できると共に火花点火運転領域でのノッキング発生を抑制することができる。
【００７９】
しかも、噴口１１から噴出するラジカルによって燃焼室４内の混合気を確実に圧縮自己着火燃焼させることができるため、混合気をより稀薄化でき、前記圧縮自己着火運転によってリーン燃焼領域を拡大できることと相俟って、燃費を一段と向上することができる。
【００８０】
更に、前述のように副室１０内で発生したラジカルをトリガーとして圧縮自己着火燃焼を行わせるため、圧縮自己着火の開始時期を確定できて燃焼を安定化することができる。
【００８１】
ここで、前記噴口１１からの高温ガス噴流の噴出速度は燃焼室４内の混合気の燃焼反応の進行速度を決める因子となり、これは副室内温度，空燃比，副室容積，噴口絞り等の他に機関回転数に求められる。
【００８２】
図１１はこの噴出速度と機関回転数との関係を示すグラフで、同図から明らかなように、機関回転数が高くなると実時間において急速な圧縮，膨張がなされて、燃焼室４内から副室１０内へのガスの流入速度がこの機関回転数の上昇と共に増し、そして、噴出速度も増すことになるが、前述したように副室１０内ではその圧力ピークが圧縮上死点後にずれることに加えて、ラジカルの発生による熱発生に伴う圧力上昇があることから、圧縮上死点後に機関回転数が高いほど調速された急激な噴出が起こり、これにより燃焼室４内の混合気にラジカルを放出して急激に反応進行を促すことができる。
【００８３】
従って、圧縮自己着火運転域の機関回転数の高い領域にまで自己着火領域を広げることが可能となる。
【００８４】
一方、火花点火運転時、例えば高回転・高負荷時には吸気行程で燃料噴射弁１３から燃料を噴射させ、点火プラグ９により最適点火時期に火花点火により燃焼火炎を発生させるため、均一予混合燃焼を実現して全開出力を確保することができる。
【００８５】
図５の（ａ）〜（ｄ）は本発明の第２実施形態における圧縮自己着火燃焼のプロセスを模式的に示すもので、この実施形態では前記第１実施形態における燃料噴射弁１３の俯角を小さくすると共に、圧縮行程で噴射された燃料噴霧Ｆが噴射弁軸線に対して図６に示す吸気ポートによるタンブル流れによって仰角を持って直接的に噴口１１を指向し得るように設定してある。
【００８６】
また、ピストン２の冠面の凹部１４はこの場合燃料の流動ガイド機能はさほど必要ではないため、タンブル流を保存し得るようにピストン冠面の中央部分に略球面状に形成してある。
【００８７】
従って、この実施形態にあっても前記第１実施形態とほぼ同様の作用効果を奏することができる。
【００８８】
前記第１，第２実施形態では何れも圧縮自己着火運転時における燃料噴射弁１３の燃料噴射時期を圧縮行程で１回設定しているが、この燃料噴射時期を圧縮行程の前半と後半とに２回に分けて設定することも可能である。
【００８９】
この第３の実施形態のように圧縮自己着火運転時に圧縮行程の前半と後半でそれぞれ燃料噴射弁１３から燃料を噴射させることにより、この圧縮行程における短時間での２回の噴射による燃料噴霧で燃焼室４内の混合気層が２層となって、燃焼による熱発生を２段階にして熱のピークを下げることができ、従って、圧縮自己着火運転領域の高負荷側でのノッキング発生を防止することができる。
【００９０】
また、前記第１，第２実施形態でも言えることであるが、燃料の圧縮行程噴射によって成層燃焼を実現できるため、混合気の希薄限界を広げることができて燃費を向上することができる。
【００９１】
図６は本発明の第４実施形態を示すもので、本実施形態にあっては吸気系に設けられるガス流動生成手段として、吸気行程で燃焼室４内に矢印ＡT で示すような順タンブル流を生成するタンブル生成手段１６を設けてある。
【００９２】
具体的には前記吸気ポート５，５は、吸気行程で燃焼室４内に形成される筒内流動としての縦方向旋回流の中でも、前記矢印ＡT で示すように吸気が燃焼室中心の点火プラグ９の下側を通って排気弁配置側からピストン２の冠面に向い、該ピストン冠面で反転して上方の点火プラグ９に向かう順タンブル流を形成し得るようにしてあって、この順タンブル流ＡT をピストン冠面の凹部１４によって圧縮行程においてもその流動勢力を保存し得るようにしてある。
【００９３】
また、この実施形態では吸気ポート５，５内に圧縮自己着火運転時に前記順タンブル流ＡT を強化する目的で、圧縮自己着火運転時に各吸気ポート５の断面積のほぼ下半部を遮断し、火花点火運転時に開放する部分遮断弁１７を設けてあると共に、該部分遮断弁１７の下流側に続いて、前記圧縮自己着火運転時における吸気の主流Ａを吸気ポート５の燃焼室４に臨む開口部の燃焼室中心側のほぼ半部に指向させる流動ガイド手段１８を設けてある。
【００９４】
この実施形態では流動ガイド手段１８として、吸気ポート５内をほぼ上下に隔成して先端が吸気バルブ６の近くまで延びる隔壁１８ａで構成した場合を示しているが、図６の仮想線で示すように吸気バルブ６の近傍の吸気ポート上壁より空気を噴射するサブポート１８ｂで構成してもよく、あるいはこれら隔壁１８ａとサブポート１８ｂとを併設したものであってもよい。
【００９５】
この第４実施形態の構成によれば、前記第１実施形態とほぼ同様の効果が得られる他、燃料噴射弁１３から噴射された燃料噴霧を順タンブル流ＡT によって、点火プラグ９周りを経由して該点火プラグ９に近接した噴口１１に向わせることができるため、点火プラグ９周りに滞留する高温の既燃ガスとともに混合気を副室１０内へ良好に供給することができる。
【００９６】
この結果、圧縮自己着火運転時は副室１０内でのラジカルの生成，増殖を促進できる一方、火花点火運転時は点火プラグ９による着火火炎を副室１０内へ速かに波及させることができ、燃焼の最終了域が該副室１０内となることを回避して副室１０がノッキングの発生源となるのを防止することができる。
【００９７】
図７は本発明の第５実施形態を示すもので、この第５実施形態にあっては、前記図６に示した第４実施形態の構成において、圧縮自己着火運転時に圧縮自己着火時期よりも早い時期、例えば前記ピストン２の圧縮作用により燃焼室４内の混合気が副室１０内へ流入する直前付近で点火プラグ９を点火作動して自己着火を補助するようにしている。
【００９８】
従って、この第５実施形態によれば前記第４実施形態の効果に加えて、圧縮自己着火運転時は圧縮自己着火時期よりも早い時期に点火プラグ９を点火作動して点火補助することによって、燃焼室４内の混合気が副室１０内へ流入する直前で点火エネルギーに相当した分だけ混合気にラジカルを発生させ、このラジカルを火種として副室１０内で大量のラジカルを生成することが可能となる。
【００９９】
このため、圧縮自己着火の正確なトリガー時期を決定することができると共に、高回転時のように燃焼時間の短い運転域でも安定した燃焼を行えるため、圧縮自己着火運転領域を更に拡大することができる。
【０１００】
図８は本発明の第６実施形態を示すもので、本実施形態にあっては、前記図５に示した第２実施形態の構成において、圧縮自己着火運転時における燃料噴射弁１３の燃料噴射時期を、吸気行程と圧縮行程とに２回設定している。
【０１０１】
この第６実施形態によれば、圧縮自己着火運転時には吸気行程で図８の（ａ）に示すように１回目の燃料噴射が行われると、吸気行程から圧縮行程に移行する間に筒内ガス流動によって同図の（ｂ）に示すように燃焼室４内に均一な希薄混合気Ｆａが準備され、圧縮行程でピストン２による圧縮作用でこの希薄混合気Ｆａの一部が同図の（ｃ）に示すように副室１０内に流入して活性化される。
【０１０２】
そして、圧縮行程の所要の時期に同図の（ｄ）に示すように２回目の燃料噴射が行われると、同図の（ｅ）に示すようにこの２回目の燃料噴射により噴口１１周りに分布した濃混合気Ｆｂが副室１０内に流入し、同図の（ｆ）に示すように該副室１０内でのラジカルの生成，増殖がより促進され、副室１０内の圧力上昇によってこの副室１０内で生成された大量のラジカルを含んだ高温ガス噴流が同図の（ｇ）に示すように燃焼室４内に噴出して自己着火燃焼が行われる。
【０１０３】
従って、この第６実施形態の構成によれば前記第２実施形態の効果に加えて、吸気行程での１回目の燃料噴射によって燃焼室全域に均一な希薄混合気が準備された状態で、圧縮行程で２回目の燃料噴射を行って副室１０内で生成したラジカルの放出により圧縮自己着火燃焼を行うため、燃焼を燃焼室全域で安定化させることができる。
【０１０４】
また、燃焼室４内の混合気層が２層となって燃焼による熱発生を２段階にして熱のピークを下げることができるため、圧縮自己着火運転領域の高負荷側でのノッキング発生を防止することができる。
【０１０５】
本実施形態では前述のように図５に示した第２実施形態の構成を基本構成としているが、図１および図６，７に示した実施形態の構成のものに適用して同様の効果を得ることができる。
【０１０６】
なお、前記各実施形態において副室１０の容積は燃焼室４の容積に応じて、ラジカルの生成を良好に行えるようにＳＶ比を勘案して適切に設定される。
【０１０７】
また、噴口１１の開口面積についても副室１０の断面積に応じて既燃ガスの閉じ込め作用と、高温ガス噴流の噴出速度が適切に行われるように任意に設定されるもので、従って、噴口数は１つに限られず複数個にしてもよいが、何れにしても火炎がクエンチされるほど小さくあってはならないことは勿論である。
【０１０８】
また、本発明は前記実施形態に示した筒内噴射式のガソリン内燃機関に限定されるものではなく、吸気ポートに燃料を噴射するポート噴射式のガソリン内燃機関にも適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を概略的に示す断面説明図。
【図２】本発明の第１実施形態の燃焼室周りの構成を示す概略的平面説明図。
【図３】本発明の第１実施形態の副室の構造を示す断面説明図。
【図４】本発明の第１実施形態の圧縮自己着火運転時における燃焼プロセスを模式的に示す説明図。
【図５】本発明の第２実施形態の圧縮自己着火運転時における燃焼プロセスを模式的に示す説明図。
【図６】本発明の第４実施形態を概略的に示す断面説明図。
【図７】本発明の第５実施形態の圧縮自己着火運転時における点火アシストによるラジカルを含んだ燃料噴霧と混合気の挙動を模式的に示す説明図。
【図８】本発明の第６実施形態の圧縮自己着火運転時における燃焼プロセスを模式的に示す説明図。
【図９】ガソリン燃料の圧縮自己着火反応を決定する温度と圧力との関係を説明するグラフ。
【図１０】燃焼室と副室の圧力上昇を説明するグラフ。
【図１１】機関回転数と副室からの高温ガスの噴出速度との関係を説明するグラフ。
【符号の説明】
１  シリンダブロック
２  ピストン
３  シリンダヘッド
４  燃焼室
５  吸気ポート
６  吸気バルブ
７  排気ポート
８  排気バルブ
９  点火プラグ
１０  副室
１１  噴口
１２  断熱層
１３  燃料噴射弁
１４  凹部
１５  スワール制御バルブ
１６  タンブル生成手段
【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】
0003849383.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
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