JP2007192204A - 副室式内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】リーン限界を十分に拡大できる副室式内燃機関を提供する。
【解決手段】副室式内燃機関１は、主燃焼室６３と、副燃焼室６１と、点火プラグ２９と、制御弁２５と、気体燃料噴射弁２８と、ＥＣＵ４０とを備える。副燃焼室６１は、主燃焼室６３に隣接する。副燃焼室６１は、連通路６２ａ〜６２ｄを介して主燃焼室６３に連通されている。点火プラグ２９は、副燃焼室６１に設けられている。制御弁２５は、主燃焼室６３に導入される新気混合気を旋回させて、主燃焼室６３に新気混合気の旋回流を形成させる。気体燃料噴射弁２８は、気体燃料を主燃焼室６３へ噴射する。ＥＣＵ４０の気体噴射制御部４４は、新気混合気の旋回流を介して主燃焼室６３から副燃焼室６１へ気体燃料が導入されるように、気体燃料噴射弁２８を制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、副室式内燃機関に関する。

従来から、主燃焼室及びその主燃焼室に隣接して設けられる副燃焼室を備えた副室式火花点火内燃機関が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−３０８６５６（第１−６頁、第１−６図）

特許文献１の技術では、主燃焼室と副燃焼室とを連通する連通路へ向けて液体燃料が噴射されている。これにより、主燃焼室から副燃焼室へ液体燃料を導入しやすくすることができる。

しかし、特許文献１の技術では、噴霧貫徹力が弱い気体燃料が連通路へ向けて噴射されても、主燃焼室から副燃焼室へ気体燃料が導入されにくい傾向にある。これにより、副燃焼室の燃焼期間を十分に短くできないことがあり、リーン限界の拡大が不十分となる傾向にある。

本発明の課題は、リーン限界を十分に拡大できる副室式内燃機関を提供することにある。

本発明に係る副室式内燃機関は、主燃焼室と、副燃焼室と、点火部と、旋回流形成部と、気体燃料噴射部と、第１制御部とを備える。副燃焼室は、主燃焼室に隣接する。副燃焼室は、連通路を介して主燃焼室に連通されている。点火部は、副燃焼室に設けられている。旋回流形成部は、主燃焼室に導入される新気混合気を旋回させて、主燃焼室に新気混合気の旋回流を形成させる。気体燃料噴射部は、少なくとも気体燃料を主燃焼室へ噴射する。第１制御部は、新気混合気の旋回流を介して主燃焼室から副燃焼室へ気体燃料が導入されるように、気体燃料噴射部を制御する。

この副室式内燃機関では、第１制御部は、新気混合気の旋回流を介して主燃焼室から副燃焼室へ気体燃料が導入されるように、気体燃料噴射部を制御する。これにより、気体燃料を容易に副燃焼室へ導入することができるので、副燃焼室の燃焼期間を十分に短縮することができる。

本発明に係る副室式内燃機関では、副燃焼室の燃焼期間を十分に短縮することができるので、リーン限界を十分に拡大できる。

＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態に係る副室式内燃機関の断面図を図１に示す。

（副室式内燃機関の概略構成）
副室式内燃機関１は、主として、主燃焼室６３，吸排気機構，液体燃料噴射弁２７，気体燃料噴射弁（気体燃料噴射部）２８，制御弁（旋回流形成部）２５，副燃焼室６１，点火プラグ（点火部）２９，連通路６２ａ，６２ｂ，６２ｃ，６２ｄ（以下、６２ａ〜６２ｄとする）及びＥＣＵ４０を備える。

主燃焼室６３は、シリンダヘッド２０，シリンダブロック１０およびピストン３に囲まれた室である。主燃焼室６３は、シリンダ軸ＣＡを中心軸とする略円筒形状をしている。シリンダヘッド２０には、主燃焼室６３に新気空気を供給するための吸気ポート２３と、主燃焼室６３から既燃ガスを排気ガスとして排出するための排気ポート２４とが形成されている。

また、吸排気機構として、吸気ポート２３の下流には吸気バルブ２１が配備されている。一方、排気ポート２４の上流には排気バルブ２２が配備されている。クランクシャフトの回転に連動して回転する吸気用カム軸２１ｂ／排気用カム軸２２ｂに固定された吸気用カム２１ａ／排気用カム２２ａは、吸気バルブ２１／排気バルブ２２の上方に配置されており、吸気バルブ２１／排気バルブ２２を開閉させる。

さらに、吸気ポート２３において、吸気バルブ２１の上流には制御弁２５が設けられている。制御弁２５は、所定の開度で吸気ポート２３を開閉するようになっている。

副燃焼室６１は、主燃焼室６３に隣接して設けられる室であり、副燃焼室壁６４に囲まれている。具体的には、シリンダヘッド２０において吸気ポート２３と排気ポート２４との間に形成された空間（シリンダ軸ＣＡ付近の空間）に略円筒形状の副燃焼室壁６４が配置され、副燃焼室６１が形成される。また、副燃焼室壁６４の膨出した半球状の底面には、主燃焼室６３と副燃焼室６１とを連通する連通路６２ａ〜６２ｄが形成されている。

液体燃料噴射弁２７は、吸気ポート２３に液体燃料（例えば、ガソリン燃料）を噴射する弁である。液体燃料噴射弁２７の先端は、制御弁２５と吸気バルブ２１との間の位置において、吸気ポート２３に突出している。

気体燃料噴射弁２８は、主燃焼室６３に気体燃料（例えば、水素）を噴射する弁である。ここで、気体燃料は、液体燃料に比べて層流燃焼速度が大きい。気体燃料噴射弁２８の先端は、吸気バルブ２１と連通路６２ａ〜６２ｄとの間の位置において、主燃焼室６３に突出している。

点火プラグ２９は、副燃焼室６１の新気混合気を点火するためのプラグである。点火プラグ２９は、副燃焼室壁６４を貫通するように設けられている。点火プラグ２９の先端部分２９ａは、副燃焼室６１に突出している。

ＥＣＵ４０は、制御弁２５，液体燃料噴射弁２７，気体燃料噴射弁２８，点火プラグ２９などに電気的に接続されている。

（副室式内燃機関の概略動作）
副室式内燃機関１では、排気行程後半において、制御弁２５が吸気ポート２３を開くとともに、加圧された液体燃料が液体燃料噴射弁２７に供給される。液体燃料噴射弁２７は、吸気ポート２３に導入された新気空気に、液体燃料を噴射する。これにより、新気混合気が生成される。そして、吸気行程において、吸気用カム２１ａにより吸気バルブ２１は開状態とされ、新気混合気は吸気ポート２３から主燃焼室６３へ導入される。

圧縮行程において、加圧された気体燃料が気体燃料噴射弁２８に供給される。気体燃料噴射弁２８は、吸気ポート２３に導入された新気空気に、気体燃料を噴射する。そして、主燃焼室６３で新気混合気が圧縮されるとともに、主燃焼室６３の均質な新気混合気の一部及び気体燃料は、連通路６２ａ〜６２ｄを介して主燃焼室６３から副燃焼室６１へ導入される。

副燃焼室６１では、点火プラグ２９の先端部分２９ａにより新気混合気が所定のタイミングで火花点火され、火花点火された燃焼ガス（以下、火炎とする）が、連通路６２ａ〜６２ｄを介して副燃焼室６１から主燃焼室６３へトーチ状に噴射される。主燃焼室６３の均質な新気混合気は、火炎によりトーチ点火され、燃焼する。

膨張行程において、均質な新気混合気が燃焼して発生した燃焼圧力によって、ピストン３が押し下げられる。

排気行程において、排気用カム２２ａにより排気バルブ２２は開状態とされ、主燃焼室６３で燃焼された後のガス（以下、既燃ガスとする）は、主燃焼室６３から排気ポート２４へ排出される。

ＥＣＵ４０は、制御弁２５，液体燃料噴射弁２７，気体燃料噴射弁２８，点火プラグ２９などに対して、制御の信号を供給し各種の制御を行う。ＥＣＵ４０は、各種の制御を行うためのロジックを実行する。例えば、ＥＣＵ４０は、所定のロジックを、電気回路的に、ソフト的に又はその両方により実行する。

（ＥＣＵの詳細構成）
ＥＣＵ４０は、主として、負荷演算部４１，回転数演算部４２，液体噴射制御部（第２制御部）４３，気体噴射制御部（第１制御部）４４，点火時期制御部４５，吸気制御部４６及び記憶部４７を備える。負荷演算部４１，回転数演算部４２，液体噴射制御部４３，気体噴射制御部４４，点火時期制御部４５，吸気制御部４６は、ＣＰＵなどである。記憶部４７は、ＲＯＭ，ＲＡＭなどであり、プログラムやマップ情報（図５，図６参照）などを記憶している。

ＥＣＵ４０は、各種の制御を行うためのロジックを実行するだけでなく、副燃焼室６１に気体燃料が導入されるようにするためのロジックを実行する。

（ＥＣＵの詳細動作）
ＥＣＵ４０には、クランク角センサ（図示せず）で検知されたクランク角信号、水温センサ（図示せず）で検知された冷却水温信号、アクセル開度センサ（図示せず）で検知されたアクセル開度信号などが入力される。負荷演算部４１及び回転数演算部４２は、これらの信号を受け取る。負荷演算部４１は、これらの信号に基づいて、機関負荷を演算する。また、回転数演算部４２は、これらの信号に基づいて、機関回転数を演算する。

液体噴射制御部４３は、機関負荷の情報を負荷演算部４１から受け取り、機関回転数の情報を回転数演算部４２から受け取る。また、液体噴射制御部４３は、記憶部４７を参照し、マップ情報（図５，図６参照）を記憶部４７から受け取る。液体噴射制御部４３は、機関負荷の情報及び機関回転数の情報とマップ情報となどに基づいて、液体噴射量制御信号を生成する。すなわち、液体噴射制御部４３は、液体噴射量制御信号を介して第２噴射期間Ｔ２を制御する。第２噴射期間Ｔ２は、液体燃料噴射弁２７が液体燃料ＬＦ１（図２参照）を噴射する期間である。これにより、液体燃料噴射弁２７は、液体噴射量制御信号に基づいて、所定にタイミングに所定の噴射量で液体燃料ＬＦ１を噴射する。

気体噴射制御部４４は、機関負荷の情報を負荷演算部４１から受け取り、機関回転数の情報を回転数演算部４２から受け取る。また、気体噴射制御部４４は、記憶部４７を参照し、マップ情報（図５，図６参照）を記憶部４７から受け取る。気体噴射制御部４４は、機関負荷の情報及び機関回転数の情報とマップ情報となどに基づいて、気体噴射量制御信号を生成する。すなわち、気体噴射制御部４４は、気体噴射量制御信号を介して第１噴射期間Ｔ１を制御する。第１噴射期間Ｔ１は、気体燃料噴射弁２８が気体燃料ＧＦ１（図３参照）を噴射する期間である。これにより、気体燃料噴射弁２８は、気体噴射量制御信号に基づいて、所定のタイミングに所定の噴射量で気体燃料ＧＦ１を噴射する。

点火時期制御部４５は、機関負荷の情報を負荷演算部４１から受け取り、機関回転数の情報を回転数演算部４２から受け取り、機関負荷の情報及び機関回転数の情報などに基づいて、点火時期制御信号を生成する。これにより、点火プラグ２９は、点火時期制御信号に基づいて所定のタイミングでスパークを発生させる。

吸気制御部４６は、機関負荷の情報を負荷演算部４１から受け取り、機関回転数の情報を回転数演算部４２から受け取り、機関負荷の情報及び機関回転数の情報などに基づいて、吸気制御信号を生成する。これにより、制御弁２５は、吸気制御信号に基づいて、所定のタイミングに所定の開度で吸気ポート２３を開閉する。具体的には、制御弁２５は、後述の第１制御領域Ａ１において、排気行程後半及び吸気行程前半に、鉛直方向に対して吸気バルブ２１へ近づく方向へ鋭角だけ回転するように制御される（図２参照）。

（副室式内燃機関の制御）
副室式内燃機関の制御を図５及び図６を用いて説明する。

ＥＣＵ４０の液体噴射制御部４３及び気体噴射制御部４４が参照するマップ情報を図５及び図６に示す。図５に示すマップ情報には、機関負荷や機関回転数と制御領域との関係が示されている。すなわち、制御領域は、第１制御領域Ａ１及び第２制御領域Ａ２に分けられている。第１制御領域Ａ１は、比較的低回転数中低負荷側の領域であり、液体燃料噴射弁２７及び気体燃料噴射弁２８が低負荷運転モードで制御される領域である。第１制御領域Ａ１における運転状態は、希薄燃焼が行われる運転状態であり、主燃焼室６３の空燃比が理論空燃比よりもリーンに制御される運転状態である。第２制御領域Ａ２は、比較的高回転数側又は高負荷側の領域であり、液体燃料噴射弁２７及び気体燃料噴射弁２８が高負荷運転モードで制御される領域である。第２制御領域Ａ２における運転状態は、通常の燃焼が行われる運転状態であり、主燃焼室６３の空燃比が略理論空燃比に制御される運転状態である。

（（第１制御領域における制御））
第１制御領域Ａ１では、ＥＣＵ４０の液体噴射制御部４３は、図６に示すように、第２噴射期間Ｔ２が排気行程後半及び吸気行程前半になるように、液体燃料噴射弁２７を制御する。これにより、吸気ポート２３から主燃焼室６３へ導入された新気混合気は、吸気行程において拡散されて、リーンで均質な状態になる。

また、ＥＣＵ４０の気体噴射制御部４４は、第１噴射期間Ｔ１が圧縮行程になるように、気体燃料噴射弁２８を制御する。これにより、主燃焼室６３において連通路６２ａ〜６２ｄの付近の新気混合気がリーンになった状態で主燃焼室６３に気体燃料ＧＦ１が噴射されることになる。

ここで、第２噴射期間Ｔ２は、機関回転数に関わらずタイミング及び長さが略一定になるように制御される。それに対して、第１噴射期間Ｔ１は、開始のタイミング及び終了のタイミングがともに、機関回転数が低い場合よりも機関回転数が高い場合に進角するように制御される。また、第１噴射期間Ｔ１は、機関回転数が低い場合よりも機関回転数が高い場合に長くなるように制御される。これにより、機関回転数が高くなり単位クランク角当たりの実時間が短くなったことに応じてクランク各単位の第１噴射期間Ｔ１の長さが長くなる。このため、実時間単位で見た場合に、第２噴射期間Ｔ２の長さは一定に保たれる。

（（第２制御領域における制御））
第２制御領域Ａ２では、ＥＣＵ４０の液体噴射制御部４３は、図６に示すように、第２噴射期間Ｔ２が排気行程後半及び吸気行程前半になるように、液体燃料噴射弁２７を制御する。これにより、吸気ポート２３から主燃焼室６３へ導入された新気混合気は、吸気行程において拡散されて、略理論空燃比で均質な状態になる。

また、ＥＣＵ４０の気体噴射制御部４４は、気体燃料噴射弁２８に気体燃料ＧＦ１の噴射を停止させる。これにより、必要以上に副燃焼室６１の燃焼期間を短くすることは低減される。

（第１制御領域の制御が行われた場合の燃料の詳細動作）
第１制御領域の制御が行われた場合の燃料の詳細動作を図２〜図４及び図７を参照して説明する。

排気行程後半及び吸気行程前半において、図２に示すように、制御弁２５を通過した新気空気は、吸気ポート２３の上面に沿って流れる。そして、液体燃料噴射弁２７は、新気空気に向けて液体燃料ＬＦ１を噴射する。これにより、吸気ポート２３において新気混合気Ｍ１が形成される。新気混合気Ｍ１は、新気空気と同様に吸気ポート２３の上面に沿って流れて、主燃焼室６３に導入される。主燃焼室６３に導入された新気混合気Ｍ１は、順タンブル流ＴＢ１を形成し、主燃焼室６３において縦方向に旋回する。

圧縮行程において、図３及び図４に示すように、気体燃料噴射弁２８は、新気混合気Ｍ１の順タンブル流ＴＢ１へ向けて気体燃料ＧＦ１を噴射する。これにより、気体燃料ＧＦ１が、新気混合気Ｍ１の一部とともに、順タンブル流ＴＢ１に乗って連通路６２ａ〜６２ｄまで運ばれる。そして、連通路６２ａ〜６２ｄを介して、気体燃料ＧＦ１及び新気混合気Ｍ１の一部が主燃焼室６３から副燃焼室６１へ容易に導入される。

すなわち、図７に示すように、吸気行程後半から圧縮行程前半において、主燃焼室６３における連通路６２ａ〜６２ｄ付近の液体燃料の空燃比が理論空燃比よりもリーンな状態になっていく。そして、気体燃料ＧＦ１が噴射されるとともに連通路６２ａ〜６２ｄ付近では、液体燃料の空燃比がますますリーンになるとともに、気体燃料の空燃比がリッチになる。そして、実線の曲線で示されるように、連通路６２ａ〜６２ｄを介して主燃焼室６３から副燃焼室６１へ導入される気体（気体燃料ＧＦ１及び新気混合気Ｍ１の一部）の流量が増加していく。

（副室式内燃機関の特徴）
（１）
ここでは、ＥＣＵ４０の気体噴射制御部４４は、新気混合気Ｍ１の順タンブル流ＴＢ１を介して主燃焼室６３から副燃焼室６１気体燃料ＧＦ１が導入されるように、気体燃料噴射弁２８を制御する。これにより、気体燃料ＧＦ１が容易に副燃焼室６１へ導入されるで、副燃焼室６１の燃焼期間は十分に短縮する。

このように、副燃焼室６１の燃焼期間が十分に短縮するので、リーン限界は十分に拡大する。

（２）
ここでは、気体燃料噴射弁２８は、吸気バルブ２１と連通路６２ａ〜６２ｄとの間に設けられる。これにより、気体燃料ＧＦ１が順タンブル流ＴＢ１に乗って連通路６２ａ〜６２ｄまで運ばれるので、新気混合気Ｍ１の順タンブル流ＴＢ１を介して主燃焼室６３から副燃焼室６１へ気体燃料ＧＦ１が導入されるようになる。

（３）
ここでは、制御弁２５は、吸気ポート２３における新気空気の流れを変える。具体的には、制御弁２５は、排気行程後半及び吸気行程前半において、鉛直方向に対して吸気バルブ２１へ近づく方向へ鋭角だけ回転する。これにより、制御弁２５を通過した新気空気が吸気ポート２３の上面に沿って流れるので、簡易な構成で主燃焼室６３に新気混合気Ｍ１の順タンブル流ＴＢ１は形成される。

（４）
ここでは、気体燃料ＧＦ１は、液体燃料ＬＦ１よりも層流燃焼速度が大きい。これにより、気体燃料ＧＦ１を副燃焼室６１に導入することにより、副燃焼室６１の燃焼期間は短縮する。

（５）
ここでは、ＥＣＵ４０の気体噴射制御部４４は、第１制御領域Ａ１（低回転数中低負荷領域）において、第１噴射期間Ｔ１を、機関回転数が低い場合よりも機関回転数が高い場合に長くさせる。これにより、機関回転数が高くなり単位クランク角当たりの実時間が短くなったことに応じてクランク各単位の第１噴射期間Ｔ１の長さは長くなる。このため、実時間単位で見た場合に第１噴射期間Ｔ１の長さが一定に保たれるので、気体燃料ＧＦ１の噴射量は一定になる。その結果、種々の機関回転数において、副燃焼室６１の燃焼期間は十分に短縮される。

（６）
ここでは、ＥＣＵ４０の気体噴射制御部４４は、第１噴射期間Ｔ１を制御する。また、ＥＣＵ４０の液体噴射制御部４３は、第２噴射期間Ｔ２を制御する。これにより、第１噴射期間Ｔ１と独立に第２噴射期間Ｔ２は制御される。

（７）
ここでは、ＥＣＵ４０の液体噴射制御部４３は、第１制御領域Ａ１において、第２噴射期間Ｔ２が排気行程後半及び吸気行程前半になるように制御する。また、ＥＣＵ４０の気体噴射制御部４４は、第１制御領域Ａ１において、第１噴射期間Ｔ１が圧縮行程になるように制御する。これらにより、圧縮行程において、主燃焼室６３において連通路６２ａ〜６２ｄの付近の新気混合気がリーンになった状態で主燃焼室６３に気体燃料ＧＦ１は噴射される。このため、十分な量の気体燃料ＧＦ１が副燃焼室６１に導入されることになる。

（８）
ここでは、ＥＣＵ４０の気体噴射制御部４４は、第１制御領域Ａ２（高回転数高負荷領域）において、気体燃料噴射弁２８に気体燃料ＧＦ１の噴射を停止させる。これにより、必要以上に副燃焼室６１の燃焼期間が短くされることが低減され、気体燃料ＧＦ１の消費量は抑制される。

（第１実施形態の変形例）
（Ａ）副室式内燃機関１ｉでは、図８に示すように、ピストン３の代わりにピストン３ｉにより主燃焼室６３ｉの一部が囲まれていても良い。すなわち、ピストン３ｉは、主燃焼室６３ｉに面する部分である冠面３ａに、凹状に湾曲したキャビティ３ａ１が形成されている。このキャビティ３ａ１により、主燃焼室６３において、新気混合気Ｍ１の順タンブル流ＴＢ１が安定的に形成される。

（Ｂ）副室式内燃機関１ｊは、図９に示すように、気体燃料噴射弁２８の代わりに気体燃料噴射弁（気体燃料噴射部）２８ｊを備えても良い。すなわち、気体燃料噴射弁２８ｊは、気体燃料ＧＦ１の代わりに混合気ＧＦ１ｊを噴射する。混合気ＧＦ１ｊは、気体燃料ＧＦ１と第１気体とを含む。第１気体は、酸素を含む。これにより、高ＥＧＲ条件下においても副燃焼室６１に十分な量の酸素が供給されることになるので、ＥＧＲ運転限界は向上する。

＜第２実施形態＞
本発明の第２実施形態に係る副室式内燃機関の断面図を図１０に示す。

副室式内燃機関１００は、基本的な構成は第１実施形態と同様であるが、気体燃料噴射弁２８の代わりに気体燃料噴射弁（気体燃料噴射部）１２８を備え、制御弁２５の代わりに制御弁（旋回流形成部）１２５を備え、ＥＣＵ４０の代わりにＥＣＵ１４０を備える点で、第１実施形態と異なる。

気体燃料噴射弁１２８の先端は、排気バルブ２２と連通路６２ａ〜６２ｄとの間の位置において、主燃焼室６３に突出している。

ＥＣＵ１４０は、吸気制御部４６の代わりに吸気制御部１４６を備える。

吸気制御部１４６は、機関負荷の情報を負荷演算部４１から受け取り、機関回転数の情報を回転数演算部４２から受け取り、機関負荷の情報及び機関回転数の情報などに基づいて、吸気制御信号を生成する。これにより、制御弁１２５は、吸気制御信号に基づいて、所定のタイミングに所定の開度で吸気ポート２３を開閉する。具体的には、制御弁１２５は、排気行程後半及び吸気行程前半において、鉛直方向に対して吸気バルブ２１から遠ざかる方向へ鋭角だけ回転するように制御される（図１１参照）。

これにより、排気行程後半及び吸気行程前半において、図１１に示すように、制御弁１２５を通過した新気空気は、吸気ポート２３の下面に沿って流れる。そして、液体燃料噴射弁２７は、新気空気に向けて液体燃料ＬＦ１を噴射する。これにより、吸気ポート２３において新気混合気Ｍ１０１が形成される。新気混合気Ｍ１０１は、新気空気と同様に吸気ポート２３の下面に沿って流れて、主燃焼室６３に導入される。主燃焼室６３に導入された新気混合気Ｍ１０１は、逆タンブル流ＴＢ１０１を形成し、主燃焼室６３において縦方向に旋回する。

圧縮行程において、図１２及び図１３に示すように、気体燃料噴射弁１２８は、新気混合気Ｍ１０１の逆タンブル流ＴＢ１０１へ向けて気体燃料ＧＦ１０１を噴射する。これにより、気体燃料ＧＦ１０１が、新気混合気Ｍ１０１の一部とともに、逆タンブル流ＴＢ１０１に乗って連通路６２ａ〜６２ｄまで運ばれる。そして、連通路６２ａ〜６２ｄを介して、気体燃料ＧＦ１０１及び新気混合気Ｍ１０１の一部が主燃焼室６３から副燃焼室６１へ容易に導入される。

副燃焼室６１の燃焼期間が十分に短縮する点は、第１実施形態と同様である。したがって、このような副室式内燃機関１００によっても、リーン限界は十分に拡大する。

また、気体燃料噴射弁１２８が排気バルブ２２と連通路６２ａ〜６２ｄとの間に設けられているので、気体燃料ＧＦ１０１が逆タンブル流ＴＢ１０１に乗って連通路６２ａ〜６２ｄまで運ばれる。これにより、新気混合気Ｍ１０１の逆タンブル流ＴＢ１０１を介して主燃焼室６３から副燃焼室６１へ気体燃料ＧＦ１は容易に導入される。

＜第３実施形態＞
本発明の第３実施形態に係る副室式内燃機関の断面図を図１４に示す。

副室式内燃機関２００は、基本的な構成は第１実施形態と同様であるが、液体燃料噴射弁２７の代わりに液体燃料噴射弁２２７ａ，２２７ｂを備え、気体燃料噴射弁２８の代わりに気体燃料噴射弁（気体燃料噴射部）２２８を備え、制御弁２５の代わりに制御弁（旋回流形成部）２２５を備え、ＥＣＵ４０の代わりにＥＣＵ２４０を備える点と、可変動弁機構（旋回流形成部）２８０をさらに備える点と、吸排気機構の構成が異なる点とで、第１実施形態と異なる。

気体燃料噴射弁１２８の先端は、排気バルブ２２と連通路６２ａ〜６２ｄとの間の位置において、主燃焼室６３に突出している。気体燃料噴射弁１２８は、シリンダ軸ＣＡに向けて気体燃料ＧＦ２０１（図１６参照）を噴射するように設けられている。

また、吸排気機構として、図１５に破線で示すように、吸気ポート２２３ａの下流には吸気バルブ２２１ａが配備され、吸気ポート２２３ｂの下流には吸気バルブ２２１ｂが配備されている。

さらに、吸気ポート２２３ａにおいて、吸気バルブ２２１ａの上流には制御弁２２５が設けられている。制御弁２２５は、所定の開度で吸気ポート２２３ａを開閉するようになっている。一方、吸気ポート２２３ｂには制御弁が設けられていない。

液体燃料噴射弁２２７ａの先端は、制御弁２２５と吸気バルブ２２１ａとの間の位置において、吸気ポート２２３ａに突出している。液体燃料噴射弁２２７ｂの先端は、吸気バルブ２２１ａの上流の位置において、吸気ポート２２３ｂに突出している。

可変動弁機構２８０は、ＥＣＵ３４０から受け取った信号に基づいて、吸気バルブ２２１ａ及び吸気バルブ２２１ｂのリフト量を変えるように設けられている。

ＥＣＵ２４０は、図１４に示すように、吸気制御部４６の代わりに吸気制御部２４６を備え、可変動弁制御部２４８をさらに備える。

吸気制御部２４６は、機関負荷の情報を負荷演算部４１から受け取り、機関回転数の情報を回転数演算部４２から受け取り、機関負荷の情報及び機関回転数の情報などに基づいて、吸気制御信号を生成する。これにより、制御弁２２５は、吸気制御信号に基づいて、所定のタイミングに所定の開度で吸気ポート２２３ａを開閉する。具体的には、制御弁２２５ａは、第１制御領域Ａ１において、排気行程後半及び吸気行程前半に、吸気ポート２２３ａを閉じるように制御される（図１５参照）。

可変動弁制御部２４８は、機関負荷の情報を負荷演算部４１から受け取り、機関回転数の情報を回転数演算部４２から受け取り、機関負荷の情報及び機関回転数の情報などに基づいて、可変動弁制御信号を生成する。これにより、可変動弁機構２８０は、可変動弁制御信号に基づいて、所定のリフト量で吸気バルブ２２１ａ及び吸気バルブ２２１ｂをリフトさせる。具体的には、可変動弁機構２８０は、第１制御領域Ａ１において、排気行程後半及び吸気行程前半に、吸気バルブ２２１ａのリフト量をゼロにして吸気ポート２２３ａを閉じるように制御されるとともに、吸気バルブ２２１ｂのリフト量を正の値にして吸気ポート２２３ｂを開くように制御される（図１５参照）。

これにより、排気行程後半及び吸気行程前半において、図１５に示すように、吸気ポート２２３ａに新気空気が流れないのに対して、吸気ポート２２３ｂに新気空気が流れるようになる。そして、液体燃料噴射弁２２７ａは液体燃料を噴射しないのに対して、液体燃料噴射弁２２７ｂは新気空気に向けて液体燃料ＬＦ１を噴射する。これにより、吸気ポート２２３ｂにおいて新気混合気Ｍ２０１が形成される。新気混合気Ｍ２０１は、吸気ポート２２３ｂのみから主燃焼室６３へ導入される。主燃焼室６３に導入された新気混合気Ｍ１０１は、新気空気より比重が重いために周面６３ａに沿って主燃焼室６３を進み、外側のスワール流ＳＷ２０１を形成し、主燃焼室６３において横方向に旋回する。

圧縮行程において、図１６及び図１７に示すように、気体燃料噴射弁２２８は、シリンダ軸ＣＡへ向けて気体燃料ＧＦ２０１を噴射する。噴射された気体燃料ＧＦ２０１は、シリンダ軸ＣＡ付近で内側のスワール流ＳＷ２０２を形成し、主燃焼室６３において横方向に旋回する。ここで、噴射された気体燃料ＧＦ２０１は新気混合気Ｍ２０１より比重が軽いので、外側のスワール流ＳＷ２０１と内側のスワール流ＳＷ２０２とは安定的に形成されている。すなわち、気体燃料ＧＦ２０１は、スワール流ＳＷ２０１及びスワール流ＳＷ２０２によってシリンダ軸ＣＡの付近に成層的に滞留する。そして、シリンダ軸ＣＡの付近の連通路６２ａ〜６２ｄを介して、気体燃料ＧＦ２０１及び新気混合気Ｍ２０１の一部が主燃焼室６３から副燃焼室６１へ容易に導入される。

副燃焼室６１の燃焼期間が十分に短縮する点は、第１実施形態と同様である。したがって、このような副室式内燃機関２００によっても、リーン限界は十分に拡大する。

また、気体燃料噴射弁２２８は、シリンダ軸ＣＡに向けて気体燃料ＧＦ２０１を噴射する。これにより、新気混合気Ｍ２０１のスワール流ＳＷ２０１を介して気体燃料ＧＦ２０１がシリンダ軸ＣＡ１の付近に成層的に分布するようになるので、新気混合気Ｍ２０１のスワール流ＳＷ２０１を介して主燃焼室６３から副燃焼室６１へ気体燃料ＧＦ２０１及び新気混合気Ｍ２０１の一部が導入されるようになる。

さらに、可変動弁機構２８０は、吸気バルブ２２１ａ及び吸気バルブ２２１ｂのリフト量を変える。これにより、簡易な構成で主燃焼室６３に新気混合気Ｍ２０１のスワール流ＳＷ２０１及びスワール流ＳＷ２０２は形成される。

（第３実施形態の変形例）
副室式内燃機関２００ｉでは、図１８に示すように、ピストン３の代わりにピストン２０３ｉにより主燃焼室２６３ｉの一部が囲まれていても良い。すなわち、ピストン２０３ｉは、主燃焼室２６３ｉに面する部分である冠面２０３ａに、凹状に湾曲したキャビティ２０３ａ１が形成されている。このキャビティ２０３ａ１により、主燃焼室６３において、気体燃料ＧＦ２０１（のスワール流ＳＷ２０２）は、シリンダ軸ＣＡの付近に成層的に安定して滞留するようになる。

＜第４実施形態＞
本発明の第４実施形態に係る副室式内燃機関の断面図を図１９に示す。

副室式内燃機関３００は、基本的な構成は第１実施形態と同様であるが、ＥＣＵ４０の代わりにＥＣＵ３４０を備え、副室掃気通路３７１及び開閉弁（開閉部）３７２をさらに備える点で、第１実施形態と異なる。

副室掃気通路３７１は、副燃焼室６１と排気ポート２４とを連通している。開閉弁３７２は、ＥＣＵ３４０から受け取った信号に基づいて、副室掃気通路３７１を開閉するように設けられている。

ＥＣＵ３４０は、記憶部４７の代わりに記憶部３４７を備え、開閉制御部（第３制御部）３４９をさらに備える。

記憶部３４７は、マップ情報（図５，図６参照）の代わりにマップ情報（図１９，図２０参照）を記憶している。図２０に示すマップ情報には、第１制御領域Ａ１の代わりに第１制御領域Ａ３０１が含まれている。

開閉制御部３４９は、機関負荷の情報を負荷演算部４１から受け取り、機関回転数の情報を回転数演算部４２から受け取り、機関負荷の情報及び機関回転数の情報などに基づいて、開閉制御信号を生成する。すなわち、開閉制御部３４９は、開閉制御信号を介して第１開期間Ｔ３０３を制御する。第１開期間Ｔ３０３は、開閉弁３７２が副室掃気通路３７１を開く期間である。これにより、開閉弁３７２は、開閉制御信号に基づいて、所定のタイミングで副室掃気通路３７１を開閉する。具体的には、開閉弁３７２は、図２１に示すように、圧縮行程後半において、副室掃気通路３７１を開くように制御される。ここで、第１開期間Ｔ３０３は、気体燃料噴射弁２８が気体燃料ＧＦ１を噴射し始めるタイミングの直後から始まり、副燃焼室６１から残留ガスが掃気されたタイミングの直後に終わるように制御されている。

これにより、副燃焼室６１の残留ガスが容易に掃気され、気体燃料ＧＦ１（図３参照）が主燃焼室６３から副燃焼室６１へ導入されやすくなる。

すなわち、圧縮行程において、図２２に実線の曲線で示すように、連通路６２ａ〜６２ｄを介して主燃焼室６３から副燃焼室６１へ導入される気体（気体燃料ＧＦ１及び新気混合気Ｍ１の一部）の流量が、第１実施形態の場合（破線の曲線で示される場合）に比べて容易に増加している。

副燃焼室６１の燃焼期間が十分に短縮する点は、第１実施形態と同様である。したがって、このような副室式内燃機関３００によっても、リーン限界は十分に拡大する。

また、ＥＣＵ３４０の開閉制御部３４９は、気体燃料噴射弁２８が気体燃料ＧＦ１を噴射し始めるタイミングの直後から始まり、副燃焼室６１から残留ガスが掃気されたタイミングの直後に終わるように、第１開期間Ｔ３０３を制御する。これにより、副燃焼室６１の残留ガスが容易に掃気され、気体燃料ＧＦ１（図３参照）が主燃焼室６３から副燃焼室６１へ導入されやすくなる。

（第４実施形態の変形例）
副室掃気通路は、副燃焼室６１と排気ポート２４とを連通するように設けられる代わりに、副燃焼室６１と吸気ポート２３とを連通するように設けられてもよい。

本発明に係る副室式内燃機関は、リーン限界を十分に拡大できるという効果を有し、副室式内燃機関等として有用である。

本発明の第１実施形態に係る副室式内燃機関の断面図。 第１制御領域の制御が行われた場合の燃料の詳細動作を示す図。 第１制御領域の制御が行われた場合の燃料の詳細動作を示す図。 第１制御領域の制御が行われた場合の燃料の詳細動作を示す図。 マップ情報を示す図。 マップ情報を示す図。 第１制御領域の制御が行われた場合の燃料の詳細動作を示す図。 第１制御領域の制御が行われた場合の燃料の詳細動作を示す図（変形例）。 第１制御領域の制御が行われた場合の燃料の詳細動作を示す図（変形例）。 本発明の第２実施形態に係る副室式内燃機関の断面図。 第１制御領域の制御が行われた場合の燃料の詳細動作を示す図。 第１制御領域の制御が行われた場合の燃料の詳細動作を示す図。 第１制御領域の制御が行われた場合の燃料の詳細動作を示す図。 本発明の第３実施形態に係る副室式内燃機関の断面図。 第１制御領域の制御が行われた場合の燃料の詳細動作を示す図。 第１制御領域の制御が行われた場合の燃料の詳細動作を示す図。 第１制御領域の制御が行われた場合の燃料の詳細動作を示す図。 第１制御領域の制御が行われた場合の燃料の詳細動作を示す図（変形例）。 本発明の第４実施形態に係る副室式内燃機関の断面図。 マップ情報を示す図。 マップ情報を示す図。 第１制御領域の制御が行われた場合の燃料の詳細動作を示す図。

符号の説明

１，１ｉ，１ｊ，１００，２００，２００ｉ，３００ 副室式内燃機関
２５，１２５，２２５ 制御弁（旋回流形成部）
２８，１２８，２２８ 気体燃料噴射弁（気体燃料噴射部）
２９ 点火プラグ（点火部）
４０，１４０，２４０ ＥＣＵ
４３ 液体噴射制御部（第２制御部）
４４ 気体噴射制御部（第１制御部）
６１ 副燃焼室
６３，６３ｉ，２６３ｉ 主燃焼室
２８０ 可変動弁機構（旋回流形成部）
３４９ 開閉制御部（第３制御部）

Claims (15)

1. 主燃焼室と、
   前記主燃焼室に隣接し、連通路を介して前記主燃焼室に連通されている副燃焼室と、
   前記副燃焼室に設けられた点火部と、
   前記主燃焼室に導入される新気混合気を旋回させて、前記主燃焼室に前記新気混合気の旋回流を形成させる旋回流形成部と、
   少なくとも気体燃料を前記主燃焼室へ噴射する気体燃料噴射部と、
   前記新気混合気の旋回流を介して前記主燃焼室から前記副燃焼室へ前記気体燃料が導入されるように、前記気体燃料噴射部を制御する第１制御部と、
   を備えた、
   副室式内燃機関。
2. 前記旋回流形成部は、前記主燃焼室に前記新気混合気の順タンブル流を形成させ、
   前記気体燃料噴射部は、吸気バルブと前記連通路との間に設けられる、
   請求項１に記載の副室式内燃機関。
3. 前記旋回流形成部は、前記主燃焼室に前記新気混合気の逆タンブル流を形成させ、
   前記気体燃料噴射部は、排気バルブと前記連通路との間に設けられる、
   請求項１に記載の副室式内燃機関。
4. 前記連通路は、シリンダ軸の付近に位置しており、
   前記旋回流形成部は、前記主燃焼室に前記新気混合気のスワール流を形成させ、
   前記気体燃料噴射部は、シリンダ軸に向けて前記気体燃料を噴射する、
   請求項１に記載の副室式内燃機関。
5. 前記旋回流形成部は、吸気バルブのリフト量を変える可変動弁機構を有する、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の副室式内燃機関。
6. 前記旋回流形成部は、吸気ポートにおける新気空気の流れを変える制御弁を有する、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の副室式内燃機関。
7. 冠面が凹状に湾曲したピストンをさらに備えた、
   請求項１から６のいずれか１項に記載の副室式内燃機関。
8. 前記気体燃料は、前記新気混合気よりも層流燃焼速度が大きい、
   請求項１から７のいずれか１項に記載の副室式内燃機関。
9. 前記気体燃料噴射部は、酸素を含む第１気体を前記主燃焼室へさらに噴射する、
   請求項１から８のいずれか１項に記載の副室式内燃機関。
10. 前記第１制御部は、低回転数中低負荷領域において、前記気体燃料噴射部が前記気体燃料を噴射する期間である第１噴射期間を、機関回転数が低い場合よりも機関回転数が高い場合に長くさせる、
    請求項１から９のいずれか１項に記載の副室式内燃機関。
11. 前記新気混合気が形成されるように、吸気ポート及び前記主燃焼室のいずれかに液体燃料を噴射する液体燃料噴射部と、
    前記液体燃料噴射部が前記液体燃料を噴射する期間である第２噴射期間を制御する第２制御部と、
    をさらに備えた、
    請求項１から１０のいずれか１項に記載の副室式内燃機関。
12. 前記第２制御部は、低回転数中低負荷領域において、前記第２噴射期間が排気行程後半及び吸気行程前半になるように制御し、
    前記第１制御部は、低回転数中低負荷領域において、前記第１噴射期間が圧縮行程になるように制御する、
    請求項１１に記載の副室式内燃機関。
13. 前記第１制御部は、高回転数高負荷領域において、前記気体燃料噴射部に前記気体燃料の噴射を停止させる、
    請求項１１又は１２に記載の副室式内燃機関。
14. 吸気ポート及び排気ポートのいずれかと前記副燃焼室とを連通する副室掃気通路と、
    前記副室掃気通路を開閉する開閉部と、
    前記開閉部が前記副室掃気通路を開く期間である第１開期間を制御する第３制御部と、
    をさらに備えた、
    請求項１から１３のいずれか１項に記載の副室式内燃機関。
15. 前記第３制御部は、前記気体燃料噴射部が前記気体燃料を噴射し始めるタイミングの直後から始まり、前記副燃焼室から残留ガスが掃気されたタイミングの直後に終わるように、前記第１開期間を制御する、
    請求項１４に記載の副室式内燃機関。
    

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