JP2007198140A - 副室式内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料の着火性と燃焼安定性とを両立した副室式内燃機関を提供する。
【解決手段】副燃焼室６１に燃料を供給する燃料噴射弁２７と、副燃焼室６１内の混合気を点火する点火プラグ２９とを備え、ＥＣＵ４０は、運転状態に応じて、空気過剰率および／または燃料希釈率が点火時期近傍において所望の値となるように、副燃焼室６１に対する燃料の供給量を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、主燃焼室とは別に副燃焼室を備えた副室式内燃機関に関する。

一般に、火花点火式内燃機関において、混合気の希薄化を行うことによって、熱効率が向上し、かつ、ＮＯｘが低減することが可能となるが、混合気の希薄化により、着火性の悪化および燃焼の不安定化が懸念される。

希薄燃焼による燃焼の不安定化を解決する手段として、主燃焼室（主室）とは別に副燃焼室（副室）を備えた副室式内燃機関が知られている。副室式内燃機関では、主燃焼室と副燃焼室とを連通する連通路を備え、その連通路から、副燃焼室にて混合気の一部を燃焼させることによって得られる強力なトーチを噴出させる。副室式内燃機関では、燃焼室内全体の空燃比を下げつつ、副燃焼室の空燃比をリッチにすることで、希薄条件下においても燃料の着火性を良好にしている。

従来の副室式内燃機関として、副燃焼室内の空燃比を制御する手段を備え、主燃焼室における空燃比の増大に応じて、副燃焼室より噴出されるトーチの強度を大きくすることで、主燃焼室における燃焼を安定させるようにした副室式内燃機関が知られている（下記特許文献１参照）。
特開２００５−０２３９０４号公報

ところで、上記特許文献１に開示された副室式内燃機関は、点火プラグが主燃焼室に設けられているため、運転状態によっては燃焼時における主燃焼室と副燃焼室との間の圧力差が比較的小さく、トーチ強度が弱い場合がある。かかる場合には、主燃焼室において超希薄混合気を安定して燃焼させることが困難となる。

したがって、本発明の目的は、燃料の着火性と燃焼安定性とを両立した副室式内燃機関を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、主燃焼室と、副燃焼室と、燃料供給部と、点火部と、制御部とを備えた副室式内燃機関である。

副燃焼室は、主燃焼室と隣接し、主燃焼室と連通して設けられる。燃料供給部は、主燃焼室および／または副燃焼室に燃料を供給する。点火部は、副燃焼室内に設けられ、副燃焼室内の混合気を点火する。制御部は、運転状態に応じて、副燃焼室内の空気過剰率および／または燃料希釈率が点火部による点火時期近傍において所望の値となるように、燃料供給部による燃料の供給量を制御する。

したがって、本発明によれば、主燃焼室とは独立に、副燃焼室内の空気過剰率および／または燃料希釈率が制御されるので、副燃焼室にて安定して着火することが可能となる。それゆえ、特に希薄条件下において、燃料の着火性と燃焼安定性とを両立させることができる。

＜第１の実施形態＞
以下、本実施形態の副室式内燃機関の一実施形態について説明する。

先ず、実施形態に係る副室式内燃機関１の構成及び動作について、図１を参照しながら説明する。

（副室式内燃機関の概略構成）
図１に、副室式内燃機関１の断面図を示す。

副室式内燃機関１は、主として、ピストン３、主燃焼室６３、副燃焼室６１、吸排気機構、燃料噴射弁２７，２８、点火プラグ２９、制御部としてのＥＣＵ（Electronic Control Unit）４０を備える。

なお、図１における開閉弁３０および通路８１は、本発明の空気供給部の一実施形態である。

燃料噴射弁２７は、本発明の燃料供給部の一実施形態である。

ＥＣＵ４０は、本発明の制御部の一実施形態である。

主燃焼室６３は、シリンダヘッド２０，シリンダブロック２１およびピストン３に囲まれた空間である。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。燃料噴射弁２８は、吸気ポート２３に突出して設けられる。

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、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。

副燃焼室６１は、主燃焼室６３に隣接して設けられる室である。

図１に示すように、副燃焼室６１は、半球上の底面が主燃焼室６３に突出して設けられ、その底面には、主燃焼室６３と副燃焼室６１とを連通する連通路６１ａが形成されている。

点火部としての点火プラグ２９は、副燃焼室６１の混合気を点火する。点火プラグ２９の先端部分（点火部分）は、副燃焼室６１に突出して設けられている。

燃料供給部としての燃料噴射弁２７は、副燃焼室６１に燃料を噴射する。燃料噴射弁２７の先端部分（噴射部分）は、副燃焼室６１に突出して設けられている。

副燃焼室６１と吸気ポート２３は、通路８１（第１連通路）を介して接続される。通路８１の途中には開閉弁３０が設けられる。開閉弁３０は、その開閉により通路８１を連通または遮断する。開閉弁３０の開閉は、ＥＣＵ４０によって制御される。かかる構成により、吸気ポート２３に導入される空気量の中から所望の量を副燃焼室６１に取り込むことができるようになっている。

副室式内燃機関１は、副燃焼室６１内の空気過剰率Ａ／Ｆ（Air to Fuel）および燃料希釈率Ｇ／Ｆ（Gas to Fuel）を検出するためのセンサ（図示せず）を、副燃焼室６１の内壁または空気路８１の副燃焼室６１近傍に設けている。このセンサの値は逐次ＥＣＵ４０に読み取られ、副燃焼室６１に対する燃料および空気の供給量の制御に用いられる。

ＥＣＵ４０は、燃料噴射弁２７，２８、点火プラグ２９、開閉弁３０などに電気的に接続されている。

ＥＣＵ４０は、主として、負荷演算部４１、燃料噴射制御部４２、空気噴射制御部４３、点火時期制御部４４、記憶部４５を備える。負荷演算部４１、燃料噴射制御部４２、空気噴射制御部４３、点火時期制御部４４は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)によって実現される。記憶部４５は、ＲＯＭ(Read Only Memory)、ＲＡＭ(Random Access Memory)などであり、実行プログラムや様々なマップ情報を記憶している。

ＥＣＵ４０は、燃料噴射時期、点火時期などのタイミング制御を行うためのロジックを実行するだけでなく、それぞれ燃料噴射弁２７および点火プラグ２９から副燃焼室６１に供給される燃料および空気の供給量を制御する。その制御は、副室式内燃機関１の運転状態に応じた、空気過剰率Ａ／Ｆおよび燃料希釈率Ｇ／Ｆの目標値（図４に関連付けて後述する）を示すマップ情報に基づいて行われる。

なお、副燃焼室６１への燃料、空気の供給量の制御方法については、後述する。

ＥＣＵ４０には、クランク角センサ（図示せず）で検出されたクランク角信号、水温センサ（図示せず）で検出された冷却水温信号、アクセル開度センサ（図示せず）で検出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は、これらの入力信号に基づいて、機関負荷を演算する。

燃料噴射制御部４２は、機関負荷の情報を負荷演算部４１から受け取る。また、燃料噴射制御部４２は、機関負荷および機関速度に基づいて、空気過剰率Ａ／Ｆおよび燃料希釈率Ｇ／Ｆの目標値を示すマップ情報を参照して、燃料噴射弁２７が副燃焼室６１に供給すべき燃料量を算出する。その算出された燃料量を示す制御信号は燃料噴射弁２７に送信される。

空気噴射制御部４３は、機関負荷の情報を負荷演算部４１から受け取る。また、空気噴射制御部４３は、機関負荷および機関速度に基づいて、空気過剰率Ａ／Ｆおよび燃料希釈率Ｇ／Ｆの目標値を示すマップ情報を参照して、副燃焼室６１に供給すべき空気量を算出する。その算出された空気量に基づいて、開閉弁３０の開閉が制御される。たとえば、エアフローメーター（図示せず）で検出された空気吸入量に基づいて、所望の空気量が副燃焼室６１に導入されるように、開閉弁３０の開時間が決定される。

点火時期制御部４４は、機関負荷の情報を負荷演算部４１から受け取り、機関負荷の情報などに基づいて点火プラグ２９の点火時期を決定する。点火時期を示す制御信号は、点火プラグ２９に送信される。これにより、点火プラグ２９は、ＥＣＵ４０所望のタイミングで副燃焼室６１内にスパークを発生させる。

なお、燃料噴射制御部４２および空気噴射制御部４３は、点火時期近傍における副燃焼室６１内の空気過剰率Ａ／Ｆおよび燃料希釈率Ｇ／Ｆの目標値に基づいて、燃料量および空気量を算出する。

次に、図１に示す副室式内燃機関１の概略動作について説明する。

（副燃焼室６１の概略動作）
圧縮行程において、副燃焼室６１には、連通路６１ａを介して主燃焼室６３から均質な新気混合気が導入される。燃料噴射弁２７は、副燃焼室６１に対してＥＣＵ４０から制御信号によって指示された燃料量の燃料を噴射する。また、副燃焼室６１には、通路８１からＥＣＵ４０所望の空気量の空気が導入される。これにより、副燃焼室６１では、主燃焼室６３と独立に、所望の空気過剰率Ａ／Ｆおよび燃料希釈率Ｇ／Ｆとなるような混合気が含まれることになる。

そして、点火プラグ２９が発生させたスパークにより、副燃焼室６１内の混合気は、所定のタイミングで着火燃焼される。この着火燃焼によって、連通路６１ａを介して主燃焼室６３へトーチが噴出される。

副燃焼室６１では、空気過剰率Ａ／Ｆおよび燃料希釈率Ｇ／Ｆが所望の値となるように燃料および／または空気の副燃焼室６１に対する供給量が制御され、これによって層流燃焼速度が制御される。また、一般に、副燃焼室６１内の層流燃焼速度とトーチ強度とは、高い相関関係がある。したがって、副燃焼室６１から噴出されるトーチの強度は、燃料および／または空気の副燃焼室６１に対する供給量によって、所望のレベルに制御されることになる。

（主燃焼室６３の概略動作）
吸気行程では、ピストン３により主燃焼室６３の容積が増加し、吸気ポート２３から新気混合気が主燃焼室６３に導入される。この新気混合気は概ね均質になる。

圧縮行程では、ピストン３により主燃焼室６３の容積が減少し、主燃焼室６３の均質な新気混合気の一部が連通路６１ａを介して副燃焼室６１に導入される。

副燃焼室６１の燃焼によるトーチは、連通路６１ａを介して主燃焼室６３へ噴出される。このトーチにより、主燃焼室６３の均質な新気混合気は着火燃焼される。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は、ピストン３を押し下げる。これにより、主燃焼室６３の容積が増加する。

既燃ガスは、ピストン３により主燃焼室６３の容積が減少する排気行程において、排気ポート２４へ排出される。

（副燃焼室６１への燃料、空気の供給量の制御原理および方法）
次に、燃料噴射弁２７および点火プラグ２９から副燃焼室６１に供給される燃料および空気の供給量を制御原理について、図２〜４を参照して説明する。

図２は、副室式内燃機関１の機関速度Ｎｅと機関負荷Ｔｅに応じた、副燃焼室６１内の好ましい層流燃焼速度Ｓ_L（以下、燃焼速度Ｓ_Lと略記）を示す。図２上の複数の線は、それぞれ同一の燃焼速度Ｓ_Lとなっており、図上において上側の線ほど燃焼速度Ｓ_Lが遅くなっている。

図２に示すような、副室式内燃機関１の運転状態に応じた好適な燃焼速度Ｓ_L（目標燃焼速度Ｓ_L）は、複数の運転状態において燃焼安定性が良い燃焼速度をシミュレーションより求めることによって得られた。すなわち、図２に示すように、低負荷ほどトーチ強度を高めるため燃焼速度Ｓ_Lが速くなるようにし、高負荷では燃焼騒音を抑制するため、燃焼速度Ｓ_Lを遅くなるようにすることが好ましい。一方、機関速度が高速域にてトーチ強度を高めるため燃焼速度Ｓ_Lが速くなるようにし、低速域〜中速域では主燃焼室内の異常燃焼を抑制するため、燃焼速度Ｓ_Lを遅くなるようにすることが好ましい。

図２に示すように、目標燃焼速度Ｓ_Lは、機関負荷Ｔｅおよび機関速度Ｎｅの両方で決定されるが、機関負荷Ｔｅに対する依存度が高く、機関速度Ｎｅに対する依存度は低い。

図３は、燃焼速度Ｓ_Lと、空気過剰率Ａ／Ｆおよび燃料希釈率Ｇ／Ｆとの相関関係を示す。すなわち、図３は、空気過剰率Ａ／Ｆおよび燃料希釈率Ｇ／Ｆに対する燃焼速度Ｓ_Lの感度を示す。なお、空気過剰率Ａ／Ｆおよび燃料希釈率Ｇ／Ｆは、下記式（１），（２）の通り算出される。空気過剰率Ａ／Ｆの値はλで表現される場合もあり、λ＝１．０では、副燃焼室６１内の酸素量が量論酸素量と同一となる。

空気過剰率Ａ／Ｆ＝（副燃焼室６１内酸素量）／（量論酸素量）・・・（１）

燃料希釈率Ｇ／Ｆ＝（副燃焼室６１内の全ガス質量）／（燃料の質量）・・・（２）
（但し、全ガス質量には、燃料分は含まない。）

図３に示すような相関関係は、空気過剰率Ａ／Ｆおよび燃料希釈率Ｇ／Ｆを変数として燃焼速度をシミュレーションにより求めることによって得られた。

図３から、燃焼速度Ｓ_Lは、空気過剰率Ａ／Ｆに対する感度が高く、燃料希釈率Ｇ／Ｆに対する感度は比較的低いことがわかる。

一般に、副燃焼室内の燃焼速度Ｓ_Lの値が大きいほど、主燃焼室６３に与えられるトーチ強度が大きくなる。したがって、運転状態に応じて目標燃焼速度Ｓ_Lを設定し、その目標燃焼速度Ｓ_Lを満足するような空気過剰率Ａ／Ｆまたは燃料希釈率Ｇ／Ｆのいずれかまたは双方を特定し、さらには、その特定した空気過剰率Ａ／Ｆ、燃料希釈率Ｇ／Ｆが得られるような空気、燃料の供給量（目標供給量）を算出することによって、運転状態に応じたトーチ強度が得られることになる。

図４は、図２および図３に基づいて得られる、（ａ）機関負荷に応じた、空気過剰率Ａ／Ｆおよび燃料希釈率Ｇ／Ｆの目標値、（ｂ）機関速度に応じた、空気過剰率Ａ／Ｆおよび燃料希釈率Ｇ／Ｆの目標値を示す。

図４に示すような、運転状態に応じた空気過剰率Ａ／Ｆおよび燃料希釈率Ｇ／Ｆの目標値は、マップ情報としてＥＣＵ４０（記憶部４５）に記憶される。ＥＣＵ４０では、運転状態に応じて、このマップ情報を参照して、副燃焼室６１に供給すべき燃料および空気の供給量を算出・設定する。そして、その設定値に基づいて燃料噴射弁２７および／または開閉弁３０を制御する。

具体的には、ＥＣＵ４０における、副燃焼室６１に供給すべき燃料および空気の供給量の制御方法は以下のように行われる。

（制御方法１）
機関負荷が増加するにつれて目標燃焼速度Ｓ_Lは低下する（図２参照）。一方、図３に示したように、空気過剰率Ａ／Ｆを一定とすれば、燃料希釈率Ｇ／Ｆが大きくなるほど燃焼速度Ｓ_Lは低下していくという相関がある。したがって、機関負荷が増加するにつれて燃料希釈率Ｇ／Ｆが大きくなるように、空気および／または燃料の供給量を設定すれば、目標燃焼速度Ｓ_Lを適合する燃焼速度が得られることになる。

以上から、図４（ａ）に示すように、ＥＣＵ４０は、内燃機関の負荷が増加するにつれて燃料希釈率Ｇ／Ｆが大きくなるように、空気および／または燃料の供給量を設定する。燃焼速度が低下することによって副燃焼室６１内の燃焼が緩慢となるので、圧力振動が低減する。よって、高負荷における燃焼騒音を抑制することが可能となる。

（制御方法２）
機関負荷が低下するにつれて目標燃焼速度Ｓ_Lは増加する（図２参照）。一方、図３に示したように、空気過剰率Ａ／Ｆが大きくなるほど、燃焼速度Ｓ_Lは増加していくという相関がある。したがって、機関負荷が低下するにつれて空気過剰率Ａ／Ｆが大きくなるように、空気および／または燃料の供給量を設定すれば、目標燃焼速度Ｓ_Lを適合する燃焼速度が得られることになる。

以上から、図４（ａ）に示すように、ＥＣＵ４０は、内燃機関の負荷が所定のＴｅ１（第１負荷）よりも小さい極低負荷時において、空気過剰率Ａ／Ｆが量論混合比（λ＝１）より小さくなるように、空気および／または燃料の供給量を設定する。燃焼速度が増加することによって副燃焼室６１から主燃焼室６３へ噴出するトーチの強度が強められるため、主燃焼室６３におけるより希薄な混合気の燃焼が可能となる。

（制御方法３）
機関負荷が増加するにつれて目標燃焼速度Ｓ_Lは低下する（図２参照）。一方、図３に示したように、空気過剰率Ａ／Ｆを一定とすれば、燃料希釈率Ｇ／Ｆが大きくなるほど燃焼速度Ｓ_Lは低下していくという相関がある。したがって、機関負荷が増加するにつれて燃料希釈率Ｇ／Ｆが大きくなるように、空気および／または燃料の供給量を設定すれば、目標燃焼速度Ｓ_Lを適合する燃焼速度が得られることになる。

以上から、図４（ａ）に示すように、ＥＣＵ４０は、内燃機関の負荷が所定のＴｅ２（第２負荷）よりも大きい部分負荷域〜高負荷域において、空気過剰率Ａ／Ｆが量論混合比（λ＝１）以上となるように、空気および／または燃料の供給量を設定する。機関負荷の増大とともに、副燃焼室６１内の空気過剰率Ａ／Ｆを量論混合比より大きくすることで、副燃焼室６１における燃焼は緩慢とし、副燃焼室６１より主燃焼室６３へ噴出されるトーチに含まれる高温の余剰酸素によって、主燃焼室６３内の混合気を効率よく燃焼させることが可能となる。

（制御方法４）
機関負荷が一定とすると、機関速度が増加するにつれて目標燃焼速度Ｓ_Lは増加する（図２参照）。一方、図３に示したように、空気過剰率Ａ／Ｆを一定とすれば、燃料希釈率Ｇ／Ｆが小さくなるほど燃焼速度Ｓ_Lは増加していくという相関がある。したがって、機関速度が増加するにつれて燃料希釈率Ｇ／Ｆが小さくなるように、空気および／または燃料の供給量を設定すれば、目標燃焼速度Ｓ_Lを適合する燃焼速度が得られることになる。

以上から、図４（ｂ）に示すように、ＥＣＵ４０は、内燃機関の機関速度が増加するにつれて燃料希釈率Ｇ／Ｆが小さくなるように、空気および／または燃料の供給量を設定する。燃焼速度が増加することによって副燃焼室６１から主燃焼室６３へ噴出するトーチの強度が強められるため、主燃焼室６３内の混合気が効率よく燃焼され、主燃焼室６３から排出される未燃燃料（ＮＯｘ等）を低減することが可能となる。

（制御方法５）
機関負荷が一定とすると、機関速度が増加するにつれて目標燃焼速度Ｓ_Lは増加する（図２参照）。一方、図３に示したように、空気過剰率Ａ／Ｆが小さくなるほど燃焼速度Ｓ_Lは増加していくという相関がある。したがって、機関速度が増加するにつれて空気過剰率Ａ／Ｆが小さくなるように、空気および／または燃料の供給量を設定すれば、目標燃焼速度Ｓ_Lを適合する燃焼速度が得られることになる。

以上から、図４（ｂ）に示すように、ＥＣＵ４０は、内燃機関の機関速度が増加するにつれて空気過剰率Ａ／Ｆが小さくなるように、空気および／または燃料の供給量を設定する。燃焼速度が増加することによって副燃焼室６１から主燃焼室６３へ噴出するトーチの強度が強められるため、主燃焼室６３におけるより希薄な混合気の燃焼が可能となる。

（制御方法６）
機関負荷が一定とすると、機関速度が低下するにつれて目標燃焼速度Ｓ_Lは低下する（図２参照）。一方、図３に示したように、空気過剰率Ａ／Ｆが大きくなるほど燃焼速度Ｓ_Lは低下していくという相関がある。したがって、機関速度が低下するにつれて空気過剰率Ａ／Ｆが大きくなるように、空気および／または燃料の供給量を設定すれば、目標燃焼速度Ｓ_Lを適合する燃焼速度が得られることになる。

以上から、図４（ｂ）に示すように、ＥＣＵ４０は、機関速度が低速域〜中速域となる所定のＮｅ１（第１速度）に達するまでの間、空気過剰率Ａ／Ｆが量論混合比（λ＝１）以上となるように、空気および／または燃料の供給量を設定する。
すなわち、機関速度が低速域〜中速域であるときに、副燃焼室６１内の燃焼速度を緩慢になるため、副燃焼室６１内の最高圧力を抑制し、燃焼騒音を抑制することが可能となる。

また、機関速度が低速域〜中速域にあるときの主燃焼室６３における混合気の乱れは、高速域の場合と比較して小さい。したがって、副燃焼室６１から酸素が過剰に存在するトーチを主燃焼室６３へ噴出することで、主燃焼室６３内の未燃燃料が低減されると同時に、副燃焼室６１における微粒子の生成が抑制される。

以上、副室式内燃機関１の制御方法について説明したが、副燃焼室６１に対する空気供給部（開閉弁３０および通路８１）および燃料供給部（燃料噴射弁２７）は、必ずしも両方が必要であるという訳ではない。たとえば、燃料供給部（燃料噴射弁２７）のみで所望の燃料希釈率Ｇ／Ｆおよび空気過剰率Ａ／Ｆが得られる場合には、空気供給部は必要ない。

また、図３に示したように、副燃焼室６１内の燃焼速度は、燃料希釈率Ｇ／Ｆよりも空気過剰率Ａ／Ｆに対する感度が高いので、空気過剰率Ａ／Ｆのみを制御対象としてもよい。かかる場合でも、副燃焼室６１において十分に所望の燃焼速度が得られる可能性が高い。無論、空気供給部と燃料供給部の両方を有している方が、精度が高くかつ自由度が高い制御が可能となることは言うまでもない。

ところで、ＥＧＲ率が大きい場合（５０〜６０％程度の場合）には、三元触媒を使用できるようにする観点から、主燃焼室６３においてＥＧＲガスが含まれない領域の空気過剰率Ａ／Ｆをλ＝１に保持するように制御されることが望ましい。かかる制御が行われる場合、燃料噴射弁２７から副燃焼室６１に多くの燃料が供給されると、副燃焼室６１内の混合気がリッチとなり、副燃焼室６１内の燃焼速度が緩慢となって、主燃焼室〜副燃焼室間の圧力差が低くなることから、トーチの強度が低いものとなる。

したがって、副室式内燃機関１の主燃焼室６３にＥＧＲガスが導入されるときには、ＥＣＵ４０は、そのＥＧＲ率に応じて、副燃焼室６１から噴出するトーチ強度が最適なものとなるように、空気および／または燃料の供給量を設定することが好ましい。これにより、ＥＧＲガスを大量に導入した場合でも、副燃焼室６１を安定して着火させることが可能となる。

＜副室式内燃機関の特徴＞
（１）
以上説明したように、実施形態に係る副室式内燃機関１によれば、副燃焼室６１に燃料を供給する燃料噴射弁２７と、副燃焼室６１内の混合気を点火する点火部（点火プラグ２９）とを備え、ＥＣＵ４０は、運転状態に応じて、空気過剰率および／または燃料希釈率が点火時期近傍において所望の値となるように、副燃焼室６１に対する燃料の供給量を制御する。

したがって、主燃焼室の空燃比とは関係なく、副燃焼室にて安定して着火することが可能となるとともに、副燃焼室６１から噴出されるトーチの強度を制御できるので、主燃焼室６３において、運転状態に応じた安定した燃焼が可能となる。

（２）
副室式内燃機関１は、副燃焼室６１に空気を供給する空気供給部（開閉弁３０および通路８１）を備え、運転状態に応じて、ＥＣＵ４０は、副燃焼室６１の空気過剰率および／または燃料希釈率が点火時期近傍において所望の値となるように、燃料噴射弁２７および開閉弁３０を制御して、副燃焼室６１に対する燃料および空気の供給量を制御する。

したがって、副燃焼室６１に対する燃料および空気の双方の供給によって、副燃焼室６１内の所望の燃料希釈率Ｇ／Ｆおよび空気過剰率Ａ／Ｆを精度良く得ることができる。よって、トーチ強度を精度良く設定でき、安定した燃焼が可能となる。

（３）
副室式内燃機関１において、副燃焼室６１に対する空気供給部は、吸気ポート２３と副燃焼室６１とを連通し、副燃焼室６１へ空気を導入する通路８１（第１連通路）と、開閉により通路８１を連通または遮断する開閉弁３０（第１制御弁）とを有し、ＥＣＵ４０は、所望の空気量が副燃焼室６１に供給されるように、開閉弁３０の開閉を制御する。

（４）
副室式内燃機関１は、内燃機関の負荷が増加するにつれて燃料希釈率Ｇ／Ｆが大きくなるように、空気および／または燃料の供給量を設定する。これにより、燃焼速度が低下することによって副燃焼室６１内の燃焼が緩慢となるので、圧力振動が低減する。よって、高負荷における燃焼騒音を抑制することが可能となる。

（５）
副室式内燃機関１は、内燃機関の負荷が所定のＴｅ１（第１負荷）よりも小さい極低負荷時において、空気過剰率Ａ／Ｆが量論混合比（λ＝１）より小さくなるように、空気および／または燃料の供給量を設定する。これにより、燃焼速度が増加することによって副燃焼室６１から主燃焼室６３へ噴出するトーチの強度が強められる。よって、主燃焼室６３におけるより希薄な混合気の燃焼が可能となる。

（６）
副室式内燃機関１は、内燃機関の負荷が所定のＴｅ２（第２負荷）よりも大きい部分負荷域〜高負荷域において、空気過剰率Ａ／Ｆが量論混合比（λ＝１）以上となるように、空気および／または燃料の供給量を設定する。負荷の増大とともに、副燃焼室６１内の空気過剰率Ａ／Ｆを量論混合比より大きくすることで、副燃焼室６１における燃焼は緩慢とし、副燃焼室６１より主燃焼室６３へ噴出されるトーチに含まれる高温の余剰酸素によって、主燃焼室６３内の混合気を効率よく燃焼させることが可能となる。

（７）
副室式内燃機関１は、内燃機関の機関速度が増加するにつれて燃料希釈率Ｇ／Ｆが小さくなるように、空気および／または燃料の供給量を設定する。燃焼速度が増加することによって副燃焼室６１から主燃焼室６３へ噴出するトーチの強度が強められるため、主燃焼室６３内の混合気が効率よく燃焼され、主燃焼室６３から排出される未燃燃料（ＮＯｘ等）を低減することが可能となる。

（８）
副室式内燃機関１は、内燃機関の機関速度が増加するにつれて空気過剰率Ａ／Ｆが小さくなるように、空気および／または燃料の供給量を設定する。燃焼速度が増加することによって副燃焼室６１から主燃焼室６３へ噴出するトーチの強度が強められるため、主燃焼室６３におけるより希薄な混合気の燃焼が可能となる。

（９）
副室式内燃機関１は、機関速度が所定のＮｅ１（第１速度）に達するまでの間、空気過剰率Ａ／Ｆが量論混合比（λ＝１）以上となるように、空気および／または燃料の供給量を設定する。したがって、副燃焼室６１から酸素が過剰に存在するトーチを主燃焼室６３へ噴出することで、主燃焼室６３内の未燃燃料が低減される。

（１０）
副室式内燃機関１は、前記主燃焼室にＥＧＲガスが導入されるとき、当該ＥＧＲ率に応じて、空気および／または燃料の供給量を設定する。これにより、ＥＧＲガスを大量に導入した場合でも、副燃焼室６１を安定して着火させることが可能となる。

＜第２の実施形態＞
次に、本発明の副室式内燃機関の第２の実施形態について、図５を参照して説明する。

図５は、第２の実施形態に係る副室式内燃機関２の断面図である。なお、第１の実施形態と同様の部分については、第１の実施形態と同じ符号を用いて重複説明を省略する。

図５に示す副室式内燃機関２は、副燃焼室６１内にＥＧＲガスを導入可能に構成される。なお、このＥＧＲガスは、吸気管と排気管とを内燃機関の外部で接続した、いわゆる外部ＥＧＲによるガスである。

副室式内燃機関２は、通路８２と、この通路８２上に設けられ、開度に応じてＥＧＲガスの流量を制御する流量制御弁３１とを備える。通路８２は、副燃焼室６１〜開閉弁３０間において通路８１と連通している。

ＥＣＵ４０は、開閉弁３０と流量制御弁３１とを制御することで、空気またはＥＧＲガスのいずれか、または双方を副燃焼室６１に導入することができるようになっている。また、ＥＣＵ４０は、ＥＧＲガスを副燃焼室６１に導入する場合に、そのＥＧＲガス量（ＥＧＲ率）を設定できるようになっている。

ここで、ＥＣＵ４０は、その副燃焼室６１に導入されるＥＧＲガス量（ＥＧＲ率）に応じて、空気および／または燃料の供給量を設定するようにする。すなわち、ＥＧＲ率に応じて、開閉弁３０の開閉による空気量および燃料噴射弁２７からの燃料量を制御する。

具体的には、ＥＣＵ４０は、流量制御弁３１の状態に基づいて副燃焼室６１に導入されるＥＧＲガス量を算出し、そのＥＧＲガス量を考慮しながら、目標燃焼速度が得られるような所望の燃料希釈率Ｇ／Ｆとなるように、副燃焼室６１に導入すべき燃料量および／または空気量を決定する。この燃料量、空気量は、それぞれ燃料噴射弁２７、開閉弁３０を制御することによって得られることは、第１の実施形態と同様である。

このように、第２の実施形態に係る副室式内燃機関２によれば、副燃焼室６１へＥＧＲガスを導入する通路８２（第２連通路）と、通路８２に設けられ、開度に応じてＥＧＲガスの流量を制御する流量制御弁３１（第２制御弁）とを備え、ＥＣＵ４０は、ＥＧＲ率に応じて、副燃焼室６１に対する空気および／または燃料の供給量を設定する。

したがって、ＥＧＲガスを大量に導入した場合でも、副燃焼室６１内の燃料希釈率Ｇ／Ｆおよび空気過剰率Ａ／Ｆを、機関の運転状態に応じて所望の値に設定することができ、副燃焼室６１内の混合気を安定して着火させることが可能となる。

なお、図５では、ＥＧＲガスは副燃焼室６１に直接導入される構成としたが、これに限られず、ＥＧＲガスを吸気ポート２３に導入し、圧縮行程において副燃焼室６１に導入される構成としてもよい。また、ＥＧＲガスを副燃焼室６１に直接導入する手段と、ＥＧＲガスを吸気ポート２３に導入する手段との双方を備えてもよい。

＜変形例＞
以下、上述した実施形態のいくつかの変形例について、図６〜１２を参照して説明する。

上述した各実施形態は、副燃焼室６１内の燃料希釈率Ｇ／Ｆおよび空気過剰率Ａ／Ｆを運転状態に応じた所望の値にすることで、所望のトーチ強度を得る副室式内燃機関であるが、副燃焼室６１に直接、燃料および空気を供給するものであった。しかしながら、機関の圧縮行程では、連通路６１ａを介して主燃焼室６３から混合気が副燃焼室６１に導入されるので、燃料を主燃焼室６３または吸気ポート２３に供給するようにしてもよく、また、空気を主燃焼室６３に供給するようにしてもよい。

かかる観点から、燃料および／または空気の供給形態についていくつかの変形例が考えられる。

なお、図６〜１２に記載された各変形例の副室式内燃機関に供給される「燃料」は、ガソリン燃料に限られず、天然ガス、アルコール燃料などの他の種類の燃料でも構わない。

図６〜１２に記載された各変形例の副室式内燃機関には、空気に限られず、空気および／またはＥＧＲガスが供給されるようにしてもよい。

（第１変形例）
図６は、第１変形例の副室式内燃機関の断面図を示す。

図６に示す副室式内燃機関において、燃料供給部としての燃料噴射弁３２は、主燃焼室６３内に直接燃料を供給する。

この変形例では、燃料噴射弁２８，３２を介して２種類の燃料を供給する構成しているが、１種類の燃料のみを供給する場合には、燃料噴射弁２８または燃料噴射弁３２のいずれかを設ければよい。

この変形例では、第１の実施形態で説明した効果に付随した効果として、主燃焼室６３における空燃比を制御し、かつ空気と燃料の成層化を促進することが可能となる。したがって、トーチ強度によらず、主燃焼室６３において安定した燃焼を得ることが可能となる。

（第２変形例）
図７は、第２変形例の副室式内燃機関の断面図を示す。

図７に示す副室式内燃機関において、燃料供給部としての燃料噴射弁３３は、副燃焼室６１内に直接燃料を供給する。

なお、燃料噴射弁３３は、副燃焼室６１に直接燃料を噴射するのではなく、副燃焼室６１に連通する連通路（図示せず）に噴射するようにしてもよい。

（第３変形例）
図８は、第３変形例の副室式内燃機関の断面図を示す。

図８に示す副室式内燃機関において、空気供給部としての噴射弁３４は、主燃焼室６３内に直接空気を供給する。なお、噴射弁３４は、ＥＧＲガスを噴射するＥＧＲガス供給部として機能させてもよい。

なお、空気供給部としては、第１の実施形態と類似の形態、すなわち、吸気ポート２３と主燃焼室６３とを連通する通路（図示せず）を開閉弁（図示せず）によって制御する構成でも構わない。

この変形例では、第１の実施形態で説明した効果に付随した効果として、主燃焼室６３における空燃比を制御することが可能となると同時に、筒内の流動場を制御することにより、主燃焼室６３内の成層化を促進し、さらに排気行程における筒内の掃気を効率良く行うことが可能となる。

（第４変形例）
図９は、第４変形例の副室式内燃機関の断面図を示す。

図９に示す副室式内燃機関において、空気供給部としての噴射弁３５は、副燃焼室６１内に直接空気を供給する。なお、噴射弁３５は、ＥＧＲガスを噴射するＥＧＲガス供給部として機能させてもよい。

この変形例では、第１の実施形態で説明した効果に付随した効果として、噴射弁３５によって、排気行程においては副燃焼室６１内の掃気を行い、吸気行程においては、副燃焼室６１の先端部（主燃焼室６３近傍）などの熱面着火の可能性の高い部分を冷却できるので、高負荷における運転領域の拡大を行うことが可能となる。

（第５変形例）
図１０は、第５変形例の副室式内燃機関の断面図を示す。

図１０に示す副室式内燃機関において、燃料供給部および空気供給部としての二流体噴射弁３６は、主燃焼室６３内に燃料および空気を供給する単一の噴射弁である。なお、二流体噴射弁３６は、空気の代わりにＥＧＲガスを噴射するＥＧＲガス供給部として機能させてもよい。

この変形例では、主燃焼室６３に対して燃料と空気（またはＥＧＲガス）とを独立の噴射弁によって供給する場合と比較して、全体のシステムを小型化することが可能となる。

（第６変形例）
図１１は、第６変形例の副室式内燃機関の断面図を示す。

図１１に示す副室式内燃機関において、燃料供給部および空気供給部としての二流体噴射弁３７は，副燃焼室６１内に燃料および空気を供給する単一の噴射弁である。なお、二流体噴射弁３７は、空気の代わりにＥＧＲガスを噴射するＥＧＲガス供給部として機能させてもよい。

この変形例では、副燃焼室６１に対して燃料と空気（またはＥＧＲガス）とを独立の噴射弁によって供給する場合と比較して、全体のシステムを小型化することが可能となる。

（第７変形例）
図１２は、第７変形例の副室式内燃機関の断面図を示す。

図１２に示す副室式内燃機関は、吸入した空気よりも酸素濃度が高い酸素富化空気を生成する酸素富化装置７０を含む。すなわち、第１の実施形態に係る副室式内燃機関１と比較して、空気路８１に酸素富化装置７０が追加された点で異なる。酸素富化装置７０は、吸気ポート２３から取り込まれた空気の酸素濃度を増加させた酸素富化空気を生成して、副燃焼室６１に供給する。

この変形例では、副燃焼室６１に供給された少量の酸素富化空気によって、副燃焼室６１内の空気過剰率Ａ／Ｆを大きな値にすることが可能となる。したがって、燃料希釈率Ｇ／Ｆとは独立に空気過剰率Ａ／Ｆを大きく変化させることができ、制御自由度を高めることができる。たとえば、燃料希釈率Ｇ／Ｆが大きい場合においても、副燃焼室６１内の燃焼を安定して行うことが可能となる。

なお、酸素富化装置７０を設ける位置は、図１２に例示した位置に限られず、吸気ポート２３に設けてもよい。

第１の実施形態に係る副室式内燃機関の断面図。 運転状態に応じた目標層流燃焼速度を示す図。 燃焼速度と、空気過剰率および燃料希釈率との相関関係を示す図。 運転状態に応じた空気過剰率および燃料希釈率の目標値を示す図。 第２の実施形態に係る副室式内燃機関の断面図。 第１変形例の副室式内燃機関の断面図。 第２変形例の副室式内燃機関の断面図。 第３変形例の副室式内燃機関の断面図。 第４変形例の副室式内燃機関の断面図。 第５変形例の副室式内燃機関の断面図。 第６変形例の副室式内燃機関の断面図。 第７変形例の副室式内燃機関の断面図。

符号の説明

１，２ 副室式内燃機関
２７，２８ 燃料噴射弁（燃料供給部）
３０ 開閉弁（空気供給部）
２９ 点火プラグ（点火部）
４０ ＥＣＵ（制御部）
６１ 副燃焼室
６３ 主燃焼室

Claims (19)

1. 主燃焼室と、
   前記主燃焼室と隣接し、主燃焼室と連通して設けられた副燃焼室と、
   前記主燃焼室および／または前記副燃焼室に燃料を供給する燃料供給部と、
   前記副燃焼室内に設けられ、副燃焼室内の混合気を点火する点火部と、
   運転状態に応じて、前記副燃焼室内の空気過剰率および／または燃料希釈率が前記点火部による点火時期近傍において所望の値となるように、前記燃料供給部による燃料の供給量を制御する制御部と、
   を備えた副室式内燃機関。
2. 前記主燃焼室および／または前記副燃焼室に空気を供給する空気供給部、を備え、
   前記制御部は、運転状態に応じて、前記副燃焼室内の空気過剰率および／または燃料希釈率が前記点火部による点火時期近傍において所望の値となるように、前記燃料供給部および前記空気供給部による燃料および空気の供給量を制御する
   請求項１記載の副室式内燃機関。
3. 前記空気供給部は、
   吸気ポートと前記副燃焼室とを連通し、副燃焼室へ空気を導入する第１連通路と、
   開閉により前記第１連通路を連通または遮断する第１制御弁と、を有し、
   前記制御部は、所望の空気量が前記副燃焼室に供給されるように、前記第１制御弁の開閉を制御する
   請求項２記載の副室式内燃機関。
4. 前記制御部は、内燃機関の負荷が増加するにつれて前記燃料希釈率が大きくなるように、空気および／または燃料の供給量を設定する
   請求項１〜３のいずれかに記載の副室式内燃機関。
5. 前記制御部は、内燃機関の負荷が所定の第１負荷よりも小さいときに、前記空気過剰率が量論混合比より小さくなるように、空気および／または燃料の供給量を設定する
   請求項１〜３のいずれかに記載の副室式内燃機関。
6. 前記制御部は、内燃機関の負荷が所定の第２負荷よりも大きいときに、前記空気過剰率が量論混合比以上となるように、空気および／または燃料の供給量を設定する
   請求項１〜３のいずれかに記載の副室式内燃機関。
7. 前記制御部は、内燃機関の機関速度が増加するにつれて前記燃料希釈率が小さくなるように、空気および／または燃料の供給量を設定する
   請求項１〜６のいずれかに記載の副室式内燃機関。
8. 前記制御部は、内燃機関の機関速度が増加するにつれて前記空気過剰率が小さくなるように、空気および／または燃料の供給量を設定する
   請求項１〜６のいずれかに記載の副室式内燃機関。
9. 前記制御部は、内燃機関の機関速度が所定の第１速度に達するまでの間、前記空気過剰率が量論混合比以上となるように、空気および／または燃料の供給量を設定する
   請求項１〜６のいずれかに記載の副室式内燃機関。
   
   
10. 前記制御部は、前記主燃焼室にＥＧＲガスが導入されるとき、そのＥＧＲガス量に応じて、空気および／または燃料の供給量を設定する
    請求項１〜３のいずれかに記載の副室式内燃機関。
11. 副燃焼室へＥＧＲガスを導入する第２連通路と、
    前記第２連通路に設けられ、開度に応じて前記ＥＧＲガスの流量を制御する第２制御弁と、を備え、
    前記制御部は、前記ＥＧＲガス量に応じて、空気および／または燃料の供給量を設定する
    請求項１〜１０のいずれかに記載の副室式内燃機関。
12. 前記燃料供給部は、前記主燃焼室内に直接燃料を供給する
    請求項１〜１１のいずれかに記載の副室式内燃機関。
13. 前記燃料供給部は、前記副燃焼室内に直接燃料を供給する
    請求項１〜１１のいずれかに記載の副室式内燃機関。
14. 前記空気供給部は、前記主燃焼室内に直接空気を供給する
    請求項２〜１１のいずれかに記載の副室式内燃機関。
15. 前記空気供給部は、前記副燃焼室内に直接空気を供給する
    請求項２〜１１のいずれかに記載の副室式内燃機関。
16. 前記燃料供給部および前記空気供給部は、前記主燃焼室内に燃料および空気を供給する単一の噴射弁である
    請求項２〜１１のいずれかに記載の副室式内燃機関。
17. 前記燃料供給部および前記空気供給部は，前記副燃焼室内に燃料および空気を供給する単一の噴射弁である
    請求項２〜１１のいずれかに記載の副室式内燃機関。
18. 前記空気供給部は、吸入した空気よりも酸素濃度が高い酸素富化空気を生成する酸素富化装置を含む
    請求項２〜１１のいずれかに記載の副室式内燃機関。
19. ＥＧＲガスを前記主燃焼室または前記副燃焼室に供給するＥＧＲガス供給部を備えた
    請求項１２〜１８のいずれかに記載の副室式内燃機関。
    

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