JP2008138548A - 予混合圧縮着火機関 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成により、火花点火燃焼から圧縮着火燃焼への切換期間において過早着火やノッキングの発生を抑制でき、且つ、圧縮着火燃焼から火花点火燃焼への切換期間において失火の発生を抑制できる予混合圧縮着火機関を提供する。
【解決手段】複数の吸気ポートには、スワールポートと、タンブルポートと、が含まれる。ＥＣＵは、吸気ポート開閉バルブ及びスロットルを制御する。火花点火燃焼から圧縮着火燃焼への切換期間である第１切換期間においては、ＥＣＵは、スワールポートのみから吸気を供給するように吸気ポート開閉バルブを制御し、圧縮着火燃焼から火花点火燃焼への切換期間である第２切換期間においては、ＥＣＵは、少なくともタンブルポートから吸気を供給するように吸気ポート開閉バルブを制御する。
【選択図】図８

Description

本発明は、火花点火燃焼と圧縮着火燃焼とを切り換えて運転を行なう予混合圧縮着火機関に関する。

火花点火燃焼（ＳＩ、Spark Ignition）と圧縮着火燃焼（ＨＣＣＩ、Homogeneous Charge Compression Ignition）とを切り換えて運転を行なう予混合圧縮着火機関の一例として、特許文献１に開示されているようなものがある。特許文献１には、可変圧縮比機構を備え、圧縮着火燃焼時には高圧縮比、火花点火燃焼時には低圧縮比で運転する内燃機関が開示されている。圧縮着火燃焼時の圧縮比は、火花点火燃焼時よりも高める必要があるので、特許文献１の技術では、圧縮火燃焼から火花点火燃焼への切換期間において、吸気弁閉時期を遅角側に補正することで、切換期間における中間の圧縮比において有効圧縮比を低下させることにより、速やかに圧縮着火燃焼を終了させて、火花点火燃焼へとスムーズに移行させている。
特開２００３−１９３８７２号公報

上記の特許文献１に開示されているような可変圧縮比機構は、圧縮着火燃焼から火花点火燃焼への切換をスムーズにするものではあるが、その構成は複雑であり、機関の製作には膨大なコストがかかる。また、機関の重量が大きくなるという問題をも有している。

また、火花点火燃焼から圧縮着火燃焼への切換については、火花点火燃焼の定常運転時における筒内ガス温度の方が圧縮着火燃焼時の定常運転時における筒内ガス温度よりも高い。そのため、火花点火燃焼時における筒内壁面等の温度が高く、火花点火燃焼から圧縮着火燃焼への切換期間において、過早着火やノッキングが発生するという問題がある。一方で、圧縮着火燃焼から火花点火燃焼への切換については、圧縮着火燃焼の定常運転時における筒内ガス温度の方が火花点火燃焼時の定常運転時における筒内ガス温度よりも低い。そのため、圧縮着火燃焼時における筒内壁面等の温度が低く、圧縮着火燃焼から火花点火燃焼への切換期間において失火が発生するという問題がある。特許文献１の技術においては、火花点火燃焼と圧縮着火燃焼との切換期間に生じる問題に関して、このような筒内ガス温度に着目した対策は講じられていない。

そこで、本発明の目的は、簡易な構成により、火花点火燃焼から圧縮着火燃焼への切換期間において過早着火やノッキングの発生を抑制でき、且つ、圧縮着火燃焼から火花点火燃焼への切換期間において失火の発生を抑制できる予混合圧縮着火機関を提供することである。

課題を解決するための手段及び効果

上記の目的を達成するために、本発明の予混合圧縮着火機関は、燃焼室を有し、火花点火燃焼と圧縮着火燃焼とを切り換えて運転を行なう予混合圧縮着火機関において、一気筒ごとに、前記燃焼室へ連通する複数の吸気ポートを有し、前記複数の吸気ポートには、スワールポートである少なくとも一つの第１ポートと、非専用スワールポートである少なくとも一つの第２ポートと、が含まれ、少なくとも前記第２ポートを開閉する吸気ポート開閉手段と、前記吸気ポート開閉手段を制御する制御手段と、を有している。そして、火花点火燃焼から圧縮着火燃焼への切換期間である第１切換期間においては、前記制御手段は、前記第２ポートを閉じて前記第１ポートのみから吸気を供給するように前記吸気ポート開閉手段を制御し、圧縮着火燃焼から火花点火燃焼への切換期間である第２切換期間においては、前記制御手段は、少なくとも前記第２ポートから吸気を供給するように前記吸気ポート開閉手段を制御する。

この構成によると、第１切換期間において、新気の流動によってスワール（ボア平面に平行な渦）のみが発生し、燃焼室内の冷却（熱交換）が効率的に行なわれるので、過早着火、ノッキングを防止して圧縮着火燃焼へスムーズに切り換えることができる。また、第２切換期間において、非専用スワールポートである第２ポートが必ず選択されるために燃焼室内が過度に冷却されない（燃焼が緩慢化されない）。そのため、火花点火燃焼へスムーズに切り換えることができる。以上により、簡易な構成により、火花点火燃焼から圧縮着火燃焼への切換期間において過早着火やノッキングの発生を抑制でき、且つ、圧縮着火燃焼から火花点火燃焼への切換期間において失火の発生を抑制できる予混合圧縮着火機関が得られる。

ここで、第１ポートとは、燃焼室にスワールを発生させるために渦巻通路状に形成された吸気ポートや、燃焼室の壁面の近くに配置された供給口から燃焼室の壁面に沿う方向に吸気を供給することで燃焼室にスワールを発生させるような吸気ポートなど、積極的に強いスワールを発生させるための吸気ポートのことを意味する。また、第２ポートとは、タンブルポートやストレートポート（積極的にスワールを発生させるような位置に配置されたものは除く）など、スワールが発生しない、若しくは、多少のスワール流が発生したとしても、積極的に強いスワールを発生させることのない（スワール以外の吸気流をも発生させる）非専用スワールポートとして用いられる吸気ポートのことを意味している。

前記制御手段は、前記第１切換期間においては、前記燃焼室内の温度が、圧縮着火燃焼の定常運転時の温度になるまで前記吸気ポート開閉手段を制御してもよい。これによると、第１切換期間において、切換が完了するまで継続して制御が行なわれることにより、圧縮着火燃焼への切り換えが、確実且つスムーズに行なわれる。

前記燃焼室へ吸入される吸気量を調整する吸気量調整手段をさらに有し、前記第２切換期間においては、前記制御手段は、圧縮着火燃焼から火花点火燃焼への切換期間前よりも切換期間の方が前記吸気量が減少するように前記吸気量調整手段を制御してもよい。これによると、吸気量調整手段を調整することで、第２切換期間における燃焼室への吸気量を低減できる。

前記制御手段は、前記第２切換期間においては、前記吸気量が火花点火燃焼の定常運転時の量になるまで前記吸気ポート開閉手段及び前記吸気量調整手段を制御してもよい。これによると、第２切換期間において、切換が完了するまで継続して制御が行なわれることにより、火花点火燃焼への切り換えが、確実且つスムーズに行なわれる。

前記吸気量調整手段は、スロットルであってもよい。これによると、簡易な構成により、燃焼室への吸気量を減少できる。

前記制御手段は、前記第２切換期間においては、圧縮着火燃焼から火花点火燃焼への切換期間前よりも切換期間の方が前記吸気量が減少するように前記吸気ポート開閉手段を制御してもよい。圧縮着火燃焼時には、火花点火燃焼時よりも空燃比が大きい状態、すなわち、燃焼室内がリーンの状態において、良好な燃費及び熱効率が得られる。そのため、圧縮着火燃焼の定常運転時には、燃焼室内が火花点火燃焼の定常運転時よりもリーンの状態となっており、圧縮着火燃焼から火花点火燃焼への切換時には、吸気量の低減等により、燃焼室内の空燃比を、圧縮着火燃焼の定常運転時の空燃比から、火花点火燃焼の定常運転時の空燃比へと低減する必要がある。そこで、このような構成とすることにより、第２切換期間において、吸気量が減少するので空燃比を速やかに低減でき、圧縮着火燃焼から火花点火燃焼へスムーズに切り換えることができる。

前記制御手段は、前記第２切換期間において開いている前記吸気ポートの数の方が、圧縮着火燃焼から火花点火燃焼への切換期間前において開いている前記吸気ポートの数よりも少なくなるように前記吸気ポート開閉手段を制御することで、前記吸気量を減少させてもよい。

上記のように、圧縮着火燃焼から火花点火燃焼への切換時には、燃焼室内の空燃比を、圧縮着火燃焼の定常運転時の空燃比から、火花点火燃焼の定常運転時の空燃比へと低減する必要がある。上記の特許文献１の技術においては、圧縮火燃焼から火花点火燃焼への切換期間において、吸気弁閉時期を遅角側に補正することで、切換期間における中間の圧縮比において有効圧縮比を低下させることにより、速やかに圧縮着火燃焼を終了させて、火花点火燃焼へとスムーズに移行させている。しかし、特許文献１の技術に用いられるような可変圧縮比機構は、圧縮着火燃焼から火花点火燃焼への切換をスムーズにするものではあるが、その構成は複雑であり、機関の製作には膨大なコストがかかる。また、機関の重量が大きくなるという問題をも有している。

そこで、可変圧縮比機構を使用しない場合、運転状態をスムーズに切り換えるために、例えば、上記のスロットル開度の制御のみを行なうことが考えられる。上記のように、圧縮着火燃焼から火花点火燃焼への切換時には、吸気量を低減することで、圧縮着火燃焼の定常運転時の空燃比から、火花点火燃焼の定常運転時の空燃比へと速やかに低減されることが望ましい。しかしながら、燃焼室への吸気量を調整するスロットルの動作遅れ（応答遅れ）があるために、スロットル開度の制御のみによって、空燃比を速やかに低減するのは困難である。そこで、このような構成とすることにより、第２切換期間において、吸気ポートの数を減らすことにより簡易な構成で吸気量を減少できる。そのため、第２切換期間において、簡易な構成により、空燃比を速やかに低減して火花点火燃焼へスムーズに切り換えることができる。以上から、簡易な構成により、火花点火燃焼から圧縮着火燃焼への切換期間において過早着火やノッキングの発生を抑制でき、且つ、圧縮着火燃焼から火花点火燃焼への切換期間においてトルク増加や失火の発生を抑制できる。

前記第１ポートは、通路が渦巻状に形成されることで前記燃焼室にスワールを発生させるスワールポートであってもよい。これによると、確実にスワールを発生させることができる。

前記第２ポートは、ピストンストローク方向の吸気流又は前記第１ポートよりも少量のスワールを発生させてもよい。これによると、第２切換期間において、簡易な構成より、燃焼室内の過度の冷却を防止できる。ここで、「少量のスワール」とは、スワール成分が少ない吸気流を意味する。

前記第２ポートは、ピストンストローク方向に吸気を供給するタンブルポートであってもよい。これによると、第２切換期間において、簡易な構成より、燃焼室内の過度の冷却をより確実に防止できる。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

（全体構成）
まず、図１を参照しながら、本発明の一実施形態に係る予混合圧縮着火機関の全体構成について説明する。図１は、本発明に係る予混合圧縮着火機関の一気筒を示す上面視概略図である。図１は概略図であり、例えば、点火プラグ（後述）、吸排気弁（後述）等は省略して示している。

予混合圧縮着火機関１は、燃焼室３を有し、運転条件（負荷及び機関回転数）に応じて、火花点火燃焼と圧縮着火燃焼とを適宜切り換えて運転を行なうものである。このように、運転条件に応じて圧縮着火燃焼と火花点火燃焼とを切り換えることで、圧縮着火燃焼による低燃費と火花点火燃焼による高出力とを両立させることができる。

そして、予混合圧縮着火機関１は、図１に示すように、一気筒ごとに、燃焼室３へ連通する二つの吸気ポート１０ｐ、１１ｐ、二つの排気ポート３０ｐ、３１ｐ、スロットル１３を有している。本実施形態においては、燃焼室３へ連通する吸気ポートの数は二つであるが、これは複数であればよいので、三つ以上であってもよい。そして、吸気ポート１０ｐ、１１ｐを通過した吸気は、開口部１０ａ、１１ａから燃焼室１０へ取り込まれ、燃焼室１０からの排気は、開口部３０ａ、３１ａから排気ポート３０ｐ、３１ｐへと排出される。また、二本の吸気ポート１０ｐ、１１ｐは、一本の上流側吸気ポート５０ｐから分岐したものであり、二本の排気ポート３０ｐ、３１ｐは、一本の下流側排気ポート４０ｐへと連続している。スロットル（吸気量調整手段）１３は、燃焼室３へ吸入される吸気量を調整するものであり、上流側吸気ポート５０ｐの途中に設けられている。ここで、本実施形態においては、吸気量調整手段をスロットル１３としているが、当該吸気量調整手段はスロットルでなくてもよい。また、予混合圧縮着火機関１はＥＣＵ９０（Electronic Control Unit、制御手段に相当）を有しており、ＥＣＵ９０は、スロットル１３や吸排気弁等の動作を制御する。

（吸気ポート）
次に、図２、３を参照しつつ、吸気ポートの詳細について説明する。詳細は後述するが、吸気ポートには、上記のように吸気ポート１０ｐと吸気ポート１１ｐとが含まれ、吸気ポート１０ｐはスワールポート（第１ポート）であり、吸気ポート１１ｐはタンブルポート（第２ポート）である。本実施形態では、スワールポート（第１ポート）、タンブルポート（第２ポート）が一本ずつ設けられているが、これらは少なくとも一本ずつあれば、上記のように、これ以上の本数で設けられていてもよい。例えば、スワールポート２本、タンブルポート１本であってもよく、スワールポート１本、タンブルポート２本であってもよい。そして、二つの吸気ポート１０ｐ、１１ｐ（スワールポート１０ｐ、タンブルポート１１ｐ）を開閉することで切り換える（どちらか一方、又は両方を選択する）吸気ポート開閉バルブ（吸気ポート開閉手段）１２が、スワールポート１０ｐ、タンブルポート１１ｐの分岐部分に設けられている。

（吸気ポートの切り換えについて）
吸気ポート開閉バルブ１２は、回転可能に設置された軸部１２ｃと、軸部１２ｃの回転に連動して回転するバルブ部１２ｖとを有しており、上記のＥＣＵ９０に制御されることで、少なくともタンブルポート（第２ポート）１１ｐを開閉するものであり、図１、図２、図３に示すように動作する。ここで、図２はスワールポート１０ｐのみを使用している状態を示す上面視概略図、図３はタンブルポート１１ｐのみを使用している状態を示す上面視概略図である。図１の状態では、吸気ポート開閉バルブ１２のバルブ部１２ｖが中央に配置された状態となっており、吸気は、スワールポート１０ｐ、タンブルポート１１ｐの両方を通って燃焼室３へと取り込まれる。また、図２の状態では、バルブ部１２ｖが、タンブルポート１１ｐを遮断するように（タンブルポート１１ｐの蓋となるように）配置された状態となっており、吸気は、スワールポート１０ｐのみを通って燃焼室３へと取り込まれる。また、また、図３の状態では、バルブ部１２ｖが、スワールポート１０ｐを遮断するように（スワールポート１０ｐを遮断するように）配置された状態となっており、吸気は、タンブルポート１１ｐのみを通って燃焼室３へと取り込まれる。そして、これら図１、図２、図３の状態が、後述するように、運転状態に応じてＥＣＵ９０の制御により適宜選択される。

本実施形態においては、吸気ポート開閉手段はこのように構成されているが、吸気ポート開閉手段は、少なくともタンブルポート（第２ポート）１１ｐを開閉するものであれば、これ以外の構成を有するものであってもよく、例えば、各吸気ポートにつき一つの蓋部が設けられ、それぞれがＥＣＵ９０により制御されることで各吸気ポートを開閉し、使用される吸気ポートを切り換えるようなものであってもよい。

（スワールポートについて）
次に、図２、４を参照しながら、スワールポート（第１ポート）１０ｐについてより具体的に説明する。図４は、図２の予混合圧縮着火機関１のＡ−Ａ’矢視側面概略図である。図４に示すように、予混合圧縮着火機関１は吸気弁１０ｖ、排気弁３０ｖ、火花点火燃焼に用いられる点火プラグ２ｐ、を有している。なお、図４は、吸気弁１０ｖが開き、排気弁３０ｖが閉じた状態を示している。

スワールポート１０ｐは、通路が渦巻状に形成されることで燃焼室３にスワールを発生させるものであり、燃焼室３の壁面に対する接線方向（例として、図２の壁面上の点Ｃ及び点Ｃにおける接線方向を参照）に吸気（新気）を供給することで、（後述するタンブルポートとの比較において）積極的に強いスワールを発生させる。発生するスワールは、ボア平面にほぼ平行な渦であり、図２、図４のように、燃焼室３の壁面（ボア壁）に沿って流動するものである。そのため、図２の１０Ｌ（破線部参照）のような軌道に沿って、燃焼室３の内部を流動する。その結果、流動が無い場合に比べて燃焼室３内の冷却（熱交換）が効率的に行なわれる（冷却効率が高い）。ここで、軌道１０Ｌは一例を示したものであり、スワールの流動軌道はこのようなものには限られない。

タンブルであってもボア壁面、ピストン上面、シリンダヘッド下面によって吸気は冷却されるが、ボア壁面を冷却する冷却通路には、比較的多量の冷却水が流れており、且つ、スワールはボア壁面に広い面積で接触することから、スワールの方がタンブルよりも吸気が冷却される。

（タンブルポートについて）
次に、図３、５を参照しながら、タンブルポート（第２ポート）１１ｐについてより具体的に説明する。図５は、図３の予混合圧縮着火機関１のＢ−Ｂ’矢視側面概略図である。図５に示すように、予混合圧縮着火機関１は、点火プラグ２ｐ、吸気弁１１ｖ、排気弁３１ｖを有している。なお、図５は、吸気弁１１ｖが開き、排気弁３１ｖが閉じた状態を示している。

タンブルポート１１ｐは、燃焼室３に対して、燃焼室３の壁面を横切る方向に吸気を供給し、且つ、ピストンストローク方向に吸気（新気）を供給するものである。その結果、燃焼室３にはタンブルが発生する。発生するタンブルは、ピストンストロークにほぼ平行な渦（縦渦）であり、図３、図５のように、燃焼室３の壁面（ボア壁）に沿って流動することはなく、上面視における中心部付近に直線的に供給される。そのため、燃焼室３に供給された吸気は、拡散移動することなくある範囲に留まる。また、本実施形態では、第２ポートをタンブルポートとしているが、非専用スワールポート（スワール以外の吸気流をも発生させる吸気ポート）であればよいため、タンブルポートでなくてもよく、例えば、直線状の吸気を供給するストレートポートであってもよい。すなわち、第２ポートは、タンブルポートやストレートポート（積極的にスワールを発生させるような位置に配置されたものは除く）など、スワールが発生しない、若しくは、多少のスワール流が発生したとしても、積極的に強いスワールを発生させることのない（スワール以外の吸気流をも発生させる）非専用スワールポートとして用いられるものであればよい。

（動作について）
次に、上記のように構成された予混合圧縮着火機関１の動作について、図６〜８を用いつつ説明する。図６は、第１切換期間付近における、予混合圧縮着火機関１の燃焼室温度のグラフである。図７は、第２切換期間付近における、予混合圧縮着火機関１の燃焼室温度のグラフである。図８は、第２切換期間付近における、予混合圧縮着火機関１の燃焼室３の空燃比を表わすグラフである。図６〜８のグラフにおいて、横軸は燃焼サイクル数を示している。

（定常運転状態）
まず、ＥＣＵ９０は、火花点火燃焼及び圧縮着火燃焼の定常運転状態においては、吸気ポートとしてスワールポート１０ｐ及びタンブルポート１１ｐの両方を選択するように、吸気ポート開閉バルブ１２を制御する。

（第１切換期間）
本実施形態において、火花点火燃焼から圧縮着火燃焼への切換期間を第１切換期間とする（図６参照）。第１切換期間においては、ＥＣＵ９０は、タンブルポート１１ｐを閉じて、スワールポート１０ｐのみから吸気を供給するように、吸気ポート開閉バルブ１２を制御する（図２、４参照）。

図６に示すように、火花点火燃焼（ＳＩ）の定常運転時の燃焼室３の温度（ＳＩ要求温度）は、圧縮着火燃焼（ＨＣＣＩ）の定常運転時の温度（ＨＣＣＩ要求温度）よりも高い。そして、第１切換期間において、もしスワールポート１０ｐ及びタンブルポート１１ｐの両方が吸気ポートとして選択されていたら（図１の状態）、燃焼室３の温度は、図の破線のようになる。このように、第１切換期間において、速やかに温度が低下しない場合、過早着火やノッキングが発生するため、圧縮着火燃焼への切換がスムーズではない。そこで、本発明に係る予混合圧縮着火機関１では、第１切換期間において、吸気ポートとしてスワールポート１０ｐのみが選択されて（図２、４参照）燃焼室３内が効率的に冷却されるため、燃焼室３内の温度が、図６の実線部のように、圧縮着火燃焼の定常運転時の温度にまで速やかに低下する。その結果、過早着火、ノッキングの発生を抑制できるので、圧縮着火燃焼へスムーズに切り換えることができる。

より詳細には、上流側吸気ポート５０ｐを通る吸気が、スワールポート１０ｐ及びタンブルポート１１ｐの両方を通過する場合には、スワールポート１０ｐのみが使用される場合に比べて、一部はタンブルポート１１ｐをも通過していることで、その冷却効率が低下してしまう。そこで、スワールポート１０ｐのみを使用することで、効率的に燃焼室３が冷却される。

また、ＥＣＵ９０は、第１切換期間においては、燃焼室３内の温度が、圧縮着火燃焼の定常運転時の温度になるまで吸気ポート開閉バルブ１２を制御する。そのため、第１切換期間において、切換が完了するまで継続して制御が行なわれることにより、圧縮着火燃焼への切り換えが、確実且つスムーズに行なわれる。

本実施形態では、上記のように、燃焼室３へ連通する吸気ポートの数が二本であるが、ここで、例えば、スワールポートが二本、タンブルポートが一本、という構成の場合には、火花着火燃焼の定常運転状態において、これら三本のポート全てが使用され、第１切換期間においては、スワールポート一本、又は、二本が選択されればよい。第１切換期間において、タンブルポートが選択されることはない。

（第２切換期間）
本実施形態において、圧縮着火燃焼から火花点火燃焼への切換期間を第２切換期間とする（図７、８参照）。第２切換期間においては、ＥＣＵ９０は、タンブルポート１１ｐから吸気を供給するように吸気ポート開閉バルブ１２を制御する（図３、５参照）。少なくともタンブルポート１１ｐが選択されることにより、第２切換期間においては、（スワールポート１０ｐのみを使用する場合に比べて）新気の流動によって燃焼室が過度に冷却されることがない。

また、ＥＣＵ９０は、第２切換期間においては、圧縮着火燃焼から火花点火燃焼への切換期間前よりも切換期間の方が吸気量が減少するように吸気ポート開閉バルブ１２を制御する。具体的には、第２切換期間において開いている吸気ポートの数（タンブルポート１１ｐのみ。すなわち一本）の方が、圧縮着火燃焼から火花点火燃焼への切換期間前において開いている吸気ポートの数（スワールポート１０ｐ及びタンブルポート１１ｐ。すなわち二本）よりも少なくなるように吸気ポート開閉バルブ１２を制御することで、吸気量を減少させる。

また、ＥＣＵ９０は、第２切換期間において、吸気量が圧縮着火燃焼の圧縮着火燃焼から火花点火燃焼への切換前よりも切換期間の方が減少するようにスロットル１３を制御する。

本実施形態の第２切換期間においては、ＥＣＵ９０は上記のような制御を行なうが、吸気ポート数が３本以上である場合には、上記のような制御でなくてもよい。具体的には、ＥＣＵ９０は、第２切換期間において開いている吸気ポートの数の方が、圧縮着火燃焼から火花点火燃焼への切換期間前において開いている吸気ポートの数よりも少なくなるように吸気ポート開閉バルブ１２を制御していればよい。これは、第２切換期間において、吸気量を減少させるためである。本実施形態では、吸気ポートの数が二本であり、第２切換期間において開いている吸気ポートの数（タンブルポート１１ｐのみ。すなわち一本）の方が、圧縮着火燃焼から火花点火燃焼への切換期間前において開いている吸気ポートの数（スワールポート１０ｐ及びタンブルポート１１ｐ。すなわち二本）よりも少なくなるように、吸気ポート開閉バルブ１２が制御されている。しかし、例えば、スワールポートが二本、タンブルポートが一本、という構成の場合には、圧縮着火燃焼の定常運転状態において、これら三本のポート全てが使用され、第２切換期間においては、吸気ポートとしてタンブルポート一本、又は、タンブルポート一本及びスワールポート一本（合計二本）が選択されればよい（圧縮着火燃焼の定常運転時には三本、圧縮着火燃焼から火花点火燃焼への切換期間前においては一本又は二本）。すなわち、第２切換期間においては、少なくともタンブルポートからは吸気が供給されるように制御される。

図７に示すように、火花点火燃焼（ＳＩ）の定常運転時の燃焼室３の温度は、圧縮着火燃焼（ＨＣＣＩ）の定常運転時の温度よりも高い。そして、第２切換期間において、もしスワールポート１０ｐから吸気が供給されるように吸気ポート開閉バルブ１２が制御されていたら（図１又は図２の状態）、燃焼室３の温度は、図の破線のようになる。このように、第２切換期間において、速やかに温度が上昇しない場合、失火が発生することもあり、火花点火燃焼への切換がスムーズではない。そこで、本発明に係る予混合圧縮着火機関１では、第２切換期間において、タンブルポート１１ｐのみから吸気を供給するように吸気ポート開閉バルブ１２が制御され（図３、５参照）、スワールポート１０ｐが選択された場合に比べて燃焼室３内が冷却されないため、燃焼室３内の温度が、図７の実線部のように、火花点火燃焼の定常運転時の温度にまで速やかに上昇する。そのため、失火の発生を抑制でき、火花点火燃焼へスムーズに切り換えることができる。

また、図８に示すように、火花点火燃焼（ＳＩ）の定常運転時の燃焼室３の空燃比は、圧縮着火燃焼（ＨＣＣＩ）の定常運転時の空燃比よりも低い。そして、第２切換期間において、もしスワールポート１０ｐ及びタンブルポート１１ｐの両方から吸気を供給するように吸気ポート開閉バルブ１２が制御されており（図１の状態）、且つ、スロットルの制御のみによって吸気量を変化させる場合には、燃焼室３の空燃比は、上記のスロットルの動作遅れの問題もあるため、図の破線のようになり、空燃比は速やかに低下しない。このように、第２切換期間において、速やかに空燃比が低下しない場合、トルク増加やリーン化による失火が発生し得る。そこで、本発明に係る予混合圧縮着火機関１では、第２切換期間において、吸気量が圧縮着火燃焼の定常運転時よりも減少するようにスロットル１３が制御され、且つ、タンブルポート１１ｐのみから吸気を供給するように吸気ポート開閉バルブ１２が制御され（図３、５参照）、圧縮着火燃焼から火花点火燃焼への切換期間前における、スワールポート１０ｐ、タンブルポート１１ｐの両方が選択されている状態に比べて吸気ポート数が減少する（二本から一本へ）。このような制御により、吸気ポート数の減少が、スロットル１３の動作遅れを補うので、燃焼室３内への吸気量が速やかに減少して、燃焼室３内の空燃比が、図７の実線部のように、火花点火燃焼の定常運転時の空燃比にまで速やかに低下する。そのため、第２切換期間においてトルク増加や失火の発生を抑制できる。

また、ＥＣＵ９０は、第２切換期間においては、吸気量が火花点火燃焼の定常運転時の量になるまで吸気ポート開閉バルブ１２及びスロットル１３を制御する。そのため、第２切換期間において、切換が完了するまで継続して制御が行なわれることにより、火花点火燃焼への切り換えが、確実且つスムーズに行なわれる。

本発明に係る予混合圧縮着火機関１は以上のように構成されるので、第１切換期間において、低温の新気によってスワールのみが発生し、燃焼室３内の冷却（熱交換）が効率的に行なわれるので、過早着火、ノッキングを防止して圧縮着火燃焼へスムーズに切り換えることができる。また、第２切換期間において、タンブルポート（第２ポート）１１ｐが必ず選択されるために、スワールポート１０ｐのみが選択された場合に比べて燃焼室３内が過度に冷却されない（燃焼が緩慢化されない）。そのため、火花点火燃焼へスムーズに切り換えることができる。以上により、簡易な構成により、火花点火燃焼から圧縮着火燃焼への切換期間において過早着火やノッキングの発生を抑制でき、且つ、圧縮着火燃焼から火花点火燃焼への切換期間において失火の発生を抑制できる予混合圧縮着火機関が得られる。

また、ＥＣＵ９０は、第１切換期間においては、燃焼室３内の温度が、圧縮着火燃焼の定常運転時の温度になるまで吸気ポート開閉バルブ１２を制御するので、第１切換期間において、切換が完了するまで継続して制御が行なわれることにより、圧縮着火燃焼への切り換えが、確実且つスムーズに行なわれる。

燃焼室３へ吸入される吸気量を調整する吸気量調整手段（スロットル１３）を有し、第２切換期間においては、ＥＣＵ９０は、圧縮着火燃焼から火花点火燃焼への切換期間前よりも切換期間の方が吸気量が減少するように吸気量調整手段（スロットル１３）を制御するため、吸気量調整手段（スロットル１３）を調整することで、第２切換期間における燃焼室３への吸気量を低減できる。

また、ＥＣＵ９０が、第２切換期間においては、吸気量が火花点火燃焼の定常運転時の量になるまで吸気ポート開閉バルブ１２及びスロットル１３を制御するので、第２切換期間において、切換が完了するまで継続して制御が行なわれることにより、火花点火燃焼への切り換えが、確実且つスムーズに行なわれる。

また、吸気量調整手段は、スロットル１３であるため、簡易な構成により、燃焼室３への吸気量を減少できる。

また、ＥＣＵ９０は、第２切換期間においては、圧縮着火燃焼から火花点火燃焼への切換期間前よりも切換期間の方が前記吸気量が減少するように吸気ポート開閉バルブ１２を制御してもよい。圧縮着火燃焼時には、火花点火燃焼時よりも空燃比が大きい状態、すなわち、燃焼室３内がリーンの状態において、良好な燃費及び熱効率が得られる。そのため、圧縮着火燃焼の定常運転時には、燃焼室３内が火花点火燃焼の定常運転時よりもリーンの状態となっており、圧縮着火燃焼から火花点火燃焼への切換時には、吸気量の低減等により、燃焼室３内の空燃比を、圧縮着火燃焼の定常運転時の空燃比から、火花点火燃焼の定常運転時の空燃比へと低減する必要がある。そこで、このような構成とすることにより、第２切換期間において、吸気量が減少するので空燃比を速やかに低減でき、圧縮着火燃焼から火花点火燃焼へスムーズに切り換えることができる。

また、具体的には、ＥＣＵ９０は、第２切換期間において開いている吸気ポートの数の方が、圧縮着火燃焼から火花点火燃焼への切換期間前において開いている吸気ポートの数よりも少なくなるように吸気ポート開閉バルブ１２を制御することで、吸気量を減少させている。特許文献１のような可変圧縮比機構を使用しない場合、運転状態をスムーズに切り換えるために、例えば、スロットル１３の開度の制御のみを行なう場合、スロットル１３の動作遅れ（応答遅れ）があるために、スロットル１３開度の制御のみによって、空燃比を速やかに低減するのは困難である。そこで、このような構成とすることにより、第２切換期間において、吸気ポートの数を減らすことにより簡易な構成で吸気量を減少できる。そのため、第２切換期間において、簡易な構成により、空燃比を速やかに低減して火花点火燃焼へスムーズに切り換えることができる。以上から、簡易な構成により、火花点火燃焼から圧縮着火燃焼への切換期間において過早着火やノッキングの発生を抑制でき、且つ、圧縮着火燃焼から火花点火燃焼への切換期間においてトルク増加や失火の発生を抑制できる。

また、第１ポートは、通路が渦巻状に形成されることで燃焼室３にスワールを発生させるスワールポートであるので、確実にスワールを発生させることができる。

また、第２ポートは、ピストンストローク方向に吸気を供給するタンブルポート１１ｐであるので、第２切換期間において、簡易な構成より、燃焼室３内の冷却をより確実に防止できる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々に変更して実施することができるものである。

例えば、上記の実施形態においては、第２ポートがタンブルポートであるが、このような形態には限られず、ピストンストローク方向の吸気流又は第１ポート（スワールポート）よりも少量のスワールを発生させるような吸気ポートであってもよい。このような構成により、第２切換期間において、簡易な構成より、燃焼室内の過度の冷却を防止できる。

本発明の一実施形態に係る予混合圧縮着火機関の一気筒を示す上面視概略図。 図１の予混合圧縮着火機関においてスワールポートのみを使用している状態を示す上面視概略図。 図１の予混合圧縮着火機関においてタンブルポートのみを使用している状態を示す上面視概略図。 図２のＡ−Ａ’矢視側面概略図。 図３のＢ−Ｂ’矢視側面概略図。 第１切換期間付近における、図１の予混合圧縮着火機関の燃焼室温度のグラフ。 第２切換期間付近における、図１の予混合圧縮着火機関の燃焼室温度のグラフ。 第２切換期間付近における、図１の予混合圧縮着火機関の燃焼室の空燃比を表わすグラフ。

符号の説明

１ 予混合圧縮着火機関
１０ｐ、１１ｐ、５０ｐ 吸気ポート
１０ｐ スワールポート（第１ポート）
１１ｐ タンブルポート（第２ポート）
１２ 吸気ポート開閉バルブ（吸気ポート開閉手段）
１３ スロットル（吸気量調整手段）
９０ ＥＣＵ（制御手段）

Claims (10)

1. 燃焼室を有し、火花点火燃焼と圧縮着火燃焼とを切り換えて運転を行なう予混合圧縮着火機関において、
   一気筒ごとに、前記燃焼室へ連通する複数の吸気ポートを有し、
   前記複数の吸気ポートには、スワールポートである少なくとも一つの第１ポートと、非専用スワールポートである少なくとも一つの第２ポートと、が含まれ、
   少なくとも前記第２ポートを開閉する吸気ポート開閉手段と、
   前記吸気ポート開閉手段を制御する制御手段と、を有し、
   火花点火燃焼から圧縮着火燃焼への切換期間である第１切換期間においては、前記制御手段は、前記第２ポートを閉じて前記第１ポートのみから吸気を供給するように前記吸気ポート開閉手段を制御し、
   圧縮着火燃焼から火花点火燃焼への切換期間である第２切換期間においては、前記制御手段は、少なくとも前記第２ポートから吸気を供給するように前記吸気ポート開閉手段を制御することを特徴とする予混合圧縮着火機関。
2. 前記制御手段は、前記第１切換期間においては、前記燃焼室内の温度が、圧縮着火燃焼の定常運転時の温度になるまで前記吸気ポート開閉手段を制御することを特徴とする請求項１に記載の予混合圧縮着火機関。
3. 前記燃焼室へ吸入される吸気量を調整する吸気量調整手段をさらに有し、
   前記第２切換期間においては、前記制御手段は、圧縮着火燃焼から火花点火燃焼への切換期間前よりも切換期間の方が前記吸気量が減少するように前記吸気量調整手段を制御することを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載の予混合圧縮着火機関。
4. 前記制御手段は、前記第２切換期間においては、前記吸気量が火花点火燃焼の定常運転時の量になるまで前記吸気ポート開閉手段及び前記吸気量調整手段を制御することを特徴とする請求項３に記載の予混合圧縮着火機関。
5. 前記吸気量調整手段は、スロットルであることを特徴とする請求項３又は４に記載の予混合圧縮着火機関。
6. 前記制御手段は、前記第２切換期間においては、圧縮着火燃焼から火花点火燃焼への切換期間前よりも切換期間の方が前記吸気量が減少するように前記吸気ポート開閉手段を制御することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の予混合圧縮着火機関。
7. 前記制御手段は、前記第２切換期間において開いている前記吸気ポートの数の方が、圧縮着火燃焼から火花点火燃焼への切換期間前において開いている前記吸気ポートの数よりも少なくなるように、前記吸気ポート開閉手段を制御することで、前記吸気量を減少させることを特徴とする請求項６に記載の予混合圧縮着火機関。
8. 前記第１ポートは、通路が渦巻状に形成されることで前記燃焼室にスワールを発生させるスワールポートであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の予混合圧縮着火機関。
9. 前記第２ポートは、ピストンストローク方向の吸気流又は前記第１ポートよりも少量のスワールを発生させることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の予混合圧縮着火機関。
10. 前記第２ポートは、ピストンストローク方向に吸気を供給するタンブルポートであることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の予混合圧縮着火機関。

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