JP2013072325A - 内燃機関 - Google Patents

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Abstract

【課題】低負荷領域や高負荷領域に広げた大きな中負荷領域における効率のよい圧縮自着火式の燃焼を実現することができる内燃機関を提供すること。
【解決手段】ピストンと、シリンダヘッド部内面とピストン上面との間の燃焼室と、燃焼室内に燃料を噴射するインジェクタと、燃焼室内に連通する燃焼用空気の吸気用配管を開閉する吸気バルブと、燃焼室内に連通する燃焼ガスの排気流路を開閉する排気バルブと、を備えて、運転領域の少なくとも一部領域で燃焼室内の排気タイミングと吸気タイミングとの間に吸気バルブおよび排気バルブの双方を閉じる密閉期間を確保して燃焼室内に導入した噴射燃料の圧縮自着火燃焼を行なわせる内燃機関であって、燃焼室に対して吸気バルブを２組配置されており、当該吸気バルブ毎のバルブリフト量に差を付ける。
【選択図】図７

Description

本発明は、内燃機関に関し、詳しくは、燃焼室に導入した噴射燃料の圧縮自着火燃焼を高品質に行ない得るものに関する。
内燃機関としては、燃焼室内の混合気を火花点火により燃焼させる火花点火式に加えて、燃焼室内の混合気を圧縮して自着火させる圧縮自着火式も提案されており（例えば、特許文献１〜３）、燃焼室の形状に各種工夫を加えたり（例えば、特許文献４）、吸排気に各種工夫をすることが行なわれている（例えば、特許文献５）。
この種の圧縮自着火式の内燃機関は、排気タイミングと吸気タイミングの一部を重ねることにより、混合気内に再循環排気ガスを混入させて大幅に希釈するＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）燃焼を採用することによって、火花点火式に比べて、二酸化炭素（ＣＯ２）の排出を低減することができる。また、圧縮自着火式では、燃焼温度が低いため、所謂、ノックス（ＮＯＸ）がほとんど発生せずに、希薄燃焼運転で課題となるノックスの削減に貢献することができる。
特開２００６−１４４７１１号公報 特開２００６−１４４７１４号公報 特開２００６−２３３８３９号公報 特開２００５−１６３４７号公報 特開第４１２２６３０号公報
このような圧縮自着火式の内燃機関にあっては、特に、特許文献５に記載のように、ピストンの排気上死点付近で吸気弁と排気弁の双方を閉じることにより、燃焼残留ガス（アウトガス）を増加させることで、燃焼室内の筒内温度を自着火可能な温度まで上昇させることができ、この後の圧縮行程における高温・高圧を達成して自着火燃焼させている。
しかしながら、内燃機関の低負荷領域では、十分な温度上昇を得ることができず、自着火に至らずに失火してしまう場合があり、また、高負荷領域では、燃焼室内の混合気が略同時に着火することによる急速燃焼により燃焼室内の筒内圧力（最大値）が極めて高くなって破損させてしまう可能性がある。このことから、自着火運転可能な領域が狭くなり、二酸化炭素やノックスの十分な抑制効果を得ることができていない。
そこで、本発明は、低負荷領域や高負荷領域に広げた大きな中負荷領域における効率のよい圧縮自着火式の燃焼を実現することができる内燃機関を提供することを目的としている。
上記課題を解決する内燃機関に係る発明の第１の態様は、シリンダ内を上下動するピストンと、前記シリンダのヘッド部内面と前記ピストンの上面との間に形成されて噴射燃料を導入し燃焼させる燃焼室と、該燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射器と、前記燃焼室内に連通する燃焼用空気の吸気流路を開閉する吸気弁と、前記燃焼室内に連通する燃焼ガスの排気流路を開閉する排気弁と、を備えて、運転領域の少なくとも一部領域で前記燃焼室内に導入した噴射燃料の圧縮自着火燃焼を行なわせる内燃機関であって、前記燃焼室の１つに対して前記吸気弁を複数配置されており、当該吸気弁毎の開口量に差を付けるように調整されることを特徴とするものである。
上記課題を解決する内燃機関に係る発明の第２の態様は、上記第１の態様の特定事項に加え、前記ピストンは、前記吸気流路から吸入する前記燃焼用空気を流入させるキャビティが上面に形成されており、該キャビティは、前記開口量の大きな前記吸気弁側に前記開口量の小さな前記吸気弁側よりも大きな流入空間が形成されていることを特徴とするものである。
上記課題を解決する内燃機関に係る発明の第３の態様は、上記第１または第２の態様の特定事項に加え、前記燃料噴射器は、前記開口量の小さな前記吸気弁側よりも多くの燃料を前記開口量の大きな前記吸気弁側に噴射するように燃料噴射量が設定されていることを特徴とするものである。
上記課題を解決する内燃機関に係る発明の第４の態様は、上記第３の態様の特定事項に加え、前記燃料噴射器は、燃料の噴射口数に差を付けることにより前記燃料噴射量が設定されていることを特徴とするものである。
上記課題を解決する内燃機関に係る発明の第５の態様は、上記第３の態様の特定事項に加え、前記燃料噴射器は、燃料の噴射角度を前記燃料噴射量の設定に応じて調整されていることを特徴とするものである。
上記課題を解決する内燃機関に係る発明の第６の態様は、上記第１から第５のいずれか１つの態様の特定事項に加え、前記燃料噴射器は、前記燃焼室内に導入した噴射燃料ガスの圧縮期間の行程後半で燃料を再度噴射するように制御されることを特徴とするものである。
上記課題を解決する内燃機関に係る発明の第７の態様は、上記第１から第６のいずれか１つの態様の特定事項に加え、前記燃焼室内の排気期間と吸気期間との間に前記吸気弁および前記排気弁の双方を閉じる密閉期間を確保して前記圧縮自着火燃焼を行なわせることを特徴とするものである。
このように、本発明の上記の第１の態様によれば、複数の吸気弁の開口量に差を付けている（燃焼室内に燃焼用空気を均等に吸入しない）ので、吸気弁の配列面方向の吸気量の差に応じた燃焼用空気の流れを燃焼室内に生じさせることができ、混合気を均質化するのではなく、濃度に差を生じさせる、所謂、成層化することができる。したがって、低負荷領域でも高濃度範囲の混合気から自着火させることができ、失火が生じることを抑制することができる。また、高負荷領域では燃焼室内の混合気内で自着火に至るタイミングを局所的な範囲で差を生じさせることができ、燃焼を緩慢にさせて瞬間的な燃焼による高圧力・高温度を避けることができる。この結果、圧縮自着火式燃焼の運転領域を拡大することができる。
本発明の上記の第２の態様によれば、吸気弁の開口量に応じた大きさのピストン上面の流入空間内に、吸入する燃焼用空気を流入させることができ、燃焼室を形成するシリンダヘッド部内面とピストン上面との間の対面方向の燃焼用空気の流れを吸気弁の開口量に合わせるように調整することができる。したがって、より効率よく混合気を成層化させることができ、より高品質な圧縮自着火を実現することができる。
本発明の上記の第３〜５の態様によれば、燃料噴射器の燃料噴射口数に差を付けたり、燃料噴射器の燃料噴射角度を調整などすることにより、吸気弁の開口量に応じた燃焼用空気の流れに合わせる設定量の燃料を噴射することができる。したがって、より効率よく混合気を成層化することができ、より高品質な圧縮自着火を実現することができる。
本発明の上記の第６の態様によれば、燃焼室内の噴射燃料ガス（混合気）の圧縮期間行程後半に再度燃料を追加することができ、より濃度差ある混合気の成層化を達成することができる。したがって、混合気の成層化をより効果的に実現することができ、より高品質な圧縮自着火を実現することができる。
本発明の上記の第７の態様によれば、混合気内に燃焼室内における燃焼済みガスのアウトガスを混合させることができ、圧縮自着火での、所謂、内部ＥＧＲ燃焼を起こさせることができる。したがって、二酸化炭素の排出を低減やノックス（ＮＯＸ）の抑制をも達成することができる。
本発明に係る内燃機関の一実施形態を示す図であり、その基本構造の概略全体構成を示す透視立面図である。 その吸気バルブおよび排気バルブの構成部品のレイアウトを示す立面図である。 そのインジェクタを含む吸気バルブ側の構成部品のレイアウトを示す斜視図である。 そのクランク角に対するバルブリフト量を説明するグラフである。 そのクランク角に対する排気タイミングと吸気タイミングを説明するグラフである。 その燃焼室内に噴射した燃料の領域に応じた燃焼方式（自着火燃焼、火花点火燃焼）を説明するグラフである。 その自着火燃焼における吸気タイミング時の吸気バルブのリフト量を説明するグラフである。 その図７に示すリフト量制御による作用効果を説明するグラフである。 その自着火燃焼における燃料の噴射量の偏りを説明する平面図である。 その自着火燃焼に適したピストン上面の構造を示す平面図である。 その図１０に示すピストン上面構造による作用効果を説明する平面図である。 その図１０に示すピストン上面構造による作用効果を説明する一部断面透視立面図である。 その自着火燃焼による作用効果を説明するグラフである。 その自着火燃焼における燃料の噴射タイミングを説明するグラフである。 その他の態様を示す図であり、その自着火燃焼における燃料の噴射量の偏りを説明する平面図である。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。図１〜図１４は本発明に係る内燃機関の一実施形態を示す図である。
図１において、内燃機関１０は、例えば、車両に搭載して走行などに必要な駆動源となるエンジンであり、シリンダ１１内を上下動するピストン１２を不図示のクランクシャフトにコンロッド１３を介して連結することにより、ピストン１２の往復運動を回転運動に変換して伝達するようになっている。
この内燃機関１０は、シリンダ１１のヘッド部の内面１１ａとピストン１２の上面１２ａとの間に形成される空間を燃焼室１４として、図中左側の吸気側配管（吸気流路）１５を吸気バルブ（吸気弁）１６で開閉するとともに、図中右側の排気側配管（排気流路）１７を排気バルブ（排気弁）１８で開閉するようになっている。内燃機関１０は、ピストン１２の上下動と、吸気バルブ１６および排気バルブ１８の開閉とを同期させつつ、燃焼室１４内にインジェクタ（燃料噴射器）１９から燃料Ｆ（図９を参照）を噴射導入させて、プラグ２０による火花点火燃焼または予混合圧縮自己着火燃焼（ＨＣＣＩ：Homogeneous-Charge Compression Ignition）によって燃焼させたときの爆発力でピストン１２を上下動させることができ、燃焼室１４内での燃焼用空気の吸入、混合気の圧縮・燃焼、この燃焼による膨張、燃焼ガスの排気を繰り返す。
吸気バルブ１６と排気バルブ１８は、図２および図３に示すように、燃焼室１４の上面を構成するシリンダ１１ヘッド部の内面１１ａに、吸気側配管１５と排気側配管１７の開口１５ａ、１７ａがそれぞれ２つずつを並列されているのに対して、その吸気側配管１５と排気側配管１７の開口１５ａ、１７ａをそれぞれ開閉するように２組ずつが配置されており（図３には吸気バルブ１６側のみ図示）、それぞれの弁部１６ａ、１８ａが燃焼室１４内の上面１１ａに対してリフトされる状態に変位することにより隙間を形成して燃焼用空気や燃焼ガスの流通を許容する。
この吸気バルブ１６と排気バルブ１８は、バルブシャフト２１と、スプリング２２と、ピボット２３と、ロッカアーム２４と、制御軸２５と、ローラ２６と、規制部材２７と、揺動ローラ（カムフォロア）２８と、カム軸２９と、駆動カム３０と、を備えて構築されている。
バルブシャフト２１は、先端部側に弁部１６ａ、１８ａを備えている。スプリング２２は、バルブシャフト２１を引上方向（リフト解消方向）に付勢する。ピボット２３は、先端部にロッカアーム２４の一端側を突き当てた状態で揺動自在に支持する。このロッカアーム２４は、他端側に、バルブシャフト２１の後端部をスプリング２２の付勢力により突き当てられつつ中間部の支持ピン２６ａにより回転自在に軸支されているローラ２６を規制部材２７により衝止されることにより揺動自在に取り付けられる。制御軸２５は、規制部材２７を後述するバルブリフトのタイミングに応じた回転位置にネジ止め固定されるとともに、揺動ローラ２８が一体回転するように固設されている。規制部材２７は、ロッカアーム２４の中間部のローラ２６を衝止する圧接位置に応じてバルブシャフト２１先端部の弁部１６ａ、１８ａのリフト量（開口量）を規制する。揺動ローラ２８は、制御軸２５の軸心から離隔する位置の支持軸２８ａにより回転自在に支持されつつ、この制御軸２５を中心にする時計回り方向に不図示の付勢部材により付勢されている。カム軸２９は、シリンダ１１内のピストン１２の往復移動に同期するように回転駆動する。駆動カム３０は、カム軸２９に固設されて、制御軸２５を中心にする時計回り方向の付勢力により揺動ローラ２８の外周面が圧接されるカム面３０ａを有する。
これにより、吸気バルブ１６と排気バルブ１８は、ピストン１２の上下運動（クランクシャフトの回転角）に同期するようにカム軸２９と駆動カム３０が一体回転して、その駆動カム３０のカム面３０ａに圧接する揺動ローラ２８を揺動させることができ、その揺動ローラ２８と一体の規制部材２７を介して、この規制部材２７にローラ２６を圧接させているロッカアーム２４を揺動させることができる。このため、吸気バルブ１６と排気バルブ１８は、ロッカアーム２４の揺動に追従するように、後端部を突き当てているバルブシャフト２１をスプリング２２の付勢力に抗して引き上げる（軸方向に変移させる）ことができ、そのバルブシャフト２１の先端部の弁部１６ａ、１８ａを配管１５、１７の開口１５ａ、１７ａからリフトさせて離隔させることができる。また、吸気バルブ１６と排気バルブ１８は、バルブシャフト２１をスプリング２２の付勢力により軸方向に変移させて先端部の弁部１６ａ、１８ａを配管１５、１７の開口１５ａ、１７ａに密接させて閉塞することができる。
この吸気バルブ１６と排気バルブ１８の規制部材２７は、揺動ローラ２８の左右（制御軸２５の軸方向の両側）に隣接して、ロッカアーム２４のローラ２６が圧接する圧接面２７ａを備えており、その圧接面２７ａの形状（プロフィール）として、制御軸２５への位置決め固定位置に応じてその中心軸からの離隔距離が変化するとともに、揺動ローラ２８と一体の回転位置に応じてもその中心軸からの離隔距離が変化するように形成されている。この規制部材２７は、圧接面２７ａのロッカアーム２４のローラ２６との圧接位置（相対回転位置）に応じて、図４に示すように、そのロッカアーム２４の揺動量を調整することができ、例えば、車両の加減速操作に対応するアクセル操作（スロットル開度）に応じた低負荷から高負荷に連動するようにバルブシャフト２１の先端部の弁部１６ａ、１８ａのリフト量１６Ｌ、１８Ｌを変化させることができる。
インジェクタ１９は、一対の吸気バルブ１６の間に配置されて、燃焼室１４内に吸気側配管１５の開口１５ａから吸入する燃焼用空気と同様に排気バルブ１８側に向かう流れを形成するように燃料Ｆを噴射するようになっており、吸気バルブ１６がピストン１２の上下運動（クランクシャフトの回転角）に同期させつつ吸気側配管１５の開口１５ａを開閉するようにリフト動作する際に、燃焼室１４内に燃料Ｆを噴射する。
そして、内燃機関１０は、吸気バルブ１６が吸気側配管１５の開口１５ａを開放する吸気タイミング（期間）を、排気バルブ１８が排気側配管１７の開口１７ａを開放する排気タイミングに対して接近または離隔させるように調整するようになっている。
燃焼室１４内に噴射した燃料Ｆをプラグ２０の火花点火により燃焼させる際には、吸気タイミングと排気タイミングの一部期間が重なる（オーバラップする）ように、カム軸２９（駆動カム３０）の回転駆動を調整する。これに対して、燃焼室１４内に噴射した燃料Ｆを燃焼室１４内の温度と圧力により着火させて燃焼させる予混合圧縮自己着火燃焼（以下、単に自己着火ともいう）の際には、図５に示すように、その吸気タイミングと排気タイミングが重ならない図中矢印で示す密閉期間（所謂、負のオーバラップ）を備えるように、カム軸２９の回転駆動を調整する。すなわち、自着火燃焼では、排気タイミングと吸気タイミングとを分けて、燃焼室１４の壁面からのアウトガスによる燃焼済み内部ガスを混合させて燃焼させる内部ＥＧＲ燃焼を採用している。
また、内燃機関１０は、図６に示すように、エンジン回転数に対応する走行条件に応じたエンジン負荷の低負荷と高負荷では安定した燃焼のために、プラグ２０による火花点火燃焼制御を行う。これに対して、走行時に最も利用機会の多い中負荷の領域では、自着火燃焼制御を行なうことにより、プラグ２０による点火を省いてエネルギ消費を抑えるようになっており、その中負荷領域における燃焼室１４内の燃料Ｆの流れが自着火燃焼に最適になるように各種工夫がなされている。
具体的には、２組の吸気バルブ１６Ａ、１６Ｂは、図３に示すように、燃焼室１４の上面（シリンダ１１ヘッド部の内面）１１ａの頂部に配設されているプラグ２０を挟むようにして、それぞれで排気バルブ１８に向き合うように並列されており、吸気バルブ１６Ａ、１６Ｂで燃焼室１４の上面１１ａからの弁部１６ａのリフト量に差を付けることができるようになっている。図７に示すように、本実施形態においては、吸気バルブ１６Ａは、ピストン１２の上面１２ａに向かって右側に位置して、排気バルブ１８と同様なリフト量１６ＬＡ、１８Ｌに設定されているのに対して、吸気バルブ１６Ｂは、ピストン１２の上面１２ａに向かって左側に位置して、その吸気バルブ１６Ａの半分程度のリフト量１６ＬＢに調整可能になっている。
このために、吸気バルブ１６Ａ、１６Ｂのリフト量１６ＬＡ、１６ＬＢを規制する揺動ローラ２８の両側に位置する規制部材２７Ａ、２７Ｂは、その揺動ローラ２８の揺動に連動して回転するのに伴って、図４における最高リフト量または最低リフト量に吸気バルブ１６Ａ、１６Ｂを変移させるように、後述の圧接位置をずらした場合にも、制御軸２５の中心軸からの離隔距離が共通になるように圧接面２７ａが形成されている。この規制部材２７Ａ、２７Ｂは、制御軸２５に固定する回転方向の位置をずらすことにより、最高リフト量と最低リフト量の間では、吸気バルブ１６Ｂのリフト量１６ＬＢを吸気バルブ１６Ａのリフト量１６ＬＡの半分にする特異位置を備えるプロフィール形状に圧接面２７ａが形成されている。
これにより、図８に示すように、吸気バルブ１６Ａ、１６Ｂは、リフト量１６ＬＡ、１６ＬＢに差を付けることができ、燃焼室１４内に吸気する燃焼用空気の流動強さを調整制御することができる。
すなわち、吸気バルブ１６Ａ、１６Ｂのリフト量１６ＬＡ、１６ＬＢに差がない場合には、吸気側配管１５の開口１５ａと弁部１６ａと間の隙間が微小なリフト開始時のときから最大開口のタイミングまで、双方からの同量の吸気がなされる。このため、燃焼室１４内では、図中に一転鎖線で示すように、徐々に吸気量（開口面積）が増大するのに連れて燃焼用空気が増加してその流動も多少増大する程度である。
これに対して、吸気バルブ１６Ａ、１６Ｂのリフト量１６ＬＡ、１６ＬＢに差を付ける場合には、吸気側配管１５の開口１５ａと弁部１６ａとの間の隙間が微小なリフト開始時からその開口面積に差が付けられる。このため、燃焼室１４内では、図中に実線で示すように、吸気開始時から吸気バルブ１６Ｂ側よりも大量の吸気を吸気バルブ１６Ａ側にさせることができ、また、この吸気開始時には微小な開口面積の隙間から燃焼用空気が吸入されてその吸入速度（流体速度）に差を付けることができる。
このことから、リフト量１６ＬＡ、１６ＬＢに差を付ける場合には、燃焼室１４内において吸気バルブ１６Ａ側から吸気バルブ１６Ｂ側に向かう、吸気した燃焼用空気の回転流動、所謂、スワール流動Ｓ（図１１を参照）を生じさせることができ、吸気開始当初から強い流動を発生させることができる。
また、インジェクタ１９は、少なくとも３つ以上の噴射口を備えるマルチホールインジェクタであり、吸気バルブ１６Ａ、１６Ｂのリフト量１６ＬＡ、１６ＬＢ（吸気量）に合わせて燃焼室１４内への燃料Ｆの噴射量に偏り（差）を付けており、図９に示すように、吸気バルブ１６Ｂ側よりも多くの噴射口が吸気バルブ１６Ａ側を指向するように設定されている。
このため、インジェクタ１９の先端の噴射口から噴射された燃料Ｆは、燃焼室１４内における燃焼用空気のスワール流動Ｓに乗せて流動拡散させることができる。ここで、このインジェクタ１９先端の噴射口数は、燃焼室１４内における上述の燃焼用スワール流動Ｓなどによる燃料Ｆの拡散状況に応じて設定すればよい。
また、ピストン１２は、図１０に示すように、シリンダ１１のヘッド部の内面１１ａとの間で燃焼室１４を形成する上面１２ａに、吸気バルブ１６の開閉動作により吸気側配管１５から吸気される燃焼用空気の吸入方向で対面する領域から、排気側配管１７（排気バルブ１８）に向かう領域に掛けて、インジェクタ１９から噴射される燃料Ｆの噴射形状に近似する形状のキャビティ（窪み）３１が形成されている。このキャビティ３１は、吸気バルブ１６Ａ、１６Ｂのリフト量１６ＬＡ、１６ＬＢによる、図中に矢印の大小で示す燃焼用空気ＡＡ、ＡＢの吸気量やインジェクタ１９からの燃料Ｆの噴射量に合わせてその窪み量（容積）に偏りを付けるようになっており、吸気バルブ１６Ａ側のキャビティ３１Ａが吸気バルブ１６Ｂ側のキャビティ３１Ｂよりも燃焼用空気や噴射燃料Ｆの流入空間が大容量になるように形成されている。
要するに、吸気バルブ１６Ａのリフト量１６ＬＡに応じて吸気される燃焼用空気ＡＡは、上述したように、吸気バルブ１６Ｂのリフト量１６ＬＢに応じて吸気される燃焼用空気ＡＢよりも大量で流動速度も速い。また、ピストン１２の上面１２ａには吸気バルブ１６Ｂ側のキャビティ３１Ｂよりも大容量の吸気バルブ１６Ａ側のキャビティ３１Ａの周縁面が大きく湾曲する形状に形成されている。これにより、図１１に示すように、燃焼室１４内にはその内周面に沿う方向に周回する横回転の渦巻き、所謂、スワール流動Ｓを発生させることができ、インジェクタ１９から噴射される燃料Ｆもそのスワール流動Ｓに乗せて流動拡散させることができる。
また、同時に、ピストン１２の上面１２ａのキャビティ３１は、吸気バルブ１６Ｂ側のキャビティ３１Ｂよりも大容量の吸気バルブ１６Ａ側のキャビティ３１Ａの底面が大きく湾曲する形状に形成されている。これにより、図１２に示すように、燃焼室１４内にはキャビティ３１の底面に沿ってシリンダ１１のヘッド部の内面１１ａ側に向かう方向に周回する縦回転の、所謂、逆タンブル流動Ｔを発生させることができ、インジェクタ１９から噴射される燃料Ｆもその逆タンブル流動Ｔに乗せて流動拡散させることができる。
このため、燃焼室１４内には、スワール流動Ｓと逆タンブル流動Ｔを合成した燃焼用空気の流動、すなわち、燃焼室１４のピストン１２の上面１２ａ付近から内周面に沿う方向に周回しつつ、すり鉢状の燃焼室１４上面（シリンダ１１のヘッド部の内面）１１ａのプラグ２０の配置位置に向かう流動を発生させることができる。よって、その燃焼用空気の流動に乗せた噴射燃料Ｆも、燃焼室１４上面１１ａのプラグ２０の配置位置に向かって流動して、そのプラグ２０付近における燃料Ｆの濃度を高くするとともに、そこから徐々に薄くなる濃度分布の成層化された噴射燃料ガス（混合気）を生成することができる。
したがって、内燃機関１０がプラグ２０の火花点火により燃焼室１４内の噴射燃料Ｆを燃焼させる際にも、そのプラグ２０付近の燃料Ｆの濃度を高くして効果的に燃焼開始して広げることができる。また、内燃機関１０が図６に示す走行時に最も利用機会の多い中負荷の領域で燃焼室１４内を高温・高圧にして自着火により噴射燃料Ｆを燃焼させる際にも、燃焼室１４の上部中心の燃料Ｆの濃度が高い箇所から燃焼を生じさせてその周囲に広げるように制御することができる。
この結果、図１３に示すように、燃焼室１４内では、従来の自着火燃焼制御を採用すると、噴射燃料Ｆの雰囲気中における複数箇所で同時に自着火燃焼を生じさせるように調整制御することにより短時間で噴射燃料Ｆの燃焼を完了することになり、その燃焼室１４内での噴射燃料Ｆの爆発が重なって筒内圧力Ｐ２は瞬間的に最大値にまで達する。一方、本実施形態の燃焼室１４内では、プラグ２０付近を中心とする濃度分布にして、噴射燃料Ｆの混合気を成層化させるので、その中心から自着火燃焼を開始させて徐々に周囲に広がる緩慢な燃焼を実現することができ、その燃焼室１４内での噴射燃料Ｆの爆発が集中することなく、その筒内圧力Ｐ１は緩やかに鈍らせて、先の筒内圧力Ｐ２よりも低くすることができる。
ここで、本実施形態では、プラグ２０の火花点火によるエンジンの低負荷領域と高負荷領域から自着火に切り換える中負荷領域における低負荷側と高負荷側が不安定になる傾向があることから、図１４に示すように、吸気バルブ１６による吸気タイミング中におけるインジェクタ１９からの燃料Ｆの通常噴射ｆ１に加えて、その後の圧縮・燃焼行程における後半に少量の燃料Ｆの追加噴射ｆ２をして、燃焼室１４内の燃料Ｆの濃度を上げて自着火燃焼を発生し易くするようになっている。なお、この燃料Ｆの追加噴射ｆ２は、必須ではなく、内燃機関１０の燃焼特性に応じて適宜追加設定すればよく、また、エンジンの低負荷側と高負荷側に近接する中負荷領域だけでなく、その中間領域でも行ってもよいことは言うまでもない。
このように本実施形態においては、一対の吸気バルブ１６Ａ、１６Ｂのリフト量に差を付けて燃焼用空気を吸入することにより、燃焼室１４内に横方向（吸気バルブ１６の並列方向）のスワール流動Ｓを発生させることができる。また、その燃焼用空気の吸入量に合わせて、ピストン１２上面１２ａに容量に偏りのあるキャビティ３１Ａ、３１Ｂを形成することにより、燃焼室１４内に縦方向の逆タンブル流動Ｔを発生させることができる。さらに、インジェクタ１９からの噴射燃料Ｆにも偏りを付けて、そのスワール流動Ｓや逆タンブル流動Ｔの合成流動に乗せて流動拡散させることにより、燃焼室１４内の混合気を均質化させるのではなく、中心付近の燃料Ｆ濃度が高濃度になる成層化により自着火燃焼させ易くすることができる。このため、燃焼室１４内では、低負荷に近い領域でも高濃度の混合気から失火なく自着火させることができ、高負荷に近い領域では高濃度の混合気側から拡大する自着火にして、瞬間的な燃焼による高圧力・高温度になることなく、緩慢な燃焼を達成することができる。したがって、安定した広い範囲での高品質な自着火を実現して適用可能な運転領域を拡大することができる。
また、本実施形態の他の態様としては、図１５に示すように、インジェクタ１９先端の噴射口からの燃料Ｆの噴射角度αを、吸気バルブ１６Ａ、１６Ｂのリフト量１６ＬＡ、１６ＬＢ（吸気量）に合わせて、図中に一転鎖線で図示する吸気バルブ１６と排気バルブ１８の間の中心線から、吸気バルブ１６Ａ側は噴射角度αＡに設定するとともに、吸気バルブ１６Ｂ側は噴射角度αＢに設定してもよい。この場合にも、インジェクタ１９から燃焼室１４内に噴射する燃料Ｆの噴射量に偏りを設定することができ、吸気バルブ１６Ｂ側よりも吸気バルブ１６Ａ側に燃料Ｆを多く噴射して、燃焼室１４内における燃焼用空気のスワール流動Ｓや逆タンブル流動Ｔに乗せて流動拡散させることができる。
本発明の範囲は、図示され記載された例示的な実施形態に限定されるものではなく、本発明が目的とするものと均等な効果をもたらすすべての実施形態をも含む。さらに、本発明の範囲は、各請求項により画される発明の特徴の組み合わせに限定されるものではなく、すべての開示されたそれぞれの特徴のうち特定の特徴のあらゆる所望する組み合わせによって画されうる。
これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。
１０ 内燃機関
１１ シリンダ
１２ ピストン
１２ａ 上面
１４ 燃焼室
１５ 吸気側配管
１６、１６Ａ、１６Ｂ 吸気バルブ
１６Ｌ、１６ＬＡ、１６ＬＢ、１８Ｌ リフト量
１７ 排気側配管
１８ 排気バルブ
１９ インジェクタ
２０ プラグ
２４ ロッカアーム
２５ 制御軸
２６ ローラ
２７、２７Ａ、２７Ｂ 規制部材
２７ａ 圧接面
２８ 揺動ローラ
２９ カム軸
３０ 駆動カム
３１、３１Ａ、３１Ｂ キャビティ
ＡＡ、ＡＢ 燃焼用空気
Ｆ 燃料
ｆ１ 通常噴射
ｆ２ 追加噴射
Ｓ スワール流動
Ｔ 逆タンブル流動
α、αＡ、αＢ 噴射角度

Claims (7)

  1. シリンダ内を上下動するピストンと、前記シリンダのヘッド部内面と前記ピストンの上面との間に形成されて噴射燃料を導入し燃焼させる燃焼室と、該燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射器と、前記燃焼室内に連通する燃焼用空気の吸気流路を開閉する吸気弁と、前記燃焼室内に連通する燃焼ガスの排気流路を開閉する排気弁と、を備えて、
    運転領域の少なくとも一部領域で前記燃焼室内に導入した噴射燃料の圧縮自着火燃焼を行なわせる内燃機関であって、
    前記燃焼室の１つに対して前記吸気弁を複数配置されており、
    当該吸気弁毎の開口量に差を付けるように調整されることを特徴とする内燃機関。
  2. 前記ピストンは、前記吸気流路から吸入する前記燃焼用空気を流入させるキャビティが上面に形成されており、
    該キャビティは、前記開口量の大きな前記吸気弁側に前記開口量の小さな前記吸気弁側よりも大きな流入空間が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
  3. 前記燃料噴射器は、前記開口量の小さな前記吸気弁側よりも多くの燃料を前記開口量の大きな前記吸気弁側に噴射するように燃料噴射量が設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関。
  4. 前記燃料噴射器は、燃料の噴射口数に差を付けることにより前記燃料噴射量が設定されていることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関。
  5. 前記燃料噴射器は、燃料の噴射角度を前記燃料噴射量の設定に応じて調整されていることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関。
  6. 前記燃料噴射器は、前記燃焼室内に導入した噴射燃料ガスの圧縮期間の行程後半で燃料を再度噴射するように制御されることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の内燃機関。
  7. 前記燃焼室内の排気期間と吸気期間との間に前記吸気弁および前記排気弁の双方を閉じる密閉期間を確保して前記圧縮自着火燃焼を行なわせることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の内燃機関。
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