JP2017072032A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】 気体燃料を燃焼室に直接噴射する内燃機関において、燃焼の安定性を向上させる。【解決手段】 気体燃料を燃焼室８に向けて噴射するインジェクタ１７を備えた内燃機関１であって、インジェクタは、当該内燃機関の負荷の増加に応じて１燃焼サイクル当たりの燃料噴射量を増加させ、当該内燃機関が高負荷状態のときに、吸気行程から点火時期までの間に多段噴射を行うと共に、多段噴射の内の点火時期の直前の燃料噴射によって点火時期に点火プラグ１９の発火部１９Ａの周囲に可燃層を形成する。【選択図】 図４

Description

本発明は、気体燃料を燃焼室に直接噴射する内燃機関に関する。

天然ガスや水素等を含む気体燃料は、ガソリンよりも単位発熱量当たりのＣＯ_２排出量及びＮＯ_ｘ排出量が低く、環境負荷が低い燃料として知られている。また、天然ガス等は、ガソリンに比べてオクタン価が高く、内燃機関の圧縮比を高く設定して高効率化を図ることが可能である。一方で、天然ガス等は、ガソリンに比べて点火に要するエネルギーが大きく、層流燃焼速度が低いという特徴を有する。そのため、天然ガス等の気体燃料を内燃機関に使用する場合、いかに燃焼を安定させるかが重要となる。

ガソリン直噴エンジンでは、希薄燃焼を安定的に行うために、成層燃焼が用いられている。この成層燃焼は、ピストン冠面の形状変更や、インジェクタ及び点火プラグのレイアウト変更等、様々な手法で改善が試みられている（例えば、特許文献１及び２）。

特許第５５４９５１０号公報 特許第４１５５０４４号公報

ガソリン噴射の場合は噴射後にガソリンを気化させるための時間を確保する必要があるが、気体燃料噴射の場合はその時間が不要であるため、ガソリン噴射の場合と気体燃料噴射の場合とでは噴射時期が異なることになる。そのため、ガソリン直噴エンジンにおいて、噴射する燃料をガソリンから気体燃料に単に変更するだけでは、効率の良い燃焼を行うことはできない。例えば、気体燃料噴射の場合、上述したように、燃料の気化のための時間が不要であるため、ガソリン噴射の場合に比べて噴射時期を点火時期に近づけることができ、点火時期において点火プラグの発火部の周囲に可燃層を一層確実に形成することができる。

しかしながら、本願発明者らの研究によれば、噴射時期を点火時期に近づけて気体燃料の成層燃焼を行う場合、内燃機関が低負荷状態であり燃料噴射量が比較的少ないときには燃焼が安定し、空燃比の希薄化が可能であるものの、内燃機関の負荷の上昇に伴って燃焼噴射量が増加すると、失火が増加し、燃焼安定性が低下することが確認された。

本発明は、以上の背景を鑑み、気体燃料を燃焼室に直接噴射する内燃機関において、燃焼の安定性を向上させることを課題とする。

上記課題を解決するために本発明の一態様は、気体燃料を燃焼室（８）に向けて噴射するインジェクタ（１７）を備えた内燃機関（１）であって、前記インジェクタは、当該内燃機関の負荷の増加に応じて１燃焼サイクル当たりの燃料噴射量を増加させ、当該内燃機関が高負荷状態のときに、吸気行程から点火時期までの間に多段噴射を行うと共に、多段噴射の内の点火時期の直前の燃料噴射によって点火時期に点火プラグ（１９）の発火部（１９Ａ）の周囲に可燃層を形成することを特徴とする。

この態様によれば、燃料噴射量が増加する高負荷状態において多段噴射が行われるため、成層燃焼に寄与する点火時期の直前の燃料噴射の噴射量が減少し、点火時期に点火プラグの発火部の周囲に形成される可燃層の濃度（当量比）が適切な範囲に維持される。これにより、発火部の周囲に形成される可燃層の過濃化が抑制され、燃焼が安定する。

また、上記の態様において、前記インジェクタは、当該内燃機関が低負荷状態のときに、吸気行程から点火時期までの間に単段噴射を行うとよい。

この態様によれば、低負荷状態においては燃料噴射量が少なく、発火部の周囲に形成される可燃層が過濃になる虞が小さいため、高負荷状態時のように多段噴射する必要がない。

また、上記の態様において、前記インジェクタは、当該内燃機関が低負荷状態のときに、点火時期の直前に単段噴射を行うことによって点火時期に前記発火部の周囲に可燃層（３５）を形成するとよい。

この態様によれば、成層燃焼によって空燃比の希薄化が可能になる。

また、上記の態様において、前記インジェクタは、当該内燃機関が高負荷状態のときに、前記吸気行程において１回目の燃料噴射を開始すると共に、点火時期の直前に２回目の燃焼噴射を行うとよい。

この態様によれば、１回目の燃焼噴射が吸気行程において開始されるため、１回目の燃料噴射から点火時期までの期間を長く確保することができ、１回目の燃料噴射によって噴射された燃料の予混合化が促進される。また、吸気ポートから燃料室に流入する吸気の流れを利用して燃料の予混合化が一層促進される。

また、上記の態様において、点火時期に前記発火部の周囲に形成される前記可燃層の当量比が、０．８以上１．２以下であるとよい。

この態様によれば、燃焼安定性が向上する。

また、上記の態様において、一端に燃焼室天井部（５）を有するシリンダ（４）を備えた内燃機関本体（２）と、前記燃焼室天井部に開口する吸気ポート（１１）及び排気ポート（１２）と、前記シリンダに摺動可能に受容され、前記燃焼室天井部と協働して前記燃焼室を画定する冠面（７Ａ）、前記冠面にシリンダ軸線（Ａ）を中心とした円形に凹設され、周縁部に前記冠面と略直交する縁壁部（３０Ｂ）を備えたキャビティ（３０）、及び前記キャビティの底部（３０Ａ）に突設され、シリンダ軸線を中心とした略円錐形の凸部（３１）を備えたピストン（７）とを有し、前記発火部は、前記燃焼室天井部から突出し、前記インジェクタは、前記燃焼室天井部の中央に設けられ、シリンダ軸線に沿って前記凸部に向けて気体燃料を噴射するとよい。

この態様によれば、インジェクタから噴射された気体燃料は、凸部に導かれてキャビティ内を軸対称の放射状に流れ、その後、キャビティの縁壁部に導かれて燃焼室天井部側へと流れる可燃層を形成する。縁壁部が冠面と略垂直に接続するように配置されているため、気体燃料は縁壁部から燃焼室天井部へシリンダ軸線と平行に流れる。このため、噴射時期が異なり、そのときのピストン位置が変化するような場合にも、気体燃料は常に燃焼室天井部の所定の位置に向けて流れ、発火部の周囲に可燃層を形成することができる。すなわち、発火部の周囲に可燃層を形成しながら、噴射時期を変更することができる。これにより、負荷等に応じて噴射時期を調整することが可能になる。

また、上記の態様において、前記発火部は、シリンダ軸線に沿った方向から見て、前記キャビティと重なる位置に配置されているとよい。

この態様によれば、気体燃料は、縁壁部によって、シリンダ軸線に沿った方向から見て、前記キャビティと重なる領域に導かれるため、発火部の周囲に当量比が高い可燃層が形成されることになる。

また、上記の態様において、前記吸気ポートは、当該吸気ポートから前記燃焼室に流入する吸気のスワール流を促進するスワール流生成手段（１１Ａ、１１Ｂ）を有するとよい。

この態様によれば、スワール流による可燃層の流動を利用して燃焼速度を増加させることができる。

また、上記の態様において、前記燃焼室天井部は、平面に形成されているとよい。

この態様によれば、燃焼室内でタンブル流の生成が抑制される。これにより、可燃層の拡散が抑制されると共に、スワール流が維持され易くなる。

以上の構成によれば、気体燃料を燃焼室に直接噴射する内燃機関において、燃焼の安定性を向上させることができる。

本実施形態に係る内燃機関の断面図であって、圧縮行程においてピストンが中間付近にある状態を示す 下方から燃焼室天井部を見た図 内燃機関の断面図であって、圧縮行程においてピストンが上死点付近にある状態を示す 高負荷状態における燃焼噴射時期を示す図 高負荷状態における空燃比に対する燃焼変動率を示すグラフ 高負荷状態における空燃比に対する燃焼期間を示すグラフ 低高負荷状態における燃焼噴射時期を示す図 低負荷状態における空燃比に対する燃焼変動率を示すグラフ 低負荷状態における空燃比に対する燃焼期間を示すグラフ

以下、図面を参照して、本発明を４バルブのＣＮＧ直噴エンジンに適用した実施形態について説明する。

（内燃機関の構造）
内燃機関１は、４ストローク機関であり、図１に示すように、シリンダブロック２Ａと、シリンダブロック２Ａの上端面に締結されたシリンダヘッド２Ｂとを含む内燃機関本体２を有する。シリンダブロック２Ａには、シリンダブロック２Ａの上端面に開口するシリンダ４が形成されている。シリンダヘッド２Ｂの下端面においてシリンダ４の上端と対向する部分を燃焼室天井部５という。燃焼室天井部５は平面に形成され、シリンダ４の上端を閉塞する。シリンダ４には、ピストン７が往復動可能に受容されている。燃焼室天井部５と、シリンダ４の壁面と、ピストン７の冠面７Ａとによって燃焼室８が画定されている。

図１及び図２に示すように、燃焼室天井部５には、２つの吸気ポート１１と、２つの排気ポート１２とが開口している。燃焼室天井部５において、一側（吸気側）に２つの吸気ポート１１が配置され、他側（排気側）に２つの排気ポート１２が配置されている。吸気ポート１１及び排気ポート１２の燃焼室天井部５側の開口端は、ポペットバルブである吸気バルブ１３及び排気バルブ１４によって開閉される。

吸気ポート１１は、吸気ポート１１から燃焼室８に流入する吸気のスワール流を促進するスワール流生成手段（１１Ａ、１１Ｂ）を有する。スワール流生成手段は、吸気ポート１１の形状やスワール生成バルブ等の公知の手段によって実現される。例えば、吸気ポート１１は、燃焼室８側の開口端が開口端の軸線を中心とした螺旋形状に形成されたヘリカルポート１１Ａや、シリンダ軸線Ａを中心とした接線方向に延在するタンジェンシャルポート１１Ｂとして形成されるとよい。図２に示すように、本実施形態では、吸気ポート１１の一方がヘリカルポート１１Ａ、他方がタンジェンシャルポート１１Ｂとなっている。これにより、シリンダ軸線Ａに沿って下方から見て、左回り（反時計回り）のスワール流が形成される。スワール比は、１〜２程度あることが好ましい。

燃焼室天井部５の中央部には、インジェクタ孔１６が開口している。インジェクタ孔１６にはインジェクタ１７が挿入されている。インジェクタ１７は、高圧の気体燃料を直接に燃焼室８に噴射する手段である。本実施形態では、インジェクタ１７は、ＣＮＧに適合したものであり、デリバリパイプや圧力制御弁を介してＣＮＧボンベと接続されている。インジェクタ１７の噴射孔は、シリンダ軸線Ａと同軸に配置されている。噴射孔から噴射されるＣＮＧは、シリンダ軸線Ａを中心とした円錐状の噴霧形状をなし、シリンダ軸線Ａに沿って下方（ピストン７側）に向う。

燃焼室天井部５の２つの吸気ポート１１の間における部分には、点火プラグ孔１８が形成されている。点火プラグ孔１８は、点火プラグ孔１８にはスパークプラグである点火プラグ１９が挿入されている。点火プラグ１９の先端には接地電極からなる発火部１９Ａが設けられ、発火部１９Ａは燃焼室８内に突出している。

図１に示すように、円板状のクラウン部２１と、クラウン部２１の周縁部から下方に突出した一対のスカート部２２と、各スカート部２２の対応する側縁同士を互いに連結する一対の連結壁部２３とを有している。ピストン７の軸線はシリンダ軸線Ａと一致している。

クラウン部２１の外周部には、周方向に延在する第１環状溝、第２環状溝及び第３環状溝（符号省略）が上から順に形成されている。第１環状溝及び第２環状溝にはそれぞれコンプレッションリング２６が嵌め付けられ、第３環状溝にはオイルリング２７が嵌め付けられる。

クラウン部２１の燃焼室８側を向く冠面７Ａは、シリンダ軸線Ａと垂直な平面に形成されている。冠面７Ａの中央部には、キャビティ３０が凹設されている。キャビティ３０は、シリンダ軸線Ａを中心とした円形に形成され、底部３０Ａと、底部３０Ａの周縁部に設けられた縁壁部３０Ｂとを有する。縁壁部３０Ｂは、シリンダ軸線Ａを中心とした円筒面に形成され、上端において冠面７Ａと垂直に接続している。ここで、縁壁部３０Ｂの上端と冠面７Ａとがなす角度は、略垂直であればよく、若干の幅（例えば８７〜９３°）があってもよい。本実施形態では、縁壁部３０Ｂの上端と冠面７Ａとがなす角度は、９０°となっている。縁壁部３０Ｂと底部３０Ａとの境界の隅部３０Ｃの表面は、滑らか曲面に形成されている。縁壁部３０Ｂの壁面、隅部３０Ｃの表面、及び底部３０Ａの上面は、滑らかに連続した面を形成している。

底部３０Ａの中央には、シリンダ軸線Ａを中心とした略円錐形の凸部３１が突設されている。凸部３１の突出端は、冠面７Ａよりも下方に配置されている。すなわち、凸部３１の高さは、キャビティ３０の深さよりも小さく設定されている。凸部３１の高さは、キャビティ３０の深さの１／２以下であってもよい。シリンダ軸線Ａに沿った方向から見て、凸部３１の周縁部は底部３０Ａの周縁部の近傍まで延びている。シリンダ軸線Ａに沿った方向から見て、凸部３１はキャビティ３０の底部３０Ａの１／２以上を覆うように配置されている。凸部３１の突出端は、面取りがなされた滑らかな曲面に形成されている。また、凸部３１の周縁部と底部３０Ａとの境界部３３の表面は、滑らか曲面に形成されている。凸部３１の壁面、境界部３３の表面、底部３０Ａの上面は、滑らかに連続した面を形成している。

キャビティ３０及び凸部３１は、協働してシリンダ軸線Ａを中心としたトロイダル形状をなし、周縁部の深さが中央部に対して深くなっている。キャビティ３０及び凸部３１を含む冠面７Ａは、シリンダ軸線Ａを対称軸とした軸対称形に形成されている。

点火プラグ１９の発火部１９Ａは、シリンダ軸線Ａに沿った方向から見て、キャビティ３０と重なる部分に配置されている。より具体的には、発火部１９Ａは、シリンダ軸線Ａに沿った方向から見て、キャビティ３０内において、中心よりも縁壁部３０Ｂ側に配置されている。

図１に示すように、インジェクタ１７から噴射される気体燃料は、可燃層３５（燃料層）を形成し、シリンダ軸線Ａに沿って下方（冠面７Ａ側）に進むと共に、シリンダ軸線Ａを中心とした円錐状に広がる。その後、可燃層３５は凸部３１の壁面に導かれてシリンダ軸線Ａを中心とした径方向外方（放射方向）に流れ、底部３０Ａの上面及び隅部３０Ｃの表面によって上方に導かれる。その後、可燃層３５は、縁壁部３０Ｂに導かれて、シリンダ軸線Ａと平行に上方、すなわち燃焼室天井部５側に流れる。燃焼室天井部５に向う可燃層３５は、シリンダ軸線Ａを中心とした軸対称形に形成され、燃焼室天井部５の近傍においてシリンダ軸線Ａを中心とした環状（筒状）をなす。吸気ポート１１から燃焼室８に流入する吸気によって燃焼室８にはスワール流が形成されているが、可燃層３５はシリンダ軸線Ａを中心とした軸対称をなすため、スワール流の影響を受けてシリンダ軸線Ａ回りに回転するが形状は維持される。

その後、環状をなして上方に向う可燃層３５は、燃焼室天井部５に衝突して、径方向内側（シリンダ軸線Ａ側）に流れる。このようにして、燃焼室天井部５近傍に可燃層３５が形成される。環状をなして上方に向う可燃層３５は、燃焼室天井部５のキャビティ３０の外周部と対向する部分に主に到達するため、この部分の当量比（燃料濃度）が燃焼室天井部５近傍の他の部分よりも高くなる。当量比は、燃料の濃さを表す数値であり、実際の混合比の燃空比を理論燃空比で割ることによって算出される。

図３に示すように、燃焼室天井部５に衝突して径方向内側に流れる可燃層３５は、互いに押し合って下方に流れ、その後、自身の流れに沿って渦をなすように回転する。可燃層３５は、回転する過程で拡散し、燃焼室８内の空気と混合して均質な混合気に近づく。すなわち、可燃層３５は、燃料噴射時期から所定期間存在し、時間の経過によって均質混合気に変化する。均質混合気の濃度は、吸入空気量と燃料噴射量とによって定まり、可燃層３５の濃度よりも低い。点火時期に対して燃料噴射時期が所定期間より早い場合（進角時期）、点火時期における発火部１９Ａの周囲には均質混合気が存在し、点火時期に対して燃料噴射時期が所定期間以内である場合（遅角時期）、点火時期における発火部１９Ａの周囲には可燃層３５が存在する。

点火時期において、点火プラグ１９の発火部１９Ａで点火が行われると、初期火炎が火炎伝播して混合気が燃焼する。このとき、図２に示すように、火炎伝播は、スワール流の流動によってシリンダ軸線Ａを中心とした周方向に促進され、火炎伝播速度が増加する。特に、遅角時期に点火した場合、燃焼室天井部５近傍にシリンダ軸線Ａを中心とした環状の可燃層３５が存在するため、可燃層３５に沿った周方向の火炎伝播はスワール流の流動によって促進され、燃焼速度が増加する。

本実施形態に係る内燃機関１では、縁壁部３０Ｂが冠面７Ａと略垂直に接続するように配置されているため、気体燃料は縁壁部３０Ｂから燃焼室天井部５へシリンダ軸線Ａと平行に流れる。このため、噴射時期が異なり、そのときのピストン７位置が変化するような場合にも、気体燃料は常に燃焼室天井部５の所定の位置に向けて流れ、発火部１９Ａの周囲に可燃層３５を形成することができる。すなわち、発火部１９Ａの周囲に可燃層３５を形成しながら、噴射時期を変更することができる。これにより、負荷等に応じて噴射時期を調整することが可能になる。

（制御）
図１に示すように、内燃機関１は、制御装置４０（ＥＣＵ）と、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルペダルセンサ４１、内燃機関１のクランクシャフトの回転位置を検出するクランク角センサ４２とを有する。制御装置４０には、アクセルペダルセンサ４１及びクランク角センサ４２の信号が入力される。制御装置４０は、クランク角センサ４２からの信号に基づいてエンジン回転数を算出し、エンジン回転数とアクセルペダルの踏み込み量とに基づいて内燃機関１の負荷を算出する。負荷の算出は、例えば所定のマップを参照して行うとよい。例えば、マップは、エンジン回転数の増加に応じて負荷が増加し、アクセルペダルの踏み込み量の増加に応じて負荷が増加するように設定されているとよい。そして、制御装置４０は、負荷と所定の判定値とを比較し、負荷が判定値より低い場合に内燃機関１の運転状態が低負荷状態であるとし、負荷が判定値以上である場合に内燃機関１の運転状態が高負荷状態とする。例えば、低負荷状態はＩＭＥＰ（図示平均有効圧）が８００ｋＰａ以下の範囲に対応し、高負荷状態はＩＭＥＰが８００ｋＰａより大きい範囲に対応する。

制御装置４０は、負荷に応じてインジェクタ１７を制御する。第１に、制御装置４０は、負荷の増加に応じて、インジェクタ１７の１燃焼サイクルにおける合計開弁時間を増加させる。これにより、１燃焼サイクルにおいてインジェクタ１７から噴射される燃料量が、負荷の増加に応じて増加する。

第２に、制御装置４０は、内燃機関１の運転状態に応じて、１燃焼サイクルにおける噴射回数及び噴射タイミングを変更する。制御装置４０は、内燃機関１の運転状態が低負荷状態であるときに、インジェクタ１７が単段噴射を行うように制御し、内燃機関１の運転状態が高負荷状態であるときにインジェクタ１７が多段噴射を行うように制御する。本実施形態では、制御装置４０は、高負荷状態であるときにインジェクタ１７が１燃焼サイクル当り噴射を２回行うように制御する。

インジェクタ１７は、低負荷状態のときには、点火時期において、発火部１９Ａの周囲に当量比が０．８〜１．２の可燃層３５が形成されるように、点火時期の直前に単段噴射を行う。具体的には、点火時期を基準（０ｍｓ）として−１０ｍｓ〜−５ｍｓのタイミングでインジェクタ１７は燃料噴射を開始する。クランク角で表すと、圧縮行程における上死点を基準（０ｄｅｇＣＡ．）として、−６０ｄｅｇＣＡ．〜−３０ｄｅｇＣＡ．のタイミングでインジェクタ１７は燃料噴射を開始する。

インジェクタ１７は、高負荷状態のときには、吸気行程において１回目の燃料噴射を開始し、２回目の燃料噴射を圧縮行程において点火時期の直前に開始する。１回目の燃料噴射は、噴射された燃料が点火時期において均質に混合される（予混合化される）ように、点火時期から比較的早い吸気行程において開始される。具体的には、圧縮行程における上死点を基準（０ｄｅｇＣＡ．）として、−３００ｄｅｇＣＡ．〜−２１０ｄｅｇＣＡ．のタイミングでインジェクタ１７は燃料噴射を開始する。２回目の燃料噴射は、点火時期において、発火部１９Ａの周囲に当量比が０．８〜１．２の可燃層３５が形成されるようにする。具体的には、２回目の燃料噴射は、点火時期を基準（０ｍｓ）として−１０ｍｓ〜−５ｍｓのタイミングでインジェクタ１７は燃料噴射を開始する。クランク角で表すと、圧縮行程における上死点を基準（０ｄｅｇＣＡ．）として、−９０ｄｅｇ〜−６０ｄｅｇのタイミングでインジェクタ１７は燃料噴射を開始する。１回目及び２回目の燃料噴射量の割合は任意に設定してよい。本実施形態では、１回目及び２回目の燃料噴射量の割合は１：１とする。

以上のように構成される内燃機関１について、燃料の噴射タイミング及び噴射回数が燃焼安定性に与える影響について実験を行った。実験に使用した内燃機関１の緒元は、単気筒、ボア径が８５．０ｍｍ、ストロークが９７．１ｍｍ、排気量が５５１ｃｍ^３、圧縮比が１４．０、膨張比が１４．０、インジェクタ１７の噴射圧力が５ＭＰａ、スワール比が２である。実験は、回転数が１５００ｒｐｍ、ＩＭＥＰが５００ｋＰａの低負荷状態と、回転数が２０００ｒｐｍ、ＩＭＥＰが１２００ｋＰａの高負荷状態との２つの運転状態で行った。

図４に示すように、高負荷状態において、燃料を２段噴射した場合（条件１）、進角時期に単段噴射した場合（条件２）、遅角時期に単段噴射した場合（条件３）についてそれぞれ測定を行った。条件１の場合は噴射継続時間が４ｍｓの燃焼噴射が２回、条件２及び条件３の場合は噴射継続時間が８ｍｓの燃焼噴射が１回であり、各場合において１燃焼サイクルにおける燃料噴射量は等しい。条件１の場合は、１回目の噴射開始時期は−２７０ｄｅｇＣＡ．、２回目の噴射開始時期は−８０ｄｅｇＣＡ．であり、条件２の場合は噴射開始時期が−２４５ｄｅｇＣＡ．であり、条件３の場合は噴射開始時期が−１１０ｄｅｇＣＡ．である。条件１〜条件３の各場合において点火時期は−１１ｄｅｇＣＡ．である。

上記の条件１〜条件３について測定を行ったところ、条件３の場合は失火が多発し、有意な測定結果を得ることができなかった。この原因は、遅角時期に噴射量が比較的多い燃料噴射が行われたことによって、点火時期に発火部１９Ａの周囲に当量比が１．３以上の可燃層３５が形成されたことに起因すると考えられる。下の表１は、定容容器内に各当量比のＣＮＧ混合気を形成し、スパークプラグで点火を行ったときの着火確率を示す。表１から、当量比が１．２−１．３の場合、着火確率が低下することがわかる。遅角時期に比較的多い燃料噴射を行うと点火時期に発火部１９Ａの周囲に可燃層３５が形成されるため、当量比が０．６未満になることは考え難い。そのため、条件３の場合は、点火時期に発火部１９Ａの周囲に当量比が１．３以上の可燃層３５が形成されたと考えることが妥当である。

図５は、条件１及び条件２について空燃比（Ａ／Ｆ）に対する燃焼変動率（ＣＯＶ、％）を示すグラフであり、図６は、条件１及び条件２について空燃比に対する燃焼期間（ｄｅｇＣＡ．）を示すグラフである。図５から、進角時期に単段噴射を行う場合（条件２）よりも、２回噴射を行う場合（条件１）の方が、より希薄な空燃費で燃焼を安定させることができる。これは、図６からわかるように、条件２の場合よりも条件１の場合の方が、燃焼速度が増加していることに起因すると考えられる。条件１では、２回目の燃料噴射によって、点火時期において発火部１９Ａの周囲に可燃層３５が形成されるため、この可燃層３５によって燃焼速度が増加していると考えられる。

以上のように、燃料噴射量が増加する高負荷状態では、噴射を２回に分割し、２回目の噴射によって成層燃焼を行うことで、希薄限界空燃比を拡大することができる。

図７に示すように、低負荷状態において、燃料を遅角時期に単段噴射した場合（条件４）、進角時期に単段噴射した場合（条件５）についてそれぞれ測定を行った。条件４及び条件５の場合では、噴射継続時間が共に４ｍｓであり、１燃焼サイクルにおける燃料噴射量は等しい。条件４の場合は噴射開始時期が−５０ｄｅｇＣＡ．であり、条件５の場合は噴射開始時期が−１９０ｄｅｇＣＡ．である。条件１〜条件３の各場合において点火時期は−１１ｄｅｇＣＡ．である。

図８は、条件４及び条件５について空燃比（Ａ／Ｆ）に対する燃焼変動率（ＣＯＶ、％）を示すグラフであり、図９は、条件４及び条件５について空燃比に対する燃焼期間（ｄｅｇＣＡ．）を示すグラフである。図８から、進角時期に単段噴射を行う場合（条件５）よりも、遅角時期に単段噴射を行う場合（条件４）の方が、より希薄な空燃費で燃焼を安定させることができる。これは、図９からわかるように、条件５の場合よりも条件４の場合の方が、燃焼速度が増加していることに起因すると考えられる。条件４では、遅角時期の燃料噴射によって、点火時期において発火部１９Ａの周囲に可燃層３５が形成されるため、この可燃層３５によって燃焼速度が増加していると考えられる。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、上記の実施形態では、気体燃料としてＣＮＧを使用した例について説明したが、気体燃料は水素やメタン、プロパン等であってもよい。また、スワール生成手段は、上記のヘリカルポート１１Ａやタンジェンシャルポート１１Ｂに代えて、公知のスワールバルブを適用してもよい。スワールバルブは、吸気ポート１１の内部に設けられ、吸気ポート１１の流路の少なくとも一部を閉じることによって吸気の流れ方向を制御するとよい。

１ ：内燃機関
２ ：内燃機関本体
４ ：シリンダ
５ ：燃焼室天井部
７ ：ピストン
７Ａ ：冠面
８ ：燃焼室
１１ ：吸気ポート
１１Ａ ：ヘリカルポート（スワール流生成手段）
１１Ｂ ：タンジェンシャルポート（スワール流生成手段）
１２ ：排気ポート
１７ ：インジェクタ
１９ ：点火プラグ
１９Ａ ：発火部
３０ ：キャビティ
３０Ａ ：底部
３０Ｂ ：縁壁部
３０Ｃ ：隅部
３１ ：凸部
３３ ：境界部
３５ ：可燃層
４０ ：制御装置
Ａ ：シリンダ軸線

Claims (9)

1. 気体燃料を燃焼室に向けて噴射するインジェクタを備えた内燃機関であって、
   前記インジェクタは、当該内燃機関の負荷の増加に応じて１燃焼サイクル当たりの燃料噴射量を増加させ、当該内燃機関が高負荷状態のときに、吸気行程から点火時期までの間に多段噴射を行うと共に、多段噴射の内の点火時期の直前の燃料噴射によって点火時期に点火プラグの発火部の周囲に可燃層を形成することを特徴とする内燃機関。
2. 前記インジェクタは、当該内燃機関が低負荷状態のときに、吸気行程から点火時期までの間に単段噴射を行うことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記インジェクタは、当該内燃機関が低負荷状態のときに、点火時期の直前に単段噴射を行うことによって点火時期に前記発火部の周囲に可燃層を形成することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
4. 前記インジェクタは、当該内燃機関が高負荷状態のときに、前記吸気行程において１回目の燃料噴射を開始すると共に、点火時期の直前に２回目の燃焼噴射を行うことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つの項に記載の内燃機関。
5. 点火時期に前記発火部の周囲に形成される前記可燃層の当量比が、０．８以上１．２以下であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つの項に記載の内燃機関。
6. 一端に燃焼室天井部を有するシリンダを備えた内燃機関本体と、
   前記燃焼室天井部に開口する吸気ポート及び排気ポートと、
   前記シリンダに摺動可能に受容され、前記燃焼室天井部と協働して前記燃焼室を画定する冠面、前記冠面にシリンダ軸線を中心とした円形に凹設され、周縁部に前記冠面と略直交する縁壁部を備えたキャビティ、及び前記キャビティの底部に突設され、シリンダ軸線を中心とした略円錐形の凸部を備えたピストンとを有し、
   前記発火部は、前記燃焼室天井部から突出し、
   前記インジェクタは、前記燃焼室天井部の中央に設けられ、シリンダ軸線に沿って前記凸部に向けて気体燃料を噴射することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つの項に記載の内燃機関。
7. 前記発火部は、シリンダ軸線に沿った方向から見て、前記キャビティと重なる位置に配置されていることを特徴とする請求項６に記載の内燃機関。
8. 前記吸気ポートは、当該吸気ポートから前記燃焼室に流入する吸気のスワール流を促進するスワール流生成手段を有することを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の内燃機関。
9. 前記燃焼室天井部は、平面に形成されていることを特徴とする請求項６〜請求項８のいずれか１つに記載の内燃機関。

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