JP2018123706A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】機関負荷が比較的高いときであっても燃焼騒音を抑制する。
【解決手段】内燃機関は、燃料噴射弁３１と、点火プラグと、頂面にキャビティ９１を有するピストンと、スワール流の強さを制御するスワール制御装置と、制御装置とを備える。キャビティは、燃料噴射弁からキャビティの側壁面までの距離が周方向において変化するように形成される。制御装置は、メイン燃料の噴射と着火アシスト燃料の噴射とを順次行うと共に、着火アシスト燃料の噴射によって形成された混合気を点火プラグによって火炎伝播燃焼させ、残りの燃料を予混合圧縮自着火燃焼させるように燃料噴射弁及び点火プラグを制御する着火アシスト制御を実行可能である。制御装置は、着火アシスト制御中において、機関負荷が相対的に高いときには、噴射された燃料が、側壁面のうち燃料噴射弁からの距離が相対的に短い部分に向かうように、スワール制御装置を制御する。
【選択図】図１４

Description

本発明は、内燃機関に関する。

燃料噴射弁からメイン燃料の噴射と着火アシスト燃料の噴射とを順次行うと共に、着火アシスト燃料の噴射によって形成された混合気を点火プラグによって火炎伝播燃焼させ、火炎伝播燃焼によって生じる熱や圧力上昇を利用して残りの燃料を予混合圧縮自着火燃焼させるようにした内燃機関が知られている（例えば、特許文献１）。

特開２００７−２６３０６５号公報 特開２００９−０３６１２６号公報 特開２００４−１５０３１８号公報 特開２０１２−２４６８５９号公報

ところで、上述したような内燃機関では、機関負荷が低いときには自着火燃焼が生じにくい。これは、自着火燃焼は燃焼室内の圧力が高いほど生じやすいところ、機関負荷が低いときには燃焼室内に供給される吸気ガスの圧力が低いことによるものである。したがって、上述したように燃料噴射及び点火を行った場合、点火プラグ近傍の混合気が火炎伝播燃焼した後に、点火プラグから離れた領域に位置する混合気が内側から外側に向かって順次自着火燃焼するようになる。

一方、機関負荷が比較的高いときには、燃焼室内に供給される吸気ガスの圧力が高いことから、自着火燃焼が生じやすい。したがって、上述したように燃料噴射及び点火を行った場合、点火プラグ近傍の混合気が火炎伝播燃焼した後に、その周囲に存在する混合気が一気に自着火燃焼することになる。このように、混合気が一気に自着火燃焼してしまうと、燃焼騒音が大きくなってしまう。

そこで、上記課題に鑑みて、本発明の目的は、点火プラグによる着火アシストを行って燃焼室内の混合気の一部を自着火燃焼させる内燃機関において、機関負荷が比較的高いときであっても燃焼騒音を抑制することにある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その要旨は以下のとおりである。

（１）各気筒の上面に配置された燃料噴射弁と、燃焼室内の混合気に点火する点火プラグと、頂面にキャビティを有するピストンと、前記燃焼室内に生じるスワール流の強さを制御するスワール制御装置と、前記燃料噴射弁、前記点火プラグ及びスワール制御装置とを制御する制御装置と、を備えた内燃機関であって、前記燃料噴射弁は、前記気筒の軸線方向に見たときに前記キャビティ内に位置するように配置され、前記キャビティは、前記燃料噴射弁から当該キャビティの側壁面までの距離が周方向において変化するように形成され、前記制御装置は、前記燃料噴射弁からメイン燃料の噴射と着火アシスト燃料の噴射とを順次行うと共に、前記着火アシスト燃料の噴射によって形成された混合気を前記点火プラグによって火炎伝播燃焼させると共に該火炎伝播燃焼によって生じる熱を用いて残りの燃料を予混合圧縮自着火燃焼させるように前記メイン燃料及び前記着火アシスト燃料の噴射量及び噴射時期並びに前記点火プラグによる点火時期を制御する着火アシスト制御を実行可能であり、前記制御装置は、前記着火アシスト制御中において、機関負荷が相対的に高いときには、機関負荷が相対的に低いときに比べて、前記燃料噴射弁から噴射された燃料が、前記側壁面のうち前記燃料噴射弁からの距離が相対的に短い部分に向かうように、前記スワール制御装置を制御する、内燃機関。

（２）前記キャビティは、前記燃料噴射弁から側壁面までの距離が相対的に短い内側凸部と前記燃料噴射弁から側壁面までの距離が相対的に長い外側凹部とが周方向において交互に配置されるように形成され、前記内側凸部及び前記外側凹部を少なくともそれぞれ二つ備える、上記（１）に記載の内燃機関。

（３）前記燃料噴射弁の噴孔は、各噴孔からの噴霧方向が前記外側凹部に向かう方向になるように形成され、前記制御装置は、機関負荷が所定負荷よりも低いときには、前記燃料噴射弁から噴射された燃料の周方向の移動を抑制すべくスワール流が相対的に弱くなるように前記スワール制御装置を制御し、機関負荷が前記所定負荷以上のときには、前記燃料噴射弁から噴射された燃料の周方向の移動を促進すべくスワール流が相対的に強くなるように前記スワール制御装置を制御する、上記（２）に記載の内燃機関。

（４）前記燃料噴射弁の噴孔は、各噴孔からの噴霧方向が前記内側凸部に向かう方向になるように形成され、前記制御装置は、機関負荷が所定負荷よりも低いときには、前記燃料噴射弁から噴射された燃料の周方向の移動を促進すべくスワール流が相対的に強くなるように前記スワール制御装置を制御し、機関負荷が前記所定負荷以上のときには、前記燃料噴射弁から噴射された燃料の周方向の移動を抑制すべくスワール流が相対的に弱くなるように前記スワール制御装置を制御する、上記（２）に記載の内燃機関。

（５）前記燃料噴射弁の噴孔数は前記キャビティの前記内側凸部の数と等しく、前記燃料噴射弁の噴孔及び前記内側凸部は気筒の周方向において等間隔に配置される、上記（１）〜（４）のいずれか１つに記載の内燃機関。

本発明によれば、点火プラグによる着火アシストを行って燃焼室内の混合気の一部を自着火燃焼させる内燃機関において、機関負荷が比較的高いときであっても燃焼騒音を抑制することができる。

図１は、第一実施形態に係る内燃機関全体の概略図である。 図２は、機関本体の断面図である。 図３は、図２の線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿って見たピストン上部の断面図である。 図４は、燃焼室の上壁面の底面図である。 図５は、各運転モードでの運転が行われる運転領域を示す図である。 図６Ａは、吸気弁及び排気弁のリフト量の推移を示す図である。 図６Ｂは、吸気弁及び排気弁のリフト量の推移を示す図である。 図７は、着火アシストを実施して予混合気を圧縮自着火燃焼させる場合における、燃料噴射率、点火時期及び熱発生率のクランク角推移を示す図である。 図８は、機関負荷が相対的に低いときのキャビティ内での燃焼の推移を示す図である。 図９は、機関負荷が相対的に高いときのキャビティ内での燃焼の推移を示す図である。 図１０は、機関負荷に応じた燃料噴射率、点火時期及び熱発生率のクランク角推移を示す図である。 図１１は、燃料噴射弁から噴射された燃料がキャビティの側壁面から離れたところまでしか到達していない状態におけるキャビティ内の様子を概略的に示した図である。 図１２は、燃料噴射弁から噴射された燃料がキャビティの側壁面近傍まで到達している状態におけるキャビティ内の様子を概略的に示した図である。 図１３は、機関負荷が比較的低い場合におけるキャビティ内での燃料の進行方向を概略的に示した図である。 図１４は、機関負荷が比較的高い場合における、キャビティ内での燃料の進行方向を概略的に示した図である。 図１５は、基本的な燃焼制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図１６は、スワール制御弁の開閉制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図１７は、機関負荷が比較的低い場合における、キャビティ内での燃料の進行方向を概略的に示した図である。 図１８は、機関負荷が比較的高い場合における、キャビティ内での燃料の進行方向を概略的に示した図である。 図１９は、スワール制御弁の開閉制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図２０は、機関負荷とスワール制御弁の開度との関係を示す図である。

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。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。

＜第一実施形態＞
≪内燃機関全体の説明≫
まず、図１及び図２を参照して第一実施形態に係る内燃機関１の構成について説明する。図１は、ガソリンを燃料とする内燃機関１の概略的な構成図である。図２は、内燃機関１の機関本体１０の概略的な断面図である。

図１及び図２に示したように、内燃機関１は、機関本体１０、可変動弁機構２０、燃料供給装置３０、吸気系４０、排気系５０、ＥＧＲ機構６０、及び制御装置７０を備える。

機関本体１０は、複数の気筒１１が形成されたシリンダブロック１２と、シリンダヘッド１３とを備える。各気筒１１内には、各気筒１１内を往復運動するピストン１４が配置されている。ピストン１４とシリンダヘッド１３との間の気筒１１内には混合気が燃焼する燃焼室１５が形成されている。シリンダヘッド１３には、各気筒１１の中央付近において、燃焼室１５内の混合気に点火するための点火プラグ１６が設けられている。

シリンダヘッド１３には、吸気ポート１７及び排気ポート１８が形成されている。これら吸気ポート１７及び排気ポート１８は各気筒１１の燃焼室１５に連通している。燃焼室１５と吸気ポート１７との間には吸気弁２１が配置されて、この吸気弁２１が吸気ポート１７を開閉する。同様に、燃焼室１５と排気ポート１８との間には排気弁２２が配置されて、この排気弁２２が排気ポート１８を開閉する。

可変動弁機構２０は、各気筒の吸気弁２１を開閉駆動する吸気可変動弁機構２３と、各気筒の排気弁２２を開閉駆動する排気可変動弁機構２４とを備える。吸気可変動弁機構２３は、吸気弁２１の開弁時期、閉弁時期やリフト量を制御可能である。同様に、排気可変動弁機構２４は、排気弁２２の開弁時期、閉弁時期やリフト量を制御可能である。これら可変動弁機構２３、２４は、電磁アクチュエータによって吸気弁２１や排気弁２２を開閉駆動することで開弁時期等を変更するように構成されている。或いは、これら可変動弁機構２３、２４は、油圧等によって、クランクシャフトに対するカムシャフトの相対位相を変更したり、カムプロフィールを変更したりすることで開弁時期等を変更するように構成されてもよい。

燃料供給装置３０は、燃料噴射弁３１、デリバリパイプ３２、燃料供給管３３、燃料ポンプ３４、及び燃料タンク３５を備える。燃料噴射弁３１は、各気筒１１の燃焼室１５内に燃料を直接噴射するようにシリンダヘッド１３に配置されている。特に、本実施形態では、燃料噴射弁３１は、点火プラグ１６の電極部が燃料噴射弁３１からの燃料噴射領域Ｆ又はその近傍に位置するように、点火プラグ１６に隣接して各気筒１１の中央近傍に配置されている。

燃料噴射弁３１は、デリバリパイプ３２及び燃料供給管３３を介して燃料タンク３５に連結されている。燃料供給管３３には、燃料タンク３５内の燃料を圧送する燃料ポンプ３４が配置される。燃料ポンプ３４によって圧送された燃料は、燃料供給管３３を介してデリバリパイプ３２に供給され、燃料噴射弁３１が開弁されるのに伴って燃料噴射弁３１から燃焼室１５内に直接噴射される。

吸気系４０は、吸気枝管４１、サージタンク４２、吸気管４３、エアクリーナ４４、排気ターボチャージャ５のコンプレッサ５ａ、インタークーラ４５、及びスロットル弁４６を備える。各気筒１１の吸気ポート１７はそれぞれ対応する吸気枝管４１を介してサージタンク４２に連通しており、サージタンク４２は吸気管４３を介してエアクリーナ４４に連通している。吸気管４３には、吸気管４３内を流通する吸入空気を圧縮して吐出する排気ターボチャージャ５のコンプレッサ５ａと、コンプレッサ５ａによって圧縮された空気を冷却するインタークーラ４５とが設けられている。インタークーラ４５は、吸入空気の流れ方向においてコンプレッサ５ａの下流側に配置されている。スロットル弁４６は、インタークーラ４５とサージタンク４２との間の吸気管４３内に配置されている。スロットル弁４６は、スロットル弁駆動アクチュエータ４７によって回動せしめられることで、吸気通路の開口面積を変更することができる。なお、吸気ポート１７、吸気枝管４１、サージタンク４２、及び吸気管４３は、燃焼室１５に吸気ガスを供給する吸気通路を形成する。

排気系５０は、排気マニホルド５１、排気管５２、排気ターボチャージャ５のタービン５ｂ、及び排気後処理装置５３を備える。各気筒１１の排気ポート１８は、排気マニホルド５１に連通しており、排気マニホルド５１は排気管５２に連通している。排気管５２には、排気ターボチャージャ５のタービン５ｂが設けられている。タービン５ｂは、排気ガスのエネルギによって回転駆動せしめられる。排気ターボチャージャ５のコンプレッサ５ａとタービン５ｂとは回転軸によって接続されており、タービン５ｂが回転駆動せしめられると、これに伴ってコンプレッサ５ａが回転し、よって吸入空気が圧縮せしめられる。また、排気管５２にはタービン５ｂの排気流れ方向下流側において排気後処理装置５３が設けられている。排気後処理装置５３は、排気ガスを浄化した上で外気中に排出するための装置であって、有害物質を浄化する各種の排気浄化触媒や有害物質を捕集するフィルタなどを備える。なお、排気ポート１８、排気マニホルド５１、及び排気管５２は、燃焼室１５から排気ガスを排出する排気通路を形成する。

ＥＧＲ機構６０は、ＥＧＲ管６１と、ＥＧＲ制御弁６２と、ＥＧＲクーラ６３とを備える。ＥＧＲ管６１は、排気マニホルド５１とサージタンク４２とに連結され、これらを互いに連通させる。ＥＧＲ管６１には、ＥＧＲ管６１内を流れるＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ６３が設けられている。加えて、ＥＧＲ管６１には、ＥＧＲ管６１によって形成されるＥＧＲ通路の開口面積を変更することができるＥＧＲ制御弁６２が設けられている。ＥＧＲ制御弁６２の開度を制御することによって、排気マニホルド５１からサージタンク４２へ還流させるＥＧＲガスの流量が調整される。

制御装置７０は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）７１及び各種センサを備える。ＥＣＵ７１は、デジタルコンピュータから構成され、双方向性バス７２を介して相互に接続されたＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）７３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）７４、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）７５、入力ポート７６、及び出力ポート７７を備える。

シリンダヘッド１３には、各気筒１１内の圧力（筒内圧力）を検出するための筒内圧センサ８１が配置される。また、デリバリパイプ３２には、デリバリパイプ３２内の燃料の圧力、すなわち燃料噴射弁３１から気筒１１内に噴射される燃料の圧力（噴射圧）を検出するための燃圧センサ８２が設けられている。吸気管４３には、排気ターボチャージャ５のコンプレッサ５ａの吸気流れ方向上流側に、吸気管４３内を流れる空気の流量を検出するエアフロメータ８３が設けられている。スロットル弁４６には、その開度（スロットル開度）を検出するためのスロットル開度センサ８４が設けられている。加えて、サージタンク４２には、サージタンク４２内の吸気ガスの圧力、すなわち気筒１１内に吸入される吸気ガスの圧力（吸気圧）を検出するための吸気圧センサ８５が設けられている。さらに、サージタンク４２には、サージタンク４２内の吸気ガスの温度、すなわち気筒１１内に吸入される吸気ガスの温度（吸気温）を検出するための吸気温センサ８６が設けられている。これら、筒内圧センサ８１、燃圧センサ８２、エアフロメータ８３、スロットル開度センサ８４、吸気圧センサ８５及び吸気温センサ８６の出力は、対応するＡＤ変換器７８を介して入力ポート７６に入力される。

また、アクセルペダル８７にはアクセルペダル８７の踏み込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ８８が接続され、負荷センサ８８の出力電圧は対応するＡＤ変換器７８を介して入力ポート７６に入力される。したがって、本実施形態では、アクセルペダル８７の踏み込み量が機関負荷として用いられる。クランク角センサ８９は例えば機関本体１０のクランクシャフトが例えば１５度回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスが入力ポート７６に入力される。ＣＰＵ７５ではこのクランク角センサ８９の出力パルスから機関回転速度が計算される。

一方、ＥＣＵ７１の出力ポート７７は、対応する駆動回路７９を介して、内燃機関１の運転を制御する各アクチュエータに接続される。図１及び図２に示した例では、出力ポート７７は、点火プラグ１６、吸気可変動弁機構２３、排気可変動弁機構２４、燃料噴射弁３１、燃料ポンプ３４、スロットル弁駆動アクチュエータ４７、及びＥＧＲ制御弁６２に接続されている。ＥＣＵ７１は、これらアクチュエータを制御する制御信号を出力ポート７７から出力して、内燃機関１の運転を制御する。

≪ピストンの構造≫
図３は、図２の線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿って見たピストン上部の断面図である。図２及び図３からわかるように、ピストン１４は、その頂面に形成されたキャビティ９１を有する。図３に示したように、キャビティ９１は、気筒１１の軸線方向に見たときに燃料噴射弁３１を囲うように形成され、特に本実施形態では燃料噴射弁３１が中心に位置するように形成される。逆に言うと、燃料噴射弁３１は、気筒１１の軸線方向に見たときにキャビティ９１内に位置するように、特に本実施形態ではキャビティ９１の中心に位置するように配置される。

また、キャビティ９１は、底面９２と側壁面９３とを有する。底面９２は、ピストン１４の軸線に対して概ね垂直な方向に延びる。一方、側壁面９３は、底面９２の周囲に連結され、キャビティ９１の外周を画定する。

キャビティ９１の側壁面９３は、燃料噴射弁３１を中心とした円周方向において内側及び外側に波打つように形成される。換言すると、キャビティ９１の側壁面９３は、燃料噴射弁３１からの距離が相対的に短い部分である内側凸部９３ａと、燃料噴射弁３１からの距離が相対的に長い部分である外側凹部９３ｂとが周方向において交互に配置されるように形成される。特に、本実施形態では、内側凸部９３ａ及び外側凹部９３ｂはそれぞれ気筒の周方向において等間隔に配置される。

加えて、図３に示した例では、内側凸部９３ａ及び外側凹部９３ｂはそれぞれ６つずつ形成される。また、図３に示した例では、内側凸部９３ａは燃料噴射弁３１の軸線に向かって円弧状に突出するように形成され、外側凹部９３ｂは燃料噴射弁３１の軸線から離れるように円弧状に凹むように形成される。

加えて、本実施形態では、内側凸部９３ａ及び外側凹部９３ｂは、ピストン１４の軸線を含む断面において、ほぼ同一の形状となるように形成される。特に、本実施形態では、内側凸部９３ａ及び外側凹部９３ｂのいずれも、その断面が図２に示したように、ピストン１４の軸線に対して僅かに傾斜して延びるように形成される。

なお、図３に示した例では、内側凸部９３ａ及び外側凹部９３ｂはそれぞれ６つずつ形成されている。しかしながら、これら内側凸部９３ａ及び外側凹部９３ｂの数はそれぞれ７つずつ以上であってもよいし、５つずつ以下であってもよい。ただし、キャビティ９１は、内側凸部９３ａ及び外側凹部９３ｂを少なくともそれぞれ二つ備えるように形成されることが必要である。

また、図３に示した例では、内側凸部９３ａ及び外側凹部９３ｂはそれぞれ円弧状に形成されている。しかしながら、内側凸部９３ａは外側凹部９３ｂよりも燃料噴射弁３１までの距離が短ければ、如何なる形状であってもよい。また、外側凹部９３ｂは、内側凸部９３ａよりも燃料噴射弁３１までの距離が長ければ、如何なる形状であってもよい。

以上より、本実施形態では、キャビティ９１は、燃料噴射弁３１からキャビティ９１の側壁面までの距離が周方向において変化するように形成されているといえる。

≪スワール制御弁の説明≫
図４は、燃焼室１５の上壁面の底面図である。図４からわかるように、機関本体１０は、各気筒１１に連通する二つの吸気ポート１７のうち一方の吸気ポート内に配置されたスワール制御弁９５を備える。スワール制御弁９５は、スワール制御弁９５に接続されたスワール制御弁駆動アクチュエータ９６によって回動せしめられ、これに伴ってスワール制御弁９５が配置された吸気ポート１７の開口面積を変化させることができる。スワール制御弁駆動アクチュエータ９６は、出力ポート７７に接続されている。なお、スワール制御弁９５は、二つの吸気ポート１７のうち一方を流れる吸気ガスのみの流量を制御することができれば、吸気枝管４１内に設けられてもよい。

このように構成されたスワール制御弁９５が閉弁せしめられると、吸気ガスはスワール制御弁９５が配置されていない吸気ポート１７のみを介して燃焼室１５に流入する。この結果、燃焼室１５内には図４において矢印Ｗで示すようなスワール流が発生する。一方、スワール制御弁９５が全開になると、吸気ガスは両方の吸気ポート１７を介して燃焼室１５に流入する。この結果、燃焼室１５内にはほとんどスワール流Ｗが発生しない。このスワール流Ｗは、スワール制御弁９５の開度に応じて変化し、スワール制御弁９５の開度が小さくなるほど強くなる。したがって、スワール制御弁９５は、燃焼室１５内に生じるスワール流の強さを制御することができる。

なお、本実施形態では、燃焼室１５内に生じるスワール流の強さを制御するスワール制御装置として、スワール制御弁９５を用いている。しかしながら、スワール流の強さを制御することができれば、スワール制御弁９５以外のスワール制御装置を用いてもよい。

≪基本的な燃焼制御≫
次に、図５〜図７を参照して、本実施形態の制御装置７０による基本的な燃焼制御について説明する。本実施形態では、制御装置７０は、火花点火運転モード（以下、「ＳＩ運転モード」という）と圧縮自着火運転モード（以下、「ＣＩ運転モード」という）との二つの運転モードにて内燃機関の運転を行う。

制御装置７０は、ＳＩ運転モードでは、基本的に燃焼室１５内に理論空燃比又は理論空燃比近傍の予混合気を形成し、この予混合気に点火プラグ１６による点火を行う。これにより、予混合気が燃焼室１５内で火炎伝播燃焼する。

また、制御装置７０は、ＣＩ運転モードでは、基本的に燃焼室１５内に理論空燃比よりもリーンな空燃比（例えば、３０〜４０程度）の予混合気を形成し、その予混合気を圧縮自着火燃焼させる。特に、本実施形態では、予混合気として、燃焼室１５の中央部に可燃層を有すると共に気筒１１の内壁面周りに空気層を有する成層予混合気を形成している。

予混合圧縮自着火燃焼は、火炎伝播燃焼と比べて空燃比をリーンにしても実施することができ、また圧縮比を高くしても実施することができる。そのため、予混合圧縮自着火燃焼を実施することで、燃費を向上させることができると共に、熱効率を向上させることができる。また、予混合圧縮自着火燃焼は、火炎伝播燃焼と比べて燃焼温度が低くなるため、ＮＯｘの発生を抑制することができる。さらに燃料の周りには十分な酸素が存在するため、未燃ＨＣの発生も抑制することができる。

また、予混合圧縮自着火燃焼では、燃焼室１５内で混合気が自着火するまでには反応時間が必要であり、機関回転速度が高くなると、混合気が自着火するのに必要な反応時間を確保することができなくなる。このため、機関回転速度が高い領域ではＳＩ運転モードでの運転が行われる。また、機関負荷が高くなって内燃機関による発生トルクが大きくなると過早着火が生じ、ノッキングが発生することになり、良好な自着火燃焼を行うことができなくなる。このため、機関負荷が高い領域でもＳＩ運転モードでの運転が行われる。この結果、本実施形態では、機関負荷及び機関回転速度から把握される機関運転状態が図５において実線で囲まれた自着火領域ＲＲ内にあれば、ＣＩ運転モードにより内燃機関が運転され、自着火領域ＲＲ外の領域にあれば、ＳＩ運転モードにより内燃機関が運転される。

次に、図６Ａ、図６Ｂ及び図７を参照して、本実施形態のＣＩ運転モードにおける可変動弁機構２０、点火プラグ１６及び燃料噴射弁３１の制御について説明する。

予混合圧縮自着火燃焼を実施するには、予混合気を自着火させることが可能な温度まで筒内温度を上昇させる必要があり、ＳＩ運転モード中のように予混合気を燃焼室１５内で全て火炎伝播燃焼させるときよりも筒内温度を高温にする必要がある。そのため本実施形態では、例えば図６Ａ及び図６Ｂに示すように、ＣＩ運転モード中は、必要に応じて排気弁２２が排気行程の他に吸気行程でも開弁するように排気可変動弁機構２４を制御している。このように、排気弁２２を吸気行程中に再度開弁する排気弁２度開き動作を実施することで、排気行程中に或る気筒から排出された高温の排気ガスを直後の吸気行程中にその気筒に吸い戻させることができる。これにより筒内温度を上昇させて、各気筒１１の筒内温度を、予混合圧縮自着火燃焼を実施可能な温度に維持している。

図６Ａに示したように、吸気弁２１のリフト量が小さいときに排気弁２２を開弁すれば、多量の排気ガスを自気筒に吸い戻すことができるので、筒内温度を大きく上昇させることができる。一方で図６Ｂに示すように、吸気弁２１のリフト量がある程度大きくなった後に排気弁２２を開弁すれば、筒内にある程度空気（新気）が吸入された後に排気ガスが吸い戻されることになるので、自気筒に吸い戻される排気ガスの量を抑えて筒内温度の上昇幅を抑えることができる。このように、排気弁２度開き動作を実施するタイミングに応じて、筒内温度の上昇幅を制御することができる。

加えて、本実施形態では、ＣＩ運転モードにおいても、点火プラグ１６によって混合気への点火が行われる。より詳細には、予混合気を燃焼室１５内で圧縮自着火燃焼させるにあたって、点火プラグ１６による着火アシストを行って燃料の一部を火炎伝播燃焼させ、この火炎伝播燃焼によって生じる熱を用いて筒内温度を強制的に上昇させることで、残りの燃料を予混合圧縮自着火燃焼させる着火アシスト制御を実施している。このような着火アシストを実施して予混合気を圧縮自着火燃焼させることで、予混合気の自着火時期を任意の時期に制御することが容易となる。

図７は、着火アシストを実施して予混合気を圧縮自着火燃焼させる場合における、クランク角と、燃料噴射率、点火時期及び熱発生率との関係を示す図である。熱発生率（ｄＱ／ｄθ）［Ｊ／ｄｅｇ．ＣＡ］は、混合気の燃焼によって生じる単位クランク角あたりの熱量、すなわち単位クランク角あたりの熱発生量Ｑを意味する。図中の実線（熱発生率パターンＡ）は、着火アシストを実施して予混合気を圧縮自着火燃焼させた場合の熱発生率の推移を、図中の一点鎖線（熱発生率パターンＸ）は、着火アシストを実施せずに予混合気を圧縮自着火燃焼させた場合の熱発生率の推移を、それぞれ示している。

図７に示したように、着火アシストを実施して予混合気を圧縮自着火燃焼させる場合には、燃料噴射弁３１によるメイン燃料の噴射、燃料噴射弁３１による着火アシスト燃料の噴射、及び点火プラグ１６による点火が順次行われる。

メイン燃料の噴射は、吸気行程から圧縮行程中の任意の時期（図７の例では、−５０［ｄｅｇ．ＡＴＤＣ］程度）に行われる。メイン燃料の噴射量は、各サイクルにおける総燃料噴射量の半分以上であることが好ましい。メイン燃料の噴射により燃焼室１５内には予混合気が形成される。なお、図７に示した例では、メイン燃料を圧縮行程中に１度だけ噴射する態様を示しているが、メイン燃料を複数回に分けて噴射するようにしてもよい。

着火アシスト燃料の噴射は、メイン燃料を噴射した後の圧縮行程後半の任意の時期（図７の例では−１０［ｄｅｇ．ＡＴＤＣ］程度）に行われる。着火アシスト燃料の噴射により、点火プラグ１６の周りには、メイン燃料の噴射によって燃焼室１５内に形成されている予混合気よりもリッチな空燃比のリッチ混合気が形成される。

点火プラグ１６による点火は、着火アシスト燃料を噴射した後の圧縮行程後半の任意の時期（図７の例では−８［ｄｅｇ．ＡＴＤＣ］程度）に行われる。これにより、点火プラグ１６の周りに形成されていたリッチ混合気（着火アシスト燃料）が点火され、主にこのリッチ混合気が火炎伝播燃焼せしめられる。斯かるリッチ混合気の火炎伝播燃焼により図７に熱発生率パターンＡ１で示したように熱が発生し、このように発生した熱により筒内温度が強制的に上昇せしめられ、これにより予混合気（メイン燃料）が圧縮自着火せしめられる。斯かる予混合気の圧縮自着火燃焼により図７に熱発生率パターンＡ２で示したように熱が発生する。この結果、火炎伝播燃焼及び圧縮自着火燃焼が生じた燃焼室１５では、熱発生率パターンＡで示したように熱発生率が推移することになる。

以上より、本実施形態では、制御装置７０は、燃料噴射弁３１からメイン燃料の噴射と着火アシスト燃料の噴射とを順次行うと共に、着火アシスト燃料の噴射によって形成された混合気を点火プラグ１６によって火炎伝播燃焼させると共に、火炎伝播燃焼によって生じる熱を用いて残りの燃料を予混合圧縮自着火燃焼させるように、メイン燃料及び着火アシスト燃料の噴射量及び噴射時期並びに点火時期を制御する着火アシスト制御を実行可能であるといえる。

このように、着火アシストを実施して予混合気を圧縮自着火燃焼させることにより、予混合気の着火時期を容易に任意の時期に制御することができるようになる。また、燃料の一部を火炎伝播燃焼させるので、圧縮自着火燃焼によって消費される燃料量が少なくなる。このため、全ての燃料が予混合圧縮自着火燃焼によって消費される場合と比較して、燃焼騒音を低減することができる。このように燃焼騒音を低減することができる理由について以下に説明する。

予混合気を圧縮自着火燃焼させた場合は、燃焼室１５内に拡散させた燃料が多点で同時期に自着火するので、火炎伝播燃焼させたときよりも燃焼速度が速くなって燃焼期間が短くなる。そのため、図７に一点鎖線で示した熱発生率パターンＢのように、予混合気を圧縮自着火燃焼させた場合は、熱発生率のピーク値、及び熱発生率の最大上昇速度（すなわち、熱発生率上昇時における熱発生パターンの傾き（ｄ²Ｑ／（ｄθ）²））のそれぞれが比較的大きくなる傾向にある。

燃焼騒音は、この熱発生率のピーク値及び熱発生率の最大上昇速度のそれぞれと相関があり、熱発生率のピーク値が大きくなるほど、またその熱発生率の最大上昇速度が大きくなるほど、大きくなる。そのため、予混合気を圧縮自着火燃焼させた場合は、予混合気を火炎伝播燃焼させたときよりも、燃焼騒音が増大する。

これに対して、着火アシストを実施して予混合気を圧縮自着火燃焼させた場合、図７に実線で示した熱発生率パターンＡのように、熱発生率のピーク値及び熱発生率の最大上昇速度（ｄ²Ｑ／（ｄθ）²）のそれぞれは熱発生率パターンＢと比較して小さくなる。このため、着火アシストを実施して予混合気を圧縮自着火燃焼させた場合には、燃焼騒音を低減することができる。

≪負荷と燃焼との関係≫
次に、図８〜図１０を参照して、機関負荷とＣＩ運転モードにおける燃焼状態との関係について説明する。図８〜図１０は、本実施形態とは異なり、ピストン１４に形成されたキャビティ９１’が周方向において内側及び外側に波打つことがなく、よって気筒１１の軸線方向に見たときに円形になるように形成されている場合を示している。

まず、図８を参照して、機関負荷が相対的に低いときについて説明する。図５を参照して説明した自着火領域ＲＲのうち、機関負荷が比較的低い領域においては、燃焼室１５に供給される吸気ガスの圧力は比較的低い。これは、スロットル弁４６の開度が小さいことや排気ターボチャージャ５による過給圧が比較的低く抑えられることによるものである。このように燃焼室１５に供給される吸気ガスの圧力が低いと、燃焼室１５内の吸気ガスの圧力も比較的低いものとなる。

ところで、予混合圧縮自着火燃焼における自着火の発生し易さは、燃焼室１５内の混合気の温度及び圧力並びに混合気の局所的な当量比（混合気内の燃料の濃度）に応じて変化する。燃焼室１５内の温度が高いほど、燃焼室１５の圧力が高いほど、及び混合気の当量比が高いほど、自着火が発生し易い。

上述したように、機関負荷が比較的低いときには、燃焼室１５内の吸気ガスの圧力が比較的低い。このため、燃焼室１５内に形成された予混合気は比較的自着火しにくい。このような状況下では、燃焼室１５内では、段階的に自着火燃焼が発生することになる。

図８は、機関負荷が比較的低いときのキャビティ９１’内での燃焼の推移を示す図である。着火アシストを実施してキャビティ９１’内で予混合気を圧縮自着火燃焼させるときには、まず、図７に示したようにメイン燃料の噴射及び着火アシスト燃料の噴射が行われる。加えて、着火アシスト燃料の噴射直後に、図８に示したように、点火プラグ１６によって点火ＩＧが行われる（図８の（ａ））。

点火プラグ１６による点火が行われると、着火アシスト燃料の噴射によって点火プラグ１６周りに形成されていた予混合気の火炎伝播燃焼ＳＡが生じる（図８の（ｂ））。着火アシスト燃料の噴射は点火プラグ１６による点火の直前に行われるため、着火アシスト燃料は点火プラグ１６周りの狭い範囲内にのみ噴霧されていることから、火炎伝播燃焼ＳＡも点火プラグ１６周りの狭い範囲内においてのみ生じる。

火炎伝播燃焼ＳＡによりキャビティ９１’内の混合気の温度及び圧力が上昇すると、これによってキャビティ９１’内の予混合気の自着火燃焼ＳＩ１が開始される。ここで、図８に示した例では、機関負荷が比較的低く、よってキャビティ９１’内は自着火が発生しにくい雰囲気になっているため、キャビティ９１’内の全領域で同時に自着火が発生するのではなく、まずはキャビティ９１’内の一部の領域において自着火が発生する。特に、点火プラグ１６に比較的近い中央寄りの領域では、キャビティ９１’中央付近で火炎伝播燃焼が生じているため、温度が高く、よって自着火燃焼が生じ易い。このため、予混合気の自着火燃焼ＳＩ１は最初は点火プラグ１６に比較的近い領域においてのみ発生する（図８の（ｃ））。

その後、中央寄りの領域における自着火燃焼に伴うキャビティ９１’内の温度や圧力の上昇により、キャビティ９１’内の残りの領域についても自着火が生じ易い雰囲気となり、ＳＩ２で示したように徐々に予混合気が自着火燃焼していく（図８（ｄ））。

図１０は、機関負荷に応じた、燃料噴射率、点火時期及び熱発生率のクランク角推移を示す図である。図１０中の破線Ａは、機関負荷が相対的に低いときの熱発生率の推移を示しており、図１０の実線Ｂは、機関負荷が相対的に高いときの熱発生率の推移を示している。

上述したように、機関負荷が比較的低いときには、まず火炎伝播燃焼ＳＡが生じる。このため、熱発生率パターンＡで示したように、熱発生率は上昇初期において比較的緩やかに上昇する。また、機関負荷が比較的低いときには、キャビティ９１’内において自着火燃焼がキャビティ９１’内全体で同時に生じるわけはなく、段階的に生じることになる。このため、熱発生率パターンＡで示したように、熱発生率は急激に上昇することがなく、よって熱発生率のピーク値及び熱発生率の最大上昇速度は比較的小さくなる。したがって、機関負荷が比較的低いときには、燃焼騒音は低く抑えられる。

次に、図９を参照して、機関負荷が相対的に高いときについて説明する。図５を参照して説明した自着火領域ＲＲのうち、機関負荷が比較的高い領域においては、燃焼室１５に供給される吸気ガスの圧力は比較的高い。これは、スロットル弁４６の開度が大きいことや排気ターボチャージャ５による過給圧が比較的高いことによるものである。このように燃焼室１５に供給される吸気ガスの圧力が低いと、燃焼室１５内の吸気ガスの圧力も比較的高いものとなる。このため、キャビティ９１’内に形成された予混合気は比較的自着火し易い。このような状況下では、キャビティ９１’内では、混合気が一気に自着火することになる。

図９は、機関負荷が相対的に高いときのキャビティ９１’内での燃焼の推移を示す図である。図示した例でも、図８に示した例と同様に、着火アシスト燃料の噴射直後に、点火プラグ１６によって点火ＩＧが行われる（図９の（ａ））。

点火プラグ１６による点火が行われると、図８（ｂ）に示した場合と同様に、着火アシスト燃料の噴射によって点火プラグ１６周りに形成されていた予混合気の火炎伝播燃焼ＳＡが生じる（図９の（ｂ））。加えて、機関負荷が比較的高いときには、予混合気は自着火し易い。したがって、点火プラグ１６周りでの火炎伝播燃焼ＳＡの発生直後に、キャビティ９１’内の様々な領域において自着火燃焼（ＳＩ１）が生じ（図９（ｂ）、ＳＩ２で示したように自着火燃焼がキャビティ９１’内において一気に広がる（図９（ｃ））。

したがって、機関負荷が比較的高いときには、自着火燃焼ＳＩ１が火炎伝播燃焼ＳＡの発生直後に生じる。このため、熱発生率パターンＢで示したように、熱発生率は上昇初期から比較的急激に上昇する。また、機関負荷が比較的高いときには、キャビティ９１’内において自着火燃焼がキャビティ９１’内全体で同時に生じる。このため、熱発生率パターンＢで示したように、熱発生率は急激に上昇することになり、よって熱発生率のピーク値及び熱発生率の最大上昇速度は比較的大きくなる。したがって、機関負荷が比較的高いときには、燃焼騒音が大きくなってしまう。

≪噴霧の位置と燃焼性≫
ところで、燃料噴射弁３１からの燃料噴射が行われた場合、燃料はキャビティ９１’内には必ずしも均一には分散しない。したがって、燃料噴射弁３１からの燃料噴射が行われると、キャビティ９１’内には燃料濃度の濃い領域（当量比の高い領域）と薄い領域（当量比の低い領域）とができる。また、燃料は燃料噴射弁３１から噴射されるとキャビティ９１’内で気化することになるが、気化に際しては気化熱を奪うため、雰囲気温度を低下させる。したがって、キャビティ９１’内の当量比の高い混合気の温度は相対的に低くなり、当量比の低い混合気の温度は相対的に高くなる。

ここで、上述したように、自着火の発生し易さは、混合気の温度及び圧力並びに混合気の局所的な当量比に応じて変化し、キャビティ９１’内の温度が高いほど、キャビティ９１’の圧力が高いほど、及び混合気の当量比が高いほど、自着火が発生し易い。結果的に、キャビティ９１’内の当量比の高い低温の混合気と、当量比の低い高温の混合気とは自着火の発生し易さが同程度になる。したがって、点火によって生じる火炎伝播燃焼を考慮しなければ、基本的には、燃料噴射弁３１からの燃料噴射を行った後には、自着火のし易さはキャビティ９１’内全体において同程度となる。

しかしながら、キャビティ９１’を画定する側壁面９３’はキャビティ９１’内の混合気に比べて温度が低いことから、キャビティ９１’の側壁面９３’近傍では混合気と側壁面９３’との間で熱交換が行われ、この結果、キャビティ９１’の側壁面９３’近傍では混合気の温度が低くなる。上述したように自着火の発生し易さは、混合気の温度に応じて変化することから、キャビティ９１’の側壁面）３’近傍では自着火が発生しにくくなる。

図１１は、燃料噴射弁３１から噴射された燃料Ｆがキャビティ９１’の側壁面９３’から離れたところまでしか到達していない状態を示している。このような状態では、燃料Ｆによって形成された混合気は、キャビティ９１’の側壁面９３’との間で熱交換を行わない。このため、燃料Ｆによって形成された混合気は全域に亘って自着火のし易さがほぼ等しくなる。したがって、機関負荷が比較的高い場合、燃料噴射弁３１から噴射された燃料Ｆが図１１に示したような状態にあるときにキャビティ９１’内で自着火燃焼が生じると、キャビティ９１’内全体で同時に自着火が生じ、燃焼騒音が大きなものとなる。一方、機関負荷が比較的低い場合には、燃料噴射弁３１から噴射された燃料Ｆが図１１に示したような状態にあるときにキャビティ９１’内で自着火燃焼が生じても、上述したように段階的に自着火燃焼が発生し、よって燃焼騒音は小さく抑えられる。

図１２は、燃料噴射弁３１から噴射された燃料Ｆがキャビティ９１’の側壁面９３’近傍まで到達している状態を示している。このような状態では、燃料Ｆによって形成された混合気は、側壁面９３’近傍の領域において側壁面９３’との間で熱交換を行う。したがって、燃料Ｆによって形成された混合気は、キャビティ９１’の中央領域では自着火し易くなると共に、周辺領域では自着火しにくくなる。したがって、機関負荷が比較的高い場合であっても、燃料噴射弁３１から噴射された燃料Ｆが図１２に示したような状態にあるときにキャビティ９１’内で自着火燃焼が生じるときには、先に中央領域で自着火燃焼が生じ、その後で周辺領域で自着火燃焼が生じるようになる。すなわち、段階的に自着火燃焼が生じるようになり、よって燃焼騒音を小さく抑えることができる。一方、機関負荷が比較的低い場合には、そもそもキャビティ９１’内は自着火燃焼が生じにくい雰囲気にあることから、キャビティ９１’内の周辺領域では混合気の自着火時期が遅くなり、よってキャビティ９１’内での混合気の燃焼が緩慢になり過ぎてしまう。

≪本実施形態における制御≫
そこで、本実施形態では、機関負荷に応じて、燃料噴射弁３１から噴射された燃料が向かう方向を変更することで、キャビティ９１の側壁面９３からの距離を変化させるようにしている。以下、図１３及び図１４を参照して、本実施形態における機関負荷に応じた燃料の進行方向の変化について説明する。

図１３は、機関負荷が比較的低い場合における、キャビティ９１内での燃料の進行方向を概略的に示した図である。図１３に示したように、本実施形態では、燃料噴射弁３１から燃料噴射が行われる噴孔の数は、６つであり、キャビティ９１の内側凸部９３ａの数及び外側凹部９３ｂの数とそれぞれ等しい数となっている。また、燃料噴射弁３１の噴孔は、内側凸部９３ａ及び外側凹部９３ｂの間隔に合わせて、気筒１１の周方向において等間隔に配置される。加えて、燃料噴射弁３１の各噴孔からの噴射方向は、外側凹部９３ｂに向かう方向となっている。

図１３に示した機関負荷が比較的低い場合、燃焼室１５内に生じるスワール流が弱くなるように、スワール制御弁９５が全開とされる。これにより燃焼室１５内にはスワール流がほとんど発生せず、よってキャビティ９１内にもスワール流がほとんど発生しない。したがって、この場合、燃料噴射弁３１の各噴孔から噴射された燃料は、図１３に示したように、キャビティ９１の外側凹部９３ｂに向かって、すなわち側壁面９３のうち燃料噴射弁３１からの距離が相対的に長い部分に向かって直線的に進行する。

ここで、キャビティ９１の外側凹部９３ｂは燃料噴射弁３１からの距離が比較的長いため、混合気が自着火燃焼を開始する時点において、燃料噴射弁３１から噴射された燃料Ｆはキャビティ９１の側壁面９３から離れたところまでしか到達していない。このため、燃料Ｆによって形成された混合気は全域に亘って自着火のし易さがほぼ等しくなる。したがって、キャビティ９１内の周辺領域において混合気の自着火時期が遅くなることがなくなり、よってキャビティ９１内での混合気の燃焼が緩慢になり過ぎてしまうことが抑制される。また、機関負荷が比較的低いことから、燃焼騒音も小さく抑えられる。

一方、図１４は、機関負荷が比較的高い場合における、キャビティ９１内での燃料の進行方向を概略的に示した図である。図１４に示した機関負荷が比較的高い場合、燃焼室１５内に生じるスワール流が強くなるように、スワール制御弁９５が全閉とされる。これにより燃焼室１５内には強いスワール流が発生し、よってキャビティ９１内にも図１４にＷで示したように強いスワール流が発生する。したがって、この場合、燃料噴射弁３１の各噴孔から噴射された燃料は、図１４に示したように、その進行方向が側壁面９３に近づくにつれてスワール流の旋回方向にずれることになる。その結果、燃料噴射弁３１の各噴孔から噴射された燃料は、キャビティ９１の内側凸部９３ａに向かって、すなわち側壁面９３のうち燃料噴射弁３１からの距離が相対的に短い部分に向かって進行する。

ここで、キャビティ９１の内側凸部９３ａは燃料噴射弁３１からの距離が比較的短いため、混合気が自着火燃焼を開始する時点において、燃料噴射弁３１から噴射された燃料Ｆはキャビティ９１の側壁面９３付近にまで到達する。このため、燃料Ｆによって形成された混合気は、キャビティ９１の中央領域では自着火し易くなると共に、周辺領域では自着火しにくくなる。この結果、段階的に自着火燃焼が生じるようになり、よって燃焼騒音を小さく抑えることができる。

このように、本実施形態では、機関負荷が比較的低いときには、燃料噴射弁３１から噴射された燃料の周方向の移動を抑制すべくスワール流が相対的に弱くなるようにスワール制御弁９５が全開にされる。これにより、キャビティ９１内での混合気の燃焼が緩慢になり過ぎてしまうことが抑制される。一方、機関負荷が比較的高いときには、燃料噴射弁３１から噴射された燃料の周方向の移動を促進すべくスワール流が相対的に強くなるようにスワール制御弁９５が全閉にされる。これにより、機関負荷が比較的高いときでも燃焼騒音を小さく抑えることができる。この結果、本実施形態では、機関負荷が比較的低いときに混合気の燃焼が緩慢になりすぎることを抑制しつつ、機関負荷が比較的高いときに燃焼騒音を小さく抑えることができる。

なお、燃料噴射弁３１から燃料噴射が行われる噴孔の数は、必ずしもキャビティ９１の内側凸部９３ａの数及び外側凹部９３ｂの数とそれぞれ等しい数となっている必要はない。したがって、噴孔の数は、内側凸部９３ａ又は外側凹部９３ｂの数よりも少なくてもよい。この場合には、燃料噴射弁３１の噴孔は、複数の外側凹部９３ｂのうち一部の外側凹部９３ｂのみに向かって噴射されるように配置されることになる。

≪フローチャートの説明≫
図１５は、基本的な燃焼制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは、一定時間間隔（例えば、４ｍｓ）毎に繰り返し実行される。

図１５を参照すると、まずステップＳ１１において、負荷センサ８８によって検出された機関負荷及びクランク角センサ８９に基づいて算出された機関回転速度を用いて、機関運転状態が検出される。次いで、ステップＳ１２において、ステップＳ１１にて検出された現在の機関運転状態が自着火領域ＲＲ内にあるか否かが判断される。ステップＳ１２において、現在の機関運転状態が自着火領域ＲＲ内にあると判断された場合には、ステップＳ１３へと進む。

ステップＳ１３では、負荷センサ８８によって検出された機関負荷等に基づいて総燃料噴射量Ｑｔが算出される。総燃料噴射量Ｑｔは、例えば、機関負荷と総燃料噴射量との関係を定めたマップをＥＣＵ７１のＲＯＭ７４に保存し、このマップを用いて機関負荷に基づいて算出される。総燃料噴射量Ｑｔは、機関負荷が大きくなるほど多くなるように設定される。

次いで、ステップＳ１４では、総燃料噴射量Ｑｔに対する着火アシスト燃料の噴射量Ｑａの割合Ｒが算出される。割合Ｒは、例えば、機関負荷が小さくなるほど、大きくなるように設定される。これは、機関負荷が小さくなるほど吸入空気量が減少し、予混合気の温度及び圧力が低下して圧縮自着火燃焼が発生しにくくなることから、機関負荷が小さくなったときに圧縮自着火燃焼が発生し易くなるように着火アシスト燃料の噴射量を増大させるようにしたものである。

次いで、ステップＳ１５では、ステップＳ１３において算出された総燃料噴射量Ｑｔと、ステップＳ１４において算出された着火アシスト噴射割合Ｒとに基づいて、メイン燃料の噴射量Ｑｍ及び着火アシスト燃料の噴射量Ｑａが算出される。次いで、ステップＳ１６では、ＥＣＵ７１のＲＯＭ７４に保存された予め定められたマップ等を用いて、機関負荷及び機関回転速度に基づいて、メイン燃料の噴射時期Ｔｍ、着火アシスト燃料の噴射時期Ｔａ及び点火プラグ１６による点火時期Ｔｉｇが算出され、制御ルーチンが終了せしめられる。メイン燃料の噴射時期、着火アシスト燃料の噴射時期及び点火時期は、例えば、機関回転速度が速くなるほど進角されるように設定される。

一方、ステップＳ１２において、現在の機関運転状態が自着火領域ＲＲ内にないと判断された場合には、ステップＳ１７へと進む。ステップＳ１７では、ＳＩ運転モードにて燃焼室１５内での燃焼が行われるように燃料噴射弁３１、点火プラグ１６等が制御される。

図１６は、スワール制御弁の開閉制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは、一定時間間隔（例えば、４ｍｓ）毎に繰り返し実行される。

図１６を参照すると、まずステップＳ２１において、図１５のステップＳ１１と同様に、機関運転状態が検出される。次いで、ステップＳ２２において、ステップＳ２１にて検出された機関運転状態が自着火領域ＲＲ内にあるか否かが判断される。ステップＳ２２において、機関運転状態が自着火領域ＲＲ内にあると判断された場合には、ステップＳ２３へと進む。

ステップＳ２３では、負荷センサ８８によって検出された機関負荷Ｌが予め定められた基準負荷Ｌｒｅｆ以上であるか否かが判断される。ここで、基準負荷Ｌｒｅｆは、図５に示したように自着火領域ＲＲ内の負荷であり、燃料噴射弁３１からの燃料が外側凹部９２ｂに向かって直線的に進行しても燃焼騒音が所定値以下になるような負荷の上限値以下に設定される。

ステップＳ２３において、機関負荷Ｌが基準負荷Ｌｒｅｆ以上であると判定された場合にはステップＳ２４へと進む。ステップＳ２４では、燃焼室１５内に強いスワール流が生じるようにスワール制御弁９５が全閉とされ、制御ルーチンが終了せしめられる。一方、ステップＳ２３において、機関負荷Ｌが基準負荷Ｌｒｅｆ未満であると判定された場合にはステップＳ２５へと進む。ステップＳ２５では、燃焼室１５内にスワール流がほとんど生じないようにスワール制御弁９５が全開とされ、制御ルーチンが終了せしめられる。

＜第二実施形態＞
次に、図１７から図１９を参照して、第二実施形態に係る内燃機関について説明する。第二実施形態に係る内燃機関の構成及び制御は、基本的に第一実施形態に係る内燃機関の構成及び制御と同様である。したがって、以下では、主に第一実施形態に係る内燃機関とは異なる部分について説明する。

図１７は、機関負荷が比較的低い場合における、キャビティ９１内での燃料の進行方向を概略的に示した図である。図１７に示したように、本実施形態でも、燃料噴射弁３１から燃料噴射が行われる噴孔の数は、６つであり、キャビティ９１の内側凸部９３ａの数及び外側凹部９３ｂの数とそれぞれ等しい数となっている。また、燃料噴射弁３１の各噴孔からの噴射方向は、内側凸部９３ａに向かう方向となっている。

図１７に示した機関負荷が低い場合、燃焼室１５内に生じるスワール流が強くなるように、スワール制御弁９５が全閉とされる。これにより燃焼室１５内には強いスワール流が発生し、よってキャビティ９１内にも図１７にＷで示したように強いスワール流が発生する。したがって、この場合、燃料噴射弁３１の各噴孔から噴射された燃料は、図１７に示したように、その進行方向が側壁面９３に近づくにつれてスワール流の旋回方向にずれることになる。その結果、燃料噴射弁３１の各噴孔から噴射された燃料は、キャビティ９１の外側凹部９３ｂに向かって、すなわち側壁面９３のうち燃料噴射弁３１からの距離が相対的に長い部分に向かって進行する。

この結果、機関負荷が低い場合には、燃料噴射弁３１から噴射された燃料Ｆは混合気の自着火時期においてキャビティ９１の側壁面９３から離れたところまでしか到達していない。このため、燃料Ｆによって形成された混合気は全域に亘って自着火のし易さがほぼ等しくなり、キャビティ９１内での混合気の燃焼が緩慢になり過ぎてしまうことが抑制される。また、機関負荷が低いことから、燃焼騒音も小さく抑えられる。

一方、図１８は、機関負荷が比較的高い場合における、キャビティ９１内での燃料の進行方向を概略的に示した図である。図１８に示した機関負荷が比較的低い場合、燃焼室１５内に生じるスワール流が弱くなるように、スワール制御弁９５が全開とされる。これにより燃焼室１５内にはスワール流がほとんど発生せず、よってキャビティ９１内にもスワール流がほとんど発生しない。したがって、この場合、燃料噴射弁３１の各噴孔から噴射された燃料は、図１８に示したように、キャビティ９１の内側凸部９３ａに向かって、すなわち側壁面９３のうち燃料噴射弁３１からの距離が相対的に短い部分に向かって直線的に進行する。

この結果、機関負荷が高い場合には、燃料噴射弁３１から噴射された燃料Ｆは混合気の自着火時期においてキャビティ９１の側壁面９３付近にまで到達している。このため、燃料Ｆによって形成された混合気は、キャビティ９１の中央領域では自着火し易くなると共に、周辺領域では自着火しにくくなる。この結果、段階的に自着火燃焼が生じるようになり、よって燃焼騒音を小さく抑えることができる。

このように、本実施形態では、機関負荷が比較的低いときには、燃料噴射弁３１から噴射された燃料の周方向の移動を促進すべくスワール流が相対的に強くなるようにスワール制御弁９５が全閉にされる。これにより、キャビティ９１内での混合気の燃焼が緩慢になり過ぎてしまうことが抑制される。一方、機関負荷が比較的高いときには、燃料噴射弁３１から噴射された燃料の周方向の移動を抑制すべくスワール流が相対的に弱くなるようにスワール制御弁９５が全開にされる。これにより、機関負荷が比較的高いときでも燃焼騒音を小さく抑えることができる。この結果、本実施形態でも、機関負荷が比較的低いときに混合気の燃焼が緩慢になりすぎることを抑制しつつ、機関負荷が比較的高いときに燃焼騒音を小さく抑えることができる。

図１９は、スワール制御弁の開閉制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは、一定時間間隔（例えば、４ｍｓ）毎に繰り返し実行される。図１９のステップＳ３１からＳ３３は、図１６のステップＳ２１からＳ２３と同様であるため、説明を省略する。

ステップＳ３３において、機関負荷Ｌが基準負荷Ｌｒｅｆ以上であると判定された場合にはステップＳ３４へと進む。ステップＳ３４では、燃焼室１５内にスワール流がほとんど生じないようにスワール制御弁９５が全開とされ、制御ルーチンが終了せしめられる。一方、ステップＳ３３において、機関負荷Ｌが基準負荷Ｌｒｅｆ未満であると判定された場合にはステップＳ３５へと進む。ステップＳ３５では、燃焼室１５内に強いスワール流が生じるようにスワール制御弁９５が全閉とされ、制御ルーチンが終了せしめられる。

＜第三実施形態＞
次に、図２０を参照して、第三実施形態に係る内燃機関について説明する。第三実施形態に係る内燃機関の構成及び制御は、基本的に第一実施形態及び第二実施形態に係る内燃機関の構成及び制御と同様である。したがって、以下では、主に第一実施形態及び第二実施形態に係る内燃機関とは異なる部分について説明する。

上述した第一実施形態及び第二実施形態では、機関負荷が基準負荷以上であるか否かに基づいて、スワール制御弁９５を全開と全閉との間で切り換えている。これに対して、本実施形態では、機関負荷に応じてスワール制御弁９５の開度を変化させるようにしている。

本実施形態では、第一実施形態と同様に、燃料噴射弁３１の各噴孔からの噴射方向は、外側凹部９３ｂに向かう方向とされる。また、スワール制御弁９５等は、スワール制御弁９５が全開のときにはスワール流がほとんど発生せず、よって燃料噴射弁３１の各噴孔から噴射された燃料はキャビティ９１の外側凹部９３ｂに向かって直線的に進行するように構成される。加えて、スワール制御弁９５等は、スワール制御弁９５が全閉のときには強いスワール流が発生して、燃料噴射弁３１の各噴孔から噴射された燃料はキャビティ９１の内側凸部９３ａに向かって進行するように構成される。

図２０は、機関負荷とスワール制御弁９５の開度との関係を示す図である。図２０に示したように、機関負荷が基準負荷Ｌｒｅｆ未満であるときには、スワール制御弁９５の開度はゼロとされる。機関負荷が基準負荷Ｌｒｅｆ以上になると、機関負荷の上昇に伴ってスワール制御弁９５の開度が増大せしめられる。加えて、本実施形態では、機関負荷が自着火領域ＲＲの最大負荷Ｌｉｍ（機関回転速度に応じて変化）に到達する前に、スワール制御弁９５は全開とされる。

このように、本実施形態では、機関負荷が増大するほど、スワール制御弁９５の開度が増大せしめられる。この結果、機関負荷が増大するほど、燃料噴射弁３１から噴射された燃料はキャビティ９１の側壁面９３のうち燃料噴射弁からの距離がより短い部分に向かうことになる。換言すると、本実施形態では、機関負荷が増大するほど、燃料噴射弁３１から噴射された燃料がキャビティ９１の側壁面９３のうち燃料噴射弁からの距離がより短い部分に向かうようにスワール制御弁９５が制御される。これにより、燃焼が緩慢になり過ぎること及び燃焼騒音の増大をより適切に抑制することができる。

なお、本実施形態では、第一実施形態と同様に、燃料噴射弁３１の各噴孔からの噴射方向は、外側凹部９３ｂに向かう方向とされる。しかしながら、燃料噴射弁３１の各噴孔からの噴射方向は、内側凸部９３ａに向かう方向とされてもよい。この場合、機関負荷が増大するほどスワール制御弁９５の開度が減少するように制御される。

以上をまとめると、上記第一実施形態から第三実施形態では、制御装置７０は、着火アシスト制御中において、機関負荷が相対的に高いときには、機関負荷が相対的に低いときに比べて、燃料噴射弁３１から噴射された燃料が、キャビティ９１の側壁面９３のうち燃料噴射弁３１からの距離が相対的に短い部分に向かうように、スワール制御装置を制御しているといえる。

１ 内燃機関
１０ 機関本体
１５ 燃焼室
１６ 点火プラグ
３１ 燃料噴射弁
７１ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
９５ スワール制御弁

予混合気を圧縮自着火燃焼させた場合は、燃焼室１５内に拡散させた燃料が多点で同時期に自着火するので、火炎伝播燃焼させたときよりも燃焼速度が速くなって燃焼期間が短くなる。そのため、図７に一点鎖線で示した熱発生率パターンＸのように、予混合気を圧縮自着火燃焼させた場合は、熱発生率のピーク値、及び熱発生率の最大上昇速度（すなわち、熱発生率上昇時における熱発生パターンの傾き（ｄ²Ｑ／（ｄθ）²））のそれぞれが比較的大きくなる傾向にある。

次に、図９を参照して、機関負荷が相対的に高いときについて説明する。図５を参照して説明した自着火領域ＲＲのうち、機関負荷が比較的高い領域においては、燃焼室１５に供給される吸気ガスの圧力は比較的高い。これは、スロットル弁４６の開度が大きいことや排気ターボチャージャ５による過給圧が比較的高いことによるものである。このように燃焼室１５に供給される吸気ガスの圧力が高いと、燃焼室１５内の吸気ガスの圧力も比較的高いものとなる。このため、キャビティ９１’内に形成された予混合気は比較的自着火し易い。このような状況下では、キャビティ９１’内では、混合気が一気に自着火することになる。

点火プラグ１６による点火が行われると、図８（ｂ）に示した場合と同様に、着火アシスト燃料の噴射によって点火プラグ１６周りに形成されていた予混合気の火炎伝播燃焼ＳＡが生じる（図９の（ｂ））。加えて、機関負荷が比較的高いときには、予混合気は自着火し易い。したがって、点火プラグ１６周りでの火炎伝播燃焼ＳＡの発生直後に、キャビティ９１’内の様々な領域において自着火燃焼ＳＩ１が生じ（図９（ｂ）、ＳＩ２で示したように自着火燃焼がキャビティ９１’内において一気に広がる（図９（ｃ））。

一方、図１８は、機関負荷が比較的高い場合における、キャビティ９１内での燃料の進行方向を概略的に示した図である。図１８に示した機関負荷が比較的高い場合、燃焼室１５内に生じるスワール流が弱くなるように、スワール制御弁９５が全開とされる。これにより燃焼室１５内にはスワール流がほとんど発生せず、よってキャビティ９１内にもスワール流がほとんど発生しない。したがって、この場合、燃料噴射弁３１の各噴孔から噴射された燃料は、図１８に示したように、キャビティ９１の内側凸部９３ａに向かって、すなわち側壁面９３のうち燃料噴射弁３１からの距離が相対的に短い部分に向かって直線的に進行する。

図２０は、機関負荷とスワール制御弁９５の開度との関係を示す図である。図２０に示したように、機関負荷が基準負荷Ｌｒｅｆ未満であるときには、スワール制御弁９５の開度はゼロとされる。機関負荷が基準負荷Ｌｒｅｆ以上になると、機関負荷の上昇に伴ってスワール制御弁９５の開度が増大せしめられる。加えて、本実施形態では、機関負荷が自着火領域ＲＲの最大負荷Ｌｌｉｍ（機関回転速度に応じて変化）に到達する前に、スワール制御弁９５は全開とされる。

Claims (5)

1. 各気筒の上面に配置された燃料噴射弁と、燃焼室内の混合気に点火する点火プラグと、頂面にキャビティを有するピストンと、前記燃焼室内に生じるスワール流の強さを制御するスワール制御装置と、前記燃料噴射弁、前記点火プラグ及びスワール制御装置とを制御する制御装置と、を備えた内燃機関であって、
   前記燃料噴射弁は、前記気筒の軸線方向に見たときに前記キャビティ内に位置するように配置され、
   前記キャビティは、前記燃料噴射弁から当該キャビティの側壁面までの距離が周方向において変化するように形成され、
   前記制御装置は、前記燃料噴射弁からメイン燃料の噴射と着火アシスト燃料の噴射とを順次行うと共に、前記着火アシスト燃料の噴射によって形成された混合気を前記点火プラグによって火炎伝播燃焼させると共に該火炎伝播燃焼によって生じる熱を用いて残りの燃料を予混合圧縮自着火燃焼させるように前記メイン燃料及び前記着火アシスト燃料の噴射量及び噴射時期並びに前記点火プラグによる点火時期を制御する着火アシスト制御を実行可能であり、
   前記制御装置は、前記着火アシスト制御中において、機関負荷が相対的に高いときには、機関負荷が相対的に低いときに比べて、前記燃料噴射弁から噴射された燃料が、前記側壁面のうち前記燃料噴射弁からの距離が相対的に短い部分に向かうように、前記スワール制御装置を制御する、内燃機関。
2. 前記キャビティは、前記燃料噴射弁から側壁面までの距離が相対的に短い内側凸部と前記燃料噴射弁から側壁面までの距離が相対的に長い外側凹部とが周方向において交互に配置されるように形成され、前記内側凸部及び前記外側凹部を少なくともそれぞれ二つ備える、請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記燃料噴射弁の噴孔は、各噴孔からの噴霧方向が前記外側凹部に向かう方向になるように形成され、
   前記制御装置は、機関負荷が所定負荷よりも低いときには、前記燃料噴射弁から噴射された燃料の周方向の移動を抑制すべくスワール流が相対的に弱くなるように前記スワール制御装置を制御し、
   機関負荷が前記所定負荷以上のときには、前記燃料噴射弁から噴射された燃料の周方向の移動を促進すべくスワール流が相対的に強くなるように前記スワール制御装置を制御する、請求項２に記載の内燃機関。
4. 前記燃料噴射弁の噴孔は、各噴孔からの噴霧方向が前記内側凸部に向かう方向になるように形成され、
   前記制御装置は、機関負荷が所定負荷よりも低いときには、前記燃料噴射弁から噴射された燃料の周方向の移動を促進すべくスワール流が相対的に強くなるように前記スワール制御装置を制御し、
   機関負荷が前記所定負荷以上のときには、前記燃料噴射弁から噴射された燃料の周方向の移動を抑制すべくスワール流が相対的に弱くなるように前記スワール制御装置を制御する、請求項２に記載の内燃機関。
5. 前記燃料噴射弁の噴孔数は前記キャビティの前記内側凸部の数と等しく、前記燃料噴射弁の噴孔及び前記内側凸部は気筒の周方向において等間隔に配置される、請求項２〜４のいずれか１項に記載の内燃機関。

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