JP3931752B2 - 混合気を圧縮自着火させる内燃機関、および内燃機関の制御方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃焼室内で燃料と空気との混合気を圧縮し、自着火させることによって動力を取り出す技術に関し、より詳しくは、混合気の自着火を制御することで、燃焼により生じる大気汚染物質の発生を抑制しつつ、高い効率で動力を取り出す技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関は、比較的小型でありながら大きな動力を発生させることができるので、自動車や、船舶、航空機など種々の移動手段の動力源として、あるいは工場などの定置式の動力発生源として広く使用されている。これら内燃機関はいずれも、燃焼室内で燃料を燃焼させ、このときに発生する圧力を、機械的仕事に変換して出力することを動作原理としている。
【０００３】
近年では、地球環境を保護するために、内燃機関から排出される大気汚染物質の排出量を低減させることが、強く要請されるようになってきた。また、地球の温暖化要因となる二酸化炭素の排出量を低減する観点から、あるいは内燃機関の運転コストを低減させるために、燃料消費量の更なる低減が強く要請されるようになってきた。
【０００４】
これらの要請に応えるべく、混合気を燃焼室内で圧縮自着火させる燃焼方式（本明細書では、この燃焼方式を「予混合圧縮自着火燃焼方式」と呼ぶ）の内燃機関が注目されている。詳細には後述するが、予混合圧縮自着火燃焼方式を採用した内燃機関は、排気ガス中に含まれる大気汚染物質の排出量および燃料消費量が、従来の内燃機関に比べてたいへんに少ないという優れた特性を備えている。しかし、かかる燃焼方式は混合気を圧縮自着火させている関係上、内燃機関を高い負荷で運転すると、混合気が自着火する時期が早くなり過ぎて圧縮中に自着火し、強いノックが発生することがある。
【０００５】
本願の出願人は、負荷の高い運転条件でもノックを発生させることなく、混合気を圧縮自着火燃焼させるために、次のような技術を開発して既に出願済みである（特願２００２−１８８０４２号）。かかる技術においては、先ず初めに、燃料と空気との混合気を燃焼室内に形成する。この混合気を第１の混合気と呼ぶことにする。次いで、ピストンを上昇させて第１の混合気を圧縮する。負荷が低い運転条件では、こうしてピストンを上昇させて第１の混合気を圧縮するだけで、ほぼ圧縮上死点付近で自着火させることができる。一方、負荷が高い運転条件では、第１の混合気が圧縮中に自着火しないように、空気に対する燃料の割合を小さくしておく。そして、圧縮行程の半ば以降の適切な時期に、追加の燃料を燃焼室内に噴射して、燃焼室内の一部の領域に第２の混合気を形成し、圧縮上死点付近の所望のタイミングで第２の混合気に点火してやる。点火された第２の混合気は速やかに燃焼して燃焼室内の圧力を上昇させ、その結果、第１の混合気が圧縮されて自着火に至る。こうすれば、第２の混合気に点火する時期を制御することで、第１の混合気を所望の時期に自着火させることができる。従って、負荷の高い運転条件においてもノックを発生させることなく予混合圧縮自着火燃焼を実現することが可能である。
【０００６】
こうした出願済みの技術においては、第１の混合気を自着火させるために第２の混合気に火花を飛ばして燃焼させている。すなわち、一部の混合気については、従来の燃焼方式と同様に火花で点火して火炎の伝播を伴った燃焼をすることになるので、全ての混合気を圧縮自着火させる場合と比べれば、大気汚染物質の排出量および燃料消費量の改善効果が目減りしてしまうことになる。改善効果ができるだけ目減りしないようにするためには、圧縮行程中に噴射する燃料の割合をできるだけ少なくしてやればよい。こうすれば火炎伝播によって燃焼する割合が減少するので、改善効果の目減りを抑制することができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、圧縮行程中に噴射する燃料の割合をあまりに少なくしたのでは、第２の混合気に確実に点火することが困難になるという問題がある。例えば、噴射する燃料量を少なくしたことより、第２の混合気が形成されている領域が狭くなると、第２の混合気が点火位置から外れてしまって点火不良となる場合が生じ得る。あるいは、噴射する燃料量を少なくしたために、第２の混合気の燃料濃度があまりに薄くなってしまった場合にも、第２の混合気に確実に点火することが困難となる。もちろん実際には、これらの要因が重畳的に影響して点火不良を引き起こす懸念がある。
【０００８】
このことから、圧縮行程中に噴射する燃料が少ない場合でも、第２の混合気を効率よく形成することで、確実に点火することが可能となるような技術の開発が要請されている。
【０００９】
この発明は従来技術における上述した課題を解決するためになされたものであり、予混合圧縮自着火燃焼方式を適用した内燃機関において、大気汚染物質の排出量および燃料消費効率を低下させることなく、混合気に確実に点火することを可能とする技術の提供を目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の内燃機関は次の構成を採用した。すなわち、
燃料と空気との混合気を燃焼室内で圧縮し、該圧縮された混合気を燃焼させることによって動力を出力する内燃機関であって、
前記燃焼室の一部を構成するとともに前記混合気を圧縮するピストンと、
前記燃料と空気とが、前記ピストンによる圧縮では自着火しない割合で混合した第１の混合気を、前記燃焼室内に形成する第１の混合気形成手段と、
前記第１の混合気中に前記燃料の噴霧を噴射することにより、前記燃焼室内の一部の領域に第２の混合気を形成する燃料噴射弁と、
前記第２の混合気に点火して燃焼させることにより前記燃焼室内の圧力を上昇させて、前記第１の混合気を圧縮自着火させる点火手段と
を備え、
前記ピストンが前記燃焼室に面するピストン頂面には、
前記点火手段に対向する位置に設けられた略円形状の凹部たる旋回室と、
前記燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧を受けて、該燃料噴霧の流れの向きを変えて該燃料噴霧を前記旋回室に導く導入溝と
が設けられており、
前記導入溝が前記旋回室に開口する開口部は、前記燃料噴霧が該旋回室に流入する流れ方向から該開口部を見たときに、該旋回室の中心軸に対して偏っていることを特徴とする。
【００１１】
また、上記の内燃機関に対応する本発明の制御方法は、
燃料と空気との混合気をピストンを用いて燃焼室内で圧縮し、該圧縮された混合気を燃焼させることによって動力を出力する内燃機関の制御方法であって、
前記燃料と空気とが、前記ピストンによる圧縮では自着火しない割合で混合した第１の混合気を、前記燃焼室内に形成する第１の工程と、
前記第１の混合気中に前記燃料の噴霧を噴射することにより、前記燃焼室内の一部の領域に第２の混合気を形成する第２の工程と、
前記第２の混合気に点火して燃焼させることにより前記燃焼室内の圧力を上昇させて、前記第１の混合気を圧縮自着火させる第３の工程と
を備え、
前記第２の工程は、
前記ピストン頂面に形成された導入溝が、前記噴射された燃料の噴霧を受けて燃料噴霧の流れの向きを変え、該燃料噴霧を前記ピストン頂面に形成された略円形状の凹部たる旋回室に、該旋回室の中心軸に対して偏りを持たせて導く工程と、
前記旋回室に導かれた燃料噴霧の流れを利用して、該旋回室内に前記第２の混合気の旋回流を形成する工程と
を備えることを特徴とする。
【００１２】
更に、上記の内燃機関あるいは制御方法に対応する本発明のピストンは、
燃料と空気との混合気を燃焼室内で圧縮し、該圧縮された混合気を燃焼させることによって動力を出力する内燃機関に用いられ、該燃焼室の一部を構成するとともに該混合気を圧縮するピストンであって、
前記内燃機関は、
前記燃料と空気とが、前記ピストンによる圧縮では自着火しない割合で混合した第１の混合気を、前記燃焼室内に形成する第１の混合気形成手段と、
前記第１の混合気中に前記燃料の噴霧を噴射することにより、前記燃焼室内の一部の領域に第２の混合気を形成する燃料噴射弁と、
前記第２の混合気に点火して燃焼させることにより前記燃焼室内の圧力を上昇させて、前記第１の混合気を圧縮自着火させる点火手段と
を備え、
前記ピストンが前記燃焼室に面するピストン頂面には、
前記点火手段に対向する位置に設けられた略円形状の凹部たる旋回室と、
前記燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧を受けて、該燃料噴霧の流れの向きを変えて該燃料噴霧を前記旋回室に導く導入溝と
が設けられており、
前記導入溝が前記旋回室に開口する開口部は、該旋回室に流入する前記燃料噴霧の流れ方向から該開口部を見たときに、該旋回室の中心軸に対して偏っていることを特徴とする。
【００１３】
かかる本発明の内燃機関、制御方法、およびピストンにおいては、燃焼室内に第１の混合気を形成した後、燃料噴射弁からピストン頂面に向かって燃料の噴霧を噴射する。噴射された燃料噴霧は、ピストン頂面に設けられた導入溝によって流れの向きを変えられて、旋回室内に流入し、旋回室内に第２の混合気の旋回流を形成する。かかる旋回室は、点火手段に対向する位置に設けられており、該点火手段で旋回室内の第２の混合気に点火する。第２の混合気が燃焼すると、燃焼室内の圧力が上昇し、予め形成されていた第１の混合気を圧縮して自着火に至らせる。
【００１４】
こうすれば、第１の混合気中の燃料の割合が空気に対して少なく、ピストンによって圧縮されただけでは自着火しない割合となっている場合でも、第２の混合気に点火することで該第１の混合気を圧縮して自着火させることができる。燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧は、導入溝を介して旋回室内に導かれる。ここで、該導入溝が旋回室に開口する開口部の形状は、該旋回室に流入する前記燃料噴霧の流れ方向から該開口部を見たときに、該旋回室の中心軸に対して偏った形状に形成されている。このため第２の混合気は、旋回室内で旋回流を形成する。こうすれば、第２の混合気を分散させることなく、旋回室内に留めておくことができる。従って、燃料噴射弁から僅かな量の燃料噴霧を噴射するだけで、確実に点火可能な第２の混合気を効率よく形成して、第１の混合気を自着火させることが可能となる。
【００１５】
かかる内燃機関においては、導入溝を、前記開口部が偏っている側に向かって、該導入溝の床面が低くなるように形成することとしても良い。
【００１６】
導入溝の床面を傾けてやれば、そのことで、開口部の形状を旋回室の中心軸に対して偏らせることができる。特に、該開口部が偏っている側に向かって導入溝の床面が低くくなるように傾けてやれば、開口部の偏りを助長することになるので、第２の混合気を旋回室内で効率よく旋回させることが可能となる。
【００１７】
あるいは、こうした内燃機関においては、導入溝が、旋回室の中心軸に向かう方向に対して所定の偏差を持った状態で該旋回室に接続することとして、特に、前記開口部が偏っている方向に該偏差を持たせた状態で、該導入溝を接続することとしても良い。
【００１８】
このように、旋回室の中心軸から開口部が偏っている方向に、該導入溝をオフセットさせて旋回室に接続してやれば、該旋回室内に第２の混合気の旋回流を効率よく形成することが可能となるので好ましい。
【００１９】
また、導入溝を構成する互いに向かい合う側壁のうち、前記開口部が偏っている側の側壁が前記旋回室に接するようにして、他方の側壁が該旋回室に交わる様な形状に、該導入溝を形成しても良い。
【００２０】
導入溝をこの様な形状とすれば、該導入溝の開口部は旋回室の中心軸に対して自ずから偏った形状となる。加えて、側壁に導かれて旋回室内に流入した燃料噴霧は、該旋回室に接するように流入することになるので、旋回室内で第２の混合気を効率よく旋回させることが可能となる。
【００２１】
この場合、旋回室に接する側の側壁は、導入溝を燃焼室側から見たときに、該旋回室の中心軸に向かって一方向に曲がった曲線状となるような形状としても良い。
【００２２】
燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧は、このような側壁に導かれることにより、勢いを失うことなく滑らかに方向を変えて旋回室に流入するので、該旋回室内に効率よく第２の混合気を旋回させることが可能となる。
【００２３】
これに対して、旋回室と交わる側の側壁は、導入溝を燃焼室側から見たときに、前記旋回室に交わる側の前記側壁の延長線が前記旋回室に接する側の側壁と前記旋回室の中心軸との間を通るように形成されていても良い。
【００２４】
旋回室と交わる側の側壁をこの様な形状としておけば、旋回室に接する側の側壁に沿って流入した燃料噴霧によって生じた旋回流を、該交わる側の側壁に沿って流入した燃料噴霧が妨げることがない。従って、旋回室内で第２の混合気を効率よく旋回させることが可能となる。
【００２５】
また、こうした内燃機関においては、導入溝の側壁とピストン頂面とが交わる少なくとも一部の領域に、燃焼室への開口を狭くするような突部を、側壁の燃焼室側に設けることとしても良い。
【００２６】
こうした突部を設ければ、燃料噴霧が導入溝内を移動しながら広がっても、噴霧が導入溝から溢れ出すことを抑制して、効率よく旋回室内に導くことができる。そのため、旋回室内で第２の混合気を効率よく旋回させることが可能となる。
【００２７】
同様に、旋回室の側壁とピストン頂面とが交わる少なくとも一部の領域に、燃焼室への開口を狭くするような突部を、側壁の燃焼室側に設けることとしても良い。
【００２８】
こうすれば、旋回室内で旋回する第２の混合気が、該旋回室内から溢れ出ることを効果的に抑制することができるので、効率よく第２の混合気を形成することが可能となる。
【００２９】
上述した内燃機関においては、導入溝あるいは旋回室の少なくとも一部の領域に、蓄熱層を設け、更に該蓄熱層とピストンとを断熱する断熱層を設けることとしても良い。
【００３０】
こうすれば、混合気の圧縮や混合気の燃焼などによって発生した熱を蓄熱層に蓄えておき、燃料噴射弁から噴射された燃料を気化させるために、蓄えておいた熱を活用することができるので、前記第２の混合気をより効率よく形成することが可能となる。
【００３１】
上述した内燃機関においては、前記点火手段として点火栓を用いることとして、該点火栓を、旋回室の中心軸から所定の距離だけ離れた位置で火花を飛ばす位置に設けることとしても良い。
【００３２】
旋回室内に形成される旋回流は、該旋回室の中心軸を中心として旋回すると考えられることから、該中心軸から所定の距離だけ離れた位置では、第２の混合気がある程度の流速を有している。この様な条件で火花を飛ばしてやれば、第２の混合気に好適に点火することができ、従って燃焼室内の圧力を上昇させて、第１の混合気を確実に自着火させることが可能となるので好ましい。
【００３３】
上述の内燃機関では、燃料噴霧の噴射方向を次のように設定してもよい。すなわち、旋回室の中心軸に向かう方向から、前記開口部が偏っている側に所定の角度だけ傾いた方向に、該燃料噴霧の方向を設定しても良い。
【００３４】
この様な方向に燃料の噴霧を噴射してやれば、該燃料噴霧を導入溝で効率よく旋回室に導いて、旋回室内に第２の混合気の旋回流を形成することが可能となる。
【００３５】
また、燃料噴射弁に加えて、燃焼室内に燃料の噴霧を噴射する噴霧噴射弁を設け、前記第１の混合気は該噴霧噴射弁から燃料噴霧を噴射することによって形成することとして、前記第２の混合気を形成するための前記燃料噴射弁は、該噴霧噴射弁よりも噴霧角の小さな噴射弁としても良い。
【００３６】
こうすれば、噴霧角の大きな前記噴霧噴射弁から燃料噴霧を噴射することで、燃料を広い範囲に分散させて前記第１の混合気を効率よく形成することが可能となり、また、噴霧角の小さな前記燃料噴射弁から噴射した燃料噴霧を導入溝で旋回室に導くことで、該旋回室内に前記第２の混合気の旋回流を効率よく形成することが可能となるので好ましい。
【００３７】
また、燃焼室内に空気を取り入れるための吸気弁を複数備えた内燃機関においては、前記噴霧噴射弁を、互いに隣接する前記吸気弁の間に設けることとしてもよい。
【００３８】
内燃機関の吸気行程中には、吸気弁の直下では、燃焼室の内壁に沿って進む吸気の強い流れが形成されているのに対して、隣接する吸気弁の間では、吸気の流れはさほど強くはない。従って、前記噴霧噴射弁を吸気弁の間に設けてやれば、吸気行程中に噴射して燃料の噴霧が燃焼室の壁面を洗って、潤滑面を破壊するおそれを回避することができるので好適である。
【００３９】
また本発明は、２サイクルで運転される内燃機関に好適に適用することが可能である。
【００４０】
２サイクルで運転される内燃機関は、４サイクルの内燃機関に比べて混合気を圧縮自着火させることが容易であり、従って内燃機関の圧縮比を低めに設定することも可能である。これは次のような理由による。２サイクルの内燃機関は、４サイクルの内燃機関と異なって排気行程と吸気行程とが完全には分離しておらず、高温の排気ガスが残存した状態で吸気行程が開始されるので、圧縮を開始する段階で混合気の温度が高くなっている。しかも、排気ガス中の活性成分が存在しており、混合気温度が高いことと相まって、２サイクルの内燃機関では４サイクルと比べて、自着火させ易くなっているためである。このように、２サイクルの内燃機関は、混合気を効果的に圧縮自着火させて運転することができるので、本発明を組み合わせることで、より一層、効率よい運転を行うことが可能となるので好ましい。
【００４１】
【発明の実施の形態】
本発明の作用・効果をより明確に説明するために、次の順序に従って、本発明の実施例について説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ−１．装置構成：
Ａ−２．エンジン制御の概要：
Ａ−３．第１実施例における混合気の燃焼制御：
Ａ−４．ピストン頂面形状の作用：
Ａ−５．変形例：
Ｂ．第２実施例：
Ｂ−１．装置構成：
Ｂ−２．第２実施例における混合気の燃焼制御：
【００４２】
Ａ．第１実施例：
Ａ−１．装置構成：
図１は、予混合圧縮自着火燃焼方式を適用した第１実施例のエンジン１０の構造を概念的に示した説明図である。第１実施例のエンジン１０は、吸気・圧縮・膨張・排気の４つの行程を繰り返しながら燃焼室内で混合気を燃焼させることによって動力を出力する４サイクル式のエンジンである。図１では、エンジン１０の構造を示すために、燃焼室のほぼ中央で断面を取って表示している。図示されているようにエンジン１０の本体は、シリンダブロック１４０の上部にシリンダヘッド１３０が組み付けられて構成されている。シリンダブロック１４０の内部には、円筒形のシリンダ１４２が設けられており、このシリンダ１４２の内部にピストン１４４が摺動可能に設けられている。シリンダ１４２とピストン１４４とシリンダヘッド１３０の下面とで囲まれた空間が燃焼室となる。
【００４３】
ピストン１４４は、コネクティングロッド１４６を介してクランクシャフト１４８に接続されており、ピストン１４４はクランクシャフト１４８の回転にともなってシリンダ１４２内を上下に摺動する。
【００４４】
シリンダヘッド１３０には、燃焼室に吸入空気を取り入れるための吸気通路１２と、燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁１４と、燃焼室内の混合気に点火するための点火プラグ１３６と、燃焼室内で発生した燃焼ガスを排出するための排気通路１６などが接続されている。また、シリンダヘッド１３０には、吸気バルブ１３２と排気バルブ１３４とが設けられている。吸気バルブ１３２および排気バルブ１３４は、それぞれにカム機構によって駆動され、ピストン１４４の動きに同期して吸気通路１２および排気通路１６を開閉する。
【００４５】
吸気通路１２の上流側にはエアクリーナ２０が設けられており、エアクリーナ２０には空気中の異物を除去するためのフィルタが内蔵されている。エンジン１０に吸入される空気は、エアクリーナ２０を通過する際にフィルタで異物を除去されて、燃焼室内に吸入される。また、吸気通路１２には、スロットル弁２２が設けられており、電動アクチュエータ２４を駆動してスロットル弁２２を適切な開度に制御することで、燃焼室内に吸入される空気量を制御することができる。
【００４６】
排気通路１６の下流には、排気ガスに含まれる大気汚染物質を浄化するための触媒２６が設けられている。後述するように、予混合圧縮自着火燃焼方式を適用すれば、排気ガス中の大気汚染物質の濃度を大幅に減少することができるが、排気通路に触媒２６を設けることにより、排気ガス中に僅かに含まれる汚染物質も完全に浄化することが可能である。また、触媒２６の上流側には、排気ガス中に含まれる窒素酸化物の濃度を検出するＮＯｘセンサ２１が設けられている。
【００４７】
エンジン１０の動作は、エンジン制御用ユニット（以下、ＥＣＵ）３０によって制御されている。ＥＣＵ３０は、ＣＰＵや、ＲＡＭ、ＲＯＭ、Ａ／Ｄ変換素子、Ｄ／Ａ変換素子などをバスで相互に接続して構成された周知のマイクロコンピュータである。ＥＣＵ３０は、エンジン回転速度Ｎe やアクセル開度θacを検出し、これらに基づいてスロットル弁２２を適切な開度に制御するとともに、燃料噴射弁１４や、点火プラグ１３６を適切なタイミングで駆動する。エンジン回転速度Ｎe は、クランクシャフト１４８の先端に設けたクランク角センサ３２によって検出することができる。アクセル開度θacは、アクセルペダルに内蔵されたアクセル開度センサ３４によって検出することができる。
【００４８】
またＥＣＵ３０は、シリンダブロック１４０に設けられたノックセンサ２５の出力に基づいて、ノックの発生を検出することができる。ノックセンサ２５は、燃焼室内でノックが発生したときにシリンダ１４２内に発生する気柱振動を、共振現象を利用して検出することによりノックの発生を検出する。あるいは、ノックセンサ２５に代えて、燃焼室内の圧力を検出する圧力センサ２３を、シリンダブロック１４０あるいはシリンダヘッド１３０に設けることとしても良い。ノックセンサ２５に代えて圧力センサ２３が設けられている場合は、ＥＣＵ３０は、圧力センサ２３で検出した燃焼室内の圧力を読み込んで、燃焼室内圧力の上昇速度を算出することによって、ノックの発生を検出することができる。更には、排気通路１６に設けたＮＯｘセンサ２１の出力を読み込むことで、排気ガス中に含まれる窒素酸化物の濃度を検出することが可能となっている。後述するように、ＥＣＵ３０は、ノックの発生や、窒素酸化物の濃度が許容値以上に増加したことを検出して、これらを制御内容に反映させることにより、エンジン１０が常に適切に運転されるよう制御を行う。
【００４９】
尚、図１では、燃料噴射弁１４は吸気側に設けられているが、排気側に設けることとしても良い。吸気側に設けてやれば、燃料噴射弁１４の上方を排気ガスが流れることがないので、燃料噴射弁１４が高温に晒され難いという利点がある。一方、排気ポートは吸気ポートに比べてポートの断面積が小さく、更にポート形状の自由度も高いので、排気側に設けてやれば燃料噴射弁１４を適切な位置に搭載し易いという利点がある。
【００５０】
図２は、エンジン１０の燃焼室の構造を示す説明図である。図２（ａ）は燃焼室の断面構造を概念的に示した説明図である。エンジン１０では、燃料噴射弁１４から噴射された燃料を点火プラグ１３６方向に導きながら、点火プラグ１３６の近傍に効率よく混合気を形成するために、ピストン１４４の頂面が特別な形状に形成されている。図２（ｂ）は燃焼室の一部を構成するピストン頂面を、シリンダヘッド１３０側から見た上面図である。尚、図２（ｂ）では、燃焼室に設けられた燃料噴射弁１４、点火プラグ１３６、吸気バルブ１３２、排気バルブ１３４に対するピストン頂面の形状の位置関係を明確にするために、ピストン頂面形状に重ねて、これらを細い破線で表示している。また、図２（ａ）に示したピストン断面は、図２（ｂ）中でＡ−Ａで示す位置で取った断面を示している。
【００５１】
図２（ａ）および図２（ｂ）に示されているように、ピストン１４４の頂面には、点火プラグ１３６と対向する位置に形成された略円形の旋回室１４３と、旋回室１４３に接続された導入溝１４５とが形成されている。導入溝１４５の一方の側壁１４５ａは、旋回室１４３に接するように形成されており、他方の側壁１４５ｂは旋回室１４３と交わるように形成されている。具体的には、該導入溝１４５を燃焼室側から見たときに、旋回室１４３に接する側の側壁１４５ａは、旋回室１４３の中心軸に向かって一方向に曲がった曲線状に形成されている。また、該導入溝１４５を燃焼室側から見たときに、旋回室１４３に交わる側の側壁１４５ｂは、該側壁１４５ｂの延長線が旋回室１４３に接する側の側壁１４５ａと旋回室１４３の中心軸との間を通るように形成されている。詳細には後述するが、燃料噴射弁１４から噴射された燃料の噴霧は、導入溝１４５に導かれて旋回室１４３内に流入する。この結果、旋回室１４３には、混合気の旋回流が形成される。
【００５２】
Ａ−２．エンジン制御の概要：
以上のような構成を有するエンジン１０は、ＥＣＵ３０の制御の下で、燃焼室内で混合気を圧縮自着火させながら動力を出力する。図３は、ＥＣＵ３０が行うエンジン運転制御ルーチンの流れを示したフローチャートである。以下、フローチャートに従って説明する。
【００５３】
エンジン制御ルーチンを開始すると、先ず初めにＥＣＵ３０は、エンジン１０が発生させるべき目標出力トルクを算出する処理を行う（ステップＳ１００）。目標出力トルクは、アクセル開度センサ３４で検出したアクセル開度θacに基づいて算出する。すなわち、エンジンの操作者は、エンジンの出力トルクを増やしたいと思った場合はアクセルペダルを踏み増す操作を行い、出力トルクを減らしたいと思った場合はアクセルペダルを戻す操作を行う。特に、エンジンからトルクを発生させる必要がないと考えた場合は、アクセルペダルを全閉状態とする。このことから、アクセルペダルの操作量はエンジンの操作者が要求しているトルクを代表していると考えることができる。ステップＳ１００では、こうした原理に基づいて、アクセル開度θacからエンジンが出力すべき目標出力トルクを算出する。
【００５４】
次いで、ＥＣＵ３０はエンジン回転速度Ｎe を検出する（ステップＳ１０２）。エンジン回転速度Ｎe は、クランク角センサ３２の出力に基づいて算出することができる。
【００５５】
目標出力トルクおよびエンジン回転速度を検出したら、制御方式を設定する処理を行う（ステップＳ１０４）。これは、次のような処理である。前述したように、予混合圧縮自着火燃焼方式を採用するエンジンは、大気汚染物質の排出量が少なく、燃料消費量も少ないという優れた特性を備えているが、エンジンの負荷が高くなるとノックを起こし易くなる。詳細には後述するが、こうした問題を解決するために第１実施例のエンジン１０は、エンジンの負荷が高い条件では、圧縮行程中の半ば以降の適切なタイミングで燃焼室内に追加の燃料を噴射して、燃焼室内の一部に燃料濃度の濃い混合気を形成する。こうして形成した混合気に点火することで、残余の領域の混合気を自着火させることにより、ノックが発生することを回避している。そこで、ステップＳ１０４では、圧縮行程中に追加の燃料を噴射してノックの発生を回避するための制御を行うか、あるいは通常の予混合圧縮自着火燃焼させるための制御を行うかを、エンジンの負荷に応じて設定する処理を行う。具体的には、ＥＣＵ３０に内蔵されたＲＯＭには、エンジン回転速度と目標出力トルクとの組合せに応じて、低負荷条件あるいは高負荷条件のいずれの制御を行うかがマップの形式で予め記憶されており、低負荷条件であれば通常の予混合圧縮自着火燃焼の制御を、高負荷条件であれば圧縮行程中に追加の燃料を噴射してノックの発生を回避するための制御を行う。図４は、ＥＣＵ３０のＲＯＭに記憶されているマップを概念的に示したものである。
【００５６】
制御方式を設定したら、続いて、燃焼室内に噴射する燃料量および吸入空気量を算出する処理を行う（ステップＳ１０６）。これらの燃料噴射量および吸入空気量の値は、低負荷条件あるいは高負荷条件のそれぞれに用意されているマップを参照することによって算出する。
【００５７】
図５は、低負荷条件用のマップを概念的に示した説明図である。低負荷条件用のマップは、吸入空気量のマップおよび燃料噴射量のマップの２つのマップが用意されており、それぞれのマップには、エンジン回転速度と目標出力トルクとに応じて、それぞれ適切な吸入空気量および燃料噴射量が設定されている。
【００５８】
ここで、図５に示すような吸入空気量および燃料噴射量を設定するための基本的な考え方について簡単に説明しておく。図６は、予混合圧縮自着火燃焼方式において、混合気を形成するための基本的な考え方を概念的に示したブロック図である。予混合圧縮自着火燃焼においては、先ず初めに内燃機関が出力すべきトルク（要求トルク）を設定する。要求トルクが決まると、この値に応じて、燃料量を決めることができる。すなわち、内燃機関は燃料を燃焼させることにより燃焼室内の圧力を上昇させ、この圧力をトルクに変換して出力している。従って、トルクの発生量と燃料量とはほぼ一対一に対応しており、要求トルクが決まれば、これに応じて必要な燃料量を決めることができる。燃料量を決定したら、次に空気量を決定する。混合気を圧縮して自着火させるためには、空気と燃料とが所定の割合で混合していることが必要である。従って、燃料量を決めると、この燃料と混合すべき空気量を自ずから決定することができる。こうして決定した分量の燃料と空気とによる混合気を燃焼室内で圧縮自着火させれば、要求トルクを出力することができる。
【００５９】
図５に示したマップには、図６に示した考え方を基礎として、実験的な手法により求められた適切な値が設定されている。尚、低負荷条件用のマップは、目標出力トルクが小さな条件で参照されるマップであり、ある目標出力トルク以上の領域では、燃料噴射量のマップ値も吸入空気量のマップ値もクリップされた値が設定されている。理屈の上からは、低負荷条件用のマップは目標出力トルクが小さな領域のみマップ値が設定されていれば足りるが、何らかの原因で低負荷条件用の制御中に、目標出力トルクの高い領域を参照した場合を考慮して、一応マップ値が設定されている。但し、ノックが発生しないように、小さな目標出力トルクのマップ値にクリップされている。
【００６０】
図７は、高負荷条件用のマップを概念的に示した説明図である。高負荷条件用のマップは、吸入空気量のマップと主燃料噴射量のマップと副燃料噴射量のマップとの合計３つのマップが用意されている。それぞれのマップには、エンジン回転速度と目標出力トルクとに応じて、吸入空気量、主燃料噴射量、副燃料噴射量がそれぞれ設定されている。これらのマップの設定値も、図６に示した考え方を基礎として、実験的な手法により求められた適切な値が設定されている。
【００６１】
図３のステップＳ１０６では、このように対応するマップを参照しながら、低負荷条件用の制御時には、吸入空気量および燃料噴射量を算出し、高負荷条件用の制御時には、吸入空気量および主燃料噴射量、副燃料噴射量をそれぞれ算出する処理を行う。
【００６２】
こうして吸入空気量および燃料噴射量（高負荷条件時には、主燃料噴射量および副燃料噴射量）を算出したら、算出した分量の空気が各燃焼室に吸入されるように、スロットル弁２２の開度を制御する処理を行う（ステップＳ１０８）。スロットル弁の開度の制御は周知の種々の方法で行うことができる。例えば、吸気通路１２に設けたエアフローセンサで吸入空気量を計測し、適切な空気量となるようにスロットル弁２２の開度を制御すればよい。あるいは、エアフローセンサを用いるのではなく、スロットル弁２２の下流側の吸気通路内圧力を計測して、吸入空気量を算出してもよい。簡便には、エンジン回転数に応じて適切な空気量が得られるようなスロットル開度を予めマップに設定しておき、このマップを参照してスロットル開度を設定することとしてもよい。
【００６３】
ＥＣＵ３０は、スロットル制御に続いて燃料噴射制御を行う（ステップＳ１１０）。燃料噴射制御では、ピストン１４４の動きに合わせて適切なタイミングで燃料噴射弁１４を駆動することにより、燃焼室内に燃料を噴射する。燃料の噴射量は、先にステップＳ１０６において算出されている。燃料噴射制御の詳細については、別図を用いて後述する。
【００６４】
図８は、ピストン１４４の動きに同期させて、吸気バルブ１３２、排気バルブ１３４、燃料噴射弁１４をそれぞれ駆動するタイミングをした説明図である。図中にＴＤＣと表示されているのは、ピストン１４４が上死点となるタイミングを示し、図中にＢＤＣと表示されているのは、ピストン１４４が下死点となるタイミングを示している。図示されているように吸気バルブ１３２は、ピストンが上死点に達する少し手前のタイミングで開き、ピストンが下死点に達した少し後のタイミングで閉じる。吸気バルブ１３２が開いている間にピストン１４４が降下することによって吸入空気が燃焼室内に吸い込まれ、この間が吸気行程となる。吸気バルブ１３２を閉じた後はピストン１４４を上昇させるに連れて燃焼室内の混合気が圧縮される。吸気バルブ１３２を閉じてからピストンが上死点に達するまでの期間が圧縮行程となる。また、ピストンが上死点を過ぎて排気バルブ１３４が開くまでが膨張行程である。排気バルブ１３４は、ピストンが下死点になる少し前のタイミングで開いてやる。排気バルブ１３４が開いている間にピストン１４４が上昇することによって燃焼室内の燃焼ガスが排出される。排気バルブ１３４は、ピストン１４４が上死点に達した少し後のタイミングで閉じてやる。排気バルブ１３４を開いてから閉じるまでの期間が排気行程となる。図３に示した燃料噴射制御（ステップＳ１１０）では、燃料噴射弁１４を駆動することにより、吸気行程中にハッチングを付して示した期間に燃焼室内に燃料を噴射する。
【００６５】
燃料噴射制御を行ったらＥＣＵ３０は、実行中の制御方式が高負荷条件用の制御か否かを判断する（ステップＳ１１２）。高負荷条件用の制御方式である場合は（ステップＳ１１２：ｙｅｓ）、副燃料噴射制御を行う（ステップＳ１１４）。これは、先にステップＳ１０６において副燃料噴射量として算出しておいた追加の燃料を、圧縮行程の半ば以降の適切なタイミングで燃料噴射弁１４から燃焼室内に噴射する制御である。その後、圧縮上死点付近の適切なタイミングで点火プラグから火花を飛ばして混合気に点火する制御を行う（ステップＳ１１６）。図８には、副燃料噴射制御において燃料を噴射する期間、および点火制御において点火プラグ１３６から火花を飛ばすタイミングも例示されている。これら制御の詳細については別図を参照しながら後述する。また、高負荷条件用の制御方式でない場合は（ステップＳ１１２：ｎｏ）、燃焼室内の混合気をピストンによる圧縮のみで自着火させることとして、副燃料噴射制御（ステップＳ１１４）や点火制御（ステップＳ１１６）はスキップする。
【００６６】
こうして混合気を燃焼させると、燃焼室内の圧力が急激に上昇してピストン１４４を下方向に押し下げようとする。この力は、コネクティングロッド１４６を介してクランクシャフト１４８に伝えられ、クランクシャフト１４８でトルクに変換されて動力として出力される。
【００６７】
次いで、ＥＣＵ３０は、エンジンを停止する旨が設定されたか否かを確認し（ステップＳ１１８）、停止する旨が設定されていなければステップＳ１００に戻って続く一連の処理を繰り返す。エンジンを停止する旨が設定された場合は、そのままエンジン運転制御ルーチンを終了する。こうして、エンジン１０は、ＥＣＵ３０の制御の下で、図３の制御ルーチンに従って運転され、操作者の設定に応じたトルクを出力する。
【００６８】
Ａ−３．第１実施例における混合気の燃焼制御：
上述したエンジン運転制御ルーチンにおいて、燃料噴射制御、副燃料噴射制御、点火制御を行うことにより、燃焼室内で混合気を燃焼させるための制御内容について説明する。第１実施例のエンジン１０は、こうした燃焼制御を実現することによって、エンジンの負荷が高い運転条件においてもノックを発生させることなく、混合気を予混合圧縮自着火燃焼させることが可能となっている。
【００６９】
先ず、低負荷条件時における制御について、図９を参照しながら説明する。図９は、低負荷条件において混合気を圧縮自着火させて燃焼させる様子を概念的に示した説明図である。図９（ａ）は吸気行程中の燃焼室内部の様子を示し、図９（ｂ）は圧縮行程の半ば以降の燃焼室内部の様子を、図９（ｃ）は圧縮上死点付近の燃焼室内部の様子を示している。
【００７０】
図８を用いて前述したように、燃料噴射制御では、吸気行程の前半のタイミングで燃料噴射弁１４の駆動を開始して、燃焼室内に燃料噴霧を噴射する。図９（ａ）は、燃料噴射弁１４から燃焼室内に燃料噴霧が噴射されている様子を模式的に表している。燃料噴射量は、駆動期間を変えることによって制御する。ＥＣＵ３０は、具体的には次のような処理を行う。先ず、先に求めておいた燃料噴射量に基づいて、燃料噴射弁１４の駆動期間を算出する。算出に用いる燃料噴射量は、低負荷条件用の制御中であれば、図５のマップを参照して求めた燃料噴射量であり、高負荷条件用の制御中であれば、図７のマップを参照して求めた主燃料噴射量である。こうして算出した駆動期間から、燃料噴射弁１４の駆動開始タイミングと駆動終了タイミングとを決定する。尚、ここでは、駆動開始タイミングは固定されているので、燃料噴射弁の駆動期間から直ちに駆動終了タイミングを決定することができる。もちろん、エンジンの運転条件に合わせて、駆動開始タイミングを変更することも可能である。
【００７１】
吸気行程中は、シリンダ内で降下するピストン１４４に吸引されて吸気バルブ１３２から吸入空気が流入してくるので、燃料噴射弁１４から噴射された燃料噴霧は、吸入空気と混ざり合いながら燃焼室内に流入する。また、吸入空気が勢いよく流入することに加えて、流入後もピストンが降下するために、吸入された空気と燃料噴霧は燃焼室内で攪拌されて、ピストンが下死点に達する頃には、燃料と空気とがほぼ均一に混ざり合った混合気が形成される。
【００７２】
ピストン１４４が一番下まで下がりきったら、吸気バルブ１３２を閉じてピストン１４４を上昇させ、混合気を圧縮する。ピストンが下がりきった位置は、通常、下死点と呼ばれる。図９（ｂ）は、こうしてピストン１４４を上昇させることによって混合気を圧縮している様子を概念的に示している。混合気は圧縮されて圧力が上昇するに従って温度も次第に高くなり、ピストンが上死点付近まで上昇するとついには発火点に達して、混合気全体がほぼ同時に自着火する。換言すれば、低負荷条件時は、ピストン１４４による圧縮だけで自着火するような空気過剰率となるように、燃料噴射量と吸入空気量とが設定されている。本実施例では、低負荷条件で形成される混合気の空気過剰率は、１．２〜３付近の値に設定されている。尚、空気過剰率の値は、エンジンの圧縮比の設定によっても異なり、圧縮比が高くなるほど、空気過剰率の設定値も大きくなる。通常、実質的な圧縮比は１１〜１７の範囲から選択される。本実施例のエンジン１０では、実質的な圧縮比は約１４に設定されている。図９（ｃ）は、こうしてピストンの上死点付近で、燃焼室内の混合気がほぼ同時に自着火している様子を概念的に示している。詳細には後述するが、予混合圧縮自着火燃焼方式では、このように燃焼室内で混合気を自着火させて、ほぼ同時に燃焼を開始させることにより、大気汚染物質の排出量と燃料消費量とを同時に且つ大幅に改善することが可能となっている。
【００７３】
尚、ここでは、負荷の低い条件においても、燃焼室に設けられた燃料噴射弁１４から燃料を噴射することによって混合気を形成するものとした。これに限らず、吸気通路１２にも燃料噴射弁を設けておき、負荷の低いときには吸気通路内に設けた燃料噴射弁から燃料を噴射することとしても良い。こうすれば、吸気通路内で燃料と空気とが混合するので、燃焼室内にはより均質な混合気を形成することが可能となる。こうした場合は、吸気バルブ１３２が閉じた後に燃料を噴射してやる。こうすれば、噴射された燃料が燃焼室内に吸入されるまでに、吸気通路内で混合気を形成する時間が確保され、より効果的に混合気を形成することができる。
【００７４】
このように、予混合圧縮自着火燃焼方式では燃焼室内の混合気をほぼ同時に自着火させて燃焼させるために、エンジンの負荷が高くなると（大きなトルクを出力しようとすると）強いノックが発生してしまう。すなわち、大きなトルクを発生させるために、燃焼室内に吸入される燃料量と空気量とを増加させると、それに伴って吸入完了時の燃焼室内の圧力は高くなる。この状態で吸気バルブ１３２を閉じてピストンを上昇させると、混合気は高い圧力から圧縮されることになるので、混合気の圧力および温度は、エンジンの負荷が低い場合よりも速やかに上昇し、圧縮行程中に自着火して強いノックが発生するのである。そこで、高負荷条件時においてもノックを発生させることなく予混合圧縮自着火燃焼させるために、エンジン１０は、高負荷条件では次のような制御を行う。
【００７５】
図１０は、高負荷条件において混合気を圧縮自着火させて燃焼させる様子を概念的に示した説明図である。図１０（ａ）は吸気行程においてピストン１４４の降下に伴って、燃焼室内に混合気が吸入される様子を概念的に示している。吸気行程中の動作は、前述した低負荷条件時の動作とほぼ同様である。但し、高負荷条件時ではノックの発生を回避するために、混合気の空気過剰率が大きな値に設定されている。混合気の空気過剰率を大きな値に設定しておけば、混合気が自着火し難くなるので、ピストンの上昇中に自着火してノックが発生することを回避可能となる。
【００７６】
ここで空気過剰率とは、混合気中に含まれる空気量と燃料量との割合を示す指標である。混合気中で空気量と燃料量との割合を示す指標として良く使用される空燃比は、燃料量に対する空気量の重量比によって空気量と燃料量との比率を表しているのに対して、空気過剰率は、空気と燃料とが過不足無く燃焼するような割合を基準として、空気量と燃料量との比率を表現する。空気過剰率が「１」とは、空気と燃料とが、互いに過不足無く燃焼するような比率で混合気に含まれていることを意味しており、空気過剰率が「２」とは、燃料を過不足無く燃やすために必要な割合の２倍の空気が混合気中に含まれていることを意味している。本実施例では、高負荷条件の時に、吸入行程中に形成する混合気の空気過剰率は、２〜３．５の範囲に設定されている。もちろん、エンジン１０の圧縮比の設定が高くなれば、空気過剰率の設定はより大きな値に変更される。
【００７７】
こうしてピストン１４４を降下させながら燃焼室内に混合気を吸入し、ピストン１４４が一番下まで下がりきったら、吸気バルブ１３２を閉じてピストン１４４を上昇させて混合気を圧縮する。前述したように、混合気の空気過剰率は低負荷条件時よりも大きな値に設定されているので、高負荷条件であっても圧縮中に混合気が自着火することはない。そして、この様にピストンによる圧縮だけでは自着火しない空気過剰率に設定されている混合気を自着火させるべく、圧縮行程中に追加の燃料噴霧を噴射する。
【００７８】
図１０（ｂ）は、圧縮行程の半ば以降のタイミングで、燃料噴射弁１４から追加の燃料噴霧を噴射している様子を概念的に示した説明図である。尚、図１０（ｂ）では燃焼室全域に粗いハッチングを付しているのは、燃焼室内には吸気行程中に噴射された燃料噴霧が混合気を形成していることを模式的に表したものである。燃料噴射量は、吸気行程中の燃料噴射と同様に、燃料噴射弁１４の駆動期間を変更することで調整することができる。具体的には、図３に示したエンジン運転制御ルーチンのステップＳ１０６で求めておいた副燃料噴射量に基づいて、燃料噴射弁１４の駆動期間を算出し、得られた駆動期間から駆動開始タイミングを決定する。本実施例では、圧縮行程での燃料噴射については、燃料噴射弁の駆動終了タイミングが固定されており、駆動期間から駆動開始タイミングを容易に決定することができる。尚、圧縮行程中に燃料を噴射する期間は、通常、圧縮上死点前９０度から圧縮上死点前３０度の範囲内で、より好ましくは、圧縮上死点前６０度から圧縮上死点前３０度の範囲内で、適切な期間に設定されることが多い。
【００７９】
図２を用いて説明したように、ピストン１４４の頂面には、導入溝１４５と旋回室１４３とが形成されており、圧縮行程の後半で噴射された燃料噴霧は、導入溝１４５によって導かれて、旋回室１４３に流入する。燃料噴霧は、旋回室１４３に向かって導かれながら周囲の混合気と混ざり合い、空気過剰率の小さな混合気を形成する。図１０（ｂ）では、圧縮行程の後半に噴射された燃料噴霧を、細かなハッチングを付して表している。こうして形成された混合気は、旋回室１４３内に導かれ、周辺の混合気とは混ざり合うことなく、旋回室１４３内を旋回する。前述したように、旋回室１４３は点火プラグ１３６に対向する位置に設けられているので、追加の燃料によって形成された混合気を旋回室１４３内に閉じ込めておけば、ピストン１４４が上死点付近に達した時点では、点火プラグ１３６の近傍の領域に空気過剰率の小さな混合気が効率よく形成されることになる。ピストン１４４の頂面に設けられた導入溝１４５が、旋回室１４３に混合気の旋回流を形成する作用については後述する。
【００８０】
高負荷条件時に、このようにして点火プラグ１３６の近傍に形成される混合気の空気過剰率は、１．３〜１．７の範囲から選択された適切な値に設定されている。換言すれば、エンジン運転制御ルーチンのステップＳ１０６で参照される副燃焼噴射量用のマップには、この様な空気過剰率の混合気が形成されるように、適切なマップ値が予め設定されている。尚、エンジンが２サイクル運転を行う内燃機関である場合にも、点火プラグ１３６の近傍に形成される混合気の空気過剰率は、ほぼ同様の値を好適に適用することができる。
【００８１】
次いで、圧縮上死点付近の適切なタイミングで、点火プラグ１３６から火花を飛ばして、旋回室１４３に形成された空気過剰率の小さな混合気に点火する。点火時期は、エンジン回転速度Ｎe および目標出力トルクに対するマップとして予め設定されている。マップに適切な値を設定しておくことによって、点火プラグ近傍以外の燃焼室内の広い範囲に亘って形成された混合気を適切なタイミング（代表的には、圧縮上死点ＴＤＣ）で自着火させることができる。図１０（ｃ）は、点火プラグ１３６から火花を飛ばすことにより、旋回室１４３に形成された混合気に点火した様子を概念的に示している。図中では、旋回室１４３に形成された空気過剰率の小さな混合気を、細かなハッチングを付して表している。この混合気は、空気過剰率が小さいため燃焼速度が速く、点火すると速やかに燃焼を完了する。その結果、燃焼による圧力で燃焼室内圧力が上昇して未燃の混合気を圧縮するために、燃焼室内の広い範囲に亘って形成されている空気過剰率の大きな混合気を、ほぼ同時に自着火させることができる。
【００８２】
図１１は、圧縮行程中に噴射した燃料による空気過剰率の小さな混合気が旋回室１４３に形成され、燃焼室内の他の領域には、吸気行程中に噴射した燃料による空気過剰率の大きな混合気が形成されている様子を概念的に示した説明図である。図中で、空気過剰率の大きな混合気が形成されている領域は粗いハッチングを付して表し、空気過剰率の小さな混合気が形成されている領域は細かいハッチングを付して表している。空気過剰率の小さな混合気は燃焼速度が大きいので、点火すると速やかに燃焼して、周囲に形成されている空気過剰率の大きな混合気を圧縮する。図１１で細かいハッチングを付した領域から周囲に向かって表示された黒い矢印は、空気過剰率の小さな混合気が燃焼して周辺にある空気過剰率の大きな混合気を圧縮している様子を概念的に示したものである。
【００８３】
前述したように、エンジンの負荷が高い条件では、吸気行程中に噴射した燃料による混合気の空気過剰率は大きな値に設定されており、ピストン１４４により圧縮されただけでは自着火しないが、図１１に示すように、圧縮行程中に噴射した燃料による混合気の燃焼に伴って更に圧縮されることにより、ついには自着火に至る。図１２は、この様にして、燃焼室内の混合気が自着火する様子を概念的に示したものである。空気過剰率の小さな混合気が燃焼すると、燃焼室内全体の圧力を上昇させるから、周辺の混合気は一様に圧縮されてほぼ同時に自着火することになる。
【００８４】
以上に説明したように、エンジンの負荷が高い条件では、吸気行程中に吸い込む混合気の空気過剰率を、ピストンで圧縮されただけでは自着火しない程度に大きな値に設定しておく。こうすることにより、高負荷条件においても圧縮中に混合気が自着火してノックが発生することを確実に回避することができる。そして、圧縮上死点付近で追加の燃料を噴射し燃焼させることで、ピストンによる圧縮だけでは自着火しないガソリンの混合気を更に圧縮して自着火させる。こうすれば、高負荷の運転条件においても、混合気に点火するタイミングを制御することによって、燃焼室内の混合気を適切な時期に自着火させることが可能となる。
【００８５】
このように、本実施例のエンジン１０では、低負荷条件だけでなく、高負荷条件においても混合気を圧縮自着火させることができるので、大気汚染物質の排出量と燃料消費量とを同時にしかも大幅に減少させることが可能となる。以下では、この理由について説明する。
【００８６】
混合気を圧縮自着火燃焼させることにより、このような効果が得られる理由は、「等容度の向上」と、「空気過剰率の増加」、および「比熱の増加」の３つの要因によるものと考えられる。先ず、第１の要因である「等容度の向上」について説明する。内燃機関についてのサイクル論の教えるところによれば、ガソリンエンジンの効率は、ピストンが圧縮上死点のタイミングで、燃焼室内の全ての混合気が瞬間的に（すなわち無限小の時間で）燃焼した時に最も高くなる。もちろん、実際には燃焼室内の混合気を瞬間的に燃焼させることはできないが、燃焼室内の混合気を短時間で燃焼させる程、エンジンの効率を向上させることができる。等容度とは、全ての混合気の燃焼を如何に短時間で完了させたかを示す指標であり、等容度が高くなるほどエンジンの効率は高くなる。
【００８７】
予混合圧縮自着火燃焼方式では、混合気を圧縮して自着火させることにより、燃焼室内の混合気の燃焼をほぼ同時に開始することができる。その結果、全ての混合気の燃焼がほぼ同時に完了することになり、等容度を大きく向上させることが可能である。こうして等容度を向上させることができるので、エンジンの効率が改善されて、燃料消費量を大きく減少させることが可能となるのである。
【００８８】
次に、予混合圧縮自着火燃焼方式が優れた特性を示す第２の要因である「空気過剰率の増加」について説明する。予混合圧縮自着火燃焼方式では空気過剰率の大きな混合気を燃焼させるので、次の２つのメカニズムによって大気汚染物質の排出量を低減させることができる。先ず一つめは、燃焼速度の低下によるものである。ここで言う燃焼速度とは、燃焼反応が進行する速度のことである。前述した等容度は、燃焼室内の全ての混合気を燃焼させるために要する時間に関係した指標であって、例えば、燃焼室の端から順々に混合気を燃焼させた場合には、如何に燃焼反応の速度（すなわち燃焼速度）が速くても全ての混合気を燃焼させるためには、ある程度の時間がかかってしまい、等容度は小さくなってしまう。このように、混合気の燃焼速度と、燃焼室内の全ての混合気を燃焼させるために要する時間とは明確に区別して考える必要がある。
【００８９】
一般に、混合気の燃焼速度は空気過剰率に強く依存しており、空気過剰率「１」の付近で燃焼速度は最も速く、空気過剰率が大きくなるに連れて燃焼速度は遅くなる傾向がある。前述したように、予混合圧縮自着火燃焼方式では、空気過剰率の大きな混合気を燃焼させており、燃焼速度は小さくなっている。燃焼速度が小さければ、次の理由から、大気汚染物質である窒素酸化物の排出量を大幅に減少する。
【００９０】
排気ガス中に含まれる窒素酸化物は、その大部分が空気中に含まれる窒素分子と酸素分子とが、燃焼による熱の影響で反応することにより発生すると考えられている。すなわち、窒素分子は安定な化合物であることから、かなりの高温に晒されて初めて酸素と反応して窒素酸化物を生成する。ここで、燃焼速度が低く、従って混合気がゆっくりと燃焼する場合は、燃焼によって発生した熱の多くは周囲に伝わり、残った熱が、燃焼している部分の混合気の温度を上昇させる。特に、エンジンの燃焼室内に形成された混合気には、「乱れ」と呼ばれる微細な流動が残存しており、この乱れの影響で燃焼熱は周囲にどんどん拡散していく。これに対して、燃焼速度が高い場合には、燃焼によって発生した熱が拡散する暇もなく燃焼が完了するので、混合気中で正に燃焼している部分が極めて高温となる。空気中には窒素分子が多量に含まれているので、僅かな時間でも高温に達すると、窒素分子が酸素と反応して窒素酸化物が発生する。しかし、窒素分子が酸素と反応する温度に達しなければ、窒素酸化物はほとんど発生することはない。
【００９１】
予混合圧縮自着火燃焼方式では、空気過剰率の大きな混合気を燃焼させるので、燃焼速度が低くなっており、燃焼している領域での温度が低い。このため、上述した理由から、窒素酸化物をほとんど発生させずに混合気を燃焼させることができるのである。
【００９２】
また、予混合圧縮自着火燃焼方式では、空気過剰率の大きな混合気を燃焼させているために、次のようなメカニズムによって、大気汚染物質である一酸化炭素や炭化水素などの排出量を、原理的には大きく低減させることができる。
【００９３】
一酸化炭素や炭化水素などの大気汚染物質は、燃料に対して酸素が不足している条件で燃焼させたときに、燃料が酸素と十分に反応できないまま排出されたものと考えることができる。予混合圧縮自着火燃焼方式では、空気過剰率の大きな混合気を燃焼させるので、燃料に対して酸素が十分に存在している条件で燃焼させることになる。このため原理的には、一酸化炭素や炭化水素などの排出量を大幅に減少させることが可能となるのである。
【００９４】
最後に、予混合圧縮自着火燃焼方式が優れた特性を示す第３の要因である「比熱の増加」について説明する。この要因も、空気過剰率の大きな混合気を燃焼させていることに密接に関係している。空気過剰率が「１」より小さな混合気を燃焼させた場合、燃料に対して十分な酸素が存在しないために、燃料は二酸化炭素や水の状態まで酸化されずに、一酸化炭素あるいは水素の状態で反応が止まってしまう。また、例え混合気全体では空気過剰率が「１」を超えている場合でも、燃料の濃度には多少のばらつきがあるために、局所的には酸素が不足している領域が発生し、一酸化炭素や水素が発生する。これに対して予混合圧縮自着火燃焼方式では、空気過剰率が十分に大きな混合気を燃焼させているので、燃料は二酸化炭素および水蒸気の状態まで完全に酸化される。
【００９５】
ここで、二酸化炭素や水蒸気は３つの原子が集まって形成された三原子分子であるのに対し、一酸化炭素や水素分子は２つの原子が集まって形成された二原子分子である。統計熱力学の教えるところによれば、三原子分子は二原子分子よりも比熱の値が大きく、従って、三原子分子の方が温度が上昇し難いと言える。このことから、予混合圧縮自着火燃焼方式では、空気過剰率の大きな混合気を燃焼させるので、三原子分子である二酸化炭素や水蒸気の割合が高い分だけ比熱が大きくなる。その結果、燃焼温度の上昇が抑制されて、窒素酸化物の排出量が大きく減少しているものと考えられる。
【００９６】
本実施例のエンジン１０は、エンジンの負荷の高い条件では、燃焼室内の点火プラグの近傍に形成した空気過剰率の小さな（燃料濃度の濃い）混合気を燃焼させ、このときの圧力上昇によって、燃焼室内の残余の領域に形成されている空気過剰率の大きな混合気を圧縮自着火させる。従って、エンジンの負荷にかかわらず混合気を予混合圧縮自着火させて燃焼させることが可能となり、大気汚染物質の排出量と燃料消費量とを同時にしかも大幅に減少させることができるのである。
【００９７】
もっとも、エンジン負荷の低い条件では、燃焼室内の全ての混合気を圧縮自着火させているのに対して、負荷の高い条件では、全ての混合気を圧縮自着火させているわけではない。すなわち、一部の混合気については火花で点火することによって燃焼させているので、低負荷条件の場合に比べれば、多少は効果が目減りしてしまう。高負荷条件においても、低負荷条件時と同様に大きな効果を得るためには、火花を飛ばして燃焼させる混合気の割合を小さくしてやればよい。そのためには、圧縮行程中に噴射した燃料をあまり広い範囲に拡散させずに、点火プラグ１３６の近傍に効率よく混合気を形成してやればよい。こうすれば、圧縮行程中に僅かな燃料を噴射するだけで、点火プラグ１３６近傍の混合気に確実に点火して残余の混合気を確実に圧縮自着火させることができ、その結果、高負荷条件においても大気汚染物質の排出量と燃料消費量とを、低負荷条件とほぼ同程度まで減少させることが可能である。本実施例のエンジン１０では、ピストン頂面に、図２に示すような旋回室１４３と導入溝１４５とを設けることによって、圧縮行程中に僅かな燃料を噴射するだけで、点火プラグ１３６の近傍に効率よく混合気を形成して確実に点火することが可能となっている。以下では、こうしたピストン頂面に設けられた導入溝および旋回室の作用について説明する。
【００９８】
Ａ−４．ピストン頂面形状の作用：
図１３は、圧縮行程中に燃焼室内に噴射された燃料噴霧が、ピストン頂面に設けられた導入溝１４５によって、旋回室１４３内に混合気の旋回流を形成する様子を示した説明図である。図１３（ａ）は、圧縮行程の半ば以降のタイミングで、燃料噴射弁１４から燃料噴霧１５４を噴射している様子を示している。図示されているように、噴射された燃料噴霧１５４は、ピストン１４４の頂面に設けられた導入溝１４５に衝突し、導入溝１４５によって噴霧の方向を変えられて、旋回室１４３に導かれる。
【００９９】
図１３（ｂ）は、ピストン１４４の頂面をシリンダヘッド１３０側から見た様子を示す説明図である。理解の便宜から、図１３（ｂ）には燃料噴射弁１４を細い破線で表示している。また、図１３（ａ）に示したピストン断面は、図１３（ｂ）中のＢ−Ｂ位置での断面を示している。図１３（ａ）および図１３（ｂ）に示されているように、燃料噴射弁１４から噴射された燃料噴霧１５４は、導入溝１４５の内部に衝突した後、導入溝１４５の一方の側壁１４５ａに導かれて流れの向きを変え、旋回室１４３内に流入する。図中では、燃料噴霧の流れの向きを黒い矢印で示している。
【０１００】
ここで、導入溝１４５が旋回室１４３に開口する開口部の形状は、該旋回室１４３に流入する燃料噴霧の流れに沿って見たときに、旋回室１４３の中心軸に対して偏った形状となっている。図１３（ｂ）のＣ−Ｃ位置で取ったピストン１４４の断面形状を図１３（ｃ）に示す。図１３（ｃ）には、旋回室１４３に流入する燃料噴霧に対向する方向から見た時の、導入溝１４５の開口部形状が示されている。図中で細かいハッチングを付して表している部分が、開口部形状である。また、図１３（ｃ）中には、旋回室１４３の中心軸ＣＬの位置を太い一点鎖線で示している。図示されているように、導入溝１４５が旋回室１４３に開口する開口部の形状は、旋回室１４３の中心軸ＣＬに対して偏った形状となっている。このため、開口部から流入した燃料噴霧は、図１３（ｄ）に示すように、旋回室１４３内に混合気の旋回流を発生させる。図１３（ｄ）では、旋回室１４３内で旋回する混合気にハッチングを付して表示している。
【０１０１】
以上のようにして、圧縮行程の半ば以降に噴射した燃料噴霧を導くことによって、空気過剰率の小さな（燃料濃度の濃い）混合気の旋回流を旋回室１４３内に形成してやれば、圧縮行程中もこの混合気が旋回室１４３内に留まることになる。すなわち、追加で噴射した燃料噴霧が燃焼室内の広い範囲に拡散してしまうことを抑制することができるので、僅かな燃料を噴射するだけで、空気過剰率の小さな混合気を、旋回室１４３内に効率よく形成することが可能となる。旋回室１４３は、点火プラグ１３６と対向する位置に設けられているので、ピストンが上死点付近まで上昇すると、旋回室内に形成された混合気は点火プラグ１３６近傍に運ばれる。従って、点火プラグ１３６から火花を飛ばしてやれば、この混合気に確実に点火することができる。このように、本実施例のエンジン１０では、圧縮行程の半ば以降のタイミングで燃料噴射弁１４から噴射された燃料噴霧を、ピストン頂面に形成された導入溝１４５で導くことによって、混合気を旋回室内に閉じ込めているために、追加の燃料としては僅かな燃料を噴射するだけで、点火プラグの近傍に混合気を効率よく形成して確実に点火することができる。その結果、高負荷運転時においても、低負荷運転時と同程度に、大気汚染物質の排出量や燃料消費量を大きく低減させることが可能となっている。
【０１０２】
また、図１３（ｂ）に示されているように、導入溝１４５を形成する一方の側壁１４５ａは、シリンダヘッド１３０側から見ると、円弧状にしかも旋回室１４３に接するような形状となっている。このため、燃料噴射弁１４から噴射された燃料噴霧は、円弧状の側壁１４５ａに沿って、噴霧の速度を保ったまま滑らかに方向を変えることができる。そして、燃料噴霧は旋回室１４３内に接線方向から流入することで、旋回室１４３内に効果的に旋回流を生じさせる。このため、圧縮行程の半ば以降に噴射した燃料による混合気を、旋回室１４３内に効果的に閉じ込めることができるので、僅かな燃料を噴射するだけで、点火プラグ１３６の近傍に効率よく混合気を形成することが可能となる。
【０１０３】
Ａ−５．変形例：
第１実施例には、種々の変形例が存在する。以下では、これら変形例について簡単に説明する。
【０１０４】
（１）第１の変形例：
上述した第１実施例においては、導入溝１４５の床面は水平に形成されているものとして説明したが、導入溝１４５の床面を傾けることとしても良い。図１４は、こうした第１の変形例の導入溝１４５が形成されたピストン１４４の頂面形状を示す説明図である。図１４（ａ）は、こうしたピストン１４４を頂面側から見た上面図を示し、図１４（ｂ）は、Ｄ−Ｄ位置で取った導入溝１４５の断面形状を示す断面図であり、図１４（ｃ）は、Ｅ−Ｅ位置で取った導入溝１４５の断面形状を示す断面図である。
【０１０５】
図示されているように導入溝１４５の床面１４５ｃは、側壁１４５ａの側が側壁１４５ｂよりも低くなるように形成されている。導入溝１４５が旋回室１４３に開口する開口部は、側壁１４５ａの側に偏っているから、導入溝１４５の床面１４５ｃを開口部が偏っている側が低くなるように傾けてやるのである。こうすれば、図１４（ｃ）に示されているように、導入溝１４５の開口部が旋回室１４３の中心軸に対して一層偏ることになるので、旋回室１４３内に旋回流を効果的に生じさせることができる。
【０１０６】
また、こうして導入溝１４５の床面１４５ｃを傾けてやれば、燃料噴射弁１４から噴射された燃料噴霧は、床面１４５ｃに衝突した後、側壁１４５ｂの側から側壁１４５ａの側に集められる。そして、円弧状に形成された側壁１４５ａによって滑らかに流れの方向を変えて、旋回室１４３に接線方向から流入する。その結果、旋回室内に効果的に旋回流を生じさせることが可能となる。
【０１０７】
こうして効果的に旋回流を生じさせることができれば、圧縮行程中に僅かな燃料を噴射しただけで、旋回室内に効率よく混合気を形成することが可能となるので、高負荷運転条件においても低負荷条件時とほぼ同程度に、大気汚染物質の排出量および燃料消費量を低減させることができる。
【０１０８】
（２）第２の変形例：
上述した第１実施例では、導入溝１４５の開口部が偏った側の側壁１４５ａは、シリンダヘッド１３０側から見たときに円弧状となるように形成されているものとしたが、側壁１４５ａは必ずしも円弧状に形成する必要はない。図１５は、こうした第２の変形例の導入溝１４５が形成されたピストン１４４の頂面形状を示す説明図である。図１５（ａ）は、シリンダヘッド１３０側から見た頂面形状を示す説明図であり、図１５（ｂ）は、Ｆ−Ｆ位置での断面を取って導入溝１４５の開口部形状を示す説明図である。第２の変形例においても、図１５（ｂ）に示すように、導入溝１４５の開口部形状を旋回室１４３の中心軸ＣＬに対して偏らせておけば、燃料噴霧の流れを利用して旋回室１４３内に混合気の旋回流を形成することができる。
【０１０９】
また、図１５では、側壁１４５ａは旋回室１４３に接するものとしたが、必ずしも側壁１４５ａが旋回室１４３に接している必要もない。導入溝１４５が旋回室１４３に開口する開口部が、旋回室の中心軸に対して偏った形状となっていれば、旋回室１４３内に混合気の旋回流を形成することが可能である。
【０１１０】
（３）第３の変形例：
上述した各種の実施例では、いずれも、導入溝１４５は旋回室１４３にオフセットして接続されているものとしたが、導入溝１４５を旋回室１４３に対してオフセットさせる必要もない。図１６は、こうした第３実施例の導入溝１４５が形成されたピストン１４４の頂面形状を示す説明図である。図１６（ａ）は、こうしたピストン１４４を頂面側から見た上面図を示し、図１６（ｂ）は、Ｇ−Ｇ位置で取った導入溝１４５の断面形状を示す断面図であり、図１６（ｃ）は、Ｈ−Ｈ位置で取った導入溝１４５の断面形状を示す断面図である。
【０１１１】
図１６に示すように、第３の変形例の導入溝１４５は、シリンダヘッド１３０側から見ると旋回室１４３にオフセットなく接続されているが、導入溝の床面１４５ｃは、一方の側壁の側が低くなるように形成されている。図１６に示した例では、側壁１４５ａの側が低くなっている。こうして床面１４５ｃを傾けてやれば、図１６（ｃ）に示すように導入溝１４５の開口部は、旋回室１４３の中心軸に偏った形状となるので、旋回室内に混合気の旋回流を形成することができる。
【０１１２】
また、こうして導入溝１４５の床面１４５ｃを傾けてやれば、燃料噴射弁１４から噴射された燃料噴霧は、床面１４５ｃに衝突した後、側壁１４５ｂの側から側壁１４５ａの側に集められる。図１６（ｄ）には、床面１４５ｃに衝突して燃料噴霧の流れが側壁１４５ａの側に集められる様子を、実線の矢印で表している。こうして、燃料噴霧が導入溝１４５の一方の側壁に偏った状態で旋回室１４３に流入する結果、図１６（ｄ）中に破線の矢印で示すように、混合気の旋回流を旋回室１４３内に効率よく形成することが可能となる。
【０１１３】
（４）第４の変形例：
ピストン頂面に形成された導入溝１４５あるいは旋回室１４３に、燃料噴霧あるいは、この燃料噴霧によって形成された混合気が溢れ出ることを防止するための反り返し部を設けることとしても良い。図１７は、こうした反り返し部１４７が設けられた第５の変形例のピストン１４４の頂面形状を示した説明図である。図１７（ａ）は、シリンダヘッド１３０側から見たピストン頂面形状を示している。また、図中のＩ−Ｉ位置で取った導入溝１４５の断面形状を図１７（ｂ）に示し、図中のＪ−Ｊ位置で取った旋回室１４３の断面形状を図１７（ｃ）に示している。
【０１１４】
図１７に例示した第４の変形例では、導入溝の側壁１４５ａ、１４５ｂのピストン頂面側に反り返し部１４７が設けられており、導入溝１４５の内部から燃焼室側への開口部が狭くなっている。このため、燃料噴射弁１４から噴射された燃料噴霧が、導入溝１４５を移動している間に広がって、導入溝１４５から燃焼室側に溢れ出てしまうことを効果的に抑制することができる。また、こうした反り返り部は、旋回室１４３にも設けられているので、燃料噴霧が旋回室１４３に流入した後に、旋回室内から燃焼室側に溢れ出てしまうことを効果的に抑制することができる。その結果、圧縮行程中に僅かな燃料を噴射するだけで、点火プラグの近傍に効果的に混合気を形成することが可能となる。
【０１１５】
尚、こうした反り返り部１４７は、導入溝１４５あるいは旋回室１４３の一部に設けることもできる。反り返し部１４７が、導入溝１４５あるいは旋回室１４３の少なくとも一部に設けられていれば、その部分から燃料噴霧あるいは混合気が溢れ出ることを効果的に抑制することが可能となる。
【０１１６】
（５）第５の変形例：
あるいは、ピストン頂面の導入溝１４５あるいは旋回室１４３が形成されている部分に、断熱層と蓄熱層とを設けることとしても良い。図１８は、こうした第５の変形例のピストン２４４の構造を示す説明図である。図１８（ａ）はピストンの頂面形状を示す上面図であり、図１８（ｂ）は、図１８（ａ）中のＫ−Ｋ位置で取った断面図である。
【０１１７】
図示されているように、第５の変形例のピストン２４４は、ピストン基材の上に断熱層２４０が形成され、その上に蓄熱層２４２が形成されて、導入溝１４５および旋回室１４３が形成されている。断熱層２４０は、セラミックスを溶射することによって形成され、蓄熱層２４２は、銀あるいは金などの熱伝導性の高い材料を溶射することによって形成されている。
【０１１８】
こうした構造を有する第５の変形例のピストン２４４を用いた場合、圧縮行程中に噴射された燃料噴霧は、導入溝１４５内を旋回室１４３に向かって移動している間に、蓄熱層２４２からの熱伝導によって気化されて、速やかに混合気を形成する。
【０１１９】
蓄熱層２４２とピストン基材との間には断熱層２４０が設けられているので、混合気の燃焼熱はピストン基材に逃げることなく蓄熱層２４２に蓄えられる。更には、圧縮行程では断熱圧縮による混合気の温度が上昇するので、このときにも混合気から蓄熱層２４２に熱が流れ込んで蓄えられる。こうして熱が蓄えられた蓄熱層２４２に燃料噴射弁１４から燃料噴霧を噴射してやることで、燃料噴霧を効果的に気化させて、効率よく混合気を形成することが可能となる。
【０１２０】
（６）第６の変形例：
上述した各種実施例では、旋回室１４３は点火プラグ１３６に対向する位置に設けられているものとして、点火プラグ１３６のギャップ位置については特に指定していないが、ギャップ位置は、旋回室１４３の中心軸に対してオフセットした位置に設けてやることが望ましい。以下では、こうした第６の変形例について説明する。
【０１２１】
図１９は、ピストン頂面に形成された旋回室１４３を、シリンダヘッド１３０側から見た時の拡大図である。図中に示した矢印は、旋回室１４３内に形成された混合気の旋回流を示している。また、破線は、点火プラグ１３６の位置を示している。図中で点火プラグ１３６のほぼ中央が、ギャップ位置となる。第６の変形例では、点火プラグ１３６のギャップ位置が旋回室１４３の中心軸からオフセットするような位置に旋回室１４３が設けられている。
【０１２２】
旋回室１４３内に形成される混合気は、おおよそ旋回室の中心軸を中心として旋回するものと考えられる。従って、点火プラグ１３６のギャップ位置を旋回室１４３の中心軸からオフセットした位置に設けてやれば、混合気がギャップ間を横切るようにしてやることができる。その結果、次のような理由から、混合気に確実に点火することが可能となる。
【０１２３】
点火プラグ１３６は、ギャップ間に高い電圧を加えて火花を飛ばすことによって混合気に点火する。このとき、ギャップ間では次のような現象が起きていると考えられている。先ず、ギャップ間の混合気では、火花から熱エネルギを受け取ることによって着火の為の前駆反応が進行し、混合気が高活性の中間生成物に変換されていく。そして中間生成物がある程度まで蓄積されると、これらが反応して火種が形成される。この火種は火炎核と呼ばれる。火炎核の内部では、中間生成物の反応による熱が発生しており、周囲の混合気を加熱して中間生成物を生成させる。そして中間生成物がある程度まで蓄積されたら、周囲の混合気でも燃焼が開始される。ギャップ間に形成された火炎核は、このようにして成長していく。火炎核は、大きくなるに従って周囲の混合気に多くの熱を供給し、また、火炎核の側からも中間生成物を供給することになるので、成長速度はますます速くなり、ついには、いわゆる火炎伝播を伴った燃焼が開始される。
【０１２４】
ここで、点火プラグ１３６のギャップは金属材料で形成されているので、火花を飛ばしている間は熱エネルギを供給するが、火花を飛ばした後は、逆に火炎核から熱を奪うことになる。ギャップに熱をどんどん奪われてしまったのでは、火炎核は成長することができない。このことから明らかなように、混合気に確実に点火するためには、火花を飛ばしている間は火炎核がギャップ間あるいはギャップの近傍に留まり、火花を飛ばした後は、火炎核がギャップ間から離れるようにすることが望ましい。従って、点火プラグ１３６のギャップ位置を旋回室１４３の中心軸からオフセットした位置に設けてやれば、混合気がギャップ間を適度な速度で横切るようにしてやることができる。その結果、混合気に確実に点火することが可能となるのである。
【０１２５】
（７）第７の変形例：
上述した第１実施例においては、いわゆる容量放電型の点火装置（ＣＤＩ）を好適に適用することもできる。図２０（ａ）は、容量放電型点火装置の構成を概念的に示した説明図である。容量放電型の点火装置は、大まかには、トランスＴと、トランスＴの一次側に並列に設けられたコンデンサＣと、コンデンサＣに電圧を印加するバッテリＢと、コンデンサＣとトランスＴとの間に設けられたサイリスタＳなどから構成されている。点火プラグ１３６は、トランスＴの二次側に接続される。サイリスタＳは、ＥＣＵ３０からの信号を受け取ると「ＯＮ」状態となり、この結果、コンデンサＣに蓄えられていた電荷がトランスの一次側に一気に流れ込む。すると、トランスの二次側には電磁誘導作用によって高い電圧が発生する。この電圧を点火プラグ１３６に導けば、点火プラグ１３６から火花を飛ばすことができる。容量放電型の点火装置は、トランスＴの一次側コイルの巻き線を少なくすることができるので、他の方式の点火装置に比べて、二次側電圧の上昇速度を速くすることができる。
【０１２６】
図２０（ｂ）は、点火プラグ１３６に印加される電圧の変化を概念的に示した説明図である。図中で実線で示している波形が容量放電型の点火装置（ＣＤＩ）による電圧波形であり、破線で示している波形が通常の点火装置による電圧波形である。図示されているように、ＥＣＵからの点火信号が入力された後、容量放電型の点火装置では、電圧波形が速やかに立ち上がるので、通常の点火装置に比べて早くブレイク電圧に達する。ブレイク電圧とは、点火プラグのギャップ間で、絶縁状態が破壊されて火花が発生する電圧である。また、図示されているように、容量放電型の点火装置では、通常の点火装置に比べて放電時間も短くなっている。このように、容量放電型の点火装置を採用すれば、ＥＣＵ３０からの点火信号を受け取った後、速やかに点火することができる。しかも、短い放電時間に一気に電力を投入するために、混合気に確実に点火することができる。その結果、点火プラグ近傍の混合気の着火ばらつきが減少するので、周辺に形成されている空気過剰率の大きな混合気を、安定したタイミングで確実に圧縮自着火させることが可能となる。
【０１２７】
（８）第８の変形例：
上述した実施例では、燃焼室には燃料噴射弁１４が１つだけ設けられており、吸気行程中にも、圧縮行程中にも、同じ燃料噴射弁１４から燃料の噴霧を噴射するものとして説明した。もっとも、燃焼室に燃料噴射弁を複数も受けて、吸気行程中と圧縮行程中とで、異なる噴射弁から燃料を噴射することとしても良い。図２１は、こうした第８の変形例を示す説明図である。
【０１２８】
図２１（ａ）は、第８の変形例のエンジン１０の断面を取って構造を概念的に示す説明図である。図示されているように、第８の変形例のシリンダヘッド１３０には、吸気バルブ１３２、排気バルブ１３４、点火プラグ１３６に加えて、２つの燃料噴射弁１４、１５が設けられている。２つの噴射弁の内、燃料噴射弁１５は吸気行程中に燃料噴霧を噴射するための噴射弁であり、燃料噴射弁１４は圧縮行程中に燃料噴霧を噴射する噴射弁である。
【０１２９】
図２１（ｂ）は、シリンダヘッド１３０側から見たピストン１４４の上面図である。吸気バルブ１３２、排気バルブ１３４、点火プラグ１３６、燃料噴射弁１４、１５との位置関係を示すために、図２１（ｂ）では、これらを細い破線で表している。また、図中には、２つの燃料噴射弁１４、１５がそれぞれに燃料噴霧１５４、１５６を噴射している様子も概念的に示している。
【０１３０】
図示されているように、吸気行程中に燃料を噴射する燃料噴射弁１５には、噴霧角の大きな噴射弁を使用し、また、圧縮行程中に燃料を噴射する燃料噴射弁１４には、噴霧角の小さな噴射弁を使用する。前述したように、吸気行程中に噴射する燃料噴霧はできるだけ吸入空気中に分散して均一な混合気を形成することが望ましいことから、燃料噴射弁１５には、燃料噴霧を広い範囲に分散させることが可能な、噴霧角の大きな噴射弁を好適に用いることができる。これに対して、圧縮行程中に噴射する燃料は、点火プラグ１３６の近傍の小さな領域に混合気を形成することが望ましいから、燃料噴射弁１４には、燃料噴霧を効率よく旋回室１４３内に供給することの可能な、噴霧角の小さな噴射弁を好適に用いることができる。こうした要請から、吸気行程中に燃料を噴射する燃料噴射弁１５としては、噴霧の貫徹力の小さいホローコーン型（中空円錐型）の燃料噴射弁が適している。また、圧縮行程中に燃料を噴射する燃料噴射弁１４としては、噴霧の貫徹力が比較的大きいフルコーン型（中実円錐型）の燃料噴射弁が適している。フルコーン型の燃料噴射弁１４から貫徹力の大きな燃料噴霧を噴射してやれば、この噴霧の勢いを利用して旋回室１４３内に効率よく旋回流を生じさせることが可能である。
【０１３１】
更に、吸気行程中に燃料を噴射するための燃料噴射弁１５と、圧縮行程中に燃料を噴射する燃料噴射弁１４とを分けてやれば、それぞれの噴射弁での噴射量に応じて最適な噴射範囲を有する噴射弁を用いることができる。換言すれば、圧縮行程中に噴射する燃料は僅かであることから、燃料噴射弁１４として、こうした僅かな燃料でも精度良く噴射可能な噴射弁を採用することができる。その結果、圧縮行程中に最適な分量の燃料を正確に噴射することが可能となるので、大気汚染物質の排出量や燃料消費量の増加をできるだけ抑制しながら、混合気を安定して圧縮自着火させることが可能となる。
【０１３２】
また、図２１（ｂ）に示されているように、燃料噴射弁１４は、２つ設けられた吸気バルブ１３２の、一方のバルブの下方に設けられているのに対して、燃料噴射弁１５は、２つの吸気バルブ１３２の間に設けられている。これは、次のようなことを考慮したためである。吸気行程中に燃焼室内に流入する空気は、吸気バルブ１３２を通過した後、シリンダ１４２に沿って燃焼室内を降下していく。すなわち、吸気行程中は、吸気バルブ１３２の下方に、シリンダ壁面を下方に向かう強い流れが発生している。従って、吸気バルブ１３２の真下で燃料を噴射すると、燃料噴霧が吸気の流れに曲げられてシリンダ壁面に沿って降下していく結果、シリンダ１４２の潤滑面が燃料によって洗われて潤滑油膜が破壊されるおそれがある。このような現象は、ボアフラッシングと呼ばれる。そこで、吸気行程中に燃料を噴射する燃料噴射弁１５は、２つの吸気バルブ１３２の間に設けてやる。吸気バルブ１３２の間は、バルブ直下に比べて吸気の流れが緩やかなので、噴射した燃料が吸気の流れに曲げられてボアフラッシングが発生する懸念を回避することができる。これに対して、燃料噴射弁１４は圧縮行程中に燃料を噴射するので、吸気バルブ１３２の真下に設けても、ボアフラッシングが発生するおそれは生じない。
【０１３３】
（９）その他の変形例：
上述した各種実施例では、点火時期は予め設定されているものとして説明したが、混合気の燃焼状態を診断することにより、点火時期を調整することも可能である。混合気の燃焼状態は、次のように各種の方法によって診断することができる。
【０１３４】
先ず、排気ガス中の窒素酸化物の濃度を検出することで、混合気の燃焼状態を診断することができる。窒素酸化物の濃度は、排気通路１６に設けたＮＯｘセンサ２１の出力に基づいて検出することができる。点火時期が早過ぎた場合は、圧縮行程中に燃焼室内の混合気が自着火してしまい、燃焼して高温になった燃焼ガスを更に断熱圧縮することになるので、燃焼ガス温度が更に高くなって窒素酸化物の濃度が増加する。従って、この様な場合には、点火時期を遅らせることによって窒素酸化物の濃度を減少させ、適切な点火時期とすることができる。
【０１３５】
また点火時期が早過ぎる場合は、圧縮行程中に自着火が発生することから、ノックが発生する。従って、ノックの発生を検出した場合には、点火時期を遅らせることとしても良い。ノックの発生は、シリンダブロック１４０に設けたノックセンサ２５の出力に基づいて検出することができる。あるいは、圧力センサ２３を用いて燃焼室内の圧力を検出し、この圧力を解析することによってもノックを検出することができる。例えば、燃焼室内圧力の上昇速度を算出して、圧力上昇速度が所定値を超えた場合にはノックが発生していると判断することができる。こうしてノックを検出した場合には、点火時期を遅らせることによってノックの発生を速やかに回避することができる。
【０１３６】
Ｂ．第２実施例：
上述した第１実施例では、エンジン１０は４サイクル式のエンジンであるものとして説明したが、本発明は４サイクル式のエンジンに限らず他の方式のエンジンに適用することも可能である。特に、２サイクル式のエンジンでは、後述するように、燃焼と混合気形成とが連続して行われる。このため、燃焼中に発生した中間生成物（いわゆるラジカル）や高温の排気ガスを、続くサイクルの燃焼に利用することができるので、圧縮比をさほど高く設定しなくても、比較的容易に混合気を自着火させることが可能である。また、４サイクル式のエンジンはクランクシャフトが２回転する度に１回の割合で混合気を燃焼させるが、２サイクル式のエンジンはクランクシャフトが１回転する度に混合気を燃焼させるので、同じエンジン回転速度であれば、４サイクル式のエンジンの２倍のトルクを発生させることができる。このため、低負荷条件でも広いトルク範囲をカバーすることができるという利点も得られる。以下では、第２実施例として、こうした２サイクルエンジンに適用した場合について説明する。
【０１３７】
Ｂ−１．装置構成：
図２２は、第２実施例の２サイクル式のエンジン３００の構成を概念的に示した説明図である。２サイクル式のエンジンも、燃焼室内で混合気を燃焼させて、そのときに発生する燃焼熱を機械的仕事に変換することによって動力を発生させる。第２実施例のエンジン３００の構造は、前述した第１実施例のエンジン１０とほぼ同様であるが、過給機５０が設けられている点が大きく異なっている。過給機５０は、排気通路１６に設けられたタービン５２と、吸気通路１２内に設けられたコンプレッサ５４と、タービン５２とコンプレッサ５４とを連結するシャフト５６などから構成されている。燃焼室から勢いよく排出された排気ガスが、排気通路１６を通過する際にタービン５２を回転させると、シャフト５６を介してコンプレッサ５４が駆動され、吸気通路１２の吸入空気を加圧することが可能となっている。また、第２実施例のエンジン３００では、吸気通路１２にインタークーラ６２およびサージタンク６０も設けられている。インタークーラ６２は、コンプレッサ５４によって加圧されて温度が上昇した吸入空気を冷却する機能を有している。また、サージタンク６０は、吸入空気が燃焼室内に吸い込まれる際に発生する圧力波を緩和させる機能を有している。
【０１３８】
こうした構成を有する第２実施例のガソリンエンジン３００は、２サイクル式のガソリンエンジンであり、あまり負荷を上げなくても比較的大きなトルクを出力することができる。すなわち、要求されるトルクが比較的大きな場合でも、前述した予混合圧縮自着火燃焼方式と同様の燃焼形態で運転することができる。とは言え、あまり大きなトルクを出力しようとすると、４サイクル式のエンジンと同様に強いノックが発生してしまう。このことから、圧縮自着火燃焼方式を適用した第２実施例のガソリンエンジン３００においても、第１実施例と同様に、低負荷条件用の制御と高負荷条件用の制御とを、エンジンの負荷に応じて切り換える。具体的には、ＥＣＵ３０のＲＡＭには、図４に示すように、エンジン回転速度と目標出力トルクとをパラメータとするマップとして、適切な制御方法が記憶されており、このマップを参照することにより、低負荷条件用の制御と高負荷条件用の制御とを切り換えている。
【０１３９】
Ｂ−２．第２実施例における混合気の燃焼制御：
図２３は、第２実施例のエンジン３００の低負荷条件時における動作を概念的に示した説明図である。前述した４サイクル式のガソリンエンジンとは異なり、２サイクル式のガソリンエンジンは掃気行程と呼ばれる特有の行程を有している。更に、２サイクルエンジンは、クランクシャフトが１回転する間に全ての行程を一巡する点でも４サイクル式のエンジンとは異なっている。そこで、理解の便宜を図るため、第２実施例のガソリンエンジン３００の動作を説明する準備として、一般的な２サイクル式のガソリンエンジンの動作について、図２３を参照しながら簡単に説明しておく。
【０１４０】
図２３（ａ）〜（ｆ）には、一般的な２サイクルエンジンの膨張行程、排気行程、掃気行程、吸気行程、圧縮行程のそれぞれの行程が概念的に示されている。２サイクルエンジンでは、シリンダ１４２内でピストン１４４を上下動させながら、吸気バルブ１３２および排気バルブ１３４の２つのバルブを適切なタイミングで開閉させることにより、これらの行程を次々と切り換えていく。また、図２４には、ピストンの動きに合わせて吸気バルブあるいは排気バルブを開閉させるタイミングが示されている。尚、図２４中には、追加の燃料を噴射するタイミングも表示されているが、これは第２実施例のエンジン３００における各種タイミングも併せて図中に表示したためであり、一般的な２サイクル式のエンジンでは追加の燃料を噴射することはない。
【０１４１】
説明の都合上、点火プラグ１３６で混合気に点火して、燃焼室内の混合気を燃焼させた状態から説明する。混合気を燃焼させると、燃焼室内には高圧の燃焼ガスが発生してピストン１４４を押し下げようとする。図２３（ａ）に示すように膨張行程では、ピストンを降下させながら、燃焼室内で発生した圧力をトルクに変換して動力として出力する。
【０１４２】
ピストン１４４がある程度まで降下したら、適切なタイミングで排気バルブ１３４を開いてやる。燃焼室内には、燃焼ガスが未だ高い圧力のまま閉じこめられているから、ピストンの降下中でも、排気バルブを開くことにより燃焼ガスを排出させることができる。図２３（ｂ）は、ピストンの降下中に排気バルブを開いて、排気ガスを排出している様子を概念的に示している。
【０１４３】
燃焼ガスの排出に伴って、燃焼室内の圧力は次第に低下して燃焼ガスを効果的に排出することができなくなるので、適切なタイミングで吸気バルブ１３２を開いてやる。過給機によって吸気通路内は加圧されているので、吸気バルブを開くと加圧された空気が流入し、燃焼室内に残っている燃焼ガスを押し出すようにして排気バルブから排出させる。図２３（ｃ）は、このように加圧された空気によって燃焼室内の燃焼ガスが排出される様子を概念的に表している。図中でハッチングが付されている部分は、燃焼ガスが残存している領域を示している。また、ハッチングを付されていない部分は、吸入空気が流入した領域を表している。このように、吸入空気で押し出すようにして燃焼室内から燃焼ガスを排出させる動作は２サイクル式のエンジンに特有の動作であり、特に「掃気」と呼ばれる。また、掃気を行う行程は掃気行程と呼ばれる。
【０１４４】
２サイクルエンジンでは、吸気通路内が加圧されているので、ピストン１４４が下死点を過ぎて上昇に転じても、なお燃焼室内の燃焼ガスを掃気することができる。図２３（ｄ）は、掃気行程の後半にピストンを上昇させながら、燃焼室内を掃気している様子を概念的に示している。
【０１４５】
尚、図２３では、燃料噴射弁１４は、燃料噴霧を燃焼室内に直接噴射可能な位置に設けられており、また、吸気バルブ１３２からは空気のみが流入するように示されている。もちろん、吸気バルブの直ぐ上流側に燃料噴射弁を設けておき、この燃料噴射弁から吸気バルブに向かって燃料を噴射することとしてもよい。こうした場合は、吸気バルブを開くと、バルブから空気とともに燃料が燃焼室内に流入することになる。
【０１４６】
掃気によって燃焼室内から燃焼ガスがほぼ排出されたタイミングを見計らって、図２３（ｅ）に示すように、排気バルブ１３４を閉じてやる。その結果、燃焼室内の圧力が吸気通路内の圧力に達するまで、吸気バルブ１３２から吸入空気が流入する。燃焼室内圧力が吸気通路内の圧力に達したタイミングを見計らって、吸気バルブを閉じ、ピストン１４４を上昇させて燃焼室内の混合気を圧縮する。図２３（ｆ）はピストンを上昇させて燃焼室内の混合気を圧縮している様子を概念的に示している。そして、ピストンの上死点付近の所定のタイミングで点火プラグから火花を飛ばして、圧縮した混合気に点火する。それ以降は、図２３（ａ）に示す状態に戻って、同様の動作を繰り返す。
【０１４７】
以上の説明を踏まえて、第２実施例のガソリンエンジン３００の低負荷条件時における動作を説明する。膨張行程（図２３（ａ）参照）、および排気行程（図２３（ｂ）参照）の動作については、第２実施例のガソリンエンジン３００も、上述した一般的な２サイクルエンジンの動作と同様である。
【０１４８】
排気バルブ１３４から燃焼ガスがある程度流出したタイミングで、図２３（ｃ）に示すように吸気バルブ１３２を開いて、燃焼室内に空気を流入させる。図２２を用いて説明したように、吸気通路１２内の空気は過給機５０によって所定圧力に加圧されているので、こうして吸気バルブ１３２を開いてやることで、燃焼室内の燃焼ガスを掃気することができる。尚、第２実施例のエンジン３００では、図２４に示すようにピストンの下死点（ＢＤＣ）前、約３０°のタイミングで、吸気バルブを開いている。
【０１４９】
掃気を続けながら、ピストン１４４が上昇に転じた付近の所定のタイミングで、燃料噴射弁１４から燃焼室内に燃料噴霧を噴射する。図２３（ｄ）は、掃気行程の後期に、燃料噴霧を噴射している様子を概念的に示している。掃気行程も後半になれば、程なく排気バルブ１３４は閉じられるので、この近辺のタイミングで燃料噴霧を噴射してやれば、噴射した燃料噴霧が移動する間に排気バルブが閉じられることになって、排気バルブから排出されることを回避することができる。図２４に示されているように、第２実施例では、燃料噴霧の噴射期間はピストンの下死点（ＢＤＣ）付近から排気バルブが閉じる直前までの期間、具体的には、掃気行程の下死点前２０度から下死点後６０度の範囲内で設定された適切な期間に設定されている。
【０１５０】
燃料を噴射後、所定のタイミングで排気バルブ１３４を閉じた後は、図２３（ｅ）に示すように、吸気バルブ１３２から加圧された空気が燃焼室内に流入する。排気バルブ１３４を閉じるタイミングは、ピストンの下死点（ＢＤＣ）後、約２０°〜約５０°の範囲で好適に設定することができる（図２４参照）。掃気行程の後半で噴射された燃料噴霧は、吸入空気の流れによって、燃焼室内に分散され、吸入空気と混合する。そして、所定のタイミングで吸気バルブ１３２を閉じてやると、それ以降は、ピストンの上昇とともに燃焼室内の混合気が圧縮される。吸気バルブ１３２が開いている間は、ピストンが上昇しても燃焼室内の混合気を圧縮することはできない。このことから、２サイクルエンジンにおいては、吸気バルブ１３２を閉じるタイミングが混合気の実質的な圧縮比を決定することになる。第２実施例の２サイクルエンジンにおいては、吸気バルブ１３２を閉じるタイミングは、図２４に示すようにピストンの下死点（ＢＤＣ）後、約６０°に設定されている。吸気バルブ１３２を閉じるタイミングは、代表的には約５０°〜約７０°の範囲で好適に設定することができる。
【０１５１】
適切なタイミングで吸気バルブ１３２を閉じた後、ピストン１４４を上昇していくと、図２３（ｆ）に示すように、燃焼室内で混合気が圧縮される。第２実施例のエンジン３００では、こうしてピストンを上昇させて混合気を圧縮していくことにより、上死点付近で混合気を自着火させることができる。換言すれば、低負荷運転時は、ピストンにより圧縮されてほぼ上死点付近で自着火するように、混合気の空気過剰率が設定されている。こうして混合気を自着火させることにより、速やかに燃焼させることができる。その結果、前述した予混合圧縮自着火燃焼方式と同様の形態で混合気を燃焼させることができるので、大気汚染物質の排出量および燃料消費量を同時にしかも大幅に低減させることができる。
【０１５２】
第１実施例で説明したように、混合気を圧縮自着火させながら燃焼させる方式では、負荷が高くなるとノックが発生し易くなる。そこで、エンジン負荷が高い条件では、ノックを発生させることなく混合気を圧縮自着火させるために、次のようにしてエンジン３００を運転する。
【０１５３】
図２５は、２サイクル式のエンジン３００が高負荷条件において混合気を圧縮自着火させる様子を概念的に示す説明図である。図２５（ａ）は、掃気行程の後期に燃料を噴射している様子を示している。こうして、噴射された燃料噴霧は吸入空気によって燃焼室内で攪拌され、混合気を形成する。高負荷条件時に形成される混合気は、ピストン１４４による圧縮だけでは自着火しないように、低負荷条件時よりも空気過剰率が大きな値（代表的には、空気過剰率２〜３．５）に設定されている。
【０１５４】
次いで、ピストン１４４を上昇させて燃焼室内の混合気を圧縮し、所定のタイミングで燃料噴射弁１４から燃焼室内に追加の燃料噴霧を噴射する。追加の燃料を噴射するタイミングは、一般的には、圧縮行程中の上死点前６０度から上死点前２０度の範囲内で適切な期間に設定される。第２実施例では、図２４に示されているように、ピストンの上死点（ＴＤＣ）前、約５０°付近で追加の燃料噴霧を噴射している。図２５（ｂ）は、こうして追加の燃料噴霧を噴射している様子を概念的に示している。図中では、追加で噴射された燃料噴霧は細かいハッチングを付して表している。また、粗いハッチングは、掃気行程の後半で噴射された燃料噴霧による混合気を示している。前述した第１実施例と同様に、第２実施例のピストン１４４の頂面にも、導入溝１４５と旋回室１４３とが設けられている。燃料噴射弁１４から噴射された燃料噴霧は、導入溝１４５で流れの向きを変えられた後、旋回室１４３に流入して混合気の旋回流を形成する。旋回室１４３は、点火プラグ１３６に対向する位置に設けられている。そのため、圧縮上死点付近のタイミングでは、点火プラグ１３６の近傍に効率よく混合気を形成することができる。
【０１５５】
こうして点火プラグ１３６の近傍に形成された混合気に、圧縮上死点付近の適切なタイミングで火花を飛ばして点火してやる。点火プラグ近傍に形成された混合気は空気過剰率が小さな値に設定されているので、点火後、速やかに燃焼を完了して燃焼室内圧力を上昇させる。掃気行程中に噴射した燃料によって形成された混合気は、前述したように空気過剰率が大きな値に設定されており、ピストンによって圧縮されただけでは自着火することはないが、点火プラグ近傍の混合気が燃焼したことによって圧縮される結果、温度が上昇し、ついには発火点に達して自着火に至る。
【０１５６】
以上に説明したように、第２実施例のエンジン３００においても、高負荷運転時にはノックの発生を避けるために、圧縮行程中に追加の燃料を噴射して点火プラグ１３６の近傍に空気過剰率の小さめな混合気を形成し、この混合気に点火することによって、燃焼室内の空気過剰率の大きな混合気を圧縮自着火させる。従って、圧縮行程中に噴射する燃料が少なくなるほど、高負荷運転時に排出される大気汚染物質あるいは燃料消費量を少なくすることができる。第２実施例のエンジン３００では、ピストン頂面に旋回室１４３と、該旋回室に燃料噴霧を導く導入溝１４５とを設け、圧縮行程中に噴射した燃料の混合気を旋回室内に閉じ込めることにより、点火プラグ１３６の近傍に効率よく混合気を形成することができる。このため、圧縮行程中に僅かな燃料を噴射しただけで、燃焼室内の混合気を確実に圧縮して自着火させることが可能となり、延いては、大気汚染物質の排出量と燃料消費量とを同時に抑制することが可能となる。
【０１５７】
以上、各種の実施例について説明してきたが、本発明は上記すべての実施例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】予混合圧縮自着火燃焼方式を適用した第１実施例のエンジン１０の構造を概念的に示した説明図である。
【図２】第１実施例のエンジンの燃焼室の構造を概念的に示す説明図である。
【図３】エンジン運転制御ルーチンの流れを示すフローチャートである。
【図４】エンジン回転速度と目標出力トルクとの組合せに応じて、低負荷条件あるいは高負荷条件のいずれの制御を行うかがマップの形式で記憶されている様子を概念的に示した説明図である。
【図５】低負荷条件用のマップに燃料噴射量と吸入空気量が設定されている様子を概念的に示した説明図である。
【図６】予混合圧縮自着火燃焼方式において、混合気を形成するための基本的な考え方を概念的に示したブロック図である。
【図７】高負荷条件用のマップに主燃料噴射量と副燃料噴射量と吸入空気量とが設定されている様子を概念的に示した説明図である。
【図８】吸気バルブおよび排気バルブの開閉時期、燃料の噴射タイミング、点火タイミングの関係を概念的に示した説明図である。
【図９】低負荷条件において混合気を圧縮自着火させて燃焼させる様子を概念的に示した説明図である。
【図１０】高負荷条件において混合気を圧縮自着火させて燃焼させる様子を概念的に示した説明図である。
【図１１】燃焼室内で一部の混合気に点火することで、残余の混合気が圧縮される様子を概念的に示した説明図である。
【図１２】一部の混合気の燃焼によって残余の混合気が圧縮されて自着火した様子を概念的に示す説明図である。
【図１３】燃料噴霧がピストン頂面に形成された旋回室に旋回流を形成し、点火プラグの近傍に混合気が形成される様子を概念的に示す説明図である。
【図１４】第１実施例の第１の変形例を示した説明図である。
【図１５】第１実施例の第２の変形例を示した説明図である。
【図１６】第１実施例の第３の変形例を示した説明図である。
【図１７】第１実施例の第４の変形例を示した説明図である。
【図１８】第１実施例の第５の変形例を示した説明図である。
【図１９】第１実施例の第６の変形例を示した説明図である。
【図２０】第１実施例の第７の変形例を示した説明図である。
【図２１】第１実施例の第８の変形例を示した説明図である。
【図２２】第２実施例のエンジンの構造を概念的に示した説明図である。
【図２３】第２実施例のガソリンエンジンの低負荷条件時における動作を概念的に示した説明図である。
【図２４】第２実施例のガソリンエンジンのバルブタイミングおよび燃料噴射タイミングを示した説明図である。
【図２５】第２実施例のガソリンエンジンの高負荷条件における動作を概念的に示した説明図である。
【符号の説明】
１０…エンジン
１２…吸気通路
１４…燃料噴射弁
１５…燃料噴射弁
１６…排気通路
２０…エアクリーナ
２１…ＮＯｘセンサ
２２…スロットル弁
２３…圧力センサ
２４…電動アクチュエータ
２５…ノックセンサ
２６…触媒
３０…ＥＣＵ
３２…クランク角センサ
３４…アクセル開度センサ
５０…過給機
５２…タービン
５４…コンプレッサ
５６…シャフト
６０…サージタンク
６２…インタークーラ
１３０…シリンダヘッド
１３２…吸気バルブ
１３４…排気バルブ
１３６…点火プラグ
１４０…シリンダブロック
１４２…シリンダ
１４３…旋回室
１４４…ピストン
１４５…導入溝
１４５ａ…側壁
１４５ｂ…側壁
１４５ｃ…床面
１４６…コネクティングロッド
１４７…反り返り部
１４８…クランクシャフト
１５４…燃料噴霧
１５６…燃料噴霧
２４０…断熱層
２４２…蓄熱層
２４４…ピストン
３００…エンジン
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃焼室内で燃料と空気との混合気を圧縮し、自着火させることによって動力を取り出す技術に関し、より詳しくは、混合気の自着火を制御することで、燃焼により生じる大気汚染物質の発生を抑制しつつ、高い効率で動力を取り出す技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関は、比較的小型でありながら大きな動力を発生させることができるので、自動車や、船舶、航空機など種々の移動手段の動力源として、あるいは工場などの定置式の動力発生源として広く使用されている。これら内燃機関はいずれも、燃焼室内で燃料を燃焼させ、このときに発生する圧力を、機械的仕事に変換して出力することを動作原理としている。
【０００３】
近年では、地球環境を保護するために、内燃機関から排出される大気汚染物質の排出量を低減させることが、強く要請されるようになってきた。また、地球の温暖化要因となる二酸化炭素の排出量を低減する観点から、あるいは内燃機関の運転コストを低減させるために、燃料消費量の更なる低減が強く要請されるようになってきた。
【０００４】
これらの要請に応えるべく、混合気を燃焼室内で圧縮自着火させる燃焼方式（本明細書では、この燃焼方式を「予混合圧縮自着火燃焼方式」と呼ぶ）の内燃機関が注目されている。詳細には後述するが、予混合圧縮自着火燃焼方式を採用した内燃機関は、排気ガス中に含まれる大気汚染物質の排出量および燃料消費量が、従来の内燃機関に比べてたいへんに少ないという優れた特性を備えている。しかし、かかる燃焼方式は混合気を圧縮自着火させている関係上、内燃機関を高い負荷で運転すると、混合気が自着火する時期が早くなり過ぎて圧縮中に自着火し、強いノックが発生することがある。
【０００５】
本願の出願人は、負荷の高い運転条件でもノックを発生させることなく、混合気を圧縮自着火燃焼させるために、次のような技術を開発して既に出願済みである（特願２００２−１８８０４２号）。かかる技術においては、先ず初めに、燃料と空気との混合気を燃焼室内に形成する。この混合気を第１の混合気と呼ぶことにする。次いで、ピストンを上昇させて第１の混合気を圧縮する。負荷が低い運転条件では、こうしてピストンを上昇させて第１の混合気を圧縮するだけで、ほぼ圧縮上死点付近で自着火させることができる。一方、負荷が高い運転条件では、第１の混合気が圧縮中に自着火しないように、空気に対する燃料の割合を小さくしておく。そして、圧縮行程の半ば以降の適切な時期に、追加の燃料を燃焼室内に噴射して、燃焼室内の一部の領域に第２の混合気を形成し、圧縮上死点付近の所望のタイミングで第２の混合気に点火してやる。点火された第２の混合気は速やかに燃焼して燃焼室内の圧力を上昇させ、その結果、第１の混合気が圧縮されて自着火に至る。こうすれば、第２の混合気に点火する時期を制御することで、第１の混合気を所望の時期に自着火させることができる。従って、負荷の高い運転条件においてもノックを発生させることなく予混合圧縮自着火燃焼を実現することが可能である。
【０００６】
こうした出願済みの技術においては、第１の混合気を自着火させるために第２の混合気に火花を飛ばして燃焼させている。すなわち、一部の混合気については、従来の燃焼方式と同様に火花で点火して火炎の伝播を伴った燃焼をすることになるので、全ての混合気を圧縮自着火させる場合と比べれば、大気汚染物質の排出量および燃料消費量の改善効果が目減りしてしまうことになる。改善効果ができるだけ目減りしないようにするためには、圧縮行程中に噴射する燃料の割合をできるだけ少なくしてやればよい。こうすれば火炎伝播によって燃焼する割合が減少するので、改善効果の目減りを抑制することができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、圧縮行程中に噴射する燃料の割合をあまりに少なくしたのでは、第２の混合気に確実に点火することが困難になるという問題がある。例えば、噴射する燃料量を少なくしたことより、第２の混合気が形成されている領域が狭くなると、第２の混合気が点火位置から外れてしまって点火不良となる場合が生じ得る。あるいは、噴射する燃料量を少なくしたために、第２の混合気の燃料濃度があまりに薄くなってしまった場合にも、第２の混合気に確実に点火することが困難となる。もちろん実際には、これらの要因が重畳的に影響して点火不良を引き起こす懸念がある。
【０００８】
このことから、圧縮行程中に噴射する燃料が少ない場合でも、第２の混合気を効率よく形成することで、確実に点火することが可能となるような技術の開発が要請されている。
【０００９】
この発明は従来技術における上述した課題を解決するためになされたものであり、予混合圧縮自着火燃焼方式を適用した内燃機関において、大気汚染物質の排出量および燃料消費効率を低下させることなく、混合気に確実に点火することを可能とする技術の提供を目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の内燃機関は次の構成を採用した。すなわち、
燃料と空気との混合気を燃焼室内で圧縮し、該圧縮された混合気を燃焼させることによって動力を出力する内燃機関であって、
前記燃焼室の一部を構成するとともに前記混合気を圧縮するピストンと、
前記燃料と空気とが、前記ピストンによる圧縮では自着火しない割合で混合した第１の混合気を、前記燃焼室内に形成する第１の混合気形成手段と、
前記第１の混合気中に前記燃料の噴霧を噴射することにより、前記燃焼室内の一部の領域に第２の混合気を形成する燃料噴射弁と、
前記第２の混合気に点火して燃焼させることにより前記燃焼室内の圧力を上昇させて、前記第１の混合気を圧縮自着火させる点火手段と
を備え、
前記ピストンが前記燃焼室に面するピストン頂面には、
前記点火手段に対向する位置に設けられた略円形状の凹部たる旋回室と、
前記燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧を受けて、該燃料噴霧の流れの向きを変えて該燃料噴霧を前記旋回室に導く導入溝と
が設けられており、
前記導入溝が前記旋回室に開口する開口部は、前記燃料噴霧が該旋回室に流入する流れ方向から該開口部を見たときに、該旋回室の中心軸に対して偏っていることを特徴とする。
【００１１】
また、上記の内燃機関に対応する本発明の制御方法は、
燃料と空気との混合気をピストンを用いて燃焼室内で圧縮し、該圧縮された混合気を燃焼させることによって動力を出力する内燃機関の制御方法であって、
前記燃料と空気とが、前記ピストンによる圧縮では自着火しない割合で混合した第１の混合気を、前記燃焼室内に形成する第１の工程と、
前記第１の混合気中に前記燃料の噴霧を噴射することにより、前記燃焼室内の一部の領域に第２の混合気を形成する第２の工程と、
前記第２の混合気に点火して燃焼させることにより前記燃焼室内の圧力を上昇させて、前記第１の混合気を圧縮自着火させる第３の工程と
を備え、
前記第２の工程は、
前記ピストン頂面に形成された導入溝が、前記噴射された燃料の噴霧を受けて燃料噴霧の流れの向きを変え、該燃料噴霧を前記ピストン頂面に形成された略円形状の凹部たる旋回室に、該旋回室の中心軸に対して偏りを持たせて導く工程と、
前記旋回室に導かれた燃料噴霧の流れを利用して、該旋回室内に前記第２の混合気の旋回流を形成する工程と
を備えることを特徴とする。
【００１２】
更に、上記の内燃機関あるいは制御方法に対応する本発明のピストンは、
燃料と空気との混合気を燃焼室内で圧縮し、該圧縮された混合気を燃焼させることによって動力を出力する内燃機関に用いられ、該燃焼室の一部を構成するとともに該混合気を圧縮するピストンであって、
前記内燃機関は、
前記燃料と空気とが、前記ピストンによる圧縮では自着火しない割合で混合した第１の混合気を、前記燃焼室内に形成する第１の混合気形成手段と、
前記第１の混合気中に前記燃料の噴霧を噴射することにより、前記燃焼室内の一部の領域に第２の混合気を形成する燃料噴射弁と、
前記第２の混合気に点火して燃焼させることにより前記燃焼室内の圧力を上昇させて、前記第１の混合気を圧縮自着火させる点火手段と
を備え、
前記ピストンが前記燃焼室に面するピストン頂面には、
前記点火手段に対向する位置に設けられた略円形状の凹部たる旋回室と、
前記燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧を受けて、該燃料噴霧の流れの向きを変えて該燃料噴霧を前記旋回室に導く導入溝と
が設けられており、
前記導入溝が前記旋回室に開口する開口部は、該旋回室に流入する前記燃料噴霧の流れ方向から該開口部を見たときに、該旋回室の中心軸に対して偏っていることを特徴とする。
【００１３】
かかる本発明の内燃機関、制御方法、およびピストンにおいては、燃焼室内に第１の混合気を形成した後、燃料噴射弁からピストン頂面に向かって燃料の噴霧を噴射する。噴射された燃料噴霧は、ピストン頂面に設けられた導入溝によって流れの向きを変えられて、旋回室内に流入し、旋回室内に第２の混合気の旋回流を形成する。かかる旋回室は、点火手段に対向する位置に設けられており、該点火手段で旋回室内の第２の混合気に点火する。第２の混合気が燃焼すると、燃焼室内の圧力が上昇し、予め形成されていた第１の混合気を圧縮して自着火に至らせる。
【００１４】
こうすれば、第１の混合気中の燃料の割合が空気に対して少なく、ピストンによって圧縮されただけでは自着火しない割合となっている場合でも、第２の混合気に点火することで該第１の混合気を圧縮して自着火させることができる。燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧は、導入溝を介して旋回室内に導かれる。ここで、該導入溝が旋回室に開口する開口部の形状は、該旋回室に流入する前記燃料噴霧の流れ方向から該開口部を見たときに、該旋回室の中心軸に対して偏った形状に形成されている。このため第２の混合気は、旋回室内で旋回流を形成する。こうすれば、第２の混合気を分散させることなく、旋回室内に留めておくことができる。従って、燃料噴射弁から僅かな量の燃料噴霧を噴射するだけで、確実に点火可能な第２の混合気を効率よく形成して、第１の混合気を自着火させることが可能となる。
【００１５】
かかる内燃機関においては、導入溝を、前記開口部が偏っている側に向かって、該導入溝の床面が低くなるように形成することとしても良い。
【００１６】
導入溝の床面を傾けてやれば、そのことで、開口部の形状を旋回室の中心軸に対して偏らせることができる。特に、該開口部が偏っている側に向かって導入溝の床面が低くくなるように傾けてやれば、開口部の偏りを助長することになるので、第２の混合気を旋回室内で効率よく旋回させることが可能となる。
【００１７】
あるいは、こうした内燃機関においては、導入溝が、旋回室の中心軸に向かう方向に対して所定の偏差を持った状態で該旋回室に接続することとして、特に、前記開口部が偏っている方向に該偏差を持たせた状態で、該導入溝を接続することとしても良い。
【００１８】
このように、旋回室の中心軸から開口部が偏っている方向に、該導入溝をオフセットさせて旋回室に接続してやれば、該旋回室内に第２の混合気の旋回流を効率よく形成することが可能となるので好ましい。
【００１９】
また、導入溝を構成する互いに向かい合う側壁のうち、前記開口部が偏っている側の側壁が前記旋回室に接するようにして、他方の側壁が該旋回室に交わる様な形状に、該導入溝を形成しても良い。
【００２０】
導入溝をこの様な形状とすれば、該導入溝の開口部は旋回室の中心軸に対して自ずから偏った形状となる。加えて、側壁に導かれて旋回室内に流入した燃料噴霧は、該旋回室に接するように流入することになるので、旋回室内で第２の混合気を効率よく旋回させることが可能となる。
【００２１】
この場合、旋回室に接する側の側壁は、導入溝を燃焼室側から見たときに、該旋回室の中心軸に向かって一方向に曲がった曲線状となるような形状としても良い。
【００２２】
燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧は、このような側壁に導かれることにより、勢いを失うことなく滑らかに方向を変えて旋回室に流入するので、該旋回室内に効率よく第２の混合気を旋回させることが可能となる。
【００２３】
これに対して、旋回室と交わる側の側壁は、導入溝を燃焼室側から見たときに、前記旋回室に交わる側の前記側壁の延長線が前記旋回室に接する側の側壁と前記旋回室の中心軸との間を通るように形成されていても良い。
【００２４】
旋回室と交わる側の側壁をこの様な形状としておけば、旋回室に接する側の側壁に沿って流入した燃料噴霧によって生じた旋回流を、該交わる側の側壁に沿って流入した燃料噴霧が妨げることがない。従って、旋回室内で第２の混合気を効率よく旋回させることが可能となる。
【００２５】
また、こうした内燃機関においては、導入溝の側壁とピストン頂面とが交わる少なくとも一部の領域に、燃焼室への開口を狭くするような突部を、側壁の燃焼室側に設けることとしても良い。
【００２６】
こうした突部を設ければ、燃料噴霧が導入溝内を移動しながら広がっても、噴霧が導入溝から溢れ出すことを抑制して、効率よく旋回室内に導くことができる。そのため、旋回室内で第２の混合気を効率よく旋回させることが可能となる。
【００２７】
同様に、旋回室の側壁とピストン頂面とが交わる少なくとも一部の領域に、燃焼室への開口を狭くするような突部を、側壁の燃焼室側に設けることとしても良い。
【００２８】
こうすれば、旋回室内で旋回する第２の混合気が、該旋回室内から溢れ出ることを効果的に抑制することができるので、効率よく第２の混合気を形成することが可能となる。
【００２９】
上述した内燃機関においては、導入溝あるいは旋回室の少なくとも一部の領域に、蓄熱層を設け、更に該蓄熱層とピストンとを断熱する断熱層を設けることとしても良い。
【００３０】
こうすれば、混合気の圧縮や混合気の燃焼などによって発生した熱を蓄熱層に蓄えておき、燃料噴射弁から噴射された燃料を気化させるために、蓄えておいた熱を活用することができるので、前記第２の混合気をより効率よく形成することが可能となる。
【００３１】
上述した内燃機関においては、前記点火手段として点火栓を用いることとして、該点火栓を、旋回室の中心軸から所定の距離だけ離れた位置で火花を飛ばす位置に設けることとしても良い。
【００３２】
旋回室内に形成される旋回流は、該旋回室の中心軸を中心として旋回すると考えられることから、該中心軸から所定の距離だけ離れた位置では、第２の混合気がある程度の流速を有している。この様な条件で火花を飛ばしてやれば、第２の混合気に好適に点火することができ、従って燃焼室内の圧力を上昇させて、第１の混合気を確実に自着火させることが可能となるので好ましい。
【００３３】
上述の内燃機関では、燃料噴霧の噴射方向を次のように設定してもよい。すなわち、旋回室の中心軸に向かう方向から、前記開口部が偏っている側に所定の角度だけ傾いた方向に、該燃料噴霧の方向を設定しても良い。
【００３４】
この様な方向に燃料の噴霧を噴射してやれば、該燃料噴霧を導入溝で効率よく旋回室に導いて、旋回室内に第２の混合気の旋回流を形成することが可能となる。
【００３５】
また、燃料噴射弁に加えて、燃焼室内に燃料の噴霧を噴射する噴霧噴射弁を設け、前記第１の混合気は該噴霧噴射弁から燃料噴霧を噴射することによって形成することとして、前記第２の混合気を形成するための前記燃料噴射弁は、該噴霧噴射弁よりも噴霧角の小さな噴射弁としても良い。
【００３６】
こうすれば、噴霧角の大きな前記噴霧噴射弁から燃料噴霧を噴射することで、燃料を広い範囲に分散させて前記第１の混合気を効率よく形成することが可能となり、また、噴霧角の小さな前記燃料噴射弁から噴射した燃料噴霧を導入溝で旋回室に導くことで、該旋回室内に前記第２の混合気の旋回流を効率よく形成することが可能となるので好ましい。
【００３７】
また、燃焼室内に空気を取り入れるための吸気弁を複数備えた内燃機関においては、前記噴霧噴射弁を、互いに隣接する前記吸気弁の間に設けることとしてもよい。
【００３８】
内燃機関の吸気行程中には、吸気弁の直下では、燃焼室の内壁に沿って進む吸気の強い流れが形成されているのに対して、隣接する吸気弁の間では、吸気の流れはさほど強くはない。従って、前記噴霧噴射弁を吸気弁の間に設けてやれば、吸気行程中に噴射して燃料の噴霧が燃焼室の壁面を洗って、潤滑面を破壊するおそれを回避することができるので好適である。
【００３９】
また本発明は、２サイクルで運転される内燃機関に好適に適用することが可能である。
【００４０】
２サイクルで運転される内燃機関は、４サイクルの内燃機関に比べて混合気を圧縮自着火させることが容易であり、従って内燃機関の圧縮比を低めに設定することも可能である。これは次のような理由による。２サイクルの内燃機関は、４サイクルの内燃機関と異なって排気行程と吸気行程とが完全には分離しておらず、高温の排気ガスが残存した状態で吸気行程が開始されるので、圧縮を開始する段階で混合気の温度が高くなっている。しかも、排気ガス中の活性成分が存在しており、混合気温度が高いことと相まって、２サイクルの内燃機関では４サイクルと比べて、自着火させ易くなっているためである。このように、２サイクルの内燃機関は、混合気を効果的に圧縮自着火させて運転することができるので、本発明を組み合わせることで、より一層、効率よい運転を行うことが可能となるので好ましい。
【００４１】
【発明の実施の形態】
本発明の作用・効果をより明確に説明するために、次の順序に従って、本発明の実施例について説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ−１．装置構成：
Ａ−２．エンジン制御の概要：
Ａ−３．第１実施例における混合気の燃焼制御：
Ａ−４．ピストン頂面形状の作用：
Ａ−５．変形例：
Ｂ．第２実施例：
Ｂ−１．装置構成：
Ｂ−２．第２実施例における混合気の燃焼制御：
【００４２】
Ａ．第１実施例：
Ａ−１．装置構成：
図１は、予混合圧縮自着火燃焼方式を適用した第１実施例のエンジン１０の構造を概念的に示した説明図である。第１実施例のエンジン１０は、吸気・圧縮・膨張・排気の４つの行程を繰り返しながら燃焼室内で混合気を燃焼させることによって動力を出力する４サイクル式のエンジンである。図１では、エンジン１０の構造を示すために、燃焼室のほぼ中央で断面を取って表示している。図示されているようにエンジン１０の本体は、シリンダブロック１４０の上部にシリンダヘッド１３０が組み付けられて構成されている。シリンダブロック１４０の内部には、円筒形のシリンダ１４２が設けられており、このシリンダ１４２の内部にピストン１４４が摺動可能に設けられている。シリンダ１４２とピストン１４４とシリンダヘッド１３０の下面とで囲まれた空間が燃焼室となる。
【００４３】
ピストン１４４は、コネクティングロッド１４６を介してクランクシャフト１４８に接続されており、ピストン１４４はクランクシャフト１４８の回転にともなってシリンダ１４２内を上下に摺動する。
【００４４】
シリンダヘッド１３０には、燃焼室に吸入空気を取り入れるための吸気通路１２と、燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁１４と、燃焼室内の混合気に点火するための点火プラグ１３６と、燃焼室内で発生した燃焼ガスを排出するための排気通路１６などが接続されている。また、シリンダヘッド１３０には、吸気バルブ１３２と排気バルブ１３４とが設けられている。吸気バルブ１３２および排気バルブ１３４は、それぞれにカム機構によって駆動され、ピストン１４４の動きに同期して吸気通路１２および排気通路１６を開閉する。
【００４５】
吸気通路１２の上流側にはエアクリーナ２０が設けられており、エアクリーナ２０には空気中の異物を除去するためのフィルタが内蔵されている。エンジン１０に吸入される空気は、エアクリーナ２０を通過する際にフィルタで異物を除去されて、燃焼室内に吸入される。また、吸気通路１２には、スロットル弁２２が設けられており、電動アクチュエータ２４を駆動してスロットル弁２２を適切な開度に制御することで、燃焼室内に吸入される空気量を制御することができる。
【００４６】
排気通路１６の下流には、排気ガスに含まれる大気汚染物質を浄化するための触媒２６が設けられている。後述するように、予混合圧縮自着火燃焼方式を適用すれば、排気ガス中の大気汚染物質の濃度を大幅に減少することができるが、排気通路に触媒２６を設けることにより、排気ガス中に僅かに含まれる汚染物質も完全に浄化することが可能である。また、触媒２６の上流側には、排気ガス中に含まれる窒素酸化物の濃度を検出するＮＯｘセンサ２１が設けられている。
【００４７】
エンジン１０の動作は、エンジン制御用ユニット（以下、ＥＣＵ）３０によって制御されている。ＥＣＵ３０は、ＣＰＵや、ＲＡＭ、ＲＯＭ、Ａ／Ｄ変換素子、Ｄ／Ａ変換素子などをバスで相互に接続して構成された周知のマイクロコンピュータである。ＥＣＵ３０は、エンジン回転速度Ｎe やアクセル開度θacを検出し、これらに基づいてスロットル弁２２を適切な開度に制御するとともに、燃料噴射弁１４や、点火プラグ１３６を適切なタイミングで駆動する。エンジン回転速度Ｎe は、クランクシャフト１４８の先端に設けたクランク角センサ３２によって検出することができる。アクセル開度θacは、アクセルペダルに内蔵されたアクセル開度センサ３４によって検出することができる。
【００４８】
またＥＣＵ３０は、シリンダブロック１４０に設けられたノックセンサ２５の出力に基づいて、ノックの発生を検出することができる。ノックセンサ２５は、燃焼室内でノックが発生したときにシリンダ１４２内に発生する気柱振動を、共振現象を利用して検出することによりノックの発生を検出する。あるいは、ノックセンサ２５に代えて、燃焼室内の圧力を検出する圧力センサ２３を、シリンダブロック１４０あるいはシリンダヘッド１３０に設けることとしても良い。ノックセンサ２５に代えて圧力センサ２３が設けられている場合は、ＥＣＵ３０は、圧力センサ２３で検出した燃焼室内の圧力を読み込んで、燃焼室内圧力の上昇速度を算出することによって、ノックの発生を検出することができる。更には、排気通路１６に設けたＮＯｘセンサ２１の出力を読み込むことで、排気ガス中に含まれる窒素酸化物の濃度を検出することが可能となっている。後述するように、ＥＣＵ３０は、ノックの発生や、窒素酸化物の濃度が許容値以上に増加したことを検出して、これらを制御内容に反映させることにより、エンジン１０が常に適切に運転されるよう制御を行う。
【００４９】
尚、図１では、燃料噴射弁１４は吸気側に設けられているが、排気側に設けることとしても良い。吸気側に設けてやれば、燃料噴射弁１４の上方を排気ガスが流れることがないので、燃料噴射弁１４が高温に晒され難いという利点がある。一方、排気ポートは吸気ポートに比べてポートの断面積が小さく、更にポート形状の自由度も高いので、排気側に設けてやれば燃料噴射弁１４を適切な位置に搭載し易いという利点がある。
【００５０】
図２は、エンジン１０の燃焼室の構造を示す説明図である。図２（ａ）は燃焼室の断面構造を概念的に示した説明図である。エンジン１０では、燃料噴射弁１４から噴射された燃料を点火プラグ１３６方向に導きながら、点火プラグ１３６の近傍に効率よく混合気を形成するために、ピストン１４４の頂面が特別な形状に形成されている。図２（ｂ）は燃焼室の一部を構成するピストン頂面を、シリンダヘッド１３０側から見た上面図である。尚、図２（ｂ）では、燃焼室に設けられた燃料噴射弁１４、点火プラグ１３６、吸気バルブ１３２、排気バルブ１３４に対するピストン頂面の形状の位置関係を明確にするために、ピストン頂面形状に重ねて、これらを細い破線で表示している。また、図２（ａ）に示したピストン断面は、図２（ｂ）中でＡ−Ａで示す位置で取った断面を示している。
【００５１】
図２（ａ）および図２（ｂ）に示されているように、ピストン１４４の頂面には、点火プラグ１３６と対向する位置に形成された略円形の旋回室１４３と、旋回室１４３に接続された導入溝１４５とが形成されている。導入溝１４５の一方の側壁１４５ａは、旋回室１４３に接するように形成されており、他方の側壁１４５ｂは旋回室１４３と交わるように形成されている。具体的には、該導入溝１４５を燃焼室側から見たときに、旋回室１４３に接する側の側壁１４５ａは、旋回室１４３の中心軸に向かって一方向に曲がった曲線状に形成されている。また、該導入溝１４５を燃焼室側から見たときに、旋回室１４３に交わる側の側壁１４５ｂは、該側壁１４５ｂの延長線が旋回室１４３に接する側の側壁１４５ａと旋回室１４３の中心軸との間を通るように形成されている。詳細には後述するが、燃料噴射弁１４から噴射された燃料の噴霧は、導入溝１４５に導かれて旋回室１４３内に流入する。この結果、旋回室１４３には、混合気の旋回流が形成される。
【００５２】
Ａ−２．エンジン制御の概要：
以上のような構成を有するエンジン１０は、ＥＣＵ３０の制御の下で、燃焼室内で混合気を圧縮自着火させながら動力を出力する。図３は、ＥＣＵ３０が行うエンジン運転制御ルーチンの流れを示したフローチャートである。以下、フローチャートに従って説明する。
【００５３】
エンジン制御ルーチンを開始すると、先ず初めにＥＣＵ３０は、エンジン１０が発生させるべき目標出力トルクを算出する処理を行う（ステップＳ１００）。目標出力トルクは、アクセル開度センサ３４で検出したアクセル開度θacに基づいて算出する。すなわち、エンジンの操作者は、エンジンの出力トルクを増やしたいと思った場合はアクセルペダルを踏み増す操作を行い、出力トルクを減らしたいと思った場合はアクセルペダルを戻す操作を行う。特に、エンジンからトルクを発生させる必要がないと考えた場合は、アクセルペダルを全閉状態とする。このことから、アクセルペダルの操作量はエンジンの操作者が要求しているトルクを代表していると考えることができる。ステップＳ１００では、こうした原理に基づいて、アクセル開度θacからエンジンが出力すべき目標出力トルクを算出する。
【００５４】
次いで、ＥＣＵ３０はエンジン回転速度Ｎe を検出する（ステップＳ１０２）。エンジン回転速度Ｎe は、クランク角センサ３２の出力に基づいて算出することができる。
【００５５】
目標出力トルクおよびエンジン回転速度を検出したら、制御方式を設定する処理を行う（ステップＳ１０４）。これは、次のような処理である。前述したように、予混合圧縮自着火燃焼方式を採用するエンジンは、大気汚染物質の排出量が少なく、燃料消費量も少ないという優れた特性を備えているが、エンジンの負荷が高くなるとノックを起こし易くなる。詳細には後述するが、こうした問題を解決するために第１実施例のエンジン１０は、エンジンの負荷が高い条件では、圧縮行程中の半ば以降の適切なタイミングで燃焼室内に追加の燃料を噴射して、燃焼室内の一部に燃料濃度の濃い混合気を形成する。こうして形成した混合気に点火することで、残余の領域の混合気を自着火させることにより、ノックが発生することを回避している。そこで、ステップＳ１０４では、圧縮行程中に追加の燃料を噴射してノックの発生を回避するための制御を行うか、あるいは通常の予混合圧縮自着火燃焼させるための制御を行うかを、エンジンの負荷に応じて設定する処理を行う。具体的には、ＥＣＵ３０に内蔵されたＲＯＭには、エンジン回転速度と目標出力トルクとの組合せに応じて、低負荷条件あるいは高負荷条件のいずれの制御を行うかがマップの形式で予め記憶されており、低負荷条件であれば通常の予混合圧縮自着火燃焼の制御を、高負荷条件であれば圧縮行程中に追加の燃料を噴射してノックの発生を回避するための制御を行う。図４は、ＥＣＵ３０のＲＯＭに記憶されているマップを概念的に示したものである。
【００５６】
制御方式を設定したら、続いて、燃焼室内に噴射する燃料量および吸入空気量を算出する処理を行う（ステップＳ１０６）。これらの燃料噴射量および吸入空気量の値は、低負荷条件あるいは高負荷条件のそれぞれに用意されているマップを参照することによって算出する。
【００５７】
図５は、低負荷条件用のマップを概念的に示した説明図である。低負荷条件用のマップは、吸入空気量のマップおよび燃料噴射量のマップの２つのマップが用意されており、それぞれのマップには、エンジン回転速度と目標出力トルクとに応じて、それぞれ適切な吸入空気量および燃料噴射量が設定されている。
【００５８】
ここで、図５に示すような吸入空気量および燃料噴射量を設定するための基本的な考え方について簡単に説明しておく。図６は、予混合圧縮自着火燃焼方式において、混合気を形成するための基本的な考え方を概念的に示したブロック図である。予混合圧縮自着火燃焼においては、先ず初めに内燃機関が出力すべきトルク（要求トルク）を設定する。要求トルクが決まると、この値に応じて、燃料量を決めることができる。すなわち、内燃機関は燃料を燃焼させることにより燃焼室内の圧力を上昇させ、この圧力をトルクに変換して出力している。従って、トルクの発生量と燃料量とはほぼ一対一に対応しており、要求トルクが決まれば、これに応じて必要な燃料量を決めることができる。燃料量を決定したら、次に空気量を決定する。混合気を圧縮して自着火させるためには、空気と燃料とが所定の割合で混合していることが必要である。従って、燃料量を決めると、この燃料と混合すべき空気量を自ずから決定することができる。こうして決定した分量の燃料と空気とによる混合気を燃焼室内で圧縮自着火させれば、要求トルクを出力することができる。
【００５９】
図５に示したマップには、図６に示した考え方を基礎として、実験的な手法により求められた適切な値が設定されている。尚、低負荷条件用のマップは、目標出力トルクが小さな条件で参照されるマップであり、ある目標出力トルク以上の領域では、燃料噴射量のマップ値も吸入空気量のマップ値もクリップされた値が設定されている。理屈の上からは、低負荷条件用のマップは目標出力トルクが小さな領域のみマップ値が設定されていれば足りるが、何らかの原因で低負荷条件用の制御中に、目標出力トルクの高い領域を参照した場合を考慮して、一応マップ値が設定されている。但し、ノックが発生しないように、小さな目標出力トルクのマップ値にクリップされている。
【００６０】
図７は、高負荷条件用のマップを概念的に示した説明図である。高負荷条件用のマップは、吸入空気量のマップと主燃料噴射量のマップと副燃料噴射量のマップとの合計３つのマップが用意されている。それぞれのマップには、エンジン回転速度と目標出力トルクとに応じて、吸入空気量、主燃料噴射量、副燃料噴射量がそれぞれ設定されている。これらのマップの設定値も、図６に示した考え方を基礎として、実験的な手法により求められた適切な値が設定されている。
【００６１】
図３のステップＳ１０６では、このように対応するマップを参照しながら、低負荷条件用の制御時には、吸入空気量および燃料噴射量を算出し、高負荷条件用の制御時には、吸入空気量および主燃料噴射量、副燃料噴射量をそれぞれ算出する処理を行う。
【００６２】
こうして吸入空気量および燃料噴射量（高負荷条件時には、主燃料噴射量および副燃料噴射量）を算出したら、算出した分量の空気が各燃焼室に吸入されるように、スロットル弁２２の開度を制御する処理を行う（ステップＳ１０８）。スロットル弁の開度の制御は周知の種々の方法で行うことができる。例えば、吸気通路１２に設けたエアフローセンサで吸入空気量を計測し、適切な空気量となるようにスロットル弁２２の開度を制御すればよい。あるいは、エアフローセンサを用いるのではなく、スロットル弁２２の下流側の吸気通路内圧力を計測して、吸入空気量を算出してもよい。簡便には、エンジン回転数に応じて適切な空気量が得られるようなスロットル開度を予めマップに設定しておき、このマップを参照してスロットル開度を設定することとしてもよい。
【００６３】
ＥＣＵ３０は、スロットル制御に続いて燃料噴射制御を行う（ステップＳ１１０）。燃料噴射制御では、ピストン１４４の動きに合わせて適切なタイミングで燃料噴射弁１４を駆動することにより、燃焼室内に燃料を噴射する。燃料の噴射量は、先にステップＳ１０６において算出されている。燃料噴射制御の詳細については、別図を用いて後述する。
【００６４】
図８は、ピストン１４４の動きに同期させて、吸気バルブ１３２、排気バルブ１３４、燃料噴射弁１４をそれぞれ駆動するタイミングをした説明図である。図中にＴＤＣと表示されているのは、ピストン１４４が上死点となるタイミングを示し、図中にＢＤＣと表示されているのは、ピストン１４４が下死点となるタイミングを示している。図示されているように吸気バルブ１３２は、ピストンが上死点に達する少し手前のタイミングで開き、ピストンが下死点に達した少し後のタイミングで閉じる。吸気バルブ１３２が開いている間にピストン１４４が降下することによって吸入空気が燃焼室内に吸い込まれ、この間が吸気行程となる。吸気バルブ１３２を閉じた後はピストン１４４を上昇させるに連れて燃焼室内の混合気が圧縮される。吸気バルブ１３２を閉じてからピストンが上死点に達するまでの期間が圧縮行程となる。また、ピストンが上死点を過ぎて排気バルブ１３４が開くまでが膨張行程である。排気バルブ１３４は、ピストンが下死点になる少し前のタイミングで開いてやる。排気バルブ１３４が開いている間にピストン１４４が上昇することによって燃焼室内の燃焼ガスが排出される。排気バルブ１３４は、ピストン１４４が上死点に達した少し後のタイミングで閉じてやる。排気バルブ１３４を開いてから閉じるまでの期間が排気行程となる。図３に示した燃料噴射制御（ステップＳ１１０）では、燃料噴射弁１４を駆動することにより、吸気行程中にハッチングを付して示した期間に燃焼室内に燃料を噴射する。
【００６５】
燃料噴射制御を行ったらＥＣＵ３０は、実行中の制御方式が高負荷条件用の制御か否かを判断する（ステップＳ１１２）。高負荷条件用の制御方式である場合は（ステップＳ１１２：ｙｅｓ）、副燃料噴射制御を行う（ステップＳ１１４）。これは、先にステップＳ１０６において副燃料噴射量として算出しておいた追加の燃料を、圧縮行程の半ば以降の適切なタイミングで燃料噴射弁１４から燃焼室内に噴射する制御である。その後、圧縮上死点付近の適切なタイミングで点火プラグから火花を飛ばして混合気に点火する制御を行う（ステップＳ１１６）。図８には、副燃料噴射制御において燃料を噴射する期間、および点火制御において点火プラグ１３６から火花を飛ばすタイミングも例示されている。これら制御の詳細については別図を参照しながら後述する。また、高負荷条件用の制御方式でない場合は（ステップＳ１１２：ｎｏ）、燃焼室内の混合気をピストンによる圧縮のみで自着火させることとして、副燃料噴射制御（ステップＳ１１４）や点火制御（ステップＳ１１６）はスキップする。
【００６６】
こうして混合気を燃焼させると、燃焼室内の圧力が急激に上昇してピストン１４４を下方向に押し下げようとする。この力は、コネクティングロッド１４６を介してクランクシャフト１４８に伝えられ、クランクシャフト１４８でトルクに変換されて動力として出力される。
【００６７】
次いで、ＥＣＵ３０は、エンジンを停止する旨が設定されたか否かを確認し（ステップＳ１１８）、停止する旨が設定されていなければステップＳ１００に戻って続く一連の処理を繰り返す。エンジンを停止する旨が設定された場合は、そのままエンジン運転制御ルーチンを終了する。こうして、エンジン１０は、ＥＣＵ３０の制御の下で、図３の制御ルーチンに従って運転され、操作者の設定に応じたトルクを出力する。
【００６８】
Ａ−３．第１実施例における混合気の燃焼制御：
上述したエンジン運転制御ルーチンにおいて、燃料噴射制御、副燃料噴射制御、点火制御を行うことにより、燃焼室内で混合気を燃焼させるための制御内容について説明する。第１実施例のエンジン１０は、こうした燃焼制御を実現することによって、エンジンの負荷が高い運転条件においてもノックを発生させることなく、混合気を予混合圧縮自着火燃焼させることが可能となっている。
【００６９】
先ず、低負荷条件時における制御について、図９を参照しながら説明する。図９は、低負荷条件において混合気を圧縮自着火させて燃焼させる様子を概念的に示した説明図である。図９（ａ）は吸気行程中の燃焼室内部の様子を示し、図９（ｂ）は圧縮行程の半ば以降の燃焼室内部の様子を、図９（ｃ）は圧縮上死点付近の燃焼室内部の様子を示している。
【００７０】
図８を用いて前述したように、燃料噴射制御では、吸気行程の前半のタイミングで燃料噴射弁１４の駆動を開始して、燃焼室内に燃料噴霧を噴射する。図９（ａ）は、燃料噴射弁１４から燃焼室内に燃料噴霧が噴射されている様子を模式的に表している。燃料噴射量は、駆動期間を変えることによって制御する。ＥＣＵ３０は、具体的には次のような処理を行う。先ず、先に求めておいた燃料噴射量に基づいて、燃料噴射弁１４の駆動期間を算出する。算出に用いる燃料噴射量は、低負荷条件用の制御中であれば、図５のマップを参照して求めた燃料噴射量であり、高負荷条件用の制御中であれば、図７のマップを参照して求めた主燃料噴射量である。こうして算出した駆動期間から、燃料噴射弁１４の駆動開始タイミングと駆動終了タイミングとを決定する。尚、ここでは、駆動開始タイミングは固定されているので、燃料噴射弁の駆動期間から直ちに駆動終了タイミングを決定することができる。もちろん、エンジンの運転条件に合わせて、駆動開始タイミングを変更することも可能である。
【００７１】
吸気行程中は、シリンダ内で降下するピストン１４４に吸引されて吸気バルブ１３２から吸入空気が流入してくるので、燃料噴射弁１４から噴射された燃料噴霧は、吸入空気と混ざり合いながら燃焼室内に流入する。また、吸入空気が勢いよく流入することに加えて、流入後もピストンが降下するために、吸入された空気と燃料噴霧は燃焼室内で攪拌されて、ピストンが下死点に達する頃には、燃料と空気とがほぼ均一に混ざり合った混合気が形成される。
【００７２】
ピストン１４４が一番下まで下がりきったら、吸気バルブ１３２を閉じてピストン１４４を上昇させ、混合気を圧縮する。ピストンが下がりきった位置は、通常、下死点と呼ばれる。図９（ｂ）は、こうしてピストン１４４を上昇させることによって混合気を圧縮している様子を概念的に示している。混合気は圧縮されて圧力が上昇するに従って温度も次第に高くなり、ピストンが上死点付近まで上昇するとついには発火点に達して、混合気全体がほぼ同時に自着火する。換言すれば、低負荷条件時は、ピストン１４４による圧縮だけで自着火するような空気過剰率となるように、燃料噴射量と吸入空気量とが設定されている。本実施例では、低負荷条件で形成される混合気の空気過剰率は、１．２〜３付近の値に設定されている。尚、空気過剰率の値は、エンジンの圧縮比の設定によっても異なり、圧縮比が高くなるほど、空気過剰率の設定値も大きくなる。通常、実質的な圧縮比は１１〜１７の範囲から選択される。本実施例のエンジン１０では、実質的な圧縮比は約１４に設定されている。図９（ｃ）は、こうしてピストンの上死点付近で、燃焼室内の混合気がほぼ同時に自着火している様子を概念的に示している。詳細には後述するが、予混合圧縮自着火燃焼方式では、このように燃焼室内で混合気を自着火させて、ほぼ同時に燃焼を開始させることにより、大気汚染物質の排出量と燃料消費量とを同時に且つ大幅に改善することが可能となっている。
【００７３】
尚、ここでは、負荷の低い条件においても、燃焼室に設けられた燃料噴射弁１４から燃料を噴射することによって混合気を形成するものとした。これに限らず、吸気通路１２にも燃料噴射弁を設けておき、負荷の低いときには吸気通路内に設けた燃料噴射弁から燃料を噴射することとしても良い。こうすれば、吸気通路内で燃料と空気とが混合するので、燃焼室内にはより均質な混合気を形成することが可能となる。こうした場合は、吸気バルブ１３２が閉じた後に燃料を噴射してやる。こうすれば、噴射された燃料が燃焼室内に吸入されるまでに、吸気通路内で混合気を形成する時間が確保され、より効果的に混合気を形成することができる。
【００７４】
このように、予混合圧縮自着火燃焼方式では燃焼室内の混合気をほぼ同時に自着火させて燃焼させるために、エンジンの負荷が高くなると（大きなトルクを出力しようとすると）強いノックが発生してしまう。すなわち、大きなトルクを発生させるために、燃焼室内に吸入される燃料量と空気量とを増加させると、それに伴って吸入完了時の燃焼室内の圧力は高くなる。この状態で吸気バルブ１３２を閉じてピストンを上昇させると、混合気は高い圧力から圧縮されることになるので、混合気の圧力および温度は、エンジンの負荷が低い場合よりも速やかに上昇し、圧縮行程中に自着火して強いノックが発生するのである。そこで、高負荷条件時においてもノックを発生させることなく予混合圧縮自着火燃焼させるために、エンジン１０は、高負荷条件では次のような制御を行う。
【００７５】
図１０は、高負荷条件において混合気を圧縮自着火させて燃焼させる様子を概念的に示した説明図である。図１０（ａ）は吸気行程においてピストン１４４の降下に伴って、燃焼室内に混合気が吸入される様子を概念的に示している。吸気行程中の動作は、前述した低負荷条件時の動作とほぼ同様である。但し、高負荷条件時ではノックの発生を回避するために、混合気の空気過剰率が大きな値に設定されている。混合気の空気過剰率を大きな値に設定しておけば、混合気が自着火し難くなるので、ピストンの上昇中に自着火してノックが発生することを回避可能となる。
【００７６】
ここで空気過剰率とは、混合気中に含まれる空気量と燃料量との割合を示す指標である。混合気中で空気量と燃料量との割合を示す指標として良く使用される空燃比は、燃料量に対する空気量の重量比によって空気量と燃料量との比率を表しているのに対して、空気過剰率は、空気と燃料とが過不足無く燃焼するような割合を基準として、空気量と燃料量との比率を表現する。空気過剰率が「１」とは、空気と燃料とが、互いに過不足無く燃焼するような比率で混合気に含まれていることを意味しており、空気過剰率が「２」とは、燃料を過不足無く燃やすために必要な割合の２倍の空気が混合気中に含まれていることを意味している。本実施例では、高負荷条件の時に、吸入行程中に形成する混合気の空気過剰率は、２〜３．５の範囲に設定されている。もちろん、エンジン１０の圧縮比の設定が高くなれば、空気過剰率の設定はより大きな値に変更される。
【００７７】
こうしてピストン１４４を降下させながら燃焼室内に混合気を吸入し、ピストン１４４が一番下まで下がりきったら、吸気バルブ１３２を閉じてピストン１４４を上昇させて混合気を圧縮する。前述したように、混合気の空気過剰率は低負荷条件時よりも大きな値に設定されているので、高負荷条件であっても圧縮中に混合気が自着火することはない。そして、この様にピストンによる圧縮だけでは自着火しない空気過剰率に設定されている混合気を自着火させるべく、圧縮行程中に追加の燃料噴霧を噴射する。
【００７８】
図１０（ｂ）は、圧縮行程の半ば以降のタイミングで、燃料噴射弁１４から追加の燃料噴霧を噴射している様子を概念的に示した説明図である。尚、図１０（ｂ）では燃焼室全域に粗いハッチングを付しているのは、燃焼室内には吸気行程中に噴射された燃料噴霧が混合気を形成していることを模式的に表したものである。燃料噴射量は、吸気行程中の燃料噴射と同様に、燃料噴射弁１４の駆動期間を変更することで調整することができる。具体的には、図３に示したエンジン運転制御ルーチンのステップＳ１０６で求めておいた副燃料噴射量に基づいて、燃料噴射弁１４の駆動期間を算出し、得られた駆動期間から駆動開始タイミングを決定する。本実施例では、圧縮行程での燃料噴射については、燃料噴射弁の駆動終了タイミングが固定されており、駆動期間から駆動開始タイミングを容易に決定することができる。尚、圧縮行程中に燃料を噴射する期間は、通常、圧縮上死点前９０度から圧縮上死点前３０度の範囲内で、より好ましくは、圧縮上死点前６０度から圧縮上死点前３０度の範囲内で、適切な期間に設定されることが多い。
【００７９】
図２を用いて説明したように、ピストン１４４の頂面には、導入溝１４５と旋回室１４３とが形成されており、圧縮行程の後半で噴射された燃料噴霧は、導入溝１４５によって導かれて、旋回室１４３に流入する。燃料噴霧は、旋回室１４３に向かって導かれながら周囲の混合気と混ざり合い、空気過剰率の小さな混合気を形成する。図１０（ｂ）では、圧縮行程の後半に噴射された燃料噴霧を、細かなハッチングを付して表している。こうして形成された混合気は、旋回室１４３内に導かれ、周辺の混合気とは混ざり合うことなく、旋回室１４３内を旋回する。前述したように、旋回室１４３は点火プラグ１３６に対向する位置に設けられているので、追加の燃料によって形成された混合気を旋回室１４３内に閉じ込めておけば、ピストン１４４が上死点付近に達した時点では、点火プラグ１３６の近傍の領域に空気過剰率の小さな混合気が効率よく形成されることになる。ピストン１４４の頂面に設けられた導入溝１４５が、旋回室１４３に混合気の旋回流を形成する作用については後述する。
【００８０】
高負荷条件時に、このようにして点火プラグ１３６の近傍に形成される混合気の空気過剰率は、１．３〜１．７の範囲から選択された適切な値に設定されている。換言すれば、エンジン運転制御ルーチンのステップＳ１０６で参照される副燃焼噴射量用のマップには、この様な空気過剰率の混合気が形成されるように、適切なマップ値が予め設定されている。尚、エンジンが２サイクル運転を行う内燃機関である場合にも、点火プラグ１３６の近傍に形成される混合気の空気過剰率は、ほぼ同様の値を好適に適用することができる。
【００８１】
次いで、圧縮上死点付近の適切なタイミングで、点火プラグ１３６から火花を飛ばして、旋回室１４３に形成された空気過剰率の小さな混合気に点火する。点火時期は、エンジン回転速度Ｎe および目標出力トルクに対するマップとして予め設定されている。マップに適切な値を設定しておくことによって、点火プラグ近傍以外の燃焼室内の広い範囲に亘って形成された混合気を適切なタイミング（代表的には、圧縮上死点ＴＤＣ）で自着火させることができる。図１０（ｃ）は、点火プラグ１３６から火花を飛ばすことにより、旋回室１４３に形成された混合気に点火した様子を概念的に示している。図中では、旋回室１４３に形成された空気過剰率の小さな混合気を、細かなハッチングを付して表している。この混合気は、空気過剰率が小さいため燃焼速度が速く、点火すると速やかに燃焼を完了する。その結果、燃焼による圧力で燃焼室内圧力が上昇して未燃の混合気を圧縮するために、燃焼室内の広い範囲に亘って形成されている空気過剰率の大きな混合気を、ほぼ同時に自着火させることができる。
【００８２】
図１１は、圧縮行程中に噴射した燃料による空気過剰率の小さな混合気が旋回室１４３に形成され、燃焼室内の他の領域には、吸気行程中に噴射した燃料による空気過剰率の大きな混合気が形成されている様子を概念的に示した説明図である。図中で、空気過剰率の大きな混合気が形成されている領域は粗いハッチングを付して表し、空気過剰率の小さな混合気が形成されている領域は細かいハッチングを付して表している。空気過剰率の小さな混合気は燃焼速度が大きいので、点火すると速やかに燃焼して、周囲に形成されている空気過剰率の大きな混合気を圧縮する。図１１で細かいハッチングを付した領域から周囲に向かって表示された黒い矢印は、空気過剰率の小さな混合気が燃焼して周辺にある空気過剰率の大きな混合気を圧縮している様子を概念的に示したものである。
【００８３】
前述したように、エンジンの負荷が高い条件では、吸気行程中に噴射した燃料による混合気の空気過剰率は大きな値に設定されており、ピストン１４４により圧縮されただけでは自着火しないが、図１１に示すように、圧縮行程中に噴射した燃料による混合気の燃焼に伴って更に圧縮されることにより、ついには自着火に至る。図１２は、この様にして、燃焼室内の混合気が自着火する様子を概念的に示したものである。空気過剰率の小さな混合気が燃焼すると、燃焼室内全体の圧力を上昇させるから、周辺の混合気は一様に圧縮されてほぼ同時に自着火することになる。
【００８４】
以上に説明したように、エンジンの負荷が高い条件では、吸気行程中に吸い込む混合気の空気過剰率を、ピストンで圧縮されただけでは自着火しない程度に大きな値に設定しておく。こうすることにより、高負荷条件においても圧縮中に混合気が自着火してノックが発生することを確実に回避することができる。そして、圧縮上死点付近で追加の燃料を噴射し燃焼させることで、ピストンによる圧縮だけでは自着火しないガソリンの混合気を更に圧縮して自着火させる。こうすれば、高負荷の運転条件においても、混合気に点火するタイミングを制御することによって、燃焼室内の混合気を適切な時期に自着火させることが可能となる。
【００８５】
このように、本実施例のエンジン１０では、低負荷条件だけでなく、高負荷条件においても混合気を圧縮自着火させることができるので、大気汚染物質の排出量と燃料消費量とを同時にしかも大幅に減少させることが可能となる。以下では、この理由について説明する。
【００８６】
混合気を圧縮自着火燃焼させることにより、このような効果が得られる理由は、「等容度の向上」と、「空気過剰率の増加」、および「比熱の増加」の３つの要因によるものと考えられる。先ず、第１の要因である「等容度の向上」について説明する。内燃機関についてのサイクル論の教えるところによれば、ガソリンエンジンの効率は、ピストンが圧縮上死点のタイミングで、燃焼室内の全ての混合気が瞬間的に（すなわち無限小の時間で）燃焼した時に最も高くなる。もちろん、実際には燃焼室内の混合気を瞬間的に燃焼させることはできないが、燃焼室内の混合気を短時間で燃焼させる程、エンジンの効率を向上させることができる。等容度とは、全ての混合気の燃焼を如何に短時間で完了させたかを示す指標であり、等容度が高くなるほどエンジンの効率は高くなる。
【００８７】
予混合圧縮自着火燃焼方式では、混合気を圧縮して自着火させることにより、燃焼室内の混合気の燃焼をほぼ同時に開始することができる。その結果、全ての混合気の燃焼がほぼ同時に完了することになり、等容度を大きく向上させることが可能である。こうして等容度を向上させることができるので、エンジンの効率が改善されて、燃料消費量を大きく減少させることが可能となるのである。
【００８８】
次に、予混合圧縮自着火燃焼方式が優れた特性を示す第２の要因である「空気過剰率の増加」について説明する。予混合圧縮自着火燃焼方式では空気過剰率の大きな混合気を燃焼させるので、次の２つのメカニズムによって大気汚染物質の排出量を低減させることができる。先ず一つめは、燃焼速度の低下によるものである。ここで言う燃焼速度とは、燃焼反応が進行する速度のことである。前述した等容度は、燃焼室内の全ての混合気を燃焼させるために要する時間に関係した指標であって、例えば、燃焼室の端から順々に混合気を燃焼させた場合には、如何に燃焼反応の速度（すなわち燃焼速度）が速くても全ての混合気を燃焼させるためには、ある程度の時間がかかってしまい、等容度は小さくなってしまう。このように、混合気の燃焼速度と、燃焼室内の全ての混合気を燃焼させるために要する時間とは明確に区別して考える必要がある。
【００８９】
一般に、混合気の燃焼速度は空気過剰率に強く依存しており、空気過剰率「１」の付近で燃焼速度は最も速く、空気過剰率が大きくなるに連れて燃焼速度は遅くなる傾向がある。前述したように、予混合圧縮自着火燃焼方式では、空気過剰率の大きな混合気を燃焼させており、燃焼速度は小さくなっている。燃焼速度が小さければ、次の理由から、大気汚染物質である窒素酸化物の排出量を大幅に減少する。
【００９０】
排気ガス中に含まれる窒素酸化物は、その大部分が空気中に含まれる窒素分子と酸素分子とが、燃焼による熱の影響で反応することにより発生すると考えられている。すなわち、窒素分子は安定な化合物であることから、かなりの高温に晒されて初めて酸素と反応して窒素酸化物を生成する。ここで、燃焼速度が低く、従って混合気がゆっくりと燃焼する場合は、燃焼によって発生した熱の多くは周囲に伝わり、残った熱が、燃焼している部分の混合気の温度を上昇させる。特に、エンジンの燃焼室内に形成された混合気には、「乱れ」と呼ばれる微細な流動が残存しており、この乱れの影響で燃焼熱は周囲にどんどん拡散していく。これに対して、燃焼速度が高い場合には、燃焼によって発生した熱が拡散する暇もなく燃焼が完了するので、混合気中で正に燃焼している部分が極めて高温となる。空気中には窒素分子が多量に含まれているので、僅かな時間でも高温に達すると、窒素分子が酸素と反応して窒素酸化物が発生する。しかし、窒素分子が酸素と反応する温度に達しなければ、窒素酸化物はほとんど発生することはない。
【００９１】
予混合圧縮自着火燃焼方式では、空気過剰率の大きな混合気を燃焼させるので、燃焼速度が低くなっており、燃焼している領域での温度が低い。このため、上述した理由から、窒素酸化物をほとんど発生させずに混合気を燃焼させることができるのである。
【００９２】
また、予混合圧縮自着火燃焼方式では、空気過剰率の大きな混合気を燃焼させているために、次のようなメカニズムによって、大気汚染物質である一酸化炭素や炭化水素などの排出量を、原理的には大きく低減させることができる。
【００９３】
一酸化炭素や炭化水素などの大気汚染物質は、燃料に対して酸素が不足している条件で燃焼させたときに、燃料が酸素と十分に反応できないまま排出されたものと考えることができる。予混合圧縮自着火燃焼方式では、空気過剰率の大きな混合気を燃焼させるので、燃料に対して酸素が十分に存在している条件で燃焼させることになる。このため原理的には、一酸化炭素や炭化水素などの排出量を大幅に減少させることが可能となるのである。
【００９４】
最後に、予混合圧縮自着火燃焼方式が優れた特性を示す第３の要因である「比熱の増加」について説明する。この要因も、空気過剰率の大きな混合気を燃焼させていることに密接に関係している。空気過剰率が「１」より小さな混合気を燃焼させた場合、燃料に対して十分な酸素が存在しないために、燃料は二酸化炭素や水の状態まで酸化されずに、一酸化炭素あるいは水素の状態で反応が止まってしまう。また、例え混合気全体では空気過剰率が「１」を超えている場合でも、燃料の濃度には多少のばらつきがあるために、局所的には酸素が不足している領域が発生し、一酸化炭素や水素が発生する。これに対して予混合圧縮自着火燃焼方式では、空気過剰率が十分に大きな混合気を燃焼させているので、燃料は二酸化炭素および水蒸気の状態まで完全に酸化される。
【００９５】
ここで、二酸化炭素や水蒸気は３つの原子が集まって形成された三原子分子であるのに対し、一酸化炭素や水素分子は２つの原子が集まって形成された二原子分子である。統計熱力学の教えるところによれば、三原子分子は二原子分子よりも比熱の値が大きく、従って、三原子分子の方が温度が上昇し難いと言える。このことから、予混合圧縮自着火燃焼方式では、空気過剰率の大きな混合気を燃焼させるので、三原子分子である二酸化炭素や水蒸気の割合が高い分だけ比熱が大きくなる。その結果、燃焼温度の上昇が抑制されて、窒素酸化物の排出量が大きく減少しているものと考えられる。
【００９６】
本実施例のエンジン１０は、エンジンの負荷の高い条件では、燃焼室内の点火プラグの近傍に形成した空気過剰率の小さな（燃料濃度の濃い）混合気を燃焼させ、このときの圧力上昇によって、燃焼室内の残余の領域に形成されている空気過剰率の大きな混合気を圧縮自着火させる。従って、エンジンの負荷にかかわらず混合気を予混合圧縮自着火させて燃焼させることが可能となり、大気汚染物質の排出量と燃料消費量とを同時にしかも大幅に減少させることができるのである。
【００９７】
もっとも、エンジン負荷の低い条件では、燃焼室内の全ての混合気を圧縮自着火させているのに対して、負荷の高い条件では、全ての混合気を圧縮自着火させているわけではない。すなわち、一部の混合気については火花で点火することによって燃焼させているので、低負荷条件の場合に比べれば、多少は効果が目減りしてしまう。高負荷条件においても、低負荷条件時と同様に大きな効果を得るためには、火花を飛ばして燃焼させる混合気の割合を小さくしてやればよい。そのためには、圧縮行程中に噴射した燃料をあまり広い範囲に拡散させずに、点火プラグ１３６の近傍に効率よく混合気を形成してやればよい。こうすれば、圧縮行程中に僅かな燃料を噴射するだけで、点火プラグ１３６近傍の混合気に確実に点火して残余の混合気を確実に圧縮自着火させることができ、その結果、高負荷条件においても大気汚染物質の排出量と燃料消費量とを、低負荷条件とほぼ同程度まで減少させることが可能である。本実施例のエンジン１０では、ピストン頂面に、図２に示すような旋回室１４３と導入溝１４５とを設けることによって、圧縮行程中に僅かな燃料を噴射するだけで、点火プラグ１３６の近傍に効率よく混合気を形成して確実に点火することが可能となっている。以下では、こうしたピストン頂面に設けられた導入溝および旋回室の作用について説明する。
【００９８】
Ａ−４．ピストン頂面形状の作用：
図１３は、圧縮行程中に燃焼室内に噴射された燃料噴霧が、ピストン頂面に設けられた導入溝１４５によって、旋回室１４３内に混合気の旋回流を形成する様子を示した説明図である。図１３（ａ）は、圧縮行程の半ば以降のタイミングで、燃料噴射弁１４から燃料噴霧１５４を噴射している様子を示している。図示されているように、噴射された燃料噴霧１５４は、ピストン１４４の頂面に設けられた導入溝１４５に衝突し、導入溝１４５によって噴霧の方向を変えられて、旋回室１４３に導かれる。
【００９９】
図１３（ｂ）は、ピストン１４４の頂面をシリンダヘッド１３０側から見た様子を示す説明図である。理解の便宜から、図１３（ｂ）には燃料噴射弁１４を細い破線で表示している。また、図１３（ａ）に示したピストン断面は、図１３（ｂ）中のＢ−Ｂ位置での断面を示している。図１３（ａ）および図１３（ｂ）に示されているように、燃料噴射弁１４から噴射された燃料噴霧１５４は、導入溝１４５の内部に衝突した後、導入溝１４５の一方の側壁１４５ａに導かれて流れの向きを変え、旋回室１４３内に流入する。図中では、燃料噴霧の流れの向きを黒い矢印で示している。
【０１００】
ここで、導入溝１４５が旋回室１４３に開口する開口部の形状は、該旋回室１４３に流入する燃料噴霧の流れに沿って見たときに、旋回室１４３の中心軸に対して偏った形状となっている。図１３（ｂ）のＣ−Ｃ位置で取ったピストン１４４の断面形状を図１３（ｃ）に示す。図１３（ｃ）には、旋回室１４３に流入する燃料噴霧に対向する方向から見た時の、導入溝１４５の開口部形状が示されている。図中で細かいハッチングを付して表している部分が、開口部形状である。また、図１３（ｃ）中には、旋回室１４３の中心軸ＣＬの位置を太い一点鎖線で示している。図示されているように、導入溝１４５が旋回室１４３に開口する開口部の形状は、旋回室１４３の中心軸ＣＬに対して偏った形状となっている。このため、開口部から流入した燃料噴霧は、図１３（ｄ）に示すように、旋回室１４３内に混合気の旋回流を発生させる。図１３（ｄ）では、旋回室１４３内で旋回する混合気にハッチングを付して表示している。
【０１０１】
以上のようにして、圧縮行程の半ば以降に噴射した燃料噴霧を導くことによって、空気過剰率の小さな（燃料濃度の濃い）混合気の旋回流を旋回室１４３内に形成してやれば、圧縮行程中もこの混合気が旋回室１４３内に留まることになる。すなわち、追加で噴射した燃料噴霧が燃焼室内の広い範囲に拡散してしまうことを抑制することができるので、僅かな燃料を噴射するだけで、空気過剰率の小さな混合気を、旋回室１４３内に効率よく形成することが可能となる。旋回室１４３は、点火プラグ１３６と対向する位置に設けられているので、ピストンが上死点付近まで上昇すると、旋回室内に形成された混合気は点火プラグ１３６近傍に運ばれる。従って、点火プラグ１３６から火花を飛ばしてやれば、この混合気に確実に点火することができる。このように、本実施例のエンジン１０では、圧縮行程の半ば以降のタイミングで燃料噴射弁１４から噴射された燃料噴霧を、ピストン頂面に形成された導入溝１４５で導くことによって、混合気を旋回室内に閉じ込めているために、追加の燃料としては僅かな燃料を噴射するだけで、点火プラグの近傍に混合気を効率よく形成して確実に点火することができる。その結果、高負荷運転時においても、低負荷運転時と同程度に、大気汚染物質の排出量や燃料消費量を大きく低減させることが可能となっている。
【０１０２】
また、図１３（ｂ）に示されているように、導入溝１４５を形成する一方の側壁１４５ａは、シリンダヘッド１３０側から見ると、円弧状にしかも旋回室１４３に接するような形状となっている。このため、燃料噴射弁１４から噴射された燃料噴霧は、円弧状の側壁１４５ａに沿って、噴霧の速度を保ったまま滑らかに方向を変えることができる。そして、燃料噴霧は旋回室１４３内に接線方向から流入することで、旋回室１４３内に効果的に旋回流を生じさせる。このため、圧縮行程の半ば以降に噴射した燃料による混合気を、旋回室１４３内に効果的に閉じ込めることができるので、僅かな燃料を噴射するだけで、点火プラグ１３６の近傍に効率よく混合気を形成することが可能となる。
【０１０３】
Ａ−５．変形例：
第１実施例には、種々の変形例が存在する。以下では、これら変形例について簡単に説明する。
【０１０４】
（１）第１の変形例：
上述した第１実施例においては、導入溝１４５の床面は水平に形成されているものとして説明したが、導入溝１４５の床面を傾けることとしても良い。図１４は、こうした第１の変形例の導入溝１４５が形成されたピストン１４４の頂面形状を示す説明図である。図１４（ａ）は、こうしたピストン１４４を頂面側から見た上面図を示し、図１４（ｂ）は、Ｄ−Ｄ位置で取った導入溝１４５の断面形状を示す断面図であり、図１４（ｃ）は、Ｅ−Ｅ位置で取った導入溝１４５の断面形状を示す断面図である。
【０１０５】
図示されているように導入溝１４５の床面１４５ｃは、側壁１４５ａの側が側壁１４５ｂよりも低くなるように形成されている。導入溝１４５が旋回室１４３に開口する開口部は、側壁１４５ａの側に偏っているから、導入溝１４５の床面１４５ｃを開口部が偏っている側が低くなるように傾けてやるのである。こうすれば、図１４（ｃ）に示されているように、導入溝１４５の開口部が旋回室１４３の中心軸に対して一層偏ることになるので、旋回室１４３内に旋回流を効果的に生じさせることができる。
【０１０６】
また、こうして導入溝１４５の床面１４５ｃを傾けてやれば、燃料噴射弁１４から噴射された燃料噴霧は、床面１４５ｃに衝突した後、側壁１４５ｂの側から側壁１４５ａの側に集められる。そして、円弧状に形成された側壁１４５ａによって滑らかに流れの方向を変えて、旋回室１４３に接線方向から流入する。その結果、旋回室内に効果的に旋回流を生じさせることが可能となる。
【０１０７】
こうして効果的に旋回流を生じさせることができれば、圧縮行程中に僅かな燃料を噴射しただけで、旋回室内に効率よく混合気を形成することが可能となるので、高負荷運転条件においても低負荷条件時とほぼ同程度に、大気汚染物質の排出量および燃料消費量を低減させることができる。
【０１０８】
（２）第２の変形例：
上述した第１実施例では、導入溝１４５の開口部が偏った側の側壁１４５ａは、シリンダヘッド１３０側から見たときに円弧状となるように形成されているものとしたが、側壁１４５ａは必ずしも円弧状に形成する必要はない。図１５は、こうした第２の変形例の導入溝１４５が形成されたピストン１４４の頂面形状を示す説明図である。図１５（ａ）は、シリンダヘッド１３０側から見た頂面形状を示す説明図であり、図１５（ｂ）は、Ｆ−Ｆ位置での断面を取って導入溝１４５の開口部形状を示す説明図である。第２の変形例においても、図１５（ｂ）に示すように、導入溝１４５の開口部形状を旋回室１４３の中心軸ＣＬに対して偏らせておけば、燃料噴霧の流れを利用して旋回室１４３内に混合気の旋回流を形成することができる。
【０１０９】
また、図１５では、側壁１４５ａは旋回室１４３に接するものとしたが、必ずしも側壁１４５ａが旋回室１４３に接している必要もない。導入溝１４５が旋回室１４３に開口する開口部が、旋回室の中心軸に対して偏った形状となっていれば、旋回室１４３内に混合気の旋回流を形成することが可能である。
【０１１０】
（３）第３の変形例：
上述した各種の実施例では、いずれも、導入溝１４５は旋回室１４３にオフセットして接続されているものとしたが、導入溝１４５を旋回室１４３に対してオフセットさせる必要もない。図１６は、こうした第３実施例の導入溝１４５が形成されたピストン１４４の頂面形状を示す説明図である。図１６（ａ）は、こうしたピストン１４４を頂面側から見た上面図を示し、図１６（ｂ）は、Ｇ−Ｇ位置で取った導入溝１４５の断面形状を示す断面図であり、図１６（ｃ）は、Ｈ−Ｈ位置で取った導入溝１４５の断面形状を示す断面図である。
【０１１１】
図１６に示すように、第３の変形例の導入溝１４５は、シリンダヘッド１３０側から見ると旋回室１４３にオフセットなく接続されているが、導入溝の床面１４５ｃは、一方の側壁の側が低くなるように形成されている。図１６に示した例では、側壁１４５ａの側が低くなっている。こうして床面１４５ｃを傾けてやれば、図１６（ｃ）に示すように導入溝１４５の開口部は、旋回室１４３の中心軸に偏った形状となるので、旋回室内に混合気の旋回流を形成することができる。
【０１１２】
また、こうして導入溝１４５の床面１４５ｃを傾けてやれば、燃料噴射弁１４から噴射された燃料噴霧は、床面１４５ｃに衝突した後、側壁１４５ｂの側から側壁１４５ａの側に集められる。図１６（ｄ）には、床面１４５ｃに衝突して燃料噴霧の流れが側壁１４５ａの側に集められる様子を、実線の矢印で表している。こうして、燃料噴霧が導入溝１４５の一方の側壁に偏った状態で旋回室１４３に流入する結果、図１６（ｄ）中に破線の矢印で示すように、混合気の旋回流を旋回室１４３内に効率よく形成することが可能となる。
【０１１３】
（４）第４の変形例：
ピストン頂面に形成された導入溝１４５あるいは旋回室１４３に、燃料噴霧あるいは、この燃料噴霧によって形成された混合気が溢れ出ることを防止するための反り返し部を設けることとしても良い。図１７は、こうした反り返し部１４７が設けられた第５の変形例のピストン１４４の頂面形状を示した説明図である。図１７（ａ）は、シリンダヘッド１３０側から見たピストン頂面形状を示している。また、図中のＩ−Ｉ位置で取った導入溝１４５の断面形状を図１７（ｂ）に示し、図中のＪ−Ｊ位置で取った旋回室１４３の断面形状を図１７（ｃ）に示している。
【０１１４】
図１７に例示した第４の変形例では、導入溝の側壁１４５ａ、１４５ｂのピストン頂面側に反り返し部１４７が設けられており、導入溝１４５の内部から燃焼室側への開口部が狭くなっている。このため、燃料噴射弁１４から噴射された燃料噴霧が、導入溝１４５を移動している間に広がって、導入溝１４５から燃焼室側に溢れ出てしまうことを効果的に抑制することができる。また、こうした反り返り部は、旋回室１４３にも設けられているので、燃料噴霧が旋回室１４３に流入した後に、旋回室内から燃焼室側に溢れ出てしまうことを効果的に抑制することができる。その結果、圧縮行程中に僅かな燃料を噴射するだけで、点火プラグの近傍に効果的に混合気を形成することが可能となる。
【０１１５】
尚、こうした反り返り部１４７は、導入溝１４５あるいは旋回室１４３の一部に設けることもできる。反り返し部１４７が、導入溝１４５あるいは旋回室１４３の少なくとも一部に設けられていれば、その部分から燃料噴霧あるいは混合気が溢れ出ることを効果的に抑制することが可能となる。
【０１１６】
（５）第５の変形例：
あるいは、ピストン頂面の導入溝１４５あるいは旋回室１４３が形成されている部分に、断熱層と蓄熱層とを設けることとしても良い。図１８は、こうした第５の変形例のピストン２４４の構造を示す説明図である。図１８（ａ）はピストンの頂面形状を示す上面図であり、図１８（ｂ）は、図１８（ａ）中のＫ−Ｋ位置で取った断面図である。
【０１１７】
図示されているように、第５の変形例のピストン２４４は、ピストン基材の上に断熱層２４０が形成され、その上に蓄熱層２４２が形成されて、導入溝１４５および旋回室１４３が形成されている。断熱層２４０は、セラミックスを溶射することによって形成され、蓄熱層２４２は、銀あるいは金などの熱伝導性の高い材料を溶射することによって形成されている。
【０１１８】
こうした構造を有する第５の変形例のピストン２４４を用いた場合、圧縮行程中に噴射された燃料噴霧は、導入溝１４５内を旋回室１４３に向かって移動している間に、蓄熱層２４２からの熱伝導によって気化されて、速やかに混合気を形成する。
【０１１９】
蓄熱層２４２とピストン基材との間には断熱層２４０が設けられているので、混合気の燃焼熱はピストン基材に逃げることなく蓄熱層２４２に蓄えられる。更には、圧縮行程では断熱圧縮による混合気の温度が上昇するので、このときにも混合気から蓄熱層２４２に熱が流れ込んで蓄えられる。こうして熱が蓄えられた蓄熱層２４２に燃料噴射弁１４から燃料噴霧を噴射してやることで、燃料噴霧を効果的に気化させて、効率よく混合気を形成することが可能となる。
【０１２０】
（６）第６の変形例：
上述した各種実施例では、旋回室１４３は点火プラグ１３６に対向する位置に設けられているものとして、点火プラグ１３６のギャップ位置については特に指定していないが、ギャップ位置は、旋回室１４３の中心軸に対してオフセットした位置に設けてやることが望ましい。以下では、こうした第６の変形例について説明する。
【０１２１】
図１９は、ピストン頂面に形成された旋回室１４３を、シリンダヘッド１３０側から見た時の拡大図である。図中に示した矢印は、旋回室１４３内に形成された混合気の旋回流を示している。また、破線は、点火プラグ１３６の位置を示している。図中で点火プラグ１３６のほぼ中央が、ギャップ位置となる。第６の変形例では、点火プラグ１３６のギャップ位置が旋回室１４３の中心軸からオフセットするような位置に旋回室１４３が設けられている。
【０１２２】
旋回室１４３内に形成される混合気は、おおよそ旋回室の中心軸を中心として旋回するものと考えられる。従って、点火プラグ１３６のギャップ位置を旋回室１４３の中心軸からオフセットした位置に設けてやれば、混合気がギャップ間を横切るようにしてやることができる。その結果、次のような理由から、混合気に確実に点火することが可能となる。
【０１２３】
点火プラグ１３６は、ギャップ間に高い電圧を加えて火花を飛ばすことによって混合気に点火する。このとき、ギャップ間では次のような現象が起きていると考えられている。先ず、ギャップ間の混合気では、火花から熱エネルギを受け取ることによって着火の為の前駆反応が進行し、混合気が高活性の中間生成物に変換されていく。そして中間生成物がある程度まで蓄積されると、これらが反応して火種が形成される。この火種は火炎核と呼ばれる。火炎核の内部では、中間生成物の反応による熱が発生しており、周囲の混合気を加熱して中間生成物を生成させる。そして中間生成物がある程度まで蓄積されたら、周囲の混合気でも燃焼が開始される。ギャップ間に形成された火炎核は、このようにして成長していく。火炎核は、大きくなるに従って周囲の混合気に多くの熱を供給し、また、火炎核の側からも中間生成物を供給することになるので、成長速度はますます速くなり、ついには、いわゆる火炎伝播を伴った燃焼が開始される。
【０１２４】
ここで、点火プラグ１３６のギャップは金属材料で形成されているので、火花を飛ばしている間は熱エネルギを供給するが、火花を飛ばした後は、逆に火炎核から熱を奪うことになる。ギャップに熱をどんどん奪われてしまったのでは、火炎核は成長することができない。このことから明らかなように、混合気に確実に点火するためには、火花を飛ばしている間は火炎核がギャップ間あるいはギャップの近傍に留まり、火花を飛ばした後は、火炎核がギャップ間から離れるようにすることが望ましい。従って、点火プラグ１３６のギャップ位置を旋回室１４３の中心軸からオフセットした位置に設けてやれば、混合気がギャップ間を適度な速度で横切るようにしてやることができる。その結果、混合気に確実に点火することが可能となるのである。
【０１２５】
（７）第７の変形例：
上述した第１実施例においては、いわゆる容量放電型の点火装置（ＣＤＩ）を好適に適用することもできる。図２０（ａ）は、容量放電型点火装置の構成を概念的に示した説明図である。容量放電型の点火装置は、大まかには、トランスＴと、トランスＴの一次側に並列に設けられたコンデンサＣと、コンデンサＣに電圧を印加するバッテリＢと、コンデンサＣとトランスＴとの間に設けられたサイリスタＳなどから構成されている。点火プラグ１３６は、トランスＴの二次側に接続される。サイリスタＳは、ＥＣＵ３０からの信号を受け取ると「ＯＮ」状態となり、この結果、コンデンサＣに蓄えられていた電荷がトランスの一次側に一気に流れ込む。すると、トランスの二次側には電磁誘導作用によって高い電圧が発生する。この電圧を点火プラグ１３６に導けば、点火プラグ１３６から火花を飛ばすことができる。容量放電型の点火装置は、トランスＴの一次側コイルの巻き線を少なくすることができるので、他の方式の点火装置に比べて、二次側電圧の上昇速度を速くすることができる。
【０１２６】
図２０（ｂ）は、点火プラグ１３６に印加される電圧の変化を概念的に示した説明図である。図中で実線で示している波形が容量放電型の点火装置（ＣＤＩ）による電圧波形であり、破線で示している波形が通常の点火装置による電圧波形である。図示されているように、ＥＣＵからの点火信号が入力された後、容量放電型の点火装置では、電圧波形が速やかに立ち上がるので、通常の点火装置に比べて早くブレイク電圧に達する。ブレイク電圧とは、点火プラグのギャップ間で、絶縁状態が破壊されて火花が発生する電圧である。また、図示されているように、容量放電型の点火装置では、通常の点火装置に比べて放電時間も短くなっている。このように、容量放電型の点火装置を採用すれば、ＥＣＵ３０からの点火信号を受け取った後、速やかに点火することができる。しかも、短い放電時間に一気に電力を投入するために、混合気に確実に点火することができる。その結果、点火プラグ近傍の混合気の着火ばらつきが減少するので、周辺に形成されている空気過剰率の大きな混合気を、安定したタイミングで確実に圧縮自着火させることが可能となる。
【０１２７】
（８）第８の変形例：
上述した実施例では、燃焼室には燃料噴射弁１４が１つだけ設けられており、吸気行程中にも、圧縮行程中にも、同じ燃料噴射弁１４から燃料の噴霧を噴射するものとして説明した。もっとも、燃焼室に燃料噴射弁を複数も受けて、吸気行程中と圧縮行程中とで、異なる噴射弁から燃料を噴射することとしても良い。図２１は、こうした第８の変形例を示す説明図である。
【０１２８】
図２１（ａ）は、第８の変形例のエンジン１０の断面を取って構造を概念的に示す説明図である。図示されているように、第８の変形例のシリンダヘッド１３０には、吸気バルブ１３２、排気バルブ１３４、点火プラグ１３６に加えて、２つの燃料噴射弁１４、１５が設けられている。２つの噴射弁の内、燃料噴射弁１５は吸気行程中に燃料噴霧を噴射するための噴射弁であり、燃料噴射弁１４は圧縮行程中に燃料噴霧を噴射する噴射弁である。
【０１２９】
図２１（ｂ）は、シリンダヘッド１３０側から見たピストン１４４の上面図である。吸気バルブ１３２、排気バルブ１３４、点火プラグ１３６、燃料噴射弁１４、１５との位置関係を示すために、図２１（ｂ）では、これらを細い破線で表している。また、図中には、２つの燃料噴射弁１４、１５がそれぞれに燃料噴霧１５４、１５６を噴射している様子も概念的に示している。
【０１３０】
図示されているように、吸気行程中に燃料を噴射する燃料噴射弁１５には、噴霧角の大きな噴射弁を使用し、また、圧縮行程中に燃料を噴射する燃料噴射弁１４には、噴霧角の小さな噴射弁を使用する。前述したように、吸気行程中に噴射する燃料噴霧はできるだけ吸入空気中に分散して均一な混合気を形成することが望ましいことから、燃料噴射弁１５には、燃料噴霧を広い範囲に分散させることが可能な、噴霧角の大きな噴射弁を好適に用いることができる。これに対して、圧縮行程中に噴射する燃料は、点火プラグ１３６の近傍の小さな領域に混合気を形成することが望ましいから、燃料噴射弁１４には、燃料噴霧を効率よく旋回室１４３内に供給することの可能な、噴霧角の小さな噴射弁を好適に用いることができる。こうした要請から、吸気行程中に燃料を噴射する燃料噴射弁１５としては、噴霧の貫徹力の小さいホローコーン型（中空円錐型）の燃料噴射弁が適している。また、圧縮行程中に燃料を噴射する燃料噴射弁１４としては、噴霧の貫徹力が比較的大きいフルコーン型（中実円錐型）の燃料噴射弁が適している。フルコーン型の燃料噴射弁１４から貫徹力の大きな燃料噴霧を噴射してやれば、この噴霧の勢いを利用して旋回室１４３内に効率よく旋回流を生じさせることが可能である。
【０１３１】
更に、吸気行程中に燃料を噴射するための燃料噴射弁１５と、圧縮行程中に燃料を噴射する燃料噴射弁１４とを分けてやれば、それぞれの噴射弁での噴射量に応じて最適な噴射範囲を有する噴射弁を用いることができる。換言すれば、圧縮行程中に噴射する燃料は僅かであることから、燃料噴射弁１４として、こうした僅かな燃料でも精度良く噴射可能な噴射弁を採用することができる。その結果、圧縮行程中に最適な分量の燃料を正確に噴射することが可能となるので、大気汚染物質の排出量や燃料消費量の増加をできるだけ抑制しながら、混合気を安定して圧縮自着火させることが可能となる。
【０１３２】
また、図２１（ｂ）に示されているように、燃料噴射弁１４は、２つ設けられた吸気バルブ１３２の、一方のバルブの下方に設けられているのに対して、燃料噴射弁１５は、２つの吸気バルブ１３２の間に設けられている。これは、次のようなことを考慮したためである。吸気行程中に燃焼室内に流入する空気は、吸気バルブ１３２を通過した後、シリンダ１４２に沿って燃焼室内を降下していく。すなわち、吸気行程中は、吸気バルブ１３２の下方に、シリンダ壁面を下方に向かう強い流れが発生している。従って、吸気バルブ１３２の真下で燃料を噴射すると、燃料噴霧が吸気の流れに曲げられてシリンダ壁面に沿って降下していく結果、シリンダ１４２の潤滑面が燃料によって洗われて潤滑油膜が破壊されるおそれがある。このような現象は、ボアフラッシングと呼ばれる。そこで、吸気行程中に燃料を噴射する燃料噴射弁１５は、２つの吸気バルブ１３２の間に設けてやる。吸気バルブ１３２の間は、バルブ直下に比べて吸気の流れが緩やかなので、噴射した燃料が吸気の流れに曲げられてボアフラッシングが発生する懸念を回避することができる。これに対して、燃料噴射弁１４は圧縮行程中に燃料を噴射するので、吸気バルブ１３２の真下に設けても、ボアフラッシングが発生するおそれは生じない。
【０１３３】
（９）その他の変形例：
上述した各種実施例では、点火時期は予め設定されているものとして説明したが、混合気の燃焼状態を診断することにより、点火時期を調整することも可能である。混合気の燃焼状態は、次のように各種の方法によって診断することができる。
【０１３４】
先ず、排気ガス中の窒素酸化物の濃度を検出することで、混合気の燃焼状態を診断することができる。窒素酸化物の濃度は、排気通路１６に設けたＮＯｘセンサ２１の出力に基づいて検出することができる。点火時期が早過ぎた場合は、圧縮行程中に燃焼室内の混合気が自着火してしまい、燃焼して高温になった燃焼ガスを更に断熱圧縮することになるので、燃焼ガス温度が更に高くなって窒素酸化物の濃度が増加する。従って、この様な場合には、点火時期を遅らせることによって窒素酸化物の濃度を減少させ、適切な点火時期とすることができる。
【０１３５】
また点火時期が早過ぎる場合は、圧縮行程中に自着火が発生することから、ノックが発生する。従って、ノックの発生を検出した場合には、点火時期を遅らせることとしても良い。ノックの発生は、シリンダブロック１４０に設けたノックセンサ２５の出力に基づいて検出することができる。あるいは、圧力センサ２３を用いて燃焼室内の圧力を検出し、この圧力を解析することによってもノックを検出することができる。例えば、燃焼室内圧力の上昇速度を算出して、圧力上昇速度が所定値を超えた場合にはノックが発生していると判断することができる。こうしてノックを検出した場合には、点火時期を遅らせることによってノックの発生を速やかに回避することができる。
【０１３６】
Ｂ．第２実施例：
上述した第１実施例では、エンジン１０は４サイクル式のエンジンであるものとして説明したが、本発明は４サイクル式のエンジンに限らず他の方式のエンジンに適用することも可能である。特に、２サイクル式のエンジンでは、後述するように、燃焼と混合気形成とが連続して行われる。このため、燃焼中に発生した中間生成物（いわゆるラジカル）や高温の排気ガスを、続くサイクルの燃焼に利用することができるので、圧縮比をさほど高く設定しなくても、比較的容易に混合気を自着火させることが可能である。また、４サイクル式のエンジンはクランクシャフトが２回転する度に１回の割合で混合気を燃焼させるが、２サイクル式のエンジンはクランクシャフトが１回転する度に混合気を燃焼させるので、同じエンジン回転速度であれば、４サイクル式のエンジンの２倍のトルクを発生させることができる。このため、低負荷条件でも広いトルク範囲をカバーすることができるという利点も得られる。以下では、第２実施例として、こうした２サイクルエンジンに適用した場合について説明する。
【０１３７】
Ｂ−１．装置構成：
図２２は、第２実施例の２サイクル式のエンジン３００の構成を概念的に示した説明図である。２サイクル式のエンジンも、燃焼室内で混合気を燃焼させて、そのときに発生する燃焼熱を機械的仕事に変換することによって動力を発生させる。第２実施例のエンジン３００の構造は、前述した第１実施例のエンジン１０とほぼ同様であるが、過給機５０が設けられている点が大きく異なっている。過給機５０は、排気通路１６に設けられたタービン５２と、吸気通路１２内に設けられたコンプレッサ５４と、タービン５２とコンプレッサ５４とを連結するシャフト５６などから構成されている。燃焼室から勢いよく排出された排気ガスが、排気通路１６を通過する際にタービン５２を回転させると、シャフト５６を介してコンプレッサ５４が駆動され、吸気通路１２の吸入空気を加圧することが可能となっている。また、第２実施例のエンジン３００では、吸気通路１２にインタークーラ６２およびサージタンク６０も設けられている。インタークーラ６２は、コンプレッサ５４によって加圧されて温度が上昇した吸入空気を冷却する機能を有している。また、サージタンク６０は、吸入空気が燃焼室内に吸い込まれる際に発生する圧力波を緩和させる機能を有している。
【０１３８】
こうした構成を有する第２実施例のガソリンエンジン３００は、２サイクル式のガソリンエンジンであり、あまり負荷を上げなくても比較的大きなトルクを出力することができる。すなわち、要求されるトルクが比較的大きな場合でも、前述した予混合圧縮自着火燃焼方式と同様の燃焼形態で運転することができる。とは言え、あまり大きなトルクを出力しようとすると、４サイクル式のエンジンと同様に強いノックが発生してしまう。このことから、圧縮自着火燃焼方式を適用した第２実施例のガソリンエンジン３００においても、第１実施例と同様に、低負荷条件用の制御と高負荷条件用の制御とを、エンジンの負荷に応じて切り換える。具体的には、ＥＣＵ３０のＲＡＭには、図４に示すように、エンジン回転速度と目標出力トルクとをパラメータとするマップとして、適切な制御方法が記憶されており、このマップを参照することにより、低負荷条件用の制御と高負荷条件用の制御とを切り換えている。
【０１３９】
Ｂ−２．第２実施例における混合気の燃焼制御：
図２３は、第２実施例のエンジン３００の低負荷条件時における動作を概念的に示した説明図である。前述した４サイクル式のガソリンエンジンとは異なり、２サイクル式のガソリンエンジンは掃気行程と呼ばれる特有の行程を有している。更に、２サイクルエンジンは、クランクシャフトが１回転する間に全ての行程を一巡する点でも４サイクル式のエンジンとは異なっている。そこで、理解の便宜を図るため、第２実施例のガソリンエンジン３００の動作を説明する準備として、一般的な２サイクル式のガソリンエンジンの動作について、図２３を参照しながら簡単に説明しておく。
【０１４０】
図２３（ａ）〜（ｆ）には、一般的な２サイクルエンジンの膨張行程、排気行程、掃気行程、吸気行程、圧縮行程のそれぞれの行程が概念的に示されている。２サイクルエンジンでは、シリンダ１４２内でピストン１４４を上下動させながら、吸気バルブ１３２および排気バルブ１３４の２つのバルブを適切なタイミングで開閉させることにより、これらの行程を次々と切り換えていく。また、図２４には、ピストンの動きに合わせて吸気バルブあるいは排気バルブを開閉させるタイミングが示されている。尚、図２４中には、追加の燃料を噴射するタイミングも表示されているが、これは第２実施例のエンジン３００における各種タイミングも併せて図中に表示したためであり、一般的な２サイクル式のエンジンでは追加の燃料を噴射することはない。
【０１４１】
説明の都合上、点火プラグ１３６で混合気に点火して、燃焼室内の混合気を燃焼させた状態から説明する。混合気を燃焼させると、燃焼室内には高圧の燃焼ガスが発生してピストン１４４を押し下げようとする。図２３（ａ）に示すように膨張行程では、ピストンを降下させながら、燃焼室内で発生した圧力をトルクに変換して動力として出力する。
【０１４２】
ピストン１４４がある程度まで降下したら、適切なタイミングで排気バルブ１３４を開いてやる。燃焼室内には、燃焼ガスが未だ高い圧力のまま閉じこめられているから、ピストンの降下中でも、排気バルブを開くことにより燃焼ガスを排出させることができる。図２３（ｂ）は、ピストンの降下中に排気バルブを開いて、排気ガスを排出している様子を概念的に示している。
【０１４３】
燃焼ガスの排出に伴って、燃焼室内の圧力は次第に低下して燃焼ガスを効果的に排出することができなくなるので、適切なタイミングで吸気バルブ１３２を開いてやる。過給機によって吸気通路内は加圧されているので、吸気バルブを開くと加圧された空気が流入し、燃焼室内に残っている燃焼ガスを押し出すようにして排気バルブから排出させる。図２３（ｃ）は、このように加圧された空気によって燃焼室内の燃焼ガスが排出される様子を概念的に表している。図中でハッチングが付されている部分は、燃焼ガスが残存している領域を示している。また、ハッチングを付されていない部分は、吸入空気が流入した領域を表している。このように、吸入空気で押し出すようにして燃焼室内から燃焼ガスを排出させる動作は２サイクル式のエンジンに特有の動作であり、特に「掃気」と呼ばれる。また、掃気を行う行程は掃気行程と呼ばれる。
【０１４４】
２サイクルエンジンでは、吸気通路内が加圧されているので、ピストン１４４が下死点を過ぎて上昇に転じても、なお燃焼室内の燃焼ガスを掃気することができる。図２３（ｄ）は、掃気行程の後半にピストンを上昇させながら、燃焼室内を掃気している様子を概念的に示している。
【０１４５】
尚、図２３では、燃料噴射弁１４は、燃料噴霧を燃焼室内に直接噴射可能な位置に設けられており、また、吸気バルブ１３２からは空気のみが流入するように示されている。もちろん、吸気バルブの直ぐ上流側に燃料噴射弁を設けておき、この燃料噴射弁から吸気バルブに向かって燃料を噴射することとしてもよい。こうした場合は、吸気バルブを開くと、バルブから空気とともに燃料が燃焼室内に流入することになる。
【０１４６】
掃気によって燃焼室内から燃焼ガスがほぼ排出されたタイミングを見計らって、図２３（ｅ）に示すように、排気バルブ１３４を閉じてやる。その結果、燃焼室内の圧力が吸気通路内の圧力に達するまで、吸気バルブ１３２から吸入空気が流入する。燃焼室内圧力が吸気通路内の圧力に達したタイミングを見計らって、吸気バルブを閉じ、ピストン１４４を上昇させて燃焼室内の混合気を圧縮する。図２３（ｆ）はピストンを上昇させて燃焼室内の混合気を圧縮している様子を概念的に示している。そして、ピストンの上死点付近の所定のタイミングで点火プラグから火花を飛ばして、圧縮した混合気に点火する。それ以降は、図２３（ａ）に示す状態に戻って、同様の動作を繰り返す。
【０１４７】
以上の説明を踏まえて、第２実施例のガソリンエンジン３００の低負荷条件時における動作を説明する。膨張行程（図２３（ａ）参照）、および排気行程（図２３（ｂ）参照）の動作については、第２実施例のガソリンエンジン３００も、上述した一般的な２サイクルエンジンの動作と同様である。
【０１４８】
排気バルブ１３４から燃焼ガスがある程度流出したタイミングで、図２３（ｃ）に示すように吸気バルブ１３２を開いて、燃焼室内に空気を流入させる。図２２を用いて説明したように、吸気通路１２内の空気は過給機５０によって所定圧力に加圧されているので、こうして吸気バルブ１３２を開いてやることで、燃焼室内の燃焼ガスを掃気することができる。尚、第２実施例のエンジン３００では、図２４に示すようにピストンの下死点（ＢＤＣ）前、約３０°のタイミングで、吸気バルブを開いている。
【０１４９】
掃気を続けながら、ピストン１４４が上昇に転じた付近の所定のタイミングで、燃料噴射弁１４から燃焼室内に燃料噴霧を噴射する。図２３（ｄ）は、掃気行程の後期に、燃料噴霧を噴射している様子を概念的に示している。掃気行程も後半になれば、程なく排気バルブ１３４は閉じられるので、この近辺のタイミングで燃料噴霧を噴射してやれば、噴射した燃料噴霧が移動する間に排気バルブが閉じられることになって、排気バルブから排出されることを回避することができる。図２４に示されているように、第２実施例では、燃料噴霧の噴射期間はピストンの下死点（ＢＤＣ）付近から排気バルブが閉じる直前までの期間、具体的には、掃気行程の下死点前２０度から下死点後６０度の範囲内で設定された適切な期間に設定されている。
【０１５０】
燃料を噴射後、所定のタイミングで排気バルブ１３４を閉じた後は、図２３（ｅ）に示すように、吸気バルブ１３２から加圧された空気が燃焼室内に流入する。排気バルブ１３４を閉じるタイミングは、ピストンの下死点（ＢＤＣ）後、約２０°〜約５０°の範囲で好適に設定することができる（図２４参照）。掃気行程の後半で噴射された燃料噴霧は、吸入空気の流れによって、燃焼室内に分散され、吸入空気と混合する。そして、所定のタイミングで吸気バルブ１３２を閉じてやると、それ以降は、ピストンの上昇とともに燃焼室内の混合気が圧縮される。吸気バルブ１３２が開いている間は、ピストンが上昇しても燃焼室内の混合気を圧縮することはできない。このことから、２サイクルエンジンにおいては、吸気バルブ１３２を閉じるタイミングが混合気の実質的な圧縮比を決定することになる。第２実施例の２サイクルエンジンにおいては、吸気バルブ１３２を閉じるタイミングは、図２４に示すようにピストンの下死点（ＢＤＣ）後、約６０°に設定されている。吸気バルブ１３２を閉じるタイミングは、代表的には約５０°〜約７０°の範囲で好適に設定することができる。
【０１５１】
適切なタイミングで吸気バルブ１３２を閉じた後、ピストン１４４を上昇していくと、図２３（ｆ）に示すように、燃焼室内で混合気が圧縮される。第２実施例のエンジン３００では、こうしてピストンを上昇させて混合気を圧縮していくことにより、上死点付近で混合気を自着火させることができる。換言すれば、低負荷運転時は、ピストンにより圧縮されてほぼ上死点付近で自着火するように、混合気の空気過剰率が設定されている。こうして混合気を自着火させることにより、速やかに燃焼させることができる。その結果、前述した予混合圧縮自着火燃焼方式と同様の形態で混合気を燃焼させることができるので、大気汚染物質の排出量および燃料消費量を同時にしかも大幅に低減させることができる。
【０１５２】
第１実施例で説明したように、混合気を圧縮自着火させながら燃焼させる方式では、負荷が高くなるとノックが発生し易くなる。そこで、エンジン負荷が高い条件では、ノックを発生させることなく混合気を圧縮自着火させるために、次のようにしてエンジン３００を運転する。
【０１５３】
図２５は、２サイクル式のエンジン３００が高負荷条件において混合気を圧縮自着火させる様子を概念的に示す説明図である。図２５（ａ）は、掃気行程の後期に燃料を噴射している様子を示している。こうして、噴射された燃料噴霧は吸入空気によって燃焼室内で攪拌され、混合気を形成する。高負荷条件時に形成される混合気は、ピストン１４４による圧縮だけでは自着火しないように、低負荷条件時よりも空気過剰率が大きな値（代表的には、空気過剰率２〜３．５）に設定されている。
【０１５４】
次いで、ピストン１４４を上昇させて燃焼室内の混合気を圧縮し、所定のタイミングで燃料噴射弁１４から燃焼室内に追加の燃料噴霧を噴射する。追加の燃料を噴射するタイミングは、一般的には、圧縮行程中の上死点前６０度から上死点前２０度の範囲内で適切な期間に設定される。第２実施例では、図２４に示されているように、ピストンの上死点（ＴＤＣ）前、約５０°付近で追加の燃料噴霧を噴射している。図２５（ｂ）は、こうして追加の燃料噴霧を噴射している様子を概念的に示している。図中では、追加で噴射された燃料噴霧は細かいハッチングを付して表している。また、粗いハッチングは、掃気行程の後半で噴射された燃料噴霧による混合気を示している。前述した第１実施例と同様に、第２実施例のピストン１４４の頂面にも、導入溝１４５と旋回室１４３とが設けられている。燃料噴射弁１４から噴射された燃料噴霧は、導入溝１４５で流れの向きを変えられた後、旋回室１４３に流入して混合気の旋回流を形成する。旋回室１４３は、点火プラグ１３６に対向する位置に設けられている。そのため、圧縮上死点付近のタイミングでは、点火プラグ１３６の近傍に効率よく混合気を形成することができる。
【０１５５】
こうして点火プラグ１３６の近傍に形成された混合気に、圧縮上死点付近の適切なタイミングで火花を飛ばして点火してやる。点火プラグ近傍に形成された混合気は空気過剰率が小さな値に設定されているので、点火後、速やかに燃焼を完了して燃焼室内圧力を上昇させる。掃気行程中に噴射した燃料によって形成された混合気は、前述したように空気過剰率が大きな値に設定されており、ピストンによって圧縮されただけでは自着火することはないが、点火プラグ近傍の混合気が燃焼したことによって圧縮される結果、温度が上昇し、ついには発火点に達して自着火に至る。
【０１５６】
以上に説明したように、第２実施例のエンジン３００においても、高負荷運転時にはノックの発生を避けるために、圧縮行程中に追加の燃料を噴射して点火プラグ１３６の近傍に空気過剰率の小さめな混合気を形成し、この混合気に点火することによって、燃焼室内の空気過剰率の大きな混合気を圧縮自着火させる。従って、圧縮行程中に噴射する燃料が少なくなるほど、高負荷運転時に排出される大気汚染物質あるいは燃料消費量を少なくすることができる。第２実施例のエンジン３００では、ピストン頂面に旋回室１４３と、該旋回室に燃料噴霧を導く導入溝１４５とを設け、圧縮行程中に噴射した燃料の混合気を旋回室内に閉じ込めることにより、点火プラグ１３６の近傍に効率よく混合気を形成することができる。このため、圧縮行程中に僅かな燃料を噴射しただけで、燃焼室内の混合気を確実に圧縮して自着火させることが可能となり、延いては、大気汚染物質の排出量と燃料消費量とを同時に抑制することが可能となる。
【０１５７】
以上、各種の実施例について説明してきたが、本発明は上記すべての実施例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】予混合圧縮自着火燃焼方式を適用した第１実施例のエンジン１０の構造を概念的に示した説明図である。
【図２】第１実施例のエンジンの燃焼室の構造を概念的に示す説明図である。
【図３】エンジン運転制御ルーチンの流れを示すフローチャートである。
【図４】エンジン回転速度と目標出力トルクとの組合せに応じて、低負荷条件あるいは高負荷条件のいずれの制御を行うかがマップの形式で記憶されている様子を概念的に示した説明図である。
【図５】低負荷条件用のマップに燃料噴射量と吸入空気量が設定されている様子を概念的に示した説明図である。
【図６】予混合圧縮自着火燃焼方式において、混合気を形成するための基本的な考え方を概念的に示したブロック図である。
【図７】高負荷条件用のマップに主燃料噴射量と副燃料噴射量と吸入空気量とが設定されている様子を概念的に示した説明図である。
【図８】吸気バルブおよび排気バルブの開閉時期、燃料の噴射タイミング、点火タイミングの関係を概念的に示した説明図である。
【図９】低負荷条件において混合気を圧縮自着火させて燃焼させる様子を概念的に示した説明図である。
【図１０】高負荷条件において混合気を圧縮自着火させて燃焼させる様子を概念的に示した説明図である。
【図１１】燃焼室内で一部の混合気に点火することで、残余の混合気が圧縮される様子を概念的に示した説明図である。
【図１２】一部の混合気の燃焼によって残余の混合気が圧縮されて自着火した様子を概念的に示す説明図である。
【図１３】燃料噴霧がピストン頂面に形成された旋回室に旋回流を形成し、点火プラグの近傍に混合気が形成される様子を概念的に示す説明図である。
【図１４】第１実施例の第１の変形例を示した説明図である。
【図１５】第１実施例の第２の変形例を示した説明図である。
【図１６】第１実施例の第３の変形例を示した説明図である。
【図１７】第１実施例の第４の変形例を示した説明図である。
【図１８】第１実施例の第５の変形例を示した説明図である。
【図１９】第１実施例の第６の変形例を示した説明図である。
【図２０】第１実施例の第７の変形例を示した説明図である。
【図２１】第１実施例の第８の変形例を示した説明図である。
【図２２】第２実施例のエンジンの構造を概念的に示した説明図である。
【図２３】第２実施例のガソリンエンジンの低負荷条件時における動作を概念的に示した説明図である。
【図２４】第２実施例のガソリンエンジンのバルブタイミングおよび燃料噴射タイミングを示した説明図である。
【図２５】第２実施例のガソリンエンジンの高負荷条件における動作を概念的に示した説明図である。
【符号の説明】
１０…エンジン
１２…吸気通路
１４…燃料噴射弁
１５…燃料噴射弁
１６…排気通路
２０…エアクリーナ
２１…ＮＯｘセンサ
２２…スロットル弁
２３…圧力センサ
２４…電動アクチュエータ
２５…ノックセンサ
２６…触媒
３０…ＥＣＵ
３２…クランク角センサ
３４…アクセル開度センサ
５０…過給機
５２…タービン
５４…コンプレッサ
５６…シャフト
６０…サージタンク
６２…インタークーラ
１３０…シリンダヘッド
１３２…吸気バルブ
１３４…排気バルブ
１３６…点火プラグ
１４０…シリンダブロック
１４２…シリンダ
１４３…旋回室
１４４…ピストン
１４５…導入溝
１４５ａ…側壁
１４５ｂ…側壁
１４５ｃ…床面
１４６…コネクティングロッド
１４７…反り返り部
１４８…クランクシャフト
１５４…燃料噴霧
１５６…燃料噴霧
２４０…断熱層
２４２…蓄熱層
２４４…ピストン
３００…エンジン
Claims (16)
- 燃料と空気との混合気を燃焼室内で圧縮し、該圧縮された混合気を燃焼させることによって動力を出力する内燃機関であって、
前記燃焼室の一部を構成するとともに前記混合気を圧縮するピストンと、
前記燃料と空気とが、前記ピストンによる圧縮では自着火しない割合で混合した第１の混合気を、前記燃焼室内に形成する第１の混合気形成手段と、
前記第１の混合気中に前記燃料の噴霧を噴射することにより、前記燃焼室内の一部の領域に第２の混合気を形成する燃料噴射弁と、
前記第２の混合気に点火して燃焼させることにより前記燃焼室内の圧力を上昇させて、前記第１の混合気を圧縮自着火させる点火手段と
を備え、
前記ピストンが前記燃焼室に面するピストン頂面には、
前記点火手段に対向する位置に設けられた略円形状の凹部たる旋回室と、
前記燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧を受けて、該燃料噴霧の流れの向きを変えて該燃料噴霧を前記旋回室に導く導入溝と
が設けられており、
前記導入溝が前記旋回室に開口する開口部は、前記燃料噴霧が該旋回室に流入する流れ方向から該開口部を見たときに、該旋回室の中心軸に対して偏っていることを特徴とする内燃機関。 - 請求項１記載の内燃機関であって、
前記導入溝は、前記開口部が偏っている側に向かって該導入溝の床面が低くなるように形成された溝である内燃機関。 - 請求項１記載の内燃機関であって、
前記導入溝は、前記旋回室の中心軸に向かう方向に対して、前記開口部が偏っている方向に所定の偏差を持たせて該旋回室に接続された溝である内燃機関。 - 請求項１記載の内燃機関であって、
前記導入溝は、該導入溝を構成する互いに向かい合う側壁のうち、前記開口部が偏っている側の側壁が前記旋回室に接するとともに、他方の側壁が該旋回室に交わっている溝である内燃機関。 - 請求項４記載の内燃機関であって、
前記導入溝を前記燃焼室側から見たときに、前記旋回室に接する側の前記側壁は、前記旋回室の中心軸に向かって一方向に曲がった曲線状に形成されている内燃機関。 - 請求項４記載の内燃機関であって、
前記導入溝を前記燃焼室側から見たときに、前記旋回室に交わる側の前記側壁は、前記旋回室に交わる側の前記側壁の延長線が前記旋回室に接する側の側壁と前記旋回室の中心軸との間を通るように形成されている内燃機関。 - 請求項１記載の内燃機関であって、
前記導入溝の側壁と前記ピストン頂面とが交わる少なくとも一部の領域には、該側壁の前記燃焼室側に、該燃焼室への開口を狭くする突部が設けられていることを特徴とする内燃機関。 - 請求項１記載の内燃機関であって、
前記旋回室の側壁と前記ピストン頂面とが交わる少なくとも一部の領域には、該側壁の前記燃焼室側に、該燃焼室への開口を狭くする突部が設けられていることを特徴とする内燃機関。 - 請求項１記載の内燃機関であって、
前記導入溝あるいは前記旋回室の少なくとも一部の領域には、
前記燃焼室の一部を構成するとともに該燃焼室から流入した熱を蓄える蓄熱層と、
前記蓄熱層と前記ピストンとを断熱する断熱層と
が設けられていることを特徴とする内燃機関。 - 請求項１記載の内燃機関であって、
前記点火手段は、前記旋回室の中心軸から所定の距離だけ離れた位置で火花を飛ばす点火栓である内燃機関。 - 請求項１記載の内燃機関であって、
前記燃料噴射弁は、前記旋回室の中心軸に向かう方向から前記開口部が偏っている側に向けて、所定の角度を持たせて前記燃料の噴霧を噴射する噴射弁である内燃機関。 - 請求項１記載の内燃機関であって、
前記燃料噴射弁に加えて、前記燃焼室内に燃料の噴霧を噴射する噴霧噴射弁を備え、
前記第１の混合気形成手段は、前記第２の混合気の形成に先立って、前記噴霧噴射弁から前記燃料の噴霧を噴射することにより前記第１の混合気を形成する手段であり、
前記燃料噴射弁は、前記噴霧噴射弁よりも噴霧角の小さな噴射弁である内燃機関。 - 請求項１２記載の内燃機関であって、
前記燃焼室内に空気を取り入れるための吸気弁を複数備え、
前記噴霧噴射弁が、互いに隣接する前記吸気弁の間に設けられていることを特徴とする内燃機関。 - 前記内燃機関が２サイクルで運転される請求項１記載の内燃機関。
- 燃料と空気との混合気を燃焼室内で圧縮し、該圧縮された混合気を燃焼させることによって動力を出力する内燃機関に用いられ、該燃焼室の一部を構成するとともに該混合気を圧縮するピストンであって、
前記内燃機関は、
前記燃料と空気とが、前記ピストンによる圧縮では自着火しない割合で混合した第１の混合気を、前記燃焼室内に形成する第１の混合気形成手段と、
前記第１の混合気中に前記燃料の噴霧を噴射することにより、前記燃焼室内の一部の領域に第２の混合気を形成する燃料噴射弁と、
前記第２の混合気に点火して燃焼させることにより前記燃焼室内の圧力を上昇させて、前記第１の混合気を圧縮自着火させる点火手段と
を備え、
前記ピストンが前記燃焼室に面するピストン頂面には、
前記点火手段に対向する位置に設けられた略円形状の凹部たる旋回室と、
前記燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧を受けて、該燃料噴霧の流れの向きを変えて該燃料噴霧を前記旋回室に導く導入溝と
が設けられており、
前記導入溝が前記旋回室に開口する開口部は、該旋回室に流入する前記燃料噴霧の流れ方向から該開口部を見たときに、該旋回室の中心軸に対して偏っていることを特徴とするピストン。 - 燃料と空気との混合気をピストンを用いて燃焼室内で圧縮し、該圧縮された混合気を燃焼させることによって動力を出力する内燃機関の制御方法であって、
前記燃料と空気とが、前記ピストンによる圧縮では自着火しない割合で混合した第１の混合気を、前記燃焼室内に形成する第１の工程と、
前記第１の混合気中に前記燃料の噴霧を噴射することにより、前記燃焼室内の一部の領域に第２の混合気を形成する第２の工程と、
前記第２の混合気に点火して燃焼させることにより前記燃焼室内の圧力を上昇させて、前記第１の混合気を圧縮自着火させる第３の工程と
を備え、
前記第２の工程は、
前記ピストン頂面に形成された導入溝が、前記噴射された燃料の噴霧を受けて燃料噴霧の流れの向きを変え、該燃料噴霧を前記ピストン頂面に形成された略円形状の凹部たる旋回室に、該旋回室の中心軸に対して偏りを持たせて導く工程と、
前記旋回室に導かれた燃料噴霧の流れを利用して、該旋回室内に前記第２の混合気の旋回流を形成する工程と
を備えることを特徴とする制御方法。
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