JP5223970B2 - 燃焼圧力制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃焼圧力制御装置に関する。

内燃機関は、燃焼室に燃料および空気が供給されて、燃焼室にて燃料が燃焼することにより駆動力を出力する。燃焼室において燃料を燃焼させるときには、空気と燃料との混合気を圧縮した状態において燃料を燃焼させる。内燃機関の圧縮比は、出力および燃料消費量に影響を与えることが知られている。圧縮比を高くすることにより出力トルクを大きくしたり、燃料消費量を少なくしたりすることができる。

特開平７−２２９４３１号公報においては、シリンダブロックに固定されているハウジング内に摺動可能に配置されているピストンと、ピストンの内部に摺動可能に配置されているスリーブとを備える内燃機関が開示されている。この内燃機関は、ピストンの内部に絞りを介してガス室が形成されている。ガス室は、燃焼室に連通している。燃焼室内の圧力は吸気行程、圧縮行程、膨張行程および排気行程においてかなり変動するが、絞りの作用によってガス室の圧力が燃焼室のガス圧のほぼ平均値に維持される。この内燃機関は、燃焼室内のガス圧の平均値が高くなると燃焼室から離れる方向にピストンが移動する。１回の燃焼サイクルの期間中に一定のピストンの位置に保たれて、燃料が燃焼する部分の体積が大きくなることが開示されている。

特開２０００−２３０４３９号公報には、燃焼室に圧力調整弁を介して通じる副室を設け、圧力調整弁は、弁体と弁体に接続されて燃焼室側に付勢された弁棒とを有する自着火式の内燃機関が開示されている。この自着火式の内燃機関は、過早着火等により燃焼圧が所定の許容圧値を超えた場合に、弾性体の圧力に抗して圧力調整弁を押し上げて副室に圧力を逃すことが開示されている。この公報には、過早着火等が生じる圧力よりも大きな圧力で圧力調整弁が動くことが開示されている。

特開平１０−２０５３３２号公報においては、主室に減圧室を設けて、減圧室にばね力で付勢されたサブピストンを配置した自着火式のエンジンが開示されている。このエンジンにおいては、圧縮行程時に主室の圧縮空気の一部を減圧室に蓄積する。次いで膨張行程時に減圧室に蓄積された圧縮空気をばね力によって主室に押し出させる。この公報には、燃料の燃焼を開始する前に圧縮された空気のみを減圧室に蓄積することが開示されている。この公報には、燃料が燃焼しないときの最大筒内圧力以下で、サブピストンが動き始めることが開示されている。

特表２００３−５２６０４３号公報においては、一方の部屋が燃焼室であり、他方の部屋が動力伝達部材を含み、２つの部屋が相互に接続された自着火式のエンジンが開示されている。このエンジンにおいては、燃焼室にピストンが配置され、ピストンにコンピュータ制御されるラムが接続されている。ラムが制御されることによりピストンの位置が定められ、燃焼室の容積を変更することが開示されている。この公報には、それぞれの燃焼容積の圧縮比を意図的に変更することによって、混合気が自着火する時期を調整することが開示されている。

特開平７−２２９４３１号公報 特開２０００−２３０４３９号公報 特開平１０−２０５３３２号公報 特表２００３−５２６０４３号公報

火花点火式の内燃機関においては、燃焼室において燃料と空気の混合気が点火装置で着火されることにより、混合気が燃焼するとともにピストンが押し下げされる。このときに圧縮比を高くすることにより熱効率が向上する。ところが、圧縮比を高くすると異常燃焼が発生する場合がある。例えば、圧縮比が高くなることにより自着火現象が生じる場合がある。

異常燃焼の発生を防止するために、点火時期を遅らせることができる。しかしながら、点火時期を遅らせることにより、出力トルクが小さくなったり、燃料消費が悪化したりする。また、点火時期を遅らせることにより、排気ガスの温度が高くなる。このため、排気浄化装置の構成部品に高質な材料が必要になったり、排気ガスを冷却する装置が必要になったりする場合があった。更に、排気ガスの温度を下げるために、燃焼室で燃焼を行なうときの空燃比を理論空燃比未満にする場合がある。すなわち、燃焼時の空燃比をリッチにする場合がある。しかしながら、排気浄化装置として三元触媒が配置されている場合には、排気ガスの空燃比が理論空燃比から逸脱すると浄化能力が小さくなってしまい、排気ガスを十分に浄化することができなくなるという問題があった。

本発明は、異常燃焼の発生を抑制する内燃機関の燃焼圧力制御装置を提供することを目的とする。

本発明の燃焼圧力制御装置は、燃焼室に連通する副室を有する火花点火式の内燃機関の燃焼圧力制御装置であって、燃焼室の圧力が制御圧力に到達したときに、燃焼室の圧力変化を駆動源として副室の容積が変化する容積可変装置を備える。制御圧力は、燃料の供給を停止した場合における燃焼室の最大圧力より大きく、燃料の異常燃焼が発生する圧力未満の範囲内である。容積可変装置は、燃焼サイクルの圧縮行程から膨張行程の期間中に燃焼室の圧力が制御圧力に到達すると副室の容積が大きくなり、燃焼室の圧力上昇を抑制するように形成されている。

上記発明においては、制御圧力を変更するための制御圧力変更装置と、内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出装置とを備え、制御圧力変更装置は、運転状態検出装置により検出された内燃機関の運転状態に基づいて制御圧力を変更することが好ましい。

上記発明においては、運転状態検出装置は、内燃機関の回転数を検出し、制御圧力変更装置は、検出された回転数が大きくなるほど制御圧力を大きくすることが好ましい。

上記発明においては、制御圧力を変更するための制御圧力変更装置と、燃料の性状を検出する燃料性状検出装置とを備え、制御圧力変更装置は、燃料性状検出装置により検出された燃料の性状に基づいて制御圧力を変更することが好ましい。

上記発明においては、アルコールが含まれる燃料を燃焼させる内燃機関の燃焼圧力制御装置であって、燃料性状検出装置は、燃料に含まれるアルコール濃度を検出し、制御圧力変更装置は、検出されたアルコール濃度が大きくなるほど制御圧力を大きくすることが好ましい。

上記発明においては、燃焼室に供給する燃料の量が予め定められた供給量判定値より大きい場合、または排気ガスの温度が予め定められた温度判定値より大きい場合には、点火時期を進角させることが好ましい。

上記発明においては、容積可変装置は、燃焼室に連通している筒状部と、筒状部の内部に移動可能に配置され、筒状部の内部の空間を区画して燃焼室に向かう側に副室を形成するための移動部材と、移動部材が制御圧力で移動し始めるように、移動部材を燃焼室に向かって付勢する付勢装置とを含み、移動部材が筒状部の内部を移動することにより副室の容積が変化することができる。

上記発明においては、制御圧力を変更するための制御圧力変更装置を備え、移動部材は、筒状部の内部に配置されている副室用ピストンを含み、制御圧力変更装置は、燃焼室の圧力が低下して副室用ピストンが燃焼室の側に向かって移動するときに、副室用ピストンの移動速度を一時的に低下させることが好ましい。

上記発明においては、付勢装置は、気圧により移動部材を燃焼室の側に向かって付勢するように形成されているガス室を含み、移動部材は、筒状部の内部に配置されている副室用ピストンと、筒状部の内部に配置され、副室用ピストンに接続棒を介して固定されているガス室用ピストンと、筒状部の内部において副室用ピストンとガス室用ピストンとの間に配置されている中間ピストンとを含み、ガス室用ピストンと中間ピストンとに挟まれる空間にはオイルが充填されており、ガス室用ピストン、中間ピストンおよび副室用ピストンが、一体的に筒状部の内部を移動することが好ましい。

上記発明においては、容積可変装置は、筒状部に固定され、ガス室用ピストンと中間ピストンとの間に配置されている隔壁部を備え、隔壁部には、副室の容積が大きくなるときにオイルが流れる第１逆止弁と、副室の容積が小さくなるときにオイルが流れる第２逆止弁とが配置されており、第２逆止弁は、第１逆止弁よりも最大流量が小さくなるように形成されていることが好ましい。

上記発明においては、副室用ピストンと筒状部との間には、第１封止部材が配置され、中間ピストンと筒状部との間には、第２封止部材が配置され、筒状部の内面のうち、第１封止部材の移動領域にはオイルを溜めるための溝が形成されており、第２封止部材は、第１封止部材の移動領域の外側の領域で移動することが好ましい。

上記発明においては、複数の燃焼室を備え、それぞれの燃焼室ごとに容積可変装置が配置されている内燃機関の燃焼圧力制御装置であって、付勢装置は、気圧により移動部材を燃焼室の側に向かって付勢するように形成されているガス室を含み、それぞれの燃焼室ごとに配置されている複数のガス室が互いに接続されていることが好ましい。

上記発明においては、付勢装置は、気圧により移動部材を燃焼室の側に向かって付勢するように形成されているガス室と、ガス室に接続されている補助タンクとを含むことが好ましい。

上記発明においては、気体が封入されている補助室と補助ピストンとを含み、副室に近接して配置されている補助シリンダを備え、付勢装置は、移動部材を燃焼室の側に向かって付勢するように形成されているガス室を含み、筒状部は、ガス室の容積が変化するように移動可能に形成されており、補助シリンダの補助室の温度変化により補助ピストンが移動し、補助ピストンの移動を駆動源として筒状部が移動して、ガス室の容積が変化するように形成されていることが好ましい。

上記発明においては、副室は、燃焼室から離れて配置されており、容積可変装置は、燃焼室と副室とを接続する連通管を含み、連通管は、点火装置の近傍において燃焼室に接続されていることが好ましい。

本発明によれば、異常燃焼の発生を抑制する内燃機関の燃焼圧力制御装置を提供することができる。

基礎技術における内燃機関の概略図である。 基礎技術における第１の燃焼圧力制御装置の概略図である。 基礎技術の第１の燃焼圧力制御装置における燃焼室の圧力と副室用ピストンの変位と説明する図である。 比較例における点火時期と出力トルクとの関係を説明するグラフである。 比較例におけるクランク角度と燃焼室の圧力との関係を説明するグラフである。 比較例における負荷と燃焼室の最大圧力との関係を説明するグラフである。 基礎技術において燃焼室の圧力が制御圧力に到達したときのグラフの拡大図である。 基礎技術における内燃機関および比較例の内燃機関の点火時期を説明するグラフである。 基礎技術の内燃機関の点火時期と、排気ガスの温度および出力トルクとの関係を説明するグラフである。 基礎技術における第２の燃焼圧力制御装置の概略図である。 基礎技術における第３の燃焼圧力制御装置の概略図である。 基礎技術における第４の燃焼圧力制御装置の概略図である。 実施の形態１における第１の燃焼圧力制御装置の概略図である。 比較例における内燃機関の回転数とノッキング余裕点火時期との関係を説明するグラフである。 実施の形態１における内燃機関の回転数と制御圧力の関係を説明するグラフである。 比較例における燃料に含まれるアルコール濃度と遅角補正量との関係を説明するグラフである。 実施の形態１におけるアルコール濃度と制御圧力との関係を説明するグラフである。 実施の形態１における第２の燃焼圧力制御装置の概略図である。 実施の形態１における第２の燃焼圧力制御装置の運転例を説明するタイムチャートである。 実施の形態２における第１の燃焼圧力制御装置の概略断面図である。 実施の形態２における第２の燃焼圧力制御装置の概略断面図である。 実施の形態２における第３の燃焼圧力制御装置の概略断面図である。 実施の形態２における第４の燃焼圧力制御装置の概略断面図である。 実施の形態２における第４の燃焼圧力制御装置の他の概略断面図である。 実施の形態２における第５の燃焼圧力制御装置の概略断面図である。 実施の形態２における第５の燃焼圧力制御装置の隔壁部の拡大概略断面図である。 実施の形態２における第５の燃焼圧力制御装置の他の概略断面図である。 実施の形態２における第５の燃焼圧力制御装置の運転例を説明するタイムチャートである。 実施の形態３における第１の燃焼圧力制御装置の概略断面図である。 実施の形態３における第２の燃焼圧力制御装置の概略断面図である。 実施の形態３における第２の燃焼圧力制御装置の副室用ピストンの変位と副室の圧力との関係を説明するグラフである。 実施の形態４における第１の燃焼圧力制御装置の概略断面図である。 実施の形態４における第１の燃焼圧力制御装置の連通管の接続位置を説明する概略平面図である。 実施の形態４における第２の燃焼圧力制御装置の概略断面図である。 実施の形態４における第２の燃焼圧力制御装置の運転例を説明するタイムチャートである。 実施の形態４における第３の燃焼圧力制御装置の概略図である。 実施の形態４における第３の燃焼圧力制御装置の運転例を説明するタイムチャートである。 実施の形態４における第３の燃焼圧力制御装置の他の運転例を説明するタイムチャートである。 実施の形態４における第４の燃焼圧力制御装置の連通管の接続位置を説明する概略平面図である。 実施の形態４における第５の燃焼圧力制御装置の概略断面図である。

（基礎技術）
図１から図１２を参照して、本発明の基礎技術における内燃機関の燃焼圧力制御装置について説明する。基礎技術においては、車両に配置されている内燃機関を例に取り上げて説明する。

図１は、基礎技術における内燃機関の概略図である。図１には、吸気弁および排気弁が配置されている方向に燃焼室を切断したときの概略断面図が示されている。基礎技術における内燃機関は、火花点火式である。内燃機関は、機関本体１を備える。機関本体１は、シリンダブロック２とシリンダヘッド４とを含む。シリンダブロック２の内部には、各気筒の燃焼室５が形成されている。燃焼室５にはピストン３が配置されている。燃焼室５には、機関吸気通路および機関排気通路が接続されている。機関吸気通路は、燃焼室５に空気または燃料と空気との混合気を供給するための通路である。機関排気通路は、燃焼室５における燃料の燃焼により生じた排気ガスを排出するための通路である。

シリンダヘッド４には、吸気ポート７および排気ポート９が形成されている。吸気弁６は吸気ポート７の端部に配置され、燃焼室５に連通する機関吸気通路を開閉可能に形成されている。排気弁８は、排気ポート９の端部に配置され、燃焼室５に連通する機関排気通路を開閉可能に形成されている。シリンダヘッド４には、点火装置としての点火プラグ１０が固定されている。点火プラグ１０は、燃焼室５にて燃料を点火するように形成されている。

基礎技術における内燃機関は、燃焼室５に燃料を供給するための燃料噴射弁１１を備える。基礎技術における燃料噴射弁１１は、吸気ポート７に燃料を噴射するように配置されている。燃料噴射弁１１は、この形態に限られず、燃焼室５に燃料を供給できるように配置されていれば構わない。たとえば、燃料噴射弁は、燃焼室に直接的に燃料を噴射するように配置されていても構わない。

燃料噴射弁１１は、電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２９を介して燃料タンク２８に接続されている。燃料タンク２８内に貯蔵されている燃料は、燃料ポンプ２９によって燃料噴射弁１１に供給される。燃料を供給する流路の途中には、燃料の性状を検出するための燃料性状検出装置として、燃料性状センサ７７が配置されている。たとえば、アルコールを含む燃料を使用する内燃機関では、燃料性状センサ７７としてアルコール濃度センサが配置される。燃料性状検出装置は、燃料タンクに配置されていても構わない。

各気筒の吸気ポート７は、対応する吸気枝管１３を介してサージタンク１４に連結されている。サージタンク１４は、吸気ダクト１５およびエアフローメータ１６を介してエアクリーナ（図示せず）に連結されている。吸気ダクト１５には、吸入空気量を検出するエアフローメータ１６が配置されている。吸気ダクト１５の内部には、ステップモータ１７によって駆動されるスロットル弁１８が配置されている。一方、各気筒の排気ポート９は、対応する排気枝管１９に連結されている。排気枝管１９は、触媒コンバータ２１に連結されている。基礎技術における触媒コンバータ２１は、三元触媒２０を含む。触媒コンバータ２１は、排気管２２に接続されている。機関排気通路には、排気ガスの温度を検出するための温度センサ７８が配置されている。

基礎技術における機関本体１は、排気ガス再循環（ＥＧＲ）を行うための再循環通路を有する。基礎技術においては、再循環通路としてＥＧＲガス導管２６が配置されている。ＥＧＲガス導管２６は、排気枝管１９とサージタンク１４とを互いに連結している。ＥＧＲガス導管２６には、ＥＧＲ制御弁２７が配置されている。ＥＧＲ制御弁２７は、再循環する排気ガスの流量が調整可能に形成されている。機関吸気通路、燃焼室、または機関排気通路に供給された排気ガスの空気および燃料（炭化水素）の比を排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）と称すると、触媒コンバータ２１の上流側の機関排気通路内には、排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサ７９が配置されている。

基礎技術における内燃機関は、電子制御ユニット３１を備える。基礎技術における電子制御ユニット３１は、デジタルコンピュータからなる。電子制御ユニット３１は、双方向バス３２を介して相互に接続されたＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）３４、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３５、入力ポート３６および出力ポート３７を含む。

エアフローメータ１６は、燃焼室５に吸入される吸入空気量に比例した出力電圧を発生する。この出力電圧は、対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。アクセルペダル４０には、負荷センサ４１が接続されている。負荷センサ４１は、アクセルペダル４０の踏込量に比例した出力電圧を発生する。この出力電圧は、対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。また、クランク角センサ４２は、クランクシャフトが、例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスは入力ポート３６に入力される。クランク角センサ４２の出力により、機関本体１の回転数を検出することができる。更に、電子制御ユニット３１には、燃料性状センサ７７、温度センサ７８および空燃比センサ７９等のセンサの信号が入力されている。

電子制御ユニット３１の出力ポート３７は、それぞれの対応する駆動回路３９を介して燃料噴射弁１１および点火プラグ１０に接続されている。基礎技術における電子制御ユニット３１は、燃料噴射制御や点火制御を行うように形成されている。すなわち、燃料を噴射する時期および燃料の噴射量が電子制御ユニット３１により制御される。更に点火プラグ１０の点火時期が電子制御ユニット３１により制御されている。また、出力ポート３７は、対応する駆動回路３９を介して、スロットル弁１８を駆動するステップモータ１７、燃料ポンプ２９およびＥＧＲ制御弁２７に接続されている。これらの機器は、電子制御ユニット３１により制御されている。

図２に、基礎技術における第１の燃焼圧力制御装置の概略図を示す。図２には、吸気弁および排気弁が配置されている方向とは異なる方向に燃焼室を切断したときの概略断面図が示されている。

基礎技術における内燃機関は、燃料が燃焼したときの燃焼室の圧力を制御する燃焼圧力制御装置を備える。基礎技術における内燃機関は、燃焼室５に連通する副室６０を備える。燃焼圧力制御装置は、燃焼室５の圧力が制御圧力に到達したときに、燃焼室５の圧力変化を駆動源として副室６０の容積が変化する容積可変装置を備える。すなわち、容積可変装置は、燃焼室５の圧力が変化することにより作動する。本発明における制御圧力とは、燃焼室に連通する副室の容積が変化し始めるときの圧力である。容積可変装置は、燃焼室５の圧力が異常燃焼の発生圧力以上にならないように制御する。

本発明における異常燃焼とは、点火装置により混合気が点火し、点火した点から順次燃焼が伝搬する状態以外の燃焼を示す。異常燃焼は、たとえば、ノッキング現象、デトネーション現象およびプレイグニッション現象を含む。ノッキング現象は、スパークノック現象を含む。スパークノック現象は、点火装置において点火し、点火装置を中心に火炎が広がっているときに、点火装置から遠い位置にある未燃燃料を含む混合気が自着火する現象である。点火装置から遠い位置にある混合気は、点火装置の近傍の燃焼ガスにより圧縮されて高温高圧になって自着火する。混合気が自着火するときに衝撃波が発生する。

デトネーション現象は、高温高圧の混合気の中を衝撃波が通過することにより、混合気が着火する現象である。この衝撃波は、たとえば、スパークノック現象によって発生する。

プレイグニッション現象は、早期着火現象とも言われる。プレイグニッション現象は、点火プラグの先端の金属または燃焼室内に堆積するカーボンスラッジ等が加熱されて、所定の温度以上を維持した状態になり、この部分を火種として点火時期の前に燃料が着火して燃焼する現象である。

容積可変装置は、燃焼室５に連通している筒状部を構成する筒状部材５１を備える。基礎技術における筒状部材５１は、円筒状に形成されている。筒状部材５１の内部には、移動部材としての副室用ピストン５５が配置されている。筒状部材５１の内部の空間は、副室用ピストン５５により区画されている。筒状部材５１の内部には、燃焼室５に向かう側に副室６０が形成され、燃焼室５に向かう側と反対側にガス室６１が形成されている。

基礎技術における第１の燃焼圧力制御装置のガス室６１は、密閉されている。ガス室６１には、気体が封入されている。基礎技術においては、ガス室６１に窒素が封入されている。ガス室６１に充填する気体としては、窒素に限られず、任意の気体を採用することができる。

副室用ピストン５５は、矢印１００に示すように、筒状部材５１の内部を移動できるように配置されている。副室用ピストン５５は、ピストンリング５５ａを介して筒状部材５１に接触している。副室６０には、燃焼ガスが流入する。副室用ピストン５５の封止部材としては、耐熱性を有するピストンリング５５ａが配置されている。ピストンリング５５ａは、たとえば金属により形成されている。副室用ピストン５５は、筒状部材５１に固定されておらず、筒状部材５１の軸方向に移動するように形成されている。

容積可変装置は、副室用ピストン５５が制御圧力で移動し始めるように、副室用ピストン５５を燃焼室５に向かって付勢する付勢装置を含む。基礎技術においては、密閉されたガス室６１の圧力により副室用ピストン５５を付勢している。ガス室６１には、副室用ピストン５５が筒状部材５１の底部に着底しているときに、気圧が制御圧力になるように気体が封入されている。

図３に、基礎技術の内燃機関における燃焼室の圧力のグラフを示す。横軸がクランク角度であり、縦軸が燃焼室の圧力および副室用ピストンの変位である。図３には、燃焼サイクルのうち圧縮行程および膨張行程のグラフが示されている。副室用ピストン５５は、筒状部材５１の底部に着底しているときの変位が零である。基礎技術における容積可変装置は、燃焼サイクルの圧縮行程から膨張行程の期間中に、燃焼室５の圧力が制御圧力に到達した場合に、燃焼室５の圧力変化を駆動源として副室用ピストン５５が移動する。この結果、副室６０の容積が大きくなる。

図２および図３を参照して、圧縮行程の開始時には副室用ピストン５５が筒状部材５１の底部に配置されている。圧縮行程ではピストン３が上昇して、燃焼室５の圧力が上昇する。ここで、ガス室６１には制御圧力の気体が封入されているために、燃焼室５の圧力が制御圧力になるまでは、副室用ピストン５５は着底した状態が維持される。

図３に示す例では、クランク角度が０°（ＴＤＣ）より僅か後に点火される。点火されることにより燃焼室５の圧力が急激に上昇する。燃焼室５の圧力が制御圧力に達したときに、副室用ピストン５５が移動し始める。混合気の燃焼が進むと、ガス室６１の気体が圧縮されて、副室用ピストン５５の変位が大きくなる。このために、燃焼室５および副室６０の圧力が上昇することが抑制される。図３に示す例では、燃焼室５の圧力がほぼ一定に保たれる。

燃焼室５において、更に燃料の燃焼が進むと、副室用ピストン５５の変位は最大になった後に小さくなる。ガス室６１の圧力が制御圧力に向かって減少する。燃焼室５の圧力が制御圧力になったときに、副室用ピストン５５の変位が零に戻る。すなわち、副室用ピストン５５は着底する位置まで戻る。燃焼室５の圧力が制御圧力未満になった場合には、クランク角度の進行とともに燃焼室５の圧力が減少する。

このように、基礎技術における燃焼圧力制御装置は、燃焼室５の圧力が制御圧力に到達したときに燃焼室の圧力上昇を抑制し、燃焼室の圧力が異常燃焼の発生する圧力以上にならないように制御する。

図４に、比較例の内燃機関における点火時期と出力トルクとの関係を説明するグラフを示す。比較例の内燃機関は、副室を有していない。すなわち、比較例は、容積可変装置を有していない内燃機関である。図４のグラフは、所定の状態で比較例の内燃機関を運転しているときのグラフである。横軸は、点火するときのクランク角度（点火時期）を示している。

混合気に点火する時期によって内燃機関の性能が変化することが分かる。内燃機関は、出力トルクが最大になる点火時期（θｍａｘ）を有する。出力トルクが最大になる点火時期は、エンジン回転数、スロットル開度、空燃比、圧縮比などにより変化する。出力トルクが最大になる点火時期で点火することにより、燃焼室の圧力が高くなり熱効率が最良になる。このため、出力トルクが大きくなり、燃料消費量を少なくすることができる。また、排出される二酸化炭素を減らすことができる。

ところが、点火時期を早くするとノッキング現象などの異常燃焼が発生する。特に高負荷になると、異常燃焼の発生する領域が大きくなる。比較例の内燃機関においては、異常燃焼を回避するために、出力トルクが最大になる点火時期よりも遅らせて点火している。このように、異常燃焼が発生する領域を避けた点火時期を選定している。

図５に、比較例の内燃機関の燃焼室の圧力のグラフを示す。実線は、燃料の供給を停止（フュエルカット）して、かつスロットル弁の開度が全開（ＷＯＴ）のときの燃焼室の圧力を示している。このときの燃焼室の圧力は、クランク角度が０°のとき、すなわち圧縮上死点において最大になる。この圧力は、燃料を供給しないときの燃焼室の最大圧力になる。

内燃機関においては、点火時期に依存して、燃焼室の圧力が変動する。破線で示されているグラフは、出力トルクが最大になる点火時期で点火したときのグラフである。破線は、異常燃焼が発生しないと仮定した場合のグラフを示している。図５に示す例においては、クランク角度が０°（ＴＤＣ）よりもやや後の時期に点火を行なっている。出力トルクが最大になる点火時期で点火した場合においては、燃焼室の圧力が高くなる。しかしながら、実際の内燃機関では、燃焼室の最大圧力（Ｐｍａｘ）が異常燃焼の発生する圧力よりも大きくなるために、点火時期を遅角させている。一点鎖線は、点火時期を遅角させたときのグラフである。点火時期を遅角させた場合には、出力トルクが最大になる点火時期で点火した場合よりも燃焼室の最大圧力が小さくなる。

図３を参照して、破線は、比較例の内燃機関において出力トルクが最大になる点火時期θｍａｘで点火した場合のグラフを示している。前述のとおり、この点火時期で点火した場合には、異常燃焼が発生する。

これに対して、基礎技術における内燃機関は、燃焼室の圧力が異常燃焼の発生圧力未満で燃焼を行なうことができる。点火時期を早くしても異常燃焼の発生を抑制することができる。特に、圧縮比が高いエンジンにおいても異常燃焼を抑制することができる。このため、図５に示す点火時期を遅らせた比較例の内燃機関に比較して、熱効率が改善され、出力トルクを大きくすることができる。または、燃料消費量を少なくすることができる。

基礎技術の内燃機関においては、熱効率が最も良くなる点火時期に点火している。基礎技術の内燃機関は、図３に示す比較例の内燃機関の出力トルクが最大になる点火時期にて点火することも可能である。しかしながら、基礎技術における内燃機関は、点火時期を比較例における内燃機関の出力トルクが最大になる点火時期よりも早くしている。この構成により、より熱効率を改善することができ、更に出力トルクを大きくすることができる。このように、基礎技術における内燃機関は、異常燃焼を回避しながら熱効率が最も良くなる時期に点火することができる。

基礎技術においては、副室用ピストン５５が筒状部材５１の底部に着底しているときのガス室６１の気圧が制御圧力になる。制御圧力としては、燃料の供給を停止した場合における燃焼室の最大圧力より大きくすることができる。すなわち図５に示す実線のグラフの燃焼室の最大圧力より大きく設定することができる。また、制御圧力は、異常燃焼が発生する圧力未満に設定することができる。

比較例の内燃機関は、点火時期を遅角するために排気ガスの温度が高くなる。または、熱効率が低いために排気ガスの温度が高くなる。比較例の内燃機関においては、排気ガスの温度を下げるために、燃焼時の空燃比を理論空燃比より小さくすることができる。ところが、排気浄化装置としての三元触媒は、排気ガスの空燃比が理論空燃比の近傍の場合に高い浄化能力を示す。三元触媒は、理論空燃比から外れると、浄化性能が極端に小さくなってしまう。このため、燃焼時の空燃比を理論空燃比よりも小さくすると、排気ガスの浄化能力が低下し、排気ガスに含まれる未燃燃料が多くなってしまう。また、比較例の内燃機関は、排気ガスの温度が高くなるために、排気浄化装置の耐熱性が要求されて高質の材料が必要になったり、排気ガスを冷却するための装置や排気ガスを冷却するための新たな構造が必要になったりする場合がある。

これに対して、基礎技術における内燃機関は、熱効率が高いために排気ガスの温度が高くなることを回避することができる。基礎技術における内燃機関は、排気ガスの温度を下げるために燃焼時の空燃比を小さくする必要性が小さく、排気浄化装置が三元触媒を含む場合に浄化性能を維持することができる。更に、排気ガスの温度が高くなることを回避できるために、排気浄化装置の部材の耐熱性の要求が低くなる。または、排気ガスの冷却を行なうための装置等を新たに追加しなくても装置を形成することができる。

また、図３を参照して、一般的に熱効率を向上させるために内燃機関の圧縮比を上昇させる場合には、燃焼室の最大圧力Ｐｍａｘが大きくなる。このために、内燃機関を構成する部材の強度を大きくする必要がある。しかしながら、基礎技術における内燃機関は、燃焼室の最大圧力が大きくなることを回避できて、構成部材が大型になることを回避できる。たとえば、コンロッドの径が大きくなることを回避できる。また、構成部材同士の摩擦が大きくなることを回避できて、燃料消費率の悪化を抑制することができる。

さらに、燃焼室の最大圧力が高い場合においては、燃焼室の径を大きくすることが困難であるという問題がある。燃焼室の径が大きくなると、それに伴ってピストンの支持部分等の構成部材の強度を大きくする必要があり、構成部材の強度を大きくする必要がある。しかしながら、基礎技術においては、燃焼室の最大圧力を低く維持できるために、構成部材の要求強度を低く抑えることができる。このため、燃焼室の径を容易に大きくすることができる。

次に、基礎技術の内燃機関の燃焼圧力制御装置における制御圧力について説明する。

図６は、比較例における内燃機関の負荷と、燃焼室における最大圧力との関係を示すグラフである。内燃機関の負荷は、燃焼室における燃料の噴射量に対応する。異常燃焼が発生しない場合には、破線で示したように、負荷が増加するに従って燃焼室の最大圧力が増加する。所定の負荷よりも大きくなると異常燃焼が発生する。異常燃焼が発生するときの燃焼室の最大圧力は、負荷に依らずにほぼ一定であることが分かる。

基礎技術の内燃機関においては、燃焼室の圧力が異常燃焼を発生する圧力に到達しないように制御圧力を設けている。制御圧力としては、燃料が燃焼したときの燃焼室の最大圧力が異常燃焼の発生圧力よりも小さくなる範囲のうち、大きな圧力であることが好ましい。制御圧力を異常燃焼が発生する圧力の近傍まで高くすることが好ましい。この構成により、異常燃焼を抑制しながら熱効率を大きくすることができる。

図７に、基礎技術における内燃機関の燃焼室の圧力の他のグラフを示す。図２および図７を参照して、基礎技術の内燃機関は、制御圧力に到達することにより、副室用ピストン５５が移動する。このときに、ガス室６１の内部の圧力が上昇する。特に、ガス室６１の容積が小さい場合には、ガス室６１の圧力が上昇する。このため、燃焼室５内の圧力は、ガス室６１の圧力上昇に伴って上昇する場合がある。燃焼室５の圧力のグラフは、制御圧力よりも大きくなった場合に上側に凸の形状になる。このため、制御圧力を定める場合には、燃焼室の圧力が異常燃焼の発生圧力に到達しないように、ガス室６１の圧力の上昇分を見込んで低く設定することが好ましい。

さらに、副室用ピストン５５を含む移動部材が滑らかに移動せずに、圧力の跳ね返りが生じる場合がある。図７に示すように、燃焼室の圧力が脈動する場合がある。このため、制御圧力は、燃焼室の圧力の脈動を考慮して低く設定することが好ましい。このように、制御圧力は、異常燃焼が発生する圧力から予め定められた圧力を減算した圧力に設定されることが好ましい。

次に、基礎技術の内燃機関の燃焼圧力制御装置における点火時期について説明する。

図８に、基礎技術および比較例における燃焼室の圧力のグラフを示す。実線は、基礎技術の内燃機関において出力トルクが最大になる時期に点火したときのグラフを示す。一点鎖線は、比較例の内燃機関において点火時期を遅角させた場合のグラフを示す。

基礎技術における内燃機関は、前述したように、内燃機関の熱効率が最大となる点火時期θｍａｘを選定することが好ましい。しかしながら、この点火時期での燃焼室の圧力は高くなる。たとえば、基礎技術の点火時期における燃焼室の圧力は、比較例の点火時期における燃焼室の圧力よりも大きくなる。このために、内燃機関によっては、火花が飛ばせずに失火してしまう場合がある。特に、基礎技術の内燃機関では、クランク角度が０°（ＴＤＣ）の近傍において点火を行なっている。クランク角度が０°の近傍では、燃焼室の圧力が高いために火花が飛びにくい状態になっている。すなわち、空気密度が高いために放電が生じにくい状態になっている。

図１を参照して、燃焼室５において失火すると、未燃燃料が機関排気通路を通って排気浄化装置に流入する。基礎技術においては、未燃燃料が排気ポート９を通って三元触媒２０に流入する。この場合には、三元触媒２０に流入する未燃燃料が多くなり、大気中に放出される排気ガスの性状が悪化する場合がある。または、三元触媒２０において、未燃燃料が燃焼して三元触媒２０が過温になる場合がある。

図８を参照して、このような失火する虞のある内燃機関では、点火時期を進角させることができる。すなわち、点火時期を早くすることができる。たとえば、点火時期を出力トルクが最大になる点火時期よりも更に進角させることができる。点火時期を早くすることにより、燃焼室の圧力が低い時に点火することができて失火を抑制できる。

図９に、基礎技術における内燃機関の出力トルクと排気ガスの温度を説明するグラフを示す。燃焼室における点火時期を早くすることにより、燃焼室から排出される排気ガスの温度が下降することが分かる。

例えば、排気浄化装置を構成する部品の耐熱性を確保するために、排気ガスの温度判定値が予め定められる場合がある。図１を参照して、温度センサ７８により排気ガスの温度を検出し、排気ガスの温度が予め定められた温度判定値を超えていた場合には、点火時期を進角させることができる。更に、燃焼室５に供給する燃料噴射量が多くなると、排気ガスの温度が上昇する。このために、燃料噴射弁１１からの燃料の供給量が予め定められた供給量判定値よりも大きくなった場合には、点火時期を進角させることができる。この構成により、燃焼室５から排出される排気ガスの温度を下降させることができる。排気浄化装置が過温になることを抑制できる。または、進角した点火時期で点火する制御を行なうことにより、排気浄化装置を構成する部品の耐熱性を低下させることができる。たとえば、高質な材料を用いずに排気浄化装置を構成することができる。

図１０に、基礎技術における第２の燃焼圧力制御装置の概略断面図を示す。第２の燃焼圧力制御装置は、筒状部材５１の内部において、副室用ピストン５５に対して燃焼室５と反対側の空間に変形可能な容器が配置されている。基礎技術における変形可能な容器は、ベローズ５２を含む。ベローズ５２の内部に気体が充填されて、ガス室が形成されている。このように、ベローズ５２を配置して内部に気体を充填することにより、ガス室から気体が漏れることを抑制できる。たとえば、ピストンリング５５ａによるシール部分を通して、気体が流出することを抑制できる。

図１１に、基礎技術における第３の燃焼圧力制御装置の概略断面図を示す。第３の燃焼圧力制御装置においては、副室用ピストン５５を付勢する付勢装置として、機械ばねが配置されている。基礎技術におけるばねは、コイルスプリング５３を含む。コイルスプリング５３は、筒状部材５１の内部に配置されている。このように、付勢装置としては、ガス室に限られず、副室用ピストンを付勢することができる任意の装置を採用することができる。

図１２に、基礎技術における第４の燃焼圧力制御装置の概略図を示す。第４の燃焼圧力制御装置は、筒状部材５１のガス室６１に気体を供給するための気体供給装置を備える。第４の燃焼圧力制御装置においては、ガス室６１に空気が充填されている。

基礎技術における気体供給装置は、モータ７１と、モータ７１により駆動される圧縮機７２と含む。ガス室６１は、逆止弁８２を介して圧縮機７２に接続されている。逆止弁８２は、ガス室６１の気体が逆流して流出することを防止する。圧縮機７２とガス室６１とを接続する流路の途中には、分岐流路が形成されている。この分岐流路には、逆止弁８３が配置されている。逆止弁８３は、副室用ピストン５５が移動し始める制御圧力よりも大きな圧力で開くように形成されている。逆止弁８３を配置することにより、ガス室６１の内部の圧力が制御圧力よりも大きくなることを回避できる。

圧縮機７２には、逆止弁８１およびフィルタ７３が接続されている。フィルタ７３は、圧縮機７２に吸入される空気から異物を除去する。逆止弁８１は、圧縮機７２から空気が逆流することを防止する。

気体供給装置は、電子制御ユニット３１により制御されている。基礎技術においては、モータ７１が電子制御ユニット３１に制御されている。気体供給装置は、例えば、予め定められた間隔ごとに起動して、ガス室６１から流出した気体を補充する。

このように、ガス室に気体を供給する気体供給装置を備えることにより、ガス室から気体が漏れ出たとしても、ガス室の内部の圧力をほぼ一定に保つことができる。気体供給装置としては、この形態に限られず、ガス室に気体を供給できる任意の装置を採用することができる。

また、基礎技術における内燃機関の燃焼圧力制御装置は、燃焼室の圧力を検出する圧力検出装置を備えることができる。圧力検出装置は、たとえば筒内圧力センサ（ＣＰＳ：Cylinder Pressure Sensor）を含む。筒内圧力センサは、燃焼室における圧力を検出する。筒内圧力センサは、たとえば、燃焼室の圧力が検出できるようにシリンダヘッドに固定されている。

筒内圧力センサを配置することにより、移動部材が筒状部材に固着していることを検出することができる。例えば、燃料が燃焼している時の圧力を検出し、燃焼室の圧力が、予め定められた判定値よりも大きい場合には、移動部材が筒状部材に固着していると判別することができる。この判定値は、たとえば制御圧力よりも大きな圧力を採用することができる。また、筒内圧力センサを配置することにより、ガス室の気体が漏れたことを検出できる。例えば、燃焼室における圧力が、制御圧力に到達しない場合には、ガス室に充填されていた気体が漏れたことを判別することができる。

基礎技術においては、筒状部材が燃焼室に隣接して配置されることにより副室が形成されているが、副室を構成する副室構成部材としては、この形態に限られず、たとえば、シリンダヘッドに穴部が形成されることにより副室が形成されていても構わない。

基礎技術における容積可変装置は、筒状部材と筒状部材の内部に配置されている副室用ピストンとを備えるが、この形態に限られず、容積可変装置は、燃焼室の圧力変化を駆動源として副室の容積が変化するように形成されていれば構わない。たとえば、弾力性を有し、伸縮可能な容器により副室が形成され、この容器自体が変形することにより副室の容積が変化するように形成されていても構わない。

（実施の形態１）
図１３から図１９を参照して、実施の形態１における燃焼圧力制御装置について説明する。本実施の形態における燃焼圧力制御装置は、制御圧力を変更するための制御圧力変更装置を備える。本実施の形態における燃焼圧力制御装置は、ガス室に気体を供給する気体供給装置を備える。本実施の形態における気体供給装置は、制御圧力変更装置として機能する。

図１３は、本実施の形態における第１の燃焼圧力制御装置の概略図である。第１の燃焼圧力制御装置の容積可変装置は、筒状部材５１と、筒状部材５１の内部に配置されている副室用ピストン５５とを備える。筒状部材５１の内部には、副室６０およびガス室６１が形成されている。本実施の形態における気体供給装置が、モータ７１、圧縮機７２、逆止弁８１，８２およびフィルタ７３を備えることは、基礎技術における気体供給装置と同様である（図１２参照）。気体供給装置が電子制御ユニット３１により制御されていることも、基礎技術における燃焼圧力制御装置と同様である。

本実施の形態における気体供給装置は、ガス室６１の圧力を変更する機能を有する。気体供給装置は、排気弁８４を含む。排気弁８４は、気体を排気することができるように配置されている。本実施の形態における排気弁８４は、圧縮機７２とガス室６１とを接続する流路から分岐する流路に配置されている。気体供給装置は、圧力調整弁８５を含む。圧力調整弁８５は、圧縮機７２とガス室６１とを接続する流路に配置されている。圧力調整弁８５は、開閉することによりガス室６１の圧力を調整する。本実施の形態における排気弁８４および圧力調整弁８５は、電磁弁であり、電子制御ユニット３１により制御されている。

また、本実施の形態における気体供給装置は、圧力センサ８９を含む。圧力センサ８９は、ガス室６１の気圧を検出するように配置されている。本実施の形態における圧力センサ８９は、圧縮機７２とガス室６１とを接続する流路に配置されている。圧力センサ８９の出力値は、電子制御ユニット３１に入力される。

本実施の形態における第１の燃焼圧力制御装置は、内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出装置を備える。検出した内燃機関の運転状態に基づいて制御圧力を変更する。任意の時刻における運転状態に基づいて、ガス室６１の圧力を変更する。圧縮機７２が駆動している状態で、圧力調整弁８５を開くことにより、ガス室６１の圧力を上昇させることができる。圧縮機７２が停止している状態で、圧力調整弁８５および排気弁８４を開くことにより、ガス室６１の圧力を低下させることができる。ガス室６１の気圧を変更することにより制御圧力を変更することができる。たとえば、ガス室６１の気圧を高くすることにより、制御圧力を高くすることができる。

次に、制御圧力を変更するための内燃機関の運転状態について、機関回転数を例に取り上げて説明する。運転状態検出装置は、機関回転数を検出するためのクランク角センサ４２を含む。

図１４に、比較例における内燃機関の回転数と、ノッキング余裕点火時期との関係を説明するグラフを示す。ノッキング余裕点火時期は、以下の式で表すことができる。

（ノッキング余裕点火時期）＝（ノッキングが発生する点火時期）−（出力トルクが最大になる点火時期）

ノッキング余裕点火時期は、その値が小さいほど異常燃焼が発生し易くなる。それぞれの内燃機関の回転数により、ノッキングの発生しやすさが異なる。このため、第１の燃焼圧力制御装置においては、内燃機関の回転数に基づいて制御圧力を変更する。内燃機関は、概して、内燃機関の回転数が高くなると燃焼期間が短くなるために、異常燃焼が発生しにくくなる。

図１５に、本実施の形態における第１の燃焼圧力制御装置の内燃機関の回転数に対する制御圧力のグラフを示す。内燃機関の回転数が高くなるほど制御圧力を高く設定している。図１を参照して、本実施の形態においては、内燃機関の回転数を関数にした制御圧力の値を、予め電子制御ユニット３１のＲＯＭ３４に記憶させておく。電子制御ユニット３１は、クランク角センサ４２により内燃機関の回転数を検出し、回転数に応じた制御圧力を選定する。電子制御ユニット３１は、ガス室６１の気圧が選定された制御圧力になるように気体供給装置を制御する。

また、本実施の形態における第１の燃焼圧力制御装置は、燃料の性状を検出する燃料性状検出装置を備える。検出した燃料の性状に基づいて、制御圧力を変更する。内燃機関の燃料にアルコールが含まれる場合がある。本実施の形態においては、燃料の性状としてアルコール濃度を検出する内燃機関を例に取り上げて説明する。この内燃機関の運転時の特性は、アルコール濃度に依存する。

図１６に、比較例の内燃機関における燃料に含まれるアルコール濃度と、遅角補正量との関係を説明するグラフを示す。比較例の内燃機関は、異常燃焼が生じる場合に点火時期を遅角させている。図１６の横軸は、燃料に含まれるアルコール濃度を示し、縦軸は、異常燃焼が生じないように点火時期を遅角させるときの遅角補正量を示す。燃料に含まれるアルコール濃度が高くなるほど、遅角補正量が小さくなっている。このように、内燃機関は、アルコール濃度が高くなるほど異常燃焼が発生しにくくなる。このため、第１の燃焼圧力制御装置においては、燃料に含まれるアルコール濃度に基づいて制御圧力を変更する。

図１７に、本実施の形態における第１の燃焼圧力制御装置のアルコール濃度に対する制御圧力のグラフを示す。アルコール濃度が高くなるほど、制御圧力を高く設定している。本実施の形態における燃料性状検出装置は、燃料に含まれるアルコール濃度を検出するアルコール濃度センサを含む。図１を参照して、本実施の形態における内燃機関は、燃料供給流路に燃料性状センサ７７としてアルコール濃度センサが配置されている。アルコール濃度を関数にした制御圧力の値を、予め電子制御ユニット３１のＲＯＭ３４に記憶させておく。電子制御ユニット３１は、燃料に含まれるアルコール濃度を検出し、アルコール濃度に応じた制御圧力を選定する。電子制御ユニット３１は、ガス室６１の気圧が選定された制御圧力になるように気体供給装置を制御する。

内燃機関は、点火する時の混合気の温度が低いほど異常燃焼が生じにくい。内燃機関の運転状態としては、内燃機関の回転数の他に、吸気温度、内燃機関の冷却水温度、点火する直前における燃焼室の温度等を例示することができる。これらの温度が低いほど、制御圧力を高く設定することができる。更に、内燃機関の圧縮比が可変の場合には、圧縮比が低いほど点火する時の温度が低くなる。このため、圧縮比が低いほど、制御圧力を高くすることができる。

また、内燃機関は、新たに吸入する空気または再循環ガス等の作動ガスが燃料に対して多くなるほど、異常燃焼が生じにくい。このため、内燃機関の運転状態としては、吸気空気量、再循環ガス流量、燃焼時の空燃比を例示することができる。作動ガスが燃料に対して多くなるほど、制御圧力を高くすることができる。

燃料の性状としては、アルコール濃度の他に、ガソリンのオクタン価等の耐ノッキング性を示す指標を例示することができる。たとえば、オクタン価が高い燃料等の異常燃焼が生じにくい燃料が燃焼室に供給されたことを検出して、制御圧力を高くすることができる。

このように、内燃機関の運転状態や燃料の性状に応じて制御圧力を変更することにより、異常燃焼の発生を抑制しながら、燃焼室の最大圧力を大きくすることができる。運転状態や燃料の性状に応じて、異常燃焼の発生を抑制しながら、出力トルクを大きくしたり、燃料消費量を抑制したりすることができる。なお、燃焼圧力制御装置は、運転状態および燃料の性状を同時に検出して制御圧力を設定しても構わない。

制御圧力変更装置としては、上記の形態に限られず、制御圧力を変更できる任意の装置を採用することができる。たとえば、副室用ピストンに反力を与える付勢装置がコイルスプリングを含んでいる場合には、副室用ピストンが着底しているときに、軸方向にコイルスプリングを押圧して、コイルスプリングの長さを変更できるように形成されていても構わない。

図１８に、本実施の形態における第２の燃焼圧力制御装置の概略図を示す。第２の燃焼圧力制御装置は気体供給装置を含む。第２の燃焼圧力制御装置の気体供給装置は、ガス室６１の減圧速度を遅くする機能を有する。第２の燃焼圧力制御装置の気体供給装置は、副室用ピストンが戻るときに、移動速度を一時的に低くする機能を有する。

本実施の形態における第２の燃焼圧力制御装置の気体供給装置は、第１の燃焼圧力制御装置の気体供給装置の構成に加えて、絞り弁としてオリフィス８７を有する。オリフィス８７は、圧縮機７２とガス室６１とを接続する流路に配置されている。さらに、オリフィス８７に並列して、逆止弁８８が配置されている。逆止弁８８は、圧縮機７２からガス室６１に向かって空気を流すように配置されている。また、圧縮機７２とガス室６１と接続する流路の途中には、水分を除去するための乾燥機８６が配置されている。

第２の燃焼圧力制御装置は、ガス室６１の圧力を上昇させる場合に、圧縮機７２を駆動して、圧力調整弁８５を開いた状態にする。矢印１０１に示すように、主に逆止弁８８を通じて空気が流れる。このときに、オリフィス８７を通じて空気が流れても構わない。また、ガス室６１の圧力を降下させる場合には、圧力調整弁８５および排気弁８４を開いた状態にする。また、圧縮機７２を停止させても構わない。このときに、空気は、矢印１０２に示すように、逆止弁８８を通らずにオリフィス８７を通る。排出される空気は、オリフィス８７を通ることにより、流量が制限される。ガス室６１を減圧するときに、短時間に大量の空気が排出され、ガス室６１の圧力が大きく下降することを抑制できる。このように、第２の燃焼圧力制御装置は、ガス室６１の減圧速度を遅くすることができる。

図１９に、本実施の形態における第２の燃焼圧力制御装置の運転例のタイムチャートを示す。図１９は、圧縮行程および膨張行程におけるグラフである。横軸はクランク角度を示している。図１８および図１９を参照して、クランク角度θ１までの期間においては、圧縮機７２が駆動状態になっている。また、圧力調整弁８５が開状態になっている。ガス室６１に制御圧力のガスが充填される。クランク角度θ１において、ガス室６１の圧力が制御圧力に達している。クランク角度θ１において、圧力調整弁８５を閉じて圧縮機７２を停止している。燃焼室５において混合気が点火されることにより、燃焼室５の圧力が上昇する。

クランク角度θ２において、燃焼室５の圧力が制御圧力に達している。クランク角度θ２において、燃焼室５の圧力がガス室６１の圧力とほぼ同じになり、副室用ピストン５５が移動を開始する。燃焼室５の圧力は、ほぼ一定に保たれる。

クランク角度θ３において、圧力調整弁８５および排気弁８４を一時的に開いた状態に制御する。圧力調整弁８５および排気弁８４が開くことにより、ガス室６１の圧力が下降する。このときに空気がオリフィス８７を通るために、所望の圧力までガス室６１を減圧することができる。副室用ピストン５５の変位が変化して、燃焼室５が制御圧力よりも低い圧力で維持される。クランク角度θ４において、副室用ピストン５５の変位が零になる。クランク角度θ４以降においては、燃焼室５の圧力が減少する。

本実施の形態においては、ガス室６１の内部を減圧する時期は、燃料が燃焼している燃焼期間のうち後半の時期に設定されている。燃焼期間を等分に分割したときに、後半の時期（後期）にガス室６１を減圧している。燃焼室５の圧力が低下して副室用ピストン５５が燃焼室５に向かって移動するときに、副室用ピストン５５の移動速度を一時的に低下させている。この結果、副室用ピストン５５が燃焼室５と反対側に向かって移動するときの時間よりも、燃焼室５に向かって移動するときの時間が長くなる。

本実施の形態における第２の燃焼圧力制御装置は、燃焼期間の後期の燃焼のばらつきを小さくすることができる。燃焼期間の後期においては、ピストンが速く移動する。または、ピストンの移動量が大きくなる。このため、燃焼室の圧力が１回の燃焼サイクル毎に変化すると、内燃機関の出力トルクが変動する。

第２の燃焼圧力制御装置は、燃焼期間の後期の燃焼室の圧力を高くすることができ、燃焼期間の後期における燃焼性を向上させることができる。たとえば、クランク角度θ４における燃焼室の圧力を、排気弁の開動作がない場合よりも高くすることができる。このため、１回の燃焼サイクルごとに生じる出力トルクのばらつきを低減することができる。この結果、内燃機関が発生する出力トルクの変動を低減することができる。ガス室の圧力を減圧する時期としては、燃焼期間のうち終わりの近傍の時期でも構わない。

第２の燃焼圧力制御装置は、内燃機関の出力トルクのばらつきが小さくなるために、点火時期を大幅に遅角させることができる。例えば、図１を参照して、本実施の形態における内燃機関は、機関排気通路に、三元触媒２０が配置されている。三元触媒２０は、排気浄化性能が所定の能力に達する活性化温度を有する。内燃機関の始動時などにおいては、三元触媒２０は低温であり、活性化温度未満である。

三元触媒２０を活性化温度以上にするために、排気ガスの温度を上昇させる場合がある。燃焼室５において、点火時期を遅角させることにより、排気ガスの温度を上昇させることができる。しかしながら、点火時期を遅角させると出力トルクのばらつきが大きくなる。第２の燃焼圧力制御装置を備える内燃機関は、出力トルクのばらつきを低減することができるために、点火時期を大幅に遅角することができる。このため、短時間に三元触媒等の排気浄化装置を昇温することができる。

また、内燃機関の出力トルクのばらつきが小さくなるために、燃焼時の空燃比をより大きくすることができる。すなわち、燃焼時の空燃比を、よりリーンにすることができる。燃焼時の空燃比を大きくすることにより、燃料消費率を向上させることができる。しかしながら、燃焼時の空燃比をリーンにすることにより出力トルクのばらつきが発生する。第２の燃焼圧力制御装置を備える内燃機関は、出力トルクのばらつきを抑制しながら燃焼時の空燃比を大きくすることができる。

また、内燃機関が排気ガス再循環（ＥＧＲ）装置を備える場合には、再循環率を高くすることにより、ポンピングロスを小さくすることができる。しかしながら、排気ガスの再循環率を高くすることにより、燃焼期間が長くなって出力トルクのばらつきが大きくなる。第２の燃焼圧力制御装置を備える内燃機関は、出力トルクのばらつきを抑制しながら排気ガスの再循環率を高くすることができる。

このように、第２の燃焼圧力制御装置を備える内燃機関は、出力トルクのばらつきを抑制することにより、点火時期を大幅に遅角したり、燃焼時の空燃比を大きくしたり、排気ガスの再循環率を高くしたりすることができる。

本実施の形態における第２の燃焼圧力制御装置においては、逆止弁およびオリフィスを用いることにより、燃焼期間中にガス室から所定量の気体を抜くように形成されているが、この形態に限らず、燃焼期間中にガス室から所望の空気を排出できる任意の装置を採用することができる。または、副室用ピストンの移動速度を低下させる任意の装置を採用することができる。

その他の構成、作用および効果については、基礎技術と同様であるので、ここでは説明を繰り返さない。

（実施の形態２）
図２０から図２８を参照して、実施の形態２における内燃機関の燃焼圧力制御装置について説明する。本実施の形態おける燃焼圧力制御装置は、容積可変装置の移動部材として副室用ピストンおよびガス室用ピストンを備える。本実施の形態の燃焼圧力制御装置は、ガス室に気体を供給する気体供給装置を備えるが、以下ではガス室が密閉されている容積可変装置を例に取り上げて説明する。

図２０は、本実施の形態における第１の燃焼圧力制御装置の概略断面図である。本実施の形態における容積可変装置の移動部材は、副室用ピストン５５とガス室用ピストン５６とを含む。ガス室用ピストン５６は、副室用ピストン５５に接続棒５８を介して固定されている。本実施の形態における移動部材は、副室用ピストン５５とガス室用ピストン５６との間に配置されている中間ピストン５７を含む。これらの複数のピストンは、筒状部材５１の内部に配置されている。

ガス室用ピストン５６の外周面には、Ｏリング５６ａが配置されている。ガス室用ピストン５６と筒状部材５１との間の密閉が保たれている。本実施の形態における中間ピストン５７は、接続棒５８の軸方向に沿って、自由に移動できるように配置されている。中間ピストン５７の内周面および外周面にはＯリング５７ａが配置されている。中間ピストン５７と接続棒５８との間、および中間ピストン５７と筒状部材５１との間の密閉が保たれている。

本実施の形態においては、中間ピストン５７と副室用ピストン５５との間に、空気室６３が形成されている。空気室６３には、空気が充填されている。また、中間ピストン５７とガス室用ピストン５６との間には、オイル室６２が形成されている。オイル室６２には、オイルが充填されている。

本実施の形態における燃焼圧力制御装置の付勢装置は、ガス室６１を含み、ガス室６１の気圧により移動部材を燃焼室５の側に向かって付勢する。本実施の形態においては、副室用ピストン５５、ガス室用ピストン５６および中間ピストン５７が、矢印１００に示すように、筒状部材５１の軸方向に一体的に移動する。また、中間ピストン５７は、ガス室用ピストン５６に追従して移動する。このように、オイル室６２および空気室６３は、複数のピストンと同時に移動する。

本実施の形態における容積可変装置は、副室用ピストン５５とガス室用ピストン５６とが一体的に移動することにより、オイル室６２のオイルが、筒状部材５１の内面に塗布される。このために、副室用ピストン５５の外周面に配置されているピストンリング５５ａ、ガス室用ピストン５６の外周面に配置されているＯリング５６ａの密閉性を向上することができる。ガス室６１から気体が漏れたり、副室６０から気体が漏れたりすることを抑制できる。また、オイルが筒状部材５１の内面に塗布されることにより、移動部材の動きが滑らかになる。このため、移動部材が移動する時に生じる燃焼室５の圧力の脈動（図７参照）を抑制することができる。

また、本実施の形態における移動部材の中間ピストン５７は、筒状部材５１の軸方向に自由に移動可能に配置されている。中間ピストン５７は、接続棒５８に固定することができる。しかしながら、外気の温度や副室６０に流入する燃焼室５からの高温の気体により、オイル室６２に充填されているオイルの温度が変化して、膨張したり収縮したりする場合がある。中間ピストン５７を、接続棒５８に固定せずに移動可能に配置することにより、オイル室６２の容積が変化して、オイルの膨張や収縮に適合することができる。

本実施の形態における容積可変装置は、筒状部としての筒状部材５１が、連通管５０を介して燃焼室５に接続されている。連通管５０は、副室６０の径よりも小さい径を有する。筒状部材５１が、連通管５０を介して燃焼室５に接続されていることにより、副室６０と燃焼室５との距離を空けることができ、燃焼室５の熱が副室６０に伝達されることを抑制できる。たとえば、燃焼室５の熱がシリンダヘッド４の内部を伝わって、副室６０に到達することを抑制できる。または、高温の燃焼ガスが連通管５０を通るときに、燃焼ガスを冷却することができる。

また、本実施の形態においては、ガス室６１と副室６０との間に空気室６３が介在している。すなわち、ガス室６１と副室６０との間に気体の空間が配置されている。この構成により、副室６０に流入する燃焼ガスの熱がガス室６１に伝達されることを抑制できる。ガス室６１の気体の温度が変化して、ガス室６１の圧力、即ち制御圧力が変化することを抑制できる。

本実施の形態においては、ガス室と副室との間に空気室を介在させているが、この形態に限られず、任意の気体を封入した部屋を介在させることができる。封入される気体としては、熱伝導率が小さな気体が用いられることが好ましい。または、空気室は、熱伝導を低下させるために減圧されていても構わない。更には、空気室の代わりに断熱性の物質を含む部屋が配置されていても構わない。

本実施の形態における第１の燃焼圧力制御装置は、副室６０の径とガス室６１の径とが、ほぼ同じになっているが、この形態に限られず、副室６０の径とガス室６１の径とが互いに異なっていても構わない。

図２１に、本実施の形態おける第２の燃焼圧力制御装置の概略断面図を示す。第２の燃焼圧力制御装置は、副室６０の径とガス室６１の径とが互いに異なるように形成されている。筒状部材５１の軸方向に垂直な方向に切断したときに、副室用ピストン５５の断面積よりも、ガス室用ピストン５６の断面積が大きくなるように形成されている。この構成を採用することにより、ガス室６１に充填する気体の圧力を低くすることができる。また、燃焼圧力制御装置がガス室６１に気体を供給する気体供給装置を備える場合には、供給する気体の圧力を低くすることができるために、気体供給装置の構成を簡易にすることができる。

図２２に、本実施の形態における第３の燃焼圧力制御装置の概略断面図を示す。図２２には、副室用ピストンの変位が零の場合および副室用ピストンの変位が最大の場合の概略断面図を示している。副室用ピストン５５の外周面に配置されているピストンリング５５ａは、第１封止部材として機能する。中間ピストン５７の内周面と外周面に配置されているＯリング５７ａは、第２封止部材として機能する。ガス室用ピストン５６の外周面に配置されているＯリング５６ａは、第３封止部材として機能する。Ｏリング５６ａ，５７ａは、たとえば、ゴムにより形成されている。

本実施の形態における第３の燃焼圧力制御装置の容積可変装置は、ピストンリング５５ａの移動範囲と、Ｏリング５７ａの移動範囲とが互いに重ならないように形成されている。すなわち、中間ピストン５７に配置されているＯリング５７ａの移動範囲は、ピストンリング５５ａの移動範囲の外側になる様に形成されている。例えば、接続棒５８が十分に長く形成され、中間ピストン５７と副室用ピストン５５との距離が大きくなるように形成されている。

筒状部材５１の内面のピストンリング５５ａが移動する領域には、潤滑剤を溜めるための溝が形成されていることが好ましい。これに対して、筒状部材５１の内面のＯリング５７ａが移動する領域は、密閉性を確保するために滑らかであることが好ましい。本実施の形態のように、ピストンリング５５ａが移動する領域と、Ｏリング５７ａが移動する領域とを分離することにより、それぞれの封止部材に対して密閉性が向上するように、筒状部材５１の内面を形成することができる。

本実施の形態においては、ピストンリング５５ａが移動する領域に、潤滑剤を溜めるためのクロスハッチと言われる細かい溝が形成されている。また、Ｏリング５７ａが移動する領域およびＯリング５６ａが移動する領域は、溝等が形成されておらず、滑らかに形成されている。すなわち、筒状部材５１の内面の表面粗さが小さくなるように形成されている。この構成により、オイル室６２からオイルが漏れたり、ガス室６１から気体が漏れたりすることを抑制できる。また、クロスハッチを形成することにより、ピストンリング５５ａの潤滑性を向上することができる。

図２３に、本実施の形態における第４の燃焼圧力制御装置の概略断面図を示す。図２３は、副室用ピストン５５の変位が零のときの概略断面図である。本実施の形態における第４の燃焼圧力制御装置は、中間ピストン５７と、ガス室用ピストン５６との間に配置されている隔壁部５９を含む。隔壁部５９は、一つのオイル室を分割するように配置されている。オイル室６２ａおよびオイル室６２ｂが形成されている。隔壁部５９は、筒状部材５１に固定されている。

隔壁部５９には、２つのオイル室６２ａ，６２ｂを互いに流通させるように、オリフィス４９が形成されている。オリフィス４９は、隔壁部５９を貫通している。オリフィス４９は、オイル室６２ａとオイル室６２ｂとの間を流れるオイルの流量を制限するように形成されている。

図２４に、本実施の形態における第４の燃焼圧力制御装置の他の概略断面図を示す。図２４は、副室用ピストン５５の変位が最大になったときの概略断面図である。副室用ピストン５５の変位が大きくなるときには、オイルはオイル室６２ｂからオイル室６２ａに流れる。また、副室用ピストン５５の変位が小さくなるときには、オイルはオイル室６２ａからオイル室６２ｂに流れる。

オイルは、オイル室６２ａとオイル室６２ｂとの間を流れるときにオリフィス４９を通るために、副室用ピストン５５の移動を低速にすることができる。このため、副室用ピストン５５が移動する時の騒音や振動を抑制することができる。また、副室用ピストン５５は、筒状部材５１の底部に着底したときに跳ね返る場合がある。副室用ピストン５５が跳ね返ることにより、副室６０の容積が瞬間的に変化し、燃焼室５の圧力に悪影響を与える場合がある。オイル室にオリフィス４９を有する隔壁部５９を配置することにより、このような副室用ピストン５５の跳ね返りを抑制することができる。副室用ピストン５５の跳ね返りのときに生じる騒音や振動を低減することができる。燃焼室５の圧力に悪影響を与えることを抑制できる。

図２５に、本実施の形態における第５の燃焼圧力制御装置の概略断面図を示す。第５の燃焼圧力制御装置は、筒状部材５１に固定されている隔壁部５９を含む。隔壁部５９は、オイル室の内部に配置されている。隔壁部５９には、第１逆止弁としての逆止弁４８ａおよび第２逆止弁としての逆止弁４８ｂが配置されている。

図２６に、第５の燃焼圧力制御装置の隔壁部の部分の拡大概略断面図を示す。逆止弁４８ａは、オイル室６２ｂの圧力がオイル室６２ａの圧力よりも高くなった場合に、オイルが流れるように形成されている。逆止弁４８ｂは、オイル室６２ａの圧力がオイル室６２ｂの圧力よりも高くなった場合に、オイルが流れるように形成されている。

本実施の形態においては、オイル室６２ａとオイル室６２ｂとの差圧の絶対値が互いに等しいときに、逆止弁４８ｂを流れる流量は、逆止弁４８ａを流れる流量よりも小さくなるように形成されている。逆止弁４８ａ，４８ｂは、逆止弁４８ｂの最大流量が、逆止弁４８ａの最大流量よりも小さくなるように形成されている。

図２７に、本実施の形態における第５の燃焼圧力制御装置の他の概略断面図を示す。図２７は、副室用ピストン５５の変位が最大になったときの概略断面図である。副室用ピストン５５の変位が大きくなる時、即ち副室の容積が大きくなる時には、オイル室６２ｂのオイルが逆止弁４８ａを通ってオイル室６２ａに流入する。一方で、副室用ピストン５５の変位が小さくなる時、即ち副室の容積が小さくなる時には、オイル室６２ａのオイルが逆止弁４８ｂを通ってオイル室６２ｂに流入する。図２６および図２７を参照して、矢印１０３に示す向きに副室用ピストン５５が移動する場合には、大きな移動速度で移動する。矢印１０４に示す向きに副室用ピストン５５が移動する場合には、小さな移動速度で移動する。

図２８に、本実施の形態における第５の燃焼圧力制御装置の圧縮行程および膨張行程のタイムチャートを示す。横軸には、クランク角度を示している。実線にて第５の燃焼圧力制御装置を示し、破線にて隔壁部を有しない燃焼圧力制御装置を示している。

燃焼室において燃焼が開始して、燃焼室の圧力が急激に上昇する。クランク角度θ１において、燃焼室の圧力が制御圧力に到達する。副室用ピストン５５が移動を開始する。クランク角度θ２になるまで逆止弁４８ａが開いて、オイル室６２ｂからオイル室６２ａにオイルが流れる。クランク角度θ１からクランク角度θ２まで、副室用ピストンは、矢印１０３に示す向きに大きな速度で上昇する。

副室用ピストン５５の変位が小さくなる場合には、オイル室６２ａに貯留されているオイルが、逆止弁４８ｂを通ってオイル室６２ｂに流入する。クランク角度θ２からクランク角度θ３までは、逆止弁４８ｂが開くことによりオイルが流れている。このときに、逆止弁４８ｂにおいてオイルの流量が制限される。副室用ピストン５５の変位が零に戻る速度が遅くなる。クランク角度θ３において、副室用ピストン５５の変位が零に戻っている。

副室用ピストン５５は、遅い速度で変位が零に向かって減少するため、クランク角度θ２の直後における燃焼室５の圧力は、隔壁部を有しない場合よりも低くなる。しかし、燃焼期間のうち後期において燃焼室の圧力が高くなる。たとえば、クランク角度θ３の近傍においては、燃焼室の圧力が隔壁部のない場合よりも高くなる。燃焼期間の後期の燃焼性が向上し、内燃機関の出力トルクのばらつきを低減することができる。このため、実施の形態１の第２の燃焼圧力制御装置（図１８および図１９参照）と同様に、出力トルクのばらつきを抑制しながら、点火時期を大幅に遅角させたり、排気ガスの空燃比を大きくしたり、または、排気ガスの再循環率を高くしたりすることができる。

このように、副室の容積が小さくなる速度を、副室の容積が大きくなる速度よりも遅くすることにより、燃焼期間のうち後期の燃焼性を向上させることができる。さらに、副室用ピストンの変位が零に戻るときの速度を遅くすることができるために、移動部材の振動や騒音を低減することができる。たとえば、副室用ピストンが筒状部材の底部に着底する時の振動や騒音を低減することができる。

その他の構成、作用および効果については、基礎技術または実施の形態１と同様であるので、ここでは説明を繰り返さない。

（実施の形態３）
図２９から図３１を参照して、実施の形態３における燃焼圧力制御装置について説明する。本実施の形態の燃焼圧力制御装置は、ガス室に気体を供給する気体供給装置を備えるが、以下ではガス室が密閉されている容積可変装置を例に取り上げて説明する。

図２９に、本実施の形態における第１の燃焼圧力制御装置の概略図を示す。第１の燃焼圧力制御装置を備える内燃機関は、複数の燃焼室を有する。図２９に示す例においては、４気筒の内燃機関を示している。この内燃機関は、第１気筒、第２気筒、第３気筒および第４気筒を備える。また、本実施の形態においては、第１気筒、第３気筒、第４気筒および第２気筒が、この順に点火が行なわれる。すなわち、気筒毎に点火時期が異なっている。

第１の燃焼圧力制御装置は、それぞれの燃焼室５ごとに容積可変装置が配置されている。それぞれの容積可変装置には、筒状部材５１の内部に副室用ピストン５５が配置されている。筒状部材５１の内部には、副室６０およびガス室６１が形成されている。複数のガス室６１は、接続管６８で互いに接続されている。

副室６０に流入する燃焼ガスの熱によりガス室６１の温度が上昇する場合がある。複数のガス室６１を互いに接続することにより、ガス室６１の温度変化に伴う圧力の変化を緩和することができる。また、本実施の形態における内燃機関は、それぞれの気筒の点火時期が互いに異なり、更に、複数のガス室６１が互いに接続管６８で接続されている。このため、後述する補助タンクを備える場合と同様に、副室用ピストン５５が移動するときに、実質的にガス室６１の容積が大きくなっている。このため、副室用ピストン５５の移動に伴うガス室６１の圧力上昇を抑制することができる。

図３０に、本実施の形態における第２の燃焼圧力制御装置の概略図を示す。第２の燃焼圧力制御装置は、補助タンク７０を含む。補助タンク７０は、接続管６９を介してガス室６１に接続されている。補助タンク７０をガス室６１に接続することは、実質的にガス室６１の容積が大きくなったことに相当する。

図３１に、副室用ピストンの変位と副室の圧力との関係を説明するグラフを示す。図３１には、副室用ピストンを付勢する付勢装置がコイルスプリングを含む場合およびガス室を含む場合（ガスバネの場合）を示している。付勢装置がコイルスプリングを含む場合には、副室用ピストンの変位が大きくなるほど副室の圧力が大きくなる。

ガス室を含む付勢装置においては、ガス室の容積が大きくなるほど、ガス室の圧力上昇を小さくすることができる。このため、副室用ピストンの変位が大きくなっても、副室の圧力上昇を小さくすることができる。ガス室に補助タンクを接続することにより、副室の圧力上昇を抑制することができる。

特に、副室用ピストンの変位が大きくなった場合においても、副室の圧力をほぼ一定に保つことができる。この結果、図７に示したように、副室用ピストンが移動した場合に、燃焼室の圧力が上昇する（燃焼室の圧力のグラフが上側に凸になる）ことを抑制できる。燃焼室の圧力上昇を小さくすることができ、副室用ピストンが移動している期間において燃焼室の圧力をほぼ一定に保つことができる。

その他の構成、作用および効果については、基礎技術および実施の形態１または２と同様であるので、ここでは説明を繰り返さない。

（実施の形態４）
図３２から図４０を参照して、実施の形態４における内燃機関の燃焼圧力制御装置について説明する。本実施の形態の燃焼圧力制御装置は、ガス室に気体を供給する気体供給装置を備えるが、以下ではガス室が密閉されている容積可変装置を例に取り上げて説明する。

図３２は、本実施の形態における第１の燃焼圧力制御装置の概略断面図である。本実施の形態における第１の燃焼圧力制御装置は、副室６０が燃焼室５から離れて配置されている。第１の燃焼圧力制御装置は、燃焼室５と副室６０とを接続する連通管５０を備える。

図３３は、第１の燃焼圧力制御装置の燃焼室における配置を説明する概略平面図である。本実施の形態における内燃機関は、２つの吸気弁６および２つの排気弁８を備える。図３２および図３３を参照して、連通管５０は、途中で分岐して、複数の箇所にて燃焼室５に接続されている。枝分かれした連通管５０は、燃焼室５のうち点火プラグ１０の近傍に接続されている。連通管５０は、点火プラグ１０を取り囲むように配置されている。本実施の形態における連通管５０は、吸気弁６の平面形状の円の中心６ａを通るように、燃焼室５の外形に沿って円９０を画定したときに、この円９０の内側において燃焼室５に接続されている。更には、排気弁８の平面形状の円の中心を通るように、燃焼室５の外形に沿って他の円を画定したときに、他の円の内側において燃焼室５に接続されていることが好ましい。

点火プラグ１０の近傍では点火の直後に燃料が燃焼する。点火プラグ１０の近傍では燃焼室５の圧力が制御圧力に到達する前に燃料が燃焼する。すなわち、連通管５０に気体が流入する前に燃料が燃焼する。点火プラグ１０の近傍に連通管５０が接続されることにより、未燃燃料が連通管５０および副室６０に侵入することを抑制できる。

連通管５０および副室６０に未燃燃料が侵入した場合には、副室６０の気体が燃焼室５に戻るときに、未燃燃料が燃焼室５に流入する。このため、燃焼室５における燃焼特性が変化する場合がある。点火プラグ１０の近傍に連通管５０を接続することにより、このような燃焼特性の変化を回避することができる。

また、未燃燃料が連通管５０および副室６０に侵入することを抑制することにより、一部の燃料が燃焼せずに機関排気通路に排出されることを抑制できる。このため、燃料消費量が増加することを抑制できる。または、大気中に放出される未燃燃料の量が増加することを抑制できる。または、排気浄化装置に未燃燃料が流入して、排気浄化装置の温度が過温になることを抑制できる。

連通管５０は、火炎が入り込んで副室６０に流入しないように内径が小さく形成されることが好ましい。たとえば、連通管５０は、副室６０の径よりも小さい径を有することが好ましい。または、副室６０に火炎が流入しないように連通管５０を長く形成することが好ましい。また、複数箇所で連通管５０を燃焼室５に接続することにより、連通管５０の圧力損失を小さくすることができる。特に、燃焼室５に接続する部分の径を小さくした場合における連通管の圧力損失を小さくすることができる。

図３４に、本実施の形態おける第２の燃焼圧力制御装置の概略断面図を示す。本実施の形態における第２の燃焼圧力制御装置は、連通管５０が途中で分岐して複数の流路が形成されている。複数の流路のそれぞれには、第１逆止弁としての逆止弁４７ａおよび第２逆止弁としての逆止弁４７ｂが配置されている。

逆止弁４７ａは、燃焼室５の圧力が副室６０の圧力よりも大きいときに気体が流れる向きに配置されている。逆止弁４７ａが開く圧力（クラッキング圧力）は、副室用ピストン５５が移動し始める圧力、すなわち制御圧力に設定されている。逆止弁４７ａは、燃焼室５の圧力が制御圧力以上になった場合に、気体が流れるように形成されている。逆止弁４７ｂは、副室６０の圧力が燃焼室５の圧力よりも大きいときに気体が流れる向きに配置されている。逆止弁４７ｂは、微小の圧力差で気体が流れるように形成されている。

図３５に、本実施の形態における第２の燃焼圧力制御装置の動作を説明するタイムチャートを示す。図３５は、圧縮行程および膨張行程におけるタイムチャートである。燃焼室５において点火することにより、燃焼室５の圧力が急激に上昇する。クランク角度θ１において、燃焼室５の圧力が制御圧力に到達している。燃焼室５の圧力が制御圧力に到達したときに、逆止弁４７ａが開いて気体が副室６０に流入する。

クランク角度θ１からクランク角度θ２までは、逆止弁４７ａを通して、気体が燃焼室５から副室６０に流入する。クランク角度θ２において、副室用ピストン５５の変位が最大になっている。クランク角度θ２からクランク角度θ３までは、逆止弁４７ｂを通して、気体が副室６０から燃焼室５に流入する。クランク角度θ３において、副室用ピストン５５の変位が零に戻る。

第２の燃焼圧力制御装置では、燃焼室５の圧力が制御圧力未満では、副室６０が燃焼室５に対して遮断される。このため、連通管５０に未燃燃料が流入することを抑制できる。また、燃焼室５の圧力が制御圧力に到達したときには、燃料の燃焼が開始されている。クランク角度θ１では、燃料の燃焼が進んでいるために燃焼室に残存する未燃燃料が点火時期における未燃燃料と比べて少なくなっている。このために、未燃燃料が連通管５０および副室６０に侵入することを抑制できる。

図３６に、本実施の形態における第３の燃焼圧力制御装置の概略図を示す。第３の燃焼圧力制御装置は、連通管５０に配置されている開閉弁４６を含む。本実施の形態における開閉弁４６は、電磁弁である。開閉弁４６は、電子制御ユニット３１により制御されている。

第３の燃焼圧力制御装置は、燃焼室５において燃焼期間を検出するための燃焼期間検出装置を備える。本実施の形態における燃焼期間検出装置は、イオン電流検出装置４５を含む。燃焼室５に燃料が燃焼しているときにはイオンが生成される。イオン電流検出装置は、電極間に電圧を印加して流れるイオン電流を検出することにより、燃料の燃焼状態を検出することができる。

本実施の形態におけるイオン電流検出装置は、点火プラグ１０に接続されている。点火プラグ１０により混合気を点火した後に、イオン電流検出装置４５は、点火プラグの電極間に電圧を印加する。イオン電流検出装置４５は、イオン電流を検出することにより、燃焼室５において燃料が燃焼しているか否かを判別する。たとえば、検出されたイオン電流が所定の判定値よりも大きい場合には、燃料が燃焼していると判別することができる。

燃焼期間検出装置は、イオン電流検出装置に限られず、燃焼期間を検出できる任意の装置を採用することができる。たとえば、燃焼期間検出装置として、燃焼室内の温度を検出する温度センサ、または燃焼室内の圧力を検出する圧力センサが配置されていても構わない。

図３７に、本実施の形態における第３の燃焼圧力制御装置の運転例を説明するタイムチャートを示す。図３７には、燃焼室の圧力が制御圧力に到達している期間中に、燃料の燃焼が終了する場合を示している。

図３６および図３７を参照して、燃焼サイクルは、圧縮行程、膨張行程、排気行程および吸気行程を有する。混合気が点火されることにより燃料の燃焼が開始する。開閉弁４６は、燃焼期間中に開いた状態が維持される。イオン電流検出装置４５は、たとえばイオン電流が判定値よりも小さくなったことを検出して、燃焼期間が終了したことを判別する。電子制御ユニット３１は、燃焼期間が終了したことを検出し、開閉弁４６を閉じる。副室用ピストン５５は、変位が零に戻らずに途中で停止する。

開閉弁４６は、閉止した後の膨張行程および排気行程において、閉止状態が維持される。開閉弁４６は、排気弁８が開いている期間が終了した後に開くように制御される。または、開閉弁４６は、吸気行程の期間中に開くように制御される。開閉弁４６が開くことにより、副室用ピストン５５の変位が零に戻る。

燃料が燃焼して副室用ピストン５５が移動し、副室６０が大きくなることにより、燃焼室５の気体が副室６０に流入する。このときに、未燃燃料が副室６０に流入する場合がある。第３の燃焼圧力制御装置においては、燃料の燃焼期間には開閉弁４６が開いている。このため、副室６０から燃焼室５に流入する気体に未燃燃料が含まれる場合においても、未燃燃料を燃焼室５にて燃焼させることができる。

また、燃料の燃焼期間の後には開閉弁４６が閉じる。開閉弁４６は、排気弁８が閉じるまで閉止した状態が維持される。このため、未燃燃料を含む副室６０の気体が、燃焼室５に流入し、燃焼せずに燃焼室５に残存することを抑制できる。この後の排気行程において、未燃燃料が機関排気通路に流出することを抑制できる。または、燃料消費量が多くなることを抑制できる。

本実施の形態においては、排気弁８が閉じた後に開閉弁４６が開くように制御される。開閉弁４６は、吸気行程において開状態になる。副室６０に残存していた気体が燃焼室５に流入する。副室６０に残存していた気体に含まれる未燃燃料を、次の燃焼期間において燃焼させることができる。

図３８に、本実施の形態における第３の燃焼圧力制御装置の他の運転例を説明するタイムチャートを示す。図３８には、燃焼室の圧力が制御圧力に到達している期間の後に、燃料の燃焼が終了する場合を示している。他の運転例においては、燃焼期間の間、開閉弁４６の開いた状態が維持される。副室６０に流入する気体に未燃燃料が含まれる場合においても、未燃燃料を燃焼室５において燃焼させることができる。開閉弁４６は、燃焼期間が終了したことを検出して閉じられる。

第３の燃焼圧力制御装置の他の運転例において、開閉弁４６は、排気弁８が開いている期間が終了するまで閉止状態が維持されている。このため、連通管５０に未燃燃料が残存する場合においても、排気行程において未燃燃料が機関排気通路に流出することを抑制できる。

このように、連通管に開閉弁を配置して、燃焼期間の終了時から排気弁が開いている期間の終了時まで、開閉弁を閉状態で維持することにより、未燃燃料が燃焼室から機関排気通路に排出されることを抑制できる。

図３９は、本実施の形態における第４の燃焼圧力制御装置を備える内燃機関の概略平面図である。図３９は、燃焼室における連通管の接続位置を説明する概略図である。第４の燃焼圧力制御装置は、燃焼室と副室とを接続する連通管５０を備える。連通管５０は、吸気弁６の近傍に配置されている。燃焼室を平面視して吸気弁側の領域と排気弁側の領域とに分割したときに、副室に通じる連通管５０は、吸気弁側の領域において燃焼室５に接続されている。さらに、連通管５０は、燃焼室５の壁面の近傍に配置されている。

燃焼サイクルの排気行程においては、燃焼室５内においてピストン３が上昇する。ピストン３が上昇するときに、ピストン３の外周面に配置されているピストンリングにより燃焼室５の内面に付着した未燃燃料がかき上げられる。かき上げられた未燃燃料は、排気ガスの流れに沿って排気弁８の近傍に集まる。

吸気弁側の領域において連通管５０を燃焼室５に接続することにより、排気行程において未燃燃料が連通管５０の内部に流入することを抑制できる。又は、連通管５０を吸気弁６の近傍に配置することにより、未燃燃料が連通管５０の内部に侵入することを抑制できる。

図４０は、本実施の形態における第５の燃焼圧力制御装置の概略断面図である。第５の燃焼圧力制御装置は、基体９１と筒状部を構成する筒状部材６６とを備える。本実施の形態における筒状部材６６は、断熱性を有する材質で形成されている。基体９１は連通管５０を含む。基体９１は、凸部９１ａを含む。筒状部材６６は、凸部９１ａに嵌合している。第５の燃焼圧力制御装置の付勢装置は、気圧により副室用ピストン５５を燃焼室の側に向かって付勢するように形成されているガス室６１を含む。

ガス室６１は、筒状部材６６の内部に形成されている。本実施の形態における筒状部材６６は、ガス室６１の容積が変化するように移動可能に形成されている。筒状部材６６は、矢印１０３に示すように、筒状部材６６の軸方向に移動可能に形成されている。また、本実施の形態においては、筒状部材６６を任意の位置で固定するための図示しない固定装置が配置されている。固定装置は、副室用ピストン５５が移動している期間には、筒状部材６６を基体９１に固定する一方で、副室用ピストン５５が着底しているときには、筒状部材６６の固定を解除するように形成されている。

本実施の形態における第５の燃焼圧力制御装置は、副室６０に近接して配置されている補助シリンダを含む。本実施の形態における補助シリンダは、筒状部材６６の鍔部６６ａおよび基体９１の凹部９１ｂを含む。鍔部６６ａは、補助ピストンとして機能する。補助シリンダは、鍔部６６ａと凹部９１ｂとにより形成されている補助室６４を含む。補助室６４の軸方向に垂直な方向で切断したときの断面積は、ガス室６１の軸方向に垂直な方向で切断したときの断面積と等しくなるように形成されている。本実施の形態における補助室６４は、ガス室６１と同じ容積になるように形成されている。補助室６４には、ガス室６１と同じ気体が封入されている。副室用ピストン５５が着底しているときのガス室６１の気圧が、補助室６４の気圧と同じになるように補助室６４に気体が封入されている。

本実施の形態における第５の燃焼圧力制御装置は、筒状部材６６を覆うように配置されている覆い部材９２を含む。覆い部材９２は、基体９１に固定されている。覆い部材９２と筒状部材６６とにより囲まれる加圧室６５が形成されている。加圧室６５には、所定の圧力の気体が充填されている。加圧室６５の気圧により、固定装置により筒状部材６６が基体９１に固定されていないときに、筒状部材６６が凸部９１ａから抜けることを防止する。

副室６０に燃焼したガスが流入することにより、副室６０の内部の温度が高くなる。副室６０の熱が伝達されて、ガス室６１の内部の温度が上昇する場合がある。ガス室６１の容積が不変である場合、または空気供給装置が接続されていない場合には、ガス室６１の圧力が上昇し、制御圧力が変わってしまう場合がある。このように、ガス室６１の温度変化により、制御圧力が変化してしまう場合がある。

第５の燃焼圧力制御装置は、副室６０に流入する燃焼ガスが連通管５０を通る。連通管５０の熱は、凸部９１ａを介して補助室６４に伝達される。また、副室６０の熱は、凸部９１ａを介して補助室６４に伝達される。このため、ガス室６１の温度変化に追従して、補助室６４の温度が変化する。たとえば、副室６０の内部の温度が上昇した場合には、ガス室６１および補助室６４の温度が上昇する。筒状部材６６が断熱性を有する材質で形成されているために、加圧室６５の温度上昇は抑制される。補助室６４の温度が上昇した場合には、補助室６４の容積が大きくなる。補助ピストンとしての鍔部６６ａが移動する。筒状部材６６が移動して、ガス室６１の容積が大きくなる。ガス室６１の内部の圧力が上昇することが抑制される。

このように、第５の燃焼圧力制御装置は、補助シリンダの補助室６４の温度変化により補助ピストンが移動し、補助ピストンの移動を駆動源として筒状部材６６が移動して、ガス室６１の容積が変化する。この構成により、ガス室６１の内部の温度が変化してもガス室６１の内部の圧力を略一定に保つことができる。すなわち制御圧力を略一定に保つことができる。

第５の燃焼圧力制御装置では、筒状部材の一部が補助シリンダの補助ピストンになるように形成されているが、この形態に限られず、補助シリンダは筒状部材から分離されて形成されていても構わない。

その他の構成、作用および効果については、基礎技術または実施の形態１から３のいずれかと同様であるので、ここでは説明を繰り返さない。

上記の実施の形態は、適宜組み合わせることができる。上述のそれぞれの図において、同一または相当する部分には同一の符号を付している。なお、上記の実施の形態は例示であり発明を限定するものではない。また、実施の形態においては特許請求の範囲に含まれる変更が意図されている。

５ 燃焼室
１０ 点火プラグ
３１ 電子制御ユニット
５１ 筒状部材
５５ 副室用ピストン
５５ａ ピストンリング
５６ ガス室用ピストン
５６ａ Ｏリング
５７ 中間ピストン
５７ａ Ｏリング
５８ 接続棒
５９ 隔壁部
６０ 副室
６１ ガス室
６２ オイル室

Claims (13)

1. 燃焼室に連通する副室を有する火花点火式の内燃機関の燃焼圧力制御装置であって、
   燃焼室の圧力が制御圧力に到達したときに、燃焼室の圧力変化を駆動源として副室の容積が変化する容積可変装置と、
   制御圧力を変更するための制御圧力変更装置と、
   内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出装置とを備え、
   制御圧力は、燃料の供給を停止した場合における燃焼室の最大圧力より大きく、燃料の異常燃焼が発生する圧力未満の範囲内であり、
   容積可変装置は、燃焼サイクルの圧縮行程から膨張行程の期間中に燃焼室の圧力が制御圧力に到達すると副室の容積が大きくなり、燃焼室の圧力上昇を抑制し、
   容積可変装置は、燃焼室に連通している筒状部と、筒状部の内部に移動可能に配置され、筒状部の内部の空間を区画して燃焼室に向かう側に副室を形成するための移動部材と、移動部材が制御圧力で移動し始めるように、移動部材を燃焼室に向かって付勢する付勢装置とを含み、移動部材が筒状部の内部を移動することにより副室の容積が変化し、
   付勢装置は、気圧により移動部材を燃焼室の側に向かって付勢するように形成されているガス室を含み、
   内燃機関の運転状態に基づいて連続的に変化する制御圧力が予め定められており、
   制御圧力変更装置は、内燃機関の運転状態に対応する制御圧力になるようにガス室の圧力を変化させることを特徴とする、燃焼圧力制御装置。
2. 運転状態検出装置は、内燃機関の回転数を検出し、
   制御圧力変更装置は、検出された回転数が大きくなるほど制御圧力を大きくすることを特徴とする、請求項１に記載の燃焼圧力制御装置。
3. 燃料の性状を検出する燃料性状検出装置を備え、
   制御圧力変更装置は、燃料性状検出装置により検出された燃料の性状に基づいて制御圧力を変更することを特徴とする、請求項１に記載の燃焼圧力制御装置。
4. アルコールが含まれる燃料を燃焼させる内燃機関の燃焼圧力制御装置であって、
   燃料性状検出装置は、燃料に含まれるアルコール濃度を検出し、
   制御圧力変更装置は、検出されたアルコール濃度が大きくなるほど制御圧力を大きくすることを特徴とする、請求項３に記載の燃焼圧力制御装置。
5. 燃焼室に供給する燃料の量が予め定められた供給量判定値より大きい場合、または排気ガスの温度が予め定められた温度判定値より大きい場合には、点火時期を進角させることを特徴とする、請求項１に記載の燃焼圧力制御装置。
6. 移動部材は、筒状部の内部に配置されている副室用ピストンを含み、
   制御圧力変更装置は、燃焼室の圧力が低下して副室用ピストンが燃焼室の側に向かって移動するときに、副室用ピストンの移動速度を一時的に低下させることを特徴とする、請求項１に記載の燃焼圧力制御装置。
7. 移動部材は、筒状部の内部に配置されている副室用ピストンと、筒状部の内部に配置され、副室用ピストンに接続棒を介して固定されているガス室用ピストンと、筒状部の内部において副室用ピストンとガス室用ピストンとの間に配置されている中間ピストンとを含み、
   ガス室用ピストンと中間ピストンとに挟まれる空間にはオイルが充填されており、ガス室用ピストン、中間ピストンおよび副室用ピストンが、一体的に筒状部の内部を移動することを特徴とする、請求項１に記載の燃焼圧力制御装置。
8. 容積可変装置は、筒状部に固定され、ガス室用ピストンと中間ピストンとの間に配置されている隔壁部を備え、
   隔壁部には、副室の容積が大きくなるときにオイルが流れる第１逆止弁と、副室の容積が小さくなるときにオイルが流れる第２逆止弁とが配置されており、
   第２逆止弁は、第１逆止弁よりも最大流量が小さくなるように形成されていることを特徴とする、請求項７に記載の燃焼圧力制御装置。
9. 副室用ピストンと筒状部との間には、第１封止部材が配置され、
   中間ピストンと筒状部との間には、第２封止部材が配置され、
   筒状部の内面のうち、第１封止部材の移動領域にはオイルを溜めるための溝が形成されており、
   第２封止部材は、第１封止部材の移動領域の外側の領域で移動することを特徴とする、請求項７に記載の燃焼圧力制御装置。
10. 複数の燃焼室を備え、それぞれの燃焼室ごとに容積可変装置が配置されている内燃機関の燃焼圧力制御装置であって、
    それぞれの燃焼室ごとに配置されている複数のガス室が互いに接続されていることを特徴とする、請求項１に記載の燃焼圧力制御装置。
11. 付勢装置は、ガス室に接続されている補助タンクを含むことを特徴とする、請求項１に記載の燃焼圧力制御装置。
12. 気体が封入されている補助室と補助ピストンとを含み、副室に近接して配置されている補助シリンダを備え、
    筒状部は、ガス室の容積が変化するように移動可能に形成されており、
    補助シリンダの補助室の温度変化により補助ピストンが移動し、補助ピストンの移動を駆動源として筒状部が移動して、ガス室の容積が変化するように形成されている、請求項１に記載の燃焼圧力制御装置。
13. 容積可変装置は、副室の径よりも小さな径を有する連通管を含み、
    筒状部は、連通管を介して燃焼室に連通しており、
    連通管は、吸気弁の平面形状の円の中心を通るように、燃焼室の外形に沿って円を画定したときに、点火装置の周りの前記円の内側の領域において燃焼室に接続されていることを特徴とする、請求項１に記載の燃焼圧力制御装置。

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