JP2007138780A - 副室式内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】 副室式内燃機関において、副室１２内に適切な混合気を形成して安定した副室燃焼を行う。
【解決手段】 主燃焼室７と連通する副室１２と、主燃焼室１２内に直接噴射した複数の燃料噴霧同士を衝突させて、主燃焼室７内に混合気を形成すると共に、副室１２内に混合気の一部を供給するよう燃料噴射を行う複数の燃料噴射弁１０ａ，１０ｂと、副室１２内の混合気に点火する点火プラグ１３と、を備える。燃料噴射弁１０ａ，１０ｂは、各燃料噴射圧力および各燃料噴射開始時期を、エンジン回転速度に応じて変化させ、燃料噴霧の衝突位置を変化させる。
【選択図】 図５

Description

本発明は、主燃焼室と連通する副室を有する副室式内燃機関に関する。

従来、特許文献１に示すように、副室式火花点火２サイクルガスエンジンにおいて、主燃焼室と連通する副室をシリンダヘッドに形成し、この副室内に点火プラグを配置すると共に、副室を介して副室および主燃焼室内に燃料を供給する燃料噴射弁を設けることが知られている。これにより、主燃焼室には希薄な混合気を形成する一方、噴射された燃料の一部が副室に形成された壁面に衝突して混合気を形成し、副室内の混合気に点火プラグで点火することで、希薄燃焼時でも安定した火花点火を可能にしている。

また特許文献２に示すように、筒内噴射式火花点火機関において、燃焼室の略中心位置に点火プラグを配置すると共に、シリンダ側壁に対向するように２つの燃料噴射弁を配設し、各燃料噴射弁からの燃料噴射を相対的に変化させることで、燃料噴霧の衝突位置を負荷に応じて排気側へ移動させることが知られている。
特開平７−９１２５６号公報 特開平１０−１７６６２８号公報

しかしながら、特許文献１に記載のエンジンでは、燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧の一部が副室壁面によりガイドされ副室内の点火プラグへ混合気が供給される構成となるため、副室壁面へ燃料が付着し液膜が形成されて副室内でリッチ燃焼が起こり、スモークが発生し、結果として点火プラグがくすぶる原因となる。そして、副室内に混合気を形成させる構成上副室容積が大きくなってしまうため、一般的な４弁の４サイクルエンジンへの適用が難しく、また、高圧縮比化が困難になるという問題がある。

また特許文献２に記載の内燃機関では、例えばピストン冠面にキャビティを持ち、キャビティ内に混合気を形成するなどの方法により、主燃焼室内の混合気サイズを変化させることが困難である。
本発明は、上記問題に鑑みなされたものであり、副室式内燃機関において、副室内に適切な混合気を形成して安定した副室燃焼を行うことを目的とする。

そのため本発明では、主燃焼室と連通する副室と、主燃焼室内に直接噴射した複数の燃料噴霧同士を衝突させて、主燃焼室内に混合気を形成すると共に、副室内に混合気の一部を供給するよう燃料噴射を行う複数の燃料噴射弁と、副室内の混合気に点火する点火装置と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、複数の燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧を衝突させて、主燃焼室内に混合気を形成すると共に、その混合気の一部を副室内に供給することができるため、副室内に混合気を形成する燃料供給装置を別途設けなくとも、副室内に可燃混合気を形成することができ、安定した副室燃焼が行えるという効果を奏する。

以下、図面に基づき、本発明の実施形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態を示す副室式内燃機関（以下、「エンジン」と称する）１の構成図である。
エンジン１は、シリンダヘッド２、シリンダブロック３、ピストン４、吸気バルブ５および排気バルブ６から形成される主燃焼室７を有している。

主燃焼室７は、吸気バルブ５を介して吸気ポート８から吸気が供給可能になっている一方、排気バルブ６を介して排気ポート９へ排気を排出可能になっている。
図１では、シリンダヘッド２の吸気側および排気側に、それぞれ燃料噴射弁１０ａ，１０ｂが主燃焼室７を臨んで設けられている。これにより燃料噴射弁１０ａ，１０ｂは、主燃焼室７内に燃料を直接噴射可能になっている。燃料噴射弁１０ａ，１０ｂは、燃料噴霧が主燃焼室７内で衝突するよう吸気側および排気側にそれぞれ対向して配置している。

なお、ここで用いる燃料噴射弁１０ａ，１０ｂは、ホール噴射弁であるが、渦巻き噴射弁、マルチホール噴射弁、外開き噴射弁なども含み特に種類は問わない。
シリンダヘッド２には、主燃焼室７と連通路（連通孔）１１を介して連通する副室１２が形成されている。副室１２は、主燃焼室７の略中央位置に形成されている。副室１２は、主燃焼室７より容積が小さく形成されている。略半球状の副室１２の先端部１２ａは、主燃焼室７内に突出しており、ここに複数の連通孔１１が形成されている。

副室１２には、火花点火が可能な点火プラグ１３が設けられている。点火プラグ１３は、点火コイル１４に接続されており、エンジンコントロールユニット（以下、「ＥＣＵ」と称する）２０からの点火信号により副室１２内に火花を点火する。図１では、これらにより点火装置を構成する。
また、ＥＣＵ２０には、エンジン１の運転状態を検出するため、クランク角センサ１５、アクセルペダルセンサ１６および燃料圧力センサ１７などからの出力信号が入力される。

ＥＣＵ２０は、これらの各出力信号に基づいて演算を行う。例えば、クランク角センサ１５の出力信号に基づいてエンジン回転速度を演算する。アクセルペダルセンサ１６の出力信号に基づいてエンジン負荷を演算する。燃料圧力センサ１７の出力信号に基づいて燃料噴射弁１０ａ，１０ｂから噴射される燃料の圧力を演算する。
ＥＣＵ２０は、これらの演算結果に基づいて各種の制御を行う。例えば、燃料噴射弁１０ａ，１０ｂからの燃料噴射圧力および燃料噴射開始時期を制御したり、副室１１内に設けられた点火プラグ１３の点火時期を制御したりする。なお、ＥＣＵ２０は、２つの燃料噴射弁１０ａ，１０ｂをそれぞれ独立して制御する。

また、図１では、図２（イ）に示すように、燃料噴射弁１０ａ，１０ｂを、吸気側および排気側にそれぞれ傾斜して配置しているが、これに限定されるものではない。例えば図２（ロ）に示すように、燃料噴射弁１０ａ，１０ｂをシリンダ軸方向に直立させて配置し、燃料噴射口をそれぞれシリンダ中心軸側へ偏向させて燃料噴霧をシリンダ中心軸近傍で衝突させるようにしてもよい。また、図２（ハ）に示すように、シリンダブロック３に燃料噴射弁１０ａ，１０ｂを配置し、燃料噴射口をそれぞれシリンダ中心軸側へ偏向させて燃料噴霧をシリンダ中心軸近傍で衝突させるようにしてもよい。

また、燃料噴射弁１０ａ，１０ｂは、図３（イ）に示すように、平面視した場合に、シリンダヘッド２またはシリンダブロック３の吸気側および排気側に１つずつ配置することに限定されない。すなわち、燃料噴霧が主燃焼室７内で衝突するようにすれば、例えば図３（ロ）に示すように、燃料噴射弁１０ａ，１０ｂをフロント側およびリア側に１つずつ、対向するように配置してもよい。そして、図３（ハ）に示すように、燃料噴射弁１０ａ，１０ｂを対向させて配置しなくとも、吸気側およびフロント側に１つずつ配置して燃料噴霧が干渉（衝突）するようにしてもよい。また、図３（ニ）に示すように、燃料噴射弁を吸気側、フロント側およびリア側にそれぞれ１つずつ、合計３つ配置するようにして、燃料噴霧を衝突するようにしてもよい。

図４は、燃料噴射弁１０ａ，１０ｂから主燃焼室７内に直接燃料を噴射した状態を示す図である。
各燃料噴射弁１０ａ，１０ｂから吸気行程若しくは圧縮行程前半に噴射された燃料噴霧は、主燃焼室７内で衝突して混合気を形成する。図４では、燃料噴霧の衝突位置は、シリンダ中心軸上になっている。そして、衝突した燃料噴霧は、シリンダ軸の上下方向に拡散する。このため、主燃焼室７内に形成された混合気の一部は、連通路１１を介して副室１２内に供給される。更に、ピストン４の圧縮動作により、副室１２内に混合気の一部を供給することを促進する。これにより、副室１２内に可燃混合気を供給できるため、副室１２内に燃料を直接噴射・供給するための装置が不要になる。

また、副室１２内に配置された点火プラグ１３は、圧縮上死点近傍にて、副室１２内に供給された可燃混合気に火花点火をすることにより、連通路１１から主燃焼室７内に火炎トーチ（噴出火炎）を形成する。これにより、主燃焼室７内に形成された混合気に着火をして燃焼を行うことを可能にする。
図５（イ），（ロ）は、エンジン回転速度に応じて、燃料噴射弁１０ａ，１０ｂから噴射した燃料噴霧の衝突位置を変化させる時の混合気の形成状態をそれぞれ示す図であり、（ハ）は、エンジン回転速度に応じて、燃料噴霧の衝突位置Ｘから副室１２の中心線の位置Ｙまでの距離（（イ）に示す距離）Ｌを示した図である。

図示のように、本構成ではエンジン回転速度の上昇に伴って燃料噴霧の衝突位置を副室１２へ近づけるように燃料噴射弁１０ａ，１０ｂを制御している。なお、この制御の詳細については後述する。
各燃料噴射弁１０ａ，１０ｂは、図５（イ）に示すエンジン回転低速時のように、ピストン４の圧縮上死点までの時間がエンジン回転高速時と比較して長い場合には、噴射された燃料噴霧が副室１２近傍で、副室１２の中心線の位置Ｙより径方向に所定距離Ｌだけ離れた位置Ｘにて衝突し、この位置Ｘで混合気を形成するように燃料噴射を行う。これにより、燃料噴霧の衝突によって、シリンダ軸方向に拡散した混合気の一部を副室１２内に供給する。

すなわち、エンジン回転低速時においては、圧縮上死点までの時間が長いため、混合気を副室１２近傍で、且つ副室１２の中心線の位置Ｙにて形成してしまった場合には、副室１２内に過剰にリッチな混合気が供給されてしまうこととなり、点火プラグ１３のくすぶりが発生してしまう。これを防止するため、エンジン回転低速時においては、燃料噴射弁１０ａ，１０ｂのそれぞれの燃料噴射圧力や燃料噴射開始時期を制御することにより、燃料噴霧の衝突位置を副室１２から遠ざけるようにしている。そして、主燃焼室７から副室１２に形成された連通路１１の一側方（図５（イ）では吸気側の連通路１１）を介して、主燃焼室７内に形成された混合気の一部を副室１２内に供給することで、副室１２内の混合気の濃度を調整している。

また、各燃料噴射弁１０ａ，１０ｂは、図５（ロ）に示すエンジン回転高速時のように、エンジン回転低速時と比較してピストン４の圧縮上死点までの時間が短く、主燃焼室７から副室１２への混合気の供給量が減少し、副室１２内の混合気がリーンとなってトーチ点火が難しい場合においては、副室１２の中心軸の位置Ｙにて燃料噴霧を衝突させることで、主燃焼室７内に混合気を形成すると共に、副室１２内に混合気を供給する。これにより、連通路１１を介して副室１２へ供給される混合気が増加し、結果として副室１２内に可燃混合気が形成できる。

以上より、エンジン回転速度の上昇に伴って主燃焼室７内における燃料噴霧の衝突位置を副室１２へ近づけることにより、エンジン回転低速時においては副室１２内に過剰にリッチな混合気を供給することを防止すると共に、エンジン回転高速時においては副燃焼室１２内に燃焼に適切な混合気を供給する。そして、副室１２内に配置された点火プラグ１３により副室１２内の混合気に点火することで、主燃焼室７内の燃焼を行うことができる。更に、副室１２内には主燃焼室７から供給された混合気により可燃混合気が形成されるため、主燃焼室７内の混合気の空燃比がリーンであっても主燃焼室７内の燃焼を行うことができ、リーン空燃比側の限界を拡大することができ、燃費の向上が図れる。

図６（イ）は、エンジン回転速度に対する燃料噴射弁１０ａ，１０ｂの平均燃料噴射圧力（燃圧）を示し、（ロ）は、エンジン回転速度に対する燃料噴射開始時期を示す図である。
図６（イ）では、エンジン回転速度が所定値未満では燃料噴射弁１０ａ，１０ｂの平均燃料噴射圧力は一定であり、所定値以上になるとエンジン回転速度の上昇に伴って、平均燃料噴射圧力を上げることにより燃料噴霧の微粒化を促進すると共に、図６（ロ）では、エンジン回転速度の上昇に伴って、燃料噴射弁１０ａ，１０ｂからの燃料噴射開始時期を進角させて早期に混合気を形成する。このため、ピストン４の上昇に伴って副室１２により多くの混合気（燃料）を供給し、副室１２内に可燃混合気を形成でき、トーチ燃焼による運転範囲をエンジン回転高速側へ拡大できる。

図７（イ），（ロ）は、エンジン負荷に応じて、燃料噴射弁１０ａ，１０ｂから噴射した燃料噴霧の衝突位置を変化させた時の混合気の形成状態をそれぞれ示す図であり、（ハ）は、エンジン負荷に応じて、燃料噴霧の衝突位置Ｘから副室１２の中心線の位置Ｙまでの距離（（ロ）に示す距離）Ｌを示す図である。
図示のように、本構成ではエンジン負荷の増大に伴って燃料噴霧の衝突位置Ｘを副室１２の中心線の位置Ｙから所定距離Ｌだけ遠ざけるように燃料噴射弁１０ａ，１０ｂを制御している。なお、この制御の詳細については後述する。

これにより、図７（イ）に示す低負荷時のように、燃料噴射弁１０ａ，１０ｂの燃料噴射圧力が低く、主燃焼室７から副室１２への混合気の供給量が減少し、副室１２内の混合気が過剰にリーンとなってトーチ点火が難しい場合においても、燃料噴霧の衝突位置を副室１２の中心位置Ｙにすることで、この位置Ｙにおける混合気濃度を局所的にリッチにできる。そして、燃料噴霧の衝突によってシリンダ軸上側に拡散された燃料により形成された混合気の一部は、連通路１１を介して副室１２へ供給され、結果として副室１２内に可燃混合気が形成されるため安定したトーチ点火が可能となる。

また、図７（ロ）に示す高負荷時のように、燃料噴射弁１０ａ，１０ｂから噴射される燃料圧力が高い場合には、副室１２の中心線の位置Ｙからシリンダ径方向に所定距離Ｌだけ離れた位置Ｘに混合気が形成されるように燃料噴射弁１０ａ，１０ｂの燃料噴射開始時期などを制御する。
すなわち、高負荷時においては、燃料噴射弁１０ａ，１０ｂの燃料噴射圧力が高いため、混合気を副室１２の中心線の位置Ｙに形成してしまった場合には、燃料噴霧の衝突時の拡散によって副室１２内に過剰にリッチな混合気が供給されてしまうこととなり、点火プラグ１３にくすぶりが発生してしまう。これを防止するため、高負荷時においては、燃料噴射弁１０ａ，１０ｂのそれぞれの燃料噴射圧力や燃料噴射開始時期を制御することにより、燃料噴霧の衝突位置Ｘを副室１２の中心線の位置Ｙから所定距離Ｌだけ遠ざけるようにしている。そして、主燃焼室７から副室１２に形成された連通路１１の一側方（図７（ロ）では吸気側の連通路１１）を介して、主燃焼室７内に形成された混合気の一部を副室１２内に供給することで、副室１２内に過剰にリッチな混合気が供給されることを防止し、燃焼に適した混合気を副室１２内に供給可能にしている。

以上より、エンジン負荷の上昇に伴って主燃焼室７内における燃料噴霧の衝突位置を副室１２近傍において低負荷時より副室１２から遠ざけることにより、低負荷時においては副室１２内に燃焼に適切な混合気を供給すると共に、高負荷時においては副燃焼室１２内に過剰にリッチな混合気を供給することを防止できる。そして、高負荷時において強いトーチ点火が行われるとノッキングが生じる恐れがあるが、副室１２内を可燃範囲内で弱リーンとすることでトーチ火炎の強度を弱めることが可能となり、主燃焼室７にて過度に燃焼速度が高まることがなく、耐ノック性が向上する。

なお、図７（ロ）に示すように、吸気側にて燃料噴霧が衝突するように燃料噴射を制御すれば、タンブル流動を強めて混合を促進させることでトーチ点火時期までにはシリンダ内の混合気は主燃焼室７全体に均質に分布できる。一方、高負荷時において混合気が偏り全負荷性能の低下が懸念されるが、シリンダブロック３の壁温が高い排気側にて燃料噴霧が衝突するように燃料噴射を制御すれば、燃料の蒸発が進む効果が期待できる。

次に、燃料噴射弁１０ａ，１０ｂの燃料噴射制御について図８を用いて説明する。
図８は、燃料噴射弁１０ａ，１０ｂの燃料噴射圧力および燃料噴射開始時期をエンジン回転速度およびエンジン負荷に応じて制御することを示す図である。これにより、燃料噴射弁１０ａ，１０ｂから噴射される燃料噴霧の衝突位置を変更できるようにし、副室１２内へ供給する混合気を所望の濃度に調整可能にする。

燃料噴射圧力によって燃料噴霧の衝突位置を制御する場合は、２つの燃料噴射弁１０ａ，１０ｂの燃料噴射圧力の差を、エンジン回転速度の増大に伴って小さくし（図８（イ））、エンジン負荷の増大に伴って大きくする（図８（ハ））。これにより、燃料噴霧の衝突位置は、燃料噴射圧力が相対的に低い側の燃料噴射弁側へオフセットされる。
また、燃料噴射開始時期によって燃料噴霧の衝突位置を制御する場合は、２つの燃料噴射弁１０ａ，１０ｂの燃料噴射開始時期の差を、エンジン回転速度の増大に伴って小さくし（図８（ロ））、エンジン負荷の増大に伴って大きくする（図８（ニ））。これにより、燃料噴霧の衝突位置は、燃料噴射開始時期が相対的に遅くなる方の燃料噴射弁側へオフセットされる。

以上より、燃料噴射圧力の差または燃料噴射開始時期の差により燃料噴霧の衝突位置を変更することで、運転条件（エンジン回転速度およびエンジン負荷）に応じて副室１２内に燃焼に適した混合気を供給する。すなわち、主燃焼室７から副室１２内に混合気の供給が難しく、副室１２内の空燃比が過剰にリーンになってしまうおそれのある場合には、燃料噴霧の衝突位置Ｘを副室１２の先端部１２ａ近傍（例えば、図７（イ）に示すように副室１２の中心線の位置Ｙ）にすることで、副室１２内に可燃混合気を供給する。一方、副室１２内の空燃比が過剰にリッチになってしまうおそれのある場合には、燃料噴霧の衝突位置を副室１２の先端部１２ａから離れた位置（例えば、図７（ロ）に示すように副室１２の中心線の位置Ｙからシリンダ径方向に所定距離Ｌだけ離れた位置Ｘ）にすることで、副室１２内への過剰な混合気の供給を抑制する。

図９は、噴射される燃料の噴射角度θを変える噴口角可変機構を有する燃料噴射弁１０ａ，１０ｂを用いて燃料噴射を行った場合を示す図である。
図９（イ）は燃料噴射角度θを広角噴射にした時の混合気分布、（ロ）は狭角噴射にした時の混合気分布をそれぞれ示している。図９（ハ）はエンジン回転速度に応じた燃料噴射角度θ、（ニ）はエンジン負荷に応じた燃料噴射角度θをそれぞれ示している。

図９（ハ）に示すようにエンジン回転速度が高くなる程、（イ）に示すように燃料噴射弁１０ａ，１０ｂの燃料噴射角度θを大きくすることで、燃料噴霧の衝突位置をシリンダ軸方向で副室１２へ近づける。これにより、エンジン回転速度が高くなり、ピストン上死点までの期間が短い場合においても、副室１２内に燃焼に適した混合気を供給することができる。

また、図９（ニ）に示すようにエンジン負荷が高くなる程、（ロ）に示すように燃料噴射弁１０ａ，１０ｂの燃料噴射角度θを小さくすることで、燃料噴霧の衝突位置を副室１２の先端部１２ａ（連通路１１）の位置Ｙ’からシリンダ軸方向下側に所定距離Ｌ’だけ離れた位置Ｘ’にする。これにより、燃料噴射圧力が高い高負荷時には、副室１２内に供給される混合気の濃度を調整して副室１２内の混合気が過剰にリッチになることを防止する。

なお、この場合における効果は、燃料噴射圧力、燃料噴射開始時期により衝突位置を変化させる場合と同等であるが、燃料噴射角度θによる制御の場合は衝突位置が概ねシリンダ中央となるため、主燃焼室７内の混合気はシリンダ水平断面方向へ偏ることがないというメリットがある。このように燃料噴霧をシリンダ内で衝突（干渉）させ、副室１２近傍に混合気を形成させるタイミング及び濃度を変化させることで、副室１２内の混合気濃度をエンジン回転速度またはエンジン負荷に応じて最適化することができる。

図１０は、クランク角度に対する混合気形成を示す図である。
図１０（イ）では、クランク角度が下死点近傍にある時に、燃料噴射弁１０ａ，１０ｂから主燃焼室７内に燃料噴射を開始する状態を示している。（ロ）では、噴射された燃料噴霧同士が衝突して主燃焼室７内に混合気を形成する状態を示している。なお、ピストン４の上昇により副室１２内には、主燃焼室７内に形成された混合気の一部が連通路１１を介して供給される。（ハ）では、ピストン４が上死点近傍にある時に、副室１２内の点火プラグ１３によりトーチ点火を行う状態における混合気の状態を示している。

図示のエンジン１では、ピストン４の冠面が平坦になっているため、燃料噴射弁１０ａ，１０ｂから噴射された燃料噴霧は、トーチ点火が行われるタイミングである上死点近傍までには主燃焼室７全体に均質に分布する（図１０（ハ））。そして、２つの燃料噴射弁１０ａ，１０ｂにより噴射された燃料噴霧は、主燃焼室７内で衝突して混合気を形成し、その混合気の一部が副室１２内に供給され、副室１２内に可燃混合気を形成するため、点火プラグ１３により点火を行った時に、副室１２の連通路１１から略柱状の火炎を噴出し、主燃焼室７内でトーチ燃焼を行うことができる。

本実施形態によれば、主燃焼室７と連通する副室１２と、主燃焼室１２内に直接噴射した複数の燃料噴霧同士を衝突させて、主燃焼室７内に混合気を形成すると共に、副室１２内に混合気の一部を供給するよう燃料噴射を行う複数の燃料噴射弁（図１では、２つの燃料噴射弁１０ａ，１０ｂ）と、副室１２内の混合気に点火する点火装置（図１では点火プラグ１３や点火コイル１４を含む）と、を備える。このため、複数の燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧を衝突させて、主燃焼室７内に混合気を形成すると共に、その混合気の一部を副室１２内に供給することができるため、副室１２内に混合気を形成する燃料供給装置を別途設けなくとも、副室１２内に可燃混合気を形成することができ、安定した燃焼が行える。

また本実施形態によれば、複数の燃料噴射弁（図１では、２つの燃料噴射弁１０ａ，１０ｂ）は、各燃料噴射圧力を運転条件（例えば、エンジン回転速度やエンジン負荷）に応じて変化させ、主燃焼室７内における燃料噴霧の衝突位置をシリンダ径方向に変化させる。このため、燃料噴射弁から噴射される燃料の速度が低い側にて燃料噴霧を衝突させ、副室１２内へ供給する混合気の濃度を調節できる。

また本実施形態によれば、機関回転速度の上昇に伴って複数の燃料噴射弁（図１では、２つの燃料噴射弁１０ａ，１０ｂ）の平均燃料噴射圧力を上昇させる。このため、機関回転数の上昇に伴って燃料噴霧の微粒化を促進でき、上死点までの時間が短くなる場合においても副室１２近傍に混合気を形成し、副室１２内に十分な混合気を供給することができる。

また本実施形態によれば、複数の燃料噴射弁（図１では、２つの燃料噴射弁１０ａ，１０ｂ）は、各燃料噴射開始時期を運転条件（例えば、エンジン回転速度やエンジン負荷）に応じて変化させ、主燃焼室７内における燃料噴霧の衝突位置をシリンダ径方向に変化させる。このため、燃料噴射開始時期の遅い側にて燃料噴霧を衝突させ、副室１２内へ供給する混合気の濃度を調節できる。そして、燃料噴射圧力を過度に高圧化する必要がなく、低コストで実現できる。更に、複数の燃料噴霧間の微粒化レベルが同一のため、主燃焼室７側の混合気の均質性を保つことができる。

また本実施形態によれば、機関回転速度の上昇に伴って主燃焼室７内における燃料噴霧の衝突位置を副室１２へ近づける。このため、例えば高負荷時のように燃料噴射から圧縮上死点まで燃料の混合時間が低負荷時に比べて相対的に短く、副室１２内へ流入する混合気量が減少し、副室１２内のガスが希薄となり点火が不安定となり易い場合であっても、副室１２内に可燃混合気を安定して供給できる。

また本実施形態によれば、機関負荷の増大に伴って主燃焼室７内における燃料噴霧の衝突位置を副室１２から遠ざける。このため、副室１２近傍に形成される混合気が希薄になり、副室１２内の混合気が過剰にリッチになることを防止できる。
また本実施形態によれば、燃料噴射弁１０ａ，１０ｂの燃料噴射角度θを変える噴口角可変機構を有し、該噴口角可変機構は、燃料噴霧の衝突位置をシリンダ軸方向に変化させる。このため、燃料噴霧の衝突位置をシリンダ水平方向にずらす必要をなく、副室１２へ供給する混合気の濃度を可変することができる。図１に示すように、副室１２を主燃焼室７の略中央位置に形成した場合には、燃料噴霧の衝突位置を副室１２の概ね真下にすることで、主燃焼室７にて対称性の良い混合気ができる。

次に、本発明の第２の実施形態について図１１を用いて説明する。
図１１（イ）は、第２の実施形態のエンジン１の構成を示す図であり、その構成は第１の実施形態で説明した構成とほぼ同様である。しかし、ピストン４の冠面にキャビティ４ａを形成している点で相違している。
なお、燃料噴射弁１０ａ，１０ｂとしては、図１１（ロ）に示すように、先端部に複数の燃料噴射孔を有するマルチホール噴射弁を用いている。これにより、燃料噴射弁１０ａ，１０ｂから噴射される燃料は、燃料噴霧の断面で見た場合に、円周方向の所定間隔に噴射されるようになっている。

この実施形態では、所定の成層燃焼運転条件にて、燃料噴霧を衝突させて主燃焼室７内に成層混合気を形成して成層燃焼を行う成層燃焼運転モードを有する。なお、所定の成層燃焼運転条件は、エンジン回転速度およびエンジン負荷に応じて予め設定しておく。例えば、エンジン回転速度およびエンジン負荷が所定の運転領域（例えば、エンジン回転低速および低負荷の領域）内にある場合に、所定の成層燃焼運転条件を満たすものとする。

そして、主燃焼室７内において成層混合気の形成を促進するため、ピストン４の冠面にはシリンダ軸上側から平面視して略円形のキャビティ４ａを形成する。キャビティ４ａには、略円形の底部の周縁部からシリンダ軸方向上側に形成される側壁部が形成されている。
キャビティ４ａは、概ね燃料噴霧が衝突・干渉する位置のシリンダ軸方向真下に形成されており、燃料噴霧の衝突位置がシリンダ水平断面方向へオフセットした場合でも、衝突した燃料噴霧がキャビティ４ａ内およびシリンダ軸方向上側に成層混合気を形成可能な口径になっている。

キャビティ４ａには、主燃焼室７内にて燃料噴霧が衝突した時、シリンダ軸方向下側に下降した燃料噴霧がキャビティ４ａに衝突し、キャビティ４ａの底部および側壁部を介して燃料噴霧の上昇気流を形成し、成層混合気を形成する。
また、前述のように２つの燃料噴射弁１０ａ，１０ｂから噴射された燃料噴霧は、衝突した後に副室１２内に混合気を供給する。そして、点火プラグ１３により副室１２内にて点火を行うことで、副室１２の連通路１１から主燃焼室７内の成層混合気に略柱状の火炎を噴出し、トーチ燃焼を行う。

ここで、仮にピストン冠面のキャビティのみを利用して主燃焼室内の混合気を副室内へ誘導した場合には、燃料噴霧とピストンキャビティとの位置関係が燃料噴射開始時期やエンジン回転速度により幾何学的に変化してしまうため、エンジン回転高速の時では副室内への燃料供給が難しいことに加えて、シリンダ壁面への燃料付着により未燃焼成分であるＨＣの排出量の増大やスモークの悪化が懸念される。

しかしながら、本実施形態では、主燃焼室７内で燃料噴霧を衝突させ、副室１２内に混合気を供給すると共に、キャビティ４ａ内およびこのシリンダ軸方向上側に成層混合気を形成することで、シリンダ壁面への燃料付着によるＨＣの排出量の増大やスモークの悪化を防止する。
図１２では、図１１（ロ）に示すマルチホール噴射弁から燃料を噴射したときに、噴射された燃料噴霧がコアンダ効果によりすぼめられる状態を示している。すなわち、燃料噴射弁１０ａ，１０ｂから噴射された燃料噴霧は、燃料噴霧干渉後にコアンダ効果によるすぼみが発生し、燃料噴射弁１０ａ，１０ｂの軸方向（燃料噴霧の中心線方向）へは微粒化した液滴のみが周囲の流動により運ばれる特性がある。このため、主燃焼室７内の空間にて複数の燃料噴霧を干渉・衝突させた場合においても衝突後の液滴の跳ね返りなどが少なく混合気サイズをコンパクトにすることができ、早期に燃料噴射を行っても混合気の拡散が進みにくいという効果が得られる。

図１３は、このようなマルチホール噴射弁を用いた場合において、クランク角度に対して主燃焼室７内に混合気を形成する状態を示している。
主燃焼室７内で衝突（もしくは干渉）させた燃料噴霧を受け止めるキャビティ４ａ内で成層混合気を形成する点以外は、基本的な制御方法において第１の実施形態と同じである。

すなわち、燃料噴射弁１０ａ，１０ｂから噴射される燃料の噴射圧力や噴射開始時期などを制御して、運転条件に応じて副室１２近傍位置または副室１２から所定距離Ｌだけ離れた位置にて燃料噴霧を衝突させ、主燃焼室７内のキャビティ４ａ内およびその上側に混合気を形成すると共に、副室１２内に供給される混合気の濃度を調節する。
なお、コアンダ効果により燃料噴霧をすぼめるような燃料噴霧特性では、均質運転時は反して燃焼室中央へ混合気が成層化されてしまい燃焼室全体へ均質に分布させることが難しい。

このため、図１４に示すように、均質運転時には、２つの燃料噴射弁１０ａ，１０ｂの各燃料噴射開始時期に位相差を設けて交互に多段噴射を行うことで、噴射された燃料噴霧の干渉（衝突）を行わない制御を行う。これによりシリンダ内の混合気の均質化を進める。なお、燃料噴射弁が３つ以上ある場合には、各燃料噴射弁は、それぞれ交替して燃料噴射を行い、燃料噴霧を衝突させないようにする。

また、均質運転時には、２つの燃料噴射弁１０ａ，１０ｂうち一方の燃料噴射弁のみで燃料噴射を行い、主燃焼室７内に成層混合気を形成するようにしてもよい。この場合、他方の燃料噴射弁からの燃料噴射を休止させるように制御する。この場合は流動を強化することで均質化が図られる。
本実施形態によれば、燃料噴射弁１０ａ，１０ｂは、先端部に複数の燃料噴射孔を有するマルチホール噴射弁である。このため、図１２に示すように、初期噴霧などのコアンダ効果によるすぼみ現象により流動に乗って微粒化した液滴および混合気を衝突させることで燃料噴霧の微粒化を図り、スモークやＨＣの悪化を抑制できる。

また本実施形態によれば、ピストン４にキャビティ４ａを形成した。このため、燃料噴霧が衝突して形成された混合気をキャビティ４ａ内およびその上側に保持できる。そして、拡散に強い界面の明確な混合気が形成でき、未燃ＨＣの悪化を防止できる。
また本実施形態によれば、所定の成層燃焼運転条件（例えば、エンジン回転低速および低負荷時）では、複数の燃料噴霧同士を衝突させて主燃焼室７内に成層混合気を形成し、副室１２内の混合気に点火して、主燃焼室７内の成層混合気の燃焼を行う。このため、例えば低負荷において主燃焼室７内で燃料噴霧を衝突させて成層混合気を生成することができ、安定した運転ができる。

また本実施形態によれば、均質運転時には、複数の燃料噴射弁１０ａ，１０ｂは、それぞれ交替して燃料噴射を行い、燃料噴霧の衝突をさせない。このため、均質運転時には、主燃焼室７全体に均質な混合気を形成できる。
また本実施形態によれば、均質運転時には、複数の燃料噴射弁１０ａ，１０ｂは、いずれか１つのみから燃料噴射を行い、燃料噴霧の衝突をさせない。このため、均質運転時には、容易な制御にて主燃焼室７全体に均質な混合気を形成することができる。

第１の実施形態の副室式内燃機関の構成図 燃料噴射弁を設ける位置を示す断面図 燃料噴射弁を設ける位置を示す平面図 燃料噴霧の衝突を示す図 エンジン回転速度に応じて混合気の形成位置を変更する状態を示す図 エンジン回転速度に対する燃料噴射弁の平均燃料噴射圧力および燃料噴射開始時期を示す図 エンジン負荷に応じて混合気の形成位置を変更する状態を示す図 エンジン回転速度に対する燃料噴射圧力の差または燃料噴射開始時期の差と、エンジン負荷に対する燃料噴射圧力の差または燃料噴射開始時期の差との関係を示す図 運転条件に応じて燃料噴射角度を変化させる場合を示した図 クランク角度に対する混合気形成を示す図 第２の実施形態の副室式内燃機関を示す構成図 噴射された燃料噴霧がコアンダ効果によりすぼめられる状態を示す図 クランク角度に対する混合気形成を示す図 燃料噴射タイミングに位相差を設けて多段噴射を行う状態を示す図

符号の説明

１ エンジン
２ シリンダヘッド
３ シリンダブロック
４ ピストン
４ａ キャビティ
７ 主燃焼室
１０ａ，１０ｂ 燃料噴射弁
１１ 連通路
１２ 副室
１２ａ 先端部
１３ 点火プラグ
１４ 点火コイル
１５ クランク角センサ
１６ アクセルペダルセンサ
１７ 燃料圧力検出センサ
２０ ＥＣＵ

Claims (12)

1. 主燃焼室と連通する副室と、
   前記主燃焼室内に直接噴射した複数の燃料噴霧同士を衝突させて、前記主燃焼室内に混合気を形成すると共に、前記副室内に前記混合気の一部を供給するよう燃料噴射を行う複数の燃料噴射弁と、
   前記副室内の混合気に点火する点火装置と、
   を備えることを特徴とする副室式内燃機関。
2. 前記複数の燃料噴射弁は、各燃料噴射圧力を運転条件に応じて変化させ、前記主燃焼室内における燃料噴霧の衝突位置をシリンダ径方向に変化させることを特徴とする請求項１記載の副室式内燃機関。
3. 機関回転速度の上昇に伴って前記複数の燃料噴射弁の平均燃料噴射圧力を上昇させることを特徴とする請求項２記載の副室式内燃機関。
4. 前記複数の燃料噴射弁は、各燃料噴射開始時期を運転条件に応じて変化させ、前記主燃焼室内における燃料噴霧の衝突位置をシリンダ径方向に変化させることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の副室式内燃機関。
5. 機関回転速度の上昇に伴って前記主燃焼室内における燃料噴霧の衝突位置を前記副室へ近づけることを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれか１つに記載の副室式内燃機関。
6. 機関負荷の増大に伴って前記主燃焼室内における燃料噴霧の衝突位置を前記副室から遠ざけることを特徴とする請求項２〜請求項５のいずれか１つに記載の副室式内燃機関。
7. 前記燃料噴射弁の燃料噴射角度を変える噴口角可変機構を有し、該噴口角可変機構は、燃料噴霧の衝突位置をシリンダ軸方向に変化させることを特徴とする請求項１記載の副室式内燃機関。
8. 前記燃料噴射弁は、先端部に複数の燃料噴射孔を有するマルチホール噴射弁であることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１つに記載の副室式内燃機関。
9. ピストンにキャビティを形成したことを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１つに記載の副室式内燃機関。
10. 所定の成層燃焼運転条件では、前記複数の燃料噴霧同士を衝突させて前記主燃焼室内に成層混合気を形成し、前記副室内の混合気に点火して、前記主燃焼室内の成層混合気の燃焼を行うことを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか１つに記載の副室式内燃機関。
11. 均質運転時には、前記複数の燃料噴射弁は、それぞれ交替して燃料噴射を行い、燃料噴霧の衝突をさせないことを特徴とする請求項１０記載の副室式内燃機関。
12. 均質運転時には、前記複数の燃料噴射弁は、いずれか１つのみから燃料噴射を行い、燃料噴霧の衝突をさせないことを特徴とする請求項１０記載の副室式内燃機関。

Images