JP2004190587A

JP2004190587A - Engine with multiple recesses on top of piston

Info

Publication number: JP2004190587A
Application number: JP2002360222A
Authority: JP
Inventors: Tatsuo Kobayashi; 辰夫小林
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-12-12
Filing date: 2002-12-12
Publication date: 2004-07-08
Anticipated expiration: 2022-12-12
Also published as: JP4052116B2

Abstract

【課題】希薄燃焼を行うことができ、排ガス中の窒素酸化物が少ない内燃機関を提供する。
【解決手段】このエンジンは、シリンダ１４２と、ピストン１４４と、燃焼室１５０内に燃料を噴射することができる第１の燃料噴射部１５と、を備える。ピストン１４４は、頂部１４４ｈに設けられた複数の凹部１４４ｐと、凹部１４４ｐから第１の燃料噴射部１５の位置に向かう向きに設けられている溝部１４４ｑと、を有する。第１の燃料噴射部１５は、１サイクルで燃焼される燃料のうちの少なくとも一部を凹部１４４ｐまたは溝部１４４ｑに向けて噴射する。一部の燃料は、凹部１４４ｐに向けて噴射されたあと拡散して混合気を形成する。他の一部の燃料は、凹部１４４ｐ内にとどまったあと混合気を形成した一部の燃料に比べて遅れて気化して、すでに形成されている混合気よりも濃い混合気を形成する。
【選択図】図３An internal combustion engine capable of performing lean combustion and having a small amount of nitrogen oxides in exhaust gas is provided.
The engine includes a cylinder, a piston, and a first fuel injection unit that can inject fuel into a combustion chamber. The piston 144 has a plurality of recesses 144p provided on the top 144h, and a groove 144q provided in a direction from the recess 144p toward the position of the first fuel injection unit 15. The first fuel injection unit 15 injects at least a part of the fuel burned in one cycle toward the recess 144p or the groove 144q. Some fuel is injected toward the recess 144p and then diffuses to form an air-fuel mixture. Some of the other fuel vaporizes later than the fuel that has formed the air-fuel mixture after remaining in the recess 144p, and forms a richer air-fuel mixture than the already-formed air-fuel mixture.
[Selection diagram] FIG.

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、希薄燃焼を行うことができるエンジンに関し、さらに詳しくは、空気過剰率が高い状態で燃料を燃焼させることができるエンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、理論空燃比よりも空気の多い状態で燃料を燃焼させる、希薄燃焼を行うことができる内燃機関が知られている。このような内燃機関において、空気過剰率の高い状態で燃焼を起こさせるために、燃料噴射を２回に分けて行って、部分的に燃料の濃い混合気領域を作り出す内燃機関が存在する（例えば、特許文献１参照）。燃料の濃い混合気領域は、２回目の燃料噴射によって形成される。この２回目の燃料噴射によって形成される混合気領域は、理論空燃比またはそれよりも燃料が多い混合気領域となるため、着火しやすい。よって、このような内燃機関によれば全体としては空気過剰率の高い状態でも燃焼を起こさせることができる。なお、関連文献として、特許文献２〜４がある。
【特許文献１】
特開２００１−２０７８５０号公報
【特許文献２】
特開２００１−２１４７４１号公報
【特許文献３】
特開平０２−０７８７２５号公報
【特許文献４】
特開２００１−１５２９１９号公報
【０００３】
なお、「空気過剰率」は、混合気中に含まれる燃料と過不足なく燃焼するだけの空気の量に対して、実際の混合気中に含まれている空気は何倍であるか、を表す指標である。たとえば、空気過剰率が「２」であるとき、混合気中には、空気と燃料とが互いに過不足なく燃焼する量の２倍だけ、空気が含まれている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の内燃機関においては、一部に形成された理論空燃比またはそれよりも燃料が多い混合気領域の燃焼においてＮＯｘが生じ、希薄燃焼によるＮＯｘ低減の効果を減殺してしまうという問題があった。
【０００５】
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、ＮＯｘを過度に発生させることなく空気過剰率が高い状態で燃料を燃焼させることができる内燃機関を提供することを目的とする。
【０００６】
【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、本発明では、シリンダと、ピストンと、シリンダとピストンとで形成される燃焼室内に燃料を噴射することができる第１の燃料噴射部と、を備えるエンジンにおいて、以下の構成を採用する。ピストンは、ピストンの頂部に設けられた複数の凹部と、溝部と、を有する。溝部は、ピストンの頂部において、少なくとも一部の凹部に接続され、ピストンの往復方向に垂直な平面に投影したときに少なくとも一部の凹部から第１の燃料噴射部の位置に向かう向きに設けられている。第１の燃料噴射部は、１サイクルで燃焼される燃料のうちの少なくとも一部を凹部または溝部に向けて噴射する。このような態様とすれば、凹部近辺に、比較的濃い、しかし、理論空燃比よりは空気の多い混合気を生じさせ、その混合気において自着火を起こさせることができる。よって、ＮＯｘを過度に発生させることなく、空気過剰率が高い状態で燃料を燃焼させることができる。
【０００７】
なお、複数の凹部のうち少なくとも一部の凹部は、凹部を構成する面の少なくとも一部に凹曲面を有しており、第１の燃料噴射部は、凹曲面に向けて燃料を噴射することが好ましい。このような態様とすれば、凹部に向けて噴射された燃料の一部は、凹曲面に沿って向きを変えられ、燃焼室内に拡散される。このため、凹部近傍の混合気の自着火の後、燃焼室全体に拡散した混合気においても偏りなく自着火を起こさせることができる。よって、ＮＯｘを低減することができる。
【０００８】
また、凹部のうちピストンの往復方向に測ったもっとも深い部分は、凹部に接続された溝部のうちピストンの往復方向に測ったもっとも深い部分よりも深いことが好ましい。このような態様とすれば、溝部に向けて噴射された燃料を、溝部から凹部に誘導し、凹部内にとどめやすくすることができる。このため、一定の場所である凹部近傍に比較的濃い混合気を形成することができ、一定の場所に形成された混合気にまず自着火を起こさせて、燃焼室内の燃料を偏りなく自着火させることができる。よって、ＮＯｘを低減することができる。
【０００９】
ピストンは、シリンダの中心軸を中心としてほぼ均等な角度に配されている複数の凹部を有することが好ましい。このような態様とすれば、均等に配された複数の凹部近傍において燃焼を開始させることができ、燃焼室全体で均等に自着火燃焼を行わせることができる。よって、ＮＯｘを低減することができる。
【００１０】
また、凹部の配置は以下のようにすることもできる。すなわち、シリンダの中心軸を含む一つの平面であって、燃焼室の断面積を最も大きくする平面を基準平面とする。そして、ピストンの頂部を、基準平面に平行な二つの平面によって分割される３つの領域であって、ピストンの往復方向に垂直な平面に投影したときに、シリンダの中心軸を通り基準平面と垂直である直線に沿った寸法が１：１：１となる第１、第２および第３の頂部領域に分ける。ここで、三つの頂部領域のうちシリンダの中心軸を含む頂部領域を第２の頂部領域とする。このとき、ピストンは、第２の頂部領域に、複数の凹部を実質的に有しており、第１および第３の頂部領域に、凹部を実質的に有していない、という構成とすることが好ましい。このような態様とすれば、各凹部によって形成される比較的濃い混合気の燃焼が、燃焼室全体に均等に伝わりやすい。よって、燃焼室全体で均等に自着火燃焼を行わせることができ、ＮＯｘを低減することができる。
【００１１】
なお、シリンダが、燃焼室に酸素含有ガスを吸入するための吸気口と、燃焼室から排ガスを排出するための排気口と、を備え、エンジンが、さらに、吸気口を開閉する吸気バルブと、排気口を開閉する排気バルブと、を備える態様においては、以下のような構成とすることが好ましい。すなわち、複数の凹部の少なくとも一部は、吸気バルブと排気バルブとの少なくとも一方と、ピストンとの干渉を避けることができる位置および大きさで設けられていることが好ましい。言い換えれば、複数の凹部の少なくとも一部は、バルブリセスを兼ねている態様とすることが好ましい。このような態様とすれば、ピストンのＳ／Ｖ比、すなわち（表面積／体積）比を小さくすることができ、燃焼の際の冷却損失を少なくすることができる。よって、燃料のエネルギーを、効率的に仕事として取り出すことができる。
【００１２】
また、シリンダが、燃焼室の内壁の一部を形成し、ピストンの往復方向の延長線上でピストンと向かい合う天井部を有する態様において、第１の燃料噴射部は、天井部の、シリンダの中心軸との交点の近傍から燃料を噴射できるように設けられていることが好ましい。このような態様とすれば、ピストン上面に設けられた複数の凹部または溝部に対して、燃料噴射部から容易に燃料を噴射することができる。よって、凹部近傍に比較的濃い混合気を形成しやすい。
【００１３】
さらに、エンジンが、燃焼室に酸素含有ガスを導入するための吸気管を備える場合には、吸気管内に燃料を噴射することができるように設けられている吸気管燃料噴射部を備える態様とすることもできる。このような態様とすれば、吸気管燃料噴射部から噴射した燃料を、酸素含有ガスとともに燃焼室に導き入れて、十分拡散させることができる。このため、凹部近傍の混合気の自着火の後、燃焼室全体に拡散した混合気においても偏りなく自着火を起こさせることができる。
【００１４】
なお、複数の凹部が、第１の燃料噴射部からの距離が異なる２以上の凹部を含んでいる態様においては、第１の燃料噴射部は、第１の燃料噴射部からの距離が比較的大きい凹部に対しては、比較的小さい噴射角で燃料を噴射し、第１の燃料噴射部からの距離が比較的小さい凹部に対しては、比較的大きい噴射角で燃料を噴射することが好ましい。このような態様とすれば、燃料噴射部から噴射した燃料が凹部からはみ出しにくい。よって、凹部近傍に比較的濃い混合気を形成しやすい。
【００１５】
また、第１の燃料噴射部は、ピストンが最も下降したときに、第１の燃料噴射部から噴射するほぼすべての燃料を凹部内に噴射できるように構成されていることが好ましい。このような態様とすれば、ピストンが任意の位置にあるときに燃料を噴射しても、燃料を凹部または溝部に噴射することができる。よって、凹部近傍に比較的濃い混合気を形成しやすい。
【００１６】
なお、燃焼室内の燃料に点火を行うことができる点火部を備える態様においては、点火部は、燃焼室内の位置であって凹部の一つと向かい合う位置において燃料に点火を行うことができるように設けられていることが好ましい。このような態様とすれば、燃料が自着火しにくい状態においても、比較的着火しやすい凹部近傍の混合気に、点火部によって点火して燃焼を起こさせることができる。
【００１７】
また、点火部と向かい合う凹部は、シリンダの中心軸の近傍に設けられていることが好ましい。このような態様とすれば、燃焼室の中央近辺に形成される比較的濃い混合気に点火を行って、燃焼室の中央から周辺に向かって効率的に燃焼を起こさせることができる。
【００１８】
燃焼室内の燃焼状態を検出することができる燃焼状態検出センサと、第１の燃料噴射部と点火部の制御を行う制御部と、を備えるエンジンにおいては、以下のような態様とすることが好ましい。すなわち、制御部は、燃焼状態検出センサが燃焼状態の異常を検出した場合には、異常が検出されたサイクルの次のサイクルにおいて、第１の燃料噴射部に、直前のサイクルで圧縮期間中期に噴射した量よりも多い量の燃料を、圧縮期間中期の所定の時間区間中に噴射させ、点火部に、燃料に対して点火を行わせる。このような態様とすれば、いったん燃焼状態に異常が生じても、次のサイクル以降で安定した燃焼状態を回復することができる。
【００１９】
シリンダが、燃焼室に酸素含有ガスを吸入するための吸気口と、燃焼室から排ガスを排出するための排気口と、を備え、エンジンが、吸気口を開閉する吸気バルブと、排気口を開閉する排気バルブと、第１の燃料噴射部、吸気バルブおよび排気バルブを制御する制御部と、を備えるエンジンにおいては、以下のような態様とすることが好ましい。すなわち、４サイクル運転を行う運転モードであって、排気行程において排気バルブを閉じた後に吸気バルブを開き、排気バルブを閉じてから吸気バルブを開くまでの期間中の所定の時間区間において第１の燃料噴射部に燃料を噴射させる運転モードを有することが好ましい。このような態様とすれば、４サイクル運転において、既燃ガスの熱を利用して混合気を十分に気化させ、拡散させることができる。このため、凹部近傍の混合気の自着火の後、燃焼室全体に拡散した混合気においても偏りなく自着火を起こさせることができる。
【００２０】
また、２サイクル運転を行う運転モードであって、吸気バルブを開いた後、排気バルブを閉じるまでの掃気期間中の所定の時間区間において第１の燃料噴射部に燃料を噴射させる運転モードを有する態様とすることもできる。このような態様とすれば、２サイクル運転において、既燃ガスの熱を利用して混合気を十分に気化させ、拡散させることができる。
【００２１】
なお、比較的負荷が低いときには、第１の燃料噴射部に比較的早い時期に燃料の噴射を終了させ、比較的負荷が高いときには、第１の燃料噴射部に比較的遅い時期に燃料を噴射させることが好ましい。このような態様とすれば、高負荷時の燃焼速度を遅くすることができ、高負荷時の騒音を低減することができる。
【００２２】
また、第１の燃料噴射部に加えて、燃焼室に接続された吸気通路内または燃焼室内に燃料を噴射することができる第２の燃料噴射部と、第１および第２の燃料噴射部を制御する制御部と、を備えるエンジンにおいては、以下のような態様とすることが好ましい。すなわち、比較的負荷が低いときには、第２の燃料噴射部に燃料を噴射させずに、第１の燃料噴射部に燃料を噴射させ、比較的負荷が高いときには、まず、第２の燃料噴射部に燃料を噴射させ、その後、第１の燃料噴射部に燃料を噴射させる。このような態様とすれば、比較的負荷が高いときには、まず第２の燃料噴射部から噴射した燃料で均質な混合気を形成し、その後、第１の燃料噴射部から凹部または溝部に噴射した燃料で、比較的濃い混合気を形成することができる。
【００２３】
なお、第１の燃料噴射部は、天井部の、シリンダの中心軸との交点の近傍から燃料を噴射できるように設けられており、第２の燃料噴射部は、燃焼室の内側壁近傍から燃料を噴射できるように設けられていることが好ましい。このような態様とすれば、第２の燃料噴射部から噴射した燃料を、十分拡散させつつ、第１の燃料噴射部から噴射した燃料で凹部近傍に比較的濃い混合気を形成することができる。
【００２４】
なお、以下のような運転を行うこともできる。すなわち、４サイクル運転を行う運転モードであって、排気バルブを閉じて排気行程を終了した後に吸気バルブを開く運転モードであり、排気バルブを閉じてから吸気バルブを開くまでの期間中の所定の第１の時間区間と、圧縮期間中期の所定の第２の時間区間と、のそれぞれにおいて第１の燃料噴射部に燃料を噴射させる運転モードを有することが好ましい。このような態様とすれば、排気バルブが閉じてから吸気バルブが開く前までの期間中に噴射した燃料は十分に気化させ、拡散させることができ、一方、圧縮期間において噴射した燃料によって、凹部近傍に比較的濃い混合気を形成することができる。
【００２５】
また、上記の４サイクル運転においては、第１の時間区間において、比較的高い圧力で第１の燃料噴射部に燃料を噴射させ、第２の時間区間において、比較的低い圧力で第１の燃料噴射部に燃料を噴射させることが好ましい。このような態様においては、第２の時間区間において噴射する燃料の粒径を大きくすることができる。その結果、燃料の蒸発に時間がかかり、ピストンが圧縮上死点に達するまでに気化した燃料が燃焼室内に拡散しにくい。よって、高濃度の混合気を凹部近傍に形成することができる。
【００２６】
さらに、２サイクル運転を行う運転モードであって、吸気バルブを開いてから排気バルブを閉じるまでの掃気期間中の所定の第１の時間区間と、圧縮期間中期の所定の第２の時間区間と、のそれぞれにおいて第１の燃料噴射部に燃料を噴射させる運転モードを有する態様とすることもできる。このような態様とすれば、排気バルブが閉じてから吸気バルブが開く前までの期間中に噴射した燃料は十分に気化させ、拡散させることができ、一方、圧縮期間において噴射した燃料によって、比較的濃い混合気を凹部近傍に形成することができる。
【００２７】
なお、上記の２サイクル運転においては、第１の時間区間において、単位時間当たりの噴射量が比較的少ない噴射で第１の燃料噴射部に燃料を噴射させ、第２の時間区間において、単位時間当たりの噴射量が比較的多い噴射で第１の燃料噴射部に燃料を噴射させることが好ましい。このような態様においては、第１の時間区間において噴射する燃料は、一度に大量の燃料が噴射される場合に比べて拡散しやすい。
【００２８】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、可変サイクルエンジン、そのエンジンを用いた車両または移動体、運転モード切り換え方法、運転モード切り換え装置、その装置または方法の機能を実現するためのコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体、そのコンピュータプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号、等の態様で実現することができる。
【００２９】
【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．シリンダヘッドとピストンの構造：
Ａ−３．運転領域による運転モードの切り換え：
Ａ−４．４サイクル自着火モードにおけるバルブ開閉タイミングと燃料噴射：
Ａ−５．２サイクル自着火モードにおけるバルブ開閉タイミングと燃料噴射：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．第３実施例：
Ｄ．第４実施例：
Ｅ．第５実施例：
Ｆ．第６実施例：
Ｇ．変形例：
【００３０】
Ａ．第１実施例：
Ａ−１．装置構成：
図１は、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、４サイクル運転と、２サイクル運転とを含む複数の運転モードを選択的に実行することができる。「４サイクル運転」（正確には「４ストローク／１サイクル運転」）とは、吸気、圧縮、膨張、排気の４つのピストン行程で１サイクルが構成される運転である。「２サイクル運転」（正確には「２ストローク／１サイクル運転」）とは、掃気・圧縮期間と、膨張行程の２つのピストン行程で１サイクルが構成される運転である。
【００３１】
図１では、エンジン１０の構造を示すために、燃焼室１５０のほぼ中央で断面を取って表示している。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。このシリンダブロック１４０とシリンダヘッド１３０とで、円筒形のシリンダ１４２が構成されており、このシリンダ１４２の内部をピストン１４４が上下に摺動する。シリンダヘッド１３０のうち、ピストンの往復方向の延長線上でピストンと向かい合う部分が、「天井部」１３０ｒである。天井部１３０ｒと、ピストン１４４の頂部と、シリンダ１４２の側壁と、で囲まれた空間が燃焼室１５０となる。
【００３２】
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。
【００３３】
シリンダヘッド１３０には、燃焼室１５０に吸入空気を取り入れるための吸気通路１２と、燃焼室１５０内の混合気に点火するための点火プラグ１３６と、燃焼室１５０内で発生した燃焼ガスを排出するための排気通路１６が設けられている。吸気通路１２を通ってきた酸素を含む空気は、シリンダヘッド１３０の天井部１３０ｒに設けられた吸気口１２ｏを介して燃焼室１５０内に流入する。また、燃焼室内の既燃ガスは、天井部１３０ｒに設けられた吸気口１６ｏを介して排気通路１６から排出される。
【００３４】
シリンダヘッド１３０には、さらに、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、それぞれに電動アクチュエータ１６２，１６４によって任意のタイミングで駆動され、ピストン１４４の動きに同期して吸気口１２ｏおよび排気口１６ｏを開閉する。
【００３５】
吸気通路１２には、スロットル弁２２が設けられている。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１５０内に吸入される空気量を制御することができる。
【００３６】
第１実施例のエンジン１０は、シリンダヘッド１３０に設けられた筒内燃料噴射部１５を備えている。筒内燃料噴射部１５は、燃焼室１５０内にガソリンを直接噴射するものであり、６個の燃料噴射口を有している。筒内燃料噴射部１５は、ガソリンの噴射圧力を変えることで単位時間当たりに噴射するガソリンの量を増減させることができる。ガソリンは図示しないガソリンタンクに蓄えられており、図示しない燃料ポンプで汲み上げられて筒内燃料噴射部１５に供給されている。
【００３７】
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。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。ＥＣＵ３０は、筒内燃料噴射部１５、点火プラグ１３６などを適切に駆動する制御も司っている。
【００３８】
またＥＣＵ３０は、シリンダブロック１４０に設けられた圧力センサ２３によって、燃焼室１５０内の燃焼状態を検出することができる。圧力センサ２３によって所定のしきい値以上に圧力が上昇しなかったことを検出した場合には、ＥＣＵ３０は、燃焼異常を解消するように運転状態を変更する。エンジンの運転については後述する。なお、圧力センサ２３に代えて、燃焼室１５０内の温度を検出する温度センサ２７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よい。その場合には、温度センサ２７が所定のしきい値以上に温度が上昇しなかったことを検出したときに、ＥＣＵ３０は、燃焼異常を解消するように運転状態を変更する。
【００３９】
また、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４サイクル運転と２サイクル運転とを含む複数の運転モードを切り換える制御も行う。４サイクル運転では、ピストンが２往復する間に１回の割合で、混合気の吸入と燃焼と排気とを行うのに対し、２サイクル運転では、ピストンが１往復するたびに、吸入と燃焼と排気とを行う。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を開閉させるタイミングを変更し、また、筒内燃料噴射部１５、点火プラグ１３６などを駆動するタイミングを切り換えてやれば、４サイクル運転と２サイクル運転とを切り換えることができる。
【００４０】
具体的には、ＥＣＵ３０は、エンジン回転速度Ｎe やアクセル開度θacに基づいて、吸気バルブ１３２、排気バルブ１３４の開閉タイミングを設定する。そして、それら吸気バルブ１３２および排気バルブ１３４の開閉タイミングは、電磁駆動弁駆動回路４０に伝えられる。電磁駆動弁駆動回路４０は、それらの値にしたがって、電動アクチュエータ１６２，１６４を適切なタイミングで駆動する。
【００４１】
Ａ−２．シリンダヘッドとピストンの構造：
図２は、ピストン１４４の頂部１４４ｈの構造と燃料噴射の状態を示す平面図である。ピストン１４４は、その往復方向に垂直な断面が、略円形の形状を有している。ここで、「略円形」とは、真円以外に、真円からわずかにつぶれた形状をも含み、具体的には、短径の寸法が長径の寸法の９８％〜１００％である形状を含む。そして、ピストン１４４の頂部１４４ｈには、ピストン１４４の略円形の中心点を中心として、６０°ずつの角度で６個（筒内燃料噴射部１５の噴射口の数と同数）の凹部１４４ｐが設けられている。それぞれの凹部１４４ｐは凹曲面で構成されており、ピストン１４４の略円形の中心点から等しい距離にある。なお、ここで、略円形の断面を有するピストン１４４の「中心点」とは、ピストンがシリンダに組み付けられたときにシリンダの中心軸と一致する地点である。
【００４２】
図３は、シリンダヘッド１３０およびピストン１４４の頂部１４４ｈの構造と燃料噴射の状態を示す説明図（縦断面図）である。ピストン１４４は、図２および図３に示すように、各凹部１４４ｐからシリンダ１４２の中心軸に向かう向きに設けられた溝部１４４ｑを有している。各溝部１４４ｑは、シリンダ１４２の中心軸の位置においてもっとも浅く、各凹部１４４ｐとの接続部分においてもっとも深くなるように設けられている。ただし、図３に示すように、溝部１４４ｑの各凹部１４４ｐとの接続部分の深さよりも、各凹部１４４ｐの深さの方が深い。なお、ここで凹部または溝部の「深さ」は、ピストン１４４のクランクシャフト１４８から最も遠い部分から、ピストンの往復方向に沿って、クランクシャフト１４８の向きにむけて測る寸法である（図１参照）。
【００４３】
図３に示すように、点火プラグ１３６は、シリンダの中心軸Ｏに対して吸気口１２ｏが設けられている側の位置に設けられている。そして、図２および図３に示すように、点火プラグ１３６は、点火のための火花を飛ばす電極１３６ｓが凹部１４４ｐの一つと向かい合う位置に来るように、ピストン１４４およびシリンダヘッド１３０に対して、取り付けられている。
【００４４】
また、筒内燃料噴射部１５は、燃料Ｆを噴射する各噴射口がシリンダ１４２の中心軸の近傍に位置するように、シリンダヘッド１３０の天井部１３０ｒに対して取り付けられている。ここで「シリンダの中心軸の近傍」とは、ピストンの往復方向に垂直な平面に投影したときに、シリンダの中心軸を中心としシリンダの半径の１／３の半径を有する円の中に含まれる範囲をいう。
【００４５】
この筒内燃料噴射部１５は、凹部１４４ｐと同数、すなわち６個の燃料噴射口を有しているホールノズルである。そして、図２および図３に示すように、各燃料噴射口は、ピストン１４４がもっとも下降したときの近傍（下死点前１０°〜下死点後１０°）で、すなわちシリンダヘッド１３０からもっとも遠ざかったときに、各燃料噴射口から噴射された燃料Ｆが各凹部１４４ｐ内に向けて噴射されるように、構成されている。
【００４６】
Ａ−３．運転領域による運転モードの切り換え：
図４は、エンジンの運転条件によって異なる運転モードが設定されているマップを示す説明図である。図４の横軸は、クランクシャフト１４８の単位時間当たりの回転数Ｎｅを表す。そして、図４の縦軸は、ＥＣＵ３０がアクセル開度などに基づいて設定する、エンジン１０に対する要求負荷（要求トルク）Ｌを表す。ＥＣＵ３０は、図４のマップをＲＯＭに記憶しており、そのマップにしたがって運転モードを決定する。
【００４７】
ＥＣＵ３０は、低負荷低回転のとき（領域Ｉ）および高負荷高回転のとき（領域ＶＩ）に、４サイクル運転であって、点火プラグ１３６で点火を行う４サイクル火花点火モードで運転を行う。そして、中負荷中回転のとき（領域ＩＩ〜Ｖ）に、燃料に自着火を起こさせる自着火モードで運転を行う。また、中負荷中回転の領域（領域ＩＩ〜Ｖ）にあって、比較的低回転の領域（領域ＩＩ，ＩＩＩ）においては、２サイクル運転であって燃料に自着火を起こさせる２サイクル自着火モードによる運転を行い、比較的高回転の領域（領域ＩＶ，Ｖ）においては、４サイクル運転であって燃料に自着火を起こさせる４サイクル自着火モードによる運転を行う。
【００４８】
さらに、比較的低回転の領域ＩＩ，ＩＩＩのうち、比較的低負荷の領域ＩＩにおいて、１サイクル中の燃料を１度に噴射する、第１の２サイクル自着火モードで運転を行う。また、比較的高負荷の領域ＩＩＩにおいて、１サイクル中の燃料を２度に分けて噴射する、第２の２サイクル自着火モードで運転を行う。
【００４９】
また、比較的高回転の領域ＩＶ，Ｖのうち、比較的低負荷の領域ＩＶにおいて、１サイクル中の燃料を１度に噴射する、第１の４サイクル自着火モードで運転を行う。そして、比較的高負荷の領域Ｖにおいて、１サイクル中の燃料を２度に分けて噴射する、第２の２サイクル自着火モードで運転を行う。
【００５０】
なお、「２サイクル自着火モード」および「４サイクル自着火モード」の名称は、このモードにおいて常に自着火燃焼が起こっていることを示すものではない。すなわち、後述するように、２サイクル自着火モードや４サイクル自着火モードにおいても火花点火燃焼を起こさせる場合がある。
【００５１】
自着火燃焼では燃焼室内で短時間にいっきに燃焼が起こる。このため、一般的な火花点火燃焼のような、初期に燃焼した領域が長時間にわたって高温に維持されることによる影響が少ない。さらに、自着火燃焼は、火花点火燃焼が困難な希薄な混合気においても短時間で燃料が燃焼するという特徴を有するため、火花点火燃焼に比べてＮＯｘ発生量が著しく低くなる条件が存在する。よって、できるだけ広い運転領域で、このような自着火燃焼を利用する自着火モードによる運転を行うことが好ましい。
【００５２】
しかし、要求負荷Ｌが小さい領域では、燃焼室内に吸入される空気量および燃料量が少ないので、燃焼室内の混合気の圧縮開始時の圧力が低くなる。このため、ピストンで圧縮しても混合気が自着火し難い傾向がある。そこで、要求負荷Ｌが小さい領域では、４サイクル火花点火モードで運転を行う。
【００５３】
また、自着火燃焼では燃焼室内で短時間にいっきに燃焼が起こる。このため、自着火燃焼では、要求負荷Ｌが大きい領域および回転数が高い領域では、火花点火燃焼の場合に比べて騒音が大きくなる。よって、要求負荷Ｌが大きい領域および回転数が高い領域では、４サイクル火花点火モードで運転を行う。
【００５４】
さらに、中負荷の領域（領域ＩＩ〜Ｖ）においては、自着火モードによる運転を行うが、比較的回転数の低い領域においては２サイクル自着火モードによる運転を行い、比較的高回転の領域では４サイクル自着火モードによる運転を行う。これは、回転数が高くなると、２サイクル運転の掃気期間において十分に既燃ガスを排出し、吸気を行うことが難しくなるためである。
【００５５】
Ａ−４．４サイクル自着火モードにおけるバルブ開閉タイミングと燃料噴射：
（１）第１の４サイクル自着火モード：
図５は、第１の４サイクル自着火モード（図４の領域ＩＶ参照）において、ピストン１４４の動きに同期させて吸気バルブ１３２および排気バルブ１３４を開閉させるタイミングを示した説明図である。図５において、「ＴＤＣ」はピストンが上死点となるタイミングを示し、「ＢＤＣ」はピストンが下死点となるタイミングを示している。そして、吸気バルブ１３２を開くタイミングを「ＩＶＯ」で表し、吸気バルブ１３２を閉じるタイミングを「ＩＶＣ」で表す。そして、吸気バルブ１３２が開いている区間を、両端に矢印を付した円弧ＩＶで示す。一方、排気バルブ１３４を開くタイミングを「ＥＶＯ」で表し、排気バルブ１３４を閉じるタイミングを「ＥＶＣ」で表す。そして、排気バルブ１３４が開いている区間を、両端に矢印を付した円弧ＥＶで示す。
【００５６】
図５においては、各バルブの開閉タイミングおよび燃料噴射のタイミングは、ピストン１４４が上死点と下死点の間を往復する間のクランクシャフト１４８の回転角度に対応させて、たとえば、上死点前５°、下死点前３５°のように表す。図５において、「ＢＴＤＣ」は「上死点前」を表し、「ＡＴＤＣ」は「上死点後」を表す。そして、「ＢＢＤＣ」は「下死点前」を表し、「ＡＢＤＣ」は「下死点後」を表す。
【００５７】
図５の４サイクル自着火モードにおいては、ピストン１４４が上死点前６０°のときに排気バルブ１３４を閉じる（図５のＥＶＣ）。このとき、吸気バルブ１３２は閉じている。そして、ピストン１４４が上死点ＴＤＣを越えて上死点後６０°の位置にきたときに吸気バルブ１３２を開く（図５のＩＶＯ）。その間、上死点後４５°から吸気バルブ１３２を開くまでの間の所定の時間区間において、筒内燃料噴射部１５から燃料噴射Ｅ４１が行われる。なお、４サイクル運転において排気バルブ１３４の閉弁ＥＶＣから吸気バルブ１３２の開弁ＩＶＯまでの期間を「負のオーバーラップ」と呼ぶ。その後、ピストン１４４が下降して下死点ＢＤＣを越え、上昇に転じて、下死点後４５°の位置にきたときに、吸気バルブ１３２を閉じる（図５のＩＶＣ）。吸気バルブ１３２が開いており、ピストン１４４が下降している間に、吸気通路１２から吸気が行われる（吸気行程）。
【００５８】
その後、吸気バルブ１３２と排気バルブ１３４がともに閉じた状態で、ピストン１４４がさらに上昇して燃焼室１５０内の燃料ガスを圧縮し（圧縮行程）、上死点（ＴＤＣ）近傍において燃焼室１５０内で燃料の自着火が起きる。
【００５９】
自着火により燃焼室１５０内の燃料が燃えてピストン１４４を押し下げ（爆発行程）、ピストン１４４が下死点前４５°の位置にきたときに、排気バルブ１３４を開く（図５のＥＶＯ）。そして、ピストン１４４が下降から上昇に転じ、ピストン１４４が上死点前６０°の位置に来たときに排気バルブ１３４を閉じる（図５のＥＶＣ）。排気バルブ１３４が開いており、ピストン１４４が上昇している間に、排気通路１６から既燃ガスの排出が行われる（排気行程）。以下、同様に運転サイクルが繰り返される。
【００６０】
図６は、４サイクル運転における燃料噴射Ｅ４１の際の燃料の流れを示した説明図である。筒内燃料噴射部１５は、ピストン１４４が下死点前１０°〜下死点後１０°にあるときに燃料を凹部１４４ｐに噴射できるように構成されている。よって、上死点後４５°〜６０°の間に行われる燃料噴射Ｅ４１においては、燃料は、矢印Ｆ４２に示すように、凹部１４４ｐではなく溝部１４４ｑに噴射される（図３参照）。そして、噴射された燃料の一部は霧状のまま、矢印Ｆ４４に示すように、溝部１４４ｑに沿って凹部１４４ｐに移動する。また、他の一部は液体として溝部１４４ｑに付着し、凹部１４４ｐに流入する。その後、霧状の燃料は、矢印Ｆ４６で示すように、凹部１４４ｐの凹曲面に沿ってシリンダヘッド１３０の方向に向かう。なお、燃料噴射Ｅ４１の際には、ピストン１４４は、矢印Ａｐで示すように、下降中である（図５参照）。
【００６１】
図７は、４サイクル自着火モードの運転における燃料の拡散と蒸発を示した説明図である。燃料が噴射された後、吸気バルブ１３２が開き、矢印Ａ４１に示すように、燃焼室１５０内に空気が導入される。この空気の流れにより、凹部１４４ｐの凹曲面に沿ってシリンダヘッド１３０の方向に向かった燃料（図６において矢印Ｆ４６で示した。）は、燃焼室１５０内で十分に拡散される。図中の黒点は、拡散される燃料を表す。一方、凹部１４４ｐ内に液体として残っていた燃料Ｆｒは、矢印Ｆ４８に示すように、少しずつ蒸発する。
【００６２】
図８は、燃焼室１５０内の比較的薄い混合気Ｇ４１と比較的濃い混合気Ｇ４２の様子を示す説明図である。図８の段階では、吸気バルブ１３２はすでに閉じられており、ピストン１４４は、矢印Ａｐで示すように、上昇に転じている（図５参照）。図６において矢印Ｆ４６で示した燃料は、図７に示したように、吸気によって燃焼室１５０内で十分に拡散され、図８の段階では比較的薄い混合気Ｇ４１を形成している。一方、凹部１４４ｐから蒸発した燃料（図７において矢印Ｆ４８で示した。）は、矢印Ｆ４６の燃料に比べて遅れて気化するため、拡散が進まず比較的濃い混合気Ｇ４２を形成する。混合気の濃淡は、図８において、黒点の密度で表現した。
【００６３】
図９は、燃焼室１５０内における自着火の様子を示す説明図である。白い星印は、発火した燃料を示す。図８の状態の後、さらにピストンが上昇すると、図９に示すように、比較的濃い混合気Ｇ４２において自着火が起こる。そして、燃焼室１５０内の比較的薄い混合気Ｇ４１も燃焼する。
【００６４】
（２）第２の４サイクル自着火モード：
図１０は、第２の４サイクル自着火モード（図４の領域Ｖ参照）において、ピストン１４４の動きに同期させて吸気バルブ１３２および排気バルブ１３４を開閉させるタイミングを示した説明図である。図中の各表記は、図５と同様である。第２の４サイクル自着火モードにおいては、上死点後４５°から吸気バルブ１３２を開くまでの間の所定の時間区間中に行われる燃料噴射Ｅ４１に加えて、下死点後９０°〜９５°の間の所定の時間区間中において、燃料噴射Ｅ４２を行う。燃料噴射Ｅ４２において噴射する燃料は、燃料噴射Ｅ４１において噴射する燃料よりも少ない。なお、１サイクル中で噴射する燃料の量は、負荷Ｌが大きいほど多くなる（図４参照）。
【００６５】
第２の４サイクル自着火モードにおいても、燃料噴射Ｅ４１における燃料の流れは、図６および図７に示した第１の４サイクル自着火モードの場合と同様である。ただし、負荷が異なるため、燃料の噴霧量は異なっている（図４参照）。
【００６６】
図１１は、４サイクル運転における燃料噴射Ｅ４２の際の燃料の流れを示した説明図である。下死点後９０°〜９５°の間に行われる燃料噴射Ｅ４２においては、燃料は、図１１の矢印Ｆ５２に示すように、溝部１４４ｑに噴射され、矢印Ｆ５４に示すように、一部は霧状のまま溝部１４４ｑに沿って凹部１４４ｐに移動する。その後、霧状の燃料は、矢印Ｆ５６に示すように、凹部１４４ｐの凹曲面に沿ってシリンダヘッド方向１３０のに向かう。
【００６７】
また、他の一部は液体として溝部１４４ｑに付着し、凹部１４４ｐに流入する。凹部１４４ｐ内に液体として誘導された燃料は、その後、蒸発する。なお、燃料噴射Ｅ４２の際には燃料噴射Ｅ４１のときに比べてピストン１４４が筒内燃料噴射部１５に近づいている。このため、燃料噴射Ｅ４２においては、噴射した燃料のうち、液体として溝部１４４ｑに付着し、凹部１４４ｐに流入する燃料（図１１においてＦｒで示す。）の割合は、燃料噴射Ｅ４１の場合に比べて高い。
【００６８】
図１２は、燃焼室１５０内の比較的薄い混合気Ｇ４１と比較的濃い混合気Ｇ４３の様子を示す説明図である。燃料噴射Ｅ４２が行われる際には、図１１に示すように、燃焼室１５０中にはすでに比較的薄い混合気Ｇ４１が形成されている。このため、燃料噴射Ｅ４２において噴射された燃料は、燃料噴射Ｅ４１において噴射された燃料に比べて気化されにくく、燃焼室１５０中に拡散しにくい。また、燃料噴射Ｅ４２は燃料噴射Ｅ４１よりも後に行われるため、ピストン１４４が上死点に達するまでの時間が短い。よって、この点からも、燃料噴射Ｅ４２において噴射された燃料は、燃焼室１５０中に拡散しにくい。よって、燃料噴射Ｅ４２において噴射された燃料は、凹部１４４ｐ近傍において、比較的濃い混合気Ｇ４３を形成する。混合気Ｇ４３を形成している燃料の一部は、燃料噴射Ｅ４１の燃料であり、他の一部は、燃料噴射Ｅ４２の燃料である。
【００６９】
その後、さらにピストンが上昇に転ずると、比較的濃い混合気Ｇ４３において自着火が起こる。そして、燃焼室１５０内の混合気Ｇ４１も燃焼する。
【００７０】
（３）プラグによる点火：
図１３は、燃焼不良を検出した場合の燃料噴射のタイミングを示す説明図である。燃焼室１５０において予定した燃焼が起こらなかった場合には、燃焼室内の圧力は予定した燃焼が起こった場合の値まで上昇しないことがある。ＥＣＵ３０は、第１および第２の４サイクル自着火モードにおいて、１サイクル中に燃焼室１５０内の圧力が所定のしきい値に達しなかった場合には、そのシリンダの次の１サイクルにおいては、圧縮期間中期の所定の時間区間中に、１サイクルで燃焼されるすべての燃料を噴射する燃料噴射Ｅ４３を行う。通常の状態では、燃料は吸気期間前のみで噴射するか（図５参照）、吸気期間前と、圧縮期間中期とに分けて噴射する（図１０参照）。よって、燃料噴射Ｅ４３において圧縮期間中期に１サイクルで燃焼されるすべての燃料を噴射することによって、圧縮期間中期に噴射される燃料は大幅に増加する。なお、「圧縮期間中期」とは、圧縮期間の下死点後７５°〜１１５度の区間を意味する。そして、上死点前３０°のタイミングで点火プラグ１３６よる点火ＥＧを行う。
【００７１】
（４）効果：
本実施例では、ピストンは、頂部に凹部１４４ｐと、凹部１４４ｐに接続された溝部１４４ｑとを有している。このため、比較的濃い混合気を凹部１４４ｐ近傍に形成することができる。よって、まず比較的濃い混合気から自着火をおこさせることで、均一に混合した場合には自着火が起こらないような、空気過剰率が高い混合気においても、安定して自着火を行わせることができる。
【００７２】
なお、本実施例においては、凹部１４４ｐ近傍に形成される比較的濃い混合気の空気過剰率が１より大きくても、自着火が生じる。よって、燃焼を起こさせるために、部分的に、理論空燃比と同じかそれよりも濃い、すなわち、空気過剰率が１以下である混合気を形成する場合に比べて、燃焼によって生じるＮＯｘの量を少なくすることができる。
【００７３】
また、本実施例においては、ピストン１４４に、凹部１４４ｐに接続された溝部１４４ｑが設けられている。このため、溝部１４４ｑに向けて噴射された燃料は溝部１４４ｑを伝って凹部１４４ｐに流れる。したがって、ピストン１４４がＢＤＣ近傍にないときに噴射した燃料も、凹部１４４ｐに導くことができる。
【００７４】
また、本実施例では、凹部１４４ｐは、ピストン１４４の頂部１４４ｈにおいて、シリンダの中心軸を中心として均等な角度で配されている。このため、燃焼室１５０内において均等な空間に一箇所ずつ比較的濃い混合気を形成することができる。よって、自着火による燃焼を、燃焼室１５０内において均等に行わせることができる。また、筒内燃料噴射部１５は、凹部１４４ｐと同数の噴射口を備えている。このため、各凹部１４４ｐに向けてそれぞれ異なる噴霧束で燃料を噴射することができる。
【００７５】
本実施例においては、筒内燃料噴射部１５は、各噴射口がシリンダ１４２の中心軸の近傍に位置するように設けられている。よって、ピストン頂部に設けられた各凹部１４４ｐおよび各溝部１４４ｑに対して、容易に燃料を噴射することができる。すなわち、ピストン１４４の頂部の構造に妨げられて、燃料が凹部に到達しない可能性が低い。また、溝部１４４ｑは、ピストン１４４の頂部において、燃料噴射部の噴射口と向かい合う中央から各凹部１４４ｐに向けて放射状に設けられている。そして、筒内燃料噴射部１５は、ピストン１４４がもっとも下降したときに、燃料が各凹部１４４ｐ内に向けて噴射されるように、構成されている。このため、筒内燃料噴射部１５は、ピストンが任意の位置にあるときに、燃料を溝部１４４ｑまたは凹部１４４ｐに噴射することができる。
【００７６】
シリンダ１４２の内壁（シリンダライナ）に付着した燃料や、シリンダ１４２の内壁の近傍にある燃料は、シリンダに熱を奪われるために、燃焼しにくい。また、シリンダ１４２の内壁とピストン１４４側面の間に入り込んだ燃料も、同様に燃焼しにくい。しかし、本実施例においては、図６に示すように、噴射された燃料は、溝部１４４ｑおよび凹部１４４ｐの内壁の凹曲面に沿って移動する。このため、燃料は、シリンダ１４２の内壁近傍の領域に移動しにくく、また、シリンダ１４２の内壁とピストン１４４の間に入り込みにくい。よって、本実施例のような態様においては、未燃燃料が生じにくい。また、本実施例においては、特に、凹部は凹曲面で構成されているため、より効果的である。
【００７７】
さらに、４サイクル自着火モードにおいては、排気行程において排気バルブ１３４を閉じた後、吸気バルブ１３２を開いて吸気を開始している（図５および図１０参照）。すなわち、サイクル中に、いわゆる「負のオーバーラップ」を有している。そして、その「負のオーバーラップ」の間に燃料を噴射している。このため、４サイクル運転モードにおいては、前のサイクルで生じた高温の既燃ガスが残留している燃焼室１５０に、燃料を噴射することができる。よって、図６において矢印Ｆ４６で示し、図８においてＧ４１で示した比較的薄い混合気を、燃焼室１５０内において十分に気化させ、拡散させることができる。
【００７８】
第２の４サイクル自着火モードにおいては、燃料噴射を、燃料噴射Ｅ４１と、下死点後９０°〜９５°の間の燃料噴射Ｅ４２とに分けて行う。すなわち、第１の４サイクル自着火モードに比べて、より遅い時期にも燃料の噴射を行う。このため、燃焼室１５０内の燃料全体の自着火のタイミングを遅らせることができ、燃焼室１５０内の燃料全体が燃焼するのにかかる時間を長くすることができる。その結果、燃焼の際の騒音を低減することができる。よって、より高負荷の領域においても自着火による運転を行うことができる。言い換えれば、図４において、４サイクル自着火モードによる運転を行う領域Ｖを、より高負荷側に広げることができる。
【００７９】
また、第２の４サイクル自着火モードにおいては、負のオーバーラップ中に行う燃料噴射Ｅ４１によって、比較的薄い均一な混合気Ｇ４１を形成することができ、圧縮期間中期に行う燃料噴射Ｅ４２によって、比較的濃い混合気Ｇ４３を形成することができる。よって、全体として空気過剰率が高い場合にも、安定して自着火を行わせることができる。
【００８０】
前サイクルの既燃ガス（内部ＥＧＲガス）を利用する自着火運転においては、一度失火が起こると、そのサイクルでは高温の既燃ガスが生じないため、次のサイクルでも失火が生じやすい。しかし、本実施例では、失火が起こった場合には、図１３に示すように、次のサイクルにおいて点火プラグ１３６による点火を行う。このため、失火した次のサイクルにおいては、点火プラグ１３６を使用して、高い確度で燃焼を起こさせることができる。その結果、更に次のサイクルでは、前のサイクルの既燃ガスを利用することができ、高い確率で自着火を起こさせることができる。そして、その後、再び安定した燃焼を起こさせやすい。
【００８１】
また、本実施例では、点火プラグ１３６は、その電極１３６ｓが、凹部１４４ｐの一つと向かい合う位置に来るように、ピストン１４４およびシリンダヘッド１３０に対して、取り付けられている。よって、比較的濃い混合気中で点火を行うことができ、空気過剰率が高い場合にも、比較的薄い混合気中で点火を行う場合に比べて、より確実に燃料に着火することができる。
【００８２】
さらに、本実施例では、点火プラグ１３６による点火を行う際には、そのサイクルで燃焼されるすべての燃料を、圧縮期間中期で燃焼室１５０内に噴射している（図１３参照）。このため、凹部１４４ｐ近辺には、混合気Ｇ４２（図８および図９に示す、第１の４サイクル自着火モードの燃焼参照。）やＧ４３（図１２に示す、第２の４サイクル自着火モードの燃焼参照。）よりも濃い混合気が形成される。よって、この点からも、空気過剰率が高い場合にも、より確実に燃料に点火を行うことができる。
【００８３】
Ａ−５．２サイクル自着火モードにおけるバルブ開閉タイミングと燃料噴射：
（１）第１の２サイクル自着火モード：
図１４は、第１の２サイクル自着火モードに（図４の領域ＩＩ参照）おいて、ピストン１４４の動きに同期させて吸気バルブ１３２および排気バルブ１３４を開閉させるタイミングを示した説明図である。図中の各表記は、図５と同様である。図１４に示すように、第１の２サイクル自着火モードにおいては、ピストン１４４が下降して下死点前６５°の位置にきたときに排気バルブ１３４を開く。このとき、吸気バルブ１３２は閉じている。そして、ピストン１４４がさらに下降して下死点前４０°の位置にきたときに吸気バルブ１３２を開く。その後、ピストン１４４が下降から上昇に転じて下死点後２５°の位置にきたとき、排気バルブ１３４を閉じる。
【００８４】
ピストン１４４が下死点前４０°から下死点後２５°にある間、吸気通路１２から吸気が行われ、排気通路１６から既燃ガスの排出が行われる。すなわち、掃気が行われる。なお、２サイクル運転で掃気を行う際には、図示しない過給器を用いて吸気の圧力（給気圧）を上昇させるのが一般的である。この掃気期間中に、下死点前１０°〜下死点後１０°の間の所定の時間区間において、筒内燃料噴射部１５から燃料噴射Ｅ２１が行われる。
【００８５】
その後、ピストン１４４が下死点後４０°の位置にきたときに、吸気バルブ１３２を閉じる。そして、ピストン１４４が上昇して燃焼室１５０内の空気および燃料を圧縮すると、上死点ＴＤＣ近辺で燃料が自着火を起こし、ピストン１４４を押し下げる。以下、同様に運転サイクルが繰り返される。
【００８６】
図１５は、２サイクル運転における燃料噴射Ｅ２１の際の燃料の流れを示した説明図である。筒内燃料噴射部１５は、ピストンが下死点前１０°〜下死点後１０°にあるときに燃料を凹部１４４ｐに噴射できるように構成されている。よって、下死点前１０°〜下死点後１０°の間に行われる燃料噴射Ｅ２１においては、燃料は、矢印Ｆ６２に示すように、凹部１４４ｐに噴射される。そして、噴射された燃料の一部は、矢印Ｆ６６に示すように、凹部１４４ｐの凹曲面に沿ってシリンダヘッド１３０の方向に向かう。他の一部は液体として凹部１４４ｐの内面に付着する。
【００８７】
燃料噴射Ｅ２１は、図１４に示すように、掃気期間において行われる。よって、燃料噴射Ｅ２１が行われているときには、矢印Ａ２１に示すように、吸気口から燃焼室１５０内に空気が流入する。そして、矢印Ａ２２に示すように、排気口から燃焼室１５０内の既燃ガスが流出する。この空気の流れにより、凹部１４４ｐの凹曲面に沿ってシリンダヘッド１３０の方向に向かった燃料（図１５において矢印Ｆ６６で示した。）は、燃焼室１５０内で十分に拡散される。また、燃焼室１５０内に残留している高温の既燃ガスによって、燃料が気化される。その結果、燃焼室１５０内において比較的薄い混合気Ｇ２１が形成される。なお、図中の黒点は、気化し、拡散される燃料を表す。
【００８８】
図１６は、２サイクル自着火モードの運転における燃料の拡散と蒸発を示した説明図である。凹部１４４ｐ内に液体として残っていた燃料Ｆｒは、矢印Ｆ６８に示すように、少しずつ蒸発する。その結果、比較的濃い混合気Ｇ２２（図示せず）が形成される。その後、さらにピストンが上昇すると、図８および図９に示した４サイクル自着火モードの場合と同様に、比較的濃い混合気Ｇ２２において自着火が起こる。そして、燃焼室１５０内の他の混合気も燃焼する。
【００８９】
（２）第２の２サイクル自着火モード：
図１７は、第２の２サイクル自着火モード（図４の領域ＩＩＩ参照）において、ピストン１４４の動きに同期させて吸気バルブ１３２および排気バルブ１３４を開閉させるタイミングを示した説明図である。図中の各表記は、図５と同様である。第２の４サイクル自着火モードにおいては、下死点前１０°〜下死点後１０°の間の所定の時間区間中に行われる燃料噴射Ｅ２１に加えて、下死点後９０°〜９５°の間の所定の時間区間中において、燃料噴射Ｅ２２を行う。燃料噴射Ｅ２２において噴射する燃料は、燃料噴射Ｅ２１において噴射する燃料よりも少ない。なお、４サイクル自着火モードと同様、１サイクル中で噴射する燃料の量は、負荷Ｌが大きいほど多くなる。
【００９０】
燃料噴射Ｅ２１における燃料の流れは、図１５および図１６に示した第１の２サイクル自着火モードの場合と同様である。そして、燃料噴射Ｅ２２における燃料の流れは、図１１および図１２に示した第２の４サイクル自着火モードの場合と同様である。ただし、噴射される燃料の量は、負荷に応じて異なる。
【００９１】
（３）プラグによる点火：
ＥＣＵ３０は、４サイクル自着火モードの場合と同様、第１および第２の２サイクル自着火モードにおいても、失火が起こったと判断できる場合には、そのシリンダの次の１サイクルにおいては、圧縮期間中期（下死点後８０°〜１００°）の所定の時間区間中に、１サイクルで燃焼されるすべての燃料を噴射する。そして、上死点前３０°のタイミングで点火プラグ１３６よる点火を行う（図１３参照）。
【００９２】
（４）効果：
本実施例では、筒内燃料噴射部１５の各燃料噴射口は、ピストン１４４がもっとも下降したとき、すなわち、ピストン１４４がＢＤＣ近傍（下死点前１０°〜下死点後１０°）にあるときに、各燃料噴射口から噴射された燃料が各凹部１４４ｐ内に向けて噴射されるように、構成されている。よって、燃料噴射Ｅ２１の燃料は、凹部１４４ｐ内に噴射される。その結果、凹部１４４ｐ近傍において、自着火しやすい比較的濃い混合気を作ることができる。よって、空気過剰率が高い場合にも、安定して自着火を行わせることができる。
【００９３】
また、２サイクル自着火モードにおいては、掃気期間中に燃料噴射Ｅ２１を行っている。このため、前のサイクルで生じた高温の既燃ガスが残留している燃焼室１５０に、燃料を噴射することができる。よって、図１５において矢印Ｆ６６で示した比較的薄い混合気を、燃焼室１５０内において十分に気化させ、拡散させることができる。
【００９４】
第２の２サイクル自着火モードにおいては、燃料噴射を、燃料噴射Ｅ２１と、下死点後９０°〜９５°の間の燃料噴射Ｅ２２とに分けて行う。このため、第２の４サイクル自着火モードの場合と同様の理由から、燃焼の際の騒音を低減することができる。よって、図４において、２サイクル自着火モードによる運転を行う領域ＩＩＩを、より高負荷側に広げることができる。
【００９５】
また、第２の４サイクル自着火モードにおいては、掃気期間中に行う燃料噴射Ｅ２１によって、比較的薄い均一な混合気を形成することができ、圧縮期間中期に行う燃料噴射Ｅ２２によって、比較的濃い混合気を形成することができる。よって、空気過剰率が高い場合にも、安定して自着火を行わせることができる。
【００９６】
Ｂ．第２実施例：
図１８は、第２実施例のシリンダヘッド１３０ｂおよびピストン１４４ｂの頂部の構造と燃料噴射の状態を示す説明図（縦断面図）である。第２実施例は、第１実施例とは、燃料噴射部と点火プラグの位置が異なっており、これに応じてピストン頂部の形状も変更されている。すなわち、第２実施例においては、吸気通路１２内に吸気管燃料噴射部１５ｂが設けられており、シリンダ１４２の側壁に筒内燃料噴射部１５ｃが設けられている。筒内燃料噴射部１５ｃは、シリンダヘッド１３０ｂ上であって、シリンダの中心軸Ｏに対して吸気口１２ｏが設けられている側の位置に設けられている。そして、点火プラグ１３６ｂは、シリンダ１４２の中心軸近傍に電極１３６ｓがくるように、シリンダヘッド１３０の天井部１３０ｒに対して取り付けられている。
【００９７】
なお、筒内燃料噴射部１５ｃは、シリンダヘッド１３０において、燃焼室の内側壁近傍から燃料を噴射できる位置に設けられている。ここで、「燃焼室の内側壁近傍」とは、シリンダヘッドの天井部１３０ｒをピストンの往復方向に垂直な平面に投影したときに、「シリンダの内側壁からシリンダの半径方向内側にシリンダの半径の１／５だけ近寄った位置」から「シリンダの内側壁からシリンダの半径方向外側にシリンダの半径の１／５だけ離れた位置」までの範囲を意味する。その際、燃料噴射部がシリンダヘッドに設けられているか、シリンダブロックに設けられているかは問わない。
【００９８】
図１９は、第２実施例におけるピストン１４４ｂの頂部１４４ｈの構造と燃料噴射の状態を示す平面図である。第２実施例においては、ピストン１４４ｂの頂部１４４ｈには、ピストン１４４がシリンダに組み付けられたときにシリンダ１４２の中心軸の近傍にくる位置に、点火凹部１４４ｒが設けられている。なお、「凹部がシリンダの中心軸の近傍に設けられている」とは、ピストンの頂部をピストンの往復方向に垂直な平面に投影したときに、シリンダの中心軸を中心としシリンダの半径の１／３の半径を有する円の中に、凹部の射影の面積の７５％以上が含まれることを意味する。
【００９９】
また、ピストン１４４ｂの頂部の外周近傍には、他の４個の凹部１４４ｓが設けられている。４個の凹部１４４ｓは、筒内燃料噴射部１５ｃとシリンダ１４２の中心軸Ｏを結ぶ線に対して対称の位置および形状に設けられている。図１９においては、筒内燃料噴射部１５ｃとシリンダ１４２の中心軸Ｏを結ぶ線、および筒内燃料噴射部１５ｃとシリンダ１４２の中心軸Ｏを結ぶ線に垂直でシリンダ１４２の中心軸Ｏを通る線を、一点鎖線で示す。
【０１００】
また、各凹部１４４ｒ、１４４ｓには、溝部１４４ｔがそれぞれ設けられている。これらの溝部１４４ｔは、ピストン１４４ｂの往復方向に垂直な平面に投影したときに各凹部１４４ｒ，１４４ｓから筒内燃料噴射部１５ｃの位置に向かう向きに伸びている。
【０１０１】
筒内燃料噴射部１５ｃは、５個の凹部１４４ｒ，１４４ｓと同数、すなわち５個の燃料噴射口を有している。そして、図１８および図１９に示すように、各燃料噴射口は、ピストン１４４がもっとも下降したとき、各燃料噴射口から噴射された燃料が各凹部１４４ｒ，１４４ｓ内に向けて噴射されるように、構成されている。さらに、筒内燃料噴射部１５ｃの各燃料噴射口は、筒内燃料噴射部１５ｃから遠い凹部に燃料を噴射するものほど、小さい噴射角で燃料を噴射するように設けられている。ここで、「噴射角」とは、一つの噴射口から噴射される燃料の広がりの角度を意味する。第２実施例のエンジンの他のハードウェア構成は、第１実施例のエンジンと同様である。
【０１０２】
第２実施例のエンジンの運転の仕方は、第１実施例のエンジンとほぼ同様である。ただし、４サイクル火花点火モードを行う際（図４の領域ＩおよびＶＩ）には、吸気管燃料噴射部１５ｂのみから燃料を噴射する。また、４サイクル自着火モードを行う際（図４の領域ＩＶおよびＶ）には、筒内燃料噴射部１５ｃのみから燃料を噴射する。そして、２サイクル自着火モードを行う際（図４の領域ＩＩおよびＩＩＩ）には、掃気期間中に行う燃料噴射Ｅ２１は、吸気管燃料噴射部１５ｂから行い、圧縮期間中に行う燃料噴射Ｅ２２は、筒内燃料噴射部１５ｃから行う。第２実施例のエンジンの運転についての他の点は、第１実施例のエンジンの運転と同様である。
【０１０３】
第２実施例においては、吸気管に設けられた吸気管燃料噴射部１５ｂを備えている。このため、２サイクル自着火モードにおいて掃気期間中に行う燃料噴射Ｅ２１によって噴射する燃料を、空気とともに燃焼室１５０に導入することができる。よって、燃料噴射Ｅ２１によって噴射された燃料を、燃焼室１５０中で十分に拡散させることができる。
【０１０４】
また、第２実施例においては、筒内燃料噴射部１５ｃは、筒内燃料噴射部１５ｃから遠い凹部ほど、小さい噴射角で燃料を噴射する複数の噴射口を有している。このため、筒内燃料噴射部１５ｃから遠い凹部についても、凹部の外に燃料が噴射されてしまう可能性が低い。
【０１０５】
さらに、第２実施例のピストン１４４ｂは、各凹部１４４ｒ、１４４ｓから筒内燃料噴射部１５ｃに向かう向きに溝部１４４ｔを有している。このため、ピストンが最も下降したとき以外のタイミングで筒内燃料噴射部１５ｃから燃料を噴射しても、噴射された燃料は溝部１４４ｔに沿って凹部１４４ｒ、１４４ｓに導入される。このため、噴射された燃料の一部は凹部１４４ｒ、１４４ｓ近傍にとどまり、比較的濃い混合気を形成し、他の一部は凹部１４４ｒ、１４４ｓの内壁に沿って、燃焼室内に拡散する。その結果、圧縮の際に、凹部１４４ｒ、１４４ｓ近傍の比較的濃い混合気からまず自着火を起こさせ、その後、燃焼室内全体に均等拡散した混合気に、均等に自着火を起こさせることができる。よって、燃焼によって生じるＮＯｘの量を低減することができる。
【０１０６】
また、第２実施例のエンジンは、シリンダ１４２の中心軸の近傍に設けられた点火凹部１４４ｒと向かい合う位置に、点火プラグ１３６ｂの電極がくるように、点火プラグ１３６ｂが設けられている。このため、点火プラグ１３６ｂによって点火を行う場合に、炎または既燃ガスの圧力は均等に燃焼室内に伝播する。また、凹部１４４ｒ，１４４ｓは、筒内燃料噴射部１５ｃとシリンダ１４２の中心軸を結ぶ線に対して対称の位置および形状に設けられている。このため、各凹部で形成される混合気が自着火して生じた火炎または既燃ガスの圧力が、均等に燃焼室１５０内に伝播する。よって、燃焼室内全体に均等拡散した混合気に、均等に自着火を起こさせることができ、燃焼によって生じるＮＯｘの量を低減することができる。
【０１０７】
Ｃ．第３実施例：
図２０は、第３実施例におけるピストン１４４ｃの頂部の構造と燃料噴射の状態を示す説明図（縦断面図）である。第３実施例のエンジンにおいては、筒内燃料噴射部１５ｄは、燃焼室の内側壁近傍から燃料を噴射できる位置に設けられており、吸気管燃料噴射部は設けられていない。筒内燃料噴射部１５ｄは、シリンダヘッド１３０ｃ上であって、シリンダの中心軸Ｏに対して吸気口１２ｏが設けられている側の位置に設けられている。第３実施例のシリンダヘッド１３０ｃについての他の構成は、第２実施例のシリンダヘッド１３０ｂと同様である。
【０１０８】
図２１は、第３実施例のシリンダヘッド１３０ｃおよびピストン１４４ｃの頂部の構造と燃料噴射の状態を示す平面図である。図２１の表記は、図１９と同様である。第３実施例のピストン１４４ｃは、第２実施例と同様に、頂部に５個の凹部１４４ｕ，１１４４ｖ，１４４ｗを有する。シリンダ１４２の中心軸近傍には、点火凹部１４４ｕが設けられている。そして、ピストン１４４ｃの外周近傍であって吸気バルブ１３２に近い側には、２個の凹部１４４ｖが設けられており、排気バルブ１３４に近い側にも、２個の凹部１４４ｗが設けられている。なお、「ピストンの外周近傍」とは、ピストンの頂部をピストンの往復方向に垂直な平面に投影したときに、ピストンの頂部の範囲内であって、シリンダの中心軸を中心としシリンダの半径の１／３の半径を有する円の外側にある領域をいう。そして、「凹部がピストンの外周近傍に設けられている」とは、凹部をピストンの往復方向に垂直な平面に投影したときに、「ピストンの外周近傍」に、凹部の射影の面積の７５％以上が含まれることを意味する。周囲にある４個の凹部１４４ｖ，１４４ｗは、筒内燃料噴射部１５ｃとシリンダ１４２の中心軸を結ぶ線に対して対称の位置および形状に設けられている。
【０１０９】
凹部１４４ｖは、上死点にあるピストン１４４ｃと全開状態にある吸気バルブ１３２とが干渉しないような形状に設けられている。また、凹部１４４ｗは、上死点にあるピストン１４４ｃと全開状態にある排気バルブ１３４とが干渉しないような形状に設けられている。第３実施例のエンジンの他の構成は、第２実施例と同様である。また、第３実施例のエンジンの運転は、第１実施例のエンジンと同様である。なお、図２０においては、シリンダの中心軸を示す一点鎖線Ｏの左側には、凹部１４４ｖの断面を破線で示し、右側には、凹部１４４ｗの断面を破線で示している。凹部１４４ｖ、１４４ｗは、いずれも底面としてピストンの往復方向に垂直で円形の平面を有している。図２０で示す凹部１４４ｖ、１４４ｗの断面は、それぞれの底面の円の中心を含みシリンダの中心軸に平行な面Ｌｓ１，Ｌｓ２（図２１参照）における断面である。
【０１１０】
ところで、従来から、ピストンには、吸気バルブや排気バルブと干渉しないように、「逃げ」のための凹部、すなわちバルブリセスが設けられることがある。すなわち、「バルブリセス」とは、ピストン頂部に設けられる凹部であって、全開状態にある吸気バルブおよび排気バルブと上死点にあるピストンとが干渉しないような形状に設けられる凹部である。仮に、このバルブリセスと、燃料を拡散しまたは滞留させるための凹部とを、それぞれの機能の要請に基づいて形成すると、ピストンの形状が複雑になる。その結果、ピストンの体積に対する表面積の比が大きくなって、燃焼の際の冷却損失が増大する。しかし、第３実施例のピストン１４４ｃにおいては、燃料を拡散し、または滞留させるための凹部１４４ｖ、１４４ｗが、それぞれ吸気バルブ１３２、排気バルブ１３４と干渉しないような形状に設けられている。このため、各バルブとピストンの干渉防止ならびに燃料の拡散および滞留という要請を満たしつつ、燃焼の際の冷却損失を小さくすることができる。その結果、燃料を燃焼させることによって得られるエネルギーを、効率的に仕事として取り出すことができる。
【０１１１】
Ｄ．第４実施例：
図２２は、第４実施例のシリンダヘッド１３０ｄおよびピストン１４４ｄの頂部の構造と燃料噴射の状態を示す説明図（縦断面図）である。第３実施例との相違点は、シリンダヘッドの天井部の形状と、ピストン頂部の形状である。第４実施例のシリンダヘッド１３０ｄにおいては、燃焼室１５０を構成する天井部１３０ｒのうち、吸気口１２ｏの外周を形成している天井部分Ｐｉと、排気口１６ｏの外周を形成している天井部分Ｐｅとが互いに向かい合うような傾斜を有しており、それらのなす角度が他の実施例よりも小さい。その結果、天井部分ＰｉとＰｅに挟まれた天井部分Ｐｍ（「天井頂部Ｐｍ」と呼ぶ。）は、他の実施例よりも奥まっており、クランクシャフト１４８から遠くなっている（図１参照）。天頂部分Ｐｍは、図２２において紙面に垂直な方向に尾根のような形状を有する。このような燃焼室の形式を、ペントルーフ型という。
【０１１２】
点火プラグ１３６ｄは、天頂部分Ｐｍの、シリンダ１４２の中心軸近傍に設けられている。また、筒内燃料噴射部１５ｅは、第３実施例と同様に、燃焼室１５０の内側壁近傍に設けられている。
【０１１３】
図２３は、第４実施例におけるピストン１４４ｄの頂部の構造と燃料噴射の状態を示す平面図である。第４実施例のピストン１４４ｄは、頂部に３個の凹部１４４ｙ，１４４ｚを有する。各凹部を構成する曲面は、球面の一部である。シリンダ１４２の中心軸Ｏの近傍には、点火凹部１４４ｙが設けられている。そして、点火凹部１４４ｙを挟んで２個の凹部１４４ｚが設けられている。２個の凹部１４４ｚは、筒内燃料噴射部１５ｅとシリンダの中心軸Ｏを結ぶ線Ｌｍに対して対称の位置および形状に設けられている。筒内燃料噴射部１５ｅとシリンダの中心軸Ｏを結ぶ線Ｌｍを、左右方向の一点鎖線で示す。
【０１１４】
凹部１４４ｙ、１４４ｚは、筒内燃料噴射部１５ｅとシリンダの中心軸Ｏを結ぶ線Ｌｍに対して垂直な方向に沿って並んでいる。いいかえれば、３個の凹部１４４ｙ、１４４ｚは、天頂部分Ｐｍと向かい合うように配されている。
【０１１５】
前述したように、天頂部分Ｐｍは、図２２において紙面に垂直な方向に尾根のような形状で分布する。ここで、シリンダ１４２の中心軸Ｏを含む平面であって燃焼室１５０の断面積を最も大きくする基準平面ＰＲ１を規定すると、この平面ＰＲ１は、図２３に破線で示した位置になる。すなわち、筒内燃料噴射部１５ｅとシリンダの中心を結ぶ線Ｌｍに対して垂直な面となる。この基準平面ＰＲ１に平行な二つの平面Ｐｄ１，Ｐｄ２で仮想的にピストンの頂部１４４ｈを三つの領域Ａ１〜Ａ３に分割する。その際、これらの頂部領域Ａ１〜Ａ３をシリンダ１４２の中心軸Ｏに垂直な平面（図２３において紙面に平行な平面）に投影したとき、シリンダ１４２の中心軸Ｏを通り基準平面ＰＲ１と垂直な方向の直線Ｌｍに沿って測った三つの頂部領域Ａ１〜Ａ３の寸法Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３が１：１：１となるように、平面Ｐｄ１，Ｐｄ２を規定する。
【０１１６】
これらの三つの頂部領域Ａ１，Ａ２，Ａ３のうち、頂部領域Ａ２は、図２２に示すように、天頂部分Ｐｍと向かい合う。このため、ピストン１４４ｄの往復方向に沿った頂部領域Ａ２から天井部１３０ｒまでの平均距離は、他の頂部領域Ａ１，Ａ３から天井部１３０ｒまでの平均距離に比べて遠い。ピストン１４４ｄの頂部に設けられた３個の凹部１４４ｙ、１４４ｚは、図２３に示すように、頂部領域Ａ２に設けられている。
【０１１７】
また、第４実施例のピストン１４４ｄの頂部１４４ｈには、三つの凹部１４４ｙ，１４４ｚに共通する一つの溝部１４４ｏが設けられている。この溝部１４４ｏは、ピストン１４４ｄの往復方向に垂直な平面に投影したときの筒内燃料噴射部１５ｅの位置から三つの凹部１４４ｙ，１４４ｚに向けて略三角形状に広がった形状を有している。第４実施例のエンジンの他の点は、第３実施例のエンジンと同様である。
【０１１８】
仮に、３個の凹部が、筒内燃料噴射部１５ｅとシリンダの中心を結ぶ直線Ｌｍに沿って配されていたとすると、各凹部で形成された比較的濃い混合気で発火が起こったときに、火炎や既燃ガスの圧力は、天井部分Ｐｉの下部や天井部分Ｐｅの下部には比較的早期に達するものの、天頂部分Ｐｍには比較的遅れて到達することになる（図２２参照）。このため、燃焼にばらつきが生じ、また、燃焼時間も長くなる。
【０１１９】
しかし、第４実施例では、３個の凹部１４４ｙ、１４４ｚは、凹部１４４ｙ、１４４ｚは、筒内燃料噴射部１５ｅとシリンダの中心Ｏを結ぶ線Ｌｍに対して垂直な方向に並んでいる。すなわち、尾根状の天頂部分Ｐｍと向かい合うようには配置されている。このため、各凹部１４４ｙ、１４４ｚの混合気で発火が起こったときに、火炎や既燃ガスの圧力は、比較的均等な時間で天頂部分Ｐｍにまで到達する。このため、燃焼のばらつきを小さくすることができ、かつ、燃焼時間を短くすることができる。その結果、ＮＯｘを低減することができる。
【０１２０】
Ｅ．第５実施例：
図２４は、第５実施例のシリンダヘッド１３０ｅおよびピストン１４４ｅの頂部の構造と燃料噴射の状態を示す説明図（縦断面図）である。第５実施例のエンジンは、筒内燃料噴射部が２個設けられている点と、点火プラグの位置とが他の実施例と異なっている。すなわち、第５実施例のエンジンでは、シリンダの天井部１３０ｒであってシリンダ１４２の中心軸Ｏの近傍の位置に、第１の筒内燃料噴射部１５ｆを有し、さらに、燃焼室１５０の内側壁近傍から燃料を噴射できる第２の筒内燃料噴射部１５ｇを有している。ピストン１４４ｅの形状は、第１実施例のピストン１４４と同様である。
【０１２１】
第２の筒内燃料噴射部１５ｇは、シリンダヘッド１３０ｅ上であって、シリンダの中心軸Ｏに対して吸気口１２ｏが設けられている側の位置に設けられている。そして、点火プラグ１３６ｅは、シリンダ１４２の中心軸Ｏを挟んで第２の筒内燃料噴射部１５ｇと向かい合う位置に設けられている。すなわち、点火プラグ１３６ｅは、シリンダヘッド１３０ｅ上であって、シリンダの中心軸Ｏに対して排気口１６ｏが設けられている側の位置に設けられている。また、点火プラグ１３６ｅは、その電極１３６ｓがピストン１４４ｅの凹部１４４ｐの一つの直上にくるように設けられている。
【０１２２】
第２の筒内燃料噴射部１５ｇは、図２４において破線で示すように、水平に近い角度で燃焼室１５０内に燃料を噴射する。第１の筒内燃料噴射部１５ｆの燃料噴射口は、図２４において斜線部で示すように、ピストン１４４ｅが最も下降したときに、各凹部１４４ｐ内に燃料を噴射できるように構成されている。第１および第２の筒内燃料噴射部１５ｆ，１５ｇは、燃料の噴射圧力を変えることで単位時間当たりに噴射する燃料の量を増減することができるタイプの燃料噴射弁である。第５実施例のエンジンの他のハードウェア構成は、第１実施例のエンジンと同様である。
【０１２３】
第５実施例のエンジンの運転は、第１実施例のエンジンと同様に行われる。ただし、燃料噴射において、第１および第２の筒内燃料噴射部１５ｆ，１５ｇを使い分ける。すなわち、第１の４サイクル自着火モード（図４および図５参照）においては、負のオーバーラップ中に行う燃料噴射Ｅ４１は、第１の筒内燃料噴射部１５ｆで行う。そして、第２の４サイクル自着火モード（図４および図１０参照）においては、負のオーバーラップ中に行う燃料噴射Ｅ４１は、第２の筒内燃料噴射部１５ｇで行い、圧縮期間中期に行う燃料噴射Ｅ４２は、第１の筒内燃料噴射部１５ｆで比較的低い圧力で行う。
【０１２４】
一方、第１の２サイクル自着火モード（図４および図１４参照）においては、掃気期間に行う燃料噴射Ｅ２１は、第１の筒内燃料噴射部１５ｆで行う。そして、第２の２サイクル自着火モード（図４および図１７参照）においては、掃気期間に行う燃料噴射Ｅ２１は、第２の筒内燃料噴射部１５ｇで、比較的低い圧力で単位時間当たりの燃料噴射量を比較的少なくして行う。そして、圧縮期間中期に行う燃料噴射Ｅ２２は、第１の筒内燃料噴射部１５ｆで、比較的高い圧力で単位時間当たりの燃料噴射量を比較的多くして行う。他の点は、第１実施例のエンジンの運転と同様である。
【０１２５】
第５実施例のエンジンは、２回に分けて燃料を噴射するモードにおいて比較的薄い混合気を形成する燃料を噴射する第２の筒内燃料噴射部１５ｇを、ピストン頂部の凹部１４４ｐに向けて燃料を噴射する第１の筒内燃料噴射部１５ｆとは別に備えている。このため、燃焼室１５０内において拡散しやすいように適切に噴霧方向や噴霧圧力を設定して、比較的薄い混合気を形成する燃料を噴射することができる。その結果、燃焼室１５０内において比較的薄い混合気を均質に形成することができ、圧縮の際に、そのような燃焼室内全体に均等拡散した混合気に、均等に自着火を起こさせることができる。その結果、燃焼によって生じるＮＯｘの量を低減することができる。
【０１２６】
第２の４サイクル自着火モード（図１０参照）においては、１回目の燃料噴射Ｅ４１は、吸気バルブ１３２および排気バルブ１３４が閉じている状態、すなわち、燃焼室１５０の圧力が比較的高い状態で行われる。よって、燃料噴射Ｅ４１は、排気バルブが開いているときに行われる燃料噴射Ｅ４２に比べて高い圧力で行われる。これにより、燃料噴射Ｅ４１において、燃焼室１５０内の圧力に抗して燃料を燃焼室内に送り込むことができる。
【０１２７】
一方、第２の４サイクル自着火モードの２回目の燃料噴射Ｅ４２は、比較的低い圧力で行われる。その結果、液体燃料の粒の径が燃料噴射Ｅ４１の場合に比べて大きくなる。よって、燃料噴射Ｅ４２で凹部に向けて噴射された燃料は、蒸発に時間を要し、ピストンが上死点近傍に達するまでに燃焼室１５０中に拡散しにくい。その結果、燃料噴射Ｅ４２で噴射された燃料によって、凹部近傍に比較的濃い混合気を作りやすい。よって、空気過剰率が高い場合にも、自着火を起こさせやすい。
【０１２８】
また、第２の２サイクル自着火モード（図１７参照）においては、１回目の燃料噴射Ｅ２１は、単位時間当たりの燃料噴射量を比較的少なくして行われる。よって、燃料噴射Ｅ２１で噴射された燃料は、一度に大量の燃料が噴射される場合に比べて、燃焼室１５０中で蒸発および拡散しやすい。その結果、比較的薄い混合気を燃焼室１５０内で均質に作ることができる。
【０１２９】
一方、第２の２サイクル自着火モードの２回目の燃料噴射Ｅ２２は、単位時間当たりの燃料噴射量を比較的多くして行われる。よって、燃料噴射Ｅ２２で噴射された燃料は、燃焼室１５０中で蒸発および拡散しにくい。燃料噴射Ｅ２２の際には、すでに燃焼室１５０内には燃料噴射Ｅ２１によって混合気が形成されているため、燃料噴射Ｅ２２において噴射された燃料は、拡散しにくい。よって、燃料噴射Ｅ２２において噴射する燃料によって比較的濃い混合気を凹部近辺に作ることができる。よって、空気過剰率が高い場合にも、自着火を起こさせやすい。
【０１３０】
Ｆ．第６実施例：
図２５は、エンジンの運転条件によって異なる運転モードが設定されている第６実施例のマップを示す説明図である。上記各実施例では、中負荷領域（図４において領域Ｉと領域ＩＶに挟まれた領域）では、第１および第２の２サイクル自着火モード、ならびに第１および第２の４サイクル自着火モードの４つのモードを使い分けていた。しかし、中負荷領域において、３個以下のモードを使い分けることとしてもよい。たとえば、図２５に示すように、領域Ｉと領域ＩＶに挟まれた中負荷領域において、比較的負荷が小さい領域ＩＩでは、第１の２サイクル自着火モードを実行し、比較的負荷が大きい領域ＩＩＩでは、第２の２サイクル自着火モードを実行する態様とすることもできる。
【０１３１】
また、中負荷領域において、比較的負荷が小さい領域では、第１の４サイクル自着火モードを実行し、比較的負荷が大きい領域では、第２の４サイクル自着火モードを実行する態様とすることもできる。さらに、２サイクル自着火モードと４サイクル自着火モードを含む２または３のモードを使い分けることとしてもよく、また、第１実施例で示した第１および第２の２サイクル自着火モード、ならびに第１および第２の４サイクル自着火モードの４つのモードのうちの、何れか一つのみを行うこととしてもよい。
【０１３２】
たとえば、図２４に示した第５実施例のように二つの筒内燃料噴射部１５ｆ，１５ｇを有するハードウェア構成において、中負荷領域は、第１および第２の４サイクル自着火モードのみを実行する場合には、次のような運転を行うことができる。すなわち、第２の４サイクル自着火モード（図１０参照）において、負のオーバーラップ中に行う燃料噴射Ｅ４１は第２の筒内燃料噴射部１５ｇで行い、圧縮期間中期に行う燃料噴射Ｅ４２は第１の筒内燃料噴射部１５ｆで行う。このような態様においては、第２の筒内燃料噴射部１５ｇは、比較的高い一定の圧力で燃料を噴射するように設定し、第１の筒内燃料噴射部１５ｆは、比較的低い一定の圧力で燃料を噴射するように設定することができる。
【０１３３】
一方、第５実施例のように二つの燃料噴射部を有するハードウェア構成において、中負荷領域は、第１および第２の２サイクル自着火モードのみを実行する場合には、次のような運転を行うことができる。すなわち、第２の２サイクル自着火モード（図１７参照）において、負のオーバーラップ中に行う燃料噴射Ｅ２１は第２の筒内燃料噴射部１５ｇで行い、圧縮期間中期に行う燃料噴射Ｅ２２は第１の筒内燃料噴射部１５ｆで行う。そして、第２の筒内燃料噴射部１５ｇは、単位時間当たりの燃料噴射量を比較的低い一定値に設定し、第１の筒内燃料噴射部１５ｆは、単位時間当たりの燃料噴射量を比較的高い一定値に設定することができる。
【０１３４】
Ｇ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態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において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【０１３５】
（１）第１の変形例：
第１実施例では、少なくとも一つの筒内燃料噴射部１５は、ピストンが最も下降したときの近傍（下死点前１０°〜下死点後１０°）で各凹部に燃料を噴射できるように構成されていた。しかし、燃料噴射部はそのような態様に限られず、他の構成とすることもできる。すなわち、少なくとも一つの筒内燃料噴射部が、１サイクルで燃焼される燃料のうちの少なくとも一部を凹部または溝部に向けて噴射することができるように構成されていればよい。
【０１３６】
また、第１実施例では、筒内燃料噴射部１５の噴射口の数は、ピストン１４４の頂部１４４ｈに設けられた凹部の数と同じであった。しかし、筒内燃料噴射部の噴射口の数は、凹部の数と異なっていてもよい。たとえば、筒内燃料噴射部の噴射口の数を凹部の数よりも少なくし、ピストンが所定の位置にあるときに、各噴射口からそれぞれ一つの凹部に向けて燃料を噴射できるように構成することができる。また、筒内燃料噴射部の噴射口の数を凹部の数よりも多くし、一部の噴射口は、それぞれ凹部に向けて燃料を噴射できるように構成し、他の一部の噴射口は、燃焼室内に燃料を均等に拡散させることができるように、構成してもよい。
【０１３７】
なお、筒内燃料噴射部は、ピストンが特定の位置にあるときに、筒内燃料噴射部から噴射するほぼすべての燃料を凹部内に噴射できるように構成することが好ましい。そして、ピストンが最も下降したとき、すなわち、下死点ＢＤＣにあるとき、筒内燃料噴射部から噴射するほぼすべての燃料を凹部内に噴射できるように構成することが特に好ましい。ここで、「噴射するほぼすべての燃料を凹部内に噴射できる」とは、仮に凹部をその凹部と同じ大きさ、位置を有する「底を有しない孔」に置き換えたときに、噴射する燃料の８５％以上がその孔を通過することができることを意味する。
【０１３８】
また、圧力や単位時間当たりの噴射量を変えて燃料噴射を行う運転については、二つの筒内燃料噴射部を備える第５実施例において説明した。しかし、そのような運転は、第１実施例のような筒内燃料噴射部を一つしか備えないエンジンにおいて行うこともできる。すなわち、同一の筒内燃料噴射部を使用して、運転モードに応じて燃料噴射の圧力や単位時間当たりの噴射量を変えて運転を行ってもよい。
【０１３９】
（２）第２の変形例：
第１実施例では、ピストン１４４の頂部に設けられた各凹部１４４ｐはシリンダ１４２の中心軸を中心として、互いに等しい角度で設けられていた。そして、各凹部１４４ｐは、シリンダ１４２の中心軸から等しい距離に設けられていた。しかし、凹部はこのような態様に限られず、他の態様とすることもできる。すなわち、ピストン頂部の任意の位置に複数の凹部を設けることができる。ただし、各凹部は、ピストンが上死点にある状態で、燃焼室内のほぼ均等な大きさの空間について一つずつ設けられていることが好ましい。そのような態様とすれば、凹部近傍に生成された混合気の自着火による火炎または既燃ガスの圧力が、燃焼室内に均等に伝播することができる。あるいは、点火部の電極と向かい合っている点火凹部以外の各凹部が、燃焼室内のほぼ均等な大きさの空間について一つずつ設けられている態様とすることもできる。
【０１４０】
また、上記実施例では、凹部は凹曲面で構成されていたが、凹部は、すべてが曲面で構成されている必要はない。すなわち、凹部を構成する内面のうち、燃料噴射部で噴射された燃料を噴射する部位が曲面で構成されていればよい。なお、曲面の一端の延長線が、シリンダヘッドの方向を向いているように曲面を構成することが好ましい。
【０１４１】
燃焼室内のほぼ均等な大きさの空間について一つずつ凹部を設ける態様として、シリンダ１４２の中心軸を中心としてほぼ均等な角度に凹部を配することも好ましい。ここで、「ほぼ均等な角度」とは、シリンダの中心軸と隣り合う凹部のなす角の大きさに関して、最も小さい角度が最も大きい角度の７５％以上であることを意味する。たとえば、第１実施例では、各凹部１４４ｐはピストンの中心点（シリンダの中心軸）を中心として、６０°ずつの均等の角度をあけて設けられていたが、シリンダの中心軸と隣り合う凹部のなす角の大きさが、円周方向に一つおきに５０°と７０°であるような態様とすることもできる。
【０１４２】
また、たとえば、２ｎ個（ｎは正の整数）の凹部がシリンダの中心軸を中心として、ほぼ均等の角度で設けられている態様において、１個おきのｎ個の凹部はシリンダの中心軸から第１の距離の位置に設けられており、１個おきの他のｎ個はシリンダの中心軸から第１の距離とは異なる第２の距離の位置に設けられている態様としてもよい。また、シリンダの中心軸から第１の距離の位置にほぼ均等の角度で設けられているｎ個の凹部と、シリンダの中心軸から第１の距離とは異なる第２の距離の位置にほぼ均等の角度で設けられている別のｎ個の凹部を備える態様とすることもできる。
【０１４３】
また、第４実施例（図２２および図２３参照）では、各凹部は、第２の頂部領域Ａ２内に配されていた。しかし、各凹部の一部が第２の頂部領域Ａ２外に位置する態様とすることもできる。ただし、ピストンは、第２の頂部領域Ａ２に、複数の凹部を実質的に有しており、第１および第３の頂部領域Ａ１，Ａ３に、凹部を実質的に有していない態様であることが好ましい。ここで、「ある領域に凹部を実質的に有している」とは、その領域および凹部をピストンの往復方向に垂直な平面に投影したときに、その凹部の射影の面積の７５％以上がその領域に含まれることを意味する。そして、「ある領域に凹部を実質的に有していない」とは、その領域に凹部が含まれていないか、またはある凹部の一部がその領域に含まれる場合には、その領域および凹部をピストンの往復方向に垂直な平面に投影したときに、その領域に含まれるその凹部の面積が２５％未満であることを意味する。
【０１４４】
（３）第３の変形例：
図１０および図１７に示した運転モードでは、下死点後９０°〜９５°の間の所定の時間区間中において、２回目の燃料噴射Ｅ４２，Ｅ２２を行っていた。しかし、２回目の燃料噴射は、他の時間区間で行うこともできる。すなわち、２回目の燃料噴射は、圧縮期間中期の所定の時間区間において行うことができる。ここで、「圧縮期間中期」とは、圧縮期間の下死点後７５°〜１１５度の区間である。よって、圧縮期間の下死点後８５°〜１００度や下死点後９０°〜１０５度など、その区間に含まれる時間区間であれば、どのような時間区間で燃料の噴射を行ってもよい。
【０１４５】
また、燃料噴射は、２回だけでなく、１回で行ってもよいし、３回以上に分けて行ってもよい。ただし、比較的負荷が低いときには、比較的早い時期に燃料の噴射を終え、比較的負荷が高いときには、比較的遅い時期まで燃料を噴射させる態様とすることが好ましい。その際、第１、第３，第４実施例のような態様（図３、図２０および図２２参照）において、同一の筒内燃料噴射部で燃料の噴射を行ってもよいし、第２および第５実施例のような態様（図１８および図２４参照）において、異なる２以上の燃料噴射部で行ってもよい。
【０１４６】
さらに、上記実施例では、燃焼状態の異常を検出したときには、図１３に示したように、１サイクルで燃焼されるすべての燃料を圧縮期間中期に噴射し、次のサイクルにおいて点火プラグ１３６による点火を行っていた。しかし、そのような場合でも、１サイクルで燃焼されるすべての燃料を圧縮期間中期に噴射する必要はなく、直前のサイクルで圧縮期間中期に噴射した量よりも多い量の燃料を、圧縮期間中期の所定の時間区間中に噴射することとすればよい。なお、その際、燃料噴射量は、１サイクルで燃焼されるすべての燃料の５０％以上であることが好ましく、７５％以上であることがさらに好ましい。
【０１４７】
（４）第４の変形例：
上記実施例では、失火が起こったと判断された場合には、次の１サイクルについて点火プラグによる点火を行っていた。しかし、点火プラグによる点火を行うサイクルは１サイクルに限られるものではなく、２サイクル、３サイクル、５サイクルなど他の回数としてもよい。また、失火以外にも燃焼が不十分である場合や、点火タイミングの異常など、燃焼状態についての他の異常を検知した場合にも、点火プラグによる点火を行うことができる。それらの燃焼状態の異常は、圧力センサで圧力の変動を検知したり、温度センサで温度変化を検知したりすることで、行うことができる。また、気柱振動を利用するノックセンサ２５を燃焼異常の検出に使用してもよい。
【０１４８】
（５）第５の変形例：
上記各実施例および変形例では、各バルブの開閉タイミング、火花点火のタイミングは、数値を挙げて説明した。しかし、それらは一例に過ぎず、各バルブの開閉タイミング、火花点火のタイミングは、シリンダの内径、ピストンのストローク量、バルブの径など、エンジンの設計値に応じた所定のタイミングとすることができる。
【０１４９】
また、上記実施例では、吸気バルブ１３２と排気バルブ１３４は、それぞれ電動アクチュエータ１６２，１６４によって駆動されることとした。しかし、吸気バルブ１３２と排気バルブ１３４は油圧によって駆動するものなど、他の手段で駆動してもよい。すなわち、このエンジンは、吸気バルブの開閉のタイミングを変えることができる吸気バルブ駆動部と、排気バルブの開閉のタイミングを変えることができる排気バルブ駆動部を備えるものであればよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例のエンジンの構造を概念的に示した説明図。
【図２】ピストン１４４の頂部の構造と燃料噴射の状態を示す平面図。
【図３】シリンダヘッド１３０およびピストン１４４の頂部の構造と燃料噴射の状態を示す説明図（縦断面図）。
【図４】エンジンの運転条件によって異なる運転モードが設定されているマップを示す説明図。
【図５】第１の４サイクル自着火モードにおいて、ピストン１４４の動きに同期させて吸気バルブ１３２および排気バルブ１３４を開閉させるタイミングを示した説明図。
【図６】４サイクル運転における燃料噴射Ｅ４１の際の燃料の流れを示した説明図。
【図７】４サイクル自着火モードの運転における燃料の拡散と蒸発を示した説明図。
【図８】燃焼室１５０内の比較的薄い混合気と比較的濃い混合気の様子を示す説明図。
【図９】燃焼室１５０内における自着火の様子を示す説明図。
【図１０】第２の４サイクル自着火モードにおいて、ピストン１４４の動きに同期させて吸気バルブ１３２および排気バルブ１３４を開閉させるタイミングを示した説明図。
【図１１】４サイクル運転における燃料噴射Ｅ４２の際の燃料の流れを示した説明図。
【図１２】燃焼室１５０内の比較的薄い混合気と比較的濃い混合気の様子を示す説明図。
【図１３】燃焼不良を検出した場合の燃料噴射のタイミングを示す説明図。
【図１４】第１の２サイクル自着火モードにおいて、ピストン１４４の動きに同期させて吸気バルブ１３２および排気バルブ１３４を開閉させるタイミングを示した説明図。
【図１５】２サイクル運転における燃料噴射Ｅ２１の際の燃料の流れを示した説明図。
【図１６】２サイクル自着火モードの運転における燃料の拡散と蒸発を示した説明図。
【図１７】第２の２サイクル自着火モードにおいて、ピストン１４４の動きに同期させて吸気バルブ１３２および排気バルブ１３４を開閉させるタイミングを示した説明図。
【図１８】第２実施例のシリンダヘッド１３０ｂおよびピストン１４４ｂの頂部の構造と燃料噴射の状態を示す説明図（縦断面図）。
【図１９】第２実施例におけるピストン１４４ｂの頂部の構造と燃料噴射の状態を示す平面図。
【図２０】第３実施例におけるピストン１４４ｃの頂部の構造と燃料噴射の状態を示す説明図（縦断面図）。
【図２１】第３実施例のシリンダヘッド１３０ｃおよびピストン１４４ｃの頂部の構造と燃料噴射の状態を示す平面図。
【図２２】第４実施例のシリンダヘッド１３０ｄおよびピストン１４４ｄの頂部の構造と燃料噴射の状態を示す説明図（縦断面図）。
【図２３】第４実施例におけるピストン１４４ｄの頂部の構造と燃料噴射の状態を示す平面図。
【図２４】第５実施例のシリンダヘッド１３０ｅおよびピストン１４４ｅの頂部の構造と燃料噴射の状態を示す説明図（縦断面図）。
【図２５】エンジンの運転条件によって異なる運転モードが設定されている第６実施例のマップを示す説明図。
【符号の説明】
１０…エンジン
１２…吸気通路
１３…シリンダヘッド
１５，１５ｃ〜ｇ…筒内燃料噴射部
１５ｂ…吸気管燃料噴射部
１６…排気通路
２０…エアクリーナ
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…エンジン制御用ユニット（ＥＣＵ）
３２…クランク角センサ
３４…アクセル開度センサ
３６…エアフローメータ
４０…電磁駆動弁駆動回路
１３０，１３０ｂ〜ｅ…シリンダヘッド
１３０ｒ…天井部
１３２…吸気バルブ
１３４…排気バルブ
１３６，１３６ｂ〜ｅ…点火プラグ
１３６ｓ…電極
１４０…シリンダブロック
１４２…シリンダ
１４４，１４４ｃ〜ｅ…ピストン
１４４ｈ…ピストンの頂部
１４４ｐ…凹部
１４４ｑ…溝部
１４４ｒ，１４４ｕ，１４４ｙ…点火凹部
１４４ｓ…凹部
１４４ｔ…溝部
１４４ｖ，１４４ｗ，１４４ｚ…凹部
１４６…コネクティングロッド
１４８…クランクシャフト
１５０…燃焼室
１６２，１６４…電動アクチュエータ
Ａ１，Ａ３…天井部分
Ａ２…もっとも奥まった部分を含む天井部分
Ａ２１，Ａ４１…吸気の流入を示す矢印
Ａ２２…既燃ガスの排出を示す矢印
Ａｐ…ピストンの往復方向を示す矢印
ＢＤＣ…下死点
Ｅ２１，Ｅ２２…燃料噴射
Ｅ４１，Ｅ４２…燃料噴射
ＥＶ…排気バルブが開いている区間
Ｆ４２，Ｆ４４，Ｆ４６，Ｆ４８…燃料の流れを示す矢印
Ｆ５２，Ｆ５４…矢印
Ｆ６６，Ｆ６８…矢印
Ｇ２１…比較的薄い混合気
Ｇ２２…比較的濃い混合気
Ｇ４１…比較的薄い混合気
Ｇ４２，Ｇ４３…比較的濃い混合気
Ｉ…４サイクル火花点火モードを行う領域
ＩＩ…第１の２サイクル自着火モードを行う領域
ＩＩＩ…第２の２サイクル自着火モードを行う領域
ＩＶ…第１の４サイクル自着火モードを行う領域
Ｌ…要求負荷
Ｌ１…天井部分Ａ１の寸法
Ｌｍ…基準平面に垂直な直線
Ｎe…エンジン回転速度（回転数）
Ｏ…中心軸
ＰＲ１…基準平面
Ｐｄ１，Ｐｄ２…基準平面ＰＲ１に平行な平面
Ｐｅ…排気口の外周を形成する天井部分
Ｐｉ…吸気口の外周を形成する天井部分
Ｐｍ…天井部分ＰｉとＰｅに挟まれた天井部分（天頂部分）
ＴＤＣ…上死点
Ｖ…第２の４サイクル自着火モードを行う領域
ＶＩ…４サイクル火花点火モードを行う領域
θac…アクセル開度[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an engine capable of performing lean combustion, and more particularly, to an engine capable of burning fuel in a state where an excess air ratio is high.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, there has been known an internal combustion engine capable of performing lean combustion, in which fuel is burned in a state in which air is larger than a stoichiometric air-fuel ratio. In such an internal combustion engine, there is an internal combustion engine that performs fuel injection in two stages to partially generate a fuel-rich mixture region in order to cause combustion in a state of a high excess air ratio (for example, And Patent Document 1). The fuel-rich mixture region is formed by the second fuel injection. The mixture region formed by the second fuel injection is a stoichiometric air-fuel ratio or a mixture region in which the amount of fuel is larger than the stoichiometric air-fuel ratio. Therefore, according to such an internal combustion engine, combustion can be caused even in a state where the excess air ratio is high as a whole. Related documents include Patent Documents 2 to 4.
[Patent Document 1]
JP 2001-207850 A
[Patent Document 2]
JP 2001-214741 A
[Patent Document 3]
JP-A-02-078725
[Patent Document 4]
JP 2001-152919 A
[0003]
The `` excess air ratio '' is the ratio of the amount of air contained in the actual air-fuel mixture to the amount of the fuel contained in the air-fuel mixture and the amount of air that can be burned without excess or deficiency. It is an index to represent. For example, when the excess air ratio is “2”, the air-fuel mixture contains air twice as much as the amount of air and fuel that burn each other without excess or deficiency.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described internal combustion engine, there is a problem that NOx is generated in combustion in a stoichiometric air-fuel ratio formed in a part or in a fuel-air mixture region having more fuel than the stoichiometric air-fuel ratio, and the effect of reducing NOx by lean combustion is reduced. there were.
[0005]
The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems in the prior art, and an object of the present invention is to provide an internal combustion engine that can burn fuel with a high excess air ratio without excessively generating NOx. And
[0006]
[Means for Solving the Problems and Their Functions and Effects]
In order to solve at least a part of the above problems, the present invention includes a cylinder, a piston, and a first fuel injection unit that can inject fuel into a combustion chamber formed by the cylinder and the piston. The following configuration is adopted in the engine. The piston has a plurality of recesses provided at the top of the piston and a groove. The groove is connected to at least a part of the recess at the top of the piston, and is provided in a direction from the at least part of the recess toward the position of the first fuel injection unit when projected on a plane perpendicular to the reciprocating direction of the piston. ing. The first fuel injection unit injects at least a part of the fuel burned in one cycle toward the recess or the groove. According to such an embodiment, a relatively rich air-fuel mixture having more air than the stoichiometric air-fuel ratio is generated in the vicinity of the concave portion, and self-ignition can be caused in the air-fuel mixture. Therefore, the fuel can be burned in a state where the excess air ratio is high without excessively generating NOx.
[0007]
In addition, at least a part of the plurality of recesses has a concave curved surface on at least a part of a surface constituting the concave portion, and the first fuel injection unit injects fuel toward the concave curved surface. Is preferred. According to such an embodiment, a part of the fuel injected toward the concave portion is changed in direction along the concave curved surface, and is diffused into the combustion chamber. Therefore, after the self-ignition of the air-fuel mixture in the vicinity of the concave portion, the self-ignition can be caused evenly in the air-fuel mixture diffused throughout the combustion chamber. Therefore, NOx can be reduced.
[0008]
It is preferable that the deepest portion of the recess measured in the reciprocating direction of the piston is deeper than the deepest portion of the groove connected to the recess measured in the reciprocating direction of the piston. According to this aspect, the fuel injected toward the groove can be guided from the groove to the recess, and can be easily kept in the recess. Therefore, a relatively rich air-fuel mixture can be formed in the vicinity of the concave portion, which is a certain place, and the air-fuel mixture formed in the certain place first self-ignites, and the fuel in the combustion chamber is self-ignited without bias. Can be done. Therefore, NOx can be reduced.
[0009]
Preferably, the piston has a plurality of recesses arranged at substantially equal angles about the central axis of the cylinder. According to such an embodiment, combustion can be started in the vicinity of a plurality of recesses evenly arranged, and self-ignition combustion can be uniformly performed in the entire combustion chamber. Therefore, NOx can be reduced.
[0010]
Further, the arrangement of the concave portions can be made as follows. That is, one plane including the center axis of the cylinder, and the plane that maximizes the cross-sectional area of the combustion chamber is defined as the reference plane. Then, when the top of the piston is projected on three planes divided by two planes parallel to the reference plane and perpendicular to the reciprocating direction of the piston, the top of the piston passes through the center axis of the cylinder and is perpendicular to the reference plane. Is divided into first, second and third top regions whose dimensions along a straight line are 1: 1: 1. Here, a top region including the central axis of the cylinder among the three top regions is defined as a second top region. At this time, the piston is configured to substantially have a plurality of recesses in the second top region and substantially not have recesses in the first and third top regions. Is preferred. With such an embodiment, the combustion of the relatively rich air-fuel mixture formed by the respective recesses can be easily transmitted evenly to the entire combustion chamber. Therefore, self-ignition combustion can be uniformly performed in the entire combustion chamber, and NOx can be reduced.
[0011]
In addition, the cylinder includes an intake port for sucking oxygen-containing gas into the combustion chamber, and an exhaust port for discharging exhaust gas from the combustion chamber, and the engine further includes an intake valve that opens and closes the intake port. In an aspect including an exhaust valve that opens and closes an exhaust port, the following configuration is preferable. That is, it is preferable that at least a part of the plurality of recesses is provided at a position and a size that can avoid interference between at least one of the intake valve and the exhaust valve and the piston. In other words, it is preferable that at least a part of the plurality of recesses also serves as a valve recess. With such an embodiment, the S / V ratio of the piston, that is, the (surface area / volume) ratio can be reduced, and the cooling loss during combustion can be reduced. Therefore, fuel energy can be efficiently extracted as work.
[0012]
Further, in an aspect in which the cylinder forms a part of the inner wall of the combustion chamber and has a ceiling facing the piston on an extension of the piston in a reciprocating direction, the first fuel injection unit is provided at a central axis of the cylinder at the ceiling. Is preferably provided so that fuel can be injected from the vicinity of the intersection with. According to such an embodiment, the fuel can be easily injected from the fuel injection unit into the plurality of recesses or grooves provided on the upper surface of the piston. Therefore, it is easy to form a relatively rich mixture in the vicinity of the concave portion.
[0013]
Further, when the engine is provided with an intake pipe for introducing an oxygen-containing gas into the combustion chamber, the engine may be provided with an intake pipe fuel injection unit provided so as to be able to inject fuel into the intake pipe. You can also. According to such an embodiment, the fuel injected from the intake pipe fuel injection unit can be introduced into the combustion chamber together with the oxygen-containing gas and sufficiently diffused. Therefore, after the self-ignition of the air-fuel mixture in the vicinity of the concave portion, the self-ignition can be caused evenly in the air-fuel mixture diffused throughout the combustion chamber.
[0014]
In an aspect in which the plurality of recesses include two or more recesses having different distances from the first fuel injection unit, the first fuel injection unit has a relatively small distance from the first fuel injection unit. It is preferable to inject fuel at a relatively small injection angle to a large recess, and to inject fuel at a relatively large injection angle to a recess at a relatively small distance from the first fuel injection unit. . According to such an embodiment, the fuel injected from the fuel injection unit is unlikely to protrude from the recess. Therefore, it is easy to form a relatively rich mixture in the vicinity of the concave portion.
[0015]
Further, it is preferable that the first fuel injection unit is configured so that almost all fuel injected from the first fuel injection unit can be injected into the recess when the piston descends most. With such an embodiment, even when fuel is injected when the piston is at an arbitrary position, the fuel can be injected into the concave portion or the groove. Therefore, it is easy to form a relatively rich mixture in the vicinity of the concave portion.
[0016]
In an aspect including an ignition unit capable of igniting fuel in the combustion chamber, the ignition unit is provided so as to be able to ignite the fuel at a position in the combustion chamber that faces one of the recesses. Preferably. According to such an embodiment, even in a state where the fuel is unlikely to self-ignite, the air-fuel mixture in the vicinity of the recess, which is relatively easy to ignite, can be ignited by the ignition unit to cause combustion.
[0017]
Further, it is preferable that the concave portion facing the ignition portion is provided near the central axis of the cylinder. According to such an embodiment, it is possible to ignite a relatively rich air-fuel mixture formed near the center of the combustion chamber and to efficiently cause combustion from the center to the periphery of the combustion chamber.
[0018]
In an engine including a combustion state detection sensor that can detect a combustion state in a combustion chamber and a control unit that controls a first fuel injection unit and an ignition unit, the following aspects are preferable. . That is, when the combustion state detection sensor detects an abnormality in the combustion state, the control unit supplies the first fuel injection unit with the first fuel injection unit in the middle cycle of the compression period in the cycle immediately before the cycle in which the abnormality is detected. An amount of fuel larger than the injected amount is injected during a predetermined time period in the middle stage of the compression period, and the ignition unit ignites the fuel. According to such an embodiment, even if an abnormality occurs in the combustion state, a stable combustion state can be recovered in the next cycle and thereafter.
[0019]
The cylinder has an intake port for sucking oxygen-containing gas into the combustion chamber, and an exhaust port for discharging exhaust gas from the combustion chamber, and the engine has an intake valve that opens and closes the intake port, and an exhaust valve that opens and closes the exhaust port. In an engine including an exhaust valve to be controlled and a control unit that controls the first fuel injection unit, the intake valve, and the exhaust valve, the following aspects are preferable. That is, in the operation mode in which the four-cycle operation is performed, the intake valve is opened after the exhaust valve is closed in the exhaust stroke, and the first operation is performed in a predetermined time interval during the period from closing the exhaust valve to opening the intake valve. It is preferable to have an operation mode for injecting fuel into the fuel injection unit. With such an embodiment, in the four-cycle operation, the mixture can be sufficiently vaporized and diffused by utilizing the heat of the burned gas. Therefore, after the self-ignition of the air-fuel mixture in the vicinity of the concave portion, the self-ignition can be caused evenly in the air-fuel mixture diffused throughout the combustion chamber.
[0020]
In addition, there is an operation mode in which two-cycle operation is performed, in which fuel is injected into the first fuel injection unit in a predetermined time section during a scavenging period from opening of the intake valve to closing of the exhaust valve. An embodiment can also be adopted. According to such an embodiment, in the two-cycle operation, the air-fuel mixture can be sufficiently vaporized and diffused by utilizing the heat of the burned gas.
[0021]
When the load is relatively low, the fuel injection to the first fuel injection unit is terminated at a relatively early time, and when the load is relatively high, the fuel is injected to the first fuel injection unit at a relatively late time. Preferably. With such an embodiment, the combustion speed at high load can be reduced, and the noise at high load can be reduced.
[0022]
Further, in addition to the first fuel injection unit, a second fuel injection unit capable of injecting fuel into an intake passage connected to the combustion chamber or into the combustion chamber, and a first and a second fuel injection unit are provided. In an engine including a control unit for controlling, it is preferable to adopt the following mode. That is, when the load is relatively low, the fuel is injected into the first fuel injection unit without injecting the fuel into the second fuel injection unit. When the load is relatively high, first, the second fuel injection unit is used. Then, the fuel is injected into the first fuel injection unit. According to this aspect, when the load is relatively high, a homogeneous mixture is first formed with the fuel injected from the second fuel injection unit, and then the fuel is injected from the first fuel injection unit into the recess or groove. A relatively rich mixture can be formed with the fuel.
[0023]
The first fuel injection unit is provided so as to be able to inject fuel from the vicinity of the intersection of the ceiling with the center axis of the cylinder, and the second fuel injection unit is provided near the inner wall of the combustion chamber. It is preferable to be provided so that fuel can be injected. According to this aspect, it is possible to form a relatively rich air-fuel mixture near the concave portion with the fuel injected from the first fuel injection unit while sufficiently diffusing the fuel injected from the second fuel injection unit. .
[0024]
The following operation can be performed. That is, an operation mode in which four-cycle operation is performed, in which the exhaust valve is closed and the exhaust stroke is completed, and then the intake valve is opened, and a predetermined mode during a period from when the exhaust valve is closed to when the intake valve is opened. It is preferable to have an operation mode in which fuel is injected into the first fuel injection unit in each of the first time section and the predetermined second time section in the middle stage of the compression period. With such an embodiment, the fuel injected during the period from when the exhaust valve is closed to before the intake valve is opened can be sufficiently vaporized and diffused, while the fuel injected during the compression period causes the recess A relatively dense mixture can be formed in the vicinity.
[0025]
Further, in the above-described four-cycle operation, fuel is injected into the first fuel injection unit at a relatively high pressure in a first time interval, and the first fuel is injected at a relatively low pressure in a second time interval. It is preferable to inject fuel into the injection unit. In such an embodiment, the particle size of the fuel injected in the second time interval can be increased. As a result, it takes time for the fuel to evaporate, and it is difficult for the vaporized fuel to diffuse into the combustion chamber until the piston reaches the compression top dead center. Therefore, a high concentration air-fuel mixture can be formed near the concave portion.
[0026]
Furthermore, in an operation mode in which two-cycle operation is performed, a predetermined first time period during the scavenging period from opening of the intake valve to closing of the exhaust valve, and a predetermined second time period in the middle period of the compression period, , Each of which has an operation mode in which fuel is injected into the first fuel injection unit. With such an embodiment, the fuel injected during the period from when the exhaust valve is closed to before the intake valve is opened can be sufficiently vaporized and diffused. A rich mixture can be formed near the concave portion.
[0027]
In the above-described two-cycle operation, in the first time interval, fuel is injected into the first fuel injection unit with an injection with a relatively small injection amount per unit time, and in the second time interval, the unit time It is preferable to inject the fuel into the first fuel injection unit with an injection having a relatively large injection amount. In such an embodiment, the fuel injected during the first time interval is more likely to diffuse than when a large amount of fuel is injected at once.
[0028]
The present invention can be realized in various modes, for example, a variable cycle engine, a vehicle or a moving object using the engine, a driving mode switching method, a driving mode switching device, and a function of the device or the method. , A recording medium storing the computer program, a data signal including the computer program and embodied in a carrier wave, and the like.
[0029]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
In order to more clearly explain the operation and effect of the present invention, embodiments of the present invention will be described in the following order.
A. First embodiment:
A-1. Device configuration:
A-2. Cylinder head and piston structure:
A-3. Switching the operation mode according to the operation area:
A-4.4 Valve open / close timing and fuel injection in the 4-cycle auto-ignition mode:
A-5.2 Valve open / close timing and fuel injection in the two-cycle self-ignition mode:
B. Second embodiment:
C. Third embodiment:
D. Fourth embodiment:
E. FIG. Fifth embodiment:
F. Sixth embodiment:
G. FIG. Modification:
[0030]
A. First embodiment:
A-1. Device configuration:
FIG. 1 is an explanatory diagram conceptually showing the structure of the engine 10 of the first embodiment. The engine 10 of the first embodiment can selectively execute a plurality of operation modes including four-cycle operation and two-cycle operation. The “four-cycle operation” (more precisely, “four-stroke / one-cycle operation”) is an operation in which one cycle includes four piston strokes of intake, compression, expansion, and exhaust. “Two-cycle operation” (more precisely, “two-stroke / one-cycle operation”) is an operation in which one cycle is composed of a scavenging / compression period and two piston strokes of an expansion stroke.
[0031]
In FIG. 1, in order to show the structure of the engine 10, a cross section is shown at substantially the center of the combustion chamber 150. The main body of the engine 10 is configured by assembling a cylinder head 130 above a cylinder block 140. The cylinder block 140 and the cylinder head 130 form a cylindrical cylinder 142, and a piston 144 slides up and down inside the cylinder 142. A portion of the cylinder head 130 that faces the piston on an extension in the reciprocating direction of the piston is a “ceiling” 130r. The space surrounded by the ceiling 130r, the top of the piston 144, and the side wall of the cylinder 142 is the combustion chamber 150.
[0032]
The piston 144 is connected to the crankshaft 148 via a connecting rod 146, and the piston 144 slides up and down in the cylinder 142 as the crankshaft 148 rotates.
[0033]
The cylinder head 130 has an intake passage 12 for taking intake air into the combustion chamber 150, a spark plug 136 for igniting an air-fuel mixture in the combustion chamber 150, and discharging combustion gas generated in the combustion chamber 150. Exhaust passage 16 is provided. The air containing oxygen that has passed through the intake passage 12 flows into the combustion chamber 150 via the intake port 12o provided in the ceiling 130r of the cylinder head 130. Further, the burned gas in the combustion chamber is discharged from the exhaust passage 16 through an intake port 16o provided in the ceiling 130r.
[0034]
The cylinder head 130 is further provided with an intake valve 132 and an exhaust valve 134. The intake valve 132 and the exhaust valve 134 are driven at arbitrary timing by electric actuators 162 and 164, respectively, and open and close the intake port 12o and the exhaust port 16o in synchronization with the movement of the piston 144.
[0035]
A throttle valve 22 is provided in the intake passage 12. By driving the electric actuator 24 to control the throttle valve 22 to an appropriate opening, the amount of air taken into the combustion chamber 150 can be controlled.
[0036]
The engine 10 of the first embodiment includes an in-cylinder fuel injection unit 15 provided on a cylinder head 130. The in-cylinder fuel injection unit 15 is for directly injecting gasoline into the combustion chamber 150 and has six fuel injection ports. The in-cylinder fuel injection unit 15 can increase or decrease the amount of gasoline injected per unit time by changing the injection pressure of gasoline. Gasoline is stored in a gasoline tank (not shown), pumped by a fuel pump (not shown), and supplied to the in-cylinder fuel injection unit 15.
[0037]
The operation of the engine 10 is controlled by an engine control unit (hereinafter, ECU) 30. The ECU 30 is a well-known microcomputer configured by mutually connecting a CPU, a RAM, a ROM, an A / D conversion element, a D / A conversion element, and the like by a bus. The ECU 30 detects the engine rotation speed Ne and the accelerator opening θac, and controls the throttle valve 22 to an appropriate opening based on these. The engine rotation speed Ne can be detected by the crank angle sensor 32 provided at the tip of the crankshaft 148. The accelerator opening θac can be detected by an accelerator opening sensor 34 built in the accelerator pedal. The ECU 30 also controls the appropriate driving of the in-cylinder fuel injection unit 15, the ignition plug 136, and the like.
[0038]
The ECU 30 can detect the combustion state in the combustion chamber 150 by using the pressure sensor 23 provided in the cylinder block 140. When the pressure sensor 23 detects that the pressure has not risen above the predetermined threshold, the ECU 30 changes the operating state so as to eliminate the combustion abnormality. The operation of the engine will be described later. Instead of the pressure sensor 23, a temperature sensor 27 for detecting the temperature in the combustion chamber 150 may be provided in the cylinder block 140 or the cylinder head 130. In that case, when the temperature sensor 27 detects that the temperature has not risen above the predetermined threshold, the ECU 30 changes the operating state so as to eliminate the combustion abnormality.
[0039]
Further, the ECU 30 detects the engine rotation speed Ne and the accelerator opening θac, and performs control for switching a plurality of operation modes including four-cycle operation and two-cycle operation based on these. In the four-cycle operation, the air-fuel mixture is sucked, burned, and exhausted at a rate of one time while the piston makes two reciprocations, whereas in the two-cycle operation, each time the piston makes one reciprocation, the suction, combustion, and Exhaust. The timing of opening and closing the intake valve 132 and the exhaust valve 134 is changed in synchronization with the movement of the piston 144, and the timing of driving the in-cylinder fuel injection unit 15, the ignition plug 136, and the like is switched, so that four-cycle operation is performed. And two-cycle operation can be switched.
[0040]
Specifically, the ECU 30 sets the opening / closing timing of the intake valve 132 and the exhaust valve 134 based on the engine speed Ne and the accelerator opening θac. The opening and closing timings of the intake valve 132 and the exhaust valve 134 are transmitted to the electromagnetically driven valve drive circuit 40. The electromagnetically driven valve drive circuit 40 drives the electric actuators 162, 164 at appropriate timing according to those values.
[0041]
A-2. Cylinder head and piston structure:
FIG. 2 is a plan view showing the structure of the top 144h of the piston 144 and the state of fuel injection. The cross section perpendicular to the reciprocating direction of the piston 144 has a substantially circular shape. Here, the term “substantially circular” includes not only a perfect circle but also a shape slightly collapsed from a perfect circle, and specifically, a shape in which the minor dimension is 98% to 100% of the major dimension. Including. The top 144h of the piston 144 is provided with six recesses 144p (the same number as the number of injection ports of the in-cylinder fuel injection unit 15) at an angle of 60 ° around the substantially circular center point of the piston 144. Have been. Each of the concave portions 144p is formed by a concave curved surface, and is located at an equal distance from a substantially circular center point of the piston 144. Here, the “center point” of the piston 144 having a substantially circular cross section is a point that coincides with the center axis of the cylinder when the piston is assembled to the cylinder.
[0042]
FIG. 3 is an explanatory view (longitudinal sectional view) showing the structure of the top 144h of the cylinder head 130 and the piston 144 and the state of fuel injection. As shown in FIGS. 2 and 3, the piston 144 has a groove 144q provided in a direction from each recess 144p toward the central axis of the cylinder 142. Each groove 144q is provided so as to be the shallowest at the position of the central axis of the cylinder 142 and the deepest at the connection portion with each recess 144p. However, as shown in FIG. 3, the depth of each recess 144p is deeper than the depth of the connection portion of the groove 144q with each recess 144p. Here, the “depth” of the concave portion or the groove portion is a dimension measured from a portion farthest from the crankshaft 148 of the piston 144 toward the direction of the crankshaft 148 along the reciprocating direction of the piston (see FIG. 1). ).
[0043]
As shown in FIG. 3, the ignition plug 136 is provided at a position on the side where the intake port 12o is provided with respect to the center axis O of the cylinder. Then, as shown in FIG. 2 and FIG. 3, the spark plug 136 is attached to the piston 144 and the cylinder head 130 such that the electrode 136 s for emitting spark for ignition is located at a position facing one of the recesses 144 p. Have been.
[0044]
The in-cylinder fuel injection unit 15 is attached to the ceiling 130 r of the cylinder head 130 such that each injection port for injecting the fuel F is located near the central axis of the cylinder 142. Here, “near the central axis of the cylinder” includes, when projected on a plane perpendicular to the reciprocating direction of the piston, a circle centered on the central axis of the cylinder and having a radius of 1/3 of the radius of the cylinder. Range.
[0045]
The in-cylinder fuel injection section 15 is a hole nozzle having the same number as the concave portions 144p, that is, six fuel injection ports. Then, as shown in FIGS. 2 and 3, each fuel injection port is located near the time when the piston 144 descends most (from 10 ° before bottom dead center to 10 ° after bottom dead center), that is, from the cylinder head 130. The fuel F injected from each fuel injection port is configured to be injected into each recess 144p when moving away.
[0046]
A-3. Switching the operation mode according to the operation area:
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a map in which different operation modes are set according to the operation conditions of the engine. The horizontal axis of FIG. 4 represents the number of revolutions Ne of the crankshaft 148 per unit time. The vertical axis in FIG. 4 represents a required load (required torque) L for the engine 10 set by the ECU 30 based on the accelerator opening and the like. The ECU 30 stores the map of FIG. 4 in the ROM, and determines an operation mode according to the map.
[0047]
The ECU 30 performs the four-cycle operation in the low-load low-speed rotation (region I) and the high-load high-speed rotation (region VI) in the four-cycle spark ignition mode in which the ignition is performed by the spark plug 136. Then, at the time of medium-load medium rotation (regions II to V), the operation is performed in the self-ignition mode in which the fuel self-ignites. Also, in the region of medium load and medium rotation (regions II to V) and in the region of relatively low rotation (regions II and III), two-cycle operation and two-cycle self-ignition causing self-ignition of fuel In the relatively high-speed region (regions IV and V), the operation is performed in the four-cycle operation, and the operation is performed in the four-cycle self-ignition mode in which fuel self-ignites.
[0048]
Further, in the relatively low-load region II among the relatively low-speed regions II and III, the operation is performed in the first two-cycle self-ignition mode in which fuel in one cycle is injected at one time. In addition, in the relatively high load region III, the operation is performed in the second two-cycle self-ignition mode in which fuel in one cycle is injected twice.
[0049]
In the relatively low-load region IV of the relatively high-speed regions IV and V, the operation is performed in the first four-cycle self-ignition mode in which fuel in one cycle is injected at one time. Then, in the relatively high load region V, the operation is performed in the second two-cycle self-ignition mode in which fuel in one cycle is injected twice.
[0050]
The names of the “two-cycle self-ignition mode” and the “four-cycle self-ignition mode” do not always indicate that self-ignition combustion is occurring in this mode. That is, as will be described later, spark ignition combustion may occur even in the two-cycle self-ignition mode or the four-cycle self-ignition mode.
[0051]
In self-ignition combustion, combustion occurs in a short time in a combustion chamber. For this reason, the effect of maintaining the initially burned region at a high temperature for a long time, such as general spark ignition combustion, is less affected. Furthermore, since the self-ignition combustion has a feature that fuel is burned in a short time even in a lean mixture in which spark ignition combustion is difficult, there is a condition that the amount of generated NOx is significantly lower than that of spark ignition combustion. Therefore, it is preferable to perform the operation in the self-ignition mode using such self-ignition combustion in an operation region as wide as possible.
[0052]
However, in a region where the required load L is small, the amount of air and fuel taken into the combustion chamber is small, so that the pressure at the start of compression of the air-fuel mixture in the combustion chamber becomes low. For this reason, even when compressed by the piston, the air-fuel mixture tends to be difficult to self-ignite. Therefore, in the region where the required load L is small, the operation is performed in the 4-cycle spark ignition mode.
[0053]
In self-ignition combustion, combustion occurs in a short time in the combustion chamber. For this reason, in the self-ignition combustion, the noise becomes larger in the region where the required load L is large and in the region where the rotation speed is high as compared with the case of the spark ignition combustion. Therefore, in the region where the required load L is large and the region where the rotation speed is high, the operation is performed in the 4-cycle spark ignition mode.
[0054]
Further, in the medium load region (regions II to V), the operation in the self-ignition mode is performed. Operation is performed in the 4-cycle self-ignition mode. This is because when the rotation speed increases, it becomes difficult to sufficiently discharge burned gas and perform intake during the scavenging period of the two-cycle operation.
[0055]
A-4.4 Valve open / close timing and fuel injection in the 4-cycle auto-ignition mode:
(1) First 4-cycle auto-ignition mode:
FIG. 5 is an explanatory diagram showing the timing of opening and closing the intake valve 132 and the exhaust valve 134 in synchronization with the movement of the piston 144 in the first four-cycle self-ignition mode (see region IV in FIG. 4). In FIG. 5, “TDC” indicates the timing when the piston is at the top dead center, and “BDC” indicates the timing when the piston is at the bottom dead center. The timing of opening the intake valve 132 is represented by “IVO”, and the timing of closing the intake valve 132 is represented by “IVC”. A section in which the intake valve 132 is open is indicated by an arc IV with arrows on both ends. On the other hand, the timing to open the exhaust valve 134 is represented by “EVO”, and the timing to close the exhaust valve 134 is represented by “EVC”. A section in which the exhaust valve 134 is open is indicated by an arc EV with arrows on both ends.
[0056]
In FIG. 5, the opening / closing timing of each valve and the timing of fuel injection correspond to the rotation angle of the crankshaft 148 while the piston 144 reciprocates between the top dead center and the bottom dead center. 5 ° before, 35 ° before bottom dead center. In FIG. 5, "BTDC" represents "before top dead center", and "ATDC" represents "after top dead center". “BBDC” represents “before bottom dead center”, and “ABDC” represents “after bottom dead center”.
[0057]
In the four-cycle auto-ignition mode in FIG. 5, the exhaust valve 134 is closed when the piston 144 is at 60 ° before the top dead center (EVC in FIG. 5). At this time, the intake valve 132 is closed. The intake valve 132 is opened when the piston 144 reaches a position 60 ° after the top dead center beyond the top dead center TDC (IVO in FIG. 5). In the meantime, the fuel injection E41 from the in-cylinder fuel injection unit 15 is performed in a predetermined time interval from 45 ° after the top dead center to opening the intake valve 132. In the four-cycle operation, the period from the closing of the exhaust valve 134 to the opening of the intake valve 132 IVO is referred to as “negative overlap”. Thereafter, when the piston 144 descends, crosses the bottom dead center BDC, starts to rise, and reaches a position 45 ° after the bottom dead center, the intake valve 132 is closed (IVC in FIG. 5). While the intake valve 132 is open and the piston 144 is descending, intake air is taken from the intake passage 12 (intake stroke).
[0058]
Thereafter, with the intake valve 132 and the exhaust valve 134 both closed, the piston 144 further rises to compress the fuel gas in the combustion chamber 150 (compression stroke), and the fuel gas in the combustion chamber 150 near the top dead center (TDC). Self-ignition of the fuel occurs.
[0059]
The fuel in the combustion chamber 150 burns due to self-ignition and pushes down the piston 144 (explosion stroke). When the piston 144 comes to a position 45 ° before the bottom dead center, the exhaust valve 134 is opened (EVO in FIG. 5). Then, the piston 144 changes from descending to ascending, and when the piston 144 comes to a position 60 ° before the top dead center, the exhaust valve 134 is closed (EVC in FIG. 5). While the exhaust valve 134 is open and the piston 144 is raised, the burned gas is discharged from the exhaust passage 16 (exhaust stroke). Hereinafter, the operation cycle is similarly repeated.
[0060]
FIG. 6 is an explanatory diagram showing the flow of fuel during the fuel injection E41 in the four-cycle operation. The in-cylinder fuel injection unit 15 is configured to be able to inject fuel into the recess 144p when the piston 144 is at 10 ° before bottom dead center to 10 ° after bottom dead center. Therefore, in the fuel injection E41 performed between 45 ° and 60 ° after the top dead center, the fuel is injected not into the recess 144p but into the groove 144q as shown by the arrow F42 (see FIG. 3). Then, as shown by an arrow F44, a part of the injected fuel moves to the concave portion 144p along the groove portion 144q as shown by an arrow F44. The other part adheres to the groove 144q as a liquid and flows into the recess 144p. Thereafter, the atomized fuel travels toward the cylinder head 130 along the concave curved surface of the concave portion 144p as indicated by an arrow F46. At the time of fuel injection E41, the piston 144 is descending as shown by the arrow Ap (see FIG. 5).
[0061]
FIG. 7 is an explanatory diagram showing diffusion and evaporation of fuel in the operation in the 4-cycle auto-ignition mode. After the fuel is injected, the intake valve 132 is opened, and air is introduced into the combustion chamber 150 as indicated by an arrow A41. Due to this air flow, the fuel (indicated by the arrow F46 in FIG. 6) directed toward the cylinder head 130 along the concave curved surface of the concave portion 144p is sufficiently diffused in the combustion chamber 150. The black dots in the figure represent the fuel to be diffused. On the other hand, the fuel Fr remaining as a liquid in the concave portion 144p evaporates little by little as indicated by an arrow F48.
[0062]
FIG. 8 is an explanatory diagram showing a state of a relatively lean mixture G41 and a relatively rich mixture G42 in the combustion chamber 150. At the stage of FIG. 8, the intake valve 132 has already been closed, and the piston 144 has turned upward as shown by the arrow Ap (see FIG. 5). The fuel indicated by the arrow F46 in FIG. 6 is sufficiently diffused in the combustion chamber 150 by the intake air as shown in FIG. 7, and forms a relatively thin air-fuel mixture G41 in the stage of FIG. On the other hand, the fuel evaporated from the concave portion 144p (indicated by an arrow F48 in FIG. 7) is vaporized later than the fuel indicated by the arrow F46, so that diffusion does not proceed and a relatively dense mixture G42 is formed. The density of the air-fuel mixture is represented by the density of black spots in FIG.
[0063]
FIG. 9 is an explanatory diagram showing a state of self-ignition in the combustion chamber 150. A white star indicates the fuel that has ignited. After the state of FIG. 8, when the piston further rises, self-ignition occurs in the relatively rich mixture G42, as shown in FIG. The relatively thin air-fuel mixture G41 in the combustion chamber 150 also burns.
[0064]
(2) Second 4-cycle auto-ignition mode:
FIG. 10 is an explanatory diagram showing timings for opening and closing the intake valve 132 and the exhaust valve 134 in synchronization with the movement of the piston 144 in the second four-cycle self-ignition mode (see the region V in FIG. 4). Each notation in the figure is the same as in FIG. In the second four-cycle self-ignition mode, in addition to the fuel injection E41 performed during a predetermined time interval from 45 ° after the top dead center to opening the intake valve 132, 90 ° to 95% after the bottom dead center The fuel injection E42 is performed during a predetermined time interval between ° and. The fuel injected in the fuel injection E42 is smaller than the fuel injected in the fuel injection E41. The amount of fuel injected during one cycle increases as the load L increases (see FIG. 4).
[0065]
Also in the second four-cycle self-ignition mode, the flow of fuel in the fuel injection E41 is the same as in the first four-cycle self-ignition mode shown in FIGS. However, since the load is different, the spray amount of the fuel is different (see FIG. 4).
[0066]
FIG. 11 is an explanatory diagram showing a fuel flow at the time of fuel injection E42 in the four-cycle operation. In the fuel injection E42 performed between 90 ° and 95 ° after the bottom dead center, the fuel is injected into the groove 144q as shown by an arrow F52 in FIG. 11, and a part of the fuel is sprayed as shown by an arrow F54. It moves to the concave portion 144p along the groove 144q while maintaining the shape. Thereafter, the atomized fuel travels in the cylinder head direction 130 along the concave curved surface of the concave portion 144p as shown by an arrow F56.
[0067]
The other part adheres to the groove 144q as a liquid and flows into the recess 144p. The fuel introduced as a liquid into the recess 144p then evaporates. It should be noted that the piston 144 is closer to the in-cylinder fuel injection unit 15 during the fuel injection E42 than in the fuel injection E41. Therefore, in the fuel injection E42, the ratio of the fuel (indicated by Fr in FIG. 11) of the injected fuel that adheres to the groove 144q as a liquid and flows into the recess 144p is smaller than that in the fuel injection E41. high.
[0068]
FIG. 12 is an explanatory diagram showing a state of a relatively lean mixture G41 and a relatively rich mixture G43 in the combustion chamber 150. When the fuel injection E42 is performed, a relatively thin air-fuel mixture G41 is already formed in the combustion chamber 150 as shown in FIG. Therefore, the fuel injected in the fuel injection E42 is less likely to be vaporized and diffused into the combustion chamber 150 than the fuel injected in the fuel injection E41. Further, since the fuel injection E42 is performed after the fuel injection E41, the time until the piston 144 reaches the top dead center is short. Therefore, also from this point, the fuel injected in the fuel injection E42 is unlikely to diffuse into the combustion chamber 150. Therefore, the fuel injected in the fuel injection E42 forms a relatively rich mixture G43 near the concave portion 144p. Part of the fuel forming the air-fuel mixture G43 is the fuel of the fuel injection E41, and the other part is the fuel of the fuel injection E42.
[0069]
Thereafter, when the piston further turns upward, self-ignition occurs in the relatively rich mixture G43. Then, the mixture G41 in the combustion chamber 150 also burns.
[0070]
(3) Plug ignition:
FIG. 13 is an explanatory diagram showing the timing of fuel injection when a poor combustion is detected. If the scheduled combustion has not occurred in the combustion chamber 150, the pressure in the combustion chamber may not rise to the value at which the scheduled combustion occurred. In the first and second four-cycle auto-ignition modes, if the pressure in the combustion chamber 150 has not reached a predetermined threshold value during one cycle, the ECU 30 performs the following one cycle of the cylinder: During a predetermined time section in the middle stage of the compression period, fuel injection E43 for injecting all fuel burned in one cycle is performed. In a normal state, the fuel is injected only before the intake period (see FIG. 5) or is injected separately before the intake period and in the middle of the compression period (see FIG. 10). Therefore, by injecting all the fuel burned in one cycle in the middle period of the compression period in the fuel injection E43, the fuel injected in the middle period of the compression period is greatly increased. The “middle stage of the compression period” means a section of 75 ° to 115 ° after the bottom dead center of the compression period. Then, ignition EG by the ignition plug 136 is performed at a timing of 30 ° before the top dead center.
[0071]
(4) Effect:
In the present embodiment, the piston has a recess 144p at the top and a groove 144q connected to the recess 144p. Therefore, a relatively rich mixture can be formed in the vicinity of the recess 144p. Therefore, first, by causing self-ignition from a relatively rich air-fuel mixture, self-ignition is stably performed even in air-fuel ratios with a high excess air ratio, in which self-ignition does not occur when uniformly mixed. be able to.
[0072]
In this embodiment, even if the excess air ratio of the relatively rich air-fuel mixture formed near the concave portion 144p is greater than 1, auto-ignition occurs. Therefore, in order to cause combustion, the amount of NOx generated by combustion is partially higher than or equal to the stoichiometric air-fuel ratio, that is, as compared with the case of forming a mixture having an excess air ratio of 1 or less. Can be reduced.
[0073]
In the present embodiment, the piston 144 is provided with a groove 144q connected to the recess 144p. Therefore, the fuel injected toward the groove 144q flows through the groove 144q to the recess 144p. Therefore, the fuel injected when the piston 144 is not near the BDC can also be guided to the recess 144p.
[0074]
Further, in the present embodiment, the concave portion 144p is disposed at the top 144h of the piston 144 at an even angle around the center axis of the cylinder. For this reason, a relatively rich mixture can be formed one by one in a uniform space in the combustion chamber 150. Therefore, combustion by self-ignition can be evenly performed in the combustion chamber 150. Further, the in-cylinder fuel injection unit 15 has the same number of injection ports as the concave portions 144p. For this reason, it is possible to inject fuel with different spray bundles toward each recess 144p.
[0075]
In the present embodiment, the in-cylinder fuel injection unit 15 is provided such that each injection port is located near the central axis of the cylinder 142. Therefore, it is possible to easily inject fuel into each of the concave portions 144p and each of the groove portions 144q provided at the top of the piston. That is, there is a low possibility that the fuel will not reach the concave portion due to being hindered by the structure of the top of the piston 144. Further, the groove 144q is provided radially from the center facing the injection port of the fuel injection section toward each recess 144p at the top of the piston 144. The in-cylinder fuel injection unit 15 is configured so that when the piston 144 descends most, fuel is injected into each recess 144p. Therefore, the in-cylinder fuel injection unit 15 can inject fuel into the groove 144q or the recess 144p when the piston is at an arbitrary position.
[0076]
Fuel adhering to the inner wall (cylinder liner) of the cylinder 142 and fuel near the inner wall of the cylinder 142 are less likely to burn because the cylinder loses heat. Also, fuel that has entered between the inner wall of the cylinder 142 and the side surface of the piston 144 is also less likely to burn. However, in the present embodiment, as shown in FIG. 6, the injected fuel moves along the concave curved surface of the inner wall of the groove 144q and the concave portion 144p. Therefore, the fuel is less likely to move to a region near the inner wall of the cylinder 142, and is less likely to enter between the inner wall of the cylinder 142 and the piston 144. Therefore, in the embodiment as in the present embodiment, unburned fuel is hardly generated. Further, in the present embodiment, in particular, since the concave portion is constituted by a concave curved surface, it is more effective.
[0077]
Further, in the four-cycle auto-ignition mode, after closing the exhaust valve 134 in the exhaust stroke, the intake valve 132 is opened to start intake (see FIGS. 5 and 10). That is, there is a so-called "negative overlap" during the cycle. Then, fuel is injected during the “negative overlap”. Therefore, in the four-cycle operation mode, fuel can be injected into the combustion chamber 150 in which the high-temperature burned gas generated in the previous cycle remains. Accordingly, the relatively thin air-fuel mixture indicated by the arrow F46 in FIG. 6 and indicated by G41 in FIG. 8 can be sufficiently vaporized and diffused in the combustion chamber 150.
[0078]
In the second four-cycle self-ignition mode, fuel injection is divided into fuel injection E41 and fuel injection E42 between 90 ° and 95 ° after the bottom dead center. That is, fuel injection is performed at a later time than in the first four-cycle self-ignition mode. Therefore, the self-ignition timing of the entire fuel in the combustion chamber 150 can be delayed, and the time required for the entire fuel in the combustion chamber 150 to burn can be increased. As a result, noise during combustion can be reduced. Therefore, it is possible to perform the self-ignition operation even in a higher load area. In other words, in FIG. 4, the region V in which the operation is performed in the four-cycle self-ignition mode can be expanded to a higher load side.
[0079]
Further, in the second four-cycle self-ignition mode, a relatively thin uniform mixture G41 can be formed by the fuel injection E41 performed during the negative overlap, and the fuel injection E42 performed in the middle period of the compression period can A relatively dense mixture G43 can be formed. Therefore, even when the excess air ratio is high as a whole, self-ignition can be stably performed.
[0080]
In self-ignition operation using burned gas (internal EGR gas) in the previous cycle, once misfire occurs, high-temperature burned gas is not generated in that cycle, so misfire easily occurs in the next cycle. However, in the present embodiment, when a misfire occurs, the ignition is performed by the spark plug 136 in the next cycle as shown in FIG. Therefore, in the next cycle after the misfire, the ignition plug 136 can be used to cause combustion with high accuracy. As a result, in the next cycle, the burned gas of the previous cycle can be used, and self-ignition can be caused with a high probability. Then, thereafter, stable combustion is likely to occur again.
[0081]
In this embodiment, the ignition plug 136 is attached to the piston 144 and the cylinder head 130 such that the electrode 136s is located at a position facing one of the recesses 144p. Therefore, ignition can be performed in a relatively rich mixture, and even when the excess air ratio is high, fuel can be ignited more reliably than in the case of performing ignition in a relatively thin mixture. .
[0082]
Further, in the present embodiment, when ignition is performed by the ignition plug 136, all fuel burned in the cycle is injected into the combustion chamber 150 in the middle stage of the compression period (see FIG. 13). Therefore, in the vicinity of the concave portion 144p, the air-fuel mixture G42 (see the combustion in the first four-cycle self-ignition mode shown in FIGS. 8 and 9) and G43 (the second four-cycle self-ignition mode shown in FIG. 12) ). A richer mixture is formed. Therefore, from this point as well, even when the excess air ratio is high, the fuel can be ignited more reliably.
[0083]
A-5.2 Valve open / close timing and fuel injection in the two-cycle self-ignition mode:
(1) First two-cycle auto-ignition mode:
FIG. 14 is an explanatory diagram showing timings for opening and closing the intake valve 132 and the exhaust valve 134 in synchronization with the movement of the piston 144 in the first two-cycle self-ignition mode (see region II in FIG. 4). . Each notation in the figure is the same as in FIG. As shown in FIG. 14, in the first two-cycle self-ignition mode, the exhaust valve 134 is opened when the piston 144 descends and reaches a position 65 ° before the bottom dead center. At this time, the intake valve 132 is closed. Then, when the piston 144 further descends and reaches a position 40 ° before the bottom dead center, the intake valve 132 is opened. Thereafter, when the piston 144 changes from descending to ascending and comes to a position 25 ° after the bottom dead center, the exhaust valve 134 is closed.
[0084]
While the piston 144 is between 40 ° before the bottom dead center and 25 ° after the bottom dead center, the intake is performed from the intake passage 12 and the burned gas is discharged from the exhaust passage 16. That is, scavenging is performed. When scavenging is performed in the two-cycle operation, it is general to increase the intake pressure (supply pressure) using a supercharger (not shown). During this scavenging period, fuel injection E21 is performed from the in-cylinder fuel injection unit 15 in a predetermined time interval between 10 ° before bottom dead center and 10 ° after bottom dead center.
[0085]
Thereafter, when the piston 144 comes to a position 40 ° after the bottom dead center, the intake valve 132 is closed. Then, when the piston 144 rises and compresses the air and the fuel in the combustion chamber 150, the fuel ignites near TDC TDC and pushes down the piston 144. Hereinafter, the operation cycle is similarly repeated.
[0086]
FIG. 15 is an explanatory diagram showing the flow of fuel during the fuel injection E21 in the two-cycle operation. The in-cylinder fuel injection unit 15 is configured to be able to inject fuel into the recess 144p when the piston is at 10 ° before bottom dead center to 10 ° after bottom dead center. Therefore, in the fuel injection E21 performed between 10 ° before the bottom dead center and 10 ° after the bottom dead center, the fuel is injected into the concave portion 144p as indicated by an arrow F62. Then, a part of the injected fuel travels toward the cylinder head 130 along the concave curved surface of the concave portion 144p as shown by an arrow F66. The other part adheres to the inner surface of the concave portion 144p as a liquid.
[0087]
The fuel injection E21 is performed during the scavenging period as shown in FIG. Therefore, when the fuel injection E21 is being performed, air flows into the combustion chamber 150 from the intake port as shown by the arrow A21. Then, as shown by the arrow A22, the burned gas in the combustion chamber 150 flows out from the exhaust port. Due to this air flow, the fuel (indicated by the arrow F66 in FIG. 15) directed toward the cylinder head 130 along the concave curved surface of the concave portion 144p is sufficiently diffused in the combustion chamber 150. Further, the fuel is vaporized by the high temperature burned gas remaining in the combustion chamber 150. As a result, a relatively thin air-fuel mixture G21 is formed in the combustion chamber 150. The black dots in the figure represent the fuel that is vaporized and diffused.
[0088]
FIG. 16 is an explanatory diagram showing diffusion and evaporation of fuel in the operation in the two-cycle self-ignition mode. The fuel Fr remaining as a liquid in the concave portion 144p evaporates little by little as indicated by an arrow F68. As a result, a relatively rich mixture G22 (not shown) is formed. Thereafter, when the piston further rises, self-ignition occurs in the relatively rich air-fuel mixture G22, as in the case of the four-cycle self-ignition mode shown in FIGS. Then, another mixture in the combustion chamber 150 also burns.
[0089]
(2) Second two-cycle auto-ignition mode:
FIG. 17 is an explanatory diagram showing the timing for opening and closing the intake valve 132 and the exhaust valve 134 in synchronization with the movement of the piston 144 in the second two-cycle self-ignition mode (see region III in FIG. 4). Each notation in the figure is the same as in FIG. In the second 4-cycle self-ignition mode, in addition to fuel injection E21 performed during a predetermined time interval between 10 ° before bottom dead center and 10 ° after bottom dead center, 90 ° to 95% after bottom dead center The fuel injection E22 is performed during a predetermined time interval between ° and. The fuel injected in the fuel injection E22 is smaller than the fuel injected in the fuel injection E21. Note that, as in the four-cycle self-ignition mode, the amount of fuel injected in one cycle increases as the load L increases.
[0090]
The flow of the fuel in the fuel injection E21 is the same as that in the first two-cycle self-ignition mode shown in FIGS. The flow of the fuel in the fuel injection E22 is the same as in the case of the second four-cycle self-ignition mode shown in FIGS. However, the amount of fuel injected differs depending on the load.
[0091]
(3) Plug ignition:
As in the case of the four-cycle self-ignition mode, the ECU 30 determines that misfire has occurred in the first and second two-cycle self-ignition modes in the next one cycle of the cylinder. During a predetermined time interval (80 ° to 100 ° after bottom dead center), all the fuel burned in one cycle is injected. Then, ignition is performed by the ignition plug 136 at a timing of 30 ° before the top dead center (see FIG. 13).
[0092]
(4) Effect:
In this embodiment, each of the fuel injection ports of the in-cylinder fuel injection unit 15 is located when the piston 144 descends most, that is, when the piston 144 is near BDC (10 ° before bottom dead center to 10 ° after bottom dead center). Sometimes, the fuel injected from each fuel injection port is configured to be injected into each recess 144p. Therefore, the fuel of the fuel injection E21 is injected into the recess 144p. As a result, in the vicinity of the concave portion 144p, a relatively rich air-fuel mixture that easily ignites can be produced. Therefore, even when the excess air ratio is high, self-ignition can be stably performed.
[0093]
In the two-cycle self-ignition mode, the fuel injection E21 is performed during the scavenging period. For this reason, fuel can be injected into the combustion chamber 150 in which the high-temperature burned gas generated in the previous cycle remains. Therefore, the relatively thin air-fuel mixture indicated by the arrow F66 in FIG. 15 can be sufficiently vaporized and diffused in the combustion chamber 150.
[0094]
In the second two-cycle self-ignition mode, the fuel injection is divided into fuel injection E21 and fuel injection E22 between 90 ° and 95 ° after the bottom dead center. For this reason, the noise at the time of combustion can be reduced for the same reason as in the case of the second four-cycle self-ignition mode. Therefore, in FIG. 4, the region III in which the operation is performed in the two-cycle self-ignition mode can be extended to a higher load side.
[0095]
Further, in the second four-cycle self-ignition mode, a relatively thin and uniform fuel-air mixture can be formed by the fuel injection E21 performed during the scavenging period, and the fuel injection E22 performed during the middle period of the compression period can relatively form a rich mixture. An air-fuel mixture can be formed. Therefore, even when the excess air ratio is high, self-ignition can be stably performed.
[0096]
B. Second embodiment:
FIG. 18 is an explanatory view (longitudinal sectional view) showing the structure of the top of the cylinder head 130b and the piston 144b and the state of fuel injection according to the second embodiment. The second embodiment differs from the first embodiment in the positions of the fuel injection section and the spark plug, and the shape of the top of the piston is changed accordingly. That is, in the second embodiment, the intake pipe fuel injection section 15b is provided in the intake passage 12, and the in-cylinder fuel injection section 15c is provided on the side wall of the cylinder 142. The in-cylinder fuel injection unit 15c is provided on the cylinder head 130b at a position on the side where the intake port 12o is provided with respect to the center axis O of the cylinder. The ignition plug 136b is attached to the ceiling 130r of the cylinder head 130 such that the electrode 136s is located near the central axis of the cylinder 142.
[0097]
The in-cylinder fuel injection unit 15c is provided in the cylinder head 130 at a position where fuel can be injected from the vicinity of the inner wall of the combustion chamber. Here, "in the vicinity of the inner wall of the combustion chamber" means that when the ceiling 130r of the cylinder head is projected on a plane perpendicular to the reciprocating direction of the piston, "the radius of the cylinder radially inward of the cylinder from the inner wall of the cylinder" From the position closer to 1/5 of the cylinder to the position radially outward of the cylinder from the inner wall of the cylinder by 1/5 of the radius of the cylinder. At this time, it does not matter whether the fuel injection unit is provided on the cylinder head or on the cylinder block.
[0098]
FIG. 19 is a plan view showing the structure of the top 144h of the piston 144b and the state of fuel injection in the second embodiment. In the second embodiment, an ignition recess 144r is provided at the top 144h of the piston 144b at a position near the center axis of the cylinder 142 when the piston 144 is assembled to the cylinder. Note that "the concave portion is provided near the central axis of the cylinder" means that when the top of the piston is projected on a plane perpendicular to the reciprocating direction of the piston, the radius of the cylinder is 1 centered on the central axis of the cylinder. This means that a circle having a radius of / 3 includes 75% or more of the projected area of the concave portion.
[0099]
Another four concave portions 144s are provided near the outer periphery of the top of the piston 144b. The four concave portions 144s are provided at positions and shapes symmetrical with respect to a line connecting the in-cylinder fuel injection portion 15c and the central axis O of the cylinder 142. In FIG. 19, the center axis O of the cylinder 142 passes through a line connecting the in-cylinder fuel injection unit 15c and the center axis O of the cylinder 142 and a line connecting the in-cylinder fuel injection unit 15c and the center axis O of the cylinder 142. Lines are indicated by dash-dot lines.
[0100]
Further, a groove 144t is provided in each of the recesses 144r and 144s. These grooves 144t extend from the recesses 144r and 144s toward the position of the in-cylinder fuel injection portion 15c when projected onto a plane perpendicular to the reciprocating direction of the piston 144b.
[0101]
The in-cylinder fuel injection section 15c has the same number as the five recesses 144r and 144s, that is, five fuel injection ports. Then, as shown in FIGS. 18 and 19, each fuel injection port is configured such that when the piston 144 descends most, the fuel injected from each fuel injection port is injected into each of the concave portions 144r and 144s. ,It is configured. Further, each fuel injection port of the in-cylinder fuel injection unit 15c is provided such that the fuel injection port that injects the fuel into a recess farther from the in-cylinder fuel injection unit 15c injects the fuel at a smaller injection angle. Here, the “injection angle” means an angle of spread of fuel injected from one injection port. Other hardware configurations of the engine of the second embodiment are the same as those of the engine of the first embodiment.
[0102]
The operation of the engine of the second embodiment is substantially the same as that of the engine of the first embodiment. However, when performing the four-cycle spark ignition mode (regions I and VI in FIG. 4), fuel is injected only from the intake pipe fuel injection unit 15b. When the four-cycle self-ignition mode is performed (regions IV and V in FIG. 4), fuel is injected only from the in-cylinder fuel injection unit 15c. When the two-cycle self-ignition mode is performed (regions II and III in FIG. 4), fuel injection E21 performed during the scavenging period is performed from the intake pipe fuel injection unit 15b, and fuel injection E22 performed during the compression period is performed. , From the in-cylinder fuel injection unit 15c. Other aspects of the operation of the engine of the second embodiment are the same as those of the engine of the first embodiment.
[0103]
In the second embodiment, an intake pipe fuel injection section 15b provided in the intake pipe is provided. Therefore, the fuel injected by the fuel injection E21 performed during the scavenging period in the two-cycle self-ignition mode can be introduced into the combustion chamber 150 together with the air. Therefore, the fuel injected by the fuel injection E21 can be sufficiently diffused in the combustion chamber 150.
[0104]
In the second embodiment, the in-cylinder fuel injection unit 15c has a plurality of injection ports that inject fuel at a smaller injection angle in a concave portion farther from the in-cylinder fuel injection unit 15c. Therefore, there is a low possibility that the fuel is injected outside the recess even in the recess far from the in-cylinder fuel injection unit 15c.
[0105]
Further, the piston 144b of the second embodiment has a groove 144t in a direction from each of the recesses 144r and 144s toward the in-cylinder fuel injection unit 15c. For this reason, even if fuel is injected from the in-cylinder fuel injection unit 15c at a timing other than when the piston descends most, the injected fuel is introduced into the recesses 144r and 144s along the groove 144t. For this reason, a part of the injected fuel stays in the vicinity of the recesses 144r and 144s to form a relatively rich air-fuel mixture, and the other part diffuses into the combustion chamber along the inner walls of the recesses 144r and 144s. As a result, at the time of compression, it is possible to cause self-ignition first from a relatively rich air-fuel mixture in the vicinity of the concave portions 144r and 144s, and then to cause self-ignition to the air-fuel mixture evenly diffused throughout the combustion chamber. . Therefore, the amount of NOx generated by combustion can be reduced.
[0106]
Further, in the engine of the second embodiment, an ignition plug 136b is provided at a position facing an ignition recess 144r provided near the central axis of the cylinder 142 so that the electrode of the ignition plug 136b is located. Therefore, when the ignition is performed by the ignition plug 136b, the pressure of the flame or the burned gas is uniformly transmitted to the combustion chamber. The recesses 144r and 144s are provided at positions and shapes symmetrical with respect to a line connecting the in-cylinder fuel injection unit 15c and the central axis of the cylinder 142. For this reason, the pressure of the flame or burned gas generated by the self-ignition of the air-fuel mixture formed in each of the concave portions is uniformly transmitted into the combustion chamber 150. Therefore, it is possible to cause self-ignition evenly in the air-fuel mixture evenly diffused throughout the combustion chamber, and to reduce the amount of NOx generated by the combustion.
[0107]
C. Third embodiment:
FIG. 20 is an explanatory view (longitudinal sectional view) showing the structure of the top of the piston 144c and the state of fuel injection in the third embodiment. In the engine of the third embodiment, the in-cylinder fuel injection unit 15d is provided at a position where fuel can be injected from the vicinity of the inner wall of the combustion chamber, and the intake pipe fuel injection unit is not provided. The in-cylinder fuel injection section 15d is provided on the cylinder head 130c at a position on the side where the intake port 12o is provided with respect to the center axis O of the cylinder. Other configurations of the cylinder head 130c of the third embodiment are the same as those of the cylinder head 130b of the second embodiment.
[0108]
FIG. 21 is a plan view showing the structure of the tops of the cylinder head 130c and the piston 144c and the state of fuel injection according to the third embodiment. The notation in FIG. 21 is the same as that in FIG. The piston 144c of the third embodiment has five concave portions 144u, 1144v, and 144w at the top similarly to the second embodiment. An ignition recess 144u is provided near the central axis of the cylinder 142. Two recesses 144v are provided near the outer periphery of the piston 144c and near the intake valve 132, and two recesses 144w are also provided on the side near the exhaust valve 134. In addition, "the vicinity of the outer periphery of the piston" is within the range of the top of the piston when the top of the piston is projected on a plane perpendicular to the reciprocating direction of the piston, and is defined as the radius of the cylinder centered on the center axis of the cylinder. A region outside a circle having a radius of 1/3. The phrase “the concave portion is provided near the outer periphery of the piston” means that when the concave portion is projected on a plane perpendicular to the reciprocating direction of the piston, the area near the outer periphery of the piston is 75% of the projected area of the concave portion. It means that the above is included. The four surrounding recesses 144v and 144w are provided at positions and shapes symmetric with respect to a line connecting the in-cylinder fuel injection unit 15c and the central axis of the cylinder 142.
[0109]
The concave portion 144v is provided in such a shape that the piston 144c at the top dead center does not interfere with the intake valve 132 in the fully opened state. The recess 144w is provided in such a shape that the piston 144c at the top dead center does not interfere with the exhaust valve 134 in the fully opened state. Other configurations of the engine of the third embodiment are the same as those of the second embodiment. The operation of the engine of the third embodiment is the same as that of the engine of the first embodiment. In FIG. 20, the cross section of the concave portion 144v is indicated by a broken line on the left side of the one-dot chain line O indicating the central axis of the cylinder, and the cross section of the concave portion 144w is indicated by a broken line on the right side. Each of the concave portions 144v and 144w has a circular flat surface as a bottom surface, which is perpendicular to the reciprocating direction of the piston. The cross sections of the concave portions 144v and 144w shown in FIG. 20 are cross sections on the planes Ls1 and Ls2 (see FIG. 21) that include the centers of the circles of the respective bottom surfaces and are parallel to the central axis of the cylinder.
[0110]
By the way, conventionally, the piston may be provided with a recess for “escape”, that is, a valve recess so as not to interfere with the intake valve or the exhaust valve. That is, the “valve recess” is a recess provided at the top of the piston, and is provided in a shape such that the intake valve and the exhaust valve in the fully opened state do not interfere with the piston at the top dead center. If the valve recess and the recess for diffusing or retaining the fuel are formed based on the requirements of the respective functions, the shape of the piston becomes complicated. As a result, the ratio of the surface area to the volume of the piston increases, and the cooling loss during combustion increases. However, in the piston 144c of the third embodiment, the concave portions 144v and 144w for diffusing or retaining the fuel are provided in such a shape as not to interfere with the intake valve 132 and the exhaust valve 134, respectively. For this reason, the cooling loss at the time of combustion can be reduced while satisfying the requirements of preventing interference between each valve and the piston and diffusion and stagnation of fuel. As a result, energy obtained by burning the fuel can be efficiently extracted as work.
[0111]
D. Fourth embodiment:
FIG. 22 is an explanatory diagram (longitudinal sectional view) showing the structure of the top of the cylinder head 130d and the piston 144d and the state of fuel injection according to the fourth embodiment. The differences from the third embodiment are the shape of the ceiling of the cylinder head and the shape of the top of the piston. In the cylinder head 130d of the fourth embodiment, of the ceiling portion 130r constituting the combustion chamber 150, a ceiling portion Pi forming the outer periphery of the intake port 12o and a ceiling portion forming the outer periphery of the exhaust port 16o. Pe has a slope such that they face each other, and the angle between them is smaller than in the other embodiments. As a result, the ceiling part Pm (referred to as “ceiling top Pm”) sandwiched between the ceiling parts Pi and Pe is deeper than the other embodiments and farther from the crankshaft 148 (see FIG. 1). . The zenith portion Pm has a shape like a ridge in a direction perpendicular to the paper surface in FIG. Such a combustion chamber type is called a pent roof type.
[0112]
The ignition plug 136d is provided near the center axis of the cylinder 142 in the zenith part Pm. The in-cylinder fuel injection unit 15e is provided near the inner wall of the combustion chamber 150, as in the third embodiment.
[0113]
FIG. 23 is a plan view showing the structure of the top of the piston 144d and the state of fuel injection in the fourth embodiment. The piston 144d of the fourth embodiment has three concave portions 144y and 144z at the top. The curved surface constituting each recess is a part of a spherical surface. An ignition recess 144y is provided near the center axis O of the cylinder 142. Two recesses 144z are provided with the ignition recess 144y interposed therebetween. The two concave portions 144z are provided at positions and shapes symmetric with respect to a line Lm connecting the in-cylinder fuel injection portion 15e and the central axis O of the cylinder. A line Lm connecting the in-cylinder fuel injection portion 15e and the central axis O of the cylinder is indicated by a one-dot chain line in the left-right direction.
[0114]
The concave portions 144y and 144z are arranged in a direction perpendicular to a line Lm connecting the in-cylinder fuel injection portion 15e and the central axis O of the cylinder. In other words, the three concave portions 144y and 144z are arranged so as to face the zenith portion Pm.
[0115]
As described above, the zenith part Pm is distributed in a shape like a ridge in a direction perpendicular to the paper surface in FIG. Here, when a reference plane PR1 that includes the central axis O of the cylinder 142 and maximizes the cross-sectional area of the combustion chamber 150 is defined, the plane PR1 is located at a position indicated by a broken line in FIG. That is, the plane is perpendicular to the line Lm connecting the in-cylinder fuel injection unit 15e and the center of the cylinder. The top 144h of the piston is virtually divided into three regions A1 to A3 by two planes Pd1 and Pd2 parallel to the reference plane PR1. At this time, when these top regions A1 to A3 are projected on a plane perpendicular to the central axis O of the cylinder 142 (a plane parallel to the paper surface in FIG. 23), the top areas A1 to A3 pass through the central axis O of the cylinder 142 and are perpendicular to the reference plane PR1. The planes Pd1 and Pd2 are defined so that the dimensions L1, L2, and L3 of the three top regions A1 to A3 measured along the direction straight line Lm are 1: 1: 1.
[0116]
Of these three top regions A1, A2, A3, the top region A2 faces the zenith part Pm as shown in FIG. For this reason, the average distance from the top region A2 to the ceiling 130r along the reciprocating direction of the piston 144d is longer than the average distance from the other top regions A1, A3 to the ceiling 130r. The three recesses 144y and 144z provided at the top of the piston 144d are provided in the top region A2 as shown in FIG.
[0117]
Further, a single groove 144o common to the three recesses 144y and 144z is provided in the top 144h of the piston 144d of the fourth embodiment. The groove 144o has a substantially triangular shape extending from the position of the in-cylinder fuel injection portion 15e toward the three concave portions 144y and 144z when projected on a plane perpendicular to the reciprocating direction of the piston 144d. The other points of the engine of the fourth embodiment are the same as those of the engine of the third embodiment.
[0118]
Assuming that the three concave portions are arranged along a straight line Lm connecting the in-cylinder fuel injection portion 15e and the center of the cylinder, when ignition occurs with a relatively rich mixture formed in each concave portion, The pressure of the flame or the burned gas reaches the lower portion of the ceiling portion Pi and the lower portion of the ceiling portion Pe relatively early, but reaches the zenith portion Pm relatively late (see FIG. 22). For this reason, variations occur in the combustion, and the combustion time is prolonged.
[0119]
However, in the fourth embodiment, the three concave portions 144y and 144z are arranged in a direction perpendicular to the line Lm connecting the in-cylinder fuel injection portion 15e and the center O of the cylinder. That is, they are arranged so as to face the ridge-shaped zenith part Pm. Therefore, when ignition occurs in the mixture of the recesses 144y and 144z, the pressure of the flame or the burned gas reaches the zenith portion Pm in a relatively uniform time. For this reason, variation in combustion can be reduced, and the combustion time can be shortened. As a result, NOx can be reduced.
[0120]
E. FIG. Fifth embodiment:
FIG. 24 is an explanatory view (longitudinal sectional view) showing the structure of the top of the cylinder head 130e and the piston 144e and the state of fuel injection of the fifth embodiment. The engine of the fifth embodiment differs from the other embodiments in that two in-cylinder fuel injection units are provided and the position of the spark plug. That is, in the engine of the fifth embodiment, the first in-cylinder fuel injection portion 15f is provided at the cylinder ceiling 130r near the center axis O of the cylinder 142, and further, inside the combustion chamber 150. It has a second in-cylinder fuel injection unit 15g that can inject fuel from near the wall. The shape of the piston 144e is the same as the piston 144 of the first embodiment.
[0121]
The second in-cylinder fuel injection unit 15g is provided on the cylinder head 130e at a position where the intake port 12o is provided with respect to the center axis O of the cylinder. The ignition plug 136e is provided at a position facing the second in-cylinder fuel injection unit 15g with the center axis O of the cylinder 142 interposed therebetween. That is, the ignition plug 136e is provided on the cylinder head 130e at a position on the side where the exhaust port 16o is provided with respect to the center axis O of the cylinder. The ignition plug 136e is provided such that its electrode 136s is located immediately above one of the recesses 144p of the piston 144e.
[0122]
The second in-cylinder fuel injection unit 15g injects fuel into the combustion chamber 150 at an angle close to the horizontal as shown by a broken line in FIG. The fuel injection port of the first in-cylinder fuel injection unit 15f is configured to be able to inject fuel into each recess 144p when the piston 144e descends most as shown by the hatched portion in FIG. The first and second in-cylinder fuel injection units 15f and 15g are fuel injection valves of a type that can increase or decrease the amount of fuel injected per unit time by changing the fuel injection pressure. Other hardware configurations of the engine of the fifth embodiment are the same as those of the engine of the first embodiment.
[0123]
The operation of the engine of the fifth embodiment is performed in the same manner as the engine of the first embodiment. However, in the fuel injection, the first and second in-cylinder fuel injection units 15f and 15g are selectively used. That is, in the first four-cycle self-ignition mode (see FIGS. 4 and 5), the fuel injection E41 performed during the negative overlap is performed by the first in-cylinder fuel injection unit 15f. In the second four-cycle self-ignition mode (see FIGS. 4 and 10), the fuel injection E41 performed during the negative overlap is performed by the second in-cylinder fuel injection unit 15g and performed in the middle of the compression period. The fuel injection E42 is performed at a relatively low pressure in the first in-cylinder fuel injection unit 15f.
[0124]
On the other hand, in the first two-cycle self-ignition mode (see FIGS. 4 and 14), the fuel injection E21 performed during the scavenging period is performed by the first in-cylinder fuel injection unit 15f. In the second two-cycle self-ignition mode (see FIGS. 4 and 17), the fuel injection E21 performed during the scavenging period is performed at a relatively low pressure per unit time by the second in-cylinder fuel injection unit 15g. This is performed with a relatively small fuel injection amount. The fuel injection E22 performed in the middle stage of the compression period is performed by the first in-cylinder fuel injection unit 15f with a relatively high pressure and a relatively large fuel injection amount per unit time. Other points are the same as the operation of the engine of the first embodiment.
[0125]
In the engine of the fifth embodiment, the second in-cylinder fuel injection unit 15g that injects fuel that forms a relatively thin air-fuel mixture in the mode of injecting fuel in two parts is directed toward the recess 144p at the top of the piston. It is provided separately from the first in-cylinder fuel injection unit 15f that injects fuel. Therefore, by appropriately setting the spray direction and the spray pressure so as to easily diffuse in the combustion chamber 150, it is possible to inject fuel that forms a relatively thin air-fuel mixture. As a result, a relatively thin air-fuel mixture can be formed homogeneously in the combustion chamber 150, and during compression, the air-fuel mixture evenly diffused throughout such a combustion chamber can be uniformly ignited. it can. As a result, the amount of NOx generated by combustion can be reduced.
[0126]
In the second four-cycle self-ignition mode (see FIG. 10), the first fuel injection E41 is performed in a state where the intake valve 132 and the exhaust valve 134 are closed, that is, in a state where the pressure in the combustion chamber 150 is relatively high. Done. Therefore, the fuel injection E41 is performed at a higher pressure than the fuel injection E42 performed when the exhaust valve is open. Thus, in the fuel injection E41, the fuel can be sent into the combustion chamber against the pressure in the combustion chamber 150.
[0127]
On the other hand, the second fuel injection E42 in the second 4-cycle self-ignition mode is performed at a relatively low pressure. As a result, the particle diameter of the liquid fuel becomes larger than that in the case of the fuel injection E41. Therefore, the fuel injected toward the concave portion in the fuel injection E42 takes a long time to evaporate, and hardly diffuses into the combustion chamber 150 until the piston reaches the vicinity of the top dead center. As a result, the fuel injected by the fuel injection E42 tends to form a relatively rich mixture in the vicinity of the concave portion. Therefore, even when the excess air ratio is high, self-ignition is likely to occur.
[0128]
In the second two-cycle self-ignition mode (see FIG. 17), the first fuel injection E21 is performed with a relatively small amount of fuel injected per unit time. Therefore, the fuel injected by the fuel injection E21 is more likely to evaporate and diffuse in the combustion chamber 150 than when a large amount of fuel is injected at one time. As a result, a relatively thin air-fuel mixture can be made homogeneously in the combustion chamber 150.
[0129]
On the other hand, the second fuel injection E22 in the second two-cycle self-ignition mode is performed with a relatively large fuel injection amount per unit time. Therefore, the fuel injected by the fuel injection E22 hardly evaporates and diffuses in the combustion chamber 150. At the time of the fuel injection E22, since the air-fuel mixture is already formed in the combustion chamber 150 by the fuel injection E21, the fuel injected in the fuel injection E22 is unlikely to diffuse. Therefore, a relatively rich air-fuel mixture can be formed in the vicinity of the concave portion by the fuel injected in the fuel injection E22. Therefore, even when the excess air ratio is high, self-ignition is likely to occur.
[0130]
F. Sixth embodiment:
FIG. 25 is an explanatory diagram showing a map of the sixth embodiment in which different operation modes are set depending on the operation conditions of the engine. In each of the above embodiments, in the middle load region (the region between region I and region IV in FIG. 4), the first and second two-cycle self-ignition modes, and the first and second four-cycle self-ignition modes The four modes were used properly. However, three or less modes may be properly used in the medium load region. For example, as shown in FIG. 25, in a medium load region sandwiched between region I and region IV, in region II where the load is relatively small, the first two-cycle auto-ignition mode is executed and region where the load is relatively large. In III, the second two-cycle self-ignition mode may be executed.
[0131]
In the medium load region, the first four-cycle self-ignition mode is executed in a relatively light load region, and the second four-cycle self-ignition mode is executed in a relatively heavy load region. You can also. Further, two or three modes including a two-cycle self-ignition mode and a four-cycle self-ignition mode may be selectively used, and the first and second two-cycle self-ignition modes shown in the first embodiment and the second and third modes may be used. Only one of the four modes of the first and second four-cycle self-ignition modes may be performed.
[0132]
For example, in a hardware configuration having two in-cylinder fuel injection units 15f and 15g as in the fifth embodiment shown in FIG. 24, only the first and second 4-cycle auto-ignition modes are executed in the medium load region. In such a case, the following operation can be performed. That is, in the second 4-cycle self-ignition mode (see FIG. 10), the fuel injection E41 performed during the negative overlap is performed by the second in-cylinder fuel injection unit 15g, and the fuel injection E42 performed during the middle period of the compression This is performed by the in-cylinder fuel injection unit 15f. In such a mode, the second in-cylinder fuel injection unit 15g is set to inject fuel at a relatively high constant pressure, and the first in-cylinder fuel injection unit 15f is set to a relatively low constant pressure. It can be set to inject fuel at pressure.
[0133]
On the other hand, in the hardware configuration having two fuel injection units as in the fifth embodiment, when the medium load region executes only the first and second two-cycle auto-ignition modes, the following operation is performed. It can be performed. That is, in the second two-cycle self-ignition mode (see FIG. 17), the fuel injection E21 performed during the negative overlap is performed by the second in-cylinder fuel injection unit 15g, and the fuel injection E22 performed during the middle period of the compression This is performed by the in-cylinder fuel injection unit 15f. Then, the second in-cylinder fuel injection unit 15g sets the fuel injection amount per unit time to a relatively low constant value, and the first in-cylinder fuel injection unit 15f compares the fuel injection amount per unit time. It can be set to a very high constant value.
[0134]
G. FIG. Modification:
The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, but can be implemented in various modes without departing from the gist of the invention, and for example, the following modifications are possible.
[0135]
(1) First modification:
In the first embodiment, at least one in-cylinder fuel injection unit 15 is capable of injecting fuel into each recess in the vicinity of when the piston descends most (10 ° before bottom dead center to 10 ° after bottom dead center). Was composed. However, the fuel injection unit is not limited to such an embodiment, and may have another configuration. That is, it is only necessary that at least one in-cylinder fuel injection unit is configured to be able to inject at least a part of the fuel burned in one cycle toward the concave portion or the groove portion.
[0136]
Further, in the first embodiment, the number of injection ports of the in-cylinder fuel injection unit 15 was the same as the number of recesses provided in the top 144h of the piston 144. However, the number of injection ports of the in-cylinder fuel injection unit may be different from the number of recesses. For example, the number of injection ports of the in-cylinder fuel injection unit is set to be smaller than the number of recesses so that when the piston is at a predetermined position, fuel can be injected from each injection port toward one recess. be able to. Further, the number of injection ports of the in-cylinder fuel injection unit is set to be larger than the number of recesses, and some of the injection ports are configured to be able to inject fuel toward the respective recesses. , So that the fuel can be evenly diffused into the combustion chamber.
[0137]
It is preferable that the in-cylinder fuel injection unit is configured to be able to inject almost all fuel injected from the in-cylinder fuel injection unit into the recess when the piston is at a specific position. It is particularly preferable that almost all fuel injected from the in-cylinder fuel injection unit can be injected into the recess when the piston is lowered most, that is, when the piston is at the bottom dead center BDC. Here, "substantially all the fuel to be injected can be injected into the concave portion" means that when the concave portion is replaced by a "hole without a bottom" having the same size and position as the concave portion, It means that 85% or more can pass through the hole.
[0138]
The operation of performing fuel injection while changing the pressure or the injection amount per unit time has been described in the fifth embodiment including two in-cylinder fuel injection units. However, such an operation can be performed in an engine having only one in-cylinder fuel injection unit as in the first embodiment. That is, the operation may be performed using the same in-cylinder fuel injection unit while changing the fuel injection pressure and the injection amount per unit time according to the operation mode.
[0139]
(2) Second modification:
In the first embodiment, the recesses 144p provided at the top of the piston 144 are provided at equal angles about the center axis of the cylinder 142. Each recess 144p is provided at an equal distance from the central axis of the cylinder 142. However, the concave portion is not limited to such an embodiment, and may be another embodiment. That is, a plurality of recesses can be provided at arbitrary positions on the top of the piston. However, it is preferable that each of the recesses is provided one by one in a space of substantially equal size in the combustion chamber in a state where the piston is at the top dead center. With such an embodiment, the pressure of the flame or the burned gas due to the self-ignition of the air-fuel mixture generated in the vicinity of the recess can be evenly transmitted into the combustion chamber. Alternatively, it is also possible to adopt a mode in which each recess other than the ignition recess facing the electrode of the ignition section is provided one by one in a space of substantially equal size in the combustion chamber.
[0140]
Further, in the above-described embodiment, the concave portion has a concave curved surface, but it is not necessary that the concave portion is entirely composed of a curved surface. That is, it is only necessary that, of the inner surface constituting the concave portion, a portion for injecting the fuel injected by the fuel injection unit is formed as a curved surface. Preferably, the curved surface is configured such that an extension of one end of the curved surface faces the direction of the cylinder head.
[0141]
As a mode in which the recesses are provided one by one in a space having a substantially uniform size in the combustion chamber, it is also preferable to arrange the recesses at a substantially uniform angle around the center axis of the cylinder 142. Here, “substantially uniform angle” means that the smallest angle is 75% or more of the largest angle with respect to the size of the angle formed by the concave portion adjacent to the central axis of the cylinder. For example, in the first embodiment, each recess 144p is provided at an equal angle of 60 ° about the center point of the piston (the center axis of the cylinder). However, the recess 144p adjacent to the center axis of the cylinder is provided. It is also possible to adopt a mode in which the angles formed by the angles are alternately 50 ° and 70 ° in the circumferential direction.
[0142]
Further, for example, in a mode in which 2n (n is a positive integer) recesses are provided at substantially equal angles around the center axis of the cylinder, every other n recesses are located at a distance from the center axis of the cylinder. It is good also as a form provided in the position of the 1st distance, and every other n pieces are provided in the position of the 2nd distance different from the 1st distance from the central axis of the cylinder. Further, n concave portions provided at substantially the same angle at a first distance from the center axis of the cylinder, and substantially equal at a second distance different from the first distance from the center axis of the cylinder. It is also possible to adopt a mode in which another n concave portions provided at an angle are provided.
[0143]
Further, in the fourth embodiment (see FIGS. 22 and 23), each concave portion is disposed in the second top region A2. However, it is also possible to adopt a mode in which a part of each recess is located outside the second top region A2. However, the piston has a plurality of recesses substantially in the second top region A2 and substantially no recesses in the first and third top regions A1 and A3. Is preferred. Here, "having substantially a concave portion in a certain region" means that when the region and the concave portion are projected on a plane perpendicular to the reciprocating direction of the piston, 75% or more of the projected area of the concave portion is more than 75%. It means that it is included in the area. And, "a region does not substantially have a concave portion" means that the region does not include a concave portion, or when a part of a certain concave portion is included in the region, the region and the concave portion When projected onto a plane perpendicular to the reciprocating direction of the piston, it means that the area of the concave portion included in that region is less than 25%.
[0144]
(3) Third modification:
In the operation modes shown in FIGS. 10 and 17, the second fuel injections E42 and E22 are performed during a predetermined time interval between 90 ° and 95 ° after the bottom dead center. However, the second fuel injection can be performed in another time interval. That is, the second fuel injection can be performed in a predetermined time section in the middle stage of the compression period. Here, the “middle period of the compression period” is a section of 75 ° to 115 ° after the bottom dead center of the compression period. Therefore, as long as the fuel injection is performed in any time interval included in the interval, such as 85 ° to 100 ° after bottom dead center or 90 ° to 105 ° after bottom dead center in the compression period, Good.
[0145]
Further, the fuel injection may be performed not only twice but also once, or may be performed three or more times. However, when the load is relatively low, it is preferable that the fuel injection be completed at a relatively early time, and when the load is relatively high, the fuel be injected until a relatively late time. At this time, in the same manner as in the first, third, and fourth embodiments (see FIGS. 3, 20, and 22), the same in-cylinder fuel injection unit may inject fuel, or the second in-cylinder fuel injection unit. In the embodiment as shown in the fifth embodiment (see FIGS. 18 and 24), the fuel injection may be performed by two or more different fuel injection units.
[0146]
Further, in the above embodiment, when the abnormality of the combustion state is detected, as shown in FIG. 13, all the fuel burned in one cycle is injected in the middle of the compression period, and the ignition by the spark plug 136 is performed in the next cycle. Had gone. However, even in such a case, it is not necessary to inject all the fuel burned in one cycle in the middle of the compression period. The injection may be performed during the predetermined time interval. In this case, the fuel injection amount is preferably 50% or more of all the fuel burned in one cycle, and more preferably 75% or more.
[0147]
(4) Fourth modified example:
In the above embodiment, when it is determined that a misfire has occurred, ignition by the spark plug is performed for the next one cycle. However, the cycle in which the ignition is performed by the spark plug is not limited to one cycle, but may be another cycle such as two cycles, three cycles, or five cycles. In addition, the ignition by the spark plug can also be performed when combustion is insufficient other than misfire, or when other abnormalities in the combustion state such as abnormal ignition timing are detected. The abnormalities in the combustion state can be detected by detecting a change in pressure with a pressure sensor or detecting a change in temperature with a temperature sensor. Further, knock sensor 25 using air column vibration may be used for detecting abnormal combustion.
[0148]
(5) Fifth modified example:
In the above embodiments and modifications, the opening / closing timing of each valve and the timing of spark ignition have been described by giving numerical values. However, these are merely examples, and the opening / closing timing of each valve and the timing of spark ignition can be predetermined timings according to engine design values, such as the inner diameter of the cylinder, the stroke amount of the piston, and the diameter of the valve. .
[0149]
In the above embodiment, the intake valve 132 and the exhaust valve 134 are driven by the electric actuators 162 and 164, respectively. However, the intake valve 132 and the exhaust valve 134 may be driven by other means such as those driven by hydraulic pressure. That is, the engine only needs to include an intake valve driving unit that can change the opening and closing timing of the intake valve and an exhaust valve driving unit that can change the opening and closing timing of the exhaust valve.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory view conceptually showing the structure of an engine according to a first embodiment.
FIG. 2 is a plan view showing a structure of a top portion of a piston 144 and a state of fuel injection.
FIG. 3 is an explanatory diagram (longitudinal sectional view) showing a structure of a top portion of a cylinder head 130 and a piston 144 and a state of fuel injection.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a map in which different operation modes are set according to the operation conditions of the engine.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing timings for opening and closing an intake valve 132 and an exhaust valve 134 in synchronization with the movement of a piston 144 in a first four-cycle self-ignition mode.
FIG. 6 is an explanatory diagram showing a flow of fuel at the time of fuel injection E41 in four-cycle operation.
FIG. 7 is an explanatory diagram showing diffusion and evaporation of fuel in an operation in a 4-cycle auto-ignition mode.
FIG. 8 is an explanatory diagram showing a state of a relatively lean air-fuel mixture and a relatively rich air-fuel mixture in a combustion chamber 150.
FIG. 9 is an explanatory diagram showing a state of self-ignition in a combustion chamber 150.
FIG. 10 is an explanatory diagram showing timings for opening and closing an intake valve 132 and an exhaust valve 134 in synchronization with the movement of a piston 144 in a second four-cycle self-ignition mode.
FIG. 11 is an explanatory diagram showing the flow of fuel during fuel injection E42 in four-cycle operation.
FIG. 12 is an explanatory diagram showing a state of a relatively lean air-fuel mixture and a relatively rich air-fuel mixture in a combustion chamber 150.
FIG. 13 is an explanatory diagram showing the timing of fuel injection when a poor combustion is detected.
FIG. 14 is an explanatory diagram showing timings for opening and closing the intake valve 132 and the exhaust valve 134 in synchronization with the movement of the piston 144 in the first two-cycle self-ignition mode.
FIG. 15 is an explanatory diagram showing the flow of fuel during fuel injection E21 in two-cycle operation.
FIG. 16 is an explanatory diagram showing diffusion and evaporation of fuel in an operation in a two-cycle self-ignition mode.
FIG. 17 is an explanatory diagram showing timings for opening and closing the intake valve 132 and the exhaust valve in synchronization with the movement of the piston 144 in the second two-cycle self-ignition mode.
FIG. 18 is an explanatory view (longitudinal sectional view) showing a structure of a top portion of a cylinder head 130b and a piston 144b and a state of fuel injection according to a second embodiment.
FIG. 19 is a plan view showing a structure of a top portion of a piston 144b and a state of fuel injection in a second embodiment.
FIG. 20 is an explanatory view (longitudinal sectional view) showing a structure of a top portion of a piston 144c and a state of fuel injection in a third embodiment.
FIG. 21 is a plan view showing a structure of a top portion of a cylinder head 130c and a piston 144c and a state of fuel injection according to a third embodiment.
FIG. 22 is an explanatory view (longitudinal sectional view) showing the structure of the tops of a cylinder head 130d and a piston 144d and a state of fuel injection according to a fourth embodiment.
FIG. 23 is a plan view showing the structure of the top of a piston 144d and a state of fuel injection in a fourth embodiment.
FIG. 24 is an explanatory view (longitudinal sectional view) showing the structure of the tops of a cylinder head 130e and a piston 144e and a state of fuel injection according to a fifth embodiment.
FIG. 25 is an explanatory diagram showing a map of a sixth embodiment in which different operation modes are set depending on the operation conditions of the engine.
[Explanation of symbols]
10 ... Engine
12 ... intake passage
13 ... Cylinder head
15, 15c-g: In-cylinder fuel injection unit
15b: intake pipe fuel injection unit
16 Exhaust passage
20 ... Air cleaner
22 ... Throttle valve
23 ... Pressure sensor
24 ... Electric actuator
25: Knock sensor
26 ... catalyst
30 ... Engine control unit (ECU)
32 ... Crank angle sensor
34 Accelerator opening sensor
36 ... Air flow meter
40 ... Electromagnetic drive valve drive circuit
130, 130b-e ... cylinder head
130r ... ceiling
132 ... intake valve
134 ... exhaust valve
136, 136b-e ... spark plug
136s ... electrode
140 ... cylinder block
142 ... cylinder
144, 144c-e ... piston
144h: Top of piston
144p ... recess
144q ... groove
144r, 144u, 144y ... Ignition recess
144s ... recess
144t ... groove
144v, 144w, 144z ... recess
146… Connecting rod
148 ... Crankshaft
150: Combustion chamber
162, 164: Electric actuator
A1, A3 ... ceiling part
A2: Ceiling including the deepest part
A21, A41: arrows indicating the inflow of intake air
A22: Arrow indicating emission of burned gas
Ap: Arrow indicating the reciprocating direction of the piston
BDC… Bottom dead center
E21, E22: Fuel injection
E41, E42: Fuel injection
EV: Section where the exhaust valve is open
F42, F44, F46, F48 ... arrows indicating the flow of fuel
F52, F54: Arrow
F66, F68 ... Arrow
G21: A relatively thin mixture
G22: A relatively rich mixture
G41: A relatively thin mixture
G42, G43: A relatively rich mixture
I: Area where 4-cycle spark ignition mode is performed
II: Area where the first two-cycle auto-ignition mode is performed
III: Area in which the second two-cycle self-ignition mode is performed
IV: Area where the first 4-cycle auto-ignition mode is performed
L: Required load
L1 ... Dimension of ceiling part A1
Lm: straight line perpendicular to the reference plane
Ne: engine rotation speed (rotation speed)
O ... Center axis
PR1: Reference plane
Pd1, Pd2: planes parallel to the reference plane PR1
Pe: ceiling part forming the outer periphery of the exhaust port
Pi: ceiling part forming the outer periphery of the intake port
Pm: Ceiling part sandwiched between ceiling parts Pi and Pe (zenith part)
TDC: Top dead center
V: Area in which the second 4-cycle auto-ignition mode is performed
VI: Area where the 4-cycle spark ignition mode is performed
θac: accelerator opening

Claims

An engine including a cylinder, a piston, and a first fuel injection unit that can inject fuel into a combustion chamber formed by the cylinder and the piston,
The piston is
A plurality of recesses provided at the top of the piston,
At the top of the piston, connected to at least a part of the recess, and projected from the at least part of the recess toward the position of the first fuel injection unit when projected on a plane perpendicular to the reciprocating direction of the piston. And a groove provided,
The engine, wherein the first fuel injection unit injects at least a part of fuel burned in one cycle toward the recess or the groove.

The engine according to claim 1, wherein
At least a part of the plurality of recesses has a concave curved surface on at least a part of a surface constituting the recess,
The engine, wherein the first fuel injection unit injects fuel toward the concave curved surface.

The engine according to claim 1, wherein
An engine wherein the deepest portion of the recess measured in the reciprocating direction of the piston is deeper than the deepest portion of the groove connected to the recess measured in the reciprocating direction of the piston.

The engine according to claim 1, wherein
The engine, wherein the piston has a plurality of the recesses arranged at substantially equal angles about a central axis of the cylinder.

The engine according to claim 1, wherein
One plane including the center axis of the cylinder, and a plane that maximizes the cross-sectional area of the combustion chamber is defined as a reference plane,
The top of the piston,
A straight line which is three regions divided by two planes parallel to the reference plane, and which passes through the central axis of the cylinder and is perpendicular to the reference plane when projected on a plane perpendicular to the reciprocating direction of the piston. Divided into first, second and third top regions with dimensions 1: 1: 1 along
When a top region including the central axis of the cylinder among the three top regions is a second top region,
The piston is
Substantially having the plurality of recesses in the second top region;
An engine, wherein the engine is substantially free of the recess in the first and third top regions.

The engine according to claim 1, wherein
An engine wherein at least a part of the plurality of recesses also serves as a valve recess.

The engine according to claim 1, wherein
The cylinder forms a part of an inner wall of the combustion chamber, and has a ceiling facing the piston on an extension of a reciprocating direction of the piston,
The engine, wherein the first fuel injection unit is provided so as to be able to inject fuel from near the intersection of the ceiling with the central axis of the cylinder.

The engine according to claim 1, further comprising:
An intake pipe for introducing the oxygen-containing gas into the combustion chamber,
An engine including an intake pipe fuel injection unit provided so as to be able to inject fuel into the intake pipe.

The engine according to claim 1, wherein
The plurality of recesses include two or more recesses having different distances from the first fuel injection unit,
The first fuel injection unit includes:
Injecting the fuel at a relatively small injection angle with respect to a concave portion having a relatively large distance from the first fuel injection unit,
An engine that injects the fuel at a relatively large injection angle into a concave portion having a relatively small distance from the first fuel injection unit.

The engine according to claim 1, wherein
The engine, wherein the first fuel injection unit is configured to be able to inject substantially all fuel injected from the first fuel injection unit into the recess when the piston is lowered most.

The engine according to claim 1, further comprising:
An ignition unit that can ignite fuel in the combustion chamber,
The engine, wherein the ignition unit is provided so as to be able to ignite fuel at a position in the combustion chamber that faces one of the recesses.

The engine according to claim 11, wherein
The engine, wherein the concave portion facing the ignition portion is provided near a central axis of the cylinder.

The engine according to claim 11, further comprising:
A combustion state detection sensor capable of detecting a combustion state in the combustion chamber;
A control unit that controls the first fuel injection unit and the ignition unit;
The control unit includes:
When the combustion state detection sensor detects an abnormality in the combustion state, in the next cycle of the cycle in which the abnormality is detected,
Causing the first fuel injection unit to inject a larger amount of fuel than the amount injected in the middle period of the compression period in the immediately preceding cycle during a predetermined time period in the middle period of the compression period;
An engine that causes the ignition unit to ignite the fuel.

The engine according to claim 1, further comprising:
A control unit for controlling the first fuel injection unit, an intake valve and an exhaust valve,
The control unit includes:
An operation mode in which four-cycle operation is performed,
In the exhaust stroke, after closing the exhaust valve, the intake valve is opened, and fuel is injected into the first fuel injection unit in a predetermined time interval from when the exhaust valve is closed to when the intake valve is opened. An engine having an operation mode.

The engine according to claim 1, further comprising:
A control unit for controlling the first fuel injection unit, an intake valve and an exhaust valve,
The control unit includes:
An operation mode in which two-cycle operation is performed,
An engine having an operation mode in which fuel is injected into the first fuel injection unit in a predetermined time section during a scavenging period from when the intake valve is opened to when the exhaust valve is closed.

The engine according to claim 1, further comprising:
A control unit that controls the first fuel injection unit;
The control unit includes:
When the load is relatively low, the first fuel injection unit terminates the injection of fuel at a relatively early time,
An engine that causes the first fuel injection unit to inject fuel at a relatively late time when the load is relatively high.

The engine according to claim 1, further comprising:
A second fuel injection unit capable of injecting fuel into an intake passage connected to the combustion chamber or into the combustion chamber;
A control unit for controlling the first and second fuel injection units,
The control unit includes:
When the load is relatively low, the fuel is injected into the first fuel injection unit without injecting the fuel into the second fuel injection unit,
When the load is relatively high, first, the fuel is injected into the second fuel injection unit, and then the fuel is injected into the first fuel injection unit.

The engine according to claim 17, wherein
The cylinder forms a part of an inner wall of the combustion chamber, and has a ceiling facing the piston on an extension of a reciprocating direction of the piston,
The first fuel injection unit is provided so as to be able to inject fuel from near the intersection of the ceiling with the central axis of the cylinder,
The engine, wherein the second fuel injection unit is provided so as to be able to inject fuel from near an inner wall of the combustion chamber.

The engine according to claim 1, further comprising:
A control unit for controlling the first fuel injection unit, an intake valve and an exhaust valve,
The control unit includes:
An operation mode in which four-cycle operation is performed,
An operation mode in which the intake valve is opened after the exhaust valve is closed and the exhaust stroke is completed,
In each of a predetermined first time section during a period from closing the exhaust valve to opening the intake valve, and a predetermined second time section in the middle period of the compression period, An engine having an operation mode for injecting fuel.

20. The engine of claim 19,
The control unit includes:
In the first time interval, fuel is injected into the first fuel injection unit at a relatively high pressure,
An engine that injects fuel into the first fuel injector at a relatively low pressure during the second time interval.

The engine according to claim 1, further comprising:
A control unit for controlling the first fuel injection unit, an intake valve and an exhaust valve,
The control unit includes:
An operation mode in which two-cycle operation is performed,
The first fuel injection unit is provided in each of a first predetermined time period during a scavenging period from opening the intake valve to closing the exhaust valve, and a second predetermined time period in the middle period of the compression period. An engine having an operation mode for injecting fuel into the engine.

The engine according to claim 16, wherein
The control unit includes:
In the first time interval, the first fuel injection unit injects fuel with an injection with a relatively small injection amount per unit time,
An engine for injecting fuel into the first fuel injector with an injection having a relatively large injection amount per unit time in the second time interval.