JP2006316777A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】 混合ガスを適切なタイミングにて確実に自着火させて燃焼させることが良好な燃費にて可能な内燃機関を提供すること。
【解決手段】 この内燃機関１０は、ピストン２２が所定位置より上死点位置側にあるとき、燃焼室２５が互いに独立した高部燃焼室２５ａ及び低部燃焼室２５ｂからなる２つの空間に分割されるように構成される。この内燃機関は、突出部材３６を駆動して高部燃焼室２５ａ内の混合ガスを圧縮することにより同混合ガスにピストン２２の圧縮動作によりもたらされる熱エネルギーと異なる二次的な熱エネルギーを付与する。これにより、同混合ガスの温度が急激に上昇し同混合ガスは自着火して燃焼を開始する。この結果、燃焼室が分割されない場合と比較して少ない熱エネルギーを付与するだけで、混合ガスの温度が変動しても混合ガスを適切なタイミングにて確実に自着火させて燃焼させることができる。
【選択図】 図５

Description

本発明は、空気と燃料と燃焼ガスとを含む混合ガスを燃焼室内に形成し、その混合ガスをピストンが圧縮することにより自着火させて燃焼させる予混合圧縮自着火方式による運転を行う内燃機関に関する。

従来から、内燃機関の運転方式として、燃焼室内に形成された混合ガスを圧縮することにより自着火させて極めて短い期間内に燃焼させる予混合圧縮自着火方式が知られている。この予混合圧縮自着火方式により内燃機関の運転を行えば、燃焼室内に形成された混合ガスを火花により点火して燃焼させる火花点火方式により内燃機関の運転を行う場合よりも、ＮＯｘの排出量が低減されるとともに燃費が向上する。

ところで、予混合圧縮自着火方式により運転される内燃機関において混合ガスが自着火するタイミング（自着火タイミング）は、混合ガスの温度と強い相関関係を有する。一方、混合ガスの温度は、運転状態が変化しなくとも外気の温度及び燃焼ガスの温度等の変化に伴って変動しやすい。従って、自着火タイミングは変動しやすい。

そこで、従来の内燃機関は、補助圧縮手段として、燃焼室の上方に同燃焼室と連通した副シリンダと、その副シリンダ内において油圧制御により往復動させられるコントロールピストンと、を備えている。そして、所定のタイミングにてコントロールピストンを駆動することにより混合ガスを副次的に圧縮して同混合ガスに熱エネルギーを付与するようになっている（例えば、特許文献１を参照。）。
特開平１０−１９６４２４号公報

この従来の内燃機関においては、付与された熱エネルギーにより上記所定のタイミングにて混合ガスの温度が同混合ガスを自着火させるために必要な温度まで急激に上昇する。従って、この従来の内燃機関は、自着火タイミングを適切なタイミングに制御することができる。

しかしながら、上記従来の内燃機関において混合ガスの温度を急激に上昇させるためには、燃焼させようとするすべての混合ガスを圧縮する必要があるので、コントロールピストンを駆動するために消費されるエネルギーが大きくなり、燃費が悪化するという問題があった。

本発明は上述した課題に対処するためになされたものであって、その目的の１つは、混合ガスを適切なタイミングにて確実に自着火させて燃焼させることが良好な燃費にて可能な内燃機関を提供することにある。かかる目的を達成するため本発明による内燃機関は、シリンダボアが形成されたシリンダブロックと、前記シリンダブロックの上部に配置されたシリンダヘッドと、前記シリンダボア内において往復動するピストンと、少なくとも前記シリンダボアの壁面と前記シリンダヘッドの下面と前記ピストンの頂面とにより構成される燃焼室内にて空気と燃料とを含む混合ガスを形成し同形成された混合ガスを前記ピストンが圧縮することにより自着火させて燃焼させる予混合圧縮自着火方式による運転を行う自着火運転実行手段と、を備える。

前記燃焼室は、前記ピストンが所定位置より上死点位置側にあるとき互いに独立した第１空間及び第２空間からなる２つの空間に分割されるように構成される。
前記自着火運転実行手段は、前記ピストンが所定位置より上死点位置側にあるときの前記第１空間内の混合ガスに前記ピストンの圧縮動作によりもたらされる熱エネルギーと異なる二次的な熱エネルギーを付与する二次的熱エネルギー付与手段を含む。

これによれば、ピストンが所定位置より上死点位置側にあるとき、燃焼室は互いに独立した第１空間及び第２空間からなる２つの空間に分割される。その後、第１空間内の混合ガスにピストンの圧縮動作によりもたらされる熱エネルギーと異なる二次的な熱エネルギーが付与され、同混合ガスの温度が急激に上昇する。これにより、第１空間内の混合ガスは自着火して燃焼を開始する。この結果、燃焼室が分割されない従来技術の場合と比較して少ない熱エネルギーを付与するだけで、混合ガスの温度が変動しても混合ガスを適切なタイミングにて確実に自着火させて燃焼させることができる。

その後、ピストンの位置が上記所定位置より下死点位置側の位置になると、第１空間と第２空間とが連通し、同第１空間内における燃焼により生成された燃焼ガスが第２空間にて未燃であった混合ガスを圧縮して加熱し、同混合ガスを自着火させて燃焼させる。従って、燃焼室内の混合ガスのうちの一部の混合ガスと、残りの混合ガスと、が互いに異なるタイミングにて自着火されて燃焼される。この結果、燃焼室内のすべての混合ガスが一時に（極めて短い期間内に）燃焼する場合と比較して燃焼に伴って発生する過大な音（騒音）を低減させることもできる。

この場合、前記ピストンは、同ピストンの頂面が同頂面内の中央部にて凸部を有するように形成され、
前記シリンダヘッドは、同シリンダヘッドの下面が同下面内の中央部にて前記ピストンの頂面に形成された凸部が収容される凹部を有するように形成され、
前記燃焼室は、前記ピストンが前記所定位置より上死点位置側にあるとき、前記ピストンの頂面に形成された凸部が前記シリンダヘッドの下面に形成された凹部に収容されることにより、同凸部及び同凹部により前記第１空間を形成するように構成されることが好適である。

これによれば、上記第１空間がピストンの中央部の上方に形成される。従って、第１空間にて混合ガスが燃焼した後ピストンの位置が上記所定位置より下死点位置側の位置になることにより、第１空間と第２空間とが連通すると、同第１空間において高圧となったガス（高圧ガス）が、第２空間にて未燃であった混合ガス(未燃混合ガス)を空間的に一様に圧縮する。更に、同高圧ガスと同未燃混合ガスとが混合する。これにより、未燃混合ガスが加熱されるので、同未燃混合ガスを自着火させることができる。この結果、燃焼室内のすべての混合ガスを自着火させて燃焼させることができる。

この場合、前記二次的熱エネルギー付与手段は、
一端が前記第１空間に臨むように配置された突出部材と、
前記突出部材の一端を前記第１空間内の所定の突出位置まで移動させるように同突出部材を駆動する駆動手段と、
からなることが好適である。

これによれば、上記第１空間の容積は、ピストンの移動に加えて突出部材の移動により変化する。これにより、第１空間内の混合ガスを副次的に圧縮することができるので、ピストンの圧縮動作によりもたらされる熱エネルギーと異なる二次的な熱エネルギーを同混合ガスに付与することができる。

この場合、前記駆動手段は、クランク角がピストン上死点位置近傍の所定のクランク角範囲内にあるとき、前記突出部材の一端を前記所定の突出位置に向けて移動させるとともに、前記突出部材の移動が完了した時点から燃焼により増加した前記燃焼室内のガスの圧力によって前記ピストンが押し下げられている期間が終了する時点までの間、前記突出部材の一端を同所定の突出位置に維持するように構成されていることが好適である。

これによれば、クランク角がピストン上死点位置近傍の所定のクランク角範囲（ピストンの位置が上死点位置の近傍にある期間）内にあるとき、突出部材の移動により上記第１空間内の混合ガスが副次的に圧縮され、同混合ガスに二次的な熱エネルギーが付与される。これにより、ピストンが上死点位置の近傍の位置にあるタイミングにて同混合ガスが自着火されて燃焼が開始する。

そして、燃焼により増加した燃焼室内のガスの圧力によってピストンが押し下げられている期間が終了するまでの間、突出部材の位置が維持される。これにより、突出部材の位置が維持されない場合と比較して、膨張行程における燃焼室内の圧力が高い圧力に維持される。この結果、燃焼室内のガスがピストンに対して行う仕事（内燃機関の出力）を増加させることができ、燃費を良好にすることができる。

また、前記二次的熱エネルギー付与手段は、プラズマ状態にある物質を前記第１空間に供給するプラズマ供給手段であることが好適である。

プラズマ状態にある物質は、高温の電子、イオン及びラジカル等を多く含んでいる。また、プラズマ状態にある物質は、短い期間内に拡散する。従って、上記構成のように、プラズマ供給手段を備えることにより、短い期間内に、且つ、空間的に一様に、上記第１空間内の混合ガスに二次的な熱エネルギーを付与することができる。この結果、混合ガスを適切なタイミングにてより確実に自着火させて燃焼させることができる。加えて、混合ガスにプラズマ状態にある物質を供給して化学的エネルギーにより混合ガスに熱エネルギーを付与する方が、混合ガスを副次的に圧縮して力学的エネルギーにより混合ガスに熱エネルギーを付与する場合よりも、高い熱効率にて混合ガスを加熱することができるので、燃費を良好にすることもできる。

一方、本発明による内燃機関は、シリンダボアが形成されたシリンダブロックと、前記シリンダブロックの上部に配置されたシリンダヘッドと、前記シリンダボア内において往復動するピストンと、少なくとも前記シリンダボアの壁面と前記シリンダヘッドの下面と前記ピストンの頂面とにより構成される燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射手段と、前記燃焼室内に空気を導入し同導入された空気と前記燃料噴射手段により噴射された燃料とを含む混合ガスを同燃焼室にて形成し同形成された混合ガスを前記ピストンが圧縮することにより自着火させて燃焼させる予混合圧縮自着火方式による運転を行う自着火運転実行手段と、を備える。

前記燃焼室は、前記ピストンが所定位置より上死点位置側にあるとき互いに独立した第１空間及び第２空間からなる２つの空間に分割されるように構成される。
前記燃料噴射手段は、前記第１空間に臨むように配置される。
前記自着火運転実行手段は、前記ピストンの位置が前記所定位置となるタイミングより進角側の第１のタイミングにて第１の量の燃料を前記燃料噴射手段により噴射させるとともに、前記第１空間における前記混合ガスに含まれる燃料の空間的分布密度である燃料密度が前記第２空間における燃料密度より高くなるように同第１のタイミングより遅角側の第２のタイミングにて同第１の量より少ない第２の量の燃料を同燃料噴射手段により噴射させる。

これによれば、ピストンが所定位置より上死点位置側にあるとき、燃焼室は互いに独立した第１空間及び第２空間からなる２つの空間に分割される。また、ピストンの位置が上記所定位置となるタイミングより進角側（前）の第１のタイミングにて第１の量の燃料が噴射された後、第１空間における混合ガスに含まれる燃料の空間的分布密度である燃料密度が第２空間における燃料密度より高くなるように、第２のタイミングにて第１の量より少ない第２の量の燃料が噴射される。

これにより、副次的に燃料が噴射される第２のタイミングより遅角側（後）の時点においては、第１空間内の混合ガスが第２空間内の混合ガスに比べて自着火され易くなる（混合ガスの着火性が良好になる）。この結果、燃焼室が分割されない場合と比較して少ない量の燃料を二次的に噴射するだけで、混合ガスの温度が変動しても混合ガスを適切なタイミングにて自着火させて燃焼させることができる。

そして、ピストンが上死点位置に近づくと、第１空間内の混合ガスは自着火されて燃焼する。その後、ピストンの位置が上記所定位置より下死点位置側の位置になると、第１空間と第２空間とが連通し、同第１空間内における燃焼により生成された燃焼ガスが第２空間にて未燃であった混合ガスを圧縮して加熱し、同混合ガスを自着火させて燃焼させる。これにより、燃焼室内の混合ガスのすべてが燃焼するまでに要する期間（燃焼期間）が長くなる。この結果、燃焼室内の混合ガスが一時に（極めて短い期間内に）燃焼する場合と比較して燃焼に伴って発生する過大な音（騒音）を低減させることもできる。

この場合、前記自着火運転実行手段における第２のタイミングは、前記ピストンの位置が前記所定位置となる直前のタイミングであることが好適である。

これによれば、第２のタイミングにて噴射された燃料の大部分を第１空間に確実に滞留させることができるとともに、その燃料が予反応する（燃料分子の分解等の予備的な反応を行う）ために必要な時間を確保することができるので、第１空間内の混合ガスの着火性を確実に良好にすることができる。

（第１実施形態）
以下、本発明による内燃機関の各実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、第１実施形態に係る内燃機関１０の概略構成を示している。この内燃機関１０は、４サイクル予混合圧縮自着火方式により運転することが可能な多気筒（４気筒）内燃機関である。なお、図１は、特定気筒の断面のみを示しているが、他の気筒も同様な構成を備えている。

内燃機関１０は、シリンダブロック、シリンダブロックロワーケース及びオイルパン等を含むシリンダブロック部２０と、シリンダブロック部２０の上に固定されるシリンダヘッド部３０と、シリンダブロック部２０に空気を供給するための吸気系統４０と、シリンダブロック部２０からの排ガスを外部に放出するための排気系統５０とを含んでいる。

シリンダブロック部２０は、中心軸を有する中空円筒状のシリンダ（シリンダボア）２１、略円柱状のピストン２２、コンロッド２３及びクランク軸２４を含んでいる。ピストン２２はシリンダ２１内を往復動し、ピストン２２の往復動がコンロッド２３を介してクランク軸２４に伝達され、これにより同クランク軸２４が回転するようになっている。シリンダ２１のボア壁面（シリンダボアの壁面）とピストン２２の頂面（ピストンヘッド）及びシリンダヘッド部３０の下面は、燃焼室２５を形成している。以下、本明細書においては、シリンダ２１の中心軸に沿った方向であって、ピストン２２からシリンダヘッド部３０に向かう方向を上方向と称呼し、その逆の方向を下方向と称呼する。

ピストン２２の頂面は、図２に示したように、ピストン２２の基準位置（例えば、クランクピン位置又は下端部）から同ピストン２２の頂面までのシリンダ２１の中心軸方向の距離が長いピストン高部上面２２ａと、同距離が短いピストン低部上面２２ｂと、からなっている。

ピストン高部上面２２ａは、正面視において、ピストン２２と同心でありピストン２２の径より小さいピストン凸部径を有する円形状である。ピストン低部上面２２ｂは、正面視において、ピストン２２と同心でありピストン高部上面２２ａが構成する円形状の径を内径とし、ピストン２２の径を外径とする円環形状である。ピストン高部上面２２ａと、ピストン低部上面２２ｂと、の間には、ピストン２２と同軸であってピストン凸部径を有する円柱の側面を構成するピストン頂部縦壁面２２ｃが形成されている。
このように、ピストン高部上面２２ａ、ピストン低部上面２２ｂ及びピストン頂部縦壁面２２ｃにより、中央部にて円筒状の凸部を有するピストン２２の頂面が構成されている。

ピストン２２の側面には、ピストン低部上面２２ｂと、ピストン２２の下端部と、の間のピストン低部上面２２ｂ近傍の位置にて３つのリング溝が形成されている。これらのリング溝には、それぞれピストンリング２２ｄが装着されている。

ピストンリング２２ｄは、鋼又は鋳鉄からなっている。ピストンリング２２ｄは、燃焼室２５の気密性を高めるとともに、シリンダ２１のボア壁面に形成された余分な油膜を下方へかき落とすようになっている。

再び図１を参照しながら説明を続けると、シリンダヘッド部３０は、燃焼室２５に連通した吸気ポート３１、吸気ポート３１を開閉する吸気弁３２、吸気弁３２を駆動する吸気弁駆動手段としての吸気弁駆動機構３２ａ、燃焼室２５に連通した排気ポート３３、排気ポート３３を開閉する排気弁３４、排気弁３４を駆動する排気弁駆動手段としての排気弁駆動機構３４ａ、燃料を燃焼室２５内に直接噴射する燃料噴射弁（燃料噴射手段）３５、突出部材３６及び同突出部材３６を駆動する駆動手段としての突出部材用カム機構３７を備えている。吸気弁駆動機構３２ａ及び排気弁駆動機構３４ａは、駆動回路３８に接続されている。

シリンダヘッド部３０の下面は、図２に示したように、ピストン２２の基準位置から同シリンダヘッド部３０の下面までのシリンダ２１の中心軸方向の距離が長いシリンダヘッド高部下面３０ａと、同距離が短いシリンダヘッド低部下面３０ｂと、からなっている。

シリンダヘッド高部下面３０ａは、正面視において、シリンダ２１と同心であり上記ピストン凸部径と略等しいシリンダヘッド凹部径を有する円形状である。シリンダヘッド低部下面３０ｂは、正面視において、シリンダ２１と同心でありシリンダヘッド高部下面３０ａが構成する円形状の径を内径とし、シリンダ２１の径を外径とする円環形状である。

シリンダヘッド低部下面３０ｂは、クランク軸２４の回転角度（クランク角）がＢＴＤＣ２０°であるときにピストン高部上面２２ａが構成する平面内に存在する平面を構成するように形成されている。ＢＴＤＣは、圧縮上死点（ＴＤＣ）を原点としクランク軸２４の回転方向と逆方向を正の値とするクランク角である。なお、本明細書においては、クランク角がＢＴＤＣ２０°であるときのピストン２２の位置を、燃焼室分割ピストン位置と称呼する。

シリンダヘッド高部下面３０ａと、シリンダヘッド低部下面３０ｂと、の間には、ピストン頂部縦壁面２２ｃと同軸且つ略同径の円柱の側面を構成するシリンダヘッド縦壁面３０ｃが形成されている。
このように、シリンダヘッド高部下面３０ａ、シリンダヘッド低部下面３０ｂ及びシリンダヘッド縦壁面３０ｃにより、中央部にて円筒状の凹部を有するシリンダヘッドの下面が構成されている。

ここで、クランク角の変化（ピストン２２の移動）に対する燃焼室２５（シリンダ２１のボア壁面とピストン２２の頂面とシリンダヘッド部３０の下面とにより構成される空間）の変化について図３を参照しながら説明を加える。

クランク角がＢＴＤＣ１８０°であるとき（ピストン２２が下死点位置ＢＤＣにあるとき）、図３の（Ａ）に示したように、シリンダ２１のボア壁面、ピストン高部上面２２ａ、ピストン低部上面２２ｂ、ピストン頂部縦壁面２２ｃ、シリンダヘッド高部下面３０ａ、シリンダヘッド低部下面３０ｂ及びシリンダヘッド縦壁面３０ｃ、により、１つの独立した空間としての燃焼室２５が構成される。

一方、クランク角がＢＴＤＣ２０°であるとき（ピストン２２が上記燃焼室分割ピストン位置にあるとき）、図３の（Ｂ）に示したように、ピストン高部上面２２ａと、シリンダヘッド高部下面３０ａと、シリンダヘッド縦壁面３０ｃと、により、１つの独立した空間としての高部燃焼室２５ａ（第１空間）が構成される。更に、シリンダ２１のボア壁面と、ピストン低部上面２２ｂと、シリンダヘッド低部下面３０ｂと、ピストン頂部縦壁面２２ｃと、により、１つの独立した空間としての低部燃焼室２５ｂ（第２空間）が構成される。

このように、ピストン２２が、所定位置である燃焼室分割ピストン位置より上死点位置側（シリンダヘッド部３０側）にあるとき、ピストン２２の頂面に形成された凸部がシリンダヘッド部３０の下面に形成された凹部に収容されることにより、互いに独立した２つの空間としての高部燃焼室２５ａ（第１空間）及び低部燃焼室２５ｂ（第２空間）が構成される。即ち、高部燃焼室２５ａは、同凸部及び同凹部により形成される。

図１に示した吸気ポート３１は、シリンダヘッド低部下面３０ｂ内の２箇所に開口するように形成されている。従って、シリンダヘッド部３０の下面を燃焼室２５側から見た図４に示したように、シリンダヘッド部３０には２個の吸気弁３２が備えられている。各吸気弁３２は、各吸気ポート３１の開口を開閉するようになっている。吸気ポート３１は、その開口が吸気弁３２により開かれたとき燃焼室２５（燃焼室２５が２つの空間に分割されている期間においては、低部燃焼室２５ｂ）と連通し、その開口が吸気弁３２により閉じられたとき燃焼室２５と遮断せしめられるようになっている。

図１に示した排気ポート３３は、シリンダヘッド低部下面３０ｂ内の２箇所に開口するように形成されている。従って、図４に示したように、シリンダヘッド部３０には２個の排気弁３４が備えられている。各排気弁３４は、各排気ポート３３の開口を開閉するようになっている。排気ポート３３は、その開口が排気弁３４により開かれたとき燃焼室２５（燃焼室２５が２つの空間に分割されている期間においては、低部燃焼室２５ｂ）と連通し、その開口が排気弁３４により閉じられたとき燃焼室２５と遮断せしめられるようになっている。

燃料噴射弁３５は、図１及び図４に示したように、燃焼室２５の吸気弁３２側の側壁面に配設されている。燃料噴射弁３５は、燃焼室２５の略中央に向けて燃料を噴射する先端部を備え、同先端部が燃焼室２５（燃焼室２５が２つの空間に分割されている期間においては、低部燃焼室２５ｂ）に露呈するようになっている。燃料噴射弁３５には、図示しない燃料圧力調整手段及び燃料ポンプにより図示しない燃料タンク内の燃料が供給されるようになっている。

図１に示した吸気系統４０は、吸気ポート３１に連通したインテークマニホールド４１、インテークマニホールド４１に連通したサージタンク４２、サージタンク４２に一端が接続されインテークマニホールド４１及びサージタンク４２とともに吸気通路を形成する吸気ダクト４３、吸気ダクト４３の他端部から下流（サージタンク４２）に向けて順に吸気ダクト４３に配設されたエアフィルタ４４、過給機９１のコンプレッサ９１ａ、インタークーラ４５及びスロットル弁４６を備えている。

インタークーラ４５は水冷式であって、吸気ダクト４３を通過する空気を冷却するようになっている。インタークーラ４５は、図示しないラジエタ及び循環ポンプによりインタークーラ４５内の冷却水の熱を大気中に放出するようになっている。

スロットル弁４６は吸気ダクト４３に回転可能に支持され、スロットル弁アクチュエータ４６ａにより駆動されることにより吸気通路の開口断面積を可変とするようになっている。

排気系統５０は、排気ポート３３に連通し同排気ポート３３とともに排気通路を形成するエキゾーストマニホールドを含む排気管５１、排気管５１内に配設された過給機９１のタービン９１ｂ及びタービン９１ｂの下流の排気管５１に配設された触媒装置５２を備えている。

このような配置により、過給機９１のタービン９１ｂは排ガスのエネルギーにより回転する。更に、タービン９１ｂは、シャフトを介して吸気系統４０のコンプレッサ９１ａと連結されている。これにより、吸気系統４０のコンプレッサ９１ａがタービン９１ｂと一体となって回転して吸気通路内の空気を圧縮する。即ち、過給機９１は、排ガスのエネルギーを利用して内燃機関１０に空気を過給するようになっている。

一方、このシステムは、電気制御装置７０を備えている。電気制御装置７０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及びインターフェース等（いずれも図示省略）を含むマイクロコンピュータである。電気制御装置７０には、クランク軸２４の回転速度からエンジン回転速度ＮＥを検出するクランクポジションセンサ６１と、図示しないアクセルペダルの操作量Accpを検出するアクセル開度センサ６２と、が接続されている。電気制御装置７０は、これらのセンサから各検出信号を入力するようになっている。更に、電気制御装置７０は、各気筒の燃料噴射弁３５、駆動回路３８及びスロットル弁アクチュエータ４６ａと接続されている。電気制御装置７０は、これらに駆動信号を送出するようになっている。

ここで、突出部材３６及び突出部材用カム機構３７について詳述する。突出部材３６は、剛体である。突出部材３６は、図２に示したように、略円柱状の本体部３６ａと、つば部３６ｂと、からなる。突出部材３６の本体部３６ａの径はシリンダヘッド凹部径より小さい。突出部材３６のつば部３６ｂは、突出部材３６の本体部３６ａの上部にて円環状に形成された凸部である。

一方、シリンダヘッド部３０には、シリンダ２１の中心軸と同軸の突出部材収容空間ＳＰが形成されている。その突出部材収容空間ＳＰは、突出部材３６の本体部３６ａの径と略同径の小径円筒状空間と、突出部材３６のつば部３６ｂの径と略同径の大径円筒状空間と、からなる。小径円筒状空間を形成する側壁面の下端部は、シリンダヘッド高部下面３０ａに開口している。小径円筒状空間の上部は、大径円筒状空間と連接している。

突出部材３６は、本体部３６ａの外周面が小径円筒状空間を形成する側壁面に当接するとともに、つば部３６ｂの外周面が大径円筒状空間を形成する側壁面に当接するように、突出部材収容空間ＳＰに摺動可能に収容されている。

突出部材３６の外周であって、大径円筒状空間の底面を構成する壁面と、つば部３６ｂの下面と、の間には、コイル状のスプリングＳＧが介装されている。これにより、スプリングＳＧは、突出部材３６を上方に付勢している。

突出部材用カム機構３７は、カムシャフト３７ａ及びカム３７ｂを備えている。カムシャフト３７ａは図示しないチェーン及びプーリーを介してクランク軸２４が７２０°回転することにより３６０°回転するようになっている。カムシャフト３７ａはカムシャフト３７ａの回転軸が突出部材３６の中心軸上に位置するように配置されている。

カム３７ｂは、カムシャフト３７ａと連結されていて、カムシャフト３７ａと一体となって回転するようになっている。カム３７ｂのプロファイル（カム３７ｂの回転軸に直交する平面によるカム３７ｂの断面の形状）は、円形のベースサークル部と、カム山部と、からなる形状である。

カム３７ｂのカム山部は、ベースサークル部の外縁部のうちの所定の位置（本例では、約２０°の中心角を有する円弧部）にて、カム３７ｂの回転軸に対して径方向に突出している。カム３７ｂの回転軸は、ベースサークル部の中心を通るように配置されている。このような構成により、カム３７ｂは突出部材３６の他端部（上面）と当接していて、突出部材３６をスプリングＳＧが付勢する力に抗しながら押動するようになっている。

ここで、クランク角の変化（ピストン２２の移動）に対する突出部材３６の位置の変化について図５を参照しながら説明を加える。

先ず、クランク角がＢＴＤＣ１００°であるとき、図５の（Ａ）に示したように、カム３７ｂのベースサークル部が突出部材３６の他端部（上面）と当接している。このとき、突出部材３６の燃焼室２５側の一端は、シリンダヘッド高部下面３０ａが構成する平面と略同一の平面内に位置する。

次に、クランク軸２４が９０°回転して（カム３７ｂが４５°回転して）クランク角がＢＴＤＣ１０°となるまでの期間（ＢＴＤＣ１００°〜１０°）においては、カム３７ｂのカム山部の径方向に延びるカム面が突出部材３６の他端部（上面）と当接し続ける。従って、カム３７ｂの回転軸と突出部材３６の他端部との距離は急激に大きくなる。即ち、突出部材３６はカム３７ｂにより急激に下方に押出される。

そして、クランク角がＢＴＤＣ１０°となると、図５の（Ｂ）に示したように、カム３７ｂのカム山部の先端部が突出部材３６の他端部（上面）と当接する。このとき、突出部材３６の燃焼室２５側の一端は、最も下方（ピストン２２の頂面側）の上記突出位置に位置する。このように、クランク角がＢＴＤＣ１００°からＢＴＤＣ１０°まで回転する期間においては、カム３７ｂのカム山部が突出部材３６の他端部（上面）と当接し、カム３７ｂは突出部材３６を、同突出部材３６の下端が上記突出位置となるまで急激に下方に押し出す。

次に、クランク軸２４が９０°回転して（カム３７ｂが４５°回転して）クランク角がＡＴＤＣ８０°となるまでの期間（ＢＴＤＣ１０°〜ＡＴＤＣ８０°）においては、カム３７ｂのカム山部の径方向に延びるカム面が突出部材３６の他端部（上面）と当接し続ける。従って、カム３７ｂの回転軸と突出部材３６の他端部との距離は急激に小さくなる。即ち、突出部材３６はスプリングＳＧにより急激に上方に引き戻される。なお、ＡＴＤＣは、圧縮上死点（ＴＤＣ）を原点としクランク軸２４の回転方向を正の値とするクランク角である。

そして、クランク角がＡＴＤＣ８０°となると、図５の（Ｃ）に示したように、カム３７ｂのベースサークル部が突出部材３６の他端部（上面）と当接する。このとき、突出部材３６の燃焼室２５側の一端は、再びシリンダヘッド高部下面３０ａが構成する平面と略同一の平面内に位置する。

その後、クランク軸２４が５４０°回転してクランク角がＢＴＤＣ１００°になるまでの期間（カム３７ｂが更に２７０°回転する期間）においては、カム３７ｂのベースサークル部が突出部材３６の他端部（上面）と当接し続ける。従って、カム３７ｂの回転軸と突出部材３６の他端部との距離は一定に維持される。この結果、突出部材３６の燃焼室２５側の一端は、シリンダヘッド高部下面３０ａが構成する平面と略同一の平面内に位置し続ける（ＡＴＤＣ１７０°の時点を示した図５の（Ｄ）を参照。）

このように、クランク角がピストン上死点位置近傍の所定のクランク角範囲内にあるとき、突出部材３６の燃焼室２５側の一端が高部燃焼室２５ａ内の所定の突出位置に向けて移動させられる。

図６の実線により示した曲線Ｃ１は、このような内燃機関１０の燃焼室２５に空気のみを導入した場合におけるクランク角に対する燃焼室２５内の空気の圧力の変化を示している。曲線Ｃ１ａは、高部燃焼室２５ａ内の空気の圧力の変化を示しており、曲線Ｃ１ｂは、低部燃焼室２５ｂ内の空気の圧力の変化を示している。点線により示した曲線Ｃ２は、燃焼室を分割せず、且つ、副次的な圧縮を行わない従来技術の場合の燃焼室内の空気の圧力の変化を示している。

この曲線Ｃ１ａにより示されるように、高部燃焼室２５ａ内の空気の圧力は、突出部材３６の移動によりピストン２２の位置が上死点位置となる直前のタイミングにて急激に増大する。これにより、高部燃焼室２５ａ内の空気の温度が急激に上昇する。即ち、突出部材３６及び突出部材用カム機構３７は、ピストン２２の圧縮動作によりもたらされる熱エネルギーと異なる二次的な熱エネルギーを高部燃焼室２５ａ内のガスに付与する二次的熱エネルギー付与手段を構成している。

次に、上記のように構成された内燃機関１０の作動について説明する。この内燃機関１０は、上述した構成によりピストン２２が上記燃焼室分割ピストン位置より上死点位置側にあるとき、燃焼室２５を互いに独立した高部燃焼室２５ａ及び低部燃焼室２５ｂからなる２つの空間に分割する。更に、内燃機関１０は、燃焼室２５が分割されている期間内の所定のタイミングにて突出部材３６により高部燃焼室２５ａ内の混合ガスを副次的に圧縮する。

これにより、高部燃焼室２５ａ内の混合ガスにピストン２２の圧縮動作によりもたらされる熱エネルギーと異なる二次的な熱エネルギーが付与され、同混合ガスの温度が急激に上昇する。この結果、燃焼室が分割されない場合と比較して少ない熱エネルギーを付与するだけで、混合ガスの温度が変動しても混合ガスを適切なタイミングにて確実に自着火させて燃焼させることができる。

より具体的に述べると、この内燃機関１０の電気制御装置７０は、図７に示したように、所定のタイミングにて、吸気弁駆動機構３２ａ、排気弁駆動機構３４ａ及び燃料噴射弁３５をそれぞれ作動させて内燃機関１０の運転を行う。即ち、電気制御装置７０は、自着火運転実行手段を構成している。

先ず、電気制御装置７０は、排気弁駆動機構３４ａを駆動させることにより、内燃機関１０の負荷に応じた排気弁開弁タイミングＥＯにて排気弁３４を開弁させる（（１）を参照。）。これにより、前回の燃焼サイクルにおける燃焼により生成された燃焼ガスの排気が開始する。次いで、電気制御装置７０は、排気弁駆動機構３４ａを駆動させることにより、内燃機関１０の負荷に応じた排気弁閉弁タイミングＥＣにて排気弁３４を閉弁させる（（２）を参照。）。これにより、排気が終了する。

その後、電気制御装置７０は、吸気弁駆動機構３２ａを駆動させることにより、内燃機関１０の負荷に応じた吸気弁開弁タイミングＩＯにて吸気弁３２を開弁させる（（３）を参照。）。これにより、吸気が開始する。このように、排気が終了した時点から吸気が開始する時点までの期間である負のオーバーラップ期間が設けられている。この結果、燃焼室２５内に燃焼ガスが残留する。

そして、電気制御装置７０は、燃料噴射弁３５を開弁させることにより、吸気弁開弁タイミングＩＯから後述する吸気弁閉弁タイミングＩＣまでの吸気行程の初期及び／又は中期のタイミングθinjにて燃料を噴射させる（（４）を参照。）。このとき噴射される燃料の量は、燃焼室２５内の混合ガスの空燃比を極めてリーンな空燃比（超希薄空燃比）とするように、内燃機関１０の負荷とエンジン回転速度ＮＥとに基づいて定まる量である。噴射された燃料は、燃焼室２５内に続いて吸入される空気の流れにより同燃焼室２５にて拡散する。

次に、電気制御装置７０は、吸気弁駆動機構３２ａを駆動させることにより、内燃機関１０の負荷に応じた吸気弁閉弁タイミングＩＣにて吸気弁３２を閉弁させる（（５）を参照。）。これにより、吸気が終了するとともに空気と燃料と燃焼ガスとからなる混合ガスの圧縮が開始する。

その後、クランク角がＢＴＤＣ２０°となる（ピストン２２の位置が燃焼室分割ピストン位置となる）タイミングにて、燃焼室２５は高部燃焼室２５ａ及び低部燃焼室２５ｂからなる２つの空間に分割される。このとき、高部燃焼室２５ａ及び低部燃焼室２５ｂにおいて、空間的に一様な燃料密度（燃料の空間的分布密度）であって略同一の燃料密度を有する混合ガス（空燃比が超希薄空燃比である混合ガス）がそれぞれ形成されている。

そして、ピストン２２が上死点位置に近づくと、突出部材３６が突出部材用カム機構３７により駆動されて高部燃焼室２５ａに突出する。これにより、高部燃焼室２５ａ内の混合ガスが副次的に圧縮されるので、同混合ガスの温度が急激に上昇する。その結果、高部燃焼室２５ａにおける混合ガスは自着火されて燃焼される。

従って、混合ガスが自着火されるタイミングの範囲は、燃焼室２５を分割せず、且つ、副次的な圧縮を行わない従来技術の場合と比較して、狭くなる（図６を参照。）。このように、本内燃機関１０によれば、燃焼室が分割されない場合と比較して少ない熱エネルギーを付与するだけで、混合ガスの温度が変動しても混合ガスを適切なタイミングにて確実に自着火させて燃焼させることができる。

次に、ピストン２２が燃焼室分割ピストン位置より下死点位置側に移動すると、高部燃焼室２５ａと低部燃焼室２５ｂとが連通する。このとき、高部燃焼室２５ａにて生成された高圧の燃焼ガスが膨張することにより、低部燃焼室２５ｂにて未燃であった混合ガスが圧縮されるとともに加熱される。これにより、同混合ガスは自着火されて燃焼する。

このように、高部燃焼室２５ａにて混合ガスが自着火されてから、低部燃焼室２５ｂ内に形成された混合ガスが自着火されるまでには、所定の時間が経過する必要がある。即ち、燃焼室２５内の混合ガスのうちの一部の混合ガスと、残りの混合ガスと、が互いに異なるタイミングにて自着火される。この結果、燃焼室２５内のすべての混合ガスが一時に（極めて短い期間内に）自着火されて燃焼される場合と比較して燃焼に伴って発生する過大な音（騒音）を低減させることができる。

更に、高部燃焼室２５ａがピストン２２の中央部の上方に形成されているので、高部燃焼室２５ａと低部燃焼室２５ｂとが連通したとき、同高部燃焼室２５ａにおいて高圧となったガス（高圧ガス）は、低部燃焼室２５ｂにて未燃であった混合ガス(未燃混合ガス)を空間的に一様に圧縮する。更に、同高圧ガスと同未燃混合ガスとが混合する。この結果、未燃混合ガスが加熱されるので、同未燃混合ガスを自着火させることができる。即ち、燃焼室２５内のすべての混合ガスを自着火させて燃焼させることができる。

このようにして、内燃機関１０は予混合圧縮自着火方式により運転される。

図８の三角のプロットは、上記内燃機関１０の基本圧縮比が１２となるように構成されるとともに、実圧縮比が１６となるように構成された場合であって、上述したような運転がなされる場合における圧縮初期温度に対する自着火タイミングの変化を示している。

基本圧縮比は、突出部材３６の燃焼室２５側の一端が、シリンダヘッド高部下面３０ａが構成する平面と略同一の平面内に位置したまま移動しないと仮定した場合における燃焼室２５の容積の最小値に対する最大値の比である。実圧縮比は、突出部材３６の移動を考慮に入れた燃焼室２５の容積（燃焼室２５が分割されているときは高部燃焼室２５ａ及び低部燃焼室２５ｂの容積の和）の最小値に対する最大値の比である。

圧縮初期温度は、吸気弁３２及び排気弁３４が閉弁して燃焼室２５内の混合ガスをピストン２２により圧縮する圧縮行程が開始する時点における同混合ガスの温度である。自着火タイミングは、高部燃焼室２５ａ（燃焼室が分割されない場合には燃焼室）にて混合ガスが自着火されるタイミングである。

ひし形のプロットは、圧縮比（燃焼室の容積の最小値に対する最大値の比）が１２となるように構成された内燃機関であって、燃焼室が分割されず、且つ、二次的な熱エネルギーが付与されない内燃機関が予混合圧縮自着火方式により運転される場合の上記変化を示している。正方形のプロットは、圧縮比が１６となるように構成された内燃機関であって、燃焼室が分割されず、且つ、二次的な熱エネルギーが付与されない内燃機関が予混合圧縮自着火方式により運転される場合の上記変化を示している。

図８から、本実施形態に係る内燃機関１０によれば、混合ガスの温度が変動しても、燃焼室が分割されず、且つ、二次的な熱エネルギーが付与されない場合と比較して、適切なタイミングにて混合ガスを確実に自着火させて燃焼させることができることが理解される。

以上、説明したように、本発明による内燃機関の第１実施形態は、ピストン２２が燃焼室分割ピストン位置より上死点位置側にあるとき、燃焼室２５が互いに独立した高部燃焼室２５ａ及び低部燃焼室２５ｂからなる２つの空間に分割されるように構成される。更に、上記第１実施形態は、突出部材３６を駆動することにより、高部燃焼室２５ａ内の混合ガスにピストン２２の圧縮動作によりもたらされる熱エネルギーと異なる二次的な熱エネルギーを付与する。これにより、同混合ガスの温度が急激に上昇し、同混合ガスは自着火して燃焼を開始する。この結果、燃焼室が分割されない場合と比較して少ない熱エネルギーを付与するだけで、混合ガスの温度が変動しても混合ガスを適切なタイミングにて確実に自着火させて燃焼させることができる。

その後、ピストン２２の位置が燃焼室分割ピストン位置より下死点位置側の位置になると、高部燃焼室２５ａと低部燃焼室２５ｂとが連通し、同高部燃焼室２５ａ内における燃焼により生成された燃焼ガスが低部燃焼室２５ｂにて未燃であった混合ガスを圧縮及び混合により加熱し、同混合ガスを自着火させて燃焼させる。従って、上記第１実施形態においては、燃焼室２５内の混合ガスのうちの一部の混合ガスと、残りの混合ガスと、が互いに異なるタイミングにて自着火されて燃焼される。この結果、燃焼室内のすべての混合ガスが一時に（極めて短い期間内に）自着火されて燃焼される場合と比較して燃焼に伴って発生する過大な音（騒音）を低減させることができる。

なお、上記第１実施形態は、突出部材用カム機構３７により突出部材３６を駆動していたが、電磁式機構又は油圧式機構を備え同機構により突出部材３６を駆動してもよい。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る内燃機関について説明する。第２実施形態に係る内燃機関は、突出部材３６の移動が完了した時点から混合ガスの燃焼により増加した燃焼室２５内のガスの圧力によってピストン２２が押し下げられている期間が終了する時点までの間、突出部材３６の位置が維持されるように構成されている点において第１実施形態に係る内燃機関と相違している。以下、かかる相違点を中心として説明する。

この内燃機関１０は、図９に示したように、第１実施形態の突出部材用カム機構３７のカム３７ｂに代わるカム８１を備えている。

カム８１のプロファイル（カム８１の回転軸に直交する平面によるカム８１の断面の形状）は、円形のベースサークル部と、カム山部と、からなる。カム８１のカム山部は、ベースサークル部と同心であって、ベースサークル部の外縁部のうちの所定の位置（本例では、約９０°の中心角を有する円弧部）にてベースサークル部の径より大径且つ約９０°の中心角を有する円弧部を備えている。カム８１の回転軸は、ベースサークル部及びカム山部の中心を通るように配置されている。

ここで、クランク角の変化（ピストン２２の移動）に対する突出部材３６の位置の変化について説明を加える。

先ず、クランク角がＢＴＤＣ１００°であるとき、図９の（Ａ）に示したように、カム８１のベースサークル部が突出部材３６の他端部（上面）と当接している。このとき、突出部材３６の燃焼室２５側の一端は、シリンダヘッド高部下面３０ａが構成する平面と略同一の平面内に位置する。

次に、クランク軸２４が９０°回転して（カム８１が４５°回転して）クランク角がＢＴＤＣ１０°となるまでの期間（ＢＴＤＣ１００°〜１０°）においては、カム８１のカム山部の径方向に延びるカム面が突出部材３６の他端部（上面）と当接し続ける。従って、カム８１の回転軸と突出部材３６の他端部との距離は急激に大きくなる。即ち、突出部材３６は急激に下方に押出される。

そして、クランク角がＢＴＤＣ１０°となると、図９の（Ｂ）に示したように、カム８１のカム山部の円弧部が突出部材３６の他端部（上面）と当接する。このとき、突出部材３６の燃焼室２５側の一端は、最も下方（ピストン２２の頂面側）の上記突出位置に位置する。このように、クランク角がＢＴＤＣ１００°からＢＴＤＣ１０°まで回転する期間においては、カム８１のカム山部の径方向に延びるカム面が突出部材３６の他端部（上面）と当接し、カム８１は突出部材３６を、同突出部材３６の下端が上記突出位置となるまで急激に下方に押し出す。

その後、クランク軸２４が更に１８０°回転して（カム８１が９０°回転して）クランク角がＡＴＤＣ１７０°となるまでの期間（ＢＴＤＣ１０°〜ＡＴＤＣ１７０°）においては、カム８１のカム山部の円弧部が突出部材３６の他端部（上面）と当接し続ける。従って、カム８１の回転軸と突出部材３６の他端部との距離は一定に維持される。この結果、突出部材３６の燃焼室２５側の一端は、最も下方の上記突出位置に位置し続ける（ＡＴＤＣ８０°の時点を示した図９の（Ｃ）を参照。）。

次いで、クランク軸２４が更に１８０°回転して（カム８１が９０°回転して）クランク角がＡＴＤＣ３５０°となるまでの期間（ＡＴＤＣ１７０°〜３５０°）においては、カム８１のカム山部の径方向に延びるカム面が突出部材３６の他端部（上面）と当接し続ける。従って、カム８１の回転軸と突出部材３６の他端部との距離は急激に小さくなる。即ち、突出部材３６はスプリングＳＧにより急激に上方に引き戻される（ＡＴＤＣ２６０°の時点を示した図９の（Ｄ）を参照。）。

そして、クランク角がＡＴＤＣ３５０°となると、カム８１のベースサークル部が突出部材３６の他端部（上面）と当接する。このとき、突出部材３６の燃焼室２５側の一端は、再びシリンダヘッド高部下面３０ａが構成する平面と略同一の平面内に位置する。

その後、クランク軸２４が２７０°回転してクランク角がＢＴＤＣ１００°になるまでの期間（カム８１が更に１３５°回転する期間）においては、カム８１のベースサークル部が突出部材３６の他端部（上面）と当接し続ける。従って、カム８１の回転軸と突出部材３６の他端部との距離は一定に維持される。この結果、突出部材３６の燃焼室２５側の一端は、シリンダヘッド高部下面３０ａが構成する平面と略同一の平面内に位置し続ける。

このように、クランク角がピストン上死点位置近傍の所定のクランク角範囲（ピストン２２が上死点位置の近傍にある期間）内にあるとき、突出部材３６の燃焼室２５側の一端が高部燃焼室２５ａ内の所定の突出位置に向けて移動させられる。その後、突出部材３６の移動が完了した時点からピストン２２が下死点位置の近傍に移動するまでの間、突出部材３６の一端は同所定の突出位置に維持される。

この内燃機関１０の電気制御装置７０は、上記第１実施形態と同様に、吸気弁駆動機構３２ａ、排気弁駆動機構３４ａ及び燃料噴射弁３５を所定のタイミングにて作動させる（図１０を参照。）。これにより、吸気弁３２が閉弁される時点（（５）を参照。）にて、燃焼室２５内に空気と燃料と燃焼ガスとからなる混合ガスが形成される。

次いで、ピストン２２が上死点位置に向けて移動するにつれて、混合ガスが圧縮される。そして、クランク角がＢＴＤＣ２０°となる（ピストン２２の位置が燃焼室分割ピストン位置となる）タイミングにて、燃焼室２５は高部燃焼室２５ａ及び低部燃焼室２５ｂからなる２つの空間に分割される。

その後、ピストン２２が上死点位置に近づくと、突出部材３６が突出部材用カム機構３７により駆動されて高部燃焼室２５ａに突出する。これにより、高部燃焼室２５ａ内の混合ガスが副次的に圧縮されるので、同混合ガスの温度が急激に上昇する。その結果、高部燃焼室２５ａにおける混合ガスは自着火されて燃焼される。

次に、ピストン２２が燃焼室分割ピストン位置より下死点位置側に移動すると、高部燃焼室２５ａと低部燃焼室２５ｂとが連通する。このとき、高部燃焼室２５ａにて生成された高圧の燃焼ガスが膨張することにより、低部燃焼室２５ｂにて未燃であった混合ガスが圧縮及び混合により加熱される。これにより、同混合ガスは自着火されて燃焼する。

その後、自着火による燃焼に伴うガスの膨張が始まる。このガスの圧力により、ピストン２２が押し下げられる。次いで、電気制御装置７０は、排気弁駆動機構３４ａを駆動させることにより、再び排気弁３４を開弁させる（（１）を参照。）。これにより、排気が開始する。従って、燃焼室２５内のガスの圧力が減少するのでピストン２２を押し下げる力は減少して程なく消滅する。ピストン２２は、その慣性及び他の気筒における燃焼により発生する力等によって、下死点位置に向けて移動を続ける。

そして、ピストン２２が下死点位置に近づくと、突出部材３６は突出部材用カム機構３７により駆動されて上記突出位置に移動させられる前の位置（シリンダヘッド高部下面３０ａが構成する平面と略同一の平面内に突出部材３６の燃焼室２５側の一端が含まれる位置）に短時間で戻される。
このようにして、内燃機関１０は予混合圧縮自着火方式により運転される。

以上、説明したように、本発明による内燃機関の第２実施形態においては、突出部材用カム機構３７は、突出部材３６の移動が完了した時点から混合ガスの燃焼により増加した燃焼室２５内のガスの圧力によってピストン２２が押し下げられている期間が終了する時点までの間、突出部材３６の位置が維持されるように構成されている。

これにより、混合ガスの燃焼により増加した燃焼室２５内のガスの圧力によってピストン２２が押し下げられている期間が終了するまでの間、突出部材３６の位置が維持されるので、同突出部材３６の移動により増加した分の燃焼室２５内のガスの圧力は維持される。この結果、燃焼室２５内のガスがピストン２２に対して行う仕事（内燃機関１０の出力）を増加させることができ、燃費を良好にすることができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に係る内燃機関について説明する。第３実施形態に係る内燃機関は、上記第１実施形態における突出部材３６及び突出部材用カム機構３７に代わる二次的熱エネルギー付与手段としてのプラズマトーチを備える点において第１実施形態に係る内燃機関と相違している。以下、かかる相違点を中心として説明する。

この内燃機関は、図１１に示したように、プラズマ供給手段としてのプラズマトーチ８２を備えている。

プラズマトーチ８２は、図示しないガス用通路と同ガス用通路に配置された電極とを備える。このガス用通路には、図示しないプラズマ用ガス供給手段によりプラズマ用ガスが供給されている。プラズマトーチ８２は、指示信号に応じて同電極に電圧を印加することにより、ガス用通路を通流するプラズマ用ガスを高温の電子、イオン及びラジカル等を多く含むプラズマ状態とするようになっている。本例においては、プラズマ用ガスは、空気と燃料とからなる混合ガスである。

プラズマトーチ８２は、プラズマ状態にある物質を燃焼室２５の略中央に向けて噴射する先端部を備え、同先端部が燃焼室２５（燃焼室２５が２つの空間に分割されている期間においては、高部燃焼室２５ａ）に露呈するようになっている。

この内燃機関１０の電気制御装置７０は、上記第１実施形態と同様に、吸気弁駆動機構３２ａ、排気弁駆動機構３４ａ及び燃料噴射弁３５を所定のタイミングにて作動させる（図１２を参照。）。これにより、吸気弁３２が閉弁される時点（（５）を参照。）にて、燃焼室２５内に空気と燃料と燃焼ガスとからなる混合ガスが形成される。

次いで、ピストン２２が上死点位置に向けて移動するにつれて、混合ガスが圧縮される。そして、クランク角がＢＴＤＣ２０°となる（ピストン２２の位置が燃焼室分割ピストン位置となる）タイミングにて、燃焼室２５は高部燃焼室２５ａ及び低部燃焼室２５ｂからなる２つの空間に分割される。

その後、クランク角がＢＴＤＣ５°となるタイミング（プラズマ噴射タイミングφinj）にて、電気制御装置７０は、指示信号をプラズマトーチ８２に対して送出することにより、プラズマトーチ８２からプラズマ状態にある物質を噴射させる（（６）を参照。）。これにより、噴射された高温の電子、イオン及びラジカル等が短い期間のうちに高部燃焼室２５ａにて拡散するので、同高部燃焼室２５ａ内の混合ガスの温度が急激に上昇する。その結果、高部燃焼室２５ａにおける混合ガスは自着火されて燃焼される。

このように、燃焼室が分割されない場合と比較して少ない熱エネルギーを付与するだけで、混合ガスの温度が変動しても混合ガスを適切なタイミングにてより確実に自着火させて燃焼させることができる。

次に、ピストン２２が燃焼室分割ピストン位置より下死点位置側に移動することにより、高部燃焼室２５ａと低部燃焼室２５ｂとが連通すると、上述したように、低部燃焼室２５ｂにて未燃であった混合ガスが自着火されて燃焼する。

このようにして、内燃機関１０は予混合圧縮自着火方式により運転される。

以上、説明したように、本発明による内燃機関の第３実施形態は、プラズマ供給手段としてのプラズマトーチ８２を備える。これにより、短い期間内に、且つ、空間的に一様に、上記高部燃焼室２５ａ内の混合ガスに二次的な熱エネルギーを付与することができる。この結果、混合ガスを適切なタイミングにてより確実に自着火させて燃焼させることができる。

なお、上記第３実施形態は、二次的熱エネルギー付与手段としてのプラズマトーチ８２を備えていたが、プラズマトーチ８２に代えてレーザ装置を備えていてもよい。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態に係る内燃機関について説明する。第４実施形態に係る内燃機関は、高部燃焼室２５ａ内の混合ガスに二次的な熱エネルギーを付与する代わりに少量の燃料を供給する点において上記各実施形態に係る内燃機関と相違している。以下、かかる相違点を中心として説明する。

この内燃機関１０は、図１３に示したように、上記第１実施形態における燃料噴射弁３５に代わる燃料噴射手段としての燃料噴射弁８３を備えている。

燃料噴射弁８３は、シリンダヘッド高部下面３０ａに配設されている。燃料噴射弁８３は、燃焼室２５の略中央に向けて燃料を噴射する先端部を備え、同先端部が燃焼室２５（燃焼室２５が２つの空間に分割されている期間においては、高部燃焼室２５ａ）に露呈するようになっている。燃料噴射弁８３には、図示しない燃料圧力調整手段及び燃料ポンプにより図示しない燃料タンク内の燃料が供給されるようになっている。

次に、この内燃機関１０の作動について説明すると、電気制御装置７０は、図１４に示したように、所定のタイミングにて、吸気弁駆動機構３２ａ、排気弁駆動機構３４ａ及び燃料噴射弁８３をそれぞれ作動させて内燃機関１０の運転を行う。即ち、電気制御装置７０は、自着火運転実行手段を構成している。

より具体的に述べると、電気制御装置７０は、上記第１実施形態と同様に、排気弁駆動機構３４ａを駆動させることにより、排気弁３４を開弁させる（（１）を参照。）とともに、閉弁させる（（２）を参照。）。これにより、排気が行われる。その後、電気制御装置７０は、上記第１実施形態と同様に、吸気弁駆動機構３２ａを駆動させることにより、吸気弁３２を開弁させる（（３）を参照。）。これにより、吸気が開始する。

そして、電気制御装置７０は、燃料噴射弁８３を開弁させることにより、吸気行程の初期及び／又は中期のタイミング（第１のタイミング）θinj1にて燃料を噴射させる（（４）を参照。）。このとき噴射される燃料の量は、燃焼室２５内の混合ガスの空燃比を極めてリーンな空燃比（超希薄空燃比）とするように、内燃機関１０の負荷とエンジン回転速度ＮＥとに基づいて定まる量のうちの大部分の第１の量である。噴射された燃料は、燃焼室２５内に続いて吸入される空気の流れにより同燃焼室２５にて拡散する。

次に、電気制御装置７０は、上記第１実施形態と同様に、吸気弁駆動機構３２ａを駆動させることにより、吸気弁３２を閉弁させる（（５）を参照。）。これにより、吸気が終了するとともに空気と燃料と燃焼ガスとからなる混合ガスの圧縮が開始する。

その後、ピストン２２の位置が燃焼室分割ピストン位置となる直前のクランク角がＢＴＤＣ２５°となるタイミング（第２のタイミング）θinj2にて、電気制御装置７０は、燃料噴射弁８３を開弁させることにより、燃料を噴射させる（（６）を参照。）。このとき噴射される燃料の量は、上記内燃機関１０の負荷とエンジン回転速度ＮＥとに基づいて定まる量から上記第１の量を減じた第２の量である。

この時点では、ピストン頂部縦壁面２２ｃの上端部と、シリンダヘッド縦壁面３０ｃの下端部と、の間の距離は、かなり小さくなっている。従って、噴射された燃料の殆どは、ピストン高部上面２２ａに遮られることによりピストン高部上面２２ａの上方の空間に滞留する。

その後、クランク角がＢＴＤＣ２０°となる（ピストン２２の位置が燃焼室分割ピストン位置となる）タイミングにて、燃焼室２５は高部燃焼室２５ａ及び低部燃焼室２５ｂからなる２つの空間に分割される。これにより、高部燃焼室２５ａにおける燃料の空間的分布密度である燃料密度が低部燃焼室２５ｂにおける燃料密度より高くなるので、高部燃焼室２５ａ内の混合ガスは自着火され易くなる（混合ガスの着火性が良好になっている）。
従って、ピストン２２が上死点位置に近づくと、高部燃焼室２５ａ内の混合ガスが低部燃焼室２５ｂ内の混合ガスより先に自着火されて燃焼される。

次に、ピストン２２が燃焼室分割ピストン位置より下死点位置側に移動することにより、高部燃焼室２５ａと低部燃焼室２５ｂとが連通すると、上述したように、低部燃焼室２５ｂにて未燃であった混合ガスが自着火されて燃焼する。
このようにして、内燃機関１０は予混合圧縮自着火方式により運転される。

以上、説明したように、本発明による内燃機関の第４実施形態は、ピストン２２が燃焼室分割ピストン位置より上死点位置側にあるとき、燃焼室２５が互いに独立した高部燃焼室２５ａ及び低部燃焼室２５ｂからなる２つの空間に分割されるように構成される。更に、上記第４実施形態は、高部燃焼室２５ａに臨むように配置された燃料噴射弁８３を備え、上記第２の量の燃料を高部燃焼室２５ａにおいて形成される混合ガスに含まれるようにピストン２２の位置が燃焼室分割ピストン位置となる直前のタイミングにて燃料噴射弁８３により噴射させる。

これにより、高部燃焼室２５ａにおける燃料密度が低部燃焼室２５ｂにおける燃料密度より高くなるので、高部燃焼室２５ａ内の混合ガスは自着火され易くなる（混合ガスの着火性が良好になる）。この結果、燃焼室が分割されない場合と比較して少ない量の燃料を二次的に噴射するだけで、混合ガスの温度が変動しても混合ガスを適切なタイミングにて自着火させて燃焼させることができる。

更に、第２の量の燃料は、比較的早期であるピストン２２の位置が燃焼室分割ピストン位置となる直前のタイミングにて噴射されるので、燃料が予反応する（燃料分子の分解等の予備的な反応を行う）ために必要な時間を確保することができる。この結果、高部燃焼室２５ａ内の混合ガスの着火性を確実に良好にすることができる。

以上、説明したように、本発明の各実施形態に係る内燃機関によれば、高部燃焼室２５ａ内の混合ガスに二次的な熱エネルギーを付与し、又は、二次的な燃料噴射を行うだけで、自着火タイミングを適切なタイミングに制御することができる。

なお、本発明は上記各実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、上記各実施形態における過給機９１はターボチャージャであったが、機械式過給機（スーパーチャージャ）であってもよい。

更に、上記各実施形態は、内燃機関の負荷及びエンジン回転速度に応じて、予混合圧縮自着火方式による運転と点火プラグが発生する火花により混合ガスを点火して燃焼させる火花点火方式による運転とを切り替えて行うように構成されていてもよい。

本発明の第１実施形態に係る内燃機関の概略図である。 図１に示した内燃機関の燃焼室近傍の部分拡大断面図である。 図１に示した燃焼室の変化をクランク角に対して模式的に示した図である。 図１に示したシリンダヘッド部の下面を燃焼室側から見た概略図である。 図１に示した突出部材の位置の変化をクランク角に対して模式的に示した図である。 燃焼室内の空気の圧力の変化をクランク角に対して模式的に示したグラフである。 図１に示した内燃機関のある気筒の吸気弁及び排気弁の開閉タイミングと燃料噴射タイミングとを概念的に示した説明図である。 圧縮初期温度に対する自着火タイミングの変化を示したグラフである。 本発明の第２実施形態に係る内燃機関が備える突出部材の位置の変化をクランク角に対して模式的に示した図である。 本発明の第２実施形態に係る内燃機関のある気筒の吸気弁及び排気弁の開閉タイミングと燃料噴射タイミングとを概念的に示した説明図である。 本発明の第３実施形態に係る内燃機関の燃焼室及びプラズマトーチを模式的に示した図である。 図１１に示した内燃機関のある気筒の吸気弁及び排気弁の開閉タイミングと燃料噴射タイミングとプラズマ噴射タイミングとを概念的に示した説明図である。 本発明の第４実施形態に係る内燃機関の燃焼室及び燃料噴射弁を模式的に示した図である。 図１３に示した内燃機関のある気筒の吸気弁及び排気弁の開閉タイミングと燃料噴射タイミングとを概念的に示した説明図である。

符号の説明

１０…内燃機関、２０…シリンダブロック部、２１…シリンダ、２２…ピストン、２２ａ…ピストン高部上面、２２ｂ…ピストン低部上面、２２ｃ…ピストン頂部縦壁面、２２ｄ…ピストンリング、２３…コンロッド、２４…クランク軸、２５…燃焼室、２５ａ…高部燃焼室、２５ｂ…低部燃焼室、３０…シリンダヘッド部、３０ａ…シリンダヘッド高部下面、３０ｂ…シリンダヘッド低部下面、３０ｃ…シリンダヘッド縦壁面、３１…吸気ポート、３２…吸気弁、３２ａ…吸気弁駆動機構、３３…排気ポート、３４…排気弁、３４ａ…排気弁駆動機構、３５…燃料噴射弁、３６…突出部材、３６ａ…本体部、３６ｂ…つば部、３７…突出部材用カム機構、３７ａ…カムシャフト、３７ｂ…カム、３８…駆動回路、６１…クランクポジションセンサ、６２…アクセル開度センサ、７０…電気制御装置、８１…カム、８２…プラズマトーチ、８３…燃料噴射弁。

Claims (7)

1. シリンダボアが形成されたシリンダブロックと、前記シリンダブロックの上部に配置されたシリンダヘッドと、前記シリンダボア内において往復動するピストンと、少なくとも前記シリンダボアの壁面と前記シリンダヘッドの下面と前記ピストンの頂面とにより構成される燃焼室内にて空気と燃料とを含む混合ガスを形成し同形成された混合ガスを前記ピストンが圧縮することにより自着火させて燃焼させる予混合圧縮自着火方式による運転を行う自着火運転実行手段と、を備える内燃機関において、
   前記燃焼室は、前記ピストンが所定位置より上死点位置側にあるとき互いに独立した第１空間及び第２空間からなる２つの空間に分割されるように構成され、
   前記自着火運転実行手段は、前記ピストンが所定位置より上死点位置側にあるときの前記第１空間内の混合ガスに前記ピストンの圧縮動作によりもたらされる熱エネルギーと異なる二次的な熱エネルギーを付与する二次的熱エネルギー付与手段を含む内燃機関。
2. 請求項１に記載の内燃機関において、
   前記ピストンは、同ピストンの頂面が同頂面内の中央部にて凸部を有するように形成され、
   前記シリンダヘッドは、同シリンダヘッドの下面が同下面内の中央部にて前記ピストンの頂面に形成された凸部が収容される凹部を有するように形成され、
   前記燃焼室は、前記ピストンが前記所定位置より上死点位置側にあるとき、前記ピストンの頂面に形成された凸部が前記シリンダヘッドの下面に形成された凹部に収容されることにより、同凸部及び同凹部により前記第１空間を形成するように構成された内燃機関。
3. 請求項１又は請求項２に記載の内燃機関において、
   前記二次的熱エネルギー付与手段は、
   一端が前記第１空間に臨むように配置された突出部材と、
   前記突出部材の一端を前記第１空間内の所定の突出位置まで移動させるように同突出部材を駆動する駆動手段と、
   からなる内燃機関。
4. 請求項３に記載の内燃機関において、
   前記駆動手段は、クランク角がピストン上死点位置近傍の所定のクランク角範囲内にあるとき、前記突出部材の一端を前記所定の突出位置に向けて移動させるとともに、前記突出部材の移動が完了した時点から燃焼により増加した前記燃焼室内のガスの圧力によって前記ピストンが押し下げられている期間が終了する時点までの間、前記突出部材の一端を同所定の突出位置に維持するように構成された内燃機関。
5. 請求項１又は請求項２に記載の内燃機関において、
   前記二次的熱エネルギー付与手段は、プラズマ状態にある物質を前記第１空間に供給するプラズマ供給手段である内燃機関。
6. シリンダボアが形成されたシリンダブロックと、前記シリンダブロックの上部に配置されたシリンダヘッドと、前記シリンダボア内において往復動するピストンと、少なくとも前記シリンダボアの壁面と前記シリンダヘッドの下面と前記ピストンの頂面とにより構成される燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射手段と、前記燃焼室内に空気を導入し同導入された空気と前記燃料噴射手段により噴射された燃料とを含む混合ガスを同燃焼室にて形成し同形成された混合ガスを前記ピストンが圧縮することにより自着火させて燃焼させる予混合圧縮自着火方式による運転を行う自着火運転実行手段と、を備える内燃機関において、
   前記燃焼室は、前記ピストンが所定位置より上死点位置側にあるとき互いに独立した第１空間及び第２空間からなる２つの空間に分割されるように構成され、
   前記燃料噴射手段は、前記第１空間に臨むように配置され、
   前記自着火運転実行手段は、前記ピストンの位置が前記所定位置となるタイミングより進角側の第１のタイミングにて第１の量の燃料を前記燃料噴射手段により噴射させるとともに、前記第１空間における前記混合ガスに含まれる燃料の空間的分布密度である燃料密度が前記第２空間における燃料密度より高くなるように同第１のタイミングより遅角側の第２のタイミングにて同第１の量より少ない第２の量の燃料を同燃料噴射手段により噴射させる内燃機関。
7. 請求項６に記載の内燃機関において、
   前記自着火運転実行手段における第２のタイミングは、前記ピストンの位置が前記所定位置となる直前のタイミングである内燃機関。
   

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