JP2006348809A - 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、シリンダヘッド部３０に凹部３０ａと同凹部３０ａの開口部を開閉する区画用弁３６とを備える。この内燃機関は、圧縮行程において区画用弁により開口部を閉じる。これにより、燃焼室２５は、ピストン非隣接空間２５ａと、ピストン隣接空間２５ｂと、からなる独立した２つの密閉空間に区画される。この結果、燃焼室が区画されない場合と比較してピストン隣接空間内の混合ガスがより大きく圧縮されるので、同混合ガスは自着火する。その直後、この内燃機関は、区画用弁により開口部を開く。これにより、ピストン隣接空間にて生成された燃焼ガスによりピストン非隣接空間内にて未燃であった混合ガスが加熱されるので、同混合ガスが自着火して燃焼する。
【選択図】 図４

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、混合ガスの副次的な圧縮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、を備え、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にて混合ガスを形成し形成された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。

本発明による内燃機関は、前記燃焼室内にて移動することにより同燃焼室を１つの空間から前記ピストンの頂面に接しないピストン非隣接空間と前記ピストンの頂面に接するピストン隣接空間とからなる独立した２つの密閉空間に区画する区画手段と、
圧縮行程において前記ピストン非隣接空間と前記ピストン隣接空間とからなる前記２つの密閉空間を形成するように前記区画手段を駆動するとともに、同ピストン隣接空間にて混合ガスが自着火して燃焼を開始した直後に同ピストン非隣接空間と同ピストン隣接空間とが連通した前記１つの空間を形成するように同区画手段を駆動する駆動手段と、
を備える。

これによれば、圧縮行程において燃焼室が、ピストンの頂面に接しないピストン非隣接空間と、ピストンの頂面に接するピストン隣接空間と、からなる独立した２つの密閉空間に区画される。これにより、ピストンが上死点位置に近づいてもピストン非隣接空間の容積が変化しないので、同ピストン非隣接空間内の混合ガスは圧縮されない。一方、ピストン隣接空間内の混合ガスは、ピストンが上死点位置に近づくと、燃焼室が区画されない場合と比較して、より大きく圧縮される。

従って、燃焼室が２つの空間に区画された後、時間が経過するにつれてピストン隣接空間内の混合ガスの温度は急激に上昇する。これにより、燃焼室内に形成された混合ガスの温度が変動しても、混合ガスの温度が所定の温度（混合ガスが自着火されるために必要な温度）に到達するタイミングが大きく変動することを防止することができる。この結果、燃焼室が２つの空間に区画されてから所定の時間が経過したタイミングにて同混合ガスは自着火して燃焼を開始する。その直後に、ピストン非隣接空間とピストン隣接空間とが連通させられる。

これにより、ピストン隣接空間内における燃焼により生成された燃焼ガスがピストン非隣接空間にて未燃であった混合ガス（未燃混合ガス）を圧縮する。更に、燃焼ガスと、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て燃焼させることができる。

このように、混合ガスの温度が変動しても燃焼室内のすべての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。更に、混合ガス全体を副次的に圧縮する上記従来技術と比較して区画手段が駆動されるだけであるので、消費されるエネルギーを小さくすることもできる。

この場合、前記シリンダヘッドの下面は、前記ピストンの頂面に向けて開口した開口部を有する凹部を含むように形成され、
前記区画手段は、前記凹部の開口部を開閉する区画用弁であることが好適である。

これによれば、ピストン非隣接空間と、ピストン隣接空間と、を容易に構成することができる。

この場合、前記区画用弁は、前記凹部の開口部を形成している面に対して垂直方向に移動することにより同開口部を開閉するように構成され、
更に、前記内燃機関は、前記区画用弁が前記凹部の開口部を閉じているときの同区画用弁の位置からの同区画用弁の移動距離が所定の距離より小さいとき、同区画用弁の外周部の一部から同外周部の残余の部分へ向かうガスの流れを同凹部内に形成するように、同残余の部分と同開口部の縁部との間に形成される空隙を通過するガスの流れを遮断するとともに、同移動距離が同所定の距離より大きいとき、同空隙を通過するガスの流れを許容するように構成されたマスク部材を備えることが好適である。

上述したように、ピストン隣接空間内の混合ガスが燃焼を開始した直後のタイミングにて区画用弁により凹部の開口部は開かれる。これにより、ピストン隣接空間にて燃焼により生成された高圧のガスは、圧力が低い凹部内に流入し始める。このとき、上記マスク部材がなく、区画用弁の外周部の全体と凹部の開口部の縁部との間にガスの通路が形成されると、高圧のガスは、区画用弁の外周部の全体から略同一の流速にて一斉に凹部内に流入するので、凹部にて所定の方向へ向かう流れが形成されにくい。このため、凹部にて燃焼したガスが同凹部から排出されにくいという問題があった。

これに対し、上記マスク部材を備えれば、区画用弁により凹部の開口部が開かれ始めてから区画用弁の移動距離が所定の距離となるまでの間は、マスク部材により区画用弁の外周部の一部から同外周部の残余の部分へ向かうガスの流れを凹部内に形成するように、同残余の部分と凹部の開口部の縁部との間に形成される空隙を通過するガスの流れが遮断される。これにより、区画用弁の外周部の一部から同外周部の残余の部分へ向かうガスの流れが凹部内に形成される。

その後、区画用弁により凹部の開口部が更に開かれ、区画用弁の移動距離が上記所定の距離より大きくなると、上記区画用弁の外周部の残余の部分と凹部の開口部の縁部との間に形成される空隙を通過するガスの流れが許容されるようになる。これにより、上記形成されたガスの流れによって区画用弁の外周部の一部からガスが凹部内に流入し、同外周部の残余の部分から同ガスが凹部外へ流出するガスの流れが形成される。この結果、凹部内のガスを十分に排出することができる。

この場合、前記区画用弁は、前記凹部内に向けて移動することにより同凹部の開口部を開くように構成されることが好適である。

上述したように、混合ガスは、ピストン非隣接空間より先にピストン隣接空間にて自着火して燃焼を開始する。従って、同混合ガスが燃焼を開始した直後の時点においては、ピストン隣接空間における燃焼により生成されたガスの圧力により、区画用弁はピストン隣接空間（凹部外）からピストン非隣接空間（凹部内）に向けて押されている。

従って、上記構成のように、凹部内に向けて移動することにより凹部の開口部を開くように区画用弁を構成することにより、凹部の開口部を開く際に区画用弁を駆動するための力（駆動力）を小さくすることができる。この結果、区画用弁を駆動するために消費されるエネルギーを小さくすることができる。

また、前記区画用弁は、前記凹部の開口部を形成している面に対して垂直方向にて前記ピストンの頂面に向けて移動することにより同開口部を開くとともに、同垂直方向にて同凹部に向けて移動することにより同開口部を閉じるように構成され、
前記区画用弁が前記凹部の開口部を閉じているときの同区画用弁の位置からの同区画用弁の移動距離が所定の距離より小さいとき、同区画用弁の外周部の一部から同外周部の残余の部分へ向かうガスの流れを同凹部内に形成するように、同残余の部分と同開口部の縁部との間に形成される空隙を通過するガスの流れを遮断するとともに、同移動距離が同所定の距離より大きいとき、同空隙を通過するガスの流れを許容するように構成されたマスク部材を備えることが好適である。

上述したように、上記マスク部材を備えれば、区画用弁により凹部の開口部が開かれ始めてから区画用弁の移動距離が所定の距離となるまでの間に、区画用弁の外周部の一部から同外周部の残余の部分へ向かうガスの流れが凹部内に形成される。その後、区画用弁により凹部の開口部が更に開かれ、区画用弁の移動距離が上記所定の距離より大きくなると、上記形成されたガスの流れによって区画用弁の外周部の一部からガスが凹部内に流入し、同外周部の残余の部分から同ガスが凹部外へ流出するガスの流れが形成される。この結果、凹部内のガスを十分に排出することができる。

ところで、区画用弁を駆動する駆動力は、区画用弁の駆動方向と逆向きの力であって同区画用弁に働く抗力より大きくなければならない。この抗力は、区画用弁の表面に働く圧力（主としてピストン頂面側の面に働く圧力と凹部側の面に働く圧力との差）と、区画用弁の周囲を流れるガスにより同区画用弁の表面に生じる抵抗力（抵抗）と、の和である。

一方、区画用弁により凹部の開口部が開かれることにより燃焼ガスの流入が開始した直後の時点においては、ピストン頂面側の面に働く圧力と凹部側の面に働く圧力との差は開弁前の圧力差と略同じである。更に、燃焼ガスが凹部外から凹部内へと流れることにより区画用弁の表面にガス流れによる大きな抵抗力が生じる。従って、燃焼ガスの流入が開始した直後の時点において抗力は最大となる。

ところで、上記マスク部材を備えれば、燃焼ガスの流入が開始した直後の時点においては、燃焼ガスが凹部外から凹部内へ流入する際のガス流れによる抵抗力の大きさを決定する有効面積は、同マスク部材を備えない場合と比較して小さい。従って、燃焼ガスの流れにより生じるガス流れによる抵抗力が小さくなるので、抗力の最大値も小さくなる。これにより、区画用弁の最大駆動力を小さくすることができる。

この場合、前記凹部の開口部は、前記シリンダヘッドの下面内の位置であって前記ピストンの中央部に対向する位置にて同シリンダヘッドの下面に形成されていてもよい。

また、前記凹部の開口部は円形であり、
２つの吸気ポートの各々に連通する２つの円形の開口部と、前記凹部の開口部と、が前記燃焼室を構成する前記シリンダヘッドの下面内の位置であって前記シリンダボアの周部に沿い且つ連なる位置にて同シリンダヘッドの下面に形成され、
１つの排気ポートに連通する１つの円形の開口部が前記燃焼室を構成する前記シリンダヘッドの下面の残余の部分にて同シリンダヘッドの下面に形成されることが好適である。

これによれば、吸気ポートに連通する２つの開口部と、凹部の開口部と、からなる３つの円形の開口部がシリンダヘッドの下面内の位置であってシリンダボアの周部に沿い且つ連なる位置にて同シリンダヘッドの下面に形成される。更に、シリンダヘッドの下面の残余の部分にて排気ポートに連通する円形の開口部が形成される。

これにより、吸気ポートに連通する２つの開口部と、凹部の開口部と、からなる３つの開口部のうちの１つがピストンの中央部に対向する位置に形成された場合と比較して、排気ポートに連通する開口部の面積を大きくすることができる。この結果、排気抵抗を小さくすることができるので、燃費を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。

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、区画手段としての区画用弁３６及び同区画用弁３６を駆動する駆動手段としてのカム機構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の下面には、図２に示したように、ピストン２２の頂面に向けて開口した開口部を有する凹部３０ａが形成されている。凹部３０ａは、シリンダ２１の中心軸と同軸の円筒形である。即ち、凹部３０ａは、シリンダヘッド部３０の下面内の位置であってピストン２２の中央部に対向する位置に配置されている。

図１に示した吸気ポート３１は、シリンダヘッド部３０の下面内の２箇所に円形の開口部を有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３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の開口部を開閉するようになっている。吸気ポート３１は、その開口部が吸気弁３２により開かれたとき燃焼室２５と連通し、その開口部が吸気弁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、シリンダヘッド部３０の下面内の２箇所に円形の開口部を有するように形成されている。従って、図３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の開口部を開閉するようになっている。排気ポート３３は、その開口部が排気弁３４により開かれたとき燃焼室２５と連通し、その開口部が排気弁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２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、区画用弁３６及びカム機構３７について詳述する。区画用弁３６は、図２に示したように、柄部３６ａと、つば部３６ｂと、傘部３６ｃと、からなる。柄部３６ａは棒状（円柱状）の部材である。つば部３６ｂは、柄部３６ａの径より大きな径を有する円盤状の部材である。つば部３６ｂは、柄部３６ａの中心軸と同軸に柄部３６ａの上部であって柄部３６ａの上端部より下方の位置にて柄部３６ａに固定されている。

傘部３６ｃは、頂部と底面とを有する略円錐状の部材である。傘部３６ｃの底面の径は、凹部３０ａの開口部の径と略同じである。傘部３６ｃは、柄部３６ａの中心軸と同軸となるとともに、傘部３６ｃの頂部が柄部３６ａの下端部と接するように柄部３６ａの下端部に固定されている。

一方、シリンダヘッド部３０には、凹部３０ａの上方にスプリング収容空間ＳＰが形成されている。スプリング収容空間ＳＰは、凹部３０ａの中心軸と同軸であって、区画用弁３６のつば部３６ｂと同径の円筒状の空間である。区画用弁３６は、柄部３６ａの中心軸が凹部３０ａの中心軸と一致するとともに、つば部３６ｂがスプリング収容空間ＳＰ内に位置するように、シリンダヘッド部３０に摺動可能に配設されている。

柄部３６ａの外周であって、スプリング収容空間ＳＰ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が軸方向にて圧縮された状態で介装されている。これにより、スプリングＳＧは、区画用弁３６を上方に付勢している。

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の回転軸が区画用弁３６（柄部３６ａ）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３４０°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３４０°の中心角を有する円弧部を備えている。カム３７ｂ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。

このような構成により、カム３７ｂは区画用弁３６の柄部３６ａの上端部と当接していて、区画用弁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。従って、カム３７ｂを回転させることにより、カム機構３７は、区画用弁３６を同区画用弁３６の中心軸方向（凹部３０ａの開口部を形成している面に対して垂直方向）に移動させる。これにより、凹部３０ａの開口部が区画用弁３６によって開閉される。

ここで、クランク角の変化（ピストン２２の移動）に対する区画用弁３６の位置の変化について図４を参照しながら説明を加える。

先ず、クランク角がＢＴＤＣ４０°であるとき、図４の（Ａ）に示したように、カム３７ｂのカム山部の円弧部が区画用弁３６の柄部３６ａの上端部（上面）と当接している。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。このとき、区画用弁３６は下方に押し下げられている。従って、区画用弁３６の傘部３６ｃは、凹部３０ａの開口部の縁部と離間している。従って、燃焼室２５は１つの空間を構成している。

次に、クランク軸２４が１０°回転して（カム３７ｂが５°回転して）クランク角がＢＴＤＣ３０°となるまでの期間（ＢＴＤＣ４０°〜３０°）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区画用弁３６の柄部３６ａの上端部と当接する。このとき、カム３７ｂの回転軸と区画用弁３６の柄部３６ａの上端部との距離は急激に小さくなる。即ち、区画用弁３６はスプリングＳＧにより急激に上方に（凹部３０ａに向けて）引き戻される。

そして、クランク角がＢＴＤＣ３０°となると、図４の（Ｂ）に示したように、カム３７ｂのベースサークル部が区画用弁３６の柄部３６ａの上端部と当接する。このとき、区画用弁３６の傘部３６ｃが凹部３０ａの開口部の縁部と接しているので、凹部３０ａの開口部は閉じられている。この結果、燃焼室２５を構成する１つの空間は、ピストン２２の頂面に接しないピストン非隣接空間２５ａとピストン２２の頂面に接するピストン隣接空間２５ｂとからなる独立した２つの密閉空間に区画される。

その後、クランク軸２４が更に４０°回転して（カム３７ｂが２０°回転して）クランク角がＡＴＤＣ１０°となるまでの期間（ＢＴＤＣ３０°〜ＡＴＤＣ１０°）においては、カム３７ｂのベースサークル部が区画用弁３６の柄部３６ａの上端部と当接し続ける。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。従って、カム３７ｂの回転軸と区画用弁３６の柄部３６ａの上端部との距離は一定に維持される。この結果、区画用弁３６の傘部３６ｃは、凹部３０ａの開口部の縁部と接し続ける（ＡＴＤＣ１０°の時点を示した図４の（Ｃ）を参照。）。従って、燃焼室２５においては、ピストン非隣接空間２５ａとピストン隣接空間２５ｂとが形成されたままである。

次いで、クランク軸２４が更に１０°回転して（カム３７ｂが５°回転して）クランク角がＡＴＤＣ２０°となるまでの期間（ＡＴＤＣ１０°〜２０°）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区画用弁３６の柄部３６ａの上端部と当接する。このとき、カム３７ｂの回転軸と区画用弁３６の柄部３６ａの上端部との距離は急激に大きくなる。この結果、区画用弁３６はカム３７ｂにより急激に下方に（ピストン２２頂面に向けて）押し下げられる。

そして、クランク角がＡＴＤＣ２０°となると、図４の（Ｄ）に示したように、カム３７ｂのカム山部の円弧部が区画用弁３６の柄部３６ａの上端部と当接する。このとき、区画用弁３６の傘部３６ｃが凹部３０ａの開口部の縁部と離間しているので、凹部３０ａの開口部は開かれている。この結果、ピストン非隣接空間２５ａとピストン隣接空間２５ｂとが連通した１つの空間として燃焼室２５が形成される。

その後、クランク軸２４が６６０°回転してクランク角がＢＴＤＣ４０°になるまでの期間（カム３７ｂが更に３３０°回転する期間）においては、カム３７ｂのカム山部の円弧部が区画用弁３６の柄部３６ａの上端部と当接し続ける。従って、カム３７ｂの回転軸と区画用弁３６の柄部３６ａの上端部との距離は一定に維持される。この結果、区画用弁３６の傘部３６ｃは、凹部３０ａの開口部の縁部と離間し続ける。

このように、カム機構３７により、クランク角がＴＤＣとなる前の所定のタイミングにてピストン非隣接空間２５ａとピストン隣接空間２５ｂとからなる２つの密閉空間を形成するように区画用弁３６が駆動されるとともに、クランク角がＴＤＣとなった直後のタイミングにてピストン非隣接空間２５ａとピストン隣接空間２５ｂとが連通した１つの空間を形成するように区画用弁３６が駆動される。

図５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、ピストン非隣接空間２５ａ内の空気の圧力の変化を示しており、曲線Ｃ１ｂは、ピストン隣接空間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、燃焼室を区画し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、ピストン非隣接空間２５ａ内の空気の圧力は、凹部３０ａの開口部が区画用弁３６により閉じられた後、一定となる。一方、曲線Ｃ１ｂにより示されるように、ピストン隣接空間２５ｂ内の空気の圧力は、凹部３０ａの開口部が区画用弁３６により閉じられた後、急激に増大する。これにより、ピストン隣接空間２５ｂ内の空気の温度が急激に上昇する。

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の電気制御装置７０は、図６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とに基づいて定められる量である。噴射された燃料は、燃焼室２５内に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（圧縮行程）が開始する。この時点においては、区画用弁３６は下方に押し下げられている。従って、区画用弁３６の傘部３６ｃは、凹部３０ａの開口部の縁部と離間している。従って、燃焼室２５は１つの空間を構成している。

その後、クランク角がＢＴＤＣ３０°となると、区画用弁３６がカム機構３７により駆動され、区画用弁３６により凹部３０ａの開口部が閉じられる（（６）を参照。）。即ち、燃焼室２５を構成する１つの空間は、ピストン２２の頂面に接しないピストン非隣接空間２５ａとピストン２２の頂面に接するピストン隣接空間２５ｂとからなる独立した２つの密閉空間に区画される。

そして、ピストン２２が上死点位置に近づくと、ピストン非隣接空間２５ａ内の混合ガスの圧力が燃焼室２５が区画された時点の同圧力から変化しないのに対して、ピストン隣接空間２５ｂ内の混合ガスの圧力は急激に上昇する。これにより、ピストン隣接空間２５ｂ内の混合ガスの温度は急激に上昇する。その結果、ピストン隣接空間２５ｂ内の混合ガスは自着火して燃焼を開始する。

このように、本内燃機関１０によれば、区画用弁３６を駆動することにより、ピストン隣接空間２５ｂ内の混合ガスの温度が急激に上昇させられるので、燃焼室２５内に形成された混合ガスの温度が変動しても、混合ガスの温度が所定の温度（混合ガスが自着火されるために必要な温度）に到達するタイミングが大きく変動することを防止することができる。即ち、混合ガスが自着火されるタイミングの範囲は、燃焼室２５を区画しない従来技術の場合と比較して、狭くなる（図５を参照。）。

次いで、クランク角がＡＴＤＣ１０°となると、区画用弁３６がカム機構３７により駆動され、区画用弁３６により凹部３０ａの開口部が開かれる（（７）を参照。）。この結果、ピストン隣接空間２５ｂにて混合ガスが自着火して燃焼を開始した直後のタイミングにて、ピストン非隣接空間２５ａとピストン隣接空間２５ｂとが連通させられる。

これにより、ピストン隣接空間２５ｂ内における燃焼により生成された燃焼ガスがピストン非隣接空間２５ａにて未燃であった混合ガス（未燃混合ガス）を圧縮する。更に、燃焼ガスと、未燃混合ガスと、が混合する。この結果、同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て燃焼させることができる。このようにして、混合ガスの温度が変動しても燃焼室２５内のすべての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。更に、燃焼室内の混合ガスのすべてを副次的に圧縮する上記従来技術と比較して混合ガスが自着火するタイミングを制御するために区画用弁３６が駆動されるだけであるので、消費されるエネルギーを小さくすることができる。

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７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、凹部３０ａの開口部が開かれたまま区画用弁３６が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、区画用弁３６により凹部３０ａの開口部が閉じられる時点における燃焼室２５の容積（ピストン非隣接空間２５ａの容積＋ピストン隣接空間２５ｂの容積）に対する燃焼室２５の容積の最大値の比と、ピストン隣接空間２５ｂの容積の最小値に対する最大値（区画用弁３６により凹部３０ａの開口部が閉じられる時点におけるピストン隣接空間２５ｂの容積）の比と、の積である。

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、ピストン隣接空間２５ｂ（燃焼室が区画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、燃焼室が区画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、燃焼室が区画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。

圧縮初期温度が４５０Ｋから５００Ｋまでの温度である範囲に着目すると、ひし形及び正方形のプロットにより示された燃焼室が区画されない内燃機関の場合と比較して、三角形のプロットにより示された上記内燃機関１０における圧縮初期温度に対する自着火タイミングの変動量は小さい。即ち、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、燃焼室が区画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、圧縮行程において燃焼室２５を１つの空間からピストン２２の頂面に接しないピストン非隣接空間２５ａと、ピストンの頂面に接するピストン隣接空間２５ｂと、からなる独立した２つの密閉空間に区画する。これにより、ピストン隣接空間内２５ｂの混合ガスは、ピストンが上死点位置に近づくと、燃焼室２５が区画されない場合と比較して、より大きく圧縮される。従って、燃焼室２５が２つの空間に区画された後、時間が経過するにつれてピストン隣接空間２５ｂ内の混合ガスの温度は急激に上昇する。

これにより、燃焼室２５が２つの空間に区画されてから所定の時間が経過したタイミングにて同混合ガスは自着火して燃焼を開始する。その直後に、上記第１実施形態は、ピストン非隣接空間２５ａとピストン隣接空間２５ｂとを連通させる。これにより、ピストン隣接空間２５ｂ内における燃焼により生成された燃焼ガスがピストン非隣接空間２５ａ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。この結果、混合ガスの温度が変動しても燃焼室２５内のすべての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。

（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、区画用弁３６の排気弁３４側の外周部と凹部３０ａの開口部の縁部との間に形成される空隙を通過するガスの流れを遮断するマスク部材を備え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、シリンダヘッド部３０の下面を燃焼室２５側から見た図８に示したように、マスク部材８１を備えている。

マスク部材８１は、正面視において、凹部３０ａの開口部の径と同径の内径を有する半円環状の部材である。マスク部材８１は、中心が凹部３０ａの中心軸と一致するように、排気弁３４側の凹部３０ａの開口部の外周にてシリンダヘッド部３０の下面に配設・固定されている。マスク部材８１は、図９に示したように、端部から中央部へ向かうにつれて凹部３０ａの中心軸方向の厚みが大きくなるとともに、中央部の厚みが区画用弁３６の軸方向の移動距離の半分となるように形成されている。

このような構成により、区画用弁３６が凹部３０ａの開口部を閉じているときの区画用弁３６の位置からの同区画用弁３６の移動距離が所定の距離（移動距離の最大値の半分）より小さいとき、区画用弁３６の排気弁３４側の外縁部は、マスク部材８１の内壁と当接している。従って、区画用弁３６の排気弁３４側においては、凹部３０ａ内と凹部３０ａ外との間のガスの流れは実質的に遮断される（図９の（Ｂ）を参照。）。一方、上記移動距離が上記所定の距離より大きいとき、同外縁部は、マスク部材８１の内壁と離間している。従って、区画用弁３６の排気弁３４側においても、凹部３０ａ内と凹部３０ａ外との間のガスの流れが許容される（図９の（Ｃ）を参照。）。

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６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ＢＴＤＣ３０°となると、上述したように、区画用弁３６がカム機構３７により駆動され、区画用弁３６により凹部３０ａの開口部が閉じられる（（６）を参照。）。これにより、ピストン非隣接空間２５ａとピストン隣接空間２５ｂとからなる独立した２つの密閉空間が形成される。

そして、ピストン２２が上死点位置に近づくと、上述したように、ピストン隣接空間２５ｂ内の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。その後、クランク角がＡＴＤＣ１０°となると、区画用弁３６がカム機構３７により駆動され、区画用弁３６は下方（ピストン２２の頂面側）に向けて移動させられる（（７）を参照。）。

区画用弁３６により凹部３０ａの開口部が開かれ始めると、ピストン隣接空間２５ｂ内における燃焼により生成された燃焼ガスが凹部３０ａ内に流入し始める。この時点においては、区画用弁３６の移動距離が上記所定の距離より小さい。従って、区画用弁３６の排気弁３４側にてガスの流れは遮断されている（図９の（Ｂ）を参照。）。即ち、区画用弁３６の吸気弁３２側からのみ、燃焼ガスが流入する。

従って、燃焼ガスが凹部３０ａ外から凹部３０ａ内へ流入する際のガス流れによる抵抗力の大きさを決定する有効面積は、マスク部材８１を備えない場合と比較して小さくなる。これにより、燃焼ガスが凹部３０ａ外から凹部３０ａ内へと流れることにより区画用弁３６の表面に生じるガス流れによる抵抗力は、マスク部材８１を備えない場合と比較して小さくなる。この結果、区画用弁３６を駆動するために必要とされる最大駆動力を小さくすることができる。

更に、区画用弁３６の排気弁３４側にてガスの流れが遮断されているために、区画用弁３６の吸気弁３２側の外周部から排気弁３４側の外周部へ向かうガスの流れが凹部３０ａ内に形成される（図９の（Ｂ）を参照。）。

次に、区画用弁３６が更に下方に移動すると、区画用弁３６の移動距離が上記所定の距離より大きくなる。従って、区画用弁３６の排気弁３４側においても、凹部３０ａ内と凹部３０ａ外との間のガスの流れが許容される。この時点においては、凹部３０ａ内と凹部３０ａ外との間の圧力の差は十分に小さくなっている。従って、既に形成されていたガスの流れによって区画用弁３６の吸気弁３２側の外周部からガスが凹部３０ａ内に流入し、区画用弁３６の排気弁３４側の外周部から同ガスが凹部３０ａ外へ流出するガスの流れが形成される。この結果、凹部３０ａ内のガスを十分に排出することができる。

加えて、ピストン非隣接空間２５ａにて未燃であった混合ガスは、ピストン隣接空間２５ｂ内における燃焼により生成された燃焼ガスによる圧縮及び混合により加熱されるので、同混合ガスは自着火して燃焼する。この結果、混合ガスの温度が変動しても燃焼室２５内のすべての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。更に、燃焼室内の混合ガスのすべてを副次的に圧縮する上記従来技術と比較して混合ガスが自着火するタイミングを制御するために区画用弁３６が駆動されるだけであるので、消費されるエネルギーを小さくすることができる。

以上、説明したように、本発明による内燃機関の第２実施形態は、区画用弁３６の排気弁３４側の外周部と凹部３０ａの開口部の縁部との間に形成される空隙を通過するガスの流れを遮断するマスク部材８１を備える。これによれば、区画用弁３６により凹部３０ａの開口部が開かれ始めてから区画用弁３６の移動距離が所定の距離となるまでの間は、マスク部材８１によりガスの流れが遮断され、区画用弁３６の吸気弁３２側の外周部（外周部の一部）から排気弁３４側の外周部（外周部の残余の部分）へ向かうガスの流れが凹部３０ａ内に形成される。

その後、区画用弁３６の移動距離が上記所定の距離より大きくなると、区画用弁３６の排気弁３４側の外周部と凹部３０ａの開口部の縁部との間に形成される空隙を通過するガスの流れが許容される。これにより、上記形成されたガスの流れによって区画用弁３６の吸気弁３２側の外周部からガスが凹部３０ａ内に流入し、排気弁３４側の外周部から同ガスが凹部３０ａ外へ流出するガスの流れが形成される。この結果、凹部３０ａ内のガスを十分に排出することができる。

（第２実施形態の変形例）
次に、第２実施形態の変形例について説明する。この変形例は、図１０に示したように、第２実施形態のマスク部材８１に代わるマスク部材８２が区画用弁３６の傘部３６ｃの上面に配設・固定されている点のみにおいて第２実施形態と相違している。従って、以下かかる相違点について説明する。

マスク部材８２は、正面視において、凹部３０ａを形成する側壁面の径と同径の外径を有する半円環状の部材である。マスク部材８２は、中心が凹部３０ａの中心軸と一致するように、排気弁３４側の区画用弁３６の傘部３６ｃの上面に配設・固定されている。マスク部材８２は、図１０に示したように、端部から中央部へ向かうにつれて凹部３０ａの中心軸方向の厚みが大きくなるとともに、中央部の厚みが区画用弁３６の軸方向の移動距離の半分となるように形成されている。

このような構成により、区画用弁３６が凹部３０ａの開口部を閉じているときの区画用弁３６の位置からの同区画用弁３６の移動距離が所定の距離（移動距離の最大値の半分）より小さいとき、マスク部材８２の外壁は、凹部３０ａを形成する側壁面と当接している。従って、区画用弁３６の排気弁３４側においては、凹部３０ａ内と凹部３０ａ外との間のガスの流れは遮断される（図１０の（Ｂ）を参照。）。一方、上記移動距離が上記所定の距離より大きいとき、同外壁は、凹部３０ａを形成する側壁面と離間している。従って、区画用弁３６の排気弁３４側においても、凹部３０ａ内と凹部３０ａ外との間のガスの流れが許容される（図１０の（Ｃ）を参照。）。

これによれば、上記第２実施形態と同様に、区画用弁３６の吸気弁３２側の外周部（外周部の一部）から排気弁３４側の外周部（外周部の残余の部分）へ向かうガスの流れが凹部３０ａ内に形成される。この結果、凹部３０ａ内のガスを十分に排出することができる。

（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１０は、区画用弁３６が凹部内に向けて（上方に）移動することにより凹部の開口部が開かれるように構成されている点及び区画用弁３６の排気弁３４側の外周部と凹部の開口部の縁部との間に形成される空隙を通過するガスの流れを遮断するマスク部材を備えている点において第１実施形態に係る内燃機関１０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が備えるシリンダヘッド部３０には、図１１に示したように、第１実施形態の凹部３０ａに代わる凹部８３が形成されている。凹部８３は、シリンダ２１の中心軸と同軸の小径円筒状空間及び大径円筒状空間からなる。小径円筒状空間を形成する側壁面の下端部は、シリンダヘッド部３０の下面に開口している。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。

更に、この内燃機関１０が備える区画用弁３６は、第１実施形態の傘部３６ｃに代わる傘部８４を備えている。傘部８４は、頂部と底面とを有する略円錐状の部材である。傘部８４の底面の径は、凹部８３の開口部の径（小径円筒状空間を形成する側壁面の下端部の径）と略同じである。傘部８４は、柄部３６ａの中心軸と同軸となるとともに、傘部８４の頂部が柄部３６ａの下端部と接するように柄部３６ａの下端部に固定されている。

また、この内燃機関１０が備えるカム機構３７は、第１実施形態のカム３７に代わるカム８５を備えている。カム８５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８５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８５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８５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８５の回転軸に対して径方向に突出している。カム８５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、クランク角がＢＴＤＣ３０°からＡＴＤＣ１０°まで変化する期間（クランク軸２４が４０°（カム８５が２０°）回転する期間）においては、カム８５のカム山部の頂部が区画用弁３６の柄部３６ａの上端部と当接する。従って、この期間において、カム機構３７は区画用弁３６を下方に押し下げる。これにより、区画用弁３６の傘部８４が、凹部８３の小径円筒状空間を形成する側壁面に当接し、凹部８３の開口部が区画用弁３６により閉じられる。即ち、燃焼室２５を構成する１つの空間は、ピストン２２の頂面に接しないピストン非隣接空間２５ａとピストン２２の頂面に接するピストン隣接空間２５ｂとからなる独立した２つの密閉空間に区画される。

一方、クランク角がＡＴＤＣ１０°からＢＴＤＣ３０°まで変化する期間（クランク軸２４が６８０°（カム８５が３４０°）回転する期間）においては、カム８５のベースサークル部が区画用弁３６の柄部３６ａの上端部と当接する。従って、この期間において、区画用弁３６はスプリングＳＧにより上方に引き戻され、凹部８３内に向けて（上方に）移動する。これにより、区画用弁３６の傘部８４が、凹部８３の小径円筒状空間を形成する側壁面から離間し、凹部８３の開口部が区画用弁３６により開かれる。即ち、燃焼室２５は１つの空間を構成する。

このようにして、カム機構３７により、クランク角がＴＤＣとなる前の所定のタイミングにてピストン非隣接空間２５ａとピストン隣接空間２５ｂとからなる２つの密閉空間を形成するように区画用弁３６が駆動されるとともに、クランク角がＴＤＣとなった直後のタイミングにてピストン非隣接空間２５ａとピストン隣接空間２５ｂとが連通した１つの空間を形成するように区画用弁３６が駆動される。

加えて、この内燃機関１０は、マスク部材８６を備えている。

マスク部材８６は、正面視において、凹部８３の小径円筒状空間を形成する側壁面の上端部の径と同径の内径と、凹部８３の大径円筒状空間を形成する側壁面と同径の外径と、を有する半円環状の部材である。マスク部材８６は、中心が凹部８３の中心軸と一致するように、凹部８３の大径円筒状空間を形成する底面の排気弁３４側に配設・固定されている。マスク部材８６は、図１２に示したように、端部から中央部へ向かうにつれて凹部８３の中心軸方向の厚みが大きくなるとともに、中央部の厚みが区画用弁３６の軸方向の移動距離の半分となるように形成されている。

このような構成により、区画用弁３６が凹部８３の開口部を閉じているときの区画用弁３６の位置からの同区画用弁３６の移動距離が所定の距離（移動距離の最大値の半分）より小さいとき、区画用弁３６の排気弁３４側の外縁部は、マスク部材８６の内壁と当接している。従って、区画用弁３６の排気弁３４側においては、凹部８３内と凹部８３外との間のガスの流れは遮断される（図１２の（Ｂ）を参照。）。一方、上記移動距離が上記所定の距離より大きいとき、同外縁部は、マスク部材８６の内壁と離間している。従って、区画用弁３６の排気弁３４側においても、凹部８３内と凹部８３外との間のガスの流れが許容される（図１２の（Ｃ）を参照。）。

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６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ＢＴＤＣ３０°となると、上述したように、区画用弁３６がカム機構３７により駆動され、区画用弁３６により凹部８３の開口部が閉じられる（（６）を参照。）。これにより、ピストン非隣接空間２５ａとピストン隣接空間２５ｂとからなる独立した２つの密閉空間が形成される。

そして、ピストン２２が上死点位置に近づくと、上述したように、ピストン隣接空間２５ｂ内の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。その後、クランク角がＡＴＤＣ１０°となると、区画用弁３６がカム機構３７により駆動され、区画用弁３６は上方に向けて移動させられる（（７）を参照。）。

上述したように、混合ガスは、ピストン非隣接空間２５ａより先にピストン隣接空間２５ｂにて自着火して燃焼を開始する。従って、同混合ガスが燃焼を開始した直後の時点においては、ピストン隣接空間２５ｂにおける燃焼により生成されたガスの圧力により、区画用弁３６はピストン隣接空間２５ｂ（凹部８３外）からピストン非隣接空間２５ａ（凹部８３内）に向けて押されている。

従って、凹部８３内に向けて区画用弁３６を移動させることにより凹部８３の開口部を開くことにより、区画用弁３６を駆動するための力を小さくすることができる。この結果、区画用弁３６を駆動するために消費されるエネルギーを小さくすることができる。

区画用弁３６により凹部８３の開口部が開かれ始めると、ピストン隣接空間２５ｂ内における燃焼により生成された燃焼ガスが凹部８３内に流入し始める。この時点においては、区画用弁３６の移動距離が上記所定の距離より小さい。従って、上記第２実施形態と同様に、区画用弁３６の排気弁３４側にてガスの流れは遮断されている（図１２の（Ｂ）を参照。）。即ち、区画用弁３６の吸気弁３２側からのみ、燃焼ガスが流入する。

従って、区画用弁３６の排気弁３４側にてガスの流れが遮断されているために、区画用弁３６の吸気弁３２側の外周部から排気弁３４側の外周部へ向かうガスの流れが凹部８３内に形成される（図１２の（Ｂ）を参照。）。

次に、区画用弁３６が更に上方に移動すると、区画用弁３６の移動距離が上記所定の距離より大きくなる。従って、区画用弁３６の排気弁３４側においても、凹部８３内と凹部８３外との間のガスの流れが許容される。この時点においては、凹部８３内と凹部８３外との間の圧力の差は十分に小さくなっている。従って、既に形成されていたガスの流れによって区画用弁３６の吸気弁３２側の外周部からガスが凹部８３内に流入し、区画用弁３６の排気弁３４側の外周部からガスが凹部８３外へ流出するガスの流れが形成される。この結果、凹部８３内のガスを十分に排出することができる。

加えて、ピストン非隣接空間２５ａにて未燃であった混合ガス（未燃混合ガス）は、ピストン隣接空間２５ｂ内における燃焼により生成された燃焼ガスにより圧縮される。更に、同未燃混合ガスと、同燃焼ガスと、は混合する。これにより、同未燃混合ガスが加熱されるので、同未燃混合ガスは自着火して燃焼する。この結果、混合ガスの温度が変動しても燃焼室２５内のすべての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。更に、燃焼室内の混合ガスのすべてを副次的に圧縮する上記従来技術と比較して混合ガスが自着火するタイミングを制御するために区画用弁３６が駆動されるだけであるので、消費されるエネルギーを小さくすることができる。

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、凹部８３内に向けて区画用弁３６を移動することにより凹部８３の開口部を開くように構成されている。これにより、区画用弁３６を駆動するための力を小さくすることができる。この結果、区画用弁３６を駆動するために消費されるエネルギーを小さくすることができる。

（第３実施形態の変形例）
次に、第３実施形態の変形例について説明する。この変形例は、図１３に示したように、第３実施形態のマスク部材８６に代わるマスク部材８７が区画用弁３６の傘部８４の下面に配設・固定されている点のみにおいて第３実施形態と相違している。従って、以下かかる相違点について説明する。

マスク部材８７は、正面視において、凹部８３の小径円筒状空間を形成する側壁面の下端部の径と同径の外径を有する半円環状の部材である。マスク部材８７は、中心が凹部８３の中心軸と一致するように、排気弁３４側の区画用弁３６の傘部８４の下面に配設・固定されている。マスク部材８７は、図１３に示したように、端部から中央部へ向かうにつれて凹部８３の中心軸方向の厚みが大きくなるとともに、中央部の厚みが区画用弁３６の軸方向の移動距離の半分となるように形成されている。

このような構成により、区画用弁３６が凹部８３の開口部を閉じているときの区画用弁３６の位置からの同区画用弁３６の移動距離が所定の距離（移動距離の最大値の半分）より小さいとき、マスク部材８７の外壁は、凹部８３の小径円筒状空間を形成する側壁面と当接している。従って、区画用弁３６の排気弁３４側においては、凹部８３内と凹部８３外との間のガスの流れは遮断される（図１３の（Ｂ）を参照。）。一方、上記移動距離が上記所定の距離より大きいとき、同外壁は、同側壁面と離間している。従って、区画用弁３６の排気弁３４側においても、凹部８３内と凹部８３外との間のガスの流れが許容される（図１３の（Ｃ）を参照。）。

これによれば、上記第３実施形態と同様に、区画用弁３６の吸気弁３２側の外周部（外周部の一部）から排気弁３４側の外周部（外周部の残余の部分）へ向かうガスの流れが凹部８３内に形成される。この結果、凹部８３内のガスを十分に排出することができる。

（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、凹部３０ａの開口部、吸気ポート３１に連通する開口部及び排気ポート３３に連通する開口部が異なる態様により配置されたシリンダヘッド部を備え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、上記各実施形態におけるシリンダヘッド部３０に代わるシリンダヘッド部１０１を備えている。シリンダヘッド部１０１の下面を燃焼室２５側から見た図１４に示したように、シリンダヘッド部１０１の下面には、ピストン２２の頂面に向けて開口した開口部を有する凹部３０ａが形成されている。凹部３０ａは、シリンダ２１の中心軸と平行な軸を中心軸とする円筒形である。凹部３０ａの開口部は、シリンダヘッド部１０１の下面内の位置であってシリンダ２１のボアの周部に沿う位置に配置されている。

シリンダヘッド部１０１には、２つの吸気ポート３１と、１つの排気ポート１０２と、が形成されている。

吸気ポート３１は、シリンダヘッド部１０１の下面内の２箇所に円形の開口部を有するように形成されている。吸気ポート３１の開口部は、シリンダ２１のボアの周部に沿い且つ凹部３０ａの開口部に連なる位置に配置されている。シリンダヘッド部１０１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の開口部を開閉するようになっている。吸気ポート３１は、その開口部が吸気弁３２により開かれたとき燃焼室２５と連通し、その開口部が吸気弁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。

排気ポート１０２は、シリンダヘッド部１０１の下面内の１箇所に吸気ポート３１の開口部より大径の円形の開口部を有するように形成されている。排気ポート１０２の開口部は、シリンダヘッド部１０１の下面の残余の部分に配置されている。シリンダヘッド部１０１には１個の排気弁１０３が備えられている。排気弁１０３は、排気ポート１０２の開口部を開閉するようになっている。排気ポート１０２は、その開口部が排気弁１０３により開かれたとき燃焼室２５と連通し、その開口部が排気弁１０３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。

このような構成により、吸気ポート３１に連通する２つの開口部と、凹部３０ａの開口部と、からなる３つの開口部のうちの１つがピストン２２の中央部に対向する位置に形成された場合と比較して、排気ポート１０２に連通する開口部の面積を大きくすることができる。この結果、排気抵抗を小さくすることができるので、燃費を良好にすることができる。

このように、本発明による内燃機関の第４実施形態は、吸気ポート３１に連通する２つの開口部と、凹部３０ａの開口部と、からなる３つの円形の開口部がシリンダヘッド部１０１の下面内の位置であってシリンダ２１のボアの周部に沿い且つ連なる位置にて同シリンダヘッド部１０１の下面に形成されてなる。更に、上記第４実施形態は、シリンダヘッド部１０１の下面の残余の部分に排気ポート１０２に連通する円形の開口部が形成されてなる。これにより、排気ポート１０２に連通する開口部の面積を大きくすることができる。この結果、排気抵抗を小さくすることができるので、燃費を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、所定のタイミングにて区画用弁３６により凹部の開口部を開閉することによって、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。

また、上記各実施形態は、カム機構３７により区画用弁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区画用弁３６を駆動してもよい。

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。 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図である。 図１に示した内燃機関のある気筒の吸気弁、排気弁及び区画用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８に示した区画用弁が開弁するときのガスの流れを概念的に示した説明図である。 本発明の第２実施形態の変形例に係る内燃機関が備える区画用弁が開弁するときのガスの流れ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が備える区画用弁及びカム機構を模式的に示した図である。 図１１に示した区画用弁が開弁するときのガスの流れを概念的に示した説明図である。 本発明の第３実施形態の変形例に係る内燃機関が備える区画用弁が開弁するときのガスの流れ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が備える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。

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、２３…コンロッド、２４…クランク軸、２５…燃焼室、２５ａ…ピストン非隣接空間、２５ｂ…ピストン隣接空間、３０…シリンダヘッド部、３０ａ…凹部、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…区画用弁、３６ａ…柄部、３６ｂ…つば部、３６ｃ…傘部、３７…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、８１，８２…マスク部材、８３…凹部、８４…傘部、８５…カム、８６，８７…マスク部材、１０１…シリンダヘッド部、１０２…排気ポート、１０３…排気弁、ＳＧ…スプリング、ＳＰ…スプリング収容空間。

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、を備え、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にて混合ガスを形成し形成された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であって、
   前記燃焼室内にて移動することにより同燃焼室を１つの空間から前記ピストンの頂面に接しないピストン非隣接空間と前記ピストンの頂面に接するピストン隣接空間とからなる独立した２つの密閉空間に区画する区画手段と、
   圧縮行程において前記ピストン非隣接空間と前記ピストン隣接空間とからなる前記２つの密閉空間を形成するように前記区画手段を駆動するとともに、同ピストン隣接空間にて混合ガスが自着火して燃焼を開始した直後に同ピストン非隣接空間と同ピストン隣接空間とが連通した前記１つの空間を形成するように同区画手段を駆動する駆動手段と、
   を備える内燃機関。
2. 請求項１に記載の内燃機関において、
   前記シリンダヘッドの下面は、前記ピストンの頂面に向けて開口した開口部を有する凹部を含むように形成され、
   前記区画手段は、前記凹部の開口部を開閉する区画用弁である内燃機関。
3. 請求項２に記載の内燃機関であって、
   前記区画用弁は、前記凹部の開口部を形成している面に対して垂直方向に移動することにより同開口部を開閉するように構成され、
   前記区画用弁が前記凹部の開口部を閉じているときの同区画用弁の位置からの同区画用弁の移動距離が所定の距離より小さいとき、同区画用弁の外周部の一部から同外周部の残余の部分へ向かうガスの流れを同凹部内に形成するように、同残余の部分と同開口部の縁部との間に形成される空隙を通過するガスの流れを遮断するとともに、同移動距離が同所定の距離より大きいとき、同空隙を通過するガスの流れを許容するように構成されたマスク部材を備えた内燃機関。
4. 請求項２又は請求項３に記載の内燃機関において、
   前記区画用弁は、前記凹部内に向けて移動することにより同凹部の開口部を開くように構成された内燃機関。
5. 請求項２に記載の内燃機関であって、
   前記区画用弁は、前記凹部の開口部を形成している面に対して垂直方向にて前記ピストンの頂面に向けて移動することにより同開口部を開くとともに、同垂直方向にて同凹部に向けて移動することにより同開口部を閉じるように構成され、
   前記区画用弁が前記凹部の開口部を閉じているときの同区画用弁の位置からの同区画用弁の移動距離が所定の距離より小さいとき、同区画用弁の外周部の一部から同外周部の残余の部分へ向かうガスの流れを同凹部内に形成するように、同残余の部分と同開口部の縁部との間に形成される空隙を通過するガスの流れを遮断するとともに、同移動距離が同所定の距離より大きいとき、同空隙を通過するガスの流れを許容するように構成されたマスク部材を備えた内燃機関。
6. 請求項２乃至請求項５に記載の内燃機関において、
   前記凹部の開口部は、前記シリンダヘッドの下面内の位置であって前記ピストンの中央部に対向する位置にて同シリンダヘッドの下面に形成された内燃機関。
7. 請求項２乃至請求項５に記載の内燃機関において、
   前記凹部の開口部は円形であり、
   ２つの吸気ポートの各々に連通する２つの円形の開口部と、前記凹部の開口部と、が前記燃焼室を構成する前記シリンダヘッドの下面内の位置であって前記シリンダボアの周部に沿い且つ連なる位置にて同シリンダヘッドの下面に形成され、
   １つの排気ポートに連通する１つの円形の開口部が前記燃焼室を構成する前記シリンダヘッドの下面の残余の部分にて同シリンダヘッドの下面に形成された内燃機関。
   

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