エンジンの燃焼制御装置

【課題】
高圧縮比エンジンにおいて、膨張比を低下させることなく、自着火燃焼速度を緩慢にすることにより圧力上昇を緩和してノッキングの発生を防止できるエンジンの燃焼制御装置を提供する。
【解決手段】
筒内圧力が、圧縮行程における最高圧縮圧力より高く最高燃焼圧力より低い第１の筒内圧力に達したとき前記燃焼室容積の拡大を開始し、上記第１の燃焼圧力より高く前記最高燃焼圧力より低い第２の筒内圧力以上のとき前記燃焼室容積の拡大を制限する、インナピストン１７，アウタピストン１８，板ばね１９及びストッパリング２３からなる容積可変手段Ｄを備えたエンジンの燃焼制御装置。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ノッキングの発生を防止できるようにしたエンジンの燃焼制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃焼室容積が固定された従来エンジンの場合、混合気の一部で自着火が発生すると、その熱発生によって燃焼室の圧力が増加し、未燃部分が断熱圧縮され、温度が上昇して自着火し、さらに残りの未燃部分が断熱圧縮されて温度上昇する。その結果、次々と連鎖反応的に未燃部分が自着火して急激な熱発生が起こり、燃焼室内に激しい圧力振動が発生して圧力波形がのこぎり状になるノッキング現象が生じる。
【０００３】
このようなノッキングを防止する従来技術として、例えば特許文献１には、運転状態に応じて圧縮比を変化させるようにした可変圧縮比エンジンが提案されている。
【０００４】
また、特許文献２には、インナピストン２にアウタピストン３をかぶせ、両ピストンの間に、定荷重ばね特性値が最高許容燃焼圧力に設定されたさらばね１を介在させた圧力応動型容積可変ピストンが提案されている。
【０００５】
前記容積可変ピストンが組み込まれたエンジンでは、燃焼圧力が上昇し最高許容燃焼圧力に近づくと、前記さらばね１が撓み、燃焼室容積が増加し、これにより燃焼圧力が最高許容燃焼圧力に保たれる。さらに燃焼が続き、燃焼圧力が上昇しようとすると、さらばね１がさらに撓み、燃焼室容積が増加し、その結果、燃焼圧力は最高許容燃焼圧力に保たれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−１３９９９４
【特許文献２】特開平６−１７６６５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１では、運転状態に応じて圧縮比を変化させるようにしているので、ノッキングの発生を抑制できる。しかし圧縮比の変化に伴って膨張比も変化するので、熱効率が悪化するといった問題がある。
【０００８】
また特許文献２では、膨張比は変化しないが、最高燃焼圧力そのものをピストンやクランク機構の破損につながることのない、つまりエンジンの耐圧性で決定される許容最高燃焼圧力以下に抑制するようにしており、許容最高燃焼圧力を高く設定できない場合はその分熱効率が悪化する。
【０００９】
また最高燃焼圧力を許容最高燃焼圧力に抑制するためには、燃焼室容積の増加量を大きくする必要があり、従って容積可変ピストンのピストン移動量を大きくする必要があり、そのため前記さらばね等の耐久性の確保が困難という問題がある。
【００１０】
このように前記従来技術は、いずれも最高燃焼圧力を制御して、自着火そのものを防いでノッキングを防ぐか、筒内圧力を許容範囲に収めるものであるため、熱効率が悪化するという問題があった。
【００１１】
本発明は、前記従来の状況に鑑みてなされたもので、高圧縮比エンジンにおいて、膨張比を低下させることなく、自着火を遅らせることにより圧力上昇を緩和してノッキングの発生を防止できるエンジンの燃焼制御装置を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者は、自着火が生じる場合の現象を詳細に検討した結果、一部の混合気において自着火が発生しても、続いて生じる自着火の発生を遅らせることにより、つまり自着火の発生を緩慢にすることによりノッキングを抑制できることを見出して、本発明を完成した。
【００１３】
請求項１の発明は、燃焼室圧力に応じて燃焼室容積を変化させる容積可変手段を備えたエンジンの燃焼制御装置において、前記容積可変手段は、筒内圧力が、圧縮行程における最高圧縮圧力より高く最高燃焼圧力より低い第１の筒内圧力に達したとき前記燃焼室容積の拡大を開始し、上記第１の燃焼圧力より高く前記最高燃焼圧力より低い第２の筒内圧力以上のとき前記燃焼室容積の拡大を制限することを特徴としている。
【００１４】
ここで本発明における最高圧縮圧力とは、モータリング（燃焼しない運転）時の圧縮上死点圧力であり、通常は上死点前に燃焼が開始する火花点火エンジンにおける燃焼運転時の圧縮上死点圧力より低い。
【００１５】
また最高燃焼圧力とは、燃焼行程におけるシリンダ内最高圧力で、本発明エンジンにおける燃焼制御を行った状態での燃焼行程における最高圧力（Ｐmax)を意味する。
【００１６】
請求項２の発明は、請求項１に記載のエンジンの燃焼制御装置において、前記容積可変手段は、コネクチングロッドに固定された第１ピストン部材と、該第１ピストン部材に対して相対移動可能に装着された第２ピストン部材と、該第２ピストン部材のヘッド部と第１ピストン部材のヘッド部との隙間に介在されたばね部材と、前記隙間を所定値以下に制限するストッパ部材とで構成されていることを特徴としている。
【００１７】
請求項３の発明は、請求項２に記載のエンジンの燃焼制御装置において、上記容積可変手段は、容積拡大を制限した状態での最大拡大容積が、第２ピストン部材のピストン面積にピストンストロークの２パーセントを乗じた値より小さく設定されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１８】
本発明者等は、混合気の一部が自着火した場合、残りの部分については、温度上昇により化学反応が進行して自着火に限りなく近い状態になっている部分と、それほど温度上昇しておらず化学反応の進行が遅れている部分とがあり、この時点ではまだノッキング現象は生じていない点に着目した。
【００１９】
そして本発明者等は、前記混合気の一部が自着火するくらいのタイミングで、燃焼室容積を拡大すれば、小さな燃焼室容積の拡大でもって、混合気の前記化学反応の遅れている部分の温度上昇，ひいては化学反応を強く抑制でき、連鎖的な自着火を抑制して全体としての燃焼速度をより効果的に緩和できる点を見出した。
【００２０】
しかも前記一部の自着火が開始した時点で燃焼室容積を拡大した場合、所定の容積拡大後においては、それ以上の容積拡大を制限しても前記燃焼速度の緩和が実現される。そのため、ノッキングの発生を防止しつつ、容積拡大開始時圧力に関係なく最高燃焼圧力を高くすることが可能となり、それだけ熱効率が高くなる点を見出した。
【００２１】
本発明では、燃焼室圧力が増加して未燃部分が強く断熱圧縮され、化学反応が進行する時に、具体的には、筒内圧力が、最高圧縮圧力より高く、かつ最高燃焼圧力より低い第１の筒内圧力に達したとき、燃焼室容積の拡大を開始する。即ち、最高燃焼圧力をエンジンの耐圧性で決まる許容最高燃焼圧力に制御する従来技術に比較して、筒内圧力がより低い段階で燃焼室容積の拡大を開始する。
【００２２】
これにより、小さな燃焼室容積拡大でもって、混合気の前記化学反応の遅れている部分の温度上昇，ひいては化学反応の高い抑制効果が得られ、自着火後の総合的な燃焼速度をより効果的に緩和でき、ノッキングを防止できる。
【００２３】
そして本発明では、前記燃焼室容積の拡大を、筒内圧力が前記第１の筒内圧力より高く、かつ前記最高燃焼圧力より低い第２の筒内圧力に達したとき、それ以上の燃焼室容積の拡大を制限する。
【００２４】
このように燃焼室容積の拡大量を制限するので、燃焼室圧力は前記第２の筒内圧力を越えて上昇することとなり、これによりノッキングを防止しつつ、例えば筒内圧力が許容最高燃焼圧力となるように燃焼室容積を拡大する従来技術に比較して熱効率が向上する。
【００２５】
そして火花点火の場合、火炎伝播燃焼が正常に進んでいる時期から燃焼室容積を拡大する方が望ましい。また、HCCI（予混合圧縮着火）エンジンの場合は、その燃焼の前半において燃焼室容積を拡大することが望ましい。本発明に係るエンジンの燃焼制御装置は、自着火の発生自体を防止するのではなく、自着火の連鎖反応を緩慢に行うことによりノッキング現象を防ぐものである。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施例１に係る燃焼制御装置を備えたガソリンエンジンの模式構成図である。
【図２】前記エンジンのピストンの断面正面図である。
【図３】前記ピストンの断面側面図（図２のIII-III線断面図)である。
【図４】前記エンジンのばね部材の平面図である。
【図５】前記ばね部材の断面側面図(図４のV-V線断面図)である。
【図６】前記ピストンの隙間と筒内圧力との関係を説明するための図である。
【図７】前記エンジンの筒内圧力とクランク角との関係を説明するための図である。
【図８】前記エンジンのＰＶ線図である。
【図９】従来エンジンのクランク角と、熱発生率，筒内温度及び筒内圧との関係を示す特性図である。
【図１０】前記実施例エンジンの、アウタピストンが上死点付近で移動開始する場合のクランク角と、熱発生率，筒内温度及び筒内圧との関係を示す特性図である。
【図１１】前記実施例エンジンの、アウタピストンが上死点後に移動開始する場合のクランク角と、熱発生率，筒内温度及び筒内圧との関係を示す特性図である。
【図１２】本発明の実施例２による燃焼制御装置におけるピストンの隙間と筒内圧力との関係を説明するための図である。
【図１３】前記実施例２におけるエンジンの筒内圧力とクランク角との関係を説明するための図である。
【図１４】前記実施例２におけるエンジンのＰＶ線図である。
【図１５】従来エンジンのクランク角と、熱発生率，筒内温度及び筒内圧との関係を示す特性図である。
【図１６】前記実施例２に係るエンジンの、アウタピストンが上死点付近で移動開始する場合のクランク角と、熱発生率，筒内温度及び筒内圧との関係を示す特性図である。
【図１７】前記実施例２に係るエンジンの、アウタピストンが上死点後に移動開始する場合のクランク角と、熱発生率，筒内温度及び筒内圧との関係を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００２７】
図１〜図１１は本発明の実施例１によるガソリンエンジンの燃焼制御装置を説明するための図である。
【００２８】
図において、１は水冷式４サイクルガソリンエンジンであり、以下の概略構造を有する。シリンダブロック２の上合面２ｂにシリンダヘッド３が結合され、該シリンダヘッド３にヘッドカバー（図示せず）が装着されている。前記シリンダブロック２のシリンダボア２ａ内にピストン４が摺動自在に挿入され、該ピストン４はコネクチングロッド５によりクランク軸（図示せず）に連結されている。
【００２９】
前記シリンダヘッド３の下合面３ａに凹設された燃焼凹部３ｂには、吸気ポート３ｃの吸気開口３ｃ′，排気ポート３ｄの排気開口３ｄ′が開口している。前記吸気開口３ｃ′，排気開口３ｄ′はそれぞれ吸気弁６，排気弁７で開閉される。
【００３０】
前記吸気弁６，及び排気弁７は、シリンダヘッド３内に配置された動弁機構８により開閉駆動される。なお、２５は燃料を吸気ポート３ｃから吸気弁６の傘部裏面に向けて噴射供給する燃料噴射弁である。
【００３１】
前記動弁機構８は、前記排気弁７を開閉する排気動弁機構９と、前記吸気弁６を開閉する吸気動弁機構１０とを有する。
【００３２】
前記排気動弁機構９は、前記クランク軸と平行に配置された排気カム軸１１と、前記シリンダヘッド３に揺動可能に支持された排気ロッカアーム１２とを有する。前記排気カム軸１１の回転により、排気ロッカアーム１２が揺動し、排気弁７を開閉駆動する。
【００３３】
前記吸気動弁機構１０は、前記クランク軸と平行に配置された吸気カム軸１３と、前記シリンダヘッド３に揺動可能に支持された揺動カム１４と、該揺動カム１４と前記吸気弁６の上端部との間に配置され、ロッカ軸１５ａにより揺動可能に支持された吸気ロッカアーム１５とを有する。前記ロッカ軸１５ａには、コントローラ１６が偏心ピン１６ａを介して揺動可能に連結されている。該コントローラ１６のローラ１６ｂは、上記揺動カム１４のカム面１４ａ及び吸気ロッカアーム１５の押圧面１５ｂに転接している。
【００３４】
前記コントローラ１６は、前記ロッカ軸１５ａの回動角度に応じて、前後進し、前記ローラ１６ｂの前記カム面１４ａ及び押圧面１５ｂとの相対位置が変化する。前記コントローラ１６を図１に示す前端位置に前進させると吸気弁６の開期間及びリフト量が最大となり、図示右方に後退させるほど前記開期間及びリフト量が小さくなる。
【００３５】
前記吸気カム軸１３の回転により、前記揺動カム１４が揺動し、これのカム面１４ａにより前記コントローラ１６が揺動駆動され、該コントローラ１６の揺動により前記吸気ロッカアーム１５が前記吸気弁６を開閉駆動する。
【００３６】
そして前記ロッカ軸１５ａの回動角度に応じて、前記コントローラ１６のローラ１６ｂと前記揺動カム１４のカム面１４ａとの相対位置が変化し、これにより、吸気弁６の開期間及びリフト量を連続的に変化させることができる。このように吸気弁６の開期間，リフト量を、略ゼロから最大まで連続的に変化可能なっているので、吸気通路を開閉するスロットルバルブは不要となっている。
【００３７】
前記ピストン４は、前記コネクチングロッド５の小端部５ａに連結されたインナピストン（第１ピストン部材）１７と、該インナピストン１７に対してシリンダボア軸線方向に相対移動可能に被せるように装着されたアウタピストン（第２ピストン部材）１８と、該アウタピストン１８と前記インナピストン１７との隙間ｅに介在された板ばね（ばね部材）１９と、前記隙間ｅの最大寸法を規制するストッパリング（ストッパ部材）２３とを有する。
【００３８】
前記インナピストン１７，アウタピストン１８，板ばね１９及びストッパリング２３により、前記アウタピストン１８のシリンダボア軸線方向の移動量を筒内圧力により制御し、もって燃焼凹部３ｂ，アウタピストン１８の上面及びシリンダボア２ａで囲まれた燃焼室の容積を可変制御する容積可変手段Ｄが構成されている。
【００３９】
前記インナピストン１７は、燃焼圧力をクランク軸に伝達するためのものであり、例えばアルミ合金からなる鋳造品である。そして前記インナピストン１７は、ヘッド部１７ａと、該ヘッド部１７ａの外周縁から下方に延びるように一体形成されたスカート部１７ｂと、ヘッド部１７ａの下面から下方に延びるように一体形成された一対の．ピンボス部１７ｃ，１７ｃとを有する。
【００４０】
前記ヘッド部１７ａの上面は平坦面をなすように形成され、中央部には前記コネクチングロッド５の小端部５ａとの干渉を回避する開口１７ｅが形成されている。
【００４１】
前記ピンボス部１７ｃ，１７ｃにはピン孔１７ｄが貫通するように形成されている。このピン孔１７ｄに挿入されたピストンピン２０により前記コネクチングロッド５の小端部５ａがインナピストン１７に連結されている。なお、２１はピストンピン２０の抜け止め用の止め輪である。
【００４２】
前記アウタピストン１８は、例えばアルミニューム合金からなる鋳造品である。そして前記アウタピストン１８は、円盤状をなすヘッド部１８ａと、該ヘッド部１８ａの外周縁から円筒状をなすように一体形成されたスカート部１８ｂとを有する。前記ヘッド部１８ａの上面及び下面は平坦面をなすように形成されており、またヘッド部１８ａの外周縁にはピストンリングが装着されるリング溝１８ｃが凹設されている。
【００４３】
前記板ばね１９は、例えばステンレス鋼板製で、円形をなしており、複数の波部１９ａが同心円をなすように形成されている。また前記板ばね１９の中央部分は波部のない平坦部１９ｂとなっている。前記板ばね１９は、所定の初期荷重（予圧）を作用させた状態で前記インナピストン１７のヘッド部１７ａの上面１７ａ′と、前記アウタピストン１８のヘッド部１８ａの下面１８ａ′との間に挟持されている。
【００４４】
前記アウタピストン１８のスカート部１８ｂの下端部内面には、係止溝１８ｄが凹設され、該係止溝１８ｄにはＣ形リング等からなるストッパリング（ストッパ部材）２３が装着されている。このストッパリング２３は、前記板ばね１９が配置された隙間ｅの大きさを規制するためのものであり、前記板ばね１９には前記所定の初期荷重が作用している。前記ストッパリング２３は、インナピストン１７とアウタピストン１８とを前記初期荷重で圧縮した状態で前記係止溝１８ｄに装着される。
【００４５】
また、前記アウタピストン１８とインナピストン１７とは、ピン２２により連結されており、これにより前記アウタピストン１８がシリンダボア軸線回りに回転するのを防止している。
【００４６】
さらにまた前記インナピストン１７のヘッド部１７ａには、潤滑油孔２４が形成されており、シリンダブロックに取り付けられたオイルジェット（図示せず）から、該潤滑油孔２４を介して潤滑油が前記隙間ｅに噴射供給される。
【００４７】
ここで前記板ばね１９のばね特性を図６に基づいて説明する。前記アウタピストン１８に作用する燃焼圧力がエンジン１の圧縮行程における最高圧縮圧力より高く最高燃焼圧力（例えば６０bar）より低い第１の筒内圧力、例えば３５barに達すると、前記板ばね１９が弾性変形を開始し、アウタピストン１８の相対移動が、従って前記燃焼室容積の拡大が開始される。そして、上記第１の筒内圧力より高く前記最高燃焼圧力より低い第２の筒内圧力、例えば４２barが作用すると、前記相対移動が前記隙間ｅ相当量に達する。これにより前記アウタピストン１８の下面１８ａ′が板ばね１９を介して実質的にインナピストン１７の上面１７ａ′に当接し、上記以上に燃焼圧力が増加しても前記相対移動量は増加しない。このように、アウタピストン１８の、前記第２の筒内圧力以上におけるさらなる相対移動はなされず、従って前記燃焼室容積の拡大が制限される。
【００４８】
前記アウタピストン１８の実質的な相対移動可能寸法は、ピストンストロークの２％以下程度に、具体的には例えば１．０mm程度に設定されている。即ち、前記板ばね１９が１．０mm程度弾性変形してその分前記アウタピストン１８が相対移動すると、アウタピストン１８は、ばね板１９を介在させてインナピストン１７に実質的に当接し、それ以上の相対移動は不能となる。
【００４９】
上述のように、燃焼室容積が固定された従来エンジンの場合、混合気の一部で自着火が発生すると、その熱発生によって未燃部分が断熱圧縮され、温度が上昇して自着火し、さらに残りの未燃部分が断熱圧縮されて温度上昇し、その結果、次々と連鎖反応的に未燃部分が自着火し、ノッキング現象（図７，８のＮ参照）が生じる。
【００５０】
本実施例エンジン１では、図７，図８に示すように、上死点前１０°付近で火花点火ｓｐがなされ、筒内圧力が増加して未燃部分が強く断熱圧縮され、化学反応が進行する時に、具体的には、筒内圧力が、最高圧縮圧力（モータリング上死点時圧力)より高く、最高燃焼圧力(Ｐmax)より低い第１の筒内圧力３５barに達したとき、燃焼室容積の拡大が開始される。即ち、最高燃焼圧力を、エンジンの耐圧性から決まる許容最高燃焼圧力Ｐａに制御する従来技術に比較して、筒内圧力がより低い段階で燃焼室容積の拡大が開始される。
【００５１】
これにより、小さな燃焼室容積の拡大でもって、混合気の前記化学反応の遅れている部分の温度上昇，ひいては化学反応の抑制効果を高くでき、連鎖的な自着火の発生を防止して燃焼速度をより効果的に緩和できノッキングＮを防止できる（図７，図８のＡ部分参照）。
【００５２】
そして、前記燃焼室容積の拡大を、筒内圧力が前記第１の筒内圧力より高く、かつ前記最高燃焼圧力より低い第２の筒内圧力４２barに達したとき、それ以上の燃焼室容積の拡大を制限する。
【００５３】
このように燃焼室容積の拡大を制限するので、燃焼室圧力は前記第２の筒内圧力を越えて上昇することとなり、これによりノッキングを防止しつつ、例えば筒内圧力を許容最高燃焼圧力Ｐａとなるように燃焼室容積を拡大する従来技術に比較して熱効率が、図７に斜線で示す分Ｂだけ向上する。なお、本実施例はガソリンエンジンであるため、耐圧性から決まる実際の許容最高燃焼圧力は、ノッキングを生じない正常燃焼時の最高燃焼圧力Ｐmaxより十分に高い（例えば80bar）ので、燃焼室容積の拡大を制限しても問題ない。
【００５４】
図９〜図１１に基づいて、本発明のシミュレーション結果を説明する。
【００５５】
圧縮比：１４，点火時期：ＢＴＤＣ１０°，気筒あたり排気量：５００ｃｃ，シリンダホア径×ストローク：８６ｍｍ×８６ｍｍ、燃焼室容積最大拡大量：５．８ｃｃ（最大拡大時圧縮比１２．３相当）のエンジンを想定した。
【００５６】
燃焼室容積拡大機構を有しない比較例エンジンの場合、図９（ａ）に示すように、火花点火ｓｐによる火炎伝播燃焼により、熱発生の後半部分では未燃混合気の自着火ｂが発生して急激な熱発生ｃを生じる。その結果、図９（ｂ）に示すように、筒内圧ｄが８０bar付近まで急上昇し、このシミュレーションでは表せていないが、ノッキングが発生する。
【００５７】
本実施例では、図１０（ａ）に示すように、前記板ばね１９のばね特性を、筒内圧が上昇し始めるＴＤＣ付近の筒内圧３５barで燃焼室容積の拡大を開始し、筒内圧４２barでアウタピストン１８が１ｍｍ相対移動し、これ以上は拡大不能となるように構成した場合（図６参照）は、自着火燃焼の発生が効果的に抑制され、図１０（ｂ）に示すように、筒内圧ｄ′はノッキングが発生することのない６０bar付近に停まっていることが判る。
【００５８】
一方、図１１（ａ）に示すように、前記板ばね１９のばね特性の設定によって、自着火ｂが発生する直前の筒内圧力約５０bar付近で燃焼室容積の拡大を開始させると、熱発生率は少し緩慢になり、図１１（ｂ）に示すように、筒内圧ｄ′はノッキングが発生しないと考えられる７０bar以下となる。
【００５９】
また、本実施例１では、吸気弁の開期間，開閉タイミング及びリフト量を略ゼロから最大まで連続的に可変できる、いわゆるノンスロットルエンジンに本発明を適用したので、より効果的である。
【００６０】
即ち、ノンスロットルエンジンでは、吸気圧Pi＝大気圧P0 であるため、温度と圧力の関係は部分負荷と全負荷とで大きく変わることはない。そのため、未燃混合気が自着火する圧力と温度は、部分負荷も全負荷も略同等となる。その結果、前記板ばね１９のばね特性を変化させることなく、部分負荷時のノッキング抑制効果を効果的に発揮できる。ちなみに、スロットルバルブで吸気量を調節するスロットルエンジンでは、部分負荷時ほどシリンダ内吸気圧は低いが、自着火時期を支配する温度は高負荷と変わらない。従って前記板ばね１９のばね特性を、部分負荷時と全負荷時で変化させる必要がある。
【実施例２】
【００６１】
図１２〜図１７は、本発明の実施例２を説明するための図であり、本実施例２は、ＨＣＣＩ（予混合圧縮着火）エンジンに本発明を適用した場合の例である。
【００６２】
本実施例エンジンでは、前記板ばね１９のばね特性は、図１２に示すように設定されている。前記アウタピストンに作用する燃焼圧力がエンジン１の圧縮行程における最高圧縮圧力より高く、最高燃焼圧力（例えば８０bar）より低い第１の筒内圧力、例えば４０barに達すると、前記板ばねが弾性変形を開始し、アウタピストンの相対移動が、従って前記燃焼室容積の拡大が開始される。そして、上記第１の筒内圧力より高く前記最高燃焼圧力より低い第２の筒内圧力、例えば５０barが作用すると、前記相対移動が隙間０．５ｍｍに達するが、これ以上の圧力が作用しても前記燃焼室容積が前記以上に拡大することはない。
【００６３】
図１３，図１４に示すように、筒内圧力が増加して未燃部分が強く断熱圧縮され、化学反応が進行する時に、具体的には、筒内圧力が第１の筒内圧力、例えば４０bar達したとき、燃焼室容積の拡大が開始される。
【００６４】
これにより、小さな燃焼室容積の拡大でもって、混合気の前記化学反応の遅れている部分の温度上昇，ひいては化学反応を抑制効果を向上でき、連鎖的な自着火の発生を防止して燃焼速度をより効果的に緩和できノッキングＮを防止できる。
【００６５】
そして、前記燃焼室容積の拡大を、筒内圧力が、第２の筒内圧力、例えば５０barに達したとき、それ以上の燃焼室容積の拡大を制限するようにしたので、燃焼室圧力は前記第２の筒内圧力を越えて上昇する（図１３の斜線部分Ｂ参照）こととなり、これによりノッキングＮを防止しつつ、熱効率を向上できる。
【００６６】
図１５〜図１７に基づいて、本発明のシミュレーション結果を説明する。
【００６７】
圧縮比：１４，気筒あたり排気量：５００ｃｃ，シリンダホア径×ストローク：８６ｍｍ×８６ｍｍ、燃焼室容積最大拡大量：２．９ｃｃ，（最大拡大時圧縮比１３．１相当）のＨＣＣＩエンジンを想定した。
【００６８】
燃焼室容積拡大機構を有しない比較例エンジンの場合、図１５（ａ）に示すように、上死点後に燃焼室の一部で自着火ｂが始まり、続いて残りの混合気の自着火が誘発され、急激な熱発生ｃが生じる。その結果、筒内圧力ｄが８０bar付近まで急上昇して、このシミュレーションでは表せていないが、ノッキングが発生する。
【００６９】
一方、図１６（ａ）に示すように、前記板ばねのばね特性を、自着火ｂが僅かに発生し始めるＴＤＣ付近の筒内圧４０barで燃焼室容積の拡大を開始し、筒内圧５０barでアウタピストンが０．５ｍｍ相対移動し、これ以上は拡大不能となるように構成した場合（図１２参照）は、自着火燃焼の発生が効果的に抑制され、図１６（ｂ）に示すように、筒内圧はノッキングを防止可能の７０bar付近に制限されることが判る。
【００７０】
また、図１７（ａ）に示すように、前記板ばねのばね特性の設定によって、自着火ｂの発生に遅れて筒内圧力約５０bar付近で燃焼室容積の拡大を開始すると、熱発生率ｃ′は少し緩慢になり、図１７（ｂ）に示すように、筒内圧ｄ′はノッキングが発生すると考えられる８０bar以下となる。
【００７１】
なお、前記実施例では、容積可変手段が、インナピストンと、アウタピストンと、両ピストン間に介在されたばね部材とを備えたものである場合を説明したが、本発明の容積可変手段は、前記実施例に限らない。例えば、燃焼室に開口するシリンダ凹部を形成し、該シリンダ凹部内にピストンを進退可能に配置し、該ピストンを、筒内圧力が、前記第１の筒内圧力に達した時容積拡大方向に移動開始させ、前記第２の筒内圧力に達したとき前記移動を停止させるように構成しても良い。前記ピストンの移動，停止は、前記ピストンを前記実施例の如きばね部材で支持することにより実現し、あるいはピストンに油圧が作用するように構成し、該油圧を制御するようにしても良い。
【符号の説明】
【００７２】
１エンジン
３ｂ燃焼凹部
５コネクチングロッド
１７インナピストン（第１ピストン部材）
１７ａ第１ピストン部材のヘッド部
１８アウタピストン（第２ピストン部材）
１８ａ第２ピストン部材のヘッド部
１９板ばね（ばね部材）
２３ストッパリング（ストッパ部材）
Ｄ容積可変手段
ｅ隙間
Ｐmax 最高燃焼圧力
Ｐ１第１の筒内圧力
Ｐ２第２の筒内圧力

【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室圧力に応じて燃焼室容積を変化させる容積可変手段を備えたエンジンの燃焼制御装置において、
前記容積可変手段は、筒内圧力が、圧縮行程における最高圧縮圧力より高く最高燃焼圧力より低い第１の筒内圧力に達したとき前記燃焼室容積の拡大を開始し、上記第１の筒内圧力より高く前記最高燃焼圧力より低い第２の筒内圧力以上のとき前記燃焼室容積の拡大を制限する
ことを特徴とするエンジンの燃焼制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載のエンジンの燃焼制御装置において、
前記容積可変手段は、コネクチングロッドに固定された第１ピストン部材と、該第１ピストン部材に対して相対移動可能に装着された第２ピストン部材と、該第２ピストン部材のヘッド部と第１ピストン部材のヘッド部との隙間に介在されたばね部材と、前記隙間を所定値以下に制限するストッパ部材とで構成されている
ことを特徴とするエンジンの燃焼制御装置。
【請求項３】
請求項２に記載のエンジンの燃焼制御装置において、
上記容積可変手段は、容積拡大を制限した状態での最大拡大容積が、第２ピストン部材のピストン面積にピストンストロークの２パーセントを乗じた値より小さく設定されている
ことを特徴とするエンジンの燃焼制御装置。

【図１】