本発明は、燃焼室内に形成されたガソリン燃料の混合気を圧縮して自着火させることができる内燃機関に関する。

燃料をガソリンとする内燃機関の燃焼によって生成されるＮＯｘの量は、燃焼室内が高温となる燃焼期間の長さに依存し、この期間が短くなると減少することが知られている。 燃焼室内に形成された混合気を高圧縮比にて圧縮することにより同混合気を着火させる予混合圧縮自着火燃焼においては、圧縮された混合気が散在する多数の位置においてほぼ同時に着火する。 このため、自着火燃焼は、火炎の伝播により燃料が燃焼して行く火花点火燃焼より、短期間内に終了する。 従って、自着火燃焼を行う内燃機関は、火花点火燃焼を行う内燃機関より、ＮＯｘの排出量を少なくすることができる。 更に、自着火燃焼は、高圧縮比且つ超希薄空燃比での燃焼が可能であるので、燃費も改善することができる。

係る自着火燃焼は極めて短時間のうちに終了するので、燃料量が多い高負荷領域にて運転されるときに燃焼室内の圧力（筒内圧）が急激に上昇し、燃焼騒音が非常に大きくなる。 そこで、燃焼騒音が小さい軽負荷領域においては自着火燃焼運転を行い、燃焼騒音が大きくなる高負荷領域においては混合気を点火プラグが発生する火花により点火して燃焼させる火花点火燃焼運転を行う４サイクル内燃機関が開発されて来ている。 （例えば、特許文献１を参照。）。

特開２０００−６４８６３号公報（請求項１、図４）

ところで、自着火燃焼を行うように設計された内燃機関の圧縮比は、火花点火燃焼を行うように設計された内燃機関の圧縮比よりも相当に高い。 従って、自着火燃焼を行うことができる内燃機関において火花点火燃焼をそのまま行うと、負荷が大きいときにノッキングが発生してしまう。 そこで、従来の内燃機関は、火花点火燃焼運転時において吸気弁の閉弁タイミングを圧縮行程の上死点近傍にまで遅角することにより実圧縮比を低下せしめ、これによりノッキングを回避している。

しかしながら、高負荷領域で運転する場合においては多量の燃料を燃焼しなければならないから、吸気弁の閉弁タイミングを遅角するにも限度がある。 吸気弁の閉弁タイミングを遅角しすぎると、混合気量（即ち、燃料量）が減少してしまうからである。 これらのことから、従来の内燃機関は、ノッキングを十分に回避することができず、内燃機関の発生するトルクを増大できないという問題がある。 従って、本発明の目的の一つは、自着火燃焼運転を行うことによりＮＯｘの低減及び燃費の向上を達成しながら、ノッキング及び過大な騒音を発生することなく高いトルクを発生し得る内燃機関を提供することにある。

上記目的を達成する本発明の内燃機関は、
内燃機関のピストンの頂面、シリンダのボア壁面及びシリンダヘッドの下面により画定される燃焼室内にガソリン燃料を噴射する燃料噴射手段と、
前記内燃機関が軽負荷領域にて運転されるとき、前記燃焼室内に吸入された空気と前記燃料噴射手段から噴射された燃料とを予め混合して同燃料の空間的分布が一様な均質混合気を形成しながら圧縮することにより同燃料を自着火燃焼させる予混合圧縮自着火燃焼運転実行手段と、
を備えた内燃機関であって、
前記内燃機関が前記軽負荷領域よりも負荷が大きい高負荷領域にて運転されるとき、前記自着火燃焼に代え、前記燃焼室内に吸入された空気を同燃焼室内にて圧縮し、同圧縮された空気の中に前記燃料噴射手段から燃料を噴射することにより同燃料を拡散燃焼させる拡散燃焼運転実行手段を備えた内燃機関である。

これによれば、内燃機関が軽負荷領域にて運転されるとき、燃料の空間的分布が一様な均質混合気が形成且つ圧縮され、これにより、燃料が自着火する均質自着火燃焼による運転が行われる。 従って、前記内燃機関はＮｏｘの排出量を低減することができる。 一方、前記内燃機関が前記軽負荷領域よりも負荷が大きい高負荷領域にて運転されるとき、圧縮された空気の中に燃料が噴射され、これにより拡散燃焼による運転が行われる。 拡散燃焼による運転は火花点火燃焼による運転よりもノッキングが発生し難いので、吸気弁の閉弁タイミングを必要以上に遅角して実圧縮比を低下する必要がない。 従って、前記内燃機関は、高負荷領域にて運転されるとき、高圧縮比の下で安定した燃焼を得ることができるから、高トルクを発生することができる。 更に、ガソリンは軽油よりも気化し易いので、拡散燃焼の速度が高い。 従って、前記内燃機関は、高回転域においてより高出力を発生することができる。

前記内燃機関は、
クランク角が７２０度回転する毎に吸気、圧縮、燃焼及び排気の各行程を迎える４サイクル運転を行うように構成されるとともに、
前記空気の前記燃焼室への吸入により同燃焼室内に吸気スワールを生成するスワール生成手段と、
前記燃焼室に点火用火花を発生する火花発生手段と、
前記内燃機関が前記軽負荷領域よりも負荷が大きく前記高負荷領域よりも負荷が小さい中負荷領域にて運転されるとき、前記燃焼室内に吸入された空気と前記燃料噴射手段から噴射された燃料とを予め混合して同燃料の空間的分布が一様な均質混合気を形成しながら圧縮し、同圧縮された均質混合気を前記火花発生手段による点火用火花によって点火して同燃料を火花点火燃焼させる火花点火燃焼運転実行手段と、
を備えることができる。

これによれば、軽負荷領域においては自着火燃焼による運転、中負荷領域においては火花点火燃焼による運転、高負荷領域においては拡散燃焼による運転が行われる。 この結果、中負荷領域において自着火燃焼にて運転すると過大な音が発生し且つ中負荷領域において拡散燃焼が安定して行われ得ないような内燃機関であっても、そのような内燃機関を中負荷領域において過大な音を発生することなく火花点火燃焼により安定して運転することができる。

更に、この場合、前記予混合圧縮自着火燃焼運転実行手段は、
（１）前記内燃機関の負荷に応じた軽負荷時吸気弁開弁タイミングにて吸気弁を開弁するとともに同負荷に応じた軽負荷時吸気弁閉弁タイミングにて同吸気弁を閉弁し、
（２）前記燃焼室内に吸入される空気によるスワールが最も強くなる時期である同軽負荷時吸気弁開弁タイミングから同軽負荷時吸気弁閉弁タイミングまでの吸気行程の初期及び／又は中期に前記燃料噴射手段から前記燃料を噴射させることにより前記均質混合気を形成するように構成され得る。

これによれば、強い吸気スワールによって燃焼室全体の空気と噴射された燃料とが混合されるので、燃料の空間的分布が一様な均質混合気が確実に形成される。 その結果、Ｎｏｘの排出量を低減し、熱効率（燃費）の向上を図ることができる。

また、前記火花点火燃焼運転実行手段は、
（１）前記内燃機関の負荷に応じた中負荷時吸気弁開弁タイミング（例えば、前記軽負荷時吸気弁開弁タイミングよりも進角側のタイミング）にて前記吸気弁を開弁するとともに同負荷に応じた吸気弁閉弁タイミングであって前記軽負荷時吸気弁閉弁タイミングよりも遅角側の中負荷時吸気弁閉弁タイミングにて同吸気弁を閉弁し、
（２）前記燃焼室内に吸入された空気によるスワールが最も強くなる時期である同中負荷時吸気弁開弁タイミングから同中負荷時吸気弁閉弁タイミングまでの吸気行程の初期及び／又は中期に前記燃料噴射手段から前記燃料を噴射させることにより前記均質混合気を形成するように構成され得る。

これによれば、吸気弁閉弁タイミングが遅角側に設定されることにより実圧縮比が低減され、且つ、吸気スワールの攪拌作用が利用されることにより燃料の空間的分布が一様な均質混合気が形成されるので、ノッキングの発生が回避されるとともに安定した火花点火燃焼運転を行うことができる。

更に、前記拡散燃焼運転実行手段は、
（１）前記内燃機関の負荷に応じた高負荷時吸気弁開弁タイミングにて前記吸気弁を開弁するとともに同負荷に応じた吸気弁閉弁タイミングであって前記中負荷時吸気弁閉弁タイミングよりも進角側の高負荷時吸気弁閉弁タイミングにて同吸気弁を閉弁し、
（２）同高負荷時吸気弁閉弁タイミングよりも遅角側であって圧縮上死点近傍のタイミングにて前記燃料噴射手段から前記燃料を噴射させるように構成され得る。

これによれば、吸気弁閉弁タイミングが火花点火燃焼運転時の中負荷時吸気弁閉弁タイミングよりも進角側に設定されるので、実圧縮比が大きく低下することがない。 また、燃料は拡散燃焼せしめられる。 この結果、高圧縮比の下で安定した燃焼を得ることができるので、内燃機関の発生トルクを向上することができる。

この場合、
前記ピストンは同ピストンの頂面の中央部に形成されたキャビティを備え、
前記燃料噴射手段は前記キャビティに向けて前記燃料を噴射するように構成され、
更に、
前記内燃機関が前記軽負荷領域よりも負荷が小さい極軽負荷領域にて運転されるとき、前記内燃機関の負荷に応じた極軽負荷時吸気弁開弁タイミングにて前記吸気弁を開弁するとともに同負荷に応じた極軽負荷時吸気弁閉弁タイミングにて同吸気弁を閉弁し、同極軽負荷時吸気弁閉弁タイミングより遅角側で圧縮上死点までの圧縮行程の中期に前記燃料噴射手段から前記燃料を噴射して同噴射された燃料を前記キャビティに実質的に滞留せしめ、同キャビティ内にて均質混合気を形成しながら圧縮することにより同燃料を自着火燃焼させる成層自着火燃焼運転実行手段を備えることが好適である。

これによれば、極軽負荷運転時であって燃料量が少ないときであっても、キャビティ内に自着火に十分な濃度の混合気を確実に形成できるので、安定した自着火燃焼を行うことができる。 この結果、自着火運転を行うことができる運転領域をより軽負荷の領域まで拡大できるので、Ｎｏｘの排出量をより低減し、燃費を一層向上することができる。

更に、前記内燃機関は、
前記燃焼室内の圧力である筒内圧を検出する筒内圧検出手段と、
前記予混合圧縮自着火燃焼運転実行手段による自着火燃焼運転を実行している場合、１回の燃焼に対する圧縮行程開始から燃焼行程終了まで前記検出された筒内圧を平均化した筒内圧平均値を求めるとともに、過去複数回の燃焼に対する同筒内圧平均値を平均化した平均筒内圧平均値を求め、今回の燃焼に対する筒内圧平均値と同平均筒内圧平均値との差の絶対値に基づく値が所定値より大きくなったとき前記成層自着火燃焼運転実行手段による自着火燃焼運転を実行するように運転を切り換える運転切換手段と、
を備えることが好適である。

これによれば、予混合圧縮自着火燃焼運転実行手段による自着火燃焼が不安定な状態となったか否かが、「今回の燃焼に対する筒内圧平均値Ｐｉ」と「過去複数回の燃焼に対する筒内圧平均値の平均である平均筒内圧平均値Ｐｉave」との差の絶対値（｜Ｐｉ−Ｐｉave｜）に基づく値ΔＰが所定値より大きくなったか否かにより判定される。 そして、前記差の絶対値に基づく値ΔＰが前記所定値より大きくなったことにより、予混合圧縮自着火燃焼運転実行手段による自着火燃焼が不安定な状態となったと判定されると、予混合圧縮自着火燃焼運転実行手段による自着火燃焼運転から成層自着火燃焼運転実行手段による自着火燃焼運転に運転が切り換えられる。 従って、内燃機関の運転状態が不安定になってトルク変動等が生じる事態を回避することができる。

なお、前記差の絶対値に基づく値ΔＰは、前記差の絶対値（｜Ｐｉ−Ｐｉave｜）を前記平均筒内圧平均値Ｐｉaveで除した値とすることが好適である。

更に、前記内燃機関は、
前記燃焼室内の圧力である筒内圧を検出する筒内圧検出手段と、
前記予混合圧縮自着火燃焼運転実行手段による自着火燃焼運転を実行している場合、前記検出される筒内圧に基づいて筒内圧の単位時間又は単位クランク角あたりの変化量である筒内圧変化率を求めるとともに、同求められた筒内圧変化率が所定変化率より大きくなったとき前記火花点火燃焼運転実行手段による火花点火燃焼運転を実行するように運転を切り換える運転切換手段と、
を備えることが好適である。

これによれば、均質混合気の予混合圧縮自着火燃焼に伴う騒音が過大となったか否かが、筒内圧変化率が所定変化率より大きくなったか否かにより判定される。 そして、筒内圧変化率が所定変化率より大きくなって均質混合気の予混合圧縮自着火燃焼に伴う騒音が過大となったと判定されると、予混合圧縮自着火燃焼運転実行手段による自着火燃焼運転から火花点火燃焼運転実行手段による火花点火燃焼運転に運転が切り換えられる。 従って、騒音が過大となる事態を回避することができる。

更に、前記内燃機関は、
ノッキングを検出するノッキング検出手段と、
前記火花点火燃焼運転実行手段による火花点火燃焼運転を実行している場合、前記検出されるノッキングに基づいてノッキングの発生頻度を求めるとともに、同ノッキングの発生頻度が所定頻度より大きくなったとき前記拡散燃焼運転実行手段による拡散燃焼運転を実行するように運転を切り換える運転切換手段と、
を備えることが好適である。

これによれば、ノッキングの頻度が過大となる前に火花点火燃焼運転実行手段による火花点火燃焼運転から拡散燃焼運転実行手段による拡散燃焼運転に運転が切り換えられる。 従って、ノッキングの過度な発生を回避することができる。 なお、ノッキング検出手段は、筒内圧センサにより検出された筒内圧の変化に基づいてノッキングの発生を検出するものであってもよく、或いは、内燃機関の振動を検出するタイプの周知のノッキングセンサを用いていてノッキングを検出するものであってもよい。

更に、上述したキャビティをピストン頂面に備えた内燃機関において、
前記キャビティは、有底の略円筒状であって同キャビティの入り口を形成する縁部の径が同キャビティ内部の最大径よりも小さくなるように形成されるとともに、前記吸気スワールを同キャビティ内に導入するためのスワール案内溝が同キャビティの外周部に形成されていることが好適である。

これによれば、燃焼室に吸入される空気により発生するシリンダのボア壁面に沿うスワール流を、スワール案内溝によってキャビティ内に効率的に取り込むことができる。 従って、吸気スワールの旋回半径が小さくなるのでスワール流を強めることができる。

この結果、成層自着火燃焼運転実行手段による運転時において、実質的にキャビティ内のみに（均質な）混合気を容易に形成できるので、Ｎｏｘの発生を抑制することができる。 また、予混合圧縮自着火燃焼運転実行手段による均質混合気の自着火燃焼時及び火花点火燃焼運転実行手段による均質混合気の火花点火燃焼時に、キャビティ外に形成される混合気をキャビティ内に効率的に取り込むことができるので、キャビティ内に燃焼室全体の空気を利用した均質混合気を形成することができる。 従って、Ｎｏｘの発生を抑制するとともに熱効率（燃費）の向上を図ることができる。 更に、拡散燃焼運転実行手段による拡散燃焼時には、キャビティ内に生じる強いスワール流により燃料滴と空気（酸素）とのミキシングを促進できるので、拡散燃焼中の空気利用率を高めることができる。 その結果、内燃機関の熱効率を向上することができる。 更に、燃料滴周りに多量の酸素を存在させることができるので、スモークの発生を抑制することができる。

また、前記火花発生手段は、前記キャビティの内周部に前記点火用火花を発生する火花発生部を備えるように配置された点火プラグであり、
更に、前記内燃機関は、
前記内燃機関の始動時及び／又は同内燃機関の冷間時、所定の始動冷間時吸気弁開弁タイミングにて前記吸気弁を開弁するとともに所定の始動冷間時吸気弁閉弁タイミングにて同吸気弁を閉弁し、同始動冷間時吸気弁閉弁タイミングより遅角側で圧縮上死点までの圧縮行程の後期に前記燃料噴射手段から前記燃料を噴射させることにより同噴射された燃料を前記キャビティに実質的に滞留せしめて同キャビティ内に成層混合気を形成し、同形成された成層混合気を前記火花発生手段による点火用火花によって点火させて同燃料を火花点火燃焼させる始動冷間時成層火花点火燃焼運転実行手段を備えることが好適である。

内燃機関の始動時又は冷間時においては、混合気の温度が上昇し難いので、自着火燃焼が不安定になり易い。 そこで、上記構成のように、吸気弁の閉弁後であって圧縮上死点までの圧縮行程の後期に燃料噴射手段から燃料を噴射させることにより同燃料をキャビティに実質的に滞留せしめ、キャビティに生成されているスワールによってキャビティの内周部に成層混合気を形成しておき、その成層混合気をキャビティの内周部に火花発生部を備えた点火プラグにより点火させる。 このようにすれば、内燃機関の始動性が向上し、或いは、冷間時に安定した燃焼を得ることができる。

一方、前記内燃機関において、
前記キャビティは、有底の略円筒状であって同キャビティの入り口を形成する縁部の径が同キャビティ内部の最大径よりも小さくなるように形成されるとともに、前記吸気スワールを同キャビティ内に導入するためのスワール案内溝が同キャビティの外周部に形成され、
前記点火プラグは、前記スワール案内溝に沿うように配置されることができる。

これによれば、点火プラグをスワール案内溝に配置できるので、点火プラグの火花発生部をキャビティの内周部に容易に配置することができる。

更に、前記キャビティの壁面に断熱層が形成されることが好適である。

これによれば、キャビティ内に残留する燃焼ガスが冷却し難くなるので、自着火燃焼に供される混合気の温度を高い温度にすることができ、自着火燃焼を安定して行うことが可能となる。 更に、キャビティに向けて噴射される燃料の気化を促進することができるので、拡散燃焼時において発生するスモークの量を低減することができる。

更に、本発明による内燃機関は過給機を備え、
前記予混合圧縮自着火燃焼運転実行手段、前記火花点火燃焼運転実行手段及び前記拡散燃焼運転実行手段のそれぞれは、
（１）前記吸気弁を開弁する前に前記排気弁を閉弁して同排気弁の閉弁タイミングから同吸気弁の開弁タイミングまでの期間である負のオーバーラップ期間を発生せしめるとともに、
（２）前記内燃機関の負荷が大きくなるほど同負のオーバーラップ期間が短くなるように同排気弁の閉弁タイミング及び同吸気弁の開弁タイミングを制御するように構成されることが好適である。

同様に、本発明による内燃機関は過給機を備え、
前記成層自着火燃焼運転実行手段、前記予混合圧縮自着火燃焼運転実行手段、前記火花点火燃焼運転実行手段及び前記拡散燃焼運転実行手段のそれぞれは、
（１）前記吸気弁を開弁する前に前記排気弁を閉弁して同排気弁の閉弁タイミングから同吸気弁の開弁タイミングまでの期間である負のオーバーラップ期間を発生せしめるとともに、
（２）前記内燃機関の負荷が大きくなるほど同負のオーバーラップ期間が短くなるように同排気弁の閉弁タイミング及び同吸気弁の開弁タイミングを制御するように構成されることが好適である。

これらによれば、燃焼ガスを燃焼室内に封じこめた状態となる所謂「負のオーバーラップ期間（負のバルブオーバーラップ期間）」が設けられ、しかも、その負のオーバーラップ期間は内燃機関の負荷が大きくなるほど短くなるように設定される。 従って、軽負荷領域の負荷又は同負荷より小さい負荷の領域で内燃機関が運転される場合には、負のオーバーラップ期間により燃焼室内に導入される空気量が制御され得る。 また、軽負荷領域の負荷よりも大きな負荷の領域で内燃機関が運転される場合には、過給機による過給と負のオーバーラップ期間とにより燃焼室内に導入される空気量が制御され得る。 この結果、内燃機関の吸気通路に配設されるスロットルバルブを略全開に維持することが可能となるので、スロットルバルブの絞りによるエネルギー損失が低減され、内燃機関の燃費を改善することができる。

また、前記内燃機関において、
前記燃料噴射手段は、
燃料の噴射角を狭角としながら噴射する第１噴射状態と、同燃料の噴射角を同狭角及び同狭角よりも角度の大きい広角としながら噴射する第２噴射状態との何れかの状態にて同燃料を噴射し得るように構成され、
前記成層自着火燃焼運転実行手段は、前記燃料を前記燃料噴射手段から前記第１噴射状態にて噴射せしめるように構成され、
前記予混合圧縮自着火燃焼運転実行手段、前記火花点火燃焼運転実行手段及び前記拡散燃焼運転実行手段のそれぞれは、前記燃料を前記燃料噴射手段から前記第２噴射状態にて噴射せしめるように構成されることが好適である。

前述したように、成層自着火燃焼運転実行手段により混合気を自着火燃焼させる場合の燃料噴射時期は、圧縮行程中期である。 従って、燃料が噴射されるタイミングにおいては、燃料噴射手段とキャビティが形成されているピストン頂面との距離が比較的大きい。 このため、上記構成のように、成層自着火燃焼運転実行手段により混合気を自着火燃焼させる場合、燃料を頂角が狭角の円錐形状（コーン状）に噴射することにより、噴射された燃料をピストン頂面に形成されたキャビティ内に確実に導入することができる。 この結果、自着火燃焼に寄与しないキャビティ外の燃料の量を低減することができるので、未燃ＨＣの発生を抑制することができるとともに、燃費を向上することができる。

更に、上記構成によれば、予混合圧縮自着火燃焼運転時及び火花点火燃焼運転時においては、スワールが最も強くなる時期である吸気行程の初期及び／又は中期において、燃料は頂角が狭角及び広角の円錐形状（コーン状）に噴射される。 従って、噴射された燃料は燃焼室全体に行き渡り、且つ、強いスワール流に乗って燃焼室内にて攪拌される。 従って、燃焼室内に存在する全空気が均質混合気の形成に利用されるので、Ｎｏｘの排出量をより低減し、熱効率（燃費）の向上を図ることができる。

この場合、
前記燃料噴射手段は、ニードルが低リフト状態及び高リフト状態の何れの状態にあるときにも開かれて燃料を噴射する狭角噴射孔群と、同ニードルが同高リフト状態にあるときにのみ開かれて燃料を噴射する広角噴射孔群と、を備えた燃料噴射弁であり、
前記成層自着火燃焼運転実行手段は、前記ニードルを前記低リフト状態とすることにより前記燃料を前記第１噴射状態にて噴射せしめるように構成され、
前記予混合圧縮自着火燃焼運転実行手段、前記火花点火燃焼運転実行手段及び前記拡散燃焼運転実行手段のそれぞれは、前記ニードルを前記高リフト状態とすることにより前記燃料を前記第２噴射状態にて噴射せしめるように構成されることが好適である。

これによれば、簡単な構成により、各運転状態に応じた上述の噴射状態にて燃料を噴射することができる。 また、燃料噴射弁の燃料噴射量のダイナミックレンヂ（燃料噴射量の最小量と最大量との差）を大きくすることが容易に可能となるので、高負荷時においても十分な量の燃料を噴射することができる。

このような燃料噴射弁を備えた内燃機関において、
前記燃料噴射弁は前記狭角噴射孔よりも前記広角噴射孔を多く備え、前記広角噴射孔の径は前記狭角噴射孔の径よりも小さく形成され、
更に、
前記内燃機関の負荷が大きくなるほど前記燃料噴射弁から噴射される燃料の圧力を大きくする燃料噴射圧力調整手段を備えることが好適である。

これによれば、以下の利点がある。
（１）極軽負荷時（成層自着火燃焼運転実行手段による運転時）には、径が相対的に大きな狭角噴射孔から燃料が噴射され、且つ、噴射される燃料の圧力が比較的小さいため、燃料滴の粒径が大きくなる。 従って、燃料をキャビティ内に確実に到達させることができる。
（２）軽負荷時〜中負荷時（予混合圧縮自着火燃焼運転実行手段及び火花点火燃焼運転実行手段による運転時）には、燃料が狭角噴射孔からのみでなく広角噴射孔からも噴射される。 この結果、広角噴射孔から噴射されることにより粒径が小さく広角に噴射された燃料滴と狭角噴射孔から噴射されることにより粒径が大きく狭角に噴射された燃料滴とにより、燃焼室内の空気と燃料とが十分に混合される。 これにより、燃焼室内に存在する全空気が均質混合気の形成に利用されるようになるので、Ｎｏｘの排出量をより低減し、熱効率（燃費）の向上を図ることができる。
（３）高負荷時（拡散燃焼運転時）には、燃料が狭角噴射孔からのみでなく広角噴射孔からも噴射される。 また、噴射される燃料の圧力が比較的大きい。 従って、広角噴射孔から噴射される燃料の粒径が小さくなるので、その燃料滴と空気（酸素）とが十分にミキシングされる。 この結果、内燃機関の熱効率を向上することができる。 更に、燃料滴周りに多量の酸素を存在させることができるので、スモークの発生を効果的に抑制することができる。

一方、前記内燃機関は、
クランク角が３６０度回転する毎に、前記燃焼室と同燃焼室内に吸気スワールを生成するように構成された吸気ポートとを遮断した状態にて同燃焼室と排気ポートとを連通して排気行程を開始し、次いで同燃焼室と同吸気ポートとを連通して掃気行程を開始し、次いで同燃焼室と同排気ポートとを遮断して吸気行程を開始し、次いで同燃焼室と同吸気ポートとを遮断して圧縮行程を開始した後に同状態にて燃焼行程を迎える２サイクル運転を行うように構成され得る。

このような２サイクル内燃機関は、高温の燃焼ガスを次の燃焼に供される混合気の温度を上昇させるために直ちに利用することができるので、自着火燃焼を安定して行うことが可能となる。 従って、自着火燃焼運転を行う運転領域をより低負荷側の領域にまで拡大できるので、ＮＯｘの排出量を少なくし、且つ、燃費を改善することができる。

この場合、前記内燃機関は、
前記内燃機関が前記軽負荷領域よりも負荷が小さい極軽負荷領域にて運転されるとき、前記圧縮行程の中期に前記燃料噴射手段から前記燃料を噴射して同噴射された燃料を前記キャビティに実質的に滞留せしめ、同キャビティ内にて均質混合気を形成しながら圧縮することにより同燃料を自着火燃焼させる成層自着火燃焼運転実行手段を備えることが好適である。

これによれば、極軽負荷運転時であって燃料量が少ないときであっても、キャビティ内に自着火に十分な濃度の混合気を確実に形成できるので、安定した自着火燃焼を行うことができる。 この結果、自着火運転を行うことができる運転領域をより軽負荷の領域まで拡大できるので、Ｎｏｘの排出量をより低減し、燃費を一層向上することができる。

更に、この場合、
前記予混合圧縮自着火燃焼運転実行手段は、
前記燃焼室と前記吸気ポートとが連通されてから遮断されるまでの期間において同燃焼室内に吸入される空気によるスワールが最も強くなる時期に前記燃料噴射手段から前記燃料を噴射することにより前記均質混合気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、強い吸気スワールによって燃焼室全体の空気と噴射された燃料とが混合されるので、燃料の空間的分布が一様な均質混合気が形成される。 その結果、Ｎｏｘの排出量を低減し、熱効率（燃費）の向上を図ることができる。

更に、前記拡散燃焼運転実行手段は、
前記圧縮行程であって上死点近傍のタイミングにて前記燃料噴射手段から前記燃料を噴射して前記燃料を拡散燃焼させるとともに、同拡散燃焼運転が行われる前記高負荷領域において火花点火燃焼を行ったと仮定したときにノッキングの過度の発生を回避するように設定される前記燃焼室と前記吸気ポートとの遮断を行うタイミングよりも進角側のタイミングにて、同燃焼室と同吸気ポートとの遮断を行うように構成されることが好適である。

これによれば、燃焼室と吸気ポートとの遮断タイミングが、火花点火燃焼を行ったと仮定したときにノッキングの過度の発生を回避するように設定される燃焼室と吸気ポートとの遮断を行うタイミングよりも進角側のタイミングとなるので、実圧縮比が大きく低下することがない。 また、燃料は拡散燃焼により燃焼せしめられる。 この結果、高圧縮比の下で安定した燃焼を得ることができるので、内燃機関の発生トルクを向上することができる。

本発明による内燃機関の他の態様は、
クランク角が３６０度回転する毎に、前記燃焼室と同燃焼室内に吸気スワールを生成するように構成された吸気ポートとを遮断した状態にて同燃焼室と排気ポートとを連通して排気行程を開始し、次いで同燃焼室と同吸気ポートとを連通して掃気行程を開始し、次いで同燃焼室と同排気ポートとを遮断し且つ同燃焼室と同吸気ポートとを遮断して圧縮行程を開始した後に同状態にて燃焼行程を迎える２サイクル運転を行うように構成されるとともに、
前記内燃機関が前記軽負荷領域よりも負荷が小さい極軽負荷領域にて運転されるとき、前記圧縮行程の中期の極軽負荷時噴射タイミングにて前記燃料噴射手段から前記燃料を噴射して同噴射された燃料を前記キャビティに実質的に滞留せしめ、同キャビティ内にて均質混合気を形成しながら圧縮することにより同燃料を自着火燃焼させる成層自着火燃焼運転実行手段と、
前記吸気ポートを介して前記燃焼室に流入する空気を圧縮する過給機と、
を備えた内燃機関である。

更に、
前記ピストンは、同ピストンの頂面の中央部に形成されたキャビティを備え、
前記燃料噴射手段は、前記シリンダヘッドの下面であって前記シリンダのボアの略中央部に配置され且つ前記キャビティに向けて前記燃料を噴射する燃料噴射弁であり、
前記排気ポートは、その一端が前記シリンダヘッドの下面であって前記燃料噴射弁の周囲に形成された開口部を構成するとともに、同開口部が同開口部に配設された排気弁により開かれることにより前記燃焼室と連通させられ且つ同排気弁により閉じられることにより同燃焼室と遮断させられるように構成され、
前記吸気ポートは、その一端が前記シリンダのボア壁面に形成された開口部を構成するとともに、同開口部が前記ピストンが上死点から下死点に向けて移動する際に同ピストンの側壁により開かれることにより前記燃焼室と連通させられ且つ同ピストンが下死点から上死点に向けて移動する際に同ピストンの側壁により閉じられることにより同燃焼室と遮断させられるように構成される。 つまり、この内燃機関は、所謂「ユニフロー型の２サイクル内燃機関」である。

このようなユニフロー型の２サイクル内燃機関において、
前記予混合圧縮自着火燃焼運転実行手段は、前記極軽負荷時噴射タイミングよりも進角側の軽負荷時噴射タイミングにて前記燃料噴射手段から前記燃料を噴射することにより前記均質混合気を形成するように構成され、
前記拡散燃焼運転実行手段は、前記極軽負荷時噴射タイミングよりも遅角側の上死点近傍のタイミングであって前記圧縮行程中のタイミングである高負荷時噴射タイミングにて前記燃料噴射手段から前記燃料を噴射して前記燃料を拡散燃焼させるように構成されることが好適である。

このようなユニフロー型の２サイクル内燃機関は、高温の燃焼ガスを次の燃焼に供される混合気の温度を上昇させるために直ちに利用することができるので、自着火燃焼を安定して行うことが可能となる。 従って、自着火燃焼運転を行う運転領域をより低負荷側の領域にまで拡大できる。 この結果、実用領域において自着火燃焼運転することができるので、内燃機関のＮＯｘの排出量を少なくし、且つ、燃費を改善することができる。

更に、吸気弁及び排気弁をシリンダヘッドに備えた通常の内燃機関は、負荷が大きくなるに従って吸気弁閉弁タイミングが遅角側に移行するので、高負荷領域において実行程容積（実圧縮行程容積）が低下してしまうのに対し、このユニフロー型の２サイクル内燃機関は、そのような実行程容積の低下を招かず、実圧縮比を高く維持することができる。 この結果、前記内燃機関は、大きな最大トルクを発生することができる。

加えて、高負荷領域において、過給機による過給と拡散燃焼とを行うことにより、ノッキングを伴わない安定な燃焼を維持することができる。 この結果、前記内燃機関は、大きな最大トルクを発生することができる。

＜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つつ説明する。 図１は、本発明の第１実施形態に係る内燃機関１０の概略構成を示している。 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。

この内燃機関１０は、クランク角が７２０度回転する毎に吸気、圧縮、燃焼及び排気の各行程を迎える４サイクル運転を行うように構成されたピストン往復動型４サイクル内燃機関である。 内燃機関１０に使用される燃料はガソリンである。

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（燃焼ガス）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、中空円筒状のシリンダ２１、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、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。

シリンダヘッド部３０は、燃焼室２５に接続された吸気ポート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に接続された排気ポート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、点火プラグ３５、点火プラグ３５に与える高電圧を発生させるイグニッションコイルを含むイグナイタ３６、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）３７、燃料の蓄圧室を含む燃料圧力調整手段３８ａ及び燃料ポンプ３８ｂ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３９に接続されている。

吸気ポート３１は、周知のスワールポート（又はヘリカルポート）であって、吸気ポート３１及び吸気弁３２の周囲を介して燃焼室２５に流入する空気により、燃焼室２５内にシリンダ２１のボア壁面に沿う吸気スワール（横スワール）を形成するようになっている。 即ち、吸気ポート３１はスワール生成手段を構成している。

点火プラグ３５及びイグナイタ３６は、燃焼室２５に点火用火花を発生する火花発生手段を構成している。

燃料圧力調整手段３８ａは、内燃機関１０の負荷が増大するほど圧力が高くなる高圧燃料を燃料噴射弁３７に供給するようになっている。 燃料ポンプ３８ｂは、図示しない燃料タンク内の燃料を燃料圧力調整手段３８ａへ圧送するようになっている。

吸気系統４０は、吸気ポート３１に連通し同吸気ポート３１とともに吸気通路を形成するインテークマニホールドを含む吸気管４１、吸気管４１に連通したサージタンク４２、サージタンク４２に一端が接続された吸気ダクト４３、吸気ダクト４３の他端部から下流（吸気管４１）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、ターボチャージャ８１のコンプレッサ８１ａ、バイパス流量調整弁（ＡＢＶ）４５、インタークーラ４６及びスロットルバルブ４７を備えている。

吸気系統４０は、更に、バイパス通路４８を備えている。 バイパス通路４８の一端はバイパス流量調整弁４５と接続され、他端はインタークーラ４６とスロットルバルブ４７の間の位置にて吸気ダクト４３に接続されている。 バイパス流量調整弁４５は、駆動信号に応答して図示しないバルブ開度を変更することにより、インタークーラ４６へ流入する空気量とインタークーラ４６をバイパスする空気量（バイパス通路４８へ流入する空気量）とを調整できるようになっている。

インタークーラ４６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４６は、インタークーラ４６内の冷却水の熱を大気中に放出するラジエタ４６ａと、インタークーラ４６とラジエタ４６ａの間で冷却水を循環させる循環ポンプ４６ｂと、に接続されている。

スロットルバルブ４７は吸気ダクト４３に回転可能に支持され、スロットルバルブアクチュエータ４７ａ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に配設されたターボチャージャ（過給機、過給手段）８１のタービン８１ｂ、タービン８１ｂをバイパスするように両端が同タービン８１ｂの上流及び下流において排気管５１に連通されたウェストゲート通路５２、ウェストゲート通路５２に配設された過給圧調整弁５２ａ及びタービン８１ｂの下流の排気管５１に配設された三元触媒装置５３を備えている。

ターボチャージャ８１のタービン８１ｂは排ガスのエネルギーにより回転し、これにより吸気系統４０のコンプレッサ８１ａが回転して空気を圧縮する。 この結果、ターボチャージャ８１は、吸気通路の空気を圧縮して燃焼室２５に空気を過給するようになっている。

ここで、燃焼室２５及び燃焼室２５に関連する部分の構造について、図２及び図３を参照しながら詳述する。 図２は燃焼室２５及び燃焼室２５に関連する部分をシリンダ２１の軸線を通る平面にて切断した断面図、図３はピストン２２の頂面の正面図である。

シリンダヘッド部３０の下面３０ａは、図２に示したように、所謂ペントルーフ型燃焼室を構成するシリンダヘッド下面と同様な形状となっている。 図３に示したように、一つの気筒（燃焼室２５）には、二つの吸気弁３２と二つの排気弁３４とが配設されている。 即ち、内燃機関１０は、所謂「４バルブエンジン」である。

ピストン２２の頂面２２ａの周部は、図２に示したように、シリンダヘッド下面３０ａに沿うように傾斜している。 ピストン２２の頂面２２ａの中央にはキャビティ（凹部）２２ｂが形成されている。 キャビティ２２ｂは有底の略円筒形状をなしている。 キャビティ２２ｂの入り口を形成する縁部の径は、キャビティ２２ｂの内部の最大径よりも小さくなっている。 キャビティ２２ｂの壁面（表面）には、チタン或いはセラミックからなる断熱層（ピストン２２を構成する材質（例えば、アルミニウム）より熱伝達率が小さい材質からなる層）２２ｃが形成されている。

更に、キャビティ２２ｂの外周部には、図２及び図３に示したように、燃焼室２５に流入する空気により形成される吸気スワールをキャビティ２２ｂ内に導入するためのスワール案内溝２２ｄが複数箇所（本例では３箇所）に形成されている。 スワール案内溝２２ｄを構成する面は傾斜している。 この傾斜面の角度は、スワール案内溝２２ｄの幅（ピストン２２の頂面２２ａの中心からスワール案内溝２２ｄの外周までの距離）が小さくなるに従って、ピストン２２の頂面２２ａに沿った角度からピストン２２の頂面２２ａに対して略垂直な角度に向けて次第に増加している。

また、スワール案内溝２２ｄの一つは、図３に示したように、ピストン２２の頂面２２ａの正面視において、その案内溝開始位置Ｓｔが一つの吸気弁３２に対向する位置に形成され、その案内溝終了位置Ｅｎが他の一つの吸気弁３２に対向する位置に形成されている。 このスワール案内溝２２ｄを便宜上「特定スワール案内溝」と称呼する。

点火プラグ３５は、二つの吸気ポート３１（従って、二つの吸気弁３２）の間に配置され、キャビティ２２ｂの内周部（キャビティ２２ｂの内側の周部）に点火用火花を発生する火花発生部３５ａを備えるように配置された突き出しプラグである。 点火プラグ３５の先端部近傍（火花発生部３５ａの近傍）は、ピストン２２が上死点近傍位置に到達したとき、前述した特定スワール案内溝に沿うように（特定スワール案内溝を構成する傾斜面と平行な角度で同傾斜面に沿うように）配置されている。

燃料噴射弁３７は、その噴孔がシリンダヘッド下面３０ａであって燃焼室２５の中心位置に露呈し、且つ、ピストン２２のキャビティ２２ｂに向けてガソリン燃料を噴射するように、シリンダヘッド部３０に配設されている。

燃料噴射弁３７は、その先端部の縦断面図である図４及び先端部の正面図である図５に示したように、ノズルボディ３７ａとニードル３７ｂと図示しない二つのソレノイドを含む電磁機構（リフト量制御手段）とを備えたインジェクタである。

ノズルボディ３７ａは、略円筒状であって、先端に向うにつれて径が小さくなっている。 ノズルボディ３７ａの先端部は、半球状になっている。 ノズルボディ３７ａの内部には、ニードル３７ｂを収容する空間が形成されている。 この空間は、大径部３７ａ１と小径部３７ａ２とを含んでいる。 大径部３７ａ１は、中空円筒状であってノズルボディ３７ａの基端側に位置している。 小径部３７ａ２は、大径部３７ａ１の径よりも小さい径を有する中空円筒状である。 小径部３７ａ２は、大径部３７ａ１からノズルボディ３７ａの先端部に向けて延設されている。 小径部３７ａ２の頂部は、円錐形状となっている。

ノズルボディ３７ａの半球状の先端部には、複数（本例では４個）の狭角噴射孔３７ｃと、複数（本例では８個）の広角噴射孔３７ｄが形成されている。 広角噴射孔３７ｄの数は、狭角噴射孔３７ｃの数よりも多い。 複数の狭角噴射孔３７ｃを狭角噴射孔群と称呼し、複数の広角噴射孔３７ｄを広角噴射孔群と称呼する。

狭角噴射孔３７ｃは、ノズルボディ３７ａの最先端近傍において同ノズルボディ３７ａに放射状に形成されている。 複数の狭角噴射孔３７ｃは、互いに等距離を隔てて配列されている。 各狭角噴射孔３７ｃの軸線とノズルボディ３７ａの軸線とのなす角度はθ１である。

広角噴射孔３７ｄは、狭角噴射孔３７ｃよりもノズルボディ３７ａの基端側において同ノズルボディ３７ａに放射状に形成されている。 複数の広角噴射孔３７ｄは、互いに等距離を隔てて配列されている。 各広角噴射孔３７ｄの軸線とノズルボディ３７ａの軸線とのなす角度はθ２である。 角度θ２は角度θ１より大きい。 広角噴射孔３７ｄの径は、狭角噴射孔３７ｃの径より小さい。

ニードル３７ｂは、円筒状の基部３７ｂ１と円筒状の先端部３７ｂ２とを含んでいる。 基部３７ｂ１の径は大径部３７ａ１の径より僅かだけ小さい。 基部３７ｂ１は大径部３７ａ１に収容されている。 先端部３７ｂ２の径は小径部３７ａ２の径よりも僅かだけ小さい。 従って、先端部３７ｂ２の径は基部３７ｂ１の径よりも小さい。 先端部３７ｂ２は、基部３７ｂ１からニードル３７ｂの先端側に突出するように形成され、小径部３７ａ２に収容されている。

ニードル３７ｂの先端部３７ｂ２の頂部は円錐台状である。 ニードル３７ｂがリフトされていないとき、この円錐台状の頂面（上面）の周部（縁部）は、ノズルボディ３７ａの小径部３７ａ２の円錐状頂部をなす内壁面に当接するようになっている。 これにより、ニードル３７ｂがリフトされていないとき、ニードル３７ｂの先端部３７ｂ２の頂面とノズルボディ３７ａの小径部３７ａ２の円錐状頂部との間に密閉空間Ｓが形成される。

ニードル３７ｂには、軸線に沿った細径の燃料通路３７ｂ３が、図示しない基部３７ｂ１側の燃料供給部とニードル３７ｂの先端部３７ｂ２の頂面とを連通するように形成されている。 従って、ニードル３７ｂがリフトされていないとき、燃料通路３７ｂ３の先端側開口は、前述した密閉空間Ｓのみに臨んでいる。 狭角噴射孔３７ｃは、この密閉空間Ｓよりも外側に形成されている。 従って、ニードル３７ｂがリフトされていないとき、密閉空間Ｓと狭角噴射孔３７ｃとは遮断されている。

ニードル３７ｂは、図示しない第１のソレノイドが通電されたとき、図４に破線により示した位置ＬＬまで移動するようになっている。 即ち、ニードル３７ｂのリフト量は低リフト量となる。 これにより、燃料通路３７ｂ３及び密閉空間Ｓと狭角噴射孔３７ｃとが連通する。 一方、燃料通路３７ｂ３及び密閉空間Ｓと広角噴射孔３７ｄとは遮断されている。 この結果、燃料通路３７ｂ３を介して密閉空間Ｓに供給される燃料は、狭角噴射孔３７ｃのみから噴射される。 即ち、ニードル３７ｂのリフト量が低リフト量となると、燃料の噴射角を狭角としながら噴射する第１噴射状態が実現される。

ニードル３７ｂは、図示しない第１のソレノイド及び第２のソレノイドの両者が通電されたとき、図４に二点鎖線により示した位置ＨＬまで移動するようになっている。 位置ＨＬは、位置ＬＬよりもノズルボディ３７ａの基端側の位置である。 即ち、ニードル３７ｂのリフト量は高リフト量となる。 これにより、燃料通路３７ｂ３及び密閉空間Ｓと狭角噴射孔３７ｃとが連通するとともに、燃料通路３７ｂ３及び密閉空間Ｓと広角噴射孔３７ｄとが連通する。 この結果、燃料通路３７ｂ３を介して密閉空間Ｓに供給される燃料は、狭角噴射孔３７ｃ及び広角噴射孔３７ｄから噴射される。 即ち、ニードル３７ｂのリフト量が高リフト量となると、燃料の噴射角を狭角及び同狭角よりも角度の大きい広角としながら噴射する第２噴射状態が実現される。

再び図１を参照すると、この内燃機関１０は、エアフローメータ６１、クランクポジションセンサ６２、筒内圧検出手段としての筒内圧センサ６３、冷却水温センサ６４、アクセル開度センサ６５及び電気制御装置７０を含んでいる。

エアフローメータ６１は吸入された空気量を表す信号を出力するようになっている。 クランクポジションセンサ６２は、クランク軸２４が１０°回転する毎に幅狭のパルスを有するとともに同クランク軸２４が３６０°回転する毎に幅広のパルスを有する信号を出力するようになっている。 この信号は、エンジン回転速度ＮＥを表す。 筒内圧センサ６３は、燃焼室２５内の圧力（筒内圧）Ｐを表す信号を出力するようになっている。 冷却水温センサ６４は、内燃機関１０の冷却水の温度ＴＨＷを表す信号を出力するようになっている。 アクセル開度センサ６５は、運転者によって操作されるアクセルペダル６６の操作量Accpを表す信号を出力するようになっている。

電気制御装置７０は、互いにバスで接続された所定のプログラムを実行するＣＰＵ７１と、ＣＰＵ７１が実行するプログラム、テーブル（ルックアップテーブル、マップ）及び定数等を予め記憶したＲＯＭ７２と、ＣＰＵ７１が必要に応じてデータを一時的に格納するＲＡＭ７３と、電源が投入された状態でデータを格納するとともに同格納されたデータを電源が遮断されている間も保持するバックアップＲＡＭ７４と、ＡＤコンバータを含むインターフェース７５と、等からなるマイクロコンピュータである。

インターフェース７５は、上記センサ６１〜６５と接続され、ＣＰＵ７１にセンサ６１〜６５からの信号を供給するとともに、同ＣＰＵ７１の指示に応じてイグナイタ３６、燃料噴射弁３７、燃料圧力調整手段３８ａ、燃料ポンプ３８ｂ、駆動回路３９、スロットルバルブアクチュエータ４７ａ、バイパス流量調整弁４５及び過給圧調整弁５２ａに駆動信号を送出するようになっている。

この内燃機関１０は、図６に示したように、成層自着火燃焼運転実行手段Ｆ１、予混合圧縮自着火燃焼運転実行手段Ｆ２、火花点火燃焼運転実行手段Ｆ３、拡散燃焼運転実行手段Ｆ４、始動冷間時成層火花点火燃焼運転実行手段Ｆ５及び運転切換手段Ｇ１等の手段を含んでいる。 これらの手段の機能は、電気制御装置７０のＣＰＵ７１が所定のプログラムを実行することにより達成される。 従って、以下、ＣＰＵ７１が実行する各種の動作を上記各手段が行うものとして説明する。

運転切換手段Ｇ１は、図７に示した運転領域マップをＲＯＭ７２に記憶している。 運転切換手段Ｇ１は、内燃機関１０の負荷とエンジン回転速度ＮＥと運転領域マップに基づいて運転領域を決定し、その決定した運転領域に従った運転方式にて運転を行う。 内燃機関１０の負荷は、アクセルペダル６６の操作量Accpとエンジン回転速度ＮＥとに基づいて決定される要求トルクTqtgtであってもよく、単にアクセルペダル６６の操作量Accpであってもよい。

図７に示した運転領域マップによれば、所定の大きさの第１負荷より小さい負荷の領域である極軽負荷領域は成層自着火燃焼運転領域、第１負荷より大きく且つ同第１負荷より大きい第２負荷より小さい負荷の領域である軽負荷領域は均質自着火燃焼運転領域、第２負荷より大きく且つ同第２負荷より大きい第３負荷より小さい負荷の領域である中負荷領域は均質火花点火燃焼運転領域、第３負荷より大きい負荷の領域である高負荷領域は拡散燃焼運転領域であると定められる。

（内燃機関１０が前記極軽負荷領域にて運転されるとき）
従って、内燃機関１０が前記極軽負荷領域にて運転されるとき、運転切換手段Ｇ１は運転領域マップに従って成層自着火燃焼運転実行手段Ｆ１を選択する。 これにより、内燃機関１０は成層自着火燃焼運転実行手段Ｆ１によって運転される。

成層自着火燃焼運転実行手段Ｆ１は、キャビティ２２ｂ内のみに均質混合気を形成し（即ち、燃焼室２５全体として成層混合気を形成し）、その混合気を圧縮することにより燃料を自着火燃焼させる。 より具体的に述べると、成層自着火燃焼運転実行手段Ｆ１は、以下に述べる作動を順に実行して内燃機関１０の運転を行う（図８の（Ａ）を参照。）。

（１）燃焼行程において、内燃機関１０の負荷に応じた極軽負荷時排気弁開弁タイミングＥＯにて排気弁３４を開弁する。 これにより、燃焼行程が終了し排気行程が開始する。
（２）内燃機関１０の負荷に応じた極軽負荷時排気弁閉弁タイミングＥＣにて排気弁３４を閉弁する。 これにより、排気行程が終了し、負のオーバーラップ期間が開始する。

（３）内燃機関１０の負荷に応じた極軽負荷時吸気弁開弁タイミングＩＯにて吸気弁３２を開弁する。 これにより、負のオーバーラップ期間が終了し、吸気行程が開始する。
（４）内燃機関１０の負荷に応じた極軽負荷時吸気弁閉弁タイミングＩＣにて吸気弁３２を閉弁する。 これにより、吸気行程が終了し、圧縮行程が開始する。

（５）極軽負荷時吸気弁閉弁タイミングＩＣより遅角側で圧縮上死点ＴＤＣまでの圧縮行程の中期のタイミングθinjにて、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所定量の燃料を燃料噴射弁３７から噴射する。 この場合に噴射される燃料の総量は、空燃比を超希薄空燃比とする量である。 更に、この場合、成層自着火燃焼運転実行手段Ｆ１は、燃料噴射弁３７のニードルのリフト量が低リフト量となるように、燃料噴射弁３７の第１のソレノイドのみを通電する。

これにより、噴射された燃料は、図９に示したように、キャビティ２２ｂ内に実質的に滞留せしめられるので、実質的にキャビティ２２ｂ内のみに均質混合気が形成される。 そして、その混合気が圧縮され、燃料が自着火燃焼する燃焼行程が開始する。

従って、燃料量が少ない極軽負荷運転時であっても、キャビティ２２ｂ内に自着火に十分な濃度の混合気を確実に形成できるので、安定した自着火燃焼を行うことができる。 この結果、自着火運転を行うことができる運転領域をより軽負荷の領域まで拡大でき、そのような軽負荷領域にて火花点火燃焼運転を行わなくてもよいから、Ｎｏｘの排出量をより低減し、燃費を一層向上することができる。

また、キャビティ２２ｂは、有底の略円筒状であって同キャビティの入り口を形成する縁部の径が同キャビティ内部の最大径よりも小さくなるように形成されるとともに、燃焼室２５に吸入される空気により発生するシリンダのボア壁面に沿う吸気スワールをキャビティ２２ｂ内に導入するためのスワール案内溝２２ｄがキャビティ２２ｂの外周部に形成されているから、スワール流をスワール案内溝２２ｄによってキャビティ２２ｂ内に効率的に取り込むことができる。

従って、吸気スワールの旋回半径が小さくなるのでスワール流を強めることができる。 この結果、実質的にキャビティ２２ｂ内のみに混合気を容易に形成できるので、Ｎｏｘの発生を抑制することができる。

一方、燃料は、噴射角を狭角としながら噴射する第１噴射状態にて噴射される。 他方、燃料が噴射される圧縮行程中期においては、燃料噴射弁３７とキャビティ２２ｂが形成されているピストン２２の頂面との距離が比較的大きい。 このため、上記構成のように、燃料を頂角が狭角の円錐形状（コーン状）に噴射することにより、噴射された燃料をキャビティ２２ｂ内に確実に導入し及び滞留させることができる。

更に、狭角噴射孔３７ｃの径は広角噴射孔３７ｄの径より大きく、且つ、狭角噴射孔３７ｃの数は広角噴射孔３７ｄの数より少ない。 更に、内燃機関負荷が小さいので、燃料圧力調整手段３８ａによる燃料圧力は比較的小さい。 従って、狭角噴射孔３７ｃから噴射される燃料滴の径が相対的に大きくなるので、燃料をキャビティ２２ｂ内に確実に到達させることができる。 この結果、自着火燃焼に寄与しないキャビティ２２ｂ外の燃料の量を低減することができるので、未燃ＨＣの発生を抑制することができるとともに、燃費を向上することができる。

（内燃機関１０が前記軽負荷領域にて運転されるとき）
内燃機関１０が前記軽負荷領域にて運転されるとき、運転切換手段Ｇ１は運転領域マップに従って予混合圧縮自着火燃焼運転実行手段Ｆ２を選択する。 これにより、内燃機関１０は予混合圧縮自着火燃焼運転実行手段Ｆ２によって運転される。

予混合圧縮自着火燃焼運転実行手段Ｆ２は、燃焼室２５内に吸入された空気と燃料噴射弁３７から噴射された燃料とを予め混合して燃焼室２５内に同燃料の空間的分布が一様な均質混合気を形成しながら圧縮することにより同燃料を自着火燃焼させる。 より具体的に述べると、予混合圧縮自着火燃焼運転実行手段Ｆ２は、以下に述べる作動を順に実行して内燃機関１０の運転を行う（図８の（Ｂ）を参照。）。

（１）燃焼行程において、内燃機関１０の負荷に応じた軽負荷時排気弁開弁タイミングＥＯにて排気弁３４を開弁する。 これにより、燃焼行程が終了し排気行程が開始する。
（２）内燃機関１０の負荷に応じた軽負荷時排気弁閉弁タイミングＥＣにて排気弁３４を閉弁する。 これにより、排気行程が終了し、負のオーバーラップ期間が開始する。 軽負荷時排気弁閉弁タイミングＥＣは、極軽負荷時排気弁閉弁タイミングＥＣよりも遅角側に設定される。
（３）微量fsの燃料を排気上死点近傍のタイミングθinj１にて燃料噴射弁３７から噴射する。
（４）内燃機関１０の負荷に応じた軽負荷時吸気弁開弁タイミングＩＯにて吸気弁３２を開弁する。 これにより、負のオーバーラップ期間が終了し、吸気行程が開始する。 軽負荷時吸気弁開弁タイミングＩＯは、極軽負荷時吸気弁開弁タイミングＩＯよりも進角側に設定される。

（５）燃焼室２５内に吸入される空気による吸気スワールが最も強くなる時期、即ち、軽負荷時吸気弁開弁タイミングＩＯから後述する軽負荷時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θinj２にて、燃料噴射弁３７から燃料を噴射する。 このとき噴射される燃料の量は、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所定量から、先に噴射された微量fs分を差し引いた量である。 なお、この場合に噴射される燃料の総量は、空燃比を超希薄空燃比とする量である。

更に、この場合、予混合圧縮自着火燃焼運転実行手段Ｆ２は、燃料噴射弁３７のニードルのリフト量が高リフト量となるように、燃料噴射弁３７の第１のソレノイド及び第２のソレノイドの両方を通電する。 これにより、図１０に示したように、燃料が噴射される。
（６）内燃機関１０の負荷に応じた軽負荷時吸気弁閉弁タイミングＩＣにて吸気弁３２を閉弁する。 これにより、吸気行程が終了し、圧縮行程が開始する。 そして、均質混合気が圧縮され、燃料が自着火燃焼する燃焼行程が開始する。

燃料噴射時期が上記のように設定されることから、強い吸気スワールによって混合気が攪拌される。 また、キャビティ２２ｂの上述した形状及びスワール案内溝２２ｄの存在により、キャビティ２２ｂ外の混合気をキャビティ２２ｂ内に効率的に取り込むことができる。 従って、燃焼室２５内に存在する全空気が均質混合気の形成に利用される。 その結果、Ｎｏｘの排出量をより低減し、熱効率（燃費）の向上を図ることができる。

一方、燃料は、スワールが最も強くなる時期である吸気行程の初期及び／又は中期において、燃料の噴射角を前記狭角及び同狭角よりも角度の大きい広角としながら噴射する第２噴射状態にて噴射される。 従って、噴射された燃料は燃焼室２５全体に行き渡り、且つ、強いスワール流に乗って燃焼室２５内にて攪拌される。 これによっても、燃焼室２５内に存在する全空気が均質混合気の形成に利用されるようになるので、Ｎｏｘの排出量をより低減し、熱効率（燃費）の向上を図ることができる。

更に、燃料は径が相対的に小さい広角噴射孔３７ｄからも噴射される。 粒径が小さく広角に噴射された燃料滴はスワール流に乗って攪拌される。 この結果、広角噴射孔３７ｄから噴射されることにより粒径が小さく広角に噴射された燃料滴と狭角噴射孔３７ｃから噴射されることにより粒径が大きく狭角に噴射された燃料滴とにより、燃焼室２５内の空気と燃料とが十分に混合される。 これによっても、燃焼室２５内に存在する全空気が均質混合気の形成に利用されるようになるので、Ｎｏｘの排出量をより低減し、熱効率（燃費）の向上を図ることができる。

（内燃機関１０が前記中負荷領域にて運転されるとき）
内燃機関１０が前記中負荷領域にて運転されるとき、運転切換手段Ｇ１は運転領域マップに従って火花点火燃焼運転実行手段Ｆ３を選択する。 これにより、内燃機関１０は火花点火燃焼運転実行手段Ｆ３によって運転される。

火花点火燃焼運転実行手段Ｆ３は、燃焼室２５内に吸入された空気と燃料噴射弁３７から噴射された燃料とを予め混合して同燃焼室２５内にて同燃料の空間的分布が一様な均質混合気を形成しながら圧縮し、同圧縮された均質混合気を火花発生手段である点火プラグ３５が発生する点火用火花によって点火して同燃料を火花点火燃焼させる。 より具体的に述べると、火花点火燃焼運転実行手段Ｆ３は、以下に述べる作動を順に実行して内燃機関１０の運転を行う（図８の（Ｃ）を参照。）。

（１）燃焼行程において、内燃機関１０の負荷に応じた中負荷時排気弁開弁タイミングＥＯにて排気弁３４を開弁する。 これにより、燃焼行程が終了し排気行程が開始する。
（２）内燃機関１０の負荷に応じた中負荷時排気弁閉弁タイミングＥＣにて排気弁３４を閉弁する。 これにより、排気行程が終了し、負のオーバーラップ期間が開始する。 中負荷時排気弁閉弁タイミングＥＣは、軽負荷時排気弁閉弁タイミングＥＣよりも遅角側に設定される。

（３）内燃機関１０の負荷に応じた中負荷時吸気弁開弁タイミングＩＯにて吸気弁３２を開弁する。 これにより、負のオーバーラップ期間が終了し、吸気行程が開始する。 中負荷時吸気弁開弁タイミングＩＯは、軽負荷時吸気弁開弁タイミングＩＯよりも進角側に設定される。

（４）燃焼室２５内に吸入される空気による吸気スワールが最も強くなる時期、即ち、中負荷時吸気弁開弁タイミングＩＯから後述する中負荷時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、燃料噴射弁３７から燃料を噴射する。 このとき噴射される燃料の量は、内燃機関１０の負荷とエンジン回転速度ＮＥとに基づいて定まり、且つ、空燃比を理論空燃比と一致させるために必要な所定量である。

更に、この場合、火花点火燃焼運転実行手段Ｆ３は、燃料噴射弁３７のニードルのリフト量が高リフト量となるように、燃料噴射弁３７の第１のソレノイド及び第２のソレノイドの両方を通電する。 これにより、図１０に示したように、燃料が噴射される。

（５）内燃機関１０の負荷に応じた中負荷時吸気弁閉弁タイミングＩＣにて吸気弁３２を閉弁する。 これにより、吸気行程が終了し、圧縮行程が開始する。 中負荷時吸気弁閉弁タイミングＩＣは、実圧縮比を低下することによりノッキングを回避するため、軽負荷時吸気弁閉弁タイミングＩＣよりも遅角側に設定される。
（６）上死点近傍の点火時期θigにて点火プラグ３５の火花発生部３５ａから点火用火花を発生させ、燃料を火花点火燃焼させる。 このとき、火花点火燃焼運転実行手段Ｆ３は、点火時期θigを、内燃機関１０の負荷とエンジン回転速度ＮＥとに基づいて決定する。 これにより、燃焼行程が開始する。

これによれば、吸気弁閉弁タイミングＩＣが遅角側に設定されることにより実圧縮比が低減されるので、ノッキングの発生が回避される。 更に、軽負荷時と同様、燃料噴射時期が上記のように設定されること、キャビティ２２ｂの上述した形状及びスワール案内溝２２ｄの存在、並びに、燃料が第２噴射状態にて噴射されることにより、キャビティ２２ｂ内外に混合気が形成され、その混合気をキャビティ２２ｂ内に効率的に取り込むことができる。 この結果、燃焼室２５内に存在する全空気がキャビティ２２ｂ内の均質混合気の形成に利用されるので、より安定した火花点火燃焼が実現され、Ｎｏｘの排出量がより低減し、熱効率（燃費）が向上される。

（内燃機関１０が前記高負荷領域にて運転されるとき）
内燃機関１０が前記高負荷領域にて運転されるとき、運転切換手段Ｇ１は運転領域マップに従って拡散燃焼運転実行手段Ｆ４を選択する。 これにより、内燃機関１０は拡散燃焼運転実行手段Ｆ４によって運転される。

拡散燃焼運転実行手段Ｆ４は、燃焼室２５内に吸入された空気を同燃焼室２５内にて圧縮し、同圧縮された空気の中に燃料噴射弁３７から燃料を噴射することにより同燃料を拡散燃焼させる。

拡散燃焼による運転は火花点火燃焼による運転よりもノッキングが発生し難いので、吸気弁３２の閉弁タイミング（吸気弁閉弁タイミングＩＣ）を必要以上に遅角して、実圧縮比を低下する必要がない。 従って、内燃機関１０は、高負荷領域にて十分な量の燃料（或いは混合気）を正常に燃焼させることができるから、高トルクを発生することができる。 更に、ガソリンは軽油よりも気化し易いので、拡散燃焼の速度が高い。 従って、内燃機関１０は、高回転域においてより高出力を発生することができる。

より具体的に述べると、拡散燃焼運転実行手段Ｆ４は、以下に述べる作動を順に実行して内燃機関１０の運転を行う（図８の（Ｄ）を参照。）。

（１）燃焼行程において、内燃機関１０の負荷に応じた高負荷時排気弁開弁タイミングＥＯにて排気弁３４を開弁する。 これにより、燃焼行程が終了し排気行程が開始する。
（２）内燃機関１０の負荷に応じた高負荷時排気弁閉弁タイミングＥＣにて排気弁３４を閉弁する。 これにより、排気行程が終了し、負のオーバーラップ期間が開始する。 高負荷時排気弁閉弁タイミングＥＣは、中負荷時排気弁閉弁タイミングＥＣよりも遅角側に設定される。

（３）内燃機関１０の負荷に応じた高負荷時吸気弁開弁タイミングＩＯにて吸気弁３２を開弁する。 これにより、負のオーバーラップ期間が終了し、吸気行程が開始する。 高負荷時吸気弁開弁タイミングＩＯは、中負荷時吸気弁開弁タイミングＩＯよりも進角側に設定される。
（４）内燃機関１０の負荷に応じた高負荷時吸気弁閉弁タイミングＩＣにて吸気弁３２を閉弁する。 これにより、吸気行程が終了し、圧縮行程が開始する。 高負荷時吸気弁閉弁タイミングＩＣは、火花点火燃焼運転時の中負荷時吸気弁閉弁タイミングＩＣよりも進角側に設定される。 拡散燃焼の場合は火花点火燃焼の場合よりノッキング発生の可能性が小さいからである。

（５）高負荷時吸気弁閉弁タイミングＩＣよりも遅角側であって圧縮上死点近傍のタイミングθinjにて燃料噴射弁３７から燃料を噴射する。 このとき噴射される燃料の量は、内燃機関１０の負荷とエンジン回転速度ＮＥとに基づいて定まり、且つ、空燃比を所定の希薄空燃比と一致させるために必要な所定量である。 更に、この場合、拡散燃焼運転実行手段Ｆ４は、燃料噴射弁３７のニードルのリフト量が高リフト量となるように、燃料噴射弁３７の第１のソレノイド及び第２のソレノイドの両方を通電する。 これにより、図１１に示したように燃料が噴射され、拡散燃焼により燃料が燃焼する燃焼行程が開始する。

これによれば、吸気弁閉弁タイミングＩＣ（高負荷時吸気弁閉弁タイミングＩＣ）が火花点火燃焼運転時の中負荷時吸気弁閉弁タイミングＩＣよりも進角側に設定されるので、実圧縮比が大きく低下することがない。 また、燃料は拡散燃焼により燃焼せしめられる。 この結果、過度のノッキングを伴うことなく、高圧縮比の下で安定した燃焼を得ることができるので、内燃機関１０の発生トルクを向上することができる。

また、キャビティ２２ｂの上述した形状及びスワール案内溝２２ｄの存在により強いスワール流が生成され、このスワール流により燃料滴と空気（酸素）とのミキシングが促進されるので、拡散燃焼中の空気利用率を高めることができる。 その結果、内燃機関１０の熱効率を向上することができる。 更に、燃料滴周りに多量の酸素を存在させることができるので、スモークの発生を抑制することができる。

更に、燃料は、狭角噴射孔３７ｃのみでなく広角噴射孔３７ｄからも噴射される。 広角噴射孔３７ｄから噴射される燃料の粒径が小さい。 従って、これによっても、燃料滴と空気（酸素）とが十分にミキシングされる。 その結果、内燃機関の熱効率を向上することができる。 更に、燃料滴周りに多量の酸素を存在させることができるので、スモークの発生を効果的に抑制することができる。

（内燃機関１０の始動時又は冷間時）
一方、内燃機関１０の始動時又は冷間時において、運転切換手段Ｇ１は始動冷間時成層火花点火燃焼運転実行手段Ｆ５を選択する。 運転切換手段Ｇ１は、例えば、図示しないイグニッション・キーがオフからオンへと変更されたとき始動時であると判定し、冷却水温センサ６４が検出した冷却水温ＴＨＷが閾値水温ＴＨＷｔｈ以下のとき冷間時であると判定する。 これにより、内燃機関１０は、始動時又は冷間時において、始動冷間時成層火花点火燃焼運転実行手段Ｆ５によって運転される。

始動冷間時成層火花点火燃焼運転実行手段Ｆ５は、キャビティ２２ｂ内にて成層混合気を形成しながら圧縮し、同圧縮された成層混合気を火花発生手段である点火プラグ３５が発生する点火用火花によって点火して燃料を火花点火燃焼させる。 より具体的に述べると、始動冷間時成層火花点火燃焼運転実行手段Ｆ５は、以下に述べる作動を順に実行して内燃機関１０の運転を行う。

（１）所定の始動冷間時吸気弁開弁タイミングＩＯにて吸気弁３２を開弁する。 これにより、吸気行程が開始する。
（２）所定の始動冷間時吸気弁閉弁タイミングＩＣにて吸気弁３２を閉弁する。 これにより、吸気行程が終了し、圧縮行程が開始する。
（３）始動冷間時吸気弁閉弁タイミングＩＣより遅角側で圧縮上死点ＴＤＣまでの圧縮行程の後期の所定噴射タイミングにて、燃料噴射弁３７から燃料を噴射する。 これにより、噴射された燃料はキャビティ２２ｂに実質的に滞留せしめられる。 また、この時点においては、キャビティ内に強いスワール流が生成されている。 従って、このスワール流により、キャビティ２２ｂ内に成層混合気が形成される。

なお、この場合に噴射される燃料の量は、冷却水温ＴＨＷ及び／又は内燃機関１０の負荷とエンジン回転速度ＮＥとに基づいて定まり、且つ、空燃比を理論空燃比と一致させるために必要な所定量である。 更に、この場合、始動冷間時成層火花点火燃焼運転実行手段Ｆ５は、燃料噴射弁３７のニードルのリフト量が低リフト量となるように、燃料噴射弁３７の第１のソレノイドのみを通電する。

（４）キャビティ２２ｂ内に形成された成層混合気を圧縮し、圧縮上死点ＴＤＣ近傍の所定点火時期にて火花発生手段である点火プラグ３５から点火用火花を発生させる。 これにより、燃料が火花点火燃焼する。 これにより、燃焼行程が開始する。
（５）所定の始動冷間時排気弁開弁タイミングＥＯにて排気弁３４を開弁する。 その結果、燃焼行程が終了し排気行程が開始する。
（６）所定の始動冷間時排気弁閉弁タイミングＥＣにて排気弁３４を閉弁する。

内燃機関１０の始動時又は冷間時においては、均質混合気の温度が上昇し難いので、自着火燃焼が不安定になり易い。 そこで、上記構成のように、吸気弁３２の閉弁後であって圧縮上死点ＴＤＣまでの圧縮行程の後期に燃料噴射弁３７から燃料を噴射させる。 これにより、燃料がキャビティ２２ｂに実質的に滞留し、キャビティ２２ｂの上述した形状及びスワール案内溝２２ｄの存在によりキャビティ２２ｂ内に形成される強い吸気スワールによってキャビティ２２ｂの内周部に成層混合気が形成される。 そして、その成層混合気をキャビティ２２ｂの内周部に火花発生部３５ａを備えた点火プラグ３５により点火させる。 この結果、内燃機関１０の始動性を向上させ、或いは、冷間時に安定した火花点火燃焼を得ることができる。

以上、説明したように、本発明の第１実施形態に係る内燃機関１０は、軽負荷領域においては自着火燃焼、中負荷領域においては火花点火燃焼、高負荷領域においては拡散燃焼による運転方式にて運転される。 この結果、中負荷領域において自着火燃焼により運転することに起因する過大な音の発生がなく、且つ、中負荷領域において拡散燃焼により運転することに起因する不安定な燃焼に伴う大きなトルク変動の発生もない。

更に、上記記内燃機関１０において、キャビティ２２ｂは、有底の略円筒状であって同キャビティ２２ｂの入り口を形成する縁部の径が同キャビティ２２ｂ内部の最大径よりも小さくなるように形成されるとともに、吸気スワールをキャビティ２２ｂ内に導入するためのスワール案内溝２２ｄがキャビティ２２ｂの外周部に形成されている。 また、点火プラグ３５は、スワール案内溝２２ｄに沿うように配置されている。

従って、点火プラグ３５（点火プラグ３５の先端部近傍）をスワール案内溝２２ｄに配置できるので、点火プラグ３５の火花発生部３５ａをキャビティ２２ｂの周辺（内部の周側）に容易に配置することができる。

更に、キャビティ２２ｂの壁面には断熱層が形成されている。 従って、キャビティ２２ｂ内に残留する燃焼ガスが冷却し難くなるので、自着火燃焼に供される混合気の温度を高い温度にすることができ、自着火燃焼を安定して行うことが可能となる。 加えて、キャビティ２２ｂに向けて噴射される燃料の気化を促進することができるので、拡散燃焼時において発生するスモークの量を低減することができる。

また、上記内燃機関１０は過給機であるターボチャージャ８１を備え、成層自着火燃焼運転実行手段Ｆ１、予混合圧縮自着火燃焼運転実行手段Ｆ２、火花点火燃焼運転実行手段Ｆ３及び拡散燃焼運転実行手段Ｆ４のそれぞれは、
（１）吸気弁３２を開弁する前に排気弁３４を閉弁して排気弁３４の閉弁タイミングから吸気弁３２の開弁タイミングまでの期間である負のオーバーラップ期間を発生せしめるとともに、
（２）内燃機関１０の負荷が大きくなるほど負のオーバーラップ期間が短くなるように排気弁３４の閉弁タイミング及び吸気弁３２の開弁タイミングを制御するように構成されている。

「負のオーバーラップ期間（負のバルブオーバーラップ期間）」においては、燃焼ガスが燃焼室２５内に封じこめられた状態となる。 その負のオーバーラップ期間は内燃機関の負荷が大きくなるほど短くなるように設定される。 従って、軽負荷領域又は極軽負荷領域で内燃機関１０が運転される場合には、負のオーバーラップ期間により燃焼室２５内に導入される空気量が制御される。

また、軽負荷領域の負荷よりも大きな負荷の領域（中負荷領域又は高負荷領域）で内燃機関が運転される場合には、過給機による過給と負のオーバーラップ期間とにより燃焼室２５内に導入される空気量が制御される。 この結果、内燃機関１０の吸気通路に配設されるスロットルバルブ４７を略全開に維持することが可能となるので、スロットルバルブ４７の絞りによるエネルギー損失が低減され、内燃機関１０の燃費を改善することができる。

更に、燃料噴射弁３７は、ニードル３７ｂが低リフト状態及び高リフト状態の何れの状態にあるときにも開かれて燃料を噴射する狭角噴射孔群と、同ニードル３７ｂが同高リフト状態にあるときにのみ開かれて燃料を噴射する広角噴射孔群と、を備えている。

従って、簡単な構成により、各運転状態に応じた上述の噴射状態（第１噴射状態又は第２噴射状態）にて燃料を噴射することができる。 また、燃料噴射弁３７のダイナミックレンヂ（燃料噴射量の最小量と最大量との差）を大きくすることが容易に可能となるので、高負荷時においても十分な量の燃料を供給することができる。

＜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。 この内燃機関は、運転切換手段Ｇ１に更に以下の機能が付加されている点のみにおいて、第１実施形態に係る内燃機関１０と相違する。 従って、以下、係る相違点を中心として説明する。

（均質予混合圧縮自着火運転から成層自着火燃焼運転への切換え）
上述したように運転切換手段Ｇ１は、図７に示した運転領域マップに従って、各運転実行手段Ｆ１〜Ｆ４を選択し、運転の切換えを行う。

更に、運転切換手段Ｇ１は、予混合圧縮自着火燃焼運転実行手段Ｆ２により均質混合気の予混合圧縮自着火燃焼運転を実行している場合、筒内圧センサ６３により検出される筒内圧Ｐを１回の燃焼に対する圧縮行程開始から燃焼行程終了まで平均化することにより筒内圧平均値Ｐｉを求める。 また、運転切換手段Ｇ１は、過去複数回の燃焼に対する筒内圧平均値Ｐｉを平均化した平均筒内圧平均値Ｐｉaveを求める。

更に、運転切換手段Ｇ１は、今回の燃焼に対する筒内圧平均値Ｐｉと平均筒内圧平均値Ｐｉaveとの差の絶対値（｜Ｐｉ−Ｐｉave｜）を平均筒内圧平均値Ｐｉaveで除すことにより、差の絶対値（｜Ｐｉ−Ｐｉave｜）に基づく値ΔＰ（ΔＰ＝｜Ｐｉ−Ｐｉave｜／Ｐｉave）を求める。 そして、運転切換手段Ｇ１は、前記差の絶対値に基づく値ΔＰが所定値Ｐｔｈより大きくなったことにより、予混合圧縮自着火燃焼運転実行手段Ｆ２による自着火燃焼が不安定な状態となったと判定すると、予混合圧縮自着火燃焼運転実行手段Ｆ２による予混合圧縮自着火運転から成層自着火燃焼運転実行手段Ｆ１による自着火燃焼運転へ運転の切換えを行う。

これによれば、予混合圧縮自着火燃焼運転実行手段Ｆ２による自着火燃焼が不安定な状態となったと判定されると、成層自着火燃焼運転実行手段Ｆ１による自着火燃焼運転へと運転が切り換えられる。 従って、内燃機関の運転状態が不安定になってトルク変動等が生じる事態を回避することができる。

（予混合圧縮自着火運転から火花点火燃焼運転への切換え）
加えて、運転切換手段Ｇ１は、予混合圧縮自着火燃焼運転実行手段Ｆ２により均質混合気の予混合圧縮自着火燃焼運転を実行している場合、筒内圧センサ６３により検出される筒内圧Ｐに基づいて筒内圧Ｐの単位時間又は単位クランク角あたりの変化量である筒内圧変化率（ｄＰ／ｄｔ又はｄＰ／ｄθ、ｔは時間、θはクランク角）を求めるとともに、求められた筒内圧変化率（ｄＰ／ｄｔ又はｄＰ／ｄθ）が所定変化率ｄＰｔｈより大きくなったとき、予混合圧縮自着火燃焼運転実行手段Ｆ２による均質混合気の予混合圧縮自着火燃焼運転から火花点火燃焼運転実行手段Ｆ３による均質混合気の火花点火燃焼運転へ運転の切換えを行う。

これによれば、均質混合気の予混合圧縮自着火燃焼に伴う騒音が過大となったか否かが、筒内圧変化率（ｄＰ／ｄｔ又はｄＰ／ｄθ）が所定変化率ｄＰｔｈより大きくなったか否かにより判定される。 そして、筒内圧変化率（ｄＰ／ｄｔ又はｄＰ／ｄθ）が所定変化率ｄＰｔｈより大きくなって均質混合気の予混合圧縮自着火燃焼に伴う騒音が過大となったと判定されると、予混合圧縮自着火燃焼運転実行手段Ｆ２による自着火燃焼運転から火花点火燃焼運転実行手段Ｆ３による火花点火燃焼運転に運転が切り換えられる。 従って、騒音が過大となる事態を回避することができる。

（均質混合気の火花点火燃焼運転から拡散燃焼運転への切換え）
加えて、運転切換手段Ｇ１は、火花点火燃焼運転実行手段Ｆ３による火花点火燃焼運転が実行されている場合、筒内圧センサ６３により検出される筒内圧Ｐに基づいてノッキングを検出する。 例えば、運転切換手段Ｇ１は、筒内圧Ｐの最大値Ｐmax近傍において、筒内圧の極小値Ｐsmallと、同極小値Ｐsmallの直後に現れる極大値Ｐlargeとの差の絶対値を筒内圧変動ΔＰｈとして検出し、この筒内圧変動ΔＰｈが所定の閾値（例えば、最大値Ｐmaxの所定数分の１）より大きいとき、ノッキングが発生したと判定する（例えば、特開２００４−１８４２２８号公報を参照。）。

そして、運転切換手段Ｇ１は、検出されるノッキングに基づいてノッキングの発生頻度（例えば、一回の燃焼に何回ノッキングが検出されたかを表す値）を求めるとともに、同ノッキングの発生頻度が所定頻度より大きくなったとき、火花点火燃焼運転実行手段Ｆ３による火花点火燃焼運転から拡散燃焼運転実行手段Ｆ４による拡散燃焼運転へ運転の切換えを行う。

これによれば、ノッキングの頻度が過大となる前に火花点火燃焼運転から拡散燃焼運転に運転が切り換えられる。 従って、ノッキングの過度な発生を回避することができる。 なお、ノッキングは、内燃機関の振動に基づいてノッキングを検出するタイプの周知のノッキングセンサを用いて検出してもよい。

＜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。 この内燃機関は、内燃機関１０と同様な構成を備えている。 ただし、この内燃機関は、クランク角が３６０度回転する毎に、燃焼室２５と同燃焼室２５内に吸気スワールを生成するように構成された吸気ポート３１とを遮断（吸気弁３２を閉弁）した状態にて燃焼室２５と排気ポート３３とを連通（排気弁３４を開弁）して排気行程を開始し、次いで同燃焼室２５と同吸気ポート３１とを連通（吸気弁３２を開弁）して掃気行程を開始し、次いで同燃焼室２５と同排気ポート３３とを遮断（排気弁３４を閉弁）して吸気行程を開始し、次いで同燃焼室２５と同吸気ポート３１とを遮断（吸気弁３２を閉弁）して圧縮行程を開始した後に同状態にて燃焼行程を迎える２サイクル運転を行う２サイクル内燃機関である。

この内燃機関９０は、図１２に示したように、成層自着火燃焼運転実行手段Ｈ１、予混合圧縮自着火燃焼運転実行手段Ｈ２、拡散燃焼運転実行手段Ｈ３及び運転切換手段Ｇ２等の手段を含んでいる。 これらの手段の機能は、電気制御装置７０のＣＰＵ７１が所定のプログラムを実行することにより達成される。 従って、以下、ＣＰＵ７１が実行する各種の動作を上記各手段が行うものとして説明する。

運転切換手段Ｇ２は、図１３に示した運転領域マップをＲＯＭ７２に記憶している。 運転切換手段Ｇ２は、内燃機関９０の負荷とエンジン回転速度ＮＥと運転領域マップに基づいて運転領域を決定し、その決定した運転領域に従った運転方式にて運転を行う。 内燃機関９０の負荷は、アクセルペダル６６の操作量Accpとエンジン回転速度ＮＥとに基づいて決定される要求トルクTqtgtであってもよく、単にアクセルペダル６６の操作量Accpであってもよい。

図１３に示した運転領域マップによれば、所定の大きさの第１負荷より小さい負荷の領域である極軽負荷領域は成層自着火燃焼運転領域、第１負荷より大きく且つ同第１負荷より大きい第３負荷より小さい負荷の領域である軽負荷領域及び中負荷領域（軽・中負荷領域）は均質自着火燃焼運転領域、第３負荷より大きい負荷の領域である高負荷領域は拡散燃焼運転領域であると定められている。

（内燃機関９０が前記極軽負荷領域にて運転されるとき）
従って、内燃機関９０が前記極軽負荷領域にて運転されるとき、運転切換手段Ｇ２は運転領域マップに従って成層自着火燃焼運転実行手段Ｈ１を選択する。 これにより、内燃機関９０は成層自着火燃焼運転実行手段Ｈ１によって運転される。

成層自着火燃焼運転実行手段Ｈ１は、実質的にキャビティ２２ｂ内のみに均質混合気を形成し（即ち、燃焼室２５全体として成層混合気を形成し）、その混合気を圧縮することにより燃料を自着火燃焼させる。 より具体的に述べると、成層自着火燃焼運転実行手段Ｈ１は、以下に述べる作動を順に実行して内燃機関９０の運転を行う（図１４の（Ａ）を参照。）。

（１）燃焼行程において、内燃機関９０の負荷に応じた極軽負荷時排気弁開弁タイミングＥＯにて排気弁３４を開弁する。 これにより、燃焼ガスが排気ポート３３を介して燃焼室２５から排出される排気行程が開始する。
（２）内燃機関９０の負荷に応じた極軽負荷時吸気弁開弁タイミングＩＯにて吸気弁３２を開弁する。 これにより、空気が吸気ポート３１を介して燃焼室２５内に流入するとともに、その空気により燃焼ガスが排気ポート３３を介して燃焼室２５から排出される掃気行程が開始する。

（３）内燃機関９０の負荷に応じた極軽負荷時排気弁閉弁タイミングＥＣにて排気弁３４を閉弁する。 これにより、掃気行程が終了し、吸気行程が開始する。
（４）内燃機関９０の負荷に応じた極軽負荷時吸気弁閉弁タイミングＩＣにて吸気弁３２を閉弁する。 これにより、圧縮行程が開始する。

（５）極軽負荷時吸気弁閉弁タイミングＩＣより遅角側で圧縮上死点ＴＤＣまでの圧縮行程の中期のタイミングθinjにて、内燃機関９０の負荷とエンジン回転速度ＮＥとに基づいて定まる所定量の燃料を燃料噴射弁３７から噴射する。 この場合に噴射される燃料の総量は、空燃比を超希薄空燃比とする量である。 更に、この場合、成層自着火燃焼運転実行手段Ｈ１は、燃料噴射弁３７のニードルのリフト量が低リフト量となるように、燃料噴射弁３７の第１のソレノイドのみを通電する。

これにより、噴射された燃料は、図９に示したように、キャビティ２２ｂ内に実質的に滞留せしめられるので、実質的にキャビティ２２ｂ内のみに均質混合気が形成される。 そして、その混合気が圧縮され、燃料が自着火燃焼する燃焼行程が開始する。

従って、燃料量が少ない極軽負荷運転時であっても、キャビティ２２ｂ内に自着火に十分な濃度の混合気を確実に形成できるので、安定した自着火燃焼を行うことができる。 この結果、自着火運転を行うことができる運転領域をより軽負荷の領域まで拡大でき、そのような軽負荷領域にて火花点火燃焼運転を行わなくてもよいから、Ｎｏｘの排出量をより低減し、燃費を一層向上することができる。

また、上述したキャビティ２２ｂの形状及びスワール案内溝２２ｄにより、吸気スワールをキャビティ２２ｂ内に効率的に取り込むことができる。 従って、吸気スワールの旋回半径が小さくなってスワール流を強めることができる。 この結果、実質的にキャビティ２２ｂ内のみに均質混合気を容易に形成できるので、Ｎｏｘの発生を抑制することができる。

一方、燃料は、噴射角を狭角としながら噴射する第１噴射状態にて噴射される。 他方、燃料が噴射される圧縮行程中期においては、燃料噴射弁３７とキャビティ２２ｂが形成されているピストン２２の頂面との距離が比較的大きい。 このため、上記構成のように、燃料を頂角が狭角の円錐形状（コーン状）に噴射することにより、噴射された燃料をキャビティ２２ｂ内に確実に導入することができる。

更に、燃料は径が大きい狭角噴射孔３７ｃから噴射されるので、噴射される燃料滴の径が相対的に大きくなる。 燃料をキャビティ２２ｂ内に確実に到達させることができる。 この結果、自着火燃焼に寄与しないキャビティ２２ｂ外の燃料の量を低減することができるので、未燃ＨＣの発生を抑制することができるとともに、燃費を向上することができる。

（内燃機関９０が前記軽・中負荷領域にて運転されるとき）
内燃機関９０が前記軽・中負荷領域にて運転されるとき、運転切換手段Ｇ２は運転領域マップに従って予混合圧縮自着火燃焼運転実行手段Ｈ２を選択する。 これにより、内燃機関９０は予混合圧縮自着火燃焼運転実行手段Ｈ２によって運転される。

予混合圧縮自着火燃焼運転実行手段Ｈ２は、燃焼室２５内に均質混合気を形成しながら圧縮することにより燃料を自着火燃焼させる。 より具体的に述べると、予混合圧縮自着火燃焼運転実行手段Ｈ２は、以下に述べる作動を順に実行して内燃機関９０の運転を行う（図１４の（Ｂ）を参照。）。

（１）燃焼行程において、内燃機関９０の負荷に応じた軽・中負荷時排気弁開弁タイミングＥＯにて排気弁３４を開弁する。 これにより、燃焼行程が終了し排気行程が開始する。
（２）内燃機関９０の負荷に応じた軽・中負荷時吸気弁開弁タイミングＩＯにて吸気弁３２を開弁する。 これにより、排気行程が終了し、掃気行程が開始する。

（３）燃焼室２５と吸気ポート３１とが連通されてから遮断されるまでの期間（吸気弁３２が開弁せしめられてから閉弁せしめられるまでの期間）において、燃焼室２５内に吸入される空気によるスワールが最も強くなるタイミングθinjにて、内燃機関９０の負荷とエンジン回転速度ＮＥとに基づいて定まる所定量の燃料を燃料噴射弁３７から噴射する。

この場合に噴射される燃料の総量は、空燃比を超希薄空燃比とする量である。 更に、この場合、予混合圧縮自着火燃焼運転実行手段Ｈ２は、燃料噴射弁３７のニードルのリフト量が高リフト量となるように、燃料噴射弁３７の第１のソレノイド及び第２のソレノイドの両方を通電する。 これにより、図１０に示したように、燃料が噴射される。

燃料噴射タイミングが上記のように設定され、及び、燃料は第２噴射状態にて噴射されるので、噴射された燃料は燃焼室２５全体に行き渡り、且つ、強いスワール流に乗って燃焼室２５内にて攪拌される。 更に、キャビティ２２ｂは、キャビティ２２ｂ外の混合気をキャビティ２２ｂ内に効率的に取り込むことができるので、燃焼室２５内に存在する全空気がキャビティ２２ｂ内の均質混合気の形成に利用される。 その結果、Ｎｏｘの排出量をより低減し、熱効率（燃費）の向上を図ることができる。

（４）内燃機関９０の負荷に応じた軽・中負荷時排気弁閉弁タイミングＥＣにて排気弁３４を閉弁する。 これにより、掃気行程が終了し、吸気行程が開始する。
（５）内燃機関９０の負荷に応じた軽・中負荷時吸気弁閉弁タイミングＩＣにて吸気弁３２を閉弁する。 これにより、吸気行程が終了し、圧縮行程が開始する。 そして、形成された均質混合気が圧縮され、燃料が自着火燃焼する燃焼行程が始まる。

（内燃機関９０が前記高負荷領域にて運転されるとき）
内燃機関９０が前記高負荷領域にて運転されるとき、運転切換手段Ｇ２は運転領域マップに従って拡散燃焼運転実行手段Ｈ３を選択する。 これにより、内燃機関９０は拡散燃焼運転実行手段Ｈ３によって運転される。

拡散燃焼運転実行手段Ｈ３は、燃焼室２５内に吸入された空気を同燃焼室２５内にて圧縮し、同圧縮された空気の中に燃料噴射弁３７から燃料を噴射することにより同燃料を拡散燃焼させる。 より具体的に述べると、拡散燃焼運転実行手段Ｈ３は、以下に述べる作動を順に実行して内燃機関９０の運転を行う（図１４の（Ｃ）を参照。）。

（１）燃焼行程において、内燃機関９０の負荷に応じた高負荷時排気弁開弁タイミングＥＯにて排気弁３４を開弁する。 これにより、上述した排気行程が開始する。
（２）内燃機関９０の負荷に応じた高負荷時吸気弁開弁タイミングＩＯにて吸気弁３２を開弁する。 これにより、上述した掃気行程が開始する。

（３）内燃機関９０の負荷に応じた高負荷時排気弁閉弁タイミングＥＣにて排気弁３４を閉弁する。 これにより、上述した吸気行程が開始する。
（４）内燃機関９０の負荷に応じた高負荷時吸気弁閉弁タイミングＩＣにて吸気弁３２を閉弁する。 これにより、上述した圧縮行程が開始する。

高負荷時吸気弁閉弁タイミングＩＣ（即ち、燃焼室２５と吸気ポート３１との遮断タイミング）は、拡散燃焼運転が行われる高負荷領域において火花点火燃焼を行ったと仮定したときにノッキングの過度の発生を回避するように設定される吸気弁閉弁タイミングよりも進角側のタイミング（即ち、軽・中負荷時吸気弁閉弁タイミングＩＣと略同時期）に設定される。 拡散燃焼の場合は火花点火燃焼の場合よりノッキング発生の可能性が小さいからである。

（５）次いで、圧縮行程であって上死点近傍の燃料噴射タイミングθinjにて燃料噴射弁３７から燃料を噴射し、その燃料を拡散燃焼させる燃焼行程を開始する。 このとき噴射される燃料の量は、内燃機関９０の負荷とエンジン回転速度ＮＥとに基づいて定まり、且つ、空燃比を所定の希薄空燃比と一致させるために必要な所定量である。 更に、この場合、拡散燃焼運転実行手段Ｈ３は、燃料噴射弁３７のニードルのリフト量が高リフト量となるように、燃料噴射弁３７の第１のソレノイド及び第２のソレノイドの両方を通電する。 これにより、図１１に示したように、燃料が噴射される。

これによれば、燃焼室２５と吸気ポート３１との遮断タイミングが、火花点火燃焼を行ったと仮定したときにノッキングの過度の発生を回避するように設定される燃焼室２５と吸気ポート３１との遮断タイミングよりも進角側のタイミングとなるので、実圧縮比が大きく低下することがない。 また、燃料は拡散燃焼により燃焼する。 この結果、過度のノッキングを伴うことなく、高圧縮比の下で安定した燃焼を得ることができるので、内燃機関９０の発生トルクを向上することができる。

＜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。 この内燃機関は、所謂ユニフロー型の２サイクル内燃機関であり、使用される燃料はガソリンである。 先ず、かかる２サイクル内燃機関の作動（運転サイクル）の概略について、図１２を参照しながら説明する。

このユニフロー型の内燃機関は、燃焼室（シリンダＣＹ）の上部に接続された排気ポートＥＸＰと、排気ポートＥＸＰを開閉する排気弁ＥＸＶと、シリンダＣＹのボア壁に一端が接続された吸気ポート（掃気ポートとも称呼される。）ＩＮＰと、燃料噴射弁ＩＮＪ、点火プラグＩＧＮ及び過給機（この場合、ターボチャージャ）Ｔ／Ｃと、を備えている。 この内燃機関は、ピストンＰＳをシリンダＣＹ内において移動させ、排気弁ＥＸＶ（排気ポートＥＸＰ）と吸気ポートＩＮＰを開閉させながら、燃料と空気との混合気を燃焼させることにより動力を取り出すようになっている。 以下、各行程について、均質混合気を自着火燃焼させる場合を例にとりながら順に説明する。

図１５の（ａ）に示したように、混合気が着火すると、混合気が燃焼を開始してシリンダＣＹ内には高圧の燃焼ガスが発生し、ピストンＰＳが上死点から下死点に向けて移動する燃焼行程（膨張行程）が開始する。

次に、ピストンＰＳが所定の位置に到達した適当なタイミングにおいて排気弁ＥＸＶが開弁させられる。 この時点において、シリンダＣＹ内の燃焼ガスの圧力は高い圧力であるから、図１５の（ｂ）に示したように、燃焼ガスは排気弁ＥＸ及び排気ポートＥＸＰを介してシリンダＣＹ外に排出される。 ピストンＰＳは下死点に向けて移動を続ける。

その後、ピストンＰＳが更に下死点に向けて移動して所定の位置に到達すると、ピストンＰＳの側壁により閉じられていた吸気ポートＩＮＰの端部（開口部、掃気口）が開かれ、これにより吸気ポートＩＮＰとシリンダＣＹとが連通する。 吸気ポートＩＮＰ内は過給機Ｔ／Ｃによって加圧されている。 従って、吸気ポートＩＮＰの開口部が開かれると、吸気ポートＩＮＰ内の空気がシリンダＣＹ内に流入し、この空気がシリンダＣＹ内の燃焼ガスを排気弁ＥＸＶに向けて押し出す。 これにより、図１５の（ｃ）に示したように、燃焼ガスは排気ポートＥＸＰを介して更に排出させられる。 即ち、掃気が開始する。

次いで、ピストンＰＳは下死点を通過し、上死点に向けて移動し始める。 この段階においても、吸気ポートＩＮＰ内の空気の圧力は高いから、図１５の（ｄ）に示したように、掃気が継続する。

その後、ピストンＰＳが上死点に向けて移動を続けて前記所定の位置に到達すると、吸気ポートＩＮＰの端部（開口部）がピストンＰＳの側壁により閉じられる。 これにより吸気ポートＩＮＰとシリンダＣＹとが遮断する。 この直前又は直後に、排気弁ＥＸＶが開弁させられる。 この時点において、図１５の（ｅ）に示したように、燃料噴射弁ＩＮＪから燃料が噴射される。

ピストンＰＳは上死点に向けて移動を続ける。 この結果、図１５の（ｆ）に示したように、均質混合気が形成されながら圧縮され、上死点近傍で自着火燃焼を開始する。 以上が、ユニフロー型２サイクル内燃機関の作動の概略である。

以下、このユニフロー型内燃機関の構成について説明する。 図１６は、内燃機関１００の概略構成を示している。 なお、図１６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１００は、シリンダブロック１１０と、シリンダブロック１１０に固定されるシリンダヘッド１２０と、吸気系統１３０と、排ガスを外部に放出するための排気系統１４０と、電気制御装置１７０とを含んでいる。 なお、以下の説明において、シリンダブロック１１０からシリンダヘッド１２０に向う方向を上方と称呼し、シリンダヘッド１２０からシリンダブロック１１０に向う方向を下方と称呼する。

シリンダブロック１１０は、中空円筒状のシリンダ１１１を形成している。 シリンダブロック１１０の内部には、ピストン１１２、コンロッド１１３及びクランク軸１１４が収容されている。 ピストン１１２はシリンダ１１１内を往復動し、ピストン１１２の往復動がコンロッド１１３を介してクランク軸１１４に伝達され、これにより同クランク軸１１４が回転するようになっている。 シリンダ１１１のボア壁面、ピストン１１２の頂面（ピストンヘッド）及びシリンダヘッド１２０の下面は、燃焼室１１５を形成している。 ピストン１１２の中央部にはキャビティ１１２ａが形成されている。 キャビティ１１２ａの形状は、キャビティ２２ｂと同様な有底の略円筒状である。

更に、シリンダブロック１１０は、一対の第１の吸気ポート１１６、一対の第２の吸気ポート１１７及び吸気サージタンク１１８を構成するとともに、一対の吸気制御弁１１９を備えている。

第１の吸気ポート１１６は、管状である。 第１の吸気ポート１１６は、その軸線がシリンダ１１１の中心軸に垂直な平面に略平行となるように形成されている。 第１の吸気ポート１１６は、概略断面図である図１７に示したように、吸気サージタンク１１８及びシリンダ１１１に接続され、シリンダ１１１のボア壁面に沿って空気をシリンダ１１１内に流入するようになっている。 これにより、第１の吸気ポート１１６は、燃焼室１１５に流入する空気により燃焼室１１５内に吸気スワールを生成するので、スワールポートと称呼される。

第１の吸気ポート１１６は、シリンダ１１１の近傍にてリブ１１６ａにより二分割されている。 これにより、シリンダ１１１のボア壁面に二つの開口部１１６ｂ，１１６ｃが形成されている。 開口部１１６ｂ，１１６ｃは、ピストン１１２が上死点から下死点に向けて（即ち、下方に）移動する際にピストン１１２の側壁により開かれる位置に設けられている。 開口部１１６ｂ，１１６ｃが開かれると、第１の吸気ポート１１６は燃焼室１１５と連通させられる。 一方、開口部１１６ｂ，１１６ｃは、ピストン１１２が下死点から上死点に向けて（即ち、上方に）移動する際にピストン１１２の側壁により閉じられる。 これにより、第１の吸気ポート１１６は燃焼室１１５と遮断させられる。

第２の吸気ポート１１７は、管状である。 第２の吸気ポート１１７は、吸気サージタンク１１８及びシリンダ１１１に接続されている。 第２の吸気ポート１１７は、シリンダ１１１の中心軸に垂直な平面に対して空気が斜め下向きにシリンダ１１１内に流入するような勾配をもって形成されている。 第２の吸気ポート１１７の軸線は、シリンダ１１１の中心軸に向っている。 第２の吸気ポート１１７は、ストレートポートと称呼される。

第２の吸気ポート１１７は、シリンダ１１１の近傍にてリブ１１７ａにより二分割されている。 これにより、シリンダ１１１のボア壁面に二つの開口部１１７ｂ，１１７ｃが形成されている。 一つの吸気ポート１１７の開口部１１７ｂは他の一つの吸気ポート１１７の開口部１１７ｃにシリンダ１１１を挟んで対向する位置に形成され、一つの吸気ポート１１７の開口部１１７ｃは他の一つの吸気ポート１１７の開口部１１７ｂにシリンダ１１１を挟んで対向する位置に形成されている。

開口部１１７ｂ，１１７ｃは、ピストン１１２が下方に移動する際にピストン１１２の側壁により開かれる位置に設けられている。 開口部１１７ｂ，１１７ｃが開かれると、第２の吸気ポート１１７は燃焼室１１５と連通させられる。 一方、開口部１１７ｂ，１１７ｃは、ピストン１１２が上方に移動する際にピストン１１２の側壁により閉じられる。 これにより、第２の吸気ポート１１７は燃焼室１１５と遮断させられる。

このような構成により、第２吸気ポート１１７からシリンダ１１１内に流入した空気は、ピストン１１２の頂面に衝突し、その向きを斜め上方に変更する。 また、互いに対向する二つの吸気ポート１１７（の開口部１１７ｂ，１１７ｃ）からシリンダ１１１内に流入する空気がシリンダ１１１の中心軸付近にて衝突するので、シリンダ１１１内にシリンダ１１１の中心軸近傍に沿って上昇する上昇気流が発生する。

吸気制御弁１１９は、電気制御装置１７０からの指示に応じて第２吸気ポート１１７内にて回動することにより、第２吸気ポート１１７の開閉を行うようになっている。

再び、図１６を参照すると、シリンダヘッド１２０は、シリンダブロック１１０の上方に固定されている。 シリンダヘッド１２０は、燃焼室１１５に接続された排気ポート１２１、排気弁１２２、排気弁１２２を駆動する駆動アーム１２３、電磁アクチュエータ１２４、点火プラグ１２５、点火プラグ１２５に与える高電圧を発生させるイグニッションコイルを含むイグナイタ１２６及び燃料を燃焼室１１５内に直接噴射する燃料噴射弁（燃料噴射手段）１２７等を備えている。 点火プラグ１２５及びイグナイタ１２６は、燃焼室１１５に点火用火花を発生する火花発生手段を構成している。

排気ポート１２１は、シリンダヘッド１２０の下面を燃焼室１１５側から見た図１８に示したように、シリンダ１１１の中心の回りの３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１２０には３個の排気弁１２２が備えられている。 各排気弁１２２は、各排気ポート１２１の開口を開閉するようになっている。 排気ポート１２１は、その開口が排気弁１２２により開かれたとき燃焼室１１５と連通し、その開口が排気弁１２２により閉じられたとき燃焼室１１５と遮断せしめられるようになっている。

３個の排気弁１２２は、各軸線が互いに平行（シリンダ１１１の軸線に平行）となるように配置されていて、スプリング１２２ａにより各排気ポート１２１の燃焼室１１５に形成された開口を閉じるように付勢されている。 ３個の排気弁１２２のそれぞれは、上端部にて図１９に示した駆動アーム１２３の３つの端部１２３ａのそれぞれに接続されている。 電磁アクチュエータ１２４は、駆動アーム１２３の中心部１２３ｂを下方に移動させて排気弁１２２を下方に移動させ、これにより、各排気ポート１２１の燃焼室１１５に形成された開口を開くようになっている。

燃料噴射弁１２７は、上述の燃料噴射弁３７と同一の構造を備えている。 燃料噴射弁１２７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。 燃料噴射弁１２７は、図１８に示したように、シリンダ１１１の中心に配置されている。 燃料噴射弁１２７は、ピストン１１２のキャビティ１１２ａに向けて燃料を噴射するようになっている。

吸気系統１３０は、吸気サージタンク１１８に連通したサージタンク１３１、サージタンク１３１に一端が接続された吸気管１３２、吸気管１３２の他端から下流（サージタンク１３１）に向けて順に吸気管１３２に配設されたエアフィルタ１３３、ターボチャージャ（過給機、過給手段）１５０のコンプレッサ１５１、インタークーラ１５２及びスロットルバルブ１５４等を備えている。

スロットルバルブ１５４は吸気管１３２に回転可能に支持され、スロットルバルブアクチュエータ１５４ａ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１４０は、排気ポート１２１に連通し同排気ポート１２１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１４１、排気管１４１に配設されたターボチャージャ１５０のタービン１５３及びタービン１５３の下流の排気管１４１に配設された触媒装置１５５を備えている。 ターボチャージャ１５０は、ターボチャージャ８１と同様に吸気通路の空気を圧縮して燃焼室１１５に空気を過給するようになっている。

この内燃機関１００は、クランクポジションセンサ１６１、アクセル開度センサ１６２及びこれらと接続された電気制御装置１７０を含んでいる。 クランクポジションセンサ１６１、アクセル開度センサ１６２及び電気制御装置１７０は、クランクポジションセンサ６２、アクセル開度センサ６５及び電気制御装置７０とそれぞれ同一の構成及び機能を備えている。

この内燃機関１００は、図２０に示したように、成層自着火燃焼運転実行手段Ｊ１、予混合圧縮自着火燃焼運転実行手段Ｊ２、拡散燃焼運転実行手段Ｊ３及び前述した運転切換手段Ｇ２等の手段を含んでいる。 これらの手段の機能は、電気制御装置１７０のＣＰＵが所定のプログラムを実行することにより達成される。 従って、以下、ＣＰＵが実行する各種の動作を上記各手段が行うものとして説明する。

（内燃機関１００が前記極軽負荷領域にて運転されるとき）
内燃機関１００が前記極軽負荷領域にて運転されるとき、運転切換手段Ｇ２は図１３に示した運転領域マップに従って成層自着火燃焼運転実行手段Ｊ１を選択する。 これにより、内燃機関１００は成層自着火燃焼運転実行手段Ｊ１によって運転される。

成層自着火燃焼運転実行手段Ｊ１は、実質的にキャビティ１１２ａ内のみに均質混合気を形成し（即ち、燃焼室２５全体として成層混合気を形成し）、その混合気を圧縮することにより燃料を自着火燃焼させる。 より具体的に述べると、成層自着火燃焼運転実行手段Ｊ１は、以下に述べる作動を順に実行して内燃機関１００の運転を行う（図２１の（Ａ）を参照。）。

（１）燃焼行程において、内燃機関１００の負荷に応じた極軽負荷時排気弁開弁タイミングＥＯにて排気弁１２２を開弁する。 これにより、排気ポート１２１と燃焼室１１５とが連通し、燃焼ガスが燃焼室１１５から排出される排気行程が開始する。

（２）次いで、ピストン１１２が上死点側から下死点側に向けて移動することにより、吸気ポート開タイミングＩＰＯにて第１吸気ポート１１６及び第２吸気ポート１１７と燃焼室１１５とが連通せしめられる。 このとき、吸気制御弁１１９は第２吸気ポート１１７を閉じるように制御されている。 従って、空気が第１吸気ポート１１６を介して燃焼室１１５内に流入し、吸気スワールが発生する。 燃焼ガスは、その流入空気により排気ポート１２１側に押しやられて燃焼室１１５から排出される。 即ち、掃気行程が開始する。

（３）次いで、ピストン１１２が下死点側から上死点側に向けて移動することにより、吸気ポート閉タイミングＩＰＣにて第１吸気ポート１１６及び第２吸気ポート１１７と燃焼室１１５とが遮断せしめられる。 同時に、内燃機関１００の負荷に応じた極軽負荷時排気弁閉弁タイミングＥＣが到来するので、排気弁１２２を閉弁する。 これにより、圧縮行程が開始する。

（４）吸気ポート閉タイミングＩＰＣ及び極軽負荷時排気弁閉弁タイミングＥＣより遅角側で圧縮上死点ＴＤＣまでの圧縮行程の中期のタイミングθinjにて、内燃機関１００の負荷とエンジン回転速度ＮＥとに基づいて定まる所定量の燃料を燃料噴射弁１２７から噴射する。 この場合に噴射される燃料の総量は、空燃比を超希薄空燃比とする量である。 更に、この場合、成層自着火燃焼運転実行手段Ｊ１は、燃料噴射弁１２７のニードルのリフト量が低リフト量となるように、燃料噴射弁１２７の第１のソレノイドのみを通電する。

これにより、噴射された燃料は、キャビティ１１２ａ内に実質的に滞留せしめられるので、実質的にキャビティ１１２ａ内のみに均質混合気が形成される。 そして、その混合気が圧縮され、燃料が自着火燃焼する燃焼行程が開始する。

従って、燃料量が少ない極軽負荷運転時であっても、キャビティ１１２ａ内に自着火に十分な濃度の混合気を確実に形成できるので、安定した自着火燃焼を行うことができる。 この結果、自着火運転を行うことができる運転領域をより極軽負荷の領域まで拡大でき、そのような極軽負荷領域にて火花点火燃焼運転を行わなくてもよいから、Ｎｏｘの排出量をより低減し、燃費を向上することができる。 また、自着火燃焼に寄与しないキャビティ１１２ａ外の燃料の量を低減することができる。 従って、未燃ＨＣの発生を抑制することができるとともに、燃費を一層向上することができる。

（内燃機関１００が前記軽・中負荷領域にて運転されるとき）
内燃機関１００が前記軽・中負荷領域にて運転されるとき、運転切換手段Ｇ２は運転領域マップに従って予混合圧縮自着火燃焼運転実行手段Ｊ２を選択する。 これにより、内燃機関１００は予混合圧縮自着火燃焼運転実行手段Ｊ２によって運転される。

予混合圧縮自着火燃焼運転実行手段Ｊ２は、燃焼室１１５内に均質混合気を形成しながら圧縮することにより燃料を自着火燃焼させる。 より具体的に述べると、予混合圧縮自着火燃焼運転実行手段Ｊ２は、以下に述べる作動を順に実行して内燃機関１００の運転を行う（図２１の（Ｂ）を参照。）。

（１）燃焼行程において、内燃機関１００の負荷に応じた軽・中負荷時排気弁開弁タイミングＥＯにて排気弁１２２を開弁する。 これにより、上述した排気行程が開始する。
（２）次いで、吸気ポート開タイミングＩＰＯにて第１吸気ポート１１６及び第２吸気ポート１１７と燃焼室１１５とが連通せしめられる。 これにより、掃気行程が開始する。 このとき、吸気制御弁１１９は第２吸気ポート１１７を閉じるように制御されている。 従って、吸気スワールが発生する。 また、この掃気行程では吸気も行われる。

（３）次いで、吸気ポート閉タイミングＩＰＣにて第１吸気ポート１１６及び第２吸気ポート１１７と燃焼室１１５とが遮断せしめられる。 その後、内燃機関１００の負荷に応じた軽・中負荷時排気弁閉弁タイミングＥＣが到来するので、排気弁１２２を閉弁する。 これにより、圧縮行程が開始する。

（４）軽・中負荷時排気弁閉弁タイミングＥＣと同時或いは若干だけ遅角側の圧縮行程の初期のタイミングθinjにて、内燃機関１００の負荷とエンジン回転速度ＮＥとに基づいて定まる所定量の燃料を燃料噴射弁１２７から噴射する。 即ち、予混合圧縮自着火燃焼運転実行手段Ｊ２は、極軽負荷時噴射タイミングθinjよりも進角側の軽・中負荷時噴射タイミングθinjにて燃料を噴射することにより均質混合気を形成する。

この場合に噴射される燃料の総量は、空燃比を超希薄空燃比とする量である。 更に、この場合、予混合圧縮自着火燃焼運転実行手段Ｊ２は、燃料噴射弁１２７のニードルのリフト量が高リフト量となるように、燃料噴射弁１２７の第１のソレノイド及び第２のソレノイドの両方を通電する。

この段階では、吸気スワールが強い状態にて残存している。 従って、混合気が吸気スワールにより攪拌されることにより、燃焼室１１５内に存在する全空気が均質混合気の形成に利用される。 そして、その均質混合気は、キャビティ１１２ａに取り込まれたのちに圧縮され、燃料が自着火燃焼する燃焼行程が始まる。 その結果、Ｎｏｘの排出量をより低減し、熱効率（燃費）の向上を図ることができる。

（内燃機関１００が前記高負荷領域にて運転されるとき）
内燃機関１００が前記高負荷領域にて運転されるとき、運転切換手段Ｇ２は運転領域マップに従って拡散燃焼運転実行手段Ｊ３を選択する。 これにより、内燃機関１００は拡散燃焼運転実行手段Ｊ３によって運転される。

拡散燃焼運転実行手段Ｊ３は、燃焼室１１５内に吸入された空気を同燃焼室１１５内にて圧縮し、同圧縮された空気の中に燃料噴射弁１２７から燃料を噴射することにより同燃料を拡散燃焼させる。 より具体的に述べると、拡散燃焼運転実行手段Ｊ３は、以下に述べる作動を順に実行して内燃機関１００の運転を行う（図２１の（Ｃ）を参照。）。

（１）燃焼行程において、内燃機関１００の負荷に応じた高負荷時排気弁開弁タイミングＥＯにて排気弁１２２を開弁する。 これにより、排気行程が開始する。
（２）次いで、吸気ポート開タイミングＩＰＯにて第１吸気ポート１１６及び第２吸気ポート１１７と燃焼室１１５とが連通せしめられる。 これにより、掃気行程が開始する。 このとき、吸気制御弁１１９は第２吸気ポート１１７を開くように制御されている。

（３）次いで、吸気ポート閉タイミングＩＰＣにて第１吸気ポート１１６及び第２吸気ポート１１７と燃焼室１１５とが遮断せしめられる。 吸気ポート閉タイミングＩＰＣは負荷により変化しない。 換言すると、高負荷時の吸気ポート閉タイミングＩＰＣは、図１に示したような頭上弁式の内燃機関において、拡散燃焼運転が行われる高負荷領域で火花点火燃焼を行ったと仮定したとき、ノッキングの過度の発生を回避するように設定される吸気弁閉弁タイミングＩＣigよりも進角側のタイミング（即ち、軽・中負荷時の吸気ポート閉タイミング）となる。

（４）次いで、燃機関１００の負荷に応じた高負荷時排気弁閉弁タイミングＥＣが到来するので、排気弁１２２を閉弁する。 これにより、圧縮行程が開始する。
（５）次いで、圧縮行程であって上死点近傍の燃料噴射タイミングθinjにて燃料噴射弁１２７から燃料を噴射し、その燃料を拡散燃焼させる。 噴射する燃料の量は、内燃機関１００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。 更に、この場合、拡散燃焼運転実行手段Ｊ３は、燃料噴射弁１２７のニードルのリフト量が高リフト量となるように、燃料噴射弁１２７の第１のソレノイド及び第２のソレノイドの両方を通電する。

これによれば、高負荷時における燃焼室１１５と第１吸気ポート１１６及び第２吸気ポート１１７との遮断タイミングが、軽・中負荷時における同遮断タイミングと同じタイミングになるので、実圧縮比が大きく低下することがない。 この結果、過度のノッキングを伴うことなく、更に、燃料は拡散燃焼により燃焼するので、高圧縮比の下で安定した燃焼を得ることができる。 従って、内燃機関１００の発生トルクを向上することができる。

また、２サイクル内燃機関９０と同様、２サイクル内燃機関１００においては、高温の燃焼ガスを直ちに次の燃焼に供される混合気の温度を上昇させるために利用することができるので、自着火燃焼を安定して行うことが可能となる。 従って、自着火燃焼運転を行う運転領域をより低負荷側の領域にまで拡大できる。 この結果、実用領域において自着火燃焼運転することができるので、内燃機関のＮＯｘの排出量を少なくし、且つ、燃費を改善することができる。

加えて、高負荷領域において、過給機１５０による過給と拡散燃焼を行うことにより、ノッキングを伴わない燃焼が可能となる。 この結果、内燃機関１００は、大きな最大トルクを発生することができる。

なお、内燃機関１００では、掃気行程と吸気行程とが同時に行われているが、内燃機関１００を、クランク角が３６０度回転する毎に、燃焼室１１５と吸気ポート１１６とを遮断した状態にて燃焼室１１５と排気ポート１２１とを連通して排気行程を開始し、次いで燃焼室１１５と吸気ポート１１６とを連通して掃気行程を開始し、次いで燃焼室１１５と排気ポート１２１とを遮断して吸気行程を開始し、次いで燃焼室１１５と吸気ポート１１６とを遮断して圧縮行程を開始した後に同状態にて燃焼行程を迎える２サイクル運転を行うように構成してもよい。

以上、説明したように、本発明による内燃機関の各実施形態は、少なくとも軽負荷側で均質混合気の自着火燃焼運転を行い、高負荷側で拡散燃焼運転を行うように構成されているの。 従って、燃費の向上やＮｏｘ排出量の低減を実現できるとともに、ノッキングを回避しながら高トルクを発生することができる。 また、火花点火燃焼運転領域を排除又は縮小することが可能となるので、Ｎｏｘ排出量の低減及び燃費の向上が実現できる。 更に、火花点火燃焼運転領域を排除できる場合、点火プラグやイグナイタ等の点火用火花発生手段を排除することができるので、内燃機関のコストを低減することができる。

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、上記成層自着火燃焼運転実行手段による運転時、上記予混合圧縮自着火燃焼運転実行手段による運転時及び上記拡散燃焼運転実行手段による運転時において、点火用火花を補助的に発生させることにより、より安定した燃焼を確保してもよい。

本発明の第１実施形態に係る内燃機関の概略構成図である。

図１に示した燃焼室及び燃焼室に関連する部分をシリンダの軸線を通る平面にて切断した断面図である。

図１に示したピストンの頂面の正面図である。

図１に示した燃料噴射弁の先端部の縦断面図である。

図１に示した燃料噴射弁の先端部の正面図である。

図１に示した電気制御装置のＣＰＵが所定のプログラムを実行することにより達成される機能を表すブロック図である。

図６に示した運転切換手段が参照する運転領域マップを示した図である。

図１に示した内燃機関のバルブタイミング、燃料噴射時期（燃料噴射タイミング）及び点火時期を表す図である。

図６に示した成層自着火燃焼運転実行手段により燃料が噴射されたときの様子を示した図である。

図６に示した予混合圧縮自着火燃焼運転実行手段及び火花点火燃焼運転実行手段のいずれかにより燃料が噴射されたときの様子を示した図である。

図６に示した拡散燃焼運転実行手段により燃料が噴射されたときの様子を示した図である。

本発明の第３実施形態に係る内燃機関が備える電気制御装置のＣＰＵが所定のプログラムを実行することにより達成される機能を表すブロック図である。

図１２に示した運転切換手段が参照する運転領域マップを示した図である。

本発明の第３実施形態に係る内燃機関のバルブタイミング及び燃料噴射タイミングを表す図である。

本発明の第４実施形態に係る内燃機関の作動の概略を説明するための図である。

本発明の第４実施形態に係る内燃機関の概略構成図である。

図１６に示した内燃機関のシリンダ、吸気サージタンク及び吸気ポートを同シリンダの軸線に直交する断面にて切断した断面図である。

図１６に示したシリンダヘッドの下面を燃焼室側から見た図である。

図１６に示した駆動アームの正面図である。

図１６に示した内燃機関が備える電気制御装置のＣＰＵが所定のプログラムを実行することにより達成される機能を表すブロック図である。

図１６に示した内燃機関の排気弁開閉タイミング、吸気ポート開閉タイミング及び燃料噴射タイミングを表す図である。

符号の説明

１０…多気等ピストン往復動型頭上弁式４サイクル内燃機関、２１…シリンダ、２２…ピストン、２２ａ…ピストン頂面、２２ｂ…キャビティ、２２ｄ…スワール案内溝、２５…燃焼室、３０…シリンダヘッド部、３０ａ…シリンダヘッド下面、３１…吸気ポート、３２…吸気弁、３３…排気ポート、３４…排気弁、３５…点火プラグ、３５ａ…火花発生部、３６…イグナイタ、３７…燃料噴射弁、３７ａ…ノズルボディ、３７ｂ…ニードル、３７ｂ３…燃料通路、３７ｃ…狭角噴射孔、３７ｄ…広角噴射孔、３８ａ…燃料圧力調整手段、３８ｂ…燃料ポンプ、４１…吸気管、４７…スロットルバルブ、５１…排気管、６１…エアフローメータ、６２…クランクポジションセンサ、６３…筒内圧センサ、６５…アクセル開度センサ、７０…電気制御装置、７１…ＣＰＵ、８１…ターボチャージャ、９０…２サイクル内燃機関、１００…ユニフロー型２サイクル内燃機関、１１０…シリンダブロック、１１１…シリンダ、１１２…ピストン、１１２ａ…キャビティ、１１５…燃焼室、１１６…第１吸気ポート、１１７…第２吸気ポート、１１８…吸気サージタンク、１１９…吸気制御弁、１２０…シリンダヘッド、１２１…排気ポート、１２２…排気弁、１２３…駆動アーム、１２４…電磁アクチュエータ、１２５…点火プラグ、１２７…燃料噴射弁、１３０…吸気系統、１４１…排気管、１５０…ターボチャージャ、１５４…スロットルバルブ。