JP2015140773A

JP2015140773A - 直噴ガソリンエンジンの制御装置

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Publication number: JP2015140773A
Application number: JP2014015437A
Authority: JP
Inventors: 雄司原田; Yuji Harada; 山下　洋幸; Hiroyuki Yamashita; 洋幸山下; 田中　達也; Tatsuya Tanaka; 達也田中; 次男服平; Tsugio Hatsuhira
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2014-01-30
Filing date: 2014-01-30
Publication date: 2015-08-03
Anticipated expiration: 2034-01-30
Also published as: JP6171957B2

Abstract

【課題】燃焼室の壁面を断熱剤で構成する以外の手法によって燃焼室の壁面における冷却損失を低減する。
【解決手段】エンジン１は、シリンダ１１内に設けられたピストン１５を有するエンジン本体と、少なくともガソリンを含む燃料をシリンダ１１内にノズル口４１を介して噴射するインジェクタ３３と、インジェクタ３３の噴射態様を制御するエンジン制御器１００とを備えている。エンジン制御器１００は、エンジン１のエンジン負荷が所定負荷以上の運転領域において、圧縮行程後半から膨張行程初期の期間内にインジェクタ３３に多段噴射を行わせる。多段噴射には、１回目の燃料噴射８１から所定の第１間隔ａ１を空けて燃料を噴射する２回目の燃料噴射８２と、２回目の燃料噴射８２から第１間隔ａ１よりも長い第２間隔ａ２を空けて燃料を噴射する３回目の燃料噴射８３とが含まれる。
【選択図】図１０

Description

ここに開示された技術は、直噴ガソリンエンジンの制御装置に関するものである。

エンジンにおいては熱効率を向上させることが好ましく、その１つの手法として冷却損失を低減させることがある。特許文献１に係るエンジンにおいては、燃焼室を区画する壁面を断熱材で構成することによって、燃焼室の壁面における冷却損失を低減している。

特開２００９−２４３３５５号公報

ところで、燃焼室の壁面を断熱材で構成するだけでは冷却損失の低減が十分でない場合や、エンジンの構成を変更することなく冷却損失を低減させたい場合等がある。そのような観点からは、燃焼室の壁面を断熱材で構成する以外の手法による冷却損失の低減が望まれている。

ここに開示された技術は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃焼室の壁面を断熱剤で構成する以外の手法によって燃焼室の壁面における冷却損失を低減することにある。

ここに開示された技術は、直噴ガソリンエンジンの制御装置を対象としている。この直噴ガソリンエンジンの制御装置は、気筒内に設けられたピストンを有するエンジン本体と、少なくともガソリンを含む燃料を上記気筒内に噴口を介して噴射するインジェクタと、上記インジェクタの噴射態様を制御する制御部とを備え、上記制御部は、上記エンジン本体のエンジン負荷が所定負荷以上の運転領域において、圧縮行程後半から膨張行程初期の期間内に上記インジェクタに多段噴射を行わせ、上記多段噴射には、直前の燃料噴射から所定の第１間隔を空けて燃料を噴射する第１噴射と、直前の燃料噴射から該第１間隔よりも長い第２間隔を空けて燃料を噴射する第２噴射とが含まれるものとする。

ここで、「圧縮行程後半」とは、圧縮行程を前半と後半とに二等分した場合の後半を意味する。「膨張行程初期」とは、膨張行程を初期、中期、終期とに三等分した場合の初期を意味する。

燃料が噴射されると、コアンダ効果によって燃料噴射の中心軸の付近には負圧になる領域が発生する。この負圧領域の大きさは、多段噴射における噴射間隔に応じて変化する。詳しくは、噴射間隔が大きいときには、次の燃料が噴射されるまでの間に負圧領域の圧力が回復し得るため、負圧領域は小さくなる。負圧領域が小さい場合には、燃料噴霧は、負圧にあまり引き寄せられず、中心軸を中心とする径方向外側へ広がる方向へ拡散しやすくなる。それに対し、噴射間隔が小さいときには、燃料が次々と噴射されることで、負圧領域の負圧が維持され、負圧領域は大きくなる。負圧領域が大きい場合には、燃料噴霧は、負圧に引き寄せられ、径方向外側への広がりが抑制される。つまり、噴射間隔が大きいほど、燃料噴霧が拡散しやすく、噴射間隔が小さいほど、燃料噴霧の広がりが抑制される。

上記の構成によれば、第１噴射は、直前の燃料噴射からの相対的に短い第１間隔を空けて行われるので、第１噴射時の負圧領域は相対的に大きい。そのため、第１噴射による燃料噴霧は、負圧領域に引き寄せられ、径方向外側の広がりが抑制される。それに対して、第２噴射は、直前の燃料噴射から相対的に長い第２間隔を空けて行われるので、第２噴射時の負圧領域は相対的に小さい。そのため、第２噴射による燃料噴霧は、負圧領域にあまり引き寄せられず、径方向外側への広がりが比較的大きい。

ここで、第２噴射による燃料噴霧は、径方向外側への広がりが大きいので、該燃料噴霧の中心軸方向への飛散距離は相対的に短くなる。一方、第１噴射による燃料噴霧は、径方向外側への広がりが小さいので、該燃料噴霧の中心軸方向への飛散距離は相対的に長くなる。つまり、第１噴射による燃料噴霧と第２噴射による燃料噴霧とは、中心軸方向に分散することになる。その結果、中心軸方向における燃料の濃度分布を均質化することができる。

多段噴射において噴射間隔を一定のまま燃料を噴射すると、燃料噴霧はインジェクタから遠ざかっていき、着火時には、インジェクタから離れた部分、例えば、ピストン近傍における燃料濃度が高くなる。この状態で燃料が燃焼すると、ピストン近傍において大きな熱量が発生し、燃焼による熱量がピストンを介して放熱され、冷却損失が大きくなる。

それに対し、上記の構成では、噴射間隔が一定の多段噴射に比べて、燃料濃度の集中を中心軸方向に分散させることができる。つまり、ピストン近傍における燃料濃度の集中が緩和される。これにより、燃焼時にピストンを介した放熱が低減される。その結果、冷却損失を低減することができる。

一方、ピストン近傍の燃料濃度を低減するために、燃焼室の中央やインジェクタの近傍等、特定の部分の燃料濃度を局所的に高めることも考えられる。しかしながら、この方法では、燃料量が多いときに当該部分の燃料濃度が濃くなりすぎて、ＣＯ排出量が増大してしまう。それに対し、燃料濃度分布を分散させる構成によれば、ＣＯ排出量を抑制しつつ、上述の冷却損失の低減を実現することができる。

尚、第１噴射と第２噴射とは連続で行われることが好ましいが、第１噴射と第２噴射との間に別の燃料噴射が介在してもよい。そのような場合であっても、第１噴射による燃料噴霧の中心軸方向への飛散距離は相対的に短くなり、第２噴射による燃料噴霧の中心軸方向への飛散距離は相対的に長くなる。

また、上記インジェクタは、上記噴口の有効断面積を調整可能に構成されており、上記制御部は、直前の燃料噴射からの間隔が長くなるほど上記噴口の有効断面積が小さくなるように上記インジェクタを調整するようにしてもよい。

この構成によれば、噴口の有効断面積が調整されると、噴口から噴射される燃料噴霧の粒径が変化する。燃料噴霧の粒径が変わると、燃料噴霧の運動量が変化する。燃料噴霧の運動量が変わると、燃料噴霧の飛散距離が変化する。詳しくは、噴口の有効断面積が大きくなるほど、燃料噴霧の粒径が大きくなり、燃料噴霧の飛散距離が長くなる。

ここで、噴口の有効断面積は、直前の燃料噴射からの間隔が長くなるほど小さくされるので、第１噴射の噴口の有効断面積は相対的に大きく、第２噴射の噴口の有効断面積は相対的に小さく調整される。つまり、第１噴射による燃料噴霧は、運動量が相対的に大きいことによって、進行方向への飛散距離が長くなるので、中心軸方向への飛散距離も相対的に長くなる。そもそも、第１噴射による燃料噴霧は、運動量の減衰が相対的に遅いため、中心軸方向への飛散距離はさらに長くなる。一方、第２噴射による燃料噴霧は、運動量が相対的に小さいことによって、進行方向への飛散距離が短くなるので、中心軸方向への飛散距離も相対的に短くなる。そもそも、第２噴射による燃料噴霧は、運動量の減衰が相対的に早いため、中心軸方向への飛散距離はさらに短くなる。

さらに、第２噴射による燃料噴霧は、進行方向への飛散距離が短くなる結果、径方向外側への飛散距離も相対的に短くなる。第１噴射と第２噴射とでは径方向外側への広がりが異なるので、進行方向への飛散距離が同じであれば、第２噴射による燃料噴霧の方が径方向外側への飛散距離は長くなる。それに対し、第２噴射による燃料噴霧の進行方向への飛散距離を短くすることによって、径方向外側への飛散距離に関し、第１噴射による燃料噴霧と第２噴射による燃料噴霧との差を小さくすることができる。

また、上記第２噴射は、上記第１噴射よりも後に行われるようにしてもよい。

この構成によれば、第２噴射の燃料噴霧は、中心軸方向への飛散距離が短く且つ径方向外側への広がりも小さい。つまり、第２噴射の燃料噴霧は、噴口の比較的近傍に滞留している。それに対し、第１噴射の燃料噴霧は、運動量が大きく、比較遠くまで飛散する。そのため、第２噴射の後に第１噴射を行うと、噴口の比較的近傍に滞留する第２噴射による燃料噴霧が第１噴射の燃料噴霧に連れられて、飛散していく可能性がある。それに対して、第２噴射を第１噴射の後に行うことによって、先に噴口から離れた位置への燃料噴射を行った後に、噴口近傍への燃料噴射を行うことができる。これにより、第２噴射による燃料噴霧を所望の位置に留めておくことができる。

また、上記多段噴射には、上記第１噴射及び上記第２噴射を含む少なくとも３回以上の燃料噴射が含まれており、上記多段噴射の噴射間隔は、しだいに大きくなっていてもよい。

上記の構成によれば、多段噴射において、中心軸方向において噴口から離れた位置への燃料噴射が先に行われ、その後、順次、噴口の近くの位置への燃料噴射が行われる。こうすることによって、燃料濃度が中心軸方向に分散した混合気を形成しやすくなる。

さらに、上記インジェクタは、上記噴口の有効断面積を調整可能に構成されており、上記多段噴射は、第１噴射群と、該第１噴射群と比べて上記噴口の有効断面積が相対的に小さく及び／又は噴射間隔が相対的に小さい第２噴射群とを含み、上記制御部は、少なくとも上記第１噴射群が上記第１噴射及び上記第２噴射を含むように上記インジェクタを調整するようにしてもよい。

上記の構成によれば、第１噴射群は、噴口の有効断面積が相対的に大きく及び／又は噴射間隔が相対的に大きい。一方、第２噴射群は、噴口の有効断面積が相対的に小さく及び／又は噴射間隔が相対的に小さい。噴口の有効断面積は、上述の如く、燃料噴霧の飛散距離に影響するだけでなく、燃料噴霧の負圧領域からの影響の受けやすさにも影響する。つまり、噴口の有効断面積が大きいと、燃料噴霧の粒径が大きいので、燃料噴霧は負圧領域からの影響を受けにくい。粒径の大きい燃料噴霧は、負圧領域にあまり引き寄せられず、負圧領域により減速される程度も小さい。それに対し、噴口の有効断面積は、燃料噴霧の粒径が小さいので、燃料噴霧は負圧領域からの影響を受けやすい。粒径の小さい燃料噴霧は、負圧領域に引き寄せられやすく、また、負圧領域により減速されやすい。つまり、第１噴射群による燃料噴霧は、進行方向への飛散距離が相対的に長く且つ拡散して広がりやすい。一方、第２噴射群による燃料噴霧は、進行方向への飛散距離が相対的に短く且つ広がりが抑制される。そのため、より遠くへ飛散し且つ拡散しやすい第１噴射群内において中心軸方向の燃料濃度分布を調整する方が、第２噴射群内において中心軸方向の燃料濃度分布を調整する場合よりも、多段噴射全体で形成される混合気の濃度分布に与える影響が大きい。よって、第１噴射群に第１噴射及び第２噴射を含ませることによって、燃料濃度が中心軸方向に分散した混合気を効果的に形成することができる。

また、上記インジェクタは、上記噴口が形成されたノズル本体と、該噴口を開閉する弁体とを有し、該弁体のリフト量に応じて該噴口の有効断面積が変化するように構成されているようにしてもよい。

上記のインジェクタによれば、弁体のリフト量を調整することによって、噴口の有効断面積を調整することができ、ひいては、燃料噴霧の粒径を変更することができる。

上記構成によれば、燃焼室の壁面における冷却損失を低減することができる。

直噴ガソリンエンジンを示す概略構成図である。インジェクタの内部構成を示す断面図である。エンジンの運転マップを例示する図である。燃焼室内に形成する混合気層の形状を概念的に示す断面図である。インジェクタから噴射する燃料噴霧の広がり方向を説明する図である。燃料の噴射間隔を示す図である。外開弁式のインジェクタのリフト量を示す図である。（Ａ）燃料の噴射間隔が長いときの燃料噴霧の広がりを示す概念図、（Ｂ）燃料の噴射間隔が短いときの燃料噴霧の広がりを示す概念図である。（Ａ）インジェクタのリフト量が小さいときの燃料噴霧の広がりを示す概念図、（Ｂ）インジェクタのリフト量が大きいときの燃料噴霧の広がりを示す概念図である。中負荷且つ低回転領域における噴射態様を示す図である。中負荷且つ低回転領域における燃焼室の燃料濃度分布を示す図である。中負荷且つ高回転領域における噴射態様を示す図である。中負荷且つ高回転領域における燃焼室の燃料濃度分布を示す図である。その他の実施形態に係るインジェクタの内部構成を示す断面図である。

以下、例示的な実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、直噴ガソリンエンジン１（以下、単にエンジン１という）を概略的に示す。エンジン１は、エンジン本体に付随する様々なアクチュエータ、様々なセンサ、及び、該センサからの信号に基づきアクチュエータを制御するエンジン制御器１００を含む。

エンジン１は、自動車等の車両に搭載され、その出力軸は、図示しないが、変速機を介して駆動輪に連結されている。エンジン１の出力が駆動輪に伝達されることによって、車両が推進する。エンジン１のエンジン本体は、シリンダブロック１２と、その上に載置されるシリンダヘッド１３とを備えており、シリンダブロック１２の内部に複数のシリンダ（気筒）１１が形成されている（図１では、シリンダ１１を１つのみ示す）。シリンダブロック１２及びシリンダヘッド１３の内部には、図示は省略するが冷却水が流れるウォータージャケットが形成されている。

ここで、エンジン１の燃料は、本実施形態ではガソリンであるが、バイオエタノール等を含むガソリンであってもよく、少なくともガソリンを含む液体燃料であれば、どのような燃料であってもよい。

各シリンダ１１内には、ピストン１５が摺動自在にそれぞれ嵌挿されている。ピストン１５は、シリンダ１１及びシリンダヘッド１３と共に燃焼室１７を区画している。図例では、燃焼室１７は所謂ペントルーフ型であり、その天井面（つまり、シリンダヘッド１３の下面）は吸気側及び排気側の２つの傾斜面からなる三角屋根状をなしている。ピストン１５の冠面は、上記天井面に対応した凸形状をなしていて、冠面の中心部には、凹状のキャビティ（凹部）１５ａが形成されている。尚、上記天井面及びピストン１５の冠面の形状は、後述の、高い幾何学的圧縮比が実現するのであれば、どのような形状であってもよい。例えば、天井面及びピストン１５の冠面（つまり、キャビティ１５ａを除く部分）の両方が、シリンダ１１の中心軸に対して垂直な面で構成されていてもよく、天井面が上記のように三角屋根状をなす一方、ピストン１５の冠面（つまり、キャビティ１５ａを除く部分）がシリンダ１１の中心軸に対して垂直な面で構成されていてもよい。

図１には１つのみ示すが、シリンダ１１毎に２つの吸気ポート１８がシリンダヘッド１３に形成され、それぞれがシリンダヘッド１３の下面（つまり、燃焼室１７の天井面における吸気側の傾斜面）に開口することで燃焼室１７に連通している。同様に、シリンダ１１毎に２つの排気ポート１９がシリンダヘッド１３に形成され、それぞれがシリンダヘッド１３の下面（つまり、燃焼室１７の天井面の排気側の傾斜面）に開口することで燃焼室１７に連通している。吸気ポート１８は、シリンダ１１内に導入される新気が流れる吸気通路（図示省略）に接続されている。吸気通路には、吸気流量を調整するスロットル弁２０が介設しており、エンジン制御器１００からの制御信号を受けて、スロットル弁２０の開度が調整される。一方、排気ポート１９は、各シリンダ１１からの既燃ガス（つまり、排気ガス）が流れる排気通路（図示省略）に接続されている。排気通路には、図示は省略するが、１つ以上の触媒コンバータを有する排気ガス浄化システムが配置される。触媒コンバータは、三元触媒を含む。

シリンダヘッド１３には、吸気弁２１及び排気弁２２が、それぞれ吸気ポート１８及び排気ポート１９を燃焼室１７から遮断（閉）することができるように配設されている。吸気弁２１は吸気弁駆動機構により、排気弁２２は排気弁駆動機構により、それぞれ駆動される。吸気弁２１及び排気弁２２は所定のタイミングで往復動して、それぞれ吸気ポート１８及び排気ポート１９を開閉し、シリンダ１１内のガス交換を行う。吸気弁駆動機構及び排気弁駆動機構は、図示は省略するが、それぞれ、クランクシャフトに駆動連結された吸気カムシャフト及び排気カムシャフトを有し、これらのカムシャフトはクランクシャフトの回転と同期して回転する。また、少なくとも吸気弁駆動機構は、吸気カムシャフトの位相を所定の角度範囲内で連続的に変更可能な、液圧式、電動式又は機械式の位相可変機構（Variable Valve Timing：ＶＶＴ）２３を含んで構成されている。尚、ＶＶＴ２３と共に、弁リフト量を連続的に変更可能なリフト可変機構（ＣＶＶＬ（Continuous Variable Valve Lift））を備えるようにしてもよい。

また、シリンダヘッド１３には、点火プラグ３１が配設されている。この点火プラグ３１は、例えば、ねじ等の周知の構造によって、シリンダヘッド１３に取付固定されている。点火プラグ３１は、図例では、シリンダ１１の中心軸に対し、排気側に傾斜した状態で取付固定されており、その先端部は燃焼室１７の天井部に臨んでいる。この点火プラグ３１の先端部は、後述のインジェクタ３３のノズル口４１の近傍に位置する。尚、点火プラグ３１の配置はこれに限定されるものではない。本実施形態では、点火プラグ３１は、プラズマ点火式のプラグであり、点火システム３２はプラズマ発生回路を備える。そして、点火プラグ３１は、点火システム３２によって放電でプラズマを発生させ、そのプラズマを点火プラグ３１の先端から気筒内にジェット状に噴射させて、燃料の点火を行う。点火システム３２は、エンジン制御器１００からの制御信号を受けて、点火プラグ３１が所望の点火タイミングでプラズマを発生するよう、それに通電する。尚、点火プラグ３１は、プラズマ点火式のプラグに限らず、一般によく使用されている火花点火式のプラグであってもよい。

シリンダヘッド１３におけるシリンダ１１の中心軸上には、気筒内（つまり、燃焼室１７内）に燃料を直接噴射するインジェクタ３３が配設されている。このインジェクタ３３は、例えばブラケットを使用する等の周知の構造でシリンダヘッド１３に取付固定されている。インジェクタ３３の先端は、燃焼室１７の天井部の中心に臨んでいる。

図２に示すように、インジェクタ３３は、シリンダ１１内に燃料を噴射するノズル口４１が形成されたノズル本体４０と、ノズル口４１を開閉する外開弁４２とを有する、外開弁式のインジェクタである。インジェクタ３３は、所定の中心軸Ｓに対して傾斜する方向であって該中心軸Ｓを中心とする径方向外側へ広がる方向へ燃料を噴射すると共に、ノズル口４１の有効断面積を調整可能に構成されている。ノズル口４１は、噴口の一例であり、外開弁４２は、弁体の一例である。

ノズル本体４０は、中心軸Ｓに沿って延びる管状の部材であって、その内部を燃料が流通する。ノズル口４１の開口縁は、ノズル本体４０の先端部において、先端側ほど径が大きくなるテーパ状に形成されている。ノズル本体４０の基端側の端部は、内部にピエゾ素子４４が配設されたケース４５に接続されている。外開弁４２は、弁本体４２ａと、弁本体４２ａからノズル本体４０内を通ってピエゾ素子４４に接続された連結部４２ｂとを有している。弁本体４２ａは、ノズル本体４０の先端においてノズル本体４０から外側に露出している。弁本体４２ａの連結部４２ｂ側の部分が、ノズル口４１の開口縁と略同じ形状を有しており、該部分がノズル口４１の開口縁に当接（つまり、着座）しているときには、ノズル口４１が閉状態となる。

インジェクタ３３は、中心軸Ｓがシリンダ１１の中心軸Ｘと一致し、ノズル口４１が燃焼室１７の天井部に臨む状態で配置されている。

ピエゾ素子４４は、電圧の印加による変形により、外開弁４２を中心軸方向に押圧してノズル本体４０のノズル口４１の開口縁からリフトさせることによって、ノズル口４１を開放する。このとき、燃料がノズル口４１から中心軸Ｓに対して傾斜した方向であって中心軸Ｓを中心とする半径方向へ広がる方向へ噴射される。具体的には、燃料は、中心軸Ｓを中心とするコーン状（詳しくはホローコーン状）に噴射される。そのコーンのテーパ角は、本実施形態では、９０°〜１００°である（ホローコーンにおける内側の中空部のテーパ角は７０°程度である）。そして、ピエゾ素子４４への電圧の印加が停止すると、ピエゾ素子４４が元の状態に復帰することで、外開弁４２がノズル口４１を再び閉状態とする。このとき、ケース４５内における連結部４２ｂの周囲に配設された圧縮コイルバネ４６がピエゾ素子４４の復帰を助長する。

ピエゾ素子４４に印加する電圧が大きいほど、外開弁４２の、ノズル口４１を閉じた状態からのリフト量（以下、単にリフト量という）が大きくなる（図７も参照）。このリフト量が大きいほど、ノズル口４１の開度（つまり、有効断面積）が大きくなってノズル口４１から気筒内に噴射される燃料噴霧の粒径が大きくなる。逆に、リフト量が小さいほど、ノズル口４１の開度が小さくなってノズル口４１から気筒内に噴射される燃料噴霧の粒径が小さくなる。ピエゾ素子４４の応答は速く、例えば１サイクル中に２０回程度の多段噴射が可能である。但し、外開弁４２を駆動する手段としては、ピエゾ素子４４には限られない。

燃料供給システム３４は、外開弁４２（ピエゾ素子４４）を駆動するための電気回路と、インジェクタ３３に燃料を供給する燃料供給系とを備えている。エンジン制御器１００は、所定のタイミングで、リフト量に応じた電圧を有する噴射信号を上記電気回路に出力することで、該電気回路を介してピエゾ素子４４及び外開弁４２を作動させて、所望量の燃料を、気筒内に噴射させる。上記噴射信号の非出力時（つまり、噴射信号の電圧が０であるとき）には、外開弁４２によりノズル口４１が閉じられた状態となる。このようにピエゾ素子４４は、エンジン制御器１００からの噴射信号によって、その作動が制御される。こうしてエンジン制御器１００は、ピエゾ素子４４の作動を制御して、インジェクタ３３のノズル口４１からの燃料噴射及び該燃料噴射時におけるリフト量を制御する。

上記燃料供給系には、図示省略の高圧燃料ポンプやコモンレールが設けられており、その高圧燃料ポンプは、低圧燃料ポンプを介して燃料タンクより供給されてきた燃料をコモンレールに圧送し、コモンレールは、その圧送された燃料を、所定の燃料圧力で蓄える。そして、インジェクタ３３が作動する（つまり、外開弁４２がリフトされる）ことによって、上記コモンレールに蓄えられている燃料がノズル口４１から噴射される。

エンジン制御器１００は、周知のマイクロコンピュータをベースとするコントローラであって、プログラムを実行する中央演算処理装置（ＣＰＵ）と、例えばＲＡＭやＲＯＭにより構成されてプログラム及びデータを格納するメモリと、電気信号の入出力をする入出力（Ｉ／Ｏ）バスと、を備えている。エンジン制御器１００は、制御部の一例である。

エンジン制御器１００は、少なくとも、エアフローセンサ７１からの吸気流量に関する信号、クランク角センサ７２からのクランク角パルス信号、アクセル・ペダルの踏み込み量を検出するアクセル開度センサ７３からのアクセル開度信号、及び、車速センサ７４からの車速信号をそれぞれ受ける。エンジン制御器１００は、これらの入力信号に基づいて、例えば、所望のスロットル開度信号、燃料噴射パルス、点火信号、バルブ位相角信号等といった、エンジン１の制御パラメータを計算する。そして、エンジン制御器１００は、それらの信号を、スロットル弁２０（正確には、スロットル弁２０を動かすスロットルアクチュエータ）、燃料供給システム３４（正確には、上記電気回路）、点火システム３２、及び、ＶＶＴ２３等に出力する。

このエンジン１の幾何学的圧縮比εは、１５以上４０以下とされている。本実施形態では、エンジン１は圧縮比＝膨張比となる構成から、高圧縮比と同時に、比較的高い膨張比を有するエンジン１でもある。幾何学的圧縮比を高くすることによって、熱効率の向上を図る。

燃焼室１７は、図１に示すように、シリンダ１１の壁面と、ピストン１５の冠面と、シリンダヘッド１３の下面（つまり、天井面）と、吸気弁２１及び排気弁２２それぞれのバルブヘッドの面と、によって区画形成されている。そして、このエンジン１では、冷却損失を低減するべく、これらの各面に、断熱層６１，６２，６３，６４，６５を設けることによって、燃焼室１７を断熱化している。尚、以下において、これらの断熱層６１〜６５を総称する場合は、断熱層に符号「６」を付す場合がある。断熱層６は、これらの区画面の全てに設けてもよいし、これらの区画面の一部に設けてもよい。また、図例では、シリンダ壁面の断熱層６１は、ピストン１５が上死点に位置した状態で、そのピストンリング１４よりも上側の位置に設けられており、これにより断熱層６１上をピストンリング１４が摺動しない構成としている。但し、シリンダ壁面の断熱層６１はこの構成に限らず、断熱層６１を下向きに延長することによって、ピストン１５のストロークの全域、又は、その一部に断熱層６１を設けてもよい。また、燃焼室１７を直接区画する壁面ではないが、吸気ポート１８や排気ポート１９における、燃焼室１７の天井面側の開口近傍のポート壁面に断熱層を設けてもよい。尚、図１に図示する各断熱層６１〜６５の厚みは実際の厚みを示すものではなく単なる例示であると共に、各面における断熱層の厚みの大小関係を示すものでもない。

燃焼室１７の断熱構造について、さらに詳細に説明する。燃焼室１７の断熱構造は、上述の如く、燃焼室１７を区画する各区画面に設けた断熱層６１〜６５によって構成されるが、これらの断熱層６１〜６５は、燃焼室１７内の燃焼ガスの熱が、区画面を通じて放出されることを抑制するため、燃焼室１７を構成する金属製の母材よりも熱伝導率が低く設定される。ここで、シリンダ１１の壁面に設けた断熱層６１については、シリンダブロック１２が母材であり、ピストン１５の冠面に設けた断熱層６２についてはピストン１５が母材であり、シリンダヘッド１３の天井面に設けた断熱層６３については、シリンダヘッド１３が母材であり、吸気弁２１及び排気弁２２それぞれのバルブヘッド面に設けた断熱層６４，６５については、吸気弁２１及び排気弁２２がそれぞれ母材である。したがって、母材の材質は、シリンダブロック１２、シリンダヘッド１３及びピストン１５については、アルミニウム合金や鋳鉄となり、吸気弁２１及び排気弁２２については、耐熱鋼や鋳鉄等となる。

また、断熱層６は、冷却損失を低減する上で、母材よりも容積比熱が小さいことが好ましい。つまり、燃焼室１７内のガス温度は燃焼サイクルの進行によって変動するが、燃焼室１７の断熱構造を有しない従来のエンジンは、シリンダヘッドやシリンダブロック内に形成したウォータージャケット内を冷却水が流れることにより、燃焼室１７を区画する面の温度は、燃焼サイクルの進行にかかわらず、概略一定に維持される。

一方で、冷却損失は、冷却損失＝熱伝達率×伝熱面積×（ガス温度−区画面の温度）によって決定されることから、ガス温度と壁面の温度との差温が大きくなればなるほど冷却損失は大きくなってしまう。冷却損失を抑制するためには、ガス温度と区画面の温度との差温は小さくすることが望ましいが、冷却水によって燃焼室１７の区画面の温度を概略一定に維持した場合、ガス温度の変動に伴い差温が大きくなることは避けられない。そこで、断熱層６の熱容量を小さくして、燃焼室１７の区画面の温度が、燃焼室１７内のガス温度の変動に追従して変化するようにすることが好ましい。

上記断熱層６は、例えば、母材上にＺｒＯ_２等のセラミック材料をプラズマ溶射によってコーティングして形成すればよい。このセラミック材料の中には、多数の気孔を含んでいてもよい。このようにすれば、断熱層６の熱伝導率及び容積比熱をより低くすることができる。

また、本実施形態では、図１に示すように、熱伝導率が非常に低くて断熱性に優れかつ耐熱性にも優れたチタン酸アルミニウム製のポートライナ１８１を、シリンダヘッド１３に一体的に鋳ぐるむことによって、吸気ポート１８に断熱層を設けている。この構成は、新気が吸気ポート１８を通過するときに、シリンダヘッド１３から受熱して温度が上がることを抑制乃至回避し得る。これによってシリンダ１１内に導入する新気の温度（初期のガス温度）が低くなるため、燃焼時のガス温度が低下し、ガス温度と燃焼室１７の区画面との差温を小さくする上で有利になる。燃焼時のガス温度を低下させることは熱伝達率を低くし得るから、そのことによる冷却損失の低減にも有利になる。尚、吸気ポート１８に設ける断熱層の構成は、ポートライナ１８１の鋳ぐるみに限定されない。

このエンジン１では、上述の通り幾何学的圧縮比εを１５≦ε≦４０に設定している。理論サイクルであるオットーサイクルにおける理論熱効率η_ｔｈは、η_ｔｈ＝１−１／（ε^κ−１）であり、圧縮比εを高くすればするほど、理論熱効率η_ｔｈは高くなる。しかしながら、エンジン（正確には、燃焼室の断熱構造を有しないエンジン）の図示熱効率は、所定の幾何学的圧縮比ε（例えば１５程度）でピークになり、幾何学的圧縮比εをそれ以上に高めても図示熱効率は高くならず、逆に、図示熱効率は低下することになる。これは、燃料量及び吸気量を一定のままで幾何学的圧縮比を高くした場合、圧縮比が高くなればなるほど、燃焼圧力及び燃焼温度が高くなることに起因している。上述したように、燃焼圧力及び燃焼温度が高くなることは、冷却損失を増大させることになるためである。

これに対し、このエンジン１では、高い幾何学的圧縮比εにおいて図示熱効率が高まるように、上述の通り、燃焼室１７の断熱構造を組み合わせている。つまり、燃焼室１７の断熱化により冷却損失を低減させ、それによって図示熱効率を高める。

一方で、燃焼室１７を断熱化して冷却損失を低減させるだけでは、その冷却損失の低減分が排気損失に転換されて図示熱効率の向上にはあまり寄与しないところ、このエンジン１では、上述したように、高圧縮比化に伴う高膨張比化によって、冷却損失の低減分に相当する燃焼ガスのエネルギを、機械仕事に効率よく変換している。すなわち、このエンジン１は、冷却損失及び排気損失を共に低減させる構成を採用することによって、図示熱効率を大幅に向上させているということができる。

このエンジン１では、上記の燃焼室１７及び吸気ポート１８の断熱構造に加えて、気筒内（燃焼室１７内）においてガス層による断熱層を形成することで、冷却損失をさらに低減するようにしている。以下、このことについて詳細に説明する。

図３は、エンジン１の温間時の運転マップを例示している。このエンジン１は、基本的には、運転領域の全域において、燃焼室１７内の混合気を圧縮自己着火によって燃焼させるように構成されている。図３に示す運転マップにおいて、所定負荷よりも低い低負荷領域、及び、低負荷領域よりも負荷の高い中負荷領域において、燃焼室１７内にガス層による断熱層を形成する。つまり、エンジン負荷が比較的低くかつ、それによって燃料噴射量が比較的少ない運転状態においては、燃焼室１７内にガス層による断熱層を形成することによって、冷却損失を低減し、熱効率の向上を図る。ここで、低負荷領域及び中負荷領域はそれぞれ、エンジンの負荷領域を低、中、及び高の３つの領域に区分（例えば、三等分）したときの、低領域及び中領域に相当する、と定義してもよい。また、特に中負荷領域は、例えば全開負荷に対する所定負荷以下（例えば７０％負荷以下）の領域としてもよい。

図４は、低負荷及び中負荷領域において、燃焼室１７内に形成する混合気層の形状を概念的に示している。燃焼室１７内にガス層による断熱層を形成するとは、同図に示すように、燃焼室１７内の中央部に混合気層を形成すると共に、その周囲に新気を含むガス層を形成することである。このガス層は、新気のみであってもよく、新気に加えて、既燃ガス（つまり、ＥＧＲガス）を含んでいてもよい。尚、後述の通り、ガス層が断熱層の役割を果たす限度において、ガス層に少量の燃料が混じることは許容される。

混合気層の表面積（Ｓ）と体積（Ｖ）との比（Ｓ／Ｖ比）を小さくすることによって、燃焼時に周囲のガス層との伝熱面積が小さくなると共に、混合気層とシリンダ１１の壁面との間のガス層により、混合気層の火炎がシリンダ１１の壁面に接触することがなく、また、ガス層自体が断熱層となって、シリンダ１１の壁面からの熱の放出を抑えることができるようになる。この結果、冷却損失を大幅に低減することができる。

エンジン制御器１００は、燃焼室１７内の中央部に混合気層が形成されかつ、その周囲にガス層が形成されるように、圧縮行程後半から膨張行程初期の期間にインジェクタ３３のノズル口４１からシリンダ１１内に燃料を噴射させるべく、燃料供給システム３４の電気回路に噴射信号を出力する。

低負荷領域においては、燃料噴射量が相対的に少ないことから、シリンダ１１の中心軸Ｘ上に配設されたインジェクタ３３から、圧縮行程後半から膨張行程初期の期間に、シリンダ１１内に燃料を噴射することによって燃料噴霧の広がりを抑制して、燃焼室１７内の中央部の混合気層と、その周囲のガス層とを形成することが比較的、容易に実現する。しかしながら、燃焼噴射量が増えるに従い、燃料噴射期間が長くなることから、燃料噴霧は特にシリンダ１１の中心軸Ｘの方向に広がるようになり、その結果、混合気層は、例えばピストン１５の冠面に触れるようになる。つまり、混合気層の周囲のガス層が確実に形成されなくなる。上述の通り、このエンジン１は、幾何学的圧縮比が高く、それに伴い燃焼室（つまり、ピストンが圧縮上死点に位置したときのシリンダ内空間）の容積が小さい。そのため、このエンジン１は、燃料噴霧がシリンダ１１の中心軸Ｘの方向に広がったときに、混合気層はピストン１５の冠面に触れやすい。

そこで、このエンジン１は、燃料噴射量が増える中負荷領域においても燃焼室１７内の中心部の混合気層とその周囲のガス層とを確実に形成するために、燃焼室１７内に形成する混合気層の形状をコントロールする。具体的には、図４に白抜きの矢印で示すように、燃料噴射量が増えたときには、燃料噴霧を、シリンダ１１の中心軸Ｘに交差する径方向の外側に広がるようにする。そのことによって、混合気層の中心軸Ｘの方向の長さが長くなることを抑制して混合気層がピストン１５の冠面に触れることを回避しつつ、中心軸Ｘの方向よりも空間的な余裕のある径方向の外側に混合気層を広げることによって、混合気層がシリンダ１１の内壁に触れることも回避する。燃焼室１７内に形成する混合気層の形状をコントロールすることは、燃焼室１７内に形成される混合気層の中心軸方向の長さをＬ、径方向の幅をＷとしたときに、長さＬと幅Ｗとの比（Ｌ／Ｗ）を調整することであり、上述のＳ／Ｖ比を小さくする上で、Ｌ／Ｗ比を所定以上にしつつも、燃料噴射量が増えたときには、Ｌ／Ｗ比を小さくすることになる。

このような混合気層の形状のコントロールを実現するために、エンジン１では、インジェクタ３３による燃料噴射の間隔（図６参照）とリフト量（図７参照）とがそれぞれ調整される。これにより、図５に示すように、燃料噴霧の進行方向への広がりと燃料噴霧の中心軸Ｓを中心とする径方向への広がりとが独立して制御される。燃料噴射の間隔は、図６に概念的に示すように、燃料噴射の終了から、次の燃料噴射の開始までの間隔と定義される。上述の通り、このインジェクタ３３は高応答であり、１〜２ｍｓｅｃの間に、２０回程度の多段噴射が可能である。また、インジェクタ３３のリフト量は、図７に概念的に示すように、燃料の噴射開口面積に比例し、上述の通り、リフト量が大きいほど、噴射開口面積（即ち、ノズル口４１の有効断面積）は大きくなり、リフト量が小さいほど、噴射開口面積は小さくなる。

図８は、インジェクタ３３のリフト量を一定にした上で、燃料の噴射間隔を長くしたとき（同図（Ａ））と、噴射間隔を短くしたとき（同図（Ｂ））との燃料噴霧の広がりの違いを、概念的に示している。インジェクタ３３からホローコーン状に噴射された燃料噴霧は、燃焼室１７内を高速で流れる。そのため、コアンダ効果により、ホローコーンの内側においてインジェクタ３３の中心軸Ｓに沿うように、負圧領域が発生する。燃料噴射間隔が長いときには、燃料噴射から次の燃料噴射までの間に、負圧領域の圧力が回復するようになるため、負圧領域は小さくなる。これに対し、燃料噴射間隔が短いときには、間を空けずに燃料噴射が繰り返されるため、負圧領域の圧力が回復することが抑制される。その結果、負圧領域は、図８（Ｂ）に示すように、大きくなる。

燃料噴霧は、この負圧に引き寄せされるようになる。負圧領域は中心軸Ｓを中心とする径方向の中央側に形成されるため、負圧領域が相対的に大きいときには、図８（Ｂ）に示すように、燃料噴霧の径方向への広がり、即ち、中心軸Ｓに対する燃料噴霧の進行方向の傾斜角が抑制される。これに対し、負圧領域が相対的に小さいときには、図８（Ａ）に示すように、燃料噴霧は、あまり引き寄せられないため、径方向へ広がりやすく、燃料噴霧の中心軸Ｓに対する燃料噴霧の進行方向の傾斜角が大きくなる。つまり、インジェクタ３３の燃料の噴射間隔を短くすれば、燃料噴霧の径方向の広がりを抑制することが可能になる一方、その噴射間隔を長くすれば、燃料噴霧の径方向の広がりを促進することが可能になる。

図９は、燃料の噴射間隔を一定にした上で、インジェクタ３３のリフト量を小さくしたとき（同図（Ａ））と、リフト量を大きくしたとき（同図（Ｂ））との燃料噴霧の広がりの違いを概念的に示している。この場合、噴射間隔が同じであるため、燃焼室１７内の負圧領域は同じになるものの、リフト量が相違することによって、燃料噴霧の粒径が異なる。つまり、インジェクタ３３のリフト量を小さくしたときには、燃料噴霧の粒径も小さくなるため、燃料噴霧の運動量が小さくなる。このため、燃料噴霧は、負圧によって径方向の中央側に引き寄せられやすくなり、図９（Ａ）に示すように、径方向の外側への広がりが抑制される。これに対し、インジェクタ３３のリフト量を大きくしたときには、燃料噴霧の粒径が大きくなるため、燃料噴霧の運動量が大きくなる。このため、燃料噴霧は、負圧に引き寄せられにくくなり、図９（Ｂ）に示すように、径方向の外側に広がり易くなる。つまり、インジェクタ３３のリフト量を大きくすれば、燃料噴霧の径方向の広がりを促進することが可能になる一方、そのリフト量を小さくすれば、燃料噴霧の径方向の広がりを抑制することが可能になる。

また、粒径が大きい燃料噴霧は、運動量が大きいので、進行方向への飛散距離も長くなる。さらに、粒径が大きい燃料噴霧は、負圧領域の影響を受けて減速しにくく、このことによっても飛散距離が長くなる。それに対し、粒径が小さい燃料噴霧は、運動量が小さいので、進行方向への飛散距離が短くなる。さらに、粒径が小さい燃料噴霧は、負圧領域の影響を受けて減速しやすく、このことによっても飛散距離が短くなる。

このように、インジェクタ３３の噴射間隔及びリフト量を変更することによって、燃料噴霧の広がりを、径方向と進行方向との２方向について独立して制御することが可能になる。そこで、このエンジン１では、リフト量が相対的に大きく且つ噴射間隔が相対的に大きい複数回の燃料噴射を含む第１噴射群と、リフト量が相対的に小さく且つ噴射間隔が相対的に小さい複数回の燃料噴射を含む第２噴射群とを組み合わせて、混合気層の形状を制御している。何れの噴射群においても、複数回の燃料噴射を行う多段噴射が実行される。ここで、多段噴射とは、燃料の噴射間隔（燃料噴射の終了から次の燃料噴射の開始までの間隔）が０．５ｍｓ以下の連続的な燃料噴射を意味する。

詳しくは、第１噴射群は、インジェクタ３３のリフト量を第２噴射群よりも大きくし且つ、燃料の噴射間隔を第２噴射群よりも大きくした、所定回数の燃料噴射を含む。噴射間隔を広くすることによって負圧領域が小さくなる。それに加えて、リフト量を大きくして燃料噴霧の粒径を大きくすることによって、燃料噴霧の運動量が大きくなる。その結果、進行方向への飛散距離が相対的に長く且つ径方向へ広がった燃料噴霧が形成される。

第２噴射群は、インジェクタ３３のリフト量を第１噴射群よりも小さくし且つ、燃料の噴射間隔を第１噴射群よりも小さくした、所定回数の燃料噴射を含む。噴射間隔を狭くすることによって負圧領域が拡大される。それに加えて、リフト量を小さくして燃料噴霧の粒径を小さくすることによって、燃料噴霧の運動量が小さくなる。その結果、進行方向への飛散距離が相対的に短く且つ径方向への広がりが抑制された燃料噴霧が形成される。

エンジン制御器１００は、エンジン１の運転状態に応じて第１噴射群と第２噴射群との割合を変更することによって、混合気層をエンジン１の運転状態に応じた形状に制御している。基本的な原理としては、第１噴射群の割合を多くすることによって、径方向外側へ広がった混合気層が形成される一方、第２噴射群の割合を多くすることによって、径方向外側への広がりが抑制された混合気層が形成される。

尚、エンジン１の運転状態によっては、第１噴射群が省略され、第２噴射群だけが実行される場合や、第１噴射群に含まれる燃料噴射が１回だけで、あとは第２噴射群となる場合や、第２噴射群が省略され、第１噴射群だけが実行される場合や、第２噴射群に含まれる燃料噴射が１回だけで、あとは第１噴射群となる場合もある。また、第１噴射群の後に第２噴射群を実行してもよいし、第２噴射群のあとに第１噴射群を実行してもよい。

エンジン制御器１００は、上述の多段噴射を前提として、エンジン１の運転状態に応じて第１噴射群８及び第２噴射群９の噴射態様をさらに細かく制御している。図１０は、中負荷且つ低回転領域における噴射態様を示す図である。図１１は、中負荷且つ低回転領域における燃焼室の燃料濃度分布を示す図である。図１２は、中負荷且つ高回転領域における噴射態様を示す図である。図１３は、中負荷且つ高回転領域における燃焼室の燃料濃度分布を示す図である。

具体的には、エンジン制御器１００は、中負荷領域において、第１噴射群８の燃料噴射の噴射間隔が徐々に長くなると共にリフト量が徐々に小さくなるようにインジェクタ３３を制御している。このとき、第２噴射群９に含まれる燃料噴射のリフト量は一定である。また、第２噴射群９は、圧縮上死点前に完了している。

詳しくは、中負荷の低回転側の領域では、図１０に示すように、第１噴射群８には、４回の燃料噴射が含まれる。１回目の燃料噴射８１のリフト量は、最も大きくなっている。２回目の燃料噴射８２は、１回目の燃料噴射８１から比較的小さい第１間隔ａ１を空けて行われる。２回目の燃料噴射８２のリフト量は、１回目の燃料噴射８１よりも小さい。３回目の燃料噴射８３は、２回目の燃料噴射８２から第１間隔ａ１よりも大きい第２間隔ａ２を空けて行われる。３回目の燃料噴射８３のリフト量は、２回目の燃料噴射８２よりも小さい。４回目の燃料噴射８４は、３回目の燃料噴射８３から第２間隔ａ２よりも大きい第３間隔ａ３を空けて行われる。４回目の燃料噴射８４のリフト量は、３回目の燃料噴射８３よりも小さい。２回目の燃料噴射８２が第１噴射の一例であり、３回目の燃料噴射８３又は４回目の燃料噴射８４が第２噴射の一例である。また、３回目の燃料噴射８３も第１噴射の一例となり得る。その場合には、４回目の燃料噴射８４が第２噴射の一例となる。

このように、第１噴射群８では、噴射タイミングが後になるほど、噴射間隔が長くなり、負圧領域の大きさが小さくなる。そのため、第１噴射群８の始めの方の燃料噴射による燃料噴霧は、負圧領域が比較的大きいので、中心軸Ｓを中心とする径方向外側、即ち、燃焼室１７の径方向外側への広がりが抑制される。一方、第１噴射群８の終わりの方の燃料噴射による燃料噴霧は、負圧領域が比較的小さいので、燃焼室１７の径方向外側へ広がっていく（即ち、中心軸Ｓに対する燃料噴霧の進行方向の傾斜角が大きくなる）。

ここで、燃料噴霧の径方向外側への広がりが大きいほど、中心軸方向への飛散距離は短くなる。つまり、第１噴射群８の始めの方の燃料噴射による燃料噴霧は、径方向への広がりが小さいので、中心軸方向への飛散距離が長くなる。一方、第１噴射群８の終わりの方の燃料噴射による燃料噴霧は、径方向への広がりが大きいので、中心軸方向への飛散距離が短くなる。つまり、中心軸方向において、各燃料噴霧の到達位置を互いに異ならせることができる。その結果、燃料を中心軸方向に分散して噴射することができ、燃料噴霧を中心軸方向に分散させることができる。

それに加えて、第１噴射群８では、噴射間隔が長くなるほど、リフト量が小さくなっている。リフト量が小さいと、燃料噴霧の粒径が小さく、運動量が小さくなるので、燃料噴霧の進行方向への飛散距離が短くなる。つまり、噴射間隔が長い、即ち、径方向への広がりが大きい燃料噴霧ほど、進行方向への飛散距離が短くなっている。例えば、第１噴射群８の各燃料噴霧の進行方向への飛散距離が一定であるとすると、燃料噴霧の径方向への広がりを調整することによって燃料噴霧を中心軸方向に分散させることができるとしても、燃料噴霧の径方向への飛散距離は中心軸方向で不均一となる。すなわち、燃料噴霧の径方向への広がりが大きいほど、燃料噴霧の径方向への飛散距離は長くなる。それに対し、径方向への広がりが大きい燃料噴霧の進行方向への飛散距離を短くすることによって、各燃料噴霧の径方向への飛散距離の差を小さくすることができる。つまり、混合気層全体としての径方向の広がりを中心軸方向においてできる限り均等にすることができる。

さらに、燃料噴霧の進行方向への飛散距離が短くなると、燃料噴霧の中心軸方向への飛散距離も短くなる。径方向への広がりが大きい燃料噴霧は、中心軸方向への飛散距離を抑制することによりノズル口４１の近傍に配置したい燃料噴霧である。そのため、径方向への広がりが大きい燃料噴霧の粒径を小さくして、進行方向への飛散距離を短くすることは、燃料噴霧の径方向への飛散距離を均等にできるだけでなく、燃料噴霧を噴口の近傍に配置する観点からも有効である。つまり、燃料噴霧の粒径を調整することによって、燃料噴霧を中心軸方向における所望の位置により配置させやすくなる。

一方、第２噴射群９の燃料噴射９０，９０，…は、噴射間隔が相対的に短く、負圧領域が大きい。また、第２噴射群９の燃料噴射９０，９０，…は、リフト量が相対的に小さく、燃料噴霧の粒径が小さいので、運動量が小さい。そのため、第２噴射群９による燃料噴霧は、飛散距離が比較的短く、また、負圧の影響を受けて径方向中央に集まりやすい。より詳しくは、燃料噴射９０，９０，…の噴射間隔は、第１噴射群８の１回目の燃料噴射８１と２回目の燃料噴射８２との間の第１間隔ａ１よりも短い。そのため、第２噴射群９による燃料噴霧は、第１噴射群８による燃料噴霧よりも径方向内側へ飛散していく。

また、第１噴射群８による全噴射量と、第２噴射群９による全噴射量とは、略同じ量になっている。

このような第１噴射群８及び第２噴射群９による燃料噴射の結果、着火時（圧縮上死点後の所定のタイミング）には、燃料噴霧は、中心軸方向に分散して配置され、燃料濃度分布は中心軸方向において概ね均等となる。尚、燃料の着火は、例えば、燃料の燃焼質量割合が１％以上となることをもって判定することができる。

具体的には、１回目の燃料噴射８１による燃料噴霧（以下、「１回目の燃料噴霧」という）は、比較的自由に飛散していくが、２回目の燃料噴射８２による燃料噴霧（以下、「２回目の燃料噴霧」という）は、大きな負圧領域に引き寄せられ、径方向への広がりが抑制される。そのため、該燃料噴霧は、概ね中心軸Ｓに沿ってピストン１５の近傍まで飛散する。

３回目の燃料噴射８３のときには、２回目の燃料噴射８２のときと比べて負圧領域が小さくなっている。そのため、３回目の燃料噴射８３による燃料噴霧（以下、「３回目の燃料噴霧」という）は、負圧領域に引き寄せられるものの、２回目の燃料噴霧に比べて中心軸Ｓに対する傾斜角が大きな方向に飛散し、径方向への広がりが大きくなる。また、３回目の燃料噴霧は、２回目の燃料噴霧に比べて粒径が小さいので、その進行方向への飛散距離が短くなっている。径方向への広がりが大きいことと進行方向への飛散距離が短いことが相俟って、３回目の燃料噴霧の中心軸方向への飛散距離は、２回目の燃料噴霧に比べて短くなる。つまり、３回目の燃料噴霧は、中心軸方向において２回目の燃料噴霧よりもノズル口４１に近い位置までしか飛散しない。また、３回目の燃料噴霧は、進行方向への飛散距離が短いので、径方向への飛散距離も短くなっている。そのため、３回目の燃料噴霧は、２回目の燃料噴霧よりも径方向への広がりが大きいものの、径方向への飛散距離は、２回目の燃料噴霧と略同じになっている。

４回目の燃料噴射８４のときには、３回目の燃料噴射８３のときと比べて負圧領域が小さくなっている。そのため、４回目の燃料噴射８４による燃料噴霧（以下、「４回目の燃料噴霧」という）は、負圧領域に引き寄せられるものの、３回目の燃料噴霧に比べて中心軸Ｓに対する傾斜角が大きな方向に飛散し、径方向への広がりが大きくなる。また、４回目の燃料噴霧は、３回目の燃料噴霧に比べて粒径が小さいので、その進行方向への飛散距離が短くなっている。径方向への広がりが大きいことと進行方向への飛散距離が短いことが相俟って、４回目の燃料噴霧の中心軸方向への飛散距離は、３回目の燃料噴霧に比べて短くなる。つまり、４回目の燃料噴霧は、中心軸方向において３回目の燃料噴霧よりもノズル口４１に近い位置までしか飛散しない。また、４回目の燃料噴霧は、進行方向への飛散距離が短いので、径方向への飛散距離も短くなっている。そのため、４回目の燃料噴霧は、３回目の燃料噴霧よりも径方向への広がりが大きいものの、径方向への飛散距離は、３回目の燃料噴霧と略同じになっている。

このような第１噴射群８による燃料噴射が行われた結果、例えば着火時には、中心軸方向において２回目の燃料噴霧がピストン１５の近傍に位置し、３回目の燃料噴霧がピストン１５とノズル口４１との中間部分に位置し、４回目の燃料噴霧がノズル口４１の近傍に位置するようになる。こうして、第１噴射群８による燃料噴霧は、中心軸方向に分散される。また、２回目〜４回目の何れの燃料噴霧の径方向への飛散距離も、同じくらいとなっている。

その後、第１噴射群８による燃料噴霧よりも径方向中央側に、第２噴射群９による燃料噴霧が噴射される。

その結果、着火時には、燃料噴霧は、中心軸方向において概ね均等に分散した状態となる。つまり、図１１に示すように、中心軸方向の燃料濃度分布が概ね均等となる。

この状態で燃料が燃焼すると、ピストン１５近傍における燃料の集中が解消されているので、ピストン１５近傍において局所的に大きな熱量が発生することが防止される。その結果、ピストン１５を介した放熱が抑制され、冷却損失が低減される。

尚、ピストン１５近傍の燃料濃度を低減するために、ピストン１５近傍以外の部分、例えば、燃焼室１７の中央の燃料濃度を局所的に高めることも考えられる。しかしながら、この方法では、中負荷領域のように燃料量が多いときには、燃料濃度が局所的に濃くなりすぎて、ＣＯ排出量が増大してしまう。それに対し、上述のように燃料の濃度分布を均質化させる場合には、ＣＯ排出量を抑制しつつ、冷却損失を低減することができる。

尚、第１噴射群８による全噴射量と、第２噴射群９による全噴射量とが略同じ量になっているので、燃焼室１７の径方向中央に分布する第２噴射群９による燃料噴霧と、該第２噴射群９による燃料噴霧の回りに分布する第１噴射群８による燃料噴霧との割合が同程度となり、燃焼室１７の径方向への燃料濃度分布も、図１１に示すように、概ね均等になっている。

一方、エンジン制御器１００は、中負荷領域の高回転側の領域においては、図１２に示すように、１回のサイクルにおける燃料の全噴射量に対する第２噴射群９の割合を、低回転側の領域に比べて増加させている。図１２の例では、図１０の例に比べて、第１噴射群８に含まれる燃料噴射の回数が１回減少し、第２噴射群９に含まれる燃料噴射の回数が２回増加している。具体的には、第１噴射群８においては、４回目の燃料噴射８４が削除され、１回目〜３回目の燃料噴射８１〜８３だけになっている。

また、多段噴射の噴射時期が、低回転領域に比べて進角している。所定のクランク角で燃料を着火させることを想定した場合、エンジン回転数が高くなるほど、燃料の噴射を開始してから該所定のクランク角までの時間が短くなるためである。つまり、燃料噴射を開始してから該所定のクランク角までの間に着火遅れに対応する十分な時間を確保するためである。

しかしながら、燃焼室１７内に燃料が噴射されると燃焼室１７内の比熱比が低くなるので、燃料噴射時期を進角させるほど、圧縮端温度の温度が上がりにくくなり、着火しにくくなる。それに対し、全噴射量に対する第２噴射群９の割合を低回転側の領域に比べて高くすることによって、燃料濃度が局所的に高い部分を形成し、着火性を向上させている。第２噴射群９は、燃料噴霧の粒径が小さく且つ負圧領域が大きいので、燃料噴霧が燃焼室１７の径方向中央付近に集まりやすくなっている。つまり、第２噴射群９の割合を高めることによって、図１３に示すように、燃焼室１７の径方向中央に燃料濃度が局所的に高い部分を形成することができる。その結果、回転数が高い場合であっても所望のクランク角で燃料を着火させることが可能となる。

尚、高回転領域であっても、第１噴射群８においては、燃料噴射の噴射間隔が徐々に長くなると共にリフト量が徐々に小さくなっている。これにより、中心軸方向の燃料濃度分布は、概ね均等となっている。そのため、高回転領域においても、ピストン１５近傍において燃焼により発生する熱量を低減し、冷却損失を低減することができる。

尚、エンジン１の負荷が大きくなると、負荷が小さい場合と比べて、燃料量が多くなるが、このとき、エンジン制御器１００は、燃料の全噴射量に対する第１噴射群８の割合を高くする。例えば、第１噴射群８に含まれる燃料噴射の回数が増える。第１噴射群８による燃料噴霧は、第２噴射群９に比べて、燃焼室１７の径方向に広がりやすい。着火時における燃焼室１７は、径方向に広がった扁平な形状をしているので、負荷が増加して燃料量が増えた場合には、燃焼室１７の径方向のスペースを有効に利用しつつ、燃焼室１７の燃料濃度分布を中心軸方向において概ね均等にすることができる。

このように、エンジン１は、シリンダ１１内に設けられたピストン１５を有するエンジン本体と、少なくともガソリンを含む燃料を上記シリンダ１１内にノズル口４１を介して噴射するインジェクタ３３と、上記インジェクタ３３の噴射態様を制御するエンジン制御器１００とを備え、上記エンジン制御器１００は、上記エンジン１のエンジン負荷が所定負荷以上の運転領域において、圧縮行程後半から膨張行程初期の期間内に上記インジェクタ３３に多段噴射を行わせ、上記多段噴射には、１回目の燃料噴射８１から所定の第１間隔ａ１を空けて燃料を噴射する２回目の燃料噴射８２と、２回目の燃料噴射８２から該第１間隔ａ１よりも長い第２間隔ａ２を空けて燃料を噴射する３回目の燃料噴射８３とが含まれる。

上記の構成によれば、多段噴射における噴射間隔を調整することによって、燃料噴射の中心軸を中心とする径方向への燃料噴霧の広がりを抑制することができる。そして、多段噴射内で、燃料噴霧の径方向への広がりを燃料噴射ごとに調整することによって、燃料噴霧を中心軸方向に分散させることができる。

具体的には、２回目の燃料噴射８２は、１回目の燃料噴射８１からの噴射間隔が相対的に短いので、大きな負圧領域が形成されており、２回目の燃料噴霧は、負圧領域に引き寄せられて、径方向への広がりが抑制される。そのため、２回目の燃料噴霧の中心軸方向への飛散距離は、相対的に長くなる。一方、３回目の燃料噴射８３は、２回目の燃料噴射８２からの噴射間隔が相対的に長いので、負圧領域が小さくなっており、３回目の燃料噴霧は、負圧領域にあまり引き寄せられず、径方向への広がりが大きくなる。そのため、３回目の燃料噴霧の中心軸方向への飛散距離は、相対的に短くなる。その結果、２回目の燃料噴霧と３回目の燃料噴霧とは、中心軸方向に分散されることになる。

こうして、燃料噴霧を中心軸方向に分散させることによって、ピストン１５近傍での燃料の集中を解消することができる。それにより、燃焼時にピストン１５近傍において発生する熱量を減少させることができ、ピストン１５からの放熱量を低減することができる。その結果、冷却損失を低減することができる。

また、上記インジェクタ３３は、上記ノズル口４１の有効断面積を調整可能に構成されており、上記エンジン制御器１００は、直前の燃料噴射からの間隔が長くなるほど上記ノズル口４１の有効断面積が小さくなるように上記インジェクタ３３を調整している。

この構成によれば、径方向への広がりが大きい燃料噴霧ほど、粒径が小さくなり、運動量が小さくなっている。つまり、燃料噴霧の進行方向への飛散距離が短くなっている。燃料噴霧の進行方向への飛散距離が短くなると、当然ながら、径方向への飛散距離も短くなる。つまり、径方向への広がりが大きい燃料噴霧は、径方向への広がりが小さい燃料噴霧に比べて、中心軸方向への飛散距離が短くなる一方で、径方向への飛散距離は長くなる。しかし、径方向への広がりが大きい燃料噴霧の進行方向への飛散距離自体を短くすることによって、該燃料噴霧の径方向への飛散距離を短くすることができる。よって、径方向への広がりが大きい燃料噴霧の径方向への飛散距離を、径方向への広がりが小さい燃料噴霧に近づけることができる。

さらに、噴射間隔が相対的に長く且つノズル口４１の有効断面積が相対的に小さい３回目の燃料噴射８３は、噴射間隔が相対的に短く且つノズル口４１の有効断面積が相対的に大きい２回目の燃料噴射８２よりも後に行われる。

この構成によれば、３回目の燃料噴霧は、径方向への広がりが相対的に小さく且つ進行方向への飛散距離が相対的に短い。つまり、３回目の燃料噴霧は、ノズル口４１の近傍に滞留しやすい。そのため、３回目の燃料噴射８３の後に、飛散距離がより長い燃料噴射が行われると、ノズル口４１の近傍に滞留している燃料噴霧が後からの燃料噴霧に引き連れられて、遠くへ飛散していく可能性がある。その結果、３回目の燃料噴霧を所望の位置に留まらせることが困難となる。それに対し、遠くまで飛散する２回目の燃料噴霧を先に噴射し、その後に、飛散距離の短い３回目の燃料噴霧を噴射することによって、それぞれの燃料噴霧を所望の位置に配置しやすくなる。

さらに、上記多段噴射には、上記第１噴射及び上記第２噴射を含む少なくとも３回以上の燃料噴射が含まれており、上記多段噴射の噴射間隔は、しだいに大きくなっている。

この構成によれば、中心軸方向への飛散距離が長い燃料噴霧ほど先に噴射される。燃料噴射のタイミング後になるほど着火までの時間が短くなるので、中心軸方向への飛散距離が長い燃料噴霧を先に噴射することによって、該燃料噴霧を所望の位置まで確実に到達させることができる。

また、上記多段噴射は、第１噴射群８と、該第１噴射群８と比べて上記ノズル口４１の有効断面積が相対的に小さく及び噴射間隔が相対的に小さい第２噴射群９とを含み、上記エンジン制御器１００は、少なくとも上記第１噴射群８が上記２回目の燃料噴射８２及び３回目の燃料噴射８３を含むように上記インジェクタ３３を調整する。

第１噴射群８は、第２噴射群９に比べて、燃料粒径が大きく且つ負圧領域が小さいので、第１噴射群８による燃料噴霧は、拡散しやすく且つ遠くまで飛散しやすい。すなわち、第１噴射群８による燃料噴霧は、ピストン１５に到達しやすい。そこで、少なくとも第１噴射群８に上記２回目の燃料噴射８２及び３回目の燃料噴射８３が含まれるようにすることによって、多段噴射全体として、ピストン１５近傍まで飛散する燃料噴霧を効果的に低減することができる。

《その他の実施形態》
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、上記実施形態を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、適宜、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用可能である。また、上記実施形態で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。また、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。

上記実施形態について、以下のような構成としてもよい。

例えば、第１噴射群８において、噴射タイミングが後になるほど、噴射間隔が長くなり、且つ、リフト量が小さくなっているが、これに限られるものではない。第２噴射群９において、噴射タイミングが後になるほど、噴射間隔が長くなり、且つ、リフト量が小さくなっていてもよい。その場合、第１噴射群８は、噴射間隔及びリフト量が一定となっていてもよい。つまり、第１噴射群８及び第２噴射群９のいずれにおいて、噴射タイミングが後になるほど、噴射間隔が長くなり、且つ、リフト量が小さくなっていてもよい。

第１噴射群８は、図１０，１２に示す噴射態様に限られるものではない。第１噴射群８における燃料噴射の回数は、４回又は３回に限られるものではない。４回以上であってもよい。

第１噴射群８は、直前の燃料噴射からの噴射間隔が長くなるほど、リフト量が小さくなっているが、これに限られなない。例えば、リフト量は一定であってもよい。

第１噴射群８は、噴射タイミングが後になるにしたがって噴射間隔が大きくなっているが、これに限られるものではない。例えば、第１噴射群８は、噴射タイミングが後になるにしたがって噴射間隔が小さくなってもよい。また、噴射間隔は、単調に増加又は減少する必要はなく、多段噴射中において噴射間隔が長くなったり、短くなったりしてもよい。

第１噴射群８は、第２噴射群９に比べて、リフト量が大きく且つ噴射間隔が大きいが、リフト量及び燃料間隔の何れか一方だけが大きい構成であってもよい。

上記多段噴射では、第１噴射群８の後に第２噴射群９が実行されるが、これを逆にして、第２噴射群９の後に第１噴射群８が実行されてもよい。

また、第２噴射群９は、図１０，１２に示す噴射態様に限られるものではない。例えば、第２噴射群９の燃料噴射は、等間隔でなくてもよく、リフト量が一定でなくてもよい。

さらに、上記実施形態では、中負荷領域における多段噴射には、第１噴射群８と第２噴射群９とが含まれているが、何れか一方だけであってもよい。例えば、多段噴射は、第２噴射群９だけで構成されていてもよい。その場合、第２噴射群９に直前の燃料噴射から所定の第１間隔を空けて燃料を噴射する第１噴射と、直前の燃料噴射から該第１間隔よりも長い第２間隔を空けて燃料を噴射する第２噴射とが含まれる。

つまり、少なくとも中負荷領域おいて、多段噴射が行われ、その多段噴射中に直前の燃料噴射から所定の第１間隔を空けて燃料を噴射する第１噴射と、直前の燃料噴射から該第１間隔よりも長い第２間隔を空けて燃料を噴射する第２噴射とが含まれる限りは、任意の噴射形態を採用することができる。

また、そのような第１噴射及び第２噴射を含む多段噴射が行われるのは中負荷領域に限られない。低負荷領域及び高負荷領域においても同様の制御を行ってもよい。

また、インジェクタの構成は、上記実施形態に限られるものではない。噴口の有効断面積を変更できる限り、任意のインジェクタを採用することができる。例えば、図１４に示すような、ＶＣＯ（Valve Covered Orifice）ノズルタイプのインジェクタ２３３であってもよい。図１４は、インジェクタ２３３の内部構成を示す断面図である。

詳しくは、インジェクタ２３３は、シリンダ１１内に燃料を噴射するノズル口２４１が形成されたノズル本体２４０と、ノズル口２４１を開閉するニードル弁２４２とを有する。ノズル本体２４０は、所定の噴射軸Ｓに沿って延びる管状の部材であって、その内部を燃料が流通する。ノズル本体２４０の先端部は、円錐状に形成されている。ノズル本体２４０の先端部の内周面には、すり鉢状のシート部２４３が形成されている。ノズル本体２４０の先端部に、複数のノズル口２４１が貫通形成されている。ノズル口２４１の一端は、シート部２４３に開口している。ノズル口２４１は、噴射軸Ｓ回りに等間隔で複数配置されている。ニードル弁２４２の先端部は、円錐状に形成され、ノズル本体２４０のシート部２４３に着座するようになっている。ノズル口２４１は、ニードル弁２４２がシート部２４３に着座することによって閉鎖されるようになっている。ノズル口２４１は、噴口の一例であり、ニードル弁２４２は、弁体の一例である。

ニードル弁２４２は、インジェクタ３３と同様にピエゾ素子により駆動される。ニードル弁２４２が駆動され、シート部２４３からリフトされると、シート部２４３とニードル弁２４２との間に燃料が流通可能な隙間が形成され、この隙間を流通する燃料がノズル口２４１を介してノズル本体２４０の外部に噴射される。

このとき、ノズル口２４１の内周面には、燃料が流通する際にキャビテーションが発生する。このキャビテーションの度合い（例えば、キャビテーションが発生する領域の大きさ）は、ニードル弁２４２とシート部２４３との隙間、即ち、ニードル弁２４２のリフト量に応じて変化する。具体的には、ニードル弁２４２のリフト量が小さく、ニードル弁２４２とシート部２４３との隙間が小さいときには、キャビテーションが発生する領域も大きくなる。一方、ニードル弁２４２のリフト量が大きく、ニードル弁２４２とシート部２４３との隙間が大きいときには、キャビテーションが発生する領域も小さくなる。キャビテーションが発生する領域が大きいと、ノズル口２４１の有効断面積は小さくなる。キャビテーションが発生する領域が小さいと、ノズル口２４１の有効断面積は大きくなる。つまり、ニードル弁２４２のリフト量が小さいほど、ノズル口２４１の有効断面積は小さくなり、ニードル弁２４２のリフト量が大きいほど、ノズル口２４１の有効断面積は大きくなる。

さらに、上記実施形態では、インジェクタ３３のリフト量と燃料噴射間隔とを変更することによって、燃焼室１７内の混合気層の形状を変更することが可能であるが、これに加えて、燃料圧力を高くすることは、インジェクタ３３のリフト量と燃料噴射間隔との変更に伴う、混合気層の形状の変更幅を、さらに拡大する。つまり、燃料圧力を高くすることによって、インジェクタ３３のリフト量を大きくしたときには、燃料噴霧の運動エネルギがより大きくなり、燃料噴射間隔を狭くしたときには、負圧の程度が高くなって負圧領域がより拡大する。その結果、混合気層の形状の変更幅が、さらに拡大する。

尚、上記の例では、燃焼室１７及び吸気ポート１８の断熱構造を採用するとともに、気筒内（燃焼室１７内）にガス層による断熱層を形成するようにしたが、ここに開示する技術は、燃焼室１７及び吸気ポート１８の断熱構造を採用しないエンジンにも適用することができる。

また、ここに開示する燃料噴射技術は、燃焼室１７内に混合気層とその周囲のガス層とを形成しているが、これに限られるものではない。ガス層が存在せず、混合気層が燃焼室１７の壁面と接触する場合でも、上記燃料噴射技術を採用することができる。例えば、燃焼室１７の容積に対して燃料噴射量が多くなると、混合気層が燃焼室１７の壁面と接触する場合もある。そのような場合であっても、燃焼室１７の中央近傍での熱量の発生を増加させ、壁面近傍での熱量の発生を抑制することによって、燃焼室１７の壁面からの放熱を抑制し、冷却損失を低減することができる。

以上説明したように、ここに開示された技術は、直噴ガソリンエンジンの制御装置について有用である。

１エンジン
１１シリンダ（気筒）
１５ピストン
１７燃焼室
３３インジェクタ
４０ノズル本体
４１ノズル口（噴口）
４２外開弁（弁体）
８第１噴射群
８２２回目の燃料噴射（第１噴射）
８３３回目の燃料噴射（第２噴射）
９第２噴射群
１００エンジン制御器（制御部）
２３３インジェクタ
２４１ノズル口（噴口）
２４２ニードル弁（弁体）
ａ１第１間隔
ａ２第２間隔
Ｓ中心軸
Ｘ中心軸

Claims

気筒内に設けられたピストンを有するエンジン本体と、
少なくともガソリンを含む燃料を上記気筒内に噴口を介して噴射するインジェクタと、
上記インジェクタの噴射態様を制御する制御部とを備え、
上記制御部は、上記エンジン本体のエンジン負荷が所定負荷以上の運転領域において、圧縮行程後半から膨張行程初期の期間内に上記インジェクタに多段噴射を行わせ、
上記多段噴射には、直前の燃料噴射から所定の第１間隔を空けて燃料を噴射する第１噴射と、直前の燃料噴射から該第１間隔よりも長い第２間隔を空けて燃料を噴射する第２噴射とが含まれる直噴ガソリンエンジンの制御装置。
請求項１に記載の直噴ガソリンエンジンの制御装置において、
上記インジェクタは、上記噴口の有効断面積を調整可能に構成されており、
上記制御部は、直前の燃料噴射からの間隔が長くなるほど上記噴口の有効断面積が小さくなるように上記インジェクタを調整する直噴ガソリンエンジンの制御装置。
請求項２に記載の直噴ガソリンエンジンの制御装置において、
上記第２噴射は、上記第１噴射よりも後に行われる直噴ガソリンエンジンの制御装置。
請求項１乃至３の何れか１つに記載の直噴ガソリンエンジンの制御装置において、
上記多段噴射には、上記第１噴射及び上記第２噴射を含む少なくとも３回以上の燃料噴射が含まれており、
上記多段噴射の噴射間隔は、しだいに大きくなっている直噴ガソリンエンジンの制御装置。
請求項１乃至４の何れか１つに記載の直噴ガソリンエンジンの制御装置において、
上記インジェクタは、上記噴口の有効断面積を調整可能に構成されており、
上記多段噴射は、第１噴射群と、該第１噴射群と比べて上記噴口の有効断面積が相対的に小さく及び／又は噴射間隔が相対的に小さい第２噴射群とを含み、
上記制御部は、少なくとも上記第１噴射群が上記第１噴射及び上記第２噴射を含むように上記インジェクタを調整する直噴ガソリンエンジンの制御装置。
請求項４又は５に記載の直噴ガソリンエンジンの制御装置において、
上記インジェクタは、上記噴口が形成されたノズル本体と、該噴口を開閉する弁体とを有し、該弁体のリフト量に応じて該噴口の有効断面積が変化するように構成されている直噴ガソリンエンジンの制御装置。