JP2018059431A - 予混合圧縮着火式エンジンの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】予混合圧縮着火式エンジンにおいて、燃焼騒音の抑制と、燃焼安定性の確保とを両立させる。【解決手段】予混合圧縮着火式エンジンの制御装置は、インジェクタ６と、センサ５１、５２、５３、５４、５５と、センサからの信号を受けかつ、インジェクタに対して、燃料噴射を実行させるための信号を出力するよう構成されたコントローラー（ＥＣＵ１００）と、を備える。インジェクタは、１．０未満の第１当量比の混合気を前記燃焼室の中に形成するための第1燃料噴射と、１．０以上の第２当量比の混合気を前記燃焼室の中に形成するための第2燃料噴射と、を行う。コントローラーは、エンジンの負荷が所定負荷以下のときには、第１燃料噴射を、前記第２燃料噴射よりも先に行いかつ、所定負荷よりも高いときには、第２燃料噴射を、第１燃料噴射よりも先に行う。第１当量比の混合気が圧縮着火しかつ、その圧縮着火後、第２当量比の混合気が燃焼を開始する。【選択図】図６

Description

ここに開示する技術は、予混合圧縮着火式エンジンの制御装置に関する。

特許文献１には、圧縮着火式エンジンが記載されている。このエンジンでは、運転状態が高負荷高回転の運転領域にあるときに、インジェクタが、前段噴射の後、後段噴射を行う前に、点火プラグ周りを燃料リッチな混合気にする少量の燃料噴射を行うと共に、点火プラグが火花点火を行う。この着火アシストによって、前段噴射により形成される混合気、及び、着火アシスト後の、後段噴射により形成される混合気がそれぞれ、時間差を持って圧縮着火する。このエンジンは、着火アシストを利用することによって、シリンダ内の圧力の急上昇による燃焼騒音の増大を防止する。

特開２０１２−２４１５９０号公報

圧縮着火式エンジンは、エンジンの負荷が高くなると、燃焼騒音が増大してしまうという不都合がある。混合気のリーン化や、吸気温度の低減等の様々な方策によって圧縮着火燃焼を緩慢にし、それによって、燃焼騒音を抑制しようとすると、燃焼安定性が低下してしまうという新たな問題が生じる。つまり、燃焼騒音の抑制と、燃焼安定性の確保とは、トレードオフの関係にある。

ここに開示する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、予混合圧縮着火式エンジンにおいて、燃焼騒音の抑制と、燃焼安定性の確保とを両立させることにある。

ここに開示する技術は、予混合圧縮着火式エンジンの制御装置に係る。この予混合圧縮着火式エンジンの制御装置は、ピストンの上面とシリンダヘッドの下面とによって区画される燃焼室の中に、燃料を噴射するよう構成されたインジェクタと、エンジンの運転状態を検知するよう構成されたセンサと、前記センサからの信号を受けかつ、前記インジェクタに対して、燃料噴射を実行させるための信号を出力するよう構成されたコントローラーと、を備える。

前記インジェクタは、前記コントローラーからの信号を受けて、１．０未満の第１当量比の混合気を前記燃焼室の中に形成するための第１燃料噴射と、１．０以上の第２当量比の混合気を前記燃焼室の中に形成するための第２燃料噴射と、を行い、前記コントローラーは、前記エンジンの負荷が所定負荷以下のときには、前記第１燃料噴射を、前記第２燃料噴射よりも先に行うよう、前記インジェクタに信号を出力しかつ、前記エンジンの負荷が前記所定負荷よりも高いときには、前記第２燃料噴射を、前記第１燃料噴射よりも先に行うよう、前記インジェクタに信号を出力する。

そして、このエンジンでは、前記第１当量比の混合気が圧縮着火しかつ、その圧縮着火後、前記第２当量比の混合気が燃焼を開始する。

尚、ここでいう「予混合」は、インジェクタが燃料噴射を終了した後、当該燃料噴射によって形成された混合気が着火及び燃焼することを意味する。また、ここでいう「燃焼室」は、ピストンが圧縮上死点に至ったときに形成される空間の意味に限定されない。「燃焼室」の語は広義で用いる。

この構成によると、エンジンの負荷が所定負荷以下のときに、インジェクタは、第１燃料噴射を先に行う。第１燃料噴射は、１．０未満の第１当量比の混合気を燃焼室の中に形成する。ここで、本願発明者らの検討によれば、混合気の当量比と圧縮着火性との関係は以下の通りになる。つまり、当量比が１．０以上になると、燃料の潜熱及び顕熱によって、燃焼室内の温度が局所的に低下する。このため、当量比が高くなるほど、燃料量が増えて温度が下がるため、着火性が低下する。一方、当量比が１．０未満で、当量比が低くなればなるほど、混合気が希薄になるため、着火性が低下する。本願発明者らの検討によれば、当量比が０．６〜０．９の混合気が、着火性が最も高まる。

インジェクタは、第１燃料噴射を相対的に早いタイミングで噴射を行う。インジェクタは、例えば圧縮行程内における後期のタイミングで、第１燃料噴射を行ってもよい。圧縮行程内における後期は、圧縮行程を前期、中期、後期に三等分したときの後期に相当する。圧縮行程内における後期は、シリンダ内の圧力がある程度高まっている。インジェクタから噴射された燃料は、燃焼室内に広く拡散しない。こうすることで、着火性が高い混合気を含む混合気ゾーンを、燃焼室内において部分的に形成することができる。

エンジンの負荷が所定負荷以下のときに、インジェクタは、第１燃料噴射の後に、第２燃料噴射を行う。第２燃料噴射は、１．０以上の第２当量比の混合気を燃焼室の中に形成する。第２燃料噴射の噴射量は比較的多い。前述したように、燃料の噴射量が多いと、燃料の潜熱及び顕熱によって、燃焼室内の温度が局所的に低下する。その結果、第２燃料噴射によって形成される混合気は、圧縮着火し難くなる。

インジェクタは、第２燃料噴射を遅いタイミングで行う。インジェクタは、例えば圧縮上死点付近のタイミングで、第２燃料噴射を行ってもよい。圧縮上死点付近のシリンダ内の圧力は高い。また、ピストンの位置が上死点に近い。インジェクタから噴射された燃料の飛距離は短くなり、燃焼室の中において、インジェクタ付近の領域に局所的に、混合気を形成する。こうすることで、インジェクタに近い領域に、着火性が低い混合気のゾーンを形成することができる。

その結果、エンジンの負荷が所定負荷以下のときに、燃焼室内に、１．０未満の第１当量比の混合気によって構成される混合気ゾーンと、１．０以上の第２当量比の混合気によって構成される混合気ゾーンとを形成する。ピストンが圧縮上死点に至り、燃焼室内の温度及び圧力がそれぞれ高まると、着火性の高い混合気である第１当量比の混合気が圧縮着火して燃焼する。そして、当該混合気の燃焼に伴い高まる温度及び圧力の影響を受けて、相対的に着火性の低い混合気である第２当量比の混合気が圧縮着火して燃焼する。つまり、このエンジンは、燃焼室内を空間的に複数のゾーンに分割しかつ、複数のゾーンの混合気を、時間をずらして圧縮着火燃焼させる。これにより、圧縮上死点付近において安定的に着火させながら、緩慢な燃焼を実現することができる。その結果、このエンジンでは、燃焼騒音の抑制と、燃焼安定性の確保とが両立する。

第２燃料噴射は、噴射量が相対的に多いものの、噴射タイミングは遅い。このため、１．０以上の第２当量比の混合気は、燃焼室内の高温かつ高圧の雰囲気に曝される時間が短くなる。第２当量比の混合気が、過早着火してしまうことが防止される。つまり、第１燃料噴射及び第２燃料噴射の順番に行う燃料噴射態様は、異常燃焼に対するロバスト性が高い。

また、インジェクタが、シリンダの軸心に沿うように配設されていて、ピストンの上面に向かって燃料を噴射するよう構成されていると、第２燃料噴射によって形成される、相対的に当量比の高い混合気は、燃焼室内における中央部に形成され、燃焼室内における外周部には、当量比の低い混合気が形成される。当量比の高い混合気は、燃焼時に温度が高くなるが、燃焼室の壁面から離れているため、冷却損失の増大を抑制することが可能になる。また、燃焼室の外周部は、燃焼時点において燃焼室の壁面に接近するため、この外周部の燃焼ガスは、燃焼室の壁面に放熱し易く、温度低下し易いものの、混合気は当量比が低いため（混合気に占める燃料量が少ないため）、未燃損失が低減する。従って、第１燃料噴射及び第２燃料噴射の順番に行う燃料噴射態様は、燃費性能の向上に有利になる。

これに対し、エンジンの負荷が所定負荷よりも高いときには、第２燃料噴射、第１燃料噴射の順番に噴射を行う。第２燃料噴射は、例えば圧縮行程内における中期のタイミングで、第２燃料噴射を行ってもよい。圧縮行程内における中期は、圧縮行程を前期、中期、後期に三等分したときの中期に相当する。第２燃料噴射を早いタイミングで行うことにより、インジェクタから噴射された燃料の飛距離が長くなり、燃焼室の中において、インジェクタから離れた領域に燃料が到達し、当該領域に局所的に当量比の高い混合気が形成される。

一方、第１燃料噴射は、例えば圧縮上死点付近において行ってもよい。第１燃料噴射を遅いタイミングで行うことにより、インジェクタから噴射された燃料の飛距離は短くなり、燃焼室の中において、インジェクタ付近の領域に局所的に、着火性が高い混合気が形成される。

エンジンの負荷が所定負荷よりも高いときにも、燃焼室内に、１．０未満の第１当量比の混合気によって構成される混合気ゾーンと、１．０以上の第２当量比の混合気によって構成される混合気ゾーンとが形成される。ピストンが圧縮上死点に至り、燃焼室内の温度及び圧力がそれぞれ高まると、第１当量比の混合気が圧縮着火して燃焼をし、当該混合気の燃焼に伴い高まる温度及び圧力の影響を受けて、第２当量比の混合気が圧縮着火して燃焼する。その結果、エンジンの負荷が所定負荷よりも高いときにも、燃焼騒音の抑制と、燃焼安定性の確保とが両立する。

エンジンの負荷が高くなると、燃焼室に供給する燃料量が増える。第１燃料噴射は、着火性が高い混合気を形成するため、燃料噴射量を大きく変更することができない。従って、エンジンの負荷が高くなると、第２燃料噴射の噴射量が増える。ここで、第２燃料噴射のタイミングが遅いと、燃料の気化時間、及び、混合時間が短くなってしまい、スモークが発生してしまう恐れがある。

そこで、エンジンの負荷が所定負荷よりも高いときには、第２燃料噴射のタイミングを早くする。こうすることで、燃料の気化時間、及び、混合時間を長く確保することができ、スモークの発生を防止することができる。

また、第２燃料噴射のタイミングを早くすると、噴射量が多いため、ペネトレーションが高まって燃料の噴霧の到達距離が長くなると共に、燃焼室内の圧力が低いこと、及び、ピストンが下方に位置していることが組み合わさって、インジェクタから離れた領域にまで、燃料の噴霧が到達するようになる。インジェクタから離れた領域の多量の空気を燃焼に利用することが可能になる。従って、第２燃料噴射のタイミング早くすると、第２当量比が高くなり過ぎることを回避しつつ、燃焼室の中に供給する燃料量を増やすことが可能になる。

前記コントローラーは、前記エンジンの回転数が所定回転数以下のときには、前記第１燃料噴射を、前記第２燃料噴射よりも先に行うよう、前記インジェクタに信号を出力しかつ、前記エンジンの回転数が前記所定回転数よりも高いときには、前記第２燃料噴射を、前記第１燃料噴射よりも先に行うよう、前記インジェクタに信号を出力する、としてもよい。

前述したように、第２燃料噴射のタイミングを早くすると、燃料の気化時間、及び、混合時間を長く確保することができ、スモークの発生を防止することができる。このことは、エンジンの回転数が高くなって、同一クランク角変化に対する時間経過が短くなるときにおいて、燃料の気化時間、及び、混合時間を長く確保する上でも有効である。

従って、エンジンの回転数が所定回転数以下のときには、第１燃料噴射を、第２燃料噴射よりも先に行うと、前述したように、燃費性能の向上に有利になる。一方、エンジンの回転数が所定回転数よりも高いときには、第２燃料噴射を、第１燃料噴射よりも先に行うことによって、エミッション性能が向上する。

予混合圧縮着火式エンジンの制御装置は、外気温を検出するよう構成された外気温センサを備え、前記コントローラーは、前記外気温センサからの信号に基づいて、前記外気温が所定温度よりも高いときには、前記所定負荷を高負荷側にシフトする、としてもよい。

外気温度が高いと、燃焼室内の圧縮開始前温度が高くなるため、圧縮行程時に過早着火等の異常燃焼が発生する可能性が高まる。前述したように、第２燃料噴射を遅いタイミングで行うと、異常燃焼に対するロバスト性が高まる。そこで、外気温が所定温度よりも高いときには、所定負荷を高負荷側にシフトする。つまり、第１燃料噴射、第２燃料噴射の順番に燃料を噴射する運転領域を、高負荷側に拡大する。こうすることで、予混合圧縮着火式エンジンは、異常燃焼に対するロバスト性が高まる。

前記コントローラーは、前記外気温センサからの信号に基づいて、前記外気温が所定温度よりも高いときには、前記所定回転数を高回転数側にシフトする、としてもよい。

前記と同様に外気温が所定温度よりも高いときには、所定回転数を高回転側にシフトする。つまり、第１燃料噴射、第２燃料噴射の順番に燃料を噴射する運転領域を、高回転側に拡大する。こうすることで、予混合圧縮着火式エンジンは、異常燃焼に対するロバスト性が高まる。

前記コントローラーは、前記エンジンの負荷が所定負荷以下のときには、前記第１燃料噴射よりも先に第３燃料噴射を行うよう、前記インジェクタに信号を出力し、圧縮着火直前の前記燃焼室の中には、外周部から中央部に向かって、前記第１当量比よりもリーンの混合気ゾーン、前記第１当量比の混合気ゾーン、及び、前記第２当量比の混合気ゾーンが形成されている、としてもよい。

こうすることで、燃焼室の中の外周部から中央部に向かって、混合気の当量比が次第に高くなる。言い換えると、燃焼室の中の中央部から外周部に向かって、余剰の酸素が多くなるため、未燃損失の低減に有利になる。従って、エンジンの負荷が所定負荷以下のときに、燃費性能の向上に有利になる。

前記コントローラーは、前記エンジンの負荷が前記所定負荷よりも高いときには、前記第２燃料噴射よりも先に第３燃料噴射を行うよう、前記インジェクタに信号を出力し、圧縮着火直前の前記燃焼室の中には、外周部から中央部に向かって、前記第２当量比の混合気ゾーン、前記第１当量比よりもリーンの混合気ゾーン、及び、前記第１当量比の混合気ゾーンが形成されている、としてもよい。

こうすることで、前述したように、第２当量比の混合気の形成に際し、燃料の気化時間及び混合時間を長く確保することができるため、エミッション性能の向上に有利になる。

以上説明したように、前記の予混合圧縮着火式エンジンの制御装置によると、エンジンの負荷が所定負荷以下のときには、１．０未満の当量比の混合気を形成するための第１燃料噴射を、１．０以上の第２当量比の混合気を形成するための第２燃料噴射よりも先に行うことで、燃焼騒音の抑制と、燃焼安定性の確保とを両立させながら、燃費性能が向上し、エンジンの負荷が所定負荷よりも高いときには、第２燃料噴射を、第１燃料噴射よりも先に行うことで、燃焼騒音の抑制と、燃焼安定性の確保とを両立させながら、エミッション性能が向上する。

図１は、予混合圧縮着火式エンジンの構成を例示する図である。 図２は、燃焼室の構成を例示する断面図である。 図３は、予混合圧縮着火式エンジンの制御装置の構成を例示するブロック図である。 図４Ａは、通常外気温時におけるエンジンの運転領域を例示する図である。 図４Ｂは、高外気温時におけるエンジンの運転領域を例示する図である。 図５は、混合気の当量比と、着火時期との関係を例示する図である。 図６は、高負荷領域における燃料噴射時期を例示する図と、各噴射によって燃焼室内に形成される混合気の状態を概念的に示す図である。 図７は、高負荷領域における熱発生率の変化と、ｄＰ／ｄθの変化と、圧力の変化とを例示する断面図である。 図８は、中負荷領域における燃料噴射時期を例示する図と、各燃料噴射によって燃焼室内に形成される混合気の状態を概念的に示す図６対応図である。 図９は、ＥＣＵが実行する燃料噴射制御のフローチャートである。 図１０は、圧縮上死点における燃焼室の全容積に対するキャビティ容積を説明するための図２対応図である。 図１１は、着火ゾーンの質量燃焼割合と、全ゾーンの燃焼効率との関係を例示する図である。 図１２は、キャビティ径／ボア径と、燃焼効率及び燃焼期間との関係を例示する図である。 図１３は、燃焼室の全容積に対するキャビティの容積比と、燃焼効率及び燃焼期間との関係を例示する図である。

以下、予混合圧縮着火式エンジンの制御装置の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明は、予混合圧縮着火式エンジンの制御装置の一例である。図１は、予混合圧縮着火式エンジンの構成を例示する図である。図２は、燃焼室の構成を例示する断面図である。図３は、予混合圧縮着火式エンジンの制御装置の構成を例示するブロック図である。

（エンジンの全体構成）
図１は、実施形態に係る予混合圧縮着火式エンジン（以下、単にエンジン１という）の構成を示している。このエンジン１の燃料は、本実施形態ではガソリンである。燃料は、バイオエタノール等を含むガソリンであってもよい。エンジン１の燃料は、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。

エンジン１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とを備えている。シリンダブロック１２の内部に複数のシリンダ１１が形成されている。図１及び図２では、１つの気筒のみを示す。エンジン１は、多気筒エンジンである。各シリンダ１１内には、ピストン３が摺動自在に内挿されている。ピストン３は、コネクティングロッド１４を介してクランクシャフト１５に連結されている。ピストン３は、シリンダ１１及びシリンダヘッド１３と共に燃焼室１７を区画する。尚、「燃焼室」は、ピストン３が圧縮上死点に至ったときに形成される空間の意味に限定されない。「燃焼室」の語は広義で用いる場合がある。つまり、ピストン３の位置に関わらず、ピストン３、シリンダ１１及びシリンダヘッド１３によって形成される空間を意味する場合がある。

燃焼室１７の天井部を構成するシリンダヘッド１３の下面１７０は、吸気側天井面１７１と、排気側天井面１７２とによって構成されている。吸気側天井面１７１は、シリンダ１１の中央に向かって登り勾配となっている。吸気側天井面１７１には、吸気ポート１８の開口部が設けられている。排気側天井面１７２も、シリンダ１１の中央に向かって登り勾配となっている。排気側天井面１７２には、排気ポート１９の開口部が設けられている。吸気側天井面１７１及び排気側天井面１７２は、クランクシャフト１５の軸方向に延びる谷部において連結されている。燃焼室１７は、ペントルーフ型の燃焼室である。尚、ペントルーフの谷部の位置は、シリンダ１１のボア中心に一致する場合、及び、一致しない場合の両方があり得る。

ピストン３の上面３０は、吸気側の傾斜面３１及び排気側の傾斜面３２によって、三角屋根状に隆起している（図２も参照）。傾斜面３１は、吸気側天井面１７１に対応するように、ピストン３の中央に向かって登り勾配に傾斜している。傾斜面３２は、排気側天井面１７２に対応するように、ピストン３の中央に向かって登り勾配に傾斜している。エンジン１の幾何学的圧縮比は、１６以上３５以下に設定されている。エンジン１の幾何学的圧縮比は高い。ピストン３の上面３０には、凹状のキャビティ３４が形成されている。キャビティ３４は、ピストン３の中央に形成されている。

図１には１つのみ示すが、エンジン１には、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に形成されている。吸気ポート１８は燃焼室１７に連通している。吸気ポート１８は、吸気通路１８１に接続されている。吸気通路１８１には吸気流量を調節するスロットル弁４１（図３参照）が介設されている。

吸気ポート１８と同様に、エンジン１には、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に形成されている。排気ポート１９は燃焼室１７に連通している。排気ポート１９は、排気通路１９１に接続されている。排気通路１９１には、図示を省略するが、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設されている。触媒コンバータは、三元触媒を含む。但し、触媒は、三元触媒に限定されない。

図示しないが、エンジン１は、吸気通路１８１にコンプレッサが介設している過給機付きエンジンであってもよい。過給機は、排気エネルギによって駆動するターボ過給機、及び、エンジン１によって駆動される機械式過給機のいずれであってもよい。また、エンジン１は、自然吸気エンジンとして構成してもよい。

シリンダヘッド１３には、吸気弁２１が配設されている。吸気弁２１は、吸気ポート１８を燃焼室１７に対して開閉する。吸気弁２１は吸気動弁機構２３によって、所定のタイミングで往復動する。吸気動弁機構２３は、この例では、吸気カムシャフトの回転位相を所定の角度範囲内で連続的に変更可能な、液圧式又は電動式の位相可変機構（Variable Valve Timing：ＶＶＴ）を、少なくとも含んで構成されている。

シリンダヘッド１３には、排気弁２２が配設されている。排気弁２２は、排気ポート１９を燃焼室１７に対して開閉する。排気弁２２は排気動弁機構２４によって、所定のタイミングで往復動する。排気動弁機構２４は、この例では、液圧式又は電動式のＶＶＴを、少なくとも含んで構成されている。

シリンダヘッド１３には、燃焼室１７内に燃料を直接噴射するインジェクタ６が取り付けられている。インジェクタ６は、吸気側天井面１７１と排気側天井面１７２とが交差するペントルーフの谷部に配設されている。この構成例では、インジェクタ６は、図２に示すように、その噴射軸心Ｓが、シリンダ１１の軸心に沿うように配設されている。噴射軸心Ｓは、シリンダ１１の軸線と一致する場合、及び、シリンダ１１の軸線からずれる場合の両方がある。インジェクタ６は、ピストン３のキャビティ３４に対向している。インジェクタ６は、キャビティ３４に向かって燃料を噴射する。

インジェクタ６は、例えば外開弁式のインジェクタである。外開弁式のインジェクタは、外開弁のリフト量を調整することにより、噴射する燃料噴霧の粒径を変更することが可能である。このことを利用して、このエンジン１は、一部の運転領域においては、キャビティ３４内の中央部に混合気層を形成しかつ、その周囲に断熱ガス層を形成する。

また、外開弁式のインジェクタに限らず、ＶＯＣ（Valve Covered Orifice）ノズルタイプのインジェクタも、ノズル口に発生するキャビテーションの度合いを調整することにより、噴口の有効断面積を変更して、噴射する燃料噴霧の粒径を変更することが可能である。従って、外開弁式のインジェクタと同様に、キャビティ３４内の中央部に混合気層を形成しかつ、その外周囲に断熱ガス層を形成することが可能である。

また、ヒータによって所定の温度まで加熱した燃料を、高圧雰囲気の燃焼室１７内に噴射することにより、燃料を超臨界状態とすることによっても、キャビティ３４内の中央部に混合気層を、その外周囲に断熱ガス層を形成することが可能である。この技術は、燃焼室１７内に噴射した燃料を瞬時に気化させることによって燃料噴霧のペネトレーションが低くなって燃料の噴霧の到達距離が短くなり、キャビティ３４内におけるインジェクタの近傍に、混合気層を形成するものである。尚、インジェクタは、例えば複数の噴口を有するマルチホールタイプのインジェクタにおいて、燃料を加熱するヒータを備えて構成される。また、燃料を超臨界状態とするインジェクタは、前記の構成以外のインジェクタであってもよい。

これらのインジェクタの構成は、公知であるため、ここでの詳細な説明は省略する。

尚、インジェクタ６は、キャビティ３４内の中央部に混合気層を形成しかつ、その周囲に断熱ガス層を形成する構成に限らない。インジェクタ６は、どのような構成であってもよい。

図３に示すように、エンジン１はまた、既燃ガスをシリンダ１１内に再導入するよう構成されたＥＧＲシステム４３を備えている。ＥＧＲシステム４３は、エンジン１の排気通路１９１と吸気通路１８１とをつなぐＥＧＲ通路を介して既燃ガスをシリンダ１１内に再導入する外部ＥＧＲシステム、及び、シリンダ１１内の既燃ガスの一部を、実質的にシリンダ１１内に留める内部ＥＧＲシステムの両方を含む。

尚、エンジン１は、着火アシスト用の点火プラグを備えていてもよい。

予混合圧縮着火式エンジンの制御装置は、エンジン１の運転を制御するＥＣＵ１００を備えている。ＥＣＵ１００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ーであって、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。ＥＣＵ１００は、コントローラーの一例である。

ＥＣＵ１００は、少なくとも、エアフローセンサ５１からの吸気流量に関する信号、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５２からのアクセル開度信号、車速センサ５３からの車速信号、クランク角センサ５４からのクランク角パルス信号、水温センサ５５からのエンジン１の冷却水の温度信号、外気温センサ５６からの外気の温度信号をそれぞれ受ける。そして、ＥＣＵ１００は、これらの信号に基づいて、要求トルクの演算や、エンジン１の負荷の予測等を行う。尚、過給機付きエンジンにおいては、制御装置は、過給圧を検出する過給圧センサをさらに備え、ＥＣＵ１００は、過給圧センサからの過給圧に関する信号を受ける。

ＥＣＵ１００は、演算した要求トルク等に基づいて、スロットル開度信号、燃料噴射パルス、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、ＥＣＵ１００は、それらの信号を、スロットル弁４１、インジェクタ６、ＥＧＲシステム４３、吸気動弁機構２３及び排気動弁機構２４等に出力する。

このエンジン１は、前述したように、幾何学的圧縮比εを１６以上に設定している。幾何学的圧縮比は、４０以下とすればよく、特に１８以上３５以下が好ましい。圧縮比が高いほど膨張比も高くなるため、エンジン１は、高圧縮比と同時に、比較的高い膨張比を有するエンジンでもある。このエンジン１は、基本的には全運転領域でシリンダ１１内に噴射した燃料を圧縮着火により燃焼させるよう構成されている。圧縮着火燃焼は、言い換えると、ＣＡＩ（Controlled Auto Ignition）燃焼である。高い幾何学的圧縮比によって、圧縮着火燃焼は、安定化する。

図２に示すように、エンジン１は、幾何学的圧縮比を高くするために、ピストン３の上面３０におけるフラット面（つまり、傾斜面３１、３２とは別に、ピストン３の外周縁部に設けられている面）が、ピストン３が圧縮上死点付近にあるときに、シリンダヘッド１３とシリンダブロック１２との合わせ面よりも、シリンダヘッド１３の側に入り込むように構成されている。このエンジン１の燃焼室１７は、実質的には、ピストン３の上面３０と、シリンダヘッド１３の下面１７０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る。尚、エンジン１の燃焼室１７の構成は、この構成に限定されない。このエンジン１では、燃焼室１７を区画する区画面に遮熱層１７３を設けている。遮熱層１７３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。

遮熱層１７３は、燃焼室１７を構成する金属製の母材よりも熱伝導率が低い。ここでいう母材は、例えばピストン３であればアルミニウム又はアルミニウム合金である。遮熱層１７３は、燃焼室１７内の燃焼ガスの熱が、燃焼室１７を区画する面を通じて放出されることを抑制する。また、遮熱層１７３は、母材よりも容積比熱が小さいことが好ましい。つまり、遮熱層１７３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ことが好ましい。こうすることで、燃焼ガスの温度と区画面の温度との差が小さくなるから、熱が、区画面を通じて母材に伝わることが抑制される。

遮熱層１７３は、中空粒子（例えばガラスバルーン）と、バインダとしてのシリコン樹脂と、を含有する遮熱材料を、区画面上に塗布し、加熱処理によって樹脂を硬化させることにより形成してもよい。遮熱層１７３はまた、区画面上に、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することにより、形成してもよい。

（エンジンの運転制御）
図４Ａは、エンジン１の運転領域を例示している。エンジン１の運転領域は、低負荷領域（Ａ）、中負荷領域（Ｂ）及び高負荷領域（Ｃ）の３つに分けられている。低負荷領域（Ａ）は、低回転低負荷の領域である。中負荷領域（Ｂ）は、低負荷領域（Ａ）よりも負荷が高い領域、及び、低負荷領域（Ａ）よりも回転数が高い領域を含んでいる。高負荷領域（Ｃ）は、中負荷領域（Ｂ）よりも負荷の高い領域、及び、中負荷領域（Ｂ）よりも負荷が高い領域を含んでいる。

ＥＣＵ１００は、前述したように、スロットル弁４１、吸気動弁機構２３、排気動弁機構２４、及び、ＥＧＲシステム４３に対し、エンジン１の運転状態に応じた信号を出力する。これによって、燃焼室１７の中のガス状態が、エンジン１の運転状態に応じて調整される。尚、ＥＧＲシステム４３は、エンジン１の運転領域の全域において、燃焼室１７の中に排気ガスを導入する。ＥＧＲ率（つまり、燃焼室１７内の全ガスに対する排気ガスの質量比）は、後述の通り、５０％以上に設定される場合がある。

ＥＣＵ１００はまた、低負荷領域（Ａ）、中負荷領域（Ｂ）及び高負荷領域（Ｃ）のそれぞれにおいて、燃焼室１７内への燃料噴射の形態を異ならせる。

（低負荷領域（Ａ）の燃料噴射形態）
エンジン１は、低負荷領域（Ａ）において、燃焼時に、燃焼室１７内にガス層による断熱層を形成する。燃焼室１７の遮熱構造に加えて、断熱層を形成することによって、エンジン１の冷却損失は、大幅に低減する。

具体的に、ＥＣＵ１００は、低負荷領域（Ａ）において、圧縮行程以降にインジェクタ６からキャビティ３４内に燃料を噴射させる。図２に示すように、インジェクタ６の近傍の、キャビティ３４内の中心部に混合気層を形成しかつ、その周囲に新気を含むガス層を形成するという、成層化が行われる。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、ガス層に少量の燃料が混じっていても問題はない。ガス層は混合気層よりも燃料が希薄であればよい。

燃焼室１７内にガス層と混合気層とが形成された状態で、混合気が圧縮着火燃焼をすれば、混合気層と燃焼室１７の区画壁との間のガス層により、火炎がシリンダ１１の壁面に接触することが抑制される。また、ガス層が断熱層となるため、燃焼室１７の区画壁からの放熱が抑制される。この結果、冷却損失を大幅に低減することができる。

尚、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、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、機械仕事に変換している。すなわち、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、熱効率を大幅に向上させている。

このような混合気層とガス層とを燃焼室１７内に形成するために、燃料を噴射するタイミングにおいては、燃焼室１７内のガス流動は弱いことが望ましい。そのため、吸気ポート１８は、燃焼室１７内でスワールが生じない、又は、生じ難いようなストレート形状を有していると共に、タンブル流もできるだけ弱くなるように、構成されている。

（高負荷領域（Ｃ）の燃料噴射形態）
エンジン１の負荷が高くなると、燃焼室１７内に供給する燃料量が増えることに伴い、圧縮着火時の圧力変動が激しくなって、燃焼騒音が増大してしまうという不都合がある。例えば、吸気温度を低下させたり、ＥＧＲ率を高めたりする方策によって、緩慢な燃焼を実現し、燃焼騒音を抑制しようとすると、燃焼安定性が低下してしまうという新たな問題が生じる。

そこで、このエンジン１は、高負荷領域（Ｃ）では、燃焼騒音の抑制と燃焼安定性の維持とが両立するよう、前述した低負荷領域（Ａ）とは異なる燃料噴射態様を採用している。

図５は、混合気の当量比と、当該混合気の着火時期との関係を示している。図５における２本のラインの内、一方は、ＥＧＲ率が５０％のとき、他方は、ＥＧＲ率がそれよりも高い５５％のときのラインである。ＥＧＲ率の相違は、圧縮前のシリンダ１１内の温度の相違であり、ＥＧＲ率５５％の方が、ＥＧＲ率５０％よりも温度が高い。従って、ＥＧＲ率５５％の方が、ＥＧＲ率５０％よりも、着火性に有利になる。つまり、ＥＧＲ率５５％の方が、ＥＧＲ率５０％よりも、着火時期が進角する。

図５によると、ＥＧＲ率の高低に関わらず、混合気の当量比が１以下のときには、当量比が小さくなるほど、着火時期が遅くなる。つまり、混合気が希薄になって、燃焼室１７内の燃料量が少なくなるほど、混合気が燃えにくくなる。

混合気の当量比が１を超えると、ＥＧＲ率の高低に関わらず、当量比が大きくなるほど着火時期が遅くなる。これは、燃焼室１７内に噴射される燃料量が増えると、燃料の潜熱及び顕熱によって、燃焼室１７内の温度が局所的に低下してしまうためである。つまり、当量比の高い混合気は、周囲の温度が低下することによって着火がしにくくなる。

ＥＧＲ率の高低に関わらず、混合気の当量比が０．６〜０．９の範囲にあるときに、着火時期が最も進角する。つまり、混合気の着火性が最も高まる。

混合気の当量比が相違すると、その混合気の着火性（つまり、着火時期）が相違する。このエンジン１では、この点に着目し、高負荷領域（Ｃ）において分割噴射を行うことにより、燃焼室１７内に、当量比が異なる混合気によって構成される複数の混合気ゾーンを形成する。そして、複数の混合気ゾーンの混合気の着火時期をずらす。つまり、このエンジン１は、燃焼室１７内を空間的に複数のゾーンに分割しかつ、複数のゾーンの混合気を、時間をずらして圧縮着火燃焼させることによって、圧縮上死点付近において安定的に着火させながら、緩慢な燃焼を実現する。その結果、このエンジン１では、高負荷領域（Ｃ）において、燃焼騒音の抑制と、燃焼安定性の確保とが両立する。尚、高負荷領域（Ｃ）において、ＥＧＲ率は５０％以上に設定される。

図６の右図は、高負荷領域（Ｃ）において、インジェクタ６が燃焼室１７内に燃料を噴射する時期と、その噴射量とを例示している。図６の右図は、上から下に向かってクランク角が進む（つまり、時間が進む）。燃料噴射量は、図６の右図における四角の面積によって示され、面積が大きいほど燃料噴射量が多い。図６の左図は、各燃料噴射により燃焼室１７内に形成される混合気の状態を、概念的に示している。

インジェクタ６は、ＥＣＵ１００からの信号を受けて、吸気行程中に、燃焼室１７内に燃料噴射を行う。吸気行程噴射６１は、吸気行程における後半に行ってもよい。吸気行程の後半は、吸気行程を前半と後半とに二等分したときの後半である。吸気行程噴射６１はまた、吸気行程における後期に行ってもよい。吸気行程の後期は、吸気行程を前期、中期及び後期に三等分したときの後期である。吸気行程噴射６１の噴射量は、比較的多い。この吸気行程噴射６１によって、希薄かつ、均質又はほぼ均質な混合気が、燃焼室１７内の全体に形成される。混合気の当量比は、０．４〜０．６になる（図６の（１）参照）。

次いで、インジェクタ６は、ＥＣＵ１００からの信号を受けて、圧縮行程における中期に燃料噴射を行う。以下、この燃料噴射を圧縮行程中期噴射６２という。圧縮行程中期噴射６２は、第２燃料噴射の一例である。圧縮行程における中期は、圧縮行程を、前期、中期、及び後期の三等分したときの、中期に相当する。圧縮行程中期噴射６２の噴射量は、吸気行程噴射６１の噴射量よりも少ないが、絶対量は比較的多い。圧縮行程中期噴射６２により噴射された燃料は、燃焼室１７内の圧力が比較的低いと共に、ピストン３が比較的下方に位置している。また、噴射量が比較的多いため、ペネトレーションが高まるから、キャビティ３４の外周囲に到達する。吸気行程噴射６１によって噴射された燃料と、圧縮行程中期噴射６２によって噴射された燃料とが合わさって、キャビティ３４の外周囲に、過濃な混合気が形成される。この過濃な混合気を含む領域を、以下、「過濃ゾーン」と呼ぶ場合がある。過濃ゾーンの混合気の当量比は、１．０〜１．７に設定される（図６の（２）参照）。当量比が高いため、過濃ゾーンの混合気の着火性は低下する。

最後に、インジェクタ６は、ＥＣＵ１００からの信号を受けて、圧縮行程における後期に、より正確には、圧縮上死点付近において、燃焼室１７内に燃料噴射を行う。以下、この燃料噴射を圧縮上死点噴射６３という。圧縮上死点噴射６３は、第１燃料噴射の一例である。圧縮行程における後期は、圧縮行程を、前期、中期、及び後期の三等分したときの、後期に相当する。圧縮上死点噴射６３の噴射量は、圧縮行程中期噴射６２の噴射量よりも少ない。この圧縮上死点噴射６３によって噴射された燃料は、噴射量が少ない上に、燃焼室１７内の圧力が高くかつ、ピストン３が上方に位置しているから、キャビティ３４の中に留まる。キャビティ３４の中に形成される混合気は、吸気行程噴射６１によって噴射された燃料と、圧縮上死点噴射６３によって噴射された燃料とが合わさって、所定の当量比の混合気になる。この混合気の当量比は、０．６〜０．９に設定される。つまり、図５を参照しながら説明したように、混合気の着火性が最も高まる当量比である。従って、ピストン３が圧縮上死点に到達した後、キャビティ３４の中の混合気が先ず、圧縮着火する。以下、当量比が０．６〜０．９に設定された混合気を含む領域を、「着火ゾーン」と呼ぶ場合がある。

図６の（３）に示すように、着火ゾーンと過濃ゾーンとの間には、これら着火ゾーン及び過濃ゾーンよりも当量比が低い混合気（つまり、当量比０．４〜０．６）を含む領域が形成される。この混合気は、吸気行程噴射６１によって形成される混合気である。以下、当量比の低い混合気を含む領域を、「希薄ゾーン」と呼ぶ場合がある。当量比が低いため、希薄ゾーンの混合気の着火性は低下する。

こうして、燃焼室１７の中に中央から外側に向かって、着火ゾーン、希薄ゾーン及び過濃ゾーンの３つのゾーンが形成される。各ゾーンの当量比は、互いに相違する。燃焼室１７の全体について、混合気の平均当量比は１である。これにより、三元触媒によって、排気ガスを浄化することが可能になる。吸気行程噴射６１、圧縮行程中期噴射６２、及び圧縮上死点噴射６３の噴射量の比率は、例えば、０．５５：０．４２：０．０３に設定される。

図７は、図６に示す状態の混合気が圧縮着火燃焼をするときの、熱発生率の変化７１（上図）、燃焼騒音の指標としてのｄＰ／ｄθの変化７２（中図）、及び、シリンダ１１内の圧力の変化７３（下図）を示している。前述したように、ピストン３が圧縮上死点に到達して、燃焼室１７の温度及び圧力が高くなると、燃焼室１７の中の中央に位置する、最も着火性が高い着火ゾーンの混合気が圧縮着火し、燃焼を開始する。図７の上図に示すように、熱発生率が次第に高まるが、着火ゾーンの混合気の量は、比較的少なくかつ、着火ゾーンに含まれる燃料量は、燃焼室１７内に供給される燃料量の一部に過ぎないため、燃焼室１７内の圧力が、燃焼によって急激に立ち上がることが防止される（図７の下図参照）。その結果、ｄＰ／ｄθは、図７の中図に破線で示す燃焼騒音の許容値を超えない。

着火ゾーンの混合気の燃焼が開始することに伴い、燃焼室１７内の温度及び圧力が高まる。その結果、キャビティ３４の外周囲に位置する、二番目に着火性が高い過濃ゾーンが圧縮着火し、燃焼を開始する。

最後に、希薄ゾーンが圧縮着火し、燃焼を開始する。希薄ゾーンは、混合気の体積が最も大きいため、図７の上図に示すように、熱発生率が高くなるが、図７の下図に示すように、希薄ゾーンは、膨張行程が進行してから燃焼するため、燃焼に伴う圧力上昇が急峻になることが防止される。その結果、図７の上図又は中図に示すように、ｄＰ／ｄθは、燃焼騒音の許容値を超えない。着火ゾーン、過濃ゾーン、及び希薄ゾーンの混合気の燃焼に伴う熱発生率の変化は、図７の上図における太い破線で示される。熱発生率の変化の波形は、燃焼騒音を回避する上での理想的な波形に近づく。

こうして、混合気の当量比が相違する、着火ゾーン、希薄ゾーン及び過濃ゾーンの３つのゾーンを燃焼室１７の中に形成することによって、高負荷領域（Ｃ）において、着火性を確保しつつ、燃焼を緩慢化することが可能になる。その結果、このエンジン１は、高負荷領域（Ｃ）において、燃焼騒音の抑制と、燃焼安定性の維持とを両立することができる。

図６に示す燃料噴射形態は、燃焼室１７内に噴射する燃料量が多いときに、特に有利になる。つまり、圧縮行程中期噴射６２の噴射量を多くすることによって、ペネトレーションが高まって燃料の噴霧の到達距離が長くなり、インジェクタ６から離れたキャビティ３４の外周囲にまで、燃料の噴霧が到達するようになる。また、キャビティ３４の外周囲に存在する多量の空気を燃焼に利用することが可能になる。よって、過濃ゾーンの当量比が高くなり過ぎることを回避しつつ、燃焼室１７の中に供給する燃料量を増やすことが可能になる。

また、図６に示す燃料噴射態様では、圧縮上死点噴射６３によって当量比が０．６〜０．９の混合気を形成するため、噴射量が比較的少ない。圧縮上死点噴射６３の噴射期間は短いため、噴射終了から着火までの時間が長くなる。このため、圧縮上死点噴射６３によって燃焼室１７の中に噴射された燃料が気化する時間、及び、空気と混合する時間を十分に確保することができる。このことは、例えばスモークの発生といった不具合を防止して、排気ガスの性状が悪化してしまうことが回避される。これは、エンジン１の回転数が高くなって、クランク角度が同一角度だけ変化するときの時間が、相対的に短くなるときにおいても、同様である。図６に示す燃料噴射形態は、エンジン１の回転数が高いときに、排気ガスの性状が悪化してしまうことを回避する上でも有利である。

（中負荷領域（Ｂ）の燃料噴射形態）
前述したように、高負荷領域（Ｃ）においては、過濃ゾーンを、キャビティ３４の外周囲に形成している。燃焼室１７の壁面近くの過濃ゾーンが燃焼をすると、冷却損失が増大しやすい。また、過濃ゾーンが燃焼するときに空気が不足して、スモークの発生を招く恐れがある。さらに、過濃ゾーンを形成するための燃料噴射を、圧縮行程の中期に行うため、過濃ゾーンの混合気は、燃焼室１７内において、高温及び高圧の雰囲気に曝される時間が長くなる。これは、異常燃焼（例えば過早着火）を招く恐れがある。

中負荷領域（Ｂ）では、燃焼室１７の中に供給する燃料量が相対的に少なくなる。そこで、このエンジン１では、中負荷領域（Ｂ）において、前述した問題を回避すべく、低負荷領域（Ａ）及び高負荷領域（Ｃ）とは異なる燃料噴射態様を採用している。

図８は、中負荷領域（Ｂ）において、インジェクタ６が燃焼室１７内に燃料を噴射する時期とその噴射量とを例示している（図８の右図）。図８に示す燃料の噴射態様と、図６に示す燃料の噴射態様とは、エンジン１の負荷が同じである。また、図８の左図は、各燃料噴射により燃焼室１７内に形成される混合気の状態を、概念的に示している。

インジェクタ６は、ＥＣＵ１００からの信号を受けて、吸気行程中に、燃焼室１７内に燃料噴射を行う。燃料噴射は、吸気行程における後半に行ってもよい。燃料噴射量は、比較的多い。この吸気行程噴射８１によって、希薄かつ、均質又はほぼ均質な混合気が、燃焼室１７内の全体に形成される。混合気の当量比は、０．４〜０．６になる（図８の（１）参照）。この吸気行程噴射８１は、図６に示す吸気行程噴射６１と実質的に同じである。

次いで、インジェクタ６は、ＥＣＵ１００からの信号を受けて、圧縮行程における後期に燃料噴射を行う。以下、この燃料噴射を圧縮行程後期噴射８２という。圧縮行程後期噴射８２の噴射量は、吸気行程噴射８１よりも少なくかつ、後述の圧縮上死点噴射８３よりも少ない。圧縮行程後期噴射８２により噴射された燃料は、ピストン３が圧縮上死点に近づいているため、燃焼室１７内の圧力が高く、燃焼室１７の外周部にまで到達し難くなる。吸気行程噴射８１によって噴射された燃料と、圧縮行程後期噴射８２によって噴射された燃料とが合わさって、燃焼室１７の外周部を除く中央部に、当量比０．６〜０．９の混合気を含む着火ゾーンが形成される。

最後に、インジェクタ６は、ＥＣＵ１００からの信号を受けて、圧縮上死点噴射８３を行う。圧縮上死点噴射８３の噴射量は、吸気行程噴射８１よりも少なくかつ、圧縮行程後期噴射８２よりも多い。この圧縮上死点噴射８３によって噴射された燃料は、燃焼室１７内の圧力が高いと共に、ピストン３が上方に位置しているから、キャビティ３４の中に留まる。キャビティ３４の中に形成される混合気は、吸気行程噴射８１によって噴射された燃料と、圧縮行程後期噴射８２によって噴射された燃料と、圧縮上死点噴射８３によって噴射された燃料とが合わさって、過濃な混合気が形成される。つまり、当量比が１．０〜１．７の過濃な混合気を含む過濃ゾーンが、燃焼室１７の中の中央に形成される。

そして、図８の（３）に示すように、着火ゾーンよりも外側に、当量比が０．４〜０．６の混合気を含む希薄ゾーンが形成される。

こうして、燃焼室１７の中に中央から外側に向かって、過濃ゾーン、着火ゾーン及び希薄ゾーンの３つのゾーンが形成される。各ゾーンの当量比は、互いに相違する。燃焼室１７の全体について、混合気の平均当量比は１である。吸気行程噴射８１、圧縮行程後期噴射８２、及び圧縮上死点噴射８３の噴射量の比率は、例えば、０．５５：０．１４：０．３１に設定される。

着火ゾーン、希薄ゾーン及び過濃ゾーンを含む、図８に示す混合気が圧縮着火燃焼をするときには、先ず、着火ゾーンの混合気が圧縮着火し、燃焼を開始する。その後、過濃ゾーンの混合気が圧縮着火し、最後に、希薄ゾーンの混合気が圧縮着火する。中負荷領域（Ｂ）においても、着火性を確保しつつ、燃焼を緩慢化することが可能になる。その結果、このエンジン１は、中負荷領域（Ｂ）において、燃焼騒音の抑制と、燃焼安定性の維持とを両立することができる。

図８に示す状態の混合気は、燃焼室１７の外周囲に希薄ゾーンを形成するため、図６に示す状態の混合気と比較して、過濃な混合気が燃焼したときの燃焼ガスが燃焼室１７の壁面に接触してしまうことを抑制することが可能になる。これにより、冷却損失が低減する。また、燃焼時点において、燃焼室１７の外周囲は、燃焼室１７の中央部よりも燃焼室壁面が接近するため（燃焼室１７の外周囲は、燃焼室１７の中央部に対して、燃焼室壁面であるシリンダヘッド１３の下面１７０とピストン３の上面３０がより近接するため）、燃焼室１７の外周囲の燃焼ガス温は低下（燃焼室壁面に放熱）し易くなり、燃焼ガス温が低くなることでの未燃損が増加する傾向にあるものの、燃焼室１７の中央から外側に向かって、混合気の燃料濃度が次第に薄くなるため（燃焼室１７の外周囲では混合気に占める燃料量が少なくなるため）、未燃の燃料が少なくなる。このように、冷却損失の低減と、未燃損失の減少とによって、図８に示す状態の混合気は、図６に示す状態の混合気よりも燃費性能の向上に有利になる。

また、図８に示す燃料噴射形態は、過濃ゾーンを形成する燃料噴射を圧縮上死点付近において行うため、過濃な混合気が、燃焼室１７内の高温及び高圧雰囲気に曝される時間を短くすることができる。従って、図８に示す燃料噴射形態は、図６に示す燃料噴射形態よりも、異常燃焼に対するロバスト性が高い。図８に示す燃料噴射形態は、例えば、外気温度が高いことに起因して異常燃焼が生じ易いときに、異常燃焼を回避する上で有効である。

（燃料噴射制御）
図９は、ＥＣＵ１００が実行する燃料噴射制御に係るフローチャートである。スタート後のステップＳ１で、ＥＣＵ１００は、各センサからの信号に基づいて、エンジン１の運転状態を検出する。具体的には、エンジン１の回転数、エンジン１の負荷、吸気温度、ＥＧＲ率等を検出する。エンジン１が過給機付きエンジンであるときには、過給圧も検出する。

続くステップＳ２で、ＥＣＵ１００は、エンジン１の運転状態に基づいて、燃焼騒音が許容値以下になると予想されるか否かを判定する。燃焼騒音が許容値以下になるときには、フローはステップＳ３に進み、ＥＣＵ１００は、第１の噴射制御を実行する。第１の噴射制御は、図４Ａにおける低負荷領域（Ａ）の燃料噴射制御に相当する。

ステップＳ２で、燃焼騒音が許容値以下にならないと判定したときには、フローはステップＳ４に進む。ステップＳ４で、ＥＣＵ１００は、燃料の混合時間を確保することが可能か否かを判定する。例えばエンジン１の回転数が高いときには、１サイクル当たりの時間が短いため、燃料の混合時間を確保することができなくなる場合がある。また、エンジン１の負荷が高くて燃料噴射量が増えるときにも、燃料の噴射期間が長くなるため、燃料の混合時間を確保することができなくなる。ステップＳ４の判定がＹＥＳのときには、フローはステップＳ５に進む。一方、ステップＳ４の判定がＮＯのときには、フローはステップＳ８に進む。

ＥＣＵ１００は、ステップＳ５〜Ｓ７において、図８に示す燃料噴射態様に対応する第２の燃料噴射を実行する。第２の噴射制御は、図４Ａにおける中負荷領域（Ｂ）の燃料噴射制御に相当する。

ステップＳ５でＥＣＵ１００は、インジェクタ６に信号を出力し、インジェクタ６は、吸気行程において、１回目の燃料噴射（つまり、吸気行程噴射８１）を実行する。続くステップＳ６で、ＥＣＵ１００は、インジェクタ６に信号を出力し、インジェクタ６は、圧縮行程後期において、２回目の燃料噴射（つまり、圧縮行程後期噴射８２）を実行する。そして、ステップＳ７で、ＥＣＵ１００は、インジェクタ６に信号を出力し、インジェクタ６は、圧縮上死点付近において、３回目の燃料噴射（つまり、圧縮上死点噴射８３）を実行する。ステップＳ５〜Ｓ７の３回の燃料噴射によって、図８の（３）に示すような混合気が燃焼室１７内に形成され、圧縮上死点以降に圧縮着火燃焼をする。

ステップＳ８で、ＥＣＵ１００は、過早着火リスクが所定値以下であるか否かを判定する。例えば外気温センサ５６の検出値に基づいて、外気温が所定温度以上のときに、ＥＣＵ１００は、過早着火リスクが所定値を超えると判定する。ステップＳ８の判定がＮＯのとき（言い換えると、外気温が高いとき）には、フローは、ステップＳ５に進む。過早着火リスクが高いときには、図８に示す燃料噴射態様が採用される。前述したように、図８に示す燃料噴射形態は、図６に示す燃料噴射形態よりも、異常燃焼に対するロバスト性が高い。従って、図８に示す燃料噴射形態を採用することによって、エンジン１は、過早着火リスクが高いときに、異常燃焼を回避することができる。このことは、外気温が高いときには、図４Ｂに矢印で示すように、図８に示す燃料噴射を行う中負荷領域（Ｂ）を、高負荷側及び高回転側に拡大することと同じ意味である。つまり、ＥＣＵ１００は、中負荷領域（Ｂ）と高負荷領域（Ｃ）との境界を、外気温が高いときには、高負荷側にシフトすると共に、高回転側にシフトする。

一方、ステップＳ８の判定がＹＥＳのとき（言い換えると、外気温が高くないとき）には、フローは、ステップＳ９に進む。ＥＣＵ１００は、ステップＳ９〜Ｓ１１において、図６に示す燃料噴射態様に対応する第３の燃料噴射を実行する。第３の噴射制御は、図４Ａにおける高負荷領域（Ｃ）の燃料噴射制御に相当する。

ステップＳ９でＥＣＵ１００は、インジェクタ６に信号を出力し、インジェクタ６は、吸気行程において、１回目の燃料噴射（つまり、吸気行程噴射６１）を実行する。続くステップＳ１０で、ＥＣＵ１００は、インジェクタ６に信号を出力し、インジェクタ６は、圧縮行程中期において、２回目の燃料噴射（つまり、圧縮行程中期噴射６２）を実行する。そして、ステップＳ１１で、ＥＣＵ１００は、インジェクタ６に信号を出力し、インジェクタ６は、圧縮上死点付近において、３回目の燃料噴射（つまり、圧縮上死点噴射６３）を実行する。ステップＳ９〜Ｓ１１の３回の燃料噴射によって、図６の（３）に示すような混合気が燃焼室１７内に形成され、圧縮上死点以降に圧縮着火燃焼をする。

（燃焼室形状）
前述したように、高負荷領域（Ｃ）においては、キャビティ３４の中に着火ゾーンを形成する。そして、着火ゾーンの混合気が圧縮着火燃焼するによって高まる燃焼室１７内の温度及び圧力に起因して、過濃ゾーン及び希薄ゾーンが圧縮着火をする。ここで、着火ゾーンの混合気の燃焼エネルギが小さすぎると、過濃ゾーン及び希薄ゾーンの混合気に影響を及ぼすことができず、過濃ゾーン及び希薄ゾーンの混合気が圧縮着火に至らない恐れがある。着火ゾーンの混合気の燃焼エネルギを十分に確保するために、キャビティ３４は、ある程度の大きさにする必要がある。一方、キャビティ３４が大きすぎると、着火ゾーンの混合気の燃焼の質量燃焼割合が大きすぎて、燃焼室１７内の圧力変化が急峻になり、燃焼騒音が増大してしまうことになる。このような観点から、このエンジン１のキャビティ３４は、所定の大きさに形成されている。

図１０は、ピストン３が上死点に位置しているときの燃焼室１７の形状を示す縦断面図である。キャビティ３４の大きさは、ピストン３が上死点に位置しているときの、燃焼室１７の全容積に対する、キャビティ容積９の比率で定義する。ここで、キャビティ容積９は、ピストン３が上死点に位置しているときに、キャビティ３４の開口３４１をシリンダヘッド１３の下面１７０に投影した投影面９３からキャビティ３４の開口３４１までの容積９１と、キャビティ３４の凹部の容積９２とを足し合わせた容積である。

図１１は、着火ゾーンが燃焼したときの質量燃焼割合と、全ゾーン（つまり、着火ゾーン、過濃ゾーン及び希薄ゾーン）の燃焼効率との関係を示している。図１１は、ＥＧＲ率を５０％から６５％まで変化させている。これは、燃焼室１７内の温度を変えていることと同じである。着火ゾーンの質量燃焼割合が小さいと、ＥＧＲ率が５０％のときは、ＥＧＲ率が５５％のときよりも、燃焼効率は低くなる。ＥＧＲ率が５５％以上になれば、着火ゾーンの質量燃焼割合と、全ゾーンの燃焼効率との関係は、全て同じ、又は、ほぼ同じになる。

図１１によると、着火ゾーンの質量燃焼割合と、全ゾーンの燃焼効率との関係は右上がりであり、着火ゾーンの質量燃焼割合が小さいと、全ゾーンの燃焼効率が低くなり、着火ゾーンの質量燃焼割合が大きいと、全ゾーンの燃焼効率が高くなる。前述したように、着火ゾーンの混合気の燃焼エネルギが小さいと、過濃ゾーン及び希薄ゾーンの混合気への影響が小さくなって、全ゾーンの燃焼効率が低くなる。

一般的に、燃焼室１７内の燃焼効率が８０％以上であれば、燃焼安定性が確保されていると言うことができる。そこで、８０％の燃焼効率を基準にすると、着火ゾーンの質量燃焼割合は、最低２５％が必要になる。

図１２は、横軸を、キャビティ径とボア径との比（つまり、キャビティ径／ボア径）とし、縦軸を燃焼効率、及び、燃焼期間としたグラフを示している。キャビティ径／ボア径は、着火ゾーンの質量燃焼割合に比例する。従って、キャビティ径／ボア径と、全ゾーンの燃焼効率との関係は右上がりになる。前述したように、８０％の燃焼効率を基準にすると、キャビティ径／ボア径は、０．４以上が必要である。

一方、キャビティ径が大きすぎると、着火ゾーンの混合気が燃焼することによる質量燃焼割合が大きくなり過ぎてしまう。その結果、燃焼期間が短くなりすぎて、燃焼騒音が許容値を超えてしまう。許容することができる燃焼騒音に基づけば、燃焼期間はクランク角で１０°以上でなければならない（尚、エンジン１の回転数は、２０００ｒｐｍである）。そうすると、図１２に示すように、キャビティ径／ボア径は、０．６以下であることが必要になる。

図１３は、横軸を、キャビティ３４の容積比（つまり、ピストン３が上死点に位置しているときの、燃焼室１７の全容積に対する、キャビティ容積９の比率、図１０参照）とし、縦軸を燃焼効率、及び、燃焼期間としたグラフを示している。前述したように、８０％の燃焼効率を基準にすると、キャビティ３４の容積比は、２５％以上が必要である。また、許容することができる燃焼騒音に基づいて、キャビティ３４の容積比は、４０％以下であることが必要になる。

尚、ここに開示する技術は、前述した構成のエンジン１に適用することに限定されない。

１ エンジン
１１ シリンダ
１３ シリンダヘッド
１７ 燃焼室
１００ ＥＣＵ（コントローラー）
３ ピストン
３４ キャビティ
５１ エアフローセンサ
５２ アクセル開度センサ
５３ 車速センサ
５４ クランク角センサ
５５ 水温センサ
５６ 外気温センサ
６ インジェクタ

Claims (6)

1. ピストンの上面とシリンダヘッドの下面とによって区画される燃焼室の中に、燃料を噴射するよう構成されたインジェクタと、
   エンジンの運転状態を検知するよう構成されたセンサと、
   前記センサからの信号を受けかつ、前記インジェクタに対して、燃料噴射を実行させるための信号を出力するよう構成されたコントローラーと、を備え、
   前記インジェクタは、前記コントローラーからの信号を受けて、１．０未満の第１当量比の混合気を前記燃焼室の中に形成するための第１燃料噴射と、１．０以上の第２当量比の混合気を前記燃焼室の中に形成するための第２燃料噴射と、を行い、
   前記コントローラーは、前記エンジンの負荷が所定負荷以下のときには、前記第１燃料噴射を、前記第２燃料噴射よりも先に行うよう、前記インジェクタに信号を出力しかつ、前記エンジンの負荷が前記所定負荷よりも高いときには、前記第２燃料噴射を、前記第１燃料噴射よりも先に行うよう、前記インジェクタに信号を出力し、
   前記第１当量比の混合気が圧縮着火しかつ、その圧縮着火後、前記第２当量比の混合気が燃焼を開始する予混合圧縮着火式エンジンの制御装置。
2. 請求項１に記載の予混合圧縮着火式エンジンの制御装置において、
   前記コントローラーは、前記エンジンの回転数が所定回転数以下のときには、前記第１燃料噴射を、前記第２燃料噴射よりも先に行うよう、前記インジェクタに信号を出力しかつ、前記エンジンの回転数が前記所定回転数よりも高いときには、前記第２燃料噴射を、前記第１燃料噴射よりも先に行うよう、前記インジェクタに信号を出力する予混合圧縮着火式エンジンの制御装置。
3. 請求項１又は２に記載の予混合圧縮着火式エンジンの制御装置において、
   外気温を検出するよう構成された外気温センサを備え、
   前記コントローラーは、前記外気温センサからの信号に基づいて、前記外気温が所定温度よりも高いときには、前記所定負荷を高負荷側にシフトする予混合圧縮着火式エンジンの制御装置。
4. 請求項２に記載の予混合圧縮着火式エンジンの制御装置において、
   外気温を検出するよう構成された外気温センサを備え、
   前記コントローラーは、前記外気温センサからの信号に基づいて、前記外気温が所定温度よりも高いときには、前記所定回転数を高回転数側にシフトする予混合圧縮着火式エンジンの制御装置。
5. 請求項１〜４のいずれか1項に記載の予混合圧縮着火式エンジンの制御装置において、
   前記コントローラーは、前記エンジンの負荷が所定負荷以下のときには、前記第１燃料噴射よりも先に第３燃料噴射を行うよう、前記インジェクタに信号を出力し、
   圧縮着火直前の前記燃焼室の中には、外周部から中央部に向かって、前記第１当量比よりもリーンの混合気ゾーン、前記第１当量比の混合気ゾーン、及び、前記第２当量比の混合気ゾーンが形成されている予混合圧縮着火式エンジンの制御装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の予混合圧縮着火式エンジンにおいて、
   前記コントローラーは、前記エンジンの負荷が前記所定負荷よりも高いときには、前記第２燃料噴射よりも先に第３燃料噴射を行うよう、前記インジェクタに信号を出力し、
   圧縮着火直前の前記燃焼室の中には、外周部から中央部に向かって、前記第２当量比の混合気ゾーン、前記第１当量比よりもリーンの混合気ゾーン、及び、前記第１当量比の混合気ゾーンが形成されている予混合圧縮着火式エンジンの制御装置。