JP2018059490A - 予混合圧縮着火式エンジンシステム - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼室の外周側の混合気が圧縮着火するタイミングを確実に遅らせて、燃焼騒音の抑制と燃焼安定性の確保とを安定して両立させることにある。【解決手段】ピストン（69）の冠面（75）及びシリンダヘッド（67）の下面（79）には、燃焼室（73）の外周側空間に臨む遮熱層（92）が設けられており、エンジン（3）の運転状態が高負荷領域にあるときにおいて、燃焼室（73）の中央空間及び外周側空間に対し燃焼噴射弁（37）に燃料を噴射させる圧縮行程中期噴射（203）及び圧縮上死点噴射（205）と、燃焼室（73）の外周側空間に対し水噴射弁（47）に水を噴射させる水噴射（207）とを実行する。【選択図】図１０

Description

本開示は、予混合圧縮着火式エンジンシステムに関する。

この種のエンジンシステムは、例えば特許文献１に開示されている。特許文献１に開示されたエンジンシステムは、エンジンの運転状態が高負荷領域にあるときに、圧縮上死点付近とそれよりも前の圧縮行程中の所定時期とに設定された２回の噴射タイミングに分けて燃料噴射弁から燃料を噴射し、前段の燃料噴射によって燃焼室の外周部に形成した混合気を圧縮上死点付近で圧縮着火により燃焼させ、後段の燃料噴射によって燃焼室の中央部に形成した混合気を先の燃焼による昇温及び昇圧を以て短い時間で着火に至らせて継続的に燃料させるようになっている。

さらに、予混合圧縮着火式エンジンシステムの燃焼室としては、燃焼室を区画する区画壁面、具体的にはピストンの冠面とシリンダヘッドとの下面とに遮熱層を設けることにより、燃焼室の燃焼による熱が燃焼室の区画壁面を通じて放出されるのを抑制し、それによってエンジンの冷却損失を低減するようにした構造が知られている。この遮熱層には、燃焼ガスの熱を通さないように遮熱効果が高いものが好適に採用される。

また、水噴射弁を備えたエンジンシステムが従来から知られており、例えば特許文献２に開示されている。特許文献２に開示されたエンジンシステムでは、ピストンの冠面の中央部分に円盤形凹状のキャビティが形成され、ペントルーフ型の燃焼室の天井に噴射軸（噴射方向）がキャビティ内に向くように水噴射弁が設けられていて、この水噴射弁から上死点付近で燃焼室に向けて水噴射を直接に行い、ピストンにおけるキャビティの表面に水を付着させて水膜を形成することにより、ピストンの冠面から燃焼熱が逃げるのを遮断して熱効率を高めるようになっている。

特開２０１２−２４１５９０号公報 特開２００８−１７５０８７号公報

ところで、予混合圧縮着火式エンジンシステムでは、エンジンの負荷が高くなるに従って圧縮着火燃焼が急峻になるため、筒内圧力の急上昇に起因して燃焼騒音が増大してしまうという不都合がある。こうした不都合に対処する方策の１つとして、圧縮着火燃焼を緩慢にすることが考えられるが、そうすると燃焼安定性が低下してしまう。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。

燃焼騒音の抑制と燃焼安定性の確保とを両立させるためには、特許文献１に開示されるように燃焼室内の混合気を時間差をもって圧縮着火させることが有効である。燃焼室内の熱は同室を区画する壁面、すなわちピストンの冠面、気筒の内周面及びシリンダヘッドの下面を通して外部に逃げるため、燃焼室において、ピストンのキャビティ内に対応する中央空間は相対的に温度が高くなり易く、キャビティの外周囲に対応する外周側空間は相対的に温度が低くなり易い。このことから、まず、燃焼室の中央空間に形成した混合気を圧縮着火させ、その後に、燃焼室の外周側空間に形成した混合気が圧縮着火するように、混合気の性状を制御することが好適である。

しかし、上述したように燃焼室を区画する区画壁面に燃焼室の外周側空間に臨む部分を含めて遮熱層を設ける構造を採用する場合には、冷却損失の低減効果の大きい遮熱層が仇になって、燃焼室の外周側空間に形成される混合気の温度が下がり難くなるため、本来であれば燃焼室の区画壁面を通した冷却損失により遅れて着火することが期待される燃焼室の外周側空間の混合気が異常燃焼を起こし易くなって過早着火してしまうことがある。そうなると、燃焼室の外周側空間の混合気が燃焼室の中央空間の混合気と同じような時期に圧縮着火して燃焼し、燃焼室の中央空間と外周側空間とで燃焼タイミングをずらせずに、燃焼騒音を好適に抑制できなくなる事態が懸念される。

本開示の技術は、斯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、燃焼室の外周側空間に形成される混合気が圧縮着火するタイミングを確実に遅らせて、燃焼騒音の抑制と燃焼安定性の確保とを安定して両立させることにある。

上記の目的を達成するために、本開示の技術では、エンジンが燃焼室の外周側空間での過早着火が懸念されるような所定の運転状態にあるときに、燃焼室のキャビティ外の空間のみに水を噴射するようにした。

具体的には、本開示の技術は、気筒を有するエンジンと、気筒内に往復動可能に設けられたピストンと、ピストンの冠面と気筒とシリンダヘッドの下面とによって区画される燃焼室に対し、燃料を噴射する燃料噴射弁、及び水を噴射する水噴射弁と、燃料噴射弁による燃料の噴射動作及び水噴射弁による水の噴射動作を制御する制御装置とを備える予混合圧縮着火式エンジンシステムを対象とする。

このエンジンシステムでは、ピストンの冠面の中央部分に下方に窪む凹形状のキャビティが形成されており、燃料噴射弁によって燃焼室に噴射された燃料と空気との混合気を形成し、その混合気を、燃料室においてキャビティ内に対応する中央空間とキャビティの外周囲に対応する外周側空間とのうち少なくとも中央空間でピストンの圧縮動作により着火させる。

ピストンの冠面及びシリンダヘッドの下面のうち少なくとも一方の面には、キャビティ外対応空間に臨む遮熱層が設けられている。制御装置は、エンジンの運転状態が所定の運転領域にあるときにおいて、燃焼室の中央空間及び外周側空間の両方に対し燃焼噴射弁に燃料を噴射させる燃料噴射と、燃焼室の外周側空間に対し水噴射弁に水を噴射させる水噴射とを実行する。

この構成によると、水噴射によって燃焼室の外周側空間だけに水が噴射される。そうすることで、燃焼室の中央空間及びそこに形成される混合気の温度はなるべく維持しつつ、水の潜熱及び顕熱の作用により燃焼室の外周側空間及びそこに形成される混合気を局所的に冷却することができる。これにより、燃焼室の外周側空間に形成される混合気を、燃焼室の中央空間に形成される混合気よりも圧縮着火し難い状態として、燃焼室の外周側空間の混合気の着火時期を燃焼室の中央空間の混合気の着火時期よりも確実に遅らせることができる。このことで、燃焼室に形成される混合気の着火性を確保しつつ、その燃焼を好適に緩慢化することができる。その結果、燃焼騒音の抑制と燃焼安定性の確保とを安定して両立させることが可能となる。

上記エンジンシステムにおいて、所定の運転領域は、エンジンの負荷が所定の負荷以上となる第１運転領域である。この場合、制御装置は、エンジンの運転状態が上記所定の負荷よりも低い第２運転領域にあるときには、水噴射を実行せず、燃焼室の中央空間のみに対し燃料噴射弁に燃料を噴射させることが好ましい。

この構成によると、水噴射は、エンジンの負荷が所定の負荷以上となる第１運転領域にあるときに実行される。エンジンの負荷が大きくなると、燃料噴射によって燃焼室の外周側空間に形成される混合気が異常燃焼による過早着火を起こし易いが、そうした過早着火を好適に防止することができる。また、エンジンの負荷が所定の負荷よりも低い第２運転領域にあるときには、燃焼室の中央空間のみに対し燃料が噴射される。こうすることで、燃焼室の中央空間のみに混合気を形成すると共にその周囲の外周側空間にガス層を形成することができる。そうして形成されたガス層は、混合気の燃焼時に断熱層として機能する。よって、エンジンの冷却損失の低減を図ることができる。

そして、上記の構成によると、第２運転領域では、水噴射は実行されない。水噴射を行うと、水の潜熱及び顕熱の作用によって燃焼室の外周側空間及びそこに形成される混合気の温度が下がるので、その分だけ燃焼安定性が低下し易くなる。第２運転領域では、燃焼室の外周側空間に燃焼を噴射しない、つまり混合気を形成しないので、その燃焼室の外周側空間での過早着火の防止を目的とする水噴射を行う必要はなく、水噴射を実行しないことで、それによる燃焼安定性の低下を抑制することができる。

また、上記エンジンシステムにおいて、制御装置は、ピストンが圧縮上死点に到達したときの燃焼室の温度を予測し、予測した温度が所定の温度未満であるときには水噴射を実行せず、予測した温度が上記所定の温度以上であるときには水噴射を実行することが好ましい。ここで、所定の温度は、例えば１０００Ｋ以上の温度に設定される。

この構成によると、水噴射は、圧縮上死点での燃焼室の温度が所定の温度以上であると予測されたときに実行される。このようにすれば、燃焼室の外周側空間に形成される混合気が過早着火するリスクが比較的高い場合に、そうした過早着火の発生を好適に防止することができる。

さらに、上記の構成によると、水噴射は、圧縮上死点での燃焼室の温度が所定の温度未満であると予測されたときには実行されない。水噴射を行うと、水の潜熱及び顕熱の作用によって燃焼室の外周側空間及びそこに形成される混合気の温度が下がるので、その分だけ燃焼安定性が低下し易くなる。燃焼室の外周側に形成される混合気が過早着火するリスクが比較的低い場合には、水噴射を実行しないことで、そうした燃焼安定性の低下を抑制することができる。

また、上記エンジンシステムにおいて、エンジンの幾何学的圧縮比は１６以上且つ３５以下に設定されていることが好ましい。

この構成によると、エンジンの幾何学的圧縮比が１６以上且つ３５以下という比較的高い圧縮比に設定されているので、理論熱効率を向上させることができ、且つ圧縮着火燃焼の安定化を図ることができる。

上記エンジンシステムによれば、燃焼室の外周側空間に形成される混合気が圧縮着火するタイミングを確実に遅らせて、燃焼騒音の抑制と燃焼安定性の確保とを安定して両立させることができる。

図１は、予混合圧縮着火式エンジンシステムの構成を例示する図である。 図２は、エンジンの構成を例示する断面図である。 図３は、エンジン内の燃焼室の構成を例示する断面図である。 図４は、外開弁式の噴射弁の構成を例示する断面図である。 図５は、ＥＣＵの構成を例示するブロック図である。 図６は、エンジンの運転領域を例示する図である。 図７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８は、高負荷領域における燃料の噴射時期とその噴射量を例示する図である。 図９Ａは、高負荷領域における吸気行程での燃料噴射の様子を概念的に例示する図である。 図９Ｂは、高負荷領域における圧縮行程の中期での燃料噴射の様子を概念的に例示する図である。 図９Ｃは、高負荷領域において燃焼室に形成される混合気の状態を概念的に例示する図である。 図９Ｄは、高負荷領域における圧縮上死点付近での燃料噴射の様子を概念的に例示する図である。 図９Ｅは、高負荷領域において燃焼室に形成される混合気の状態を概念的に例示する図である。 図９Ｆは、高負荷領域における燃焼室の混合気が燃焼する様子を概念的に例示する図である。 図９Ｇは、高負荷領域における燃焼室の混合気が燃焼する様子を概念的に例示する図である。 図９Ｈは、高負荷領域における燃焼室の混合気が燃焼する様子を概念的に例示する図である。 図１０は、高負荷領域における燃料及び水の噴射時期とそれらの噴射量を例示する図である。 図１１は、高負荷領域における圧縮行程の後期での水噴射の様子を概念的に例示する図である。 図１２は、中負荷領域における燃料の噴射時期とその噴射量を例示する図である。 図１３Ａは、中負荷領域における吸気行程での燃料噴射の様子を概念的に例示する図である。 図１３Ｂは、中負荷領域における圧縮行程の後期での燃料噴射の様子を概念的に例示する図である。 図１３Ｃは、中負荷領域において燃焼室に形成される混合気の状態を概念的に例示する図である。 図１３Ｄは、中負荷領域における圧縮上死点付近での燃料噴射の様子を概念的に例示する図である。 図１３Ｅは、中負荷領域において燃焼室に形成される混合気の状態を概念的に例示する図である。 図１３Ｆは、中負荷領域における燃焼室の混合気が燃焼する様子を概念的に例示する図である。 図１３Ｇは、中負荷領域における燃焼室の混合気が燃焼する様子を概念的に例示する図である。 図１３Ｈは、中負荷領域における燃焼室の混合気が燃焼する様子を概念的に例示する図である。 図１４は、ＥＣＵが実行する燃料噴射制御及び水噴射制御を例示するフローチャートである。

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。

＜エンジンシステムの全体構成＞
図１に、予混合圧縮着火式エンジンシステム１の構成を例示する。予混合圧縮着火式エンジンシステム１（以下、単に「エンジンシステム１」と称する）の燃料Ｆはガソリンである。ガソリンは、バイオエタノール等を含んでいてもよい。エンジンシステム１の燃料Ｆ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。

エンジンシステム１は、図１に示すように、吸気（空気）と燃料Ｆとの混合気を燃焼させるエンジン３と、エンジン３に導入する吸気が流通する吸気通路５と、エンジン３内での混合気の燃焼により発生した排気を排出する排気通路７と、エンジン３に排気（既燃ガス）を再導入する排気再循環（ＥＧＲ：Exhaust Gas Recirculation、以下「ＥＧＲ」と称する）装置９と、エンジン３に燃料Ｆを供給する燃料供給装置１１と、エンジン３に水を供給する水供給装置１３と、エンジン３の運転状態を検出するためのセンサ類と、エンジンシステム１の全体を制御する制御装置としてのＥＣＵ（Engine Control Unit）１５とを備える。

＜吸気通路・排気通路の構成＞
吸気通路５には、上流側から順に、吸気を浄化するエアクリーナ１７と、エンジン３に供給される吸気の流量を調節するスロットル弁１９とが設けられている。排気通路７には、上流側から順に、排気に含まれる大気汚染物質を浄化する排気浄化装置２１と、排気に含まれる水（水蒸気）を凝縮する凝縮器２３とが設けられている。排気浄化装置２１は、例えば三元触媒を含む触媒コンバータによって構成されている。

＜ＥＧＲ装置の構成＞
ＥＧＲ装置９は、エンジン３から排気通路７に一旦排出した排気の一部を吸気通路５に循環させる外部ＥＧＲを行う外部ＥＧＲ装置２５と、エンジン３内での混合気の燃焼により発生した既燃ガスの一部を実質的にエンジン３内に留める内部ＥＧＲを行う内部ＥＧＲ装置２７（後に参照する図２に示す）とを備える。内部ＥＧＲ装置２７は、後述する吸気動弁機構１０１のＶＶＴ及び排気動弁機構１０３のＶＶＴによって構成されている。

外部ＥＧＲ装置２５は、吸気通路５のスロットル弁１９よりも下流側の部分と排気通路７の排気浄化装置２１よりも上流側の部分とを接続するＥＧＲ通路２９と、ＥＧＲ通路２９に流通する排気を冷却するＥＧＲクーラ３１と、ＥＧＲ通路２９に流通する排気の流量を調節するＥＧＲ弁３３とを備える。ＥＧＲクーラ３１及びＥＧＲ弁３３は、ＥＧＲ通路２９において、排気通路７側から吸気通路５側に向かってこの順に設けられている。

＜燃料供給装置の構成＞
燃料供給装置１１は、燃料Ｆを貯留する燃料タンク３５と、エンジン３内で燃料Ｆを噴射する燃料噴射弁３７と、燃料タンク３５の燃料Ｆを燃料噴射弁３７に供給する燃料供給通路３９とを備える。燃料タンク３５内には、図示しないが、燃料Ｆを燃料供給通路３９に送り出すフィードポンプが設けられている。燃料供給通路３９には、上流側から順に、当該通路３９に流通する燃料Ｆを昇圧させる燃料昇圧ポンプ４１と、当該通路３９に流通する燃料Ｆを燃料噴射弁３７から噴射させる前に一時的に貯留する燃料コモンレール４３とが設けられている。

＜水供給装置の構成＞
水供給装置１３は、水Ｗを貯留する貯水タンク４５と、エンジン３内で水Ｗを噴射する水噴射弁４７と、貯水タンク４５の水Ｗを水噴射弁４７に供給する水供給通路４９と、水噴射弁４７から噴射された水Ｗを排気通路７を利用して回収する水回収装置５１とを備える。貯水タンク４５内には、図示しないが、水Ｗを水供給通路４９に送り出すフィードポンプが設けられている。水供給通路４９には、上流側から順に、当該通路４９に流通する水Ｗを昇圧させる水昇圧ポンプ５３と、当該通路４９に流通する水Ｗを排気通路７に流通する排気との間で熱交換させる熱交換器５５と、当該通路４９に流通する水Ｗを水噴射弁４７から噴射させる前に一時的に貯留する水コモンレール５６とが設けられている。

熱交換器５５は、排気通路７の内側に挿通された水供給通路４９の一部によって構成されている。熱交換器５５は、排気通路７において排気浄化装置２１の直ぐ下流側に隣接して配置されており、排気浄化装置２１と共に蓄熱用ケース５７の内側に収容されている。蓄熱用ケース５７は、蓄熱材５９が充填された二重構造の外周壁６１を有し、排気の熱エネルギーを蓄熱材５９に蓄えることにより排気浄化装置２１及び熱交換器５５を保温する。こうした蓄熱用ケース５７の保温効果により、排気浄化装置２１は適度な温度に維持され、熱交換器５５は水供給通路４９内の水Ｗを効果的に昇温させる。

＜エンジンの構成＞
図２に、エンジン３の構成を例示する。また、図３に、エンジン３内の燃焼室７３の構成を例示する。

エンジン３は、吸気、圧縮、燃焼及び排気を行う４サイクル多気筒のレシプロエンジンであって、図１及び図２に示すように、直列に配置された４つの気筒６３（図２では１つのみ示す）を有するシリンダブロック６５と、シリンダブロック６５上に載置されるシリンダヘッド６７とを備える。これらシリンダブロック６５及びシリンダヘッド６７の内部には、図示しないが、エンジン冷却水が流れるウォータジャケットが設けられている。シリンダブロック６５の各気筒６３内には、ピストン６９が往復動（上下動）可能に嵌め入れられている。

ピストン６９は、コネクティングロッド７１を介してクランクシャフト７２に連結されている。ピストン６９の上方には、図２及び図３に示すように、混合気を燃焼させる燃焼室７３が形成されている。燃焼室７３は、ピストン６９の冠面７５と気筒６３の内周面（シリンダライナー壁面）７７とシリンダヘッド６７の下面７９とによって区画されている。なお、ここで言う「燃焼室」は、ピストン６９が圧縮上死点に至ったときに形成される空間を意味する狭義の燃焼室に限定されず、ピストン６９、気筒６３及びシリンダヘッド６７によって囲まれた空間として定義される広義の燃焼室を意味する。

燃焼室７３は、図３に示すように、いわゆるペントルーフ型の燃焼室である。燃焼室７３の天井部を構成するシリンダヘッド６７の下面７９は、吸気通路５側に位置する吸気側天井面８１と、排気通路７側に位置する排気側天井面８３とを備える。これら吸気側天井面８１及び排気側天井面８３は、気筒６３の配列方向と直交する方向において、気筒６３の中心に向かって登り勾配に傾斜しており、クランクシャフト７２の軸方向に延びる谷部を介して連結されて三角屋根形状をなしている。なお、ペントルーフの谷部の位置は、気筒６３のボア中心に一致する場合と一致しない場合との両方があり得る。

ピストン６９の冠面７５の中央部分には、下方に向けて窪む凹形状のキャビティ８５が形成されている。以下では、燃焼室７３においてキャビティ８５内に対応する空間を「中央空間」と称することがある。また、燃焼室７３においてキャビティ８５の外周囲に対応する空間を「外周側空間」と称することがある。

ピストン６９の冠面７５は、キャビティ８５の内面８７と、キャビティ８５に対し吸気側に位置する吸気側傾斜面８９と、キャビティ８５に対し排気側に位置する排気側傾斜面９１とを有する。吸気側傾斜面８９は、吸気側天井面８１に対応するようにキャビティ８５に向かって登り勾配に傾斜している。他方、排気側傾斜面９１は、排気側天井面８３に対応するようにキャビティ８５に向かって登り勾配に傾斜している。

燃焼室７３を区画する上下の区画壁面、具体的にはピストン６９の冠面７５とシリンダヘッド６７の下面７９とには遮熱層９２がそれぞれ設けられている。遮熱層９２は、これらの区画壁面７５，７９の全体に設けられていてもよいし、これらの区画面７５，７９の一部に設けられていてもよい。遮熱層９２は、燃焼室７３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６９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９２は、燃焼室７３の燃焼ガスの熱が、燃焼室７３の区画面７５，７９を通じて放出されることを抑制する。また、遮熱層９２は、母材よりも容積比率が小さいことが好ましい。つまり、遮熱層９２の熱容量を小さくして、燃焼室７３の区画壁面７５，７９の温度が、燃焼室７３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壁面７５，７９の温度との差が小さくなるから、熱が区画壁面７５，７９を通じて母材に伝わることが抑制される。

遮熱層９２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、区画壁面７５，７９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されている。この遮熱層９２は、区画壁面７５，７９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等により形成してもよい。

エンジン３の幾何学的圧縮比は、理論熱効率の向上や圧縮着火燃焼の安定化等を目的として、比較的高い圧縮比に設定されている。具体的には、エンジン３の幾何学的圧縮比は、１６以上且つ４０以下に設定されていればよく、特に１６以上且つ２５以下に設定されることが好ましい。エンジン３は、圧縮比が高いほど膨張比も高くなるため、高圧縮比と同時に比較的高い膨張比を有する。

シリンダヘッド６７には、図２に示すように、吸気側天井面８１に開口した吸気ポート９３と、排気側天井面８３に開口した排気ポート９５とが、気筒６３毎にそれぞれ２つずつ形成されている。吸気ポート９３は、燃焼室７３とは反対側の開口が吸気通路５に接続されており、燃焼室７３と吸気通路５とを連通させている。排気ポート９５は、燃焼室７３とは反対側の開口が排気通路７に接続されており、燃焼室７３と排気通路７とを連通させている。

吸気ポート９３には、吸気側天井面８１の開口を燃焼室７３に対して開閉する吸気弁９７が設けられている。他方、排気ポート９５には、排気側天井面８３の開口を燃焼室７３に対して開閉する排気弁９９が設けられている。これら吸気弁９７及び排気弁９９は、傘或いは茸のような形状の弁体を有するポペット弁からなる。シリンダヘッド６７の内部には、吸気弁９７を所定のタイミングで往復動させる吸気動弁機構１０１と、排気弁９９を所定のタイミングで往復動させる排気動弁機構１０３とが設けられている。

吸気動弁機構１０１は、図示しないが、吸気弁９７に連結された吸気カムシャフトと、吸気カムシャフトの回転位相を所定の角度範囲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）とを含む。吸気カムシャフトは、伝動ベルトなどの動力伝達機構を介してクランクシャフト７２に連結されており、クランクシャフト７２から伝えられる動力により回転して吸気弁９７を駆動させる。

排気動弁機構１０３は、図示しないが、排気弁９９に連結された排気カムシャフトと、排気カムシャフトの回転位相を所定の範囲で連続的に変更可能な液圧式又は電動式のＶＶＴとを含む。排気カムシャフトは、吸気カムシャフトと共通の動力伝達機構を介してクランクシャフト７２に連結されており、クランクシャフト７２から伝えられる動力により回転して排気弁９９を駆動させる。

吸気動弁機構１０１のＶＶＴ及び排気動弁機構１０３のＶＶＴは、吸気弁９７の開閉時期と排気弁９９の開閉時期とを調節して、吸気行程において排気弁９９を開いたり、排気行程において吸気弁９７を開いたりさせることにより、排気行程において一旦排出された既燃ガスを燃焼室７３に引き戻す内部ＥＧＲを実行する。なお、内部ＥＧＲは、排気行程又は吸気行程において吸気弁９７及び排気弁９９の双方を閉弁するネガティブオーバーラップ期間を設けて燃焼室７３に既燃ガスを残留させることで行われてもよい。

シリンダヘッド６７にはさらに、燃料噴射弁３７及び水噴射弁４７が取り付けられている。燃料噴射弁３７及び水噴射弁４７は、吸気側天井面８１と排気側天井面８３との間の谷部に気筒６３の配列方向に並べて配置されている。燃料噴射弁３７の噴射軸心と水噴射弁４７の噴射軸心とは共に、気筒６３の配列方向と直交する方向において中央に位置しているが、気筒６３の配列方向において気筒６３の軸線（中心線）からずれている。なお、水噴射弁４７の噴射軸心が気筒６３の軸線からずれる一方、燃料噴射弁３７の噴射軸心が気筒６３の軸線と一致していてもよいし、燃料噴射弁３７の噴射軸心が気筒６３の軸線からずれる一方、水噴射弁４７の噴射軸心が気筒６３の軸線と一致していてもよい。

＜燃料噴射弁・水噴射弁の構成＞
燃料噴射弁３７及び水噴射弁４７は、いずれも外開弁式の噴射弁（以下、「外開噴射弁」と称する）１０５である。燃料噴射弁３７及び水噴射弁４７に用いられる外開噴射弁１０５の構成を、以下に、図４を参照しながら説明する。図４は、外開噴射弁１０５の構成を例示する断面図である。外開噴射弁１０５は、図４に示すように、噴口１０７が形成されたノズル部１０９と、噴口１０７を開閉する外開弁体１１１とを備える。

ノズル部１０９は、燃料Ｆが流通する筒状に形成されており、先端部に噴口１０７を有する。噴口１０７は、径が先端に向かうほど大きくなるテーパ状に形成されている。外開噴射弁１１１は、このノズル部１０９に挿通されている。ノズル部１０９の基端部は、外海噴射弁１１１を進退させる駆動機構を収容したケース１１５に接続されている。ケース１１５には、上記駆動機構として、ピエゾ素子１１３と、ピエゾ素子１１３をノズル部１０９から離間させる方向に付勢する圧縮コイルバネ１１７が収容されている。外開弁体１１１の基端部は、ピエゾ素子１１３に接続されている。外開弁体１１１の先端部は、噴口１０７内から外部に臨んでおり、ノズル部１０９の噴口１０７のテーパ面と対向する当接面１１９を有するブロック状に形成されている。

ピエゾ素子１１３は、電圧の印加による変形により外開弁体１１１を燃焼室７３側に押圧し、その外開弁体１１１をノズル部１０９の噴口１０７を閉じた状態からリフトさせて噴口１０７を開放する。それにより、ノズル部１０９の噴口１０７から燃焼室７３に燃料がホローコーン状に噴射される。そのホロ―コーン状のテーパ角は、例えば９０°〜１００°である。そして、ピエゾ素子１１３への電圧の印加が停止すると、ピエゾ素子１１３が元の状態に復帰することで、外開弁体１１１が噴口１０７を再び閉じる。このとき、ピエゾ素子１１３の復帰は、圧縮コイルバネ１１７の付勢力により助長される。

ピエゾ素子１１３に印加する電圧が大きいほど、ノズル部１０９の噴口１０７を閉じた状態からの外開弁体１１１のリフト量が大きくなる。このリフト量が大きいほど、ノズル部１０９の噴口１０７の開度が大きくなって当該噴口１０７から燃焼室７３内に噴射される流体の量（燃料量や水量）が多くなり、且つ噴霧の粒径が大きくなる。このことを利用して、エンジンシステム１では、特定の運転領域において、燃焼室７３の中央空間でキャビティ８５内に混合気層を形成し、且つその外周囲に断熱ガス層を形成したり、燃焼室７３の中央空間と外周側空間とで異なる当量比の混合気を形成したりする。

＜センサ類の構成＞
センサ類は、図１及び図２に示すように、エンジン３、吸気通路５、排気通路７及びＥＧＲ装置９にそれぞれ設けられている。

具体的には、エンジン３においては、クランクシャフト７２の回転速度を検出するクランク角センサ１２１と、吸気カムシャフトのカム角度を検出する吸気カムセンサ１２３と、排気カムシャフトのカム角度を検出する排気カムセンサ１２５と、ウォータジャケット内のエンジン冷却水の温度を検出する水温センサ１２７とが設けられている。

吸気通路５においては、エアクリーナ１７の直ぐ下流側で吸気流量を検出するエアフローセンサ１２９と、スロットル弁１９の開度を検出するスロットル開度センサ１３１とが設けられている。エアフローセンサ１２９は、吸気温度を検出する温度センサを内蔵している。排気通路７においては、排気浄化装置２１の上流側と下流側とに排気中の酸素濃度を検出するＯ_２センサ１３３，１３５がそれぞれ設けられている。これら２つのＯ_２センサ１３３，１３５の検出値は、燃焼室１９内の空燃比をフィードバックするのに利用される。

ＥＧＲ通路２９においては、ＥＧＲ弁３３の開度を検出するＥＧＲ開度センサ１３７が設けられている。その他、エンジンシステム１には、自動車の速度を検出する車速センサ１３９や、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルセンサ１４１などが設けられている。

クランク角センサ１２１は、検出したクランクシャフト７２の回転角度に対応する検出信号Ｓ１２１をＥＣＵ１５に出力する。吸気カムセンサ１２３及び排気カムセンサ１２５は、それぞれ検出したカム角度に対応する検出信号Ｓ１２３，Ｓ１２５をＥＣＵ１５に出力する。水温センサ１２７は、検出したエンジン冷却水の温度に対応する検出信号Ｓ１２７をＥＣＵ１５に出力する。

エアフローセンサ１２９は、検出した吸気流量に対応する検出信号Ｓ１２９ａと、内蔵する温度センサにより検出した吸気温度に対応する検出信号Ｓ１２９ｂとをＥＣＵ１５に出力する。Ｏ_２センサ１３３，１３５は、それぞれ検出した排気中の酸素濃度に対応する検出信号Ｓ１３３，Ｓ１３５をＥＣＵ１５に出力する。ＥＧＲ開度センサ１３７は、検出したＥＧＲ弁３３の開度に対応する検出信号Ｓ１３７をＥＣＵ１５に出力する。車速センサ１３９は、検出した速度に対応する検出信号Ｓ１３９をＥＣＵ１５に出力する。アクセルセンサ１４１は、検出したアクセルペダルの踏み込み量に対応する検出信号Ｓ１４１をＥＣＵ１５に出力する。

＜ＥＣＵの構成＞
図５に、ＥＣＵ１５の構成のブロック図を例示する。

ＥＣＵ１５は、周知のマイクロコンピュータであって、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＣＰＵ上で実行される各種のプログラムや各種のデータを格納するためのＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）の如き内部メモリと、電気信号の入出力を行う入出力バスとを備える。内部メモリに格納される各種のプログラムには、ＯＳ（Operating System）や特定機能を実現するアプリケーションプログラムが含まれる。

ＥＣＵ１５は、上述した各種センサ１２１〜１４１から供給された検出信号Ｓ１２１〜Ｓ１４１に基づいて、種々の制御や処理を行う。基本的には、ＥＣＵ１５は、要求トルクの演算やエンジン３の負荷の予測などを行い、演算した要求トルクやエンジン３の負荷に基づいて、スロットル弁１９の開度、燃料噴射パルス、水噴射パルス、ＥＧＲ弁３３の開度、吸気弁９７及び排気弁９９の位相角などといった、エンジン３の制御パラメータを計算する。そして、ＥＣＵ１５は、それらの信号を、スロットル弁１９、燃料噴射弁３７、水噴射弁４７、ＥＧＲ弁３３、吸気動弁機構１０１のＶＶＴ及び排気動弁機構１０３のＶＶＴなどに出力する。

＜エンジンの運転制御＞
図６に、エンジン３の運転領域を例示する。

エンジン３の運転領域は、図６に示すように、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）よりも負荷が高く、且つ低負荷領域（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）よりも負荷が高く、且つ中負荷領域（Ｂ）よりも回転数が高い領域を含んでいる。

エンジンシステム１は、基本的には、これら低負荷領域（Ａ）、中負荷領域（Ｂ）及び高負荷領域（Ｃ）の全運転領域で燃焼室７３に噴射した燃料を圧縮着火により燃焼させる。圧縮着火燃焼は、言い換えると、ＣＡＩ（Controlled Auto Ignition）燃焼である。ＣＡＩ燃焼は、エンジン３が上述した高い幾何学的圧縮比に設定されていることによって安定化する。

ＥＣＵ１５は、上述したように、スロットル弁１９、燃料噴射弁３７、水噴射弁４７、ＥＧＲ弁３３、吸気動弁機構１０１のＶＶＴ及び排気動弁機構１０３のＶＶＴに対し、エンジン３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７３のガス状態がエンジン３の運転状態に応じて調整される。なお、ＥＧＲ装置９は、基本的には、エンジン３の運転領域の全域において、燃焼室７３に排気（既燃ガス）を導入する。

ＥＣＵ１５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７３内への燃料噴射の形態を異ならせる。

＜低負荷領域（Ａ）での燃料噴射の形態＞
エンジンシステム１は、低負荷領域（Ａ）において、燃焼時に、燃焼室７３の区画壁面７５，７７，７９沿いにガス層による断熱層を形成する。このように、燃焼室７３の遮熱構造に加えて断熱層を形成することにより、エンジン１の冷却損失は大幅に低減する。この低負荷領域（Ａ）は、第２運転領域の一例である。

具体的には、ＥＣＵ１５は、低負荷領域（Ａ）において、圧縮行程以降に燃料噴射弁３７からキャビティ８５内に燃料Ｆを噴射させる。そのことで、燃料噴射弁３７の近傍においてキャビティ８５内の中心部に混合気層を形成し、且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。ガス層は、新気のみであってもよく、新気に加えて外部ＥＧＲや内部ＥＧＲによる既燃ガスを含んでいてもよい。なお、ガス層には、少量の燃料が混じっていても問題はない。要は、ガス層の燃料が混合気層よりも希薄であればよい。

燃焼室７３に混合気層とガス層とが形成された状態で、混合気が圧縮着火燃焼すれば、混合気層と燃焼室７３の区画壁面７５，７７，７９との間のガス層により、火炎が気筒６３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７３の区画壁面７５，７７，７９からの放熱が抑制される。その結果、冷却損失を大幅に低減することができる。

なお、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余り寄与しないところ、このエンジン１では、冷却損失の低減分に相当する燃焼ガスのエネルギーを高膨張比によって機械仕事に変換している。すなわち、エンジン３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ということができる。

このような混合気層とガス層とを燃焼室７３に形成するためには、燃料を噴射するタイミングにおいて、燃焼室７３のガス流動は弱いことが望ましい。そのため、吸気ポート９３は、燃焼室７３でスワール流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）での燃料噴射の態様＞
エンジンシステム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が両立するように、低負荷領域（Ａ）とは異なる燃料噴射の態様を採用している。この高負荷領域（Ｃ）は、第１運転領域の一例である。

図７に、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７における２本のラインのうち、一方のラインは、燃焼室７３の全ガスに対する排気の質量比であるＥＧＲ率が５０％のときラインであり、他方のラインは、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、圧縮前の燃焼室７３の温度の相違であり、ＥＧＲ率が５５％のときの温度がＥＧＲ率が５０％のときの温度よりも高い。したがって、ＥＧＲ率が５５％のときの方がＥＧＲ率が５０％のときよりも着火性に有利となる。つまり、ＥＧＲ率が５５％のときの方がＥＧＲ率５０％のときよりも着火時期が進角する。

図７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７３の燃料量が少なくなるほど混合気が燃え難くなる。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７３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７３の温度が局所的に低下するためである。つまり、温度が低下することによって着火し難くなる。ＥＧＲ率の高低に関わらず、混合気の当量比が０．６以上且つ０．９以下の範囲にあるときには、着火時期が最も進角する。つまり、このときに混合気の着火性が最も高まる。

このように、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。このエンジンシステム１では、そうした混合気の当量比と着火時期とに着目し、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７３を空間的に、それぞれ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ＺＩ，ＺＲ，ＺＬに分割する。そして、これら複数の混合気ゾーンＺＩ，ＺＲ，ＺＬ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、高負荷領域（Ｃ）において、騒音燃焼の抑制と燃焼安定性の確保とが両立する。

図８に、高負荷領域（Ｃ）において燃料噴射弁３７が燃焼室７３に燃料Ｆを噴射する時期とその噴射量とを例示する。図８は、左から右に向かってクランク角（つまり時間）が進む。燃料Ｆの噴射量は、四角の面積によって示されており、面積が大きいほど燃料Ｆの噴射量が多い。また、図９Ａ〜図９Ｈに、高負荷領域（Ｃ）における燃料噴射の様子と燃焼室７３に形成される混合気の状態と混合気が燃焼する様子とを概念的に例示する。

燃料噴射弁３７は、ＥＣＵ１５からの信号を受けて、図８及び図９Ａに示すように、吸気行程中に、燃焼室７３に燃料噴射２０１を行う。以下では、この吸気行程での燃料噴射２０１を「吸気行程噴射」と称する。吸気行程噴射２０１は、例えば、吸気行程における後半に行われる。吸気行程の後半とは、吸気行程を前半と後半とに二等分したときの後半に相当する。吸気行程噴射２０１は、吸気行程における後期に行われていてもよい。吸気行程の後期とは、吸気行程を前期、中期及び後期に三等分したときの後期に相当する。吸気行程噴射２０１での燃料Ｆの噴射量は比較的多い。この吸気行程噴射２０１によって、希薄且つ均質又はほぼ均質な混合気が燃焼室７３全体に形成される。このときに形成される混合気の当量比は、０．４以上且つ０．６以下に設定される。

次いで、燃料噴射弁３７は、ＥＣＵ１５からの信号を受けて、図８及び図９Ｂに示すように、圧縮行程における中期に燃料噴射２０３を行う。以下では、この圧縮行程の中期での燃料噴射２０３を「圧縮行程中期噴射」と称する。圧縮行程中期噴射２０３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、中期及び後期に三等分したときの中期に相当する。圧縮行程中期噴射２０３での燃料Ｆの噴射量は、吸気行程噴射２０１での燃料Ｆの噴射量よりも少ない。

圧縮行程中期噴射２０３により噴射された燃料Ｆは、燃焼室７３の圧力が比較的低いと共に、ピストン６９が比較的下方に位置しているから、キャビティ８５の外周囲、つまり燃焼室７３の外周側空間に到達する。それにより、燃焼室７３の外周側空間には、図９Ｃに示すように、吸気行程噴射２０１によって噴射された燃料Ｆと、圧縮行程中期噴射２０３によって噴射された燃料Ｆとが合わさって、過濃な混合気を含む領域ＺＲが形成される。この領域ＺＲにおける混合気の当量比は、１．０以上且つ１．７以下に設定される。このように過濃な混合気を含む領域ＺＲを、以下では「過濃ゾーン」と称する。

最後に、燃料噴射弁３７は、ＥＣＵ１５からの信号を受けて、図８及び図９Ｄに示すように、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７３に燃料噴射２０５を行う。以下では、この燃料噴射２０５を「圧縮上死点噴射」と称する。圧縮上死点噴射２０５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、中期及び後期に三等分したときの後期に相当する。圧縮上死点噴射２０５での燃料Ｆの噴射量は、圧縮行程中期噴射２０３での燃料の噴射量よりも少ない。

この圧縮上死点噴射２０５によって噴射された燃料Ｆは、燃焼室７３の圧力が高いと共にピストン６９が比較的上方に位置しているから、燃焼室７３の中央空間でキャビティ８５内に溜まる。それにより、燃焼室７３の中央空間には、図９Ｅに示すように、吸気行程噴射２０１によって噴射された燃料と、圧縮上死点噴射２０５によって噴射された燃料とが合わさって、着火し易い所定の当量比の混合気を含む領域ＺＩが形成される。この領域ＺＩにおける混合気の当量比は、０．６以上且つ０．９以下に設定される。この範囲の当量比は、図７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。このように着火し易い混合気を含む領域ＺＩを、以下では「着火ゾーン」と称する。

さらにこのとき、着火ゾーンＺＲと過濃ゾーンＺＩとの間には、着火ゾーンＺＩよりも当量比が低い希薄な混合気を含む領域ＺＬが形成される。この領域ＺＬの混合気は、吸気行程噴射２０１によって形成される混合気である。すなわち、その当量比は、０．４以上且つ０．６以下に設定される。このように希薄な混合気を含む領域ＺＬを、以下では「希薄ゾーン」と称する。

こうして、燃焼室７３には、その中央から外側に向かって、着火ゾーンＺＩ、希薄ゾーンＺＬ及び過濃ゾーンＺＲの３つのゾーンが形成される。これら各ゾーンＺＩ，ＺＬ，ＺＲの当量比は互いに相違する。燃焼室７３の全体についての混合気の平均当量比は１である。そのことで、排気浄化装置２１の三元触媒によって排気を浄化することが可能となっている。吸気行程噴射２０１、圧縮行程中期噴射２０３、及び圧縮上死点噴射２０５での燃料Ｆの噴射量の比率は、例えば、０．５５：０．４２：０．０３に設定される。

そして、図９Ｆに示すように、ピストン６９が圧縮上死点に到達して、燃焼室７３の温度及び圧力が高くなると、燃焼室７３の中央空間に位置する、最も着火性が高い着火ゾーンＺＩの混合気が圧縮着火し、燃焼を開始する。この着火ゾーンＺＩに含まれる燃料量は、燃焼室７３に供給される燃料量の一部に過ぎないため、燃焼室７３の圧力が着火ゾーンＺＩの燃焼によって急激に立ち上がることが防止される。

このように着火ゾーンＺＩの混合気が燃焼を開始することに伴い、燃焼室７３の温度及び圧力が高まる。その結果、図９Ｇに示すように、燃焼室７３の外周側空間に位置する、二番目に着火性が高い過濃ゾーンＺＲの混合気が圧縮着火し、燃焼を開始する。

最後に、図９Ｈに示すように、希薄ゾーンＺＬが圧縮着火し、燃焼を開始する。希薄ゾーンＺＬは、混合気の体積が最も大きいため、熱発生率が高くなるが、希薄ゾーンＺＬは、膨張行程が進行してから燃焼するため、燃焼に伴う圧力の上昇が急峻になることが防止される。

こうして、着火ゾーンＺＩ、希薄ゾーンＺＬ及び過濃ゾーンＺＲの３つのゾーンを燃焼室７３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、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に示す燃料噴射形態は、燃焼室７３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２０３の噴射量を多くすることによって、ペネトレーション、つまり、燃料Ｆの噴霧の到達距離が長くなり、燃料噴射弁３７から離れた燃焼室７３の外周側にまで、燃料Ｆの噴霧が到達するようになる。また、燃焼室７３の外周側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ＺＲの当量比が高くなり過ぎることを回避しつつ、燃焼室７３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８に示す燃料噴射形態では、圧縮上死点噴射２０５によって当量比が０．６〜０．９の混合気を形成するため、燃料Ｆの噴射量が比較的少ない。圧縮上死点噴射２０５での燃料Ｆ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２０５によって燃焼室７３に噴射された燃料Ｆ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。それにより、例えばスモークの発生といった不具合を防止して、排気の性状が悪化してしまうことが回避される。このことは、エンジン３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、同様に作用する。したがって、図８に示す燃料噴射形態は、エンジン３の回転数が高いときに、排気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。

図１０に、高負荷領域（Ｃ）における燃料Ｆ及び水Ｗの噴射時期とそれらの噴射量を例示する。また、図１１に、高負荷領域（Ｃ）における圧縮行程の後期での水噴射の様子を概念的に例示する。

上述した高負荷領域（Ｃ）での燃料噴射形態においては、燃料Ｆと空気との混合が不十分となってスモークが発生し易くなることや燃費性能の低下を回避するために、過濃ゾーンＺＲを形成するための燃料噴射２０３を圧縮行程の中期という比較的早いタイミングで行うため、過濃ゾーンＺＲを形成する混合気が燃焼室７３で高温度環境に曝される期間が長い。しかも、ピストン６９の冠面７５及びシリンダヘッド６７の下面７９には、過濃ゾーンＺＲが形成される燃焼室７３の外周側空間に臨む部分にも遮熱層９２が形成されているため、その遮熱層９２が仇になって燃焼室７３の外周側空間の温度が下がり難い。それらのことから、本来であれば遅れて着火することが期待される過濃ゾーンＺＲの混合気が異常燃焼を起こし易くなって過早着火してしまうおそれがある。

そこで、このエンジンシステム１では、過濃ゾーンＺＲが過早着火するのを防止すべく、過濃ゾーンＺＲが形成される燃焼室７３の外周側空間に対し、適切なタイミングで水Ｗを噴射する水噴射２０７を実行する。具体的には、水噴射弁４７は、ＥＣＵ１５からの信号を受けて、図１０及び図１１に示すように、圧縮行程における後期であって圧縮上死点噴射２０５が行われる前に水噴射２０７を行う。この水噴射２０７は、圧縮行程の中期において圧縮行程中期噴射２０３が行われた後に行われていてもよい。要は、当該水噴射２０７は、圧縮行程中期噴射２０３の開始以降であって、且つ圧縮上死点噴射２０５の開始前までに行われていればよい。

燃焼室７３の外周側に水Ｗが噴射されると、その水Ｗの潜熱及び顕熱の作用により、燃焼室７３の外周側空間に形成された過濃ゾーンＺＲ（つまり、そのゾーンＺＲの空間及び混合気）が燃焼室７３内で局所的に冷却される。そのことにより、過濃ゾーンＺＲの混合気が、燃焼室７３が高温であると異常燃焼による過早着火を起こし易い状態にあっても、温度低下した分だけ圧縮着火し難い状態となる。これによって、過濃ゾーンＺＲの混合気の着火時期を、燃焼室７３の中央空間に形成される着火ゾーンＺＩの混合気の着火時期よりも確実に遅らせることができる。したがって、着火ゾーンＺＩの混合気と過濃ゾーンＺＲの混合気とを安定的に時間差をもって圧縮着火させることが可能となる。

＜中負荷領域（Ｂ）での燃料噴射の形態＞
エンジンシステム１は、中負荷領域（Ｂ）において、過濃ゾーンＺＲを形成するときの空気不足に起因したスモークの発生や過濃ゾーンＺＲの混合気が高温及び高圧の雰囲気に晒される時間が長くなることに起因する異常燃焼（例えば過早着火）を回避するように、低負荷領域（Ａ）及び高負荷領域（Ｃ）とは異なる燃料噴射の形態を採用している。

図１２に、中負荷領域（Ｂ）において燃料噴射弁３７が燃焼室７３に燃料Ｆを噴射する時期とその噴射量とを例示する。図１２に示す燃料Ｆの噴射形態と図８に示す燃料Ｆの噴射形態とは、エンジン１の負荷が同じである。また、図１３Ａ〜図１３Ｈに、中負荷領域（Ｂ）における燃料噴射の様子と燃焼室７３に形成される混合気の状態と混合気が燃焼する様子を概念的に例示する。

燃料噴射弁３７は、ＥＣＵ１５からの信号を受けて、吸気行程中に、図１２及び図１３Ａに示すように、燃焼室７３に燃料噴射３０１を行う。この吸気行程噴射３０１は、吸気行程における後半に行われる。吸気行程噴射３０１での燃料Ｆの噴射量は比較的多い。この吸気行程噴射３０１によって、希薄且つ均質又はほぼ均質な混合気が燃焼室７３全体に形成される。このときに形成される混合気の当量比は、０．４以上且つ０．６以下である。この吸気行程噴射３０１は、図８に示す吸気行程噴射２０１と実質的に同じである。

次いで、燃料噴射弁３７は、ＥＣＵ１５からの信号を受けて、図１２及び図１３Ｂに示すように、圧縮行程における後期に燃料噴射３０３を行う。以下では、この燃料噴射３０３を「圧縮行程後期噴射」と称する。圧縮行程後期噴射３０３での燃料Ｆの噴射量は、吸気行程噴射３０１での燃料Ｆの噴射量よりも少なく、且つ後述の圧縮上死点噴射３０５よりも少ない。

この圧縮行程後期噴射３０３により噴射された燃料Ｆは、ピストン６９が圧縮上死点に近づいているため、燃焼室７３の圧力が高く、燃焼室７３の外周囲まで到達し難くなる。それにより、燃焼室７３のうち外周囲を除く空間、つまり中央空間及び外周側空間のうち中央空間寄りの部分には、図１３Ｃに示すように、吸気行程噴射３０１によって噴射された燃料Ｆと、圧縮行程後期噴射３０３によって噴射された燃料Ｆとが合わさって、当量比が０．６以上且つ０．９以下の混合気を含む着火ゾーンＺＩが形成される。

最後に、燃料噴射弁３７は、ＥＣＵ１５からの信号を受けて、図１２及び図１３Ｄに示すように、圧縮上死点噴射３０５を行う。圧縮上死点噴射３０５での燃料Ｆの噴射量は、吸気行程噴射３０１よりも少なく、且つ圧縮行程後期噴射３０３よりも多い。

この圧縮上死点噴射３０５によって噴射された燃料Ｆは、燃焼室７３の圧力が高いと共に、ピストン６９が上方に位置しているから、キャビティ８５内に留まる。それにより、燃焼室７３の中央空間には、図１３Ｅに示すように、吸気行程噴射３０１によって噴射された燃料Ｆと、圧縮行程後期噴射３０３によって噴射された燃料Ｆと、圧縮上死点噴射３０５によって噴射された燃料Ｆとが合わさって、当量比が１．０以上且つ１．７以下の濃過な混合気を含む濃過ゾーンＺＲが形成される。

このときさらに、着火ゾーンＺＲの外側には、着火ゾーンＺＩよりも当量比が低い希薄な混合気を含む希薄ゾーンＺＬが形成される。希薄ゾーンの混合気は、吸気行程噴射３０１によって形成される混合気である。すなわち、その当量比は、０．４以上且つ０．６以下に設定される。

こうして、燃焼室７３には、その中央から外側に向かって、過濃ゾーンＺＲ、着火ゾーンＺＩ及び希薄ゾーンＺＬの３つのゾーンが形成される。これら各ゾーンＺＲ，ＺＩ，ＺＬの当量比は互いに相違する。燃焼室７３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３０１、圧縮行程後期噴射３０３、及び圧縮上死点噴射３０５での燃料Ｆの噴射量の比率は、例えば、０．５５：０．１４：０．３１に設定される。

そして、ピストン６９が圧縮上死点に到達して、燃焼室７３の温度及び圧力が高くなると、まず、図１３Ｆに示すように、着火ゾーンＺＩの混合気が圧縮着火し、燃焼を開始する。その後、図１３Ｇに示すように、過濃ゾーンＺＲの混合気が圧縮着火し、燃焼を開始する。最後に、図１３Ｈに示すように、希薄ゾーンＺＬの混合気が圧縮着火し、燃焼を開始する。

図１３Ｅに示す状態の混合気によると、図９Ｅに示す状態の混合気と比較して、過濃な混合気が燃焼室７３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、エンジン３の冷却損失を低減することができる。また、燃焼室７３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、つまり燃焼室７３の外周囲では混合気に含まれる燃料量が少なくなるため、未燃の燃料が少なくなる。こうした冷却損失の低減と未燃損失の低減とによって、図１３Ｅに示す状態の混合気は、図９Ｅ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１２に示す燃料噴射形態は、過濃ゾーンＺＲ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７３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。したがって、図１２に示す燃料噴射形態は、図８に示す燃料噴射形態よりも異常燃料に対するロバスト性が高い。図１２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・水噴射制御＞
図１４に、ＥＣＵ１５が実行する燃料噴射制御及び水噴射制御に係るフローチャートを例示する。エンジンシステム１における燃焼室７３への燃料噴射２０１〜２０５，３０１〜３０５及び水噴射２０７は、図１４に示すフローに従って実行される。

まず、ステップＳＴ０１において、ＥＣＵ１５は、各センサ１２１〜１４１からの信号Ｓ１２１〜Ｓ１４１に基づいて、エンジン３の運転状態を検出する。具体的には、エンジン３の回転数、エンジン３の負荷、吸気温度、ＥＧＲ率などを検出する。

続くステップＳＴ０２では、ＥＣＵ１５は、エンジン３の運転状態に基づいて、混合気の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。ここで、混合気の燃焼騒音が許容値以下になる（ＹＥＳ）と判定したときには、ステップＳＴ０３に進む。他方、混合気の燃焼騒音が許容値を超える（ＮＯ）と判定したときには、ステップＳＴ０４に進む。

ステップＳＴ０３では、ＥＣＵ１５は、第１の噴射制御を実行する。第１の噴射制御は、図６における低負荷領域（Ａ）の燃料噴射制御に相当する。また、このステップＳＴ０３において、エンジン３の冷間時には、高負荷領域（Ｃ）での水噴射２０７と同じタイミングで水噴射弁４７に水を噴射させる水噴射を実行する。すなわち、ＥＣＵ１５は、水噴射弁４７に信号を出力し、圧縮行程において水噴射を実行する。この水噴射は、燃料噴射を行った後に実行されてもよいし、燃料噴射を行う前に実行されてもよい。

エンジン３の冷間時において、水噴射が実行されると、燃焼室７３の温度が低下するので、混合気層の着火時期が遅れる着火リタードが促進される。それにより、燃焼室７３内で混合気が燃焼することにより発生する熱のうちピストン６９の膨張行程で消費される分が少なくなる一方で排気に残存する分が多くなるため、排気に積極的に多くの熱を持たせることができる。これよって、エンジン３の暖機を促進することができ、且つ排気浄化装置２１の触媒の早期活性化を図ることもできる。

ステップＳＴ０４では、ＥＣＵ１５は、エンジン３の回転数及び負荷に基づいて、燃料Ｆの空気と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３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Ｆの混合時間を確保できなくなる場合がある。また、エンジン３の負荷が高くて燃料Ｆの噴射量が増えるときにも、燃料Ｆの噴射期間が長くなるため、燃料Ｆの混合時間を確保できなくなる場合がある。ここで、燃料Ｆの混合時間を確保可能できる（ＹＥＳ）と判定したときには、ステップＳＴ０５に進む。他方、燃料Ｆの混合時間を確保できない（ＮＯ）と判定したときには、ステップＳＴ０８に進む。

ステップＳＴ０５〜ＳＴ０７において、ＥＣＵ１５は、図１２に示す燃料噴射形態に対応する第２の燃料噴射を実行する。第２の噴射制御は、図６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ＳＴ０５では、ＥＣＵ１５は、燃料噴射弁３７に信号を出力し、燃料噴射弁３７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３０１）を実行する。続くステップＳＴ０６で、ＥＣＵ１５は、燃料噴射弁３７に信号を出力し、燃料噴射弁３７は、圧縮行程の後期において、２回目の燃料噴射（つまり、圧縮行程後期噴射３０３）を実行する。そして、ステップＳＴ０７で、ＥＣＵ１５は、燃料噴射弁３７に信号を出力し、燃料噴射弁３７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３０５）を実行する。こうしたステップＳＴ０５〜ＳＴ０７の３回の燃料噴射３０１，３０３，３０５によって、図１３Ｅに示すような混合気が燃焼室７３に形成され、圧縮上死点以降に各ゾーンＺＩ，ＺＲ，ＺＬがタイミングをずらして順に圧縮着火をする。

ステップＳＴ０８では、ＥＣＵ１５は、エンジン３の運転状態に基づいて、過早着火のリスクが所定値以下である否かを判定する。圧縮上死点での燃焼室７３の温度が高いと混合気が過早着火し易くなる。こうした傾向は、混合気に含まれる燃料Ｆがリッチなほど顕著になる。つまり、圧縮上死点で温度が高い状態にある燃焼室７３では、過濃ゾーンＺＲの混合気が過早着火してしまう可能性が高い。このことから、ＥＣＵ１５は、エアフローセンサ１２９の検出値などのエンジン３の運転状態に基づいて、ピストン６９が圧縮上死点に到達したときの燃焼室７３の温度を予測する。

そして、ＥＣＵ１５は、予測した温度が所定の温度未満であるときには、過早着火のリスクが所定値以下である、つまり過早着火のリスクは高くないと判定する。また、ＥＣＵ１５は、予測した温度が所定の温度以上であるときには、過早着火のリスクが所定値を超える、つまり過早着火のリスクは高いと判定する。過早着火のリスク判定の基準となる上記所定の温度は、燃焼室の温度が１０００Ｋ以上となると過早着火の蓋然性が高まることから、１０００Ｋ以上の温度に設定され得る。本実施形態では、所定の温度が１０００Ｋに設定される。このステップＳＴ０８で、過早着火のリスクが高くない（ＹＥＳ）と判定したときには、ステップＳＴ０９に進む。他方、過早着火のリスクが高い（ＮＯ）と判定したときには、ステップＳＴ１２に進む。

ステップＳＴ０９〜ＳＴ１１において、ＥＣＵ１５は、図８に示す燃料噴射形態に対応する第３の燃料噴射を実行する。第３の燃料噴射は、図９Ｅ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ＳＴ０９では、ＥＣＵ１５は、燃料噴射弁３７に信号を出力し、燃料噴射弁３７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２０１）を実行する。続くステップＳＴ１０では、ＥＣＵ１５は、燃料噴射弁３７に信号を出力し、燃料噴射弁３７は、圧縮行程の後期において、２回目の燃料噴射（つまり、圧縮行程中期噴射２０３）を実行する。そして、ステップＳＴ１１では、ＥＣＵ１５は、燃料噴射弁３７に信号を出力し、燃料噴射弁３７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２０５）を実行する。こうしたステップＳＴ０９〜ＳＴ１１の３回の燃料噴射２０１，２０３，２０５によって、図９Ｅに示すような混合気が燃焼室７３に形成され、圧縮上死点以降に各ゾーンＺＩ，ＺＲ，ＺＬがタイミングをずらして順に圧縮着火する。

ステップＳＴ１２〜ＳＴ１５において、ＥＣＵ１５は、図１０に示す燃料Ｆ及び水Ｗの噴射形態に対応する、上記第３の燃料噴射と水噴射２０７を実行する。

ステップＳＴ１２では、ＥＣＵ１５は、燃料噴射弁３７に信号を出力し、燃料噴射弁３７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２０１）を実行する。続くステップＳＴ１３では、ＥＣＵ１５は、燃料噴射弁３７に信号を出力し、燃料噴射弁３７は、圧縮行程の後期において、２回目の燃料噴射（つまり、圧縮行程中期噴射２０３）を実行する。次いで、ステップＳＴ１４では、ＥＣＵ１５は、水噴射弁４７に信号を出力し、水噴射弁４７は、圧縮行程の後期において、上述した水噴射２０７を実行する。そして、ステップＳＴ１５では、ＥＣＵ１５は、燃料噴射弁３７に信号を出力し、燃料噴射弁３７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２０５）を実行する。こうしたステップＳＴ１２〜ＳＴ１５の３回の燃料噴射２０１，２０３，２０５と水噴射２０７によって、図９Ｅに示すような混合気が燃焼室７３に形成され、圧縮上死点以降に各ゾーンＺＩ，ＺＲ，ＺＬがタイミングをずらして順に圧縮着火する。

この実施形態に係るエンジンシステム１によると、燃焼室７３の外周側空間に形成される過濃ゾーンＺＲの混合気が、エンジン３の運転状態に応じて燃焼室７３が高温であると異常燃焼による過早着火を起こし易い状態となっても、燃焼室７３の中央空間に形成される着火ゾーンＺＩの混合気よりは圧縮着火し難くい状態とし、過濃ゾーンＺＲの混合気の着火時期を着火ゾーンＺＩの混合気の着火時期よりも確実に遅らせることができる。その結果、燃焼騒音の抑制と燃焼安定性の確保との両立を高負荷領域（Ｃ）においても安定して実現することができる。

以上のように、ここに開示する技術の例示として、好ましい実施形態について説明した。しかし、ここに開示する技術は、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、添付図面及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以て、直ちにそれらの必須で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。

例えば、上記実施形態については、以下のような構成としてもよい。

上記実施形態では、燃料噴射弁３７及び水噴射弁４７としてはいずれも外開弁式の噴射弁１０５が採用されているとしたが、これに限らない。燃料噴射弁３７及び水噴射弁４７には、他の方式の噴射弁を採用することも可能であり、例えば、ＶＣＯ（Valve Covered Orifice）ノズル式の噴射弁が採用されていてもよい。

ＶＣＯノズル式の噴射弁も、ノズル口に発生するキャビテーションの度合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。したがって、外開弁式の噴射弁１０５と同様に、燃焼室７３の中央空間でキャビティ８５内に混合気層を形成し、且つその外周囲に断熱ガス層を形成したり、燃焼室７３の中央空間と外周側空間とで異なる当量比の混合気を形成したりすることが可能である。

さらに、燃料噴射弁３７及び水噴射弁４７には、ＶＣＯノズル式の他、複数の噴口を有するマルチホール式の噴射弁などの種々の方式の噴射弁を採用することが可能であり、燃料噴射弁３７及び水噴射弁４７は、どのような構成であってもよい。

燃料噴射弁３７は、燃料Ｆを加熱するヒータを備え、ヒータによって所定の温度まで昇温させた燃料Ｆを、高圧雰囲気の燃焼室７３内に噴射することにより、燃料Ｆを超臨界状態として、キャビティ８５内に混合気層を、その外周囲に断熱ガス層を形成するようになっていてもよい。この技術は、燃焼室７３に噴射した燃料Ｆを瞬時に気化させることにより燃料噴霧のペネトレーションが低くなって燃料Ｆの噴霧の到達距離が短くなり、キャビティ８５内における燃料噴射弁３７の近傍に混合気層を形成するものである。

また、上記実施形態では、水供給装置１３として、水供給通路４９に流通する水を、熱交換器５５で排気通路７に流通する排気と熱交換させることにより昇温させた後に、水噴射弁４７から燃焼室７３に噴射する構成を例示したが、これに限らない。例えば、水供給装置１３は、熱交換器５５を備えず、水供給通路４９に流通する水を、排気と熱交換させることなく、水噴射弁４７から燃焼室７３に噴射するようになっていてもよい。

また、上記実施形態では、エンジン３の冷間時には、高負荷領域（Ｃ）での水噴射２０７と同じタイミングで水噴射を実行するとしたが、これに限らない。このときの水噴射は、高負荷領域（Ｃ）での水噴射２０７とは異なるタイミングで実行されていてもよい。

また、上記実施形態では、燃焼室７３内の混合気をピストン６９の圧縮動作により自着火させるエンジンシステム１を例に挙げて説明したが、これに限らない。例えば、エンジンシステム１は、エンジン３に着火アシスト用の点火プラグを備え、点火プラグの放電で生じた火花によって混合気を強制的に着火させ、その火炎伝播に伴う燃焼室７３の高温化をきっかけにして、混合気を圧縮着火燃焼させるように構成されていてもよい。

以上説明したように、本開示の技術は、自動車などの車両に搭載される予混合圧縮着火式エンジンシステムについて有用である。

１…エンジンシステム、３…エンジン、５…吸気通路、７…排気通路、
９…ＥＧＲ装置、１１…燃料供給装置、１３…水供給装置、１５…ＥＣＵ（制御装置）、
１７…エアクリーナ、１９…スロットル弁、２１…排気浄化装置、２３…凝縮器、
２５…外部ＥＧＲ装置、２７…内部ＥＧＲ装置、２９…ＥＧＲ通路、
３１…ＥＧＲクーラ、３３…ＥＧＲ弁、３５…燃料タンク、３７…燃料噴射弁、
３９…燃料供給通路、４１…燃料昇圧ポンプ、４３…コモンレール、
４５…貯水タンク、４７…水噴射弁、４９…水供給通路、５１…水回収装置、
５３…水昇圧ポンプ、５５…熱交換器、５７…蓄熱用ケース、５９…蓄熱材、
６１…外周壁、６３…気筒、６５…シリンダブロック、６７…シリンダヘッド、
６９…ピストン、７１…コネクティングロッド、７２…クランクシャフト、
７３…燃焼室、７５…ピストンの冠面、７７…シリンダヘッドの下面、
７９…気筒の内周面、８１…吸気側天井面、８３…排気側天井面、８５…キャビティ、
８７…キャビティの内面、８９…吸気側傾斜面、９１…排気側傾斜面、
９３…吸気ポート、９５…排気ポート、９７…吸気弁、９９…排気弁、
１０１…吸気動弁機構、１０３…排気動弁機構、１０５…外開噴射弁、１０７…噴口、
１０９…ノズル部、１１１…外開弁体、１１３…ピエゾ素子、１１５…ケース、
１１７…圧縮コイルバネ、１１９…当接面、１２１…クランク角センサ、
１２３…吸気カムセンサ、１２５…排気カムセンサ、１２７…水温センサ、
１２９…エアフローセンサ、１３１…スロットル開度センサ、
１３３，１３５…Ｏ_２センサ、１３７…ＥＧＲ開度センサ、１３９…車速センサ、
１４１…アクセルセンサ

本開示は、予混合圧縮着火式エンジンシステムに関する。

この種のエンジンシステムは、例えば特許文献１に開示されている。特許文献１に開示されたエンジンシステムは、エンジンの運転状態が高負荷領域にあるときに、圧縮上死点付近とそれよりも前の圧縮行程中の所定時期とに設定された２回の噴射タイミングに分けて燃料噴射弁から燃料を噴射し、前段の燃料噴射によって燃焼室の外周部に形成した混合気を圧縮上死点付近で圧縮着火により燃焼させ、後段の燃料噴射によって燃焼室の中央部に形成した混合気を先の燃焼による昇温及び昇圧を以て短い時間で着火に至らせて継続的に燃料させるようになっている。

さらに、予混合圧縮着火式エンジンシステムの燃焼室としては、燃焼室を区画する区画壁面、具体的にはピストンの冠面とシリンダヘッドとの下面とに遮熱層を設けることにより、燃焼室の燃焼による熱が燃焼室の区画壁面を通じて放出されるのを抑制し、それによってエンジンの冷却損失を低減するようにした構造が知られている。この遮熱層には、燃焼ガスの熱を通さないように遮熱効果が高いものが好適に採用される。

また、水噴射弁を備えたエンジンシステムが従来から知られており、例えば特許文献２に開示されている。特許文献２に開示されたエンジンシステムでは、ピストンの冠面の中央部分に円盤形凹状のキャビティが形成され、ペントルーフ型の燃焼室の天井に噴射軸（噴射方向）がキャビティ内に向くように水噴射弁が設けられていて、この水噴射弁から上死点付近で燃焼室に向けて水噴射を直接に行い、ピストンにおけるキャビティの表面に水を付着させて水膜を形成することにより、ピストンの冠面から燃焼熱が逃げるのを遮断して熱効率を高めるようになっている。

特開２０１２−２４１５９０号公報 特開２００８−１７５０８７号公報

ところで、予混合圧縮着火式エンジンシステムでは、エンジンの負荷が高くなるに従って圧縮着火燃焼が急峻になるため、筒内圧力の急上昇に起因して燃焼騒音が増大してしまうという不都合がある。こうした不都合に対処する方策の１つとして、圧縮着火燃焼を緩慢にすることが考えられるが、そうすると燃焼安定性が低下してしまう。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。

燃焼騒音の抑制と燃焼安定性の確保とを両立させるためには、特許文献１に開示されるように燃焼室内の混合気を時間差をもって圧縮着火させることが有効である。燃焼室内の熱は同室を区画する壁面、すなわちピストンの冠面、気筒の内周面及びシリンダヘッドの下面を通して外部に逃げるため、燃焼室において、ピストンのキャビティ内に対応する中央空間は相対的に温度が高くなり易く、キャビティの外周囲に対応する外周側空間は相対的に温度が低くなり易い。このことから、まず、燃焼室の中央空間に形成した混合気を圧縮着火させ、その後に、燃焼室の外周側空間に形成した混合気が圧縮着火するように、混合気の性状を制御することが好適である。

しかし、上述したように燃焼室を区画する区画壁面に燃焼室の外周側空間に臨む部分を含めて遮熱層を設ける構造を採用する場合には、冷却損失の低減効果の大きい遮熱層が仇になって、燃焼室の外周側空間に形成される混合気の温度が下がり難くなるため、本来であれば燃焼室の区画壁面を通した冷却損失により遅れて着火することが期待される燃焼室の外周側空間の混合気が異常燃焼を起こし易くなって過早着火してしまうことがある。そうなると、燃焼室の外周側空間の混合気が燃焼室の中央空間の混合気と同じような時期に圧縮着火して燃焼し、燃焼室の中央空間と外周側空間とで燃焼タイミングをずらせずに、燃焼騒音を好適に抑制できなくなる事態が懸念される。

本開示の技術は、斯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、燃焼室の外周側空間に形成される混合気が圧縮着火するタイミングを確実に遅らせて、燃焼騒音の抑制と燃焼安定性の確保とを安定して両立させることにある。

上記の目的を達成するために、本開示の技術では、エンジンが燃焼室の外周側空間での過早着火が懸念されるような所定の運転状態にあるときに、燃焼室のキャビティ外の空間のみに水を噴射するようにした。

具体的には、本開示の技術は、気筒を有するエンジンと、気筒内に往復動可能に設けられたピストンと、ピストンの冠面と気筒とシリンダヘッドの下面とによって区画される燃焼室に対し、燃料を噴射する燃料噴射弁、及び水を噴射する水噴射弁と、燃料噴射弁による燃料の噴射動作及び水噴射弁による水の噴射動作を制御する制御装置とを備える予混合圧縮着火式エンジンシステムを対象とする。

このエンジンシステムでは、ピストンの冠面の中央部分に下方に窪む凹形状のキャビティが形成されており、燃料噴射弁によって燃焼室に噴射された燃料と空気との混合気を形成し、その混合気を、燃焼室においてキャビティ内に対応する中央空間とキャビティの外周囲に対応する外周側空間とのうち少なくとも中央空間でピストンの圧縮動作により着火させる。

ピストンの冠面及びシリンダヘッドの下面のうち少なくとも一方の面には、燃焼室の外周側空間に臨む遮熱層が設けられている。制御装置は、エンジンの負荷が所定の負荷以上となる第１運転領域にあるときにおいて、燃焼室の中央空間及び外周側空間の両方に対し燃料噴射弁に燃料を噴射させる燃料噴射と、燃焼室の外周側空間に対し水噴射弁に水を噴射させる水噴射とを実行し、エンジンの運転状態が所定の負荷よりも低い第２運転領域にあるときには、水噴射を実行せず、燃焼室の中央空間のみに対し燃料噴射弁に燃料を噴射させる。

この構成によると、水噴射によって燃焼室の外周側空間だけに水が噴射される。そうすることで、燃焼室の中央空間及びそこに形成される混合気の温度はなるべく維持しつつ、水の潜熱及び顕熱の作用により燃焼室の外周側空間及びそこに形成される混合気を局所的に冷却することができる。これにより、燃焼室の外周側空間に形成される混合気を、燃焼室の中央空間に形成される混合気よりも圧縮着火し難い状態として、燃焼室の外周側空間の混合気の着火時期を燃焼室の中央空間の混合気の着火時期よりも確実に遅らせることができる。このことで、燃焼室に形成される混合気の着火性を確保しつつ、その燃焼を好適に緩慢化することができる。その結果、燃焼騒音の抑制と燃焼安定性の確保とを安定して両立させることが可能となる。

水噴射は、エンジンの負荷が所定の負荷以上となる第１運転領域にあるときに実行される。エンジンの負荷が大きくなると、燃料噴射によって燃焼室の外周側空間に形成される混合気が異常燃焼による過早着火を起こし易いが、そうした過早着火を好適に防止することができる。また、エンジンの負荷が所定の負荷よりも低い第２運転領域にあるときには、燃焼室の中央空間のみに対し燃料が噴射される。こうすることで、燃焼室の中央空間のみに混合気を形成すると共にその周囲の外周側空間にガス層を形成することができる。そうして形成されたガス層は、混合気の燃焼時に断熱層として機能する。よって、エンジンの冷却損失の低減を図ることができる。

そして、上記の構成によると、第２運転領域では、水噴射は実行されない。水噴射を行うと、水の潜熱及び顕熱の作用によって燃焼室の外周側空間及びそこに形成される混合気の温度が下がるので、その分だけ燃焼安定性が低下し易くなる。第２運転領域では、燃焼室の外周側空間に燃焼を噴射しない、つまり混合気を形成しないので、その燃焼室の外周側空間での過早着火の防止を目的とする水噴射を行う必要はなく、水噴射を実行しないことで、それによる燃焼安定性の低下を抑制することができる。

また、上記エンジンシステムにおいて、制御装置は、ピストンが圧縮上死点に到達したときの燃焼室の温度を予測し、予測した温度が所定の温度未満であるときには水噴射を実行せず、予測した温度が上記所定の温度以上であるときには水噴射を実行することが好ましい。ここで、所定の温度は、例えば１０００Ｋ以上の温度に設定される。

この構成によると、水噴射は、圧縮上死点での燃焼室の温度が所定の温度以上であると予測されたときに実行される。このようにすれば、燃焼室の外周側空間に形成される混合気が過早着火するリスクが比較的高い場合に、そうした過早着火の発生を好適に防止することができる。

さらに、上記の構成によると、水噴射は、圧縮上死点での燃焼室の温度が所定の温度未満であると予測されたときには実行されない。水噴射を行うと、水の潜熱及び顕熱の作用によって燃焼室の外周側空間及びそこに形成される混合気の温度が下がるので、その分だけ燃焼安定性が低下し易くなる。燃焼室の外周側に形成される混合気が過早着火するリスクが比較的低い場合には、水噴射を実行しないことで、そうした燃焼安定性の低下を抑制することができる。

また、上記エンジンシステムにおいて、エンジンの幾何学的圧縮比は１６以上且つ３５以下に設定されていることが好ましい。

この構成によると、エンジンの幾何学的圧縮比が１６以上且つ３５以下という比較的高い圧縮比に設定されているので、理論熱効率を向上させることができ、且つ圧縮着火燃焼の安定化を図ることができる。

上記エンジンシステムによれば、燃焼室の外周側空間に形成される混合気が圧縮着火するタイミングを確実に遅らせて、燃焼騒音の抑制と燃焼安定性の確保とを安定して両立させることができる。

図１は、予混合圧縮着火式エンジンシステムの構成を例示する図である。 図２は、エンジンの構成を例示する断面図である。 図３は、エンジン内の燃焼室の構成を例示する断面図である。 図４は、外開弁式の噴射弁の構成を例示する断面図である。 図５は、ＥＣＵの構成を例示するブロック図である。 図６は、エンジンの運転領域を例示する図である。 図７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８は、高負荷領域における燃料の噴射時期とその噴射量を例示する図である。 図９Ａは、高負荷領域における吸気行程での燃料噴射の様子を概念的に例示する図である。 図９Ｂは、高負荷領域における圧縮行程の中期での燃料噴射の様子を概念的に例示する図である。 図９Ｃは、高負荷領域において燃焼室に形成される混合気の状態を概念的に例示する図である。 図９Ｄは、高負荷領域における圧縮上死点付近での燃料噴射の様子を概念的に例示する図である。 図９Ｅは、高負荷領域において燃焼室に形成される混合気の状態を概念的に例示する図である。 図９Ｆは、高負荷領域における燃焼室の混合気が燃焼する様子を概念的に例示する図である。 図９Ｇは、高負荷領域における燃焼室の混合気が燃焼する様子を概念的に例示する図である。 図９Ｈは、高負荷領域における燃焼室の混合気が燃焼する様子を概念的に例示する図である。 図１０は、高負荷領域における燃料及び水の噴射時期とそれらの噴射量を例示する図である。 図１１は、高負荷領域における圧縮行程の後期での水噴射の様子を概念的に例示する図である。 図１２は、中負荷領域における燃料の噴射時期とその噴射量を例示する図である。 図１３Ａは、中負荷領域における吸気行程での燃料噴射の様子を概念的に例示する図である。 図１３Ｂは、中負荷領域における圧縮行程の後期での燃料噴射の様子を概念的に例示する図である。 図１３Ｃは、中負荷領域において燃焼室に形成される混合気の状態を概念的に例示する図である。 図１３Ｄは、中負荷領域における圧縮上死点付近での燃料噴射の様子を概念的に例示する図である。 図１３Ｅは、中負荷領域において燃焼室に形成される混合気の状態を概念的に例示する図である。 図１３Ｆは、中負荷領域における燃焼室の混合気が燃焼する様子を概念的に例示する図である。 図１３Ｇは、中負荷領域における燃焼室の混合気が燃焼する様子を概念的に例示する図である。 図１３Ｈは、中負荷領域における燃焼室の混合気が燃焼する様子を概念的に例示する図である。 図１４は、ＥＣＵが実行する燃料噴射制御及び水噴射制御を例示するフローチャートである。

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。

＜エンジンシステムの全体構成＞
図１に、予混合圧縮着火式エンジンシステム１の構成を例示する。予混合圧縮着火式エンジンシステム１（以下、単に「エンジンシステム１」と称する）の燃料Ｆはガソリンである。ガソリンは、バイオエタノール等を含んでいてもよい。エンジンシステム１の燃料Ｆ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。

エンジンシステム１は、図１に示すように、吸気（空気）と燃料Ｆとの混合気を燃焼させるエンジン３と、エンジン３に導入する吸気が流通する吸気通路５と、エンジン３内での混合気の燃焼により発生した排気を排出する排気通路７と、エンジン３に排気（既燃ガス）を再導入する排気再循環（ＥＧＲ：Exhaust Gas Recirculation、以下「ＥＧＲ」と称する）装置９と、エンジン３に燃料Ｆを供給する燃料供給装置１１と、エンジン３に水を供給する水供給装置１３と、エンジン３の運転状態を検出するためのセンサ類と、エンジンシステム１の全体を制御する制御装置としてのＥＣＵ（Engine Control Unit）１５とを備える。

＜吸気通路・排気通路の構成＞
吸気通路５には、上流側から順に、吸気を浄化するエアクリーナ１７と、エンジン３に供給される吸気の流量を調節するスロットル弁１９とが設けられている。排気通路７には、上流側から順に、排気に含まれる大気汚染物質を浄化する排気浄化装置２１と、排気に含まれる水（水蒸気）を凝縮する凝縮器２３とが設けられている。排気浄化装置２１は、例えば三元触媒を含む触媒コンバータによって構成されている。

＜ＥＧＲ装置の構成＞
ＥＧＲ装置９は、エンジン３から排気通路７に一旦排出した排気の一部を吸気通路５に循環させる外部ＥＧＲを行う外部ＥＧＲ装置２５と、エンジン３内での混合気の燃焼により発生した既燃ガスの一部を実質的にエンジン３内に留める内部ＥＧＲを行う内部ＥＧＲ装置２７（後に参照する図２に示す）とを備える。内部ＥＧＲ装置２７は、後述する吸気動弁機構１０１のＶＶＴ及び排気動弁機構１０３のＶＶＴによって構成されている。

外部ＥＧＲ装置２５は、吸気通路５のスロットル弁１９よりも下流側の部分と排気通路７の排気浄化装置２１よりも上流側の部分とを接続するＥＧＲ通路２９と、ＥＧＲ通路２９に流通する排気を冷却するＥＧＲクーラ３１と、ＥＧＲ通路２９に流通する排気の流量を調節するＥＧＲ弁３３とを備える。ＥＧＲクーラ３１及びＥＧＲ弁３３は、ＥＧＲ通路２９において、排気通路７側から吸気通路５側に向かってこの順に設けられている。

＜燃料供給装置の構成＞
燃料供給装置１１は、燃料Ｆを貯留する燃料タンク３５と、エンジン３内で燃料Ｆを噴射する燃料噴射弁３７と、燃料タンク３５の燃料Ｆを燃料噴射弁３７に供給する燃料供給通路３９とを備える。燃料タンク３５内には、図示しないが、燃料Ｆを燃料供給通路３９に送り出すフィードポンプが設けられている。燃料供給通路３９には、上流側から順に、当該通路３９に流通する燃料Ｆを昇圧させる燃料昇圧ポンプ４１と、当該通路３９に流通する燃料Ｆを燃料噴射弁３７から噴射させる前に一時的に貯留する燃料コモンレール４３とが設けられている。

＜水供給装置の構成＞
水供給装置１３は、水Ｗを貯留する貯水タンク４５と、エンジン３内で水Ｗを噴射する水噴射弁４７と、貯水タンク４５の水Ｗを水噴射弁４７に供給する水供給通路４９と、水噴射弁４７から噴射された水Ｗを排気通路７を利用して回収する水回収装置５１とを備える。貯水タンク４５内には、図示しないが、水Ｗを水供給通路４９に送り出すフィードポンプが設けられている。水供給通路４９には、上流側から順に、当該通路４９に流通する水Ｗを昇圧させる水昇圧ポンプ５３と、当該通路４９に流通する水Ｗを排気通路７に流通する排気との間で熱交換させる熱交換器５５と、当該通路４９に流通する水Ｗを水噴射弁４７から噴射させる前に一時的に貯留する水コモンレール５６とが設けられている。

熱交換器５５は、排気通路７の内側に挿通された水供給通路４９の一部によって構成されている。熱交換器５５は、排気通路７において排気浄化装置２１の直ぐ下流側に隣接して配置されており、排気浄化装置２１と共に蓄熱用ケース５７の内側に収容されている。蓄熱用ケース５７は、蓄熱材５９が充填された二重構造の外周壁６１を有し、排気の熱エネルギーを蓄熱材５９に蓄えることにより排気浄化装置２１及び熱交換器５５を保温する。こうした蓄熱用ケース５７の保温効果により、排気浄化装置２１は適度な温度に維持され、熱交換器５５は水供給通路４９内の水Ｗを効果的に昇温させる。

＜エンジンの構成＞
図２に、エンジン３の構成を例示する。また、図３に、エンジン３内の燃焼室７３の構成を例示する。

エンジン３は、吸気、圧縮、燃焼及び排気を行う４サイクル多気筒のレシプロエンジンであって、図１及び図２に示すように、直列に配置された４つの気筒６３（図２では１つのみ示す）を有するシリンダブロック６５と、シリンダブロック６５上に載置されるシリンダヘッド６７とを備える。これらシリンダブロック６５及びシリンダヘッド６７の内部には、図示しないが、エンジン冷却水が流れるウォータジャケットが設けられている。シリンダブロック６５の各気筒６３内には、ピストン６９が往復動（上下動）可能に嵌め入れられている。

ピストン６９は、コネクティングロッド７１を介してクランクシャフト７２に連結されている。ピストン６９の上方には、図２及び図３に示すように、混合気を燃焼させる燃焼室７３が形成されている。燃焼室７３は、ピストン６９の冠面７５と気筒６３の内周面（シリンダライナー壁面）７７とシリンダヘッド６７の下面７９とによって区画されている。なお、ここで言う「燃焼室」は、ピストン６９が圧縮上死点に至ったときに形成される空間を意味する狭義の燃焼室に限定されず、ピストン６９、気筒６３及びシリンダヘッド６７によって囲まれた空間として定義される広義の燃焼室を意味する。

燃焼室７３は、図３に示すように、いわゆるペントルーフ型の燃焼室である。燃焼室７３の天井部を構成するシリンダヘッド６７の下面７９は、吸気通路５側に位置する吸気側天井面８１と、排気通路７側に位置する排気側天井面８３とを備える。これら吸気側天井面８１及び排気側天井面８３は、気筒６３の配列方向と直交する方向において、気筒６３の中心に向かって登り勾配に傾斜しており、クランクシャフト７２の軸方向に延びる谷部を介して連結されて三角屋根形状をなしている。なお、ペントルーフの谷部の位置は、気筒６３のボア中心に一致する場合と一致しない場合との両方があり得る。

ピストン６９の冠面７５の中央部分には、下方に向けて窪む凹形状のキャビティ８５が形成されている。以下では、燃焼室７３においてキャビティ８５内に対応する空間を「中央空間」と称することがある。また、燃焼室７３においてキャビティ８５の外周囲に対応する空間を「外周側空間」と称することがある。

ピストン６９の冠面７５は、キャビティ８５の内面８７と、キャビティ８５に対し吸気側に位置する吸気側傾斜面８９と、キャビティ８５に対し排気側に位置する排気側傾斜面９１とを有する。吸気側傾斜面８９は、吸気側天井面８１に対応するようにキャビティ８５に向かって登り勾配に傾斜している。他方、排気側傾斜面９１は、排気側天井面８３に対応するようにキャビティ８５に向かって登り勾配に傾斜している。

燃焼室７３を区画する上下の区画壁面、具体的にはピストン６９の冠面７５とシリンダヘッド６７の下面７９とには遮熱層９２がそれぞれ設けられている。遮熱層９２は、これらの区画壁面７５，７９の全体に設けられていてもよいし、これらの区画面７５，７９の一部に設けられていてもよい。遮熱層９２は、燃焼室７３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６９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９２は、燃焼室７３の燃焼ガスの熱が、燃焼室７３の区画面７５，７９を通じて放出されることを抑制する。また、遮熱層９２は、母材よりも容積比率が小さいことが好ましい。つまり、遮熱層９２の熱容量を小さくして、燃焼室７３の区画壁面７５，７９の温度が、燃焼室７３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壁面７５，７９の温度との差が小さくなるから、熱が区画壁面７５，７９を通じて母材に伝わることが抑制される。

遮熱層９２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、区画壁面７５，７９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されている。この遮熱層９２は、区画壁面７５，７９上に、ＺｒＯ２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等により形成してもよい。

エンジン３の幾何学的圧縮比は、理論熱効率の向上や圧縮着火燃焼の安定化等を目的として、比較的高い圧縮比に設定されている。具体的には、エンジン３の幾何学的圧縮比は、１６以上且つ４０以下に設定されていればよく、特に１６以上且つ２５以下に設定されることが好ましい。エンジン３は、圧縮比が高いほど膨張比も高くなるため、高圧縮比と同時に比較的高い膨張比を有する。

シリンダヘッド６７には、図２に示すように、吸気側天井面８１に開口した吸気ポート９３と、排気側天井面８３に開口した排気ポート９５とが、気筒６３毎にそれぞれ２つずつ形成されている。吸気ポート９３は、燃焼室７３とは反対側の開口が吸気通路５に接続されており、燃焼室７３と吸気通路５とを連通させている。排気ポート９５は、燃焼室７３とは反対側の開口が排気通路７に接続されており、燃焼室７３と排気通路７とを連通させている。

吸気ポート９３には、吸気側天井面８１の開口を燃焼室７３に対して開閉する吸気弁９７が設けられている。他方、排気ポート９５には、排気側天井面８３の開口を燃焼室７３に対して開閉する排気弁９９が設けられている。これら吸気弁９７及び排気弁９９は、傘或いは茸のような形状の弁体を有するポペット弁からなる。シリンダヘッド６７の内部には、吸気弁９７を所定のタイミングで往復動させる吸気動弁機構１０１と、排気弁９９を所定のタイミングで往復動させる排気動弁機構１０３とが設けられている。

吸気動弁機構１０１は、図示しないが、吸気弁９７に連結された吸気カムシャフトと、吸気カムシャフトの回転位相を所定の角度範囲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）とを含む。吸気カムシャフトは、伝動ベルトなどの動力伝達機構を介してクランクシャフト７２に連結されており、クランクシャフト７２から伝えられる動力により回転して吸気弁９７を駆動させる。

排気動弁機構１０３は、図示しないが、排気弁９９に連結された排気カムシャフトと、排気カムシャフトの回転位相を所定の範囲で連続的に変更可能な液圧式又は電動式のＶＶＴとを含む。排気カムシャフトは、吸気カムシャフトと共通の動力伝達機構を介してクランクシャフト７２に連結されており、クランクシャフト７２から伝えられる動力により回転して排気弁９９を駆動させる。

吸気動弁機構１０１のＶＶＴ及び排気動弁機構１０３のＶＶＴは、吸気弁９７の開閉時期と排気弁９９の開閉時期とを調節して、吸気行程において排気弁９９を開いたり、排気行程において吸気弁９７を開いたりさせることにより、排気行程において一旦排出された既燃ガスを燃焼室７３に引き戻す内部ＥＧＲを実行する。なお、内部ＥＧＲは、排気行程又は吸気行程において吸気弁９７及び排気弁９９の双方を閉弁するネガティブオーバーラップ期間を設けて燃焼室７３に既燃ガスを残留させることで行われてもよい。

シリンダヘッド６７にはさらに、燃料噴射弁３７及び水噴射弁４７が取り付けられている。燃料噴射弁３７及び水噴射弁４７は、吸気側天井面８１と排気側天井面８３との間の谷部に気筒６３の配列方向に並べて配置されている。燃料噴射弁３７の噴射軸心と水噴射弁４７の噴射軸心とは共に、気筒６３の配列方向と直交する方向において中央に位置しているが、気筒６３の配列方向において気筒６３の軸線（中心線）からずれている。なお、水噴射弁４７の噴射軸心が気筒６３の軸線からずれる一方、燃料噴射弁３７の噴射軸心が気筒６３の軸線と一致していてもよいし、燃料噴射弁３７の噴射軸心が気筒６３の軸線からずれる一方、水噴射弁４７の噴射軸心が気筒６３の軸線と一致していてもよい。

＜燃料噴射弁・水噴射弁の構成＞
燃料噴射弁３７及び水噴射弁４７は、いずれも外開弁式の噴射弁（以下、「外開噴射弁」と称する）１０５である。燃料噴射弁３７及び水噴射弁４７に用いられる外開噴射弁１０５の構成を、以下に、図４を参照しながら説明する。図４は、外開噴射弁１０５の構成を例示する断面図である。外開噴射弁１０５は、図４に示すように、噴口１０７が形成されたノズル部１０９と、噴口１０７を開閉する外開弁体１１１とを備える。

ノズル部１０９は、燃料Ｆが流通する筒状に形成されており、先端部に噴口１０７を有する。噴口１０７は、径が先端に向かうほど大きくなるテーパ状に形成されている。外開噴射弁１１１は、このノズル部１０９に挿通されている。ノズル部１０９の基端部は、外海噴射弁１１１を進退させる駆動機構を収容したケース１１５に接続されている。ケース１１５には、上記駆動機構として、ピエゾ素子１１３と、ピエゾ素子１１３をノズル部１０９から離間させる方向に付勢する圧縮コイルバネ１１７が収容されている。外開弁体１１１の基端部は、ピエゾ素子１１３に接続されている。外開弁体１１１の先端部は、噴口１０７内から外部に臨んでおり、ノズル部１０９の噴口１０７のテーパ面と対向する当接面１１９を有するブロック状に形成されている。

ピエゾ素子１１３は、電圧の印加による変形により外開弁体１１１を燃焼室７３側に押圧し、その外開弁体１１１をノズル部１０９の噴口１０７を閉じた状態からリフトさせて噴口１０７を開放する。それにより、ノズル部１０９の噴口１０７から燃焼室７３に燃料がホローコーン状に噴射される。そのホロ―コーン状のテーパ角は、例えば９０°〜１００°である。そして、ピエゾ素子１１３への電圧の印加が停止すると、ピエゾ素子１１３が元の状態に復帰することで、外開弁体１１１が噴口１０７を再び閉じる。このとき、ピエゾ素子１１３の復帰は、圧縮コイルバネ１１７の付勢力により助長される。

ピエゾ素子１１３に印加する電圧が大きいほど、ノズル部１０９の噴口１０７を閉じた状態からの外開弁体１１１のリフト量が大きくなる。このリフト量が大きいほど、ノズル部１０９の噴口１０７の開度が大きくなって当該噴口１０７から燃焼室７３内に噴射される流体の量（燃料量や水量）が多くなり、且つ噴霧の粒径が大きくなる。このことを利用して、エンジンシステム１では、特定の運転領域において、燃焼室７３の中央空間でキャビティ８５内に混合気層を形成し、且つその外周囲に断熱ガス層を形成したり、燃焼室７３の中央空間と外周側空間とで異なる当量比の混合気を形成したりする。

＜センサ類の構成＞
センサ類は、図１及び図２に示すように、エンジン３、吸気通路５、排気通路７及びＥＧＲ装置９にそれぞれ設けられている。

具体的には、エンジン３においては、クランクシャフト７２の回転速度を検出するクランク角センサ１２１と、吸気カムシャフトのカム角度を検出する吸気カムセンサ１２３と、排気カムシャフトのカム角度を検出する排気カムセンサ１２５と、ウォータジャケット内のエンジン冷却水の温度を検出する水温センサ１２７とが設けられている。

吸気通路５においては、エアクリーナ１７の直ぐ下流側で吸気流量を検出するエアフローセンサ１２９と、スロットル弁１９の開度を検出するスロットル開度センサ１３１とが設けられている。エアフローセンサ１２９は、吸気温度を検出する温度センサを内蔵している。排気通路７においては、排気浄化装置２１の上流側と下流側とに排気中の酸素濃度を検出するＯ２センサ１３３，１３５がそれぞれ設けられている。これら２つのＯ２センサ１３３，１３５の検出値は、燃焼室１９内の空燃比をフィードバックするのに利用される。

ＥＧＲ通路２９においては、ＥＧＲ弁３３の開度を検出するＥＧＲ開度センサ１３７が設けられている。その他、エンジンシステム１には、自動車の速度を検出する車速センサ１３９や、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルセンサ１４１などが設けられている。

クランク角センサ１２１は、検出したクランクシャフト７２の回転角度に対応する検出信号Ｓ１２１をＥＣＵ１５に出力する。吸気カムセンサ１２３及び排気カムセンサ１２５は、それぞれ検出したカム角度に対応する検出信号Ｓ１２３，Ｓ１２５をＥＣＵ１５に出力する。水温センサ１２７は、検出したエンジン冷却水の温度に対応する検出信号Ｓ１２７をＥＣＵ１５に出力する。

エアフローセンサ１２９は、検出した吸気流量に対応する検出信号Ｓ１２９ａと、内蔵する温度センサにより検出した吸気温度に対応する検出信号Ｓ１２９ｂとをＥＣＵ１５に出力する。Ｏ２センサ１３３，１３５は、それぞれ検出した排気中の酸素濃度に対応する検出信号Ｓ１３３，Ｓ１３５をＥＣＵ１５に出力する。ＥＧＲ開度センサ１３７は、検出したＥＧＲ弁３３の開度に対応する検出信号Ｓ１３７をＥＣＵ１５に出力する。車速センサ１３９は、検出した速度に対応する検出信号Ｓ１３９をＥＣＵ１５に出力する。アクセルセンサ１４１は、検出したアクセルペダルの踏み込み量に対応する検出信号Ｓ１４１をＥＣＵ１５に出力する。

＜ＥＣＵの構成＞
図５に、ＥＣＵ１５の構成のブロック図を例示する。

ＥＣＵ１５は、周知のマイクロコンピュータであって、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＣＰＵ上で実行される各種のプログラムや各種のデータを格納するためのＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）の如き内部メモリと、電気信号の入出力を行う入出力バスとを備える。内部メモリに格納される各種のプログラムには、ＯＳ（Operating System）や特定機能を実現するアプリケーションプログラムが含まれる。

ＥＣＵ１５は、上述した各種センサ１２１〜１４１から供給された検出信号Ｓ１２１〜Ｓ１４１に基づいて、種々の制御や処理を行う。基本的には、ＥＣＵ１５は、要求トルクの演算やエンジン３の負荷の予測などを行い、演算した要求トルクやエンジン３の負荷に基づいて、スロットル弁１９の開度、燃料噴射パルス、水噴射パルス、ＥＧＲ弁３３の開度、吸気弁９７及び排気弁９９の位相角などといった、エンジン３の制御パラメータを計算する。そして、ＥＣＵ１５は、それらの信号を、スロットル弁１９、燃料噴射弁３７、水噴射弁４７、ＥＧＲ弁３３、吸気動弁機構１０１のＶＶＴ及び排気動弁機構１０３のＶＶＴなどに出力する。

＜エンジンの運転制御＞
図６に、エンジン３の運転領域を例示する。

エンジン３の運転領域は、図６に示すように、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）よりも負荷が高く、且つ低負荷領域（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）よりも負荷が高く、且つ中負荷領域（Ｂ）よりも回転数が高い領域を含んでいる。

エンジンシステム１は、基本的には、これら低負荷領域（Ａ）、中負荷領域（Ｂ）及び高負荷領域（Ｃ）の全運転領域で燃焼室７３に噴射した燃料を圧縮着火により燃焼させる。圧縮着火燃焼は、言い換えると、ＣＡＩ（Controlled Auto Ignition）燃焼である。ＣＡＩ燃焼は、エンジン３が上述した高い幾何学的圧縮比に設定されていることによって安定化する。

ＥＣＵ１５は、上述したように、スロットル弁１９、燃料噴射弁３７、水噴射弁４７、ＥＧＲ弁３３、吸気動弁機構１０１のＶＶＴ及び排気動弁機構１０３のＶＶＴに対し、エンジン３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７３のガス状態がエンジン３の運転状態に応じて調整される。なお、ＥＧＲ装置９は、基本的には、エンジン３の運転領域の全域において、燃焼室７３に排気（既燃ガス）を導入する。

ＥＣＵ１５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７３内への燃料噴射の形態を異ならせる。

＜低負荷領域（Ａ）での燃料噴射の形態＞
エンジンシステム１は、低負荷領域（Ａ）において、燃焼時に、燃焼室７３の区画壁面７５，７７，７９沿いにガス層による断熱層を形成する。このように、燃焼室７３の遮熱構造に加えて断熱層を形成することにより、エンジン１の冷却損失は大幅に低減する。この低負荷領域（Ａ）は、第２運転領域の一例である。

具体的には、ＥＣＵ１５は、低負荷領域（Ａ）において、圧縮行程以降に燃料噴射弁３７からキャビティ８５内に燃料Ｆを噴射させる。そのことで、燃料噴射弁３７の近傍においてキャビティ８５内の中心部に混合気層を形成し、且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。ガス層は、新気のみであってもよく、新気に加えて外部ＥＧＲや内部ＥＧＲによる既燃ガスを含んでいてもよい。なお、ガス層には、少量の燃料が混じっていても問題はない。要は、ガス層の燃料が混合気層よりも希薄であればよい。

燃焼室７３に混合気層とガス層とが形成された状態で、混合気が圧縮着火燃焼すれば、混合気層と燃焼室７３の区画壁面７５，７７，７９との間のガス層により、火炎が気筒６３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７３の区画壁面７５，７７，７９からの放熱が抑制される。その結果、冷却損失を大幅に低減することができる。

なお、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余り寄与しないところ、このエンジン１では、冷却損失の低減分に相当する燃焼ガスのエネルギーを高膨張比によって機械仕事に変換している。すなわち、エンジン３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ということができる。

このような混合気層とガス層とを燃焼室７３に形成するためには、燃料を噴射するタイミングにおいて、燃焼室７３のガス流動は弱いことが望ましい。そのため、吸気ポート９３は、燃焼室７３でスワール流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）での燃料噴射の態様＞
エンジンシステム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が両立するように、低負荷領域（Ａ）とは異なる燃料噴射の態様を採用している。この高負荷領域（Ｃ）は、第１運転領域の一例である。

図７に、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７における２本のラインのうち、一方のラインは、燃焼室７３の全ガスに対する排気の質量比であるＥＧＲ率が５０％のときラインであり、他方のラインは、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、圧縮前の燃焼室７３の温度の相違であり、ＥＧＲ率が５５％のときの温度がＥＧＲ率が５０％のときの温度よりも高い。したがって、ＥＧＲ率が５５％のときの方がＥＧＲ率が５０％のときよりも着火性に有利となる。つまり、ＥＧＲ率が５５％のときの方がＥＧＲ率５０％のときよりも着火時期が進角する。

図７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７３の燃料量が少なくなるほど混合気が燃え難くなる。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７３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７３の温度が局所的に低下するためである。つまり、温度が低下することによって着火し難くなる。ＥＧＲ率の高低に関わらず、混合気の当量比が０．６以上且つ０．９以下の範囲にあるときには、着火時期が最も進角する。つまり、このときに混合気の着火性が最も高まる。

このように、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。このエンジンシステム１では、そうした混合気の当量比と着火時期とに着目し、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７３を空間的に、それぞれ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ＺＩ，ＺＲ，ＺＬに分割する。そして、これら複数の混合気ゾーンＺＩ，ＺＲ，ＺＬ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、高負荷領域（Ｃ）において、騒音燃焼の抑制と燃焼安定性の確保とが両立する。

図８に、高負荷領域（Ｃ）において燃料噴射弁３７が燃焼室７３に燃料Ｆを噴射する時期とその噴射量とを例示する。図８は、左から右に向かってクランク角（つまり時間）が進む。燃料Ｆの噴射量は、四角の面積によって示されており、面積が大きいほど燃料Ｆの噴射量が多い。また、図９Ａ〜図９Ｈに、高負荷領域（Ｃ）における燃料噴射の様子と燃焼室７３に形成される混合気の状態と混合気が燃焼する様子とを概念的に例示する。

燃料噴射弁３７は、ＥＣＵ１５からの信号を受けて、図８及び図９Ａに示すように、吸気行程中に、燃焼室７３に燃料噴射２０１を行う。以下では、この吸気行程での燃料噴射２０１を「吸気行程噴射」と称する。吸気行程噴射２０１は、例えば、吸気行程における後半に行われる。吸気行程の後半とは、吸気行程を前半と後半とに二等分したときの後半に相当する。吸気行程噴射２０１は、吸気行程における後期に行われていてもよい。吸気行程の後期とは、吸気行程を前期、中期及び後期に三等分したときの後期に相当する。吸気行程噴射２０１での燃料Ｆの噴射量は比較的多い。この吸気行程噴射２０１によって、希薄且つ均質又はほぼ均質な混合気が燃焼室７３全体に形成される。このときに形成される混合気の当量比は、０．４以上且つ０．６以下に設定される。

次いで、燃料噴射弁３７は、ＥＣＵ１５からの信号を受けて、図８及び図９Ｂに示すように、圧縮行程における中期に燃料噴射２０３を行う。以下では、この圧縮行程の中期での燃料噴射２０３を「圧縮行程中期噴射」と称する。圧縮行程中期噴射２０３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、中期及び後期に三等分したときの中期に相当する。圧縮行程中期噴射２０３での燃料Ｆの噴射量は、吸気行程噴射２０１での燃料Ｆの噴射量よりも少ない。

圧縮行程中期噴射２０３により噴射された燃料Ｆは、燃焼室７３の圧力が比較的低いと共に、ピストン６９が比較的下方に位置しているから、キャビティ８５の外周囲、つまり燃焼室７３の外周側空間に到達する。それにより、燃焼室７３の外周側空間には、図９Ｃに示すように、吸気行程噴射２０１によって噴射された燃料Ｆと、圧縮行程中期噴射２０３によって噴射された燃料Ｆとが合わさって、過濃な混合気を含む領域ＺＲが形成される。この領域ＺＲにおける混合気の当量比は、１．０以上且つ１．７以下に設定される。このように過濃な混合気を含む領域ＺＲを、以下では「過濃ゾーン」と称する。

最後に、燃料噴射弁３７は、ＥＣＵ１５からの信号を受けて、図８及び図９Ｄに示すように、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７３に燃料噴射２０５を行う。以下では、この燃料噴射２０５を「圧縮上死点噴射」と称する。圧縮上死点噴射２０５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、中期及び後期に三等分したときの後期に相当する。圧縮上死点噴射２０５での燃料Ｆの噴射量は、圧縮行程中期噴射２０３での燃料の噴射量よりも少ない。

この圧縮上死点噴射２０５によって噴射された燃料Ｆは、燃焼室７３の圧力が高いと共にピストン６９が比較的上方に位置しているから、燃焼室７３の中央空間でキャビティ８５内に溜まる。それにより、燃焼室７３の中央空間には、図９Ｅに示すように、吸気行程噴射２０１によって噴射された燃料と、圧縮上死点噴射２０５によって噴射された燃料とが合わさって、着火し易い所定の当量比の混合気を含む領域ＺＩが形成される。この領域ＺＩにおける混合気の当量比は、０．６以上且つ０．９以下に設定される。この範囲の当量比は、図７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。このように着火し易い混合気を含む領域ＺＩを、以下では「着火ゾーン」と称する。

さらにこのとき、着火ゾーンＺＲと過濃ゾーンＺＩとの間には、着火ゾーンＺＩよりも当量比が低い希薄な混合気を含む領域ＺＬが形成される。この領域ＺＬの混合気は、吸気行程噴射２０１によって形成される混合気である。すなわち、その当量比は、０．４以上且つ０．６以下に設定される。このように希薄な混合気を含む領域ＺＬを、以下では「希薄ゾーン」と称する。

こうして、燃焼室７３には、その中央から外側に向かって、着火ゾーンＺＩ、希薄ゾーンＺＬ及び過濃ゾーンＺＲの３つのゾーンが形成される。これら各ゾーンＺＩ，ＺＬ，ＺＲの当量比は互いに相違する。燃焼室７３の全体についての混合気の平均当量比は１である。そのことで、排気浄化装置２１の三元触媒によって排気を浄化することが可能となっている。吸気行程噴射２０１、圧縮行程中期噴射２０３、及び圧縮上死点噴射２０５での燃料Ｆの噴射量の比率は、例えば、０．５５：０．４２：０．０３に設定される。

そして、図９Ｆに示すように、ピストン６９が圧縮上死点に到達して、燃焼室７３の温度及び圧力が高くなると、燃焼室７３の中央空間に位置する、最も着火性が高い着火ゾーンＺＩの混合気が圧縮着火し、燃焼を開始する。この着火ゾーンＺＩに含まれる燃料量は、燃焼室７３に供給される燃料量の一部に過ぎないため、燃焼室７３の圧力が着火ゾーンＺＩの燃焼によって急激に立ち上がることが防止される。

このように着火ゾーンＺＩの混合気が燃焼を開始することに伴い、燃焼室７３の温度及び圧力が高まる。その結果、図９Ｇに示すように、燃焼室７３の外周側空間に位置する、二番目に着火性が高い過濃ゾーンＺＲの混合気が圧縮着火し、燃焼を開始する。

最後に、図９Ｈに示すように、希薄ゾーンＺＬが圧縮着火し、燃焼を開始する。希薄ゾーンＺＬは、混合気の体積が最も大きいため、熱発生率が高くなるが、希薄ゾーンＺＬは、膨張行程が進行してから燃焼するため、燃焼に伴う圧力の上昇が急峻になることが防止される。

こうして、着火ゾーンＺＩ、希薄ゾーンＺＬ及び過濃ゾーンＺＲの３つのゾーンを燃焼室７３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、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に示す燃料噴射形態は、燃焼室７３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２０３の噴射量を多くすることによって、ペネトレーション、つまり、燃料Ｆの噴霧の到達距離が長くなり、燃料噴射弁３７から離れた燃焼室７３の外周側にまで、燃料Ｆの噴霧が到達するようになる。また、燃焼室７３の外周側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ＺＲの当量比が高くなり過ぎることを回避しつつ、燃焼室７３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８に示す燃料噴射形態では、圧縮上死点噴射２０５によって当量比が０．６〜０．９の混合気を形成するため、燃料Ｆの噴射量が比較的少ない。圧縮上死点噴射２０５での燃料Ｆ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２０５によって燃焼室７３に噴射された燃料Ｆ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。それにより、例えばスモークの発生といった不具合を防止して、排気の性状が悪化してしまうことが回避される。このことは、エンジン３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、同様に作用する。したがって、図８に示す燃料噴射形態は、エンジン３の回転数が高いときに、排気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。

図１０に、高負荷領域（Ｃ）における燃料Ｆ及び水Ｗの噴射時期とそれらの噴射量を例示する。また、図１１に、高負荷領域（Ｃ）における圧縮行程の後期での水噴射の様子を概念的に例示する。

上述した高負荷領域（Ｃ）での燃料噴射形態においては、燃料Ｆと空気との混合が不十分となってスモークが発生し易くなることや燃費性能の低下を回避するために、過濃ゾーンＺＲを形成するための燃料噴射２０３を圧縮行程の中期という比較的早いタイミングで行うため、過濃ゾーンＺＲを形成する混合気が燃焼室７３で高温度環境に曝される期間が長い。しかも、ピストン６９の冠面７５及びシリンダヘッド６７の下面７９には、過濃ゾーンＺＲが形成される燃焼室７３の外周側空間に臨む部分にも遮熱層９２が形成されているため、その遮熱層９２が仇になって燃焼室７３の外周側空間の温度が下がり難い。それらのことから、本来であれば遅れて着火することが期待される過濃ゾーンＺＲの混合気が異常燃焼を起こし易くなって過早着火してしまうおそれがある。

そこで、このエンジンシステム１では、過濃ゾーンＺＲが過早着火するのを防止すべく、過濃ゾーンＺＲが形成される燃焼室７３の外周側空間に対し、適切なタイミングで水Ｗを噴射する水噴射２０７を実行する。具体的には、水噴射弁４７は、ＥＣＵ１５からの信号を受けて、図１０及び図１１に示すように、圧縮行程における後期であって圧縮上死点噴射２０５が行われる前に水噴射２０７を行う。この水噴射２０７は、圧縮行程の中期において圧縮行程中期噴射２０３が行われた後に行われていてもよい。要は、当該水噴射２０７は、圧縮行程中期噴射２０３の開始以降であって、且つ圧縮上死点噴射２０５の開始前までに行われていればよい。

燃焼室７３の外周側に水Ｗが噴射されると、その水Ｗの潜熱及び顕熱の作用により、燃焼室７３の外周側空間に形成された過濃ゾーンＺＲ（つまり、そのゾーンＺＲの空間及び混合気）が燃焼室７３内で局所的に冷却される。そのことにより、過濃ゾーンＺＲの混合気が、燃焼室７３が高温であると異常燃焼による過早着火を起こし易い状態にあっても、温度低下した分だけ圧縮着火し難い状態となる。これによって、過濃ゾーンＺＲの混合気の着火時期を、燃焼室７３の中央空間に形成される着火ゾーンＺＩの混合気の着火時期よりも確実に遅らせることができる。したがって、着火ゾーンＺＩの混合気と過濃ゾーンＺＲの混合気とを安定的に時間差をもって圧縮着火させることが可能となる。

＜中負荷領域（Ｂ）での燃料噴射の形態＞
エンジンシステム１は、中負荷領域（Ｂ）において、過濃ゾーンＺＲを形成するときの空気不足に起因したスモークの発生や過濃ゾーンＺＲの混合気が高温及び高圧の雰囲気に晒される時間が長くなることに起因する異常燃焼（例えば過早着火）を回避するように、低負荷領域（Ａ）及び高負荷領域（Ｃ）とは異なる燃料噴射の形態を採用している。

図１２に、中負荷領域（Ｂ）において燃料噴射弁３７が燃焼室７３に燃料Ｆを噴射する時期とその噴射量とを例示する。図１２に示す燃料Ｆの噴射形態と図８に示す燃料Ｆの噴射形態とは、エンジン１の負荷が同じである。また、図１３Ａ〜図１３Ｈに、中負荷領域（Ｂ）における燃料噴射の様子と燃焼室７３に形成される混合気の状態と混合気が燃焼する様子を概念的に例示する。

燃料噴射弁３７は、ＥＣＵ１５からの信号を受けて、吸気行程中に、図１２及び図１３Ａに示すように、燃焼室７３に燃料噴射３０１を行う。この吸気行程噴射３０１は、吸気行程における後半に行われる。吸気行程噴射３０１での燃料Ｆの噴射量は比較的多い。この吸気行程噴射３０１によって、希薄且つ均質又はほぼ均質な混合気が燃焼室７３全体に形成される。このときに形成される混合気の当量比は、０．４以上且つ０．６以下である。この吸気行程噴射３０１は、図８に示す吸気行程噴射２０１と実質的に同じである。

次いで、燃料噴射弁３７は、ＥＣＵ１５からの信号を受けて、図１２及び図１３Ｂに示すように、圧縮行程における後期に燃料噴射３０３を行う。以下では、この燃料噴射３０３を「圧縮行程後期噴射」と称する。圧縮行程後期噴射３０３での燃料Ｆの噴射量は、吸気行程噴射３０１での燃料Ｆの噴射量よりも少なく、且つ後述の圧縮上死点噴射３０５よりも少ない。

この圧縮行程後期噴射３０３により噴射された燃料Ｆは、ピストン６９が圧縮上死点に近づいているため、燃焼室７３の圧力が高く、燃焼室７３の外周囲まで到達し難くなる。それにより、燃焼室７３のうち外周囲を除く空間、つまり中央空間及び外周側空間のうち中央空間寄りの部分には、図１３Ｃに示すように、吸気行程噴射３０１によって噴射された燃料Ｆと、圧縮行程後期噴射３０３によって噴射された燃料Ｆとが合わさって、当量比が０．６以上且つ０．９以下の混合気を含む着火ゾーンＺＩが形成される。

最後に、燃料噴射弁３７は、ＥＣＵ１５からの信号を受けて、図１２及び図１３Ｄに示すように、圧縮上死点噴射３０５を行う。圧縮上死点噴射３０５での燃料Ｆの噴射量は、吸気行程噴射３０１よりも少なく、且つ圧縮行程後期噴射３０３よりも多い。

この圧縮上死点噴射３０５によって噴射された燃料Ｆは、燃焼室７３の圧力が高いと共に、ピストン６９が上方に位置しているから、キャビティ８５内に留まる。それにより、燃焼室７３の中央空間には、図１３Ｅに示すように、吸気行程噴射３０１によって噴射された燃料Ｆと、圧縮行程後期噴射３０３によって噴射された燃料Ｆと、圧縮上死点噴射３０５によって噴射された燃料Ｆとが合わさって、当量比が１．０以上且つ１．７以下の濃過な混合気を含む濃過ゾーンＺＲが形成される。

このときさらに、着火ゾーンＺＲの外側には、着火ゾーンＺＩよりも当量比が低い希薄な混合気を含む希薄ゾーンＺＬが形成される。希薄ゾーンの混合気は、吸気行程噴射３０１によって形成される混合気である。すなわち、その当量比は、０．４以上且つ０．６以下に設定される。

こうして、燃焼室７３には、その中央から外側に向かって、過濃ゾーンＺＲ、着火ゾーンＺＩ及び希薄ゾーンＺＬの３つのゾーンが形成される。これら各ゾーンＺＲ，ＺＩ，ＺＬの当量比は互いに相違する。燃焼室７３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３０１、圧縮行程後期噴射３０３、及び圧縮上死点噴射３０５での燃料Ｆの噴射量の比率は、例えば、０．５５：０．１４：０．３１に設定される。

そして、ピストン６９が圧縮上死点に到達して、燃焼室７３の温度及び圧力が高くなると、まず、図１３Ｆに示すように、着火ゾーンＺＩの混合気が圧縮着火し、燃焼を開始する。その後、図１３Ｇに示すように、過濃ゾーンＺＲの混合気が圧縮着火し、燃焼を開始する。最後に、図１３Ｈに示すように、希薄ゾーンＺＬの混合気が圧縮着火し、燃焼を開始する。

図１３Ｅに示す状態の混合気によると、図９Ｅに示す状態の混合気と比較して、過濃な混合気が燃焼室７３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、エンジン３の冷却損失を低減することができる。また、燃焼室７３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、つまり燃焼室７３の外周囲では混合気に含まれる燃料量が少なくなるため、未燃の燃料が少なくなる。こうした冷却損失の低減と未燃損失の低減とによって、図１３Ｅに示す状態の混合気は、図９Ｅ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１２に示す燃料噴射形態は、過濃ゾーンＺＲ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７３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。したがって、図１２に示す燃料噴射形態は、図８に示す燃料噴射形態よりも異常燃料に対するロバスト性が高い。図１２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・水噴射制御＞
図１４に、ＥＣＵ１５が実行する燃料噴射制御及び水噴射制御に係るフローチャートを例示する。エンジンシステム１における燃焼室７３への燃料噴射２０１〜２０５，３０１〜３０５及び水噴射２０７は、図１４に示すフローに従って実行される。

まず、ステップＳＴ０１において、ＥＣＵ１５は、各センサ１２１〜１４１からの信号Ｓ１２１〜Ｓ１４１に基づいて、エンジン３の運転状態を検出する。具体的には、エンジン３の回転数、エンジン３の負荷、吸気温度、ＥＧＲ率などを検出する。

続くステップＳＴ０２では、ＥＣＵ１５は、エンジン３の運転状態に基づいて、混合気の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。ここで、混合気の燃焼騒音が許容値以下になる（ＹＥＳ）と判定したときには、ステップＳＴ０３に進む。他方、混合気の燃焼騒音が許容値を超える（ＮＯ）と判定したときには、ステップＳＴ０４に進む。

ステップＳＴ０３では、ＥＣＵ１５は、第１の噴射制御を実行する。第１の噴射制御は、図６における低負荷領域（Ａ）の燃料噴射制御に相当する。また、このステップＳＴ０３において、エンジン３の冷間時には、高負荷領域（Ｃ）での水噴射２０７と同じタイミングで水噴射弁４７に水を噴射させる水噴射を実行する。すなわち、ＥＣＵ１５は、水噴射弁４７に信号を出力し、圧縮行程において水噴射を実行する。この水噴射は、燃料噴射を行った後に実行されてもよいし、燃料噴射を行う前に実行されてもよい。

エンジン３の冷間時において、水噴射が実行されると、燃焼室７３の温度が低下するので、混合気層の着火時期が遅れる着火リタードが促進される。それにより、燃焼室７３内で混合気が燃焼することにより発生する熱のうちピストン６９の膨張行程で消費される分が少なくなる一方で排気に残存する分が多くなるため、排気に積極的に多くの熱を持たせることができる。これよって、エンジン３の暖機を促進することができ、且つ排気浄化装置２１の触媒の早期活性化を図ることもできる。

ステップＳＴ０４では、ＥＣＵ１５は、エンジン３の回転数及び負荷に基づいて、燃料Ｆの空気と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３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Ｆの混合時間を確保できなくなる場合がある。また、エンジン３の負荷が高くて燃料Ｆの噴射量が増えるときにも、燃料Ｆの噴射期間が長くなるため、燃料Ｆの混合時間を確保できなくなる場合がある。ここで、燃料Ｆの混合時間を確保可能できる（ＹＥＳ）と判定したときには、ステップＳＴ０５に進む。他方、燃料Ｆの混合時間を確保できない（ＮＯ）と判定したときには、ステップＳＴ０８に進む。

ステップＳＴ０５〜ＳＴ０７において、ＥＣＵ１５は、図１２に示す燃料噴射形態に対応する第２の燃料噴射を実行する。第２の噴射制御は、図６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ＳＴ０５では、ＥＣＵ１５は、燃料噴射弁３７に信号を出力し、燃料噴射弁３７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３０１）を実行する。続くステップＳＴ０６で、ＥＣＵ１５は、燃料噴射弁３７に信号を出力し、燃料噴射弁３７は、圧縮行程の後期において、２回目の燃料噴射（つまり、圧縮行程後期噴射３０３）を実行する。そして、ステップＳＴ０７で、ＥＣＵ１５は、燃料噴射弁３７に信号を出力し、燃料噴射弁３７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３０５）を実行する。こうしたステップＳＴ０５〜ＳＴ０７の３回の燃料噴射３０１，３０３，３０５によって、図１３Ｅに示すような混合気が燃焼室７３に形成され、圧縮上死点以降に各ゾーンＺＩ，ＺＲ，ＺＬがタイミングをずらして順に圧縮着火をする。

ステップＳＴ０８では、ＥＣＵ１５は、エンジン３の運転状態に基づいて、過早着火のリスクが所定値以下である否かを判定する。圧縮上死点での燃焼室７３の温度が高いと混合気が過早着火し易くなる。こうした傾向は、混合気に含まれる燃料Ｆがリッチなほど顕著になる。つまり、圧縮上死点で温度が高い状態にある燃焼室７３では、過濃ゾーンＺＲの混合気が過早着火してしまう可能性が高い。このことから、ＥＣＵ１５は、エアフローセンサ１２９の検出値などのエンジン３の運転状態に基づいて、ピストン６９が圧縮上死点に到達したときの燃焼室７３の温度を予測する。

そして、ＥＣＵ１５は、予測した温度が所定の温度未満であるときには、過早着火のリスクが所定値以下である、つまり過早着火のリスクは高くないと判定する。また、ＥＣＵ１５は、予測した温度が所定の温度以上であるときには、過早着火のリスクが所定値を超える、つまり過早着火のリスクは高いと判定する。過早着火のリスク判定の基準となる上記所定の温度は、燃焼室の温度が１０００Ｋ以上となると過早着火の蓋然性が高まることから、１０００Ｋ以上の温度に設定され得る。本実施形態では、所定の温度が１０００Ｋに設定される。このステップＳＴ０８で、過早着火のリスクが高くない（ＹＥＳ）と判定したときには、ステップＳＴ０９に進む。他方、過早着火のリスクが高い（ＮＯ）と判定したときには、ステップＳＴ１２に進む。

ステップＳＴ０９〜ＳＴ１１において、ＥＣＵ１５は、図８に示す燃料噴射形態に対応する第３の燃料噴射を実行する。第３の燃料噴射は、図９Ｅ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ＳＴ０９では、ＥＣＵ１５は、燃料噴射弁３７に信号を出力し、燃料噴射弁３７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２０１）を実行する。続くステップＳＴ１０では、ＥＣＵ１５は、燃料噴射弁３７に信号を出力し、燃料噴射弁３７は、圧縮行程の後期において、２回目の燃料噴射（つまり、圧縮行程中期噴射２０３）を実行する。そして、ステップＳＴ１１では、ＥＣＵ１５は、燃料噴射弁３７に信号を出力し、燃料噴射弁３７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２０５）を実行する。こうしたステップＳＴ０９〜ＳＴ１１の３回の燃料噴射２０１，２０３，２０５によって、図９Ｅに示すような混合気が燃焼室７３に形成され、圧縮上死点以降に各ゾーンＺＩ，ＺＲ，ＺＬがタイミングをずらして順に圧縮着火する。

ステップＳＴ１２〜ＳＴ１５において、ＥＣＵ１５は、図１０に示す燃料Ｆ及び水Ｗの噴射形態に対応する、上記第３の燃料噴射と水噴射２０７を実行する。

ステップＳＴ１２では、ＥＣＵ１５は、燃料噴射弁３７に信号を出力し、燃料噴射弁３７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２０１）を実行する。続くステップＳＴ１３では、ＥＣＵ１５は、燃料噴射弁３７に信号を出力し、燃料噴射弁３７は、圧縮行程の後期において、２回目の燃料噴射（つまり、圧縮行程中期噴射２０３）を実行する。次いで、ステップＳＴ１４では、ＥＣＵ１５は、水噴射弁４７に信号を出力し、水噴射弁４７は、圧縮行程の後期において、上述した水噴射２０７を実行する。そして、ステップＳＴ１５では、ＥＣＵ１５は、燃料噴射弁３７に信号を出力し、燃料噴射弁３７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２０５）を実行する。こうしたステップＳＴ１２〜ＳＴ１５の３回の燃料噴射２０１，２０３，２０５と水噴射２０７によって、図９Ｅに示すような混合気が燃焼室７３に形成され、圧縮上死点以降に各ゾーンＺＩ，ＺＲ，ＺＬがタイミングをずらして順に圧縮着火する。

この実施形態に係るエンジンシステム１によると、燃焼室７３の外周側空間に形成される過濃ゾーンＺＲの混合気が、エンジン３の運転状態に応じて燃焼室７３が高温であると異常燃焼による過早着火を起こし易い状態となっても、燃焼室７３の中央空間に形成される着火ゾーンＺＩの混合気よりは圧縮着火し難くい状態とし、過濃ゾーンＺＲの混合気の着火時期を着火ゾーンＺＩの混合気の着火時期よりも確実に遅らせることができる。その結果、燃焼騒音の抑制と燃焼安定性の確保との両立を高負荷領域（Ｃ）においても安定して実現することができる。

以上のように、ここに開示する技術の例示として、好ましい実施形態について説明した。しかし、ここに開示する技術は、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、添付図面及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以て、直ちにそれらの必須で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。

例えば、上記実施形態については、以下のような構成としてもよい。

上記実施形態では、燃料噴射弁３７及び水噴射弁４７としてはいずれも外開弁式の噴射弁１０５が採用されているとしたが、これに限らない。燃料噴射弁３７及び水噴射弁４７には、他の方式の噴射弁を採用することも可能であり、例えば、ＶＣＯ（Valve Covered Orifice）ノズル式の噴射弁が採用されていてもよい。

ＶＣＯノズル式の噴射弁も、ノズル口に発生するキャビテーションの度合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。したがって、外開弁式の噴射弁１０５と同様に、燃焼室７３の中央空間でキャビティ８５内に混合気層を形成し、且つその外周囲に断熱ガス層を形成したり、燃焼室７３の中央空間と外周側空間とで異なる当量比の混合気を形成したりすることが可能である。

さらに、燃料噴射弁３７及び水噴射弁４７には、ＶＣＯノズル式の他、複数の噴口を有するマルチホール式の噴射弁などの種々の方式の噴射弁を採用することが可能であり、燃料噴射弁３７及び水噴射弁４７は、どのような構成であってもよい。

燃料噴射弁３７は、燃料Ｆを加熱するヒータを備え、ヒータによって所定の温度まで昇温させた燃料Ｆを、高圧雰囲気の燃焼室７３内に噴射することにより、燃料Ｆを超臨界状態として、キャビティ８５内に混合気層を、その外周囲に断熱ガス層を形成するようになっていてもよい。この技術は、燃焼室７３に噴射した燃料Ｆを瞬時に気化させることにより燃料噴霧のペネトレーションが低くなって燃料Ｆの噴霧の到達距離が短くなり、キャビティ８５内における燃料噴射弁３７の近傍に混合気層を形成するものである。

また、上記実施形態では、水供給装置１３として、水供給通路４９に流通する水を、熱交換器５５で排気通路７に流通する排気と熱交換させることにより昇温させた後に、水噴射弁４７から燃焼室７３に噴射する構成を例示したが、これに限らない。例えば、水供給装置１３は、熱交換器５５を備えず、水供給通路４９に流通する水を、排気と熱交換させることなく、水噴射弁４７から燃焼室７３に噴射するようになっていてもよい。

また、上記実施形態では、エンジン３の冷間時には、高負荷領域（Ｃ）での水噴射２０７と同じタイミングで水噴射を実行するとしたが、これに限らない。このときの水噴射は、高負荷領域（Ｃ）での水噴射２０７とは異なるタイミングで実行されていてもよい。

また、上記実施形態では、燃焼室７３内の混合気をピストン６９の圧縮動作により自着火させるエンジンシステム１を例に挙げて説明したが、これに限らない。例えば、エンジンシステム１は、エンジン３に着火アシスト用の点火プラグを備え、点火プラグの放電で生じた火花によって混合気を強制的に着火させ、その火炎伝播に伴う燃焼室７３の高温化をきっかけにして、混合気を圧縮着火燃焼させるように構成されていてもよい。

以上説明したように、本開示の技術は、自動車などの車両に搭載される予混合圧縮着火式エンジンシステムについて有用である。

１…エンジンシステム、３…エンジン、５…吸気通路、７…排気通路、
９…ＥＧＲ装置、１１…燃料供給装置、１３…水供給装置、１５…ＥＣＵ（制御装置）、１７…エアクリーナ、１９…スロットル弁、２１…排気浄化装置、２３…凝縮器、
２５…外部ＥＧＲ装置、２７…内部ＥＧＲ装置、２９…ＥＧＲ通路、
３１…ＥＧＲクーラ、３３…ＥＧＲ弁、３５…燃料タンク、３７…燃料噴射弁、
３９…燃料供給通路、４１…燃料昇圧ポンプ、４３…コモンレール、
４５…貯水タンク、４７…水噴射弁、４９…水供給通路、５１…水回収装置、
５３…水昇圧ポンプ、５５…熱交換器、５７…蓄熱用ケース、５９…蓄熱材、
６１…外周壁、６３…気筒、６５…シリンダブロック、６７…シリンダヘッド、
６９…ピストン、７１…コネクティングロッド、７２…クランクシャフト、
７３…燃焼室、７５…ピストンの冠面、７７…シリンダヘッドの下面、
７９…気筒の内周面、８１…吸気側天井面、８３…排気側天井面、８５…キャビティ、
８７…キャビティの内面、８９…吸気側傾斜面、９１…排気側傾斜面、
９３…吸気ポート、９５…排気ポート、９７…吸気弁、９９…排気弁、
１０１…吸気動弁機構、１０３…排気動弁機構、１０５…外開噴射弁、１０７…噴口、
１０９…ノズル部、１１１…外開弁体、１１３…ピエゾ素子、１１５…ケース、
１１７…圧縮コイルバネ、１１９…当接面、１２１…クランク角センサ、
１２３…吸気カムセンサ、１２５…排気カムセンサ、１２７…水温センサ、
１２９…エアフローセンサ、１３１…スロットル開度センサ、
１３３，１３５…Ｏ２センサ、１３７…ＥＧＲ開度センサ、１３９…車速センサ、
１４１…アクセルセンサ

Claims (5)

1. 気筒を有するエンジンと、
   前記気筒内に往復動可能に設けられたピストンと、
   前記ピストンの冠面と前記気筒とシリンダヘッドの下面とによって区画される燃焼室に対し、燃料を噴射する燃料噴射弁、及び水を噴射する水噴射弁と、
   前記燃料噴射弁による燃料の噴射動作及び前記水噴射弁による水の噴射動作を制御する制御装置と、を備え、
   前記ピストンの冠面の中央部分に下方に窪む凹形状のキャビティが形成され、
   前記燃料噴射弁によって前記燃焼室に噴射された燃料と空気との混合気を形成し、該混合気を、前記燃料室において前記キャビティ内に対応する中央空間と前記キャビティの害周囲に対応する外周側空間とのうち少なくとも前記中央空間で前記ピストンの圧縮動作により着火させる予混合圧縮着火式エンジンシステムであって、
   前記ピストンの冠面及び前記シリンダヘッドの下面のうち少なくとも一方の面には、前記キャビティ外対応空間に臨む遮熱層が設けられており、
   前記制御装置は、前記エンジンの運転状態が所定の運転領域にあるときにおいて、前記燃焼室の前記中央空間及び前記外周側空間の両方に対し前記燃焼噴射弁に燃料を噴射させる燃料噴射と、前記燃焼室の前記外周側空間に対し前記水噴射弁に水を噴射させる水噴射とを実行する
   ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジンシステム。
2. 請求項１に記載された予混合圧縮着火式エンジンシステムにおいて、
   前記所定の運転領域は、前記エンジンの負荷が所定の負荷以上となる第１運転領域であり、
   前記制御装置は、前記エンジンの運転状態が前記所定の負荷よりも低い第２運転領域にあるときには、前記水噴射を実行せず、前記燃焼室の前記中央空間のみに対し前記燃料噴射弁に燃料を噴射させる
   ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジンシステム。
3. 請求項１又は２に記載された予混合圧縮着火式エンジンシステムにおいて、
   前記制御装置は、前記ピストンが圧縮上死点に到達したときの前記燃焼室の温度を予測し、予測した温度が前記所定の温度未満であるときには前記水噴射を実行せず、予測した温度が所定の温度以上であるときには前記水噴射を実行する
   ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジンシステム。
4. 請求項３に記載された予混合圧縮着火式エンジンシステムにおいて、
   前記所定の温度は、１０００Ｋ以上の温度に設定されている
   ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジンシステム。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載された予混合圧縮着火式エンジンシステムにおいて、
   前記エンジンの幾何学的圧縮比は、１６以上且つ３５以下に設定されている
   ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジンシステム。

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