JP2018087520A - 予混合圧縮着火式エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】適切な予混合圧縮着火燃焼を実現しつつ燃焼騒音を小さく抑える。
【解決手段】燃焼室６に水を噴射する水噴射装置２４を設ける。そして、一部の運転領域において、点火装置２３の電極部２３ａを含む第１領域Ｒ１の第１混合気Ｇ１が点火エネルギーを受けて燃焼した後第２領域Ｒ２の第２混合気Ｇ２が自着火するＳＩ＋ＣＩ燃焼が起きるように制御するとともに、ＳＩ＋ＣＩ燃焼の実行領域のうち低負荷側ＳＩ＋ＣＩ領域Ａ２では、第１混合気Ｇ１の空燃比を第２混合気Ｇ２の空燃比よりもリーンかつ理論空燃比よりもリーンにし、ＳＩ＋ＣＩ燃焼の実行領域のうち高負荷側ＳＩ＋ＣＩ領域Ａ３では、第１混合気Ｇ１の空燃比を第２混合気Ｇ２の空燃比よりもリーンかつ低負荷側ＳＩ＋ＣＩ領域Ａ２での運転時よりもリッチにし、かつ、第２領域Ｒ２に噴射水が存在するように制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃焼室が形成された気筒を有するエンジン本体を備え、所定の条件下において前記燃焼室内で燃料と空気の混合気を自着火させる予混合圧縮着火式エンジンに関する。

従来より、ガソリンエンジン等において、予め混合された燃料と空気の混合気を燃焼室内で自着火させるいわゆる予混合圧縮着火燃焼を実施することが検討されている。

予混合圧縮着火燃焼では、圧縮比を高めることができること等に伴い熱効率を高めることができる一方、燃焼室内の各所において混合気が同時に燃焼を開始するため燃焼室内の圧力すなわち筒内圧が急激に上昇しやすく燃焼騒音が悪化するという問題がある。また、燃焼の開始時期すなわち着火時期が燃焼室内の温度等によって変化しやすく、着火時期を適切に制御するのが難しいという問題がある。

これに対して、例えば、特許文献１には、燃料を前段噴射と後段噴射とに分けて燃焼室に噴射するとともに、これら前段噴射と後段噴射との間に混合気に点火を行うように構成されたエンジンが開示されている。

特許文献１のエンジンによれば、前段噴射により形成された混合気の燃焼を点火によって開始させることができるため、点火時期を調整することによって着火時期を適切に制御することができるとともに、前段噴射により形成された混合気と後段噴射により形成された混合気の燃焼を異なるタイミングで開始させることができ、筒内圧の急上昇を抑えて燃焼騒音の悪化を抑制できる。

特開２０１２−２４１５９０号公報

しかしながら、熱効率および燃焼騒音に対する要求は依然として高く、適切な予混合圧縮着火燃焼を実現して熱効率を高めつつ燃焼騒音をより一層小さくすることが求められている。

本発明は、前記のような事情に鑑みてなされたものであり、適切な予混合圧縮着火燃焼を実現しつつ燃焼騒音を小さく抑えることのできる予混合圧縮着火式エンジンを提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明は、燃焼室が形成された気筒を有するエンジン本体を備え、所定の条件下において前記燃焼室内で燃料と空気の混合気を自着火させる予混合圧縮着火式エンジンであって、前記燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射装置と、前記燃焼室の中央を臨み前記燃焼室内の混合気を点火して当該混合気に点火エネルギーを付与する電極部を備えた点火装置と、前記燃焼室内に水を噴射して混合気に噴射水を供給する水噴射装置と、エンジン本体の少なくとも一部の運転領域で、前記燃焼室のうち前記点火装置の電極部を含む第１領域に形成された第１混合気が前記点火装置から付与された点火エネルギーを受けて燃焼し、その後、前記燃焼室のうち前記第１領域の外周側に位置する第２領域に形成された第２混合気が自着火するＳＩ＋ＣＩ燃焼が起きるように、前記点火装置、前記燃料噴射装置および前記水噴射装置を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記ＳＩ＋ＣＩ燃焼の実行領域のうちエンジン負荷が予め設定された基準負荷未満の低負荷側ＳＩ＋ＣＩ領域では、前記点火装置の点火時期における前記第１混合気の空燃比が前記点火時期における前記第２混合気の空燃比よりもリーンかつ理論空燃比よりもリーンになるように前記燃料噴射装置を制御し、前記ＳＩ＋ＣＩ燃焼の実行領域のうちエンジン負荷が前記基準負荷以上の高負荷側ＳＩ＋ＣＩ領域では、前記点火時期における前記第１混合気の空燃比が前記点火時期における前記第２混合気の空燃比よりもリーンかつ前記低負荷側ＳＩ＋ＣＩ領域での運転時よりもリッチになるように前記燃料噴射装置を制御し、かつ、前記点火時期において前記第２領域に前記噴射水が存在するように前記水噴射装置を制御することを特徴とする予混合圧縮着火式エンジンを提供する（請求項１）。

この構成では、点火装置の電極部周りに形成された第１混合気を点火によって強制的に燃焼させて火炎伝播を生じさせ、この火炎伝播により燃焼室内の温度を高めることで第２混合気を自着火燃焼させる。そのため、第２混合気の自着火燃焼によって熱効率を高めることができるとともに、点火時期の調整によって混合気の着火時期を適切な時期に制御することができる。

しかも、この構成では、低負荷側ＳＩ＋ＣＩ領域において、点火エネルギーが付与される第１混合気の空燃比が第２混合気の空燃比よりもリーンおよび理論空燃比よりもリーンに制御されるため、第１混合気の火炎伝播燃焼を緩慢にして燃焼室内の温度上昇を緩やかにすることができる。そして、これにより、その後の圧縮自着火燃焼が過剰に早期に開始すること、および、この燃焼が急激になるのを抑制することができ、燃焼室内の圧力すなわち筒内圧の急激な上昇を抑制して燃焼騒音を小さく抑えることができる。

また、高負荷側ＳＩ＋ＣＩ領域においても、第１混合気の空燃比が比較的リーン（第２混合気の空燃比よりもリーン）とされていることで燃焼騒音を小さく抑えることができる。

さらに、高負荷側ＳＩ＋ＣＩ領域では、第１混合気の空燃比が低負荷側ＳＩ＋ＣＩ領域よりもリッチにされるとともに、点火時期において第２領域に水が存在するように制御される。そのため、第１混合気のリッチ化によってエンジン出力を高く確保しつつ、このリッチ化に伴う筒内圧の急増を抑制できる。

具体的には、第１混合気が単純にリッチにされた場合には、点火装置の電極部周りで急激な火炎伝播燃焼が生じる結果、周囲の温度が急上昇して第１混合気の一部が自着火するとともに第２領域で急激な自着火燃焼が生じるおそれがある。これに対して、本発明では、第２領域に噴射水が供給されることで第２領域に形成された混合気の比熱が高められる。そのため、第２領域の混合気および第１領域のうち第２領域に隣接する部分の混合気の温度上昇を抑制して第２混合気のみを緩やかに自着火燃焼させることができ、筒内圧の急上昇を抑制できる。

前記構成において、前記制御手段は、前記高負荷側ＳＩ＋ＣＩ領域のうちエンジン負荷が予め設定された高負荷側基準負荷以上となる領域では、前記点火時期において前記第１領域と前記第２領域との両領域に前記噴射水が存在するように、かつ、前記第１領域における前記噴射水の濃度よりも前記第２領域における当該噴射水の濃度の方が高くなるように、前記水噴射装置を制御する一方、前記高負荷側ＳＩ＋ＣＩ領域のうちエンジン負荷が前記高負荷側基準負荷未満となる領域では、前記点火時期において前記第２領域にのみ前記噴射水が存在するように前記水噴射装置を制御するのが好ましい（請求項２）。

この構成では、高負荷側ＳＩ＋ＣＩ領域のうちエンジン負荷が高い運転領域において、第２領域に加えて第１領域にも水が供給される。そのため、第１混合気の燃焼を緩やかにして、第１混合気の一部の自着火および第２混合気の急激な自着火燃焼をより一層抑制でき、燃焼騒音をより小さくすることができる。

前記構成において、前記エンジン本体の幾何学的圧縮比は１６以上３５以下であるのが好ましい（請求項３）。

このようにすれば、第１混合気を理論空燃比よりもリーンとしながらこれを適切に燃焼させることができ、その後の第２混合気の圧縮自着火燃焼を確実に実現できる。

前記構成において、前記制御手段は、前記低負荷側ＳＩ＋ＣＩ領域では、前記点火時期における前記第２混合気の空燃比が理論空燃比となるように、前記燃料噴射装置を制御するのが好ましい（請求項４）。

このようにすれば、低負荷側ＳＩ＋ＣＩ領域において、混合気をより確実に圧縮自着火燃焼させることができるとともに圧縮自着火燃焼時に燃え残りが生じるのを抑制して排気性能を良好にすることができる。

前記構成において、前記制御手段は、前記高負荷側ＳＩ＋ＣＩ領域では、エンジン負荷が大きいほど前記点火時期における前記第１混合気の空燃比がリッチになるように前記燃料噴射装置を制御し、エンジン負荷が前記基準負荷となる運転条件では、前記点火時期における前記第１混合気の空燃比が理論空燃比よりもリーンとなるように前記燃料噴射装置を制御するのが好ましい（請求項５）。

この構成では、第１混合気の空燃比が理論空燃比よりもリーンとされるエンジン負荷から水の供給が行われる。そのため、より広い運転領域で、燃焼騒音を小さく抑えることができる。

前記構成において、エンジン本体に吸気を導入する吸気通路にエンジン本体から排出された排気を還流可能なＥＧＲ装置を備え、前記制御手段は、前記低負荷側ＳＩ＋ＣＩ領域および前記高負荷側ＳＩ＋ＣＩ領域でエンジン本体が運転されているときは、エンジン本体から排出された排気が前記吸気通路に還流するように前記ＥＧＲ装置を制御するのが好ましい（請求項６）。

このようにすれば、低負荷側ＳＩ＋ＣＩ領域および高負荷側ＳＩ＋ＣＩ領域において、ＥＧＲガス（ＥＧＲ装置によって吸気に還流された排気）によっても燃焼室内での燃焼を緩慢にすることができ、燃焼騒音をより一層小さく抑えることができる。

以上説明したように、本発明の予混合圧縮着火式エンジンによれば、適切な予混合圧縮着火燃焼を実現しつつ燃焼騒音を小さく抑えることができる。

本発明の一実施形態にかかるエンジンシステムの構成を示した図である。 エンジン本体の概略断面図である。 燃焼室の概略断面図である。 エンジンの制御系統を示すブロック図である。 制御マップを示した図である。 低負荷領域の燃料噴射パターンと熱発生率とを示した概略図である。 中負荷領域の燃料噴射パターンと熱発生率とを示した概略図である。 中負荷領域における混合気の形成手順を説明するための図であり、（１）〜（４）は互いに異なる時点での燃焼室内の様子を示している。 エンジン負荷と、中央側領域の混合気の空燃比および外周側領域の混合気の空燃比との関係を示した図である。 高負荷第１領域の燃料および水の噴射パターンと熱発生率とを示した概略図である。 高負荷第２領域の燃料および水の噴射パターンと熱発生率とを示した概略図である。 エンジン負荷と、中央側領域および外周側領域の噴射水の濃度との関係を示した図である。 本発明の効果を説明するための図であって、燃焼室の概略断面図である。 本発明の効果を説明するための図であって、熱発生率を示した図である。

図１は、本発明の予混合圧縮着火エンジンが適用されるエンジンシステムの構成を示す図である。本実施形態のエンジンシステムは、４ストロークのエンジン本体１と、エンジン本体１に燃焼用の空気を導入するための吸気通路３０と、エンジン本体１で生成された排気を排出するための排気通路４０とを備える。

エンジン本体１は、例えば、４つの気筒２が図１の紙面と直交する方向に直列に配置された直列４気筒エンジンである。このエンジンシステムは車両に搭載され、エンジン本体１は車両の駆動源として利用される。本実施形態では、エンジン本体１は、ガソリンを含む燃料の供給を受けて駆動される。なお、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。

（１）エンジン本体
図２は、エンジン本体１の概略断面図である。

エンジン本体１は、気筒２が内部に形成されたシリンダブロック３と、シリンダブロック３の上面に設けられたシリンダヘッド４と、気筒２に往復動（上下動）可能に嵌装されたピストン５とを有する。

ピストン５の上方には燃焼室６が形成されている。燃焼室６はいわゆるペントルーフ型であり、シリンダヘッド４の下面で構成される燃焼室６の天井面６ａ（以下、単に、燃焼室天井面６ａという）は吸気側および排気側の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５の冠面５ａ（以下、単に、ピストン冠面５ａという）には、その中心部を含む領域をシリンダヘッド４とは反対側（下方）に凹ませたキャビティ１０が形成されている。なお、ここでは、ピストン５の位置や混合気の燃焼状態によらず気筒２の内側空間のうちピストン冠面５ａと燃焼室天井面６ａとの間の空間を、燃焼室６という。

本実施形態では、エンジン本体１の幾何学的圧縮比、つまり、ピストン５が下死点にあるときの燃焼室６の容積とピストン５が上死点にあるときの燃焼室６の容積との比は、１６以上３５以下（例えば２０程度）に設定されている。

シリンダヘッド４には、吸気通路３０から供給される空気を気筒２（燃焼室６）内に導入するための吸気ポート１６と、気筒２内で生成された排気を排気通路４０に導出するための排気ポート１７とが形成されている。これら吸気ポート１６と排気ポート１７とは、気筒２毎にそれぞれ２つずつ形成されている。

シリンダヘッド４には、各吸気ポート１６の気筒２側の開口をそれぞれ開閉する吸気弁１８と、各排気ポート１７の気筒２側の開口をそれぞれ開閉する排気弁１９とが設けられている。

シリンダヘッド４には、燃料を噴射するインジェクタ（燃料噴射装置）２２が設けられている。インジェクタ２２は、噴射口が形成された先端部が燃焼室天井面６ａの中央付近に位置して燃焼室６の中央を臨むように取り付けられている。インジェクタ２２は、燃焼室天井面６ａの中央付近からピストン冠面５ａに向かって、気筒２の中心軸を中心としたコーン状（詳しくはホローコーン状）に燃料を噴射するように構成されている。コーンのテーパ角（噴霧角）は、例えば９０°〜１００°である。

本実施形態では、インジェクタ２２として、外開式のインジェクタが用いられている。なお、インジェクタ２２は、前記のように気筒２の中心軸を中心としたコーン状に燃料を噴射可能なものであればどのような構成のものであってもよく、外開式に限らず、ＶＣＯ（Ｖａｌｖｅ Ｃｏｖｅｒｅｄ Ｏｒｉｆｉｃｅ）ノズルタイプのインジェクタや、先端部に複数の噴孔が設けられかつ所定の噴霧角で燃料を噴射するマルチホールタイプのインジェクタや、ホロ−コーン状に燃料を噴射するスワールインジェクタであってもよい。

シリンダヘッド４には、燃焼室６内の混合気を点火するための点火プラグ（点火装置）２３が設けられている。点火プラグ２３は、火花を放電して混合気を点火し混合気に点火エネルギーを付与する電極が形成された電極部２３ａを有する。点火プラグ２３は、電極部２３ａが燃焼室天井面６ａの中央付近に位置して燃焼室６の中央を臨むように配置されている。

シリンダヘッド４には、さらに、燃焼室６内に水を噴射する水噴射装置２４が設けられている。水噴射装置２４は、噴射口が形成された先端部が燃焼室天井面６ａの中央付近に位置して燃焼室６の中央を臨むように取り付けられている。水噴射装置２４は、燃焼室天井面６ａの中央付近からからピストン冠面５ａに向かって、気筒２の中心軸を中心としたコーン状（詳しくはホローコーン状）に水を噴射するように構成されている。このコーンのテーパ角（噴霧角）は、例えば９０°〜１００°である。水噴射装置２４としては、例えば、インジェクタ２２と同様の構造を有する装置を適用することができる。以下では、適宜、水噴射装置２４により燃焼室６に噴射された水を噴射水という。

なお、図２および燃焼室６の概略断面図である図３に示すように、インジェクタ２２と水噴射装置２４とは、その各先端部が燃焼室天井面６ａの中央付近において近接するように配置されている。また、点火プラグ２３は、その電極部２３ａが、これらインジェクタ２２および水噴射装置２４のうちインジェクタ２２の先端部により近接するように配置されている。

図１に戻り、吸気通路３０には、上流側から順に、エアクリーナ３１と、吸気通路３０を開閉するためのスロットルバルブ３２とが設けられている。本実施形態では、エンジンの運転中、スロットルバルブ３２は基本的に全開もしくはこれに近い開度に維持されており、エンジンの停止時等の限られた運転条件のときにのみ閉弁されて吸気通路３０を遮断する。

排気通路４０には、上流側から順に、排気を浄化するための浄化装置４１、コンデンサー４２が設けられている。浄化装置４１は、例えば、三元触媒を内蔵している。

コンデンサー４２は、排気通路４０を通過する排気中の水（水蒸気）を凝縮するためのものである。コンデンサー４２と水噴射装置２４とは水供給通路６１によって接続されており、コンデンサー４２で生成された凝縮水は、水供給通路６１を介して水噴射装置２４に供給される。このように、本実施形態では、水噴射装置２４は、排気から生成された水の供給を受けてこれを燃焼室６内に噴射する。より詳細には、水供給通路６１には、コンデンサー４２で生成された凝縮水を貯留する水タンク４３が設けられるとともに、水タンク４３内の水を圧送する水ポンプ４４が設けられており、この水ポンプ４４によって水タンク４３から水噴射装置２４に凝縮水が供給される。

排気通路４０には、排気通路４０を通過する排気の一部をＥＧＲガスとして吸気通路３０に還流するためのＥＧＲ装置４６が設けられている。ＥＧＲ装置４６は、吸気通路３０のうちスロットルバルブ３２よりも下流側の部分と排気通路４０のうち浄化装置４１よりも上流側の部分とを連通するＥＧＲ通路４７、および、ＥＧＲ通路４７を開閉するＥＧＲバルブ４８を有する。また、本実施形態では、ＥＧＲ通路４７に、これを通過するＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ４９が設けられており、ＥＧＲガスはＥＧＲクーラ４９にて冷却された後吸気通路３０に還流される。

（２）制御系統
（２−１）システム構成
図４は、エンジンの制御系統を示すブロック図である。図４に示すように、本実施形態のエンジンシステムは、ＰＣＭ（パワートレイン・コントロール・モジュール、制御手段）１００によって統括的に制御される。ＰＣＭ１００は、周知のとおり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成されるマイクロプロセッサである。

車両には各種センサが設けられており、ＰＣＭ１００はこれらセンサと電気的に接続されている。例えば、シリンダブロック３には、エンジン回転数を検出するクランク角センサＳＮ１が設けられている。また、吸気通路３０を通って各気筒２に吸入される空気量を検出するエアフローセンサＳＮ２が設けられている。また、車両には、運転者により操作される図外のアクセルペダルの開度（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサＳＮ３が設けられている。

ＰＣＭ１００は、これらセンサＳＮ１〜ＳＮ３等からの入力信号に基づいて種々の演算を実行して、点火プラグ２３、インジェクタ２２、水噴射装置２４、スロットルバルブ３２、ＥＧＲバルブ４８、水ポンプ４４等のエンジンの各部を制御する。

本実施形態では、ＥＧＲバルブ４８は全運転領域において開弁され、全運転領域においてＥＧＲガスが吸気通路３０に還流される。

また、熱効率を高めるべく、点火プラグ２３の点火時期（点火プラグ２３が混合気を点火する時期）が、全運転領域において、熱発生率の重心、すなわち、燃焼室６に供給される燃料の全量（質量）の５０％が燃焼を完了するタイミングが、膨張行程となるように制御される。

また、本実施形態では、全運転領域において予混合圧縮着火燃焼（ＣＩ燃焼）が実施される。ただし、予混合圧縮着火燃焼を実現するための各種制御が運転領域に応じて異なっている。

図５は、横軸がエンジン回転数、縦軸がエンジン負荷の制御マップである。本実施形態では、制御領域として、エンジン負荷が予め設定された第１負荷Ｔｑ１未満の低負荷領域Ａ１と、エンジン負荷が第１負荷Ｔｑ１以上かつ第２負荷（基準負荷）Ｔｑ２未満の中負荷領域（低負荷側ＳＩ＋ＣＩ領域）Ａ２と、エンジン負荷が第２負荷Ｔｑ２以上の高負荷領域Ａ３とが設定されている。なお、これらの運転領域のうち、中負荷領域Ａ２と高負荷領域（高負荷側ＳＩ＋ＣＩ領域）Ａ３とが、請求項におけるＳＩ＋ＣＩ燃焼の実行領域に該当する。以下に、各運転領域Ａ１、Ａ２、Ａ３における制御内容について説明する。

（２−２）低負荷領域Ａ１
図６は、低負荷領域Ａ１における燃料の噴射パターンおよび熱発生率ｄＱを概略的に示した図である。図６に示すように、低負荷領域Ａ１では、一括噴射Ｆ１０が行われ、１燃焼サイクルに燃焼室６に供給する燃料の全量が圧縮行程の前半にインジェクタ２２から燃焼室６に噴射される。なお、この噴射量（インジェクタ２２から噴射される燃料の量）は、アクセル開度等から算出されたエンジン負荷とエンジン回転数等から演算される。

このように、低負荷領域Ａ１では、燃料の全量が圧縮行程前半に燃焼室６内に噴射されて空気と混合される。そして、この混合気がピストン５の圧縮作用により昇温および昇圧することで圧縮上死点付近において自着火し、これにより、予混合圧縮着火燃焼（ＣＩ燃焼）が実現される。

低負荷領域Ａ１では、水噴射装置２４による水噴射は停止される。

（２−３）中負荷領域
中負荷領域Ａ２では、点火アシストによる予混合圧縮着火燃焼（ＳＩ＋ＣＩ燃焼）が実施される。すなわち、燃焼室６に形成された混合気に点火プラグ２３から放電を行い、点火プラグ２３周りの混合気を強制的に着火して火炎伝播燃焼させる。そして、この火炎伝播燃焼によって燃焼室６内を昇温して他の混合気を自着火させる。

中負荷領域Ａ２では、点火時期において、燃焼室６のうち点火プラグ２３の電極部２３ａを含む中央側領域（第１領域）Ｒ１に形成される第１混合気Ｇ１の空燃比と、燃焼室６のうち中央側領域Ｒ１よりも外周側の外周側領域（第２領域）Ｒ２に形成される第２混合気Ｇ２の空燃比とが異なるように制御される。

燃焼室６の概略断面図である図３に示すように、中央側領域Ｒ１は、気筒２の中心軸に沿う方向から見ておよそキャビティ１０が形成された領域であり、外周側領域Ｒ２は、キャビティ１０よりも気筒２の径方向の外側の領域である。

図７および図８を用いて詳しく説明する。図７は、中負荷領域Ａ２における、燃料噴射の噴射パターンと、点火時期と、熱発生率ｄＱとを概略的に示した図である。図８は、中負荷領域Ａ２における混合気の形成手順を説明するための図である。図８（１）〜（４）は、この順に時間が経過しており、図８の（１）は、吸気行程中の燃焼室６内の状態を、図８の（２）〜（４）は、圧縮行程中の燃焼室６内の状態を示している。

図８の（１）に示すように、インジェクタ２２は、まず、燃焼室６の全域に燃料を拡散させるための第１燃料噴射Ｆ２１を実施する。第１燃料噴射Ｆ２１は、吸気行程から圧縮行程前期までの期間内に実施される。なお、本明細書において圧縮行程等の○○行程の前期、中期、後期は、この行程を３等分したときの前期、中期、後期のことを指し、○○行程の前半、後半は、この行程を２等分したときの前半、後半のことを指す。

第１燃料噴射Ｆ２１の噴射量は、燃焼室６内の混合気の空燃比が理論空燃比よりもリーンになるように（混合気の空燃比Ａ／Ｆが理論空燃比よりも大きくなり、混合気の空気過剰率λがλ＞１となるように）設定される。すなわち、第１燃料噴射Ｆ２１の噴射量は、燃焼室６内の空気を理論空燃比で割った値よりも小さくされる。

図８の（２）に示すように、第１燃料噴射Ｆ２１の実施後しばらく後には、第１燃料噴射Ｆ２１により噴射された燃料は燃焼室６のほぼ全域に拡散し、燃焼室６には理論空燃比よりもリーンでほぼ均質な混合気が形成される。

次に、インジェクタ２２は、外周側領域Ｒ２に燃料を偏在させるための第２燃料噴射Ｆ２２を実施する。このとき、インジェクタ２２は、図８の（３）に示すように、インジェクタ２２から噴射された燃料がキャビティ１０の周縁部１０ｃと衝突するようなタイミングで燃料を噴射する。

図８の（３）に示すように、このように噴射された燃料はキャビティ１０の周縁部１０ｃへ至った後これに沿って燃焼室６の天井面６ａ側に向かい、キャビティ１０の外周側すなわち外周側領域Ｒ２に導入される。第２燃料噴射Ｆ２２は、例えば、圧縮行程中期（ＢＴＤＣ１２０°ＣＡからＢＴＤＣ６０°ＣＡまで）に実施される。

第２燃料噴射Ｆ２２の噴射量は、外周側領域Ｒ２の空燃比が理論空燃比となるような量とされる。すなわち、第２燃料噴射Ｆ２２の噴射量は、第１燃料噴射Ｆ２１によって形成された燃焼室６の混合気の空燃比を理論空燃比から差し引いた値に、外周側領域Ｒ２に存在する空気の量をかけた値に設定される。

第２燃料噴射Ｆ２２によって、中負荷領域Ａ２では、図８の（４）に示すように、燃焼室６内が成層化される。すなわち、中央側領域Ｒ１に、第１燃料噴射Ｆ２１によって噴射された燃料と空気との混合気であって理論空燃比よりもリーンな混合気（第１混合気Ｇ１）が形成され、外周側領域Ｒ２に、第１燃料噴射Ｆ２１の燃料と第２燃料噴射Ｆ２２の燃料と空気との混合気であって理論空燃比となる混合気（第２混合気Ｇ２）が形成される。この成層状態は点火時期まで維持され、点火時期においても、中央側領域Ｒ１の混合気の空燃比は理論空燃比よりもリーンとなり、外周側領域Ｒ２の混合気の空燃比は理論空燃比となる。中負荷領域Ａ２では、中央側領域Ｒ１の混合気の空燃比は、例えば、２０程度に制御される。

そして、圧縮上死点近傍で点火プラグ２３が点火を行う。図７に示すように、本実施形態では、圧縮上死点よりもわずかに進角側の時期で点火が行われる。

ここで、前記のように、点火プラグ２３の電極部２３ａは中央側領域Ｒ１内に配置されている。従って、図３に示すように、点火エネルギーは中央側領域Ｒ１に形成された第１混合気Ｇ１に供給され、第１混合気Ｇ１が火炎伝播燃焼（ＳＩ燃焼）を開始する。そして、この火炎伝播燃焼によって燃焼室６内が昇温され、外周側領域Ｒ２に形成された第２混合気Ｇ２が圧縮自着火燃焼（ＣＩ燃焼）する。

このように、中負荷領域Ａ２では燃焼室６内が成層化されつつ点火アシストによる圧縮自着火燃焼が実施される。

図９は、中負荷領域Ａ２および高負荷領域Ａ３における、エンジン負荷と、各領域Ｒ１、Ｒ２の混合気の空燃比（点火時期における空燃比）との関係を示した図である。図９に示すように、中負荷領域Ａ２では、エンジン負荷によらず点火時期での外周側領域Ｒ２の混合気の空燃比ＡＦ＿Ｒ２が理論空燃比とされ、中央側領域Ｒ１の混合気の空燃比ＡＦ＿Ｒ１が、エンジン負荷によらず理論空燃比よりもリーンな所定の値（例えば２０程度）とされる。なお、このとき、負荷領域Ａ２では、第１燃料噴射Ｆ２１の噴射量と第２燃料噴射Ｆ２２の噴射量との比率はエンジン負荷によらずほぼ一定に維持される。

中負荷領域Ａ２でも、水噴射装置２４による水噴射は停止される。

（２−４）高負荷領域
高負荷領域Ａ３でも、中負荷領域Ａ２と同様に、燃焼室６内の混合気の成層化が行われるとともに、点火アシストによる予混合圧縮着火燃焼（ＳＩ＋ＣＩ燃焼）が実施される。

一方、高負荷領域Ａ３では、水噴射装置２４による水噴射が実施される。ただし、高負荷領域Ａ３のうちエンジン負荷が第３負荷（高負荷側基準負荷）Ｔｑ３未満の高負荷第１領域Ａ３＿１と、エンジン負荷が第３負荷Ｔｑ３以上の高負荷第２領域Ａ３＿２とでは、水噴射の噴射パターンが異なっている。

図１０、図１１は、それぞれ、高負荷第１領域Ａ３＿１、高負荷第２領域Ａ３＿２における、燃料および水の噴射パターンと、点火時期と、熱発生率とを概略的に示した図である。

まず、高負荷領域Ａ３全体での燃料噴射および点火制御について説明する。

図１０および図１１に示すように、高負荷領域Ａ３でも、中負荷領域Ａ２の第１燃料噴射Ｆ２１の噴射タイミングと第２燃料噴射Ｆ２２の噴射タイミングとほぼ同じタイミングで、第１燃料噴射Ｆ３１と第２燃料噴射Ｆ３２とが実施されて、中央側領域Ｒ１に比較的リーン（空燃比および空気過剰率が大きい）な混合気が形成され、外周側領域Ｒ２に中央側領域Ｒ１よりもリッチ（空燃比および空気過剰率が小さい）な混合気が形成される。また、高負荷領域Ａ３でも、中負荷領域Ａ２と同様に圧縮上死点付近で点火が行われる。

ここで、高負荷領域Ａ３では、燃焼室６内に供給せねばならない燃料の総量が中負荷領域Ａ２よりも増大する。そのため、燃焼室６内の混合気の空燃比をリッチにする必要がある。ここで、外周側領域Ｒ２の混合気の空燃比をリッチ（中負荷領域Ａ２よりもリッチ）にすると、外周側領域Ｒ２での圧縮自着火燃焼時に燃え残りが生じやすくなる。そこで、本実施形態では、中央側領域Ｒ１の混合気の空燃比をリッチ（中負荷領域Ａ２よりもリッチ）にする。

すなわち、高負荷領域Ａ３では、図９に示すように、中央側領域Ｒ１の混合気の空燃比ＡＦ＿Ｒ１（点火時期における空燃比）が、中負荷領域Ａ２での中央側領域Ｒ１の混合気の空燃比ＡＦ＿Ｒ１（点火時期における空燃比）よりもリッチにされる。ただし、高負荷領域Ａ３でも、中央側領域Ｒ１の混合気の空燃比ＡＦ＿Ｒ１（点火時期における空燃比）は理論空燃比よりもリーンに維持される。そして、外周側領域Ｒ２の混合気の空燃比ＡＦ＿Ｒ２（点火時期における空燃比）は理論空燃比とされる。

また、図９に示すように、高負荷領域Ａ３では、エンジン負荷が高くなるほど中央側領域Ｒ１の混合気の空燃比ＡＦ＿Ｒ１（点火時期における空燃比）がリッチにされる。例えば、図９の例では、エンジン負荷に比例して中央側領域Ｒ１の混合気の空燃比ＡＦ＿Ｒ１（点火時期における空燃比）が低減される。なお、これを実現するために、高負荷領域Ａ３では、第１燃料噴射Ｆ３１の噴射量の割合（１燃焼サイクルあたりに燃焼室６に供給される燃料量の総量に対する割合）がエンジン負荷が高くなるほど増大されて、第２燃料噴射Ｆ３２の噴射量の割合がエンジン負荷が高くなるほど低減される。

次に、水噴射の噴射パターンについて説明する。

高負荷第１領域Ａ３＿１では、点火時期において外周側領域Ｒ２にのみ噴射水が存在するように水が噴射される。

具体的には、高負荷第１領域Ａ３＿１では、第２燃料噴射Ｆ３２と同様に、すなわち、図８の（３）で示した第２燃料噴射Ｆ２２のように、水噴射装置２４から噴射された水がキャビティ１０の周縁部１０ｃと衝突して燃焼室６の天井面６ａ側に向かい、キャビティ１０の外周側すなわち外周側領域Ｒ２に導入されるようなタイミング（例えば、圧縮行程中期）で、１回だけ水噴射Ｗ１が行われ、これにより外周側領域Ｒ２にのみ噴射水が導入される。

図１２は、エンジン負荷と、中央側領域Ｒ１の噴射水の濃度（点火時期における噴射水の濃度）Ｃｗ＿Ｒ１および外周側領域Ｒ２の噴射水の濃度（点火時期における噴射水の濃度）Ｃｗ＿Ｒ２との関係を示したグラフである。この図１２に示すように、本実施形態では、高負荷第１領域Ａ３＿１では、外周側領域Ｒ２にのみ噴射水が存在するように制御され、この外周側領域Ｒ２の噴射水の濃度Ｃｗ＿Ｒ２はエンジン負荷が高くなるほど高くされる。

一方、高負荷第２領域Ａ３＿２では、点火時期において、中央側領域Ｒ１と外周側領域Ｒ２とに噴射水が存在し、かつ、中央側領域Ｒ１の噴射水の濃度よりも外周側領域Ｒ２の噴射水の濃度の方が高くなるように水が噴射される。

具体的には、まず、燃焼室６全体に噴射水が拡散するタイミングで第１水噴射Ｗ１１が行われ、その後、高負荷第１領域Ａ３＿１での水噴射と同様に噴射水がキャビティ１０の周縁部１０ｃに衝突して外周側領域Ｒ２にのみ導入されるタイミングで追加の第２水噴射Ｗ１２が行われる。例えば、図１１に示すように、圧縮行程中期の比較的早いタイミングで第１水噴射Ｗ１１が実施され、その後、圧縮行程の比較的遅いタイミングで第２水噴射Ｗ１２が実施される。これにより、第１水噴射Ｗ１１によって噴射水の濃度が比較的薄い混合気が中央側領域Ｒ１と外周側領域Ｒ２とに形成され、第２水噴射Ｗ１２によって外周側領域Ｒ２の噴射水の濃度が高められる。

図１２に示すように、本実施形態では、高負荷第２領域Ａ３＿２において、エンジン負荷が高くなるほど外周側領域Ｒ２の噴射水の濃度Ｃｗ＿Ｒ２および中央側領域Ｒ１の噴射水の濃度Ｃｗ＿Ｒ１はそれぞれ高くされる。これは、高負荷第２領域Ａ３＿２において、第１水噴射Ｗ１１および第２水噴射Ｗ１２の各噴射量がエンジン負荷が高くなるほど増大されることで実現される。

ここで、図１０および図１１では、各水噴射Ｗ１、Ｗ１１、Ｗ１２がそれぞれ第２燃料噴射Ｆ３２の後に実施される場合を示したが、水の噴射タイミングと燃料の噴射タイミングとは独立して設定することができ、高負荷第１領域Ａ３＿１の水噴射Ｗ１、高負荷第２領域Ａ３＿２の各水噴射Ｗ１１、Ｗ１２は、第２燃料噴射Ｆ３２よりも前に実施されてもよい。例えば、高負荷第２領域Ａ３＿２の第１水噴射Ｗ１１を、吸気行程中に行ってもよい。ただし、高負荷第１領域Ａ３＿１の水噴射Ｗ１と、高負荷第２領域Ａ３＿２の第２水噴射Ｗ１２は、より確実に外周側領域Ｒ２にのみ噴射水を存在させることができるように前記のように圧縮行程中期に実施する。

（３）作用等
以上のように、本実施形態では、全運転領域Ａ１〜Ａ３にて予混合圧縮着火燃焼が実現される。そのため、熱効率を高めることができる。

また、中負荷領域Ａ２および高負荷領域Ａ３において点火アシストを行っており、これら運転領域Ａ２、Ａ３において、点火時期を調整することで着火時期を適切な時期に制御することができ着火時期の制御性を高めることができる。

ここで、中負荷領域Ａ２および高負荷領域Ａ３では、燃焼室６に供給される燃料の総量が多くなり発熱量が多くなるため、燃焼騒音が増大しやすい。

これに対して、本実施形態では、これら運転領域Ａ２、Ａ３において、点火プラグ２３の電極部２３ａを含む中央側領域Ｒ１の混合気の空燃比ＡＦ＿Ｒ１を、外周側領域Ｒ２の混合気の空燃比ＡＦ＿Ｒ２よりもリーンにして点火アシストを行っている。

そのため、点火エネルギーを受けて中央側領域Ｒ１で生じる火炎伝播燃焼を緩慢にして燃焼室６内の温度が急激に上昇するのを抑制することができ、これに続く外周側領域Ｒ２での混合気の圧縮自着火燃焼が過剰に早期に開始されることを抑制できるとともに、この圧縮自着火燃焼を緩慢にすることができる。従って、燃焼に伴う筒内圧の急激な上昇を抑制して燃焼騒音を小さくすることができる。

特に、本実施形態では、中央側領域Ｒ１の混合気の空燃比ＡＦ＿Ｒ１を理論空燃比よりもリーンにしている。そのため、中央側領域Ｒ１での火炎伝播燃焼およびこれに続く圧縮自着火燃焼をより確実に緩慢にすることができる。

しかしながら、高負荷領域Ａ３では、エンジン負荷が高いために燃焼室６に供給せねばならない燃料の総量が増大するため、中央側領域Ｒ１の混合気の空燃比ＡＦ＿Ｒ１を中負荷領域Ａ２よりもリッチにする必要があり、前記制御のみでは燃焼騒音を十分に抑制できなくなる。

これに対して、高負荷領域Ａ３では、点火時期において外周側領域Ｒ２に噴射水が存在するように制御される。そのため、中央側領域Ｒ１の混合気の空燃比をリッチにして高いエンジン出力を実現しつつ、燃焼騒音を小さく抑えることができる。

図１３および図１４を用いて具体的に説明する。図１３は図３に対応する図であり、図１４は熱発生率を示した図である。

高負荷領域Ａ３において、仮に水噴射を実施せずに中央側領域Ｒ１の混合気の空燃比を単純にリッチにすると、点火プラグ２３周りで急激な火炎伝播燃焼（ＳＩ燃焼）が生じ、周辺の温度が急激に上昇する。そのため、この場合には、図１３に示すように、中央側領域Ｒ１の外周部分においても混合気が自着火してしまい、圧縮自着火燃焼（ＣＩ燃焼）が過剰に早期に開始することになる。また、この中央側領域Ｒ１の外周部分に存在する混合気と外周側領域Ｒ２に存在する混合気とからなる多くの混合気が短期間で圧縮自着火燃焼（ＣＩ燃焼）を行うことになる。従って、この場合には、図１４の破線に示すように、点火直後に燃焼室６全体の混合気が急激に燃焼し、筒内圧が急上昇して燃焼騒音が増大する。

これに対して、本実施形態では、点火時期において外周側領域Ｒ２に噴射水が存在しているため、外周側領域Ｒ２の混合気の比熱を大きくしてこの混合気の温度上昇を抑制できる。また、外周側領域Ｒ２に近接する中央側領域Ｒ１の外周部分の混合気の温度上昇も抑制できる。

そのため、点火プラグ２３周りで急激な火炎伝播燃焼（ＳＩ燃焼）が生じても、その周辺の温度が急上昇するのを抑制することができ、中央側領域Ｒ１の外周部分および外周側領域Ｒ２での過早着火を抑制できるとともに、外周側領域Ｒ２での混合気の燃焼を緩慢にすることができる。すなわち、図３に示したように、中央側領域Ｒ１のほぼ全体で火炎伝播燃焼（ＳＩ燃焼）を生じさせて燃焼室６内の温度を緩やかに上昇させ、外周側領域Ｒ２でのみ圧縮自着火燃焼（ＣＩ燃焼）を実現することができ、図１４の実線で示すように、圧縮着火燃焼に伴う熱発生率の立ち上がりを遅くかつ緩やかにすることができる。従って、燃焼騒音を小さくすることができる。

さらに、本実施形態では、高負荷領域Ａ３のうちエンジン負荷がより一層高く、中央側領域Ｒ１の混合気の空燃比をよりリッチにする必要がある高負荷第２領域Ａ３＿２では、中央側領域Ｒ１にも点火時期に噴射水を存在させている。そのため、点火プラグ２３周りでの火炎伝播燃焼自体を緩慢にすることができ、燃焼室６内の急激な温度上昇を効果的に抑制できる。そして、混合気の過早着火を防止して、燃焼騒音の増大を抑制できる。

（４）変形例
エンジン本体の幾何学的圧縮比は前記に限らない。ただし、中負荷領域Ａ２等において中央側領域Ｒ１の混合気の空燃比ＡＦ＿Ｒ１をリーンとしながら適切な火炎伝播燃焼を実現するため、また、混合気の圧縮自着火燃焼を確実に実現するために、幾何学的圧縮比は前記実施形態のように設定されるのが好ましい。

また、前記実施形態では、インジェクタ２２の噴射時期を変更することで、燃料を中央側領域Ｒ１と外周側領域Ｒ２とに偏在させた場合について説明したが、この偏在のための具体的な手段はこれに限らない。例えば、インジェクタ２２として、異なる領域に燃料を噴射可能なもの、例えば、異なる噴射角度で燃料を噴射することが可能なものを用いて、この噴射領域を変更することで燃料を偏在させてもよい。同様に、水噴射装置２４においても、噴射領域の変更等によって燃料を偏在させてもよい。

また、前記実施形態では、高負荷第２領域Ａ３＿２において、中央側領域Ｒ１に加えて外周側領域Ｒ２にも点火時期に噴射水を存在させた場合について説明したが、これに代えて、中央側領域Ｒ１に噴射水を存在させることなく、点火時期において外周側領域Ｒ２に存在する噴射水の濃度をより多くするようにしてもよい。ただし、この場合には、外周側領域Ｒ２での圧縮着火燃焼が過剰に緩慢となり燃焼が圧縮上死点後の遅い時期まで延びることになることでエンジン出力が出にくくなる。従って、前記のように、高負荷第２領域Ａ３＿２では、外周側領域Ｒ２に加えて中央側領域Ｒ１にも噴射水が存在するように制御するのが好ましい。

また、前記実施形態では、中負荷領域Ａ２および高負荷領域Ａ３において外周側領域Ｒ２の混合気の空燃比ＡＦ＿Ｒ２を理論空燃比とした場合について説明したが、この空燃比はこれに限らない。ただし、外周側領域Ｒ２の混合気の空燃比ＡＦ＿Ｒ２を理論空燃比とすれば、この混合気をより確実に圧縮自着火燃焼させることができるとともに圧縮自着火燃焼時の燃え残りを抑制して排気性能を良好にすることができる。

また、前記実施形態では、全運転領域においてＥＧＲバルブ４８を開弁してＥＧＲガスを吸気通路３０に還流させる場合について説明したが、一部の領域でのみＥＧＲガスを還流させてもよい。また、ＥＧＲ装置４６を省略してもよい。ただし、中負荷領域Ａ２および高負荷領域Ａ３においてＥＧＲガスを還流させれば、燃焼室６内の不活性ガスを多くして燃焼温度の急激な上昇およびこれに伴う燃焼騒音の増大をより確実に抑制できる。

１ エンジン本体
２ 気筒
６ 燃焼室
２２ インジェクタ（燃料噴射装置）
２３ 点火プラグ（点火装置）
２４ 水噴射装置
４０ 排気通路
４６ ＥＧＲ装置
１００ ＰＣＭ（制御手段）
Ａ２ 中負荷領域（低負荷側ＳＩ＋ＣＩ領域）
Ａ３ 高負荷領域（高負荷側ＳＩ＋ＣＩ領域）
Ｒ１ 中央側領域（第１領域）
Ｒ２ 外周側領域（第２領域）
Ｔｑ２ 第２負荷（基準負荷）
Ｔｑ３ 第３負荷（高負荷側基準負荷）

Claims (6)

1. 燃焼室が形成された気筒を有するエンジン本体を備え、所定の条件下において前記燃焼室内で燃料と空気の混合気を自着火させる予混合圧縮着火式エンジンであって、
   前記燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射装置と、
   前記燃焼室の中央を臨み前記燃焼室内の混合気を点火して当該混合気に点火エネルギーを付与する電極部を備えた点火装置と、
   前記燃焼室内に水を噴射して混合気に噴射水を供給する水噴射装置と、
   エンジン本体の少なくとも一部の運転領域で、前記燃焼室のうち前記点火装置の電極部を含む第１領域に形成された第１混合気が前記点火装置から付与された点火エネルギーを受けて燃焼し、その後、前記燃焼室のうち前記第１領域の外周側に位置する第２領域に形成された第２混合気が自着火するＳＩ＋ＣＩ燃焼が起きるように、前記点火装置、前記燃料噴射装置および前記水噴射装置を制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、前記ＳＩ＋ＣＩ燃焼の実行領域のうちエンジン負荷が予め設定された基準負荷未満の低負荷側ＳＩ＋ＣＩ領域では、前記点火装置の点火時期における前記第１混合気の空燃比が前記点火時期における前記第２混合気の空燃比よりもリーンかつ理論空燃比よりもリーンになるように前記燃料噴射装置を制御し、
   前記ＳＩ＋ＣＩ燃焼の実行領域のうちエンジン負荷が前記基準負荷以上の高負荷側ＳＩ＋ＣＩ領域では、前記点火時期における前記第１混合気の空燃比が前記点火時期における前記第２混合気の空燃比よりもリーンかつ前記低負荷側ＳＩ＋ＣＩ領域での運転時よりもリッチになるように前記燃料噴射装置を制御し、かつ、前記点火時期において前記第２領域に前記噴射水が存在するように前記水噴射装置を制御することを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。
2. 請求項１に記載の予混合圧縮着火式エンジンにおいて、
   前記制御手段は、
   前記高負荷側ＳＩ＋ＣＩ領域のうちエンジン負荷が予め設定された高負荷側基準負荷以上となる領域では、前記点火時期において前記第１領域と前記第２領域との両領域に前記噴射水が存在するように、かつ、前記第１領域における前記噴射水の濃度よりも前記第２領域における当該噴射水の濃度の方が高くなるように、前記水噴射装置を制御する一方、
   前記高負荷側ＳＩ＋ＣＩ領域のうちエンジン負荷が前記高負荷側基準負荷未満となる領域では、前記点火時期において前記第２領域にのみ前記噴射水が存在するように前記水噴射装置を制御することを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。
3. 請求項１または２に記載の予混合圧縮着火式エンジンにおいて、
   前記エンジン本体の幾何学的圧縮比は１６以上３５以下であることを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の予混合圧縮着火式エンジンにおいて、
   前記制御手段は、前記低負荷側ＳＩ＋ＣＩ領域では、前記点火時期における前記第２混合気の空燃比が理論空燃比となるように、前記燃料噴射装置を制御することを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の予混合圧縮着火式エンジンにおいて、
   前記制御手段は、前記高負荷側ＳＩ＋ＣＩ領域では、エンジン負荷が大きいほど前記点火時期における前記第１混合気の空燃比がリッチになるように前記燃料噴射装置を制御し、エンジン負荷が前記基準負荷となる運転条件では、前記点火時期における前記第１混合気の空燃比が理論空燃比よりもリーンとなるように前記燃料噴射装置を制御することを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の予混合圧縮着火式エンジンにおいて、
   エンジン本体に吸気を導入する吸気通路にエンジン本体から排出された排気を還流可能なＥＧＲ装置を備え、
   前記制御手段は、前記低負荷側ＳＩ＋ＣＩ領域および前記高負荷側ＳＩ＋ＣＩ領域でエンジン本体が運転されているときは、エンジン本体から排出された排気が前記吸気通路に還流するように前記ＥＧＲ装置を制御することを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。

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