JP2018172981A

JP2018172981A - 予混合圧縮着火式エンジンの制御装置

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Publication number: JP2018172981A
Application number: JP2017069672A
Authority: JP
Inventors: 太田　統之; Muneyuki Oota; 統之太田; 晰遥葛; Sekiyou Katsu
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2017-03-31
Filing date: 2017-03-31
Publication date: 2018-11-08
Anticipated expiration: 2037-03-31
Also published as: JP6631575B2

Abstract

【課題】排気性能が良好に維持され且つ冷却損失が少なく抑えられた予混合圧縮着火燃焼を幅広いエンジン負荷域で実現可能な圧縮着火式エンジンの制御装置を提供する。
【解決手段】エンジン負荷が第２基準負荷Ｔ２以上となる第１領域Ａ１＿ａでは、燃焼室１０の中央部分の方が外周部分よりも燃焼開始直前の燃料濃度が高くなるように圧縮行程後半に燃焼室１０内に燃料を噴射するとともに水噴射弁５７によって圧縮行程後半に燃焼室１０内に水を噴射させる一方、エンジン負荷が第２基準負荷Ｔ２未満の第２領域Ａ１＿ｂでは、燃焼室１０の中央部分の方が外周部分よりも燃焼開始直前の燃料濃度が高くなるように圧縮行程後半に燃焼室１０内に燃料を噴射する一方水噴射弁５７による水の噴射を停止する。
【選択図】図１４

Description

本発明は、燃料を空気と混合しつつ自着火させる予混合圧縮着火燃焼が可能なエンジンに関する。

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ため、および、燃焼温度を低く抑えることができ冷却損失を低減できるため、熱効率つまり燃費性能を高めることができる。

しかしながら、予混合圧縮着火燃焼においても、燃焼時には燃焼室の壁面を介して高温の燃焼ガスから外部に熱エネルギーが放出されることで比較的大きな冷却損失が生じる。そのため、燃費性能をさらに高めるべく、この冷却損失を低減することが望ましい。

これに対して、例えば、特許文献１には、燃焼室内に導入する吸気にオゾンを添加して燃焼室の中央付近に形成された混合気の燃焼速度を速くして、火炎が燃焼室の壁面に到達する前に燃焼を終了させるようにしたエンジンが開示されている。このエンジンによれば、燃焼室の壁面と高温の火炎とが接触してこの火炎から燃焼室の壁面を介して熱エネルギーが外部に放出されるのを抑制することができる。

特開２０１３−１９４７１２号公報

予混合圧縮着火燃焼は前記のように空気と燃料との混合気が自着火する燃焼である。そのため、特許文献１の装置を用いて混合気の燃焼速度を早くしても、混合気が燃焼室の壁面近傍に存在している状態では燃焼ガスと壁面との接触を十分に回避できない。

これに対して、混合気を燃焼室の壁面から離れた一部の領域に形成することが考えられるが、この場合には、エンジン負荷が高くなって燃焼室に供給される燃料の量が多くなると燃焼室の中央等の燃料濃度が過度に高くなる結果、ＣＯ、ＨＣやスート（煤）が増大して排気性能が悪化するおそれがある。

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、排気性能が良好に維持され且つ冷却損失が少なく抑えられた予混合圧縮着火燃焼を幅広いエンジン負荷域で実現可能な圧縮着火式エンジンの制御装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するためのものとして、本発明は、気筒に往復動可能に収容されたピストンと、気筒の壁面とピストンとにより画成された燃焼室にガソリンを含有する燃料を噴射する燃料噴射弁と、燃焼室に水を噴射する水噴射弁とを備え、前記燃料噴射弁から噴射された燃料を空気と混合しつつ自着火により燃焼させる予混合圧縮着火燃焼が可能なエンジンを制御する装置であって、前記燃料噴射弁からの燃料の噴射量および噴射タイミングを制御する燃料噴射制御部と、前記水噴射弁からの水の噴射量および噴射タイミングを制御する水噴射制御部とを備え、エンジン負荷が所定の第１基準負荷未満かつ第２基準負荷以上の第１領域でエンジンが運転されているとき、前記燃料噴射制御部および前記水噴射制御部は、前記燃焼室の中央部分の方が外周部分よりも燃焼開始直前の燃料濃度が高くなるように圧縮行程後半に前記燃料噴射弁から燃料を噴射させるとともに、圧縮行程後半に前記水噴射弁から水を噴射させ、エンジン負荷が前記第２基準負荷未満の第２領域でエンジンが運転されているとき、前記燃料噴射制御部および前記水噴射制御部は、前記燃焼室の中央部分の方が外周部分よりも燃焼開始直前の燃料濃度が高くなるように圧縮行程後半に前記燃料噴射弁から燃料を噴射させるとともに、前記水噴射弁からの水噴射を停止する、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジンの制御装置を提供する（請求項１）。

本発明によれば、エンジン負荷が第１基準負荷未満であって燃料噴射量が少ない領域において、圧縮行程の後半という燃焼が開始される時期に比較的近いタイミングで燃料噴射が実行されるので、噴射量が少なく燃料のペネトレーションが弱いこととの相乗効果により、燃料が自着火する前の時点で燃焼室の壁面まで飛翔する燃料の量を少なく抑えてこの壁面近傍の燃料濃度を少なくすることができる。従って、予混合圧縮着火燃焼を実施しながら、燃焼室の壁面近傍での燃焼ガスの生成を抑制することができ壁面を介して燃焼ガスから外部に放出されるエネルギーつまり冷却損失を効果的に低減できる。

ただし、このように燃焼室の壁面から離間するように燃料を偏在させると、エンジン負荷が高く燃料噴射量が多い運転条件では混合気が過剰にリッチ（燃料濃度が高い状態）になりＨＣ、ＣＯ、スートの発生量が増大するおそれがある。

これに対し、本発明では、エンジン負荷の高い第１領域において、圧縮行程後半に実施される水噴射によって、同じく圧縮行程後半に実施される燃料噴射により形成される混合気に水が供給されてこの水が気化し水蒸気になることで燃焼反応に寄与するＯＨラジカルが増加するので、当該ＯＨラジカルによる強力な酸化作用により、ＨＣ、ＣＯ、スート炭素（Ｃ）の酸化を促進してこれらのエンジン外部への排出を抑制することができる。従って、本発明によれば、エンジン負荷の高い領域においても排気性能を良好にし、且つ、冷却損失の低減が可能な予混合圧縮燃焼を実現することができる。つまり、本発明によれば、排気性能が良好でかつ冷却損失を効果的に低減できる予混合圧縮燃焼をエンジン負荷がより高い領域まで実現することが可能となる。

ここで、燃焼室に水を供給すれば水の気化潜熱によって燃焼室内の温度が低下して混合気が自着火しにくくなるおそれがある。これに対して、本発明では、エンジン負荷が低いことに伴って特に燃焼室の温度が低くなる第２領域において水噴射を停止している。そのため、第２領域でも適正な予混合圧縮着火燃焼を実現することができる。

前記構成において、エンジンに吸入される吸気を過給可能な過給機を備え、前記第１領域での運転時、前記過給機による過給が行われるのが好ましい（請求項２）。

この構成によれば、過給によって燃焼室内により多くの空気が導入されることで第１領域において未燃ＨＣ等の生成をさらに低減することができる。

前記構成において、前記第１領域での運転時、前記水噴射制御部は、圧縮行程後半且つ前記燃料噴射制御弁による燃料噴射の終了後に前記水噴射弁から水を噴射させるのが好ましい（請求項３）。

この構成によれば、圧縮上死点に近く筒内圧（燃焼室内の圧力）が高いために噴霧の飛翔距離が短く抑えられるタイミングで水が噴射される。そのため、燃料よりも気化しにくくペネトレーションが高くなりやすい水の拡散領域が、燃料の拡散領域に対して過度に広くなるのを抑制でき、燃料とＯＨラジカルとの接触および反応を促進できる。

前記構成において、前記水噴射弁の噴射圧を変更可能な水噴射圧変更装置を備え、前記第１領域での運転時、前記水噴射制御部は、エンジン回転数が高い方が前記水噴射弁の噴射圧が高くなるように前記水噴射圧変更装置を制御するのが好ましい（請求項４）。

この構成によれば、水の噴射量を所定量確保しながらエンジン回転数の増大に伴って水噴射の噴射期間（クランク角における期間）が過剰に長くなるのを回避できる。従って、エンジン回転数の大小によらず、水噴射の噴射開始時期と水噴射の終了時期とを適切な時期に維持することができる。つまり、水噴射の開始時期が早くなること伴って水の拡散領域が広がるのを抑制することができるとともに、水噴射の終了時期が遅くなることに伴って噴射された水が燃焼開始までに気化し、水蒸気となる時間が短くなるのを抑制できる。そして、これにより、エンジン回転数の大小によらず、燃料とＯＨラジカルとの接触および反応を促進できる。

前記構成において、前記第１領域での運転時、前記燃料噴射制御部は、前記燃料噴射弁から噴射された燃料が前記キャビティの外周縁を指向するように燃料を噴射する第１噴射と、当該第１噴射の終了後に燃料を噴射する第２噴射と、当該第２噴射が終了してから圧縮上死点までの間に燃料を噴射する第３噴射とが、前記混合気の燃焼が開始する前に実施され、且つ、前記第２噴射の噴射期間が、前記第１噴射の噴射期間および第３噴射の噴射期間よりも長くなるように、前記燃料噴射弁を制御するのが好ましい（請求項５）。

このようにすれば、前記のように構成された第１噴射と第２噴射と第３噴射とを実施するという簡単な構成で、燃焼室の外周部分、中央部分、上部といった互いに異なる空間にそれぞれ各噴射により供給された燃料を偏在させることができる。従って、第１領域において、噴射に係る燃料噴霧が燃焼室の壁面に付着するのを抑制しながら燃焼室内に燃料濃度が過度にリッチな混合気が形成されるのを抑制することができる。

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、排気性能を良好にしつつ冷却損失を小さくすることのできる予混合圧縮着火燃焼を幅広いエンジン負荷域で実現することができる。

本発明の一実施形態にかかる予混合圧縮着火式エンジンの全体構成を示す図である。エンジン本体の概略断面図である。燃料噴射弁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。エンジンの運転領域を示す図である。低負荷領域における燃料および水の噴射パターンと熱発生率とを示した図である。第１燃料噴射の燃料噴霧の様子を模式的に示した図である。エンジン負荷と、第１、第２、第３燃料噴射の各噴射タイミングとの関係を示した図である。第１燃料噴射終了後の燃焼室内の様子を模式的に示した図である。第２燃料噴射実施時の燃焼室内の様子を模式的に示した図である。第２燃料噴射の燃料噴霧が偏在している様子を模式的に示した図である。第３燃料噴射終了後の燃焼室内の燃料噴霧の様子を模式的に示した図である。第１領域におけるエンジン回転数と水噴射の噴射圧との関係を示したグラフである。低負荷領域における、水噴射圧、噴射水の量、平均Ａ／Ｆ、水の噴射タイミングと、エンジン負荷との関係を示したグラフである。

（１）エンジンの全体構成
図１および図２は、本発明の制御装置が適用された予混合圧縮着火式エンジン（以下、単にエンジンともいう）の好ましい実施形態を示す図である。本図に示されるエンジンは、走行用の動力源として車両に搭載された４サイクルのガソリンエンジンであり、列状に並ぶ４つの気筒２を含む直列多気筒型のエンジン本体１と、エンジン本体１に導入される吸気が流通する吸気通路２０と、エンジン本体１から排出される排気が流通する排気通路３０と、排気通路３０を流通する排気の一部を吸気通路２０に還流するＥＧＲ装置４０と、排気通路３０を流通する排気から取り出した水をエンジン本体１の各気筒２に供給する水供給システム５０と、排気のエネルギーを利用して吸気を過給する過給機７０とを備えている。

エンジン本体１は、図２に示すように、気筒２が内部に形成されたシリンダブロック３と、気筒２を上から塞ぐようにシリンダブロック３の上面に取り付けられたシリンダヘッド４と、各気筒２にそれぞれ往復動可能に収容されたピストン５とを有している。

ピストン５の上方には燃焼室１０が画成されている。燃焼室１０には、後述する燃料噴射弁１１から噴射される燃料（ガソリンを主成分とする燃料）が供給される。そして、供給された燃料が燃焼室１０で燃焼し、その燃焼による膨張力で押し下げられたピストン５が上下方向に往復運動するようになっている。

ピストン５の下方には、エンジン本体１の出力軸であるクランク軸１５が配設されている。クランク軸１５は、ピストン５とコネクティングロッド１４を介して連結され、ピストン５の往復運動に応じて中心軸回りに回転する。シリンダブロック３には、クランク軸１５の回転角度（クランク角）およびエンジン回転数（エンジンエンジン回転数）を検出するクランク角センサＳＮ１が設けられている。

ピストン５の冠面（上面）５ｂには、その中央部をシリンダヘッド４とは反対側（下方）に凹ませたキャビティ５ａが形成されている。キャビティ５ａは、ピストン５が上死点まで上昇したときの燃焼室１０の大部分を占める容積を有するように形成されている。

シリンダヘッド４には、図外の燃料ポンプから供給されるガソリンを主成分とする燃料を各気筒２の燃焼室１０に噴射する燃料噴射弁１１が、気筒２ごとに１つずつ（合計４つ）設けられている。各燃料噴射弁１１は、その軸心が気筒２の中心軸とほぼ一致する姿勢でシリンダヘッド４に取り付けられている。なお、図１に示すように、燃料噴射弁１１の上方には、前記燃料ポンプから供給された燃料を蓄圧状態で貯留する燃料レール１６が設けられている。この燃料レール１６に貯留された燃料は、燃料噴射弁１１と同数の（４つの）分配管１７を通じて各燃料噴射弁１１に供給される。

図３は、燃料噴射弁１１の概略断面図である。図３に示すように、燃料噴射弁１１は、先端（燃焼室１０側の端部）にノズル口１１ｂが形成された燃料管１１ｃと、燃料管１１ｃの内側に配設されてノズル口１１ｂを開閉する外開き弁１１ａとを有する。燃料噴射弁１１の先端部つまりノズル口１１ｂは、ピストン５が圧縮上死点にあるときに当該ピストン５のキャビティ５ａを臨むような位置に配置されている。

外開き弁１１ａは、印加された電圧に応じて変形するピエゾ素子１１ｄに接続されている。外開き弁１１ａは、ピエゾ素子１１ｄに電圧が印加されていない状態でノズル口１１ｂと当接してノズル口１１ｂを閉弁し、ピエゾ素子１１ｄが電圧の印加に伴って変形することで、ノズル口１１ｂから先端側に突き出してノズル口１１ｂを開弁する。

ノズル口１１ｂおよび外開き弁１１ａのうちノズル口１１ｂと当接する部分は、先端側ほど径が大きくなるテーパ状を有しており、ノズル口１１ｂからは、ノズル口１１ｂの中心軸すなわち気筒２のほぼ中心軸を中心として、燃料が放射状（コーン状、詳しくはホローコーン状）に噴射される。例えば、このコーンのテーパ角は９０°〜１００°（ホローコーンにおける内側の中空部のテーパ角は７０°程度）となっている。

外開き弁１１ａの開弁期間およびリフト量（リフト量は、外開き弁１１ａの閉弁位置からの突出量でありノズル口１１ｂの開口量である）は、ピエゾ素子１１ｄへの電圧の印加期間および電圧の大きさに応じて変化する。

シリンダヘッド４には、さらに燃焼室１０内に形成された燃料と空気の混合気を点火するための点火プラグ８１が取り付けられている。点火プラグ８１は、その先端が、燃料噴射弁１１の側方であって後述する吸気弁８と排気弁９との間に位置するように配置されている。本実施形態では、燃料としてガソリンを用いた場合に一般的に採用される火花点火燃焼（混合気を火花点火により強制着火させる燃焼）ではなく、燃料と空気との混合気をピストン５による圧縮に伴い自着火させるＨＣＣＩ燃焼（予混合圧縮着火燃焼）がエンジンの全ての運転領域において実行されるようになっている。このため、本実施形態のエンジンでは基本的に点火プラグは不要であるが、例えばエンジンが冷間始動された直後のような自着火が困難な状況下においてＨＣＣＩ燃焼に代えて火花点火燃焼を実行したり、あるいは暖機後であってもＨＣＣＩ燃焼の促進のためにいわゆるスパークアシストを実行することがあり、そのような目的のために点火プラグ８１が設けられている。

前記のようなＨＣＣＩ燃焼を可能にするために、本実施形態のエンジンでは、火花点火燃焼が採用される一般的なガソリンエンジンと比べて、各気筒２の圧縮比が高めに設定されている。具体的に、本実施形態では、各気筒２の幾何学的圧縮比、つまり、ピストン５が上死点にあるときの燃焼室１０の容積とピストン５が下死点にあるときの燃焼室１０の容積との比が、１６以上３５以下、より好ましくは１８以上３０以下（例えば２５程度）に設定されている。

図２に示すように、シリンダヘッド４には、気筒２ごとに、吸気通路２０から供給される空気を燃焼室１０に導入するための吸気ポート６と、燃焼室１０で生成された排気を排気通路３０に導出するための排気ポート７と、吸気ポート６の燃焼室１０側の開口を開閉する吸気弁８と、排気ポート７の燃焼室１０側の開口を開閉する排気弁９とがそれぞれ設けられている。

図１に示すように、吸気通路２０は、単管状の共通吸気管２２と、共通吸気管２２の下流端から枝分かれするように形成された吸気マニホールド２１とを有している。吸気マニホールド２１の各枝管は、各気筒２の燃焼室１０と吸気ポート６を介して連通するようにエンジン本体１（シリンダヘッド４）に接続されており、共通吸気管２２の下流端部は、吸気マニホールド２１の枝管の集合部（各枝管の上流端どうしが集合した部分）に接続されている。なお、本明細書において、吸気通路２０における上流（または下流）とは、吸気通路２０を流通する吸気の流れ方向の上流（または下流）のことをいう。

共通吸気管２２には、吸気中に含まれる異物を除去するエアクリーナ２５と、共通吸気管２２を流通する吸気の流量を調整する開閉可能なスロットル弁２７とが、上流側からこの順に設けられている。共通吸気管２２におけるスロットル弁２７よりも下流側には、共通吸気管２２を流通する吸気の流量を検出するエアフローセンサＳＮ２が設けられている。

なお、本実施形態のエンジンでは全ての運転領域でＨＣＣＩ燃焼が実行されるため、スロットル弁２７は、減速運転時やエンジン停止時等を除いて、基本的に全開相当の開度に維持される。

共通吸気管２２には、スロットル弁２７よりも下流側の部分に、過給機７０を構成するコンプレッサ７１が設けられている。コンプレッサ７１は後述するタービン７２により駆動されて共通吸気管２２を流通する空気を過給する。

排気通路３０は、単管状の共通排気管３２と、共通排気管３２の上流端から枝分かれするように形成された排気マニホールド３１とを有している。排気マニホールド３１の各枝管は、各気筒２の燃焼室１０と排気ポート７を介して連通するようにエンジン本体１（シリンダヘッド４）に接続されており、共通排気管３２の上流端部は、排気マニホールド３１の枝管の集合部（各枝管の下流端どうしが集合した部分）に接続されている。なお、本明細書において、排気通路３０における上流（または下流）とは、排気通路３０を流通する排気の流れ方向の上流（または下流）のことをいう。

共通排気管３２には、タービン７２、触媒装置３５、熱交換器５４、およびコンデンサ５１が、上流側からこの順に設けられている。

タービン７２は、排気のエネルギーを受けてコンプレッサ７１を回転駆動するものであり、コンプレッサ７１と連結された状態で共通排気管３２に設けられている。共通排気管３２には、タービン７２をバイパスするバイパス通路７３およびバイパス通路７３を開閉するウエストゲートバルブ７４が設けられている。ウエストゲートバルブ７４の閉弁時、エンジンから排出された排気はタービン７２に流入してコンプレッサ７１を回転させる。一方、ウエストゲートバルブ７４の開弁時は、排気は主としてバイパス通路７３に流入し、タービン７２を迂回する。

触媒装置３５は、排気中に含まれる有害成分を浄化するためのものであり、三元触媒、酸化触媒を含む。触媒装置３５は、ＮＯｘ触媒を内蔵してもよい。また、このような触媒に加えて、排気中に含まれるＰＭを捕集するためのフィルターが含まれていてもよい。

コンデンサ５１は、排気中に含まれる水蒸気を凝縮させるものであり、熱交換器５４は、コンデンサ５１で生成された凝縮水を昇温させるものである。これら熱交換器５４およびコンデンサ５１は、水供給システム５０の一部を構成する要素である（詳細は後述する）。

ＥＧＲ装置４０は、共通排気管３２と共通吸気管２２とを連通するＥＧＲ通路４１と、ＥＧＲ通路４１に設けられたＥＧＲ弁４２およびＥＧＲクーラ４３とを有している。

ＥＧＲ通路４１は、共通排気管３２におけるタービン７２よりも上流側の部分と、共通吸気管２２におけるコンプレッサ７１よりも下流側の部分とを接続している。ＥＧＲ弁４２は、ＥＧＲ通路４１を通じて共通排気管３２から共通吸気管２２に還流される排気（ＥＧＲガス）の流量を調整するための開閉弁である。ＥＧＲクーラ４３は、ＥＧＲ通路４１を流通するＥＧＲガスを所定の冷媒（例えばエンジンの冷却水）との熱交換により冷却する熱交換器である。

（２）水供給システムの具体的構成
図１に示すように、水供給システム５０は、上述したコンデンサ５１および熱交換器５４と、コンデンサ５１で生成された凝縮水を貯留する水タンク５２と、水タンク５２に貯留された凝縮水を熱交換器５４に向けて圧送する送水ポンプ５３と、熱交換器５４で昇温された水を加圧する高圧ポンプ５８と、熱交換器５４で加熱され且つ高圧ポンプ５８で加圧された高温・高圧の水を保温しつつ蓄圧状態で貯留する蓄圧レール５６と、蓄圧レール５６に貯留された水を各気筒２の燃焼室１０に供給するために気筒２ごとに１つずつ（合計４つ）設けられた水噴射弁５７と、コンデンサ５１と水タンク５２とを接続する第１水配管６１と、水タンク５２と熱交換器５４とを接続する第２水配管６２と、熱交換器５４と蓄圧レール５６とを接続する第３水配管６３と、蓄圧レール５６と各水噴射弁５７とを接続する複数の（４つの）分配管６４とを有している。

コンデンサ５１は、共通排気管３２を流通する排気中に含まれる水蒸気を凝縮させるための熱交換器であり、所定の冷媒（例えばエンジンの冷却水）との熱交換により排気を冷却することで、当該排気中に含まれる水蒸気を凝縮させる。コンデンサ５１で生成された凝縮水は、第１水配管６１を通じて下流側に流出し、水タンク５２内に貯留される。

送水ポンプ５３は、第２水配管６２の途中部に設けられており、水タンク５２に貯留された水を熱交換器５４に圧送する。

熱交換器５４は、送水ポンプ５３から供給された水を、コンデンサ５１に流入する前の排気との熱交換により加熱するように設けられている。詳細な図示は省略するが、熱交換器５４は、共通排気管３２のうち触媒装置３５とコンデンサ５１との間に位置する部分に挿入された小径且つ長尺形状の細管５４ａと、この細管５４ａが挿入される部分の共通排気管３２を覆うように設けられた保温ケース５４ｂとを有している。

高圧ポンプ５８は第３水配管６３と蓄圧レール５６とを連結する部分に設けられている。高圧ポンプ５８は、熱交換器５４において昇温された水を加圧して蓄圧レール５６に導入する。

熱交換器５４で加熱され且つ高圧ポンプ５８により加圧された水は、第３水配管６３を通じて下流側に送り出され、蓄圧レール５６に貯留される。蓄圧レール５６には、内部の水の圧力を検出する水圧センサＳＮ３が設けられている。

蓄圧レール５６に貯留された水は、前記のような熱交換器５４による加熱と高圧ポンプ５８による加圧とを経て、その温度／圧力が１００℃以上／２０ＭＰａ以上にまで高められている。圧力が２０ＭＰａ以上と高いため、１００℃以上に加熱されても水は沸騰せず、液体の状態を維持している。

このような状態で蓄圧レール５６に貯留された水は、必要時に水噴射弁５７を通じて各気筒２の燃焼室１０に噴射される。ここで、水噴射弁５７の噴射圧は蓄圧レール５６に貯留された水の圧力と同じである。従って、水噴射弁５７からは、１００℃以上の温度と２０ＭＰ以上の圧力とを有した高温・高圧の液体である。

水噴射弁５７は、蓄圧レール５６に貯留された水を燃焼室１０内に噴射する。水噴射弁５７は、気筒２の中心軸に対しやや傾いた姿勢で、燃料噴射弁１１と隣接するように設けられている。水噴射弁５７は、ピストン５のキャビティ５ａをやや斜め上方から臨むように燃焼室１０の天井面中央付近において燃焼室１０に露出する先端部を有し、当該先端部に設けられた複数の噴孔（図示省略）を通じて放射状に水を噴射することが可能である。

（３）エンジンの制御系統
図４は、エンジンの制御系統を示すブロック図である。本図に示されるＰＣＭ（パワートレイン・コントロール・モジュール、制御部）１００は、エンジンを統括的に制御するためのマイクロプロセッサであり、周知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成されている。

ＰＣＭ１００には各種センサによる検出信号が入力される。例えば、ＰＣＭ１００は、上述したクランク角センサＳＮ１、エアフローセンサＳＮ２、および水圧センサＳＮ３と電気的に接続されており、これらのセンサによって検出された情報（つまりクランク角、筒内圧力、吸気流量、水圧等）が電気信号としてＰＣＭ１００に逐次入力されるようになっている。

また、車両には、当該車両を運転するドライバーにより操作されるアクセルペダル（図示省略）の開度を検出するアクセルセンサＳＮ４が設けられており、このアクセルセンサＳＮ４による検出信号もＰＣＭ１００に入力される。

ＰＣＭ１００は、前記各センサからの入力信号に基づいて種々の判定や演算等を実行しつつエンジンの各部を制御する。すなわち、ＰＣＭ１００は、燃料噴射弁１１、スロットル弁２７、ＥＧＲ弁４２、送水ポンプ５３、水噴射弁５７、およびウエストゲートバルブ７４等と電気的に接続されており、演算結果等に基づいてこれらの機器にそれぞれ制御用の信号を出力する。

前記制御に関する機能的要素として、ＰＣＭ１００は、燃料噴射制御部１０１と、水噴射制御部１０２と、ＥＧＲ制御部１０３と、過給圧制御部１０４とを含んでいる。

燃料噴射制御部１０１は、クランク角センサＳＮ１により検出されるエンジンエンジン回転数と、アクセルセンサＳＮ４の検出値（アクセル開度）から特定されるエンジン負荷（要求トルク）と、エアフローセンサＳＮ２により検出される吸気流量とに基づいて、燃料噴射弁１１からの燃料の噴射量および燃料噴射のタイミングを決定し、その決定に従って燃料噴射弁１１を制御する。

水噴射制御部１０２は、エンジン負荷およびエンジン回転数等に基づいて水噴射弁５７からの水の噴射量および水の噴射タイミングを決定し、その決定に従って水噴射弁５７を制御する。また、水噴射制御部１０２は、エンジン負荷およびエンジン回転数等に基づいて水噴射弁５７の噴射圧（以下、適宜、噴射水圧という）を決定し、その決定に従って高圧ポンプ５８を制御する。例えば、水噴射制御部１０２は、水圧センサＳＮ３により検出される蓄圧レール５６の内部圧力（蓄圧レール５６内に貯留されている水の圧力）に基づいて高圧ポンプ５８を駆動する。

ＥＧＲ制御部１０３は、燃焼室１０内の全ガス量に占めるＥＧＲガスの割合であるＥＧＲ率の目標値（目標ＥＧＲ率）を前記エンジン負荷およびエンジン回転数等に基づいて決定し、その目標ＥＧＲ率に対応した量のＥＧＲガスが気筒２に導入されるようにＥＧＲ弁４２を制御する。なお、目標ＥＧＲ率としては、適正なＨＣＣＩ燃焼が達成されるようなＥＧＲ率がエンジンの運転条件ごとに予め定められている。

（４）運転条件に応じた制御
次に、ＰＣＭ１００により実施される制御内容について説明する。

図５は、横軸をエンジン回転数、縦軸をエンジン負荷とした制御マップであり、本実施形態では、燃料噴射弁１１の制御の相違により、エンジンの運転領域が、エンジン負荷が予め設定された第１基準負荷Ｔ１未満の低負荷領域Ａ１と、エンジン負荷が第１基準負荷Ｔ１以上の中負荷領域Ａ２とに大別されている。また、水噴射弁５７の制御の相違により、低負荷領域Ａ１が、エンジン負荷が第１基準負荷Ｔ１より小さい値に予め設定された第２基準負荷Ｔ２未満の第２領域Ａ１＿ｂと、第２基準負荷Ｔ２以上の第１領域Ａ１＿ａとに分けられている。本発明は、低負荷領域Ａ１での制御を特徴とするものであり、以下では、低負荷領域Ａ１での制御内容について説明する。

（４−１）低負荷領域全体の制御
低負荷領域Ａ１全体で実施される制御について説明する。

低負荷領域Ａ１では、混合気の発熱量が小さく燃焼温度が比較的低いために燃焼により生成されるＮＯｘ（いわゆるＲａｗＮＯｘ）が少なく抑えられる。そのため、この領域Ａ２では、三元触媒３５によりＮＯｘを浄化させる必要がなく、空燃比を三元触媒によるＮＯｘ浄化が可能な理論空燃比にする必要がない。そこで、中負荷領域Ａ２では、混合気の空燃比がリーンすなわち空気過剰率λ＞１とされる。

本実施形態では、低負荷領域Ａ１において過給を行うことで混合気の空燃比を十分にリーンに（燃料濃度を小さく）する。つまり、低負荷領域Ａ１では、過給圧制御部１０４は、ウエストゲートバルブ７４を開弁する。これにより、排気はタービン７２に流入し、コンプレッサ７１が駆動されて過給が行われる。

また、低負荷領域Ａ１では、ＥＧＲガスが気筒２内に還流される。すなわち、ＥＧＲバルブ５２が開弁されて、排気通路３０内の排ガスの一部がＥＧＲガスとして吸気通路２０に還流される。

また、低負荷領域Ａ１では、圧縮行程の後半（圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）９０°ＣＡ〜圧縮上死点（ＴＤＣ）まで）に燃料噴射弁１１によって燃焼室１０内に燃料が噴射される。これは、燃焼室１０の中央部分に燃料を偏在させて冷却損失を小さく抑えるためである。

具体的に、圧縮行程の後半に燃料噴射を行えば、燃料が噴射されてから燃料が自着火するまでの時間を短く抑えて燃料の拡散を抑制することができる。また、圧縮行程の後半は筒内圧（燃焼室１０内の圧力）が高いため、燃料のペネトレーションを弱くすることができ、これによっても燃料の拡散を抑制することができる。従って、前記のように圧縮行程の後半に燃料噴射を実施すれば、燃料を燃焼室１０の中央部分に偏在させて燃焼室１０の壁面近傍の燃料濃度を小さくすることができる。そして、これにより、燃焼室１０の壁面近傍での燃焼ガスの量を少なく抑えて、燃焼ガスから壁面を介して外部に放出される熱エネルギーを小さくすることができる。つまり、燃焼室１０の壁面に燃料濃度が小さいあるいは燃料を含まないガス層を形成することができ冷却損失を小さくできる。

さらに、本実施形態では、低負荷領域Ａ１において、前記のように燃料濃度が小さいガス層を燃焼室１０の壁面付近に形成しながら、燃料濃度が過度に高い領域が燃焼室１０内に形成されないように次のような噴射パターンで燃料噴射を行う。

（噴射パターンの詳細）
図６は、低負荷領域Ａ１における燃料噴射パターン、後述する水噴射パターン、熱発生率を示した図である。図６に示すように、低負荷領域Ａ１において、本実施形態では、圧縮行程後半に燃料噴射弁１１からすべての燃料（１燃焼サイクルで噴射される総燃料量）が３回に分けて噴射される。これら燃料は空気と混合し、前記のように、圧縮上死点付近において自着火する。

図７は、最初に実施される第１燃料噴射Ｑ１の燃料噴霧Ｆ１の様子を模式的に示した図である。図７に示すように、第１燃料噴射Ｑ１は、第１燃料噴射Ｑ１により噴射された燃料の噴霧Ｆ１（以下、適宜、第１燃料噴霧Ｆ１という）がキャビティ５ａの外周縁５ｄを指向するタイミングで実施される。つまり、第１燃料噴霧Ｆ１の噴霧軸（噴霧の飛翔方向に延びる噴霧の中心軸）Ｌ１上にキャビティ５ａの外周縁５ｄが位置するタイミングで、第１燃料噴射Ｑ１は実施される。本実施形態では、第１燃料噴射Ｑ１の開始時点において第１燃料噴霧Ｆ１の噴霧軸Ｌ１上にキャビティ５ａの外周縁５ｄが位置するように、第１燃料噴射Ｑ１が実施される。なお、第１燃料噴射Ｑ１の噴射タイミグは、第１燃料噴霧Ｆ１の噴霧軸Ｌ１上にキャビティ５ａの外周縁５ｄが位置するタイミングが第１燃料噴射Ｑ１の実施期間に含まれるように設定されればよく、第１燃料噴射Ｑ１の噴射終了時点で第１燃料噴霧Ｆ１の噴霧軸Ｌ１上にキャビティ５ａの外周縁５ｄが位置するように設定されてもよい。さらに、前記タイミングは、第１燃料噴霧Ｆ１の噴霧軸Ｌ１上に厳密にキャビティ５ａの外周縁５ｄが位置するように設定される必要はなく、キャビティ５ａの外周縁５ｄ付近が第１燃料噴霧Ｆ１の噴霧軸Ｌ１上に位置すればよい。例えば、第１燃料噴射Ｑ１は、圧縮上死点前４０°ＣＡ〜圧縮上死点前７０°ＣＡの間に開始される。

図６に示すように、第２燃料噴射Ｑ２は、第１燃料噴射Ｑ１の終了後所定のインターバルｔｉｎｔ１をあけて開始される。例えば、第２燃料噴射Ｑ２は第１燃料噴射Ｑ１が終了してから１０°ＣＡ程度後に開始される。

第２燃料噴射Ｑ２の噴射期間ｄｔ２は第１燃料噴射Ｑ１の噴射期間ｄｔ１よりも長く、第２燃料噴射Ｑ２の燃料噴射量Ｑｍ２は第１燃料噴射Ｑ１の燃料噴射量Ｑｍ１よりも多くなっている。

第３燃料噴射Ｑ３は、第２燃料噴射Ｑ２の終了後所定のインターバルｔｉｎｔ２をあけて開始される。例えば、第３燃料噴射Ｑ３は、第２燃料噴射Ｑ２が終了してから１０°ＣＡ程度後に開始される。

第３燃料噴射Ｑ３の噴射期間ｄｔ３は第２燃料噴射Ｑ２の噴射期間ｄｔ２よりも短く設定されており、第３燃料噴射Ｑ３の燃料噴射量Ｑｍ３は第２燃料噴射Ｑ２の燃料噴射量Ｑｍ２よりも少なくなっている。

さらに、第３燃料噴射Ｑ３の噴射期間ｄｔ３は第１燃料噴射の噴射期間ｄｔ１以下に設定されている。つまり、各燃料噴射Ｑ１、Ｑ２，Ｑ３の噴射期間および燃料噴射量の関係は、第３燃料噴射Ｑ３の噴射期間ｄｔ３≦第１燃料噴射Ｑ１の噴射期間ｄｔ１＜第２燃料噴射Ｑ２の噴射期間ｄｔ２、および、第３燃料噴射Ｑ３の燃料噴射量Ｑｍ３≦第１燃料噴射Ｑ１の燃料噴射量Ｑｍ１＜第２燃料噴射Ｑ２の燃料噴射量Ｑｍ２となっている。本実施形態では、第１燃料噴射Ｑ１の燃料噴射量Ｑｍ１、第２燃料噴射Ｑ２の燃料噴射量Ｑｍ２、第３燃料噴射Ｑ３の燃料噴射量Ｑｍ３の比率は、この順で、３：５：２に設定されている。

このように、低負荷領域Ａ１では、各燃料噴射Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３が前記の関係を満たしつつ、各燃料噴射Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３の燃料噴射量Ｑｍ１、Ｑｍ２、Ｑｍ３を合わせた総燃料噴射量がアクセル開度等から求められるエンジン負荷の要求値に対応した燃料量とされる。

ここで、エンジン負荷が増加すると総燃料噴射量も増加する。これに対応して各燃料噴射Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３の燃料噴射量Ｑｍ１、Ｑｍ２、Ｑｍ３および噴射期間ｄｔ１、ｄｔ２、ｄｔ３は、前記比率が維持されるように総燃料噴射量に比例して増大される。一方、各燃料噴射Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３の噴射タイミングは、図８に示すように変更される。図８は、横軸をエンジン負荷とし縦軸に燃料噴射タイミングを示した図であって、各燃料噴射Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３の噴射開始時期ＳＯＩと噴射終了時期ＥＯＩとを示している。

図８に示すように、各燃料噴射Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３において、それぞれ、エンジン負荷が高くなるほどその噴射開始時期ＳＯＩ１、ＳＯＩ２、ＳＯＩ３が進角され、且つ、その噴射終了時期ＥＯＩ１、ＥＯＩ２、ＥＯＩ３が遅角されて、各噴射期間ｄｔ１、ｄｔ２、ｄｔ３および燃料噴射量Ｑｍ１、Ｑｍ２、Ｑｍ３は大きくされる。

ただし、第１燃料噴射Ｑ１では、エンジン負荷の増大に対する噴射開始時期ＳＯＩ１の進角量は、エンジン負荷の増大に対する噴射終了時期ＥＯＩ１の遅角量よりも大きくされる。一方、第２燃料噴射Ｑ２では、エンジン負荷の増大に対する噴射開始時期ＳＯＩ２の進角量はと噴射終了時期ＥＯＩ２の遅角量とはほぼ同等とされる。そして、第３燃料噴射Ｑ３では、エンジン負荷の増大に対する噴射開始時期ＳＯＩ３の進角量が、エンジン負荷の増大に対する噴射終了時期ＥＯＩ３の遅角量よりも小さくされる。

このように、本実施形態では、エンジン負荷が増大しても第１燃料噴射Ｑ１の噴射終了時期ＥＯＩ１の遅角量が比較的小さくされ、第３燃料噴射Ｑ３の噴射開始時期ＳＯＩ３の進角量が比較的小さくされ、第２燃料噴射Ｑ２の噴射開始時期ＳＯＩ２および噴射終了時期ＥＯＩ２が同程度に進角および遅角されることで、エンジン負荷の大小によらず各燃料噴射Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３のインターバルｔｉｎｔ１、ｔｉｎｔ２、ｔｉｎｔ３は長く確保される。

次に、以上の噴射パターンの作用について説明する。

図９は、燃焼室１０内における第１燃料噴霧Ｆ１の様子を模式的に示した図である。第１燃料噴射Ｑ１の燃料噴霧Ｆ１は、噴射直後は破線で示すようにノズル口１１ｂから下方および外周側に移動する。しかしながら、ピストン５の上昇に伴ってピストン冠面５ｂ付近には上昇流Ｕ１が生じている。そのため、第１燃料噴射Ｑ１の燃料噴霧Ｆ１は、この上昇流Ｕ１の影響を受けて図１０の鎖線に示すように燃焼室１０の外周側に向かおうとする。しかし、圧縮上死点に近づくと、今度は、燃焼室１０内にその外周部分のいわゆるスキッシュエリア（ピストン冠面５ｂのうちキャビティ５ａよりも外周側の部分と燃焼室１０の天井面とに挟まれた領域）１０ａからキャビティ５ａ側に向かういわゆるスキッシュ流Ｕ２が発生する。そのため、外周側に向かいつつあった第１燃料噴射Ｑ１の燃料噴霧Ｆ１は、このスキッシュ流Ｕ２によって内周側に押されてキャビティ５ａの内側且つキャビティ５ａの外周部分に導入される。このようにして、第１燃料噴霧Ｆ１の多くは燃焼室１０の外周部分に偏在することになる。

また、第１燃料噴射Ｑ１の燃料噴射量は少なく、そのペネトレーションは小さい。そのため、第１燃料噴射Ｑ１は比較的早期であって筒内圧が比較的低い状態で実施されるが、１燃料噴射Ｑ１の燃料噴霧Ｆ１の飛翔距離は短く抑えられ、この燃料噴霧Ｆ１の燃焼室１０の壁面への付着は抑制される。

第２燃料噴射Ｑ２は、その実施時においてピストン５がある程度上昇していることで、その燃料噴霧Ｆ２はキャビティ５ａ内に向かう。しかしながら、キャビティ５ａの外周部分には第１燃料噴霧Ｆ１が既に偏在しているため、この外周部分にさらに燃料噴霧Ｆ２が供給されるとこの部分の燃料濃度が高くなるとともに、第１燃料噴射Ｑ１の燃料噴霧Ｆ１が第２燃料噴射Ｑ２の燃料噴霧Ｆ２によって外周側および下側に押されて燃焼室１０の壁面に付着するおそれがある。

これに対して、第２燃料噴射Ｑ２の燃料噴射量Ｑｍ２が多くさえて燃料噴霧Ｆ２のペネトレーションおよび速度が高められている。そのため、図１０に示すように、第２燃料噴射Ｑ２の燃料噴霧Ｆ２で囲まれた部分（ホローコーンの内側部分）Ｘに高い負圧を生成させることができ、第２燃料噴射Ｑ２の燃料噴霧Ｆ２を、燃焼室１０の中央側に引き寄せて、図１１に示すように第１燃料噴霧Ｆ１が存在する領域とは異なる領域、具体的には、燃焼室１０の中央部分に偏在させることができる。そのため、第２燃料噴射Ｑ２の燃料噴霧Ｆ２によって燃料濃度の高い混合気が形成されるのを抑制できる。

ここで、ペネトレーションを高くすれば第２燃料噴射Ｑ２の燃料噴霧Ｆ２とピストン冠面５ｂとは接触しやすくなる。しかしながら、第２燃料噴射Ｑ２の燃料噴霧Ｆ２は、キャビティ５ａが形成された燃焼室１０の中央部分であって燃料噴射弁１１のノズル口１１ｂからピストン冠面５ｂ（キャビティ５ａの底面）までの距離が長く確保された部分に向かう。そのため、燃料噴霧Ｆ２の多くをピストン冠面５ｂから離間させることができ、これらの接触を抑制することができる。

このように、本実施形態では、第２燃料噴射Ｑ２の燃料噴霧Ｆ２が燃焼室１０の中央部分に偏在することになる。また、第２燃料噴射Ｑ２によって燃焼室１０の壁面１０ａ近傍に燃料濃度の高い混合気が形成されるのが、抑制される。

次に、第３燃料噴射Ｑ３を実施するが、前記の第１燃料噴射Ｑ１と第２燃料噴射Ｑ２との関係と同様に、第３燃料噴射Ｑ３の燃料噴霧Ｆ３のペネトレーションが高いと第２燃料噴射Ｑ２の燃料噴霧Ｆ２をピストン冠面５ｂに向かって押し出してしまうおそれがある。

これに対して、本実施形態では、第３燃料噴射Ｑ３の噴射期間ｄｔ３および燃料噴射量Ｑｍ３が、第２燃料噴射Ｑ２の噴射期間ｄｔ２および燃料噴射量Ｑｍ２、さらには、第１燃料噴射Ｑ１の噴射期間ｄｔ１および燃料噴射量Ｑｍ１よりも小さくされている。そのため、第３燃料噴射Ｑ３の燃料噴霧Ｆ３のペネトレーションを小さく抑えることができる。特に、第３燃料噴射Ｑ３は、圧縮上死点に近く筒内圧が高いタイミングで実施されるので、第３燃料噴射Ｑ３のペネトレーションは十分に小さくされる。従って、第３燃料噴射Ｑ３の燃料噴霧Ｆ３と第２燃料噴射Ｑ２の燃料噴霧Ｆ２との干渉を抑制することができ、第２燃料噴霧Ｆ２がピストン冠面５ｂに向かって押し出されるのを抑制できる。また、ペネトレーションが小さいことに伴い、第３燃料噴射Ｑ３の燃料噴霧Ｆ３は、図１２に示すように燃焼室１０の上部に滞留することになる。

また、前記のように第３燃料噴射Ｑ３の燃料噴射量Ｑｍ３が小さく抑えられていることで、本実施形態では、第３燃料噴射Ｑ３を圧縮上死点近傍で実施しながらその燃料噴霧Ｆ３を混合気の燃焼開始までに確実に気化させて適切に燃焼させることができる。

このように、本実施形態では、前記の噴射パターンで燃料を噴射することで、低負荷領域Ａ１にて、燃焼室１０の壁面付近に燃料濃度の小さいガス層を形成し、且つ、図１２に示すように、第１燃料噴射Ｑ１、第２燃料噴射Ｑ２、第３燃料噴射Ｑ３に係る燃料噴霧Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３をそれぞれ異なる領域に偏在させて、局所的に燃料濃度が高い混合気が形成されるのを抑制できる。そして、この局所的に燃料濃度が高い混合気が形成されることに伴って未燃のＨＣ、ＣＯ，スートが多量に生成されるのを抑制できる。

（４−２）第１領域の水噴射の制御
前記の噴射制御を行えば、低負荷領域Ａ１において、基本的には、燃焼室１０の壁面付近に燃料濃度の小さいガス層を形成し、さらに、燃焼室１０内に局所的に燃料濃度が高い領域が形成されるのを抑制できる。しかしながら、エンジン負荷が高く燃焼室１０に供給される燃料の総量が多いとやはり局所的に燃料濃度が高くなりやすい。そして、酸素不足によって未燃のＨＣ、ＣＯ、スートの排出量が増大しやすい。

これに対して、本発明者らは、燃焼室１０内に水を噴射すれば多くのＯＨラジカルを生成でき、排気行程が開始するまでの間にこのＯＨラジカルによってＨＣ、ＣＯ、スートを酸化させてＨ_２Ｏ、ＣＯ_２とし、ＨＣ、ＣＯ、スートの排出を効果的に低減できることを突き止めた。具体的には、燃焼室１０にＯＨラジカルが存在すれば、燃焼中にＨＣ、ＣＯ、スートが生成されるのを抑制できるとともに、燃焼によって生成されたＨＣ、ＣＯを燃焼後（膨張行程中）に酸化することができ、これらの排出を抑制できる。

そこで、本実施形態では、低負荷領域Ａ１のうちエンジン負荷が高い第１領域Ａ１＿ａにおいて水噴射を実施する。つまり、水噴射弁５７から燃焼室１０内に水を噴射する。

ここで、前記のように、本実施形態では混合気は主としてキャビティ５ａの内側（燃焼室１０の中央部分）に形成される。そのため、混合気の燃焼開始時期に対して過剰に早期に水噴射を実施すると、水が燃焼室１０全体に拡散してしまいＯＨラジカルを混合気ひいては未燃のＨＣ等に効果的に作用させることができない。そこで、本実施形態では、図６に示すように、圧縮行程後半に水噴射Ｗを実施する。

また、水は燃料に比べて気化しにくいためペネトレーションが高くなって拡散しやすい。そこで、本実施形態では、水の拡散範囲が、混合気（混合気から生成される燃焼ガス）の存在範囲に対して過剰に広くならないように、燃料噴射の終了後つまり第３燃料噴射Ｑ３の終了後に水噴射を実施して、水ひいてはＯＨラジカルと燃焼ガス（ＨＣ等）との反応を促進する。

また、第１領域Ａ１＿ａにおいて、水噴射の噴射圧である水噴射圧は図１３に示すようにエンジン回転数が高いほど高くされる。具体的には、エンジン回転数と水噴射圧の目標値との関係が予め設定されてマップ等でＰＣＭ１００（水噴射制御部１０４）に記憶されており、ＰＣＭ１００はエンジン回転数に応じてこの目標値を抽出し、水圧センサＳＮ３で検出された蓄圧レール５６の圧力に基づいて前記目標値が実現されるように高圧ポンプ５８を駆動する。

エンジン回転数に対してこのように水噴射圧を制御するのは、エンジン回転数の大小によらず噴射水の総量を所定量確保しながら水噴射の終了時期を同程度に抑えて、水が気化に要する時間を確保するためである。つまり、エンジン回転数が高くなるほど１クランク角あたりの時間は短くなるため、エンジン回転数が高い運転条件では噴射水の総量を所定量確保するためにエンジン回転数が低い運転条件に比べて噴射水の噴射期間を長くするか水噴射圧を高める必要がある。しかし、前記のように、噴射水の噴射開始時期を早くすると水の拡散範囲が広がってしまう。また、噴射水の噴射終了時期を遅くすると水噴射が終了してから燃焼が開始するまでの間に水が気化する時間が確保できないおそれがある。そこで、本実施形態では、前記のようにエンジン回転数が高いほど水噴射圧を高め、これにより、噴射水の噴射開始時期と終了時期とをエンジン回転数によらずに同程度として、噴射水の総量を確保しながら水の拡散範囲を小さく抑え且つ水の気化時期を確保する。水の噴射圧は、例えば、２０〜５０ＭＰａ程度の範囲で変更される。

なお、本実施形態では前記のように排気を利用して噴射水を昇温しているため、エンジン回転数が高くなると排気の温度が高くなるのに伴って噴射水の温度も高くなる。そして、噴射水の温度が高くなれば噴射後の水の気化時間も短縮される。ただし、排気の温度が上昇してから噴射水の温度が上昇するまでには比較的長い時間がかかる。そのため、本実施形態では、前記のように噴射水の圧力を変更することで水の気化時間を確保する。

一方、図１４に示すように、第１領域Ａ１＿ａでは、エンジン負荷に応じて水噴射圧は一定に維持される。図１４は、低負荷領域Ａ１における、水噴射圧、噴射水の量、平均Ａ／Ｆ（燃焼室１０内に存在する空気の総量を燃焼室１０内に存在する燃料の総量でわった値）、水の噴射タイミングと、エンジン負荷との関係を示したグラフである。

図１４に示すように、第１領域Ａ１＿ａでは、エンジン負荷が増大するほど噴射水の量を増大させる。これは、燃料量の増大ひいては未燃ＨＣ等の増大に合わせてＯＨラジカルを増大させるためである。

また、第１領域Ａ１＿ａでは、エンジン負荷が増大するほど水の噴射開始時期を進角側にして、水の噴射期間を長くする。これは、エンジン負荷によらず水噴射の終了時期をほぼ同じとして水の分解時間を確保しながら噴射水の量をエンジン負荷に応じて多くするためである。

ここで、図１４に示すように、第２領域Ａ１＿ｂと第１領域Ａ１＿ａとを含む低負荷領域Ａ１全体において、エンジン負荷が高くなって燃料噴射量が増大するのに伴って平均空燃比は小さくなり（平均空気過剰率λは大きくなり）、本実施形態では、第１領域Ａ１＿ａと第２領域Ａ１＿ｂとを区画する第２基準負荷Ｔ２における平均空気過剰率λは２．５程度となる。換言すると、本実施形態では、平均空気過剰率λが２．５未満となると局所的に燃料濃度が高い領域（例えば、空燃比で２．０以上の領域）が形成されることに伴い水噴射を実施する。

（４−３）第２領域の水噴射の制御
第１領域Ａ１＿ａとは異なり第２領域Ａ１＿ｂではエンジン負荷が小さく燃焼室１０に供給される燃料の総量が小さいため未燃のＨＣ等が生成および排出されにくい。従って水噴射を実施する必要性は小さい。また、水噴射を実施すると水の気化潜熱によって燃焼室１０の温度が低下するため、エンジン負荷が小さく混合気が自着火しにくい第２領域Ａ１＿ｂにおいて水噴射を実施すると混合気の適正な自着火が困難になるおそれがある。

そこで、第２領域Ａ１＿ｂでは、水噴射は停止する。つまり、水噴射弁５７の駆動を停止する。

（５）作用効果
以上説明したとおり、本実施形態では、低負荷領域Ａ１において、圧縮行程の後半という混合気が自着火するまでの時間が短く且つ燃料のペネトレーションを弱くすることができるタイミングで燃料を噴射することで、燃焼室１０の壁面まで飛翔する燃料の量を少なく抑えてこの壁面近傍の燃料濃度を少なくすることができる。従って、燃焼ガスから燃焼室１０の壁面を通じて外部に放出される熱エネルギーを少なく抑えて、冷却損失を効果的に低減することができる。

また、本実施形態では、前記のような分割噴射を行うことで、燃焼室の壁面近傍の燃料濃度を少なくしつつ燃焼室内に局所的にリッチ（燃料濃度が高い）な混合気が形成されるのを抑制することができる。従って、ＨＣ，ＣＯ，スート等の生成が少なく抑えられた予混合圧縮燃焼を実現できる。

ただし、前記説明したように、このような燃料噴射を行ってもエンジン負荷が高く燃料噴射量が多い運転条件では局所的なリッチ化を十分に抑えることができない。これに対して、本実施形態では、低負荷領域Ａ１のうちエンジン負荷の高い第１領域Ａ１＿ａにおいて水噴射を実施しており、これによって、燃焼室１０内に多くのＯＨラジカルを生成し、このＯＨラジカルの強い酸化力によってＨＣ、ＣＯ、スートを酸化してＨ_２ＯおよびＣＯ_２にすることができる。従って、エンジン負荷が高い第１領域Ａ１＿ａにおいても、エンジンから排出されるＨＣ、ＣＯ、スートの量を少なく抑えることができる。

特に、本実施形態では、燃料噴射の終了後に水噴射を行っている。そのため、効果的に噴射水およびＯＨラジカルを混合気に供給することができＯＨラジカルとＨＣ等との反応を促進できる。

また、本実施形態では、第１領域Ａ１＿ａで過給が行われている。そのため、燃焼室１０内により多くの空気を導入して、これによっても局所的なリッチ化を抑制することができ、未燃ＨＣ等の生成をさらに低減できる。

そして、このようにエンジン負荷が高くても水噴射によってＨＣ、ＣＯ，スートの量を少なく抑えられることで、本実施形態では、エンジン負荷のより高い領域まで冷却損失を低減しながら排気性能が良好な予混合圧縮燃焼を実現することができる。

しかも、本実施形態では、エンジン負荷が低く混合気が比較的自着火し難い第２領域Ａ１＿ｂでは、水噴射を停止している。そのため、第２領域Ａ１＿ｂにおいては、噴射水の気化潜熱によって燃焼室１０内の温度が低下するのを回避することができ、混合気を適切に自着火させることができる。従って、低負荷領域Ａ１全体で適切な予混合圧縮着火燃焼を実現することができる。

（６）変形例
前記実施形態では、第１領域Ａ１＿ａにて過給を行った場合について説明したが、第１領域Ａ１＿ａでの過給は停止してもよい。つまり、本実施形態では、水噴射の実施によって第１領域Ａ１＿ａにおいて未燃のＨＣ等の排出を抑制することができるため、過給によってエンジンの背圧が高くなることに伴うポンピングロスが過給によって得られる冷却損失低減効果を上回る場合には、過給を停止する、あるいは、過給力を弱めるようにしてもよい。

また、前記実施形態では、第１領域Ａ１＿ａにおいて前記のような分割噴射を行った場合について説明したが、圧縮行程後半に燃料噴射が実施されればよくその具体的な噴射パターンはこれに限らない。

また、前記実施形態では第１領域Ａ１＿ａにおいて、において燃料噴射の後に水噴射を行った場合について説明したが、燃料噴射の前に水噴射を行ってもよい。例えば、水噴射弁５７が燃焼室１０の側面に設けられるいわゆるサイド噴射式の場合には、キャビティ５ａの内側に水を供給するためには比較的早期に水噴射を実施する必要がある。そのため、このような場合には燃料噴射の前に水噴射を行ってもよい。ただし、前記のように、燃料噴射の後に水噴射を行えば、噴射水およびＯＨラジカルと混合気との反応を促進できる。

また、前記実施形態では、ガソリンと空気との混合気を圧縮して自着火させるＨＣＣＩ燃焼が全ての運転領域で実行されるガソリンエンジンに本発明を適用した例について説明したが、本発明が適用可能なエンジンはこのようなエンジンに限られない。例えば、低負荷領域Ａ１を含む一部の運転領域でＨＣＣＩ燃焼が実行され且つ残りの運転領域で火花点火燃焼が実行されるガソリンエンジンや、ガソリン以外の副成分（アルコール等）が含有された燃料をＨＣＣＩ燃焼させるエンジンにも本発明を適用可能である。

また、燃焼室１０に噴射される水は、３７４．２°以上／２２．１２Ｍｐａ以上の超臨界水あるいはこれに温度・圧力が近い亜臨界水であってもよい。

また、前記実施形態では、排気に含まれる水を噴射水として利用した場合について説明したが、これに限らず別途外部から水を供給してこれを貯留し、この貯留された水を燃焼室１０に噴射してもよい。

２気筒
５ピストン
１０燃焼室
１１燃料噴射弁
５７水噴射弁
６０過給機
１０１燃料噴射制御部
１０２水噴射制御部
Ａ１＿ａ第１領域
Ａ１＿ｂ第２領域

Claims

気筒に往復動可能に収容されたピストンと、気筒の壁面とピストンとにより画成された燃焼室にガソリンを含有する燃料を噴射する燃料噴射弁と、燃焼室に水を噴射する水噴射弁とを備え、前記燃料噴射弁から噴射された燃料を空気と混合しつつ自着火により燃焼させる予混合圧縮着火燃焼が可能なエンジンを制御する装置であって、
前記燃料噴射弁からの燃料の噴射量および噴射タイミングを制御する燃料噴射制御部と、
前記水噴射弁からの水の噴射量および噴射タイミングを制御する水噴射制御部を備え、
エンジン負荷が所定の第１基準負荷未満かつ第２基準負荷以上の第１領域でエンジンが運転されているとき、前記燃料噴射制御部および前記水噴射制御部は、前記燃焼室の中央部分の方が外周部分よりも燃焼開始直前の燃料濃度が高くなるように圧縮行程後半に前記燃料噴射弁から燃料を噴射させるとともに、圧縮行程後半に前記水噴射弁から水を噴射させ、
エンジン負荷が前記第２基準負荷未満の第２領域でエンジンが運転されているとき、前記燃料噴射制御部および前記水噴射制御部は、前記燃焼室の中央部分の方が外周部分よりも燃焼開始直前の燃料濃度が高くなるように圧縮行程後半に前記燃料噴射弁から燃料を噴射させるとともに、前記水噴射弁からの水噴射を停止する、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジンの制御装置。
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、
エンジンに吸入される吸気を過給可能な過給機を備え、
前記第１領域での運転時、前記過給機による過給が行われる、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジンの制御装置。
請求項１または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、
前記第１領域での運転時、前記水噴射制御部は、圧縮行程後半且つ前記燃料噴射制御弁による燃料噴射の終了後に前記水噴射弁から水を噴射させる、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジンの制御装置。
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の制御装置において、
前記水噴射弁の噴射圧を変更可能な水噴射圧変更装置を備え、
前記第１領域での運転時、前記水噴射制御部は、エンジン回転数が高い方が前記水噴射弁の噴射圧が高くなるように前記水噴射圧変更装置を制御する、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジンの制御装置。
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の制御装置において、
前記第１領域での運転時、前記燃料噴射制御部は、前記燃料噴射弁から噴射された燃料が前記キャビティの外周縁を指向するように燃料を噴射する第１噴射と、当該第１噴射の終了後に燃料を噴射する第２噴射と、当該第２噴射が終了してから圧縮上死点までの間に燃料を噴射する第３噴射とが、前記混合気の燃焼が開始する前に実施され、且つ、前記第２噴射の噴射期間が、前記第１噴射の噴射期間および第３噴射の噴射期間よりも長くなるように、前記燃料噴射弁を制御する、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジンの制御装置。