JP2019105226A - 予混合圧縮着火式エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】予混合圧縮着火式エンジンにおいて後期重心型の熱発生パターンの燃焼を実現させることにより、燃焼騒音の低減及び異常燃焼の抑制を図る。【解決手段】予混合圧縮着火式エンジンは、気筒２及びピストン５で区画され、前記燃料と空気との混合気を自着火により燃焼させることが可能な燃焼室６と、燃焼室６内に燃料を噴射するインジェクタ１４と、燃焼室６内に水を噴射する水噴射装置１７と、水噴射装置１７の動作を制御する水噴射制御部１０２とを備える。水噴射制御部１０２は、インジェクタ１４による燃料噴射の後、前記混合気の低温酸化反応の開始以前から高温酸化反応の開始前の間のタイミングにおいて、燃焼室６のうち、当該燃焼室６の径方向Ｂの外周部ＲＥを除いた中央側の第１領域Ｒ１に水を噴射させる。【選択図】図７

Description

本発明は、ガソリンを含む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を行うエンジンに関する。

予混合圧縮着火燃焼を行うエンジンにおいては、当該エンジンが高負荷、高回転になるほど、急峻に燃焼圧が上昇し燃焼期間が過度に短期間となる過早燃焼（急激な熱発生）が生じる傾向がある。この過早燃焼が生じると、燃焼騒音が大きくなる、異常燃焼が生じるといった不具合が生じる。この不具合を防止するには、燃焼初期は比較的緩慢に、燃焼後期は比較的急速に燃焼させることによって燃焼期間を適度に延ばし、後期重心型の熱発生パターンとすることが望ましい。

燃焼初期において比較的緩慢な燃焼を実現する手法として、圧縮行程で燃焼室内に水を噴射し、混合気を冷却することが考えられる。例えば特許文献１には、膨張仕事を増大させて熱効率を高める目的ではあるが、燃焼室内に水を噴射することが開示されている。

特開２００８−１７５０７８号公報

しかしながら、単に燃焼室内に水を噴射するという手法を採用するだけでは、予混合圧縮着火燃焼を行うエンジンにおいて、上述の過早燃焼を適切に抑制することはできない。すなわち、燃焼室内において水噴射を行う領域、並びに水噴射のタイミングを適正化しないと、上述の後期重心型の熱発生パターンを得ることはできない。

本発明の目的は、予混合圧縮着火式エンジンにおいて、後期重心型の熱発生パターンの燃焼を実現させることにより、燃焼騒音の低減及び異常燃焼の抑制を図ることにある。

本発明の一局面に係る予混合圧縮着火式エンジンは、少なくともガソリンを含む燃料を用いる予混合圧縮着火式エンジンであって、気筒及びピストンで区画され、前記燃料と空気との混合気を自着火により燃焼させることが可能な燃焼室と、前記燃焼室内に前記燃料を噴射する燃料噴射弁と、前記燃焼室内に水を噴射する水噴射装置と、前記水噴射装置の動作を制御する水噴射制御部と、を備え、前記水噴射制御部は、前記燃料噴射弁による燃料噴射の後、前記混合気の低温酸化反応の開始以前から高温酸化反応の開始前の間のタイミングにおいて、前記燃焼室のうち、当該燃焼室の径方向の外周部を除いた中央側の第１領域に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燃焼形式である自着火燃焼では、混合気が加温されると、まず、冷却損失を上回るわずかな発熱を伴う低温酸化反応が生じる。次に、この反応熱によって混合気がさらに温められることで、高い熱エネルギーを発する高温酸化反応が生じ、自着火に至る。つまり、自着火の前提として低温酸化反応が必要とされる。上記の予混合圧縮着火式エンジンによれば、水の噴射によって前記第１領域が冷却され、当該第１領域における混合気の低温酸化反応の開始を遅延させる、或いは低温酸化反応自体が抑制されるようになる。燃焼室の径方向の外周部は、気筒の内周壁（ライナー）にて冷却されることで本来的には温度が低い領域であるが、当該外周部には水が噴射されないため、相対的に高温になる。

このため、燃焼室の径方向の外周部だけで混合気の低温酸化反応が進行し、燃焼室において当該外周部で最初に自着火が生じるようになる。このとき、前記第１領域では燃焼が起きていないので、燃焼初期は緩慢な燃焼となる。その後、前記自着火の燃焼熱によって自着火が燃焼室の径方向内側へ連鎖的に進行してゆく。燃焼室の径方向中央領域は高温化し易いことから、やがて前記中央領域の各所において急激に自着火燃焼が発生する。つまり、燃焼後期は急速な燃焼となる。これにより後期重心型の熱発生パターンの燃焼を実現させることができる。

上記の予混合圧縮着火式エンジンにおいて、前記水噴射制御部は、エンジン負荷が所定値以上の高負荷となる運転領域において、前記第１領域へ水噴射を実行させることが望ましい。

予混合圧縮着火式エンジンでは、高負荷運転時に上述の過早燃焼が生じ易い。上記の予混合圧縮着火式エンジンによれば、高負荷運転領域において前記第１領域へ水噴射が実行されるので、高負荷運転時の過早燃焼を防止することができる。

上記の予混合圧縮着火式エンジンにおいて、前記ピストンが圧縮上死点にあるときの前記燃焼室内の温度を推定する温度推定手段をさらに備え、前記水噴射制御部は、前記温度推定手段が所定の第１温度以上の高温を推定している場合に、前記第１領域へ水噴射を実行させることが望ましい。

ピストンが圧縮上死点にあるときの燃焼室内の温度（以下、「圧縮端温度」という）が所定温度以上の高温である場合、本来的に温度が高い燃焼室の径方向の中央側領域（第１領域）において急峻な自着火燃焼が生じ易い。従って、圧縮端温度が所定の第１温度以上の高温になることが推定されている場合に、前記第１領域へ水噴射を実行させて冷却することにより、急峻な燃焼を抑制することができる。

この場合、前記水噴射制御部は、前記温度推定手段が前記第１温度に対して低温の第２温度を推定している場合に、前記燃焼室のうち、当該燃焼室の径方向の中央部を除いた外周側の第２領域に水を噴射させることが望ましい。

圧縮端温度が所定温度以下の低温である場合、上述の第１領域における急峻な自着火燃焼が生じ難くなる。このような場合、本来的に低温である燃焼室の径方向外周部を無理に自着火の開始エリアとするのではなく、本来的に高温である径方向中央部を自着火の開始エリアとすることが望ましい。上記の予混合圧縮着火式エンジンによれば、燃焼室の径方向の中央部を除いた第２領域に水噴射を実行させて冷却するので、前記径方向中央部において最初に自着火が生じる。一方、前記第２領域は冷却されているので当該領域では急峻な自着火燃焼は生じず、前記径方向中央部での前記自着火の燃焼熱によって自着火が燃焼室の径方向外側へ連鎖的に進行してゆく。このため、燃焼初期は緩慢な燃焼となる。やがて燃焼室内は高温化し、径方向外周側の各所において急激に自着火燃焼が発生する。つまり、燃焼後期は急速な燃焼となる。これにより後期重心型の熱発生パターンの燃焼を実現させることができる。

上記の予混合圧縮着火式エンジンにおいて、前記燃焼室から排気を排出するための排気通路をさらに備え、前記水噴射装置には、前記排気通路を通過する排気中の凝縮水が供給されることが望ましい。

この予混合圧縮着火式エンジンによれば、水噴射装置に供給する水を排気通路から調達することができる。従って、ユーザーが補給する形式の水タンク等を備えた水供給系統の設置を不要とすることができる。

本発明によれば、予混合圧縮着火式エンジンにおいて、後期重心型の熱発生パターンの燃焼を実現させることにより、燃焼騒音の低減及び異常燃焼の抑制を図ることができる。

図１は、本発明に係る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の概略図である。 図２は、エンジン本体の気筒軸方向に沿った概略断面図である。 図３は、ピストン冠面の平面図である。 図４は、水噴射装置の概略的な断面図である。 図５は、前記予混合圧縮着火エンジンの制御構成を示すブロック図である。 図６は、エンジン負荷及び回転数と水噴射モードとの関係を説明するためのグラフである。 図７（Ａ）は、燃焼室の第１領域に水噴射が実行されていることを示す燃焼室の平面図、図７（Ｂ）はその気筒軸方向の断面図である。 図８（Ａ）は、燃焼室の第２領域に水噴射が実行されていることを示す燃焼室の平面図、図８（Ｂ）はその気筒軸方向の断面図である。 図９は、燃焼室の温度上昇と、燃料噴射及び水噴射のタイミングとの関係を示すタイムチャートである。 図１０（Ａ）は、第１領域に水噴射が実行された場合の火炎伝播的燃焼の態様を、図１０（Ｂ）は、第２領域に水噴射が実行された場合の火炎伝播的燃焼の態様を各々示す平面図である。 図１１（Ａ）は、水噴射の実行例を示すタイムチャート、図１１（Ｂ）は、前記水噴射により噴射された水の燃焼室内における状態を示す断面図である。及び（Ｂ）は、本実施形態における水噴射と火炎伝播の態様を示す図である。 図１２は、本実施形態における水噴射制御例を示すフローチャートである。 図１３は、比較例及び本実施形態の燃焼室における熱発生率を示すグラフである。 図１４は、水噴射制御の変形例を示す模式図である。

［エンジンの全体構成］
以下、図面に基づいて、本発明の実施形態に係る予混合圧縮着火式エンジンを詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る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概略構成図である。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２０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３０と、排気通路３０を通過する排気の一部をＥＧＲガスとして吸気通路２０に還流するＥＧＲ装置４０と、排気通路３０を通過する排気から水を回収してエンジン本体１に水を供給する水供給装置ＷＡとを備える。

図２は、エンジン本体１の気筒軸方向Ａに沿った概略断面図である。エンジン本体１は、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。図２では、４つの気筒２のうちの１つのみを示している。前記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予混合圧縮着火式エンジンである。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。

エンジン本体１は、シリンダブロック３、シリンダヘッド４及びピストン５を備える。シリンダブロック３は、上述の４つの気筒を形成するシリンダライナを有する。シリンダヘッド４は、シリンダブロック３の上面に取り付けられ、気筒２の上部開口を塞いでいる。ピストン５は、各気筒２に往復摺動可能に収容されており、コネクティングロッド８を介してクランク軸７と連結されている。ピストン５の往復運動に応じて、クランク軸７はその中心軸回りに回転する。

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、前記燃料と空気との混合気を自着火により燃焼させることが可能な燃焼室である。シリンダヘッド４には、燃焼室６と連通する吸気ポート９及び排気ポート１０が形成されている。シリンダヘッド４の底面は燃焼室天井面６Ｕであり、この燃焼室天井面６Ｕは、上向きに僅かに凸の傾斜面を有するペントルーフ型の形状を有している。燃焼室天井面６Ｕには、吸気ポート９の下流端である吸気側開口と、排気ポート１０の上流端である排気側開口とが形成されている。シリンダヘッド４には、前記吸気側開口を開閉する吸気バルブ１１と、前記排気側開口を開閉する排気バルブ１２とが組み付けられている。

吸気バルブ１１及び排気バルブ１２は、いわゆるポペットバルブである。吸気バルブ１１は、吸気ポート９の開口を開閉する傘状の弁体と、この弁体から垂直に延びるステムとを含む。同様に、排気バルブ１２は、排気ポート１０の開口を開閉する傘状の弁体と、この弁体から垂直に延びるステムとを含む。吸気バルブ１１及び排気バルブ１２の前記弁体の各々は、燃焼室６に臨むバルブ面を有する。

燃焼室６の底面は、ピストン５の冠面５０によって区画されている。図３は、冠面５０の平面図である。冠面５０には、キャビティ５Ｃが凹設されている。キャビティ５Ｃは、上面視で略円形の形状を有し、燃焼室６の径方向Ｂにおいて冠面５０の中央領域に、下方に凹没するように形成されている。キャビティ５Ｃの径方向Ｂの外側であって、吸気ポート９が配置されている側（吸気側）及び排気ポート１０が配置されている側（排気側）には、スキッシュ生成面５１が各々備えられている。これらスキッシュ生成面５１は、ペントルーフ型の燃焼室天井面６Ｕと平行な平面からなり、両者間の間隙は径方向Ｂにおいて略一定である。なお、冠面５０の表面は、図略の断熱層によってコーティングされている。

本実施形態のエンジン本体１は、ダブルオーバーヘッドカムシャフト式（ＤＯＨＣ）エンジンであり、図３中に点線で示すように、燃焼室天井面６Ｕに吸気ポート９及び排気ポート１０が各々２個ずつ開口され、吸気バルブ１１及び排気バルブ１２も２つずつ設けられている。詳しくは、ペントルーフ型の燃焼室天井面６Ｕの稜線（冠面５０の稜線部５２に対向する部分）を境にして、図３の右方側に２つの吸気ポート９Ａ、９Ｂが前記稜線方向に間隔をおいて配置され、左方側に２つの排気ポート１０Ａ、１０Ｂが前記稜線方向に間隔をおいて配置されている。

冠面５０においてキャビティ５Ｃは径方向Ｂの中央領域に配置され、キャビティ５Ｃの外周を区画する外周縁５Ｅは上面視で略円形である。吸気ポート９Ａ、９Ｂ及び排気ポート１０Ａ、１０Ｂの内側の一部と、キャビティ５Ｃの外周縁５Ｅ付近の一部とは、気筒軸方向Ａにおいて重なっている。スキッシュ生成面５１は、２つの吸気ポート９Ａ、９Ｂの間において、また、２つの排気ポート１０Ａ、１０Ｂの間において、外周縁５Ｅから冠面５０の径方向Ｂの外側に向けて延出する平面である。

本実施形態において、燃焼室６を区画する燃焼室壁面は、気筒２の内壁面、ピストン５の冠面５０、冠面５０と対向する燃焼室天井面６Ｕ、及び、吸気バルブ１１及び排気バルブ１２の各バルブ面からなる。また、本実施形態のエンジン本体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、１３以上３５以下（例えば２０程度）の高圧縮比に設定されている。

シリンダヘッド４（燃焼室天井面６Ｕ）には、燃焼室６内に燃料を噴射するインジェクタ１４（燃料噴射弁）が、各気筒２につき１つずつ取り付けられている。インジェクタ１４には図略の燃料供給管が接続され、インジェクタ１４は、前記燃料供給管を通して供給された燃料を燃焼室６に噴射する。インジェクタ１４の下端には、燃料の噴射口を有するヘッド部１４Ａが備えられている。本実施形態ではインジェクタ１４は、気筒軸方向Ａに沿い、ヘッド部１４Ａが径方向Ｂの中心位置において燃焼室６内に突出するように、シリンダヘッド４に組み付けられている。ヘッド部１４Ａは、燃焼室６の径方向Ｂの中心領域、つまりピストン５のキャビティ５Ｃに向けて燃料を噴射する。

インジェクタ１４としては、外開式のインジェクタを用いることができる。外開式のインジェクタに限らず、ＶＣＯ（Ｖａｌｖｅ Ｃｏｖｅｒｅｄ Ｏｒｉｆｉｃｅ）ノズルタイプのインジェクタ、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、或いはホロ−コーン状に燃料を噴射するスワールインジェクタを用いてもよい。

シリンダヘッド４には、吸気バルブ１１、排気バルブ１２を各々駆動する吸気側動弁機構１５、排気側動弁機構１６が配設されている（図１）。これら動弁機構１５、１６によりクランク軸７の回転に連動して、各吸気バルブ１１及び排気バルブ１２が駆動される。これら吸気バルブ１１及び排気バルブ１２の駆動により、吸気バルブ１１の弁体が吸気ポート９の開口を開閉し、排気バルブ１２の弁体が排気ポート１０の開口を開閉する。

さらに、シリンダヘッド４には、燃焼室６内に水を噴射する水噴射装置１７が設けられている。水噴射装置１７は、インジェクタ１４に隣接し、燃焼室天井面６Ｕの径方向Ｂの中心から冠面５０の稜線部５２の方向に僅かにシフトした位置において、シリンダヘッド４に取り付けられている（図３参照。図１及び図２の断面では、インジェクタ１４の裏面側に水噴射装置１７が重なっている）。水噴射装置１７は、水の噴射孔が形成された水噴射ヘッド１７Ａを備え、この水噴射ヘッド１７Ａが燃焼室天井面６Ｕに露出するように配置されている。水噴射装置１７としては、インジェクタ１４と同様な外開式のインジェクタを用いることができる。

図４は、外開式のインジェクタからなる水噴射装置１７の概略断面図である。水噴射装置１７（水噴射ヘッド１７Ａ）は、先端にノズル孔１７１が形成された燃料管１７２と、ノズル孔１７１を開閉するべく燃料管１７２の内側に配設された外開き弁１７３とを備える。外開き弁１７３は、印加された電圧に応じて変形するピエゾ素子１７４に接続されている。外開き弁１７３は、ピエゾ素子１７４に電圧が印加されていない状態においてはノズル孔１７１の内周壁に当接して当該ノズル孔１７１を閉弁し、ピエゾ素子１７４が電圧の印加に伴って変形することで、ノズル孔１７１から先端側に突き出して当該ノズル孔１７１を開弁する。

外開き弁１７３がノズル孔１７１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いる。これにより、ノズル孔１７１からは、当該ノズル孔１７１の中心軸を軸心として、水がコーン状乃至はホローコーン状に噴射される。外開き弁１７３のリフト量（リフト量は、外開き弁１７３の閉弁位置からの突出量でありノズル孔１７１の開口量である）は、ピエゾ素子１７４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。そして、外開き弁１７３のリフト量に応じて、ノズル孔１７１から噴射される水の粒径が変化し、さらに、径方向Ｂへの噴霧の広がりが変化する。

具体的には、外開き弁１７３のリフト量が大きくされると、噴霧の粒径が大きくなってペネトレーションが強くなる。これに伴い、コアンダ効果によってノズル孔１７１から噴射されるホローコーン状の噴霧の内側に形成される負圧が高くなり、この負圧に噴霧が引き寄せられることで当該噴霧の広がりは小さく抑えられる。一方、外開き弁１７３のリフト量が小さくされると、噴霧の粒径が小さくなってペネトレーションが弱められ、ホローコーン状の噴霧の内側に形成される負圧が低くなり、噴霧の広がりが大きくなる。

図１に戻って、吸気通路２０には、吸気流の上流側から順に、吸気を清浄化するエアクリーナ２１と、吸気通路２０を開閉するためのスロットルバルブ２２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２２は基本的に全開もしくはこれに近い開度に維持される。エンジンの停止時等の限られた運転条件のときにのみ、スロットルバルブ２２が閉弁されて吸気通路２０を遮断する。

燃焼室６から排気を排出するための排気通路３０には、排気を浄化する浄化装置３１が設けられている。浄化装置３１は、例えば、三元触媒を内蔵している。

水供給装置ＷＡは、コンデンサ３２、水供給配管３３、水タンク３４及び水ポンプ３５を含む。コンデンサ３２は、浄化装置３１よりも下流側において排気通路３０に取り付けられ、排気通路３０を通過する排気中の水（水蒸気）を凝縮して水を回収する。水供給配管３３は、コンデンサ３２と水噴射装置１７とを接続する配管である。コンデンサ３２で回収された凝縮水は、水供給配管３３を介して水噴射装置１７に供給される。水タンク３４及び水ポンプ３５は、水供給配管３３に配置されている。水タンク３４は、コンデンサ３２で生成された凝縮水を貯留する。水ポンプ３５は、水タンク３４内の水を水噴射装置１７に向けて圧送する。すなわち、水噴射装置１７には、排気通路３０を通過する排気中の凝縮水が供給される。つまり、水噴射装置１７に供給する水を排気通路３０から調達することができる。従って、本実施形態によれば、ユーザーが補給する形式の水タンク等を備えた水供給系統の設置を不要とすることができる。

ＥＧＲ装置４０は、吸気通路２０のうちスロットルバルブ２２よりも下流側の部分と、排気通路３０のうち浄化装置３１よりも上流側の部分とを連通するＥＧＲ通路４１を有する。さらにＥＧＲ装置４０は、ＥＧＲ通路４１を開閉するＥＧＲバルブ４２と、ＥＧＲ通路４１を通過するＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ４３とを備える。ＥＧＲ通路４１を通して還流されるＥＧＲガスは、ＥＧＲクーラ４３にて冷却された後に吸気通路２０に向かう。

［制御構成］
図５は、前記エンジンシステムの制御構成を示すブロック図である。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）１００によって統括的に制御される。ＰＣＭ１００は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成されるマイクロプロセッサである。

前記エンジンシステムが搭載され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２０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。さらに、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及び他のセンサからの入力信号に基づいて種々の演算を実行して、上述のインジェクタ１４、水噴射装置１７、スロットルバルブ２２、ＥＧＲバルブ４２及び水ポンプ３５を含むエンジンの各部を制御する。

ＰＣＭ１００は、機能的に燃料噴射制御部１０１、水噴射制御部１０２及び温度推定部１０３（温度推定手段）を備えている。燃料噴射制御部１０１は、インジェクタ１４による燃料噴射動作を制御する。例えば燃料噴射制御部１０１は、クランク角センサＳＮ１により検出されるエンジン回転速度と、アクセル開度センサＳＮ３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、インジェクタ１４のヘッド部１４Ａからの燃料の噴射量及び噴射タイミングを決定し、その決定に従ってインジェクタ１４を制御する。

水噴射制御部１０２は、水噴射装置１７による水噴射動作を制御する。例えば水噴射制御部１０２は、上記のエンジン負荷及び回転速度、次述の圧縮端温度の推定値等に基づいて、水噴射装置１７の水噴射ヘッド１７Ａからの水の噴射量（外開き弁１７３のリフト量）及び噴射タイミングを決定し、その決定に従って水噴射装置１７を制御する。水噴射制御部１０２は、エンジン負荷、或いは燃焼室６内の圧縮端温度などに応じて、水噴射装置１７による水噴射モードを切り換える、若しくは水噴射を停止させる制御を行う。この制御については、後記で詳述する。

温度推定部１０３は、ピストン５が圧縮上死点（ＴＤＣ）にあるときの燃焼室６内の温度（圧縮端温度）を推定する処理を行う。温度推定部１０３は、車両の運転時において各種センサから与えられる計測値や各機器の制御値などに基づいて、具体的には、エンジン負荷、外気温、エンジン本体１の冷却水温度、インジェクタ１４からの燃料噴射量、吸気バルブ１１の閉タイミング、ＥＧＲ量などに基づいて、圧縮端温度を推定する。

［運転制御及び水噴射モード］
続いて、ＰＣＭ１００による運転制御の具体例を示す。本実施形態のエンジンでは、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予混合圧縮着火燃焼が実行される。

燃料噴射制御部１０１は、吸気行程又は圧縮行程中にインジェクタ１４から燃料を燃焼室６内に噴射させる。噴射された燃料は、燃焼室６に導入された空気（吸気）と混合された後に、例えば圧縮上死点の近傍で自着火する。このような予混合圧縮着火燃焼を達成するため、本実施形態のエンジン本体１の幾何学的圧縮比は、上述の通り１３以上３５以下の高圧縮比に設定することが望ましい。なお、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、後述の第２、第３運転領域Ｅ２、Ｅ３において混合気の着火アシストを行うために、点火プラグ用いるようにしても良い。

図６は、エンジン負荷及び回転数と水噴射モードとの関係を説明するためのグラフである。ここでは、エンジン負荷が中〜低負荷領域を第１運転領域Ｅ１、高負荷領域であって全開領域よりはエンジン負荷が小さい領域を第２運転領域Ｅ２、全開ラインに近い全開領域を第３運転領域Ｅ３として表示している。本実施形態では、エンジン負荷が所定値以上の高負荷となる第２、第３運転領域Ｅ２、Ｅ３においては、水噴射制御部１０２が水噴射装置１７に水噴射を実行させ、中低負荷となる第３運転領域Ｅ３においては前記水噴射を実行させない例を示す。水噴射制御部１０２は、インジェクタ１４による燃料噴射の後、燃焼室６内における混合気の低温酸化反応の開始以前から高温酸化反応の開始前の間のタイミングにおいて、前記水噴射を実行させる。

さらに、水噴射制御部１０２は、第２運転領域Ｅ２と第３運転領域Ｅ３とで、水噴射モードを変更する。具体的には、過早燃焼が最も生じ易い第３運転領域Ｅ３（エンジン負荷が所定値以上の高負荷となる運転領域）では、水噴射制御部１０２は、燃焼室６の径方向中央側の第１領域Ｒ１（図７（Ａ））に水を噴射させる。一方、第２運転領域Ｅ２では、水噴射制御部１０２は、燃焼室６の径方向外周側の第２領域Ｒ２（図８（Ａ））に水を噴射させる。

現状の運転状態が第１〜第３運転領域Ｅ１〜Ｅ３のいずれに属するかの判定は、温度推定部１０３が導出する燃焼室６の圧縮端温度の推定値に依存することができる。一般に圧縮端温度は、外気温や冷却水温度などの環境要因に影響を受けるものの、高負荷となるほど上昇する傾向がある。そこで、予め圧縮端温度とエンジン負荷との関係をテーブル化してＰＣＭ１００に記憶させておくことで、第１〜第３運転領域Ｅ１〜Ｅ３の判定を行わせることが可能となる。

そして、温度推定部１０３が第３運転領域Ｅ３に属する圧縮端温度（所定の第１温度以上の高温）を推定している場合には、水噴射制御部１０２は、上記第１領域Ｒ１へ水噴射を行うよう水噴射装置１７を制御する（以下、「第１水噴射モード」という）。また、温度推定部が第３運転領域Ｅ３よりも低温の第２運転領域Ｅ２に属する圧縮端温度（第１温度に対して低温の第２温度）を推定している場合には、水噴射制御部１０２は、上記第２領域Ｒ２へ水噴射を行うよう水噴射装置１７を制御する（以下、「第２水噴射モード」という）。さらに、温度推定部が第１運転領域Ｅ１に属する圧縮端温度を推定している場合には、水噴射制御部１０２は水噴射装置１７に水噴射を実施させない（不実施モード）。なお、圧縮端温度には依存せず、単純にエンジン負荷だけに依存して、上記第１、第２水噴射モードの選択を行わせるようにしても良い。

図７（Ａ）は、第１水噴射モードによる水噴射が実行されていることを示す燃焼室６の平面図、図７（Ｂ）はその気筒軸方向Ａの断面図である。第１水噴射モードでは、第１領域Ｒ１へ水噴射Ｗが実行される。第１領域Ｒ１は、燃焼室６のうち、当該燃焼室６の径方向Ｂの外周部ＲＥを除いた中央側の領域である。外周部ＲＥは、冠面５０のキャビティ５Ｃの外周縁５Ｅよりもさらに径方向Ｂの外側に位置する環状領域であり、気筒２のライナーに隣接する領域である。第１領域Ｒ１は、環状の外周部ＲＥの内側に位置する平面視で円形の領域である。

当該水噴射Ｗが実行されることで、水の気化潜熱及び比熱の増加によって第１領域Ｒ１は冷却される。他方、外周部ＲＥは冷却されないことになる。水噴射制御部１０２は、第１水噴射モードを実行させる際、図７（Ｂ）に示すように、水噴射ヘッド１７Ａから外周部ＲＥを除いた領域にコーン状の水噴射が行われるよう、水噴射装置１７の外開き弁１７３のリフト量を制御する。

図８（Ａ）は、第２水噴射モードによる水噴射が実行されていることを示す燃焼室６の平面図、図８（Ｂ）はその気筒軸方向Ａの断面図である。第２水噴射モードでは、第２領域Ｒ２へ水噴射Ｗが実行される。第２領域Ｒ２は、燃焼室６のうち、当該燃焼室６の径方向Ｂの中央部ＲＣを除いた外周側の領域である。中央部ＲＣは、キャビティ５Ｃの外周縁５Ｅよりもさらに径方向Ｂの内側に外周縁を有する円形の領域であり、燃焼室６の径方向Ｂの中心付近の領域である。第２領域Ｒ２は、中央部ＲＣの外側に位置する平面視で環状の領域である。

当該水噴射Ｗが実行されることで、水の気化潜熱及び比熱の増加によって第２領域Ｒ２は冷却される。他方、中央部ＲＣは冷却されないことになる。水噴射制御部１０２は、第２水噴射モードを実行させる際、図８（Ｂ）に示すように、水噴射ヘッド１７Ａから中央部ＲＣを除いた領域にホローコーン状の水噴射が行われるよう、水噴射装置１７の外開き弁１７３のリフト量を制御する。

図９は、燃焼室６の温度変化と、燃焼室６への燃料噴射及び水噴射のタイミングとの関係を示すタイムチャートである。図９の上段のグラフは、予混合圧縮着火式エンジンの燃焼形式である自着火燃焼における燃焼室６の温度上昇量とクランク角ＣＡとの関係を示している。自着火燃焼では、燃焼室６内において混合気が加温されると、まず、冷却損失を上回るわずかな発熱を伴う低温酸化反応が生じる。すなわち、低温酸化反応は、前記わずかな発熱を伴う混合気の酸化反応である。次に、この反応熱によって混合気がさらに温められることで、高い熱エネルギーを発する高温酸化反応が生じ、自着火に至る。

図９の上段のグラフにおいて、クランク角ＣＡ１から僅かに燃焼室６内の温度が上昇し、その後、ＴＤＣよりもやや進角のクランク角ＣＡ２において急激に温度が上昇している。クランク角ＣＡ１は混合気の低温酸化反応の始まるタイミングであり、クランク角ＣＡ１〜ＣＡ２の期間が低温酸化反応の生じている期間である。クランク角ＣＡ２以降は、高温酸化反応が生じる期間である。

インジェクタ１４による燃焼室６内への燃料噴射Ｆのタイミングは、当然ながらクランク角ＣＡ１よりも早いタイミングとなる。燃料噴射制御部１０１は、圧縮行程におけるクランク角ＣＡ１よりも適宜進角したタイミング、若しくは吸気行程においてインジェクタ１４から燃料噴射Ｆを実行させる。

水噴射装置１７による燃焼室６内への水噴射Ｗは、低温酸化反応の開始以前から高温酸化反応の開始前の間の適宜なタイミングに実行される。すなわち、クランク角ＣＡ１と同時若しくはクランク角ＣＡ１よりも進角のクランク角から、クランク角ＣＡ２に至る前のクランク角の間に水噴射Ｗが実行される。これは、水噴射Ｗが、混合気の低温酸化反応の開始を遅延させる、或いは低温酸化反応自体を抑制することを目的としていることによる。図９では、クランク角ＣＡ１〜ＣＡ２の期間に水噴射Ｗが実行されている例を示している。低温酸化反応は、燃焼室６内において最も温度が高い領域で最初に発生し、その領域において高温酸化反応（自着火）が生じる。しかし、水噴射Ｗを企図する領域に行うことで、当該領域の低温酸化反応を規制する一方で残領域については低温酸化反応を規制せず、ひいては自着火を最初に生じさせる領域をコントロールすることができる。このコントロールの具体的態様が、上述の第１、第２水噴射モードである。

［各水噴射モードにおける燃焼の態様］
第１水噴射モードでは、図７（Ａ）、（Ｂ）に示した通り、第１領域Ｒ１に水噴射Ｗが実行され、外周部ＲＥには水噴射Ｗが行われない。このため、第１領域Ｒ１は冷却され、低温酸化反応が規制される。燃焼室６の外周部ＲＥに相当する領域は、気筒２の内周壁（ライナー）にて冷却されることで本来的には温度が低い領域である。しかし、外周部ＲＥだけには水が噴射されないことから、他の領域（第１領域Ｒ１）に対して外周部ＲＥは相対的に高温になり、低温酸化反応が進行する。従って、この外周部ＲＥに存在する混合気に、最初に着火が生じる。つまり、外周部ＲＥの領域が、予混合圧縮着火燃焼における着火源となる。

図１０（Ａ）は、第１水噴射モードで水噴射が実行された場合の燃焼の態様を示す模式図である。上述の通り、第１水噴射モードでは燃焼室６の径方向Ｂの最も外側の領域である外周部ＲＥの領域が、最初に自着火の生じる周辺自着火ゾーン６Ａとなる。そして、周辺自着火ゾーン６Ａに隣接する径方向Ｂの内側の領域が、火炎伝播的燃焼ゾーン６Ｂとなる。火炎伝播的燃焼ゾーン６Ｂは、第１領域Ｒ１の径方向Ｂの外側に相当する領域である。当該領域は水噴射Ｗで冷却されていることから一気に自着火が発生することはなく、自着火が連鎖的に発生する。

図１０（Ａ）では、火炎伝播的燃焼ゾーン６Ｂにおいて発生する連鎖的な自着火Ｈを模式的に示すと共に、その連鎖の進行方向を矢印ａにて示している。周辺自着火ゾーン６Ａの各所で自着火が生じると、これらの着火点において発生する熱によって、その周囲の混合気に自着火Ｈが生じる。そして、これら自着火Ｈの発生熱によってさらに周囲の混合気に自着火Ｈが生じるというように、連鎖的に自着火Ｈが進展する火炎伝播的な燃焼が生じる。火炎伝播的燃焼ゾーン６Ｂでは、このような自着火Ｈの連鎖が、矢印ａで示すように径方向Ｂの内側に向かうように発生する。

ある程度火炎伝播的な燃焼が矢印ａ方向に進行すると、当該燃焼による高温化によって、残存する混合気が一気に自着火する圧縮着火燃焼が生じる。図１０（Ａ）では、このように一気に自着火する領域を、火炎伝播的燃焼ゾーン６Ｂの内側に圧縮着火ゾーン６Ｃとして図示している。圧縮着火ゾーン６Ｃは、燃焼室６の径方向中央領域である。

以上の通り第１水噴射モードが実行された場合、燃焼室６の外周部ＲＥだけで混合気の低温酸化反応が進行し、燃焼室６において当該外周部ＲＥで最初に自着火が生じるようになる（周辺自着火ゾーン６Ａ）。このとき、第１領域Ｒ１では水噴射Ｗによって低温酸化反応が規制される結果として燃焼は起きないので、燃焼初期は緩慢な燃焼となる。その後、周辺自着火ゾーン６Ａでの自着火の燃焼熱によって、第１領域Ｒ１の外周領域（火炎伝播的燃焼ゾーン６Ｂ）において自着火Ｈが燃焼室６の内側方向へ連鎖的に進行してゆく。燃焼室６の径方向Ｂの中央領域（第１領域Ｒ１の内側領域；圧縮着火ゾーン６Ｃ）は高温化し易く且つ火炎伝播的燃焼の熱を受けることから、やがて前記中央領域の各所において急激に自着火燃焼が発生する。つまり、燃焼後期は急速な燃焼となる。これにより、圧縮端温度が最も高温化する第３運転領域Ｅ３（図６）において、後期重心型の熱発生パターンの燃焼を実現させることができる。

次に、第２水噴射モードでは、図８（Ａ）、（Ｂ）に示した通り、第２領域Ｒ２に水噴射Ｗが実行され、中央部ＲＣには水噴射Ｗが行われない。このため、第２領域Ｒ２は冷却され、低温酸化反応が規制される。燃焼室６の中央部ＲＣに相当する領域は、ライナーからは遠いことから本来的に温度が高い領域である。このような中央部ＲＣだけに水が噴射されないことから、他の領域（第２領域Ｒ２）に対して当該中央部ＲＣは相対的に高温になり、低温酸化反応が進行する。従って、この中央部ＲＣに存在する混合気に、最初に着火が生じる。つまり、中央部ＲＣの領域が、予混合圧縮着火燃焼における着火源となる。

第２水噴射モードが実行される第２運転領域Ｅ２は、圧縮端温度が第３運転領域Ｅ３よりも低温化する。圧縮端温度が所定温度以下の低温である場合、第３運転領域Ｅ３において問題となる第１領域Ｒ１における急峻な自着火燃焼が生じ難くなる。このような場合、本来的に低温である外周部ＲＥを無理に自着火の開始エリアとするのではなく、本来的に高温である中央部ＲＣを自着火の開始エリアとすることが望ましい。第２水噴射モードは、このような考えに沿ったものである。

図１０（Ｂ）は、第２水噴射モードで水噴射が実行された場合の燃焼の態様を示す模式図である。上述の通り第２水噴射モードでは、燃焼室６の径方向Ｂの最も内側の領域である中央部ＲＣの領域が、最初に自着火の生じる中央自着火ゾーン６Ｄとなる。そして、中央自着火ゾーン６Ｄに隣接する径方向Ｂの外側の領域が、火炎伝播的燃焼ゾーン６Ｅとなる。火炎伝播的燃焼ゾーン６Ｅは、環状の第２領域Ｒ２の径方向Ｂの内側に相当する領域である。当該領域は水噴射Ｗで冷却されていることから一気に自着火が発生することはなく、自着火が連鎖的に発生する。

図１０（Ｂ）では、火炎伝播的燃焼ゾーン６Ｅにおいて発生する連鎖的な自着火Ｈを模式的に示すと共に、その連鎖の進行方向を矢印ｂにて示している。中央自着火ゾーン６Ｄの各所で自着火が生じると、これらの着火点において発生する熱によって、その周囲の混合気に自着火Ｈが生じ、これがさらに周囲の混合気に自着火Ｈを生じさせるという火炎伝播的な燃焼が生じる。火炎伝播的燃焼ゾーン６Ｅでは、このような自着火Ｈの連鎖が、矢印ｂで示すように径方向Ｂの外側に向かうように発生する。

ある程度火炎伝播的な燃焼が矢印ｂ方向に進行すると、当該燃焼による高温化によって、残存する混合気が一気に自着火する圧縮着火燃焼が生じる。図１０（Ｂ）では、このように一気に自着火する領域を、火炎伝播的燃焼ゾーン６Ｅの外側に圧縮着火ゾーン６Ｆとして図示している。圧縮着火ゾーン６Ｆは、燃焼室６の径方向Ｂの外周領域である。

以上の通り第２水噴射モードが実行された場合、燃焼室６の中央部ＲＣだけで混合気の低温酸化反応が進行し、燃焼室６において当該中央部ＲＣで最初に自着火が生じるようになる（中央自着火ゾーン６Ｄ）。一方、第２領域Ｒ２は水噴射Ｗによって低温酸化反応が規制される結果として急峻な自着火燃焼は生じず、中央自着火ゾーン６Ｄでの前記自着火の燃焼熱によって自着火が燃焼室６の径方向Ｂの外側へ連鎖的に進行してゆく（火炎伝播的燃焼ゾーン６Ｅ）。このため、燃焼初期は緩慢な燃焼となる。やがて燃焼室６内は高温化し、径方向Ｂの外周側領域（圧縮着火ゾーン６Ｆ）の各所において急激に自着火燃焼が発生する。つまり、燃焼後期は急速な燃焼となる。これにより、圧縮端温度が第３運転領域Ｅ３ほどではないものの、比較的高温化する第２運転領域Ｅ２において、後期重心型の熱発生パターンの燃焼を実現させることができる。

既述の通り、第１運転領域Ｅ１では水噴射Ｗは実行されない。これは、圧縮端温度がさほど高温化せず、過早燃焼の問題が顕在化しないためである。この第１運転領域Ｅ１では、例えば燃焼室６へ還流するＥＧＲガス（不活性ガス）量のコントロールによって、燃焼初期を緩慢な燃焼とすることができる。すなわち、ＰＣＭ１００は、第１運転領域Ｅ１においてはＥＧＲバルブ４２の開度をコントロールしてＥＧＲガスを適量だけ燃焼室６へ還流し、燃焼初期において急峻な燃焼が生じないようにする。

ＥＧＲガスの還流による燃焼の緩慢化には限界がある。ＥＧＲガスを燃焼室６へ還流する分だけ新気が不足することになるので、吸気を過給する過給機が必要となる。過給機を動作させると、機械抵抗が増加する一方で、燃焼室６の筒内圧が上昇することになる。筒内圧の上昇は、燃焼室６内の燃焼を促進する効果を伴ってしまう。従って、筒内圧の上昇に伴い、燃焼室６へ還流するＥＧＲガス量も増加させねばならなくなる。このことが、さらなる吸気の過給を求めるというように、際限が無くなってしまう。それゆえ、中低負荷領域では対応可能であるとしても、高負荷領域（第２、第３運転領域Ｅ２、Ｅ３）において、ＥＧＲガス還流によって燃焼の緩慢化を図ることは困難である。しかし、本実施形態に係る水噴射Ｗを実行することによって、上述の問題を解消することができる。

［好ましい水噴射の態様］
本実施形態において、水噴射Ｗは、先に図９に基づき説明した通り、インジェクタ１４による燃料噴射の後、燃焼室６内における混合気の低温酸化反応の開始以前（クランク角ＣＡ１の時点又はそれより前の時点）から高温酸化反応の開始前（クランク角ＣＡ２よりも前）の間の任意のタイミングにおいて実行されれば良い。また、水噴射Ｗは、一回の噴射で所定量の全量を噴射しても良いし、複数回に分割して噴射しても良い。

図１１（Ａ）は、分割方式の水噴射の実行例を示すタイムチャート、図１１（Ｂ）は、前記水噴射により噴射された水の燃焼室６内における状態を示す断面図である。ここで挙げる例は、第１水噴射モードにおいて好適な例であって、水噴射が３回の分割水噴射Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３にて実行される例を示している。水噴射Ｗ１が最も進角側で実行され、水噴射量も最も多い。水噴射Ｗ２、Ｗ３は水噴射Ｗ１よりも順次遅角側で実行され、水噴射量も順次少なく設定されている（Ｗ１＞Ｗ２＞Ｗ３）。

すなわち、水噴射Ｗ１において外開き弁１７３が最もリフトアップされ、水の噴霧角及び噴霧量が多く設定される。これにより、図１１（Ｂ）に示すように、水噴射Ｗ１による噴霧は、ピストン５のキャビティ５Ｃ及びその外周の上空をカバーする状態となる。水噴射Ｗ１の噴霧がカバーする領域は、図７（Ａ）、（Ｂ）に示す第１領域Ｒ１に相当する領域である。

続く水噴射Ｗ２では、外開き弁１７３のリフトアップ量が水噴射Ｗ１よりも小さく設定される。このため、図中に点線で示すように、ピストン５が水噴射Ｗ１よりもやや上方に移動した時点で実行される水噴射Ｗ２による噴霧は、水噴射Ｗ１よりも小さい規模となり、水噴射Ｗ１の噴霧の中央部分に重畳される状態となる。水噴射Ｗ１の噴霧がカバーする領域は、例えば、キャビティ５Ｃのサイズよりもやや小さい領域である。ラストの水噴射Ｗ３では、外開き弁１７３のリフトアップ量が水噴射Ｗ２よりもさらに小さく設定される。このため、水噴射Ｗ３による噴霧は、水噴射Ｗ２よりもさらに小さい規模となり、水噴射Ｗ１、Ｗ２の噴霧の中央部分にさらに重畳される状態となる。

以上３つの水噴射Ｗ１〜Ｗ３の噴霧が重畳されることで、燃焼室６の径方向Ｂの中央部に向かう程リッチとなる噴霧水層を、燃焼室６内に形成することができる。つまり、最も高温化し易い燃焼室６の径方向中央領域を、より高度に冷却することができる。従って、最も低温酸化反応が進行し易い燃焼室６の径方向中央領域において、低温酸化反応を効果的に規制することができる。

［動作フロー］
続いて、ＰＣＭ１００による水噴射の制御例を、図１２に示すフローチャートに基づいて説明する。ここでは、温度推定部１０３が求める圧縮端温度の推定値に基づいて、水噴射制御部１０２が水噴射モードを設定する例を示す。ＰＣＭ１００は、処理を開始すると、所定のサンプリングタイミングにおいて、車両が備える各種センサの信号を読み込む（ステップＳ１）。温度推定部１０３は、ステップＳ１で得られた各種パラメータ（エンジン負荷、外気温、冷却水温度、燃料噴射量など）に基づいて、圧縮端温度を推定する演算を行う（ステップＳ２）。

次いで、水噴射制御部１０２が、温度推定部１０３が導出した圧縮端温度が所定の第１温度以上であるか否かを判定する（ステップＳ３）。前記第１温度は、例えば、図６に示す第３運転領域Ｅ３に属する運転が行われている場合の圧縮端温度である。前記第１温度以上である場合（ステップＳ３でＹＥＳ）、水噴射制御部１０２は、図７（Ａ）、（Ｂ）に示す第１領域Ｒ１へ水噴射を行う第１水噴射モードを選択する。そして、例えば図９に示すクランク角ＣＡ１〜ＣＡ２の間の適宜なタイミングにおいて、水噴射制御部１０２は水噴射装置１７に、第１水噴射モードでの水噴射Ｗを実行させる（ステップＳ４）。

一方、圧縮端温度が前記第１温度未満である場合（ステップＳ３でＮＯ）、水噴射制御部１０２は、圧縮端温度が前記第１温度よりも低温の第２温度以上であるか否かを判定する（ステップＳ５）。前記第２温度は、例えば図６に示す第２運転領域Ｅ２に属する運転が行われている場合の圧縮端温度である。前記第２温度以上である場合（ステップＳ５でＹＥＳ）、水噴射制御部１０２は、図８（Ａ）、（Ｂ）に示す第２領域Ｒ２へ水噴射を行う第２水噴射モードを選択する。そして、例えば図９に示すクランク角ＣＡ１〜ＣＡ２の間の適宜なタイミングにおいて、水噴射制御部１０２は水噴射装置１７に、第２水噴射モードでの水噴射Ｗを実行させる（ステップＳ６）。

ステップＳ５において、圧縮端温度が前記第２温度未満である場合（ステップＳ５でＮＯ）、水噴射制御部１０２は、水噴射を実行しない不実施モードを選択する（ステップＳ７）。このときの圧縮端温度は、例えば第１運転領域Ｅ１に属する運転が行われている場合の圧縮端温度に相当する。この場合、燃焼室６へのＥＧＲガスの還流だけで、燃焼の緩慢化が図られることになる。

図１３は、比較例及び本実施形態の燃焼室６における熱発生率を示すグラフである。図１３において、符号Ｌで示すラインは、燃焼騒音が顕著になる、及び異常燃焼の発生が顕著となる限界ラインＬである。つまり、熱発生率ｄＱ／ｄθが限界ラインＬを超過すると、燃焼騒音、異常燃焼が許容レベルを越えることになる。

まず、図１３中の熱発生率曲線ｄＱ１は、予混合圧縮着火式エンジンの高負荷高回転時において、水噴射Ｗを実行しない場合に生じる過早燃焼を示している。この場合、燃焼室６の全域で、一気に自着火が発生する。このような過早燃焼では、急峻に熱発生率（燃焼圧）が上昇し燃焼期間が過度に短期間となる。熱発生率曲線ｄＱ１におけるｄＱ／ｄθのピーク値は、限界ラインＬを大きく越えている。

これに対し、熱発生率曲線ｄＱ２は、本実施形態の第１水噴射モードによる水噴射Ｗが実行された場合の燃焼態様に対応するものである。クランク角ＣＡ１１において外周部ＲＥで混合気に自着火が生じ（図１０（Ａ）の周辺自着火ゾーン６Ａ）、その後、自着火が連鎖的に生じる火炎伝播的燃焼が燃焼室６の径方向内側に向けて進展する（火炎伝播的燃焼ゾーン６Ｂ）。このような燃焼経緯を経るため、燃焼初期では急激な熱発生率ｄＱ／ｄθの上昇が生じず、限界ラインＬを超過しない。

そして、火炎伝播的燃焼がある程度進展したクランク角ＣＡ１２において、燃焼室６の径方向中央領域に残存する混合気が、周囲で発生している火炎伝播的燃焼にて高温化されることに伴い、一気に自着火燃焼する（圧縮着火ゾーン６Ｃ）。ここで、先の火炎伝播的燃焼で燃料の多くは消費されているので、圧縮着火ゾーン６Ｃで燃焼する燃料量は多くない。従って、圧縮着火ゾーン６Ｃでの燃焼においても、ｄＱ／ｄθのピーク値は限界ラインＬを超過することはない。しかも、一気に自着火するので、燃焼終点がそれほど遅角化しない。このように、熱発生率曲線ｄＱ２では、後期重心型の燃焼特性になると共に、ｄＱ／ｄθのピーク値が限界ラインＬを超過しないし、燃焼期間も長期化しない。従って、本実施形態によれば、燃焼騒音及び異常燃焼を抑制し、さらには熱効率を良好とすることができる。

［変形例］
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば次のような変形実施形態を採ることができる。

（１）上記実施形態で説明した第１、第２水噴射モードにおいて、水噴射Ｗを一定の水量にて行っても良いが、各種の条件に応じて水噴射Ｗの水量を変更するようにしても良い。図１４は、水噴射制御の変形例を示す模式図である。ここでは、エンジントルクに応じて、第１、第２水噴射モード及び水噴射Ｗの不実施モードが選択される例を示している。すなわち、エンジントルクが所定のＴＱ１以下である場合には不実施モードが、ＴＱ１〜ＴＱ２の間では第２水噴射モードでの水噴射Ｗ１１が、ＴＱ２〜ＴＱ３の間では第１水噴射モードでの水噴射Ｗ１２が、それぞれ選択される（ＴＱ１＜ＴＱ２＜ＴＱ３）。

第２水噴射モードの水噴射Ｗ１１における水噴射量は、エンジントルクがＴＱ１からＴＱ２へ増加するに連れて増加している。また、第１水噴射モードに切り替わるＴＱ２からＴＱ３へエンジントルクが増加するに連れて、第１水噴射モードの水噴射Ｗ１２における水噴射量が増加している。一般に、エンジントルクが上昇すると、圧縮端温度も上昇する。従って、エンジントルクが上昇するに従って水噴射量を増加させることにより、適切に低温酸化反応を抑制することができる。

（２）上記実施形態では、ピストン５の冠面５０にキャビティ５Ｃが備えられている燃焼室６を例示した。これに代えて、キャビティ５Ｃを備えないピストン５を用いるようにしても良い。

（３）上記実施形態では、排気通路３０を通過する排気中の凝縮水を利用する水供給装置ＷＡを例示した。水供給装置ＷＡは、ユーザーが水を補給することが可能なタンクと、このタンクの水を水噴射装置１７へ送り出すポンプとを備えた装置としても良い。

１ エンジン本体
２ 気筒
５ ピストン
６ 燃焼室
６Ａ 第１領域
６Ｂ 第２領域
１４ インジェクタ（燃料噴射弁）
１７ 水噴射装置
３０ 排気通路
１０１ 燃料噴射制御部
１０２ 水噴射制御部
１０３ 温度推定部１０３（温度推定手段）
Ｒ１ 第１領域
Ｒ２ 第２領域
ＲＣ 中央部
ＲＥ 外周部

本発明の一局面に係る予混合圧縮着火式エンジンは、少なくともガソリンを含む燃料を用いる予混合圧縮着火式エンジンであって、気筒及びピストンで区画され、前記燃料と空気との混合気を自着火により燃焼させることが可能な燃焼室と、前記燃焼室内に前記燃料を噴射する燃料噴射弁と、前記燃焼室内に水を噴射する水噴射装置と、前記水噴射装置の動作を制御する水噴射制御部と、を備え、前記燃焼室の壁面の一部は前記ピストンの冠面で形成され、前記燃焼室の径方向において前記冠面の中央領域にはキャビティが凹設されており、前記水噴射制御部は、エンジン負荷が所定値以上の高負荷となる運転領域であるときには、前記燃料噴射弁による燃料噴射の後、圧縮行程における前記混合気の低温酸化反応の開始時から高温酸化反応の開始前の間のタイミングにおいて、前記燃焼室のうち、当該燃焼室の径方向において前記キャビティの外周縁よりもさらに外側に位置する環状領域からなる外周部で最初に自着火が生じるように、当該外周部を除いた中央側の第１領域に水を噴射させ、エンジン負荷が前記所定値を下回る中低負荷となる運転領域であるときには、前記水の噴射を実行させないことを特徴とする。

Claims (5)

1. 少なくともガソリンを含む燃料を用いる予混合圧縮着火式エンジンであって、
   気筒及びピストンで区画され、前記燃料と空気との混合気を自着火により燃焼させることが可能な燃焼室と、
   前記燃焼室内に前記燃料を噴射する燃料噴射弁と、
   前記燃焼室内に水を噴射する水噴射装置と、
   前記水噴射装置の動作を制御する水噴射制御部と、を備え、
   前記水噴射制御部は、
   前記燃料噴射弁による燃料噴射の後、前記混合気の低温酸化反応の開始以前から高温酸化反応の開始前の間のタイミングにおいて、
   前記燃焼室のうち、当該燃焼室の径方向の外周部を除いた中央側の第１領域に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。
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、
   前記水噴射制御部は、エンジン負荷が所定値以上の高負荷となる運転領域において、前記第１領域へ水噴射を実行させる、予混合圧縮着火式エンジン。
3. 請求項１に記載の予混合圧縮着火式エンジンにおいて、
   前記ピストンが圧縮上死点にあるときの前記燃焼室内の温度を推定する温度推定手段をさらに備え、
   前記水噴射制御部は、前記温度推定手段が所定の第１温度以上の高温を推定している場合に、前記第１領域へ水噴射を実行させる、予混合圧縮着火式エンジン。
4. 請求項３に記載の予混合圧縮着火式エンジンにおいて、
   前記水噴射制御部は、前記温度推定手段が前記第１温度に対して低温の第２温度を推定している場合に、前記燃焼室のうち、当該燃焼室の径方向の中央部を除いた外周側の第２領域に水を噴射させる、予混合圧縮着火式エンジン。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の予混合圧縮着火式エンジンにおいて、
   前記燃焼室から排気を排出するための排気通路をさらに備え、
   前記水噴射装置には、前記排気通路を通過する排気中の凝縮水が供給される、予混合圧縮着火式エンジン。