JP6015047B2

JP6015047B2 - エンジンの制御装置

Info

Publication number: JP6015047B2
Application number: JP2012063302A
Authority: JP
Inventors: 太田　統之; 統之太田
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2012-03-21
Filing date: 2012-03-21
Publication date: 2016-10-26
Anticipated expiration: 2032-03-21
Also published as: JP2013194622A

Description

ここに開示する技術は、エンジンの制御装置に関する。

例えば特許文献１には、火花点火式ガソリンエンジンの理論熱効率を高めるべく、シリンダヘッド下面に凹陥したキャビティと、ピストン冠面に凸設した突起部と、によって、燃焼室内を中央燃焼室と主燃焼室とに区画しつつ、燃焼室全体として、圧縮比を１６程度の高圧縮比に設定すると共に、中央燃焼室内では混合気を相対的にリッチに、主燃焼室内では混合気を相対的にリーンにすることで、燃焼室全体として、混合気をリーンにしたエンジンが記載されている。

特開平９−２１７６２７号公報

ところで、特許文献１に記載されているようなリーン混合気を燃焼させるエンジンは、低温燃焼となることから、冷却損失及び排気損失を低減して、熱効率の向上には有利になるものの、比較的温度の低い排気ガスが大量に流れるようになるため、排気通路に配設されている触媒の温度を低下させてしまう虞がある。

一方で、リーン混合気を燃焼させるようなエンジンにおいても、負荷の高い高負荷領域では、燃料噴射量が増えることでリーン燃焼が成立しなくなり、理論空燃比（つまり、空気過剰率λ＝１）での燃焼に切り替える必要がある。このようなλ＝１の混合気を燃焼させる場合は、例えば三元触媒による排気ガスの浄化が要求されるが、例えばエンジンの暖機中に、低負荷領域でのリーン燃焼の状態が継続する結果、一旦、活性化していた触媒の温度が低下してしまい、λ＝１燃焼を行おうとしたときに、触媒の活性状態が低下していることも起こり得る。

そのため、排気損失が低くなるように構成されたエンジンにおいては、触媒の活性状態を維持するような制御が必要となる。

ここに開示する技術は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、排気損失が低くなるように構成されたエンジンにおいて、触媒の活性状態を維持することにある。

リーン燃焼を行っている最中に低下した触媒の温度を高めるために、低温燃焼となるリーン燃焼から、高温燃焼、例えばλ＝１の均質混合気を火花点火により燃焼させる形態に切り替えることが考えられる。しかしながら、高温燃焼である均質λ＝１のＳＩ燃焼は、冷却損失が増大するため、排気温度を高めようとすれば、燃費の悪化を招くことにもなる。また、リーン燃焼から、均質λ＝１のＳＩ燃焼に切り替えようとすれば、失火防止のためにＥＧＲ量を大幅に減量しなければならないが、ＥＧＲ量の減量の応答性は、空燃比の変更と比較して大幅に遅いため、燃焼切り替え途中の燃費の悪化や、エミッション性能の悪化を招いてしまう。

そこで、ここに開示する技術は、リーン燃焼から均質λ＝１のＳＩ燃焼に切り替えるのではなく、燃焼室内の外周部に、燃焼には実質的に寄与しないガス層を形成しつつ、その外周部に囲まれた燃焼室の中央部に、概ね理論空燃比となる混合気（Ａ／Ｆ＝１２．５〜１５．０）を形成し、それを燃焼させるようにした。

具体的に、ここに開示する技術は、幾何学的圧縮比が１５以上に設定された気筒を有するエンジン本体と、前記エンジン本体の前記気筒内に形成される燃焼室内に燃料噴霧を噴射するよう構成された燃料噴射弁と、前記エンジン本体の排気通路上に配設されかつ、前記気筒から排出された排気ガスを浄化する触媒と、前記エンジン本体の運転状態に応じて、前記燃料噴射弁を通じた前記燃焼室内への燃料噴射態様を制御するよう構成された制御器と、を備える。

そして、前記制御器は、前記エンジン本体の運転状態が、少なくとも、所定負荷よりも低い低負荷領域にあるときであって、前記触媒が活性しているときには、圧縮行程後期よりも早い所定のタイミングで前記燃料噴射弁から燃料を噴射させると共に、前記気筒内におけるガスの、燃料に対する重量比Ｇ／Ｆが３０以上でかつ、空燃比Ａ／Ｆが理論空燃比よりもリーンとなる均質な混合気を形成するように前記燃料噴射弁を通じて燃料を噴射して、リーン燃焼を行い、前記制御器はまた、前記エンジン本体の運転状態が前記低負荷領域にあるときであって、前記触媒が活性している状態から、活性状態が所定よりも低下したときには、前記燃焼室の外周部に燃焼に寄与しないで断熱層として機能するガス層が介在するように、圧縮行程後期から膨張行程初期にかけての期間内における所定のタイミングで、前記燃料噴射弁から燃料を噴射させると共に、前記エンジン本体が同一の運転状態であるときとの比較において、前記気筒内に導入される新気量を前記触媒が活性しているときよりも低減させかつ、燃料噴射量を前記触媒が活性しているときよりも増大させることにより、前記燃焼室の外周部に囲まれた中央部において空燃比Ａ／Ｆが１２．５〜１５．０の混合気を形成し、それを燃焼させる触媒活性燃焼を行う。

ここで、エンジン本体の運転状態が、少なくとも低負荷領域にあるときには、既燃ガスの一部を気筒内に導入する（つまり、ＥＧＲを行う）ようにしてもよい。

前記の構成によると、エンジン本体の運転状態が、所定負荷よりも低い低負荷領域にあるときには、Ｇ／Ｆ≧３０となるようなリーン燃焼を行うことで、エンジン本体の熱効率が向上する。このリーン燃焼は、例えば圧縮着火燃焼（Compression Ignition）としてもよく、圧縮着火燃焼が可能となるように大量のＥＧＲガスを気筒内に導入してもよい。

一方で、こうしたリーン燃焼は、排気温度が低くなると共に、排気のガス流量を多くするため、触媒の活性維持には不利になる。つまり、触媒が活性化していても、低負荷領域での運転が継続して、低温の排気ガスが大量に触媒を通過したときには、触媒の温度を低下させて、触媒の浄化性能を低下させる場合がある。

そこで、前記の構成では、エンジンの運転状態が低負荷領域にあるときであっても、触媒の活性状態が所定よりも低下したときには、触媒の温度上昇を促進させる触媒活性燃焼を行う。この触媒活性燃焼は、具体的には、圧縮行程後期から膨張行程初期にかけての期間内における所定のタイミングで、燃料を噴射させる。このような比較的遅いタイミングでの燃料噴射は、燃料噴霧が燃焼室の外周部にまで到達することを抑制して燃焼室の中央部には燃焼可能な混合気を形成する一方で、燃焼室の外周部には、燃料を含まない、又は、燃料をほとんど含まないで、燃焼には実質的に寄与しないガス層を形成することを可能にする。ここで、燃料噴射弁は、低ペネトレーションでかつ、燃料噴霧の高拡散が可能な燃料噴射弁であることが好ましい。

制御器はまた、気筒内に導入される新気量を減らして、燃焼室の中央部に形成する混合気の空燃比Ａ／Ｆを、１２．５〜１５．０に設定し、燃焼させる。尚、この燃焼は、圧縮自着火燃焼としてもよい。

このような略λ＝１燃焼は、実質的に理論空燃比の混合気を燃焼させることになるから、高温燃焼となる一方で、燃焼室の外周部に介在するガス層が、高温の燃焼ガスが燃焼室の区画壁に接触することを回避又は抑制し、冷却損失を低減させるから、燃費を悪化させずに排気温度を高める上で有利になる。また、燃焼室の外周部に、燃焼に寄与しないガス層を形成している分だけ、気筒内全体にλ＝１の均質な混合気を形成する場合と比較して、気筒内のガス量が増大する。

こうして、排気温度を高くすることと、気筒内のガス量を増大させることとが可能になるから、触媒活性燃焼は、排気の熱流束が増加し、触媒の温度が速やかに上昇するようになる。こうして、触媒の活性状態を、効率的に維持することが可能になる。

ここで、燃焼室の外周部に形成するガス層は、新気及びＥＧＲガスを含んで構成すればよく、略λ＝１燃焼は、比較的多量のＥＧＲガスが気筒内に存在していても安定的に行い得る。このことは、リーン燃焼から略λ＝１燃焼への切り替えの際に必要となるＥＧＲガスの減量幅を小さくするから、ＥＧＲガスの減量遅れ時間を短くし、その切り替え途中の燃費の悪化や、エミッション性能の低下を抑制することを可能にする。

前記制御器は、前記エンジン本体の運転状態が、前記所定負荷以上の高負荷領域にあるときには、前記燃焼室の外周部に燃焼に寄与しないガス層が介在するように、圧縮行程後期から膨張行程初期にかけての期間内における所定のタイミングで、前記燃料噴射弁から燃料を噴射させると共に、前記気筒内に導入される新気量を、燃料噴射量に対応するように調整することで、前記燃焼室の外周部に囲まれた中央部において空燃比Ａ／Ｆが１２．５〜１５．０の混合気を形成し、それを燃焼させる、としてもよい。

この構成によると、エンジン本体の運転状態が高負荷領域にあるときにも、燃焼室内の外周部にガス層を介在させた燃焼を行うため、冷却損失が低減し、熱効率の向上、ひいては燃費の向上に有利になる。

また、この高負荷領域での燃焼形態は、前述した、触媒活性燃焼と実質的に同じになる。従って、エンジン回転数とエンジン負荷とに応じて、所定負荷を境に、リーン燃焼と略λ＝１燃焼との間で燃焼形態を切り替えるように設定されたエンジンの制御マップに従いエンジン本体の制御を行う場合は、所定負荷の境界よりも低い運転領域でリーン燃焼を行っているときに、触媒の活性状態が所定以下になれば、前記の制御マップにおける境界を低負荷側に移動させ、それによって、エンジンの当該運転状態が高負荷領域の領域に入るようにすればよい。こうすることで、リーン燃焼から、略λ＝１燃焼、つまり触媒活性燃焼への切り替えが行われることになる。

以上説明したように、前記のエンジンの制御装置は、エンジン本体の運転状態が低負荷領域にあるときには、Ｇ／Ｆ≧３０のリーン燃焼を行うことで、エンジン本体の熱効率を向上させる一方、触媒の活性状態が所定以下になれば、燃焼室の外周部に燃焼に寄与しないガス層を介在させつつ、中央部に形成したＡ／Ｆ＝１２．５〜１５．０の混合気を燃焼させる略λ＝１燃焼に切り替えることで、冷却損失を低減して排気ガス温度を高めると共に、筒内ガス量を比較的多くして、排気の熱流束を高め、触媒の温度を速やかに高めることが可能になるから、触媒の活性状態を効率的に維持することが可能になる。

エンジンの構成を概略的に示す図である。エンジンの制御に係る構成を示すブロック図である。燃料噴射弁の構成を示す断面図である。エンジンの制御マップを例示する図である。触媒活性維持制御に係るフローチャートである。リーン燃焼から、触媒活性燃焼への移行に係る、（ａ）空燃比、（ｂ）吸入新気量、（ｃ）ＥＧＲ量、（ｄ）吸気弁の閉弁タイミング、（ｅ）燃料噴射量、（ｆ）燃料噴射タイミング、（ｇ）点火アシストタイミング、及び、（ｈ）触媒前後温度差の変化についてのタイムチャートの例示である触媒活性燃焼への移行と、均質λ＝１ＳＩ燃焼への移行とを比較する図であり、（ａ）空燃比、（ｂ）ＥＧＲ量、（ｃ）筒内ガス量、（ｄ）冷却損失、（ｅ）排気温度についてのタイムチャートの例示である。リーン燃焼から触媒活性燃焼へ移行する場合の気筒内の状態と、均質λ＝１ＳＩ燃焼へ移行する場合の気筒内の状態とを比較する説明図である。

以下、エンジンの制御装置の実施形態を図面に基づいて説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎない。図１、２に示すように、エンジン・システムは、エンジン１、エンジン１に付随する様々なアクチュエーター、様々なセンサ、及びセンサからの信号に基づきアクチュエーターを制御するエンジン制御器１００を有する。

エンジン１は、火花点火式内燃機関であって、図例では一つのみ図示するが、複数のシリンダ（気筒）１１を有する。エンジン１は、自動車等の車両に搭載され、その出力軸は、図示しないが、変速機を介して駆動輪に連結されている。エンジン１の出力が駆動輪に伝達されることによって、車両が推進する。エンジン１は、シリンダブロック１２と、その上に載置されるシリンダヘッド１３とを備えており、シリンダブロック１２の内部にシリンダ１１が形成されている。

ピストン１５は、各シリンダ１１内に摺動自在に嵌挿されており、シリンダ１１及びシリンダヘッド１３と共に燃焼室１７を区画している。この実施形態では、燃焼室１７は、シリンダヘッド１３の下面（燃焼室１７の上面を区画する天井面）及びピストン１５の冠面が共に、シリンダ１１の軸心に対して垂直な面で構成されている。ピストン１５の冠面には、比較的容積の小さいキャビティ１５ａが凹陥して形成されている。こうして、このエンジン１では、小さいキャビティ１５ａと、それに伴い拡大したスキッシュエリアとによって、後述するように、高い幾何学的圧縮比を実現している。

図１には一つのみ示すが、シリンダ１１毎に２つの吸気ポート１８がシリンダヘッド１３に形成され、それぞれがシリンダヘッド１３の下面に開口することで燃焼室１７に連通している。同様に、シリンダ１１毎に２つの排気ポート１９がシリンダヘッド１３に形成され、それぞれがシリンダヘッド１３の下面に開口することで燃焼室１７に連通している。吸気ポート１８は、シリンダ１１内に導入される新気が流れる吸気通路１８０に接続されている。図１では図示を省略するが、吸気通路１８０における上流側には、吸気流量を調整するスロットル弁２０が介設しており、スロットル弁２０は、エンジン制御器１００からの制御信号を受けてその開度が調整される。一方、排気ポート１９は、各シリンダ１１からの既燃ガス（排気ガス）が流れる排気通路１９０に接続されている。排気通路１９０には一つ以上の触媒コンバータ１９１を有する排気ガス浄化システムが配置される。触媒コンバータ１９１は、例えば三元触媒を含む。

図１には概念的に示すが、排気通路１９０と吸気通路１８０との間には、既燃ガスの一部を吸気通路１８０に還流するための排気還流通路（つまり、ＥＧＲ通路）５１が設けられている。ＥＧＲ通路５１の途中には、既燃ガス（言い換えるとＥＧＲガス）の還流量を調整するためのＥＧＲ弁５２が配設されている。エンジン制御器１００がＥＧＲ弁５２の開度を調整することによって、燃焼室１７内へＥＧＲガス量が調整されることになる。尚、図示は省略するが、ＥＧＲ通路５１上には、燃焼室１７内に導入するＥＧＲガスを冷却するための、例えば水冷式のＥＧＲクーラを配設してもよい。

吸気弁２１及び排気弁２２はそれぞれ、吸気ポート１８及び排気ポート１９を燃焼室１７から遮断（閉）することができるように配設されている。吸気弁２１は吸気弁駆動機構により、排気弁２２は排気弁駆動機構により、それぞれ駆動される。吸気弁２１及び排気弁２２は所定のタイミングで往復動して、吸気ポート１８及び排気ポート１９を開閉し、シリンダ１１内のガス交換を行う。吸気弁駆動機構及び排気弁駆動機構は、図示は省略するが、それぞれ、クランクシャフトに駆動連結された吸気カムシャフト及び排気カムシャフトを有し、これらのカムシャフトはクランクシャフトの回転と同期して回転する。また、少なくとも吸気弁駆動機構は、吸気カムシャフトの位相を所定の角度範囲内で連続的に変更可能な、液圧式又は機械式の位相可変機構（Variable Valve Timing：ＶＶＴ）２３を含んで構成されている。ＶＶＴ２３と共に、弁リフト量を連続的に変更可能なリフト可変機構（ＣＶＶＬ（Continuous Variable Valve Lift））を備えるようにしてもよい。

点火プラグ３１は、例えばねじ等の周知の構造によって、シリンダヘッド１３に取り付けられている。点火プラグ３１は、この実施形態では、シリンダ１１の軸心に対し、排気側に傾斜した状態で取り付けられており、その先端部（電極）は燃焼室１７の天井部に臨んでいる。尚、点火プラグ３１の配置はこれに限定されるものではない。点火システム３２は、エンジン制御器１００からの制御信号を受けて、点火プラグ３１が所望の点火タイミングで火花を発生するよう、それに通電する。一例として、点火システム３２はプラズマ発生回路を備え、点火プラグはプラズマ点火式のプラグとしてもよい。

燃料噴射弁３３は、この実施形態ではシリンダ１１の軸心に沿って配置され、例えばブラケットを使用する等の周知の構造でシリンダヘッド１３に取り付けられている。燃料噴射弁３３の先端は、燃焼室１７の天井部の中心に臨んでいる。

図３に示すように、燃料噴射弁３３は、この実施形態では、シリンダ１１内に燃料を噴射するノズル口４１を開閉する外開弁４２を有する、外開弁式のインジェクタである。但し、燃料噴射弁は、外開弁式には限定されない。ノズル口４１は、シリンダ１１の軸心に沿って延びる燃料管４３の先端部において、先端側ほど径が大きくなるテーパ状に形成されている。燃料管４３の基端側の端部は、内部にピエゾ素子４４が配設されたケース４５に接続されている。外開弁４２は、弁本体４２ａと、弁本体４２ａから燃料管４３内を通ってピエゾ素子４４に接続された連結部４２ｂとを有している。弁本体４２ａの連結部４２ｂ側の部分が、ノズル口４１と略同じ形状を有しており、該部分がノズル口４１に当接（着座）しているときには、ノズル口４１が閉状態となる。このとき、弁本体４２ａの先端側の部分は、燃料管４３の外側に突出した状態となっている。

ピエゾ素子４４は、電圧の印加による変形により、外開弁４２をシリンダ１１の軸心方向の燃焼室１７側に押圧することで、その外開弁４２を、ノズル口４１を閉じた状態からリフトさせてノズル口４１を開放する。このとき、ノズル口４１からシリンダ１１内に燃料が、シリンダ１１の軸心を中心とするコーン状（詳しくはホローコーン状）に噴射される。そのコーンのテーパ角は、本実施形態では、９０°〜１００°である（内側の中空部のテーパ角は７０°程度である）。そして、ピエゾ素子４４への電圧の印加が停止すると、ピエゾ素子４４が元の状態に復帰することで、外開弁４２がノズル口４１を再び閉状態とする。このとき、ケース４５内における連結部４２ｂの周囲に配設された圧縮コイルバネ４６がピエゾ素子４４の復帰を助長する。

ピエゾ素子４４に印加する電圧が大きいほど、外開弁４２の、ノズル口４１を閉じた状態からのリフト量（以下、単にリフト量という）が大きくなる。このリフト量が大きいほど、ノズル口４１の開度が大きくなってノズル口４１からシリンダ１１内に噴射される燃料噴霧のペネトレーションが大きくなる（長くなる）とともに、単位時間当たりに噴射される燃料量が多くなりかつ燃料噴霧の粒径が大きくなる。

燃料供給システム３４は、外開弁４２（ピエゾ素子４４）を駆動するための電気回路と、燃料噴射弁３３に燃料を供給する燃料供給系とを備えている。エンジン制御器１００は、所定のタイミングで、リフト量に応じた電圧を有する噴射信号を前記電気回路に出力することで、該電気回路を介してピエゾ素子４４及び外開弁４２を作動させて、所望量の燃料を、シリンダ１１内に噴射させる。前記噴射信号の非出力時（噴射信号の電圧が０であるとき）には、外開弁４２によりノズル口４１が閉じられた状態となる。このようにピエゾ素子４４は、エンジン制御器１００からの噴射信号によって、その作動が制御される。こうしてエンジン制御器１００は、ピエゾ素子４４の作動を制御して、燃料噴射弁３３のノズル口４１からの燃料噴射及び該燃料噴射時におけるリフト量を制御する。ここで、このエンジン１の燃料は、この実施形態ではガソリンであるが、これに限定されるものではなく、例えばガソリン含有の各種の液化燃料としてもよい。

エンジン制御器１００は、周知のマイクロコンピュータをベースとするコントローラであって、プログラムを実行する中央演算処理装置（ＣＰＵ）と、例えばＲＡＭやＲＯＭにより構成されてプログラム及びデータを格納するメモリと、電気信号の入出力をする入出力（Ｉ／Ｏ）バスと、を備えている。

エンジン制御器１００は、図２に示すように、少なくとも、エアフローセンサ７１からの吸気流量に関する信号、クランク角センサ７２からのクランク角パルス信号、アクセル・ペダルの踏み込み量を検出するアクセル開度センサ７３からのアクセル開度信号、車速センサ７４からの車速信号をそれぞれ受ける。エンジン制御器１００は、これらの入力信号に基づいて、以下のようなエンジン１の制御パラメーターを計算する。例えば、所望のスロットル開度信号、燃料噴射パルス、点火信号、バルブ位相角信号等である。そしてエンジン制御器１００は、それらの信号を、スロットル弁２０（スロットル弁２０を動かすスロットルアクチュエーター）、燃料供給システム３４、点火システム３２、ＶＶＴ２３、及びＥＧＲ弁５２等に出力する。

エンジン制御器１００はまた、後述するように、触媒の活性状態を判断するために、触媒コンバータ１９１の上流側の温度を検出する温度センサ７５と、その下流側の温度を検出する温度センサ７６との検出信号をそれぞれ受ける。

このエンジン１の幾何学的圧縮比εは、１５以上４０以下とされている。この幾何学的圧縮比εは、特に２５以上３５以下が好ましい。本実施形態では、エンジン１は圧縮比＝膨張比となる構成から、高圧縮比と同時に、比較的高い膨張比を有するエンジン１でもある。尚、圧縮比≦膨張比となる構成（例えばアトキンソンサイクルや、ミラーサイクル）を採用してもよい。

燃焼室１７は、図１に示すように、シリンダ１１の壁面と、ピストン１５の冠面と、シリンダヘッド１３の下面（天井面）と、吸気弁２１及び排気弁２２それぞれのバルブヘッドの面と、によって区画形成されている。そして、冷却損失を低減するべく、これらの各面に、断熱層６１，６２，６３，６４，６５が設けられることによって、燃焼室１７が断熱化されている。尚、以下において、これらの断熱層６１〜６５を総称する場合は、断熱層に符号「６」を付す場合がある。断熱層６は、これらの区画面の全てに設けてもよいし、これらの区画面の一部に設けてもよい。また、図例では、シリンダ壁面の断熱層６１は、ピストン１５が上死点に位置した状態で、そのピストンリング１４よりも上側の位置に設けられており、これにより断熱層６１上をピストンリング１４が摺動しない構成としている。但し、シリンダ壁面の断熱層６１はこの構成に限らず、断熱層６１を下向きに延長することによって、ピストン１５のストロークの全域、又は、その一部に断熱層６１を設けてもよい。また、燃焼室１７を直接区画する壁面ではないが、吸気ポート１８や排気ポート１９における、燃焼室１７の天井面側の開口近傍のポート壁面に断熱層を設けてもよい。尚、図１に図示する各断熱層６１〜６５の厚みは実際の厚みを示すものではなく単なる例示であると共に、各面における断熱層の厚みの大小関係を示すものでもない。

燃焼室１７の断熱構造について、さらに詳細に説明する。燃焼室１７の断熱構造は、上述の如く、燃焼室１７を区画する各区画面に設けた断熱層６１〜６５によって構成されるが、これらの断熱層６１〜６５は、燃焼室１７内の燃焼ガスの熱が、区画面を通じて放出されることを抑制するため、燃焼室１７を構成する金属製の母材よりも熱伝導率が低く設定される。ここで、シリンダ１１の壁面に設けた断熱層６１については、シリンダブロック１２が母材であり、ピストン１５の冠面に設けた断熱層６２についてはピストン１５が母材であり、シリンダヘッド１３の天井面に設けた断熱層６３については、シリンダヘッド１３が母材であり、吸気弁２１及び排気弁２２それぞれのバルブヘッド面に設けた断熱層６４，６５については、吸気弁２１及び排気弁２２がそれぞれ母材である。したがって、母材の材質は、シリンダブロック１２、シリンダヘッド１３及びピストン１５については、アルミニウム合金や鋳鉄となり、吸気弁２１及び排気弁２２については、耐熱鋼や鋳鉄等となる。

また、断熱層６は、冷却損失を低減する上で、母材よりも容積比熱が小さいことが好ましい。つまり、燃焼室１７内のガス温度は燃焼サイクルの進行によって変動するが、燃焼室１７の断熱構造を有しない従来のエンジンは、シリンダヘッドやシリンダブロック内に形成したウォータージャケット内を冷却水が流れることにより、燃焼室１７を区画する面の温度は、燃焼サイクルの進行にかかわらず、概略一定に維持される。

一方で、冷却損失は、冷却損失＝熱伝達率×伝熱面積×（ガス温度−区画面の温度）によって決定されることから、ガス温度と壁面の温度との差温が大きくなればなるほど冷却損失は大きくなってしまう。冷却損失を抑制するためには、ガス温度と区画面の温度との差温は小さくすることが望ましいが、冷却水によって燃焼室１７の区画面の温度を概略一定に維持した場合、ガス温度の変動に伴い差温が大きくなることは避けられない。そこで、断熱層６の熱容量を小さくして、燃焼室１７の区画面の温度が、燃焼室１７内のガス温度の変動に追従して変化するようにすることが好ましい。

前記断熱層６は、例えば、母材上に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して形成すればよい。このセラミック材料の中には、多数の気孔を含んでいてもよい。このようにすれば、断熱層６の熱伝導率及び容積比熱をより低くすることができる。

また、本実施形態では、図１に示すように、熱伝導率が非常に低くて断熱性に優れかつ耐熱性にも優れたチタン酸アルミニウム製のポートライナ１８１を、シリンダヘッド１３に一体的に鋳ぐるむことによって、吸気ポート１８に断熱層を設けている。この構成は、新気が吸気ポート１８を通過するときに、シリンダヘッド１３から受熱して温度が上がることを抑制乃至回避し得る。これによってシリンダ１１内に導入する新気の温度（初期のガス温度）が低くなるため、圧縮から燃焼時のガス温度が低下し、ガス温度と燃焼室１７の区画面との差温を小さくする上で有利になる。燃焼時のガス温度を低下させることは熱伝達を低くし得るから、そのことによる冷却損失の低減にも有利になる。尚、吸気ポート１８に設ける断熱層の構成は、ポートライナ１８１の鋳ぐるみに限定されない。

このエンジン１ではまた、少なくとも一部の運転領域において、前記の燃焼室１７及び吸気ポート１８の断熱構造に加えて、燃焼室１７内においてガス層による断熱層を形成することで、冷却損失を大幅に低減するようにしている。

具体的には、エンジン制御器１００は、エンジン１の燃焼室１７内の外周部に新気を含むガス層が形成されかつ中心部に混合気層が形成されるように、圧縮行程後期から膨張行程初期にかけての期間内において燃料噴射弁３３のノズル口４１から気筒内に燃料を噴射させるべく、燃料供給システム３４に制御信号を出力する。すなわち、圧縮行程後期から膨張行程初期にかけての期間内において燃料噴射弁３３により気筒内に燃料を噴射させかつその燃料噴霧のペネトレーションを、燃料噴霧が気筒内の外周部（ガス層）まで届かないような大きさ（長さ）に抑えることで、気筒内の中央部に混合気層が形成されかつその周囲に新気を含むガス層が形成されるという、成層化が実現する。このガス層は、新気のみであってもよく、既燃ガス（ＥＧＲガス）のみであってもよい。尚、ガス層に少量の燃料が混じっても問題はなく、ガス層が断熱層の役割を果たせるように混合気層よりも燃料リーンであればよい。

こうして、燃焼室１７内において、ガス層と混合気層とが形成された状態で、その混合気層の混合気を、例えば圧縮自己着火により燃焼させれば、混合気層とシリンダ１１等の壁面との間のガス層により、高温の燃焼ガスがシリンダ１１等の壁面に接触することがなく、そのガス層が断熱層となって、シリンダ１１等の壁面からの熱の放出を抑えることができる。その結果、冷却損失を大幅に低減することが可能になる。

尚、冷却損失を低減させるだけでは、その冷却損失の低減分が排気損失に転換されて図示熱効率の向上にはあまり寄与しないところ、このエンジン１では、高圧縮比化に伴う高膨張比化によって、冷却損失の低減分に相当する燃焼ガスのエネルギを、機械仕事に効率よく変換している。すなわち、エンジン１は、冷却損失及び排気損失を共に低減させる構成を採用することによって、図示熱効率を大幅に向上させているということができる。

ここで、図４は、エンジン１の制御マップの一例を示しており、この制御マップでは、主に、エンジン１の負荷の高低に応じて、（１）〜（４）の４つの領域に分けられている。先ず、エンジン負荷が最も低い領域（１）では、比較的早いタイミングで燃料噴射を行い、燃焼室１７内に、比較的均質でかつリーンな混合気（例えばＧ／Ｆ≧３０）を形成する。そうして、領域（１）では、その均質かつリーンな混合気を、基本的には、圧縮自着火により燃焼させるものの、燃焼安定性を確保するために、必要に応じて、圧縮上死点付近において点火プラグ３１を作動させて、アシスト点火を行う。

領域（１）よりも負荷の高い領域（２）では、領域（１）と同様に、比較的早いタイミングで燃料噴射を行い、燃焼室１７内に、比較的均質でかつリーンな混合気（例えばＧ／Ｆ≧３０）を形成する。一方で、領域（２）では、領域（１）に比べて負荷が高いことで、気筒内の温度及び圧力が、相対的に高くなることから、アシスト点火は行わずに、圧縮自着火燃焼を行う。

領域（２）よりも負荷の高い領域（３）では、領域（１）（２）とは異なり、燃料の噴射タイミングを、前述の通り圧縮行程後期から膨張行程初期にかけての期間内の、比較的遅いタイミングに設定し、それによって、燃焼室１７内の、中央部にリーンな混合気を形成すると共に、その外周部には、燃焼には寄与しないガス層を形成する。シリンダ１１内全体において、例えばＧ／Ｆ≧３０としてもよい。そうして、中央部のリーン混合気を、圧縮自着火により燃焼させる。これによって、前述の通り、外周部のガス層が断熱層として機能するため、冷却損失を大幅に低減することが可能になる。

領域（３）よりも負荷の高い領域（４）では、燃料の噴射タイミングを、領域（３）と同様に、圧縮行程後期から膨張行程初期にかけての期間内の、比較的遅いタイミングに設定する。一方で、全開負荷を含む高負荷側の領域（４）では、燃焼室１７内の、中央部にＡ／Ｆ＝１２．５〜１５．０の混合気を形成すると共に、その外周部には、燃焼には寄与しないガス層を形成する。そうして、中央部の多少リッチな混合気乃至略λ＝１混合気を、圧縮自着火により燃焼させる。この場合も、外周部のガス層が断熱層として機能するため、高温燃焼となる略λ＝１燃焼においても、冷却損失を大幅に低減することが可能になる。

ここで、領域（１）〜（４）の全領域において、各領域の燃焼形態に応じた量のＥＧＲガスが、シリンダ１１内に導入されている。つまり、リーン燃焼を行う領域（１）〜（３）においては、シリンダ１１内の温度を高く維持するために、比較的大量のＥＧＲガスがシリンダ１１内に導入される一方で、略λ＝１燃焼を行う領域（４）では、相対的に少ない量のＥＧＲガスがシリンダ１１内に導入されるようになる。

このエンジン１では、前述の通り熱効率を高めているため、排気ガスの温度が比較的低く、このことは、触媒の活性状態を維持する上では不利である。つまり、エンジン１の始動後、触媒を活性化すべく、混合気をλ＝１に設定して、高温燃焼を行った後に、図４の制御マップにおける領域（１）〜（３）、特に、エンジン１の暖機中で、中軽負荷の領域（２）のようなリーン燃焼を行う運転領域内での運転状態が継続したときには、比較的低温の排気ガスが、大量に触媒コンバータ１９１を通過することで触媒コンバータ１９１の温度が低下し、活性化していた触媒の活性状態が低下してしまう虞がある。そのような状態で、例えばエンジン１の負荷が高まって、エンジン１の運転状態が、λ＝１燃焼を行う領域（４）、言い換えると、触媒による排気ガスの浄化が要求される領域へと変更したときには、排気エミッション性能の悪化を招く虞がある。そこで、このエンジン・システムにおいては、触媒の活性状態を維持するような制御を行う。

具体的に、エンジン制御器１００は、図５に示すフローチャートに従って、触媒の活性状態を維持するようにする。次に、この図５のフローと、このフローの制御に伴う各状態量の変化（図６）を参照しながら、触媒活性維持制御について、説明する。

図５のフローは、エンジン１の始動後の、触媒が不活性状態でスタートし、ステップＳ１では、触媒の不活性時に実行するように予め設定されている、λ＝１燃焼を実行する。この燃焼は、空気過剰率λ＝１の混合気を燃焼させる高温燃焼により、排気ガスの温度を高めて、触媒を速やかに昇温させる。例えば前述した領域（４）での燃焼を採用してもよい。続くステップＳ２では、触媒の活性状態を判断する。この判断は、具体的には、触媒コンバータ１９１の上流側及び下流側に取り付けられた温度センサ７５、７６の検出温度差が、予め設定した所定値ΔＴ１以下であるか否かを判定することにより行う。ステップＳ２の判定がＮＧ、つまり、触媒が活性化していないときには、ステップＳ１に戻って、触媒の活性化を継続する。一方、ステップＳ２の判定がＯＫのとき、つまり、触媒が活性化したときには、ステップＳ３に移行する。尚、ステップＳ２においては、触媒コンバータ１９１の下流側のガス温のみを検出し、この検出温度と、エンジン回転数及びエンジン負荷から推定した触媒コンバータ１９１の上流側のガス温との差に基づいて、触媒の活性状態を判断してもよい。さらに、触媒のベッド温度を直接検出するセンサを取り付け、その温度センサの検出値に基づいて、触媒の活性状態を判定してもよい。

ステップＳ３では、エンジン１の運転状態に応じた燃焼を行う。ここでは、領域（２）のリーン燃焼へ移行するとし、続くステップＳ４において、触媒の活性状況の判断を行う。ステップＳ４での判断は、ステップＳ２での判断と同様にすればよい。但し、触媒の活性状態を判断するための判定しきい値ΔＴ２は、ステップＳ２における判定しきい値ΔＴ１よりも大に設定する（つまり、ΔＴ２＞ΔＴ１）ことが好ましい。これは、触媒活性に係るヒステリシス特性を考慮したものであり、一旦、活性化した触媒は、その活性温度を下回る温度になったとしても、所定の浄化率を維持することが可能であるためである。そうして、ステップＳ４の判定において、ＯＫのときには、触媒の活性状態が維持されているため、ステップＳ３に戻って、エンジン１の運転状態に応じた燃焼を継続する。一方、ステップＳ４の判定において、ＮＧのとき、言い換えると、触媒コンバータ１９１の前後温度差が、ΔＴ２を超えれば、触媒の活性状態が低下しており、触媒を活性化させる必要があるとして、ステップＳ５に移行する。これは、図６のタイムチャートにおいては、同図（ｈ）に示す触媒前後温度差がΔＴ２を超えることに対応する（時刻ｔ１）。

ステップＳ５では、触媒活性燃焼への移行を開始する。この触媒活性燃焼は、具体的には、燃焼室１７内の中央部にＡ／Ｆ＝１２．５〜１５．０の混合気を形成すると共に、その外周部には、燃焼には寄与しないガス層を形成し、その略λ＝１混合気を圧縮自着火により燃焼させる燃焼である。この触媒活性燃焼は、図４の制御マップにおける領域（４）の燃焼と、実質的に同じである。

ステップＳ６では、現在のエンジンの運転状態を確認し、続くステップＳ７において、現在のリーン燃焼から触媒活性燃焼へと移行したときに、トルクショックが生じないような、要求新気量、燃料噴射量及びＥＧＲ量をそれぞれ算出する。要求新気量は、現在のリーン燃焼時の新気量よりも少なくなる一方で、燃料噴射量は、現在のリーン燃焼時の燃料噴射量よりも多くなる。また、ＥＧＲ量は、触媒活性燃焼での下限量以上で設定される。

ステップＳ７では、シリンダ１１内に導入される新気量を要求新気量にまで減らすべく、吸気弁２１の閉弁時期を、吸気下死点以降の所定の遅閉じ時期に設定すると共に、ＥＧＲ量を要求量にまで減らすべく、ＥＧＲ弁５２の開度を、所定の開度に設定する。

つまり、図６（ｄ）に示すように、時刻ｔ１前のリーン燃焼時には、吸気弁２１の閉弁時期が、シリンダ１１内の流入ガス量が最大となるような吸気下死点付近のタイミングに設定されていたところ、これよりも新気量を減らすべく、吸気弁２１の閉弁時期を、図６（ｄ）に実線で示すように、吸気下死点以降に設定する（いわゆる遅閉じ制御）。尚、図６（ｄ）に破線で示すように、吸気弁２１の早閉じ制御を行うようにしてもよい。こうして、図６（ｂ）に示すように、シリンダ１１内に導入される新気量を要求新気量にまで減少させていくと共に、ＥＧＲ弁５２の開度を閉じ側に変更することにより、図６（ｃ）に示すように、相対的に高く設定された下限値（この下限値は、リーンＣＩ燃焼が可能となるＥＧＲ量の下限値である）以上のＥＧＲ量を、相対的に低く設定された下限値（この下限値は、触媒活性燃焼である略λ＝１ＣＩ燃焼が可能となる下限値である）付近にまで減少させていく。

尚、ここでは、ＥＧＲ弁５２の開度調整によって、ＥＧＲ量の調整を行うようにしているが、これに代えて、排気弁２２の閉弁時期を変更することによって、ＥＧＲ量の調整を行ってもよい。つまり、吸気弁２１と排気弁２２との開弁時期が重なっているとき（ポジティブオーバーラップ）のときには、排気弁２２の閉弁タイミングを早めることによって、ＥＧＲ量を減らすことが可能である。一方、吸気弁２１と排気弁２２との開弁時期が重なっていないとき（ネガティブオーバーラップ）のときには、排気弁２２の閉弁タイミングを遅らせることによって、ＥＧＲ量を減らすことが可能である。

ステップＳ９では、ステップＳ８の制御により、要求新気量に向けて減少する新気量に合わせて、λ＝１となるように、燃料噴射量が設定される。すなわち、図６（ａ）に示すように、リーン燃焼から触媒活性燃焼へと切り替わることに伴い、混合気の空燃比Ａ／Ｆは、リーンな状態から、理論空燃比（λ＝１）へと変更される。前述の通り、リーン燃焼時には、シリンダ１１内に大量の新気が導入されていた一方で、新気量は急激に減少させることはできないため、切り替え直後は、図６（ｅ）に白抜きの矢印で示すように、比較的多いままの新気量に合わせて、燃料噴射量は不連続的に増大する。そしてその後、シリンダ１１内に導入される新気量が減少するに従って、燃料噴射量も次第に減少する。

ステップＳ１０では、要求新気量に向けて減少する新気量に合わせて、燃料の噴射タイミングが設定される。つまり、領域（２）でのリーン燃焼時には、燃料の噴射タイミングが相対的に早いタイミングに設定されていたところ、前述の通り、リーン燃焼から触媒活性燃焼への切り替えに伴い、燃料噴射量は、大幅に増大するため、燃焼騒音の急増を回避するために、燃料の噴射タイミングは、図６（ｆ）に示すように、遅角側に、不連続的に変更する。つまり、燃料の噴射タイミングを遅らせ、それによって点火時期を遅らせることにより、圧力上昇率（ｄＰ／ｄθ）が大きくなることを抑制する。そしてその後、燃料噴射量が次第に減少するに従って、噴射タイミングも次第に進角させる。尚、ステップＳ１０では、新気量に基づいて燃料の噴射タイミングを制御しているが、燃料噴射量に基づいて燃料の噴射タイミングを制御するようにしてもよい。

続くステップＳ１１では、燃焼騒音の判断を行う。つまり、圧力上昇率ｄＰ／ｄθが所定値以下であるか否かを判断し、圧力上昇率が所定値以下であるとき（つまり、ＯＫのとき）には、燃焼騒音が許容値以下であるとして、ステップＳ１２に移行する一方、圧力上昇率が所定値を超えているとき（つまり、ＮＧのとき）には、燃焼騒音を下げるべく、ステップＳ１０に戻り、噴射タイミングをさらに遅角させる。こうして、ステップＳ１０、Ｓ１１において、燃焼騒音が許容値以下となるように、燃料の噴射タイミングを調整する。

ステップＳ１２では、エンジン１の回転変動の判断を行う。これは、燃焼の安定化の判断であり、燃焼変動が所定値以下であれば、燃焼が安定している（つまりＯＫ）として、ステップＳ１４に移行する一方、燃焼変動が所定値を超えていれば、燃焼が不安定である（つまりＮＧ）として、ステップＳ１３に移行する。前述の通り、リーン燃焼から触媒活性燃焼への切り替え直後に、燃料噴射タイミングを、大幅に遅らせたようなときには、圧縮上死点以降に燃焼が開始することで燃焼が不安定になりやすく、そうした場合は、図６（ｇ）に破線で示すように、圧縮上死点以降において、点火アシストを実行する。こうした点火アシストは、燃焼を安定化させ、燃焼変動（エンジンの回転変動）を抑制する上で、有効である。点火アシストタイミングは、燃料噴射タイミングに応じて（言い換えると着火のタイミングに応じて）設定され、燃料噴射タイミングが進角するに従って、点火アシストタイミングも進角する。

そうしてステップＳ１４では、現在の新気量が、ステップＳ７で設定した要求新気量になったか否かを判定し、要求新気量まで減少していないとき（つまり、ＮＯのとき）にはステップＳ９に戻って、新気量の減少、ＥＧＲ量の減少、並びに、それに応じた燃料噴射量及び噴射タイミングの制御を継続する。一方、ステップＳ１４において、新気量が要求新気量にまで減少したときには、ステップＳ１５に移行し、触媒活性燃焼への移行が完了したとして、フローは終了する。尚、ステップＳ１４では、新気量に基づく判定を行っているが、例えば現在の噴射量が、ステップＳ７で設定した要求噴射量になったか否かを判定してもよい。

こうして移行した触媒活性燃焼では、エンジン１の回転数及び負荷が同じであっても、リーン燃焼時に比べて新気量及びＥＧＲ量が減少すると共に（図６（ｂ）（ｃ）参照）、噴射タイミングが遅角側になる（図６（ｆ））。これにより、触媒活性燃焼では、前述したように、燃焼室１７内の中央部にＡ／Ｆ＝１２．５〜１５．０の混合気が形成される一方、その外周部に、燃焼には寄与しないガス層が形成され、略λ＝１混合気が圧縮自着火により燃焼することになる。

尚、触媒活性燃焼への移行完了後は、例えば図５のフローのステップＳ１に戻ることになり、触媒が活性化するまで、例えば触媒コンバータ１９１前後の温度差がΔＴ１以下になるまで、触媒活性燃焼を継続し、温度差がΔＴ１以下になれば、触媒活性燃焼を中止して、通常の制御に復帰すればよい。

次に、触媒活性燃焼の利点について、図７、８を参照しながら説明する。つまり、触媒の活性化を図る上では、前述したような触媒活性燃焼以外にも、シリンダ１１内に均質なλ＝１の混合気を形成し、それを火花点火によって燃焼させること（以下、このような燃焼をλ＝１ＳＩ燃焼と呼ぶ）も考えられる。触媒活性燃焼は、こうしたλ＝１ＳＩ燃焼と比較して、リーン燃焼から触媒活性燃焼への移行期間が短く、かつ、触媒活性燃焼への移行後は、排気の熱流束が高くて触媒の活性化に有利であるという、利点がある。

図７は、リーン燃焼から触媒活性燃焼への移行時（同図の実線参照）と、リーン燃焼からλ＝１ＳＩ燃焼への移行時（同図の一点鎖線参照）との各パラメーターの変化を示している。また、図８は、横軸に空燃比Ａ／Ｆ、縦軸にＥＧＲ量をとった、シリンダ１１内の状態を示している。同図における「ＣＩ」は、圧縮自着火燃焼を行う領域、「弱成層λ＝１ＳＩ」は、点火プラグ３１の周りに相対的にリッチな混合気を形成して、火花点火を行う領域、「均質λ＝１ＳＩ」は、シリンダ１１内に均質なλ＝１の混合気を形成して、火花点火を行う領域である。

先ず、図７（ａ）の混合気Ａ／Ｆの変化を示す実線と、同図（ｂ）のＥＧＲ量の変化を示す実線は、図６（ａ）及び（ｃ）と同じである。前述したように、リーン燃焼から触媒活性燃焼への移行時には、空燃比Ａ／Ｆをリーンから理論空燃比（Ａ／Ｆ＝１２．５〜１５．０）に直ちに切り替える。これは、図８においては、白丸で示す（１）の状態から、同じく白丸で示す（２）の状態へと移行することに対応する。その後、新気量及びＥＧＲ量を次第に減少させながら、それに応じて燃料噴射量を減少させていく。こうして、図８における（２）の状態から、黒丸で示す（３）の状態へと移行をする。この（３）の状態が、触媒活性燃焼の状態に相当する。

これに対し、リーン燃焼、つまり、リーン混合気のＣＩ燃焼から均質λ＝１ＳＩ燃焼への移行時には、ＣＩ燃焼のままで、ＥＧＲ量を減少させながら、そのＥＧＲの減少分に合わせて、Ａ／Ｆを次第にリッチへと変更していく（図７（ａ）（ｂ）の二点鎖線参照）。これは、図８においては、（１）の状態から、（２）’の状態へと移行することに相当する。

そうして、図７（ｂ）に示すように、時刻ｔ１’において、弱成層λ＝１ＳＩ燃焼が可能となるＥＧＲ量にまで、ＥＧＲ量が減少すれば、リーンＣＩ燃焼から均質λ＝１ＳＩ燃焼へと切り替える。従って、図７（ａ）に示すように、空燃比Ａ／Ｆは、理論空燃比（λ＝１）に変更される。この切り替えは、図８においては、（２）’の状態から、（３）’の状態へと移行することに相当し（同図の白抜きの矢印参照）、これは、ＥＧＲ量を変えずに、ＮＯｘが発生し得る空燃比領域を越えて、弱成層λ＝１に変更することになる。

時刻ｔ１’後も、図７（ｂ）に一点鎖線で示すように、ＥＧＲ量を減少させていき、シリンダ１１内に導入されるＥＧＲ量が、均質λ＝１ＳＩ燃焼が可能となる上限値を下回れば（時刻ｔ３）、均質λ＝１ＳＩ燃焼に切り替える。これは、図８においては、（３）’の状態から（４）の状態への移行に相当する。

このように、均質λ＝１ＳＩ燃焼は、それが可能となるＥＧＲ量の上限値が、触媒活性燃焼が可能なＥＧＲ量と比較して、大幅に低い（図８の（３）と（４）とを参照）。つまり、均質λ＝１ＳＩ燃焼におけるＥＧＲ量の上限値は、均質λ＝１ＳＩ燃焼が失火しない限度で設定されるのに対し、触媒活性燃焼は、燃焼に寄与しないガス層を形成するため、相対的に多量のＥＧＲガスを許容し得る。燃焼形態の切り替えに要する時間は、ＥＧＲ量の減少幅に対応するから、リーン燃焼から触媒活性燃焼への移行は、時刻ｔ１からｔ２までで完了する一方、リーン燃焼から均質λ＝１ＳＩ燃焼への移行は、時刻ｔ１からｔ３（＞ｔ２）まで必要となる。

また、リーン燃焼から均質λ＝１ＳＩ燃焼への切り替え時には、前述の通り、空燃比Ａ／Ｆをリッチ化しながらＣＩ燃焼を継続し、その後、弱成層λ＝１のＳＩ燃焼に切り替え、そうして、均質λ＝１ＳＩ燃焼へと切り替わるようになり、この切り替え途中の燃費及び排気エミッション特性はそれぞれ悪化する。従って、リーン燃焼から均質λ＝１ＳＩ燃焼への切り替え時には、燃費及び排気エミッション特性が悪化してしまう燃焼切り替え期間が、比較的長くなるという不都合があるのに対し、リーン燃焼から触媒活性燃焼への切り替えは、そうした切り替え期間を短縮することが可能である。

さらに、触媒活性燃焼は、前述の通り、燃焼室１７の外周部に、燃焼に寄与しないガス層を形成しており、これにより、図７（ｃ）に示すように、シリンダ１１内のガス量は、均質λ＝１ＳＩ燃焼と比較して多くなる（同図の白抜きの矢印参照）。また、ガス層は、前述の通り、燃焼ガスと燃焼室１７の壁面との接触を抑制するから、均質λ＝１ＳＩ燃焼と比較して、冷却損失が大幅に低減する（同図の白抜きの矢印参照）。その結果、触媒活性燃焼時の排気温度は、燃費を悪化させることなく、均質λ＝１ＳＩ燃焼時の排気温度と比較して高くなる（同図の白抜きの矢印参照）。こうして、シリンダ１１内のガス量が増えることと、排気温度が高まることとが組み合わさって、触媒活性燃焼時は、排気の熱流束が高まり、触媒の温度を速やかに上昇させることが可能になる。その結果、触媒の活性状態を効率的に維持することが実現する。

尚、ここに開示する技術は、前述したような、燃焼室１７の断熱構造を有する高圧縮比のエンジン１への適用に限定されるものではなく、例えば燃焼室１７の断熱構造は省略してもよい。

また、ここでは、全運転領域において、燃焼室１７の外周部にガス層を形成するように構成されたエンジン１を対象としているが、そうしたガス層を形成しない燃焼を行うエンジンに、ここに開示する技術を適用することも可能である。つまり、触媒活性燃焼を行う場合においてのみ、前述したように、燃料の噴射タイミングを圧縮行程後期から膨張行程初期にかけての期間内に設定して、燃焼室１７の外周部に燃焼に寄与しないガス層を形成しつつ、中央部においては、空燃比Ａ／Ｆが１２．５〜１５．０の混合気を形成し、その略λ＝１混合気を燃焼させるようにしてもよい。

１エンジン（エンジン本体）
１１シリンダ（気筒）
１７燃焼室
１００エンジン制御器
１９１触媒コンバータ（触媒）
３３燃料噴射弁

Claims

幾何学的圧縮比が１５以上に設定された気筒を有するエンジン本体と、
前記エンジン本体の前記気筒内に形成される燃焼室内に燃料噴霧を噴射するよう構成された燃料噴射弁と、
前記エンジン本体の排気通路上に配設されかつ、前記気筒から排出された排気ガスを浄化する触媒と、
前記エンジン本体の運転状態に応じて、前記燃料噴射弁を通じた前記燃焼室内への燃料噴射態様を制御するよう構成された制御器と、を備え、
前記制御器は、前記エンジン本体の運転状態が、少なくとも、所定負荷よりも低い低負荷領域にあるときであって、前記触媒が活性しているときには、圧縮行程後期よりも早い所定のタイミングで前記燃料噴射弁から燃料を噴射させると共に、前記気筒内におけるガスの、燃料に対する重量比Ｇ／Ｆが３０以上でかつ、空燃比Ａ／Ｆが理論空燃比よりもリーンとなる均質な混合気を形成するように前記燃料噴射弁を通じて燃料を噴射して、リーン燃焼を行い、
前記制御器はまた、前記エンジン本体の運転状態が前記低負荷領域にあるときであって、前記触媒が活性している状態から、活性状態が所定よりも低下したときには、前記燃焼室の外周部に燃焼に寄与しないで断熱層として機能するガス層が介在するように、圧縮行程後期から膨張行程初期にかけての期間内における所定のタイミングで、前記燃料噴射弁から燃料を噴射させると共に、前記エンジン本体が同一の運転状態であるときとの比較において、前記気筒内に導入される新気量を前記触媒が活性しているときよりも低減させかつ、燃料噴射量を前記触媒が活性しているときよりも増大させることにより、前記燃焼室の外周部に囲まれた中央部において空燃比Ａ／Ｆが１２．５〜１５．０の混合気を形成し、それを燃焼させる触媒活性燃焼を行うエンジンの制御装置。
請求項１に記載のエンジンの制御装置において、
前記制御器は、前記エンジン本体の運転状態が、前記所定負荷以上の高負荷領域にあるときには、前記燃焼室の外周部に燃焼に寄与しないガス層が介在するように、圧縮行程後期から膨張行程初期にかけての期間内における所定のタイミングで、前記燃料噴射弁から燃料を噴射させると共に、前記気筒内に導入される新気量を、燃料噴射量に対応するように調整することで、前記燃焼室の外周部に囲まれた中央部において空燃比Ａ／Ｆが１２．５〜１５．０の混合気を形成し、それを燃焼させるエンジンの制御装置。