JP6056895B2 - 直噴エンジンの燃料噴射制御装置 - Google Patents

Description

ここに開示する技術は、直噴エンジンの燃料噴射制御装置に関する。

特許文献１には、幾何学的圧縮比が１５以上に設定されたガソリンエンジンにおいて、圧縮着火燃焼を行うことが記載されている。このエンジンでは、燃料噴射量が増える高負荷領域においては、吸気行程中と圧縮行程中との２回に分けて、シリンダ内に燃料を噴射するようにしており、圧縮上死点付近においてピストンの頂面に設けたキャビティ内の混合気を圧縮着火させ、その燃焼に伴う高熱によって、膨張行程中において凹部の外側の混合気を着火及び燃焼させる。これにより、燃料噴射量が増える高負荷領域においても、燃焼騒音を増大させることなく、圧縮着火燃焼を行うことが可能になる。

また、特許文献２には、シリンダの中心軸上に配設されかつ、ホローコーン状に燃料を噴射する外開弁式の燃料噴射弁を備えた直噴エンジンにおいて、圧縮行程の後期にシリンダ内に燃料を噴射することで、燃焼室内に混合気層と、その周囲のガス層とを形成することが記載されている。特許文献２に記載されたエンジンでは、混合気が燃焼するときに、周囲のガス層が断熱層として機能することで、冷却損失が低減する。

特許第５４７７２４６号公報 特開２０１３−５７２６６号公報

特許文献２に記載されているように、燃焼室内に混合気層と、その周囲のガス層とを形成することは冷却損失の低減に有利になる。ところが、エンジンの運転状態が高負荷になると、燃料噴射量が増えるため、混合気層の周囲にガス層を形成することは困難になる。

その場合において、特許文献１に記載されているように、吸気行程から圧縮行程前半にかけての早い時期に少量の前段噴射を行って、燃料リーンなガス層を形成すると共に、圧縮行程後期から膨張行程初期にかけての時期に主噴射を行って、燃焼室の中央側に混合気層を形成することは、エンジンの運転状態が高負荷にあるときに、混合気層の周囲に形成した燃料リーンなガス層が断熱層として機能すると共に、燃焼室の壁面付近の燃焼温度が低くなるから、冷却損失の低減に有利になる。

ところが、吸気行程から圧縮行程前半にかけての期間内においてシリンダ内に噴射した燃料（つまり、前段噴射によって噴射した燃料）は、圧縮行程においてピストンが上昇するに伴いシリンダ内の圧力及び温度が次第に高くなる環境において、部分酸化反応が発生する場合がある。前段噴射により噴射された燃料が部分酸化反応を起こしてしていることで、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シリンダ内に噴射した燃料（つまり、主噴射によって噴射した燃料）は、その噴射後、空気と十分に混合する前に、すなわち、十分な着火遅れ時間を確保することができずに自着火してしまい、スモークの発生を招いたり、膨張行程中の燃焼期間が長くなってＣＯが増大したりする。

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、燃料噴射量が増える高負荷領域において分割噴射を行って自着火により燃焼させる直噴エンジンにおいて、圧縮行程後期から膨張行程初期にかけての期間において行う主噴射によって噴射した燃料の着火遅れ時間を十分に確保して、排気エミッション性能の悪化を抑制することにある。

ここに開示する技術は、直噴エンジンの燃料噴射制御装置に係り、この装置は、シリンダヘッドの天井部と、シリンダブロックに設けられたシリンダと、前記シリンダ内を往復動するピストンとによって区画される燃焼室を有して構成されたエンジン本体と、前記燃焼室内に、液体の燃料を噴射するように配設された燃料噴射弁を有しかつ、所定のタイミングで前記燃料を前記燃焼室内に噴射するよう構成された燃料噴射制御部と、を備える。

そして、前記燃料噴射制御部は、圧縮行程後期から膨張行程初期にかけての期間で、主噴射を行うと共に、吸気行程から圧縮行程前半にかけての期間で、前記主噴射よりも燃料量の少ない前段噴射を行い、前記燃料噴射制御部はまた、前記前段噴射によって噴射された燃料が、圧縮行程後半において部分酸化反応を発生するか否かを判断すると共に、前記部分酸化反応を発生すると判断したときには、前記前段噴射と前記主噴射との間で中段噴射を行い、前記燃料噴射制御部は、前記中段噴射によって噴射された燃料が、前記主噴射によって噴射された燃料が自着火する以降で自着火するようなタイミングでかつ、前記圧縮行程後半における前記部分酸化反応が発生する前に、前記中段噴射を行う。

ここで、「圧縮行程前半」及び「圧縮行程後半」は、圧縮行程を前半及び後半に２等分したときの前半及び後半に相当する。また、「圧縮行程後期」は、圧縮行程を初期、中期及び後期に３等分したときの後期に相当する。「膨張行程初期」は、膨張行程を初期、中期及び後期に３等分したときの初期に相当する。

この構成によると、燃料噴射制御部は、少なくとも前段噴射と主噴射とを含む分割噴射を行う。これは、燃料噴射量が増える高負荷領域において有利になる。前段噴射は、吸気行程から圧縮行程前半にかけての期間において、シリンダ内に燃料を噴射することにより行う。燃料の噴射時期が比較的早いため、噴射した燃料は燃焼室内で拡散する。また、前段噴射は、その噴射量が相対的に少ないため、比較的リーンな混合気が形成される。

主噴射は、圧縮行程後期から膨張行程初期にかけての期間において、シリンダ内に燃料を噴射することにより行う。燃料の噴射時期が遅いため、燃料噴霧は燃焼室内の中央側に集まる。また、主噴射の噴射量は、相対的に多い。こうして、混合気が着火する時点で、燃焼室内には、混合気層と、その周囲で、相対的にリーンなガス層とが形成されるようになる。この状態で、混合気層が、例えば自着火すれば、周囲のガス層が断熱層として機能をすると共に、燃焼室の壁面付近の燃焼温度が低くなって、冷却損失を低減することが可能になる。

前段噴射によりシリンダ内に噴射される燃料は、圧縮行程が進行するに従い次第に高まる圧力及び温度に曝されて、圧縮行程後半において部分酸化反応を発生する場合がある。ここで、「部分酸化反応」とは、燃料が熱炎反応に至らずに酸化反応をすることを意味する。部分酸化反応により発生する熱量は、完全な酸化反応に比べて小さいものの、シリンダ内の温度の上昇を招く。このため、前段噴射によって噴射された燃料の部分酸化反応が発生したときには、その後、主噴射によって噴射された燃料は、十分な着火遅れ時間を確保することができずに、自着火するようになる。

前記の構成では、燃料噴射制御部は、部分酸化反応が発生するか否かを判断し、部分酸化反応が発生すると判断したときには、前段噴射と主噴射との間で中段噴射を行う。中段噴射は、低温酸化反応が発生する前に行う。中段噴射によってシリンダ内に噴射された燃料の気化潜熱により、シリンダ内の温度が低下するため、部分酸化反応が発生することを防止することができる。中段噴射の時期は、部分酸化反応が発生する直前であることが好ましい。こうすることで、気化潜熱に伴いシリンダ内の温度を低下させる中段噴射の機能が、部分酸化反応の発生を有効に抑制する。

また、中段噴射の時期が早すぎると、部分酸化反応の発生を抑制する機能が十分に発揮されないばかりか、中段噴射によって噴射した燃料もまた、部分酸化反応を発生してしまう虞がある。そこで、中段噴射によって噴射された燃料が、主噴射によって噴射された燃料が自着火する以降で自着火するタイミングで、中段噴射を行う。こうすることで、中段噴射によって噴射した燃料が部分酸化反応を発生することが防止される。

こうして、圧縮行程後半において部分酸化反応が発生することを防止するため、主噴射によってシリンダ内に噴射した燃料の着火遅れ時間を十分に確保することが可能になり、スモークの発生及びＣＯの増大を回避することが可能になる。

前記燃料噴射制御部は、前記シリンダ内の圧力、前記シリンダ内の温度、及び前記シリンダ内の酸素濃度に基づいて、前記部分酸化反応が発生するか否かを判断する、としてもよい。これらのパラメータに基づいて、部分酸化反応の発生の有無を精度良く判断することが可能になる。その結果、部分酸化反応が発生するときには、中段噴射を行うことで、部分酸化反応の発生を防止することが可能になる。

前記中段噴射の燃料量は、前記主噴射の燃料量よりも少ない、としてもよい。

中段噴射は、主噴射よりも噴射時期が早いため、中段噴射の噴射時期では、シリンダ内の圧力及び温度が十分に高まっていない。このため、中段噴射の噴射量が増えると、シリンダ内に噴射した燃料噴霧が飛びすぎてしまい、燃焼室の壁面に接触する虞がある。これは、混合気層の周囲にガス層を形成する上で不利になる。そこで、中段噴射の燃料量は相対的に少ない方が好ましい。また、中段噴射の燃料量を少なくすることによって、主噴射の燃料量を多く確保することになり、トータルの燃料噴射量が増える中高負荷領域において、エンジントルクの向上に有利になる。

前記主噴射は、複数回の燃料噴射を行う多段噴射であり、前記中段噴射の噴射終了から前記主噴射の噴射開始までの間隔は、前記主噴射における最初の噴射と次の噴射との間の間隔よりも広い、としてもよい。

分割噴射を行うと、先に噴射した燃料噴霧と後から噴射した燃料噴霧とが重なりあって、局所的に過濃な混合気が発生する場合がある。この場合、燃焼温度が高くなると共に、排気エミッション性能の低下も招く。前記の構成では、中段噴射と主噴射との間の噴射間隔を十分に広くして、中段噴射によって噴射された燃料噴霧と、主噴射によって噴射された燃料噴霧とが重なり合ってしまうことが防止される。これは、燃焼温度を低くして、冷却損失の低減に有利になると共に、局所的に過濃な混合気が形成されることを防止して、スモークの発生を防止する上で有利になる。

以上説明したように、前記直噴エンジンの燃料噴射制御装置によると、前段噴射によって噴射された燃料が部分酸化反応を発生する場合には、前段噴射と主噴射との間で中段噴射を行うことにより、噴射した燃料の気化潜熱によりシリンダ内の温度を低下させることで部分酸化反応の発生を防止することができる。その結果、主噴射によって噴射した燃料の着火遅れ時間を十分に確保した上で、自着火させることができ、排気エミッション性能の悪化を防止することができる。

直噴エンジンの構成を示す概略図である。 燃焼室の構成を示す断面図である。 外開弁式の燃料噴射弁の、リフト量と噴口の有効開口面積との関係を示す図である。 エンジンの温間時における運転マップを例示する図である。 全負荷領域における燃料の噴射態様を示す図である。 （Ａ）は、全負荷領域において前段噴射が行われたときの燃焼室内の燃料噴霧を概念的に示し、（Ｂ）は、そのときの燃焼室内の温度分布を示す。 （Ａ）は、全負荷領域において圧縮上死点における燃焼室内の燃料噴霧を概念的に示し、（Ｂ）は、そのときの燃焼室内の温度分布を示す。 （Ａ）は、全負荷領域において主噴射が終了したときの燃焼室内の燃料噴霧を概念的に示し、（Ｂ）は、そのときの燃焼室内の温度分布を示す。 中高負荷領域における燃料の噴射態様を示す図である。 中高負荷領域において燃焼室内に形成される混合気層を概念的に示す図である。 中段噴射を行うときと、中段噴射を行わないときとで、熱発生率の相違を比較する図である。 中段噴射を行うときと、中段噴射を行わないときとで、筒内平均温度の相違を比較する図である。

以下、実施形態を図面に基づいて説明する。以下の説明は例示である。

（エンジンの全体構成）
図１は、実施形態に係るエンジン１の構成を示している。エンジン１のクランクシャフト１５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。ここで、エンジン１の燃料は、本実施形態ではガソリンであるが、バイオエタノール等を含むガソリンであってもよい。ここに開示する技術は、燃料噴射終了後に燃料が気化して着火する予混合燃焼のエンジンにおいて、様々な種類の液体燃料を用いるエンジンに広く適用することが可能である。

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の内部に複数のシリンダ１１が形成されている（図１では、１つのみ示す）。エンジン１は、多気筒エンジンである。シリンダブロック１２及びシリンダヘッド１３の内部には、図示は省略するが冷却水が流れるウォータージャケットが形成されている。各シリンダ１１内には、コネクティングロッド１４を介してクランクシャフト１５に連結されたピストン１６が摺動自在に嵌挿されている。ピストン１６は、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。

本実施形態では、燃焼室１７の天井部１７０（シリンダヘッド１３の下面）は、吸気ポート１８の開口部１８０が設けられかつ、シリンダ１１の中央に向かって登り勾配となった吸気側斜面１７１と、排気ポート１９の開口部１９０が設けられかつ、シリンダ１１の中央に向かって登り勾配となった排気側斜面１７２とを備えて構成されている。燃焼室１７は、ペントルーフ型の燃焼室である。尚、ペントルーフの稜線は、シリンダ１１のボア中心に一致する場合、及び一致しない場合の両方があり得る。また、ピストン１６の頂面１６０は、図２にも示すように、天井部１７０の吸気側斜面１７１及び排気側斜面１７２に対応するように、吸気側及び排気側のそれぞれにおいて、ピストン１６の中央に向かって登り勾配となった傾斜面１６１、１６２によって、三角屋根状に隆起している。これにより、このエンジン１の幾何学的圧縮比は、１５以上の高い圧縮比に設定されている。また、ピストン１６の頂面１６０には、凹状のキャビティ１６３が形成されている。

図１には１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に形成されている。吸気ポート１８の開口部１８０は、シリンダヘッド１３の吸気側斜面１７１に、エンジン出力軸（つまり、クランクシャフト１５）の方向に並んで設けられ、吸気ポート１８は、この開口部１８０を通じて燃焼室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に形成されている。排気ポート１９の開口部１９０は、シリンダヘッド１３の排気側斜面１７２に、エンジン出力軸の方向に並んで設けられ、排気ポート１９は、この開口部１９０を通じて燃焼室１７に連通している。

吸気ポート１８は、吸気通路１８１に接続されている。吸気通路１８１には、吸気流量を調節するスロットル弁５５が、介設されている。排気ポート１９は、排気通路１９１に接続されている。排気通路１９１には、１つ以上の触媒コンバータを有する排気ガス浄化システムが配設されている。触媒コンバータは、三元触媒を含む。但し、触媒コンバータは三元触媒に限定されない。

シリンダヘッド１３には、吸気弁２１が、吸気ポート１８を燃焼室１７から遮断する（つまり、燃焼室１７を閉じる）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駆動される。シリンダヘッド１３にはまた、排気弁２２が、排気ポート１９を燃焼室１７から遮断することができるように配設されている。排気弁２２は排気弁駆動機構により駆動される。吸気弁２１は所定のタイミングで往復動して吸気ポート１８を開閉すると共に、排気弁２２は所定のタイミングで往復動して排気ポート１９を開閉する。それによって、シリンダ１１内のガス交換を行う。

吸気弁駆動機構は、図示は省略するが、クランクシャフト１５に駆動連結された吸気カムシャフトを有し、吸気カムシャフトはクランクシャフト１５の回転と同期して回転する。また、排気弁駆動機構は、図示は省略するが、クランクシャフト１５に駆動連結された排気カムシャフトを有し、排気カムシャフトはクランクシャフト１５の回転と同期して回転する。

吸気弁駆動機構は、この例では、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、液圧式又は電動式の位相可変機構（Variable Valve Timing：ＶＶＴ）２３を、少なくとも含んで構成されている。尚、吸気弁駆動機構は、ＶＶＴ２３と共に、弁リフト量を変更可能なリフト可変機構を備えるようにしてもよい。

排気弁駆動機構は、この例では、排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、液圧式又は電動式のＶＶＴ２４を、少なくとも含んで構成されている。尚、排気弁駆動機構は、ＶＶＴ２４と共に、弁リフト量を変更可能なリフト可変機構を備えるようにしてもよい。

リフト可変機構は、リフト量を連続的に変更可能なＣＶＶＬ（Continuous Variable Valve Lift）としてもよい。尚、吸気弁２１を駆動する動弁機構、及び、排気弁２２を駆動する動弁機構は、どのようなものであってもよく、例えば油圧式や電磁式の駆動機構を採用してもよい。

図２に拡大して示すように、シリンダヘッド１３には、燃焼室１７内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁６が取り付けられている。燃料噴射弁６は、吸気側斜面１７１と排気側斜面１７２とが交差するペントルーフの稜線上に配設されている。燃料噴射弁６はまた、その噴射軸心Ｓが、シリンダ１１の軸線に沿うように配設されて、噴射先端が、燃焼室１７内に臨んでいる。燃料噴射弁６の噴射軸心Ｓは、シリンダ１１の軸線と一致する場合、及び、シリンダ１１の軸線からずれる場合の双方がある。

ピストン１６のキャビティ１６３は、燃料噴射弁６に向かい合うように設けられている。燃料噴射弁６は、このキャビティ１６３内に向かって、燃料を噴射する。

燃料噴射弁６は、ここでは、外開弁式の燃料噴射弁である。外開弁式の燃料噴射弁６は、その先端部を図３に拡大して示すように、燃料を噴射する噴口６１が形成されたノズル本体６０と、噴口６１を開閉する外開弁６２とを有する。

ノズル本体６０は、その内部を燃料が流通するように筒状に構成されており、噴口６１は、ノズル本体６０の先端部に設けられている。噴口６１は、先端側ほど径が大きくなるテーパ状に形成されている。

外開弁６２は、ノズル本体６０の先端において、ノズル本体６０から外側に露出する弁本体６３と、弁本体６３からノズル本体６０内を通って図示省略のピエゾ素子に接続される接続部６４とを有している。弁本体６３は、テーパ状の噴口６１と略同じ形状を有する着座部６５を有する。弁本体６３の着座部６５と接続部６４との間には、縮径部６６が介在する。図３に示すように、縮径部６６は、着座部６５とは傾きが相違し、基端から先端に向かう縮径部６６の傾きは、着座部６５の傾きよりも緩やかである。

図３に二点鎖線で示すように、着座部６５が噴口６１に当接しているときには、噴口６１が閉口状態となる。電圧が印加されることによりピエゾ素子が変形して、外開弁６２が噴射軸心Ｓに沿って外向きにリフトする。このことに伴い、図３に実線で示すように、着座部６５が噴口６１から離れて噴口６１が開口状態となる。噴口６１が開口状態となれば、燃料が、噴口６１から噴射軸心Ｓに対して傾斜した方向であって、噴射軸心Ｓを中心とする半径方向に広がる方向へ噴射される。燃料は、噴射軸心Ｓを中心とするホローコーン状に噴射される。ピエゾ素子への電圧の印加が停止すると、ピエゾ素子が元の状態に復帰することで、外開弁６２の着座部６５が噴口６１に当接して、噴口６１を再び閉口状態にする。

ピエゾ素子に印加する電圧が大きいほど、外開弁６２の、噴口６１の閉じた状態からのリフト量が大きくなる。図３から明らかなように、リフト量が大きいほど、噴口６１の開度、つまり、有効開口面積が大きくなる。有効開口面積は、噴口６１と着座部６５との距離によって定義される。リフト量が大きいほど、噴口６１から燃焼室１７内に噴射される燃料噴霧の粒径が大きくなる。逆に、リフト量が小さいほど、噴口６１から燃焼室１７内に噴射される燃料噴霧の粒径が小さくなる。また、燃料が噴口６１を通過する際には、縮径部６６に沿うように流れることから、リフト量が大きいほど、縮径部６６が噴口６１から離れることで、燃料の噴霧角（つまり、ホローコーンのテーパ角度）が狭くなり、リフト量が小さいほど、縮径部６６が噴口６１に近づくことで、燃料の噴霧角（つまり、ホローコーンのテーパ角度）が広くなる。

また、燃料圧力が同一と仮定すれば、有効開口面積は大きいほど、到達する噴射速度は低くなる。逆に、有効開口面積が小さくなれば、噴射速度が高まるものの、有効開口面積が小さくなりすぎると、噴口の壁面から受ける燃料の摩擦抵抗の影響が大きくなるため、到達する噴射速度は低くなる。従って、燃料の噴射速度が最高となるリフト量が存在し、リフト量がその最高速度リフト量よりも大きくても小さくても、燃料の噴射速度は低下する。尚、この最高速度リフト量は、比較的小さい。

図２に示すように、シリンダヘッド１３の天井部１７０には、その天井面から凹陥する凹部１７３が設けられており、燃料噴射弁６の先端部は、この凹部１７３内に収容されている。凹部１７３の内周面は、燃焼室１７の内方に向かうに従って次第に拡径するように傾斜している。燃料噴射弁６の先端部を、シリンダヘッド１３の天井面から奥まった位置に配置することによって、幾何学的圧縮比を高くしながら、ピストン１６が上死点に至ったときの、ピストン１６の頂面１６０と燃料噴射弁６の先端部との間隔を、できる限り広くすることが可能になる。これは、後述するように、混合気層の周囲に断熱ガス層を形成する上で有利である。また、燃料噴射弁６の先端部と凹部１７３の内周面との間隔が広がるため、燃料噴射弁６から噴射した燃料噴霧が、コアンダ効果によってシリンダヘッド１３の天井面に付着することを抑制することが可能になる。

燃料供給システム５７は、外開弁６２を駆動するための電気回路と、燃料噴射弁６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電気回路に出力することで、該電気回路を介して外開弁６２を作動させて、所望量の燃料を、シリンダ内に噴射させる。噴射信号の非出力時（つまり、噴射信号の電圧が０であるとき）には、外開弁６２により噴口６１が閉じられた状態となる。このようにピエゾ素子は、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、ピエゾ素子の作動を制御して、燃料噴射弁６の噴口６１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。ピエゾ素子の応答は速く、例えば１〜２ｍｓｅｃの間に２０回程度の多段噴射が可能である。但し、外開弁６２を駆動する手段としては、ピエゾ素子には限られない。

燃料供給系には、図示省略の高圧燃料ポンプやコモンレールが設けられており、その高圧燃料ポンプは、低圧燃料ポンプを介して燃料タンクより供給されてきた燃料をコモンレールに圧送し、コモンレールは、その圧送された燃料を、所定の燃料圧力で蓄える。そして、燃料噴射弁６が作動する（つまり、外開弁６２がリフトされる）ことによって、コモンレールに蓄えられている燃料が噴口６１から噴射される。エンジン制御器１００と、燃料噴射弁６とを含んで、燃料噴射制御部が構成される。

燃料噴射制御部は、詳細は後述するが、図２に概念的に示すように、燃焼室１７内（つまり、キャビティ１６３内）に、（可燃）混合気層と、その周囲の断熱ガス層とが形成可能に構成されている。

このエンジン１は、基本的には全運転領域で、シリンダ１１内に形成した混合気を圧縮着火（つまり、制御自動着火（Controlled Auto Ignition：ＣＡＩ））により燃焼させるように構成されている。エンジン１は、所定の環境下において混合気の着火をアシストするための着火アシストシステム５６を備えている。着火アシストシステム５６は、例えば、燃焼室１７内に臨んで配設される放電プラグとしてもよい。つまり、燃焼室１７で、極短パルス放電が生じるように、制御されたパルス状の高電圧を放電プラグの電極に印加することによって、燃焼室内にストリーマ放電を発生させ、シリンダ内にオゾンを生成する。オゾンは、ＣＡＩをアシストする。尚、着火アシストシステムは、オゾンを発生させる放電プラグに限らず、火花放電を行うことで混合気にエネルギを付与し、ＣＡＩをアシストするスパークプラグとしてもよい。

エンジン１はまた、既燃ガスをシリンダ１１内に再導入するよう構成されたＥＧＲシステム５１２を備えている。ＥＧＲシステム５１２は、エンジン１の排気通路１９１と吸気通路１８１とをつなぐＥＧＲ通路を介して既燃ガスをシリンダ１１内に再導入する外部ＥＧＲシステム、及び、シリンダ１１内の既燃ガスの一部を、実質的にシリンダ１１内に留める内部ＥＧＲシステムの両方を含む。

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、少なくとも、エアフローセンサ５１からの吸気流量に関する信号、クランク角センサ５２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５３からのアクセル開度信号、車速センサ５４からの車速信号、水温センサ５８からのエンジン１の冷却水の温度信号、吸気温センサ５９から吸気の温度信号、吸気圧センサ５１０からの吸気の圧力信号、及び、リニアＯ_２センサ５１１からの排気ガス中の酸素濃度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、例えば、所望のスロットル開度信号、燃料噴射パルス、着火アシスト信号、バルブ位相角信号等といった、エンジン１の制御パラメータを計算する。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５５（正確には、スロットル弁５５を動かすスロットルアクチュエータ）、ＶＶＴ２３、２４、燃料供給システム５７、着火アシストシステム５６及びＥＧＲシステム５１２等に出力する。

このエンジン１は、前述したように、幾何学的圧縮比εが１５以上に設定されている。幾何学的圧縮比は、４０以下とすればよく、特に２０以上３５以下が好ましい。エンジン１は圧縮比が高いほど膨張比も高くなる構成から、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。高い幾何学的圧縮比は、ＣＡＩ燃焼を安定化する。

燃焼室１７は、シリンダ１１の内周面と、ピストン１６の頂面１６０と、シリンダヘッド１３の下面（天井部１７０）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。冷却損失を低減すべく、これらの区画面に、遮熱層を設けることによって、燃焼室１７が遮熱化されている。遮熱層は、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、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の天井部１７０側の開口近傍のポート壁面に遮熱層を設けてもよい。

これらの遮熱層は、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。

また、遮熱層は、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、遮熱層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。

前記遮熱層は、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、遮熱層の熱伝導率及び容積比熱をより低くすることができる。

本実施形態では、前記の燃焼室の遮熱構造に加えて、エンジン１の温度が所定温度以上となった温間時には、燃焼室１７内に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、燃焼室１７内の外周部に新気を含む断熱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、圧縮行程以降において燃料噴射弁６の噴射先端からキャビティ１６３内に向かって燃料を噴射させることにより、図２に示すように、燃料噴射弁６の近傍の、キャビティ１６３内の中心部に混合気層が形成されかつ、その周囲に新気を含む断熱ガス層が形成されるという、成層化が実現する。ここで言う混合気層は、可燃混合気によって構成される層と定義してもよく、可燃混合気は、例えば当量比φ＝０．１以上の混合気としてもよい。燃料の噴射開始から時間が経過すればするほど、燃料噴霧は拡散することから、混合気層の大きさは、着火時点での大きさである。着火とは、例えば燃料の燃焼質量割合が１％以上となることをもって判定することができる。混合気は、圧縮上死点の付近において着火する。

断熱ガス層は、新気のみであってもよく、新気に加えて、既燃ガス（ＥＧＲガス）を含んでいてもよい。尚、断熱ガス層に少量の燃料が混じっても問題はなく、断熱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。後述するように、エンジン１の負荷が高くなって燃料噴射量が増えたときには、断熱ガス層は、少量の燃料を含む層となるが、混合気層よりも燃料リーンである。

図２に示すように、断熱ガス層と混合気層とが形成された状態で、混合気がＣＡＩ燃焼すれば、混合気層と燃焼室１７の壁面との間の断熱ガス層により、混合気層の火炎が燃焼室１７の壁面に接触することが抑制されると共に、その断熱ガス層が断熱層となって、燃焼室１７内から燃焼室１７の壁面への熱の伝達を抑えることができるようになる。

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。

このような混合気層と断熱ガス層とを燃焼室１７内に形成するために、燃料を噴射するタイミングにおいては、燃焼室１７内のガス流動は弱いことが望ましい。そのため、吸気ポートは、燃焼室１７内でスワールが生じない、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。

（燃料噴射制御の詳細）
図４は、エンジン１の運転マップを例示している。この運転マップは、負荷方向に、低中負荷領域Ａと、中高負荷領域Ｂと、全負荷領域Ｃとに分けられている。低中負荷領域Ａ、中高負荷領域Ｂ、及び、全負荷領域Ｃは、燃料の噴射態様が、主に相違する。

低中負荷領域Ａは、エンジン１の負荷が最も低い領域である。負荷が低いため、燃料の噴射量が最も少なくなる。この低中負荷領域Ａでは、前述したように、燃焼室１７内に、混合気層と、燃料を実質的に含まない断熱ガス層とを形成した上で、ＣＡＩ燃焼を行う。図示は省略するが、燃料噴射弁６は、圧縮行程期間の後半において、シリンダ１１内に燃料を噴射する。燃料噴射は、１回の場合、又は、複数回の場合があり得る。シリンダ１１内の圧力及び温度が高くなる圧縮行程期間内において燃料を噴射することによって、燃料噴霧が飛びすぎてしまうことが抑制される。これにより、燃焼室１７の中央側に混合気層を、その周囲に断熱ガス層を形成することが可能になる。混合気層は、圧縮上死点付近において、自着火する。尚、この低中負荷領域Ａにおいては、ＥＧＲシステム５１２を利用して、既燃ガスの一部が、シリンダ１１内に導入される。

全負荷領域Ｃは、エンジン１の負荷が最も高い領域である。負荷が高いため、燃料の噴射量が最も多くなる。全負荷領域Ｃにおいて自着火を行う場合、燃焼時の圧力上昇が急激になって燃焼騒音レベルが高くなってしまう。そこで、全負荷領域Ｃにおいては、着火時期を膨張行程の所定の時期までリタードさせて、燃焼期間をモータリング時の圧力上昇率が負の最大値となる時点と重複させる。これにより、燃焼時の圧力上昇率が低減され、燃焼騒音レベルが低下する。

しかしながら、膨張行程が進むにつれてシリンダ１１内の温度が低下するため、着火時期をリタードさせ過ぎると、失火が生じる虞がある。特に、このエンジン１は幾何学的圧縮比が高いため、膨張行程におけるシリンダ１１内の温度の低下速度が速い。そのため、燃焼騒音レベルが十分に低下できる程度にまで着火時期をリタードすることが難しくなる。

そこで、このエンジン１は、全負荷領域Ｃにおいては、図５に示すように、前段噴射７１と、その前段噴射７１の後の主噴射７２との２回の燃料噴射を行う（つまり、分割噴射を行う）。前段噴射７１によってシリンダ１１内に噴射した燃料を部分酸化反応させることで、圧縮上死点以降においても、シリンダ１１内の温度を維持するようにし、主噴射７２によって噴射した燃料を、その圧縮上死点以降において自着火させるようにする。前段噴射７１は、筒内温度を高めるためのものであり、主噴射７２は、膨張行程において自己着火燃焼を生じさせるためのものである。

図５は、全負荷領域Ｃにおける燃料の噴射態様を示している。図６（Ａ）は、全負荷領域Ｃにおいて前段噴射７１が行われたときの燃焼室１７内の燃料噴霧を概念的に示し、（Ｂ）は、そのときの燃焼室１７内の温度分布を示す。図７（Ａ）は、全負荷領域Ｃにおいて圧縮上死点における燃焼室１７内の燃料噴霧を概念的に示し、（Ｂ）は、そのときの燃焼室１７内の温度分布を示す。図８（Ａ）は、全負荷領域において主噴射７２が終了した後の燃焼室１７内における燃料噴霧を概念的に示し、（Ｂ）は、主燃焼発生時の燃焼室１７内の温度分布を示す。

全負荷領域Ｃにおいては、エンジン制御器１００は、ＥＧＲガスの還流を停止している。全負荷領域Ｃにおいては、要求負荷が高く、それ相応の空気量が必要となるので、エンジン制御器１００は、ＥＧＲガスの還流を停止している。

また、エンジン制御器１００は、全負荷領域Ｃにおいて、空気過剰率λが１以下となるように制御している。以下、全負荷領域における燃料噴射態様について詳しく説明する。

前段噴射７１は、圧縮行程中期以前に行われる。より詳しくは、前段噴射７１は、圧縮行程中であってエンジン１の吸気弁２１が閉弁した後に行われる。例えば、前段噴射７１は、圧縮上死点前１２０〜９０°で燃料噴射が終了するタイミングで実行される。

前段噴射７１は、燃料噴射弁６のリフト量を主噴射７２よりも大きくし且つ、燃料の噴射間隔を主噴射７２よりも大きくした、所定回数（図５の例では２回）の燃料噴射８０，８０を含んでいる。リフト量が大きいため、前段噴射７１による燃料噴霧は、粒径が大きく、運動量が大きい。

また、噴射と噴射との間隔が広いため、燃料噴射弁６の噴射軸心Ｓ付近の負圧は弱くなる。つまり、燃料噴射弁６から燃料が噴射されることに伴い燃焼室１７内に形成される噴霧流れは、周囲の空気（又は空気を含むガス）を巻き込むようになるが、燃料噴射弁６の先端部からホローコーン状に噴射される燃料噴霧の内側は、空気が流れ込み難い。噴射と噴射との間隔が狭いときは、噴射軸心Ｓの付近の負圧が回復することが抑制されるため、負圧が強まる。一方、噴射と噴射との間隔が広いときは、噴射軸心Ｓの付近の負圧が回復するようになるため、負圧が弱まる。

前段噴射７１による燃料噴霧は、粒径が大きくかつ運動量が大きい上に、負圧が弱いことで、この負圧に引き寄せられ難くなる。その結果、図６（Ａ）に示すように、燃料噴霧は、燃料噴射弁６の噴射軸心Ｓを中心とした径方向外方への広がりが大きく且つ、比較的遠くまで飛散する。該前段噴射７１による燃料噴霧が部分酸化反応する時点においては、該燃料噴霧は、燃焼室１７の径方向（即ち、シリンダ１１の径方向）周辺部１７ｂにまで達している。尚、「気筒の径方向周辺部」とは、図６等に示すように、気筒を径方向において最大径の半分で二分割したときの外側の領域を意味する。一方、「気筒の径方向中央部」とは、気筒を径方向において最大径の半分で二分割したときの内側の領域を意味する。前段噴射７１は、換言すると、その燃料噴霧が酸化反応する時には径方向周辺部１７ｂに到達しているようなタイミングで実行される。その結果、前段噴射７１による燃料噴霧が酸化反応する時点においては、燃焼室１７の径方向周辺部１７ｂの燃料濃度が径方向中央部１７ａの燃料濃度よりも濃い状態となっている。

ここで、前段噴射７１は、上述の如く、吸気弁２１の閉弁後に行われるので、吸気流動が或る程度収まっており、燃焼室１７の径方向周辺部１７ｂに達した燃料噴霧は、その場に留まりやすい。

前段噴射７１の燃料量は、燃料が部分酸化反応する空燃比となる量に設定されている。例えば、燃料が部分酸化反応する空燃比は、空気過剰率λが８以上となる空燃比である。空気過剰率λが８以上であれば、燃料のうちのＣＯがＣＯ_２へ変化する反応が抑制される。つまり、燃料が酸化反応するものの、熱炎反応には至らない。

一方、主噴射７２は、圧縮上死点前に開始され、圧縮上死点後に終了するタイミングで実行される。詳しくは、主噴射７２の噴射時期は、膨張行程の所定のリタード時期に燃料が着火するタイミングに設定される。所定のリタード時期とは、燃焼期間がモータリング時のシリンダ１１内の圧力上昇率が負の最大値となる時点と重複する時期である。

主噴射７２は、燃料噴射弁６のリフト量を前段噴射７１よりも小さくし且つ、燃料の噴射間隔を前段噴射７１よりも小さくした、所定回数（図５の例では６回）の燃料噴射９０，９０，…を含んでいる。つまり、主噴射７２による燃料噴霧は、粒径が小さく、運動量が小さい。また、燃料の噴射間隔が狭いため、前述したように、燃料噴射弁６の噴射軸心Ｓ付近の負圧が回復することが抑制される。そのため、噴射軸心Ｓ付近の負圧が強まる。主噴射７２による燃料噴霧は、粒径が小さく、運動量が小さいことから、負圧の影響を強く受けて、噴射軸心Ｓを中心とした径方向外方への広がりが小さく且つ、飛散距離も比較的短い。そのため、図７（Ａ）に示すように、主噴射７２による燃料噴霧は、燃焼室１７の径方向中央部１７ａに留まりやすくなる。その結果、主噴射７２による燃料噴霧が着火する時点においては、燃焼室１７の径方向中央部１７ａの燃料濃度が径方向周辺部１７ｂの燃料濃度よりも濃い状態となっている。

主噴射７２は、エンジントルクを生成する主燃焼（１サイクル中で最も大きな熱量を発生させる燃焼）を生じさせるための噴射である。そのため、その燃料量は、必要なトルクに見合った量に設定されている。例えば、主噴射７２では、前段噴射７１による燃料量と主噴射７２による燃料量とを合わせた全燃料量のうち３／４以上の燃料を噴射することが好ましい。

このような前段噴射７１及び主噴射７２によって噴射された燃料の燃焼について説明する。

前段噴射７１は、図６（Ａ）に示すように圧縮行程中に行われる。前段噴射７１による燃料噴霧は、上述の如く、燃焼室１７の径方向周辺部１７ｂに向かって飛散していく。このとき、燃焼室１７内の温度は、図６（Ｂ）に示すように、径方向において均一な所定の温度（例えば、１０００Ｋ）となっている。

その後、圧縮行程が進むと、前段噴射７１による燃料噴霧を含む混合気は、圧縮されるにつれて温度が上昇していく。

続いて、圧縮上死点前の所定のタイミングで、主噴射７２が開始される。主噴射７２による燃料噴霧は、上述の如く、燃焼室１７の径方向中央部１７ａに集まっていく（図７（Ａ）参照）。

このとき、前段噴射７１による燃料噴霧は、径方向周辺部１７ｂに滞留している。圧縮行程により筒内温度が上昇すると、やがて、該燃料噴霧は、酸化反応する。この酸化反応は、例えば、圧縮上死点の近傍において発生する。ただし、この酸化反応は、部分酸化反応であるため、酸化反応による温度上昇は、それほど大きくない。また、この部分酸化反応は、燃焼室１７の主に径方向周辺部１７ｂにおいて発生する。そのため、筒内温度は、図７（Ｂ）に示すように、径方向周辺部１７ｂにおいて急激に上昇する。例えば、径方向周辺部１７ｂの温度が数１００Ｋだけ上昇する。尚、図中の二点鎖線は、前段噴射７１が実行されたときの筒内温度である。このとき、径方向周辺部１７ｂの混合気が酸化反応により膨張するので、径方向中央部１７ａの混合気又は空気は、断熱圧縮され、そのことにより昇温する。例えば、径方向中央部１７ａの温度が数１０Ｋだけ上昇する。

尚、全負荷量域では、ＥＧＲガスの還流が停止されているので、燃焼室１７内の環境は、前段噴射７１による燃料噴霧が比較的酸化反応しやすい状態になっている。

一方、主噴射７２は、前段噴射７１による燃料噴霧の酸化反応の間も継続しており、圧縮上死点後の所定のタイミングで終了する。主噴射７２による燃料噴霧は、図８（Ａ）に示すように、燃焼室１７の径方向中央部１７ａに集まっている。径方向中央部１７ａの温度は、上述の径方向周辺部１７ｂにおける燃料の部分酸化反応によって高められているので、膨張行程に入った後もしばらくの間は、径方向中央部１７ａの温度は、燃料の自己着火が可能な温度に維持される。その結果、主噴射７２による燃料噴霧は、噴射終了後、所定の着火遅れ時間をもって自己着火する。これにより、主燃焼が発生し、径方向中央部１７ａの温度は、図８（Ｂ）に示すように、急激に上昇する。尚、図中の二点鎖線は、前段噴射７１による燃料が酸化反応したときの筒内温度である。

通常、主燃焼をリタードさせる場合、リタードできる期間には限界がある。つまり、吸気行程が進むと、燃焼室１７の容積の増大に伴って筒内温度が低下するので、主燃焼をリタードさせ過ぎると失火してしまう。吸気行程における筒内温度の低下速度は、圧縮比が高いほど速い。そのため、圧縮比が高いほど、リタード可能な期間が短くなる。しかしながら、主噴射７２による燃料噴霧が分布する径方向中央部１７ａの温度を、前段噴射７１により圧縮上死点以降も維持することによって、主燃焼をリタードできる期間を拡大することができる。

ただし、圧縮上死点以降の筒内温度を高くし過ぎると、主噴射７２により噴射した燃料が燃焼室１７内の空気と混ざり切る前に局所的に着火してしまい、煤を発生させる虞がある。しかし、前段噴射７１による燃料噴霧を酸化反応させる場所と主噴射７２による燃料噴霧の分布場所とを異ならせることによって、主噴射７２による燃料噴霧の分布場所の温度の過度な上昇を抑制することができる。その結果、主噴射７２による燃料が局所的に着火して煤が発生してしまうことを抑制することができる。

こうして、リタードされた主燃焼の燃焼期間（燃料の燃焼質量割合が１０％以上９０％以下となる期間）は、モータリング時の圧力上昇率が負の最大値となる時点と重複している。あるいは、リタードされた主燃焼の燃焼重心が、自己着火燃焼の燃焼中心が負の圧力上昇率が大きい期間（圧縮上死点後１０°〜２０°）と重複している。つまり、本来、圧力上昇率が低い期間にリタード自己着火燃焼が生じる。そのため、リタード自己着火燃焼における燃焼時の圧力上昇率の最大値は、通常の自己着火燃焼における燃焼時の圧力上昇率の最大値に比べて大幅に低減されている。その結果、リタード自己着火燃焼の燃焼騒音（ＮＶＨ）レベルは、通常の自己着火燃焼の燃焼騒音レベルに比べて大幅に低減される。

尚、燃焼時の圧力上昇率を低減するためには、ＥＧＲ量を増加させることも考えられるが、ＥＧＲ量を増加すると、新気量が減少することになる。その結果、十分なトルクを確保できない虞がある。特に、圧力上昇率の大きさが問題となるのは高負荷の運転領域であり、この領域では大きなトルクが要求される。それに対して、上記の構成によれば、新気量を確保できるので、十分なトルクを発生させることができる。

図４の運転マップに戻り、中高負荷領域Ｂは、エンジン１の負荷が、低中負荷領域Ａと全負荷領域Ｃとの間の領域である。中高負荷領域Ｂでは、全負荷領域Ｃよりも燃料の噴射量は少ない。中高負荷領域Ｂにおいて自着火を行う場合は、全負荷領域Ｃのように、着火時期を膨張行程の所定の時期までリタードさせる必要がない。一方で、中高負荷領域Ｂでは、低中負荷領域Ａよりも燃料の噴射量が多くなる。それに伴い、低中負荷領域Ａよりもスモークが発生し易くなるため、燃焼室内の空気を有効に利用して、燃料濃度が高くなり過ぎることを防止する必要がある。

そこで、中高負荷領域Ｂでは、前述したガス層による断熱機能をある程度維持しながら、燃料噴霧を、燃焼室内において広く分散させることによって、スモークの発生を防止する。具体的には、図９に示すように、前段噴射７１と、主噴射７２との２回の燃料噴射を行う。図９は、中高負荷領域Ｂにおける燃料の噴射態様を示す図である。図１０は、中高負荷領域Ｂにおいて燃焼室１７内に形成される混合気層を概念的に示す図である。

中高負荷領域Ｂにおいては、エンジン制御器１００は、ＥＧＲシステム５１２によって、ＥＧＲガスを排気通路１９１から吸気通路１８１に還流させている。この中高負荷領域Ｂにおいて、還流されるＥＧＲガスは、ＥＧＲクーラにより冷却されたＥＧＲガスである。

エンジン制御器１００は、中高負荷領域Ｂにおいて、ＥＧＲガスを還流させることによって空気過剰率λが１（λ≒１）となるように制御している。空気過剰率λを１に調整することによって、三元触媒による排気ガスの浄化機能を得ることが可能になる。以下、中高負荷領域Ｂにおける前段噴射７１及び主噴射７２について詳しく説明する。

中高負荷領域Ｂにおける前段噴射７１は、圧縮行程中期以前に行われる。より詳しくは、前段噴射７１は、圧縮行程中であってエンジン１の吸気弁２１が閉弁した後に行われる。例えば、前段噴射７１は、圧縮上死点前１２０〜９０°で燃料噴射が終了するタイミングで実行される。前段噴射７１は、吸気行程から圧縮行程前半にかけての期間において行うようにしてもよい。

前段噴射７１は、比較的大きなリフト量で実行される。前段噴射７１による燃料噴霧は、粒径が大きく、運動量が大きい。そのため、前段噴射７１による燃料噴霧は、比較的遠くまで飛散する。

また、前段噴射７１は主噴射７２に先だって行われるので、その燃料噴霧は、主噴射７２が実行されるときには、燃焼室１７の径方向（即ち、シリンダ１１の径方向）周辺部１７ｂまで達する（図１０参照）。燃焼室１７の径方向周辺部１７ｂには、ピストン１６の周縁部とシリンダ１１の天井部との間に僅かな隙間（以下、「スキッシュエリア」と称する）１７ｃが形成されている。少なくとも着火時には、前段噴射７１による燃料噴霧は、スキッシュエリア１７ｃにも到達している。換言すると、前段噴射７１は、その燃料噴霧が着火時にはスキッシュエリア１７ｃに到達しているようなタイミングで実行される。

ここで、前段噴射７１を、上述の如く、吸気弁２１の閉弁後に行うようにすれば、吸気流動が或る程度収まっており、燃焼室１７の径方向周辺部１７ｂに達した燃料噴霧は、その場に留まりやすくなる。

尚、前段噴射７１の燃料量は、主噴射７２の燃料量よりも少ない。

主噴射７２は、前段噴射７１の後であって、圧縮上死点までに噴射が完了するタイミングで実行される。主噴射７２は、圧縮行程後期から膨張行程初期にかけての期間で行ってもよい。主噴射７２は、複数回の燃料噴射を含む多段噴射である。

詳しくは、主噴射７２は、第１噴射群８と第２噴射群９とを含んでいる。第１噴射群８は、燃料噴射弁６のリフト量を第２噴射群９よりも大きくし且つ、燃料の噴射間隔を第２噴射群９よりも大きくした、所定回数（図９の例では２回）の燃料噴射８０，８０を含んでいる。第２噴射群９は、燃料噴射弁６のリフト量を第１噴射群８よりも小さくし且つ、燃料の噴射間隔を第１噴射群８よりも小さくした、所定回数（図９の例では４回）の燃料噴射９０，９０，…を含んでいる。第１噴射群８のリフト量は、前段噴射７１と同程度である。第２噴射群９のリフト量は、前段噴射７１よりも小さい。尚、図９に示す燃料噴射８０と、図５に示す燃料噴射８０とは同じリフト量とは限らない。また、図９に示す燃料噴射９０と、図５に示す燃料噴射９０とも同じリフト量とは限らない。

第１噴射群８は、前述したように燃料噴霧の粒径が大きく且つ負圧領域が大きくなるので、進行方向への飛散距離が相対的に長く且つ径方向へ広がった燃料噴霧が形成される。一方、第２噴射群９は、燃料噴霧の粒径が小さく且つ負圧領域が小さくなるので、進行方向への飛散距離が相対的に短く且つ径方向への広がりが小さい燃料噴霧が形成される。

このような第１噴射群８及び第２噴射群９による燃料噴射の結果、着火時（圧縮上死点後の所定のタイミング）には、燃料噴霧は、燃焼室１７の径方向に、ある程度、広く分散した状態となる。

詳しくは、前段噴射７１により、比較的早いタイミングで且つ比較的粒径の大きな、即ち、運動量の大きな燃料噴霧が噴射されることによって、少なくとも主噴射７２が行われる時点における燃焼室１７においては、径方向周辺部１７ｂの燃料濃度が径方向中央部１７ａの燃料濃度よりも濃い混合気が形成される。このとき、前段噴射７１を単段噴射で行うことによって、多段噴射で行う場合に比べて、燃料噴霧が遠くまで飛散しやすくなる。

その後、主噴射７２により、比較的遅いタイミングで且つ比較的粒径の小さな、即ち、運動量の小さな燃料噴霧が大きな負圧領域が形成される状態で噴射されることによって、少なくとも着火時点における燃焼室１７においては、径方向中央部１７ａの燃料濃度が径方向周辺部１７ｂの燃料濃度よりも濃い混合気が形成される。このとき、燃料噴射弁６のリフト量を相対的に大きくし且つ燃料の噴射間隔を相対的に大きくした第１噴射群８と、リフト量を相対的に小さくし且つ、噴射間隔を相対的に小さくした第２噴射群９とを組み合わせることによって、進行方向への飛散距離が相対的に長く且つ径方向への広がりが大きい燃料噴霧と進行方向への飛散距離が相対的に短く且つ径方向への広がりが小さい燃料噴霧とを形成し、燃焼室１７の径方向中央部１７ａにおいて燃料噴霧を広く分散させることができる。

尚、第１噴射群８による燃料噴霧は、第２噴射群９の燃料噴霧に比べて飛散距離が長く且つ径方向へ広がっているだけで、前段噴射７１による燃料噴霧と比べると、飛散距離は短く且つ径方向への広がりは小さい。

このように、前段噴射７１は、燃焼室１７の径方向周辺部１７ｂに径方向中央部１７ａよりも多くの燃料噴霧を分布させ、主噴射７２は、燃焼室１７の径方向中央部１７ａに径方向周辺部１７ｂよりも多くの燃料噴霧を分布させる。これら前段噴射７１と主噴射７２とによって、着火時には、燃焼室１７の径方向に広く分散した混合気が形成される。つまり、局所的に燃料濃度が高い部分が形成されることが防止される。

そして、前段噴射７１及び主噴射７２が完了した後に燃料が着火する。つまり、燃料噴霧が燃焼室１７の径方向に広く分散した混合気が形成された後に着火する。そのため、スモークの発生が抑制される。

このとき、前段噴射７１は比較的に早めに実行されるものの、前段噴射７１の燃料量は主噴射７２の燃料量よりも少なく、それほど多くはないので、過早着火を抑制することができる。また、この運転領域においては、不活性ガスであるＥＧＲガスが燃焼室１７内に存在するので、このことによっても前段噴射７１による燃料噴霧の過早着火が抑制される。

（中高負荷領域における燃料噴射制御）
中高負荷領域Ｂにおいては、前述の通り、基本的には、前段噴射７１と主噴射７２との２回の燃料噴射が行われる。ここで、シリンダ１１内の圧力の状態、シリンダ１１内の温度の状態、及び、シリンダ１１内の酸素濃度によっては、前段噴射７１によってシリンダ１１内に噴射した燃料が、圧縮行程の後半において部分酸化反応を発生してしまう場合がある。部分酸化反応を発生した場合、シリンダ１１内の温度が、その分、高くなってしまうため、主噴射７２によって噴射した燃料が、十分な着火遅れ時間を確保する前に、自着火してしまい、スモークの発生を招いたり、膨張行程中の燃焼期間が長くなってＣＯが増大したりする。

図１１は、中高負荷領域Ｂにおけるシリンダ１１内の熱発生率の変化の一例を示している。図１２は、中高負荷領域Ｂにおけるシリンダ１１内の平均温度の変化の一例を示している。図１１及び図１２における破線は、前段噴射７１と主噴射７２との２回の燃料噴射を行う場合であり、前段噴射７１によって噴射した燃料が圧縮行程の後半において部分酸化反応を発生した例を示している。図１１に示すように、部分酸化反応が発生するに伴い、僅かではあるもの、熱発生が生じている。また、図１２に示すように、シリンダ１１内の温度も上昇することになる。

このような状態で、主噴射７２を行うことにより、主噴射７２によって噴射された燃料は、十分な着火遅れ時間を確保できずに、圧縮上死点付近において自着火してしまう。燃料と空気との混合が不十分になることでスモークの発生を招くことになる。また、燃料と空気との混合が不十分であるため、燃焼後半においても熱発生が継続するようになり、ＣＯの増大を招く。

そこで、このエンジン１では、エンジン制御器１００が、圧縮行程後半において、部分酸化反応が発生するか否かを判断し、部分酸化反応が発生すると判断したときには、図９に仮想的に示すように、前段噴射７１と主噴射７２との間で、中段噴射７３を行う。中段噴射７３によってシリンダ１１内に噴射される燃料噴霧の気化潜熱によって、シリンダ１１内の温度を低下させ、そのことにより、部分酸化反応の発生を抑制する。

エンジン制御器１００は、水温センサ５８が検出する冷却水の水温、及び、吸気温センサ５９が検出する吸気の温度に基づいて、シリンダ１１内の温度状態を推定し、吸気圧センサ５１０が検出する吸気の圧力に基づいて、シリンダ１１内の圧力状態を推定し、さらに、リニアＯ_２センサ５１１が検出する排気ガス中の酸素濃度に基づいて、シリンダ１１内の酸素濃度を推定することにより、圧縮行程後半の部分酸化反応の発生有無を判断することが可能である。例えば予め設定したモデルに基づいて、前記各パラメータから部分酸化反応の発生を事前に判断するようにしてもよい。また、排気ガス成分に基づいて、部分酸化反応が発生したことを事後的に判断するようにしてもよい。

中段噴射７３は、図９に破線で示す、前段噴射７１と主噴射７２との間の所定の期間内において行われる。中段噴射７３は、単段の燃料噴射である。中段噴射７３は、圧縮行程後半における部分酸化反応が発生する前に行われる。前述したように、中段噴射７３は、噴射した燃料の気化潜熱によってシリンダ１１内の温度を低下させることで、部分酸化反応の発生を未然に防止するため、部分酸化反応が発生する直前に行うことが望ましい。

また、中段噴射７３の時期が早すぎると、部分酸化反応が発生する時期よりも前に、気化潜熱によるシリンダ１１内の温度低下を行うことになり、部分酸化反応の発生を抑制する機能が十分に発揮されないばかりか、中段噴射によって噴射した燃料もまた、シリンダ１１内の高温高圧の環境下に曝されることによって、圧縮行程の後半において部分酸化反応を発生してしまう虞がある。そのため、中段噴射７３によって噴射した燃料が、主噴射７２によって噴射した燃料が自着火する以降で自着火するようなタイミングで、中段噴射７３を行うことが望ましい。

こうして中段噴射７３は、後に続く主噴射７２との間に、比較的広い間隔を確保するようになる。具体的には、中段噴射７３の噴射終了から主噴射７２の噴射開始までの間隔は、多段噴射である主噴射７２における、最初の噴射と次の噴射との間の間隔よりも広い。こうすることで、中段噴射７３によって噴射された燃料噴霧と、主噴射７２によって噴射された燃料噴霧とが重なり合ってしまうことが防止される。これは、燃焼温度を低くして、冷却損失の低減に有利になると共に、局所的に過濃な混合気が形成されることを防止して、スモークの発生を防止する上で有利になる。

中段噴射７３の噴射量は、主噴射７２の噴射量よりも少ない。中段噴射７３は、主噴射７２よりも噴射時期が早いため、中段噴射７３の噴射時期では、シリンダ１１内の圧力及び温度が十分に高まっていない。このため、中段噴射７３の噴射量が増えると、シリンダ１１内に噴射した燃料噴霧が飛びすぎてしまい、燃焼室１７の壁面に接触する虞がある。これは、混合気層の周囲にガス層を形成するうえで不利になる。そこで、中段噴射７３の燃料量は相対的に少ない方が好ましい。また、中段噴射７３の燃料量を少なくすることによって、主噴射７２の燃料量を多く確保することになり、中高負荷領域Ｂにおいて、エンジントルクの向上に有利になる。

図１１及び図１２の実線は、前段噴射７１、中段噴射７３及び主噴射７２を行った場合の、熱発生率の変化、及び、シリンダ１１内の平均温度の変化を例示している。前述したように、中段噴射７３を所定のタイミングで行うことにより、図１２に示すように、シリンダ１１内の温度を低下させることができ、それに伴い、部分酸化反応の発生を防止することができる（図１１参照）。主噴射７２によって噴射された燃料は、十分な着火遅れ時間を確保した上で自着火する。図１１において、実線で示す自着火に伴う熱発生の山は、破線で示す熱発生の山よりも遅角する。こうして、スモークの発生が防止される。また、燃焼後半において燃焼が速やかに終了する。その結果、ＣＯの排出を抑制することが可能になる。こうして、全負荷領域Ｃでは部分酸化反応を積極的に利用するのに対し、中高負荷領域Ｂでは部分酸化反応の発生を防止する。

尚、前記の図５や図９に示す例では、前段噴射７１や、主噴射７２を、複数の燃料噴射を含む多段噴射によって構成しているが、燃料噴射弁６のリフト量を、所定のリフト量のまま、所定時間だけ維持するようにして、燃料噴射を連続的に行うようにしてもよい。その場合も、多段噴射とした場合と同様な、燃料噴霧を形成することが可能になる。

前記の例では、燃料噴射弁６として外開弁式の燃料噴射弁を採用しているが、ここに開示する技術に適用可能な燃料噴射弁６は、外開弁式の燃料噴射弁に限らない。例えばＶＣＯ（Valve Covered Orifice）ノズルタイプのインジェクタも、ノズル口に発生するキャビテーションの度合い調整することにより、噴口の有効開口面積を変更することが可能である。従って、外開弁式の燃料噴射弁と同様に、図４又は図８に示す燃料噴射態様によって、キャビティ１６３内の中央部に混合気層を、その外周囲に断熱ガス層を形成すると共に、局所的に過濃な混合気が形成されることを抑制することが可能である。

尚、前記の例では、燃焼室及び吸気ポートの遮熱構造を採用すると共に、燃焼室内に断熱ガス層を形成するようにしたが、ここに開示する技術は、遮熱構造を採用しないエンジンに対しても適用することが可能である。

１ エンジン（エンジン本体）
１００ エンジン制御器（燃料噴射制御部）
１１ シリンダ
１２ シリンダブロック
１３ シリンダヘッド
１６ ピストン
１７ 燃焼室
６ 燃料噴射弁

Claims (4)

1. シリンダヘッドの天井部と、シリンダブロックに設けられたシリンダと、前記シリンダ内を往復動するピストンとによって区画される燃焼室を有して構成されたエンジン本体と、
   前記燃焼室内に、液体の燃料を噴射するように配設された燃料噴射弁を有しかつ、所定のタイミングで前記燃料を前記燃焼室内に噴射するよう構成された燃料噴射制御部と、を備え、
   前記燃料噴射制御部は、圧縮行程後期から膨張行程初期にかけての期間で、主噴射を行うと共に、吸気行程から圧縮行程前半にかけての期間で、前記主噴射よりも燃料量の少ない前段噴射を行い、
   前記燃料噴射制御部はまた、前記前段噴射によって噴射された燃料が、圧縮行程後半において部分酸化反応を発生するか否かを判断すると共に、前記部分酸化反応を発生すると判断したときには、前記前段噴射と前記主噴射との間で中段噴射を行い、
   前記燃料噴射制御部は、前記中段噴射によって噴射された燃料が、前記主噴射によって噴射された燃料が自着火する以降で自着火するようなタイミングでかつ、前記圧縮行程後半における前記部分酸化反応が発生する前に、前記中段噴射を行う直噴エンジンの燃料噴射制御装置。
2. 請求項１に記載の直噴エンジンの燃料噴射制御装置において、
   前記燃料噴射制御部は、前記シリンダ内の圧力、前記シリンダ内の温度、及び前記シリンダ内の酸素濃度に基づいて、前記部分酸化反応が発生するか否かを判断する直噴エンジンの燃料噴射制御装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の直噴エンジンの燃料噴射制御装置において、
   前記中段噴射の燃料量は、前記主噴射の燃料量よりも少ない直噴エンジンの燃料噴射制御装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の直噴エンジンの燃料噴射制御装置において、
   前記主噴射は、複数回の燃料噴射を行う多段噴射であり、
   前記中段噴射の噴射終了から前記主噴射の噴射開始までの間隔は、前記主噴射における最初の噴射と次の噴射との間の間隔よりも広い直噴エンジンの燃料噴射制御装置。

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