JP6102958B2 - 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、エンジンの燃焼室内に、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が記載されている。外開弁式の燃料噴射弁は、弁本体のリフト量を変えることによって、燃料が噴射するノズル口の有効開口面積が変化する。外開弁式の燃料噴射弁はまた、リフト量が大きくなるほど、ホローコーンのテーパ角（つまり、噴霧角）が狭くなり、逆にリフト量が小さくなるほど、ホローコーンのテーパ角が広くなる。

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。

特許文献３には、圧縮自己着火エンジンにおいて、燃焼室を区画する壁面を断熱材で構成することによって、燃焼室の壁面における冷却損失を低減することが記載されている。

特開２００８−１５１０４３号公報 特開２０１３−５７２６６号公報 特開２００９−２４３３５５号公報

特許文献２に記載されているように、混合気層の周囲に断熱ガス層を形成しようとしたときに、燃料噴射量が比較的少ないときには、混合気層をコンパクトにすることが容易であるため、周囲に断熱ガス層を形成し易い。これに対し、燃料噴射量が多くなったときには、噴射した燃料が拡散することで混合気層をコンパクトにすることが難しくなり、混合気層が燃焼室の壁面に接触するようになって、周囲の断熱ガス層を確保することが困難になる。断熱ガス層が形成されないことによって、冷却損失の低減が達成されなくなる。

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、直噴エンジンにおいて、燃焼室内に混合気層と断熱ガス層とを確実に形成することにある。

燃料噴射量が多くなったときに、燃料を一括で噴射すると、前述の通り、燃料が拡散して断熱ガス層が形成できなくなる。そこで、例えば燃焼室内に燃料を噴射する第１噴射を行った後に、所定の間隔を空けて第２噴射を行うといったように、燃料噴射を複数回に分けて行うことが考えられる。

ここで、分割して行う噴射と噴射との間隔を広くすると、先の噴射によって噴射した燃料噴霧と、後の噴射によって噴射した燃料噴霧とが重なることが抑制され、局所的に過濃な混合気が形成されることを防止することができる。これは、スモークの発生を抑制する。一方で、着火までの間に燃料の気化及び燃料と空気とのミキシングを行うことを考慮すると、複数の噴射を含む燃料噴射全体の噴射終了時期を遅らせることができない。このため、噴射と噴射との間隔を広げようとすると、燃料噴射全体の噴射開始時期を進角させなければならない。しかしながら、噴射開始時期を進角させると、シリンダ内の圧力及び温度が低いときに燃料を噴射することになるため、先の噴射によって噴射した燃料噴霧が拡散し易く、その結果、混合気が燃焼室の壁面に接触し易くなる。

一方、燃料噴射全体の噴射開始時期を遅らせることによって噴射と噴射との間隔を狭くすると、先の噴射によって噴射した燃料噴霧と、後の噴射によって噴射した燃料噴霧とが重なり易くなり、局所的に過濃な混合気が形成されることで、スモークの発生を招く。

本願発明者等は、この点に着目して、複数の燃料噴射を行うことを前提に、先の噴射によって噴射した燃料噴霧と、後の噴射によって噴射した燃料噴霧との重なりを回避しつつ、混合気層が燃焼室の壁面に接触してしまうことを防止するように、燃料噴射の噴射形態を工夫することにした。

具体的に、外開弁式の燃料噴射弁は、リフト量が大きくなるほど、燃料を噴射する噴口の有効開口面積が大きくなると共に、その噴霧角（つまり、ホローコーン状に燃料を噴射する外開弁において、そのホローコーンのテーパ角）が狭くなる。ここに開示する技術は、この特性を利用して、燃料噴射量が増えたときには、燃料噴射弁のリフト量を異ならせた複数回の燃料噴射を行うことにより、噴霧角を変えながら、燃焼室内に燃料を噴射し、それによって燃料噴霧の配置をずらすようにした。

具体的に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、圧縮行程の期間内で、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、前記燃料噴射弁は、噴口が形成されたノズル本体と、外向きにリフトすることによって前記噴口を開閉する外開弁とを有しかつ、前記噴口からホローコーン状に前記燃料を噴射すると共に、前記外開弁のリフト量が大きくなるほど、前記噴口の有効開口面積が大きくなると共に、前記ホローコーンのテーパ角が狭くなるよう構成された外開弁式の燃料噴射弁であり、前記燃料噴射制御部は、前記燃料噴射弁に対し、要求噴射量が第１要求量よりも少ないときには、所定の噴射タイミングで燃料を噴射させ、要求噴射量が前記第１要求量以上でかつ、第２要求量よりも少ないときには、前記所定の噴射タイミングよりも進角したタイミングでかつ、所定の第１リフト量で燃料を噴射する第１噴射と、前記第１噴射の後に、燃料噴射を休止する所定の間隔を空けて、前記第１リフト量よりも小さい第２リフト量で燃料を噴射する第２噴射と、を実行させ、要求噴射量が前記第２要求量以上のときには、前記第１噴射と、燃料噴射を休止する所定の間隔を空けて、前記第２噴射と、前記第２噴射の後に、燃料噴射を休止する所定の間隔を空けて、前記第２リフト量よりも小さい第３リフト量でかつ、前記第１及び第２噴射よりも噴射期間の短い第３噴射と、を実行させる。

この構成によると、要求噴射量が第１要求量よりも少ないときには、所定の噴射タイミングで燃料を噴射する。この燃料噴射は、その一部又は全部が、圧縮行程の後半で行われる一括噴射である。ここで、圧縮行程の後半は、圧縮行程期間を前半と後半との２つの期間に２等分したときの後半に相当する。燃焼室に噴射する燃料量が少ないため、燃料噴霧が拡散することが抑制され、燃焼室内に混合気層と、その周囲の断熱ガス層とを形成することが可能になる。尚、ここでいう燃焼室は、ピストンが上死点に至ったときのシリンダ内空間に限定されず、ピストン位置に拘わらず、シリンダヘッドの天井部とシリンダとピストンとによって区画される空間である、広義の燃焼室である。

要求噴射量が第１要求量以上に増えたときには、燃料を一括で噴射したのでは、断熱ガス層を形成することができなくなる。そこで、第１噴射と第２噴射とを含む分割噴射を行う。第１噴射は、進角したタイミングで、リフト量の大きい第１リフト量で燃料を噴射する。これにより、所定の噴霧角でホローコーン状に、燃料が噴射される。第１噴射の後の第２噴射は、リフト量の小さい第２リフト量で燃料を噴射する。第１噴射と第２噴射とでリフト量が異なるため、噴霧角も異なるようになる。この噴霧角の相違によって、第１噴射によって噴射された燃料噴霧と、第２噴射によって噴射された燃料噴霧とは、燃焼室内の位置が、噴霧角の角度方向にずれるようになる。こうして、局所的に過濃な混合気が形成されることが抑制され、スモークの発生が防止される。

第１噴射によって噴射された燃料噴霧と、第２噴射によって噴射された燃料噴霧とは、燃焼室内の位置が、噴霧角の角度方向にずれるようになる。また、先に噴射する第１噴射はリフト量が大きくて、燃料噴霧は燃料噴射弁から遠く離れるのに対し、後に噴射する第２噴射はリフト量が小さくて、燃料噴霧は燃料噴射弁の近くに位置する。こうして、第１噴射によって噴射した燃料噴霧と第２噴射によって噴射した燃料噴霧とは、噴射方向にも位置がずれるようになる。第１噴射と第２噴射との噴射間隔を狭くしても、それらの燃料噴霧が重なることを防止することが可能である。つまり、第１噴射の噴射開始時期を進角させる必要がなくなり、混合気層が燃焼室の壁面に接触することを防止する上で有利になると共に、第２噴射の噴射終了時期を遅らせることがなくなり、着火までに、燃料の気化及び燃料と空気とのミキシングの時間を十分に確保することが可能になる。

要求噴射量が第２要求量以上に増えたときには、前記の第１噴射及び第２噴射に加えて、第３噴射を行う。第３噴射は、第２噴射の後に行う噴射であり、そのリフト量は最も小さくかつ、噴射期間も最も短い。このため、第３噴射によって噴射された燃料噴霧は、噴霧角が最も大きくなるため、第１噴射によって噴射された燃料噴霧及び第２噴射によって噴射された燃料噴霧に対して、噴霧角の角度方向の最も外側に配置されるようになる。こうして、第１噴射、第２噴射及び第３噴射のそれぞれによって噴射された燃料噴霧は、燃焼室内において、噴霧角の角度方向に位置がずれるようになる。また、第３噴射は噴射期間が最も短く、噴射した燃料噴霧は燃料噴射弁の近くに配置される。こうして、噴射方向に対しても、燃料噴霧同士が重なることが回避されるから、局所的に過濃な混合気が形成されることが防止される。

また、前記と同様に、第１噴射と第２噴射との間隔、及び／又は、第２噴射と第３噴射との間隔を狭くすることが可能になるから、３回の燃料噴射を行うものの、第１噴射の噴射開始時期を大きく進角させる必要がなくなり、混合気層が燃焼室の壁面に接触することを防止する上で有利になると共に、第３噴射の噴射終了時期を大きく遅らせることがなくなり、着火までに、燃料の気化及び燃料と空気とのミキシングの時間を十分に確保することが可能になる。

前記燃料噴射制御部は、前記第３噴射を、前記所定の噴射タイミングよりも遅角したタイミングで、前記燃料噴射弁に対し実行させる、としてもよい。

前記燃料噴射制御部は、要求噴射量が前記第１要求量よりも少ないときには、前記第１リフト量で燃料を噴射する、としてもよい。
比較的大きいリフト量で燃料の噴射を行うことで、燃料噴霧が拡散し易くなるが、要求噴射量が少ないときであれば、燃料噴霧が燃焼室の壁面に接触することが防止される。つまり、要求噴射量が第１要求量よりも少ないときに、第１リフト量で燃料を噴射することは、燃料噴霧が燃焼室の壁面に接触することを防止しつつ、燃焼室内の空気利用率を高めることが可能になる。

前記燃料噴射制御部は、前記第２噴射の噴射期間を、前記第１噴射の噴射期間よりも長くする、としてもよい。

燃料噴射弁から燃料が噴射されることに伴い燃焼室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。外開弁式の燃料噴射弁では、燃料噴霧は、燃料噴射弁の先端からホローコーン状に広がるように噴射されるが、噴射された燃料噴霧の内側となる燃料噴射弁の噴射軸心の付近には、空気が流れ込み難い。噴射期間が長くなると、燃料噴射弁の噴射軸心の付近は、負圧が強まるようになり、燃料噴霧の内外の圧力差によって燃料噴霧は、燃料噴射弁の噴射軸心に近づくようになる。

第２噴射の噴射期間を相対的に長くすることによって、第２噴射によって噴射された燃料噴霧は、前述した圧力差によって、第１噴射によって噴射された燃料噴霧よりも、噴霧角の角度方向の内側に位置するようになる。こうして、第１噴射によって噴射された燃料噴霧と第２噴射によって噴射された燃料噴霧とが重なることが防止される。また、第３噴射によって噴射された燃料噴霧は、前述したように、噴霧角の角度方向の最も外側に位置するようになるから、第２噴射によって噴射された燃料噴霧と第３噴射によって噴射された燃料噴霧との重なりも、確実に防止される。また、第１噴射、第２噴射及び第３噴射のそれぞれで噴射した燃料噴霧の配置が異なるため、燃焼室内の空気の利用率も高まる。

外開弁式の前記燃料噴射弁は、前記シリンダヘッドの天井部において、噴射軸心が前記シリンダの軸線に沿うように配設されており、前記天井部には、前記燃料噴射弁の先端部を収容する凹部が、その天井面から凹陥して形成されている、としてもよい。

こうすることで、燃料噴射弁をシリンダヘッドの天井面から奥まった位置に配置することが可能になるため、ピストンが上死点に至ったときの、ピストンの頂面と燃料噴射弁の先端との間隔を、できる限り広くすることが可能になる。これは、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、前述の通り、外開弁式の燃料噴射弁は、ホローコーン状に燃料を噴射するため、燃料噴射弁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の天井面に付着し易くなる。特に第３噴射は、リフト量が最も小さいため、ホローコーンのテーパ角が最も広くなり、コアンダ効果の影響を最も受けやすいものの、前記の構成では、シリンダヘッドの天井面から凹陥する凹部を設けることで、燃料噴射弁の先端と凹部の内周面との間隔が広がり、燃料噴射弁から噴射した燃料噴霧が、シリンダヘッドの天井面に付着することが抑制される。

前記ピストンの頂面には、キャビティが形成されており、前記燃料噴射弁は、前記キャビティ内に向かって前記燃料を噴射するように構成されている、としてもよい。

こうすることで、燃料噴射弁から噴射された燃料によって形成される混合気層は、主にキャビティ内に形成され、混合気層とその周囲の断熱ガス層とを形成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、要求噴射量が第１要求量以上のときには、第１リフト量で燃料を噴射する第１噴射と、第１噴射よりも後に、第１リフト量よりも小さい第２リフト量で燃料を噴射する第２噴射と、を行い、要求噴射量が第２要求量以上のときには、第１噴射と、第２噴射と、第２噴射の後に、第２リフト量よりも小さい第３リフト量でかつ、第１及び第２噴射よりも噴射期間の短い第３噴射とを行うことで、要求噴射量が増えたときでも、混合気層とその周囲の断熱ガス層とを形成しつつ、各噴射によって噴射した燃料噴霧同士が重なることを防止して、スモークの発生を防止することが可能になる。

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。 （ａ）燃料噴射弁のリフト量が小さいときの噴霧角、（ｂ）リフト量が大きいときの噴霧角を示す図である。 リフト量と噴霧角との関係を示す図である。 エンジンの負荷の相違に対応する、燃料の噴射態様の相違を示す図である。 燃焼室内における燃料噴霧の広がりを説明する図である。 図６とは異なる、燃料の噴射態様を示す図である。 第１噴射の噴射態様の変形例を示す図である。 （ａ）燃料噴射弁のリフト量の変化を示す図、（ｂ）燃料の噴射速度の変化を示す図である。 燃焼室内における燃料噴霧の広がりを説明する図である。 第２噴射の噴射態様の変形例を示す図である。

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、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、図示は省略するが、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。

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。それらによって、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、燃料圧力が同一と仮定すれば、有効開口面積は大きいほど、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、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。

さらに、図４に示すように、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。図４（ａ）に示すように、リフト量が小さいときには、縮径部６６が噴口６１に近いことで、燃料の噴霧角（つまり、ホローコーンのテーパ角度）が大きくなり、図４（ｂ）に示すように、リフト量が大きいときには、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）が小さくなる。外開弁式の燃料噴射弁６において、リフト量と噴霧角との関係は、図５に示すような関係となり、リフト量が所定以上であれば、噴霧角は比較的小さい角度で一定、又は、ほとんど一定となり、リフト量が所定よりも小さいときには、リフト量が小さくなるほど、噴霧角は大きくなる。

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、及び、車速センサ５４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、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及び着火アシストシステム５６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、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。

前記の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、混合気層とシリンダ１１の壁面との間の断熱ガス層により、混合気層の火炎がシリンダ１１の壁面に接触することがなく、その断熱ガス層が断熱層となって、シリンダ１１の壁面からの熱の放出を抑えることができるようになる。この結果、冷却損失を大幅に低減することができる。

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。

前述したように、燃焼室１７内に混合気層と断熱ガス層とを形成する上で、燃料噴射量が比較的少ないとき、例えばエンジン１の運転状態が、軽負荷領域にあるときには、混合気層をコンパクトにし易いため、混合気層と断熱ガス層とを形成することは比較的容易である。これに対し、燃料噴射量が増えると、燃料を一括で噴射したのでは、混合気層をコンパクトにすることが困難となり、混合気層の周囲に断熱ガス層を形成することが難しくなる。

この点に関し、燃焼室１７内への燃料噴射を、一括して行うのではなく、複数回の噴射に分割して行うことは、燃焼室１７内の空気利用率を高めつつ、混合気層と断熱ガス層とを形成する上で有利になるが、燃料噴射を複数回の噴射に分割することによって、燃料噴霧同士が重なりあうことで局所的に過濃な混合気が形成されて、スモークの発生を招く場合がある。

このエンジン１は、燃料噴射量が増えても、局所的に過濃な混合気が形成されないように、燃料の噴射態様を工夫している。具体的に、図６は、燃料の噴射態様を例示している。図６の横軸はクランク角を、縦軸は燃料噴射弁６のリフト量を示している。図６の上図は、エンジン１の負荷が最も低いとき、言い換えると要求噴射量が最も少ないとき（第１要求量よりも少ないとき）の燃料噴射態様を示している。これは、エンジン１の運転状態が、軽負荷の領域にあるときに対応する。要求噴射量が少ないときには、所定の噴射タイミングで、燃料を一括噴射する。この噴射は、その一部又は全部が圧縮行程の後半に行われる。また、リフト量は、比較的大きい第１リフト量である。第１リフト量は、前述した、燃料の噴射速度が最高となる最高速度リフト量よりも大きい。リフト量が大きいため、噴射期間は比較的短くなる。この燃料噴射は、噴射タイミングは異なるものの、後述する第１噴射と同様の噴射態様である。燃料を一括噴射することによって、燃料噴霧が拡散し易くなり、燃焼室１７内の空気の利用率が高まる一方で、燃焼室１７内に噴射する燃料量が少ないため、燃料噴霧が燃焼室１７の壁面に接触することが防止される。こうして、混合気層と、その周囲の断熱ガス層とを形成することが可能になる。

図６の中図は、エンジン１の負荷が高くなり、要求噴射量が、第１要求量以上となったとき（及び、第２要求量よりも少ないとき）の燃料噴射態様を示している。要求噴射量が増えたため、第１噴射及び第２噴射を含む分割噴射を行う。第１噴射は、相対的に進角したタイミングで、第１リフト量で燃料を噴射する。第１噴射は、圧縮行程期間内に行われる。第１噴射の一部又は全部を圧縮行程の後半に行ってもよい。噴射期間は、後述する第２噴射よりも短い。これにより、図５に示すように、燃料噴射弁６から噴射される燃料噴霧の噴霧角は、比較的狭くなる。図７に概念的に示すように、第１噴射によって噴射された燃料噴霧は、所定の噴霧角でかつ、燃焼室１７の壁面近くにまで広がるようになる。但し、第１噴射により、燃焼室１７内に最初に噴射された燃料噴霧は比較的高い抵抗を受けて、飛び難くなるため、燃焼室１７の壁面に接触することが防止される。

第１噴射の終了後、所定の間隔を空けて第２噴射が行われる。第２噴射は、その一部又は全部が、圧縮行程の後半の燃料噴射である。第２噴射のタイミングは、前述した要求噴射量が、第１要求量よりも少ないときの燃料噴射のタイミングと同じ、又は、ほぼ同じである。第２噴射は、第１リフト量よりもリフト量が小さい第２リフト量で燃料を噴射する。図５に示すように、燃料噴射弁６から噴射される燃料噴霧の噴霧角は、比較的狭くなる。第２リフト量もまた、第１リフト量と同様に、最高速度リフト量よりも大とすることが好ましい。こうすることで、第２噴射によって噴射された燃料噴霧の噴射速度が抑制されるため、第１噴射によって噴射された燃料噴霧に追いついて、燃料噴霧が重なってしまうことが防止される。また、第２噴射によって噴射された燃料噴霧は、燃料噴射弁６の近くに配置されるため、第１噴射によって噴射された燃料噴霧と第２噴射によって噴射された燃料噴霧とは、噴射方向に位置がずれるようになる。

第２噴射はまた、その噴射期間が、第１噴射の噴射期間よりも長く設定される。これにより、第２噴射によって噴射された燃料噴霧は、燃料噴射弁６の噴射軸心Ｓに近づくようになる。つまり、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、周囲の空気を巻き込むようになる。しかし、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。そのため、噴射期間が長くなると、燃料噴射弁６の噴射軸心Ｓの付近は、負圧が強まるようになり、燃料噴霧の内外の圧力差によって、図７に実線の矢印で示すように、燃料噴霧は、燃料噴射弁６の噴射軸心Ｓに近づくようになる。これにより、第１噴射によって噴射された燃料噴霧と、第２噴射によって噴射されて燃料噴霧とは、噴霧角の角度方向にも位置がずれるようになる。より詳細には、第１噴射によって噴射された燃料噴霧の軸を基準とし、その軸方向に直交する径方向について、第２噴射によって噴射された燃料噴霧は、第１噴射によって噴射された燃料噴霧に対し径方向の内側に位置するようになる。こうして、燃料噴霧同士が重なることが防止されるから、混合気層が局所的に過濃となることを、確実に防止することが可能になる。その結果、スモークの発生を抑制することが可能になる。

図６の下図は、エンジン１の負荷がさらに高くなり、要求噴射量が、第２要求量以上となったときの燃料噴射態様を示している。要求噴射量が増えたため、第１噴射及び第２噴射に加えて、第３噴射を行う。第１噴射は、図６の中図に示す第１噴射と同様に、相対的に進角したタイミングで、第１リフト量で燃料を噴射する。噴射期間は、相対的に短い。また、第２噴射も、図６の中図の第２噴射と同じように、第１噴射の終了後、所定の間隔を空けて、第２リフト量で燃料を噴射する。その噴射期間は長く設定される。

第３噴射は、第２噴射の終了後、所定の間隔を空けて行う。第３噴射は、圧縮行程の後半に行われる。第３噴射のリフト量は、第２リフト量よりも小さい第３リフト量である。第３リフト量は、第１リフト量よりも小さくなる。第３リフト量は、最高速度リフト量よりも大としてもよい。また、第３噴射の噴射期間は、第１噴射及び第２噴射の噴射期間よりも短い。第３噴射のリフト量を小さくすることに伴い、燃料噴射弁６から噴射される燃料噴霧の噴霧角は大きくなる（図４（ａ）及び図５参照）。また、噴射タイミングが最も遅くてシリンダ１１内の圧力及び温度が高い上に、噴射期間が短いため、第３噴射によって噴射された燃料噴霧は、燃料噴射弁６の先端部の近傍に位置するようになる。つまり、図７に示すように、第３噴射によって噴射された燃料噴霧は、第１噴射によって噴射された燃料噴霧の軸を基準としたときの径方向の外側に配置されるようになる。第１噴射、第２噴射及び第３噴射のそれぞれによって噴射された燃料噴霧は、燃焼室１７内において、第１噴射によって噴射された燃料噴霧の軸を基準とした径方向に位置がずれるようになる。また、噴射方向に対しても、位置がずれるようになるから、局所的に過濃な混合気が形成されることが防止される。

こうして、エンジン１の負荷が高くなって要求噴射量が増えることに従い、燃料の噴射態様を変更することによって、局所的に過濃な混合気が形成されることを防止しながら、混合気層と断熱ガス層とを燃焼室１７内に形成することが可能になる。

また、第１噴射によって噴射された燃料噴霧と、第２噴射によって噴射された燃料噴霧とは、第１噴射によって噴射された燃料噴霧の軸を基準とした径方向に位置がずれると共に、噴射方向に対しても位置がずれるようになるから、第１噴射と第２噴射との噴射間隔を狭くしても、それらの燃料噴霧が重なることを防止することが可能である。そのため、第１噴射の噴射開始時期を進角させる必要がなくなり、混合気層が燃焼室の壁面に接触することを防止する上で有利になる。また、第２噴射の噴射終了時期を遅らせることがなくなり、着火までに、燃料の気化及び燃料と空気とのミキシングの時間を十分に確保することが可能になる。

同様に、第１噴射によって噴射された燃料噴霧と、第２噴射によって噴射された燃料噴霧と、第３噴射によって噴射された燃料噴霧とは、第１噴射によって噴射された燃料噴霧の軸を基準とした径方向に位置がずれると共に、噴射方向にも位置がずれるようになるから、第１噴射と第２噴射との噴射間隔を狭くしても、また、第２噴射と第３噴射との噴射間隔を狭くしても、それらの燃料噴霧が重なることを防止することが可能である。そのため、要求噴射量が増えたときには３回の燃料噴射を行うものの、第１噴射の噴射開始時期を大きく進角させる必要がなくなり、混合気層が燃焼室１７の壁面に接触することを防止する上で有利になると共に、第３噴射の噴射終了時期を大きく遅らせることがなくなり、着火までに、燃料の気化及び燃料と空気とのミキシングの時間を十分に確保することが可能になる。

図８は、図６とは異なる燃料噴射態様を示している。図８に示す燃料噴射態様と、図６に示す燃料噴射態様とは、要求噴射量が第１要求量よりも少ないときの燃料噴射態様が相違する。つまり、図８の上図に示すように、要求噴射量が第１要求量よりも少ないときには、所定の噴射タイミングで、燃料を一括噴射するものの、リフト量は、第２リフト量に設定される。また、噴射期間は、比較的長く設定される。これは、図８の中図及び下図における第２噴射に相当する。噴射期間を長くすることにより、前述したように、燃焼室１７内に噴射された燃料噴霧は、燃料噴霧の内外の圧力差によって、燃料噴射弁６の噴射軸心Ｓに近づくようになる。これにより、混合気層をコンパクトにして、混合気層が、燃焼室１７の壁面に接触してしまうことを、確実に防止することが可能になる。

図９は、第１噴射の噴射態様の変形例を示している。この第１噴射は、噴射の開始時は相対的に大きい第１リフト量とするが、噴射を継続している途中で、燃料噴射弁６のリフト量を、第１リフト量から、それよりも小さい第４リフト量へと切り替える。これにより、燃料の噴射流量を減らさずに、噴射速度を増速させる。

図１０は、燃料噴射弁６のリフト量の変化（同図（ａ））と、燃料の噴射速度の変化（同図（ｂ））とを示している。図３にも示すように、外開弁式の燃料噴射弁６において、リフト量を大きくすると噴口６１の有効開口面積は大きくなる。燃料の噴射を開始するときには、有効開口面積を大きくして、抵抗の影響を小さくすることによって、燃料の噴射速度を速やかに上昇させることが可能になる。図１０（ａ）に実線で示すように、リフト量が比較的大きい第１リフト量で燃料の噴射を開始する（時刻Ｔ_０〜Ｔ_１参照）と、図１０（ｂ）に実線で示すように、燃料の噴射速度は速やかに上昇する。これに対し、図１０（ａ）に破線で示すように、燃料の噴射開始時にリフト量を小さくすると、図１０（ｂ）に破線で示すように、燃料の噴射速度の上昇は遅れる。

そうして、燃料の噴射速度が十分に高まった後、第１噴射は、図１０（ａ）に実線で示すように、燃料の噴射を継続しながら、リフト量を第１リフト量よりも小さい第４リフト量にする。第４リフト量は、燃料の噴射速度が最高になる最高速度リフト量としてもよい。尚、第４リフト量は、最高速度リフト量以上で適宜設定することが可能である。

リフト量を小さくすることで、噴口６１の有効開口面積が小さくなるため、噴射流量を減らさずに、噴口６１を通過する燃料の噴射速度が上昇する（時刻Ｔ_２〜Ｔ_３参照）。第４リフト量を最高速度リフト量とすれば、図１０（ｂ）に実線で示すように、燃料の噴射速度は最高速度に到達する。燃料噴射弁６のリフト量を、そのまま第４リフト量に維持することによって、燃料の噴射速度は最高速度に維持される（時刻Ｔ_３〜Ｔ_５参照）。そうして、閉弁に至る（（時刻Ｔ_５〜Ｔ_６参照）。リフト量を切り替えるタイミングは、前述の通り燃料の噴射速度が十分に高まった後でかつ、リフト量を切り替えた後も十分な量の燃料が噴射されるような、適宜のタイミングにすればよい。

尚、図１０（ａ）（ｂ）の破線は、燃料噴射弁６のリフト量を、最高速度リフト量にした例であるが、前述の通り、燃料噴射の開始時のリフト量が小さいため、燃料の噴射速度の上昇が遅れる結果、最高速度に到達するまでに長い時間がかかる（時刻Ｔ_０〜Ｔ_５参照）。

図１０（ａ）に一点鎖線で示すように、燃料噴射弁６のリフト量を第１リフト量のままで継続したときには、図１０（ｂ）に一点鎖線で示すように、燃料の噴射速度は、増速すること無く所定の速度で一定となる（時刻Ｔ_２〜Ｔ_４参照）。尚、この場合でも、燃料噴射弁６を閉弁するために燃料噴射弁６のリフト量を小さくすることに伴い、噴射速度は増速する。

図１１は、図９に示す噴射態様に従って燃焼室１７内に噴射した、燃料噴霧の広がりを概念的に示している。燃料噴射弁６のリフト量を第１リフト量のままで継続したときには、燃料の噴射速度は増速しないため、図１１に二点鎖線で示すように、燃料噴霧の後端部（燃料の進行方向についての後端部）は、燃料噴射弁６の先端に近くなる。これは、図７に示す例と実質的に同じである。これに対し、燃料の噴射を継続している途中でリフト量を小に切り替えることによって、前述したように、燃料の噴射速度が増速するから、図１１に白抜きの矢印で示すように、第１噴射において後半に噴射した燃料噴霧（つまり、リフト量を切り替えた後に噴射した燃料噴霧）は燃料噴射弁６に対し、遠ざかるようになる。

第１噴射の燃料噴射態様を、噴射開始時には第１リフトとして、その後、第４リフトとすることによって、第１噴射によって噴射された燃料噴霧の内、先に噴射された燃料噴霧は、前述したように、相対的に速度が低い上に、燃焼室１７内で相対的に高い抵抗を受けるため、飛び難くなり、燃焼室１７の壁面に接触することが防止される。一方、第１噴射における後半に噴射された燃料噴霧は、相対的に速度が高い上に、受ける抵抗が低くなるため、短時間で燃料噴射弁６から遠ざかるようになる。

第１噴射の終了後、所定の間隔を空けて第２噴射が行われるが、第１噴射によって噴射した燃料噴霧は、燃料噴射弁６から遠ざかっているため、図１１に示すように、第２噴射によって噴射した燃料噴霧が、第１噴射によって噴射した燃料噴霧と重なってしまうことが、より一層確実に回避される。これにより、混合気が局所的に過濃となることが防止される。

図９に示す態様の第１噴射は、図６及び図８における中図、及び／又は、下図の第１噴射に置き換えることが可能である。

図１２は、第２噴射の噴射態様の変形例を示している。この第２噴射は、複数の燃料噴射を含む多段噴射によって構成されている。前述の通り、ピエゾ素子を有する燃料噴射弁６は高応答であり、１〜２ｍｓｅｃの間に２０回程度の多段噴射が可能である。多段噴射によって構成される第２噴射のリフト量は、図６及び図８に示す噴射態様と同様に、第２リフト量である。また、第２噴射の噴射期間は、図６及び図８に示す噴射態様と同様に、第１噴射の噴射期間よりも長い。第２噴射を多段噴射にした場合も、噴射した燃料噴霧は、図７に示すように、燃料噴射弁６の近くでかつ、燃料噴射弁６の噴射軸心Ｓに近づくようになる。尚、図１２の例では、第２噴射を構成する各燃料噴射同士の間隔を、実質的にゼロにしているが、燃料噴射と燃料噴射との間に所定の間隔を設けてもよい。

図１２に示す態様の第２噴射は、図６及び図８における中図、及び／又は、下図の第２噴射に置き換えることが可能である。また、図９に示す態様の第１噴射と、図１２に示す態様の第２噴射とを組み合わせることも可能である。

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 エンジン制御部（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
１６３ キャビティ
１７ 燃焼室
１７３ 凹部
６ 燃料噴射弁
６０ ノズル本体
６１ 噴口
６２ 外開弁

Claims (6)

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、圧縮行程の期間内で、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、
   前記燃料噴射弁は、噴口が形成されたノズル本体と、外向きにリフトすることによって前記噴口を開閉する外開弁とを有しかつ、前記噴口からホローコーン状に前記燃料を噴射すると共に、前記外開弁のリフト量が大きくなるほど、前記噴口の有効開口面積が大きくなると共に、前記ホローコーンのテーパ角が狭くなるよう構成された外開弁式の燃料噴射弁であり、
   前記燃料噴射制御部は、前記燃料噴射弁に対し、
   要求噴射量が第１要求量よりも少ないときには、所定の噴射タイミングで燃料を噴射させ、
   要求噴射量が前記第１要求量以上でかつ、第２要求量よりも少ないときには、前記所定の噴射タイミングよりも進角したタイミングでかつ、所定の第１リフト量で燃料を噴射する第１噴射と、前記第１噴射の後に、燃料噴射を休止する所定の間隔を空けて、前記第１リフト量よりも小さい第２リフト量で燃料を噴射する第２噴射と、を実行させ、
   要求噴射量が前記第２要求量以上のときには、前記第１噴射と、燃料噴射を休止する所定の間隔を空けて、前記第２噴射と、前記第２噴射の後に、燃料噴射を休止する所定の間隔を空けて、前記第２リフト量よりも小さい第３リフト量でかつ、前記第１及び第２噴射よりも噴射期間の短い第３噴射と、を実行させる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、前記第３噴射を、前記所定の噴射タイミングよりも遅角したタイミングで、前記燃料噴射弁に対し実行させる直噴エンジンの燃料噴射制御装置。
3. 請求項１又は２に記載の直噴エンジンの燃料噴射制御装置において、
   前記燃料噴射制御部は、要求噴射量が前記第１要求量よりも少ないときには、前記第１リフト量で燃料を噴射する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、
   前記燃料噴射制御部は、前記第２噴射の噴射期間を、前記第１噴射の噴射期間よりも長くする直噴エンジンの燃料噴射制御装置。
5. 請求項１〜４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、
   外開弁式の前記燃料噴射弁は、前記シリンダヘッドの天井部において、噴射軸心が前記シリンダの軸線に沿うように配設されており、
   前記天井部には、前記燃料噴射弁の先端部を収容する凹部が、その天井面から凹陥して形成されている直噴エンジンの燃料噴射制御装置。
6. 請求項１〜５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、
   前記ピストンの頂面には、キャビティが形成されており、
   前記燃料噴射弁は、前記キャビティ内に向かって前記燃料を噴射するように構成されている直噴エンジンの燃料噴射制御装置。
   

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