JP6172190B2 - 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、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１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２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２０１３−５７２６６号公報 特開２００９−２４３３５５号公報

特許文献１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することは、エンジンの温間時において冷却損失を低減する上で有利になる、その一方で、断熱ガス層によって、燃焼時の熱がエンジンに伝わりにくいため、エンジンの冷機時には、エンジンを暖機が遅くなってしまうという不都合がある。

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、燃焼室内に混合気層と断熱ガス層とを形成することによって冷却損失の低減を図る直噴エンジンにおいて、エンジンの温度状態に応じて燃焼形態を最適化させることにある。

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、前記エンジン本体の温度が所定温度以上となった温間時には、混合気が着火する時点で、前記燃焼室内に、混合気層と、その周囲の断熱ガス層とが形成されるように、所定の噴射態様で、前記燃焼室内に前記燃料を噴射し、前記エンジン本体の温度が前記所定温度未満の冷機時には、前記エンジン本体の温度が低いほど、前記断熱ガス層が薄くなるように、前記燃焼室内への前記燃料の噴射態様を変更する。

前記燃料噴射制御部は、複数の燃料噴射を含む分割噴射を行い、前記燃料噴射制御部は、前記エンジン本体の冷機時には、前記エンジン本体の温間時よりも、前記分割噴射における噴射と噴射との間の休止時間を短くする。

この構成によると、エンジン本体の温間時には、燃焼室内に、混合気層と、その周囲の断熱ガス層とが形成されるように所定の噴射態様で、燃焼室内に燃料を噴射する。断熱ガス層は、空気（つまり、新気）のみであってもよく、空気に加えて、既燃ガス（つまり、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。混合気が燃焼するときに、断熱ガス層が、混合気層と燃焼室の壁面との間に介在して、燃焼室内から燃焼室の壁面への熱の伝達を防止する。この結果、エンジン本体の温間時には、冷却損失を大幅に低減することができる。

一方、エンジン本体の冷機時には、断熱ガス層が薄くなるように、燃焼室内への燃料の噴射態様を変更する。断熱ガス層を薄くすることには、断熱ガス層を無くすことも含まれる。断熱ガス層を薄くすることにより、断熱ガス層による断熱効果が低下し、燃焼室内から燃焼室の壁面へと熱が伝達される。エンジン本体の温度が低いほど、断熱ガス層が薄くなるため、燃焼室内から燃焼室の壁面への熱の伝達が促進されてエンジン本体の昇温に有利になる。こうして、エンジン本体の冷機時に、エンジン本体の暖機が促進される。

また、エンジン本体の温間時に、燃料噴射を複数回（例えば２回又は３回）に分けて行うことにより、燃料を一括で噴射する場合と比較して燃料の拡散が抑制され、断熱ガス層を形成することが可能になる。また、局所的な当量比を下げることが可能になる。例えば外開弁式の燃料噴射弁のように、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ように構成された燃料噴射弁においては、リフト量及び／又は噴射期間を変更することによって、燃料の噴射速度や、噴霧角を変更することが可能であるから、複数回の燃料噴射について、燃料噴射弁のリフト量及び／又は噴射期間を変更するようにすれば、１回１回の燃料噴射によって噴射される燃料噴霧を、燃焼室内の異なる位置それぞれに配置させることが可能になる。これにより、混合気層の局所的な当量比が低くなるから燃焼温度が低下し、断熱ガス層が形成されることと組み合わさって冷却損失を大幅に低減することが可能になる。

この温間時の燃料噴射態様に対し、冷機時にも複数回の燃料噴射を行うものの、冷機時においては、噴射と噴射との間の休止時間を相対的に短くする。尚、噴射回数は、冷機時と温間時とで同じにしてもよいし、異ならせてもよい。例えば冷機時には、温間時よりも噴射回数を減らしてもよい。

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。噴射と噴射との休止時間が短い場合、後から噴射した燃料噴霧は、先に噴射された燃料噴霧による空気流れの影響を強く受けて、その空気流れに引き寄せられるようになる。これにより、後から噴射した燃料噴霧は、先に噴射された燃料噴霧に近づくようになる。その結果、冷機時に、複数回の燃料噴射によって燃焼室内に噴射された燃料噴霧同士を互いに近づけることが可能になるから、混合気層の局所的な当量比が温間時よりも高くなる。燃料噴射量が同じであっても、冷機時には、燃焼温度が相対的に高くなる。これにより、エンジン本体の暖機が促進される。尚、燃焼温度を高くする上で、局所的な当量比は、１を超えない限度で１に近づけることが好ましい。

前記直噴エンジンの燃料噴射制御装置は、前記エンジン本体の排気側に配設されかつ、前記燃焼室から排出された排気ガスを浄化するよう構成された触媒装置をさらに備え、前記燃料噴射制御部は、前記触媒装置の活性時でかつ、前記エンジン本体の冷機時には、前記エンジン本体の温度が低いほど、前記断熱ガス層が薄くなるように、前記燃焼室内への前記燃料の噴射態様を変更し、前記触媒装置の未活性時でかつ、前記エンジン本体の冷機時には、前記触媒装置の活性時でかつ、前記エンジン本体の冷機時よりも前記断熱ガス層が厚くなるように、所定の噴射態様で、前記燃焼室内に燃料を噴射する、としてもよい。

触媒装置の未活性時には、エンジン本体の暖機よりも、触媒装置の活性化を優先することが望ましい。そこで、前記の構成では、触媒装置の未活性時でかつ、エンジン本体の冷機時には、触媒装置の活性時でかつ、前記エンジン本体の冷機時よりも断熱ガス層が厚くなるように、所定の噴射態様で、燃焼室内に燃料を噴射する。これにより、断熱ガス層が十分に断熱機能を発揮して、燃焼室内から燃焼室の壁面への熱の伝達が抑制される。その分、排気ガスとしてエンジン本体から排出する熱エネルギを増やすことが可能になるから、エンジン本体の排気側に配設された触媒装置の昇温及び活性化が図られる。つまり、エンジン本体の冷機時であっても、触媒装置が未活性のときには、燃焼室内に断熱ガス層を形成することにより、触媒装置の早期活性化に有利になる。

一方、触媒装置の活性時でかつ、エンジン本体の冷機時には、前述したように、断熱ガス層を薄くする。これにより、エンジン本体の暖機を促進することが可能になる。

さらに、エンジン本体の温間時には、断熱ガス層を、冷機時よりも厚くする。こうして、冷却損失の低減を図る。従って、触媒が未活性でかつ、エンジン本体が冷機状態でエンジン本体を始動するときには、先ず、断熱ガス層を厚くして、触媒の活性化を図り、その後、断熱ガス層を薄くして、エンジン本体の暖機を促進し、エンジン本体の暖機完了後は、再び、断熱ガス層を厚くして、冷却損失の低減を図ることになる。

前記燃料噴射制御部は、前記触媒装置の未活性時でかつ、前記エンジン本体の冷機時には、前記断熱ガス層が厚くなるよう前記燃料の噴射開始時期を所定の時期に遅角し、前記触媒装置の活性時でかつ、前記エンジン本体の冷機時には、前記触媒装置の未活性時でかつ、前記エンジン本体の冷機時よりも、前記燃料の噴射開始時期を進角する、としてもよい。

これによると、触媒装置の未活性時でかつ、エンジン本体の冷機時には、燃料の噴射開始時期を所定の時期に遅角する。噴射開始時期は、圧縮行程の後半としてもよい。ここでいう圧縮行程の後半は、圧縮行程を前半と後半とに２等分したときの後半を意味する。噴射開始時期を遅くすることによって、噴射を開始するときのシリンダ内の圧力及び温度は高くなっている。これにより、燃焼室内に噴射した燃料噴霧が飛びすぎてしまうことが回避でき、燃料噴霧が燃焼室の壁面に接触することが回避される。こうして、混合気層の周囲に断熱ガス層を形成することが可能になると共に、その断熱ガス層を厚くすることができる。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。断熱ガス層を厚くすることによって、燃焼室内から燃焼室の壁面への熱の伝達が抑制され、エンジン本体から排出される排気ガスの温度を高くすることが可能になる。これは、触媒装置を活性化させる。

一方、触媒装置の活性時でかつ、エンジン本体の冷機時には、未活性時よりも、燃料の噴射開始時期を進角させる。燃料の噴射を開始するときのシリンダ内の圧力及び温度は相対的に低くなる。これにより、燃焼室内に噴射した燃料噴霧が、燃焼室の壁面近傍にまで到達するようになる（但し、燃焼噴霧の液滴が燃焼室の壁面に付着することは避けることが望ましい）から、混合気層の周囲の断熱ガス層を薄くする、又は、断熱ガス層を無くすことが可能になる。こうして、燃焼室内から燃焼室の壁面への熱の伝達が許容され、エンジン本体の暖機を促進することができる。

前記直噴エンジンの燃料噴射制御装置は、前記シリンダ内に導入される空気量を調整するよう構成された空気量調整手段をさらに備え、前記空気量調整手段は、前記触媒装置の未活性時でかつ、前記エンジン本体の冷機時には、前記エンジン本体の温間時よりも、前記シリンダ内に導入される前記空気量を少なくする、としてもよい。

こうすることで、エンジン本体の冷機時には、燃焼室内のガス全体の当量比が１に近づくため、温間時よりも燃焼温度が高まり、断熱ガス層を薄くすることと組み合わさって、エンジン本体の暖機が促進される。また、シリンダ内に導入される空気量を少なくすることによって、燃料の噴射量を増やさずに、当量比を１に近づけるため、燃料消費量を抑制することが可能になる。一方、エンジン本体の温間時には、燃焼室内のガスは、冷機時よりもリーンになるため、燃焼温度が低減し、断熱ガス層を形成することと組み合わさって、冷却損失の低減、ひいては、エンジン本体の熱効率の向上に有利になる。

前記空気量調整手段は、前記触媒装置の未活性時でかつ、前記触媒装置の温度が所定温度を超えたときには、前記混合気層の当量比を１以上にすると共に、前記燃焼室内のガス全体の当量比を１に、又は、前記触媒装置の温度が前記所定温度以下のときよりも１に近づける、としてもよい。

触媒装置は未活性であるものの、触媒装置の温度が所定温度にまで高まったときには、燃焼室内の混合気層の当量比を１以上にする。こうして、エンジン本体からＣＯを排出させるようにし、触媒装置においてＣＯを酸化反応させる。この発熱反応によって触媒装置を昇温させる。ここで、所定温度は、触媒装置においてＣＯの浄化が可能となる温度として、適宜設定すればよい。また、燃焼室内のガス全体の当量比は、１又は、１に近いため、燃焼温度も高くなる。その結果、触媒装置を早期に活性化させることが可能になる。

尚、この構成でも、シリンダ内に導入する空気量を少なくすることで、混合気層の当量比を１以上にしかつ、燃焼室内のガス全体の当量比を１、又は、１に近づけるようにしてもよい。こうすることで、燃料消費量を抑制することが可能になる。

前記空気量調整手段は、例えばエンジン本体の吸気側に配設されたスロットル弁の開度を調整することによって、シリンダ内に導入される空気量を調整するように構成してもよい。

また、これとは異なり、前記空気量調整手段は、前記シリンダ内に既燃ガスを導入することによって、前記シリンダ内に導入される前記空気量を少なくする、としてもよい。
こうすることで、シリンダ内に導入するガス量を減らすことなく、空気量を少なくすることができ、前述したように、触媒装置の未活性時に、当量比の調整が可能になる。それと共に、空気量は少なくても、シリンダ内に導入するガス量を多くすることが可能になるから、有効圧縮比の低下が抑制される。これにより、圧縮行程中のシリンダ内の圧力及び温度を比較的高くすることが可能になるから、シリンダ内に噴射した燃料噴霧が飛びすぎることが回避でき、燃料噴霧が燃焼室の壁面に接触することを回避することができる。つまり、触媒装置の未活性時に、断熱ガス層を厚くすることが可能になる。また、スロットル弁の開度を小さくする必要がないため、ポンプ損失の低減も図られる。

ここに開示する直噴エンジンの燃料噴射制御装置は、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、前記エンジン本体の排気側に配設されかつ、前記燃焼室から排出された排気ガスを浄化するよう構成された触媒装置と、前記シリンダ内に導入される空気量を調整するよう構成された空気量調整手段と、を備え、前記燃料噴射制御部は、前記エンジン本体の温度が所定温度以上となった温間時には、混合気が着火する時点で、前記燃焼室内に、混合気層と、その周囲の断熱ガス層とが形成されるように、所定の噴射態様で、前記燃焼室内に前記燃料を噴射し、前記エンジン本体の温度が前記所定温度未満の冷機時には、前記エンジン本体の温度が低いほど、前記断熱ガス層が薄くなるように、前記燃焼室内への前記燃料の噴射態様を変更し、前記燃料噴射制御部は、前記触媒装置の活性時でかつ、前記エンジン本体の冷機時には、前記エンジン本体の温度が低いほど、前記断熱ガス層が薄くなるように、前記燃焼室内への前記燃料の噴射態様を変更し、前記触媒装置の未活性時でかつ、前記エンジン本体の冷機時には、前記触媒装置の活性時でかつ、前記エンジン本体の冷機時よりも前記断熱ガス層が厚くなるように、所定の噴射態様で、前記燃焼室内に燃料を噴射し、前記空気量調整手段は、前記触媒装置の未活性時でかつ、前記エンジン本体の冷機時には、前記エンジン本体の温間時よりも、前記シリンダ内に導入される前記空気量を少なくすることで、前記燃焼室内のガスの当量比を１に近づけ、前記空気量調整手段は、前記触媒装置の未活性時でかつ、前記触媒装置の温度が所定温度を超えたときには、前記混合気層の当量比を１以上にすると共に、前記燃焼室内のガス全体の当量比を１に、又は、前記触媒装置の温度が前記所定温度以下のときよりも１に近づける。

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、エンジン本体の温間時には、混合気層と断熱ガス層とを形成することによって、冷却損失の低減が図られる一方、エンジン本体の冷機時には、エンジン本体の温度が低いほど、断熱ガス層を薄くすることによって、エンジン本体の暖機を促進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）エンジン温間時の燃料の噴射態様、（ｂ）触媒未活性かつエンジン冷機時の燃料の噴射態様、（ｃ）触媒活性かつエンジン冷機時の燃料の噴射態様、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。 触媒未活性かつエンジン冷機時の燃焼室内の混合気の状態を説明する図である。 触媒未活性かつエンジン冷機時で、触媒温度が所定温度を超えたときの燃焼室内の混合気の状態を説明する図である。 触媒活性かつエンジン冷機時の燃焼室内の混合気の状態を説明する図である。 図４とは異なる、燃料の噴射態様を示す図である。

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、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１９２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１９２は、三元触媒を含む。但し、触媒コンバータ１９２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、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。

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５１０を備えている。ＥＧＲシステム５１０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、及び、触媒温度センサ５９からの触媒コンバータ１９２の温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５１０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。

燃焼室１７の混合気層及び断熱ガス層を含む、ガスの全体としての当量比φは１未満となるように（つまり、Ａ／Ｆ（又はＧ／Ｆ）が、理論空燃比よりもリーンとなるように）設定される。

図４（ａ）は、エンジン１の温間時の燃料噴射態様を示している。燃料噴射は、前段噴射である第１噴射と、後段噴射である第２噴射とを含む分割噴射である。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。燃料の噴射開始時のリフト量を高くすると、噴口６１の壁面による抵抗が小さくなるため、燃料の噴射速度が速やかに上昇する。これにより、第１噴射による燃料の噴射速度は、噴射期間が短いものの、比較的高くなる。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１噴射と第２噴射との間隔は、比較的広く設定される。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。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。燃料の噴射開始時のリフト量を低くすると、噴口６１の壁面による抵抗が大きくなるため、燃料の噴射速度の上昇が遅れる。第２噴射による燃料の噴射速度は、噴射開始当初は低くなる。こうして第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。

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５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。

こうして、エンジン１の温間時には、燃焼室１７内に混合気層と断熱ガス層とを形成しつつ、第１噴射及び第２噴射によって噴射された燃料噴霧は、燃焼室１７内において互いに異なる位置に配置される。これにより、混合気層の局所的な当量比が低くなる。

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。また、混合気層の局所当量比が低く、燃焼温度が低くなることで、エンジン１の温間時には、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。

（燃料噴射制御の詳細）
エンジン１の温間時には、冷却損失を低減することにより、熱効率の向上が図られる。一方で、エンジン１の温度が所定温度未満の冷機時には、エンジン１の暖機を促進することが求められるが、前述したように断熱ガス層を形成することによって冷却損失を低減すると、燃焼室１７内から燃焼室１７の壁面への熱の伝達が抑制されるため、エンジン１の暖機には不利になる。

また、エンジン１が冷機時においても、触媒コンバータ１９２が未活性のときには、エンジン１の暖機よりも、触媒コンバータ１９２の活性化を優先することが望ましい。

そこで、このエンジン１では、触媒コンバータ１９２の活性状態、及び、エンジン１の温度状態に応じて、燃焼室１７内への燃料の噴射態様を変更するようにしている。

図４（ｂ）は、触媒コンバータ１９２の未活性時でかつ、エンジン１の冷機時の燃料の噴射態様を、図４（ｃ）は、触媒コンバータ１９２の活性時でかつ、エンジン１の冷機時の燃料噴射態様を示している。図４（ａ）は、前述したように、エンジン１の温間時の燃料の噴射態様である。尚、図４（ａ）〜（ｃ）において、燃料噴射量は互いに同じである。エンジン制御器１００は、水温センサ５８からの検出信号に基づいて、エンジン１の温度状態を判断すると共に、触媒温度センサ５９からの検出信号に基づいて、触媒コンバータ１９２の活性状態を判断する。尚、エンジン１の温度状態は、冷却水温以外のパラメータによって把握してもよいし、触媒コンバータ１９２の活性状態も、触媒温度以外のパラメータによって把握してもよい。

触媒コンバータ１９２が未活性のときには、エンジン１の暖機よりも触媒コンバータ１９２の活性化を促進することが好ましい。そこで、エンジン制御器１００は、図４（ｂ）に示すように、燃料の噴射態様を設定する。つまり、触媒コンバータ１９２の未活性時は、エンジン１の温間時と同様に、第１リフト量の第１噴射と、第２リフト量の第２噴射とを含む分割噴射を行う。触媒コンバータ１９２の未活性時は、エンジン１の温間時よりも、第１噴射の噴射開始時期を遅角している。これにより、第１噴射の噴射開始時には、シリンダ１１内の圧力及び温度が高くなっているため、噴射した燃料噴霧が飛びすぎて燃焼室１７の壁面にまで到達することを抑制することができる。また、噴射した燃料の液滴が燃焼室１７の壁面に付着することが確実に防止される。触媒コンバータ１９２の未活性時にも、エンジン１の温間時と同様に、燃焼室１７内に、混合気層と、その周囲に比較的厚い断熱ガス層とを形成する。断熱ガス層を比較的厚く形成することによって、前述したように、燃焼室１７内から燃焼室１７の壁面への熱の伝達が抑制される。その分、エンジン１から排出する排気ガスの温度を高くすることが可能になる。

エンジン制御器１００はまた、触媒コンバータ１９２の未活性時には、シリンダ１１内に導入される空気量を、エンジン１の温間時よりも減少させることによって、燃焼室１１内の、混合気層及び断熱ガス層を含むガス全体の当量比φを、１未満の範囲で、エンジン１の温間時よりも１に近づける。例えば、スロットル弁５５の開度を小さくすることによって、シリンダ１１内に導入される空気量を減少させてもよい。また、ＥＧＲシステム５１０によって、既燃ガスをシリンダ１１内に導入することにより、その分、シリンダ１１内に導入される空気量を減少させるようにしてもよい。こうして、燃料噴射量を増量させずに、シリンダ１１内に導入される空気量を減少させて、燃焼室１１内のガス全体の当量比φを１に近づけることにより、燃料消費量を抑制することが可能になる。

当量比φを１に近づけることによって、燃焼温度の向上が図られる。燃焼温度が高くなることで、排気ガスの温度を高くすることが可能になる。ここで、混合気層の局所的な空燃比は、ＨＣの排出が最も少なくなるＡ／Ｆ＝１６付近とするのが好ましい。こうすることで、触媒コンバータ１９２の未活性時に、エンジン１からＨＣが排出されてしまうことが抑制される。

触媒コンバータ１９２が未活性のときには、第１噴射と第２噴射との間隔を、エンジン１の温間時よりも狭くする。図４の横軸はクランク角であるが、図４（ａ）〜（ｃ）は、エンジン回転数が互いに同じと仮定して、図４（ａ）〜（ｃ）の横軸の幅の大小は、クランク角の大きさであると共に、時間の長短に対応する。

噴射と噴射との間の時間間隔を狭くすることによって、後から噴射した燃料噴霧は、先に噴射された燃料噴霧による空気流れの影響を強く受けて、その空気流れに引き寄せられるようになる。特に、後から噴射する第２噴射は、リフト量が相対的に小さいため、燃料の噴射開始当初の噴射速度が低くなる。このため、先に噴射された第１噴射による空気流れの影響を強く受けて、第１噴射によって噴射された燃料噴霧に近づくようになる。こうして、触媒コンバータ１９２の未活性時には、第１噴射及び第２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内において互いに近づくようになる。その結果、触媒コンバータ１９２の未活性時には、混合気層の局所的な当量比が高くなる。これにより、燃焼温度の向上が図られる。

こうして、触媒コンバータ１９２が未活性のときには、図６に例示するように、燃焼室１７内に、図２に示す温間時の断熱ガス層よりも厚い断熱ガス層を形成して、燃焼室１７内から、燃焼室１７の壁面への熱の伝達を抑制することと、混合気層の空燃比Ａ／Ｆを１６付近にしてＨＣの排出を抑制しながら、燃焼室１７のガス全体の当量比φを、エンジン１の温間時よりも、１に近づけて燃焼温度を高めることとを組み合わせる。尚、図２及び図６では、混合気層の当量比の相違を濃淡の相違として示す。このことにより、エンジン１から排出される排気ガス温度が高くなり、触媒コンバータ１９２の昇温が促進される。また、図４（ｂ）に示すように、第１噴射の噴射開始時期を遅らせることに伴い、第２噴射の噴射終了時期も遅くなる。このため、燃焼の終了時期を、エンジン１の温間時よりも遅らせることが可能になり、排気ガスの温度を、より高めることが可能になる。

触媒コンバータ１９２の温度が高まり、活性化には至らないものの、触媒コンバータ１９２の温度が、ＣＯの浄化が可能な程度の温度（１００℃程度）に到達したときには、エンジン制御器１００は、燃焼室１７の混合気を、さらにリッチになるように変更する。具体的には、シリンダ１１内に導入される空気量をさらに少なくすることにより、断熱層の局所的な当量比φを、１以上にする。燃焼室１７のガス全体の当量比φは１、又は、１未満とすればよい。燃料の噴射態様は、図４（ｂ）に示す態様であり、図７に示すように、燃焼室１７内に、混合気層と、比較的厚い断熱ガス層とを形成する。断熱ガス層の厚みは、図６に示す例と同程度である。但し、図７においては、混合気層は、図６に示す触媒未活性時よりも燃料リッチである（図７に示す混合気層と、図６に示す混合気層との当量比の相違は、濃淡の相違として示す）。これにより、エンジン１から温度の高い排気ガスを排出することが可能になる。

混合気層を燃料リッチにすることで、エンジン１からＣＯを排出させることができる。そのＣＯは、触媒コンバータ１９２において酸化反応してＣＯ_２になる。この発熱反応によって触媒コンバータ１９２を昇温させることができる。これにより、触媒コンバータ１９２を早期に活性化させることができる。尚、この間、エンジン１からＨＣも排出されることになるが、触媒コンバータ１９２を、短時間で活性化させることができるため、トータルとしてのＨＣの排出を抑制することが可能である。

触媒コンバータ１９２が活性化した後、エンジン制御器１００は、燃料の噴射態様を変更する。尚、エンジン１は、未だ冷機状態である。図４（ｃ）に示すように、エンジン１の冷機時も、第１噴射と第２噴射とを含む分割噴射を行うが、第１噴射の噴射開始時期を、触媒コンバータ１９２の未活性時よりも進角させる。第１噴射の噴射開始時期は、エンジン１の温間時よりも進角させる。これにより、触媒コンバータ１９２の活性後のエンジン１の冷機時は、シリンダ１１内の圧力及び温度が高くないときに、燃料を噴射することになる。また、第１噴射は、リフト量が比較的大きいため、前述したように、噴射速度が比較的高くなる。これにより、噴射された燃料噴霧は、燃焼室１７の壁面付近にまで到達するようになり、図８に示すように、断熱ガス層が無くなる、又は、断熱ガス層が薄くなる。但し、エンジン１の温度が低いため、噴射した燃料の液滴が、燃焼室１７の壁面に付着することは回避することが望ましい。

また、エンジン１の温度状態に応じて、エンジン１の温度が低いほど、断熱ガス層が薄くなるように、第１噴射の噴射開始時期を進角させる。従って、エンジン１の温度が高まるに従い、第１噴射の噴射開始時期を遅角させることで、断熱ガス層が次第に厚くなるようにする。

エンジン制御器１００はまた、燃焼室１７内のガス全体の当量比φが１以下となるように、スロットル弁５５及び／又はＥＧＲシステム５１０を制御することによって、エンジン１に導入する空気量を調整する。燃焼室１７内に断熱ガス層を形成する場合は、ガス全体の当量比φは１未満にすることが好ましい（混合気層の局所的に当量比φが１を超えないようにするためである）。尚、エンジン１の冷機時には、エンジン１の温間時よりも、燃焼室１７内のガス全体の当量比φを１に近づける。これにより、燃焼温度を、温間時よりも高めるようにする。

エンジン１の冷機時には、第１噴射と第２噴射との間隔を、エンジン１の温間時よりも狭くする。これにより、混合気層の局所的な当量比が高くなり、燃焼温度の向上が図られる。

こうして、エンジン１の冷機時には、断熱ガス層を無くす、又は、薄くすることによって、燃焼室１７内から燃焼室１７の壁面に熱が伝達するようになる（つまり、温間時のように、熱の伝達が抑制されない）。また、エンジン１の温間時よりも、燃焼室１７内の混合気が燃料リッチとなり、しかも、第１噴射と第２噴射との間隔が相対的に狭いため、混合気層の局所的な当量比が高まる。その結果、燃焼温度を高くすることが可能になり、エンジン１の暖機を促進することができる。

エンジン１の冷却水の温度が所定温度に到達して、エンジン１の暖機が完了すれば、エンジン制御器１００は、図４（ａ）に示すように、燃料の噴射時期を、冷機時よりも遅角させる。こうして、燃焼室１７内に、混合気層とその周囲の断熱ガス層とを確実に形成する（図２参照）。また、燃焼室１７内のガス全体の当量比φを、冷機時よりも小さくして、リーンにすることで、燃焼温度を低くする。こうしてエンジン１の温間時は、冷却損失を低減させることによって熱効率の向上を図る。

このように、エンジン制御器１００は、触媒コンバータ１９２の活性状態及びエンジン１の温度状態に応じて、燃料の噴射態様を変更することにより、触媒コンバータ１９２が未活性でかつ、エンジン１が冷機状態でエンジン１を始動するときには、先ず、断熱ガス層を厚くして、触媒コンバータ１９２の活性化を図り、その後、断熱ガス層を薄くして、エンジン１の暖機を促進し、エンジン１の暖機完了後は、再び、断熱ガス層を厚くして、冷却損失の低減を図ることになる。

尚、前記の構成では、触媒コンバータ１９２の活性時でかつ、エンジン１の冷機時に、燃焼室１７内の断熱ガス層を無くす、又は、薄くするようにしているが、例えば燃焼室１７内の壁面付近に混合気層を設けると共に、燃焼室１７内の中央部に混合気層よりも燃料リーンな層を設けるようにしてもよい。このような、いわゆる逆成層化によって、燃焼室１７の壁面の付近で混合気を燃焼させることが可能になり、燃焼室１７内から燃焼室１７の壁面への熱の伝達を、さらに促進することが可能になる。このような逆成層化は、燃料噴射弁６を通じた、燃焼室１７内への燃料の噴射態様（噴射時期、リフト量及び噴射期間）を適宜調整することによって、実現可能である。

触媒コンバータ１９２の未活性時には、触媒コンバータ１９２の活性化がより促進するように、前述した燃料噴射態様に対し、以下のような種々の方策を組み合わせてもよい。また、前述した燃料噴射態様に代えて、以下のような種々の方策を行ってもよい。例えば、排気側への熱流束を上げるために、排気流量が増えるようエンジン１のアイドル回転数を高くするようにしてもよい。また、混合気が着火し難いようなときには、着火アシストシステム５６を作動させることによって、混合気を確実に着火させるようにしてもよい。また、前記のようにシリンダ１１に導入する空気量を減らすのではなく、充填量を増やして排気流量が増えるように、スロットル弁５５の開度を開けるようにしたり、吸気弁２１の閉弁時期を吸気下死点付近に設定したりしてもよい。

また、排気ガスの温度がより高くなるように、排気弁２２の開弁時期を進角させてもよい。さらに、燃焼室１７内に形成する混合気層において、排気側に近い領域では、空燃比が相対的にリッチになるよう混合気層を形成することで、高温の排気ガスが速やかに排出されて触媒コンバータ１９２に供給されるようにしてもよい。

また、触媒コンバータ１９２が未活性であって、温度が所定温度を超えた状態のときには、燃料噴射時期を、さらに遅角させることで、燃焼の終了時期を遅くして、排気ガスの温度を、より高めるようにしてもよい。また、シリンダ１１内に導入する空気量を減らす代わりに、燃料噴射量を増やして、混合気層の局所的な当量比φを１以上としてもよい。

触媒コンバータ１９２の活性時でかつ、エンジン１の冷機時には、エンジン１の暖機がより促進するように、前述した燃料噴射態様に対し、以下のような種々の方策を組み合わせてもよい。また、前述した燃料噴射態様に代えて、以下のような種々の方策を行ってもよい。例えば燃焼室１７の壁面付近での流速を高めて、燃焼室１７内から燃焼室１７の壁面への熱の伝達が促進されるように、シリンダ１１内にスワールを発生させてもよい。尚、エンジン１の温間時や触媒コンバータ１９２の未活性時に、断熱ガス層を形成する場合は、前述したように、燃焼室１７内のガス流動は弱いことが望ましい。また、燃焼時期が早まるように、燃料の噴射時期をさらに進角させるようにしてもよい。また、吸気弁２１の閉弁時期を吸気下死点付近にして有効圧縮比を高めることによって、ＣＡＩによる燃焼時期が早まるようにしてもよい。さらに、さらに、シリンダ１１内に導入する空気の温度が高まるように、吸気通路１８１に介設したインターウォーマーを通過する流量を増やしてもよい。また、過給機付きのエンジンにおいては、インタークーラーをバイパスする流量が増えるようにして、シリンダ１１内に導入する空気の温度を高めてもよい。

尚、エンジン１の温間時、エンジン１の冷機時、及び、触媒コンバータ１９２の未活性時のそれぞれにおいて、第２噴射は、図９に示すように、複数の燃料噴射を含む多段噴射によって構成してもよい。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。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５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９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。

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
１９２ 触媒コンバータ（触媒装置）
５５ スロットル弁（空気量調整手段）
５１０ ＥＧＲシステム（空気量調整手段）
６ 燃料噴射弁

Claims (9)

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、
   前記エンジン本体の温度が所定温度以上となった温間時には、混合気が着火する時点で、前記燃焼室内に、混合気層と、その周囲の断熱ガス層とが形成されるように、所定の噴射態様で、前記燃焼室内に前記燃料を噴射し、
   前記エンジン本体の温度が前記所定温度未満の冷機時には、前記エンジン本体の温度が低いほど、前記断熱ガス層が薄くなるように、前記燃焼室内への前記燃料の噴射態様を変更し、
   前記燃料噴射制御部は、複数の燃料噴射を含む分割噴射を行い、
   前記燃料噴射制御部は、前記エンジン本体の冷機時には、前記エンジン本体の温間時よりも、前記分割噴射における噴射と噴射との間の休止時間を短くす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、
   前記エンジン本体の排気側に配設されかつ、前記燃焼室から排出された排気ガスを浄化するよう構成された触媒装置をさらに備え、
   前記燃料噴射制御部は、
   前記触媒装置の活性時でかつ、前記エンジン本体の冷機時には、前記エンジン本体の温度が低いほど、前記断熱ガス層が薄くなるように、前記燃焼室内への前記燃料の噴射態様を変更し、
   前記触媒装置の未活性時でかつ、前記エンジン本体の冷機時には、前記触媒装置の活性時でかつ、前記エンジン本体の冷機時よりも前記断熱ガス層が厚くなるように、所定の噴射態様で、前記燃焼室内に燃料を噴射する直噴エンジンの燃料噴射制御装置。
3. 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
   前記燃料噴射制御部は、
   前記触媒装置の未活性時でかつ、前記エンジン本体の冷機時には、前記断熱ガス層が厚くなるよう前記燃料の噴射開始時期を所定の時期に遅角し、
   前記触媒装置の活性時でかつ、前記エンジン本体の冷機時には、前記触媒装置の未活性時でかつ、前記エンジン本体の冷機時よりも、前記燃料の噴射開始時期を進角する直噴エンジンの燃料噴射制御装置。
4. 請求項２又は請求項３に記載の直噴エンジンの燃料噴射制御装置において、
   前記シリンダ内に導入される空気量を調整するよう構成された空気量調整手段をさらに備え、
   前記空気量調整手段は、前記触媒装置の未活性時でかつ、前記エンジン本体の冷機時には、前記エンジン本体の温間時よりも、前記シリンダ内に導入される前記空気量を少なくすることで、前記燃焼室内のガスの当量比を１に近づける直噴エンジンの燃料噴射制御装置。
5. 請求項４に記載の直噴エンジンの燃料噴射制御装置において、
   前記空気量調整手段は、前記触媒装置の未活性時でかつ、前記触媒装置の温度が所定温度を超えたときには、前記混合気層の当量比を１以上にすると共に、前記燃焼室内のガス全体の当量比を１に、又は、前記触媒装置の温度が前記所定温度以下のときよりも１に近づける直噴エンジンの燃料噴射制御装置。
6. 請求項４又は請求項５に記載の直噴エンジンの燃料噴射制御装置において、
   前記空気量調整手段は、前記シリンダ内に既燃ガスを導入することによって、前記シリンダ内に導入される前記空気量を少なくする直噴エンジンの燃料噴射制御装置。
7. 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、
   前記エンジン本体の排気側に配設されかつ、前記燃焼室から排出された排気ガスを浄化するよう構成された触媒装置と、
   前記シリンダ内に導入される空気量を調整するよう構成された空気量調整手段と、を備え、
   前記燃料噴射制御部は、
   前記エンジン本体の温度が所定温度以上となった温間時には、混合気が着火する時点で、前記燃焼室内に、混合気層と、その周囲の断熱ガス層とが形成されるように、所定の噴射態様で、前記燃焼室内に前記燃料を噴射し、
   前記エンジン本体の温度が前記所定温度未満の冷機時には、前記エンジン本体の温度が低いほど、前記断熱ガス層が薄くなるように、前記燃焼室内への前記燃料の噴射態様を変更し、
   前記燃料噴射制御部は、
   前記触媒装置の活性時でかつ、前記エンジン本体の冷機時には、前記エンジン本体の温度が低いほど、前記断熱ガス層が薄くなるように、前記燃焼室内への前記燃料の噴射態様を変更し、
   前記触媒装置の未活性時でかつ、前記エンジン本体の冷機時には、前記触媒装置の活性時でかつ、前記エンジン本体の冷機時よりも前記断熱ガス層が厚くなるように、所定の噴射態様で、前記燃焼室内に燃料を噴射し、
   前記空気量調整手段は、前記触媒装置の未活性時でかつ、前記エンジン本体の冷機時には、前記エンジン本体の温間時よりも、前記シリンダ内に導入される前記空気量を少なくすることで、前記燃焼室内のガスの当量比を１に近づけ、
   前記空気量調整手段は、前記触媒装置の未活性時でかつ、前記触媒装置の温度が所定温度を超えたときには、前記混合気層の当量比を１以上にすると共に、前記燃焼室内のガス全体の当量比を１に、又は、前記触媒装置の温度が前記所定温度以下のときよりも１に近づける直噴エンジンの燃料噴射制御装置。
8. 請求項７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、
   前記触媒装置の未活性時でかつ、前記エンジン本体の冷機時には、前記断熱ガス層が厚くなるよう前記燃料の噴射開始時期を所定の時期に遅角し、
   前記触媒装置の活性時でかつ、前記エンジン本体の冷機時には、前記触媒装置の未活性時でかつ、前記エンジン本体の冷機時よりも、前記燃料の噴射開始時期を進角する直噴エンジンの燃料噴射制御装置。
9. 請求項７又は請求項８に記載の直噴エンジンの燃料噴射制御装置において、
   前記空気量調整手段は、前記シリンダ内に既燃ガスを導入することによって、前記シリンダ内に導入される前記空気量を少なくする直噴エンジンの燃料噴射制御装置。
   

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