JP6252647B1 - 予混合圧縮着火式エンジンの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】予混合圧縮着火式エンジンの制御装置において、燃焼騒音の抑制、ＮＯｘ排出量の低減、及び、熱効率の向上を図る。【解決手段】エンジン１は、エンジン本体１０と、インジェクタ６と、燃焼室１７の中央側に臨む電極７１を有しかつ、該電極７１から火花を放電するように構成された点火プラグ７と、インジェクタ６及び点火プラグ７に対して信号を出力するよう構成されたＰＣＭ１００と、を備える。エンジン本体１０は、幾何学的圧縮比が１６以上に設定されており、ＰＣＭ１００は、エンジン本体１０の負荷が第２運転領域Ｂにあるとき、燃焼室１７において電極７１を含んだ領域Ｒ１に形成される第１混合気Ｇ１の空燃比が、着火時点において、理論空燃比よりもリーンかつ、第１混合気Ｇ１よりも外周側の領域Ｒ２に形成される第２混合気Ｇ２の空燃比よりもリーンになるようにインジェクタ６へ信号を出力する。【選択図】図７

Description

ここに開示する技術は、予混合圧縮着火式エンジンの制御装置に関する。

従来、ガソリンを含んだ燃料をシリンダ内に供給しかつ、その燃料と空気との混合気を圧縮着火により燃焼させるよう構成された予混合圧縮着火式エンジンが知られている。

具体的に、特許文献１には、予混合圧縮着火式エンジンの制御装置の一例として、点火プラグから放電した火花によって混合気を強制的に着火させて、その火炎伝播に伴う燃焼室の高温化をきっかけにして、混合気が圧縮着火燃焼（Compression Ignition：ＣＩ燃焼）をすることが開示されている。

特開２０１２−２４１５９０号公報

ところが、本願発明者等は、前記特許文献１に記載された、着火アシストを伴うＣＩ燃焼において、燃焼騒音の抑制、ＮＯｘ排出量の低減、及び、熱効率の向上（つまり、燃費の向上）の全てを実現するような構成を見出した。

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、予混合圧縮着火式エンジンの制御装置において、燃焼騒音の抑制、ＮＯｘ排出量の低減、及び、熱効率の向上を図ることにある。

本願発明者等は、火花点火をきっかけにした火炎伝播による燃焼（Spark Ignition：ＳＩ燃焼）とＣＩ燃焼とを組み合わせた新しい燃焼形態（以下、「ＳＩ＋ＣＩ燃焼」という）を成立させた。ＳＩ燃焼は着火制御性に有利である一方、ＣＩ燃焼は熱効率の向上に有利であるから、ＳＩ燃焼からＣＩ燃焼に繋がる燃焼を行うようにした。ＳＩ燃焼は、燃焼室内の混合気のうち、点火プラグ周辺の混合気に対して火花点火を行うようになっている。そこで、本願発明者等は、点火プラグ周辺の混合気の空燃比をリーンにすれば、単位体積あたりの発熱量が小さくなるため、ＳＩ燃焼による燃焼温度の上昇が抑えられ、ＲａｗＮＯｘの増大が抑制されると共に、火炎伝播による長い燃焼期間が確保され、ＮＯｘ低減と燃焼騒音の抑制との両立が可能になる点に着目した。その一方で、空燃比がリーンになると、混合気の火炎伝播それ自体が抑制されてしまうため、圧縮着火をアシストする上で不都合となり得る。そこで、空燃比をリーンにしつつも、火炎伝播が十分に行われるような構成が必要となる。

ここに開示する技術は、予混合圧縮着火式エンジンの制御装置に係る。この制御装置は、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、前記燃焼室内に燃料を噴射するよう構成されたインジェクタと、前記燃焼室の中央側に臨む電極を有しかつ、該電極から火花を放電するように構成された点火プラグと、前記インジェクタ及び前記点火プラグに対して信号を出力するよう構成された制御部と、を備える。

そして、前記エンジン本体は、幾何学的圧縮比が１６以上に設定されており、前記制御部は、前記エンジン本体の負荷が所定の部分負荷域にあるとき、前記燃焼室において前記電極を含んだ領域に形成される第１混合気の空燃比が、着火時点において、理論空燃比よりもリーンかつ、前記燃焼室において前記第１混合気よりも外周側の領域に形成される第２混合気の空燃比よりもリーンになるように前記インジェクタへ信号を出力すると共に、前記点火プラグから放電された火花によって前記第１混合気が着火をして火炎伝播する共に、燃焼後半には、前記第２混合気が圧縮着火燃焼をする。

ここで、「燃焼室」は、ピストンが圧縮上死点に至ったときに形成される空間の意味に限定されない。「燃焼室」の語は広義で用いる場合がある。つまり、ピストンの位置に拘わらず、ピストン、シリンダ、及び、シリンダヘッドによって形成される空間を意味する場合がある。

この構成によると、制御部は、インジェクタ及び点火プラグに対して出力した信号を介して、ＳＩ＋ＣＩ燃焼を実現する。具体的に、燃焼室内において、第１混合気がＳＩ燃焼を開始すると、その火炎伝播によって筒内温度が高まって、燃焼後半に、第２混合気がＣＩ燃焼をする。第１混合気はＳＩ燃焼をするため、その燃焼期間が長くなる。燃焼期間が長くなった分、筒内圧力が緩慢に上昇するようになるから、そのことで、燃焼騒音を抑制することが可能になる。

ここで、制御部は、第１混合気の空燃比が、理論空燃比、及び、第２混合気の空燃比よりもリーンになるようにインジェクタへ信号を出力する。点火プラグまわりをリーンにすることで、前述の如く、ＳＩ燃焼による燃焼温度の上昇が抑えられて、ひいては、ＮＯｘの発生を抑制することが可能になる。

また、第２混合気は、第１混合気よりも相対的にリッチに設定されているから、混合気全体が燃焼したときに発生する熱量のうち、第２混合気のＣＩ燃焼によって発生する熱量の割合を比較的大きくすることが可能になる。このことは、熱効率を相対的に高く保ち、ひいては、燃費の向上を図る上で有効である。

その一方で、第１混合気における火炎伝播は、空燃比がリーンになるにつれて抑制される。このことは、ＳＩ＋ＣＩ燃焼を実現する上で不都合となる。

しかし、本願発明者等は、前記のように構成された制御装置において、さらに、エンジン本体の幾何学的圧縮比が１６以上に設定されていれば、第１混合気を十分に火炎伝播させることができる、ということを見出した。

すなわち、幾何学的圧縮比は、前記の範囲内に設定された場合には比較的大きくなるから、その分だけ、エンジンの高圧縮化が実現される。これにより、ピストンが上死点へ至ったときの筒内温度が高まる。筒内温度が高まると、第１混合気が着火したときに、その火炎が伝播し易くなる、と考えられる。その結果、空燃比がリーンでありながらも、火炎伝播が十分に行われるような構成を実現することができる。これにより、第２混合気の圧縮着火を十分にアシストすることが可能になる。

このように、前記の構成によれば、混合気の火炎伝播を損なうことなく、ＳＩ＋ＣＩ燃焼を実現することが可能になる。

また、エンジンの高圧縮化は、エンジンの高膨張化を意味する。エンジンの高膨張化は、膨張行程において、燃焼室の体積膨張割合が比較的大きくなることを意味している。そのため、エンジンが効率的に仕事を行うためには、燃焼を可及的に速やかに終えることが求められる。

しかし、前述の如く、第１混合気において十分な火炎伝播燃焼が行われることによって、第２混合気がＣＩ燃焼を行うタイミングを適切に設定することができる。そのことで、膨張行程中のＣＩ燃焼を適切に終了させ、ひいては、燃費の向上を図る上で有利になる。

さらに、前記の構成によると、第１混合気をリーンにすることによって、熱効率が向上する。このことは、ＳＩ燃焼に係る燃費の向上を図る上で有効である。

かくして、前記の構成によれば、燃焼騒音の抑制、ＮＯｘ排出量の低減、及び、熱効率の向上（燃費の向上）の全てを実現することができる。

また、前記制御部は、前記インジェクタが、前記燃焼室の全域に燃焼を拡散させる第１噴射と、該第１噴射の後、前記燃焼室の一部に燃料を偏在させる第２噴射とを実行するよう、前記インジェクタへ信号を出力し、前記第１噴射により噴射された燃料が、前記第１混合気を形成する一方、前記第１噴射により噴射された燃料と、前記第２噴射により噴射された燃料とが、前記第２混合気を形成するように構成されている、としてもよい。

この構成は、第１混合気と第２混合気との間で空燃比を異ならせた上で、それらの混合気を、互いに異なる箇所に形成する上で有効である。

さらに、前記インジェクタは、吸気行程から圧縮行程前期までの期間内に前記第１噴射を実行し、該第１噴射以降から圧縮行程中期までの期間内に前記第２噴射を実行する、としてもよい。

この構成によると、第１噴射により噴射させた燃料を燃焼室の全域に拡散させたり、第２噴射により噴射させた燃料を燃焼室の一部に偏在させたりする上で有利になる。このことは、第１混合気と第２混合気との間で空燃比を異ならせた上で、それらの混合気を、互いに異なる箇所に形成するのに有効である。

また、前記制御部は、前記エンジン本体の負荷が高まるにつれて、前記第１混合気の空燃比がリッチ側にシフトするよう、前記インジェクタへ信号を出力する、としてもよい。

通常、エンジン本体の負荷が高まるにつれて、燃料の噴射量が増大する。

この構成によると、燃料の噴射量を増やすときに、第１混合気の空燃比をリッチ側にシフトさせる。これにより、例えば第２混合気の空燃比のみを調整する構成と比較すると、第１混合気の空燃比がリッチになった分だけ、火炎伝播が促される。これにより、第２混合気の圧縮着火をアシストする上で有利になる。

さらに、前記制御部は、所定の点火タイミングで放電するように前記点火プラグへ信号を出力し、前記制御部はまた、前記第１混合気の空燃比がリーン側にシフトするにつれて、前記点火タイミングを進角させる、としてもよい。

前述の如く、第１混合気の空燃比がリーンになるにつれて、火炎伝播は抑制される。

この構成によると、火炎伝播が抑制された分、点火タイミングを早めに設定する。これにより、第１混合気において、より確実に火炎伝播させることが可能になる。

また、前記制御部は、前記点火タイミングを圧縮上死点以前に設定するよう構成されている、としてもよい。

この構成によると、点火タイミングを設定する上で、適切な構成が得られる。

さらに、前記制御部は、前記エンジン本体の負荷にかかわらず、前記第２混合気の空燃比が一定に保たれるよう、前記インジェクタへ信号を出力する。

この構成によると、制御部は、エンジン本体の負荷が変動したときに、第１混合気の空燃比を変更する一方、第２混合気の空燃比を一定に保つ。これにより、第２混合気の空燃比を、例えば理論空燃比に保つことで、未燃燃料の発生を抑制する上で有利になる。

また、前記エンジン本体は、幾何学的圧縮比が３５以下に設定されている、としてもよい。

この構成によると、幾何学的圧縮比を設定する上で、適切な構成が得られる。

また、前記燃焼室内に既燃ガスを導入するように構成されたＥＧＲシステムを備え、
前記制御部は、前記エンジン本体が前記所定の部分負荷域にあるときに、前記燃焼室内に既燃ガスを導入するよう、前記ＥＧＲシステムへ信号を出力する、としてもよい。

この構成によると、制御部は、燃焼室内に既燃ガスを導入するような、信号を出力する。既燃ガスを導入することにより、燃焼温度を低減し、ＮＯｘの生成を抑制することが可能になる。

ここに開示する別の技術は、予混合圧縮着火式エンジンの制御装置に係る。この制御装置は、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、前記燃焼室内に燃料を噴射するよう構成されたインジェクタと、前記燃焼室の中央側に臨む電極を有しかつ、該電極から火花を放電するように構成された点火プラグと、前記インジェクタ及び前記点火プラグに対して信号を出力するよう構成された制御部と、を備える。

前記エンジン本体は、幾何学的圧縮比が１６以上に設定されており、前記制御部は、前記エンジン本体の負荷が所定の部分負荷域にあるとき、前記インジェクタが、前記燃焼室の全域に燃焼を拡散させる第１噴射と、該第１噴射の後、前記燃焼室の一部に燃料を偏在させる第２噴射とを実行するよう、前記インジェクタへ信号を出力し、前記第１噴射により噴射された燃料が、前記燃焼室において前記電極を含んだ領域に、理論空燃比よりもリーンな第１混合気を形成する一方、前記第１噴射により噴射された燃料と前記第２噴射により噴射された燃料とが、前記燃焼室において前記第１混合気よりも外周側の領域に第２混合気を形成する。

そして、前記インジェクタは、吸気行程から圧縮行程前期までの期間内に前期第１噴射を実行し、該第１噴射以降から圧縮行程中期までの期間内に前期第２噴射を実行する。

この構成によれば、混合気の火炎伝播を損なうことなく、ＳＩ＋ＣＩ燃焼を実現することが可能になる。そのことで、燃焼騒音の抑制、ＮＯｘ排出量の低減、及び、熱効率の向上（燃費の向上）の全てを実現することができる。

以上説明したように、前記予混合圧縮着火式エンジンの制御装置によると、燃焼騒音の抑制、ＮＯｘ排出量の低減、及び、熱効率の向上の全てを実現することができる。

図１は、エンジンの構成を示す概略図である。 図２は、エンジンの制御に係る構成を示すブロック図である。 図３は、エンジンの運転領域を例示した説明図である。 図４は、第１運転領域の所定負荷における燃料噴射と、その燃料噴射に応じた熱発生率とのイメージ図である。 図５は、第２運転領域における混合気の形成手順を示す説明図である。 図６は、第２運転領域における混合気の形成領域を示す概略図である。 図７において、（ａ）は、第２運転領域の低負荷域における燃料噴射と、その燃料噴射に応じた熱発生率とのイメージ図であり、（ｂ）は、第２運転領域の中負荷域における燃料噴射と、その燃料噴射に応じた熱発生率とのイメージ図であり、（ｃ）は、第２運転領域の高負荷域における燃料噴射と、その燃料噴射に応じた熱発生率とのイメージ図である。 図８は、第１運転領域、及び、第２運転領域における熱発生率を例示したグラフである。

以下、実施形態を図面に基づいて説明する。尚、以下の説明は例示である。

〈エンジンの全体構成〉
図１は、実施形態に係る予混合圧縮着火式エンジンの制御装置が適用されたエンジン１の概略構成を示し、図２は、その制御に係る構成を示すブロック図である。このエンジン１は、多気筒のガソリンエンジンである。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く、少なくともガソリンを含む液体燃料であれば、どのような燃料であってもよい。

図示しないが、エンジン１は、過給機付きのエンジンであってもよい。過給機の構成は、特に限定されず、排気エネルギによって駆動するターボ過給機、及び、エンジン１によって直接的に駆動される機械式過給機のいずれであってもよい。また、エンジン１は、自然吸気エンジンであってもよい。

エンジン１は、エンジン本体１０、エンジン本体１０に付随する様々なアクチュエータ、様々なセンサ、及び、該センサからの信号に基づきアクチュエータを制御するＰＣＭ（パワートレイン・コントロール・モジュール）１００を含む。尚、ＰＣＭ１００は、「制御部」の例示である。

エンジン本体１０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の内部には、複数のシリンダ１１が形成されている（図１では、１つのみを示す）。各シリンダ１１内には、ピストン１６が摺動自在に嵌挿されており、各ピストン１６は、コネクティングロット１４を介してクランクシャフト１５に連結されている。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。尚、「燃焼室」は、ピストン１６が圧縮上死点に至ったときに形成される空間の意味に限定されない。「燃焼室」の語は広義で用いる場合がある。つまり、ピストン１６の位置に拘わらず、ピストン１６、シリンダ１１、及び、シリンダヘッド１３によって形成される空間を意味する場合がある。

本実施形態では、燃焼室１７の天井面１７０（シリンダヘッド１３の天井部）は、三角屋根状（いわゆるペントルーフ形状）をなしている。すなわち、燃焼室１７は、ペントルーフ型の燃焼室である。

具体的に、燃焼室１７の天井面１７０は、吸気ポート１８が開口しかつ、シリンダ１１の中央に向かって登り勾配となった吸気側天井面１７１と、排気ポート１９が開口しかつ、シリンダ１１の中央に向かって登り勾配となった排気側天井面１７２と、を備えて構成されている。吸気側天井面１７１と排気側天井面１７２とは、クランクシャフト１５の軸方向に延びる谷部において繋がっている。この谷部は、ペントルーフの稜線を成しており、図１に示す例では、シリンダ１１のボア中心に一致している。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。

ピストン１６の頂面１６０には、凹状のキャビティ１６１が形成されている。キャビティ１６１は、ピストン１６の中央に形成されている。キャビティ１６１は、実質的に浅皿状に形成されており、その中央部は、天井面１７０に向かって隆起している。詳しくは、キャビティ１６１の周縁部１６１ｃは、略円環状に凹陥している。その一方で、キャビティ１６１の周縁部１６１ｃよりも中央側部分は、ピストン１６の中央に向かって隆起するよう形成されている。

燃焼室１７は、前述の天井面１７０、ピストン１６の頂面１６０、及び、シリンダ１１のボア面によって構成される。エンジン本体１０は、幾何学的圧縮比が１６以上、具体的には２０に設定されている。すなわち、エンジン１の幾何学的圧縮比は、比較的高い。

図１には１つのみ示すが、シリンダヘッド１３には、１つのシリンダ１１毎に２つの吸気ポート１８が形成されている。各吸気ポート１８は、シリンダヘッド１３に配設された吸気弁２１によって開閉される。吸気弁２１は、吸気弁駆動機構により駆動され、所定のタイミングで往復動する。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ている。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。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。

同様に、シリンダヘッド１３には、１つのシリンダ１１毎に２つの排気ポート１９が形成されている。各排気ポート１９は、シリンダヘッド１３に配設された排気弁２２によって開閉される。排気弁２２は、排気弁駆動機構により駆動され、所定のタイミングで往復動する。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ている。排気カムシャフトは、クランクシャフト１５の回転と同期して開展する。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位相可変機構（Variable Valve Timing：ＶＶＴ）２４を、少なくとも含んで構成されている。

各シリンダ１１の吸気ポート１８は、図１において明示されない吸気マニホールドを介して吸気通路３０に連通している。吸気通路３０には、各シリンダ１１への吸入空気量を調節するスロットル弁３１が配設されている。

エンジン１は、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５０も備えて構成されている。本実施形態では、ＥＧＲシステム５０は、いわゆる外部ＥＧＲシステムとして構成されている。具体的に、図１に示すように、吸気通路３０におけるスロットル弁３１の下流側部分と、排気通路４０とが、排気ガスの一部を吸気通路３０へ還流するためのＥＧＲ通路５１によって接続されている。ＥＧＲ通路５１には、排気ガスの吸気通路３０への還流量を調整するためのＥＧＲ弁５２と、排気ガスを冷却するための、水冷式のＥＧＲクーラ５３とが配設されている。ＥＧＲシステム５０は、ＥＧＲ通路５１、ＥＧＲ弁５２、及び、ＥＧＲクーラ５３を含んで構成されている。尚、ＥＧＲシステム５０は、こうした外部ＥＧＲシステムに限られない。ＥＧＲシステム５０には、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システムが含まれる。

各シリンダ１１の排気ポート１９は、同様に明示されない排気マニホールドを介して排気通路４０に連通している。排気通路４０には、排気ガス中の有害成分を浄化する触媒コンバータ（不図示）が配設されている。触媒コンバータは、ＥＧＲ通路５１との接続箇所よりも下流側部分に配設されている。触媒コンバータは、三元触媒を内蔵しており、排気通路４０を通過する排気ガス中に含まれる有害成分（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ）の浄化機能を有している。但し、触媒は、三元触媒に限定されない。

また、シリンダヘッド１３には、シリンダ１１内（つまり、燃焼室１７内）に燃料を直接噴射するインジェクタ６が取り付けられている。インジェクタ６は、吸気側天井面１７１と排気側天井面１７２とが繋がっているペントルーフの稜線上に配設されており、その噴射軸心が、シリンダ１１の軸線に沿うように配設されている。尚、インジェクタ６の噴射軸心は、シリンダ１１１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両方がある。

また、インジェクタ６の噴射先端は、燃焼室１７内に臨んでおり、ピストン１６のキャビティ１６１の山部に対向している。

インジェクタ６は、例えば外開式の燃料噴射弁である。詳細は省略するが、インジェクタ６は、ノズル口が形成されたノズル本体と、ノズル口を開閉するようにリフトする外開弁とを有している。インジェクタ６は、外開弁を介してノズル口を開放することにより、シリンダ１１の中心軸を中心としたコーン状（詳しくはホローコーン状）に燃料を噴射する。そのコーンのテーパ角（噴霧角）は、本実施形態では、９０°〜１００°である。インジェクタ６は、外開弁のリフト量を調整することにより、ノズル口から噴射する燃料噴霧の粒径を変更することが可能である。

尚、外開式のインジェクタに限らず、ＶＣＯ（Valve Covered Orifice）ノズルタイプのインジェクタであってもよい。ＶＣＯ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を調整することにより、噴射する燃料噴霧の粒径を変更することが可能である。

さらに、インジェクタ６は、その噴射先端に複数の噴孔が設けられかつ、所定の噴霧角で燃料を噴射するマルチホールタイプのインジェクタとしてもよいし、ホロ−コーン状に燃料を噴射するスワールインジェクタとしてもよい。インジェクタ６は、どのような構成であってもよい。

燃料供給システム６７は、インジェクタ６を駆動するための電気回路と、インジェクタ６へ燃料を供給する燃料供給系とを備えている。ＰＣＭ１００は、リフト量に応じた電圧を有する噴射信号を、所定のタイミングで電気回路へ出力する。この電気信号が、電気回路を介してインジェクタ６の外開弁を作動させて、シリンダ１１内に所望量の燃料を噴射させる。尚、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、外開弁によりノズル口が閉じられた状態となる。以下の記載において、インジェクタ６の作動を制御するべく、ＰＣＭ１００が燃料供給システム６７へ信号を出力することを、単に、「インジェクタ６へ信号を出力する」という。

また、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いる。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する。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、インジェクタ６が作動する（本実施形態では外開弁がリフトされる）ことによって、コモンレールに蓄えられている燃料がノズル口から噴射される。

詳しくは後述するが、このエンジン１は、シリンダ１１内に形成した混合気を圧縮着火により燃焼させるように構成されている。そうした構成を実現するべく、エンジン１のシリンダヘッド１３には、所定の部分負荷域において混合気の着火をアシストするための、放電電極としての点火プラグ７が取り付けられている。

点火プラグ７は、燃焼室１７の中央側（具体的には、ピストン１６のキャビティ１６１）に臨む電極７１を有しかつ、該電極７１から火花を放電するように構成されている。詳しくは、点火プラグ７の先端部は、燃焼室１７の天井面１７０から突出しており、燃焼室１７内に臨んでいる。この先端部は、図示の関係上、図１ではずらして描いているが、実際は、吸気ポート１８と排気ポート１９の間でかつ、インジェクタ６のノズル口の近傍に位置している。点火プラグ７の先端部には、棒状の電極７１が設けられている。この電極７１は、燃焼室１７の中央側に臨むように配設されており、シリンダヘッド１３やシリンダブロック１２から電気的に絶縁された状態で、燃焼室１７内に突出している。電極７１は、所定の電気回路によって印加された電圧を受けて、燃焼室１７内に放電する。

ＰＣＭ１００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。

ＰＣＭ１００は、少なくとも、車速センサ８１からの車速信号、アクセル開度センサ８２からのアクセル開度信号、エアフローセンサ８４からの吸気流量に関する信号、クランク角センサ８５からのクランク角パルス信号、カム角センサ８６からカムシャフトパルス信号、及び、水温センサ８７からの冷却水温を示す信号を、それぞれ受ける。

ＰＣＭ１００は、各センサからの信号に基づいて、要求トルクの演算や、エンジン１の負荷の予測等を行う。尚、過給機付きエンジンにおいては、ＰＣＭ１００には、さらに、過給圧を検出する過給圧センサが接続され、ＰＣＭ１００は、過給圧センサから過給圧を示す信号を受ける。

ＰＣＭ１００は、演算した要求トルク等に基づいて、スロットル開度信号、燃料噴射パルス、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、ＰＣＭ１００は、各制御パラメータに対応する信号を、吸気ＶＶＴ２３、排気ＶＶＴ２４、スロットル弁３１、ＥＧＲ弁５２、燃料供給システム６７、及び、点火プラグ７等へ出力する。

前述したように、エンジン本体１０は、幾何学的圧縮比が２０に設定されている。幾何学的圧縮比は、１６以上とすればよく、特に、１６以上３５以下が好ましい。圧縮比が高いほど膨張比も高くなるため、エンジン１は、高圧縮比と同時に、比較的高い膨張比を有するエンジンでもある。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により燃焼させるよう構成されている。圧縮着火燃焼は、言い換えると、ＣＡＩ（Controlled Auto Ignition）燃焼である。高い幾何学的圧縮比によって、圧縮着火燃焼が安定化する。

〈エンジンの運転制御〉
図３は、エンジン１の運転領域を例示している。エンジン１の運転領域は、負荷の高低に応じて、第１運転領域Ａと、第２運転領域Ｂとの２つに分けられている。第１運転領域Ａは、エンジン本体１０の負荷が、図３に実線で示す所定の負荷よりも低い低負荷側の運転領域である。そして、第２運転領域Ｂは、第１運転領域Ａよりも高負荷側の運転領域である。尚、第２運転領域Ｂは、「部分負荷域」の例示である。

ＰＣＭ１００は、前述したように、吸気ＶＶＴ２３、排気ＶＶＴ２４、スロットル弁３１、及び、ＥＧＲ弁５２に対し、エンジン本体１０の運転状態に応じた信号を出力する。これによって、燃焼室１７内のガス状態が、エンジン本体１０の運転状態に応じて調整される。尚、ＥＧＲシステム５０は、エンジン本体１０の運転領域の全域において、燃焼室１７内に排気ガスを導入する。排気ガスを導入することにより、燃焼温度を低減し、ＮＯｘの生成を抑制することが可能になる。

また、ＰＣＭ１００は、第１運転領域Ａ、及び、第２運転領域Ｂのそれぞれにおいて、燃焼室１７内への燃料噴射の形態を異ならせる。以下、各領域Ａ、Ｂにおける噴射形態について詳述する。

−第１運転領域Ａにおける噴射形態−
図４は、第１運転領域の所定負荷における燃料噴射、及び、その燃料噴射に応じた熱発生率を例示した図である。図４は、左から右に向かってクランク角が進む。燃料噴射は、符号Ｆを付した四角によって図示されており、その面積が燃料の噴射量を示し、四角の位置が噴射タイミングを示している。また、その燃料噴射Ｆに応じた熱発生率には、符号Ｑが付されている。

第１運転領域Ａにおいて、ＰＣＭ１００は、一般的なＣＩ燃焼を実行するように、インジェクタ６に対して信号を出力する。インジェクタ６は、ＰＣＭ１００から出力された信号を受けて、１回の燃料噴射Ｆを実行する。

具体的に、ＰＣＭ１００は、インジェクタ６に対して信号を出力することにより、吸気行程以降の所定タイミングにおいて、キャビティ１６１内へ燃料を噴射させる。図４の下側に示したように、この１回の燃料噴射Ｆによって噴射された燃料と、吸気通路３０から導入された空気（既燃ガスを含んでいてもよい）とから形成された混合気Ｇが、ピストン１６の圧縮作用により高温かつ、高圧化して、圧縮上死点付近で同時多発的に着火して燃焼する。こうして、図４の波形Ｑに示すような熱が発生する。

−第２運転領域Ｂにおける噴射形態−
ＣＩ燃焼は、熱効率が相対的に高く、燃費に優れているものの、エンジン１の負荷が高くなるにつれて、圧縮着火時の圧力変動が激しくなり、ひいては、燃焼騒音が増大してしまう、という不都合がある。

そこで、ＰＣＭ１００は、高負荷側の第２運転領域Ｂにおいては、いわゆる着火アシストを伴うＣＩ燃焼を実行するよう構成されている。

具体的に、ＰＣＭ１００は、インジェクタ６が燃焼噴射を実行した後に、点火プラグ７（具体的には、点火プラグ７の電極７１）が火花を放電するように、インジェクタ６及び点火プラグ７に対して信号を出力する。この場合、混合気が強制的に着火されて、火炎伝播が生じる。その火炎伝播による燃焼室１７の高温化をきっかけにして、混合気が圧縮着火を開始する。

本願発明者等は、そうした着火アシストを伴うＣＩ燃焼において、ＳＩ燃焼とＣＩ燃焼とを組み合わせた新しい燃焼形態（ＳＩ＋ＣＩ燃焼）を成立させた。ＳＩ燃焼は着火制御性に有利である一方、ＣＩ燃焼は熱効率の向上に有利であるから、ＳＩ燃焼からＣＩ燃焼に繋がる燃焼を行うようにした。ＳＩ燃焼は、燃焼室１７内の混合気のうち、点火プラグ７の電極７１周辺の混合気に対して火花点火を行うようになっている。そこで、本願発明者等は、電極７１周辺の混合気の空燃比をリーンにすれば、単位体積あたりの発熱量が小さくなるため、ＳＩ燃焼による燃焼温度の上昇が抑えられ、ＲａｗＮＯｘの増大が抑制されると共に、火炎伝播による燃焼期間が長くなって、燃焼騒音の抑制が可能になる点に着目した。

本実施形態に係るＰＣＭ１００は、エンジン本体１０の負荷が第２運転領域Ｂにあるとき、そうした燃焼形態を実現するための混合気が形成されるよう、インジェクタ６に対して信号を出力する。

具体的に、ＰＣＭ１００は、エンジン本体１０の負荷が第２運転領域Ｂにあるとき、燃焼室１７において電極７１を含んだ中央側領域Ｒ１に形成される第１混合気Ｇ１の空燃比が、着火時点において、理論空燃比（空気過剰率をλとすると、λ＝１）よりもリーンかつ、燃焼室１７において第１混合気Ｇ１よりも外周側の外周側領域Ｒ２に形成される第２混合気Ｇ２の空燃比よりもリーンになるようにインジェクタ６へ信号を出力する。

以下、第２運転領域Ｂにおける混合気の形態について、詳細に説明する。

図５は、第２運転領域Ｂにおける混合気の形成手順を示す説明図である。また、図６は、第２運転領域Ｂにおける混合気の形成領域を示す概略図である。図５は、上から下に向かってクランク角が進むことを示しており、図５の（１）〜（４）は、それぞれ、燃焼室１７内の状態を、クランク角の進行に応じて概念的に示している。図５の（１）は、吸気行程中の燃焼室１７内の状態を示しており、図５の（２）〜（４）は、圧縮行程中の燃焼室１７内の状態を示している。

図５の（１）に示すように、インジェクタ６は、ＰＣＭ１００からの信号を受けて、燃焼室１７の全域に燃料を拡散させる燃料噴射（以下、「第１噴射」という）Ｆ１を１回行う。インジェクタ６は、吸気行程から圧縮行程前期までの期間内に、第１噴射Ｆ１を行う。圧縮行程における前期は、圧縮行程を前期と、中期と、後期とに三等分したときの前期である。

図５の（２）に示すように、インジェクタ６が第１噴射Ｆ１を行うことで、燃焼室１７内の全体には、希薄かつ、均質又はほぼ均質な混合気が形成される。この混合気の空燃比は、少なくとも着火時点において、理論空燃比よりもリーンになるように設定される（λ＞１）。

尚、好ましくは、第１噴射Ｆ１は、吸気行程の前半に行われる。吸気行程の前半は、吸気行程を前半と後半とに二等分したときの前半である。こうすることで、吸気ポート１８から燃焼室１７へ流入する空気の流速が比較的高くなるようなタイミングで、第１噴射Ｆ１を行うことが可能になる。このことは、第１噴射Ｆ１によって噴射された燃料を、燃焼室１７内に均質に拡散させる上で有効である。

図５の（３）に示すように、第１噴射Ｆ１の後、インジェクタ６は、ＰＣＭ１００からの信号を受けて、燃焼室１７の一部に燃料を偏在させる燃料噴射（以下、「第２噴射」という）Ｆ２を１回行う。インジェクタ６は、第１噴射以降から圧縮行程中期までの期間内に、第２噴射Ｆ２を実行する。圧縮行程における中期は、圧縮行程を前期と、中期と、後期とに三等分したときの中期である。

第２噴射Ｆ２によって噴射された燃料は、キャビティ１６１の周縁部１６１ｃへ至る。周縁部１６１ｃへ至った燃料は、該周縁部１６１ｃに沿って天井面１７０側へ向かって流れる。これにより、第２噴射Ｆ２によって噴射された燃料は、キャビティ１６１の外周囲へ至る。

図５の（４）に示すように、第１噴射Ｆ１によって噴射された燃料と、第２噴射Ｆ２によって噴射された燃料とが合わさって、キャビティ１６１の外周囲に、比較的リッチな混合気が形成される。

すなわち、図６に示すように、第１噴射Ｆ１により噴射された燃料は、燃焼室１７において点火プラグ７の電極７１を含んだ中央側領域Ｒ１に、少なくとも着火時点において理論空燃比よりもリーンになるように設定された第１混合気Ｇ１を形成する。

その一方で、第１噴射Ｆ１により噴射された燃料と、第２噴射Ｆ２により噴射された燃料とは、燃焼室１７において第１混合気Ｇ１よりも外周側の外周側領域Ｒ２に、第２混合気Ｇ２を形成する。第２混合気Ｇ２は、第１混合気Ｇ１を形成している燃料と、第２噴射Ｆ２により噴射された燃料とが合わさって形成されているから、第１混合気Ｇ１よりもリッチになる。本実施形態では、第２混合気Ｇ２の空燃比は、少なくとも着火時点において、理論空燃比になるように調整されている（λ＝１）。

前述の如く、点火プラグ７の電極７１まわりには、比較的リーンな第１混合気Ｇ１が形成されている。点火プラグ７は、ＰＣＭ１００からの信号を受けて、その第１混合気Ｇ１に対して火花点火を行う。

図７の（ａ）は、第２運転領域Ｂの所定の負荷域（以下、単に「低負荷域」という）における燃料噴射と、その燃料噴射に応じた熱発生率とを例示した図であり、（ｂ）は、第２運転領域Ｂにおいて（ａ）よりも高負荷側の負荷域（以下、単に「中負荷域」という）における燃料噴射と、その燃料噴射に応じた熱発生率とを例示した図であり、（ｃ）は、第２運転領域Ｂにおいて（ｂ）よりも高負荷側の負荷域（以下、単に「高負荷域」という）における燃料噴射と、その燃料噴射に応じた熱発生率とを例示した図である。図７の（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、左から右に向かってクランク角が進む。各図において、燃料噴射は、符号を付した四角によって図示されており、その四角の面積が燃料の噴射量を示し、四角の位置が噴射タイミングを示している。図４とは異なり、図７の（ａ）〜（ｃ）には、それぞれ、２つの四角が図示されている。２つの四角のうちの一方が第１噴射Ｆ１を示し、他方が第２噴射Ｆ２を示している。また、（ａ）〜（ｃ）のそれぞれにおける熱発生率（符号Ｑａ、Ｑｂ、Ｑｃを付す）は、実質的な凸形状を成す波形によって図示されている。

例えば図７の（ａ）には、吸気行程の前期から中期にかけてのタイミングで第１噴射Ｆ１が行われていること、及び、その第１噴射Ｆ１の後、圧縮行程の中期付近のタイミングで第２噴射Ｆ２が行われていること、が図示されている。第１噴射Ｆ１によって燃料が燃焼室１７の全体に拡散すること、及び、第２噴射Ｆ２によって燃焼室１７内に第１混合気Ｇ１と第２混合気Ｇ２とが配置されることは、図７下段の左図、及び、中央図にも概略的に示す。

第２噴射Ｆ２が行われた後、燃焼室１７内の第１混合気Ｇ１が、所定の点火タイミングＴａで着火される（図７下段の右図も参照）。つまり、ＰＣＭ１００は、所定の点火タイミングＴａで放電するように点火プラグ７へ信号を出力し、点火プラグ７の電極７１は、その信号を受けて、点火タイミングＴａにおいて火花を放電する。

第１混合気Ｇ１が着火すると、該第１混合気Ｇ１において火炎伝播が生じるようになっている。第１混合気Ｇ１は、その火炎伝播を主体としたＳＩ燃焼によって燃焼する。第１混合気Ｇ１が着火をした直後は、ＳＩ燃焼が主体となる。そのため、概念的に図示したように、熱発生率Ｑａは緩慢に上昇する。その後、火炎伝播によって筒内温度が高まると、筒内温度の高まりをきっかけにして、第２混合気Ｇ２がＣＩ燃焼を開始する。ＣＩ燃焼が発生すると、熱発生率Ｑａは急峻に変動する。

このように、本実施形態に係るＳＩ＋ＣＩ燃焼を実施した場合、点火プラグ７から放電された火花によって第１混合気Ｇ１が着火をして火炎伝播する。これにより、着火直後においては、火炎伝播を主体としたＳＩ燃焼が進行する。一方で、燃焼後半においては、その火炎伝播による高温化をきっかけにして、第２混合気Ｇ２がＣＩ燃焼を行う。燃焼後半は、燃焼期間を前半と後半とに二等分したときの後半である。

ここで、第１混合気Ｇ１の空燃比がリーンになるにつれて、ＳＩ燃焼による燃焼温度の上昇が抑えられ、ＲａｗＮＯｘの増大を抑制できると共に、第１混合気Ｇ１の燃焼期間つまり、第１混合気Ｇ１がＳＩ燃焼を行う期間が長くなる。ＳＩ燃焼を行う期間が長くなった分、筒内圧力が緩慢に上昇するようになるから、そのことで、燃焼騒音を抑制することが可能になる。また、第２混合気Ｇ２は、第１混合気Ｇ１よりもリッチに設定されているから、混合気全体が燃焼したときに発生する熱量のうち、第２混合気Ｇ２のＣＩ燃焼によって発生する熱量の割合を比較的大きくすることが可能になる。このことは、熱効率を相対的に高く保ち、ひいては、燃費の向上を図る上で有効である。

その一方で、第１混合気Ｇ１の火炎伝播は、その空燃比がリーンになるにつれて抑制される。このことは、ＳＩ＋ＣＩ燃焼を実現する上で不都合である。

しかし、本願発明者等は、前記のように構成されたエンジン１において、さらに、エンジン本体１０の幾何学的圧縮比が１６以上に設定されていれば、第１混合気Ｇ１を十分に火炎伝播させることができる、ということを見出した。

すなわち、幾何学的圧縮比は、前記の範囲内に設定された場合には比較的大きくなるから、その分だけ、エンジン１の高圧縮化が実現される。これにより、ピストン１６が圧縮上死点へ至ったときの筒内温度が高まる。筒内温度が、例えば混合気の圧縮着火が発生する直前（例えば、８００〜１０００ケルビン）まで高まると、第１混合気Ｇ１が着火したときに、その火炎が伝播し易くなると考えられる。その結果、空燃比がリーンでありながらも、火炎伝播が十分に行われるような構成を実現することができる。これにより、第２混合気Ｇ２の圧縮着火を十分にアシストすることが可能になる。

このように、前記の構成によれば、混合気の火炎伝播を損なうことなく、ＳＩ＋ＣＩ燃焼を実現することが可能になる。

また、前述の如く、エンジン１の高圧縮化は、エンジン１の高膨張化を意味する。エンジン１の高膨張化は、膨張行程において、燃焼室１７の体積膨張割合が比較的大きくなることを意味している。そのため、エンジン１が効率的に仕事を行うためには、燃焼期間を可及的に短くすることが求められる。

しかし、前述の如く、第１混合気Ｇ１において十分な火炎伝播燃焼が行われることによって、第２混合気Ｇ２がＣＩ燃焼を行うタイミングを適切に設定することができる。そのことで、膨張行程中のＣＩ燃焼を適切に終了させ、ひいては、燃費の向上を図る上で有利になる。

さらに、前記の構成によると、点火プラグ７まわりをリーンにすることによって、熱効率が向上する。このことは、ＳＩ燃焼に係る燃費の向上を図る上で有効である。

ＳＩ燃焼は、ＣＩ燃焼と比較すると、燃焼温度が高くなる分だけＮＯｘが発生し易い。

しかし、前記の構成によると、点火プラグ７まわりをリーンにすることで、燃焼温度が低減する。このことは、ＮＯｘの発生を抑制する上で有効である。

かくして、前記の構成によれば、燃焼騒音の抑制、ＮＯｘ排出量の低減、及び、熱効率の向上（燃費の向上）の全てを実現することができる。

また、ＰＣＭ１００は、インジェクタ６及び点火プラグ７に対して、エンジン本体１０の負荷に応じた信号を出力するよう構成されている。

例えば、ＰＣＭ１００は、エンジン本体１０の負荷が高まるにつれて、第１混合気Ｇ１の空燃比がリッチ側にシフトするよう、インジェクタ６へ信号を出力する。

具体的に、図７の（ａ）と（ｂ）、及び、（ｂ）と（ｃ）との比較から見て取れるように、ＰＣＭ１００は、エンジン本体１０の負荷が高まるにつれて、第１噴射Ｆ１による噴射量を増やすよう、インジェクタ６へ信号を出力する。これにより、第１混合気Ｇ１の空燃比は、第１噴射Ｆ１の噴射量を増やした分だけ、リッチ側へシフトする。

燃料の噴射量を増やすときに、第１混合気Ｇ１の空燃比をリッチ側にシフトさせる。これにより、例えば第２混合気Ｇ２の空燃比のみを調整する構成と比較すると、第１混合気Ｇ１の空燃比がリッチになった分だけ、火炎伝播が促される。これにより、第２混合気Ｇ２の圧縮着火をアシストする上で有利になる。

その一方で、ＰＣＭ１００は、エンジン本体１０の負荷が高まるにつれて、第２噴射Ｆ２による噴射量を減らすよう、インジェクタ６へ信号を出力する。第１噴射Ｆ１による噴射量を増やす一方、第２噴射Ｆ２による噴射量を減らすことで、第２混合気Ｇ２の空燃比は、エンジン本体１０の負荷の大きさに拘わらず、理論空燃比付近に保たれる。このことは、未燃燃料の発生を抑制する上で有効である。

尚、例えば図７の（ｃ）に示すように、ＰＣＭ１００は、エンジン本体１０の負荷が所定の設定値よりも高くなったときには、第１噴射Ｆ１のみを行うよう、インジェクタ６へ信号を出力してもよい。この場合、第１混合気Ｇ１、及び、第２混合気Ｇ２は、双方とも第１噴射Ｆ１のみによって形成されるようになるから、それぞれの空燃比は、互いに一致するようになる。

さらに、ＰＣＭ１００は、第１混合気Ｇ１の空燃比がリーン側にシフトするにつれて、点火プラグ７の点火タイミングを進角させるよう構成されている。

前述の如く、ＰＣＭ１００は、エンジン本体１０の負荷が高まるにつれて、第１混合気Ｇ１の空燃比がリッチ側にシフトするよう、インジェクタ６へ信号を出力する。還元すれば、ＰＣＭ１００は、エンジン本体１０の負荷が低くなるにつれて、第１混合気Ｇ１の空燃比がリーン側にシフトするよう、インジェクタ６へ信号を出力する。その際、図７の（ｃ）と（ｂ）、及び、（ｂ）と（ａ）との比較から見て取れるように、ＰＣＭ１００は、第１混合気Ｇ１の空燃比がリーン側にシフトするにつれて、点火プラグ７の点火タイミングを進角させる。具体的には、低負荷域における点火タイミングＴａに対して、中負荷域における点火タイミングをＴｂ、高負荷域における点火タイミングをＴｃとすると、ＴａはＴｂよりも早くかつ、ＴｃはＴｂよりも早い。

第１混合気Ｇ１の空燃比がリーン側にシフトするにつれて、第１混合気Ｇ１の火炎伝播は抑制される。そこで、この実施形態に係るＰＣＭ１００は、火炎伝播が抑制された分、点火タイミングを進角させることで、そうした混合気を早めに着火する。そうすることで、火炎伝播が抑制された影響を低減し、ひいては第１混合気Ｇ１をより確実に火炎伝播させることが可能になる。

尚、ＰＣＭ１００は、点火タイミングＴａを圧縮上死点以前に設定する。こうした設定は、ＳＩ＋ＣＩ燃焼の燃焼重心を、膨張行程前期に保つ上で有効である。尚、燃焼重心とは、燃焼室１７内に噴射した燃料のうち、その５０％（質量パーセント）分の燃料が燃焼したタイミングを示す。また、膨張行程における前期は、膨張行程を前期と、中期と、後期とに三等分したときの前期である。燃焼重心を膨張前期に保つことで、ＳＩ＋ＣＩ燃焼によって発生したエネルギを、効率的に出力する上で有利になる。図７のＱａ、Ｑｂ、及びＱｃに示すように、本実施形態に係るエンジン１は、エンジン本体１０の負荷の大きさに拘わらず、燃焼重心が所定のクランク角付近に保たれるよう、構成されている。

次に、実施形態に係るエンジン１の熱発生率Ｑａ、Ｑｂ、及び、Ｑｃについて、図８に示すグラフに基づいて詳細に説明する。

図８は、クランク角［ｄｅｇ．ＡＴＤＣ］と、混合気の燃焼による熱発生率［Ｊ／ｄｅｇ］との間の関係を示すグラフである。図８の曲線Ｃ１〜Ｃ３は、それぞれ、第２運転領域Ｂにおいて、前述の燃焼形態を実現したときの熱発生率を示している。図８の曲線Ｃ１は、前述の低負荷域（図７の（ａ））における熱発生率Ｑａに対応しており、曲線Ｃ２は、前述の中負荷域（図７の（ｂ））における熱発生率Ｑｂに対応しており、曲線Ｃ３は、前述の高負荷域（図７の（ｃ））における熱発生率Ｑｃに対応している。また、曲線Ｃ４は、第１運転領域Ａにおいて、第２運転領域Ｂの低負荷域（曲線Ｃ１）と同量の燃料を噴射したときの、通常のＣＩ燃焼による熱発生率を概略的に示している。この曲線Ｃ４は、図４の熱発生率Ｑに対応している。

表１に、各負荷域におけるパラメータを示す。表１に示すように、例えば低負荷域では、ＳＩ側のＡ／Ｆ（第１混合気Ｇ１の空燃比）は１７であり、ＣＩ側のＡ／Ｆ（第２混合気Ｇ２の空燃比）は１４．７であり、点火プラグ７の点火タイミングは圧縮上死点前６０ｄｅｇである。この表から見て取れるように、第２混合気Ｇ２の空燃比は、理論空燃比と略一致しており、第１混合気Ｇ１の空燃比は、第２混合気Ｇ２の空燃比、及び、理論空燃比よりもリーンに設定されている。

また、前述のように、エンジン本体１０の幾何学的圧縮比は２０に設定されている。

中負荷域では、負荷が増した分だけ第１混合気Ｇ１の空燃比がリッチ側にシフトしていたり（Ａ／Ｆ＝１６．０）、第２混合気Ｇ２の空燃比が理論空燃比付近に保持されていたり、点火タイミングが遅角されていたり（圧縮上死点前３０ｄｅｇ）する。この中負荷域においても、第２混合気Ｇ２の空燃比は、理論空燃比と略一致しており、第１混合気Ｇ１の空燃比は、第２混合気Ｇ１の空燃比、及び、理論空燃比よりもリーンに設定されている。

高負荷域においては、第１混合気Ｇ１の空燃比は、第２混合気Ｇ２の空燃比と一致しており、理論空燃比とも略一致している。この高負荷域においては、点火タイミングがさらに遅角されている（圧縮上死点前２０ｄｅｇ）。

図８の曲線Ｃ１に示すように、低負荷域における熱発生率は、そのピーク以前の部分については、比較的緩やかに上昇した後、比較的速やかに上昇している一方、ピーク以降の部分については、全体的に速やかに下降している。このことは、着火アシストによって、第１混合気Ｇ１が着火をして火炎伝播が生じたこと、及び、その火炎伝播をきっかけとして、第２混合気Ｇ２の圧縮着火がアシストされたことを示している。

このように、第１混合気Ｇ１の空燃比を、理論空燃比、及び、第２混合気Ｇ２の空燃比よりもリーンに設定した場合であっても、エンジン１の圧縮比を高めることで、ＳＩ＋ＣＩ燃焼を実現することが可能になる。

尚、中負荷域、及び、高負荷域においても同様である。これらの負荷域においては、燃料の噴射量を増やした分、熱発生率の値は、概ね、曲線Ｃ１に示すものよりも高くなるものの、負荷の変動に応じた点火タイミングの調整により、曲線Ｃ２及び曲線Ｃ３の双方のピークの位置は、曲線Ｃ１と略同じ位置に保持されている。

それに対して、図８の曲線Ｃ４に示すように、通常のＣＩ燃焼による熱発生率は、そのピーク以前の部分についても、ピーク以降の部分と同様に、急峻に変動している。このことは、ＳＩ＋ＣＩ燃焼とは異なり、混合気の火炎伝播が生じておらず、圧縮着火のみによって燃焼したことを示している。

《他の実施形態》
前記実施形態では、第２混合気Ｇ２の空燃比は理論空燃比付近に保たれていたが、この構成には限られない。例えば、第２混合気Ｇ２の空燃比を、理論空燃比よりも高く設定してもよい。

１ エンジン
１０ エンジン本体
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
１７０ 天井面（シリンダヘッドの天井部）
５０ ＥＧＲシステム
６ インジェクタ
７ 点火プラグ
７１ 電極
１００ ＰＣＭ（制御部）
Ｂ 第２運転領域（所定の部分負荷域）
Ｒ１ 中央側領域
Ｒ２ 外周側領域
Ｇ１ 第１混合気
Ｇ２ 第２混合気

Claims (10)

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、
   前記燃焼室内に燃料を噴射するよう構成されたインジェクタと、
   前記燃焼室の中央側に臨む電極を有しかつ、該電極から火花を放電するように構成された点火プラグと、
   前記インジェクタ及び前記点火プラグに対して信号を出力するよう構成された制御部と、を備え、
   前記エンジン本体は、幾何学的圧縮比が１６以上に設定されており、
   前記制御部は、前記エンジン本体の負荷が所定の部分負荷域にあるとき、前記燃焼室において前記電極を含んだ領域に形成される第１混合気の空燃比が、着火時点において、理論空燃比よりもリーンかつ、前記燃焼室において前記第１混合気よりも外周側の領域に形成される第２混合気の空燃比よりもリーンになるように前記インジェクタへ信号を出力すると共に、
   前記点火プラグから放電された火花によって前記第１混合気が着火をして火炎伝播する共に、燃焼後半には、前記第２混合気が圧縮着火燃焼をする予混合圧縮着火式エンジンの制御装置。
2. 請求項１に記載の予混合圧縮着火式エンジンの制御装置において、
   前記制御部は、前記インジェクタが、前記燃焼室の全域に燃焼を拡散させる第１噴射と、該第１噴射の後、前記燃焼室の一部に燃料を偏在させる第２噴射とを実行するよう、前記インジェクタへ信号を出力し、
   前記第１噴射により噴射された燃料が、前記第１混合気を形成する一方、前記第１噴射により噴射された燃料と、前記第２噴射により噴射された燃料とが、前記第２混合気を形成するように構成された予混合圧縮着火式エンジンの制御装置。
3. 請求項２に記載の予混合圧縮着火式エンジンの制御装置において、
   前記インジェクタは、吸気行程から圧縮行程前期までの期間内に前記第１噴射を実行し、該第１噴射以降から圧縮行程中期までの期間内に前記第２噴射を実行する予混合圧縮着火式エンジンの制御装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の予混合圧縮着火式エンジンの制御装置において、
   前記制御部は、前記エンジン本体の負荷が高まるにつれて、前記第１混合気の空燃比がリッチ側にシフトするよう、前記インジェクタへ信号を出力する予混合圧縮着火式エンジンの制御装置。
5. 請求項４に記載の予混合圧縮着火式エンジンの制御装置において、
   前記制御部は、所定の点火タイミングで放電するように前記点火プラグへ信号を出力し、
   前記制御部はまた、前記第１混合気の空燃比がリーン側にシフトするにつれて、前記点火タイミングを進角させる予混合圧縮着火式エンジンの制御装置。
6. 請求項５に記載の予混合圧縮着火式エンジンの制御装置において、
   前記制御部は、前記点火タイミングを圧縮上死点以前に設定するよう構成されている予混合圧縮着火式エンジンの制御装置。
7. 請求項４〜６のいずれか１項に記載の予混合圧縮着火式エンジンの制御装置において、
   前記制御部は、前記エンジン本体の負荷にかかわらず、前記第２混合気の空燃比が一定に保たれるよう、前記インジェクタへ信号を出力する予混合圧縮着火式エンジンの制御装置。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の予混合圧縮着火式エンジンの制御装置において、
   前記エンジン本体は、幾何学的圧縮比が３５以下に設定されている予混合圧縮着火式エンジンの制御装置。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の予混合圧縮着火式エンジンの制御装置において、
   前記燃焼室内に既燃ガスを導入するように構成されたＥＧＲシステムを備え、
   前記制御部は、前記エンジン本体が前記所定の部分負荷域にあるときに、前記燃焼室内に既燃ガスを導入するよう、前記ＥＧＲシステムへ信号を出力する予混合圧縮着火式エンジンの制御装置。
10. 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、
    前記燃焼室内に燃料を噴射するよう構成されたインジェクタと、
    前記燃焼室の中央側に臨む電極を有しかつ、該電極から火花を放電するように構成された点火プラグと、
    前記インジェクタ及び前記点火プラグに対して信号を出力するよう構成された制御部と、を備え、
    前記エンジン本体は、幾何学的圧縮比が１６以上に設定されており、
    前記制御部は、前記エンジン本体の負荷が所定の部分負荷域にあるとき、前記インジェクタが、前記燃焼室の全域に燃焼を拡散させる第１噴射と、該第１噴射の後、前記燃焼室の一部に燃料を偏在させる第２噴射とを実行するよう、前記インジェクタへ信号を出力し、
    前記第１噴射により噴射された燃料が、前記燃焼室において前記電極を含んだ領域に、理論空燃比よりもリーンな第１混合気を形成する一方、
    前記第１噴射により噴射された燃料と前記第２噴射により噴射された燃料とが、前記燃焼室において前記第１混合気よりも外周側の領域に第２混合気を形成し、
    前記インジェクタは、吸気行程から圧縮行程前期までの期間内に前記第１噴射を実行し、該第１噴射以降から圧縮行程中期までの期間内に前記第２噴射を実行する予混合圧縮着火式エンジンの制御装置。

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