JP6468448B2

JP6468448B2 - 予混合圧縮着火式エンジン

Info

Publication number: JP6468448B2
Application number: JP2017087584A
Authority: JP
Inventors: 雄司原田; 青木　理; 理青木
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2017-04-26
Filing date: 2017-04-26
Publication date: 2019-02-13
Anticipated expiration: 2037-04-26
Also published as: JP2018184908A

Description

本発明は、燃料を空気と混合しつつ自着火させる予混合圧縮着火燃焼（ＨＣＣＩ燃焼）が可能なエンジンに関する。

自動車などの車両用のガソリンエンジンとして、予め空気と混合された燃料（混合気）を燃焼室内で自着火させる、予混合圧縮着火式のエンジンが検討されている。予混合圧縮着火式のエンジンは、燃焼室の各所において混合気が同時に燃焼を開始するという特徴がある。このため、エンジンの熱効率ひいては燃費性能を大幅に向上できると期待されている。

その一方で、燃焼室の各所で混合気が同時多発的に燃焼するのに伴い、燃焼室内の圧力、つまり筒内圧力が急激に上昇するという新たな問題が生起される。例えば、筒内圧力の急上昇によって大きな燃焼騒音が発生する上に、ピストンを往復動させるクランク機構等のエンジン部品に加わる荷重が増大する。また、燃焼室内で発生した火炎が、燃焼室内の急激な圧力上昇により燃焼室壁面に押さえつけられて接触することにより、燃焼室壁面を通じた放熱が促進され、冷却損失が増大する。

なお、特許文献１では、上記のような問題の一部に対処し得るエンジンとして、燃焼室壁面に熱伝導を遮断する機能を有する溶射皮膜をコーティングし、燃焼室壁面に遮熱性を具備させた予混合圧縮着火式エンジンが開示されている。

特開２０１６−９８４０７号公報

しかしながら、上記特許文献１のように、燃焼室の壁面全体に単に遮熱性を有するコーティング層を設けるだけでは、予混合圧縮着火式エンジンにおいて懸念される上述した問題、つまり、筒内圧力の急上昇に伴う燃焼騒音や冷却損失の増大等の問題に対して、十分に対処することができない。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、筒内圧力の急上昇を抑制しつつ熱効率を良好に確保することが可能な予混合圧縮着火式エンジンを提供することを目的とする。

前記課題を解決するためのものとして、本発明は、気筒に往復動可能に収容されたピストンと、気筒とピストンとにより画成された燃焼室にガソリンを含有する燃料を噴射する燃料噴射装置と、燃焼室に水を噴射する水噴射装置とを備え、前記燃料噴射装置から噴射された燃料を空気と混合しつつ自着火により燃焼させる予混合圧縮着火燃焼が可能なエンジンであって、前記燃焼室を囲む燃焼室壁面の径方向中央部のみに、燃焼室壁面の母材よりも熱伝導率が小さい断熱層が配置され、前記水噴射装置は、前記ピストンと対向する燃焼室の天井面の中央付近から前記ピストンに向けて放射状に水を噴射するように設けられ、負荷が所定値以上の高負荷領域でエンジンが運転されているとき、前記水噴射装置は、燃焼が開始される直前の燃焼室の外周部に水が偏在するように、圧縮行程の前期または中期に水を噴射する、ことを特徴とするものである（請求項１）。

本発明によれば、燃焼室壁面の中央部に断熱層が配置されるので、この断熱層の効果により、燃焼室から燃焼室壁面の中央部を通じて外部に熱が逃げるのを抑制することができる。これにより、燃焼が開始される直前、つまりピストンが圧縮上死点付近まで上昇して燃焼室が十分に高温化した時点において、燃焼室の内部に有意な温度分布（径方向に所定量以上の温度差が生じる状態）をつくり出すことができる。すなわち、壁面に断熱層が設けられた燃焼室の中央部については、放熱が抑制されて高温化する一方、壁面に断熱層が設けられない燃焼室の外周部については、断熱層による断熱効果が得られないため、比較的低温となる。このようにして、燃焼室の中央部の温度が外周部に比べて十分に高くなり、有意な温度分布が得られる。

前記のような温度分布（温度差）が燃焼室に形成されるのに伴い、燃焼室内で燃料が自着火するタイミングに差が生じ、燃焼を緩慢化させることができる。すなわち、温度が高い燃焼室の中央部でまず燃料が自着火し、その後、比較的低温な燃焼室の外周部で燃料が自着火するというように、径方向の内側から外側にかけて順に燃焼が進行するという燃焼形態を実現することができる。これにより、全体として燃焼を緩慢化することができ、筒内圧力の急上昇を抑制することができる。

ただし、エンジン負荷が高い高負荷領域では、燃料噴射量が多く、燃焼により発生する熱量が多くなるので、前記のような断熱層を利用した温度分布の形成だけでは、燃焼の緩慢化作用を所期のレベルまで高めることは難しいと考えられる。これに対し、本発明では、前記高負荷領域において、燃焼室の外周部に水を偏在させる水噴射が燃焼の開始（自着火）前に実行されるので、噴射された水によって燃焼室の外周部が冷却されることにより、当該外周部の温度がさらに低下する結果、燃焼室の中央部と外周部との温度差がさらに拡大する。これにより、燃焼の進行がさらに緩やかになり、筒内圧力の急上昇を効果的に抑制することができる。しかも、本発明では、圧縮行程の前期ないし中期に燃焼室の天井面の中央付近から放射状に水が噴射されるので、噴射した水をピストンの冠面の外周部または気筒の周壁に指向させることができ、この噴射水によって燃焼室の外周部に水が偏在する状態を適正につくり出すことができる。

そして、前記のような作用により特にエンジンの高負荷領域で筒内圧力の急上昇が抑制される結果、筒内圧力の上昇率（ｄｐ／ｄθ）の最大値が低減され、燃焼騒音の小さい商品性に優れたエンジンを実現することができる。また、燃焼温度の最大値も低減されるので、ＮＯｘ発生量の少ないクリーンな燃焼を実現することができる。

加えて、径方向の内側から外側に順に燃焼を進行させることが可能な本発明によれば、比較的低温とされる燃焼室の外周部の壁面に火炎が一気に到達するのを回避でき、しかも初期燃焼が起きる領域は断熱層によって断熱されるので、燃焼熱が外部に逃げるのを十分に抑制することができる。これにより、冷却損失を低減してエンジンの熱効率を効果的に向上させることができる。

好ましくは、前記水噴射装置は、前記高負荷領域での運転時、圧縮行程の前期または中期に噴射する前記水の噴射量を負荷が高いほど増大させる（請求項２）。

この構成によれば、熱発生量が多く燃焼が急峻化し易い条件であるほど、燃焼室の外周部に対する水による冷却効果を高めることができ、燃焼室内の温度差による燃焼の緩慢化を促進することができる。

好ましくは、前記高負荷領域よりも負荷の低い低負荷領域での運転時、前記燃料噴射装置は、圧縮行程の後半に燃料を噴射し、前記水噴射装置は、圧縮行程の後期または膨張行程の初期に水を噴射するか、もしくは水噴射を停止する（請求項３）。

この構成によれば、負荷の低い低負荷領域での運転時に、圧縮行程の後半という比較的遅い時期に燃料噴射が実行されるので、噴射量が少なく燃料のペネトレーションが弱いこととの相乗効果により、燃料が自着火する前の時点で、燃焼室の一部にのみ燃料が偏存する状態が得られる。このような状態で燃料が自着火すると、燃焼領域（火炎が拡がる領域）が比較的狭い範囲に限定されるので、火炎が燃焼室壁面に接触する面積を小さくでき、冷却損失を効果的に低減することができる。

また、前記低負荷領域では、高負荷領域のときと異なり、燃焼室の外周部に水を偏在させるための水噴射（圧縮行程の前期または中期の水噴射）が行われずに、水噴射自体が停止されるか、もしくは水噴射のタイミングが圧縮行程の後期または膨張行程の初期まで遅くされるので、燃焼領域が限定される状況下で燃焼室の外周部が無駄に冷却されるのを回避することができる。

なお、低負荷領域において圧縮行程の後期または膨張行程の初期に水を噴射した場合には、スートを抑制する効果が得られると考えられる。すなわち、前記のように燃焼領域を限定した場合には、場所によって過剰にリッチな混合気が形成されることがあり、そのことが予想外に多量のスート発生につながる可能性がある。これに対し、圧縮上死点に近い前記のようなタイミングで水噴射を実行した場合には、燃焼が継続中の高温の燃焼室に水が供給されて気化し、その気化後の水蒸気が燃焼反応に寄与するＯＨラジカルを増大させるので、当該ＯＨラジカルによる強力な酸化作用により、炭素（Ｃ）の酸化が促進される（ＣＯ_２等に変換される）結果、スートの発生量を効果的に抑制することができる。

好ましくは、前記予混合圧縮着火式エンジンは、前記断熱層と当該断熱層よりも径方向外側に位置する部分の燃焼室壁面とを覆う遮熱層をさらに備え、前記遮熱層は、熱伝導率が前記燃焼室壁面の母材よりも小さく、かつ体積比熱が前記断熱層よりも小さい部材により構成される（請求項４）。

このように、断熱層とその径方向外側の壁面とをともに覆う遮熱層を設けた場合には、燃焼室壁面を通じて熱が逃げるのを遮熱層によって抑制することができ、冷却損失を低減することができる。特に、高温になり易い燃焼室の中央部は、遮熱層と断熱層とにより二重に断熱されることになるので、冷却損失の低減効果をより高めることができる。しかも、遮熱層は、断熱層よりも体積比熱が小さく（蓄熱性が低く）、周囲の温度に追従して変動し易い。このため、燃焼が終了してから次の燃焼が起きるまでの間に、例えば新気の導入等に伴って遮熱層の温度を速やかに低下させることができる。これにより、燃焼室の温度が過度に上昇するような事態が回避されるので、燃焼室の断熱により冷却損失の低減を図りながらも、異常燃焼等が発生するのを効果的に防止することができる。

以上説明したように、本発明の予混合圧縮着火式エンジンによれば、筒内圧力の急上昇を抑制しつつ熱効率を良好に確保することができる。

本発明の一実施形態にかかる予混合圧縮着火式エンジンの全体構成を示す図である。エンジン本体の断面図である。ピストンの冠面を上方から見た概略平面図である。ピストンの冠面に断熱層および遮熱層を設けたことによる効果を説明するための図である。エンジンの制御系統を示すブロック図である。エンジンの運転条件に応じた制御の相違を示すマップ図である。低速・高負荷域（第１運転領域）での燃料噴射および水噴射の態様を説明するためのタイムチャートである。低速・低負荷域（第２運転領域）での燃料噴射および水噴射の態様を説明するためのタイムチャートである。高速・高負荷域（第３運転領域）での燃料噴射および水噴射の態様を説明するためのタイムチャートである。上記第１運転領域での水噴射による作用を説明するための動作説明図である。上記第２運転領域での水噴射による作用を説明するための動作説明図である。上記第３運転領域での水噴射による作用を説明するための動作説明図である。

（１）エンジンの全体構成
図１および図２は、本発明の制御装置が適用された予混合圧縮着火式エンジン（以下、単にエンジンともいう）の好ましい実施形態を示す図である。本図に示されるエンジンは、走行用の動力源として車両に搭載された４サイクルのガソリンエンジンであり、列状に並ぶ４つの気筒２を含む直列多気筒型のエンジン本体１と、エンジン本体１に導入される吸気が流通する吸気通路２０と、エンジン本体１から排出される排気ガスが流通する排気通路３０と、排気通路３０を流通する排気ガスから取り出した水をエンジン本体１の各気筒２に供給する水供給システム５０とを備えている。

エンジン本体１は、図２に示すように、気筒２が内部に形成されたシリンダブロック３と、気筒２を上から塞ぐようにシリンダブロック３の上面に取り付けられたシリンダヘッド４と、各気筒２にそれぞれ往復動可能に収容されたピストン５とを有している。

ピストン５の上方には燃焼室１０が画成されている。燃焼室１０には、後述する燃料噴射弁１１から噴射される燃料（ガソリンを主成分とする燃料）が供給される。そして、供給された燃料が燃焼室１０で燃焼し、その燃焼による膨張力で押し下げられたピストン５が上下方向に往復運動する。

ピストン５の下方には、エンジン本体１の出力軸であるクランク軸１５が配設されている。クランク軸１５は、ピストン５とコネクティングロッド１４を介して連結され、ピストン５の往復運動に応じて中心軸回りに回転する。シリンダブロック３には、クランク軸１５の回転角度（クランク角）および回転速度（エンジン回転速度）を検出するクランク角センサＳＮ１が設けられている。

図３は、ピストン５の冠面４０を上方から見た概略平面図である。この図３および先の図２に示すように、ピストン５の冠面４０には、その中央部をシリンダヘッド４とは反対側（下方）に凹陥させたキャビティＣが形成されている。キャビティＣは、冠面４０の中央部における平面視円形の領域において、深皿状の凹部をなすように形成されている。すなわち、キャビティＣは、ほぼ円形かつ平面状の底面部４１と、底面部４１の外周縁から上方に立ち上がる傾斜した周面部４２とを有している。周面部４２の上端であるキャビティＣの開口縁Ｃ１よりも径方向外側に位置する部分の冠面４０は、スキッシュ部４３とされ、このスキッシュ部４３は、径方向外側ほど高さが低くなるように傾斜した平面視リング状の傾斜面とされている。

キャビティＣの底面部４１には断熱層４５が配置されている。また、この断熱層４５が配置された冠面４０を上から全体的に覆うように、遮熱層４６が配置されている。これら断熱層４５および遮熱層４６の詳細については後述する。

シリンダヘッド４には、図外の燃料ポンプから供給されるガソリンを主成分とする燃料を各気筒２の燃焼室１０に噴射する燃料噴射弁１１（請求項にいう「燃料噴射装置」に相当）が、気筒２ごとに１つずつ（合計４つ）設けられている。各燃料噴射弁１１は、気筒２の中心軸に対しやや傾いた姿勢で、後述する水噴射弁５７と隣接するように設けられている。なお、図１に示すように、燃料噴射弁１１の上方には、上記燃料ポンプから供給された燃料を蓄圧状態で貯留する燃料レール１６が設けられている。この燃料レール１６に貯留された燃料は、燃料噴射弁１１と同数の（４つの）分配管１７を通じて各燃料噴射弁１１に供給される。

燃料噴射弁１１は、気筒２の中心軸の近傍において燃焼室１０に露出する先端部を有し、当該先端部に設けられた複数の噴孔（図示省略）を通じて放射状に燃料を噴射することが可能である。燃料噴射弁１１の先端部は、ピストン５が上死点の近傍にあるときに当該ピストン５のキャビティＣに燃料を供給可能な位置に配置されている。燃料噴射弁１１からは吸気行程または圧縮行程中に燃料が噴射され、噴射された燃料は、燃焼室１０に導入された空気（吸気）と混合された後に、例えば圧縮上死点の近傍で自着火する。

すなわち、当実施形態のエンジンでは、燃料としてガソリンを用いた場合に一般的に採用される火花点火燃焼（混合気を火花点火により強制着火させる燃焼）ではなく、燃料と空気との混合気をピストン５による圧縮に伴い自着火させるＨＣＣＩ燃焼（予混合圧縮着火燃焼）がエンジンの全ての運転領域において実行されるようになっている。このため、当実施形態のエンジンでは基本的に点火プラグは不要であるが、例えばエンジンが冷間始動された直後のような自着火が困難な状況下においてＨＣＣＩ燃焼に代えて火花点火燃焼を実行したり、あるいは暖機後であってもＨＣＣＩ燃焼の促進のためにいわゆるスパークアシストを実行することがあり、そのような目的のために点火プラグを設けてもよい。

上記のようなＨＣＣＩ燃焼を可能にするために、当実施形態のエンジンでは、火花点火燃焼が採用される一般的なガソリンエンジンと比べて、各気筒２の圧縮比が高めに設定されている。具体的に、当実施形態では、各気筒２の幾何学的圧縮比、つまり、ピストン５が上死点にあるときの燃焼室１０の容積とピストン５が下死点にあるときの燃焼室１０の容積との比が、１６以上３５以下、より好ましくは１８以上３０以下に設定されている。

図２に示すように、シリンダヘッド４には、気筒２ごとに、吸気通路２０から供給される空気を燃焼室１０に導入するための吸気ポート６と、燃焼室１０で生成された排気ガスを排気通路３０に導出するための排気ポート７と、吸気ポート６の燃焼室１０側の開口を開閉する吸気弁８と、排気ポート７の燃焼室１０側の開口を開閉する排気弁９とがそれぞれ設けられている。

図１に示すように、吸気通路２０は、単管状の共通吸気管２２と、共通吸気管２２の下流端から枝分かれするように形成された吸気マニホールド２１とを有している。吸気マニホールド２１の各枝管の下流端部は、各気筒２の燃焼室１０と吸気ポート６を介して連通するようにエンジン本体１（シリンダヘッド４）に接続されている。なお、本明細書において、吸気通路２０における上流（または下流）とは、吸気通路２０を流通する吸気の流れ方向の上流（または下流）のことをいう。

共通吸気管２２には、吸気中に含まれる異物を除去するエアクリーナ２５と、共通吸気管２２を流通する吸気の流量を調整する開閉可能なスロットル弁２７とが、上流側からこの順に設けられている。さらに、共通吸気管２２におけるスロットル弁２７よりも下流側には、共通吸気管２２を流通する吸気の流量を検出するエアフローセンサＳＮ２が設けられている。

なお、当実施形態のエンジンでは全ての運転領域でＨＣＣＩ燃焼が実行されるため、スロットル弁２７は、減速運転時やエンジン停止時等を除いて、基本的に全開相当の開度に維持される。

排気通路３０は、単管状の共通排気管３２と、共通排気管３２の上流端から枝分かれするように形成された排気マニホールド３１とを有している。排気マニホールド３１の各枝管の上流端部は、各気筒２の燃焼室１０と排気ポート７を介して連通するようにエンジン本体１（シリンダヘッド４）に接続されている。なお、本明細書において、排気通路３０における上流（または下流）とは、排気通路３０を流通する排気ガスの流れ方向の上流（または下流）のことをいう。

共通排気管３２には、触媒装置３５、熱交換器５４、およびコンデンサ５１が、上流側からこの順に設けられている。

触媒装置３５は、排気ガス中に含まれる有害成分を浄化するためのものであり、例えば、三元触媒、酸化触媒、およびＮＯｘ触媒のいずれかもしくはその組合せからなる触媒を内蔵している。なお、このような触媒に加えて、排気ガス中に含まれるＰＭを捕集するためのフィルターが含まれていてもよい。

コンデンサ５１は、排気ガス中に含まれる水蒸気を凝縮させるものであり、熱交換器５４は、コンデンサ５１で生成された凝縮水を昇温させるものである。これら熱交換器５４およびコンデンサ５１は、水供給システム５０の一部を構成する要素である（詳細は後述する）。

（２）断熱層／遮熱層の詳細
ピストン５の冠面４０に設けられた上述した断熱層４５および遮熱層４６は、燃焼室１０での混合気の燃焼時に、燃焼室１０に所望の温度分布をもたせるために設けられている。ここでいう所望の温度分布とは、燃焼室１０の径方向中央部（以下、単に中央部という）が高温になり、かつ当該中央部よりも径方向外側に位置する燃焼室１０の外周部が低温になるような温度分布である。このような温度分布を実現するため、断熱層４５および遮熱層４６は、それぞれ次のように構成されている。

図２および図３に示すように、断熱層４５は、上下方向（気筒２の軸線方向）に所定の厚みを有するほぼ円板状の部材であり、ピストン５の冠面４０のうちキャビティＣの底面部４１に対応する中央部を占めるように配置されている。もちろん、断熱層４５を円板状とするのはあくまで一例であり、平面視で多角形や他の形状を有する部材であってもよい。

遮熱層４６は、キャビティＣを含むピストン５の冠面４０をほぼ全体に亘って覆うように設けられている。すなわち、遮熱層４６は、断熱層４５が配置されたキャビティＣの底面部４１と、底面部４１の外周縁から上方に立ち上がるキャビティＣの周面部４２と、キャビティＣの開口縁Ｃ１よりも径方向外側に位置するスキッシュ部４３とを連続して覆うように配置されている。特に、キャビティＣの底面部４１では、断熱層４５をさらに上から覆うように遮熱層４６が配置されており、断熱層４５と遮熱層４６とが下からこの順に積層されている。遮熱層４６は、冠面４０におけるいずれの位置においてもほぼ一定の厚みを有しているが、当該厚みは断熱層４５のそれよりも小さくされている。

ここで、燃焼室１０を囲む壁面、つまり、燃焼室１０の周面（気筒２の周壁）を規定するシリンダブロック３の内周面と、燃焼室１０の天井面を規定するシリンダヘッド４の下面と、燃焼室１０の底面を規定するピストン５の冠面４０とを含む各壁面のことを、総称して「燃焼室壁面」という。この燃焼室壁面を構成する部品（つまりシリンダブロック３、シリンダヘッド４、ピストン５等）の母材として、当実施形態では、ＡＣ８Ａ等のアルミ合金が用いられている。

一方、断熱層４５の材料としては、上記燃焼室壁面の母材よりも熱伝導率が小さく、かつ体積比熱が大きい（言い換えると蓄熱性が高い）材料が選択される。また、遮熱層４６の材料としては、上記燃焼室壁面の母材よりも熱伝導率が小さく、かつ体積比率が小さい（言い換えると蓄熱性が低い）材料が選択される。

さらに、断熱層４５と遮熱層４６とを直接比較した場合、両者の関係は、遮熱層４６の熱伝導率および体積比熱の双方が断熱層４５のそれよりも小さくなる関係とされている。

断熱層４５および遮熱層４６の熱伝導率が燃焼室壁面の母材よりも小さいのは、燃焼室１０からピストン５の冠面４０を通じて熱が逃げるのを抑制するためである。ただし、遮熱層４６は断熱層４５に比べて厚みが小さいので、遮熱層４６に断熱層４５と同レベルの熱伝導率を付与したのでは、十分な断熱性を確保できない可能性がある。そこで、上記のとおり、遮熱層４６の熱伝導率が断熱層４５のそれよりも小さい値に設定されている。

また、断熱層４５の体積比熱が燃焼室壁面の母材よりも大きいのは、冠面４０の中央部を高温に維持するためである。一方で、遮熱層４６が断熱層４５と同レベルに大きい体積比熱（蓄熱性）を有していると、冠面４０の中央部だけでなく外周部までもが高温に維持されてしまい、やはり有意な温度分布を形成することが困難になる。そこで、上記のとおり、遮熱層４６の体積比熱が断熱層４５のそれよりも小さく設定されている。

上記の要件を満たす断熱層４５の材料としては、例えばセラミックス材料を例示することができる。一般に、セラミックス材料は、熱伝導率が低い一方で体積比熱が大きく、また耐熱性にも優れるので、断熱層４５として好適である。具体的に、好ましいセラミックス材料は、ジルコニアである。この他、窒化ケイ素、シリカ、コージライト、ムライト等のセラミックス材料も例示することができる。なお、セラミック製の断熱層４５をキャビティＣの底面部４１に固定する方法としては、例えば、底面部４１に収容凹部を設けてこの収容凹部に断熱層４５を圧入する方法、もしくは、鋳ぐるみ成型によって底面部４１に溶着させる方法などを例示することができる。

また、上記の要件を満たす遮熱層４６の材料としては、例えば耐熱性のシリコーン樹脂を例示することができる。シリコーン樹脂としては、メチルシリコーン樹脂、メチルフェニルシリコーン樹脂に代表される、分岐度の高い３次元ポリマーからなるシリコーン樹脂を例示することができ、例えば、ポリアルキルフェニルシロキサンなどが好適である。このようなシリコーン樹脂に、シラスバルーンのような中空粒子が含まれていてもよい。なお、シリコーン樹脂製の遮熱層４６は、例えばコーティング処理によりピストン５の冠面４０に固着させることができる。

下記の表１に、燃焼室壁面の母材、断熱層４５、および遮熱層４６の好ましい材料選定例を示す。具体的に、表１は、燃焼室壁面の母材、断熱層４５、および遮熱層４６の好ましい熱伝導率／体積比熱の例と、断熱層４５および遮熱層４６の好ましい膜厚例とをそれぞれ示している。

上記表１に例示したように、遮熱層４６は、熱伝導率が「極小」であり、体積比熱が「小」である。このような遮熱層４６は、熱伝達を十分に遮断することはできるが、蓄熱する機能には乏しい。遮熱層４６は、ピストン５の冠面４０の全体にコーティングされているので、図４の矢印Ｄ１に示すように、燃焼室１０から冠面４０を通じて熱が逃げるのを抑制することができる。しかしながら、遮熱層４６の蓄熱能力は低いので、遮熱層４６だけがコーティングされている領域は、燃焼室１０の室内温度に追従して温度変化する傾向がある。

一方、断熱層４５の熱伝導率は「小」とされ、遮熱層４６の熱伝導率よりは大きいが、母材の熱伝導率よりは十分に小さい。一方、断熱層４５の体積比熱は、遮熱層４６およびピストン５（燃焼室壁面の母材）のいずれの体積比熱よりも大きい「大」である。しかも断熱層４５の膜厚は遮熱層４６に比べて約１０倍大きい。このような断熱層４５は、熱伝達を十分に遮断することができ、しかも蓄熱する機能にも優れている。このような断熱層４５が冠面４０の中央部に追加で配置されることにより、冠面４０の中央部が高度に断熱されるだけでなく、図４の矢印Ｄ２、Ｄ３に示すように、断熱層４５の周囲の熱が当該断熱層４５に蓄熱されるようになる。

上記の断熱層４５および遮熱層４６の性質に依拠して、燃焼室１０では、特に圧縮上死点付近において、その中央部の温度が外周部に比べて高くなるという温度分布が得られる（図４の上段のグラフ参照）。

すなわち、当実施形態では、ピストン５の冠面４０全体に遮熱層４６が形成されているので、ピストン５による圧縮や燃焼により圧縮上死点付近において燃焼室１０の内部が高温化したとしても、その熱がピストン５の冠面４０を通じて外部に逃げることが抑制され、燃焼室１０は高温に維持される。このとき、燃焼室１０の外周部は、中央部に比べて、燃焼ガスの容積が少ない割に燃焼室壁面との接触面積が大きいので、おのずと燃焼室１０の外周部の温度は中央部よりも低下し易い。このため、圧縮上死点付近の燃焼室１０の温度が上記のとおり全体的に上昇することにより、燃焼室１０の中央部と外周部との温度差は拡大する。ただし、遮熱層４６は冠面４０の全体を覆っているので、積極的に温度差を生じさせるには至らず、温度差は十分に大きくはならない。

これに対し、当実施形態では、冠面４０の中央部（キャビティＣの底面部４１）のみに断熱層４５が追加で配置されているので、この断熱層４５による熱伝達の遮断機能と蓄熱機能とが追加されることにより、燃焼室１０の中央部の温度がさらに高くなり、当該中央部と外周部との温度差が拡大する。このように、当実施形態では、断熱層４５と遮熱層４６との相乗効果により、燃焼室１０の中央部が外周部よりも十分に高温化されるので、当該中央部の環境を自着火がより生じ易い環境にすることができる。

なお、冠面４０を全体的に覆っている遮熱層４６は、その体積比熱が十分に小さいので、燃焼室１０において燃焼が終了した後は、例えば新気の導入等に伴って速やかに温度低下する。このように、燃焼サイクルの中で遮熱層４６が高応答に温度変化することにより、ピストン５および燃焼室１０の温度が過度に上昇するような事態が回避される。

（３）水供給システムの具体的構成
図１に示すように、水供給システム５０は、排気通路３０に設けられた上述したコンデンサ５１および熱交換器５４と、コンデンサ５１で生成された凝縮水を貯留する水タンク５２と、水タンク５２に貯留された凝縮水を熱交換器５４に向けて圧送する送水ポンプ５３と、送水ポンプ５３で加圧されかつ熱交換器５４で加熱された高温・高圧の水を保温しつつ蓄圧状態で貯留する蓄圧レール５６と、蓄圧レール５６に貯留された水を各気筒２の燃焼室１０に供給するために気筒２ごとに１つずつ（合計４つ）設けられた水噴射弁５７（請求項にいう「水噴射装置」に相当）と、コンデンサ５１と水タンク５２とを接続する第１水配管６１と、水タンク５２と熱交換器５４とを接続する第２水配管６２と、熱交換器５４と蓄圧レール５６とを接続する第３水配管６３と、蓄圧レール５６と各水噴射弁５７とを接続する複数の（４つの）分配管６４とを有している。

コンデンサ５１は、共通排気管３２を流通する排気ガス中に含まれる水蒸気を凝縮させるための熱交換器であり、所定の冷媒（例えばエンジンの冷却水）との熱交換により排気ガスを冷却することで、当該排気ガス中に含まれる水蒸気を凝縮させる。コンデンサ５１で生成された凝縮水は、第１水配管６１を通じて下流側に流出し、水タンク５２内に貯留される。

送水ポンプ５３は、第２水配管６２の途中部に設けられており、水タンク５２内に貯留された凝縮水を加圧しつつ熱交換器５４に向けて送り出す。なお、図１では送水ポンプとして単一のポンプ５３を図示しているが、送水ポンプは、水タンク５２に貯留された水を比較的低圧で送り出すフィードポンプと、フィードポンプから送り出された水を加圧して所望の圧力まで高める高圧ポンプとを組み合わせた複数段のポンプであってもよい。

熱交換器５４は、送水ポンプ５３から供給された水を、コンデンサ５１に流入する前の排気ガスとの熱交換により加熱するように設けられている。詳細な図示は省略するが、熱交換器５４は、共通排気管３２のうち触媒装置３５とコンデンサ５１との間に位置する部分に挿入された小径かつ長尺形状の細管５４ａと、この細管５４ａが挿入される部分の共通排気管３２を覆うように設けられた保温ケース５４ｂとを有している。

熱交換器５４で加熱された水は、第３水配管６３を通じて下流側に送り出され、蓄圧レール５６に貯留される。蓄圧レール５６には、内部の水の圧力を検出する水圧センサＳＮ３が設けられている。

蓄圧レール５６に貯留された水は、上記のような熱交換器５４による加熱と送水ポンプ５３による加圧とを経て、その温度／圧力が１００℃以上／２ＭＰａ以上にまで高められている。圧力が２ＭＰａ以上と高いため、１００℃以上に加熱されても水は沸騰せず、液体の状態を維持している。そして、このような状態で蓄圧レール５６に貯留された水は、必要時に水噴射弁５７を通じて各気筒２の燃焼室１０に噴射される。すなわち、当実施形態において水噴射弁５７から気筒２に噴射される水は、１００℃以上の温度と２ＭＰａ以上の圧力とを有した高温・高圧の液体水である。

水噴射弁５７は、その軸心が気筒２の中心軸とほぼ一致する姿勢でシリンダヘッド４に取り付けられている。水噴射弁５７は、ピストン５のキャビティＣを真上から臨むように燃焼室１０の天井面中央付近において燃焼室１０に露出する先端部を有し、当該先端部に設けられた複数の噴孔（図示省略）を通じて放射状に水を噴射することが可能である。

（４）エンジンの制御系統
図５は、エンジンの制御系統を示すブロック図である。本図に示されるＰＣＭ１００は、エンジンを統括的に制御するためのマイクロプロセッサであり、周知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成されている。

ＰＣＭ１００には各種センサによる検出信号が入力される。例えば、ＰＣＭ１００は、上述したクランク角センサＳＮ１、エアフローセンサＳＮ２、および水圧センサＳＮ３と電気的に接続されており、これらのセンサによって検出された情報（つまりクランク角、エンジン回転速度、吸気流量、水圧等）が電気信号としてＰＣＭ１００に逐次入力されるようになっている。

また、車両には、当該車両を運転するドライバーにより操作されるアクセルペダル（図示省略）の開度を検出するアクセルセンサＳＮ４が設けられており、このアクセルセンサＳＮ４による検出信号もＰＣＭ１００に入力される。

ＰＣＭ１００は、上記各センサからの入力信号に基づいて種々の判定や演算等を実行しつつエンジンの各部を制御する。すなわち、ＰＣＭ１００は、燃料噴射弁１１、スロットル弁２７、送水ポンプ５３、および水噴射弁５７等と電気的に接続されており、上記演算の結果等に基づいてこれらの機器にそれぞれ制御用の信号を出力する。

上記制御に関する機能的要素として、ＰＣＭ１００は、燃料噴射制御部１０１および水噴射制御部１０２を含んでいる。

燃料噴射制御部１０１は、クランク角センサＳＮ１により検出されるエンジン回転速度と、アクセルセンサＳＮ４の検出値（アクセル開度）から特定されるエンジン負荷（要求トルク）と、エアフローセンサＳＮ２により検出される吸気流量とに基づいて、燃料噴射弁１１からの燃料の噴射量および噴射タイミングを決定し、その決定に従って燃料噴射弁１１を制御する。

水噴射制御部１０２は、水圧センサＳＮ３により検出される蓄圧レール５６の内部圧力（蓄圧レール５６内に貯留されている水の圧力）に基づいて、当該圧力が所要圧力（２ＭＰａ）以上に保持されるように送水ポンプ５３を駆動する。また、水噴射制御部１０２は、上記エンジン負荷および回転速度等に基づいて水噴射弁５７からの水の噴射量および噴射タイミングを決定し、その決定に従って水噴射弁５７を制御する。

（５）運転条件に応じた制御
次に、ＰＣＭ１００（燃料噴射制御部１０１および水噴射制御部１０２）による燃料噴射弁１１および水噴射弁５７の制御について詳しく説明する。

図６は、エンジンの運転条件（負荷／回転速度）に応じた制御の相違を説明するためのマップ図である。本図に示すように、エンジンの運転領域は、燃料噴射弁１１および水噴射弁５７の制御の相違により４つの運転領域Ａ１〜Ａ４に大別される。それぞれ第１運転領域Ａ１、第２運転領域Ａ２、第３運転領域Ａ３、第４運転領域Ａ４とすると、第１運転領域Ａ１は、回転速度が所定値Ｒｘ未満でかつ負荷が所定値Ｌｘ以上となる低速・高負荷の運転領域であり、第２運転領域Ａ２は、回転速度が所定値Ｒｘ未満でかつ負荷が所定値Ｌｘ未満となる低速・低負荷の運転領域であり、第３運転領域Ａ３は、回転速度が所定値Ｒｘ以上でかつ負荷が所定値Ｌｘ以上となる高速・高負荷の運転領域であり、第４運転領域Ａ４は、回転速度が所定値Ｒｘ以上でかつ負荷が所定値Ｌｘ未満となる高速・低負荷の運転領域である。第１運転領域Ａ１は、請求項にいう「高負荷領域」に相当し、第２運転領域Ａ２は、請求項にいう「低負荷領域」に相当する。なお、負荷の閾値である所定値Ｌｘは、図４では回転速度にかかわらず一定のように図示されているが、回転速度に応じて変化する値であってもよい。同様に、回転速度の閾値である所定値Ｒｘは、図４では負荷にかかわらず一定のように図示されているが、負荷に応じて変化する値であってもよい。

図６に示される各運転領域Ａ１〜Ａ４のうち、少なくとも第１、第２、第３運転領域Ａ１，Ａ２，Ａ３では、燃料噴射制御部１０１および水噴射制御部１０２の制御により、燃料噴射弁１１からの燃料噴射と水噴射弁５７からの水噴射との双方が実行される。これら第１、第２、第３運転領域Ａ１，Ａ２，Ａ３における燃料噴射弁１１および水噴射弁５７の動作を、次の（ａ）（ｂ）（ｃ）において順に説明する。

ここで、下記（ａ）〜（ｃ）の説明では、燃料噴射または水噴射のタイミングを特定する用語として、吸気行程または圧縮行程の「前期」、「中期」‥‥などの用語を用いることがあるが、これは、次のことを前提としている。すなわち、本明細書では、吸気行程や圧縮行程等の任意の行程を３等分した場合の各期間を前から順に「前期」「中期」「後期」と定義する。このため、例えば圧縮行程の（ｉ）前期、（ii）中期、（iii）後期とは、それぞれ、（ｉ）圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）１８０〜１２０°ＣＡ、（ii）ＢＴＤＣ１２０〜６０°ＣＡ、（iii）ＢＴＤＣ６０〜０°ＣＡの各範囲のことを指す。同様に、本明細書では、吸気行程や圧縮行程等の任意の行程を２等分した場合の各期間を前から順に「前半」「後半」と定義する。このため、例えば圧縮行程の（iv）前半、（ｖ）後半とは、それぞれ、（iv）ＢＴＤＣ１８０〜９０°ＣＡ、（ｖ）ＢＴＤＣ９０〜０°ＣＡの各範囲のことを指す。

（ａ）第１運転領域での制御
低速・高負荷の第１運転領域Ａ１では、図７に示すように、燃料噴射弁１１からの燃料噴射Ｉｆ１が、吸気行程の中期から後期までの期間内に実行されるとともに、水噴射弁５７からの水噴射Ｉｗ１が、圧縮行程の前期から中期までの期間内に実行される。

燃料噴射Ｉｆ１が上記のようなタイミング（吸気行程の中期〜後期）で実行されることにより、着火前の燃料の分布が十分に均一化される。すなわち、吸気行程の中期から後期にかけた期間内に燃料噴射弁１１から燃料が噴射されると、噴射された燃料は、吸気流動等により撹拌されながら気化・霧化し、圧縮上死点（図７のＴＤＣ）までの間に燃焼室１０内で均一に分散する。

燃料噴射Ｉｆ１による燃料の噴射量は、負荷の高い第１運転領域Ａ１の条件に見合った比較的大きい値に設定される。燃料噴射Ｉｆ１の噴射パルス幅（燃料噴射弁１１の開弁期間）は、決められた噴射量に応じて増減され、噴射量が多いほどパルス幅が長くされる。このことは水噴射Ｉｗ１でも同様である。

水噴射Ｉｗ１のタイミング（圧縮行程の前期〜中期）は、水噴射弁５７から噴射された水を燃焼室１０の外周部に偏在させることを意図して定められている。すなわち、圧縮行程の前期から中期までの期間内に水噴射弁５７から水が噴射されると、その噴射水は、図１０の下段図に示すように（図７にもこれに対応する図を模式的に示す）、ピストン５の冠面４０におけるキャビティＣよりも外側の領域（つまりスキッシュ部４３）か、または気筒２の周壁に向けて放射状に飛翔する。飛翔した水は、冠面４０のスキッシュ部４３または気筒２の周壁に付着した後に蒸発するなどし、その結果、図１０の中段図に示すように、ピストン５が圧縮上死点付近まで上昇した時点で、燃焼室１０の外周部に相対的に濃度の濃い水（主に水蒸気）が存在する状態、つまり燃焼室１０の外周部に存在する水の濃度が燃焼室１０の中央部に比べて十分に濃くなる状態が得られる。そして、このように燃焼室１０の外周部に偏在する水の冷却効果により、燃焼室１０の外周部の壁面温度およびガス温度が低下する結果、燃焼が開始される直前（圧縮上死点付近）の燃焼室１０の温度分布として、図１０の上段のグラフに示すような分布が得られる。

上記のグラフにおいて、実線の波形は水噴射を実施した場合の温度分布を、破線の波形は水噴射を実施しなかった場合の温度分布をそれぞれ示している。両者の比較から、水噴射Ｉｗ１の効果により燃焼室１０の外周部の温度（壁面温度およびガス温度）が集中的に低下し、当該外周部の温度と中央部の温度との差が拡大していることが理解される。なお、当実施形態では、上述した断熱層４５および遮熱層４６が燃焼室１０の中央部の温度を高温化する役割を果たすので、仮に水噴射を実施しなかった場合でも、中央部と外周部との間には既にある程度の温度差が生じている。水噴射Ｉｗ１は、この温度差をさらに拡大させる役割を果たすことになる。

上記噴射水Ｉｗ１による燃焼室１０の外周部に対する冷却効果としては、燃料の噴射量が多く燃焼室１０が高温になり易い高負荷側ほど高いレベルが要求される。このため、水噴射Ｉｗ１による水の噴射量は、総じて、第１運転領域Ａ１の中でも高負荷側ほど大きい値に設定される。

（ｂ）第２運転領域での制御
低速・低負荷の第２運転領域Ａ２では、図８に示すように、燃料噴射弁１１からの燃料噴射Ｉｆ２が圧縮行程の後半に実行されるとともに、水噴射弁５７からの水噴射Ｉｗ２が圧縮上死点の直後に実行される。

第２運転領域Ａ２は第１運転領域Ａ１よりも負荷が低いため、燃料噴射Ｉｆ２による燃料の噴射量は、第１運転領域Ａ１での燃料噴射Ｉｆ１（図７）よりも小さい値に設定される。このように第２運転領域Ａ２では燃料の噴射量が少ないため、燃料噴射弁１１から噴射される燃料のペネトレーション（貫徹力）は比較的弱いものとなる。

燃料噴射Ｉｆ２のタイミング（圧縮行程の後半）は、燃料噴射弁１１から噴射された燃料をピストン５のキャビティＣ内に収めることを意図して定められている。すなわち、圧縮行程の後半に燃料噴射弁１１から燃料が噴射されると、その噴射燃料は、図１１の下段図に示すように（図８にもこれに対応する図を模式的に示す）、ピストン５のキャビティＣの内部に向けて放射状に飛翔する。キャビティＣ内に飛翔した燃料は、噴射量が少なく燃料のペネトレーションが弱いことと相俟って、その多くがキャビティＣの内部に留まることになる。これにより、キャビティＣの内部に存在する燃料の濃度がキャビティＣの外部に比べて十分に濃くなる状態が得られ、キャビティＣの内部に局所的にリッチな混合気が形成される。このリッチな混合気は、ピストン５が圧縮上死点付近に至った時点で難なく自着火に至り、ＨＣＣＩ燃焼が開始される。

水噴射Ｉｗ２のタイミング（圧縮上死点の直後）は、上記のように圧縮上死点付近で開始される燃焼（ＨＣＣＩ燃焼）の期間に水噴射を重ねることを意図して定められている。より詳しくは、水噴射Ｉｗ２のタイミングは、燃焼が開始する時点以後に水噴射が開始され、かつ燃焼が終了する時点以前に水噴射が終了するようなタイミングに設定されている。このようなタイミングで水噴射弁５７から噴射された水は、図１１の上段図に示すように、キャビティＣの内部に向けて放射状に飛翔する。この時点において、燃焼室１０の中央部（主にキャビティＣの内部空間）では既に燃焼が起きているため、水噴射Ｉｗ２による噴射水はこの燃焼領域中に供給されることになる。

（ｃ）第３運転領域での制御
高速・高負荷の第３運転領域Ａ３では、図９に示すように、燃料噴射弁１１からの燃料噴射Ｉｆ３が、吸気行程の中期から後期までの期間内に実行されるとともに、水噴射弁５７からの水噴射Ｉｗ３が、圧縮行程の後期に実行される。

第３運転領域Ａ３は第１運転領域Ａ１と同じ負荷域にあるため、燃料噴射Ｉｆ３による燃料の噴射量は、第１運転領域Ａ１での燃料噴射Ｉｆ１（図７）とほぼ同等になる。ただし、第３運転領域Ａ３では第１運転領域Ａ１よりも回転速度が高い（言い換えると単位時間あたりのクランク角の変化量が大きい）ため、同一量の燃料を噴射するのに要するクランク角は第１運転領域Ａ１のときよりも長くなる。第３運転領域Ａ３での燃料噴射Ｉｆ３のパルス幅が第１運転領域Ａ１での燃料噴射Ｉｆ１のパルス幅よりも長いのはそのためである。

水噴射Ｉｗ３のタイミング（圧縮行程の後期）は、水噴射弁５７から噴射された水を燃焼室１０のキャビティＣ内に収めることを意図して定められている。すなわち、圧縮行程の後期に水噴射弁５７から水が噴射されると、その噴射水は、図１２の下段図に示すように（図９にもこれに対応する模式図を示す）、ピストン５のキャビティＣの内部に向けて放射状に飛翔する。飛翔した水は、キャビティＣの壁面に付着した後に蒸発するなどし、その結果、図１２の中段図に示すように、ピストン５が圧縮上死点付近まで上昇した時点で、燃焼室１０の中央部に相対的に濃度の濃い水（主に水蒸気）が存在する状態、つまり燃焼室１０の中央部に存在する水の濃度が燃焼室１０の外周部に比べて十分に濃くなる状態が得られる。そして、このように燃焼室１０の中央部に偏在する水の冷却効果により、燃焼室１０の中央部（キャビティＣ）の壁面温度およびガス温度が低下する結果、燃焼が開始される直前（圧縮上死点付近）の燃焼室１０の温度分布として、図１２の上段のグラフに示すような分布が得られる。当実施形態では、上述した断熱層４５および遮熱層４６の効果により燃焼室１０の中央部が外周部よりも高温化されるので（グラフ中の破線の波形参照）、水噴射Ｉｗ３により燃焼室１０の中央部の温度が低下させられることで、当該中央部と外周部との温度差が縮小することになる（グラフ中の実線の波形参照）。

上記噴射水Ｉｗ３による燃焼室１０の中央部に対する冷却効果としては、単位時間あたりのクランク角変化量が大きい（そのため燃焼が継続するクランク角範囲が長くなり易い）高速側ほど高いレベルが要求される。このため、水噴射Ｉｗ３による水の噴射量は、総じて、第３運転領域Ａ３の中でも高速側ほど大きい値に設定される。

（６）作用効果
以上説明したとおり、当実施形態の予混合圧縮着火式エンジンでは、ピストン５の冠面４０の中央部に、燃焼室壁面の母材よりも熱伝導率が小さい断熱層４５が配置されるとともに、低速・高負荷の第１運転領域Ａ１での運転時に、燃焼開始の直前において燃焼室１０の外周部に水が偏在させられるように、圧縮行程の前期または中期に水噴射弁５７から水が噴射される。このような構成によれば、燃焼に伴う筒内圧力の急上昇を抑制しつつ、エンジンの熱効率を良好に確保できるという利点がある。

すなわち、上記実施形態では、ピストン５の冠面４０（燃焼室壁面）の中央部に断熱層４５が配置されるので、この断熱層４５の効果により、燃焼室１０から冠面４０の中央部を通じて外部に熱が逃げるのを抑制することができる。これにより、燃焼が開始される直前、つまりピストン５が圧縮上死点付近まで上昇して燃焼室１０が十分に高温化した時点において、燃焼室１０の内部に有意な温度分布（径方向に所定量以上の温度差が生じる状態）をつくり出すことができる。より詳しくは、壁面に断熱層４５が設けられた燃焼室１０の中央部については、放熱が抑制されて高温化する一方、壁面に断熱層４５が設けられない燃焼室１０の外周部については、断熱層４５による断熱効果が得られないため、比較的低温となる。このようにして、燃焼室１０の中央部の温度が外周部に比べて十分に高くなり、有意な温度分布が得られる。

上記のような温度分布（温度差）が燃焼室１０に形成されるのに伴い、燃焼室１０内で燃料が自着火するタイミングに差が生じ、燃焼を緩慢化させることができる。すなわち、温度が高い燃焼室１０の中央部でまず燃料が自着火し、その後、比較的低温な燃焼室１０の外周部で燃料が自着火するというように、径方向の内側から外側にかけて順に燃焼が進行するという燃焼形態を実現することができる。これにより、全体として燃焼を緩慢化することができ、筒内圧力の急上昇を抑制することができる。

ただし、比較的負荷の高い第１運転領域Ａ１では、燃料噴射量が多く、燃焼により発生する熱量が多くなるので、上記のような断熱層４５を利用した温度分布の形成だけでは、燃焼の緩慢化作用を所期のレベルまで高めることは難しいと考えられる。これに対し、上記実施形態では、上記第１運転領域Ａ１において、燃焼室１０の外周部に水を偏在させる水噴射Ｉｗ１が燃焼の開始（自着火）前に実行されるので、噴射された水によって燃焼室１０の外周部が冷却されることにより、当該外周部の温度がさらに低下する結果、燃焼室１０の中央部と外周部との温度差がさらに拡大する。これにより、燃焼の進行がさらに緩やかになり、筒内圧力の急上昇を効果的に抑制することができる。

そして、上記のような作用により特に高負荷の第１運転領域Ａ１で筒内圧力の急上昇が抑制される結果、筒内圧力の上昇率（ｄｐ／ｄθ）の最大値が低減され、燃焼騒音の小さい商品性に優れたエンジンを実現することができる。また、燃焼温度の最大値も低減されるので、ＮＯｘ発生量の少ないクリーンな燃焼を実現することができる。

加えて、径方向の内側から外側に順に燃焼を進行させることが可能な上記実施形態によれば、比較的低温とされる燃焼室１０の外周部の壁面に火炎が一気に到達するのを回避でき、しかも初期燃焼が起きる領域は断熱層４５によって断熱されるので、燃焼熱が外部に逃げるのを十分に抑制することができる。これにより、冷却損失を低減してエンジンの熱効率を効果的に向上させることができる。

また、上記実施形態では、燃焼室１０の天井面の中央付近に設けられた水噴射弁５７からピストン５に向けて放射状に水が噴射されるので、第１運転領域Ａ１での運転時に、水噴射Ｉｗ１によって圧縮行程の前期または中期に水が噴射されることにより、噴射された水をピストン５の冠面４０の外周部（スキッシュ部４３）または気筒２の周壁に指向させることができ、この噴射水によって燃焼室１０の外周部に水が偏在する状態を適正につくり出すことができる。

また、上記実施形態では、第１運転領域Ａ１での運転時に、圧縮行程の前期または中期に実施される上記水噴射Ｉｗ１の量が負荷が高いほど増大されるので、熱発生量が多く燃焼が急峻化し易い条件であるほど燃焼室１０の外周部に対する冷却効果を高めることができ、燃焼室１０内の温度差による燃焼の緩慢化を促進することができる。

また、上記実施形態では、上記第１運転領域Ａ１よりも低負荷側の（低速・低負荷の）第２運転領域Ａ２での運転時に、圧縮行程の後半という比較的遅い時期に燃料噴射Ｉｆ２が実行されるので、噴射量が少なく燃料のペネトレーションが弱いこととの相乗効果により、燃料が自着火する前の時点で、燃焼室１０の一部（特にキャビティＣの内部）にのみ燃料が偏存する状態が得られる。このような状態で燃料が自着火すると、燃焼領域（火炎が拡がる領域）が比較的狭い範囲に限定されるので、火炎が燃焼室壁面に接触する面積を小さくでき、冷却損失を効果的に低減することができる。ただし、燃料が偏在する領域（キャビティＣ内）では過剰にリッチな混合気が形成される可能性があり、それに伴いスートの発生量が増大することが懸念される。これに対し、上記実施形態では、圧縮上死点の直後に開始される水噴射Ｉｗ２によって、燃焼が継続中の高温の燃焼室１０に水が供給されて気化し、その気化後の水蒸気が燃焼反応に寄与するＯＨラジカルを増大させる作用をもたらすので、当該ＯＨラジカルによる強力な酸化作用により、炭素（Ｃ）の酸化が促進される（ＣＯ_２等に変換される）結果、スートの発生量を効果的に抑制することができる。

また、上記実施形態では、第１運転領域Ａ１よりも高速側の（高速・高負荷の）第３運転領域Ａ３での運転時に、燃焼室１０の中央部に水を偏在させることが可能な圧縮行程の後期に水噴射弁５７から水が噴射されるので（水噴射Ｉｗ３）、高温になり易い燃焼室１０の中央部が集中的に冷却されて、燃焼室１０の中央部と外周部との温度差が縮小する。これにより、燃焼室の中央部／外周部で着火時期に大きな差が生じなくなり、短時間の間に多くの燃料が燃焼する比較的急峻な燃焼が起きるようになる。しかしながら、第１運転領域Ａ１よりも回転速度が高い第３運転領域Ａ３では、単位時間あたりのクランク角変化量が大きいので、燃焼が急峻化されても圧力上昇率（ｄｐ／ｄθ）の最大値はそれほど大きくならない。このため、回転速度が高い第３運転領域Ａ３で上記のように燃焼室１０の温度の均一化を図ったとしても、燃焼騒音は特に問題にならず、むしろ、短時間で多くの燃料が燃焼する結果、排気損失の少ない（熱効率の高い）燃焼が実現される。また、燃焼室１０の中央部は、第３運転領域Ａ３のような高回転かつ高負荷の条件下で特に高温になり易い部分であるが、当該第３運転領域Ａ３において燃焼室１０の中央部を噴射水により直接的に冷却する上記実施形態によれば、燃焼室１０の中央部の温度が過度に上昇することが回避されるので、冷却損失を低減してエンジンの熱効率を向上させることができる。

また、上記実施形態では、ピストン５の冠面４０に、その中央部にある断熱層４５とその径方向外側の冠面４０とをともに覆う遮熱層４６が設けられるので、冠面４０を通じて熱が逃げるのをこの遮熱層４６によって抑制することができ、冷却損失を低減することができる。特に、高温になり易い燃焼室１０の中央部は、遮熱層４６と断熱層４５とにより二重に断熱されることになるので、冷却損失の低減効果をより高めることができる。しかも、遮熱層４６は、断熱層４５よりも体積比熱が小さく（蓄熱性が低く）、周囲の温度に追従して変動し易い。このため、燃焼が終了してから次の燃焼が起きるまでの間に、例えば新気の導入等に伴って遮熱層４６の温度を速やかに低下させることができる。これにより、燃焼室１０の温度が過度に上昇するような事態が回避されるので、燃焼室１０の断熱により冷却損失の低減を図りながらも、異常燃焼等が発生するのを効果的に防止することができる。

（７）変形例
上記実施形態では、ピストン５の冠面４０の中央部に断熱層４５を配置した上で、この断熱層４５とその径方向外側の冠面４０とをともに覆うように遮熱層４６を配置したが、断熱層４５の直上部分には遮熱層４６を配置しないようにしてもよい。あるいは、断熱層４５のみを残して遮熱層４６は省略してもよい。逆に、遮熱層４６は、ピストン５の冠面４０だけでなく、燃焼室１０の天井面や気筒２の周壁（シリンダブロック３の内周面）にも配置し得る。

また、上記実施形態では、ピストン５の冠面４０の中央部（キャビティＣの底面部４１）にのみ断熱層４５を配置したが、断熱層４５は、燃焼室壁面の径方向中央部に配置されるものであればよく、例えば燃焼室１０の天井面の中央部（図２において吸・排気ポート６，７の間に位置する部分のシリンダヘッド４の下面）にも断熱層４５を配置し得る。

また、上記実施形態では、遮熱層４６の熱伝導率を断熱層４５のそれよりも小さい値に設定したが、これら両層４５，４６の熱伝導率は同じでもよく、あるいは、遮熱層４６の熱伝導率を断熱層４５のそれよりも大きい値に設定してもよい。

また、上記実施形態では、水噴射弁５７として、先端部に複数の噴孔が形成された多噴孔型の噴射弁を用いたが、本発明において使用可能な水噴射弁はこれに限られず、いわゆる外開きタイプの噴射弁を水噴射弁として使用することも可能である。外開きタイプの噴射弁は、例えば、筒状のバルブボディと、このバルブボディ内に進退可能に挿入されたニードル弁とを備えている。ニードル弁の先端部は、その外周面がバルブボディの先端部の内周面に対し密着可能な状態で収容されている。このような外開きタイプの噴射弁では、その開弁時にニードル弁が突出方向に駆動されることにより、ニードル弁の先端部とバルブボディの内周面との間に連続したリング状のスリットからなるノズル口が形成され、このノズル口を通じて水がコーン状に噴射される（このようなコーン状の水噴射も放射状に水を噴射する一態様である）。なお、外開きタイプの噴射弁を使用可能なのは、燃料噴射弁１１でも同様である。

また、上記実施形態では、低速・高負荷の第１運転領域Ａ１において、燃焼室１０の外周部に水が偏在する状態を燃焼開始の直前につくり出すために、燃焼室１０の天井面の中央付近に配置された水噴射弁５７から圧縮行程の前期または中期に放射状に水を噴射させるようにしたが（水噴射Ｉｗ１）、この第１運転領域Ａ１での水噴射Ｉｗ１のタイミングは、燃焼が開始される直前の燃焼室１０の外周部に水が偏在する状態をつくり出せるタイミングであればよく、その限りにおいて適宜の変更が可能である。例えば、水噴射弁５７の取付位置が変われば、燃焼室１０の外周部に水を偏在させるのに適したタイミングも変わり得るので、水噴射Ｉｗ１のタイミングは水噴射弁５７の取付位置等に応じて適宜調整すればよい。ただし、いずれの場合でも、第１運転領域Ａ１での水噴射Ｉｗ１は、燃料噴射弁１１による燃料噴射Ｉｆ１が終了してから燃料が自着火するまでの間には開始する必要がある。

また、上記実施形態では、低速・高負荷の第１運転領域Ａ１において、吸気行程の中期または後期に燃料噴射弁１１から燃料を噴射させるようにしたが（燃料噴射Ｉｆ１）、この第１運転領域Ａ１での燃料噴射Ｉｆ１のタイミングは、圧縮上死点までの間に燃料が燃焼室１０内で比較的均一に分散するようなタイミングであればよく、その限りにおいて適宜の変更が可能である。例えば、圧縮行程の前半に燃料噴射Ｉｆ１を実行するようにしてもよい。ただし、第１運転領域Ａ１での燃料噴射Ｉｆ１のタイミングは、少なくとも第２運転領域Ａ２での燃料噴射Ｉｆ２のタイミングよりは早くされる。このことは、高速・高負荷の第３運転領域Ａ３での燃料噴射Ｉｆ３でも同様である。

また、上記実施形態では、低速・低負荷の第２運転領域Ａ２において、圧縮上死点の直後に水噴射Ｉｗ２を開始してその後終了することにより、当該水噴射Ｉｗ２の期間が燃焼期間中に完全に含まれるような態様で水を噴射したが、この第２運転領域Ａ２での水噴射Ｉｗ２のタイミングは、燃焼室１０に噴射された水（気化後の水蒸気）によるＯＨラジカルの増大作用が燃焼期間中に及ぶようなタイミングであればよく、その限りにおいて適宜の変更が可能である。ただし、当該目的のためには、第２運転領域Ａ２での水噴射Ｉｗ２は、燃料噴射Ｉｆ２が終了してから燃焼が終了するまでの間には行う必要があり、そのタイミングは圧縮行程の後期から膨張行程の初期までの期間内になる。

また、上記第２運転領域Ａ２において燃焼期間に重なるように実行される水噴射Ｉｗ２は、第２運転領域Ａ２の一部でのみ実行し、同領域Ａ２の残りの一部では水噴射を停止してもよい。あるいは、第２運転領域Ａ２の全域で水噴射を停止してもよい。

また、上記実施形態では、水噴射弁５７から燃焼室１０に噴射される水として、１００℃以上の温度と２ＭＰａ以上の圧力とを有する比較的高温・高圧の水を用いたが、噴射水の温度・圧力等は、上述した各運転領域Ａ１，Ａ２，Ａ３において求められる水噴射の寄与効果のいずれを重視するか等に応じて適宜変更可能である。

例えば、いわゆる超臨界または亜臨界と呼ばれる状態にまで温度・圧力が高められた水（つまり超臨界水または亜臨界水）を燃焼室１０に噴射することも可能である。ここで、超臨界水とは、水の臨界点（６４７Ｋ、２２ＭＰａ）よりも温度および圧力が高い水のことであり、亜臨界水とは、超臨界水に近い性質を有する水のことである。

超臨界水／亜臨界水は、気体の水に変化するのにほとんどエンタルピー（潜熱）を必要としない。しかも、燃焼室１０に噴射された超臨界水／亜臨界水は、燃焼室１０内で急速に膨張することにより、ピストン５を押し下げる仕事をする。したがって、このような性質の超臨界水／亜臨界水を燃焼室１０に噴射した場合には、その噴射に伴う仕事の増分だけ、燃料の噴射量を減らして燃費を改善できる可能性がある。

特に、第２運転領域Ａ２では、圧縮上死点の直後に水が噴射されるので、この噴射水として超臨界水／亜臨界水を用いれば、十分な燃費改善効果が得られると考えられる。すなわち、第２運転領域Ａ２において超臨界水／亜臨界水を圧縮行程の直後に噴射した場合には、噴射された超臨界水／亜臨界水が膨張行程中に急速に膨張することでピストン５が押し下げられるので、当該押し下げ仕事（それによる出力トルクの増分）の分だけ燃料の噴射量を減らすことができる。しかも、排気ガスの熱を利用して超臨界水／亜臨界水を生成した場合には、排気ガスの熱を出力に変換するいわゆる排熱回収が達成されるので、十分な燃費改善効果を得ることが可能になる。

ただし、超臨界水／亜臨界水を例えば高負荷側の第１運転領域Ａ１でも使用した場合、この第１運転領域Ａ１で期待されている水噴射による冷却効果（つまり燃焼室１０の外周部を冷却して燃焼を緩慢化する効果）は減少すると考えられる。しかしながら、超臨界水／亜臨界水といえども、圧縮上死点付近の燃焼室１０の温度よりは低いので、それなりの冷却効果は期待できる。加えて、水は不活性ガスであるから、この不活性ガスとしての水の偏在がもたらす作用により、超臨界水／亜臨界水を噴射した場合でも同様の緩慢化効果が得られると考えられる。すなわち、超臨界水／亜臨界水を噴射した場合には、ごく短時間で十分量の水を燃焼室１０の外周部に供給できるので、当該外周部における不活性ガスの濃度が十分に高まる結果、その濃度差がもたらす作用により、（冷却効果が多少減少しても）燃焼の緩慢化を図ることが可能になる。

また、上記実施形態では、ガソリンと空気との混合気を圧縮して自着火させるＨＣＣＩ燃焼が全ての運転領域で実行されるガソリンエンジンに本発明を適用した例について説明したが、本発明が適用可能なエンジンはこのようなエンジンに限られない。例えば、一部の運転領域でＨＣＣＩ燃焼が実行されかつ残りの運転領域で火花点火燃焼が実行されるガソリンエンジンや、ガソリン以外の副成分（アルコール等）が含有された燃料をＨＣＣＩ燃焼させるエンジンにも本発明を適用可能である。

２気筒
５ピストン
１０燃焼室
１１燃料噴射弁（燃料噴射装置）
４０冠面（燃焼室壁面）
４５断熱層
４６遮熱層
５７水噴射弁（水噴射装置）
Ａ１第１運転領域（高負荷領域）
Ａ２第２運転領域（低負荷領域）
Ｌｘ（負荷の）所定値
Ｉｗ１（第１運転領域での）水噴射
Ｉｗ２（第２運転領域での）水噴射
Ｉｆ１（第１運転領域での）燃料噴射
Ｉｆ２（第２運転領域での）燃料噴射

Claims

気筒に往復動可能に収容されたピストンと、気筒とピストンとにより画成された燃焼室にガソリンを含有する燃料を噴射する燃料噴射装置と、燃焼室に水を噴射する水噴射装置とを備え、前記燃料噴射装置から噴射された燃料を空気と混合しつつ自着火により燃焼させる予混合圧縮着火燃焼が可能なエンジンであって、
前記燃焼室を囲む燃焼室壁面の径方向中央部のみに、燃焼室壁面の母材よりも熱伝導率が小さい断熱層が配置され、
前記水噴射装置は、前記ピストンと対向する燃焼室の天井面の中央付近から前記ピストンに向けて放射状に水を噴射するように設けられ、
負荷が所定値以上の高負荷領域でエンジンが運転されているとき、前記水噴射装置は、燃焼が開始される直前の燃焼室の外周部に水が偏在するように、圧縮行程の前期または中期に水を噴射する、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。
請求項１に記載の予混合圧縮着火式エンジンにおいて、
前記水噴射装置は、前記高負荷領域での運転時、圧縮行程の前期または中期に噴射する前記水の噴射量を負荷が高いほど増大させる、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。
請求項１または２に記載の予混合圧縮着火式エンジンにおいて、
前記高負荷領域よりも負荷の低い低負荷領域での運転時、前記燃料噴射装置は、圧縮行程の後半に燃料を噴射し、前記水噴射装置は、圧縮行程の後期または膨張行程の初期に水を噴射するか、もしくは水噴射を停止する、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。
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において、
前記断熱層と当該断熱層よりも径方向外側に位置する部分の燃焼室壁面とを覆う遮熱層をさらに備え、
前記遮熱層は、熱伝導率が前記燃焼室壁面の母材よりも小さく、かつ体積比熱が前記断熱層よりも小さい部材により構成されている、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。