JP6493442B2 - 予混合圧縮着火式エンジンの制御装置 - Google Patents

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。

上記のような予混合圧縮着火式エンジンの一例として、下記特許文献１のものが知られている。この特許文献１のエンジンでは、その少なくとも一部の運転領域において、圧縮行程から膨張行程初期にかけて燃焼室に燃料が噴射され、かつその燃料噴霧のペネトレーションが燃焼室の外周部まで届かない程度の強さに設定される。これにより、燃焼室の中央部に限定的に混合気が形成されるので、この混合気の周囲に新気を含むガス層が形成される結果、いわゆる燃料分布の成層化が達成される。このような燃料分布の成層化は、高温の燃焼ガスが燃焼室の壁面に接触する面積の減少につながるので、燃焼室の壁面からの熱の放出が抑制されて、冷却損失が低減されるとされている。

特開２０１３−１９４７１２号公報

上記特許文献１において、混合気を成層化して燃焼領域を限定する上述した制御（以下、これを局所燃焼制御という）を負荷が高い条件下でも継続的に実施した場合、燃料濃度の上昇に伴い燃焼温度が高くなる結果、ＮＯｘの生成量が増大するおそれがある。このような問題を解消するには、燃焼室から排出された排気ガスの一部を燃焼室に還流させるＥＧＲを実施するのが有効である。ＥＧＲによる酸素濃度の低下が燃焼温度の低下につながり、ＮＯｘの生成量が低減されるからである。

しかしながら、燃焼室にむやみに多くのＥＧＲガスを導入すると、燃焼室の圧力が大幅に上昇する結果、冷却損失の低減効果が減損されるという逆効果が生じる。すなわち、本願発明者等の研究に基づく知見によれば、燃焼室の圧力が上昇すると、燃焼室内のガスが保有する熱が燃焼室の壁面を通じて逃げ易くなる（言い換えると壁面の熱伝達率が上昇する）。このため、たとえ上述した局所燃焼制御を実施したとしても、燃焼室の壁面を通じて多くの燃焼熱が外部に放出されて、冷却損失の低減効果が減損されるという問題がある。

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、ＮＯｘの生成を抑制しながら冷却損失を効果的に低減することが可能な予混合圧縮着火式エンジンの制御装置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、気筒の壁面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弁と、燃焼室に水を噴射する水噴射弁とを備え、前記燃料噴射弁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を制御する装置であって、前記燃料噴射弁からの燃料の噴射量および噴射タイミングを制御する燃料噴射制御部と、前記水噴射弁からの水の噴射量および噴射タイミングを制御する水噴射制御部とを備え、負荷が第１閾値以上かつ第２閾値未満となる中負荷の運転領域である第１運転領域でエンジンが運転されているとき、前記燃料噴射制御部および水噴射制御部は、燃料が自着火する直前の燃焼室の中央部に燃料および水が偏在させられるように、専ら圧縮行程の後半に前記燃料噴射弁から燃料を噴射させるとともに、当該燃料噴射の期間と少なくとも部分的に重なるタイミングで前記水噴射弁から水を噴射させ、負荷が前記第１閾値未満となる低負荷の運転領域である第２運転領域でエンジンが運転されているとき、前記燃料噴射制御部および水噴射制御部は、前記自着火の直前の燃焼室の中央部に燃料が偏在させられるように、燃料噴射の期間の少なくとも一部が圧縮行程の後半に含まれるタイミングで前記燃料噴射弁から燃料を噴射させるとともに、前記水噴射弁からの水噴射を停止する、ことを特徴とするものである（請求項１）。

本発明によれば、比較的負荷の高い第１運転領域において、圧縮行程の後半という遅めのタイミングで燃料噴射および水噴射が実行されることにより、燃焼室の中央部に燃料および水が偏在させられて、水を含有する混合気層（燃料と空気との混合気に水が混じり合った層）が燃焼室の中央部に集中して形成される。そして、このような燃料分布の成層化により燃焼領域が限定される結果、高温の燃焼ガスが燃焼室の壁面に接触する面積が小さくなり、当該壁面を通じて外部に熱が放出されることによる損失、つまり冷却損失が低減される。

ただし、前記のように燃焼領域を局所化する制御（局所燃焼制御）を第１運転領域のような比較的負荷の高い条件下で実行した場合には、燃焼温度が上昇することに起因して、ＮＯｘが許容値を超えて生成されるおそれがある。これに対し、本発明では、燃焼室の中央部に燃料だけでなく水が供給されるので、この不活性ガスとしての水（水蒸気）の存在により、燃焼室の中央部の酸素濃度が低下し、燃焼温度が低下する。これにより、燃焼に伴うＮＯｘの生成量を低減することができ、エミッション性能を向上させることができる。

一方、第１運転領域よりも負荷の低い第２運転領域では、燃料の噴射量が少なく燃焼温度があまり高くならないので、ＮＯｘの生成量がもとより問題になりにくい。むしろ、エンジンによっては燃料の着火性が低下する（燃焼安定性が損なわれる）ことが懸念される。これに対し、本発明では、第２運転領域での運転時に燃料噴射弁からの水噴射が停止されるので、低温になりがちな燃焼室の温度が水噴射によってさらに低下するという事態が回避される。このことは、圧縮行程後半の燃料噴射によって燃焼室の中央部に燃料が偏在させられること（中央部の燃料濃度が濃くされること）と相俟って、燃料の着火性を良好にする。このように、第２運転領域では、水の供給が停止された燃焼室で局所燃焼制御が実行されることにより、着火性を良好に確保しつつ冷却損失を低減することができる。

好ましくは、前記制御装置は、前記第２運転領域での運転時に前記燃焼室から排出された排気ガスの一部を燃焼室に還流するＥＧＲを実行するとともに、前記第１運転領域での運転時に当該ＥＧＲを停止するＥＧＲ制御部をさらに備える（請求項２）。

このように、負荷の低い第２運転領域でＥＧＲを実行した場合には、燃焼温度の低下につながるＥＧＲガスが燃焼室に導入されるので、第２運転領域でのＮＯｘ生成量をさらに低減することができる。一方で、第２運転領域よりも負荷の高い第１運転領域Ａ１ではＥＧＲが停止されるので、燃焼室の圧力がＥＧＲガスにより過度に上昇することがなく、燃焼室の壁面の熱伝達率が圧力上昇に伴い上昇するのを回避することができる。これにより、上述した局所燃焼制御による冷却損失の低減効果が、ＥＧＲガスによる圧力上昇のせいで減損されるのを回避でき、第１運転領域での冷却損失の低減効果を高いレベルで達成することができる。

好ましくは、前記燃料噴射制御部および水噴射制御部は、前記第１運転領域での運転時に、負荷が高いほど燃料および水の噴射量を増大させるとともに、負荷に対する水噴射量の増大率が燃料噴射量の増大率よりも高くなるように制御する（請求項３）。

この構成によれば、第１運転領域内で負荷に比例して増量される燃料により各負荷に見合った出力トルクを確保しながら、燃料よりも高い率で増量される水によりＮＯｘの生成量を十分に低減することができる。

すなわち、本願発明者等の知見によれば、水噴射によるＮＯｘ低減効果をいずれの負荷でも同等に得ようとした場合、要求される水の噴射量は非線形的に増大する。言い換えると、負荷に応じて線形的に水の量を比例させたのではＮＯｘ低減の面で不十分であり、特に高負荷側でＮＯｘ生成量が増大してしまう。これに対し、前記構成では、負荷に対する水噴射量の増大率が燃料噴射量の増大率よりも高く設定されるので、燃料よりも高い率で増量される水により、第１運転領域内のいずれの負荷においてもＮＯｘ生成量を十分に低減することができる。

好ましくは、前記ピストンの冠面の中央部に、前記燃焼室の天井面とは反対側に凹んだキャビティが設けられ、前記燃料噴射弁および水噴射弁は、圧縮行程の後半に噴射された燃料および水がいずれも前記キャビティの内部を指向するように、前記燃焼室の天井面の中央付近において互いに隣接して配置される（請求項４）。

この構成によれば、第１運転領域および第２運転領域での運転時に、燃料噴射弁または水噴射弁から圧縮行程の後半に噴射された燃料または水を、ピストンのキャビティの内部つまり燃焼室の中央部に留めることができ、燃焼室の中央部に燃料／水が偏在する状態を適正につくり出すことができる。

前記構成において、より好ましくは、前記燃料噴射制御部は、前記第１運転領域および第２運転領域での運転時に、圧縮行程の後半内で燃料噴射が開始および終了されるように前記燃料噴射弁を制御し、前記水噴射制御部は、前記第１運転領域での運転時に、圧縮行程の後半内で水噴射が開始および終了され、かつ当該水噴射の期間の少なくとも一部が前記第１運転領域での燃料噴射の期間と重なるように、前記水噴射弁を制御する（請求項５）。

この構成によれば、ピストンのキャビティの内部に燃料／水を確実に導入することができ、燃焼室の中央部に燃料／水が偏在する状態をより適正につくり出すことができる。

好ましくは、前記水噴射弁は、前記燃焼室から排出された排気ガスとの熱交換により加熱された水を噴射するものである（請求項６）。

この構成によれば、噴射された水により燃焼室が過度に冷却されて出力トルクが低下したり着火性が損なわれたりするのを防止することができる。しかも、排気ガスの熱を利用して水を加熱するので、加熱のために無駄なエネルギーが消費されることがなく、エネルギー効率を良好に維持することができる。

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の制御装置によれば、ＮＯｘの生成を抑制しながら冷却損失を効果的に低減することができる。

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。 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。 中負荷域（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。 低速・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。 高速・高負荷域（第４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運転領域での燃料／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運転領域での燃料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。 上記第４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１運転領域における燃料噴射量および水噴射量の負荷に応じた変化を示すグラフである。 上記第１運転領域での制御により得られる冷却損失の低減効果を説明するためのグラフである。

（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の一部を吸気通路２０に還流するＥＧＲ装置４０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ようになっている。

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。

ピストン５の冠面（上面）には、その中央部をシリンダヘッド４とは反対側（下方）に凹ませたキャビティ５ａが形成されている。キャビティ５ａは、ピストン５が上死点まで上昇したときの燃焼室１０の大部分を占める容積を有するように形成されている。

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が圧縮上死点にあるときに当該ピストン５のキャビティ５ａを臨むよう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）に接続されており、共通吸気管２２の下流端部は、吸気マニホールド２１の枝管の集合部（各枝管の上流端どうしが集合した部分）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）に接続されており、共通排気管３２の上流端部は、排気マニホールド３１の枝管の集合部（各枝管の下流端どうしが集合した部分）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）。

ＥＧＲ装置４０は、共通排気管３２と共通吸気管２２とを連通するＥＧＲ通路４１と、ＥＧＲ通路４１に設けられたＥＧＲ弁４２およびＥＧＲクーラ４３とを有している。

ＥＧＲ通路４１は、共通排気管３２における触媒装置３５よりも上流側の部分と、共通吸気管２２におけるスロットル弁２７よりも下流側の部分とを接続している。ＥＧＲ弁４２は、ＥＧＲ通路４１を通じて共通排気管３２から共通吸気管２２に還流される排気ガス（ＥＧＲガス）の流量を調整するための開閉弁である。ＥＧＲクーラ４３は、ＥＧＲ通路４１を流通するＥＧＲガスを所定の冷媒（例えばエンジンの冷却水）との熱交換により冷却する熱交換器である。

（２）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、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／１０ＭＰａ以上にまで高められている。圧力が１０ＭＰａ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１０ＭＰａ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５ａ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。

（３）エンジンの制御系統
図３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、筒内圧力、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、ＥＧＲ弁４２、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と、水噴射制御部１０２と、ＥＧＲ制御部１０３とを含んでいる。

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（１０ＭＰａ）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。

ＥＧＲ制御部１０３は、燃焼室１０内の全ガス量に占めるＥＧＲガスの割合であるＥＧＲ率の目標値（目標ＥＧＲ率）を上記エンジン負荷および回転速度等に基づいて決定し、その目標ＥＧＲ率に対応した量のＥＧＲガスが気筒２に導入されるようにＥＧＲ弁４２を制御する。なお、詳細は後述するが、当実施形態では、低負荷側の一部（後述する第２運転領域Ａ２）でのみＥＧＲが実行され、他の運転領域ではＥＧＲが停止されるように、目標ＥＧＲ率が設定されている。

（４）運転条件に応じた制御
次に、ＰＣＭ１００（燃料噴射制御部１０１、水噴射制御部１０２、ＥＧＲ制御部１０３）による燃料噴射弁１１、水噴射弁５７、およびＥＧＲ装置４０の制御について詳しく説明する。

図４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等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、負荷が第１閾値Ｌ１以上かつ第２閾値Ｌ２未満となる中負荷の運転領域であり、第２運転領域Ａ２は、負荷が第１閾値Ｌ１未満となる低負荷の運転領域であり、第３運転領域Ａ３は、第２閾値Ｌ２以上の負荷域のうち回転速度が閾値Ｒｘ未満となる速度域に設定された低速・高負荷の運転領域であり、第４運転領域Ａ４は、第２閾値Ｌ２以上の負荷域のうち回転速度が所定値Ｒｘ以上となる速度域に設定された高速・高負荷の運転領域である。なお、当実施形態において、負荷に関する第１閾値Ｌ１および第２閾値Ｌ２は、回転速度が高いほど負荷が高くなるようにやや傾斜したラインＰ，Ｑ上の負荷であり、回転速度に応じて変化する閾値である。このうち、低い方の第１閾値Ｌ１は、請求項にいう「所定値」に相当する。

図４に示される各運転領域Ａ１〜Ａ４では、燃料噴射弁１１および水噴射弁５７による各噴射動作と、ＥＧＲ装置４０によるＥＧＲ（排気還流）とが、燃料噴射制御部１０１、水噴射制御部１０２、およびＥＧＲ制御部１０３によって、それぞれ次の（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）のように制御される。

ここで、下記（ａ）〜（ｄ）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
中負荷の第１運転領域Ａ１では、図５に示すように、燃料噴射弁１１からの燃料噴射Ｉｆ１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Ｉｗ１が同じく圧縮行程の後半に実行される。また、図４に示すように、第１運転領域Ａ１では、ＥＧＲ弁４２が全閉にされることにより、ＥＧＲ通路４１を通じた排気ガスの還流（ＥＧＲ）が停止される。

第１運転領域Ａ１での燃料噴射Ｉｆ１および水噴射Ｉｗ１は、図５に示すように、各噴射期間の少なくとも一部が相互に重複するような態様で実行される。また、燃料噴射Ｉｆ１および水噴射Ｉｗ１の各タイミングは、エンジン回転速度に応じて進角または遅角される。すなわち、第１運転領域Ａ１の中でもエンジン回転速度が高くなるほど両噴射Ｉｆ１，Ｉｗ１のタイミングが進角され、エンジン回転速度が低くなるほど両噴射Ｉｆ１，Ｉｗ１のタイミングが遅角される。ただし、いずれの回転速度の場合でも、燃料噴射Ｉｆ１および水噴射Ｉｗ１の各タイミングは、圧縮行程の後半（圧縮上死点前９０°ＣＡから圧縮上死点までの期間）内に各噴射が開始および終了され、かつ各噴射期間の少なくとも一部が相互に重複するようなタイミングに設定される。

上記のような燃料噴射Ｉｆ１および水噴射Ｉｗ１のタイミング（ともに圧縮行程の後半）は、燃料噴射弁１１から噴射された燃料と、水噴射弁５７から噴射された水とを、それぞれピストン５のキャビティ５ａ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９の下段図に示すように（図５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５ａの内部に向けて放射状に飛翔する。同様に、圧縮行程の後半に水噴射弁５７から水が噴射されると、その噴射水は、ピストン５のキャビティ５ａの内部に向けて放射状に飛翔する。このようにしてキャビティ５ａに向けて飛翔した燃料と水とは、その多くがキャビティ５ａの内部に留まり、その結果、燃料が自着火する直前（圧縮上死点付近）の燃焼室１０のガス分布として、図９の上段図に示すような分布が得られる。具体的には、キャビティ５ａに集中的に供給された燃料および水（主に水蒸気）が空気と混じり合うことにより、燃焼室１０の中央部（キャビティ５ａの内部）に、比較的燃料リッチな混合気（燃料＋空気）と水とが混じり合った混合気層が形成される。一方、この混合気層の周囲（燃焼室１０の外周部）には燃料および水がほとんど存在しないので、混合気層の周囲のガスはそのほとんどが空気（新気）によって占められる。このように、第１運転領域Ａ１では、圧縮行程の後半に燃料および水の双方が噴射されることにより、水を含有する混合気層が燃焼室１０の中央部にのみ存在する状態が得られ、燃料分布の成層化が達成される。

燃料噴射Ｉｆ１による燃料の噴射量、および水噴射Ｉｗ１による水の噴射量は、総じて、第１運転領域Ａ１の中でも負荷が高いほど大きい値に設定される。燃料噴射Ｉｆ１および水噴射Ｉｗ１の噴射パルス幅（燃料噴射弁１１および水噴射弁５７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。

ただし、負荷に対する噴射量の増大率は、水噴射Ｉｗ１による噴射量（水噴射量）の増大率の方が、燃料噴射Ｉｆ１による噴射量（燃料噴射量）の増大率よりも大きくなるように設定されている。具体的に、第１運転領域Ａ１における燃料噴射量および水噴射量の負荷に応じた変化を表すと図１３のグラフのとおりである。このグラフに示すように、第１運転領域Ａ１では、燃料噴射量（実線）と水噴射量（一点鎖線）とが、ともに、負荷の増大に応じて徐々に大きくなるように変化するが、負荷に対する噴射量の増大率については、水噴射量の増大率の方が燃料噴射量の増大率よりも大きくなるように設定されている。また、燃料噴射量は負荷に応じてほぼ線形的に比例して増大するのに対し、水噴射量は非線形的に増大するように設定されている。より詳しくは、水噴射量は、高負荷側ほど高い増大率で増大するように設定されている。

（ｂ）第２運転領域での制御
低負荷の第２運転領域Ａ２では、図６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からの水噴射が停止される。また、図４に示すように、第２運転領域Ａ２では、ＥＧＲ弁４２が開かれることにより、ＥＧＲ通路４１を通じた排気ガスの還流（ＥＧＲ）が実行される。

ＥＧＲ弁４２は、第２運転領域Ａ２内で可変的に設定された目標ＥＧＲ率が実現されるように、この目標ＥＧＲ率に応じた開度に制御される。目標ＥＧＲ率は、第２運転領域Ａ２の中でも負荷が高いほど大きくなるように予め定められている。このような目標ＥＧＲ率の設定に従ってＥＧＲ弁４２の開度が制御されることにより、第２運転領域Ａ２では、高負荷側ほど多くのＥＧＲガスがＥＧＲ通路４１を通じて燃焼室１０に還流される。

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５）よりも小さい値に設定される。

第２運転領域Ａ２での燃料噴射Ｉｆ２のタイミングは、第１運転領域Ａ１での燃料噴射Ｉｆ１と同様、エンジン回転速度が高く（低く）なるほど進角（遅角）される。また、いずれの回転速度の場合でも、燃料噴射Ｉｆ２は、圧縮行程の後半（圧縮上死点前９０°ＣＡから圧縮上死点までの期間）内に開始および終了される。

上記のような燃料噴射Ｉｆ２のタイミング（圧縮行程の後半）は、やはり燃料噴射弁１１から噴射された燃料をピストン５のキャビティ５ａ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から噴射された燃料は、図１０の下段図に示すようにキャビティ５ａの内部に向けて放射状に飛翔し、その結果、燃料が自着火する直前（圧縮上死点付近）の燃焼室１０のガス分布として、図１０の上段図に示すような分布が得られる。具体的には、キャビティ５ａに集中的に供給された燃料が空気およびＥＧＲガスと混じり合うことにより、燃焼室１０の中央部（キャビティ５ａの内部）に、比較的燃料リッチな混合気（燃料＋空気）とＥＧＲガスとが混じり合った混合気層が形成される。一方、この混合気層の周囲（燃焼室１０の外周部）には燃料がほとんど存在しないので、混合気層の周囲のガスはそのほとんどが空気（新気）とＥＧＲガスとによって占められる。このように、第２運転領域Ａ２では、圧縮行程の後半に燃料が噴射されることにより、ＥＧＲガスを含有する混合気層が燃焼室１０の中央部にのみ存在する状態が得られ、燃料分布の成層化が達成される。

（ｃ）第３運転領域Ａ３での制御
低速・高負荷の第３運転領域Ａ３では、図７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、圧縮行程の前期から中期までの期間内に実行される。また、図４に示すように、第３運転領域Ａ３では、ＥＧＲ弁４２が全閉にされることにより、ＥＧＲ通路４１を通じた排気ガスの還流（ＥＧＲ）が停止される。

燃料噴射Ｉｆ３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（ＴＤＣ）までの間に燃焼室１０内で均一に分散する。

第３運転領域Ａ３は第１運転領域Ａ１よりもさらに負荷が高いため、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５）よりも大きい値に設定される。

第３運転領域Ａ３での水噴射Ｉｗ３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１１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の冠面におけるキャビティ５ａよりも外側の領域（以下、冠面の外周部という）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、ピストン５の冠面の外周部または気筒２の周壁に付着した後に蒸発するなどし、その結果、図１１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、燃料が自着火する直前（圧縮上死点付近）の燃焼室１０の温度分布として、図１１の上段のグラフに示すような分布が得られる。なお、この上段のグラフにおいて、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Ｉｗ３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。

（ｄ）第４運転領域Ａ４での制御
高速・高負荷の第４運転領域Ａ４では、図８に示すように、燃料噴射弁１１からの燃料噴射Ｉｆ４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Ｉｗ４が、圧縮行程の後半に実行される。また、図４に示すように、第４運転領域Ａ４では、ＥＧＲ弁４２が全閉にされることにより、ＥＧＲ通路４１を通じた排気ガスの還流（ＥＧＲ）が停止される。

第２運転領域Ａ４は第３運転領域Ａ３とほぼ同じ負荷域にあるため、燃料噴射Ｉｆ４による燃料の噴射量は、第３運転領域Ａ３での燃料噴射Ｉｆ３（図７）とほぼ同等になる。ただし、第４運転領域Ａ４では第３運転領域Ａ３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３運転領域Ａ３のときよりも長くなる。第４運転領域Ａ４での燃料噴射Ｉｆ４のパルス幅が第３運転領域Ａ３での燃料噴射Ｉｆ３のパルス幅よりも長いのはそのためである。

第４運転領域Ａ４での水噴射Ｉｗ４のタイミング（圧縮行程の後半）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５ａ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８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５ａ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５ａ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の中央部の壁面温度（主にキャビティ５ａの壁面温度）およびガス温度が低下する結果、燃料が自着火する直前（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。燃焼室１０の中央部は外周部よりも高温になり易いので、この上段のグラフのように燃焼室１０の中央部の温度（壁面温度およびガス温度）が低下することにより、当該中央部と外周部との温度差が縮小する。

（５）作用効果
以上説明したとおり、当実施形態では、中負荷の第１運転領域Ａ１でエンジンが運転されているときに、燃料噴射弁１１から圧縮行程の後半に燃料が噴射されるとともに（燃料噴射Ｉｆ１）、同じく圧縮行程の後半において、燃料噴射Ｉｆ１の期間と少なくとも部分的に重複するタイミングで水噴射弁５７から水が噴射される（水噴射Ｉｗ１）。一方、低負荷の第２運転領域Ａ２でエンジンが運転されているときは、燃料噴射弁１１から圧縮行程の後半に燃料が噴射されるとともに（燃料噴射Ｉｆ２）、水噴射弁５７からの水噴射が停止される。このような構成によれば、ＮＯｘの生成を抑制しながら冷却損失を効果的に低減できるという利点がある。

すなわち、上記実施形態では、中負荷の第１運転領域Ａ１において、圧縮行程の後半という遅めのタイミングで燃料噴射Ｉｆ１および水噴射Ｉｗ１が実行されることにより、燃焼室１０の中央部（キャビティ５ａの内部）に燃料および水が偏在させられて、水を含有する混合気層（燃料と空気との混合気に水が混じり合った層）が燃焼室１０の中央部に集中して形成される。そして、このような燃料分布の成層化により燃焼領域が限定される結果、高温の燃焼ガスが燃焼室１０の壁面に接触する面積が小さくなり、当該壁面を通じて外部に熱が放出されることによる損失、つまり冷却損失が低減される。

ただし、上記のように燃焼領域を局所化する制御（局所燃焼制御）を第１運転領域Ａ１のような比較的負荷の高い条件下で実行した場合には、燃焼温度が上昇することに起因して、ＮＯｘが許容値を超えて生成されるおそれがある。これに対し、上記実施形態では、燃焼室１０の中央部に燃料だけでなく水が供給されるので、この不活性ガスとしての水（水蒸気）の存在により、燃焼室１０の中央部の酸素濃度が低下し、燃焼温度が低下する。これにより、燃焼に伴うＮＯｘの生成量を低減することができ、エミッション性能を向上させることができる。

一方、低負荷の第２運転領域Ａ２では、燃料の噴射量が少なく燃焼温度があまり高くならないので、ＮＯｘの生成量がもとより問題になりにくい。むしろ、エンジンによっては燃料の着火性が低下する（燃焼安定性が損なわれる）ことが懸念される。これに対し、上記実施形態では、第２運転領域Ａ２での運転時に燃料噴射弁５７からの水噴射が停止されるので、低温になりがちな燃焼室１０の温度が水噴射によってさらに低下するという事態が回避される。このことは、圧縮行程後半の燃料噴射Ｉｆ２によって燃焼室１０の中央部に燃料が偏在させられること（中央部の燃料濃度が濃くされること）と相俟って、燃料の着火性を良好にする。このように、第２運転領域Ａ２では、水の供給が停止された燃焼室１０で局所燃焼制御が実行されることにより、着火性を良好に確保しつつ冷却損失を低減することができる。

また、上記実施形態では、低負荷の第２運転領域Ａ２でＥＧＲが実行されることにより、燃焼温度の低下につながるＥＧＲガスが燃焼室１０に導入されるので、第２運転領域Ａ２でのＮＯｘ生成量をさらに低減することができる。一方で、中負荷の第１運転領域Ａ１ではＥＧＲが停止されるので、燃焼室１０の圧力がＥＧＲガスにより過度に上昇することがなく、燃焼室１０の壁面の熱伝達率が圧力上昇に伴い上昇するのを回避することができる。これにより、上述した局所燃焼制御による冷却損失の低減効果が、ＥＧＲガスによる圧力上昇のせいで減損されるのを回避でき、第１運転領域Ａ１での冷却損失の低減効果を高いレベルで達成することができる。

ここで、上記第１運転領域Ａ１において水噴射Ｉｗ１を実行しつつＥＧＲを停止した理由についてより詳しく説明する。上記のとおり、第１運転領域Ａ１での水噴射はＮＯｘ生成量の低減につながると説明したが、ＮＯｘ生成量の低減だけに着目すれば、例えばＥＧＲを行う（ＥＧＲガスを燃焼室１０に導入する）ことによっても同様の効果を得ることは可能である。しかしながら、ＥＧＲガスによってＮＯｘ生成量を同等のレベルに低減しようとすれば、燃焼室１０の内部圧力が過大になる結果、冷却損失が減損されるという逆効果を招いてしまう。

すなわち、吸気行程中に空気とともに燃焼室１０に導入されるＥＧＲガスは、燃料が自着火する直前（圧縮上死点付近）においておのずと燃焼室１０に均一に分布することになる。このため、水噴射Ｉｗ１により燃焼室１０の中央部に供給される水と同じ濃度のＥＧＲガスを燃焼室１０の中央部に存在させようとすれば、例えば過給機を用いて燃焼室１０の全体に多量のＥＧＲガスを導入する必要が生じる。このような多量のＥＧＲガスの導入は、燃焼室１０の内部圧力を大幅に上昇させることになるが、本願発明者等の知見によれば、このような燃焼室１０の圧力上昇は、燃焼室１０の壁面を通じた熱伝達率の上昇につながり、燃焼室１０内のガスが保有する熱が燃焼室１０の壁面を通じて外部に逃げ易くなるという事態を招く。

上記の事象を図１４のグラフを用いて説明する。このグラフは、燃焼室の壁面を通じた熱伝達率を条件別に示しており、「局所燃焼＋水噴射」と「局所燃焼＋ＥＧＲ」という２種類の局所燃焼制御を行った場合のそれぞれの熱伝達率を、「均質燃焼」を行った場合の熱伝達率（これを１とする）との比較により示している。グラフ左側の「均質燃焼」のケースは、空気過剰率λが２．０の混合気とＥＧＲガスとが燃焼室の全体に均一に分布しているケースであり、この場合における燃焼室圧力の最大値（Ｐｍａｘ）は１２．５ＭＰａである（なお、空気過剰率λとは、燃焼室内の空気（新気）量を理論空燃比相当の空気量で割った値のことである）。これに対し、グラフ中央の「局所燃焼＋水噴射」のケースは、空気過剰率λが１．０の混合気と噴射水とが燃焼室の中央部にのみ分布し、かつその周囲には空気のみが分布するケースであり、この場合における燃焼室圧力の最大値は「均質燃焼」のケースと同じく１２．５ＭＰａである。また、グラフ右側の「局所燃焼＋ＥＧＲ」のケースは、空気過剰率λが１．０の混合気が燃焼室の中央部にのみ分布し、かつＥＧＲガスと空気との混合ガスが燃焼室の全体に均一に分布しているケースであり、この場合における燃焼室圧力の最大値は「均質燃焼」のケースよりも高い１８．０ＭＰａである。なお、「局所燃焼＋ＥＧＲ」のケースでは、「均質燃焼」のケースに比べて燃焼室中央部の混合気が２倍リッチ（λ≒１．０）であるため、これに対応するために（リッチ化によるＮＯｘの増大を相殺するために）ＥＧＲ量が２倍に増やされている。燃焼室圧力の最大値が１２．５ＭＰａから１８．０ＭＰａに増えているのはそのためである。

上記図１４のグラフによれば、「局所燃焼＋水噴射」、および「局所燃焼＋ＥＧＲ」のいずれのケースでも、「均質燃焼」のケースに比べれば熱伝達率が低下している。これは、燃焼領域が燃焼室の中央部に限定されたことにより、高温の燃焼ガスが燃焼室の壁面に接触する面積が減少したためと考えられる。中でも、「局所燃焼＋水噴射」のケース、つまり上述した第１運転領域Ａ１での制御と同様の燃料噴射および水噴射を行ったケースでは、「均質燃焼」に比べて熱伝達率が大幅に低下していることが理解される。その一方で、「局所燃焼＋ＥＧＲ」のケースでは、熱伝達率の低下幅がかなり縮小されており、「局所燃焼＋水噴射」と比べれば図中の高さＺの分だけ熱伝達率が上昇している。これは、「均質燃焼」のケースと同様のＮＯｘ低減効果を得るためにＥＧＲガス量を倍増させたこと（それにより燃焼室の圧力が上昇したこと）が原因と考えられる。すなわち、燃焼室の圧力が高い場合は低い場合に比べて、燃焼室の壁面を通じて熱が放出され易くなることが分かっている。このことから、上記「局所燃焼＋ＥＧＲ」のケースにおける熱伝達率の上昇は、やはりＥＧＲガスの導入による燃焼室の高圧化が原因であると考えられる。このように、「局所燃焼＋ＥＧＲ」のケースでは、「局所燃焼＋水噴射」のケースに比して熱伝達率が大幅に（Ｚだけ）大きくなるので、燃焼室の壁面を通じて燃焼熱が外部に放出され易く、冷却損失の面でかなり不利となっている。

以上のような図１４の結果から、たとえ燃焼領域を局所化する局所燃焼制御を行ったとしても、これをＥＧＲとセットにした場合には、燃焼室の圧力上昇に起因して期待通りの冷却損失の低減効果が得られない、ということが理解される。これに対し、上記実施形態（第１運転領域Ａ１での制御）のように、局所燃焼制御を水噴射とセットで行った場合には、不活性ガスである水を必要な箇所（燃焼領域である燃焼室の中央部）にのみ供給できるで、ＮＯｘの生成量を所望のレベルに抑えながらも、無用な圧力上昇を招くことがない。このため、燃焼室壁面の熱伝達率を大幅に低下させることができ、冷却損失の低減効果を十分に得ることができる。

また、上記実施形態では、中負荷の第１運転領域Ａ１での運転時に、燃料噴射弁１１からの燃料の噴射量および水噴射弁５７からの水の噴射量が、それぞれ負荷が高いほど増大されるとともに、負荷に対する水噴射量の増大率が燃料噴射量の増大率よりも高くなるように設定されるので（図１３参照）、負荷に比例して増量される燃料により各負荷に見合った出力トルクを確保しながら、燃料よりも高い率で増量される水によりＮＯｘの生成量を十分に低減することができる。

すなわち、本願発明者等の知見によれば、水噴射によるＮＯｘ低減効果をいずれの負荷でも同等に得ようとした場合、要求される水の噴射量は非線形的に増大する。言い換えると、負荷に応じて線形的に水の量を比例させたのではＮＯｘ低減の面で不十分であり、特に高負荷側でＮＯｘ生成量が増大してしまう。これに対し、上記実施形態では、負荷に対する水噴射量の増大率が燃料噴射量の増大率よりも高く設定されるので、燃料よりも高い率で増量される水により、第１運転領域Ａ１内のいずれの負荷においてもＮＯｘ生成量を十分に低減することができる。

また、上記実施形態では、ピストン５の冠面の中央部にキャビティ５ａが設けられるとともに、圧縮行程の後半に噴射された燃料および水がいずれも当該キャビティ５ａの内部を指向するように、燃料噴射弁１１および水噴射弁５７が燃焼室１０の天井面の中央付近において互いに隣接して配置されているので、上記第１運転領域Ａ１および第２運転領域Ａ２での運転時に、燃料噴射弁１１または水噴射弁５７から圧縮行程の後半に噴射された燃料または水を、キャビティ５ａの内部つまり燃焼室１０の中央部に留めることができ、燃焼室１０の中央部に燃料／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、低速・高負荷の第３運転領域Ａ３での運転時に、燃料噴射弁１１から吸気行程中に燃料が噴射され（燃料噴射Ｉｆ３）、その後、燃焼室１０の外周部に水を偏在させることが可能な圧縮行程の前期ないし中期に水噴射弁５７から水が噴射される（水噴射Ｉｗ３）ので、高温になり易い燃焼室１０の中央部に比して外周部の温度が十分に低下し、燃焼室１０の中央部と外周部との温度差が拡大する。これにより、燃焼室１０の中央部と外周部とで燃料の着火時期に有意な差が生じるようになる（外周部での着火時期が中央部での着火時期よりも遅れる）ので、燃焼の進行が緩やかになり、燃焼室１０の圧力上昇率（ｄｐ／ｄθ）の最大値が過大になること、つまり燃焼に伴い発生する騒音（燃焼騒音）が過大になるのを防止することができる。このように、燃焼室１０の温度差を拡大して燃焼を緩慢化することにより、第３運転領域Ａ３のように燃料の噴射量（つまり熱発生量）が多く燃焼が急峻になり易い条件下であっても、燃焼騒音を適正なレベルに抑えることができる。

また、上記実施形態では、高速・高負荷の第４運転領域Ａ４での運転時に、燃料噴射弁１１から吸気行程中に燃料が噴射され（燃料噴射Ｉｆ４）、その後、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半に水噴射弁５７から水が噴射される（水噴射Ｉｗ４）ので、燃焼室１０の外周部に比べて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３運転領域Ａ３よりも回転速度が高い第４運転領域Ａ４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４運転領域Ａ４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）燃焼が実現されると考えられる。また、燃焼室１０の中央部は、第４運転領域Ａ４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４運転領域Ａ４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確実に回避されるので、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、排気ガスとの熱交換により加熱された高温水（１００℃以上の水）が水噴射弁５７から噴射されるので、噴射された水により燃焼室１０が過度に冷却されて出力トルクが低下したり着火性が損なわれたりするのを防止することができる。しかも、排気ガスの熱を利用して水を加熱するので、加熱のために無駄なエネルギーが消費されることがなく、エネルギー効率を良好に維持することができる。

（６）変形例
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、中負荷の第１運転領域Ａ１において、燃料噴射Ｉｆ１および水噴射Ｉｗ１をともに圧縮行程の後半（圧縮上死点前９０°ＣＡから圧縮上死点までの期間）内で開始および終了させるようにしたが、第１運転領域Ａ１での燃料噴射Ｉｆ１および水噴射Ｉｗ１のタイミングは、少なくとも両噴射期間の一部が圧縮行程の後半のいずれかで重複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、噴射期間の一部が膨張行程にかかるようなタイミングで燃料噴射Ｉｆ１および水噴射Ｉｗ１を実行してもよい。

同様に、上記実施形態では、低負荷の第２運転領域Ａ２において、燃料噴射Ｉｆ２を圧縮行程の後半内で開始および終了させるようにしたが、第２運転領域Ａ２での燃料噴射Ｉｆ２のタイミングは、その噴射期間の一部が圧縮行程の後半に含まれ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、噴射期間の一部が膨張行程にかかるようなタイミングで燃料噴射Ｉｆ２を実行してもよい。

また、上記実施形態では、高負荷の第３運転領域Ａ３および第４運転領域Ａ４において、吸気行程の中期ないし後期に燃料噴射弁１１から燃料を噴射させるようにしたが（燃料噴射Ｉｆ３，Ｉｆ４）、これら第３・第４運転領域Ａ３，Ａ４での燃料噴射Ｉｆ３，Ｉｆ４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Ｉｆ３，Ｉｆ４を実行してもよい。

また、上記実施形態では、気筒２の中心軸上に（真っ直ぐの姿勢で）水噴射弁５７を取り付けるとともに、これと隣接する位置において気筒２の中心軸に対しやや傾けた姿勢で燃料噴射弁１１を取り付けたが、これとは逆に、燃料噴射弁１１を中心軸上に取り付けながら水噴射弁５７を中心軸に対し傾けて取り付けてもよい。また、燃料噴射弁１１および水噴射弁５７の双方を中心軸に対し傾けて取り付けてもよい。

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１０ＭＰａ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，Ａ３，Ａ４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。

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
５ａ キャビティ
１０ 燃焼室
１１ 燃料噴射弁
５７ 水噴射弁
１０１ 燃料噴射制御部
１０２ 水噴射制御部
１０３ ＥＧＲ制御部
Ａ１ 第１運転領域
Ａ２ 第２運転領域
Ｌ１ （負荷の）所定値
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
Ｉｗ１ （第１運転領域での）水噴射

Claims (6)

1. 気筒に往復動可能に収容されたピストンと、気筒の壁面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弁と、燃焼室に水を噴射する水噴射弁とを備え、前記燃料噴射弁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を制御する装置であって、
   前記燃料噴射弁からの燃料の噴射量および噴射タイミングを制御する燃料噴射制御部と、
   前記水噴射弁からの水の噴射量および噴射タイミングを制御する水噴射制御部とを備え、
   負荷が第１閾値以上かつ第２閾値未満となる中負荷の運転領域である第１運転領域でエンジンが運転されているとき、前記燃料噴射制御部および水噴射制御部は、燃料が自着火する直前の燃焼室の中央部に燃料および水が偏在させられるように、専ら圧縮行程の後半に前記燃料噴射弁から燃料を噴射させるとともに、当該燃料噴射の期間と少なくとも部分的に重なるタイミングで前記水噴射弁から水を噴射させ、
   負荷が前記第１閾値未満となる低負荷の運転領域である第２運転領域でエンジンが運転されているとき、前記燃料噴射制御部および水噴射制御部は、前記自着火の直前の燃焼室の中央部に燃料が偏在させられるように、燃料噴射の期間の少なくとも一部が圧縮行程の後半に含まれるタイミングで前記燃料噴射弁から燃料を噴射させるとともに、前記水噴射弁からの水噴射を停止する、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、
   前記第２運転領域での運転時に前記燃焼室から排出された排気ガスの一部を燃焼室に還流するＥＧＲを実行するとともに、前記第１運転領域での運転時に当該ＥＧＲを停止するＥＧＲ制御部をさらに備えた、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジンの制御装置。
3. 請求項１または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、
   前記燃料噴射制御部および水噴射制御部は、前記第１運転領域での運転時に、負荷が高いほど燃料および水の噴射量を増大させるとともに、負荷に対する水噴射量の増大率が燃料噴射量の増大率よりも高くなるように制御する、ことを特徴と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、
   前記ピストンの冠面の中央部に、前記燃焼室の天井面とは反対側に凹んだキャビティが設けられ、
   前記燃料噴射弁および水噴射弁は、圧縮行程の後半に噴射された燃料および水がいずれも前記キャビティの内部を指向するように、前記燃焼室の天井面の中央付近において互いに隣接して配置されている、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、
   前記燃料噴射制御部は、前記第１運転領域および第２運転領域での運転時に、圧縮行程の後半内で燃料噴射が開始および終了されるように前記燃料噴射弁を制御し、
   前記水噴射制御部は、前記第１運転領域での運転時に、圧縮行程の後半内で水噴射が開始および終了され、かつ当該水噴射の期間の少なくとも一部が前記第１運転領域での燃料噴射の期間と重なるように、前記水噴射弁を制御する、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジンの制御装置。
6. 請求項１〜５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、
   前記水噴射弁は、前記燃焼室から排出された排気ガスとの熱交換により加熱された水を噴射するものである、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジンの制御装置。
   

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