WO2015129285A1 - 直噴ガソリンエンジンの制御装置 - Google Patents

Abstract

エンジン（１）は、シリンダ（１１）内に設けられたピストン（１５）を有し、シリンダ（１１）及びピストン（１５）によって燃焼室（１７）が区画されるエンジン本体と、少なくともガソリンを含む燃料を燃焼室（１７）内にノズル口（４１）を介して噴射するインジェクタ（３３）と、少なくとも圧縮行程後半にインジェクタ（３３）に燃料噴射を行わせ、インジェクタ（３３）の噴射態様を制御するエンジン制御器（１００）とを備えている。インジェクタ（３３）は、燃料噴霧の広がりを調整するためのパラメータを有している。エンジン制御器（１００）は、燃焼室（１７）の圧力が高くなるほど、パラメータを燃料噴霧の広がりが大きくなる方へ調整する。

Description

直噴ガソリンエンジンの制御装置

　ここに開示された技術は、直噴ガソリンエンジンの制御装置に関するものである。

　従来より、燃焼室内において混合気の濃度分布や形状等を制御する技術が知られている。例えば、特許文献１に係るエンジンにおいては、スートの発生を抑制すべく、吸気行程中又は圧縮行程中に１回目の燃料噴射を行って燃焼室内に希薄混合気を形成し、その後、圧縮行程中に２回目の燃料噴射を行って燃焼室内に過濃混合気を形成している。

　特許文献２には、エンジンの燃焼室内に燃料を噴射する外開弁式のインジェクタが記載されている。外開弁式のインジェクタは、弁本体のリフト量を変えることによって、燃料が噴射するノズル口の有効断面積が変化する。また、特許文献３には、ＶＣＯ（Valve Covered Orifice）ノズルタイプのインジェクタが記載されている。ＶＣＯノズルタイプのインジェクタは、ニードル弁が、ノズル口が開口しているシート部に直接着座して、ノズル口を閉鎖するように構成されており、ニードル弁のリフト量に応じて、ノズル口の内周面に発生するキャビテーション領域の大きさが変化する。その結果、ＶＣＯノズルタイプのインジェクタでは、外開弁式のインジェクタと同様に、ニードル弁のリフト量に応じて、ノズル口の有効断面積が変化することになる。

　特許文献４には、気筒中心軸上に配置されかつ、コーン状に燃料を噴射する外開弁式のインジェクタを備えたエンジンにおいて、圧縮行程の後期に気筒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（新気を含むガス層）とを形成することが記載されている。この特許文献４に記載されたエンジンでは、混合気層を形成する混合気の燃焼時に、周囲のガス層を断熱層として機能させることで、冷却損失を低減する。

特開平１１－１０１１２７号公報 特開２００８－１５１０４３号公報 特許第４１９４５６４号公報 特開２０１３－５７２６６号公報

　ところで、燃焼室に噴射される燃料噴霧は、燃焼室内の環境の影響を受ける。つまり、同じ噴射態様で燃料を噴射したとしても、燃焼室内に形成される混合気の濃度分布や形状等は燃焼室内の環境に応じて異なる。

　ここに開示された技術は、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、燃焼室内の環境変化に起因する混合気の変化を抑制することにある。

　ここに開示された技術は、直噴ガソリンエンジンの制御装置を対象としている。この直噴ガソリンエンジンの制御装置は、気筒内に設けられたピストンを有し、該気筒及び該ピストンによって燃焼室が区画されるエンジン本体と、少なくともガソリンを含む燃料を上記燃焼室内に噴口を介して噴射するインジェクタと、少なくとも圧縮行程後半に上記インジェクタに燃料噴射を行わせ、該インジェクタの噴射態様を制御する制御部とを備え、上記インジェクタは、燃料噴霧の広がりを調整するためのパラメータを有し、上記制御部は、上記燃焼室の圧力状態を予測すると共に、予測した上記燃焼室の圧力が高いときは、低いときよりも、同一の燃焼噴射量であっても、上記パラメータを燃料噴霧の広がりが大きくなるように調整する。

　上記制御部は、同一の燃料噴射量であっても、予測した上記燃焼室の圧力が高くなるほど、上記パラメータを燃料噴霧の広がりが大きくなる方へ調整するようにしてもよい。

　ここで、「圧縮行程後半」とは、圧縮行程を前半と後半とに二等分した場合の後半を意味する。

　仮に該パラメータを一定にして燃料を噴射すると、筒内圧力が高いほど燃料噴霧が広がりにくくなる。つまり、筒内圧力が高いほど、燃料噴霧の広がりが小さい混合気が形成される。それに対し、上記インジェクタは、上記パラメータを調整することによって燃料噴霧の広がりを調整することができる。燃料噴霧の広がりを調整するためのパラメータは、例えば、噴口の有効断面積や、多段噴射の場合の噴射間隔である。そして、筒内圧力が高くなるほど、燃料噴霧の広がりが大きくなる方へ該パラメータが調整される。これにより、筒内圧力の上昇に起因して燃料噴霧が縮小してしまうことが抑制される。つまり、筒内圧力の変動による影響をできる限り排除して、所望の混合気を形成しやすくなる。

　また、上記パラメータは、上記噴口の有効断面積であって、上記制御部は、予測した上記燃焼室の圧力が高いときは、低いときよりも、同一の燃焼噴射量であっても、上記噴口の有効断面積を大きくするようにしてもよい。

　上記噴口の有効断面積を調整することによって、燃料噴霧の広がりを調整することができる。詳しくは、噴口の有効断面積が変わると、噴口から噴射される燃料噴霧の粒径が変化する。燃料噴霧の粒径が変わると、燃料噴霧の運動量が変化する。燃料噴霧の運動量が変わると、燃料噴霧の飛散距離が変化し、燃料噴霧の広がりが変化する。詳しくは、噴口の有効断面積が大きくなるほど、燃料噴霧の粒径が大きくなり、燃料噴霧の広がりが大きくなる。

　さらに、上記パラメータは、多段噴射を行う場合の噴射間隔であって、上記制御部は、少なくとも圧縮行程後半において多段噴射を行わせ、且つ、予測した上記燃焼室の圧力が高いときは、低いときよりも、同一の燃焼噴射量であっても、上記噴射間隔を大きくするようにしてもよい。

　また、多段噴射の場合には複数回の燃料噴射が断続的に行われ、そのときの噴射間隔を調整することによっても、燃料噴霧の広がりを調整することができる。詳しくは、燃料が噴射されると、コアンダ効果によって燃料噴射の中心軸の付近には負圧になる領域が発生する。この負圧領域の大きさは、噴射間隔に応じて変化する。詳しくは、噴射間隔が大きいときには、次の燃料が噴射されるまでの間に負圧領域の圧力が回復し得るため、負圧領域は小さくなる。負圧領域が小さい場合には、燃料噴霧は、負圧にあまり引き寄せられず、拡散しやすくなる。それに対し、噴射間隔が小さいときには、燃料が次々と噴射されることで、負圧領域の負圧が維持され、負圧領域は大きくなる。負圧領域が大きい場合には、燃料噴霧は、負圧に引き寄せられ、広がりが抑制される。つまり、噴射間隔が大きいほど、燃料噴霧が広がりやすく、噴射間隔が小さいほど、燃料噴霧の広がりが抑制される。

　尚、噴口の有効断面積は、燃料噴霧の負圧領域からの影響の受けやすさにも影響する。噴口の有効断面積が小さいと、燃料噴霧の粒径が小さいので、燃料噴霧は負圧領域からの影響を受けやすくなる。つまり、粒径の小さい燃料噴霧は、負圧領域に引き寄せられやすく、また、負圧領域により減速されやすい。そのため、噴口の有効断面積を小さくすることによって、燃料噴霧の広がりを抑制することができる。

　このように、噴口の有効断面積及び噴射間隔の少なくとも一方を筒内圧力に応じて調整することによって、燃料噴霧の広がりを筒内圧力に応じて調整することができる。

　さらにまた、上記パラメータは、上記噴口の有効断面積及び多段噴射を行う場合の噴射間隔であって、上記制御部は、少なくとも圧縮行程後半において多段噴射を行わせ、且つ、予測した上記燃焼室の圧力が高いときは、低いときよりも、同一の燃焼噴射量であっても、上記噴項の有効断面積と上記噴射間隔とを共に大きくするようにしてもよい。

　上述の如く、噴口の有効断面積が大きくなるほど、燃料噴霧の広がりが大きくなる。また、噴射間隔が大きくなるほど、燃料噴霧の広がりが大きくなる。そのため、筒内圧力が高くなるほど、噴口の有効断面積を大きく、及び／又は、噴射間隔を大きくすることによって、筒内圧力の上昇による燃料噴霧の縮小が抑制される。その結果、筒内圧力の変動に起因する、混合気の濃度分布や形状等の変動を抑制することができる。

　また、上記インジェクタは、上記噴口が形成されたノズル本体と、該噴口を開閉する弁体とを有し、該弁体のリフト量に応じて該噴口の有効断面積が変化し、該弁体のリフト量が大きいほど該噴項の有効断面積が大きくなるように構成されていてもよい。

　上記のインジェクタによれば、弁体のリフト量を調整することによって、噴口の有効断面積を調整することができ、ひいては、燃料噴霧の粒径を変更することができる。

　また、ここに開示された技術は、直噴ガソリンエンジンの制御装置を対象としている。この直噴ガソリンエンジンの制御装置は、気筒内に設けられたピストンを有し、該気筒及び該ピストンによって燃焼室が区画されるエンジン本体と、少なくともガソリンを含む燃料を上記燃焼室内に噴口を介して噴射するインジェクタと、少なくとも圧縮行程後半に上記インジェクタに燃料噴射を行わせ、該インジェクタの噴射態様を制御する制御部とを備え、上記インジェクタは、燃料噴霧の広がりを調整するためのパラメータを有し、上記制御部は、上記圧縮行程後半での上記インジェクタによる燃料噴射時期に対応して、燃料噴射時期が早いほど、上記パラメータを燃料噴霧の広がりが小さくなるように調整する。

　筒内圧力は、圧縮行程後半の燃料噴射時期によっても大きく左右され、同一エンジン負荷で燃料噴射量がほぼ同一であっても、例えば、エンジン回転数が高い場合は、燃料の気化時間（着火遅れ時間）を確保するために、燃料噴射の開始時期が早まる傾向にあり、その分、燃料噴射開始時の筒内圧力は低く、燃料噴霧が広がり易い。

　よって、吸気充填量が同じであっても、インジェクタによる燃料噴射時期に対応して、燃料噴射時期が早いほど、燃料噴霧の広がりを調整するためのパラメータを、燃料噴霧の広がりが小さくなるように調整することで、燃料噴射時期が相違しても、燃料噴霧の拡がりを統一できる。

　なお、このように燃料噴霧の拡がりを統一することで、燃焼室壁面と混合気層との間に、新気や既燃ガス等のガス層（燃焼時の断熱ガス層）の形成が可能となる。

　上記パラメータは、上記噴口の有効断面積であって、上記制御部は、上記圧縮行程後半での上記インジェクタによる燃料噴射時期が早いときには、遅いときに対して、上記噴口の有効断面積を小さくするようにしてもよい。

　また、上記制御部は、上記混合気層の混合気が着火する時点において、上記燃焼室を区画する壁面と上記混合気層との間に新気及び／又は既燃ガスのガス層が形成されるように、上記インジェクタにより圧縮行程後半において燃料噴射させるようにしてもよい。

　この構成によれば、混合気層を形成する混合気が燃焼をするときには、その周囲のガス層は、混合気層と燃焼室を区画する壁面との間に介在する断熱層として機能し、冷却損失を大幅に低減することができる。

　なお、ガス層は、燃料を実質的に含まない層（詳しくは、当量比φ＝０．１以下の層）であり、新気や排気ガスを含んで構成される。

　また、上記燃焼室の壁面は、上記ピストンの冠面に形成された凹状のキャビティの内壁面であってもよい。
この構成によれば、上記インジェクタから噴射された燃料噴霧は、ボリュームを有する凹状のキャビティ空間で混合気層が形成されるため、キャビティの内壁面と混合気層との間に、確実に上記ガス層が形成され、冷却損出を大幅に低減させることができる。

　上記構成によれば、燃焼室内の環境変化に起因する混合気の変化を抑制することができる。

図１は、直噴ガソリンエンジンを示す概略構成図である。 図２は、インジェクタの内部構成を示す断面図である。 図３は、エンジンの運転マップを例示する図である。 図４は、燃焼室内に形成する混合気層の形状を概念的に示す断面図である。 図５は、インジェクタから噴射する燃料噴霧の広がり方向を説明する図である。 図６は、燃料の噴射間隔を示す図である。 図７は、外開弁式のインジェクタのリフト量を示す図である。 図８は、（Ａ）燃料の噴射間隔が長いときの燃料噴霧の広がりを示す概念図、（Ｂ）燃料の噴射間隔が短いときの燃料噴霧の広がりを示す概念図である。 図９は、（Ａ）インジェクタのリフト量が小さいときの燃料噴霧の広がりを示す概念図、（Ｂ）インジェクタのリフト量が大きいときの燃料噴霧の広がりを示す概念図である。 図１０は、クランク角に対する筒内圧力の変化を示す図である。 図１１は、筒内圧力に対するリフト量の変化を示す図である。 図１２は、筒内圧力に対する噴射間隔の変化を示す図である。 図１３は、負荷が低いときの噴射態様を示す図である。 図１４は、負荷が高いときの噴射態様を示す図である。 図１５は、その他の実施形態に係るインジェクタの内部構成を示す断面図である。 図１６は、筒内圧力が相対的に高いときの（Ａ）混合気層の形状状態と、（Ｂ）そのときの噴射態様である。 図１７は、筒内圧力が相対的に低いときの（Ａ）混合気層の形状状態と、（Ｂ）そのときの噴射態様である。

　以下、例示的な実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

　図１は、直噴エンジン１（以下、単にエンジン１という）を概略的に示す。エンジン１は、エンジン本体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エンジン制御器１００を含む。

　エンジン１は、自動車等の車両に搭載され、その出力軸は、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。エンジン１のエンジン本体は、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（気筒）１１が形成されている（図１では、シリンダ１１を１つのみ示す）。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。

　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。

　各シリンダ１１内には、ピストン１５が摺動自在にそれぞれ嵌挿されている。ピストン１５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。図例では、燃焼室１７は所謂ペントルーフ型であり、その天井面（つまり、シリンダヘッド１３の下面）は吸気側及び排気側の２つの傾斜面からなる三角屋根状をなしている。ピストン１５の冠面は、上記天井面に対応した凸形状をなしていて、冠面の中心部には、凹状のキャビティ（凹部）１５ａが形成されている。尚、上記天井面及びピストン１５の冠面の形状は、後述の、高い幾何学的圧縮比が実現するのであれば、どのような形状であってもよい。例えば、天井面及びピストン１５の冠面（つまり、キャビティ１５ａを除く部分）の両方が、シリンダ１１の中心軸に対して垂直な面で構成されていてもよく、天井面が上記のように三角屋根状をなす一方、ピストン１５の冠面（つまり、キャビティ１５ａを除く部分）がシリンダ１１の中心軸に対して垂直な面で構成されていてもよい。

　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、それぞれがシリンダヘッド１３の下面（つまり、燃焼室１７の天井面における吸気側の傾斜面）に開口することで燃焼室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、それぞれがシリンダヘッド１３の下面（つまり、燃焼室１７の天井面の排気側の傾斜面）に開口することで燃焼室１７に連通している。吸気ポート１８は、シリンダ１１内に導入される新気が流れる吸気通路（図示省略）に接続されている。吸気通路には、吸気流量を調整するスロットル弁２０が介設しており、エンジン制御器１００からの制御信号を受けて、スロットル弁２０の開度が調整される。一方、排気ポート１９は、各シリンダ１１からの既燃ガス（つまり、排気ガス）が流れる排気通路（図示省略）に接続されている。排気通路には、図示は省略するが、１つ以上の触媒コンバータを有する排気ガス浄化システムが配置される。触媒コンバータは、三元触媒を含む。

　シリンダヘッド１３には、吸気弁２１及び排気弁２２が、それぞれ吸気ポート１８及び排気ポート１９を燃焼室１７から遮断（閉）す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、排気弁２２は排気弁駆動機構により、それぞれ駆動される。吸気弁２１及び排気弁２２は所定のタイミングで往復動して、それぞれ吸気ポート１８及び排気ポート１９を開閉し、シリンダ１１内のガス交換を行う。吸気弁駆動機構及び排気弁駆動機構は、図示は省略するが、それぞれ、クランクシャフトに駆動連結された吸気カムシャフト及び排気カムシャフトを有し、これらのカムシャフトはクランクシャフトの回転と同期して回転する。また、少なくとも吸気弁駆動機構は、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、電動式又は機械式の位相可変機構（Variable Valve Timing：ＶＶＴ）２３を含んで構成されている。尚、ＶＶＴ２３と共に、弁リフト量を連続的に変更可能なリフト可変機構（ＣＶＶＬ（Continuous Variable Valve Lift））を備えるようにしてもよい。

　また、シリンダヘッド１３には、点火プラグ３１が配設されている。この点火プラグ３１は、例えば、ねじ等の周知の構造によって、シリンダヘッド１３に取付固定されている。点火プラグ３１は、図例では、シリンダ１１の中心軸に対し、排気側に傾斜した状態で取付固定されており、その先端部は燃焼室１７の天井部に臨んでいる。この点火プラグ３１の先端部は、後述のインジェクタ３３のノズル口４１の近傍に位置する。尚、点火プラグ３１の配置はこれに限定されるものではない。本実施形態では、点火プラグ３１は、プラズマ点火式のプラグであり、点火システム３２はプラズマ発生回路を備える。そして、点火プラグ３１は、点火システム３２によって放電でプラズマを発生させ、そのプラズマを点火プラグ３１の先端から気筒内にジェット状に噴射させて、燃料の点火を行う。点火システム３２は、エンジン制御器１００からの制御信号を受けて、点火プラグ３１が所望の点火タイミングでプラズマを発生するよう、それに通電する。尚、点火プラグ３１は、プラズマ点火式のプラグに限らず、一般によく使用されている火花点火式のプラグであってもよい。

　シリンダヘッド１３におけるシリンダ１１の中心軸上には、気筒内（つまり、燃焼室１７内）に燃料を直接噴射するインジェクタ３３が配設されている。このインジェクタ３３は、例えばブラケットを使用する等の周知の構造でシリンダヘッド１３に取付固定されている。インジェクタ３３の先端は、燃焼室１７の天井部の中心に臨んでいる。

　図２に示すように、インジェクタ３３は、シリンダ１１内に燃料を噴射するノズル口４１が形成されたノズル本体４０と、ノズル口４１を開閉する外開弁４２とを有する、外開弁式のインジェクタである。インジェクタ３３は、所定の中心軸Ｓに対して傾斜する方向であって該中心軸Ｓを中心とする径方向外側へ広がる方向へ燃料を噴射すると共に、ノズル口４１の有効断面積を調整可能に構成されている。ノズル口４１は、噴口の一例であり、外開弁４２は、弁体の一例である。

　ノズル本体４０は、中心軸Ｓに沿って延びる管状の部材であって、その内部を燃料が流通する。ノズル口４１の開口縁は、ノズル本体４０の先端部において、先端側ほど径が大きくなるテーパ状に形成されている。ノズル本体４０の基端側の端部は、内部にピエゾ素子４４が配設されたケース４５に接続されている。外開弁４２は、弁本体４２ａと、弁本体４２ａからノズル本体４０内を通ってピエゾ素子４４に接続された連結部４２ｂとを有している。弁本体４２ａは、ノズル本体４０の先端においてノズル本体４０から外側に露出している。弁本体４２ａの連結部４２ｂ側の部分が、ノズル口４１の開口縁と略同じ形状を有しており、該部分がノズル口４１の開口縁に当接（つまり、着座）しているときには、ノズル口４１が閉状態となる。

　インジェクタ３３は、中心軸Ｓがシリンダ１１の中心軸Ｘ（つまり、気筒中心軸Ｘ）と一致し、ノズル口４１が燃焼室１７の天井部に臨む状態で配置されている。

　ピエゾ素子４４は、電圧の印加による変形により、外開弁４２を中心軸方向に押圧してノズル本体４０のノズル口４１の開口縁からリフトさせることによって、ノズル口４１を開放する。このとき、燃料がノズル口４１から中心軸Ｓに対して傾斜した方向であって中心軸Ｓを中心とする半径方向へ広がる方向へ噴射される。具体的には、燃料は、中心軸Ｓを中心とするコーン状（詳しくはホローコーン状）に噴射される。そのコーンのテーパ角は、本実施形態では、９０°～１００°である（ホローコーンにおける内側の中空部のテーパ角は７０°程度である）。そして、ピエゾ素子４４への電圧の印加が停止すると、ピエゾ素子４４が元の状態に復帰することで、外開弁４２がノズル口４１を再び閉状態とする。このとき、ケース４５内における連結部４２ｂの周囲に配設された圧縮コイルバネ４６がピエゾ素子４４の復帰を助長する。

　ピエゾ素子４４に印加する電圧が大きいほど、外開弁４２の、ノズル口４１を閉じた状態からのリフト量（以下、単にリフト量という）が大きくなる（図７も参照）。このリフト量が大きいほど、ノズル口４１の開度（つまり、有効断面積）が大きくなってノズル口４１から気筒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、ノズル口４１の開度が小さくなってノズル口４１から気筒内に噴射される燃料噴霧の粒径が小さくなる。ピエゾ素子４４の応答は速く、例えば１サイクル中に２０回程度の多段噴射が可能である。但し、外開弁４２を駆動する手段としては、ピエゾ素子４４には限られない。

　燃料供給システム３４は、外開弁４２（ピエゾ素子４４）を駆動するための電気回路と、インジェクタ３３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上記電気回路に出力することで、該電気回路を介してピエゾ素子４４及び外開弁４２を作動させて、所望量の燃料を、気筒内に噴射させる。上記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４２によりノズル口４１が閉じられた状態となる。このようにピエゾ素子４４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４４の作動を制御して、インジェクタ３３のノズル口４１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。

　上記燃料供給系には、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、インジェクタ３３が作動する（つまり、外開弁４２がリフトされる）ことによって、上記コモンレールに蓄えられている燃料がノズル口４１から噴射される。

　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、制御部の一例である。

　エンジン制御器１００は、少なくとも、エアフローセンサ７１からの吸気流量に関する信号、クランク角センサ７２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７３からのアクセル開度信号、及び、車速センサ７４からの車速信号をそれぞれ受ける。エンジン制御器１００は、これらの入力信号に基づいて、例えば、所望のスロットル開度信号、燃料噴射パルス、点火信号、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２０（正確には、スロットル弁２０を動かすスロットルアクチュエータ）、燃料供給システム３４（正確には、上記電気回路）、点火システム３２、及び、ＶＶＴ２３等に出力する。

　また、図示は省略するが、このエンジン１は、吸気通路と排気通路とをつなぐＥＧＲ通路が設けられており、排気ガスの一部を吸気に還流させるＥＧＲシステムを備えている。エンジン制御器１００は、ＥＧＲシステムを通じた排気ガスの還流量を、エンジン１の運転状態に応じて調整する。

　このエンジン１の幾何学的圧縮比εは、１５以上４０以下とされている。本実施形態では、エンジン１は圧縮比＝膨張比となる構成から、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。幾何学的圧縮比を高くすることによって、熱効率の向上を図る。

　燃焼室１７は、図１に示すように、シリンダ１１の壁面と、ピストン１５の冠面と、シリンダヘッド１３の下面（つまり、天井面）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。そして、このエンジン１では、冷却損失を低減するべく、これらの各面に、断熱層６１，６２，６３，６４，６５を設けることによって、燃焼室１７を断熱化している。尚、以下において、これらの断熱層６１～６５を総称する場合は、断熱層に符号「６」を付す場合がある。断熱層６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、図例では、シリンダ壁面の断熱層６１は、ピストン１５が上死点に位置した状態で、そのピストンリング１４よりも上側の位置に設けられており、これにより断熱層６１上をピストンリング１４が摺動しない構成としている。但し、シリンダ壁面の断熱層６１はこの構成に限らず、断熱層６１を下向きに延長することによって、ピストン１５のストロークの全域、又は、その一部に断熱層６１を設けてもよい。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の天井面側の開口近傍のポート壁面に断熱層を設けてもよい。尚、図１に図示する各断熱層６１～６５の厚みは実際の厚みを示すものではなく単なる例示であると共に、各面における断熱層の厚みの大小関係を示すものでもない。

　燃焼室１７の断熱構造について、さらに詳細に説明する。燃焼室１７の断熱構造は、上述の如く、燃焼室１７を区画する各区画面に設けた断熱層６１～６５によって構成されるが、これらの断熱層６１～６５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。ここで、シリンダ１１の壁面に設けた断熱層６１については、シリンダブロック１２が母材であり、ピストン１５の冠面に設けた断熱層６２についてはピストン１５が母材であり、シリンダヘッド１３の天井面に設けた断熱層６３については、シリンダヘッド１３が母材であり、吸気弁２１及び排気弁２２それぞれのバルブヘッド面に設けた断熱層６４，６５については、吸気弁２１及び排気弁２２がそれぞれ母材である。したがって、母材の材質は、シリンダブロック１２、シリンダヘッド１３及びピストン１５については、アルミニウム合金や鋳鉄となり、吸気弁２１及び排気弁２２については、耐熱鋼や鋳鉄等となる。

　また、断熱層６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、燃焼室１７内のガス温度は燃焼サイクルの進行によって変動するが、燃焼室１７の断熱構造を有しない従来のエンジンは、シリンダヘッドやシリンダブロック内に形成したウォータージャケット内を冷却水が流れることにより、燃焼室１７を区画する面の温度は、燃焼サイクルの進行にかかわらず、概略一定に維持される。

　一方で、冷却損失は、冷却損失＝熱伝達率×伝熱面積×（ガス温度－区画面の温度）によって決定されることから、ガス温度と壁面の温度との差温が大きくなればなるほど冷却損失は大きくなってしまう。冷却損失を抑制するためには、ガス温度と区画面の温度との差温は小さくすることが望ましいが、冷却水によって燃焼室１７の区画面の温度を概略一定に維持した場合、ガス温度の変動に伴い差温が大きくなることは避けられない。そこで、断熱層６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。

　上記断熱層６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、断熱層６の熱伝導率及び容積比熱をより低くすることができる。

　また、本実施形態では、図１に示すように、熱伝導率が非常に低くて断熱性に優れかつ耐熱性にも優れたチタン酸アルミニウム製のポートライナ１８１を、シリンダヘッド１３に一体的に鋳ぐるむことによって、吸気ポート１８に断熱層を設けている。この構成は、新気が吸気ポート１８を通過するときに、シリンダヘッド１３から受熱して温度が上がることを抑制乃至回避し得る。これによってシリンダ１１内に導入する新気の温度（初期のガス温度）が低くなるため、燃焼時のガス温度が低下し、ガス温度と燃焼室１７の区画面との差温を小さくする上で有利になる。燃焼時のガス温度を低下させることは熱伝達率を低くし得るから、そのことによる冷却損失の低減にも有利になる。尚、吸気ポート１８に設ける断熱層の構成は、ポートライナ１８１の鋳ぐるみに限定されない。

　このエンジン１では、上述の通り幾何学的圧縮比εを１５≦ε≦４０に設定している。理論サイクルであるオットーサイクルにおける理論熱効率η_ｔｈは、η_ｔｈ＝１－１／（ε^κ－１）であり、圧縮比εを高くすればするほど、理論熱効率η_ｔｈは高くなる。しかしながら、エンジン（正確には、燃焼室の断熱構造を有しないエンジン）の図示熱効率は、所定の幾何学的圧縮比ε（例えば１５程度）でピークになり、幾何学的圧縮比εをそれ以上に高めても図示熱効率は高くならず、逆に、図示熱効率は低下することになる。これは、燃料量及び吸気量を一定のままで幾何学的圧縮比を高くした場合、圧縮比が高くなればなるほど、燃焼圧力及び燃焼温度が高くなることに起因している。上述したように、燃焼圧力及び燃焼温度が高くなることは、冷却損失を増大させることになるためである。

　これに対し、このエンジン１では、高い幾何学的圧縮比εにおいて図示熱効率が高まるように、上述の通り、燃焼室１７の断熱構造を組み合わせている。つまり、燃焼室１７の断熱化により冷却損失を低減させ、それによって図示熱効率を高める。

　一方で、燃焼室１７を断熱化して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、上述したように、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、このエンジン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。

　このエンジン１では、上記の燃焼室１７及び吸気ポート１８の断熱構造に加えて、気筒内（燃焼室１７内）において断熱ガス層（以下、ガス層という場合もある。）による断熱層を形成することで、冷却損失をさらに低減するようにしている。以下、このことについて詳細に説明する。

　図３は、エンジン１の温間時の運転マップを例示している。このエンジン１は、基本的には、運転領域の全域において、燃焼室１７内の混合気を圧縮自己着火によって燃焼させるように構成されている。図３に示す運転マップにおいて、所定負荷よりも低い低負荷領域、及び、低負荷領域よりも負荷の高い中負荷領域において、燃焼室１７内にガス層による断熱層を形成する。つまり、エンジン負荷が比較的低くかつ、それによって燃料噴射量が比較的少ない運転状態においては、燃焼室１７内にガス層による断熱層を形成することによって、冷却損失を低減し、熱効率の向上を図る。ここで、低負荷領域及び中負荷領域はそれぞれ、エンジンの負荷領域を低、中、及び高の３つの領域に区分（例えば、三等分）したときの、低領域及び中領域に相当する、と定義してもよい。また、特に中負荷領域は、例えば全開負荷に対する所定負荷以下（例えば７０％負荷以下）の領域としてもよい。

　図４は、低負荷及び中負荷領域において、燃焼室１７内に形成する混合気層の形状を概念的に示している。燃焼室１７内にガス層による断熱層を形成するとは、同図に示すように、燃焼室１７内の中央部に混合気層Ｇ１を形成すると共に、その周囲に新気を含むガス層Ｇ２を形成することである。

　ここでいう混合気層Ｇ１は、可燃混合気（例えば当量比φ＝０．１以上の混合気）によって構成される層と定義している。また、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Ｇ１の大きさは、着火時点での大きさである。さらに、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。

　また、ガス層Ｇ２は、φ＝０．１未満の混合気によって構成される層と定義している。ガス層Ｇ２は、新気のみであってもよく、新気に加えて、既燃ガス（つまり、ＥＧＲガス）を含んでいてもよい。尚、後述の通り、ガス層Ｇ２が断熱層の役割を果たす限度において、ガス層Ｇ２に少量の燃料が混じることは許容される。

　尚、燃料室内の混合気層Ｇ１及びガス層Ｇ２は、シュリーレン法、又は燃料にシリコンオイルを混入させ該燃料の噴霧を光学的に読み取る手法等によって可視化することができる。そして、可視化された燃料噴霧に基づいて、当量比φを求めることができ、混合気層Ｇ１及びガス層Ｇ２を判別することができる。例えば、所定の当量比φに相当する輝度により、混合気層Ｇ１とガス層Ｇ２とを判別することができる。

　混合気層Ｇ１の表面積（Ｓ）と体積（Ｖ）との比（Ｓ／Ｖ比）を小さくすることによって、燃焼時に周囲のガス層Ｇ２との伝熱面積が小さくなると共に、混合気層Ｇ１とシリンダ１１の壁面との間のガス層Ｇ２により、混合気層Ｇ１の火炎がシリンダ１１の壁面及びキャビティ１５ａの内壁１５ｂに接触することが抑制され、また、ガス層Ｇ２自体が断熱層となって、シリンダ１１の壁面及びキャビティ１５ａの内壁１５ｂからの熱の放出を抑えることができるようになる。この結果、冷却損失を大幅に低減することができる。

　エンジン制御器１００は、燃焼室１７内の中央部に混合気層Ｇ１が形成され且つ、混合気層Ｇ１の周囲にガス層Ｇ２が形成されるように、圧縮行程後半から膨張行程初期の期間にインジェクタ３３のノズル口４１からシリンダ１１内に燃料を噴射させるべく、燃料供給システム３４の電気回路に噴射信号を出力する。ここで、圧縮行程後半は、圧縮行程を、前半と後半との２つの領域に区分（例えば、二等分）したときの後半である。また、膨張行程初期は、膨張行程を、初期、中期及び終期の３つの領域に区分（例えば、三等分）したときの初期である。

　低負荷領域においては、燃料噴射量が相対的に少ないことから、シリンダ１１の中心軸Ｘ上に配設されたインジェクタ３３から、圧縮行程後半から膨張行程初期の期間に、シリンダ１１内に燃料を噴射することによって燃料噴霧の広がりを抑制して、燃焼室１７内の中央部の混合気層Ｇ１と、その周囲のガス層Ｇ２とを形成することが比較的、容易に実現する。しかしながら、燃焼噴射量が増えるに従い、燃料噴射期間が長くなることから、燃料噴霧は特にシリンダ１１の中心軸Ｘの方向に広がるようになり、その結果、混合気層Ｇ１は、例えばキャビティ１５ａの内壁１５ｂを含むピストン１５の冠面に触れるようになる。つまり、混合気層Ｇ１の周囲のガス層Ｇ２が確実に形成されなくなる。上述の通り、このエンジン１は、幾何学的圧縮比が高く、それに伴い燃焼室（つまり、ピストンが圧縮上死点に位置したときのシリンダ内空間）の容積が小さい。そのため、このエンジン１は、燃料噴霧がシリンダ１１の中心軸Ｘの方向に広がったときに、混合気層Ｇ１はキャビティ１５ａの内壁１５ｂを含むピストン１５の冠面に触れやすい。

　そこで、このエンジン１は、燃料噴射量が増える中負荷領域においても燃焼室１７内の中心部の混合気層Ｇ１とその周囲のガス層Ｇ２とを確実に形成するために、燃焼室１７内に形成する混合気層Ｇ１の形状をコントロールする。具体的には、図４に白抜きの矢印で示すように、燃料噴射量が増えたときには、燃料噴霧を、シリンダ１１の中心軸Ｘに交差する径方向の外方に広がるようにする。そのことによって、混合気層Ｇ１の中心軸Ｘの方向の長さが長くなることを抑制して混合気層Ｇ１がキャビティ１５ａの内壁１５ｂを含むピストン１５の冠面に触れることを回避しつつ、中心軸Ｘの方向よりも空間的な余裕のある径方向の外方に混合気層Ｇ１を広げることによって、混合気層Ｇ１がシリンダ１１の内壁に触れることも回避する。燃焼室１７内に形成する混合気層Ｇ１の形状をコントロールすることは、燃焼室１７内に形成される混合気層Ｇ１の中心軸方向の長さをＬ、径方向の幅をＷとしたときに、長さＬと幅Ｗとの比（Ｌ／Ｗ）を調整することであり、上述のＳ／Ｖ比を小さくする上で、Ｌ／Ｗ比を所定以上にしつつも、燃料噴射量が増えたときには、Ｌ／Ｗ比を小さくすることになる。

　このような混合気層Ｇ１の形状のコントロールを実現するために、エンジン１では、インジェクタ３３による燃料噴射の間隔（図６参照）とリフト量（図７参照）とがそれぞれ調整される。これにより、図５に示すように、燃料噴霧の進行方向への広がりと燃料噴霧の径方向への広がりとが独立して制御される。燃料噴射の間隔は、図６に概念的に示すように、燃料噴射の終了から、次の燃料噴射の開始までの間隔と定義される。上述の通り、このインジェクタ３３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。また、インジェクタ３３のリフト量は、図７に概念的に示すように、燃料の噴射開口面積に比例し、上述の通り、リフト量が大きいほど、噴射開口面積（即ち、ノズル口４１の有効断面積）は大きくなり、リフト量が小さいほど、噴射開口面積は小さくなる。

　図８は、インジェクタ３３のリフト量を一定にした上で、燃料の噴射間隔を長くしたとき（同図（Ａ））と、噴射間隔を短くしたとき（同図（Ｂ））との燃料噴霧の広がりの違いを、概念的に示している。インジェクタ３３からホローコーン状に噴射された燃料噴霧は、燃焼室１７内を高速で流れる。そのため、コアンダ効果により、ホローコーンの内側においてインジェクタ３３の中心軸Ｓに沿うように、負圧領域が発生する。燃料噴射間隔が長いときには、燃料噴射から次の燃料噴射までの間に、負圧領域の圧力が回復するようになるため、負圧領域は小さくなる。これに対し、燃料噴射間隔が短いときには、間を空けずに燃料噴射が繰り返されるため、負圧領域の圧力回復が抑制される。その結果、負圧領域は、図８（Ｂ）に示すように、大きくなる。

　燃料噴霧は、この負圧に引き寄せされるようになる。負圧領域は中心軸Ｓを中心とする径方向の中央側に形成されるため、負圧領域が相対的に大きいときには、図８（Ｂ）に示すように、燃料噴霧の径方向への広がりは抑制される。これに対し、負圧領域が相対的に小さいときには、図８（Ａ）に示すように、燃料噴霧は、あまり引き寄せられないため、径方向へ広がりやすくなる。つまり、インジェクタ３３の燃料の噴射間隔を短くすれば、燃料噴霧の径方向の広がりを抑制することが可能になる一方、その噴射間隔を長くすれば、燃料噴霧の径方向の広がりを促進することが可能になる。

　図９は、燃料の噴射間隔を一定にした上で、インジェクタ３３のリフト量を小さくしたとき（同図（Ａ））と、リフト量を大きくしたとき（同図（Ｂ））との燃料噴霧の広がりの違いを、概念的に示している。この場合、噴射間隔が同じであるため、燃焼室１７内の負圧領域は同じになるものの、リフト量が相違することによって、燃料噴霧の粒径が異なる。つまり、インジェクタ３３のリフト量を小さくしたときには、燃料噴霧の粒径も小さくなるため、燃料噴霧の運動量が小さくなる。このため、燃料噴霧は、負圧によって径方向の中央側に引き寄せられやすくなり、図９（Ａ）に示すように、径方向の外方への広がりが抑制される。これに対し、インジェクタ３３のリフト量を大きくしたときには、燃料噴霧の粒径が大きくなるため、燃料噴霧の運動量が大きくなる。このため、燃料噴霧は、負圧に引き寄せられにくくなり、図９（Ｂ）に示すように、径方向の外方に広がり易くなる。つまり、インジェクタ３３のリフト量を大きくすれば、燃料噴霧の径方向の広がりを促進することが可能になる一方、そのリフト量を小さくすれば、燃料噴霧の径方向の広がりを抑制することが可能になる。

　また、粒径が大きい燃料噴霧は、運動量が大きいので、進行方向への飛散距離も長くなる。さらに、粒径が大きい燃料噴霧は、負圧領域の影響を受けて減速しにくく、このことによっても飛散距離が長くなる。それに対し、粒径が小さい燃料噴霧は、運動量が小さいので、進行方向への飛散距離が短くなる。さらに、粒径が小さい燃料噴霧は、負圧領域の影響を受けて減速しやすく、このことによっても飛散距離が短くなる。

　このように、インジェクタ３３の噴射間隔及びリフト量を変更することによって、燃料噴霧の広がりを、径方向と進行方向との２方向について独立して制御することが可能になる。そこで、このエンジン１では、リフト量が相対的に大きく且つ噴射間隔が相対的に大きい複数回の燃料噴射を含む第１噴射群と、リフト量が相対的に小さく且つ噴射間隔が相対的に小さい複数回の燃料噴射を含む第２噴射群とを組み合わせて、混合気層Ｇ１の形状を制御している。何れの噴射群においても、複数回の燃料噴射を行う多段噴射が実行される。ここで、多段噴射とは、燃料の噴射間隔（燃料噴射の終了から次の燃料噴射の開始までの間隔）が０．５ｍｓ以下の断続的な燃料噴射を意味する。

　詳しくは、第１噴射群は、インジェクタ３３のリフト量を第２噴射群よりも大きくし且つ、燃料の噴射間隔を第２噴射群よりも大きくした、所定回数の燃料噴射を含む。噴射間隔を広くすることによって負圧領域が小さくなる。それに加えて、リフト量を大きくして燃料噴霧の粒径を大きくすることによって、燃料噴霧の運動量が大きくなる。その結果、進行方向への飛散距離が相対的に長く且つ径方向へ広がった燃料噴霧が形成される。

　第２噴射群は、インジェクタ３３のリフト量を第１噴射群よりも小さくし且つ、燃料の噴射間隔を第１噴射群よりも小さくした、所定回数の燃料噴射を含む。噴射間隔を狭くすることによって負圧領域が拡大される。それに加えて、リフト量を小さくして燃料噴霧の粒径を小さくすることによって、燃料噴霧の運動量が小さくなる。その結果、進行方向への飛散距離が相対的に短く且つ径方向への広がりが抑制された燃料噴霧が形成される。

　エンジン制御器１００は、エンジン１の運転状態に応じて第１噴射群と第２噴射群との割合を変更することによって、混合気層Ｇ１をエンジン１の運転状態に応じた形状に制御している。基本的な原理としては、第１噴射群の割合を多くすることによって、径方向外方へ広がった混合気層Ｇ１が形成される一方、第２噴射群の割合を多くすることによって、径方向外側への広がりが抑制された混合気層Ｇ１が形成される。

　尚、エンジン１の運転状態によっては、第１噴射群が省略され、第２噴射群だけが実行される場合や、第１噴射群に含まれる燃料噴射が１回だけで、あとは第２噴射群となる場合や、第２噴射群が省略され、第１噴射群だけが実行される場合や、第２噴射群に含まれる燃料噴射が１回だけで、あとは第１噴射群となる場合もある。また、第１噴射群の後に第２噴射群を実行してもよいし、第２噴射群のあとに第１噴射群を実行してもよい。

　エンジン制御器１００は、上述の多段噴射を前提として、エンジン１の運転状態に応じて噴射態様をさらに細かく制御している。図１０は、クランク角に対する筒内圧力の変化を示す図である。図１１は、筒内圧力に対するリフト量の変化を示す図である。図１２は、筒内圧力に対する噴射間隔の変化を示す図である。

　具体的には、エンジン制御器１００は、エンジン１の運転状態が図４に示す低負荷及び中負荷領域に含まれるときには、多段噴射におけるインジェクタ３３のリフト量及び噴射間隔を、燃焼室１７の圧力（筒内圧力）に応じて調整する。

　筒内圧力は、運転状態に応じて様々に変化する。例えば、筒内圧力は、エンジン負荷に応じて変化する。詳しくは、エンジン制御器１００は、エンジン負荷に応じて吸気弁２１の閉弁時期を下死点よりも遅角させることによって、吸気充填量を燃料量に応じた量に調整している。そのため、図１０に示すように、エンジン負荷が大きくなると、吸気充填量が増加し、その結果、圧縮行程中の筒内圧力が全体的に上昇する。一方、エンジン負荷が小さくなると、吸気充填量が減少し、圧縮行程中の筒内圧力が全体的に減少する。

　エンジン制御器１００は、スロットル弁２０の開度、吸気弁２１の閉弁時期及びクランク角等に基づいて筒内圧力を求め、求めた筒内圧力に応じて、インジェクタ３３の噴射態様を以下のように調整する。

　エンジン制御器１００は、筒内圧力が高くなるほど、インジェクタ３３の噴射態様を燃料噴霧の広がりが大きくなる方へ調整する。具体的には、エンジン制御器１００は、図１１に示すように、筒内圧力が高くなるほど、リフト量を大きくする。それに加えて、エンジン制御器１００は、図１２に示すように、筒内圧力が高くなるほど、噴射間隔を大きくする。つまり、リフト量及び噴射間隔は、燃料噴霧の広がりを調整するための、インジェクタ３３が有するパラメータである。

　ここでの筒内圧力は、燃焼サイクルごとの代表的な筒内圧力である。例えば、エンジン制御器１００は、各燃焼サイクルにおける噴射開始時期の筒内圧力に応じて、リフト量及び噴射間隔を上述のように調整する。尚、各燃焼サイクルにおいて、どの時点での筒内圧力に応じてリフト量及び噴射間隔を調整するかは、任意に設定することができる。例えば、噴射開始時期ではなく、噴射終了時期の筒内圧力を採用してもよいし、圧縮上死点における筒内圧力を採用してもよい。つまり、燃焼室１７内の燃料噴霧の広がりやすさを判定できるタイミングであれば、どの時点の筒内圧力を採用してもよい。

　リフト量は、筒内圧力に対して線形的に増加させる。

　一方、噴射間隔は、或る間隔以上広げても、燃料噴霧の広がりに対する影響が小さくなるので、筒内圧力が高くなるにつれて噴射間隔の増加量を減少させている。また、筒内圧力が高いときは、燃料量が多いときであり、燃料の噴射期間が長い。それに加えて、噴射間隔を大きくすると、噴射期間がさらに長くなってしまう。そのため、筒内圧力が高くなるにつれて噴射間隔の増加量を減少させることによって、燃料量が多いときの噴射期間の長期化を防止している。これにより、圧縮行程後半という限られた期間の中で必要な燃料量を、自己着火燃焼を適切な時期に生じさせるための所定の時期までに噴射し切ることができる。

　具体的な噴射態様を図１３，１４に示す。図１３は、筒内圧力が相対的に低いときの噴射態様であり、図１４は、筒内圧力が相対的に高いときの噴射態様である。いずれの場合も、エンジン制御器１００は、第1噴射群８及び第２噴射群９を実行する。そして、エンジン制御器１００は、筒内圧力が高いほど、第１噴射群８におけるリフト量及び噴射間隔、並びに、第２噴射群９におけるリフト量及び噴射間隔を低負荷領域に比べて大きくする。リフト量を大きくすることによって、燃料噴霧が飛散しやすくなり、燃料噴霧が広がりやすくなる。また、噴射間隔を大きくすることによって、負圧領域が小さくなり、このことによっても燃料噴霧が広がりやすくなる。

　ところで、リフト量及び噴射間隔を大きくしても、筒内圧力が高いので、実際の燃料噴霧は、リフト量及び噴射間隔の調整量ほどは広がらない。つまり、燃料噴霧が広がりやすい噴射態様によって、燃料噴霧が広がりにくい筒内環境を相殺している。これにより、所望の混合気を形成しやすくなる。

　例えば、低負荷及び中負荷領域では、上述の如く、燃焼室１７内の中央部の混合気層Ｇ１が形成され、その周囲のガス層Ｇ２が形成される。ここで、エンジン負荷が上昇すると、燃料量が増加し、それに応じて筒内圧力が高くなり、燃料噴霧が広がりにくい筒内環境となる。そのため、混合気層Ｇ１が小さくなる傾向にある。燃料量が多いことに加えて、混合気層Ｇ１が小さくなると、局所的に燃料がリッチな部分が発生しやすくなり、過早着火の可能性が高まる。

　それに対し、筒内圧力が高くなるほどリフト量及び噴射間隔を大きくすることによって、燃料噴霧の広がりにくい環境に対向して、燃料噴霧の広がりやすい噴射態様とする。これにより、筒内圧力の上昇に起因する混合気層Ｇ１の縮小を抑制することができる。例えば、燃料噴霧、即ち、混合気層Ｇ１の広がりを筒内圧力が低いときよりも大きくするか、あるいは、筒内圧力が低いときと同程度にすることができる。これにより、過早着火を抑制することができる。

　尚、エンジン負荷が変わると、燃料噴射時期も変化する。例えば、燃焼騒音が問題とならない、比較的低負荷の運転領域（即ち、燃焼時の圧力上昇率ｄＰ／ｄθが比較的小さい領域）では、燃料量が増加するほど燃料噴射の開始タイミングは進角される。これは、適切な着火遅れ時間を確保して、自己着火燃焼を適切な時期に生じさせるための所定の時期までに必要な燃料を噴射し切る必要があるためである。一方、燃料量が多く、燃焼騒音が問題となる運転領域（即ち、燃焼時の圧力上昇率ｄＰ／ｄθが比較的大きい領域）では、自己着火燃焼の発生時期をリタードさせて圧力上昇率ｄＰ／ｄθを減少させるべく、燃料噴射の開始タイミングが遅角される。圧縮行程中の筒内圧力は、図１０に示すように、クランク角に応じて変化するので、燃料噴射時期が変わると、燃料噴射時及び燃料噴霧が飛散しているときの筒内圧力も変化する。例えば、燃料噴射を圧縮行程後半に行うとしても、圧縮行程後半の始めの方で燃料を噴射するのと、終わりの方で燃料を噴射するのでは、筒内圧力は大きく異なる。

　そこで、エンジン制御器１００は、燃焼サイクルごとの代表的な筒内圧力に応じて、リフト量及び噴射間隔を調整するだけでなく、燃料の噴射時期の変化に応じて、リフト量及び噴射間隔をさらに調整する。つまり、燃料の噴射時期が進角され、筒内圧力が比較的低い時期から燃料を噴射する際には、リフト量及び噴射間隔が小さめに調整される。一方、燃料の噴射時期が遅角され、筒内圧力が比較的高い時期に燃料を噴射する際には、リフト量及び噴射間隔が大きめに調整される。

　以上のように、エンジン１は、シリンダ１１内に設けられたピストン１５を有し、該シリンダ１１及び該ピストン１５によって燃焼室１７が区画されるエンジン本体と、少なくともガソリンを含む燃料を上記燃焼室１７内にノズル口４１を介して噴射するインジェクタ３３と、少なくとも圧縮行程後半に上記インジェクタ３３に燃料噴射を行わせ、該インジェクタ３３の噴射態様を制御するエンジン制御器１００とを備え、上記インジェクタ３３は、燃料噴霧の広がりを調整するためのパラメータを有し、上記エンジン制御器１００は、上記燃焼室１７の圧力が高くなるほど、上記パラメータを燃料噴霧の広がりが大きくなる方へ調整する。

　具体的には、エンジン１は、シリンダ１１内に設けられたピストン１５を有し、該シリンダ１１及び該ピストン１５によって燃焼室１７が区画されるエンジン本体と、少なくともガソリンを含む燃料を上記燃焼室１７内にノズル口４１を介して噴射するインジェクタ３３と、少なくとも圧縮行程後半に上記インジェクタ３３に燃料噴射を行わせ、該インジェクタ３３の噴射態様を制御するエンジン制御器１００とを備え、上記インジェクタ３３は、上記ノズル口４１の有効断面積を調整可能に構成されており、上記エンジン制御器１００は、上記燃焼室１７の圧力に応じて、上記ノズル口４１の有効断面積及び、多段噴射を行う場合の噴射間隔の少なくとも一方を調整する。

　より詳しくは、上記エンジン制御器１００は、上記燃焼室１７の圧力が高くなるほど、上記ノズル口４１の有効断面積を大きくする及び／又は、多段噴射を行う場合の噴射間隔を大きくする。

　この構成によれば、燃焼室１７の圧力が高くなって、燃料噴霧が広がりにくい筒内環境になるほど、燃料噴霧が広がりやすい態様にインジェクタ３３の噴射態様が調整される。これにより、筒内圧力の上昇に起因する燃料噴霧の縮小を抑制することができ、所望の混合気を形成することができる。

　《その他の実施形態》
　以上のように、本出願において開示する技術の例示として、上記実施形態を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、適宜、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用可能である。また、上記実施形態で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。また、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。

　上記実施形態について、以下のような構成としてもよい。

　例えば、筒内圧力に応じてリフト量及び噴射間隔を調整するのは、低負荷及び中負荷領域に限られるものではない。それ以外の運転領域において、筒内圧力に応じたリフト量及び噴射間隔の調整を行ってもよい。

　上記実施形態では、リフト量及び噴射間隔の両方を調整することによって、燃料噴霧の広がりやすさを調整しているが、これに限られるものではない。リフト量及び噴射間隔の何れか一方だけを調整することによって、燃料噴霧の広がりやすさを調整してもよい。

　燃料噴霧の広がりやすさを調整するためのパラメータは、リフト量及び噴射間隔に限られない。例えば、燃料圧力を調整することによって、燃料噴霧の広がりやすさを調整してもよい。燃料圧力を高くすることによって、燃料噴霧の運動エネルギが大きくなるので、燃料噴霧が広がりやすくなる。さらに、リフト量、噴射間隔及び燃料圧力を組み合わせることによって、混合気層の形状の変更幅をさらに拡大することができる。つまり、燃料圧力を高くすることによって、インジェクタ３３のリフト量を大きくしたときには、燃料噴霧の運動エネルギがより大きくなり、燃料噴射間隔を狭くしたときには、負圧の程度が高くなって負圧領域がより拡大する。その結果、混合気層の形状の変更幅が、さらに拡大する。

　筒内圧力の上昇に応じてリフト量及び噴射間隔を大きくした場合に形成される混合気層Ｇ１の形状は、リフト量及び噴射間隔を調整しない場合と比較して大きくなっていればよく、必ずしも、筒内圧力が低いときと比較して大きくなっている必要はない。

　また、図１１，１２に示す、筒内圧力に対するリフト量及び噴射間隔の変化は、一例にすぎず、これ以外の態様でリフト量及び噴射間隔を変化させてもよい。

　上記実施形態では、筒内圧力に基づくリフト量及び噴射間隔の調整は、各燃焼サイクルの燃料噴射全体に一律に実施される。しかし、各燃焼サイクルの一連の燃料噴射に対し、部分的にリフト量及び噴射間隔を調整してもよい。例えば、各燃焼サイクルの一連の燃料噴射のうち、筒内圧力が低い部分のリフト量及び噴射間隔を小さく、筒内圧力が高い部分のリフト量及び噴射間隔を大きくしてもよい。

　上記実施形態では、低負荷及び中負荷領域において、燃料を圧縮行程後半に噴射しているが、これに限られるものではない。圧縮行程後半の燃料噴射に加えて、圧縮行程後半以前から燃料噴射を開始してもよいし、燃料噴射を圧縮上死点を超えて継続させてもよい。

　また、図１３，１４に示すように、第1噴射群８及び第２噴射群９の多段噴射により燃料噴射しているが、この噴射態様に限られるものではない。例えば、第1噴射群８、又は、第２噴射群９のどちらか一方でも良いし、図１６、図１７に示すように、一括噴射でも良い。

　なお、図１６と図１７は、吸気弁２１の閉弁時期の相違により、筒内圧力が相違する状態でのインジェクタ３３のリフト量を示している。筒内圧力が相対的に高い状態を示す図１６ではリフト量が多く、筒内圧力が相対的に低い状態を示す図１７ではリフト量が少ないが、燃焼室１７内に形成される混合気層の大きさは変わらない。なお、燃料噴射量もほぼ同一である。筒内圧力が高い状態では燃料噴霧が飛び難く、大きな抵抗を受けるため、インジェクタ３３から噴出される燃料量も少なくなるからである。

　また、インジェクタの構成は、上記実施形態に限られるものではない。噴口の有効断面積を変更できる限り、任意のインジェクタを採用することができる。例えば、図１５に示すような、ＶＣＯ（Valve Covered Orifice）ノズルタイプのインジェクタ２３３であってもよい。図１５は、インジェクタ２３３の内部構成を示す断面図である。

　詳しくは、インジェクタ２３３は、シリンダ１１内に燃料を噴射するノズル口２４１が形成されたノズル本体２４０と、ノズル口２４１を開閉するニードル弁２４２とを有する。ノズル本体２４０は、所定の中心軸Ｓに沿って延びる管状の部材であって、その内部を燃料が流通する。ノズル本体２４０の先端部は、円錐状に形成されている。ノズル本体２４０の先端部の内周面には、すり鉢状のシート部２４３が形成されている。ノズル本体２４０の先端部に、複数のノズル口２４１が貫通形成されている。ノズル口２４１の一端は、シート部２４３に開口している。ノズル口２４１は、中心軸Ｓ回りに等間隔で複数配置されている。ニードル弁２４２の先端部は、円錐状に形成され、ノズル本体２４０のシート部２４３に着座するようになっている。ノズル口２４１は、ニードル弁２４２がシート部２４３に着座することによって閉鎖されるようになっている。ノズル口２４１は、噴口の一例であり、ニードル弁２４２は、弁体の一例である。

　ニードル弁２４２は、インジェクタ３３と同様にピエゾ素子により駆動される。ニードル弁２４２が駆動され、シート部２４３からリフトされると、シート部２４３とニードル弁２４２との間に燃料が流通可能な隙間が形成され、この隙間を流通する燃料がノズル口２４１を介してノズル本体２４０の外部に噴射される。

　このとき、ノズル口２４１の内周面には、燃料が流通する際にキャビテーションが発生する。このキャビテーションの度合い（例えば、キャビテーションが発生する領域の大きさ）は、ニードル弁２４２とシート部２４３との隙間、即ち、ニードル弁２４２のリフト量に応じて変化する。具体的には、ニードル弁２４２のリフト量が小さく、ニードル弁２４２とシート部２４３との隙間が小さいときには、キャビテーションが発生する領域も大きくなる。一方、ニードル弁２４２のリフト量が大きく、ニードル弁２４２とシート部２４３との隙間が大きいときには、キャビテーションが発生する領域も小さくなる。キャビテーションが発生する領域が大きいと、ノズル口２４１の有効断面積は小さくなる。キャビテーションが発生する領域が小さいと、ノズル口２４１の有効断面積は大きくなる。つまり、ニードル弁２４２のリフト量が小さいほど、ノズル口２４１の有効断面積は小さくなり、ニードル弁２４２のリフト量が大きいほど、ノズル口２４１の有効断面積は大きくなる。

　尚、上記の例では、燃焼室１７及び吸気ポート１８の断熱構造を採用するようにしたが、ここに開示する技術は、燃焼室１７及び吸気ポート１８の断熱構造を採用しないエンジンにも適用することができる。

　また、前記エンジン１は、運転領域の全域において圧縮自己着火による燃焼を行っているが、これに限られるものではない。点火プラグでの点火により燃焼を行わせる構成であってもよいし、圧縮自己着火と点火とを運転領域に応じて使い分ける構成であってもよい。

　以上説明したように、ここに開示された技術は、直噴ガソリンエンジンの制御装置について有用である。

１　　　　エンジン
１１　　　シリンダ（気筒）
１５　　　ピストン
１５ａ　　キャビティ
１５ｂ　　内壁
１７　　　燃焼室
３３　　　インジェクタ
４０　　　ノズル本体
４１　　　ノズル口（噴口）
４２　　　外開弁（弁体）
１００　　エンジン制御器（制御部）
２３３　　インジェクタ
２４１　　ノズル口（噴口）
２４２　　ニードル弁（弁体）
Ｓ　　　　中心軸
Ｘ　　　　中心軸

Claims (10)

1. 　気筒内に設けられたピストンを有し、該気筒及び該ピストンによって燃焼室が区画されるエンジン本体と、
   　少なくともガソリンを含む燃料を上記燃焼室内に噴口を介して噴射するインジェクタと、
   　少なくとも圧縮行程後半に上記インジェクタに燃料噴射を行わせ、該インジェクタの噴射態様を制御する制御部とを備え、
   　上記インジェクタは、燃料噴霧の広がりを調整するためのパラメータを有し、
   　上記制御部は、上記燃焼室の圧力状態を予測すると共に、予測した上記燃焼室の圧力が高いときは、低いときよりも、同一の燃焼噴射量であっても、上記パラメータを燃料噴霧の広がりが大きくなるように調整する直噴ガソリンエンジンの制御装置。
2. 　請求項１に記載の直噴ガソリンエンジンの制御装置において、
   　上記制御部は、同一の燃料噴射量であっても、予測した上記燃焼室の圧力が高くなるほど、上記パラメータを燃料噴霧の広がりが大きくなる方へ調整する直噴ガソリンエンジンの制御装置。
3. 　請求項１又は２に記載の直噴ガソリンエンジンの制御装置において、
   　上記パラメータは、上記噴口の有効断面積であって、
   　上記制御部は、予測した上記燃焼室の圧力が高いときは、低いときよりも、同一の燃焼噴射量であっても、上記噴口の有効断面積を大きくする直噴ガソリンエンジンの制御装置。
4. 　請求項１又は２に記載の直噴ガソリンエンジンの制御装置において、
   　上記パラメータは、多段噴射を行う場合の噴射間隔であって、
   　上記制御部は、少なくとも圧縮行程後半において多段噴射を行わせ、且つ、予測した上記燃焼室の圧力が高いときは、低いときよりも、同一の燃焼噴射量であっても、上記噴射間隔を大きくする直噴ガソリンエンジンの制御装置。
5. 　請求項１又は２に記載の直噴ガソリンエンジンの制御装置において、
   　上記パラメータは、上記噴口の有効断面積及び多段噴射を行う場合の噴射間隔であって、
   　上記制御部は、少なくとも圧縮行程後半において多段噴射を行わせ、且つ、予測した上記燃焼室の圧力が高いときは、低いときよりも、同一の燃焼噴射量であっても、上記噴項の有効断面積と上記噴射間隔とを共に大きくする直噴ガソリンエンジンの制御装置。
6. 　請求項３に記載の直噴ガソリンエンジンの制御装置において、
   　上記インジェクタは、上記噴口が形成されたノズル本体と、該噴口を開閉する弁体とを有し、該弁体のリフト量に応じて該噴口の有効断面積が変化し、該弁体のリフト量が大きいほど該噴項の有効断面積が大きくなるように構成されている直噴ガソリンエンジンの制御装置。
7. 　気筒内に設けられたピストンを有し、該気筒及び該ピストンによって燃焼室が区画されるエンジン本体と、
   　少なくともガソリンを含む燃料を上記燃焼室内に噴口を介して噴射するインジェクタと、
   　少なくとも圧縮行程後半に上記インジェクタに燃料噴射を行わせ、該インジェクタの噴射態様を制御する制御部とを備え、
   　上記インジェクタは、燃料噴霧の広がりを調整するためのパラメータを有し、
   　上記制御部は、上記圧縮行程後半での上記インジェクタによる燃料噴射時期に対応して、燃料噴射時期が早いほど、上記パラメータを燃料噴霧の広がりが小さくなるように調整する直噴ガソリンエンジンの制御装置。
8. 　請求項７に記載の直噴ガソリンエンジンの制御装置において、
   　上記パラメータは、上記噴口の有効断面積であって、
   　上記制御部は、上記圧縮行程後半での上記インジェクタによる燃料噴射時期が早いときには、遅いときに対して、上記噴口の有効断面積を小さくする直噴ガソリンエンジンの制御装置。
9. 　請求項１～８の何れか１つに記載の直噴ガソリンエンジンの制御装置において、
   　上記制御部は、上記混合気層の混合気が着火する時点において、上記燃焼室を区画する壁面と上記混合気層との間に新気及び／又は既燃ガスのガス層が形成されるように、圧縮行程後半において上記インジェクタに燃料噴射を行わせる直噴ガソリンエンジンの制御装置。
10. 　請求項９に記載の直噴ガソリンエンジンの制御装置において、
    　上記燃焼室の壁面は、上記ピストンの冠面に形成された凹状のキャビティの内周面である直噴ガソリンエンジンの制御装置。

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