(57)【要約】  【課題】高密度で高温の水を燃焼室に噴射する場合に、ピストン冠面の外周縁部での温度低下を防止あるいは抑制して、水噴射による断熱性向上をより十分に行えるようにする。  【解決手段】シリンダブロック３とシリンダヘッド４とピストン５ｃとにより燃焼室６が画成される。ピストン５のうち燃焼室６に臨む面となるピストン冠面５ａに対して高密度で高温の水を噴射する水噴射装置２２が設けられる。ピストン冠面５ａに、遮熱材層７が形成される。遮熱材層７は、ピストン冠面５ａの外周縁部での熱容量が該ピストン冠面の中央部での熱容量よりも大きくなるようにされる（例えば中央部が薄い部位７ａとされ、外周縁部が厚い部位７ｂとされる）。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダブロックとシリンダヘッドとピストンとにより燃焼室が画成され、
前記ピストンのうち前記燃焼室に臨む面となるピストン冠面に対して高密度で高温の水を噴射する水噴射装置が設けられ、
前記ピストン冠面に、遮熱材層が形成され、
前記遮熱材層は、前記ピストン冠面の外周縁部での熱容量が該ピストン冠面の中央部での熱容量よりも大きくなるように形成されている、
ことを特徴とする圧縮着火式エンジン。
【請求項２】
請求項１において、
前記遮熱材層は、前記ピストン冠面の外周縁部での厚さが該ピストン冠面の中央部での厚さに比して大きくされている、ことを特徴とする圧縮着火式エンジン。
【請求項３】
請求項２において、
前記遮熱材層の厚さが５００μｍ〜１５００μｍ未満の所定厚さ範囲に設定されて、該ピストン冠面の外周縁部の厚さと該ピストン冠面の中央部での厚さが該所定厚さ範囲内でもって相違されている、ことを特徴とする圧縮着火式エンジン。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、
前記高密度で高温の水が、超臨界水または亜臨界水とされている、ことを特徴とする圧縮着火式エンジン。
【請求項５】
請求項２または請求項３において、
前記ピストン冠面の中央部にキャビティが形成され、
前記遮熱材層の厚い部位と薄い部位との境界が、前記キャビティの外周縁よりも外側で該外周縁近傍に設定されている、
ことを特徴とする圧縮着火式エンジン。
【請求項６】
請求項２または請求項３において、
前記ピストン冠面の中央部にキャビティが形成され、
前記遮熱材層の厚い部位と薄い部位との境界が、前記キャビティの外周縁と前記ピストン冠面の外周縁との間の中間位置の付近または該中間位置よりも該ピストン冠面の外周縁側に設定されている、
ことを特徴とする圧縮着火式エンジン。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれか１項において、
前記遮熱材層が、中空状粒子を含むものとして構成されている、ことを特徴とする圧縮着火式エンジン。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれか１項において、
少なくとも所定の運転領域においてＨＣＣＩ燃焼が行われる、ことを特徴とする圧縮着火式エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮着火式エンジンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
エンジンにあっては、特許文献１に示すように、ピストン冠面（頂面）に遮熱材層を形成したものがある。遮熱材層を、例えば中空状粒子を含むものとして構成することにより、断熱性と熱応答性（周囲の熱変化に対する温度変化の応答性）とが両立されて、燃焼性向上や冷損低減の上で好ましいものとなる。特許文献２には、ピストン冠面に遮熱材層を形成すると共に、燃焼室に対して超臨界水や亜臨界水のような高密度で高温の水を噴射することによって断熱性をより高めるものが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−０８１５２７号公報
【特許文献２】特開２０１７−０２５７７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、ピストン冠面のうち、シリンダ内壁面に近い外周縁部は、中央部に比して放熱しやすいものである。このため、特許文献２に記載のように、高密度で高温の水を燃焼室に噴射して断熱性を向上させようとしたとき、ピストン冠面のうち相対的に低温となる外周縁部では、水が凝縮して温度がかなり低下してしまうという問題を生じやすくなり、断熱性向上という点でさらなる改良が望まれるものである。
【０００５】
本発明は以上のような事情を勘案してなされたもので、その目的は、高密度で高温の水を燃焼室に噴射する場合に、ピストン冠面の外周縁部での温度低下を防止あるいは抑制して、水噴射による断熱性向上をより十分に行えるようにした圧縮着火式エンジンを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を達成するため、本発明にあっては次のような解決手法を採択してある。すなわち、請求項１に記載のように、
シリンダブロックとシリンダヘッドとピストンとにより燃焼室が画成され、
前記ピストンのうち前記燃焼室に臨む面となるピストン冠面に対して高密度で高温の水を噴射する水噴射装置が設けられ、
前記ピストン冠面に、遮熱材層が形成され、
前記遮熱材層は、前記ピストン冠面の外周縁部での熱容量が該ピストン冠面の中央部での熱容量よりも大きくなるように形成されている、
ようにしてある。
【０００７】
上記解決手法によれば、ピストン冠面の外周縁部における遮熱材層の熱容量が中央部における遮熱材層の熱容量に比して大きくされていることから、この外周縁部での温度低下がより十分に防止されて、噴射された水がこの外周縁部で凝縮してしまう事態が防止あるいは抑制されて、水噴射による断熱性向上の効果をより十分に得ることができる。
【０００８】
上記解決手法を前提とした好ましい態様は、請求項２以下に記載のとおりである。すなわち、
前記遮熱材層は、前記ピストン冠面の外周縁部での厚さが該ピストン冠面の中央部での厚さに比して大きくされている、ようにしてある（請求項２対応）。この場合、厚さを相違させるという簡単な手法によって、遮熱材層の熱容量を中央部と外周縁部とで相違させることができる。
【０００９】
前記遮熱材層の厚さが５００μｍ〜１５００μｍ未満の所定厚さ範囲に設定されて、該ピストン冠面の外周縁部の厚さと該ピストン冠面の中央部での厚さが該所定厚さ範囲内でもって相違されている、ようにしてある（請求項３対応）。この場合、噴射された水がピストン冠面外周縁部で凝縮するのを防止あるいは抑制するのに必要な遮熱材層の厚さが提供される。
【００１０】
前記高密度で高温の水が、超臨界水または亜臨界水とされている、ようにしてある（請求項４対応）。この場合、噴射された水による断熱性向上を十分に得ることができる。また、かりに噴射された水が凝縮したとしてもその潜熱が極めて小さいために、ピストン冠面の外周縁部での温度低下を極めて小さいものとすることができる。
【００１１】
前記ピストン冠面の中央部にキャビティが形成され、
前記遮熱材層の厚い部位と薄い部位との境界が、前記キャビティの外周縁よりも外側で該外周縁近傍に設定されている、
ようにしてある（請求項５対応）。この場合、燃焼により高温になるキャビティ部分を遮熱材層の薄い部位とし、それ以外を遮熱材層の厚い部位とすることにおり、噴射された水の凝縮を十分に防止あるいは抑制することができる。
【００１２】
前記ピストン冠面の中央部にキャビティが形成され、
前記遮熱材層の厚い部位と薄い部位との境界が、前記キャビティの外周縁と前記ピストン冠面の外周縁との間の中間位置の付近または該中間位置よりも該ピストン冠面の外周縁側に設定されている、
ようにしてある（請求項６対応）。この場合、遮熱材層を構成する遮熱材の使用量を低減する上で好ましいものとなる。
【００１３】
前記遮熱材層が、中空状粒子を含むものとして構成されている、ようにしてある（請求項７対応）。この場合、熱応答性を高めて、断熱性による燃焼性向上を得つつ、ピストン冠面がいたずらに高温になったままに維持されてしまう事態を防止することができる。
【００１４】
少なくとも所定の運転領域においてＨＣＣＩ燃焼が行われる、ようにしてある（請求項８対応）。この場合、ＨＣＣＩ燃焼を行うことによって、遮熱材層による冷損低減と合わせて燃費向上を十分に図ることができる。また、遮熱材層によって、ＨＣＣＩ燃焼に要求される圧縮熱を十分に確保することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ピストン冠面の外周縁部での温度低下を防止あるいは抑制して、水噴射による断熱性向上をより十分に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態にかかるエンジンシステムの構成を示した図。
【図２】超臨界水を説明するための水の状態図。
【図３】亜臨界水を説明するための水の状態図。
【図４】エンジン本体の一部を拡大して示す概略断面図。
【図５】燃料噴射装置の概略断面図。
【図６】（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。
【図７】（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。
【図８】エンジンの制御系統を示すブロック図。
【図９】エンジンの制御領域を示した図。
【図１０】（ａ）低負荷噴射モードの噴射パターンと混合気層の形状とを示す図、（ｂ）切替領域噴射モードの噴射パターンと混合気層の形状とを示す図、（ｃ）中負荷噴射モードの噴射パターンと混合気層の形状とを示す図。
【図１１】高負荷領域での熱発生率、燃料噴射率、水噴射率を示した図。
【図１２】超臨界水噴射により断熱層が形成される様子を示した図。
【図１３】ピストン冠面を上方から見た平面図で、遮熱材層の厚さの異なる部位の分布を示す。
【図１４】ピストン冠面を上方から見た平面図で、遮熱材層の厚さの異なる部位の分布を図１３の場合とは相違させた例を示す。
【図１５】シリンダ壁面温度とエンジン負荷と水の飽和線との関係を示す図。
【図１６】遮熱材層の熱伝導率とエンジン負荷と遮熱材層の限界厚さとの関係を示す図。
【図１７】遮熱材層の構造を模式的に示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
（１）エンジンシステムの全体構成
図１は、本発明の第１実施形態にかかるエンジンの制御装置が適用されたエンジンシステムの構成を示す図である。本実施形態のエンジンシステムは、４ストロークのエンジン本体１と、エンジン本体１に燃焼用の空気を導入するための吸気通路３０と、エンジン本体１で生成された排ガスを排出するための排気通路４０とを備える。エンジン本体１は、例えば、４つの気筒２を有する４気筒エンジンである。エンジン本体１に供給する燃料の種類は限定されないが、本実施形態ではガソリンを含む燃料が用いられる。本実施形態のエンジンシステムは車両に搭載され、エンジン本体１は車両の駆動源として利用される。
【００１８】
吸気通路３０には、上流側から順に、エアクリーナ３１と、スロットルバルブ３２とが設けられており、エアクリーナ３１およびスロットルバルブ３２を通過した後の空気がエンジン本体１に導入される。
【００１９】
スロットルバルブ３２は、吸気通路３０を開閉するものである。ただし、本実施形態では、エンジンの運転中、スロットルバルブ３２は基本的に全開もしくはこれに近い開度に維持されており、エンジンの停止時等の限られた運転条件のときにのみ閉弁されて吸気通路３０を遮断する。
【００２０】
排気通路４０には、上流側から順に、排ガスを浄化するための三元触媒４１、熱交換器（昇温昇圧器）４２、コンデンサー（凝縮器）４３、排気シャッターバルブ４４が設けられている。熱交換器４２およびコンデンサー４３は、後述する排熱回収装置（水加工装置）６０の一部を構成するものである。
【００２１】
排気シャッターバルブ４４は、ＥＧＲガスの吸気通路３０への還流を促進するためのものである。
【００２２】
すなわち、本実施形態のエンジンシステムでは、吸気通路３０のうちスロットルバルブ３２よりも下流側の部分と、排気通路４０のうち三元触媒４１よりも上流側の部分とを連通するＥＧＲ通路５１が設けられており、排ガスの一部がＥＧＲガスとして吸気通路３０に還流されるようになっている。そして、排気シャッターバルブ４４は、排気通路４０を開閉可能なバルブであり、ＥＧＲを実施する場合であって排気通路４０の圧力が低い場合に閉弁側に操作されることでＥＧＲ通路５１の上流側の部分の圧力を高めてＥＧＲガスの還流を促進する。
【００２３】
ＥＧＲ通路５１には、これを開閉するＥＧＲバルブ５２が設けられており、ＥＧＲバルブ５２の開弁量によって吸気通路３０に還流されるＥＧＲガスの量が調整される。また、本実施形態では、ＥＧＲ通路５１に、これを通過するＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ５３が設けられており、ＥＧＲガスはＥＧＲクーラ５３にて冷却された後吸気通路３０に還流される。
【００２４】
排熱回収装置６０は、排ガスの熱エネルギーを利用して超臨界水を生成するためのものである。すなわち、本実施形態のエンジンシステムでは、後述するように水噴射装置２２から各気筒２内に超臨界水を噴射するように構成されているとともに、排ガスを利用してこの超臨界水を生成するように構成されている。
【００２５】
排熱回収装置６０は、熱交換器４２およびコンデンサー４３に加えて、水噴射装置２２とコンデンサー４３とを接続する排気凝結水通路６１と、水タンク６２と、水噴射用ポンプ６３とを備えている。
【００２６】
コンデンサー４３は、排気通路４０を通過する排ガス中の水（水蒸気）を凝縮するためのものである。水タンク６２は、内側に凝縮水を貯留するものである。コンデンサー４３で生成された凝縮水は、排気凝結水通路６１を介して水タンク６２に導入され水タンク６２内で貯留される。
【００２７】
水噴射用ポンプ６３は、水タンク６２内の凝縮水を熱交換器４２を介して水噴射装置２２に圧送するためのものである。水タンク６２内の凝縮水は、水噴射用ポンプ６３による圧送時に昇温昇圧される。例えば、凝縮水は、水噴射用ポンプ６３によって、３５０Ｋ程度に昇温され２５０ｂａｒ程度に昇圧される。
【００２８】
熱交換器４２は、水噴射用ポンプ６３から圧送された凝縮水と、排気通路４０を通過する排ガスとの間で熱交換を行わせるためのものである。熱交換器４２は、間接式熱交換器であり、凝縮水は熱交換器４２の通過時に排ガスから熱エネルギーを受ける。熱交換器４２を通過することで、凝縮水は、水噴射用ポンプ６３により加圧された状態からさらに昇温昇圧され、超臨界水となる。
【００２９】
超臨界水とは、水の臨界点よりも温度および圧力が高い水であって、気体のように分子が激しく運動しながら液体に近い高い密度を有する。つまり、超臨界水は気体または液体の水に相変化するのに潜熱を必要としない水である。詳細は後述するが、本実施形態では、このような性状の水を気筒２内に噴射することで、気筒２内に形成された燃焼室６の壁面に断熱層を形成する。
【００３０】
図２を用いて具体的に説明する。図２は、横軸をエンタルピーとし、縦軸を圧力としたときの水の状態図を示したものである。この図２において、領域Ｚ２は液体の領域、領域Ｚ３は気体の領域、領域Ｚ４は液体と気体が共存する領域である。実線で示したラインＬＴ３５０、ＬＴ４００・・・ＬＴ１０００は、それぞれ同じ温度となる点をつないだ等温度線であって、それぞれ数字が温度（Ｋ）を示している。例えば、ＬＴ３５０は３５０Ｋの等温度線であり、ＬＴ１０００は１０００Ｋの等温度線である。そして、点Ｘ１が臨界点、領域Ｚ１が臨界点Ｘ１よりも温度および圧力が高い領域であり、超臨界水はこの領域Ｚ１に含まれる水である。具体的には、水の臨界点が、温度：６４７．３Ｋ、圧力：２２．１２ＭＰａの点であるのに対して、超臨界水は温度圧力がこれら以上すなわち温度が６４７．３Ｋ以上かつ圧力が２２．１２ＭＰａ以上の水である。
【００３１】
図２において、破線で示したラインＬＲ０．０１、ＬＲ０．１・・・、ＬＲ５００は、それぞれ同じ密度となる点をつないだ等密度線であって、それぞれ数字が密度（ｋｇ／ｍ３）を示している。例えば、ＬＲ０．０１は密度が０．０１ｋｇ／ｍ３の等密度線であり、ＬＲ１０００は密度が５００ｋｇ／ｍ３の等密度線である。この等密度線ＬＲと領域Ｚ１、Ｚ３との比較から明らかなように、領域Ｚ１に含まれる水すなわち超臨界水の密度は５０ｋｇ／ｍ３から５００ｋｇ／ｍ３程度と液体の水に近い値であって気体の密度よりも非常に高い値となっている。
【００３２】
なお、エンジンシステムにて生成して気筒２内に噴射する超臨界水としては、密度が２５０ｋｇ／ｍ３以上の超臨界水を用いるのが好ましい。
【００３３】
また、図２において矢印Ｙ１で示すように、通常の液体の水は気体に変化するために大きなエンタルピーを必要とする。すなわち、通常の液体の水は気体に変化するのに比較的大きな潜熱を必要とする。これに対して、矢印Ｙ２で示すように、超臨界水では、通常の気体の水に変化するのにほとんどエンタルピーすなわち潜熱を必要としない。
【００３４】
ここで、図２から明らかなように、領域Ｚ１に近い領域に含まれる水は、密度も高く気体に変化するための潜熱も小さく、超臨界水に近い性状を有する。従って、本実施形態では、上記のように排熱回収装置６０によって超臨界水を生成して超臨界水を気筒２内に噴射するが、超臨界水に代えて領域Ｚ１に近い領域に含まれる水である亜臨界水を生成および気筒２内に噴射してもよい。例えば、図３に示す領域Ｚ１０であって、温度が６００Ｋ以上、密度が２５０ｋｇ／ｍ３以上の領域Ｚ１０に含まれる亜臨界水を生成および噴射してもよい。
（２）エンジン本体の構成
（２−１）全体構成
エンジン本体１の構成について次に説明する。
【００３５】
図４は、エンジン本体１の一部を拡大して示した断面図である。図４に示すように、エンジン本体１は、気筒２が内部に形成されたシリンダブロック３と、シリンダブロック３の上面に設けられたシリンダヘッド４と、気筒２に往復動（上下動）可能に嵌装されたピストン５とを有している。
【００３６】
ピストン５の上方には燃焼室６が形成されている。燃焼室６はいわゆるペントルーフ型であり、燃焼室６の天井面（シリンダヘッド４の下面）は吸気側および排気側の２つの傾斜面からなる三角屋根状をなしている。
【００３７】
本実施形態では、燃焼室６内の燃焼ガスの熱が燃焼室６の外部に放出されるのを抑制して冷却損失を低減するべく、燃焼室６の壁面（内側面）に、燃焼室６の内側面よりも熱伝導率が低い遮熱材層が設けられている。具体的には、燃焼室６の内側面を構成する、気筒２の壁面と、シリンダヘッド４の下面と、吸気弁１９および排気弁１９の各バルブヘッドの面とに、それぞれ遮熱材層７１が設けられ、さらにピストン５の冠面５ａに遮熱材層７が設けられている。なお、本実施形態では、図４に示すように、気筒２の壁面に設けられた遮熱材層７１は、ピストン５が上死点に位置した状態でピストンリング５ｂよりも上側（シリンダヘッド４側）となる部分に限定されており、ピストンリング５ｂが遮熱材層７１上を摺動しないようになっている。
【００３８】
遮熱材層７、７１は、上記のように熱伝導率が低い材料で形成されればよく具体的な材料は限定されない。ただし、遮熱材層７、７１として、燃焼室６の内側面よりも容積比熱が小さい材料を用いるのが好ましい。すなわち、エンジン本体１が冷却水により冷却される場合、燃焼室６内のガス温度は燃焼サイクルの進行によって変動する一方、燃焼室６の内側面の温度は略一定に維持される。そのため、この温度差に伴って冷却損失が大きくなる。そこで、遮熱材層７、７１を容積比熱の小さい材料で形成すれば、遮熱材層７、７１の温度が燃焼室６内のガスの温度の変動に追従して変化するため、冷却損失を小さく抑えることができる。
【００３９】
遮熱材層７、７１は、例えば、燃焼室６の内側面上にＺｒＯ２等のセラミック材料がプラズマ溶射によりコーティングされることで形成されている。なお、このセラミック材料の中に多数の気孔が含まれるようにし、これにより遮熱材層７、７１の熱伝導率および容積比熱をさらに小さくしてもよい。なお、遮熱材層７、７１の詳細については、後述する。
【００４０】
ピストン５の冠面５ａには、その中心部を含む領域をシリンダヘッド４とは反対側（下方）に凹ませたキャビティ１０が形成されている。このキャビティ１０は、ピストン５が上死点まで上昇したときの燃焼室６の大部分を占める容積を有するように形成されている。
【００４１】
ピストン冠面５ａに形成された遮熱材層７の厚さは、その中央部が薄く、外周縁部が厚くなるように形成されて、その熱容量が外周縁部の方が中央部よりも大きくなるように設定されている。図４では、遮熱材層７のうち薄い部位が符号７ａで示され、厚い部位が符号７ｂで示される。薄い部位７ａと厚い部位７ｂとの境界線αは、本実施形態では図１３に示すように、キャビティ１０の外周縁の外側でその近傍に設定されている。なお、遮熱材層７の厚さの点については後述する。
【００４２】
本実施形態では、エンジン本体１の幾何学的圧縮比、つまり、ピストン５が下死点にあるときの燃焼室６の容積とピストン５が上死点にあるときの燃焼室６容積との比は、１８以上３５以下（例えば２０程度）に設定されている。
【００４３】
シリンダヘッド４には、吸気通路３０から供給される空気を燃焼室６に導入するための吸気ポート１６と、燃焼室６で生成された排ガスを排気通路４０に導出するための排気ポート１７と、吸気ポート１６の燃焼室６側の開口を開閉する吸気弁１８と、排気ポート１７の燃焼室６側の開口を開閉する排気弁１９とが設けられている。なお、図４に示す例では、吸気ポート１６の内側面にも、遮熱材層７、７１と同様の成分からなる遮熱材層１８１が形成されている。
【００４４】
吸気弁１８は、吸気弁開閉機構によって開閉される。吸気弁開閉機構には、吸気弁１８の開閉時期を変更可能な吸気開閉時期変更機構１８ａ（図８参照）が設けられており、運転条件等に応じて吸気弁１８の開閉時期が変更されるようになっている。
【００４５】
また、シリンダヘッド４には、燃焼室６内に燃料を噴射する燃料噴射装置２１と、燃焼室６内に臨界水を噴射する水噴射装置２２とが取り付けられている。図４に示すように、燃料噴射装置２１と水噴射装置２２とは、それぞれ先端（燃焼室６側の端部）が気筒２の中心軸付近に位置してキャビティ１０のほぼ中心部を臨むように隣接して配置されている。
【００４６】
なお、本実施形態では、全運転領域において燃料と空気との混合気を予め混合させて、この混合気を圧縮上死点（ＴＤＣ）付近で自着火させる予混合圧縮自着火燃焼が実施されるよう構成されている。これに伴い、図４に示した例では、燃焼室６内の混合気に点火するための点火プラグがエンジン本体１に設けられていないが、冷間始動時等において混合気の適正な燃焼のために点火が必要な場合等には、適宜エンジン本体１に点火プラグを設けてもよい。
【００４７】
水噴射装置２２は、上記のように、水噴射用ポンプ６３から圧送された超臨界水を燃焼室６内に噴射する。水噴射装置２２は、その先端に噴射口を有し、噴射口の開口期間が変更されることで噴射水量が変更されるようになっている。水噴射装置２２としては、例えば、従来のエンジンに用いられる、燃料を燃焼室６内に噴射するための装置を適用することができ、その詳細な構造の説明は省略する。なお、水噴射装置２２は、例えば、２０ＭＰａ程度で燃焼室６内に超臨界水を噴射する。
【００４８】
上記のように、水噴射装置２２は、先端が気筒２の中心軸付近に位置してキャビティ１０のほぼ中心部を臨むように配置されている。これに伴い、水噴射装置２２の先端からは、ピストン冠面５ａに向かって超臨界水が噴射される。
【００４９】
燃料噴射装置２１は、図外の燃料ポンプにより圧送された燃料を燃焼室６内に噴射する。本実施形態では外開き弁式の燃料噴射装置２１が用いられている。
（２−２）燃料噴射装置の詳細構成
燃料噴射装置（燃料噴射弁）２１の詳細について説明する。
【００５０】
図５は、燃料噴射装置２１の概略断面図である。図５に示すように、燃料噴射装置２１は、先端（燃焼室６側の端部）にノズル口２１ｂが形成された燃料管２１ｃと、燃料管２１ｃの内側に配設されてノズル口２１ｂを開閉する外開き弁２１ａとを有する。外開き弁２１ａは、印加された電圧に応じて変形するピエゾ素子２１ｄに接続されている。外開き弁２１ａは、ピエゾ素子２１ｄに電圧が印加されていない状態でノズル口２１ｂと当接してノズル口２１ｂを閉弁し、ピエゾ素子２１ｄが電圧の印加に伴って変形することで、ノズル口２１ｂから先端側に突き出してノズル口２１ｂを開弁する。
【００５１】
ノズル口２１ｂおよび外開き弁２１ａのうちノズル口２１ｂと当接する部分は、先端側ほど径が大きくなるテーパ状を有しており、ノズル口２１ｂからは、ノズル口２１ｂの中心軸すなわち気筒２のほぼ中心軸を中心として、燃料がコーン状（詳しくはホローコーン状）に噴射される。例えば、このコーンのテーパ角は９０°〜１００°（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）となっている。
【００５２】
外開き弁２１ａの開弁期間およびリフト量（リフト量は、外開き弁２１ａの閉弁位置からの突出量でありノズル口２１ｂの開口量である）は、ピエゾ素子２１ｄへの電圧の印加期間および電圧の大きさに応じて変化する。そして、外開き弁２１ａのリフト量に応じて、ノズル口２１ｂから噴射される燃料噴霧のペネトレーション、単位時間あたりに噴射される燃料量および燃料噴霧の粒径は変化する。具体的には、リフト量が大きくノズル口２１ｂの開口量が大きくなると、燃料噴霧のペネトレーションは大きくなり、単位時間あたりの噴射燃料量が大きくなるとともに燃料噴霧の粒径が大きくなる。
【００５３】
上記構成に伴い、燃料噴射装置２１は、１〜２ｍｓｅｃの間に２０回程度の多段噴射を行うことができる。また、燃料噴射装置２１は、燃料噴射の間隔と、リフト量とをそれぞれ変更することによって、その軸方向に直交する径方向に対する燃料噴霧の広がりと、軸方向に対する燃料噴霧の広がりとを独立して制御することが可能となっている。
【００５４】
図６および図７を用いて具体的に説明する。
【００５５】
図６は、燃料噴射装置２１の噴射間隔の違いに伴う燃料噴霧の広がりの差を概念的に示した図である。具体的には、図６（ａ）は、燃料の噴射間隔を長くしたときの図であり、同図（ｂ）は、同図（ａ）とリフト量を一定としながら噴射間隔を短くしたときの図である。
【００５６】
これら図６（ａ）、（ｂ）の比較から明らかなように、燃料の噴射間隔が短い方が、燃料噴霧の軸方向の広がりが促進される。
【００５７】
すなわち、燃料噴射装置２１からホローコーン状に噴射された燃料噴霧は、燃焼室６内を高速で流れる。このとき、コアンダ効果によりホローコーンの内側において燃料噴射装置２１の軸に沿うように負圧領域が発生し、この負圧領域に向かって燃料噴霧が引き寄せられる。ここで、図６（ａ）に示すように、燃料噴射間隔が長い場合には、所定の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ため、負圧領域は燃料噴射装置２１の軸に沿ってあまり伸びない。これに対し、燃料噴射間隔が短いときには、負圧領域での圧力回復が抑制され、負圧領域が燃料噴射装置２１の軸方向に沿って延びる。従って、燃料噴射間隔が短い場合には、燃料噴霧が燃料噴射装置２１の軸方向に沿ってより延びるようになる。
【００５８】
図７は、燃料噴射装置２１のリフト量の違いに伴う燃料噴霧の広がりの差を概念的に示した図である。具体的には、図７（ａ）は、リフト量を小さくしたときの図であり、同図（ｂ）は、同図（ａ）と噴射間隔を同じとしながらリフト量を大きくしたときの図である。
【００５９】
これら図７（ａ）、（ｂ）の比較から明らかなように、燃料のリフト量が大きい方が、径方向（燃料噴射装置２１の軸方向と直交する方向）について燃料噴霧の広がりが促進される。
【００６０】
すなわち、リフト量が大きい場合には、上記のように燃料噴霧の粒径が大きくなって燃料噴霧の運動量が大きくなる。そのため、リフト量が大きい場合には、燃料噴霧は負圧領域に引き寄せられにくくなり、径方向の外方へより広がることになる。
（３）制御系統
（３−１）システム構成
図８は、エンジンの制御系統を示すブロック図である。本図に示すように、当実施形態のエンジンシステムは、ＰＣＭ（パワートレイン・コントロール・モジュール、制御手段）１００によって統括的に制御される。ＰＣＭ１００は、周知のとおり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成されるマイクロプロセッサである。
【００６１】
ＰＣＭ１００は、エンジンの運転状態を検出するための各種センサと電気的に接続されている。
【００６２】
例えば、シリンダブロック３には、クランク軸の回転角度および回転速度すなわちエンジン回転数を検出するクランク角センサＳＮ１が設けられている。また、吸気通路３０のうちエアクリーナ３１とスロットルバルブ３２との間の部分には、エアクリーナ３１を通過して各気筒２に吸入される空気量（新気量）を検出するエアフローセンサＳＮ２が設けられている。また、車両には、運転者により操作される図外のアクセルペダルの開度（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサＳＮ３が設けられている。
【００６３】
ＰＣＭ１００は、上記各種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、燃料噴射装置２１、水噴射装置２２、スロットルバルブ３２、排気シャッターバルブ４４、ＥＧＲバルブ５２、水噴射用ポンプ６３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駆動用の制御信号を出力する。
【００６４】
図９は、横軸がエンジン回転数、縦軸がエンジン負荷の制御マップを示している。本実施形態では、制御領域として、エンジン負荷が予め設定された基準負荷Ｔｑ１以下の低負荷領域Ａ１と、エンジン負荷が基準負荷Ｔｑ１よりも高い高負荷領域Ａ２とが設定されている。以下に、各領域Ａ１、Ａ２の制御内容について説明する。
（３−２）低負荷領域
低負荷領域Ａ１では、要求されるエンジントルクが小さいため有効圧縮比を小さくすることができる。そこで、低負荷領域Ａ１では、ポンピングロスを小さく抑えてエネルギー効率を高めるべく有効圧縮比が小さい値とされる。例えば、有効圧縮比は１５よりも小さい値に抑えられる。具体的には、吸気開閉時期変更機構１８ａによって、吸気弁１８が吸気下死点よりも遅角側であって比較的遅い時期に閉弁され、これによって有効圧縮比が小さく抑えられる。
【００６５】
低負荷領域Ａ１では、混合気の発熱量が小さく燃焼温度が比較的低いため、燃焼により生成されるＮＯｘ（いわゆるＲａｗ  ＮＯｘ）が少なく抑えられる。そのため、この領域Ａ１では、三元触媒４１によりＮＯｘを浄化させる必要がなく、空燃比を三元触媒によるＮＯｘ浄化が可能な理論空燃比にする必要がない。そこで、低負荷領域Ａ１では、燃費性能を高めるべく混合気の空燃比がリーンすなわち空気過剰率λ＞１とされる。
【００６６】
低負荷領域Ａ１では、ＥＧＲガスが気筒２内に還流される。すなわち、低負荷領域Ａ１では、ＥＧＲバルブ５２が開弁されて、排気通路４０内の排ガスの一部がＥＧＲガスとして吸気通路３０に還流される。また、エンジン負荷が非常に低く、排気通路４０内の圧力すなわちＥＧＲ通路５１の上流側の圧力が低い運転領域では、排気シャッターバルブ４４が閉じ側に制御されてＥＧＲガスの還流が促進される。
【００６７】
本実施形態では、低負荷領域Ａ１において、燃料量に対する燃焼室６内の全ガス重量の割合であるＧ／Ｆが３５以上となるようにＥＧＲガスが還流される。また、エンジン負荷が高いほどＥＧＲ率（気筒２内の全ガス重量のうちＥＧＲガスの重量が占める割合）が大きくされる。
【００６８】
低負荷領域Ａ１では、水噴射装置２２による燃焼室６内への超臨界水の噴射は停止される。そして、これに伴い水噴射用ポンプ６３の駆動が停止される。
【００６９】
低負荷領域Ａ１では、圧縮行程後半（圧縮上死点前９０°ＣＡ〜圧縮上死点まで）に、燃料噴射装置２１によって燃焼室６内にすべての燃料が噴射される。例えば、圧縮上死点前３０°ＣＡ付近で全燃料が燃焼室６内に噴射される。
【００７０】
低負荷領域Ａ１の噴射モードは、ピストン５の冠面５ａに燃料が付着せず、燃焼室６の外周部分に空気の層が形成されるようなモードとされる。ここで、燃焼室６の外周部分とは、ピストン５の冠面５ａの表面（冠面５ａ上の遮熱材層７の表面）、気筒２の内側面（内側面上の遮熱材層７１の表面）およびシリンダヘッド４の下面付近を指す。
【００７１】
具体的には、低負荷領域Ａ１のうちよりエンジン負荷が低い第１領域Ａ１ａと、これよりもエンジン負荷の高い第２領域Ａ１ｂと、第１領域Ａ１ａと第２領域Ａ１ｂとの切替領域Ａ１ｃとにおいて、それぞれ噴射モードが、以下に説明する低負荷噴射モード、中負荷噴射モード、切替領域噴射モードとされる。
【００７２】
図１０は、低負荷噴射モード、中負荷噴射モード及び切替領域噴射モードそれぞれの燃料噴射態様と、それに対応する混合気層の形状とを示した図である。
（低負荷噴射モード）
図１０（ａ）は、第１領域Ａ１ａで実施される低負荷噴射モードである。低負荷噴射モードは、燃料噴射装置２１のリフト量が小さくかつ噴射間隔が短い噴射が複数回連続して行われるモードである。なお、噴射回数は図の例に限らず適宜変更可能である。
【００７３】
上記のように、噴射間隔が短いと燃料噴霧は軸方向に長くなる。そして、リフト量が小さいと燃料噴霧の径方向の外方への広がりは抑制される。従って、低負荷噴射モードでは、燃料噴霧およびこれと空気との混合気の層は、径方向に対して軸方向の長さが相対的に長い縦長形状となる。
【００７４】
このようにして、第１領域Ａ１ａでは、燃焼室６内に縦長形状の混合気の層が形成されることで、燃焼室６のうち径方向外側の部分に空気の層が形成される。さらに、第１領域Ａ１ａでは燃料噴射量が小さい。そのため、縦長形状であっても混合気層の軸方向の長さは短く、ピストン５の冠面５ａと混合気との接触は回避され、ピストン５の冠面５ａの表面全体に空気層が形成される。
（中負荷噴射モード）
図１０（ｃ）は、第２領域Ａ１ｂで実施される中負荷噴射モードである。中負荷噴射モードは、燃料噴射装置２１のリフト量が低負荷噴射モードのリフト量よりも大きくかつ噴射間隔が低負荷噴射モードよりも長い噴射が複数回連続して行われるモードである。なお、噴射回数は図の例に限らず適宜変更可能である。
【００７５】
上記のように、噴射間隔が長いと燃料噴霧は軸方向に短くなる。そして、リフト量が大きいと燃料噴霧は径方向の外方へ広がる。従って、中負荷噴射モードでは、燃料噴霧および混合気の層は、軸方向に対して径方向の長さが相対的に長い横長形状となる。
【００７６】
このようにして、第２領域Ａ１ｂであって燃料噴射量が比較的多い領域では、燃焼室６内に横長形状の混合気の層が形成されることで、ピストン５の冠面５ａと混合気との接触が回避され、ピストン５の冠面５ａの表面に空気層が形成される。また、圧縮上死点付近における燃焼室６の寸法は軸方向よりも径方向の方が長く、径方向については空間に余裕がある。従って、第２領域Ａ１ｂにおいて上記のように混合気の層は横長形状となるが、混合気の層は燃焼室６の径方向の外周すなわち気筒２の内側面まで到達せず、燃焼室６の径方向外側部分にも空気層が形成される。
（切替領域噴射モード）
図１０（ｂ）は、第３領域Ａ１ｃで実施される切替領域噴射モードである。切替領域噴射モードは、低負荷噴射モードと中負荷噴射モードとを組み合わせたモードである。例えば、図１０（ｂ）に示すように、中負荷噴射モードの噴射を行った後（リフト量が大きくかつ噴射間隔が長い噴射を複数回連続させた後）、低負荷噴射モードの噴射を行う（リフト量が小さくかつ噴射間隔が短い噴射を複数回連続させる）。なお、これに代えて、低負荷噴射モードの噴射を行った後、中負荷噴射モードの噴射を行ってもよい。また、噴射回数は図の例に限らず適宜変更可能である。
【００７７】
切替領域噴射モードでは、低負荷噴射モードと中負荷噴射モードとの組み合わせにより、混合気層の特に径方向の外方への広がりが調整される。その結果、混合気層は、低負荷噴射モード時の混合気層よりも長くかつ、中負荷噴射モードの混合気層よりも短い形状となる。
【００７８】
このようにして、第３領域Ａ１ｃであって、第１領域Ａ１ａと第２領域Ａ１ｂとの境界領域では、混合気層の形状が適切な形状に調整され、ピストン５の冠面５ａの表面および燃焼室６の径方向外側部分に空気層が形成される。
【００７９】
なお、切替領域噴射モードは省略可能である。
【００８０】
以上のようにして、低負荷領域Ａ１では、燃焼室６の外周部分に空気層すなわち空気からなる断熱層が形成される。そして、この空気層により冷却損失が抑制されて燃費性能が高められる。
【００８１】
ここで、このように燃焼室６の外周部分に空気層が形成されることに伴い、燃焼室６の内周部分すなわち燃焼室６の中央部分の空燃比は外周部分よりも高くなる。しかしながら、上記のように低負荷領域Ａ１では、空気過剰率λが１より大きくされて燃焼に寄与しない余剰の空気が存在する。そのため、燃焼室６の中央部分には燃焼に必要な空気が確保され、この部分の空燃比は適正な範囲におさめられる。
（３−３）高負荷領域
高負荷領域Ａ２では、エンジントルクを確保するために有効圧縮比が低負荷領域Ａ１での有効圧縮比よりも大きくされる。本実施形態では、高負荷領域Ａ２において、有効圧縮比が１５以上とされる。具体的には、吸気開閉時期変更機構１８ａによって、吸気弁１８の閉弁時期が低負荷領域Ａ１における閉弁時期よりも進角側とされ、これによって有効圧縮比が低負荷領域Ａ１よりも高くされる。
【００８２】
高負荷領域Ａ２では、三元触媒によるＮＯｘ浄化が可能となるように、空燃比が理論空燃比とされる。すなわち、空気過剰率λが１とされる。また、高負荷領域Ａ２では、ＥＧＲバルブ５２が閉弁されてＥＧＲガスの還流が停止され、Ｇ／Ｆが３５より小さい値とされる。
【００８３】
ここで、高負荷領域Ａ２では、燃焼室６内に噴射される燃料が多くこの燃料を燃焼させるのに必要な空気量も多くなるため、余剰の空気が不足する。特に、本実施形態では、空気過剰率λが１とされることで、余剰の空気が存在しない状態となる。そのため、低負荷領域Ａ１のように、燃焼室６の外周部分に空気層を形成した場合には、燃焼室６内に空燃比が過剰に高い混合気が生成されてスモークが悪化するおそれがある。また、高負荷領域Ａ２では、噴射される燃料噴射量が多く発熱量が多いため燃焼室６内の温度が高くなる。さらに、本実施形態では有効圧縮比が高いことによって燃焼室６内の温度はさらに高くなる。そのため、高負荷領域Ａ２ではスモークが発生しやすく、このような条件下でリッチな領域すなわち空気過剰率が小さな領域が形成されると多量のスモークが発生するおそれがある。
【００８４】
そこで、本実施形態では、高負荷領域Ａ２では、低負荷領域Ａ１のような空気層は形成せず、後述するように、代わりに超臨界水噴射による断熱層を形成する。また、スモークの悪化を抑制するべく、燃焼室６内の混合気がより均質化された状態（空燃比が均一とされた状態）で燃焼が開始するように、燃料を噴射する。
【００８５】
また、高負荷領域Ａ２では、上記のように発熱量が多いことおよび有効圧縮比が高いことから、圧縮上死点よりも前に燃焼が開始すると筒内圧（燃焼室６内の圧力）の絶対値および筒内圧の上昇率が非常に高くなり燃焼騒音が大きくなってしまう。そこで、本実施形態では、圧縮上死点よりも遅角側すなわちピストン５が下降して筒内圧が低下しているときに燃焼が開始するように燃料を噴射する。
【００８６】
具体的には、高負荷領域Ａ２では、図１１に示すような高負荷噴射モードでの燃料噴射が実施される。すなわち、圧縮行程前半（吸気下死点〜圧縮上死点前９０°ＣＡまで）に比較的多量の燃料を噴射する第１噴射Ｑ１が実施され、圧縮行程後半に残りの燃料の一部を噴射する第２噴射Ｑ２が実施され、さらにその後圧縮上死点よりもわずかに進角側の時期に残りの燃料を噴射する第３噴射Ｑ３が実施される。
【００８７】
第１噴射Ｑ１は、混合気を均質化させるための噴射であり、第１噴射Ｑ１が実施されて圧縮行程前半に多量の燃料が噴射されて空気と混合されることで、燃焼開始前の燃焼室６内の混合気が均質化される。第１噴射Ｑ１は、例えば圧縮上死点前１５０°ＣＡ付近で開始される。
【００８８】
第３噴射Ｑ３は、混合気をより遅角側で自着火させるための噴射であり、第３噴射Ｑ３が圧縮行程後半に実施されることで、第１噴射Ｑ１によって生成された均質な混合気が圧縮上死点後に自着火する。第３噴射Ｑ３は、例えば圧縮上死点前１５°ＣＡ付近で開始される。
【００８９】
第２噴射Ｑ２は、燃焼安定性を高めるための噴射である。すなわち、第３噴射Ｑ３によって圧縮上死点付近の比較的遅角側の時期で残りの燃料をすべて噴射した場合には、燃焼が開始するまでにピストン５の下降に伴って燃焼室６内の温度が燃焼可能な温度以下に低下して失火するおそれがある。そこで、本実施形態では、第３噴射Ｑ３の前に第２噴射Ｑ２を実施して、燃焼室６内の温度が圧縮上死点後においても燃焼可能な温度以上に維持されるようにする。第２噴射Ｑ２は、例えば圧縮上死点前３０°ＣＡ付近で実施される。
【００９０】
そして、高負荷領域Ａ２では、燃焼室６の外周部分に高温、高密度の水の層５０、例えば高密度の蒸気層（図１２参照）が形成されるように、水噴射装置２２によって、燃焼室６内に超臨界水が噴射される。ここで、高温、高密度の水の層とは、常温水を気筒内の圧力下で噴射できる程度に圧力を高めて噴射した場合の水の層に対して、より高温、高密度の層であることを意味する。
【００９１】
具体的には、図１１に示すように、圧縮行程後半から膨張行程前半（圧縮上死点〜圧縮上死点後９０°ＣＡ）の間であって第３噴射Ｑ３の終了後、かつ、燃焼室６内で混合気が着火する前に、水噴射Ｗ１が実施される。本実施形態では、図１１に示すように、圧縮上死点前に水噴射Ｗ１が実施される。
【００９２】
上記のように、水噴射装置２２から噴射された超臨界水はピストン冠面５ａに向かって噴射される。そのため、水噴射Ｗ１が実施されることで、高負荷領域Ａ２では、図１２に示すように、ピストン冠面５ａの表面に高温、高密度の水が付着して超臨界水噴射による断熱層５０が形成される。特に、本実施形態では、水噴射Ｗ１が圧縮上死点前であってピストン５の上昇中に実施されていることで、水噴射Ｗ１をピストン冠面５ａにより確実に付着させることができる。なお、図１２における網掛け部分は、水噴射Ｗ１の噴射の様子を模式的に示したものである。
【００９３】
ここで、断熱層５０を形成するための物質として、超臨界水（または亜臨界水）ではなく通常の液体の水を用いることが考えられる。しかしながら、通常の液体の水は、高温の燃焼室６内に噴射されたときに水蒸気（気体の水）となる。そして、上記のように、水蒸気は密度が小さい。そのため、通常の液体の水を噴射して水蒸気によって断熱層を形成しても、断熱層に含まれる水の重量（分子数）は少なく、断熱効果は小さい。また、上記のように、通常の液体の水では水蒸気への変化時に潜熱を必要とする。そのため、通常の液体の水を噴射した場合には、蒸発に伴って混合気の温度が低下してしまい熱効率が悪化する。
【００９４】
そこで、本実施形態では、上記のように、密度が高く、潜熱を必要としない超臨界水を気筒２内に噴射するとともに、着火前において噴射された超臨界水が高温、高密度の状態で存在するように、圧縮行程後半から膨張行程前半の高温高圧の燃焼室６内に超臨界水を噴射する。そして、燃焼室６内の混合気を均質としつつこの混合気の着火前に燃焼室６の外周部分に断熱層５０を形成する。
【００９５】
なお、本明細書において、着火時期すなわち混合気が着火する時期とは、図１１に示すように、熱発生率が急激に上昇する時期をいう。すなわち、図１１に示すように、燃料と空気の混合気は、温度圧力が所定値になると、まず、冷却損失等を上回るわずかな発熱を伴う低温酸化反応（冷炎反応）であって熱発生率が緩やかに上昇する、あるいは、緩やかに上昇した後一旦低下するような反応を起こし、その後、高い発熱量および熱炎を伴う反応（熱炎反応）を起こす。そして、ここでは、この熱炎反応が開始された時期を着火時期という。なお、熱炎反応は、混合気の温度が１５００Ｋ程度以上となると生じることが知られている。そのため、混合気の温度が１５００Ｋ以上となる時期を着火時期としてもよい。
（４）作用等
以上のように、本実施形態では、低負荷領域Ａ１では、燃焼室６の外周部分に余剰の空気によって空気層を形成することで、適正な燃焼を維持しつつ冷却損失を抑制することができる。そして、高負荷領域Ａ２では、燃焼室６の外周部分に水によって断熱層５０を形成することで、混合気の空燃比を適正な範囲に抑えてスモークの発生を抑制しつつ冷却損失を抑制することができる。特に、これら空気および水による断熱層に加えて燃焼室６の壁面に断熱材７が形成されているため、冷却損失を効果的に小さく抑えることができる。
【００９６】
しかも、高負荷領域Ａ２の断熱層５０は超臨界水噴射により形成されているとともに、超臨界水が圧縮行程後半から膨張行程前半の高温高圧の燃焼室６内に噴射されて燃焼室６の壁面に水が高温、高密度の状態で存在するように構成されている。そのため、断熱層５０における水の密度を高めて高い断熱効果を得ることができ、冷却損失をより確実に抑制して燃費性能をより確実に高めることができる。
【００９７】
また、本実施形態では、排ガスの熱エネルギーを利用して超臨界水が生成されており、排ガスの温度が高い高負荷領域Ａ２では、排ガスの熱エネルギーを有効に利用して超臨界水を生成することができエネルギー効率を高めることができる一方、エンジン負荷が低い低負荷領域Ａ１では排ガスの温度が低いために超臨界水を必要量生成できないおそれがある。また、低負荷領域Ａ１において、不足したエネルギーを別途設けたヒータ等で補うようにした場合には、エネルギー効率が悪化してしまう。これに対して、本実施形態では、低負荷領域Ａ１では、空気により断熱層を形成し、高負荷領域Ａ２でのみ超臨界水噴射により断熱層５０を形成しているため、エネルギー効率を高めつつ広範な負荷領域で冷却損失を抑制することができる。
【００９８】
ここで、ピストン冠面５ａに形成された遮熱材層７は、相対的に低温となる外周縁部の厚さが厚い部位７ｂとされている。この厚い部位７ｂとなる外周縁部は、高温となる中央部の薄い部位７ａに比して熱容量が大きくなるため、断熱性が良好となる。したがって、水噴射を行った際に、ピストン冠面５ａの外周縁部において水が凝縮することが防止あるいは抑制されて、ピストン冠面５ａの外周縁部での冷損が防止あるいは抑制されることになる（水噴射による断熱性向上の利点を大きく助長させる）。
【００９９】
ここで、遮熱材層７を全体的に厚い部位７ｂと同様の厚さとすることも考えられるが、この場合は、遮熱材層７を構成する材料の使用量が大きくなり、コスト等の点で好ましくないものとなる。図１４は、厚い部位７ｂの面積範囲をより狭めて、遮熱材層７を構成する材料の使用量をより低減した場合を示す。すなわち、図１４の例では、薄い部位７ａと厚い部位７ｂとの境界線αを、キャビティ１０の外周縁とピストン冠面５ａの外周縁との間の中間位置付近に設定してある。境界線αを、上記中間位置よりもさらにピストン冠面５ａの外周縁側に設定することもできる。さらに、薄い部位７ａの外周縁からピストン冠面５ａの外周縁側に向けて徐々に遮熱材層７の厚さを厚くして、最終的に厚い部位７ｂに到達するような厚さ設定もできる。
【０１００】
ピストン冠面５ａに向けて噴射された水が、ピストン冠面５ａの外周縁部で凝縮しないようにするには、この外周縁部の温度を水の飽和線以上の高温に維持すればよいことになる。図１５は、筒内の壁面温度（つまり筒内のうち低い温度となるピストン冠面５ａの外周縁部の温度）とエンジン負荷と水の飽和線との関係を示すものである。壁面温度が４５０度Ｋよりも高い温度であれば、エンジン負荷が１００ｋｐａ以上の範囲では水が凝縮しないことになる。
【０１０１】
遮熱材層７の厚さは、低負荷でも十分な断熱性を確保できるように、５００μｍ〜１５００μｍの範囲となる所定厚さ範囲で設定するのが好ましいものである。薄い部位７ａと厚い部位７ｂとは、上記所定厚さ範囲内でもって相違させることになる。図１６は、遮熱材層７の限界厚さと遮熱材層７の熱伝導率とエンジン負荷との関係を示すものである。すなわち、ある負荷で定常運転したの際に、ピストン冠面５ａ（のうち特に温度が低くなる外周縁部）を所定温度（例えば図１５で説明した４５０°Ｋ）以上に維持するのに必要な遮熱材層７の限界厚さ（最小必要厚さ）を示すものである。例えば、遮熱材層７の熱伝導率が０．１５Ｗ／ｍＫで、エンジン負荷が１００ｋｐａの場合に、遮熱材層７の厚さを５００μｍ以上必要である、ということになる。勿論、エンジン負荷が大きくなるほど、筒内の温度が高くなるので、要求される遮熱材層７の厚さは小さくてすむことになる。使用できる材料等を勘案して、遮熱材層７の熱伝導率を０．１〜０．２３Ｗ／ｍＫ程度の範囲で選択するのが、遮熱材層７を構成する材料等の点で実用的であり、この場合、遮熱材層７の厚さを５００μｍ〜１５００μｍの厚さ範囲で設定すればよい。勿論、遮熱材層７の厚さを１５００μｍ以上とすることも可能であるが、厚くし過ぎることは不必要にコストアップになることから、上記のような厚さ範囲とするのが好ましい。
【０１０２】
次に、遮熱材層７の材質等について、図１７を参照しつつ説明するが、遮熱材層７１や１８１においても同様な材質を用いることができる。本実施形態の遮熱材層７は、無機酸化物を主体とする中空状粒子１２３、及び緻密質バインダ材１２５を含む。遮熱材層７では、緻密質バインダ材１２５が中空状粒子１２３を覆い、中空状粒子１２３同士を結合し、中空状粒子１２３とピストン冠面５ａとを結合することで、ピストン冠面５ａ上に層構造を成している。緻密質バインダ材１２５は、中空状粒子１２３同士の間隙を埋めるようにしてそれらを結合しており、また、緻密質バインダ材１２５は、非粉末状であって、それ自体が緻密に構成されている。このため、中空状粒子１２３同士の間や緻密質バインダ材１２５自体に燃料が通過可能な間隙がなく、その結果、燃焼室６に噴射された燃料や水が遮熱材層７に浸み込むことを防止できる。
【０１０３】
本実施形態において、緻密質バインダ材１２５は、上記のように非粉末状であり、それ自体が緻密に構成されていれば、その材料は特に限定されず、例えばシリコーン系樹脂を用いることができる。シリコーン系樹脂としては、例えば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好適に用いることができ、具体例としては、例えばポリアルキルフェニルシロキサンを挙げることができる。
【０１０４】
本実施形態において、無機酸化物を主体とする中空状粒子１２３としては、フライアッシュバルーン、シラスバルーン、シリカバルーン、エアロゲルバルーン等のＳｉ系酸化物成分（例えば、シリカ（ＳｉＯ２））又はＡｌ系酸化物成分（例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３））を含有するセラミック系中空状粒子を採用することが好ましい（各々の材質及び粒径は特許文献１の表１に開示されているのと同様に設定することができる）。なお、中空状粒子１２３は、メディアン径が５μｍ以上３０μｍ以下のものを用いることが好ましく、５μｍ未満のメディアン径の中空重粒子をさらに追加してもよい。
【０１０５】
例えば、フライアッシュバルーンの化学組成は、ＳｉＯ２；４０．１〜７４．４％、Ａｌ２Ｏ３；１５．７〜３５．２％、Ｆｅ２Ｏ３；１．４〜１７．５％、ＭｇＯ；０．２〜７．４％、ＣａＯ；０．３〜１０．１％（以上は質量％）である。シラスバルーンの化学組成は、ＳｉＯ２；７５〜７７％、Ａｌ２Ｏ３；１２〜１４％、Ｆｅ２Ｏ３；１〜２％、Ｎａ２Ｏ；３〜４％、Ｋ２Ｏ；２〜４％、IgLoss；２〜５％（以上は質量％）である。
【０１０６】
遮熱材層７には、このような中空状粒子１２３が６０ｖｏｌ％以上７５ｖｏｌ％以下の体積比率で含まれている。遮熱材層７の成分としての中空状粒子１２３の含有量が体積比率で６０ｖｏｌ％以上と大きいので、遮熱材層７内に空気層を多く含有できる。このため、遮熱材層７の熱伝導率及び体積比熱を低減することができて、遮熱材層７の断熱性能を向上することができる。また、遮熱材層７における中空状粒子１２３の体積比率が７５ｖｏｌ％以下であるため、中空状粒子１２３同士を結合する緻密質バインダ材１２５の量を十分に確保できて、耐久性のある膜を形成することが可能となる。なお、含有させる中空状粒子１２３の体積比率は、粒子のみかけ密度と緻密質バインダ材１２５の密度とを測定し、続いて緻密質バインダ材１２５に対して添加する中空状粒子１２３の質量から算出することができる。なお、遮熱材層７の強度又は硬度を向上するために、遮熱材層７にフィラー材が含まれていてもよい。
【０１０７】
遮熱材層７は、溶射や塗布によって形成することができる。また、遮熱材層７の材質（構造）は、上記したものに限定されるものではない。ただし、中空状粒子１２３を用いることにより、単に断熱性の向上のみならず、熱応答性（熱変化の応答性）がよくなり、ピストン５やその冠面５ａが高温になったままの状態が維持されるのを阻止する上で好ましいものとなる（例えばノッキング防止等に有利）。ちなみに、遮熱材層７として断熱性が良好で熱応答性が悪いもの（例えば中実のセラミック材）を用いると、ピストン５やその冠面５ａが高温になったままの状態が維持され続けてしまうおそれが強くなる。
（５）変形例
上記実施形態について説明したが、本発明はこれに限らす、特許請求の範囲に記載された範囲で適宜変更可である。例えば、高負荷領域Ａ２の有効圧縮比が１５以上に設定された場合について説明したが、高負荷領域Ａ２の有効圧縮比はこれに限らない。ただし、上記のように、エンジン負荷が高く、かつ、有効圧縮比が高い場合には、スモークが悪化しやすい。そのため、この場合に、空気ではなく超臨界水噴射により断熱層を形成すれば、スモークの悪化を抑制しつつ冷却損失を抑制することができる。また、低負荷領域Ａ１の有効圧縮比も上記に限らない。低負荷領域においても水噴射を行うようにしてもよい。
【０１０８】
また、排熱回収装置６０に代えてあるいは加えて、上記のように別途設けたヒータ等を用いて超臨界水を生成してもよい。ただし、上記のように排熱回収装置６０を用いればエネルギー効率を高くすることができる。なお、遮熱材層７を有することにより排ガスの温度が高まるため、排熱回収装置６０を用いた際に超臨界水または臨界水を容易に生成することができる。
【０１０９】
また、上記実施形態では、燃焼室６内に水として超臨界水が噴射される場合について説明したが、上述したように、亜臨界水であって超臨界水に近い性状を有する水を超臨界水の代わりに燃焼室６内に噴射してもよい。この場合であっても、断熱効果の高い断熱層を形成することができ、冷却損失を抑制することができる。
【０１１０】
また、燃焼形態は自着火燃焼に限らず、点火プラグによって混合気が点火されることで燃焼が開始する形態であってもよい。また、燃料としてガソリンを含まない燃料が用いられてもよく、ディーゼルエンジンであってもよい。
【０１１１】
遮熱材層２０の熱容量を相違させるには、その厚さの変更に代えてあるいは加えて、材質（構造）を変更することにより行うこともできる（例えば中空状粒子２３の直径や材質を変更したり、その含有割合を変更する）。勿論、本発明の目的は、明記されたものに限らず、実質的に好ましいあるいは利点として表現されたものを提供することをも暗黙的に含むものである。
【産業上の利用可能性】
【０１１２】
本発明は、圧縮着火式エンジンに適用して好適である。
【符号の説明】
【０１１３】
１：エンジン本体
２：気筒
３：シリンダブロック
４：シリンダヘッド
５：ピストン
５ａ：ピストン冠面
７：遮熱材層
７ａ：薄い部位
７ｂ：厚い部位
α：境界線（薄い部位と厚い部位との境界）
１０：キャビティ
２１：燃料噴射装置
２２：水噴射装置
４２：熱交換器（昇温昇圧器）
４３：コンデンサー（凝縮器）
５０：断熱層（水噴射により形成）
６０：排熱回収装置（水加工装置）
１００：ＰＣＭ（制御手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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