(57)【要約】【課題】予混合圧縮着火式エンジンにおいて、燃焼室内における火炎伝播的燃焼の偏在を可及的に防止することにより、燃焼騒音の低減及び異常燃焼の抑制を図る。【解決手段】予混合圧縮着火式エンジンは、気筒２及びピストン５で区画される燃焼室６と、燃焼室６の径方向の中心領域に向けて燃料を噴射するインジェクタ１４と、燃焼室６内に水を噴射する水噴射装置１７とを備える。燃焼室６内には、少なくとも圧縮行程後半から圧縮上死点に至る時点で、径方向内側に向かうタンブル流Ｔｕ及びスキッシュ流ＳｑＡを含む筒内流動が生じている。水噴射装置１７は、燃焼室６内における中心領域よりも径方向外側の第１領域６Ａと、燃焼室６の径方向内側へ向かう前記筒内流動の強度が相対的に強くなる第２領域６Ｂと、を除いた噴射領域６Ｃに水を噴射する。【選択図】図１１
2019105227.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともガソリンを含む燃料を用いる予混合圧縮着火式エンジンであって、
気筒及びピストンで区画され、前記燃料を燃焼させる燃焼室と、
前記燃焼室の径方向の中心領域に向けて前記燃料を噴射する燃料噴射弁と、
前記燃焼室内に水を噴射する水噴射装置と、を備え、
前記燃焼室内には、少なくとも圧縮行程後半から圧縮上死点に至る時点で筒内流動が生じているものであって、
前記水噴射装置は、前記燃焼室内における前記中心領域よりも径方向外側の第１領域と、前記燃焼室の径方向内側へ向かう前記筒内流動の強度が相対的に強くなる第２領域と、を除いた噴射領域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２】
請求項１に記載の予混合圧縮着火式エンジンにおいて、
前記燃焼室は、吸気ポート及び排気ポートを備え、前記筒内流動として、前記吸気ポートからの吸気によってタンブル流が発生するものであって、
前記燃焼室を区画する燃焼室壁面の一部は、前記ピストンの冠面と、該冠面と対向する燃焼室天井面とによって形成され、前記吸気ポート及び前記排気ポートは、前記燃焼室天井面に開口されており、
前記冠面は、径方向の中央領域に凹設されたキャビティと、少なくとも前記吸気ポートが配置される吸気側における前記キャビティの径方向外側に配置され前記燃焼室天井面と平行な平面からなるスキッシュ生成面とを含み、前記筒内流動として、前記スキッシュ生成面に沿って流れるスキッシュ流が発生するものであって、
前記第２領域は、前記キャビティに沿って流れる前記タンブル流と、前記スキッシュ流とが合流する合流領域である、予混合圧縮着火式エンジン。
【請求項３】
請求項２に記載の予混合圧縮着火式エンジンにおいて、
前記水噴射装置の動作を制御する水噴射制御部と、
前記タンブル流の強度を推定する強度推定手段と、をさらに備え、
前記水噴射制御部は、前記強度推定手段が推定した前記タンブル流の強度が、所定の強度以下である場合に、前記水噴射装置による前記噴射領域への水の噴射を停止させる、予混合圧縮着火式エンジン。
【請求項４】
請求項１に記載の予混合圧縮着火式エンジンにおいて、
前記燃焼室は、吸気ポート及び排気ポートを備え、
前記燃焼室を区画する燃焼室壁面の一部は、前記ピストンの冠面と、該冠面と対向する燃焼室天井面とによって形成され、
前記冠面は、径方向の中央領域に凹設されたキャビティと、前記吸気ポートが配置される吸気側及び前記排気ポートが配置される排気側の径方向外側の双方に配置され前記燃焼室天井面と平行な平面からなるスキッシュ生成面とを含み、前記筒内流動として、前記スキッシュ生成面に沿って各々流れるスキッシュ流が発生するものであって、
前記第２領域は、前記吸気側のスキッシュ生成面に沿って流れるスキッシュ流と、前記排気側のスキッシュ生成面に沿って流れるスキッシュ流とのうちのいずれか流動の強度が強い方のスキッシュ流が、前記キャビティに噴き出す領域である、予混合圧縮着火式エンジン。
【請求項５】
請求項１〜４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、
前記燃焼室内に着火部が配置される強制着火源をさらに備え、
前記着火部は、前記第２領域に相当する位置に配置されている、予混合圧縮着火式エンジン。
【請求項６】
請求項２〜５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、
前記燃料噴射弁は、エンジン負荷が所定値以上の高負荷となる運転領域において、前記キャビティ内及び前記キャビティの外側領域に混合気が形成されるよう前記燃料を噴射するものであって、
前記水噴射装置は、前記高負荷の運転領域において、前記噴射領域へ水を噴射する、予混合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、ガソリンを含む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を行うエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
予混合圧縮着火燃焼を行うエンジン（例えば特許文献１参照）においては、当該エンジンが高負荷、高回転になるほど、急峻に燃焼圧が上昇し燃焼期間が過度に短期間となる過早燃焼（急激な熱発生）が生じる傾向がある。この過早燃焼が生じると、燃焼騒音が大きくなる、異常燃焼が生じるといった不具合が生じる。この不具合を防止するには、燃焼初期は比較的緩慢に、燃焼後期は比較的急速に燃焼させることによって燃焼期間を適度に延ばし、後期重心型の熱発生パターンとすることが望ましい。
【０００３】
上記の後期重心型の熱発生パターンを得るには、例えばＳＩ（Ｓｐａｒｋ  Ｉｇｎｉｔｉｏｎ）燃焼とＣＩ（Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ  Ｉｇｎｉｔｉｏｎ）燃焼とを組み合わせたＳＩ−ＣＩ燃焼が有効である。ＳＩ−ＣＩ燃焼は、燃焼室の混合気に強制着火を行い火炎伝播による燃焼（ＳＩ燃焼）を行わせ、このＳＩ燃焼により発生する熱によって燃焼室内の未燃混合気を自着火により燃焼（ＣＩ燃焼）させる燃焼方式である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−１９４７１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のＳＩ−ＣＩ燃焼方式においては、タンブル流などの筒内流動によって、ＳＩ燃焼における火炎伝播が燃焼室全方位に均質に拡がらない場合がある。この場合、火炎伝播の偏在によって燃焼室空間においてＣＩ燃焼に基づく自着火が生じる領域（エンドガスゾーン）が増加し、当該自着火による熱発生量が過度になって、所期の燃焼騒音低減効果、異常燃焼抑制効果が得られないという問題が生じる。強制着火を行わず、圧縮自着火によって混合気に着火させる場合にあっても、その着火点から周囲へ延伸するように連鎖的に発生する自着火であって火炎伝播に類する燃焼（以下、「火炎伝播的燃焼」という）が前記筒内流動の影響を受け、前記連鎖的な自着火が偏在して進展することから、同様の問題が生じる。
【０００６】
本発明の目的は、予混合圧縮着火式エンジンにおいて、燃焼室内における火炎伝播的燃焼の偏在を可及的に防止することにより、燃焼騒音の低減及び異常燃焼の抑制を図ることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一局面に係る予混合圧縮着火式エンジンは、少なくともガソリンを含む燃料を用いる予混合圧縮着火式エンジンであって、気筒及びピストンで区画され、前記燃料を燃焼させる燃焼室と、前記燃焼室の径方向の中心領域に向けて前記燃料を噴射する燃料噴射弁と、前記燃焼室内に水を噴射する水噴射装置と、を備え、前記燃焼室内には、少なくとも圧縮行程後半から圧縮上死点に至る時点で筒内流動が生じているものであって、前記水噴射装置は、前記燃焼室内における前記中心領域よりも径方向外側の第１領域と、前記燃焼室の径方向内側へ向かう前記筒内流動の強度が相対的に強くなる第２領域と、を除いた噴射領域に水を噴射することを特徴とする。
【０００８】
この予混合圧縮着火式エンジンによれば、水噴射装置による水噴射によって、前記噴射領域が冷却されることになる。これにより、前記噴射領域、及び、気筒の内周壁（ライナー）にて冷却されることで本来的に温度が低い前記第１領域に対して、水噴射が行われない前記第２領域は、相対的に温度が高い領域となる。従って、この第２領域に存在する混合気に、最初に着火が生じる。つまり、前記第２領域が、予混合圧縮着火燃焼における着火源となる。そして、前記第２領域は、燃焼室の径方向内側へ向かう筒内流動の強度が相対的に強い領域である。従って、前記着火以降に周囲に連鎖的に生じる自着火である火炎伝播的燃焼を、前記筒内流動の流れに乗せて燃焼室全体に広げ、エンドガスゾーンが増加しないようにすることが可能となる。これにより、燃焼室内における火炎伝播的燃焼の偏在を抑止でき、燃焼騒音の低減及び異常燃焼の抑制を図ることができる。
【０００９】
上記の予混合圧縮着火式エンジンにおいて、前記燃焼室は、吸気ポート及び排気ポートを備え、前記筒内流動として、前記吸気ポートからの吸気によってタンブル流が発生するものであって、前記燃焼室を区画する燃焼室壁面の一部は、前記ピストンの冠面と、該冠面と対向する燃焼室天井面とによって形成され、前記吸気ポート及び前記排気ポートは、前記燃焼室天井面に開口されており、前記冠面は、径方向の中央領域に凹設されたキャビティと、少なくとも前記吸気ポートが配置される吸気側における前記キャビティの径方向外側に配置され前記燃焼室天井面と平行な平面からなるスキッシュ生成面とを含み、前記筒内流動として、前記スキッシュ生成面に沿って流れるスキッシュ流が発生するものであって、前記第２領域は、前記キャビティに沿って流れる前記タンブル流と、前記スキッシュ流とが合流する合流領域であることが望ましい。
【００１０】
この予混合圧縮着火式エンジンによれば、キャビティに向けて燃料を噴射させ、当該キャビティ内に混合気を形成することが可能となる。一般に、タンブル流とスキッシュ流とが合流する合流領域は、キャビティの周縁領域の近傍となる。このような合流領域を前記第２領域とし、水噴射を行わない領域とすることで、当該合流領域を着火源とすることができる。そして、前記合流領域で発生した火炎を、前記タンブル流及び前記スキッシュ流を利用して、前記キャビティの径方向中央部に伝播させることができる。従って、燃焼室内における火炎伝播的燃焼の偏在を防止できる。
【００１１】
上記の予混合圧縮着火式エンジンにおいて、前記水噴射装置の動作を制御する水噴射制御部と、前記タンブル流の強度を推定する強度推定手段と、をさらに備え、前記水噴射制御部は、前記強度推定手段が推定した前記タンブル流の強度が、所定の強度以下である場合に、前記水噴射装置による前記噴射領域への水の噴射を停止させることが望ましい。
【００１２】
タンブル流の強度は、エンジンの運転状態によって変動する。例えば、エンジン回転数が低い運転域ではタンブル流が弱くなり、筒内流動は火炎伝播的燃焼を偏って進展させるほどの影響を与えない。このような場合に、上記の予混合圧縮着火式エンジンによれば、無用な水噴射が実行されないようにすることができる。
【００１３】
上記の予混合圧縮着火式エンジンにおいて、前記燃焼室は、吸気ポート及び排気ポートを備え、前記燃焼室を区画する燃焼室壁面の一部は、前記ピストンの冠面と、該冠面と対向する燃焼室天井面とによって形成され、前記冠面は、径方向の中央領域に凹設されたキャビティと、前記吸気ポートが配置される吸気側及び前記排気ポートが配置される排気側の径方向外側の双方に配置され前記燃焼室天井面と平行な平面からなるスキッシュ生成面とを含み、前記筒内流動として、前記スキッシュ生成面に沿って各々流れるスキッシュ流が発生するものであって、前記第２領域は、前記吸気側のスキッシュ生成面に沿って流れるスキッシュ流と、前記排気側のスキッシュ生成面に沿って流れるスキッシュ流とのうちのいずれか流動の強度が強い方のスキッシュ流が、前記キャビティに噴き出す領域であることが望ましい。
【００１４】
この予混合圧縮着火式エンジンによれば、キャビティに向けて燃料を噴射させ、当該キャビティ内に混合気を形成することが可能となる。スキッシュ流は、キャビティの周縁領域から、当該キャビティの径方向中央部に向けて噴き出す。そして、吸気側又は排気側のいずれか流動の強度が強い方のスキッシュ流が前記キャビティに噴き出す領域を前記第２領域とし、水噴射を行わない領域とすることで、当該噴き出し領域を着火源とすることができる。そして、前記噴き出し領域で発生した火炎を、前記スキッシュ流を利用して、前記キャビティの径方向中央部に伝播させることができる。従って、燃焼室内における火炎伝播的燃焼の偏在を防止できる。
【００１５】
上記の予混合圧縮着火式エンジンにおいて、前記燃焼室内に着火部が配置される強制着火源をさらに備え、前記着火部は、前記第２領域に相当する位置に配置されていることが望ましい。
【００１６】
この予混合圧縮着火式エンジンによれば、前記着火部によって混合気への着火のアシストを行うことができる。そして、前記着火部は、前記第２領域に相当する位置に配置される。従って、前記第２領域において混合気に確実に着火させ、前記筒内流動によって火炎伝播的燃焼を行わせることができる。
【００１７】
上記の予混合圧縮着火式エンジンにおいて、前記燃料噴射弁は、エンジン負荷が所定値以上の高負荷となる運転領域において、前記キャビティ内及び前記キャビティの外側領域に混合気が形成されるよう前記燃料を噴射するものであって、前記水噴射装置は、前記高負荷の運転領域において、前記噴射領域へ水を噴射することが望ましい。
【００１８】
この予混合圧縮着火式エンジンによれば、高負荷の運転領域ではキャビティ内だけでなく、その外側領域にも混合気が存在することになる。つまり、エンドガスゾーンに混合気が存在することから、火炎伝播的燃焼の偏在が生じた場合、当該エンドガスゾーンにおける熱発生量が大きくなる。従って、前記高負荷の運転領域において前記水噴射を実行させることで、効果的に燃焼騒音の低減及び異常燃焼の抑制を図ることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、予混合圧縮着火式エンジンにおいて、燃焼室内における火炎伝播的燃焼の偏在を可及的に防止することにより、燃焼騒音の低減及び異常燃焼の抑制を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、本発明に係る予混合圧縮着火エンジンが適用されるエンジンシステムの構成の概略図である。
【図２】図２は、エンジン本体の気筒軸方向に沿った概略断面図である。
【図３】図３は、ピストン冠面の平面図である。
【図４】図４は、燃焼室の気筒軸方向に沿った断面図であって、相対的に流動の強度が強い吸気側スキッシュ流が発生する吸気側を示す図である。
【図５】図５は、前記予混合圧縮着火エンジンの制御構成を示すブロック図である。
【図６】図６は、エンジンの低負荷運転領域における燃料噴射の態様を示すタイムチャートである。
【図７】図７は、エンジンの高負荷運転領域における燃料噴射及び水噴射の態様を示すタイムチャートである。
【図８】図８（Ａ）は、燃焼室内において水噴射が行われる領域を示す平面図、図８（Ｂ）は図８（Ａ）のＶＩＩＩＢ−ＶＩＩＩＢ線断面図である。
【図９】図９（Ａ）及び（Ｂ）は、燃焼室内で発生するタンブル流及びスキッシュ流を説明するための、エンジン本体の気筒軸方向に沿った概略断面図である。
【図１０】図１０（Ａ）及び（Ｂ）は、比較例において生成される火炎伝播ゾーンを示す図である。
【図１１】図１１（Ａ）及び（Ｂ）は、本実施形態における水噴射と火炎伝播的燃焼の態様を示す図である。
【図１２】図１２は、本実施形態における燃焼後期の状態を示す図である。
【図１３】図１３は、比較例及び本実施形態の燃焼室における熱発生率を示すグラフである。
【図１４】図１４は、点火プラグを備えた変形例に係る燃焼室構造を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
［エンジンの全体構成］
以下、図面に基づいて、本発明の実施形態に係る予混合圧縮着火式エンジンを詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る予混合圧縮着火エンジンが適用されるエンジンシステムの概略構成図である。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２０と、エンジン本体１で生成された排気を排出するための排気通路３０と、排気通路３０を通過する排気の一部をＥＧＲガスとして吸気通路２０に還流するＥＧＲ装置４０と、排気通路３０を通過する排気から水を回収してエンジン本体１に水を供給する水供給装置ＷＡとを備える。
【００２２】
図２は、エンジン本体１の気筒軸方向Ａに沿った概略断面図である。エンジン本体１は、４つの気筒２が図１の紙面と直交する方向に直列に配置された直列４気筒エンジンである。図２では、４つの気筒２のうちの１つのみを示している。前記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。本実施形態では、エンジン本体１は、ガソリンを含む燃料の供給を受けて駆動される予混合圧縮着火式エンジンである。なお、燃料は、バイオエタノール等を含むガソリンであってもよい。
【００２３】
エンジン本体１は、シリンダブロック３、シリンダヘッド４及びピストン５を備える。シリンダブロック３は、上述の４つの気筒を形成するシリンダライナを有する。シリンダヘッド４は、シリンダブロック３の上面に取り付けられ、気筒２の上部開口を塞いでいる。ピストン５は、各気筒２に往復摺動可能に収容されており、コネクティングロッド８を介してクランク軸７と連結されている。ピストン５の往復運動に応じて、クランク軸７はその中心軸回りに回転する。
【００２４】
ピストン５の上方には燃焼室６が形成されている。シリンダヘッド４には、燃焼室６と連通する吸気ポート９及び排気ポート１０が形成されている。シリンダヘッド４の底面は燃焼室天井面６Ｕであり、この燃焼室天井面６Ｕは、上向きに僅かに凸の傾斜面を有するペントルーフ型の形状を有している。燃焼室天井面６Ｕには、吸気ポート９の下流端である吸気側開口と、排気ポート１０の上流端である排気側開口とが形成されている。シリンダヘッド４には、前記吸気側開口を開閉する吸気バルブ１１と、前記排気側開口を開閉する排気バルブ１２とが組み付けられている。
【００２５】
吸気バルブ１１及び排気バルブ１２は、いわゆるポペットバルブである。吸気バルブ１１は、吸気ポート９の開口を開閉する傘状の弁体と、この弁体から垂直に延びるステムとを含む。同様に、排気バルブ１２は、排気ポート１０の開口を開閉する傘状の弁体と、この弁体から垂直に延びるステムとを含む。吸気バルブ１１及び排気バルブ１２の前記弁体の各々は、燃焼室６に臨むバルブ面を有する。なお、エンジン本体１は、ダブルオーバーヘッドカムシャフト式（ＤＯＨＣ）エンジンであり（図３参照）、前記吸気側開口及び排気側開口は、各気筒２につき２つずつ設けられるとともに、吸気バルブ１１及び排気バルブ１２も２つずつ設けられている。
【００２６】
燃焼室６の底面は、ピストン５の冠面５０によって区画されている。図３は、冠面５０の平面図である。冠面５０には、キャビティ５Ｃが凹設されている。キャビティ５Ｃは、上面視で略円形の形状を有し、燃焼室６の径方向Ｂにおいて冠面５０の中央領域に、下方に凹没するように形成されている。キャビティ５Ｃの径方向Ｂの外側であって吸気ポート９が配置されている側（吸気側）には、吸気側スキッシュ生成面５１Ａが備えられ、排気ポート１０が配置されている側（排気側）には、排気側スキッシュ生成面５１Ｂが備えられている。これらスキッシュ生成面５１Ａ、５１Ｂは、ペントルーフ型の燃焼室天井面６Ｕと平行な平面からなり、両者間の間隙は径方向Ｂにおいて略一定である。なお、冠面５０の表面は、図略の断熱層によってコーティングされている。
【００２７】
本実施形態において、燃焼室６を区画する燃焼室壁面は、気筒２の内壁面、ピストン５の冠面５０、冠面５０と対向する燃焼室天井面６Ｕ、及び、吸気バルブ１１及び排気バルブ１２の各バルブ面からなる。また、本実施形態のエンジン本体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の容積との比は、１３以上３５以下（例えば２０程度）の高圧縮比に設定されている。
【００２８】
シリンダヘッド４（燃焼室天井面６Ｕ）には、燃焼室６内に燃料を噴射するインジェクタ１４（燃料噴射弁）が、各気筒２につき１つずつ取り付けられている。インジェクタ１４には図略の燃料供給管が接続され、インジェクタ１４は、前記燃料供給管を通して供給された燃料を燃焼室６に噴射する。インジェクタ１４の下端には、複数の燃料噴射口を有するヘッド部１４Ａが備えられている。本実施形態ではインジェクタ１４は、気筒軸方向Ａに対して僅かに傾き、ヘッド部１４Ａが径方向Ｂの中心からやや外側に離間した位置において燃焼室６内に突出するように、シリンダヘッド４に組み付けられている。ヘッド部１４Ａは、燃焼室６の径方向Ｂの中心領域、つまりピストン５のキャビティ５Ｃに向けて燃料を噴射する。
【００２９】
シリンダヘッド４には、吸気バルブ１１、排気バルブ１２を各々駆動する吸気側動弁機構１５、排気側動弁機構１６が配設されている（図１）。これら動弁機構１５、１６によりクランク軸７の回転に連動して、各吸気バルブ１１及び排気バルブ１２が駆動される。これら吸気バルブ１１及び排気バルブ１２の駆動により、吸気バルブ１１の弁体が吸気ポート９の開口を開閉し、排気バルブ１２の弁体が排気ポート１０の開口を開閉する。
【００３０】
さらに、シリンダヘッド４には、燃焼室６内に水を噴射する水噴射装置１７が設けられている。水噴射装置１７は、燃焼室天井面６Ｕの径方向Ｂの中心（気筒２の中心軸上）に位置するように、シリンダヘッド４に取り付けられている。水噴射装置１７は、水の噴射孔Ｈ（図３）が形成された水噴射ヘッド１７Ａを備え、この水噴射ヘッド１７Ａは燃焼室天井面６Ｕに露出するように配置されている。水噴射装置１７としては、例えば、汎用のインジェクタ１４と同様の構造を有する装置、例えばソレノイド式、ピエゾ式のインジェクタと同等の機能を有する噴射装置を適用することができる。
【００３１】
吸気通路２０には、吸気流の上流側から順に、吸気を清浄化するエアクリーナ２１と、吸気通路２０を開閉するためのスロットルバルブ２２とが設けられている。本実施形態では、エンジンの運転中、スロットルバルブ２２は基本的に全開もしくはこれに近い開度に維持される。エンジンの停止時等の限られた運転条件のときにのみ、スロットルバルブ２２が閉弁されて吸気通路２０を遮断する。
【００３２】
排気通路３０には、排気を浄化するための浄化装置３１が設けられている。浄化装置３１は、例えば、三元触媒を内蔵している。
【００３３】
水供給装置ＷＡは、コンデンサ３２、水供給配管３３、水タンク３４及び水ポンプ３５を含む。コンデンサ３２は、浄化装置３１よりも下流側において排気通路３０に取り付けられ、排気通路３０を通過する排気中の水（水蒸気）を凝縮して水を回収する。水供給配管３３は、コンデンサ３２と水噴射装置１７とを接続する配管である。コンデンサ３２で回収された凝縮水は、水供給配管３３を介して水噴射装置１７に供給される。水タンク３４及び水ポンプ３５は、水供給配管３３に配置されている。水タンク３４は、コンデンサ３２で生成された凝縮水を貯留する。水ポンプ３５は、水タンク３４内の水を水噴射装置１７に向けて圧送する。
【００３４】
ＥＧＲ装置４０は、吸気通路２０のうちスロットルバルブ２２よりも下流側の部分と、排気通路３０のうち浄化装置３１よりも上流側の部分とを連通するＥＧＲ通路４１を有する。さらにＥＧＲ装置４０は、ＥＧＲ通路４１を開閉するＥＧＲバルブ４２と、ＥＧＲ通路４１を通過するＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ４３とを備える。ＥＧＲ通路４１を通して還流されるＥＧＲガスは、ＥＧＲクーラ４３にて冷却された後に吸気通路２０に向かう。
【００３５】
［ピストン冠面の詳細］
図３は、ピストン５の冠面５０の上面視の平面図である。本実施形態の燃焼室６においては、図３中に点線で示すように、燃焼室天井面６Ｕに吸気ポート９及び排気ポート１０が各々２個ずつ開口されている。詳しくは、ペントルーフ型の燃焼室天井面６Ｕの稜線（冠面５０の稜線部５４に対向する部分）を境にして、図３の右方側に２つの吸気ポート９Ａ、９Ｂが前記稜線方向に間隔をおいて配置され、左方側に２つの排気ポート１０Ａ、１０Ｂが前記稜線方向に間隔をおいて配置されている。ここで、燃焼室６において吸気ポート９Ａ、９Ｂが配置される側を吸気側、排気ポート１０Ａ、１０Ｂが配置される側を排気側とする。
【００３６】
冠面５０においてキャビティ５Ｃは径方向Ｂの中央領域に配置され、キャビティ５Ｃの外周を区画する外周縁５Ｅは上面視で略円形である。吸気ポート９Ａ、９Ｂ及び排気ポート１０Ａ、１０Ｂの内側の一部と、キャビティ５Ｃの外周縁５Ｅ付近の一部とは、気筒軸方向Ａにおいて重なっている。吸気側スキッシュ生成面５１Ａは、２つの吸気ポート９Ａ、９Ｂの間において、外周縁５Ｅから冠面５０の径方向Ｂの外側に向けて延出する平面である。排気側スキッシュ生成面５１Ｂは、２つの排気ポート１０Ａ、１０Ｂの間において、外周縁５Ｅから冠面５０の径方向Ｂの外側に向けて延出する平面である。これらスキッシュ生成面５１Ａ、５１Ｂの周方向幅は、外周縁５Ｅからの延び出し部付近（吸気ポート９Ａ、９Ｂ、排気ポート１０Ａ、１０Ｂが最接近する付近）において最も狭く、径方向Ｂの外側に向かうに連れて幅広となっている。スキッシュ生成面５１Ａ、５１Ｂがこのような形状となるのは、冠面５０の吸気ポート９Ａ、９Ｂ、排気ポート１０Ａ、１０Ｂと対向する領域に、バルブリセスが凹設されるからでもある。
【００３７】
スキッシュ生成面５１Ａ、５１Ｂには、圧縮行程の後期において筒内流動として、燃焼室６の径方向Ｂの外周部から内側に向けて流れるスキッシュ流ＳｑＡ、ＳｑＢが各々発生する。本実施形態では、ピストン５が圧縮上死点（ＴＤＣ）に存在するとき、吸気側スキッシュ生成面５１Ａと燃焼室天井面６Ｕとの間のクリアランスの方が、排気側スキッシュ生成面５１Ｂと燃焼室天井面６Ｕとの間のクリアランスよりも小さく設定されている。このため、吸気側スキッシュ生成面５１Ａに沿って流れるスキッシュ流ＳｑＡの方が、排気側スキッシュ生成面５１Ｂに沿って流れるスキッシュ流ＳｑＢよりも流動の強度が強いという関係になる。
【００３８】
図４は、ピストン５がＴＤＣ付近にある時点における、燃焼室６内の筒内流動を示している。図４は、燃焼室６の気筒軸方向Ａに沿った断面図であって、相対的に流動の強度が強い吸気側スキッシュ流ＳｑＡが発生する吸気側の断面図である。キャビティ５Ｃは、底部５２と、この底部５２から外周縁５Ｅに向けて立ち上がる斜面部５３とを備えている。既述の通り、スキッシュ生成面５１Ａは外周縁５Ｅから冠面５０の径方向Ｂの外側に向けて延出する平面である。吸気ポート９からの吸気によって、筒内流動として、キャビティ５Ｃに沿って流れるタンブル流Ｔｕが発生する。
【００３９】
図３及び図４には、異なる筒内流動が合流する箇所となる合流領域Ｍが示されている。合流領域Ｍは、圧縮行程後期において、キャビティ５Ｃに沿って流れるタンブル流Ｔｕと、吸気側スキッシュ生成面５１Ａに沿って流れるスキッシュ流ＳｑＡとが合流する領域である。この合流領域Ｍでは、圧縮行程後期において径方向Ｂの内側に向かうように残存するタンブル流Ｔｕを、キャビティ５Ｃに噴き出すスキッシュ流ＳｑＡが後押しする態様となるため、径方向内側へ向かう筒内流動の強度が相対的に強くなる。
【００４０】
このような構造を有する燃焼室６において、水噴射装置１７は、燃焼室６の一部の領域に水を噴射するように構成されている。具体的には、水噴射装置１７の水噴射ヘッド１７Ａは複数の噴射孔Ｈが環状に配列され、これら噴射孔Ｈの各々から水が噴射される。燃焼室６において水が噴射された領域は、冷却されることになる。しかし、上述の合流領域Ｍの方位には、噴射孔Ｈが穿孔されていない。つまり、合流領域Ｍには水が噴射されない。これは、後記で詳述するが、合流領域Ｍを意図的に冷却せずに相対的に高温化させ、当該合流領域Ｍにおいて最初に自着火が生じるようにさせるための工夫である。なお、本実施形態とは逆に、吸気側のスキッシュ流ＳｑＡよりも排気側のスキッシュ流ＳｑＢの方が相対的に強い場合は、排気側スキッシュ流ＳｑＢがキャビティ５Ｃに噴き出す領域を、水噴射を行わない領域としても良い。
【００４１】
［制御構成］
図５は、前記エンジンシステムの制御構成を示すブロック図である。本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）１００によって統括的に制御される。ＰＣＭ１００は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成されるマイクロプロセッサである。
【００４２】
前記エンジンシステムが搭載される車両には各種センサが設けられており、ＰＣＭ１００はこれらセンサと電気的に接続されている。例えば、シリンダブロック３には、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２０を通って各気筒２に吸入される空気量を検出するエアフローセンサＳＮ２が設けられている。さらに、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。
【００４３】
ＰＣＭ１００は、これらセンサＳＮ１〜ＳＮ３及び他のセンサからの入力信号に基づいて種々の演算を実行して、上述のインジェクタ１４、水噴射装置１７、スロットルバルブ２２、ＥＧＲバルブ４２及び水ポンプ３５を含むエンジンの各部を制御する。
【００４４】
ＰＣＭ１００は、機能的に燃料噴射制御部１０１、水噴射制御部１０２及びタンブル強度推定部１０３（強度推定手段）を備えている。燃料噴射制御部１０１は、インジェクタ１４による燃料噴射動作を制御する。例えば燃料噴射制御部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、アクセル開度センサＳＮ３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、インジェクタ１４のヘッド部１４Ａからの燃料の噴射量及び噴射タイミングを決定し、その決定に従ってインジェクタ１４を制御する。
【００４５】
水噴射制御部１０２は、水噴射装置１７による水噴射動作を制御する。例えば水噴射制御部１０２は、上記のエンジン負荷及び回転速度、次述のタンブル流強度の推定値等に基づいて、水噴射装置１７の水噴射ヘッド１７Ａからの水の噴射量及び噴射タイミングを決定し、その決定に従って水噴射装置１７を制御する。
【００４６】
タンブル強度推定部１０３は、燃焼室６内において発生するタンブル流強度の推定値を導出する。タンブル流の強度は、エンジンの運転状態によって変動する。タンブル流の強度は、例えばエンジン回転数が高い運転域では強く、エンジン回転数が低い運転域では弱くなる。また、吸気ポート９から燃焼室６への吸気流量が多いほど、タンブル流の強度は強くなる傾向がある。例えばタンブル強度推定部１０３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、エアフローセンサＳＮ２により検出される吸気流量、或いは前記エンジン回転速度とアクセル開度センサＳＮ３により検出されるアクセル開度とから特定されるエンジン負荷等を参照して、燃焼室６内のタンブル流強度の推定値を算出する。
【００４７】
［運転制御の具体例］
続いて、ＰＣＭ１００による運転制御の具体例を示す。本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予混合圧縮着火燃焼が実行される。
【００４８】
燃料噴射制御部１０１は、吸気行程又は圧縮行程中にインジェクタ１４から燃料を燃焼室６内に噴射させる。噴射された燃料は、燃焼室６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。このような予混合圧縮着火燃焼を達成するため、本実施形態のエンジン本体１の幾何学的圧縮比は、上述の通り１３以上３５以下の高圧縮比に設定することが望ましい。本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、後述の変形例で示すように、点火プラグを用いて混合気の着火アシストを行うようにすることもできる。
【００４９】
ここでは、運転制御の具体例として、エンジン負荷が所定値以上の高負荷となる運転領域においては、水噴射装置１７による水噴射が実行され、低負荷となる運転領域においては前記水噴射が実行されない例を示す。つまり、タンブル強度推定部１０３が、エンジン負荷に基づいてタンブル流強度の推定値を導出するものであって、水噴射制御部１０２は、高負荷に相当する推定値をタンブル強度推定部１０３が導出している場合には水噴射を実行させ、低負荷に相当する推定値の場合には水噴射を停止させる例を示す。
【００５０】
図６は、エンジンの低負荷運転領域における燃料噴射の態様を示すタイムチャートである。燃料噴射制御部１０１は、低負荷運転領域では、インジェクタ１４からの燃料噴射Ｉｆ１を圧縮行程の後半に実行させる。燃料噴射Ｉｆ１による燃料の噴射量は、低負荷運転用に予め定められた比較的少ない量である。燃料噴射Ｉｆ１のタイミングは、インジェクタ１４から噴射された燃料がピストン５のキャビティ５Ｃ内に収まるように定められている。
【００５１】
低負荷運転領域では、水噴射制御部１０２は水噴射装置１７に水噴射を実行させず、水噴射での冷却が行われない状態で予混合圧縮着火燃焼が始まる。すなわち、キャビティ５Ｃ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５Ｃの内部に留まることになる。これにより、キャビティ５Ｃの内部に存在する燃料の濃度がキャビティ５Ｃ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５Ｃ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自着火に至り、予混合圧縮着火燃焼が開始される。
【００５２】
図７は、エンジンの高負荷運転領域における燃料噴射及び水噴射の態様を示すタイムチャートである。燃料噴射制御部１０１は、エンジン負荷が所定値以上の高負荷となる高負荷運転領域では、インジェクタ１４からの燃料噴射Ｉｆ２を吸気行程の中期から後期までの期間に実行させる。また、燃料噴射Ｉｆ２による燃料の噴射量は、低負荷時の燃料噴射Ｉｆ１よりも多い量である。燃料噴射Ｉｆ２が上記のタイミングで実行されることにより、燃焼室６における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インジェクタ１４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（混合気化）し、ＴＤＣまでの間に燃焼室６内で均一に分散する。つまり、高負荷運転領域では、キャビティ５Ｃ内及びキャビティ５Ｃの外側領域に混合気が形成された状態となる。
【００５３】
高負荷運転領域では、水噴射制御部１０２は水噴射装置１７に、予め定められた噴射量での水噴射Ｉｗを実行させる。水噴射Ｉｗが実行されるタイミングは、圧縮行程の前期から中期までの期間内である。この水噴射Ｉｗによって、燃焼室６内には意図的に冷却された領域が形成されることになる。
【００５４】
図８（Ａ）は、燃焼室６内において水噴射が行われる領域を示す平面図、図８（Ｂ）は図８（Ａ）のＶＩＩＩＢ−ＶＩＩＩＢ線断面図である。水噴射装置１７の水噴射ヘッド１７Ａは、図３に示したような噴射孔Ｈの分布を具備することから、燃焼室６内における中心領域（キャビティ５Ｃ及びその周辺領域）よりも径方向外側の第１領域６Ａと、燃焼室６の径方向内側へ向かう筒内流動の強度が相対的に強くなる第２領域６Ｂと、を除いた噴射領域６Ｃに水を噴射する。前記筒内流動は、本実施形態ではタンブル流及びスキッシュ流の重畳的な流動（若しくは、スキッシュ流単体の流動）である。
【００５５】
第１領域６Ａは、燃焼室６の外周部付近であって、気筒２の内周壁（ライナー）に隣接する領域である。このため第１領域６Ａは、水噴射にて冷却せずとも、ライナーとの熱交換による冷損によって本来的に温度が低くなる領域である。第２領域６Ｂは、図３及び図４に示した、タンブル流Ｔｕとスキッシュ流ＳｑＡとの合流領域Ｍに相当する領域である。第２領域６Ｂはライナーからは離間しており、高温化し易い領域である。噴射領域６Ｃもまた、ライナーからは離間しているため高温化し易い領域であるが、前記水噴射によって冷却される。このため、第２領域６Ｂは、第１領域６Ａ及び噴射領域６Ｃに対して相対的に温度が高い領域となる。
【００５６】
従って、この第２領域６Ｂに存在する混合気に、最初に着火が生じる。つまり、第２領域６Ｂが、予混合圧縮着火燃焼における着火源となる。そして、第２領域６Ｂは、図４に示した通り、タンブル流Ｔｕとスキッシュ流ＳｑＡとが合流する合流領域Ｍに相当する領域であって、燃焼室６の径方向Ｂの内側へ向かう筒内流動の強度が相対的に強い領域である。合流領域Ｍのある点（着火点）においてに最初に混合気に自着火が生じると、当該着火点において発生する熱によってその周囲の混合気に自着火が生じる。そして、これら自着火の発生熱によってさらに周囲の混合気に自着火が生じるというように、連鎖的に自着火が進展する火炎伝播的燃焼が生じる。このような火炎伝播的燃焼を、タンブル流Ｔｕ及びスキッシュ流ＳｑＡを利用して、キャビティ５Ｃの径方向Ｂの中央部に進展させることができる。つまり、着火点は、燃焼室６の径方向中心に対して吸気側スキッシュ生成面５１Ａの近傍（吸気側）に偏心した合流領域Ｍの位置となるが、前記火炎伝播的燃焼は、燃焼室６の径方向中心に向かうタンブル流Ｔｕ及びスキッシュ流ＳｑＡの流れに乗せて、燃焼室６全体に広げることができるものである。
【００５７】
［水噴射の意義について］
以上の通り、本実施形態では、噴射領域６Ｃへの水噴射によって第２領域６Ｂを意図的に高温化し、着火点を創出している。その意義について、比較例を交えて説明する。先ず、図９を参照して、燃焼室６で発生する筒内流動について説明する。図９（Ａ）は、吸気行程における筒内流動を示す、エンジン本体１の気筒軸方向Ａの断面図である。吸気バルブ１１が開弁を開始すると共にピストン５が下降すると、吸気ポート９から燃焼室６内に勢いよく吸気が流れ込む。具体的には、吸気ポート９から燃焼室６の排気側寄りの部分に向かって吸気が流れ込む。これにより、気筒軸方向Ａと直交する方向を回転軸とするタンブル流Ｔｕが燃焼室６内に発生する。タンブル流Ｔｕは、キャビティ５Ｃに沿って流れ、燃焼室天井面６Ｕへ向かう。
【００５８】
図９（Ｂ）は、圧縮行程後期における筒内流動を示している。ピストン５の上昇に伴ってタンブル流Ｔｕは徐々に消失して行くが、圧縮行程後期においてもタンブル流Ｔｕが残存している。図４も参照して、この残存タンブル流Ｔｕは、キャビティ５Ｃの底部５２に沿って流れ、斜面部５３において立ち上がり、その後に燃焼室天井面６Ｕに沿って燃焼室６の径方向Ｂの中心に向かう流動となる。これに加え、吸気側スキッシュ生成面５１Ａにはスキッシュ流ＳｑＡが発生する。スキッシュ流ＳｑＡ（正スキッシュ流）は、スキッシュ生成面５１Ａと燃焼室天井面６Ｕとの間に存在する気体が、ピストン５の上昇によって行き場を失い、径方向Ｂの外側からキャビティ５Ｃに向かって噴き出すように流れる筒内流動である。
【００５９】
合流領域Ｍは、上記のようにして発生するタンブル流Ｔｕとスキッシュ流ＳｑＡとが合流する領域である。具体的には合流領域Ｍは、図４で一点鎖線の囲み線で示すように、気筒軸方向Ａに沿った断面視において、吸気側のスキッシュ生成面５１Ａが延出するキャビティ５Ｃの外周縁５Ｅ部分よりも径方向内側であって、斜面部５３の上方部分に隣接する領域である。また、図３に示すように合流領域Ｍは、気筒軸方向Ａの平面視において、外周縁５Ｅ部分よりも径方向内側であって、２つの排気ポート１０Ａ、１０Ｂ間の領域である。この領域は、吸排気２弁構成（４バルブ式）を採用する燃焼室６において、タンブル流Ｔｕとスキッシュ流ＳｑＡとが自ずと合流する領域である。本実施形態では、前記水噴射によって、この合流領域Ｍ（第２領域６Ｂ）において初期着火を生じさせる。
【００６０】
図１０（Ａ）及び（Ｂ）を参照して、前記水噴射を実行しない比較例について説明する。前記水噴射が実行されない場合、燃焼室６において最も高温化するのは、一般に前記ライナーから最も離間した燃焼室６の径方向中心部６Ｐである。従って、径方向中心部６Ｐ付近が、予混合圧縮着火燃焼における着火点となる。上述の通り、圧縮行程の後期において燃焼室６には、タンブル流Ｔｕが残存し、しかもスキッシュ流ＳｑＡが発生する。このような筒内流動が存在している状態で、径方向中心部６Ｐで混合気に着火すると、その後の火炎伝播的燃焼は、前記筒内流動によって流されて、排気側に偏った方向に進展する傾向が出てしまう。
【００６１】
すなわち、キャビティ５Ｃ内に混合気が均質に形成されている場合でも、径方向中心部６Ｐ付近で発生する自着火を火種として生じる火炎伝播ゾーンＲ１１（上述の火炎伝播的燃焼が生じる領域）は、燃焼室６の全方位に均等には拡がらず、排気側に偏在するようになる。また、排気側に流される結果として、火炎伝播ゾーンＲ１１自体が狭小となる。火炎伝播ゾーンＲ１１を除いた残部は、その火炎伝播的燃焼によって生じた熱によって燃焼室６内に残存する未燃の混合気が一気に自着火燃焼するエンドガスゾーンＲ１２となる。
【００６２】
このエンドガスゾーンＲ１２も、燃焼室６の径方向中心６Ｐに対して偏心した円環状の領域となる。具体的には、火炎伝播ゾーンＲ１１自体が狭小となる結果としてエンドガスゾーンＲ１２が広くなり、しかも排気側が狭くなるものの吸気側が広範化するように偏ったエンドガスゾーンＲ１２となる。この場合、とりわけ吸気側のエンドガスゾーンＲ１２における燃焼によって大きな熱量が発生し、燃焼前半の火炎伝播ゾーンＲ１１で発生する熱発生量よりも、燃焼後半のエンドガスゾーンＲ１２で発生する熱発生量の方が多くなる傾向が出る。このことは、燃焼騒音の悪化や異常燃焼の問題を招来する。
【００６３】
図１１（Ａ）及び（Ｂ）は、本実施形態における水噴射と火炎伝播的燃焼の態様を示す図である。本実施形態では、図１１（Ａ）及び（Ｂ）中に網掛けで示す噴射領域６Ｃには、水噴射装置１７によって水が噴射される（図８（Ａ）及び（Ｂ）参照）。既述の通り、本実施形態において燃焼室６内で最も高温化するのは、第１領域６Ａと噴射領域６Ｃとを除いた第２領域６Ｂである。従って、第２領域６Ｂに、予混合圧縮着火燃焼における自着火による着火点Ｐ０が発生することとなる。そして、着火点Ｐ０の自着火を火種として自着火が伝搬する火炎伝播ゾーンＲ１１が生じるようになる。
【００６４】
第２領域６Ｂは、圧縮行程の後期に残存タンブル流Ｔｕとスキッシュ流ＳｑＡとが合流する合流領域Ｍ（図３及び図４参照）に対応する領域であって、径方向内側へ向かう強い筒内流動が存在している。このため、第２領域６Ｂに着火点Ｐ０が生じると、その後の火炎伝播的燃焼は、前記筒内流動によって流されて、キャビティ５Ｃの外周縁５Ｅ付近から中央部に向かう方向が支配的になるように進展する。
【００６５】
図１１（Ａ）及び（Ｂ）に示した符号Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４は、着火点Ｐ０を起点とする火炎伝播的燃焼の進展を示す等時線である。タンブル流Ｔｕ及びスキッシュ流ＳｑＡの流動方向において等時線の間隔は広くなり、その他の方位では等時線の間隔が狭くなっている。筒内流動によって、火炎伝播的燃焼が排気側に偏って進展する点は比較例と同じであるが、本実施形態では着火点Ｐ０が吸気側に偏在しているので、前記偏った進展の結果として形成される火炎伝播ゾーンＲ１１は、燃焼室６の全方位に均等に拡がったものとなる。
【００６６】
しかも、タンブル流Ｔｕとスキッシュ流ＳｑＡとが合流する筒内流動の強い箇所が着火点Ｐ０となるため、その後の火炎伝播的燃焼の進展が促進され、当該火炎伝播燃焼によって燃焼される混合気量が多くなる。すなわち、図１０（Ｂ）の比較例のように、燃焼室６の径方向中央部から排気側に押し遣られるように進展する火炎伝播的燃焼に比べて、本実施形態では、燃焼室６の中央領域に広範に火炎伝播ゾーンＲ１１が形成される。その結果、エンドガスゾーンＲ１２は、燃焼室６の径方向中心と概ね同心で、幅の狭い円環状の領域となる。エンドガスゾーンＲ１２では、火炎伝播的燃焼によって燃焼室６が高温、高圧となることに伴い、同時多発的に自着火燃焼が発生する。エンドガスゾーンＲ１２が狭小化することから、この燃焼後期における自着火燃焼により発生する熱量は比較的小さくなる傾向が出る。このことは、燃焼騒音や異常燃焼の抑制に貢献する。
【００６７】
図１２は、本実施形態における、燃焼後期の燃焼室６の状態を示す図である。この状態は、ＴＤＣからピストン５が下降を開始した直後の膨張行程初期の段階である。この段階では、キャビティ５Ｃ内の混合気が燃焼し、ピストン５の下降に伴って吸気側、排気側スキッシュ生成面５１Ａ、５１Ｂに逆スキッシュ流ＲＳｑが各々発生する。未燃の混合気は、逆スキッシュ流ＲＳｑによって燃焼室６の径方向外側へ向かい、このことがエンドガスゾーンＲ１２における自着火燃焼を促進することに繋がる。従って、エンドガスゾーンＲ１２の燃焼は一層短時間で終了し、燃焼期間が徒に長引くことはない。
【００６８】
図１３は、比較例及び本実施形態の燃焼室６における熱発生率を示すグラフである。図１３において、符号Ｌで示すラインは、燃焼騒音が顕著になる、及び異常燃焼の発生が顕著となる限界ラインＬである。つまり、熱発生率ｄＱ／ｄθが限界ラインＬを超過すると、燃焼騒音、異常燃焼が許容レベルを越えることになる。
【００６９】
まず、図１３中の熱発生率曲線ｄＱ１は、予混合圧縮着火式エンジンの高負荷高回転時において、上述の火炎伝播的燃焼及びこれに続く自着火燃焼を行わせない場合に生じる過早燃焼を示している。過早燃焼では、急峻に熱発生率（燃焼圧）が上昇し燃焼期間が過度に短期間となる。熱発生率曲線ｄＱ１におけるｄＱ／ｄθのピーク値は、限界ラインＬを大きく越えている。
【００７０】
次に、熱発生率曲線ｄＱ２は、図１０に示した比較例に対応するものである。クランク角ＣＡ１において径方向中心６Ｐにて自着火が生じて火炎伝播的燃焼による燃焼が始まり、クランク角ＣＡ２においてエンドガスゾーンＲ１２の自着火燃焼が始まっている。上述の通り、筒内流動の影響を受けて火炎伝播的燃焼は排気側に偏って進展し、火炎伝播ゾーンＲ１１は狭小となるので、当該火炎伝播的燃焼によって燃焼する燃料量は少なく、クランク角ＣＡ１〜ＣＡ２の間は緩慢な燃焼となる。その分、クランク角ＣＡ２以降の自着火燃焼では、未燃の混合気が一気に燃焼する。このため、熱発生率曲線ｄＱ２では、一応は後期重心型の燃焼特性にはなるものの、ｄＱ／ｄθのピーク値は限界ラインＬを超過してしまう。このことは、径方向中心６Ｐにおいて点火プラグにて強制着火を行わせた場合も同じである。
【００７１】
これに対し、熱発生率曲線ｄＱ３は、図１１に示した本実施形態の燃焼態様に対応するものである。クランク角ＣＡ１において着火点Ｐ０の自着火が生じて火炎伝播的燃焼による燃焼が始まり、クランク角ＣＡ２よりも遅角したクランク角ＣＡ３においてエンドガスゾーンＲ１２での自着火燃焼が開始している。上述の通り、吸気側に偏在した第２領域６Ｂで発生する着火点Ｐ０にて着火されることで、火炎伝播ゾーンＲ１１は燃焼室６の全方位に均等に拡がるので、当該火炎伝播的燃焼によって燃焼する燃料量は多くなる。このため、熱発生率曲線ｄＱ３においては火炎伝播的燃焼の期間が長くなり、その結果急激な熱発生率ｄＱ／ｄθの上昇が生じず、クランク角ＣＡ１〜ＣＡ３の間において限界ラインＬを超過しない。
【００７２】
さらに、火炎伝播的燃焼で消費される燃料量が多いので、クランク角ＣＡ３以降のエンドガスゾーンＲ１２で燃焼する燃料量は多くない。従って、当該エンドガスゾーンＲ１２の燃焼においても、ｄＱ／ｄθのピーク値は限界ラインＬを超過することはない。しかも、逆スキッシュ流ＲＳｑによって自着火燃焼が促進されるので、燃焼終点がそれほど遅角化しない。このように、熱発生率曲線ｄＱ３では、後期重心型の燃焼特性になると共に、ｄＱ／ｄθのピーク値が限界ラインＬを超過しないし、燃焼期間も長期化しない。従って、本実施形態によれば、燃焼騒音及び異常燃焼を抑制し、熱効率を良好とすることができる。
【００７３】
［作用効果］
以上説明した本実施形態に係る予混合圧縮着火式エンジンによれば、圧縮行程後半に、水噴射装置１７による水噴射によって、燃焼室６の噴射領域６Ｃが冷却される。これにより、噴射領域６Ｃ、及び、気筒２の内周壁（ライナー）にて冷却されることで本来的に温度が低い第１領域６Ａに対して、水噴射が行われない第２領域６Ｂは、相対的に温度が高い領域となる。従って、この第２領域６Ｂに存在する混合気に最初に着火が生じ、当該第２領域６Ｂが、予混合圧縮着火燃焼における着火源となる。そして、第２領域６Ｂは、燃焼室６の径方向Ｂの内側へ向かう筒内流動の強度が相対的に強い領域である。従って、前記着火により生じる火炎を、前記筒内流動の流れに乗せて燃焼室６全体に広げ、エンドガスゾーンＲ１２が増加しないようにすることができる。これにより、燃焼室６内における火炎伝播的燃焼の偏在を抑止でき、燃焼騒音の低減及び異常燃焼の抑制を図ることができる。
【００７４】
また、ピストン５の冠面５０には、キャビティ５Ｃと、吸気側、排気側スキッシュ生成面５１Ａ、５１Ｂとが形成され、インジェクタ１４はキャビティ５Ｃに向けて燃料を噴射させる。このような燃焼室６の構造では、タンブル流Ｔｕとスキッシュ流ＳｑＡとが合流する合流領域Ｍは、キャビティ５Ｃの外周縁５Ｅの近傍となる。このような合流領域Ｍを第２領域６Ｂとし、水噴射を行わない領域とすることで、当該合流領域Ｍを着火源とすることができる。そして、合流領域Ｍで発生した火炎伝播的燃焼を、タンブル流Ｔｕ及びスキッシュ流ＳｑＡを利用して、キャビティ５Ｃの径方向中央部に進展させることができる。従って、燃焼室６内における火炎伝播的燃焼の偏在を防止できる。
【００７５】
さらに、水噴射制御部１０２は、タンブル強度推定部１０３が高負荷に相当する推定値を導出している場合には、タンブル流の強度が強いと見なして水噴射を実行させ、低負荷に相当する推定値の場合には水噴射を実行させない。低負荷の運転領域ではタンブル流が弱くなり、筒内流動は火炎伝播的燃焼を偏って進展させるほどの影響を与えない。本実施形態によれば、低負荷の場合における無用な水噴射を回避させることができる。
【００７６】
一方、高負荷の運転領域ではキャビティ５Ｃ内だけでなく、その外側領域にも混合気が存在することになる。つまり、エンドガスゾーンＲ１２に混合気が存在することから、火炎伝播的燃焼の偏在が生じた場合、当該エンドガスゾーンＲ１２における熱発生量が大きくなる。本実施形態のように、高負荷の運転領域において前記水噴射を実行させることで、効果的に燃焼騒音の低減及び異常燃焼の抑制を図ることができる。
【００７７】
［変形例］
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば次のような変形実施形態を採ることができる。
【００７８】
（１）本実施形態に係る予混合圧縮着火式エンジンでは、基本的に点火プラグのような強制着火源は不要である。しかし、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圧縮着火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圧縮着火燃焼を促進したりするために、いわゆる着火アシストを行うことが望ましい場合がある。このような目的のために、エンジン本体１に点火プラグを具備させてもよい。
【００７９】
図１４は、点火プラグを備えた変形例に係る燃焼室構造を示す平面図である。前記点火プラグは、着火部１３Ａ（強制着火源）が燃焼室６に配置されるようにシリンダヘッド４（図２）に取り付けられている。着火部１３Ａの配置位置は、タンブル流Ｔｕとスキッシュ流ＳｑＡとが合流する合流領域Ｍ（第２領域６Ｂに相当する位置）である。これにより、図１１（Ａ）、（Ｂ）に示した着火点Ｐ０と同じ位置において、着火部１３Ａにより混合気に強制着火させることができ、その後に生じる火炎伝播燃焼について、上掲と同様な作用効果を発現させることができる。
【００８０】
（２）上記実施形態では、タンブル強度推定部１０３がエンジン負荷に基づいてタンブル流強度の推定値を導出する例を示した。本発明においては、前記エンジン負荷に代えて、エンジン回転数、吸気流量、アクセル開度、吸気バルブ１１のクローズタイミングのうちの少なくとも一つに基づいて、タンブル強度推定部１０３がタンブル流強度の推定値を導出する構成としても良い。
【００８１】
（３）上記実施形態では、燃焼室６内の筒内流動として、残存タンブル流Ｔｕと、吸気側スキッシュ生成面５１Ａに沿って流れるスキッシュ流ＳｑＡの重畳的な流動を例示した。本発明においては、圧縮行程後期において残存タンブル流Ｔｕが実質的に存在しないような燃焼室６にも適用することができる。この場合、吸気側のスキッシュ流ＳｑＡ及び排気側のスキッシュ流ＳｑＢのうち、いずれか流動の強度が強い方のスキッシュ流がキャビティ５Ｃに噴き出す領域を、水噴射を行わない第２領域６Ｂとして選定すれば良い。
【００８２】
（４）上記実施形態では、ピストン５の冠面５０にキャビティ５Ｃが備えられている燃焼室６を例示した。これに代えて、キャビティ５Ｃを備えないピストン５を用いるようにしても良い。
【符号の説明】
【００８３】
１  エンジン本体
２  気筒
５  ピストン
５Ｃ  キャビティ
５０  冠面（燃焼室壁面）
５１Ａ  吸気側スキッシュ生成面
５１Ｂ  排気側スキッシュ生成面
６  燃焼室
６Ｕ  燃焼室天井面（燃焼室壁面）
６Ａ  第１領域
６Ｂ  第２領域
６Ｃ  噴射領域
９  吸気ポート
１０  排気ポート
１３Ａ  着火部（強制着火源）
１４  インジェクタ（燃料噴射弁）
１７  水噴射装置
１０１  燃料噴射制御部
１０２  水噴射制御部
１０３  タンブル強度推定部（強度推定手段）
Ｔｕ  タンブル流（筒内流動）
ＳｑＡ、ＳｑＢ  スキッシュ流（筒内流動）
Ｍ  合流領域
【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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【手続補正書】
【提出日】平成30年12月10日(2018.12.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともガソリンを含む燃料を用いる予混合圧縮着火式エンジンであって、
気筒及びピストンで区画され、前記燃料を燃焼させる燃焼室と、
前記燃焼室の径方向の中心領域に向けて前記燃料を噴射する燃料噴射弁と、
前記燃焼室内に水を噴射する水噴射装置と、を備え、
前記燃焼室内には、少なくとも圧縮行程後半から圧縮上死点に至る時点で筒内流動が生じているものであって、
前記水噴射装置は、前記燃焼室内における前記中心領域よりも径方向外側の第１領域と、前記燃焼室の径方向内側へ向かう前記筒内流動の強度が相対的に強くなる第２領域と、を除いた噴射領域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２】
請求項１に記載の予混合圧縮着火式エンジンにおいて、
前記燃焼室は、吸気ポート及び排気ポートを備え、前記筒内流動として、前記吸気ポートからの吸気によってタンブル流が発生するものであって、
前記燃焼室を区画する燃焼室壁面の一部は、前記ピストンの冠面と、該冠面と対向する燃焼室天井面とによって形成され、前記吸気ポート及び前記排気ポートは、前記燃焼室天井面に開口されており、
前記冠面は、径方向の中央領域に凹設されたキャビティと、少なくとも前記吸気ポートが配置される吸気側における前記キャビティの径方向外側に配置され前記燃焼室天井面と平行な平面からなるスキッシュ生成面とを含み、前記筒内流動として、前記スキッシュ生成面に沿って流れるスキッシュ流が発生するものであって、
前記第２領域は、前記キャビティに沿って流れる前記タンブル流と、前記スキッシュ流とが合流する合流領域である、予混合圧縮着火式エンジン。
【請求項３】
請求項２に記載の予混合圧縮着火式エンジンにおいて、
前記水噴射装置の動作を制御する水噴射制御部と、
前記タンブル流の強度を推定する強度推定手段と、をさらに備え、
前記水噴射制御部は、前記強度推定手段が推定した前記タンブル流の強度が、所定の強度以下である場合に、前記水噴射装置による前記噴射領域への水の噴射を停止させる、予混合圧縮着火式エンジン。
【請求項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において、
前記燃焼室内に着火部が配置される強制着火源をさらに備え、
前記着火部は、前記第２領域に相当する位置に配置されている、予混合圧縮着火式エンジン。
【請求項５】
請求項２〜４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、
前記燃料噴射弁は、エンジン負荷が所定値以上の高負荷となる運転領域において、前記キャビティ内及び前記キャビティの外側領域に混合気が形成されるよう前記燃料を噴射するものであって、
前記水噴射装置は、前記高負荷の運転領域において、前記噴射領域へ水を噴射する、予混合圧縮着火式エンジン。