(57)【要約】【課題】着火時期のリタード可能な期間を拡大させる。【解決手段】エンジン１は、エンジン本体とインジェクタ３３とエンジン制御器１００とを備えている。エンジン制御器１００は、エンジン１のエンジン負荷が所定の高負荷の運転領域において、前段噴射７１と複数回の燃料噴射を含む多段噴射である後段噴射７２とをインジェクタ３３に行わせる。前段噴射７１は、燃料が着火する時点において燃焼室１７の径方向周辺部１７ｂの燃料濃度が径方向中央部１７ａの燃料濃度よりも濃くなるように、燃料を噴射する。後段噴射７２は、燃料が着火する時点において燃焼室１７の径方向中央部１７ａの燃料濃度が径方向周辺部１７ｂの燃料濃度よりも濃くなるように、燃料を噴射する。後段噴射７２による燃料は、前段噴射７１による燃料の酸化反応が発生した後であって且つ圧縮上死点以降に着火する。【選択図】図１０
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気筒内に設けられたピストンを有するエンジン本体と、
少なくともガソリンを含む燃料を上記気筒内に噴口を介して噴射するインジェクタと、
上記インジェクタの噴射態様を制御する制御部とを備え、
上記制御部は、上記エンジン本体のエンジン負荷が所定の高負荷の運転領域において、前段噴射と、該前段噴射の後に行われ且つ複数回の燃料噴射を含む多段噴射である後段噴射とを上記インジェクタに行わせ、
上記前段噴射は、燃料が着火する時点において上記気筒の径方向周辺部の燃料濃度が径方向中央部の燃料濃度よりも濃くなるように、燃料を噴射し、
上記後段噴射は、燃料が着火する時点において上記気筒の上記径方向中央部の燃料濃度が上記径方向周辺部の燃料濃度よりも濃くなるように、燃料を噴射し、
上記後段噴射による燃料は、上記前段噴射による燃料の酸化反応が発生した後であって且つ圧縮上死点以降に着火する直噴ガソリンエンジンの制御装置。
【請求項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、
上記インジェクタは、上記噴口の有効断面積を調整可能に構成されており、
上記後段噴射は、上記噴口の有効断面積が上記前段噴射に比べて小さい複数回の燃料噴射を含む直噴ガソリンエンジンの制御装置。
【請求項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、
上記前段噴射及び上記後段噴射が行われる運転領域においては、上記気筒内にＥＧＲガスが還流されていない直噴ガソリンエンジンの制御装置。
【請求項４】
請求項１乃至３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、
上記前段噴射及び上記後段噴射が行われる運転領域においては、空気過剰率が１以下に設定されている直噴ガソリンエンジンの制御装置。
【請求項５】
請求項１乃至４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す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。
【請求項６】
請求項１乃至５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、
上記後段噴射は、圧縮上死点前に開始され、圧縮上死点後に終了する直噴ガソリンエンジンの制御装置。
【請求項７】
気筒内に設けられたピストンを有するエンジン本体と、
少なくともガソリンを含む燃料を上記気筒内に噴口を介して噴射するインジェクタと、
上記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、上記噴口の有効断面積を調整可能に構成されており、
上記制御部は、上記エンジン本体のエンジン負荷が所定の高負荷の運転領域において、前段噴射と、該前段噴射の後に行われ且つ複数回の燃料噴射を含む多段噴射である後段噴射とを上記インジェクタに行わせ、
上記後段噴射は、上記前段噴射に比べて上記噴口の有効断面積が相対的に小さい複数回の燃料噴射を含み、上記前段噴射による燃料の酸化反応が発生した後であって且つ圧縮上死点以降に、該後段噴射による燃料が着火するタイミングで実行される直噴ガソリンエンジンの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
従来より、燃料の着火時期をリタードさせる直噴ガソリンエンジンが知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１に開示されたエンジンは、燃焼時の気筒内の圧力上昇率（クランク角変化に対する気筒内の圧力変化の比率）を低減させるべく、エンジンのモータリング時の圧力上昇率が負の最大値となる時点と燃焼期間とが重複するように燃焼タイミングを制御している。具体的には、モータリング時の圧力上昇率は、圧縮上死点の手前で最大となり、圧縮上死点で０となり、圧縮上死点後は負の値となり、やがて負の最大値となる。つまり、上記エンジンでは、着火時期を膨張行程の所定の時期までリタードさせ、燃焼期間をモータリング時の圧力上昇率が負の最大値となる時点と重複させている。これにより、燃焼時の圧力上昇率が低減され、振動騒音（ＮＶＨ）レベルが低減される。
【０００４】
尚、上記エンジンのモータリング時とは、エンジンのクランク軸を電動モータで回した時の燃焼を伴わない状態時のことで、研究上、燃焼の有無による気筒内の圧力上昇率等の比較に起用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−５７２６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、膨張行程が進むにつれて筒内温度が低下するため、着火時期をリタードさせ過ぎると、失火を生じる虞がある。特に、エンジンの圧縮率が高いほど、膨張行程における筒内温度の低下速度が速いため、着火時期をあまりリタードできない。
【０００７】
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、着火時期のリタード可能な期間を拡大させる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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が対象である。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するエンジン本体と、少なくともガソリンを含む燃料を上記気筒内に噴口を介して噴射するインジェクタと、上記インジェクタの噴射態様を制御する制御部とを備え、上記制御部は、上記エンジン本体のエンジン負荷が所定の高負荷の運転領域において、前段噴射と、該前段噴射の後に行われ且つ複数回の燃料噴射を含む多段噴射である後段噴射とを上記インジェクタに行わせ、上記前段噴射は、燃料が着火する時点において上記気筒の径方向周辺部の燃料濃度が径方向中央部の燃料濃度よりも濃くなるように、燃料を噴射し、上記後段噴射は、燃料が着火する時点において上記気筒の上記径方向中央部の燃料濃度が上記径方向周辺部の燃料濃度よりも濃くなるように、燃料を噴射し、上記後段噴射による燃料は、上記前段噴射による燃料の酸化反応が発生した後であって且つ圧縮上死点以降に着火するものとする。
【０００９】
ここで、「気筒の径方向周辺部」とは、気筒を径方向において最大径の半分で二分割したときの外側の領域を意味する。一方、「気筒の径方向中央部」とは、気筒を径方向において最大径の半分で二分割したときの内側の領域を意味する。
【００１０】
上記の構成によれば、前段噴射により気筒内の径方向周辺部により多くの燃料噴霧を飛散させ、後段噴射により気筒内の径方向中央部により多くの燃料噴霧を飛散させることができる。
【００１１】
詳しくは、後段噴射は、複数の燃料噴射を含む多段噴射であるので、燃料噴霧が気筒内の径方向中央に集まりやすい。詳しくは、燃料が噴射されると、コアンダ効果によって噴口の近傍には負圧になる領域が発生する。この負圧領域の圧力はしだいに回復するが、燃料が連続的に噴射されると、次々と負圧領域が形成されるので、負圧領域の負圧が維持され、負圧領域が大きくなる。その結果、燃料噴霧は、負圧に引き寄せられ、径方向への広がりが抑制される。つまり、多段噴射を行うことによって、後段噴射の燃料噴霧は、気筒内の径方向中央部に集まりやすくなる。そのため、着火時においては、後段噴射による燃料噴霧の分布は、気筒内の径方向中央部の燃料濃度が径方向周辺部の燃料濃度よりも高くなる。
【００１２】
尚、前段噴射は、単段噴射で構成するとか、多段噴射であれば、噴射間隔を後段噴射よりも長くする等、後段噴射よりも燃料噴霧が遠くへ飛散しやすい噴射態様で行われる。
【００１３】
このような燃料の噴射態様において、まず、前段噴射による燃料が酸化反応する。前段噴射による燃料は、上述の如く、気筒内の径方向周辺部により多く存在するため、気筒内においては径方向周辺部の温度が急激に上昇する。このとき、気筒内の径方向中央部の混合気又は空気が実質的に断熱圧縮され、それに伴い温度が上昇する。この径方向中央部における断熱圧縮に伴う昇温は、径方向周辺部における燃料の酸化反応による昇温に比べて小さい。例えば、径方向周辺部においては数１００Ｋの温度上昇であるのに対し、径方向中央部では数１０Ｋの温度上昇となる。
【００１４】
そして、後段噴射による燃料は、前段噴射による燃料の酸化反応が発生した後であって圧縮上死点以降に着火する。圧縮上死点以降、気筒内の温度は膨張行程により低下する。気筒内の温度が低下しすぎると、後段噴射による燃料を圧縮上死点以降に着火させることが難しくなる。それに対し、後段噴射による燃料の着火に先だって、前段噴射による燃料の酸化反応を発生させておくことによって、圧縮上死点以降の気筒内の温度を高めることができる。これにより、圧縮上死点以降であっても、後段噴射による燃料を着火させることができる。
【００１５】
しかしながら、気筒内の温度が高すぎると、後段噴射を行ったときに燃料が適切に混ざり切る前に局所的に着火して、煤が発生してしまう虞がある。それに対し、上述の如く、前段噴射による燃料を主として気筒の径方向周辺部に分布させ、後段噴射による燃料を主として気筒の径方向中央部に分布させ、前段噴射による燃料の酸化反応を先に発生させることによって、圧縮上死点以降の径方向中央部の温度を、リタード燃焼させる上で高すぎず且つ低すぎない温度にすることができる。その結果、失火を招くことなく且つ煤の発生を低減した状態で、リタード燃焼を実現することができる。
【００１６】
また、上記インジェクタは、上記噴口の有効断面積を調整可能に構成されており、上記後段噴射は、上記噴口の有効断面積が上記前段噴射に比べて小さい複数回の燃料噴射を含むようにしてもよい。
【００１７】
上記の構成によれば、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する。詳しくは、噴口の有効断面積が小さくなるほど、燃料噴霧の粒径が小さくなり、燃料噴霧の飛散距離が短くなる。
【００１８】
よって、前段噴射は、後段噴射に比べて噴口の有効断面積が大きいので、燃料噴霧の運動量が相対的に大きくなり、該燃料噴霧が遠くまで飛散しやすくなる。つまり、前段噴射による燃料噴霧は、気筒内の径方向周辺部に飛散しやすくなる。一方、後段噴射は、前段噴射よりも噴口の有効断面積が小さい複数回の燃料噴射を含んでいるので、燃料噴霧の運動量が相対的に小さくなり、燃料噴霧が気筒内の径方向中央部に留まりやすくなる。
【００１９】
また、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。つまり、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い。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、後段噴射における多段噴射の噴口の有効断面積を小さくすることによって、燃料噴霧を気筒内の径方向中央部により集めやすくすることができる。
【００２０】
さらに、上記前段噴射及び上記後段噴射が行われる運転領域においては、上記気筒内にＥＧＲガスが還流されていないようにしてもよい。
【００２１】
上記の構成によれば、気筒内に不活性ガスであるＥＧＲガスが還流されていないので、前段噴射による燃料の着火性を向上させることができる。その結果、前段噴射による燃料を、後段噴射による燃料よりも先に酸化反応させやすくなる。
【００２２】
また、ＥＧＲガスは、不活性ガスであるので、燃焼を緩慢にして圧力上昇率を低下させる効果がある。しかしながら、上記運転領域においてはＥＧＲガスが還流されていないので、圧力上昇率を低減させにくい。それに対し、上記の構成によれば、後段噴射による燃料の燃焼をリタードさせることができるので、それにより、圧力上昇率を低減することができる。
【００２３】
また、上記前段噴射及び上記後段噴射が行われる運転領域においては、空気過剰率が１以下に設定されていてもよい。
【００２４】
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するように構成されているようにしてもよい。
【００２５】
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。
【００２６】
また、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するエンジン本体と、少なくともガソリンを含む燃料を上記気筒内に噴口を介して噴射するインジェクタと、上記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、上記噴口の有効断面積を調整可能に構成されており、上記制御部は、上記エンジン本体のエンジン負荷が所定の高負荷の運転領域において、前段噴射と、該前段噴射の後に行われ且つ複数回の燃料噴射を含む多段噴射である後段噴射とを上記インジェクタに行わせ、上記後段噴射は、上記前段噴射に比べて上記噴口の有効断面積が相対的に小さい複数回の燃料噴射を含み、上記前段噴射による燃料の酸化反応が発生した後であって且つ圧縮上死点以降に、該後段噴射による燃料が着火するタイミングで実行されるものとする。
【００２７】
上記の構成によれば、前段噴射の噴口の有効断面積は相対的に大きいので、燃料噴霧の運動量が大きく、遠くまで飛散しやすい。その結果、前段噴射による燃料が着火する時点においては、気筒の径方向周辺部の燃料濃度が径方向中央部の燃料濃度よりも濃くなっている。
【００２８】
一方、後段噴射の噴口の有効断面積は相対的に小さいので、燃料噴霧の運動量が小さく、飛散距離が相対的に短い。また、後段噴射は、多段噴射を含んでおり、前段噴射に比べて大きな負圧領域が形成され、燃料噴霧の径方向への広がりが抑制される。後段噴射の燃料噴霧は上述の如く運動量が小さいので、負圧領域の影響を受けやすく、径方向への広がりがさらに抑制される。これらが相俟って、後段噴射による燃料噴霧は、気筒内の径方向中央部に飛散しやすい。その結果、後段噴射による燃料が着火する時点においては、気筒の上記径方向中央部の燃料濃度が上記径方向周辺部の燃料濃度よりも濃くなっている。
【００２９】
このような燃料の噴射態様において、まず、前段噴射による燃料が酸化反応する。前段噴射による燃料は、上述の如く、気筒内の径方向周辺部により多く存在するため、気筒内においては径方向周辺部の温度が急激に上昇する。このとき、気筒内の径方向中央部の混合気又は空気が実質的に断熱圧縮され、それに伴い温度が上昇する。この径方向中央部における断熱圧縮に伴う昇温は、径方向周辺部における燃料の酸化反応による昇温に比べて小さい。例えば、径方向周辺部においては数１００Ｋの温度上昇であるのに対し、径方向中央部では数１０Ｋの温度上昇となる。
【００３０】
こうして、気筒内の径方向周辺部における燃料の酸化反応により径方向中央部の温度を上昇させることによって、圧縮上死点以降の径方向中央部の温度を、リタード燃焼させる上で高すぎず且つ低すぎない温度にすることができる。その結果、失火を招くことなく且つ煤の発生を低減した状態で、リタード燃焼を実現することができる。
【発明の効果】
【００３１】
上記構成によれば、着火時期のリタード可能な期間を拡大することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】直噴ガソリンエンジンを示す概略構成図である。
【図２】インジェクタの内部構成を示す断面図である。
【図３】エンジンの運転マップを例示する図である。
【図４】燃焼室内に形成される混合気層の形状を概念的に示す断面図である。
【図５】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】燃料の噴射間隔を示す図である。
【図７】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】（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】（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】全負荷領域における噴射態様を示す図である。
【図１１】（Ａ）は、全負荷領域において前段噴射が行われたときの燃焼室内の燃料噴霧を概念的に示し、（Ｂ）は、そのときの燃焼室内の温度分布を示す。
【図１２】（Ａ）は、全負荷領域において圧縮上死点における燃焼室内の燃料噴霧を概念的に示し、（Ｂ）は、そのときの燃焼室内の温度分布を示す。
【図１３】（Ａ）は、全負荷領域において後段噴射が終了した後の燃焼室内における燃料噴霧を概念的に示し、（Ｂ）は、主燃焼発生時の燃焼室内の温度分布を示す。
【図１４】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。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
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。
【００３４】
図１は、直噴ガソリンエンジン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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
インジェクタ３３は、中心軸Ｓがシリンダ１１の中心軸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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
エンジン制御器１００は、少なくとも、エアフローセンサ５１からの吸気流量に関する信号、クランク角センサ５２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５３からのアクセル開度信号、及び、車速センサ５４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）、ＶＶＴ２３、後述するＥＧＲ弁２５、燃料供給システム３４（正確には、上記電気回路）及び点火システム３２等に出力する。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
上記断熱層６は、例えば、母材上にＺｒＯ２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。
【００５７】
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。
【００５８】
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ηｔｈは、ηｔｈ＝１−１／（εκ−１）であり、圧縮比εを高くすればするほど、理論熱効率ηｔｈ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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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）においてガス層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。
【００６２】
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。
【００６３】
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を形成すると共に、その周囲に新気を含むガス層を形成することである。このガス層は、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、ガス層が断熱層の役割を果たす限度において、ガス層に少量の燃料が混じることは許容される。
【００６４】
混合気層の表面積（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との伝熱面積が小さくなると共に、混合気層とシリンダ１１の壁面との間のガス層により、混合気層の火炎がシリンダ１１の壁面に接触することがなく、また、ガス層自体が断熱層となって、シリンダ１１の壁面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。
【００６５】
エンジン制御器１００は、燃焼室１７内の中央部に混合気層が形成されかつ、その周囲にガス層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。
【００６６】
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と、その周囲のガス層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、混合気層は、例えばピストン１５の冠面に触れるようになる。つまり、混合気層の周囲のガス層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、混合気層はピストン１５の冠面に触れやすい。
【００６７】
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とその周囲のガス層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がピストン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を広げることによって、混合気層がシリンダ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。
【００６８】
このような混合気層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。
【００６９】
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、負圧領域の圧力が回復することが抑制される。その結果、負圧領域は、図８（Ｂ）に示すように、大きくなる。
【００７０】
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。
【００７１】
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、図９（Ａ）に示すように、進行方向への飛散距離が短くなる。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、図９（Ｂ）に示すように、進行方向への飛散距離が長くなる。
【００７２】
それに加えて、リフト量の大きさは、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。インジェクタ３３のリフト量が小さく、燃料噴霧の粒径が小さいときには、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。つまり、インジェクタ３３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。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。これに対し、インジェクタ３３のリフト量が大きく、燃料噴霧の粒径が大きいときには、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。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。
【００７３】
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燃料噴射を含む第２噴射群とを組み合わせて、混合気層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以下の連続的な燃料噴射を意味する。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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が形成される。
【００７７】
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。
【００７８】
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、全負荷領域における噴射態様を示す図である。図１１（Ａ）は、全負荷領域において前段噴射が行われたときの燃焼室内の燃料噴霧を概念的に示し、（Ｂ）は、そのときの燃焼室内の温度分布を示す。図１２（Ａ）は、全負荷領域において圧縮上死点における燃焼室内の燃料噴霧を概念的に示し、（Ｂ）は、そのときの燃焼室内の温度分布を示す。図１３（Ａ）は、全負荷領域において後段噴射が終了した後の燃焼室内における燃料噴霧を概念的に示し、（Ｂ）は、主燃焼発生時の燃焼室内の温度分布を示す。
【００７９】
具体的には、エンジン制御器１００は、図３に示す高負荷領域のうち全負荷領域において、前段噴射７１と後段噴射７２とをインジェクタ３３に行わせている。前段噴射７１は、筒内温度を高めるためのものであり、後段噴射７２は、膨張行程において自己着火燃焼を生じさせるためのものである。
【００８０】
全負荷領域においては、エンジン制御器１００は、ＥＧＲガスの還流を停止している。図示は省略するが、エンジン１には、排気通路と吸気通路とを連通させるＥＧＲ通路が設けられている。ＥＧＲ通路には、ＥＧＲ通路を流通するＥＧＲガスの流量を調整するＥＧＲ弁２５と、ＥＧＲ通路を流通するＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラが設けられている。エンジン制御器１００は、ＥＧＲ弁２５を制御することによって、ＥＧＲガスの還流量を調整している。そして、全負荷領域においては、要求負荷が高く、それ相応の空気量が必要となるので、エンジン制御器１００は、ＥＧＲガスの還流を停止している。
【００８１】
尚、高負荷領域（全負荷領域を除く）においては、エンジン制御器１００は、ＥＧＲガスを排気通路から吸気通路に還流させている。この高負荷領域において、還流されるＥＧＲガスは、ＥＧＲクーラにより冷却されたＥＧＲガスである。
【００８２】
また、エンジン制御器１００は、全負荷領域において、空気過剰率λが１以下となるように制御している。つまり、全負荷量域では、燃料量が比較的多くなっている。
【００８３】
以下、全負荷領域における燃料噴射態様について詳しく説明する。
【００８４】
前段噴射７１は、圧縮行程中期以前に行われる。より詳しくは、前段噴射７１は、圧縮行程中であってエンジン１の吸気バルブが閉弁した後に行われる。例えば、前段噴射７１は、圧縮上死点前１２０〜９０°で燃料噴射が終了するタイミングで実行される。
【００８５】
前段噴射７１は、上記第１噴射群と同様の多段噴射である。詳しくは、前段噴射７１は、インジェクタ３３のリフト量を後段噴射７２よりも大きくし且つ、燃料の噴射間隔を後段噴射７２よりも大きくした、所定回数（図１０の例では２回）の燃料噴射８０，８０を含んでいる。つまり、前段噴射７１による燃料噴霧は、粒径が大きく、運動量が大きい。また、前段噴射７１における負圧領域は、相対的に大きい。そのため、前段噴射７１による燃料噴霧は、径方向への広がりが大きく且つ、比較的遠くまで飛散する。該前段噴射７１による燃料噴霧が酸化反応する時点においては、該燃料噴霧は、燃焼室１７の径方向（即ち、シリンダ１１の径方向）周辺部１７ｂまで達している。換言すると、前段噴射７１は、その燃料噴霧が酸化反応する時には径方向周辺部１７ｂに到達しているようなタイミングで実行される。その結果、前段噴射７１による燃料噴霧が酸化反応する時点においては、燃焼室１７の径方向周辺部１７ｂの燃料濃度が径方向中央部１７ａの燃料濃度よりも濃い状態となっている。
【００８６】
ここで、前段噴射７１は、上述の如く、吸気バルブの閉弁後に行われるので、吸気流動が或る程度収まっており、燃焼室１７の径方向周辺部１７ｂに達した燃料噴霧は、その場に留まりやすい。
【００８７】
前段噴射７１の燃料量は、燃料が部分酸化反応する空燃比となる量に設定されている。ここで、「部分酸化反応」とは、燃料が熱炎反応に至らずに酸化反応をすることを意味する。つまり、該燃料噴霧の酸化反応は、部分酸化反応となる。部分酸化反応により発生する熱量は、完全な酸化反応に比べて、小さく、筒内温度が高くなり過ぎることを防止することができる。例えば、燃料が部分酸化反応する空燃比は、空気過剰率λが８以上となる空燃比である。空気過剰率λが８以上であれば、燃料のうちのＣＯがＣＯ２へ変化する反応が抑制される。つまり、燃料が酸化反応するものの、熱炎反応には至らない。
【００８８】
一方、後段噴射７２は、圧縮上死点前に開始され、圧縮上死点後に終了するタイミングで実行される。詳しくは、後段噴射７２の噴射時期は、膨張行程の所定のリタード時期に燃料が着火するタイミングに設定される。所定のリタード時期とは、燃焼期間がモータリング時のシリンダ１１内の圧力上昇率が負の最大値となる時点と重複する時期である。
【００８９】
後段噴射７２は、上記第２噴射群と同様の多段噴射である。後段噴射７２は、インジェクタ３３のリフト量を前段噴射７１よりも小さくし且つ、燃料の噴射間隔を前段噴射７１よりも小さくした、所定回数（図１０の例では６回）の燃料噴射９０，９０，…を含んでいる。つまり、後段噴射７２による燃料噴霧は、粒径が小さく、運動量が小さい。また、後段噴射７２における負圧領域は相対的に小さい。そのため、後段噴射７２による燃料噴霧は、径方向への広がりが小さく且つ、飛散距離も比較的短い。そのため、後段噴射７２による燃料噴霧は、燃焼室１７の径方向中央部１７ａに留まりやすくなる。その結果、後段噴射７２による燃料噴霧が着火する時点においては、燃焼室１７の径方向中央部１７ａの燃料濃度が径方向周辺部１７ｂの燃料濃度よりも濃い状態となっている。尚、燃料の着火は、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。
【００９０】
後段噴射７２は、エンジントルクを生成する主燃焼（１サイクル中で最も大きな熱量を発生させる燃焼）を生じさせるための噴射である。そのため、その燃料量は、必要なトルクに見合った量に設定されている。例えば、後段噴射７２では、前段噴射７１による燃料量と後段噴射７２による燃料量とを合わせた全燃料量のうち３／４以上の燃料を噴射することが好ましい。
【００９１】
このような前段噴射７１及び後段噴射７２によって噴射された燃料の燃焼について説明する。
【００９２】
前段噴射７１は、図１１（Ａ）に示すように圧縮行程中に行われる。前段噴射７１による燃料噴霧は、上述の如く、燃焼室１７の径方向周辺部１７ｂに向かって飛散していく。このとき、燃焼室１７内の温度は、図１１（Ｂ）に示すように、径方向において均一な所定の温度（例えば、１０００Ｋ）となっている。
【００９３】
その後、圧縮行程が進むと、前段噴射７１による燃料噴霧を含む混合気は、圧縮されるにつれて温度が上昇していく。
【００９４】
続いて、圧縮上死点前の所定のタイミングで、後段噴射７２が開始される。後段噴射７２による燃料噴霧は、上述の如く、燃焼室１７の径方向中央部１７ａに集まっていく（図１２（Ａ）参照）。
【００９５】
このとき、前段噴射７１による燃料噴霧は、径方向周辺部１７ｂに滞留している。圧縮行程により筒内温度が上昇すると、やがて、該燃料噴霧は、酸化反応する。この酸化反応は、例えば、圧縮上死点の近傍において発生する。ただし、この酸化反応は、部分酸化反応であるため、酸化反応による温度上昇は、それほど大きくない。また、この部分酸化反応は、燃焼室１７の主に径方向周辺部１７ｂにおいて発生する。そのため、筒内温度は、図１２（Ｂ）に示すように、径方向周辺部１７ｂにおいて急激に上昇する。例えば、径方向周辺部１７ｂの温度が数１００Ｋだけ上昇する。尚、図中の二点鎖線は、前段噴射７１が実行されたときの筒内温度である。このとき、径方向周辺部１７ｂの混合気が酸化反応により膨張するので、径方向中央部１７ａの混合気又は空気は、断熱圧縮され、そのことにより昇温する。例えば、径方向中央部１７ａの温度が数１０Ｋだけ上昇する。
【００９６】
尚、全負荷量域では、ＥＧＲガスの還流が停止されているので、燃焼室１７内の環境は、前段噴射７１による燃料噴霧が比較的酸化反応しやすい状態になっている。
【００９７】
一方、後段噴射７２は、前段噴射７１による燃料噴霧の酸化反応の間も継続しており、圧縮上死点後の所定のタイミングで終了する。後段噴射７２による燃料噴霧は、図１３（Ａ）に示すように、燃焼室１７の径方向中央部１７ａに集まっている。径方向中央部１７ａの温度は、上述の径方向周辺部１７ｂにおける燃料の部分酸化反応によって高められているので、膨張行程に入った後もしばらくの間は、径方向中央部１７ａの温度は、燃料の自己着火が可能な温度に維持される。その結果、後段噴射７２による燃料噴霧は、噴射終了後、所定の着火遅れ時間をもって自己着火する。これにより、主燃焼が発生し、径方向中央部１７ａの温度は、図１３（Ｂ）に示すように、急激に上昇する。尚、図中の二点鎖線は、前段噴射７１による燃料が酸化反応したときの筒内温度である。
【００９８】
通常、主燃焼をリタードさせる場合、リタードできる期間には限界がある。つまり、吸気行程が進むと、燃焼室１７の容積の増大に伴って筒内温度が低下するので、主燃焼をリタードさせ過ぎると失火してしまう。吸気行程における筒内温度の低下速度は、圧縮比が高いほど速い。そのため、圧縮比が高いほど、リタード可能な期間が短くなる。しかしながら、後段噴射７２による燃料噴霧が分布する径方向中央部１７ａの温度を、前段噴射７１により圧縮上死点以降も維持することによって、主燃焼をリタードできる期間を拡大することができる。
【００９９】
ただし、圧縮上死点以降の筒内温度を高くし過ぎると、後段噴射７２により噴射した燃料が燃焼室１７内の空気と混ざり切る前に局所的に着火してしまい、煤を発生させる虞がある。しかし、前段噴射７１による燃料噴霧を酸化反応させる場所と後段噴射７２による燃料噴霧の分布場所とを異ならせることによって、後段噴射７２による燃料噴霧の分布場所の温度の過度な上昇を抑制することができる。その結果、後段噴射７２による燃料が局所的に着火して煤が発生してしまうことを抑制することができる。
【０１００】
こうして、リタードされた主燃焼の燃焼期間（燃料の燃焼質量割合が１０％以上９０％以下となる期間）は、モータリング時の圧力上昇率が負の最大値となる時点と重複している。あるいは、リタードされた主燃焼の燃焼重心が、自己着火燃焼の燃焼中心が負の圧力上昇率が大きい期間（圧縮上死点後１０°〜２０°）と重複している。つまり、本来、圧力上昇率が低い期間にリタード自己着火燃焼が生じる。そのため、リタード自己着火燃焼における燃焼時の圧力上昇率の最大値は、通常の自己着火燃焼における燃焼時の圧力上昇率の最大値に比べて大幅に低減されている。その結果、リタード自己着火燃焼の振動騒音（ＮＶＨ）レベルは、通常の自己着火燃焼の振動騒音（ＮＶＨ）レベルに比べて大幅に低減される。
【０１０１】
尚、燃焼時の圧力上昇率を低減するためには、ＥＧＲ量を増加させることも考えられるが、ＥＧＲ量を増加すると、新規量が減少することになる。その結果、十分なトルクを確保できない虞がある。特に、圧力上昇率の大きさが問題となるのは高負荷の運転領域であり、この領域では大きなトルクが要求される。それに対して、上記の構成によれば、新規量を確保できるので、十分なトルクを発生させることができる。
【０１０２】
このように、エンジン１は、シリンダ１１内に設けられたピストン１５を有するエンジン本体と、少なくともガソリンを含む燃料を上記シリンダ１１内にノズル口４１を介して噴射するインジェクタ３３と、上記インジェクタ３３の噴射態様を制御するエンジン制御器１００とを備え、上記エンジン制御器１００は、上記エンジン１のエンジン負荷が所定の高負荷の運転領域において、前段噴射７１と、該前段噴射７１の後に行われ且つ複数回の燃料噴射を含む多段噴射である後段噴射７２とを上記インジェクタ３３に行わせ、上記前段噴射７１は、燃料が着火する時点において上記燃焼室１７の径方向周辺部１７ｂの燃料濃度が径方向中央部１７ａの燃料濃度よりも濃くなるように、燃料を噴射し、上記後段噴射７２は、燃料が着火する時点において上記燃焼室１７の上記径方向中央部１７ａの燃料濃度が上記径方向周辺部１７ｂの燃料濃度よりも濃くなるように、燃料を噴射し、上記後段噴射７２による燃料は、上記前段噴射７１による燃料の酸化反応が発生した後であって且つ圧縮上死点以降に着火する。
【０１０３】
この構成によれば、前段噴射７１による燃料噴霧は、主として燃焼室１７の径方向周辺部１７ｂに分布し、後段噴射７２による燃料噴霧は、主として燃焼室１７の径方向中央部１７ａに分布する。そして、前段噴射７１による燃料噴霧を径方向周辺部１７ｂにおいて酸化反応させることによって、径方向中央部１７ａの温度を上がり過ぎない程度に上昇させることができる。これにより、径方向中央部１７ａの温度は、圧縮上死点以降もしばらくの間は燃料の自己着火が可能な温度に維持される。その結果、後段噴射７２による燃料噴霧を径方向中央部１７ａにおいて、所望のリタード期間だけリタードさせたタイミングで自己着火させることができる。このとき、径方向中央部１７ａの温度の過度な上昇が回避されるので、後段噴射７２による燃料が局所的に着火して煤が発生してしまうことを抑制することができる。
【０１０４】
ここで、後段噴射７２を多段噴射とし、そのリフト量を前段噴射７１よりも小さくすることによって、後段噴射７２による燃料噴霧の飛散距離が短くなると共に径方向への広がりが抑制されるので、後段噴射７２による燃料噴霧を燃焼室１７の径方向中央部１７ａに集めることができる。
【０１０５】
《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。
【０１０６】
上記実施形態について、以下のような構成としてもよい。
【０１０７】
例えば、インジェクタ３３による燃料の噴射態様は、図１０に示す例に限られず、以下のようにしてもよい。
【０１０８】
前段噴射７１は、２回に限られるものではない。前段噴射７１は、１回であっても、３回以上であってもよい。ただし、複数回の場合には、その噴射間隔は、少なくとも後段噴射７２よりも長ことが好ましい。また、前段噴射７１は、リフト量が一定であるが、リフト量が異なっていてもよい。
【０１０９】
後段噴射７２は、６回に限られるものではない。後段噴射７２は、５回以下でも、７回以上であってもよい。また、後段噴射７２は、リフト量及び噴射間隔が一定であるが、リフト量及び／又は噴射間隔が異なっていてもよい。
【０１１０】
また、後段噴射７２は、インジェクタ３３のリフト量が比較的小さく且つ噴射間隔が比較的短い燃料噴射９０，９０，…だけを含んでいるが、リフト量が相対的に大きく及び／又は噴射間隔が相対的に長い第１噴射群と、該第１噴射群と比べてリフト量が相対的に小さく及び／又は噴射間隔が相対的に短い第２噴射群とを含んでいてもよい。第１噴射群は、噴口の有効断面積が相対的に大きく及び／又は噴射間隔が相対的に大きいので、進行方向への飛散距離が相対的に長く且つ拡散して径方向へ広がった燃料噴霧を形成する。第２噴射群は、噴口の有効断面積が相対的に小さく及び／又は噴射間隔が相対的に小さいので、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を形成する。後段噴射７２に第１噴射群と第２噴射群とを含ませることによって、径方向中央部の中でも燃料噴霧を分散させることができる。
【０１１１】
後段噴射７２は、圧縮上死点前に開始されているが、圧縮上死点以降に開始されてもよい。また、後段噴射７２が開始された後に前段噴射７１による燃料が酸化反応しているが、前段噴射７１による燃料が酸化反応を開始した後に後段噴射７２が開始されてもよい。
【０１１２】
また、前段噴射７１による燃料は部分酸化反応しているが、これに限られるものではない。圧縮上死点以降の径方向中央部１７ａの温度を上昇させ過ぎないのであれば、前段噴射７１による燃料は完全な酸化反応であってもよい。
【０１１３】
上述のような前段噴射７１及び後段噴射７２が行われるのは全負荷の運転領域に限られない。全負荷以外の高負荷領域等においても同様の制御を行ってもよい。
【０１１４】
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１４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１４は、インジェクタ２３３の内部構成を示す断面図である。
【０１１５】
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。
【０１１６】
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。
【０１１７】
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。
【０１１８】
さらに、上記実施形態では、インジェクタ３３のリフト量と燃料噴射間隔とを変更することによって、燃焼室１７内の混合気層の形状を変更することが可能であるが、これに加えて、燃料圧力を高くすることは、インジェクタ３３のリフト量と燃料噴射間隔との変更に伴う、混合気層の形状の変更幅を、さらに拡大する。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。
【０１１９】
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とともに、気筒内（燃焼室１７内）にガス層による断熱層を形成するようにしたが、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。
【０１２０】
また、ここに開示する燃料噴射技術は、燃焼室１７内に混合気層とその周囲のガス層とを形成しているが、これに限られるものではない。ガス層が存在せず、混合気層が燃焼室１７の壁面と接触する場合でも、上記燃料噴射技術を採用することができる。例えば、燃焼室１７の容積に対して燃料噴射量が多くなると、混合気層が燃焼室１７の壁面と接触する場合もある。そのような場合であっても、燃焼室１７の中央近傍での熱量の発生を増加させ、壁面近傍での熱量の発生を抑制することによって、燃焼室１７の壁面からの放熱を抑制し、冷却損失を低減することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１２１】
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。
【符号の説明】
【０１２２】
１        エンジン
１１      シリンダ（気筒）
１５      ピストン
１７      燃焼室
１７ａ    径方向中央部
１７ｂ    径方向周辺部
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）
７１      前段噴射
７２      後段噴射
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
【図１】
2015140775.tif 000003
【図２】
2015140775.tif 000004
【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】
2015140775.tif 000009
【図８】
2015140775.tif 000010
【図９】
2015140775.tif 000011
【図１０】
2015140775.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
2015140775.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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