(57)【要約】【課題】燃焼室内に形成する混合気層の形状をコントロールする。【解決手段】直噴ガソリンエンジンの制御装置は、インジェクタ３３の燃料噴射態様を制御するように構成された燃料噴射制御部（エンジン制御器１００）を備える。燃料噴射制御部は、インジェクタのリフト量と燃料の噴射間隔とをそれぞれ変更することによって、インジェクタの噴射モードを変更する。燃料噴射制御部は、エンジン本体の運転状態に応じて、インジェクタのリフト量を小さくかつ、燃料の噴射間隔を狭くした複数回の燃料噴射を含む第１噴射モードと、インジェクタのリフト量を第１噴射モードよりも大きくかつ、燃料の噴射間隔を第１噴射モードよりも広くした複数回の燃料噴射を含む第２噴射モードとを切り換える。【選択図】図１０
2015102004.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気筒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前記気筒内に噴射すると共に、リフト量が大きいほど、燃料の噴射開口面積が大きくなるように構成されたインジェクタと、
前記インジェクタの燃料噴射態様を制御するように構成された燃料噴射制御部と、を備え、
前記燃料噴射制御部は、前記インジェクタのリフト量と燃料の噴射間隔とをそれぞれ変更することによって、前記インジェクタの噴射モードを変更し、
前記燃料噴射制御部は、前記エンジン本体の運転状態に応じて、前記インジェクタのリフト量を小さくかつ、燃料の噴射間隔を狭くした複数回の燃料噴射を含む第１噴射モードと、前記インジェクタのリフト量を前記第１噴射モードよりも大きくかつ、燃料の噴射間隔を前記第１噴射モードよりも広くした複数回の燃料噴射を含む第２噴射モードとを切り換え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、
前記燃料噴射制御部は、前記エンジン本体の運転状態に応じて、前記第１噴射モードによる燃料噴射に対して、当該第１噴射モードよりもリフト量を大きくした、少なくとも１の燃料噴射を追加すると共に、前記第１噴射モードによる燃料の噴射回数を少なくする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、
前記燃料噴射制御部は、前記エンジン本体の運転状態に応じて、前記第１噴射モードによる燃料噴射に対して、当該第１噴射モードよりも噴射間隔を広くした、少なくとも１の燃料噴射を追加する直噴ガソリンエンジンの制御装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の直噴ガソリンエンジンの制御装置において、
前記燃料噴射制御部は、前記インジェクタに対し、圧縮行程後期から膨張行程初期の期間に前記気筒内に燃料を噴射させ、それによって、燃焼室内の中央部に混合気層を形成すると共に、前記混合気層の周囲に断熱ガス層を形成し、
前記燃料噴射制御部は、燃料噴射量が第１所定量以下のときには、前記第１噴射モードとする一方、前記燃料噴射量が第２所定量（但し、第１所定量≦第２所定量）を超えるときには、前記第２噴射モードとする直噴ガソリンエンジンの制御装置。
【請求項５】
請求項４に記載の直噴ガソリンエンジンの制御装置において、
前記燃料噴射制御部は、前記エンジン本体の運転状態が、所定の低負荷及び中負荷の領域にあるときに、前記燃焼室内に前記混合気層と前記断熱ガス層とを形成すると共に、前記エンジン本体の運転状態が前記低負荷の領域にあるときには、前記第１噴射モードとする一方、前記エンジン本体の運転状態が前記中負荷の領域にあるときには、前記第２噴射モードとする直噴ガソリンエンジンの制御装置。
【請求項６】
請求項４又は５に記載の直噴ガソリンエンジンの制御装置において、
前記インジェクタは、燃料噴霧をホローコーン状に噴射する外開弁式であって、前記燃焼室の天井面における前記気筒の中心軸上に配置され、
前記インジェクタに対向するピストンの冠面には、凹部が形成されている直噴ガソリンエンジンの制御装置。
【請求項７】
請求項４〜６のいずれか１項に記載の直噴ガソリンエンジンの制御装置において、
前記エンジン本体は、幾何学的圧縮比が１５以上に設定されてい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】
ここに開示する技術は、直噴ガソリンエンジンの制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば特許文献１には、火花点火式ガソリンエンジンの理論熱効率を高めるべく、シリンダヘッド下面に凹陥したキャビティと、ピストン冠面に凸設した突起部と、によって、燃焼室内を中央燃焼室と主燃焼室とに区画しつつ、燃焼室全体として、圧縮比を１６程度の高圧縮比に設定すると共に、中央燃焼室内では混合気を相対的にリッチに、主燃焼室内では混合気を相対的にリーンにすることで、燃焼室全体として、混合気をリーンにしたエンジンが記載されている。
【０００３】
また、例えば特許文献２には、冷却損失を低減させて熱効率を向上させる観点から、エンジンの燃焼室を区画形成する面を、多数の気泡を含んだ断熱材によって構成する技術が開示されている。この特許文献２のエンジンの圧縮比は１６とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−２１７６２７号公報
【特許文献２】特開２００９−２４３３５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
冷却損失を低減するためには、特許文献２に記載されているエンジンのように、燃焼室の壁面を断熱化することの他に、又は、断熱化することに加えて、燃焼室内の中央部に混合気層を形成すると共に、その混合気層の周囲に断熱ガス層（例えば新気及び排気ガスを含むガス層）を形成することが考えられる。つまり、混合気層と燃焼室の壁面との間に介在する断熱ガス層によって、燃焼火炎が燃焼室の壁面に接触することを抑制すると共に、断熱ガス層そのものを、燃焼火炎と燃焼室の壁面との間に介在する断熱層として機能させることで、冷却損失が低減する。
【０００６】
ところが、燃焼噴射量が相対的に少ないときには、燃焼室内の中央部のみに混合気層を留まらせることが可能であるとしても、燃料噴射量が増えるに従い、燃料噴霧が燃料の噴射方向に大きく広がって、混合気層が燃焼室の壁面に接触してしまう。つまり、混合気層の周囲に断熱ガス層を形成することが困難になる。特に引用文献２のエンジンのように幾何学的圧縮比を高く設定しているエンジンでは、ピストンが上死点に位置しているときの燃焼室の容積が小さいため、混合気層は燃焼室の壁面に接触し易い。燃焼室内に断熱ガス層を確実に形成しようとすれば、燃料噴霧の広がりを調整することで燃焼室内に形成される混合気層の形状をコントロールすることができるような、新たな燃料噴射技術が必要となる。
【０００７】
そうした燃焼室内の混合気層の形状をコントロールする技術は、燃焼室内における空燃比の分布を空間的に制御することを可能にするから、前述したような断熱ガス層を形成する目的に留まらず、様々な目的で利用することが可能である。
【０００８】
ここに開示する技術は、斯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、燃焼室内に形成する混合気層の形状をコントロールすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本願発明者等は、燃焼室内に噴射する燃料噴霧の運動量の大小と、燃料噴霧の高速の流れによって燃焼室内に形成される負圧領域の大きさとの２つのパラメータを、燃料噴霧の粒径、及び、燃料の噴射間隔をそれぞれ変更することによって調整すれば、燃焼室内における燃料噴霧の広がりを、燃料噴射軸の方向（この燃料噴射軸の方向とは、インジェクタの中心軸の方向に相当する）と、燃料噴射軸を中心とした径方向との２方向について独立に調整することが可能になる点を見出して、ここに開示する技術を完成するに至った。
【００１０】
具体的に、ここに開示する技術は、直噴ガソリンエンジンの制御装置に係り、この装置は、気筒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前記気筒内に噴射すると共に、リフト量が大きいほど、燃料の噴射開口面積が大きくなるように構成されたインジェクタと、前記インジェクタの燃料噴射態様を制御するように構成された燃料噴射制御部と、を備える。
【００１１】
そして、前記燃料噴射制御部は、前記インジェクタのリフト量と燃料の噴射間隔とをそれぞれ変更することによって、前記インジェクタの噴射モードを変更し、前記燃料噴射制御部は、前記エンジン本体の運転状態に応じて、前記インジェクタのリフト量を小さくかつ、燃料の噴射間隔を狭くした複数回の燃料噴射を含む第１噴射モードと、前記インジェクタのリフト量を前記第１噴射モードよりも大きくかつ、燃料の噴射間隔を前記第１噴射モードよりも広くした複数回の燃料噴射を含む第２噴射モードとを切り換える。
【００１２】
インジェクタは、そのリフト量が大きくなるに従って、燃料の噴射開口面積が大きくなるため、燃料噴霧の粒径が大きくなる。これは、燃焼室内に噴射される燃料噴霧の運動量が大きくなることを意味する。逆に、インジェクタのリフト量が小さくなるに従って、燃料の噴射開口面積が小さくなって、燃料噴霧の粒径が小さくなる。これは、燃焼室内に噴射される燃料噴霧の運動量が小さくなることを意味する。
【００１３】
また、燃焼室内への燃料噴射に伴い、コアンダ効果によって負圧になる領域が、燃料噴射の中心軸の付近に発生する。燃料噴射の間隔が短いときには、燃料が次々と噴射されることで、負圧領域が、負圧を維持したまま、中心軸の方向に延びるようになる。これに対し、燃料噴射の間隔が長いときには、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、中心軸の方向に延びずに、比較的小さくなる。
【００１４】
従って、インジェクタのリフト量と燃料噴射の間隔とをそれぞれ変更することによって、燃焼室内に噴射する燃料噴霧の粒径と、燃料室内の負圧領域の大きさと、を変更することが可能になる。
【００１５】
インジェクタのリフト量を相対的に小さくかつ、燃料の噴射間隔を相対的に狭くした複数回の燃料噴射を含む第１噴射モードでは、前述の通り、負圧領域が燃料噴射の中心軸の方向に延びるようになると共に、燃料噴霧の粒径が小さくてその運動量も小さいことで、燃料噴霧は、負圧に引き寄せられながら、中心軸の方向に流れるようになる。従って、燃料噴霧は、燃料噴射の中心軸に交差する径方向の外方への広がりが抑制される一方で、中心軸の方向への広がりが促進される。こうして、第１噴射モードでは、径方向の外方へ広がるよりも燃料噴射の中心軸に沿うような、いわば縦長形状の混合気層が形成される。
【００１６】
これに対し、第２噴射モードでは、インジェクタのリフト量を相対的に大きくかつ、燃料の噴射間隔を相対的に広くした複数回の燃料噴射を含むため、前述の通り、負圧領域が小さくなると共に、燃料噴霧の粒径が大きくてその運動量も大きいことで、燃料噴霧は、中止軸側の負圧に引き寄せられずに、径方向の外方に広がるようになる。従って、燃料噴霧は、燃料噴射の中心軸の方向への広がりは抑制される一方で、中心軸に対して径方向の外方への広がりが促進される。こうして、第２噴射モードでは、燃料噴射の中心軸の方向よりも、径方向の外方に広がるような、いわば横長形状の混合気層が形成される。
【００１７】
こうして、第１噴射モードと第２噴射モードとでは、燃焼室内に形成する混合気層の形状を異ならせることが可能になるから、エンジンの運転状態に応じて第１噴射モードと第２噴射モードとを切り換えることによって、燃焼室内に形成する混合気層の形状を最適化することが可能になる。
【００１８】
前記燃料噴射制御部は、前記エンジン本体の運転状態に応じて、前記第１噴射モードによる燃料噴射に対して、当該第１噴射モードよりもリフト量を大きくした、少なくとも１の燃料噴射を追加すると共に、前記第１噴射モードによる燃料の噴射回数を少なくする、としてもよい。
【００１９】
第１噴射モードよりもリフト量を大きくした燃料噴射を行うことによって、燃料噴霧の粒径が相対的に大きくなるため、当該燃料噴霧は、負圧領域に引き寄せられにくくなる分、径方向の外方に広がりやすくなる。第１噴射モードによる燃料噴射に対して、リフト量を相対的に大きくした燃料噴射を追加すると共に、その追加に対応して、第１噴射モードによる燃料の噴射回数を少なくすることによって、形成される混合気層は、第１噴射モード時と比較して、径方向の外方に広がるようになる。また、追加する大リフト量の燃料噴射の回数を増やすことによって、形成される混合気層は、径方向の外方にさらに広がるようになる。こうして、混合気層の形状を、きめ細かくコントロールすることが可能になる。また、第１噴射モードに対して追加する燃料噴射のリフト量、及び／又は、追加する噴射の回数を調整すると共に、第１噴射モードの噴射を制御すること、例えば第１噴射モードよりも噴射間隔を広くした燃料噴射を行いかつ、第１噴射モードの噴射回数を少なくすることによって、混合気層の形状を、より一層、きめ細かくコントロールすることが可能になる。
【００２０】
前記燃料噴射制御部は、前記エンジン本体の運転状態に応じて、前記第１噴射モードによる燃料噴射に対して、当該第１噴射モードよりも噴射間隔を広くした、少なくとも１の燃料噴射を追加する、としてもよい。
【００２１】
第１噴射モードよりも噴射間隔を広くした燃料噴射を行うことによって、負圧領域は相対的に小さくなる。燃料噴霧は、負圧領域に引き寄せられにくくなる分、径方向の外方に広がりやすくなる。第１噴射モードによる燃料噴射に対して、噴射間隔を相対的に広くした燃料噴射を追加することによって、形成される混合気層は、第１噴射モード時と比較して径方向の外方に広がるようになる。また、追加する大ピッチの燃料噴射の回数を増やすことによって、形成される混合気層は、径方向の外方にさらに広がるようになる。こうして、第１噴射モードに対して追加する燃料噴射の噴射間隔、及び／又は、追加する噴射の回数を調整することによって、混合気層の形状を、よりきめ細かくコントロールすることが可能になる。
【００２２】
尚、前記燃料噴射制御部は、前記エンジン本体の運転状態に応じて、前記第１噴射モードによる燃料噴射に対して、当該第１噴射モードよりもリフト量を大きくかつ、噴射間隔を広くした、少なくとも１の燃料噴射を追加する、としてもよい。これはつまり、第１噴射モードによる燃料噴射に対して、第２噴射モードによる燃料噴射を追加することである。この場合も、形成される混合気層は、第１噴射モード時と比較して径方向の外方に広がるようになる。
【００２３】
前記燃料噴射制御部は、前記インジェクタに対し、圧縮行程後期から膨張行程初期の期間に前記気筒内に燃料を噴射させ、それによって、燃焼室内の中央部に混合気層を形成すると共に、前記混合気層の周囲に断熱ガス層を形成し、前記燃料噴射制御部は、燃料噴射量が第１所定量以下のときには、前記第１噴射モードとする一方、前記燃料噴射量が第２所定量（但し、第１所定量≦第２所定量）を超えるときには、前記第２噴射モードとする、としてもよい。
【００２４】
圧縮行程後期から膨張行程初期の期間である圧縮上死点付近において、気筒（つまり、燃焼室）内に燃料を噴射することによって、燃焼室内の中央部に混合気層を形成すると共に、混合気層の周囲に断熱ガス層を形成することが可能になる。こうして、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、混合気の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、混合気層の周囲の断熱ガス層が、燃焼火炎が燃焼室の壁面に接触することを抑制しかつ、断熱ガス層が燃焼火炎と燃焼室の壁面との間に介在する断熱層として機能することで、冷却損失の低減、ひいては熱効率の向上に有利になる。
【００２５】
燃料噴射制御部は、燃料噴射量が第１所定量以下のときには、第１噴射モードとする。こうすることで、燃焼室内に形成される混合気層は、燃料噴射の中心軸に沿うような縦長形状になって、その周囲の断熱ガス層を、確実に形成することが可能になる。一方、燃料噴射量が第２所定量を超えるとき、言い換えると燃料噴射量が相対的に多いときには、第２噴射モードとする。こうすることで、燃焼室内に形成される混合気層は、燃料噴射の中心軸に対して径方向の外方に広がる横長形状になって、その周囲の断熱ガス層を、確実に形成することが可能になる。
【００２６】
従って、燃料噴射量の大小に拘わらず、燃焼室内に断熱ガス層を確実に形成することによって、冷却損失の低減及び熱効率の向上が図られる。
【００２７】
前記燃料噴射制御部は、前記エンジン本体の運転状態が、所定の低負荷及び中負荷の領域にあるときに、前記燃焼室内に前記混合気層と前記断熱ガス層とを形成すると共に、前記エンジン本体の運転状態が前記低負荷の領域にあるときには、前記第１噴射モードとする一方、前記エンジン本体の運転状態が前記中負荷の領域にあるときには、前記第２噴射モードとする、としてもよい。
【００２８】
エンジン本体の運転状態が低負荷の領域にあって、燃料噴射量が相対的に少ないときには、第１噴射モードとする一方で、エンジン本体の運転状態が中負荷の領域にあって、燃料噴射量が相対的に多いときには，第２噴射モードとする。こうすることで、エンジン負荷が、高負荷よりも低いため、燃料噴射量がそれほど多くないときに、燃焼室内に混合気層と断熱ガス層とを形成することが可能になり、冷却損失の低減が図られる。
【００２９】
前記インジェクタは、燃料噴霧をホローコーン状に噴射する外開弁式であって、前記燃焼室の天井面における前記気筒の中心軸上に配置され、前記インジェクタに対向するピストンの冠面には、凹部が形成されている、としてもよい。
【００３０】
この構成により、燃料噴射の中心軸（つまり、インジェクタの中心軸）は、気筒の中心軸の方向と一致し、インジェクタは、燃焼室の天井面からピストン冠面に向かって燃料を噴射することになる。このため、第１噴射モードでは、径方向の外方には余り広がらずに、気筒の中心軸の方向に延びる混合気層を形成することで、気筒の内壁に対して混合気層が触れることなくかつ、凹部が形成されたピストン冠面に対しても混合気層が触れることが回避されて、断熱ガス層を確実に形成することが可能になる。一方、第２噴射モードでは、混合気層が径方向の外方に広がるため、凹部が形成されたピストン冠面に対して混合気層が触れることなくかつ、気筒の内壁に対しても混合気層が触れることが回避されて、断熱ガス層を確実に形成することが可能になる。
【００３１】
より好ましくは、前述の通り、燃料噴射量が相対的に少ないときに、第１噴射モードとし、燃料噴射量が相対的に多いときに、第２噴射モードとすることである。つまり、燃料噴射量が相対的に少ないときには、燃焼室の中央部に混合気層を形成し易い一方で、燃料噴射量が多くなると、混合気層は、特に気筒の中心軸に沿う方向に広がって、ピストンの冠面に触れやすくなる。そこで、燃料噴射量が相対的に多いときに、第２噴射モードとすることによって、混合気層が気筒の中心軸に沿う方向に広がることは抑制しつつ、径方向の外方に広がることを促進する。これにより、混合気層が、ピストンの冠面に触れることと回避しつつ、気筒の内壁に触れることも回避することが可能になる。すなわち、燃料噴射量が相対的に多いときに、断熱ガス層を確実に形成することが可能になる。
【００３２】
前記エンジン本体は、幾何学的圧縮比が１５以上に設定されている、としてもよい。
【００３３】
エンジン本体の幾何学的圧縮比を比較的高く設定することによって、熱効率が高まり、燃費の向上に有利になる。一方で、幾何学的圧縮比が比較的高いときには、燃焼室の形状が小さくなり、燃焼室内の中央部に混合気層を形成しかつ、その周囲に断熱ガス層を形成することが困難になるものの、前述したように、第１噴射モードと第２噴射モードとを切り換えることによって、燃料噴射量の大小に拘わらず、燃焼室内に混合気層と断熱ガス層とを確実に形成することが可能になる。その結果、冷却損失を低減して、熱効率の、より一層の向上が図られる。
【発明の効果】
【００３４】
以上説明したように、前記の直噴ガソリンエンジンの制御装置によると、リフト量が大きくなるほど燃料の噴射開口面積が大きくなるように構成されたインジェクタを用いて、インジェクタのリフト量を相対的に小さくかつ、燃料の噴射間隔を相対的に狭くした複数の燃料噴射を含む第１噴射モードと、インジェクタのリフト量を相対的に大きくかつ、燃料の噴射間隔を相対的に広くした複数の燃料噴射を含む第２噴射モードと、を切り換えることによって、燃焼室内に形成する混合気層の形状をコントロールすることが実現する。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【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】燃焼室内に形成す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】燃料噴射モードの組み合わせと、それによって燃焼室内に形成される混合気層の形状とを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、直噴ガソリンエンジンの実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。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。
【００３７】
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。
【００３８】
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、前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、前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、天井面が前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。
【００３９】
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。
【００４０】
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 VariableValve Lift））を備えるようにしてもよい。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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（燃料の噴射開口）４１を開閉する外開弁４２を有する、外開弁式のインジェクタである。ノズル口４１は、シリンダ１１の中心軸に沿って延びる燃料管４３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。燃料管４３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から燃料管４３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の連結部４２ｂ側の部分が、ノズル口４１と略同じ形状を有しており、該部分がノズル口４１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。このとき、弁本体４２ａの先端側の部分は、燃料管４３の外側に突出した状態となっている。
【００４４】
ピエゾ素子４４は、電圧の印加による変形により、外開弁４２をシリンダ１１の中心軸方向の燃焼室１７側に押圧することで、その外開弁４２を、ノズル口４１を閉じた状態からリフトさせてノズル口４１を開放する。このとき、ノズル口４１から気筒内に燃料が、シリンダ１１の中心軸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。
【００４５】
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、噴射開口面積）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。従って、後述の第１噴射モード及び第２噴射モードを容易に実現することができる。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。
【００４６】
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前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。前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。
【００４７】
前記燃料供給系には、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、前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。
【００４８】
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。
【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。
【００５０】
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、前記電気回路）、点火システム３２、及び、ＶＶＴ２３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】
前記断熱層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、前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。前述したように、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、前述の通り、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、前述したように、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、前記の燃焼室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、圧縮行程後期から膨張行程初期の期間にインジェクタ１１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の中心軸上に配設されたインジェクタ１１から、圧縮行程後期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。前述の通り、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、前述の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は、図５に示すように、軸方向に対する燃料噴霧の広がりを制御するだけでなく、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を、軸方向に対する燃料噴霧の広がりとは独立して、制御する必要がある。このエンジン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）とをそれぞれ変更することによって、軸方向と径方向との２方向について、燃料噴霧の広がりを独立して制御する。燃料噴射の間隔は、図６に概念的に示すように、燃料噴射の開始から、次の燃料噴射の開始までの間隔と定義される。前述の通り、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、前述の通り、リフト量が大きいほど、噴射開口面積は大きくなり、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の軸に沿うように、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、中心軸方向に延びるようになる。
【００７０】
このような負圧領域が、径方向の中央側に形成されるため、燃料噴霧はこの負圧に引き寄せされるようになるが、図８（ｂ）に示すように、負圧領域が相対的に大きいときには、燃料噴霧は軸方向に広がり易くなる。これに対し、図８（ａ）に示すように、負圧領域が相対的に小さいときには、燃料噴霧は、あまり引き寄せられないため、軸方向の広がりが抑制される。つまり、インジェクタ３３の燃料噴射の間隔を短くすれば、燃料噴霧の軸方向の広がりを促進することが可能になる一方、その間隔を長くすれば、燃料噴霧の軸方向の広がりを抑制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、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。
【００７２】
このように、インジェクタ３３の燃料噴射間隔、及び、インジェクタ３３のリフト量を変更することによって、燃焼室１７内における燃料噴霧の広がりを、軸方向と径方向との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、第１噴射モード、第２噴射モード、及び、第１噴射モードと第２噴射モードとを組み合わせた第３噴射モードを設定し、エンジン１の運転状態に応じて、より正確には、エンジン１の負荷の高低に応じて、これら第１〜第３噴射モードを切り換える。このことにより、図３に示す低負荷及び中負荷の領域において、混合気層とガス層とを確実に形成し、冷却損失の低減を図っている。
【００７３】
図１０は、第１噴射モード、第２噴射モード及び第３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ている。先ず、図１０（ａ）は、第１噴射モードであり、第１噴射モードは、インジェクタ３３のリフト量を相対的に小さくしかつ、燃料の噴射間隔を相対的に狭くした、所定回数（但し、複数回）の燃料噴射を含む。これにより、前述の通り、噴射間隔を狭くすることによって、負圧領域が軸方向に長くなる一方で、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で、燃料噴霧は、負圧領域に引き寄せられて、軸方向に広がる一方で、径方向の外方への広がりは抑制される。その結果、図１０（ａ）の上図に示すように、燃焼室１７内に形成される混合気層の形状は、径方向に対して軸方向の長さが相対的に長い、いわば縦長形状となる。
【００７４】
これに対し、図１０（ｃ）は、第２噴射モードであり、第２噴射モードは、インジェクタ３３のリフト量を第１噴射モードよりも大きくしかつ、燃料の噴射間隔を第１噴射モードよりも広くした、所定回数（但し、複数回）の燃料噴射を含む。これにより、前述の通り、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一方で、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で、燃料噴霧は負圧領域に引き寄せられ難くなって、径方向の外方へ広がる一方、軸方向への広がりは抑制される。その結果、図１０（ｃ）の上図に示すように、燃焼室１７内に形成される混合気層の形状は、軸方向に対して径方向の長さが相対的に長い、いわば横長形状となる。
【００７５】
ここで、図１０（ａ）に示す第１噴射モードは、図３に示す運転マップにおいて、燃料噴射量が相対的に少ない低負荷領域における噴射モードである。このときに、混合気層の軸方向長さは、ピストン１５の冠面に触れない範囲で設定される。こうして、混合気層の周囲にガス層を確実に形成する。一方、図１０（ｃ）に示す第２噴射モードは、図３に示す運転マップにおいて、燃料噴射量が相対的に多い中負荷領域における噴射モードである。燃料噴射量は相対的に多いものの、混合気層の形状を横長形状とする。燃焼室１７内に形成される混合気層のＬ／Ｗ比は、第１噴射モード時と比べて小さくなる。このことによって、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かつ、シリンダ１１の内壁に触れることも回避して、混合気層の周囲にガス層を確実に形成する。
【００７６】
図１０（ｂ）は、第１噴射モードと第２噴射モードとを組み合わせた第３噴射モードである。図例においては、第２噴射モードによる燃料噴射を行った後、第１噴射モードによる燃料噴射を行っているが、これを逆にして、第１噴射モードによる燃料噴射を行った後、第２噴射モードによる燃料噴射を行ってもよい。第１噴射モードと第２噴射モードとを組み合わせることにより、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、第１噴射モード時の混合気層よりも広くかつ、第２噴射モードの混合気層よりも狭い形状にすることが可能になる。第１噴射モードとして噴射する燃料噴射の回数及び第２噴射モードとして噴射する燃料噴射の回数は、適宜設定してもよい。第３噴射モードは、第１噴射モードに対して、第２噴射モードの燃料噴射を追加すると共に、第１噴射モードによる燃料噴射回数を少なくする、ということができる。第３噴射モードは、図３に示す運転マップにおいて低負荷領域と中負荷領域との境界付近の負荷における噴射モードである。従って、燃料噴射量が少から多に変わるに従い、第１噴射モード、第３噴射モード、第２噴射モードの順で、噴射モードを切り換えることになる。
【００７７】
尚、第３噴射モードとしては、第１噴射モードに、第１噴射モードに対しリフト量を大きくかつ、噴射間隔を広くした第２噴射モードを組み合わせる他にも、例えば第１噴射モードに、第１噴射モードに対してリフト量を大きくした（燃料噴射間隔は第１噴射モードと同じとする）燃料噴射を組み合わせるようにしてもよい。この場合も、第１噴射モードによる燃料噴射回数は少なくする。こうすることでも、相対的に大きいリフト量で燃料噴射を行うことにより、相対的に粒径の大きい燃料噴霧が噴射されるため、当該燃料噴霧は、径方向の外方へと広がり易くなる。第１噴射モードの噴射の回数と、大リフト量の燃料噴射の回数とは、適宜設定してもよい。こうした噴射の組み合わせによって、混合気層の形状が、径方向の外方に広がるようになる。またそれの代替として、例えば第１噴射モードに、第１噴射モードに対して噴射間隔を広くした（リフト量は第１噴射モードと同じとする）燃料噴射を組み合わせるようにしてもよい。こうすることでも、相対的に広い噴射間隔で燃料噴射を行うことにより、負圧領域は小さくなるため、燃料噴霧が、径方向の外方へと広がり易くなる。第１噴射モードの噴射の回数と、大ピッチの燃料噴射の回数とは、適宜設定してもよい。こうした噴射の組み合わせによっても、混合気層の形状が、径方向の外方に広がるようになる。さらに、第１噴射モードに、第１噴射モードに対してリフト量を大きくした（燃料噴射間隔は第１噴射モードと同じとする）燃料噴射と、噴射間隔を広くした（リフト量は第１噴射モードと同じとする）燃料噴射との双方を組み合わせるようにしてもよい。これらの噴射の回数はそれぞれ、適宜設定してもよい。
【００７８】
尚、第３噴射モードを省略し、第１噴射モードと第２噴射モードとを、エンジンの負荷の高低に応じて（又は燃料噴射量の大小に応じて）切り換えてもよい。
【００７９】
前述の通り、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。
【００８０】
尚、前記の例では、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。
【００８１】
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する目的に限らず、燃焼室１７内の空燃比分布を、空間的に制御することを可能にするから、冷却損失の低減以外の様々な目的において利用することが可能である。従って、エンジン１の構成は、前記の構成に限定されず、様々なエンジンに適用することが可能である。
【符号の説明】
【００８２】
１      直噴ガソリンエンジン（エンジン本体）
１１    シリンダ（気筒）
１５    ピストン
１５ａ  キャビティ（凹部）
１７    燃焼室
３３    インジェクタ
４１    ノズル口（噴射開口）
１００  エンジン制御器（燃料噴射制御部）
【図１】
2015102004.tif 000003
【図２】
2015102004.tif 000004
【図３】
2015102004.tif 000005
【図４】
2015102004.tif 000006
【図５】
2015102004.tif 000007
【図６】
2015102004.tif 000008
【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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