(57)【要約】  エンジンは、エンジン本体と、インジェクタと、燃料噴射量及びインジェクタの噴射態様を制御する制御部とを備える。制御部は、燃焼室内の温度状態を予測すると共に、予測した温度が高いときには、低いときよりも、同一の燃料噴射量であっても、燃焼室内に形成する混合気層の体積を大きくする。
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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し、該気筒及び該ピストンによって燃焼室が区画されるよう構成されたエンジン本体と、
少なくともガソリンを含む燃料を上記燃焼室内に噴口を介して噴射するよう構成されたインジェクタと、
上記エンジン本体の運転状態に応じて、上記燃焼室内に噴射する燃料噴射量及び上記インジェクタの噴射態様をそれぞれ制御するよう構成された制御部と、を備え、
上記制御部は、上記燃焼室内の温度状態を予測すると共に、予測した温度が高いときには、低いときよりも、同一の燃料噴射量であっても、上記燃焼室内に形成する混合気層の体積が大きくなるように上記インジェクタの噴射態様を制御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、
上記制御部は、上記燃焼室内に形成する上記混合気層の、気筒中心軸方向の長さを一定にしつつ、上記気筒中心軸に直交する径方向の幅を大きくすることによって、上記混合気層の体積が大きくなるように上記インジェクタの噴射態様を制御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、
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、該弁体のリフト量が大きいほど該噴口の有効断面積が大きくなるように構成されている直噴ガソリンエンジンの制御装置。
【請求項４】
請求項３に記載の直噴ガソリンエンジンの制御装置において、
上記制御部は、上記インジェクタに多段噴射を行わせ、
上記多段噴射は、上記噴口の有効断面積を所定量にしかつ、所定の噴射間隔で燃料噴射を行う第１噴射群と、上記噴口の有効断面積を上記第１噴射群よりも小さく、及び／又は、燃料の噴射間隔を上記第１噴射群よりも狭くした燃料噴射を行う第２噴射群とを含み、
上記制御部は、上記燃焼室内の温度が高いときには、上記第１噴射群によって噴射する燃料量を、上記第２噴射群によって噴射する燃料量よりも多く設定して上記インジェクタにより燃料噴射させる直噴ガソリンエンジンの制御装置。
【請求項５】
請求項３に記載の直噴ガソリンエンジンの制御装置において、
上記制御部は、上記噴口の有効断面積を所定量にしかつ、所定の噴射間隔で複数回の燃料噴射を行う第１噴射モードと、上記噴口の有効断面積を上記第１噴射モードよりも小さく、及び／又は、燃料の噴射間隔を上記第１噴射モードよりも狭くした複数回の燃料噴射を行う第２噴射モードとを切り換え可能であり、
上記制御部は、上記燃焼室内の温度が高いときには、上記第１噴射モードとして上記インジェクタにより燃料噴射させる直噴ガソリンエンジンの制御装置。
【請求項６】
請求項３に記載の直噴ガソリンエンジンの制御装置において、
上記制御部は、上記噴口の有効断面積が異なる複数の噴射モードを用いて、上記インジェクタにより圧縮行程後半において燃料噴射を行わせ、
上記複数の噴射モードは、上記噴口の有効断面積を所定量に設定した第１噴射モードと、上記噴口の有効断面積を上記所定量よりも小さく設定した第２噴射モードとを含み、
上記制御部は、上記燃焼室内の温度が高いときには、上記第１噴射モードによって噴射する燃料量を、上記第２噴射モードによって噴射する燃料量よりも多く設定して上記インジェクタにより燃料噴射させる直噴ガソリンエンジンの制御装置。
【請求項７】
請求項１〜６の何れか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、
上記制御部は、上記気筒内の圧力が所定圧力以上のときに、上記インジェクタに燃料を噴射させることで、上記燃焼室内に、上記混合気層と、当該混合気層の周囲の新気及び／又は既燃ガスのガス層とを形成する直噴ガソリンエンジンの制御装置。
【請求項８】
請求項７に記載の直噴ガソリンエンジンの制御装置において、
上記制御部は、上記混合気層の混合気が着火する時点において、上記燃焼室を区画する壁面と上記混合気層との間に上記ガス層が形成されるように、上記インジェクタにより圧縮行程後半において燃料噴射させる直噴ガソリンエンジンの制御装置。
【請求項９】
請求項８に記載の直噴ガソリンエンジンの制御装置において、
上記燃焼室の壁面は、上記ピストンの頂面に形成された凹状のキャビティの内壁面である直噴ガソリンエンジンの制御装置。
【請求項１０】
気筒内に設けられたピストンを有し、該気筒及び該ピストンによって燃焼室が区画されるよう構成されたエンジン本体と、
少なくともガソリンを含む燃料を上記燃焼室内に噴口を介して噴射するよう構成されたインジェクタと、
上記エンジン本体の運転状態に応じて、上記燃焼室内に噴射する燃料噴射量及び上記インジェクタの噴射態様をそれぞれ制御するよう構成された制御部と、を備え、
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、該弁体のリフト量が大きいほど該噴口の有効断面積が大きくなるように構成され、
上記制御部は、上記インジェクタに燃料噴射を行わせ、
上記制御部はまた、上記燃焼室内の温度状態を予測すると共に、予測した温度が高いときには、低いときよりも、同一の燃料噴射量であっても、上記燃料噴射における平均リフト量を大きくする直噴ガソリンエンジンの制御装置。
【請求項１１】
請求項１〜１０の何れか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、
上記制御部は、上記燃焼室内に、上記混合気層と、当該混合気層の周囲の新気及び／又は既燃ガスのガス層とを形成するときは、上記インジェクタから噴射される燃料量を、当該燃料の重量に対する上記気筒内の空気重量の割合である空燃比において理論空燃比よりも大きいリーン空燃比となるように設定す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。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、圧縮自己着火エンジンにおいて、燃焼室を区画する壁面を断熱材で構成することによって、燃焼室の壁面における冷却損失を低減することが記載されている。冷却損失の低減によって、熱効率が向上する。【０００３】
特許文献２には、エンジンの燃焼室内に燃料を噴射する外開弁式のインジェクタが記載されている。外開弁式のインジェクタは、弁本体のリフト量を変えることによって、燃料が噴射するノズル口の有効断面積が変化する。また、特許文献３には、ＶＣＯ（Valve Covered Orifice）ノズルタイプのインジェクタが記載されている。ＶＣＯノズルタイプのインジェクタは、ニードル弁が、ノズル口が開口しているシート部に直接着座して、ノズル口を閉鎖するように構成されている。ＶＣＯノズルタイプのインジェクタは、ニードル弁のリフト量に応じて、ノズル口の内周面に発生するキャビテーション領域の大きさが変化する。その結果、ＶＣＯノズルタイプのインジェクタでは、外開弁式のインジェクタと同様に、ニードル弁のリフト量に応じて、ノズル口の有効断面積が変化する。【０００４】
特許文献４には、気筒中心軸上に配置されかつ、コーン状に燃料を噴射する外開弁式のインジェクタを備えたエンジンにおいて、圧縮行程の後期に気筒内に燃料を噴射することで、燃焼室内に混合気層と、その周囲のガス層（新気を含むガス層）とを形成することが記載されている。この特許文献４に記載されたエンジンでは、混合気の燃焼時に、混合気層の周囲のガス層を断熱層として機能させることで、冷却損失を低減する。特許文献４にはまた、燃料を継続して噴射している途中で、外開弁のリフト量を変更することによって、燃料の噴射方向に対して燃料濃度を均質化することも記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２４３３５５号公報
【特許文献２】特開２００８−１５１０４３号公報
【特許文献３】特許第４１９４５６４号公報
【特許文献４】特開２０１３−５７２６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、ＮＯｘの排出低減及び未燃物質の排出低減を図るために、燃焼温度は、所定の範囲（例えば１５００〜１８００Ｋ）に収める必要がある。つまり、燃焼温度が低すぎるときには、未燃物質が増えて排出量が増大する。一方、燃焼温度が高すぎるときには、ＮＯｘが生成されて排出量が増大する。【０００７】
ところが、吸気温度が低いときや気筒内壁面の温度が低いときには、気筒内の温度状態が低くなる。気筒内の温度状態、より正確には、ピストンが圧縮上死点に至ったときの気筒内の温度（以下、この温度を圧縮端温度と呼ぶ場合がある）が低くなると、燃焼安定性が低下して、未燃物質の排出が増える。燃焼温度を上げるために、例えば吸気弁の閉弁タイミングを吸気下死点以降に遅らせる吸気弁の遅閉じを行う等によって、気筒内に導入する吸気量を減らす対策が考えられる。しかしながら、吸気弁の遅閉じは、有効圧縮比を低くするから、熱効率の観点からは不利である。【０００８】
また、吸気温度が高いときや気筒内壁面の温度が高いときには、気筒内の温度状態が高くなる。これは、燃焼温度を上昇させ、ＮＯｘの生成を招く。燃焼温度を下げるために、例えば、冷却した排気ガスを気筒内に導入する対策が考えられる。しかしながら、排気ガスの還流は、気筒内のガスの比熱比を下げるから、熱効率の観点からは不利である。【０００９】
このように、排気エミッション性能を良好に維持すべく、燃焼温度を所定の温度範囲に収めようとしたときに、吸気温度や気筒内壁面の温度状態によっては、燃焼温度が所定の温度範囲から、ずれてしまうことも起こり得る。そのときに、熱効率の低下を招くことなく、燃焼温度を調整可能な手法が求められる。【００１０】
ここに開示された技術は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、熱効率の低下を招くことなく、燃焼温度の調整を可能にすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
ここに開示された技術は、直噴ガソリンエンジンの制御装置を対象としている。この装置は、気筒内に設けられたピストンを有し、該気筒及び該ピストンによって燃焼室が区画されるよう構成されたエンジン本体と、少なくともガソリンを含む燃料を上記燃焼室内に噴口を介して噴射するよう構成されたインジェクタと、上記エンジン本体の運転状態に応じて、上記燃焼室内に噴射する燃料噴射量及び上記インジェクタの噴射態様をそれぞれ制御するよう構成された制御部と、を備える。【００１２】
そして、上記制御部は、上記燃焼室内の温度状態を予測すると共に、予測した温度が高いときには、低いときよりも、同一の燃料噴射量であっても、上記燃焼室内に形成する混合気層の体積が大きくなるように上記インジェクタの噴射態様を制御する。【００１３】
混合気層は、燃焼室内に、可燃混合気によって形成される層である。可燃混合気は、例えば当量比φ＝０．１以上の混合気であると定義してもよい。また、燃料の噴射開始から時間が経過すればするほど、燃料噴霧は拡散することから、混合気層の大きさは、着火時点での大きさとしてもよい。従って、着火時点において、燃焼室内で当量比φ＝０．１以上となった空間領域を、混合気層と定義することが可能である。さらに、着火とは、例えば、燃料の燃焼質量割合が１％以上となることをもって判定することができる。【００１４】
また、インジェクタの噴射態様とは、後述するように、噴射する燃料粒径及び噴射間隔の少なくとも一方を変更することに関する。【００１５】
燃焼室内の温度状態の予測は、圧縮端温度の予測としてもよい。圧縮端温度は、例えば、但しこれに限定されるものではないが、外気温、油温、水温、吸気充填量及び排気ガス還流量の全パラメータ、又は、任意に選択される一部のパラメータに基づいて予測可能である。【００１６】
同一の燃料噴射量で比較したときに、混合気層の体積が大きいときには、その体積が小さいときよりも、当該混合気層の燃料密度は低くなる。混合気層の燃料密度が低いときには、当該混合気層が燃焼したときの燃焼温度が低くなる。逆に、混合気層の体積が小さいときには、その体積が大きいときよりも、当該混合気層の燃料密度は高くなる。混合気層の燃料密度が高いときには、当該混合気層が燃焼したときの燃焼温度が高くなる。【００１７】
燃焼室内の温度状態が高くなることが予測されるときに、混合気層の体積を大きくして燃焼温度を低くすることは、その燃焼温度を、良好な排気エミッション性能を確保することができる所定の温度範囲に収めることを可能にする。逆に、燃焼室内の温度状態が低くなることが予測されるときに、混合気層の体積を小さくして燃焼温度を高くすることは、その燃焼温度を、良好な排気エミッション性能を確保することができる所定の温度範囲に収めることを可能にする。従って、上記の構成は、吸気温度や気筒内壁面の温度状態に対応して燃焼温度を所望の温度範囲内に収めることで、排気エミッション性能を良好に維持することが可能になる。【００１８】
また、上記の構成は、燃焼室内に形成する混合気の体積の調整をすることによって、燃焼温度を調整している。このため、吸気充填量を減らしたり、冷却した排気ガス還流量を増やしたりすることが不要である。つまり、エンジンの熱効率の低下を回避させることなく、燃焼温度の調整が可能である。【００１９】
上記制御部は、上記燃焼室内に形成する上記混合気層の、気筒中心軸方向の長さを一定にしつつ、上記気筒中心軸に直交する径方向の幅を大きくすることによって、上記混合気層の体積が大きくなるように上記インジェクタの噴射態様を制御する、としてもよい。【００２０】
ピストンが圧縮上死点に位置したときの燃焼室の容積は小さい。特に熱効率の向上を目指して高圧縮比にしたエンジンにおいては、その燃焼室の、気筒中心軸方向の長さ、つまり、シリンダヘッド下面からピストン頂面までの距離は短い。これに対し、燃焼室の、気筒中心軸方向の長さに対し、気筒中心軸に直交する径方向の長さ（つまり、ボア径に、ほぼ等しい）は、比較的長くなる。従って、混合気層の体積を大きくするときには、混合気層の、気筒中心軸方向の長さを一定にしつつ、径方向の幅を大きくすることが好ましい。こうすることで、混合気層がピストンの頂面に触れることなく、混合気層の体積を大きくすることが可能になる。このことは、冷却損失の低減に有利になる。【００２１】
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、該弁体のリフト量が大きいほど該噴口の有効断面積が大きくなるように構成されている、としてもよい。こうしたインジェクタとして、具体的には、外開弁式のインジェクタや、ＶＣＯノズルタイプのインジェクタを例示することが可能である。【００２２】
上記制御部は、上記インジェクタに多段噴射を行わせ、上記多段噴射は、上記噴口の有効断面積を所定量にしかつ、所定の噴射間隔で燃料噴射を行う第１噴射群と、上記噴口の有効断面積を上記第１噴射群よりも小さく、及び／又は、燃料の噴射間隔を上記第１噴射群よりも狭くした燃料噴射を行う第２噴射群とを含み、上記制御部は、上記燃焼室内の温度が高いときには、上記第１噴射群によって噴射する燃料量を、上記第２噴射群によって噴射する燃料量よりも多く設定して上記インジェクタにより燃料噴射させる、としてもよい。【００２３】
噴口を通じて燃焼室内に燃料が噴射されたときには、燃料噴霧の噴流が周囲の流体を巻き込もうとする一方で、噴口の近傍は、噴射した燃料噴霧によって囲まれるようになるため、流体が流れ込み難い。これにより、噴口の近傍には負圧になる領域が発生する。多段噴射の噴射間隔が広いときには、次の燃料が噴射されるまでの間に負圧領域の圧力が回復し得るため、負圧領域は小さくなる。負圧領域が小さい場合には、燃料噴霧は、負圧にあまり引き寄せられず、拡散しやすくなる。それに対し、噴射間隔が狭いときには、燃料が次々と噴射されることで、負圧領域の負圧が維持され、負圧領域は大きくなる。負圧領域が大きい場合には、燃料噴霧は、負圧に引き寄せられ、広がりが抑制される。つまり、噴射間隔が広いほど、燃焼室内で燃料噴霧が拡散しやすく、噴射間隔が狭いほど、燃料噴霧の広がりが抑制される。【００２４】
噴口の有効断面積が大きいときには、当該噴口を通じて燃焼室内に噴射される燃料噴霧の粒径が大きくなる。噴口の有効断面積が小さいときには、当該噴口を通じて燃焼室内に噴射される燃料噴霧の粒径が小さくなる。粒径が変化することに伴い、燃料噴霧の運動量が変化する。つまり、噴口の有効断面積が大きいほど、燃料噴霧の運動量が大きくなり、その結果、燃料噴霧の飛散距離は長くなる。【００２５】
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大きいと、燃料噴霧の粒径が大きいので、燃料噴霧は負圧領域からの影響を受けにくい。粒径の大きい燃料噴霧は、負圧領域にあまり引き寄せられず、負圧領域により減速される程度も小さい。それに対し、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。【００２６】
第１噴射群は、第２噴射群との比較において、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広い。これによって、進行方向への飛散距離が相対的に長くかつ拡散して広がった燃料噴霧が形成される。つまり、第１噴射群は、混合気層の体積を大きくする上で有利になる。【００２７】
それに対し、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狭いので、進行方向への飛散距離が相対的に短くかつ広がりが抑制された燃料噴霧が形成される。つまり、第２噴射群は、混合気層の体積を小さくする上で有利になる。【００２８】
従って、燃焼室内の温度が高いときには、第１噴射群によって噴射する燃料量を、第２噴射群によって噴射する燃料量よりも多くする。このことにより、混合気層の体積を大きくすることが可能になる。逆に、燃焼室内の温度が低いときには、第２噴射群によって噴射する燃料量を、第１噴射群によって噴射する燃料量よりも多くする。このことにより、混合気層の体積を小さくすることが可能になる。第１噴射群によって噴射する燃料量と、第２噴射群によって噴射する燃料量との割合を調整することで、混合気層の体積が調整可能になる。【００２９】
上記制御部は、上記噴口の有効断面積を所定量にしかつ、所定の噴射間隔で複数回の燃料噴射を行う第１噴射モードと、上記噴口の有効断面積を上記第１噴射モードよりも小さく、及び／又は、燃料の噴射間隔を上記第１噴射モードよりも狭くした複数回の燃料噴射を行う第２噴射モードとを切り換え可能であり、上記制御部は、上記燃焼室内の温度が高いときには、上記第１噴射モードとして上記インジェクタにより燃料噴射させる、としてもよい。【００３０】
第１噴射モードは、第２噴射モードとの比較において、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広い。第１噴射モードによって、進行方向への飛散距離が相対的に長くかつ拡散して広がった燃料噴霧が形成される。そのため、第１噴射モードは、混合気層の体積を大きくする上で有利になる。【００３１】
それに対し、第２噴射モードは、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狭い。第２噴射モードによって、進行方向への飛散距離が相対的に短くかつ広がりが抑制された燃料噴霧が形成される。そのため、第２噴射モードは、混合気層の体積を小さくする上で有利になる。【００３２】
従って、燃焼室内の温度が高いときには、第１噴射モードを選択することにより、混合気層の体積を大きくすることが可能になる。逆に、燃焼室内の温度が低いときには、第２噴射モードを選択することにより、混合気層の体積を小さくすることが可能になる。また、第１噴射モードの選択時に、噴口の有効断面積を調整すること、及び／又は、噴射間隔を調整することにより、混合気層の体積を微調整可能である。同様に、第２噴射モードの選択時に、噴口の有効断面積を調整すること、及び／又は、噴射間隔を調整することにより、混合気層の体積を微調整可能である。【００３３】
上記制御部は、上記噴口の有効断面積が異なる複数の噴射モードを用いて、上記インジェクタにより圧縮行程後半において燃料噴射を行わせ、上記複数の噴射モードは、上記噴口の有効断面積を、所定量に設定した第１噴射モードと、上記噴口の有効断面積を、上記所定量よりも小さく設定した第２噴射モードとを含み、上記制御部は、上記燃焼室内の温度が高いときには、上記第１噴射モードによって噴射する燃料量を、上記第２噴射モードによって噴射する燃料量よりも多く設定して上記インジェクタにより燃料噴射させる、としてもよい。【００３４】
ここで、圧縮行程の後半は、圧縮行程の期間を、前半と後半とに２等分したときの後半の期間としてもよい。【００３５】
噴口の有効断面積が大きいときには、当該噴口を通じて燃焼室内に噴射される燃料噴霧の粒径が大きくなる。噴口の有効断面積が小さいときには、当該噴口を通じて燃焼室内に噴射される燃料噴霧の粒径が小さくなる。粒径が変化することに伴い、燃料噴霧の運動量が変化する。つまり、噴口の有効断面積が大きいほど、燃料噴霧の運動量が大きくなり、その結果、燃料噴霧の飛散距離は長くなる。【００３６】
また、気筒内の圧力が比較的高い（気筒内のガス密度が高い）圧縮行程後半において燃料噴射するため、燃料噴霧は大きな抗力を受けることになり、飛翔する燃料噴霧の勢いは減衰され易くなる。【００３７】
よって、噴口の有効断面積が小さく燃料噴霧の粒径が小さい場合は、燃料噴霧は上記噴口近傍の負圧領域からの影響と、上記抗力の影響とにより、燃料噴霧の運動量が小さくなって、燃料噴霧は飛びにくくなる。その結果、混合気層の体積が小さくなる。それに対し、噴口の有効断面積が大きく燃料噴霧の粒径が大きい場合は、燃料噴霧は負圧領域からの影響を受けにくく、上記抗力に対しても燃料噴霧の減衰が小さいことから、燃料噴霧の運動量が大きく、燃料噴霧は遠くまで飛びやすくなる。その結果、混合気層の体積は大きくできる。【００３８】
従って、燃焼室内の温度が高いときには、第１噴射モードによって噴射する燃料量を、上記第２噴射モードによって噴射する燃料量よりも多くすることにより、混合気層の体積を大きくすることが可能になる。逆に、燃焼室内の温度が低いときには、第２噴射モードによって噴射する燃料量を、上記第１噴射モードによって噴射する燃料量よりも多くすることにより、混合気層の体積を小さくすることが可能になる。【００３９】
上記制御部は、上記気筒内の圧力が所定圧力以上のときに、上記インジェクタに燃料を噴射させることで、上記燃焼室内に、上記混合気層と、当該混合気層の周囲の新気及び／又は既燃ガスのガス層とを形成する、としてもよい。【００４０】
「気筒内の圧力が所定圧力以上のとき」とは、一例として、圧縮行程の進行に伴い気筒内の圧力が高まって所定圧力以上となったときである。またこの他にも、過給圧が高いことによって、圧縮行程後半の初期から圧縮行程中において、気筒内の圧力が所定圧力以上になったときを含むものである。【００４１】
気筒内の圧力が比較的高いときに燃焼を噴射することによって、燃料噴霧の飛散が制限される。その結果、燃焼室内に、所定当量比以上の混合気によって混合気層を形成しつつ、その混合気層の周囲に、ガス層を形成することが可能になる。ガス層は、燃料を実質的に含まない層（詳しくは、当量比φ＝０．１以下の層）であり、新気や排気ガスを含んで構成される。【００４２】
上記制御部は、上記混合気層の混合気が着火する時点において、上記燃焼室を区画する壁面と上記混合気層との間に上記ガス層が形成されるように、上記インジェクタにより圧縮行程後半において燃料噴射させる、としてもよい。【００４３】
混合気層を形成する混合気が燃焼をするときには、その周囲のガス層は、混合気層と燃焼室を区画する壁面との間に介在する断熱層として機能をする。この構成は、冷却損失を大幅に低減する。【００４４】
上記燃焼室の壁面は、上記ピストンの頂面に形成された凹状のキャビティの内壁面である、としてもよい。【００４５】
上記インジェクタから噴射された燃料噴霧は、凹状のキャビティ空間で混合気層が形成される。このときに、キャビティの内壁面と混合気層との間に、確実に上記ガス層が形成されることによって、冷却損失が大幅に低減できる。【００４６】
ここに開示される技術はまた、気筒内に設けられたピストンを有し、該気筒及び該ピストンによって燃焼室が区画されるよう構成されたエンジン本体と、少なくともガソリンを含む燃料を上記燃焼室内に噴口を介して噴射するよう構成されたインジェクタと、上記エンジン本体の運転状態に応じて、上記燃焼室内に噴射する燃料噴射量及び上記インジェクタの噴射態様をそれぞれ制御するよう構成された制御部と、を備える直噴ガソリンエンジンの制御装置に関する。【００４７】
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、該弁体のリフト量が大きいほど該噴口の有効断面積が大きくなるように構成され、上記制御部は、上記インジェクタに燃料噴射を行わせ、上記制御部はまた、上記燃焼室内の温度状態を予測すると共に、予測した温度が高いときには、低いときよりも、同一の燃料噴射量であっても、上記燃料噴射における平均リフト量を大きくする。【００４８】
ここで、平均リフト量とは、複数回の燃料噴射を含む多段噴射においては、各噴射のリフト量の相加平均を意味する。同一の燃料噴射量で、多段噴射における平均リフト量を比較的大きくしたときには、１回の噴射当たりに噴射される燃料量が増えるため、噴射回数は少なくなる。逆に、多段噴射における平均リフト量を小さくしたときには、１回の噴射当たりに噴射される燃料量が少なくなるため、噴射回数は多くなる。【００４９】
また、燃焼時期との関係において、燃料噴射期間は、ある程度、制約されるため、噴射回数が多くなれば、噴射間隔を狭くする必要がある。【００５０】
さらに、上記の構成において、インジェクタは、弁体のリフト量が大きいほど噴口の有効断面積が大きくなる。【００５１】
従って、同一燃料噴射量において、平均リフト量を大きくすることは、燃料噴霧の粒径は大きくなる傾向、及び／又は、噴射間隔は広くなる傾向となり、平均リフト量を小さくすることは、燃料噴霧の粒径は小さくなる傾向、及び／又は、噴射間隔は狭くなる傾向となる。上述したように、燃料噴霧の粒径を大きくする、及び／又は、噴射間隔を広くすることは、混合気層の体積を大きくする上で有利であり、燃料噴霧の粒径を小さくする、及び／又は、噴射間隔を狭くすることは、混合気層の体積を小さくする上で有利である。そのため、燃焼室内の温度状態を高いと予測したときに、多段噴射における平均リフト量を大きくすることによって、混合気層の体積が大きくなり、燃焼温度の低下に有利になる。逆に、燃焼室内の温度状態を低いと予測したときに、多段噴射における平均リフト量を小さくすることによって、混合気層の体積が小さくなり、燃焼温度の向上に有利になる。その結果、燃焼温度を所望の範囲内に収めて、排気エミッション性能を良好に維持することが可能になる。【００５２】
上記制御部は、上記燃焼室内に、上記混合気層と、当該混合気層の周囲の新気及び／又は既燃ガスのガス層とを形成するときは、上記インジェクタから噴射される燃料量を、当該燃料の重量に対する上記気筒内の空気重量の割合である空燃比において理論空燃比よりも大きいリーン空燃比となるように設定する、としてもよい。【００５３】
リーン空燃比による燃焼によって、燃焼温度を抑えることができ、燃焼温度は、比較的低温になる。これにより、燃焼室の内壁と燃焼温度との温度勾配が小さくなるため、冷却損失を低減できる。
【発明の効果】
【００５４】
以上説明したように、上記の直噴ガソリンエンジンの制御装置によれば、燃焼室内の混合気層の体積の調整によって燃焼温度を変更することにより、熱効率の低下を招くことなく、排気エミッション性能を良好に維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】図１は、直噴ガソリンエンジンを示す概略構成図である。
【図２】図２は、インジェクタの内部構成を示す断面図である。
【図３】図３は、エンジンの運転マップを例示する図である。
【図４】図４は、燃焼室内に形成する混合気層の形状を概念的に示す断面図である。
【図５】図５は、インジェクタから噴射する燃料噴霧の広がり方向を説明する図である。
【図６】図６は、燃料の噴射間隔を示す図である。
【図７】図７は、外開弁式のインジェクタのリフト量を示す図である。
【図８】図８は、（Ａ）燃料の噴射間隔が長いときの燃料噴霧の広がりを示す概念図、（Ｂ）燃料の噴射間隔が短いときの燃料噴霧の広がりを示す概念図である。
【図９】図９は、（Ａ）インジェクタのリフト量が小さいときの燃料噴霧の広がりを示す概念図、（Ｂ）インジェクタのリフト量が大きいときの燃料噴霧の広がりを示す概念図である。
【図１０】図１０は、（Ａ）燃焼室内の温度状態が低いときの混合気層の形状を例示する図、（Ｂ）燃焼室内の温度状態が低いときの噴射態様を示す図、（Ｃ）燃焼室内の温度状態が高いときの混合気層の形状を例示する図、（Ｄ）燃焼室内の温度状態が高いときの噴射態様を示す図である。
【図１１】図１１は、変形例における、（Ａ）燃焼室内の温度状態が低いときの混合気層の形状を例示する図、（Ｂ）燃焼室内の温度状態が低いときの噴射態様を示す図、（Ｃ）燃焼室内の温度状態が高いときの混合気層の形状を例示する図、（Ｄ）燃焼室内の温度状態が高いときの噴射態様を示す図である。
【図１２】図１２は、第２の実施形態における、（Ａ）燃焼室内の温度状態が低いときの混合気層の形状を例示する図、（Ｂ）燃焼室内の温度状態が低いときの噴射態様を示す図、（Ｃ）燃焼室内の温度状態が高いときの混合気層の形状を例示する図、（Ｄ）燃焼室内の温度状態が高いときの噴射態様を示す図である。
【図１３】図１３は、第２の実施形態の変形例における、（Ａ）燃焼室内の温度状態が低いときの混合気層の形状を例示する図、（Ｂ）燃焼室内の温度状態が低いときの噴射態様を示す図、（Ｃ）燃焼室内の温度状態が高いときの混合気層の形状を例示する図、（Ｄ）燃焼室内の温度状態が高いときの噴射態様を示す図である。
【図１４】図１４は、その他の実施形態に係るインジェクタの内部構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
エンジン１は、自動車等の車両に搭載される。エンジン１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とを備えている。シリンダブロック１２の内部には複数のシリンダ（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。
【００５９】
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。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。また、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。
【００６０】
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。ピストン１５の頂面は、上記天井面に対応した凸形状をなしている。頂面の中心部には、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の頂面の形状は、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の頂面（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い。また、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の頂面（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。
【００６１】
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に形成されている。２つの吸気ポート１８は、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に形成されている。２つの排気ポート１９は、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が介設している。スロットル弁２０の開度は、エンジン制御器１００からの制御信号を受けて、調整される。一方、排気ポート１９は排気通路（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。
【００６２】
シリンダヘッド１３には、吸気弁２１が、吸気ポート１８を燃焼室１７から遮断（つまり、閉じる）することができるように配設されている。また、排気弁２２が、排気ポート１９を燃焼室１７から遮断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駆動される。排気弁２２は排気弁駆動機構により駆動される。吸気弁２１は所定のタイミングで往復動して、吸気ポート１８を開閉する。排気弁２２は所定のタイミングで往復動して、排気ポート１９を開閉する。これにより、シリンダ１１内のガス交換を行う。吸気弁駆動機構は、図示は省略するが、クランクシャフトに駆動連結された吸気カムシャフトを有し、吸気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。排気弁駆動機構は、図示は省略するが、クランクシャフトに駆動連結された排気カムシャフトを有し、排気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。
【００６３】
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いる。点火プラグ３１の先端部は燃焼室１７の天井部に臨んでいる。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。点火プラグ３１は、放電によって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、点火プラグ３１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。
【００６４】
シリンダヘッド１３におけるシリンダ１１の中心軸Ｘ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。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。
【００６５】
図２に示すように、インジェクタ３３は、外開弁式のインジェクタである。外開弁式のインジェクタ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。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。ノズル口４１の有効断面積は調整可能である。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。
【００６６】
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、連結部４２ｂとを有している。連結部４２ｂは、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。
【００６７】
インジェクタ３３は、中心軸Ｓがシリンダ１１の中心軸Ｘ（つまり、気筒中心軸Ｘ）と一致し、ノズル口４１が燃焼室１７の天井部に臨む状態で配置されている。
【００６８】
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。このことによって、ノズル口４１が開く。このときノズル口４１から燃料が噴射される。燃料は、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）。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。
【００６９】
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の応答は速いため、インジェクタ３３は、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。
【００７０】
インジェクタ３３はまた、所定のリフト量を一定時間維持する連続噴射も可能である。
【００７１】
燃料供給システム３４は、外開弁４２（つまり、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。このことで、該電気回路を介してピエゾ素子４４及び外開弁４２が作動して、所望量の燃料が、気筒内に噴射される。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からの燃料噴射の時期、期間、及び該燃料噴射時におけるリフト量を制御する。
【００７２】
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。
【００７３】
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る。エンジン制御器１００は、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。
【００７４】
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、車速センサ７４からの車速信号、油温センサ７５からの潤滑油温度信号、及び、水温センサ７６からの冷却水温度信号をそれぞれ受ける。エンジン制御器１００は、これらの入力信号に基づいて、例えば、所望のスロットル開度信号、燃料噴射パルス、点火信号、バルブ位相角信号等といった、エンジン１の制御パラメータを計算する。そして、エンジン制御器１００は、それらの信号を、スロットル弁２０（正確には、スロットル弁２０を動かすスロットルアクチュエータ）、燃料供給システム３４（正確には、上記電気回路）、点火システム３２、及び、ＶＶＴ２３等に出力する。
【００７５】
また、図示は省略するが、このエンジン１は、吸気通路と排気通路とをつなぐＥＧＲ通路が設けられており、排気ガスの一部を吸気に還流させるＥＧＲシステムを備えている。エンジン制御器１００は、ＥＧＲシステムを通じた排気ガスの還流量を、エンジン１の運転状態に応じて調整する。
【００７６】
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。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。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。
【００７７】
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の頂面と、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。尚、ここでいう燃焼室は、ピストン１５が上死点にあるときのシリンダ内空間に限定されず、ピストン１５の位置に拘わらずシリンダ内空間によって構成される、広義の燃焼室である。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、遮熱層６１，６２，６３，６４，６５を設けることによって、燃焼室１７を遮熱化している。尚、以下において、これらの遮熱層６１〜６５を総称する場合は、遮熱層に符号「６」を付す場合がある。遮熱層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、シリンダ壁面の遮熱層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、これにより遮熱層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、シリンダ壁面の遮熱層６１はこの構成に限らず、遮熱層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、その一部に遮熱層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遮熱層を設けてもよい。尚、図１に図示する各遮熱層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、各面における遮熱層の厚みの大小関係を示すものでもない。
【００７８】
燃焼室１７の遮熱構造について、さらに詳細に説明する。燃焼室１７の遮熱構造は、上述の如く、燃焼室１７を区画する各区画面に設けた遮熱層６１〜６５によって構成されるが、これらの遮熱層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の壁面に設けた遮熱層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の頂面に設けた遮熱層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の天井面に設けた遮熱層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遮熱層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。
【００７９】
また、遮熱層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の遮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。
【００８０】
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。このことから、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、遮熱層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。
【００８１】
上記遮熱層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、遮熱層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。
【００８２】
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に遮熱層を設けている。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又は回避する。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する。これによって、ガス温度と燃焼室１７の区画面との差温が小さくなる。燃焼時のガス温度を低下させることは熱伝達率を低くするから、却損失の低減に、さらに有利になる。尚、吸気ポート１８に設ける遮熱層の構成は、ポートライナ１８１の鋳ぐるみに限定されない。
【００８３】
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）である。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、燃焼室の遮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。
【００８４】
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、燃焼室１７の遮熱構造を組み合わせている。つまり、燃焼室１７の遮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。
【００８５】
一方で、燃焼室１７を遮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。この点に関し、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。
【００８６】
このエンジン１では、上記の燃焼室１７及び吸気ポート１８の遮熱構造に加えて、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。
【００８７】
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。このことによって、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。
【００８８】
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、ピストン１５の頂面に形成したキャビティ１５ａを含んで構成される燃焼室１７内の中央部に混合気層を形成すると共に、混合気層とキャビティ１５ａの内壁面１５ｂとの間に、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。
【００８９】
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、混合気層と燃焼室１７の壁面との間のガス層により、混合気層の火炎が燃焼室１７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、燃焼室１７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。
【００９０】
エンジン制御器１００は、圧縮行程後半から膨張行程初期の期間にインジェクタ３３のノズル口４１からシリンダ１１内に燃料を噴射させるべく、燃料供給システム３４の電気回路に噴射信号を出力する。ここで、圧縮行程後半は、圧縮行程を、前半と後半とに二分したときの後半である。また、膨張行程初期は、膨張行程を、初期、中期及び終期に三分したときの初期である。これにより、燃焼室１７内の中央部に混合気層を形成しかつ、その周囲にガス層を形成する。
【００９１】
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、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、燃料噴霧の広がりが抑制されて、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の方向に広がり易い。その結果、混合気層は、例えばピストン１５の頂面に触れるようになる。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（ここでの燃焼室は、ピストン１５が圧縮上死点に位置したときのシリンダ内空間である）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の頂面に触れやすい。
【００９２】
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の頂面に触れることを回避する。それと共に、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、言い換えると、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る。つまり、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。
【００９３】
このような混合気層の形状をコントロールするために、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）とをそれぞれ調整する。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。
【００９４】
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、燃料噴霧の噴流が周囲の流体を巻き込もうとする一方で、ホローコーンの内側には流体が流入し難い。このため、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（中心軸Ｓは、シリンダ１１の中心軸Ｘに一致する）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。
【００９５】
燃料噴霧は、この負圧に引き寄せられるようになる。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。
【００９６】
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が、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。
【００９７】
また、粒径が大きい燃料噴霧は、運動量が大きいので、進行方向への飛散距離も長くなる。さらに、粒径が大きい燃料噴霧は、負圧領域の影響を受けても減速しにくく、このことによっても飛散距離が長くなる。それに対し、粒径が小さい燃料噴霧は、運動量が小さいので、進行方向への飛散距離が短くなる。さらに、粒径が小さい燃料噴霧は、負圧領域の影響を受けて減速しやすく、このことによっても飛散距離が短くなる。
【００９８】
このように、インジェクタ３３の噴射間隔及びリフト量を変更することによって、燃料噴霧の広がりを、径方向と進行方向との２方向について独立して制御することが可能になる。そこで、このエンジン１では、リフト量が相対的に大きく且つ噴射間隔が相対的に大きい複数回の燃料噴射を含む第１噴射群と、リフト量が相対的に小さく且つ噴射間隔が相対的に小さい複数回の燃料噴射を含む第２噴射群とを組み合わせて、混合気層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以下となるような燃料噴射を意味する。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
エンジン制御器１００は、エンジン１の運転状態に応じて多段噴射の態様を変更するだけでなく、燃焼室１７内の温度状態に応じても、多段噴射の態様を変更するようにしている。具体的に、このエンジン１においては、上述の通り、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ており、シリンダ１１内のガス状態や、燃料噴射時期等の各種パラメータの調整により、燃焼温度を所定の範囲（例えば１５００〜１８００Ｋの範囲）内に収めることによって、排気エミッション性能を良好に維持している。すなわち、燃焼温度が低すぎるとき（例えば１５００Ｋを下回るとき）には、燃焼安定性の低下により未燃物質が増大して未燃物質の排出量が増える。一方、燃焼温度が高すぎるとき（例えば１８００Ｋを上回るとき）には、ＲａｗＮＯｘの生成量が増えて、ＮＯｘ排出量が増える。
【０１０４】
しかしながら、外気温度が低い環境下のように、吸気温度が低いときや、エンジン始動直後のように、シリンダ１１内壁面温度が低いときには、ピストン１５が圧縮上死点に至ったときのシリンダ１１内温度（つまり、モータリング状態での燃焼室内温度）である圧縮端温度が低くなる。その結果、燃焼温度が所定の範囲に対して低温側に外れてしまうことが起こり得る。逆に、吸気温度が高いときや、シリンダ１１内壁面温度が高いときには、圧縮端温度が高くなり、その結果、燃焼温度が所定の範囲に対して高温側に外れてしまうことが起こり得る。いずれにおいても、排気エミッション性能の悪化を招くことになる。
【０１０５】
そこで、エンジン制御器１００は、燃焼室１７内の温度状態に応じて多段噴射の態様を変更することにより、燃焼温度を調整する。そうして、燃焼温度が所定の範囲に収まるようにしている。
【０１０６】
具体的に、エンジン制御器１００は、圧縮端温度の予測を行う。圧縮端温度は、エアフローセンサ７１によって検出される外気温、油温センサ７５によって検出される潤滑油温、及び、水温センサ７６によって検出される冷却水温の他、吸気充填量、及び、排気ガス還流量に基づいて予測される。予測した圧縮端温度が低く、燃焼温度が、所定の範囲に対して低温側に外れる可能性があるときには、図１０（Ａ）に示すように、混合気層の体積を小さくする。尚、燃料噴射量は、エンジン１の要求負荷に対応する量である。混合気層の体積を小さくすることにより、混合気層の燃料密度が高まる。燃料密度を高めることにより、混合気層を構成する混合気が燃焼したときの温度が高まる。その結果、圧縮端温度が低い時でも、燃焼温度を所定の範囲に収めることが可能になる。
【０１０７】
これに対し、予測した圧縮端温度が高く、燃焼温度が、所定の範囲に対して高温側に外れる可能性があるときには、図１０（Ｃ）に示すように、混合気層の体積を大きくする。尚、燃料噴射量は、エンジン１の要求負荷に対応する量であり、図１０（Ａ）に示す状態と同じと仮定する。混合気層の体積を大きくすることにより、混合気層の燃料密度が低くなる。燃料密度を低くすることにより、混合気層を構成する混合気が燃焼したときの温度が下がる。その結果、圧縮端温度が高い時でも、燃焼温度を所定の範囲に収めることが可能になる。
【０１０８】
尚、ここでいう混合気層は、可燃混合気（例えば当量比φ＝０．１以上の混合気）によって構成される層と定義している。また、燃料の噴射開始から時間が経過すればするほど、燃料噴霧は拡散することから、混合気層の大きさは、着火時点での大きさである。さらに、着火とは、例えば、燃料の燃焼質量割合が１％以上となることをもって判定することができる。
【０１０９】
上述したような混合気層の体積調整のために、エンジン制御器１００は、同一噴射量であっても、第１噴射群と第２噴射群との割合を変更する。つまり、図１０（Ｂ）に示すように、第１噴射群８の割合を少なく（燃料噴射８０を２回）かつ、第２噴射群９の割合を多く（燃料噴射９０を９回）することによって、同図（Ａ）に示すように、混合気層の体積が小さくなる。また、図１０（Ｄ）に示すように、第１噴射群８の割合を多く（燃料噴射８０を３回）かつ、第２噴射群９の割合を少なく（燃料噴射９０を６回）することによって、同図（Ｃ）に示すように、混合気層の体積が大きくなる。図１０（Ａ）（Ｃ）の比較から明らかなように、混合気層は、シリンダ１１の中心軸方向の長さを一定にしつつ、その中心軸に直交する径方向の幅を大きくすることによって、体積が拡大している。こうすることで、混合気層が、燃焼室１７を区画する面、ここでは特に、キャビティ１５ａの壁面１５ｂに触れることなく、その体積を大きくすることが可能になる。
【０１１０】
図１０（Ｂ）（Ｄ）に示すように、第１噴射群８に含まれる燃料噴射８０は、相対的にリフト量が大きくかつ、その噴射間隔が相対的に広く、第２噴射群９に含まれる燃料噴射９０は、相対的にリフト量が小さくかつ、その噴射間隔が相対的に狭い。
【０１１１】
ここで、第１噴射群８と第２噴射群９との割合を変更することは、第１噴射群８及び第２噴射群９を含んで構成される多段噴射の平均リフト量を変更すると言い換えることが可能である。平均リフト量は、第１噴射８０のリフト量と、第２噴射９０のリフト量との相化平均であり、次式（１）によって表される。
｛（第１噴射８０のリフト量）×（第１噴射８０の回数）+（第２噴射９０のリフト量）×（第２噴射９０の回数）｝/｛（第１噴射８０の回数）+（第２噴射９０の回数）｝  …（１）
つまり、図１０に一点鎖線で示すように、第１噴射群８の割合を多くしかつ、第２噴射群９の割合を少なくしたときには、多段噴射の平均リフト量は下がり、第１噴射群８の割合を少なくしかつ、第２噴射群９の割合を多くしたときには、多段噴射の平均リフト量は上がる。従って、エンジン制御器１００は、予測した圧縮端温度が低いときには、多段噴射の平均リフト量を下げることで、混合気層の体積を小さくする一方、予測した圧縮端温度が高いときに、多段噴射の平均リフト量を上げることで、混合気層の体積を大きくする、としてよい。
【０１１２】
尚、上述の通り、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２噴射群が省略され、第１噴射群だけが実行される場合もあるように、圧縮端温度が低いときには、図１１（Ａ）（Ｂ）に示すように、第１噴射群８を省略し、第２噴射群９だけを実行するようにしてもよい。こうすることで、燃焼室１７内に形成する混合気層の体積を、さらに小さくすることが可能になり、燃焼温度のさらなる上昇が可能になる。また、圧縮端温度が高いときには、図１１（Ｃ）（Ｄ）に示すように、第２噴射群９を省略し、第１噴射群８だけを実行するようにしてもよい。こうすることで、燃焼室１７内に形成する混合気層の体積を、その周囲にガス層を設ける前提において、さらに大きくすることが可能になり、燃焼温度をさらに低くすることが可能になる。
【０１１３】
尚、第１噴射群８と第２噴射群９との割合を変更するのではなく、図１１に示すように、第１噴射群８のみを実行することと、第２噴射群９のみを実行することとを、予測した圧縮端温度に高低に応じて切り換えるようにしてもよい。つまり、圧縮端温度が所定よりも低いときには、第２噴射群９を選択する（つまり、第２噴射モードとする）ことによって、混合気層の体積を小さくするのに対し、圧縮端温度が所定以上のときには、第１噴射群８を選択する（つまり、第１噴射モードとする）ことによって、混合気層の体積を大きくする。このように、第１噴射群８と第２噴射群９との切り換えを行う場合でも、上述した、圧縮端温度と、多段噴射における平均リフト量との関係は同じである。つまり、圧縮端温度が低いときには、第２噴射群９を選択して平均リフト量を下げることにより、混合気層の体積を小さくするのに対し、圧縮端温度が高いときには、第１噴射群８を選択して平均リフト量を上げることにより、混合気層の体積を大きくする。
【０１１４】
尚、第１噴射群８及び第２噴射群９の切り換えを行う構成においては、予測した圧縮端温度に応じて、選択した第１噴射群８において、リフト量を調整したり、噴射間隔を調整したりしてもよい。同様に、第２噴射群９を選択したときには、予測した圧縮端温度に応じて、その第２噴射群９において、リフト量を調整したり、噴射間隔を調整したりしてもよい。
【０１１５】
尚、第１噴射群８は、図１０，１１に示す噴射態様に限られるものではない。第１噴射群８における燃料噴射の回数は、３回又は２回に限られるものではない。１回や４回以上であってもよい。また、第１噴射群８における噴射は、第２噴射群９における噴射との比較においてリフト量が高い、及び／又は、噴射間隔が広いものである。従って、第１噴射群８における複数回の噴射のリフト量は、同じであってもよいし、適宜変更してもよい。複数回の噴射において、リフト量の変更についての制約は特になく、リフト量が次第に増えるようにしてもよし、次第に減るようにしてもよいし、また、リフト量が増えたり減ったりしてもよい。噴射間隔についても同様であり、噴射間隔が次第に広がるようにしてもよいし、次第に狭まるようにしてもよい。また、噴射間隔が広がったり狭まったりしてもよい。
【０１１６】
また、第１噴射群８は、第２噴射群９に比べて、リフト量が大きく且つ噴射間隔が大きいが、リフト量及び燃料間隔の何れか一方だけが大きい構成であってもよい。
【０１１７】
さらに、上記多段噴射では、第１噴射群８の後に第２噴射群９が実行されるが、これを逆にして、第２噴射群９の後に第１噴射群８が実行されてもよい。
【０１１８】
尚、混合気層の体積調整のために、上記実施形態に代えて、図１２（Ｂ）（Ｄ）に示す噴射態様、および、図１３（Ｂ）（Ｄ）に示す噴射態様としても良い。
【０１１９】
つまり、図１２（Ｂ）（Ｄ）に示す噴射態様は、第１噴射モード１０８に含まれる燃料噴射８０１が、相対的にリフト量が大きい連続噴射であり、第２噴射モード９に含まれる燃料噴射９０が、相対的にリフト量が小さい多段噴射である。この連続噴射は、インジェクタ３３のリフト量を所定のリフト量で所定時間継続することである。
【０１２０】
図１２（Ｂ）に示すように、エンジン制御器１００が、第１噴射モード１０８での燃料噴射８０１の割合を相対的に少なくかつ、第２噴射モード９での燃料噴射９０の割合を相対的に多くする。このことによって、図１２（Ａ）に示すように、図１０（Ａ）と同様、混合気層の体積が小さくなる。
【０１２１】
また、図１２（Ｄ）に示すように、同一噴射量であっても、第１噴射モード１０８での燃料噴射８０１の割合を相対的に多くかつ、第２噴射モード９での燃料噴射９０の割合を相対的に少なくすることによって、図１２（Ｃ）に示すように、図１０（Ｃ）と同様、混合気層の体積が大きくなる。
【０１２２】
図１２（Ａ）（Ｃ）の比較から明らかなように、混合気層は、シリンダ１１の中心軸Ｘ方向の長さを一定にしつつ、その中心軸に直交する径方向の幅を大きくすることによって、体積が拡大している。こうすることで、混合気層が、燃焼室１７を区画する面に触れることなく、その体積を大きくすることが可能になる。
【０１２３】
尚、第１噴射モード１０８と第２噴射モード９との燃料噴射の割合を変更するのではなく、図１３（Ｂ）（Ｄ）に示すように、第１噴射モード１０８のみ（連続の燃料噴射８０１）を実行することと、第２噴射モード９のみ（多段の燃料噴射９０）を実行することとを、予測した圧縮端温度の高低に応じて切り換えるようにしてもよい。
【０１２４】
つまり、圧縮端温度が所定よりも低いときには、第２噴射モード９を選択することによって、混合気層の体積を小さくするのに対し、圧縮端温度が所定以上のときには、第１噴射モード１０８を選択することによって、混合気層の体積を大きくする。このように、第１噴射モード１０８と第２噴射モード９との切り換えを行う場合でも、上述した、圧縮端温度と、平均リフト量との関係は同じである。つまり、圧縮端温度が低いときには、第２噴射モード９を選択して平均リフト量を下げることにより、図１３（Ａ）に示すように混合気層の体積が小さくなり、圧縮端温度が高いときには、第１噴射モード１０８を選択して平均リフト量を上げることにより、図１３（Ｃ）に示すように混合気層の体積が大きくなる。ここで、平均リフト量は、前述した式（１）では、噴射回数に係る相加平均であるが、連続噴射を含む場合は、当該連続噴射を、噴射期間が等価な多段噴射に置き換えて、式（１）により平均リフト量を決定すればよい。
【０１２５】
尚、上記第２実施形態に示す第２噴射モード９は、この限りではなく、第１噴射モード１０８と同様に、所定の低リフト量一定で連続噴射する燃料噴射特性としてもよい。
【０１２６】
尚、上記複数の実施形態において、エンジン制御器１００は、インジェクタ３３によって気筒１１内に噴射される燃料量（重量）を、気筒１１内の空燃比が理論空燃比よりも所定量リーンとなるように、検出された空気重量に対して調量している。これにより、燃焼温度を抑え、理論空燃比条件での燃焼温度に対して低い燃焼温度となるようにしている。この結果、燃焼室１７の壁面と混合気層の燃焼温度との差（温度勾配）が小さくなり、その分、燃焼熱が燃焼室１７の壁面に伝達されず、冷却損失が低減できる。
【０１２７】
この燃焼温度の抑制と、混合気層の周囲に新気及び／又は既燃ガスのガス層を形成することとの組合せによって、冷却損失を大幅に低減することができる。
【０１２８】
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。
【０１２９】
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。
【０１３０】
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。
【０１３１】
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。
【０１３２】
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。
【０１３３】
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。
【０１３４】
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。
【０１３５】
また、上記の例では、燃料噴射時期を、圧縮行程後半から膨張行程初期の期間に設定している。これは、シリンダ１１内の圧力が所定圧力以上になった高圧雰囲気中に燃料を噴射して燃料噴霧の広がりを抑制するためである。例えばターボ過給機付きエンジンにおいては、圧縮行程後半の初期から圧縮行程中において、燃料の噴射を行ってもよい。
【符号の説明】
【０１３６】
１          エンジン
１１        シリンダ（気筒）
１５        ピストン
１５ａ      キャビティ
１５ｂ      キャビティの壁面
１７        燃焼室
３３        インジェクタ
４０        ノズル本体
４１        ノズル口（噴口）
４２        外開弁（弁体）
８、８０１  第１噴射群（第１噴射モード）
９          第２噴射群（第２噴射モード）
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          気筒中心軸
【図１】
2015115115.tif 000003
【図２】
2015115115.tif 000004
【図３】
2015115115.tif 000005
【図４】
2015115115.tif 000006
【図５】
2015115115.tif 000007
【図６】
2015115115.tif 000008
【図７】
2015115115.tif 000009
【図８】
2015115115.tif 000010
【図９】
2015115115.tif 000011
【図１０】
2015115115.tif 000012
【図１１】
2015115115.tif 000013
【図１２】
2015115115.tif 000014
【図１３】
2015115115.tif 000015
【図１４】
2015115115.tif 000016
【手続補正書】
【提出日】平成28年10月12日(2016.10.12)
【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】
気筒内に設けられたピストンを有し、該気筒及び該ピストンによって燃焼室が区画されるよう構成されたエンジン本体と、
少なくともガソリンを含む燃料を上記燃焼室内に噴口を介して噴射するよう構成されたインジェクタと、
上記エンジン本体の運転状態に応じて、上記燃焼室内に噴射する燃料噴射量及び上記インジェクタの噴射態様をそれぞれ制御するよう構成された制御部と、を備え、
上記制御部は、上記燃焼室内の温度状態を予測すると共に、予測した温度が高いときには、低いときよりも、同一の燃料噴射量であっても、上記燃焼室内に形成する混合気層の体積が大きくなるように上記インジェクタの噴射態様を制御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、
上記制御部は、上記燃焼室内に形成する上記混合気層の、気筒中心軸方向の長さを一定にしつつ、上記気筒中心軸に直交する径方向の幅を大きくすることによって、上記混合気層の体積が大きくなるように上記インジェクタの噴射態様を制御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、
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、該弁体のリフト量が大きいほど該噴口の有効断面積が大きくなるように構成されている直噴ガソリンエンジンの制御装置。
【請求項４】
請求項３に記載の直噴ガソリンエンジンの制御装置において、
上記制御部は、上記インジェクタに多段噴射を行わせ、
上記多段噴射は、上記噴口の有効断面積を所定量にしかつ、所定の噴射間隔で燃料噴射を行う第１噴射群と、上記噴口の有効断面積を上記第１噴射群よりも小さく、及び／又は、燃料の噴射間隔を上記第１噴射群よりも狭くした燃料噴射を行う第２噴射群とを含み、
上記制御部は、上記燃焼室内の温度が高いときには、上記第１噴射群によって噴射する燃料量を、上記第２噴射群によって噴射する燃料量よりも多く設定して上記インジェクタにより燃料噴射させる直噴ガソリンエンジンの制御装置。
【請求項５】
請求項３に記載の直噴ガソリンエンジンの制御装置において、
上記制御部は、上記噴口の有効断面積を所定量にしかつ、所定の噴射間隔で複数回の燃料噴射を行う第１噴射モードと、上記噴口の有効断面積を上記第１噴射モードよりも小さく、及び／又は、燃料の噴射間隔を上記第１噴射モードよりも狭くした複数回の燃料噴射を行う第２噴射モードとを切り換え可能であり、
上記制御部は、上記燃焼室内の温度が高いときには、上記第１噴射モードとして上記インジェクタにより燃料噴射させる直噴ガソリンエンジンの制御装置。
【請求項６】
請求項３に記載の直噴ガソリンエンジンの制御装置において、
上記制御部は、上記噴口の有効断面積が異なる複数の噴射モードを用いて、上記インジェクタにより圧縮行程後半において燃料噴射を行わせ、
上記複数の噴射モードは、上記噴口の有効断面積を所定量に設定した第１噴射モードと、上記噴口の有効断面積を上記所定量よりも小さく設定した第２噴射モードとを含み、
上記制御部は、上記燃焼室内の温度が高いときには、上記第１噴射モードによって噴射する燃料量を、上記第２噴射モードによって噴射する燃料量よりも多く設定して上記インジェクタにより燃料噴射させる直噴ガソリンエンジンの制御装置。
【請求項７】
請求項１〜６の何れか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、
上記制御部は、上記気筒内の圧力が所定圧力以上のときに、上記インジェクタに燃料を噴射させることで、上記燃焼室内に、上記混合気層と、当該混合気層の周囲の新気及び／又は既燃ガスのガス層とを形成する直噴ガソリンエンジンの制御装置。
【請求項８】
請求項７に記載の直噴ガソリンエンジンの制御装置において、
上記制御部は、上記混合気層の混合気が着火する時点において、上記燃焼室を区画する壁面と上記混合気層との間に上記ガス層が形成されるように、上記インジェクタにより圧縮行程後半において燃料噴射させる直噴ガソリンエンジンの制御装置。
【請求項９】
請求項８に記載の直噴ガソリンエンジンの制御装置において、
上記燃焼室の壁面は、上記ピストンの頂面に形成された凹状のキャビティの内壁面である直噴ガソリンエンジンの制御装置。
【請求項１０】
気筒内に設けられたピストンを有し、該気筒及び該ピストンによって燃焼室が区画されるよう構成されたエンジン本体と、
少なくともガソリンを含む燃料を上記燃焼室内に噴口を介して噴射するよう構成されたインジェクタと、
上記エンジン本体の運転状態に応じて、上記燃焼室内に噴射する燃料噴射量及び上記インジェクタの噴射態様をそれぞれ制御するよう構成された制御部と、を備え、
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、該弁体のリフト量が大きいほど該噴口の有効断面積が大きくなるように構成され、
上記制御部は、上記インジェクタに燃料噴射を行わせ、
上記制御部はまた、上記燃焼室内の温度状態を予測すると共に、予測した温度が高いときには、低いときよりも、同一の燃料噴射量であっても、上記燃料噴射における平均リフト量を大きくする直噴ガソリンエンジンの制御装置。
【請求項１１】
請求項１〜９の何れか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、
上記制御部は、上記燃焼室内に、上記混合気層と、当該混合気層の周囲の新気及び／又は既燃ガスのガス層とを形成するときは、上記インジェクタから噴射される燃料量を、当該燃料の重量に対する上記気筒内の空気重量の割合である空燃比において理論空燃比よりも大きいリーン空燃比となるように設定する直噴ガソリンエンジンの制御装置。
【請求項１２】
請求項１０に記載の直噴ガソリンエンジンの制御装置において、
上記制御部は、上記燃焼室内に、混合気層と、当該混合気層の周囲の新気及び／又は既燃ガスのガス層とを形成するときは、上記インジェクタから噴射される燃料量を、当該燃料の重量に対する上記気筒内の空気重量の割合である空燃比において理論空燃比よりも大きいリーン空燃比となるように設定する直噴ガソリンエンジンの制御装置。
【国際調査報告】
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