(57)【要約】【課題】直噴エンジンにおいて、燃焼室内に混合気層と断熱ガス層とを確実に形成する。【解決手段】燃料噴射弁６は、リフト量が大きくなるほど、噴口の有効開口面積が大きくなるように構成される。燃料噴射制御部は、エンジン本体（エンジン１）の運転状態が、所定の低回転領域にあるときには、所定の第１リフト量でかつ、所定の第１噴射期間で燃料を噴射する第１噴射を行った後に、第１リフト量よりも小さい第２リフト量でかつ、第１噴射期間よりも長い第２噴射期間で燃料を噴射する第２噴射を行い、エンジン本体の運転状態が、低回転領域よりも回転数の高い高回転領域にあるときには、第２噴射を行った後に、前記第１噴射を行う。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダヘッドの天井部と、シリンダブロックに設けられたシリンダと、前記シリンダ内を往復動するピストンとによって区画される燃焼室を有して構成されたエンジン本体と、
前記燃焼室内に、液体の燃料を噴射するように配設された燃料噴射弁を有しかつ、少なくとも圧縮行程の後半で、前記燃料を前記燃焼室内に噴射するよう構成された燃料噴射制御部と、を備え、
前記燃料噴射弁は、リフト量が大きくなるほど、前記燃料を噴射する噴口の有効開口面積が大きくなるように構成され、
前記燃料噴射制御部は、
前記エンジン本体の運転状態が、所定の低回転領域にあるときには、所定の第１リフト量でかつ、所定の第１噴射期間で燃料を噴射する第１噴射を行った後に、前記第１リフト量よりも小さい第２リフト量でかつ、前記第１噴射期間よりも長い第２噴射期間で燃料を噴射する第２噴射を行い、
前記エンジン本体の運転状態が、前記低回転領域よりも回転数の高い高回転領域にあるときには、前記第２噴射を行った後に、前記第１噴射を行う直噴エンジンの燃料噴射制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の直噴エンジンの燃料噴射制御装置において、
前記燃料噴射制御部は、前記エンジン本体の運転状態が前記高回転領域にあるときには、前記第２噴射の噴射開始時期を、前記エンジン本体の運転状態が前記低回転領域にあるときの前記第１噴射の噴射開始時期よりも進角させる直噴エンジンの燃料噴射制御装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の直噴エンジンの燃料噴射制御装置において、
前記燃料噴射弁は、噴口が形成されたノズル本体と、外向きにリフトすることによって前記噴口を開閉する外開弁とを有しかつ、前記噴口からホローコーン状に前記燃料を噴射するよう構成された外開弁式の燃料噴射弁である直噴エンジンの燃料噴射制御装置。
【請求項４】
請求項３に記載の直噴エンジンの燃料噴射制御装置において、
外開弁式の前記燃料噴射弁は、前記シリンダヘッドの天井部において、噴射軸心が前記シリンダの軸線に沿うように配設されており、
前記天井部には、前記燃料噴射弁の先端部を収容する凹部が、その天井面から凹陥して形成されている直噴エンジンの燃料噴射制御装置。
【請求項５】
請求項３又は４に記載の直噴エンジンの燃料噴射制御装置において、
前記ピストンの頂面には、キャビティが形成されており、
前記燃料噴射弁は、前記キャビティ内に向かって前記燃料を噴射するように構成されている直噴エンジンの燃料噴射制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
ここに開示する技術は、直噴エンジンの燃料噴射制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、エンジンの燃焼室内に、ホローコーン状に燃料を噴射する外開弁式の燃料噴射弁が記載されている。外開弁式の燃料噴射弁は、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開口面積が変化する。また、特許文献２には、ＶＣＯ（Valve Covered Orifice）ノズルタイプの燃料噴射弁が記載されている。ＶＣＯノズルタイプの燃料噴射弁は、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。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ィ領域の大きさが変化する。ＶＣＯノズルタイプの燃料噴射弁では、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、ノズル口の有効開口面積が変化する。
【０００３】
特許文献３には、シリンダの中心軸上に配設されかつ、ホローコーン状に燃料を噴射する外開弁式の燃料噴射弁を備えた直噴エンジンにおいて、圧縮行程の後期にシリンダ内に燃料を噴射することで、燃焼室内に混合気層と、その周囲のガス層とを形成することが記載されている。特許文献３に記載されたエンジンでは、混合気が燃焼するときに、周囲のガス層が断熱層として機能することで、冷却損失が低減する。
【０００４】
特許文献４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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１５１０４３号公報
【特許文献２】特許４１９４５６４号公報
【特許文献３】特開２０１３−５７２６６号公報
【特許文献４】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】
【０００６】
特許文献３に記載されているように、混合気層の周囲に断熱ガス層を形成しようとしたときに、燃料噴射量が比較的少ないときには、混合気層をコンパクトにすることが容易であるため、周囲に断熱ガス層を形成し易い。これに対し、燃料噴射量が多くなったときには、噴射した燃料が拡散することで混合気層をコンパクトにすることが難しくなり、混合気層が燃焼室の壁面に接触するようになって、周囲の断熱ガス層を確保することが困難になる。断熱ガス層が形成されないことによって、冷却損失の低減が達成されなくなる。
【０００７】
ここに開示する技術は、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、直噴エンジンにおいて、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にある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
燃料噴射量が多くなったときに、燃料を一括で噴射すると、前述の通り、燃料が拡散して断熱ガス層が形成できなくなる。そこで、例えば燃焼室内に燃料を噴射する第１噴射を行った後に、所定の間隔を空けて第２噴射を行うといったように、燃料噴射を複数回に分けて行うことが考えられる。
【０００９】
ここで、分割噴射を行う際に、噴射と噴射との時間間隔を広くする（つまり、噴射と噴射との間の休止時間を長くする）と、先の噴射によって噴射した燃料噴霧と、後の噴射によって噴射した燃料噴霧とが、燃焼室内において重なることが抑制され、局所的に過濃な混合気が形成されることを防止することができる。これは、スモークの発生を抑制する。
【００１０】
しかしながら、エンジン回転数が高くなると、クランク角が変化することに対する時間の経過が短くなるため、噴射と噴射との間の休止時間が短くなってしまう。燃料噴射弁から燃料が噴射されることに伴い燃焼室内に形成される噴霧流れは、周囲の空気（又は空気を含むガス）を巻き込むようになるが、噴射と噴射との間の休止時間が短くなると、後から噴射した燃料噴霧が、先に噴射された燃料噴霧による空気流れに引き寄せられる結果、先に噴射された燃料噴霧と重なってしまう。
【００１１】
そこで、後から噴射する燃料噴射の噴射終了時期（つまり、クランク角）を遅らせることによって、噴射と噴射との間の休止時間を長くすることが考えられるが、着火までの間に燃料の気化及び燃料と空気とのミキシングを行うことを考慮すると、後から噴射する燃料噴射の噴射終了時期を遅らせることができない。また、先に噴射する燃料噴射の噴射開始時期を進角させることによって、噴射と噴射との間の休止時間を長くすることも考えられるが、噴射開始時期を進角させると、シリンダ内の圧力及び温度が低いときに燃料を噴射することになるため、先の噴射によって噴射した燃料噴霧が拡散し易く、その結果、混合気が燃焼室の壁面に接触し易くなる。
【００１２】
本願発明者等は、この点に着目して、複数の燃料噴射を行うことを前提に、エンジンの回転数の高低に拘わらず、先の噴射によって噴射した燃料噴霧と後の噴射によって噴射した燃料噴霧との重なりを回避しつつ、混合気層が燃焼室の壁面に接触してしまうことを防止するように、燃料噴射の噴射形態を工夫することにした。
【００１３】
具体的に、例えば外開弁式の燃料噴射弁のように、リフト量が大きくなるほど、燃料を噴射する噴口の有効開口面積が大きくなるように構成された燃料噴射弁においては、燃料圧力が一定という条件の下で、噴口の有効開口面積が広くなると、燃料の噴射速度が低下する。また、噴口の有効開口面積が狭くなりすぎると、燃料が噴口を通過する際の、噴口の壁面と燃料との摩擦の影響が大きくなり、この場合も、燃料の噴射速度が低下する。従って、燃料の噴射速度が最高となるリフト量が存在し、リフト量がその最高速度リフト量よりも大きくても小さくても、燃料の噴射速度は低下する。尚、この最高速度リフト量は、比較的小さい。
【００１４】
また、燃料噴射弁のリフト量を大きくして噴口の有効開口面積を大きくすると、燃料に作用する抵抗、すなわち、燃料の流量に対する壁面摩擦抵抗の割合が小さくなるため、燃料噴射を開始した後、燃料の噴射速度が速やかに上昇する。逆に、燃料噴射弁のリフト量を小さくして噴口の有効開口面積を小さくすると、燃料に作用する抵抗が大きくなるため、燃料噴射を開始した後、燃料の噴射速度が上がり難くなる。
【００１５】
このような特性から、燃料噴射弁のリフト量を大きくしかつ、噴射期間を短くした噴射態様と、燃料噴射弁のリフト量を小さくしかつ、噴射期間を長くした噴射態様とを比較すると、前者の噴射態様は、燃料の噴射開始後、速やかに燃料の噴射速度が上昇するものの、到達する噴射速度は比較的低くなるのに対し、後者の噴射態様は、燃料の噴射開始当初の噴射速度は低くなるものの、後半の噴射速度は比較的高くなる。
【００１６】
本願発明者らは、こうした燃料噴射弁の特性に着目して、ここに開示する技術を完成するに至ったものである。具体的にここに開示する技術は、直噴エンジンの燃料噴射制御装置に係り、この装置は、シリンダヘッドの天井部と、シリンダブロックに設けられたシリンダと、前記シリンダ内を往復動するピストンとによって区画される燃焼室を有して構成されたエンジン本体と、前記燃焼室内に、液体の燃料を噴射するように配設された燃料噴射弁を有しかつ、少なくとも圧縮行程の後半で、前記燃料を前記燃焼室内に噴射するよう構成された燃料噴射制御部と、を備える。
【００１７】
そして、前記燃料噴射弁は、リフト量が大きくなるほど、前記燃料を噴射する噴口の有効開口面積が大きくなるように構成され、前記燃料噴射制御部は、前記エンジン本体の運転状態が、所定の低回転領域にあるときには、所定の第１リフト量でかつ、所定の第１噴射期間で燃料を噴射する第１噴射を行った後に、前記第１リフト量よりも小さい第２リフト量でかつ、前記第１噴射期間よりも長い第２噴射期間で燃料を噴射する第２噴射を行い、前記エンジン本体の運転状態が、前記低回転領域よりも回転数の高い高回転領域にあるときには、前記第２噴射を行った後に、前記第１噴射を行う。
【００１８】
この構成によると、エンジン本体の運転状態が所定の低回転領域にあるときには、第１噴射を行った後に、第２噴射を行う。第１噴射は、相対的にリフト量が高くかつ、相対的に噴射期間が短い噴射である。第１噴射は、このような噴射態様により、前述したように燃料の噴射開始後、速やかに燃料の噴射速度が上昇する。第１噴射によって噴射された燃料噴霧は、燃焼噴射弁から離れた位置まで到達するようになる。これによって、燃焼室内の空気の利用率が高まる。
【００１９】
第１噴射はリフト量が比較的高いため、噴射速度はそれほど高くならない。また、エンジン本体が低回転であるため、後述の通り、第１噴射と第２噴射との間の休止時間を長く確保することが可能である。このため、第１噴射の噴射開始時期を遅い時期にすることが可能である。第１噴射は、その一部又は全部を圧縮行程の後半に行ってもよい。ここで、圧縮行程の後半は、圧縮行程期間を前半と後半との２つの期間に２等分したときの後半に相当する。こうすることで、第１噴射を行うときのシリンダ内の圧力及び温度は高くなっている。これにより、燃料噴霧が飛びすぎることが回避でき、燃料噴霧が燃焼室の壁面に接触することが回避される。こうして、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。尚、ここでいう燃焼室は、ピストンが上死点に至ったときのシリンダ内空間に限定されず、ピストン位置に拘わらず、シリンダヘッドの天井部とシリンダとピストンとによって区画される空間である、広義の燃焼室である。
【００２０】
第２噴射は、相対的にリフト量が低くかつ、相対的に噴射期間が長い噴射である。第２噴射は、このような噴射態様により、前述したように燃料の噴射速度が、噴射開始当初は低くなる。第２噴射によって噴射された燃料噴霧が、第１噴射によって噴射された燃料噴霧に追いつくことが防止される。また、第２噴射は、第１噴射との間に長い休止時間を空けた後に行われる。このため、第２噴射によって噴射された燃料噴霧が引き寄せられて、燃料噴霧同士が重なることが回避される。こうして、第１噴射によって噴射された燃料噴霧と第２噴射によって噴射された燃料噴霧とは、その噴射方向に位置がずれるようになる。
【００２１】
また、燃料噴射弁から燃料が噴射されることに伴い燃焼室内に形成される噴霧流れは、前述したように、周囲の空気を巻き込むようになる。このときに、燃料噴霧は、燃料噴射弁の先端から広がるように噴射されるが、噴射された燃料噴霧の内側となる燃料噴射弁の噴射軸心の付近には、空気が流れ込み難い。噴射期間が長くなると、燃料噴射弁の噴射軸心の付近は、負圧が強まるようになり、燃料噴霧の内外の圧力差によって燃料噴霧は、燃料噴射弁の噴射軸心に近づくようになる。
【００２２】
第２噴射の噴射期間を相対的に長くすることによって、第２噴射によって噴射された燃料噴霧は、前述した圧力差によって、第１噴射によって噴射された燃料噴霧よりも、噴霧角の角度方向の内側に位置するようになる。第１噴射によって噴射された燃料噴霧と第２噴射によって噴射された燃料噴霧とは、噴射方向に位置がずれるだけでなく、噴霧角の角度方向にも位置がずれるようになる。こうして、局所的に過濃な混合気が形成されることが回避される。また、第１噴射及び第２噴射のそれぞれで噴射した燃料噴霧の配置が異なるため、燃焼室内の空気の利用率も高まる。尚、第２噴射は、ピストンが上死点に至るまで（ピストンが上死点に至った時点を含む）に、終了することが好ましい。
【００２３】
エンジン本体の運転状態が低回転の領域にあるときには、第１噴射を先に、第２噴射を後にすることによって、燃焼室内に混合気層と断熱ガス層とを形成して冷却損失の低減を図りつつ、局所的に過濃な混合気が形成されることを回避してスモークの発生を回避することが可能になる。また、第１噴射を先に、第２噴射を後にすることによって、燃焼室内の空気の利用率も高まる。
【００２４】
これに対し、エンジン本体の運転状態が高回転の領域にあるときには、相対的にリフト量が低くかつ、噴射期間が相対的に長い第２噴射を行い、その後、相対的にリフト量が高くかつ、噴射時間が相対的に短い第１噴射を行う。つまり、高回転領域にあるときには、低回転領域にあるときに対して、第１噴射及び第２噴射の順番を入れ替える。これにより、後から行う第１噴射は、前述したように、噴射開始当初の燃料の噴射速度が高くなるから、先に行った第２噴射に伴う空気流れの影響を受けにくくなる。高回転領域にあるときには、第１噴射と第２噴射との間の休止時間は短くなりがちであるが、第１噴射によって噴射された燃料噴霧が引き寄せられて、第２噴射によって噴射された燃料噴霧と重なってしまうことが防止される。これによって、局所的に過濃な混合気が形成されてしまうことが防止され、スモークの発生が抑制される。
【００２５】
また、エンジン本体の運転状態が高回転領域にあるときには、後から行う第１噴射によって噴射された燃料噴霧の気化時間が短くなってしまうものの、前述したように、第１噴射によって噴射される燃料噴霧の速度は速やかに高まるため、燃料噴霧が分裂及び分散し易くなって、燃料の気化及び燃料と空気との混合に有利になる。つまり、エンジン本体の運転状態が高回転領域にあるときに、第１噴射を後で行うことは、着火までの短い時間内に混合気を速やかに形成する上で有利になる。
【００２６】
一方、エンジン本体の運転状態が高回転領域にあるときには、第２噴射を先に行うものの、前述したように、噴射開始当初の燃料の噴射速度が低くなって、燃料噴霧は飛び難くなる。これにより、燃料噴霧が燃焼室の壁面に接触することが防止される。こうして、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。
【００２７】
また、第２噴射によって噴射された燃料噴霧は、前述の通り、内外の圧力差によって燃料噴射弁の噴射軸心に近づくようになるから、第１噴射によって噴射された燃料噴霧とは、噴射角の角度方向に位置がずれるようになり、燃料噴霧同士の重なりを防止することが可能になる。
【００２８】
こうして、エンジン本体の運転状態が高回転の領域にあるときには、第２噴射を先に、第１噴射を後にすることによって、燃焼室内に混合気層と断熱ガス層とを形成して冷却損失の低減を図りつつ、局所的に過濃な混合気が形成されることを回避してスモークの発生を回避することが可能になる。
【００２９】
前記燃料噴射制御部は、前記エンジン本体の運転状態が前記高回転領域にあるときには、前記第２噴射の噴射開始時期を、前記エンジン本体の運転状態が前記低回転領域にあるときの前記第１噴射の噴射開始時期よりも進角させる、としてもよい。
【００３０】
エンジン本体の運転状態が高回転領域にあるときには、クランク角の変化に対する時間の経過が短いため、第２噴射と第１噴射との間の休止時間を長く確保しようとすれば、第２噴射の噴射開始時期（つまり、クランク角）を進めることになる。進角させた第２噴射は、圧縮行程期間中に開始するようにすればよい。
【００３１】
第２噴射の噴射開始時期を進めると、シリンダ内の圧力及び温度が低いときに燃料の噴射を行うことになるが、前述したように、第２噴射は、燃料噴射を開始した当初の噴射速度が比較的低い。このため、シリンダ内の圧力及び温度が低い状態で燃料の噴射を開始しても、噴射した燃料噴霧の到達距離を短くすることが可能になる。その結果、燃料噴霧が燃焼室の壁面に接触することを防止することが可能になる。
【００３２】
また、そうして第２噴射の噴射開始時期を進めることによって、第２噴射と第１噴射との間の休止時間も長くすることが可能になり、第２噴射によって噴射された燃料噴霧と第１噴射によって噴射された燃料噴霧とが重なることを回避する上で有利になる。又は、第２噴射の噴射開始時期を進めることに伴い、第１噴射の開始を進めると共に、第１噴射の噴射終了時期を進めることが可能になる。これは、第１噴射の噴射終了から着火までの時間を長くして、第１噴射によって噴射した燃料による混合気の形成に有利になる。
【００３３】
前記燃料噴射弁は、噴口が形成されたノズル本体と、外向きにリフトすることによって前記噴口を開閉する外開弁とを有しかつ、前記噴口からホローコーン状に前記燃料を噴射するよう構成された外開弁式の燃料噴射弁である、としてもよい。
【００３４】
外開弁式の燃料噴射弁は、リフト量が大きくなるほど、燃料を噴射する噴口の有効開口面積が大きくなると共に、ホローコーン状に燃料を噴射する。この外開弁式の燃料噴射弁を用いて、前述した第１噴射及び第２噴射を行うことにより、エンジン本体が低回転領域にあるとき、及び、高回転領域にあるときのそれぞれにおいて、燃焼室内に混合気層と断熱ガス層とを形成しつつ、局所的に過濃な混合気の形成を防止することが可能になる。
【００３５】
外開弁式の前記燃料噴射弁は、前記シリンダヘッドの天井部において、噴射軸心が前記シリンダの軸線に沿うように配設されており、前記天井部には、前記燃料噴射弁の先端部を収容する凹部が、その天井面から凹陥して形成されている、としてもよい。
【００３６】
こうすることで、燃料噴射弁をシリンダヘッドの天井面から奥まった位置に配置することが可能になるため、ピストンが上死点に至ったときの、ピストンの頂面と燃料噴射弁の先端との間隔を、できる限り広くすることが可能になる。これは、混合気層の周囲に断熱ガス層を形成する上で有利である。
【００３７】
また、前述の通り、外開弁式の燃料噴射弁は、ホローコーン状に燃料を噴射するため、燃料噴射弁から噴射した燃料噴霧が、コアンダ効果によってシリンダヘッドの天井面に付着し易くなる。しかしながら、前記の構成では、シリンダヘッドの天井面から凹陥する凹部を設けることで、燃料噴射弁の先端と凹部の内周面との間隔が広がり、燃料噴射弁から噴射した燃料噴霧が、シリンダヘッドの天井面に付着することが抑制される。
【００３８】
前記ピストンの頂面には、キャビティが形成されており、前記燃料噴射弁は、前記キャビティ内に向かって前記燃料を噴射するように構成されている、としてもよい。
【００３９】
こうすることで、燃料噴射弁から噴射された燃料によって形成される混合気層は、主にキャビティ内に形成され、混合気層とその周囲の断熱ガス層とを形成する上で有利になる。
【発明の効果】
【００４０】
以上説明したように、前記直噴エンジンの燃料噴射制御装置によると、エンジン本体の運転状態が低回転領域にあるときには、第１リフト量でかつ、第１噴射期間で燃料を噴射する第１噴射を行った後に、第１リフト量よりも小さい第２リフト量でかつ、第１噴射期間よりも長い第２噴射期間で燃料を噴射する第２噴射を行うと共に、エンジン本体の運転状態が、高回転領域にあるときには、第２噴射を行った後に、第１噴射を行うことで、いずれの回転領域においても、混合気層と断熱ガス層とを形成して冷却損失を低減しつつ、各噴射によって噴射した燃料噴霧同士が重なることを防止して、スモークの発生を防止することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】直噴エンジンの構成を示す概略図である。
【図２】燃焼室の構成を示す断面図である。
【図３】外開弁式の燃料噴射弁の、リフト量と噴口の有効開口面積との関係を示す図である。
【図４】（ａ）低回転領域における燃料の噴射態様、（ｂ）高回転領域における燃料の噴射態様を示す図である。
【図５】（ａ）燃料噴射弁のリフト量の相違を示す図、（ｂ）燃料の噴射速度の相違を示す図である。
【図６】低回転時の燃焼室内における燃料噴霧の広がりを説明する図である。
【図７】高回転時の燃焼室内における燃料噴霧の広がりを説明する図である。
【図８】図４とは異なる、燃料の噴射態様を示す図であり、（ａ）低回転領域における燃料の噴射態様、（ｂ）高回転領域における燃料の噴射態様を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
以下、実施形態を図面に基づいて説明する。以下の説明は例示である。
【００４３】
（エンジンの全体構成）
図１は、実施形態に係るエンジン１の構成を示している。エンジン１のクランクシャフト１５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。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い。ここに開示する技術は、様々な種類の液体燃料を用いるエンジンに広く適用することが可能である。
【００４４】
エンジン１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１１が形成されている（図１では、１つのみ示す）。エンジン１は、多気筒エンジンである。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。各シリンダ１１内には、コネクティングロッド１４を介してクランクシャフト１５に連結されたピストン１６が摺動自在に嵌挿されている。ピストン１６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。
【００４５】
本実施形態では、燃焼室１７の天井部１７０（シリンダヘッド１３の下面）は、吸気ポート１８の開口部１８０が設けられかつ、シリンダ１１の中央に向かって登り勾配となった吸気側斜面１７１と、排気ポート１９の開口部１９０が設けられかつ、シリンダ１１の中央に向かって登り勾配となった排気側斜面１７２とを備えて構成されている。燃焼室１７は、ペントルーフ型の燃焼室である。尚、ペントルーフの稜線は、シリンダ１１のボア中心に一致する場合、及び一致しない場合の両方があり得る。また、ピストン１６の頂面１６０は、図２にも示すように、天井部１７０の吸気側斜面１７１及び排気側斜面１７２に対応するように、吸気側及び排気側のそれぞれにおいて、ピストン１６の中央に向かって登り勾配となった傾斜面１６１、１６２によって、三角屋根状に隆起している。これにより、このエンジン１の幾何学的圧縮比は、１５以上の高い圧縮比に設定されている。また、ピストン１６の頂面１６０には、凹状のキャビティ１６３が形成されている。
【００４６】
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。吸気ポート１８の開口部１８０は、シリンダヘッド１３の吸気側斜面１７１に、エンジン出力軸（つまり、クランクシャフト１５）の方向に並んで設けられ、吸気ポート１８は、この開口部１８０を通じて燃焼室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。排気ポート１９の開口部１９０は、シリンダヘッド１３の排気側斜面１７２に、エンジン出力軸の方向に並んで設けられ、排気ポート１９は、この開口部１９０を通じて燃焼室１７に連通している。
【００４７】
吸気ポート１８は、吸気通路１８１に接続されている。吸気通路１８１には、吸気流量を調節するスロットル弁５５が、介設されている。排気ポート１９は、排気通路１９１に接続されている。排気通路１９１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設されている。触媒コンバータは、三元触媒を含む。
【００４８】
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から遮断する（つまり、燃焼室１７を閉じる）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。シリンダヘッド１３にはまた、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。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を開閉すると共に、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。それによって、シリンダ１１内のガス交換を行う。
【００４９】
吸気弁駆動機構は、図示は省略するが、クランクシャフト１５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１５の回転と同期して回転する。また、排気弁駆動機構は、図示は省略するが、クランクシャフト１５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１５の回転と同期して回転する。
【００５０】
吸気弁駆動機構は、この例では、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、液圧式又は電動式の位相可変機構（Variable Valve Timing：ＶＶＴ）２３を、少なくとも含んで構成されている。尚、吸気弁駆動機構は、ＶＶＴ２３と共に、弁リフト量を変更可能なリフト可変機構を備えるようにしてもよい。
【００５１】
排気弁駆動機構は、この例では、排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、液圧式又は電動式のＶＶＴ２４を、少なくとも含んで構成されている。尚、排気弁駆動機構は、ＶＶＴ２４と共に、弁リフト量を変更可能なリフト可変機構を備えるようにしてもよい。
【００５２】
リフト可変機構は、リフト量を連続的に変更可能なＣＶＶＬ（Continuous Variable Valve Lift）としてもよい。尚、吸気弁２１を駆動する動弁機構、及び、排気弁２２を駆動する動弁機構は、どのようなものであってもよく、例えば油圧式や電磁式の駆動機構を採用してもよい。
【００５３】
図２に拡大して示すように、シリンダヘッド１３には、燃焼室１７内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁６が取り付けられている。燃料噴射弁６は、吸気側斜面１７１と排気側斜面１７２とが交差するペントルーフの稜線上に配設されている。燃料噴射弁６はまた、その噴射軸心Ｓが、シリンダ１１の軸線に沿うように配設されて、噴射先端が、燃焼室１７内に臨んでいる。燃料噴射弁６の噴射軸心Ｓは、シリンダ１１の軸線と一致する場合、及び、シリンダ１１の軸線からずれる場合の双方がある。
【００５４】
ピストン１６のキャビティ１６３は、燃料噴射弁６に向かい合うように設けられている。燃料噴射弁６は、このキャビティ１６３内に向かって、燃料を噴射する。
【００５５】
燃料噴射弁６は、ここでは、外開弁式の燃料噴射弁である。外開弁式の燃料噴射弁６は、その先端部を図３に拡大して示すように、燃料を噴射する噴口６１が形成されたノズル本体６０と、噴口６１を開閉する外開弁６２とを有する。
【００５６】
ノズル本体６０は、その内部を燃料が流通するように筒状に構成されており、噴口６１は、ノズル本体６０の先端部に設けられている。噴口６１は、先端側ほど径が大きくなるテーパ状に形成されている。
【００５７】
外開弁６２は、ノズル本体６０の先端において、ノズル本体６０から外側に露出する弁本体６３と、弁本体６３からノズル本体６０内を通って図示省略のピエゾ素子に接続される接続部６４とを有している。弁本体６３は、テーパ状の噴口６１と略同じ形状を有する着座部６５を有する。弁本体６３の着座部６５と接続部６４との間には、縮径部６６が介在する。図３に示すように、縮径部６６は、着座部６５とは傾きが相違し、基端から先端に向かう縮径部６６の傾きは、着座部６５の傾きよりも緩やかである。
【００５８】
図３に二点鎖線で示すように、着座部６５が噴口６１に当接しているときには、噴口６１が閉口状態となる。電圧が印加されることによりピエゾ素子が変形して、外開弁６２が噴射軸心Ｓに沿って外向きにリフトする。このことに伴い、図３に実線で示すように、着座部６５が噴口６１から離れて噴口６１が開口状態となる。噴口６１が開口状態となれば、燃料が、噴口６１から噴射軸心Ｓに対して傾斜した方向であって、噴射軸心Ｓを中心とする半径方向に広がる方向へ噴射される。燃料は、噴射軸心Ｓを中心とするホローコーン状に噴射される。ピエゾ素子への電圧の印加が停止すると、ピエゾ素子が元の状態に復帰することで、外開弁６２の着座部６５が噴口６１に当接して、噴口６１を再び閉口状態にする。
【００５９】
ピエゾ素子に印加する電圧が大きいほど、外開弁６２の、噴口６１の閉じた状態からのリフト量が大きくなる。図３から明らかなように、リフト量が大きいほど、噴口６１の開度、つまり、有効開口面積が大きくなる。有効開口面積は、噴口６１と着座部６５との距離によって定義される。リフト量が大きいほど、噴口６１から燃焼室１７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、噴口６１から燃焼室１７内に噴射される燃料噴霧の粒径が小さくなる。また、燃料が噴口６１を通過する際には、縮径部６６に沿うように流れることから、リフト量が大きいほど、縮径部６６が噴口６１から離れることで、燃料の噴霧角（つまり、ホローコーンのテーパ角度）が狭くなり、リフト量が小さいほど、縮径部６６が噴口６１に近づくことで、燃料の噴霧角（つまり、ホローコーンのテーパ角度）が広くなる。
【００６０】
また、燃料圧力が同一と仮定すれば、有効開口面積は大きいほど、噴射速度は低くなる。逆に、有効開口面積が小さくなれば、噴射速度が高まるものの、有効開口面積が小さくなりすぎると、噴口の壁面から受ける燃料の摩擦抵抗の影響が大きくなるため、噴射速度は低くなる。従って、燃料の噴射速度が最高となるリフト量が存在し、リフト量がその最高速度リフト量よりも大きくても小さくても、燃料の噴射速度は低下する。尚、この最高速度リフト量は、比較的小さい。
【００６１】
図２に示すように、シリンダヘッド１３の天井部１７０には、その天井面から凹陥する凹部１７３が設けられており、燃料噴射弁６の先端部は、この凹部１７３内に収容されている。凹部１７３の内周面は、燃焼室１７の内方に向かうに従って次第に拡径するように傾斜している。燃料噴射弁６の先端部を、シリンダヘッド１３の天井面から奥まった位置に配置することによって、幾何学的圧縮比を高くしながら、ピストン１６が上死点に至ったときの、ピストン１６の頂面１６０と燃料噴射弁６の先端部との間隔を、できる限り広くすることが可能になる。これは、後述するように、混合気層の周囲に断熱ガス層を形成する上で有利である。また、燃料噴射弁６の先端部と凹部１７３の内周面との間隔が広がるため、燃料噴射弁６から噴射した燃料噴霧が、コアンダ効果によってシリンダヘッド１３の天井面に付着することを抑制することが可能になる。
【００６２】
燃料供給システム５７は、外開弁６２を駆動するための電気回路と、燃料噴射弁６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電気回路に出力することで、該電気回路を介して外開弁６２を作動させて、所望量の燃料を、シリンダ内に噴射させる。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６２により噴口６１が閉じられた状態となる。このようにピエゾ素子は、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、ピエゾ素子の作動を制御して、燃料噴射弁６の噴口６１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。ピエゾ素子の応答は速く、例えば１〜２ｍｓｅｃの間に２０回程度の多段噴射が可能である。但し、外開弁６２を駆動する手段としては、ピエゾ素子には限られない。
【００６３】
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、燃料噴射弁６が作動する（つまり、外開弁６２がリフトされる）ことによって、コモンレールに蓄えられている燃料が噴口６１から噴射される。エンジン制御器１００と、燃料噴射弁６とを含んで、燃料噴射制御部が構成される。
【００６４】
燃料噴射制御部は、詳細は後述するが、図２に概念的に示すように、燃焼室１７内（つまり、キャビティ１６３内）に、（可燃）混合気層と、その周囲の断熱ガス層とが形成可能に構成されている。
【００６５】
このエンジン１は、基本的には全運転領域で、シリンダ１１内に形成した混合気を圧縮着火（つまり、制御自動着火（Controlled Auto Ignition：ＣＡＩ）により燃焼させるように構成されている。エンジン１は、所定の環境下において混合気の着火をアシストするための着火アシストシステム５６を備えている。着火アシストシステム５６は、例えば、燃焼室１７内に臨んで配設される放電プラグとしてもよい。つまり、燃焼室１７で、極短パルス放電が生じるように、制御されたパルス状の高電圧を放電プラグの電極に印加することによって、燃焼室内にストリーマ放電を発生させ、シリンダ内にオゾンを生成する。オゾンは、ＣＡＩをアシストする。尚、着火アシストシステムは、オゾンを発生させる放電プラグに限らず、火花放電を行うことで混合気にエネルギを付与し、ＣＡＩをアシストするスパークプラグとしてもよい。
【００６６】
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。
【００６７】
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、着火アシスト信号、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５５（正確には、スロットル弁５５を動かすスロットルアクチュエータ）、ＶＶＴ２３、２４、燃料供給システム５７及び着火アシストシステム５６等に出力する。
【００６８】
このエンジン１は、前述したように、幾何学的圧縮比εが１５以上に設定されている。幾何学的圧縮比は、４０以下とすればよく、特に２０以上３５以下が好ましい。エンジン１は圧縮比が高いほど膨張比も高くなる構成から、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。高い幾何学的圧縮比は、ＣＡＩ燃焼を安定化する。
【００６９】
燃焼室１７は、シリンダ１１の内周面と、ピストン１６の頂面１６０と、シリンダヘッド１３の下面（天井部１７０）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。冷却損失を低減すべく、これらの区画面に、遮熱層を設けることによって、燃焼室１７が遮熱化されている。遮熱層は、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、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の天井部１７０側の開口近傍のポート壁面に遮熱層を設けてもよい。
【００７０】
これらの遮熱層は、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。
【００７１】
また、遮熱層は、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、遮熱層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。
【００７２】
前記遮熱層は、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、遮熱層の熱伝導率及び容積比熱をより低くすることができる。
【００７３】
本実施形態では、前記の燃焼室の遮熱構造に加えて、燃焼室１７内にガス層による断熱層を形成することで、冷却損失を大幅に低減するようにしている。
【００７４】
具体的には、燃焼室１７内の外周部に新気を含むガス層が形成されかつ中心部に混合気層が形成されるように、圧縮行程以降において燃料噴射弁６の噴射先端からキャビティ１６３内に向かって燃料を噴射させることにより、図２に示すように、燃料噴射弁６の近傍の、キャビティ１６３内の中心部に混合気層が形成されかつ、その周囲に新気を含む断熱ガス層が形成されるという、成層化が実現する。ここで言う混合気層は、可燃混合気によって構成される層と定義してもよく、可燃混合気は、例えば当量比φ＝０．１以上の混合気としてもよい。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。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。混合気は、圧縮上死点の付近において着火する。
【００７５】
断熱ガス層は、新気のみであってもよく、新気に加えて、既燃ガス（ＥＧＲガス）を含んでいてもよい。尚、断熱ガス層に少量の燃料が混じっても問題はなく、断熱ガス層が断熱層の役割を果たせるように混合気層よりも燃料リーンであればよい。
【００７６】
前記のように断熱ガス層と混合気層とが形成された状態で、混合気がＣＡＩ燃焼すれば、混合気層とシリンダ１１の壁面との間の断熱ガス層により、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、その断熱ガス層が断熱層となって、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。
【００７７】
尚、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、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、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。
【００７８】
このような混合気層と断熱ガス層とを燃焼室１７内に形成するために、燃料を噴射するタイミングにおいては、燃焼室１７内のガス流動は弱いことが望ましい。そのため、吸気ポートは、燃焼室１７内でスワールが生じない、又は、生じ難いようなストレート形状を有していると共に、タンブル流もできるだけ弱くなるように、構成されている。
【００７９】
前述したように、燃焼室１７内に混合気層と断熱ガス層とを形成する上で、燃料噴射量が比較的少ないとき、例えばエンジン１の運転状態が、軽負荷領域にあるときには、混合気層をコンパクトにし易いため、混合気層と断熱ガス層とを形成することは比較的容易である。これに対し、燃料噴射量が増えると、燃料を一括で噴射したのでは、混合気層をコンパクトにすることが困難となり、混合気層の周囲に断熱ガス層を形成することが難しくなる。
【００８０】
この点に関し、燃焼室１７内への燃料噴射を、一括して行うのではなく、複数回の噴射に分割して行うことは、燃焼室１７内の空気利用率を高めながら、混合気層と断熱ガス層とを形成する上で有利になるが、燃料噴射を複数回の噴射に分割することによって、燃料噴霧同士が重なりあうことで局所的に過濃な混合気が形成されて、スモークの発生を招く場合がある。
【００８１】
エンジン１の運転状態が、相対的に回転数の低い低回転領域にあるときには、クランク角の変化に対する時間経過が長くなる。そのため、燃料の噴射開始時期を早めなくても、また、燃料の噴射終了時期を遅くしなくても、複数回の噴射を行う際の、噴射と噴射との間の休止時間が比較的長くなる。これにより、後から噴射した燃料噴霧が、先に噴射した燃料噴霧による空気流れの影響を受けにくくなり、後から噴射した燃料噴霧が引き寄せられて先に噴射した燃料噴霧に重なることが回避可能である。
【００８２】
これに対し、エンジン１の運転状態が、高回転領域にあるときには、クランク角の変化に対する時間経過が短くなるため、噴射と噴射との間のクランク角が低回転領域と同じであるとしても、噴射と噴射との間の休止時間は短くなる。この場合、後から噴射した燃料噴霧が、先に噴射した燃料噴霧による空気流れの影響を受けやすくなり、後から噴射した燃料噴霧が引き寄せられて、先に噴射した燃料噴霧に重なりやすい。その結果、局所的に過濃な混合気が形成され、スモークの発生を招くことになる。
【００８３】
このエンジン１は、エンジン１の回転数の高低に拘わらず、局所的に過濃な混合気が形成されないように、燃料の噴射態様を工夫している。具体的に、図４は、燃料の噴射態様を例示している。図４の横軸はクランク角を、縦軸は燃料噴射弁６のリフト量を示している。図４（ａ）は、エンジン１の運転状態が低回転領域にあるときの燃料噴射態様を示している。低回転領域においては、第１噴射を行った後に、第２噴射を行う。第１噴射は、リフト量が相対的に大きい第１リフト量で、燃料噴射を行う。また、第１噴射の噴射期間は、比較的短い第１噴射期間である。
【００８４】
図５は、燃料噴射弁６のリフト量の変化（同図（ａ））と、燃料の噴射速度の変化（同図（ｂ））とを示している。図３にも示すように、外開弁式の燃料噴射弁６において、リフト量を大きくすると噴口６１の有効開口面積は大きくなる。図５（ａ）に実線で示すように、リフト量を比較的大にしたときには、有効開口面積が大きくなるため、噴口６１の壁面による抵抗の影響が小さくなり、燃料の噴射速度を速やかに上昇させることが可能になる。その結果、図５（ｂ）に実線で示すように、噴射期間が短いときでも、燃料の噴射速度は速やかに上昇し、所定の噴射速度に到達して、それを維持することが可能になる。図４における第１噴射は、この高いリフト量でかつ、短い噴射期間の燃料噴射に相当する。
【００８５】
低回転領域では、第１噴射の噴射開始時期（クランク角）は所定の時期に設定される。具体的には、圧縮行程の後半としてもよい。ここでいう圧縮行程の後半は、圧縮行程を前半と後半との２つの期間に２等分したときの後半としてもよい。エンジン１の回転数が低いため、燃料の噴射開始時期を早めなくても、第１噴射と第２噴射との間の休止時間を長く確保することが可能である。
【００８６】
第１噴射は、そのリフト量が高いため、前述の通り、燃料の噴射速度は速やかに高まる。図６に概念的に示すように、燃料噴射弁６から所定の噴霧角で噴射された燃料噴霧は、シリンダ１１内の高い圧力及び温度に抗して、燃料噴射弁６から遠く離れた位置にまで到達するようになる。これにより、燃焼室１７内の空気の利用率が高まる。但し、燃料の噴射開始時期を圧縮行程の後半にすることで、噴射開始時におけるシリンダ１１内の圧力及び温度が高い。このため、燃料噴霧が飛びすぎることを回避することができ、燃料噴霧が燃焼室１７内の壁面に接触することは防止される。これにより、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。
【００８７】
第１噴射の終了後、所定の間隔を空けて第２噴射を行う。第２噴射は、第１噴射の第１リフト量よりもリフト量が小さい第２リフト量でかつ、第１噴射の第１噴射期間よりも噴射期間が長い第２噴射期間で燃料を噴射する。
【００８８】
図５（ａ）（ｂ）に破線で示すように、リフト量を比較的低くすることにより、燃料の噴射速度の上昇は遅れる。しかしながら、噴射期間を長くすることによって、噴射速度が次第に高まる結果、最終的に到達する噴射速度は高くなる。例えば図５（ａ）（ｂ）における一点鎖線は、比較的高いリフト量でかつ、噴射期間を長く設定したときの噴射速度の変化を示している。噴射期間の前半においては、リフト量が高い方が、噴射速度が高くなるが、噴射期間の後半においては、リフト量が低い方が、噴射速度が高くなる。
【００８９】
第２噴射によって噴射される燃料噴霧は、噴射開始当初は低い噴霧速度となる。これにより、第１噴射と第２噴射との間に長い休止時間が空けられていることと相俟って、第２噴射によって噴射された燃料噴霧が、第１噴射によって噴射された燃料噴霧に追いついて、燃料噴霧同士が重なることが抑制される。また、休止時間が長いため、第２噴射によって噴射された燃料噴霧が、第１噴射に伴う空気流れに引き寄せられることも抑制される。その結果、第１噴射によって噴射された燃料噴霧と、第２噴射によって噴射された燃料噴霧とは、噴射方向に位置がずれるようになる。
【００９０】
また、第２噴射は噴射期間が長いため、第２噴射によって噴射された燃料噴霧は、燃料噴射弁６の噴射軸心Ｓに近づくようになる。図６は、図４（ａ）に示す低回転領域の燃料噴射態様に対応する、燃焼室１７内の燃料噴霧の広がりを示している。つまり、燃料が噴射されることに伴い燃焼室１７内に形成される噴霧流れは、周囲の空気を巻き込むようになる。しかし、燃料噴射弁６の先端部からホローコーン状に噴射される燃料噴霧の内側は、空気が流れ込み難い。そのため、噴射期間が長くなると、燃料噴射弁６の噴射軸心Ｓの付近は、負圧が強まるようになり、燃料噴霧の内外の圧力差によって、図６に実線の矢印で示すように、燃料噴霧は、燃料噴射弁６の噴射軸心Ｓに近づくようになる。これにより、第１噴射によって噴射された燃料噴霧と、第２噴射によって噴射されて燃料噴霧とは、噴霧角の角度方向にも位置がずれるようになる。より詳細には、第１噴射によって噴射された燃料噴霧の軸を基準とし、その軸方向に直交する径方向について、第２噴射によって噴射された燃料噴霧は、第１噴射によって噴射された燃料噴霧に対し径方向の内側に位置するようになる。こうして、燃料噴霧同士が重なることが防止されるから、混合気層が局所的に過濃となることを、確実に防止することが可能になる。その結果、スモークの発生を抑制することが可能になる。
【００９１】
図４（ｂ）に示すように、エンジン１の運転状態が高回転領域にあるときには、第２噴射を行った後に、第１噴射を行う。このように、エンジン１の回転数の高低に対して、第１噴射と第２噴射とを入れ替える。
【００９２】
エンジン１の回転数が高いときには、噴射と噴射との間の休止時間が短くなる。ここで、低回転領域と同様に、燃料の噴射速度が高い第１噴射を先に行うと、燃料噴霧に巻き込まれる空気流れが強くなる一方で、後で噴射する第２噴射は、噴射開始当初の噴射速度が低いため、燃料噴霧が、強い空気流れに引き寄せられて、第１噴射によって噴射された燃料噴霧と重なりやすくなる。
【００９３】
また、噴射と噴射との間の休止時間が長くなるように、燃料の噴射開始時期（噴射開始クランク角）を進めると、燃料の噴射を開始するときのシリンダ１１内の圧力及び温度が低くなる。この状態で、相対的にリフト量が高くかつ、相対的に噴射期間が短い第１噴射を先に行うと、高い噴射速度によって燃料噴霧が飛びすぎてしまい、燃料噴霧が燃焼室１７の壁面に接触してしまう。
【００９４】
そこで、このエンジン１では、高回転領域では、第２噴射を先に行う。また、第２噴射の噴射開始時期（つまり、クランク角）は、低回転領域における第１噴射の噴射開始時期よりも進角させる（図４（ａ）（ｂ）参照）。第２噴射は、圧縮行程期間中に噴射を開始するようにしてもよい。図７は、図４（ｂ）に示す高回転領域の燃料噴射態様に対応する、燃焼室１７内の燃料噴霧の広がりを示している。第２噴射は、噴射開始当初の噴射速度が遅いため、シリンダ１１内の圧力及び温度が低い状態で、燃料の噴射を開始しても、燃料噴霧が飛びすぎることが防止される。燃料噴霧が燃焼室１７の壁面に接触することが回避されるため、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。また、第２噴射の噴射開始時期を進角させることによって、第２噴射と第１噴射との間の休止時間をできる限り長くすることが可能になる。
【００９５】
第２噴射はまた、噴射期間の長い噴射であるため、前述したように、燃料噴霧の内外の圧力差によって、燃料噴霧は、燃料噴射弁６の噴射軸心Ｓに近づくようになる（図７参照）。
【００９６】
第２噴射の終了後に、所定の間隔を空けて第１噴射を行う。第１噴射は、前述の通り、リフト量が相対的に高い噴射であり、噴射速度は速やかに高まる。また、第２噴射と第１噴射との間の休止時間も、可能な限り長くしている。これにより、第１噴射によって噴射された燃料噴霧は、第２噴射に伴う空気流れの影響を受けにくくなる。つまり、第１噴射によって噴射された燃料噴霧が、空気流れに引き寄せられることが防止される。また、前述したように、第２噴射によって噴射された燃料噴霧は、圧力差によって燃料噴射弁６の噴射軸心Ｓに近づくようになるのに対し、第１噴射は所定の噴霧角で燃料が噴射することで、第２噴射によって噴射された燃料噴霧と、第１噴射によって噴射された燃料噴霧とは、噴霧角の角度方向に位置がずれるようになる。こうして、高回転領域においても、第１噴射によって噴射された燃料噴霧と、第２噴射によって噴射された燃料噴霧とが重なることが防止され、局所的に過濃な混合気が形成されることが回避される。
【００９７】
また、第１噴射は、燃料の噴射速度が速やかに高まることで燃料噴霧が分裂及び分散し易い。このため、高回転領域において、第１噴射の噴射終了から着火までの時間は短くなるものの、その短い時間の間に混合気の形成が可能になるという利点もある。尚、図４（ｂ）の例では、第２噴射の噴射開始時期を進角させることに伴い、第１噴射の噴射開始時期を進角させることによって、その噴射終了時期を、低回転領域での第２噴射の噴射終了時期よりも進角させている。これは、高回転領域において、第１噴射の噴射終了から着火までの時間を可能な限り長くすることになり、混合気の形成に有利になる。
【００９８】
こうして、第１噴射と第２噴射とを行うことによって、エンジン１の運転状態が低回転領域にあるとき、及び、高回転領域にあるときのそれぞれにおいて、燃焼室１７内に混合気層とその周囲の断熱ガス層とを形成しつつ、局所的に過濃な混合気が形成されることを回避して、スモークの発生を防止することが可能になる。
【００９９】
図８は、図４とは異なる燃料噴射態様を示している。図８に示す燃料噴射態様と、図４に示す燃料噴射態様とは、低回転領域における燃料噴射態様が相違する。つまり、図８（ａ）に示すように、低回転領域においては、第２噴射を、複数の燃料噴射を含む多段噴射によって構成している。前述の通り、ピエゾ素子を有する燃料噴射弁６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。多段噴射によって構成される第２噴射のリフト量は、図４に示す噴射態様と同様に、第２リフト量である。また、多段噴射によって構成される第２噴射の噴射期間は、図４に示す噴射態様と同様に、第１噴射の噴射期間よりも長い。第２噴射を多段噴射にした場合も、噴射した燃料噴霧は、図６に示すように、燃料噴射弁６の近くでかつ、燃料噴射弁６の噴射軸心Ｓに近づくようになる。こうして、第１噴射によって噴射された燃料噴霧と第２噴射によって噴射された燃料噴霧とを、その噴射方向及び噴射方向に直交する径方向のそれぞれに対し、位置をずらすことが可能になる。
【０１００】
尚、図８の例では、第２噴射を構成する各燃料噴射同士の間隔を、実質的にゼロにしているが、燃料噴射と燃料噴射との間に所定の間隔を設けてもよい。また、高回転領域においては、クランク角の変化に対する時間の経過が短くなるため、多段噴射にすることは困難になる。
【０１０１】
前記の例では、燃料噴射弁６として外開弁式の燃料噴射弁を採用しているが、ここに開示する技術に適用可能な燃料噴射弁６は、外開弁式の燃料噴射弁に限らない。例えばＶＣＯ（Valve Covered Orifice）ノズルタイプのインジェクタも、ノズル口に発生するキャビテーションの度合い調整することにより、噴口の有効開口面積を変更することが可能である。従って、外開弁式の燃料噴射弁と同様に、図４又は図８に示す燃料噴射態様によって、キャビティ１６３内の中央部に混合気層を、その外周囲に断熱ガス層を形成すると共に、局所的に過濃な混合気が形成されることを抑制することが可能である。
【０１０２】
尚、前記の例では、燃焼室及び吸気ポートの遮熱構造を採用すると共に、燃焼室内に断熱ガス層を形成するようにしたが、ここに開示する技術は、遮熱構造を採用しないエンジンに対しても適用することが可能である。
【符号の説明】
【０１０３】
１  エンジン（エンジン本体）
１００  エンジン制御部（燃料噴射制御部）
１１  シリンダ
１２  シリンダブロック
１３  シリンダヘッド
１６  ピストン
１６３  キャビティ
１７  燃焼室
１７３  凹部
６  燃料噴射弁
６０  ノズル本体
６１  噴口
６２  外開弁
【図１】
2016135992.tif 000003
【図２】
2016135992.tif 000004
【図３】
2016135992.tif 000005
【図４】
2016135992.tif 000006
【図５】
2016135992.tif 000007
【図６】
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【図７】
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【図８】
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