JP5494568B2 - ガソリンエンジン - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも一部がガソリンからなる燃料と空気との混合気を燃焼室で燃焼させることによりピストンを往復運動させるガソリンエンジンに関する。

従来、ガソリンエンジンの分野では、点火プラグからの火花放電により強制的に混合気を着火させる燃焼形態が一般的であったが、近年、このような火花点火による燃焼に代えて、いわゆる圧縮自己着火燃焼をガソリンエンジンに適用する研究が進められている。圧縮自己着火燃焼とは、燃焼室に生成された混合気をピストンで圧縮し、高温・高圧の環境下で、火花点火によらず混合気を自着火させるというものである。圧縮自己着火燃焼は、燃焼室の各所で同時多発的に自着火する燃焼であり、火花点火による燃焼に比べて燃焼期間が短く、より高い熱効率が得られると言われている。

ここで、前記圧縮自己着火燃焼を安定して実現するためには、燃焼室内の混合気の温度をより確実に高温とする必要がある。これに対して、例えば、特許文献１に開示されているように、内部ＥＧＲ量を増大させてこれにより混合気の温度を高める方法や、特許文献２に開示されているように混合気に点火エネルギーを供給して混合気の一部を燃焼させることにより混合気の温度を高めるいわゆる着火アシストを行う方法が検討されている。

特開２００７−８５２４１号公報 特開２０１１−０２１５５３号公報

前記着火アシストを行う場合において、点火エネルギーが加えられる混合気の状態によっては、ＳＯＯＴやＮＯｘが生成されて排気性能が悪化する、あるいは、点火後に適正な圧縮自己着火燃焼が実現しないおそれがある。

本発明は、前記のような事情に鑑みてなされたものであり、着火アシストにより混合気の温度を適性に高めて適正な圧縮自己着火燃焼が実現できるガソリンエンジンを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、少なくとも一部がガソリンからなる燃料と空気との混合気を燃焼室で燃焼させることによりピストンを気筒内で往復運動させるガソリンエンジンであって、前記燃料を燃焼室内に噴射する複数の噴口が先端に形成されているとともに、当該先端部が前記燃焼室天井の径方向中央部分において前記燃焼室内に臨む状態で、前記燃焼室天井に配設されたインジェクタと、前記燃焼室天井のうち前記インジェクタよりも径方向外側の位置に配設されて、前記混合気に点火エネルギーを供給する点火プラグと、前記インジェクタによる燃料の噴射動作および前記点火プラグによる点火動作を制御する制御手段とを備え、前記インジェクタの各噴口は、当該各噴口を通じて燃料が前記ピストンの冠面に近づくほど径方向外側に拡がって放射状に噴射されるように、その各軸線が前記ピストン冠面に近づくほど径方向外側に傾斜する形状を有し、前記ピストンは、その冠面の径方向中央部分に設けられて前記燃焼室天井から離間する方向に凹むキャビティを有し、前記点火プラグは、その点火点が、前記インジェクタの先端部に対して前記気筒の径方向外側に離間するとともに前記キャビティの外周縁よりも径方向内側に位置し、さらに平面視でインジェクタの互いに隣接する噴口の軸線と軸線の間に位置するように、配設されており、前記制御手段は、予め設定されたエンジンの特定運転領域において、前記燃焼室のうち前記キャビティよりも径方向外側の部分に混合気が偏在するような圧縮上死点前の所定のタイミングで燃料を噴射する前段噴射と、前記キャビティ内に混合気が偏在するような圧縮上死点以降の所定のタイミングで燃料を噴射する後段噴射とを、前記インジェクタに実施させるとともに、前記後段噴射が開始されてからこの後段噴射により噴射された燃料が前記燃焼室の壁面に到達するまでの間で、かつ、前記前段噴射に基づく混合気が自着火燃焼を開始した後に、前記点火プラグから前記キャビティ内に存在する混合気に点火エネルギーを供給させることを特徴とする（請求項１）。

本発明によれば、圧縮行程以降の少なくとも２回の噴射時期（前端噴射および後段噴射）に分けて燃料が噴射されることにより、燃焼室内の別々の空間（燃焼室の外周部およびキャビティ内部）に分離して混合気が形成されるため、これらの混合気を圧縮上死点付近で独立して自着火、燃焼させることができる。このため、分割噴射された燃料が混じりあって同時に燃焼する事態が回避され、燃焼室内の圧力の急上昇に伴う燃焼騒音の増大や、局所的な酸素不足によるＳＯＯＴの大量発生が効果的に防止される。しかも、前記点火プラグは、前記キャビティの径方向外側端よりも径方向内側に配置されて、後段噴射時に噴射された燃料に点火エネルギーを供給しており、この点火エネルギーが燃焼室の外周部の混合気に悪影響を及ぼすのが抑制される。具体的には、この点火エネルギーが燃焼室の外周部に存在する前段噴射の燃料と空気との混合気に供給されることで、この外周部で圧縮上死点よりも前に燃焼が開始して仕事量が減少する、あるいは、火炎伝播が開始して圧縮自着火燃焼が阻止される、という事態をより確実に抑制することができる。
しかも、インジェクタから噴射された燃料が燃焼室の壁面に到達する前にこの燃料を含む混合気に点火エネルギーが供給される。これにより、当量比が十分に小さく、かつ、燃料が十分に蒸気となった状態で点火エネルギーが供給されるため、ＮＯｘやＳＯＯＴの生成が抑制されるとともに、この点火点近傍の混合気のみが適正に燃焼して、燃焼室内の混合気が適正に昇温され、適正な圧縮自己着火燃焼が実現される。
また、点火プラグの先端等をキャビティ内に退避させて、点火プラグとピストン冠面との衝突をより確実に回避することができる。

本発明において、前記インジェクタは、その先端に８個以上の噴口を有するのが好ましい（請求項２）。

この構成によれば、燃料の霧化すなわち燃料の蒸発が促進されるため、ＮＯｘやＳＯＯＴの生成がより確実に抑制されつつ点火点近傍の適正な燃焼が実現される。

また、本発明において、前記点火プラグは、その点火点が側面視で前記インジェクタの特定の噴口の軸線近傍に位置するように、前記燃焼室天井から燃焼室内部に向かって突出しているのが好ましい（請求項３）。

このようにすれば、点火エネルギーが特定の噴口から噴射された燃料に効率よく伝達され、点火点近傍の適正な燃焼が実現される。

また、前記構成において、前記燃焼室天井の径方向中央部分には、前記ピストン冠面から離間する方向に凹むインジェクタ格納部が形成されており、前記インジェクタは、その先端部が前記インジェクタ格納部の径方向中央部分に位置する状態で、当該インジェクタ格納部内に臨んでおり、前記インジェクタ格納部の内周面は、前記インジェクタの各噴口から前記燃焼室の壁面に向かう燃料の通過領域から径方向外側に離間した位置で当該燃料の通過領域を囲む形状を有するのが好ましい（請求項４）。

このようにすれば、各噴口から噴射された燃料がインジェクタ格納部の内周面への衝突、付着することによる燃料の霧化の悪化を回避しつつ、点火プラグの燃焼室内への突き出し量を小さくすることができる。すなわち、前記インジェクタの先端部がピストン冠面からより離間する位置に配設されることに伴い、点火点の位置をピストン冠面から離間させることができる。そのため、点火プラグの突き出し量を小さくすることができる。

具体的には、前記インジェクタ格納部の内周面は、前記燃焼室天井の径方向中央部分を頂部とする略円錐面状を有しており、前記インジェクタの先端部は、前記頂部に位置している構成が挙げられる（請求項５）。

ここで、前記前段噴射は、圧縮行程中に実施され、前記後段噴射は、膨張行程初期までの間に実施されるのが好ましい（請求項６）。

この構成によれば、圧縮行程以降の少なくとも２回の噴射時期（前端噴射および後段噴射）に分けて燃料が噴射されることにより、燃焼室内の別々の空間（燃焼室の外周部およびキャビティ内部）に分離して混合気が形成されるため、これらの混合気を圧縮上死点付近で独立して自着火、燃焼させることができる。このため、分割噴射された燃料が混じりあって同時に燃焼する事態が回避され、燃焼室内の圧力の急上昇に伴う燃焼騒音の増大や、局所的な酸素不足によるＳＯＯＴの大量発生が効果的に防止される。しかも、前記点火プラグは、前記キャビティの径方向外側端よりも径方向内側に配置されて、後段噴射時に噴射された燃料に点火エネルギーを供給しており、この点火エネルギーが燃焼室の外周部の混合気に悪影響を及ぼすのが抑制される。具体的には、この点火エネルギーが燃焼室の外周部に存在する前段噴射の燃料と空気との混合気に供給されることで、この外周部で圧縮上死点よりも前に燃焼が開始して仕事量が減少する、あるいは、火炎伝播が開始して圧縮自着火燃焼が阻止される、という事態をより確実に抑制することができる。

以上説明したように、本発明によれば、排気性能を向上させつつ適正な圧縮自己着火燃焼を実現することができる。

本発明の一実施形態に係るガソリンエンジンの全体構成を示す図である。 図１に示すガソリンエンジンの燃焼室周辺の概略図である。 図２の一部を拡大して示す概略図である。 点火点と燃料噴霧等との関係を説明するための概略図である。 （ａ）〜（ｃ）は、点火時の当量比と排気性能との関係を説明するための図である。 （ａ）〜（ｃ）は、点火時の当量比と排気性能との関係を説明するための図である。 燃料噴霧の当量比および状態を示した図である。 噴射圧および噴射後の経過時間と燃料噴霧の当量比および状態との関係を示した図である。 噴射圧および噴射後の経過時間と燃料噴霧の当量比および状態との関係を示した図である。 前記エンジンの制御系を示すブロック図である。 エンジンの運転状態に応じた燃焼形態を選択するための制御マップの一例を示す図である。 図１１の第１運転領域（Ａ１）における制御内容を説明するためのタイムチャートである。 図１１の第２運転領域（Ａ２）における制御内容を説明するためのタイムチャートである。 図１１の第３運転領域（Ａ３）における制御内容を説明するためのタイムチャートである。 （ａ）〜（ｆ）は、前記第２運転領域（Ａ２）で行われる燃料噴射とそれに基づく混合気の燃焼を模式的に説明するための図である。 本発明の他の実施形態に係るガソリンエンジンの燃焼室周辺を示した図である。 本発明の他の実施形態に係るガソリンエンジンの燃焼室周辺を示した図である。 本発明の他の実施形態に係るガソリンエンジンの燃焼室周辺を示した図である。 図１８に示す本発明の他の実施形態に係るガソリンエンジンの燃焼室周辺を示した図である。

（１）エンジンの全体構成
図１は、本発明の一実施形態にかかるエンジンの全体構成を示す図である。本図に示されるエンジンは、走行駆動用の動力源として車両に搭載される往復ピストン型の多気筒ガソリンエンジンである。このエンジンのエンジン本体１は、紙面に直交する方向に並ぶ複数の気筒２（図中ではそのうちの１つのみを示す）を有するシリンダブロック３と、シリンダブロック３の上面に設けられたシリンダヘッド４と、各気筒２に往復摺動可能に挿入されたピストン５とを有している。エンジン本体１に供給される燃料は、ガソリンを主成分とするものである。なお、この燃料はガソリンが主成分であればよく、その中身は、全てガソリンであってもよいし、ガソリンにエタノール（エチルアルコール）等を含有させたものでもよい。前記シリンダブロック３のボア径は６０ｍｍ〜１００ｍｍであって、本実施形態では、このボア径は８６ｍｍに設定されている。

前記ピストン５は、コネクティングロッド８を介してクランク軸７と連結されている。前記ピストン５の往復運動に応じて、前記クランク軸７はその中心軸回りに回転する。

前記ピストン５の上方には燃焼室６が形成されている。燃焼室６には、吸気ポート９および排気ポート１０が開口している。前記シリンダヘッド４には、各ポート９，１０を開閉する吸気弁１１および排気弁１２がそれぞれ設けられている。なお、図例のエンジンはいわゆるダブルオーバーヘッドカムシャフト式（ＤＯＨＣ）エンジンである。各気筒２につき前記吸気ポート９および排気ポート１０が２つずつ設けられるとともに、前記吸気弁１１および排気弁１２も２つずつ設けられている。

ここで、「燃焼室」とは、狭義には、ピストン５が上死点にあるときにその上方に形成される空間のことを指すが、ここでいう燃焼室６とは、ピストン５の上下位置にかかわらずその上方に形成される空間のことを指す（広義の燃焼室）。

前記吸気弁１１および排気弁１２は、それぞれ、シリンダヘッド４に配設された一対のカムシャフト（図示省略）等を含む動弁機構１３，１４によりクランク軸７の回転に連動して開閉駆動される。

前記吸気弁１１用の動弁機構１３には、ＣＶＶＬ１５が組み込まれている。ＣＶＶＬ１５は、連続可変バルブリフト機構（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｖａｌｖｅ Ｌｉｆｔ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ）と呼ばれるものであり、吸気弁１１のリフト量を連続的に（無段階で）変更するものである。ＣＶＶＬ１５は、エンジンの全ての吸気弁１１のリフト量を変更できるように設けられており、このＣＶＶＬ１５が駆動されると、各気筒２において一対の吸気弁１１のリフト量が同時に変更されるようになっている。

このような構成のＣＶＶＬ１５は既に公知であり、その具体例として、吸気弁１１駆動用のカムをカムシャフトの回転と連動して往復揺動運動させるリンク機構と、リンク機構の配置（レバー比）を可変的に設定するコントロールアームと、コントロールアームを電気的に駆動することによって前記カムの揺動量（吸気弁１１を押し下げる量）を変更するステッピングモータとを備えたものを挙げることができる（例えば特開２００７−８５２４１号公報参照）。

前記排気弁１２用の動弁機構１４には、吸気行程中に排気弁１２を押し下げる機能を有効または無効にするＯＮ／ＯＦＦタイプの可変バルブリフト機構（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｖａｌｖｅ Ｌｉｆｔ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ）であるＶＶＬ１６が組み込まれている。すなわち、ＶＶＬ１６は、排気弁１２を排気行程だけでなく吸気行程でも開弁可能にするとともに、この吸気行程中の排気弁１２の開弁動作を実行するか停止するかを切り替える機能を有している。ＶＶＬ１６は、エンジンの全ての排気弁１２に対応して設けられており、かつ、各気筒２の一対の排気弁１２に対し、それぞれ個別に、吸気行程中の開弁動作を実行または停止できる。

このような構成のＶＶＬ１６は既に公知であり、その具体例として、排気弁１２駆動用の通常のカム（排気行程中に排気弁１２を押し下げるカム）とは別に吸気行程中に排気弁１２を押し下げるサブカムと、このサブカムの駆動力が排気弁１２に伝達されるのを有効または無効にするいわゆるロストモーション機構とを備えたものを挙げることができる（例えば特開２００７−８５２４１号公報参照）。

このＶＶＬ１６の作用により、排気弁１２が排気行程中に加えて吸気行程中に開弁した場合には、排気行程において高温の排気が排気ポート１０から燃焼室６に逆流して、燃焼室６内に大量の排気が残留する。すなわち内部ＥＧＲガス量が多く確保される。一方、排気弁１２が排気行程中にのみ開弁した場合には、内部ＥＧＲガス量は少量あるいはない状態に抑えられる。

前記エンジン本体１の吸気ポート９および排気ポート１０には、吸気通路２８および排気通路２９がそれぞれ接続されている。

前記吸気通路２８は、単一の通路からなる共通通路部２８ｃと、共通通路部２８ｃの上流側端部に設けられたサージタンク２８ｂと、気筒２ごとに分岐して設けられ、前記サージタンク２８ｂと各気筒２の吸気ポート９とを接続する分岐通路部２８ａとを有している。

前記排気通路２９は、単一の通路からなる共通通路部２９ｃと、気筒２ごとに分岐して設けられ、前記共通通路部２９ｃの上流側端部と各気筒２の排気ポート１０とを接続する分岐通路部２９ａとを有している。

前記吸気通路２８および排気通路２９の間には、排気通路２９を通過する排気ガスの一部を吸気通路２８に還流させる外部ＥＧＲ装置３０が設けられている。外部ＥＧＲ装置３０は、吸気通路２８および排気通路２９の各共通通路部２８ｃ，２９ｃどうしを連通するＥＧＲ通路３１と、ＥＧＲ通路３１の途中部に設けられてＥＧＲ通路３１を通過する排気の流量を制御するＥＧＲバルブ３２と、ＥＧＲ通路３１を通過する排気を冷却する水冷式のＥＧＲクーラ３３とを有している。

前記吸気通路２８の共通通路部２８ｃには、吸気通路２８を通過する吸入空気の量を調節するスロットル弁２５が設けられている。ただし、本実施形態では、前記ＣＶＶＬ１５により吸気弁１１のリフト量が調整され、また、ＶＶＬ１６により燃焼室６の内部ＥＧＲガスの量が調整され、さらには、外部ＥＧＲ装置３０により吸気通路２８に還流される排気ガスの量が調整される。したがって、これらの操作に基づいて、スロットル弁２５を操作することなく、燃焼室６に導入される空気（新気）の量を調整することが可能である。このため、スロットル弁２５は、エンジンの停止時等を除いて、全開もしくはそれに近い値に維持される。

前記排気通路２９の共通通路部２９ｃには、排気ガス浄化用の触媒コンバータ３５が設けられている。触媒コンバータ３５には例えば三元触媒が内蔵されており、排気通路２９を通過する排気ガス中の有害成分は、前記三元触媒の作用により浄化される。

また、エンジン本体には、各種センサが取り付けられている。例えば、エンジン冷却水の温度を検出するための水温センサＳＷ１、クランク軸７の回転角度（クランク角）ひいてはエンジン回転数を検出するためのクランク角センサＳＷ２、前記カムシャフトの角度を検出して気筒判別（各気筒が吸気、圧縮、膨張、排気のいずれの行程にあるかの判別）用の信号を出力するカム角センサＳＷ３が、エンジン本体に取り付けられている。

図２は、前記燃焼室６周辺を示した図である。この図２等に示すように、燃焼室６の内周面すなわち壁面の一部を構成するピストン５の冠面の径方向中央部分には、凹状のキャビティ４０が設けられている。キャビティ４０は、前記インジェクタ２１と対向する上向きの開口部４０ａを上端に有しており、この開口部４０ａの面積（開口面積）は、キャビティ４０の内部の最大断面積（キャビティ４０の各高さ位置における水平方向断面積の最大値）よりも小さく設定されている。すなわち、キャビティ４０は、その開口部４０ａから所定深さまでの範囲において、上方に至るほど内径が狭くなるように上窄まり状に形成されている。

前記キャビティ４０よりも径方向外側に位置するピストン５の冠面には、平面視円環状の環状凹部４１が、キャビティ４０の周囲を取り囲むように設けられている。この環状凹部４１は、径方向外側に至るほど高さが低くなるように形成されている。この環状凹部４１の最大深さ（最外周部の深さ）は、キャビティ４０の深さよりも浅く設定されている。

また、前記環状凹部４１よりもさらに径方向外側に位置するピストン５の最外周部には、前記環状凹部４１よりも上方に突出した円環状の立壁部４２が設けられている。この立壁部４２の突出高さは、前記キャビティ４０上端の開口部４０ａを囲む部分（リップ部）と同一に設定されている。

前記シリンダヘッド４の底面で構成される燃焼室６の天井面６０の径方向中央部分には、ピストン５の冠面から離間する方向に凹むインジェクタ格納部６２が設けられている。以下、適宜、ピストン５の冠面側（図２の下側）を下側といい、インジェクタ格納部６２側（図２の上側）を上側という。前記燃焼室６の天井面６０のうち前記インジェクタ格納部６２よりも径方向外側の部分６３は、ピストン５の軸心と直交する平面となっている。すなわち、前記燃焼室６の天井面６０は、いわゆるフラットヘッドの径方向中央部分に上方に凹む前記インジェクタ格納部６２が形成された形状を有している。

前記インジェクタ格納部６２は、燃焼室６の天井面６０の径方向中央部分を頂部とする略円錐状を有し、その内周面６２ａは略円錐面状を有している。より詳細には、このインジェクタ格納部６２の径方向中央部分には、シリンダヘッド４の内部に形成されて前記インジェクタ２１が取り付けられる取り付け部６６が開口しており、インジェクタ格納部６２の内周面６２ａはこの取り付け部６６の開口部６６ａから下方に向かって円錐台状に延びている。

前記シリンダヘッド４には、点火プラグ２０およびインジェクタ２１が、各気筒２につき１組ずつ設けられている。図３に、これら点火プラグ２０およびインジェクタ２１周辺の拡大図を示す。

前記インジェクタ２１には燃料供給管２３（図１参照）が接続されており、この燃料供給管２３を通じて供給される燃料（ガソリンを主成分とする燃料）が前記インジェクタ２１の先端部Ｉ１から噴射される。前記インジェクタ２１は、いわゆる多噴口型のインジェクタである。本実施形態では、図４に示すように、前記インジェクタ２１は、その先端部Ｉ１に１２個の噴口２１ａを有している。

前記インジェクタ２１は、その先端部Ｉ１が前記インジェクタ格納部６２の頂部すなわち前記取り付け部６６の開口部６６ａに位置し、その軸線ｕ１がインジェクタ格納部６２の頂部すなわち燃焼室６の天井面６０の径方向中央を通り、このインジェクタ格納部６２の頂部からインジェクタ格納部６２内に臨む姿勢で、前記取り付け部６６に取り付けられている。前記各噴口２１ａは、インジェクタ２１の軸線ｕ１を中心とする円周上に互いに等間隔に形成されており、各噴口２１ａの軸線ｕ２すなわち各噴口２１ａの開口方向は、径方向外側に向かって斜め下方（ピストン４の冠面側）を向いている。すなわち、各噴口２１ａの軸線ｕ２は、それぞれ、インジェクタ２１の先端部Ｉ１を頂点としてインジェクタ２１の軸線ｕ１を中心軸とする円錐面の母線を構成している。前記インジェクタ２１の各噴口２１ａから燃料が噴射された場合、その燃料は、ピストン５の冠面に近づくほど径方向外側に拡がるように放射状に噴射される。本実施形態では、各噴口２１ａの軸線ｕ２は、インジェクタ２１の軸線ｕ１に対して４５度傾斜している。すなわち、図３における角度α１が、４５度に設定されている。

前記インジェクタ格納部６２の内周面６２ａは、前記インジェクタ２１から噴射された燃料がこの内周面６２ａに衝突しないように、この燃料の通過領域Ｆ１よりも径方向外側に位置している。本実施形態では、前記インジェクタ格納部６２の内周面６２ａは、側面視で、前記燃料の通過領域Ｆ１よりも径方向外側においてインジェクタ２１の噴口２１ａの軸線ｕ２と平行に延びている。燃料の通過領域Ｆ１とは、各噴口２１ａから噴射された燃料が燃焼室６の壁面に到達する前に通過する領域であり、各噴口２１ａを頂点として各噴口２１ａの軸線ｕ２を中心軸とした各噴口２１ａの噴霧角度α２（図３参照）を頂角とする円錐状の領域である。本実施形態では、噴霧角度α２は、１５度に設定されている。

前記点火プラグ２０は、図外の点火回路からの給電に応じてその先端から火花を放電して燃焼室６内の混合気に点火エネルギーを供給し、この混合気に点火する。本実施形態では、前記点火プラグ２０は、前記燃焼室６の天井面６０のうち前記インジェクタ格納部６２よりも径方向外側の平面部分（以下、適宜、フラットヘッド面という）６３から燃焼室６内を臨む状態で、取り付けられている。

本実施形態では、前記取り付け状態において、前記点火プラグ２０の先端に設けられた外側電極と内側電極との中間部分すなわち点火点Ｓ１は、図４に示すように、平面視で前記インジェクタ２１の互いに隣接する噴口２１ａの軸線ｕ２＿１、ｕ２＿２の中間に位置している。

また、前記取り付け状態において、前記点火点Ｓ１は、図３に示すように、側面視で点火プラグ２０に最も近い位置にある噴口２１ａの軸線ｕ２上に位置している。そして、この点火点Ｓ１とインジェクタ２１の先端部Ｉ１との離間距離Ｌは、より詳細には、点火点Ｓ１とインジェクタ２１の先端部Ｉ１の径方向中心部分との離間距離は、２０ｍｍ以上２５ｍｍ以下に設定されている。前記離間距離Ｌは、インジェクタ２１の先端部Ｉ１から点火点Ｓ１に向かって延びる線であって、点火点Ｓ１に近い２つの噴口２１ａの軸線ｕ２＿１、ｕ２＿２の中間を通る線に沿った距離である。本実施形態では、この離間距離Ｌは２０ｍｍに設定されている。この離間距離Ｌの設定基準については後述する。

さらに、前記取り付け状態において、前記点火点Ｓ１は、前記キャビティ４０の外周縁よりも径方向内側に位置している。換言すれば、前記キャビティ４０の径は、前記点火点Ｓ１が、前記キャビティ４０の外周縁よりも径方向内側に位置する寸法に設定されている。

（２）点火点Ｓ１の位置の設定基準
図５（ａ）〜（ｃ）および図６（ａ）〜（ｃ）は、燃焼室６内の混合気の温度と当量比の分布が、点火エネルギーの供給を受けて、時間とともにどのように変化するのかを示した図である。各図の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の順に時間が経過している。図５（ａ）および図６（ａ）は、それぞれ点火エネルギーが供給される前の混合気の状態を示している。図５および図６の（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ、点火エネルギー供給後の時間変化に伴う混合気の状態の変化を示している。各図に示されるように、点火エネルギーが供給されると、混合気は燃焼を開始し、これに伴って混合気（既燃ガス含む）の温度は上昇していく。

各図５と図６の各図には、ＳＯＯＴとＮＯｘが生成される領域が合わせて示されている。具体的には、燃焼室６内の混合気の当量比が高く（リッチ状態であり）、かつ、所定温度以上の領域Ｅ１が、ＳＯＯＴが主に生成される領域であり、燃焼室６内の温度が高い領域Ｅ２がＮＯｘが主に生成される領域である。

図５と図６とは、燃焼室６内のうち点火エネルギーが付与される部分（点火点）の位置が互いに異なっている。図５は、点火点が、当量比２付近の混合気が存在する位置（図５（ａ）の点Ｓ１）に設定された際の結果である。図６は、点火点が、当量比１付近の混合気が存在する位置（図６（ａ）の点Ｓ２）に設定された際の結果である。図５（ｂ）と図６（ｂ）とを、また、図５（ｃ）と図６（ｃ）とを比べると、ＮＯｘ生成領域Ｅ２に含まれる混合気の量はほぼ同一である一方、当量比２付近の混合気が存在する位置に点火点が設定された場合の方が、当量比が高く、かつ、温度の高い混合気の量が多い、すなわち、ＳＯＯＴ生成領域Ｅ１に含まれる混合気の量が多くＳＯＯＴがより多く生成されている。このように、当量比が２付近といった高い領域に点火エネルギーが供給されると、空気不足の領域で燃焼が開始してこの領域の温度が高くなる結果、多量のＳＯＯＴが生成される。

そのため、ＳＯＯＴの生成量をより小さく抑えて排気性能を高めるためには、点火エネルギーが供給される領域の混合気の当量比を１よりも十分に小さくする必要がある。

ここで、燃焼室６内に燃料が噴射された時期から燃焼室６内の混合気に点火エネルギーが供給される時期までの期間が長い場合には、混合気の予混合化が進むことで混合気全体の当量比は小さくなる。しかしながら、このように十分に混合されて当量比が非常に小さくなった混合気を燃焼させるためには、点火エネルギーを大きくする必要がある。そして、このように十分に予混合化された混合気に大きな点火エネルギーを供給すると、混合気の温度上昇にとどまらずに、火炎伝播が開始してしまうおそれがあり、適度に当量比の小さい混合気に点火エネルギーを供給する必要がある。

また、液体燃料に点火エネルギーを供給した場合は、ＳＯＯＴが発生しやすいことが分かっており、燃料の多くが蒸気となっている領域に点火エネルギーを供給する必要がある。

以上より、排気性能を高めつつ、火炎伝播にいたることなく混合気の温度を圧縮時着火温度にまで適正に高めるためには、噴射された燃料が燃焼室６内全体に拡散して予混合化する前、すなわち、噴射された燃料が燃焼室６の壁面に到達する前であって、混合気の当量比が１よりも十分に小さく、かつ、燃料の多くが蒸気となっている領域に点火エネルギーを供給する必要があるといえる。

そこで、本発明者らは、前記のような条件を満足する領域を点火点に設定するべく、燃料噴射後の燃焼室６内の混合気の当量比の分布および燃料噴霧の状態（液体であるか蒸気であるか）を調べた。具体的には、図７に示すように、燃料が液体の状態で含まれている混合気の当量比の分布と、燃料が蒸気の状態で含まれている混合気の当量比の分布とをそれぞれ調べた。図７の左側のグラフは、液体燃料が含まれる混合気の当量比の分布を示している。このグラフにおいて、横軸ｒは、インジェクタ２１の軸線ｕ１からこの軸線ｕ１と直交する方向の距離を示しており、左側ほどインジェクタ２１の軸線ｕ１からの距離が遠いことを示している。一方、図７の右側のグラフは、燃料蒸気が含まれる混合気の当量比の分布を示している。このグラフにおいて、横軸ｒは、インジェクタ２１の軸線ｕ１からこの軸線ｕ１と直交する方向の距離を示しており、右側ほどインジェクタ２１の先端からの距離が遠いことを示している。左右両グラフにおいて、縦軸Ｚは、いずれもインジェクタ２１の先端部Ｉ１から、インジェクタ２１の噴口２１ａの軸線ｕ２方向の距離であり、下側ほどインジェクタ２１の先端からの距離が遠いことを示している。また、左右両グラフ中の各数値は、指し示した領域の当量比の範囲を示している。例えば、０．１〜０．５と記された領域は、当量比が０．１以上０．５未満の領域であり、１．０〜と記された領域は、当量比が１．０以上の領域である。

図７に示すような液体燃料が含まれる混合気の当量比の分布と燃料前記が含まれる混合気の当量比の分布の時間変化を、複数の噴射圧に対して調べた。その結果を図８および図９に示す。図８および図９には、噴射圧がそれぞれ１２０、８０、４０、２０ＭＰａの場合における当量比の分布および燃料噴霧の状態が示されている。図８には、燃料噴射後の経過時間がそれぞれ０．２ｍｓ、０．５ｍｓ、１．０ｍｓの場合の当量比の分布および燃料噴霧の状態が示されている。図９には、燃料噴射後の経過時間がそれぞれ１．５ｍｓ、２．０ｍｓ、２．５ｍｓの場合の当量比の分布および燃料噴霧の状態が示されている。

図８に示されるように、噴射圧が高いほど、燃料噴霧は早期に蒸発し、かつ、この燃料蒸気は早期にインジェクタ先端から遠い範囲に移動している。しかしながら、図８および図９に示されるように、いずれの噴射圧においても、噴射後１．０ｍｓおよび１．５ｍｓにおいて、Ｚの値すなわち噴口２１ａの軸線ｕ２に沿ってインジェクタ２１の先端からの距離が２０ｍｍ以上２５ｍｍ以下となる領域では、燃料噴霧の多くが蒸気となり、かつ、この蒸気を含む混合気の当量比が０．２程度となっている。そのため、点火エネルギーが供給される領域すなわち点火点Ｓ１を、インジェクタ２１の先端部Ｉ１からの距離が２０ｍｍ以上２５ｍｍ以下の領域に設定すれば、噴射圧によらず、適正に混合気を燃焼させることができる。このようにして、本エンジンでは、点火点Ｓ１が、この点火点Ｓ１とインジェクタ２１の先端部Ｉ１との離間距離Ｌが２０ｍｍ以上２５ｍｍ以下となる位置に設定されている。

（３）制御系
図１０は、エンジンの制御系を示すブロック図である。本図に示されるＥＣＵ５０は、エンジンの各部を統括的に制御するための装置であり、周知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成されている。

前記ＥＣＵ５０には、エンジン本体に設けられた前記水温センサＳＷ１、クランク角センサＳＷ２、およびカム角センサＳＷ３等の各種センサから種々の情報が入力される。また、ＥＣＵ５０には、車両に設けられた各種センサからの情報も入力される。例えば、運転者により踏み込み操作される図外のアクセルペダルの開度を検出するアクセル開度センサＳＷ４から、アクセル開度の情報がＥＣＵ５０に入力される。

前記ＥＣＵ５０は、その主な機能的要素として、判定手段５１、インジェクタ制御手段５２、吸気制御手段５３、内部ＥＧＲ制御手段５４、外部ＥＧＲ制御手段５５、および点火制御手段５６を有している。

前記判定手段５１は、クランク角センサＳＷ２およびアクセル開度センサＳＷ４の各検出値から特定されるエンジンの回転数Ｎｅおよび負荷Ｔ（目標トルク）に基づいて、現在のエンジンの運転領域が図１１の制御マップにおけるいずれの運転領域であるかを判定する。

具体的に、図１１の制御マップにおいて、負荷Ｔが比較的低い領域には、全ての回転数域にわたって第１運転領域Ａ１が設定されている。また、この第１運転領域Ａ１よりも負荷Ｔが高くかつ回転速度Ｎｅが所定値よりも低い領域には、第２運転領域Ａ２が設定されているとともに、前記第１運転領域Ａ１よりも負荷Ｔが高くかつ回転速度Ｎｅが前記所定値よりも高い領域には、第３運転領域Ａ３が設定されている。さらに、前記第１運転領域Ａ１と第２運転領域Ａ２と間、および、第１運転領域Ａ１と第３運転領域Ａ３との間には、それぞれ、第４運転領域Ａ４および第５運転領域Ａ５が設定されている。なお、これら第１〜第５運転領域Ａ１〜Ａ５からなる制御マップは、基本的に、エンジン水温センサＳＷ１により検出された冷却水温が所定値（例えば８０℃）以上となる温間状態のときのものである。エンジンが冷間状態にあるときの制御マップについては、ここでは説明を省略する。

前記インジェクタ制御手段５２は、前記インジェクタ２１から燃焼室６に噴射される燃料の噴射量や噴射時期を制御するものである。具体的に、このインジェクタ制御手段５２は、負荷Ｔやエンジン回転数Ｎｅ等に基づいて、目標とする燃料の噴射量および噴射時期を演算し、その演算結果に基づいてインジェクタ２１を駆動する。

前記吸気制御手段５３は、前記ＣＶＶＬ１５を駆動して吸気弁１１のリフト量（開弁量）を変更する。例えば、吸気制御手段５３は、エンジンの負荷Ｔが高い場合には、燃焼室６に多量の空気（新気）を導入すべく、吸気弁１１のリフト量を増大させる。一方、吸気制御手段５３は、エンジンの負荷Ｔが低い場合には、吸気弁１１のリフト量を低減する。

前記内部ＥＧＲ制御手段５４は、前記ＶＶＬ１６を駆動して排気弁１２の吸気行程中の開弁を実行または停止することにより、燃焼室６に残留する内部ＥＧＲガス量を調整する。なお、本実施形態において、ＶＶＬ１６付きの排気弁１２が１気筒あたり２つ設けられているので、吸気行程中に開弁する排気弁１２の数を０，１，２の間で切り替えることにより、内部ＥＧＲガス量を段階的に変化させることが可能である。

前記外部ＥＧＲ制御手段５５は、前記ＥＧＲ通路３１に設けられたＥＧＲバルブ３２の開度を変更して、排気通路２９から吸気通路２８に還流する排気ガス量すなわち外部ＥＧＲ量を調整する。

前記点火制御手段５６は、前記点火プラグ２０が火花放電を行うタイミング（点火時期）等を制御する。

（４）各運転領域の具体的制御手順
次に、前記ＥＣＵ５０が、前記第１運転領域Ａ１、第２運転領域Ａ２で、それぞれどのような制御を実施するのかを具体的に説明する。

まず、ＥＣＵ５０は、エンジンの運転が開始されると、前記クランク角センサＳＷ２およびアクセル開度センサＳＷ４の各検出値に基づいて、エンジンの運転点（負荷Ｔおよび回転数Ｎｅ）が図１１の制御マップにおけるどの運転領域に該当するかを逐次判定する。そして、判定された運転領域に応じて、それぞれ以下のような制御を実行する。

なお、この説明の前提として、エンジンの冷却水温は充分に暖まっている（つまり温間時の運転である）ものとする。そして、本実施形態では、ＥＣＵ５０は、温間時において、エンジンの運転点が前記運転領域Ａ１〜Ａ５のいずれにあっても、圧縮自己着火燃焼が実現される制御を実施する。ただし、適切な圧縮自己着火燃焼を行わせるには、インジェクタ２１からの燃料噴射時期や、内部ＥＧＲまたは外部ＥＧＲの有無や、点火プラグ２０からの点火の有無等を、運転領域Ａ１、Ａ２によって変化させる必要がある。そのため、ＥＣＵ５０は、前記インジェクタ２１、点火プラグ２０、ＣＶＶＬ１５、ＶＶＬ１６、およびＥＧＲバルブ３２等を、エンジンの運転点を逐次判定しながら制御する。

（ｉ）第１運転領域Ａ１
図１２は、エンジンが第１運転領域Ａ１で運転されている場合の燃料噴射時期と吸排気弁１１，１２のリフト特性、およびそれに基づく燃焼により生じる熱発生率（Ｊ／ｄｅｇ）を示す図である。本図に示すように、第１運転領域Ａ１では、圧縮行程の前に噴射された燃料と空気との混合気をピストン５の圧縮作用によって自着火させる、一般的な予混合圧縮自己着火燃焼が実行される。具体的に、この第１運転領域Ａ１では、吸気行程中の所定時期にインジェクタ２１から燃焼室６に燃料が噴射（Ｐ）され、この燃料噴射Ｐにより噴射された燃料と、吸気通路２８から燃焼室６に導入される空気（新気）との混合気が、ピストン５の圧縮作用により高温、高圧化し、圧縮上死点（圧縮行程と膨張行程の間のＴＤＣ）付近で自着火する。すると、このような自着火に基づき、波形Ｑａに示すような熱発生を伴う燃焼が生じることになる。

ただし、第１運転領域Ａ１は、負荷Ｔが比較的低く、インジェクタ２１から噴射される燃料の量が少ないため、筒内温度を意図的に上昇させないと、失火が起きるおそれがある。そこで、前記第１運転領域Ａ１では、ＶＶＬ１６を駆動して排気弁１２を吸気行程中に開弁させることにより、燃焼室６で生成された排気ガスを燃焼室６に逆流させて、燃焼室６内の内部ＥＧＲを多量に確保する。すなわち、排気弁１２は、排気行程に加えて（図１２のリフトカーブＥＸ）、吸気行程でも開弁する（リフトカーブＥＸ’）。このように、高温の内部ＥＧＲガス量が多く確保されると、燃焼室６内の混合気の温度は高温となり、混合気の自着火が促進される。なお、内部ＥＧＲガス量は、低負荷側ほど多く、高負荷側ほど少なく設定される。そのための制御として、例えば、第１運転領域Ａ１における低負荷域（無負荷に近い領域）では、吸気行程中に開弁する排気弁１２の数が２つとされ、それよりも負荷が高くなると、開弁数が１つに減らされる。

前記のように、第１運転領域Ａ１では、排気弁１２の再開弁（吸気行程中の開弁）に基づく内部ＥＧＲガス量が増大されるのに伴い、外部ＥＧＲガスの導入は停止される。すなわち、ＥＧＲ通路３１に設けられたＥＧＲバルブ３２の開度が全閉に設定されることにより、排気通路２９から吸気通路２８への排気ガスの還流が停止される。また、点火プラグ２０による混合気への点火は停止される。

なお、前記第１運転領域Ａ１では、燃焼室６内の混合気の空燃比（実空燃比）を理論空燃比（１４．７）で割った値である空気過剰率λが、約２〜２．４程度という大幅にリーンな値に設定される。そのため、ＣＶＶＬ１５の駆動により吸気弁１１（リフトカーブＩＮ）のリフト量を増減する制御が実行され、燃焼室６に導入される新気の量が、前記インジェクタ２１からの燃料噴射量に対しかなり過剰になるように制御される。このように大幅にリーンに設定された混合気を燃焼させた場合、燃焼温度が大幅に低下するため、冷却損失を低減して熱効率（燃費）を向上させることができる。なお、λ＝２〜２．４までリーンになると、三元触媒によるＮＯｘの浄化作用はほとんど期待できなくなるが、λ＝２〜２．４であれば、燃焼により生じるＮＯｘ量（生のＮＯｘ量）が大幅に少なくなるため、三元触媒以外に特別な触媒（例えばＮＯｘトラップ触媒）を設けなくても、排気ガス中に含まれるＮＯｘの量を十分に小さい値に抑制することができる。

（ｉｉ）第２運転領域Ａ２
前記第１運転領域Ａ１よりも負荷Ｔが高く、かつ回転速度Ｎｅが比較的低い領域に設定された第２運転領域Ａ２では、図１３に示すような制御が実行される。すなわち、第２運転領域Ａ２では、圧縮上死点を挟んだ２回（Ｐ１，Ｐ２）に分けてインジェクタ２１から燃料を噴射させる分割噴射が実行される。以下では、圧縮行程中に実行される１回目の燃料噴射Ｐ１を前段噴射、それより後の圧縮上死点付近（図例では膨張行程のごく初期）に実行される２回目の燃料噴射Ｐ２を後段噴射と称する。

具体的に、上記第２運転領域Ａ２において、前段噴射Ｐ１のタイミングは、圧縮上死点（ＴＤＣ）を基準として、その上死点前（ＢＴＤＣ）５０〜６０°ＣＡ（ＣＡはクランク角を表す）程度の期間内に設定され、後段噴射Ｐ２のタイミングは、上死点後（ＡＴＤＣ）０〜１０°ＣＡ程度の期間内に設定される。また、前段噴射Ｐ１および後段噴射Ｐ２による各噴射量の割合については、前段噴射Ｐ１が１０％以下で後段噴射Ｐ２が９０％以上に設定されるパターンから、前段噴射Ｐ１が６０％程度で後段噴射Ｐ２が４０％程度に設定されるパターンまで、運転条件等により適宜の割合に設定される。

前記前段噴射Ｐ１および後段噴射Ｐ２によるトータルの噴射量は、第２運転領域Ａ２に対応する高い負荷に合わせて、第１運転領域Ａ１のとき（燃料噴射Ｐによる噴射量）よりも増大される。また、このように増大設定される燃料噴射量に応じた多量の新気を燃焼室６に導入すべく、ＣＶＶＬ１５が駆動されて吸気弁１１のリフト量が増大される（リフトカーブＩＮ）。そして、前記のように分割噴射された燃料と空気（新気）との混合気が圧縮上死点付近で自着火することにより、図中の波形Ｑｂに示すように、時期の異なる２つのピークを有するような熱発生を伴う燃焼が生じる。なお、このような波形Ｑｂの形状はあくまで概念的なものであり、実際には２つのピークが明確に現れない場合も当然にあり得る。

前記のように前段噴射Ｐ１および後段噴射Ｐ２に分けて燃料を噴射するようにしたのは、燃焼騒音等の問題を考慮してのものである。すなわち、燃料噴射量の多い前記第２運転領域Ａ２では、燃料を１回で噴射してしまうと、噴射された多量の燃料が短時間で全て燃焼する急激な燃焼が起きることにより、筒内圧力が急上昇し、燃焼騒音が著しく増大する等の事態を招くおそれがある。そこで、前記のように燃料を分割噴射することにより、比較的マイルドな燃焼が継続的に起きるようにして、前記のような燃焼騒音の増大等を回避するようにしている。

ただし、たとえ燃料噴射を複数回に分割しても、インジェクタ２１の配置やピストン５の形状によっては、各回に噴射された燃料どうしが混じり合い、その混じり合った燃料がほとんど同時に燃焼することがある。このように、噴射タイミングが異なる燃料どうしが混じり合った状態で燃焼が起きると、燃焼騒音が過大になるばかりでなく、燃焼時に必要な酸素が局所的に著しく不足し、多量のスート（炭素質粒子）が発生するおそれがある。

このような問題に対し、当実施形態では、インジェクタ２１が燃焼室６天井の径方向中央部分に配置されるとともに、ピストン５の冠面がキャビティ４０等を有する特殊な形状に形成されているため、分割噴射された燃料が同時に燃焼してしまうことがなく、前記のような燃焼騒音の増大やスートの大量発生を回避することが可能である（その詳細なメカニズムについては後述する）。

また、前記第２運転領域Ａ２では、前記のような燃料の分割噴射制御に加えて、吸気行程中に排気弁１２を押し下げる機能を無効にするようにＶＶＬ１６が駆動され、排気弁１２の吸気行程中の開弁が停止される。これにより、排気ガスが燃焼室６に逆流することがほとんどなくなり、内部ＥＧＲが禁止される。

一方、第２運転領域Ａ２では、前記のように禁止された内部ＥＧＲに代わり、外部ＥＧＲが実行される。すなわち、ＥＧＲ通路３１に設けられたＥＧＲバルブ３２が所定開度まで開かれることにより、排気通路２９から吸気通路２８へ排気ガスを還流させる操作が実行される。

このように、内部ＥＧＲから外部ＥＧＲへと切り替えるのは、燃焼室６内の新気の量を確保するため、および、異常燃焼を回避するためである。すなわち、第２運転領域Ａ２は、第１運転領域Ａ１よりもエンジン負荷Ｔが高く、より多くの新気量が必要になるとともに、噴射されるトータルの燃料が多いことに伴ってプリイグニッションやノッキング等の異常燃焼が起きるおそれがある。そこで、内部ＥＧＲから外部ＥＧＲに切り替えて、ＥＧＲクーラ３３付きのＥＧＲ通路３１を通過した（つまりＥＧＲクーラ３３により冷却された）排気ガスを吸気通路２８に還流させることにより、ＥＧＲガスの体積を減少させて燃焼室６内の新気の量を確保するとともに、燃焼室６の高温化を防ぎ、前記のような異常燃焼を回避するようにしている。ただし、第２運転領域Ａ２であっても、エンジンの全負荷近傍では、多量の新気を確保するために、外部ＥＧＲは停止される。

ここで、以上のような制御に基づき実現される第２運転領域Ａ２での燃焼形態について、図１５（ａ）〜（ｆ）を参照しつつより具体的に説明する。図１５（ａ）は、インジェクタ２１から前段噴射Ｐ１が行われたときの状態を示している。このときのピストン５は、上述したように、圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）５０〜６０°ＣＡ程度に位置している。このような位置にあるピストン５の冠面に向けて、前記インジェクタ２１の先端部Ｉ１に備わる複数（１２個）の噴口から放射状に燃料が噴射されると、その燃料の噴霧は、ピストン５の冠面の径方向外側寄りに設けられた環状凹部４１に向かうことになる。

前記ピストン５の環状凹部４１に向けて噴射された燃料（噴霧）は、その後、ピストン５の最外周部に設けられた立壁部４２により上方にガイドされながら分散し、その分散した燃料に基づき、図１５（ｂ）に示すように、燃焼室６の外周部（主に環状凹部４１の内部およびその上方空間）に混合気Ｘ１が形成される。ここで形成される混合気Ｘ１の空燃比は、燃焼室６の外周部だけの局所的な空燃比として、理論空燃比（空気過剰率λ＝１）程度に設定される。すなわち、理論空燃比程度の濃さの混合気Ｘ１が燃焼室６の外周部に局所的に形成されるように、前記前段噴射Ｐ１の噴射時期および噴射量が設定されている。

もちろん、前記前段噴射Ｐ１によって、燃焼室６の外周部以外（例えばキャビティ４０の内部）にも微量の燃料が存在し得るが、その燃料の濃度は、前記燃焼室６の外周部に比べれば極めて薄いものである。言い換えれば、前段噴射Ｐ１が実行された時点で、燃焼室６の外周部には、キャビティ４０の内部より極めてリッチな混合気Ｘ１が形成されていることになる。

前記のように燃焼室６の外周部に形成された混合気Ｘ１は、ピストン５の上昇により圧縮されて高温・高圧化し、圧縮上死点付近までピストン５が達したところで、図１５（ｃ）に示すように自着火により燃焼する（圧縮自己着火）。なお、同図では、混合気Ｘ１が燃焼している領域を黒またはグレーに着色して示している。この混合気Ｘ１が燃焼する領域Ｙ２は、前記混合気Ｘ１が形成された領域に対応して、燃焼室６の外周部分に限られる。

前記のような前段噴射Ｐ１に基づく燃焼が始まると、それとほぼ同時、もしくはわずかな期間をあけて、図１５（ｄ）に示すような後段噴射Ｐ２が実行される。この後段噴射Ｐ２のタイミングは、上述したように、ピストン５が降下を始めて間もない上死点後（ＡＴＤＣ）０〜１０°ＣＡ程度である。このようにピストン５が上死点に近いタイミングでインジェクタ２１から燃料が噴射されると、その燃料の噴霧は、ピストン５の冠面の径方向中央部分に設けられたキャビティ４０の内部へと向かうことになる。すると、このキャビティ４０の内部に向けて噴射された燃料（噴霧）は、キャビティ４０の周壁に沿って上方にガイドされながら分散し、その分散した燃料に基づき、図１５（ｅ）に示すように、燃焼室６の径方向中央部分（主にキャビティ４０の内部）に混合気Ｘ２が形成される。この混合気Ｘ２の局所的な空燃比も、上述した前段噴射Ｐ１に基づく混合気Ｘ１と同様、理論空燃比（空気過剰率λ＝１）程度に設定される。言い換えれば、前記後段噴射Ｐ２により、キャビティ４０の内部には、前段噴射Ｐ１の実行時よりもリッチな混合気Ｘ２が形成されていることになる。

前記のような後段噴射Ｐ２に基づく混合気Ｘ２は、ピストン５が圧縮上死点に近く、しかも前段噴射Ｐ１に基づく混合気Ｘ１の燃焼が既に起きている状態で形成されるものである。このため、前記混合気Ｘ２は、図１５（ｆ）に示すように、後段噴射Ｐ２の後、ごく短時間で自着火に至り、燃焼する。この混合気Ｘ２が燃焼する領域Ｙ２は、前記混合気Ｘ２が形成された領域に対応して、燃焼室６の径方向中央部分に限られる。すなわち、上述した前段噴射Ｐ１に基づく混合気Ｘ１が、環状凹部４１の設置部に対応する燃焼室６の外周部分（燃料領域Ｙ１）で燃焼するのに対し、後段噴射Ｐ２に基づく混合気Ｘ２は、キャビティ４０の設置部に対応する燃焼室６の径方向中央部分（燃焼領域Ｙ２）で燃焼することになる。

以上のように、第２運転領域Ａ２では、負荷Ｔに応じた比較的多量の燃料を複数回（前段噴射Ｐ１および後段噴射Ｐ２）に分けて噴射することで、別々の空間に混合気（Ｘ１，Ｘ２）を形成し、それらを独立して自着火、燃焼させるようにしている。このような制御が行われる前記第２運転領域Ａ２では、分割噴射された燃料が混じり合って同時に燃焼してしまうことがないため、筒内圧力の急上昇による燃焼騒音の増大や、局所的な酸素不足によるスートの大量発生が起きる心配がない。しかも、前段噴射Ｐ１および後段噴射Ｐ２に基づく混合気Ｘ１，Ｘ２は、それぞれ局所的にλ＝１程度の空気過剰率に設定されるので、そのような環境下の燃焼により生成された排気ガスであれば、三元触媒のみによって十分に有害成分の浄化が可能である。

特に、キャビティ４０よりも径方向外側に位置するピストン５の冠面に、径方向外側に至るほど高さが低くなる平面視円環状の環状凹部４１が形成されている。そのため、前記前段噴射Ｐ１によって噴射された燃料が前記環状凹部４１に受け入れられることにより、その環状凹部４１の設置部に対応する燃焼室６の外周部に、前記前段噴射Ｐ１に基づく混合気Ｘ１を確実に留めておくことができる。この結果、当該前段噴射Ｐ１に基づく混合気Ｘ１を、その後の後段噴射Ｐ２に基づきキャビティ４０内に形成される混合気Ｘ２から明確に分離することができ、それらの混合気Ｘ１，Ｘ２の燃焼独立性をより確実に担保することができる。

また、前記環状凹部４１よりもさらに径方向外側に、前記前段噴射Ｐ１により噴射された燃料を上方にガイドする立壁部４２が設けられている。そのため、前記環状凹部４１に向けて噴射された前段噴射Ｐ１の燃料を立壁部４２に沿って上方に巻き上げることにより、燃料を十分に分散および気化・霧化させ、燃焼室６の外周部における混合気Ｘ１の形成を効果的に促進することができる。

また、キャビティ４０が上窄まり状に形成され、その上端の開口部４０ａの面積がキャビティ４０内部の最大断面積よりも小さく設定されている。そのため、後段噴射Ｐ２により噴射された燃料に基づく混合気Ｘ２を、前記キャビティ４０の内部に確実に留めておくことができ、当該後段噴射Ｐ２に基づく混合気Ｘ２を、それ以前の前段噴射Ｐ１に基づく混合気Ｘ１から明確に分離して形成することができる。

（ｉｉｉ）第３運転領域Ａ３
前記第１運転領域Ａ１よりも負荷Ｔが高く、かつ第２運転領域Ａ２よりも回転速度Ｎｅが高い第３運転領域Ａ３では、図１４に示すような制御が実行される。すなわち、第３運転領域Ａ３では、インジェクタ２１からの燃料が、吸気行程から圧縮上死点付近にかけた３回の時期に分けて噴射される（Ｐ０，Ｐ１，Ｐ２）。このうち、圧縮行程中に実行される２回目の燃料噴射Ｐ１と、それより後の圧縮上死点付近（図例では膨張行程のごく初期）に実行される３回目の燃料噴射Ｐ２とは、それぞれ、先に説明した第２運転領域Ａ２における前段噴射Ｐ１および後段噴射Ｐ２（図１３）にそれぞれ対応している。一方、吸気行程中に実行される１回目の燃料噴射Ｐ０は、第２運転領域Ａ２では行われない噴射であり、第３運転領域Ａ３に特有のものである。以下では、第３運転領域Ａ３における１回目の燃料噴射Ｐ０を予備噴射、２回目の燃料噴射Ｐ１を前段噴射、３回目の燃料噴射Ｐ２を後段噴射と称する。

前記第３運転領域Ａ３で実行される前段噴射Ｐ１および後段噴射Ｐ２は、第２運転領域でのそれと同様の役割を果たすものである。すなわち、圧縮行程中に実行される前段噴射Ｐ１により、図１５（ｂ）に示したような、燃焼室６の外周部に偏在する混合気Ｘ１が形成され、圧縮上死点付近で実行される後段噴射Ｐ２により、図１５（ｅ）に示したような、燃焼室６の径方向中央部分に偏在する混合気Ｘ２が形成される。

ただし、第３運転領域Ａ３では、第２運転領域Ａ２のときよりもエンジン回転速度Ｎｅが高く、ピストンスピードが速いため、インジェクタ２１からの噴射燃料がピストン５の冠面付近に達するまでの間にピストン５が比較的大きく移動する。このことを考慮して、前記前段噴射Ｐ１および後段噴射Ｐ２の時期は、第２運転領域Ａ２のときよりも若干早めに設定される。これにより、エンジン回転速度Ｎｅの相違にかかわらず、前記各噴射Ｐ１，Ｐ２に基づく混合気Ｘ１，Ｘ２が図１５（ｂ），（ｅ）に示したのと同様の場所に別々に形成される（図１５（ｃ），（ｆ））。

一方、前記第３運転領域Ａ３で、前段噴射Ｐ１および後段噴射Ｐ２に加えて、吸気行程中に実行される予備噴射Ｐ０を追加しているのは、エンジン回転速度Ｎｅが比較的高い第３運転領域Ａ３では、短期間のうちに所要量の燃料を噴射し切ることが困難だからである。すなわち、エンジン回転速度Ｎｅが高い第３運転領域Ａ３では、相対的に回転速度Ｎｅが低い第２運転領域Ａ２のときと異なり、ピストンスピードが速いため、同じ時間をかけて所要量の燃料を噴射しようとしても、その間にピストン５の位置が大きく変化してしまい、ピストン５と燃料の噴霧との位置関係が崩れてしまうおそれがある。

例えば、前記第３運転領域Ａ３において、第２運転領域Ａ２のときと同量の燃料を前段噴射Ｐ１によって噴射しようとすれば、インジェクタ２１からの燃料噴射動作（インジェクタ２１の噴口を開いてそこから燃料を噴射させる動作）を、第２運転領域Ａ２のときと同じ期間だけ継続させる必要があるが、ピストンスピードの速い第３運転領域Ａ３では、燃料の吹き始めから吹き終わりまでの間にピストン５の位置が大きく上昇することにより、図１５（ａ）に示したような適正な位置関係が崩れ、噴霧の方向がピストン５の環状凹部４１から外れてしまうおそれがある。このような事態が生じると、前記環状凹部４１の設置部に対応する燃焼室６の外周部分に混合気Ｘ１を確実に偏在させることができず、その後の圧縮上死点以降において、前段噴射Ｐ１および後段噴射Ｐ２に基づく混合気Ｘ１，Ｘ２を十分に独立して燃焼させることができなくなると考えられる。

そこで、前記のような事態を確実に回避すべく、第３運転領域Ａ３では、まず吸気行程中に予備噴射Ｐ０を実行して少量の燃料を噴射し、その後の圧縮行程中および圧縮上死点付近において、前段噴射Ｐ１および後段噴射Ｐ２をそれぞれ実行するようにしている。これにより、前段噴射Ｐ１および後段噴射Ｐ２により噴射すべき燃料の量が減るので、その燃料の噴射に要する時間も減り、上述したような不具合（燃料噴射中にピストン５の位置が大きく変化することによる不具合）が回避される。

前記のように予備噴射Ｐ０、前段噴射Ｐ１、および後段噴射Ｐ２の３回に分けて燃料を噴射した場合、予備噴射Ｐ０によって予め燃焼室６に形成された極めてリーンな混合気中に、前段噴射Ｐ１および後段噴射Ｐ２による燃料が追加的に噴射されることとなる。すると、燃焼室６では、その外周部および径方向中央部分（キャビティ４０の内部）に、予備噴射Ｐ０、前段噴射Ｐ１、および後段噴射Ｐ２に基づくλ＝１程度のリッチな混合気が形成される一方、それ以外の領域では、予備噴射Ｐ０のみに基づく極めてリーンな混合気（例えばλ＝２を大幅に超えるような混合気）が形成される。

ここで、後段噴射Ｐ２は、上死点後（ＡＴＤＣ）０〜１０°ＣＡ程度の期間内に噴射されている。そのため、燃費性能の面から、この後段噴射Ｐ２で噴射された燃料は、噴射後、早期（クランク角度での早期）に燃焼開始および終了するのが好ましい。これに対して、第３運転領域Ａ３は、エンジン回転数が高い。そのため、自着火可能になるまで燃料が十分に吸熱されるのを待っていると、燃焼開始角度が上死点から非常に遅角側になり、燃費性能が悪化するという問題がある。さらに、第３運転領域Ａ３は、負荷Ｔが高く、燃焼室６内に吸入される新気の量が多い。そのため、燃焼室６内の温度が低くなり、圧縮自着火が困難な傾向にある。そこで、この第３運転領域Ａ３では、後段噴射Ｐ２の噴射後に点火プラグ２０により混合気に火花点火を行う。前述のように、排気性能を高めつつ混合気の温度を適正に高めるためには、噴射された燃料が燃焼室の壁面に到達する前に、点火エネルギーが混合気に供給される必要がある。そのため、第３運転領域Ａ３では、後段噴射Ｐ２が噴射された直後に点火プラグ２０により混合気に火花点火が行われる。

前述のように、前記点火プラグ２０の点火点Ｓ１の位置は、インジェクタ２１の先端部Ｉ１からの離間距離Ｌが２０ｍｍとなる位置に設定されている。そのため、点火点Ｓ１に加えられた点火エネルギーは、当量比が十分に小さく、かつ、蒸気を多く含む燃料噴霧に供給され、ＳＯＯＴ等の生成が抑制されつつこの燃料噴霧を含む混合気が燃焼して、混合気が適正に昇温される。また、前記点火点Ｓ１は、平面視で前記インジェクタ２１の互いに隣接する噴口２１ａの軸線ｕ２＿１、ｕ２＿２の中間に位置している。そのため、点火エネルギーは、点火点Ｓ１の両隣を通過する２つの噴口２１ａから噴射された燃料噴霧に効率よく供給され、混合気はより確実に燃焼する。

また、前述のように、前記点火プラグ２０の点火点Ｓ１の位置は、前記キャビティ４０の外周縁よりも径方向内側に位置している。そのため、点火プラグ２０により燃焼室内に供給された点火エネルギーは、燃焼室６の外周部に存在する前段噴射Ｐ１により形成された混合気に加えられることなく、後段噴射Ｐ２により形成された混合気にのみ加えられる。従って、この第３運転領域Ａ３でも、第２運転領域Ａ２と同様に、前記前段噴射Ｐ１により噴射された燃料と、後段噴射Ｐ２により噴射された燃料とは、別々の場所で（燃焼室６の外周部およびキャビティ４０の内部で）独立して燃焼する。具体的には、前段噴射Ｐ１により形成された混合気は圧縮上死点近傍で自着火燃焼を開始し、後段噴射Ｐ２により形成された混合気は、点火エネルギーを受けて昇温した後、自着火燃焼する。これにより、燃焼室６全体としては、図８の波形Ｑｃに概念的に示すように、時期の異なる２つのピークを有するような熱発生を伴う燃焼が生じる。また、前記のような空燃比の混合気が燃焼した場合、生成される排気ガスは、三元触媒により十分に浄化可能なものか、もしくはＮＯｘ生成量の極めて少ないものとなるので、エミッション性については問題なくクリアされる。

なお、図１４に示すように、前記第３運転領域Ａ３では、前記のような燃料の分割噴射に関する制御を除けば、第２運転領域Ａ２のときとほぼ同様の制御が実行される。例えば、第３運転領域Ａ３では、排気弁１２を吸気行程中に開弁させる（排気ガスを燃焼室６に逆流させる）内部ＥＧＲが禁止されるとともに、ＥＧＲ通路３１を通じて排気ガスを吸気通路２８に還流させる外部ＥＧＲが実行される。ただし、エンジンの全負荷近傍では、多量の新気を確保するために、外部ＥＧＲは禁止される。

（ｉｖ）第４運転領域Ａ４および第５運転領域Ａ５
前記第４運転領域Ａ４および第５運転領域Ａ５は、第１運転領域Ａ１と第２運転領域Ａ２との間、または第１運転領域Ａ１と第３運転領域Ａ３との間に位置する領域であるから、上述の（ｉ）〜（ｉｉｉ）で説明した各制御内容の中間的な制御が実行される。

具体的に、第４運転領域Ａ４では、インジェクタ２１からの燃料噴射時期が、第１運転領域Ａ１での燃料噴射時期よりもリタードされ、例えば圧縮行程中の１回に設定される。そのときの噴射量は、第１運転領域Ａ１のときと同様、空気過剰率λがλ＝２〜２．４程度になるように設定される。また、ＥＧＲ通路３１を通じて排気ガスを吸気通路２８に還流させる外部ＥＧＲが実行される。

一方、第５運転領域Ａ５では、圧縮行程中の所定時期およびそれより後の圧縮上死点付近の２回に分けて燃料を噴射する制御が実行される。そのときの噴射量は、空気過剰率λが局所的にλ＝１程度になるように設定される。また、吸気行程中の排気弁１２の開弁により排気ガスを燃焼室６に逆流させる内部ＥＧＲが実行される。

（５）作用効果等
以上説明したように、当実施形態のガソリンエンジンでは、点火点Ｓ１とインジェクタ２１の先端部Ｉ１との離間距離Ｌが２０ｍｍとなる位置に設定されているとともに、噴射された燃料が燃焼室の壁面に到達する前にこの燃料に点火エネルギーが供給されている。そのため、ＳＯＯＴ等の生成が抑制されつつ混合気が適正に昇温されて、その後の圧縮自己着火燃焼を適正に実現することができる。

特に、前記点火点Ｓ１が、平面視で前記インジェクタ２１の互いに隣接する噴口２１ａの軸線ｕ２＿１、ｕ２＿２の中間に位置している。そのため、点火エネルギーが、点火点Ｓ１の両隣を通過する２つの噴口２１ａから噴射された燃料噴霧に効率よく供給され、混合気をより確実に適正に燃焼させることができる。

また、本実施形態では、ピストン５の冠面の径方向中央部分に凹状のキャビティ４０が設けられるとともに、キャビティ４０と対向する燃焼室６天井の径方向中央部分から放射状に燃料（ガソリンを主成分とする燃料）を噴射する多噴口型のインジェクタ２１がシリンダヘッド４に設けられている。また、前記キャビティ４０の径は、前記点火点Ｓ１が、前記キャビティ４０の外周縁よりも径方向内側に位置する寸法に設定されている。そして、高負荷域を含む第３運転領域Ａ３（特定運転領域）において、燃焼室６内の別々の空間（燃焼室６の外周部およびキャビティ４０の内部）に分離して混合気Ｘ１，Ｘ２が形成されるよう、圧縮行程中に設定された前段噴射Ｐ１と、それより後の圧縮上死点付近に設定された後段噴射Ｐ２との少なくとも２回に分けて燃料を噴射する制御が実行されるとともに、キャビティ４０の内部に形成される混合気Ｘ２に対してのみ点火エネルギーが供給される。そのため、これらの混合気Ｘ１，Ｘ２を圧縮上死点付近で独立して自着火、燃焼させることができ、これら燃料が混じり合って同時に燃焼することに伴う筒内圧力の急上昇による燃焼騒音の増大や、局所的な酸素不足によるスートの大量発生を効果的に防止することができる。

ここで、点火アシストを行う運転領域は、前記に限らない。また、点火アシストを行う運転領域において実施される燃料噴射の制御は前記に限らない。例えば、燃焼室内の温度が比較的低い、エンジン回転数が低く、かつ、エンジン負荷が小さい低負荷低速領域において点火アシストを実施してもよい。

また、前記インジェクタ格納部６２は省略可能である。すなわち、図１６に示すように、燃焼室６の天井面全体を略平面としてもよい。ただし、前記実施形態のように、燃焼室６の天井面にインジェクタ格納部６２を設け、インジェクタ２１の先端部Ｉ１の位置をより上方（ピストン冠面から離間する方向）に配置すれば、点火点Ｓ１を側面視でインジェクタ２１の各噴口２１ａの軸線上に配置しつつ点火プラグ２０の燃焼室６内への突出量を小さく抑えることができる。

また、燃焼室６の天井面６０は、インジェクタ格納部６２よりも径方向外側の面が水平面であるものに限らない。例えば、図１７に示すように、燃焼室６の天井面６０は、インジェクタ格納部６２の外周縁から径方向外側に向かうに従って下方（ピストン冠面に近づく方向）に傾斜する形状を有していてもよい。

また、インジェクタ２１の噴口の数は１２個に限られず、１２個より多くても少なくてもよい。ただし、噴口の数があまりに少ないと、インジェクタ２１から噴射された燃料の濃度が周方向に大きくばらつくことになる。このため、噴口の数は８個以上とすることが望ましい。噴口の数が８個以上であれば、前記前段噴射Ｐ１および後段噴射Ｐ２を実行した後、ごく短時間で、周方向にほぼ均一な空燃比をもった混合気を形成することができ、その後の自着火による燃焼（圧縮自己着火燃焼）を適正に行わせることができる。

５ ピストン
６ 燃焼室
２１ インジェクタ
２１ａ 噴口
４０ キャビティ
５０ ＥＣＵ（制御手段）
６０ 天井面
６２ インジェクタ格納部
Ａ３ 第３運転領域（特定運転領域）
Ｉ１ インジェクタの先端部
Ｓ１ 点火点

Claims (6)

1. 少なくとも一部がガソリンからなる燃料と空気との混合気を燃焼室で燃焼させることによりピストンを気筒内で往復運動させるガソリンエンジンであって、
   前記燃料を燃焼室内に噴射する複数の噴口が先端に形成されているとともに、当該先端部が前記燃焼室天井の径方向中央部分において前記燃焼室内に臨む状態で、前記燃焼室天井に配設されたインジェクタと、
   前記燃焼室天井のうち前記インジェクタよりも径方向外側の位置に配設されて、前記混合気に点火エネルギーを供給する点火プラグと、
   前記インジェクタによる燃料の噴射動作および前記点火プラグによる点火動作を制御する制御手段とを備え、
   前記インジェクタの各噴口は、当該各噴口を通じて燃料が前記ピストンの冠面に近づくほど径方向外側に拡がって放射状に噴射されるように、その各軸線が前記ピストン冠面に近づくほど径方向外側に傾斜する形状を有し、
   前記ピストンは、その冠面の径方向中央部分に設けられて前記燃焼室天井から離間する方向に凹むキャビティを有し、
   前記点火プラグは、その点火点が、前記インジェクタの先端部に対して前記気筒の径方向外側に離間するとともに前記キャビティの外周縁よりも径方向内側に位置し、さらに平面視でインジェクタの互いに隣接する噴口の軸線と軸線の間に位置するように、配設されており、
   前記制御手段は、予め設定されたエンジンの特定運転領域において、前記燃焼室のうち前記キャビティよりも径方向外側の部分に混合気が偏在するような圧縮上死点前の所定のタイミングで燃料を噴射する前段噴射と、前記キャビティ内に混合気が偏在するような圧縮上死点以降の所定のタイミングで燃料を噴射する後段噴射とを、前記インジェクタに実施させるとともに、前記後段噴射が開始されてからこの後段噴射により噴射された燃料が前記燃焼室の壁面に到達するまでの間で、かつ、前記前段噴射に基づく混合気が自着火燃焼を開始した後に、前記点火プラグから前記キャビティ内に存在する混合気に点火エネルギーを供給させることを特徴とするガソリンエンジン。
2. 請求項１に記載のガソリンエンジンにおいて、
   前記インジェクタは、その先端に８個以上の噴口を有することを特徴とするガソリンエンジン。
3. 請求項１または２に記載のガソリンエンジンにおいて、
   前記点火プラグは、その点火点が側面視で前記インジェクタの特定の噴口の軸線近傍に位置するように、前記燃焼室天井から燃焼室内部に向かって突出していることを特徴とするガソリンエンジン。
4. 請求項３に記載のガソリンエンジンにおいて、
   前記燃焼室天井の径方向中央部分には、前記ピストン冠面から離間する方向に凹むインジェクタ格納部が形成されており、
   前記インジェクタは、その先端部が前記インジェクタ格納部の径方向中央部分に位置する状態で、当該インジェクタ格納部内に臨んでおり、
   前記インジェクタ格納部の内周面は、前記インジェクタの各噴口から前記燃焼室の壁面に向かう燃料の通過領域から径方向外側に離間した位置で当該燃料の通過領域を囲む形状を有することを特徴とするガソリンエンジン。
5. 請求項４に記載のガソリンエンジンにおいて、
   前記インジェクタ格納部の内周面は、前記燃焼室天井の径方向中央部分を頂部とする略円錐面状を有しており、
   前記インジェクタの先端部は、前記頂部に位置していることを特徴とするガソリンエンジン。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載のガソリンエンジンにおいて、
   前記前段噴射は、圧縮行程中に実施され、
   前記後段噴射は、膨張行程初期までの間に実施されることを特徴とするガソリンエンジン。