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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-03-14
(45)【発行日】2022-03-23
(54)【発明の名称】予混合圧縮着火式エンジン
(51)【国際特許分類】
F02D 41/02 20060101AFI20220315BHJP
F02D 41/04 20060101ALI20220315BHJP
F02M 61/18 20060101ALI20220315BHJP
F02D 41/38 20060101ALI20220315BHJP
F02B 17/00 20060101ALI20220315BHJP
F02B 23/00 20060101ALI20220315BHJP
F02B 23/02 20060101ALI20220315BHJP
F02B 23/10 20060101ALI20220315BHJP
【ＦＩ】
F02D41/02
F02D41/04
F02M61/18 360J
F02D41/38
F02B17/00 F
F02B23/00 H
F02B23/02 H
F02B23/02 N
F02B23/10 320
【請求項の数】
4
(21)【出願番号】P 2018115766
(22)【出願日】2018-06-19
(65)【公開番号】P2019218882
(43)【公開日】2019-12-26
【審査請求日】2020-07-15
(73)【特許権者】
【識別番号】000003137
【氏名又は名称】マツダ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001427
【氏名又は名称】特許業務法人前田特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】乃生 芳尚
(72)【発明者】
【氏名】太田 統之
(72)【発明者】
【氏名】瀬戸 祐利
(72)【発明者】
【氏名】沖濱 圭佑
(72)【発明者】
【氏名】神代 雄大
【審査官】戸田 耕太郎
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１８－０５９４８８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１０－０３７９４８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００８－１０６７３７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００１－０９８９７１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００６－２３３８３９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１２－２１１５４２（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｆ０２Ｄ ４１／０２
Ｆ０２Ｄ ４１／０４
Ｆ０２Ｍ ６１／１８
Ｆ０２Ｄ ４１／３８
Ｆ０２Ｂ １７／００
Ｆ０２Ｂ ２３／００
Ｆ０２Ｂ ２３／０２
Ｆ０２Ｂ ２３／１０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
燃焼室が形成された気筒を有するエンジン本体を備え、該燃焼室内で燃料と空気との混合気を自着火させる予混合圧縮着火式エンジンであって、上記エンジン本体の幾何学的圧縮比が、１６以上３０以下であり、
燃料噴射口が上記燃焼室の天井面の略中央から該燃焼室に臨み、該燃料噴射口から燃料をピストンの冠面に向かって噴射する燃料噴射弁と、
上記燃焼室の天井面における上記燃料噴射口の近傍から該燃焼室に臨み、非平衡プラズマを生成する金属製の放電電極部と、
上記燃料噴射弁の作動を制御する燃料噴射弁制御手段とを備え、
上記燃料噴射弁制御手段は、上記エンジン本体の運転状態が、負荷が所定負荷よりも低負荷側でかつロードロードライン以上でかつ、回転数が第２所定回転数以下である特定運転領域にあるときにおいて、上記混合気が自着火する時点で、上記燃焼室の天井面及び上記ピストンの冠面から離間して混合気層が形成されるように、上記燃料噴射弁に対して、圧縮行程を初期、中期及び後期と３等分したときの中期に、燃料噴射を複数回に分けて行わせるように構成されており、
上記所定負荷は、回転数が上記第２所定回転数以下のときには、ロードロードラインよりも高い負荷に設定される一方、回転数が上記第２所定回転数より高い回転数では上記ロードロードラインの負荷に設定されており、
上記特定運転領域のうち回転数が、上記第２所定回転数よりも低い第１所定回転数以下である特定低回転運転領域は、上記所定負荷未満でかつ上記ロードロードラインよりも高い負荷に設定されかつ回転数が高いほど高負荷側に位置する特定境界が設定されており、
上記エンジン本体の運転状態が、上記特定低回転運転領域にあるときにおいて、上記燃料噴射弁による圧縮行程の上記中期における噴射回数は、該運転状態が上記特定境界の高負荷側かつ低回転側にあるときの方が、該運転状態が上記特定境界の低負荷側かつ高回転側にあるときと比べて、多くなるように設定されている、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。
【請求項2】
請求項１記載の予混合圧縮着火式エンジンにおいて、上記燃焼室の天井面に、遮熱層が設けられていることを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。
【請求項3】
請求項１又は２記載の予混合圧縮着火式エンジンにおいて、上記燃料噴射弁の燃料噴射口から噴射される燃料の燃圧が、１５ＭＰａ以上６０ＭＰａ以下に設定されていることを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。
【請求項4】
請求項１～３のいずれか１つに記載の予混合圧縮着火式エンジンにおいて、上記燃料噴射弁は、上記燃料噴射口から燃料を上記ピストンの冠面に向かって円錐状に拡がるように噴射するよう構成されていることを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、予混合圧縮着火式エンジンに関する技術分野に属する。
【背景技術】
【0002】
従来より、燃焼室内で燃料と空気との混合気を自着火させる（ＨＣＣＩ燃焼させる）予混合圧縮着火式エンジンが知られている（例えば、特許文献１参照）。また、特許文献１では、エンジンの燃焼室の壁面に遮熱層（断熱層）を設けることによって、該壁面からの燃焼熱の放出を抑制して、冷却損失を低減することで、エンジンの熱効率を向上させるようにしている。
【0003】
また、例えば特許文献２では、吸気へのオゾン添加によって燃焼室内の燃焼を早め、それによって、燃料噴霧の飛翔と共に燃焼室の中心部から外周部の方向に拡がる火炎が、燃焼室を区画する壁面に到達する前に燃焼を終了させ、これにより、冷却損失を低減するようにしている。また、特許文献２においても、燃焼室を区画する壁面に断熱層が設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開２０１５－０８１５２７号公報
【文献】特開２０１３－１９４７１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
ところで、予混合圧縮着火式エンジンにおいては、所定負荷よりも低負荷側の運転領域で、圧縮行程の後期（圧縮行程を初期、中期及び後期と３等分したときの後期）に燃料が噴射されることがある。これにより、燃料を良好に燃焼させて燃え残りを少なくすることができるとともに、燃料が自着火する時点において、燃焼室の中央部に混合気層を形成しかつその周囲に空気（又は、空気及びＥＧＲガス）を含むガス層を形成して、冷却損失を低減することができる。
【0006】
ここで、燃焼室の天井壁には、金属製の放電電極部が燃焼室の天井面から該燃焼室に臨むように、放電プラグが設けられる場合がある。この放電プラグは、放電電極部での放電により、放電電極部に非平衡プラズマ（低温プラズマとも呼ばれる）を生成するものである。放電電極部の周辺に、空気又は空燃比のかなり大きい燃料リーンな混合気（基本的に空気）が存在しているときに、放電電極部での放電により非平衡プラズマが生成されたときには、空気から、混合気の自着火及び燃焼を促進する物質（例えばオゾン、ＯＨ等）が生成される。一方、放電電極部の周辺に、燃料又は比較的燃料リッチな混合気が存在しているときに、放電電極部での放電により非平衡プラズマが生成されたときには、燃料から、混合気の自着火及び燃焼を抑制する物質（例えばホルムアルデヒド、二酸化窒素等）が生成される。このように、放電電極部の周辺の空燃比に応じて、非平衡プラズマを生成することにより、混合気の燃焼を制御できるようになる。
【0007】
上記のような放電プラグの放電電極部が燃料噴射弁の燃料噴射口の近傍に設けられている場合、圧縮行程の後期に燃料を噴射すると、混合気が自着火する時点（圧縮上死点付近）において放電電極部の直ぐ近くに燃料リッチな混合気が存在することになり、放電電極部は熱伝達率が高い金属製であるので、その混合気の燃焼熱が、特に放電電極部を介して燃焼室の外部に逃げ易く、この結果、冷却損失が増大することになる。
【0008】
本発明は、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、予混合圧縮着火式エンジンが、燃焼室の天井面における燃料噴射弁の燃料噴射口の近傍から該燃焼室に臨む金属製の放電電極部を備えている場合に、所定負荷よりも低負荷側の運転領域において、冷却損失を低減して、予混合圧縮着火式エンジンの熱効率を向上させようとすることにある。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記の目的を達成するために、本発明では、燃焼室が形成された気筒を有するエンジン本体を備え、該燃焼室内で燃料と空気との混合気を自着火させる予混合圧縮着火式エンジンを対象として、上記エンジン本体の幾何学的圧縮比が、１６以上３０以下であり、燃料噴射口が上記燃焼室の天井面の略中央から該燃焼室に臨み、該燃料噴射口から燃料をピストンの冠面に向かって噴射する燃料噴射弁と、上記燃焼室の天井面における上記燃料噴射口の近傍から該燃焼室に臨み、非平衡プラズマを生成する金属製の放電電極部と、上記燃料噴射弁の作動を制御する燃料噴射弁制御手段とを備え、上記燃料噴射弁制御手段は、上記エンジン本体の運転状態が、負荷が所定負荷よりも低負荷側でかつロードロードライン以上でかつ、回転数が第２所定回転数以下である特定運転領域にあるときにおいて、上記混合気が自着火する時点で、上記燃焼室の天井面及び上記ピストンの冠面から離間して混合気層が形成されるように、上記燃料噴射弁に対して、圧縮行程を初期、中期及び後期と３等分したときの中期に、燃料噴射を複数回に分けて行わせるように構成されており、上記所定負荷は、回転数が上記第２所定回転数以下のときには、ロードロードラインよりも高い負荷に設定される一方、回転数が上記第２所定回転数より高い回転数では上記ロードロードラインの負荷に設定されており、上記特定運転領域のうち回転数が、上記第２所定回転数よりも低い第１所定回転数以下である特定低回転運転領域は、上記所定負荷未満でかつ上記ロードロードラインよりも高い負荷に設定されかつ回転数が高いほど高負荷側に位置する特定境界が設定されており、上記エンジン本体の運転状態が、上記特定低回転運転領域にあるときにおいて、上記燃料噴射弁による圧縮行程の上記中期における噴射回数は、該運転状態が上記特定境界の高負荷側かつ低回転側にあるときの方が、該運転状態が上記特定境界の低負荷側かつ高回転側にあるときと比べて、多くなるように設定されている、という構成とした。
【0010】
上記の構成により、所定負荷よりも低負荷側の運転領域において、混合気が自着火する時点において、燃焼室の天井面及びピストンの冠面から離間するように燃料リッチな混合気層が形成され、放電電極部の周囲を含む該混合気層の周囲には、空気（又は、空気及びＥＧＲガス）を含むガス層が形成される。このガス層が断熱層となって、燃焼室の天井面（放電電極部）及びピストンの冠面からの燃焼熱の放出を抑制することができ、この結果、冷却損失を低減することができる。特に圧縮行程の中期に燃料を噴射することで、混合気が自着火する時点において、燃焼室の天井面（放電電極部）から離間するように燃料リッチな混合気層を形成することができるとともに、圧縮行程の中期ではピストンの上昇速度が速くなるので、ピストンの上昇によりピストンの上側に発生する上昇流によって、燃料がピストンの冠面に付着し難くなる。しかも、高圧縮比であるので、圧縮行程の中期に噴射された燃料は飛びに難くなり、このことからも、燃料がピストンの冠面に付着し難くなり、燃料リッチな混合気層がピストンの冠面からも離間するようになる。したがって、冷却損失を低減することができ、よって、予混合圧縮着火式エンジンの熱効率を向上させることができる。
【0011】
また、このように燃料が分割噴射されることで、圧縮行程の中期に噴射された燃料はより一層飛びに難くなり、ピストンの冠面に付着し難くなる。よって、冷却損失をより一層低減することができる。
【0012】
また、エンジン本体の負荷が高いときには、該負荷が低いときに比べて、燃料のトータル噴射量が多くなる。このため、負荷が高いときの噴射回数が、負荷が低いときの噴射回数と同じであれば、負荷が高いときの各回の噴射量が、負荷が低いときの各回の噴射量に比べて多くなる。各回の噴射量が多くなると、各回で噴射される燃料が遠くに飛び易くなる。しかし、負荷が高いときの噴射回数を、負荷が低いときの噴射回数に比べて多くすることで、負荷が高くても、負荷が低いときと同様に、各回で噴射される燃料を飛び難くすることができる。よって、所定負荷よりも低負荷側の運転領域において、エンジン本体の負荷の高低に関係なく、冷却損失を低減することができる。
【0013】
また、エンジン本体の回転数が低いときには、該回転数が高いときに比べて、ピストンの上昇による上昇流が弱くなる。このため、回転数が低いときの噴射回数が、回転数が高いときの噴射回数と同じであれば、回転数が低いときに噴射された各回の燃料は、回転数が高いときに噴射された各回の燃料に比べて、ピストンの冠面に向かって飛び易くなる。しかし、回転数が低いときの噴射回数を、回転数が高いときの噴射回数に比べて多くすることで、回転数が低いときの各回の噴射量を、回転数が高いときの各回の噴射量よりも少なくして、ピストンの上昇による上昇流が弱くても、上昇流が強いときと同様に、各回で噴射される燃料を飛び難くすることができる。よって、所定負荷よりも低負荷側の運転領域において、エンジン本体の回転数の高低に関係なく、冷却損失を低減することができる。
【0014】
上記予混合圧縮着火式エンジンにおいて、上記燃焼室の天井面に、遮熱層が設けられている、ことが好ましい。
【0015】
このことにより、燃焼室の天井面からの燃焼熱の放出を良好に抑制することができる。このように天井面に遮熱層が設けられても、天井面における放電電極部が燃焼室に臨む部分には、遮熱層を設けることができず、圧縮行程の後期に燃料を噴射したのでは、放電電極部からの放熱が避けられないが、上記のように、圧縮行程の中期に燃料が噴射されることで、放電電極部から離間するように燃料リッチな混合気層が形成されて、放電電極部からの放熱を抑制することができる。
【0016】
上記予混合圧縮着火式エンジンにおいて、上記燃料噴射弁の燃料噴射口から噴射される燃料の燃圧が、１５ＭＰａ以上６０ＭＰａ以下に設定されている、ことが好ましい。
【0017】
このことで、所定負荷よりも低負荷側の運転領域において、圧縮行程における高圧の燃焼室内に燃料を噴射して、燃焼室の天井面（放電電極部）及びピストンの冠面から離間するように燃料リッチな混合気層を適切に形成することができる。
【0018】
上記予混合圧縮着火式エンジンにおいて、上記燃料噴射弁は、上記燃料噴射口から燃料を上記ピストンの冠面に向かって円錐状に拡がるように噴射するよう構成されている、ことが好ましい。
【0019】
このことで、燃料噴射弁より噴射される燃料噴霧のペネトレーションを低くすることができ、燃料がピストンの冠面により一層付着し難くなる。
【発明の効果】
【0020】
以上説明したように、本発明の予混合圧縮着火式エンジンによると、エンジン本体の幾何学的圧縮比が１６以上３０以下であり、燃料噴射口が上記燃焼室の天井面の略中央から該燃焼室に臨み、該燃料噴射口から燃料をピストンの冠面に向かって噴射する燃料噴射弁と、上記燃焼室の天井面における上記燃料噴射弁の近傍から該燃焼室に臨み、非平衡プラズマを生成する金属製の放電電極部と、燃料噴射弁制御手段とを備え、上記燃料噴射弁制御手段は、上記エンジン本体の運転状態が所定負荷よりも低負荷側の運転領域にあるときにおいて、混合気が自着火する時点で、上記燃焼室の天井面及び上記ピストンの冠面から離間して混合気層が形成されるように、上記燃料噴射弁に対して、圧縮行程を初期、中期及び後期と３等分したときの中期に、燃料噴射を行わせるようにしたことにより、所定負荷よりも低負荷側の運転領域において、冷却損失を低減して、予混合圧縮着火式エンジンの熱効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0021】
【図1】本発明の実施形態に係る予混合圧縮着火式エンジンの概略構成を示す図である。
【図2】上記エンジンの要部を拡大して示す断面図である。
【図3】外開弁式の燃料噴射弁における燃料噴射口の周辺を示す断面図であって、（ａ）は、外開弁によって燃料噴射口が閉じられている状態を示し、（ｂ）は、燃料噴射口が開放されて燃料を噴射している状態を示す。
【図4】多噴孔型の燃料噴射弁における噴口の周辺を示す断面図であって、（ａ）は、芯弁によって噴口が閉じられている状態を示し、（ｂ）は、噴口が開放されて燃料を噴射している状態を示す。
【図5】上記エンジンの燃焼室の天井面及びピストンの冠面に設けられた遮熱層を拡大して示す断面図である。
【図6】上記エンジンの制御系を示すブロック図である。
【図7】上記放電プラグの放電電極部に印加するパルス電圧のパルス幅とピーク値とに応じて、放電電極部での放電により生成されるプラズマの種類を示す図である。
【図8】非平衡プラズマを生成する際のパルス電圧の波形の一例を示すグラフである。
【図9】エンジン本体の運転状態に応じた、燃料噴射弁の燃料噴射形態のマップの一例を示す図である。
【図10】第１所定負荷以上の運転領域（燃料噴射形態のマップの運転領域Ａ）における燃料噴射のタイミングを示すタイムチャートである。
【図11】第１所定負荷以上の運転領域において、混合気が自着火する時点における燃焼室内の燃料分布を示す図である。
【図12】外開弁式の燃料噴射弁により燃料を一括噴射したときの燃料噴霧の様子を示す図である。
【図13】圧縮行程で燃料を一括噴射した場合及び分割噴射した場合の燃料の噴射開始時期（分割噴射の場合は、１回目の噴射開始時期）と、排気ガス中のＣＯ濃度及びＴＨＣ濃度との関係を調べた結果を示すグラフである。
【図14】第１所定負荷よりも低負荷側の運転領域（燃料噴射形態のマップの運転領域Ｂ）における燃料噴射のタイミングを示すタイムチャートである。
【図15】第１所定負荷よりも低負荷側の運転領域において、混合気が自着火する時点における燃焼室内の燃料分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0022】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【0023】
図１は、本発明の実施形態に係る予混合圧縮着火式エンジン１（以下、エンジン１という）を示す。本実施形態では、エンジン１は、燃焼室６が形成された４つの気筒２（シリンダ）を有するエンジン本体１ａを備えていて、各気筒２における燃焼室６内で燃料と空気との混合気を自着火させるエンジンである。
【0024】
エンジン１は、エンジン本体１ａの４つの気筒２が図１の紙面に垂直な方向に直列に配置された直列４気筒エンジンである。エンジン１は、車両に搭載されて、該車両の駆動源として利用される。本実施形態では、エンジン１は、少なくともガソリンを含有する燃料の供給を受けて駆動される。燃料は、ガソリンに加えて、例えばバイオエタノール等が含有されていてもよい。
【0025】
エンジン本体１ａは、４つの気筒２が設けられたシリンダブロック３と、このシリンダブロック３上に配設されたシリンダヘッド４とを有している。各気筒２内には、シリンダヘッド４との間に燃焼室６を区画するピストン５が往復動（上下動）可能にそれぞれ嵌挿されている。各気筒２のピストン５は、コンロッド８を介して、気筒列方向に延びる不図示のクランクシャフトと連結されている。
【0026】
燃焼室６は、いわゆるペントルーフ型であり、シリンダヘッド４の下面で構成される、燃焼室６の天井面が、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。
【0027】
ピストン５の冠面５ａには、該冠面５ａの中心部をシリンダヘッド４とは反対側（下側）に凹ませたキャビティ５ｂが形成されている。ピストン５の側周面における冠面５ａの近傍には、複数（本実施形態では、３つ）のピストンリング５ｃ（図２参照）が嵌められている。
【0028】
エンジン本体１ａの幾何学的圧縮比、つまり、ピストン５が上死点にあるときの燃焼室６の容積に対して、ピストン５が下死点にあるときの燃焼室６の容積の比は、１６以上３０以下（より好ましくは、２０以上２５以下）に設定されている。
【0029】
シリンダヘッド４には、吸気通路２０から供給される空気を気筒２（燃焼室６）内に導入するための吸気ポート９と、気筒２内で生成された排気ガスを排気通路３０に導出するための排気ポート１０とが形成されている。本実施形態では、吸気ポート９及び排気ポート１０は、各気筒２毎にそれぞれ２つずつ形成されている。本実施形態では、吸気ポート９の形状により、燃焼室６内には、吸気ポート９から燃焼室６に吸入された空気のタンブル流Ｔ（図２参照）が生成されるようになっている。
【0030】
また、シリンダヘッド４には、各吸気ポート９の燃焼室６側の開口をそれぞれ開閉する吸気弁１１と、各排気ポート１０の燃焼室６側の開口をそれぞれ開閉する排気弁１２とが設けられている。
【0031】
吸気弁１１は、吸気動弁機構によって、所定のタイミングで開閉する。吸気動弁機構は、バルブタイミング及び／又はバルブリフトを可変にする可変動弁機構とされている。本実施形態では、この可変動弁機構は、吸気電動Ｓ－ＶＴ（Sequential-Valve Timing）１７を有している。吸気電動Ｓ－ＶＴ１７は、吸気カムシャフトの回転位相を所定の角度範囲内で連続的に変更するよう構成されている。それによって、吸気弁１１の開弁時期及び閉弁時期は、連続的に変化する。尚、吸気動弁機構は、電動Ｓ－ＶＴに代えて、油圧式のＳ－ＶＴを有していてもよい。
【0032】
排気弁１２は、排気動弁機構によって、所定のタイミングで開閉する。排気動弁機構も、バルブタイミング及び／又はバルブリフトを可変にする可変動弁機構とされている。本実施形態では、この可変動弁機構は、排気電動Ｓ－ＶＴ１８を有している。排気電動Ｓ－ＶＴ１８は、排気カムシャフトの回転位相を所定の角度範囲内で連続的に変更するよう構成されている。それによって、排気弁１２の開弁時期及び閉弁時期は、連続的に変化する。尚、排気動弁機構は、電動Ｓ－ＶＴに代えて、油圧式のＳ－ＶＴを有していてもよい。
【0033】
さらに、図２にも示すように、シリンダヘッド４には、各気筒２毎に、燃料をピストン５の冠面５ａに向かって噴射する燃料噴射弁１４が設けられている。燃料噴射弁１４は、各気筒２の燃焼室６の天井壁の略中央に取り付けられている。燃料噴射弁１４は、その先端部に、燃料を噴射する燃料噴射口（後述の燃料噴射口６１又は噴孔６６）を有し、該燃料噴射口が燃焼室６の天井面の略中央から燃焼室６に臨んでいる。燃料噴射弁１４の燃料噴射口から噴射される燃料の燃圧は、１５ＭＰａ以上６０ＭＰａ以下に設定される。
【0034】
燃料噴射弁１４は、外開弁式であってもよく、多噴孔型であってもよい。燃料噴射弁１４が外開弁式である場合、図３に示すように、燃料噴射弁１４は、燃料噴射口６１を開閉する外開弁６２を有している。燃料噴射口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。外開弁６２の先端側は、燃料噴射口６１の外側に突出しており、その突出した部分が、燃料噴射口６１を塞ぐように燃料噴射口６１に当接（着座）する。そして、外開弁６２が、燃料噴射口６１を閉じた状態（図３（ａ）参照）から燃料噴射口６１の外側（燃焼室６側）にリフトされたとき、燃料噴射口６１が開放され、この開放された燃料噴射口６１から、燃料がピストン５の冠面５ａに向かって略円錐状（詳しくはホローコーン状）に拡がるように噴射される（図３（ｂ）参照）。この円錐のテーパ角は、例えば９０°～１００°である（内側の中空部のテーパ角は７０°程度である）。
【0035】
一方、燃料噴射弁１４が多噴孔型である場合、燃料噴射弁１４は、図４に示すように、燃料噴射弁１４の先端部を構成する有底筒状の噴孔形成部材６５の底部に形成された複数（例えば、１０～２０個）の噴孔６６（燃料噴射口）と、噴孔形成部材６５の内側に入り込み、噴孔形成部材６５の底部における複数の噴孔６６よりも径方向外側部分に当接（着座）して該複数の噴孔６６を同時に塞ぐ芯弁６７とを有している。複数の噴孔６６は、燃料噴射弁１４の中心軸から放射状に拡がるように燃料噴射弁１４の先端に向かって延びている。芯弁６７が、複数の噴孔６６を閉じた状態（図４（ａ）参照）から燃焼室６とは反対側にリフトされたとき、複数の噴孔６６全てが開放され、これら開放された複数の噴孔６６から、燃料がピストン５の冠面５ａに向かって、該複数の噴孔全体で略円錐状に拡がるように噴射される（図４（ｂ）参照）。この円錐のテーパ角も、例えば９０°～１００°である（内側の中空部のテーパ角は７０°程度である）。
【0036】
また、シリンダヘッド４には、各気筒２毎に、燃焼室６の天井壁に取り付けられた放電プラグ１３が設けられている。本実施形態では、放電プラグ１３は、燃焼室６の天井壁の燃料噴射弁１４の近傍における２つの排気ポート１０の間の部分に設けられているが、燃焼室６の天井壁の燃料噴射弁１４の近傍における２つの吸気ポート９の間の部分に設けられていてもよい。放電プラグ１３は、金属製の放電電極部１３ａを有している。この放電電極部１３ａは、燃焼室６の天井面における上記燃料噴射口の近傍（天井面の中央近傍）における２つの排気ポート１０の開口の間から燃焼室６に臨んでいる。
【0037】
放電電極部１３ａは、放電プラグ１３の中心軸方向に互いに対向する金属製の中心電極１３ｂ及び接地電極１３ｃで構成されている。中心電極１３ｂは、中心電極１３ｂ及び接地電極１３ｃ間（つまり放電電極部１３ａ）にプラズマを生成するための所定の電圧を印加する電圧印加回路９１（図６参照）に接続されており、該電圧印加回路９１により中心電極１３ｂ及び接地電極１３ｃ間に上記所定の電圧が印加されると、中心電極１３ｂと接地電極１３ｃとの間で放電して、該放電のエネルギーにより、放電電極部１３ａにプラズマ（本実施形態では、非平衡プラズマ）が生成されるようになっている。
【0038】
吸気ポート９には、吸気通路２０が連通接続されている。この吸気通路２０の上流側端部には、吸入空気を濾過するエアクリーナ２１が配設されており、このエアクリーナ２１で濾過した吸入空気が吸気通路２０及び吸気ポート９を介して各気筒２の燃焼室６に供給される。
【0039】
吸気通路２０におけるエアクリーナ２１の下流側近傍には、吸気通路２０に吸入された吸入空気量を検出するエアフローセンサＳＮ２が配設されている。また、吸気通路２０における下流端の近傍には、サージタンク２５が配設されている。このサージタンク２５よりも下流側の吸気通路２０は、各気筒２毎に分岐する独立通路とされ、これら各独立通路の下流端が各気筒２の吸気ポート９にそれぞれ接続されている。
【0040】
さらに、吸気通路２０におけるエアフローセンサＳＮ２とサージタンク２５との間には、吸気通路２０を開閉するためのスロットル弁２２が配設されている。本実施形態では、スロットル弁２２は、エンジン１の運転中、基本的に全開又はこれに近い開度に維持され、エンジン１を停止させるとき等の限られた運転条件のときにのみ閉弁されて吸気通路２０を遮断する。
【0041】
排気ポート１０には、各気筒２の燃焼室６からの排気ガスを排出する排気通路３０が連通接続されている。この排気通路３０の上流側の部分は、各気筒２毎に分岐して排気ポート１０に接続された独立通路と該各独立通路が集合する集合部とを有する排気マニホールドによって構成されている。
【0042】
排気通路３０（排気マニホールドよりも下流側の部分）には、排気を浄化する排気浄化装置３１が設けられている。本実施形態では、排気浄化装置３１は、３元触媒を含む。
【0043】
エンジン１は、排気ガスの一部を排気通路３０から吸気通路２０にＥＧＲガスとして還流するためのＥＧＲ通路４１を備える。このＥＧＲ通路４１は、排気通路３０における排気浄化装置３１よりも上流側でかつ上記排気マニホールドよりも下流側の部分と、吸気通路２０におけるサージタンク２５の部分とを連通するように、該両部分に接続されている。
【0044】
ＥＧＲ通路４１には、該ＥＧＲ通路４１を開閉するＥＧＲ弁４２と、該ＥＧＲ通路４１を通過するＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ４３とが設けられている。ＥＧＲガスは、ＥＧＲクーラ４３によって冷却された後に吸気通路２０に還流される。
【0045】
尚、本実施形態では、エンジン１は、過給機を備えていないが、過給機を備えていてもよい。
【0046】
燃焼室６の天井面及びピストン５の冠面５ａには、遮熱層７が設けられている。遮熱層７は、シリンダヘッド４及びピストン５の母材（本実施形態では、共にアルミニウム合金）よりも熱伝導率が低い低熱伝導性の層とされている。本実施形態では、遮熱層７は、図５に示すように、シリコン樹脂等のバインダ材７ａと、その中に分散された多数の中空粒子７ｂとを含む。中空粒子７ｂとしては、例えば、ガラスバルーン、シラスバルーン、シリカバルーン等が採用される。遮熱層７は、燃焼室６内の燃焼ガスの熱が、燃焼室６の天井面及びピストン５の冠面５ａを通じて放出されることを抑制する。遮熱層７の厚みは、７５μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。
【0047】
また、遮熱層７は、シリンダヘッド４及びピストン５の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７の熱容量を小さくして、燃焼室６の天井面及びピストン５の冠面５ａの温度が、燃焼室６内のガス温度の変動に追従して変化することが好ましい。こうすることで、燃焼ガスの温度と燃焼室６の天井面及びピストン５の冠面５ａの温度との差が小さくなり、この結果、燃焼ガスの熱が、燃焼室６の天井面及びピストン５の冠面５ａを通じて母材に伝わり難くなる。
【0048】
遮熱層７は、バインダ材７ａと中空粒子７ｂとを含有する遮熱材料を、燃焼室６の天井面及びピストン５の冠面５ａ上に塗布した後、加熱処理によってバインダ材７ａを硬化させることにより形成することができる。
【0049】
尚、遮熱層７は必ずしも必要なものではなく、なくてもよい。また、ピストン５の冠面５ａ及び燃焼室６の天井面のうち、燃焼室６の天井面のみに遮熱層７を設けるようにしてもよい。ピストン５の冠面５ａの温度が比較的高いので、ピストン５の冠面５ａからの燃焼熱の放出量が、燃焼室６の天井面からの燃焼熱の放出量よりも少ないからである。
【0050】
図６に示すように、エンジン１は、ＥＣＵ（Engine ControlUnit）１００によって制御される。ＥＣＵ１００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ーである。ＥＣＵ１００は、ＣＰＵ１０１、メモリ１０２、入出力バス１０３等を備えている。ＣＰＵ１０１は、コンピュータプログラム（ＯＳ等の基本制御プログラム、及び、ＯＳ上で起動されて特定機能を実現するアプリケーションプログラムを含む）を実行する中央演算処理装置である。メモリ１０２は、ＲＡＭ及びＲＯＭにより構成されている。ＲＯＭには、種々のコンピュータプログラム（特にエンジン１を制御するための制御プログラム）や、該コンピュータプログラムの実行時に用いられる後述のマップを含むデータ等が格納されている。ＲＡＭは、ＣＰＵ１０１が一連の処理を行う際に使用される処理領域が設けられるメモリである。入出力バス１０３は、ＥＣＵ１００に対して電気信号の入出力をするものである。
【0051】
ＥＣＵ１００には、クランク角センサＳＮ１、エアフローセンサＳＮ２、アクセル開度センサＳＮ３等の各種のセンサが電気的に接続されている。クランク角センサＳＮ１は、シリンダブロック３に設けられていて、クランクシャフトの回転角を検出する。アクセル開度センサＳＮ３は、車両のアクセルペダル機構に取り付けられていて、アクセルペダルの操作量に対応したアクセル開度を検出する。これらセンサＳＮ１～ＳＮ３等は、検知信号をＥＣＵ１００に出力する。
【0052】
ＥＣＵ１００は、センサＳＮ１～ＳＮ３等からの入力信号に基づいて、エンジン１の運転状態を判断するとともに、電圧印加回路９１、燃料噴射弁１４、吸気電動Ｓ－ＶＴ１７、排気電動Ｓ－ＶＴ１８、スロットル弁２２、ＥＧＲ弁４２等といった、エンジン１の各デバイスに対して制御信号を出力して、各デバイスを制御する。ＥＣＵ１００は、燃料噴射弁１４の作動を制御する燃料噴射弁制御手段を構成することになる。
【0053】
本実施形態では、エンジン本体１ａの燃焼サイクルにおいて、放電プラグ１３の放電電極部１３ａでの放電により非平衡プラズマ（低温プラズマとも呼ばれる）を生成することによって、燃焼室６内での燃焼を制御するようにしている。尚、非平衡プラズマとは、燃焼室６内のガス温度の上昇を伴わず、燃焼室６内の電子と、燃焼室６内のガスのイオンや分子とが熱平衡状態にないプラズマのことをいう。
【0054】
非平衡プラズマは、放電プラグ１３の放電電極部１３ａ（中心電極１３ｂ及び接地電極１３ｃ間）に印加するパルス電圧のパルス幅及びピーク値を適切な値に設定することによって生成することができる。図７は、パルス電圧のパルス幅とピーク値とに応じて、放電電極部１３ａでの放電により生成されるプラズマの種類を示す。図７の横軸はパルス電圧のパルス幅であり、対数スケールで示している。一方、図７の縦軸はパルス電圧のピーク値であり、対数スケールで示している。図７に示すように、パルス幅を短くすると（具体的には、０．０１μｓｅｃ以上かつ１μｓｅｃ未満にすると）、非平衡プラズマが生成されることが分かる。これは、パルス幅の短いパルス電圧では、電子のみが反応して、イオンや分子はほとんど反応しないためである。一方、パルス幅を長くすると（１μｓｅｃ以上にすると）、熱平衡プラズマ（高温プラズマとも呼ばれる）が生成されることが分かる。非平衡プラズマは、混合気を着火する点火源とはならないが、熱平衡プラズマは、混合気を着火する点火源となる。
【0055】
本実施形態では、図８に示すように、電圧印加回路９１により放電プラグ１３の放電電極部１３ａに印加する上記所定の電圧は、ピーク値が１０ｋＶでかつパルス幅が０．１μｓｅｃのパルス電圧であり、このパルス電圧により、非平衡プラズマを生成する。ＥＣＵ１００は、非平衡プラズマを生成する際には、電圧印加回路９１を作動させて、該電圧印加回路９１により、上記パルス電圧を１００ｋＨｚの周波数でもって放電電極部１３ａに繰り返し印加させるようにする。図８では、パルス電圧は三角波であるが、方形波であってもよい。
【0056】
尚、非平衡プラズマを生成する際の放電電極部１３ａに印加するパルス電圧のピーク値は、１０ｋＶに固定する必要はなく、例えば燃焼室６内の圧力（圧力センサにより検出する）等に基づいて、１ｋＶ～３０ｋＶの範囲で変更してもよい。詳しくは、燃焼室６内の圧力が高いほど、パルス電圧のピーク値を高く設定してもよい。
【0057】
放電電極部１３ａに非平衡プラズマが生成されたとき、放電電極部１３ａの周辺の空燃比に応じて、燃焼室６内において生成される物質が異なる。すなわち、放電電極部１３ａの周辺に、空気、又は、第１所定空燃比以上の燃料リーンな混合気（基本的に空気）が存在している場合に、放電電極部１３ａに非平衡プラズマが生成されると、その空気又は燃料リーンな混合気に非平衡プラズマが照射されて、空気から、オゾン（Ｏ３）やＯＨ等のような、燃焼室６内での混合気の自着火及び燃焼を促進させる物質である活性種が生成される。一方、放電電極部１３ａの周辺に、燃料、又は、上記第１所定空燃比よりも小さい第２所定空燃比未満の燃料リッチな混合気が存在している場合に、放電電極部１３ａに非平衡プラズマが生成されると、その燃料又は燃料リッチな混合気に非平衡プラズマが照射されて、燃料を基にして、ホルムアルデヒド（ＣＨ２Ｏ）や二酸化窒素（ＮＯ２）等のような、燃焼室６内での混合気の自着火及び燃焼を抑制させる物質である抑制種が生成される。
【0058】
したがって、基本的に、放電電極部１３ａの近傍に位置する燃料噴射弁１４より燃料を噴射しているときに、放電電極部１３ａに非平衡プラズマが生成されたときには、抑制種が生成される一方、吸気行程で吸気を行っていて燃料を噴射してないときに、非平衡プラズマが生成されたときには、活性種が生成されることになる。このようにして燃焼室６に活性種及び／又は抑制種を生成することによって、混合気の燃焼を早めたり遅らせたりすることで燃焼を制御する。
【0059】
本実施形態では、エンジン本体１ａの全運転領域において、圧縮着火燃焼（ＣＩ燃焼）が実施される。具体的には、エンジン本体１ａの運転時における圧縮上死点よりも前に燃料噴射弁１４から燃焼室６内に燃料が噴射され、この燃料と空気との混合気を圧縮することで昇温し、圧縮上死点付近で混合気を自着火させる。
【0060】
図９は、エンジン本体１ａの運転状態に応じた、燃料噴射弁１４の燃料噴射形態のマップの一例である。このマップは、ＥＣＵ１００のメモリ１０２に記憶されている。このマップにおいて、エンジン本体１ａの回転数及び負荷に応じて、第１所定負荷Ｌ１以上の運転領域Ａと、該第１所定負荷Ｌ１よりも低負荷側の運転領域Ｂとが設定されている。運転領域Ｂは、後に詳細に説明するように、３つの運転領域Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３に分けられている。
【0061】
尚、図９にＲＬで示すラインは、ロードロードラインであり、ここでは、ロードロードラインＲＬよりも負荷が小さい領域では、燃料噴射形態が設定されていない。
【0062】
第１所定負荷Ｌ１は、エンジン本体１ａの回転数に応じて変化し、回転数が第１所定回転数Ｎ１以下では、回転数が高くなるほど高くなり、回転数が第１所定回転数Ｎ１よりも高くかつ第２所定回転数Ｎ２（第１所定回転数Ｎ１よりも高い回転数）以下では、一定値となる。また、第１所定負荷Ｌ１は、回転数が第２所定回転数Ｎ２よりも高いときには、ロードロードラインＲＬの負荷となる。
【0063】
運転領域Ａでは、図１０に示すように、ＥＣＵ１００は、燃料噴射弁１４に対して、吸気行程と圧縮行程とに分けて燃料噴射を行わせるとともに、圧縮行程においては、圧縮行程の特定期間に、複数回（本実施形態では、３回）に分けて燃料噴射を行わせる。尚、図１０の横軸のクランク角度は、圧縮上死点を０°として、圧縮上死点前を負の値としている。
【0064】
上記特定期間は、圧縮行程の１／４を経過した時期から３／４を経過した時期までの間である。燃料の噴射は、吸気弁１１の全閉タイミングとの関係で、上記特定期間の中でも遅角側が望ましい。但し、エンジン本体１ａの回転数が高くなる（例えば４０００ｒｐｍを超える）と、狭い期間に分割噴射することが困難になるので、上記特定期間の間であれば、どこで噴射してもよい。尚、吸気弁１１の全閉タイミングは、圧縮行程の１／４を経過した時期と略同じか、又は、該時期よりも進角側であることが好ましい。
【0065】
第１所定負荷Ｌ１以上の運転領域Ａにおいては、噴射すべき燃料の量が多いので、少なくとも吸気行程で燃料を噴射する必要がある。しかし、吸気行程のみで燃料を噴射したのでは、吸気行程で噴射されかつ吸気流（ここでは、タンブル流Ｔ）に流されて各気筒２のシリンダ壁面に付着する燃料の量が多くなる。シリンダ壁面に付着した燃料の一部は、圧縮行程でピストンリング５ｃによって掻き上げられるが、シリンダ壁面に付着する燃料の量が多いために、多量の燃料がシリンダ壁面とピストン５の周側面（ピストンリング５ｃよりも冠面５ａ側の部分）との間に残ったままとなり、この残った燃料は燃焼せず、その分だけ未燃損失が増大することになる。
【0066】
本実施形態では、運転領域Ａにおいて、吸気行程と圧縮行程とに分けて燃料噴射を行うので、吸気行程で噴射されかつ吸気流（タンブル流Ｔ）に流されて各気筒２のシリンダ壁面に付着する燃料の量が少なくなる。これにより、未燃損失が低減される。
【0067】
また、圧縮行程において圧縮行程の３／４を経過した時期までに燃料が噴射されることで、混合気が自着火する時点において、図１１に示すエリア５１に、比較的燃料リッチな混合気が存在し、燃料噴射弁１４の燃料噴射口及び放電プラグ１３の放電電極部１３ａの周囲には、比較的燃料リッチな混合気が存在しなくなる。燃料噴射弁１４の燃料噴射口及び放電電極部１３ａの周囲には、吸気行程で噴射された燃料と空気との混合気である比較的燃料リーンな混合気が存在する。
【0068】
さらに、圧縮行程において圧縮行程の１／４を経過した時期以降に燃料が噴射されることで、該時期以降では燃焼室６内の圧力が高くなるので、燃料が遠くに飛び難くなる。また、上記特定期間では、ピストンの上昇速度が速くなるので、ピストン５の上昇によりピストン５の上側に発生する上昇流によっても、燃料が遠くに飛び難くなる。
【0069】
しかも、上記特定期間に燃料が分割噴射されることで、燃料がより一層遠くに飛びに難くなる。上記特定期間の最初に噴射された燃料は、シリンダ壁面に到達する可能性はあるが、たとえシリンダ壁面に到達したとしても、分割噴射されていることで、燃料噴霧としてシリンダ壁面の近傍で浮遊した状態にあり、シリンダ壁面に多量に付着することはない。この結果、圧縮行程の燃料噴射においても、シリンダ壁面に付着する燃料の量を少なくすることができて、未燃損失を低減することができる。そして、シリンダ壁面の近傍で浮遊している燃料噴霧は、上記上昇流によって上昇し、燃焼室６の天井壁面に到達した後は、燃焼室６の中央に向かう。これにより、混合気が自着火する時点において、シリンダ壁面の近傍にも、比較的燃料リッチな混合気が存在しなくなる。シリンダ壁面の近傍には、燃料噴射弁１４の燃料噴射口及び放電電極部１３ａの周囲と同様に、比較的燃料リーンな混合気が存在する。
【0070】
このように運転領域Ａでは、混合気が自着火する時点において、燃焼室６内における、燃料噴射弁１４の燃料噴射口及び放電電極部１３ａの周囲並びにシリンダ壁面の近傍を除く部分に、比較的燃料リッチな混合気が存在することになる。
【0071】
運転領域Ａでは、圧縮上死点付近において、比較的燃料リッチな混合気の中央部分で混合気が自着火し、燃焼がその周囲へと拡がる。ここで、圧縮行程の３／４を経過した時期以降に燃料を噴射したのでは、混合気が自着火する時点において、比較的燃料リッチな混合気が燃料噴射弁１４及び放電電極部１３ａの直ぐ近くに存在することになり、放電電極部１３ａは熱伝達率が高い金属製であるので、混合気の燃焼熱が、特に放電電極部１３ａを介して燃焼室６の外部に逃げ易くなる。
【0072】
しかし、本実施形態では、混合気が自着火する時点において、燃料噴射弁１４及び放電電極部１３ａの周囲には、比較的燃料リッチな混合気が存在しないので、放電電極部１３ａからの燃焼熱の放出を抑制して、冷却損失を低減することができる。
【0073】
また、燃焼し難いシリンダ壁面の近傍にも、比較的燃料リッチな混合気が存在しないので、未燃損失をより一層低減することができるとともに、シリンダ壁面からの燃焼熱の放出を抑制することができる。
【0074】
さらに、本実施形態では、燃焼室６の天井面及びピストン５の冠面５ａに遮熱層７が設けられているので、冷却損失をより一層低減することができる。
【0075】
圧縮行程における燃料の噴射時期としては、例えば、１回目の噴射は、クランク角度で圧縮上死点前９０°で開始し、圧縮上死点前８６°で終了する。２回目の噴射は、圧縮上死点前７０°で開始し、圧縮上死点前６３°で終了する。３回目の噴射は、圧縮上死点前４９°で開始し、圧縮上死点前４５°で終了する。図１０に記載の圧縮行程における燃料の噴射時期は、これらの噴射時期に合わせている。また、１回目の噴射時における外開弁６２又は芯弁６７のリフト量は、最大リフト量の１／５であり、２回目の同リフト量は、最大リフト量の１／３であり、３回目の同リフト量は、最大リフト量の１／５である。
【0076】
このように、２回目の噴射時における噴射期間が、他の回の噴射時における噴射期間よりも長く、かつ、２回目の噴射時におけるリフト量が、他の回のリフト量よりも大きい。すなわち、２回目の噴射時における噴射量が、他の回の噴射時における噴射量よりも多くされている。これは、１回目の噴射時よりも２回目の噴射時の方が燃焼室６内の圧力が高くなっているので、より多くの燃料を噴射しても、燃料を遠くに飛ばないようすることができるからである。一方、３回目の噴射では、燃焼室６内の圧力がより高くなるものの、１回目及び２回目に噴射されて浮遊している燃料噴霧を進行方向に押す可能性が高くなるので、１回目と同程度の噴射量とされている。
【0077】
ここで、燃料が分割噴射されたときに燃料が遠くに飛び難くなる理由を、図３（ｂ）の分割噴射時と図１２の一括噴射時とを比較して説明する。図３（ｂ）は、燃料を３分割噴射したときの燃料噴霧の様子を示し、図１２は、図３（ｂ）の分割噴射時のトータル噴射量と同じ量の燃料を一括噴射したときの燃料噴霧の様子を示す。
【0078】
図１２に示すように、一括噴射の場合には、先に噴射された燃料（燃料噴霧）は、後から噴射された燃料によって押されて遠くに飛び易くなる。また、先に噴射された燃料噴霧の先端には、燃料噴霧の進行に伴って、燃料噴霧を巻き上げる渦流が発生し、その渦流によって、燃料噴霧の一部は、巻き上げられるが、その渦流が、後から噴射された燃料を進行方向に押す働きをして、これによっても、燃料噴霧が遠くに飛び易くなる。
【0079】
一方、図３（ｂ）に示すように、分割噴射の場合には、各回の噴射量が少量であることから、噴射直後に燃料噴霧が浮遊した状態になり易く、一括噴射の場合のような渦流が生じ難い。また、先の回に噴射された燃料噴霧が、その直後の回に噴射された燃料噴霧によって進行方向に押され難い。したがって、分割噴射の場合には、燃料が遠くに飛び難くなる。
【0080】
図１３は、圧縮行程で燃料を一括噴射した場合及び分割噴射した場合の燃料の噴射開始時期（分割噴射の場合は、１回目の噴射開始時期）と、排気ガス中のＣＯ濃度及びＴＨＣ濃度との関係を調べた結果を示す。ＴＨＣ濃度は、全炭化水素の濃度であって、メタン及び非メタン炭化水素の濃度である。
【0081】
図１３では、横軸は、燃料の噴射開始時期であって、圧縮上死点を０°としたクランク角度である。ここでは、圧縮上死点前のクランク角度を正の値としている。縦軸は、排気ガス中のＣＯ濃度又はＴＨＣ濃度である。
【0082】
上記関係を調べたエンジンでは、吸気弁の全閉タイミングが、圧縮上死点前１３５°となっている。また、一括噴射では、外開弁のリフト量が最大リフト量とされ、噴射期間はクランク角度で４°とされる。分割噴射では、トータル噴射量を一括噴射の噴射量と同じになるようにするとともに、上記特定期間内に各回の噴射が行われるように、出来る限り３回噴射する（１回目の噴射開始時期が遅角して３回では上記特定期間内に噴射できない場合には、２回噴射する）とともに、トータル噴射量を一括噴射の噴射量と同じになるようにした。分割噴射の場合は、上記特定期間内に２回噴射できなくなるまで、１回目の噴射開始時期を遅角させた。
【0083】
図１３より、一括噴射の場合には、上記特定期間に噴射すると、ＣＯ濃度及びＴＨＣ濃度が増大する（すなわち、燃料の燃え残りが多い）ことが分かる。一方、一括噴射の場合であっても、圧縮行程の３／４を経過した時期以降に燃料を噴射すれば、燃料が良好に燃焼（酸化）して燃料の燃え残りが少なくなる。しかし、圧縮行程の３／４を経過した時期以降に燃料を噴射したのでは、上記したように、混合気の燃焼熱が、特に放電電極部１３ａを介して燃焼室６の外部に逃げ易くなるので、燃料を上記特定期間に分割噴射する。
【0084】
図１３より、燃料を上記特定期間に分割噴射すれば、ＣＯ濃度及びＴＨＣ濃度がかなり低下する（すなわち、燃料の燃え残りが少なくなる）ことが分かる。特に吸気弁の全閉タイミング（圧縮上死点前１３５°）以降に燃料を噴射することで、ＣＯ濃度及びＴＨＣ濃度がより一層低下する。これは、吸気弁の全閉によって、燃焼室内の圧力が高くなって、燃料が飛び難くなるからである。
【0085】
したがって、上記特定期間に燃料が噴射されても、分割噴射することにより、該特定期間に噴射された燃料が燃焼し易くなり、上記特定期間に噴射された燃料の燃え残りを少なくすることができる。
【0086】
また、分割噴射の場合、空気過剰率が５未満となる混合気（燃焼可能な混合気）が、燃焼室全体の混合気に対してシリンダ壁面に接触する割合を調べたところ、１回目の噴射開始時期が遅角するほど、その割合が少なくなった。このことから、上記特定期間の中で出来る限り遅く噴射することで、シリンダ壁面からの燃焼熱の放出を抑制することができる。
【0087】
運転領域Ｂでは、ＥＣＵ１００は、混合気が自着火する時点で、燃焼室６の天井面及びピストン５の冠面５ａから離間して混合気層５４（図１５参照）が形成されるように、燃料噴射弁１４に対して、圧縮行程を初期、中期及び後期と３等分したときの中期に燃料噴射を行わせる（図１４参照）。運転領域Ｂでは、吸気行程での燃料噴射は行われない。
【0088】
本実施形態では、運転領域Ｂでは、燃料噴射弁１４に対して、圧縮行程の中期において燃料噴射を複数回に分けて行わせる。燃料噴射弁による圧縮行程の中期における噴射回数は、運転領域Ｂにおける３つの運転領域Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３毎に設定されている。
【0089】
運転領域Ｂ１は、エンジン本体１ａの回転数が第１所定回転数Ｎ１以下であるとともに、エンジン本体１ａの負荷が第２所定負荷Ｌ２以上かつ第１所定負荷Ｌ１未満である領域である。運転領域Ｂ１では、燃料噴射弁１４による圧縮行程の中期における噴射回数は、３回に設定されている。尚、第２所定負荷Ｌ２は、回転数が高くなるほど高くなる。
【0090】
運転領域Ｂ２は、エンジン本体１ａの回転数が第１所定回転数Ｎ１以下であるとともに、エンジン本体１ａの負荷がロードロードラインＲＬの負荷以上かつ第２所定負荷Ｌ２未満の領域である。運転領域Ｂ２では、燃料噴射弁１４による圧縮行程の中期における噴射回数は、２回に設定されている。
【0091】
運転領域Ｂ３は、エンジン本体１ａの回転数が第１所定回転数Ｎ１を超えかつ第２所定回転数Ｎ２以下であるとともに、エンジン本体１ａの負荷がロードロードラインＲＬの負荷以上かつ第１所定負荷Ｌ１未満である領域である。運転領域Ｂ３では、燃料噴射弁１４による圧縮行程の中期における噴射回数は、３回に設定されている。
【0092】
したがって、燃料噴射弁１４による圧縮行程の中期における噴射回数は、エンジン本体１ａの負荷が高いときには、該負荷が低いときに比べて、多くなるように設定されていることになる。また、燃料噴射弁１４による圧縮行程の中期における噴射回数は、エンジン本体１ａの回転数が低いときには、該回転数が高いときに比べて、多くなるように設定されていることになる。
【0093】
運転領域Ｂにおいては、圧縮行程の中期に燃料が噴射される。これにより、図１５に示すように、混合気が自着火する時点において、燃焼室６の天井面（特に放電プラグ１３の放電電極部１３ａ）から離間するように比較的燃料リッチな混合気層５４が形成されるとともに、燃料噴射弁１４の燃料噴射口及び放電電極部１３ａの周囲を含む、燃焼室６の天井面と混合気層５４との間には、空気（又は、空気及びＥＧＲガス）を含むガス層５５が形成される。また、ピストン５の上昇による上昇流と分割噴射とによって、混合気層５４がピストン５の冠面５ａからも離間するようになる。すなわち、ピストン５の冠面５ａと混合気層５４との間にも、ガス層５５が形成されることになる。
【0094】
尚、本実施形態とは異なる参考形態において、運転領域Ｂにおいては、必ずしも分割噴射を行わなくてもよい。この場合でも、燃料の噴射量が少なくて済むとともに、高圧縮比であるので、圧縮行程の中期に噴射された燃料は飛びに難く、混合気層５４を燃焼室６の天井面及びピストン５の冠面５ａから離間させることができる。
【0095】
ここで、運転領域Ｂにおいて、エンジン本体１ａの負荷が高いときの噴射回数が、負荷が低いときの噴射回数と同じであれば、負荷が高いときの各回の噴射量が、負荷が低いときの各回の噴射量に比べて多くなる。各回の噴射量が多くなると、各回で噴射される燃料が遠くに飛び易くなる。しかし、本実施形態では、負荷が高いときの噴射回数（運転領域Ｂ１の噴射回数）を、負荷が低いときの噴射回数（運転領域Ｂ２の噴射回数）に比べて多くすることで、負荷が高くても、負荷が低いときと同様に、各回で噴射される燃料を飛び難くすることができる。よって、運転領域Ｂにおいて、エンジン本体１ａの負荷の高低に関係なく、冷却損失を低減することができる。
【0096】
また、エンジン本体１ａの回転数が低いときの噴射回数が、回転数が高いときの噴射回数と同じであれば、回転数が低いときに噴射された各回の燃料は、回転数が高いときに噴射された各回の燃料に比べて、ピストン５の上昇による上昇流の影響を受けずに、ピストン５の冠面５ａに向かって飛び易くなる。しかし、本実施形態では、エンジン本体１ａの回転数が低いときの噴射回数（運転領域Ｂ１の噴射回数）を、回転数が高いときの噴射回数（運転領域Ｂ３の噴射回数）に比べて多くすることで、回転数が低いときの各回の噴射量を、回転数が高いときの各回の噴射量よりも少なくして、ピストン５の上昇による上昇流が弱くても、上昇流が強いときと同様に、各回で噴射される燃料を飛び難くすることができる。よって、運転領域Ｂにおいて、エンジン本体１ａの回転数の高低に関係なく、冷却損失を低減することができる。
【0097】
したがって、本実施形態では、エンジン本体１ａの運転状態が所定負荷よりも低負荷側の運転領域（運転領域Ｂ）にあるときにおいて、混合気が自着火する時点で、燃焼室６の天井面及びピストン５の冠面５ａから離間して混合気層５４が形成されるように、圧縮行程の中期に、燃料噴射を行うようにしたので、運転領域Ｂにおいて、冷却損失を低減して、エンジン１の熱効率を向上させることができる。
【0098】
本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、請求の範囲の主旨を逸脱しない範囲で代用が可能である。
【0099】
上述の実施形態は単なる例示に過ぎず、本発明の範囲を限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は請求の範囲によって定義され、請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。
【産業上の利用可能性】
【0100】
本発明は、燃焼室が形成された気筒を有するエンジン本体を備え、該燃焼室内で燃料と空気との混合気を自着火させる予混合圧縮着火式エンジンに有用である。
【符号の説明】
【0101】
１ 予混合圧縮着火式エンジン
１ａ エンジン本体
２ 気筒
５ ピストン
５ａ 冠面
６ 燃焼室
１３ 放電プラグ
１３ａ 放電電極部
１４ 燃料噴射弁
１００ ＥＣＵ（燃料噴射弁制御手段）
１ａ エンジン本体
２ 気筒
５ ピストン
５ａ 冠面
６ 燃焼室
１３ 放電プラグ
１３ａ 放電電極部
１４ 燃料噴射弁
１００ ＥＣＵ（燃料噴射弁制御手段）
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】