JP6249084B1 - 予混合圧縮着火式エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】適切な予混合圧縮着火燃焼を実現しつつ燃焼騒音を小さく抑えることのできる予混合圧縮着火式エンジンを提供する。
【解決手段】燃焼室６のうち点火装置２３の電極部２３ａを含む第１領域Ｒ１の混合気Ｇ１が点火エネルギーを受けて燃焼した後、第１領域Ｒ１の外周側に位置する第２領域Ｒ２に形成された混合気Ｇ２が自着火するＳＩ＋ＣＩ燃焼が起きるように制御するとともに、ＳＩ＋ＣＩ燃焼の実行領域のうち高負荷領域Ａ３では、燃焼室６全体の空燃比を理論空燃比よりもリッチにし、かつ、第１領域Ｒ１の混合気Ｇ１の空燃比が第２領域Ｒ２の混合気の空燃比よりもリーンになるように制御する。
【選択図】図１１

Description

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、所定の条件下において前記燃焼室内で燃料と空気の混合気を自着火させる予混合圧縮着火式エンジンに関する。

従来より、ガソリンエンジン等において、予め混合された燃料と空気の混合気を燃焼室内で自着火させるいわゆる予混合圧縮着火燃焼を実施することが検討されている。

予混合圧縮着火燃焼では、圧縮比を高めることができること等に伴い熱効率を高めることができる一方、燃焼室内の各所において混合気が同時に燃焼を開始することで燃焼室内の圧力すなわち筒内圧が急激に上昇して燃焼騒音が悪化するという問題がある。また、燃焼の開始時期すなわち着火時期が燃焼室内の温度等によって変化しやすく、着火および燃焼時期を適切に制御するのが難しいという問題がある。

これに対して、例えば、特許文献１には、燃料を前段噴射と後段噴射とに分けて燃焼室内に噴射するとともに、これら前段噴射と後段噴射との間に混合気に点火を行うように構成されたエンジンが開示されている。

特許文献１のエンジンによれば、点火によって生じた火炎伝播燃焼によって混合気の温度を高めて混合気の自着火を開始させることができるため、点火時期を調整することによって着火時期を適切に制御することができるとともに、前段噴射により形成された混合気と後段噴射により形成された混合気の燃焼を異なるタイミングで開始させることができ、筒内圧の急上昇を抑えて燃焼騒音の悪化を抑制することができる。

特開２０１２−２４１５９０号公報

しかしながら、熱効率および燃焼騒音に対する要求は依然として高く、適切な予混合圧縮着火燃焼を実現して熱効率を高めつつ燃焼騒音をより一層小さくすることが求められている。

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、適切な予混合圧縮着火燃焼を実現しつつ燃焼騒音を小さく抑えることのできる予混合圧縮着火式エンジンを提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、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、所定の条件下において前記燃焼室内で燃料と空気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、前記燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射装置と、前記燃焼室の中央を臨み前記燃焼室内の混合気を点火して当該混合気に点火エネルギーを付与する電極部を備えた点火装置と、エンジン本体の少なくとも一部の運転領域で、前記燃焼室のうち前記点火装置の電極部を含む第１領域に形成された混合気が前記点火装置から付与された点火エネルギーを受けて燃焼し、その後、前記燃焼室のうち前記第１領域の外周側に位置する第２領域に形成された混合気が自着火するＳＩ＋ＣＩ燃焼が起きるように、前記点火装置および前記燃料噴射装置を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記ＳＩ＋ＣＩ燃焼の実行領域のうちエンジン負荷が予め設定された基準負荷よりも高い高負荷領域では、前記燃焼室全体の空燃比が理論空燃比よりもリッチになるとともに前記点火装置の点火時期における前記第１領域の混合気の空燃比が前記第２領域の混合気の空燃比よりもリーンになるように、前記点火装置および前記燃料制御手段を制御することを特徴とする予混合圧縮着火式エンジンを提供する（請求項１）。

この構成では、点火装置の電極部周りに形成された混合気を点火によって強制的に燃焼させて火炎伝播を生じさせ、この火炎伝播により燃焼室内の温度を高めることで第２領域の混合気を自着火燃焼させている。そのため、第２領域の混合気を確実に自着火燃焼させることができ、これにより熱効率を高めることができるとともに、点火時期の調整によって混合気の着火時期を適切な時期に制御することができる。

しかも、この構成では、高負荷領域にて、点火時期における燃焼室全体の空燃比が理論空燃比よりもリッチにされる。そのため、燃焼室に供給された多量の燃料の気化潜熱によって混合気を冷却して燃焼温度ひいては燃焼時の筒内圧を低く抑えることができる。特に、点火時期における第２領域の混合気の空燃比が第１領域の混合気の空燃比よりもリッチにされているため、第２領域の混合気の温度をより低く抑えることができる。従って、この外周側領域で生じる圧縮自着火燃焼を効果的に緩慢にすることができ、筒内圧の急上昇を抑制して燃焼騒音を小さく抑えることができる。

前記構成において、前記制御手段は、前記高負荷領域では、吸気行程または圧縮行程の前半に燃料を噴射する第１燃料噴射と、圧縮行程の後半に燃料を噴射する第２燃料噴射とを前記燃料噴射装置に実施させるのが好ましい（請求項２）。

この構成によれば、異なる時期に２回に分けて噴射を行うという簡単な構成で、燃焼室の第１領域と第２領域との空燃比を異ならせることができるとともに、圧縮行程の後半であって圧縮上死点に近いタイミングで燃料が燃焼室内に噴射されることで、この噴射された燃料の気化潜熱によって燃焼開始直前の混合気の温度を効果的に低くすることができる。

前記構成において、前記燃焼室内に水を噴射して混合気に噴射水を供給する水噴射装置をさらに備え、前記制御手段は、前記高負荷領域では、前記点火時期において少なくとも前記第２領域に前記噴射水が存在するように前記水噴射装置を制御するのが好ましい（請求項３）。

このようにすれば、高負荷領域において燃焼室の第２領域の混合気の温度上昇をより一層抑制することができ、燃焼騒音をより小さくすることができる。

前記構成において、前記エンジン本体の幾何学的圧縮比は１６以上３５以下であるのが好ましい（請求項４）。

このようにすれば、混合気をより確実に圧縮自着火燃焼させることができる。

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の制御装置によれば、適切な予混合圧縮着火燃焼を実現しつつ燃焼騒音を小さく抑えることができる。

本発明の一実施形態にかかるエンジンシステムの構成を示した図である。 エンジン本体の概略断面図である。 燃焼室の概略断面図である。 エンジンの制御系統を示すブロック図である。 制御マップを示した図である。 低負荷領域の燃料噴射パターンと熱発生率を示した概略図である。 中負荷第１領域の燃料噴射パターンと熱発生率とを示した概略図である。 中負荷第２領域の燃料噴射パターンと水噴射パターンと熱発生率とを示した概略図である。 中負荷第３領域の燃料噴射パターンと水噴射パターンと熱発生率とを示した概略図である。 中負荷領域における混合気の形成手順を説明するための図であり、（１）〜（４）は互いに異なる時点での燃焼室内の様子を示している。 エンジン負荷と、中央側領域および外周側領域の混合気の空燃比との関係を示した図である。 エンジン負荷と、中央側領域および外周側領域の噴射水の濃度との関係を示した図である。 高負荷領域の燃料噴射パターンと水噴射パターンと熱発生率とを示した概略図である。 本発明の効果を説明するための図であって、燃焼室の概略断面図である。 本発明の効果を説明するための図であって、熱発生率を示した図である。

図１は、本発明の予混合圧縮着火エンジンが適用されるエンジンシステムの構成を示す図である。本実施形態のエンジンシステムは、４ストロークのエンジン本体１と、エンジン本体１に燃焼用の空気を導入するための吸気通路３０と、エンジン本体１で生成された排気を排出するための排気通路４０とを備える。

エンジン本体１は、例えば、４つの気筒２が図１の紙面と直交する方向に直列に配置された直列４気筒エンジンである。このエンジンシステムは車両に搭載され、エンジン本体１は車両の駆動源として利用される。本実施形態では、エンジン本体１は、ガソリンを含む燃料の供給を受けて駆動される。なお、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。

（１）エンジン本体
図２は、エンジン本体１の概略断面図である。

エンジン本体１は、気筒２が内部に形成されたシリンダブロック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、気筒２に往復動（上下動）可能に嵌装されたピストン５とを有する。

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６ａ（以下、単に、燃焼室天井面６ａという）は吸気側および排気側の２つの傾斜面からなる三角屋根状をなしている。ピストン５の冠面５ａ（以下、単に、ピストン冠面５ａという）には、その中心部を含む領域をシリンダヘッド４とは反対側（下方）に凹ませたキャビティ１０が形成されている。なお、ここでは、ピストン５の位置や混合気の燃焼状態によらず気筒２の内側空間のうちピストン冠面５ａと燃焼室天井面６ａとの間の空間を、燃焼室６という。

本実施形態では、エンジン本体１の幾何学的圧縮比、つまり、ピストン５が下死点にあるときの燃焼室６の容積とピストン５が上死点にあるときの燃焼室６の容積との比は、１６以上３５以下（例えば２０程度）に設定されている。

シリンダヘッド４には、吸気通路３０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１６と、気筒２内で生成された排気を排気通路４０に導出するための排気ポート１７とが形成されている。これら吸気ポート１６と排気ポート１７とは、気筒２毎にそれぞれ２つずつ形成されている。

シリンダヘッド４には、各吸気ポート１６の気筒２側の開口をそれぞれ開閉する吸気弁１８と、各排気ポート１７の気筒２側の開口をそれぞれ開閉する排気弁１９とが設けられている。

シリンダヘッド４には、燃料を噴射するインジェクタ（燃料噴射装置）２２が設けられている。インジェクタ２２は、噴射口が形成された先端部が燃焼室天井面６ａの中央付近に位置して燃焼室６の中央を臨むように取り付けられている。インジェクタ２２は、燃焼室天井面６ａの中央付近からピストン冠面５ａに向かって、気筒２の中心軸を中心としたコーン状（詳しくはホローコーン状）に燃料を噴射するように構成されている。コーンのテーパ角（噴霧角）は、例えば９０°〜１００°である。

本実施形態では、インジェクタ２２として、外開式のインジェクタが用いられている。なお、インジェクタ２２は、前記のように気筒２の中心軸を中心としたコーン状に燃料を噴射可能なものであればどのような構成のものであってもよく、外開式に限らず、ＶＣＯ（Ｖａｌｖｅ Ｃｏｖｅｒｅｄ Ｏｒｉｆｉｃｅ）ノズルタイプのインジェクタや、先端部に複数の噴孔が設けられかつ所定の噴霧角で燃料を噴射するマルチホールタイプのインジェクタや、ホロ−コーン状に燃料を噴射するスワールインジェクタであってもよい。

シリンダヘッド４には、燃焼室６内の混合気を点火するための点火プラグ（点火装置）２３が設けられている。点火プラグ２３は、火花を放電して混合気に点火エネルギーを付与する電極が形成された電極部２３ａを有する。点火プラグ２３は、電極部２３ａが燃焼室天井面６ａの中央付近に位置して燃焼室６の中央を臨むように配置されている。

シリンダヘッド４には、さらに、燃焼室６内に水を噴射する水噴射装置２４が設けられている。水噴射装置２４は、噴射口が形成された先端部が燃焼室天井面６ａの中央付近に位置して燃焼室６の中央を臨むように取り付けられている。水噴射装置２４は、この天井面６ａの中央付近からからピストン冠面５ａに向かって、気筒２の中心軸を中心としたコーン状（詳しくはホローコーン状）に水を噴射するように構成されている。このコーンのテーパ角（噴霧角）は、例えば９０°〜１００°である。水噴射装置２４としては、例えば、インジェクタ２２と同様の構造を有する装置を適用することができる。以下では、適宜、水噴射装置２４により燃焼室６に噴射された水を噴射水という。

なお、図２および燃焼室６の概略断面図である図３に示すように、インジェクタ２２と水噴射装置２４とは、その各先端部が燃焼室天井面６ａの中央付近において近接するように配置されている。また、点火プラグ２３は、その電極部２３ａが、これらインジェクタ２２および水噴射装置２４のうちインジェクタ２２の先端部により近接するように配置されている。

図１に戻り、吸気通路３０には、上流側から順に、エアクリーナ３１と、吸気通路３０を開閉するためのスロットルバルブ３２とが設けられている。本実施形態では、エンジンの運転中、スロットルバルブ３２は基本的に全開もしくはこれに近い開度に維持されており、エンジンの停止時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３０を遮断する。

排気通路４０には、上流側から順に、排気を浄化するための浄化装置４１、コンデンサー４２が設けられている。浄化装置４１は、例えば、三元触媒を内蔵している。

コンデンサー４２は、排気通路４０を通過する排気中の水（水蒸気）を凝縮するためのものである。コンデンサー４２と水噴射装置２４とは水供給通路６１によって接続されており、コンデンサー４２で生成された凝縮水は、水供給通路６１を介して水噴射装置２４に供給される。このように、本実施形態では、水噴射装置２４は、排気から生成された水の供給を受けてこれを燃焼室６内に噴射する。より詳細には、水供給通路６１には、コンデンサー４２で生成された凝縮水を貯留する水タンク４３が設けられるとともに、水タンク４３内の水を圧送する水ポンプ４４が設けられており、この水ポンプ４４によって水タンク４３から水噴射装置２４に凝縮水が供給される。

排気通路４０には、排気通路４０を通過する排気の一部をＥＧＲガスとして吸気通路３０に還流するためのＥＧＲ装置４６が設けられている。ＥＧＲ装置４６は、吸気通路３０のうちスロットルバルブ３２よりも下流側の部分と排気通路４０のうち浄化装置４１よりも上流側の部分とを連通するＥＧＲ通路４７、および、ＥＧＲ通路４７を開閉するＥＧＲバルブ４８を有する。また、本実施形態では、ＥＧＲ通路４７に、これを通過するＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ４９が設けられており、ＥＧＲガスはＥＧＲクーラ４９にて冷却された後吸気通路３０に還流される。

（２）制御系統
（２−１）システム構成
図４は、エンジンの制御系統を示すブロック図である。図４に示すように、本実施形態のエンジンシステムは、ＰＣＭ（パワートレイン・コントロール・モジュール、制御手段）１００によって統括的に制御される。ＰＣＭ１００は、周知のとおり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成されるマイクロプロセッサである。

車両には各種センサが設けられており、ＰＣＭ１００はこれらセンサと電気的に接続されている。例えば、シリンダブロック３には、エンジン回転数を検出するクランク角センサＳＮ１が設けられている。また、吸気通路３０を通って各気筒２に吸入される空気量を検出するエアフローセンサＳＮ２が設けられている。また、車両には、運転者により操作される図外のアクセルペダルの開度（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサＳＮ３が設けられている。

ＰＣＭ１００は、これらセンサＳＮ１〜ＳＮ３等からの入力信号に基づいて種々の演算を実行して、点火プラグ２３、インジェクタ２２、水噴射装置２４、スロットルバルブ３２、ＥＧＲバルブ４８、水ポンプ４４等のエンジンの各部を制御する。

本実施形態では、ＥＧＲバルブ４８は全運転領域において開弁され、全運転領域においてＥＧＲガスが吸気通路３０に還流される。

また、熱効率を高めるべく、点火プラグ２３の点火時期（点火プラグ２３が混合気を点火する時期）が、全運転領域において、熱発生率の重心、すなわち、燃焼室６に供給される燃料の全量（質量）の５０％が燃焼を完了するタイミングが、膨張行程となるように制御される。

また、本実施形態では、全運転領域において予混合圧縮着火燃焼（ＣＩ燃焼）が実施される。ただし、予混合圧縮着火燃焼を実現するための各種制御が運転領域に応じて異なっている。

図５は、横軸がエンジン回転数、縦軸がエンジン負荷の制御マップである。本実施形態では、制御領域として、エンジン負荷が予め設定された第１負荷Ｔｑ１以下の低負荷領域Ａ１と、エンジン負荷が第１負荷Ｔｑ１より大きくかつ第４負荷（基準負荷）Ｔｑ４以下の中負荷領域Ａ２と、エンジン負荷が第４負荷Ｔｑ４よりも高い高負荷領域Ａ３とが設定されている。さらに、中負荷領域Ａ２が、エンジン負荷が第２負荷Ｔｑ２以下の中負荷第１領域Ａ２＿１と、エンジン負荷が第２負荷Ｔｑ２より大きくかつ第３負荷Ｔｑ３以下の中負荷第２領域Ａ２＿２と、エンジン負荷が第３負荷Ｔｑ３より大きい中負荷第３領域Ａ２＿３とに分けられている。以下に、各運転領域Ａ１〜Ａ３における制御内容について説明する。

（２−２）低負荷領域Ａ１
図６は、低負荷領域Ａ１における燃料の噴射パターンおよび熱発生率ｄＱを概略的に示した図である。図６に示すように、低負荷領域Ａ１では、一括噴射Ｆ１０が行われ、１燃焼サイクルに燃焼室６に供給する燃料の全量が圧縮行程の前半にインジェクタ２２から燃焼室６に噴射される。なお、この噴射量（インジェクタ２２から噴射される燃料の量）は、アクセル開度等から算出されたエンジン負荷とエンジン回転数等から演算される。

このように、低負荷領域Ａ１では、燃料の全量が圧縮行程前半に燃焼室６内に噴射されて空気と混合される。そして、この混合気がピストン５の圧縮作用により昇温および昇圧することで圧縮上死点付近において自着火し、これにより、予混合圧縮着火燃焼（ＣＩ燃焼）が実現される。

なお、低負荷領域Ａ１では、水噴射装置２４による水噴射は停止される。

（２−３）中負荷領域
中負荷領域Ａ２では、点火アシストによる予混合圧縮着火燃焼（ＳＩ＋ＣＩ燃焼）を実施する。すなわち、燃焼室６に形成された混合気に点火プラグ２３から放電を行い、点火プラグ２３周りの混合気を強制的に着火する。そして、点火プラグ２３周りから火炎伝播を生じさせて燃焼室６内の混合気を昇温し、他の混合気を自着火させる。

中負荷領域Ａ２では、点火時期において、燃焼室６のうち点火プラグ２３の電極部２３ａを含む中央側領域（第１領域）Ｒ１に形成される第１混合気Ｇ１の空燃比が、理論空燃比よりもリーン（混合気の空燃比Ａ／Ｆが理論空燃比よりも大きく混合気の空気過剰率λがλ＞１となり）、かつ、燃焼室６のうち第１領域Ｒ１よりも外周側の外周側領域（第２領域）Ｒ２に形成される第２混合気Ｇ２の空燃比以上となるように、インジェクタ２２から燃料を噴射する。そして、図３に示すように、中央側領域Ｒ１に形成された第１混合気Ｇ１を火炎伝播燃焼（ＳＩ燃焼）させて、外周側領域Ｒ２に形成された第２混合気Ｇ２を圧縮自着火燃焼（ＣＩ燃焼）させる。

本実施形態では、図３に示すように、中央側領域Ｒ１は、気筒２の中心軸に沿う方向から見ておよそキャビティ１０が形成された領域であり、外周側領域Ｒ２は、キャビティ１０よりも気筒２の径方向の外側の領域である。

図７、図８、図９は、それぞれ、中負荷第１領域Ａ２＿１、中負荷第３領域Ａ２＿２、中負荷第３領域Ａ２＿３における、燃料噴射の噴射パターンと、点火時期と、熱発生率とを概略的に示した図である。なお、中負荷第２領域Ａ２＿２、中負荷第３領域Ａ２＿３では、後述するように水噴射を行っており、図８、図９には合わせて水噴射の噴射パターンを示している。

図７、図８、図９に示すように、中負荷領域Ａ２では、各領域Ａ２＿１〜Ａ２＿３の噴射パターンはほぼ同様であって、２回に分けて燃焼室６内に燃料が噴射される。そして、これにより、中央側領域Ｒ１と外周側領域Ｒ２とに空燃比の異なる混合気が形成される。

図１０は、中負荷領域Ａ２における混合気の形成手順を説明するための図である。図１０（１）〜（４）は、この順に時間が経過しており、図１０の（１）は、吸気行程中の燃焼室６内の状態を、図１０の（２）〜（４）は、圧縮行程中の燃焼室６内の様子を示している。

図１０の（１）に示すように、インジェクタ２２は、まず、燃焼室６の全域に燃料を拡散させるための第１燃料噴射Ｆ２１を実施する。第１燃料噴射Ｆ２１は、吸気行程から圧縮行程前期までの期間内に実施される。なお、本明細書において圧縮行程等の○○行程の前期、中期、後期は、この行程を３等分したときの前期、中期、後期のことを指し、○○行程の前半、後半は、この行程を２等分したときの前半、後半のことを指す。

このとき、第１燃料噴射Ｆ２１の噴射量（第１燃料噴射Ｆ１によって燃焼室６内に噴射された燃料の量）は、燃焼室６内に存在する空気を理論空燃比で割った値よりも小さくされる。

図１０の（２）に示すように、第１燃料噴射Ｆ２１実施後しばらく後には、第１燃料噴射Ｆ２１により噴射された燃料は燃焼室６のほぼ全域に拡散し、燃焼室６には理論空燃比よりもリーンでほぼ均質な混合気が形成される。ここで、第１燃料噴射Ｆ２１を吸気行程の前半であって吸気ポート１６から燃焼室６へ流入する空気の流速が比較的高いタイミングで実施すれば、第１燃料噴射Ｆ２１によって噴射された燃料を、燃焼室６内により確実に均質に拡散させることができる。

次に、インジェクタ２２は、外周側領域Ｒ２に燃料を偏在させるための第２燃料噴射Ｆ２２を実施する。具体的には、インジェクタ２２は、図１０の（３）に示すように、インジェクタ２２から噴射された燃料がキャビティ１０の周縁部１０ｃと衝突するようなタイミングで燃料を噴射する。

図１０の（３）に示すように、このように噴射された燃料はキャビティ１０の周辺部１０ｃへ至った後これに沿って燃焼室６の天井面６ａ側に向かい、キャビティ１０の外周側すなわち外周側領域Ｒ２に導入される。例えば、第２燃料噴射Ｆ２２は、圧縮行程中期（ＢＴＤＣ１２０°ＣＡからＢＴＤＣ６０°ＣＡまで）に実施される。

第２燃料噴射Ｆ２２によって、中負荷領域Ａ２では、図１０の（４）に示すように、燃焼室６内が成層化される。すなわち、中央側領域Ｒ１に、第１燃料噴射Ｆ２１によって噴射された燃料と空気との混合気であって理論空燃比よりもリーンな混合気（第１混合気Ｇ１）が形成され、外周側領域Ｒ２に、第１燃料噴射Ｆ２１の燃料と第２燃料噴射Ｆ２２の燃料と空気との混合気であって、第１燃料噴射Ｆ２１の燃料によってのみ形成された中央側領域Ｒ１の混合気よりもリッチな（空燃比が小さい）混合気（第２混合気Ｇ２）が形成される。この成層状態は点火時期まで維持され、点火時期においても中央側領域Ｒ１には理論空燃比よりもリーンな混合気が存在し、外周側領域Ｒ２には中央側領域Ｒ１の混合気よりもリッチな混合気が存在することになる。

第２燃料噴射Ｆ２２が実施された後は、点火プラグ２３によって混合気への点火が実施される。例えば、圧縮上死点よりも進角側の時期に混合気へ点火が行われる。

図１１は、中負荷領域Ａ２および高負荷領域Ａ３における、エンジン負荷と、各領域Ｒ１、Ｒ２の混合気の空燃比（点火時期における空燃比）との関係を示した図である。

図１１に示すように、中負荷領域Ａ２では、エンジン負荷によらず点火時期での外周側領域Ｒ２の混合気の空燃比ＡＦ＿Ｒ２が理論空燃比とされる。

一方、中負荷領域Ａ２における中央側領域Ｒ１の混合気の空燃比ＡＦ＿Ｒ１は、エンジン負荷が第２負荷Ｔｑ２を超えるまではエンジン負荷によらず一定の値（例えば２０程度）に制御され、エンジン負荷が第２負荷Ｔｑ２を超えると、エンジン負荷の増大に伴ってリッチにされる（低減される）。例えば、エンジン負荷に比例して空燃比ＡＦ＿Ｒ１が低減される。なお、これを実現するために、中負荷領域Ａ２では、エンジン負荷が第２負荷Ｔｑ２を超えるまでは、第１燃料噴射Ｆ２１の噴射量と第２燃料噴射Ｆ２２の噴射量との比率がエンジン負荷によらずほぼ一定に維持され、エンジン負荷が第２負荷Ｔｑ２を超えると、エンジン負荷の増大に伴って第１燃料噴射Ｆ２１の噴射量の割合（１燃焼サイクルあたりに燃焼室６に供給される燃料量の総量に対する割合）が増大されて第２燃料噴射Ｆ２２の噴射量の割合が低減される。

なお、図１１に示すように、本実施形態では、中負荷領域Ａ２と高負荷領域Ａ３との境界、すなわちエンジン負荷が第４負荷Ｔｑ４となる運転条件では、中央側領域Ｒ１の混合気の空燃比ＡＦ＿Ｒ１が理論空燃比まで低下され、これにより、中央側領域Ｒ１の混合気の空燃比ＡＦ＿Ｒ１と外周側領域Ｒ２の混合気の空燃比ＡＦ＿２とは同じ理論空燃比となる。このエンジン負荷が第４負荷Ｔｑ４となる運転条件では、第２燃料噴射Ｆ２２は、停止される。

一方、中負荷領域Ａ２の各領域Ａ２＿１〜Ａ２＿３の水噴射の噴射パターンは互いに異なっている。次に、この水噴射の噴射パターンについて説明する。

中負荷第１領域Ａ２＿１では、水噴射装置２４による水噴射は停止される。

中負荷第２領域Ａ２＿２では、水噴射装置２４による水噴射が実施される。そして、中負荷第２領域Ａ２＿２では、水噴射の噴射パターンは、点火時期において外周側領域Ｒ２にのみ噴射水が存在する噴射パターンとされる。

具体的には、中負荷第２領域Ａ２＿２では、第２燃料噴射Ｆ２２と同様に、すなわち、図１０の（３）で示した第２燃料噴射Ｆ２２のように、水噴射装置２４から噴射された水がキャビティ１０の周縁部１０ｃに至るようなタイミング（例えば、圧縮行程中期）で１回だけ水噴射Ｗ１が行われ、これにより外周側領域Ｒ２にのみ噴射水が導入される。

中負荷第３領域Ａ２＿３でも、水噴射装置２４による水噴射が実施される。ただし、中負荷第２領域Ａ２＿２では、水噴射の噴射パターンは、点火時期において中央側領域Ｒ１と外周側領域Ｒ２とに噴射水が存在する噴射パターンとされる。また、このとき、中央側領域Ｒ１の水の濃度よりも外周側領域Ｒ２の水の濃度の方が高くされる。

具体的には、まず、燃焼室６全体に噴射水が拡散するタイミングで水噴射Ｗ１１が行われ、その後、中負荷第２領域Ａ２＿２での水噴射Ｗ１と同様に噴射水がキャビティ１０の周縁部１０ｃに至って外周側領域Ｒ２にのみ導入されるタイミングで追加の水噴射Ｗ１２が行われる。例えば、図９に示すように、圧縮行程中期の比較的早いタイミングで最初の水噴射Ｗ１１が実施され、その後、圧縮行程の比較的遅いタイミングで次の水噴射Ｗ１２が実施される。これにより、最初の水噴射Ｗ１１によって中央側領域Ｒ１に噴射水の濃度が比較的薄い混合気が形成され、次の水噴射Ｗ１２によって外周側領域Ｒ２の噴射水の濃度が高められる。

図１２は、エンジン負荷と、各領域Ｒ１、Ｒ２の噴射水の濃度（点火時期における噴射水の濃度）との関係を示したグラフである。図１２に示すように、本実施形態では、中負荷第２領域Ａ２＿２と中負荷第３領域Ａ２＿３とからなる運転領域において、エンジン負荷が高くなるほど外周側領域Ｒ２の噴射水の濃度Ｃｗ＿Ｒ２が高くなるように制御される。また、中負荷第３領域Ａ２＿３において、エンジン負荷が高くなるほど中央側領域Ｒ１の噴射水の濃度Ｃｗ＿Ｒ１が高くなるように制御される。また、中負荷第３領域Ａ２＿３におけるエンジン負荷に対する噴射水の濃度の増加割合は中央側領域Ｒ１の方が大きく、エンジン負荷が高くなるほど外周側領域Ｒ２の噴射水の濃度Ｃｗ＿Ｒ２と中央側領域Ｒ１の噴射水の濃度Ｃｗ＿Ｒ１との差が小さくされる。

なお、図７〜９では、各水噴射Ｗ１、Ｗ１１、Ｗ１２がそれぞれ第２燃料噴射Ｆ２２の後に実施される場合を示したが、水の噴射タイミングと燃料の噴射タイミングとは独立して設定することができ、高負荷第２領域Ａ３＿２の水噴射Ｗ１、高負荷第３領域Ａ３＿３の各水噴射Ｗ１１、Ｗ１２は、第２燃料噴射Ｆ２２よりも前に実施されてもよい。例えば、高負荷第３領域Ａ３＿３の第１水噴射Ｗ１１を、吸気行程中に行ってもよい。ただし、高負荷第２領域Ａ３＿２の水噴射Ｗ１と、高負荷第３領域Ａ３＿３の第２水噴射Ｗ１２は、より確実に外周側領域Ｒ２にのみ噴射水を存在させることができるように前記のように圧縮行程中期に実施する。

（２−４）高負荷領域
図１３は、高負荷領域Ａ３における、燃料噴射の噴射パターンと、水噴射パターンと、点火時期と、熱発生率とを概略的に示した図である。

高負荷領域Ａ３でも、その全域で、中負荷領域Ａ２と同様に点火アシストによる予混合圧縮着火燃焼（ＳＩ＋ＣＩ燃焼）を実施する。また、高負荷領域Ａ３でも、中負荷領域Ａ２と同様に、その全域で、点火時期において中央側領域Ｒ１の混合気の空燃比ＡＦ＿Ｒ１が外周側領域Ｒ２の混合気の空燃比ＡＦ＿Ｒ２よりもリーンになるように、インジェクタ２２から燃料を噴射する。

ただし、高負荷領域Ａ３では、図１１に示すように、その全域で、中央側領域Ｒ１の混合気の空燃比ＡＦ＿Ｒ１および外周側領域Ｒ２の混合気の空燃比ＡＦ＿Ｒ２を、理論空燃比よりもリッチ（λ＜１）にする。

本実施形態では、前記のように第４負荷Ｔｑ４において中央側領域Ｒ１および外周側領域Ｒ２の混合気の空燃比がほぼ理論空燃比とされる。そして、第４負荷Ｔｑ４からエンジン負荷が増大するのに伴ってこれら混合気の空燃比が理論空燃比よりもリッチにされる。例えば、エンジン負荷に比例して理論空燃比から低減される。

また、高負荷領域Ａ３では、中負荷第３領域Ａ２＿３と同じ水噴射パターンで燃焼室６への水噴射が実施される。すなわち、点火時期において中央側領域Ｒ１と外周側領域Ｒ２とに噴射水が存在し、かつ、中央側領域Ｒ１の噴射水の濃度Ｃｗ＿Ｒ１よりも外周側領域Ｒ２の噴射水の濃度Ｃｗ＿Ｒ２の方が高くなるように水噴射が実施される。

図１２に示すように、高負荷領域Ａ４でも、中負荷第３領域Ａ２＿３と同様に、エンジン負荷が高くなるほど中央側領域Ｒ１の噴射水の濃度Ｃｗ＿Ｒ１および外周側領域Ｒ２の噴射水の濃度Ｃｗ＿Ｒ２が高くなるように制御されるとともに、エンジン負荷が高くなるほど外周側領域Ｒ２の噴射水の濃度Ｃｗ＿Ｒ２と中央側領域Ｒ１の噴射水の濃度Ｃｗ＿Ｒ１との差が小さくなるように制御される。本実施形態では、エンジン負荷が最大負荷のとき、すなわち、いわゆる全開領域において、外周側領域Ｒ２の噴射水の濃度Ｃｗ＿Ｒ２と中央側領域Ｒ１の噴射水の濃度Ｃｗ＿Ｒ１とが一致するようにこれら濃度が制御される。

（３）作用等
以上のように、本実施形態では、全運転領域Ａ１〜Ａ３にて予混合圧縮着火燃焼が実現される。そのため、熱効率を高めることができる。

また、中負荷領域Ａ２および高負荷領域Ａ３において点火アシストを行っており、これら運転領域Ａ２、Ａ３において、点火時期を調整することで着火時期を適切な時期に制御することができ着火時期の制御性を高めることができる。

ここで、中負荷領域Ａ２および高負荷領域Ａ３では、燃焼室６に供給される燃料の総量が多くなり発熱量が多くなることに伴って燃焼騒音が増大しやすい。

これに対して、本実施形態では、中負荷領域Ａ２において、点火プラグ２３の電極部２３ａを含む中央側領域Ｒ１の混合気の空燃比ＡＦ＿Ｒ１を外周側領域Ｒ２の混合気の空燃比ＡＦ＿Ｒ２よりもリーンにして点火アシストを行っている。そのため、点火エネルギーを受けて中央側領域Ｒ１で生じる火炎伝播燃焼を緩慢にして燃焼室６内の急激な温度上昇を抑制することができ、これに続く外周側領域Ｒ２での混合気の圧縮自着火燃焼が過剰に早期に開始されることを抑制できるとともに、この圧縮自着火燃焼を緩慢にすることができる。従って、燃焼に伴う筒内圧の急激な上昇を抑制して燃焼騒音を小さくすることができる。特に、中負荷領域Ａ２では、中央側領域Ｒ１の混合気の空燃比ＡＦ＿Ｒ１を、基本的に理論空燃比よりもリーンにしている。そのため、中央側領域Ｒ１での火炎伝播燃焼およびこれに続く圧縮自着火燃焼をより確実に緩慢にして燃焼騒音の増大を抑制することができる。

しかしながら、高負荷領域Ａ３では、エンジン負荷が高いために燃焼室６に供給せねばならない燃料の総量が増大して燃焼室６内での発熱量が増大するため、燃焼騒音がより高くなりやすい。そのため、中負荷領域Ａ２と同様の制御では燃焼騒音を十分に抑制できなくなる。

これに対して、本実施形態では、高負荷領域Ａ３において、中央側領域Ｒ１の混合気の空燃比ＡＦ＿Ｒ１を外周側領域Ｒ２の混合気の空燃比ＡＦ＿Ｒ２よりもリーンにしつつ、これら領域Ｒ１、Ｒ２の混合気の空燃比ＡＦ＿Ｒ１、ＡＦ＿Ｒ２を理論空燃比よりもリッチにしている。

そのため、多量の燃料の気化潜熱によって混合気を冷却して燃焼温度ひいては燃焼時の筒内圧の急激な上昇を抑えることができる。特に、点火時期における外周側領域Ｒ２の混合気の空燃比ＡＦ＿Ｒ２が中央側領域Ｒ１の混合気の空燃比ＡＦ＿Ｒ１よりもリッチにされていることで、外周側領域Ｒ２の混合気の温度をより低く抑えることができ、外周側領域Ｒ２で生じる圧縮自着火燃焼を効果的に緩慢にして燃焼騒音を小さくすることができる。

図１４および図１５を用いて具体的に説明する。図１４は図３に対応する図であり、図１５は、熱発生率を示した図である。

高負荷領域Ａ３において、仮に燃焼室６内の空燃比を理論空燃比よりリッチにしなかった場合には、燃料の気化潜熱による冷却効果が少ないため、点火プラグ２３周りで急激な火炎伝播燃焼（ＳＩ燃焼）が生じ、周辺の温度が急激に上昇する。そのため、この場合には、図１４に示すように、中央側領域Ｒ１の外周部分においても圧縮自着火燃焼（ＣＩ燃焼）が生じることになり、圧縮自着火燃焼（ＣＩ燃焼）が過剰に早期に開始することになるとともに、この中央側領域Ｒ１の外周部分に存在する混合気と外周側領域Ｒ２に存在する混合気とからなる多くの混合気が短期間で圧縮自着火燃焼（ＣＩ燃焼）を行うことになる。従って、この場合には、図１５の破線に示すように、点火直後に燃焼室６全体の混合気が急激に燃焼し、筒内圧が急上昇して燃焼騒音が増大する。

これに対して、本実施形態では、中央側領域Ｒ１の混合気の空燃比ＡＦ＿Ｒ１を理論空燃比よりもリッチしている。そのため、多量の燃料の気化潜熱によって中央側領域Ｒ１の混合気の温度を低く抑えることができ、点火プラグ２３周りで急激な火炎伝播燃焼（ＳＩ燃焼）が生じるのを抑制して中央側領域Ｒ１の外周部分および外周側領域Ｒ２での過早着火を抑制できるとともに、外周側領域Ｒ２での混合気の燃焼を緩慢にすることができる。さらに、本実施形態では、外周側領域Ｒ２の混合気の空燃比ＡＦ＿Ｒ２が理論空燃比よりもリッチにされていることでこの外周側領域Ｒ２の混合気の温度が低く抑えられる。特に、外周側領域Ｒ２の混合気の空燃比ＡＦ＿Ｒ２が中央側領域Ｒ１の混合気の混合気の空燃比ＡＦ＿Ｒ１よりもリッチとされており、効果的に外周側領域Ｒ２の混合気の温度が低く抑えられる。そのため、図１５の実線で示すように、外周側領域Ｒ２での混合気の燃焼すなわち圧縮自着火燃焼（ＣＩ燃焼）を緩慢にすることができ、効果的に燃焼騒音を小さくすることができる。

さらに、本実施形態では、高負荷領域Ａ３において燃焼室６内に水を噴射している。そのため、混合気の比熱を高めて燃焼温度の上昇を抑制することができる。

特に、本実施形態では、高負荷領域Ａ３において、外周側領域Ｒ２と中央側領域Ｒ１との両方に噴射水を供給している。そのため、中央側領域Ｒ１での火炎伝播燃焼を緩慢にして周囲の温度上昇を抑制し、これにより、圧縮自着火燃焼が過剰に早期に開始するのを抑制すること、および、圧縮自着火燃焼を緩慢にすることができるとともに、外周側領域Ｒ２に供給された噴射水によるこの外周側領域Ｒ２の混合気の比熱の増大によっても外周側領域Ｒ２での圧縮自着火燃焼を緩慢にすることができる。従って、高負荷領域Ａ３においてより確実に燃焼騒音を小さくすることができる。

このことは中負荷第３領域Ａ２＿３においても同様であり、本実施形態では、中負荷第３領域Ａ２＿３においても、外周側領域Ｒ２と中央側領域Ｒ１との両方に噴射水を供給していることで燃焼騒音を確実に小さくすることができる。

また、中負荷第２領域Ａ２＿２であって、エンジン負荷が比較的低いが十分に低くはない領域では、外周側領域Ｒ２にのみ噴射水を供給している。そのため、内周側領域Ｒ１に噴射水が供給されることによってこの領域Ｒ１の温度が過剰に低下して火炎が適切に伝播しなくなるのを回避しつつ、外周側領域Ｒ２での圧縮自着火燃焼を緩慢にすることができ、圧縮自着火燃焼を実現しつつ燃焼騒音を小さくすることができる。

（４）変形例
前記実施形態では、中負荷第２領域Ａ２＿２、中負荷第３領域Ａ２＿３および高負荷領域Ａ３において燃焼室６内に噴射水を供給する場合について説明したが、噴射水を供給する制御は省略してもよい。すなわち、水噴射装置２４は省略してもよい。ただし、これらのエンジン負荷が比較的高い領域において燃焼室６内に噴射水を供給すれば、より一層燃焼騒音を小さくすることができる。

また、前記実施形態では、中負荷第３領域Ａ２＿３および高負荷領域Ａ３において、中央側領域Ｒ１にも噴射水が存在するように制御する場合について説明したが、この中央側領域Ｒ１への水噴射の供給は省略してもよい。ただし、中央側領域Ｒ１にも噴射水を存在させれば、より一層燃焼騒音を小さくすることができる。

また、前記実施形態では、中央側領域Ｒ１と外周側領域Ｒ２の両領域に噴射水を供給する場合（中負荷第３領域Ａ２＿３および高負荷領域Ａ３で運転されている場合）に、エンジン負荷が高くなるほど中央側領域Ｒ１の噴射水の濃度Ｃｗ＿Ｒ１と外周側領域Ｒ２の噴射水の濃度Ｃｗ＿Ｒ２との差を小さくする場合について説明したが、これら濃度の関係はこれに限らず、エンジン負荷によらず濃度差が一定となるようにしてもよい。ただし、前記のように、この差をエンジン負荷の増大に伴って小さくし、外周側領域Ｒ２の噴射水の濃度Ｃｗ＿Ｒ２を高くすれば効果的に燃焼騒音を小さくすることができる。

また、前記実施形態では、水噴射装置２４の噴射時期を変更することで、噴射水を中央側領域Ｒ１と外周側領域Ｒ２とに偏在させた場合について説明したが、噴射水を偏在させるための具体的な構成はこれに限らない。例えば、水噴射装置２４として、異なる領域に水を噴射可能なもの、例えば、異なる噴射角度で水を噴射することが可能なものを用いて、この噴射領域（噴射角度）を変更することで水を偏在させてもよい。同様に、インジェクタ２２においても、噴射領域の変更等によって燃料を偏在させてもよい。

また、前記実施形態では、全運転領域においてＥＧＲバルブ５２を開弁してＥＧＲガスを吸気通路３０に還流させる場合について説明したが、一部の領域でのみＥＧＲガスを還流させてもよい。また、ＥＧＲ装置４６を省略してもよい。ただし、中負荷領域Ａ２および高負荷領域Ａ３においてＥＧＲガスを還流させれば、燃焼室６内の不活性ガスを多くして燃焼温度の急激な上昇およびこれに伴う燃焼騒音の増大をより確実に抑制することができる。

また、エンジン本体の幾何学的圧縮比は前記に限らない。ただし、中負荷領域Ａ２等において中央側領域Ｒ１の混合気の空燃比をリーンとしながら適切な火炎伝播燃焼を実現するため、また、混合気の圧縮自着火燃焼を確実に実現するために、幾何学的圧縮比は前記実施形態のように設定されるのが好ましい。

１ エンジン本体
２ 気筒
６ 燃焼室
２２ インジェクタ（燃料噴射装置）
２３ 点火プラグ（点火装置）
２４ 水噴射装置
１００ ＰＣＭ（制御手段）
Ａ３ 高負荷領域
Ｒ１ 中央側領域（第１領域）
Ｒ２ 外周側領域（第２領域）
Ｔｑ４ 第４負荷（基準負荷）

Claims (4)

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、所定の条件下において前記燃焼室内で燃料と空気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、
   前記燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射装置と、
   前記燃焼室の中央を臨み前記燃焼室内の混合気を点火して当該混合気に点火エネルギーを付与する電極部を備えた点火装置と、
   エンジン本体の少なくとも一部の運転領域で、前記燃焼室のうち前記点火装置の電極部を含む第１領域に形成された混合気が前記点火装置から付与された点火エネルギーを受けて燃焼し、その後、前記燃焼室のうち前記第１領域の外周側に位置する第２領域に形成された混合気が自着火するＳＩ＋ＣＩ燃焼が起きるように、前記点火装置および前記燃料噴射装置を制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、前記ＳＩ＋ＣＩ燃焼の実行領域のうちエンジン負荷が予め設定された基準負荷よりも高い高負荷領域では、前記燃焼室全体の空燃比が理論空燃比よりもリッチになるとともに前記点火装置の点火時期における前記第１領域の混合気の空燃比が前記第２領域の混合気の空燃比よりもリーンになるように、前記点火装置および前記燃料制御手段を制御することを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。
2. 請求項１に記載の予混合圧縮着火式エンジンにおいて、
   前記制御手段は、前記高負荷領域では、吸気行程または圧縮行程の前半に燃料を噴射する第１燃料噴射と、圧縮行程の後半に燃料を噴射する第２燃料噴射とを前記燃料噴射装置に実施させることを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。
3. 請求項１または２に記載の予混合圧縮着火式エンジンにおいて、
   前記燃焼室内に水を噴射して混合気に噴射水を供給する水噴射装置をさらに備え、
   前記制御手段は、前記高負荷領域では、前記点火時期において少なくとも前記第２領域に前記噴射水が存在するように前記水噴射装置を制御することを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の予混合圧縮着火式エンジンにおいて、
   前記エンジン本体の幾何学的圧縮比は１６以上３５以下であることを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。

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