JP6156204B2 - 直噴ガソリンエンジンの制御装置 - Google Patents

Description

ここに開示された技術は、直噴ガソリンエンジンの制御装置に関するものである。

エンジンにおいては熱効率を向上させることが好ましく、その１つの手法として冷却損失を低減させることがある。特許文献１に係るエンジンにおいては、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している。

特開２００９−２４３３５５号公報

例えば、エンジン始動時、燃料カット後に燃料噴射を再開するとき、及び、アイドル運転状態時等においては、燃焼室の壁面の温度が低くなる場合がある。燃焼室の壁面の温度が低いときには、該壁面に放熱される熱量が大きくなるため、上記冷却損失が大きくなる。

ここに開示された技術は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃焼室の壁面の温度が低い場合に冷却損失の低減を図ることにある。

ここに開示された技術は、直噴ガソリンエンジンの制御装置を対象としている。この直噴ガソリンエンジンの制御装置は、気筒内に設けられたピストンを有し、該気筒及び該ピストンによって燃焼室が区画されるエンジン本体と、少なくともガソリンを含む燃料を上記燃焼室内に噴口を介して噴射するインジェクタと、上記インジェクタの噴射態様を制御することによって、上記燃焼室の中央部に混合気層を形成し且つ該混合気層の周囲に断熱ガス層を形成する制御部とを備え、上記制御部は、上記燃焼室の壁面の温度が低いほど、上記断熱ガス層の厚みを厚くするガス層制御を行い、上記インジェクタは、上記噴口の有効断面積を調整可能に構成されており、上記制御部は、上記噴口の有効断面積を調整することによって上記ガス層制御を行い、上記制御部は、上記インジェクタに上記噴口の有効断面積の増減を繰り返させ、上記燃焼室の壁面の温度が低いほど、該噴口の有効断面積の増減幅を大きくする。

混合気層は、燃焼室内に、可燃混合気によって構成及び形成される層である。あるいは、混合気層は、当量比φ＝０．１以上の混合気層であると定義してもよい。その場合、断熱ガス層は、当量比φ＝０．１未満のガス層であると定義される。また、燃料の噴射開始から時間が経過すればするほど、燃料噴霧は拡散することから、混合気層の大きさ及び燃料濃度は、着火時点での大きさ及び濃度としてもよい。従って、着火時点において、燃焼室内で当量比φ＝０．１以上となった空間領域を、混合気層と定義することが可能であり、その着火時点での混合気層における燃料濃度を特定することが可能である。さらに、着火とは、例えば、燃料の燃焼質量割合が１％以上となることをもって判定することができる。

上記の構成によれば、制御部は、燃焼室内の中央部に混合気層を形成し且つ該混合気層の周囲に断熱ガス層を形成する。混合気層と燃焼室の壁面との間に断熱ガス層を設けることによって、燃焼火炎が燃焼室の壁面に接触することを抑制すると共に、断熱ガス層を、燃焼火炎と燃焼室の壁面との間に介在する断熱層として機能させることで、冷却損失が低減する。

通常、燃焼室の壁面の温度が低いほど、燃焼火炎から燃焼室の壁面への放熱量が増大する。それに対して、制御部は、燃焼室の壁面の温度が低いほど断熱ガス層の厚みを厚くする。これによって、燃焼室の壁面の温度が低い場合であっても、該壁面からの放熱量を低減することができる。

ここで、噴口の有効断面積が調整されると、噴口から噴射される燃料噴霧の粒径が変化する。燃料噴霧の粒径が変わると、燃料噴霧の運動量が変化する。燃料噴霧の運動量が変わると、燃料噴霧の飛散距離が変化する。例えば、噴口の有効断面積が小さくなるほど、燃料噴霧の粒径が小さくなり、燃料噴霧の飛散距離が短くなる。

また、燃料噴霧の粒径が小さくなると、燃料噴射時に形成される負圧領域に引き寄せられやすくなる。詳しくは、噴口を通じて燃焼室内に燃料が噴射されたときには、コアンダ効果によって噴口の近傍には負圧になる領域が発生する。燃料噴霧の粒径が小さい場合は、燃料噴霧は、負圧に引き寄せられ、広がりが抑制される。一方、燃料噴霧の粒径が大きい場合は、燃料噴霧は、負圧にあまり引き寄せられず、拡散しやすくなる。

したがって、噴口の有効断面積を調整することによって、混合気層の大きさを調整することができ、ひいては、断熱ガス層の厚さを調整することができる。

上記の構成によれば、噴口の有効断面積の増減が繰り返される。噴口の有効断面積の増減が繰り返されると、有効断面積が減少したときには粒径が小さい燃料噴霧が噴射されるため、噴口の有効断面積を一定にして燃料噴射を行う場合と比較して、燃料噴霧の広がりが抑制される。

そして、燃焼室の壁面の温度が低いほど、噴口の有効断面積の増減幅が大きく調整される。増減幅が大きくなるほど、粒径が小さい燃料噴霧の割合が増加するので、燃料噴霧の広がりが抑制される傾向にある。その結果、燃焼室の壁面の温度が低いほど、混合気層の大きさが小さくなり、断熱ガス層の厚さが厚くなる。

上記制御部は、上記インジェクタに上記噴口の有効断面積の増減を繰り返させ、上記燃焼室の壁面の温度が低いほど、隣り合う、該噴口の有効断面積のピークの時間間隔を長くするようにしてもよい。

上記の構成によれば、隣り合う、噴口の有効断面積のピークの時間間隔が長いことは、噴口の有効断面積が小さい期間の割合が大きいことを意味する。そのため、噴口の有効断面積のピークの時間間隔が長くなるほど、負圧領域に引き寄せられる燃料噴霧が多くなり、燃料噴霧の広がりが抑制される。その結果、燃焼室の壁面の温度が低いほど、混合気層の大きさが小さくなり、断熱ガス層の厚さが厚くなる。

ここに開示された直噴ガソリンエンジンの制御装置は、気筒内に設けられたピストンを有し、該気筒及び該ピストンによって燃焼室が区画されるエンジン本体と、少なくともガソリンを含む燃料を上記燃焼室内に噴口を介して噴射するインジェクタと、上記インジェクタの噴射態様を制御することによって、上記燃焼室の中央部に混合気層を形成し且つ該混合気層の周囲に断熱ガス層を形成する制御部とを備え、上記制御部は、上記燃焼室の壁面の温度が低いほど、上記断熱ガス層の厚みを厚くするガス層制御を行い、上記インジェクタは、上記噴口の有効断面積を調整可能に構成されており、上記制御部は、上記噴口の有効断面積を調整することによって上記ガス層制御を行い、上記制御部は、上記インジェクタに上記噴口の有効断面積の増減を繰り返させ、上記燃焼室の壁面の温度が低いほど、隣り合う、該噴口の有効断面積のピークの時間間隔を長くする。

上記制御部は、上記エンジン本体の始動時、上記インジェクタからの燃料噴射を停止した後に燃料噴射を再開するとき（以下、噴射再開時という場合がある。）、又は上記エンジン本体のアイドル運転時に上記ガス層制御を行うようにしてもよい。

これらエンジン始動時、噴射再開時及びアイドル運転時には、燃焼室の壁面の温度が、燃焼安定性に影響を与えるほどに低下する場合がある。エンジンの始動時は、それ以前に燃焼が行われていないので燃焼室の壁面の温度が低くなる場合がある。噴射再開時は、それ以前の燃料噴射停止期間が長い場合には、燃焼室の壁面の温度が大きく低下する場合がある。アイドル運転時には、噴射量や環境温度等によっては燃焼室の壁面の温度が低くなる場合がある。このような場合には、上記ガス層制御を行うことによって、冷却損失を低減し、燃焼安定性を向上させることができる。

ここに開示された直噴ガソリンエンジンの制御装置は、気筒内に設けられたピストンを有し、該気筒及び該ピストンによって燃焼室が区画されるエンジン本体と、少なくともガソリンを含む燃料を上記燃焼室内に噴口を介して噴射するインジェクタと、上記インジェクタの噴射態様を制御することによって、上記燃焼室の中央部に混合気層を形成し且つ該混合気層の周囲に断熱ガス層を形成する制御部とを備え、上記制御部は、上記燃焼室の壁面の温度が低いほど、上記断熱ガス層の厚みを厚くするガス層制御を行い、上記制御部は、上記エンジン本体のアイドル運転時に上記ガス層制御を行う。

また、上記インジェクタは、上記噴口が形成されたノズル本体と、該噴口を開閉する弁体とを有し、該弁体のリフト量に応じて該噴口の有効断面積が変化するように構成されているようにしてもよい。

上記のインジェクタによれば、弁体のリフト量を調整することによって、噴口の有効断面積を調整することができ、ひいては、燃料噴霧の粒径を変更することができる。

上記構成によれば、燃焼室の壁面の温度が低い場合に冷却損失を低減することができる。

直噴ガソリンエンジンを示す概略構成図である。 インジェクタの内部構成を示す断面図である。 エンジンの運転マップを例示する図である。 燃焼室内に形成する混合気層の形状を概念的に示す断面図である。 インジェクタから噴射する燃料噴霧の広がり方向を説明する図である。 燃料の噴射間隔を示す図である。 外開弁式のインジェクタのリフト量を示す図である。 （Ａ）燃料の噴射間隔が長いときの燃料噴霧の広がりを示す概念図、（Ｂ）燃料の噴射間隔が短いときの燃料噴霧の広がりを示す概念図である。 （Ａ）インジェクタのリフト量が小さいときの燃料噴霧の広がりを示す概念図、（Ｂ）インジェクタのリフト量が大きいときの燃料噴霧の広がりを示す概念図である。 始動領域及びアイドル領域における噴射態様を示す図であり、（Ａ）は、燃焼室の壁面の温度が第１温度未満の場合を、（Ｂ）は、燃焼室の温度が第１温度以上第２温度未満の場合を、（Ｃ）は、燃焼室の壁面の温度が第２温度以上の場合を示す。 始動領域及びアイドル領域における燃焼室の燃料濃度分布を示す図である。 その他の実施形態に係るインジェクタの内部構成を示す断面図である。

以下、例示的な実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、直噴エンジン１（以下、単にエンジン１という）を概略的に示す。エンジン１は、エンジン本体に付随する様々なアクチュエータ、様々なセンサ、及び、該センサからの信号に基づきアクチュエータを制御するエンジン制御器１００を含む。

エンジン１は、自動車等の車両に搭載され、その出力軸は、図示しないが、変速機を介して駆動輪に連結されている。エンジン１の出力が駆動輪に伝達されることによって、車両が推進する。エンジン１のエンジン本体は、シリンダブロック１２と、その上に載置されるシリンダヘッド１３とを備えており、シリンダブロック１２の内部に複数のシリンダ（気筒）１１が形成されている（図１では、シリンダ１１を１つのみ示す）。シリンダブロック１２及びシリンダヘッド１３の内部には、図示は省略するが冷却水が流れるウォータージャケットが形成されている。

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く、少なくともガソリンを含む液体燃料であれば、どのような燃料であってもよい。

各シリンダ１１内には、ピストン１５が摺動自在にそれぞれ嵌挿されている。ピストン１５は、シリンダ１１及びシリンダヘッド１３と共に燃焼室１７を区画している。図例では、燃焼室１７は所謂ペントルーフ型であり、その天井面（つまり、シリンダヘッド１３の下面）は吸気側及び排気側の２つの傾斜面からなる三角屋根状をなしている。ピストン１５の冠面は、上記天井面に対応した凸形状をなしていて、冠面の中心部には、凹状のキャビティ（凹部）１５ａが形成されている。尚、上記天井面及びピストン１５の冠面の形状は、後述の、高い幾何学的圧縮比が実現するのであれば、どのような形状であってもよい。例えば、天井面及びピストン１５の冠面（つまり、キャビティ１５ａを除く部分）の両方が、シリンダ１１の中心軸に対して垂直な面で構成されていてもよく、天井面が上記のように三角屋根状をなす一方、ピストン１５の冠面（つまり、キャビティ１５ａを除く部分）がシリンダ１１の中心軸に対して垂直な面で構成されていてもよい。

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、それぞれがシリンダヘッド１３の下面（つまり、燃焼室１７の天井面における吸気側の傾斜面）に開口することで燃焼室１７に連通している。同様に、シリンダ１１毎に２つの排気ポート１９がシリンダヘッド１３に形成され、それぞれがシリンダヘッド１３の下面（つまり、燃焼室１７の天井面の排気側の傾斜面）に開口することで燃焼室１７に連通している。吸気ポート１８は、シリンダ１１内に導入される新気が流れる吸気通路（図示省略）に接続されている。吸気通路には、吸気流量を調整するスロットル弁２０が介設しており、エンジン制御器１００からの制御信号を受けて、スロットル弁２０の開度が調整される。一方、排気ポート１９は、各シリンダ１１からの既燃ガス（つまり、排気ガス）が流れる排気通路（図示省略）に接続されている。排気通路には、図示は省略するが、１つ以上の触媒コンバータを有する排気ガス浄化システムが配置される。触媒コンバータは、三元触媒を含む。

シリンダヘッド１３には、吸気弁２１及び排気弁２２が、それぞれ吸気ポート１８及び排気ポート１９を燃焼室１７から遮断（閉）することができるように配設されている。吸気弁２１は吸気弁駆動機構により、排気弁２２は排気弁駆動機構により、それぞれ駆動される。吸気弁２１及び排気弁２２は所定のタイミングで往復動して、それぞれ吸気ポート１８及び排気ポート１９を開閉し、シリンダ１１内のガス交換を行う。吸気弁駆動機構及び排気弁駆動機構は、図示は省略するが、それぞれ、クランクシャフトに駆動連結された吸気カムシャフト及び排気カムシャフトを有し、これらのカムシャフトはクランクシャフトの回転と同期して回転する。また、少なくとも吸気弁駆動機構は、吸気カムシャフトの位相を所定の角度範囲内で連続的に変更可能な、液圧式、電動式又は機械式の位相可変機構（Variable Valve Timing：ＶＶＴ）２３を含んで構成されている。尚、ＶＶＴ２３と共に、弁リフト量を連続的に変更可能なリフト可変機構（ＣＶＶＬ（Continuous Variable Valve Lift））を備えるようにしてもよい。

また、シリンダヘッド１３には、点火プラグ３１が配設されている。この点火プラグ３１は、例えば、ねじ等の周知の構造によって、シリンダヘッド１３に取付固定されている。点火プラグ３１は、図例では、シリンダ１１の中心軸に対し、排気側に傾斜した状態で取付固定されており、その先端部は燃焼室１７の天井部に臨んでいる。この点火プラグ３１の先端部は、後述のインジェクタ３３のノズル口４１の近傍に位置する。尚、点火プラグ３１の配置はこれに限定されるものではない。本実施形態では、点火プラグ３１は、プラズマ点火式のプラグであり、点火システム３２はプラズマ発生回路を備える。そして、点火プラグ３１は、点火システム３２によって放電でプラズマを発生させ、そのプラズマを点火プラグ３１の先端から気筒内にジェット状に噴射させて、燃料の点火を行う。点火システム３２は、エンジン制御器１００からの制御信号を受けて、点火プラグ３１が所望の点火タイミングでプラズマを発生するよう、それに通電する。尚、点火プラグ３１は、プラズマ点火式のプラグに限らず、一般によく使用されている火花点火式のプラグであってもよい。

シリンダヘッド１３におけるシリンダ１１の中心軸上には、気筒内（つまり、燃焼室１７内）に燃料を直接噴射するインジェクタ３３が配設されている。このインジェクタ３３は、例えばブラケットを使用する等の周知の構造でシリンダヘッド１３に取付固定されている。インジェクタ３３の先端は、燃焼室１７の天井部の中心に臨んでいる。

図２に示すように、インジェクタ３３は、シリンダ１１内に燃料を噴射するノズル口４１が形成されたノズル本体４０と、ノズル口４１を開閉する外開弁４２とを有する、外開弁式のインジェクタである。インジェクタ３３は、所定の中心軸Ｓに対して傾斜する方向であって該中心軸Ｓを中心とする径方向外側へ広がる方向へ燃料を噴射すると共に、ノズル口４１の有効断面積を調整可能に構成されている。ノズル口４１は、噴口の一例であり、外開弁４２は、弁体の一例である。

ノズル本体４０は、中心軸Ｓに沿って延びる管状の部材であって、その内部を燃料が流通する。ノズル口４１の開口縁は、ノズル本体４０の先端部において、先端側ほど径が大きくなるテーパ状に形成されている。ノズル本体４０の基端側の端部は、内部にピエゾ素子４４が配設されたケース４５に接続されている。外開弁４２は、弁本体４２ａと、弁本体４２ａからノズル本体４０内を通ってピエゾ素子４４に接続された連結部４２ｂとを有している。弁本体４２ａは、ノズル本体４０の先端においてノズル本体４０から外側に露出している。弁本体４２ａの連結部４２ｂ側の部分が、ノズル口４１の開口縁と略同じ形状を有しており、該部分がノズル口４１の開口縁に当接（つまり、着座）しているときには、ノズル口４１が閉状態となる。

インジェクタ３３は、中心軸Ｓがシリンダ１１の中心軸Ｘ（つまり、気筒中心軸Ｘ）と一致し、ノズル口４１が燃焼室１７の天井部に臨む状態で配置されている。

ピエゾ素子４４は、電圧の印加による変形により、外開弁４２を中心軸方向に押圧してノズル本体４０のノズル口４１の開口縁からリフトさせることによって、ノズル口４１を開放する。このとき、燃料がノズル口４１から中心軸Ｓに対して傾斜した方向であって中心軸Ｓを中心とする半径方向へ広がる方向へ噴射される。具体的には、燃料は、中心軸Ｓを中心とするコーン状（詳しくはホローコーン状）に噴射される。そのコーンのテーパ角は、本実施形態では、９０°〜１００°である（ホローコーンにおける内側の中空部のテーパ角は７０°程度である）。そして、ピエゾ素子４４への電圧の印加が停止すると、ピエゾ素子４４が元の状態に復帰することで、外開弁４２がノズル口４１を再び閉状態とする。このとき、ケース４５内における連結部４２ｂの周囲に配設された圧縮コイルバネ４６がピエゾ素子４４の復帰を助長する。

ピエゾ素子４４に印加する電圧が大きいほど、外開弁４２の、ノズル口４１を閉じた状態からのリフト量（以下、単にリフト量という）が大きくなる（図７も参照）。このリフト量が大きいほど、ノズル口４１の開度（つまり、有効断面積）が大きくなってノズル口４１から気筒内に噴射される燃料噴霧の粒径が大きくなる。逆に、リフト量が小さいほど、ノズル口４１の開度が小さくなってノズル口４１から気筒内に噴射される燃料噴霧の粒径が小さくなる。ピエゾ素子４４の応答は速く、例えば１サイクル中に２０回程度の多段噴射が可能である。但し、外開弁４２を駆動する手段としては、ピエゾ素子４４には限られない。

燃料供給システム３４は、外開弁４２（ピエゾ素子４４）を駆動するための電気回路と、インジェクタ３３に燃料を供給する燃料供給系とを備えている。エンジン制御器１００は、所定のタイミングで、リフト量に応じた電圧を有する噴射信号を上記電気回路に出力することで、該電気回路を介してピエゾ素子４４及び外開弁４２を作動させて、所望量の燃料を、気筒内に噴射させる。上記噴射信号の非出力時（つまり、噴射信号の電圧が０であるとき）には、外開弁４２によりノズル口４１が閉じられた状態となる。このようにピエゾ素子４４は、エンジン制御器１００からの噴射信号によって、その作動が制御される。こうしてエンジン制御器１００は、ピエゾ素子４４の作動を制御して、インジェクタ３３のノズル口４１からの燃料噴射及び該燃料噴射時におけるリフト量を制御する。

上記燃料供給系には、図示省略の高圧燃料ポンプやコモンレールが設けられており、その高圧燃料ポンプは、低圧燃料ポンプを介して燃料タンクより供給されてきた燃料をコモンレールに圧送し、コモンレールは、その圧送された燃料を、所定の燃料圧力で蓄える。そして、インジェクタ３３が作動する（つまり、外開弁４２がリフトされる）ことによって、上記コモンレールに蓄えられている燃料がノズル口４１から噴射される。

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。エンジン制御器１００は、制御部の一例である。

エンジン制御器１００は、少なくとも、エアフローセンサ７１からの吸気流量に関する信号、クランク角センサ７２からのクランク角パルス信号、アクセル・ペダルの踏み込み量を検出するアクセル開度センサ７３からのアクセル開度信号、車速センサ７４からの車速信号、及び、水温センサ７５からの水温信号をそれぞれ受ける。エンジン制御器１００は、これらの入力信号に基づいて、例えば、所望のスロットル開度信号、燃料噴射パルス、点火信号、バルブ位相角信号等といった、エンジン１の制御パラメータを計算する。そして、エンジン制御器１００は、それらの信号を、スロットル弁２０（正確には、スロットル弁２０を動かすスロットルアクチュエータ）、燃料供給システム３４（正確には、上記電気回路）、点火システム３２、及び、ＶＶＴ２３等に出力する。

また、図示は省略するが、このエンジン１は、吸気通路と排気通路とをつなぐＥＧＲ通路が設けられており、排気ガスの一部を吸気に還流させるＥＧＲシステムを備えている。エンジン制御器１００は、ＥＧＲシステムを通じた排気ガスの還流量を、エンジン１の運転状態に応じて調整する。

このエンジン１の幾何学的圧縮比εは、１５以上４０以下とされている。本実施形態では、エンジン１は圧縮比＝膨張比となる構成から、高圧縮比と同時に、比較的高い膨張比を有するエンジン１でもある。幾何学的圧縮比を高くすることによって、熱効率の向上を図る。

燃焼室１７は、図１に示すように、シリンダ１１の壁面と、ピストン１５の冠面と、シリンダヘッド１３の下面（つまり、天井面）と、吸気弁２１及び排気弁２２それぞれのバルブヘッドの面と、によって区画形成されている。そして、このエンジン１では、冷却損失を低減するべく、これらの各面に、断熱層６１，６２，６３，６４，６５を設けることによって、燃焼室１７を断熱化している。尚、以下において、これらの断熱層６１〜６５を総称する場合は、断熱層に符号「６」を付す場合がある。断熱層６は、これらの区画面の全てに設けてもよいし、これらの区画面の一部に設けてもよい。また、図例では、シリンダ壁面の断熱層６１は、ピストン１５が上死点に位置した状態で、そのピストンリング１４よりも上側の位置に設けられており、これにより断熱層６１上をピストンリング１４が摺動しない構成としている。但し、シリンダ壁面の断熱層６１はこの構成に限らず、断熱層６１を下向きに延長することによって、ピストン１５のストロークの全域、又は、その一部に断熱層６１を設けてもよい。また、燃焼室１７を直接区画する壁面ではないが、吸気ポート１８や排気ポート１９における、燃焼室１７の天井面側の開口近傍のポート壁面に断熱層を設けてもよい。尚、図１に図示する各断熱層６１〜６５の厚みは実際の厚みを示すものではなく単なる例示であると共に、各面における断熱層の厚みの大小関係を示すものでもない。

燃焼室１７の断熱構造について、さらに詳細に説明する。燃焼室１７の断熱構造は、上述の如く、燃焼室１７を区画する各区画面に設けた断熱層６１〜６５によって構成されるが、これらの断熱層６１〜６５は、燃焼室１７内の燃焼ガスの熱が、区画面を通じて放出されることを抑制するため、燃焼室１７を構成する金属製の母材よりも熱伝導率が低く設定される。ここで、シリンダ１１の壁面に設けた断熱層６１については、シリンダブロック１２が母材であり、ピストン１５の冠面に設けた断熱層６２についてはピストン１５が母材であり、シリンダヘッド１３の天井面に設けた断熱層６３については、シリンダヘッド１３が母材であり、吸気弁２１及び排気弁２２それぞれのバルブヘッド面に設けた断熱層６４，６５については、吸気弁２１及び排気弁２２がそれぞれ母材である。したがって、母材の材質は、シリンダブロック１２、シリンダヘッド１３及びピストン１５については、アルミニウム合金や鋳鉄となり、吸気弁２１及び排気弁２２については、耐熱鋼や鋳鉄等となる。

また、断熱層６は、冷却損失を低減する上で、母材よりも容積比熱が小さいことが好ましい。つまり、燃焼室１７内のガス温度は燃焼サイクルの進行によって変動するが、燃焼室１７の断熱構造を有しない従来のエンジンは、シリンダヘッドやシリンダブロック内に形成したウォータージャケット内を冷却水が流れることにより、燃焼室１７を区画する面の温度は、燃焼サイクルの進行にかかわらず、概略一定に維持される。

一方で、冷却損失は、冷却損失＝熱伝達率×伝熱面積×（ガス温度−区画面の温度）によって決定されることから、ガス温度と壁面の温度との差温が大きくなればなるほど冷却損失は大きくなってしまう。冷却損失を抑制するためには、ガス温度と区画面の温度との差温は小さくすることが望ましいが、冷却水によって燃焼室１７の区画面の温度を概略一定に維持した場合、ガス温度の変動に伴い差温が大きくなることは避けられない。そこで、断熱層６の熱容量を小さくして、燃焼室１７の区画面の温度が、燃焼室１７内のガス温度の変動に追従して変化するようにすることが好ましい。

上記断熱層６は、例えば、母材上にＺｒＯ_２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、断熱層６の熱伝導率及び容積比熱をより低くすることができる。

また、本実施形態では、図１に示すように、熱伝導率が非常に低くて断熱性に優れかつ耐熱性にも優れたチタン酸アルミニウム製のポートライナ１８１を、シリンダヘッド１３に一体的に鋳ぐるむことによって、吸気ポート１８に断熱層を設けている。この構成は、新気が吸気ポート１８を通過するときに、シリンダヘッド１３から受熱して温度が上がることを抑制乃至回避し得る。これによってシリンダ１１内に導入する新気の温度（初期のガス温度）が低くなるため、燃焼時のガス温度が低下し、ガス温度と燃焼室１７の区画面との差温を小さくする上で有利になる。燃焼時のガス温度を低下させることは熱伝達率を低くし得るから、そのことによる冷却損失の低減にも有利になる。尚、吸気ポート１８に設ける断熱層の構成は、ポートライナ１８１の鋳ぐるみに限定されない。

このエンジン１では、上述の通り幾何学的圧縮比εを１５≦ε≦４０に設定している。理論サイクルであるオットーサイクルにおける理論熱効率η_ｔｈは、η_ｔｈ＝１−１／（ε^κ−１）であり、圧縮比εを高くすればするほど、理論熱効率η_ｔｈは高くなる。しかしながら、エンジン（正確には、燃焼室の断熱構造を有しないエンジン）の図示熱効率は、所定の幾何学的圧縮比ε（例えば１５程度）でピークになり、幾何学的圧縮比εをそれ以上に高めても図示熱効率は高くならず、逆に、図示熱効率は低下することになる。これは、燃料量及び吸気量を一定のままで幾何学的圧縮比を高くした場合、圧縮比が高くなればなるほど、燃焼圧力及び燃焼温度が高くなることに起因している。上述したように、燃焼圧力及び燃焼温度が高くなることは、冷却損失を増大させることになるためである。

これに対し、このエンジン１では、高い幾何学的圧縮比εにおいて図示熱効率が高まるように、上述の通り、燃焼室１７の断熱構造を組み合わせている。つまり、燃焼室１７の断熱化により冷却損失を低減させ、それによって図示熱効率を高める。

一方で、燃焼室１７を断熱化して冷却損失を低減させるだけでは、その冷却損失の低減分が排気損失に転換されて図示熱効率の向上にはあまり寄与しないところ、このエンジン１では、上述したように、高圧縮比化に伴う高膨張比化によって、冷却損失の低減分に相当する燃焼ガスのエネルギを、機械仕事に効率よく変換している。すなわち、このエンジン１は、冷却損失及び排気損失を共に低減させる構成を採用することによって、図示熱効率を大幅に向上させているということができる。

このエンジン１では、上記の燃焼室１７及び吸気ポート１８の断熱構造に加えて、気筒内（燃焼室１７内）において断熱ガス層（以下、ガス層という場合もある。）による断熱層を形成することで、冷却損失をさらに低減するようにしている。以下、このことについて詳細に説明する。

図３は、エンジン１の温間時の運転マップを例示している。このエンジン１は、基本的には、運転領域の全域において、燃焼室１７内の混合気を圧縮自己着火によって燃焼させるように構成されている。図３に示す運転マップにおいて、所定負荷よりも低い低負荷領域、及び、低負荷領域よりも負荷の高い中負荷領域において、燃焼室１７内にガス層による断熱層を形成する。つまり、エンジン負荷が比較的低くかつ、それによって燃料噴射量が比較的少ない運転状態においては、燃焼室１７内にガス層による断熱層を形成することによって、冷却損失を低減し、熱効率の向上を図る。ここで、低負荷領域及び中負荷領域はそれぞれ、エンジンの負荷領域を低、中、及び高の３つの領域に区分（例えば、三等分）したときの、低領域及び中領域に相当する、と定義してもよい。また、特に中負荷領域は、例えば全開負荷に対する所定負荷以下（例えば７０％負荷以下）の領域としてもよい。

図４は、低負荷及び中負荷領域において、燃焼室１７内に形成する混合気層の形状を概念的に示している。燃焼室１７内にガス層による断熱層を形成するとは、同図に示すように、燃焼室１７内の中央部に混合気層Ｇ１を形成すると共に、その周囲に新気を含むガス層Ｇ２を形成することである。

ここでいう混合気層Ｇ１は、可燃混合気（例えば当量比φ＝０．１以上の混合気）によって構成される層と定義している。また、燃料の噴射開始から時間が経過すればするほど、燃料噴霧は拡散することから、混合気層Ｇ１の大きさは、着火時点での大きさである。さらに、着火とは、例えば、燃料の燃焼質量割合が１％以上となることをもって判定することができる。

また、ガス層Ｇ２は、φ＝０．１未満の混合気によって構成される層と定義している。ガス層Ｇ２は、新気のみであってもよく、新気に加えて、既燃ガス（つまり、ＥＧＲガス）を含んでいてもよい。尚、後述の通り、ガス層Ｇ２が断熱層の役割を果たす限度において、ガス層Ｇ２に少量の燃料が混じることは許容される。

尚、燃料室内の混合気層Ｇ１及びガス層Ｇ２は、シュリーレン法、又は燃料にシリコンオイルを混入させ該燃料の噴霧を光学的に読み取る手法等によって可視化することができる。そして、可視化された燃料噴霧に基づいて、当量比φを求めることができ、混合気層Ｇ１及びガス層Ｇ２を判別することができる。例えば、所定の当量比φに相当する輝度により、混合気層Ｇ１とガス層Ｇ２とを判別することができる。

混合気層Ｇ１の表面積（Ｓ）と体積（Ｖ）との比（Ｓ／Ｖ比）を小さくすることによって、燃焼時に周囲のガス層Ｇ２との伝熱面積が小さくなると共に、混合気層Ｇ１とシリンダ１１の壁面との間のガス層Ｇ２により、混合気層Ｇ１の火炎がシリンダ１１の壁面に接触することが抑制され、また、ガス層Ｇ２自体が断熱層となって、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。

エンジン制御器１００は、燃焼室１７内の中央部に混合気層Ｇ１が形成され且つ、混合気層Ｇ１の周囲にガス層Ｇ２が形成されるように、圧縮行程後半から膨張行程初期の期間にインジェクタ３３のノズル口４１からシリンダ１１内に燃料を噴射させるべく、燃料供給システム３４の電気回路に噴射信号を出力する。ここで、圧縮行程後半は、圧縮行程を、前半と後半との２つの領域に区分（例えば、二等分）したときの後半である。また、膨張行程初期は、膨張行程を、初期、中期及び終期の３つの領域に区分（例えば、三等分）したときの初期である。

低負荷領域においては、燃料噴射量が相対的に少ないことから、シリンダ１１の中心軸Ｘ上に配設されたインジェクタ３３から、圧縮行程後半から膨張行程初期の期間に、シリンダ１１内に燃料を噴射することによって燃料噴霧の広がりを抑制して、燃焼室１７内の中央部の混合気層Ｇ１と、その周囲のガス層Ｇ２とを形成することが比較的、容易に実現する。しかしながら、燃焼噴射量が増えるに従い、燃料噴射期間が長くなることから、燃料噴霧は特にシリンダ１１の中心軸Ｘの方向に広がるようになり、その結果、混合気層Ｇ１は、例えばピストン１５の冠面に触れるようになる。つまり、混合気層Ｇ１の周囲のガス層Ｇ２が確実に形成されなくなる。上述の通り、このエンジン１は、幾何学的圧縮比が高く、それに伴い燃焼室（つまり、ピストンが圧縮上死点に位置したときのシリンダ内空間）の容積が小さい。そのため、このエンジン１は、燃料噴霧がシリンダ１１の中心軸Ｘの方向に広がったときに、混合気層Ｇ１はピストン１５の冠面に触れやすい。

そこで、このエンジン１は、燃料噴射量が増える中負荷領域においても燃焼室１７内の中心部の混合気層Ｇ１とその周囲のガス層Ｇ２とを確実に形成するために、燃焼室１７内に形成する混合気層Ｇ１の形状をコントロールする。具体的には、図４に白抜きの矢印で示すように、燃料噴射量が増えたときには、燃料噴霧を、シリンダ１１の中心軸Ｘに交差する径方向の外方に広がるようにする。そのことによって、混合気層Ｇ１の中心軸Ｘの方向の長さが長くなることを抑制して混合気層Ｇ１がピストン１５の冠面に触れることを回避しつつ、中心軸Ｘの方向よりも空間的な余裕のある径方向の外方に混合気層Ｇ１を広げることによって、混合気層Ｇ１がシリンダ１１の内壁に触れることも回避する。燃焼室１７内に形成する混合気層Ｇ１の形状をコントロールすることは、燃焼室１７内に形成される混合気層Ｇ１の中心軸方向の長さをＬ、径方向の幅をＷとしたときに、長さＬと幅Ｗとの比（Ｌ／Ｗ）を調整することであり、上述のＳ／Ｖ比を小さくする上で、Ｌ／Ｗ比を所定以上にしつつも、燃料噴射量が増えたときには、Ｌ／Ｗ比を小さくすることになる。

このような混合気層Ｇ１の形状のコントロールを実現するために、エンジン１では、インジェクタ３３による燃料噴射の間隔（図６参照）とリフト量（図７参照）とがそれぞれ調整される。これにより、図５に示すように、燃料噴霧の進行方向への広がりと燃料噴霧の径方向への広がりとが独立して制御される。燃料噴射の間隔は、図６に概念的に示すように、燃料噴射の終了から、次の燃料噴射の開始までの間隔と定義される。上述の通り、このインジェクタ３３は高応答であり、１〜２ｍｓｅｃの間に、２０回程度の多段噴射が可能である。また、インジェクタ３３のリフト量は、図７に概念的に示すように、燃料の噴射開口面積に比例し、上述の通り、リフト量が大きいほど、噴射開口面積（即ち、ノズル口４１の有効断面積）は大きくなり、リフト量が小さいほど、噴射開口面積は小さくなる。

図８は、インジェクタ３３のリフト量を一定にした上で、燃料の噴射間隔を長くしたとき（同図（Ａ））と、噴射間隔を短くしたとき（同図（Ｂ））との燃料噴霧の広がりの違いを、概念的に示している。インジェクタ３３からホローコーン状に噴射された燃料噴霧は、燃焼室１７内を高速で流れる。そのため、コアンダ効果により、ホローコーンの内側においてインジェクタ３３の中心軸Ｓに沿うように、負圧領域が発生する。燃料噴射間隔が長いときには、燃料噴射から次の燃料噴射までの間に、負圧領域の圧力が回復するようになるため、負圧領域は小さくなる。これに対し、燃料噴射間隔が短いときには、間を空けずに燃料噴射が繰り返されるため、負圧領域の圧力回復が抑制される。その結果、負圧領域は、図８（Ｂ）に示すように、大きくなる。

燃料噴霧は、この負圧に引き寄せされるようになる。負圧領域は中心軸Ｓを中心とする径方向の中央側に形成されるため、負圧領域が相対的に大きいときには、図８（Ｂ）に示すように、燃料噴霧の径方向への広がりは抑制される。これに対し、負圧領域が相対的に小さいときには、図８（Ａ）に示すように、燃料噴霧は、あまり引き寄せられないため、径方向へ広がりやすくなる。つまり、インジェクタ３３の燃料の噴射間隔を短くすれば、燃料噴霧の径方向の広がりを抑制することが可能になる一方、その噴射間隔を長くすれば、燃料噴霧の径方向の広がりを促進することが可能になる。

図９は、燃料の噴射間隔を一定にした上で、インジェクタ３３のリフト量を小さくしたとき（同図（Ａ））と、リフト量を大きくしたとき（同図（Ｂ））との燃料噴霧の広がりの違いを、概念的に示している。この場合、噴射間隔が同じであるため、燃焼室１７内の負圧領域は同じになるものの、リフト量が相違することによって、燃料噴霧の粒径が異なる。つまり、インジェクタ３３のリフト量を小さくしたときには、燃料噴霧の粒径も小さくなるため、燃料噴霧の運動量が小さくなる。このため、燃料噴霧は、負圧によって径方向の中央側に引き寄せられやすくなり、図９（Ａ）に示すように、径方向の外方への広がりが抑制される。これに対し、インジェクタ３３のリフト量を大きくしたときには、燃料噴霧の粒径が大きくなるため、燃料噴霧の運動量が大きくなる。このため、燃料噴霧は、負圧に引き寄せられにくくなり、図９（Ｂ）に示すように、径方向の外方に広がり易くなる。つまり、インジェクタ３３のリフト量を大きくすれば、燃料噴霧の径方向の広がりを促進することが可能になる一方、そのリフト量を小さくすれば、燃料噴霧の径方向の広がりを抑制することが可能になる。

また、粒径が大きい燃料噴霧は、運動量が大きいので、進行方向への飛散距離も長くなる。さらに、粒径が大きい燃料噴霧は、負圧領域の影響を受けて減速しにくく、このことによっても飛散距離が長くなる。それに対し、粒径が小さい燃料噴霧は、運動量が小さいので、進行方向への飛散距離が短くなる。さらに、粒径が小さい燃料噴霧は、負圧領域の影響を受けて減速しやすく、このことによっても飛散距離が短くなる。

このように、インジェクタ３３の噴射間隔及びリフト量を変更することによって、燃料噴霧の広がりを、径方向と進行方向との２方向について独立して制御することが可能になる。そこで、このエンジン１では、リフト量が相対的に大きく且つ噴射間隔が相対的に大きい複数回の燃料噴射を含む第１噴射群と、リフト量が相対的に小さく且つ噴射間隔が相対的に小さい複数回の燃料噴射を含む第２噴射群とを組み合わせて、混合気層Ｇ１の形状を制御している。何れの噴射群においても、複数回の燃料噴射を行う多段噴射が実行される。ここで、多段噴射とは、燃料の噴射間隔（燃料噴射の終了から次の燃料噴射の開始までの間隔）が０．５ｍｓ以下の断続的な燃料噴射を意味する。

詳しくは、第１噴射群は、インジェクタ３３のリフト量を第２噴射群よりも大きくし且つ、燃料の噴射間隔を第２噴射群よりも大きくした、所定回数の燃料噴射を含む。噴射間隔を広くすることによって負圧領域が小さくなる。それに加えて、リフト量を大きくして燃料噴霧の粒径を大きくすることによって、燃料噴霧の運動量が大きくなる。その結果、進行方向への飛散距離が相対的に長く且つ径方向へ広がった燃料噴霧が形成される。

第２噴射群は、インジェクタ３３のリフト量を第１噴射群よりも小さくし且つ、燃料の噴射間隔を第１噴射群よりも小さくした、所定回数の燃料噴射を含む。噴射間隔を狭くすることによって負圧領域が拡大される。それに加えて、リフト量を小さくして燃料噴霧の粒径を小さくすることによって、燃料噴霧の運動量が小さくなる。その結果、進行方向への飛散距離が相対的に短く且つ径方向への広がりが抑制された燃料噴霧が形成される。

エンジン制御器１００は、エンジン１の運転状態に応じて第１噴射群と第２噴射群との割合を変更することによって、混合気層Ｇ１をエンジン１の運転状態に応じた形状に制御している。基本的な原理としては、第１噴射群の割合を多くすることによって、径方向外方へ広がった混合気層Ｇ１が形成される一方、第２噴射群の割合を多くすることによって、径方向外側への広がりが抑制された混合気層Ｇ１が形成される。

尚、エンジン１の運転状態によっては、第１噴射群が省略され、第２噴射群だけが実行される場合や、第１噴射群に含まれる燃料噴射が１回だけで、あとは第２噴射群となる場合や、第２噴射群が省略され、第１噴射群だけが実行される場合や、第２噴射群に含まれる燃料噴射が１回だけで、あとは第１噴射群となる場合もある。また、第１噴射群の後に第２噴射群を実行してもよいし、第２噴射群のあとに第１噴射群を実行してもよい。

エンジン制御器１００は、上述の多段噴射を前提として、エンジン１の運転状態に応じて噴射態様をさらに細かく制御している。図１０は、エンジン１の始動領域及びアイドル領域における噴射態様を示す図である。図１１は、始動領域及びアイドル領域における燃焼室の燃料濃度分布を示す図である。

具体的には、エンジン制御器１００は、図４に示す、エンジン１の運転状態が始動領域Ａ０に含まれるときには、燃焼室１７の壁面の温度に応じてガス層Ｇ２の厚みを調整するガス層制御を行う。エンジン制御器１００は、水温センサ７５の出力に基づいて燃焼室１７の壁面の温度を推定している。

ここで、始動領域Ａ０は、始動時のエンジン１の運転状態が含まれる領域である。エンジン１の始動には、車両の運転を開始するときの通常のエンジン始動と、エンジン１の運転中に所定の停止条件が成立することによりエンジン１を停止した後、所定の再始動条件が成立したときにエンジン１を始動させる再始動とを少なくとも含む。また、この始動領域は、エンジン１のアイドル運転を行うアイドル領域と重複している。つまり、エンジン制御器１００は、エンジン１の始動時だけでなく、アイドル運転時も以下のガス層制御を行う。

燃焼室１７の壁面の温度が所定の第１温度より高い場合には、エンジン制御器１００は、図１０（Ａ）に示すように、インジェクタ３３に一定のリフト量で連続噴射を行わせる。この噴射態様を一定連続噴射と称する。一定連続噴射においては、燃料がリフト量に応じた一定の粒径の燃料が連続的に噴射される。この場合、後述する変動連続噴射と比較して、燃料噴霧が広がりやすく、図１１の破線で示すように、混合気層Ｇ１は大きくなり、ガス層Ｇ２は薄くなる。

燃焼室１７の壁面の温度が第１温度以下である場合には、エンジン制御器１００は、図１０（Ｂ），（Ｃ）に示すように、リフト量の増減を繰り返しながらの連続噴射を、インジェクタ３３に行わせる。このとき、エンジン制御器１００は、燃焼室１７の壁面の温度に応じて、リフト量の増減幅を調整する。具体的には、エンジン制御器１００は、リフト量の最大値を一定とし、燃焼室１７の壁面の温度が低くなるほどリフト量の最小値を小さくする。リフト量の最大値は、一定連続噴射におけるリフト量と同じ値である。この噴射態様を変動連続噴射と称する。また、図１０（Ｂ），（Ｃ）の例では、リフト量の変化率が一定であるので、リフト量の最小値が小さくなるほど、隣り合うピーク（最大値）の時間間隔は長くなる。

変動連続噴射によれば、一定連続噴射に比べて、リフト量が減少したときに粒径が小さい燃料が噴射される。粒径が小さい燃料噴霧は、負圧領域に引き寄せられやすい。そのため、図１０（Ｂ）に示すようにリフト量を増減させると、図１１の二点鎖線で示すように燃料噴霧の広がりが小さくなる。そして、リフト量の増減量が大きくなるほど、すなわち、リフト量の最小値が小さくなるほど、燃料噴霧は負圧領域に引き寄せられやすくなり、燃料噴霧の広がりが抑制される。図１０（Ｃ）に示すようにリフト量の最小値が零になるときが、図１１の一点鎖線で示すように燃料噴霧の広がりが最も小さくなる。また、隣り合う、リフト量のピークの時間間隔が長くなるほど、リフト量が小さい期間が長くなり、それは、粒径が小さい燃料噴霧の割合が多くなることを意味する。こうして、リフト量を増減させることによって、図１１の二点鎖線及び一点鎖線で示すように、一定連続噴射のときと比べて、混合気層Ｇ１は小さくなり、ガス層Ｇ２は厚くなる。そして、最小値を小さくするほど、混合気層Ｇ１はより小さく、ガス層Ｇ２はより厚くなる。

このように、ガス層制御によれば、燃焼室１７の壁面の温度が低いほど、ガス層Ｇ２が厚くなるようにインジェクタ３３の噴射態様が制御される。そのため、燃焼室１７の壁面の温度が低くなったとしても、ガス層Ｇ２の厚みが厚くなるので、燃焼室１７の壁面への放熱が抑制される。その結果、冷却損失が低減され、燃焼安定性が向上する。特に、燃焼室１７の壁面の温度が第１温度以下であるときは、所謂、冷間時であり、エンジン１の始動に不利な状況にある。そのような状況であっても、ガス層制御により冷却損失を低減して燃焼安定性を向上させることによって、エンジン１の始動性を向上させることができる。

特に、圧縮自己着火により燃料を燃焼させる構成においては、冷却損失を低減して燃焼安定性を向上させることは有利である。

また、エンジン始動時やアイドル運転時には、燃焼室１７の温度が低く、燃料の霧化に不利な環境となる場合がある。そのため、インジェクタ３３のリフト量は、比較的小さな値に設定されている。これにより、燃料噴霧の粒径が小さくなり、燃料の霧化に有利となる。

尚、燃焼室１７の壁面の温度が所定の第２温度（＞第１温度）を超えると、エンジン制御器１００は、ガス層制御を行わず、燃焼室１７の壁面の温度とは異なる観点で噴射態様を制御する。

以上のように、エンジン１は、シリンダ１１内に設けられたピストン１５を有し、該シリンダ１１及び該ピストン１５によって燃焼室１７が区画されるエンジン本体と、少なくともガソリンを含む燃料を上記燃焼室１７内にノズル口４１を介して噴射するインジェクタ３３と、上記インジェクタ３３の噴射態様を制御することによって、上記燃焼室１７の中央部に混合気層Ｇ１を形成し且つ該混合気層Ｇ１の周囲に断熱ガス層Ｇ２を形成するエンジン制御器１００とを備え、上記エンジン制御器１００は、上記燃焼室１７の壁面の温度が低いほど、上記断熱ガス層Ｇ２の厚みを厚くする。

この構成によれば、燃焼室１７の壁面の温度が低くなるほど、ガス層Ｇ２の厚みが厚くなるので、燃焼室１７の壁面の温度が低下することが原因で冷却損失が大きくなることを抑制することができる。

また、エンジン制御器１００は、エンジン１の始動時、再始動時、又はアイドル運転時にガス層制御を行う。

つまり、エンジン１の始動時及び再始動時においては、エンジン１の始動性を向上させることができる。また、エンジン１のアイドル運転時には燃焼安定性を向上させることができる。

さらに、インジェクタ３３は、ノズル口４１の有効断面積を調整可能に構成されており、エンジン制御器１００は、ノズル口４１の有効断面積を調整することによってガス層制御を行う。具体的には、エンジン制御器１００は、インジェクタ３３にノズル口４１の有効断面積の増減を繰り返させ、燃焼室１７の壁面の温度が低いほど、ノズル口４１の有効断面積の増減の幅を大きくする。または、エンジン制御器１００は、インジェクタ３３にノズル口４１の有効断面積の増減を繰り返させ、燃焼室１７の壁面の温度が低いほど、隣り合う、ノズル口４１の有効断面積のピークの時間間隔を長くする。

これにより、燃料噴射時の負圧領域の大きさを調整して、混合気層Ｇ１の大きさ及びガス層Ｇ２の厚さを調整することができる。

《その他の実施形態》
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、上記実施形態を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、適宜、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用可能である。また、上記実施形態で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。また、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。

上記実施形態について、以下のような構成としてもよい。

例えば、ガス層制御を行うのは、始動領域に限られるものではない。始動領域以外の運転領域においては、エンジン１の暖機が完了しており、燃焼室１７の壁面の温度が十分に高いと予想される。しかし、始動領域以外の運転領域であっても燃焼室１７の壁面の温度が低い状況が想定される場合には、ガス層制御を行ってもよい。

上記ガス層制御では、変動連続噴射におけるリフト量の増減幅を燃焼室１７の壁面の温度に応じて変更しているが、一定であってもよい。つまり、燃焼室１７の壁面の温度に応じて、一定連続噴射、及びリフト量の増減幅が一定の変動連続噴射を切り替える構成であってもよい。ただし、変動連続噴射におけるリフト量の増減幅を燃焼室１７の壁面の温度に応じて変更した方が、ガス層Ｇ２の厚さを細かく調整することができる。

さらに、１回の変動連続噴射において、リフト量の変化率、最大値、最小値及び増減幅は、一定でなくてもよい。

また、インジェクタの構成は、上記実施形態に限られるものではない。噴口の有効断面積を変更できる限り、任意のインジェクタを採用することができる。例えば、図１２に示すような、ＶＣＯ（Valve Covered Orifice）ノズルタイプのインジェクタ２３３であってもよい。図１２は、インジェクタ２３３の内部構成を示す断面図である。

詳しくは、インジェクタ２３３は、シリンダ１１内に燃料を噴射するノズル口２４１が形成されたノズル本体２４０と、ノズル口２４１を開閉するニードル弁２４２とを有する。ノズル本体２４０は、所定の中心軸Ｓに沿って延びる管状の部材であって、その内部を燃料が流通する。ノズル本体２４０の先端部は、円錐状に形成されている。ノズル本体２４０の先端部の内周面には、すり鉢状のシート部２４３が形成されている。ノズル本体２４０の先端部に、複数のノズル口２４１が貫通形成されている。ノズル口２４１の一端は、シート部２４３に開口している。ノズル口２４１は、中心軸Ｓ回りに等間隔で複数配置されている。ニードル弁２４２の先端部は、円錐状に形成され、ノズル本体２４０のシート部２４３に着座するようになっている。ノズル口２４１は、ニードル弁２４２がシート部２４３に着座することによって閉鎖されるようになっている。ノズル口２４１は、噴口の一例であり、ニードル弁２４２は、弁体の一例である。

ニードル弁２４２は、インジェクタ３３と同様にピエゾ素子により駆動される。ニードル弁２４２が駆動され、シート部２４３からリフトされると、シート部２４３とニードル弁２４２との間に燃料が流通可能な隙間が形成され、この隙間を流通する燃料がノズル口２４１を介してノズル本体２４０の外部に噴射される。

このとき、ノズル口２４１の内周面には、燃料が流通する際にキャビテーションが発生する。このキャビテーションの度合い（例えば、キャビテーションが発生する領域の大きさ）は、ニードル弁２４２とシート部２４３との隙間、即ち、ニードル弁２４２のリフト量に応じて変化する。具体的には、ニードル弁２４２のリフト量が小さく、ニードル弁２４２とシート部２４３との隙間が小さいときには、キャビテーションが発生する領域も大きくなる。一方、ニードル弁２４２のリフト量が大きく、ニードル弁２４２とシート部２４３との隙間が大きいときには、キャビテーションが発生する領域も小さくなる。キャビテーションが発生する領域が大きいと、ノズル口２４１の有効断面積は小さくなる。キャビテーションが発生する領域が小さいと、ノズル口２４１の有効断面積は大きくなる。つまり、ニードル弁２４２のリフト量が小さいほど、ノズル口２４１の有効断面積は小さくなり、ニードル弁２４２のリフト量が大きいほど、ノズル口２４１の有効断面積は大きくなる。

さらに、上記実施形態では、インジェクタ３３のリフト量、リフト量の増減幅、又は燃料噴射間隔を変更することによって、燃焼室１７内の混合気層の形状を変更することが可能であるが、これに加えて、燃料圧力を高くすることは、インジェクタ３３のリフト量と燃料噴射間隔との変更に伴う、混合気層の形状の変更幅を、さらに拡大する。つまり、燃料圧力を高くすることによって、インジェクタ３３のリフト量を大きくしたときには、燃料噴霧の運動エネルギがより大きくなり、燃料噴射間隔を狭くしたときには、負圧の程度が高くなって負圧領域がより拡大する。その結果、混合気層の形状の変更幅が、さらに拡大する。

尚、上記の例では、燃焼室１７及び吸気ポート１８の断熱構造を採用するようにしたが、ここに開示する技術は、燃焼室１７及び吸気ポート１８の断熱構造を採用しないエンジンにも適用することができる。

また、上記エンジン１は、運転領域の全域において圧縮自己着火による燃焼を行っているが、これに限られるものではない。点火プラグでの点火により燃焼を行わせる構成であってもよいし、圧縮自己着火と点火とを運転領域に応じて使い分ける構成であってもよい。

以上説明したように、ここに開示された技術は、直噴ガソリンエンジンの制御装置について有用である。

１ エンジン
１１ シリンダ（気筒）
１５ ピストン
１７ 燃焼室
３３ インジェクタ
４０ ノズル本体
４１ ノズル口（噴口）
４２ 外開弁（弁体）
１００ エンジン制御器（制御部）
２３３ インジェクタ
２４１ ノズル口（噴口）
２４２ ニードル弁（弁体）
Ｓ 中心軸
Ｘ 中心軸

Claims (7)

1. 気筒内に設けられたピストンを有し、該気筒及び該ピストンによって燃焼室が区画されるエンジン本体と、
   少なくともガソリンを含む燃料を上記燃焼室内に噴口を介して噴射するインジェクタと、
   上記インジェクタの噴射態様を制御することによって、上記燃焼室の中央部に混合気層を形成し且つ該混合気層の周囲に断熱ガス層を形成する制御部とを備え、
   上記制御部は、上記燃焼室の壁面の温度が低いほど、上記断熱ガス層の厚みを厚くするガス層制御を行い、
   上記インジェクタは、上記噴口の有効断面積を調整可能に構成されており、
   上記制御部は、上記噴口の有効断面積を調整することによって上記ガス層制御を行い、
   上記制御部は、上記インジェクタに上記噴口の有効断面積の増減を繰り返させ、上記燃焼室の壁面の温度が低いほど、該噴口の有効断面積の増減幅を大きくする直噴ガソリンエンジン。
2. 気筒内に設けられたピストンを有し、該気筒及び該ピストンによって燃焼室が区画されるエンジン本体と、
   少なくともガソリンを含む燃料を上記燃焼室内に噴口を介して噴射するインジェクタと、
   上記インジェクタの噴射態様を制御することによって、上記燃焼室の中央部に混合気層を形成し且つ該混合気層の周囲に断熱ガス層を形成する制御部とを備え、
   上記制御部は、上記燃焼室の壁面の温度が低いほど、上記断熱ガス層の厚みを厚くするガス層制御を行い、
   上記インジェクタは、上記噴口の有効断面積を調整可能に構成されており、
   上記制御部は、上記噴口の有効断面積を調整することによって上記ガス層制御を行い、
   上記制御部は、上記インジェクタに上記噴口の有効断面積の増減を繰り返させ、上記燃焼室の壁面の温度が低いほど、隣り合う、該噴口の有効断面積のピークの時間間隔を長くする直噴ガソリンエンジン。
3. 請求項１に記載の直噴ガソリンエンジンの制御装置において、
   上記制御部は、上記インジェクタに上記噴口の有効断面積の増減を繰り返させ、上記燃焼室の壁面の温度が低いほど、隣り合う、該噴口の有効断面積のピークの時間間隔を長くする直噴ガソリンエンジンの制御装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の直噴ガソリンエンジンの制御装置において、
   上記制御部は、上記エンジン本体の始動時、上記インジェクタからの燃料噴射を停止した後に燃料噴射を再開するとき、又は上記エンジン本体のアイドル運転時に上記ガス層制御を行う直噴ガソリンエンジンの制御装置。
5. 気筒内に設けられたピストンを有し、該気筒及び該ピストンによって燃焼室が区画されるエンジン本体と、
   少なくともガソリンを含む燃料を上記燃焼室内に噴口を介して噴射するインジェクタと、
   上記インジェクタの噴射態様を制御することによって、上記燃焼室の中央部に混合気層を形成し且つ該混合気層の周囲に断熱ガス層を形成する制御部とを備え、
   上記制御部は、上記燃焼室の壁面の温度が低いほど、上記断熱ガス層の厚みを厚くするガス層制御を行い、
   上記制御部は、上記エンジン本体のアイドル運転時に上記ガス層制御を行う直噴ガソリンエンジン。
6. 請求項５に記載の直噴ガソリンエンジンの制御装置において、
   上記インジェクタは、上記噴口の有効断面積を調整可能に構成されており、
   上記制御部は、上記噴口の有効断面積を調整することによって上記ガス層制御を行う直噴ガソリンエンジンの制御装置。
7. 請求項１乃至６の何れか１つに記載の直噴ガソリンエンジンの制御装置において、
   上記インジェクタは、上記噴口が形成されたノズル本体と、該噴口を開閉する弁体とを有し、該弁体のリフト量に応じて該噴口の有効断面積が変化するように構成されている直噴ガソリンエンジンの制御装置。
   

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