JP2018172999A - 予混合圧縮着火式エンジンの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】予混合圧縮着火式エンジンにおいて、スート（煤）の発生量および燃焼騒音がともに抑制された適正なＨＣＣＩ燃焼を幅広い負荷域で実現する。【解決手段】負荷が所定値以上の第１運転領域でエンジンが運転されているときは、燃料噴射弁１１による燃料噴射が終了した後、燃料が自着火する前の燃焼室１０の外周部に水を偏在させることが可能なタイミングで、水噴射弁５７から水を噴射させる。第１運転領域よりも負荷が低い第２運転領域でエンジンが運転されているときは、圧縮行程の後半に燃料が噴射されるとともに、当該燃料噴射が終了してから自着火による燃焼が終了するまでの期間内に水が噴射されるように、燃料噴射弁１１および水噴射弁５７を制御する。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料を空気と混合しつつ自着火させる予混合圧縮着火燃焼（ＨＣＣＩ燃焼）が可能なエンジンに関する。

上記のような予混合圧縮着火式エンジンの一例として、下記特許文献１のものが知られている。この特許文献１のエンジンでは、予め定められた予混燃焼領域での運転時に、排気通路に排出された排気ガスの一部をＥＧＲガスとして燃焼室に導入しながら、圧縮上死点よりも早いタイミング（例えば圧縮上死点前６０〜７０°ＣＡ）で燃焼室に燃料を噴射する制御が行われる。このように、不活性ガスであるＥＧＲガスが存在する燃焼室に燃料を噴射することにより、噴射した燃料を所定の着火遅れの後に自着火させることができ、これによってスート（煤）やＮＯｘの発生量が少ない適正な燃焼を実現できるとされている。

ここで、エンジンの負荷が高くなると、負荷に見合った高出力を確保するために燃焼室に多量の空気（新気）を導入する必要がある。このため、エンジンの高負荷域では、十分な量のＥＧＲガスを燃焼室に導入することができず、自着火の過早化や燃焼の急峻化を招くことが懸念される。これに対し、例えば大型の過給機をエンジンに適用すれば、空気およびＥＧＲガスの双方を十分に燃焼室に導入できると考えられるが、この方法では、燃焼に伴って燃焼室の圧力が急激に上昇してしまい、大きな騒音が発生するという問題や、過給圧力の上昇に伴い冷却損失が増大するという問題がある。このため、過給のみに頼ることなく、空気（新気）の導入と燃焼の緩慢化とを両立することが求められていた。

上記の要求に応えるための方法として、燃焼室に直接水を噴射することが提案される。この方法であれば、空気量の不足を招くことなく所要量の水を気筒内に供給できるので、十分な出力トルクを確保しながら、燃焼騒音が過大にならない程度に燃焼をコントロールできる可能性がある。

上記のような燃焼室への水噴射を採用したエンジンとして、下記特許文献２のものが知られている。この特許文献２のエンジンは、例えば燃焼室の吸気側の側方位置に水噴射弁を備えており、この水噴射弁から燃焼室に向けて斜め下方に水が噴射されるようになっている。そして、エンジンの低負荷運転時には、ピストンの冠面におけるキャビティの底面に水が付着するようなタイミングで水噴射弁から水が噴射されるとともに、エンジンの高負荷運転時には、キャビティより上方の燃焼室中央に水が供給されるようなタイミングで水噴射弁から水が噴射される。

特開２００９−２０９８０９号公報 特開２００８−１７５０７８号公報

ただし、上記特許文献２の技術は、点火プラグを用いて混合気を強制着火させる火花点火式エンジンを対象にしたものであり、予混合圧縮着火式エンジンは対象とされていない。予混合圧縮着火式エンジンに同様の水噴射を適用することも考えられるが、仮にそうした場合には、次のような問題が生じると考えられる。

すなわち、上記特許文献２のように、エンジンの高負荷運転時に燃焼室中央部に向けて水を噴射した場合、燃焼室の外周部よりも高温になり易い中央部が噴射水により冷却される結果、燃焼室の温度分布が均一化されて、混合気の多くが同等のタイミングで自着火する可能性がある。この場合、多くの燃料が短期間の間に燃焼することになるので、やはり急激な圧力上昇が起きて燃焼騒音が増大することが懸念される。

また、上記特許文献２では、エンジンの低負荷運転時の水噴射により冷却損失が低減するとされているが、水噴射だけでは十分な効果が得られない可能性がある。

具体的に、上記特許文献２では、エンジンの低負荷運転時に噴射された水がピストンのキャビティ底面に付着して水膜が形成される結果、燃焼熱のピストンへの伝達（伝熱）が抑制され、冷却損失が低減するとされている。しかしながら、上記特許文献２では、燃焼室の全体で混合気が燃焼する（つまりキャビティの外側でも燃焼が起きる）ので、上記のようにキャビティの底面に水膜を形成したところで、ピストンへの伝熱を抑制する効果はあくまで限定的なものに留まる。もちろん、キャビティの内部に燃料を集中させて燃焼領域を小範囲に限定すれば、上述した伝熱の抑制効果は高まると考えられるが、むやみに燃焼領域を限定すると、局所的に非常に燃料リッチな混合気が形成されてしまい、スートの発生量が増大するという問題がある。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、スートの発生量および燃焼騒音がともに抑制された適正なＨＣＣＩ燃焼を幅広い負荷域で実現可能な圧縮着火式エンジンの制御装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するためのものとして、本発明は、気筒に往復動可能に収容されたピストンと、気筒の壁面とピストンとにより画成された燃焼室にガソリンを含有する燃料を噴射する燃料噴射弁と、燃焼室に水を噴射する水噴射弁とを備え、前記燃料噴射弁から噴射された燃料を空気と混合しつつ自着火により燃焼させる予混合圧縮着火燃焼が可能なエンジンを制御する装置であって、前記燃料噴射弁からの燃料の噴射量および噴射タイミングを制御する燃料噴射制御部と、前記水噴射弁からの水の噴射量および噴射タイミングを制御する水噴射制御部とを備え、負荷が所定値以上の第１運転領域でエンジンが運転されているとき、前記水噴射制御部は、燃料が自着火する直前の燃焼室の外周部に水が偏在させられるように、前記燃料噴射弁による燃料噴射が終了した後の所定のタイミングで前記水噴射弁から水を噴射させ、前記第１運転領域よりも負荷が低い第２運転領域でエンジンが運転されているとき、前記燃料噴射制御部および水噴射制御部は、圧縮行程の後半に燃料が噴射されるとともに、当該燃料噴射が終了してから前記自着火による燃焼が終了するまでの期間内に水が噴射されるように、前記燃料噴射弁および水噴射弁を制御する、ことを特徴とするものである（請求項１）。

本発明によれば、高負荷側の第１運転領域において、燃焼室の外周部に水を偏在させる水噴射が燃焼の開始（自着火）前に実行されるので、燃焼の開始前に燃焼室の外周部が水によって冷却されることにより、高温になり易い燃焼室の中央部に比して外周部の温度が十分に低下し、燃焼室の中央部と外周部との温度差が拡大する。これにより、燃焼室の中央部と外周部とで燃料の着火時期に有意な差が生じるようになる（外周部での着火時期が中央部での着火時期よりも遅れる）ので、燃焼の進行が緩やかになり、燃焼室の圧力上昇率（ｄｐ／ｄθ）の最大値が過大になるのを防止することができる。このように、燃焼室の温度差を拡大して燃焼を緩慢化することにより、燃料の噴射量（つまり熱発生量）が多く燃焼が急峻になり易い高負荷条件下であっても、燃焼騒音を適正なレベルに抑えることができる。

また、低負荷側の第２運転領域では、圧縮行程の後半という比較的遅い時期に燃料噴射が実行されるので、噴射量が少なく燃料のペネトレーションが弱いこととの相乗効果により、燃料が自着火する前の時点で、燃焼室の一部にのみ燃料が偏在する状態が得られる。このような状態で燃料が自着火すると、燃焼領域（火炎が拡がる領域）が比較的狭い範囲に限定されるので、火炎が燃焼室の壁面に接触する面積を小さくでき、冷却損失を効果的に低減することができる。ただし、燃料が偏在する領域では過剰にリッチな混合気が形成される可能性があり、それに伴いスートの発生量が増大することが懸念される。これに対し、本発明では、圧縮上死点の直後に開始される水噴射によって、燃焼が継続中の高温の燃焼室に水が供給されて気化し、その気化後の水蒸気が燃焼反応に寄与するＯＨラジカルを増大させる作用をもたらすので、当該ＯＨラジカルによる強力な酸化作用により、炭素（Ｃ）の酸化が促進される（ＣＯ_２等に変換される）結果、スートの発生量を効果的に抑制することができる。

好ましくは、前記水噴射弁は、前記燃焼室の天井面の中央付近から前記ピストンに向けて放射状に水を噴射するように設けられ、前記第１運転領域での運転時、前記水噴射制御部は、圧縮行程の前期から中期までの期間内に前記水噴射弁から水を噴射させる（請求項２）。

このように、圧縮行程の前期ないし中期に燃焼室の天井面の中央付近から放射状に水を噴射させるようにした場合には、噴射した水をピストンの冠面の外周部または気筒の周壁に指向させることができ、この噴射水によって燃焼室の外周部に水が偏在する状態を適正につくり出すことができる。

好ましくは、前記第２運転領域での運転時、前記水噴射制御部は、前記自着火による燃焼の継続期間中に水噴射が開始されるように前記水噴射弁を制御する（請求項３）。

この構成によれば、燃焼が継続している最中の燃焼室に適正に水を供給することができ、その水（気化後の水蒸気）がもたらすＯＨラジカルの増大作用によりスートの発生量を効果的に抑制することができる。

好ましくは、前記第１運転領域および第２運転領域は、いずれもエンジンの回転速度が所定値未満となる低速側の速度域に設定される（請求項４）。

この構成によれば、燃焼騒音およびスートの問題が顕在化し易い低速域においてこれらの問題に適切に対処することができる。すなわち、単位時間あたりのクランク角変化量が小さい低速域では、圧縮上死点近くの高温・高圧環境下で燃焼が起きる期間が時間の上で長くなるので、高速域に比べて燃焼騒音が大きくなり易く、またスートの発生量も増大し易い。これに対し、前記構成では、回転速度が所定値未満の速度域において、燃焼の緩慢化または炭素の酸化促進につながる上述した２種類の水噴射が負荷に応じてそれぞれ実行されるので、これらの水噴射によって燃焼騒音およびスートの発生量を効果的に抑制することができる。

好ましくは、前記水噴射弁は、前記燃焼室から排出された排気ガスとの熱交換により加熱された水を噴射するものである（請求項５）。

この構成によれば、噴射された水により燃焼室が過度に冷却されて出力トルクが低下するのを防止することができる。特に、負荷が低い第２運転領域では、噴射水の高温化によって、ＯＨラジカルの増大にかかる所要時間（噴射された水が気化してＯＨラジカルを増大させるまでに要する時間）が短縮されるので、スートの抑制効果をより高めることができる。しかも、排気ガスの熱を利用して水を加熱するので、加熱のために無駄なエネルギーが消費されることがなく、エネルギー効率を良好に維持することができる。

以上説明したように、本発明の圧縮着火式エンジンの制御装置によれば、スートの発生量および燃焼騒音がともに抑制された適正なＨＣＣＩ燃焼を幅広い負荷域で実現することができる。

本発明の一実施形態にかかる予混合圧縮着火式エンジンの全体構成を示す図である。 エンジン本体の断面図である。 エンジンの制御系統を示すブロック図である。 エンジンの運転条件に応じた制御の相違を示すマップ図である。 低速・高負荷域（第１運転領域）での燃料噴射および水噴射の態様を説明するためのタイムチャートである。 低速・低負荷域（第２運転領域）での燃料噴射および水噴射の態様を説明するためのタイムチャートである。 高速・高負荷域（第３運転領域）での燃料噴射および水噴射の態様を説明するためのタイムチャートである。 上記第１運転領域での水噴射による作用を説明するための動作説明図である。 上記第２運転領域での水噴射による作用を説明するための動作説明図である。 上記第３運転領域での水噴射による作用を説明するための動作説明図である。 超臨界水および亜臨界水の性質について説明するための水の状態変化図である。

（１）エンジンの全体構成
図１および図２は、本発明の制御装置が適用された予混合圧縮着火式エンジン（以下、単にエンジンともいう）の好ましい実施形態を示す図である。本図に示されるエンジンは、走行用の動力源として車両に搭載された４サイクルのガソリンエンジンであり、列状に並ぶ４つの気筒２を含む直列多気筒型のエンジン本体１と、エンジン本体１に導入される吸気が流通する吸気通路２０と、エンジン本体１から排出される排気ガスが流通する排気通路３０と、排気通路３０を流通する排気ガスの一部を吸気通路２０に還流するＥＧＲ装置４０と、排気通路３０を流通する排気ガスから取り出した水をエンジン本体１の各気筒２に供給する水供給システム５０とを備えている。

エンジン本体１は、図２に示すように、気筒２が内部に形成されたシリンダブロック３と、気筒２を上から塞ぐようにシリンダブロック３の上面に取り付けられたシリンダヘッド４と、各気筒２にそれぞれ往復動可能に収容されたピストン５とを有している。

ピストン５の上方には燃焼室１０が画成されている。燃焼室１０には、後述する燃料噴射弁１１から噴射される燃料（ガソリンを主成分とする燃料）が供給される。そして、供給された燃料が燃焼室１０で燃焼し、その燃焼による膨張力で押し下げられたピストン５が上下方向に往復運動するようになっている。

ピストン５の下方には、エンジン本体１の出力軸であるクランク軸１５が配設されている。クランク軸１５は、ピストン５とコネクティングロッド１４を介して連結され、ピストン５の往復運動に応じて中心軸回りに回転する。シリンダブロック３には、クランク軸１５の回転角度（クランク角）および回転速度（エンジン回転速度）を検出するクランク角センサＳＮ１が設けられている。

ピストン５の冠面（上面）には、その中央部をシリンダヘッド４とは反対側（下方）に凹ませたキャビティ５ａが形成されている。キャビティ５ａは、ピストン５が上死点まで上昇したときの燃焼室１０の大部分を占める容積を有するように形成されている。

シリンダヘッド４には、図外の燃料ポンプから供給されるガソリンを主成分とする燃料を各気筒２の燃焼室１０に噴射する燃料噴射弁１１が、気筒２ごとに１つずつ（合計４つ）設けられている。各燃料噴射弁１１は、気筒２の中心軸に対しやや傾いた姿勢で、後述する水噴射弁５７と隣接するように設けられている。なお、図１に示すように、燃料噴射弁１１の上方には、上記燃料ポンプから供給された燃料を蓄圧状態で貯留する燃料レール１６が設けられている。この燃料レール１６に貯留された燃料は、燃料噴射弁１１と同数の（４つの）分配管１７を通じて各燃料噴射弁１１に供給される。

燃料噴射弁１１は、気筒２の中心軸の近傍において燃焼室１０に露出する先端部を有し、当該先端部に設けられた複数の噴孔（図示省略）を通じて放射状に燃料を噴射することが可能である。燃料噴射弁１１の先端部は、ピストン５が圧縮上死点にあるときに当該ピストン５のキャビティ５ａを臨むような位置に配置されている。燃料噴射弁１１からは吸気行程または圧縮行程中に燃料が噴射され、噴射された燃料は、燃焼室１０に導入された空気（吸気）と混合された後に、例えば圧縮上死点の近傍で自着火する。

すなわち、当実施形態のエンジンでは、燃料としてガソリンを用いた場合に一般的に採用される火花点火燃焼（混合気を火花点火により強制着火させる燃焼）ではなく、燃料と空気との混合気をピストン５による圧縮に伴い自着火させるＨＣＣＩ燃焼（予混合圧縮着火燃焼）がエンジンの全ての運転領域において実行されるようになっている。このため、当実施形態のエンジンでは基本的に点火プラグは不要であるが、例えばエンジンが冷間始動された直後のような自着火が困難な状況下においてＨＣＣＩ燃焼に代えて火花点火燃焼を実行したり、あるいは暖機後であってもＨＣＣＩ燃焼の促進のためにいわゆるスパークアシストを実行することがあり、そのような目的のために点火プラグを設けてもよい。

上記のようなＨＣＣＩ燃焼を可能にするために、当実施形態のエンジンでは、火花点火燃焼が採用される一般的なガソリンエンジンと比べて、各気筒２の圧縮比が高めに設定されている。具体的に、当実施形態では、各気筒２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１０の容積とピストン５が下死点にあるときの燃焼室１０の容積との比が、１６以上３５以下、より好ましくは１８以上３０以下に設定されている。

図２に示すように、シリンダヘッド４には、気筒２ごとに、吸気通路２０から供給される空気を燃焼室１０に導入するための吸気ポート６と、燃焼室１０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７と、吸気ポート６の燃焼室１０側の開口を開閉する吸気弁８と、排気ポート７の燃焼室１０側の開口を開閉する排気弁９とがそれぞれ設けられている。

図１に示すように、吸気通路２０は、単管状の共通吸気管２２と、共通吸気管２２の下流端から枝分かれするように形成された吸気マニホールド２１とを有している。吸気マニホールド２１の各枝管は、各気筒２の燃焼室１０と吸気ポート６を介して連通するようにエンジン本体１（シリンダヘッド４）に接続されており、共通吸気管２２の下流端部は、吸気マニホールド２１の枝管の集合部（各枝管の上流端どうしが集合した部分）に接続されている。なお、本明細書において、吸気通路２０における上流（または下流）とは、吸気通路２０を流通する吸気の流れ方向の上流（または下流）のことをいう。

共通吸気管２２には、吸気中に含まれる異物を除去するエアクリーナ２５と、共通吸気管２２を流通する吸気の流量を調整する開閉可能なスロットル弁２７とが、上流側からこの順に設けられている。さらに、共通吸気管２２におけるスロットル弁２７よりも下流側には、共通吸気管２２を流通する吸気の流量を検出するエアフローセンサＳＮ２が設けられている。

なお、当実施形態のエンジンでは全ての運転領域でＨＣＣＩ燃焼が実行されるため、スロットル弁２７は、減速運転時やエンジン停止時等を除いて、基本的に全開相当の開度に維持される。

排気通路３０は、単管状の共通排気管３２と、共通排気管３２の上流端から枝分かれするように形成された排気マニホールド３１とを有している。排気マニホールド３１の各枝管は、各気筒２の燃焼室１０と排気ポート７を介して連通するようにエンジン本体１（シリンダヘッド４）に接続されており、共通排気管３２の上流端部は、排気マニホールド３１の枝管の集合部（各枝管の下流端どうしが集合した部分）に接続されている。なお、本明細書において、排気通路３０における上流（または下流）とは、排気通路３０を流通する排気ガスの流れ方向の上流（または下流）のことをいう。

共通排気管３２には、触媒装置３５、熱交換器５４、およびコンデンサ５１が、上流側からこの順に設けられている。

触媒装置３５は、排気ガス中に含まれる有害成分を浄化するためのものであり、例えば、三元触媒、酸化触媒、およびＮＯｘ触媒のいずれかもしくはその組合せからなる触媒を内蔵している。なお、このような触媒に加えて、排気ガス中に含まれるＰＭを捕集するためのフィルターが含まれていてもよい。

コンデンサ５１は、排気ガス中に含まれる水蒸気を凝縮させるものであり、熱交換器５４は、コンデンサ５１で生成された凝縮水を昇温させるものである。これら熱交換器５４およびコンデンサ５１は、水供給システム５０の一部を構成する要素である（詳細は後述する）。

ＥＧＲ装置４０は、共通排気管３２と共通吸気管２２とを連通するＥＧＲ通路４１と、ＥＧＲ通路４１に設けられたＥＧＲ弁４２およびＥＧＲクーラ４３とを有している。

ＥＧＲ通路４１は、共通排気管３２における触媒装置３５よりも上流側の部分と、共通吸気管２２におけるスロットル弁２７よりも下流側の部分とを接続している。ＥＧＲ弁４２は、ＥＧＲ通路４１を通じて共通排気管３２から共通吸気管２２に還流される排気ガス（ＥＧＲガス）の流量を調整するための開閉弁である。ＥＧＲクーラ４３は、ＥＧＲ通路４１を流通するＥＧＲガスを所定の冷媒（例えばエンジンの冷却水）との熱交換により冷却する熱交換器である。

（２）水供給システムの具体的構成
図１に示すように、水供給システム５０は、上述したコンデンサ５１および熱交換器５４と、コンデンサ５１で生成された凝縮水を貯留する水タンク５２と、水タンク５２に貯留された凝縮水を熱交換器５４に向けて圧送する送水ポンプ５３と、送水ポンプ５３で加圧されかつ熱交換器５４で加熱された高温・高圧の水を保温しつつ蓄圧状態で貯留する蓄圧レール５６と、蓄圧レール５６に貯留された水を各気筒２の燃焼室１０に供給するために気筒２ごとに１つずつ（合計４つ）設けられた水噴射弁５７と、コンデンサ５１と水タンク５２とを接続する第１水配管６１と、水タンク５２と熱交換器５４とを接続する第２水配管６２と、熱交換器５４と蓄圧レール５６とを接続する第３水配管６３と、蓄圧レール５６と各水噴射弁５７とを接続する複数の（４つの）分配管６４とを有している。

コンデンサ５１は、共通排気管３２を流通する排気ガス中に含まれる水蒸気を凝縮させるための熱交換器であり、所定の冷媒（例えばエンジンの冷却水）との熱交換により排気ガスを冷却することで、当該排気ガス中に含まれる水蒸気を凝縮させる。コンデンサ５１で生成された凝縮水は、第１水配管６１を通じて下流側に流出し、水タンク５２内に貯留される。

送水ポンプ５３は、第２水配管６２の途中部に設けられており、水タンク５２内に貯留された凝縮水を加圧しつつ熱交換器５４に向けて送り出す。なお、図１では送水ポンプとして単一のポンプ５３を図示しているが、送水ポンプは、水タンク５２に貯留された水を比較的低圧で送り出すフィードポンプと、フィードポンプから送り出された水を加圧して所望の圧力まで高める高圧ポンプとを組み合わせた複数段のポンプであってもよい。

熱交換器５４は、送水ポンプ５３から供給された水を、コンデンサ５１に流入する前の排気ガスとの熱交換により加熱するように設けられている。詳細な図示は省略するが、熱交換器５４は、共通排気管３２のうち触媒装置３５とコンデンサ５１との間に位置する部分に挿入された小径かつ長尺形状の細管５４ａと、この細管５４ａが挿入される部分の共通排気管３２を覆うように設けられた保温ケース５４ｂとを有している。

熱交換器５４で加熱された水は、第３水配管６３を通じて下流側に送り出され、蓄圧レール５６に貯留される。蓄圧レール５６には、内部の水の圧力を検出する水圧センサＳＮ３が設けられている。

蓄圧レール５６に貯留された水は、上記のような熱交換器５４による加熱と送水ポンプ５３による加圧とを経て、その温度／圧力が１００℃以上／２ＭＰａ以上にまで高められている。圧力が２ＭＰａ以上と高いため、１００℃以上に加熱されても水は沸騰せず、液体の状態を維持している。そして、このような状態で蓄圧レール５６に貯留された水は、必要時に水噴射弁５７を通じて各気筒２の燃焼室１０に噴射される。すなわち、当実施形態において水噴射弁５７から気筒２に噴射される水は、１００℃以上の温度と２ＭＰａ以上の圧力とを有した高温・高圧の液体水である。

水噴射弁５７は、その軸心が気筒２の中心軸とほぼ一致する姿勢でシリンダヘッド４に取り付けられている。水噴射弁５７は、ピストン５のキャビティ５ａを真上から臨むように燃焼室１０の天井面中央付近において燃焼室１０に露出する先端部を有し、当該先端部に設けられた複数の噴孔（図示省略）を通じて放射状に水を噴射することが可能である。

（３）エンジンの制御系統
図３は、エンジンの制御系統を示すブロック図である。本図に示されるＰＣＭ１００は、エンジンを統括的に制御するためのマイクロプロセッサであり、周知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成されている。

ＰＣＭ１００には各種センサによる検出信号が入力される。例えば、ＰＣＭ１００は、上述したクランク角センサＳＮ１、エアフローセンサＳＮ２、および水圧センサＳＮ３と電気的に接続されており、これらのセンサによって検出された情報（つまりクランク角、筒内圧力、吸気流量、水圧等）が電気信号としてＰＣＭ１００に逐次入力されるようになっている。

また、車両には、当該車両を運転するドライバーにより操作されるアクセルペダル（図示省略）の開度を検出するアクセルセンサＳＮ４が設けられており、このアクセルセンサＳＮ４による検出信号もＰＣＭ１００に入力される。

ＰＣＭ１００は、上記各センサからの入力信号に基づいて種々の判定や演算等を実行しつつエンジンの各部を制御する。すなわち、ＰＣＭ１００は、燃料噴射弁１１、スロットル弁２７、ＥＧＲ弁４２、送水ポンプ５３、および水噴射弁５７等と電気的に接続されており、上記演算の結果等に基づいてこれらの機器にそれぞれ制御用の信号を出力する。

上記制御に関する機能的要素として、ＰＣＭ１００は、燃料噴射制御部１０１と、水噴射制御部１０２と、ＥＧＲ制御部１０３とを含んでいる。

燃料噴射制御部１０１は、クランク角センサＳＮ１により検出されるエンジン回転速度と、アクセルセンサＳＮ４の検出値（アクセル開度）から特定されるエンジン負荷（要求トルク）と、エアフローセンサＳＮ２により検出される吸気流量とに基づいて、燃料噴射弁１１からの燃料の噴射量および噴射タイミングを決定し、その決定に従って燃料噴射弁１１を制御する。

水噴射制御部１０２は、水圧センサＳＮ３により検出される蓄圧レール５６の内部圧力（蓄圧レール５６内に貯留されている水の圧力）に基づいて、当該圧力が所要圧力（２ＭＰａ）以上に保持されるように送水ポンプ５３を駆動する。また、水噴射制御部１０２は、上記エンジン負荷および回転速度等に基づいて水噴射弁５７からの水の噴射量および噴射タイミングを決定し、その決定に従って水噴射弁５７を制御する。

ＥＧＲ制御部１０３は、燃焼室１０内の全ガス量に占めるＥＧＲガスの割合であるＥＧＲ率の目標値（目標ＥＧＲ率）を上記エンジン負荷および回転速度等に基づいて決定し、その目標ＥＧＲ率に対応した量のＥＧＲガスが気筒２に導入されるようにＥＧＲ弁４２を制御する。なお、目標ＥＧＲ率としては、適正なＨＣＣＩ燃焼が達成されるようなＥＧＲ率がエンジンの運転条件ごとに予め定められている。例えば、エンジンの負荷が高い（燃料噴射量が多い）運転条件では目標ＥＧＲ率が小さくされる。

（４）運転条件に応じた制御
次に、ＰＣＭ１００（燃料噴射制御部１０１および水噴射制御部１０２）による燃料噴射弁１１および水噴射弁５７の制御について詳しく説明する。

図４は、エンジンの運転条件（負荷／回転速度）に応じた制御の相違を説明するためのマップ図である。本図に示すように、エンジンの運転領域は、燃料噴射弁１１および水噴射弁５７の制御の相違により４つの運転領域Ａ１〜Ａ４に大別される。それぞれ第１運転領域Ａ１、第２運転領域Ａ２、第３運転領域Ａ３、第４運転領域Ａ４とすると、第１運転領域Ａ１は、回転速度が所定値Ｒｘ未満でかつ負荷が所定値Ｌｘ以上となる低速・高負荷の運転領域であり、第２運転領域Ａ２は、回転速度が所定値Ｒｘ未満でかつ負荷が所定値Ｌｘ未満となる低速・低負荷の運転領域であり、第３運転領域Ａ３は、回転速度が所定値Ｒｘ以上でかつ負荷が所定値Ｌｘ以上となる高速・高負荷の運転領域であり、第４運転領域Ａ４は、回転速度が所定値Ｒｘ以上でかつ負荷が所定値Ｌｘ未満となる高速・低負荷の運転領域である。なお、負荷の閾値である所定値Ｌｘは、図４では回転速度にかかわらず一定のように図示されているが、回転速度に応じて変化する値であってもよい。同様に、回転速度の閾値である所定値Ｒｘは、図４では負荷にかかわらず一定のように図示されているが、負荷に応じて変化する値であってもよい。

図４に示される各運転領域Ａ１〜Ａ４のうち、少なくとも第１、第２、第３運転領域Ａ１，Ａ２，Ａ３では、燃料噴射制御部１０１および水噴射制御部１０２の制御により、燃料噴射弁１１からの燃料噴射と水噴射弁５７からの水噴射との双方が実行される。これら第１、第２、第３運転領域Ａ１，Ａ２，Ａ３における燃料噴射弁１１および水噴射弁５７の動作を、次の（ａ）（ｂ）（ｃ）において順に説明する。

ここで、下記（ａ）〜（ｃ）の説明では、燃料噴射または水噴射のタイミングを特定する用語として、吸気行程または圧縮行程の「前期」、「中期」‥‥などの用語を用いることがあるが、これは、次のことを前提としている。すなわち、本明細書では、吸気行程や圧縮行程等の任意の行程を３等分した場合の各期間を前から順に「前期」「中期」「後期」と定義する。このため、例えば圧縮行程の（ｉ）前期、（ii）中期、（iii）後期とは、それぞれ、（ｉ）圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）１８０〜１２０°ＣＡ、（ii）ＢＴＤＣ１２０〜６０°ＣＡ、（iii）ＢＴＤＣ６０〜０°ＣＡの各範囲のことを指す。同様に、本明細書では、吸気行程や圧縮行程等の任意の行程を２等分した場合の各期間を前から順に「前半」「後半」と定義する。このため、例えば圧縮行程の（iv）前半、（ｖ）後半とは、それぞれ、（iv）ＢＴＤＣ１８０〜９０°ＣＡ、（ｖ）ＢＴＤＣ９０〜０°ＣＡの各範囲のことを指す。

（ａ）第１運転領域での制御
低速・高負荷の第１運転領域Ａ１では、図５に示すように、燃料噴射弁１１からの燃料噴射Ｉｆ１が、吸気行程の中期から後期までの期間内に実行されるとともに、水噴射弁５７からの水噴射Ｉｗ１が、圧縮行程の前期から中期までの期間内に実行される。

燃料噴射Ｉｆ１が上記のようなタイミング（吸気行程の中期〜後期）で実行されることにより、着火前の燃料の分布が十分に均一化される。すなわち、吸気行程の中期から後期にかけた期間内に燃料噴射弁１１から燃料が噴射されると、噴射された燃料は、吸気流動等により撹拌されながら気化・霧化し、圧縮上死点（図５のＴＤＣ）までの間に燃焼室１０内で均一に分散する。

燃料噴射Ｉｆ１による燃料の噴射量は、負荷の高い第１運転領域Ａ１の条件に見合った比較的大きい値に設定される。燃料噴射Ｉｆ１の噴射パルス幅（燃料噴射弁１１の開弁期間）は、決められた噴射量に応じて増減され、噴射量が多いほどパルス幅が長くされる。このことは水噴射Ｉｗ１でも同様である。

水噴射Ｉｗ１のタイミング（圧縮行程の前期〜中期）は、水噴射弁５７から噴射された水を燃焼室１０の外周部に偏在させることを意図して定められている。すなわち、圧縮行程の前期から中期までの期間内に水噴射弁５７から水が噴射されると、その噴射水は、図８の下段図に示すように（図５にもこれに対応する図を模式的に示す）、ピストン５の冠面におけるキャビティ５ａよりも外側の領域（以下、冠面の外周部という）か、または気筒２の周壁に向けて放射状に飛翔する。飛翔した水は、ピストン５の冠面の外周部または気筒２の周壁に付着した後に蒸発するなどし、その結果、図８の中段図に示すように、ピストン５が圧縮上死点付近まで上昇した時点で、燃焼室１０の外周部に相対的に濃度の濃い水（主に水蒸気）が存在する状態、つまり燃焼室１０の外周部に存在する水の濃度が燃焼室１０の中央部に比べて十分に濃くなる状態が得られる。そして、このように燃焼室１０の外周部に偏在する水の冷却効果により、燃焼室１０の外周部の壁面温度およびガス温度が低下する結果、燃料が自着火する直前（圧縮上死点付近）の燃焼室１０の温度分布として、図８の上段のグラフに示すような分布が得られる。なお、この上段のグラフにおいて、実線の波形は水噴射を実施した場合の温度分布を、破線の波形は水噴射を実施しなかった場合の温度分布をそれぞれ示している。両者の比較から、水噴射Ｉｗ１の効果により燃焼室１０の外周部の温度（壁面温度およびガス温度）が集中的に低下し、当該外周部の温度と中央部の温度との差が拡大していることが理解される。

上記噴射水による燃焼室１０の外周部に対する冷却効果としては、燃料の噴射量が多く燃焼室１０が高温になり易い高負荷側ほど高いレベルが要求される。このため、水噴射Ｉｗ１による水の噴射量は、総じて、第１運転領域Ａ１の中でも負荷が高いほど大きい値に設定される。

（ｂ）第２運転領域での制御
低速・低負荷の第２運転領域Ａ２では、図６に示すように、燃料噴射弁１１からの燃料噴射Ｉｆ２が圧縮行程の後半に実行されるとともに、水噴射弁５７からの水噴射Ｉｗ２が圧縮上死点の直後に実行される。

第２運転領域Ａ２は第１運転領域Ａ１よりも負荷が低いため、燃料噴射Ｉｆ２による燃料の噴射量は、第１運転領域Ａ１での燃料噴射Ｉｆ１（図５）よりも小さい値に設定される。このように第２運転領域Ａ２では燃料の噴射量が少ないため、燃料噴射弁１１から噴射される燃料のペネトレーション（貫徹力）は比較的弱いものとなる。

燃料噴射Ｉｆ２のタイミング（圧縮行程の後半）は、燃料噴射弁１１から噴射された燃料をピストン５のキャビティ５ａ内に収めることを意図して定められている。すなわち、圧縮行程の後半に燃料噴射弁１１から燃料が噴射されると、その噴射燃料は、図９の下段図に示すように（図６にもこれに対応する図を模式的に示す）、ピストン５のキャビティ５ａの内部に向けて放射状に飛翔する。キャビティ５ａ内に飛翔した燃料は、噴射量が少なく燃料のペネトレーションが弱いことと相俟って、その多くがキャビティ５ａの内部に留まることになる。これにより、キャビティ５ａの内部に存在する燃料の濃度がキャビティ５ａの外部に比べて十分に濃くなる状態が得られ、キャビティ５ａの内部に局所的にリッチな混合気が形成される。このリッチな混合気は、ピストン５が圧縮上死点付近に至った時点で難なく自着火に至り、ＨＣＣＩ燃焼が開始される。

水噴射Ｉｗ２のタイミング（圧縮上死点の直後）は、上記のように圧縮上死点付近で開始される燃焼（ＨＣＣＩ燃焼）の期間に水噴射を重ねることを意図して定められている。より詳しくは、水噴射Ｉｗ２のタイミングは、燃焼が開始する時点以後に水噴射が開始され、かつ燃焼が終了する時点以前に水噴射が終了するようなタイミングに設定されている。このようなタイミングで水噴射弁５７から噴射された水は、図９の上段図に示すように、キャビティ５ａの内部に向けて放射状に飛翔する。この時点において、燃焼室１０の中央部（主にキャビティ５ａの内部空間）では既に燃焼が起きているため、水噴射Ｉｗ２による噴射水はこの燃焼領域中に供給されることになる。

（ｃ）第３運転領域での制御
高速・高負荷の第３運転領域Ａ３では、図７に示すように、燃料噴射弁１１からの燃料噴射Ｉｆ３が、吸気行程の中期から後期までの期間内に実行されるとともに、水噴射弁５７からの水噴射Ｉｗ３が、圧縮行程の後期に実行される。

第３運転領域Ａ３は第１運転領域Ａ１と同じ負荷域にあるため、燃料噴射Ｉｆ３による燃料の噴射量は、第１運転領域Ａ１での燃料噴射Ｉｆ１（図５）とほぼ同等になる。ただし、第３運転領域Ａ３では第１運転領域Ａ１よりも回転速度が高い（言い換えると単位時間あたりのクランク角の変化量が大きい）ため、同一量の燃料を噴射するのに要するクランク角は第１運転領域Ａ１のときよりも長くなる。第３運転領域Ａ３での燃料噴射Ｉｆ３のパルス幅が第１運転領域Ａ１での燃料噴射Ｉｆ１のパルス幅よりも長いのはそのためである。

水噴射Ｉｗ３のタイミング（圧縮行程の後期）は、水噴射弁５７から噴射された水を燃焼室１０のキャビティ５ａ内に収めることを意図して定められている。すなわち、圧縮行程の後期に水噴射弁５７から水が噴射されると、その噴射水は、図１０の下段図に示すように（図７にもこれに対応する模式図を示す）、ピストン５のキャビティ５ａの内部に向けて放射状に飛翔する。飛翔した水は、キャビティ５ａの壁面に付着した後に蒸発するなどし、その結果、図１０の中段図に示すように、ピストン５が圧縮上死点付近まで上昇した時点で、燃焼室１０の中央部に相対的に濃度の濃い水（主に水蒸気）が存在する状態、つまり燃焼室１０の中央部に存在する水の濃度が燃焼室１０の外周部に比べて十分に濃くなる状態が得られる。そして、このように燃焼室１０の中央部に偏在する水の冷却効果により、燃焼室１０の中央部（キャビティ５ａ）の壁面温度およびガス温度が低下する結果、燃料が自着火する直前（圧縮上死点付近）の燃焼室１０の温度分布として、図１０の上段のグラフに示すような分布が得られる。燃焼室１０の中央部は外周部よりも高温になり易いので、この上段のグラフのように燃焼室１０の中央部の温度が低下することにより、当該中央部と外周部との温度差が縮小する。

上記噴射水による燃焼室１０の中央部に対する冷却効果としては、燃料の噴射量が多く燃焼室１０が高温になり易い高負荷側ほど高いレベルが要求される。このため、水噴射Ｉｗ３による水の噴射量は、総じて、第３運転領域Ａ３の中でも負荷が高いほど大きい値に設定される。

（５）作用効果
以上説明したとおり、当実施形態では、低速・高負荷の第１運転領域Ａ１でエンジンが運転されているときに、燃料噴射弁１１から吸気行程中に燃料が噴射され（燃料噴射Ｉｆ１）、その後、燃焼室１０の外周部に水を偏在させることが可能な圧縮行程の前期ないし中期に水噴射弁５７から水が噴射される（水噴射Ｉｗ１）。一方、低速・低負荷の第２運転領域Ａ２でエンジンが運転されているときは、燃料噴射弁１１から圧縮行程の後半に燃料が噴射され（燃料噴射Ｉｆ２）、その後、噴射された燃料の自着火よりも僅かに遅れた圧縮上死点の直後に水噴射弁５７から水が噴射される（水噴射Ｉｗ２）。このような構成によれば、スート（煤）の発生量および燃焼騒音がともに抑制された適正なＨＣＣＩ燃焼を幅広い負荷域で実現できるという利点がある。

すなわち、上記実施形態では、高負荷側の第１運転領域Ａ１において、燃焼室１０の外周部に水を偏在させる水噴射Ｉｗ１が燃焼の開始（自着火）前に実行されるので、燃焼の開始前に燃焼室１０の外周部が水によって冷却されることにより、高温になり易い燃焼室１０の中央部に比して外周部の温度が十分に低下し、燃焼室１０の中央部と外周部との温度差が拡大する。これにより、燃焼室１０の中央部と外周部とで燃料の着火時期に有意な差が生じるようになる（外周部での着火時期が中央部での着火時期よりも遅れる）ので、燃焼の進行が緩やかになり、燃焼室１０の圧力上昇率（ｄｐ／ｄθ）の最大値が過大になるのを防止することができる。このように、燃焼室１０の温度差を拡大して燃焼を緩慢化することにより、燃料の噴射量（つまり熱発生量）が多く燃焼が急峻になり易い高負荷条件下であっても、燃焼騒音を適正なレベルに抑えることができる。

また、低負荷側の第２運転領域Ａ２では、圧縮行程の後半という比較的遅い時期に燃料噴射Ｉｆ２が実行されるので、噴射量が少なく燃料のペネトレーションが弱いこととの相乗効果により、燃料が自着火する前の時点で、燃焼室１０の一部（特にキャビティ５ａの内部）にのみ燃料が偏存する状態が得られる。このような状態で燃料が自着火すると、燃焼領域（火炎が拡がる領域）が比較的狭い範囲に限定されるので、火炎が燃焼室１０の壁面に接触する面積を小さくでき、冷却損失を効果的に低減することができる。ただし、燃料が偏在する領域（キャビティ５ａ内）では過剰にリッチな混合気が形成される可能性があり、それに伴いスートの発生量が増大することが懸念される。これに対し、上記実施形態では、圧縮上死点の直後に開始される水噴射Ｉｗ２によって、燃焼が継続中の高温の燃焼室１０に水が供給されて気化し、その気化後の水蒸気が燃焼反応に寄与するＯＨラジカルを増大させる作用をもたらすので、当該ＯＨラジカルによる強力な酸化作用により、炭素（Ｃ）の酸化が促進される（ＣＯ_２等に変換される）結果、スートの発生量を効果的に抑制することができる。

また、上記実施形態では、燃焼室１０の天井面の中央付近に設けられた水噴射弁５７からピストン５に向けて放射状に水が噴射されるので、第１運転領域Ａ１での運転時に、水噴射Ｉｗ１によって圧縮行程の前期から中期までの期間内に水が噴射されることにより、噴射された水をピストン５の冠面の外周部（キャビティ５ａよりも外側の冠面）または気筒２の周壁に指向させることができ、この噴射水によって燃焼室１０の外周部に水が偏在する状態を適正につくり出すことができる。

また、上記実施形態では、第２運転領域Ａ２での運転時に、自着火による燃焼の継続期間中に水噴射Ｉｗ２が開始および終了される（つまり水噴射Ｉｗ２の期間が燃焼期間中に完全に含まれるように設定されている）ので、燃焼が継続している最中の燃焼室１０に適正に水を供給することができ、その水（気化後の水蒸気）がもたらすＯＨラジカルの増大作用によりスートの発生量を効果的に抑制することができる。

また、上記実施形態では、上述した制御が行われる第１運転領域Ａ１および第２運転領域Ａ２が、いずれもエンジン回転速度が所定値Ｒｘ未満の低速側の速度域に設定されているので、燃焼騒音およびスートの問題が顕在化し易い低速域においてこれらの問題に適切に対処することができる。すなわち、単位時間あたりのクランク角変化量が小さい低速域では、圧縮上死点近くの高温・高圧環境下で燃焼が起きる期間が時間の上で長くなるので、高速域に比べて燃焼騒音が大きくなり易く、またスートの発生量も増大し易い。これに対し、上記実施形態では、回転速度が所定値Ｒｘ未満の速度域において、燃焼の緩慢化または炭素の酸化促進につながる上述した２種類の水噴射（第１運転領域Ａ１での水噴射Ｉｗ１または第２運転領域Ａ２での水噴射Ｉｗ２）が負荷に応じてそれぞれ実行されるので、これらの水噴射Ｉｗ１，Ｉｗ２によって燃焼騒音およびスートの発生量を効果的に抑制することができる。

また、上記実施形態では、排気ガスとの熱交換により加熱された高温水（１００℃以上の水）が水噴射弁５７から噴射されるので、噴射された水により燃焼室１０が過度に冷却されて出力トルクが低下するのを防止することができる。特に、低速・低負荷の第２運転領域Ａ２では、噴射水の高温化によって、ＯＨラジカルの増大にかかる所要時間（水噴射Ｉｗ２により噴射された水が気化してＯＨラジカルを増大させるまでに要する時間）が短縮されるので、スートの抑制効果をより高めることができる。しかも、排気ガスの熱を利用して水を加熱するので、加熱のために無駄なエネルギーが消費されることがなく、エネルギー効率を良好に維持することができる。

また、上記実施形態では、高速・高負荷の第３運転領域Ａ３での運転時に、燃料噴射弁１１から吸気行程中に燃料が噴射され（燃料噴射Ｉｆ３）、その後、燃焼室１０の中央部に水を偏在させることが可能な圧縮行程の後期に水噴射弁５７から水が噴射される（水噴射Ｉｗ３）ので、燃焼室１０の外周部に比べて高温になり易い燃焼室１０の中央部が集中的に冷却されて、燃焼室１０の中央部と外周部との温度差が縮小する。これにより、燃焼室の中央部／外周部で着火時期に大きな差が生じなくなり、短時間の間に多くの燃料が燃焼する比較的急峻な燃焼が起きるようになる。しかしながら、第１運転領域Ａ１よりも回転速度が高い第３運転領域Ａ３では、単位時間あたりのクランク角変化量が大きいので、燃焼が急峻化されても圧力上昇率（ｄｐ／ｄθ）の最大値はそれほど大きくならない。このため、回転速度が高い第３運転領域Ａ３で上記のように燃焼室１０の温度の均一化を図ったとしても、燃焼騒音は特に問題にならず、むしろ、短時間で多くの燃料が燃焼する結果、排気損失の少ない（熱効率の高い）燃焼が実現されると考えられる。また、燃焼室１０の中央部は、第３運転領域Ａ３のような高回転かつ高負荷の条件下で特に高温になり易い部分であるが、当該第３運転領域Ａ３において燃焼室１０の中央部を噴射水により直接的に冷却する上記実施形態によれば、燃焼室１０の中央部の温度が過度に上昇することが確実に回避されるので、冷却損失を低減してエンジンの熱効率を向上させることができる。

（６）変形例
（ａ）第１の変形例
上記実施形態では、水噴射弁５７から燃焼室１０に噴射される水として、１００℃以上の温度と２ＭＰａ以上の圧力とを有する比較的高温・高圧の水を用いたが、噴射水の温度・圧力等は、上述した各運転領域Ａ１，Ａ２，Ａ３において求められる水噴射の寄与効果のいずれを重視するか等に応じて適宜変更可能である。

例えば、いわゆる超臨界または亜臨界と呼ばれる状態にまで温度・圧力が高められた水（つまり超臨界水または亜臨界水）を燃焼室１０に噴射することも可能である。ここで、超臨界水とは、水の臨界点よりも温度および圧力が高い水のことであり、亜臨界水とは、超臨界水に近い性質を有する水のことである。図１１は、エンタルピー（横軸）および圧力（縦軸）の変化に伴う水の状態変化を示しており、この図１１を用いて超臨界水および亜臨界水を説明すると、超臨界水とは、水の臨界点Ｘよりも温度および圧力の高い領域Ｚ１に含まれる水として定義することができ、亜臨界水とは、領域Ｚ１に隣接する領域Ｚ１ａに含まれる水として定義することができる。

より詳しく説明すると、図１１において、ＬＴは等温線、ＬＤは等密度線であり、ＬＴに続く数値が温度（Ｋ）を、ＬＤに続く数値が密度（ｋｇ／ｍ^３）をそれぞれ表している。また、領域Ｚ２は液体の領域、領域Ｚ３は気体の領域、領域Ｚ４は液体と気体が共存する領域を表している。超臨界水に対応する領域Ｚ１は、これら領域Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４のいずれにも属さない非常に高温・高圧の領域である。このような領域Ｚ１では、水は液体の性質と気体の性質とを併せ持った（液体、気体、固体の三相のいずれにもあてはまらない）特殊な状態、つまり超臨界状態となる。なお、臨界点Ｘの温度は６４７Ｋ（より正確には６４７．３Ｋ）、圧力は２２ＭＰａ（より正確には２２．１２ＭＰａ）であるから、領域Ｚ１に属する超臨界水とは、６４７Ｋ（３７４℃）以上の温度と２２ＭＰａ以上の圧力とを有する水のことである。また、領域Ｚ１ａに属する亜臨界水とは、６００Ｋ以上６４７Ｋ未満の温度と２５０ｋｇ／ｍ^３以上の密度とを有する水のことである。

このような超臨界水／亜臨界水を燃焼室１０に噴射した場合には、噴射後の急速な水の膨張仕事を利用して、燃費改善効果が得られると考えられる。すなわち、図１１において矢印Ｗ１で示すように、超臨界水／亜臨界水は、気体の水に変化するのにほとんどエンタルピー（潜熱）を必要としない。これに対し、領域Ｚ２に含まれる液体の水は、矢印Ｗ２で示すように、気体に変化するために大きなエンタルピー（潜熱）を必要とする。このことは、超臨界水／亜臨界水を噴射した方が、液体の水を噴射するよりも、水の潜熱吸収に伴う燃焼室１０の温度低下を十分に小さくできることを意味する。しかも、燃焼室１０に噴射された超臨界水／亜臨界水は、燃焼室１０内で急速に膨張することにより、ピストン５を押し下げる仕事をする。したがって、このような性質の超臨界水／亜臨界水を燃焼室１０に噴射した場合には、その噴射に伴う仕事の増分だけ、燃料の噴射量を減らして燃費を改善できる可能性がある。

特に、第２運転領域Ａ２では、圧縮上死点の後に水が噴射されるので、この噴射水として超臨界水／亜臨界水を用いれば、十分な燃費改善効果が得られると考えられる。すなわち、第２運転領域Ａ２において超臨界水／亜臨界水を圧縮行程の後に噴射した場合には、噴射された超臨界水／亜臨界水が膨張行程中に急速に膨張することでピストン５が押し下げられるので、当該押し下げ仕事（それによる出力トルクの増分）の分だけ燃料の噴射量を減らすことができる。しかも、排気ガスの熱を利用して超臨界水／亜臨界水を生成した場合には、排気ガスの熱を出力に変換するいわゆる排熱回収が達成されるので、十分な燃費改善効果を得ることが可能になる。

ただし、超臨界水／亜臨界水を例えば高負荷側の第１運転領域Ａ１でも使用した場合、この第１運転領域Ａ１で期待されている水噴射による冷却効果（つまり燃焼室１０の外周部を冷却して燃焼を緩慢化する効果）は減少すると考えられる。しかしながら、超臨界水／亜臨界水といえども、圧縮上死点付近の燃焼室１０の温度よりは低いので、それなりの冷却効果は期待できる。加えて、水は不活性ガスであるから、この不活性ガスとしての水の偏在がもたらす作用により、超臨界水／亜臨界水を噴射した場合でも同様の緩慢化効果が得られると考えられる。すなわち、超臨界水／亜臨界水を噴射した場合には、ごく短時間で十分量の水を燃焼室１０の外周部に供給できるので、当該外周部における不活性ガスの濃度が十分に高まる結果、主にその濃度差がもたらす作用により、（冷却効果は減少するものの）燃焼の緩慢化を図ることが可能になる。

（ｂ）その他の変形例
上記実施形態では、水噴射弁５７として、先端部に複数の噴孔が形成された多噴孔型の噴射弁を用いたが、本発明において使用可能な水噴射弁はこれに限られず、いわゆる外開きタイプの噴射弁を水噴射弁として使用することも可能である。外開きタイプの噴射弁は、例えば、筒状のバルブボディと、このバルブボディ内に進退可能に挿入されたニードル弁とを備えている。ニードル弁の先端部は、その外周面がバルブボディの先端部の内周面に対し密着可能な状態で収容されている。このような外開きタイプの噴射弁では、その開弁時にニードル弁が突出方向に駆動されることにより、ニードル弁の先端部とバルブボディの内周面との間に連続したリング状のスリットからなるノズル口が形成され、このノズル口を通じて水がコーン状に噴射される（このようなコーン状の水噴射も放射状に水を噴射する一態様である）。なお、外開きタイプの噴射弁を使用可能なのは、燃料噴射弁１１でも同様である。

また、上記実施形態では、低速・高負荷の第１運転領域Ａ１において、燃焼室１０の外周部に水が偏在する状態を燃料の自着火の直前につくり出すために、燃焼室１０の天井面の中央付近に配置された水噴射弁５７から圧縮行程の前期ないし中期に放射状に水を噴射させるようにしたが（水噴射Ｉｗ１）、この第１運転領域Ａ１での水噴射Ｉｗ１のタイミングは、燃料が自着火する直前の燃焼室１０の外周部に水が偏在する状態をつくり出せるタイミングであればよく、その限りにおいて適宜の変更が可能である。例えば、水噴射弁５７の取付位置が変われば、燃焼室１０の外周部に水を偏在させるのに適したタイミングも変わり得るので、水噴射Ｉｗ１のタイミングは水噴射弁５７の取付位置等に応じて適宜調整すればよい。ただし、いずれの場合でも、第１運転領域Ａ１での水噴射Ｉｗ１は、燃料噴射弁１１による燃料噴射Ｉｆ１が終了してから燃料が自着火するまでの間には開始する必要がある。

また、上記実施形態では、低速・高負荷の第１運転領域Ａ１において、吸気行程の中期ないし後期に燃料噴射弁１１から燃料を噴射させるようにしたが（燃料噴射Ｉｆ１）、この第１運転領域Ａ１での燃料噴射Ｉｆ１のタイミングは、圧縮上死点までの間に燃料が燃焼室１０内で比較的均一に分散するようなタイミングであればよく、その限りにおいて適宜の変更が可能である。例えば、圧縮行程の前半に燃料噴射Ｉｆ１を実行するようにしてもよい。ただし、第１運転領域Ａ１での燃料噴射Ｉｆ１のタイミングは、少なくとも第２運転領域Ａ２での燃料噴射Ｉｆ２のタイミングよりは早くされる。このことは、高速・高負荷の第３運転領域Ａ３での燃料噴射Ｉｆ３でも同様である。

また、上記実施形態では、低速・低負荷の第２運転領域Ａ２において、圧縮上死点の直後に水噴射Ｉｗ２を開始してその後終了することにより、当該水噴射Ｉｗ２の期間が燃焼期間中に完全に含まれるような態様で水を噴射したが、この第２運転領域Ａ２での水噴射Ｉｗ２のタイミングは、燃焼室１０に噴射された水（気化後の水蒸気）によるＯＨラジカルの増大作用が燃焼期間中に及ぶようなタイミングであればよく、その限りにおいて適宜の変更が可能である。ただし、当該目的のためには、第２運転領域Ａ２での水噴射Ｉｗ２は、燃料噴射Ｉｆ２が終了してから燃焼が終了するまでの間には開始する必要がある。なお、水噴射Ｉｗ２の終了タイミングは燃焼期間が過ぎてからでもよいが、燃焼が終了した後に噴射された水はスートの抑制には寄与しないので、燃焼が終了したらできるだけ速やかに水噴射Ｉｗ２も終了させるのが望ましい。

また、上記実施形態では、高速・高負荷の第３運転領域Ａ３において、燃焼室１０の中央部（キャビティ５ａの内部）に水が偏在する状態を燃料の自着火の直前につくり出すために、水噴射弁５７から圧縮行程の後期に放射状に水を噴射させるようにしたが（水噴射Ｉｗ３）、この第３運転領域Ａ３での水噴射Ｉｗ３のタイミングは、自着火の直前に燃焼室１０の中央部に水を偏在させることが可能なタイミングであればよく、その限りにおいて適宜の変更が可能である。例えば、予定される自着火のタイミング等によっては、水噴射Ｉｗ３の期間の一部または全部が膨張行程の初期に含まれるようなタイミングで水を噴射してもよい。

また、上記実施形態では、ガソリンと空気との混合気を圧縮して自着火させるＨＣＣＩ燃焼が全ての運転領域で実行されるガソリンエンジンに本発明を適用した例について説明したが、本発明が適用可能なエンジンはこのようなエンジンに限られない。例えば、一部の運転領域でＨＣＣＩ燃焼が実行されかつ残りの運転領域で火花点火燃焼が実行されるガソリンエンジンや、ガソリン以外の副成分（アルコール等）が含有された燃料をＨＣＣＩ燃焼させるエンジンにも本発明を適用可能である。

２ 気筒
５ ピストン
１０ 燃焼室
１１ 燃料噴射弁
５７ 水噴射弁
１０１ 燃料噴射制御部
１０２ 水噴射制御部
Ａ１ 第１運転領域
Ａ２ 第２運転領域
Ｌｘ （負荷の）所定値
Ｒｘ （回転速度の）所定値
Ｉｆ１ （第１運転領域での）燃料噴射
Ｉｆ２ （第２運転領域での）燃料噴射
Ｉｗ１ （第１運転領域での）水噴射
Ｉｗ２ （第２運転領域での）水噴射

Claims (5)

1. 気筒に往復動可能に収容されたピストンと、気筒の壁面とピストンとにより画成された燃焼室にガソリンを含有する燃料を噴射する燃料噴射弁と、燃焼室に水を噴射する水噴射弁とを備え、前記燃料噴射弁から噴射された燃料を空気と混合しつつ自着火により燃焼させる予混合圧縮着火燃焼が可能なエンジンを制御する装置であって、
   前記燃料噴射弁からの燃料の噴射量および噴射タイミングを制御する燃料噴射制御部と、
   前記水噴射弁からの水の噴射量および噴射タイミングを制御する水噴射制御部とを備え、
   負荷が所定値以上の第１運転領域でエンジンが運転されているとき、前記水噴射制御部は、燃料が自着火する直前の燃焼室の外周部に水が偏在させられるように、前記燃料噴射弁による燃料噴射が終了した後の所定のタイミングで前記水噴射弁から水を噴射させ、
   前記第１運転領域よりも負荷が低い第２運転領域でエンジンが運転されているとき、前記燃料噴射制御部および水噴射制御部は、圧縮行程の後半に燃料が噴射されるとともに、当該燃料噴射が終了してから前記自着火による燃焼が終了するまでの期間内に水が噴射されるように、前記燃料噴射弁および水噴射弁を制御する、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジンの制御装置。
2. 請求項１に記載の予混合圧縮着火式エンジンの制御装置において、
   前記水噴射弁は、前記燃焼室の天井面の中央付近から前記ピストンに向けて放射状に水を噴射するように設けられ、
   前記第１運転領域での運転時、前記水噴射制御部は、圧縮行程の前期から中期までの期間内に前記水噴射弁から水を噴射させる、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジンの制御装置。
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の制御装置において、
   前記第２運転領域での運転時、前記水噴射制御部は、前記自着火による燃焼の継続期間中に水噴射が開始されるように前記水噴射弁を制御する、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジンの制御装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の予混合圧縮着火式エンジンの制御装置において、
   前記第１運転領域および第２運転領域は、いずれもエンジンの回転速度が所定値未満となる低速側の速度域に設定されている、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジンの制御装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の予混合圧縮着火式エンジンの制御装置において、
   前記水噴射弁は、前記燃焼室から排出された排気ガスとの熱交換により加熱された水を噴射するものである、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジンの制御装置。

Images