ガソリンエンジン
【課題】熱効率をより高めることができるガソリンエンジンを提供する。
【解決手段】気筒２の幾何学的圧縮比を１４以上に設定するとともに、燃焼室６の天井面６０を、その径方向中央を頂部として径方向外側に向かうに従ってピストン５の冠面側に傾斜する円錐面形状とし、ピストン５の冠面を、その中央部分に形成されて前記燃焼室６の天井面６０から離間する方向に凹みこの凹み方向に湾曲する内周面４０ｂを有するキャビティ４０と、キャビティ４０の開口縁４０ａから径方向外側に向かうに従って燃焼室６の天井面６０から離間する方向に傾斜して燃焼室６の天井面６０と平行に延びる基準面４１とし、インジェクタ２１を各噴口２１ａを通じて噴射された燃料が燃焼室６の天井面６０の頂部からピストン５の冠面に近づくほど径方向外側に拡がるように、その先端部を燃焼室６の天井面６０の頂部近傍に位置する状態で燃焼室６内に臨ませる。
【解決手段】気筒２の幾何学的圧縮比を１４以上に設定するとともに、燃焼室６の天井面６０を、その径方向中央を頂部として径方向外側に向かうに従ってピストン５の冠面側に傾斜する円錐面形状とし、ピストン５の冠面を、その中央部分に形成されて前記燃焼室６の天井面６０から離間する方向に凹みこの凹み方向に湾曲する内周面４０ｂを有するキャビティ４０と、キャビティ４０の開口縁４０ａから径方向外側に向かうに従って燃焼室６の天井面６０から離間する方向に傾斜して燃焼室６の天井面６０と平行に延びる基準面４１とし、インジェクタ２１を各噴口２１ａを通じて噴射された燃料が燃焼室６の天井面６０の頂部からピストン５の冠面に近づくほど径方向外側に拡がるように、その先端部を燃焼室６の天井面６０の頂部近傍に位置する状態で燃焼室６内に臨ませる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気筒に形成された燃料室内に少なくとも一部がガソリンからなる燃料を供給可能なインジェクタを備え、特定運転領域において前記燃焼室内で前記燃料と空気との混合気を自着火により燃焼させることでピストンを往復運動させるガソリンエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ガソリンエンジンの分野では、点火プラグの火花点火により強制的に混合気を着火させる燃焼形態（火花点火燃焼）が一般的であったが、近年、このような火花点火燃焼に代えて、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（気筒内）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、高い熱効率が得られると言われている。
【０００３】
前記圧縮自己着火燃焼が適用されたガソリンエンジンの具体例として、例えば下記特許文献１に開示されたものが知られており、この特許文献１には、気筒の幾何学的圧縮比を１４以上として混合気を自着火可能な温度にまで高めることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１５４８５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
燃費性能の観点等から熱効率の向上要求は依然として高く、圧縮自己着火燃焼の確実な実現等によって熱効率をより一層高めることが求められている。
【０００６】
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、熱効率をより高めることができるガソリンエンジンを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するために、本発明は、気筒に形成された燃料室内に少なくとも一部がガソリンからなる燃料を供給可能なインジェクタを備え、エンジンの特定運転領域において前記燃焼室内で前記燃料と空気との混合気を自着火により燃焼させることでピストンを往復運動させるガソリンエンジンであって、前記気筒の幾何学的圧縮比は１４以上に設定されており、前記燃焼室の天井面は、その径方向中央を頂部として径方向外側に向かうに従ってその高さが低くなるように傾斜した円錐面形状を有し、前記ピストンの冠面は、その中央部分に、所定の曲率をもって凹状に湾曲するキャビティを有するとともに、当該キャビティの開口縁よりも径方向外側に向かうに従って高さが低くなるように傾斜して前記燃焼室の天井面と平行に延びる基準面を有し、前記インジェクタは、前記ピストンの冠面側に向けて燃料を噴射可能な噴口が形成された先端部を有するとともに、当該先端部が前記燃焼室の天井面の頂部近傍に位置するように設けられていることを特徴とするガソリンエンジンを提供する（請求項１）。
【０００８】
本発明によれば、気筒を高圧縮比にするとともに混合気から燃焼室の壁面に放熱される放熱量すなわち冷却損失を小さく抑えることができ、より確実に燃焼室内の温度を混合気の自着火が可能な温度にまで高めることができるとともに、前記冷却損失の低減に伴って熱効率をより一層高めることができる。すなわち、高圧縮比に伴って圧縮上死点における燃焼室の容積は小さくなるが、本発明では、ピストンの冠面の径方向中央にキャビティが形成されているので、混合気が燃焼する領域における燃焼室天井面とピストン冠面との間のすきま寸法を確保して混合気の多くをこのキャビティ内で燃焼室の壁面から離間した状態で燃焼させることができ、燃焼室の壁面への放熱をより小さく抑えることができる。また、燃料の燃焼室壁面への付着を抑制して効率よく混合気を燃焼させることができる。
【０００９】
しかも、燃焼室の天井面が円錐面状とされており、この天井面に設けられる吸気弁および排気弁の弁面積ひいては吸気量および排気量を確保することができるとともに、ピストンの冠面のキャビティよりも径方向外側の部分（以下、ピストン冠面の外周部分という場合がある）がこの円錐面状の燃焼室の天井面と平行に構成されているので、燃焼室のうち前記キャビティよりも径方向外側部分（以下、燃焼室の外周部分という場合がある）の容積および燃焼室天井面とピストン冠面との間のすきま寸法を確保してこの外側部分における混合気の適正な燃焼を実現しつつ、圧縮上死点における燃焼室容積Ｖ＿ＴＤＣに対する燃焼室表面積Ｓの割合であるＳ／Ｖ＿ＴＤＣ（ＳＶ比）を小さくして、燃焼室壁面への放熱量を小さく抑えることができる。具体的には、燃焼室径および圧縮比が一定の条件下で、燃焼室の外周部分の容積およびすきま寸法をそれぞれ燃焼に必要な所定量に設定した場合、燃焼室の天井面およびピストン冠面の外周部分を円錐面状とした方が、これらを球面状とする場合に比べて、ピストン冠面の外周部分の長さを長くすることができ、これに伴ってキャビティの径方向の長さを短くすることができるため、キャビティの容積が一定の条件下において、キャビティの曲率をより大きくして前記ＳＶ比を小さくすることができる。
【００１０】
本発明において、前記インジェクタは、前記特定運転領域の少なくとも一部の運転領域において、圧縮上死点よりも前であって噴射した燃料が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到達するタイミングで燃料を噴射する前段噴射と、前記前段噴射よりも後であって噴射した燃料が前記キャビティ内に到達するタイミングで燃料を噴射する後段噴射とを含む複数回に分けて燃料を噴射するのが好ましい（請求項２）。
【００１１】
このようにすれば、キャビティの内と外とに分けて混合気が形成されるため、これら混合気が混じり合って同時に燃焼することが回避され、これら混合気が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。
【００１２】
また、本発明において、前記燃焼室の天井面に形成された複数の吸気側開口部を介して前記燃焼室と連通する吸気ポートと、前記複数の吸気側開口部をそれぞれ開閉可能な弁体と当該弁体から延びてこの弁体をそれぞれ前記吸気側開口部の開閉方向に移動させるステムとを備えた複数の吸気弁と、前記燃焼室の天井面に形成された複数の排気側開口部を介して前記燃焼室と連通する排気ポートと、前記複数の排気側開口部をそれぞれ開閉可能な弁体と当該弁体から延びてこの弁体をそれぞれ前記排気側開口部の開閉方向に移動させるステムとを備えた複数の排気弁とを備え、前記複数の吸気弁と複数の排気弁の少なくとも一方は、その各弁体の前記燃焼室側の面が前記円錐面状の燃焼室の天井面との接面と平行に延び、かつ、その各ステムが、燃焼室の天井面の頂部からピストン冠面を見た平面視で、前記燃焼室の天井面の頂部を中心とする円の径方向に延びるように、配設されているのが好ましい（請求項３）。
【００１３】
このようにすれば、前記吸気弁あるいは排気弁が閉弁した状態において、燃焼室の天井面をより平滑にして燃焼室天井面の表面積をより小さくすることができる。
【００１４】
前記構成において、前記燃焼室内の混合気に点火可能な点火プラグを備え、
前記複数の排気弁は、互いに隣接するとともに、その各弁体の前記燃焼室側の面が前記円錐面状の燃焼室の天井面との接面と平行に延び、かつ、その各ステムが、平面視で、前記燃焼室の天井面の頂部を中心とする円の径方向に延びるように、配設されており、前記点火プラグは、前記排気弁の間に配置されているのが好ましい（請求項４）。
【００１５】
この構成によれば、排気弁間に点火プラグを配置しつつ、排気弁の弁体が燃焼室の天井面の接面と平行に延びていることによって当該弁体の面積ひいては排気側開口部の開口面積を確保することができる。
【００１６】
また、前記複数の吸気弁は、その各弁体が前記円錐面状の燃焼室の天井面との接面と平行に延び、かつ、その各ステムが、燃焼室の天井面の頂部からピストン冠面を見た平面視で、前記燃焼室の天井面の頂部を中心とする円の径方向に延びるように、配設されており、前記吸気側開口部の開口面積は、前記排気側開口部の開口面積よりも大きく設定されているのが好ましい（請求項５）。
【００１７】
このようにすれば、吸気弁の弁体の面積ひいては排気側開口部の開口面積を大きくして、燃焼室内に流入する吸気量ひいてはエンジントルクを確保することができる。
【発明の効果】
【００１８】
以上説明したように、本発明によれば、熱効率をより高めることのできるガソリンエンジンを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】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２】図１に示す燃焼室周辺を拡大して示す概略断面図である。
【図３】図２に示す燃焼室周辺の概略平面図である。
【図４】図２に示す燃焼室を模式的に示した図である。
【図５】本発明の比較例の燃焼室を模式的に示した図である。
【図６】（ａ）〜（ｅ）本発明と比較例のＳＶを比較したグラフである。
【図７】前記エンジンの制御系を示すブロック図である。
【図８】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９】図５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１０】図５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】図５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。
【図１２】図５の第４運転領域（Ａ４）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１３】（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。
【図１４】（ａ）〜（ｆ）は、前記第３運転領域（Ａ３）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。
【図１５】前記第３運転領域（Ａ３）で行われる複数段の燃料噴射がそれぞれどのような領域で燃焼するかを模式的に説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
（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。以下、適宜、前記ピストン５の軸方向であってその摺動方向を上下方向といい、シリンダヘッド４側を上側、シリンダブロック３側を下側という。
【００２１】
前記エンジン本体１すなわち気筒２の幾何学的圧縮比は、理論熱効率の向上や、後述するＣＩ燃焼（圧縮自己着火燃焼）の安定化等を目的として、１４以上という高い値に設定されている。なお、この幾何学的圧縮比は、実用上の観点等から２０程度が限界であると考えられる。そのため、前記幾何学的圧縮比は、１４以上２０以下の範囲の適宜の値に設定される。
【００２２】
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。
【００２３】
前記シリンダヘッド４には、先端部から燃焼室６内に燃料（ガソリンを主成分とする燃料）を噴射するインジェクタ２１が、各気筒２につき１つずつ取り付けられている。このインジェクタ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、前記インジェクタ２１は、その先端部Ｉ１に１２個の噴口を有している。
【００２４】
前記インジェクタ２１には燃料供給管２３が接続されており、インジェクタ２１は、この燃料供給管２３を通じて供給された燃料を噴射する。前記燃料供給管２３の上流側には、クランク軸７と連動連結されたプランジャー式のポンプ等からなる高圧燃料ポンプが接続されているとともに、この高圧燃料ポンプと前記燃料供給管２３との間には、全気筒に共通の蓄圧用のコモンレールが設けられている。そして、このコモンレール内で蓄圧された燃料が各気筒２のインジェクタ２１に供給されることにより、各インジェクタ２１からは、３０ＭＰａ以上の高い圧力の燃料が噴射される。なお、燃料噴射圧力の上限値は、実用上の観点等から１２０ＭＰａ程度であると考えられるため、前記インジェクタ２１からの噴射圧力は、３０ＭＰａ以上１２０ＭＰａ以下の範囲の適宜の値に設定されている。
【００２５】
前記シリンダヘッド４には、燃焼室６内の混合気に点火エネルギーを供給する点火プラグ２０が各気筒２につき１つずつ取り付けられている。この点火プラグ２０は、その点火点が燃焼室６内に臨む姿勢でシリンダヘッド４に取り付けられている。この点火プラグ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内の混合気に点火する。
【００２６】
前記シリンダヘッド４には、燃焼室６と連通する吸気ポート９および排気ポート１０が形成されている。すなわち、燃焼室６には、前記吸気ポート９と連通する吸気側開口部６１と排気ポート１０と開口する排気側開口部６２とが形成されている。前記シリンダヘッド４には、各開口部６１，６２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。前記吸気側開口部６１と排気側開口部６２とは、各気筒２につき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。
【００２７】
前記吸気弁１１および排気弁１２は、それぞれ、傘状の前記各開口部６１，６２を開閉する弁体１１ａ，１２ａと、この弁体１１ａ，１２ａから垂直に延びるステム１１ｂ，１２ｂとを有するいわゆるポペットバルブである。
【００２８】
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の回転に連動して各ステム１１ｂ，１２ｂが駆動され、これにより前記吸気側開口部６１と排気側開口部６２とを開閉する。
【００２９】
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。
【００３０】
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）。
【００３１】
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。
【００３２】
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）。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
また、前記エンジン本体には、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。
（２）燃焼室の詳細構造
図２は、燃焼室６周辺の概略断面図である。図３は、前記燃焼室６を上方から見た概略平面図である。図２等に示すように、燃焼室６の天井面６０すなわちシリンダヘッド４の底面のうちピストン５と対向する部分は、その径方向中心すなわち気筒２の軸線ｕ１上の点を頂部として径方向外側に向かうに従って高さが低くなる円錐面状を有している。
【００４１】
前記インジェクタ２１は、その先端部がこの燃焼室天井面６０の頂部近傍（この頂部よりわずかに下方）に位置して、その軸線が気筒２の軸線ｕ１と一致するように配設されている。インジェクタ２１の各噴口２１ａは、インジェクタ２１すなわち気筒２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。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、燃焼室６の天井面６０とほぼ平行に下方かつ径方向外側に放射状に広がる。
【００４２】
図３に示すように、前記吸気側開口部６１と排気側開口部６２とは、前記燃焼室６の天井面６０に、その周方向に並んで開口している。２つの吸気側開口部６１と２つの排気側開口部６２とは、燃焼室６の天井面６０の中心を通る直線を挟んで両側に設けられている。図３に示す例では、２つの吸気側開口部６１は、燃焼室天井面６０の右側に設けられており、２つの排気側開口部６２は、燃焼室天井面６０の左側に設けられている。吸気側開口部６１の開口面積は、排気側開口部６２の開口面積よりも大きく設定されており、より多くの吸気が燃焼室６内に導入され、これにより、高いエンジントルクが得られるように構成されている。
【００４３】
図２に戻って、前記吸気弁１１および排気弁１２は、その各弁体１１ａ，１２ａの燃焼室６側の平面状のバルブ面１１ｃが、円錐面状の燃焼室天井面６０と接する面に沿って延びるように配設されている。これに伴い、これら各弁１１，１２のステム１１ｂ，１２ｂは、円錐面状の燃焼室天井面６０からそれぞれ垂直な方向に延びている。すなわち、図３に示すように、これらステム１１ｂ，１２ｂは、気筒２の軸線ｕ１方向から見た平面視で、燃焼室天井面６０の頂部を中心とする円の径方向に放射状に延びている。このように、各弁１１のバルブ面１１ｃ，１２ｃが燃焼室天井面６０の接面に沿って延びていることで、各弁１１の閉弁時において、これらバルブ面１１ｃ，１２ｃを含む燃焼室６の天井面は凹凸が小さく抑えられた形状となる。
【００４４】
前記点火プラグ２０は、前記シリンダヘッド９のうち前記排気弁１２どうしの間に配置されている。前述のように、吸気弁１１の開口面積の方が排気弁１２よりも大きく設定されている。そのため、このように点火プラグ２０を開口面積の小さい排気弁１２側に配設することで、点火プラグ２０の取り付け位置を確保しつつ、吸気弁１１の開口面積ひいてはエンジントルクが確保されている。
【００４５】
図２に戻って、前記燃焼室６の底面を構成する前記ピストン５の冠面は、その中央部分に形成されて所定の曲率をもって下方に凹状に湾曲するキャビティ４０と、このキャビティ４０の開口縁４０ａから径方向外側に向かうに従って下方に傾斜する基準面４１とからなる。
【００４６】
前記キャビティ４０の内周面４０ｂは、気筒２およびインジェクタ２１の軸線ｕ１上の点を中心とする球面の一部をなす形状を有しており、このキャビティ４０と前記インジェクタ２１とは対向している。前記基準面４１は、円錐面状の燃焼室天井面６０と平行に延びている。すなわち、ピストン５の冠面は、燃焼室天井面と平行に延びる円錐面状の面の中央に前記キャビティ４０が形成された形状を有している。
【００４７】
前記点火プラグ２０は、その点火点が前記キャビティ４０の上端の開口縁４０ａよりも径方向内側となるようにシリンダヘッド９に取り付けられている。
【００４８】
前記燃焼室６の天井面６０および底面すなわちピストン５の冠面を前記のような形状としたのは、以下の理由による。
【００４９】
前記吸気側開口部６１および排気側開口部６２の開口面積ひいては燃焼室６に流入する吸気の量および燃焼室６から排気される排気の量を確保するためには、これら開口部６１，６２が開口する燃焼室天井面６０は上に凸となる形状、すなわち径方向中央を頂部として径方向外側に向かうに従って高さが低くなる形状を有する必要がある。
【００５０】
燃焼室天井面６０をこのように上に凸な形状とした上で、気筒２の幾何学的圧縮比をより高くすなわち圧縮上死点における燃焼室６の容積をより小さくするためには、ピストン５の冠面も上に凸となり燃焼室天井面６０と平行に延びるような形状にする必要がある。
【００５１】
しかしながら、ピストン５の冠面全体を単に燃焼室天井面６０と平行に延びる形状とすると、圧縮上死点において、燃焼室６の上下方向の高さ、すなわち燃焼室６の天井面６０とピストン５の冠面との間のすきま寸法が全体的に短くなるために燃焼が適正に広がらない、また、後述する多段ＣＩ燃焼を行う際に各噴射に基づく混合気を分離して燃焼させることができないという問題が生じる。
【００５２】
そこで、本ガソリンエンジンでは、前記のようにピストン５の冠面のうち径方向外側の部分を燃焼室天井面６０と平行な基準面４１で構成する一方、ピストン５の冠面の中央に下方に凹むキャビティ４０を形成することで、混合気を主にこのキャビティ４０内において燃焼させることで適正な燃焼を実現するとともに、多段ＣＩ燃焼における各噴射に基づく混合気を分離させてこれらが同時に燃焼するのを抑制するようにしている。また、このようにキャビティ４０を設ければ、前記効果に加えて、比較的温度の低い燃焼室６の側面すなわちシリンダ３の壁面と接触する部分を少なくして冷却損失をより小さく抑えることができる。
【００５３】
ただし、燃焼室６のうち前記キャビティ４０よりも径方向外側の部分６ｂにおいても適正な燃焼が行われる必要がある（以下、適宜、燃焼室６のうち径方向中央であってキャビティ４０が形成された部分を単に燃焼室６の中央部分６ａといい、この中央部分６ａよりも径方向外側部分を単に燃焼室６の外周部分６ｂという）。具体的には、後述するように、多段ＣＩ燃焼では、エンジントルクに対応する噴射量の一部がキャビティ４０とキャビティ４０よりも径方向外側の部分に分離して噴射されており、燃焼室６の中央部分６ａに加えて外周部分６ｂにおいてもエンジントルクに寄与する適正な燃焼が必要である。また、火花点火による燃焼の場合においても、高い燃費性能を得るためには、燃焼室６の外周部分６ｂにおいて燃焼が短時間で完了する必要がある。そのため、本ガソリンエンジンでは、前記キャビティ４０を設けつつ、圧縮上死点において、ピストン５の冠面のうちのキャビティ４０よりも径方向外側の基準面４１と燃焼室天井面６０との間のすきま寸法ｄ（図４参照）が所定量確保されてこれらで挟まれた領域の容積Ｖ２（図４参照）が確保されるように構成されている。例えば、前記多段ＣＩ燃焼において、燃焼室６の外周部分６ｂにおいて適正な燃焼を実現するためには、圧縮上死点において、そのすきま寸法ｄは２．４ｍｍ程度必要であり、その容積は１１ｃｃ〜１５ｃｃ程度必要である。
【００５４】
ここで、冷却損失を低減して熱効率を高めるためには、圧縮上死点における燃焼室６の全容積Ｖ＿ＴＤＣに対する燃焼室６の表面積Ｓの割合であるＳＶ比（Ｓ／Ｖ＿ＴＤＣ）を小さくする必要がある。一般的に、燃焼室６の天井面６０を球面で構成した方が、これを平面で構成する場合よりもＳＶ比が小さいといわれている。しかしながら、本発明者らは、鋭意研究の結果、前記のようにピストン５の冠面の中央にキャビティ４０を形成し、ピストン５の冠面のうちキャビティ４０よりも径方向外側部分（以下、適宜、このピストン５の冠面のうちキャビティ４０よりも径方向外側部分を単にピスト５のン冠面の外周部分という）４１を燃焼室６の天井面６０と平行にし、かつ、燃焼室６の外周部分６ｂのすきま寸法ｄおよび容積Ｖ２を所定量確保するという条件下においては、燃焼室天井面６０およびこれと平行なピストン５の冠面の外周部分４１を球面で構成するよりも円錐面状で構成する方がＳＶ比が小さくなることを突き止めた。
【００５５】
すなわち、前記条件下では、図４に示すような燃焼室天井面６０およびこれと平行なピストン５の冠面の外周部分４１を円錐面状とした方が、これらを図５に示すような燃焼室天井面６０およびこれと平行なピストン５の冠面の径方向外側部分を球面とし場合に比べて、キャビティ４０の上端の開口縁４０ａの径方向の長さＬ２（図４および図５参照）が小さくなり、キャビティ４０の曲率（１／ｒ、ｒは図４および図５参照）を大きくすることができるため、ＳＶ比が小さくなることが分かった。図４および図５は、前記形状の差を比較するために、燃焼室６の構造を模式的に示した図である。
【００５６】
具体的には、燃焼室６の外周部分６ｂのすきま寸法ｄおよび容積Ｖ２が一定の場合、燃焼室天井面６０およびピストン５の冠面の外周部分４１を円錐面状とした方が、これらを球面とした場合よりも、燃焼室６の外周部分６ｂの径方向の長さＬ１が長くなる。そのため、燃焼室６の外周部分６ｂ容積Ｖ２が一定の場合、前記各部位を円錐面状とした方がキャビティ４０の上端の開口縁４０ａの径方向の長さＬ２が小さくなり、これに伴って、キャビティ４０の容積が一定である条件下において、キャビティ４０の曲率（１／ｒ、ｒは図４および図５参照）は大きくなる。
【００５７】
図６（ａ）〜（ｅ）に、前記条件下において、前記燃焼室６の天井面６０およびピストン５の冠面の外周部分４１を円錐面状とした場合（実線）と、これらを球面状とした場合（破線）とについて、それぞれ、燃焼室６のＳＶ比を調べた結果をに示す。これら図６（ａ）〜（ｅ）において、横軸は、圧縮上死点における燃焼室６全体の容積Ｖ＿ＴＤＣに対するキャビティ４０の容積Ｖ１の割合（Ｖ１／Ｖ＿ＴＤＣ）であり、縦軸は、燃焼室６全体でのＳＶ比である。また、各図６（ａ）〜（ｅ）は、前記吸気側開口部６１および排気側開口部６２の開口面積が一定となるように、燃焼室天井面６０の水平面（気筒２の軸線ｕ１と平行な面）に対する傾斜角度α（球面形状の場合は燃焼室天井面６０の接線の水平面に対する傾斜角度、図４および図５参照）を一定とした場合の比較結果である。具体的には、図６（ａ）は、前記傾斜角度αが１０度の結果であり、図６（ｂ）は、前記傾斜角度αが２０度の結果であり、図６（ｃ）は、前記傾斜角度αが３０度の結果であり、図６（ｄ）は、前記傾斜角度αが４０度の結果であり、図６（ｅ）は、前記傾斜角度αが５０度の結果である。なお、これら各図６（ａ）〜（ｅ）は、排気量２０００ｃｃ、幾何学的圧縮比２０、気筒２のボア径８６ｍｍ、燃焼室６の外周部分のすきま寸法ｄ＝２．４ｍｍ、とした場合の結果である。ここで、圧縮上死点における燃焼室６全体の容積Ｖ＿ＴＤＣに対するキャビティ４０の容積Ｖ１の割合（Ｖ１／Ｖ＿ＴＤＣ）は、７／１０〜９／１０が好ましい。
【００５８】
これら図６（ａ）〜（ｅ）に示されるように、燃焼室天井面６０およびこれとピストン５の冠面の外周部分４１を円錐面状とした方が、いずれの条件においても、球面状の場合よりもＳＶ比は小さくなっている。なお、αが２０度以下では、ＳＶ比の差は非常に小さく、燃焼室天井面６０を円錐面状とすることによるＳＶ比の低減効果を得るためには、αを２０度以上とするのが好ましい。
【００５９】
（３）制御系
図７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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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８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。
【００６３】
前記図８の制御マップにおいて、エンジン負荷Ｔが比較的低い領域（低負荷域）には、全ての回転速度域にわたって第１運転領域（特定運転領域）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が高い中負荷域には、低回転側から順に第２運転領域（特定運転領域）Ａ２および第３運転領域（特定運転領域）Ａ３が設定されている。つまり、エンジンの中負荷域において、回転速度Ｎｅが所定値（例えば２０００〜３０００ｒｐｍ程度）よりも低い領域に第２運転領域Ａ２が設定されるとともに、この第２運転領域Ａ２よりも回転速度Ｎｅの高い領域に第３運転領域Ａ３が設定されている。さらに、前記第２、第３運転領域Ａ２，Ａ３よりも負荷Ｔが高い高負荷域には、全ての回転速度域にわたって第４運転領域Ａ４が設定されている。
【００６４】
エンジンの運転中においては、エンジンの運転点（負荷Ｔおよび回転速度Ｎｅの各値から特定される制御マップ上でのポイント）が前記図８中のどの運転領域（Ａ１〜Ａ４）に該当するかが都度判断され、各運転領域に応じた適切な制御が実行されるようになっている。
【００６５】
前記図８の制御マップに基づく制御の中身について簡単に説明しておく。この制御マップのうち、最も高負荷側に設定された第４運転領域Ａ４を除く部分負荷の領域、つまり第１運転領域Ａ１、第２運転領域Ａ２、および第３運転領域Ａ３は、そのいずれもが、ピストン５の圧縮作用により混合気を自着火させるＣＩ燃焼（圧縮自己着火燃焼）の実行領域（特定領域）として規定されている。ただし、各領域Ａ１〜Ａ３では、インジェクタ２１からの燃料噴射の形態や、点火プラグ２０を利用した着火アシストの有無、さらには内部ＥＧＲまたは外部ＥＧＲの有無等が異なる（その詳細については後述する）。ここでは、前記各領域Ａ１〜Ａ３で実行されるＣＩ燃焼用の制御のことを、それぞれ「リーンＨＣＣＩモード」「多段ＣＩモード」「ＳＡ−多段ＣＩモード」と称する。
【００６６】
一方、前記第１〜第３運転領域Ａ１〜Ａ３よりも高負荷側に設定された第４運転領域Ａ４では、ＣＩ燃焼ではなく、点火プラグ２０を用いた火花点火（Ｓｐａｒｋ Ｉｇｎｉｔｉｏｎ）をきっかけに混合気を火炎伝播により燃焼させる燃焼形態（以下、ＳＩ燃焼と略称する）が選択される。ただし、前記第４運転領域Ａ４でのＳＩ燃焼は、一般的なＳＩ燃焼とは異なり、燃料の噴射時期および点火時期を遅めに設定しつつ混合気を急速な火炎伝播により燃焼させるものであり（その詳細については後述する）、このような燃焼を実現するための前記第４運転領域Ａ４での制御のことを、ここでは「急速リタードＳＩモード」と称する。
【００６７】
なお、これら第１〜第４運転領域Ａ１〜Ａ４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。
【００６８】
再び図７に戻って、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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
（３）各運転領域の具体的制御手順
次に、前記ＥＣＵ５０が、各運転領域Ａ１〜Ａ４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。
【００７４】
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８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。
【００７５】
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〜Ａ４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。
【００７６】
（ｉ）第１運転領域Ａ１
図９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。
【００７７】
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９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。
【００７８】
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。
【００７９】
この第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、λ＝２以上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以上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以上であれば、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。
【００８０】
このように、第１運転領域Ａ１では、λ＝２以上という大幅なリーンでの圧縮自己着火燃焼が実施されるが、前述のように、本ガソリンエンジンでは圧縮比が高く設定されつつ、冷却損失が低減されるよう構成されているため、圧縮上死点付近において燃焼室６内の温度を確実に高めることができ適正な圧縮自己着火燃焼を実現することができるとともに、熱効率をより一層高めることができる。
【００８１】
（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１０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。また、点火プラグ２０による混合気への点火は停止される。
【００８２】
具体的に、当実施形態において、前記多段ＣＩモードのときの前段噴射Ｐ１のタイミング（より正確には開始タイミング）は、圧縮上死点（圧縮行程と膨張行程の間のＴＤＣ）を基準として、その上死点前（ＢＴＤＣ）６０〜５０°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（開始タイミング）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は、３：７〜７：３程度に設定される。
【００８３】
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１０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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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の冠面の径方向中央にキャビティ４０が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、燃焼室６のうち前記キャビティ４０よりも径方向外側部分すなわち燃焼室６の外周部分６ｂの容積が所定量確保されているため、この外周部分６ｂにおいて、前段噴射Ｐ１により形成された混合気を確実に燃焼させることができる。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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１３（ａ）〜（ｆ）を参照しつつより具体的に説明する。図１３（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、燃焼室６の外周部分６ｂに向かうことになる。
【００９１】
前記燃焼室６の外周部分６ｂに向けて噴射された燃料（噴霧）は、その後分散し、その分散した燃料に基づき、図１３（ｂ）に示すように、主に燃焼室６の外周部分６ｂ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の外周部分６ｂ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。
【００９２】
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の外周部分６ｂ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の外周部分６ｂ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。
【００９３】
前記のように燃焼室６の外周部分６ｂ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１３（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６ｂに限られる。
【００９４】
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１３（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１３（ｅ）に示すように、燃焼室６の径方向中央部分６ａ（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、燃焼室６の径方向中央部分６ａ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。
【００９５】
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１３（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６ａ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、燃焼室６の外周部分６ｂ（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６ａ（燃焼領域Ｙ２）で燃焼することになる。
【００９６】
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。
【００９７】
特に、キャビティ４０を含む燃焼室６の中央部分６ａと、燃焼室６の外周部分６ｂにそれぞれ容積が確保されつつ、燃焼室６のＳＶ比が小さく抑えられて冷却損失が低減されており、燃焼室６内の温度を混合気が自着火可能な温度にまでより確実に高めて各噴射Ｐ１、Ｐ２で形成される混合気をより確実に自着火させることができる。
【００９８】
（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、かつ前記第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１０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、前記第２運転領域Ａ２のときと同様、インジェクタ２１からの燃料が複数回に分けて噴射されるが、前記第２運転領域Ａ２のときとは異なり、前段噴射Ｐ１および後段噴射Ｐ２との間に、自着火を促進するための着火アシストが実行される。なお、図５の制御マップでは、このような分割噴射および着火アシスト（Ｓｐａｒｋ Ａｓｉｓｔ）に基づく圧縮自己着火燃焼が実行されることを指して、第３運転領域Ａ３内に「ＳＡ＋多段ＣＩ」と表記している。
【００９９】
具体的に、前記着火アシストとしては、圧縮行程中に実行される前段噴射Ｐ１と、圧縮上死点付近に実行される後段噴射Ｐ２との間の所定時期に、これら前段および後段噴射Ｐ１，Ｐ２の各噴射量よりも少量の燃料がインジェクタ２１から噴射されるとともに（Ｐａ）、その噴射Ｐａの直後でかつ後段噴射Ｐ２よりも前の圧縮行程後期に、点火プラグ２０による火花点火Ｓが実行される。すると、このような着火アシストにより図１０の波形Ｑｃ’のような少量の熱発生を伴う燃焼が生じるとともに、当該燃焼により燃焼室６が高温化するのをきっかけにして、続く波形Ｑｃに示すように、前記前段噴射Ｐ１および後段噴射Ｐ２に基づく混合気が自着火により燃焼する。なお、以下では、着火アシストのために実行される少量の燃料噴射Ｐａ（着火アシスト用の燃料噴射）のことをアシスト用噴射Ｐａ、着火アシストのために実行される火花点火Ｓ（着火アシスト用の火花点火）のことをアシスト用点火Ｓと称する。
【０１００】
前記アシスト用点火Ｓは、インジェクタ２１の先端部（噴口）からアシスト用噴射Ｐａとして噴射された燃料（噴霧）の先端が、インジェクタ格納部６２の下端の開口縁６２ｂを通過した直後のタイミングで実行される。
【０１０１】
なお、第３運転領域Ａ３では、前記のような着火アシスト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。
【０１０２】
図１４（ａ）〜（ｈ）は、以上のような着火アシストに基づく圧縮自己着火燃焼が行われる第３運転領域Ａ３での燃焼の様子を模式的に示す図である。図１４（ａ）に示すように、第３運転領域Ａ３では、上述した第２運転領域Ａ２での前段噴射Ｐ１（図１４（ａ））のタイミング（ＢＴＤＣ５０〜６０°ＣＡ程度）とほぼ同じタイミングで前段噴射Ｐ１が実行され、この前段噴射Ｐ１により、燃焼室６の外周部に、理論空燃比（λ＝１）程度の空燃比をもった混合気Ｘ１が形成される。ただし、前記前段噴射Ｐ１のタイミングは、厳密には、前記第２運転領域Ａ２での前段噴射Ｐ１のタイミングよりもわずかに早い時期に設定される。これは、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からである。つまり、ピストンスピードが速いと、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ため、ピストン５上の同様の位置に燃料（噴霧）を届かせようとすれば、インジェクタ２１からの噴射タイミングをわずかにでも早める必要がある。このことは、後述する後段噴射Ｐ２の場合でも同様である。
【０１０３】
前記前段噴射Ｐ１の後は、図１４（ｃ）に示す着火アシストが実行される。すなわち、前記前段噴射Ｐ１の後、ピストン５がある程度上昇した時点（例えばＢＴＤＣ３０〜１０°ＣＡ程度）で、着火アシスト用の燃料噴射であるアシスト用噴射Ｐａが実行されるとともに、その直後に、アシストの火花点火であるアシスト用点火Ｓが実行される。すると、前記アシスト用噴射Ｐａにより噴射された燃料に基づいて、点火プラグ２０の電極周りに十分に霧化された燃料を含む混合気が形成されるとともに、その混合気が前記アシスト用点火Ｓを火種として火炎を形成することにより、図１４（ｄ）に示すように、点火プラグ２０の電極周りに混合気の燃焼領域Ｙａが局所的に形成される。
【０１０４】
前記のようにして着火アシストによる火炎（燃焼領域Ｙａ）が生じると、その火炎による燃焼室６の高温化と、ピストン５の上昇による圧縮作用とが相俟って、燃焼室６の外周部に形成されていた前記前段噴射Ｐ１に基づく混合気Ｘ１が、図１４（ｅ）に示すように、圧縮上死点付近で自着火により燃焼する。この混合気Ｘ１の燃焼領域Ｙ１は、燃焼室６の外周部分６ｂに限られ、点火プラグ２０の電極からは径方向外側に離間した領域となる。
【０１０５】
前記のような前段噴射Ｐ１に基づく燃焼が始まると、それ以降は、前記第２運転領域Ａ２のときと同様にして燃焼が進行していく。すなわち、前記前段噴射Ｐ１に基づく燃焼の開始とほぼ同時、もしくはわずかな期間をあけて、図１４（ｆ）に示すような後段噴射Ｐ２が実行され、その後段噴射Ｐ２に基づき、燃焼室６の径方向中央部分６ａ（主にキャビティ４０の内部）に、理論空燃比（λ＝１）程度の空燃比をもった混合気Ｘ２が形成される。すると、この混合気Ｘ２は、ごく短い時間で自着火に至り、燃焼室６の径方向中央部分６ａに、前記混合気Ｘ２の燃料領域Ｙ２を形成する。
【０１０６】
以上のように、第３運転領域Ａ３では、前段噴射Ｐ１および後段噴射Ｐ２の間に、点火プラグ２０を用いて着火アシストを実行し、その着火アシストにより燃焼室６を高温化することにより、前記着火アシストに引き続いて前記前段噴射Ｐ１および後段噴射Ｐ２に基づく混合気Ｘ１，Ｘ２をそれぞれ自着火により燃焼させるようにした。このように、着火アシストにより混合気の自着火を促進するようにした第３運転領域Ａ３では、上述した第２運転領域Ａ２のときよりもエンジン回転速度Ｎｅが高く、燃料の受熱期間が短くなる状況であるにもかかわらず、混合気が確実に自着火により燃焼し、失火が起きることが回避される。しかも、前記第２運転領域Ａ２のときと同様、前段噴射Ｐ１および後段噴射Ｐ２に基づく混合気Ｘ１，Ｘ２が別々の空間で独立して自着火、燃焼するため、燃焼騒音の増大やスートの発生についても回避される。特に、前記第２運転領域Ａ２のときと同様、本ガソリンエンジンでは、キャビティ４０を含む燃焼室６の中央部分６ａと、その径方向外側の燃焼室６の外周部分６ｂにそれぞれ容積が確保されつつ、燃焼室６のＳＶ比が小さく抑えられて冷却損失が低減されているため、各噴射Ｐ１、Ｐ２で形成される混合気を燃焼室６の中央部分６ａと外周部分６ｂとにおいてより確実に、また、効率よく燃焼させることができる。
【０１０７】
なお、図１５は、前記第３運転領域Ａ３で、着火アシストに基づく混合気の燃焼領域Ｙａと、前段噴射Ｐ１および後段噴射Ｐ２に基づく混合気の燃焼領域Ｙ１，Ｙ２との位置関係を模式的に示すための平面図である。上述した第３運転領域Ａ３での燃焼形態によれば、図１２のように、まず着火アシストに基づく燃焼領域Ｙａが点火プラグ２０の周辺に限って形成され、これとほぼ重ならない燃焼室６の外周部に、前段噴射Ｐ１に基づく燃焼領域Ｙ１が形成され、さらに、後段噴射Ｐ２に基づく燃焼領域Ｙ２が、前記燃焼領域Ｙ１よりも径方向内側に形成される。これら各燃焼領域は、Ｙａ→Ｙ１→Ｙ２の順に形成され、その発生位置または発生時期は、ほとんど重なり合うことがない。
【０１０８】
（ｉＶ）第４運転領域Ａ４
高負荷域に設定された前記第４運転領域Ａ４では、多量の燃料が噴射されるため、圧縮自己着火燃焼を行わせようとすると、燃焼騒音が著しく増大する、また、ノッキングが生じるという問題がある。そこで、この第４運転領域Ａ４では、圧縮自己着火燃焼に代わり、混合気に点火して火炎伝播させる火花点火燃焼（ＳＩ燃焼）を実施する。
【０１０９】
ここで、ＳＩ燃焼においても、燃焼室６内の温度が過度に高い場合には、ノッキングが生じる。特に、本ガソリンエンジンでは圧縮比が非常に高い値に設定されている。そのため、燃焼室６内の温度は高くなりやすい。
【０１１０】
そこで、本ガソリンエンジンでは、この第４運転領域Ａ４において、ノッキング等の異常燃焼をより確実に回避するべく、圧縮上死点よりもかなり前（例えば吸気行程中）に燃料を噴射して圧縮上死点付近で火花点火を行わせる通常のＳＩ燃焼ではなく、図１１に示すように、圧縮行程中にインジェクタ２１から燃料を噴射させ（Ｐ３，Ｐ４）、この燃料噴射Ｐ３，Ｐ４の後に点火プラグ２０に火花点火を行わせて、圧縮上死点を過ぎたタイミング（膨張行程の初期）から短時間で火炎伝播により混合気を燃焼させる急速リタードＳＩ燃焼モードを実行する。図１１は、前記急速リタードＳＩ燃焼モードが実行された際の、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。
【０１１１】
具体的には、この図１１に示すように、この急速リタードＳＩ燃焼モードでは、圧縮行程の後期に設定された２回の噴射時期（Ｐ３，Ｐ４）に分けてインジェクタ２１から、３０ＭＰａ以上の高圧で燃料が噴射される。各燃料噴射Ｐ３，Ｐ４のタイミングとしては、例えば、１回目の噴射Ｐ１の開始時期から、２回目の噴射Ｐ２の完了時期までの期間が、概ね圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）２０〜０°ＣＡ程度の期間内に収まるように設定される。
【０１１２】
このような噴射制御が実施されるこの急速リタードＳＩ燃焼モードでは、前記のように３０ＭＰａ以上（例えば４０ＭＰａ）という非常に高い噴射圧力で燃料が噴射されることで、噴射期間を短くすることができるとともに燃料噴霧を微粒化することができ、短時間で多量の燃料を十分に気化霧化させて比較的均質な（もしくは弱成層化した）混合気を形成することができる。また、噴射圧力が高いために、燃焼室６が最も高温・高圧化する圧縮上死点をある程度過ぎるまで大きな乱流エネルギーを維持することができる。従って、燃料が噴射されてから短時間であって、燃料噴射に伴う乱流エネルギーの減衰が小さい間に（乱流エネルギーが大きい状態で）火花点火による燃焼を開始させることができ、この比較的大きな乱流エネルギーによって燃焼期間を短くすることができる。そして、この燃焼期間の短縮化に伴って、燃焼が引き起こされる前に適正な火炎伝播によって混合気を燃焼し切ることができる。すなわち、ノッキング等の異常燃焼を回避しつつ、熱効率およびエンジントルクを高く維持することができる。また、燃焼温度が過度に上昇せず、燃料の気化霧化が不十分なまま燃焼が開始されることもないため、ＮＯｘやスートの増大が回避され、エミッション性についても良好に維持される。
【０１１３】
特に、本ガソリンエンジンでは、キャビティ４０と、その径方向外側部分にそれぞれ容積が確保されつつ、燃焼室６のＳＶ比が小さく抑えられて冷却損失が低減されているため、径方向外側部分においても燃焼を急速に完了させることができ、高いエンジントルクを確保することができる。
【０１１４】
また、燃料が２回に分けて噴射されて２回目の燃料噴射の後に点火が行われており、１回目の燃料噴射Ｐ３によって燃料を霧化させつつ、２回目の燃料噴射により点火時点での乱流エネルギーを大きくすることができる。また、１２個という多数の噴口から噴射されることによっても乱流エネルギーは増大される。
【０１１５】
ここで、点火時期を図１１の例よりもさらに進角させれば、これに伴って燃焼開始時期θｉｇが圧縮上死点により近づくため、熱効率および出力トルクのさらなる向上が期待できるが、点火時期を早めるとノッキングが起き易くなるため、点火時期は、ノッキングを起こさないという制約の下、できるだけ進角側に設定される。このような事情から、点火時期は、例えば圧縮上死点後（ＡＴＤＣ）０〜２０°ＣＡ程度の範囲内に設定される。
【０１１６】
なお、前記急速リタードＳＩ燃焼モードでは、前記燃料噴射Ｐ１，Ｐ２によるトータルの噴射量に対して燃焼室６全体の平均の空燃比が理論空燃比（空気過剰率λ＝１）となるように新気量が制御される。具体的には、この第２運転領域Ａ２では、負荷Ｔの増大に応じてＣＶＶＬ１５が駆動され、吸気弁１１のリフト量が増大され、これに伴って燃料噴射量に応じた新気が導入される（図１１のリフトカーブＩＮ）。なお、本実施形態では、吸気弁１１のリフトピーク位置を固定したままリフト量が増大される。
【０１１７】
また、前記急速リタードＳＩ燃焼モードのときは、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。なお、エンジンの全負荷近傍では、より多量の新気を確保するために、外部ＥＧＲは禁止される。
【０１１８】
（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、燃焼室天井面６０が円錐面状とされ、ピストン５の冠面の径方向中央にキャビティ４０が形成され、かつ、ピストン５の冠面のうちキャビティ４０よりも径方向外側部分が、前記燃焼室天井面６０と平行な円錐面状の基準面４１とされて、吸気側開口部６１および排気側開口部６２の開口面積および燃焼室６の径方向中央部分６ａおよび径方向外側部分６ｂの容積が確保されつつ、燃焼室６のＳＶ比が小さく抑えられて冷却損失が低減されているため、燃焼室６の径方向中央部分６ａおよび径方向外側部分６ｂにおいて効率のよい燃焼を実現することができ、熱効率をより一層高めることができる。
【０１１９】
特に、前記第２運転領域Ａ２および第３運転領域Ａ３では、キャビティ４０を含む燃焼室６ａの中央部分６ａと、その径方向外側の外周部分６ｂとにそれぞれ個別に燃料が噴射されて、これら各部位で個別に燃焼が実施されており、これら各部位の燃焼室６の天井面６０とピストン５の冠面との間のすきま寸法ｄおよび容積Ｖ１，Ｖ２が確保されることで、各部位での適正な燃焼を実現することができ、エンジントルクを確保しつつ燃焼騒音およびＳＯＯＴの発生を抑制することができる。
【０１２０】
また、各弁１１，１２のバルブ面１１ｃ，１２ｃが燃焼室天井面６０の接面に沿って延び、かつ、各弁１１，１２バルブのステム１１ｂ，１１ｃが燃焼室天井面６０の頂部を中心とする円の径方向に放射状に延びて各弁１１に対して垂直に延びており、各弁１１，１２を安定して駆動しつつ、バルブ面１１ｃ，１２ｃを含む燃焼室６の天井面６０の凹凸が小さく抑えられているため、この凹凸が大きい場合に比べて燃焼室６内で燃焼を適正に広げることができるとともに燃焼室６の表面積をより確実に小さくして高い熱効率を得ることができる。また、点火プラグ２０が排気弁１２間に配置され、吸気弁１１の面積がより大きく確保されており、吸気量ひいてはエンジントルクを高くすることができる。
【０１２１】
ここで、本発明は、幾何学的圧縮比が１４以上であって、所定の運転領域で圧縮自着火燃焼を実施するエンジンに広く適用可能であって、各運転領域の具体的な燃焼形態は前記に限らない。例えば、第２運転領域、第３運転領域、第４運転領域の全てにおいて、吸気行程で１回燃料を噴射するとともに圧縮上死点付近で火花点火を行う、通常の火花点火式の燃焼を行ってもよい。
【０１２２】
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。
【符号の説明】
【０１２３】
５ ピストン
６ 燃焼室
２１ インジェクタ
４０ キャビティ
４１ 基準面
５０ ＥＣＵ（制御手段）
Ａ１ 第１運転領域（特定運転領域）
Ａ２ 第３運転領域（特定運転領域）
Ａ３ 第３運転領域（特定運転領域）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気筒に形成された燃料室内に少なくとも一部がガソリンからなる燃料を供給可能なインジェクタを備え、特定運転領域において前記燃焼室内で前記燃料と空気との混合気を自着火により燃焼させることでピストンを往復運動させるガソリンエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ガソリンエンジンの分野では、点火プラグの火花点火により強制的に混合気を着火させる燃焼形態（火花点火燃焼）が一般的であったが、近年、このような火花点火燃焼に代えて、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（気筒内）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、高い熱効率が得られると言われている。
【０００３】
前記圧縮自己着火燃焼が適用されたガソリンエンジンの具体例として、例えば下記特許文献１に開示されたものが知られており、この特許文献１には、気筒の幾何学的圧縮比を１４以上として混合気を自着火可能な温度にまで高めることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１５４８５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
燃費性能の観点等から熱効率の向上要求は依然として高く、圧縮自己着火燃焼の確実な実現等によって熱効率をより一層高めることが求められている。
【０００６】
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、熱効率をより高めることができるガソリンエンジンを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するために、本発明は、気筒に形成された燃料室内に少なくとも一部がガソリンからなる燃料を供給可能なインジェクタを備え、エンジンの特定運転領域において前記燃焼室内で前記燃料と空気との混合気を自着火により燃焼させることでピストンを往復運動させるガソリンエンジンであって、前記気筒の幾何学的圧縮比は１４以上に設定されており、前記燃焼室の天井面は、その径方向中央を頂部として径方向外側に向かうに従ってその高さが低くなるように傾斜した円錐面形状を有し、前記ピストンの冠面は、その中央部分に、所定の曲率をもって凹状に湾曲するキャビティを有するとともに、当該キャビティの開口縁よりも径方向外側に向かうに従って高さが低くなるように傾斜して前記燃焼室の天井面と平行に延びる基準面を有し、前記インジェクタは、前記ピストンの冠面側に向けて燃料を噴射可能な噴口が形成された先端部を有するとともに、当該先端部が前記燃焼室の天井面の頂部近傍に位置するように設けられていることを特徴とするガソリンエンジンを提供する（請求項１）。
【０００８】
本発明によれば、気筒を高圧縮比にするとともに混合気から燃焼室の壁面に放熱される放熱量すなわち冷却損失を小さく抑えることができ、より確実に燃焼室内の温度を混合気の自着火が可能な温度にまで高めることができるとともに、前記冷却損失の低減に伴って熱効率をより一層高めることができる。すなわち、高圧縮比に伴って圧縮上死点における燃焼室の容積は小さくなるが、本発明では、ピストンの冠面の径方向中央にキャビティが形成されているので、混合気が燃焼する領域における燃焼室天井面とピストン冠面との間のすきま寸法を確保して混合気の多くをこのキャビティ内で燃焼室の壁面から離間した状態で燃焼させることができ、燃焼室の壁面への放熱をより小さく抑えることができる。また、燃料の燃焼室壁面への付着を抑制して効率よく混合気を燃焼させることができる。
【０００９】
しかも、燃焼室の天井面が円錐面状とされており、この天井面に設けられる吸気弁および排気弁の弁面積ひいては吸気量および排気量を確保することができるとともに、ピストンの冠面のキャビティよりも径方向外側の部分（以下、ピストン冠面の外周部分という場合がある）がこの円錐面状の燃焼室の天井面と平行に構成されているので、燃焼室のうち前記キャビティよりも径方向外側部分（以下、燃焼室の外周部分という場合がある）の容積および燃焼室天井面とピストン冠面との間のすきま寸法を確保してこの外側部分における混合気の適正な燃焼を実現しつつ、圧縮上死点における燃焼室容積Ｖ＿ＴＤＣに対する燃焼室表面積Ｓの割合であるＳ／Ｖ＿ＴＤＣ（ＳＶ比）を小さくして、燃焼室壁面への放熱量を小さく抑えることができる。具体的には、燃焼室径および圧縮比が一定の条件下で、燃焼室の外周部分の容積およびすきま寸法をそれぞれ燃焼に必要な所定量に設定した場合、燃焼室の天井面およびピストン冠面の外周部分を円錐面状とした方が、これらを球面状とする場合に比べて、ピストン冠面の外周部分の長さを長くすることができ、これに伴ってキャビティの径方向の長さを短くすることができるため、キャビティの容積が一定の条件下において、キャビティの曲率をより大きくして前記ＳＶ比を小さくすることができる。
【００１０】
本発明において、前記インジェクタは、前記特定運転領域の少なくとも一部の運転領域において、圧縮上死点よりも前であって噴射した燃料が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到達するタイミングで燃料を噴射する前段噴射と、前記前段噴射よりも後であって噴射した燃料が前記キャビティ内に到達するタイミングで燃料を噴射する後段噴射とを含む複数回に分けて燃料を噴射するのが好ましい（請求項２）。
【００１１】
このようにすれば、キャビティの内と外とに分けて混合気が形成されるため、これら混合気が混じり合って同時に燃焼することが回避され、これら混合気が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。
【００１２】
また、本発明において、前記燃焼室の天井面に形成された複数の吸気側開口部を介して前記燃焼室と連通する吸気ポートと、前記複数の吸気側開口部をそれぞれ開閉可能な弁体と当該弁体から延びてこの弁体をそれぞれ前記吸気側開口部の開閉方向に移動させるステムとを備えた複数の吸気弁と、前記燃焼室の天井面に形成された複数の排気側開口部を介して前記燃焼室と連通する排気ポートと、前記複数の排気側開口部をそれぞれ開閉可能な弁体と当該弁体から延びてこの弁体をそれぞれ前記排気側開口部の開閉方向に移動させるステムとを備えた複数の排気弁とを備え、前記複数の吸気弁と複数の排気弁の少なくとも一方は、その各弁体の前記燃焼室側の面が前記円錐面状の燃焼室の天井面との接面と平行に延び、かつ、その各ステムが、燃焼室の天井面の頂部からピストン冠面を見た平面視で、前記燃焼室の天井面の頂部を中心とする円の径方向に延びるように、配設されているのが好ましい（請求項３）。
【００１３】
このようにすれば、前記吸気弁あるいは排気弁が閉弁した状態において、燃焼室の天井面をより平滑にして燃焼室天井面の表面積をより小さくすることができる。
【００１４】
前記構成において、前記燃焼室内の混合気に点火可能な点火プラグを備え、
前記複数の排気弁は、互いに隣接するとともに、その各弁体の前記燃焼室側の面が前記円錐面状の燃焼室の天井面との接面と平行に延び、かつ、その各ステムが、平面視で、前記燃焼室の天井面の頂部を中心とする円の径方向に延びるように、配設されており、前記点火プラグは、前記排気弁の間に配置されているのが好ましい（請求項４）。
【００１５】
この構成によれば、排気弁間に点火プラグを配置しつつ、排気弁の弁体が燃焼室の天井面の接面と平行に延びていることによって当該弁体の面積ひいては排気側開口部の開口面積を確保することができる。
【００１６】
また、前記複数の吸気弁は、その各弁体が前記円錐面状の燃焼室の天井面との接面と平行に延び、かつ、その各ステムが、燃焼室の天井面の頂部からピストン冠面を見た平面視で、前記燃焼室の天井面の頂部を中心とする円の径方向に延びるように、配設されており、前記吸気側開口部の開口面積は、前記排気側開口部の開口面積よりも大きく設定されているのが好ましい（請求項５）。
【００１７】
このようにすれば、吸気弁の弁体の面積ひいては排気側開口部の開口面積を大きくして、燃焼室内に流入する吸気量ひいてはエンジントルクを確保することができる。
【発明の効果】
【００１８】
以上説明したように、本発明によれば、熱効率をより高めることのできるガソリンエンジンを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】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２】図１に示す燃焼室周辺を拡大して示す概略断面図である。
【図３】図２に示す燃焼室周辺の概略平面図である。
【図４】図２に示す燃焼室を模式的に示した図である。
【図５】本発明の比較例の燃焼室を模式的に示した図である。
【図６】（ａ）〜（ｅ）本発明と比較例のＳＶを比較したグラフである。
【図７】前記エンジンの制御系を示すブロック図である。
【図８】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９】図５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１０】図５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】図５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。
【図１２】図５の第４運転領域（Ａ４）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１３】（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。
【図１４】（ａ）〜（ｆ）は、前記第３運転領域（Ａ３）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。
【図１５】前記第３運転領域（Ａ３）で行われる複数段の燃料噴射がそれぞれどのような領域で燃焼するかを模式的に説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
（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。以下、適宜、前記ピストン５の軸方向であってその摺動方向を上下方向といい、シリンダヘッド４側を上側、シリンダブロック３側を下側という。
【００２１】
前記エンジン本体１すなわち気筒２の幾何学的圧縮比は、理論熱効率の向上や、後述するＣＩ燃焼（圧縮自己着火燃焼）の安定化等を目的として、１４以上という高い値に設定されている。なお、この幾何学的圧縮比は、実用上の観点等から２０程度が限界であると考えられる。そのため、前記幾何学的圧縮比は、１４以上２０以下の範囲の適宜の値に設定される。
【００２２】
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。
【００２３】
前記シリンダヘッド４には、先端部から燃焼室６内に燃料（ガソリンを主成分とする燃料）を噴射するインジェクタ２１が、各気筒２につき１つずつ取り付けられている。このインジェクタ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、前記インジェクタ２１は、その先端部Ｉ１に１２個の噴口を有している。
【００２４】
前記インジェクタ２１には燃料供給管２３が接続されており、インジェクタ２１は、この燃料供給管２３を通じて供給された燃料を噴射する。前記燃料供給管２３の上流側には、クランク軸７と連動連結されたプランジャー式のポンプ等からなる高圧燃料ポンプが接続されているとともに、この高圧燃料ポンプと前記燃料供給管２３との間には、全気筒に共通の蓄圧用のコモンレールが設けられている。そして、このコモンレール内で蓄圧された燃料が各気筒２のインジェクタ２１に供給されることにより、各インジェクタ２１からは、３０ＭＰａ以上の高い圧力の燃料が噴射される。なお、燃料噴射圧力の上限値は、実用上の観点等から１２０ＭＰａ程度であると考えられるため、前記インジェクタ２１からの噴射圧力は、３０ＭＰａ以上１２０ＭＰａ以下の範囲の適宜の値に設定されている。
【００２５】
前記シリンダヘッド４には、燃焼室６内の混合気に点火エネルギーを供給する点火プラグ２０が各気筒２につき１つずつ取り付けられている。この点火プラグ２０は、その点火点が燃焼室６内に臨む姿勢でシリンダヘッド４に取り付けられている。この点火プラグ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内の混合気に点火する。
【００２６】
前記シリンダヘッド４には、燃焼室６と連通する吸気ポート９および排気ポート１０が形成されている。すなわち、燃焼室６には、前記吸気ポート９と連通する吸気側開口部６１と排気ポート１０と開口する排気側開口部６２とが形成されている。前記シリンダヘッド４には、各開口部６１，６２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。前記吸気側開口部６１と排気側開口部６２とは、各気筒２につき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。
【００２７】
前記吸気弁１１および排気弁１２は、それぞれ、傘状の前記各開口部６１，６２を開閉する弁体１１ａ，１２ａと、この弁体１１ａ，１２ａから垂直に延びるステム１１ｂ，１２ｂとを有するいわゆるポペットバルブである。
【００２８】
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の回転に連動して各ステム１１ｂ，１２ｂが駆動され、これにより前記吸気側開口部６１と排気側開口部６２とを開閉する。
【００２９】
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。
【００３０】
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）。
【００３１】
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。
【００３２】
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）。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
また、前記エンジン本体には、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。
（２）燃焼室の詳細構造
図２は、燃焼室６周辺の概略断面図である。図３は、前記燃焼室６を上方から見た概略平面図である。図２等に示すように、燃焼室６の天井面６０すなわちシリンダヘッド４の底面のうちピストン５と対向する部分は、その径方向中心すなわち気筒２の軸線ｕ１上の点を頂部として径方向外側に向かうに従って高さが低くなる円錐面状を有している。
【００４１】
前記インジェクタ２１は、その先端部がこの燃焼室天井面６０の頂部近傍（この頂部よりわずかに下方）に位置して、その軸線が気筒２の軸線ｕ１と一致するように配設されている。インジェクタ２１の各噴口２１ａは、インジェクタ２１すなわち気筒２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。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、燃焼室６の天井面６０とほぼ平行に下方かつ径方向外側に放射状に広がる。
【００４２】
図３に示すように、前記吸気側開口部６１と排気側開口部６２とは、前記燃焼室６の天井面６０に、その周方向に並んで開口している。２つの吸気側開口部６１と２つの排気側開口部６２とは、燃焼室６の天井面６０の中心を通る直線を挟んで両側に設けられている。図３に示す例では、２つの吸気側開口部６１は、燃焼室天井面６０の右側に設けられており、２つの排気側開口部６２は、燃焼室天井面６０の左側に設けられている。吸気側開口部６１の開口面積は、排気側開口部６２の開口面積よりも大きく設定されており、より多くの吸気が燃焼室６内に導入され、これにより、高いエンジントルクが得られるように構成されている。
【００４３】
図２に戻って、前記吸気弁１１および排気弁１２は、その各弁体１１ａ，１２ａの燃焼室６側の平面状のバルブ面１１ｃが、円錐面状の燃焼室天井面６０と接する面に沿って延びるように配設されている。これに伴い、これら各弁１１，１２のステム１１ｂ，１２ｂは、円錐面状の燃焼室天井面６０からそれぞれ垂直な方向に延びている。すなわち、図３に示すように、これらステム１１ｂ，１２ｂは、気筒２の軸線ｕ１方向から見た平面視で、燃焼室天井面６０の頂部を中心とする円の径方向に放射状に延びている。このように、各弁１１のバルブ面１１ｃ，１２ｃが燃焼室天井面６０の接面に沿って延びていることで、各弁１１の閉弁時において、これらバルブ面１１ｃ，１２ｃを含む燃焼室６の天井面は凹凸が小さく抑えられた形状となる。
【００４４】
前記点火プラグ２０は、前記シリンダヘッド９のうち前記排気弁１２どうしの間に配置されている。前述のように、吸気弁１１の開口面積の方が排気弁１２よりも大きく設定されている。そのため、このように点火プラグ２０を開口面積の小さい排気弁１２側に配設することで、点火プラグ２０の取り付け位置を確保しつつ、吸気弁１１の開口面積ひいてはエンジントルクが確保されている。
【００４５】
図２に戻って、前記燃焼室６の底面を構成する前記ピストン５の冠面は、その中央部分に形成されて所定の曲率をもって下方に凹状に湾曲するキャビティ４０と、このキャビティ４０の開口縁４０ａから径方向外側に向かうに従って下方に傾斜する基準面４１とからなる。
【００４６】
前記キャビティ４０の内周面４０ｂは、気筒２およびインジェクタ２１の軸線ｕ１上の点を中心とする球面の一部をなす形状を有しており、このキャビティ４０と前記インジェクタ２１とは対向している。前記基準面４１は、円錐面状の燃焼室天井面６０と平行に延びている。すなわち、ピストン５の冠面は、燃焼室天井面と平行に延びる円錐面状の面の中央に前記キャビティ４０が形成された形状を有している。
【００４７】
前記点火プラグ２０は、その点火点が前記キャビティ４０の上端の開口縁４０ａよりも径方向内側となるようにシリンダヘッド９に取り付けられている。
【００４８】
前記燃焼室６の天井面６０および底面すなわちピストン５の冠面を前記のような形状としたのは、以下の理由による。
【００４９】
前記吸気側開口部６１および排気側開口部６２の開口面積ひいては燃焼室６に流入する吸気の量および燃焼室６から排気される排気の量を確保するためには、これら開口部６１，６２が開口する燃焼室天井面６０は上に凸となる形状、すなわち径方向中央を頂部として径方向外側に向かうに従って高さが低くなる形状を有する必要がある。
【００５０】
燃焼室天井面６０をこのように上に凸な形状とした上で、気筒２の幾何学的圧縮比をより高くすなわち圧縮上死点における燃焼室６の容積をより小さくするためには、ピストン５の冠面も上に凸となり燃焼室天井面６０と平行に延びるような形状にする必要がある。
【００５１】
しかしながら、ピストン５の冠面全体を単に燃焼室天井面６０と平行に延びる形状とすると、圧縮上死点において、燃焼室６の上下方向の高さ、すなわち燃焼室６の天井面６０とピストン５の冠面との間のすきま寸法が全体的に短くなるために燃焼が適正に広がらない、また、後述する多段ＣＩ燃焼を行う際に各噴射に基づく混合気を分離して燃焼させることができないという問題が生じる。
【００５２】
そこで、本ガソリンエンジンでは、前記のようにピストン５の冠面のうち径方向外側の部分を燃焼室天井面６０と平行な基準面４１で構成する一方、ピストン５の冠面の中央に下方に凹むキャビティ４０を形成することで、混合気を主にこのキャビティ４０内において燃焼させることで適正な燃焼を実現するとともに、多段ＣＩ燃焼における各噴射に基づく混合気を分離させてこれらが同時に燃焼するのを抑制するようにしている。また、このようにキャビティ４０を設ければ、前記効果に加えて、比較的温度の低い燃焼室６の側面すなわちシリンダ３の壁面と接触する部分を少なくして冷却損失をより小さく抑えることができる。
【００５３】
ただし、燃焼室６のうち前記キャビティ４０よりも径方向外側の部分６ｂにおいても適正な燃焼が行われる必要がある（以下、適宜、燃焼室６のうち径方向中央であってキャビティ４０が形成された部分を単に燃焼室６の中央部分６ａといい、この中央部分６ａよりも径方向外側部分を単に燃焼室６の外周部分６ｂという）。具体的には、後述するように、多段ＣＩ燃焼では、エンジントルクに対応する噴射量の一部がキャビティ４０とキャビティ４０よりも径方向外側の部分に分離して噴射されており、燃焼室６の中央部分６ａに加えて外周部分６ｂにおいてもエンジントルクに寄与する適正な燃焼が必要である。また、火花点火による燃焼の場合においても、高い燃費性能を得るためには、燃焼室６の外周部分６ｂにおいて燃焼が短時間で完了する必要がある。そのため、本ガソリンエンジンでは、前記キャビティ４０を設けつつ、圧縮上死点において、ピストン５の冠面のうちのキャビティ４０よりも径方向外側の基準面４１と燃焼室天井面６０との間のすきま寸法ｄ（図４参照）が所定量確保されてこれらで挟まれた領域の容積Ｖ２（図４参照）が確保されるように構成されている。例えば、前記多段ＣＩ燃焼において、燃焼室６の外周部分６ｂにおいて適正な燃焼を実現するためには、圧縮上死点において、そのすきま寸法ｄは２．４ｍｍ程度必要であり、その容積は１１ｃｃ〜１５ｃｃ程度必要である。
【００５４】
ここで、冷却損失を低減して熱効率を高めるためには、圧縮上死点における燃焼室６の全容積Ｖ＿ＴＤＣに対する燃焼室６の表面積Ｓの割合であるＳＶ比（Ｓ／Ｖ＿ＴＤＣ）を小さくする必要がある。一般的に、燃焼室６の天井面６０を球面で構成した方が、これを平面で構成する場合よりもＳＶ比が小さいといわれている。しかしながら、本発明者らは、鋭意研究の結果、前記のようにピストン５の冠面の中央にキャビティ４０を形成し、ピストン５の冠面のうちキャビティ４０よりも径方向外側部分（以下、適宜、このピストン５の冠面のうちキャビティ４０よりも径方向外側部分を単にピスト５のン冠面の外周部分という）４１を燃焼室６の天井面６０と平行にし、かつ、燃焼室６の外周部分６ｂのすきま寸法ｄおよび容積Ｖ２を所定量確保するという条件下においては、燃焼室天井面６０およびこれと平行なピストン５の冠面の外周部分４１を球面で構成するよりも円錐面状で構成する方がＳＶ比が小さくなることを突き止めた。
【００５５】
すなわち、前記条件下では、図４に示すような燃焼室天井面６０およびこれと平行なピストン５の冠面の外周部分４１を円錐面状とした方が、これらを図５に示すような燃焼室天井面６０およびこれと平行なピストン５の冠面の径方向外側部分を球面とし場合に比べて、キャビティ４０の上端の開口縁４０ａの径方向の長さＬ２（図４および図５参照）が小さくなり、キャビティ４０の曲率（１／ｒ、ｒは図４および図５参照）を大きくすることができるため、ＳＶ比が小さくなることが分かった。図４および図５は、前記形状の差を比較するために、燃焼室６の構造を模式的に示した図である。
【００５６】
具体的には、燃焼室６の外周部分６ｂのすきま寸法ｄおよび容積Ｖ２が一定の場合、燃焼室天井面６０およびピストン５の冠面の外周部分４１を円錐面状とした方が、これらを球面とした場合よりも、燃焼室６の外周部分６ｂの径方向の長さＬ１が長くなる。そのため、燃焼室６の外周部分６ｂ容積Ｖ２が一定の場合、前記各部位を円錐面状とした方がキャビティ４０の上端の開口縁４０ａの径方向の長さＬ２が小さくなり、これに伴って、キャビティ４０の容積が一定である条件下において、キャビティ４０の曲率（１／ｒ、ｒは図４および図５参照）は大きくなる。
【００５７】
図６（ａ）〜（ｅ）に、前記条件下において、前記燃焼室６の天井面６０およびピストン５の冠面の外周部分４１を円錐面状とした場合（実線）と、これらを球面状とした場合（破線）とについて、それぞれ、燃焼室６のＳＶ比を調べた結果をに示す。これら図６（ａ）〜（ｅ）において、横軸は、圧縮上死点における燃焼室６全体の容積Ｖ＿ＴＤＣに対するキャビティ４０の容積Ｖ１の割合（Ｖ１／Ｖ＿ＴＤＣ）であり、縦軸は、燃焼室６全体でのＳＶ比である。また、各図６（ａ）〜（ｅ）は、前記吸気側開口部６１および排気側開口部６２の開口面積が一定となるように、燃焼室天井面６０の水平面（気筒２の軸線ｕ１と平行な面）に対する傾斜角度α（球面形状の場合は燃焼室天井面６０の接線の水平面に対する傾斜角度、図４および図５参照）を一定とした場合の比較結果である。具体的には、図６（ａ）は、前記傾斜角度αが１０度の結果であり、図６（ｂ）は、前記傾斜角度αが２０度の結果であり、図６（ｃ）は、前記傾斜角度αが３０度の結果であり、図６（ｄ）は、前記傾斜角度αが４０度の結果であり、図６（ｅ）は、前記傾斜角度αが５０度の結果である。なお、これら各図６（ａ）〜（ｅ）は、排気量２０００ｃｃ、幾何学的圧縮比２０、気筒２のボア径８６ｍｍ、燃焼室６の外周部分のすきま寸法ｄ＝２．４ｍｍ、とした場合の結果である。ここで、圧縮上死点における燃焼室６全体の容積Ｖ＿ＴＤＣに対するキャビティ４０の容積Ｖ１の割合（Ｖ１／Ｖ＿ＴＤＣ）は、７／１０〜９／１０が好ましい。
【００５８】
これら図６（ａ）〜（ｅ）に示されるように、燃焼室天井面６０およびこれとピストン５の冠面の外周部分４１を円錐面状とした方が、いずれの条件においても、球面状の場合よりもＳＶ比は小さくなっている。なお、αが２０度以下では、ＳＶ比の差は非常に小さく、燃焼室天井面６０を円錐面状とすることによるＳＶ比の低減効果を得るためには、αを２０度以上とするのが好ましい。
【００５９】
（３）制御系
図７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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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８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。
【００６３】
前記図８の制御マップにおいて、エンジン負荷Ｔが比較的低い領域（低負荷域）には、全ての回転速度域にわたって第１運転領域（特定運転領域）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が高い中負荷域には、低回転側から順に第２運転領域（特定運転領域）Ａ２および第３運転領域（特定運転領域）Ａ３が設定されている。つまり、エンジンの中負荷域において、回転速度Ｎｅが所定値（例えば２０００〜３０００ｒｐｍ程度）よりも低い領域に第２運転領域Ａ２が設定されるとともに、この第２運転領域Ａ２よりも回転速度Ｎｅの高い領域に第３運転領域Ａ３が設定されている。さらに、前記第２、第３運転領域Ａ２，Ａ３よりも負荷Ｔが高い高負荷域には、全ての回転速度域にわたって第４運転領域Ａ４が設定されている。
【００６４】
エンジンの運転中においては、エンジンの運転点（負荷Ｔおよび回転速度Ｎｅの各値から特定される制御マップ上でのポイント）が前記図８中のどの運転領域（Ａ１〜Ａ４）に該当するかが都度判断され、各運転領域に応じた適切な制御が実行されるようになっている。
【００６５】
前記図８の制御マップに基づく制御の中身について簡単に説明しておく。この制御マップのうち、最も高負荷側に設定された第４運転領域Ａ４を除く部分負荷の領域、つまり第１運転領域Ａ１、第２運転領域Ａ２、および第３運転領域Ａ３は、そのいずれもが、ピストン５の圧縮作用により混合気を自着火させるＣＩ燃焼（圧縮自己着火燃焼）の実行領域（特定領域）として規定されている。ただし、各領域Ａ１〜Ａ３では、インジェクタ２１からの燃料噴射の形態や、点火プラグ２０を利用した着火アシストの有無、さらには内部ＥＧＲまたは外部ＥＧＲの有無等が異なる（その詳細については後述する）。ここでは、前記各領域Ａ１〜Ａ３で実行されるＣＩ燃焼用の制御のことを、それぞれ「リーンＨＣＣＩモード」「多段ＣＩモード」「ＳＡ−多段ＣＩモード」と称する。
【００６６】
一方、前記第１〜第３運転領域Ａ１〜Ａ３よりも高負荷側に設定された第４運転領域Ａ４では、ＣＩ燃焼ではなく、点火プラグ２０を用いた火花点火（Ｓｐａｒｋ Ｉｇｎｉｔｉｏｎ）をきっかけに混合気を火炎伝播により燃焼させる燃焼形態（以下、ＳＩ燃焼と略称する）が選択される。ただし、前記第４運転領域Ａ４でのＳＩ燃焼は、一般的なＳＩ燃焼とは異なり、燃料の噴射時期および点火時期を遅めに設定しつつ混合気を急速な火炎伝播により燃焼させるものであり（その詳細については後述する）、このような燃焼を実現するための前記第４運転領域Ａ４での制御のことを、ここでは「急速リタードＳＩモード」と称する。
【００６７】
なお、これら第１〜第４運転領域Ａ１〜Ａ４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。
【００６８】
再び図７に戻って、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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
（３）各運転領域の具体的制御手順
次に、前記ＥＣＵ５０が、各運転領域Ａ１〜Ａ４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。
【００７４】
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８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。
【００７５】
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〜Ａ４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。
【００７６】
（ｉ）第１運転領域Ａ１
図９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。
【００７７】
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９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。
【００７８】
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。
【００７９】
この第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、λ＝２以上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以上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以上であれば、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。
【００８０】
このように、第１運転領域Ａ１では、λ＝２以上という大幅なリーンでの圧縮自己着火燃焼が実施されるが、前述のように、本ガソリンエンジンでは圧縮比が高く設定されつつ、冷却損失が低減されるよう構成されているため、圧縮上死点付近において燃焼室６内の温度を確実に高めることができ適正な圧縮自己着火燃焼を実現することができるとともに、熱効率をより一層高めることができる。
【００８１】
（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１０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。また、点火プラグ２０による混合気への点火は停止される。
【００８２】
具体的に、当実施形態において、前記多段ＣＩモードのときの前段噴射Ｐ１のタイミング（より正確には開始タイミング）は、圧縮上死点（圧縮行程と膨張行程の間のＴＤＣ）を基準として、その上死点前（ＢＴＤＣ）６０〜５０°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（開始タイミング）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は、３：７〜７：３程度に設定される。
【００８３】
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１０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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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の冠面の径方向中央にキャビティ４０が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、燃焼室６のうち前記キャビティ４０よりも径方向外側部分すなわち燃焼室６の外周部分６ｂの容積が所定量確保されているため、この外周部分６ｂにおいて、前段噴射Ｐ１により形成された混合気を確実に燃焼させることができる。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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１３（ａ）〜（ｆ）を参照しつつより具体的に説明する。図１３（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、燃焼室６の外周部分６ｂに向かうことになる。
【００９１】
前記燃焼室６の外周部分６ｂに向けて噴射された燃料（噴霧）は、その後分散し、その分散した燃料に基づき、図１３（ｂ）に示すように、主に燃焼室６の外周部分６ｂ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の外周部分６ｂ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。
【００９２】
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の外周部分６ｂ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の外周部分６ｂ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。
【００９３】
前記のように燃焼室６の外周部分６ｂ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１３（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６ｂに限られる。
【００９４】
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１３（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１３（ｅ）に示すように、燃焼室６の径方向中央部分６ａ（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、燃焼室６の径方向中央部分６ａ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。
【００９５】
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１３（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６ａ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、燃焼室６の外周部分６ｂ（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６ａ（燃焼領域Ｙ２）で燃焼することになる。
【００９６】
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。
【００９７】
特に、キャビティ４０を含む燃焼室６の中央部分６ａと、燃焼室６の外周部分６ｂにそれぞれ容積が確保されつつ、燃焼室６のＳＶ比が小さく抑えられて冷却損失が低減されており、燃焼室６内の温度を混合気が自着火可能な温度にまでより確実に高めて各噴射Ｐ１、Ｐ２で形成される混合気をより確実に自着火させることができる。
【００９８】
（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、かつ前記第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１０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、前記第２運転領域Ａ２のときと同様、インジェクタ２１からの燃料が複数回に分けて噴射されるが、前記第２運転領域Ａ２のときとは異なり、前段噴射Ｐ１および後段噴射Ｐ２との間に、自着火を促進するための着火アシストが実行される。なお、図５の制御マップでは、このような分割噴射および着火アシスト（Ｓｐａｒｋ Ａｓｉｓｔ）に基づく圧縮自己着火燃焼が実行されることを指して、第３運転領域Ａ３内に「ＳＡ＋多段ＣＩ」と表記している。
【００９９】
具体的に、前記着火アシストとしては、圧縮行程中に実行される前段噴射Ｐ１と、圧縮上死点付近に実行される後段噴射Ｐ２との間の所定時期に、これら前段および後段噴射Ｐ１，Ｐ２の各噴射量よりも少量の燃料がインジェクタ２１から噴射されるとともに（Ｐａ）、その噴射Ｐａの直後でかつ後段噴射Ｐ２よりも前の圧縮行程後期に、点火プラグ２０による火花点火Ｓが実行される。すると、このような着火アシストにより図１０の波形Ｑｃ’のような少量の熱発生を伴う燃焼が生じるとともに、当該燃焼により燃焼室６が高温化するのをきっかけにして、続く波形Ｑｃに示すように、前記前段噴射Ｐ１および後段噴射Ｐ２に基づく混合気が自着火により燃焼する。なお、以下では、着火アシストのために実行される少量の燃料噴射Ｐａ（着火アシスト用の燃料噴射）のことをアシスト用噴射Ｐａ、着火アシストのために実行される火花点火Ｓ（着火アシスト用の火花点火）のことをアシスト用点火Ｓと称する。
【０１００】
前記アシスト用点火Ｓは、インジェクタ２１の先端部（噴口）からアシスト用噴射Ｐａとして噴射された燃料（噴霧）の先端が、インジェクタ格納部６２の下端の開口縁６２ｂを通過した直後のタイミングで実行される。
【０１０１】
なお、第３運転領域Ａ３では、前記のような着火アシスト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。
【０１０２】
図１４（ａ）〜（ｈ）は、以上のような着火アシストに基づく圧縮自己着火燃焼が行われる第３運転領域Ａ３での燃焼の様子を模式的に示す図である。図１４（ａ）に示すように、第３運転領域Ａ３では、上述した第２運転領域Ａ２での前段噴射Ｐ１（図１４（ａ））のタイミング（ＢＴＤＣ５０〜６０°ＣＡ程度）とほぼ同じタイミングで前段噴射Ｐ１が実行され、この前段噴射Ｐ１により、燃焼室６の外周部に、理論空燃比（λ＝１）程度の空燃比をもった混合気Ｘ１が形成される。ただし、前記前段噴射Ｐ１のタイミングは、厳密には、前記第２運転領域Ａ２での前段噴射Ｐ１のタイミングよりもわずかに早い時期に設定される。これは、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からである。つまり、ピストンスピードが速いと、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ため、ピストン５上の同様の位置に燃料（噴霧）を届かせようとすれば、インジェクタ２１からの噴射タイミングをわずかにでも早める必要がある。このことは、後述する後段噴射Ｐ２の場合でも同様である。
【０１０３】
前記前段噴射Ｐ１の後は、図１４（ｃ）に示す着火アシストが実行される。すなわち、前記前段噴射Ｐ１の後、ピストン５がある程度上昇した時点（例えばＢＴＤＣ３０〜１０°ＣＡ程度）で、着火アシスト用の燃料噴射であるアシスト用噴射Ｐａが実行されるとともに、その直後に、アシストの火花点火であるアシスト用点火Ｓが実行される。すると、前記アシスト用噴射Ｐａにより噴射された燃料に基づいて、点火プラグ２０の電極周りに十分に霧化された燃料を含む混合気が形成されるとともに、その混合気が前記アシスト用点火Ｓを火種として火炎を形成することにより、図１４（ｄ）に示すように、点火プラグ２０の電極周りに混合気の燃焼領域Ｙａが局所的に形成される。
【０１０４】
前記のようにして着火アシストによる火炎（燃焼領域Ｙａ）が生じると、その火炎による燃焼室６の高温化と、ピストン５の上昇による圧縮作用とが相俟って、燃焼室６の外周部に形成されていた前記前段噴射Ｐ１に基づく混合気Ｘ１が、図１４（ｅ）に示すように、圧縮上死点付近で自着火により燃焼する。この混合気Ｘ１の燃焼領域Ｙ１は、燃焼室６の外周部分６ｂに限られ、点火プラグ２０の電極からは径方向外側に離間した領域となる。
【０１０５】
前記のような前段噴射Ｐ１に基づく燃焼が始まると、それ以降は、前記第２運転領域Ａ２のときと同様にして燃焼が進行していく。すなわち、前記前段噴射Ｐ１に基づく燃焼の開始とほぼ同時、もしくはわずかな期間をあけて、図１４（ｆ）に示すような後段噴射Ｐ２が実行され、その後段噴射Ｐ２に基づき、燃焼室６の径方向中央部分６ａ（主にキャビティ４０の内部）に、理論空燃比（λ＝１）程度の空燃比をもった混合気Ｘ２が形成される。すると、この混合気Ｘ２は、ごく短い時間で自着火に至り、燃焼室６の径方向中央部分６ａに、前記混合気Ｘ２の燃料領域Ｙ２を形成する。
【０１０６】
以上のように、第３運転領域Ａ３では、前段噴射Ｐ１および後段噴射Ｐ２の間に、点火プラグ２０を用いて着火アシストを実行し、その着火アシストにより燃焼室６を高温化することにより、前記着火アシストに引き続いて前記前段噴射Ｐ１および後段噴射Ｐ２に基づく混合気Ｘ１，Ｘ２をそれぞれ自着火により燃焼させるようにした。このように、着火アシストにより混合気の自着火を促進するようにした第３運転領域Ａ３では、上述した第２運転領域Ａ２のときよりもエンジン回転速度Ｎｅが高く、燃料の受熱期間が短くなる状況であるにもかかわらず、混合気が確実に自着火により燃焼し、失火が起きることが回避される。しかも、前記第２運転領域Ａ２のときと同様、前段噴射Ｐ１および後段噴射Ｐ２に基づく混合気Ｘ１，Ｘ２が別々の空間で独立して自着火、燃焼するため、燃焼騒音の増大やスートの発生についても回避される。特に、前記第２運転領域Ａ２のときと同様、本ガソリンエンジンでは、キャビティ４０を含む燃焼室６の中央部分６ａと、その径方向外側の燃焼室６の外周部分６ｂにそれぞれ容積が確保されつつ、燃焼室６のＳＶ比が小さく抑えられて冷却損失が低減されているため、各噴射Ｐ１、Ｐ２で形成される混合気を燃焼室６の中央部分６ａと外周部分６ｂとにおいてより確実に、また、効率よく燃焼させることができる。
【０１０７】
なお、図１５は、前記第３運転領域Ａ３で、着火アシストに基づく混合気の燃焼領域Ｙａと、前段噴射Ｐ１および後段噴射Ｐ２に基づく混合気の燃焼領域Ｙ１，Ｙ２との位置関係を模式的に示すための平面図である。上述した第３運転領域Ａ３での燃焼形態によれば、図１２のように、まず着火アシストに基づく燃焼領域Ｙａが点火プラグ２０の周辺に限って形成され、これとほぼ重ならない燃焼室６の外周部に、前段噴射Ｐ１に基づく燃焼領域Ｙ１が形成され、さらに、後段噴射Ｐ２に基づく燃焼領域Ｙ２が、前記燃焼領域Ｙ１よりも径方向内側に形成される。これら各燃焼領域は、Ｙａ→Ｙ１→Ｙ２の順に形成され、その発生位置または発生時期は、ほとんど重なり合うことがない。
【０１０８】
（ｉＶ）第４運転領域Ａ４
高負荷域に設定された前記第４運転領域Ａ４では、多量の燃料が噴射されるため、圧縮自己着火燃焼を行わせようとすると、燃焼騒音が著しく増大する、また、ノッキングが生じるという問題がある。そこで、この第４運転領域Ａ４では、圧縮自己着火燃焼に代わり、混合気に点火して火炎伝播させる火花点火燃焼（ＳＩ燃焼）を実施する。
【０１０９】
ここで、ＳＩ燃焼においても、燃焼室６内の温度が過度に高い場合には、ノッキングが生じる。特に、本ガソリンエンジンでは圧縮比が非常に高い値に設定されている。そのため、燃焼室６内の温度は高くなりやすい。
【０１１０】
そこで、本ガソリンエンジンでは、この第４運転領域Ａ４において、ノッキング等の異常燃焼をより確実に回避するべく、圧縮上死点よりもかなり前（例えば吸気行程中）に燃料を噴射して圧縮上死点付近で火花点火を行わせる通常のＳＩ燃焼ではなく、図１１に示すように、圧縮行程中にインジェクタ２１から燃料を噴射させ（Ｐ３，Ｐ４）、この燃料噴射Ｐ３，Ｐ４の後に点火プラグ２０に火花点火を行わせて、圧縮上死点を過ぎたタイミング（膨張行程の初期）から短時間で火炎伝播により混合気を燃焼させる急速リタードＳＩ燃焼モードを実行する。図１１は、前記急速リタードＳＩ燃焼モードが実行された際の、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。
【０１１１】
具体的には、この図１１に示すように、この急速リタードＳＩ燃焼モードでは、圧縮行程の後期に設定された２回の噴射時期（Ｐ３，Ｐ４）に分けてインジェクタ２１から、３０ＭＰａ以上の高圧で燃料が噴射される。各燃料噴射Ｐ３，Ｐ４のタイミングとしては、例えば、１回目の噴射Ｐ１の開始時期から、２回目の噴射Ｐ２の完了時期までの期間が、概ね圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）２０〜０°ＣＡ程度の期間内に収まるように設定される。
【０１１２】
このような噴射制御が実施されるこの急速リタードＳＩ燃焼モードでは、前記のように３０ＭＰａ以上（例えば４０ＭＰａ）という非常に高い噴射圧力で燃料が噴射されることで、噴射期間を短くすることができるとともに燃料噴霧を微粒化することができ、短時間で多量の燃料を十分に気化霧化させて比較的均質な（もしくは弱成層化した）混合気を形成することができる。また、噴射圧力が高いために、燃焼室６が最も高温・高圧化する圧縮上死点をある程度過ぎるまで大きな乱流エネルギーを維持することができる。従って、燃料が噴射されてから短時間であって、燃料噴射に伴う乱流エネルギーの減衰が小さい間に（乱流エネルギーが大きい状態で）火花点火による燃焼を開始させることができ、この比較的大きな乱流エネルギーによって燃焼期間を短くすることができる。そして、この燃焼期間の短縮化に伴って、燃焼が引き起こされる前に適正な火炎伝播によって混合気を燃焼し切ることができる。すなわち、ノッキング等の異常燃焼を回避しつつ、熱効率およびエンジントルクを高く維持することができる。また、燃焼温度が過度に上昇せず、燃料の気化霧化が不十分なまま燃焼が開始されることもないため、ＮＯｘやスートの増大が回避され、エミッション性についても良好に維持される。
【０１１３】
特に、本ガソリンエンジンでは、キャビティ４０と、その径方向外側部分にそれぞれ容積が確保されつつ、燃焼室６のＳＶ比が小さく抑えられて冷却損失が低減されているため、径方向外側部分においても燃焼を急速に完了させることができ、高いエンジントルクを確保することができる。
【０１１４】
また、燃料が２回に分けて噴射されて２回目の燃料噴射の後に点火が行われており、１回目の燃料噴射Ｐ３によって燃料を霧化させつつ、２回目の燃料噴射により点火時点での乱流エネルギーを大きくすることができる。また、１２個という多数の噴口から噴射されることによっても乱流エネルギーは増大される。
【０１１５】
ここで、点火時期を図１１の例よりもさらに進角させれば、これに伴って燃焼開始時期θｉｇが圧縮上死点により近づくため、熱効率および出力トルクのさらなる向上が期待できるが、点火時期を早めるとノッキングが起き易くなるため、点火時期は、ノッキングを起こさないという制約の下、できるだけ進角側に設定される。このような事情から、点火時期は、例えば圧縮上死点後（ＡＴＤＣ）０〜２０°ＣＡ程度の範囲内に設定される。
【０１１６】
なお、前記急速リタードＳＩ燃焼モードでは、前記燃料噴射Ｐ１，Ｐ２によるトータルの噴射量に対して燃焼室６全体の平均の空燃比が理論空燃比（空気過剰率λ＝１）となるように新気量が制御される。具体的には、この第２運転領域Ａ２では、負荷Ｔの増大に応じてＣＶＶＬ１５が駆動され、吸気弁１１のリフト量が増大され、これに伴って燃料噴射量に応じた新気が導入される（図１１のリフトカーブＩＮ）。なお、本実施形態では、吸気弁１１のリフトピーク位置を固定したままリフト量が増大される。
【０１１７】
また、前記急速リタードＳＩ燃焼モードのときは、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。なお、エンジンの全負荷近傍では、より多量の新気を確保するために、外部ＥＧＲは禁止される。
【０１１８】
（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、燃焼室天井面６０が円錐面状とされ、ピストン５の冠面の径方向中央にキャビティ４０が形成され、かつ、ピストン５の冠面のうちキャビティ４０よりも径方向外側部分が、前記燃焼室天井面６０と平行な円錐面状の基準面４１とされて、吸気側開口部６１および排気側開口部６２の開口面積および燃焼室６の径方向中央部分６ａおよび径方向外側部分６ｂの容積が確保されつつ、燃焼室６のＳＶ比が小さく抑えられて冷却損失が低減されているため、燃焼室６の径方向中央部分６ａおよび径方向外側部分６ｂにおいて効率のよい燃焼を実現することができ、熱効率をより一層高めることができる。
【０１１９】
特に、前記第２運転領域Ａ２および第３運転領域Ａ３では、キャビティ４０を含む燃焼室６ａの中央部分６ａと、その径方向外側の外周部分６ｂとにそれぞれ個別に燃料が噴射されて、これら各部位で個別に燃焼が実施されており、これら各部位の燃焼室６の天井面６０とピストン５の冠面との間のすきま寸法ｄおよび容積Ｖ１，Ｖ２が確保されることで、各部位での適正な燃焼を実現することができ、エンジントルクを確保しつつ燃焼騒音およびＳＯＯＴの発生を抑制することができる。
【０１２０】
また、各弁１１，１２のバルブ面１１ｃ，１２ｃが燃焼室天井面６０の接面に沿って延び、かつ、各弁１１，１２バルブのステム１１ｂ，１１ｃが燃焼室天井面６０の頂部を中心とする円の径方向に放射状に延びて各弁１１に対して垂直に延びており、各弁１１，１２を安定して駆動しつつ、バルブ面１１ｃ，１２ｃを含む燃焼室６の天井面６０の凹凸が小さく抑えられているため、この凹凸が大きい場合に比べて燃焼室６内で燃焼を適正に広げることができるとともに燃焼室６の表面積をより確実に小さくして高い熱効率を得ることができる。また、点火プラグ２０が排気弁１２間に配置され、吸気弁１１の面積がより大きく確保されており、吸気量ひいてはエンジントルクを高くすることができる。
【０１２１】
ここで、本発明は、幾何学的圧縮比が１４以上であって、所定の運転領域で圧縮自着火燃焼を実施するエンジンに広く適用可能であって、各運転領域の具体的な燃焼形態は前記に限らない。例えば、第２運転領域、第３運転領域、第４運転領域の全てにおいて、吸気行程で１回燃料を噴射するとともに圧縮上死点付近で火花点火を行う、通常の火花点火式の燃焼を行ってもよい。
【０１２２】
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。
【符号の説明】
【０１２３】
５ ピストン
６ 燃焼室
２１ インジェクタ
４０ キャビティ
４１ 基準面
５０ ＥＣＵ（制御手段）
Ａ１ 第１運転領域（特定運転領域）
Ａ２ 第３運転領域（特定運転領域）
Ａ３ 第３運転領域（特定運転領域）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気筒に形成された燃料室内に少なくとも一部がガソリンからなる燃料を供給可能なインジェクタを備え、エンジンの特定運転領域において前記燃焼室内で前記燃料と空気との混合気を自着火により燃焼させることでピストンを往復運動させるガソリンエンジンであって、
前記気筒の幾何学的圧縮比は１４以上に設定されており、
前記燃焼室の天井面は、その径方向中央を頂部として径方向外側に向かうに従ってその高さが低くなるように傾斜した円錐面形状を有し、
前記ピストンの冠面は、その中央部分に、所定の曲率をもって凹状に湾曲するキャビティを有するとともに、当該キャビティの開口縁よりも径方向外側に向かうに従って高さが低くなるように傾斜して前記燃焼室の天井面と平行に延びる基準面を有し、
前記インジェクタは、前記ピストンの冠面側に向けて燃料を噴射可能な噴口が形成された先端部を有するとともに、当該先端部が前記燃焼室の天井面の頂部近傍に位置するように設けられていることを特徴とするガソリンエンジン。
【請求項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、前記特定運転領域の少なくとも一部の運転領域において、圧縮上死点よりも前であって噴射した燃料が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到達するタイミングで燃料を噴射する前段噴射と、前記前段噴射よりも後であって噴射した燃料が前記キャビティ内に到達するタイミングで燃料を噴射する後段噴射とを含む複数回に分けて燃料を噴射することを特徴とするガソリンエンジン。
【請求項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、
前記燃焼室の天井面に形成された複数の吸気側開口部を介して前記燃焼室と連通する吸気ポートと、前記複数の吸気側開口部をそれぞれ開閉可能な弁体と当該弁体から延びてこの弁体をそれぞれ前記吸気側開口部の開閉方向に移動させるステムとを備えた複数の吸気弁と、前記燃焼室の天井面に形成された複数の排気側開口部を介して前記燃焼室と連通する排気ポートと、前記複数の排気側開口部をそれぞれ開閉可能な弁体と当該弁体から延びてこの弁体をそれぞれ前記排気側開口部の開閉方向に移動させるステムとを備えた複数の排気弁とを備え、
前記複数の吸気弁と複数の排気弁の少なくとも一方は、その各弁体の前記燃焼室側の面が前記円錐面状の燃焼室の天井面との接面と平行に延び、かつ、その各ステムが、燃焼室の天井面の頂部からピストン冠面を見た平面視で、前記燃焼室の天井面の頂部を中心とする円の径方向に延びるように、配設されていることを特徴とするガソリンエンジン。
【請求項４】
請求項３に記載のガソリンエンジンにおいて、
前記燃焼室内の混合気に点火可能な点火プラグを備え、
前記複数の排気弁は、互いに隣接するとともに、その各弁体の前記燃焼室側の面が前記円錐面状の燃焼室の天井面との接面と平行に延び、かつ、その各ステムが、平面視で、前記燃焼室の天井面の頂部を中心とする円の径方向に延びるように、配設されており、
前記点火プラグは、前記排気弁の間に配置されていることを特徴とするガソリンエンジン。
【請求項５】
請求項４に記載のガソリンエンジンにおいて、
前記複数の吸気弁は、その各弁体が前記円錐面状の燃焼室の天井面との接面と平行に延び、かつ、その各ステムが、燃焼室の天井面の頂部からピストン冠面を見た平面視で、前記燃焼室の天井面の頂部を中心とする円の径方向に延びるように、配設されており、
前記吸気側開口部の開口面積は、前記排気側開口部の開口面積よりも大きく設定されていることを特徴とするガソリンエンジン。
【請求項１】
気筒に形成された燃料室内に少なくとも一部がガソリンからなる燃料を供給可能なインジェクタを備え、エンジンの特定運転領域において前記燃焼室内で前記燃料と空気との混合気を自着火により燃焼させることでピストンを往復運動させるガソリンエンジンであって、
前記気筒の幾何学的圧縮比は１４以上に設定されており、
前記燃焼室の天井面は、その径方向中央を頂部として径方向外側に向かうに従ってその高さが低くなるように傾斜した円錐面形状を有し、
前記ピストンの冠面は、その中央部分に、所定の曲率をもって凹状に湾曲するキャビティを有するとともに、当該キャビティの開口縁よりも径方向外側に向かうに従って高さが低くなるように傾斜して前記燃焼室の天井面と平行に延びる基準面を有し、
前記インジェクタは、前記ピストンの冠面側に向けて燃料を噴射可能な噴口が形成された先端部を有するとともに、当該先端部が前記燃焼室の天井面の頂部近傍に位置するように設けられていることを特徴とするガソリンエンジン。
【請求項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、前記特定運転領域の少なくとも一部の運転領域において、圧縮上死点よりも前であって噴射した燃料が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到達するタイミングで燃料を噴射する前段噴射と、前記前段噴射よりも後であって噴射した燃料が前記キャビティ内に到達するタイミングで燃料を噴射する後段噴射とを含む複数回に分けて燃料を噴射することを特徴とするガソリンエンジン。
【請求項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、
前記燃焼室の天井面に形成された複数の吸気側開口部を介して前記燃焼室と連通する吸気ポートと、前記複数の吸気側開口部をそれぞれ開閉可能な弁体と当該弁体から延びてこの弁体をそれぞれ前記吸気側開口部の開閉方向に移動させるステムとを備えた複数の吸気弁と、前記燃焼室の天井面に形成された複数の排気側開口部を介して前記燃焼室と連通する排気ポートと、前記複数の排気側開口部をそれぞれ開閉可能な弁体と当該弁体から延びてこの弁体をそれぞれ前記排気側開口部の開閉方向に移動させるステムとを備えた複数の排気弁とを備え、
前記複数の吸気弁と複数の排気弁の少なくとも一方は、その各弁体の前記燃焼室側の面が前記円錐面状の燃焼室の天井面との接面と平行に延び、かつ、その各ステムが、燃焼室の天井面の頂部からピストン冠面を見た平面視で、前記燃焼室の天井面の頂部を中心とする円の径方向に延びるように、配設されていることを特徴とするガソリンエンジン。
【請求項４】
請求項３に記載のガソリンエンジンにおいて、
前記燃焼室内の混合気に点火可能な点火プラグを備え、
前記複数の排気弁は、互いに隣接するとともに、その各弁体の前記燃焼室側の面が前記円錐面状の燃焼室の天井面との接面と平行に延び、かつ、その各ステムが、平面視で、前記燃焼室の天井面の頂部を中心とする円の径方向に延びるように、配設されており、
前記点火プラグは、前記排気弁の間に配置されていることを特徴とするガソリンエンジン。
【請求項５】
請求項４に記載のガソリンエンジンにおいて、
前記複数の吸気弁は、その各弁体が前記円錐面状の燃焼室の天井面との接面と平行に延び、かつ、その各ステムが、燃焼室の天井面の頂部からピストン冠面を見た平面視で、前記燃焼室の天井面の頂部を中心とする円の径方向に延びるように、配設されており、
前記吸気側開口部の開口面積は、前記排気側開口部の開口面積よりも大きく設定されていることを特徴とするガソリンエンジン。
【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１５】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１５】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１２−２１５０９５（Ｐ２０１２−２１５０９５Ａ）
【公開日】平成２４年１１月８日（２０１２．１１．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８００４１（Ｐ２０１１−８００４１）
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【出願人】（０００００３１３７）マツダ株式会社 (6,115)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月８日（２０１２．１１．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【出願人】（０００００３１３７）マツダ株式会社 (6,115)
【Ｆターム（参考）】
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