CN107407223A - 直喷发动机的燃料喷射控制装置 - Google Patents

Abstract

燃料喷射阀(6)构成为：升程量越大，喷口(61)的有效开口面积越大。当在压缩冲程的后期向燃烧室(17)内喷射燃料时，燃料喷射阀(发动机控制器100)以升程量切换模式喷射所述燃料，该升程量切换模式为：在喷射期间的前半部分使燃料喷射阀的升程量为规定的大升程量，并且，在与喷射期间的前半部分相连的后半部分，在燃料的喷射速度增大的范围内使升程量为小于大升程量的小升程量。

Description

直喷发动机的燃料喷射控制装置

技术领域

此处所公开的技术涉及一种直喷发动机的燃料喷射控制装置。

背景技术

专利文献1中记载了一种外开阀式燃料喷射阀，其将燃料以空心锥状喷向发动机的燃烧室内。外开阀式燃料喷射阀通过改变阀体的升程量而使喷射燃料的喷嘴口的有效开口面积发生变化。专利文献2中记载了一种VCO(阀盖孔：Valve Covered Orifice)喷嘴式燃料喷射阀。VCO喷嘴式燃料喷射阀构成为：针阀直接坐在喷嘴口敞开的底座部，将喷嘴口堵住。形成在喷嘴口的内周面上的空腔区域的大小随针阀的升程量而发生变化。与外开阀式燃料喷射阀一样，VCO喷嘴式燃料喷射阀上的喷嘴口的有效开口面积随针阀的升程量而发生变化。

专利文献3中记载了以下技术内容：一种直喷发动机包括外开阀式燃料喷射阀，该燃料喷射阀设在气缸的中心轴上且将燃料以空心锥状喷出，所述直喷发动机通过在压缩冲程的后期向气缸内喷射燃料，而在燃烧室内形成混合气层和该混合气层周围的气体层。专利文献3中记载的发动机在混合气燃烧时周围的气体层起隔热层的作用，故冷却损失减少。

专利文献4中记载了以下技术内容：在压燃式发动机中，用隔热材料形成划分燃烧室的壁面，由此来减少燃烧室壁面的冷却损失。

专利文献1：日本公开专利公报特开2008－151043号公报

专利文献2：日本专利公报4194564号公报

专利文献3：日本公开专利公报特开2013－57266号公报

专利文献4：日本公开专利公报特开2009－243355号公报

发明内容

－发明要解决的技术问题－

像专利文献3所记载的那样，当要在混合气层的周围形成隔热气体层时，有利的做法是在压缩冲程的后半部分向燃烧室内喷射燃料。需要说明的是，此处所说的“压缩冲程的后半部分”相当于将压缩冲程二等分为前半部分和后半部分时的后半部分。在压缩冲程的后半部分喷射燃料，而向压力较高的气缸内喷射燃料，这样就能够抑制雾状燃料飞散得过远而到达燃烧室的壁面，并且因为从结束喷射到开始燃烧的这段时间很短，所以在燃烧室内形成的混合气层难以与隔热气体层混合，燃烧时就能够确保隔热气体层的存在。

但是，如果发动机的转速升高，曲轴转角变化所需要的时间就较短，故从结束燃料的喷射到点燃燃料为止的这段时间就会缩短。这将导致喷射出的燃料气化不良，燃料和空气的混合性不良，例如会产生烟雾(smoke)。

于是，可以考虑当发动机高转速区工作时始喷射燃料。但是如果让燃料开始喷射的时刻提前，就是在气缸内的压力和温度较低时喷射燃料。这样一来，雾状燃料就容易扩散，混合气就容易与燃烧室的壁面接触。其结果是，不会再形成隔热气体层，就无法实现冷却损失的减少。

此处所公开的技术正是鉴于上述问题而完成的。其目的在于：既能够防止在直喷发动机中产生烟雾，又能够可靠地在燃烧室内形成混合气层和隔热气体层。

－用于解决技术问题的技术方案－

例如，就像外开阀式燃料喷射阀那样构成为：升程量越大，喷射燃料的喷口的有效开口面积越大的燃料喷射阀而言，如果在燃料压力一定这样的条件下，喷口的有效开口面积增大，燃料的喷射速度就会下降。如果喷口的有效开口面积过小，燃料通过喷口之际，喷口的壁面与燃料之间的摩擦的影响就会增大。在该情况下，燃料的喷射速度也会下降。因此，存在一个会使燃料的喷射速度达到最高的升程量，无论升程量大于还是小于该最高速度时的升程量，燃料的喷射速度都会下降。需要说明的是，该最高速度时的升程量相对较小。

如果在开始喷射燃料时，增大燃料喷射阀的升程量，从而增大喷口的有效开口面积，那么，作用于燃料的阻力亦即壁面摩擦阻力相对于燃料流量的比例就会变小，因此开始喷射燃料后，燃料的喷射速度会迅速上升。

如果在开始喷射燃料时，增大燃料喷射阀的升程量而使燃料的喷射速度迅速上升以后，再一边继续喷射燃料一边使燃料喷射阀的升程量减小(不过，以所述最高速度时的升程量为下限，减小升程量)，那么，由于惯性带来的动力效应，燃料的喷射流量就不会减少，燃料的喷射速度会进一步提高。由此而高速地将雾状燃料喷向压力和温度都较高的气缸内，雾状燃料一边承受着较大的阻力一边在燃烧室内飞散。其结果是，会促进燃料的微粒化。燃料既能够在短时间内气化，又能够在短时间内充分地与空气混合。这有利于抑制烟雾。

本申请发明人等发现了以下现象而研发出此处公开的技术。即：如果采用该燃料喷射方式，则允许从结束燃料的喷射到点燃燃料为止的这段时间较短，故在例如发动机在高转速区工作时，也不需要提前开始喷射燃料。

具体而言，此处所公开的技术涉及一种直喷发动机的燃料喷射控制装置。其包括发动机和燃料喷射控制部。所述发动机具有燃烧室，所述燃烧室由气缸盖的顶部、设在气缸体上的气缸以及在所述气缸内做往复运动的活塞划分出来；所述燃料喷射控制部具有为向所述燃烧室内喷射液体燃料而设的燃料喷射阀且构成为：在规定时刻向所述燃烧室内喷射所述燃料。

所述燃料喷射阀构成为：升程量越大，喷射所述燃料的喷口的有效开口面积越大。当在压缩冲程的后期向所述燃烧室内喷射所述燃料时，所述燃料喷射控制部以升程量切换模式喷射所述燃料，该升程量切换模式为：在喷射期间的前半部分，使所述燃料喷射阀的所述升程量为规定的大升程量，并且，在与所述喷射期间的前半部分相连的后半部分，在所述燃料的喷射速度增大的范围内使所述升程量为小于所述大升程量的小升程量。

此处，“压缩冲程的后期”相当于将压缩冲程三等分为前期、中期以及后期时的后期。此处所说的“燃烧室”并不限于活塞到达上止点时气缸内的空间，而是一个广义的燃烧室，指由气缸盖的顶部、气缸和活塞划分出的空间，与活塞的位置无关。“喷射期间的前半部分”意味着喷射期间内比较靠前的那段时间，并不限于将喷射期间二等分时的前半部分时间。同样，“喷射期间的后半部分”意味着喷射期间内比较靠后的那段时间，并不限于将喷射期间二等分时的后半部分时间。

根据该构成方式，当在压缩冲程的后期喷射燃料时，燃料喷射控制部就在喷射期间的前半部分使燃料喷射阀的升程量为规定的大升程量。如上所述，因为壁面摩擦阻力相对于燃料流量的比例变小，所以在开始喷射燃料后，燃料的喷射速度会迅速上升。

当燃料的喷射速度充分上升后，燃料喷射控制部一边继续喷射燃料，一边将升程量变更为小于大升程量的小升程量。这样一来，由于惯性带来的动力效应，燃料的喷射流量不会减少，燃料的喷射速度会进一步提高。因此，因为在喷射期间的后半部分喷射出的雾状燃料在压力和温度都较高的气缸内一边承受较高的阻力一边飞散，所以会促进燃料的微粒化。其结果是，在结束燃料的喷射以后，会迅速完成燃料的气化和燃料与空气的混合。这会抑制烟雾的产生。

因此，在上述构成方式下，能够使燃料结束喷射的时刻靠近压缩上止点，故也能够推迟燃料开始喷射的时刻。因此，能够在气缸内的压力和温度较高的状态下开始喷射燃料，故能够防止混合气与燃烧室的壁面接触。也就是说，能够边防止烟雾的产生，边可靠地在燃烧室内形成混合气层和隔热气体层。

技术方案还可以是这样的：当所述发动机在规定的高转速区工作时，所述燃料喷射控制部以所述升程量切换模式喷射所述燃料；当所述发动机在转速比所述高转速区低的低转速区工作时，所述燃料喷射控制部以使所述燃料喷射阀的所述升程量在所述喷射期间的前半部分和后半部分相等的模式喷射所述燃料。

如上所述，以升程量切换模式喷射燃料，能够使燃料结束喷射的时刻靠近压缩上止点，故当发动机在高转速区工作时，有利于边可靠地在燃烧室内形成混合气层和隔热气体层，边抑制烟雾的产生。

另一方面，当发动机在低转速区工作时，曲轴转角变化所需要的时间就较长，故与发动机在高转速区工作时不同，通过促进雾状燃料的微粒化而在短时间内完成燃料的气化和燃料与空气的混合这样的要求就较低。于是，当发动机在低转速区工作时，就是以让燃料喷射阀的升程量在喷射期间的前半部分和后半部分相等的模式喷射燃料。这样做以后，雾状燃料的喷射速度就不会在喷射途中突然上升，故能够避免先喷射出的雾状燃料和后喷射出的雾状燃料相重叠，而局部形成过浓的混合气。

在低转速区，不需要使燃料开始喷射的时刻提前，故能够在气缸内的压力和温度升高后再开始喷射燃料。这样一来，当发动机在低转速区工作时，既能够防止局部过浓的混合气导致烟雾的产生，还能够可靠地在燃烧室内形成混合气层和隔热气体层。

技术方案还可以是这样的：当所述发动机在规定的高转速区工作时，所述燃料喷射控制部进行后级喷射和前级喷射。所述后级喷射为：以所述升程量切换模式喷射所述燃料；所述前级喷射为：在所述后级喷射以前，以小于所述大升程量的升程量且在喷射期间比所述后级喷射长的喷射期间内喷射所述燃料。

就燃料喷射阀，即构成为升程量越大，喷射燃料的喷口的有效开口面积越大的燃料喷射阀而言，若如上所述，通过增大升程量而增大喷口的有效开口面积，那么，开始喷射燃料以后燃料的喷射速度就会迅速上升。相反，如果减小燃料喷射阀的升程量而减小喷口的有效开口面积，那么，作用于燃料的阻力就会增大，开始喷射燃料以后燃料的喷射速度就难以上升。由于具有以上特性，因此，如果增大燃料喷射阀的升程量且缩短喷射期间，那么，开始喷射燃料以后燃料的喷射速度就会迅速上升，尽管如此，所达到的喷射速度却会较低。另一方面，如果减小燃料喷射阀的升程量且加长喷射期间，刚开始喷射燃料时燃料的喷射速度就会较低，尽管如此，后半部分的喷射速度却会较高。

在上述构成方式下，当发动机在高转速区工作时，进行包括前级喷射和后级喷射的多次燃料喷射。在进行这样的分次喷射之际，如果增大两次喷射之间的时间间隔(即，加长两次喷射之间的暂停时间)，就能够抑制靠先喷射而喷射出的雾状燃料和靠后喷射而喷射出的雾状燃料在燃烧室内相重叠，从而能够防止局部形成过浓的混合气。这会抑制烟雾的产生。

然而，如果发动机的转速升高，曲轴转角变化所需要的时间就会缩短，故两次喷射之间的暂停时间就会缩短。伴随着从燃料喷射阀喷射燃料而在燃烧室内形成的雾状燃料流会将周围的空气(或含空气的气体)卷入。如果两次喷射之间的暂停时间变短，后喷射出的雾状燃料就会被先喷射出的雾状燃料卷入的空气流吸引。其结果是，后喷射出的雾状燃料会与先喷射出的雾状燃料相重叠。

在进行多次燃料喷射之际，上述构成方式能够避免靠先喷射而喷射出的雾状燃料和靠后喷射而喷射出的雾状燃料相重叠，还能够防止混合气层与燃料室的壁面接触。具体而言，上述构成方式进行升程量小且喷射期间长的前级喷射。这样一来，因为燃料的喷射速度在刚开始喷射时较低，所以利用前级喷射而喷射出的雾状燃料难以飞散。因为前级喷射的喷射时刻早，所以尽管气缸内的压力和温度较低，也能够防止雾状燃料与燃烧室的壁面接触。这样一来，就能够在混合气层的周围形成隔热气体层。

在前级喷射后进行的后级喷射是以升程量切换模式进行的燃料喷射。因此，开始喷射时的升程量相对较高。如上所述，后级喷射在刚开始喷射时燃料的喷射速度较高。需要说明的是，后级喷射只要在压缩冲程的后期进行即可。伴随着由前级喷射喷射燃料而在燃烧室内形成的雾状燃料流会将周围的空气(或含空气的气体)卷入。但是，进行后级喷射时，燃料的喷射速度较高，故后级喷射难以受前级喷射卷入的空气流的影响。特别是，在高转速区，前级喷射与后级喷射之间的暂停时间倾向于较短，能够防止利用后级喷射喷射出的雾状燃料被空气流吸引而与利用前级喷射喷射出的雾状燃料相重叠。因此能够防止局部形成过浓的混合气，从而能够抑制烟雾的产生。

因为后级喷射是以升程量切换模式进行的燃料喷射，所以能够让燃料结束喷射的时刻靠近压缩上止点。需要说明的是，优选，后级喷射在活塞到达上止点(包括活塞到达上止点的时刻)以前结束。如上所述，允许前级喷射与后级喷射之间的暂停时间较短。因此，不再需要使前级喷射的开始喷射的时刻提前。这有利于防止利用前级喷射喷射出的雾状燃料与燃烧室的壁面接触。

而且，如上所述，伴随着从燃料喷射阀喷射燃料而在燃烧室内形成雾状燃料流，该雾状燃料流会将周围的空气卷入其中。此时，所喷射的雾状燃料从燃料喷射阀的顶端开始扩散，但空气流难以流入所喷射的雾状燃料的内侧即燃料喷射阀的喷射轴心附近。如果喷射期间较长，燃料喷射阀的喷射轴心附近的负压就会升高，雾状燃料就会由于其内外压力差而靠近燃料喷射阀的喷射轴心。

通过相对地加长前级喷射的喷射期间，利用前级喷射喷射出的雾状燃料就会在上述压力差的作用下位于喷射角的角度方向的内侧。相对于此，因为后级喷射的喷射期间相对较短，所以与利用前级喷射喷射出的雾状燃料相比，利用后级喷射喷射出的雾状燃料会位于喷射角的角度方向的外侧。这样一来，利用前级喷射喷射出的雾状燃料和利用后级喷射喷射出的雾状燃料，不仅在喷射方向上的位置会错开，在喷射角的角度方向上的位置也会错开。因此能够避免局部形成过浓的混合气。因为在前级喷射和后级喷射各级喷射中喷射出的雾状燃料的位置不同，所以燃烧室内的空气利用率也会提高。

其结果是，当发动机在高转速区工作时，既能够防止烟雾的产生，又能够可靠地在燃烧室内形成混合气层和隔热气体层。

技术方案还可以是这样的：当所述发动机在转速比所述高转速区低的低转速区工作时，所述燃料喷射控制部进行前级喷射和后级喷射，所述前级喷射为：以使所述燃料喷射阀的所述升程量在所述喷射期间的前半部分和后半部分相等的模式喷射所述燃料；所述后级喷射为：在该前级喷射之后，升程量比所述前级喷射小且喷射期间比所述前级喷射长。

根据该构成方式，当发动机在低转速区工作时，以使燃料喷射阀的升程量在喷射期间的前半部分和后半部分相等的模式进行喷射燃料的前级喷射。与后级喷射相比，前级喷射的升程量大且喷射期间短。由于使前级喷射为这样的喷射方式，因此在开始喷射燃料后，燃料的喷射速度会迅速上升。利用前级喷射喷射出的雾状燃料会到达远离燃料喷射阀的位置。燃烧室内的空气利用率由此提高。

因为前级喷射的升程量较大，所以喷射速度不会那么高。因为发动机转速低，所以能够确保前级喷射与后级喷射之间的暂停时间较长。因此，能够使前级喷射的喷射开始时刻为较晚的时刻。可以在压缩冲程的后半部分进行前级喷射的一部分或者整个前级喷射。这里，压缩冲程的后半部分相当于将压缩冲程期间二等分为前半部分和后半部分时的后半部分。这样一来，进行前级喷射时气缸内的压力和温度就会提高。因此，能够避免雾状燃料飞散得过远，从而能够避免雾状燃料与燃烧室的壁面接触。这样一来，就能够在混合气层的周围形成隔热气体层。

后级喷射是一种升程量比前级喷射小且喷射期间比前级喷射长的喷射。由于使后级喷射为这样的喷射方式，因此，如上所述，后级喷射在刚开始喷射时，燃料的喷射速度较低。能够防止利用后级喷射喷射出的雾状燃料追上利用前级喷射喷射出的雾状燃料。在低转速区，在与前级喷射之间空出较长的暂停时间以后再进行后级喷射。因此，能够避免利用后级喷射喷射出的雾状燃料被空气流吸引，而导致雾状燃料彼此相重叠。这样一来，利用前级喷射喷射出的雾状燃料和利用后级喷射喷射出的雾状燃料在其喷射方向上的位置就会错开。

如上所述，利用前级喷射喷射出的雾状燃料和利用后级喷射喷射出的雾状燃料在喷射角的角度方向上的位置错开。其结果是，能够防止烟雾的产生。

技术方案还可以是这样的：当所述发动机在负荷低于规定负荷的低负荷区下的所述高转速区工作时，所述燃料喷射控制部在压缩冲程的后期利用所述升程量切换模式喷射所述燃料；当所述发动机在负荷高于所述低负荷区的区域下的所述高转速区工作时，所述燃料喷射控制部进行后级喷射和前级喷射，所述后级喷射为：以所述升程量切换模式喷射所述燃料；所述前级喷射为：在该后级喷射以前，以比所述后级喷射的所述大升程量小的小升程量且在比所述后级喷射的喷射期间长的喷射期间内喷射所述燃料。

在低负荷区，燃料的喷射量相对较少。于是，当发动机在低负荷区下的高转速区工作时，在压缩冲程的后期利用升程量切换模式喷射燃料。也就是说，进行单级燃料喷射。这样一来，如上所述，短时间内就能够进行燃料的气化和燃料与空气的混合，边防止烟雾的产生，边在混合气层的周围形成隔热气体层。

相对于此，如果发动机的负荷提高，燃料的喷射量就会增加。于是，当处于负荷高于低负荷区的区域下的高转速区时，则进行后级喷射和前级喷射。所述后级喷射以升程量切换模式喷射燃料；所述前级喷射在该后级喷射以前，以比后级喷射的大升程量小的小升程量且在比后级喷射的喷射期间长的喷射期间内喷射燃料。也就是说，进行多级燃料喷射。这样一来，即使燃料喷射量增加，也能够边防止烟雾的产生，边在混合气层的周围形成隔热气体层。

－发明的效果－

如上所述，根据所述直喷发动机的燃料喷射控制装置，当在压缩冲程的后期向燃烧室内喷射燃料时，以在喷射期间的前半部分为大升程量、在喷射期间的后半部分为小升程量的升程量切换模式喷射燃料。这样一来，就能够促进在喷射期间的后半部分喷射出的雾状燃料的微粒化。因此，能够边防止烟雾的产生，边可靠地在燃烧室内形成混合气层和该混合气层周围的隔热气体层。

附图说明

图1是示出直喷发动机的构造的简图。

图2是示出燃烧室的构造的剖视图。

图3示出外开阀式燃料喷射阀的升程量与喷口的有效开口面积之间的关系。

图4的上图示出燃料在低负荷下的低转速区的喷射方式，下图示出燃料在低负荷下的高转速区的喷射方式。

图5的上图示出燃料喷射阀的升程量的变化情况，下图示出燃料的喷射速度的变化情况。

图6说明在低负荷下的低转速区，雾状燃料在燃烧室内的扩散情况。

图7说明在低负荷下的高转速区，雾状燃料在燃烧室内的扩散情况。

图8的上图示出燃料在中负荷下的低转速区的喷射方式，下图示出燃料在中负荷下的高转速区的喷射方式。

图9的上图示出燃料喷射阀的升程量不同的情况，下图示出燃料的喷射速度不同的情况。

图10说明在中负荷下的低转速区，雾状燃料在燃烧室内的扩散情况。

图11说明在中负荷下的高转速区，雾状燃料在燃烧室内的扩散情况。

图12示出燃料的与图8不同的喷射方式，上图示出燃料在中负荷下的低转速区的喷射方式，下图示出燃料在中负荷下的高转速区的喷射方式。

具体实施方式

下面，参照附图对实施方式进行说明。以下说明仅为示例。

(发动机的整体结构)

图1示出实施方式所涉及的发动机1的结构。发动机1的曲轴15经变速器连结到驱动轮上，未图示。发动机1的输出传递到驱动轮，由此带动车辆行驶。此处，发动机1的燃料在本实施方式中为汽油，还可以是含生物乙醇等的汽油。此处所公开的技术能够广泛应用到下述发动机中，该发动机是在燃料喷射结束后，燃料气化并进行点火的预混燃烧发动机中使用各种液体燃料的发动机。

发动机1包括气缸体12和装在气缸体12上的气缸盖13，气缸体12内部形成有多个气缸11(图1仅示出一个)。发动机1是多气缸发动机。在气缸体12和气缸盖13的内部形成有供冷却液流动的水套，省略图示。经由连杆14连结到曲轴15上的活塞16嵌插在各气缸11内且可滑动。由活塞16、气缸11和气缸盖13共同划分出燃烧室17。

在本实施方式中，燃烧室17的顶部170(气缸盖13的下表面)由进气侧斜面171和排气侧斜面172构成。进气侧斜面171上形成有进气道18的开口部180且进气侧斜面171朝着气缸11中央倾斜上升；排气侧斜面172上形成有排气道19的开口部190且排气侧斜面172朝着气缸11中央倾斜上升。燃烧室17是屋脊型燃烧室。需要说明的是，屋脊的棱线可能与气缸11的轴心有交点，也可能没有交点。图2中也示出，活塞16的顶面160具有在进气侧和排气侧分别朝着活塞16中央上升的斜面161、162，与顶部170的进气侧斜面171和排气侧斜面172相对应，故活塞16的顶面160呈三角屋顶状隆起。这样一来，该发动机1的几何压缩比就会被设定为15以上的较高的压缩比。在活塞16的顶面160上形成有凹状空腔163。

图1中仅示出了一个进气道18，但每个气缸11都在气缸盖13上形成有两个进气道18。进气道18的开口部180沿发动机输出轴(即，曲轴15)方向并排着形成在气缸盖13的进气侧斜面171上，进气道18通过该开口部180与燃烧室17相连通。同样，每个气缸11都在气缸盖13上形成有两个排气道19。排气道19的开口部190沿发动机输出轴的方向并排着形成在气缸盖13的排气侧斜面172上，排气道19通过该开口部190与燃烧室17相连通。

进气道18与进气通路181相连。在进气通路181的中途设有用来调节进气流量的节气门55。排气道19与排气通路191相连。在排气通路191上设有具有一个以上的催化转化器的尾气净化系统，省略图示。催化转化器中含有三效催化剂。不过，催化转化器中的催化剂并不限于三效催化剂。

在气缸盖13上设有进气门21，进气门21能够将进气道18与燃烧室17隔断(即，将燃烧室17封闭起来)，进气门21由进气门驱动机构驱动。在气缸盖13上还设有排气门22，排气门22能够将排气道19与燃烧室17隔断，排气门22由排气门驱动机构驱动。进气门21在规定时刻做往复运动来打开和切断进气道18；排气门22在规定时刻做往复运动来打开和切断排气道19。由此对气缸11内进行换气。

进气门驱动机构具有进气凸轮轴，进气凸轮轴由曲轴15驱动且与曲轴15相连，进气凸轮轴与曲轴15同步旋转，省略图示。排气门驱动机构具有排气凸轮轴，排气凸轮轴由曲轴15驱动且与曲轴15相连，排气凸轮轴与曲轴15同步旋转，省略图示。

本例中，进气门驱动机构至少包括可变配气相位机构(VVT：Variable ValveTiming)23。其中，该可变配气相位机构23为液压式或电动式，可在规定的角度范围内连续改变进气凸轮轴的相位。需要说明的是，还可以让进气门驱动机构既包括VVT23，又包括可改变气门升程量的可变气门升程量机构。

本例中，排气门驱动机构至少包括VVT24。其中，VVT24为液压式或电动式，可在规定的角度范围内连续改变排气凸轮轴的相位。需要说明的是，还可以让排气门驱动机构既包括VVT24，又包括可改变气门升程量的可变气门升程量机构。

可变气门升程量机构还可以是可连续改变升程量的连续可变气门升程量(CVVL：Continuous Variable Valve Lift)机构。需要说明的是，驱动进气门21的气门驱动机构和驱动排气门22的气门驱动机构可以是任意的气门驱动机构，例如可以采用液压式或电动式的驱动机构。

如图2放大所示，在气缸盖13上装有燃料喷射阀6，该燃料喷射阀6用于直接向燃烧室17内喷射燃料。燃料喷射阀6设在进气侧斜面171和排气侧斜面172相交的屋脊棱线上。还有，燃料喷射阀6的喷射轴心S沿着气缸11的轴线而设，喷射阀顶端位于燃烧室17内。燃料喷射阀6的喷射轴心S可能与气缸11的轴线重合，也可能与气缸11的轴线错开。

活塞16上的空腔163与燃料喷射阀6相向而设。燃料喷射阀6朝着该空腔163内喷射燃料。

这里，燃料喷射阀6为外开阀式燃料喷射阀。如图3放大所示，外开阀式燃料喷射阀6的顶端部具有喷嘴60和外开阀62。其中，在喷嘴60上形成有喷射燃料的喷口61，外开阀62用于打开和关闭喷口61。

喷嘴60构成为可供燃料在其内部流动的筒状。喷口61设在喷嘴60的顶端部，喷口61形成为越靠顶端侧直径越大的锥形。

外开阀62具有阀体63和连接部64。其中，该阀体63在喷嘴60的顶端从喷嘴60向外侧露出；该连接部64从阀体63通过喷嘴60内部与省略图示的压电元件相连。阀体63具有形状大致与锥形喷口61相同的底坐部65。在阀体63的底座部65与连接部64之间存在缩径部66。如图3所示，缩径部66的倾斜度与底座部65不同，缩径部66从基端朝向顶端的倾斜度比底座部65的倾斜度小。

如图3中的双点划线所示，底座部65坐在喷口61上时，喷口61变为封闭状态。压电元件因被施加电压而变形，外开阀62沿着喷射轴心S向外移动。伴随于此，如图3中的实线所示，底座部65离开喷口61，喷口61变为敞开状态。当喷口61为敞开状态时，燃料从喷口61喷出，喷射方向倾斜于喷射轴心S且以喷射轴心S为中心朝半径方向扩展开来。燃料呈以喷射轴心S为中心的空心锥状喷出。如果停止对压电元件施加电压，压电元件就会恢复原状，外开阀62的底座部65因此而会坐在喷口61上，而使喷口61再次变为封闭状态。

施加给压电元件的电压越大，外开阀62从喷口61处于封闭状态起所移动的升程量就越大。图3显示得很明显，升程量越大，喷口61的开度，即有效开口面积就越大。有效开口面积由喷口61和底座部65之间的距离决定。升程量越大，从喷口61喷射到燃烧室17内的雾状燃料的粒径就越大。相反，升程量越小，从喷口61喷射到燃烧室17内的雾状燃料的粒径就越小。当燃料通过喷口61时，会沿着缩径部66流动。因此，升程量越大，缩径部66离喷口61越远，燃料的喷射角(即，空心锥的锥角)由此就越小；升程量越小，缩径部66离喷口61越近，燃料的喷射角(即，空心锥的锥角)由此就越大。

假设燃料压力不变，则有效开口面积越大，喷射速度就越低。相反，虽然有效开口面积越小，喷射速度就越高，但如果有效开口面积过小，燃料所承受的来自于喷口壁面的摩擦阻力的影响就会变大，因此喷射速度会下降。因此，存在一个会使燃料的喷射速度达到最高的升程量，无论升程量大于还是小于该最高速度时的升程量，燃料的喷射速度都会下降。需要说明的是，该最高速度时的升程量相对较小。

如图2所示，在气缸盖13的顶部170设有从顶部170的顶面凹陷而成的凹部173，燃料喷射阀6的顶端部收放在该凹部173内。凹部173的内周面倾斜，使得凹部173的直径朝着燃烧室17的下方逐渐扩大。通过将燃料喷射阀6的顶端部设在比气缸盖13的顶面更高的位置，既能够提高几何压缩比，又能够尽可能地扩大活塞16到达上止点时活塞16的顶面160与燃料喷射阀6的顶端部之间的间隔。如后所述，这有利于在混合气层周围形成隔热气体层。因为燃料喷射阀6的顶端部和凹部173的内周面之间的间隔变大，所以能够抑制从燃料喷射阀6喷出的雾状燃料因康达效应而附着在气缸盖13的顶面上。

燃料供给系统57包括用于驱动外开阀62的电路和将燃料供向燃料喷射阀6的燃料供给系统。发动机控制器100通过在规定时刻向电路输出喷射信号，而经该电路让外开阀62工作，将所需量的燃料喷射到气缸内。其中，该喷射信号具有与升程量相对应的电压。未输出喷射信号时(即，喷射信号的电压为0时)，喷口61被外开阀62堵住而变成封闭状态。就这样，利用来自于发动机控制器100的喷射信号控制压电元件工作。如上所述，发动机控制器100控制压电元件工作，并控制是否从燃料喷射阀6的喷口61喷射燃料以及喷射燃料时的升程量。压电元件迅速响应，例如能够在1～2毫秒之间进行包括约20次喷射的多级喷射。不过，驱动外开阀62的单元不限于压电元件。

在燃料供给系统中设有未图示的高压燃料泵和公共燃料供给管。该高压燃料泵将经由低压燃料泵从燃料箱供来的燃料输送给公共燃料供给管，该公共燃料供给管在规定的燃料压力下将该输送来的燃料蓄积起来。燃料喷射阀6工作(亦即，外开阀62开启)，蓄积在公共燃料供给管中的燃料就会从喷口61喷出来。燃料喷射控制部包括发动机控制器100和燃料喷射阀6。

如图2概念性示出的那样，燃料喷射控制部构成为在燃烧室17内(即，空腔163内)能够形成(可燃)混合气层与该混合气层周围的隔热气体层，详情后述。

该发动机1构成为：基本上在全部工作区都对气缸11内形成的混合气进行压燃(即，可控自燃(CAI：Controlled Auto Ignition)而使混合气燃烧。发动机1具有助燃系统56，助燃系统56用于在规定的环境下帮助点燃混合气。助燃系统56例如可以是设于燃烧室17内部的放电点火器(discharge plug)。也就是说，对放电点火器的电极施加通过控制而得到的脉冲状高电压，以便在燃烧室17内产生超短脉冲放电，由此而在燃烧室内发生流光放电，在气缸内产生臭氧。臭氧能帮助CAI的进行。需要说明的是，助燃系统并不限于产生臭氧的放电点火器，还可以是通过进行火花放电而赋予混合气能量，从而帮助进行CAI的火花塞。

发动机控制器100是以公知的微型计算机为基础的控制器，且具有中央处理器(CPU)、存储器和输入/输出(I/O)总线。其中，该中央处理器用于执冲程序，该存储器例如由RAM和ROM构成且用于存储程序和数据，该输入/输出(I/O)总线用于输入、输出电信号。

发动机控制器100至少接收以下各种信号：来自空气流量传感器51的与进气流量相关的信号、来自曲轴转角传感器52的曲轴转角脉冲信号、来自检测对加速踏板的踩踏量的油门开度传感器53的油门开度信号以及来自车速传感器54的车速信号。发动机控制器100根据上述输入信号，计算发动机1的控制参数。控制参数例如有所需要的节气门开度信号、燃料喷射脉冲信号、助燃信号、气门相位角信号等。然后，发动机控制器100将上述信号输入节气门55(准确来讲是驱动节气门55的节气门致动器)、VVT23、24、燃料供给系统57、助燃系统56等。

如上所述，该发动机1的几何压缩比ε设在15以上。几何压缩比设在40以下即可，尤其优选为20以上35以下。发动机1具有压缩比越高则膨胀比越高这样的构造，故发动机1在具有高压缩比的同时，还具有相对较高的膨胀比。较高的几何压缩比会使CAI燃烧稳定。

由气缸11的内周面、活塞16的顶面160、气缸盖13的下表面(顶部170)、进气门21和排气门22各自的气门头顶面划分出燃烧室17。在上述划分面上设置绝热层，将燃烧室17绝热，便能够达到减少冷却损失的目的。可以在所有上述划分面上设置绝热层，也可以在上述划分面中的一部分上设置绝热层。此外，虽然进气道18和排气道19的壁面中位于燃烧室17的顶部170一侧的开口附近的壁面不是直接划分出燃烧室17的壁面，但也可以在上述壁面上设置绝热层。

为了抑制燃烧室17内燃烧气体的热量通过划分面释放出来，设定上述绝热层的导热系数时使该导热系数小于构成燃烧室17的金属母材。

从减少冷却损失这一方面来看，优选地，绝热层的容积比热小于母材。也就是说，优选地，使绝热层的热容量较小，从而使燃烧室17的划分面的温度紧跟着燃烧室17内的气体温度变化而变化。

例如通过等离子喷涂将ZrO₂等陶瓷材料涂覆到母材上，这样来形成所述绝热层即可。该陶瓷材料中可以含有很多气孔。这样做，就能够使绝热层的导热系数和容积比热更小。

在本实施方式中，除了所述燃烧室的绝热构造以外，还在燃烧室17内形成气体层并让该气体层起隔热层的作用，由此来大幅度地减少冷却损失。

具体而言，为了在燃烧室17内的外周部形成含新鲜空气的气体层且在燃烧室17内的中心部形成混合气层，在压缩冲程以后从燃料喷射阀6的喷射顶端向空腔163喷射燃料，由此，如图2所示实现层化，即，在燃料喷射阀6附近且空腔163内的中心部形成混合气层，并且，在该混合气层周围形成含新鲜空气的隔热气体层。此处所说的混合气层可以定义为由可燃混合气构成的层，可燃混合气可以是例如当量比在φ＝0.1以上的混合气。从开始喷射燃料时起经过的时间越长，雾状燃料就会扩散得越厉害。因此，混合气层的大小为点燃那一时刻的大小。例如可以将燃料的燃烧质量百分比达到1％以上作为判断燃料已点燃的条件。混合气在压缩上止点附近点燃。

隔热气体层可以仅为新鲜空气，也可以除了含有新鲜空气以外，还含有已燃气体(EGR气体)。需要说明的是，即使隔热气体层中混有少量燃料也没有问题，只要隔热气体层比混合气层稀薄而保证隔热气体层能够发挥隔热层的作用即可。

如果混合气在已形成隔热气体层和混合气层的状态下进行CAI燃烧，则混合气层与燃烧室17的壁面之间的隔热气体层就能够抑制混合气层的火焰与燃烧室17的壁面接触，并且，该隔热气体层能够作为隔热层抑制热量从气缸11的壁面释放。其结果是，能够大幅度地减少冷却损失。

需要说明的是，仅凭减少冷却损失，减少的那部分冷却损失会被转化为排气损失而不太有助于提高指示热效率，但该发动机1会利用伴随着高压缩比化而来的高膨胀比化，将燃烧气体的相当于减少的那部分冷却损失的能量高效地转化为机械功。即，发动机1采用既减少冷却损失又减少排气损失这样的构造，由此能够大幅度地提高指示热效率。

为了在燃烧室17内形成上述混合气层和隔热气体层，喷射燃料的时刻优选在燃烧室17内气体流动较弱的时候。因此，进气道呈直线形状，以保证燃烧室17内不产生或难以产生涡流，并且，进气道构成为滚流也尽量地较弱。

(控制燃料喷射的详细情况)

为了在燃烧室17内形成混合气层和隔热气体层，优选向燃烧室17内喷射燃料的燃料喷射时刻在压缩冲程的后半部分。这里，压缩冲程的后半部分相当于将压缩冲程期间二等分为前半部分和后半部分时的后半部分。如果在压缩冲程的后半部分，气缸11内的压力和温度就较高，因此能够抑制喷射出的雾状燃料飞散得过远而到达燃烧室17的壁面。因为从结束喷射燃料到开始喷射燃料的这段时间较短，所以燃烧室17内形成的混合气层难以与隔热气体层混在一起，燃烧时就能够确保隔热气体层的存在。

这里，当发动机1的转速较低时，曲轴转角变化所需要的时间就较长，故即使燃料结束喷射的时刻伴随着在压缩冲程的后半部分喷射燃料而靠近压缩上止点，在点燃燃料以前的那段时间内也能够确保燃料的气化时间和燃料与空气混合的时间。然而，如果发动机1的转速较高，曲轴转角变化所需要的时间就较短，故如果燃料结束喷射的时刻靠近压缩上止点，从结束燃料的喷射到点燃燃料为止的这段时间就会缩短。其结果是，难以充分地进行燃料的气化和燃料与空气的混合，而有可能导致烟雾的产生。

另一方面，如果为了使燃料结束喷射的时刻提前而让燃料开始喷射的时刻提前，就会在气缸11内的压力和温度较低的状态下将燃料喷向气缸11内。在该情况下，雾状燃料容易与燃烧室17的壁面接触。

为保证在发动机1的转速较高的高转速区也能够边防止烟雾的产生，边可靠地在混合气层的周围形成隔热气体层，在燃料的喷射方式上对该发动机1做了改进。具体而言，图4示出燃料在燃料喷射量较少的低负荷区的喷射方式。图4的横轴表示曲轴转角，纵轴表示燃料喷射阀6的升程量。图4的上图示出当发动机1在低转速区工作时燃料的喷射方式。在低转速区，以所规定的一定升程量且在规定的喷射期间内喷射燃料。显示升程量相对于曲轴转角的变化情况的波形为梯形。将燃料开始喷射的时刻设定为压缩冲程后期的规定时刻。压缩冲程的后期相当于将压缩冲程三等分为前期、中期以及后期时的后期。在低转速区，如上所述，即使燃料结束喷射的时刻靠近压缩上止点，在点燃燃料以前的那段时间内也能够确保燃料的气化时间和燃料与空气混合的时间。因此，低转速区的燃料开始喷射的时刻被设定为较晚的时刻。

图6概念性地示出利用图4的上图所示的燃料喷射方式向燃烧室17内喷射出的雾状燃料的扩散情况。如上所述，因为将燃料开始喷射的时刻设定得较晚，所以能够避免气缸11内的压力和温度相对较高而导致以规定的喷射角从燃料喷射阀6喷射出的雾状燃料飞散得过远。其结果是，能够防止雾状燃料与燃烧室17的壁面接触。这样一来，就能够在混合气层的周围形成隔热气体层。

图4的下图示出当发动机1在转速比所述低转速区高的高转速区工作时，燃料的喷射方式。需要说明的是，在图4的上图和下图中，燃料喷射量相等。在低转速区和高转速区存在燃料喷射阀6的升程量和喷射期间相等的情况和不相等的情况。与低转速区不同，在高转速区，在燃料的喷射期间的中途，以改变燃料喷射阀6的升程量的升程量切换模式进行燃料喷射。将燃料开始喷射的时刻设定为压缩冲程后期的规定时刻。高转速区的喷射开始时刻比低转速区的喷射开始时刻提前了。这是考虑到燃料的气化和燃料与空气的混合，在高转速区让燃料结束喷射的时刻尽量地离压缩上止点远一些之故。

图5示出在升程量切换模式下燃料喷射阀6的升程量的变化情况(图5的上图)和燃料的喷射速度的变化情况(图5的下图)。图3中也示出，如果增大外开阀式燃料喷射阀6的升程量，喷口61的有效开口面积就会增大。开始喷射燃料时，通过增大有效开口面积，减小阻力的影响，就能够使燃料的喷射速度迅速上升。如图5的上图中实线所示，如果在升程量较大的大升程量下开始喷射燃料(参照时刻T₀～T₁)，则会如图5的下图中实线所示，燃料的喷射速度迅速上升。在升程量切换模式下，在喷射期间的前半部分使升程量为大升程量。需要说明的是，此处所说的“喷射期间的前半部分”意味着喷射期间内比较靠前的那段时间，并不限于将喷射期间二等分时的前半部分时间。

如果相对于增大开始喷射时的升程量的升程量切换模式，如图5的上图中虚线所示，在开始喷射燃料时减小升程量，则会如图5的下图中虚线所示，燃料的喷射速度推迟上升。

当燃料的喷射速度充分升高以后，在升程量切换模式下，则如图5的上图中实线所示，边继续喷射燃料，边使升程量为比大升程量小的小升程量。在所述燃料的喷射速度达到最高的最高速度时的升程量以上的升程量范围内，能够对小升程量进行适当的设定。

如果减小升程量，喷口61的有效开口面积就会减小。在燃料的喷射速度充分升高的状态下减小有效开口面积，由于惯性带来的动力效应，燃料的喷射流量就不会减少，通过喷口61的燃料的喷射速度就会上升(参照时刻T₂～T₃)。需要说明的是，通过减小升程量，喷口61内的燃料就会被挤出来，故喷射速度会迅速上升。

在喷射期间的后半部分，将燃料喷射阀6的升程量维持为小升程量。这样一来，燃料的喷射速度就会被维持得相对较高(参照时刻T₃～T₅)。然后，气门关闭(参照时刻T₅～T₆)。只要使切换升程量的时刻为适当的时刻即可，在该适当的时刻下，如上所述，在燃料的喷射速度充分升高以后且升程量也切换了以后，也能够喷射出量足够大的燃料。也就是说，“喷射期间的后半部分”也意味着喷射期间内比较靠后的那段时间，并不限于将喷射期间二等分时的后半部分时间。需要说明的是，在升程量切换模式下燃料的喷射期间(喷射期间T₀～T₆)为0.2毫秒左右。

需要说明的是，图5的上图和下图中的虚线表示燃料喷射阀6的升程量为在喷射期间的前半部分和后半部分相等的小升程量之例。该情况下，因为开始喷射燃料时的升程量较小，所以燃料的喷射速度会推迟上升(参照时刻T₀～T₅)。

如图5的上图中点划线所示，当在喷射期间的后半部分也继续让燃料喷射阀6的升程量维持大升程量时，则如图5的下图中点划线所示，燃料的喷射速度不会加快，为规定速度且一定不变(参照时刻T₂～T₄)。

在升程量切换模式下，在喷射期间的后半部分能够使燃料的喷射速度升高。这样一来，在喷射期间的后半部分喷射的雾状燃料就会被高速地喷向压缩上止点附近的压力和温度已升高的气缸11内。因为雾状燃料一边承受较大的阻力一边在燃烧室17内飞散，所以会促进燃料的微粒化。其结果是，燃料会在短时间内气化，并且燃料和空气会在短时间内迅速混合而形成混合气。就这样，当发动机1在高转速区工作时，即使从结束燃料的喷射到点燃燃料为止的这段时间较短，燃料也能够在该较短的时间内气化，燃料与空气也能够在该较短的时间内混合，因此能够防止烟雾的产生。

图7概念性地示出利用图4的下图所示的燃料喷射方式向燃烧室17内喷射出的雾状燃料的扩散情况。将燃料在高转速区开始喷射的时刻设定得比在低转速区早。因此，开始喷射燃料时，气缸11内的压力和温度相对较低，雾状燃料会到达离燃料喷射阀6较远的位置。燃烧室17内的空气利用率由此提高。需要说明的是，以雾状燃料不附着在燃烧室17的壁面上为限度，将燃料开始喷射的时刻设定在提前角一侧。

与低转速区相比，在高转速区，燃料结束喷射的时刻提前。并且，如上所述，在高转速区，以升程量切换模式喷射燃料，在喷射期间的后半部分喷射出的燃料就会由于存在于燃烧室17的中央侧而不利于分散，但因喷射速度较高，故能够促进气化和混合(参照图7中的点划线所围成的区域)。其结果是，在高转速区，能够边防止烟雾的产生，边在混合气层的周围形成隔热气体层。

当发动机1在低负荷区工作且燃料喷射量较少时，即使如图4所示，喷射一次燃料，也能够使混合气层更小，从而能够在混合气层的周围形成隔热气体层。相对于此，如果在发动机1的负荷升高且燃料喷射量增加以后，喷射一次燃料的话，则难以使混合气层更小，而难以在混合气层的周围形成隔热气体层。

有关这一点，如果不是一次就将燃料都喷向燃烧室17内，而是分多次将燃料喷向燃烧室17内的话，就有利于边提高燃烧室17内的空气利用率，边形成混合气层和隔热气体层。然而，分多次喷射燃料的话，有时候，雾状燃料彼此间会相重叠而导致局部形成过浓的混合气，进而导致烟雾的产生。

在进行多次喷射的分次喷射中，在两次喷射之间设定暂停期间。当发动机1在转速相对较低的低转速区工作时，曲轴转角变化所需要的时间就较长。因此，即使不让燃料开始喷射的时刻提前，或者不让燃料结束喷射的时刻推迟，两次喷射之间的暂停时间也会较长。这样一来，后喷射出的雾状燃料就难以受先喷射出的雾状燃料将空气流卷入而对它造成的影响，从而能够避免后喷射出的雾状燃料被吸引而与先喷射出的雾状燃料相重叠。

相对于此，当发动机1在高转速区工作时，曲轴转角变化所需要的时间就短，故即使两次喷射之间的曲轴转角与低转速区相同，两次喷射之间的暂停时间也会变短。在该情况下，后喷射出的雾状燃料就容易受先喷射出的雾状燃料将空气流卷入而对它造成的影响，而与先喷射出的雾状燃料相重叠。其结果是，会局部形成过浓的混合气，而导致烟雾的产生。

于是，为保证在发动机1的负荷比低负荷区高的中负荷区，不管发动机1的转速高还是低都不会局部形成过浓的混合气，而在燃料的喷射方式上对该发动机1做了改进。

具体而言，图8示出燃料在中负荷区的喷射方式。图4的横轴表示曲轴转角，纵轴表示燃料喷射阀6的升程量。需要说明的是，在图8的上图和下图中，燃料喷射量相等。图8的上图示出当发动机1在低转速区工作时，燃料的喷射方式。在低转速区进行完第一喷射后再进行第二喷射。第一喷射以升程量相对较大的第一升程量喷射燃料。第一喷射的喷射期间是相对较短的第一喷射期间。在中负荷下的低转速区，第一喷射为前级喷射，第二喷射为后级喷射。

图9示出燃料喷射阀6的升程量的变化情况(图9的上图)和燃料的喷射速度的变化情况(图9的下图)。如图9的上图中实线所示，当已使升程量相对较大时，因为有效开口面积会增大，所以喷口61的壁面对阻力的影响变小，从而能够使燃料的喷射速度迅速上升。其结果是，如图9的下图中实线所示，即使在喷射期间较短时燃料的喷射速度也能够迅速上升，达到规定的喷射速度并维持该喷射速度。图8中的第一喷射相当于该高升程量下且较短的喷射期间内的燃料喷射。

在低转速区，将第一喷射的喷射开始时刻(曲轴转角)设定为规定的时刻。具体而言，可以使其落在压缩冲程的后半部分。因为发动机1的转速低，所以即使让燃料开始喷射的时刻提前，也能够确保第一喷射和第二喷射之间的暂停时间较长。

第一喷射因为其升程量高而如上所述，燃料的喷射速度迅速升高。图10示出与图8的上图所示的中负荷下的低转速区的燃料喷射方式相对应的、雾状燃料在燃烧室17内的扩散情况。利用第一喷射以规定的喷射角从燃料喷射阀6喷射出的雾状燃料抵抗气缸11内的高压力和高温度，到达离燃料喷射阀6较远的位置处。燃烧室17内的空气利用率由此提高。不过，通过让燃料开始喷射的时刻落在压缩冲程的后半部分，那么开始喷射时，气缸11内的压力和温度就都较高。因此，能够避免雾状燃料飞散得过远，从而能够防止雾状燃料与燃烧室17内的壁面接触。这样一来，就能够在混合气层的周围形成隔热气体层。

第一喷射结束后，留出规定间隔进行第二喷射。第二喷射以升程量小于第一喷射的第一升程量的第二升程量且在喷射期间比第一喷射的第一喷射期间长的第二喷射期间内喷射燃料。

如图9的上图和下图中的虚线所示，燃料的喷射速度借助减小升程量而推迟上升。然而，通过加长喷射期间，喷射速度会逐渐升高。其结果是，最终达到的喷射速度就高。例如，图9的上图和下图中的点划线示出升程量较高且将喷射期间设定得较长时，喷射速度的变化情况。在喷射期间的前半部分，是升程量大，喷射速度则高，而在喷射期间的后半部分，是升程量小，喷射速度则高。

利用第二喷射喷射出的雾状燃料在刚开始喷射时喷射速度低，在第一喷射和第二喷射之间留出较长的暂停时间。喷射速度低和留出的该暂停时间二者相结合，就能够抑制利用第二喷射喷射出的雾状燃料追上利用第一喷射喷射出的雾状燃料而彼此相重叠。而且，因为暂停时间长，所以还能够抑制利用第二喷射喷射出的雾状燃料被第一喷射卷入的空气流吸引。其结果是，利用第一喷射喷射出的雾状燃料和利用第二喷射喷射出的雾状燃料在喷射方向上的位置就会错开。

因为第二喷射的喷射期间长，所以如图10所示，利用第二喷射喷射出的雾状燃料会靠近燃料喷射阀6的喷射轴心S。也就是说，伴随着燃料喷射而在燃烧室17内形成雾状燃料流，该雾状燃料流会将周围的空气卷入。然而，从燃料喷射阀6的顶端部喷出的雾状燃料呈空心锥状，空气难以流入该雾状燃料的内侧。因此，如果喷射时间较长，在燃料喷射阀6的喷射轴心S附近负压就会变强，雾状燃料就会因其内外压力差而靠近燃料喷射阀6的喷射轴心S，如图10中的实线箭头所示。这样一来，利用第一喷射喷射出的雾状燃料和利用第二喷射喷射出的雾状燃料在喷射角的角度方向上的位置就会错开。更详细而言，在以利用第一喷射喷射出的雾状燃料的轴为基准的情况下，利用第二喷射喷射出的雾状燃料在与该轴的轴向正交的径向上的位置就会位于利用第一喷射喷射出的雾状燃料在上述径向上的位置的内侧。这样一来，因为能够防止雾状燃料彼此相重叠，所以能够可靠地防止混合气层局部过浓。其结果是，能够抑制烟雾的产生。

如图8的下图所示，当发动机1在中负荷下的高转速区工作时，先进行第二喷射。第二喷射相当于前级喷射。之后，作为后级喷射进行第一喷射，但是高转速区下的第一喷射是以上述升程量切换模式进行的燃料喷射。需要说明的是，在图8的上图和下图中，燃料喷射量相等。

当发动机1的转速较高时，两次喷射之间的暂停时间就较短。这里，与低转速区一样，如果先进行燃料的喷射速度较高的第一喷射，被卷入雾状燃料中的空气流就会加强。另一方面，后喷射的第二喷射因为在刚开始喷射时喷射速度较低，雾状燃料会被较强的空气流吸引而易于与利用第一喷射喷射出的雾状燃料相重叠。

如果为加长两次喷射之间的暂停时间而使燃料开始喷射的时刻(开始喷射时的曲轴转角)提前，那么，开始喷射燃料时，气缸11内的压力和温度就较低。在该状态下，如果先进行升程量相对较高且喷射期间相对较短的第一喷射，雾状燃料就会以较高的喷射速度飞散得过远，雾状燃料就会与燃烧室17的壁面接触。

于是，该发动机1在高转速区先进行第二喷射。而且，第二喷射的喷射开始时刻(即，曲轴转角)比低转速区下的第一喷射的喷射开始时刻提前了(参照图8的上图和下图)。只要在压缩冲程的后半部分开始进行第二喷射即可。图11示出与图8的下图所示的高转速区的燃料喷射方式相对应的、雾状燃料在燃烧室17内的扩散情况。因为第二喷射在刚开始喷射时喷射速度较低，所以即使在气缸11内的压力和温度都不那么高的状态下开始喷射燃料，也能够防止雾状燃料飞散得过远。因为能够避免雾状燃料与燃烧室17的壁面接触，所以能够在混合气层的周围形成隔热气体层。而且，通过让第二喷射的喷射开始时刻提前，就能够尽可能地加长第二喷射和第一喷射之间的暂停时间。

第二喷射的喷射期间较长，故如上所述，雾状燃料会在其内外压力差的作用下靠近燃料喷射阀6的喷射轴心S(参照图11)。

第二喷射结束后，留出规定间隔以升程量切换模式进行第一喷射。该第一喷射(即，后级喷射)在压缩冲程的后期进行。让第一喷射的开始喷射时的升程量，亦即喷射期间的前半部分的升程量为所述第一升程量(亦即，相当于大升程量)。这样一来，开始喷射后，喷射速度就会迅速升高。而且，还尽可能地加长第二喷射和第一喷射之间的暂停时间。这样一来，利用第一喷射喷射出的雾状燃料就难以受伴随着第二喷射而卷入的空气流的影响。也就是说，能够防止利用第一喷射喷射出的雾状燃料被空气流吸引。而且，如上所述，利用第二喷射喷射出的雾状燃料会在压力差的作用下靠近燃料喷射阀6的喷射轴心S。相对于此，第一喷射是以规定的喷射角喷射燃料，因此利用第二喷射喷射出的雾状燃料和利用第一喷射喷射出的雾状燃料在喷射角的角度方向上的位置就会错开。这样一来，就是在高转速区也能够防止利用第一喷射喷射出的雾状燃料和利用第二喷射喷射出的雾状燃料相重叠，从而能够避免局部形成过浓的混合气。

因为高转速区下的第一喷射(即，后级喷射)处于升程量切换模式，所以在喷射期间的后半部分一边继续喷射燃料，一边让燃料喷射阀6的升程量比第一升程量小(亦即，使其为小升程量)。只要在最高速度时的升程量以上的范围内将喷射期间的后半部分的升程量设定为适当的升程量即可。这样一来，如上所述，就会促进在喷射期间的后半部分喷射的雾状燃料的微粒化。燃料在短时间内气化，并且燃料和空气会在短时间内迅速混合而形成混合气。其结果是，能够防止烟雾的产生。通过以升程量切换模式进行高转速区下的后级喷射，就能够尽可能地推迟后级喷射的燃料结束喷射的时刻。这有利于在曲轴转角变化所需要的时间较短的高转速区加长前级喷射和后级喷射之间的暂停时间。也就是说，能够避免局部形成过浓的混合气，从而能够防止烟雾的产生。而且，有利于尽量地推迟前级喷射的喷射开始时刻。也就是说，能够可靠地在燃烧室17内形成混合气层和该混合气层周围的隔热气体层。

这样一来，通过进行第一喷射和第二喷射，当发动机1在中负荷下的低转速区工作以及发动机1在中负荷下的高转速区工作时，都能够边在燃烧室17内形成混合气层和该混合气层周围的隔热气体层，边避免局部形成过浓的混合气而防止烟雾的产生。

图12示出与图8不同的燃料喷射方式。图12所示的燃料喷射方式和图8所示的燃料喷射方式的不同之处在于：中负荷下的低转速区的燃料喷射方式不同。也就是说，如图12的上图所示，在中负荷下的低转速区，第二喷射由包括多个燃料喷射的多级喷射构成。如上所述，具有压电元件的燃料喷射阀6具有高响应性，能够在1～2毫秒的时间内进行约20次左右的多级喷射。与图8所示的喷射方式一样，由多级喷射构成的第二喷射的升程量为第二升程量。而且，与图8所示的喷射方式一样，由多级喷射构成的第二喷射的喷射期间比第一喷射的喷射期间长。在使第二喷射为多级喷射的情况下，如图10所示，喷射出的雾状燃料也会靠近燃料喷射阀6附近且靠近燃料喷射阀6的喷射轴心S。这样一来，就能够让利用第一喷射喷射出的雾状燃料和利用第二喷射喷射出的雾状燃料在其喷射方向上的位置和在与其喷射方向正交的径向上的位置都错开。

需要说明的是，在图12的示例中，构成第二喷射的每次燃料喷射之间的间隔实质上设为0，但还可以在两次燃料喷射之间设置规定间隔。而且，在高转速区，曲轴转角变化所需要的时间较短，故难以进行多级喷射。

需要说明的是，在上述之例中，在低负荷区是图4所示的喷射方式；在中负荷区则是图8或图12所示的喷射方式。然而，也可以在中负荷区采用图4所示的喷射方式。相反，还可以在低负荷区采用图8或图12所示的喷射方式。而且，当发动机1的负荷比中负荷区还大时，因为燃料喷射量会进一步增加，所以难以在混合气层的周围形成隔热气体层。因此，当发动机1的负荷在高负荷区时，可以采用与上述不同的喷射方式。

在上述示例中，采用了外开阀式燃料喷射阀作燃料喷射阀6用，但可应用在此处所公开的技术中的燃料喷射阀6并不限于外开阀式燃料喷射阀。例如阀盖孔(VCO：ValveCovered Orifice)喷嘴式燃料喷射器也能够通过调节喷口处所发生的空化现象的大小来改变喷口的有效开口面积。因此，与外开阀式燃料喷射阀一样，利用图4、图8或图12所示的燃料喷射方式既能够在空腔163内的中央部位形成混合气层且在该混合气层的周围形成隔热气体层，又能够抑制局部形成过浓的混合气。

需要说明的是，在上述之例中，不仅采用了燃烧室和进气道的绝热构造，而且还在燃烧室内形成隔热气体层。此处所公开的技术对于不采用绝热构造的发动机也适用。

－符号说明－

1 发动机

100 发动机控制器(燃料喷射控制部)

11 气缸

12 气缸体

13 气缸盖

16 活塞

17 燃烧室

6 燃料喷射阀

61 喷口

62 外开阀

Claims (5)

1.一种直喷发动机的燃料喷射控制装置，其包括发动机和燃料喷射控制部，所述发动机具有燃烧室，所述燃烧室由气缸盖的顶部、设在气缸体上的气缸以及在所述气缸内做往复运动的活塞划分出来，所述燃料喷射控制部具有为向所述燃烧室内喷射液体燃料而设的燃料喷射阀且构成为：在规定时刻向所述燃烧室内喷射所述燃料，所述燃料喷射阀构成为：升程量越大，喷射所述燃料的喷口的有效开口面积越大，

该直喷发动机的燃料喷射控制装置的特征在于：当在压缩冲程的后期向所述燃烧室内喷射所述燃料时，所述燃料喷射控制部以升程量切换模式喷射所述燃料，该升程量切换模式为：在喷射期间的前半部分，使所述燃料喷射阀的所述升程量为规定的大升程量，并且，在与所述喷射期间的前半部分相连的后半部分，在所述燃料的喷射速度增大的范围内使所述升程量为小于所述大升程量的小升程量。

2.根据权利要求1所述的直喷发动机的燃料喷射控制装置，其特征在于：

当所述发动机在规定的高转速区工作时，所述燃料喷射控制部以所述升程量切换模式喷射所述燃料；

当所述发动机在转速比所述高转速区低的低转速区工作时，所述燃料喷射控制部以使所述燃料喷射阀的所述升程量在所述喷射期间的前半部分和后半部分相等的模式喷射所述燃料。

3.根据权利要求1所述的直喷发动机的燃料喷射控制装置，其特征在于：

当所述发动机在规定的高转速区工作时，所述燃料喷射控制部进行后级喷射和前级喷射，

所述后级喷射为：以所述升程量切换模式喷射所述燃料；

所述前级喷射为：在所述后级喷射以前，以小于所述大升程量的升程量且在喷射期间比所述后级喷射长的喷射期间内喷射所述燃料。

4.根据权利要求3所述的直喷发动机的燃料喷射控制装置，其特征在于：

当所述发动机在转速比所述高转速区低的低转速区工作时，所述燃料喷射控制部进行前级喷射和后级喷射，

所述前级喷射为：以使所述燃料喷射阀的所述升程量在所述喷射期间的前半部分和后半部分相等的模式喷射所述燃料；

所述后级喷射为：在该前级喷射之后，升程量比所述前级喷射小且喷射期间比所述前级喷射长。

5.根据权利要求3或4所述的直喷发动机的燃料喷射控制装置，其特征在于：

当所述发动机在负荷低于规定负荷的低负荷区下的所述高转速区工作时，所述燃料喷射控制部在压缩冲程的后期利用所述升程量切换模式喷射所述燃料，

当所述发动机在负荷高于所述低负荷区的区域下的所述高转速区工作时，所述燃料喷射控制部进行后级喷射和前级喷射，所述后级喷射为：以所述升程量切换模式喷射所述燃料；所述前级喷射为：在该后级喷射以前，以比所述后级喷射的所述大升程量小的小升程量且在比所述后级喷射的喷射期间长的喷射期间内喷射所述燃料。