(57)【要約】【課題】エンジンの特定運転域で吸気効率が低下するように吸気弁閉時期を変更させる火花点火式直噴エンジンにおいて、構造に変更を加えずに燃焼安定性の低下を抑える。【解決手段】吸気弁２１の低リフト運転域では、着火前の燃料噴射開始時期を、圧縮行程後期から膨張行程初期までの期間内に設定するとともに、燃料噴射開始から点火までの時間を３ｍｓｅｃ以内とするべく、燃料噴射圧力が３０ＭＰａ以上の所定圧力になるようにする。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
頂部に燃焼室を形成する気筒を有し、ガソリンを主成分とする燃料が供給されるように構成されたエンジン本体と、
上記燃焼室側に開口する吸気ポート開口を開閉するための吸気弁と、
上記吸気弁の開閉時期を変更可能な可変バルブタイミング機構と、
上記燃焼室内に上記燃料を噴射するように構成された燃料噴射弁と、
上記燃料噴射弁が噴射する燃料の圧力を変更するように構成された燃圧可変機構と、
上記燃焼室内に臨んで配設され、当該燃焼室内の混合気に点火をするように構成された点火プラグと、
少なくとも上記可変バルブタイミング機構、上記燃料噴射弁、上記燃圧可変機構及び上記点火プラグを制御することによって、上記エンジン本体を運転するように構成された制御器と、を備え、
上記制御器の制御によって、上記可変バルブタイミング機構を用いて、エンジンの特定運転域で吸気効率が低下するように、上記吸気弁の閉時期を変更させる火花点火式直噴エンジンであって、
上記制御器は、
上記特定運転域では、着火前の燃料噴射開始時期が、圧縮行程後期から膨張行程初期までの期間内になるように、上記燃料噴射弁を駆動するとともに、燃料噴射開始から点火までの時間が３ｍｓｅｃ以内となるように、上記燃圧可変機構を用いて上記燃料噴射弁の燃料噴射圧力を３０ＭＰａ以上の所定圧力に設定することを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
【請求項２】
請求項１記載の火花点火式直噴エンジンにおいて、
上記吸気弁のリフト量を連続的に変更可能なリフト量可変機構をさらに備え、
上記特定運転域が、上記リフト可変機構によってリフト量が小さく抑えられた、吸気閉弁時期が吸気下死点よりも前の低リフト運転域であることを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
【請求項３】
請求項１又は２記載の火花点火式直噴エンジンにおいて、
上記燃料噴射弁は、噴射した燃料を燃焼室内に噴霧状に拡散させることが可能なように、多数の噴口を備えていることを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１つに記載の火花点火式直噴エンジンにおいて、
排気ガスを上記気筒内へ導入するためのＥＧＲ導入手段をさらに備え、
上記制御器は、上記特定運転域での空気過剰率λを１．１以下とするべく、上記気筒内に導入される全ガス量に対するＥＧＲガス量の割合が所定割合以上になるように、上記ＥＧＲ導入手段を制御することを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１つに記載の火花点火式直噴エンジンにおいて、
上記燃焼室の一部を構成するピストンの冠面には凹状のキャビティが設けられており、
上記制御器は、燃料噴射開始時期が、圧縮上死点付近で上記キャビティ内に燃料を噴射することが可能なタイミングになるように、上記燃料噴射弁を駆動することを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンの特定運転域において、吸気効率が低下するように吸気弁閉時期を変更させる火花点火式直噴エンジンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、吸気弁のリフト量をエンジンの運転状態に応じて適切に変化させるべく、吸気弁のリフト量や開閉時期を連続的に変化させるリフト可変機構を、エンジンの動弁系に設けることが知られている。このようなリフト可変機構を備えたエンジンでは、吸気の充填量を増大させてエンジンのトルクを高めるべく、吸気負圧の慣性力を用いて吸気効率（Volumetric Efficiency：以下、ηＶともいう）を高めるために、吸気弁の閉時期を気筒の吸気下死点ではなく、吸気下死点よりも遅角させることが好ましいとされている。また、ポペットバルブの特性上、閉弁時期に近づくと吸気弁の傘部とバルブシートとの隙間が例えば１ｍｍ未満となるため、元々吸気量が狙いよりも減少することから、吸気下死点ではリフト量をある程度維持する必要があり、かかる点でも、吸気弁の閉時期を吸気下死点よりも遅角させることが好ましいとされている。以下、このような閉時期のクランク角を便宜上「吸気効率最大角」という。
【０００３】
その一方で、吸気弁の閉時期を吸気効率最大角から大きくずらすことによって、換言すると、吸気弁の閉時期をηＶが減る方向にずらすことによって、ポンピングロスの低減や、異常燃焼を抑えるための有効圧縮比低減を図れることが知られている。より詳しくは、吸気弁閉時期を吸気下死点よりかなり早い時期とする早閉じに設定、又は、吸気弁閉時期を吸気下死点よりも大きく遅れた遅閉じに設定すれば、有効圧縮比が小さくなり、圧縮上死点温度が引き下げられて異常燃焼が抑制されるとともに、圧縮仕事が少なくなってポンピングロスの低減を図れることが知られている。
【０００４】
しかしながら、吸気弁閉時期を早閉じ又は遅閉じ（ηＶが減る方向）に設定すると、スワールやタンブル等の吸気流動を有効に利用することが困難なため、エンジンの燃焼性が悪化するという問題がある。すなわち、早閉じの場合には、吸気量が少ないため元々強い吸気流動が望めない上、圧縮の際に吸気流動が弱められることから、燃料の気化霧化が促進されず、燃焼安定性が低下する一方、遅閉じの場合には、吸気量が多いため強い吸気流動を望めるものの、気筒内に吸い込まれた余剰の空気が圧縮行程において吹き戻される際に強い吸気流動が減少するので、燃料の気化霧化が促進されず、燃焼安定性が低下するという問題がある。
【０００５】
ここで、吸気流動を高める技術として、例えば特許文献１には、吸気弁が設定リフト量以下の低リフト状態にあるとき吸気ポートの開放を一部禁止するマスク部を設けることにより、燃焼室内全体を循環する強い正タンブル流を形成する筒内噴射エンジンが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−１３２８３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記特許文献１のものでは、吸気ポートにマスク部を形成することから、吸気抵抗が増大するという問題がある。また、上記特許文献１のものは、吸気ポートにマスク部を形成できることが前提となるところ、吸気ポートにマスク部を形成することが困難な構造を有するエンジンにおいては、強い正タンブル流を形成することが望めず、吸気弁閉時期を早閉じ又は遅閉じに設定した場合における燃焼安定性の低下を抑えることが困難になるという問題がある。
【０００８】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、エンジンの特定運転域で、吸気効率が低下するように吸気弁閉時期を変更させる火花点火式直噴エンジンにおいて、構造に変更を加えることなく、燃焼安定性の低下を抑える技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明に係る火花点火式直噴エンジンでは、空気流動の保存性を高めるべく、燃料噴射開始時期をリタードさせるとともに、所定以上の高い燃料圧力によって強い吸気流動を生じさせて燃料の気化霧化を促進するようにしている。
【００１０】
具体的には、第１の発明は、頂部に燃焼室を形成する気筒を有し、ガソリンを主成分とする燃料が供給されるように構成されたエンジン本体と、上記燃焼室側に開口する吸気ポート開口を開閉するための吸気弁と、上記吸気弁の開閉時期を変更可能な可変バルブタイミング機構と、上記燃焼室内に上記燃料を噴射するように構成された燃料噴射弁と、上記燃料噴射弁が噴射する燃料の圧力を変更するように構成された燃圧可変機構と、上記燃焼室内に臨んで配設され、当該燃焼室内の混合気に点火をするように構成された点火プラグと、少なくとも上記可変バルブタイミング機構、上記燃料噴射弁、上記燃圧可変機構及び上記点火プラグを制御することによって、上記エンジン本体を運転するように構成された制御器と、を備え、上記制御器の制御によって、上記可変バルブタイミング機構を用いて、エンジンの特定運転域で吸気効率が低下するように、上記吸気弁の閉時期を変更させる火花点火式直噴エンジンを対象としている。
【００１１】
そして、上記制御器は、上記特定運転域では、着火前の燃料噴射開始時期が、圧縮行程後期から膨張行程初期までの期間内になるように、上記燃料噴射弁を駆動するとともに、燃料噴射開始から点火までの時間が３ｍｓｅｃ以内となるように、上記燃圧可変機構を用いて上記燃料噴射弁の燃料噴射圧力を３０ＭＰａ以上の所定圧力に設定することを特徴とするものである。
【００１２】
ここで、新気を気筒内に取り込む際には、通常、吸気弁の閉時期を気筒の吸気下死点ではなく、吸気負圧の慣性力を用いてηＶを高めるべく、吸気下死点よりも遅角させるところ、「吸気効率が低下するように吸気弁の閉時期を変更させる」とは、かかる吸気下死点よりも遅角させたクランク角に対し、吸気弁の閉時期を更にずらすことを意味し、具体的には、吸気弁閉時期を吸気下死点より早い時期とする所謂「早閉じ」、又は、吸気弁閉時期を吸気下死点よりも大きく遅れた時期とする所謂「遅閉じ」を行うことを意味する。
【００１３】
また、吸気弁を閉じる際には、吸気ポート開口の周縁部に固定されたバルブシートと吸気弁とが当接することにより、吸気弁が跳ね返る（閉じたはずの吸気弁が再び開いてしまう）のを抑制すべく、開弁量が極めて小さくなった時点（例えば０．３〜０．４ｍｍ）からゆっくりと開弁量を０ｍｍにするために、緩衝区間を設定するところ、本発明における「閉時期」は、緩衝区間の終点（開弁量が０ｍｍ）ではなく、緩衝区間の始点である、開弁量が０．３〜０．４ｍｍ時点の閉時期を意味する。
【００１４】
第１の発明では、エンジンの特定運転域においては、ηＶが低下するように吸気弁の閉時期を変更させることから、換言すると、早閉じ又は遅閉じを行うことから、有効圧縮比を小さくすることによって圧縮上死点温度を引き下げて異常燃焼を抑制することができるとともに、圧縮仕事を少なくしてポンピングロスの低減を図ることができる。
【００１５】
もっとも、吸気弁閉時期を早閉じ又は遅閉じに設定すると、スワールやタンブル等の吸気流動を有効に利用することが困難なため、エンジンの燃焼性が悪化するおそれがある。具体的には、早閉じの場合には、吸気量が少ないため元々強い吸気流動が望めない上、圧縮の際に吸気流動が弱められるので、燃料の気化霧化が促進されず、燃焼安定性が低下する一方、遅閉じの場合には、吸気量が多いため強い吸気流動を望めるものの、気筒内に吸い込まれた余剰の空気が圧縮行程において吹き戻される際に、強い吸気流動が減少するので、燃料の気化霧化が促進されず、燃焼安定性が低下するおそれがある。
【００１６】
そこで、第１の発明では、早閉じ又は遅閉じを行うエンジンの特定運転域においては、着火前の燃料噴射開始時期が、圧縮行程後期から膨張行程初期までの期間内になるように燃料噴射を行うとともに、燃料噴射開始から点火までの時間が３ｍｓｅｃ以内となるように燃料噴射圧力を３０ＭＰａ以上の所定圧力に設定している。より詳しくは、圧縮行程後期から膨張行程初期までの期間内は、ピストンが圧縮上死点付近に位置していることから燃焼室が極めて狭くなっているところ、かかる狭い領域において高い燃料圧力で燃料を噴射すると、燃焼室内の空気に強い乱れが生じ、燃料の気化霧化が促進される。もっとも、燃料噴射開始から点火までの時間が長すぎると、燃焼室内に生じた空気の強い乱れが減少することから、第１の発明では、燃料噴射開始から点火までの時間が３ｍｓｅｃ以内となるように、燃料噴射圧力を３０ＭＰａ以上に設定している。このような高い燃料圧力で燃料を噴射することにより、所定量の燃料を短時間で噴き切ることができるとともに、燃焼室内に点火直前まで空気の強い乱れを残すことができ、これにより、燃料の気化霧化を一気に促進して、燃焼安定性が低下するのを抑えることができる。
【００１７】
第２の発明は、上記第１の発明において、上記吸気弁のリフト量を連続的に変更可能なリフト量可変機構をさらに備え、上記特定運転域が、上記リフト可変機構によってリフト量が小さく抑えられた、吸気閉弁時期が吸気下死点よりも前の低リフト運転域であることを特徴とするものである。
【００１８】
遅閉じと早閉じとを比べた場合、余剰の空気が圧縮行程において吹き戻される際に強い吸気流動が減少する遅閉じよりも、吸気量が少ないため元々強い吸気流動が望めない上、圧縮の際に吸気流動が弱められる早閉じの方が、燃焼安定性が低下し易く、且つ、かかる燃焼安定性の低下は、リフト量が小さく抑えられた低リフト運転域において顕著となるところ、第２の発明では、着火前の燃料噴射開始時期が、圧縮行程後期から膨張行程初期までの期間内になるように燃料噴射を行うとともに、燃料噴射開始から点火までの時間が３ｍｓｅｃ以内となるように燃料噴射圧力を３０ＭＰａ以上の所定圧力に設定するという制御を、リフト量が小さく抑えられた、吸気閉弁時期が吸気下死点よりも前の低リフト運転域に適用するので、低リフト運転域において早閉じを行う際の燃焼安定性の低下を抑えることができる。
【００１９】
第３の発明は、上記第１又は第２の発明において、上記燃料噴射弁は、噴射した燃料を燃焼室内に噴霧状に拡散させることが可能なように、多数の噴口を備えていることを特徴とするものである。
【００２０】
第３の発明によれば、燃料噴射弁は、噴射した燃料を燃焼室内に噴霧状に拡散させることが可能なように、多数の噴口を備えていることから、これと３０ＭＰａ以上の高い燃料圧力で燃料噴射を行うこととが相俟って、燃料の気化霧化がより一層促進されるので、燃焼安定性が低下するのをより一層確実に抑えることができる。
【００２１】
第４の発明は、上記第１〜第３のいずれか１つの発明において、排気ガスを上記気筒内へ導入するためのＥＧＲ導入手段をさらに備え、上記制御器は、上記特定運転域での空気過剰率λを１．１以下とするべく、上記気筒内に導入される全ガス量に対するＥＧＲガス量の割合が所定割合以上になるように、上記ＥＧＲ導入手段を制御することを特徴とするものである。
【００２２】
第４の発明では、空気過剰率λを実質的に１とすることから、排気エミッションを低減することができる。また、空気過剰率λが１．１以下となるように所定割合以上のＥＧＲガスを気筒内に導入することから、換言すると、気筒の全容量のうち一定割合以上がＥＧＲガスで満たされることから、吸気弁のリフト量を極端に絞ることなく、新気を気筒内に導入することが可能となり、これにより、ポンピングロスの低減を効果的に図ることができる。
【００２３】
第５の発明は、上記第１〜第４のいずれか１つの発明において、上記燃焼室の一部を構成するピストンの冠面には凹状のキャビティが設けられており、上記制御器は、燃料噴射開始時期が、圧縮上死点付近で上記キャビティ内に燃料を噴射することが可能なタイミングになるように、上記燃料噴射弁を駆動することを特徴とするものである。
【００２４】
第５の発明によれば、キャビティ内に高い燃料圧力で燃料を噴射することによって、キャビティ内のガス流動を強めることから、比較的均質な混合気を速やかに形成することが可能になり、燃焼安定性が低下するのをより確実に抑えることができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明に係る火花点火式直噴エンジンによれば、エンジンの特定運転域においては、早閉じ又は遅閉じを行うことから、有効圧縮比を小さくすることによって圧縮上死点温度を引き下げて異常燃焼を抑制することができるとともに、圧縮仕事を少なくしてポンピングロスの低減を図ることができる。
【００２６】
また、かかる特定運転域においては、着火前の燃料噴射開始時期が、圧縮行程後期から膨張行程初期までの期間内になるように燃料噴射を行うとともに、燃料噴射開始から点火までの時間が３ｍｓｅｃ以内となるように燃料噴射圧力を３０ＭＰａ以上の所定圧力に設定することから、ピストンが上昇することにより極めて狭くなっている燃焼室に、高い燃料圧力で燃料を噴射することにより、所定量の燃料を短時間で噴き切ることができるとともに、燃焼室内に点火直前まで空気の強い乱れを残すことができ、これにより、燃料の気化霧化を一気に促進して、燃焼安定性が低下するのを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本実施形態に係る火花点火式直噴ガソリンエンジンの構成を示す概略図である。
【図２】火花点火式直噴ガソリンエンジンの制御に係るブロック図である。
【図３】燃焼室を拡大して示す断面図である。
【図４】火花点火式直噴ガソリンエンジンの運転領域を例示する図である。
【図５】ＶＶＴ及びＣＶＶＬによるリフト特性の変化の一例を示すリフト特性図である。
【図６】緩衝区間を設ける場合のリフト特性の一例を示すリフト特性図である。
【図７】図７（ａ）は、吸気行程噴射を行う場合の燃料噴射時期の一例と、それに伴うＳＩ燃焼の熱発生率の例示、同図（ｂ）は、高圧リタード噴射を行う場合の燃料噴射時期の一例と、それに伴うＳＩ燃焼の熱発生率の例示である。
【図８】吸気効率と燃料噴射圧力との関係を概略的に示す図である。
【図９】高圧リタード噴射によるＳＩ燃焼の状態と、従来のＳＩ燃焼の状態とを比較する図である。
【図１０】火花点火式ガソリンエンジンの制御の手順を示すフローチャート図である。
【図１１】排気弁及び吸気弁の開弁期間を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明に係る火花点火式直噴ガソリンエンジンの実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２９】
（全体構成）
図１は、本実施形態に係る火花点火式直噴ガソリンエンジンの構成を示す概略図であり、図２は、火花点火式直噴ガソリンエンジンの制御に係るブロック図である。このエンジン（エンジン本体）１は、車両に搭載される、ガソリンを主成分とする燃料が供給される火花点火式直噴ガソリンエンジンである。エンジン１は、各々頂部に燃焼室１９を形成する、複数の気筒１８が設けられたシリンダブロック１１と、このシリンダブロック１１上に配設されたシリンダヘッド１２と、シリンダブロック１１の下側に配設され、潤滑油が貯留されるオイルパン１３と、を有している。なお、図１では、１つの気筒１８のみを図示するが、シリンダブロック１１には例えば４つの気筒が直列に設けられている。
【００３０】
各気筒１８内には、コンロッド１４２を介してクランクシャフト１５と連結されているピストン１４が往復動可能に嵌挿されている。ピストン１４の頂面（冠面）には、図３に拡大して示すように、ディーゼルエンジンにおけるリエントラント型のようなキャビティ１４１が形成されており、このキャビティ１４１は、ピストン１４が圧縮上死点付近に位置するときには、後述する直噴インジェクタ６７に相対するようになっている。そうして、シリンダヘッド１２と、気筒１８と、キャビティ１４１を有するピストン１４とによって、燃焼室１９が区画されている。なお、燃焼室１９の形状は、図示する形状に限定されるものではなく、例えば、キャビティ１４１の形状、ピストン１４の頂面形状、及び、燃焼室１９の天井部の形状等は、適宜変更することが可能である。
【００３１】
このエンジン１は、理論熱効率の向上や、後述する圧縮着火燃焼の安定化等を目的として、１５以上の比較的高い幾何学的圧縮比に設定されている。なお、幾何学的圧縮比は１５以上２０以下程度の範囲で、適宜設定すればよい。
【００３２】
シリンダヘッド１２には、気筒１８毎に、吸気ポート１６及び排気ポート１７が形成されており、これら吸気ポート１６及び排気ポート１７には、燃焼室１９側の吸気ポート開口及び排気ポート開口の周縁部に固定されたバルブシート（図示せず）に当接することによって各ポート開口を開閉する吸気弁２１及び排気弁２２がそれぞれ配設されている。
【００３３】
これら吸気弁２１及び排気弁２２をそれぞれ駆動する動弁系のうち、排気側の動弁系には、排気弁２２の作動モードを通常モードと特殊モードとに切り替える、例えば油圧作動式の可変機構（Variable Valve Lift、以下、ＶＶＬともいう）７１が設けられている（図２参照）。ＶＶＬ７１は、その構成の詳細な図示は省略するが、カムプロファイルの異なる２種類のカム（カム山を一つ有する第１カム及びカム山を２つ有する第２カム）、並びに、その第１及び第２カムのいずれか一方のカムの作動状態を選択的に排気弁２２に伝達するロストモーション機構を含んで構成されている。排気弁２２は、第１カムの作動状態が伝達されているときには、排気行程において一度だけ開弁される通常モードで作動するのに対し、第２カムの作動状態が伝達されているときには、排気行程において開弁するのみならず吸気行程においても開弁する、所謂「排気二度開き」を行う特殊モードで作動し、これらの通常モードと特殊モードとは、エンジンの運転状態に応じて切り替えられる。具体的には、特殊モードは、内部ＥＧＲに係る制御の際に利用される。ここで、「内部ＥＧＲ」とは、燃焼室１９内で燃焼した既燃ガスを気筒１８内に残留させること、又は、燃焼室１９から排気ポート１７に追い出された既燃ガスを高温のまま気筒１８内に導入することを意味する。なお、本実施形態における内部ＥＧＲの実行は、排気二度開きによって、すなわち、排気工程で排気ポート１７に追い出された高温の既燃ガスを、吸気行程で排気弁２２を開くことにより気筒１８内へ導入することで実現してもよいし、吸気弁２１を二回開く、「吸気二度開き」によって内部ＥＧＲ制御を行ってもよいし、また、排気行程乃至吸気行程において吸気弁２１及び排気弁２２の双方を閉じるネガティブオーバーラップ期間を設けて既燃ガスを気筒１８内に残留させる内部ＥＧＲ制御を行ってもよい。
【００３４】
なお、以下の説明においては、ＶＶＬ７１を通常モードで作動させ、排気二度開きを行わないことを、「ＶＶＬ７１をオフにする」といい、ＶＶＬ７１を特殊モードで作動させ、排気二度開きを行うことを、「ＶＶＬ７１をオンにする」という場合がある。また、こうした通常モードと特殊モードとの切り替えを可能にする上で、排気弁２２を電磁アクチュエータによって駆動する電磁駆動式の動弁系を採用してもよい。
【００３５】
以上に対し、動弁系の吸気側には、図２に示すように、クランクシャフト１５に対する吸気カムシャフトの回転位相を変更することが可能な位相可変機構（Variable Valve Timing、以下、ＶＶＴともいう）７２と、吸気弁２１のリフト量を連続的に変更することが可能なリフト量可変機構（Continuously Variable Valve Lift、以下、ＣＶＶＬともいう）７３とが設けられている。ＶＶＴ７２は、液圧式、電磁式又は機械式の公知の構造を適宜採用すればよく、また、ＣＶＶＬ７３も、公知の種々の構造を適宜採用することが可能であり、これらの詳細な構造は図示省略する。これらＶＶＴ７２及びＣＶＶＬ７３によって、吸気弁２１はその開弁タイミング及び閉弁タイミング、並びに、リフト量をそれぞれ変更することが可能となっている。
【００３６】
また、シリンダヘッド１２には、燃焼室１９内に燃料を直接噴射する直噴インジェクタ（燃料噴射弁）６７が、気筒１８毎に取り付けられている。直噴インジェクタ６７は、図３に拡大して示すように、その噴口が燃焼室１９の天井面の中央部分から、当該燃焼室１９内に臨むように配設されている。直噴インジェクタ６７は、後述するＰＣＭ１０の指令に従って、エンジン１の運転状態に応じて設定された噴射タイミングで、且つ、エンジン１の運転状態に応じて設定された量だけ、燃料を燃焼室１９内に直接噴射する。この例では、直噴インジェクタ６７は、詳細な図示は省略するが、複数の噴口を有する多噴口型の直噴インジェクタであり、これによって、燃料噴霧が、燃焼室１９の中心位置から放射状に拡散されるように、燃料を噴射するようになっている。図３に矢印で示すように、ピストン１４が圧縮上死点付近に位置するタイミングで、燃焼室１９の中央部分から放射状に広がるように噴射された燃料噴霧は、ピストン１４の頂面に形成されたキャビティ１４１の壁面に沿って流動する。換言すると、キャビティ１４１は、ピストン１４が圧縮上死点付近に位置するタイミングで噴射された燃料噴霧を、その内部に収めるように形成されている。この多噴口型の直噴インジェクタ６７とキャビティ１４１との組み合わせは、燃料の噴射後、混合気形成期間を短くするとともに、燃焼期間を短くする上で有利な構成である。なお、直噴インジェクタ６７は、多噴口型の直噴インジェクタに限定されず、外開弁タイプの直噴インジェクタを採用してもよい。
【００３７】
図外の燃料タンクと直噴インジェクタ６７との間は、燃料供給経路によって互いに連結されている。この燃料供給経路上には、直噴インジェクタ６７に比較的高い燃料圧力で燃料を供給することが可能な、燃料ポンプ６３とコモンレール６４とを含む高圧燃料供給システム（燃圧可変機構）６２が介設されている。燃料ポンプ６３は、燃料タンクからコモンレール６４に燃料を圧送し、コモンレール６４は、圧送された燃料を比較的高い燃料圧力で蓄えることが可能に構成されている。そうして、直噴インジェクタ６７が開弁することによって、コモンレール６４に蓄えられている燃料が直噴インジェクタ６７の噴口から噴射される。ここで、燃料ポンプ６３は、図示は省略するが、プランジャー式のポンプであり、エンジン１によって駆動される。このエンジン駆動のポンプを含む構成の高圧燃料供給システム６２は、３０ＭＰａ以上の高い燃料圧力の燃料を、直噴インジェクタ６７に供給することを可能にし、その燃料圧力は最大で１２０ＭＰａ程度に設定することができる。直噴インジェクタ６７に供給される燃料の圧力は、後述するように、エンジン１の運転状態に応じて変更される。なお、高圧燃料供給システム６２は、この構成に限定されるものではない。
【００３８】
さらに、シリンダヘッド１２には、図３に示すように、燃焼室１９内の混合気に点火するための点火プラグ２５が取り付けられている。点火プラグ２５は、この例では、エンジン１の排気側から斜め下向きに延びるように、シリンダヘッド１２内を貫通するとともに、その先端が、圧縮上死点に位置するピストン１４のキャビティ１４１内に臨むように配置されている。
【００３９】
図１に示すように、エンジン１の一側面には、各気筒１８の吸気ポート１６に連通するように吸気通路３０が接続されている一方、エンジン１の他側面には、各気筒１８の燃焼室１９からの既燃ガス（排気ガス）を排出する排気通路４０が接続されている。
【００４０】
吸気通路３０の上流端部には、吸入空気を濾過するエアクリーナ３１が配設されている一方、吸気通路３０における下流端近傍には、サージタンク３３が配設されており、このサージタンク３３よりも下流側の吸気通路３０は、各気筒１８毎に分岐する独立通路とされ、これら各独立通路の下流端が各気筒１８の吸気ポート１６にそれぞれ接続されている。
【００４１】
吸気通路３０におけるエアクリーナ３１とサージタンク３３との間には、空気を冷却又は加熱する、水冷式のインタークーラ／ウォーマ３４と、各気筒１８への吸入空気量を調節するスロットル弁３６とが配設されている。また、吸気通路３０には、インタークーラ／ウォーマ３４をバイパスするインタークーラバイパス通路３５が接続されており、このインタークーラバイパス通路３５には、当該通路３５を通過する空気流量を調整するためのインタークーラバイパス弁３５１が配設されている。このインタークーラバイパス弁３５１の開度調整を通じて、インタークーラバイパス通路３５の通過流量とインタークーラ／ウォーマ３４の通過流量との割合を調整することにより、気筒１８に導入する新気の温度を調整することが可能となっている。
【００４２】
排気通路４０の上流側の部分は、各気筒１８毎に分岐して排気ポート１７の外側端に接続された独立通路と該各独立通路が集合する集合部とを有する排気マニホールドによって構成されている。この排気通路４０における排気マニホールドよりも下流側には、排気ガス中の有害成分を浄化する排気浄化装置として、直キャタリスト４１とアンダーフットキャタリスト４２とがそれぞれ接続されている。直キャタリスト４１及びアンダーフットキャタリスト４２はそれぞれ、筒状ケースと、そのケース内の流路に配置した、例えば三元触媒とを備えて構成されている。
【００４３】
吸気通路３０におけるサージタンク３３とスロットル弁３６との間の部分と、排気通路４０における直キャタリスト４１よりも上流側の部分とは、排気ガスの一部を吸気通路３０に還流するためのＥＧＲ通路５０を介して接続されている。このＥＧＲ通路５０は、排気ガスをエンジン冷却水によって冷却するためのＥＧＲクーラ５２が配設された主通路５１と、ＥＧＲクーラ５２をバイパスするためのＥＧＲクーラバイパス通路５３と、を含んで構成されている。主通路５１には、排気ガスの吸気通路３０への還流量を調整するためのＥＧＲ弁５１１が配設され、ＥＧＲクーラバイパス通路５３には、ＥＧＲクーラバイパス通路５３を流通する排気ガスの流量を調整するためのＥＧＲクーラバイパス弁５３１が配設されている。
【００４４】
なお、本実施形態におけるＥＧＲガスの導入は、上述の如く、排気二度開きや吸気二度開きやネガティブオーバーラップによって、内部ＥＧＲとして行ってもよいし、ＥＧＲ弁５１１やＥＧＲクーラバイパス弁５３１の制御を通じて、外部ＥＧＲとして行ってもよい。これにより、吸気弁２１、排気弁２２、ＶＶＬ７１、ＶＶＴ７２及びＣＶＶＬ７３、主通路５１とＥＧＲクーラバイパス通路５３とを含むＥＧＲ通路５０、ＥＧＲ弁５１１、並びに、ＥＧＲクーラバイパス弁５３１等が、本発明でいうところの、排気ガスを気筒１８内へ導入するためのＥＧＲ導入手段を構成している。
【００４５】
このように構成されたエンジン１は、パワートレイン・コントロール・モジュール（以下、ＰＣＭという）１０によって制御される。ＰＣＭ１０は、ＣＰＵ、メモリ、カウンタタイマ群、インターフェース及びこれらのユニットを接続するパスを有するマイクロプロセッサで構成されている。このＰＣＭ１０が本発明で言うところの制御器を構成する。
【００４６】
ＰＣＭ１０には、図１及び図２に示すように、各種のセンサＳＷ１〜ＳＷ１６の検出信号が入力される。この各種のセンサには、次のセンサが含まれる。すなわち、エアクリーナ３１の下流側で、新気の流量を検出するエアフローセンサＳＷ１及び新気の温度を検出する吸気温度センサＳＷ２、インタークーラ／ウォーマ３４の下流側に配置され、インタークーラ／ウォーマ３４を通過した後の新気の温度を検出する第２吸気温度センサＳＷ３、ＥＧＲ通路５０における吸気通路３０との接続部近傍に配置され、外部ＥＧＲガスの温度を検出するＥＧＲガス温センサＳＷ４、吸気ポート１６に取り付けられ、気筒１８内に流入する直前の吸気の温度を検出する吸気ポート温度センサＳＷ５、シリンダヘッド１２に取り付けられ、気筒１８内の圧力を検出する筒内圧センサＳＷ６、排気通路４０におけるＥＧＲ通路５０の接続部近傍に配置され、それぞれ排気温度及び排気圧力を検出する排気温センサＳＷ７及び排気圧センサＳＷ８、直キャタリスト４１の上流側に配置され、排気中の酸素濃度を検出するリニアＯ２センサＳＷ９、直キャタリスト４１とアンダーフットキャタリスト４２との間に配置され、排気中の酸素濃度を検出するラムダＯ２センサＳＷ１０、エンジン冷却水の温度を検出する水温センサＳＷ１１、クランクシャフト１５の回転角を検出するクランク角センサＳＷ１２、車両のアクセルペダル（図示省略）の操作量に対応したアクセル開度を検出するアクセル開度センサＳＷ１３、吸気側及び排気側のカム角センサＳＷ１４，ＳＷ１５、及び、高圧燃料供給システム６２のコモンレール６４に取り付けられ、直噴インジェクタ６７に供給する燃料圧力を検出する燃圧センサＳＷ１６である。
【００４７】
ＰＣＭ１０は、これらの検出信号に基づいて種々の演算を行うことによってエンジン１や車両の状態を判定し、これに応じて直噴インジェクタ６７、点火プラグ２５、吸気弁２１側のＶＶＴ７２及びＣＶＶＬ７３、排気弁２２側のＶＶＬ７１、高圧燃料供給システム６２、並びに、各種の弁（スロットル弁３６、インタークーラバイパス弁３５１、ＥＧＲ弁５１１、及びＥＧＲクーラバイパス弁５３１）のアクチュエータへ制御信号を出力する。こうしてＰＣＭ１０は、エンジン１を運転する。
【００４８】
（エンジン制御の概要）
上述の如く、本実施形態のエンジン１には、動弁系の吸気側に、クランクシャフト１５に対する吸気カムシャフトの回転位相を変更することが可能なＶＶＴ７２と、吸気弁２１のリフト量を連続的に変更することが可能なＣＶＶＬ７３とが設けられている。このようなリフト可変機構を備えたエンジンでは、吸気の充填量を増大させてエンジンのトルクを高めるために、吸気負圧の慣性力を用いて吸気効率（Volumetric Efficiency：以下、ηＶともいう）を高めるべく、吸気弁２１の閉時期を気筒１８の吸気下死点ではなく、吸気下死点よりも遅角させることが好ましいとされている。また、ポペットバルブの特性上、閉弁時期に近づくと低リフト（吸気弁２１の傘部とバルブシートとの隙間が例えば１ｍｍ未満となる）となるため、元々吸気量が狙いよりも減少することから、吸気下死点ではリフト量をある程度維持する必要があり、かかる点でも、吸気下死点よりも遅角させることが好ましいとされている。なお、ηＶが最大となる例としては、エンジン回転数が１５００ｒｐｍであれば、例えば、閉時期を吸気下死点よりも３０〜４０°ＣＡだけ遅角させたときが挙げられる。
【００４９】
しかしながら、本実施形態では、ポンピングロスの低減や、異常燃焼を抑えるための有効圧縮比低減を図るべく、吸気弁２１の閉弁時期をηＶが減る方向にずらすようにしている。より詳しくは、吸気弁閉時期を吸気下死点より早い時期とする、所謂「早閉じ」に設定することで、有効圧縮比を小さくし、圧縮上死点温度を引き下げて異常燃焼を抑制するとともに、圧縮仕事が少なくしてポンピングロスの低減を図っている。
【００５０】
もっとも、吸気弁閉時期を早閉じに設定すると、スワールやタンブル等の吸気流動を有効に利用することが困難となるため、エンジンの燃焼性が悪化するおそれがある。すなわち、早閉じの場合には、吸気量が少ないため元々強い吸気流動が望めない上、圧縮の際に吸気流動が弱められるので、燃料の気化霧化が促進されず、燃焼安定性が低下する。
【００５１】
そこで、本実施形態では、吸気流動が弱くなる点を、燃焼室１９内に強い乱れを生じさせることで補うべく、燃料噴射圧力を３０ＭＰａ以上の所定圧力に設定するとともに、燃焼（点火）時期を大きく遅角（リタード）させるようにしている。この燃料噴射形態は、従来と比較して大幅に高圧化した燃料圧力でもって、圧縮行程から膨張行程初期までの期間内に、気筒１８内に燃料噴射を実行するものであり、この特徴的な燃料噴射形態を、以下においては「高圧リタード噴射」又は単に「リタード噴射」と呼ぶ。
【００５２】
この高圧リタード噴射は、図４の斜線を付した領域、すなわち、低吸気流動による燃焼性の低下が特に懸念される低回転低負荷の領域で実行される。しかも、余剰の空気が圧縮行程において吹き戻される際に強い吸気流動が減少する遅閉じよりも、吸気量が少ないため元々強い吸気流動が望めない上、圧縮の際に吸気流動が弱められる早閉じの方が、燃焼安定性が低下し易く、且つ、かかる燃焼安定性の低下は、リフト量が小さく抑えられた低リフト運転域において顕著となる。そこで、高圧リタード噴射は、図４の斜線を付した低回転低負荷の領域における、ＣＶＶＬ７３によってリフト量が小さく抑えられた、吸気閉弁時期が吸気下死点よりも前の低リフト運転域（図５の斜線部参照）で実行される。
【００５３】
図５は、ＶＶＴ及びＣＶＶＬによるリフト特性の変化の一例を示すリフト特性図である。図５の斜線を付した低リフト運転域のうち、領域Ａは、ＥＧＲガスを気筒１８に導入しない場合の低リフト運転域を示す一方、領域Ｂは、ＥＧＲガスを気筒１８に導入する場合の低リフト運転域を示す。ここで、最大リフト量は、高圧リタード噴射を行うか否かを決定する際の基準となることから、領域Ａの最大リフト量を第１所定値とし、また、領域Ｂの最大リフト量を第２所定値とする。そうして、ＥＧＲガスを導入する場合には、リフト量が見かけ上大きくても、気筒１８に導入されるＥＧＲガスの分だけ吸気流量が減少するので、第２所定値は第１所定値よりも大きく設定されている。
【００５４】
ＥＧＲガスを気筒１８に導入する場合には、ＰＣＭ１０は、低回転低負荷領域（特定運転域）での空気過剰率λを１．１以下とするべく、気筒１８内に導入される全ガス量に対するＥＧＲガス量の割合が所定割合以上になるように、ＶＶＬ７１、ＶＶＴ７２及びＣＶＶＬ７３、又は、ＥＧＲ弁５１１及びＥＧＲクーラバイパス弁５３１等を制御する。この場合には、空燃比を実質的にλ≒１とすることから、Ｒａｗ ＨＣ、ＣＯの排出量を少なくしてエミッションの低減を図ることができる。また、空気過剰率λが１．１以下となるように所定割合以上のＥＧＲガスを気筒１８内に導入することから、換言すると、気筒１８の全容量のうち一定割合以上がＥＧＲガスで満たされることから、吸気弁２１のリフト量を極端に絞ることなく、新気を気筒１８内に導入することが可能となり、これにより、ポンピングロスの低減を効果的に図ることができる。なお、ＥＧＲガスの導入は、ポンピングロスの低減を図るために行われることから、導入されるＥＧＲガスは、主通路５１及び／又はＥＧＲクーラバイパス通路５３を経て気筒１８内に還流される外部ＥＧＲでもよいし、排気二度開きによって導入又はネガティブオーバーラップによって気筒１８内に残留される内部ＥＧＲでもよい。
【００５５】
ここで、吸気弁２１の閉弁時期がどの程度早ければ「早閉じ」に当たるのかが問題となるも、本実施形態では、吸気弁２１の閉時期が吸気下死点よりも前である場合を「早閉じ」とする。
【００５６】
また、吸気弁２１とバルブシートとの位置関係がどのような状態になったときが「閉弁時期」に当たるのかが問題となるも、リフト量が減少するときにおけるリフトカーブの変曲点をもって、「閉弁時期」とする。より詳しくは、吸気弁２１はエンジン１のサイクルに合わせて往復運動を行うところ、閉弁の際に吸気弁２１の傘部とバルブシートとが強く当接すると、その衝撃で吸気弁２１が開弁方向に跳ね返って吸気弁２１が開いてしまうという問題があることから、リフトカーブには通常、図６に示すような緩衝区間が設けられている。すなわち、最大リフト量からリフトカーブに沿ってリフト量を一気に０にするのではなく、リフト量が例えば０．３〜０．４ｍｍとなった時点（変曲点、図６中の白丸）で、リフトカーブを変曲させて、吸気弁２１の跳ね返りを抑えるべく、例えば２０°ＣＡだけ緩衝区間を設けて、リフト量が０．３〜０．４ｍｍとなった後、２０°ＣＡだけ遅れたタイミングで緩やかにリフト量が０ｍｍ（図６中の黒丸）になるようにしている。もっとも、リフト量が０．３〜０．４ｍｍというように極めて小さい場合には、吸気がほとんど行われないことから、本実施形態では、リフトカーブの変曲点をもって「閉弁時期」としている。以下、このような閉弁時期を、例えば「リフト量０．３ｍｍ時点の閉弁時期」ないしは「リフト量０．４ｍｍ時点の閉弁時期」ともいう。
【００５７】
図７（ａ）は、吸気行程噴射を行う場合の燃料噴射時期の一例と、それに伴う熱発生率の例示である。この燃料噴射形態は、吸気行程中に気筒１８内に所定量の燃料噴射を実行することから、燃料噴射後、気筒１８内ではピストン１４が圧縮上死点に至るまでの間に、比較的均質な混合気が形成される。そして、この例では、圧縮上死点近傍の所定タイミングで点火が実行され、それによって燃焼が開始し、熱発生率のピークを経て燃焼が終了する。以下、この燃料噴射形態を「均一燃焼モード」と称する。均一燃焼モードは、理論空燃比による均質燃焼によって、高い燃焼効率とエンジントルクの確保を図ることができるが、スワールやタンブル等の吸気流動を有効に利用することが困難な早閉じの場合には不向きである。
【００５８】
図７（ｂ）は、高圧リタード噴射を行う場合の燃料噴射時期の一例と、それに伴うＳＩ燃焼の熱発生率の例示である。この燃料噴射形態は、早閉じを行うことによりスワールやタンブル等の強い吸気流動を有効に利用することが困難に場合に実行されるものであり、図７（ｂ）に示すように、燃料噴射時期を均一燃焼モードよりも大きくリタードさせて、着火前の燃料噴射開始時期を圧縮行程後期から膨張行程初期までの期間内としている。そうして、圧縮行程後期から膨張行程初期までの期間内は、ピストン１４が圧縮上死点付近に位置していることから燃焼室１９が極めて狭くなっているところ、この燃料噴射形態では、かかる狭い領域（燃焼室１９）において、燃料噴射開始から点火までの時間が３ｍｓｅｃ以内となるように、燃料噴射圧力を３０ＭＰａ以上の所定圧力に設定して燃料を噴射する。これにより、燃焼室１９内の空気に強い乱れが生じ、燃料の気化霧化が促進されるとともに、燃料噴射開始から点火までの時間が３ｍｓｅｃ以内と短いことから、燃焼室１９内に生じた空気の強い乱れを点火直前まで残して、燃焼安定性が低下するのを抑えることができる。以下、この燃料噴射形態を「高圧リタード噴射モード」と称する。
【００５９】
このように、本実施形態では、図８に示すように、ηＶが所定値よりも低下した場合には、高い燃料圧力で燃料噴射を行うことによって、早閉じによるポンピングロス低減という効果を得ながら、燃焼安定性が低下するのを抑えるようにしている。
【００６０】
なお、気筒１８のポンピングロス低減を図るために、高い燃料圧力で燃料噴射を行うと、燃料ポンプ６３にポンピングロスが生じるが、早閉じ（又は遅閉じ）を行えば、スロットル弁全閉の場合に比して１００ｋＰａのポンピングロス低減が望めるのに対し、燃料ポンプ６３に生じるポンピングロスは、燃料噴射圧力が４０ＭＰａ以下の場合にはほとんど生じず、また、燃料噴射圧力が１２０ＭＰａの場合でも４０ｋＰａに過ぎないないことから、早閉じ（又は遅閉じ）によって得られるポンピングロス低減という効果は大きいといえる。
【００６１】
次に、図９を参照しながら、ＳＩモードにおける高圧リタード噴射について説明する。図９は、前述した高圧リタード噴射によるＳＩ燃焼（実線）と、吸気行程中に燃料噴射を実行する従来のＳＩ燃焼（破線）とにおける、熱発生率（上図）及び未燃混合気反応進行度（下図）の違いを比較する図である。図９の横軸はクランク角である。この比較の前提として、噴射する燃料量は、高圧リタード噴射によるＳＩ燃焼と従来のＳＩ燃焼との場合で互いに同じである。
【００６２】
先ず、従来のＳＩ燃焼では、吸気行程中に気筒１８内に所定量の燃料噴射を実行する（上図の破線）。気筒１８内では、その燃料の噴射後、ピストン１４が圧縮上死点に至るまでの間に、比較的均質な混合気が形成される。そして、この例では、圧縮上死点以降の、白丸で示す所定タイミングで点火が実行され、それによって燃焼が開始する。燃焼の開始後は、図９の上図に破線で示すように、熱発生率のピークを経て燃焼が終了する。燃料噴射の開始から燃焼の終了までの間が未燃混合気の反応可能時間（以下、単に反応可能時間ともいう）に相当し、図９の下図に破線で示すように、この間に未燃混合気の反応は次第に進行する。同図における点線は、未燃混合気が着火に至る反応度である、着火しきい値を示しており、従来のＳＩ燃焼は、低速域であることと相俟って、反応可能時間が非常に長く、その間、未燃混合気の反応が進行し続けてしまうことから、点火の前後に未燃混合気の反応度が着火しきい値を超えてしまい、過早着火又はノッキングといった異常燃焼を引き起こす。
【００６３】
これに対し、高圧リタード噴射は反応可能時間の短縮を図り、そのことによって異常燃焼を回避することを目的とする。すなわち、反応可能時間は、図９にも示しているように、直噴インジェクタ６７が燃料を噴射する期間（（１）噴射期間）と、噴射終了後、点火プラグ２５の周りに可燃混合気が形成されるまでの期間（（２）混合気形成期間）と、点火によって開始された燃焼が終了するまでの期間（（３）燃焼期間）と、を足し合わせた時間、つまり、（１）＋（２）＋（３）である。高圧リタード噴射は、噴射期間、混合気形成期間及び燃焼期間をそれぞれ短縮し、それによって、反応可能時間を短くする。このことについて、順に説明する。
【００６４】
先ず、高い燃料圧力は、単位時間当たりに直噴インジェクタ６７から噴射される燃料量を相対的に多くする。このため、燃料噴射量を一定とした場合に、燃料圧力と燃料の噴射期間との関係は概ね、燃料圧力が低いほど噴射期間は長くなり、燃料圧力が高いほど噴射期間は短くなる。従って、燃料圧力が従来に比べて大幅に高く設定された高圧リタード噴射は、噴射期間を短縮する。
【００６５】
また、高い燃料圧力は、気筒１８内に噴射する燃料噴霧の微粒化に有利になると共に、燃料噴霧の飛翔距離を、より長くする。このため、燃料圧力と燃料蒸発時間との関係は概ね、燃料圧力が低いほど燃料蒸発時間は長くなり、燃料圧力が高いほど燃料蒸発時間は短くなる。また、燃料圧力と点火プラグ２５の周りに燃料噴霧が到達するまでの時間は概ね、燃料圧力が低いほど到達までの時間は長くなり、燃料圧力が高いほど到達までの時間は短くなる。混合気形成期間は、燃料蒸発時間と、点火プラグ２５の周りへの燃料噴霧到達時間とを足し合わせた時間であるから、燃料圧力が高いほど混合気形成期間は短くなる。従って、燃料圧力が従来に比べて大幅に高く設定された高圧リタード噴射は、燃料蒸発時間及び点火プラグ２５の周りへの燃料噴霧到達時間がそれぞれ短くなる結果、混合気形成期間を短縮する。これに対し、同図に白丸で示すように、従来の、低い燃料圧力での吸気行程噴射は、混合気形成期間が大幅に長くなる。なお、多噴口型の直噴インジェクタ６７とキャビティ１４１との組み合わせは、燃料の噴射後、点火プラグ２５の周りに燃料噴霧が到達するまでの時間を短くする結果、混合気形成期間の短縮に有効である。
【００６６】
このように、噴射期間及び混合気形成期間を短縮することは、燃料の噴射タイミング、より正確には、噴射開始タイミングを、比較的遅いタイミングにすることを可能にする。そこで、高圧リタード噴射では、図９の上図に示すように、圧縮行程後期から膨張行程初期にかけてのリタード期間内に燃料噴射を行う。高い燃料圧力で気筒１８内に燃料を噴射することに伴い、その気筒１８内の乱れが強くなり、気筒１８内の乱れエネルギが高まるところ、この高い乱れエネルギは、燃料噴射のタイミングが比較的遅いタイミングに設定されることと相俟って、燃焼期間の短縮に有利になる。
【００６７】
すなわち、燃料噴射をリタード期間内に行った場合、燃料圧力と燃焼期間内での乱流エネルギとの関係は概ね、燃料圧力が低いほど乱流エネルギが低くなり、燃料圧力が高いほど乱流エネルギは高くなる。ここで、仮に高い燃料圧力で燃焼室１９内に燃料を噴射するとしても、その噴射タイミングが吸気行程中にある場合は、点火タイミングまでの時間が長いことや、吸気行程後の圧縮行程において気筒１８内が圧縮されることに起因して、気筒１８内の乱れは減衰してしまう。その結果、吸気行程中に燃料噴射を行った場合、燃焼期間内での乱流エネルギは、燃料圧力の高低に拘わらず比較的低くなってしまう。
【００６８】
燃焼期間での乱流エネルギと燃焼期間との関係は概ね、乱流エネルギが低いほど燃焼期間が長くなり、乱流エネルギが高いほど燃焼期間が短くなる。従って、燃料圧力と燃焼期間との関係は、燃料圧力が低いほど燃焼期間は長くなり、燃料圧力が高いほど燃焼期間は短くなる。すなわち、高圧リタード噴射は、燃焼期間を短縮する。これに対し、従来の、低い燃料圧力での吸気行程噴射は、燃焼期間が長くなる。なお、多噴口型の直噴インジェクタ６７は、気筒１８内の乱れエネルギの向上に有利であって、燃焼期間の短縮に有効であるとともに、その多噴口型の直噴インジェクタ６７とキャビティ１４１との組み合わせによって、燃料噴霧をキャビティ１４１内に収めることもまた、燃焼期間の短縮に有効である。
【００６９】
このように高圧リタード噴射は、噴射期間、混合気形成期間、及び、燃焼期間をそれぞれ短縮し、その結果、図９に示すように、燃料の噴射開始タイミングＳＯＩから燃焼終了時期θｅｎｄまでの、未燃混合気の反応可能時間を、従来の吸気行程中での燃料噴射の場合と比較して大幅に短くすることを可能にする。この反応可能時間を短縮する結果、図９の上段に示す図のように、従来の低い燃料圧力での吸気行程噴射では、白丸で示すように、燃焼終了時における未燃混合気の反応進行度が、着火しきい値を超えてしまい、異常燃焼が発生してしまうのに対し、高圧リタード噴射は、黒丸で示すように、燃焼終了時における未燃混合気の反応の進行を抑制し、異常燃焼を回避することが可能になる。なお、図９の上図における白丸と黒丸とで、点火タイミングは互いに同じタイミングに設定している。
【００７０】
燃料圧力は、例えば３０ＭＰａ以上に設定することによって、燃焼期間を効果的に短縮化することが可能である。また、３０ＭＰａ以上の燃料圧力は、噴射期間及び混合気形成期間も、それぞれ有効に短縮化することが可能である。なお、燃料圧力は、ガソリンを主成分とする、使用燃料の性状に応じて適宜設定するのが好ましい。その上限値は、一例として、１２０ＭＰａとしてもよい。
【００７１】
高圧リタード噴射は、気筒１８内への燃料噴射の形態を工夫することによって異常燃焼の発生を回避する。これとは異なり、異常燃焼の回避を目的として点火タイミングを遅角することが、従来から知られている。点火タイミングの遅角化は、未燃混合気の温度及び圧力の上昇を抑制することによって、その反応の進行を抑制する。しかしながら、点火タイミングの遅角化は熱効率及びトルクの低下を招くのに対し、高圧リタード噴射を行う場合は、燃料噴射の形態の工夫によって異常燃焼を回避する分、点火タイミングを進角させることが可能であるから、熱効率及びトルクが向上する。つまり、高圧リタード噴射は、異常燃焼を回避するだけでなく、その回避可能な分だけ、点火タイミングを進角することを可能にして、燃費を良くするのに有利になる。
【００７２】
（具体的な制御手順）
次に、エンジン制御の具体的な手順を図１０に示すフローチャートに基づいて説明する。
【００７３】
先ず、フローのスタート後のステップＳ１では、エアフローセンサＳＷ１、筒内圧センサＳＷ６、クランク角センサＳＷ１２、アクセル開度センサＳＷ１３等の各種センサからの信号がＰＣＭ１０に入力される。なお、各種センサからの信号は、これ以降のステップにおいても随時ＰＣＭ１０に入力される。
【００７４】
次のステップＳ２では、ＰＣＭ１０が、例えばエアフローセンサＳＷ１及びアクセル開度センサＳＷ１３の検出結果に基づき負荷を、また、例えばクランク角センサＳＷ１２の検出結果に基づきエンジン回転数を算出し、特定運転領域であるか否か、具体的には、低回転低負荷の領域であるか否かを判定する。このステップＳ２の判定がＮＯの場合、すなわち、エンジンの運転領域が高負荷領域又は高回転領域にある場合には、Ｓ８に進んで均一燃焼モード制御を行い、換言すると、ＰＣＭ１０が、吸気行程噴射を行うように直噴インジェクタ６７を駆動し且つ点火プラグ２５を用いて点火を行った後、リターンする。一方、ステップＳ２の判定がＹＥＳの場合には、ステップＳ３に進む。
【００７５】
吸気弁２１のリフト量が絶対的に小さければ、スワールやタンブル等の吸気流動を有効に利用することは困難である一方、吸気弁２１のリフト量がやや大きくなっても、ＥＧＲガスを気筒１８内に導入すると、気筒１８内に導入される新気の量が減少することから、新気についての強い吸気流動を望めない場合があることに鑑み、次のステップＳ３では、ＥＧＲガスが気筒１８内に導入されている否かをＰＣＭ１０が判定する。このステップＳ３の判定がＮＯの場合、すなわち、ＥＧＲガスを気筒１８内に導入していない場合には、ステップＳ５に進む一方、ステップＳ３の判定がＹＥＳの場合、すなわち、ＥＧＲガスを気筒１８内に導入している場合には、ステップＳ４に進む。
【００７６】
次のステップＳ４では、ＰＣＭ１０が、吸気弁２１のリフト量が第１所定値よりも大きい第２所定値以下か否かを判定する。なお、吸気弁２１のリフト量は例えばＣＶＶＬ７３のモータの回動角度から検出したり、センサなどにより検出したりすることができる。このステップＳ４の判定がＮＯの場合、すなわち、ある程度大きなリフト量が確保されている場合には、比較的強い吸気流動が望めることから、ステップＳ８に進んで均一燃焼モード制御を行った後、リターンする。一方、ステップＳ４の判定がＹＥＳの場合には、ステップＳ６に進む。
【００７７】
同様に、ステップＳ５では、ＰＣＭ１０が、吸気弁２１のリフト量が第１所定値以下か否かを判定する。このステップＳ５の判定がＮＯの場合、すなわち、ある程度大きなリフト量が確保されている場合には、比較的強い吸気流動が望めることから、ステップＳ９に進んで均一燃焼モード制御を行った後、リターンする。一方、ステップＳ５の判定がＹＥＳの場合には、ステップＳ６に進む。
【００７８】
次のステップＳ６では、ＰＣＭ１０が、吸気弁２１の例えば０．３ｍｍ時点の閉弁時期が吸気下死点（ＢＤＣ）よりも前か否かを判定する。なお、排気弁２２の閉弁時期は、例えば、クランク角センサＳＷ１２により検出された機関回転数と、エアフローセンサＳＷ１により検出された吸入空気量と、筒内圧センサＳＷ６により検出された気筒１８内の圧力と、をマップに代入することにより得ることが可能である。このステップＳ６の判定がＮＯの場合には、比較的強い吸気流動が望めることから、ステップＳ８に進んで均一燃焼モード制御を行った後、リターンする。一方、ステップＳ６の判定がＹＥＳの場合には、ステップＳ７に進む。
【００７９】
次のステップＳ７では、ＰＣＭ１０が直噴インジェクタ６７、点火プラグ２５及び高圧燃料供給システム６２を駆動して高圧リタード噴射モード制御を行う。具体的には、燃焼室１９内の空気に強い乱れを生じさせるべく、ＰＣＭ１０が、高圧燃料供給システム６２を用いて、燃料噴射開始から点火までの時間が３ｍｓｅｃ以内となるように、直噴インジェクタ６７の燃料噴射圧力を３０ＭＰａ以上の所定圧力に設定する。そうして、上記図４（ｂ）に示すように、ＰＣＭ１０が、着火前の燃料噴射開始時期が、圧縮行程後期から膨張行程初期までの期間内となり、且つ、圧縮上死点付近でキャビティ１４１内に燃料を噴射することが可能なタイミングとなるように直噴インジェクタ６７を駆動させるとともに、圧縮上死点よりも所定クランク角後に燃焼を開始するように点火プラグ２５を駆動させ、その後リターンする。
【００８０】
（吸気弁の閉弁時期に係る別構成）
上記構成では、ポンピングロスの低減や、異常燃焼を抑えるための有効圧縮比低減を図るべく、吸気弁閉時期を吸気下死点より早い時期とする「早閉じ」に設定したが、これとは逆に、吸気弁閉時期を吸気下死点よりも大きく遅らせる所謂「早閉じ」に設定することによっても、有効圧縮比を小さくし、圧縮上死点温度を引き下げて異常燃焼を抑制するとともに、圧縮仕事が少なくしてポンピングロスの低減を図ることができる。
【００８１】
もっとも、遅閉じの場合には、吸気量が多いため強い吸気流動を望めるものの、気筒１８内に吸い込まれた余剰の空気が圧縮行程において吹き戻される際に強い吸気流動が減少するので、燃料の気化霧化が促進されず、燃焼安定性が低下する。
【００８２】
そこで、早閉じの場合と同様に、遅閉じの場合も、吸気流動が弱くなる点を、燃焼室１９内に強い乱れを生じさせることで補うべく、低回転低負荷の領域における低リフト運転域高圧リタード噴射を行うようにしている。
【００８３】
ここで、吸気弁２１の閉弁時期がどの程度遅ければ「遅閉じ」に当たるのかが問題となるも、例えば、エンジン回転数が１５００ｒｐｍの場合において、図１１に示すように、ηＶが最大となる、吸気下死点（ＢＤＣ）よりも４０°ＣＡだけ遅角した閉時期よりも、さらに７０°ＣＡだけ遅角した、換言すると、吸気下死点（ＢＤＣ）よりも１１０°ＣＡだけ遅角した閉時期をもって、「遅閉じ」としてもよい。なお、早閉じの場合と同様に、遅閉じの場合も、リフト量が減少するときにおけるリフトカーブの変曲点（図６中の白丸参照）をもって、「閉弁時期」とする。
【００８４】
そうして、遅閉じの場合も、図１０に示すフローチャートと同様の手順でエンジン１の制御を行うことにより、早閉じの場合と同様に、ポンピングロスの低減を図りつつ燃焼安定性の低下を抑えることができる。
【００８５】
（その他の実施形態）
本発明は、実施形態に限定されず、その精神又は主要な特徴から逸脱することなく他の色々な形で実施することができる。
【００８６】
すなわち、前述したエンジン構成への適用に限定されるものではない。例えば、吸気行程期間内における燃料噴射は、気筒１８内に設けた直噴インジェクタ６７ではなく、別途、吸気ポート１６に設けたポートインジェクタを通じて、吸気ポート１６内に燃料を噴射してもよい。
【００８７】
また、エンジン１は、直列４気筒エンジンに限らず、直列３気筒、直列２気筒、直列６気筒エンジン等に適用してもよい。また、Ｖ型６気筒、Ｖ型８気筒、水平対向４気筒等の各種のエンジンに適用可能である。
【００８８】
さらに、前記の説明では、所定の運転領域において混合気の空燃比を理論空燃比（λ≒１）に設定して、三元触媒の利用を可能としているが、これに限らず、例えばＮＯｘ吸蔵触媒（ＬＮＴ：Lean NOx Trap）を用いるのであれば、混合気の空燃比をリーンに設定してもよい。
【００８９】
また、図４に示す運転領域は例示であり、これ以外にも様々な運転領域を設けることが可能である。
【００９０】
さらに、高圧リタード噴射は、必要に応じて分割噴射にしてもよく、同様に、吸気行程噴射もまた、必要に応じて分割噴射にしてもよい。これらの分割噴射では、吸気行程と圧縮行程とのそれぞれにおいて燃料を噴射してもよい。
【００９１】
このように、上述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。
【産業上の利用可能性】
【００９２】
以上説明したように、本発明は、エンジンの特定運転域で、吸気効率が低下するように吸気弁閉時期を変更させる火花点火式直噴エンジン等について有用である。
【符号の説明】
【００９３】
１      エンジン（エンジン本体）
１０    ＰＣＭ（制御器）
１４    ピストン
１８    気筒
１９    燃焼室
２１    吸気弁
２５    点火プラグ
６２    高圧燃料供給システム（燃圧可変機構）
６７    直噴インジェクタ（燃料噴射弁）
７２    ＶＶＴ（可変バルブタイミング機構）
７３    ＣＶＶＬ（リフト量可変機構）
１４１  キャビティ
５１１  ＥＧＲ弁（ＥＧＲ導入手段）
５３１  ＥＧＲクーラバイパス弁（ＥＧＲ導入手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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