(57)【要約】【課題】ＳＩ−ＣＩ燃焼を行う圧縮自己着火式エンジンの制御装置において、ＳＩ率を調整するための制御値を適切に補正する。【解決手段】圧縮自己着火式のエンジン１においては、点火プラグ２５の点火により混合気が火炎伝播により燃焼するＳＩ燃焼と、この火炎伝播に起因して混合気が自己着火により燃焼するＣＩ燃焼とが行われる。ＥＣＵ１０は、ＳＩ−ＣＩ燃焼において発生する全熱量又はＣＩ燃焼において発生する熱量に対してＳＩ燃焼により発生する熱量の割合に関連する指標としてのＳＩ率を調整する制御を行う。そして、ＥＣＵ１０は、今回の燃焼サイクルにおいてＳＩ率を調整するための制御値を、前回の燃焼サイクルにおいて取得した燃焼室内の状態に基づき補正する。【選択図】図１０
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料と空気の混合気を燃焼させる燃焼室と、前記燃焼室内に燃料を供給するよう燃料を噴射するインジェクタと、前記燃焼室内の混合気に点火する点火プラグと、を少なくとも備えたエンジンであって、前記燃焼室内において混合気を自己着火させるよう構成された前記エンジンと、
前記エンジンの燃焼室への新気及び既燃ガスの導入を調整することによって、前記燃焼室内を所望の状態に設定するよう構成された状態量設定デバイスと、
前記エンジンのインジェクタ及び点火プラグと前記状態量設定デバイスとを少なくとも制御して、前記エンジンを運転するよう構成されたコントローラと、
を有する圧縮自己着火式エンジンの制御装置であって、
前記エンジンにおいては、前記点火プラグの点火により混合気が火炎伝播により燃焼する第１燃焼と、この火炎伝播に起因して混合気が自己着火により燃焼する第２燃焼とが行われ、
前記コントローラは、
前記エンジンの１燃焼サイクル中において、前記第１及び第２燃焼において発生する全熱量又は前記第２燃焼において発生する熱量に対して前記第１燃焼により発生する熱量の割合に関連する指標としてのＳＩ率を調整する制御を行い、
今回の燃焼サイクルにおいて前記ＳＩ率を調整するための制御値を、前回の燃焼サイクルにおいて取得した前記燃焼室内の状態に基づき補正するよう構成されている、
ことを特徴とする圧縮自己着火式エンジンの制御装置。
【請求項２】
前記コントローラは、
前記エンジンの運転状態に応じた目標ＳＩ率及び目標自己着火時期を設定し、
前記目標ＳＩ率及び前記目標自己着火時期に応じて設定すべき前記第１燃焼の開始前の前記燃焼室内の状態を求め、この状態を実現すべく、前記燃焼室内に導入する新気と既燃ガスとの割合を調整するよう前記状態量設定デバイスを制御し、
この状態量設定デバイスを制御するときの制御値を、前記前回の燃焼サイクルにおいて取得した前記燃焼室内の状態に基づき補正する、
請求項１に記載の圧縮自己着火式エンジンの制御装置。
【請求項３】
前記コントローラは、前記目標ＳＩ率及び前記目標自己着火時期に基づき、この目標自己着火時期での筒内温度を求め、この筒内温度から、前記目標ＳＩ率に対応する前記第１燃焼による筒内温度の上昇分と、前記エンジンのピストンの圧縮動作による筒内温度の上昇分とを差し引いた筒内温度を、前記目標ＳＩ率及び前記目標自己着火時期に応じて設定すべき前記第１燃焼の開始前の前記燃焼室内の状態として用いて、前記燃焼室内に導入する新気と既燃ガスとの割合を調整するよう前記状態量設定デバイスを制御する、
請求項２に記載の圧縮自己着火式エンジンの制御装置。
【請求項４】
前記コントローラは、
前記エンジンの運転状態に応じた目標ＳＩ率及び目標自己着火時期を設定し、
前記第１燃焼の開始前の前記燃焼室内の状態を取得して、この状態に基づき、前記目標自己着火時期が実現されるように前記点火プラグによる点火時期を制御し、
この点火プラグを制御するときの制御値を、前記前回の燃焼サイクルにおいて取得した前記燃焼室内の状態に基づき補正する、
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の圧縮自己着火式エンジンの制御装置。
【請求項５】
前記コントローラは、前記第１燃焼の開始前の筒内温度を前記燃焼室内の状態として取得し、この取得した筒内温度において前記第１及び第２燃焼が行われたときに前記目標自己着火時期において自己着火が生じるように、前記点火プラグによる点火時期を制御する、
請求項４に記載の圧縮自己着火式エンジンの制御装置。
【請求項６】
前記コントローラは、前記前回の燃焼サイクルにおける前記燃焼室内の状態として、この燃焼サイクルでの前記第１燃焼の開始前の筒内温度を取得して、この筒内温度に基づき前記制御値を補正する、
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の圧縮自己着火式エンジンの制御装置。
【請求項７】
前記コントローラは、前記前回の燃焼サイクルでの自己着火時期を求め、この自己着火時期に基づき前記第１燃焼の開始前の筒内温度を求める、
請求項６に記載の圧縮自己着火式エンジンの制御装置。
【請求項８】
前記状態量設定デバイスは、前記エンジンに設けられた吸気弁及び／又は排気弁のバルブタイミングを可変に構成された可変動弁機構であり、
前記コントローラは、前記エンジンの排気ポートから既燃ガスを内部ＥＧＲガスとして前記燃焼室に引き戻すべく、前記吸気弁及び／又は前記排気弁のバルブタイミングを調整するよう前記可変動弁機構を制御して、前記燃焼室内に導入する新気と内部ＥＧＲガスとの割合を調整する、
請求項１乃至７のいずれか一項に記載の圧縮自己着火式エンジンの制御装置。
【請求項９】
前記コントローラは、前記燃焼室に設けられた指圧センサにより検出された筒内圧から求めた筒内温度を、前記燃焼室内の状態として取得する、
請求項１乃至８のいずれか一項に記載の圧縮自己着火式エンジンの制御装置。
【請求項１０】
前記コントローラは、吸気量検出センサにより検出された吸気量から求めた筒内温度を、前記燃焼室内の状態として取得する、
請求項１乃至８のいずれか一項に記載の圧縮自己着火式エンジンの制御装置。
【請求項１１】
前記コントローラは、エンジン負荷が高くなるほど、前記ＳＩ率を大きくする制御を行う、
請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の圧縮自己着火式エンジンの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼室内において混合気を自己着火させるよう構成されたエンジンを有する圧縮自己着火式エンジンの制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明に関連する技術が、例えば特許文献１などに開示されている。特許文献１には、燃焼室内の混合気に補助エネルギーを付与して自己着火を促進する圧縮自己着火式エンジンにおいて、上死点での目標筒内温度を設定して、この目標筒内温度が実現されるように吸気通路に設けた吸気加熱装置により筒内温度を制御する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−７３７７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、本願発明者らは、ＳＩ（Spark Ignition）燃焼とＣＩ（Compression Ignition）燃焼とを組み合わせる燃焼形態を考えた。すなわち、燃焼室内の混合気に強制的に点火させて火炎伝播によるＳＩ燃焼（第１燃焼に相当する）を行うと共に、このＳＩ燃焼の発熱によって燃焼室内の未燃混合気を自己着火させるＣＩ燃焼（第２燃焼に相当する）を行う。ＳＩ燃焼は、圧力変動が相対的に小さいため、燃焼騒音の発生を抑制することが可能になる。また、ＣＩ燃焼を行うことにより、火炎伝播による燃焼よりも、燃焼期間が短縮し、燃費の向上に有利になる。したがって、ＳＩ燃焼とＣＩ燃焼とを組み合わせた燃焼形態は、燃焼騒音の発生を抑制しながら、燃費を向上させることができる。この燃焼形態は、ＳＩ燃焼がＣＩ燃焼をコントロールするため、以下においては「ＳＩ−ＣＩ燃焼」と呼ぶ。
【０００５】
さらに、本願発明者らは、ＳＩ−ＣＩ燃焼に関して、エンジンの１燃焼サイクル中において、ＳＩ燃焼及びＣＩ燃焼において発生する全熱量又はＣＩ燃焼において発生する熱量に対してＳＩ燃焼により発生する熱量の割合に関連する指標としての「ＳＩ率」を定義し、このＳＩ率をエンジンの運転状態に応じて変更すれば、広い運転領域に亘って、燃焼騒音の発生を抑制することと、燃費を向上させることとを両立することができる点を見出した。
【０００６】
ここで、燃焼騒音抑制や燃費向上を実現するためには、ＳＩ−ＣＩ燃焼におけるＳＩ率を適切に制御する必要がある。しかしながら、ＳＩ率を調整するための制御値がずれていると、その制御値のずれの影響により、ＳＩ−ＣＩ燃焼において燃焼騒音抑制や燃費向上を達成できない場合がある。したがって、ＳＩ率を調整するための制御値を適切に補正できればよいと考えられる。
【０００７】
本発明は、上述した従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、ＳＩ−ＣＩ燃焼を行う圧縮自己着火式エンジンの制御装置において、ＳＩ率を調整するための制御値を適切に補正することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために、本発明は、燃料と空気の混合気を燃焼させる燃焼室と、燃焼室内に燃料を供給するよう燃料を噴射するインジェクタと、燃焼室内の混合気に点火する点火プラグと、を少なくとも備えたエンジンであって、燃焼室内において混合気を自己着火させるよう構成されたエンジンと、エンジンの燃焼室への新気及び既燃ガスの導入を調整することによって、燃焼室内を所望の状態に設定するよう構成された状態量設定デバイスと、エンジンのインジェクタ及び点火プラグと状態量設定デバイスとを少なくとも制御して、エンジンを運転するよう構成されたコントローラと、を有する圧縮自己着火式エンジンの制御装置であって、エンジンにおいては、点火プラグの点火により混合気が火炎伝播により燃焼する第１燃焼と、この火炎伝播に起因して混合気が自己着火により燃焼する第２燃焼とが行われ、コントローラは、エンジンの１燃焼サイクル中において、第１及び第２燃焼において発生する全熱量又は第２燃焼において発生する熱量に対して第１燃焼により発生する熱量の割合に関連する指標としてのＳＩ率を調整する制御を行い、今回の燃焼サイクルにおいてＳＩ率を調整するための制御値を、前回の燃焼サイクルにおいて取得した燃焼室内の状態に基づき補正するよう構成されている、ことを特徴とする。
【０００９】
このように構成された本発明によれば、前回の燃焼サイクルにおいて取得した筒内状態に基づいて、今回の燃焼サイクルにおいてＳＩ率を調整するための制御値を補正するので、ＳＩ率を的確に制御できるようになる。その結果、第１及び第２燃焼を合わせた燃焼波形を所望の燃焼波形にすることができる、つまり所望のＳＩ率及び自己着火時期を適切に実現することができる。特に、第１及び第２燃焼における過渡的な燃焼状態及び定常的な燃焼状態の両方について、所望の燃焼状態を適切に実現することができる。よって、本発明によれば、燃費の改善、燃焼安定性確保及び燃焼騒音抑制などを達成することが可能となる。
【００１０】
本発明において、好ましくは、コントローラは、エンジンの運転状態に応じた目標ＳＩ率及び目標自己着火時期を設定し、目標ＳＩ率及び目標自己着火時期に応じて設定すべき第１燃焼の開始前の燃焼室内の状態を求め、この状態を実現すべく、燃焼室内に導入する新気と既燃ガスとの割合を調整するよう状態量設定デバイスを制御し、この状態量設定デバイスを制御するときの制御値を、前回の燃焼サイクルにおいて取得した燃焼室内の状態に基づき補正する。
このように構成された本発明によれば、目標ＳＩ率及び目標自己着火時期に応じた燃焼開始前の筒内状態となるように制御する状態量設定デバイスの制御値を、前回の燃焼サイクルでの筒内状態に基づき補正するので、所望の筒内状態に設定するための状態量設定デバイスの制御を的確に行えるようになる。
【００１１】
本発明において、好ましくは、コントローラは、目標ＳＩ率及び目標自己着火時期に基づき、この目標自己着火時期での筒内温度を求め、この筒内温度から、目標ＳＩ率に対応する第１燃焼による筒内温度の上昇分と、エンジンのピストンの圧縮動作による筒内温度の上昇分とを差し引いた筒内温度を、目標ＳＩ率及び目標自己着火時期に応じて設定すべき第１燃焼の開始前の燃焼室内の状態として用いて、燃焼室内に導入する新気と既燃ガスとの割合を調整するよう状態量設定デバイスを制御する。
このように構成された本発明によれば、目標ＳＩ率及び目標自己着火時期に応じて適用すべき燃焼開始前の筒内温度を正確に設定できるようになる。
【００１２】
本発明において、好ましくは、コントローラは、エンジンの運転状態に応じた目標ＳＩ率及び目標自己着火時期を設定し、第１燃焼の開始前の燃焼室内の状態を取得して、この状態に基づき、目標自己着火時期が実現されるように点火プラグによる点火時期を制御し、この点火プラグを制御するときの制御値を、前回の燃焼サイクルにおいて取得した燃焼室内の状態に基づき補正する。
このように構成された本発明では、燃焼開始前の筒内状態に応じて目標自己着火時期が実現されるよう点火制御を行うときの制御値（点火時期に対応する）を、前回の燃焼サイクルでの筒内状態に基づき補正するので、点火制御によって目標自己着火時期を適切に実現できるようになる。
【００１３】
本発明において、好ましくは、コントローラは、第１燃焼の開始前の筒内温度を燃焼室内の状態として取得し、この取得した筒内温度において第１及び第２燃焼が行われたときに目標自己着火時期において自己着火が生じるように、点火プラグによる点火時期を制御する。
このように構成された本発明では、燃焼開始前の筒内温度に基づき点火時期を設定することで、目標自己着火時期にて確実に着火できるようになる。
【００１４】
本発明において、好ましくは、コントローラは、前回の燃焼サイクルにおける燃焼室内の状態として、この燃焼サイクルでの第１燃焼の開始前の筒内温度を取得して、この筒内温度に基づき制御値を補正する。
このように構成された本発明では、前回の燃焼サイクルにおける燃焼開始前の筒内温度を用いることで、上記した制御値を適切に補正することができる。
【００１５】
本発明において、好ましくは、コントローラは、前回の燃焼サイクルでの自己着火時期を求め、この自己着火時期に基づき第１燃焼の開始前の筒内温度を求める。
このように構成された本発明では、前回の燃焼サイクルでの自己着火時期を用いることで、この燃焼サイクルでの燃焼開始前の筒内温度を正確に求めることができる。
【００１６】
本発明において、好ましくは、状態量設定デバイスは、エンジンに設けられた吸気弁及び／又は排気弁のバルブタイミングを可変に構成された可変動弁機構であり、コントローラは、エンジンの排気ポートから既燃ガスを内部ＥＧＲガスとして燃焼室に引き戻すべく、吸気弁及び／又は排気弁のバルブタイミングを調整するよう可変動弁機構を制御して、燃焼室内に導入する新気と内部ＥＧＲガスとの割合を調整する。
このように構成された本発明によれば、燃焼室内に導入する新気と内部ＥＧＲガスとの割合を調整して、燃焼前の筒内状態（例えば筒内温度）を適切に制御することができる。
【００１７】
本発明において、好ましくは、コントローラは、燃焼室に設けられた指圧センサにより検出された筒内圧から求めた筒内温度を、燃焼室内の状態として取得してもよい。
【００１８】
本発明において、好ましくは、コントローラは、吸気量検出センサにより検出された吸気量から求めた筒内温度を、燃焼室内の状態として取得してもよい。
【００１９】
本発明において、好ましくは、コントローラは、エンジン負荷が高くなるほど、ＳＩ率を大きくする制御を行う。
このように構成された本発明では、コントローラは、エンジン負荷が低い場合にはＳＩ率を小さくすることで、燃焼期間を短くすることができ、燃費を改善することができる。他方で、コントローラは、エンジン負荷が高い場合にはＳＩ率を大きくすることで、第２燃焼による燃焼騒音の発生を抑制することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、ＳＩ−ＣＩ燃焼を行う圧縮自己着火式エンジンの制御装置において、ＳＩ率を調整するための制御値を適切に補正することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施形態による圧縮自己着火式エンジンの概略構成図である。
【図２】本発明の実施形態による圧縮自己着火式エンジンの燃焼室の断面図である。
【図３】本発明の実施形態による圧縮自己着火式エンジンの制御装置の電気的構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の実施形態によるエンジンの運転領域についての説明図である。
【図５】本発明の実施形態によるＳＩ−ＣＩ燃焼におけるＳＩ率の定義についての説明図である。
【図６】本発明の実施形態における、エンジン負荷に対する、ＳＩ率の変化、燃焼室の中の状態量の変化、吸気弁及び排気弁のオーバーラップ期間の変化、並びに、燃料の噴射タイミング及び点火タイミングの変化についての説明図である。
【図７】本発明の実施形態におけるエンジン負荷とＳＩ率及び自己着火時期との関係についての説明図である。
【図８】本発明の実施形態において、燃焼開始前の筒内温度に応じてＳＩ率を制御する方法についての説明図である。
【図９】本発明の実施形態において、燃焼開始前の筒内温度に応じて、所望の自己着火時期を実現するようＳＩ率を制御する方法についての説明図である。
【図１０】本発明の実施形態によるＳＩ−ＣＩ燃焼の基本制御を示すフローチャートである。
【図１１】本発明の実施形態による燃焼前の筒内温度の推定方法についての説明図である。
【図１２】本発明の実施形態による第１の制御モデルを示すブロック図である。
【図１３】本発明の実施形態による第２の制御モデルを示すブロック図である。
【図１４】本発明の実施形態による第３の制御モデルを示すブロック図である。
【図１５】本発明の実施形態によるＳＩ−ＣＩ燃焼制御を行った場合のタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態による圧縮自己着火式エンジンの制御装置について説明する。
【００２３】
＜装置構成＞
まず、図１乃至図３を参照して、本実施形態による圧縮自己着火式エンジンの制御装置の構成について説明する。図１は、本実施形態による圧縮自己着火式エンジンの構成を例示する図である。図２は、本実施形態による燃焼室の構成を例示する断面図である。なお、図１における吸気側は紙面左側であり、排気側は紙面右側である。図２における吸気側は紙面右側であり、排気側は紙面左側である。図３は、本実施形態による圧縮自己着火式エンジンの制御装置の構成を例示するブロック図である。
【００２４】
エンジン１は、四輪の自動車に搭載される。エンジン１が運転することによって、自動車は走行する。エンジン１の燃料は、この構成例においてはガソリンである。燃料は、バイオエタノール等を含むガソリンであってもよい。エンジン１の燃料は、少なくともガソリンを含む液体燃料であれば、どのような燃料であってもよい。
【００２５】
具体的には、エンジン１は、シリンダブロック１２と、その上に載置されるシリンダヘッド１３とを備えている。シリンダブロック１２の内部に複数のシリンダ１１が形成されている。図１及び図２では、１つのシリンダ１１のみを示す。エンジン１は、多気筒エンジンである。
【００２６】
各シリンダ１１内には、ピストン３が摺動自在に内挿されている。ピストン３は、コネクティングロッド１４を介してクランクシャフト１５に連結されている。ピストン３は、シリンダ１１及びシリンダヘッド１３と共に燃焼室１７を区画する。なお、「燃焼室」は、ピストン３が圧縮上死点に至ったときに形成される空間の意味に限定されない。「燃焼室」の語は広義で用いる場合がある。つまり、「燃焼室」は、ピストン３の位置に関わらず、ピストン３、シリンダ１１及びシリンダヘッド１３によって形成される空間を意味する場合がある。
【００２７】
ピストン３の上面は平坦面である。ピストン３の上面には、キャビティ３１が形成されている。キャビティ３１は、ピストン３の上面から凹陥している。キャビティ３１は、浅皿形状を有している。キャビティ３１は、ピストン３が圧縮上死点付近に位置するときに、後述するインジェクタ６に向かい合う。
【００２８】
キャビティ３１は、凸部３１１を有している。凸部３１１は、シリンダ１１のほぼ中心に設けられている。凸部３１１は、略円錐状である。凸部３１１は、キャビティ３１の底部から、シリンダ１１の中心軸Ｘに沿って上向きに伸びている。凸部３１１の上端は、キャビティ３１の上面とほぼ同じ高さである。キャビティ３１はまた、凸部３１１の周囲に設けられた凹陥部３１２を有している。
【００２９】
シリンダヘッド１３の下面、つまり、燃焼室１７の天井面は、図２に示すように、傾斜面１３１１と、傾斜面１３１２とによって構成されている。傾斜面１３１１は、吸気側から軸Ｘに向かって上り勾配となっている。傾斜面１３１２は、排気側から軸Ｘに向かって上り勾配となっている。燃焼室１７の天井面は、いわゆるペントルーフ形状である。
なお、燃焼室１７の形状は、図２に例示する形状に限定されるものではない。例えばキャビティ３１の形状、ピストン３の上面の形状、及び、燃焼室１７の天井面の形状等は、適宜変更することが可能である。
【００３０】
エンジン１の幾何学的圧縮比は、理論熱効率の向上や、後述するＣＩ（Compression Ignition）燃焼の安定化を目的として高く設定されている。具体的に、エンジン１の幾何学的圧縮比は、１７以上である。幾何学的圧縮比は、例えば１８としてもよい。幾何学的圧縮比は、１７以上２０以下の範囲で、適宜設定すればよい。
【００３１】
シリンダヘッド１３には、シリンダ１１毎に、２つの吸気ポート１８が形成されている。吸気ポート１８は、燃焼室１７に連通している。吸気ポート１８には、吸気弁２１が配設されている。吸気弁２１は、燃焼室１７と吸気ポート１８との間を開閉する。吸気弁２１は吸気動弁機構によって、所定のタイミングで開閉する。吸気動弁機構は、この構成例では、図３に示すように、可変動弁機構である吸気電動ＶＶＴ（Variable Valve Timing）２３を有している。吸気電動ＶＶＴ２３は、吸気カムシャフトの回転位相を所定の角度範囲内で連続的に変更するよう構成されている。それによって、吸気弁２１の開弁時期及び閉弁時期は、連続的に変化する。なお、吸気動弁機構は、電動ＶＶＴに代えて、液圧式のＶＶＴを有していてもよい。
【００３２】
シリンダヘッド１３にはまた、シリンダ１１毎に、２つの排気ポート１９が形成されている。排気ポート１９は、燃焼室１７に連通している。排気ポート１９には、排気弁２２が配設されている。排気弁２２は、燃焼室１７と排気ポート１９との間を開閉する。排気弁２２は排気動弁機構によって、所定のタイミングで開閉する。排気動弁機構は、この構成例では、図３に示すように、可変動弁機構である排気電動ＶＶＴ２４を有している。排気電動ＶＶＴ２４は、排気カムシャフトの回転位相を所定の角度範囲内で連続的に変更するよう構成されている。それによって、排気弁２２の開弁時期及び閉弁時期は、連続的に変化する。なお、排気動弁機構は、電動ＶＶＴに代えて、液圧式のＶＶＴを有していてもよい。
【００３３】
詳細は後述するが、このエンジン１は、吸気電動ＶＶＴ２３及び排気電動ＶＶＴ２４によって、吸気弁２１の開弁と排気弁２２の開弁とに係るオーバーラップ期間の長さを調整する。このことによって、燃焼室１７の中の残留ガスを掃気したり、燃焼室１７の中に熱い既燃ガスを閉じ込めたり（つまり、内部ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）ガスを燃焼室１７の中に導入したり）する。この構成例においては、吸気電動ＶＶＴ２３及び排気電動ＶＶＴ２４が、状態量設定デバイスの一つとしての、内部ＥＧＲシステムを構成している。なお、内部ＥＧＲシステムは、ＶＶＴによって構成されるとは限らない。
【００３４】
シリンダヘッド１３には、シリンダ１１毎に、インジェクタ６が取り付けられている。インジェクタ６は、燃焼室１７の中に燃料を直接噴射するよう構成されている。インジェクタ６は、吸気側の傾斜面１３１１と排気側の傾斜面１３１２とが交差するペントルーフの谷部に配設されている。インジェクタ６は、図２に示すように、その噴射軸心が、シリンダ１１の中心軸Ｘに沿うように配設されている。インジェクタ６の噴射軸心と、キャビティ３１の凸部３１１の位置とはほぼ一致している。インジェクタ６は、キャビティ３１に対向している。なお、インジェクタ６の噴射軸心は、シリンダ１１の中心軸Ｘと一致していなくてもよい。その場合も、インジェクタ６の噴射軸心と、キャビティ３１の凸部３１１の位置とは一致していることが望ましい。
【００３５】
インジェクタ６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燃料噴射弁によって構成されている。インジェクタ６は、図２に矢印で示すように、燃料噴霧が、燃焼室１７の中央から放射状に広がるように燃料を噴射する。
【００３６】
後述するように、インジェクタ６は、ピストン３が圧縮上死点付近に位置するタイミングで燃料を噴射する場合がある。その場合、インジェクタ６が燃料を噴射すると、燃料噴霧は、新気と混ざり合いながら、キャビティ３１の凸部３１１に沿って下向きに流れると共に、凹陥部３１２の底面及び周側面に沿って、燃焼室１７の中央から、径方向の外方に放射状に広がって流れる。その後、混合気はキャビティ３１の開口に至り、吸気側の傾斜面１３１１、及び、排気側の傾斜面１３１２に沿って、径方向の外方から、燃焼室１７の中央に向かって流れる。
なお、インジェクタ６は、多噴口型のインジェクタに限らない。インジェクタ６は、外開弁タイプのインジェクタを採用してもよい。
【００３７】
インジェクタ６には、燃料供給システム６１が接続されている。燃料供給システム６１は、燃料を貯留するよう構成された燃料タンク６３と、燃料タンク６３とインジェクタ６とを互いに連結する燃料供給路６２とを備えている。燃料供給路６２には、燃料ポンプ６５とコモンレール６４とが介設している。燃料ポンプ６５は、コモンレール６４に燃料を圧送する。燃料ポンプ６５は、この構成例においては、クランクシャフト１５によって駆動されるプランジャー式のポンプである。コモンレール６４は、燃料ポンプ６５から圧送された燃料を、高い燃料圧力で蓄えるよう構成されている。インジェクタ６が開弁すると、コモンレール６４に蓄えられていた燃料が、インジェクタ６の噴口から燃焼室１７の中に噴射される。燃料供給システム６１は、３０ＭＰａ以上の高い圧力の燃料を、インジェクタ６に供給することが可能に構成されている。燃料供給システム６１の最高燃料圧力は、例えば１２０ＭＰａ程度にしてもよい。インジェクタ６に供給する燃料の圧力は、エンジン１の運転状態に応じて変更してもよい。なお、燃料供給システム６１の構成は、前記の構成に限定されない。
【００３８】
シリンダヘッド１３には、シリンダ１１毎に、点火プラグ２５が取り付けられている。点火プラグ２５は、燃焼室１７の中の混合気に強制的に点火をする。点火プラグ２５は、この構成例では、シリンダ１１の中心軸Ｘを挟んだ吸気側に配設されている。点火プラグ２５は、２つの吸気ポート１８の間に位置している。点火プラグ２５は、上方から下方に向かって、燃焼室１７の中央に近づく方向に傾いて、シリンダヘッド１３に取り付けられている。点火プラグ２５の電極は、図２に示すように、燃焼室１７の中に臨んでかつ、燃焼室１７の天井面の付近に位置している。
【００３９】
エンジン１の一側面には吸気通路４０が接続されている。吸気通路４０は、各シリンダ１１の吸気ポート１８に連通している。吸気通路４０は、燃焼室１７に導入するガスが流れる通路である。吸気通路４０の上流端部には、新気を濾過するエアクリーナー４１が配設されている。吸気通路４０の下流端近傍には、サージタンク４２が配設されている。サージタンク４２よりも下流の吸気通路４０は、詳細な図示は省略するが、シリンダ１１毎に分岐する独立通路を構成している。独立通路の下流端が、各シリンダ１１の吸気ポート１８に接続されている。
【００４０】
吸気通路４０におけるエアクリーナー４１とサージタンク４２との間には、スロットル弁４３が配設されている。スロットル弁４３は、弁の開度を調整することによって、燃焼室１７の中への新気の導入量を調整するよう構成されている。スロットル弁４３は、状態量設定デバイスの一つを構成している。
【００４１】
吸気通路４０にはまた、スロットル弁４３の下流に、過給機４４が配設されている。過給機４４は、燃焼室１７に導入するガスを過給するよう構成されている。この構成例において、過給機４４は、エンジン１によって駆動される機械式の過給機である。機械式の過給機４４は、例えばルーツ式としてもよい。機械式の過給機４４の構成はどのような構成であってもよい。機械式の過給機４４は、リショルム式や遠心式であってもよい。
【００４２】
過給機４４とエンジン１との間には、電磁クラッチ４５が介設している。電磁クラッチ４５は、過給機４４とエンジン１との間で、エンジン１から過給機４４へ駆動力を伝達したり、駆動力の伝達を遮断したりする。後述するように、ＥＣＵ１０が電磁クラッチ４５の遮断及び接続を切り替えることによって、過給機４４はオンとオフとが切り替わる。つまり、このエンジン１は、過給機４４が、燃焼室１７に導入するガスを過給することと、過給機４４が、燃焼室１７に導入するガスを過給しないこととを切り替えることができるよう構成されている。
【００４３】
吸気通路４０における過給機４４の下流には、インタークーラー４６が配設されている。インタークーラー４６は、過給機４４において圧縮されたガスを冷却するよう構成されている。インタークーラー４６は、例えば水冷式に構成すればよい。
【００４４】
吸気通路４０には、バイパス通路４７が接続されている。バイパス通路４７は、過給機４４及びインタークーラー４６をバイパスするよう、吸気通路４０における過給機４４の上流部とインタークーラー４６の下流部とを互いに接続する。バイパス通路４７には、エアバイパス弁４８が配設されている。エアバイパス弁４８は、バイパス通路４７を流れるガスの流量を調整する。
【００４５】
過給機４４をオフにしたとき（つまり、電磁クラッチ４５を遮断したとき）には、エアバイパス弁４８を全開にする。これにより、吸気通路４０を流れるガスは、過給機４４をバイパスして、エンジン１の燃焼室１７に導入される。エンジン１は、非過給、つまり自然吸気の状態で運転する。
過給機４４をオンにしたとき（つまり、電磁クラッチ４５を接続したとき）には、過給機４４を通過したガスの一部は、バイパス通路４７を通って過給機の上流に逆流する。エアバイパス弁４８の開度を調整することによって、逆流量を調整することができるから、燃焼室１７に導入するガスの過給圧を調整することができる。この構成例においては、過給機４４とバイパス通路４７とエアバイパス弁４８とによって、過給システム４９が構成されている。エアバイパス弁４８は、状態量設定デバイスの一つを構成している。
【００４６】
エンジン１の他側面には、排気通路５０が接続されている。排気通路５０は、各シリンダ１１の排気ポート１９に連通している。排気通路５０は、燃焼室１７から排出された排気ガスが流れる通路である。排気通路５０の上流部分は、詳細な図示は省略するが、シリンダ１１毎に分岐する独立通路を構成している。独立通路の上流端が、各シリンダ１１の排気ポート１９に接続されている。排気通路５０には、１つ以上の触媒コンバーター５１を有する排気ガス浄化システムが配設されている。触媒コンバーター５１は、三元触媒を含んで構成されている。なお、排気ガス浄化システムは、三元触媒のみを含むものに限らない。
【００４７】
吸気通路４０と排気通路５０との間には、外部ＥＧＲシステムを構成するＥＧＲ通路５２が接続されている。ＥＧＲ通路５２は、既燃ガスの一部を吸気通路４０に還流させるための通路である。ＥＧＲ通路５２の上流端は、排気通路５０における触媒コンバーター５１の下流に接続されている。ＥＧＲ通路５２の下流端は、吸気通路４０における過給機４４の上流に接続されている。
【００４８】
ＥＧＲ通路５２には、水冷式のＥＧＲクーラー５３が配設されている。ＥＧＲクーラー５３は、既燃ガスを冷却するよう構成されている。ＥＧＲ通路５２にはまた、ＥＧＲ弁５４が配設されている。ＥＧＲ弁５４は、ＥＧＲ通路５２を流れる既燃ガスの流量を調整するよう構成されている。ＥＧＲ弁５４の開度を調整することによって、冷却した既燃ガス、つまり外部ＥＧＲガスの還流量を調整することができる。
【００４９】
この構成例において、ＥＧＲシステム５５は、ＥＧＲ通路５２及びＥＧＲ弁５４を含んで構成されている外部ＥＧＲシステムと、前述した吸気電動ＶＶＴ２３及び排気電動ＶＶＴ２４を含んで構成されている内部ＥＧＲシステムとによって構成されている。ＥＧＲ弁５４はまた、状態量設定デバイスの一つを構成している。
【００５０】
圧縮自己着火式エンジンの制御装置は、エンジン１を運転するためのＥＣＵ（Engine Control Unit）１０を備えている。ＥＣＵ１０は、周知のマイクロコンピュータをベースとするコントローラであって、プログラムを実行する中央演算処理装置（Central Processing Unit：ＣＰＵ）と、例えばＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）により構成されてプログラム及びデータを格納するメモリと、電気信号の入出力をする入出力バスと、を備えている。ＥＣＵ１０は、コントローラの一例である。
【００５１】
ＥＣＵ１０には、図１及び図３に示すように、各種のセンサＳＷ１〜ＳＷ１６が接続されている。センサＳＷ１〜ＳＷ１６は、検知信号をＥＣＵ１０に出力する。センサには、以下のセンサが含まれる。
【００５２】
すなわち、吸気通路４０におけるエアクリーナー４１の下流に配置されかつ、吸気通路４０を流れる新気の流量を検知するエアフローセンサＳＷ１、及び、新気の温度を検知する第１吸気温度センサＳＷ２、吸気通路４０におけるＥＧＲ通路５２の接続位置よりも下流でかつ、過給機４４の上流に配置されかつ、過給機４４に流入するガスの圧力を検知する第１圧力センサＳＷ３、吸気通路４０における過給機４４の下流でかつ、バイパス通路４７の接続位置よりも上流に配置されかつ、過給機４４から流出したガスの温度を検知する第２吸気温度センサＳＷ４、サージタンク４２に取り付けられかつ、過給機４４の下流のガスの圧力を検知する第２圧力センサＳＷ５、各シリンダ１１に対応してシリンダヘッド１３に取り付けられかつ、各燃焼室１７内の圧力（筒内圧）を検知する指圧センサＳＷ６、排気通路５０に配置されかつ、燃焼室１７から排出した排気ガスの温度を検知する排気温度センサＳＷ７、排気通路５０における触媒コンバーター５１の上流に配置されかつ、排気ガス中の酸素濃度を検知するリニアＯ2センサＳＷ８、排気通路５０における触媒コンバーター５１の下流に配置されかつ、排気ガス中の酸素濃度を検知するラムダＯ2センサＳＷ９、エンジン１に取り付けられかつ、冷却水の温度を検知する水温センサＳＷ１０、エンジン１に取り付けられかつ、クランクシャフト１５の回転角を検知するクランク角センサＳＷ１１、アクセルペダル機構に取り付けられかつ、アクセルペダルの操作量に対応したアクセル開度を検知するアクセル開度センサＳＷ１２、エンジン１に取り付けられかつ、吸気カムシャフトの回転角を検知する吸気カム角センサＳＷ１３、エンジン１に取り付けられかつ、排気カムシャフトの回転角を検知する排気カム角センサＳＷ１４、ＥＧＲ通路５２に配置されかつ、ＥＧＲ弁５４の上流及び下流の差圧を検知するＥＧＲ差圧センサＳＷ１５、並びに、燃料供給システム６１のコモンレール６４に取り付けられかつ、インジェクタ６に供給する燃料の圧力を検知する燃圧センサＳＷ１６である。
【００５３】
ＥＣＵ１０は、これらの検知信号に基づいて、エンジン１の運転状態を判断すると共に、各デバイスの制御量を計算する。ＥＣＵ１００は、計算をした制御量に係る制御信号を、インジェクタ６、点火プラグ２５、吸気電動ＶＶＴ２３、排気電動ＶＶＴ２４、燃料供給システム６１、スロットル弁４３、ＥＧＲ弁５４、過給機４４の電磁クラッチ４５、及び、エアバイパス弁４８に出力する。例えば、ＥＣＵ１０は、第１圧力センサＳＷ３及び第２圧力センサＳＷ５の検知信号から得られる過給機４４の前後差圧に基づいてエアバイパス弁４８の開度を調整することにより、過給圧を調整する。また、ＥＣＵ１０は、ＥＧＲ差圧センサＳＷ１５の検知信号から得られるＥＧＲ弁５４の前後差圧に基づいてＥＧＲ弁５４の開度を調整することにより、燃焼室１７の中に導入する外部ＥＧＲガス量を調整する。ＥＣＵ１０によるエンジン１の制御の詳細は、後述する。
【００５４】
＜エンジンの運転領域＞
図４は、エンジン１の運転領域を例示している。エンジン１の運転領域は、負荷の高低に対し、大きく３つの領域に分けられている。具体的に、３つの領域は、アイドル運転を含む低負荷領域（Ａ）、全開負荷を含む高負荷領域（Ｃ）、及び、低負荷領域（Ａ）と高負荷領域（Ｃ）との間の中負荷領域（Ｂ）である。エンジン１は、燃費の向上及び排出ガス性能の向上を主目的として、中負荷領域において、圧縮自己着火による燃焼を行う。以下、低負荷領域、中負荷領域、及び、高負荷領域の各領域における燃焼形態について、順に説明をする。
【００５５】
（低負荷領域）
エンジン１の運転状態が低負荷領域にあるときには、燃料の噴射量が少ない。そのため、燃焼室１７において混合気が燃焼したときに発生する熱量が少なく、燃焼室１７の温度（筒内温度）が低くなる。また、排気ガスの温度も低くなるため、後述するように内部ＥＧＲガスを燃焼室１７の中に導入しても、筒内温度が、自己着火が安定して可能になる程度まで高まらない。エンジン１の運転状態が低負荷領域にあるときの燃焼形態は、点火プラグ２５が燃焼室１７の中の混合気に点火を行うことによって混合気を火炎伝播により燃焼させるＳＩ（Spark Ignition）燃焼である。以下、低負荷領域における燃焼形態を、低負荷ＳＩ燃焼と呼ぶ場合がある。
【００５６】
エンジン１の運転状態が低負荷領域にあるときには、混合気の空燃比（Ａ／Ｆ）は、理論空燃比である（Ａ／Ｆ＝１４．７）。三元触媒が、燃焼室１７から排出された排出ガスを浄化することによって、エンジン１の排出ガス性能は良好になる。混合気のＡ／Ｆは、三元触媒の浄化ウインドウの中に収まるようにすればよい。従って、混合気の空気過剰率λは、１．０±０．２とすればよい。
【００５７】
エンジン１の燃費性能を向上させるために、エンジン１の運転状態が低負荷領域にあるときに、ＥＧＲシステム５５は、燃焼室１７の中にＥＧＲガスを導入する。混合気のＧ／Ｆ、つまり、燃焼室１７の中の全ガスと燃料との質量比は１８．５以上３０以下に設定される。混合気は、ＥＧＲリーンである。混合気の希釈率は高い。混合気のＧ／Ｆを、例えば２５にすれば、低負荷運転領域において、混合気が自己着火に至ることなく、ＳＩ燃焼を安定して行うことができる。低負荷領域において、混合気のＧ／Ｆは、エンジン１の負荷の高低に関わらず一定に維持する。こうすることで、低負荷領域の全域において、ＳＩ燃焼は、安定化する。また、エンジン１の燃費が向上すると共に、排出ガス性能が良好になる。
【００５８】
エンジン１の運転状態が低負荷領域にあるときには、燃料量が少ないため、混合気のλを１．０±０．２にしかつ、Ｇ／Ｆを１８．５以上３０以下にするには、燃焼室１７の中に導入するガスの充填量を１００％よりも少なくしなければならない。具体的に、エンジン１は、スロットル弁４３の開度を調整するスロットリング、及び／又は、吸気弁２１の閉弁時期を吸気下死点以降に遅らせるミラーサイクルを実行する。
なお、低負荷領域内における、低負荷低回転領域においては、ガスの充填量をさらに少なくすることによって、混合気の燃焼温度及び排気ガスの温度を高くするようにしてもよい。こうすると、触媒コンバーター５１を活性状態に維持する上で有利になる。
【００５９】
（中負荷領域）
エンジン１の運転状態が中負荷領域にあるときには、燃料の噴射量が多くなる。筒内温度が高くなるため、自己着火を安定して行うことが可能にある。燃費の向上及び排出ガス性能の向上を図るため、エンジン１は、中負荷領域において、ＣＩ燃焼を行う。
【００６０】
自己着火による燃焼は、圧縮開始前の燃焼室１７の中の温度がばらつくと、自己着火のタイミングが大きく変化する。そこで、エンジン１は、中負荷領域において、ＳＩ燃焼とＣＩ燃焼とを組み合わせたＳＩ−ＣＩ燃焼を行う。ＳＩ−ＣＩ燃焼は、点火プラグ２５が、燃焼室１７の中の混合気に強制的に点火をすることによって、混合気が火炎伝播により燃焼すると共に、ＳＩ燃焼の発熱により燃焼室１７の中の温度が高くなることによって、未燃混合気が自己着火により燃焼する。ＳＩ燃焼の発熱量を調整することによって、圧縮開始前の燃焼室１７の中の温度のばらつきを吸収することができる。圧縮開始前の燃焼室１７の中の温度がばらついていても、例えば点火タイミングの調整によってＳＩ燃焼の開始タイミングを調整すれば、自己着火のタイミングをコントロールすることができる。
【００６１】
ＳＩ−ＣＩ燃焼において、自己着火のタイミングを精度よくコントロールするためには、点火タイミングを変更することに対応して、自己着火のタイミングが変化しなければならない。点火タイミングの変更に対して、自己着火のタイミングが変化する感度が高いことが好ましい。
【００６２】
本願発明者らの検討によると、混合気のλが１．０±０．２でかつ、混合気のＧ／Ｆが１８．５以上３０以下であれば、点火タイミングの変更に対して、自己着火のタイミングが変化することがわかった。そこで、エンジン１の運転状態が中負荷領域にあるときには、エンジン１は、燃焼室１７の中の状態を、混合気のλが１．０±０．２でかつ、混合気のＧ／Ｆが１８．５以上３０以下にする。
【００６３】
自己着火のタイミングを精度よくコントロールすることによって、エンジン１の運転状態が中負荷領域にあるときに、燃焼騒音の増大を回避することができる。また、混合気の希釈率をできるだけ高くしてＣＩ燃焼を行うことにより、エンジン１の燃費性能を高くすることが可能になる。さらに、混合気のλを１．０±０．２に設定することによって、三元触媒により、排気ガスを浄化することが可能になるため、エンジン１の排出ガス性能が良好になる。
【００６４】
前述したように、低負荷領域においては、混合気のＧ／Ｆを１８．５以上３０以下（例えば２５）にしかつ、混合気のλを１．０±０．２にしている。エンジン１の運転状態が低負荷領域にあるときと、中負荷領域にあるときとの間において、燃焼室１７の中の状態量が大きく変動しない。従って、エンジン１の負荷が変更することに対する、エンジン１の制御のロバスト性が高まる。
エンジン１の運転状態が中負荷領域にあるときには、低負荷領域にあるときとは異なり、燃料量が多くなるため、燃焼室１７の中に導入するガスの充填量を調整する必要がない。スロットル弁４３の開度は全開である。
【００６５】
エンジン１の負荷が高まり、燃料量がさらに増えたときに、混合気のλを１．０±０．２にしかつ、混合気のＧ／Ｆを１８．５以上３０以下にするには、自然吸気の状態であれば、燃焼室１７の中に導入するガス量が不足する。そこで、中負荷領域における所定負荷よりも負荷の高い領域においては、過給機４４が、燃焼室１７の中に導入するガスの過給を行う。中負荷領域（Ｂ）は、所定負荷よりも高負荷の領域であって、過給を行う第１中負荷領域（Ｂ１）と、所定負荷以下の領域であって、過給を行わない第２中負荷領域（Ｂ２）とに分けられる。所定負荷は、例えば１／２負荷である。第２中負荷領域は、第１中負荷領域よりも負荷の低い領域である。以下、第１中負荷領域における燃焼形態を、過給ＳＩ−ＣＩ燃焼と呼び、第２中負荷領域における燃焼形態を、非過給ＳＩ−ＣＩ燃焼と呼ぶ場合がある。
【００６６】
過給を行わない第２中負荷領域においては、燃料量が増えるに従い、燃焼室１７の中に導入する新気が増える一方、ＥＧＲガスは減る。混合気のＧ／Ｆは、エンジン１の負荷が高くなると小さくなる。スロットル弁４３の開度を全開にしているため、エンジン１は、燃焼室１７の中に導入するＥＧＲガスの量を調整することにより、燃焼室１７の中に導入する新気の量を調整する。第２中負荷領域において燃焼室１７の中の状態量は、例えば混合気のλは１．０で略一定になる一方、混合気のＧ／Ｆは２５〜２８の範囲で変更される。
【００６７】
これに対し、過給を行う第１中負荷領域において、エンジン１は、燃料量が増えるに従い、燃焼室１７の中に導入する新気及びＥＧＲガスを共に増やす。混合気のＧ／Ｆは、エンジン１の負荷が高くなっても一定である。第１中負荷領域において燃焼室１７の中の状態量は、例えば混合気のλは１．０で略一定になると共に、混合気のＧ／Ｆは２５で一定である。
【００６８】
（高負荷領域）
エンジン１の運転状態が高負荷領域にあるときには、燃料の噴射量が多い。そのため、ＳＩ−ＣＩ燃焼を行っても、燃焼騒音を抑制することが困難になる。また、筒内温度が高くなるため、ＣＩ燃焼を行おうとしても、過早着火やノッキングといった異常燃焼が生じやすい。そのため、エンジン１の運転状態が高負荷領域にあるときの燃焼形態は、ＳＩ燃焼である。以下、高負荷領域における燃焼形態を、高負荷ＳＩ燃焼と呼ぶ場合がある。
【００６９】
エンジン１の運転状態が高負荷領域にあるときに、混合気のλは１．０±０．２である。また、混合気のＧ／Ｆは、１８．５以上３０以下に設定される。高負荷領域においては、スロットル弁４３の開度は全開であり、過給機４４は過給を行う。
【００７０】
高負荷領域において、エンジン１は、負荷が高まるに従いＥＧＲガスの量を減らす。混合気のＧ／Ｆは、エンジン１の負荷が高くなると、小さくなる。ＥＧＲガスの量を減らした分、燃焼室１７の中に導入する新気の量が増えるから、燃料量を増やすことができる。エンジン１の最高出力を高くする上で有利になる。混合気のＧ／Ｆは、高負荷領域において、例えば１７〜２５の範囲で変更される。
【００７１】
エンジン１の運転状態が高負荷領域にあるときと、中負荷領域にあるときとの間において、燃焼室１７の中の状態量が大きく変動しない。エンジン１の負荷が変更することに対する、エンジン１の制御のロバスト性が高まる。
【００７２】
前述の通り、エンジン１は、高負荷領域においては、ＳＩ燃焼を行うが、幾何学的圧縮比が高いこと等に起因して、過早着火やノッキングといった異常燃焼が生じやすくなるという問題がある。
そこで、エンジン１は、高負荷領域において、燃料噴射の形態を工夫することにより異常燃焼を回避するよう構成されている。具体的に、ＥＣＵ１０は、３０ＭＰａ以上の高い燃料圧力でかつ、圧縮行程後期から膨張行程初期までの期間（以下、この期間をリタード期間と呼ぶ）内のタイミングで、燃焼室１７内に燃料を噴射するよう、燃料供給システム６１及びインジェクタ６に制御信号を出力する。ＥＣＵ１０はまた、燃料の噴射後、圧縮上死点付近のタイミングで、混合気に点火を行うよう、点火プラグ２５に制御信号を出力する。なお、以下においては、高い燃料圧力でかつ、リタード期間内のタイミングで、燃焼室１７の中に燃料を噴射することを、高圧リタード噴射と呼ぶ。
【００７３】
高圧リタード噴射は、混合気が反応する時間を短くすることによって、異常燃焼を回避する。すなわち、混合気が反応する時間は、（１）インジェクタ６が燃料を噴射する期間（つまり、噴射期間）と、（２）燃料の噴射が終了した後、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（つまり、混合気形成期間）と、（３）点火によって開始されたＳＩ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である。
【００７４】
高い燃料圧力で、燃焼室１７の中に燃料を噴射すると、噴射期間及び混合気形成期間は、それぞれ短くなる。噴射期間及び混合気形成期間が短くなると、燃料の噴射を開始するタイミングを点火タイミングに近づけることが可能になる。高圧リタード噴射は、高い圧力でかつ、燃焼室１７の中に燃料を噴射するから、圧縮行程後期から膨張行程初期までのリタード期間内のタイミングで、燃料噴射を行う。
【００７５】
高い燃料圧力で燃焼室１７の中に燃料を噴射すると、燃焼室１７の中の乱流エネルギーが高くなる。燃料噴射のタイミングを圧縮上死点に近づけると、燃焼室１７の中の乱流エネルギーが高い状態でＳＩ燃焼を開始することができる。その結果、燃焼期間が短くなる。
【００７６】
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くすることができる。吸気行程中に燃焼室１７の中に燃料を噴射する場合と比較して、高圧リタード噴射は、混合気が反応する時間を大幅に短くすることができる。高圧リタード噴射は、混合気が反応する時間が短くなるから、異常燃焼を回避することが可能になる。
【００７７】
エンジン制御の技術分野においては、異常燃焼を回避するために、点火タイミングを遅角することが、従来から行われている。しかしながら、点火タイミングを遅らせると、燃費性能は低下する。高圧リタード噴射は、点火タイミングを遅角させなくてもよい。高圧リタード噴射を利用することによって、燃費性能は向上する。
【００７８】
燃料圧力を、例えば３０ＭＰａ以上にすれば、噴射期間、混合気形成期間及び燃焼期間を効果的に短縮することができる。なお、燃料圧力は、燃料の性状に応じて適宜設定するのが好ましい。燃料圧力の上限値は、一例として、１２０ＭＰａとしてもよい。
【００７９】
ここで、エンジン１の回転数が低いときには、クランク角が同一角度だけ変化するときの時間が長いため、 高圧リタード噴射によって混合気の反応可能時間を短縮することは、異常燃焼を回避する上で、特に有効である。一方、エンジン１の回転数が高くなると、クランク角が同一角度だけ変化するときの時間が短くなる。このため、混合気の反応可能時間を短縮することは、異常燃焼を回避する上で、それほど有効ではない。
【００８０】
高圧リタード噴射はまた、圧縮上死点付近になって初めて、燃焼室１７の中に燃料を噴射するため、圧縮行程において、燃焼室１７の中では、燃料を含まないガス、言い換えると比熱比の高いガスが圧縮される。エンジン１の回転数が高いときに、高圧リタード噴射を行うと、圧縮上死点における筒内温度、つまり、圧縮端温度が高くなってしまう。圧縮端温度が高くなることによって、ノッキング等の異常燃焼を招く恐れがある。
【００８１】
そこで、このエンジン１は、高負荷領域（Ｃ）を、低回転側の第１高負荷領域（Ｃ１）と、第１高負荷領域（Ｃ１）よりも回転数の高い第２高負荷領域（Ｃ２）とに分けている。第１高負荷領域は、高負荷領域内を、低回転、中回転及び高回転の３つの領域に三等分したときの低回転及び中回転領域を含むとしてもよい。第２高負荷領域は、高負荷領域内を、低回転、中回転及び高回転の３つの領域に三等分したときの高回転領域を含むとしてもよい。
【００８２】
第１高負荷領域において、インジェクタ６は、ＥＣＵ１０の制御信号を受けて、前述した高圧リタード噴射を行う。第２高負荷領域において、インジェクタ６は、ＥＣＵ１０の制御信号を受けて、吸気行程中の所定タイミングで燃料噴射を行う。吸気行程中に行う燃料噴射は、高い燃料圧力が不要である。ＥＣＵ１０は、燃料圧力が、高圧リタード噴射の燃料圧力よりも低くなるよう（例えば燃料圧力が４０ＭＰａ未満となるよう）、燃料供給システム６１に制御信号を出力する。燃料圧力を下げることによって、エンジン１の機械抵抗損失が低下するから、燃費の向上に有利になる。
吸気行程中に燃焼室１７の中に燃料を噴射することによって、燃焼室１７の中のガスの比熱比が下がるから、圧縮端温度が低くなる。圧縮端温度が低くなるから、エンジン１は、異常燃焼を回避することができる。異常燃焼を回避するために、点火タイミングを遅角する必要がないため、第２高負荷領域において、点火プラグ２５は、第１高負荷領域と同様に、圧縮上死点付近のタイミングで、混合気に点火する。
【００８３】
第１高負荷領域においては、高圧リタード噴射によって、混合気が自己着火に至らないため、エンジン１は、安定したＳＩ燃焼を行うことができる。第２高負荷領域においては、吸気行程中の燃料噴射によって、混合気が自己着火に至らないため、エンジン１は、安定したＳＩ燃焼を行うことができる。
【００８４】
＜ＳＩ−ＣＩ燃焼＞
次に、図５（ａ）〜（ｃ）を参照して、前述したＳＩ−ＣＩ燃焼について、さらに詳細に説明をする。図５（ａ）〜（ｃ）は、ＳＩ−ＣＩ燃焼における、クランク角に対する熱発生率の変化を例示する波形を示している。圧縮上死点付近、正確には、圧縮上死点よりも前の所定タイミングで、点火プラグ２５が混合気に点火すると、火炎伝播による燃焼が開始する。ＳＩ燃焼時の熱発生は、ＣＩ燃焼時の熱発生よりも穏やかである。従って、熱発生率の波形は、傾きが相対的に小さくなる。図示はしないが、ＳＩ燃焼時の、燃焼室１７の中における圧力変動（ｄｐ／ｄθ）も、ＣＩ燃焼時よりも穏やかになる。
【００８５】
ＳＩ燃焼によって、筒内温度及び筒内圧が高まると、未燃混合気が自己着火する。図５（ａ）の例では、ほぼ圧縮上死点において、熱発生率の波形の傾きが、小から大へと変化している。つまり、熱発生率の波形は、ＣＩ燃焼が開始するタイミングで、変曲点を有している。
【００８６】
ＣＩ燃焼の開始後は、ＳＩ燃焼とＣＩ燃焼とが並行して行われる。ＣＩ燃焼は、ＳＩ燃焼よりも熱発生が大きいため、熱発生率は相対的に大きくなる。但し、ＣＩ燃焼は、圧縮上死点後に行われるため、ピストン３がモータリングによって下降している。ＣＩ燃焼による、熱発生率の波形の傾きが大きくなりすぎることが回避される。ＣＩ燃焼時のｄｐ／ｄθも比較的穏やかになる。
【００８７】
ｄｐ／ｄθは、燃焼騒音を表す指標として用いることができるが、前述の通りＳＩ−ＣＩ燃焼は、ｄｐ／ｄθを小さくすることができるため、燃焼騒音が大きくなりすぎることを回避することが可能になる。燃焼騒音は、許容レベル以下に抑えることができる。
【００８８】
ＣＩ燃焼が終了することによって、ＳＩ−ＣＩ燃焼が終了する。ＣＩ燃焼は、ＳＩ燃焼に比べて、燃焼期間が短い。ＳＩ−ＣＩ燃焼は、ＳＩ燃焼よりも、燃焼終了時期が早まる。言い換えると、ＳＩ−ＣＩ燃焼は、膨張行程中の燃焼終了時期を、圧縮上死点に近づけることが可能である。ＳＩ−ＣＩ燃焼は、ＳＩ燃焼よりも、エンジン１の燃費性能の向上に有利である。
従って、ＳＩ−ＣＩ燃焼は、燃焼騒音の防止と、燃費性能の向上とを両立することができる。
【００８９】
ここで、ＳＩ−ＣＩ燃焼の特性を示すパラメータとして、ＳＩ率を定義する。ＳＩ率は、ＳＩ−ＣＩ燃焼により発生した全熱量に対し、ＳＩ燃焼により発生した熱量の比率と定義する。つまり、図５（ａ）においてＳＩ率は、ＳＩ率＝（ＳＩ燃焼の面積）／（ＳＩ−ＣＩ燃焼の面積）である。ＳＩ率は、ＳＩ燃焼とＣＩ燃焼とを組み合わせたＳＩ−ＣＩ燃焼において、ＳＩ燃焼とＣＩ燃焼との比である。ＳＩ率が高いと、ＳＩ燃焼の割合が高く、ＳＩ率が低いと、ＣＩ燃焼の割合が高い。
【００９０】
ＳＩ率は、前述した定義に限定されるものではない。ＳＩ率は、様々な定義が考えられる。例えば、ＳＩ率は、ＣＩ燃焼により発生した熱量に対する、ＳＩ燃焼により発生した熱量の比率としてもよい。つまり、図５（ａ）においてＳＩ率＝（ＳＩ燃焼の面積）／（ＣＩ燃焼の面積）としてもよい。
【００９１】
また、ＳＩ−ＣＩ燃焼において、ＣＩ燃焼が開始したタイミングで、熱発生率の波形は変曲点を有している。そこで、図５（ｂ）に示すように、熱発生率の波形における変曲点を境界にし、境界よりも進角側の範囲をＳＩ燃焼、遅角側の範囲をＣＩ燃焼としてもよい。この場合において、ＳＩ率は、図５（ｂ）にハッチングを付して示すように、境界よりも進角側の範囲の面積ＱSI、遅角側の範囲の面積ＱCIから、ＳＩ率＝ＱSI／（ＱSI＋ＱCI）としてもよいし、ＳＩ率＝ＱSI／ＱCIとしてもよい。また、境界よりも進角側の範囲の全面積ではなく一部の面積と、境界よりも遅角側の範囲の一部の面積とに基づいて、ＳＩ率を定義してもよい。
【００９２】
また、熱発生に基づいてＳＩ率を定義するのではなく、境界よりも進角側の範囲のクランク角ΔθSI、遅角側の範囲のクランク角ΔθCIから、ＳＩ率＝ΔθSI／（ΔθSI＋ΔθCI）としてもよいし、ＳＩ率＝ΔθSI／ΔθCIとしてもよい。
【００９３】
さらに、境界よりも進角側の範囲の熱発生率のピークΔＰSI、遅角側の範囲の熱発生率のピークΔＰCIから、ＳＩ率＝ΔＰSI／（ΔＰSI＋ΔＰCI）としてもよいし、ＳＩ率＝ΔＰSI／ΔＰCIとしてもよい。
【００９４】
加えて、境界よりも進角側の範囲における熱発生率の傾きφSI、遅角側の範囲における熱発生率の傾きφCIから、ＳＩ率＝φSI／（φSI＋φCI）としてもよいし、ＳＩ率＝φSI／φCIとしてもよい。
【００９５】
また、ここでは、熱発生率の波形に基づいて、面積（つまり、熱発生量の大きさ）、横軸の長さ（つまり、クランク角の大きさ）、縦軸の長さ（つまり、熱発生率の大きさ）、又は、傾き（つまり、熱発生率の変化率）から、ＳＩ率を定義している。図示は省略するが、筒内圧（Ｐ）の波形に基づいて、同様に、面積、横軸の長さ、縦軸の長さ、又は、傾きから、ＳＩ率を定義してもよい。
【００９６】
また、ＳＩ−ＣＩ燃焼において、熱発生率又は圧力に係る燃焼波形の変曲点は、常に明確に現れるとは限らない。変曲点に基づかないＳＩ率の定義として、次のような定義を用いてもよい。つまり、図５（ｃ）に示すように、燃焼波形において、圧縮上死点（ＴＤＣ）よりも進角側の範囲をＳＩ燃焼とし、圧縮上死点よりも遅角側の範囲をＣＩ燃焼としてもよい。その上で、前記と同様に、面積（ＱSI、ＱCI）、横軸の長さ（ΔθSI、ΔθCI）、縦軸の長さ（ΔＰSI、ΔＰCI）、又は、傾き（φSI、φCI）から、ＳＩ率を定義してもよい。
【００９７】
さらに、ＳＩ率は、燃焼室１７の中で実際に行われた燃焼波形によって定義するのではなく、燃料量に基づいて定義してもよい。後述するように、ＳＩ−ＣＩ燃焼を行う中負荷領域においては、前段噴射と後段噴射とを含む分割噴射を行う。後段噴射によって燃焼室１７の中に噴射された燃料は、噴射から点火までの時間が短いため、燃焼室１７の中で拡散せずに、点火プラグ２５の付近に位置するようになる。従って、後段噴射によって燃焼室１７の中に噴射された燃料は、主にＳＩ燃焼によって燃焼する。一方、前段噴射によって燃焼室１７の中に噴射された燃料は、主にＣＩ燃焼によって燃焼する。従って、前段噴射によって噴射する燃料量（ｍ1）と、後段噴射によって噴射する燃料量（ｍ2）とに基づいて、ＳＩ率を定義することが可能である。つまり、ＳＩ率＝ｍ2／（ｍ1＋ｍ2）としてもよいし、ＳＩ率＝ｍ2／ｍ1としてもよい。
【００９８】
＜エンジンの基本運転制御＞
エンジン１は、前述したように、運転状態に応じてＳＩ燃焼とＳＩ−ＣＩ燃焼とを切り替える。エンジン１はまた、エンジン１の運転状態に応じてＳＩ率を変更する。自己着火による燃焼を行う運転領域が拡大するため、エンジン１は、燃焼騒音の発生を抑制することと、燃費の向上を図ることとが両立する。
【００９９】
図６は、エンジン１の負荷の高低に対する、ＳＩ率の変化、燃焼室１７の中の状態量の変化、吸気弁の開弁期間及び排気弁の開弁期間の変化、並びに、燃料の噴射タイミング及び点火タイミングの変化を例示している。以下、所定の回転数で、エンジン１の負荷が次第に高くなる想定において、本実施形態によるエンジン１の基本運転制御について説明する。
【０１００】
（低負荷領域（低負荷ＳＩ燃焼））
低負荷領域（Ａ）において、エンジン１は、低負荷ＳＩ燃焼を行う。エンジン１の運転状態が低負荷領域にあるときに、ＳＩ率は１００％で一定である。
【０１０１】
低負荷領域においては、前述したように、混合気のＧ／Ｆを、１８．５〜３０の間で一定にする。エンジン１は、燃焼室１７の中に、燃料量に応じた量の新気及び既燃ガスを導入する。新気の導入量は、前述したように、スロットリング、及び／又は、ミラーサイクルによって調整する。希釈率が高いため、ＳＩ燃焼を安定化させるために、筒内温度を高める。エンジン１は、低負荷領域においては、内部ＥＧＲガスを、燃焼室１７の中に導入する。
【０１０２】
内部ＥＧＲガスは、排気上死点を挟んで吸気弁２１及び排気弁２２が共に閉弁したネガティブオーバーラップ期間を設けることによって、燃焼室１７の中に導入する（つまり、既燃ガスを燃焼室１７の中に閉じ込める）。内部ＥＧＲガス量の調整は、吸気電動ＶＶＴ２３により吸気弁２１の開弁時期を調整することと、排気電動ＶＶＴ２４により排気弁２２の開弁時期を調整することと、によって、ネガティブオーバーラップ期間の長さを適宜設定することにより行う。
【０１０３】
低負荷領域においては、燃焼室１７の中に導入する充填量が１００％未満に調整される。燃料量が増大するに従い、燃焼室１７の中に導入する新気の量、及び、内部ＥＧＲガスの量が次第に増える。低負荷領域におけるＥＧＲ率（つまり、燃焼室１７の中の全ガスに対するＥＧＲガスの質量比）は、例えば５０％である。
【０１０４】
インジェクタ６は、吸気行程中に、燃焼室１７の中に燃料を噴射する。燃焼室１７の中には、空気過剰率λが１．０±０．２でかつ、Ｇ／Ｆが１８．５〜３０になった、均質な混合気が形成される。圧縮上死点の前の所定のタイミングで、点火プラグ２５が混合気に点火をすることによって、混合気は、自己着火に至らずに、火炎伝播により燃焼する。
【０１０５】
（第２中負荷領域（非過給ＳＩ−ＣＩ燃焼））
エンジン１の負荷が高くなって、運転状態が第２中負荷領域（Ｂ２）に入ると、エンジン１は、低負荷ＳＩ燃焼から非過給ＳＩ−ＣＩ燃焼に切り替える。ＳＩ率は、１００％未満になる。エンジン１の負荷が高まるに従い燃料量が増える。第２中負荷領域の中において負荷が低いときには、燃料量の増大に従って、ＣＩ燃焼の割合を増やす。ＳＩ率は、エンジン１の負荷が高くなる従って、次第に小さくなる。ＳＩ率は、図６の例では、５０％以下の所定値（最小値）にまで減少する。
燃料量が増えるため、第２中負荷領域においては、燃焼温度が高くなる。筒内温度が高くなりすぎると、ＣＩ燃焼が開始するときの熱発生が激しくなってしまう。そうなると、燃焼騒音が増大してしまう。
【０１０６】
そこで、第２中負荷領域においては、燃焼室１７の中の圧縮開始前の温度を調整するために、エンジン１の負荷が変化することに対して、内部ＥＧＲガスと、外部ＥＧＲガスとの割合を変更する。つまり、エンジン１の負荷が高くなるに従い、熱い内部ＥＧＲガスを次第に減らし、冷却した外部ＥＧＲガスを次第に増やす。ネガティブオーバーラップ期間は、第２中負荷領域において、負荷が高くなるに従い、最大からゼロになるまで変更される。内部ＥＧＲガスは、第２中負荷領域において最も負荷が高くなるとゼロになる。
【０１０７】
ＥＧＲ弁５４の開度は、第２中負荷領域において、負荷が高くなるに従い、外部ＥＧＲガスが増えるよう変更される。燃焼室１７の中に導入される外部ＥＧＲガスの量は、ＥＧＲ率で表すと、例えば０〜３０％の間において調整される。第２中負荷領域においては、エンジン１の負荷が高くなるに従い、ＥＧＲガスが、内部ＥＧＲガスから外部ＥＧＲガスへと置換される。
【０１０８】
なお、低負荷領域と第２中負荷領域との間で、燃焼室１７の中に導入するＥＧＲガス量は連続している。第２中負荷領域における負荷の低い領域においては、低負荷領域と同じように、内部ＥＧＲガスが燃焼室１７の中に、大量に導入されている。筒内温度が高くなるため、エンジン１の負荷が低いときに、混合気が確実に自己着火する。第２中負荷領域における負荷の高い領域においては、外部ＥＧＲガスが燃焼室１７の中に導入されている。筒内温度が低くなるため、エンジン１の負荷が高いときに、ＣＩ燃焼に伴う燃焼騒音を抑制することができる。
【０１０９】
第２中負荷領域においては、燃焼室１７の中に導入する充填量が１００％にされる。スロットル弁４３の開度は、全開である。内部ＥＧＲガスと外部ＥＧＲガスとを合わせたＥＧＲガス量を調整することによって、燃焼室１７の中に導入する新気の量を、燃料量に対応する量に調整する。
【０１１０】
非過給ＳＩ−ＣＩ燃焼においてＣＩ燃焼の割合が大きくなるに従い、自己着火のタイミングが早くなる。自己着火のタイミングが圧縮上死点よりも早くなると、ＣＩ燃焼が開始するときの熱発生が激しくなってしまう。そうなると、燃焼騒音が増大してしまう。そこで、エンジン１は、エンジン１の負荷が所定負荷Ｌ１に到達すれば、エンジン１の負荷が高まることに従い、ＳＩ率を次第に大きくする。
【０１１１】
つまり、エンジン１は、燃料量の増大に従ってＳＩ燃焼の割合を増やす。具体的には、非過給ＳＩ−ＣＩ燃焼においては、燃料量が増えるに従い、点火タイミングを次第に進角させる。前述したように、内部ＥＧＲガスの導入量を減らしかつ、外部ＥＧＲガスの導入量を増やすことによって、筒内温度の調整を行っているから、燃料量が増えても、ＳＩ燃焼による筒内温度上昇を抑制することが可能になる。ＳＩ燃焼の熱発生率の変化率は、負荷が高くなっても、ほとんど変わらないようにする。点火タイミングを進角すると、ＳＩ燃焼の開始が早まる分、ＳＩ燃焼の熱発生量が増える。
【０１１２】
ＳＩ燃焼による燃焼室１７の中の温度上昇が抑制される結果、未燃混合気は、圧縮上死点以降のタイミングで自己着火する。ＣＩ燃焼による熱発生は、ＳＩ燃焼の熱発生量が増えているから、エンジン１の負荷が高くなっても、ほぼ同じになる。従って、エンジン１の負荷が高くなることに応じて、ＳＩ率を次第に高く設定することにより、燃焼騒音が増大してしまうことを回避することができる。なお、非過給ＳＩ−ＣＩ燃焼の燃焼重心は、負荷が高くなるほど遅角する。
【０１１３】
第２中負荷領域において、インジェクタ６は、圧縮行程中に、前段噴射と後段噴射との２回に分けて、燃焼室１７の中に燃料を噴射する。前段噴射は、点火タイミングから離れたタイミングで燃料を噴射し、後段噴射は、点火タイミングに近いタイミングで燃料を噴射する。燃焼室１７の中には、空気過剰率λが１．０±０．２でかつ、Ｇ／Ｆが１８．５〜３０になった、略均質な混合気が形成される。混合気が略均質であるため、未燃損失の低減による燃費の向上、及び、スモークの発生回避による排出ガス性能の向上を図ることができる。
【０１１４】
圧縮上死点の前の所定のタイミングで、点火プラグ２５が混合気に点火をすることによって、混合気は、火炎伝播により燃焼する。その後、未燃混合気が自己着火して、ＣＩ燃焼する。後段噴射によって噴射された燃料は、主にＳＩ燃焼する。前段噴射によって噴射された燃料は、主にＣＩ燃焼する。前段噴射を圧縮行程中に行うため、前段噴射により噴射した燃料が過早着火等の異常燃焼を誘発することを防止することができる。また、後段噴射により噴射した燃料を、安定的に火炎伝播により燃焼させることができる。
【０１１５】
（第１中負荷領域（過給ＳＩ−ＣＩ燃焼））
エンジン１の負荷がさらに高まり、エンジン１の運転状態が第１中負荷領域（Ｂ１）に入ると、過給機４４が、新気及び外部ＥＧＲガスの過給を行う。燃焼室１７の中に導入する新気の量、及び、外部ＥＧＲガスの量は共に、エンジン１の負荷が高くなるに従い増える。燃焼室１７の中に導入される外部ＥＧＲガスの量は、ＥＧＲ率で表すと、例えば３０％である。ＥＧＲ率は、エンジン１の負荷の高低に関わらず一定である。従って、混合気のＧ／Ｆも、エンジン１の負荷の高低に関わらず一定である。なお、第２中負荷領域と第１中負荷領域との間で、燃焼室１７の中に導入するＥＧＲガス量は連続している。
【０１１６】
ＳＩ率は、１００％未満の所定値で、エンジン１の負荷の高低に対して一定にする。第２中負荷領域のＳＩ率、特に所定負荷Ｌ１よりも負荷が高く、エンジン１の負荷が高まることに従い次第に大きくなるＳＩ率と、第１中負荷領域のＳＩ率とを比較したときに、エンジン１の負荷が高い第１中負荷領域のＳＩ率の方が、第２中負荷領域のＳＩ率よりも高い。第１中負荷領域と第２中負荷領域との境界において、ＳＩ率は連続している。
【０１１７】
過給ＳＩ−ＣＩ燃焼においても、燃料量が増えることに伴い、点火タイミングを次第に進角させるようにする。前述したように、過給によって燃焼室１７の中に導入する新気及びＥＧＲガス量を増やしているため、熱容量が大きい。燃料量が増えても、ＳＩ燃焼による筒内温度上昇を抑制することが可能になる。過給ＳＩ−ＣＩ燃焼の熱発生率の波形は、負荷が高くなるに従い、相似形で大きくなる。
【０１１８】
つまり、ＳＩ燃焼の熱発生率の変化率がほとんど変わらずに、ＳＩ燃焼の熱発生量が増える。圧縮上死点以降の、ほぼ同じタイミングで、未燃混合気が自己着火をする。ＣＩ燃焼による熱発生量は、エンジン１の負荷が高くなると、多くなる。その結果、第１中負荷領域においては、ＳＩ燃焼の熱発生量とＣＩ燃焼の熱発生量とが共に増えるから、エンジン１の負荷の高低に対してＳＩ率が一定になる。ＣＩ燃焼の熱発生のピークが高くなると、燃焼騒音が大きくなるが、第１中負荷領域は、エンジン１の負荷が比較的高いため、ある程度の大きさの燃焼騒音は許容することができる。なお、過給ＳＩ−ＣＩ燃焼の燃焼重心は、負荷が高くなるほど遅角する。
【０１１９】
第１中負荷領域においては、排気上死点を挟んで、吸気弁２１と排気弁２２とが共に開弁するオーバーラップ期間を設ける。燃焼室１７の中に残留する既燃ガスを、過給圧によって掃気する。これにより、筒内温度が低くなるため、エンジン１の負荷が比較的高いときに、異常燃焼が発生してしまうことを抑制することができる。また、筒内温度を下げることによって、エンジン１の負荷が比較的高い領域において、自己着火のタイミングを適切なタイミングにすることができ、ＳＩ率を所定のＳＩ率に維持することが可能になる。さらに、既燃ガスを掃気することによって、燃焼室１７の中の新気の充填量を高めることができる。
【０１２０】
第１中負荷領域において、インジェクタ６は、第２中負荷領域と同様に、圧縮行程中に、前段噴射と後段噴射との２回に分けて、燃焼室１７の中に燃料を噴射する。前段噴射は、点火タイミングから離れたタイミングで燃料を噴射し、後段噴射は、点火タイミングに近いタイミングで燃料を噴射する。燃焼室１７の中には、空気過剰率λが１．０±０．２でかつ、Ｇ／Ｆが１８．５〜３０になった、略均質な混合気が形成される。混合気が略均質であるため、未燃損失の低減による燃費の向上、及び、スモークの発生回避による排出ガス性能の向上を図ることができる。
【０１２１】
圧縮上死点の前の所定のタイミングで、点火プラグ２５が混合気に点火をすることによって、混合気は、火炎伝播により燃焼する。その後、未燃混合気が自己着火して、ＣＩ燃焼する。後段噴射によって噴射された燃料は、主にＳＩ燃焼する。前段噴射によって噴射された燃料は、主にＣＩ燃焼する。前段噴射を圧縮行程中に行うため、前段噴射により噴射した燃料が過早着火等の異常燃焼を誘発することを防止することができる。また、後段噴射により噴射した燃料を、安定的に火炎伝播により燃焼させることができる。
【０１２２】
（高負荷領域（高負荷ＳＩ燃焼））
エンジン１の負荷がさらに高まり、エンジン１の運転状態が高負荷領域（Ｃ）に入ると、エンジン１は、高負荷ＳＩ燃焼を行う。従って、高負荷領域においてＳＩ率は、１００％になる。
【０１２３】
スロットル弁４３は、全開である。過給機４４は、高負荷領域においても、新気及び外部ＥＧＲガスの過給を行う。ＥＧＲ弁５４は、開度を調整することによって、エンジン１の負荷が高くなるに従い、外部ＥＧＲガスの導入量を次第に減少させる。そうすることによって、燃焼室１７の中に導入される新気が、エンジン１の負荷が高くなると増える。新気の量が増えると、燃料量を増やすことができるため、エンジン１の最高出力を高くする上で、有利になる。なお、第１中負荷領域と高負荷領域の間で、燃焼室１７の中に導入するＥＧＲガス量は連続している。
【０１２４】
高負荷領域においても、第１中負荷領域と同様に、排気上死点を挟んで、吸気弁２１と排気弁２２とが共に開弁するオーバーラップ期間を設ける。燃焼室１７の中に残留する既燃ガスを、過給圧によって掃気する。これにより、異常燃焼の発生が抑制される。また、燃焼室１７の中の新気の充填量を高めることができる。
【０１２５】
高負荷領域の低回転側の領域（つまり、第１高負荷領域（Ｃ１））において、インジェクタ６は、前述したように、リタード期間内に、燃焼室１７の中に燃料を噴射する。高負荷領域の高回転側の領域（つまり、第２高負荷領域（Ｃ２））においては、インジェクタ６は、吸気行程中に、燃焼室１７の中に燃料を噴射する。いずれにおいても、燃焼室１７の中には、空気過剰率λが１．０±０．２でかつ、Ｇ／Ｆが１８．５〜３０になった、略均質な混合気が形成される。圧縮上死点の前の所定のタイミングで、点火プラグ２５が混合気に点火をすることによって、混合気は、火炎伝播により燃焼する。高負荷領域においては、高圧リタード噴射又は吸気行程中の燃料噴射によって、混合気は自己着火に至らずにＳＩ燃焼する。
【０１２６】
＜エンジン負荷とＳＩ率及び自己着火時期との関係＞
次に、本実施形態によるＳＩ率及び自己着火時期の制御について説明する。本実施形態では、ＥＣＵ１０は、ＳＩ率及び自己着火時期の各々を制御する手段（第１及び第２制御手段）として機能し、これらの手段によって、エンジン１の１燃焼サイクル中において、ＳＩ燃焼及びＣＩ燃焼の両方の燃焼状態をエンジン１の運転状態に応じて変更するようにする。こうすることで、所望のＳＩ−ＣＩ燃焼波形が実現されるようにする。具体的には、所望のＳＩ率及び自己着火時期が実現されるようにする。
【０１２７】
図７を参照して、本実施形態において、ＥＣＵ１０がエンジン負荷に応じて実行するＳＩ率及び自己着火時期の制御について具体的に説明する。図７は、本実施形態におけるエンジン負荷とＳＩ率及び自己着火時期との関係を説明するための図である。
【０１２８】
図７では、横軸にクランク角を示し、縦軸に熱発生率（ｄＱ／ｄθ）を示しており、エンジン負荷に応じて適用する、複数のＳＩ−ＣＩ燃焼の燃焼波形（換言すると熱発生形状）を示している。このような図７に示す燃焼波形は、典型的には、上述した過給を行わない第２中負荷領域Ｂ２、より詳しくは第２中負荷領域Ｂ２における所定負荷Ｌ１を超える領域において適用される（図６参照）。なお、本来はエンジン負荷が高くなるほど発生熱量Ｑが増えるので「ｄＱ／ｄθ」の面積が大きくなっていくが、図７では、燃焼波形の形状に着目する観点から、「ｄＱ／ｄθ」の値を正規化して略同一の面積にした燃焼波形を示している。
【０１２９】
まず、グラフＧ１１に示すように、エンジン負荷が比較的低い場合には、燃焼騒音があまり問題にならないので、ＥＣＵ１０は、安定した自己着火を実現可能な圧縮上死点（ＴＤＣ）付近のクランク角（比較的進角側のクランク角）をＣＩ燃焼の自己着火時期に適用する。また、燃焼期間が短いほうが燃費が良いので、ＥＣＵ１０は、ＳＩ−ＣＩ燃焼におけるＳＩ率を小さくする、つまりＳＩ−ＣＩ燃焼におけるＣＩ燃焼の比率を大きくする。次に、グラフＧ１２に示すように、エンジン負荷が高くなるにつれて、ＥＣＵ１０は、燃焼騒音の発生を抑制するために、ＳＩ率を増大させると共に（矢印Ａ１１、Ａ１２）、ＣＩ燃焼が行われる期間をできるだけ延ばすようにＣＩ燃焼の自己着火時期を遅角させる（矢印Ａ１３）。
【０１３０】
次に、ＥＣＵ１０は、グラフＧ１３に示すように、エンジン負荷の上昇に伴ってＳＩ率を増大させると共に自己着火時期を遅角させていった場合において（矢印Ａ１４、Ａ１５、Ａ１６）、自己着火時期が所定の遅角限界θlimに達すると、自己着火時期をこの遅角限界θlimに固定し、自己着火時期を遅角限界θlimよりも遅角させないようにする。この遅角限界θlimは、ＣＩ燃焼の自己着火安定性が確保される限界の着火時期に基づき定められており、そのような遅角限界θlimによって自己着火時期の遅角を制限することで、ＣＩ燃焼の自己着火安定性を確保するようにしている。なお、遅角限界θlimを固定値に設定することに限定はされず、エンジン１の種々の状態（例えば筒内温度など）に応じて変化させてもよい。
【０１３１】
次に、ＥＣＵ１０は、エンジン負荷がさらに高くなると、グラフＧ１４に示すように、ＳＩ燃焼における熱発生率（ｄＱ／ｄθ）がほぼ最大になるクランク角を（ＳＩ燃焼のみを示す破線のグラフＧ１５も合せて参照）、自己着火時期に適用することで、ＣＩ燃焼の自己着火安定性を確保するようにする。具体的には、ＥＣＵ１０は、ＳＩ燃焼の熱発生ピーク（５０％燃焼位置）に対応するクランク角を自己着火時期に適用する。そして、ＥＣＵ１０は、エンジン負荷がさらに高くなると、第２中負荷領域Ｂ２から第１中負荷領域Ｂ１へと移行することで、過給機４４による過給を実行することにより、燃焼騒音を抑制するようにする。この場合に適用する燃焼波形は、グラフＧ１４とほぼ同様のものとなる。
【０１３２】
更に、本実施形態では、図７に示すように、ＥＣＵ１０は、ドライバ要求に応じた目標エンジントルクを確実に満たすべく、ＳＩ−ＣＩ燃焼における燃焼重心位置がエンジン負荷によらずにほぼ一定になるように、ＳＩ率及び自己着火時期を設定する。特に、ＳＩ−ＣＩ燃焼における燃焼重心が圧縮上死点後の２〜６度（ＡＴＤＣ２〜６度）付近にあるときに燃費が向上するので、ＥＣＵ１０は、そのようなＳＩ−ＣＩ燃焼における燃焼重心位置が維持されるように、エンジン負荷を考慮しつつ、ＳＩ率及び自己着火時期を設定する。このときに、ＥＣＵ１０は、燃焼開始前の筒内温度もさらに調整するようにする。典型的には、ＥＣＵ１０は、エンジン負荷が低くなるほど、燃焼開始前の筒内温度を高める制御を行う（換言すると、エンジン負荷が高くなるほど、燃焼開始前の筒内温度を下げる制御を行う）。例えば、ＥＣＵ１０は、内部ＥＧＲ率を増やす制御を行って、燃焼開始前の筒内温度を高めるようにする。これにより、ＳＩ燃焼の開始を遅らせることができる、つまりＳＩ燃焼の開始が早まらないようにすることができる。
【０１３３】
なお、燃焼開始前の筒内温度が比較的低い状態においては、エンジン負荷が高くなるほど、ＳＩ率を増大させるように、ＳＩ燃焼のための点火時期を進角させてもよい。この場合、火炎伝播確保や冷却損失抑制の観点から（つまりＳＩ燃焼の開始が早くなり過ぎないようにするため）、所定の進角限界を超えない範囲内において、点火時期を進角側に設定するのがよい。
但し、燃焼開始前の筒内温度が比較的高い状態においては、エンジン負荷が高くなるほど、筒内温度をできるだけ低下させるようにして、ＳＩ率を増大させるようにするのがよい。燃焼開始前の筒内温度が高いと、ＳＩ燃焼後に筒内温度が速やかに着火温度に到達することで、ＣＩ燃焼が所望の自己着火時期よりも早く生じてしまうことがあるからである。
【０１３４】
＜筒内温度とＳＩ率との関係＞
次に、本実施形態によるＳＩ率及び筒内温度の制御について説明する。本実施形態では、ＥＣＵ１０は、ＳＩ率及び筒内温度の各々を制御する手段（第１及び第２制御手段）として機能し、これらの手段によって、エンジン１の１燃焼サイクル中において、ＳＩ燃焼及びＣＩ燃焼の両方の燃焼状態をエンジン１の運転状態に応じて変更するようにする。こうすることで、所望のＳＩ−ＣＩ燃焼波形が実現されるようにする。具体的には、所望のＳＩ率及び自己着火時期が実現されるようにする。
【０１３５】
図８及び図９を参照して、本実施形態において、ＥＣＵ１０が燃焼開始前の筒内温度（燃焼室１７内の温度）に応じて実行するＳＩ率の制御について具体的に説明する。
【０１３６】
図８は、本実施形態において、燃焼開始前の筒内温度に応じてＳＩ率を制御する方法についての説明図である。図８は、横軸にクランク角を示し、縦軸に筒内温度を示しており、グラフＧ２１は、燃焼開始前の筒内温度が比較的低いときのピストン３の動作のみ（モータリング時に対応する）による筒内温度の変化を示し、グラフＧ２３は、燃焼開始前の筒内温度が比較的高いときのピストン３の動作のみによる筒内温度の変化を示している。更に、グラフＧ２２は、燃焼開始前の筒内温度が比較的低いときに、ほぼ圧縮上死点（ＴＤＣ）において自己着火を生じさせるようにＳＩ燃焼を行ったときの筒内温度の変化を示し、グラフＧ２４は、燃焼開始前の筒内温度が比較的高いときに、ほぼ圧縮上死点において自己着火を生じさせるようにＳＩ燃焼を行ったときの筒内温度の変化を示している。
【０１３７】
グラフＧ２１〜Ｇ２４より、燃焼開始前の筒内温度が比較的低いときには矢印Ａ２１に示すようなＳＩ燃焼による温度上昇量（発生熱量）が必要となり、燃焼開始前の筒内温度が比較的高いときには矢印Ａ２２に示すようなＳＩ燃焼による温度上昇量（発生熱量）が必要となる。これより、燃焼開始前の筒内温度が低い場合には、ＳＩ燃焼による大きな温度上昇量（発生熱量）が必要となることがわかる。
したがって、本実施形態では、ＥＣＵ１０は、燃焼開始前の筒内温度が低い場合には、燃焼開始前の筒内温度が高い場合よりも、ＳＩ率を大きくする。このように燃焼開始前の筒内温度に応じて制御を行うことで、目標ＳＩ率を実現できるようにすると共に、結果的に目標自己着火時期を実現できるようにする。
【０１３８】
次に、図９は、本実施形態において、燃焼開始前の筒内温度に応じて、所望の自己着火時期を実現するようＳＩ率を制御する方法についての説明図である。図９は、横軸にクランク角を示し、縦軸に熱発生率（ｄＱ／ｄθ）を示している。また、グラフＧ３１は、燃焼開始前の筒内温度が比較的低いときに適用する燃焼波形（換言すると熱発生形状）を示し、グラフＧ３２は、燃焼開始前の筒内温度が比較的高いときに適用する燃焼波形（換言すると熱発生形状）を示している。
【０１３９】
本実施形態では、ＥＣＵ１０は、燃焼開始前の筒内温度によらずにＣＩ燃焼の所望の自己着火時期（つまり目標自己着火時期）を実現するようにＳＩ率を制御する。具体的には、前述したように、ＥＣＵ１０は、燃焼開始前の筒内温度が低くなるほどＳＩ率を大きくする（換言すると燃焼開始前の筒内温度が高くなるほどＳＩ率を小さくする）。この場合、ＥＣＵ１０は、同じエンジン負荷において、燃焼開始前の筒内温度が低くなるほどＳＩ率を大きくする。例えば、ＥＣＵ１０は、目標自己着火時期が実現されるように、ＳＩ率としての自己着火時期θCLまでの「ｄＱ／ｄθ」の面積、つまりＳＩ燃焼による発生熱量を制御する。また、ＥＣＵ１０は、例えば点火プラグ２５による点火時期を進角させて、ＳＩ燃焼の開始を早めることで、ＳＩ率を大きくする。
【０１４０】
＜ＳＩ−ＣＩ燃焼制御＞
次に、本実施形態において、燃費の改善や燃焼安定性確保や燃焼騒音抑制などを達成可能な所望のＳＩ−ＣＩ燃焼（具体的には所望のＳＩ率や自己着火時期など）を実現するために、ＥＣＵ１０が行うＳＩ−ＣＩ燃焼制御の詳細について説明する。
【０１４１】
（制御の基本構成）
まず、本実施形態によるＳＩ−ＣＩ燃焼制御の概要について述べる。本実施形態では、まず、ＥＣＵ１０は、エンジン１の運転状態などに応じた目標ＳＩ率及び目標自己着火時期を設定し、これらの目標ＳＩ率及び目標自己着火時期に応じて設定すべきＳＩ−ＣＩ燃焼開始前の筒内温度、具体的には吸気弁２１の閉弁（以下では適宜「ＩＶＣ」と表記する。）時点での筒内温度を求め、この筒内温度を実現するようにＥＧＲ率などを制御する。こうすることで、所望の自己着火時期などを実現させるための制御、換言するとＳＩ−ＣＩ燃焼開始前に所望の筒内状態に設定するための制御を事前に行っておく。
【０１４２】
次いで、ＥＣＵ１０は、上記のような制御後にセンサ検出値からＩＶＣ時点での筒内温度を求め、この筒内温度に基づき、目標自己着火時期が実現されるように点火時期を制御する。こうすることで、上記したＥＧＲ率などの制御よりも応答性の速い制御、すなわち点火制御をＳＩ−ＣＩ燃焼直前に行うことにより、目標自己着火時期が適切に実現されるようにする。
【０１４３】
次いで、ＥＣＵ１０は、上記のような制御によりＳＩ−ＣＩ燃焼が実際に行われた後、このＳＩ−ＣＩ燃焼時に指圧センサＳＷ６によって検知された筒内圧に基づき、当該ＳＩ−ＣＩ燃焼前のＩＶＣ時点での筒内温度を求める。そして、ＥＣＵ１０は、この求めた筒内温度に基づき、次のＳＩ−ＣＩ燃焼を行わせるときに算出される２つの筒内温度、具体的には目標自己着火時期を実現するために算出される筒内温度と、この後にセンサ検出値から算出される筒内温度とを補正する。こうすることで、筒内温度の算出（推定）精度を向上させて、ＳＩ率及び自己着火時期が的確に制御できるようにする。
【０１４４】
次に、図１０及び図１１を参照して、本実施形態によるＳＩ−ＣＩ燃焼制御の基本構成について具体的に説明する。図１０は、本実施形態によるＳＩ−ＣＩ燃焼の基本制御を示すフローチャートであり、図１１は、本実施形態による燃焼前の筒内温度の推定方法についての説明図である。なお、図１０に示すフローは、ＳＩ−ＣＩ燃焼を実行するようなエンジン１の運転状態にある場合、典型的にはエンジン負荷が中負荷領域（Ｂ１又はＢ２）にある場合に、ＥＣＵ１０によって繰り返し実行される。
【０１４５】
図１０のフローが開始されると、まず、ステップＳ１１において、ＥＣＵ１０は、各センサＳＷ１〜ＳＷ１６の検知信号を読み込んで、エンジン１の運転状態を判断して、目標ＳＩ率及び目標自己着火時期を設定する。具体的には、ＥＣＵ１０は、アクセル開度センサＳＷ１２によって検知されたアクセル開度に応じた目標エンジントルクを求め、この目標エンジントルクを実現するのに適した目標ＳＩ率及び目標自己着火時期を設定する。
【０１４６】
次いで、ステップＳ１２において、ＥＣＵ１０は、所定の燃焼モデル及び筒内状態推定モデルを用いて、目標自己着火時期を実現するために設定されるべき、ＩＶＣ時点での筒内温度を求める。このＩＶＣ時点での筒内温度の求め方について、図１１を参照して具体的に説明する。なお、ＥＣＵ１０は、ステップＳ１２において、ＩＶＣ時点での筒内温度以外にも、エンジン１の運転状態に応じた目標空気量なども求める。
【０１４７】
図１１は、横軸にクランク角を示し、縦軸に筒内温度を示しており、グラフＧ４１は、ＳＩ−ＣＩ燃焼による筒内温度の変化を示し、グラフＧ４２は、ピストン３の動作のみ（モータリング時に対応する）による筒内温度の変化を示している。
【０１４８】
まず、ＥＣＵ１０は、上記のように設定した目標自己着火時期（θCL）から（点Ｐ１１）、圧縮上死点（ＴＤＣ）での自己着火部分（未燃部分）における筒内温度を求める（点Ｐ１２）。次いで、ＥＣＵ１０は、この求めた筒内温度から、矢印Ａ３で示すような目標ＳＩ率に対応するＳＩ燃焼による自己着火部分の温度上昇分を差し引くことで、モータリング時の圧縮上死点での筒内温度を求める（点Ｐ１３）。
【０１４９】
次いで、ＥＣＵ１０は、この求めた筒内温度から、エンジン１のポリトロープ過程での混合気の圧縮による温度上昇分を差し引くことで、吸気下死点（ＢＤＣ）での筒内温度を求める（点Ｐ１４）。次いで、ＥＣＵ１０は、この求めた筒内温度をポリトロープ過程にて変換することで、ＩＶＣ時点での筒内温度を求める（点Ｐ１５）。なお、図１１において点Ｐ１６は、点火プラグ２５の点火によりＳＩ燃焼が開始したときのクランク角及び筒内温度を示している。
【０１５０】
図１０に戻ると、ステップＳ１３において、ＥＣＵ１０は、現在の吸入空気量を考慮しつつ、所定の筒内状態推定モデルを用いて、ステップＳ１２で求めたＩＶＣ時点での筒内温度を実現するために導入するＥＧＲガスの度合い（つまりＥＧＲ率）などを求める。典型的には、ＥＣＵ１０は、ＩＶＣ時点での筒内温度を実現するのに必要な内部ＥＧＲ率を求める。
【０１５１】
次いで、ステップＳ１４において、ＥＣＵ１０は、ステップＳ１３で求めたＥＧＲ率などを実現すべく、所定の筒内状態制御モデルを用いて、各種のアクチュエータを制御する。典型的には、ＥＣＵ１０は、ＩＶＣ時点での筒内温度を実現するための内部ＥＧＲ率に対応する内部ＥＧＲガスを導入すべく、吸気電動ＶＶＴ２３及び排気電動ＶＶＴ２４（以下ではこれらを合わせて単に「吸排気ＶＶＴ２３、２４」と表記することがある。）の位相角を制御する。また、ＥＣＵ１０は、ステップＳ１２で求めた目標空気量などを実現すべく、スロットル弁４３の開度や、エアバイパス弁４８の開度や、電磁クラッチ４５の遮断／接続や、ＥＧＲ弁５４の開度などを制御する。このようなＥＣＵ１０の制御によって、燃焼室１７の中の状態が所望の状態へと変化していく。
【０１５２】
次いで、ステップＳ１５において、ＥＣＵ１０は、各センサＳＷ１〜ＳＷ１６の検知信号を読み込んで、所定の筒内状態推定モデルを用いて、実際のＩＶＣ時点での筒内温度を求める。具体的には、ＥＣＵ１０は、エアフローセンサＳＷ１によって検知された吸入空気量や、第１吸気温度センサＳＷ２及び第２吸気温度センサＳＷ４によって検知された吸気温度や、吸気カム角センサＳＷ１３及び排気カム角センサＳＷ１４によって検知された吸気カムシャフト及び排気カムシャフトの回転角などを取得して、これらに基づきＩＶＣ時点での筒内温度を求める。この場合、ＥＣＵ１０は、吸気ガス（新気）及びＥＧＲガスの流量や温度を求めて、筒内状態推定モデルに基づきＩＶＣ時点での筒内温度を求める。
【０１５３】
なお、ＥＣＵ１０は、ステップＳ１５において、筒内温度以外にも、筒内の状態量として吸気充填量や筒内の酸素濃度などを求めて、燃焼後の排気ガスの空燃比が理論空燃比（つまりλ＝１）となるように、インジェクタ６からの燃料噴射量を決定する。この場合、ＥＣＵ１０は、前段噴射及び後段噴射を含む分割噴射を行うときには、前段噴射及び後段噴射のそれぞれの燃料噴射量を決定する。基本的には、後段噴射によって噴射された燃料はＳＩ燃焼し、前段噴射によって噴射された燃料は主にＣＩ燃焼するので、ＳＩ率を制御する観点からは、前段噴射に対する後段噴射の燃料噴射量の割合を調整するのがよい（空燃比をリーンにする場合には、後段噴射の燃料噴射量を単独で調整すればよい）。そして、ＥＣＵ１０は、このようにして決定した燃料噴射量を噴射させるようにインジェクタ６を制御する。また、ＥＣＵ１０は、予め設定されているマップに基づく噴射タイミングで燃料を噴射させるように、インジェクタ６を制御する。
【０１５４】
次いで、ステップＳ１６において、ＥＣＵ１０は、所定の筒内状態推定モデルを用いて、ステップＳ１５で求めたＩＶＣ時点での筒内温度から、ＣＩ燃焼における自己着火時期を求める。具体的には、ＥＣＵ１０は、図１１を参照して説明した手順と逆の手順により、詳しくは点Ｐ１５→点Ｐ１４→点Ｐ１３→点Ｐ１２→点Ｐ１１といった順で各状態量を求めていくことで、ＣＩ燃焼における自己着火時期を求める。
【０１５５】
次いで、ステップＳ１７において、ＥＣＵ１０は、ステップＳ１６で求めた自己着火時期に基づき、所定の燃焼モデルを用いて、ステップＳ１１で設定した目標自己着火時期ができるだけ実現されるように、点火プラグ２５による点火時期を決定する。つまり、ＥＣＵ１０は、できるだけ目標自己着火時期に近い時期にてＣＩ燃焼が開始するように、ＳＩ燃焼を開始させるための点火プラグ２５による点火時期を決定する。そして、ＥＣＵ１０は、こうして決定した点火時期にて点火が行われるように点火プラグ２５を制御する。
【０１５６】
このようなステップＳ１７の後、エンジン１においてＳＩ燃焼及びＣＩ燃焼を含むＳＩ−ＣＩ燃焼が行われる。そして、ＳＩ−ＣＩ燃焼の終了後にステップＳ１８の処理が行われる。ステップＳ１８では、ＥＣＵ１０は、このＳＩ−ＣＩ燃焼が行われている間に指圧センサＳＷ６によって検知された筒内圧に基づき、所定の燃焼モデル及び筒内状態推定モデルを用いて、当該ＳＩ−ＣＩ燃焼前のＩＶＣ時点での筒内温度を求める。つまり、ＥＣＵ１０は、前回のＳＩ−ＣＩ燃焼の開始前におけるＩＶＣ時点での筒内温度を遡って求める。このＩＶＣ時点での筒内温度の求め方について、図１１を再度参照して具体的に説明する。
【０１５７】
図１１に示すように、まず、ＥＣＵ１０は、指圧センサＳＷ６によって検知された筒内圧から自己着火時期（θCL）を求める（点Ｐ１１）。例えば、ＥＣＵ１０は、検知された筒内圧の波形（熱発生率の波形に相当する）における変曲点に対応するクランク角を、自己着火時期として求める。そして、ＥＣＵ１０は、この自己着火時期（θCL）から、圧縮上死点（ＴＤＣ）での自己着火部分（未燃部分）における筒内温度を求める（Ｐ１２）。
【０１５８】
次いで、ＥＣＵ１０は、この求めた筒内温度から、矢印Ａ３で示すようなＳＩ燃焼による自己着火部分の温度上昇分を差し引くことで、モータリング時の圧縮上死点での筒内温度を求める（点Ｐ１３）。次いで、ＥＣＵ１０は、この求めた筒内温度から、エンジン１のポリトロープ過程での混合気の圧縮による温度上昇分を差し引くことで、吸気下死点（ＢＤＣ）での筒内温度を求める（点Ｐ１４）。次いで、ＥＣＵ１０は、この求めた筒内温度をポリトロープ過程にて変換することで、ＩＶＣ時点での筒内温度を求める（点Ｐ１５）。
【０１５９】
図１０に戻ると、ステップＳ１９において、ＥＣＵ１０は、ステップＳ１８で求めた、前回のＳＩ−ＣＩ燃焼時におけるＩＶＣ時点での筒内温度によって、今回のＳＩ−ＣＩ燃焼において算出する筒内温度を補正する。具体的には、ＥＣＵ１０は、今回のＳＩ−ＣＩ燃焼のためにステップＳ１２及びステップＳ１５において実行される筒内状態推定モデルによる筒内温度の推定誤差をそれぞれ補正する。つまり、ＥＣＵ１０は、目標自己着火時期を実現するために算出されるＩＶＣ時点での筒内温度と（ステップＳ１２）、この後にセンサ検出値から算出されるＩＶＣ時点での筒内温度と（ステップＳ１５）を、ステップＳ１８で求めた筒内温度に基づき補正する。この場合、ＥＣＵ１０は、ステップＳ１２及びＳ１５で算出された筒内温度をステップＳ１８の筒内温度に合わせ込むように補正を行うのではなく、ＳＩ−ＣＩ燃焼制御による実際のＳＩ−ＣＩ燃焼後に判明する、当該制御の誤差に対応する筒内状態推定モデルによる推定誤差を是正すべく、ステップＳ１９における補正を行う。
【０１６０】
（制御ブロック）
次に、図１２乃至図１４を参照して、本実施形態によるＳＩ−ＣＩ燃焼制御の詳細な内容について説明する。図１２は、本実施形態において、目標自己着火時期を実現するように筒内状態を事前に制御するための第１の制御モデルを示すブロック図である。図１３は、本実施形態において、第１の制御モデルにおける制御後にセンサ検出値に基づき目標自己着火時期を実現するよう応答性の速い制御を行うための第２の制御モデルを示すブロック図である。図１４は、本実施形態において、ＳＩ−ＣＩ燃焼時に検出された筒内圧に基づき筒内温度を推定して、この後のＳＩ−ＣＩ燃焼において第１及び第２の制御モデルにより推定される筒内温度を補正するための第３の制御モデルを示すブロック図である。なお、ＥＣＵ１０は、これらの第１乃至第３の制御モデルにおける制御を実行するように構成されている。
【０１６１】
図１２に示す第１の制御モデルでは、まず、ＥＣＵ１０は、事前に設定されたマップなどを参照して、アクセル開度センサＳＷ１２によって検知されたアクセル開度に応じた目標エンジントルクを求め、この目標エンジントルクに対応する目標燃焼圧を求める。次いで、ＥＣＵ１０は、現在のエンジン１の運転状態に基づき、最終的に適用する目標燃焼圧を求めると共に、目標燃焼モードを求める。この目標燃焼モードには、基本的には、ＳＩ燃焼のみを行う燃焼モード、及び、ＳＩ燃焼及びＣＩ燃焼を含むＳＩ−ＣＩ燃焼を行う燃焼モードのうちのいずれかが適用される。
【０１６２】
次いで、ＥＣＵ１０は、最終的な目標燃焼圧及び目標燃焼モードに基づき、目標燃焼状態として、目標空気量、目標自己着火時期及び目標ＳＩ率を求める。次いで、ＥＣＵ１０は、所定の燃焼モデルを用いて、目標ＳＩ率に対応するＳＩ燃焼による自己着火部分の温度上昇分を差し引いた、目標自己着火時期での筒内温度を求め（ＴＤＣでの筒内温度を求めてもよい）、そして、所定の筒内状態推定モデルを用いて、この筒内温度からＩＶＣ時点での筒内温度を求める。ＩＶＣ時点での筒内温度の求め方は、図１０及び図１１において説明した通りであるので、ここではその説明を省略する。また、ＥＣＵ１０は、このようにＩＶＣ時点での筒内温度を求めるときに、第３の制御モデルにおいて推定された前回のＳＩ−ＣＩ燃焼での筒内温度に基づき（図１４参照）、筒内状態推定モデルによる筒内温度の推定誤差を補正する。
【０１６３】
次いで、ＥＣＵ１０は、事前に設定されたマップなどを参照して、目標空気量及びＩＶＣ時点での筒内温度に基づき、燃焼室１７内に導入すべきＥＧＲガスの度合いを示す目標ＥＧＲ率、特に目標内部ＥＧＲ率を求める。そして、ＥＣＵ１０は、この目標内部ＥＧＲ率を実現するための目標の吸気弁２１の閉弁時期（目標ＩＶＣ）及び目標の排気弁２２の閉弁時期（目標ＥＶＣ）を求める。次いで、ＥＣＵ１０は、所定の筒内状態制御モデルを用いて、目標ＩＶＣ及び目標ＥＶＣに対応する吸排気ＶＶＴ２３、２４のそれぞれの目標位相角（目標吸排気ＶＶＴ）を決定し、この目標位相角に設定されるように吸排気ＶＶＴ２３、２４をそれぞれ制御する。
【０１６４】
このような吸排気ＶＶＴ２３、２４の制御とほぼ並行して、ＥＣＵ１０は、上記した目標空気量が実現されるように、所定の筒内状態制御モデルを用いて、目標スロットル開度、目標外部ＥＧＲ率、目標エアバイパス開度及び目標クラッチ開度（電磁クラッチ４５の遮断／接続に対応する）を決定する。そして、ＥＣＵ１０は、目標スロットル開度に応じたスロットル弁４３の制御、目標外部ＥＧＲ率に応じたＥＧＲ弁５４の制御、目標エアバイパス開度に応じたエアバイパス弁４８の制御、及び目標クラッチ開度に応じた電磁クラッチ４５の制御を行う。この後、エンジン１においてＳＩ−ＣＩ燃焼が行われる。
【０１６５】
次に、図１３に示す第２の制御モデルでは、まず、ＥＣＵ１０は、エアフローセンサＳＷ１によって検知された吸入空気量や、第１吸気温度センサＳＷ２及び第２吸気温度センサＳＷ４によって検知された吸気温度や、吸気カム角センサＳＷ１３及び排気カム角センサＳＷ１４によって検知された吸気カムシャフト及び排気カムシャフトのそれぞれの回転角などを取得する。次いで、ＥＣＵ１０は、これらのセンサ検出値に対応する吸入空気量や外気ＥＧＲ率などに基づき、実際の吸気ガス（新気）の状態量、典型的には温度や圧力を求める。加えて、ＥＣＵ１０は、吸気カムシャフト及び排気カムシャフトの回転角に対応する吸排気ＶＶＴ２３、２４のそれぞれの位相角（基本的には進角側の位相角となる）に基づき、実際の内部ＥＧＲガスの状態量、典型的には温度や圧力を求める。
【０１６６】
次いで、ＥＣＵ１０は、上記した吸気ガスの状態量及び内部ＥＧＲガスの状態量から、所定の筒内状態推定モデルを用いて、実際のＩＶＣ時点での筒内温度を求める。この場合、ＥＣＵ１０は、第３の制御モデルにおいて推定された前回のＳＩ−ＣＩ燃焼での筒内温度に基づき（図１４参照）、筒内状態推定モデルによる推定誤差を補正して、ＩＶＣ時点での筒内温度を求める。ＥＣＵ１０は、このような筒内温度以外にも、筒内の状態量として吸気充填量や筒内の酸素濃度なども求める。
【０１６７】
次いで、ＥＣＵ１０は、筒内の状態量としての吸気充填量や筒内の酸素濃度などに基づき、燃焼後の排気ガスの空燃比が理論空燃比（つまりλ＝１）となるように、インジェクタ６からの燃料噴射量を決定する。この場合、ＥＣＵ１０は、前段噴射及び後段噴射を含む分割噴射を行うときには、前段噴射及び後段噴射のそれぞれの燃料噴射量を決定する。そして、ＥＣＵ１０は、このようにして決定した燃料噴射量を噴射させるようにインジェクタ６を制御する。また、ＥＣＵ１０は、予め設定されているマップに基づく噴射タイミングで燃料を噴射させるように、インジェクタ６を制御する。
【０１６８】
また、ＥＣＵ１０は、上記のインジェクタ６の制御とほぼ並行して、求めたＩＶＣ時点での筒内温度から、自己着火が生じるときの筒内温度を求めて、この自己着火時期を求める。自己着火時期の求め方は、図１０及び図１１において説明した通りであるので、ここではその説明を省略する。次いで、ＥＣＵ１０は、求めた自己着火時期に基づき、所定の燃焼モデルを用いて、当初設定した目標自己着火時期が実現されるように、点火プラグ２５による目標点火時期を決定する。そして、ＥＣＵ１０は、こうして決定した目標点火時期にて点火が行われるように点火プラグ２５を制御する。この後、エンジン１においてＳＩ−ＣＩ燃焼が行われる。
【０１６９】
なお、第２の制御モデルを第１の制御モデルの後に行うことに限定はされず、第２の制御モデルを第１の制御モデルと実質的に並行して行ってもよい。同様に、図１０のフローについても、第２の制御モデルに対応するステップＳ１５〜Ｓ１７の処理を、第１の制御モデルに対応するステップＳ１１〜Ｓ１４の処理と実質的に並行して行ってもよい。１つの例では、ＥＣＵ１０は、ＩＶＣに対応するクランク角に到達する前においては、第１の制御モデルにより、ＩＶＣ時点での筒内温度を求めて内部ＥＧＲ率などを繰り返し制御し、この制御の最中に、第２の制御モデルにより、センサ検出値に基づきＩＶＣ時点での筒内温度を求めて目標自己着火時期を実現するための点火時期を求める処理を繰り返し行う。そして、この例では、ＥＣＵ１０は、ＩＶＣに対応するクランク角に到達後は、第１の制御モデルの実行を中断し、ＩＶＣに到達時にセンサ検出値に応じた筒内温度から求められた点火時期を用いて点火制御を行う。
【０１７０】
次に、図１４に示す第３の制御モデルでは、まず、ＥＣＵ１０は、エンジン１でのＳＩ−ＣＩ燃焼後において、このＳＩ−ＣＩ燃焼が行われている間に指圧センサＳＷ６によって検知された筒内圧を取得する。次いで、ＥＣＵ１０は、所定の燃料検出モデルを用いて、ＳＩ−ＣＩ燃焼の燃焼状態を求める。例えば、ＥＣＵ１０は、取得した筒内圧の波形（熱発生率の波形に相当する）における変曲点などを、燃焼状態として求める。
【０１７１】
次いで、ＥＣＵ１０は、所定の筒内状態推定モデルを用いて、ＳＩ−ＣＩ燃焼の燃焼状態から自己着火時期での筒内温度を求め、この筒内温度からＩＶＣ時点での筒内温度を求める。ＩＶＣ時点での筒内温度の求め方は、図１０及び図１１において説明した通りであるので、ここではその説明を省略する。次いで、ＥＣＵ１０は、求めたＩＶＣ時点での筒内温度によって、今回のＳＩ−ＣＩ燃焼において算出する筒内温度を補正する。つまり、ＥＣＵ１０は、今回のＳＩ−ＣＩ燃焼において実行される筒内状態推定モデルによる筒内温度の推定誤差を補正する。具体的には、ＥＣＵ１０は、第１の制御モデルにおいて目標自己着火時期を実現するために算出されるＩＶＣ時点での筒内温度（図１２参照）と、第２の制御モデルにおいてセンサ検出値から算出されるＩＶＣ時点での筒内温度（図１３参照）とを補正する。基本的には、第３の制御モデルから得られる筒内温度を実際値（基準値）とし、この実際値としての筒内温度に対して第１及び第２の制御モデルから得られる筒内温度が誤差を含むものとして取り扱うことで、上記のような補正を行っている。
【０１７２】
（タイムチャート）
次に、図１５を参照して、本実施形態によるＳＩ−ＣＩ燃焼制御を行った場合のタイムチャートについて説明する。
【０１７３】
図１５は、上から順に、熱発生率（ｄＱ／ｄθ）、吸気弁２１の閉弁時期（実ＩＶＣ及び目標ＩＶＣ）、第２の制御モデルにおいて推定されたＩＶＣ時点での筒内温度（以下では適宜「吸排気モデルによる温度推定値」と呼ぶ）、第３の制御モデルにおいて推定されたＩＶＣ時点での筒内温度（以下では適宜「燃焼モデルによる温度推定値」と呼ぶ）、燃焼モデルによる温度推定値に対する吸排気モデルによる温度推定値の誤差の補正量、補正後の推定温度、点火時期、自己着火時期、ＳＩ率を示している。また、図１５は、横軸にクランク角を示しており、クランク角に対する各パラメータの変化を示している。なお、図１５では、吸気弁２１の閉弁時期（ＩＶＣ）のみを示しているが、排気弁２２の閉弁時期（ＥＶＣ）もＩＶＣと同様に変化するものである。
【０１７４】
図１５では、ｎサイクル目の開始直後に、外乱によって、燃焼モデルによる温度推定値に対する吸排気モデルによる温度推定値の誤差（真値）が５０［Ｋ］程度変化した場合を例に挙げる。まず、ＥＣＵ１０は、第２の制御モデルによりＩＶＣ時点での筒内温度を推定し、吸排気モデルによる温度推定値として４００［Ｋ］を得る（矢印Ａ４１）。そして、エンジン１においてＳＩ−ＣＩ燃焼が行われ、この燃焼後に、ＥＣＵ１０は、第３の制御モデルにより、指圧センサＳＷ６によって検知された筒内圧に基づき、当該ＳＩ−ＣＩ燃焼における自己着火時期θCLでの筒内温度からＩＶＣ時点での筒内温度を推定し（矢印Ａ４２）、燃焼モデルによる温度推定値として４５０［Ｋ］を得る。この場合、燃焼モデルによる温度推定値に対する吸排気モデルによる温度推定値の誤差はΔ５０［Ｋ］となる（矢印Ａ４３）。そのため、ＥＣＵ１０は、燃焼モデルによる温度推定値に対する吸排気モデルによる温度推定値の誤差の補正量を５０［Ｋ］とし（矢印Ａ４４）、この補正量より吸排気モデルによる推定温度を４５０［Ｋ］に補正する（矢印Ａ４５、Ａ４６）。この推定温度は目標温度４８０［Ｋ］からずれている。したがって、ｎサイクル目では、吸排気モデルによる温度推定誤差補正がずれていたため、自己着火時期が目標自己着火時期からずれると共に、ＳＩ率も目標ＳＩ率からずれる。
【０１７５】
次いで、ＥＣＵ１０は、上記した補正後の推定温度が４８０［Ｋ］となるように、第１の制御モデルにより、吸気弁２１の目標ＩＶＣを補正する（矢印Ａ４７）。これにより、ｎサイクル目の温度推定誤差（変化分）が反映されることとなる。次いで、ＥＣＵ１０は、第２の制御モデルによりＩＶＣ時点での筒内温度を推定し、吸排気モデルによる温度推定値として４２０［Ｋ］を得て（矢印Ａ４８）、この４２０［Ｋ］を上記した補正量５０［Ｋ］によって４７０［Ｋ］に補正する（矢印Ａ４９、Ａ５０）。また、ＥＣＵ１０は、この補正後の推定温度４７０［Ｋ］に基づき、点火時期を補正する（矢印Ａ５１）。これにより、今回のｎ＋１サイクル目における吸気状態及び前回のｎサイクル目における燃焼結果の両方が反映された点火時期が適用されることとなる。
【０１７６】
次いで、エンジン１においてＳＩ−ＣＩ燃焼が行われ、この燃焼後に、ＥＣＵ１０は、第３の制御モデルにより、指圧センサＳＷ６によって検知された筒内圧に基づき、当該ＳＩ−ＣＩ燃焼での自己着火時期θCLでの筒内温度からＩＶＣ時点での筒内温度を推定し、燃焼モデルによる温度推定値として４７０［Ｋ］を得る。この場合、吸排気モデルの推定のずれ方は大きく変化しないため、温度推定値の誤差はΔ５０［Ｋ］のままである（矢印Ａ５２）。このようなことから、今回のｎ＋１サイクルでは、正しく温度推定ができていたことになる（矢印Ａ５３）。よって、今回のｎ＋１サイクルでは、自己着火時期が目標自己着火時期にほぼ一致することとなる。他方で、今回のｎ＋１サイクルでは、吸気弁２１の実ＩＶＣが未だ目標ＩＶＣからずれているため、ＳＩ率は目標ＳＩ率から若干ずれたままである。この後、ｎ＋２サイクル目において、吸排気モデルによる温度推定誤差が正しく補正されており、補正後の推定温度が目標温度４８０［Ｋ］となるので、吸気弁２１の実ＩＶＣが目標ＩＶＣに達し、ＳＩ率が目標ＳＩ率にほぼ一致することとなる。
【０１７７】
なお、上記したような吸排気モデルによる温度推定誤差の補正のずれは、筒内状態を調整するデバイス（内部ＥＧＲを調整する吸排気ＶＶＴ２３、２４など）の動作の遅れや、このデバイスが狙い通りに動作していないことが原因で生じ得る。
【０１７８】
＜作用効果＞
次に、上述した実施形態による圧縮自己着火式エンジンの制御装置の主な作用効果について説明する。
【０１７９】
本実施形態によれば、エンジン１の運転状態（エンジン負荷など）に基づき、ＳＩ率を調整する制御と、自己着火時期及び／又は筒内温度を調整する制御とを行い、ＳＩ燃焼及びＣＩ燃焼を含むＳＩ−ＣＩ燃焼における燃焼状態を制御する。これにより、所望のＳＩ−ＣＩ燃焼を適切に実現することができる。具体的には、ＳＩ−ＣＩ燃焼でのＳＩ率及び自己着火時期のそれぞれを適切に目標値に設定することができる。その結果、燃費の改善、燃焼安定性確保及び燃焼騒音抑制などを達成することが可能となる。
【０１８０】
また、本実施形態によれば、ＳＩ−ＣＩ燃焼の開始前に筒内温度を調整する制御（内部ＥＧＲガスの制御など）を行い、この制御後に燃焼開始前の実際の筒内温度を求めて、当該筒内温度に基づき点火時期を制御することで、ＳＩ率を調整する。これにより、各種の状態量設定デバイスの制御ずれ等を考慮してＳＩ率を適切に制御できるようになる。
【０１８１】
また、本実施形態によれば、今回の燃焼サイクルにおいてＳＩ率を調整するための各種制御値を、前回の燃焼サイクルにおいて取得した筒内温度に基づき補正するので、ＳＩ−ＣＩ燃焼における目標ＳＩ率を効果的に実現することができ、また、目標自己着火時期にて確実に着火させることができる。具体的には、ＳＩ−ＣＩ燃焼における過渡的な燃焼状態及び定常的な燃焼状態の両方について、所望の燃焼状態を適切に実現することが可能となる。
【０１８２】
＜変形例＞
以下では、上記した実施形態の変形例について説明する。
【０１８３】
上記した実施形態では、吸気弁２１の閉弁時期（ＩＶＣ時点）での筒内温度を用いていたが、この代わりに吸気下死点（ＢＤＣ時点）での筒内温度を用いて、各種の制御を行ってもよい。
【０１８４】
上記した実施形態では、第２の制御モデルにおいて、エアフローセンサＳＷ１によって検知された吸入空気量などから筒内温度を求めていたが、他の例では、指圧センサＳＷ６によって検知された筒内圧から筒内温度を求めてもよい。また、第３の制御モデルにおいて、指圧センサＳＷ６によって検知された筒内圧から筒内温度を求めていたが、他の例では、エアフローセンサＳＷ１によって検知された吸入空気量などから筒内温度を求めてもよい。
【符号の説明】
【０１８５】
１  エンジン
１０  ＥＣＵ（コントローラ）
１７  燃焼室
２３  吸気電動ＶＶＴ（状態量設定デバイス、可変動弁機構）
２４  排気電動ＶＶＴ（状態量設定デバイス、可変動弁機構）
２５  点火プラグ
４９  過給システム（状態量設定デバイス）
４４  過給機
４３  スロットル弁（状態量設定デバイス）
４８  エアバイパス弁（状態量設定デバイス）
５４  ＥＧＲ弁（状態量設定デバイス）
５５  ＥＧＲシステム（状態量設定デバイス）
６  インジェクタ
【図１】
2018084184.tif 000003
【図２】
2018084184.tif 000004
【図３】
2018084184.tif 000005
【図４】
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【図５】
2018084184.tif 000007
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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