(57)【要約】【課題】エンジンの熱効率を向上させる。【解決手段】エンジン１の制御方法は、燃焼室１７内に配設された点火部（点火プラグ２５）が燃焼室内に火種を作成するタイミングにおいて、少なくとも点火部の周囲に、Ａ／Ｆ、又は、Ｇ／Ｆが理論空燃比よりもリーンな混合気を形成するように、燃料供給部（インジェクタ６）が燃焼室内に燃料を供給する第一燃料供給ステップ（６０４１）と、第一燃料供給ステップの後、圧縮行程において、点火部が燃焼室内に火種を作成する点火ステップ（６０４２）と、点火ステップの後、圧縮行程において、燃焼室内の混合気の燃料濃度が濃くなるよう燃料供給部が燃焼室内に燃料を供給する第二燃料供給ステップ（６０４３）と、を備える。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室内において、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、及び、排気行程を含むサイクルを実行するエンジンの制御方法であって、
点火部が前記燃焼室内に火種を作成するタイミングにおいて、少なくとも前記点火部の周囲に、空気と燃料との質量比であるＡ／Ｆ、又は、空気を含むガスと燃料との質量比であるＧ／Ｆが理論空燃比よりもリーンな混合気を形成するように、燃料供給部が前記燃焼室内に燃料を供給する第一燃料供給ステップと、
前記第一燃料供給ステップの後、圧縮行程において、前記点火部が前記燃焼室内に前記火種を作成する点火ステップと、
前記点火ステップの後、圧縮行程において、前記燃焼室内の混合気の燃料濃度が濃くなるよう前記燃料供給部が前記燃焼室内に燃料を供給する第二燃料供給ステップと、
を備えているエンジンの制御方法。
【請求項２】
請求項１に記載のエンジンの制御方法において、
前記点火部は、前記圧縮行程の期間を、前期、中前期、中後期、及び後期に四等分したときの、中後期又は中後期よりも前のタイミングで、前記火種を作成するエンジンの制御方法。
【請求項３】
請求項２に記載のエンジンの制御方法において、
前記点火部は、前記圧縮行程の期間を、初期、中期、及び終期に三等分したときの、中期において、前記火種を作成するエンジンの制御方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のエンジンの制御方法において、
前記燃料供給部は、前記第二燃料供給ステップにおいて、前記燃焼室内の混合気のＡ／Ｆ又はＧ／Ｆが、理論空燃比、又は、理論空燃比よりもリッチになるよう、前記燃焼室内に燃料を供給するエンジンの制御方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のエンジンの制御方法において、
前記エンジンの幾何学的圧縮比は、１４以上であるエンジンの制御方法。
【請求項６】
吸気行程、圧縮行程、膨張行程、及び、排気行程を含むサイクルを実行する燃焼室と、
前記燃焼室に配置された点火部と、
前記燃焼室内に燃料を供給する燃料供給部と、を備え、
前記燃料供給部は、前記点火部が前記燃焼室内に火種を作成するタイミングにおいて、少なくとも前記点火部の周囲に、空気と燃料との質量比であるＡ／Ｆ、又は、空気を含むガスと燃料との質量比であるＧ／Ｆが理論空燃比よりもリーンな混合気が形成されるように、前記燃焼室内に前記燃料を供給し、
前記点火部は、圧縮行程の所定のタイミングにおいて、前記燃焼室内に火種を作成し、
前記燃料供給部はまた、前記点火部が前記火種を作成した後、前記燃焼室内の混合気の燃料濃度が濃くなるよう前記燃焼室内に燃料を供給するエンジンの制御装置。
【請求項７】
請求項６に記載のエンジンの制御装置において、
前記点火部は、前記圧縮行程の期間を、前期、中前期、中後期、及び後期に四等分したときの、中後期又は中後期よりも前のタイミングで、前記火種を作成するエンジンの制御装置。
【請求項８】
請求項７に記載のエンジンの制御装置において、
前記点火部は、前記圧縮行程の期間を、初期、中期、及び終期に三等分したときの、中期において、前記火種を作成するエンジンの制御装置。
【請求項９】
請求項６〜８のいずれか１項に記載のエンジンの制御装置において、
前記燃料供給部は、前記点火部が前記火種を作成した後、前記燃焼室内の混合気のＡ／Ｆ又はＧ／Ｆが、理論空燃比、又は、理論空燃比よりもリッチになるよう、前記燃焼室内に燃料を供給するエンジンの制御装置。
【請求項１０】
請求項６〜９のいずれか１項に記載のエンジンの制御装置において、
前記エンジンの幾何学的圧縮比は、１４以上であるエンジンの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
ここに開示する技術は、エンジンの制御方法及びエンジンの制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、高負荷領域において、燃料室内の混合気を圧縮着火により燃焼させるエンジンが開示されている。このエンジンでは、高負荷かつ高回転の領域において、それぞれ圧縮着火燃焼用の混合気を形成する前段噴射と後段噴射との間の圧縮行程の後期に、着火アシストのための少量の燃料噴射を行い、点火プラグの付近にリッチな混合気を形成する。そして、点火プラグがリッチな混合気に点火を行って火炎を形成することにより、前段噴射によって形成された混合気が圧縮上死点付近において圧縮着火すると共に、その圧縮着火と同時に行われる後段噴射によって形成された混合気も、その後に圧縮着火する。
【０００３】
特許文献２には、エンジン回転数が２０００ｒｐｍ程度の低回転の運転状態において、圧縮行程中に第１燃料噴射と、第１燃料噴射後の火花点火とを行うことにより、スプレーガイド燃焼を行うと共に、第１燃料噴射から所定のインターバルが経過した圧縮上死点前の時期に第２燃料噴射を行い、第２燃料噴射の一部を自着火により燃焼させかつ、残りを拡散燃焼させるエンジンが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許５４４７４３５号公報
【特許文献２】特開２０１６−８９７４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、熱効率の向上を主目的として幾何学的圧縮比を高くしたエンジンにおいては、点火部が、燃焼室内の混合気に火花点火を行って、混合気を火炎伝播により燃焼させると、ノッキングを含む異常燃焼が発生してしまう場合がある。異常燃焼の発生を回避するために、例えば火花点火のタイミングを遅らせると、燃焼期間が長くなると共に、燃焼重心が圧縮上死点から大きく離れてしまうため、エンジンの熱効率が低下してしまう。
【０００６】
ここに開示する技術は、エンジンの熱効率を向上させる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本願発明者らは、混合気が燃料リーンである、及び／又は、燃焼室内の流動が強い、ことによって火炎伝播による燃焼が進行しない、いわゆるブロークンリアクションゾーン（broken reaction zone）を利用することに着目をした。燃焼室内の状態がブロークンリアクションゾーンにあるときに、混合気を火炎伝播により燃焼させようとしても失火してしまうため、従来のエンジン制御においては、燃焼室内の状態がブロークンリアクションゾーンにあるときに混合気に火花点火をすることは避けていた。
【０００８】
ところが、混合気を微視的に見ると、ブロークンリアクションゾーンにおいて点火部が混合気に点火をしたときには火種がなくなるのではなく、火炎伝播できない状態で火種が保存されているという新たな知見を、本願発明者らは得ることができた。そして、燃焼室内の状態がブロークンリアクションゾーンから外れると、保存されている火種によって、混合気が一斉に燃焼を開始することを、本願発明者らが見出したことによって、ここに開示する、新しい燃焼形態に係る技術を完成するに至った。
【０００９】
具体的に、ここに開示する技術は、燃焼室内において、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、及び、排気行程を含むサイクルを実行するエンジンの制御方法に係る。このエンジンの制御方法は、点火部が前記燃焼室内に火種を作成するタイミングにおいて、少なくとも前記点火部の周囲に、空気と燃料との質量比であるＡ／Ｆ、又は、空気を含むガスと燃料との質量比であるＧ／Ｆが理論空燃比よりもリーンな混合気を形成するように、燃料供給部が前記燃焼室内に燃料を供給する第一燃料供給ステップと、前記第一燃料供給ステップの後、圧縮行程において、前記点火部が前記燃焼室内に前記火種を作成する点火ステップと、前記点火ステップの後、圧縮行程において、前記燃焼室内の混合気の燃料濃度が濃くなるよう前記燃料供給部が前記燃焼室内に燃料を供給する第二燃料供給ステップと、を備えている。
【００１０】
この構成によると、第一燃料供給ステップは、燃焼室内に燃料を供給することにより、燃焼室内に混合気を形成する。このときに形成する混合気は、少なくとも点火部の近傍において、Ａ／Ｆ又はＧ／Ｆが理論空燃比よりもリーンな混合気である。燃焼室内の全体又はほぼ全体に、均質なリーン混合気を形成してもよいし、点火部の近傍に、局所的に、リーンな混合気を形成してもよい。また、第一燃料供給ステップでは、後述する点火ステップよりも前に、燃焼室内に燃料を供給すればよい。例えば燃料供給部が、燃焼室内に燃料を直接噴射する構成であれば、吸気行程から圧縮行程の初期までの期間に、燃焼室内に燃料を噴射してもよい。そうすることで、点火ステップよりも前に、燃焼室内に燃料を供給することが可能になる。尚、「圧縮行程の初期」は、圧縮行程を初期、中期、後期に三等分したときの初期としてもよい。また、例えば燃料供給部が、燃焼室につながる吸気ポート内（及び燃焼室内）に燃料を噴射する構成であれば、吸気行程以前（排気行程も含む）に、吸気ポート内に燃料を噴射してもよい。そうすることによって、吸気行程の期間内に、吸気と共に燃料を燃焼室内に導入することが可能になり、点火ステップよりも前に、燃焼室内に燃料を供給することが可能になる。
【００１１】
第一燃料供給ステップの後の圧縮行程に点火ステップを実行する。点火ステップは、点火部が燃焼室内に火種を作成する。点火部は、例えば電極間において火花放電を発生させる点火プラグとしてもよい。また、点火部は、例えばアーク放電やプラズマ放電を発生させるよう構成してもよい。点火部が混合気にエネルギーを付与することによって、燃焼室内に火種を形成することができる。第一燃料供給ステップにおいて形成した混合気がリーンであるため、点火ステップにおいて火種を作成しても、火炎伝播による燃焼を進行させずに、火種のままで保持することができる。つまり、点火ステップは、燃焼室の状態がブロークンリアクションゾーンにあるときに行う。火種は、燃焼室内の流動によって、燃焼室内に分散又は拡散する。
【００１２】
ここで、点火ステップにおいて、点火部は、複数回の放電を行うようにしてもよい。そうすることによって、燃焼室内に作成する火種の数を増やすことができると共に、燃焼室内の流動によって、作成した火種を燃焼室内に拡散させることができる。
【００１３】
点火ステップの後、圧縮行程において、第二燃料供給ステップを行う。燃料供給部は、燃焼室内に燃料を供給することにより、混合気の燃料濃度を濃くする。燃料供給部は、燃焼室内に燃料を直接噴射するよう構成してもよい。尚、第一燃料供給ステップにおいて燃料を供給する燃料供給部と、第二燃料供給ステップにおいて燃料を供給する燃料供給部とは、同じであってもよいし、異なっていてもよい。
【００１４】
混合気の燃料濃度を濃くすることによって、燃焼室内の状態がブロークンリアクションゾーンから外れる。また、モータリングにより、圧縮行程の終期には、燃焼室内の温度及び圧力が高くなる。点火ステップにおいて作成されかつ、燃焼室内に保存されていた火種によって、圧縮行程の後期又は膨張行程に、混合気の燃焼が開始する。より詳細に、混合気は、圧縮上死点付近において、自着火により、一斉に燃焼を開始する。この燃焼の燃焼重心は、圧縮上死点に近くなるため、エンジンの熱効率が向上する。また、燃料を追加供給するタイミング、及び／又は、追加供給する燃料量を調整すれば、混合気の燃焼開始のタイミングを調整することが可能になる。
【００１５】
この燃焼形態ではまた、燃焼期間が短くなるため、ノッキングの発生を抑制することができる。また、第一燃料供給ステップにおいては、リーン混合気を形成するため、比較的早い時期に燃焼室内に混合気を形成するものの、過早着火を防止することができる。
【００１６】
前記点火部は、前記圧縮行程の期間を、前期、中前期、中後期、及び後期に四等分したときの、中後期又は中後期よりも前のタイミングで、前記火種を作成する、としてもよい。
【００１７】
吸気行程の期間に吸気ポートを通じて吸気が燃焼室内に導入することにより生成される燃焼室内の吸気流動は、吸気下死点付近において一旦減衰をするが、ピストンが上死点に向かって移動する圧縮行程の初期から中期にかけて期間に、いわゆるスピンアップ現象によって、燃焼室内の流動が次第に強くなり、その後、燃焼室内の流動は、圧縮行程の終期にかけて次第に弱くなる。点火部が、中後期又は中後期よりも前のタイミングで火種を作成すると、燃焼室内の流動が強いから、燃焼室内の状態がブロークンリアクションゾーンにあるときに燃焼室内に火種を作成することができる。
【００１８】
前記点火部は、前記圧縮行程の期間を、初期、中期、及び終期に三等分したときの、中期において、前記火種を作成する、としてもよい。
【００１９】
圧縮行程の期間における燃焼室内の流動は、圧縮行程の中期において最も高くなる。点火部が火種を作成するタイミングが早すぎても遅すぎても、火炎伝播をさせずに火種を保存することができなくなる。よって、点火部は、圧縮行程の中期において、燃焼室内に火種を作成してもよい。
【００２０】
前記燃料供給部は、前記第二燃料供給ステップにおいて、前記燃焼室内の混合気のＡ／Ｆ又はＧ／Ｆが、理論空燃比、又は、理論空燃比よりもリッチになるよう、前記燃焼室内に燃料を供給する、としてもよい。
【００２１】
こうすることで、燃焼室内の状態がブロークンリアクションゾーンを外れるようになり、燃焼室内の混合気の燃焼を開始させることが可能になる。また、燃焼室内の混合気のＡ／Ｆ又はＧ／Ｆを理論空燃比又は略理論空燃比にすれば、三元触媒を利用して排気ガスを浄化することができる。
【００２２】
前記エンジンの幾何学的圧縮比は、１４以上である、としてもよい。ここに開示するエンジンの制御方法によって、高圧縮比エンジンにおいて異常燃焼を回避しながら、熱効率を向上させることが可能になる。
【００２３】
ここに開示する技術はまた、エンジンの制御装置に係る。このエンジンの制御装置は、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、及び、排気行程を含むサイクルを実行する燃焼室と、前記燃焼室に配置された点火部と、前記燃焼室内に燃料を供給する燃料供給部と、を備え、前記燃料供給部は、前記点火部が前記燃焼室内に火種を作成するタイミングにおいて、少なくとも前記点火部の周囲に、空気と燃料との質量比であるＡ／Ｆ、又は、空気を含むガスと燃料との質量比であるＧ／Ｆが理論空燃比よりもリーンな混合気が形成されるように、前記燃焼室内に前記燃料を供給し、前記点火部は、圧縮行程の所定のタイミングにおいて、前記燃焼室内に火種を作成し、前記燃料供給部はまた、前記点火部が前記火種を作成した後、前記燃焼室内の混合気の燃料濃度が濃くなるよう前記燃焼室内に燃料を供給する。
【００２４】
前記点火部は、前記圧縮行程の期間を、前期、中前期、中後期、及び後期に四等分したときの、中後期又は中後期よりも前のタイミングで、前記火種を作成する、としてもよい。
【００２５】
前記点火部は、前記圧縮行程の期間を、初期、中期、及び終期に三等分したときの、中期において、前記火種を作成する、としてもよい。
【００２６】
前記燃料供給部は、前記点火部が前記火種を作成した後、前記燃焼室内の混合気のＡ／Ｆ又はＧ／Ｆが、理論空燃比、又は、理論空燃比よりもリッチになるよう、前記燃焼室内に燃料を供給する、としてもよい。
【００２７】
前記エンジンの幾何学的圧縮比は、１４以上である、としてもよい。
【発明の効果】
【００２８】
前記のエンジンの制御方法及び制御装置によると、エンジンの熱効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、エンジンシステムの構成を例示する図である。
【図２】図２は、燃焼室の構成を例示する図である。
【図３】図３は、燃焼室及び吸気系の構成を例示する平面図である。
【図４】図４は、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。
【図５】図５は、図１に示すエンジンの運転領域マップを例示する図である。
【図６】図６は、各運転状態における燃料噴射時期及び点火時期と燃焼波形とを例示する図である。
【図７】図７は、スワール比測定のためのリグ試験装置を例示する図である。
【図８】図８は、セカンダリ通路の開口比率とスワール比との関係を例示する図である。
【図９】図９は、吸気行程から圧縮行程にかけての燃焼室内の流動強さの変化を例示する図である。
【図１０】図１０の上図は、エンジンの回転数に対する点火時期の変化の一例を示す図であり、図１０の下図は、エンジンの回転数に対する第二噴射開始時期の変化の一例を示す図である。
【図１１】図１１は、燃料噴射と点火時期との制御に係るフローチャートである。
【図１２】図１２は、図１とは異なるエンジンシステムの構成を例示する図である。
【図１３】図１３は、図１２に示すエンジンの運転領域マップを例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、エンジンの制御装置及び制御方法の例示的な実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、エンジン１を有するエンジンシステムの構成を例示する図である。図２は、燃焼室１７の構成を例示する図である。この図２において、上図は燃焼室１７の平面視相当図であり、下図は上図のII−II線における断面図である。図３は、燃焼室１７及び吸気系の構成を例示する図である。図４は、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。なお、図１において、吸気側は紙面左側であり、排気側は紙面右側である。また、図２及び図３において、吸気側は紙面右側であり、排気側は紙面左側である。
【００３１】
エンジン１は、燃焼室１７内において、吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程を含むサイクルを繰り返すことにより運転する４ストロークエンジンである。エンジン１は、四輪の自動車に搭載される。自動車は、エンジン１が運転することによって走行する。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。
【００３２】
〈エンジンの構成〉
エンジン１は、多気筒エンジンである。このエンジン１は、図１に示すように、燃焼室１７を有するエンジン本体２を備える。エンジン本体２は、シリンダブロック１２と、シリンダブロック１２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の内部には、複数のシリンダ１１が形成されている。図１及び図２では、一つのシリンダ１１のみを示す。
【００３３】
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。ここで、「燃焼室」は、ピストン３が圧縮上死点に至ったときの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。「燃焼室内」と「気筒内」とは、ほぼ同じ意味で用いる場合がある。
【００３４】
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の下図に示すように、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、吸気側から後述するインジェクタ６の噴射軸心Ｘ２に向かって上り勾配となっている。他方、傾斜面１３１２は、排気側から噴射軸心Ｘ２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。
【００３５】
ピストン３の上面は、燃焼室１７の天井面に向かって隆起している。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、後述するインジェクタ６と向かい合う。キャビティ３１の中心は、シリンダ１１の中心軸Ｘ１に対して排気側にずれており、インジェクタ６の噴射軸心Ｘ２と一致している。
【００３６】
キャビティ３１は、凸部３１１を有している。凸部３１１は、インジェクタ６の噴射軸心Ｘ２上に設けられている。この凸部３１１は、略円錐形状とされており、キャビティ３１の底部から燃焼室１７の天井面に向かって上向きに延びている。キャビティ３１は、インジェクタ６の噴射軸心Ｘ２に対して対称な形状を有している。
【００３７】
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。凹陥部３１２は、凸部３１１の全周を囲むように設けられている。凹陥部３１２の周側面は、キャビティ３１の底面からキャビティ３１の開口に向かって噴射軸心Ｘ２に対し傾いている。凹陥部３１２におけるキャビティ３１の内径は、キャビティ３１の底部からキャビティ３１の開口に向かって次第に拡大している。
【００３８】
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。すなわち、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の天井面の形状などは、適宜変更することが可能である。例えば、キャビティ３１は、シリンダ１１の中心軸Ｘ１に対して対称な形状にしてもよい。傾斜面１３１１と傾斜面１３１２とは、シリンダ１１の中心軸Ｘ１に対して対称な形状にしてもよい。また、キャビティ３１において、後述する点火プラグ２５に向かい合う箇所に、凹陥部３１２よりも底の浅い浅底部を設けてもよい。
【００３９】
エンジン１の幾何学的圧縮比は、１４以上且つ３０以下に設定されている。後述するように、エンジン１は、一部の運転領域において、ＳＩ（Spark Ignition）燃焼とＣＩ（Compression Ignition）燃焼とを組み合わせたＳＰＣＣＩ（SPark Controlled Compression Ignition）燃焼を行う。ＳＩ燃焼は、燃焼室１７の中の混合気に強制的に点火を行うことにより開始する火炎伝播を伴う燃焼である。ＣＩ燃焼は、燃焼室１７の中の混合気が自己着火することにより開始する燃焼である。これらＳＩ燃焼とＣＩ燃焼とを組み合わせた燃焼形態とは、燃焼室１７の中の混合気に強制的に点火を行って、火炎伝播による燃焼を開始させると、ＳＩ燃焼の発熱及び火炎伝播による圧力上昇を以て、燃焼室１７の中の未燃混合気が圧縮着火により燃焼する形態である。このエンジン１では、混合気の自着火のためにピストン３が圧縮上死点に至ったときの燃焼室１７の温度、つまり圧縮端温度を大幅に高くする必要がない。
【００４０】
シリンダヘッド１３には、シリンダ１１毎に、吸気ポート１８が形成されている。吸気ポート１８は、図３に示すように、第１吸気ポート１８１及び第２吸気ポート１８２の二つの吸気ポートを有している。第１吸気ポート１８１及び第２吸気ポート１８２は、クランクシャフト１５の軸方向、つまりエンジン本体２のフロント−リヤ方向に並んでいる。吸気ポート１８は、燃焼室１７に連通している。吸気ポート１８は、詳細な図示は省略するが、いわゆるタンブルポートである。つまり、吸気ポート１８は、吸気行程時に燃焼室１７の中にタンブル流が形成されるような形状を有している。
【００４１】
吸気ポート１８には、吸気弁２１が設けられている。吸気弁２１は、燃焼室１７と吸気ポート１８との間で吸気ポート１８を開閉する。エンジン１には、吸気弁２１の動弁機構が設けられている。吸気弁２１は、その動弁機構によって所定のタイミングで開閉する。吸気弁２１の動弁機構は、バルブタイミング及び／又はバルブリフトを可変にする可変動弁機構とすればよい。
【００４２】
本構成例においては、可変動弁機構は、吸気弁２１の開弁角を一定としつつ吸気弁２１の開閉時期を可変とする位相式の可変動弁機構であって、図４に示すように、吸気電動Ｓ−ＶＴ（Sequential-Valve Timing）２３を有している。吸気電動Ｓ−ＶＴ２３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に構成されている。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、吸気弁２１の動弁機構は、電動Ｓ−ＶＴに代えて、油圧式のＳ−ＶＴを有していてもよい。また、吸気弁２１の動弁機構は、吸気弁２１のリフト量を変更する可変動弁機構、及び／又は、吸気弁２１の開弁角（開弁期間）を変更する可変動弁機構を有してもよい。
【００４３】
シリンダヘッド１３にはまた、シリンダ１１毎に、排気ポート１９が形成されている。排気ポート１９も、図３に示すように、第１排気ポート１９１及び第２排気ポート１９２の二つの排気ポートを有している。第１排気ポート１９１及び第２排気ポート１９２は、エンジン本体２のフロント−リヤ方向に並んでいる。排気ポート１９は、燃焼室１７に連通している。
【００４４】
排気ポート１９には、排気弁２２が設けられている。排気弁２２は、燃焼室１７と排気ポート１９との間で排気ポート１９を開閉する。エンジン１には、排気弁２２の動弁機構が設けられている。排気弁２２は、その動弁機構によって所定のタイミングで開閉する。排気弁２２の動弁機構は、バルブタイミング及び／又はバルブリフトを可変にする可変動弁機構とすればよい。
【００４５】
本構成例においては、可変動弁機構は、排気弁２２の開弁角を一定としつつ排気弁２２の開閉時期を可変とする位相式の可変動弁機構であって、図４に示すように、排気電動Ｓ−ＶＴ２４を有している。排気電動Ｓ−ＶＴ２４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に構成されている。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、排気弁２２の動弁機構は、電動Ｓ−ＶＴに代えて油圧式のＳ−ＶＴを有していてもよい。また、排気弁２２の動弁機構は、排気弁２２のリフト量を変更する可変動弁機構、及び／又は、排気弁２２の開弁角（開弁期間）を変更する可変動弁機構を有してもよい。
【００４６】
エンジン１は、吸気電動Ｓ−ＶＴ２３及び排気電動Ｓ−ＶＴ２４によって、吸気弁２１の開弁時期と排気弁２２の閉弁時期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の中に熱い既燃ガスを閉じ込める。つまり、内部ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）ガスを燃焼室１７の中に導入する。また、オーバーラップ期間の長さを調整することによって、燃焼室１７の中の残留ガス（既燃ガス）を掃気する。
【００４７】
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に構成されている。インジェクタ６は、燃料供給部の一例である。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おいて燃焼室１７内に臨んで配置されており、キャビティ３１に対向している。
【００４８】
インジェクタ６の噴射軸心Ｘ２は、図２に示すように、シリンダ１１の中心軸Ｘ１に平行とされており、シリンダ１１の中心軸Ｘ１よりも排気側に位置している。このインジェクタ６の噴射軸心Ｘ２とキャビティ３１の凸部３１１の位置とは一致している。なお、インジェクタ６の噴射軸心Ｘ２は、シリンダ１１の中心軸Ｘ１と一致していてもよい。その場合も、インジェクタ６の噴射軸心Ｘ２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。
【００４９】
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焼噴射弁によって構成されている。インジェクタ６は、図２に二点鎖線で示すように、燃料噴霧が、燃焼室１７の中央から放射状に広がりつつ、且つ燃焼室１７の天井部から斜め下向きに広がるように燃料を噴射する。
【００５０】
本構成例においては、インジェクタ６は、十個の噴口を有している。噴口は、インジェクタ６の周方向に等角度に配置されている。噴口の軸の位置は、図２の上図に示すように、後述する点火プラグ２５に対してインジェクタ６の周方向にずれている。つまり、点火プラグ２５は、隣り合う２つの噴口の軸に挟まれている。これにより、インジェクタ６から噴射された燃料の噴霧が、点火プラグ２５に直接当たって、電極を濡らしてしまうことが回避される。
【００５１】
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に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、燃料ポンプとコモンレール６４とが設けられている。燃料ポンプ６５は、コモンレール６４に燃料を圧送する。
【００５２】
本構成例においては、燃料ポンプ６５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に構成されている。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。
【００５３】
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。
【００５４】
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内に配設された電極間において火花放電を行うことにより、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、点火部の一例である。
【００５５】
本構成例においては、点火プラグ２５は、図２にも示すように、燃焼室１７でシリンダ１１の中心軸Ｘ１を挟んだ吸気側に配置されている。この点火プラグ２５は、インジェクタ６に隣接しており、二つの吸気ポートの間に位置している。また、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、燃焼室１７の中に臨んでおり、且つ燃焼室１７の天井面の付近に位置している。
【００５６】
エンジン本体２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、吸気ポート１８を介して燃焼室１７に通じている。吸気通路４０は、燃焼室１７に導入され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が設けられている。吸気通路４０の下流端近傍には、サージタンク４２が設けられている。サージタンク４２よりも下流の吸気通路４０は、シリンダ１１毎に分岐する独立通路を構成している。独立通路の下流端は、各シリンダ１１の吸気ポート１８に接続されている。
【００５７】
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が設けられている。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への新気の導入量を調整するように構成されている。
【００５８】
また、吸気通路４０におけるスロットル弁４３の下流には過給機４４が設けられている。過給機４４は、燃焼室１７に導入される、吸気通路４０内のガスを過給するように構成されている。
【００５９】
本構成例においては、過給機４４は、エンジン本体２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、ベーン式又は遠心式であってもよい。
【００６０】
過給機４４とエンジン本体２との間には、電磁クラッチ４５が設けられている。電磁クラッチ４５は、過給機４４とエンジン本体２との間で、エンジン本体２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。過給機４４は、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、オンとオフとが切り替わる。これにより、エンジン１は、過給機４４が燃焼室１７に導入されるガスを過給することと、過給機４４が燃焼室１７に導入されるガスを過給しないこととを切り替えられるようになっている。
【００６１】
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が設けられている。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に構成されている。インタークーラー４６は、例えば水冷式に構成すればよい。また、インタークーラー４６は、油冷式であってもよい。
【００６２】
吸気通路４０にはまた、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に、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が設けられている。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。
【００６３】
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、つまり過給機４４及びインタークーラー４６を通らずに、バイパス通路４７を通ってサージタンク４２に流入し、その後にエンジン１の燃焼室１７に導入される。このとき、エンジン１は、非過給、つまり自然吸気の状態で運転する。
【００６４】
過給機４４をオンしたとき、つまり電磁クラッチ４５を接続したときには、吸気通路４０を流れるガスは、過給機４４及びインタークーラー４６を通過した後に、サージタンク４２に流入する。このとき、エアバイパス弁４８が開いていると、過給機４４を通過したガスの一部がサージタンク４２からバイパス通路４７を通って、過給機４４の上流に逆流する。そうしたガスの逆流量は、エアバイパス弁４８の開度に応じて変化する。吸気通路４０内のガスの過給圧は、エアバイパス弁４８の開度調整によって制御することができる。
【００６５】
本構成例においては、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、吸気通路４０に過給システム４９が構成されている。
【００６６】
エンジン１は、燃焼室１７内にスワール流を発生させるスワール発生部を有している。スワール発生部は、図３に示すように、吸気通路４０に取り付けられたスワールコントロール弁５６である。スワールコントロール弁５６は、第１吸気ポート１８１につながるプライマリ通路４０１と第２吸気ポート１８２につながるセカンダリ通路４０２とのうち、セカンダリ通路４０２に設けられている。
【００６７】
スワールコントロール弁５６は、セカンダリ通路４０２の断面を絞ることができる開度調整弁である。燃焼室１７内には、このスワールコントロール弁５６の開度に応じた強さのスワール流が生じる。スワール流は、矢印で示すように、図３における反時計方向に周回する（図２の白抜きの矢印も参照）。
【００６８】
スワールコントロール弁５６の開度が小さいと、エンジン本体２の前後方向に並んだ第１吸気ポート１８１及び第２吸気ポート１８２のうち第１吸気ポート１８１から燃焼室１７に流入する吸気流量が相対的に増え、且つ第２吸気ポート１８２から燃焼室１７に流入する吸気流量が相対的に減るから、燃焼室１７内のスワール流が強くなる。スワールコントロール弁５６の開度が大きいと、第１吸気ポート１８１及び第２吸気ポート１８２のそれぞれから燃焼室１７に流入する吸気流量が略均等になるから、燃焼室１７内のスワール流が弱くなる。スワールコントロール弁５６を全開にすると、スワール流は発生しない。
【００６９】
なお、スワール発生部は、吸気通路４０にスワールコントロール弁５６を取り付ける代わりに、又は、スワールコントロール弁５６を取り付けることに加えて、二つの吸気弁２１の開弁期間をずらし、一方の吸気弁２１のみから燃焼室１７の中に吸気を導入することができる構成を採用してもよい。二つの吸気弁２１のうちの一方の吸気弁２１のみが開弁することによって、燃焼室１７の中に吸気が不均等に導入されるから、燃焼室１７の中にスワール流を発生させることができる。さらに、スワール発生部は、吸気ポート１８の形状を工夫することによって、燃焼室１７の中にスワール流を発生させるように構成してもよい。
【００７０】
エンジン本体２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、排気ポート１９を介して燃焼室１７に通じている。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。
【００７１】
排気通路５０には、複数（図１に示す例では２つ）の触媒コンバーターを有する排気ガス浄化システムが設けられている。上流の触媒コンバーターは、図示は省略するが、エンジンルーム内に配置されている。この上流の触媒コンバーターは、三元触媒５１１と、ＧＰＦ（Gasoline Particulate Filter）５１２とを有している。他方、下流の触媒コンバーターは、エンジンルーム外に配置されている。この下流の触媒コンバーターは、三元触媒５１３を有している。
【００７２】
なお、排気ガス浄化システムは、図例の構成に限定されるものではない。例えば、ＧＰＦ５１２は省略してもよい。また、触媒コンバーターは三元触媒５１１，５１３に限定されない。さらに、三元触媒５１１，５１３及びＧＰＦ５１２の並び順は適宜変更してもよい。
【００７３】
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が設けられている。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って、吸気通路４０と排気通路５０とを繋いでいる。ＥＧＲ通路５２の上流端は、排気通路５０における上流の触媒コンバーターと下流の触媒コンバーターとの間に接続されている。ＥＧＲ通路５２の下流端は、吸気通路４０における過給機４４の上流側に接続されている。外部ＥＧＲシステムは、いわゆる低圧ＥＧＲシステムである。
【００７４】
ＥＧＲ通路５２には、水冷式のＥＧＲクーラー５３が設けられている。ＥＧＲクーラー５３は、既燃ガスを冷却するように構成されている。ＥＧＲ通路５２にはまた、ＥＧＲ弁５４が設けられている。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に構成されている。冷却された既燃ガス、つまり外部ＥＧＲガスの還流量は、ＥＧＲ弁５４の開度を変更することによって調整することができる。
【００７５】
本構成例においては、ＥＧＲシステム５５は、ＥＧＲ通路５２及びＥＧＲ弁５４を含んで構成された外部ＥＧＲシステムと、前述した吸気電動Ｓ−ＶＴ２３及び排気電動Ｓ−ＶＴ２４を含んで構成された内部ＥＧＲシステムとによって構成されている。
【００７６】
エンジンシステムは、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ーであって、図４に示すように、プログラムを実行する中央演算処理装置（Central Processing Unit：ＣＰＵ）１０１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１０２と、電気信号の入出力をする入出力バス１０３とを備えている。
【００７７】
このＥＣＵ１０は、前記のインジェクタ６、点火プラグ２５、吸気電動Ｓ−ＶＴ２３、排気電動Ｓ−ＶＴ２４、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、エアバイパス弁４８、及びスワールコントロール弁５６に接続されている。ＥＣＵ１０にはまた、図１及び図４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。
【００７８】
当該センサには、吸気通路４０におけるエアクリーナー４１の下流に配置されたエアフローセンサＳＷ１及び第１吸気温度センサＳＷ２と、吸気通路４０におけるＥＧＲ通路５２の接続位置よりも下流側で且つ過給機４４の上流に配置された第１圧力センサＳＷ３と、吸気通路４０における過給機４４の下流で且つバイパス通路４７の接続位置よりも上流に配置された第２吸気温度センサＳＷ４と、サージタンク４２に取り付けられた第２圧力センサＳＷ５と、各シリンダ１１に対応してシリンダヘッド１３に取り付けられた指圧センサＳＷ６と、排気通路５０に配置された排気温度センサＳＷ７とが含まれる。
【００７９】
エアフローセンサＳＷ１は、吸気通路４０を流れる新気の流量を検知する。第１吸気温度センサＳＷ２は、吸気通路４０を流れる新気の温度を検知する。第１圧力センサＳＷ３は、過給機４４に流入するガスの圧力を検知する。第２吸気温度センサＳＷ４は、過給機４４から流出したガスの温度を検知する。第２圧力センサＳＷ５は、過給機４４の下流のガスの圧力を検知する。指圧センサＳＷ６は、各燃焼室１７内の圧力を検知する。排気温度センサＳＷ７は、燃焼室１７から排出された排気ガスの温度を検知する。
【００８０】
前記センサにはさらに、排気通路５０における上流の触媒コンバーターよりも上流に配置されたリニアＯ２センサＳＷ８と、上流コンバーターにおける三元触媒５１１の下流に配置されたラムダＯ２センサＳＷ９と、エンジン本体２に取り付けられた水温センサＳＷ１０、クランク角センサＳＷ１１、吸気カム角センサＳＷ１２及び排気カム角センサＳＷ１３と、アクセルペダル機構に取り付けられたアクセル開度センサＳＷ１４と、ＥＧＲ通路５２に配置されたＥＧＲ差圧センサＳＷ１５と、燃料供給システム６１のコモンレール６４に取り付けられた燃圧センサＳＷ１６とが含まれる。
【００８１】
リニアＯ２センサＳＷ８及びラムダＯ２センサＳＷ９は、それぞれ排気ガス中の酸素濃度を検知する。水温センサＳＷ１０は、冷却水の温度を検知する。クランク角センサＳＷ１１は、クランクシャフト１５の回転角を検知する。吸気カム角センサＳＷ１２は、吸気カムシャフトの回転角を検知する。排気カム角センサＳＷ１３は、排気カムシャフトの回転角を検知する。アクセル開度センサＳＷ１４は、アクセル開度を検知する。ＥＧＲ差圧センサＳＷ１５は、ＥＧＲ弁５４の上流及び下流の差圧を検知する。燃圧センサＳＷ１６は、インジェクタ６に供給される燃料の圧力を検知する。
【００８２】
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。ＥＣＵ１０は、計算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Ｓ−ＶＴ２３、排気電動Ｓ−ＶＴ２４、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、エアバイパス弁４８、及びスワールコントロール弁５６に出力する。
【００８３】
例えば、ＥＣＵ１０は、アクセル開度センサＳＷ１２の検知信号と予め設定しているマップとに基づいて、エンジン１の目標トルクを設定すると共に、目標過給圧を決定する。そして、ＥＣＵ１０は、目標過給圧と、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の前後差圧とに基づいて、エアバイパス弁４８の開度を調整することにより、過給圧が目標過給圧となるようにフィードバック制御を行う。
【００８４】
また、ＥＣＵ１０は、エンジン１の運転状態と予め設定したマップとに基づいて目標ＥＧＲ率、つまり燃焼室１７の中の全ガスに対するＥＧＲガスの比率を設定する。そして、ＥＣＵ１０は、目標ＥＧＲ率とアクセル開度センサＳＷ１２の検知信号に基づく吸入空気量とに基づいて目標ＥＧＲガス量を決定すると共に、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の中に導入される外部ＥＧＲガス量が目標ＥＧＲガス量となるようにフィードバック制御を行う。
【００８５】
さらに、ＥＣＵ１０は、所定の制御条件が成立しているときに空燃比フィードバック制御を実行する。具体的にＥＣＵ１０は、リニアＯ２センサＳＷ８、及び、ラムダＯ２センサＳＷ９によって検知された排気中の酸素濃度に基づいて、混合気の空燃比が所望の値となるように、インジェクタ６の燃料噴射量を調整する。
【００８６】
尚、ＥＣＵ１０によるエンジン１の制御の詳細は後述する。
【００８７】
〈エンジンの運転領域マップ〉
図５は、エンジン１の温間時の運転領域マップ５０１，５０２を例示している。エンジン１の運転領域マップ５０１，５０２は、エンジン１の負荷及び回転数によって定められており、エンジン１の回転数の高低に対し、二つの領域に分けられている。
【００８８】
具体的に二つの領域は、エンジン回転数がＮ１未満である低回転側のＳＰＣＣＩ領域（１）と、エンジン回転数がＮ１以上である高回転側のＣＩ領域（２）とである。ここで、ＳＰＣＣＩ領域（１）は、エンジン１の全運転領域を回転数方向に、低回転領域、中回転領域及び高回転領域の略三等分にしたときの、低回転領域及び中回転領域を含む領域としてもよい。また、ＣＩ領域（２）は、高回転領域を含む領域としてもよい。回転数Ｎ１は例えば４０００ｒｐｍ程度としてもよい。
【００８９】
図５においては、理解を容易にするために、エンジン１の運転領域マップ５０１，５０２を二つに分けて描いている。マップ５０１は、エンジン１の各運転状態６０１〜６０４における混合気の状態及び燃焼形態と、過給機４４の駆動領域及び非駆動領域とを示している。マップ５０２は、各領域におけるスワールコントロール弁５６の開度を示している。なお、図５における二点鎖線は、エンジン１のロード−ロードライン（Road-Load Line）を示している。
【００９０】
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、圧縮自己着火による燃焼を行う。より詳細に、エンジン１は、ＳＰＣＣＩ領域（１）においては、前述したＳＰＣＣＩ燃焼を行う。また、エンジン１は、ＣＩ領域（２）においては、ＣＩ燃焼を行う。以下に、図５に示す各運転状態６０１〜６０４におけるエンジン１の運転について、図６に示す燃料噴射時期及び点火時期を参照しながら詳細に説明する。尚、図６の横軸は、クランク角を示し、図６の紙面左から右にクランク角は進む。
【００９１】
〈ＳＰＣＣＩ領域（１）の低負荷運転状態におけるエンジン制御〉
エンジン１は、エンジン１がＳＰＣＣＩ領域（１）において運転しているときには、前述したようにＳＰＣＣＩ燃焼を行う。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。ＳＰＣＣＩ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することを以て混合気が火炎伝播によりＳＩ燃焼をすると共に、ＳＩ燃焼の発熱により燃焼室１７の中の温度が高くなり、且つ火炎伝播により燃焼室１７の中の圧力が上昇することを以て未燃混合気が自己着火によるＣＩ燃焼をする。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。つまり、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。
【００９２】
図６の符号６０１は、エンジン１がＳＰＣＣＩ領域（１）において負荷の低い運転状態６０１にて運転しているときの燃料噴射時期（符号６０１１，６０１２）及び点火時期（符号６０１３）並びに燃焼波形（つまり、クランク角に対する熱発生率の変化を示す波形、符号６０１４）それぞれの一例を示している。
【００９３】
ＳＰＣＣＩ燃焼を行うときには、圧縮上死点（図６で右側のＴＤＣ：Top Dead Center）付近の所定のタイミングで、点火プラグ２５が混合気に点火する。これによって、火炎伝播による燃焼が開始される。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。したがって、熱発生率の波形は、立ち上がりの傾きが相対的に小さくなる。図示はしないが、燃焼室１７の中における圧力変動（ｄｐ／ｄθ）も、ＳＩ燃焼時は、ＣＩ燃焼時よりも穏やかになる。
【００９４】
ＳＩ燃焼によって燃焼室１７の中の温度及び圧力が高まると、未燃混合気が自己着火する。図６の例では、自己着火のタイミングで、熱発生率の波形の傾きが小から大へ変化している（符号６０１４）。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。
【００９５】
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おり、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。また、ＣＩ燃焼時の圧力変動（ｄｐ／ｄθ）も比較的穏やかになる。
【００９６】
圧力変動（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、ＳＰＣＣＩ燃焼は、前述の通り圧力変動（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過ぎることを回避することが可能になる。それにより、燃焼騒音を許容レベル以下に抑えることができる。
【００９７】
ＳＰＣＣＩ燃焼は、ＣＩ燃焼が終了することによって終了する。ＣＩ燃焼は、ＳＩ燃焼に比べて燃焼期間が短い。よって、ＳＰＣＣＩ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、ＳＰＣＣＩ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。したがって、ＳＰＣＣＩ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。
【００９８】
ＥＧＲシステム５５は、ＳＰＣＣＩ領域（１）において、エンジン１の負荷が低いときに、エンジン１の燃費性能を向上させるために、燃焼室１７の中にＥＧＲガスを導入する。
【００９９】
具体的には、排気上死点付近において、吸気弁２１及び排気弁２２の両方が開弁するポジティブオーバーラップ期間を設けることにより、燃焼室１７の中から吸気ポート１８及び排気ポート１９に排出した排気ガスの一部を燃焼室１７の中に引き戻して再導入する、内部ＥＧＲを行う。内部ＥＧＲを行うと、燃焼室１７の中に熱い既燃ガス（内部ＥＧＲガス）が導入されるため、燃焼室１７の中の温度を高くすることができ、ＳＰＣＣＩ燃焼の安定化に有利になる。
【０１００】
なお、エンジン１の負荷が低いときには、ＥＧＲ弁５４を全閉とする。燃焼室１７の中には、外部ＥＧＲガスが導入されない。
【０１０１】
過給機４４は、ＳＰＣＣＩ領域（１）において、エンジン１の負荷が低いときには、オフにされる。詳細には、ＳＰＣＣＩ領域（１）における低中負荷の低回転側の領域においては、過給機４４がオフにされる（Ｓ／Ｃ  ＯＦＦ参照）。エンジン１の負荷が低中負荷であっても、エンジン１の回転数が高くなると必要な吸気充填量を確保するために、過給機４４がオンにされて、過給圧を高くする（Ｓ／Ｃ  ＯＮ参照）。
【０１０２】
過給機４４がオフにされて吸気通路４０内のガスが過給されていないときには、吸気通路４０内の圧力が相対的に低いから、ポジティブオーバーラップ期間中には、前述したように内部ＥＧＲガスが燃焼室１７の中に導入される。
【０１０３】
また、過給機４４がオンにされて吸気通路４０内のガスが過給されているときには、吸気通路４０内の圧力が相対的に高いから、ポジティブオーバーラップ期間中には、吸気通路４０内のガスがエンジン本体２の燃焼室１７を通過して排気通路５０に吹き抜ける。それにより、燃焼室１７内に残留する既燃ガスが排気通路５０に押し出されて掃気される。
【０１０４】
スワールコントロール弁５６は、エンジン１がＳＰＣＣＩ領域（１）において運転しているときには、全閉又は閉じ側の所定の角度とされる。それにより、燃焼室１７の中に、比較的強いスワール流が形成される。スワール流は、燃焼室１７の外周部において強く、中央部において弱くなる。前述したように、吸気ポート１８はタンブルポートであるため、燃焼室１７の中には、タンブル成分とスワール成分とを有する斜めスワール流が形成される。
【０１０５】
エンジン１の負荷が低いときには、スワール比は、例えば４以上になる。ここで、スワール比を定義すると、「スワール比」は、吸気流横方向角速度をバルブリフト毎に測定して積分した値を、エンジン角速度で除した値である。吸気流横方向角速度は、図７に示すリグ試験装置を用いた測定に基づいて求めることができる。
【０１０６】
図７に示す装置は、基台にシリンダヘッド１３を上下反転して設置して、吸気ポート１８を図外の吸気供給装置に接続する一方、そのシリンダヘッド１３上にシリンダ３６を設置すると共に、その上端にハニカム状ロータ３７を有するインパルスメータ３８を接続して構成されている。インパルスメータ３８の下面は、シリンダヘッド１３とシリンダブロックとの合わせ面から１．７５Ｄの位置に位置づけられている。ここで、「Ｄ」はシリンダボア径を意味する。そして、当該装置は、吸気の供給に応じてシリンダ３６内に生じるスワール流（図７の矢印参照）によってハニカム状ロータ３７に作用するトルクをインパルスメータ３８で計測し、それに基づいて、吸気流横方向角速度を求めることができる。
【０１０７】
図８は、エンジン１におけるスワールコントロール弁５６の開度とスワール比との関係を示している。図８は、スワールコントロール弁５６の開度を、セカンダリ通路４０２の全開断面に対する開口比率によって表している。スワールコントロール弁５６が全閉のときに、セカンダリ通路４０２の開口比率が０％となり、スワールコントロール弁５６の開度が大きくなると、セカンダリ通路４０２の開口比率が０％よりも大きくなる。スワールコントロール弁５６が全開のときに、セカンダリ通路４０２の開口比率は１００％となる。
【０１０８】
図８に例示するように、エンジン１は、スワールコントロール弁５６を全閉にすると、スワール比は６程度になる。ＳＰＣＣＩ領域（１）において、エンジン１の負荷が低いときに、スワール比は４以上且つ６以下とすればよい。スワールコントロール弁５６の開度は、開口比率が０％以上且つ１５％以下となる範囲で調整すればよい。
【０１０９】
混合気の空燃比（Ａ／Ｆ）は、ＳＰＣＣＩ領域（１）において、エンジン１の負荷が低いときに、燃焼室１７の全体において理論空燃比よりもリーンである。つまり、燃焼室１７の全体において、混合気の空気過剰率λは１を超える（λ＞１）。より詳細には、燃焼室１７の全体において混合気のＡ／Ｆは３０以上である。こうすることで、ＲａｗＮＯｘの発生を抑制することができ、排気ガス性能を向上させることができる。
【０１１０】
ＳＰＣＣＩ領域（１）において、エンジン１の負荷が低い運転状態６０１のときには、混合気は、燃焼室１７の中央部と外周部との間において成層化している。燃焼室１７の中央部は、点火プラグ２５が配置されている部分である。燃焼室１７の外周部は、中央部の周囲であって、シリンダ１１のライナーに接する部分である。燃焼室１７の中央部はスワール流が弱い部分であり、燃焼室１７の外周部はスワール流が強い部分である、と定義してもよい。
【０１１１】
燃焼室１７の中央部の混合気の燃料濃度は、燃焼室１７の外周部の燃料濃度よりも濃い。具体的には、燃焼室１７の中央部の混合気のＡ／Ｆは２０以上且つ３０以下であり、燃焼室１７の外周部の混合気のＡ／Ｆは３５以上である。なお、空燃比の値は、点火時における空燃比の値であり、このことは、以下の説明においても同じ場合がある。
【０１１２】
インジェクタ６は、ＳＰＣＣＩ領域（１）において、エンジン１の負荷が低いときには、圧縮行程中において燃料を複数回に分けて燃焼室１７の中に噴射する（図６の符号６０１１，６０１２）。具体的には、圧縮行程の中期と圧縮行程の終期とにそれぞれ燃料噴射を行う。ここで、圧縮行程の中期及び終期はそれぞれ、圧縮行程をクランク角度に関して初期、中期、終期に三等分したときの中期及び終期とすればよい。
【０１１３】
圧縮行程の中期に噴射された燃料は、点火時期までの間に燃焼室１７の中で拡散し、燃焼室１７内の中央部及び外周部の混合気を形成する。圧縮行程の終期に噴射された燃料は、点火をするまでの時間が短いため、あまり拡散せずに、スワール流によって燃焼室１７内の中央部の点火プラグ２５の付近に輸送され、圧縮行程の中期に噴射された燃料の一部と共に、燃焼室１７内の中央部の混合気を形成する。前述したように、燃焼室１７内の中央部と外周部とにおいて混合気が成層化する。
【０１１４】
燃料噴射の終了後、圧縮上死点前の所定のタイミングで、点火プラグ２５は、燃焼室１７の中央部の混合気に点火をする（符号６０１３）。このとき、燃焼室１７の中央部の混合気の燃料濃度が相対的に高いため、着火性が向上すると共に、火炎伝播によるＳＩ燃焼が安定化する。そして、ＳＩ燃焼が安定化することによって、ＣＩ燃焼が適切なタイミングで開始する。つまり、ＳＰＣＣＩ燃焼において、ＣＩ燃焼のコントロール性が向上する。その結果、ＳＰＣＣＩ領域（１）においてエンジン１の負荷が低いときに、燃焼騒音の発生の抑制と、燃焼期間の短縮による燃費性能の向上とが両立する。
【０１１５】
〈ＳＰＣＣＩ領域（１）の中負荷運転状態におけるエンジン制御〉
図６の符号６０２は、エンジン１が、ＳＰＣＣＩ領域（１）において、中負荷で運転しているときの燃料噴射時期（符号６０２１，６０２２）及び点火時期（符号６０２３）並びに燃焼波形（符号６０２４）それぞれの一例を示している。
【０１１６】
ＥＧＲシステム５５は、エンジン１が中負荷で運転しているときも、低負荷で運転しているときと同様に、燃焼室１７の中にＥＧＲガスを導入する。具体的には、エンジン１が中負荷領域における負荷が低くかつ回転が低い状態で運転しているときには、排気上死点付近において、吸気弁２１及び排気弁２２の両方を開弁するポジティブオーバーラップ期間を設けることにより、燃焼室１７の中から吸気ポート１８及び排気ポート１９に排出した排気ガスの一部を燃焼室１７の中に引き戻して再導入する、内部ＥＧＲを行う。つまり、内部ＥＧＲガスを燃焼室１７の中に導入する。
【０１１７】
過給機４４は、エンジン１が中負荷領域において負荷が高い又は回転が高い状態で運転しているときには、燃料噴射量が増えることに対応して必要な吸気充填量を確保するために、オンにされる。過給機４４がオンにされて吸気通路４０内のガスが過給されているときには、吸気通路４０内の圧力が相対的に高いから、ポジティブオーバーラップ期間中には、前述したように、燃焼室１７の中の残留ガス（熱い既燃ガス）が掃気される。
【０１１８】
また、エンジン１が中負荷で運転しているときには、ＥＧＲ通路５２を通じてＥＧＲクーラー５３によって冷却した排気ガスを燃焼室１７の中に導入する、外部ＥＧＲを行う。つまり、内部ＥＧＲガスに比べて温度が低い外部ＥＧＲガスを燃焼室１７の中に導入する。内部ＥＧＲガス及び外部ＥＧＲガスのうちの少なくとも一方を、燃焼室１７の中に導入することにより、燃焼室１７の中の温度が適切な温度になるよう調整する。尚、ＥＧＲ率は、エンジン１の負荷が高くなるに従い高くなる。
【０１１９】
また、スワールコントロール弁５６は、エンジン１が中負荷で運転しているときにも、低負荷で運転しているときと同様に全閉又は閉じ側の所定の角度とする。そのことで、燃焼室１７の中には、スワール比が４以上の強いスワール流が形成される。スワール流を強くすると、燃焼室１７内の乱流エネルギーが高くなるから、ＳＩ燃焼の火炎が速やかに伝播してＳＩ燃焼が安定化する。そして、ＳＩ燃焼が安定化することによって、ＣＩ燃焼のコントロール性が高まる。これにより、ＳＰＣＣＩ燃焼におけるＣＩ燃焼のタイミングを適正化することができる。その結果、燃焼騒音の発生を抑制することができると共に、燃費性能の向上を図ることができる。また、サイクル間におけるトルクのばらつきを抑制することができる。
【０１２０】
混合気の空燃比（Ａ／Ｆ）は、エンジン１が中負荷で運転するときには、燃焼室１７の全体において理論空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．７）とされる。理論空燃比であれば、三元触媒が燃焼室１７から排出された排気ガスを浄化することによって、エンジン１の排気ガス性能が良好になる。混合気のＡ／Ｆは、三元触媒の浄化ウインドウの中に納まるようにすればよい。したがって、混合気の空気過剰率λは、１．０±０．２とすればよい。
【０１２１】
インジェクタ６は、エンジン１が中負荷で運転するときには、吸気行程と圧縮行程とに分けて燃焼を燃焼室１７の中に噴射する（図６の符号６０２１，６０２２）。具体的には、吸気行程の中期から終期にかけての期間に燃料を噴射する第１噴射６０２１と、圧縮行程の後半に燃料を噴射する第２噴射６０２２とを行う。ここで、吸気行程の中期及び終期はそれぞれ、吸気行程をクランク角度に関して初期、中期、終期に三等分したときの中期及び終期とすればよい。また、圧縮行程の前半及び後半はそれぞれ、圧縮行程をクランク角度に関して前半と後半とに二等分したときの前半及び後半とすればよい。
【０１２２】
第１噴射６０２１により噴射された燃料は、点火時期から離れたタイミングで噴射されており、その噴射時にはピストン３が上死点から離れているため、キャビティ３１の外の領域に形成されたスキッシュエリア１７１にも到達し、燃焼室１７の中に略均等に分布して混合気を形成する。第２噴射６０２２により噴射された燃料は、ピストン３が圧縮上死点に近いタイミングで噴射されるため、キャビティ３１の中に入り、キャビティ３１の内の領域において混合気を形成する。
【０１２３】
第２噴射６０２２によってキャビティ３１の中に燃料を噴射することに伴い、キャビティ３１の内の領域においてガスの流動が発生する。燃焼室１７の中の乱流エネルギーは、点火タイミングまでの時間が長いと、圧縮行程の進行に伴って減衰してしまう。ところが、第２噴射６０２２のタイミングは第１噴射６０２１よりも点火タイミングに近いため、点火プラグ２５は、キャビティ３１の中の乱流エネルギーが高い状態のまま、キャビティ３１の内の領域の混合気に点火することができる。これにより、ＳＩ燃焼の燃焼速度が高まる。ＳＩ燃焼の燃焼速度が高まると、ＳＩ燃焼が安定化するから、ＳＩ燃焼によるＣＩ燃焼のコントロール性が高まる。
【０１２４】
また、圧縮行程の後半において第２噴射６０２２を行うことにより、燃焼室１７内の温度を燃料の気化潜熱により低下させて過早着火やノッキングなどの異常燃焼の誘発を防止することができる。さらに、第２噴射６０２２により噴射された燃料を火炎伝播により安定的に燃焼させることができる。第１噴射６０２１の噴射量と第２噴射６０２２の噴射量との割合は一例として、９５：５としてもよい。
【０１２５】
燃焼室１７の中には、インジェクタ６が第１噴射６０２１と第２噴射６０２２を行うことにより、全体として空気過剰率λが１．０±０．２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と、スモーク（煤）の発生回避による排気ガス性能の向上とを図ることができる。
【０１２６】
混合気は、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（符号６０２３）ことを以て、火炎伝播により燃焼する。そして、火炎伝播による燃焼の開始後、未燃混合気が自己着火して、ＣＩ燃焼する。第２噴射６０２２によって噴射された燃料は、主にＳＩ燃焼する。第１噴射６０２１によって噴射された燃料は、主にＣＩ燃焼する。
【０１２７】
〈ＳＰＣＣＩ領域（１）の高負荷運転状態におけるエンジン制御〉
図６の符号６０３は、エンジン１が、ＳＰＣＣＩ領域（１）において、高負荷で運転しているときの燃料噴射時期（符号６０３１）及び点火時期（符号６０３２）並びに燃焼波形（符号６０３３）それぞれの一例を示している。
【０１２８】
ＥＧＲシステム５５は、エンジン１が高負荷で運転しているときにも、燃焼室１７の中にＥＧＲガスを導入する。
【０１２９】
具体的には、エンジン１が高負荷で運転しているときは、ＥＧＲ通路５２を通じてＥＧＲクーラー５３によって冷却した排気ガスを燃焼室１７の中に導入する、外部ＥＧＲを行う。ＥＧＲ率は、ＳＰＣＣＩ領域（１）における中高負荷の領域において、エンジン１の負荷が高くなるに従って、連続的に高くなる。ＥＧＲクーラー５３によって冷却した外部ＥＧＲガスを燃焼室１７の中に導入することにより、燃焼室１７の中の温度が適切な温度になるよう調整すると共に、混合気の過早着火やノッキングなどの異常燃焼の誘発を防止することができる。
【０１３０】
尚、エンジン１の負荷が全開負荷に近づくと、燃料量が増えることに対応させるため、燃焼室１７内に導入する新気量を増やさなければならない。そこで、ＳＰＣＣＩ領域（１）においてエンジン１の負荷が全開負荷に近づくと、外部ＥＧＲによるＥＧＲ率を低下させてもよい。
【０１３１】
また、エンジン１が高負荷で運転しているときも、排気上死点付近において、吸気弁２１及び排気弁２２の両方を開弁するポジティブオーバーラップ期間を設ける。
【０１３２】
過給機４４は、エンジン１が高負荷で運転しているときにも、その全域に亘りオンにされて、過給圧を高くする（Ｓ／Ｃ  ＯＮ参照）。そのことで、ポジティブオーバーラップ期間中においては、燃焼室１７の中の残留ガス（既燃ガス）が掃気される。
【０１３３】
スワールコントロール弁５６は、エンジン１が高負荷で運転するときにも、全閉又は閉じ側の所定の開度とする。そのことで、燃焼室１７の中には、スワール比４以上の強いスワール流が形成される。
【０１３４】
混合気の空燃比（Ａ／Ｆ）は、エンジン１が高負荷で運転するときには、燃焼室１７の全体において理論空燃比又は理論空燃比よりもリッチである（つまり、混合気の空気過剰率λは、λ≦１）。
【０１３５】
インジェクタ６は、エンジン１が高負荷の運転状態６０３にて運転するときには、吸気行程において燃料噴射を開始する（符号６０３１）。具体的には、燃料噴射６０３１は、圧縮上死点前２８０°ＣＡに燃料の噴射を開始してもよい。燃料噴射６０３１の終了は、吸気行程を超えて圧縮行程中になる場合がある。燃料噴射６０３１の開始を吸気行程の前半にすることによって、燃料噴霧がキャビティ３１の開口縁部に当たって、一部の燃料は、燃焼室１７のスキッシュエリア１７１、つまりキャビティ３１の外の領域（図２参照）に入り、残りの燃料は、キャビティ３１の内の領域に入る。このとき、スワール流は、燃焼室１７の外周部において強く、燃焼室１７の中央部において弱くなっている。そのため、キャビティ３１の内の領域に入った燃料は、スワール流よりも内側に入る。
【０１３６】
スワール流に入った燃料は、吸気行程から圧縮行程の間、スワール流の中に留まり、燃焼室１７の外周部においてＣＩ燃焼用の混合気を形成する。スワール流よりも内側に入った燃料も、吸気行程から圧縮行程の間、スワール流よりも内側に留まり、燃焼室１７の中央部においてＳＩ燃焼用の混合気を形成する。
【０１３７】
エンジン１が高負荷で運転するときには、燃焼室１７における外周部の混合気の燃料濃度が中央部の混合気の燃料濃度よりも濃く、且つ燃焼室１７における外周部の混合気の燃料量が中央部の混合気の燃料量よりも多くなるようにする。
【０１３８】
具体的には、燃焼室１７における中央部の混合気の空気過剰率λは、好ましくは１以下であり、燃焼室１７における外周部の混合気の空気過剰率λは、１以下、好ましくは１未満である。燃焼室１７における中央部の混合気の空燃比（Ａ／Ｆ）は、例えば１３以上且つ理論空燃比（１４．７）以下としてもよい。燃焼室１７における中央部の混合気の空燃比は、理論空燃比よりもリーンであってもよい。
【０１３９】
また、燃焼室１７における外周部の混合気の空燃比は、例えば１１以上且つ理論空燃比以下であってもよく、好ましくは１１以上且つ１２以下としてもよい。燃焼室１７の外周部の空気過剰率λを１未満にすると、外周部は混合気中の燃料量が増えるため、燃料の気化潜熱によって温度が低下する。燃焼室１７の全体の混合気の空燃比は、１２．５以上且つ理論空燃比以下であってもよく、好ましくは１２．５以上且つ１３以下としてもよい。
【０１４０】
点火プラグ２５は、圧縮上死点付近において、燃焼室１７内の混合気に点火をする（符号６０３２）。点火プラグ２５は、例えば圧縮上死点後に点火を行ってもよい。点火プラグ２５は燃焼室１７の中央部に配置されているため、点火プラグ２５の点火によって、中央部の混合気が火炎伝播によるＳＩ燃焼を開始する。点火プラグ２５付近の混合気の燃料濃度が高くなっているから、ＳＰＣＣＩ燃焼において、点火プラグ２５の点火後に、安定して火炎を伝播させることができる。
【０１４１】
エンジン１の負荷が高くなると、燃料噴射量が多くなると共に、燃焼室１７の温度も高くなるため、ＣＩ燃焼が早期に開始しやすい状況になる。つまり、エンジン１の負荷が高いと、混合気の過早着火やノッキングなどの異常燃焼が発生しやすい。しかしながら、前述したように、燃焼室１７の外周部の温度が燃料の気化潜熱によって低下するから、混合気に火花点火をした後、ＣＩ燃焼がすぐに開始してしまうことを回避することができる。
【０１４２】
エンジン１の負荷が高いときのＳＰＣＣＩ燃焼では、燃焼室１７の中において混合気を成層化することと、燃焼室１７の中に強いスワール流を発生させることとによって、ＣＩ燃焼の開始までにＳＩ燃焼を十分に行うことができる。その結果、燃焼騒音の発生を抑制することができると共に、燃焼温度が高くなり過ぎることがなくてＮＯｘの生成も抑制される。また、サイクル間におけるトルクのばらつきを抑制することができる。
【０１４３】
また、燃焼室１７の外周部の温度が低いことも、ＣＩ燃焼を緩やかにするので、燃焼騒音の発生を抑制するのに有利になる。さらに、ＣＩ燃焼によって燃焼期間が短くなるから、エンジン１の負荷が高いときに、トルクの向上及び熱効率の向上を図ることができる。よって、エンジン１では、負荷が高い領域においてＳＰＣＣＩ燃焼を行うことにより、燃焼騒音を回避しながら燃費性能を向上させることができる。
【０１４４】
〈ＣＩ領域（２）におけるエンジン制御〉
エンジン１の回転数が高いと、クランク角が１°変化するのに要する時間が短くなる。そのため、例えば高負荷領域の高回転領域においては、ＳＰＣＣＩ燃焼を行うために燃焼室１７内に混合気の成層化をすることが困難になる。その一方で、エンジン１の幾何学的圧縮比が高いため、特に高負荷領域においてＳＩ燃焼を行おうとすると、ノッキング等の異常燃焼が発生する恐れがある。そこで、エンジン１は、高回転側のＣＩ領域（２）において運転しているときには、新しい形態のＣＩ燃焼を行う。ＣＩ領域（２）は、低負荷から高負荷までの負荷方向における全域に広がっている。
【０１４５】
このＣＩ燃焼は、いわゆるブロークンリアクションゾーンを利用する。ブロークンリアクションゾーンは、混合気が燃料リーンである、及び／又は、燃焼室１７内の流動が強いことにより、点火プラグ２５が混合気に点火を行っても、火炎伝播による燃焼が進行しないような、燃焼室１７内の状態をいう。ＣＩ領域（２）における燃焼形態は、ブロークンリアクションゾーンにおいて点火プラグ２５が混合気に点火をしたときには、火種が無くなるのではなく、混合気を微視的に見ると、火炎伝播できない状態で火種が保存されていることが、新たな知見として得られたことに基づいている。
【０１４６】
図６の符号６０４は、エンジン１がＣＩ領域（２）において、高負荷で運転している状態６０４のときの燃料噴射時期（符号６０４１、６０４３）及び点火時期（符号６０４２）並びに燃焼波形（符号６０４４）それぞれの一例を示している。
【０１４７】
混合気の空燃比（Ａ／Ｆ）は、エンジン１がＣＩ領域（２）において運転するときには、基本的に、燃焼室１７の全体において理論空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．７）とされる。混合気の空気過剰率λは１．０±０．２とすればよい。なお、ＣＩ領域（２）内の全負荷を含む高負荷領域においては、混合気の空気過剰率λを１未満にしてもよい。
【０１４８】
また、図５のマップ５０１に示すように、過給機４４は、エンジン１がＣＩ領域（２）において運転しているときにも、その全域に亘りオンにされて、過給圧を高くする（Ｓ／Ｃ  ＯＮ参照）。
【０１４９】
図９は、吸気行程から圧縮行程にかけての燃焼室１７内の流動強さの変化を例示している。エンジン１は、エンジン１がＣＩ領域（２）において運転するときには、図５のマップ５０２に示すように、スワールコントロール弁５６を全開にする。それにより、燃焼室１７内にはスワール流が発生せず、タンブル流のみが発生する。このようにスワールコントロール弁５６を全開にすることによって、エンジン１の回転数が高いときに、ポンプ損失を低減しながら、充填効率を高めることができる。
【０１５０】
吸気行程において燃焼室１７内に吸気が流入するに従ってタンブル流が発生し、燃焼室１７内の流動は次第に強まる。吸気行程において強まった燃焼室１７内の流動は、吸気行程の終期において、一旦、減衰するが、圧縮行程においてピストン３が上死点に向かって上昇するに伴い、いわゆるスピンアップ現象によって、燃焼室１７内の流動は、再び強くなる。燃焼室１７内の流動は、図９に白抜きの矢印で示すように、圧縮行程を初期、中期、及び、終期に三等分したときの中期の始まりから、圧縮行程を前期、中前期、中後期、及び、終期に四等分したときの中後期の終わりにかけての特定期間において、所定以上の強さになる（図９の破線参照）。特定期間においては、燃焼室１７内のタンブル比が所定以上になる。なお、「タンブル比」は、燃焼室１７の重心（該重心の位置は燃焼室１７の容積の変化に応じて変化する）を通るクランクシャフト１５に平行な軸回りの吸気の角速度ωを、クランクシャフト１５の角速度ωｃで割った値である。吸気の角速度ωは、以下のようにして求めることができる。すなわち、吸気行程の開始から圧縮行程の終了までの微少クランク角毎に、燃焼室１７内を多数の微少部分に区画して、前記軸回りの該各微少部分の質点（空気）の角運動量Ｌと、該各微少部分の質点の慣性モーメントＩとを求め、その角運動量Ｌの全微少部分の合計値を全微少クランク角にわたって積算した値を、慣性モーメントＩの全微少部分の合計値を全微少クランク角にわたって積算した値で割ることで、吸気の角速度ωを求めることができる。
【０１５１】
特定期間又は特定期間よりも前に、燃焼室１７内に理論空燃比よりも燃料濃度がリーンな混合気を形成しておくと、特定期間に点火プラグ２５が混合気に点火をしても、火炎伝播による燃焼が進行しない。つまり、ＣＩ領域（２）においては、燃焼室１７内の状態がブロークンリアクションゾーンにあるときに点火プラグ２５が混合気に点火をすることによって、火炎伝播による燃焼を開始させずに、燃焼室１７内に火種を保存しておく。
【０１５２】
その後、クランク角が進行することに伴って燃焼室１７内の流動が弱くなると共に、混合気の燃料濃度が高くなるように、燃焼室１７内に燃料を追加供給すると、燃焼室１７内の状態がブロークンリアクションゾーンから外れる。また、圧縮行程の後期においては、モータリングにより燃焼室１７内の温度及び圧力が高まる。その結果、保存されていた火種により、混合気は、圧縮行程の後期又は膨張行程において燃焼を開始する。
【０１５３】
次に、図６を参照しながら、燃料噴射制御及び点火制御について、具体的に説明をする。インジェクタ６は、エンジン１がＣＩ領域（２）において運転しているときには、吸気行程において燃料噴射（つまり、第一燃料噴射６０４１）を行う。第一燃料噴射は、例えば一括噴射によって構成してよいし、分割噴射によって構成してもよい。吸気行程中に燃料噴射を開始することによって、燃焼室１７の中に均質又は略均質な混合気を形成することが可能になる。このときに形成される混合気の、空気と燃料との質量比であるＡ／Ｆ、又は、空気を含むガスと燃料との質量比であるＧ／Ｆは、理論空燃比よりもリーンである。第一燃料噴射６０４１の噴射量は、エンジン１の負荷と、後述する第二燃料噴射６０４３との分割比とによって定まる。尚、燃料の噴射期間は、第一燃料噴射６０４１の噴射量に応じて変化する。第一燃料噴射６０４１の噴射開始時期は、少なくとも、前述した特定期間又は特定期間よりも前に、燃焼室１７内に理論空燃比よりも燃料濃度がリーンな混合気を形成することができるように、第一燃料噴射６０４１の噴射量に応じて適宜、設定してもよい。
【０１５４】
点火プラグ２５は、第一燃料噴射の噴射終了後に、混合気に点火を行う（符号６０４２）。図１０の上図１００１は、ＣＩ領域（２）においてエンジン１が高負荷で運転しているときの、点火時期を例示している。図１０の回転数Ｎ１は、図５に示すマップの回転数Ｎ１に対応している。図１０の上図１００１の縦軸は、クランク角を示しており、縦軸の上側は進角側を示している。
【０１５５】
図１０の上図１００１において、ハッチングを付した範囲が、点火プラグ２５の点火時期を示している。点火プラグ２５は、ハッチングを付した範囲内の、適宜のタイミングで混合気に点火する。
【０１５６】
点火プラグ２５は、圧縮行程の中後期又は中後期よりも前の圧縮行程において、混合気に点火を行う。このことにより、火炎伝播による燃焼を進行させずに、燃焼室１７内に火種を保存することが可能になる。火種は、燃焼室１７内の流動によって分散又は拡散する。図９から明らかなように、圧縮行程中において、点火時期が遅すぎても早すぎても、燃焼室１７内の流動が弱いときに点火をしてしまうことになる。そのため、燃焼室１７内がブロークンリアクションゾーンにあるときに、点火プラグ２５が混合気に点火をするよう、図１０の上図１００１に例示するように、点火時期は、進角限界（上図１００１における上側の線）及び遅角限界（上図１００１における下側の線）を有している。点火プラグ２５は、圧縮行程を、初期、中期、及び終期に三等分したときの、例えば中期の期間内に、混合気に点火を行ってもよい。
【０１５７】
ＣＩ領域（２）において点火プラグ２５が点火をするタイミングは、図１０の上図１００１に一点鎖線で例示するように、同じ運転状態でＳＩ燃焼を行う場合に設定することができるＭＢＴ（Minimum advance for Best Torque）よりも大幅に進角している（ＭＢＴは、例えば圧縮行程の終期である）。
【０１５８】
点火時期は、エンジン１の回転数の高低に応じて変化させてもよい。上図１００１の例では、エンジン１の回転数が高くなるに従い、点火時期を進角させている。エンジン１の回転数が高くなることに伴う進角限界の変化は、遅角限界の変化よりも大きい（つまり、上図１００１における上側の線の傾きは、下側の線の傾きよりも大きい）。
【０１５９】
尚、点火プラグ２５は、特定期間内において複数回の点火を行ってもよい。燃焼室１７内に作成する火種の数を増やすことができると共に、燃焼室１７内の強い流動によって、たくさんの火種を燃焼室１７内に拡散させることができる。そうすることで、混合気の着火性が向上すると共に、混合気の燃焼期間を、さらに短くすることが可能になる。
【０１６０】
点火プラグ２５が混合気に点火をした後の圧縮行程の期間において、インジェクタ６は、燃焼室１７内に、燃料を噴射する（つまり、第二燃料噴射６０４３）。燃焼室１７内の混合気の燃料濃度が高くなる。第二燃料噴射６０４３によって混合気のＡ／Ｆ又はＧ／Ｆは、理論空燃比、又は、理論空燃比よりもリッチになる。混合気の燃料濃度が高くなると共に、燃焼室１７内の流動が弱くなることに伴い、燃焼室１７内の状態は、ブロークンリアクションゾーンから外れる。また、燃焼室１７内の温度及び圧力は、圧縮上死点に近づくに従いモータリングにより高まる。そうして、圧縮上死点付近において、保存されていた火種により、混合気が、自着火により、一斉に燃焼を開始する（符号６０４４）。この燃焼の燃焼重心は、圧縮上死点に近くなるため、エンジン１の熱効率が向上する。また、この燃焼形態では、燃焼期間が短くなるため、ノッキングの発生を抑制することができる。
【０１６１】
燃焼室１７内の混合気の燃料濃度に応じて、燃焼室１７の状態がブロークンリアクションゾーンを外れるか否かが変化する。燃焼室１７の状態がブロークンリアクションゾーンを外れるタイミングが変化することによって、混合気の燃焼が開始するタイミングが変化する。そのため、混合気が適切なタイミングで燃焼を開始するように、第二燃料噴射６０４３の噴射量を適宜調整してもよい。
【０１６２】
第二燃料噴射６０４３は、図６に例示するように、点火プラグ２５が混合気に点火をした後に行えばよい。燃料噴射６０４３の噴射終了時期が遅くなると、第二燃料噴射６０４３により噴射した燃料の気化時間が短くなって、排気エミッション性能や、燃費性能に不利になる恐れがある。第二燃料噴射６０４３の噴射開始時期は、第二燃料噴射６０４３の噴射量に基づいて、第二燃料噴射６０４３の噴射終了時期が遅くならないように、適宜、設定すればよい。例えば図１０の下図１００２は第二燃料噴射６０４３の噴射開始時期を例示している。図１０の下図１００２の縦軸は、クランク角を示しており、縦軸の上側は進角側を示している。同図１００２においてハッチングを付した範囲が、第二燃料噴射６０４３の噴射開始時期を示している。インジェクタ６は、ハッチングを付した範囲内の、適宜のタイミングで、第二燃料噴射６０４３を行う。
【０１６３】
第二燃料噴射６０４３の噴射開始時期を変更すると、燃焼室１７の状態がブロークンリアクションゾーンを外れるタイミングが変更される。従って、インジェクタ６による第二燃料噴射６０４３の噴射開始時期を変更することによって、混合気の燃焼開始のタイミングを変更することが可能になる。第二燃料噴射６０４３の噴射開始時期は、混合気が適切なタイミングで燃焼を開始するように、調整してもよい。
【０１６４】
第二燃料噴射６０４３の噴射開始時期は、エンジン１の回転数の高低に応じて変更してもよい。具体的には、エンジン１の回転数が高くなるほど、点火タイミングを進角させることに対応して、第二燃料噴射６０４３の噴射開始時期を進角させてもよい。下図１００２の例では、エンジン１の回転数が高くなるに従い、第二燃料噴射開始時期を進角させている。エンジン１の回転数が高くなることに伴う進角限界の変化（つまり、下図１００２における上側の線の傾き）は、遅角限界（つまり、下図１００２における下側の線の傾き）の変化よりも大きい。
【０１６５】
第一燃料噴射６０４１の噴射量と第二燃料噴射６０４３の噴射量との比率は、適宜、設定すればよい。
【０１６６】
ＥＧＲシステム５５は、エンジン１の運転状態がＣＩ領域（２）にあるときには、燃焼室１７の中に、外部ＥＧＲガス及び／又は内部ＥＧＲガスを導入する。燃焼室１７内のＥＧＲ率は、混合気が燃焼を開始するタイミングが適切なタイミングとなるように、調整してもよい。
【０１６７】
また、混合気が燃焼を開始するタイミングが適切なタイミングとなるよう、ＣＩ領域（２）においては、圧縮行程における適宜のタイミングで、燃焼室１７内に水を噴射してもよい。
【０１６８】
尚、図５に示すマップ５０１、５０２において、ＣＩ領域（２）の全域に亘って、前述した燃焼形態を採用してもよいし、ＣＩ領域（２）のＲ−Ｌラインよりも上側の負荷領域において、前述した燃焼形態を採用してもよい。
【０１６９】
〈エンジンの制御プロセス〉
図１１は、前述したエンジン１の制御に係りＥＣＵ１０が実行する制御フローチャートを例示している。
【０１７０】
まず、フローがスタートした後のステップＳ１において、ＥＣＵ１０は、各種センサＳＷ１〜ＳＷ１６の信号を読み込む。ＥＣＵ１０は、続くステップＳ２において、エンジン１の運転状態が高回転領域であるか否かを判断する。高回転領域は、前述したＣＩ領域（２）に相当する。ＥＣＵ１０は、ステップＳ２において、エンジン回転数がＮ１以上であるか否かを判断するようにしてもよい。ステップＳ２の判断がＹＥＳのときには、制御プロセスはステップＳ３に進み、ステップＳ２の判断がＮＯのときには、制御プロセスはステップＳ６に進む。
【０１７１】
ステップＳ３〜Ｓ５は、ＣＩ領域（２）における制御ステップである。ステップＳ３〜Ｓ５は、この順番にステップが進行する。
【０１７２】
ＥＣＵ１０は先ず、ステップＳ３において、インジェクタ６による第一燃料噴射を実行する。これにより、燃焼室１７内に理論空燃比よりもリーンな混合気が形成される。続くステップＳ４において、ＥＣＵ１０は、所定時期に点火プラグ２５による点火を実行する。前述したように、点火プラグ２５は、圧縮行程の中後期以前に、点火を行う。そして、ＥＣＵ１０は、ステップＳ５において、インジェクタ６による第二燃料噴射を実行する。その結果、圧縮上死点の付近において、混合気が、燃焼室１７に予め作成された火種により、自着火によって、一斉に燃焼を開始する。
【０１７３】
一方、ステップＳ６においては、エンジン１の負荷に応じて、ＳＰＣＣＩ領域（１）における制御を行う。
【０１７４】
〈エンジンの変形例〉
なお、ここに開示する技術は、前述した構成のエンジン１に適用することに限定されない。エンジンの構成は、様々な構成を採用することが可能である。
【０１７５】
図１２は、変形例に係るエンジン１００の構成を示している。エンジン１００は、機械式過給機４４に代えて、ターボ過給機７０を備えている。
【０１７６】
ターボ過給機７０は、吸気通路４０に配置されたコンプレッサ７１と、排気通路５０に配置されたタービン７２とを備えている。タービン７２は、排気通路５０に流れる排気ガスによって回転する。コンプレッサ７１は、タービン７２の回転駆動によって回転し、燃焼室１７に導入される吸気通路４０内のガスを過給する。
【０１７７】
排気通路５０には、排気バイパス通路７３が設けられている。排気バイパス通路７３は、タービン７２をバイパスするように、排気通路５０におけるタービン７２の上流部と下流部とを互いに接続する。排気バイパス通路７３には、ウェイストゲート弁７４が設けられている。ウェイストゲート弁７４は、排気バイパス通路７３を流れる排気ガスの流量を調整する。
【０１７８】
本構成例においては、ターボ過給機７０とバイパス通路４７とエアバイパス弁４８と排気バイパス通路７３とウェイストゲート弁７４とによって、吸気通路４０及び排気通路５０に過給システム４９が構成されている。
【０１７９】
エンジン１００は、エアバイパス弁４８及びウェイストゲート弁７４の開閉状態を切り替えることによって、ターボ過給機７０が燃焼室１７内に導入されるガスを過給することと、ターボ過給機７０が燃焼室１７内に導入されるガスを過給しないこととを切り替えるようになっている。
【０１８０】
燃焼室１７内に導入されるガスを過給しないときには、ウェイストゲート弁７４を開く。これにより、排気通路５０を流れる排気ガスは、タービン７２をバイパスして、つまりタービン７２を通らずに、排気バイパス通路７３を通って触媒コンバーターに流れる。そうすると、タービン７２は排気ガスの流れを受けないため、ターボ過給機７０は駆動しない。このとき、エアバイパス弁４８は全開とする。これにより、吸気通路４０を流れるガスは、コンプレッサ７１及びインタークーラー４６を通らずに、バイパス通路４７を通ってサージタンク４２に流入する。
【０１８１】
燃焼室１７内に導入されるガスを過給するときには、ウェイストゲート弁７４を全開よりも閉じる。これにより、排気通路５０を流れる排気ガスの少なくとも一部は、タービン７２を通過して触媒コンバーターに流れる。そうすると、タービン７２が排気ガスを受けて回転し、ターボ過給機７０が駆動する。ターボ過給機７０が駆動すると、吸気通路４０内のガスがコンプレッサ７１の回転により過給される。このとき、エアバイパス弁４８が開いていると、コンプレッサ７１を通過したガスの一部がサージタンク４２からバイパス通路４７を通って、コンプレッサ７１の上流に逆流する。吸気通路４０内のガスの過給圧は、前記の機械式過給機を用いる場合と同様に、エアバイパス弁４８の開度調整によって制御することができる。
【０１８２】
こうしたターボ過給機７０による吸気通路４０内のガスの過給と非過給とは、例えば、図１３に示すマップ５０３に従って切り替えられるようになっていてもよい。すなわち、ＳＰＣＣＩ領域（１）において負荷の低い領域においてはターボ過給機７０による過給は行わず（Ｔ／Ｃ  ＯＦＦ参照）、ＳＰＣＣＩ領域（１）における中負荷及び高負荷領域、並びに、ＣＩ領域（２）においては、ターボ過給機７０による過給を行う（Ｔ／Ｃ  ＯＮ参照）ようにしてもよい。負荷が低い領域においては、トルク要求が低いため、過給の必要性が低い上に、混合気を理論空燃比よりもリーンにするため、排気ガスの温度が低くなる。三元触媒５１１、５１３を活性温度に維持するために、ウェイストゲート弁７４を開いてタービン７２をバイパスすることにより、タービン７２における放熱を回避して、高温の排気ガスを三元触媒５１１、５１３に供給することができる。
【０１８３】
ターボ過給機７０を備えたエンジン１００は、図１１に示すフローチャートに従って運転を制御してもよい。エンジン１００においても、エンジン１００の回転数が高いときに、異常燃焼を回避しつつ、熱効率を向上させることができる。
【０１８４】
なお、図示は省略するが、ここに開示する技術は、過給機を備えていない自然吸気エンジンに適用することが可能である。
【０１８５】
〈その他の構成例〉
前記の構成では、エンジン１がＣＩ領域（２）において運転しているときの点火タイミングを、燃焼室１７内の流動強さが所定以上のときに行うようにしているが（図９の特定期間の矢印を参照）、点火タイミングは、必ずしも流動強さが所定以上のときでなくてもよい。ブロークンリアクションゾーンは、混合気の燃料濃度と、燃焼室１７内の流動強さとの二つのパラメータに関係するが、混合気のＡ／Ｆ又はＧ／Ｆが理論空燃比よりもリーンな混合気に点火をすることによって、火炎伝播を進行させずに、火種を保存することができる場合がある。この場合は、点火後に、第二燃料噴射６０４３を行うことにより、混合気の燃料濃度が濃くなって、燃焼室１７内の状態がブロークンリアクションゾーンを外れることにより、圧縮上死点の付近において、混合気が、自着火によって、燃焼を開始するようになる。
【０１８６】
また、前記の構成では、第一燃料噴射６０４１により、燃焼室１７内に、Ａ／Ｆ、又は、Ｇ／Ｆが理論空燃比よりもリーンな混合気を、均質又は略均質となるように形成しているが、第一燃料噴射６０４１の噴射時期を調整することによって、点火を行うタイミングにおいて、点火プラグ２５の近傍に局所的に、Ａ／Ｆ、又は、Ｇ／Ｆが理論空燃比よりもリーンな混合気を形成してもよい。
【０１８７】
インジェクタは、燃焼室１７内に燃料を直接噴射するインジェクタに加えて、吸気ポート内に臨んで配設されたポートインジェクタを設けるようにしてもよい。特に、吸気行程において燃料を噴射する第一燃料噴射は、ポートインジェクタによって行ってもよい。
【０１８８】
また、エンジン１は、火花放電を行う点火プラグ２５に代えて、燃焼室１７内において、例えばアーク放電やプラズマ放電を発生させる点火部を、備えるようにしてもよい。
【符号の説明】
【０１８９】
１、１００      エンジン
６      インジェクタ（燃料供給部）
１０    ＥＣＵ（制御部）
１７    燃焼室
２５    点火プラグ（点火部）
Ｓ３    第一燃料供給ステップ
Ｓ４    点火ステップ
Ｓ５    第二燃料供給ステップ
【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】
2019132154.tif 000009
【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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