(57)【要約】【課題】圧縮着火式エンジンにおいて、圧縮着火の着火性の向上と、排気エミッション性能の向上とを両立させる。【解決手段】圧縮着火式エンジンの制御装置は、エンジン本体（エンジン１）の運転状態が圧縮着火燃焼領域にあるときに、１つの気筒１８に接続される複数の吸気路（吸気ポート１６１、１６２）の内の一部である特定吸気路に配設されたインジェクタ６８から特定吸気路内に所定量の燃料を噴射すると共に、当該特定吸気路から気筒内に導入される混合気の当量比１．０〜１．４の範囲となるように吸気弁２１のリフト量を調整する。一方、特定吸気路以外の吸気路から気筒には、燃料を含まない吸気を導入する。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の吸気路のそれぞれが接続される気筒を有しかつ、予め設定された圧縮着火燃焼領域において、前記気筒内の混合気を圧縮着火燃焼させるよう構成されたエンジン本体と、
前記複数の吸気路のそれぞれに設けられかつ、当該吸気路を開閉するよう構成された吸気弁と、
少なくともリフト量を変更可能に、前記吸気弁を駆動するよう構成された吸気弁駆動機構と、
前記１つの気筒に接続される複数の吸気路の内の一部である特定吸気路に配設されかつ、当該特定吸気路内に燃料を噴射するよう構成されたインジェクタと、
前記吸気弁の開弁制御及び前記インジェクタの噴射制御を通じて、前記エンジン本体を運転するように構成された制御部と、を備え、
前記制御部は、前記エンジン本体の運転状態が前記圧縮着火燃焼領域にあるときに、前記インジェクタから前記特定吸気路内に所定量の燃料を噴射すると共に、当該特定吸気路から前記気筒内に導入される混合気の当量比が１．０〜１．４の範囲となるように前記吸気弁のリフト量を調整する一方、前記特定吸気路以外の吸気路から前記気筒には、前記燃料を含まない吸気を導入する圧縮着火式エンジンの制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の圧縮着火式エンジンの制御装置において、
前記吸気弁駆動機構は、膨張行程から排気行程の期間において前記吸気弁を開弁する先行開弁を行うことにより、前記気筒内の燃焼ガスの一部を前記吸気路内に導入すると共に、少なくとも吸気行程において前記吸気弁を開弁することにより、燃焼ガスと新気とを前記気筒内に導入するよう構成されており、
前記制御部は、前記特定吸気路の吸気弁を先行開弁させることによって、前記特定吸気路内に前記気筒内の燃焼ガスの一部を導入する一方、前記特定吸気路以外の吸気路の吸気弁は前記先行開弁を行わない圧縮着火式エンジンの制御装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の圧縮着火式エンジンの制御装置において、
前記制御部は、前記圧縮着火燃焼領域における負荷の低い低負荷領域では、前記特定吸気路から前記気筒に、当量比が１．０〜１．４の範囲となるように混合気を導入すると共に、前記特定吸気路以外の吸気路から前記気筒には、前記燃料を含まない吸気を導入し、
前記制御部はまた、前記圧縮着火燃焼領域における前記低負荷領域よりも負荷の高い高負荷領域では、前記特定吸気路において所定量の燃料を噴射しかつ、前記吸気弁のリフト量を調整することで、所定当量比となるように、前記気筒内に混合気を導入する一方、前記特定吸気路以外の吸気路において残りの燃料を噴射することで、当該吸気路から前記気筒内に、前記所定当量比よりもリーンな混合気を導入する圧縮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】
ここに開示する技術は、圧縮着火式エンジンの制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば特許文献１には、低負荷側に設定された圧縮着火燃焼領域において、気筒内の混合気を圧縮着火燃焼させるエンジンが記載されている。このエンジンは、気筒内に燃料を直接噴射する、いわゆる直噴インジェクタを備えており、圧縮着火燃焼領域における負荷の低い領域では、吸気行程中に気筒内に燃料噴射を行うことで、気筒内に均質な混合気を形成するようにしている。
【０００３】
また、特許文献２には、直噴インジェクタと、吸気ポート内に燃料を噴射するポートインジェクタとを備えたエンジンが記載されている。このエンジンでは、低負荷運転領域では、ポートインジェクタのみから吸気ポート内に燃料を噴射しており、少量燃料噴射の安定化を図ることで、低負荷運転領域における回転安定化を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−５１９２８号公報
【特許文献２】特開２０１２−１６３０２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載されているような直噴インジェクタを備えかつ、気筒内に形成した混合気を、圧縮着火（Compression Ignition：ＣＩ）、又は、制御自着火（Controlled Auto Ignition：ＣＡＩ）により燃焼させるエンジンにおいて、気筒内への燃料噴射を１回の噴射で行う、いわゆる単段噴射は、気筒内に、局所当量比の低い（当量比φが１未満の）混合気が多く形成されるようになり、圧縮着火の着火性が低下する上に、燃焼温度が低くなって、ＨＣ及びＣＯが増大してしまうという問題がある。これに対し、気筒内への燃料噴射を複数回に分けて行う、いわゆる多段噴射は単段噴射に比べ、当量比φが１を超えるような、局所当量比の高い領域まで混合気の分布を広げることができ、圧縮着火の着火性が高まるという利点がある。しかしながら、局所当量比の分布が高いところから、低いところまで分布する混合気が形成されることに伴い、過濃な部分から煤が生じたり、ストイキ付近のリーン領域で燃焼温度が高く酸素過剰になってＮＯｘが発生したりするという新たな問題が生じる。
【０００６】
ここに開示する技術は、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、圧縮着火式エンジンにおいて、圧縮着火の着火性の向上と、排気エミッション性能の向上とを両立させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
ここに開示する技術は、直噴インジェクタによって気筒内に燃料を直接噴射するのではなく、いわゆるポートインジェクタを用い、気筒に接続される複数の吸気路の内の、１つ又は複数（但し、気筒に接続される吸気路の全てではない）の特定吸気路内に所定量の燃料を噴射すると共に、燃料を噴射した特定吸気路については吸気弁の開弁動作を制御することによって、燃料量に対応した新気量を気筒内に導入することにした。こうすることで、特定吸気路を通じて、当量比φが１以上の均質な混合気を気筒内に導入して、気筒１８内に、均質化した混合気の層を形成することができ、圧縮着火の着火性が向上すると共に、燃焼温度の適正化により排気エミッション性能の向上が図られる。
【０００８】
具体的に、ここに開示する技術は、圧縮着火式エンジンの制御装置に係り、この装置は、複数の吸気路のそれぞれが接続される気筒を有しかつ、予め設定された圧縮着火燃焼領域において、前記気筒内の混合気を圧縮着火燃焼させるよう構成されたエンジン本体と、前記複数の吸気路のそれぞれに設けられかつ、当該吸気路を開閉するよう構成された吸気弁と、少なくともリフト量を変更可能に、前記吸気弁を駆動するよう構成された吸気弁駆動機構と、前記１つの気筒に接続される複数の吸気路の内の一部である特定吸気路に配設されかつ、当該特定吸気路内に燃料を噴射するよう構成されたインジェクタと、前記吸気弁の開弁制御及び前記インジェクタの噴射制御を通じて、前記エンジン本体を運転するように構成された制御部と、を備える。
【０００９】
そして、前記制御部は、前記エンジン本体の運転状態が前記圧縮着火燃焼領域にあるときに、前記インジェクタから前記特定吸気路内に所定量の燃料を噴射すると共に、当該特定吸気路から前記気筒内に導入される混合気の当量比が１．０〜１．４の範囲となるように前記吸気弁のリフト量を調整する一方、前記特定吸気路以外の吸気路から前記気筒には、前記燃料を含まない吸気を導入する。
【００１０】
ここで、吸気路は、１つの気筒に対して複数、接続される通路であり、シリンダヘッドに設けられた吸気ポート、及び、吸気ポートに連続する、吸気マニホールドの独立通路を含む。
【００１１】
また、特定吸気路は、１つの気筒に接続される複数の吸気路の内の一部の吸気路であり、特定吸気路は、１つ又は複数の吸気路からなる。１つの気筒に接続される全ての吸気路が特定吸気路になる訳ではない。例えば１つの気筒に接続される吸気路が２つの場合、特定吸気路は１つである。また、１つの気筒に接続される吸気路が３つの場合、特定吸気路は１つ又は２つである。
【００１２】
インジェクタは、複数の吸気路の内の特定吸気路にのみ配設してもよいし、複数の吸気路の全てに配設してもよい。
【００１３】
この構成によると、エンジン本体の運転状態が圧縮着火燃焼領域にあるときには、制御部は、インジェクタから特定吸気路内に、所定量の燃料を噴射する。燃料噴射量は、エンジン本体の運転状態に応じて設定される。吸気路内に燃料を噴射することによって、気筒内に導入される混合気の均質化が図られる。
【００１４】
制御部はまた、燃料が噴射された特定吸気路から気筒内に導入される混合気の当量比が１．０〜１．４の範囲となるように、吸気弁のリフト量を調整する。吸気弁駆動機構は、公知の、機械式又は油圧式の可変駆動機構を採用することが可能である。これにより、リッチで均質な混合気を、気筒内に形成することが可能になる。
【００１５】
一方、特定吸気路以外の吸気路から気筒内には、燃料を含まない吸気を導入する。これにより、気筒内では、前述したリッチで均質な混合気の成層化が図られる。混合気の成層化を強める上では、気筒内のガス流動、特に気筒の軸を中心とした回転方向の流動（つまり、スワール）は弱い方が好ましい。
【００１６】
この均質混合気は、当量比がリッチであるため、圧縮着火の着火性が高まる。また、均質混合気は、局所当量比の過剰に高いリッチな混合気やストイキ未満の低いリーンな混合気を含まず、燃焼温度を適切な範囲に収めることが可能になる。その結果、排気エミッション性能が向上する。
【００１７】
また、エンジン本体の運転状態に応じて要求される燃料噴射量が変更しても、特定吸気路内において要求噴射量に対応する量の燃料を噴射すると共に、その特定吸気路から気筒内に、噴射した燃料量に応じた量の新気を導入することによって、当量比が１以上のリッチな均質混合気の層を気筒内に形成することが可能になる。つまり、エンジンの負荷が低くて、燃料噴射量が比較的少ないときには、特定吸気路から気筒内に導入する新気量を減らすことで、当量比が１以上のリッチな均質混合気層を気筒内に形成することが可能であり、逆に、エンジンの負荷が高くて、燃料噴射量が比較的多いときには、特定吸気路から気筒内に新気量を増やすことで、当量比が１以上のリッチな均質混合気層を気筒内に形成することが可能である。
【００１８】
前記吸気弁駆動機構は、膨張行程から排気行程の期間において前記吸気弁を開弁する先行開弁を行うことにより、前記気筒内の燃焼ガスの一部を前記吸気路内に導入すると共に、少なくとも吸気行程において前記吸気弁を開弁することにより、燃焼ガスと新気とを前記気筒内に導入するよう構成されており、前記制御部は、前記特定吸気路の吸気弁を先行開弁させることによって、前記特定吸気路内に前記気筒内の燃焼ガスの一部を導入する一方、前記特定吸気路以外の吸気路の吸気弁は前記先行開弁を行わない、としてもよい。
【００１９】
こうすることで、燃料を噴射する特定吸気路内には、気筒内の燃焼ガス（既燃ガス）の一部が導入される。このため、この特定吸気路から気筒内に導入される混合気は、前述したように、当量比が１以上のリッチの均質でかつ、高温の混合気となる。こうして、気筒内で成層化した均質混合気層の付近の温度が高くなることで、圧縮着火の着火性がさらに高まる。
【００２０】
また、特定吸気路から気筒内に導入されるガスには、燃料、新気及び燃焼ガスが含まれる一方、特定吸気路以外の吸気路から気筒内に導入されるガスには、新気が含まれる。ここで、特定吸気路では、燃料量に対応するように気筒内に導入する新気量が制限されることから、燃焼ガスを含まない場合は、特定吸気路から気筒内に導入するガス量が相対的に少なくなって、特定吸気路以外の吸気路から気筒内に導入するガス量との間に差が生じ、このガス量差に起因して、気筒内で、スワールが生じる可能性がある。スワールは、当量比が１以上のリッチの均質混合気の層を攪拌してしまう。これは、気筒内の混合気を全体的にリーンにして、着火性の低下や、排気エミッション性能の低下を招き得る。
【００２１】
これに対し、特定吸気路から気筒内に導入されるガスに、燃料、新気及び燃焼ガスが含まれる場合は、当該特定吸気路から気筒内に導入されるガス量が増えるため、特定吸気路以外の吸気路から気筒内に導入するガス量との差が小さくなる、又は、差がなくなる。その結果、スワールを抑制して、前述の通り、当量比が１以上のリッチの均質でかつ高温の混合気層を形成することが可能になり、圧縮着火の着火性の向上と、排気エミッション性能の向上との両立に有利になる。
【００２２】
前記制御部は、前記圧縮着火燃焼領域における負荷の低い低負荷領域では、前記特定吸気路から前記気筒に、当量比が１．０〜１．４の範囲となるように混合気を導入すると共に、前記特定吸気路以外の吸気路から前記気筒には、前記燃料を含まない吸気を導入し、前記制御部はまた、前記圧縮着火燃焼領域における前記低負荷領域よりも負荷の高い高負荷領域では、前記特定吸気路において所定量の燃料を噴射しかつ、前記吸気弁のリフト量を調整することで、所定当量比となるように、前記気筒内に混合気を導入する一方、前記特定吸気路以外の吸気路において残りの燃料を噴射することで、当該吸気路から前記気筒内に、前記所定当量比よりもリーンな混合気を導入する、としてもよい。
【００２３】
エンジン本体の負荷が低い低負荷領域では、燃料噴射量が相対的に少ないため、特定吸気路にのみ燃料を噴射しても、当該特定吸気路から気筒内に導入される混合気の当量比を１．０〜１．４の範囲に収めることが可能である。従って、前述したように、特定吸気路以外の吸気路には燃料を噴射しないことで、気筒内に、リッチで均質な混合気の層を形成することが可能になる。
【００２４】
これに対し、エンジン本体の負荷が高い高負荷領域では、燃料噴射量が相対的に多いため、特定吸気路にのみ燃料を噴射すれば、当量比を１．０〜１．４の範囲に収めることが難しくなる。そこで、エンジン本体の負荷が高い高負荷領域では、特定吸気路以外の吸気路にも燃料を噴射する。
【００２５】
具体的には、特定吸気路において所定量の燃料を噴射しかつ、吸気弁のリフト量を調整する。これにより、所定当量比となるように、気筒内に混合気を導入する。所定量の燃料は、圧縮着火が可能となる最小限の燃料として、設定すればよい。また、燃料噴射量は、圧縮着火燃焼に伴う燃焼騒音を考慮し、燃焼騒音が増大しない範囲で設定してもよい。所定当量比は、前述したように、１．０〜１．４の範囲としてもよいし、エンジン本体の負荷が高いときには、気筒内の温度状態が高くて圧縮着火の着火性が高まることを考慮して、所定当量比を当該範囲よりも低く設定してもよい。
【００２６】
一方、特定吸気路以外の吸気路には、残りの燃料を噴射する。また、特定吸気路以外の吸気路では、新気量の調整は不要である。当該運転状態において設定されているリフト量で吸気弁を開弁すればよい。
【００２７】
こうして、特定吸気路から気筒内に導入される混合気は、相対的にリッチな均質混合気となり、特定吸気路以外の吸気路から気筒内に導入される混合気は、相対的にリーンな均質混合気となり、気筒内で、混合気の濃度成層化が図られる。相対的にリッチな均質混合気は着火性が高いため、早期に圧縮着火し、それによって発生する熱や、筒内圧の上昇を受けて、相対的にリッチな均質混合気も、順次圧縮着火する。こうして、エンジン本体の負荷が高いときに、着火性を確保しながら、気筒内の混合気を逐次着火させることが可能になり、圧縮着火燃焼が緩慢化する。これは、気筒内の圧力上昇が急峻になることを抑制して、燃焼騒音の増大を回避する上で有利になる。
【発明の効果】
【００２８】
以上説明したように、前記の圧縮着火式エンジンの制御装置によると、エンジン本体の運転状態が圧縮着火燃焼領域にあるときに、特定吸気路内に、所定量の燃料を噴射しかつ、特定吸気路から気筒内に導入される混合気の当量比が１．０〜１．４の範囲となるように、吸気弁のリフト量を調整する一方、特定吸気路以外の吸気路から気筒内には、燃料を含まない吸気を導入することで、気筒内で、リッチで均質な混合気層を形成することが可能になるから、圧縮着火の着火性が高まると共に、排気エミッション性能が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】エンジンの構成を示す概略図である。
【図２】エンジンの制御に係るブロック図である。
【図３】吸気弁の駆動機構の構成を概略的に示す断面図である。
【図４】吸気弁のリフトカーブを例示する図である。
【図５】エンジンの運転制御マップを例示する図である。
【図６】ここに開示する技術の基本概念を説明するための説明図である。
【図７】燃料噴射に係る制御の相違に起因して、気筒内に形成される混合気の局所当量比の分布頻度を比較する図である。
【図８】エンジン負荷が低いときの、混合気の形成過程を例示する図６対応図である。
【図９】エンジン負荷が高いときの、混合気の形成過程を例示する図６対応図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、圧縮着火式エンジンの制御装置の実施形態を図面に基づいて説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、例示である。
【００３１】
（エンジンの全体構成）
図１，２は、エンジン（エンジン本体）１の概略構成を示す。このエンジン１は、車両に搭載されると共に、少なくともガソリンを含有する燃料が供給されるガソリンエンジンである。エンジン１は、複数の気筒１８が設けられたシリンダブロック１１（尚、図１では、１つの気筒のみを図示するが、例えば４つの気筒が直列に設けられる）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、潤滑油が貯留されたオイルパン１３とを有している。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の上面には、ディーゼルエンジンでのリエントラント型のようなキャビティ１４１が形成されている。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。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とは、燃焼室を区画する。尚、燃焼室の形状は、図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１４１の形状、ピストン１４の上面形状、及び、燃焼室の天井部の形状等は、適宜変更することが可能である。
【００３２】
このガソリンエンジン１は、理論熱効率の向上や、後述する圧縮自着火による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。尚、幾何学的圧縮比は１５以上２０以下程度の範囲で、適宜設定すればよく、例えば１８としてもよい。
【００３３】
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が形成されていると共に、これら吸気ポート１６及び排気ポート１７には、燃焼室側の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。図６等に概略的に示すように、このエンジン１は、１つの気筒１８に対して、第１及び第２の２つ吸気ポート１６１、１６２及び排気ポート１７１、１７２が接続されており、それに伴い、吸気弁２１及び排気弁２２も、１つの気筒１８に対して、それぞれ２つずつ設けられている。以下において、２つの吸気ポートを区別せずに総称するときには、符号１６を付し、２つの吸気ポートを区別するときには、符号１６１、１６２を付す。
【００３４】
吸気弁２１及び排気弁２２をそれぞれ駆動する動弁系の内、吸気側には、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（以下、ＶＶＴ（Variable ValveTiming）と称する）７１と、吸気弁２１の開弁態様を変更可能な油圧式の可変駆動機構７２が設けられている。ＶＶＴ７１は、液圧式、又は、電動式の公知の構造を適宜採用すればよく、その詳細な構造についての図示は省略する。可変駆動機構７２の詳細は、後述する。吸気弁２１の駆動機構は、ＶＶＴ７１と可変駆動機構７２とを含んで構成される。
【００３５】
これに対し、排気側には、クランクシャフト１５に対する排気カムシャフトの回転位相を変更することが可能なＶＶＴ７３が設けられている。排気側のＶＶＴ７３も、液圧式、又は、電動式の公知の構造を適宜採用すればよく、その詳細な構造についての図示は省略する。排気弁２２の駆動機構は、ＶＶＴ７３を含んで構成される。
【００３６】
図３は、吸気弁２１の可変駆動機構７２の構成を示している。可変駆動機構７２は、カムシャフト７２１と、カムシャフト７２１に設けられたカム７２２と、カム７２２が摺動するタペット７２３と、タペット７２３に結合されたポンプ部７２４と、ポンプ部７２４に連通する油圧排出路７２５とを備えている。可変駆動機構７２は、１つの気筒１８に設けられた２つの吸気弁２１を、互いに独立して駆動することが可能に構成されている。
【００３７】
吸気弁２１を駆動するためのカム７２２は、この構成例では、２つのカムローブ７２２１、７２２２を有している。カム７２２は、一回転をする間に、言い換えると吸気、圧縮、膨張及び排気の一燃焼サイクルの間に、２つのカムローブ７２２１、７２２２によってタペット７２３を２回押し下げる。
【００３８】
ポンプ部７２４は、作動油が充填されるシリンダ７２４１と、シリンダ７２４１内に内挿されかつ、シリンダ７２４１内を往復動可能なプランジャー７２４２とを備えている。プランジャー７２４２はまた、タペット７２３に結合されていると共に、プランジャー７２４２及びタペット７２３は、ばね７２６によって、カム７２２側に付勢されている。タペット７２３がカムローブ７２２１、７２２２によって押し下げられると、プランジャー７２４２がシリンダ７２４１内を下降し、作動油の圧力が高まる。作動油の圧力は、カム７２２のプロフィールに対応するように、クランク角の進行に従い上昇した後、下降をする。前述したように、カム７２２は、２つのカムローブ７２２１、７２２２を有しているため、作動油の圧力は、一燃焼サイクルの間に２回上昇する。
【００３９】
油圧排出路７２５は、ポンプ部７２４のシリンダ７２４１に連通しており、油圧排出路７２５の途中には、ソレノイドバルブ７２５１が介設している。ソレノイドバルブ７２５１は、後述するＰＣＭ１０によって制御される流量調整弁であり、その開度が全閉から全開の間で任意に設定可能である。ソレノイドバルブ７２５１を全開にしたときには、前述の通りプランジャー７２４２が下降をしても油圧排出路７２５を通じて作動油が排出されることから、作動油の圧力が実質的に高まらない。これに対し、ソレノイドバルブ７２５１を全閉にしたときには、油圧排出路７２５を通じた作動油の排出がないため、作動油の圧力が高まるようになる。さらに、詳細は後述するが、カム７２２の駆動に合わせてソレノイドバルブ７２５１の開度の調整を行うことによって、作動油の圧力の調整が可能になる。
【００４０】
ポンプ部７２４のシリンダ７２４１はまた、チャンバ７２７に連通しており、このチャンバ７２７には、吸気弁２１のステム上端に連結されたピストン７２８が配設されている。ピストン７２８は、チャンバ７２７を往復動可能に配設されており、ポンプ部７２４によって昇圧された作動油が供給されたときにチャンバ７２７内を下降し、ばね７２９によって閉弁方向に付勢されている吸気弁２１を押し下げて、この吸気弁２１を開弁する。
【００４１】
図４は、吸気弁２１が取り得るリフトカーブの一例を示している。図４における実線Ｌ１、Ｌ２は、ソレノイドバルブ７２５１が常時全閉のときの、吸気弁２１のリフトカーブに相当する。ソレノイドバルブ７２５１が全閉であれば、２つのカムローブ７２２１、７２２２によって昇圧された作動油が、そのままチャンバ７２７に供給されるため、吸気弁２１は、クランク角の進行に伴い、２回開弁することになる。
【００４２】
吸気弁２１が、一燃焼サイクルの間に２回開弁することは、このエンジン１では内部ＥＧＲに係る制御の際に利用される。このエンジン１において「内部ＥＧＲ」とは、気筒１８内から吸気ポート１６側に排出された燃焼ガスを、気筒１８内に再導入することを意味する。つまり、吸気弁２１は、膨張行程から排気行程の期間において開弁する（つまり、先行開弁Ｌ１）と共に、少なくとも吸気行程においても開弁する（つまり、主開弁Ｌ２）。先行開弁時に、気筒１８内の燃焼ガスの一部が吸気ポート１６側に排出されると共に、主開弁時に、その燃焼ガスと新気とが気筒１８内に導入される。
【００４３】
また、２つのカムローブ７２２１、７２２２の内、カムローブ７２２１がタペット７２３を押し下げている間（言い換えると、カムローブ７２２１が作動している間）に、ソレノイドバルブ７２５１を全開にすれば、昇圧された作動油がチャンバ７２７に供給されないため、吸気弁２１は開弁しない。その後、カムローブ７２２２がタペット７２３を押し下げている間（言い換えると、カムローブ７２２２が作動している間）に、ソレノイドバルブ７２５１を全閉にすれば、前述したように、吸気弁２１は開弁する（つまり、主開弁Ｌ２）。こうして、カムローブ７２２１を実質的に機能させず、カムローブ７２２２のみを機能させるようにすれば、一燃焼サイクルの間に、吸気弁２１を１回だけ開弁することが可能になる。これは、内部ＥＧＲ制御を行わない通常のエンジン運転時に利用される。従って、吸気弁２１の可変駆動機構７２は、内部ＥＧＲ制御の実行・非実行の切り替えを行うことが可能である。
【００４４】
また、先行開弁の際のソレノイドバルブ７２５１の開閉を制御することによって、先行開弁のリフト量及び開弁時期が変更され、気筒１８内に導入される内部ＥＧＲ量を調整することが可能になる。具体的に、カムローブ７２２１の作動が開始した当初に、ソレノイドバルブ７２５１を全開にすれば、吸気弁２１を閉弁状態に維持することができる一方で、カムローブ７２２１の作動中（より正確には、カムローブ７２２１のノーズに至るまで）にソレノイドバルブ７２５１を閉じることで、作動油の昇圧が開始してピストン７２８を押すようになるから、吸気弁２１が開弁する。こうして、吸気弁２１の開弁時期を遅くすることができると共に、リフト量を小さくすることが可能になる（図４のＬ１１参照）。ソレノイドバルブ７２５１の開から閉への切り替えタイミングをさらに遅くすることで、吸気弁２１の開弁時期をさらに遅くすることができると共に、リフト量をさらに小さくすることも可能になる（図４のＬ１２参照）。
【００４５】
さらに、カムローブ７２２１の作動が開始した当初は、ソレノイドバルブ７２５１を全閉にすれば、前述したように、吸気弁２１は作動油の圧力上昇に従って開弁する一方で、カムローブ７２２１の作動中にソレノイドバルブ７２５１を開くことによって、作動油の圧力が低下するから、吸気弁２１は、ばね７２９の付勢力によって閉弁するようになる。こうして、吸気弁２１の閉弁時期を進めることが可能になって、吸気弁２１のリフト量及び作動角がそれぞれ小さくなる（図４のＬ１３参照）。ソレノイドバルブ７２５１の閉から開への切り替えタイミングに応じて、吸気弁２１の閉弁時期及びリフト量がそれぞれ変更される。例えば図４のＬ１２とＬ１３とを比較すれば、吸気弁２１のリフト量が実質的に同じである一方で、その開弁時期を変更していることと等価である。これは、主開弁Ｌ２の位相を変更せずに、先行開弁の位相のみを変更することを可能にする。
【００４６】
また、ソレノイドバルブ７２５１のバルブ開度を全閉から全開にするまでの開度変化率を高くすれば、吸気弁２１の閉弁動作を素早くすることが可能になり、逆に、ソレノイドバルブ７２５１の開度変化率を低くすれば、吸気弁２１をゆっくりと閉弁させることも可能になる。可変駆動機構７２は、吸気弁２１の閉弁時期を調整することも可能である。
【００４７】
先行開弁と同様に、主開弁の際のソレノイドバルブ７２５１の開閉を制御することによって、主開弁のリフト量及び開弁時期を変更することが可能である（例えば図４のＬ２１、Ｌ２２、Ｌ２３参照）。
【００４８】
前述したように、可変駆動機構７２は、１つの気筒１８に対して設けられた２つの吸気弁２１を独立して駆動することが可能であるため、一方の吸気弁２１を先行開弁させ、他方の吸気弁２１を先行開弁させないことが可能である。また、両方の吸気弁２１を先行開弁させる場合でも、その先行開弁のリフト量及び開弁期間を互いに異ならせることが可能である。
【００４９】
シリンダヘッド１２にはまた、気筒１８毎に、気筒１８内に燃料を直接噴射する直噴インジェクタ６７と、吸気ポート１６内に燃料を噴射するポートインジェクタ６８とがそれぞれ取り付けられている。
【００５０】
直噴インジェクタ６７は、その噴口が燃焼室の天井面の中央部分から、その燃焼室内に臨むように配設されている。直噴インジェクタ６７は、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かつ、エンジン１の運転状態に応じた量の燃料を、燃焼室内に直接噴射する。この例において、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インジェクタである。これによって、直噴インジェクタ６７は、燃料噴霧が、燃焼室の中心位置から放射状に広がるように、燃料を噴射する。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、ピストン上面に形成されたキャビティ１４１の壁面に沿って流動する。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、と言い換えることが可能である。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共に、燃焼期間を短くする上で有利な構成である。尚、直噴インジェクタ６７は、多噴口型のインジェクタに限定されず、外開弁タイプのインジェクタを採用してもよい。
【００５１】
ポートインジェクタ６８は、図１に示すように、吸気ポート１６又は吸気ポート１６に連通する独立通路に臨んで配置されかつ、吸気ポート１６内に燃料を噴射する。ポートインジェクタ６８は、図８、９に概念的に示すように、二つの吸気ポート１６１、１６２のそれぞれに設けられている。ポートインジェクタ６８の形式は特定の形式の限定されるものではなく、種々の形式のインジェクタを、適宜採用することが可能である。
【００５２】
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、燃料ポンプ６３とコモンレール６４とを含みかつ、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高圧燃料供給システム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である。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する。燃料圧力は、最高で１２０ＭＰａ程度に設定してもよい。直噴インジェクタ６７に供給される燃料の圧力は、エンジン１の運転状態に応じて変更される。尚、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。
【００５３】
同様に、図外の燃料タンクとポートインジェクタ６８との間は、低圧燃料供給経路によって互いに連結されている。この低圧燃料供給経路上には、ポートインジェクタ６８に対し、相対的に低い燃料圧力の燃料を供給する低圧燃料供給システム６６が介設されている。低圧燃料供給システム６６は、詳細な図示は省略するが、電動又はエンジン駆動の低圧燃料ポンプとレギュレータとを備えており、所定圧力の燃料を、各ポートインジェクタ６８に供給するように構成されている。ポートインジェクタ６８は、吸気ポートに燃料を噴射するため、低圧燃料供給システム６６が供給する燃料の圧力は、高圧燃料供給システム６２が供給する燃料の圧力に比べて、低い圧力に設定されている。
【００５４】
シリンダヘッド１２にはまた、燃焼室内の混合気に強制点火する点火プラグ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内を貫通して配置されている。点火プラグ２５の先端は、圧縮上死点に位置するピストン１４のキャビティ１４１内に臨んで配置される。
【００５５】
エンジン１の一側面には、図１に示すように、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。
【００５６】
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。また、吸気通路３０における下流端近傍には、サージタンク３３が配設されている。このサージタンク３３よりも下流側の吸気通路３０は、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。
【００５７】
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。吸気通路３０にはまた、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。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である。尚、インタークーラ／ウォーマ３４及びそれに付随する部材は、省略することも可能である。
【００５８】
排気通路４０の上流側の部分は、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。尚、このエンジン１は、ＮＯｘ浄化触媒を備えていない。
【００５９】
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。
【００６０】
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が制御部を構成する。
【００６１】
ＰＣＭ１０には、図１，２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かつ、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かつ、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に取り付けられかつ、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に取り付けられかつ、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かつ、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かつ、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との間に配置されかつ、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に取り付けられかつ、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。
【００６２】
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、ポートインジェクタ６８、点火プラグ２５、吸気側のＶＶＴ７１及び可変駆動機構７２、排気側のＶＶＴ７３、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、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。ＰＣＭ１０は、予め設定されたモデルと、前述した各種の検出信号等とに基づいて、燃焼室内の温度や圧力を含む燃焼状態を推定し、その燃焼状態に基づいて各制御信号を出力することにより、エンジン１を運転する。
【００６３】
（エンジンの運転制御）
図５は、エンジン１の運転制御マップの一例を示している。このエンジン１は、燃費の向上や排気エミッション性能の向上を目的として、エンジン負荷が相対的に低い低負荷域では、点火プラグ２５による点火を行わずに、制御自着火（Controlled Auto Ignition：ＣＡＩ）によって燃焼を行う。図５の例では、実線で示す燃焼切替負荷よりも低い領域が、ＣＡＩ燃焼を行う自着火領域（ＣＡＩ）に対応する。
【００６４】
エンジン１の負荷が高くなるに従って、ＣＡＩ燃焼では、燃焼が急峻になりすぎてしまい、例えば燃焼騒音等の問題を引き起こすことになる。そのため、このエンジン１では、エンジン負荷が相対的に高い高負荷域では、ＣＡＩ燃焼を止めて、点火プラグ２５を利用した強制点火（ここでは火花点火Spark Ignition：ＳＩ）による燃焼に切り替える。図５の例では、実線で示す燃焼切替負荷以上の領域が、火花点火燃焼を行う火花点火領域（ＳＩ）に対応する。このように、このエンジン１は、エンジン１の運転状態、特にエンジン１の負荷に応じて、ＣＡＩモードと、ＳＩモードとを切り替えるように構成されている。但し、モード切り替えの境界線は、図例に限定されるものではない。
【００６５】
ＣＡＩモードでは、低負荷域から高負荷域までの全域において、ＣＡＩ燃焼の着火性及び安定性を高めるために、相対的に温度の高いホットＥＧＲガスを気筒１８内に導入する。これは、内部ＥＧＲガスを気筒１８内に導入することによる。ホットＥＧＲガスの導入は、気筒１８内の圧縮端温度（つまり、ピストン１４が圧縮上死点に至ったときの気筒１８内の温度）を高め、低負荷域におけるＣＡＩ燃焼の着火性及び安定性を高める。
【００６６】
ＣＡＩモードにおいては、スロットル弁３６の開度を全開に維持した状態で、内部ＥＧＲガス量の調整を行い、それと共に新気量も調整する。これは、ポンプ損失の低減に有利である。ＣＡＩモードではまた、内部ＥＧＲ率を、エンジン１の負荷の高低に応じて変更しており、具体的には、エンジン１の負荷が低いときには内部ＥＧＲ率を高め、エンジン１の負荷が高いときには内部ＥＧＲ率を下げる。低負荷域では、ホットＥＧＲガスの導入量を増やすことによって圧縮開始時の気筒１８内の温度を高め、それに伴い圧縮端温度を高くする。圧縮自着火の着火性が高まると共に、圧縮自着火燃焼の安定性が高まる。一方、エンジン１の負荷が高くなれば、燃料噴射量が増えることに伴い燃焼ガス温度が高くなり、気筒１８内の温度状態と共に排気ガス温度が高まる。そのため、ホットＥＧＲガスの導入量を少なくしても、圧縮自着火の着火性及び安定性は確保可能である。尚、気筒１８内に大量の排気ガスを導入してしまうと、気筒１８内のガスの比熱比が低くなることで、圧縮開始時のガス温度が高くても、圧縮端温度が逆に低くなってしまうことから、内部ＥＧＲ率は、予め設定した最高ＥＧＲ率に制限してもよい。
【００６７】
このＣＡＩ領域における、エンジン１の負荷に対応したホットＥＧＲガスの導入量の調整は、吸気弁２１の先行開弁のリフト量を調整することによって行われる。すなわち、エンジン１の負荷が上昇するに従い、ＥＧＲ率を高から低へ変更するときには、先行開弁のリフト量を小さくする。逆に、エンジン１の負荷が低下するに従い、ＥＧＲ率を低から高へ変更するときには、吸気弁２１の先行開弁のリフト量を大きくする。これは、前述したように、可変駆動機構７２のソレノイドバルブ７２５１の開閉を調整することにより行う。つまり、エンジン１の負荷が上昇するに従い、ＥＧＲ率を高から低へ変更するときには、ソレノイドバルブ７２５１の開から閉への切り替えタイミングを、カムローブ７２２１の作動開始に対して遅くすることにより先行開弁のリフト量を小さくする。逆に、エンジン１の負荷が低下するに従い、ＥＧＲ率を低から高へ変更するときには、ソレノイドバルブ７２５１の開から閉への切り替えタイミングをカムローブ７２２１の作動開始に近づけることにより先行開弁のリフト量を大きくする。
【００６８】
ＣＡＩモードにおける低／中負荷域では、混合気の空気過剰率λを１よりも大きくする。混合気の空気過剰率λは、２．４以上のリーンにすることが好ましい。混合気をリーンにすることは、熱効率を高めて燃費の向上に有利になると共に、空気過剰率λを２．４以上にすることで、ＲａｗＮＯｘの生成が抑制される。これは、ＮＯｘ浄化触媒を備えていない本エンジン１において、排気エミッション性能を確保することを可能にする。
【００６９】
ＣＡＩモードにおける高負荷域では、混合気の空燃比を理論空燃比（λ≒１）に設定する。これにより、三元触媒の利用が可能になり、排気エミッション性能を確保することが可能になる。
【００７０】
この高負荷側の領域では、気筒１８内の温度状態がさらに高くなる。そのため、混合気の空燃比を理論空燃比（λ≒１）に維持しつつ、気筒１８内にホットＥＧＲガスを導入したのでは、気筒１８内の温度状態が高くなりすぎて、過早着火等の異常燃焼が生じたり、ＣＡＩ燃焼時に気筒１８内の圧力上昇（ｄＰ／ｄθ）が急峻になって燃焼騒音の問題が生じたりする虞がある。そこで、ＣＡＩモードの高負荷域では、ホットＥＧＲガスと共に、クールドＥＧＲガスを気筒１８内に導入する。クールドＥＧＲガスは、基本的には、ＥＧＲクーラ５２を通過することによって冷却された外部ＥＧＲガスである。尚、ＥＧＲクーラ５２をバイパスした外部ＥＧＲガスを、クールドＥＧＲガスに含んでもよい。
【００７１】
こうして、ＣＡＩモードの高負荷側の領域では、ホットＥＧＲガス量が少なくかつ、温度が低下することと、クールドＥＧＲガスを気筒１８内に導入することとが組み合わさって、気筒１８内の温度状態が高くなりすぎることが回避され、異常燃焼や燃焼騒音の回避に有利になる。尚、ＣＡＩモードにおいては、後述するＳＩモードとは異なり、燃焼安定性に関連するＥＧＲ率の制限が無い。そのため、混合気の空気過剰率λを実質的に１に設定しつつ、ＥＧＲ率を可能な限り高くすることが可能である。ＥＧＲ率を高くすることはまた、ＣＡＩモードの高負荷側の領域において、異常燃焼や燃焼騒音の回避に有利になる。
【００７２】
ＣＡＩモードにおいては、基本的には、ポートインジェクタ６８を利用して、吸気ポート１６内に燃料を噴射する。このことにより、気筒１８内に均質な混合気を形成する。尚、燃料噴射制御を含む、気筒内の混合気形成については、詳細を後述する。ＣＡＩモードにおいても、特に負荷の高い領域では、直噴インジェクタ６７を利用して、気筒１８内に燃料を噴射する場合もある。
【００７３】
ＳＩモードでは、ホットＥＧＲガスを実質的にゼロにし、クールドＥＧＲガスのみを気筒１８内に導入する。尚、ホットＥＧＲガスを実質的にゼロにするとは、内部ＥＧＲ制御を行わない意味である。構造上、気筒１８内には燃焼ガスの一部が残留するため、ＳＩモードにおいてもホットＥＧＲガスは、気筒１８内に残留し得る。
【００７４】
ＳＩモードでは、基本的には、スロットル弁３６の開度を全開に維持しかつ、ＥＧＲ弁５１１の開度を、エンジン負荷に応じて変更する。こうして、ＳＩモードにおいては、混合気の空燃比を理論空燃比（λ≒１）に設定する条件下でＥＧＲ率を最大に設定している。これは、ポンプ損失の低減に有利である。また、混合気の空燃比を理論空燃比に設定することは、三元触媒の利用を可能にする。ＥＧＲ弁５１１は、具体的には、エンジン負荷の上昇に従い次第に閉じ、全開負荷では閉弁する。このことは、エンジン負荷が連続的に変化するようなときには、気筒１８内のガス組成を連続的に変化させることになるから、制御性の向上に有利である。
【００７５】
ＳＩ燃焼においては、気筒１８内に導入する排気ガスの量が多すぎると燃焼安定性が低下してしまう。そのため、ＳＩ燃焼において設定可能な最高のＥＧＲ率（つまり、ＥＧＲ限界）が存在する。前述の通り、混合気の空燃比を理論空燃比（λ≒１）に設定するため、エンジン負荷の高低に応じてＥＧＲ率は連続的に変化し、ＳＩモードにおいてエンジン負荷が低いときには、燃料量が少なくかつ、新気量が少なくなることで、ＥＧＲ率は高くなり得るものの、ＳＩモードの低負荷域では、ＥＧＲ率がＥＧＲ限界によって制限される。
【００７６】
ＳＩモードでは主に、直噴インジェクタ６７を用いて、気筒１８内に燃料を直接噴射する。前述したように、このエンジン１は幾何学的圧縮比が比較的高くて、ＳＩ燃焼時には、過早着火等の異常燃焼を招く虞があるが、圧縮行程から膨張行程にかけての遅い時期に、気筒１８内に、高い燃料圧力で燃料を噴射することにより、そうした異常燃焼を回避することが可能になる。
【００７７】
（ＣＡＩモードにおける混合気形成の態様）
このエンジン１は、前述した吸気弁２１の可変駆動機構７２と、ポートインジェクタ６８との組み合わせを利用して、気筒１８内に形成する混合気の濃度成層化を図り、それによって、圧縮着火燃焼の着火性の向上と、排気エミッション性能の向上とを両立させる。以下、この構成について、図を参照しながら詳細に説明する。
【００７８】
図６は、気筒１８内の混合気の形成手順の基本的な考え方を示してしている。同図に示すように、１つの気筒１８に対して、第１及び第２の２つの吸気ポート１６１、１６２が連通している。その内の第１の吸気ポート１６１にのみ、ポートインジェクタ６８が配設され、第２の吸気ポート１６２には、ポートインジェクタ６８は配設されていない。図６は特に、エンジン１の負荷が低くて燃料噴射量が比較的少ない場合を示している。
【００７９】
先ず、図６の工程Ｐ６１に示すように、ポートインジェクタ６８を通じて、所定量の燃料を第１の吸気ポート１６１に噴射する。ここでの所定量の燃料は、エンジン１の負荷に対応する。
【００８０】
続く工程Ｐ６２では、可変駆動機構７２を利用して、燃料が噴射された第１の吸気ポート１６１を開閉する吸気弁２１については、そのリフト量を調整することによって、当該第１の吸気ポート１６１を通じて気筒１８内に流入する混合気の当量比φが１付近となるように、その新気量を調整する（つまり、新気量を減量する）。混合気の当量比φは、例えば１．０〜１．４の範囲に収まるようにしてもよい。一方、第２の吸気ポート１６２を開閉する吸気弁２１については、リフト量の調整を行わない。つまり、第２の吸気ポート１６２を開閉する吸気弁２１は、当該運転状態において設定されている新気量が気筒１８内に導入されるように、予め設定されているリフト量で開弁をする。
【００８１】
こうして、気筒１８内に、リッチで均質な混合気の層１８１を形成する。こうした成層化を実現する上で、気筒１８内でのスワールは、できるだけ回避することが望ましい。例えば吸気ポート１６は、気筒１８内に流入するガスに角運動量を付与するような、いわゆるスワールポートではなく、気筒１８内に流入するガスに角運動量を付与しないような形状（例えばストレートポート）とすることが好ましい。尚、混合気の濃度成層化が維持される限度において、気筒１８内でタンブルが生じることは許容される。
【００８２】
そうして、ピストン１４が圧縮上死点付近に至ることで、当量比φが１付近の均質な混合気が、圧縮着火し、燃焼する（工程Ｐ６３）。当該混合気層は、当量比φがリッチであるため、圧縮着火の着火性が高まる。また、当該混合気層は、ポート噴射を利用することで均質であり、局所的に当量比が高い混合気や局所的に当量比が低い混合気を含まない。その結果、燃焼温度が適正化して、燃焼温度が低いときに発生し得るＨＣ及びＣＯや、酸素過剰で燃焼温度が高いときに発生し得るＮＯｘ、また局所当量比が高すぎるとき等に発生し得る煤を抑制することができる。
【００８３】
図７は、燃料噴射形態が相違するときに、気筒１８内に形成される混合気の局所当量比の分布頻度を比較する図である。図７の左上の図は、直噴インジェクタ６７を用いて、気筒１８内に１回の燃料噴射を行って混合気を形成したときの、局所当量比の分布頻度を示している。噴射回数が１回であるときには、噴射した燃料が分散する結果、局所当量比φが１よりも小さい、局所的にリーンな混合気が多く形成される。これは、圧縮着火の着火性を低下させると共に、燃焼温度が比較的低くなる結果、ＨＣやＣＯを発生させて排気エミッション性能の低下を招き得る。
【００８４】
圧縮着火の着火性を改善するために、図７の右上に示すように、直噴インジェクタ６７を用いて、気筒１８内に複数回の燃料噴射を行って混合気を形成することが考えられる。多段噴射は、１回当たりの燃料噴射量が少なくなると共に、先に噴射した燃料噴霧に、後から噴射した燃料噴霧が衝突するようになる結果、当量比が局所的に高くなると考えられる。このように、当量比φの高い混合気が局所的に形成されることは、圧縮着火の着火性を高める上で有利になる。しかしながら、当量比φの高い混合気が多く形成される結果、局所的に過剰にリッチな混合気は煤を発生しやすく、ストイキ付近でリーンな領域は酸素過剰雰囲気での燃焼温度上昇によりＮＯｘが発生しやすい。
【００８５】
このように、直噴インジェクタ６７を利用する構成では、圧縮着火の着火性が低くて、排気エミッション性能が低下してしまう一方で、圧縮着火の着火性を高めたとしても、排気エミッション性能の低下を免れない。
【００８６】
これに対し、前述した、吸気ポート噴射を利用して、気筒１８内で混合気の濃度成層化を図ることにより、図７の右下に示すように、第１の吸気ポート１６１を通じて気筒１８内に導入される混合気によって、当量比φがリッチで均質な混合気の層を形成することが可能になり、局所的にストイキ付近のリーンな混合気や局所的に過剰にリッチな混合気の形成を回避することが可能になる。これにより、圧縮着火の着火性の向上と、排気エミッション性能の向上とを両立することができる。尚、同図では、第２の吸気ポート１６２を通じて気筒１８内に導入される新気を当量比が０として示している。ここで、均質混合気の当量比φは、１．０〜１．４が望ましく、こうすることで、圧縮着火の着火性を良好にしつつ、燃焼温度の上昇を抑制することが可能になる。これは、ＮＯｘの生成を抑制する上で有利になる。
【００８７】
次に、図８、９を参照しながら、前記エンジン１に適用した場合の、混合気の形成手順について説明する。図８は、エンジン１の運転状態が、ＣＡＩモードの低負荷側にあるときの混合気の形成手順を示し、図９は、エンジン１の運転状態が、ＣＡＩモードの高負荷側にあるときの混合気の形成手順を示している。図６と比較して、第１及び第２の吸気ポート１６１、１６２のそれぞれに、ポートインジェクタ６８が配設されている点が異なる。
【００８８】
先ず図８の工程Ｐ８１では、可変駆動機構７２によって吸気弁２１を先行開弁させる。先行開弁させる吸気弁２１は、後述の通り燃料噴射を行う第１の吸気ポート１６１の吸気弁２１のみである。これにより、気筒１８内の燃焼ガスの一部が、第１の吸気ポート１６１に排出される。尚、設定されている内部ＥＧＲ率が高く、比較的大量の燃焼ガスを吸気ポートに排出しなければならないときには、第１及び第２の吸気ポート１６１、１６２の双方の吸気弁２１を先行開弁させてもよい。その場合に、先行開弁のリフト量は、第１及び第２の吸気ポート１６１、１６２で同じにしてもよいし、第１の吸気ポート１６１の方を、相対的に大きくしてもよいし、第１の吸気ポート１６１の方を、相対的に小さくしてもよい。
【００８９】
続く工程Ｐ８２では、第１の吸気ポート１６１に配設されたポートインジェクタ６８から、所定量の燃料を噴射する。エンジン１の負荷が比較的低く、それに伴い燃料量も少ないことから、１つのポートインジェクタ６８から、一方の吸気ポート１６１に燃料を噴射することが可能である。こうして、燃焼ガスの導入によって温度が高められた第１の吸気ポート１６１に、燃料が噴射される。
【００９０】
工程Ｐ８２ではまた、第１の吸気ポート１６１の吸気弁２１、及び、第２の吸気ポート１６２の吸気弁２１のそれぞれを開弁（つまり、主開弁）する。このときに、第１の吸気ポート１６１の吸気弁２１は、当該吸気ポート１６１から気筒１８内に導入される混合気の当量比φが、１．０〜１．４の範囲に収まるように、そのリフト量を調整する（リフト量を減少する）。尚、エンジン１の負荷が低いときには、気筒１８内に形成する混合気の当量比φを高めに設定しても、燃焼温度が高くなることは抑制される。一方、第２の吸気ポート１６２の吸気弁２１は、リフト量の調整を行わない。つまり、このエンジン１の運転状態において設定されているリフト量で、吸気弁２１を開弁する。これにより、必要量の新気が気筒１８内に導入される。
【００９１】
こうして、工程Ｐ８３では、気筒１８内に当量比φが１付近の、均質かつ高温の混合気の層１８１を形成することが可能になる。第１の吸気ポート１６１から気筒１８には、内部ＥＧＲガス、新気及び燃料が導入される一方、第２の吸気ポート１６２から気筒１８には、新気のみ（又は、新気及び内部ＥＧＲガス）が導入される。第１の吸気ポート１６１から気筒１８に導入される新気量は制限されるものの、内部ＥＧＲガスを導入することで、第１の吸気ポート１６１から気筒１８内に導入されるガス量と、第２の吸気ポート１６２から気筒１８内に導入されるガス量との差は小さくなる、又は、無くなる。２つの吸気ポート１６１、１６２から導入されるガス量の差に起因して、気筒１８内にスワールが発生することが回避される。その結果、気筒１８内で、混合気の濃度成層化が可能になる。
【００９２】
そうして工程Ｐ８４において、圧縮着火燃焼に至る。混合気層は、前述したように、当量比φが１以上のリッチであることから、圧縮着火の着火性がさらに高まる。また、局所的に過剰にリッチな混合気や局所的に、ストイキ付近、あるいは過剰な、リーンな混合気が生成されずに、排気エミッション性能の向上が図られる点は、図６を参照して前述した通りである。
【００９３】
図９は、前述したように、エンジン１の運転状態が、ＣＡＩモードの高負荷側にあるときの混合気の形成手順を示している。エンジン１の負荷が高まるに従い、燃料噴射量が増大する結果、第１の吸気ポート１６１のみに燃料を噴射することが困難になる。そこで、ＣＡＩモードの高負荷側にあるときには、第１の吸気ポート１６１と、第２の吸気ポート１６２との双方において、燃料を噴射する。
【００９４】
先ず、工程Ｐ９１では、前記と同様に、可変駆動機構７２によって吸気弁２１を先行開弁させる。先行開弁させる吸気弁２１は、第１の吸気ポート１６１の吸気弁２１のみである。エンジン１の負荷が高いため、内部ＥＧＲ率は比較的低く設定される。必要に応じて、第２の吸気ポート１６２の吸気弁２１も、先行開弁させてもよい。
【００９５】
続く工程Ｐ９２では、第１の吸気ポート１６１に配設されたポートインジェクタ６８から、所定量の燃料を噴射すると共に、第２の吸気ポート１６２に配設されたポートインジェクタ６８から、残りの燃料を噴射する。第１の吸気ポート１６１の燃料噴射量は、圧縮着火に必要な最小限の噴射量である。噴射量は、燃焼騒音が増大しない範囲で設定される。結果的に、第１の吸気ポート１６１に噴射される燃料量は、第２の吸気ポート１６２に噴射される燃料量よりも少なくなる。
【００９６】
工程Ｐ９２ではまた、第１の吸気ポート１６１の吸気弁２１、及び、第２の吸気ポート１６２の吸気弁２１のそれぞれを開弁（つまり、主開弁）する。このときに、第１の吸気ポート１６１の吸気弁２１は、当該吸気ポート１６１から気筒１８内に導入される混合気の当量比φが、１．０〜１．４の範囲に収まるように、そのリフト量を調整する（リフト量を減少する）。エンジン１の負荷が比較的高くて着火性が確保できることを考慮して、当量比φを前記範囲よりも低く設定してもよい。一方、第２の吸気ポート１６２の吸気弁２１は、リフト量の調整を行わない。つまり、このエンジン１の運転状態において設定されているリフト量で、吸気弁２１を開弁する。これにより、必要量の新気を気筒１８に導入する。
【００９７】
ＣＡＩモードの高負荷域では、前述したように、クールドＥＧＲガス（つまり、外部ＥＧＲガス）が気筒１８内に導入される。クールドＥＧＲガスは、図９に白抜きの矢印で示すように、第１の吸気ポート１６１及び第２の吸気ポート１６２のそれぞれに流入する。従って、第１の吸気ポート１６１から気筒１８内には、内部ＥＧＲガス、外部ＥＧＲガス、新気及び燃料が導入され、第２の吸気ポート１６２から気筒１８内には、外部ＥＧＲガス、新気及び燃料が導入される。
【００９８】
そうして工程Ｐ９３では、気筒１８内に当量比φが１以上のリッチの、均質かつ高温の混合気の層（第１層）１８１と、当量比φが第１層１８１よりもリーンの、均質かつ低温の混合気の層（第２層）１８２とを形成することが可能になる。
【００９９】
第１層１８１は、相対的に当量比が高くかつ高温であるため、先に圧縮着火するようになり、それによって発生する熱及び筒内圧の上昇を受けて、相対的に当量比が低くかつ低温の第２層１８２も順次圧縮着火するようになる。こうして、エンジン１の負荷が高いときに、着火性を確保しながら、逐次着火が可能になるから、燃焼が緩慢化する。これは、燃焼時に気筒１８内の圧力上昇が急峻になることを抑制して、燃焼騒音が増大してしまうことが回避される。
【０１００】
尚、ここに開示する技術は、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。
【０１０１】
吸気弁２１の駆動機構は、ＶＶＴ７１と可変駆動機構７２とを含む構成に限定されない。１つの気筒１８に設けられた複数の吸気弁２１のリフト量を、独立に調整可能な構成であれば、様々な機構を採用することが可能である。例えば、吸気弁２１の駆動機構は、吸気弁のリフト量を連続的に変更可能な、機械式のリフト可変機構（Continuously Variable Valve Lift：CVVL）と、ＶＶＴとを含んで構成してもよい。
【０１０２】
図５に示す運転制御マップは例示であり、これ以外にも様々なマップを設けることが可能である。
【０１０３】
また、排気通路には三元触媒のみを備えたが、ＮＯｘ浄化触媒を備えて、空気過剰率λが２．４よりも小さく１．０よりも大きい、Ａ/ＦがＬｅａｎの運転を可能にしてもよい。
【０１０４】
さらに、ここに開示する技術は、ディーゼルエンジンに適用することも可能である。
【符号の説明】
【０１０５】
１    エンジン（エンジン本体）
１０  ＰＣＭ（制御部）
１６  吸気ポート（吸気路）
１６１  第１の吸気ポート
１６２  第２の吸気ポート
１８  気筒
２１  吸気弁
２２  排気弁
６２  燃料供給システム
６７  インジェクタ
７２  可変駆動機構（吸気弁駆動機構）
Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ１３  先行開弁
【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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