JP2012246777A - 過給機付き火花点火式エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】熱効率が高くかつエミッション性に優れた燃焼を高負荷域まで適正に継続させる。
【解決手段】少なくともエンジンの温間時における高負荷域で選択される過給ＨＣＣＩモードでは、過給機３５の過給により多量の空気を燃焼室５に導入することで混合気の空気過剰率λをλ≧２に設定するとともに、このλ≧２のリーンな混合気を圧縮上死点付近から自着火により燃焼させる制御が実行される。一方、上記過給ＨＣＣＩモードよりも高負荷側の運転領域で選択されるリタードＳＩモードでは、混合気の空気過剰率λをλ＝１に設定するとともに、インジェクタ１０からの２０ＭＰａ以上の噴射圧力による燃料噴射と、点火プラグ１１による火花点火とを、圧縮行程後期から膨張行程初期までの期間内に実行することにより、圧縮上死点を所定期間以上過ぎてから混合気を火炎伝播により急速に燃焼させる制御が実行される。
【選択図】図４

Description

本発明は、吸入空気を加圧する過給機と、燃焼室に燃料を噴射するインジェクタと、インジェクタから噴射された燃料に基づき燃焼室に形成された混合気に対し火花を放電する点火プラグと、上記過給機、インジェクタ、および点火プラグを含む各部の動作を制御する制御手段とを備えた過給機付き火花点火式エンジンに関する。

従来、下記特許文献１に示されるように、混合気を自着火により燃焼させるＨＣＣＩ燃焼（Homogeneous-Charge Compression Ignition combustion）が少なくとも部分負荷域で実行されるように構成された過給機付き火花点火式エンジンにおいて、エンジンの温間時における混合気の空気過剰率λを、エンジン負荷の全域で２以上に設定することが行われている。

特に、特許文献１では、上記ＨＣＣＩ燃焼の実行領域における高負荷側の領域（第２ＨＣＣＩ領域）で、過給機による過給量を増大させるとともに、吸気弁の閉時期に基づくエンジンの有効圧縮比を低下させ、さらに燃料を複数回に分割噴射することにより、燃料圧力の上昇率（ｄｐ／ｄθ）を緩和させながら、λ＝２のリーンな混合気をＨＣＣＩ燃焼させるようにしている。

特開２０１０−２３６４２９号公報

上記特許文献１のように、エンジンの有効圧縮比の低下や燃料の分割噴射を実行することにより、燃焼圧力の上昇率を緩和させつつ混合気をＨＣＣＩ燃焼させるようにした場合には、燃焼騒音の増大や異常燃焼を伴わない適正なＨＣＣＩ燃焼を、比較的高い負荷域まで継続的に行わせることが可能になる。

しかしながら、上記のようにＨＣＣＩ燃焼をかなり高い負荷（例えば最高負荷の近傍）まで継続させるには、有効圧縮比を極端に低下させる等の措置が必要となり、あまり現実的ではない。そこで、上記特許文献１では、エンジンの最高負荷の近傍（ＳＩ領域）にまで負荷が高まると、点火プラグの火花点火をきっかけに混合気を火炎伝播により燃焼させるＳＩ燃焼に切り替えるようにしている。

具体的に、上記ＳＩ燃焼の実行領域では、混合気の空気過剰率λがλ＝２のままに維持されるとともに、点火プラグに連続した複数回の火花点火を行わせる多重点火が実行される。一般に、λ＝２のような大幅にリーンな空燃比下では、火炎伝播速度が大幅に低下し、通常の火花点火では失火が起き易くなるため、上記のような多重点火が必要になる。

上記のように、特許文献１では、エンジンの高負荷域までλ＝２という大幅にリーンな空燃比が維持されるため、熱効率の向上やＮＯｘ生成量の抑制が期待できる。しかしながら、エンジンの高負荷域までλ＝２というリーンな空燃比を維持するには、負荷に応じて増量される噴射燃料に見合ったかなり多量の空気を圧送できる過給能力の高い過給機が必要になるばかりでなく、多量の過給によってエンジンの排圧（過給機のタービンより上流側の排気ガスの圧力）が過度に上昇し、ポンプ損失が増大する結果、かえって熱効率の悪化を招くおそれがある。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、ＨＣＣＩ燃焼とＳＩ燃焼とを使い分けながら、熱効率が高くかつエミッション性に優れた燃焼を高負荷域まで適正に継続させることが可能な過給機付き火花点火式エンジンを提供することを目的とする。

上記課題を解決するためのものとして、本発明は、吸入空気を加圧する過給機と、燃焼室に燃料を噴射するインジェクタと、インジェクタから噴射された燃料に基づき燃焼室に形成された混合気に対し火花を放電する点火プラグと、上記過給機、インジェクタ、および点火プラグを含む各部の動作を制御する制御手段とを備えるとともに、幾何学的圧縮比が１４以上に設定された過給機付き火花点火式エンジンであって、上記制御手段は、少なくともエンジンの温間時における高負荷域で、上記点火プラグの火花点火による火炎伝播燃焼を圧縮上死点を過ぎてから開始させるリタードＳＩモードを実行する一方、このリタードＳＩモードの実行領域よりも負荷の低い所定の負荷域では、上記過給機に過給を行わせつつ混合気を自着火により燃焼させる過給ＨＣＣＩモードを実行するものであり、上記過給ＨＣＣＩモードでは、過給により多量の空気を燃焼室に導入することで混合気の空気過剰率λをλ≧２に設定するとともに、このλ≧２のリーンな混合気を圧縮上死点付近から自着火により燃焼させる制御が実行され、上記リタードＳＩモードでは、混合気の空気過剰率λをλ＝１に設定するとともに、上記インジェクタからの２０ＭＰａ以上の噴射圧力による燃料噴射と、上記点火プラグによる火花点火とを、圧縮行程後期から膨張行程初期までの期間内に実行することにより、圧縮上死点を所定期間以上過ぎてから混合気を火炎伝播により急速に燃焼させる制御が実行されることを特徴とするものである（請求項１）。

本発明によれば、エンジンの温間時における所定の負荷域で、過給機により過給された多量の空気に基づくλ≧２の混合気を自着火により燃焼（ＨＣＣＩ燃焼）させることにより、燃焼温度が十分に低く抑えられるため、燃焼により生じるＮＯｘ量（生のＮＯｘ量）を大幅に低減できるとともに、熱効率を効果的に向上させることができる。

一方、エンジンの温間時における上記ＨＣＣＩ燃焼の実行領域よりも高負荷側では、圧縮行程の後期以降という遅めのタイミングで２０ＭＰａ以上の高圧噴射を実行するとともに、それに基づくλ＝１の混合気に対し火花点火を実行することにより、この火花点火をきっかけに、圧縮上死点を過ぎてから（つまり筒内温度・圧力がある程度低下してから）混合気を急速に火炎伝播により燃焼（ＳＩ燃焼）させることができる。このため、吸気行程等の早いタイミングで燃料を噴射させる従来のＳＩ燃焼と異なり、プリイグニッションやノッキングといった異常燃焼の発生を確実に回避しながら、燃焼期間の短い熱効率に優れた燃焼を実現することができる。特に、混合気の空気過剰率λがλ＝１（理論空燃比）に設定されるため、λ≧２のリーンな空燃比を維持した場合と異なり、吸入空気の過給量を極端に増大させる必要がなく、エンジンの排圧が過度に上昇することによるポンプ損失の増大や、それに基づく燃費の悪化を招くことがない。また、λ＝１での燃焼であれば、三元触媒のみによってＮＯｘを十分に浄化することが可能であり、エミッション性についても良好に確保される。

本発明において、好ましくは、上記インジェクタは、複数の噴孔を有する多噴孔型のインジェクタである（請求項２）。

この構成によれば、上記リタードＳＩモードのときに、インジェクタの燃料噴射に基づき生成される乱流エネルギーがより高まるとともに、燃料の気化霧化がより促進されるため、燃焼期間をより短縮して熱効率を向上させることができる。

本発明において、好ましくは、上記燃焼室から排気通路に排出された排気ガスを吸気通路に還流させる外部ＥＧＲ装置がエンジンに装備され、上記過給ＨＣＣＩモードでは、上記外部ＥＧＲ装置による排気ガスの還流操作が実行される（請求項３）。

この構成によれば、過給ＨＣＣＩモードでの運転時に、λ≧２のリーンな空燃比を実現するための過給量を適正に確保しつつ、混合気の燃焼温度をより低下させてＮＯｘ生成量を効果的に低減できるという利点がある。

本発明において、好ましくは、上記制御手段は、上記過給ＨＣＣＩモードの実行領域よりも低負荷側で、上記過給機による過給を行うことなく混合気を自着火により燃焼させるＮＡ−ＨＣＣＩモードを実行し、上記ＮＡ−ＨＣＣＩモードでは、燃焼により生じた高温の排気ガスを燃焼室に残留させる内部ＥＧＲが実行される（請求項４）。

この構成によれば、エンジン負荷が低く混合気の着火性が悪い運転領域で、内部ＥＧＲを駆使して燃焼室の高温化を図ることにより、混合気を自着火により確実に燃焼させることができる。

本発明において、好ましくは、上記過給機は、エンジンの排気通路に配設されたタービンと、エンジンの吸気通路に配設され、上記タービンの回転により駆動されるコンプレッサとを有し、上記吸気通路および排気通路の間には、上記タービンより下流側の排気通路から分岐した排気ガスを吸気通路に還流させる第１外部ＥＧＲ装置と、上記タービンよりも上流側の排気通路から分岐した排気ガスを吸気通路に還流させる第２外部ＥＧＲ装置とが設けられ、上記リタードＳＩモードの実行領域における低回転側の一部では、上記第１外部ＥＧＲ装置による排気ガスの還流操作が実行される一方、上記リタードＳＩモードの実行領域における残余の領域では、上記第２外部ＥＧＲ装置による排気ガスの還流操作が実行される（請求項５）。

このように、上記リタードＳＩモードの実行領域のうち、回転速度が低く排気ガスの流量が少ない運転領域で、第１外部ＥＧＲ装置を用いてタービンを通過した後の排気ガスを吸気通路に還流させる一方、回転速度が高く排気ガスの流量が多い運転領域で、第２外部ＥＧＲ装置を用いてタービンを通過する前の排気ガスを吸気通路に還流させるようにした場合には、低回転側での過給性能の確保と高回転側でのポンプ損失の低減とを両立できるという利点がある。

本発明において、好ましくは、少なくとも吸気弁の閉時期を可変的に設定する可変機構がエンジンに装備され、上記制御手段は、エンジンの冷間時における中高負荷域で、上記過給機に過給を行わせつつ混合気を火花点火により燃焼させる過給ＳＩモードを実行するとともに、この過給ＳＩモードの実行領域における少なくとも高負荷側の一部で、上記可変機構を駆動して上記吸気弁の閉時期を下死点よりも早いタイミングに設定する（請求項６）。

この構成によれば、エンジンの冷間時であっても、負荷が高いために異常燃焼（プリイグニッションやノッキング）が起き易い状況では、吸気弁の閉時期を吸気下死点よりも早めることにより、エンジンの有効圧縮比を低下させて異常燃焼を防止することができる。しかも、有効圧縮比の低下のために吸気弁の閉時期を吸気下死点よりも遅くした場合と異なり、吸気ポートに吹き返された空気が再び燃焼室に導入されることによる燃焼室の高温化を回避でき、異常燃焼の防止効果をより高めることができる。この結果、有効圧縮比の低下幅を低く抑えることができ、エンジン出力や燃費の犠牲を最小限に抑えることができる。

以上説明したように、本発明の過給機付き火花点火式エンジンによれば、ＨＣＣＩ燃焼とＳＩ燃焼とを使い分けながら、熱効率が高くかつエミッション性に優れた燃焼を高負荷域まで適正に継続させることができる。

本発明の一実施形態にかかる過給機付き火花点火式エンジンの全体構成を示す図である。 上記エンジンのエンジン本体の構成を示す図である。 上記エンジンの制御系を示すブロック図である。 エンジンの温間時に使用される領域判定マップの一例を示す図である。 エンジンの冷間時に使用される領域判定マップの一例を示す図である。 図４の第１運転領域（Ａ１）で実行されるＮＡ−ＨＣＣＩモードの制御内容を説明するためのタイムチャートである。 図４の第２運転領域（Ａ２）で実行される過給ＨＣＣＩモードの制御内容を説明するためのタイムチャートである。 図４の第３、第４運転領域（Ａ３，Ａ４）で実行される第１、第２リタードＳＩモードの制御内容を説明するためのタイムチャートである。 第１ＥＧＲバルブ、第２ＥＧＲバルブ、およびウェストゲートバルブを用いた吸排気制御の制御例（その１）を説明するための図である。 第１ＥＧＲバルブ、第２ＥＧＲバルブ、およびウェストゲートバルブを用いた吸排気制御の制御例（その２）を説明するための図である。 第１ＥＧＲバルブ、第２ＥＧＲバルブ、およびウェストゲートバルブを用いた吸排気制御の制御例（その３）を説明するための図である。 上記第１、第２リタードＳＩモードにより実現されるＳＩ燃焼の特徴を、従来のＳＩ燃焼と比較して説明するための図である。 燃料噴射の高圧化と噴射時期の遅角化とが異常燃焼の防止にどのように貢献するかを説明するための図である。 （ａ）〜（ｆ）は、エンジンの低速域で負荷のみが変化した場合の各種制御パラメータの変化を示す図である。 （ａ）〜（ｆ）は、エンジンの高速域で負荷のみが変化した場合の各種制御パラメータの変化を示す図である。 エンジン冷間時における少なくとも高負荷域で吸気弁の閉時期がどのようなタイミングに設定されるかを説明するための図である。

（１）エンジンの全体構成
図１は、本発明の一実施形態にかかるエンジンの全体構成を示す図であり、図２は、そのエンジン本体１の具体的構成を示す断面図である。これらの図に示されるエンジンは、走行駆動用の動力源として車両に搭載される往復ピストン型の多気筒ガソリンエンジンである。このエンジンのエンジン本体１は、一軸方向に並ぶ複数の気筒２Ａ〜２Ｄを有するシリンダブロック２と、シリンダブロック２の上面に設けられたシリンダヘッド３と、各気筒２Ａ〜２Ｄに往復摺動可能に挿入されたピストン４とを有している。なお、エンジン本体１に供給される燃料は、ガソリンを主成分とするものであればよく、その中身は、全てガソリンであってもよいし、ガソリンにエタノール（エチルアルコール）等を含有させたものでもよい。

上記ピストン４はコネクティングロッド１２を介してクランク軸１３と連結されており、上記ピストン４の往復運動に応じて上記クランク軸１３が中心軸回りに回転するようになっている。

上記ピストン４の上方には燃焼室５が形成され、燃焼室５に吸気ポート６および排気ポート７が開口し、各ポート６，７を開閉する吸気弁８および排気弁９が、上記シリンダヘッド３にそれぞれ設けられている。なお、図例のエンジンはいわゆるダブルオーバーヘッドカムシャフト式（ＤＯＨＣ）エンジンであり、各気筒につき上記吸気ポート６および排気ポート７が２つずつ設けられるとともに、上記吸気弁８および排気弁９も２つずつ設けられている。

なお、「燃焼室」とは、狭義には、ピストン４が上死点まで上昇したときに当該ピストン４の上方に形成される空間のことを指すが、本明細書でいう燃焼室５とは、ピストン４の上下位置にかかわらずその上方に形成される空間のことを指すものとする（広義の燃焼室）。

ここで、当実施形態のエンジン本体１の幾何学的圧縮比は、理論熱効率の向上や、後述するＨＣＣＩ燃焼（圧縮自己着火燃焼）の安定化等を目的として、１４以上という比較的高い値に設定されている。なお、幾何学的圧縮比の上限値は、実用上の観点等から２０程度であると考えられるため、上記エンジン本体１の幾何学的圧縮比は、１４以上２０以下の範囲の適宜の値に設定される。

図２に示すように、上記吸気弁８および排気弁９は、それぞれ、シリンダヘッド３に配設された一対のカムシャフト（図示省略）等を含む動弁機構１５，１６によりクランク軸１３の回転に連動して開閉駆動される。

上記吸気弁８用の動弁機構１５には、吸気弁８のリフト特性を変更するための可変機構１７が組み込まれている。この可変機構１７は、少なくとも吸気弁８の閉時期を変更し得るものであればよいが、吸気弁８の閉時期のみを変更し、開時期については変更しないといった操作が可能なものがより好ましい。このような構成の可変機構１７としては、例えば、吸気弁８の動作タイミング（位相角度）を変更するＶＶＴ（可変バルブタイミング機構；Variable Valve Timing Mechanism）と、吸気弁８のリフト量を変更するＶＶＬ（可変バルブリフト機構；Variable Valve Lift Mechanism）とを組み合わせたものが考えられる。このようなタイプの可変機構であれば、吸気弁８の閉時期だけでなく開弁期間（つまり吸気弁８を開き始めてから閉じるまでの期間）をも変更できるため、吸気弁８の閉時期のみを変更する（開時期は変更しない）という操作が可能である。

上記排気弁９用の動弁機構１６には、吸気行程中に排気弁９を押し下げる機能を有効または無効にする切替機構１８が組み込まれている。すなわち、この切替機構１８は、排気弁９を排気行程だけでなく吸気行程でも開弁可能にするとともに、この吸気行程中の排気弁９の開弁動作（いわゆる排気弁９の２度開き）を実行するか停止するかを切り替える機能を有している。

上記切替機構１８の作用により排気弁９が吸気行程中に開弁すると、一旦排気ポート７に排出された高温の排気ガスが燃焼室５に逆流し、次回の排気行程まで燃焼室５に残留する。以下では、このような排気弁９の２度開き（吸気行程中の開弁）による排気ガスの残留操作を、後述する外部ＥＧＲ装置３９，４４による排気ガスの還流操作（外部ＥＧＲ）と区別して、内部ＥＧＲと称する。

なお、上記可変機構１７および切替機構１８としては、同様の機能を備えた種々の従来構造から適宜のものを選択して使用し得る。

上記エンジン本体１のシリンダヘッド３には、インジェクタ１０および点火プラグ１１が、各気筒２Ａ〜２Ｄにつきそれぞれ１組ずつ設けられている。

上記インジェクタ１０は、各気筒２Ａ〜２Ｄの燃焼室５をその吸気側の側方から臨むように設けられている。インジェクタ１０は、その先端部に複数の噴孔を有した多噴孔型のインジェクタであり、当実施形態では、合計で１２個の噴孔がインジェクタ１０の先端部に設けられている。

また、上記インジェクタ１０の各噴孔から噴射される燃料（ガソリンを主成分とする燃料）の圧力は、２０ＭＰａ以上という高い値に設定されている。このインジェクタ１０からの噴射圧力は、より好ましくは、２０ＭＰａよりもさらに高い値（例えば３０〜４０ＭＰａ）に設定されるが、実用上の観点等から、噴射圧力の上限は１２０ＭＰａ程度であると考えられる。このことから、上記インジェクタ１０からの噴射圧力は、２０ＭＰａ以上１２０ＭＰａ以下の範囲の適宜の値に設定される。

なお、上記のような高い噴射圧力を実現するには、例えば、各気筒２Ａ〜２Ｄのインジェクタ１０に接続された燃料供給管と、その上流側に設けられた燃料ポンプとの間に、燃料ポンプから圧送された燃料を蓄圧しつつ貯蔵するコモンレールを設けた、いわゆるコモンレール式の燃料供給システムを採用することが考えられる。

上記点火プラグ１１は、各気筒２Ａ〜２Ｄの燃焼室５を上方から臨むように設けられている。具体的に、この点火プラグ１１は、燃焼室５に露出する電極を先端部に有し、図外の点火回路からの給電に応じて上記電極から火花を放電する。

図２に示すように、上記エンジン本体１のシリンダブロック２やシリンダヘッド３の内部には、冷却水が流通するウォータジャケット（図示省略）が設けられており、このウォータジャケット内の冷却水の温度を検出するための水温センサＳＷ１が、上記シリンダブロック２に設けられている。

上記シリンダブロック２には、クランク角センサＳＷ２が設けられている。クランク角センサＳＷ２は、クランク軸１３と一体に回転するクランクプレート（図示省略）の回転に応じてパルス信号を出力するものであり、このパルス信号に基づいて、クランク軸１３の回転角度（クランク角）および回転速度（エンジン回転速度）が検出されるようになっている。

上記シリンダヘッド３には、動弁機構１５におけるカムシャフトの角度を検出するためのカム角センサＳＷ３が設けられている。カム角センサＳＷ３は、カムシャフトと一体に回転するシグナルプレートの歯の通過に応じて、気筒判別（各気筒が吸気、圧縮、膨張、排気のいずれの行程にあるかの判別）用のパルス信号を出力するものである。

上記エンジン本体１の吸気ポート６および排気ポート７には、吸気通路２０および排気通路３０がそれぞれ接続されている。すなわち、外部からの吸入空気（新気）が上記吸気通路２０を通じて燃焼室５に供給されるとともに、燃焼室５で生成された排気ガス（既燃ガス）が上記排気通路３０を通じて外部に排出されるようになっている。

図１に示すように、上記吸気通路２０は、単一の管路からなる共通管部２３と、共通管部２３の下流端（図中に矢印で示す吸入空気の流れ方向の下流端）に接続されたサージタンク２２と、気筒２Ａ〜２Ｄごとに分岐して設けられ、上記サージタンク２２と各気筒２Ａ〜２Ｄの吸気ポート６とを接続する分岐管部２１とを有している。

上記排気通路３０は、単一の管路からなる共通管部３２と、気筒２Ａ〜２Ｄごとに分岐して設けられ、上記共通管部３２の上流端（図中に矢印で示す排気ガスの流れ方向の上流端）と各気筒２Ａ〜２Ｄの排気ポート７とを接続する分岐管部３１とを有している。

当実施形態のエンジンには、排気ターボ式の過給機３５と、排気通路３０に排出された排気ガスを吸気通路２０に還流させる第１および第２の外部ＥＧＲ装置３９，４４とが装備されている。

上記過給機３５は、排気通路３０の共通管部３２に配設されたタービン３６と、吸気通路２０の共通管部２３に設けられたコンプレッサ３７と、これらタービン３６およびコンプレッサ３７どうしを互いに連結する連結軸３８とを有している。エンジンの運転中に、上記排気通路３０を通じて排気ガスがタービン３６に流入すると、その排気ガスのエネルギによりタービン３６が回転するとともに、これと連動してコンプレッサ３７が高速回転することにより、上記吸気通路２０を通過する空気（吸入空気）が加圧されつつ燃焼室５に送り込まれるようになっている。

上記排気通路３０の共通管部３２には、上記過給機３５のタービン３６をバイパスするためのバイパス管４８が設けられている。バイパス管４８にはウェストゲートバルブ４９が設けられており、当該バルブ４９の開閉に応じて排気ガスの流通経路が切り替えられ、上記過給機３５による過給のＯＮ／ＯＦＦ等が切り替えられるようになっている。

すなわち、上記ウェストゲートバルブ４９が閉弁されると、排気ガスがタービン３６に流入することにより、コンプレッサ３７が回転駆動されて吸入空気が加圧される一方、ウェストゲートバルブ４９が開弁されると、排気ガスが主にバイパス管４８を通過する（タービン３６をパイパスする）ことにより、コンプレッサ３７による吸入空気の加圧が実質的に停止される。なお、ウェストゲートバルブ４９を１００％（全開）未満の中間開度に設定することにより、コンプレッサ３７の仕事量（過給能力）を調節することも可能である。

上記第１外部ＥＧＲ装置３９は、タービン３６よりも下流側の排気通路３０とコンプレッサ３７よりも上流側の吸気通路２０とを連通させる第１ＥＧＲ通路４０と、第１ＥＧＲ通路４０の途中部に設けられ、その内部を通過する排気ガスの流量を制御する第１ＥＧＲバルブ４１と、第１ＥＧＲ通路４０を通過する排気ガスの温度を低下させる水冷式のＥＧＲクーラ４２とを有している。

上記第１ＥＧＲ通路４０は、排気通路３０の共通管部３２のうちタービン３６よりも下流側（排ガス流れ方向の下流側）に位置する部分と、吸気通路２０の共通管部２３のうちコンプレッサ３７よりも上流側（吸気流れ方向の上流側）に位置する部分とを連通している。このため、上記第１ＥＧＲバルブ４１が開弁されると、タービン３６を通過した後の排気ガスが第１ＥＧＲ通路４０に流れ込み、当該通路４０を通じてコンプレッサ３７よりも上流側の吸気通路２０（共通管部２３）へと戻される。すなわち、第１外部ＥＧＲ装置３９は、タービン３６を通過した後の比較的圧力の低い排気ガスを吸気通路２０に還流させるものである。

上記第２外部ＥＧＲ装置４４は、タービン３６よりも上流側の排気通路３０とコンプレッサ３７よりも下流側の吸気通路２０とを連通させる第２ＥＧＲ通路４５と、第２ＥＧＲ通路４５の途中部に設けられ、その内部を通過する排気ガスの流量を制御する第２ＥＧＲバルブ４６と、第２ＥＧＲ通路４５を通過する排気ガスの温度を低下させる水冷式のＥＧＲクーラ４７とを有している。

上記第２ＥＧＲ通路４５は、排気通路３０の共通管部３２のうちタービン３６よりも上流側（排ガス流れ方向の上流側）に位置する部分と、吸気通路２０の共通管部２３のうちコンプレッサ３７よりも下流側（吸気流れ方向の下流側）に位置する部分とを連通している。このため、上記第２ＥＧＲバルブ４６が開弁されると、タービン３６を通過する前の排気ガスが第２ＥＧＲ通路４５に流れ込み、当該通路４５を通じてコンプレッサ３７よりも下流側の吸気通路２０（共通管部２３）へと戻される。すなわち、第２外部ＥＧＲ装置４４は、タービン３６を通過する前の比較的圧力の高い排気ガスを吸気通路２０に還流させるものである。

上記吸気通路２０の共通管部２３におけるコンプレッサ３７よりも上流側には、吸入空気に含まれる異物等を除去するためのエアクリーナ２６が設けられるとともに、上記コンプレッサ３７よりも下流側の共通管部２３には、過給により温度上昇した吸入空気を冷却するためのインタークーラ２５が設けられている。

また、上記吸気通路２０の共通管部２３におけるインタークーラ２５よりも下流側には、スロットルバルブ２４が開閉可能に設けられている。ただし、当実施形態のエンジンでは、排気弁９の２度開き（吸気行程中の開弁）により排気ガスを燃焼室５に残留させる操作（内部ＥＧＲ）や、第１、第２外部ＥＧＲ装置３９，４４を用いて吸気通路２０に排気ガスを還流させる操作（外部ＥＧＲ）が可能で、さらには、過給機３５の作動により過給量を調節することが可能なことから、これらの操作に基づいて、スロットルバルブ２４を操作することなく、燃焼室５に導入される空気（新気）の量を調整することが可能である。このため、スロットルバルブ２４は、エンジンの停止時等を除いて、基本的に全開状態に維持される。

上記排気通路３０の共通管部３２におけるタービン３６よりも下流側には、排気ガス浄化用の触媒コンバータ２８が設けられている。触媒コンバータ２８には三元触媒が内蔵されており、排気通路３０を通過する排気ガス中の有害成分が上記三元触媒の作用により浄化されるようになっている。

（２）制御系
図３は、エンジンの制御系を示すブロック図である。本図に示されるＥＣＵ５０は、エンジンの各部を統括的に制御するための装置（本発明にかかる制御手段）であり、周知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成されている。

上記ＥＣＵ５０には、エンジンに設けられた各種センサから種々の情報が入力される。すなわち、ＥＣＵ５０は、エンジンに設けられた上記水温センサＳＷ１、クランク角センサＳＷ２、およびカム角センサＳＷ３と電気的に接続されており、これら各センサＳＷ１〜ＳＷ３からの入力信号に基づいて、エンジンの冷却水温、クランク角、エンジン回転速度、および気筒判別情報といった種々の情報を取得する。

また、ＥＣＵ５０には、車両に設けられた各種センサからの情報も入力される。例えば、車両には、運転者により踏み込み操作される図外のアクセルペダルの開度（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサＳＷ４が設けられており、このアクセル開度センサＳＷ４により検出されたアクセル開度が、上記ＥＣＵ５０に入力される。

上記ＥＣＵ５０が有するより具体的な機能について説明すると、上記ＥＣＵ５０は、その主な機能的要素として、判定手段５１、インジェクタ制御手段５２、吸気弁制御手段５３、内部ＥＧＲ制御手段５４、外部ＥＧＲ制御手段５５、点火制御手段５６、および過給制御手段５７を有している。

上記判定手段５１は、クランク角センサＳＷ２の検出値から特定されるエンジン回転速度と、アクセル開度センサＳＷ４の検出値から特定されるエンジン負荷（目標トルク）とに基づいて、エンジンをどのような態様で制御すべきかを都度判定するものである。なお、以下では、エンジン回転速度をＮｅ、エンジン負荷をＴとする。

図４および図５は、上記エンジン回転速度Ｎｅおよび負荷Ｔに基づいてエンジンの制御内容を決定するための領域判定マップの一例を示すものである。なお、図４のマップは、エンジン水温センサＳＷ１により検出された冷却水温が高い（例えば８０℃以上）温間状態のときのものであり、図５のマップは、エンジンの冷却水温が低い冷間状態のときのものである。

まず、温間時のマップ（図４）について説明する。図４のマップのうち、エンジン負荷Ｔが比較的低い領域（低負荷域）には、全ての回転速度域にわたって第１運転領域Ａ１が設定されている。また、この第１運転領域Ａ１よりも高負荷側の領域（主に中負荷域）には、全ての回転速度域にわたって第２運転領域Ａ２が設定されている。さらに、この第２運転領域Ａ２よりも高負荷側の領域（主に高負荷域）には、低回転側から順に第３運転領域Ａ３および第４運転領域Ａ４が設定されている。つまり、第２運転領域Ａ２よりも高負荷側の領域において、回転速度Ｎｅが所定値（例えば２０００〜３０００ｒｐｍ程度）よりも低い領域に第３運転領域Ａ３が設定されるとともに、この第３運転領域Ａ２よりも回転速度Ｎｅの高い領域に第４運転領域Ａ４が設定されている。

エンジンの運転中においては、エンジンの運転ポイント（負荷Ｔおよび回転速度Ｎｅの各値から特定されるマップ上でのポイント）が上記図４中のどの運転領域（Ａ１〜Ａ４）に該当するかが都度判断され、各運転領域に応じた適切な制御が実行されるようになっている。

上記図４のマップに基づく制御の中身について簡単に説明しておく。このマップのうち、第３、第４運転領域Ａ３，Ａ４を除く部分負荷の領域、つまり第１運転領域Ａ１および第２運転領域Ａ２は、そのいずれもが、ピストン４の圧縮作用により混合気を自着火させるＨＣＣＩ燃焼（圧縮自己着火燃焼）の実行領域として設定されている。ただし、第１運転領域Ａ１では、過給機３５が実質的に停止される自然吸気（Natural Aspiration）による運転が行われる一方、第２運転領域Ａ２では、過給機３５による過給が行われる。よって、以下では、上記第１、第２運転領域Ａ１，Ａ２での制御のことを、それぞれ「ＮＡ−ＨＣＣＩモード」および「過給ＨＣＣＩモード」と称する。

一方、上記第１、第２運転領域Ａ１，Ａ２よりも高負荷側に設定された第３、第４運転領域Ａ３，Ａ４は、ＨＣＣＩ燃焼ではなく、点火プラグ１１を用いた火花点火（Spark Ignition）をきっかけに混合気を火炎伝播により燃焼させるＳＩ燃焼の実行領域として設定されている。ただし、上記第３、第４運転領域Ａ３，Ａ４でのＳＩ燃焼は、一般的なＳＩ燃焼とは異なり、燃料の噴射時期および点火時期を遅めに設定しつつ混合気を急速な火炎伝播により燃焼させるというものである（その詳細については後述する）。また、第３運転領域Ａ３および第４運転領域Ａ４では、ともに排気ガスを排気通路３０から吸気通路２０に還流させる外部ＥＧＲが実行されるが、その外部ＥＧＲのために第１外部ＥＧＲ装置３９または第２外部ＥＧＲ装置４４のいずれを使用するかが異なる。以下では、第３運転領域Ａ３での制御のことを「第１リタードＳＩモード」と称し、第４運転領域Ａ４での制御のことを「第２リタードＳＩモード」と称する。

次に、図５に示される冷間時のマップについて説明すると、このマップにおけるエンジンの低負荷域には第５運転領域Ｂ１が設定され、これよりも負荷Ｔの高い中高負荷域には第６運転領域Ｂ２が設定されている。このマップ（図５）が使用される冷間時は、上述した温間時（図４）と異なり、ＨＣＣＩ燃焼は実行されず、いずれの運転領域でもＳＩ燃焼が実行される。ただし、低負荷側の第５運転領域Ｂ１では過給機３５による過給が停止され、高負荷側の第６運転領域Ｂ２では過給機３５による過給が行われる。以下では、第５運転領域Ｂ１での制御のことを「ＮＡ−ＳＩモード」と称し、第６運転領域Ｂ２での制御のことを「過給ＳＩモードと称する」。

再び図３に戻って、上記インジェクタ制御手段５２は、上記インジェクタ１０に内蔵された図外のニードル弁（インジェクタ１０の先端部の噴孔を開閉する弁）を電磁的に開閉することにより、インジェクタ１０から燃焼室５に噴射される燃料の噴射量や噴射時期を制御するものである。

上記吸気弁制御手段５３は、上記可変機構１７を駆動することにより、吸気弁８のリフト特性（開閉タイミング等）を変更する制御を実行するものである。

上記内部ＥＧＲ制御手段５４は、上記切替機構１８を駆動して排気弁９の吸気行程中の開弁（２度開き）を実行または停止することにより、燃焼室５に排気ガスを残留（逆流）させる操作（内部ＥＧＲ）の有無を切り替えるものである。

上記外部ＥＧＲ制御手段５５は、上記第１外部ＥＧＲ装置３９および第２外部ＥＧＲ装置４４の各ＥＧＲバルブ４１，４６の開度を制御することにより、排気通路３０から吸気通路２０に排気ガスを還流する操作（外部ＥＧＲ）の有無を切り替えるとともに、外部ＥＧＲの実行時に排気ガスの還流量（外部ＥＧＲ量）を調節するものである。

上記点火制御手段５６は、上記点火プラグ１１による火花点火のタイミング（点火時期）等を制御するものである。ただし、当実施形態において、点火プラグ１１は、エンジンがＳＩ燃焼により運転される場合や、混合気の自着火をアシストする着火アシストが必要な場合にのみ作動し、それ以外のときは基本的に（カーボン除去のために行われる吸気行程や排気行程中の点火動作を除いて）作動しない。

上記過給制御手段５７は、ウェストゲートバルブ４９の開度を制御することにより、過給機３５による過給の有無を切り替えるとともに、過給の実行時にその過給量を調節するものである。

（３）温間時の各運転領域における燃焼形態
次に、以上のような機能を有するＥＣＵ５０の制御に基づき、図４に示した温間時の各運転領域（Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４）で、それぞれどのような燃焼形態が選択されるのかを説明する。エンジンが温間状態で運転されているとき、ＥＣＵ５０は、上記クランク角センサＳＷ２およびアクセル開度センサＳＷ４の各検出値に基づいて、エンジンの運転ポイント（負荷Ｔおよび回転速度Ｎｅ）が図４の制御マップにおけるどの運転領域に該当するかを逐次判定する。そして、判定された運転領域が、図４中の第１〜第４運転領域Ａ１〜Ａ４の中のいずれであるかに応じて、それぞれ以下のような制御を実行する。

（ｉ）第１運転領域Ａ１（ＮＡ−ＨＣＣＩモード）
図６は、エンジンの運転ポイントが第１運転領域Ａ１にあるためにエンジンがＮＡ−ＨＣＣＩモードで運転されている場合の燃焼形態を説明するための図である。本図に示すように、このＮＡ−ＨＣＣＩモードでは、吸気行程中に噴射された燃料と空気とに基づく混合気をピストン４の圧縮作用によって自着火させる、一般的なＨＣＣＩ燃焼が実行される。

具体的に、当実施形態において、ＮＡ−ＨＣＣＩモードで運転されているときには、吸気行程中の所定時期にインジェクタ１０から燃焼室５に対し比較的少量の燃料が噴射（Ｐ１）される。また、図９に示すように、ウェストゲートバルブ４９が全開にされることにより、過給機３５が実質的に停止され、自然吸気によって吸気通路２０から燃焼室５に空気が導入される。そして、上記燃料噴射Ｐ１により噴射された少量の燃料と、吸気通路２０から燃焼室５に導入される空気（新気）とに基づき形成される均質でかつリーンな混合気が、ピストン４の圧縮作用により高温、高圧化し、圧縮上死点（圧縮行程と排気行程の間のＴＤＣ）付近で自着火する。すると、このような自着火に基づき、波形Ｑ１に示すような熱発生を伴う燃焼が生じることになる。

上記ＮＡ−ＨＣＣＩモードでは、燃焼室５内の混合気の空燃比（混合気に含まれる空気の質量を燃料の質量で割った実空燃比）を理論空燃比（１４．７）で割った値である空気過剰率λが２以上となるように設定される。ただし、このように大幅にリーンでかつ均質な空燃比下では、筒内温度を意図的に上昇させないと、失火が起きるおそれがある。そこで、上記ＮＡ−ＨＣＣＩモードでは、切替機構１８を駆動して排気弁９を吸気行程中に開弁させる、いわゆる排気弁９の２度開きを行うことにより、燃焼室５で生成された排気ガスを燃焼室５に逆流させる内部ＥＧＲが実行される。このように、高温の排気ガスを燃焼室５に逆流（残留）させることで、燃焼室５を高温化して、混合気の自着火を促進する。

上記内部ＥＧＲにより燃焼室５に残留する排気ガスの量（内部ＥＧＲ量）は、着火性が悪い低負荷側ほど多く設定され、逆に高負荷側ほど少なく設定される。上記可変機構１７に吸気弁８のリフト量を変更する機能が備わっている場合には、上記のように内部ＥＧＲ量を制御するために、負荷Ｔの増大とともに吸気弁８のリフト量を徐々に増大させる操作を、上記可変機構１７を用いて行うとよい。もしくは、当実施形態では排気弁９が１気筒あたり２つ設けられているので、吸気行程中に開弁（２度開き）される排気弁９の数を０，１，２の間で切り替えることにより、上記内部ＥＧＲ量を段階的に変化させることも可能である。この場合は、吸気弁８のリフト量を変更してなくても内部ＥＧＲ量を調節し得る。

なお、上記ＮＡ−ＨＣＣＩモードが実行される第１運転領域Ａ１のうち、燃料の噴射量が大幅に減らされる負荷Ｔの極めて低い（無負荷に近い）運転領域、あるいは、噴射された燃料の受熱期間（燃料が高温・高圧環境下に晒される実時間）が短くなる高回転側の領域では、たとえ内部ＥＧＲにより燃焼室５の高温化を図ったとしても、混合気が安定的に自着火しないおそれがある。そこで、このような運転領域では、点火プラグ１１の補助的な火花点火により混合気の一部を燃焼させ、その燃焼をきっかけに残りの混合気を自着火により燃焼させる、いわゆる着火アシストを行うとよい。

上記ＮＡ−ＨＣＣＩモードでは、上記のような排気弁９の２度開きに基づく内部ＥＧＲが実行されるため、外部ＥＧＲについては停止される。すなわち、上記第１、第２外部ＥＧＲ装置３９，４４の各ＥＧＲバルブ４１，４６の開度が全閉に設定されることにより、排気通路３０から吸気通路２０への排気ガスの還流が停止される。

（ii）第２運転領域Ａ２（過給ＨＣＣＩモード）
上記第１運転領域Ａ１よりも負荷Ｔが高い領域に設定された第２運転領域Ａ２では、過給ＨＣＣＩモードとして、図７に示すような制御が実行される。すなわち、過給ＨＣＣＩモードでは、上記ＮＡ−ＨＣＣＩモードのときと同じく混合気を自着火により燃焼（ＨＣＣＩ燃焼）させるために、吸気行程を含む所定時期に少なくとも１回の燃料噴射Ｐ２が実行される。また、図１０に示すように、排気通路３０を流れる排気ガスが全て過給機３５のタービン３６に流入するように、ウェストゲートバルブ４９が全閉にされ、これに伴ってタービン３６およびコンプレッサ３７が回転駆動されることにより、吸入空気の過給がフルに行われる。

そして、上記過給機３５の過給により多量に供給される空気（新気）と、上記燃料噴射Ｐ２により噴射された燃料とに基づいて、空気過剰率λが２以上（λ≧２）となるリーンな混合気が形成されるとともに、その混合気がピストン４の圧縮作用により圧縮上死点付近で自着火し、図７の波形Ｑ２に示すような熱発生を伴う燃焼が生じる。なお、上記過給ＨＣＣＩモードの実行領域である第２運転領域Ａ２は、上述したＮＡ−ＨＣＣＩモードの実行領域である第１運転領域Ａ１よりも負荷Ｔが高く、噴射される燃料の量も多くなるため、ここでの熱発生量（波形Ｑ２）は、第１運転領域Ａ１のときの熱発生量（図６の波形Ｑ１）よりも多くなる。

上記のように、負荷に応じた比較的多くの燃料が噴射される第２運転領域Ａ２では、燃料を吸気行程中の１回で噴射すると、特にその高負荷側の一部において、燃焼圧力が急上昇して大きな燃焼騒音が発生したり、燃焼温度が過度の高くなってＮＯｘの生成量が増大したりするおそれがある。そこで、第２運転領域Ａ２における高負荷側の一部では、吸気行程中の燃料噴射Ｐ２に加えて、圧縮行程の中期以降にも燃料噴射（図７に破線で示す噴射Ｐ２’）を実行するとよい。このように、必要量の燃料を吸気行程と圧縮行程の２回に分けて噴射するようにした場合には、燃料の受熱期間が平均的に短くなるとともに、特に圧縮行程の中期以降という遅めのタイミングで実行される２回目の燃料噴射Ｐ２’の気化潜熱によって圧縮上死点付近の燃焼室５の温度が低下するため、燃焼が緩慢化し、上記のような燃焼騒音やＮＯｘの増大が防止される。

また、上記過給ＨＣＣＩモードでは、吸気行程中に排気弁９を押し下げる機能を無効にするように切替機構１８が駆動され、排気弁９の吸気行程中の開弁（２度開き）が停止される。これにより、排気ガスが燃焼室５に逆流することがほとんどなくなり、内部ＥＧＲが禁止される。

一方、過給ＨＣＣＩモードでは、上記のように禁止された内部ＥＧＲに代わり、外部ＥＧＲが実行される。ここでの外部ＥＧＲは、当時実施形態では、第１外部ＥＧＲ装置３９を用いた外部ＥＧＲとされる。すなわち、第１外部ＥＧＲ装置３９のＥＧＲバルブ４１が開弁されることにより、過給機３５のタービン３６を通過した後の比較的圧力の低い排気ガスが、第１ＥＧＲ通路４０を通じて吸気通路２０に還流される。

上記（ｉ）（ii）で説明したように、エンジンの部分負荷域（第１、第２運転領域Ａ１，Ａ２）では、混合気の空気過剰率λを２以上とした大幅にリーンな環境下でＨＣＣＩ燃焼が実行される（ＮＡ−ＨＣＣＩモードおよび過給ＨＣＣＩモード）。このように大幅にリーンに設定された混合気をＨＣＣＩ燃焼させると、燃焼温度が大幅に低下するため、冷却損失を低減して熱効率（燃費）を向上させることができる。なお、λ≧２にまでリーンになると、三元触媒によるＮＯｘの浄化作用はほとんど期待できなくなるが、λ≧２での低温燃焼により生じるＮＯｘ量（生のＮＯｘ量）は大幅に少なくなるため、三元触媒以外に特別な触媒（例えばＮＯｘトラップ触媒）を設けなくても、排気ガス中に含まれるＮＯｘの量を十分に小さい値に抑制することができる。

ここで、上記のようなλ≧２でのＨＣＣＩ燃焼をエンジンの全ての負荷域で（エンジンの最高負荷まで）継続的に行わせることも考えられる。しかしながら、先にも述べたように、エンジン負荷Ｔがある程度高まれば（例えば第２運転領域Ａ２の高負荷側まで高まれば）、燃焼騒音やＮＯｘ生成量の問題から、燃料の分割噴射によって燃焼を緩慢化させる必要が生じる。このため、λ≧２でのＨＣＣＩ燃焼を第２運転領域Ａ２よりも高負荷側まで継続させるには、上記のような燃焼の緩慢化をさらに進める必要があり、そのためには、例えば必要量の燃料のうちの多くを圧縮行程の中期以降に噴射させたり、さらには、吸気弁８の閉時期に基づくエンジンの有効圧縮比を極端に低下させたりする必要がある。しかも、エンジンの最高負荷の近傍では、噴射される燃料の量がかなり多くなるため、そのような多量の燃料に対しλ≧２のリーンな空燃比を維持するには、過給機３５による過給量を極端に増大させる必要があり、過給機３５の要求性能が過大になってしまう。そして、過給量が増えすぎると、エンジンの排圧（タービン３６より上流側の排気ガスの圧力）が過度に上昇し、ポンプ損失が増大する結果、かえって熱効率が悪化することが懸念される。

そこで、本願発明者は、エンジンの主に高負荷域では、上記のようなλ≧２でのＨＣＣＩ燃焼ではなく、λ＝１（理論空燃比）でのＳＩ燃焼に切り替えた方が得策であるという結論に至った。ただし、単に従来通りのＳＩ燃焼に切り替えたのでは、高負荷域での熱効率が悪化し、燃費向上等の効果が減殺されてしまう。そこで、上記第２運転領域Ａ２よりも高負荷側の第３、第４運転領域Ａ３，Ａ４では、次のような特殊なＳＩ燃焼を実行させる。

（iii）第３、第４運転領域Ａ３，Ａ４（第１、第２リタードＳＩモード）
エンジンの最高負荷を含む比較的負荷の高い領域に設定された上記第３、第４運転領域Ａ３，Ａ４では、リタードＳＩモード（第１、第２リタードＳＩモード）として、図８に示すような制御が実行される。すなわち、圧縮行程の後期にインジェクタ１０から燃料を噴射させ（Ｐ３）、この燃料噴射Ｐ３の後に点火プラグ１１に火花点火を行わせることにより、圧縮上死点を過ぎたタイミング（膨張行程の初期）から火炎伝播により混合気を燃焼させる制御が実行される。なお、当明細書において、ある行程の「後期」とか「初期」とかいう場合は、その行程を初期、中期、後期に３分割したときの後期あるいは初期を指すものとする。例えば、圧縮行程の後期であれば、圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）６０〜０°ＣＡの範囲を指し、膨張行程の初期であれば、圧縮上死点後（ＡＴＤＣ）０〜６０°ＣＡの範囲を指すことになる。

また、上記第１、第２リタードＳＩモードでは、排気通路３０に排出された排気ガスを吸気通路２０に還流させる外部ＥＧＲが実行される。ただし、上記第３運転領域Ａ３で選択される第１リタードＳＩモードと、上記第４運転領域Ａ４で選択される第２リタードＳＩモードとでは、外部ＥＧＲを行うための装置として、第１外部ＥＧＲ装置３９および第２外部ＥＧＲ装置４４のいずれを使用するかが異なる。

具体的に、当実施形態において、エンジン回転速度Ｎｅが相対的に低い第３運転領域Ａ３（第１リタードＳＩモード）のときには、図１０に示すように、第１外部ＥＧＲ装置３９を用いた外部ＥＧＲが実行され、第３運転領域Ａ３よりも高回転側の第４運転領域Ａ４（第２リタードＳＩモード）のときには、図１１に示すように、第２外部ＥＧＲ装置４４を用いた外部ＥＧＲが実行される。このように、回転速度Ｎｅによって第１、第２外部ＥＧＲ装置３９，４４のいずれかを選択的に使用するのは、排気通路３０を通過する排気ガスの流量の相違に由来する。

すなわち、低回転側の第３運転領域Ａ３では、排気通路３０を通過する排気ガスの流量が少ないため、仮に第２外部ＥＧＲ装置４４を用いた外部ＥＧＲを行ったと仮定すると（図１１参照）、過給機３５のタービン３６よりも上流側から排気ガスが分流することにより、タービン３６に流入する排気ガスの流量が減少して、過給機３５の過給能力が十分に確保できなくなるおそれがある。一方、高回転側の第４運転領域Ａ４では、排気通路３０を通過する排気ガスの流量が多いため、仮に第１外部ＥＧＲ装置３９を用いてタービン３６よりも下流側から排気ガスを分流させたと仮定すると（図１０参照）、タービン３６に流入する排気ガスの流量が過剰になり、エンジンの排圧の過上昇や、それに基づくポンプ損失の増大を招くおそれがある。

以上のような事情から、当実施形態では、第３運転領域Ａ３（第１リタードＳＩモード）で第１外部ＥＧＲ装置３９を使用し（図１０）、第４運転領域Ａ４（第２リタードＳＩモード）で第２外部ＥＧＲ装置４４を使用するようにしている（図１１）。なお、第４運転領域Ａ４（第２リタードＳＩモード）では、エンジンの排圧（タービン３６よりも上流側の排気ガスの圧力）が過度に上昇しないように、図１１に示すように、ウェストゲートバルブ４９を１００％（全開）未満の範囲で開弁させ、排気ガスの一部をバイパス管４８に導入する（タービン３６をバイパスさせる）ようにしている。

上記第１、第２リタードＳＩモードでの燃料噴射Ｐ３のタイミングは、圧縮行程の後期（ＢＴＤＣ６０〜０°ＣＡ）における適宜のタイミングに設定される。また、同モードでの火花点火のタイミングは、膨張行程の初期（ＡＴＤＣ０〜６０°ＣＡ）の中でも比較的早めのタイミング、具体的には、ＡＴＤＣ０〜２０°ＣＡ程度の範囲内に設定される。ただし、エンジン回転速度Ｎｅが相対的に高い第４運転領域Ａ４で選択される第２リタードＳＩモードでは、低回転側の第３運転領域Ａ３で選択される第１リタードＳＩモードのときと比べて、燃料噴射Ｐ３および火花点火のタイミングが、上記のクランク角範囲の中でもより進角側に設定される。これは、単位時間あたりのクランク角の変化量が大きくなる高回転時においても、低回転時と同様のタイミングで混合気の燃焼を開始させるためである。

上記燃料噴射Ｐ３による噴射量は、燃焼室５全体の平均の空燃比が理論空燃比（空気過剰率λ＝１）となるような値に設定される。そして、燃料噴射Ｐ３に基づき形成される理論空燃比（λ＝１）の混合気は、上記燃料噴射Ｐ３の完了から比較的短い期間を空けたタイミング（図８の例では圧縮上死点の少し後）で実行される火花点火をきっかけに、通常よりも急速な火炎伝播によって燃焼し始め、図８の波形Ｑ３に示すように、膨張行程のそう遅くない時期までに燃焼を完了させる（このような急速な火炎伝播燃焼が実現される理由については後述する）。

次に、上記第１、第２リタードＳＩモードに基づきどのようなＳＩ燃焼が実現されるのかについてより具体的に説明する。なお、以下では、第１、第２リタードＳＩモードにより実現されるＳＩ燃焼のことを、「急速リタードＳＩ燃焼」と称する。

図１２は、第１、第２リタードＳＩモードによる急速リタードＳＩ燃焼（実線）の場合と、吸気行程中に燃料噴射を実行する従来のＳＩ燃焼（破線）の場合とで、熱発生率（上図）および未燃混合気の反応進行度（下図）がそれぞれどのように異なるかを概念的に示す説明図である。なお、この比較の前提として、エンジンの幾何学的圧縮比はともに１８とする。また、負荷Ｔおよび回転速度Ｎｅは同一であり、したがって燃料の噴射量も同一であるものとする。ただし、燃料噴射の圧力は、急速リタードＳＩ燃焼の方が、従来のＳＩ燃焼よりも大幅に高いものとする（例えば前者の噴射圧力が４０ＭＰａで後者の噴射圧力が７ＭＰａ）。

まず、従来のＳＩ燃焼では、吸気行程中に燃料噴射Ｐ’を実行する。燃焼室５では、その燃料噴射Ｐ’の後、ピストン４が圧縮上死点に至るまでの間に、十分に均質な混合気が形成される。そして、この例では、圧縮上死点を過ぎた遅めのタイミングで火花点火が実行され、それをきっかけに（所定の着火遅れ時間の後に）、時点θｉｇ’で火炎伝播による燃焼が開始される。その後は、図１２の上図に破線の波形で示すように、燃焼開始時期θｉｇ’から所定期間が経過した時点で熱発生率のピークを迎え、そこからさらに時間が経過した時点θｅｎｄ’で燃焼が完了する。

ここで、燃料噴射の開始から燃焼の終了までの間は、未燃混合気が存在し得る期間（未燃混合気の存在期間）ということができる。図１２の下図に破線で示すように、未燃混合気の反応は、上記未燃混合気の存在期間中に徐々に進行する。従来のＳＩ燃焼は、未燃混合気の存在期間が非常に長く、その間、未燃混合気の反応が進行し続けることから、火花点火後の火炎伝播の途中で未燃混合気が自着火する異常燃焼、つまりノッキングが起きてしまうという問題があった。特に、同一のクランク角変化量に対応する実時間が相対的に長くなるエンジンの低回転側では、ピストン４が混合気を圧縮している間に未燃混合気の反応がどんどん進行するため、火花点火に基づく燃焼開始時期θｉｇ’よりも早いタイミングで未燃混合気の反応度が着火しきい値を超えてしまい（つまり火花点火とは関係なく未燃混合気が自着火してしまい）、プリイグニッション（過早着火）を招く結果となってしまう。

以上のことから、当実施形態のような高圧縮比エンジンにおいて、第３、第４運転領域Ａ３，Ａ４のような高負荷域で従来のＳＩ燃焼を適用した場合（つまり吸気行程中のようなかなり早いタイミングで燃料を噴射した場合）には、たとえ火花点火のタイミングを調節しても、プリイグニッションまたはノッキングといった異常燃焼が避けられないということが分かる。

これに対し、急速リタードＳＩ燃焼では、上述したように、２０ＭＰａ以上（例えば３０〜４０ＭＰａ）という非常に高い噴射圧力で、しかも圧縮行程の後期（例えばＢＴＤＣ２０〜０°ＣＡ）という大幅に遅角した期間に燃料が噴射される（図８のＰ３）。このような高圧でかつ遅いタイミングの噴射（以下、高圧リタード噴射という）を行うことは、未燃混合気の存在期間を短縮し、異常燃焼を回避することにつながる。すなわち、未燃混合気の存在期間は、図１３にも示すように、インジェクタ１０からの燃料噴射に要する期間（（Ａ）噴射期間）と、噴射終了後、点火プラグ１１の周りに可燃混合気が形成されるまでの期間（（Ｂ）混合気形成期間）と、点火によって開始された燃焼が終了するまでの期間（（Ｃ）燃焼期間）とを足し合わせた時間、つまり、（Ａ）＋（Ｂ）＋（Ｃ）である。以下に説明するように、高圧リタード噴射は、噴射期間、混合気形成期間、および燃焼期間をそれぞれ短縮し、それによって未燃混合気の存在期間を短縮する。

まず、高い噴射圧力は、単位時間当たりにインジェクタ１０から噴射される燃料の量を相対的に多くする。このため、燃料噴射量を一定とした場合には、図１３の下段に示すように、噴射圧力が高いほど、上記噴射量を噴射するのに要する期間（噴射期間）は短くなる。したがって、噴射圧力が従来に比べて大幅に高く設定された高圧リタード噴射は、上記噴射期間（Ａ）の短縮に貢献する。

また、高い噴射圧力は、噴射された燃料噴霧の微粒化に有利になるとともに、燃料噴霧の貫徹力を強く（飛翔速度を速く）する。このため、噴射圧力が高いほど、燃料の蒸発に要する時間（燃料蒸発時間）は短くなり、点火プラグ１１の周りに噴霧が到達するまでの時間（噴霧到達時間）も短くなる。上記混合気形成期間（Ｂ）は、燃料蒸発時間と噴霧到達時間とを足し合わせた期間であるから、図１３の下段に示すように、噴射圧力が高いほど、上記混合気形成期間（Ｂ）は短くなる。したがって、噴射圧力の高い高圧リタード噴射は、上記混合気形成期間（Ｂ）の短縮に貢献する。

このように、高い噴射圧力によって燃料の噴射期間（Ａ）および混合気形成期間（Ｂ）を短縮することができれば、これに伴って、燃料の噴射タイミング、より正確には、噴射開始タイミングを遅らせることが可能になる。図１２および図８では、このような背景から、燃料噴射Ｐ３のタイミングが圧縮行程の後期にまで遅角されている。そして、圧縮行程の後期という遅いタイミングで燃料を高圧噴射することは、燃焼期間中の乱流エネルギーを増大させることにつながる。

すなわち、燃料噴射タイミングを圧縮行程後期にまで遅らせた場合、燃料の噴射圧力が高いほど乱流エネルギーは高くなる。これに対し、たとえ高い噴射圧力で燃焼室５に燃料を噴射したとしても、そのタイミングが早すぎる（例えば吸気行程中に噴射した）場合には、点火時期までの時間が長いことや、圧縮行程中にピストン４から圧縮を受けることに起因して、燃焼室５内の乱れは減衰してしまう。このため、吸気行程中のような早いタイミングで燃料噴射を行った場合には、燃焼期間中の乱流エネルギーは、噴射圧力の高低にかかわらず著しく低下してしまう。

燃焼期間中の乱流エネルギーは、これが高いほど燃焼期間を短くする作用をもたらす。したがって、噴射タイミングが圧縮行程後期である場合には、図１３の下段に示すように、噴射圧力が高いほど燃焼期間（Ｃ）が短くなる。つまり、圧縮行程の後期に高圧で燃料噴射する高圧リタード噴射は、上記燃焼期間（Ｃ）の短縮に貢献する。

なお、図１３の下段には、従来通りの低い噴射圧力で吸気行程中に燃料を噴射した場合の燃焼期間を白丸の点で示している。この従来の燃焼期間との比較からも明らかなように、２０ＭＰａ以上の高い噴射圧力で圧縮行程後期に燃料を噴射する当実施形態の高圧リタード噴射によれば、燃焼期間を大幅に短縮できることが分かる。

しかも、当実施形態のインジェクタ１０のように、１２個という多数の噴孔を有したインジェクタであれば、より乱流エネルギーが高まるため、燃焼期間の短縮により有利となる。

ここで、高圧リタード噴射（図８および図１２の燃料噴射Ｐ３）は、圧縮行程後期の所定時期に必要量の燃料を１回で噴射するものであってもよいが、圧縮行程後期の２回に分けて燃料を噴射するものであってもよい。後者のように、高圧リタード噴射を２回に分割した場合には、燃料の気化霧化の促進と乱流エネルギーの向上とをより高次元で両立することができる。

すなわち、燃料噴射Ｐ３を２回に分けた場合、その１回目の燃料噴射は、相対的に長い混合気形成期間を確保することにつながるため、燃料の気化霧化に有利である。そして、１回目の燃料噴射によって十分な混合気形成期間が確保される分、２回目の燃料噴射のタイミングは、より一層遅れたタイミングに設定することが可能になる。このことは、燃焼室５内の乱流エネルギーの向上に有利になり、燃焼期間の短縮に貢献する。この場合において、１回目の燃料噴射と２回目の燃焼噴射の割合は、２回目の燃料噴射の噴射量を、１回目の燃料噴射の噴射量よりも多く設定するとよい。このようにすることで、燃焼室５内の乱れエネルギーが十分に高まり、燃焼期間の短縮、ひいては異常燃焼の回避に有利になる。

さらに、圧縮行程後期に実行される上記燃料噴射Ｐ３の前に、予備噴射として、吸気行程中に少量の燃料を噴射するようにしてもよい。特に、上記第４運転領域Ａ４の高回転側では、圧縮行程後期に燃料噴射Ｐ３を実行した後、燃料の気化およびミキシング時間を十分に確保できないため、それを補うための措置として、吸気行程中に予備噴射を実行しておくことが考えられる。

以上のように、高圧リタード噴射は、燃料の噴射期間（Ａ）、混合気形成期間（Ｂ）、および燃焼期間（Ｃ）をそれぞれ短縮し、その結果、図１２に示したように、燃料の噴射開始時期θｉｎｊから燃焼終了時期θｅｎｄまでの期間（未燃混合気の存在期間）を、吸気行程中に燃料噴射する従来の場合と比較して大幅に短縮することができる。そして、当該期間の短縮により、圧縮比が高くしかも負荷Ｔの高い条件下であっても、異常燃焼を引き起こすことなく、適正な火炎伝播によって混合気を燃焼し切ることができる。すなわち、図１３の上段に示すように、低い噴射圧力で吸気行程噴射する従来のＳＩ燃焼では、白丸の点で示すように、未燃混合気の反応進行度が着火しきい値を超えてしまい、異常燃焼が発生してしまうのに対し、高圧リタード噴射を用いたＳＩ燃焼、つまり急速リタードＳＩ燃焼では、黒丸の点で示すように、未燃混合気の反応進行度が燃焼終了時期まで着火しきい値を越えないように反応の進行を抑制することができ、異常燃焼を回避することが可能になる。

しかも、急速リタードＳＩ燃焼では、燃焼期間（Ｃ）が大幅に短縮されることから、たとえ火花点火に基づく燃焼開始時期θｉｇが、図１２の例のように圧縮上死点からある程度遅れたタイミング（膨張行程初期）に設定されていたとしても、膨張行程がかなり進行するまで燃焼が緩慢に継続するといったことがなく、熱効率および出力トルクの低下が避けられる。もちろん、点火時期を図１２の例よりもさらに進角させれば、これに伴って燃焼開始時期θｉｇが圧縮上死点により近づくため、熱効率および出力トルクのさらなる向上が期待できるが、点火時期を早めると今度はノッキングが起き易くなるため、点火時期は、ノッキングを起こさないという制約の下、できるだけ進角側に設定される。このような事情から、点火時期は、上述したように、例えば圧縮上死点後（ＡＴＤＣ）０〜２０°ＣＡ程度の範囲内に設定される。このような範囲内に点火時期が設定されることで、圧縮上死点をある程度過ぎた適正なタイミングに燃焼開始時期θｉｇが設定され、ノッキングが回避される。

（iv）運転状態の変化に伴う制御の具体例
まず、エンジンの低速域で負荷Ｔのみが変化したときの制御例について説明する。図１４（ａ）〜（ｆ）は、エンジンの低速域内で負荷Ｔが低負荷から高負荷まで変動することにより、図４に示した領域判定マップにおいて、エンジンの運転ポイントが第１運転領域Ａ１→第２運転領域Ａ２→第３運転領域Ａ３へと変化し、これによってエンジンの制御モードが、ＮＡ−ＨＣＣＩモード→過給ＨＣＣＩモード→第１リタードＳＩモードと変化した場合の、各種制御パラメータの変化を示す図である。このうち、図１４（ａ）は、燃焼室５への燃料およびガス（新気およびＥＧＲガス）の充填量の内訳を示している。また、図１４（ｂ）はスロットルバルブ２４の開度、（ｃ）は排気２度開き（排気弁９の吸気行程中の開弁）の有無、（ｄ）は第１ＥＧＲバルブ４１の開度、（ｅ）は第２ＥＧＲバルブ４６の開度、（ｆ）はウェストゲートバルブ４９の開度をそれぞれ示している。

スロットルバルブ２４の開度は、図１４（ｂ）に示すように、エンジンの負荷Ｔにかかわらず（つまりいずれの制御モードかにかかわらず）、常に全開に維持される。

排気弁９は、図１４（ｃ）に示すように、ＮＡ−ＨＣＣＩモードのときに、排気行程だけでなく吸気行程でも開弁（２度開きＯＮ）され、過給ＨＣＣＩモードおよび第１リタードＳＩモードのときに、上記吸気行程中の開弁が禁止（２度開きＯＦＦ）されて、排気弁９は排気行程でのみ開弁される。これにより、燃焼室５に排気ガスを逆流（残留）させる内部ＥＧＲが、ＮＡ−ＨＣＣＩモードのときにのみ実行され、過給ＨＣＣＩモードおよび第１リタードＳＩモードのときには禁止される。

第１ＥＧＲバルブ４１の開度は、図１４（ｄ）に示すように、ＮＡ−ＨＣＣＩモードのときに全閉に設定される（つまり外部ＥＧＲが禁止される）。これに対し、過給ＨＣＣＩモードに移行すると、第１ＥＧＲバルブ４１が所定の中間開度まで開かれることにより、第１外部ＥＧＲ装置３９を用いた外部ＥＧＲ、つまりタービン３６を通過した後の比較的圧力の低い排気ガスを吸気通路２０に還流させる操作が開始される。さらに、第１リタードＳＩモードにまで移行すると、第１外部ＥＧＲバルブ４１の開度がさらに増大され（一旦全開に設定され）、その後は、負荷Ｔの増大とともに漸減される。このように、過給ＨＣＣＩモードから第１リタードＳＩモードへの移行時に第１外部ＥＧＲバルブ４１の開度を一旦増大させるのは、図１４（ａ）に示すように、過給ＨＣＣＩモードのときは、空気過剰率λが２以上（つまりλ＝１相当の新気に対し２倍以上の新気が燃焼室５に導入される）ことから、その分だけ外部ＥＧＲ量が少なく済む一方、第１リタードＳＩモードのときは、空気過剰率λが１であり、λ＝１相当の新気以外を全て外部ＥＧＲによる排気ガスで満たす必要があるからである。

第２ＥＧＲバルブ４６の開度は、図１４（ｅ）に示すように、エンジンの負荷Ｔにかかわらず（つまりいずれの制御モードかにかかわらず）、常に全閉に維持される。つまり、第２外部ＥＧＲ装置４４を用いた外部ＥＧＲは、ＮＡ−ＨＣＣＩモード、過給ＨＣＣＩモード、第１リタードＳＩモードのいずれにおいても実行されない。

ウェストゲートバルブ４９の開度は、図１４（ｆ）に示すように、ＮＡ−ＨＣＣＩモードのときに全開にされ、過給ＨＣＣＩモードおよび第１リタードＳＩモードのときに全閉にされる。これにより、ＮＡ−ＨＣＣＩモードのときは過給機３５が実質的に停止される一方、過給ＨＣＣＩモードおよび第１リタードＳＩモードのときは、過給機３５が駆動されて吸入空気の加圧が行われる。これにより、過給ＨＣＣＩモードおよび第１リタードＳＩモードでは、燃焼室５に充填される全ガス量（新気およびＥＧＲガスの合計の量）が、自然吸気時の最大値（ＮＡ時ｍａｘ）よりも多くなる。ただし、図１４に例示するエンジンの低速域では、排気ガスの流量が少なく、過給機３５による過給量は比較的早期に頭打ちになるため、負荷Ｔがある程度まで高まれば、充填ガス量がそれ以上増えることはない。

そして、以上のような各種パラメータ制御の結果として、図１４（ａ）のような筒内環境が実現される。すなわち、ＮＡ−ＨＣＣＩモード、過給ＨＣＣＩモード、第１リタードＳＩモードのいずれにおいても、負荷Ｔの増大とともに燃料の噴射量が徐々に増大され、かつこれに応じたλ＝１相当の新気が少なくとも確保される。一方、λ＝１相当の新気を除くその他のガス（余剰ガス）については、上記各モードで内訳が異なる。例えば、リーンＨＣＣＩモードのときは、余剰ガスが内部ＥＧＲガスと新気とによって構成され、過給ＨＣＣＩモードのときは、余剰ガスが外部ＥＧＲガスと新気とによって構成され、急速リタードＳＩモードのときは、余剰ガスが外部ＥＧＲガスのみによって構成される。これにより、空気過剰率λは、ＮＡ−ＨＣＣＩモードおよび過給ＨＣＣＩモードのときに２以上に設定され、第１リタードＳＩモードのときに１に設定される。なお、図１４（ａ）において、「λ＝１」および「λ＝２」の線は、空気過剰率λを１または２に設定するために必要な新気の量を表しており、「Ｇ／Ｆ＝３５」の線は、燃焼室５内の全ガス質量（新気およびＥＧＲガスの質量）を燃料の質量で割った値であるガス空燃比（Ｇ／Ｆ）を３５にするために必要なガス量を表している。

次に、エンジンの高速域で負荷Ｔのみが変化したときの制御例について説明する。図１５（ａ）〜（ｆ）は、エンジンの高速域内で負荷Ｔが低負荷から高負荷まで変動することにより、図４に示した領域判定マップにおいて、エンジンの運転ポイントが第１運転領域Ａ１→第２運転領域Ａ２→第４運転領域Ａ４へと変化し、これによってエンジンの制御モードが、ＮＡ−ＨＣＣＩモード→過給ＨＣＣＩモード→第２リタードＳＩモードと変化した場合の、各種制御パラメータの変化を示す図である。

図１５（ａ）〜（ｆ）によれば、ＮＡ−ＨＣＣＩモードのときと、過給ＨＣＣＩモードのときでは、先の図１４（ａ）〜（ｆ）において説明したケースと基本的に同じ制御が実行される。一方、第２リタードＳＩモードのときは、上記図１４（ａ）〜（ｆ）に示した第１リタードＳＩモードのときと異なり、第１ＥＧＲバルブ４１の開度（図１５（ｄ））が全閉に設定される一方、第２ＥＧＲバルブ４６の開度（図１５（ｅ））が全開に設定される。つまり、第２リタードＳＩモードのときは、第１リタードＳＩモードのときと異なり、第１外部ＥＧＲ装置３９を用いた外部ＥＧＲが禁止され、第２外部ＥＧＲ装置４４を用いた外部ＥＧＲに切り替えられる。これにより、外部ＥＧＲガスとしては、タービン３６を通過する前の比較的高い圧力の排気ガスが還流されることになる。

また、第２リタードＳＩモードのときは、上記第１リタードＳＩモードのときと異なり、ウェストゲートバルブ４９の開度が全開（１００％）よりも低い中間開度に設定される。より具体的には、過給ＨＣＣＩモードから第２リタードＳＩモードへの移行時に、ウェストゲートバルブ４９の開度が全閉（０％）から全開（１００％）未満の中間開度に設定され、その後、負荷Ｔの増大とともに漸減される。これは、図１５に例示したエンジンの高速域では、図１４のようなエンジンの低速域よりも排気ガスの流量が多く、排気ガスのエネルギーが高いからである。すなわち、第２リタードＳＩモードの実行領域（第４運転領域Ａ４）のような高回転・高負荷でかつλ＝１の燃焼が行われる運転領域（つまり排気ガスのエネルギーが高まる運転領域）では、ウェストゲートバルブ４９を全閉にしなくても、過給機３５による過給量が十分に確保されるため、排気ガスの一部をタービン３６からバイパスさせるべく、ウェストゲートバルブ４９の開度を中間開度に設定するようにしている。このように、排気ガスのエネルギーが最も高まる第４運転領域Ａ４で、ウェストゲートバルブ４９の開度を全開よりも低い中間開度に設定することにより、過給機３５による過給量が過剰になってポンプ損失が増大することが防止されるようになっている。

エンジンの高速域では、以上のような各種パラメータ制御により、図１５（ａ）のような筒内環境が実現される。本図に示すように、ＮＡ−ＨＣＣＩモード、過給ＨＣＣＩモード、および第２リタードＳＩモードの各モードにおいて、燃焼室５に充填されるガスの種類および空気過剰率λの値は、先に説明した図１４（ａ）のときと同様である。ただし、図１５（ａ）の場合は、排気ガスの流量が多く、過給機３５による過給量が十分に確保されるため、図１４（ａ）のときと異なり、過給ＨＣＣＩモードおよび第２リタードＳＩモードのときの全ガス量は、自然吸気時の最大値（ＮＡ時ｍａｘ）を越えて上昇し続ける。このため、燃焼室５内のガス空燃比（Ｇ／Ｆ）は、全ての負荷域に亘って３５以上に維持される。

（４）冷間時の各運転領域における燃焼形態
次に、図５に示したエンジンの冷間時の各運転領域（Ｂ１，Ｂ２）での燃焼形態について簡単に説明する。エンジンの冷間時は、混合気の着火性が悪いため、エンジンの全ての運転領域で、混合気を自着火させるＨＣＣＩ燃焼ではなく、火花点火を用いたＳＩ燃焼が実行される。

具体的に、エンジン冷間時の低負荷域に設定された第５運転領域Ｂ１では、ＮＡ−ＳＩモードとして、過給機３５を実質的に停止した自然吸気によるＳＩ燃焼が実行される。このＮＡ−ＳＩモードでのＳＩ燃焼は、従来のＳＩ燃焼と基本的に同じである。つまり、吸気行程中に燃料が噴射され、それに基づくλ＝１（理論空燃比）の混合気に対し、圧縮上死点の少し手前で火花点火が実行されることにより、火炎伝播による燃焼が圧縮上死点付近から開始される。

一方、上記第５運転領域Ｂ１よりも高負荷側の第６運転領域Ｂ２では、過給ＳＩモードとして、過給機３５を作動させながらのＳＩ燃焼が実行される。すなわち、この過給ＳＩモードでは、ウェストゲートバルブ４９が閉弁されて排気ガスがタービン３６に流入することにより、過給機３５による吸入空気の加圧（過給）が行われるとともに、吸気行程中の燃料噴射に基づく混合気が火花点火をきっかけに圧縮上死点付近から火炎伝播燃焼を開始する。

ただし、当実施形態のように、幾何学的圧縮比が１４以上に設定された高圧縮比エンジンでは、たとえ冷間時であっても、特に高負荷域においてプリイグニッションやノッキングといった異常燃焼が起きるおそれがある。そこで、上記過給ＳＩモードが実行される第６運転領域Ｂ２のうち、少なくとも高負荷側の一部では、上記可変機構１７を駆動することにより、図１６に示すように、吸気弁８の閉時期（ＩＶＣ）を吸気下死点（吸気行程と圧縮行程の間の下死点ＢＤＣ）よりも早い時期に変更する。これにより、エンジンの有効圧縮比が幾何学的圧縮比よりも小さい値に設定され、圧縮端圧力・温度（圧縮上死点付近での筒内圧力および筒内温度）が低下するため、混合気が自着火し難くなり、プリイグニッションやノッキングが回避される。

なお、エンジンの有効圧縮比を低下させる操作は、吸気弁８の閉時期（ＩＶＣ）を吸気下死点（ＢＤＣ）よりも遅い時期（例えば図１６のＸ）に変更することによっても可能である。しかしながら、このようにした場合には、圧縮行程に移行した後もしばらく吸気弁８が開き続けることにより、燃焼室５に一旦導入された空気が再び吸気ポート６に吹き返される、いわゆる吸気の吹き返しが起きるようになる。この吹き返された吸気は、吸気ポート６内の熱によって高温化し、次の吸気行程で再び燃焼室５に導入されるため、燃焼室５内の空気の温度が上昇して、異常燃焼が起き易い環境がつくり出されてしまう。

このように、エンジンの有効圧縮比を低下させるために吸気弁８の閉時期（ＩＶＣ）を下死点（ＢＤＣ）よりも遅くした場合には、下死点より早めた場合と比較して、異常燃焼を回避する効果が相対的に低くなってしまう。したがって、異常燃焼を確実に回避するには、吸気弁８の閉時期（ＩＶＣ）を下死点（ＢＤＣ）に対しより遅角側まで変更することにより、有効圧縮比の低下幅をより大きく確保する必要が生じる。

このような観点から、当実施形態では、エンジンの冷間時における少なくとも高負荷域（第６運転領域Ｂ２の高負荷側の一部）で、有効圧縮比を低下させるために吸気弁８の閉時期を吸気下死点よりも早いタイミングに設定している。これにより、吸気弁８の閉時期を吸気下死点よりも遅くした場合と比較して、有効圧縮比の低下幅が小さく済み、エンジン出力や燃費の犠牲が最小限に抑えられる。

（５）作用効果等
以上説明したように、当実施形態の過給機付き火花点火式エンジンでは、少なくともエンジンの温間時における高負荷域を含んだ第３、第４運転領域Ａ３，Ａ４（図４）で、点火プラグ１１の火花点火による火炎伝播燃焼を圧縮上死点を過ぎてから開始させるリタードＳＩモード（第１、第２リタードＳＩモード）が実行される一方、このリタードＳＩモードの実行領域（Ａ３，Ａ４）よりも負荷Ｔの低い第２運転領域Ａ２では、過給機３５に過給を行わせつつ混合気を自着火により燃焼させる過給ＨＣＣＩモードが実行される。そして、上記過給ＨＣＣＩモードでは、過給により多量の空気を燃焼室５に導入することで混合気の空気過剰率λをλ≧２に設定するとともに、このλ≧２のリーンな混合気を圧縮上死点付近から自着火により燃焼させる制御が実行され、上記リタードＳＩモードでは、混合気の空気過剰率λをλ＝１（理論空燃比）に設定するとともに、インジェクタ１０からの２０ＭＰａ以上の噴射圧力による燃料噴射と、点火プラグ１１による火花点火とを、圧縮行程後期から膨張行程初期までの期間内に実行することにより、圧縮上死点を所定期間以上過ぎてから混合気を火炎伝播により急速に燃焼させる制御が実行される。このような構成によれば、ＨＣＣＩ燃焼とＳＩ燃焼とを使い分けながら、熱効率が高くかつエミッション性に優れた燃焼を高負荷域まで適正に継続させることができるという利点がある。

すなわち、上記実施形態では、エンジンの温間時における所定の負荷域（第２運転領域Ａ２）で、過給機３５により過給された多量の空気に基づくλ≧２の混合気を自着火により燃焼（ＨＣＣＩ燃焼）させることにより、燃焼温度が十分に低く抑えられるため、燃焼により生じるＮＯｘ量（生のＮＯｘ量）を大幅に低減できるとともに、熱効率を効果的に向上させることができる。

一方、エンジンの温間時における上記ＨＣＣＩ燃焼の実行領域よりも高負荷側（第３、第４運転領域Ａ３，Ａ４）では、圧縮行程の後期以降という遅めのタイミングで２０ＭＰａ以上の高圧噴射（燃料噴射Ｐ３）を実行するとともに、それに基づくλ＝１の混合気に対し火花点火を実行することにより、この火花点火をきっかけに、圧縮上死点を過ぎてから（つまり筒内温度・圧力がある程度低下してから）混合気を急速に火炎伝播により燃焼（ＳＩ燃焼）させることができる。このため、吸気行程等の早いタイミングで燃料を噴射させる従来のＳＩ燃焼と異なり、プリイグニッションやノッキングといった異常燃焼の発生を確実に回避しながら、燃焼期間の短い熱効率に優れた燃焼を実現することができる。特に、混合気の空気過剰率λがλ＝１（理論空燃比）に設定されるため、λ≧２のリーンな空燃比を維持した場合と異なり、吸入空気の過給量を極端に増大させる必要がなく、エンジンの排圧が過度に上昇することによるポンプ損失の増大や、それに基づく燃費の悪化を招くことがない。また、λ＝１での燃焼であれば、触媒コンバータ２８に内蔵された三元触媒のみによってＮＯｘを十分に浄化することが可能であり、エミッション性についても良好に確保される。

また、上記実施形態では、インジェクタ１０として、多数の（当実施形態では１２個の）噴孔を有した多噴孔型のインジェクタが設けられているため、上記リタードＳＩモードのときに、インジェクタ１０の燃料噴射Ｐ３に基づき生成される乱流エネルギーがより高まるとともに、燃料の気化霧化がより促進されるため、燃焼期間をより短縮して熱効率を向上させることができる。

また、上記実施形態では、過給ＨＣＣＩモードの実行領域（第２運転領域Ａ２）で、第１外部ＥＧＲ装置３９を用いた外部ＥＧＲ（排気通路３０から吸気通路２０へ排気ガスを還流させる操作）が実行されるため、λ≧２のリーンな空燃比を実現するための過給量を適正に確保しつつ、混合気の燃焼温度をより低下させてＮＯｘ生成量を効果的に低減できるという利点がある。

また、上記実施形態では、過給ＨＣＣＩモードの実行領域（第２運転領域Ａ２）よりも低負荷側（第１運転領域Ａ１）で、過給機３５による過給を行うことなく混合気を自着火により燃焼させるＮＡ−ＨＣＣＩモードが実行され、当該モードでは、燃焼により生じた高温の排気ガスを燃焼室５に残留させる内部ＥＧＲが実行される。このような構成によれば、エンジン負荷Ｔが低く混合気の着火性が悪い運転領域で、内部ＥＧＲを駆使して燃焼室５の高温化を図ることにより、混合気を自着火により確実に燃焼させることができる。

また、上記実施形態では、リタードＳＩモードの実行領域（第３、第４運転領域Ａ３，Ａ４）のうち低回転側の一部に設定された第３運転領域Ａ３で、第１外部ＥＧＲ装置３９を用いた外部ＥＧＲが実行される一方、上記第３運転領域Ａ３よりも高回転側の第４運転領域Ａ４では、第２外部ＥＧＲ装置４４を用いた外部ＥＧＲが実行される。このように、回転速度Ｎｅが低く排気ガスの流量が少ない第３運転領域Ａ３で、第１外部ＥＧＲ装置３９を用いてタービン３６を通過した後の排気ガスを吸気通路２０に還流させる一方、回転速度Ｎｅが高く排気ガスの流量が多い第４運転領域Ａ４で、第２外部ＥＧＲ装置４４を用いてタービン３６を通過する前の排気ガスを吸気通路２０に還流させるようにした場合には、低回転側での過給性能の確保と高回転側でのポンプ損失の低減とを両立できるという利点がある。

すなわち、排気ガスの流量が少ない低回転側の第３運転領域Ａ３では、タービン３６を通過した後の排気ガスが吸気通路２０に還流されることにより、タービン３６に流入する排気ガスの量が減少することによる過給能力の低下が防止される。一方、排気ガスの流量が多い高回転側の第４運転領域Ａ４では、タービン３６を通過した後の排気ガスが吸気通路２０に還流されることにより、タービン３６に無用に多くの排気ガスが流入することによるポンプ損失の増大が防止される。

また、上記実施形態において、エンジンが冷間状態にあるときは、エンジンの低負荷域を除く第６運転領域Ｂ２（図５）で、過給機３５に過給を行わせつつ混合気を火花点火により燃焼させる過給ＳＩモードが実行されるとともに、この過給ＳＩモードの実行領域（Ｂ２）における少なくとも高負荷側の一部で、可変機構１７が駆動されて吸気弁８の閉時期が吸気下死点よりも早いタイミングに設定される。このような構成によれば、エンジンの冷間時であっても、負荷Ｔが高いために異常燃焼（プリイグニッションやノッキング）が起き易い状況では、吸気弁８の閉時期を吸気下死点よりも早めることにより、エンジンの有効圧縮比を低下させて異常燃焼を防止することができる。しかも、有効圧縮比の低下のために吸気弁８の閉時期を吸気下死点よりも遅くした場合と異なり、吸気ポート６に吹き返された空気が再び燃焼室５に導入されることによる燃焼室５の高温化を回避でき、異常燃焼の防止効果をより高めることができる。この結果、有効圧縮比の低下幅を低く抑えることができ、エンジン出力や燃費の犠牲を最小限に抑えることができる。

なお、上記実施形態では特に言及しなかったが、第１外部ＥＧＲ装置３９のＥＧＲ通路４０に、ＥＧＲクーラ４２をパイパスするためのバイパス管を設けてもよい。このバイパス管を通じて排気ガスを吸気通路２０に還流させた場合には、排気ガスが比較的高温を維持しながら燃焼室５に導入されることになるので、混合気の着火性が悪いときにこのような操作を行えば、混合気の着火性を改善することができる。例えば、過給ＨＣＣＩモードの実行領域（第２運転領域Ａ２）における高回転側の一部では、燃料の受熱期間（燃料が高温・高圧に晒される実時間）が短く、混合気の自着火が比較的起き難い。そこで、このような運転領域に移行したときに、上記のようなバイパス管を通じてＥＧＲクーラ４２を介さず排気ガスを還流させることにより、燃焼室５を高温化させて混合気を確実に自着火させることができる。

また、上記実施形態では、エンジンの温間時における主に中負荷域に設定された第２運転領域Ａ２と、この第２運転領域Ａ２よりも負荷Ｔの高い領域における低回転側の一部に設定された第３運転領域Ａ３とにおいて、第１外部ＥＧＲ装置３９を用いた外部ＥＧＲを実行し、上記第２運転領域Ａ２よりも負荷Ｔが高くかつ第３運転領域Ａ３よりも回転速度Ｎｅが高い第４運転領域Ａ４で、第２外部ＥＧＲ装置４４を用いた外部ＥＧＲを実行するようにしたが、これはあくまで一例に過ぎず、いずれの運転領域でいずれの外部ＥＧＲ装置を用いるかは、エンジンの特性等によって適宜変更可能である。

また、上記実施形態では、インジェクタ１０が多噴孔型のインジェクタであり、その先端部に１２個の噴孔が設けられるものとしたが、噴孔の数は１２個に限られず、１２個より多くても少なくてもよい。ただし、噴孔の数があまりに少ないと、インジェクタ１０から噴射された燃料の濃度が周方向に大きくばらつくことになる。このため、噴孔の数は８個以上とすることが望ましい。噴孔の数が８個以上であれば、特に燃料噴射時期が圧縮行程の後期以降にまで遅らされるリタードＳＩモード（第１、第２リタードＳＩモード）において、インジェクタ１０からの燃料噴射の後、ごく短時間で、周方向にほぼ均一な空燃比をもった混合気を形成することができ、その後の燃焼を適正に行わせることができる。

また、上記実施形態では、インジェクタ１０からの燃料の噴射圧力を、２０ＭＰａ以上で一定としたが、噴射圧力は一定でなくてもよく、運転領域に応じて可変的に設定されるものであってもよい。ただし、この場合でも、少なくとも急速リタードＳＩモードの実行領域（第３、第４運転領域Ａ３，Ａ４）では、燃料噴射圧力が２０ＭＰａ以上に設定される。

８ 吸気弁
１０ インジェクタ
１１ 点火プラグ
１７ 可変機構
２０ 吸気通路
３０ 排気通路
３５ 過給機
３６ タービン
３７ コンプレッサ
３９ 第１外部ＥＧＲ装置
４４ 第２外部ＥＧＲ装置
５０ ＥＣＵ（制御手段）

Claims (6)

1. 吸入空気を加圧する過給機と、燃焼室に燃料を噴射するインジェクタと、インジェクタから噴射された燃料に基づき燃焼室に形成された混合気に対し火花を放電する点火プラグと、上記過給機、インジェクタ、および点火プラグを含む各部の動作を制御する制御手段とを備えるとともに、幾何学的圧縮比が１４以上に設定された過給機付き火花点火式エンジンであって、
   上記制御手段は、少なくともエンジンの温間時における高負荷域で、上記点火プラグの火花点火による火炎伝播燃焼を圧縮上死点を過ぎてから開始させるリタードＳＩモードを実行する一方、このリタードＳＩモードの実行領域よりも負荷の低い所定の負荷域では、上記過給機に過給を行わせつつ混合気を自着火により燃焼させる過給ＨＣＣＩモードを実行するものであり、
   上記過給ＨＣＣＩモードでは、過給により多量の空気を燃焼室に導入することで混合気の空気過剰率λをλ≧２に設定するとともに、このλ≧２のリーンな混合気を圧縮上死点付近から自着火により燃焼させる制御が実行され、
   上記リタードＳＩモードでは、混合気の空気過剰率λをλ＝１に設定するとともに、上記インジェクタからの２０ＭＰａ以上の噴射圧力による燃料噴射と、上記点火プラグによる火花点火とを、圧縮行程後期から膨張行程初期までの期間内に実行することにより、圧縮上死点を所定期間以上過ぎてから混合気を火炎伝播により急速に燃焼させる制御が実行される
   ことを特徴とする過給機付き火花点火式エンジン。
2. 請求項１記載の過給機付き火花点火式エンジンにおいて、
   上記インジェクタは、複数の噴孔を有する多噴孔型のインジェクタである
   ことを特徴とする過給機付き火花点火式エンジン。
3. 請求項１または２記載の過給機付き火花点火式エンジンにおいて、
   上記燃焼室から排気通路に排出された排気ガスを吸気通路に還流させる外部ＥＧＲ装置をさらに備え、
   上記過給ＨＣＣＩモードでは、上記外部ＥＧＲ装置による排気ガスの還流操作が実行される
   ことを特徴とする過給機付き火花点火式エンジン。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の過給機付き火花点火式エンジンにおいて、
   上記制御手段は、上記過給ＨＣＣＩモードの実行領域よりも低負荷側で、上記過給機による過給を行うことなく混合気を自着火により燃焼させるＮＡ−ＨＣＣＩモードを実行し、
   上記ＮＡ−ＨＣＣＩモードでは、燃焼により生じた高温の排気ガスを燃焼室に残留させる内部ＥＧＲが実行される
   ことを特徴とする過給機付き火花点火式エンジン。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の過給機付き火花点火式エンジンにおいて、
   上記過給機は、エンジンの排気通路に配設されたタービンと、エンジンの吸気通路に配設され、上記タービンの回転により駆動されるコンプレッサとを有し、
   上記吸気通路および排気通路の間には、上記タービンより下流側の排気通路から分岐した排気ガスを吸気通路に還流させる第１外部ＥＧＲ装置と、上記タービンよりも上流側の排気通路から分岐した排気ガスを吸気通路に還流させる第２外部ＥＧＲ装置とが設けられ、
   上記リタードＳＩモードの実行領域における低回転側の一部では、上記第１外部ＥＧＲ装置による排気ガスの還流操作が実行される一方、上記リタードＳＩモードの実行領域における残余の領域では、上記第２外部ＥＧＲ装置による排気ガスの還流操作が実行される
   ことを特徴とする過給機付き火花点火式エンジン。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の過給機付き火花点火式エンジンにおいて、
   少なくとも吸気弁の閉時期を可変的に設定する可変機構をさらに備え、
   上記制御手段は、エンジンの冷間時における中高負荷域で、上記過給機に過給を行わせつつ混合気を火花点火により燃焼させる過給ＳＩモードを実行するとともに、この過給ＳＩモードの実行領域における少なくとも高負荷側の一部で、上記可変機構を駆動して上記吸気弁の閉時期を下死点よりも早いタイミングに設定する
   ことを特徴とする過給機付き火花点火式エンジン。

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