JP2020176573A - 予混合圧縮着火式エンジンの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高負荷域での異常燃焼の抑制とエミッション性能の向上とを両立する。【解決手段】本発明の制御装置は、インジェクタから噴射された燃料を空気と混合しつつ自着火により燃焼させる予混合圧縮着火燃焼が可能なエンジンに適用される。エンジンの高負荷域Ｄでは、混合気が予混合圧縮着火燃焼するように、バルブ可変機構を駆動して所定量以上のバルブオーバーラップ期間を形成しつつ、圧縮行程中に燃料を噴射する後段噴射と、吸気行程または圧縮行程前半に含まれかつ後段噴射よりも早い時期に燃料を噴射する前段噴射とをインジェクタに実行させる。高負荷域Ｄにおける低速側の一部を第１領域Ｄ１１、高負荷域Ｄにおける高速側の一部を第２領域Ｄ１２としたとき、後段噴射の開始時期は第２領域Ｄ１２よりも第１領域Ｄ１１で遅くされ、バルブオーバーラップ期間は第２領域Ｄ１２よりも第１領域Ｄ１１で長くされる。【選択図】図１３

Description

本発明は、燃焼室に噴射された燃料を空気と混合しつつ自着火により燃焼させる予混合圧縮着火燃焼が可能なエンジンを制御する装置に関する。

近年、空気と混合されたガソリン燃料を燃焼室内で自着火により燃焼させる予混合圧縮着火燃焼（ＨＣＣＩ燃焼）が注目されている。予混合圧縮着火燃焼は、混合気が同時多発的に燃焼する形態であるため、通常のガソリンエンジンにおいて採用されるＳＩ燃焼（火花点火燃焼）に比べて、混合気の燃焼速度が速く、燃費性能（熱効率）の面で非常に有利だと言われている。

上記予混合圧縮着火燃焼の一種として、混合気の自着火による燃焼と点火プラグを用いた強制燃焼とを組み合わせた燃焼形式が提案されている。すなわち、火花点火をきっかけに混合気の一部を火炎伝播により強制的に燃焼（ＳＩ燃焼）させ、その他の混合気を自着火により燃焼（ＣＩ燃焼）させるのである。以下では、このような燃焼のことを部分圧縮着火燃焼という。

上記部分圧縮着火燃焼を採用したエンジンの一例として、下記特許文献１のものが知られている。具体的に、この特許文献１のエンジンでは、部分圧縮着火燃焼（同文献中ではＳＩ−ＣＩ燃焼と称されている）の実行時に、１サイクル中の全熱発生量に対するＳＩ燃焼による熱発生量の割合であるＳＩ率が、エンジン負荷（目標トルク）に応じて定まる目標値（目標ＳＩ率）に一致するように、燃焼室内のＥＧＲ率や点火プラグによる火花点火の時期等が制御される。

特開２０１８−０８４１８３号公報

ここで、上記特許文献１のエンジンでは、混合気の部分圧縮着火燃焼を可能とするために、幾何学的圧縮比が比較的高い値（例えば１７以上２０以下）に設定されている。このような高い圧縮比は、特にエンジンの高負荷域においてプリイグニッションやノッキング等の異常燃焼を誘発し易い。この点、上記特許文献１では、高負荷域での燃焼形式を部分圧縮着火燃焼からＳＩ燃焼に切り替える、つまり混合気の全てを火花点火により強制燃焼させる燃焼形式に切り替えるようにしている。しかしながら、このようにエンジンの高負荷域において部分圧縮着火燃焼を禁止する（全ての混合気をＳＩ燃焼させる）ようにした場合には、異常燃焼を回避することはできても、十分な燃費向上効果は得られなくなる。

これに対し、高負荷域での部分圧縮着火燃焼を可能にするべく、吸気行程だけでなく圧縮行程でも燃料を噴射することが提案される。圧縮行程中の燃料噴射によって燃焼室の温度上昇が抑制され、このことが異常燃焼の抑制に働くと考えられるからである。しかしながら、異常燃焼抑制のために圧縮行程中の燃料噴射量をみやみに増やした場合には、スモークの発生やＮＯｘの増大につながる局所リッチな混合気が燃焼室に形成され易くなり、エンジンのエミッション性能が悪化するおそれがある。

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、高負荷域での異常燃焼の抑制とエミッション性能の向上とを両立することが可能な予混合圧縮着火式エンジンの制御装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本願発明者等は、燃焼室の掃気作用（高温の既燃ガスを燃焼室から排出する作用）を高負荷域で十分に高めることにより、当該高負荷域での部分圧縮着火燃焼の正常化のために必要とされる圧縮行程中の燃料噴射（以下、後段噴射という）への依存度を下げることを検討した。そして、検討の結果、吸・排気弁の双方が開弁するバルブオーバーラップ期間を適切に設定すれば、十分な掃気作用が発揮されて高負荷域での後段噴射への依存度が下がり、過度な後段噴射が不要になって良好なエミッション性能が確保されることが分かった。このことは、部分圧縮着火燃焼（つまり混合気の一部を予混合圧縮着火燃焼させる燃焼形態）を採用した場合に限らず、混合気の全てを予混合圧縮着火燃焼させる燃焼形態を採用した場合でも同様である。

本発明は、前記のような知見に基づきなされたものである。すなわち、本発明は、燃焼室と、燃焼室に燃料を噴射するインジェクタと、燃焼室に吸気を導入するための吸気ポートを開閉する吸気弁と、燃焼室から排気ガスを排出するための排気ポートを開閉する排気弁とを備え、前記インジェクタから噴射された燃料を空気と混合しつつ自着火により燃焼させる予混合圧縮着火燃焼が可能なエンジンを制御する装置であって、前記吸気弁の開弁期間と前記排気弁の開弁期間とが重複するバルブオーバーラップ期間を変更可能なバルブ可変機構と、エンジン負荷が高い高負荷域において、前記インジェクタから噴射された燃料と空気との混合気が予混合圧縮着火燃焼するように、前記バルブ可変機構を駆動して所定量以上の前記バルブオーバーラップ期間を形成しつつ、圧縮行程中に燃料を噴射する後段噴射と、吸気行程または圧縮行程前半に含まれかつ後段噴射よりも早い時期に燃料を噴射する前段噴射とを前記インジェクタに実行させる燃焼制御部とを備え、前記高負荷域における低速側の一部を第１領域、前記高負荷域における高速側の一部を第２領域としたとき、前記燃焼制御部は、前記後段噴射の開始時期が前記第２領域よりも前記第１領域で遅くなるように前記インジェクタを制御するとともに、前記バルブオーバーラップ期間が前記第２領域よりも前記第１領域で長くなるように前記バルブ可変機構を制御する、ことを特徴とするものである（請求項１）。

本発明によれば、熱発生量が多くなるエンジンの高負荷域において、吸気行程等の比較的早い時期に燃料を噴射する前段噴射に加えて、圧縮行程中に燃料を噴射する後段噴射が実行されるので、圧縮行程中の燃焼室の温度上昇を後段噴射の気化潜熱により低下させることができ、前記高負荷域において懸念される異常燃焼の発生を効果的に抑制することができる。

特に、高負荷域における低速側の一部である第１領域では、高速側の第２領域に比べて、後段噴射の開始時期が遅くされかつバルブオーバーラップ期間が拡大されるので、異常燃焼のリスクに見合った十分な温度抑制効果を得ることができる。

すなわち、第１領域での後段噴射の開始時期が圧縮行程の中でもより遅角側のタイミングに設定されることにより、燃焼室が圧縮により温度上昇したタイミングで後段噴射による燃料の気化潜熱を作用させることができ、当該気化潜熱による燃焼室の冷却効果を高めることができる。また、同じく第１領域においてバルブオーバーラップ期間が拡大されることにより、このバルブオーバーラップ期間中に吸気ポートから排気ポートへと吹き抜ける吸気の流れが形成される結果、燃焼室内に残留する既燃ガスの排気ポートへの排出が促進され、掃気作用を高めることができる。このことは、上述した後段噴射による燃料の気化潜熱の効果と相俟って、圧縮行程中の燃焼室の温度上昇を十分に抑制することにつながるので、圧縮行程の途中で生じ得る燃料の低温酸化反応を抑制することができ、混合気が過早に着火する異常燃焼であるプリイグニッションを抑制することができる。

低温酸化反応とは、火炎を伴いながら高い熱エネルギーを発生させる高温酸化反応（実質的な燃焼反応）よりも前に生じる緩慢な酸化反応のことであり、燃焼室が高温になる圧縮行程の後期に生じ得ることが知られている。本願発明者等の知見によれば、この低温酸化反応は、前記第１領域のような運転条件、つまり回転速度が低くかつ負荷が高い条件下で顕著に出現し易い。しかも、低温酸化反応が顕著に出現すると、その反応熱によって燃焼室内の混合気（燃焼前の混合気）の温度が上昇するので、正規の燃焼開始時期よりも早くに混合気が自着火する現象であるプリイグニッションの発生確率が高くなる。これに対し、本発明では、第１領域での運転時に、バルブオーバーラップ期間が拡大されかつ後段噴射の開始時期が遅角されるので、掃気作用による冷却効果と燃料の気化潜熱による冷却効果との相乗効果により、低温酸化反応の反応レベルが十分に低下する程度に燃焼室を冷却することができ、当該低温酸化反応に起因してプリイグニッション等の異常燃焼が誘発されるのを効果的に抑制することができる。

しかも、高い掃気作用が期待できる本発明の構成によれば、プリイグニッション抑制のために後段噴射を過度に増量または遅角化する必要がなくなるので、当該後段噴射に起因したエミッション性能の悪化を最小限に抑えることができる。すなわち、第１領域において仮に上述したバルブオーバーラップ期間の拡大制御を実行しなかった場合には、プリイグニッション抑制のために後段噴射を大幅に増量するか、その噴射時期を圧縮行程内で大幅に遅角させる（圧縮上死点に近づける）ことが必要になる可能性がある。しかしながら、このようにすると、燃焼室内に局所リッチな混合気が形成され易くなり、スモークが発生したりＮＯｘの発生量が増大するおそれがある。これに対し、前記第１領域でバルブオーバーラップ期間が拡大される本発明によれば、バルブオーバーラップ期間中に十分な掃気作用が発揮されるので、後段噴射の過度な増量または遅角化が不要になり、上記のような不具合（スモークの発生等）を回避して比較的良好なエミッション性能を確保することができる。

一方、前記第１領域よりも高速側の第２領域では、燃焼室内の流動性が比較的高くなるので、バルブオーバーラップ期間が縮小されても十分な掃気作用が得られる可能性がある。また、ピストンによる混合気の圧縮開始から圧縮終了までの実時間（混合気の受熱時間）が短くなり、低温酸化反応の反応レベルが自ずと低下するため、プリイグニッションのような重大な異常燃焼が起きるリスクは低くなる。これに対し、本発明では、前記第２領域においてバルブオーバーラップ期間が縮小されかつ後段噴射の開始時期が進角されるので、当該領域でのリスク状況に応じた必要レベルの冷却効果を確保して異常燃焼を抑制しつつ、局所リッチな混合気の形成を回避してエミッション性能を向上させることができる。

好ましくは、前記バルブ可変機構は、吸気弁の開時期および閉時期を同時にかつ同量ずつ変更する位相式の吸気弁可変機構を含み、前記燃焼制御部は、前記第１領域および前記第２領域の双方において排気上死点よりも前に吸気弁が開弁しかつ吸気下死点よりも後に吸気弁が閉弁するとともに、前記第２領域での吸気弁の作動位相が前記第１領域での作動位相よりも遅角側にシフトされるように、前記吸気弁可変機構を制御する（請求項２）。

この構成によれば、第２領域にてバルブオーバーラップ期間が縮小される際に、位相式の吸気弁可変機構が駆動されて吸気弁の閉時期が吸気下死点に対しより遅角側にシフトされるので、エンジンの有効圧縮比、つまりピストンが上死点にあるときの燃焼室の容積と吸気弁の閉時期（換言すればピストンによる実質的な圧縮開始時期）における燃焼室の容積との比が相対的に低下する結果、前記第２領域で懸念されるノッキングを抑制しつつポンピングロスを低下させることができる。

すなわち、回転速度が相対的に高く低温酸化反応が起き難くなる第２領域では、既述のとおりプリイグニッションの発生リスクは低下するが、混合気の燃焼途中にその燃焼領域の外側に位置する未燃ガスが局所自着火により急速燃焼する異常燃焼であるノッキングが起き易くなる。ノッキングは、混合気の燃焼が開始される時点での燃焼室の環境に主に依存するので、燃焼開始時点での燃焼室の温度が高いほど起き易くなると考えられる。これに対し、前記構成では、第２領域で吸気弁の作動位相が遅角側にシフトされて有効圧縮比が低くされるので、燃焼が開始される圧縮上死点近傍での燃焼室の温度を低下させることができ、ノッキングの発生を効果的に抑制することができる。また、回転速度が相対的に高いために吸気慣性効果が高い前記第２領域において有効圧縮比が低くされるので、ピストンによる実質的な圧縮代の低下によるポンピングロスの低下を享受しつつ必要十分な充填空気量を得ることができ、エンジンの燃費性能を向上させることができる。

好ましくは、前記燃焼制御部は、前記第１領域での前記後段噴射の開始時期が回転速度に拠らず圧縮行程中期の所定時期に保持されるように前記インジェクタを制御する（請求項３）。

この構成によれば、回転速度に応じた燃料噴射制御を簡素化しつつ、第１領域でのプリイグニッション等の異常燃焼が抑制されるレベルで燃焼室を冷却することができる。また、プリイグニッションの発生リスクが最も高い条件でも後段噴射の開始時期を圧縮行程の中期に設定できる（言い換えると圧縮行程後期まで遅角させる必要がない）ので、混合気の過度な局所リッチ化を回避でき、エミッション性能の悪化を効果的に抑制することができる。

前記構成において、より好ましくは、前記燃焼制御部は、前記第２領域内の低速側の一部において回転速度が高くなるほど前記後段噴射の開始時期が進角され、かつ前記第２領域内の高速側の一部において前記後段噴射の開始時期が回転速度に拠らず圧縮行程初期の所定時期に保持されるように、前記インジェクタを制御する（請求項４）。

このように、第２領域内の低速側の一部において回転速度が高くなるほど後段噴射の開始時期を進角させるようにした場合には、第２領域の下限速度からの回転上昇に伴いプリイグニッションの発生リスクが急減するのに合わせて後段噴射の開始時期を適切な時期（より進角側の時期）に設定することができ、エミッション性能の向上を図ることができる。また、第２領域内の高速側の一部では、後段噴射の開始時期が圧縮行程初期の所定時期に保持されるので、エミッション性能を向上させつつ、高回転側で懸念されるノッキングを抑制し得るレベルで燃焼室を冷却することができる。

前記構成において、より好ましくは、前記燃焼制御部は、前記第１領域および前記第２領域における前記後段噴射の噴射量割合が回転速度に拠らず一定になるように前記インジェクタを制御する（請求項５）。

この構成によれば、回転速度に応じた燃料噴射制御を簡素化しつつ所要レベルの冷却効果を得ることができる。

好ましくは、前記燃焼制御部は、前記第１領域内の低速側の一部において前記バルブオーバーラップ期間が回転速度に拠らず第１の期間に保持され、かつ前記第１領域内の高速側の一部において回転速度が高くなるほど前記バルブオーバーラップ期間が前記第１の期間に対し短くなるように、前記バルブ可変機構を制御する（請求項６）。

この構成によれば、第１領域内の低速側の一部においてバルブオーバーラップ期間が一律に大きな値に設定されるので、プリイグニッションの発生リスクが最も高い条件で十分な掃気作用を発揮させることができ、プリイグニッションを効果的に抑制することができる。また、第１領域内の高速側の一部では、回転速度が高くなるほどバルブオーバーラップ期間が縮小されるので、燃焼室内が高流動化して掃気作用が得られ易くなるのに合わせた適切なバルブオーバーラップ期間を確保でき、高回転側ほど発生リスクが低くなるプリイグニッションを当該バルブオーバーラップ期間中の掃気作用により必要なレベルで抑制することができる。

前記燃焼制御部は、前記第１領域での運転時に、回転速度が高くなるほど前記後段噴射の開始時期が進角されかつ前記後段噴射の噴射量割合が増えるように前記インジェクタを制御するものであってもよい（請求項７）。

この構成によれば、回転速度の変化に伴うプリイグニッションの発生リスクの増減に応じた適切な後段噴射の開始時期および噴射量割合を設定することが可能になり、プリイグニッションの抑制効果をより高めることができる。

好ましくは、前記エンジンは、前記燃焼室に連通する吸気通路および排気通路と、排気通路に排出された排気ガスを吸気通路に還流するＥＧＲ装置とを備え、前記燃焼制御部は、前記高負荷域よりも負荷が低い中負荷域において混合気を予混合圧縮着火燃焼により燃焼させるとともに、前記ＥＧＲ装置を通じて前記燃焼室に還流される排気ガスの割合である外部ＥＧＲ率が前記中負荷域よりも前記高負荷域で低くなるように前記ＥＧＲ装置を制御する（請求項８）。

このように、エンジンの高負荷域で外部ＥＧＲ率を相対的に低くするようにした場合には、高負荷域において燃焼室に十分な量の空気を導入することができ、負荷に見合った十分に高いトルクを発生させることができる。一方、高負荷域で外部ＥＧＲ率が低くされると異常燃焼（プリイグニッションまたはノッキング）の発生リスクが高まるが、この異常燃焼は上述したバルブオーバーラップ期間の拡大と後段噴射との効果によって十分に抑制される。すなわち、前記構成によれば、高い出力トルクを確保しつつ異常燃焼を抑制することができる。

好ましくは、前記エンジンは、前記燃焼室内の混合気に点火する点火プラグを備え、前記燃焼制御部は、前記高負荷域での運転時に、前記混合気の一部が前記点火プラグの点火点からの火炎伝播により燃焼しかつその他の混合気が自着火により燃焼する部分圧縮着火燃焼が行われるように、圧縮上死点の近傍の所定のタイミングで前記点火プラグに火花点火を行わせる（請求項９）。

このように、点火プラグによる火花点火をきっかけに混合気の一部を火炎伝播により燃焼させるようにした場合には、火花点火の時期に応じて混合気の着火時期を的確に調整することができ、外部環境や負荷等の変動にかかわらず安定した出力を発揮する実用性に優れたエンジンを実現することができる。

以上説明したように、本発明の予混合圧縮着火式エンジンの制御装置によれば、高負荷域での異常燃焼の抑制とエミッション性能の向上とを両立することができる。

本発明の一実施形態にかかる圧縮着火式エンジンの全体構成を概略的に示すシステム図である。 エンジン本体の断面図とピストンの平面図とを併せて示した図である。 吸気弁および排気弁のリフトカーブを示す図である。 エンジンの制御系統を示すブロック図である。 エンジンの運転領域を燃焼形態の相違により区分けした運転マップである。 ＳＰＣＣＩ燃焼（部分圧縮着火燃焼）時の熱発生率の波形を示すグラフである。 図５のマップ中の第１運転領域（Ａ１）を燃料噴射制御等の相違により区分けした拡大運転マップである。 エンジンの運転中に実行される制御動作を説明するためのフローチャートである。 図７のマップ中の高負荷域（Ｄ１）において実行される燃料の噴射パターンを示すタイムチャートであり、（ａ）〜（ｃ）はエンジン回転速度が異なる各条件での噴射パターンを示している。 図７のマップ中の中負荷域（Ｄ２）において実行される燃料の噴射パターンを示すタイムチャートである。 上記高負荷域および中負荷域において設定される外部ＥＧＲ率のエンジン負荷に応じた変化を示すグラフである。 上記高負荷域において実行される前段噴射および後段噴射の噴射量／噴射時期を説明するための図であり、（ａ）は前段・後段噴射の各開始時期とエンジン回転速度との関係を示すグラフ、（ｂ）は前段・後段噴射の各噴射量割合とエンジン回転速度との関係を示すグラフである。 上記高負荷域でのバルブタイミングを説明するための図であり、（ａ）はバルブオーバーラップ期間とエンジン回転速度との関係を示すグラフ、（ｂ）は吸・排気弁の開閉時期とエンジン回転速度との関係を示すグラフである。 上記実施形態の変形例を説明するための図であり、（ａ）は後段噴射の開始時期とエンジン回転速度との関係を示すグラフ、（ｂ）は後段噴射の噴射量割合とエンジン回転速度との関係を示すグラフである。

（１）エンジンの全体構成
図１および図２は、本発明の制御装置が適用された圧縮着火式エンジン（以下、単にエンジンともいう）の好ましい実施形態を示す図である。本図に示されるエンジンは、走行用の動力源として車両に搭載された４サイクルのガソリン直噴エンジンであり、エンジン本体１と、エンジン本体１に導入される吸気が流通する吸気通路３０と、エンジン本体１から排出される排気ガスが流通する排気通路４０と、排気通路４０を流通する排気ガスの一部を吸気通路３０に還流する外部ＥＧＲ装置５０を備えている。

エンジン本体１は、気筒２が内部に形成されたシリンダブロック３と、気筒２を上から閉塞するようにシリンダブロック３の上面に取り付けられたシリンダヘッド４と、気筒２に往復摺動可能に挿入されたピストン５とを有している。エンジン本体１は、典型的には複数の（例えば４つの）気筒を有する多気筒型のものであるが、ここでは簡略化のため、１つの気筒２のみに着目して説明を進める。

ピストン５の上方には燃焼室６が画成されており、この燃焼室６には、ガソリンを主成分とする燃料が、後述するインジェクタ１５からの噴射によって供給される。そして、供給された燃料が燃焼室６で空気と混合されつつ燃焼し、その燃焼による膨張力を受けてピストン５が上下方向に往復運動する。

ピストン５の下方には、エンジン本体１の出力軸であるクランク軸７が設けられている。クランク軸７は、ピストン５とコネクティングロッド８を介して連結され、ピストン５の往復運動（上下運動）に応じて中心軸回りに回転駆動される。

気筒２の幾何学的圧縮比、つまりピストン５が上死点にあるときの燃焼室６の容積とピストン５が下死点にあるときの燃焼室６の容積との比は、後述するＳＰＣＣＩ燃焼（部分圧縮着火燃焼）に好適な値として、１４以上２０以下、好ましくは１６以上１８以下に設定される。

シリンダブロック３には、クランク軸７の回転角度（クランク角）およびクランク軸７の回転速度（エンジン回転速度）を検出するクランク角センサＳＮ１と、シリンダブロック３およびシリンダヘッド４の内部を流通する冷却水の温度（エンジン水温）を検出する水温センサＳＮ２とが設けられている。

シリンダヘッド４には、吸気通路３０から供給される空気を燃焼室６に導入するための吸気ポート９と、燃焼室６で生成された排気ガスを排気通路４０に導出するための排気ポート１０と、吸気ポート９の燃焼室６側の開口を開閉する吸気弁１１と、排気ポート１０の燃焼室６側の開口を開閉する排気弁１２とが設けられている。なお、当実施形態のエンジンのバルブ形式は、図２に示すように、吸気２バルブ×排気２バルブの４バルブ形式である。すなわち、当実施形態では、１つの気筒２の燃焼室６に対し吸気ポート９および排気ポート１０が２つずつ開口するとともに、各ポート９，１０の数に対応して吸気弁１１および排気弁１２が１つの気筒２につき２つずつ設けられている。

吸気弁１１および排気弁１２は、シリンダヘッド４に配設された一対のカム軸等を含む動弁機構により、クランク軸７の回転に連動して開閉駆動される。

吸気弁１１用の動弁機構には、吸気弁１１の開閉時期を変更可能な吸気ＶＶＴ１３が内蔵されている。同様に、排気弁１２用の動弁機構には、排気弁１２の開閉時期を変更可能な排気ＶＶＴ１４が内蔵されている。吸気ＶＶＴ１３（排気ＶＶＴ１４）は、いわゆる位相式の可変機構であり、吸気弁１１（排気弁１２）の開時期および閉時期を同時にかつ同量だけ変更する。なお、吸気ＶＶＴ１３および排気ＶＶＴ１４の組合せは本発明における「バルブ可変機構」に相当し、吸気ＶＶＴ１３は本発明における「吸気弁可変機構」に相当する。

図３は、吸気弁１１および排気弁１２のリフトカーブを示す図である（ＩＮは吸気弁１１のリフトカーブを、ＥＸは排気弁１２のリフトカーブをそれぞれ示している）。本図に示すように、吸気弁１１および排気弁１２は、排気上死点（図３中のＴＤＣ）を跨いで開弁期間が重複するように駆動されることがある。この重複期間、つまり吸気弁１１および排気弁１２の双方が開弁する期間は、バルブオーバーラップ期間と呼ばれる。バルブオーバーラップ期間は、上述した吸気ＶＶＴ１３および排気ＶＶＴ１４の制御により調整することが可能である。

図３では、バルブオーバーラップ期間が比較的長く設定された場合のリフトカーブを実線の波形で示し、バルブオーバーラップ期間が比較的短く設定された場合のリフトカーブを破線の波形で示している。例えば、後述する過給機３３により加圧された吸気の圧力（過給圧）が高くなる高負荷域において、実線の波形のようにバルブオーバーラップ期間が拡大された場合には、当該オーバーラップ期間の間、吸気ポート９から排気ポート１０へと吹き抜ける吸気の流れが形成される結果、燃焼室６内に残留する既燃ガスの排気ポート１０への排出が促進され、いわゆる掃気性能が向上する。一方、吸気の圧力が低い低負荷域においてバルブオーバーラップ期間が拡大された場合には、吸気行程の前期に未だ開放状態にある排気ポート１０から燃焼室６へと既燃ガス（排気ガス）が引き戻される結果、燃焼室６に残留する排気ガスの割合である内部ＥＧＲ率が高くなる。このように、吸気ＶＶＴ１３および排気ＶＶＴ１４を備えた当実施形態のエンジンでは、エンジンの高負荷域または低負荷域でのバルブオーバーラップ期間の拡大または縮小により、掃気性能や内部ＥＧＲ率を調整できるようになっている。

図１および図２に示すように、シリンダヘッド４には、燃焼室６に燃料（ガソリン）を噴射するインジェクタ１５と、インジェクタ１５から燃焼室６に噴射された燃料と吸入空気とが混合された混合気に点火する点火プラグ１６とが設けられている。

図２に示すように、ピストン５の冠面には、その中央部を含む比較的広い領域をシリンダヘッド４とは反対側（下方）に凹陥させたキャビティ２０が形成されている。また、ピストン５の冠面におけるキャビティ２０よりも径方向外側には、円環状の平坦面からなるスキッシュ部２１が形成されている。

インジェクタ１５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、当該複数の噴孔から放射状に燃料を噴射することが可能である（図２中のＦは各噴孔から噴射された燃料の噴霧を表している）。インジェクタ１５は、その先端部がピストン５の冠面の中心部（キャビティ２０の底部中央）と対向するように、燃焼室６の天井面の中心部に配置されている。

点火プラグ１６は、インジェクタ１５に対し吸気側に幾分ずれた位置に配置されている。点火プラグ１６の先端部（電極部）の位置は、キャビティ２０と平面視で重複するように設定されている。

図１に示すように、吸気通路３０は、吸気ポート９と連通するようにシリンダヘッド４の一側面に接続されている。吸気通路３０の上流端から取り込まれた空気（新気）は、吸気通路３０および吸気ポート９を通じて燃焼室６に導入される。

吸気通路３０には、その上流側から順に、吸気中の異物を除去するエアクリーナ３１と、吸気の流量を調整する開閉可能なスロットル弁３２と、吸気を圧縮しつつ送り出す過給機３３と、過給機３３により圧縮された吸気を冷却するインタークーラ３５と、サージタンク３６とが設けられている。

吸気通路３０の各部には、吸気の流量を検出するエアフローセンサＳＮ３と、吸気の温度を検出する吸気温センサＳＮ４と、吸気の圧力を検出する吸気圧センサＳＮ５とが設けられている。エアフローセンサＳＮ３および吸気温センサＳＮ４は、吸気通路３０におけるエアクリーナ３１とスロットル弁３２との間の部位に設けられ、当該部位を通過する吸気の流量および温度を検出する。吸気圧センサＳＮ５は、サージタンク３６に設けられ、当該サージタンク３６内の吸気の圧力を検出する。

過給機３３は、エンジン本体１と機械的に連係された機械式の過給機（スーパーチャージャ）である。過給機３３の具体的な形式は特に問わないが、例えばリショルム式、ルーツ式、または遠心式といった公知の過給機のいずれかを過給機３３として用いることができる。

過給機３３とエンジン本体１との間には、締結／解放を電気的に切り替えることが可能な電磁クラッチ３４が介設されている。電磁クラッチ３４が締結されると、エンジン本体１から過給機３３に駆動力が伝達されて、過給機３３による過給が行われる。一方、電磁クラッチ３４が解放されると、上記駆動力の伝達が遮断されて、過給機３３による過給が停止される。

吸気通路３０には、過給機３３をバイパスするためのバイパス通路３８が設けられている。バイパス通路３８は、サージタンク３６と後述するＥＧＲ通路５１とを互いに接続している。バイパス通路３８には開閉可能なバイパス弁３９が設けられている。

排気通路４０は、排気ポート１０と連通するようにシリンダヘッド４の他側面（吸気通路３０とは反対側の面）に接続されている。燃焼室６で生成された既燃ガスは、排気ポート１０および排気通路４０を通じて外部に排出される。

排気通路４０には触媒コンバータ４１が設けられている。触媒コンバータ４１には、排気通路４０を流通する排気ガス中に含まれる有害成分（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ）を浄化するための三元触媒４１ａと、排気ガス中に含まれる粒子状物質（ＰＭ）を捕集するためのＧＰＦ（ガソリン・パティキュレート・フィルタ）４１ｂとが内蔵されている。

排気通路４０における触媒コンバータ４１よりも上流側には、排気ガス中の酸素濃度を検出するＡ／ＦセンサＳＮ６が設けられている。

外部ＥＧＲ装置５０は、排気通路４０と吸気通路３０とを接続するＥＧＲ通路５１と、ＥＧＲ通路５１に設けられたＥＧＲクーラ５２およびＥＧＲ弁５３とを有している。ＥＧＲ通路５１は、排気通路４０における触媒コンバータ４１よりも下流側の部位と、吸気通路３０におけるスロットル弁３２と過給機３３との間の部位とを互いに接続している。ＥＧＲクーラ５２は、ＥＧＲ通路５１を通じて排気通路４０から吸気通路３０に還流される排気ガス（外部ＥＧＲガス）を熱交換により冷却する。ＥＧＲ弁５３は、ＥＧＲクーラ５２よりも下流側（吸気通路３０に近い側）のＥＧＲ通路５１に開閉可能に設けられ、ＥＧＲ通路５１を流通する排気ガスの流量を調整する。

（２）制御系統
図４は、エンジンの制御系統を示すブロック図である。本図に示されるＰＣＭ１００は、エンジン等を統括的に制御するためのマイクロプロセッサであり、周知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成されている。

ＰＣＭ１００には各種センサによる検出信号が入力される。例えば、ＰＣＭ１００は、上述したクランク角センサＳＮ１、水温センサＳＮ２、エアフローセンサＳＮ３、吸気温センサＳＮ４、吸気圧センサＳＮ５、Ａ／ＦセンサＳＮ６と電気的に接続されており、これらのセンサによって検出された情報（つまりクランク角、エンジン回転速度、エンジン水温、吸気流量、吸気温、吸気圧、排気酸素濃度）がＰＣＭ１００に逐次入力されるようになっている。

また、車両には、当該車両を運転するドライバーにより操作されるアクセルペダルの開度（以下、アクセル開度という）を検出するアクセルセンサＳＮ７と、車両の走行速度（以下、車速という）を検出する車速センサＳＮ８とが設けられており、これらのセンサＳＮ７，ＳＮ８による検出信号もＰＣＭ１００に逐次入力される。

ＰＣＭ１００は、上記各センサからの入力情報に基づいて種々の判定や演算等を実行しつつエンジンの各部を制御する。すなわち、ＰＣＭ１００は、吸・排気ＶＶＴ１３，１４、インジェクタ１５、点火プラグ１６、スロットル弁３２、電磁クラッチ３４、バイパス弁３９、およびＥＧＲ弁５３等と電気的に接続されており、上記演算等の結果に基づいてこれらの機器にそれぞれ制御用の信号を出力する。

具体的に、ＰＣＭ１００は、判定部１０１、燃焼制御部１０２、および記憶部１０３を機能的に有している。

燃焼制御部１０２は、燃焼室６での混合気の燃焼を制御する制御モジュールであり、エンジンの出力トルク等がドライバーの要求に応じた適切な値となるようにエンジンの各部を制御する。判定部１０１は、燃焼制御部１０２による制御の内容を決定するのに必要な種々の判定を行うための制御モジュールである。記憶部１０３は、判定部１０１および燃焼制御部１０２での処理に必要な各種データを記憶するものである。

（３）運転状態に応じた制御
図５は、エンジンの回転速度／負荷に応じた制御の相違を説明するための運転マップである。本図に示すように、エンジンの運転領域は、燃焼形態の相違によって４つの運転領域Ａ１〜Ａ４に大別される。それぞれ第１運転領域Ａ１、第２運転領域Ａ２、第３運転領域Ａ３、第４運転領域Ａ４とすると、第３運転領域Ａ３は、エンジン回転速度が第１速度Ｎ１未満となる極低速域であり、第４運転領域Ａ４は、エンジン回転速度が第２速度Ｎ２以上となる高速域であり、第１運転領域Ａ１は、第３・第４運転領域Ａ３，Ａ４以外の速度域（低・中速領域）のうち負荷が基準負荷Ｌ１以上となる低中速・高負荷の領域であり、第２運転領域Ａ２は、第１、第３、第４運転領域Ａ１，Ａ３，Ａ４以外の残余の領域（低中速・低負荷の領域）である。第１運転領域Ａ１と第２運転領域Ａ２との境界に位置する基準負荷Ｌ１は、過給機３３が駆動される下限の負荷（過給ライン）に相当している。

以下、上記第１〜第４運転領域Ａ１〜Ａ４における燃焼制御の概要について説明する。

（３−１）第１運転領域
低中速かつ高負荷の第１運転領域Ａ１では、ＳＩ燃焼とＣＩ燃焼とを組み合わせた部分圧縮着火燃焼（以下、これをＳＰＣＣＩ燃焼という）が実行される。ＳＩ燃焼とは、点火プラグ１６から発生する火花により混合気に点火し、その点火点から周囲へと燃焼領域を拡げていく火炎伝播により混合気を強制的に燃焼させる燃焼形態のことであり、ＣＩ燃焼とは、ピストン５の圧縮等により十分に高温・高圧化された環境下で混合気を自着火により燃焼させる燃焼形態のことである。そして、これらＳＩ燃焼とＣＩ燃焼とを組み合わせたＳＰＣＣＩ燃焼とは、混合気が自着火する寸前の環境下で行われる火花点火により燃焼室６内の混合気の一部をＳＩ燃焼させ、当該ＳＩ燃焼の後に（ＳＩ燃焼に伴うさらなる高温・高圧化により）燃焼室６内の他の混合気を自着火によりＣＩ燃焼させる、という燃焼形態のことである。なお、「ＳＰＣＣＩ」は「Spark Controlled Compression Ignition」の略である。

図６は、上記のようなＳＰＣＣＩ燃焼が行われた場合の燃焼波形、つまりクランク角による熱発生率（Ｊ／ｄｅｇ）の変化を示したグラフである。本図に示すように、ＳＰＣＣＩ燃焼では、ＳＩ燃焼による熱発生とＣＩ燃焼による熱発生とがこの順に連続して発生する。このとき、ＣＩ燃焼の方が燃焼速度が速いという性質上、ＳＩ燃焼時よりもＣＩ燃焼時の方が熱発生の立ち上がりが急峻になる。このため、ＳＰＣＣＩ燃焼における熱発生率の波形は、ＳＩ燃焼からＣＩ燃焼に切り替わるタイミング（後述するθｃｉ）で現れる変曲点Ｘを有している。

上記のようなＳＰＣＣＩ燃焼の具体的形態として、第１運転領域Ａ１では、過給機３３による過給を行いつつ混合気をＳＰＣＣＩ燃焼させる制御が実行される。このような過給を伴ったＳＰＣＣＩ燃焼を実現するため、第１運転領域Ａ１では、ＰＣＭ１００によってエンジンの各部が次のように制御される。

スロットル弁３２の開度は、理論空燃比相当の空気量が吸気通路３０を通じて燃焼室６に導入されるような値に調整される。すなわち、第１運転領域Ａ１では、吸気通路３０を通じて燃焼室６に導入される空気（新気）と、インジェクタ１５から燃焼室６に噴射される燃料との重量比である空燃比（Ａ／Ｆ）の目標値が、理論空燃比（１４．７）の近傍、詳しくは理論空燃比もしくはこれよりもややリッチな値（例えば約１２〜１４）に設定される。そして、この空燃比の目標値（目標空燃比）と、Ａ／ＦセンサＳＮ６により検出される排気ガス中の酸素濃度等に基づいて、燃焼室６内の空燃比を上記目標空燃比に一致させ得るスロットル弁３２の開度が決定され、この決定に従ってスロットル弁３２が制御される。

過給機３３はＯＮ状態とされる。すなわち、第１運転領域Ａ１は、過給領域の下限である基準負荷Ｌ１以上の領域に属しており、過給機３３による過給が必要である。そこで、第１運転領域Ａ１では、電磁クラッチ３４が締結されて過給機３３とエンジン本体１とが連結されることにより、過給機３３による過給が行われる。このとき、吸気圧センサＳＮ５により検出されるサージタンク３６内の圧力（過給圧）が、エンジン負荷／回転速度の条件ごとに予め定められた目標圧力に一致するように、バイパス弁３９の開度が制御される。

ここで、ＳＩ燃焼とＣＩ燃焼とを組み合わせたＳＰＣＣＩ燃焼では、ＳＩ燃焼とＣＩ燃焼との比率を運転条件に応じてコントロールすることが重要である。そこで、当実施形態では、ＳＰＣＣＩ燃焼（ＳＩ燃焼およびＣＩ燃焼）による全熱発生量に対するＳＩ燃焼による熱発生量の割合であるＳＩ率に着目し、このＳＩ率が適正な値になるようにエンジンの各部を制御する。

上記ＳＩ率を図６を用いて説明する。図６において、燃焼形態がＳＩ燃焼からＣＩ燃焼に切り替わる変曲点Ｘに対応するクランク角θｃｉをＣＩ燃焼の開始時期とする。この場合、ＳＩ燃焼による熱発生量は、当該θｃｉ（ＣＩ燃焼の開始時期）よりも進角側の熱発生率の波形の面積Ｒ１に相当し、ＣＩ燃焼による熱発生量は、当該θｃｉよりも遅角側に位置する熱発生率の波形の面積Ｒ２に相当するとみなすことができる。そして、上記ＳＩ率は、これら各面積Ｒ１，Ｒ２を用いて、Ｒ１／（Ｒ１＋Ｒ２）と定義することができる。

ＳＰＣＣＩ燃焼が行われる第１運転領域Ａ１では、上述したＳＩ率およびθｃｉが予め定められた目標値に一致するように、エンジンの各部が制御される。すなわち、第１運転領域Ａ１では、エンジン負荷／回転速度が異なる種々の条件ごとに、ＳＩ率の目標値である目標ＳＩ率とθｃｉの目標値である目標θｃｉとがそれぞれ定められている。そして、インジェクタ１５からの燃料の噴射量／噴射時期、点火プラグ１６による火花点火の時期（点火時期）、およびＥＧＲ率（外部ＥＧＲ率および内部ＥＧＲ率）といった複数の制御量が、上記目標ＳＩ率および目標θｃｉを実現可能な組合せとなるように制御される。なお、外部ＥＧＲ率とは、燃焼室６内の全ガスのうち外部ＥＧＲガス（ＥＧＲ通路５１を通じて燃焼室６に還流される排気ガス）が占める重量割合のことであり、内部ＥＧＲ率とは、燃焼室６内の全ガスのうち内部ＥＧＲガス（内部ＥＧＲにより燃焼室６に残留する既燃ガス）が占める重量割合のことである。

例えば、燃料の噴射量／噴射時期は、上記目標ＳＩ率および目標θｃｉを考慮して予め定められたマップにより決定される。また、外部ＥＧＲ率および内部ＥＧＲ率については、両ＥＧＲ率の主な影響因子である吸・排気弁１１，１２の開閉タイミングと、ＥＧＲ弁５３の開度とが、やはり上記目標ＳＩ率および目標θｃｉを考慮して定められたマップにより決定される。

一方、点火プラグ１６による火花点火の時期（点火時期）は、所定のモデル式を用いた演算により、上記目標ＳＩ率および目標θｃｉが得られるような時期に決定される。

以上のように、第１運転領域Ａ１では、予め定められたマップとモデル式を用いた演算とを組み合わせた方法により、点火時期、燃料の噴射量／噴射時期、吸・排気弁１１，１２の開閉タイミング、およびＥＧＲ弁５３の開度が、運転条件ごとに予め定められた適正なＳＩ率およびθｃｉ（目標ＳＩ率および目標θｃｉ）が得られる組合せとなるように制御される。

（３−２）第２運転領域
低中速かつ低負荷の第２運転領域Ａ２では、過給機３３による過給が停止された状態（自然吸気の状態）で混合気をＳＰＣＣＩ燃焼させる制御が実行される。このような自然吸気下でのＳＰＣＣＩ燃焼を実現するため、第１運転領域Ａ１では、ＰＣＭ１００によってエンジンの各部が次のように制御される。

スロットル弁３２の開度は、第２運転領域Ａ２内に設定された略矩形状の境界Ｑの内側か外側かによって空燃比が可変となるように制御される。すなわち、第２運転領域Ａ２における境界Ｑの外側領域では、燃焼室６内の混合気の空燃比（Ａ／Ｆ）が理論空燃比（１４．７）に略一致するように、スロットル弁３２の開度が調整される。これに対し、第２運転領域Ａ２における境界Ｑの内側領域では、空燃比が理論空燃比よりも大きい値、例えば２０〜３５程度になるように、スロットル弁３２の開度が調整される。言い換えると、境界Ｑの内側領域では、理論空燃比よりも大きい空燃比を有するＡ／Ｆリーンの混合気を燃焼室６内に形成しつつ当該混合気をＳＰＣＣＩ燃焼させる制御が実行され、境界Ｑの外側領域では、理論空燃比に近いストイキ混合気を燃焼室６内に形成しつつ当該混合気をＳＰＣＣＩ燃焼させる制御が実行される。境界Ｑは、Ａ／ＦリーンのＳＰＣＣＩ燃焼の実行領域を第２運転領域Ａ２における低速側の一部分に限定するべく、第２運転領域Ａ２の上限速度（第２速度Ｎ２）、上限負荷（基準負荷Ｌ１）、および下限負荷（エンジンの最低負荷）のいずれからも離れるように設定されている。

過給機３３はＯＦＦ状態とされる。すなわち、電磁クラッチ３４が解放されて過給機３３とエンジン本体１との連結が解除されるとともに、バイパス弁３９が全開とされることにより、過給機３３による過給が停止される。

第２運転領域Ａ２においても、上述した第１運転領域Ａ１のときと同様に、目標ＳＩ率および目標θｃｉが負荷／回転速度の条件ごとに定められている。燃料の噴射量／噴射時期、吸・排気弁１１，１２の開閉タイミング、およびＥＧＲ弁５３の開度は、予め定められたマップを用いて、上記目標ＳＩ率および目標θｃｉを実現するのに適した値となるように決定される。また、点火プラグ１６による点火時期については、上記目標ＳＩ率および目標θｃｉを実現可能な点火時期が所定のモデル式を用いた演算により決定される。

（３−３）第３運転領域および第４運転領域
エンジン回転速度が第１速度Ｎ１よりも低い第３運転領域Ａ１（極低速域）、およびエンジン回転速度が第２速度Ｎ２以上の第４運転領域Ａ４（高速域）では、混合気をＳＩ燃焼により燃焼させる制御が実行される。例えば、１サイクル中に噴射すべき燃料の全量がインジェクタ１５から吸気行程中に噴射されるとともに、圧縮上死点の近傍で点火プラグ１６による火花点火が実行される。そして、この火花点火をきっかけにＳＩ燃焼が開始され、燃焼室６内の混合気の全てが火炎伝播により燃焼する。

（４）第１運転領域での噴射制御
次に、第１運転領域Ａ１でのより具体的な制御例、特に運転ポイントに応じた燃料噴射パターンの相違について説明する。ＳＰＣＣＩ燃焼の実行領域のうち比較的負荷が高い第１運転領域Ａ１における燃料の噴射パターンは、大きく分けて、図７に示す２つの分割領域Ｄ１，Ｄ２のいずれでエンジンが運転されているかによって異なる。また、分割領域Ｄ１の中でも、低速側の分割領域Ｄ１１と高速側の分割領域Ｄ１２とでは、回転速度に応じた燃料噴射時期の変化の傾向が異なる。以下では、第１運転領域Ａ１における分割領域Ｄ１を高負荷域、分割領域Ｄ２を中負荷域と称し、高負荷域Ｄ１における低速側の分割領域Ｄ１１を低速・高負荷域、高速側の分割領域Ｄ１２を中速・高負荷域と称する。図７の例では、中負荷域Ｄ２は、第１運転領域Ａ１の下限負荷である基準負荷Ｌ１（過給ライン）からこれより高い負荷Ｌ２までの負荷域を占め、高負荷域Ｄ１（低速・高負荷域Ｄ１１および中速・高負荷域Ｄ１２）は、第１運転領域Ａ１のうち負荷Ｌ２から最大負荷Ｌ３までの負荷域を占めている。また、低速・高負荷域Ｄ１１と中速・高負荷域Ｄ１２とは、境界速度Ｎｘを境に隣接している。なお、低速・高負荷域Ｄ１１は本発明における「第１領域」に相当し、中速・高負荷域Ｄ１２は本発明における「第２領域」に相当する。

図８は、第１運転領域Ａ１での運転時に行われる具体的な制御手順を示すフローチャートである。なお、このフローチャートが適用される前提として、エンジンは準温間状態または温間状態にあるものとする。エンジンが準温間／温間状態にあることは、水温センサＳＮ２により検出されるエンジン水温に基づき判定される。例えば、検出されたエンジン水温が７０℃以上である場合に、エンジンが準温間／温間状態にあると判定されて、図８のフローチャートが適用される。

このフローチャートに示す制御がスタートすると、ＰＣＭ１００の判定部１０１は、ステップＳ１において、エンジンの現運転ポイントが図７に示した高負荷域Ｄ１に含まれるか否かを判定する。すなわち、判定部１０１は、クランク角センサＳＮ１により検出されるエンジン回転速度と、アクセルセンサＳＮ７の検出値（アクセル開度）や車速センサＳＮ８の検出値（車速）等から特定されるエンジン負荷とに基づいて、現時点のエンジンの運転ポイントを図７の運転マップ上で特定し、当該マップ中の高負荷域Ｄ１に現運転ポイントが含まれるか否かを判定する。

上記ステップＳ１でＹＥＳと判定されてエンジンの現運転ポイントが高負荷域Ｄ１に含まれることが確認された場合、ＰＣＭ１００の燃焼制御部１０２は、ステップＳ２に移行し、過給機３３を駆動して吸気を過給する。すなわち、燃焼制御部１０２は、電磁クラッチ３４を締結して過給機３３とエンジン本体１とを連結するようにとともに、バイパス弁３９の開度を調整して過給圧を制御する。

次いで、燃焼制御部１０２は、ステップＳ３に移行し、インジェクタ１５による燃料の噴射パターンとして、図９に示す第１噴射パターンを選択する。図９（ａ）〜（ｃ）は、高負荷域Ｄ１での噴射パターンを代表して、回転速度の異なる複数の運転ポイントＰ１〜Ｐ３（図７）における各噴射パターンを示している。本図に示すように、第１噴射パターンが選択されると、吸気行程中に１回の燃料噴射Ｆａが実行されるとともに、圧縮行程中に１回の燃料噴射Ｆｂが実行される。以下では、Ｆａを前段噴射、Ｆｂを後段噴射と称する。

より具体的に、第１噴射パターンでは、前段噴射Ｆａの開始時期は吸気行程中のいずれか（より詳しくは吸気行程の中期）に設定され、後段噴射Ｆｂの開始時期は圧縮行程の前期または中期のいずれかに設定される。詳細は次項（５）にて後述するが、前段噴射Ｆａおよび後段噴射Ｆｂの各開始時期は、主にエンジン回転速度に応じて変更される。言い換えると、第１噴射パターンが選択されたとき、燃焼制御部１０２は、吸気行程中に前段噴射Ｆａが、圧縮行程の前期または中期に後段噴射Ｆｂがそれぞれ開始され、かつ各噴射Ｆａ，Ｆｂの開始時期がエンジン回転速度に応じて変化するように、インジェクタ１５を制御する。例えば、後段噴射Ｆｂの開始時期は、高速側（中速・高負荷域Ｄ１２）よりも低速側（低速・高負荷域Ｄ１１）で遅くなるように設定される（後述する図１２（ａ）参照）。

なお、本明細書において、ある行程の前期、中期、後期とは次のことを意味するものとする。すなわち、本明細書では、吸気行程や圧縮行程等の任意の行程を３等分した場合の各期間を前から順に「前期」「中期」「後期」と定義する。このため、例えば圧縮行程の（ｉ）前期、（ii）中期、（iii）後期とは、それぞれ、（ｉ）圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）１８０〜１２０°ＣＡ、（ii）ＢＴＤＣ１２０〜６０°ＣＡ、（iii）ＢＴＤＣ６０〜０°ＣＡの各範囲のことを指す。

次いで、燃焼制御部１０２は、ステップＳ４に移行して、上記第１噴射パターンにおける各燃料噴射（前段噴射Ｆａおよび後段噴射Ｆｂ）の噴射量および噴射時期を、エンジン負荷（要求トルク）および回転速度に基づき決定する。この噴射量／噴射時期の決定にはマップＭ１が参照される。マップＭ１は、第１噴射パターンにおける各噴射Ｆａ，Ｆｂの噴射量／噴射時期をエンジン負荷／回転速度の条件ごとに定めたものであり、記憶部１０３に予め格納されている。このマップＭ１による噴射量／噴射時期は、上記（３−１）で説明した目標ＳＩ率および目標θｃｉを考慮して定められている。言い換えると、上記ステップＳ４では、第１噴射パターンにおける各噴射Ｆａ，Ｆｂの噴射量および噴射時期が、上記目標ＳＩ率および目標θｃｉを実現するのに適した値となるように決定される。なお、このようにして決定される前段噴射Ｆａおよび後段噴射Ｆｂの噴射量／噴射時期の各詳細は、後述する（５）のとおりである。

次に、上記ステップＳ１でＮＯと判定された場合、つまりエンジンの現運転ポイントが高負荷域Ｄ１に含まれないことが確認された場合の制御について説明する。この場合、判定部１０１は、ステップＳ５に移行して、エンジンの現運転ポイントが中負荷域Ｄ２に含まれるか否かを判定する。

上記ステップＳ４でＮＯと判定されてエンジンの現運転ポイントが中負荷域Ｄ２に含まれないことが確認された場合、つまりエンジンが高負荷域Ｄ１および中負荷域Ｄ２を除く運転領域（第２、第３、第４運転領域Ａ２，Ａ３，Ａ４のいずれか）で運転されていることが確認された場合、燃焼制御部１０２は、ステップＳ９に移行して、Ａ２，Ａ３，Ａ４のいずれの運転領域に運転ポイントが含まれるかを確認し、その結果に応じた燃焼制御を実行する。例えば、運転ポイントが第２運転領域Ａ２に含まれることが確認された場合、燃焼制御部１０２は、第１運転領域Ａ１での運転時と同様、混合気をＳＰＣＣＩ燃焼により燃焼させる制御を実行する。ただし、第２運転領域Ａ２では、第１運転領域Ａ１のときと異なり、過給機３３が停止される（電磁クラッチ３４の締結が解除される）。また、運転ポイントが第３運転領域Ａ３または第４運転領域Ａ４に含まれることが確認された場合、燃焼制御部１０２は、ＳＰＣＣＩ燃焼ではなくＳＩ燃焼によって混合気を燃焼させる制御を実行する。

一方、上記ステップＳ５でＹＥＳと判定されてエンジンの現運転ポイントが中負荷域Ｄ２に含まれることが確認された場合、燃焼制御部１０２は、ステップＳ６に移行し、過給機３３を駆動して吸気を過給する。

次いで、燃焼制御部１０２は、ステップＳ７に移行し、インジェクタ１５による燃料の噴射パターンとして、図１０に示す第２噴射パターンを選択する。図１０は、中負荷域Ｄ２における代表的な運転ポイントＰ４（図７）での噴射パターンを示している。本図に示すように、第２噴射パターンが選択されると、吸気行程中に１回の燃料噴射Ｆｃが実行される。この燃料噴射Ｆｃの開始時期は、例えば吸気行程の前期に設定される。なお、上述した第１噴射パターン（図９）のときと異なり、圧縮行程中の燃料噴射（後段噴射Ｆｂに相当する噴射）は実行されない。

次いで、燃焼制御部１０２は、ステップＳ８に移行して、上記第２噴射パターンにおける燃料噴射Ｆｃの噴射量および噴射時期を、エンジンの負荷および回転速度に基づき決定する。この噴射量／噴射時期の決定にはマップＭ２が参照される。マップＭ２は、第２噴射パターンにおける燃料噴射Ｆｃの噴射量／噴射時期をエンジン負荷／回転速度の条件ごとに定めたものであり、記憶部１０３に予め格納されている。このマップＭ２による噴射量／噴射時期は、上述した目標ＳＩ率および目標θｃｉを考慮して定められている。言い換えると、上記ステップＳ８では、第２噴射パターンにおける燃料噴射Ｆｃの噴射量および噴射時期が、上記目標ＳＩ率および目標θｃｉを実現するのに適した値となるように決定される。

以上のようにして燃料の噴射パターン（噴射量／噴射時期）および噴射圧力の設定が終了すると、燃焼制御部１０２は、ステップＳ１０に移行して、エンジンの負荷および回転速度に基づき吸・排気弁１１，１２の開閉タイミング（バルブタイミング）を決定し、決定したバルブタイミングを目標に吸・排気ＶＶＴ１３，１４を制御する。ここでのバルブタイミングの決定にはマップＭ３が参照される。マップＭ３は、バルブタイミングをエンジン負荷／回転速度の条件ごとに定めたものであり、記憶部１０３に予め格納されている。このマップＭ３が用いられることにより、バルブタイミングおよびオーバーラップ期間（図３）は、上記目標ＳＩ率および目標θｃｉを実現するのに適した値に設定される。

例えば、高負荷域Ｄ１におけるバルブオーバーラップ期間は、主に回転速度に応じて変更され、その値はいずれもゼロより大きい所定値（例えばクランク角で約３５°ＣＡ）以上に設定される。詳細は次項（６）にて説明するが、高負荷域Ｄ１におけるバルブオーバーラップ期間は、高速側（中速・高負荷域Ｄ１２）よりも低速側（低速・高負荷域Ｄ１１）で長くなるように設定される。また、中負荷域Ｄ２でのバルブオーバーラップ期間も回転速度に応じて変更されるが、その値は総じて高負荷域Ｄ１でのバルブオーバーラップ期間よりも短くされる。

次いで、燃焼制御部１０２は、ステップＳ１１に移行して、エンジンの負荷および回転速度に基づきＥＧＲ弁５３の開度（ＥＧＲ開度）を決定し、決定したＥＧＲ開度を目標にＥＧＲ弁５３を制御する。このＥＧＲ開度の決定にはマップＭ４が参照される。マップＭ４は、ＥＧＲ開度をエンジン負荷／回転速度の条件ごとに定めたものであり、記憶部１０３に予め格納されている。このマップＭ４が用いられることにより、ＥＧＲ開度は、上記目標ＳＩ率および目標θｃｉを実現するのに適した値に設定される。

上記ステップＳ１１においてマップＭ４を通じて決定されるＥＧＲ開度は、総じて、第１運転領域Ａ１内の高負荷側ほど低くされる。図１１は、このようなＥＧＲ弁５３の開度制御によって実現される外部ＥＧＲ率（ＥＧＲ通路５１を通じて燃焼室６に還流される排気ガスの割合）のエンジン負荷に応じた変化を示すグラフである。本図に示すように、第１運転領域Ａ１では、負荷が高くなるほど外部ＥＧＲ率が減少するようにＥＧＲ弁５３の開度が制御される。言い換えると、第１運転領域Ａ１での運転時、ＥＧＲ弁５３の開度は、中負荷域Ｄ２（負荷Ｌ１〜Ｌ２）での外部ＥＧＲ率よりも高負荷域Ｄ１（負荷Ｌ２〜Ｌ３）での外部ＥＧＲ率が低くなるように制御される。

次いで、燃焼制御部１０２は、ステップＳ１２に移行して、燃焼室６内の実際のＥＧＲ率（外部ＥＧＲ率および内部ＥＧＲ率）と、圧縮上死点の近傍での燃焼室６内の温度（筒内温度）とを推定する。上述したように、当実施形態では、吸・排気弁１１，１２の開閉タイミング（バルブタイミング）およびＥＧＲ弁５３の開度（ＥＧＲ開度）がマップにより定められるが、マップの設定値通りにバルブタイミングおよびＥＧＲ開度を制御しても、応答遅れなどの種々の要因によってＥＧＲ率は変動し得る。また、ＥＧＲ率の変動は、外気温等の他の要因と併せて、圧縮上死点近傍での筒内温度の変動につながる。そこで、燃焼制御部１０２は、エアフローセンサＳＮ３、吸気温センサＳＮ４、および吸気圧センサＳＮ５等の各種センサによる検出値（吸気流量、吸気温、吸気圧等）と、バルブタイミングおよびＥＧＲ開度の各設定値と、予め定められた所定のモデル式とに基づいて、吸気弁１１の閉時期（ＩＶＣ時点）における燃焼室６内の実際のＥＧＲ率（外部ＥＧＲ率および内部ＥＧＲ率）と、当該ＩＶＣの直後に到来する圧縮上死点の近傍（圧縮上死点もしくはその近傍）における筒内温度とを推定する。上記モデル式は、例えば、吸気流量、吸気温、吸気圧、バルブタイミング、ＥＧＲ開度等の各パラメータの直近の履歴を入力要素とするモデル式であり、応答遅れを反映したＩＶＣ時点での実際の外部ＥＧＲ率および内部ＥＧＲ率と、圧縮上死点近傍における筒内温度とをそれぞれ推定できるように設定されている。

次いで、燃焼制御部１０２は、ステップＳ１３に移行して、上記ステップＳ１２で推定されたＥＧＲ率および筒内温度に基づいて、点火プラグ１６による火花点火の時期（点火時期）を決定する。具体的に、燃焼制御部１０２は、予め定められたモデル式を用いて、点火プラグ１６による点火時期を、上述した目標ＳＩ率および目標θｃｉが実現されるような時期に決定する。モデル式は、推定されたＥＧＲ率（外部ＥＧＲ率および内部ＥＧＲ率）と筒内温度とを含む複数のパラメータを入力要素とするモデル式であり、混合気をＳＰＣＣＩ燃焼させた場合のＳＩ率およびθｃｉが上記目標ＳＩ率および目標θｃｉにできるだけ一致する点火時期を求め得るように設定されている。このモデル式によれば、点火時期は、圧縮上死点の近傍の所定のクランク角範囲内において、推定されたＥＧＲ率および筒内温度の組合せにより定まる条件が混合気が着火し易い条件であるほど遅角側の時期に算出され、逆に、混合気が着火し難い条件であるほど進角側の時期に算出される。

次いで、燃焼制御部１０２は、ステップＳ１４に移行して、インジェクタ１５に燃料を噴射させるとともに、点火プラグ１６に火花点火を実行させる。すなわち、燃焼制御部１０２は、上記ステップＳ３，Ｓ７のいずれかで決定された燃料の噴射パターンに従って燃料が噴射され、かつ同噴射パターンに含まれる燃料噴射（Ｆａ，Ｆｂ，Ｆｃ等）の噴射量／噴射時期が上記ステップＳ４，Ｓ８のいずれかで決定された噴射量／噴射時期と一致するように、インジェクタ１５を制御する。また、上記ステップＳ１３で決定された時期に火花点火が実行されるように点火プラグ１６を制御する。

（５）前段噴射および後段噴射の噴射量／噴射時期の設定例
次に、第１運転領域Ａ１の高負荷域Ｄ１において実行される前段噴射Ｆａおよび後段噴射Ｆｂの詳細な設定例について説明する。既に説明したとおり、高負荷域Ｄ１では、図９に示す第１噴射パターンが選択されることにより、吸気行程中に前段噴射Ｆａが開始され、かつ圧縮行程の前期または中期に後段噴射Ｆｂが開始される。図９（ａ）〜（ｃ）は、回転速度が異なる各条件での噴射パターンを示しており、それぞれ図７に示す運転ポイントＰ１〜Ｐ３に対応している。

ここで、図９（ａ）〜（ｃ）において燃料噴射Ｆａ，Ｆｂをそれぞれ表すパルス形状は、各パルス形状における最も左側（進角側）の位置が噴射開始時期を表し、各パルス形状の幅寸法（横軸方向の長さ）が噴射量を表すものとする。言い換えると、各パルス形状の幅寸法に対応するクランク角期間は、必ずしも燃料の噴射期間（インジェクタ１５を開弁する期間）と一致するわけではない。すなわち、エンジン回転速度が高くなるほど同一の噴射量を得るための噴射期間は長くなるので、仮にパルス形状が噴射期間を表すものとした場合には、パルス形状の幅寸法が同一であっても噴射量が同一になるとは限らない。これに対し、図９（ａ）〜（ｃ）において燃料噴射Ｆａ，Ｆｂを表すパルス形状は、あくまでその幅寸法によって噴射量を規定しているので、回転速度の高低に拠らず、噴射量はパルス形状の幅寸法に比例するものとして扱うことができる。

図７に示すように、上記各噴射パターン（図９（ａ）〜（ｃ））に対応する３つの運転ポイントＰ１〜Ｐ３のうち、低速側の運転ポイントＰ１は、高負荷域Ｄ１の中でも低速側の領域つまり低速・高負荷域Ｄ１１に属しており、高速側の２つの運転ポイントＰ２，Ｐ３は、高負荷域Ｄ１の中でも高速側の領域つまり中速・高負荷域Ｄ１２に属している。運転ポイントＰ１，Ｐ２，Ｐ３は、負荷が同一の等負荷ライン上でこの順に回転速度が高くなるように設定されている。

例えば、低速・高負荷域Ｄ１１（高負荷域Ｄ１）の下限速度である第１速度Ｎ１が１０００ｒｐｍ、低速・高負荷域Ｄ１１と中速・高負荷域Ｄ１２との境界速度である境界速度Ｎｘが２０００ｒｐｍ、中速・高負荷域Ｄ１２（高負荷域Ｄ１）の上限速度である第２速度Ｎ２が４０００ｒｐｍである場合、運転ポイントＰ１，Ｐ２，Ｐ３の回転速度は、それぞれ１５００ｒｐｍ、２２５０ｒｐｍ、３０００ｒｐｍとすることができる。

図９（ａ）〜（ｃ）に示すように、前段噴射Ｆａの開始時期は、運転ポイントＰ１〜Ｐ３の間で大差なく、いずれも吸気行程の中期に設定される。

後段噴射Ｆｂの開始時期は、低速・高負荷域Ｄ１１に属する運転ポイントＰ１において圧縮行程の中期に設定される（図９（ａ））。一方、中速・高負荷域Ｄ１２に属する２つの運転ポイントＰ２，Ｐ３では、運転ポイントＰ１のときよりも後段噴射Ｆｂの開始時期が進角側に設定される（図９（ｂ）（ｃ））。なお、図例では、運転ポイントＰ２，Ｐ３のいずれにおいても後段噴射Ｆｂの開始時期が圧縮行程の前期に設定されるが、高速側の運転ポイントＰ３での噴射開始時期の方が低速側の運転ポイントＰ２でのそれに比べてより進角側の時期（吸気下死点の近傍）に設定される。

後段噴射Ｆｂ（前段噴射Ｆａ）の噴射量割合は、運転ポイントＰ１〜Ｐ３のいずれの場合でも同一であり、回転速度に拠らず一定の値に維持される。後段噴射Ｆｂの噴射量割合は、前段噴射Ｆａの噴射量割合よりも大幅に小さい値に設定される。

図１２は、前段噴射Ｆａおよび後段噴射Ｆｂの噴射量／噴射時期のエンジン回転速度に応じた変化をより詳しく説明するための図である。具体的に、図１２（ａ）は、エンジン回転速度と噴射開始時期との関係を示すグラフであり、その縦軸の数値は圧縮上死点を基準とした上死点前クランク角（ｄｅｇ．ＢＴＤＣ）を表している。図１２（ｂ）は、エンジン回転速度と噴射量割合（分割比）との関係を示すグラフである。なお、各グラフに示される噴射開始時期および噴射量割合は、それぞれ、上述した運転ポイントＰ１〜Ｐ３（図７）を結ぶ等負荷ラインに沿って（つまり負荷を固定しつつ）回転速度のみを変化させた場合のものである。このため、各グラフにおいて噴射開始時期／噴射量割合の変化を示す折れ線の波形上には、運転ポイントＰ１〜Ｐ３に対応するプロットが図示されている。

図１２（ａ）に示すように、後段噴射Ｆｂの開始時期は、低速・高負荷域Ｄ１１に属する速度範囲（第１速度Ｎ１から境界速度Ｎｘまで）において、いずれも圧縮行程中期の所定時期（ここではＢＴＤＣ９０°ＣＡ）に設定される。また、中速・高負荷域Ｄ１２に属する速度範囲（境界速度Ｎｘから第２速度Ｎ２まで）では、回転速度が高くなるほど後段噴射Ｆｂの開始時期が早くなるように設定される。より具体的に、後段噴射Ｆｂの開始時期は、中速・高負荷域Ｄ１２内の低速側の一部（境界速度Ｎｘから運転ポイントＰ３に対応する速度までの範囲）において、圧縮行程の中期から前期にかけて可変となるように、回転速度が高くなるほど進角側にシフトされる。一方、中速・高負荷域Ｄ１２内の高速側の一部（運転ポイントＰ３に対応する速度から第２速度Ｎ２までの範囲）では、後段噴射Ｆｂの開始時期が吸気下死点に近い圧縮行程のごく初期（ここではＢＴＤＣ１７０°ＣＡ）に固定的に設定される。

前段噴射Ｆａの開始時期は、高負荷域Ｄ１に属する速度範囲（第１速度Ｎ１から第２速度Ｎ２まで）のいずれにおいても、吸気行程の中期に設定される。具体的に、前段噴射Ｆａの開始時期は、高負荷域Ｄ１内での回転速度の変化に応じて適宜遅角または進角されるが、その値はいずれも吸気行程の中期（ＢＴＤＣ２４０〜３００°ＣＡ）に含まれるように設定される。

なお、図１２（ａ）では、高負荷域Ｄ１の上限速度である第２速度Ｎ２において後段噴射Ｆｂを表す波形が途切れているが、これは、第２速度Ｎ２よりも高速側に位置する第４運転領域Ａ４では圧縮行程中に燃料噴射（後段噴射Ｆｂに相当する噴射）が実行されないことを表している。一方、図１２（ａ）では、前段噴射Ｆａの波形と連続する細い二点鎖線の波形が第４運転領域Ａ４に対応する速度域に図示されているが、この二点鎖線の波形は、第４運転領域Ａ４において吸気行程中に実行される燃料噴射の開始時期を表している。

図１２（ｂ）に示すように、後段噴射Ｆｂ（前段噴射Ｆａ）の噴射量割合は、高負荷域Ｄ１（低速・高負荷域Ｄ１１および中速・高負荷域Ｄ１２）において、回転速度に拠らず一定の値をとるように設定される。ここで、後段噴射Ｆｂ（前段噴射Ｆａ）の噴射量割合とは、１サイクル中に噴射される総燃料のうち後段噴射Ｆｂ（前段噴射Ｆａ）による噴射燃料が占める重量割合のことである。当実施形態の場合、前段噴射Ｆａおよび後段噴射Ｆｂによって１サイクル中の所要燃料が全て噴射されるので、前段噴射Ｆａおよび後段噴射Ｆｂの噴射量割合は、合計すると常に１になるように設定される。具体的に、高負荷域Ｄ１では、前段噴射Ｆａの噴射量割合が一律に０．９に、後段噴射Ｆｂの噴射量割合が一律に０．１に、それぞれ設定される。

なお、上述したとおり、高負荷域Ｄ１よりも高速側の第４運転領域Ａ４では、圧縮行程中の燃料噴射（後段噴射Ｆｂに相当する噴射）が禁止され、吸気行程中の燃料噴射のみが許可される。図１２（ｂ）中で第４運転領域Ａ４に対応する速度域（第２速度Ｎ２〜）において、後段噴射Ｆｂに連続する細い二点鎖線の波形が縦軸０の位置に、前段噴射Ｆａに連続する細い二点鎖線の波形が縦軸１の位置に図示されているのは、このことを表している。

（６）バルブタイミングの設定例
次に、高負荷域Ｄ１でのバルブタイミングの具体的な設定例について説明する。図１３は、バルブタイミングの回転速度に応じた変化を説明するための図であり、（ａ）は吸・排気弁１１，１２の双方が開弁するバルブオーバーラップ期間を、（ｂ）は吸気弁１１および排気弁１２の各開閉時期をそれぞれ示している。具体的に、図１３（ｂ）のグラフでは、ＥＶＯと表記された一点鎖線の線図が排気弁１２の開時期を、ＥＶＣと表記された一点鎖線の線図が排気弁１２の閉時期を、ＩＶＯと表記された実線の線図が吸気弁１１の開時期を、ＩＶＣと表記された実線の線図が吸気弁１１の閉時期を、それぞれ示している。また、図１３（ｂ）のグラフにおける縦軸の数値は、排気上死点を基準とした上死点後クランク角（ｄｅｇ．ＡＴＤＣ）を表している。なお、図１３（ａ）（ｂ）の各グラフでは、高負荷域Ｄ１よりも高速側（第４運転領域Ａ４に対応する速度域）にて設定される開閉時期およびバルブオーバーラップ期間を、細い二点鎖線の波形で示している。

図１３（ｂ）に示すように、排気弁１２の開時期（以下、単にＥＶＯと称することがある）は、膨張下死点（ＡＴＤＣ−１８０°ＣＡ）よりもやや進角側の膨張行程の後期において回転速度に応じ可変的に設定される。具体的に、ＥＶＯは、低速・高負荷域Ｄ１１に属する速度範囲（第１速度Ｎ１から境界速度Ｎｘまで）において、回転速度に拠らず膨張行程後期の所定時期に保持される。一方、中速・高負荷域Ｄ１２に属する速度範囲（境界速度Ｎｘから第２速度Ｎ２まで）では、低速・高負荷域Ｄ１１のときよりもＥＶＯが進角側にシフトされる。より詳しくは、中速・高負荷域Ｄ１２でのＥＶＯは、低速側のごく一部（境界速度Ｎｘの近傍）で回転速度が高くなるほど進角しかつそれ以外の速度域では一定値をとるように設定される。

排気弁１２の閉時期（以下、単にＥＶＣと称することがある）は、排気上死点（ＡＴＤＣ０°ＣＡ）よりもやや遅角側の吸気行程の前期において回転速度に応じ可変的に設定される。具体的に、ＥＶＣは、低速・高負荷域Ｄ１１に属する速度範囲（第１速度Ｎ１から境界速度Ｎｘまで）において、回転速度に拠らず吸気行程前期の所定時期に保持される。一方、中速・高負荷域Ｄ１２に属する速度範囲（境界速度Ｎｘから第２速度Ｎ２まで）では、低速・高負荷域Ｄ１１のときよりもＥＶＣが進角側にシフトされる。より詳しくは、中速・高負荷域Ｄ１２でのＥＶＯは、低速側のごく一部（境界速度Ｎｘの近傍）で回転速度が高くなるほど進角しかつそれ以外の速度域では一定値をとるように設定される。

上記のようなＥＶＯおよびＥＶＣの変化傾向から言い換えると、排気弁１２は、高負荷域Ｄ１（低速・高負荷域Ｄ１１および中速・高負荷域Ｄ１２）での運転時に、膨張下死点よりも前に開弁しかつ排気上死点よりも後に閉弁するとともに、中速・高負荷域Ｄ１２での作動位相が低速・高負荷域Ｄ１１での作動位相よりも進角側にシフトするように駆動される。

吸気弁１１の開時期（以下、単にＩＶＯと称することがある）は、排気上死点（ＡＴＤＣ０°ＣＡ）よりもやや進角側の排気行程の後期において回転速度に応じ可変的に設定される。具体的に、ＩＶＯは、中速・高負荷域Ｄ１２に属する速度範囲（境界速度Ｎｘから第２速度Ｎ２まで）において、回転速度に拠らず排気行程後期の所定時期に保持される。一方、低速・高負荷域Ｄ１１に属する速度範囲（第１速度Ｎ１から境界速度Ｎｘまで）では、中速・高負荷域Ｄ１２のときよりもＩＶＯが進角側にシフトされる。より詳しくは、低速・高負荷域Ｄ１１でのＩＶＯは、その高速側の一部で回転速度が低くなるほど進角しかつ低速側の一部では一定値をとるように設定される。

吸気弁１１の閉時期（以下、単にＩＶＣと称することがある）は、吸気下死点（ＡＴＤＣ１８０°ＣＡ）よりもやや遅角側の圧縮行程の前期において回転速度に応じ可変的に設定される。具体的に、ＩＶＣは、中速・高負荷域Ｄ１２に属する速度範囲（境界速度Ｎｘから第２速度Ｎ２まで）において、回転速度に拠らず圧縮行程前期の所定時期に保持される。一方、低速・高負荷域Ｄ１１に属する速度範囲（第１速度Ｎ１から境界速度Ｎｘまで）では、中速・高負荷域Ｄ１２のときよりもＩＶＣが進角側にシフトされる。より詳しくは、低速・高負荷域Ｄ１１でのＩＶＣは、その高速側の一部で回転速度が低くなるほど進角しかつ低速側の一部では一定値をとるように設定される。

上記のようなＩＶＯおよびＩＶＣの変化傾向から言い換えると、吸気弁１１は、高負荷域Ｄ１（低速・高負荷域Ｄ１１および中速・高負荷域Ｄ１２）での運転時に、排気上死点よりも前に開弁しかつ吸気下死点よりも後に閉弁するとともに、中速・高負荷域Ｄ１２での作動位相が低速・高負荷域Ｄ１１での作動位相よりも遅角側にシフトするように駆動される。

上述した図１３（ｂ）によるバルブタイミングの設定から、吸・排気弁１１，１２の双方が開弁するバルブオーバーラップ期間は、高負荷域Ｄ１において図１３（ａ）のような傾向で変化する。図１３（ａ）によれば、低速・高負荷域Ｄ１１でのバルブオーバーラップ期間は、中速・高負荷域Ｄ１２でのバルブオーバーラップ期間よりも長い。

具体的に、バルブオーバーラップ期間は、低速・高負荷域Ｄ１１内の低速側の一部（第１速度Ｎ１から運転ポイントＰ１に対応する速度までの範囲）において、回転速度に拠らず一定の期間（ここでは７０°ＣＡ）に保持され、その値は高負荷域Ｄ１内で最大とされる。ここで設定されるバルブオーバーラップ期間の最大値は、本発明における「第１の期間」に相当する。一方、低速・高負荷域Ｄ１１内の高速側の一部（運転ポイントＰ１に対応する速度から境界速度Ｎｘまでの範囲）と、中速・高負荷域Ｄ１２内の低速側の一部（境界速度Ｎｘからこれよりやや高速側までの範囲）とにかけては、回転速度が高くなるほどバルブオーバーラップ期間が短くされる。さらに、中速・高負荷域Ｄ１２内の残余の速度域（同領域Ｄ１２内の高速側の一部）では、バルブオーバーラップ期間が回転速度に拠らず一定の期間（ここでは３７°ＣＡ）に保持され、その値は高負荷域Ｄ１内で最低とされる。

（７）作用効果
以上説明したように、当実施形態では、ＳＰＣＣＩ燃焼の実行領域の中でもエンジン負荷が高い第１運転領域Ａ１の高負荷域Ｄ１での運転時に、吸・排気弁１１，１２の双方が開弁するバルブオーバーラップ期間が形成されるように吸・排気ＶＶＴ１３，１４が制御されるとともに、吸気行程中に燃料を噴射する前段噴射Ｆａと圧縮行程中に燃料を噴射する後段噴射Ｆｂとが実行されるようにインジェクタ１５が制御される。具体的に、高負荷域Ｄ１において、後段噴射Ｆｂの開始時期は、回転速度が高い中速・高負荷域Ｄ１２よりも回転速度が低い低速・高負荷域Ｄ１１で遅くなるように設定され（図１２（ａ）参照）、かつバルブオーバーラップ期間は、中速・高負荷域Ｄ１２よりも低速・高負荷域Ｄ１１で長くなるように設定される（図１３（ａ）参照）。このような構成によれば、高負荷域Ｄ１での異常燃焼の抑制とエミッション性能の向上とを両立できるという利点がある。

すなわち、上記実施形態では、熱発生量が多くなるエンジンの高負荷域Ｄ１において、吸気行程中の前段噴射Ｆａに加えて、圧縮行程中に燃料を噴射する後段噴射Ｆｂが実行されるので、圧縮行程中の燃焼室６の温度上昇を後段噴射Ｆｂの気化潜熱により低下させることができ、高負荷域Ｄ１において懸念される異常燃焼の発生を効果的に抑制することができる。

特に、高負荷域Ｄ１における低速側の一部である低速・高負荷域Ｄ１１では、高速側の中速・高負荷域Ｄ１２に比べて、後段噴射Ｆｂの開始時期が遅くされかつバルブオーバーラップ期間が拡大されるので、異常燃焼のリスクに見合った十分な温度抑制効果を得ることができる。

すなわち、低速・高負荷域Ｄ１１での後段噴射Ｆｂの開始時期が圧縮行程の中でもより遅角側のタイミングに設定されることにより、燃焼室６が圧縮により温度上昇したタイミングで後段噴射Ｆｂによる燃料の気化潜熱を作用させることができ、当該気化潜熱による燃焼室６の冷却効果を高めることができる。また、同じく低速・高負荷域Ｄ１１においてバルブオーバーラップ期間が拡大されることにより、このバルブオーバーラップ期間中に吸気ポート９から排気ポート１０へと吹き抜ける吸気の流れが形成される結果、燃焼室６内に残留する既燃ガスの排気ポート１０への排出が促進され、掃気作用を高めることができる。このことは、上述した後段噴射Ｆｂによる燃料の気化潜熱の効果と相俟って、圧縮行程中の燃焼室６の温度上昇を十分に抑制することにつながるので、圧縮行程の途中で生じ得る燃料の低温酸化反応を抑制することができ、混合気が過早に着火する異常燃焼であるプリイグニッションを抑制することができる。

低温酸化反応とは、火炎を伴いながら高い熱エネルギーを発生させる高温酸化反応（実質的な燃焼反応）よりも前に生じる緩慢な酸化反応のことであり、燃焼室６が高温（例えば約５００℃以上６５０℃以下）になる圧縮行程の後期に生じ得ることが知られている。本願発明者等の知見によれば、この低温酸化反応は、上記低速・高負荷域Ｄ１１のような運転条件、つまり回転速度が低くかつ負荷が高い条件下で顕著に出現し易い。しかも、低温酸化反応が顕著に出現すると、その反応熱によって燃焼室６内の混合気（燃焼前の混合気）の温度が上昇するので、点火プラグ１６の火花点火による正規の燃焼開始時期よりも早くに混合気が自着火する現象であるプリイグニッションの発生確率が高くなる。これに対し、上記実施形態では、低速・高負荷域Ｄ１１での運転時に、バルブオーバーラップ期間が拡大されかつ後段噴射Ｆｂの開始時期が遅角されるので、掃気作用による冷却効果と燃料の気化潜熱による冷却効果との相乗効果により、低温酸化反応の反応レベルが十分に低下する程度に燃焼室６を冷却することができ、当該低温酸化反応に起因してプリイグニッション等の異常燃焼が誘発されるのを効果的に抑制することができる。

しかも、高い掃気作用が期待できる上記実施形態によれば、プリイグニッション抑制のために後段噴射Ｆｂを過度に増量または遅角化する必要がなくなるので、当該後段噴射Ｆｂに起因したエミッション性能の悪化を最小限に抑えることができる。すなわち、低速・高負荷域Ｄ１１において仮に上述したバルブオーバーラップ期間の拡大制御を実行しなかった場合には、プリイグニッション抑制のために後段噴射Ｆｂを大幅に増量するか、その噴射時期を圧縮行程内で大幅に遅角させる（圧縮上死点に近づける）ことが必要になる可能性がある。しかしながら、このようにすると、燃焼室６内に局所リッチな混合気が形成され易くなり、スモークが発生したりＮＯｘの発生量が増大するおそれがある。これに対し、低速・高負荷域Ｄ１１でバルブオーバーラップ期間が拡大される上記実施形態によれば、バルブオーバーラップ期間中に十分な掃気作用が発揮されるので、後段噴射Ｆｂの過度な増量または遅角化が不要になり、上記のような不具合（スモークの発生等）を回避して比較的良好なエミッション性能を確保することができる。

一方、上記低速・高負荷域Ｄ１１よりも高速側の中速・高負荷域Ｄ１２では、燃焼室６内の流動性が比較的高くなるので、バルブオーバーラップ期間が縮小されても十分な掃気作用が得られる可能性がある。また、ピストン５による混合気の圧縮開始から圧縮終了までの実時間（混合気の受熱時間）が短くなり、低温酸化反応の反応レベルが自ずと低下するため、プリイグニッションのような重大な異常燃焼が起きるリスクは低くなる。これに対し、上記実施形態では、中速・高負荷域Ｄ１２においてバルブオーバーラップ期間が縮小されかつ後段噴射Ｆｂの開始時期が進角されるので、当該領域Ｄ１２でのリスク状況に応じた必要レベルの冷却効果を確保して異常燃焼を抑制しつつ、局所リッチな混合気の形成を回避してエミッション性能を向上させることができる。

また、上記実施形態では、中速・高負荷域Ｄ１２にてバルブオーバーラップ期間が縮小される際に、位相式の吸気ＶＶＴ１４が駆動されて吸気弁１２の閉時期が吸気下死点に対しより遅角側にシフトされるので（図１３（ｂ）参照）、エンジンの有効圧縮比、つまりピストン５が上死点にあるときの燃焼室６の容積と吸気弁１２の閉時期（換言すればピストン５による実質的な圧縮開始時期）における燃焼室６の容積との比が相対的に低下する結果、中速・高負荷域Ｄ１２で懸念されるノッキングを抑制しつつポンピングロスを低下させることができる。

すなわち、回転速度が相対的に高く低温酸化反応が起き難くなる中速・高負荷域Ｄ１２では、既述のとおりプリイグニッションの発生リスクは低下するが、混合気の燃焼途中にその燃焼領域の外側に位置する未燃ガスが局所自着火により急速燃焼する異常燃焼であるノッキングが起き易くなる。ノッキングは、混合気の燃焼が開始される時点での燃焼室６の環境に主に依存するので、燃焼開始時点での燃焼室６の温度が高いほど起き易くなると考えられる。これに対し、上記実施形態では、中速・高負荷域Ｄ１２で吸気弁１２の作動位相が遅角側にシフトされて有効圧縮比が低くされるので、燃焼が開始される圧縮上死点近傍での燃焼室６の温度を低下させることができ、ノッキングの発生を効果的に抑制することができる。また、回転速度が相対的に高いために吸気慣性効果が高い中速・高負荷域Ｄ１２において有効圧縮比が低くされるので、ピストン５による実質的な圧縮代の低下によるポンピングロスの低下を享受しつつ必要十分な充填空気量を得ることができ、エンジンの燃費性能を向上させることができる。

また、上記実施形態では、低速・高負荷域Ｄ１１での後段噴射Ｆｂの開始時期が回転速度に拠らず圧縮行程中期の所定時期に保持されるので、回転速度に応じた燃料噴射制御を簡素化しつつ、低速・高負荷域Ｄ１１でのプリイグニッション等の異常燃焼が抑制されるレベルで燃焼室６を冷却することができる。また、プリイグニッションの発生リスクが最も高い条件でも後段噴射Ｆｂの開始時期を圧縮行程の中期に設定できる（言い換えると圧縮行程後期まで遅角させる必要がない）ので、混合気の過度な局所リッチ化を回避でき、エミッション性能の悪化を効果的に抑制することができる。

また、上記実施形態では、中速・高負荷域Ｄ１２内の低速側の一部（境界速度Ｎｘから運転ポイントＰ３に対応する速度までの範囲）において回転速度が高くなるほど後段噴射Ｆｂの開始時期が進角されるので、中速・高負荷域Ｄ１２の下限速度（境界速度Ｎｘ）からの回転上昇に伴いプリイグニッションの発生リスクが急減するのに合わせて後段噴射Ｆｂの開始時期を適切な時期（より進角側の時期）に設定することができ、エミッション性能の向上を図ることができる。また、中速・高負荷域Ｄ１２内の高速側の一部（運転ポイントＰ３に対応する速度から第２速度Ｎ２までの範囲）では、後段噴射Ｆｂの開始時期が圧縮行程初期の所定時期に保持されるので、エミッション性能を向上させつつ、高回転側で懸念されるノッキングを抑制し得るレベルで燃焼室６を冷却することができる。

また、上記実施形態では、高負荷域Ｄ１（低速・高負荷域Ｄ１１および中速・高負荷域Ｄ１２）における後段噴射Ｆｂの噴射量割合が回転速度に拠らず一定とされるので（図１２（ｂ）参照）、回転速度に応じた燃料噴射制御を簡素化しつつ所要レベルの冷却効果を得ることができる。

また、上記実施形態では、低速・高負荷域Ｄ１１内の低速側の一部（第１速度Ｎ１から運転ポイントＰ１に対応する速度までの範囲）においてバルブオーバーラップ期間が一律に最大値に設定されるので、プリイグニッションの発生リスクが最も高い条件で十分な掃気作用を発揮させることができ、プリイグニッションを効果的に抑制することができる。また、低速・高負荷域Ｄ１１内の高速側の一部（運転ポイントＰ１に対応する速度から境界速度Ｎｘまでの範囲）では、回転速度が高くなるほどバルブオーバーラップ期間が縮小されるので、燃焼室６内が高流動化して掃気作用が得られ易くなるのに合わせた適切なバルブオーバーラップ期間を確保でき、高回転側ほど発生リスクが低くなるプリイグニッションを当該バルブオーバーラップ期間中の掃気作用により必要なレベルで抑制することができる。

また、上記実施形態では、高負荷域Ｄ１での外部ＥＧＲ率が中負荷域Ｄ２での外部ＥＧＲ率よりも低くなるようにＥＧＲ弁５３の開度が制御されるので（図１１参照）、高負荷域Ｄ１において燃焼室６に十分な量の空気を導入することができ、負荷に見合った十分に高いトルクを発生させることができる。一方、高負荷域Ｄ１で外部ＥＧＲ率が低くされると異常燃焼（プリイグニッションまたはノッキング）の発生リスクが高まるが、この異常燃焼は上述したバルブオーバーラップ期間の拡大と後段噴射Ｆｂとの効果によって十分に抑制される。すなわち、上記実施形態によれば、高い出力トルクを確保しつつ異常燃焼を抑制することができる。

（８）変形例
上記実施形態では、低速・高負荷域Ｄ１１での運転時に、後段噴射Ｆｂの開始時期を圧縮行程中期の所定時期（ＢＴＤＣ９０°ＣＡ）に保持するとともに、後段噴射Ｆｂの噴射量割合を一定値（０．１）に保持したが、同領域Ｄ１１においてこれら要素の少なくとも一方を回転速度に応じて可変的に設定してもよい。例えば、図１４に示すように、低速・高負荷域Ｄ１１内で回転速度が高くなるほど、後段噴射Ｆｂの開始時期を遅角させかつ後段噴射Ｆｂの噴射量割合を増大させるようにしてもよい。この構成によれば、回転速度の変化に伴うプリイグニッションの発生リスクの増減に応じた適切な後段噴射Ｆｂの開始時期および噴射量割合を設定することが可能になり、プリイグニッションの抑制効果をより高めることができる。

上記実施形態では、エンジンが高負荷域Ｄ１で運転されているときに、吸気行程中に１回の前段噴射Ｆａを実行しかつ圧縮行程中に１回の後段噴射Ｆｂを実行したが、前段噴射Ｆａおよび後段噴射Ｆｂをそれぞれ複数回に分けて実行することも可能である。

上記実施形態では、前段噴射Ｆａを吸気行程中に実行したが、前段噴射Ｆａは、後段噴射Ｆｂの開始時期よりも進角側の範囲において遅くとも圧縮行程の中央時期（ＢＴＤＣ９０°ＣＡ）までに終了すればよい。言い換えると、前段噴射は、吸気行程または圧縮行程前半に含まれかつ後段噴射よりも早い時期に燃料を噴射する限りにおいて、適宜その噴射時期を変更することが可能である。なお、圧縮行程の前半とは、圧縮行程を前半と後半とに２等分した場合の前半であり、圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）１８０〜９０°ＣＡのことである。

上記実施形態では、混合気の一部が点火プラグ１６の点火点からの火炎伝播により燃焼（ＳＩ燃焼）しかつその他の混合気が自着火により燃焼（ＣＩ燃焼）する部分圧縮着火燃焼（ＳＰＣＣＩ燃焼）を実行可能なエンジンに本発明を適用した例について説明したが、本発明が適用され得るエンジンは、混合気の少なくとも一部が予混合圧縮着火燃焼（ＨＣＣＩ燃焼）するエンジンであればよく、例えば燃焼室内の全ての混合気が予混合圧縮着火燃焼するエンジン（点火プラグによる火花点火が不要なエンジン）にも本発明を適用することが可能である。

６ 燃焼室
１１ 吸気弁
１２ 排気弁
１３ 吸気ＶＶＴ（バルブ可変機構、吸気弁可変機構）
１４ 排気ＶＶＴ（バルブ可変機構）
１５ インジェクタ
１６ 点火プラグ
５０ ＥＧＲ装置
１０２ 燃焼制御部
Ｄ１ 高負荷域
Ｄ１１ 低速・高負荷域（第１領域）
Ｄ１２ 中速・高負荷域（第２領域）
Ｄ２ 中負荷域
Ｆａ 前段噴射
Ｆｂ 後段噴射

Claims (9)

1. 燃焼室と、燃焼室に燃料を噴射するインジェクタと、燃焼室に吸気を導入するための吸気ポートを開閉する吸気弁と、燃焼室から排気ガスを排出するための排気ポートを開閉する排気弁とを備え、前記インジェクタから噴射された燃料を空気と混合しつつ自着火により燃焼させる予混合圧縮着火燃焼が可能なエンジンを制御する装置であって、
   前記吸気弁の開弁期間と前記排気弁の開弁期間とが重複するバルブオーバーラップ期間を変更可能なバルブ可変機構と、
   エンジン負荷が高い高負荷域において、前記インジェクタから噴射された燃料と空気との混合気が予混合圧縮着火燃焼するように、前記バルブ可変機構を駆動して所定量以上の前記バルブオーバーラップ期間を形成しつつ、圧縮行程中に燃料を噴射する後段噴射と、吸気行程または圧縮行程前半に含まれかつ後段噴射よりも早い時期に燃料を噴射する前段噴射とを前記インジェクタに実行させる燃焼制御部とを備え、
   前記高負荷域における低速側の一部を第１領域、前記高負荷域における高速側の一部を第２領域としたとき、前記燃焼制御部は、前記後段噴射の開始時期が前記第２領域よりも前記第１領域で遅くなるように前記インジェクタを制御するとともに、前記バルブオーバーラップ期間が前記第２領域よりも前記第１領域で長くなるように前記バルブ可変機構を制御する、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジンの制御装置。
2. 請求項１に記載の予混合圧縮着火式エンジンの制御装置において、
   前記バルブ可変機構は、吸気弁の開時期および閉時期を同時にかつ同量ずつ変更する位相式の吸気弁可変機構を含み、
   前記燃焼制御部は、前記第１領域および前記第２領域の双方において排気上死点よりも前に吸気弁が開弁しかつ吸気下死点よりも後に吸気弁が閉弁するとともに、前記第２領域での吸気弁の作動位相が前記第１領域での作動位相よりも遅角側にシフトされるように、前記吸気弁可変機構を制御する、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジンの制御装置。
3. 請求項１または２に記載の予混合圧縮着火式エンジンの制御装置において、
   前記燃焼制御部は、前記第１領域での前記後段噴射の開始時期が回転速度に拠らず圧縮行程中期の所定時期に保持されるように前記インジェクタを制御する、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジンの制御装置。
4. 請求項３に記載の予混合圧縮着火式エンジンの制御装置において、
   前記燃焼制御部は、前記第２領域内の低速側の一部において回転速度が高くなるほど前記後段噴射の開始時期が進角され、かつ前記第２領域内の高速側の一部において前記後段噴射の開始時期が回転速度に拠らず圧縮行程初期の所定時期に保持されるように、前記インジェクタを制御する、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジンの制御装置。
5. 請求項４に記載の予混合圧縮着火式エンジンの制御装置において、
   前記燃焼制御部は、前記第１領域および前記第２領域における前記後段噴射の噴射量割合が回転速度に拠らず一定になるように前記インジェクタを制御する、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジンの制御装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の予混合圧縮着火式エンジンの制御装置において、
   前記燃焼制御部は、前記第１領域内の低速側の一部において前記バルブオーバーラップ期間が回転速度に拠らず第１の期間に保持され、かつ前記第１領域内の高速側の一部において回転速度が高くなるほど前記バルブオーバーラップ期間が前記第１の期間に対し短くなるように、前記バルブ可変機構を制御する、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジンの制御装置。
7. 請求項１または２に記載の予混合圧縮着火式エンジンの制御装置において、
   前記燃焼制御部は、前記第１領域での運転時に、回転速度が高くなるほど前記後段噴射の開始時期が進角されかつ前記後段噴射の噴射量割合が増えるように前記インジェクタを制御する、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジンの制御装置。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の予混合圧縮着火式エンジンの制御装置において、
   前記エンジンは、前記燃焼室に連通する吸気通路および排気通路と、排気通路に排出された排気ガスを吸気通路に還流するＥＧＲ装置とを備え、
   前記燃焼制御部は、前記高負荷域よりも負荷が低い中負荷域において混合気を予混合圧縮着火燃焼により燃焼させるとともに、前記ＥＧＲ装置を通じて前記燃焼室に還流される排気ガスの割合である外部ＥＧＲ率が前記中負荷域よりも前記高負荷域で低くなるように前記ＥＧＲ装置を制御する、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジンの制御装置。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の予混合圧縮着火式エンジンの制御装置において、
   前記エンジンは、前記燃焼室内の混合気に点火する点火プラグを備え、
   前記燃焼制御部は、前記高負荷域での運転時に、前記混合気の一部が前記点火プラグの点火点からの火炎伝播により燃焼しかつその他の混合気が自着火により燃焼する部分圧縮着火燃焼が行われるように、圧縮上死点の近傍の所定のタイミングで前記点火プラグに火花点火を行わせる、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジンの制御装置。

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