JP5423717B2 - 火花点火式ガソリンエンジン - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも一部がガソリンからなる燃料を燃焼室に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、上記インジェクタおよび点火プラグの動作を制御する制御手段とを備えた火花点火式ガソリンエンジンに関する。

従来、ガソリンエンジンの分野では、点火プラグの火花点火により強制的に混合気を着火させる燃焼形態（火花点火燃焼）が一般的であったが、近年、このような火花点火燃焼に代えて、いわゆる圧縮自己着火燃焼をガソリンエンジンに適用する研究が進められている。圧縮自己着火燃焼とは、燃焼室（気筒内）に生成された混合気をピストンで圧縮し、高温・高圧の環境下で、火花点火によらず混合気を自着火させるというものである。圧縮自己着火燃焼は、燃焼室の各所で同時多発的に自着火する燃焼であり、火花点火による燃焼に比べて燃焼期間が短く、より高い熱効率が得られると言われている。なお、以下では、圧縮自己着火燃焼のことを、「ＣＩ燃焼」（Compression Ignition Combustion）と略称する。

上記ＣＩ燃焼が適用されたガソリンエンジンの具体例として、例えば下記特許文献１に開示されたものが知られており、この特許文献１には、エンジンの一部の運転領域で、燃焼室に向けて燃料を複数回に分けて噴射するいわゆる分割噴射を行いながら、混合気を自着火により燃焼させることが開示されている。具体的には、圧縮行程よりも前に噴射された１回目の燃料により、燃料の濃度（混合気の空燃比）が均一な予混合領域を燃焼室に形成するとともに、圧縮行程後半の所定時期に行われる２回目の燃料噴射により、点火プラグの周りに混合気の成層領域を形成する。そして、ピストンが圧縮上死点の近傍に達した時点で、いわゆる着火アシストとして、点火プラグによる火花点火を行う。すると、この火花点火をきっかけに、上記成層領域内のリッチな混合気が燃焼するとともに、その燃焼による燃焼室の高温化をきっかけにして、上記予混合領域内の混合気が自着火により燃焼する。

特開２００９−７４４８８号公報

しかしながら、上記特許文献１のように、燃料濃度が均一な予混合領域内に燃料が偏在する成層領域が形成されるように燃料を分割噴射し、その状態で着火アシストを行うようにした場合には、特にエンジン負荷がある程度高まり、噴射されるトータルの燃料が増大したときに、上記予混合領域および成層領域内の両方の混合気がほとんど同時にＣＩ燃焼することにより、筒内圧力が急上昇して大きな燃焼騒音が発生したり、ノッキングやプリイグニッション等の異常燃焼が発生したりするおそれがある。また、部分的に酸素が極端に不足した状態で燃焼が起きるため、多量のスート（炭素質粒子）が発生するおそれもある。

ここで、上記のような事態を回避するための対策として、例えば燃料噴射量が増大されるエンジンの高負荷域では、混合気を自着火により燃焼させるＣＩ燃焼から、点火プラグによる火花点火（Spark Ignition）をきっかけに混合気を火炎伝播により燃焼させる燃焼形態（以下、ＳＩ燃焼という）に切り替えることが考えられる。しかしながら、このＳＩ燃焼のための制御として、従来通りの燃料噴射および火花点火を実行した場合、つまり、圧縮上死点よりも十分に早いタイミングで（例えば吸気行程中に）必要量の燃料を噴射し、その燃料に基づく混合気に対し圧縮上死点付近で火花点火を実行するようにした場合には、特に圧縮比の高い高圧縮比エンジンにあっては、ノッキングやプリイグニッション等の異常燃焼を引き起こす可能性が高まってしまう。もちろん、これを回避するために、燃料噴射および火花点火のタイミングを全体的に遅らせることも考えられるが、それだけでは、熱効率が大幅に低下する等の結果を招いてしまう。

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、エミッション性の悪化や異常燃焼の発生を伴わず、しかも熱効率に優れた燃焼を幅広い負荷域に亘って行うことが可能な火花点火式ガソリン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、少なくとも一部がガソリンからなる燃料を燃焼室に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、上記インジェクタおよび点火プラグの動作を制御する制御手段とを備えた火花点火式ガソリンエンジンであって、上記インジェクタは、エンジンの少なくとも一部の運転領域で３０ＭＰａ以上の噴射圧力で燃料を噴射し得るように構成され、上記制御手段は、少なくともエンジン温間時の低速域における所定の負荷域で、上記インジェクタから複数回に分けて燃料を噴射させるとともに、その各回の噴射量および噴射時期を、燃焼室の外周部および中央部に混合気が分離して形成されかつ燃焼室全体の平均空燃比が理論空燃比よりもリーンになるように設定することにより、上記燃焼室の外周部および中央部の各混合気をそれぞれ自着火により燃焼させる多段ＣＩモードを実行し、上記多段ＣＩモードの実行領域よりも高負荷側の領域で、上記多段ＣＩモードのときよりも平均空燃比をリッチにさせる多量の燃料を３０ＭＰａ以上の噴射圧力で上記インジェクタから噴射させる燃料噴射と、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、上記燃料噴射に基づく混合気を、圧縮上死点を所定期間以上過ぎてから火炎伝播により急速に燃焼させる急速リタードＳＩモードを実行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、エンジン回転速度が比較的低い領域で、燃料を複数回に分けて噴射する多段ＣＩモードを実行することにより、燃焼室内の異なる場所（外周部および中央部）に混合気を分離して形成し、それらを自着火により独立して燃焼させることができるため、上記各回の噴射に基づく混合気が混じり合って同時に燃焼することが回避される。しかも、燃焼室全体の平均空燃比が理論空燃比よりもリーンに設定されるため、上記分離形成された混合気が過度にリッチになることもない。これにより、回転速度が低い（つまり燃料の受熱期間が長い）ために自着火が起き易い条件下であっても、筒内圧力の急上昇による燃焼騒音の増大や、局所的な酸素不足によるスートの増大、あるいは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効果的に防止することができ、適正なＣＩ燃焼（圧縮自己着火燃焼）の実現による熱効率の向上を図ることができる。

また、上記多段ＣＩモードの実行領域よりも負荷の高い（燃料噴射量が増大される）領域では、急速リタードＳＩモードとして、３０ＭＰａ以上の高い圧力での燃料噴射を圧縮行程の後期以降にまで遅らせて実行することにより、燃焼室が最も高温・高圧化する圧縮上死点をある程度過ぎるまで、高い噴射圧力による大きな乱流エネルギーを維持しつつ、多量の燃料を十分に気化霧化させて比較的均質な（もしくは弱成層化した）混合気を形成することができる。そして、この状態で、点火プラグの火花点火に基づく火炎伝播燃焼を開始させることにより、上記高圧噴射に基づく混合気を、圧縮上死点を過ぎてから短期間で燃焼し切ることができる。このため、吸気行程等の早いタイミングで燃料を噴射する従来の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でき、燃焼期間の短い熱効率に優れた火炎伝播燃焼を実現することができる。また、燃焼温度が過度に上昇することがなく、燃料の気化霧化が不十分なまま燃焼が開始されることもないため、ＮＯｘやスートの増大が回避され、エミッション性についても良好に維持される。

本発明において、好ましくは、エンジンの中負荷かつ低速域を含む領域が上記多段ＣＩモードの実行領域とされ、これよりも負荷の高いエンジンの高負荷域に上記急速リタードＳＩモードの実行領域が設定される（請求項２）。

この構成によれば、燃料噴射量が多くなる中負荷域および高負荷域において、異常燃焼やエミッション性の悪化を伴わない適正な燃焼を継続的に行わせることができる。

上記構成において、より好ましくは、上記多段ＣＩモードのときに燃焼室の外周部および中央部に形成される各混合気の局所的な空燃比が理論空燃比程度に設定されることにより、上記燃焼室全体の平均空燃比が理論空燃比よりもリーンに設定され、上記急速リタードＳＩモードのときの平均空燃比が理論空燃比に設定される（請求項３）。

この構成によれば、多段ＣＩモードおよび急速リタードＳＩモードのそれぞれの場合において、生成される排気ガスが三元触媒のみによって十分に浄化し得るものとなるため、エミッション性の面でより有利となる。

上記構成において、より好ましくは、エンジンが、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装置を備え、上記急速リタードＳＩモードのときは、少なくともエンジンの最高負荷域を除いて、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４）。

この構成によれば、急速ＳＩモードでの運転時に、ポンピングロスの低減を図れるとともに、プリイグニッションやノッキング等の異常燃焼をより効果的に防止することができる。

本発明において、好ましくは、上記多段ＣＩモードでは、圧縮上死点よりも前の時点で燃焼室の外周部に混合気が偏在するようなタイミングで燃料を噴射する前段噴射と、前段噴射の後でかつそれに基づく燃焼の終了前に燃焼室の中央部に混合気が偏在するようなタイミングで燃料を噴射する後段噴射とを含む複数回に分けて上記インジェクタから燃料が噴射される（請求項５）。

この構成によれば、前段噴射および後段噴射に基づき、燃焼室の外周部と中央部とにそれぞれ異なるタイミングで混合気が形成されるため、これらの混合気を時期的にも空間的にも明確に分離して燃焼させることができ、燃焼騒音の増大等をより確実に防止することができる。

上記構成において、より好ましくは、上記多段ＣＩモードのときに上記インジェクタから噴射される燃料の噴射圧力が、上記急速リタードＳＩモードのときと同一の３０ＭＰａ以上の値に設定される（請求項６）。

このように、多段ＣＩモードおよび急速リタードＳＩモードの両方で、３０ＭＰａ以上という高い圧力で燃料を噴射させるようにした場合には、急速リタードＳＩモードでの燃料噴射に基づく高い乱流エネルギーによって燃焼の急速化を図れるだけでなく、多段ＣＩモードのときの燃料噴射（特に噴射時期が遅めに設定される後段噴射）に基づく燃料を短時間で十分に気化霧化させて適正なＣＩ燃焼を行わせることができる。

上記構成において、より好ましくは、上記急速リタードＳＩモードのときの燃料噴射の完了時期が、上記多段ＣＩモードのときの後段噴射の開始時期よりも進角側に設定される（請求項７）。

この構成によれば、負荷が高く噴射すべきトータルの燃料が多い急速リタードＳＩモードにおいて、燃料噴射の後の気化霧化時間を比較的長く確保できるとともに、多段ＣＩモードにおいては、後段噴射に基づく燃焼の開始時期を、前段噴射に基づく燃焼の開始よりも遅れた適正時期に設定することができる。

本発明において、好ましくは、上記急速リタードＳＩモードのときの燃料噴射が、圧縮行程後期に設定された複数回の噴射時期に分割される（請求項８）。

この構成によれば、例えば１回目の燃焼噴射を早めに設定し、その次の燃料噴射を遅めに設定する等により、燃料の気化霧化の促進（それによる着火性の確保）と、乱流エネルギーの向上による燃焼の急速化とをそれぞれ両立させることができる。

以上説明したように、本発明によれば、エミッション性の悪化や異常燃焼の発生を伴わず、しかも熱効率に優れた燃焼を幅広い負荷域に亘って行うことが可能な火花点火式ガソリンエンジンを提供することができる。

本発明の一実施形態にかかるガソリンエンジンの全体構成を示す図である。 図１の一部拡大図である。 上記エンジンの制御系を示すブロック図である。 エンジンの運転状態に応じた制御モードを選択するための制御マップの一例を示す図である。 図４の第１運転領域（Ａ１）で実行されるリーン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）で実行される多段ＣＩ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運転領域（Ａ３）で実行されるＳＡ−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４運転領域（Ａ４）で実行される急速リタード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。 （ａ）〜（ｆ）は、上記多段ＣＩモードにより実現される燃焼の様子を模式的に説明するための図である。 （ａ）〜（ｄ）は、上記ＳＡ−ＨＣＣＩモードにより実現される燃焼の様子を模式的に説明するための図である。 上記急速リタード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。 圧縮行程後期に噴射された燃料がキャビティ内で拡散する様子を説明するための図である。 （ａ）〜（ｇ）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）〜（ｇ）は、エンジンの中速域または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。

（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る。本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、紙面に直交する方向に並ぶ複数の気筒２（図中ではそのうちの１つのみを示す）を有するシリンダブロック３と、シリンダブロック３の上面に設けられたシリンダヘッド４と、各気筒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。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５はコネクティングロッド８を介してクランク軸７と連結されており、上記ピストン５の往復運動に応じて上記クランク軸７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５の上方には燃焼室６が形成され、燃焼室６に吸気ポート９および排気ポート１０が開口し、各ポート９，１０を開閉する吸気弁１１および排気弁１２が、上記シリンダヘッド４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９および排気ポート１０が２つずつ設けられるとともに、上記吸気弁１１および排気弁１２も２つずつ設けられている。

なお、「燃焼室」とは、狭義には、上死点時におけるピストン５の上方空間のことを指すが、本明細書でいう燃焼室６とは、ピストン５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は、理論熱効率の向上や、後述するＣＩ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幾何学的圧縮比を有するように設定されている。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。

上記吸気弁１１および排気弁１２は、それぞれ、シリンダヘッド４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１３，１４によりクランク軸７の回転に連動して開閉駆動される。

上記吸気弁１１用の動弁機構１３には、ＣＶＶＬ１５およびＶＶＴ１６がそれぞれ組み込まれている。ＣＶＶＬ１５は、連続可変バルブリフト機構（Continuous Variable Valve Lift Mechanism）と呼ばれるものであり、吸気弁１１のリフト量を連続的に（無段階で）変更するものである。また、ＶＶＴ１６は、可変バルブタイミング機構（Variable Valve Timing Mechanism）と呼ばれるものであり、吸気弁１１の開閉タイミング（位相角度）を可変的に設定するものである。これらＣＶＶＬ１５およびＶＶＴ１６は、エンジンの全ての吸気弁１１のリフト量および開閉タイミングを変更できるように設けられており、ＣＶＶＬ１５およびＶＶＴ１６の両方が駆動されると、各気筒２において一対の吸気弁１１のリフト量および開閉タイミングが同時に変更されるようになっている。

上記のような構成のＣＶＶＬ１５は既に公知であり、その具体例として、吸気弁１１駆動用のカムをカムシャフトの回転と連動して往復揺動運動させるリンク機構と、リンク機構の配置（レバー比）を可変的に設定するコントロールアームと、コントロールアームを電気的に駆動することによって上記カムの揺動量（吸気弁１１を押し下げる量）を変更するステッピングモータとを備えたものを挙げることができる（例えば特開２００７−８５２４１号公報参照）。また、上記ＶＶＴ１６についても、液圧式、電磁式、機械式など、種々のタイプのものが既に公知であり、その中から適宜のものを採用し得る。

上記排気弁１２用の動弁機構１４には、吸気行程中に排気弁１２を押し下げる機能を有効または無効にするＯＮ／ＯＦＦタイプの可変バルブリフト機構（Variable Valve Lift Mechanism）であるＶＶＬ１７が組み込まれている。すなわち、ＶＶＬ１７は、排気弁１２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１２の開弁動作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。ＶＶＬ１７は、エンジンの全ての排気弁１２に対応して設けられており、かつ、各気筒２の一対の排気弁１２に対し、それぞれ個別に、吸気行程中の開弁動作を実行または停止できるように構成されている。

このような構成のＶＶＬ１７は既に公知であり、その具体例として、排気弁１２駆動用の通常のカム（排気行程中に排気弁１２を押し下げるカム）とは別に吸気行程中に排気弁１２を押し下げるサブカムと、このサブカムの駆動力が排気弁１２に伝達されるのを有効または無効にするいわゆるロストモーション機構とを備えたものを挙げることができる（例えば特開２００７−８５２４１号公報参照）。

上記ＶＶＬ１７の作用により排気弁１２が吸気行程中に開弁することで、高温の排気ガスが排気ポート１０から燃焼室６に逆流し、燃焼室６の高温化が図られるとともに、燃焼室６に導入される空気（新気）の量が低減される。以下では、このような排気弁１２の再開弁（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３０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。

上記エンジン本体１のシリンダヘッド４には、点火プラグ２０およびインジェクタ２１が、各気筒２につき１組ずつ設けられている。

上記インジェクタ２１は、燃焼室６をその天井面（燃焼室６を覆うシリンダヘッド４の下面）から臨むように設けられている。各気筒２のインジェクタ２１にはそれぞれ燃料供給管２３が接続されており、各燃料供給管２３を通じて供給される燃料（ガソリンを主成分とする燃料）が上記インジェクタ２１の先端部から噴射されるようになっている。

より具体的に、上記燃料供給管２３の上流側には、クランク軸７と連動連結されたプランジャー式のポンプ等からなる高圧燃料ポンプが接続されているとともに、この高圧燃料ポンプと上記燃料供給管２３との間には、全気筒に共通の蓄圧用のコモンレールが設けられている。そして、このコモンレール内で蓄圧された燃料が各気筒２のインジェクタ２１に供給されることにより、各インジェクタ２１からは、３０ＭＰａ以上の高い圧力の燃料が噴射されるようになっている。なお、燃料噴射圧力の上限値は、実用上の観点等から１２０ＭＰａ程度であると考えられるため、上記インジェクタ２１からの噴射圧力は、３０ＭＰａ以上１２０ＭＰａ以下の範囲の適宜の値に設定される。

また、上記インジェクタ２１は、いわゆる多噴口型のインジェクタであり、その先端部に１２個の噴口を有している。これらの噴口の設置部（インジェクタ２１の先端部）は、燃焼室６天井の中央部に位置しており、各噴口は、その開口端がボア径方向外側の斜め下方を向くように穿孔されている。このため、上記インジェクタ２１の各噴口から燃料が噴射された場合、その燃料は、ピストン５の冠面（上面）に近づくほどボア径方向外側に拡がるように放射状に噴射されることになる。

上記点火プラグ２０は、各気筒２の燃焼室６を上方から臨むように上記インジェクタ２１と隣接して配置されている。具体的に、この点火プラグ２０は、燃焼室６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。

上記エンジン本体１の吸気ポート９および排気ポート１０には、吸気通路２８および排気通路２９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２８を通じて燃焼室６に供給されるとともに、燃焼室６で生成された排気ガス（既燃ガス）が上記排気通路２９を通じて外部に排出されるようになっている。

上記吸気通路２８は、単一の通路からなる共通通路部２８ｃと、共通通路部２８ｃの下流側端部に設けられたサージタンク２８ｂと、気筒２ごとに分岐して設けられ、上記サージタンク２８ｂと各気筒２の吸気ポート９とを接続する分岐通路部２８ａとを有している。

上記排気通路２９は、単一の通路からなる共通通路部２９ｃと、気筒２ごとに分岐して設けられ、上記共通通路部２９ｃの上流側端部と各気筒２の排気ポート１０とを接続する分岐通路部２９ａとを有している。

上記吸気通路２８および排気通路２９の間には、排気通路２９を通過する排気ガスの一部を吸気通路２８に還流させる外部ＥＧＲ装置３０が設けられている。具体的に、外部ＥＧＲ装置３０は、吸気通路２８および排気通路２９の各共通通路部２８ｃ，２９ｃどうしを連通させるＥＧＲ通路３１と、ＥＧＲ通路３１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ＥＧＲバルブ３２と、ＥＧＲ通路３１を通過する排気ガスの温度を冷却する水冷式のＥＧＲクーラ３３とを有している。

上記吸気通路２８の共通通路部２８ｃには、スロットルバルブ２５が開閉可能に設けられている。ただし、当実施形態では、上記ＣＶＶＬ１５により吸気弁１１のリフト量が調整され、また、ＶＶＬ１７により燃焼室６に残留する排気ガスの量が調整され、さらには、外部ＥＧＲ装置３０により吸気通路２８に還流される排気ガスの量が調整されることから、これらの操作に基づいて、スロットルバルブ２５を操作することなく、燃焼室６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２５は、エンジンの停止時等を除いて、全開状態に維持される。

上記排気通路２９の共通通路部２９ｃには、排気ガス浄化用の触媒コンバータ３５が設けられている。触媒コンバータ３５には例えば三元触媒が内蔵されており、排気通路２９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。

図２は、上記ピストン５の冠面の形状を具体的に説明するための拡大図である。この図２および先の図１に示すように、ピストン５の冠面中央部には、凹状のキャビティ４０が設けられている。キャビティ４０は、上記インジェクタ２１と対向する上向きの開口部４０ａを上端に有しており、この開口部４０ａの面積（開口面積）は、キャビティ４０の内部の最大断面積（キャビティ４０の各高さ位置における水平方向断面積の最大値）よりも小さく設定されている。すなわち、キャビティ４０は、その開口部４０ａから所定深さまでの範囲において、上方に至るほど内径が狭くなるように上窄まり状に形成されている。

上記キャビティ４０よりも径方向外側に位置するピストン５の冠面には、平面視円環状の環状凹部４１が、キャビティ４０の周囲を取り囲むように設けられている。この環状凹部４１は、径方向外側に至るほど高さが低くなるように形成されており、その最大深さ（最外周部の深さ）は、キャビティ４０の深さよりも浅く設定されている。

また、上記環状凹部４１よりもさらに径方向外側に位置するピストン５の最外周部には、上記環状凹部４１よりも上方に突出した円環状の立壁部４２が設けられている。この立壁部４２の突出高さは、上記キャビティ４０上端の開口部４０ａを囲む部分（リップ部）と同一に設定されている。

再び図１に戻って、上記エンジン本体１のシリンダブロック３やシリンダヘッド４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３に設けられている。

上記シリンダブロック３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７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７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４には、動弁機構１４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。

（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、吸気制御手段５３、内部ＥＧＲ制御手段５４、外部ＥＧＲ制御手段５５、および点火制御手段５６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は、上記エンジン回転速度Ｎｅおよび負荷Ｔに基づき決定される制御の種類を区分けして示す設定図（制御マップ）である。エンジンの運転中、上記判定手段５１は、この図４の制御マップに従うようにエンジンの制御内容を決定する。なお、図４の制御マップは、基本的に、エンジン水温センサＳＷ１により検出された冷却水温が所定値（例えば８０℃）以上となる温間状態のときのものである。エンジンが冷間状態にあるときの制御マップは図４とは異なり得るが、ここではその説明については省略する。

上記図４の制御マップにおいて、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よりも負荷Ｔが高い中負荷域には、低回転側から準に第２運転領域Ａ２および第３運転領域Ａ３が設定されている。つまり、エンジンの中負荷域において、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２運転領域Ａ２が設定されるとともに、この第２運転領域Ａ２よりも回転速度Ｎｅの高い領域に第３運転領域Ａ３が設定されている。さらに、上記第２、第３運転領域Ａ２，Ａ３よりも負荷Ｔが高い高負荷域には、全ての回転速度域にわたって第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、エンジンの運転点（負荷Ｔおよび回転速度Ｎｅの各値から特定される制御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の制御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。この制御マップのうち、最も高負荷側に設定された第４運転領域Ａ４を除く部分負荷の領域、つまり第１運転領域Ａ１、第２運転領域Ａ２、および第３運転領域Ａ３は、そのいずれもが、ピストン５の圧縮作用により混合気を自着火させるＣＩ燃焼（圧縮自己着火燃焼）の実行領域として規定されている。ただし、各領域Ａ１〜Ａ３では、インジェクタ２１からの燃料噴射の形態や、点火プラグ２０を利用した着火アシストの有無、さらには内部ＥＧＲまたは外部ＥＧＲの有無等が異なる（その詳細については後述する）。ここでは、上記各領域Ａ１〜Ａ３で実行されるＣＩ燃焼用の制御のことを、それぞれ「リーンＨＣＣＩモード」「多段ＣＩモード」「ＳＡ−ＨＣＣＩモード」と称する。

一方、上記第１〜第３運転領域Ａ１〜Ａ３よりも高負荷側に設定された第４運転領域Ａ４では、ＣＩ燃焼ではなく、点火プラグ２０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燃焼形態（以下、ＳＩ燃焼と略称する）が選択される。ただし、上記第４運転領域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ものであり（その詳細については後述する）、このような燃焼を実現するための上記第４運転領域Ａ４での制御のことを、ここでは「急速リタード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２１に内蔵された図外のニードル弁（インジェクタ２１の先端部の噴口を開閉する弁）を電磁的に開閉することにより、インジェクタ２１から燃焼室６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。

上記吸気制御手段５３は、上記ＣＶＶＬ１５およびＶＶＴ１６を駆動することにより、吸気弁１１のリフト量（開弁量）および開閉タイミングを変更する制御を行うものである。

上記内部ＥＧＲ制御手段５４は、上記ＶＶＬ１７を駆動して排気弁１２の吸気行程中の開弁を実行または停止することにより、燃焼室６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。なお、当実施形態において、排気弁１２は１気筒あたり２つ設けられているので、吸気行程中に開弁する排気弁１２の数を０，１，２の間で切り替えることにより、上記燃焼室６に残留する排気ガスの量（内部ＥＧＲ量）を段階的に変化させることが可能である。

上記外部ＥＧＲ制御手段５５は、上記ＥＧＲ通路３１に設けられたＥＧＲバルブ３２の開度を調節することにより、排気通路２９から吸気通路２８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、その外部ＥＧＲによる排気ガスの還流量（外部ＥＧＲ量）を制御するものである。

上記点火制御手段５６は、上記点火プラグ２０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２０は、エンジンが火花点火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。

（３）各運転領域での燃焼形態
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。なお、ここでの説明の前提として、エンジンの冷却水温は十分に暖まっている（つまり温間時の運転である）ものとする。このように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、エンジンの運転点（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５運転領域Ａ１〜Ａ５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（リーンＨＣＣＩモード）
図５は、エンジンの運転点が第１運転領域Ａ１にあるためにエンジンがリーンＨＣＣＩモードで運転されている場合の燃料噴射時期と吸排気弁１１，１２のリフト特性、およびそれに基づく燃焼により生じる熱発生率（Ｊ／ｄｅｇ）を示す図である。本図に示すように、このリーンＨＣＣＩモードでは、圧縮上死点（圧縮行程と膨張行程の間のＴＤＣ）よりも十分に早いタイミングで噴射された燃料と空気とに基づくリーンな混合気をピストン５の圧縮作用によって自着火させる、予混合圧縮自己着火燃焼（Homogeneous-Charge Compression Ignition Combustion）が実行される。

具体的に、当実施形態において、リーン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２１から燃焼室６に対し比較的少量の燃料が噴射（Ｐ０）され、この１回の燃料噴射Ｐ０により一括噴射された少量の燃料と、吸気通路２８から燃焼室６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５の圧縮作用により高温、高圧化し、圧縮上死点付近で自着火する。すると、このような自着火に基づき、波形Ｑａに示すような熱発生を伴う燃焼が生じることになる。

上記リーンＨＣＣＩモードでは、燃焼室６内の混合気の空燃比（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、燃焼室６の全体に亘って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、上記リーンＨＣＣＩモードでは、ＶＶＬ１７を駆動して排気弁１２を吸気行程中に開弁させることにより、燃焼室６で生成された排気ガスを燃焼室６に逆流させる内部ＥＧＲが実行される。すなわち、排気弁１２は、通常、排気行程のみで開弁するが（図５のリフトカーブＥＸ）、ＶＶＬ１７の駆動に基づき排気弁１２を吸気行程でも開弁させることにより（リフトカーブＥＸ’）、排気ポート１０から燃焼室６に排気ガスを逆流させる。このように、高温の排気ガスを燃焼室６に逆流（残留）させることで、燃焼室６を高温化して、混合気の自着火を促進する。

ここで、燃焼室６に残留する排気ガスの量（内部ＥＧＲ量）は、低負荷側ほど多く、高負荷側ほど少なく設定される。これに対し、燃焼室６に導入される空気（新気）の量は、低負荷側ほど少なく、高負荷側ほど多く設定される。そのための制御として、上記リーンＨＣＣＩモードでは、吸気弁１１のリフト量が、負荷Ｔの高まりとともに徐々に増大設定される。図５中の一点鎖線のリフトカーブＩＮは、吸気弁１１が小リフト状態のときのリフトカーブであり、この状態から負荷Ｔが高まると、それに伴って吸気弁１１のリフト量が破線のリフトカーブを上限として徐々に増大設定される。このように吸気弁１１のリフト量を増大させる際には、吸気弁１１の閉時期が吸気下死点（吸気行程と圧縮行程の間のＢＤＣ）の近傍に固定されたまま、吸気弁１１の開時期のみが排気上死点（排気行程と吸気行程の間のＴＤＣ）に向けて徐々に進角するように、吸気弁１１の開閉タイミングおよびリフト量が上記ＣＶＶＬ１５およびＶＶＴ１７によって調整される。なお、当実施形態では、１気筒あたり排気弁１２が２つ存在するので、内部ＥＧＲによる残留ガス（内部ＥＧＲガス）を適正量確保するために、吸気行程中に開弁する排気弁１２の数を、負荷Ｔの高まりとともに段階的に減らす制御を同時に行ってもよい。

なお、上記リーンＨＣＣＩモードでは、上記のように排気弁１２の再開弁（吸気行程中の開弁）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、ＥＧＲ通路３１に設けられたＥＧＲバルブ３２の開度が全閉に設定されることにより、排気通路２９から吸気通路２８への排気ガスの還流が停止される。

また、上記リーンＨＣＣＩモードでは、上述したように、空気過剰率λが２以上という大幅にリーンな値に設定される。このように大幅にリーンに設定された混合気を燃焼させると、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のときに燃焼により生じる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。

（ii）第２運転領域Ａ２（多段ＣＩモード）
上記第１運転領域Ａ１よりも負荷Ｔが高く、かつ回転速度Ｎｅが比較的低い領域に設定された第２運転領域Ａ２では、多段ＣＩモードとして、図６に示すような制御が実行される。すなわち、圧縮上死点付近とそれより前の圧縮行程中の所定時期とに設定された２回の噴射タイミング（Ｐ１，Ｐ２）に分けてインジェクタ２１から燃料を噴射させ、それぞれの燃料に基づく混合気を自着火により燃焼させる制御が実行される。なお、以下の説明では、圧縮行程中に実行される１回目の燃料噴射Ｐ１を前段噴射、それより後の圧縮上死点付近（図例では膨張行程のごく初期）に実行される２回目の燃料噴射Ｐ２を後段噴射と称する。

具体的に、当実施形態において、上記多段ＣＩモードのときの前段噴射Ｐ１のタイミング（より正確には開始タイミング）は、圧縮上死点（圧縮行程と膨張行程の間のＴＤＣ）を基準として、その上死点前（ＢＴＤＣ）６０〜５０°ＣＡ（ＣＡはクランク角を表す）程度の期間内に設定され、後段噴射Ｐ２のタイミング（開始タイミング）は、上死点後（ＡＴＤＣ）０〜１０°ＣＡ程度の期間内に設定される。また、前段噴射Ｐ１および後段噴射Ｐ２による各噴射量の割合は、３：７〜７：３程度に設定される。

ここで、多段ＣＩモードが実行される第２運転領域Ａ２は、エンジンの中負荷域に位置し、上記リーン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が高いため、上記前段噴射Ｐ１および後段噴射Ｐ２によるトータルの噴射量は、上記リーンＨＣＣＩモードのとき（図５の燃料噴射Ｐ０）よりも増大される。また、吸気弁１１のリフト量は、上記リーンＨＣＣＩモードのときの最大リフト量（図６の破線のリフトカーブ参照）と同一とされ（リフトカーブＩＮ）、比較的多量の空気（新気）が燃焼室６に導入されるようになっている。そして、上記のように分割噴射された燃料と空気との混合気が圧縮上死点付近で自着火することにより、図中の波形Ｑｂに示すように、時期の異なる２つのピークを有するような熱発生を伴う燃焼が生じることになる。なお、このような波形Ｑｂの形状はあくまで概念的なものであり、実際には２つのピークが明確に現れない場合も当然にあり得る。

上記のように前段噴射Ｐ１および後段噴射Ｐ２に分けて燃料を噴射するのは、燃焼騒音等の問題を考慮してのものである。すなわち、燃料噴射量の多い上記第２運転領域Ａ２では、燃料を１回で噴射してしまうと、噴射された多量の燃料が短時間で全て燃焼する急激な燃焼が起きることにより、筒内圧力が急上昇し、燃焼騒音が著しく増大する等の事態を招くおそれがある。そこで、上記のように燃料を分割噴射することにより、比較的マイルドな燃焼が継続的に起きるようにして、上記のような燃焼騒音の増大等を回避するようにしている。

ただし、たとえ燃料噴射を複数回に分割しても、インジェクタ２１の配置やピストン５の形状によっては、各回に噴射された燃料どうしが混じり合い、その混じり合った燃料がほとんど同時に燃焼することがある。このように、噴射タイミングが異なる燃料どうしが混じり合った状態で燃焼が起きると、燃焼騒音が過大になるばかりでなく、燃焼時に必要な酸素が局所的に著しく不足し、多量のスート（炭素質粒子）が発生するおそれがある。

このような問題に対し、当実施形態では、インジェクタ２１が燃焼室６天井の中央部に配置されるとともに、ピストン５の冠面がキャビティ４０等を有する特殊な形状に形成されているため、分割噴射された燃料が同時に燃焼してしまうことがなく、上記のような燃焼騒音の増大やスートの大量発生を回避することが可能である（その詳細なメカニズムについては後述する）。

また、上記多段ＣＩモードでは、上記のような燃料の分割噴射制御に加えて、吸気行程中に排気弁１２を押し下げる機能を無効にするようにＶＶＬ１７が駆動され、排気弁１２の吸気行程中の開弁が停止される。これにより、排気ガスが燃焼室６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、多段ＣＩ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。すなわち、ＥＧＲ通路３１に設けられたＥＧＲバルブ３２が所定開度まで開かれることにより、排気通路２９から吸気通路２８へ排気ガスを還流させる操作が実行される。

このように、内部ＥＧＲから外部ＥＧＲへと切り替えるのは、燃焼室６の過度の高温化を防いで異常燃焼を回避するためである。すなわち、多段ＣＩモードが実行される上記第２運転領域Ａ２は、リーンＨＣＣＩモードの実行領域である上記第１運転領域Ａ１よりもエンジン負荷Ｔが高く、噴射されるトータルの燃料が多いため、燃焼に伴い発生する熱量が増大し、燃焼室６が高温化する傾向にある。このため、仮に第２運転領域Ａ２でも内部ＥＧＲを継続したのでは、燃焼室６がますます高温化し、プリイグニッションやノッキング等の異常燃焼が起きるおそれがある。そこで、内部ＥＧＲから外部ＥＧＲに切り替えて、ＥＧＲクーラ３３付きのＥＧＲ通路３１を通過した（つまりＥＧＲクーラ３３により冷却された）排気ガスを吸気通路２８に還流させることにより、燃焼室６の過度な高温化を防ぎ、上記のような異常燃焼を回避するようにしている。なお、エンジン負荷Ｔが高まれば、それだけ異常燃焼が起き易くなることから、上記外部ＥＧＲにより還流される排気ガスの量（外部ＥＧＲ量）は、負荷Ｔが高くなるほど増大される。

ここで、以上のような多段ＣＩモードに基づく制御により実現される燃焼形態について、図９（ａ）〜（ｆ）を参照しつつより具体的に説明する。図９（ａ）は、インジェクタ２１から前段噴射Ｐ１が行われたときの状態を示している。このときのピストン５は、上述したように、圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）６０〜５０°ＣＡ程度に位置している。このような位置にあるピストン５の冠面に向けて、上記インジェクタ２１の先端部に備わる複数（１２個）の噴口から放射状に燃料が噴射されると、その燃料の噴霧は、ピストン５の冠面の径方向外側寄りに設けられた環状凹部４１に向かうことになる。

上記ピストン５の環状凹部４１に向けて噴射された燃料（噴霧）は、その後、ピストン５の最外周部に設けられた立壁部４２により上方にガイドされながら分散し、その分散した燃料に基づき、図９（ｂ）に示すようなピストン位置（圧縮上死点以前のタイミング）で、燃焼室６の外周部（主に環状凹部４１の内部およびその上方空間）に混合気Ｘ１が形成される。ここで形成される混合気Ｘ１の空燃比は、燃焼室６の外周部だけの局所的な空燃比として、理論空燃比（空気過剰率λ＝１）程度に設定される。すなわち、圧縮上死点以前において、理論空燃比程度の濃さの混合気Ｘ１が燃焼室６の外周部に局所的に形成されるように、前段噴射Ｐ１の噴射時期および噴射量が設定されている。

もちろん、上記前段噴射Ｐ１によって、燃焼室６の外周部以外（例えばキャビティ４０の内部）にも微量の燃料が存在し得るが、その燃料の濃度は、上記燃焼室６の外周部に比べれば極めて薄いものである。言い換えれば、上記前段噴射Ｐ１により、燃焼室６の外周部には、キャビティ４０の内部よりもリッチな混合気Ｘ１が形成されていることになる。

上記のように燃焼室６の外周部に形成された混合気Ｘ１は、ピストン５の上昇により圧縮されて高温・高圧化し、圧縮上死点付近までピストン５が達したところで、図９（ｃ）に示すように自着火により燃焼する（ＣＩ燃焼）。なお、同図では、混合気Ｘ１が燃焼している領域を黒またはグレーに着色して示している。この混合気Ｘ１が燃焼する領域Ｙ１は、上記混合気Ｘ１が形成された領域に対応して、燃焼室６の外周部分に限られる。

上記のような前段噴射Ｐ１に基づく燃焼が始まると、それと前後して（図例では前段噴射Ｐ１に基づく燃焼開始とほぼ同時に）、図９（ｄ）に示すような後段噴射Ｐ２が実行される。この後段噴射Ｐ２のタイミングは、上述したように、ピストン５がその上昇端に至った時点（圧縮上死点）とほぼ同時かその直後のＡＴＤＣ０〜１０°ＣＡ程度である。このようなタイミング（圧縮上死点付近）でインジェクタ２１から燃料が噴射されると、その燃料の噴霧は、ピストン５の冠面中央部に設けられたキャビティ４０の内部へと向かうことになる。すると、このキャビティ４０の内部に向けて噴射された燃料（噴霧）は、キャビティ４０の周壁に沿って上方にガイドされながら分散し、その分散した燃料に基づき、図９（ｅ）に示すように、燃焼室６の中央部（主にキャビティ４０の内部）に混合気Ｘ２が形成される。この混合気Ｘ２の局所的な空燃比も、上述した前段噴射Ｐ１に基づく混合気Ｘ１と同様、理論空燃比（空気過剰率λ＝１）程度に設定される。言い換えれば、上記後段噴射Ｐ２により、キャビティ４０の内部には、前段噴射Ｐ１の実行時よりもリッチな（より具体的には、前段噴射Ｐ１により噴射された燃料に基づきキャビティ４０内に形成される極めて薄い混合気よりもリッチな）混合気Ｘ２が形成されていることになる。

ただし、混合気Ｘ２は、少なくとも上記前段噴射Ｐ１に基づく混合気Ｘ１の燃焼が終了する前には存在している必要がある。すなわち、上記前段噴射Ｐ１に基づく燃焼が終了するよりも前に、理論空燃比程度の濃さの混合気Ｘ２が燃焼室の中央部に局所的に形成されるように、上記後段噴射Ｐ２の噴射時期および噴射量が設定されている。なお、当実施形態では、前段噴射Ｐ１に基づく燃焼の開始タイミングとほぼ同時に後段噴射Ｐ２を実行しているが、インジェクタ２１からの燃料噴射圧力は、３０ＭＰａ以上というかなり高い値に設定されているので、上記のような遅いタイミングで後段噴射Ｐ２を実行しても、上記燃焼の終了前には混合気Ｘ２を形成することが可能である。

ここで、上述したように、後段噴射Ｐ２に基づく混合気Ｘ２の局所的な空燃比と、これよりも前に実行される前段噴射Ｐ１に基づく混合気Ｘ１の局所的な空燃比とが、ともに理論空燃比程度であり、かつこれら混合気Ｘ１，Ｘ２が燃焼室６内で分離して形成されることから、上記多段ＣＩモードでは、燃焼室６全体の平均の空燃比が、理論空燃比よりもリーンな値（空気過剰率λ＞１）に設定されることになる。

上記のような後段噴射Ｐ２に基づき、圧縮上死点付近でしかも前段噴射Ｐ１による燃焼の継続中（燃焼の終了前）に混合気Ｘ２が形成されることで、この混合気Ｘ２は、図９（ｆ）に示すように、上記後段噴射Ｐ２の後、短い時間で自着火に至り、燃焼する。この混合気Ｘ２が燃焼する領域Ｙ２は、上記混合気Ｘ２が形成された領域に対応して、燃焼室６の中央部に限られる。すなわち、上述した前段噴射Ｐ１に基づく混合気Ｘ１が、環状凹部４１の設置部に対応する燃焼室６の外周部（燃料領域Ｙ１）で燃焼するのに対し、後段噴射Ｐ２に基づく混合気Ｘ２は、キャビティ４０の設置部に対応する燃焼室６の中央部（上記燃料領域Ｙ１よりも径方向中心寄りに位置する燃焼領域Ｙ２）で燃焼することになる。

以上のように、多段ＣＩモードでは、負荷Ｔに応じた比較的多量の燃料を複数回（前段噴射Ｐ１および後段噴射Ｐ２）に分けて噴射することで、別々の空間に混合気（Ｘ１，Ｘ２）を形成し、それらを独立して自着火、燃焼させるようにしている。このような多段ＣＩモードが実行される上記第２運転領域Ａ２では、分割噴射された燃料が混じり合って同時に燃焼してしまうことがないため、筒内圧力の急上昇による燃焼騒音の増大や、局所的な酸素不足によるスートの増大等を招く心配がない。しかも、前段噴射Ｐ１および後段噴射Ｐ２に基づく混合気Ｘ１，Ｘ２の局所的な空燃比は、それぞれ理論空燃比（λ＝１）程度に設定されるので、そのような環境下の燃焼により生成された排気ガスであれば、三元触媒のみによって十分に有害成分の浄化が可能である。

（iii）第３運転領域Ａ３
上記第１運転領域Ａ１よりも負荷Ｔが高く、かつ上記第２運転領域Ａ２よりも回転速度Ｎｅが高い第３運転領域Ａ３では、ＳＡ−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、圧縮上死点よりも所定期間以上早いタイミングで燃料を噴射させ（Ｐ３）、この燃料噴射Ｐ３により噴射された燃料に基づき燃焼室６全体に均質な混合気が形成された状態で、点火プラグ２０を利用した着火アシスト（Spark Assist）を行わせる。これにより、少量の混合気を着火アシストに基づく火炎伝播により燃焼させ、その後、残りの混合気を自着火により燃焼させる。

具体的に、当実施形態において、ＳＡ−ＨＣＣＩモードでの運転時には、吸気行程中の所定時期にインジェクタ２１から燃料が一括噴射され（燃料噴射Ｐ３）、このような燃料噴射Ｐ３による燃料と空気（新気）とに基づき、少なくとも圧縮上死点の手前までに、燃焼室６全体にほぼ均質な混合気が形成される。そして、圧縮上死点の近傍（図例では圧縮上死点の少し手前）で、上記混合気の自着火を促進するための着火アシストとして、点火プラグ２０による火花点火が実行される。すると、この火花点火をきっかけに、圧縮上死点付近で少量の混合気が火炎伝播により燃焼し始め、図７の波形Ｑｃ’のような少量の熱発生を伴う燃焼が生じる。このような着火アシストに基づく燃焼（火炎伝播による燃焼）が始まると、それによって燃焼室６内の温度が上昇するため、圧縮上死点を過ぎた膨張行程の途中（図中の時点ｔ１）から、残りの混合気が相次いで自着火する。これにより、２つ目の波形Ｑｃに示すように、比較的大きな熱発生を伴う燃焼が、着火アシストによる燃焼と連続して生じることになる。

上記着火アシストのタイミングは、図７の例では圧縮上死点の少し手前に設定されているが、その後に起きる自着火による燃焼（波形Ｑｃ参照）が圧縮上死点以降に開始されるようなタイミングであればよく、図７に示されるようなタイミングに限られない。例えば、自着火による燃焼の開始時期ｔ１は、圧縮上死点後（ＡＴＤＣ）０〜２０°ＣＡ程度であることが望ましく、これを実現するための着火アシストのタイミングは、概ね圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）２０〜０°ＣＡ程度に設定される。

ここで、着火アシストを行ってから、混合気が自着火による燃焼を開始する時点ｔ１までの経過時間（着火遅れ時間）が一定であると仮定すると、エンジン回転速度Ｎｅが高いほど、上記着火遅れ時間の間にピストンが移動する距離（クランク角の変動幅）は大きくなる。このため、概ね同じタイミング（クランク角位置）で自着火による燃焼を開始させるためには、エンジン回転速度Ｎｅが高いほど着火アシストのタイミングを早める必要がある。そこで、上記着火アシストのタイミングは、エンジン回転速度Ｎｅが高いほど進角側に設定され、回転速度Ｎｅが低いほど遅角側に設定される。このため、回転速度Ｎｅが最も低い条件では、図７とは異なり、着火アシストのタイミングが圧縮上死点よりも後になることもあり得る。

上記ＳＡ−ＨＣＣＩモードでは、先の多段ＣＩモードのときと同様、排気弁１２の再開弁により排気ガスを燃焼室６に逆流させる内部ＥＧＲが禁止されるとともに、ＥＧＲ通路３１を通じて排気ガスを吸気通路２８に還流させる外部ＥＧＲが実行される。ただし、後述するように、ＳＡ−ＨＣＣＩモードでは、混合気の空燃比が理論空燃比（空気過剰率λ＝１）に設定されるため、燃焼室全体の平均空燃比がリーン（λ＞１）に設定される上述した多段ＣＩモードのときのよりも、燃焼室６に導入すべき空気の量が少なくなる。そこで、このような空気の減量分を補うべく、外部ＥＧＲによる排気ガスの還流量（外部ＥＧＲ量）は、上記多段ＣＩモードのときよりも増やされる。

図１０（ａ）〜（ｄ）は、以上のようなＳＡ−ＨＣＣＩモードに基づく制御により実現される燃焼形態を模式的に示す図である。ＳＡ−ＨＣＣＩモードでは、上述したように、吸気行程中に燃料噴射Ｐ３（図７）が実施されることにより、圧縮上死点よりも手前において、図１０（ａ）に示すように、燃焼室６全体に均質な混合気Ｘ３が形成される。このときの混合気Ｘ３の空燃比は、理論空燃比（空気過剰率λ＝１）と同じである。つまり、上記燃料噴射Ｐ３の噴射量は、燃焼室全体に亘って理論空燃比の混合気を形成し得る量に設定される。

上記のような理論空燃比（λ＝１）の均質な混合気Ｘ３が形成されると、その混合気Ｘ３の自着火を促進するための着火アシストとして、図１０（ｂ）に示すように、点火プラグ２０による火花点火Ｓが実行される。図１０（ｂ）の例では、圧縮上死点の少し手前で上記着火アシストが実行されている。すると、その後間もない圧縮上死点付近で、図１０（ｃ）に示すように、点火プラグ２０の電極近傍の混合気が火炎伝播により燃焼し、局所的な燃焼領域Ｙａが形成される。

上記のようにして着火アシストによる火炎（燃焼領域Ｙａ）が圧縮上死点付近で生じると、ピストン５の上昇による圧縮作用と相俟って、燃焼室６が大幅に高温化する。すると、圧縮上死点以降のタイミングで、上記着火アシストによる燃焼領域Ｙａ以外の場所に存在する混合気が相次いで自着火し、図１０（ｄ）に示すように、燃焼室６の各所に混合気の燃料領域Ｙ３が形成される。なお、この自着火による燃焼は、図１０（ｃ）に示した初期の燃焼（火花点火に基づく火炎伝播燃焼）と比べれば急激な熱発生を伴うが（図７の波形Ｑｃ参照）、圧縮上死点以降の遅めのタイミングで自着火が開始されることから、筒内圧が過度に上昇することはなく、燃焼騒音等の問題はクリアされる。

以上のように、第２運転領域Ａ２よりも回転速度Ｎｅの高い第３運転領域Ａ３では、上述した多段ＣＩモード（分割噴射した燃料を燃焼室６内の異なる場所で自着火させる制御）ではなく、着火アシストにより均質な混合気を膨張行程の途中で自着火させるＳＡ−ＨＣＣＩモードが実行される。これは、仮に多段ＣＩモードと同様の手法で燃料を分割噴射しても、回転速度Ｎｅが比較的高い上記第３運転領域Ａ３では、燃料の受熱期間（高温・高圧環境下に晒される時間）が短くなるために混合気を自着火に至らせることが難しく、また、混合気を燃焼室６内で明確に分離して形成することが難しいからである。

すなわち、エンジンの中高速域に位置する上記第３運転領域Ａ３では、低速域に位置する第２運転領域Ａ２よりも、ピストン５の移動スピードが速いため、図６や図９に示したようなタイミング（圧縮上死点よりも６０〜５０°ＣＡ程度手前）で前段噴射Ｐ１を実施しても、そこから圧縮上死点付近に至るまでの時間が短い（つまり燃料の受熱期間を十分に確保できない）ため、上記前段噴射Ｐ１に基づく混合気Ｘ１を圧縮上死点付近で自着火に至らせることが困難となる。そのため、前段噴射Ｐ１に基づく混合気Ｘ１が失火し易く、失火した場合には、その後の後段噴射Ｐ２に基づく混合気Ｘ２も当然に失火することから、混合気を何ら燃焼させることができなくなる。

また、仮に混合気を自着火させることができたとしても、ピストンスピードが速い第３運転領域Ａ３では、上記前段噴射Ｐ１および後段噴射Ｐ２の各期間中にピストン５が大きく移動するため、各噴射に基づく混合気Ｘ１，Ｘ２を、図９に示したように燃焼室６の外周部と中央部とに明確に分離して形成することが困難になると考えられる。すると、混合気Ｘ１，Ｘ２の一部が混じり合って同時に燃焼し、燃焼騒音やスートの増大を招くことが懸念される。

以上のように、エンジン回転速度Ｎｅが比較的速い第３運転領域Ａ３において、仮に、前段噴射Ｐ１および後段噴射Ｐ２に分けて燃料を噴射する多段ＣＩモードを実行したとしても、適正なＣＩ燃焼を行わせることは難しいと考えられる。そこで、上記第３運転領域Ａ３では、点火プラグ２０による着火アシストを利用したＳＡ−ＨＣＣＩモードに切り替えることにより、予め形成した均質な混合気を圧縮上死点以降の遅めのタイミングで自着火させるようにしている。

（iv）第４運転領域Ａ４（急速リタードＳＩモード）
上記第２運転領域Ａ２および第３運転領域Ａ３よりも負荷Ｔが高い第４運転領域Ａ４では、急速リタード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、圧縮行程中にインジェクタ２１から燃料を噴射させ（Ｐ４，Ｐ５）、この燃料噴射Ｐ４，Ｐ５の後に点火プラグ２０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。

具体的に、当実施形態において、急速リタードＳＩモードでの運転時には、圧縮行程の後期に設定された２回の噴射時期（Ｐ４，Ｐ５）に分けてインジェクタ２１から燃料が噴射される。各燃料噴射Ｐ４，Ｐ５のタイミングとしては、例えば、１回目の噴射Ｐ４の開始時期から、２回目の噴射Ｐ５の完了時期までの期間が、概ね圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）２０〜０°ＣＡ程度の期間内に収まるように設定される。

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。

上記図８の例からも理解できるように、上記急速リタードＳＩモードでの燃料噴射Ｐ４，Ｐ５の完了時期（２回目の噴射Ｐ５が終了する時点）は、上述した多段ＣＩモードでの後段噴射Ｐ２の開始時期（ＡＴＤＣ０〜１０°ＣＡ）よりも早い時期に設定される。これは、急速リタードＳＩモードでの燃料噴射Ｐ４，Ｐ５は、トータルの噴射量が多く、これを火花点火までの間に十分に気化霧化させるには、ある程度早めのタイミングで噴射を完了させる必要があるのに対し、多段ＣＩモードでの後段噴射Ｐ２は、それより前の前段噴射Ｐ１に基づく燃焼開始をきっかけに比較的短時間で自着火に至るため、必然的に噴射時期を遅めに設定する必要があるからである。

上記燃料噴射Ｐ４，Ｐ５によるトータルの噴射量は、燃焼室６全体の平均の空燃比が理論空燃比（空気過剰率λ＝１）となるように設定される。また、上記急速リタードＳＩモードが実行される第４運転領域Ａ４は、上記第２、第３運転領域Ａ２，Ａ３よりもさらに負荷Ｔが高いため、第４運転領域Ａ４での噴射量（燃料噴射Ｐ４，Ｐ５のトータルの噴射量）は、第２、第３運転領域Ａ２，Ａ３での噴射量よりも多くなる。そこで、この増量される燃料に見合う多量の新気を確保すべく、負荷Ｔの増大に応じてＣＶＶＬ１５が駆動され、吸気弁１１のリフト量がさらに増大される（リフトカーブＩＮ）。なお、図８の例では、吸気弁１１のリフトピーク位置を固定したままリフト量を増大させている。このため、リフト量の増大に伴って、吸気弁１１の開時期は排気行程内に進角し、閉時期は圧縮行程内に進角することになる。このような吸気弁１１の開閉タイミングの変更は、ポンピングロスの低減に有利となる。

また、上記急速リタードＳＩモードのときは、ＥＧＲ通路３１を通じて排気ガスを吸気通路２８に還流させる外部ＥＧＲが実行される。なお、上述したように、急速リタードＳＩモードの実行領域（第４運転領域Ａ４）では必要な新気量が多いため、ここでの外部ＥＧＲ量は、先のＳＡ−ＨＣＣＩモードのときよりも低減される。特に、エンジンの全負荷近傍では、より多量の新気を確保するために、外部ＥＧＲは禁止される。

上記燃料噴射Ｐ４，Ｐ５による噴射燃料に基づき形成される理論空燃比（λ＝１）の混合気は、上記各噴射Ｐ４，Ｐ５の完了から比較的短い期間を空けた所定のタイミング（図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、図中の波形Ｑｄ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）。

上記のように、第４運転領域Ａ４でＣＩ燃焼（圧縮自己着火燃焼）ではなくＳＩ燃焼（火花点火に基づく火炎伝播燃焼）を実行するのは、以下のような理由による。

すなわち、負荷Ｔが最も高くトータルの燃料噴射量が多い第４運転領域Ａ４において、これよりも負荷Ｔの低い中負荷域（第２、第３運転領域Ａ２，Ａ３）と同様、多段ＣＩモードやＳＡ−ＨＣＣＩモードに基づくＣＩ燃焼を継続させた場合には、異常燃焼の発生やエミッション性の悪化等を招く可能性が高くなると考えられる。

例えば、上記第４運転領域Ａ４で多段ＣＩモード（図６、図９参照）を実行したとしても、前段噴射Ｐ１および後段噴射Ｐ２による噴射量がそれぞれ多くなるために、上記各噴射Ｐ１，Ｐ２に基づく混合気Ｘ１，Ｘ２を、図９に示したように燃焼室６内で明確に分離して形成することが困難になる。このため、上記各混合気Ｘ１，Ｘ２の一部が混じり合って同時に燃焼し、燃焼騒音やスートの増大等を招くことが懸念される。

一方、上記第４運転領域Ａ４でＳＡ−ＨＣＣＩモード（図７、図１０参照）を実行した場合には、吸気行程等の早い時期に一括噴射された多量の燃料が、点火プラグ２０による着火アシストを待つことなく早期に（例えば圧縮上死点よりも前に）自着火し、プリイグニッション（過早着火）と呼ばれる異常燃焼や、燃焼温度の過上昇によるＮＯｘの増大を招くことが懸念される。

このように、エンジンの高負荷域に設定された上記第４運転領域Ａ４では、適切なＣＩ燃焼の継続が困難になると考えられる。そのため、当実施形態では、上記第４運転領域Ａ４にまで負荷が高まったときに、ＣＩ燃焼からＳＩ燃焼へと切り替えるようにしている。ただし、上述したように、当実施形態のエンジン本体１は、部分負荷域でＣＩ燃焼を確実に行わせるために、幾何学的圧縮比が１４以上というかなり高い値に設定されている。よって、通常のＳＩ燃焼、つまり、圧縮上死点よりもかなり前（例えば吸気行程中）に燃料を噴射して圧縮上死点付近で火花点火を行わせるという制御を、上記第４運転領域Ａ４において実行した場合には、上述したプリイグニッションや、火炎伝播の途中で未燃混合気（エンドガス）が自着火するノッキングのような異常燃焼を引き起こすことが懸念される。そこで、図８に示したような急速リタードＳＩモードに基づく特殊なＳＩ燃焼が必要となる。

次に、上記急速リタード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具体的に説明する。なお、以下では、急速リタードＳＩモードにより実現されるＳＩ燃焼のことを、単に「急速リタードＳＩ燃焼」と称する。

図１１は、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）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（ともに第４運転領域Ａ４内の低速域に該当する値）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６では、その燃料噴射Ｐ’の後、ピストン５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１１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１１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。もちろん、上記着火しきい値を超える時点よりもかなり前まで点火時期を早めてもよいが、そのようにした場合には、プリイグニッションの発生は仮に避けられても、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。

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４運転領域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、３０ＭＰａ以上（例えば４０ＭＰａ）という非常に高い噴射圧力で、しかも圧縮行程の後期という大幅に遅角した期間に燃料が噴射される（図１１の上図のＰ４，Ｐ５）。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１１にも示すように、インジェクタ２１からの燃料の噴射に要する期間（（Ａ）噴射期間）と、噴射終了後、点火プラグ２０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２１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１２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、燃料噴霧の飛翔距離をより長くする。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２０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１２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１１および図８では、このような背景から、燃料噴射Ｐ４，Ｐ５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６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５から圧縮を受けることに起因して、燃焼室６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１２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１２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、３０ＭＰａ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２１のように、１２個という多数の噴口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。さらに、このような多噴口型のインジェクタ２１と、ピストン５に設けられたキャビティ４０との組み合わせによって、図１３に示すように、圧縮行程後期の燃料噴射Ｐ４，Ｐ５により噴射された燃料の噴霧を、その乱流エネルギーにより、主にキャビティ４０内で迅速に拡散させることができる。このこともまた、燃焼期間の短縮に貢献する。

ここで、図１１および図８に示したように、高圧リタード噴射として、圧縮行程後期の２回（Ｐ４，Ｐ５）に分けて燃料を噴射したのは、燃料の気化霧化の促進と乱流エネルギーの向上とをそれぞれ狙ったものである。

すなわち、１回目の燃料噴射Ｐ４は、相対的に長い混合気形成期間を確保することができるため、燃料の気化霧化に有利である。そして、１回目の燃料噴射Ｐ４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Ｐ５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６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Ｐ４と２回目の燃焼噴射Ｐ５の割合は、図１１および図８にも示すように、２回目の燃料噴射Ｐ５の噴射量を、１回目の燃料噴射Ｐ４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６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。

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１１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１２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。なお、図６の上図における白丸と黒丸とで、点火時期は互いに同じタイミングに設定している。

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１１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１１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、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。

（ｖ）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）〜（ｇ）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に示した制御マップにおいて、エンジンの運転点が第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、リーンＨＣＣＩモード→多段ＣＩモード→急速リタード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６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２５の開度、（ｃ）はＥＧＲバルブの開度、（ｄ）は排気弁１２の閉時期（ＥＶＣ）、（ｅ）は吸気弁１１の開時期（ＩＶＯ）、（ｆ）は吸気弁１１の閉時期（ＩＶＣ）、（ｇ）は吸気弁１１のリフト量をそれぞれ示している。

スロットルバルブ２５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。

ＥＧＲバルブ３２の開度は、図１４（ｃ）に示すように、リーン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）。一方、多段ＣＩモードに移行すると、ＥＧＲバルブ３２が開弁され始め（つまり外部ＥＧＲが開始され）、その後は、負荷Ｔの増大とともに徐々にＥＧＲバルブ３２の開度が増大される。そして、急速リタードＳＩモードに移行すると、ＥＧＲバルブ３２の開度はさらに増大され（Ｒ部）、その後は、負荷Ｔの増大とともに漸減される。なお、多段ＣＩモードから急速リタードＳＩモードに移行するときにＥＧＲバルブ３２の開度が増大されるのは、図１４（ａ）に示すように、多段ＣＩモードのときは、空気過剰率λが１より大きい（つまりλ＝１相当よりも多量の新気が燃焼室６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、急速リタード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。

排気弁１２は、図１４（ｄ）に示すように、リーン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される（再開弁）。つまり、図１４（ｄ）において、リーンＨＣＣＩモードのときの排気弁１２の閉時期が２回存在しており、このことが、上記排気弁１２の再開弁（２度開き）を表している。そして、この排気弁１２の再開弁によって、燃焼室６に排気ガスを逆流させる内部ＥＧＲが実現される。一方、多段ＣＩモードおよび急速リタードＳＩモードでは、ともに上記排気弁１２の再開弁が解除され、内部ＥＧＲが禁止される。

吸気弁１１の開度は、図１４（ｇ）に示すように、リーンＨＣＣＩモードのときに、負荷Ｔの増大とともに徐々に増大され、これに伴って図１４（ｅ）に示すように、吸気弁１１の開時期が徐々に進角される。一方、多段ＣＩモードに移行すると、吸気弁１１の開度およびその開閉時期は一定値に維持される。そして、急速リタードＳＩモードにまで移行すると、再び、負荷Ｔの増大とともに吸気弁１１のリフト量が徐々に増大され、またこれに伴って、吸気弁１１の開時期が進角され、かつ閉時期が遅角される。

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、リーンＨＣＣＩモード、多段ＣＩモード、急速リタード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（トータルの噴射量）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、多段ＣＩ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、リーンＨＣＣＩモードおよび多段ＣＩモードのときに１より大きくなり、急速リタードＳＩモードのときに１に等しくなる。

次に、エンジンの中高速域で負荷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）〜（ｇ）は、エンジンの中速域または高速域内で負荷Ｔが低負荷から高負荷まで変動することにより、図４に示した制御マップにおいて、エンジンの運転点が第１運転領域Ａ１→第３運転領域Ａ３→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、リーンＨＣＣＩモード→ＳＡ−ＨＣＣＩモード→急速リタード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）〜（ｇ）によれば、リーンＨＣＣＩモードのときと、急速リタードＳＩモードのときでは、先の図１４（ａ）〜（ｇ）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、ＳＡ−ＨＣＣＩモードのときは、上記図１４（ａ）〜（ｇ）に示した多段ＣＩモードのときと異なり、ＥＧＲバルブ３２の開度（図１５（ｃ））が、負荷Ｔの増大とともに全開付近から徐々に低減され、急速リタードＳＩモードにおけるＥＧＲバルブ３２の設定開度と滑らかに連続するように制御される。これは、図１５（ａ）に示すように、ＳＡ−ＨＣＣＩモードでは、急速リタードＳＩモードのときと同じく、空気過剰率λが１に設定され、λ＝１相当の新気を除くその他のガス（余剰ガス）を全て外部ＥＧＲガスで構成する必要があるからである。

（４）作用効果等
以上説明したように、当実施形態の火花点火式ガソリンエンジンでは、少なくともエンジン温間時の低速域における所定の負荷域（当実施形態では中負荷域）に設定された第２運転領域Ａ２で、インジェクタ２１から複数回に分けて燃料を噴射させるとともに、その各回（前段噴射Ｐ１および後段噴射Ｐ２）の噴射量および噴射時期を、燃焼室６の外周部および中央部に混合気Ｘ１，Ｘ２が分離して形成されかつ燃焼室６全体の平均空燃比が理論空燃比よりもリーンになるように設定することにより、上記燃焼室６の外周部および中央部の各混合気Ｘ１，Ｘ２をそれぞれ自着火により燃焼させる多段ＣＩモードが実行される。一方、この多段ＣＩモードの実行領域（第２運転領域Ａ２）よりも高負荷側に設定された第４運転領域Ａ４では、上記多段ＣＩモードのときよりも平均空燃比をリッチにさせる多量の燃料を３０ＭＰａ以上の噴射圧力でインジェクタ２１から噴射させる燃料噴射Ｐ４，Ｐ５と、点火プラグ２０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、上記燃料噴射Ｐ４，Ｐ５に基づく混合気を、圧縮上死点を所定期間以上過ぎてから火炎伝播により急速に燃焼させる急速リタードＳＩモードが実行される。このような構成によれば、エミッション性の悪化や異常燃焼の発生を伴わず、しかも熱効率に優れた燃焼を幅広い負荷域に亘って行う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、回転速度Ｎｅが比較的低い第２運転領域Ａ２で、燃料を複数回（前段噴射Ｐ１と後段噴射Ｐ２）に分けて噴射する多段ＣＩモードを実行することにより、燃焼室６内の異なる場所（外周部および中央部）に混合気Ｘ１，Ｘ２を分離して形成し、それらを自着火により独立して燃焼させることができるため、上記各噴射Ｐ１，Ｐ２に基づく混合気Ｘ１，Ｘ２が混じり合って同時に燃焼することが回避される。しかも、燃焼室６全体の平均空燃比が理論空燃比よりもリーンに設定されるため、上記分離形成された混合気Ｘ１，Ｘ２が過度にリッチになることもない。これにより、回転速度Ｎｅが低い（つまり燃料の受熱期間が長い）ために自着火が起き易い条件下であっても、筒内圧力の急上昇による燃焼騒音の増大や、局所的な酸素不足によるスートの増大、あるいは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効果的に防止することができ、適正なＣＩ燃焼（圧縮自己着火燃焼）の実現による熱効率の向上を図ることができる。

また、上記多段ＣＩモードの実行領域（第２運転領域Ａ２）よりも燃料噴射量が増大される高負荷域（第４運転領域Ａ４）では、急速リタードＳＩモードとして、３０ＭＰａ以上の高い圧力での燃料噴射Ｐ４，Ｐ５を圧縮行程の後期以降にまで遅らせて実行することにより、燃焼室６が最も高温・高圧化する圧縮上死点をある程度過ぎるまで、高い噴射圧力による大きな乱流エネルギーを維持しつつ、多量の燃料を十分に気化霧化させて比較的均質な（もしくは弱成層化した）混合気を形成することができる。そして、この状態で、点火プラグ２０の火花点火に基づく火炎伝播燃焼を開始させることにより、上記高圧噴射に基づく混合気を、圧縮上死点を過ぎてから短期間で燃焼し切ることができる（急速リタードＳＩ燃焼）。このため、吸気行程等の早いタイミングで燃料を噴射する従来の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でき、燃焼期間の短い熱効率に優れた火炎伝播燃焼を実現することができる。また、燃焼温度が過度に上昇せず、燃料の気化霧化が不十分なまま燃焼が開始されることもないため、ＮＯｘやスートの増大が回避され、エミッション性についても良好に維持される。

特に、上記実施形態では、図４に示したように、エンジンの中負荷かつ低速域に設定された第２運転領域Ａ２で上記多段ＣＩモードが実行され、これよりも負荷Ｔの高いエンジンの高負荷域に設定された第４運転領域Ａ４で上記急速リタードＳＩモードが実行されるため、燃料噴射量が多くなる中負荷域および高負荷域において、異常燃焼やエミッション性の悪化を伴わない適正な燃焼を継続的に行わせることができる。

また、上記実施形態では、急速リタードＳＩモードのときの燃料噴射が、圧縮行程後期に設定された２回の噴射時期（Ｐ４，Ｐ５）に分割される。このような構成によれば、例えば１回目の燃焼噴射Ｐ４を早めに設定し、その次の燃料噴射Ｐ２を遅めに設定する等により、燃料の気化霧化の促進（それによる着火性の確保）と、乱流エネルギーの向上による燃焼の急速化とをそれぞれ両立させることができる。

また、上記実施形態において、多段ＣＩモードでの運転時には、圧縮上死点よりも前の時点で燃焼室６の外周部に混合気Ｘ１が偏在するようなタイミングで燃料を噴射する前段噴射Ｐ１と、この前段噴射Ｐ１の後でかつそれに基づく燃焼の終了前に燃焼室６の中央部に混合気Ｘ２が偏在するようなタイミングで燃料を噴射する後段噴射Ｐ２とに分けてインジェクタ２１から燃料が噴射される。このような構成によれば、前段噴射Ｐ１および後段噴射Ｐ２に基づき、燃焼室６の外周部と中央部とにそれぞれ異なるタイミングで混合気Ｘ１，Ｘ２が形成されるため、これらの混合気Ｘ１，Ｘ２を時期的にも空間的にも明確に分離して燃焼させることができる。

特に、上記実施形態では、インジェクタ２１として、燃焼室６天井の中央部から放射状に燃料（ガソリンを主成分とする燃料）を噴射する多噴口型のインジェクタが設けられるとともに、このインジェクタ２１と対向するピストン５の冠面中央部に、凹状のキャビティ４０が設けられている。このため、多段ＣＩモードでの運転時には、上記キャビティ４０を利用して、混合気Ｘ１，Ｘ２の燃焼独立性をより確実に担保することができる。

より具体的に、上記実施形態では、図９（ａ）（ｂ）に示すように、圧縮上死点よりも前の時点で、上記ピストン５のキャビティ４０よりも径方向外側に位置する燃焼室６の外周部に、キャビティ４０の内部よりもリッチな（λ＝１程度の）混合気Ｘ１が形成されるように、上記前段噴射Ｐ１の噴射時期および噴射量が設定されるとともに、図９（ｄ）（ｅ）に示すように、上記前段噴射Ｐ１の後でかつそれに基づく燃焼の終了前に、上記キャビティ４０の内部に、上記前段噴射Ｐ１の実行時よりもリッチな（混合気Ｘ１と同様のλ＝１程度の）混合気Ｘ２が形成されるように、上記後段噴射Ｐ２の噴射時期および噴射量が設定されている。このように、前段噴射Ｐ１および後段噴射Ｐ２に基づく混合気Ｘ１，Ｘ２を、主にキャビティ４０の内と外に分けて形成するようにした場合には、上記各噴射Ｐ１，Ｐ２に基づく混合気Ｘ１，Ｘ２の形成場所が構造的に明確に分離され、それぞれの混合気Ｘ１，Ｘ２の燃焼独立性が十分に担保されるため、燃焼騒音やスートの増大等をより確実に防止することができる。

また、上記実施形態では、多段ＣＩモードのときに燃焼室６の外周部および中央部に分離形成される上記混合気Ｘ１，Ｘ２の局所的な空燃比が理論空燃比（λ＝１）程度に設定され、これによって燃焼室６全体の平均空燃比が理論空燃比よりもリーンな値に設定される一方、急速リタードＳＩモードのときの平均空燃比が理論空燃比（λ＝１）に設定される。このような構成によれば、多段ＣＩモードおよび急速リタードＳＩモードのそれぞれの場合において、生成される排気ガスが三元触媒のみによって十分に浄化し得るものとなるため、エミッション性の面でより有利となる。

すなわち、多段ＣＩモードにおいて、燃焼室６内で分離形成される上記各混合気Ｘ１，Ｘ２の局所的な空燃比をそれぞれ理論空燃比程度に設定すれば、燃焼室６全体の平均空燃比が理論空燃比（λ＝１）に設定される急速リタードＳＩモードのときと同様、混合気の燃焼により生じる排気ガス中の有害成分を、三元触媒のみによって十分に浄化することが可能になる。

また、上記実施形態では、コモンレール内で蓄圧された燃料が燃料供給管２３を通じてインジェクタ２１に供給されることにより、インジェクタ２１から常に３０ＭＰａ以上の噴射圧力で燃料が噴射される。このため、上記多段ＣＩモードのときの噴射圧力も、急速リタードＳＩモードのときと同一の３０ＭＰａ以上の値に設定される。このように、多段ＣＩモードおよび急速リタードＳＩモードの両方で、３０ＭＰａ以上という高い圧力で燃料を噴射させるようにした場合には、急速リタードＳＩモードでの燃料噴射Ｐ４，Ｐ５に基づく高い乱流エネルギーによって燃焼の急速化を図れるだけでなく、多段ＣＩモードのときの燃料噴射（特に噴射時期が遅めに設定される後段噴射Ｐ２）に基づく燃料を短時間で十分に気化霧化させて適正なＣＩ燃焼を行わせることができる。

また、上記実施形態では、急速リタードＳＩモードのときの燃料噴射Ｐ４，Ｐ５の完了時期が、上記多段ＣＩモードのときの後段噴射Ｐ２の開始時期よりも進角側に設定されるため、負荷Ｔが高く噴射すべきトータルの燃料が多い急速リタードＳＩモードにおいて、燃料噴射Ｐ４，Ｐ５の後の気化霧化時間を比較的長く確保できるとともに、多段ＣＩモードにおいては、後段噴射Ｐ２に基づく燃焼の開始時期を、前段噴射Ｐ１に基づく燃焼の開始よりも遅れた適正時期に設定することができる。

また、上記実施形態では、上記多段ＣＩモードの実行領域（第２運転領域Ａ２）よりも高回転側に設定された第３運転領域Ａ３で、インジェクタ２１から噴射された燃料に基づき燃焼室６全体に混合気Ｘ３が形成された状態で点火プラグ２０による着火アシストを行うことにより、圧縮上死点以降に自着火による燃焼を開始させるＳＡ−ＨＣＣＩモードが実行される。このように、エンジンの中負荷域において回転速度Ｎｅが比較的高い領域に設定された第３運転領域Ａ３で、燃焼室６全体に形成された均質な混合気Ｘ３に対する着火アシストにより自着火の促進を図るＳＡ−ＨＣＣＩモードを実行するようにした場合には、回転速度Ｎｅが高い（つまり燃料の受熱期間が短い）ために自着火が起き難い条件下でも、混合気Ｘ３を確実に自着火させ、失火の防止を図ることができる。しかも、圧縮上死点以降の遅めのタイミング（例えば図７の時点ｔ１）で混合気Ｘ３が自着火による燃焼を開始するように着火アシストが実行されるため、温度・圧力が最も高い圧縮上死点で自着火による急激な熱発生が起きることが回避され、燃焼騒音の増大や、燃焼温度の過上昇によるＮＯｘの増大、あるいは異常燃焼の発生を効果的に防止することができる。

また、上記実施形態では、上記多段ＣＩモードおよびＳＡ−ＨＣＣＩモードの実行領域（第２、第３運転領域Ａ２，Ａ３）よりも負荷Ｔの低い低負荷域（第１運転領域Ａ１）で、圧縮上死点よりも十分に早いタイミング（例えば吸気行程中）に設定された燃料噴射Ｐによる少量の燃料に基づくリーンで均質な混合気を自着火により燃焼させるリーンＨＣＣＩモードが実行される。このように、少量の燃料に基づく均質でリーンな混合気を自着火により燃焼させるようにした場合には、非常に熱効率の高いＣＩ燃焼を低負荷域において実現することができる。

また、上記実施形態では、上記リーンＨＣＣＩモードの実行領域である低負荷域（第１運転領域Ａ１）で、排気ガスを燃焼室６に残留させる内部ＥＧＲが実行される一方、上記多段ＣＩモード、ＳＡ−ＨＣＣＩモード、および急速リタードＳＩモードの実行領域である中高負荷域（第２、第３、第４運転領域Ａ２，Ａ３，Ａ４）では、排気通路２９に排出された排気ガスをＥＧＲ通路３１を通じて吸気通路２８に還流させる外部ＥＧＲが実行される。このような構成によれば、低負荷域での着火性の確保と、中高負荷域での異常燃焼の回避とを両立させることができる。

すなわち、リーンＨＣＣＩモードが実行される低負荷域で、内部ＥＧＲにより燃焼室６を高温化するようにしたため、負荷Ｔが低く燃料噴射量が少ない状況であっても、混合気の着火性を良好に確保することができる。一方、多段ＣＩモード、ＳＡ−ＨＣＣＩモード、および急速リタードＳＩモードが実行される中高負荷域では、内部ＥＧＲから外部ＥＧＲに切り替えて燃焼室６の高温化を抑制することにより、相対的に燃料噴射量が多くなる状況でも、異常燃焼を効果的に抑制することができる。

また、上記のように内部ＥＧＲまたは外部ＥＧＲによって排気ガスを燃焼室６に導入することにより、スロットルバルブ２５を全開状態に維持したまま新気の量を調節できるため、ポンピングロスを効果的に低減することができる。

なお、上記実施形態では、図５〜図８等を用いて、各種運転領域での燃料の噴射時期や着火アシストの時期について例示したが、これらはあくまで一例に過ぎず、上記燃料噴射時期や着火アシストの時期はエンジンの特性等によって適宜変更し得るものである。

例えば、第２運転領域Ａ２で実行される多段ＣＩモードを例に挙げると、多段ＣＩモードでは、圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）６０〜５０°ＣＡ程度の期間内に前段噴射Ｐ１を実行（開始）するとともに、圧縮上死点後（ＡＴＤＣ）０〜１０°ＣＡ程度の期間内に後段噴射Ｐ２を実行（開始）するものとしたが、こられ各噴射Ｐ１，Ｐ２のタイミングは、インジェクタ２１からの燃料の噴射角（気筒中心軸に対する拡がり角度）やピストン５冠面の形状等が異なれば、これに合わせて変更する必要がある。

より具体的に説明すると、例えば、インジェクタ２１からの燃料の噴射角が上記実施形態の例よりも小さい場合には、鉛直下向きにより近い角度（つまりインジェクタ２１から遠く離れないと径方向外側に大きく拡がらないような角度）で燃料が噴射されるため、仮にピストン５の冠面の形状が上記実施形態と同一であると仮定すると、上記実施形態のときよりも早いタイミングで前段噴射Ｐ１および後段噴射Ｐ２を実行しなければ、当該各噴射Ｐ１，Ｐ２による燃料をそれぞれ所望の場所（燃焼室６の外周部およびキャビティ４０の内部）に偏在させることができなくなる。このため、燃料の噴射角が小さい場合は、燃料噴射Ｐ１，Ｐ２の時期を早める必要がある。

ただし、このような噴射角等の相違による影響があるとしても、設定可能な噴射角や、キャビティ４０および環状凹部４１等の配置バランス等を考慮すれば、後段噴射Ｐ２は、少なくとも圧縮行程後期から膨張行程初期までの間のいずれかのタイミングで実行する必要があり、前段噴射Ｐ１は、上記後段噴射Ｐ２よりも前であって、かつ圧縮行程中に実行する必要があると考えられる。

また、分割噴射の回数についても、上記のような前段噴射Ｐ１および後段噴射Ｐ２の２回に限るものではない。例えば、前段噴射Ｐ１および後段噴射Ｐ２の前に行われる予備噴射として、少量の燃料を前段噴射Ｐ１よりも前に噴射するようにしてもよい。

また、リーンＨＣＣＩモードの実行領域である第１運転領域Ａ１や、ＳＡ−ＨＣＣＩモードの実行領域である第３運転領域Ａ３では、吸気行程中の１回（燃料噴射Ｐ）で所要量の燃料が噴射されるものとしたが、この一括噴射Ｐの時期は、圧縮上死点までの間にある程度の燃料の撹拌時間が確保されるようなタイミング（例えば圧縮行程の中期以前）であればよく、必ずしも吸気行程中に限られない。さらに、噴射回数についても１回に限られず、複数回に分けて燃料を噴射してもよい。

また、急速リタードＳＩモードの実行領域である第４運転領域Ａ４では、圧縮行程後期に２回に分けて燃料噴射Ｐ４，Ｐ５を実施するものとしたが、その回数および噴射時期は、圧縮行程後期の範囲内で適宜変更可能である。例えば、燃料噴射量が比較的少ない第４運転領域Ａ４の低負荷側では、１回で所要量の燃料を噴射する一括噴射を行ってもよい。逆に、第４運転領域Ａ４の高負荷側（最高負荷付近）では、３回以上に分けて燃料を噴射してもよい。

また、上記実施形態では、中負荷かつ中高速域に設定された第３運転領域Ａ３で、均質な混合気Ｘ３を着火アシストにより膨張行程の途中で自着火させるＳＡ−ＨＣＣＩモードを実行するようにしたが、エンジン回転速度Ｎｅが高い高速域では、特に混合気の着火性が厳しいため、たとえ着火アシストを行っても混合気を自着火に至らせることができない可能性がある。そこで、上記第３運転領域Ａ３における高回転側では、例えば吸気行程中に噴射された燃料に基づく均質混合気を火花点火をきっかけに火炎伝播燃焼させる従来通りのＳＩ燃焼を実行するようにしてもよい。なお、このことは、第１運転領域Ａ１でも同様であり、例えば第１運転領域Ａ１における高回転側で従来通りのＳＩ燃焼を実行してもよい。

また、上記実施形態では、急速リタードＳＩモードの実行領域である第４運転領域Ａ４で、排気通路２９から吸気通路２８に排気ガスを還流させる外部ＥＧＲを実行するようにしたが、さらなる燃焼の急速化を目指す観点から、外部ＥＧＲを停止しかつスロットルバルブ２５による流量調整（スロットリング）を行うことにより、燃料およびλ＝１相当の新気のみが燃焼室６内に充填されるようにしてもよい。

一方、上記実施形態のように、急速リタードＳＩモードのときに外部ＥＧＲを実行した場合には、ポンピングロスの低減を図れるとともに、プリイグニッションやノッキング等の異常燃焼をより効果的に防止することができる。このため、圧縮比が特に高く、異常燃焼が起き易いエンジンにあっては、急速リタードＳＩモードのときに外部ＥＧＲを実行するのがよい。

また、上記実施形態では、インジェクタ２１が多噴口型のインジェクタであり、その先端部に１２個の噴口が設けられるものとしたが、噴口の数は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、噴口の数があまりに少ないと、インジェクタ２１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、噴口の数は８個以上とすることが望ましい。噴口の数が８個以上であれば、上記前段噴射Ｐ１および後段噴射Ｐ２を実行した後、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、その後の自着火による燃焼（圧縮自己着火燃焼）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２１からの燃料の噴射圧力を、３０ＭＰａ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４運転領域Ａ４）では、燃料噴射圧力が３０ＭＰａ以上に設定される。

６ 燃焼室
２０ 点火プラグ
２１ インジェクタ
２８ 吸気通路
２９ 排気通路
３０ 外部ＥＧＲ装置
５０ ＥＣＵ（制御手段）
Ａ２ 第２運転領域（多段ＣＩモードの実行領域）
Ａ４ 第４運転領域（急速リタードＳＩモードの実行領域）
Ｐ１ 前段噴射
Ｐ２ 後段噴射
Ｐ４，Ｐ５ 燃料噴射

Claims (8)

1. 少なくとも一部がガソリンからなる燃料を燃焼室に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、上記インジェクタおよび点火プラグの動作を制御する制御手段とを備えた火花点火式ガソリンエンジンであって、
   上記インジェクタは、エンジンの少なくとも一部の運転領域で３０ＭＰａ以上の噴射圧力で燃料を噴射し得るように構成され、
   上記制御手段は、
   少なくともエンジン温間時の低速域における所定の負荷域で、上記インジェクタから複数回に分けて燃料を噴射させるとともに、その各回の噴射量および噴射時期を、燃焼室の外周部および中央部に混合気が分離して形成されかつ燃焼室全体の平均空燃比が理論空燃比よりもリーンになるように設定することにより、上記燃焼室の外周部および中央部の各混合気をそれぞれ自着火により燃焼させる多段ＣＩモードを実行し、
   上記多段ＣＩモードの実行領域よりも高負荷側の領域で、上記多段ＣＩモードのときよりも平均空燃比をリッチにさせる多量の燃料を３０ＭＰａ以上の噴射圧力で上記インジェクタから噴射させる燃料噴射と、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、上記燃料噴射に基づく混合気を、圧縮上死点を所定期間以上過ぎてから火炎伝播により急速に燃焼させる急速リタードＳＩモードを実行することを特徴とする火花点火式ガソリンエンジン。
2. 請求項１記載の火花点火式ガソリンエンジンにおいて、
   エンジンの中負荷かつ低速域を含む領域が上記多段ＣＩモードの実行領域とされ、これよりも負荷の高いエンジンの高負荷域に上記急速リタードＳＩモードの実行領域が設定されたことを特徴とする火花点火式ガソリンエンジン。
3. 請求項２記載の火花点火式ガソリンエンジンにおいて、
   上記多段ＣＩモードのときに燃焼室の外周部および中央部に形成される各混合気の局所的な空燃比が理論空燃比程度に設定されることにより、上記燃焼室全体の平均空燃比が理論空燃比よりもリーンに設定され、
   上記急速リタードＳＩモードのときの平均空燃比が理論空燃比に設定されることを特徴とする火花点火式ガソリンエンジン。
4. 請求項３記載の火花点火式ガソリンエンジンにおいて、
   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、
   上記急速リタードＳＩモードのときは、少なくともエンジンの最高負荷域を除いて、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火花点火式ガソリンエンジン。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の火花点火式ガソリンエンジンにおいて、
   上記多段ＣＩモードでは、圧縮上死点よりも前の時点で燃焼室の外周部に混合気が偏在するようなタイミングで燃料を噴射する前段噴射と、前段噴射の後でかつそれに基づく燃焼の終了前に燃焼室の中央部に混合気が偏在するようなタイミングで燃料を噴射する後段噴射とを含む複数回に分けて上記インジェクタから燃料が噴射されることを特徴とする火花点火式ガソリンエンジン。
6. 請求項５記載の火花点火式ガソリンエンジンにおいて、
   上記多段ＣＩモードのときに上記インジェクタから噴射される燃料の噴射圧力が、上記急速リタードＳＩモードのときと同一の３０ＭＰａ以上の値に設定されることを特徴とする火花点火式ガソリンエンジン。
7. 請求項６記載の火花点火式ガソリンエンジンにおいて、
   上記急速リタードＳＩモードのときの燃料噴射の完了時期が、上記多段ＣＩモードのときの後段噴射の開始時期よりも進角側に設定されることを特徴とする火花点火式ガソリンエンジン。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の火花点火式ガソリンエンジンにおいて、
   上記急速リタードＳＩモードのときの燃料噴射が、圧縮行程後期に設定された複数回の噴射時期に分割されることを特徴とする火花点火式ガソリンエンジン。