JP5962084B2 - 火花点火式ガソリンエンジンの制御装置 - Google Patents

Description

ここに開示する技術は、火花点火式ガソリンエンジンの制御装置に関する。

火花点火式ガソリンエンジンの理論熱効率を向上させる上では、その幾何学的圧縮比を高めることが有効である。例えば特許文献１には、幾何学的圧縮比を１４以上に設定した高圧縮比の、火花点火式直噴エンジンが記載されている。

また、例えば特許文献２に記載されているように、排気エミッションの向上と熱効率の向上とを両立させる技術として、リーンな混合気を圧縮着火させる燃焼形態が知られている。このような圧縮着火燃焼を行うエンジンにおいて幾何学的圧縮比を高くすることは、圧縮端圧力及び圧縮端温度をそれぞれ高めるため、圧縮着火燃焼の安定化に有利になる。

特開２００７−２９２０５０号公報 特開２００７−１５４８５９号公報

ところで、特許文献１に記載されているような高圧縮比の火花点火式ガソリンエンジンは、熱効率の向上に有利になる反面、エンジンの運転状態が、特に低速域でかつ高負荷域にあるときには、過早着火やノッキング（エンドガスノック）といった異常燃焼を招きやすいという問題がある。

また、圧縮着火燃焼を行うエンジンは、低負荷側の運転領域では圧縮着火燃焼が可能であるとしても、エンジンの負荷が高くなるにつれて、圧縮着火燃焼は、圧力上昇の激しい過早着火の燃焼となってしまう。そのため、燃焼騒音の増大やノッキング等の異常燃焼の発生を招くと共に、高い燃焼温度に起因するＲａｗ ＮＯｘの増大を招く。そこで、前記特許文献２にも記載されているように、圧縮着火燃焼を行うエンジンであっても、高負荷側の運転領域では、圧縮着火燃焼ではなく、点火プラグの駆動による火花点火燃焼を行うことが一般的である。しかしながら、圧縮着火燃焼の安定化を目指して幾何学的圧縮比を高く設定しているエンジンでは、火花点火燃焼を行う高負荷側の運転領域において、特許文献１のエンジンと同様に異常燃焼を招くという問題が生じる。

ここに開示する技術は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、例えば１５以上の、幾何学的圧縮比が比較的高く設定された高圧縮比の火花点火式ガソリンエンジンにおいて、高負荷域における異常燃焼を回避することにある。

過早着火やノッキングといった異常燃焼は、圧縮行程中に未燃混合気が圧縮されることに伴う自己着火反応、及び、混合気の燃焼中に、既燃部分の膨張によって、混合気の未燃部分が圧縮されることに伴う自己着火反応である。吸気行程中に燃料を噴射する従来のエンジンは、燃料の噴射開始から燃焼の終了までの時間である未燃混合気反応可能時間が長いことが、これらの異常燃焼を招く要因の一つである。本願発明者らは、未燃混合気反応可能時間を短縮させるべく検討した結果、圧縮上死点付近のタイミングで、比較的高い燃料圧力でもって、気筒内に燃料を噴射することが、噴射期間、混合気形成期間及び燃焼期間をそれぞれ短縮することを見出した。

しかしながら、高い燃料圧力を実現するには、エンジンによって駆動される燃料ポンプを駆動する必要があり、エンジンの機械抵抗損失を増大させることになる。つまり、燃費にとっては不利である。

そこで、エンジン本体の運転状態が、火花点火燃焼を行う第１負荷以上の領域でありかつ、所定よりも低速の低速域にあるときであっても、比較的、異常燃焼を回避しやすい低負荷側の領域では、吸気行程期間内で燃料噴射を行うことで高い燃料圧力を不要にし、燃費に有利にする一方で、最大負荷を含む高負荷側の領域では、前述した、圧縮上死点付近のタイミングで、比較的高い燃料圧力でもって、気筒内に燃料を噴射することにより、異常燃焼を回避するようにした。

具体的に、ここに開示する火花点火式ガソリンエンジンの制御装置は、幾何学的圧縮比が１５以上に設定された気筒を有しかつ、少なくともガソリンを含有する燃料が供給されるように構成されたエンジン本体と、前記気筒内に供給する前記燃料を噴射するように構成された燃料噴射弁と、前記エンジン本体によって駆動される燃料ポンプを含みかつ、前記燃料噴射弁が噴射する燃料の圧力を変更するように構成された燃圧可変機構と、少なくとも前記燃料噴射弁及び前記燃圧可変機構を制御することによって、前記エンジン本体を運転するように構成された制御器と、を備える。

そして、前記制御器は、前記エンジン本体の運転状態が、火花点火燃焼を行う第１負荷以上の領域であって、所定よりも低速の低速域にあるときには、
最大負荷を含む第２負荷以上の高負荷域では、前記燃圧可変機構を通じて前記燃料の圧力を所定以上に設定すると共に、圧縮行程後期から膨張行程初期にかけてのリタード期間内のタイミングで、前記気筒内に燃料噴射を開始するように、前記燃料噴射弁を駆動し、
前記高負荷域よりも負荷の低い領域では、前記燃圧可変機構を通じて前記燃料の圧力を前記所定未満に設定すると共に、少なくとも吸気行程期間内で燃料噴射を行うように、前記燃料噴射弁を駆動する。

ここで、エンジン本体の幾何学的圧縮比は、１５以上でかつ、例えば２０以下に設定してもよい。

「低速域」は、エンジン本体の運転領域を、回転数の高低について２つの領域に区分した場合の、低速側の領域に相当するとしてもよいし、又は、エンジン本体の運転領域を、低速、中速、高速の３つの領域に区分した場合の、低速の領域に相当するとしてもよい。

「圧縮行程後期」は、圧縮行程を、初期、中期、及び後期の３つの期間に区分した場合の後期としてもよく、同様に、「膨張行程初期」は、膨張行程を、初期、中期、及び後期の３つの期間に区分した場合の初期としてもよい。

エンジン本体の運転領域が、最大負荷を含む高負荷の低速域にあるときには、気筒内の圧力及び温度が低負荷域に比べて高くなる上に、クランク角の変化に対する実時間が長くなるため、過早着火やノッキングといった異常燃焼が生じやすくなる。前記の構成のエンジン本体は、高圧縮比であるため、エンジン本体の運転領域が高負荷の低速域にあるときには、異常燃焼が特に生じやすい。

このような高負荷（つまり、第２負荷以上）の低速域において、前記構成のエンジンの制御装置では、制御器が、燃料の圧力を所定以上に設定すると共に、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、圧縮行程後期から膨張行程初期にかけてのリタード期間内のタイミングに設定する。このことにより、未燃混合気の反応可能時間が短くなるため、過早着火やノッキング等の異常燃焼を、有効に回避することができる。

つまり、未燃混合気の反応可能時間は、燃料噴射弁が燃料を噴射する期間である噴射期間、燃料の噴射完了後から、点火プラグ周りに可燃混合気が形成されるまでの混合気形成期間、及び、点火プラグ周りの可燃混合気に点火をすることによって燃焼が開始した後、その燃焼が終了するまでの燃焼期間、の３つの期間から構成されている。

所定以上となるように燃料圧力を高めることは、単位時間当たりに噴射される燃料量を多くする。このため、同一の燃料噴射量で比較した場合に、高い燃料圧力は、気筒内に燃料を噴射する期間、つまり噴射期間を、低い燃料圧力よりも短縮する。

また、高い燃料圧力は、気筒内に噴射する燃料噴霧の微粒化に有利になると共に、燃料噴霧の飛翔距離を、より長くする。このことから、高い燃料圧力は、燃料の噴射完了後、点火プラグ周りに可燃混合気が形成されるまでの期間（混合気形成期間）を短縮する。こうして、噴射期間を短縮しかつ、混合気形成期間を短縮することは、前述の通り、燃料噴射のタイミングを、圧縮上死点付近であるリタード期間内に設定したとしても、点火タイミングまでに可燃混合気を形成することを可能にする。

また、高い燃料圧力で気筒内に燃料を噴射することに伴い、その気筒内の乱れが強くなり、気筒内の乱れエネルギが高まる。この高い乱れエネルギは、燃料噴射のタイミングが比較的遅いタイミングに設定されることと相俟って、燃焼期間の短縮に寄与する。

つまり、高い燃料圧力で気筒内に燃料を噴射するとしても、仮にその噴射タイミングが従来同様に吸気行程中であれば、点火タイミングまでの時間が長いことや、吸気行程後の圧縮行程において気筒内が圧縮されることに起因して乱れが減衰し、燃焼期間内における気筒内の乱れエネルギは、比較的低くなってしまう。気筒内の乱れエネルギは、高い方が燃焼期間の短縮に有利になるため、高い燃料圧力で気筒内に燃料を噴射するとしても、噴射タイミングが吸気行程中である以上は、燃焼期間の短縮には大きく寄与しない。

これに対し、前記の構成のように、リタード期間内の比較的遅いタイミングでかつ、高い燃料圧力で気筒内に燃料を噴射することは、その噴射後に時間をあまり空けずに点火を行うことになり、気筒内の乱れの減衰を抑制しつつ、燃焼を開始することを可能にするから、燃焼期間内における気筒内の乱れエネルギが高くなる。これによって、燃焼期間は短くなる。

こうして高負荷の低速域においては、高い燃料圧力でかつ、比較的遅いタイミングのリタード期間内において、気筒内に燃料噴射を実行することで、噴射期間の短縮、混合気形成期間の短縮、及び、燃焼期間の短縮が可能になる。その結果、未燃混合気の反応可能時間は、従来に比べて大幅に短くなるため、過早着火やノッキング等の異常燃焼を、有効に回避することができる。

ここで、前記の所定圧力は、例えば４０ＭＰａに設定してもよい。４０ＭＰａ以上の燃料圧力は、前述した、噴射期間の短縮、混合気形成期間の短縮、及び、燃焼期間の短縮の全てを有効に実現する。尚、燃料圧力の最大値は、燃料の性状に応じて設定すればよい。一例として、但しこれに限定されないが、燃料圧力の最大値を１２０ＭＰａ程度に設定してもよい。

一方、火花点火燃焼を行う第１負荷以上の低速域において、相対的に負荷の低い領域（つまり、第２負荷未満）では、制御器が、燃料の圧力を所定未満に設定すると共に、燃料の噴射タイミングを、少なくとも吸気行程期間内に設定する。つまり、相対的に負荷の低い領域では、圧縮端温度及び圧縮端圧力が低くなる分、異常燃焼を回避しやすいため、前述したような、高い燃料圧力でかつ、圧縮上死点付近での遅いタイミングでの燃料噴射は不要になる。逆に、高い燃料圧力を実現するために燃料ポンプを駆動させてしまうと、エンジン本体の機械抵抗損失を増大させてしまうという不都合が生じる。

そこで、相対的に負荷の低い領域では、燃料圧力を所定未満に下げると共に、燃料の噴射タイミングを少なくとも吸気行程期間内に設定する。このことで、エンジン本体の機械抵抗損失の増大を回避して燃費を向上させると共に、燃料を十分に混合させる時間を確保して、燃費及び排気エミッション性の向上が図られる。

その結果、前記の構成は、火花点火燃焼を行う第１負荷以上の領域であって、所定よりも低速の低速域において、異常燃焼の回避と共に、熱効率の向上及びトルクの向上、言い換えると燃費の向上を達成する。

前記第２負荷は、前記吸気行程期間内で燃料噴射を行ったときに、異常燃焼が発生しない前記気筒内の圧縮端温度及び圧縮端圧力となる限度で設定される、としてもよい。

すなわち、前述した燃料圧力及び燃料の噴射タイミングの切り替えに関する第２負荷は、気筒内の状態に応じて設定すればよく、例えば外気温が低いときや、エンジン水温が低いとき等、気筒内の圧縮端温度及び圧縮端圧力が比較的低くなって、異常燃焼が発生し難い条件下では、第２負荷を高めに設定する。このことで、低い燃料圧力でかつ、吸気行程期間内での燃料噴射を実行する領域が大きくなるから、異常燃焼を回避しつつも、燃費の向上に有利になる。

前記制御器は、前記エンジン本体の運転状態が、前記第１負荷以上の領域では、空気過剰率λを１に設定した火花点火燃焼を行い、前記第１負荷よりも低い領域では、前記空気過剰率λを１以上に設定した圧縮着火燃焼を行う、としてもよい。

第１負荷よりも低負荷の領域では、混合気をリーンした圧縮着火燃焼を行うことで、熱効率が高まり、燃費の向上に有利になると共に、排気エミッション性能も向上する。前述の通り、エンジン本体は幾何学的圧縮比が高く設定されているため、圧縮着火燃焼の安定化に有利である
前記制御器は、前記エンジン本体の運転状態が、前記第１負荷以上の領域であって、前記低速域よりも高速の領域にあるときには、吸気弁が閉じるまでの吸気行程期間内で燃料噴射を行うように、前記燃料噴射弁を駆動する、としてもよい。

ここで、「吸気弁が閉じるまでの吸気行程期間」とは、ピストン位置に基づいて定義した期間でなく、吸気弁の開閉に基づいて定義した期間である。従って、吸気行程期間の終期は、ピストンが吸気下死点に到達した時点に対し同じ場合もあれば、ずれる場合もある。

高速の領域においては、クランク角変化に対する実時間が短いため、燃料の噴射時期を遅らせることによる未燃混合気反応可能時間の短縮のメリットが少ない。逆に、燃料の噴射時期を、前述の通り、圧縮上死点付近にまで遅らせることによって、圧縮行程においては、比熱比が高い空気を圧縮することになるため、圧縮上死点での気筒の温度、つまり、圧縮端温度が大幅に高くなってしまうという問題が生じる。これは、高速域におけるノッキングに不利になる。

そこで、前記の構成では、リタード期間内で燃料の噴射を行うことにより異常燃焼を回避する低速域よりも、高速側の領域にあるときには、吸気弁が閉じるまでの吸気行程期間内で燃料噴射を行うように、燃料噴射弁を駆動する。このことにより、圧縮行程においては空気を圧縮するのではなく、気筒内の混合気、言い換えると比熱比が比較的低いガスを圧縮することになるから、筒内ガスの温度上昇が抑制されて、圧縮端温度を低く抑えることが可能になる。こうして、高速域においても、異常燃焼を有効に回避することが可能になる。ここで、高速域における燃料圧力も、燃料噴射を吸気行程期間内に行うことから、必要以上に高める必要はなく、前述した低速域でかつ第２負荷未満の領域での燃料圧力と同様に、相対的に低い圧力に設定することが好ましい。こうすることで、燃費の向上に有利になる。

また、火花点火燃焼を行う第１負荷以上の領域において、気筒内への燃料噴射の形態を工夫することによって異常燃焼を回避することにより、異常燃焼の回避を目的として点火タイミングを遅角する必要が無くなる、又は、その遅角量を小さくすることが可能になる。このことは、点火タイミングを可及的に進角させることを可能にするから、前記の構成は、第１負荷以上の高負荷領域において、異常燃焼の回避と共に、熱効率の向上及びトルクの向上、言い換えると燃費の向上に有利になる。

以上説明したように、この火花点火式ガソリンエンジンの制御装置は、最大負荷を含む高負荷の低速域においては、高い燃料圧力でかつ、比較的遅いタイミングのリタード期間内において、気筒内に燃料噴射を実行することで、過早着火やノッキング等の異常燃焼を、有効に回避することができる一方、その高負荷よりも負荷の低い領域では、燃料圧力を相対的に低下させかつ、吸気行程期間内で燃料を噴射することで、異常燃焼を回避しつつも、燃費及び排気エミッション性が向上する。

火花点火式ガソリンエンジンの構成を示す概略図である。 火花点火式ガソリンエンジンの制御に係るブロック図である。 （ａ）ピストン冠面を拡大して示す斜視図、（ｂ）燃焼室を拡大して示す断面図（ｂ−ｂ断面図）、（ｃ）ｃ−ｃ断面図である。 エンジンの運転領域を例示する図である。 低速域における高圧リタード噴射によるＳＩ燃焼の状態と、従来のＳＩ燃焼の状態とを比較する図である。 未燃混合気反応可能時間と、燃焼終了時期における未燃混合気反応進行度との関係において、高圧リタード噴射によるＳＩ燃焼と従来のＳＩ燃焼との相違を示す図（上段の図）、及び、燃料圧力と、未燃混合気反応可能時間に関係する各パラメータとの関係を示す図（中段及び下段の各図）である。 リタード噴射及び吸気行程噴射のそれぞれについて、エンジン回転数と図示熱効率との関係の例示である。 （ａ）リタード噴射における燃料噴射タイミング及び点火タイミングの例示と、それによる熱発生率の例示、（ｂ）吸気行程噴射における燃料噴射タイミング及び点火タイミングの例示と、それによる熱発生率の例示である。 （ａ）混合気充填量、（ｂ）スロットル弁開度、（ｃ）ＥＧＲ弁開度、（ｄ）排気弁の二度開きの閉弁タイミング、（ｅ）吸気弁の開弁タイミング、（ｆ）吸気弁の閉弁タイミング、（ｇ）吸気弁のリフト量、の変化の一例をそれぞれ示す図である。 （ａ）混合気充填量、（ｂ）Ｇ／Ｆ、（ｃ）噴射タイミング、（ｄ）燃料圧力、（ｅ）噴射パルス幅、（ｆ）点火タイミングの変化の一例をそれぞれ示す図である。 低負荷域において内部ＥＧＲ量の制御を行いかつ、高負荷域において吸気の絞りを行う場合の、図１０対応図である。

以下、火花点火式ガソリンエンジンの制御装置の実施形態を図面に基づいて説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、例示である。図１，２は、エンジン（エンジン本体）１の概略構成を示す。このエンジン１は、車両に搭載されると共に、少なくともガソリンを含有する燃料が供給される火花点火式ガソリンエンジンである。エンジン１は、複数の気筒１８（一つのみ図示）が設けられたシリンダブロック１１と、このシリンダブロック１１上に配設されたシリンダヘッド１２と、シリンダブロック１１の下側に配設され、潤滑油が貯留されたオイルパン１３とを有している。各気筒１８内には、コンロッド１４２を介してクランクシャフト１５と連結されているピストン１４が往復動可能に嵌挿されている。ピストン１４の頂面には、ディーゼルエンジンでのリエントラント型のようなキャビティ１４１が形成されている。キャビティ１４１は、ピストン１４が圧縮上死点付近に位置するときには、後述するインジェクタ６７に相対する。尚、キャビティ１４１の形状についての詳細は後述する。

シリンダヘッド１２と、気筒１８と、キャビティ１４１を有するピストン１４とは、燃焼室１９を区画する（図３（ｂ）参照）。尚、燃焼室１９の形状は、図示する形状に限定されるものではない。例えばキャビティ１４１の形状、ピストン１４の頂面形状、及び、燃焼室１９の天井部の形状等は、適宜変更することが可能である。

このエンジン１は、理論熱効率の向上や、後述する圧縮着火燃焼の安定化等を目的として、１５以上の比較的高い幾何学的圧縮比に設定されている。尚、幾何学的圧縮比は１５以上２０以下程度の範囲で、適宜設定すればよい。

シリンダヘッド１２には、気筒１８毎に、吸気ポート１６及び排気ポート１７が形成されていると共に、これら吸気ポート１６及び排気ポート１７には、燃焼室１９側の開口を開閉する吸気弁２１及び排気弁２２がそれぞれ配設されている。

吸気弁２１及び排気弁２２をそれぞれ駆動する動弁系の内、排気側には、排気弁２２の作動モードを通常モードと特殊モードとに切り替える、例えば油圧作動式の可変機構（図２参照。以下、ＶＶＬ（Variable Valve Lift）と称する）７１が設けられている。ＶＶＬ７１は、その構成の詳細な図示は省略するが、カム山を一つ有する第１カムとカム山を２つ有する第２カムとの、カムプロファイルの異なる２種類のカム、及び、その第１及び第２カムのいずれか一方のカムの作動状態を選択的に排気弁に伝達するロストモーション機構を含んで構成されている。第１カムの作動状態を排気弁２２に伝達しているときには、排気弁２２は、排気行程中において一度だけ開弁される通常モードで作動するのに対し、第２カムの作動状態を排気弁２２に伝達しているときには、排気弁２２が、排気行程中において開弁すると共に、吸気行程中においても開弁するような、いわゆる排気の二度開きを行う特殊モードで作動する。ＶＶＬ７１の通常モードと特殊モードとは、エンジンの運転状態に応じて切り替えられる。具体的に、特殊モードは、内部ＥＧＲに係る制御の際に利用される。尚、こうした通常モードと特殊モードとの切り替えを可能にする上で、排気弁２２を電磁アクチュエータによって駆動する電磁駆動式の動弁系を採用してもよい。また、内部ＥＧＲの実行は、排気の二度開きのみによって実現されるのではない。例えば吸気弁２１を二回開く、吸気の二度開きによって内部ＥＧＲ制御を行ってもよいし、排気行程乃至吸気行程において吸気弁２１及び排気弁２２の双方を閉じるネガティブオーバーラップ期間を設けて既燃ガスを気筒１８内に残留させる内部ＥＧＲ制御を行ってもよい。

ＶＶＬ７１を備えた排気側の動弁系に対し、吸気側には、図２に示すように、クランクシャフト１５に対する吸気カムシャフトの回転位相を変更することが可能な位相可変機構（以下、ＶＶＴ（Variable Valve Timing）と称する）７２と、吸気弁２１のリフト量を連続的に変更することが可能なリフト量可変機構（以下、ＣＶＶＬ（Continuously Variable Valve Lift）と称する）７３とが設けられている。ＶＶＴ７２は、液圧式、電磁式又は機械式の公知の構造を適宜採用すればよく、その詳細な構造についての図示は省略する。また、ＣＶＶＬ７３も、公知の種々の構造を適宜採用することが可能であり、その詳細な構造についての図示は省略する。ＶＶＴ７２及びＣＶＶＬ７３によって、吸気弁２１はその開弁タイミング及び閉弁タイミング、並びに、リフト量をそれぞれ変更することが可能である。

シリンダヘッド１２にはまた、気筒１８毎に、気筒１８内に燃料を直接噴射するインジェクタ６７が取り付けられている。インジェクタ６７は、図３（ｂ）に拡大して示すように、その噴口が燃焼室１９の天井面の中央部分から、その燃焼室１９内に臨むように配設されている。インジェクタ６７は、エンジン１の運転状態に応じた噴射タイミングでかつ、エンジン１の運転状態に応じた量の燃料を、燃焼室１９内に直接噴射する。この例において、インジェクタ６７は、詳細な図示は省略するが、複数の噴口を有する多噴口型のインジェクタである。これによって、インジェクタ６７は、燃料噴霧が放射状に広がるように、燃料を噴射する。図３（ｂ）に矢印で示すように、ピストン１４が圧縮上死点付近に位置するタイミングで、燃焼室１９の中央部分から放射状に広がるように噴射された燃料噴霧は、ピストン頂面に形成されたキャビティ１４１の壁面に沿って流動することにより、後述する点火プラグ２５、２６の周囲に到達するようになる。キャビティ１４１は、ピストン１４が圧縮上死点付近に位置するタイミングで噴射された燃料噴霧を、その内部に収めるように形成されている、と言い換えることが可能である。この多噴口型のインジェクタ６７とキャビティ１４１との組み合わせは、燃料の噴射後、点火プラグ２５、２６の周りに燃料噴霧が到達するまでの時間を短くすると共に、燃焼期間を短くする上で有利な構成である。

インジェクタ６７の燃料の噴射角度θは、比較的狭い角度（例えば４５°程度）に設定されている。この狭い噴射角度θは、詳しくは後述するが、ピストン１４の位置が、上死点から若干離れた下方に位置しているタイミングで燃料を噴射しても、気筒１８の壁面に燃料が付着することを抑制しつつ、噴射した燃料をキャビティ１４１内に収めることを可能にする。狭い噴射角度θはまた、図３（ｃ）に示すように、キャビティ１４１のリップ径（キャビティの上端開口径）を比較的小さくし、それに伴いスキッシュエリアを拡大する上でも有利な構成である。尚、スキッシュエリアの拡大は、後述するように、燃焼期間の短縮に有利になる。

インジェクタ６７は、多噴口型のインジェクタに限定されず、外開弁タイプのインジェクタを採用してもよい。

図外の燃料タンクとインジェクタ６７との間は、燃料供給経路によって互いに連結されている。この燃料供給経路上には、燃料ポンプ６３とコモンレール６４とを含みかつ、インジェクタ６７に、比較的高い燃料圧力で燃料を供給することが可能な燃料供給システム６２が介設されている。燃料ポンプ６３は、燃料タンクからコモンレール６４に燃料を圧送し、コモンレール６４は圧送された燃料を、比較的高い燃料圧力で蓄えることが可能である。インジェクタ６７が開弁することによって、コモンレール６４に蓄えられている燃料がインジェクタ６７の噴口から噴射される。ここで、燃料ポンプ６３は、図示は省略するが、プランジャー式のポンプであり、例えばクランク軸とカム軸との間のタイミングベルトに連結されることにより、エンジン１によって駆動される。このエンジン駆動のポンプを含む構成の燃料供給システム６２は、４０ＭＰａ以上の高い燃料圧力の燃料を、インジェクタ６７に供給することを可能にする。インジェクタ６７に供給される燃料の圧力は、後述するように、エンジン１の運転状態に応じて変更される。尚、燃料供給システム６２は、この構成に限定されるものではない。

シリンダヘッド１２にはまた、図３に示すように、燃焼室１９内の混合気に点火する点火プラグ２５、２６が取り付けられている（尚、図１では、点火プラグの図示を省略している）。このエンジン１は、点火プラグとして、第１点火プラグ２５及び第２点火プラグ２６の２つの点火プラグを備えている。２つの点火プラグ２５、２６は、各気筒１８について２つずつ設けられた吸気弁２１と排気弁２２との間の位置のそれぞれにおいて、互いに相対するように配置され、それぞれ気筒１８の中心軸に向かって斜め下向きに延びるように、シリンダヘッド１２内を貫通して取り付けられている。こうして、図３（ｂ）に示すように、各点火プラグ２５、２６の先端は、燃焼室１９の中央部分に配置されたインジェクタ６７の先端近傍で、燃焼室１９内に臨んで配置される。ここで、前述の通り、ピストン１４のキャビティ１４１のリップ径が、比較的小さく設定されているため、キャビティ１４１には、第１点火プラグ２５及び第２点火プラグ２６との干渉を回避するために、２つの凹部１４３、１４３が、径方向に相対するように形成されている（図３（ｂ）（ｃ）参照）。こうすることで、図３（ａ）（ｃ）から明らかなように、キャビティ１４１の本体部分の形状は円形状となり、キャビティ１４１の中心位置においてインジェクタ７６から放射状に噴射された燃料噴霧は、キャビティ１４１内においてほぼ均一に広がって、均質な混合気を形成することが可能になる。

エンジン１の一側面には、図１に示すように、各気筒１８の吸気ポート１６に連通するように吸気通路３０が接続されている。一方、エンジン１の他側面には、各気筒１８の燃焼室１９からの既燃ガス（排気ガス）を排出する排気通路４０が接続されている。

吸気通路３０の上流端部には、吸入空気を濾過するエアクリーナ３１が配設されている。また、吸気通路３０における下流端近傍には、サージタンク３３が配設されている。このサージタンク３３よりも下流側の吸気通路３０は、各気筒１８毎に分岐する独立通路とされ、これら各独立通路の下流端が各気筒１８の吸気ポート１６にそれぞれ接続されている。

吸気通路３０におけるエアクリーナ３１とサージタンク３３との間には、空気を冷却又は加熱する、水冷式のインタークーラ／ウォーマ３４と、各気筒１８への吸入空気量を調節するスロットル弁３６とが配設されている。吸気通路３０にはまた、インタークーラ／ウォーマ３４をバイパスするインタークーラバイパス通路３５が接続されており、このインタークーラバイパス通路３５には、当該通路３５を通過する空気流量を調整するためのインタークーラバイパス弁３５１が配設されている。インタークーラバイパス弁３５１の開度調整を通じて、インタークーラバイパス通路３５の通過流量とインタークーラ／ウォーマ３４の通過流量との割合を調整することにより、気筒１８に導入する新気の温度を調整する。

排気通路４０の上流側の部分は、各気筒１８毎に分岐して排気ポート１７の外側端に接続された独立通路と該各独立通路が集合する集合部とを有する排気マニホールドによって構成されている。この排気通路４０における排気マニホールドよりも下流側には、排気ガス中の有害成分を浄化する排気浄化装置として、直キャタリスト４１とアンダーフットキャタリスト４２とがそれぞれ接続されている。直キャタリスト４１及びアンダーフットキャタリスト４２はそれぞれ、筒状ケースと、そのケース内の流路に配置した、例えば三元触媒とを備えて構成されている。

吸気通路３０におけるサージタンク３３とスロットル弁３６との間の部分と、排気通路４０における直キャタリスト４１よりも上流側の部分とは、排気ガスの一部を吸気通路３０に還流するためのＥＧＲ通路５０を介して接続されている。このＥＧＲ通路５０は、排気ガスをエンジン冷却水によって冷却するためのＥＧＲクーラ５２が配設された主通路５１と、ＥＧＲクーラ５２をバイパスするためのＥＧＲクーラバイパス通路５３と、を含んで構成されている。主通路５１には、排気ガスの吸気通路３０への還流量を調整するためのＥＧＲ弁５１１が配設され、ＥＧＲクーラバイパス通路５３には、ＥＧＲクーラバイパス通路５３を流通する排気ガスの流量を調整するためのＥＧＲクーラバイパス弁５３１が配設されている。

このように構成されたエンジン１は、パワートレイン・コントロール・モジュール（以下、ＰＣＭという）１０によって制御される。ＰＣＭ１０は、ＣＰＵ、メモリ、カウンタタイマ群、インターフェース及びこれらのユニットを接続するパスを有するマイクロプロセッサで構成されている。このＰＣＭ１０が制御器を構成する。

ＰＣＭ１０には、図１，２に示すように、各種のセンサＳＷ１〜ＳＷ１６の検出信号が入力される。この各種のセンサには、次のセンサが含まれる。すなわち、エアクリーナ３１の下流側で、新気の流量を検出するエアフローセンサＳＷ１及び新気の温度を検出する吸気温度センサＳＷ２、インタークーラ／ウォーマ３４の下流側に配置されかつ、インタークーラ／ウォーマ３４を通過した後の新気の温度を検出する、第２吸気温度センサＳＷ３、ＥＧＲ通路５０における吸気通路３０との接続部近傍に配置されかつ、外部ＥＧＲガスの温度を検出するＥＧＲガス温センサＳＷ４、吸気ポート１６に取り付けられかつ、気筒１８内に流入する直前の吸気の温度を検出する吸気ポート温度センサＳＷ５、シリンダヘッド１２に取り付けられかつ、気筒１８内の圧力を検出する筒内圧センサＳＷ６、排気通路４０におけるＥＧＲ通路５０の接続部近傍に配置されかつ、それぞれ排気温度及び排気圧力を検出する排気温センサＳＷ７及び排気圧センサＳＷ８、直キャタリスト４１の上流側に配置されかつ、排気中の酸素濃度を検出するリニアＯ_２センサＳＷ９、直キャタリスト４１とアンダーフットキャタリスト４２との間に配置されかつ、排気中の酸素濃度を検出するラムダＯ_２センサＳＷ１０、エンジン冷却水の温度を検出する水温センサＳＷ１１、クランクシャフト１５の回転角を検出するクランク角センサＳＷ１２、車両のアクセルペダル（図示省略）の操作量に対応したアクセル開度を検出するアクセル開度センサＳＷ１３、吸気側及び排気側のカム角センサＳＷ１４，ＳＷ１５、及び、燃料供給システム６２のコモンレール６４に取り付けられかつ、インジェクタ６７に供給する燃料圧力を検出する燃圧センサＳＷ１６である。

ＰＣＭ１０は、これらの検出信号に基づいて種々の演算を行うことによってエンジン１や車両の状態を判定し、これに応じてインジェクタ６７、第１及び第２点火プラグ２５、２６、吸気弁側のＶＶＴ７２及びＣＶＶＬ７３、排気弁側のＶＶＬ７１、燃料供給システム６２、並びに、各種の弁（スロットル弁３６、インタークーラバイパス弁３５１、ＥＧＲ弁５１１、及びＥＧＲクーラバイパス弁５３１）のアクチュエータへ制御信号を出力する。こうしてＰＣＭ１０は、エンジン１を運転する。

図４は、エンジン１の運転領域の一例を示している。このエンジン１は、燃費の向上や排気エミッションの向上を目的として、エンジン負荷が相対的に低い低負荷域では、点火プラグ２５、２６による点火を行わずに、圧縮自己着火によって燃焼を行う圧縮着火燃焼を行う。しかしながら、エンジン１の負荷が高くなるに従って、圧縮着火燃焼では、燃焼が急峻になりすぎてしまい、例えば燃焼騒音等の問題を引き起こすことになる。そのため、このエンジン１では、エンジン負荷が相対的に高い高負荷域では、圧縮着火燃焼を止めて、点火プラグ２５、２６を利用した火花点火燃焼に切り替える。このように、このエンジン１は、エンジン１の運転状態、特にエンジン１の負荷に応じて、圧縮着火燃焼を行うＣＩ（Compression Ignition）モードと、火花点火燃焼を行うＳＩ（Spark Ignition）モードとを切り替えるように構成されている。但し、モード切り替えの境界線は、図例に限定されるものではない。

ＣＩモードでは基本的に、例えば吸気行程乃至圧縮行程中の、比較的早いタイミングで、インジェクタ６７が気筒１８内に燃料を噴射することにより、比較的均質なリーン混合気（空気過剰率λ≧１、例えばλ≧２．５）を形成すると共に、その混合気を圧縮上死点付近において圧縮自己着火させる。尚、燃料噴射量は、エンジン１の負荷に応じて設定される。

また、ＣＩモードでは、ＶＶＬ７１の制御によって、排気弁２２を吸気行程中に開弁する排気の二度開きを行い、そのことによって内部ＥＧＲガスを気筒１８内に導入する。内部ＥＧＲガスの導入は圧縮端温度を高め、圧縮着火燃焼を安定化させる。

エンジン負荷の上昇に伴い気筒１８内の温度が自然と高まることから、過早着火を回避する観点から、内部ＥＧＲ量は低下させる。例えばＣＶＶＬ７３の制御によって、吸気弁２１のリフト量を調整することにより、内部ＥＧＲ量を調整してもよい。また、スロットル弁３６の開度調整によって、内部ＥＧＲ量を調整してもよい。

エンジン負荷がさらに高まり、例えば図４に示す運転領域において、ＣＩモードとＳＩモードとの切り替え境界線付近においては、内部ＥＧＲを実行することは、筒内温度が高くなりすぎて、圧縮着火をコントロールすることが困難になる場合がある。そこで、ＣＩモードの運転領域において負荷の高い領域では、内部ＥＧＲの実行を止め、その代わりにＥＧＲ弁５１１を開いて、ＥＧＲクーラ５２によって冷却された外部ＥＧＲガスを、気筒１８内に導入するようにしてもよい。このことにより、筒内温度を低く抑えることが可能になり、圧縮着火のコントロールが可能になる。

これに対し、ＳＩモードでは基本的に、詳しくは後述するが、吸気行程から膨張行程初期までの間で、インジェクタ６７が気筒１８内に燃料を噴射することにより、均質乃至成層化した混合気を形成すると共に、圧縮上死点付近において点火を実行することによってその混合気に着火する。ＳＩモードではまた、理論空燃比（λ＝１）でエンジン１を運転する。これは、三元触媒の利用を可能にするから、エミッション性能の向上に有利になる。

ＳＩモードでは、スロットル弁３６を全開にする一方で、ＥＧＲ弁５１１の開度調整により、気筒１８内に導入する新気量と外部ＥＧＲガス量とを調整することにより、充填量を調整する。これは、ポンプ損失の低減と共に、冷却損失の低減にも有効である。また、冷却した外部ＥＧＲガスを導入することによって、異常燃焼の回避に寄与すると共に、Ｒａｗ ＮＯｘの生成を抑制するという利点もある。尚、全開負荷域では、ＥＧＲ弁５１１を閉弁することにより、外部ＥＧＲを中止する。

このエンジン１の幾何学的圧縮比は、前述の通り、１５以上（例えば１８）に設定されている。高い圧縮比は、圧縮端温度及び圧縮端圧力を高くするため、ＣＩモードでは、圧縮着火燃焼の安定化に有利になる。一方で、この高圧縮比エンジン１は、高負荷域においてはＳＩモードに切り替えるため、過早着火やノッキングといった異常燃焼が生じやすくなってしまうという不都合がある。

そこでこのエンジン１では、先ず、エンジンの運転状態が、最大負荷を含む高負荷の低速域（図４の（１）参照。尚、ここでいう「低速域」は、エンジン１の運転領域を低、中、高速の３つに区分したときの低速域に相当する。）にあるときには、燃料の噴射形態を従来とは大きく異ならせたＳＩ燃焼を実行することによって、異常燃焼を回避するようにしている。具体的に、この燃料の噴射形態は、従来と比較して大幅に高圧化した燃料圧力でもって、圧縮行程後期から膨張行程初期にかけての大幅に遅角した期間（以下、この期間をリタード期間と呼ぶ）内で、インジェクタ６７によって、気筒１８内に燃料噴射を実行するものである。この特徴的な燃料噴射形態を、以下においては「高圧リタード噴射」又は単に「リタード噴射」と呼ぶ。

また、この高圧リタード噴射を行う運転領域よりも低負荷側の領域（図４の（２）参照）においては、詳しくは後述するが、異常燃焼の発生が、前記（１）の領域よりも抑制されることから、燃料の噴射を、リタード期間ではなく、吸気弁２１が開弁している吸気行程期間内に行う。以下においては、この燃料噴射形態を「吸気行程噴射」と呼ぶ。吸気行程噴射では、高い燃料圧力が不要になるから、高圧リタード噴射時よりも燃料圧力を低下させ、それにより、燃料ポンプ６３の駆動に起因するエンジン１の機械抵抗損失の低減を図る。

一方、エンジンの運転状態が高負荷の高速域（図４の（３）参照。尚、ここでいう「高速域」は、エンジン１の運転領域を低、中、高速の３つに区分したときの中速及び高速域に相当する。）にあるときにも、燃料の噴射を、リタード期間ではなく、吸気弁２１が開弁している吸気行程期間内に行う。

先ず、高圧リタード噴射について、図面を参照しながら説明する。図５は、前述した高圧リタード噴射によるＳＩ燃焼（実線）と、吸気行程中に燃料噴射を実行する従来のＳＩ燃焼（破線）とにおける、熱発生率（上図）及び未燃混合気反応進行度（下図）の違いを比較する図である。図５の横軸は、クランク角である。この比較の前提として、エンジン１の運転状態は共に高負荷の低速域であり、噴射する燃料量は、高圧リタード噴射によるＳＩ燃焼と従来のＳＩ燃焼との場合で互いに同じである。

先ず、従来のＳＩ燃焼では、吸気行程中に気筒１８内に所定量の燃料噴射を実行する（上図の破線）。気筒１８内では、その燃料の噴射後、ピストン１４が圧縮上死点に至るまでの間に、比較的均質な混合気が形成される。そして、この例では、圧縮上死点以降の、白丸で示す所定タイミングで点火が実行され、それによって燃焼が開始する。燃焼の開始後は、図５の上図に破線で示すように、熱発生率のピークを経て燃焼が終了する。ここで、燃料噴射の開始から燃焼の終了までの間が未燃混合気の反応可能時間（以下、単に反応可能時間という場合がある）に相当し、図５の下図に破線で示すように、この間に未燃混合気の反応は次第に進行する。同図における点線は、未燃混合気が着火に至る反応度である、着火しきい値を示しており、従来のＳＩ燃焼は、低速域であることと相俟って、反応可能時間が非常に長く、その間、未燃混合気の反応が進行し続けてしまうことから、点火の前後に未燃混合気の反応度が着火しきい値を超えてしまい、過早着火又はノッキングといった異常燃焼を引き起こす。

これに対し、高圧リタード噴射は反応可能時間の短縮を図り、そのことによって異常燃焼を回避することを目的とする。すなわち、反応可能時間は、図５にも示しているように、インジェクタ６７が燃料を噴射する期間（（１）噴射期間）と、噴射終了後、点火プラグ２５、２６の周りに可燃混合気が形成されるまでの期間（（２）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（（３）燃焼期間）と、を足し合わせた時間、つまり、（１）＋（２）＋（３）である。高圧リタード噴射は、噴射期間、混合気形成期間及び燃焼期間をそれぞれ短縮し、それによって、反応可能時間を短くする。このことについて、順に説明する。

先ず、高い燃料圧力は、単位時間当たりにインジェクタ６７から噴射される燃料量を相対的に多くする。このため、図６の中段に（１）で示す図のように、燃料噴射量を一定とした場合に、燃料圧力と燃料の噴射期間との関係は概ね、燃料圧力が低いほど噴射期間は長くなり、燃料圧力が高いほど噴射期間は短くなる。従って、燃料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、噴射期間を短縮する。

また、高い燃料圧力は、気筒１８内に噴射する燃料噴霧の微粒化に有利になると共に、燃料噴霧の飛翔距離を、より長くする。このため、図６の下段に（Ａ）で示す図のように、燃料圧力と燃料蒸発時間との関係は概ね、燃料圧力が低いほど燃料蒸発時間は長くなり、燃料圧力が高いほど燃料蒸発時間は短くなる。また、図６の下段に（Ｂ）で示す図のように、燃料圧力と点火プラグ２５、２６の周りに燃料噴霧が到達するまでの時間は概ね、燃料圧力が低いほど到達までの時間は長くなり、燃料圧力が高いほど到達までの時間は短くなる。尚、点火プラグ２５、２６の周りに燃料噴霧が到達するまでの時間は、インジェクタ６７の先端から点火プラグ２５又は点火プラグ２６までの噴霧飛翔距離と、燃料圧力
に比例する燃料噴射速度と、から算出可能である。混合気形成期間は、燃料蒸発時間と、点火プラグ２５、２６の周りへの燃料噴霧到達時間とを足し合わせた時間（（Ａ）＋（Ｂ））であるから、図６の中段に（２）で示す図のように、燃料圧力が高いほど混合気形成期間は短くなる。従って、燃料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、燃料蒸発時間及び点火プラグ２５、２６の周りへの燃料噴霧到達時間がそれぞれ短くなる結果、混合気形成期間を短縮する。これに対し、同図に白丸で示すように、従来の、低い燃料圧力での吸気行程噴射は、混合気形成期間が大幅に長くなる。尚、前述したように、多噴口型のインジェクタ６７とキャビティ１４１との組み合わせは、燃料の噴射後、点火プラグ２５、２６の周りに燃料噴霧が到達するまでの時間を短くする結果、混合気形成期間の短縮に有効である。

このように、噴射期間及び混合気形成期間を短縮することは、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、比較的遅いタイミングにすることを可能にする。そこで、高圧リタード噴射では、図５の上図に示すように、圧縮行程後期から膨張行程初期にかけてのリタード期間内に燃料噴射を行う。高い燃料圧力で気筒１８内に燃料を噴射することに伴い、その気筒内の乱れが強くなり、気筒１８内の乱れエネルギが高まるが、この高い乱れエネルギは、燃料噴射のタイミングが比較的遅いタイミングに設定されることと相俟って、燃焼期間の短縮に有利になる。

すなわち、図６の下段に（Ｄ）で示す図のように、燃料噴射をリタード期間内に行った場合、燃料圧力と燃焼期間内での乱流エネルギとの関係は概ね、燃料圧力が低いほど乱流エネルギが低くなり、燃料圧力が高いほど乱流エネルギは高くなる。尚、同図に破線で示す線は、燃料噴射を吸気行程中に行った場合の例である。仮に高い燃料圧力で気筒１８内に燃料を噴射するとしても、その噴射タイミングが吸気行程中にある場合は、点火タイミングまでの時間が長いことや、吸気行程後の圧縮行程において気筒１８内が圧縮されることに起因して、気筒１８内の乱れは減衰してしまう。その結果、吸気行程中に燃料噴射を行った場合、燃焼期間内での乱流エネルギは、燃料圧力の高低に拘わらず比較的低くなってしまう。

図６の下段に（Ｃ）で示す図のように、燃焼期間での乱流エネルギと燃焼期間との関係は概ね、乱流エネルギが低いほど燃焼期間が長くなり、乱流エネルギが高いほど燃焼期間が短くなる。従って、図６の（Ｃ）（Ｄ）から、燃料圧力と燃焼期間との関係は、図６の中段に（３）で示す図のように、燃料圧力が低いほど燃焼期間は長くなり、燃料圧力が高いほど燃焼期間は短くなる。すなわち、高圧リタード噴射は、燃焼期間を短縮する。これに対し、同図に白丸で示すように、従来の、低い燃料圧力での吸気行程噴射は、燃焼期間が長くなる。尚、多噴口型のインジェクタ６７は、気筒１８内の乱れエネルギの向上に有利であって、燃焼期間の短縮に有効であると共に、その多噴口型のインジェクタ６７とキャビティ１４１との組み合わせによって、燃料噴霧をキャビティ１４１内に収めることもまた、燃焼期間の短縮に有効である。

図６の（３）の図に示す燃料圧力と燃焼期間との関係から、言い換えると、その曲線形状から、燃料圧力を例えば４０ＭＰａ以上に設定することによって、燃焼期間を効果的に短縮化することが可能である。また、４０ＭＰａ以上の燃料圧力は、噴射期間及び混合気形成期間も、それぞれ有効に短縮化することが可能である。尚、燃料圧力は、少なくともガソリンを含有する、使用燃料の性状に応じて適宜設定するのが好ましい。その上限値は、一例として、１２０ＭＰａとしてもよい。

このように高圧リタード噴射は、噴射期間、混合気形成期間、及び、燃焼期間をそれぞれ短縮し、その結果、図５に示すように、燃料の噴射開始タイミングＳＯＩから燃焼終了時期θｅｎｄまでの、未燃混合気の反応可能時間を、従来の吸気行程中での燃料噴射の場合と比較して大幅に短くすることを可能にする。この反応可能時間を短縮する結果、図６の上段に示す図のように、従来の低い燃料圧力での吸気行程噴射では、白丸で示すように、燃焼終了時における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ところ、高圧リタード噴射は、黒丸で示すように、燃焼終了時における未燃混合気の反応の進行を抑制し、異常燃焼を回避することが可能になる。尚、図６の上図における白丸と黒丸とで、点火タイミングは互いに同じタイミングに設定している。

高圧リタード噴射は、気筒１８内への燃料噴射の形態を工夫することによって異常燃焼を回避する。これとは異なり、異常燃焼の回避を目的として点火タイミングを遅角することが、従来から知られている。点火タイミングの遅角化は、未燃混合気の温度及び圧力の上昇を抑制することによって、その反応の進行を抑制する。しかしながら、点火タイミングの遅角化は熱効率及びトルクの低下を招くのに対し、高圧リタード噴射を行う場合は、燃料噴射の形態の工夫によって異常燃焼を回避する分、点火タイミングを進角させることが可能であるから、熱効率及びトルクが向上する。つまり、高圧リタード噴射は、異常燃焼を回避するだけでなく、その回避可能な分だけ、点火タイミングを進角することを可能にして、燃費の向上に有利になる。

一方で、高圧リタード噴射は、高い燃料圧力を必要とするため、前述の通り、エンジン１の機械抵抗損失を増大してしまうという不都合がある。そのため、高圧リタード噴射を行う領域をできるだけ小さくしたいという要求がある。そこで、図４に示すマップにおいて、全開負荷を含む領域（１）よりも低負荷側の領域は、低回転であっても負荷が低い分、圧縮端温度及び圧縮端圧力が低くなる等の要因で異常燃焼が回避され易い。そこで、このエンジン１では、低負荷側の（２）の領域では、高圧リタード噴射を行わず、吸気行程噴射を行う。

図８は、高圧リタード噴射（同図（ａ）参照）と、吸気行程噴射（同図（ｂ）参照）との噴射タイミング及び点火タイミングを比較する図である。尚、図に示す噴射タイミングや点火タイミングは、高圧リタード噴射及び吸気行程噴射の一例であり、噴射タイミングや点火タイミングは図例のタイミングに限定されない。

前述の通り、高圧リタード噴射では、圧縮行程後期から膨張行程初期にかけてのリタード期間内（図例では、圧縮上死点前の圧縮行程後期）に燃料噴射を行い、圧縮上死点近傍において点火を行う。この点火は、第１点火プラグ２５、又は、第２点火プラグ２６のいずれか一方を駆動させることによって行う。高圧リタード噴射によって十分に短い燃焼期間が確保されるためである。これによって、燃焼が開始し、同図に実線で示すように、熱発生率のピークを経て燃焼が終了する。尚、第１及び第２点火プラグ２５、２６の双方を駆動させてもよい。

この高圧リタード噴射に対し、吸気行程噴射では、吸気行程期間内に燃料噴射を行う。この吸気行程噴射は、ピストン１４のキャビティ１４１内に燃料をできるだけ収めるために、ピストン１４の位置が吸気上死点近傍にあるタイミングで行うことが好ましい。尚、前述の通り、インジェクタ６７の噴射角度θが比較的狭い角度に設定されていることから、ピストン１４が吸気上死点から多少離れていても、燃料はキャビティ１４１内に収まりやすい。つまり、インジェクタ６７の噴射角度θを狭く設定することは、吸気行程噴射における燃料の噴射タイミングの自由度を高める。

吸気行程噴射では、気筒内の圧力が比較的低い状態で燃料を噴射する上に、前述したような未燃混合気の反応時間を短縮するような要求もないため、高圧リタード噴射のような高い燃料圧力が不要である。そこで、吸気行程噴射では、燃料圧力を、高圧リタード噴射時の燃料圧力よりも低下させる。燃料圧力は、４０ＭＰａ未満、例えば２０ＭＰａ程度に設定してもよい。これは、燃料ポンプ６３の駆動を抑制し、エンジン１の機械損失が低下するため、燃費の向上に有利になる。

この（２）の領域における点火は、（１）の領域と同様に、第１点火プラグ２５、又は、第２点火プラグ２６のいずれか一方を駆動させることによって行う。これによって、燃焼が開始し、同図に実線で示すように、熱発生率のピークを経て燃焼が終了する。尚、第１及び第２点火プラグ２５、２６の双方を駆動させてもよい。

また、前述の通り、高圧リタード噴射は、燃料噴射をリタード期間内に行うことによって未燃混合気の反応可能時間を短縮させるものの、この反応可能時間の短縮は、エンジン１の回転数が比較的低い低速域においては、クランク角変化に対する実時間が長いため、有効であるのに対し、エンジン１の回転数が比較的高い高速域においては、クランク角変化に対する実時間が短いため、それほど有効でない。例えば図７に示すように、リタード噴射は、エンジン回転数が比較的低いときには、高い図示熱効率が得られる一方で、エンジン回転数が高くなると、図示熱効率が低下してしまう。これは、リタード噴射では、燃料噴射時期を圧縮上死点付近に設定するため、圧縮行程においては、燃料を含まない、言い換えると比熱比の高い空気が圧縮されることになるためである。つまり、比熱比の高い空気を圧縮する結果、圧縮上死点における気筒１８内の温度（つまり、圧縮端温度）を高くしてしまい、この高い圧縮端温度がノッキングを招くことになる。そのため、高速時にリタード噴射行うときには、点火タイミングを遅角化して、ノッキングを回避しなければならない。このことが、図７に示すように、リタード噴射時の高回転での熱効率の低下を招くのである。

そこで、このエンジン１では、高負荷の高速域である（３）の領域においては、リタード噴射ではなく、吸気行程噴射を行う。この吸気行程噴射は、吸気弁２１が閉じるまでの、言い換えると吸気弁２１が開いている間の吸気行程期間内において行う。エンジン１の運転領域が高負荷の高速域であるときには、吸気弁２１の閉弁タイミングは、吸気下死点よりも遅く設定される場合がある。尚、前記と同様に、この吸気行程噴射は、ピストン１４のキャビティ１４１内に燃料をできるだけ収めるために、ピストン１４の位置が吸気上死点近傍にあるタイミングで行うことが好ましい。また、この（３）の領域においても、燃料圧力を、高圧リタード噴射時の燃料圧力よりも低下させる（例えば４０ＭＰａ未満）。これは、燃料ポンプ６３の駆動を抑制し、エンジン１の機械損失が低下するため、燃費の向上に有利になる。

吸気行程噴射では、圧縮行程中の筒内ガス（つまり、燃料を含む混合気）の比熱比を下げ、それによって圧縮端温度を低く抑えることが可能である。こうして圧縮端温度が低くなることで、ノッキングを抑制することが可能になるから、点火タイミングを進角させることが可能になる。そこで、（３）の領域においては、高圧リタード噴射と同様に、圧縮上死点付近において点火を行う。但し、（３）の領域においては、燃焼期間を短縮させる観点から、その点火は、第１及び第２点火プラグ２５、２６を共に駆動させる二点点火とする。第１及び第２点火プラグ２５、２６は同時に点火を行えばよい。第１及び第２点火プラグ２５、２６を時間差をおいて駆動してもよい。

ここで、（１）の領域と（２）の領域との境界である第２負荷は、気筒１８内の状態に応じて変更してもよい。例えば外気温が低いときや、エンジン水温が低いとき等、気筒１８内の圧縮端温度及び圧縮端圧力が比較的低くなるときには、過早着火やノッキング等の異常燃焼が発生し難くなる。そこで、このような条件下では、（２）の領域が拡大するように、第２負荷を高めに設定してもよい。こうすることで、燃料圧力を無駄に高くすることがなくなり、異常燃焼を回避しつつも、燃費の向上に有利になる。

図９〜図１１は、低速域内における負荷の変動に対するエンジン１の各パラメータ、つまり、（ｂ）スロットル弁３６の開度、（ｃ）ＥＧＲ弁５１１の開度、（ｄ）排気弁２２の二度開きの閉弁タイミング、（ｅ）吸気弁２１の開弁タイミング、（ｆ）吸気弁２１の閉弁タイミング、及び、（ｇ）吸気弁のリフト量それぞれの制御例を示している。

図９（ａ）は、気筒１８内の状態を示している。同図は、横軸をトルク（言い換えるとエンジン負荷）、縦軸を気筒内の混合気充填量として、気筒内の混合気の構成を示している。前述の通り、相対的に負荷の低い、図の左側の領域はＣＩモードとなり、所定負荷よりも負荷が高い、図の右側の領域はＳＩモードとなる。燃料量（総括燃料量）は、ＣＩモード及びＳＩモードに拘わらず、負荷の増大に従って増量される。この燃料量に対して、理論空燃比（λ＝１）となるための新気量が設定されることとなり、この新気量は、負荷の増大に対し、燃料量の増量に伴って増量することになる。

ＣＩモードにおいては、前述の通り、内部ＥＧＲガスが気筒１８内に導入されることから、充填量の残り分は、内部ＥＧＲガスと余剰の新気とによって構成される。従って、ＣＩモードでは、リーン混合気となる。

一方、ＳＩモードにおいてはλ＝１となるようにエンジン１が運転されると共に、内部ＥＧＲガスの導入が中止される。制御例の一つとして、図９では、ＳＩモードにおいては、外部ＥＧＲガスを気筒１８内に導入するようにし、気筒１８内への充填量を減らさない。

気筒１８内の状態が、図９（ａ）に示すような状態となるように、スロットル弁３６は、同図（ｂ）に示すように、エンジン１の負荷の高低に拘わらず全開に設定される。一方で、同図（ｃ）に示すように、ＥＧＲ弁５１１は、ＣＩモードでは閉じられたままになるのに対し、ＳＩモードでは開弁される。ＥＧＲ弁５１１の開度は、ＳＩモードにおいて低負荷ほど大きく高負荷ほど小さくなるように、エンジン負荷の増大に伴い次第に小さくされる。より正確には、ＣＩモードとＳＩモードとの切り替わりにおいては全開とされ、全開負荷において全閉とされる。従ってこの制御例では、ＳＩモードにおいても、全開負荷時には外部ＥＧＲガスは気筒１８内に導入されない。

図９（ｄ）は、排気弁２２の二度開き時の閉弁タイミングを示している。ＣＩモードでは、前述の通り、内部ＥＧＲガスを気筒１８内に導入すべく、その閉弁タイミングが排気上死点と吸気下死点との間の、所定タイミングに設定される。一方、ＳＩモードでは、その閉弁タイミングが排気上死点に設定される。つまり、ＳＩモードでは、排気の二度開きが中止される結果、内部ＥＧＲの制御が中止される。

このように、ＣＩモードにおいて所定の閉弁タイミングに設定される排気弁２２の二度開きに対して、図９（ｅ）に示すように、吸気弁２１の開弁タイミングが、エンジン１の負荷が高くなるほど排気上死点に近づくように進角される。従って、エンジン１の負荷が低いほど、気筒１８内に導入される内部ＥＧＲガスが増量するのに対し、エンジン１の負荷が高くなればなるほど、気筒１８内に導入される内部ＥＧＲガスは減少する。エンジン１の負荷が低いほど、大量の内部ＥＧＲガスによって気筒１８内の圧縮端温度が高まるため、安定した圧縮着火燃焼を実現する上で有利になる。一方、エンジン１の負荷が高いほど、内部ＥＧＲガスを抑制することで気筒１８内の圧縮端温度の上昇を抑制するため、過早着火を抑制する上で有利になる。尚、ＳＩモードでは、吸気弁２１の開弁タイミングは、排気上死点で一定にされる。

一方、図９（ｆ）に示すように、吸気弁２１の閉弁タイミングは、ＣＩモードにおいては吸気下死点で一定にされると共に、ＳＩモードにおいても、吸気下死点で一定にされる。

さらに、図９（ｇ）に示すように、吸気弁２１のリフト量は、ＣＩモードにおいては、エンジン負荷の増大に伴い、最小リフト量から次第に大きくなるのに対し、ＳＩモードにおいては、エンジン負荷の高低に拘わらず、最大リフト量で一定に設定される。

こうして、ＳＩモードにおいては、ＥＧＲ弁５１１の開度調整によって、気筒１８内の導入される新気量と、外部ＥＧＲガス量との割合が調整されることになる。このような制御は、ポンプ損失の低減に有利である。また、ＳＩモードにおいて、外部ＥＧＲガスを気筒１８内に導入することは、冷却損失の低減、異常燃焼の回避、及び、Ｒａｗ ＮＯｘの抑制に有利になる。

尚、図示は省略するが、ＳＩモードにおいて外部ＥＧＲガスを導入する代わりに、充填量を低減するようにしてもよい（例えば図１１（ａ）参照）。こうした充填量制御は、スロットル弁３６の開度制御を通じて行ってもよいし、吸気弁２１の閉弁タイミングを調整する（つまり、吸気弁２１の遅閉じ制御）ことによって行ってもよい。

次に、図１０は、低速域内における負荷の変動に対するエンジン１の各制御パラメータ、すなわち、（ｂ）Ｇ／Ｆ、（ｃ）噴射タイミング、（ｄ）燃料圧力、（ｅ）燃料噴射パルス幅（つまり、噴射期間）、及び、（ｆ）点火タイミングの変化を示している。

先ず、図９の制御例に従う場合は、気筒内の混合気の状態は、図１０（ａ）に示すような構成となる。このため、Ｇ／Ｆは、図１０（ｂ）に示すように、ＣＩモードでは、燃料量の増大に伴いリーンから次第に理論空燃比（Ｇ／Ｆ＝１４．７）に近づくようになると共に、ＳＩモードでも、ＣＩモードの変化に連続して理論空燃比に近づくようになる。

図１０（ｃ）に示すように、燃料噴射タイミングは、ＣＩモードにおいては、一例として、排気上死点と吸気下死点との間の吸気行程中に設定される。燃料噴射タイミングは、エンジン１の負荷に応じて変更してもよい。そして、ＳＩモードにおいても、相対的に低負荷のとき（つまり、図４における（２）の領域）には、燃料噴射タイミングは、ＣＩモードと同様に、吸気行程中に設定される（つまり、吸気行程噴射）。そうして、ＳＩモードにおいて、相対的に高負荷になれば（つまり、（１）の領域では）、燃料噴射タイミングは、燃料噴射タイミングは、圧縮行程後半から膨張行程初期にかけてのリタード期間に設定される。つまり、高圧リタード噴射である。高圧リタード噴射では、エンジン負荷の増大に伴い、その噴射タイミングは次第に遅角側に変更される。これは、エンジン負荷の増大に伴い、気筒１８内の圧力及び温度が高まって異常燃焼が発生しやすくなることから、これを効率的に回避するためには、噴射タイミングを遅角側に設定する必要があるためである。このことを言い換えると、高圧リタード噴射を行うときでも、エンジン負荷が低い間は、燃料圧力を下げることによって、機械抵抗損失を低減して、燃費の向上に有利になる。

ここで、図１０（ｃ）の実線は、高圧リタード噴射を一回の燃料噴射によって行う、一括噴射の場合の、燃料噴射タイミングの一例を示している。これに対し、図１０（ｃ）の一点鎖線は、高圧リタード噴射を、第１噴射と第２噴射との二回の燃料噴射に分割した場合の、第１噴射及び第２噴射それぞれの燃料噴射タイミングの一例を示している。これによると、分割噴射における第２噴射は、一括噴射を行う場合よりも、遅角側に実行することになるため、異常燃焼の回避により有利になる。つまり、比較的早期に第１噴射を実行することによって十分な混合気形成期間が確保される分、第２噴射の噴射タイミングは、より一層遅角したタイミングに設定することが可能になる。このことは気筒内の乱れエネルギの向上に有利になり、燃焼期間の短縮に有利になる。

さらに図１０（ｃ）に点線で示すように、全開負荷域においては、総括燃料噴射量が多くなることから、燃料噴射量の増量分を、吸気充填効率の向上を目的として、吸気行程噴射を実行するようにしてもよい。

図１０（ｄ）は、直噴インジェクタ６７に供給される燃料圧力の変化を示しており、ＣＩモードでは低い燃料圧力で一定に設定される。これに対し、ＳＩモードにおける低負荷側では、吸気行程噴射を行うため、ＣＩモード時と同程度の、低い燃料圧力に設定される。一方で、ＳＩモードにおける高負荷側では、高圧リタード噴射を行うため、燃料圧力が相対的に高く設定されると共に、エンジン負荷の増大に伴い、燃料圧力が増大するように設定される。これは、エンジン負荷が高くなるにつれて異常燃焼が発生しやすくなることから、噴射期間のさらなる短縮や、噴射タイミングのさらなる遅角化が求められるためである。

図１０（ｅ）は、一括噴射を行う場合の噴射期間に相当する噴射パルス幅（インジェクタの開弁期間）の変化を示しており、ＣＩモードにおいては、燃料噴射量の増大に伴いパルス幅も大きくなり、ＳＩモードの低負荷側においても同様に、燃料噴射量の増大に伴いパルス幅も大きくなる。しかしながら、同図（ｄ）に示すように、ＳＩモードの高負荷側では、高圧リタード噴射を行うため、ＣＩモードやＳＩモードの低負荷側よりも燃料圧力が大幅に高く設定される結果、ＳＩモードにおける高負荷側の燃料噴射量は、低負荷側での燃料噴射量よりも多いにも拘わらず、そのパルス幅は、より短く設定される。これは、未燃混合気反応可能時間を短縮し、異常燃焼の回避に有利になる。

また、図１０（ｆ）は、点火タイミングの変化を示しており、ＳＩモードでは、燃料噴射タイミングがエンジン負荷の増大と共に遅角されることに従って、点火タイミングもまた、エンジン負荷の増大と共に遅角される。これは、異常燃焼の回避に有利である。また、ＣＩモードでは、基本的には点火を実行しないものの、点火プラグ２５のくすぶりを回避する目的で、同図に一点鎖線で示すように、例えば排気上死点付近で点火を行ってもよい。

図１１は、図１０とは異なり、ＳＩモードにおいて充填量を低減させる制御を行う場合（同図（ａ）参照）の、（ｂ）Ｇ／Ｆ、（ｃ）噴射タイミング、（ｄ）燃料圧力、（ｅ）燃料噴射パルス幅、及び、（ｆ）点火タイミングの変化を示している。尚、図１０と、図１１との比較において、（ｃ）（ｅ）は、互いに同じである。

気筒１８内の混合気の状態は、図１１（ａ）に示すような構成となり、ＳＩモードにおいては、外部ＥＧＲガスを導入せずに、充填量を低減していることから、Ｇ／Ｆは、図１１（ｂ）に示すように、ＳＩモードでは、Ｇ／Ｆは理論空燃比で一定になり（Ｇ／Ｆ＝１４．７）、ＣＩモードからＳＩモードにかけて不連続になる。このように、ＳＩモードにおいて外部ＥＧＲガスを導入しないことから、特にエンジン１の運転状態が中負荷域にあるときに、図１０の制御例とは異なり、燃焼が緩慢にならずに、燃焼期間が相対的に短くなる。そこで、この制御例では、図１１（ｄ）に示すように、燃料圧力が低めに設定される（図１１（ｄ）の一点鎖線は、図１０（ｄ）の燃料圧力を示す）。また、図１０（ｆ）と図１１（ｆ）とを比較して、図１１に示す制御例では、点火タイミングを相対的に遅らせているが、これは外部ＥＧＲガスを導入しないことから、過早着火やノッキング等の異常燃焼に不利になる分、点火タイミングを遅らせているものである。

従って、このエンジン１では、図４に示す（１）の領域、すなわち高負荷の低回転域では、高圧リタード噴射とすることで異常燃焼を回避しつつ熱効率を向上させる。一方、図４に示す（２）の領域、すなわち、低回転域であって、（１）の領域よりも低負荷の領域では、異常燃焼を回避しつつも、吸気行程噴射とすることで燃料圧力を低下させて、燃費を向上させる。

さらに、このエンジンでは、高負荷の高回転域（図４に示す（３）の領域）でも、吸気行程噴射とすることで、異常燃焼を回避しつつ熱効率を向上させる。また、高負荷の高回転域では、二点点火を行うことによって、燃焼室１９内の複数の火種のそれぞれから火炎が広がるため、火炎の広がりが早くて燃焼期間が短くなる。二点点火は、点火タイミングは圧縮上死点以降になったとしても、燃焼重心位置はできるだけ進角側に位置するようになり、熱効率及びトルクの向上、ひいては燃費の向上に有利になる。尚、点火プラグの数は、２個に限定されるものではない。また、高圧リタード噴射時に、多点点火を行ってもよい。

また、このエンジン１においては、ピストンのリップ径を小さくし、その分、スキッシュエリアを大きくしている。このため、スキッシュが強まり、気筒１８内の流動が強くなり、高回転域において、燃焼期間を短くすることが可能である。二点点火と、小さいリップ径との組み合わせは、目標レベル程度にまで燃焼期間を短くすることが可能である。このことは、ノッキングの回避に有利であり、熱効率及びトルクの向上に有利である。

尚、吸気行程期間内における燃料噴射は、気筒１８内に設けたインジェクタ６７ではなく、別途、吸気ポート１６に設けたポートインジェクタを通じて、吸気ポート１６内に燃料を噴射してもよい。

また、ここに開示する技術は、前述したような自然吸気エンジンに限らず、過給機付きエンジンに適用することも可能である。過給機付きエンジンでは、ＣＩモードの領域を高負荷側に拡大させることが可能になる。

さらに、高圧リタード噴射は、必要に応じて分割噴射にしてもよく、同様に、吸気行程噴射もまた、必要に応じて分割噴射にしてもよい。その結果、少なくとも１回の噴射が吸気行程において行われると共に、圧縮行程においても、燃料噴射が行われる場合もあり得る。

加えて、前記の構成では、エンジン１の運転状態が低速域内における低負荷域にあるときには、圧縮着火燃焼を行うＣＩモードとしているが、これに代えて、エンジン１の運転状態が低速域内における低負荷域にあるときには、成層化したリーン混合気に火花点火により燃焼を行う運転モードとしてもよい。

１ エンジン（エンジン本体）
１０ ＰＣＭ（制御器）
１８ 気筒
２１ 吸気弁
２５ 第１点火プラグ
２６ 第２点火プラグ
６２ 燃料供給システム（燃圧可変機構）
６３ 燃料ポンプ
６７ インジェクタ（燃料噴射弁）

Claims (4)

1. 幾何学的圧縮比が１５以上に設定された気筒を有しかつ、少なくともガソリンを含有する燃料が供給されるように構成されたエンジン本体と、
   前記気筒内に供給する前記燃料を噴射するように構成された燃料噴射弁と、
   前記エンジン本体によって駆動される燃料ポンプを含みかつ、前記燃料噴射弁が噴射する燃料の圧力を変更するように構成された燃圧可変機構と、
   少なくとも前記燃料噴射弁及び前記燃圧可変機構を制御することによって、前記エンジン本体を運転するように構成された制御器と、を備え、
   前記制御器は、前記エンジン本体の運転状態が、火花点火燃焼を行う第１負荷以上の領域であって、所定よりも低速の低速域にあるときには、
   最大負荷を含む第２負荷以上の高負荷域では、前記燃圧可変機構を通じて前記燃料の圧力を所定以上に設定すると共に、圧縮行程後期から膨張行程初期にかけてのリタード期間内のタイミングで、前記気筒内に燃料噴射を開始するように、前記燃料噴射弁を駆動し、
   前記高負荷域よりも負荷の低い領域では、前記燃圧可変機構を通じて前記燃料の圧力を前記所定未満に設定すると共に、少なくとも吸気行程期間内で燃料噴射を行うように、前記燃料噴射弁を駆動する火花点火式ガソリンエンジンの制御装置。
2. 請求項１に記載の火花点火式ガソリンエンジンの制御装置において、
   前記第２負荷は、前記吸気行程期間内で燃料噴射を行ったときに、異常燃焼が発生しない前記気筒内の圧縮端温度及び圧縮端圧力となる限度で設定される火花点火式ガソリンエンジンの制御装置。
3. 請求項１又は２に記載の火花点火式ガソリンエンジンの制御装置において、
   前記制御器は、前記エンジン本体の運転状態が、前記第１負荷以上の領域では、空気過剰率λを１に設定した火花点火燃焼を行い、前記第１負荷よりも低い領域では、前記空気過剰率λを１以上に設定した圧縮着火燃焼を行う火花点火式ガソリンエンジンの制御装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の火花点火式ガソリンエンジンの制御装置において、
   前記制御器は、前記エンジン本体の運転状態が、前記第１負荷以上の領域であって、前記低速域よりも高速の領域にあるときには、吸気弁が閉じるまでの吸気行程期間内で燃料噴射を行うように、前記燃料噴射弁を駆動する火花点火式ガソリンエンジンの制御装置。

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