JP6011174B2 - 火花点火式直噴エンジン - Google Patents

Description

ここに開示する技術は、火花点火式直噴エンジンに関する。

例えば特許文献１には、幾何学的圧縮比を高く設定すると共に、吸気弁の閉弁時期を吸気下死点以降の遅い時期に設定する（いわゆる遅閉じにする）ことによって、熱効率の向上を図った火花点火式エンジンが記載されている。特許文献１にはまた、このエンジンの冷間始動時には、吸気弁の閉弁時期を進角させることによって、気筒間又はサイクル間の空燃比のばらつきを抑制し、それによって、混合気の燃焼悪化を回避することが記載されている。つまり、エンジンの冷間始動時には、燃料の気化霧化が悪化するため、混合気が均一にならずに、燃料濃度の分布が生じる。一方で、吸気弁を遅閉じに設定したときには、気筒内の混合気の一部が吸気ポートや吸気マニホールドに吹き返され、その吹き返された混合気が、次サイクルで当該気筒に導入されたり、別の気筒に導入されたりする。ここで、前述の通り、エンジンの冷間始動時には燃料濃度の分布が生じることから、吹き返された混合気の燃料濃度がリッチであるときには、当該混合気を導入した気筒の空燃比がリッチとなり、逆に、吹き返された混合気の燃料濃度がリーンであるときには、当該混合気を導入した気筒の空燃比がリーンとなる。こうして、冷間始動時には気筒間又はサイクル間の空燃比のばらつきが大きくなってしまうところ、特許文献１に記載されたエンジンでは、その冷間始動時に、吸気弁の閉弁時期を進角させることによって、吹き返される混合気量をできるだけ少なくすることで、気筒間又はサイクル間の空燃比のばらつきを抑制するようにしている。

国際公開第２０１０／７９６２３号

ところで、エンジンの冷間始動時には燃料の気化霧化が悪化するため、始動性向上のために燃料の噴射量を増大することが行われている。ところが、冷間始動時には燃料の濃度分布によって、火花点火によって開始する燃焼期間が長くなったり短くなったりする。燃焼期間が短くなったときに筒内最大圧力（Ｐｍａｘ）が高くなり、許容値を超えてしまうことも起き得る。特に幾何学的圧縮比を高く設定したエンジンにおいては圧縮端圧力が高くなるため、燃焼期間が短くなったときには、Ｐｍａｘが許容値を超え易くなり、エンジンの信頼性の問題が生じる。

冷間始動時にＰｍａｘを許容値以下に抑制するために、火花点火時期を圧縮上死点以降の遅い時期に設定することが考えられる。気筒内圧力が次第に低下する膨張行程期間内において燃焼させることで、仮に燃焼期間が短くなったときでも、Ｐｍａｘは許容値以下に抑えることが可能になる。しかしながら、この方策では燃焼期間のばらつきを小さくすることはできないため、燃焼期間が長くなったときには、膨張行程期間の比較的遅い時期に燃焼が行われることになるから、発生するトルクが小さくなってしまう。その結果、起動トルクが小さくなり易く、エンジンの始動に要する時間が長くなってしまうという問題がある。

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、高圧縮比エンジンの信頼性の低下を招くことなく、冷間始動時の始動性を向上させることにある。

ここに開示する技術は、エンジンの冷間始動時には、噴射する燃料の圧力を高めかつ、気筒内に燃料を噴射する時期を圧縮上死点付近にまで遅らせるという特徴的な燃料噴射形態を採用することによって、燃料の気化霧化の促進と、燃焼安定性の向上とを図り、そのことにより、Ｐｍａｘを許容値以下に抑制しつつも、燃焼期間のばらつきを小さくして、起動トルクが小さくなってしまうことを回避し、エンジンの始動に要する時間が短くなるようにした。

具体的に、ここに開示する技術は、火花点火式直噴エンジンに係り、幾何学的圧縮比が１５以上に設定された気筒を有するエンジン本体と、前記気筒内に燃料を噴射するように構成された燃料噴射弁と、前記燃料噴射弁が噴射する前記燃料の圧力を設定するように構成された燃圧設定機構と、前記気筒内に臨んで配設されかつ、前記気筒内の混合気に点火をするように構成された点火プラグと、少なくとも前記燃料噴射弁、前記燃圧設定機構及び前記点火プラグ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温度が０℃以下の状態からの冷間始動時には、前記エンジン本体の回転数が始動判定基準回転数を超えるまでの間において、前記燃圧設定機構によって前記燃料の圧力を３０ＭＰａ以上の高燃圧にしかつ、少なくとも圧縮行程後期から膨張行程初期までの期間内で開始する、１回の燃料噴射を行うように前記燃料噴射弁を駆動し、前記燃料の噴射開始後に、前記点火プラグを駆動して火花点火を行うことによって、前記エンジン本体を始動させる。

ここで、「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。

この構成によると、エンジン本体の温度が０℃以下の状態からの冷間始動時には、燃料の圧力を３０ＭＰａ以上の高燃圧にすると共に、圧縮行程後期から膨張行程初期までの期間内で、気筒内への燃料の噴射を開始する。

圧縮行程後期から膨張行程初期までの期間内では、モータリングにより気筒内の温度が高まっているため、このタイミングで燃料の噴射を開始することは、気筒内の高温雰囲気中に燃料を噴射することになる。

また、燃料圧力を比較的高めることは、気筒内に噴射する燃料噴霧の微粒化に有利にあると共に、高い燃料圧力で気筒内に燃料を噴射することに伴い圧縮上死点付近にある気筒内の乱れが強まり、気筒内の乱れエネルギが高まる。これらの要因は、圧縮上死点付近にある気筒内における燃料のミキシング性を高め、前述した高温雰囲気中への燃料噴射と相俟って、冷間時における燃料の気化霧化を促進する。その結果、気筒内における燃料濃度は均一化し易くなる。

そうして、燃料噴射の開始後、好ましくは圧縮上死点以降の適宜のタイミングで、点火プラグを駆動して火花点火を行い燃焼を開始するが、燃料濃度の均一化が図られていると共に、火花点火は、燃料噴射を開始してからそれほど遅れないタイミングで行われることで、気筒内の乱れエネルギが高い状態で維持されており、膨張行程期間内の燃焼であっても、比較的短い、概ね一定の燃焼期間となって、燃焼期間のばらつきが抑制される。その結果、Ｐｍａｘが許容値を超えてしまうことを回避しつつも、起動トルクが小さくなってしまうことも抑制されて、エンジン本体の始動を短時間で完了させることが可能になる。つまり、エンジンの始動性が高まる。

また、幾何学的圧縮比が１５以上の高圧縮比エンジンにおいては、圧縮端温度が相対的に高くなるため、圧縮行程後期から膨張行程初期までの期間内で燃料の噴射を開始することを組み合わせたときに、燃料の気化霧化に特に有利になる。つまり、前述の構成は、高圧縮比エンジンにおける冷間始動の始動性を高める上で、特に有効である。

さらに、燃料の気化霧化が促進されることは、燃料の気化霧化が悪いことを前提として多量の燃料を噴射する必要をなくす。すなわち、燃料噴射量を少なくすることが可能になるから、燃費の向上及び排気エミッション性能の向上にも有利になる。

加えて、燃焼期間のばらつきを抑制することは、幾何学的圧縮比が１５以上の高圧縮比エンジンにおいて、Ｐｍａｘが許容値を超えてしまうことを回避しつつ、火花点火のタイミングをできるだけ進角させることを可能にするから、高い起動トルクを確保する上で有利になり、エンジンの始動性がさらに向上し得る。

前記制御器は、前記エンジン本体の始動が完了した後には、少なくとも吸気行程から前記圧縮行程中期までの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。

エンジン本体の始動が完了した後には、吸気行程から圧縮行程中期までの期間内で燃料噴射を行うように燃料噴射時期を早めることで、混合気形成期間を長く確保することが可能になり、燃料の気化霧化に有利になる。尚、吸気行程から圧縮行程中期までの期間内で燃料噴射を行う場合、燃料の圧力は３０ＭＰａ以上の高燃圧に設定する必要はなく、燃料の圧力を低く設定してもよい。

また、点火プラグによる点火時期を、冷間始動時に設定されている点火時期よりも早めるようにすれば、燃焼重心位置が圧縮上死点付近に設定されるから、冷却損失の増大に有利になる。このことは、冷間始動後のエンジン本体の暖機に有利になる。

前記制御器は、前記エンジン本体の始動が完了した後、排気ガスの浄化を行う触媒を活性化させるときには、前記燃圧設定機構によって前記燃料の圧力を３０ＭＰａ以上の高燃圧にしかつ、少なくとも吸気行程から前記圧縮行程中期までの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共に、圧縮上死点よりも所定クランク角後に燃焼を開始するように、前記点火プラグを駆動して火花点火を行う、としてもよい。

つまり、エンジン本体の始動が完了した後に、触媒を所定温度にまで早期に昇温する触媒活性モードにおいては、燃料の噴射を、圧縮行程後期から膨張行程初期までの期間内で行うと共に、膨張行程期間内において燃焼を開始することが好ましい。このように燃焼期間を膨張行程期間内に遅らせることは、排気損失の増大に有利であり、触媒を効果的にかつ早期に昇温する。触媒活性時の燃料の噴射も、３０ＭＰａ以上の高燃圧で行うことにより、燃料濃度の均一化、及び、気筒内の乱れエネルギの高まりによって、膨張行程期間内においても、燃焼期間を短くしかつ、その安定性が高まるから、排気ガスの温度が十分に高まり、触媒の早期活性化に、より有利になる。

前記制御器は、前記エンジン本体の冷間始動を開始した後、前記燃圧設定機構によって前記燃料の圧力が３０ＭＰａ以上に到達するまでは、前記燃料噴射弁を駆動しない、としてもよい。

前述したように、燃料の圧力が３０ＭＰａ以上の高燃圧でもって、圧縮行程後期から膨張行程初期までの期間内で、気筒内に燃料噴射を行うことで、冷間始動時の始動性を向上させることができ、逆に、噴射する燃料の圧力が比較的低いときには始動性の向上が達成できない。そのため、燃料の圧力が３０ＭＰａ以上に到達するまでは燃料噴射弁を駆動しないことにより、無駄な燃料噴射が抑制されて燃費の向上に有利になる。

例えば燃料の圧力を向上させるための燃料ポンプが、エンジン本体によって駆動される構成においては、スタータの駆動によりエンジン本体の始動が開始された後、そのクランキングによって燃料ポンプが駆動を開始して燃料が昇圧し始めるが、燃料の圧力が３０ＭＰａ以上に到達するまでは、燃料噴射弁を駆動せずにクランキングを継続し、燃料の圧力が３０ＭＰａ以上に到達した後に燃料噴射弁を駆動して、前述したようなエンジン本体の始動制御を行えばよい。

前記気筒に往復動可能に内挿されたピストンの冠面には、凹状のキャビティが形成されており、前記燃料噴射弁は、複数の噴口を有する多噴口型であり、前記制御器は、前記エンジン本体の前記冷間始動時には、前記ピストンのキャビティ内に燃料が噴射されるようなタイミングで、前記燃料噴射弁を駆動する、としてもよい。

こうすることで、ピストン冠面のキャビティによって構成される、比較的容積の小さい燃焼室内に、多数の噴口から、高燃圧で、燃料が噴射されるため、燃料濃度の均一化に、より一層有利になり、冷間始動時における燃焼期間のばらつきを、さらに小さくして、エンジンの始動性がさらに向上し得る。

以上説明したように、この火花点火式直噴エンジンは、冷間始動時には、３０ＭＰａ以上の高い燃料圧力でかつ、圧縮行程後期から膨張行程初期までの期間内で気筒内への燃料噴射を開始すると共に、燃料噴射の開始後に火花点火を行って燃焼を開始することで、燃焼期間のばらつきが小さくなって、Ｐｍａｘが許容値を超えることを回避しつつも、起動トルクが小さくなってしまうことも抑制されて、エンジンの始動性が向上する。

火花点火式直噴エンジンの構成を示す概略図である。 火花点火式直噴エンジンの制御に係るブロック図である。 燃焼室を拡大して示す断面図である。 エンジンの運転領域を例示する図である。 （ａ）ＣＩモードにおいて吸気行程噴射を行う場合の燃料噴射時期の一例と、それに伴うＣＩ燃焼の熱発生率の例示、（ｂ）ＣＩモードにおいて高圧リタード噴射を行う場合の燃料噴射時期の一例と、それに伴うＣＩ燃焼の熱発生率の例示、（ｃ）ＳＩモードにおいて高圧リタード噴射を行う場合の燃料噴射時期及び点火時期の一例と、それに伴うＳＩ燃焼の熱発生率の例示、（ｄ）ＳＩモードにおいて吸気行程噴射と高圧リタード噴射との分割噴射を行う場合の燃料噴射時期及び点火時期の一例と、それに伴うＳＩ燃焼の熱発生率の例示である。 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。 冷間始動時における（ａ）エンジン回転速度と燃焼期間のばらつきとの関係、（ｂ）エンジン回転速度と筒内最大圧力のばらつきとの関係を例示する図である。 燃焼期間が短いときの気筒内圧力履歴を例示する図である。 燃焼期間とトルクとの関係を例示する図である。 クランク角度変化に対する気筒内温度変化を例示する図である。 燃焼重心位置と燃焼ばらつきの指標との関係を示す図である。 冷間始動時における、（ａ）エンジン回転数の変化の一例、（ｂ）燃料圧力の変化の一例、（ｃ）燃料噴射量の変化の一例、（ｄ）燃料噴射時期及び点火時期の変化の一例、をそれぞれ示すタイムチャートである。 （ａ）冷間始動時又は触媒活性モードにおける燃料噴射時期及び点火時期の一例と、それに伴う熱発生率の例示、（ｂ）エンジン暖機モードにおける燃料噴射時期及び点火時期の一例と、それに伴う熱発生率の例示である。

以下、火花点火式直噴エンジン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が設けられたシリンダブロック１１（尚、図１では、１つの気筒のみを図示するが、例えば４つの気筒が直列に設けられる）と、このシリンダブロック１１上に配設されたシリンダヘッド１２と、シリンダブロック１１の下側に配設され、潤滑油が貯留されたオイルパン１３とを有している。各気筒１８内には、コンロッド１４２を介してクランクシャフト１５と連結されているピストン１４が往復動可能に嵌挿されている。ピストン１４の頂面には、図３に拡大して示すように、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。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。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。以下の説明においては、ＶＶＬ７１を通常モードで作動させ、排気二度開きを行わないことを、「ＶＶＬ７１をオフにする」といい、ＶＶＬ７１を特殊モードで作動させ、排気二度開きを行うことを、「ＶＶＬ７１をオンにする」という場合がある。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の運転状態に応じて設定された噴射タイミングでかつ、エンジン１の運転状態に応じた量の燃料を、燃焼室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、燃焼室１９の中心位置から放射状に広がるように、燃料を噴射する。図３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。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、混合気形成期間を短くすると共に、燃焼期間を短くする上で有利な構成である。尚、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、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、３０ＭＰａ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。燃料圧力は、最大で１２０ＭＰａ程度に設定してもよい。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が取り付けられている。点火プラグ２５は、この例では、エンジン１の排気側から斜め下向きに延びるように、シリンダヘッド１２内を貫通して配置されている。図３に示すように、点火プラグ２５の先端は、圧縮上死点に位置するピストン１４のキャビティ１４１内に臨んで配置される。

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ことが可能である。

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、点火プラグ２５、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。

また、図２において符号８０は、エンジン１の始動時にエンジン１のクランキングを行うスタータであり、スタータ８０の駆動もＰＣＭ１０によって制御される。

図４は、エンジン１の温間時における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性能の向上を目的として、エンジン負荷が相対的に低い低負荷域では、点火プラグ２５による点火を行わずに、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モードはさらに、エンジン負荷の高低に応じて３つの領域に分けられている。具体的に、ＣＩモードにおいて負荷が最も低い領域（１）では、圧縮着火燃焼の着火性及び安定性を高めるために、相対的に温度の高いホットＥＧＲガスを気筒１８内に導入する。これは、ＶＶＬ７１をオンにして、排気弁２２を吸気行程中に開弁する排気の二度開きを行うことによる。ホットＥＧＲガスの導入は、気筒１８内の圧縮端温度を高め、軽負荷である領域（１）において、圧縮着火燃焼の着火性及び安定性を高める上で有利になる。領域（１）ではまた、図５（ａ）に示すように、少なくとも吸気行程から圧縮行程中期までの期間内において、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、均質なリーン混合気を形成する。混合気の空気過剰率λは、例えば２．４以上に設定してもよく、こうすることで、ＲａｗＮＯｘの生成を抑制して、排気エミッション性能を高めることが可能になる。そうして、そのリーン混合気は、図５（ａ）に示すように、圧縮上死点付近において圧縮自己着火する。

領域（１）における負荷の高い領域、具体的には、領域（１）と領域（２）との境界を含む領域では、少なくとも吸気行程から圧縮行程中期までの期間内において、気筒１８内に燃料を噴射するものの、混合気の空燃比を理論空燃比（λ≒１）に設定する。理論空燃比にすることにより、三元触媒が利用可能になると共に、後述の通り、ＳＩモードにおいても混合気の空燃比を理論空燃比にすることから、ＳＩモードとＣＩモードとの間の切り替え時の制御が簡素化し、さらに、ＣＩモードを高負荷側へ拡大可能にすることにも寄与する。

ＣＩモードにおいて、領域（１）よりも負荷の高い領域（２）では、領域（１）の高負荷側と同様に、少なくとも吸気行程から圧縮行程中期までの期間内において、気筒１８内に燃料を噴射し（図５（ａ）参照）、均質な理論空燃比（λ≒１）の混合気を形成する。

領域（２）ではまた、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ためにホットＥＧＲガス量を低下させる。これは、気筒１８内に導入する内部ＥＧＲガス量の調整による。また、ＥＧＲクーラ５２をバイパスした外部ＥＧＲガス量を調整することによって、ホットＥＧＲガス量が調整されることもある。

領域（２）ではさらに、相対的に温度の低いクールドＥＧＲガスを気筒１８内に導入する。こうして高温のホットＥＧＲガスと低温のクールドＥＧＲガスとを適宜の割合で気筒１８内に導入することにより、気筒１８内の圧縮端温度を適切にし、圧縮着火の着火性を確保しつつも急激な燃焼を回避して、圧縮着火燃焼の安定化を図る。尚、ホットＥＧＲガス及びクールドＥＧＲガスを合わせた、気筒１８内に導入されるＥＧＲガスの割合としてのＥＧＲ率は、混合気の空燃比をλ≒１に設定する条件下で可能な限り高いＥＧＲ率に設定される。従って、領域（２）においては、エンジン負荷の増大に伴い燃料噴射量が増大するから、ＥＧＲ率は次第に低下するようになる。

ＣＩモードとＳＩモードとの切り替え境界線を含む、ＣＩモードにおいて最も負荷の高い領域（３）では、気筒１８内の圧縮端温度がさらに高くなるため、領域（１）や領域（２）のように、吸気行程から圧縮行程中期までの期間内で気筒１８内に燃料を噴射してしまうと、過早着火等の異常燃焼が生じるようになる。一方、温度の低いクールドＥＧＲガスを大量に導入して気筒内の圧縮端温度を低下させようとすると、今度は、圧縮着火の着火性が悪化してしまう。つまり、気筒１８内の温度制御だけでは、圧縮着火燃焼を安定して行い得ないため、この領域（３）では、気筒１８内の温度制御に加えて、燃料噴射形態を工夫することによって過早着火等の異常燃焼を回避しつつ、圧縮着火燃焼の安定化を図る。具体的に、この燃料噴射形態は、従来と比較して大幅に高圧化した燃料圧力でもって、図５（ｂ）に示すように、少なくとも圧縮行程後期から膨張行程初期までの期間（以下、この期間をリタード期間と呼ぶ）内で、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。このような高圧リタード噴射により、領域（３）での異常燃焼を回避しつつ、圧縮着火燃焼の安定化が図られる。この高圧リタード噴射に詳細については、後述する。

領域（３）では、領域（２）と同様に、高温のホットＥＧＲガスと低温のクールドＥＧＲガスとを適宜の割合で気筒１８内に導入する。このことにより、気筒１８内の圧縮端温度を適切にして圧縮着火燃焼の安定化を図る。

エンジン負荷の高低に応じて３つの領域に分けられたＣＩモードに対して、ＳＩモードは、エンジン回転数の高低に応じて、領域（４）と領域（５）との２つの領域に分けられている。領域（４）は、図例においては、エンジン１の運転領域を低速、高速の２つに区分したときの低速域に相当し、領域（５）は高速域に相当する。領域（４）と領域（５）との境界はまた、図４に示す運転領域において、負荷の高低に対して回転数方向に傾いているが、領域（４）と領域（５）との境界は図例に限定されるものではない。

領域（４）及び領域（５）のそれぞれにおいて、混合気は、領域（２）及び領域（３）と同等に、理論空燃比（λ≒１）に設定される。従って、混合気の空燃比は、ＣＩモードとＳＩモードとの境界を跨って理論空燃比（λ≒１）で一定にされる。これは、三元触媒の利用を可能にする。また、領域（４）及び領域（５）では、基本的にはスロットル弁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及び外部ＥＧＲガス量を調整する。こうして気筒１８内に導入するガス割合を調整することは、ポンプ損失の低減と共に、大量のＥＧＲガスを気筒１８内に導入することにより、火花点火燃焼の燃焼温度が低く抑えられ冷却損失の低減も図られる。領域（４）及び領域（５）では、主にＥＧＲクーラ５２を通じて冷却した外部ＥＧＲガスを、気筒１８に導入する。このことによって、異常燃焼の回避に有利になると共に、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をゼロにする。

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モードの、特に低負荷の領域（例えば領域（１））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、高負荷域であるＳＩモードにおいては、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という問題がある。

そこでこのエンジン１では、ＳＩモードの領域（４）や領域（５）においては、前述した高圧リタード噴射を行うことにより、異常燃焼を回避するようにしている。より詳細には、領域（４）においては、３０ＭＰａ以上の高い燃料圧力でもって、図５（ｃ）に示すように、圧縮行程後期から膨張行程初期にかけてリタード期間内で、気筒１８内に燃料噴射を実行する高圧リタード噴射のみを行う。これに対し、領域（５）においては、図５（ｄ）に示すように、噴射する燃料の一部を、吸気弁２１が開弁している吸気行程期間内で気筒１８内に噴射すると共に、残りの燃料をリタード期間内で気筒１８内に噴射する。つまり、領域（５）では、燃料の分割噴射を行う。ここで、吸気弁２１が開弁している吸気行程期間とは、ピストン位置に基づいて定義した期間ではなく、吸気弁の開閉に基づいて定義した期間であり、ここで言う吸気行程は、ＣＶＶＬ７３やＶＶＴ７２によって変更される吸気弁２１の閉弁時期によって、ピストンが吸気下死点に到達した時点に対しずれる場合がある。

次に、図６を参照しながら、ＳＩモードにおける高圧リタード噴射について説明する。図６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６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（つまり、領域（４））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６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。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６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６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、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、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、燃料圧力と点火プラグ２５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。混合気形成期間は、燃料蒸発時間と、点火プラグ２５の周りへの燃料噴霧到達時間とを足し合わせた時間であるから、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、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、ＳＩモードにおいては、燃料の噴射後、点火プラグ２５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６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、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。ここで、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。

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、燃料圧力と燃焼期間との関係は、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、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。

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６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。

燃料圧力は、例えば３０ＭＰａ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、３０ＭＰａ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。

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ＳＩモードにおける異常燃焼の発生を回避する。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。

以上説明したように、ＳＩモードでの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することが可能であるが、ＣＩモードの領域（３）で行う高圧リタード噴射は、噴射期間及び混合気形成期間をそれぞれ短縮することが可能である。つまり、気筒１８内に高い燃料圧力で燃料を噴射することにより気筒１８内の乱れが強くなることで、微粒化した燃料のミキシング性が高まり、圧縮上死点付近の遅いタイミングで燃料を噴射しても、比較的均質な混合気を速やかに形成することが可能になるのである。

ＣＩモードでの高圧リタード噴射は、比較的負荷の高い領域において、圧縮上死点付近の遅いタイミングで燃料を噴射することにより、例えば圧縮行程期間中の過早着火を防止しつつ、前述の通り、概ね均質な混合気が速やかに形成されるため、圧縮上死点以降において、確実に圧縮着火させることが可能になる。そうして、モータリングにより気筒１８内の圧力が次第に低下する膨張行程期間において、圧縮着火燃焼が行われることで、燃焼が緩慢になり、圧縮着火燃焼に伴う気筒１８内の圧力上昇（ｄＰ／ｄｔ）が急峻になってしまうことが回避される。こうして、ＮＶＨの制約が解消される結果、ＣＩモードの領域が高負荷側に拡大する。

ＳＩモードの説明に戻り、前述の通り、ＳＩモードの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。逆に、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、燃料を含まない筒内ガス、言い換えると比熱比の高い空気が圧縮されるようになる。その結果、高速域においては、気筒１８内の圧縮端温度が高くなり、この高い圧縮端温度がノッキングを招くようになる。そのため、領域（５）においてリタード噴射のみを行うときには、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場合も起き得る。

そこで、図４に示すように、ＳＩモードにおいて相対的に回転数の高い領域（５）では、図５（ｄ）に示すように、噴射する燃料の一部を、吸気行程期間内で気筒１８内に噴射すると共に、残りの燃料をリタード期間内で気筒１８内に噴射をする。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。

また、高圧リタード噴射を行うことにより、前述の通り、圧縮上死点付近の気筒１８内（燃焼室１９内）において乱れが強くなり、燃焼期間が短くなる。このこともまた、ノッキングの抑制に有利になり、点火タイミングをさらに進角させることが可能になる。そうして、領域（５）においては、吸気行程噴射と高圧リタード噴射との分割噴射を行うことにより、異常燃焼を回避しつつ、熱効率を向上させることが可能になる。

尚、領域（５）において燃焼期間を短縮させるために、高圧リタード噴射を行う代わりに多点点火構成を採用してもよい。つまり、複数の点火プラグを燃焼室内に臨んで配置し、領域（５）においては、吸気行程噴射を実行すると共に、その複数の点火プラグのそれぞれを駆動することにより、多点点火を行う。こうすることで、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。その結果、高圧リタード噴射を採用した場合と同様に燃焼期間を短くして、熱効率の向上に有利になる。

（冷間時の始動制御）
エンジン１の温度が０℃を超えた状態からの始動時には、イグニッションスイッチがオンされることに応じて、ＰＣＭ１０は、スタータ８０を駆動しエンジン１のクランキングを開始する。それと共に、インジェクタ６７を駆動して、吸気行程期間内で気筒１８内に燃料噴射を行いかつ、圧縮上死点付近の所定タイミングで点火プラグ２５を駆動して、気筒１８内の混合気に火花点火を行うことで、混合気を燃焼させる。そうして、エンジン１の回転数が所定の回転数（つまり、始動判定基準回転数）を超えることにより、エンジン１の始動が完了することになる。

これに対し、エンジン１の温度が０℃以下の状態からの冷間始動時、特にエンジン１の温度が−３０℃となるような極冷間始動時には、燃料の気化霧化が悪化するため、燃料の噴射量を増大させることで気化霧化する燃料量を確保することが行われる。一方で、冷間始動時には、燃料の気化霧化の悪化によって燃料濃度の分布が生じ、燃焼期間がばらついてしまう。例えば図７は、冷間始動時における燃焼期間のばらつき（同図（ａ）参照）及び筒内最大圧力（Ｐｍａｘ）のばらつき（同図（ｂ）参照）を示している。同図に四角で囲んで示すように、エンジン始動時の初爆直後の回転数の低い状態では、燃焼期間は比較的短くなると共に、その短い燃焼期間が大きくばらつくようになる。この燃焼期間のばらつきに伴いＰｍａｘも大きくばらつく。つまり、Ｐｍａｘは、燃焼期間が短くなったときの方が高くなる。

このエンジン１は特に、幾何学的圧縮比が高く設定された高圧縮比エンジンであるため、Ｐｍａｘが高くなり易い。例えば図８は、燃焼期間が短いときの気筒１８内の圧力履歴を比較しており、同図における実線は、高圧縮比エンジンでの圧力履歴、一点鎖線は、相対的に圧縮比が低い従来のエンジンでの圧力履歴をそれぞれ示している。同図に示すように、従来のエンジンでは、燃焼期間が短くなったときでもＰｍａｘは許容値を超えないのに対し、高圧縮比エンジンは、燃焼期間が短くなったときにＰｍａｘが許容値を超えてしまう虞がある。

こうした高圧縮比のエンジン１において、Ｐｍａｘを許容値未満に抑えて、エンジン１の信頼性を確保するためには、点火プラグ２５の駆動タイミングを圧縮上死点以降の遅いタイミングに設定し、その燃焼期間を遅らせることが考えられる。例えば図８に破線で示すように、点火タイミングを圧縮上死点以降で遅角させれば、気筒１８内の圧力が次第に低下する膨張行程期間内での燃焼となる結果、燃焼期間が短くなったとしても、Ｐｍａｘが許容値を超えることが回避される。

しかしながら、点火タイミングを遅らせて筒内最大圧力を低くしたとしても、燃焼期間のばらつきは小さくならない。点火タイミングを遅らせた場合、燃焼期間が長くなったときには、膨張行程期間内の遅い時期での燃焼となることで、トルクが小さくなってしまうという不都合がある。図９は、燃焼期間と発生するトルクとの関係を示しているが、幾何学的圧縮比に拘わらず、膨張行程期間内での燃焼においては、燃焼期間が短いとトルクが高くなり、燃焼期間が長いとトルクが低くなる（同図の実線及び一点鎖線参照）。そうして、高圧縮比エンジンにおいて点火タイミングを遅らせると、同図に破線で示すように、燃焼期間が短い場合には、従来エンジンと同程度のトルクが確保できるものの、燃焼期間が長くなってしまうと、発生するトルクが低くなってしまい、要求起動トルクを下回ることにもなる。こうして、高圧縮比のエンジン１で冷間始動時に、Ｐｍａｘを許容値未満に抑制しようとすれば、エンジン１の始動に要する時間が長くなり、エンジン１の始動性が低下してしまう。

そこで、このエンジン１では、冷間始動時には、前述した高圧リタード噴射を利用することによって、Ｐｍａｘが許容値を超えてしまうことを回避してエンジン１の信頼性を確保しつつも、燃焼期間のばらつきを小さくしてエンジン１の始動性を高める。

具体的には、例えば図１３（ａ）に示すように、３０ＭＰａ以上の高い燃料圧力でもって、圧縮行程後期から膨張行程初期にかけてのリタード期間内で、インジェクタ６７を駆動して気筒１８内に燃料噴射を開始する。このタイミングは、前述の通り、キャビティ１４１内に燃料を噴射するようなタイミングである。

図１０に矢印で示すように、燃料の噴射時期を圧縮上死点付近にまで遅らせることは、モータリングにより温度が高まった気筒１８に、燃料を噴射することを意味する。また、高燃圧により、前述したように、高い噴射率、燃料の微粒化及び高い乱れエネルギが得られる。こうして、冷間始動時に高圧リタード噴射を行うことにより、燃料の気化霧化が促進され、燃料濃度の均一化が図られる。特にこのエンジン１は高圧縮比エンジンであって圧縮端温度が比較的高くなるから、高圧リタード噴射を行うことは、気筒１８内の、より高温の雰囲気中に燃料を噴射することになるから、燃焼の気化霧化の促進に有利になる。高圧リタード噴射はまた、前述したように、ピストン１４の冠面に形成したキャビティ１４１内に、多数の噴口から燃料を噴射することになるため、燃料濃度が、より一層、均一化し得る。

そうした燃料噴射の開始後の所定タイミングで、具体的には、図１３（ａ）に示すように、圧縮上死点以降の所定タイミングで点火プラグ２５を駆動して、気筒１８内の混合気に火花点火を行う。点火タイミングは、Ｐｍａｘが許容値を超えてしまうことを回避する条件を満足するように設定すればよい。気筒１８内の燃料濃度の均一化と、高圧リタード噴射による高い乱れエネルギとが相俟って、ピストン１４が次第に低下し、それに伴い気筒１８内の圧力が次第に低下する膨張行程期間内においても、燃焼の安定性が図られ、燃焼期間が比較的短くなり、しかも燃焼期間のばらつきが抑制される。例えば図１１は、燃焼重心位置と燃焼ばらつきの指標との関係を示している。これによると、燃焼重心位置が圧縮上死点から離れるほど、燃焼ばらつきが大きくなるが、高圧リタード噴射を行った場合は、高圧リタード噴射を行わない場合と比較して、燃焼重心位置が圧縮上死点から離れても、燃焼ばらつきが抑制されている。

こうして、冷間始動時に、高圧リタード噴射を行うことにより燃焼期間がばらつくことが抑制されるから、Ｐｍａｘが許容値を超えてしまうことを回避しつつも、燃焼期間が長くなって起動トルクが小さくなってしまうことも抑制される。その結果、エンジン１の始動に要する時間が短くなる。つまり、エンジン１の始動性が向上する。

ここで、図１２は、冷間始動時におけるエンジン回転数の変化（同図（ａ））、燃料圧力の変化（同図（ｂ））、燃料噴射量の変化（同図（ｃ））、並びに、燃料噴射時期及び点火時期の変化（同図（ｄ））を示すタイムチャートである。前述したように、イグニッションスイッチがオンになることに応じて、ＰＣＭ１０はスタータ８０を駆動しクランキングを開始する（同図（ａ）参照）。一方で、燃料ポンプ６３は、エンジン１によって駆動されるため、エンジン１の始動時には、燃料圧力は低い圧力のままである。ＰＣＭ１０は、燃料の圧力が３０ＭＰａ以上になるまでは燃料の噴射を禁止する（同図（ｃ）参照）。これによって無駄な燃料噴射が抑制される。燃料ポンプ６３は、エンジン１のクランキングによって駆動され、燃料の圧力は、そのクランキングの最中に次第に昇圧する（同図（ｂ）参照）。

そうして燃料圧力が３０ＭＰａ以上の所定燃圧に到達すれば、ＰＣＭ１０は燃料の噴射を開始する。すなわち、前述したように、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で、インジェクタ６７を駆動して気筒１８内に燃料噴射を開始すると共に、圧縮上死点以降の所定タイミングで、点火プラグ２５を駆動して点火を行う（同図（ｄ）参照）。こうして初爆に至るが、その初爆直後においても、前述したように、燃焼期間のばらつきは小さくなるから、Ｐｍａｘが許容値を超えてしまうことを回避しつつ、比較的短時間でエンジン１の回転数が始動判定基準回転数を超えるようになり、エンジン１の始動が完了する。

高圧リタード噴射により燃焼期間のばらつきを小さくすることは、Ｐｍａｘが許容値を超えてしまうことを回避しながら、点火タイミングをできるだけ進角させることを可能にする。このことは、高い起動トルクを確保する上で有利になり、エンジン１の始動性がより一層向上する。

また、前述したように、冷間始動時に高圧リタード噴射を行うことによって、燃料の気化霧化を促進することが可能になるから、燃料の気化霧化が悪いことを前提として噴射する燃料量を多く設定する必要がなくなり、従来エンジンの冷間始動時の燃料噴射量よりも、噴射量を少なくすることが可能である。このことは、燃費の向上と共に、排気エミッション性能の向上に有利になる。

エンジン１の始動が完了した後には、冷間時の運転マップ（図示省略）に従ってエンジン１の運転を行えばよい。例えばエンジン１の運転状態が低負荷の領域にあるときには、吸気行程期間から圧縮行程中期までの期間内で燃料噴射を行うと共に、圧縮上死点付近において火花点火を行うＳＩ燃焼を行えばよい（エンジン１の冷間時には、ＣＩ燃焼は行わない）。こうすることで、混合気形成期間が十分に確保されて燃料の気化霧化に有利になると共に、圧縮自己着火が起きにくい冷間時において、火花点火によって混合気が確実に着火し、安定した燃焼が可能になる。

但し、エンジン１の始動完了後、三元触媒の温度を所定以上に昇温させる触媒活性モードを行う場合には、圧縮行程後期から膨張行程初期の期間内で燃料噴射を開始する高圧リタード噴射、及び、膨張行程期間中の火花点火を継続して行うことが好ましい（図１３（ａ）参照）。こうすることで、燃焼期間が膨張行程期間に設定されるため、排気損失が増大するから、三元触媒の昇温に有利になる。高圧リタード噴射は特に、燃料濃度の均一化と高い乱れエネルギとによって、膨張行程期間の燃焼について、燃焼期間を短くしかつ安定化させる上でも有利であり、排気ガスの温度を十分に高くすることが可能であるから、三元触媒を早期に活性化させることが可能になる。また、そうして膨張行程期間の燃焼を安定化するため、混合気の空気過剰率をλ≒１．０（例えばλ＝１．０±０．１）に設定することが可能になる。このことは触媒活性モード中におけるＲａｗ ＨＣ、及びＣＯの排出抑制に有利である。尚、触媒活性モード時の燃料の噴射時期及び点火時期はそれぞれ、前述した冷間始動時の噴射時期及び点火時期と同じにしてもよいし、それとは異ならせてもよい。

また、触媒活性モードの終了後において、エンジン１の温度が所定温度以下の冷間乃至半暖機のときには、エンジン１の温度を高めるエンジン暖機モードを行ってもよい。このエンジン暖機モードでは、図１３（ｂ）に示すように、圧縮行程後期から膨張行程初期の期間内で燃料噴射を行う高圧リタード噴射を行うものの、その噴射開始は、触媒活性モード時よりも進角させることが好ましく、また、燃料噴射開始を進角させることに対応して、点火時期も、触媒活性モード時よりも進角させることが好ましい。こうすることで燃焼期間は圧縮上死点付近に近づくと共に、熱発生率も高くなるから、冷却損失の増大に有利になり、エンジン１の暖機が促進される。尚、エンジン１の暖機後は、例えば図４に示す運転マップに従って、エンジン１を制御すればよい。

尚、ここに開示する技術は、前述したエンジン構成への適用に限定されるものではない。例えば、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、エンジン１は、直列４気筒エンジンに限らず、直列３気筒、直列２気筒、直列６気筒エンジン等に適用してもよい。また、Ｖ型６気筒、Ｖ型８気筒、水平対向４気筒等の各種のエンジンに適用可能である。

さらに、前記の説明では、所定の運転領域において混合気の空燃比を理論空燃比（λ≒１）に設定しているが、混合気の空燃比をリーンに設定してもよい。但し、空燃比を理論空燃比に設定することは、三元触媒の利用が可能になるという利点がある。

図４に示す運転領域は例示であり、これ以外にも様々な運転領域を設けることが可能である。

また、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。これらの分割噴射では、吸気行程と圧縮行程とのそれぞれにおいて燃料を噴射してもよい。

１ エンジン（エンジン本体）
１０ ＰＣＭ（制御器）
１４ ピストン
１４１ キャビティ
１８ 気筒
２５ 点火プラグ
６２ 燃料供給システム（燃圧設定機構）
６７ インジェクタ（燃料噴射弁）

Claims (5)

1. 幾何学的圧縮比が１５以上に設定された気筒を有するエンジン本体と、
   前記気筒内に燃料を噴射するように構成された燃料噴射弁と、
   前記燃料噴射弁が噴射する前記燃料の圧力を設定するように構成された燃圧設定機構と、
   前記気筒内に臨んで配設されかつ、前記気筒内の混合気に点火をするように構成された点火プラグと、
   少なくとも前記燃料噴射弁、前記燃圧設定機構及び前記点火プラグ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温度が０℃以下の状態からの冷間始動時には、前記エンジン本体の回転数が始動判定基準回転数を超えるまでの間において、前記燃圧設定機構によって前記燃料の圧力を３０ＭＰａ以上の高燃圧にしかつ、少なくとも圧縮行程後期から膨張行程初期までの期間内で開始する、１回の燃料噴射を行うように前記燃料噴射弁を駆動し、前記燃料の噴射開始後に、前記点火プラグを駆動して火花点火を行うことによって、前記エンジン本体を始動させる火花点火式直噴エンジン。
2. 請求項１に記載の火花点火式直噴エンジンにおいて、
   前記制御器は、前記エンジン本体の始動が完了した後には、少なくとも吸気行程から前記圧縮行程中期までの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直噴エンジン。
3. 請求項１に記載の火花点火式直噴エンジンにおいて、
   前記制御器は、前記エンジン本体の始動が完了した後、排気ガスの浄化を行う触媒を活性化させるときには、前記燃圧設定機構によって前記燃料の圧力を３０ＭＰａ以上の高燃圧にしかつ、少なくとも吸気行程から前記圧縮行程中期までの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共に、圧縮上死点よりも所定クランク角後に燃焼を開始するように、前記点火プラグを駆動して火花点火を行う火花点火式直噴エンジン。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の火花点火式直噴エンジンにおいて、
   前記制御器は、前記エンジン本体の冷間始動を開始した後、前記燃圧設定機構によって前記燃料の圧力が３０ＭＰａ以上に到達するまでは、前記燃料噴射弁を駆動しない火花点火式直噴エンジン。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の火花点火式直噴エンジンにおいて、
   前記気筒に往復動可能に内挿されたピストンの冠面には、凹状のキャビティが形成されており、
   前記燃料噴射弁は、複数の噴口を有する多噴口型であり、
   前記制御器は、前記エンジン本体の前記冷間始動時には、前記ピストンのキャビティ内に燃料が噴射されるようなタイミングで、前記燃料噴射弁を駆動する火花点火式直噴エンジン。

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