JP6131803B2 - 圧縮着火式エンジンの制御装置 - Google Patents

Description

ここに開示する技術は、圧縮着火式エンジンの制御装置に関する。

例えば特許文献１には、エンジンの運転状態が所定の切替負荷以下の運転領域にあるときには、気筒内の混合気を圧縮着火燃焼させる一方で、当該切替負荷よりも負荷の高い運転領域にあるときには、気筒内の混合気に点火プラグによって強制点火を行って燃焼させるよう構成されたエンジンが記載されている。このエンジンはまた、圧縮着火燃焼を行うときには、吸気行程中に排気弁を再度、開弁することによって、排気側に排出した排気ガスの一部を気筒内に導入する、いわゆる排気二度開きを行う。この排気二度開きによる内部ＥＧＲガスの導入は、圧縮端温度を高めて、圧縮着火の着火性及び燃焼安定性を高める。

また、特許文献２にも、エンジンの運転状態が低回転低負荷の所定の領域にあるときには、圧縮着火燃焼を行う一方で、当該所定の領域以外の領域にあるときには、火花点火燃焼を行うエンジンが記載されている。このエンジンはまた、圧縮着火燃焼を行う領域においては、吸気にオゾンを添加することによって圧縮着火の着火性を高めている。

特開２０１２−１７２６６５号公報 特開２００２−２７６４０４号公報

特許文献１に記載されているように、排気の二度開きは、排気上死点前を挟んで排気弁及び吸気弁を共に閉弁するネガティブオーバーラップ期間を設けることによって、内部ＥＧＲガスを導入する構成のように気筒内に閉じ込めた高温の既燃ガスを圧縮することがない。このため、冷却損失の増大を招くことなく、気筒内の温度を高くすることが可能である。また、排気弁を二度開きする代わりに、排気行程中に吸気弁を開弁して、気筒内の既燃ガスの一部を吸気ポートに排出させると共に、吸気行程中に、その既燃ガスを、気筒内に再び導入する、いわゆる吸気の二度開きでは、吸気ポートの温度が相対的に低く、既燃ガスを吸気ポートに排出させている間に、既燃ガスの温度が低下してしまう。吸気の二度開きは、圧縮端温度が、排気弁の二度開きを行う構成よりも低下し得る。従って、排気の二度開きは、圧縮端温度を高くする上で最も好ましく、大量の内部ＥＧＲガスを導入することによって、圧縮端温度を高くする必要があるエンジンの低負荷側の領域においては特に、排気二度開きにより内部ＥＧＲガスを導入することが、圧縮着火燃焼の安定性確保に有利である。

ここで、排気の二度開きによる内部ＥＧＲガスの導入量、還元すればＥＧＲ率の調整は、吸気行程中に開弁する排気弁の開弁期間と吸気弁の開弁期間との重なり具合を調整することによって行われ、例えば排気弁の位相を連続的に調整することによる。圧縮着火燃焼を行う領域内においては、エンジンの負荷が増大するに従って気筒内の温度状態が高くなることから、内部ＥＧＲガスによるＥＧＲ率は次第に低く設定するものの、排気弁の位相を連続的に調整することだけで、所定のＥＧＲ率まで低下させることができなくなる場合がある。その場合、吸気弁のカムを切り替えることで開弁特性を変更するか、排気弁のカムを切り替えて開弁特性を変更するか、いずれかの対策が必要となる。

ところが、圧縮着火燃焼を行う領域内において、吸気弁のカムの切り替えや、排気弁のカムの切り替えを行ってＥＧＲ率を低下させようとすれば、ＥＧＲ率が急変する（つまり、急激に減少する）ことになる。これは、気筒内の温度状態が急激に低下し、圧縮着火燃焼の安定性が低下してしまう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、所定の領域において圧縮着火燃焼を行う圧縮着火式エンジンにおいて、所定負荷において吸気弁及び排気弁の少なくとも一方のカムを切り替えるときに、圧縮着火燃焼の安定性を確保することにある。

ここに開示する技術は、圧縮着火式エンジンの制御装置に係り、この圧縮着火式エンジン制御装置は、気筒を有するエンジン本体と、前記気筒内の混合気に強制点火を行うよう構成された点火装置と、前記エンジン本体の吸気弁及び排気弁の開閉制御によって、前記気筒内の全ガス量に対する前記排気ガスの量の割合であるＥＧＲ率が所定のＥＧＲ率となるように、前記気筒内に前記排気ガスを還流させるよう構成された内部ＥＧＲシステムと、前記気筒内にオゾンを導入するよう構成されたオゾン導入器と、前記エンジン本体の運転状態が所定の燃焼切替負荷以下の圧縮着火領域にあるときには、前記気筒内の混合気を圧縮着火燃焼させると共に、前記エンジン本体の運転状態が前記燃焼切替負荷よりも高負荷の強制点火領域にあるときには、前記点火装置を作動させて、前記気筒内の混合気を強制点火燃焼させることにより、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、前記内部ＥＧＲシステムは、前記ＥＧＲ率を高から低へと連続的に変更する途中において、前記吸気弁又は前記排気弁のカムを切り替えることに伴い、前記ＥＧＲ率が急減する段差特性を有しており、前記制御器は、前記エンジン本体の運転状態が前記圧縮着火領域にあるときには、前記内部ＥＧＲシステムによって、前記エンジン本体の負荷が高いほど前記ＥＧＲ率が低くなるように前記排気ガスを還流させると共に、前記圧縮着火領域内における所定のカム切替負荷において前記ＥＧＲシステムのカムを切り替えることによって、前記ＥＧＲ率を急減させ、前記制御器はまた、前記カム切替負荷に対し高負荷側に隣接する領域において、前記オゾン導入器により、前記気筒内にオゾンを導入する。

この構成によると、エンジン本体の運転状態が所定の燃料切替負荷以下の圧縮着火領域にあるときには、エンジン負荷が高いほど、ＥＧＲ率が低くなるように、内部ＥＧＲシステムによって気筒内に排気ガスを還流させる。つまり、エンジン負荷が高いほど、気筒内に導入する排気ガスは減少する。エンジン負荷が高く、気筒内の温度環境が高いほど、気筒内に導入される排気ガスが少なくなることで、気筒内の温度を高くなりすぎることを回避する。これは、圧縮着火燃焼に伴う気筒内の圧力上昇（ｄＰ／ｄθ）が急峻になってしまうことを回避して、燃焼騒音の回避に有効である。逆に、エンジン負荷が低いほど、ＥＧＲ率が高くなるように、気筒内に導入する排気ガスは増大する。エンジン負荷が低くて、気筒内の温度環境が低いほど、大量の排気ガスが気筒内に導入することで、気筒内の温度は高まる。これは、圧縮着火燃焼の安定化と共に、エンジン本体の低負荷域における未燃損失の低減に有効である。

そうして、前記の構成では、内部ＥＧＲシステムは、ＥＧＲ率を高から低へと連続的に変更する途中において、ＥＧＲ率が急減する段差特性を有しており、制御器は、圧縮着火領域内における所定のカム切替負荷においてＥＧＲシステムのカムを切り替える。このことによって、ＥＧＲ率は急減する。その結果、気筒内に導入される排気ガス量は、本来必要な量よりも少なくなるから、カム切替後のエンジン負荷において、気筒内の温度状態が必要温度よりも低下してしまうことになる。これは、圧縮着火燃焼の安定性を低下させる虞がある。

そこで、前記の構成では、制御器は、カム切替負荷に対し高負荷側に隣接する領域において、オゾン導入器により、気筒内にオゾンを導入する。カム切替負荷に対し高負荷側に隣接する領域は、ＥＧＲ率の急減によって、気筒内に導入する排気ガスが不足して気筒内の温度状態が必要温度よりも低下し得る領域に対応し、この領域において気筒内にオゾンを導入することにより、圧縮着火の着火性が高まると共に、圧縮着火燃焼の安定性が高まる。こうして、ＥＧＲ率が低くなることによる圧縮着火の燃焼安定性の低下を、気筒内にオゾンを導入することにより補うことが可能になる。その結果、圧縮着火領域の全域に亘って、圧縮着火の着火性及び燃焼安定性が確保される。

前記オゾン導入器は、前記カム切替負荷から、当該カム切替負荷よりも負荷の高い所定負荷までの間において前記気筒内にオゾンを導入する、としてもよい。

「カム切替負荷よりも負荷の高い所定負荷」は、内部ＥＧＲシステムのカムの切り替えに伴い急減したＥＧＲ率に対応するエンジン本体の負荷としてもよい。つまり、内部ＥＧＲシステムのカムの切り替えによって達成することができないＥＧＲ率の範囲（言い換えると、その達成できないＥＧＲ率に対応するエンジン本体の負荷範囲）に限ってオゾンを導入することにより、圧縮着火の着火性及び燃焼安定性の確保に必要最低限のオゾンを導入することになる。これは、燃費の向上に有利になる。

前記内部ＥＧＲシステムは、前記排気弁を排気行程中に開弁する通常モードと、当該排気弁を排気行程中と吸気行程中とに開弁することによって排気ガスの一部を前記気筒内に導入する二度開きモードとを、カムの切り替えによって切り替えるよう構成された排気動弁機構と、前記吸気弁を所定リフト量で開弁する大リフトモードと、当該大リフトよりも小さいリフト量で前記吸気弁を開弁する小リフトモードとを、カムの切り替えによって切り替えるよう構成された吸気動弁機構と、を含み、前記制御器は、前記エンジン本体の運転状態が前記圧縮着火領域にあるときには、前記排気動弁機構を二度開きモードにし、前記制御器はまた、前記エンジン本体の運転状態が前記圧縮着火領域内における前記カム切替負荷以下の領域にあるときには、前記吸気動弁機構を小リフトモードにすると共に、前記カム切替負荷よりも高い領域にあるときには、前記吸気動弁機構を大リフトモードにする、としてもよい。

エンジン本体の運転状態が圧縮着火領域にあるときには、排気動弁機構を二度開きモードにすることで、排気弁は排気行程及び吸気行程のそれぞれで開弁することにより、排気行程中に排気ポートに排出した排気ガスの一部を、吸気行程中に気筒内に再度、導入することが可能になる（つまり、排気の二度開き）。気筒内に導入される排気ガスの量、言い換えるとＥＧＲ率は、吸気行程中の、吸気弁のリフトカーブに対する排気弁のリフトカーブの重なり割合によって調整される。例えば排気弁の位相を連続的に進角させることによって、両リフトカーブの重なり割合を次第に小さくすることによって、ＥＧＲ率は連続的に小さくなる。一方、吸気弁及び排気弁の位相をそれぞれ変えることなく、カム切替負荷において吸気動弁機構が、小リフトモードから大リフトモードへと切り替えることによって、吸気弁のリフトカーブだけが大きくなれば、吸気弁のリフトカーブに対する排気弁のリフトカーブの重なり割合が急変するから、ＥＧＲ率が急減することになる。こうして、内部ＥＧＲシステムは、段差特性を有することになる。

前記吸気動弁機構はさらに、前記吸気弁の位相を変更可能に構成されており、前記制御器は、前記エンジン本体の運転状態が前記強制点火領域にあるときには、前記吸気動弁機構を大リフトモードにしかつ、前記吸気弁の閉弁時期を調整することによって、前記気筒内に導入する新気量を調整する、としてもよい。

こうすることで、燃焼切替負荷を挟んだ低負荷側と高負荷側との双方で、吸気動弁機構は、吸気弁を大リフトモードとするため、エンジン本体の負荷が高まって燃焼切替負荷を超えて、圧縮着火燃焼から強制点火燃焼へと燃焼形態が切り替わったときに、吸気弁の動作を切り替える必要がない。これは、制御性を向上させる。また、強制点火領域においては、吸気弁を大リフトモードとして、吸気弁の閉弁時期の調整によって気筒内に導入する新気量を調整するため、燃焼切替負荷を挟んだ低負荷側（つまり、圧縮着火領域）と高負荷側（つまり、強制着火領域）との間のトルク差が生じない、又は、ほとんど生じないようにすることが可能になる。

前記制御器は、前記燃焼切替負荷において、前記排気動弁機構の、前記二度開きモードと前記通常モードとの切り替えを行う、としてもよい。

燃焼切替負荷よりも高負荷側においては、気筒内の温度状態が比較的高い上に、強制点火燃焼を行うため、気筒内の温度環境として、高い温度環境は要求されず、逆に高い温度環境は、強制点火領域における過早着火やノッキング等の異常燃焼を招く虞がある。そこで、燃焼切替負荷において、排気動弁機構の二度開きモードと通常モードとの切り替えを行い、強制点火領域においては排気二度開きを行わないことにより、異常燃焼の回避に有利になる。

前記内部ＥＧＲシステムは、前記排気弁を排気行程中に開弁する通常モードと、当該排気弁を排気行程中と吸気行程中とに開弁することによって排気ガスの一部を前記気筒内に導入する二度開きモードとを、カムの切り替えによって切り替えると共に、前記排気弁の位相を変更可能に構成された排気動弁機構を含み、前記制御器は、前記エンジン本体の運転状態が前記圧縮着火領域内における前記カム切替負荷以下の領域にあるときには、前記排気動弁機構を二度開きモードにし、前記制御器はまた、前記エンジン本体の運転状態が前記圧縮着火領域内における前記カム切替負荷よりも高い領域にあるときには、前記排気動弁機構を通常モードにすると共に、排気上死点を挟んで前記排気弁及び前記吸気弁が共に閉弁したネガティブオーバーラップ期間を設ける、としてもよい。

前記と同様に、エンジン本体の運転状態が圧縮着火領域にあるときには、排気動弁機構を二度開きモードにすることで、排気ガスの一部を気筒内に再度、導入することが可能になる。そして、例えば排気弁の位相を連続的に進角させることによって、両リフトカーブの重なり割合を次第に小さくすることによって、ＥＧＲ率は連続的に小さくなる。

この構成においては、前記の構成とは異なり、カム切替負荷において、排気動弁機構を二度開きモードから通常モードへと切り替える。これにより、排気弁は排気行程中にのみ開弁し、二度開きは行わないものの、排気上死点を挟んで、排気弁と吸気弁とを共に閉弁するネガティブオーバーラップ期間を設けることによって、排気ガスの一部を気筒内に閉じ込める。排気動弁機構を二度開きモードから通常モードへと切り替えることに伴い、ＥＧＲ率が急減することになる。こうして、内部ＥＧＲシステムは、段差特性を有することになる。尚、この構成では、排気二度開きではなく、ネガティブオーバーラップ期間を設けることにより、前述したように気筒内の温度は相対的に低くなり得る。しかしながら、ネガティブオーバーラップ期間を設ける負荷領域は、切替負荷よりも負荷の高い高負荷側の領域であり、この領域においては、それほど高い圧縮端温度は要求されない。

以上説明したように、前記の圧縮着火式エンジンの制御装置は、圧縮着火領域内における所定のカム切替負荷においてＥＧＲシステムのカムを切り替えると共に、そのカム切替負荷に対し高負荷側に隣接する領域において、気筒内にオゾンを導入することにより、当該領域においてＥＧＲ率が低くなることによる圧縮着火の燃焼安定性の低下を補うことが可能になり、圧縮着火領域の全域に亘って、圧縮着火の着火性及び燃焼安定性が確保される。

圧縮着火式エンジンの構成を示す概略図である。 圧縮着火式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。 オゾン発生器の構成を例示する概念図である。 大リフトと小リフトとに切り替え可能に構成された吸気弁のリフトカーブの例示と、通常の開弁動作と、吸気行程時に再開弁する特殊動作とに切り替え可能に構成された排気弁のリフトカーブとの例示である。 エンジンの運転制御マップを例示する図である。 （ａ）は、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）は、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である。 エンジンの負荷の高低に対するＥＧＲ率の関係、及び、エンジンの負荷に対するオゾン濃度の関係を例示する図である。 排気弁の位相に対する内部ＥＧＲ率の変化を例示する図である。 圧縮燃焼領域におけるカムの切り替えとオゾンの導入に関してＰＣＭが実行する制御のフローチャートである。 圧縮燃焼領域におけるカムの切り替えとオゾンの導入に係る制御を説明するタイムチャートである。 排気弁の位相に対する内部ＥＧＲ率の変化を例示する図である。

以下、圧縮着火式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と、クランクシャフト１５に対する排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 ValveTiming）と称する）７５と、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、図５に実線で例示するように、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、図５に破線で例示するように、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。

尚、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制御を行うことも可能であるし、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制御を行うことも可能である。但し、後述の通り、圧縮端温度を高くする上では、排気二度開きが最も好ましい。

ＶＶＴ７５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。排気弁２２は、ＶＶＴ７５によって、その開弁時期及び閉弁時期を、所定の範囲内で連続的に変更可能である。

ＶＶＬ７１及びＶＶＴ７５を備えた排気側の動弁系と同様に、吸気側には、図２に示すように、ＶＶＬ７４とＶＶＴ７２とが設けられている。吸気側のＶＶＬ７４は、排気側のＶＶＬ７１とは異なる。吸気側のＶＶＬ７４は、吸気弁２１のリフト量を相対的に大きくする大リフトカムと、吸気弁２１のリフト量を相対的に小さくする小リフトカムとの、カムプロファイルの異なる２種類のカム、及び、大リフトカム及び小リフトカムのいずれか一方のカムの作動状態を選択的に吸気弁２１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。ＶＶＬ７４が大リフトカムの作動状態を吸気弁２１に伝達しているときには、図５に実線で示すように、吸気弁２１は、相対的に大きいリフト量で開弁すると共に、その開弁期間も長くなる。これに対し、ＶＶＬ７４が小リフトカムの作動状態を吸気弁２１に伝達しているときには、吸気弁２１は、図５に破線で示すように、相対的に小さいリフト量で開弁すると共に、その開弁期間も短くなる。大リフトカムと小リフトカムとは、例えばその開弁時期を同じにして切り替わるように設定されている。

吸気側のＶＶＴ７２は、排気側のＶＶＴ７５と同様に、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。吸気弁２１もまた、ＶＶＴ７２によって、その開弁時期及び閉弁時期を、所定の範囲内で連続的に変更可能である。

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（直噴）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、最高で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内の混合気に強制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、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。尚、インタークーラ／ウォーマ３４及びそれに付随する部材は、省略することも可能である。

排気通路４０の上流側の部分は、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。

また、吸気通路３０におけるスロットル弁３６とサージタンク３３との間には、気筒１８に導入する新気にオゾンを添加するオゾン発生器（Ｏ_３発生器）７６が介設している。
オゾン発生器７６は、例えば図４に示すように、吸気管３０１の横断面上で、上下又は左右方向に所定間隔を設けて並列された複数の電極を備えて構成されている。オゾン発生器７６は、吸気に含まれる酸素を原料ガスとして、無声放電によりオゾンを生成する。つまり、電極に対して、図外の電源から高周波交流高電圧を印加することにより、放電間隙において無声放電が発生し、そこを通過する空気（つまり、吸気）がオゾン化される。こうしてオゾンが添加された吸気は、サージタンク３３から吸気マニホールドを介して、各気筒１８内に導入される。オゾン発生器７６の電極に対する電圧の印加態様を変更する、及び／又は、電圧を印加する電極の数を変更することによって、オゾン発生器７６を通過した後の、吸気中のオゾン濃度を調整することが可能である。後述するように、ＰＣＭ１０は、こうしたオゾン発生器７６に対する制御を通じて、気筒１８内に導入する吸気中のオゾン濃度の調整を行う。

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ＶＶＬ７４、排気弁側のＶＶＴ７５及び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、ＥＧＲクーラバイパス弁５３１）のアクチュエータ、及びオゾン発生器７６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６は、エンジン１の運転制御マップ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を利用した強制点火燃焼（ここでは火花点火燃焼）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２つの領域に分けられている。具体的に、ＣＩモード内における低中負荷に相当する領域（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、詳しくは後述するが、排気側の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、領域（１）において、圧縮着火の着火性及び燃焼安定性を高める上で有利になる。領域（１）ではまた、図７（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、均質な混合気を形成する。均質混合気は、図７（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。

ＣＩモードとＳＩモードとの切り替え境界線（つまり、燃焼切替負荷）を含む、ＣＩモード内において高負荷の領域（２）では、気筒１８内の温度環境が高くなる。そのため、過早着火を抑制するためにホットＥＧＲガス量を低下させる一方で、ＥＧＲクーラ５２を通過することによって冷却されたクールドＥＧＲガスを気筒１８内に導入する。

このエンジン１はまた、切替負荷を可能な限り高く設定することにより、ＣＩモードの領域を可能な限り高負荷側に拡大しており、負荷の高い領域（２）において、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虞がある。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、領域（２）は、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。そこで、この領域（２）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７（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。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（２）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の詳細については、後述する。

このようなＣＩモードに対し、ＳＩモードは、図６においては明示していないが、排気側のＶＶＬ７１をオフにして、ホットＥＧＲガスの導入を中止する一方で、クールドＥＧＲガスの導入は継続する。ＳＩモードではまた、詳細は後述するが、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、大量のクールドＥＧＲガスを気筒１８内に導入することによる異常燃焼の回避、火花点火燃焼の燃焼温度を低く抑えることによるＲａｗ ＮＯｘの生成抑制及び冷却損失の低減が図られる。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、３０ＭＰａ以上の高い燃料圧力でもって、図７（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を行い、その後、圧縮上死点付近において点火を行う。尚、ＳＩモードにおいては、リタード期間内での高圧リタード噴射に加えて、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内に噴射するようにしてもよい（つまり、分割噴射を行うとしてもよい）。

ここで、ＳＩモードにおける高圧リタード噴射について簡単に説明すると、例えば本願出願人が先に出願をした前記特許文献１（特開２０１２−１７２６６５号公報）に、詳細に記載しているように、高圧リタード噴射は、燃料の噴射開始から燃焼の終了までの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、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、高い圧力で、気筒１８内に燃料を噴射することにより、噴射期間及び混合気形成期間をそれぞれ短縮する。噴射期間及び混合気形成期間の短縮は、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から、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。このことと、燃料噴射のタイミングを比較的遅いタイミングに設定することとにより、高い乱れエネルギを維持したまま、火花点火を行って燃焼を開始することが可能になる。これは、燃焼期間を短くする。

こうして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、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。反応可能時間が短くなる結果として、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。

ここで、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（２）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、そもそも気筒１８内に燃料が噴射されていない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／ｄθ）が急峻になってしまうことが回避される。これは、ＮＶＨの制約を解消するから、ＣＩモードの領域を高負荷側に拡大させる。

図８は、エンジン１の負荷の高低に対するＥＧＲ率の変化（つまり、気筒１８内のガス組成の変化）を示している。以下、ＥＧＲ率の変化について、低負荷側から高負荷側に向かって順に説明する。

（最低負荷から特定負荷Ｔ_１まで）
燃焼切替負荷Ｔ_４よりも低い負荷においては、エンジン１はＣＩモードで運転する。ＣＩモードにおいては、排気側のＶＶＬ７１をオンにして、内部ＥＧＲガス（つまりホットＥＧＲガス）を気筒１８内に導入する。エンジン１の負荷が低いときには、気筒１８内の温度環境が低くなるのに対し、エンジン１の負荷が高いときには、気筒１８内の温度環境が高くなることから、エンジン１の負荷が低いときには、大量の内部ＥＧＲガスを気筒１８内に導入して圧縮着火燃焼の安定性を高める一方で、エンジン１の負荷が高いときには、少量の内部ＥＧＲガスのみを気筒１８内に導入して気筒内の温度状態高くなりすぎないことが望ましい。そのため、このエンジン１においては、基本的には、エンジン１の負荷が低いときにはＥＧＲ率を高く、エンジン１の負荷が高いときにはＥＧＲ率を低く設定している。

しかしながら、特定負荷Ｔ_１よりもエンジン１の負荷が低いときには、エンジン１の負荷の高低に拘わらず、ＥＧＲ率を最高ＥＧＲ率ｒ_ｍａｘで一定にする。ＥＧＲ率を、最高ＥＧＲ率ｒ_ｍａｘを超えないように設定することは、ＥＧＲ率を高くしすぎて気筒１８内に大量の排気ガスを導入してしまうと、気筒１８内のガスの比熱比が低くなることで、圧縮開始前のガス温度が高くても、圧縮端温度が逆に低くなってしまうためである。

つまり、排気ガスは、三原子分子であるＣＯ_２やＨ_２Ｏを多く含んでおり、窒素（Ｎ_２）や酸素（Ｏ_２）を含む空気と比較して、比熱比が高い。そのため、ＥＧＲ率を高くして気筒１８内に導入する排気ガスが増えたときには、気筒１８内のガスの比熱比は低下する。

排気ガスの温度は、新気と比較して高いため、ＥＧＲ率が高くなるほど、圧縮開始前のガスの温度は高くなる。しかしながら、ＥＧＲ率が高くなるほど、ガスの比熱比が低下することから、圧縮をしてもガスの温度がそれほど高まらず、結果として、圧縮端温度は、所定のＥＧＲ率ｒ_ｍａｘで最高となり、ＥＧＲ率をそれより高めても、圧縮端温度は低くなる。

そこで、このエンジン１においては、圧縮端温度が最も高くなるＥＧＲ率を最高ＥＧＲ率ｒ_ｍａｘに設定している。そして、エンジン１の負荷が特定負荷Ｔ_１よりも低いときには、ＥＧＲ率を最高ＥＧＲ率ｒ_ｍａｘに設定し、そのことにより、圧縮端温度が低下してしまうことを回避している。この最高ＥＧＲ率ｒ_ｍａｘは、５０〜９０％に設定してもよい。最高ＥＧＲ率ｒ_ｍａｘは、高い圧縮端温度を確保することができる限度において、できるだけ高く設定すればよく、好ましくは、７０〜９０％である。このエンジン１は、高い圧縮端温度が得られるように、幾何学的圧縮比を１５以上の高い圧縮比に設定している。また、できるだけ温度の高い排気ガスを気筒１８内に導入するために、排気二度開きを採用している。つまり、排気二度開きは、気筒１８内に導入する排気ガスを排気ポートに一旦排出するため、ネガティブオーバーラップ期間を設ける構成とは異なり、排気行程中に排気ガスを圧縮して冷却損失を増大させることなく、しかも、相対的に温度の低い吸気ポートに排気ガスを排出する吸気二度開きとは異なり、排気ガスの温度低下を抑制することができるから、圧縮開始前のガス温度を最も高くすることが可能である。できる限り高い圧縮端温度を確保するように構成しているエンジン１においては、最高ＥＧＲ率ｒ_ｍａｘは、例えば８０％程度に設定してもよい。最高ＥＧＲ率ｒ_ｍａｘを、できるだけ高く設定することは、エンジン１の未燃損失の低減に有利になる。つまり、エンジン１の負荷が低いときには未燃損失が高くなり易いため、エンジン１の負荷が特定負荷Ｔ_１よりも低いときにＥＧＲ率をできるだけ高く設定することは、未燃損失の低減による燃費の向上に極めて有効である。

こうしてこのエンジン１においては、エンジン１の負荷が特定負荷Ｔ_１よりも低いときにも、高い圧縮端温度を確保することにより、圧縮着火燃焼の着火性及び燃焼安定性を確保するようにしている。

（特定負荷Ｔ_１から燃焼切替負荷Ｔ_４まで）
特定負荷Ｔ_１はよりも負荷が高くなれば、エンジン１の負荷が高くなるに従い、ＥＧＲ率を次第に低く設定する。内部ＥＧＲによるＥＧＲ率（つまり、内部ＥＧＲ率）は、図９に示すように、ＶＶＴ７５により、排気弁２２の位相を連続的に変更することによって調整される。つまり、前述の通り、ＣＩモードにおいてはＶＶＬ７１がオンであり、排気弁２２は二度開きモードで動作をする。一方、吸気弁２１は、図９における左上に例示するように、小リフトカムで動作している。ＥＧＲ率は、吸気行程中の、吸気弁２１のリフトカーブに対する排気弁２２のリフトカーブの重なり割合によって調整される。図９の左上に例示するように、吸気弁２１のリフトカーブに対する排気弁２２のリフトカーブの重なり割合が大きいときには、ＥＧＲ率は高くなる。この状態から、排気弁２２の位相を進角させると、図９の右上に例示するように、吸気弁２１のリフトカーブに対する排気弁２２のリフトカーブの重なり割合が小さくなる。このときは、ＥＧＲ率は小さくなる。こうして、排気弁２２の位相を、ＶＶＴ７５によって連続的に進角させることによって、ＥＧＲ率は連続的に低下させることが可能になる。

このように、排気のＶＶＬ７１をオンにしかつ、吸気弁２１を小リフトカムで動作させながら、排気のＶＶＴ７５によって、エンジン１の負荷に応じて、排気弁２２の位相を進角させることにより、ＥＧＲ率を、エンジン１の負荷に対応するＥＧＲ率に設定する。こうして、エンジン１が所定のカム切替負荷Ｔ_２において、ＥＧＲ率を、所定のＥＧＲ率ｒ_２に設定する。

排気弁２２の進角量は所定量に制限されることから、その所定量を超えて排気弁２２を進角させることはできない。一方で、排気弁２２を進角させることだけでは、後述する燃焼切替負荷Ｔ_４において要求される低い内部ＥＧＲ率を達成することができない。

そこで、このエンジン１においては、図９の右中に示すように、カム切替負荷Ｔ_２において、吸気のＶＶＬ７４によって小リフトカムから大リフトカムへと切り替える。小リフトカムと大リフトカムとは、その閉弁時期を同じにして切り替わるように構成されているため、小リフトカムから大リフトカムへと切り替わって吸気弁２１の開弁期間が長くなることにより、吸気弁２１のリフトカーブに対する排気弁２２のリフトカーブの重なり割合が変化する。こうして、小リフトカムから大リフトカムへの切替に伴いＥＧＲ率は、ｒ_２からｒ_３へと急減することになる。

ここで、図８に一点鎖線で示すように、エンジン１の負荷に対するＥＧＲ率は、負荷が高くなるに従い連続的に低下すべきところ、カム切替負荷Ｔ_２において、ＥＧＲ率がｒ_２からｒ_３に急減したときには、本来必要となる高いＥＧＲ率を実現することができないため、気筒１８内に導入する内部ＥＧＲガスは、不足することになる。内部ＥＧＲガスの不足は、気筒１８内の温度状態を低下させ、特に圧縮端温度を低下させる。このことは、圧縮着火の着火性を低下させ、燃焼安定性を低下させることにもなる。

そこで、このエンジン１では、カム切替負荷Ｔ_２に対して高負荷側に隣接する領域において、オゾン発生器７６を作動させ、気筒１８内に導入する吸気にオゾンを添加する。気筒１８内にオゾンを導入することは、混合気の着火性を高め、圧縮着火燃焼の安定性を高める。オゾン濃度は、図８の下図に示すように、エンジン１の負荷に応じて、負荷が低下するに従い連続的に高まるように設定してもよい。こうすることで、内部ＥＧＲガスの不足分に対応する量のオゾンを、気筒１８内に導入することが可能になる。こうして、オゾンの発生に必要な電力消費を最低限にして、燃費の向上に有利になる。尚、最大のオゾン濃度は、例えば５０〜３０ｐｐｍ程度としてもよい。また、オゾン濃度は、エンジン１の負荷に応じて、負荷が低下するに従い段階的に高まるように設定してもよい。また、オゾン濃度は、エンジン１の負荷に拘わらず一定濃度に設定してもよい。

エンジン１の負荷がさらに高くなって、要求されるＥＧＲ率がさらに低下すれば、カム切り替え後に達成可能な最高ＥＧＲ率ｒ_３となる。図８の例では、所定負荷Ｔ_３に相当する。この所定負荷Ｔ_３よりも高い負荷領域では、内部ＥＧＲガスを過不足なく、気筒１８内に導入することが可能になる。このため、気筒１８内にオゾンを導入する必要がなくなることから、オゾン発生器７６は、その作動を停止する。

図８の例では、所定負荷Ｔ_３から燃焼切替負荷Ｔ_４までの間において、言い換えるとＣＩモードにおける最も負荷の高い領域において、内部ＥＧＲガスをさらに減らす一方で、クールドＥＧＲガスを気筒１８内に導入する。こうして、気筒１８内の温度状態が高くなりすぎることを抑制する。内部ＥＧＲガスの低減は、図９の右下に示すように、排気弁２２の位相をさらに進角させることによって行われる。

またこの領域においては、前述した３０ＭＰａ以上の高い燃料圧力でかつ、圧縮上死点付近において燃料を噴射する高圧リタード噴射を行って圧縮着火燃焼を行うことになる。このことは、圧縮着火燃焼を行う領域としては、エンジン１の負荷が比較的高い領域において、圧縮着火燃焼を緩慢にしてｄＰ／ｄθの制約を解消しつつ、圧縮着火燃焼を安定して行うことを可能にする。

（燃焼切替負荷Ｔ_４から最大負荷Ｔ_ｍａｘまで）
燃焼切替負荷Ｔ_４は、前述の通り、圧縮着火燃焼から火花点火燃焼への切り替えを行う負荷に対応する。この燃焼切替負荷Ｔ_４を挟んだ低負荷側と高負荷側とにおいて、混合気の空燃比は、理論空燃比（λ≒１）に設定されている。このため、燃焼形態の切り替えが行われるＣＩモードとＳＩモードとの間の移行に際しては、火花点火の実行、非実行を切り替えること以外に大きな変化はなく、ＣＩモードからＳＩモードへの切り替え、又は、その逆の切り替えをそれぞれスムースにし、トルクショック等の発生を抑制することが可能になる。

燃焼切替負荷Ｔ_４においてはまた、排気のＶＶＬ７１がオフになり、これによって、内部ＥＧＲの、気筒１８内への導入が中止され、クールドＥＧＲガスのみが気筒１８内に導入される。すなわち、スロットル弁３６の開度は全開に維持されると共に、ＥＧＲ弁５１１は、全開負荷では閉弁している一方で、エンジン負荷の低下に従い次第に開く。こうして、ＳＩモードにおいては、混合気の空燃比を理論空燃比（λ≒１）に設定する条件下でＥＧＲ率を最大に設定している。これは、ポンプ損失の低減に有利である。また、混合気の空燃比を理論空燃比に設定することは、三元触媒の利用を可能にする。エンジン負荷が高くなるに従い燃料噴射量が増えるため、ＥＧＲ率は連続的に低くなる。このことは、エンジン負荷が連続的に変化するようなときには、気筒１８内のガス組成を連続的に変化させることになるから、制御性の向上に有利である。

次に、図１０に示すフローを参照しながら、前述したＣＩモードにおけるカムの切り替えとオゾンの導入に係る制御について説明する。このフローは、ＰＣＭ１０が実行する制御フローであり、ＣＩモードの低負荷側で運転している状態からスタートし、エンジン負荷が次第に高くなる場合に対応している。

先ず、スタート後のステップＳ１では、エンジン回転数及び要求負荷等の読み込みを行い、続くステップＳ２で、要求負荷がカム切替負荷Ｔ_２を超えるか否かを判定する。要求負荷がカム切替負荷Ｔ_２以下のときには、ステップＳ１に戻る。この場合は、前述の通り、エンジン１の負荷に応じて排気弁２２の位相を変更し、所定のＥＧＲ率を実現しながら、圧縮着火燃焼を行う。一方、ステップＳ２で、要求負荷がカム切替負荷Ｔ_２を超えたときには，ステップＳ３に移行する。

ステップＳ３では、吸気のＶＶＬ７４により、小リフトカムから大リフトカムへと切り替える。そして、ステップＳ４において、カムシフトの変更が完了したか否かを判定し、カムシフトの変更が完了するまでステップＳ３を継続する。そうしてステップＳ４において、カムシフトの変更が完了すれば、ステップＳ５に移行する。こうして、吸気弁２１が大リフトカムに切り替わると、ＥＧＲ率が急減することになる。そのため、ステップＳ５では、オゾン発生器７６を作動させて、オゾンの供給を開始する。オゾンの供給量（つまり、オゾン濃度）は、エンジン１の負荷に応じて調整される。

ステップＳ６では、要求負荷が燃焼切替負荷Ｔ_４を超えるか否かを判定する。燃焼切替負荷Ｔ_４を超えないときには、ステップＳ７に移行する一方、燃焼切替負荷Ｔ_４を超えるときには，ステップＳ９に移行する。

ステップＳ９では、圧縮着火燃焼から火花点火燃焼へと燃焼形態を切り替え、続くステップＳ１０において、火花点火燃焼へと燃焼形態が切り替わったため、オゾンの供給を停止する。

これに対し、ステップＳ７では、要求負荷が所定負荷Ｔ_３を超えたか否かを判定する。所定負荷Ｔ_３は、前述の通り、オゾンの供給停止に係る負荷であり、要求負荷が所定負荷Ｔ_３を超えていないときには、ステップＳ５に戻って、オゾンの供給を継続する。一方、要求負荷が所定負荷Ｔ_３を超えたときには、ステップＳ８に移行して、それ以上のオゾンの供給を行う必要がないため、オゾンの供給を停止する。

図１１は、図１０のフローに従って行われるカムの切り替えと、オゾンの供給とに係る制御を説明するタイムチャートである。具体的に、図１１は、燃料噴射及び火花点火の変更、筒内圧力の変化、吸排気弁の開弁状態の変更、スロットル弁の開度変更、並びに、気筒内のガス状態の変化の一例を示している。図１１においては、紙面左から右の方向にエンジン１の負荷が増大しており、これは、紙面左から右の方向にクランク角が進行している（つまり、時間が進行している）ことと等価である。

先ず、図１１における最も左側のサイクルは、カム切替負荷Ｔ_２以下の状態である。エンジン１は、ここでは、ＣＩモードで運転している。従って、インジェクタ６７は吸気行程乃至圧縮行程初期に燃料を噴射すると共に、均質混合気は圧縮上死点付近で圧縮着火燃焼をしている。ＣＩモードの低負荷側であるため、排気のＶＶＬ７１はオンであると共に、吸気弁２１は小リフトカムで動作する。これにより、比較的大量の内部ＥＧＲガスを、気筒１８内に導入している。

図１１における左から２番目のサイクルは、カム切替負荷Ｔ_２から所定負荷Ｔ_３以下の状態である。このため、吸気のＶＶＬ７４は、小リフトカムから大リフトカムへと切り替わる。これにより、内部ＥＧＲガスの導入量は急減することになる。また、オゾン発生器７６が作動し、気筒１８内には、新気と共に、オゾンが導入される。これによって、内部ＥＧＲガスは不足しているものの、圧縮着火の着火性及び燃焼安定性は確保される。

図１１における左から３番目のサイクルは、所定負荷Ｔ_３から燃焼切替負荷Ｔ_４以下の状態である。所定負荷Ｔ_３を超えていることにより、オゾンの供給は停止している。一方、外部ＥＧＲガス（つまり、クールドＥＧＲガス）が気筒１８内に導入されている。そして、ＣＩモードであるものの、混合気の空燃比は理論空燃比（λ≒１）に設定される。また、ＣＩモードにおける負荷の高い領域であるため、インジェクタ６７は、圧縮行程後期以降のリタード噴射で燃料を噴射している。

図１１における最も右のサイクルは、燃焼切替負荷Ｔ_４を超えかつ、ＳＩモードにおける比較的低負荷側に相当する。ここでは、高圧リタード噴射が行われると共に、圧縮上死点付近において点火プラグ２５による点火が行われる。ＳＩモードであるため、排気のＶＶＬ７１がオフになり、排気弁２２は、排気行程中にのみ開弁する。また、吸気弁２１は、大リフトカムで動作する。つまり、ＣＩモードからＳＩモードへの移行、及び、ＳＩモードからＣＩモードへの移行に際しては、吸気のＶＶＬ７４は大リフトカムのままで、変更しない。これは、燃焼形態の切り替えに係る制御性を高める。また、ＳＩモードにおける低負荷側では、ＶＶＴ７２により、吸気弁２１の位相は遅角されている。こうして、吸気弁２１の閉弁時期を、吸気下死点以降の遅閉じに設定することにより、気筒１８内に導入される新気量が調整される。これにより、ＳＩモードにおける低負荷側において、点火時期をリタードすることによりトルク調整が不要になり、燃費の向上に有利になる。尚、図示しないが、ＳＩモードにおいてエンジン１の負荷が高まるに従い、吸気弁２１の閉弁時期は進角する。

（内部ＥＧＲの調整に関する別構成）
前述の通り、ＣＩモードのカム切替負荷Ｔ_２においては、吸気のＶＶＬ７４が、小リフトカムから大リフトカムへの切り替えを行うようにしており、この吸気側のカムの切り替えによって、内部ＥＧＲが急減している。

これに対し、図１２に示すように、ＣＩモードのカム切替負荷Ｔ_２において、排気のＶＶＬ７１がオンからオフに切り替える、つまり、カム山を２つ有する第２カムから、カム山を一つ有する第１カムへと切り替えるようにしてもよい。尚、吸気弁２１は、小リフトカムのままである。このような切り替えによって、図１２の右中に示すように、排気上死点を挟んで排気弁２２と吸気弁２１とを共に閉弁するネガティブオーバーラップ期間を設けることが可能になり、その結果、排気ガスの一部を気筒１８内に閉じ込めることが可能になる。こうして、排気二度開きから、ネガティブオーバーラップへと切り替えることによって、ＥＧＲ率がｒ_２からｒ_３に急減することになる。この構成においては、所定負荷Ｔ_３を超える領域において、内部ＥＧＲをさらに低減させる場合は、図１２の右下に示すように、排気弁２２の位相を遅角することになる。こうすることで、ネガティブオーバーラップ期間が短くなり、気筒１８内に導入される内部ＥＧＲガス量が低減することになる。尚、前述したように、ネガティブオーバーラップ期間を設けて内部ＥＧＲガスを気筒１８内に導入する場合、排気二度開きと比較して冷却損失が増大し、圧縮端温度の低下を招くところ、この構成においてネガティブオーバーラップ期間を設ける領域は、ＣＩモードにおける負荷の高い領域であって、大幅に高い圧縮端温度は必要がなく、ＥＧＲ率も相対的に低いことから、ネガティブオーバーラップを採用しても、それによる不都合はほとんどない。

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６に示す運転制御マップは例示であり、これ以外にも様々なマップ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）
１８ 気筒
２１ 吸気弁
２２ 排気弁
２５ 点火プラグ
５０ ＥＧＲ通路（排気還流システム）
５１ 主通路（排気還流システム）
５１１ ＥＧＲ弁（排気還流システム）
５２ ＥＧＲクーラ（排気還流システム）
６７ インジェクタ（燃料噴射弁）
７６ オゾン導入器

Claims (6)

1. 気筒を有するエンジン本体と、
   前記気筒内の混合気に強制点火を行うよう構成された点火装置と、
   前記エンジン本体の吸気弁及び排気弁の開閉制御によって、前記気筒内の全ガス量に対する前記排気ガスの量の割合であるＥＧＲ率が所定のＥＧＲ率となるように、前記気筒内に前記排気ガスを還流させるよう構成された内部ＥＧＲシステムと、
   前記気筒内にオゾンを導入するよう構成されたオゾン導入器と、
   前記エンジン本体の運転状態が所定の燃焼切替負荷以下の圧縮着火領域にあるときには、前記気筒内の混合気を圧縮着火燃焼させると共に、前記エンジン本体の運転状態が前記燃焼切替負荷よりも高負荷の強制点火領域にあるときには、前記点火装置を作動させて、前記気筒内の混合気を強制点火燃焼させることにより、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、
   前記内部ＥＧＲシステムは、前記ＥＧＲ率を高から低へと連続的に変更する途中において、前記吸気弁又は前記排気弁のカムを切り替えることに伴い、前記ＥＧＲ率が急減する段差特性を有しており、
   前記制御器は、前記エンジン本体の運転状態が前記圧縮着火領域にあるときには、前記内部ＥＧＲシステムによって、前記エンジン本体の負荷が高いほど前記ＥＧＲ率が低くなるように前記排気ガスを還流させると共に、前記圧縮着火領域内における所定のカム切替負荷において前記ＥＧＲシステムのカムを切り替えることによって、前記ＥＧＲ率を急減させ、
   前記制御器はまた、前記カム切替負荷に対し高負荷側に隣接する領域において、前記オゾン導入器により、前記気筒内にオゾンを導入する圧縮着火式エンジンの制御装置。
2. 請求項１に記載の圧縮着火式エンジンの制御装置において、
   前記オゾン導入器は、前記カム切替負荷から、当該カム切替負荷よりも負荷の高い所定負荷までの間において前記気筒内にオゾンを導入する圧縮着火式エンジンの制御装置。
3. 請求項１又は２に記載の圧縮着火式エンジンの制御装置において、
   前記内部ＥＧＲシステムは、
   前記排気弁を排気行程中に開弁する通常モードと、当該排気弁を排気行程中と吸気行程中とに開弁することによって排気ガスの一部を前記気筒内に導入する二度開きモードとを、カムの切り替えによって切り替えるよう構成された排気動弁機構と、
   前記吸気弁を所定リフト量で開弁する大リフトモードと、当該大リフトよりも小さいリフト量で前記吸気弁を開弁する小リフトモードとを、カムの切り替えによって切り替えるよう構成された吸気動弁機構と、を含み、
   前記制御器は、前記エンジン本体の運転状態が前記圧縮着火領域にあるときには、前記排気動弁機構を二度開きモードにし、
   前記制御器はまた、前記エンジン本体の運転状態が前記圧縮着火領域内における前記カム切替負荷以下の領域にあるときには、前記吸気動弁機構を小リフトモードにすると共に、前記カム切替負荷よりも高い領域にあるときには、前記吸気動弁機構を大リフトモードにする圧縮着火式エンジンの制御装置。
4. 請求項３に記載の圧縮着火式エンジンの制御装置において、
   前記吸気動弁機構はさらに、前記吸気弁の位相を変更可能に構成されており、
   前記制御器は、前記エンジン本体の運転状態が前記強制点火領域にあるときには、前記吸気動弁機構を大リフトモードにしかつ、前記吸気弁の閉弁時期を調整することによって、前記気筒内に導入する新気量を調整する圧縮着火式エンジンの制御装置。
5. 請求項３又は４に記載の圧縮着火式エンジンの制御装置において、
   前記制御器は、前記燃焼切替負荷において、前記排気動弁機構の、前記二度開きモードと前記通常モードとの切り替えを行う圧縮式エンジンの制御装置。
6. 請求項１又は２に記載の圧縮着火式エンジンの制御装置において、
   前記内部ＥＧＲシステムは、前記排気弁を排気行程中に開弁する通常モードと、当該排気弁を排気行程中と吸気行程中とに開弁することによって排気ガスの一部を前記気筒内に導入する二度開きモードとを、カムの切り替えによって切り替えると共に、前記排気弁の位相を変更可能に構成された排気動弁機構を含み、
   前記制御器は、前記エンジン本体の運転状態が前記圧縮着火領域内における前記カム切替負荷以下の領域にあるときには、前記排気動弁機構を二度開きモードにし、
   前記制御器はまた、前記エンジン本体の運転状態が前記圧縮着火領域内における前記カム切替負荷よりも高い領域にあるときには、前記排気動弁機構を通常モードにすると共に、排気上死点を挟んで前記排気弁及び前記吸気弁が共に閉弁したネガティブオーバーラップ期間を設ける圧縮着火式エンジンの制御装置。

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