JP6558406B2 - エンジンの制御装置 - Google Patents

Description

開示する技術は、エンジンの制御装置に関し、特に、火炎伝播により混合気がＳＩ燃焼を開始した後、自己着火により未燃混合気がＣＩ燃焼するエンジンの制御装置に関する。

本開示に関し、特許文献１には、高負荷領域において、燃焼室内の混合気を圧縮着火により燃焼させるエンジンが記載されている。このエンジンは、高負荷領域における高回転領域においては、ＣＩ燃焼用の混合気を形成する前段噴射と後段噴射との間に、着火アシストのための少量の燃料噴射を行う。着火アシスト用に噴射した燃料は、点火プラグの付近にリッチな混合気を形成する。点火プラグがリッチ混合気に点火を行って火炎が形成されることによって、前段噴射によって形成された混合気が圧縮着火すると共に、その圧縮着火と同時に行われる後段噴射によって形成された混合気も、その後、圧縮着火をする。

特許第５４４７４３５号公報

ＳＩ燃焼及びＣＩ燃焼を行う場合、点火のタイミングにおいて、リッチな混合気とリーンな混合気とが、燃焼室の中で適切に分布していることが重要である。混合気の分布が適切でないと、ＮＯｘの抑制や燃費の向上が図れない。

そこで開示する技術の目的は、燃焼室の中での混合気分布がコントロールできるようになる、エンジンの制御装置を提供することにある。

例えば、エンジンが高負荷領域において運転しているときには、燃料の噴射量が増えて燃焼室内の温度も高くなる。従って、燃焼が開始されるタイミングにおいて、燃料濃度の濃い領域と薄い領域とが散在し、分布が不確定な混合気が形成されると、燃焼が適切に行えず、燃焼騒音が増大したり、燃焼温度が高くなり過ぎてＮＯｘが生成したりする。

また、エンジンが低負荷領域において運転しているときには、燃料の噴射量が減って燃焼室内の温度も低くなる。従って、燃焼が開始されるタイミングにおいて、燃料濃度の濃い領域と薄い領域とが散在し、分布が不確定な混合気が形成されると、燃焼が適切に行えず、着火が不安定になって安定した燃焼が難くなる。

本願発明者らは、このような燃焼にとって不利な領域においても、安定した燃焼を実現するために、燃焼室内での混合気分布が精度高くコントロールできるようになる技術を確立した。尚、ここで「混合気分布」は、燃料とガス（主には空気であり、既燃ガスを含む場合もある）の混合気の分布を意味する。

具体的に、ここに開示する技術は、シリンダの内部をその中心軸に沿って摺動するピストンで底面が区画された燃焼室を有し、当該燃焼室の内部において、火炎伝播により混合気がＳＩ燃焼を開始した後、自己着火により未燃混合気がＣＩ燃焼する、エンジンの制御装置に関する。

前記制御装置は、前記燃焼室の中央部で点火する点火部と、前記燃焼室の内部に燃料を噴射する燃料噴射部と、前記燃焼室の内部にスワール流を発生させるスワール発生部と、前記点火部、及び前記燃料噴射部を制御する制御部と、を備える。

前記制御部は、前記スワール発生部がスワール流を発生した後の所定の噴射タイミングで燃料が噴射されるように、前記燃料噴射部を制御する。更に、燃料の噴射の終了後の所定の点火タイミングで点火するように、前記点火部を制御する。

そして、少なくとも、吸気行程から圧縮行程の中期までの間のタイミングで燃料を噴射する前段噴射と、圧縮行程の中期以降のタイミングで燃料を噴射する後段噴射とを含む複数回の噴射が行われる。ここでの「エンジン」は、燃焼室が吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程を繰り返すことにより運転する、４ストロークエンジンとすればよい。

すなわち、このエンジンでは、後述するＳＰＣＣＩ燃焼が行われる。ＳＰＣＣＩ燃焼は、点火によって燃焼するＳＩ燃焼と、そのＳＩ燃焼の燃焼熱及び燃焼圧を利用して自着火によって燃焼するＣＩ燃焼とで構成されている。そのようなＳＰＣＣＩ燃焼において、低ＮＯｘかつ低燃費な燃焼を実現するためには、点火のタイミングで、ＳＩ燃焼に適したリッチな混合気と、ＣＩ燃焼に適した均質なリーンな混合気とが適切な状態で併存する混合気分布が、燃焼室の中に形成されていることが望まれる。

それに対し、このエンジンでは、燃焼室の内部に強いスワール流を発生させた状態で、燃料の噴射から点火に至る一連の燃焼制御が行われ、スワール流を利用して混合気分布を制御しながら、ＳＰＣＣＩ燃焼が制御されるようになっている。

そして、その際、吸気行程から圧縮行程の中期までの間のタイミングでの燃料噴射（前段噴射）と、圧縮行程の中期以降のタイミングでの燃料噴射（後段噴射）を含む複数回の噴射が行われる。前段噴射は、後段噴射に比べて、点火タイミングまでの期間が長く、後段噴射は、前段噴射に比べて、点火タイミングまでの期間が短い。前段噴射及び後段噴射で噴射された各燃料によって形成される混合気分布は、点火タイミングまでの期間、スワール流によって燃焼室の内部を拡散しながら移動し、次第に燃焼室の中央部へと偏向していく。

点火タイミングまでの期間が長い前段噴射の燃料の混合気分布は、より大きく拡散し、燃料濃度の薄いリーンで均質な混合気分布を形成する。点火タイミングまでの期間が短い後段噴射の燃料の混合気分布は、あまり拡散せずに、燃料濃度の濃いリッチな部分を含む、成層化した混合気分布を形成する。これら混合気分布が合わさることで、燃料濃度が薄い周辺部と、燃料濃度が濃い中央部とを有し、燃料濃度に差がある、ＳＰＣＣＩ燃焼に適した混合気分布を形成することができる。その結果、安定したＳＰＣＣＩ燃焼が行えるので、低ＮＯｘかつ低燃費な燃焼が実現できる。

前記エンジンが所定負荷未満の低負荷側の運転領域で運転するときに、前記ＳＩ燃焼及び前記ＣＩ燃焼、つまりＳＰＣＣＩ燃焼が行われ、前記低負荷側の運転領域では、前記後段噴射の行われるタイミングが、高負荷側よりも低負荷側で遅くなるよう、前記制御部が前記燃料噴射部を制御する、としてもよい。

ここで、「所定負荷未満の低負荷側の運転領域」とは、所定負荷未満であることから、エンジンの運転領域のうち、アイドル運転を含む、最も低負荷側に位置する運転領域である（実施形態の「低負荷領域（１）−１」に相当）。そのような、低負荷側の運転領域は、燃料の量が少ないため、着火が不安定なうえに、燃焼室の中の温度が上がらないため、ＣＩ燃焼も困難で、ＳＰＣＣＩ燃焼を安定して行うのは難しい。

それに対し、この制御装置では、前述したように、スワール流の利用により、点火タイミングでの混合気分布を適切にコントロールできるので、そのような低負荷側の運転領域でも安定してＳＰＣＣＩ燃焼が行える。

更に、そのような低負荷側の運転領域において、後段噴射の行われるタイミングが、高負荷側よりも低負荷側で遅くなるように制御される。前述したように、後段噴射の燃料の噴霧は、拡がりが小さいリッチな混合気分布を形成するが、そのような後段噴射の噴射タイミングを更に遅くすることで、点火タイミングまでの期間がより短くなり、より拡がりの小さい、よりリッチな混合気分布が形成される。

それにより、高負荷側に比べて燃料の量が少ない低負荷側であっても、高負荷側と同様に、安定したＳＰＣＣＩ燃焼を維持できる。なお、ここでの低負荷側は、実施形態の低（低）負荷領域に相当し、高負荷側は、実施形態の低（中）負荷領域に相当する。

前記エンジンが所定負荷未満の低負荷側の運転領域で運転するときに、前記ＳＩ燃焼及び前記ＣＩ燃焼、つまりＳＰＣＣＩ燃焼が行われ、前記低負荷側の運転領域では、前記後段噴射の噴射回数が、高負荷側よりも低負荷側で増加するよう、前記制御部が前記燃料噴射部を制御する、としてもよい。

後段噴射の噴射回数が増加すると、拡がりが小さいリッチな混合気分布が、複数形成される。これら混合気分布が合わさることで、１回の噴射による混合気分布と比べて、周辺部と中央部とで、燃料濃度に、より大きな差がある混合気分布を形成することができる。それにより、高負荷側に比べて燃料の量が少ない低負荷側であっても、高負荷側と同様に、安定したＳＰＣＣＩ燃焼を維持できる。

前記スワール発生部は、前記中心軸に対して傾斜した方向に流れる斜めのスワール流を形成し、前記燃料噴射部は、前記燃焼室の中央部に配置されると共に、噴射方向が周方向で異なる少なくとも第１噴射孔、第２噴射孔、第３噴射孔、及び第４噴射孔を含む複数の噴射孔から、前記スワール発生部によって発生された前記スワール流に噴霧が到達する第１燃料、第２燃料、第３燃料、及び第４燃料を含む複数の燃料を同時に噴射し、前記第１燃料の噴霧が前記スワール流に到達した位置を第１位置、前記第２燃料の噴霧が前記スワール流に到達した位置を第２位置としたとき、前記第１燃料の噴霧は、前記第１位置に到達した後、前記第２燃料の噴霧が前記第２位置に到達するまでの間に移動し、前記スワール流によって第２位置から遠ざかるように構成されると共に、前記第３燃料の噴霧が前記スワール流に到達した後、前記第４燃料の噴霧が、前記スワール流によって前記第３燃料の噴霧が移動した位置に到達するよう構成されている、としてもよい。

この場合、スワール流が形成されている燃焼室の内部に、スワール流に噴霧が到達する複数の燃料（第１燃料、第２燃料、第３燃料、及び第４燃料を含む）が噴射される。スワール流は、燃焼室の容積が大小に変化する、シリンダの中心軸が延びる方向に直交して形成される旋回流（横渦）である。スワール流は、燃焼室の容積やエンジンの運転状態が変化しても、その流速は比較的安定している。

斜めのスワール流は、タンブル成分を含むスワール流である。斜めのスワール流のうち、スワール成分の流動には、タンブル成分は大きく影響しない。すなわち、シリンダの径方向における混合気分布の制御は可能である。スワール流を斜めとするとで、燃焼室の内部でのその流動距離を大きくできる。従って、スワール流を利用して燃料をより移動させることができるので、より高精度な混合気分布のコントロールが可能になる。

燃焼室の中央部から、複数の燃料が同時に放射状に噴射される。スワール流が傾斜しているので、各燃料がスワール流に到達する距離及び時間は、噴孔ごとに異なる。従って、その距離及び時間の差を利用して、１つの燃料噴射部による同時の噴射で、前述したように各燃料の噴霧がスワール流に到達するタイミングを調整することができる。

そのようなスワール流に第１燃料の噴霧が第１位置に到達した後、第２燃料の噴霧が、スワール流における第２位置に到達する。第１燃料の噴霧は、第２燃料の噴霧が第２位置に到達するまでの間に、スワール流によって第２位置から遠ざかるように構成されている。すなわち、第２燃料の噴霧が第２位置に到達した時には、先にスワール流に到達した第１燃料の噴霧は、その間の時間差によって第２位置から遠ざかり、スワール流によって更に先に移動している。スワール流は常に流動しているので、それに乗って移動する第１燃料の噴霧及び第２燃料の噴霧は、経時的な拡散によって交わることはあっても、互いに密に交わることはない。それぞれ離れた位置からスワール流に乗って拡散し、燃料濃度が均一化していく。

従って、スワール流を利用して噴射した燃料を適度に分散させることができ、均質な混合気分布を形成することができる。

更に、第３燃料の噴霧がスワール流に到達した後、第４燃料の噴霧は、スワール流によって第３燃料の噴霧が移動した位置、つまり第３燃料の噴霧が存在している位置に到達する。その結果、第３燃料の噴霧に第４燃料の噴霧が合流し、燃料濃度の濃いリッチな混合気が形成される。このリッチな混合気は、スワール流に乗ってリッチな状態は保持した状態で、拡散しながら移動する。

従って、スワール流を利用して噴射した燃料を集めて集約させることができ、燃焼濃度の濃いリッチな部分を含む、成層化した混合気分布を形成することができる。

このような燃料の混合気分布の経時的な変化をスワール流を利用して制御することで、点火タイミングにおいて、燃焼室の内部に形成される混合気分布を、高精度にコントロールすることが可能になる。その結果、ＳＰＣＣＩ燃焼に適した混合気分布が形成でき、安定したＳＰＣＣＩ燃焼が行えるので、低ＮＯｘかつ低燃費な燃焼が実現できる。

前記スワール発生部が、スワール比が４以上のスワール流を発生させる、としてもよい。

ここで、スワール比は、吸気流横方向角速度を、バルブリフト毎に測定して積分した値を、エンジン角速度で除した値である。吸気横方向角速度は、リグ試験によって測定することができる。

スワール比を４以上にすると、噴射した燃料を、スワール流に乗せて燃焼室の内部の広い範囲を移動させることができるので、より均質な混合気が形成できる。従って、燃焼室の内部の混合気分布をより精度高くコントロールすることが可能になる。

前記制御装置は、３０ＭＰａ以上１２０ＭＰａ以下の範囲の圧力で、前記第１燃料及び前記第２燃料が噴射されるよう、前記制御部が前記燃料噴射部を制御する、としてもよい。

燃料の噴射圧が３０ＭＰａを下回ると、スワール流に到達できない燃料が発生する恐れがあり、燃料の噴射圧が１２０ＭＰａを上回ると、燃料がスワール流を貫通する恐れがある。噴射圧が３０〜１２０ＭＰａの範囲であれば、噴射した燃焼をスワール流に適切に乗せることができるので、より均質な混合気が形成できる。従って、燃焼室の内部の混合気分布をより精度高くコントロールすることが可能になる。

前記噴射タイミングの各々で噴射される燃料によって形成される混合気分布の重心が、前記点火タイミングで前記燃焼室の中央部に位置するよう、前記制御部が、前記点火部、及び前記燃料噴射部を制御する、としてもよい。

この場合、噴射タイミングが複数設定されているので、燃焼室の内部には複数の燃料による混合気分布が形成される。これら混合気分布は、スワール流によって燃焼室の内部を移動しており、それらの重心が、点火タイミングで、燃焼室の中央部、つまり点火部が有る部位に位置するように制御される。従って、これら混合気分布が重なることにより、燃焼室の中央部は、燃料濃度が濃く、燃焼室の周辺部は燃料濃度が薄く均質な、成層化した混合気分布が、点火タイミングで形成される。

その結果、燃焼室の中央部では、点火による着火の安定性が向上し、安定したＳＩ燃焼が可能になる。そして、燃焼室の周辺部では、ＳＩ燃焼による燃焼熱及び燃焼圧により、適切なタイミングで自着火による燃焼が開始するので、安定したＣＩ燃焼が可能になる。従って、ＳＰＣＣＩ燃焼が安定して行える。

同時に噴射される複数の前記燃料は、前記燃焼室の壁面に到達する第５燃料を含み、前記第５燃料の噴霧が、前記壁面に到達した後、当該壁面に沿って移動して前記スワール流に到達するよう、構成されている、としてもよい。

すなわち、噴射された燃料の噴霧は、直接スワール流に到達しなくてもよく、間接的に到達してもよい。この場合、噴射された燃料を、無駄にすることなく、ＳＰＣＣＩ燃焼に用いることができるので、効率的である。従って、燃費の向上が図れる。

開示する技術によれば、燃焼室内での混合気分布が精度高くコントロールできるようになる。

図１は、エンジンの構成を例示する図である。吸気側は紙面左側であり、排気側は紙面右側である。 図２は、燃焼室の構成を例示する図であり、上図は燃焼室の平面視相当図、下部はＩＩ−ＩＩ断面図である。 図３は、燃焼室及び吸気系の構成を例示する平面図である。吸気側は紙面右側であり、排気側は紙面左側である。 図４は、エンジンの制御装置の構成を例示するブロック図である。 図５Ａは、エンジンの運転領域を例示する図である。 図５Ｂは、エンジンの運転領域別のスワール弁の開度を例示する図である。 図６は、各運転領域における燃料噴射時期及び点火時期と、燃焼波形とを例示する図である。 図７は、燃焼時のＮＯｘの発生量とＡ／Ｆとの関係を示す概念図である。 図８は、スワール流を利用した混合気分布の制御を説明するための概念図である。 図９の（ａ）、（ｂ）は、スワール流を利用した混合気分布の経時的な流動の変化を説明するための概念図である。 図１０は、スワール流の強さが着火の安定性に与える影響について解析した結果を示す図である。 図１１は、スワール比測定のためのリグ試験装置を例示する図である。 図１２は、セカンダリ通路の開口比率とスワール比との関係を例示する図である。 図１３は、エンジンの回転数が、着火の安定性に与える影響について解析した結果を示す図である。 図１４は、噴射タイミングを探索する際に行う解析の一例を示す図である。 図１５は、低負荷領域における、低（高）負荷領域、低（中）負荷領域、及び低（低）負荷領域の各々での、燃料の噴射タイミング及び噴射回数を示す図である。 図１６は、低負荷領域の各領域での混合気分布を示す概念図である。 図１７は、低（低）負荷領域における制御の変形例を説明するための図である。 図１８は、エンジンの制御プロセスを例示するフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。ただし、以下の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物あるいはその用途を制限するものではない。

＜ＳＰＣＣＩ燃焼＞
本願発明者らは、ＳＩ（Spark Ignition）燃焼とＣＩ（Compression Ignition）燃焼とを組み合わせる燃焼形態を考えた。ＳＩ燃焼は、燃焼室の中の混合気に強制的に点火を行うことにより開始する火炎伝播を伴う燃焼である。ＣＩ燃焼は、燃焼室の中の混合気が圧縮自己着火することにより開始する燃焼である。ＳＩ燃焼とＣＩ燃焼とを組み合わせた燃焼形態とは、燃焼室の中の混合気に強制的に点火を行って、火炎伝播による燃焼を開始させると、ＳＩ燃焼の発熱及び火炎伝播による圧力上昇によって、燃焼室の中の未燃混合気が圧縮着火により燃焼する形態である。この燃焼形態を、以下においてはＳＰＣＣＩ（SPark Controlled Compression Ignition）燃焼と呼ぶ。

圧縮着火による燃焼は、圧縮開始前の燃焼室の中の温度がばらつくと、圧縮着火のタイミングが大きく変化する。ＳＰＣＣＩ燃焼において、ＳＩ燃焼の発熱量を調整することによって、圧縮開始前の燃焼室の中の温度のばらつきを吸収することができる。圧縮開始前の燃焼室の中の温度に応じて、例えば点火タイミングの調整によってＳＩ燃焼の開始タイミングを調整すれば、圧縮着火のタイミングをコントロールすることができる。ＳＰＣＣＩ燃焼は、ＳＩ燃焼によってＣＩ燃焼をコントロールすることができる。

火炎伝播によるＳＩ燃焼は、圧力上昇がＣＩ燃焼よりも緩やかであるため、ＳＰＣＣＩ燃焼は、燃焼騒音の発生を抑制することが可能になる。また、ＣＩ燃焼は、ＳＩ燃焼よりも燃焼期間が短縮するため、ＳＰＣＣＩ燃焼は、燃費の向上に有利になる。

＜エンジンの具体例＞
図１に、このＳＰＣＣＩ燃焼による燃焼技術を適用したエンジンの全体構成を示す。エンジン１は、燃焼室１７が吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程を繰り返すことにより運転する４ストロークエンジンである。エンジン１は、四輪の自動車に搭載される。エンジン１が運転することによって、自動車は走行する。エンジン１の燃料は、この構成例においてはガソリンである。燃料は、バイオエタノール等を含むガソリンであってもよい。エンジン１の燃料は、少なくともガソリンを含む液体燃料であれば、どのような燃料であってもよい。

エンジン１は、シリンダブロック１２と、その上に載置されるシリンダヘッド１３とを備えている。シリンダブロック１２の内部に複数のシリンダ１１が形成されている。図１及び図２では、一つのシリンダ１１のみを示す。エンジン１は、多気筒エンジンである。

各シリンダ１１内には、ピストン３が摺動自在に内挿されている。ピストン３は、コネクティングロッド１４を介してクランクシャフト１５に連結されている。ピストン３は、シリンダ１１及びシリンダヘッド１３と共に燃焼室１７を区画する。尚、「燃焼室」は、ピストン３が圧縮上死点に至ったときの空間の意味に限定されない。「燃焼室」の語は広義で用いる場合がある。つまり、「燃焼室」は、ピストン３の位置に関わらず、ピストン３、シリンダ１１及びシリンダヘッド１３によって形成される空間を意味する場合がある。

ピストン３の上面、つまり燃焼室１７の底面は、平坦面である。ピストン３の上面には、キャビティ３１が形成されている。キャビティ３１は、ピストン３の上面から凹陥している。キャビティ３１は、後述するインジェクタ６に向かい合う。

キャビティ３１は、凸部３１１を有している。凸部３１１は、シリンダ１１の中心軸Ｘ１から排気側に少しずれた位置に設けられている。凸部３１１は、略円錐状である。凸部３１１は、キャビティ３１の底部から、シリンダ１１の中心軸Ｘ１に平行な軸Ｘ２に沿って上向きに伸びている。凸部３１１の上端は、キャビティ３１の上面とほぼ同じ高さである。

キャビティ３１の周側面は、キャビティ３１の底面からキャビティ３１の開口に向かって軸Ｘ２に対して傾いている。キャビティ３１の内径は、キャビティ３１の底部からキャビティ３１の開口に向かって次第に拡大する。

キャビティ３１はまた、凸部３１１の周囲に設けられた凹陥部３１２を有している。凹陥部３１２は、凸部３１１の全周を囲むように設けられている。凹陥部３１２は、噴射軸心Ｘ２に対して対称な形状を有している。凹陥部３１２の周側面は、キャビティ３１の底面からキャビティ３１の開口に向かって噴射軸心Ｘ２に対して傾いている。凹陥部３１２におけるキャビティ３１の内径は、キャビティ３１の底部からキャビティ３１の開口に向かって次第に拡大する。

シリンダヘッド１３の下面、つまり、燃焼室１７の天井面は、図２の下図に示すように、傾斜面１３１１と、傾斜面１３１２とによって構成されている。傾斜面１３１１は、吸気側から軸Ｘ２に向かって上り勾配となっている。傾斜面１３１２は、排気側から軸Ｘ２に向かって上り勾配となっている。燃焼室１７の天井面は、いわゆるペントルーフ形状である。

尚、燃焼室１７の形状は、図２に例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３１の形状、ピストン３の上面の形状、及び、燃焼室１７の天井面の形状等は、適宜変更することが可能である。例えば、キャビティ３１の浅底部３１２は、省略してもよい。また、キャビティ３１は、シリンダ１１の中心軸Ｘ１に対して対称な形状にしてもよい。傾斜面１３１１と、傾斜面１３１２とは、シリンダ１１の中心軸Ｘ１に対して対称な形状にしてもよい。図２に、仮想線ＳＭで示すように、キャビティ３１の吸気側を排気側よりも小さく形成してもよい。そうすれば、点火プラグ２５の周囲に混合気を移送し易くできる。

エンジン１の幾何学的圧縮比は、１３以上２０以下に設定されている。好ましくは１４以上である。後述するようにエンジン１は、一部の運転領域において、ＳＩ（Spark Ignition）燃焼とＣＩ（Compression Ignition）燃焼とを組み合わせたＳＰＣＣＩ燃焼を行う。ＳＰＣＣＩ燃焼は、ＳＩ燃焼による発熱と火炎伝播による圧力上昇を利用して、ＣＩ燃焼を行う。このエンジン１は、混合気の自着火のためにピストン３が圧縮上死点に至った時の燃焼室１７の温度（つまり、圧縮端温度）を大幅に高くする必要がない。つまり、エンジン１は、ＣＩ燃焼を行うものの、その幾何学的圧縮比は、比較的低く設定されている。幾何学的圧縮比を低くすることによって、冷却損失の低減、及び、機械損失の低減に有利になる。エンジン１の幾何学的圧縮比は、レギュラー仕様（燃料のオクタン価が９１程度）においては、１４〜１７とし、ハイオク仕様（燃料のオクタン価が９６程度）においては、１５〜１８としてもよい。

シリンダヘッド１３には、シリンダ１１毎に、吸気ポート１８が形成されている。吸気ポート１８は、図３に示すように、第１吸気ポート１８１及び第２吸気ポート１８２の、二つの吸気ポートを有している。第１吸気ポート１８１及び第２吸気ポート１８２は、クランクシャフト１５の軸方向、つまり、エンジン１のフロント−リヤ方向に並んでいる。吸気ポート１８は、燃焼室１７に連通している。吸気ポート１８は、詳細な図示は省略するが、いわゆるタンブルポートである。つまり、吸気ポート１８は、燃焼室１７の中にタンブル流が形成されるような形状を有している。

吸気ポート１８には、吸気弁２１が配設されている。吸気弁２１は、燃焼室１７と吸気ポート１８との間を開閉する。吸気弁２１は動弁機構によって、所定のタイミングで開閉する。この動弁機構は、バルブタイミング及び／又はバルブリフトを可変にする可変動弁機構とすればよい。この構成例では、図４に示すように、可変動弁機構は、吸気電動Ｓ−ＶＴ（Sequential-Valve Timing）２３を有している。吸気電動ＳＶ−Ｔ２３は、吸気カムシャフトの回転位相を所定の角度範囲内で連続的に変更するよう構成されている。それによって、吸気弁２１の開弁時期及び閉弁時期は、連続的に変化する。尚、吸気弁２１の動弁機構は、電動ＳＶ−Ｔに代えて、液圧式のＳＶ−Ｔを有していてもよい。

シリンダヘッド１３にはまた、シリンダ１１毎に、排気ポート１９が形成されている。排気ポート１９も、図３に示すように、第１排気ポート１９１及び第２排気ポート１９２の、二つの排気ポートを有している。第１排気ポート１９１及び第２排気ポート１９２は、エンジン１のフロント−リヤ方向に並んでいる。排気ポート１９は、燃焼室１７に連通している。排気ポート１９には、排気弁２２が配設されている。排気弁２２は、燃焼室１７と排気ポート１９との間を開閉する。排気弁２２は動弁機構によって、所定のタイミングで開閉する。この動弁機構は、バルブタイミング及び／又はバルブリフトを可変にする可変動弁機構とすればよい。この構成例では、図４に示すように、可変動弁機構は、排気電動ＳＶ−Ｔ２４を有している。排気電動ＳＶ−Ｔ２４は、排気カムシャフトの回転位相を所定の角度範囲内で連続的に変更するよう構成されている。それによって、排気弁２２の開弁時期及び閉弁時期は、連続的に変化する。尚、排気弁２２の動弁機構は、電動ＳＶ−Ｔに代えて、液圧式のＳＶ−Ｔを有していてもよい。

このエンジン１は、吸気電動ＳＶ−Ｔ２３及び排気電動ＳＶ−Ｔ２４によって、吸気弁２１の開弁時期と排気弁２２の閉弁時期とに係るオーバーラップ期間の長さを調整する。このことによって、燃焼室１７の中に熱い既燃ガスを閉じ込める。つまり、内部ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）ガスを燃焼室１７の中に導入する。また、オーバーラップ期間の長さを調整することによって、燃焼室１７の中の残留ガスを掃気する。

シリンダヘッド１３には、シリンダ１１毎に、インジェクタ６が取り付けられている。インジェクタ６は、燃焼室１７の中に燃料を直接噴射するよう構成されている。インジェクタ６は、吸気側の傾斜面１３１１と排気側の傾斜面１３１２とが交差するペントルーフの谷部において、燃焼室１７内に臨んで配設されている。インジェクタ６は、図２に示すように、その噴射軸心Ｘ２が、シリンダの中心軸Ｘ１に平行に配設されている。インジェクタ６の噴射軸心Ｘ２と、キャビティ３１の凸部３１１の位置とは一致している。インジェクタ６は、キャビティ３１に対向している。尚、インジェクタ６の噴射軸心Ｘ２は、シリンダ１１の中心軸Ｘ１と一致していてもよい。その場合も、インジェクタ６の噴射軸心Ｘ２と、キャビティ３１の凸部３１１の位置とは一致していることが望ましい。

インジェクタ６は、詳細な図示は省略するが、複数の噴孔を有する多噴孔型の燃料噴射弁によって構成されている。インジェクタ６は、図２に二点鎖線で示すように、燃料噴霧が、燃焼室１７の中央から放射状に広がりかつ、燃焼室１７の天井部から斜め下向きに広がるように燃料を噴射する。各噴孔のインジェクタ６の噴射軸心Ｘ２に対する噴射角θは、３０度以上６０度以内の範囲であり、好ましくは４５度である。インジェクタ６は、本構成例においては、１０個の噴孔を有しており、噴孔は、周方向に等角度に配置されている。尚、噴孔の個数は１０個に限らない。例えば、８個〜１６個の範囲で適宜設定可能である。

噴孔の軸（中心線Ｌ５，Ｌ６）は、後述する点火プラグ２５に対して、周方向に位置がずれている。つまり、点火プラグ２５は、隣り合う二つの噴孔の軸Ｌ５，Ｌ６に挟まれている。これにより、インジェクタ６から噴射された燃料の噴霧が、点火プラグ２５に直接当たって、電極を濡らしてしまうことが回避される。

インジェクタ６には、燃料供給システム６１が接続されている。燃料供給システム６１は、燃料を貯留するよう構成された燃料タンク６３と、燃料タンク６３とインジェクタ６とを互いに連結する燃料供給路６２とを備えている。燃料供給路６２には、燃料ポンプ６５とコモンレール６４とが介設している。燃料ポンプ６５は、コモンレール６４に燃料を圧送する。燃料ポンプ６５は、この構成例においては、クランクシャフト１５によって駆動されるプランジャー式のポンプである。コモンレール６４は、燃料ポンプ６５から圧送された燃料を、高い燃料圧力で蓄えるよう構成されている。インジェクタ６が開弁すると、コモンレール６４に蓄えられていた燃料が、インジェクタ６の噴孔から燃焼室１７の中に噴射される。燃料供給システム６１は、３０ＭＰａ以上の高い圧力の燃料を、インジェクタ６に供給することが可能に構成されている。燃料供給システム６１の最高燃料圧力は、例えば２００ＭＰａ程度にしてもよい。インジェクタ６に供給する燃料の圧力は、エンジン１の運転状態に応じて変更してもよい。尚、燃料供給システム６１の構成は、前記の構成に限定されない。

シリンダヘッド１３には、シリンダ１１毎に、点火プラグ２５が取り付けられている。点火プラグ２５は、燃焼室１７の中の混合気に強制的に点火をする。点火プラグ２５は、この構成例では、図２にも示すように、シリンダ１１の中心軸Ｘ１を挟んだ吸気側に配設されている。点火プラグ２５は、インジェクタ６に隣接している。点火プラグ２５は、２つの吸気ポート１８の間に位置している。点火プラグ２５は、上方から下方に向かって、燃焼室１７の中央に近づく方向に傾いて、シリンダヘッド１３に取り付けられている。点火プラグ２５の電極は、燃焼室１７の中に臨んでかつ、燃焼室１７の天井面の付近に位置している。

エンジン１の一側面には吸気通路４０が接続されている。吸気通路４０は、各シリンダ１１の吸気ポート１８に連通している。吸気通路４０は、燃焼室１７に導入するガスが流れる通路である。吸気通路４０の上流端部には、新気を濾過するエアクリーナー４１が配設されている。吸気通路４０の下流端近傍には、サージタンク４２が配設されている。サージタンク４２よりも下流の吸気通路４０は、シリンダ１１毎に分岐する独立通路を構成している。独立通路の下流端が、各シリンダ１１の吸気ポート１８に接続されている。

吸気通路４０におけるエアクリーナー４１とサージタンク４２との間には、スロットル弁４３が配設されている。スロットル弁４３は、弁の開度を調整することによって、燃焼室１７の中への新気の導入量を調整するよう構成されている。

吸気通路４０にはまた、スロットル弁４３の下流に、過給機４４が配設されている。過給機４４は、燃焼室１７に導入するガスを過給するよう構成されている。この構成例において、過給機４４は、エンジン１によって駆動される機械式の過給機である。機械式の過給機４４は、例えばルーツ式としてもよい。機械式の過給機４４の構成はどのような構成であってもよい。機械式の過給機４４は、リショルム式、ベーン式、又は遠心式であってもよい。

過給機４４とエンジン１との間には、電磁クラッチ４５が介設している。電磁クラッチ４５は、過給機４４とエンジン１との間で、エンジン１から過給機４４へ駆動力を伝達したり、駆動力の伝達を遮断したりする。後述するように、ＥＣＵ１０が電磁クラッチ４５の遮断及び接続を切り替えることによって、過給機４４はオンとオフとが切り替わる。このエンジン１は、過給機４４が、燃焼室１７に導入するガスを過給することと、過給機４４が、燃焼室１７に導入するガスを過給しないこととを切り替えることができるよう構成されている。

吸気通路４０における過給機４４の下流には、インタークーラー４６が配設されている。インタークーラー４６は、過給機４４において圧縮されたガスを冷却するよう構成されている。インタークーラー４６は、例えば水冷式に構成すればよい。

吸気通路４０には、バイパス通路４７が接続されている。バイパス通路４７は、過給機４４及びインタークーラー４６をバイパスするよう、吸気通路４０における過給機４４の上流部とインタークーラー４６の下流部とを互いに接続する。バイパス通路４７には、エアバイパス弁４８が配設されている。エアバイパス弁４８は、バイパス通路４７を流れるガスの流量を調整する。

過給機４４をオフにしたとき（つまり、電磁クラッチ４５を遮断したとき）には、エアバイパス弁４８を全開にする。これにより、吸気通路４０を流れるガスは、過給機４４をバイパスして、エンジン１の燃焼室１７に導入される。エンジン１は、非過給、つまり自然吸気の状態で運転する。

過給機４４をオンにしたとき（つまり、電磁クラッチ４５を接続したとき）には、過給機４４を通過したガスの一部は、バイパス通路４７を通って過給機４４の上流に逆流する。エアバイパス弁４８の開度を調整することによって、逆流量を調整することができるから、燃焼室１７に導入するガスの過給圧を調整することができる。この構成例においては、過給機４４とバイパス通路４７とエアバイパス弁４８とによって、過給システム４９が構成されている。

エンジン１は、燃焼室１７内にスワール流を発生させるスワール発生部を有している。スワール発生部は、図３に示すように、吸気通路４０に取り付けられたスワールコントロール弁５６である。スワールコントロール弁５６は、第１吸気ポート１８１につながるプライマリ通路４０１と、第２吸気ポート１８２につながるセカンダリ通路４０２の内、セカンダリ通路４０２に配設されている。スワールコントロール弁５６は、セカンダリ通路の断面を絞ることができる開度調整弁である。スワールコントロール弁５６の開度が小さいと、エンジン１の前後方向に並んだ第１吸気ポート１８１及び第２吸気ポート１８２の内、第１吸気ポート１８１から燃焼室１７に流入する吸気流量が相対的に増えかつ、第２吸気ポート１８２から燃焼室１７に流入する吸気流量が相対的に減るから、燃焼室１７内のスワール流が強くなる。スワールコントロール弁５６の開度が大きいと、第１吸気ポート１８１及び第２吸気ポート１８２のそれぞれから燃焼室１７に流入する吸気流量が、略均等になるから、燃焼室１７内のスワール流が弱くなる。スワールコントロール弁５６を全開にすると、スワール流が発生しない。尚、スワール流は、矢印で示すように、図３における反時計方向に周回する（図２の白抜きの矢印も参照）。

尚、スワール発生部は、吸気通路４０にスワールコントロール弁５６を取り付ける代わりに、又は、スワールコントロール弁５６を取り付けることに加えて、二つの吸気弁２１の開弁期間をずらし、一方の吸気弁２１のみから燃焼室１７の中に吸気を導入することができる構成を採用してもよい。二つの吸気弁２１の内の一方の吸気弁２１のみが開弁することによって、燃焼室１７の中に不均等に吸気を導入することができるから、燃焼室１７の中にスワール流を発生させることができる。さらに、スワール発生部は、吸気ポート１８の形状を工夫することによって、燃焼室１７の中にスワール流を発生させように構成してもよい。

このエンジン１の吸気ポート１８は、タンブルポートであるため、燃焼室１７の中には、タンブル成分とスワール成分とを有する斜めスワール流が形成される。斜めスワール流の傾斜角度は、シリンダ１１の中心軸Ｘ１と直交する面に対して４５度程度が一般的であるが、エンジン１の仕様に応じ、例えば３０度から６０度の範囲で適宜設定される。

エンジン１の他側面には、排気通路５０が接続されている。排気通路５０は、各シリンダ１１の排気ポート１９に連通している。排気通路５０は、燃焼室１７から排出された排気ガスが流れる通路である。排気通路５０の上流部分は、詳細な図示は省略するが、シリンダ１１毎に分岐する独立通路を構成している。独立通路の上流端が、各シリンダ１１の排気ポート１９に接続されている。

排気通路５０には、複数の触媒コンバーターを有する排気ガス浄化システムが配設されている。上流の触媒コンバーターは、図示は省略するが、エンジンルーム内に配設されている。上流の触媒コンバーターは、三元触媒５１１と、ＧＰＦ（Gasoline Particulate Filter）５１２とを有している。下流の触媒コンバーターは、エンジンルーム外に配設されている。下流の触媒コンバーターは、三元触媒５１３を有している。尚、排気ガス浄化システムは、図例の構成に限定されるものではない。

吸気通路４０と排気通路５０との間には、外部ＥＧＲシステムを構成するＥＧＲ通路５２が接続されている。ＥＧＲ通路５２は、既燃ガスの一部を吸気通路４０に還流させるための通路である。ＥＧＲ通路５２の上流端は、排気通路５０における上流の触媒コンバーターと下流の触媒コンバーターとの間に接続されている。ＥＧＲ通路５２の下流端は、吸気通路４０における過給機４４の上流に接続されている。

ＥＧＲ通路５２には、水冷式のＥＧＲクーラー５３が配設されている。ＥＧＲクーラー５３は、既燃ガスを冷却するよう構成されている。ＥＧＲ通路５２にはまた、ＥＧＲ弁５４が配設されている。ＥＧＲ弁５４は、ＥＧＲ通路５２を流れる既燃ガスの流量を調整するよう構成されている。ＥＧＲ弁５４の開度を調整することによって、冷却した既燃ガス、つまり外部ＥＧＲガスの還流量を調整することができる。

この構成例において、ＥＧＲシステム５５は、ＥＧＲ通路５２及びＥＧＲ弁５４を含んで構成されている外部ＥＧＲシステムと、前述した吸気電動ＳＶ−Ｔ２３及び排気電動ＳＶ−Ｔ２４を含んで構成されている内部ＥＧＲシステムとによって構成されている。

制御装置は、エンジン１を運転するためのＥＣＵ（Engine Control Unit）１０を備えている。ＥＣＵ１０は、周知のマイクロコンピュータをベースとするコントローラーであって、図４に示すように、プログラムを実行する中央演算処理装置（Central Processing Unit：ＣＰＵ）１０１と、例えばＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）により構成されてプログラム及びデータを格納するメモリ１０２と、電気信号の入出力をする入出力バス１０３と、を備えている。ＥＣＵ１０は、制御部の一例である。

ＥＣＵ１０には、図１及び図４に示すように、各種のセンサＳＷ１〜ＳＷ１６が接続されている。センサＳＷ１〜ＳＷ１６は、検知信号をＥＣＵ１０に出力する。センサには、以下のセンサが含まれる。

すなわち、吸気通路４０におけるエアクリーナー４１の下流に配置されかつ、吸気通路４０を流れる新気の流量を検知するエアフローセンサＳＷ１、及び、新気の温度を検知する第１吸気温度センサＳＷ２、吸気通路４０におけるＥＧＲ通路５２の接続位置よりも下流でかつ、過給機４４の上流に配置されかつ、過給機４４に流入するガスの圧力を検知する第１圧力センサＳＷ３、吸気通路４０における過給機４４の下流でかつ、バイパス通路４７の接続位置よりも上流に配置されかつ、過給機４４から流出したガスの温度を検知する第２吸気温度センサＳＷ４、サージタンク４２に取り付けられかつ、過給機４４の下流のガスの圧力を検知する第２圧力センサＳＷ５、各シリンダ１１に対応してシリンダヘッド１３に取り付けられかつ、各燃焼室１７内の圧力を検知する指圧センサＳＷ６、排気通路５０に配置されかつ、燃焼室１７から排出した排気ガスの温度を検知する排気温度センサＳＷ７、排気通路５０における上流の触媒コンバーターよりも上流に配置されかつ、排気ガス中の酸素濃度を検知するリニアＯ２センサＳＷ８、上流の触媒コンバーターにおける三元触媒５１１の下流に配置されかつ、排気ガス中の酸素濃度を検知するラムダＯ２センサＳＷ９、エンジン１に取り付けられかつ、冷却水の温度を検知する水温センサＳＷ１０、エンジン１に取り付けられかつ、クランクシャフト１５の回転角を検知するクランク角センサＳＷ１１、アクセルペダル機構に取り付けられかつ、アクセルペダルの操作量に対応したアクセル開度を検知するアクセル開度センサＳＷ１２、エンジン１に取り付けられかつ、吸気カムシャフトの回転角を検知する吸気カム角センサＳＷ１３、エンジン１に取り付けられかつ、排気カムシャフトの回転角を検知する排気カム角センサＳＷ１４、ＥＧＲ通路５２に配置されかつ、ＥＧＲ弁５４の上流及び下流の差圧を検知するＥＧＲ差圧センサＳＷ１５、並びに、燃料供給システム６１のコモンレール６４に取り付けられかつ、インジェクタ６に供給する燃料の圧力を検知する燃圧センサＳＷ１６である。

ＥＣＵ１０は、これらの検知信号に基づいて、エンジン１の運転状態を判断すると共に、各デバイスの制御量を計算する。ＥＣＵ１０は、計算をした制御量に係る制御信号を、インジェクタ６、点火プラグ２５、吸気電動ＳＶ−Ｔ２３、排気電動ＳＶ−Ｔ２４、燃料供給システム６１、スロットル弁４３、ＥＧＲ弁５４、過給機４４の電磁クラッチ４５、エアバイパス弁４８、及び、スワールコントロール弁５６に出力する。例えば、ＥＣＵ１０は、第１圧力センサＳＷ３及び第２圧力センサＳＷ５の検知信号から得られる過給機４４の前後差圧に基づいてエアバイパス弁４８の開度を調整することにより、過給圧を調整する。また、ＥＣＵ１０は、ＥＧＲ差圧センサＳＷ１５の検知信号から得られるＥＧＲ弁５４の前後差圧に基づいてＥＧＲ弁５４の開度を調整することにより、燃焼室１７の中に導入する外部ＥＧＲガス量を調整する。ＥＣＵ１０によるエンジン１の制御の詳細は、後述する。

（エンジンの運転領域）
図５Ａは、エンジン１の運転領域を例示している。エンジン１の運転領域は、負荷及び回転数によって定められており、負荷の高低及び回転数の高低に対し、大きく五つの領域に分けられている。具体的に、五つの領域は、アイドル運転を含みかつ、低回転及び中回転の領域に広がる低負荷領域（１）−１、低負荷領域よりも負荷が高くかつ、低回転及び中回転の領域に広がる中負荷領域（１）−２、中負荷領域（１）−２よりも負荷が高い領域でかつ、全開負荷を含む高負荷領域の中回転領域（２）、同じく高負荷領域において中回転領域（２）よりも回転数の低い低回転領域（３）、及び、低負荷領域（１）−１、中負荷領域（１）−２、高負荷中回転領域（２）、及び、高負荷低回転領域（３）よりも回転数の高い高回転領域（４）である。

ここで、低回転領域、中回転領域、及び、高回転領域はそれぞれ、エンジン１の全運転領域を回転数方向に、低回転領域、中回転領域及び高回転領域の略三等分にしたときの、低回転領域、中回転領域、及び、高回転領域とすればよい。図５Ａの例では、回転数Ｎ１未満を低回転、回転数Ｎ２以上を高回転、回転数Ｎ１以上Ｎ２未満を中回転としている。回転数Ｎ１は、例えば１２００ｒｐｍ、回転数Ｎ２は、例えば４０００ｒｐｍとしてもよい。また、高負荷中回転領域（２）は、燃焼圧力が９００ｋＰａ以上となる領域としてもよい。尚、図５Ａにおける二点鎖線は、エンジン１のロード−ロードライン（Road-Load Line）を示している。

図５Ｂは、図５Ａに示したエンジン１の各運転領域におけるスワールコントロール弁５６の開度制御を例示している。具体的に、低負荷領域（１）−１、中負荷領域（１）−２、及び中回転領域（２）では、スワールコントロール弁５６の開度は、スワール比を高めるために、ほぼ全閉となるように、閉じ側に制御される。低回転領域（３）では、スワールコントロール弁５６の開度は、スワール比を弱めるために、半分程度の開度となるように制御される。高回転領域（４）では、スワール流が形成されないように、スワールコントロール弁５６の開度は、ほぼ全開となるように、開き側に制御される。

エンジン１は、燃費の向上及び排出ガス性能の向上を主目的として、低負荷領域（１）−１、中負荷領域（１）−２、及び、高負荷中回転領域（２）において、圧縮自己着火による燃焼を行う。エンジン１はまた、その他の領域、具体的には、高負荷低回転領域（３）及び高回転領域（４）においては、火花点火による燃焼を行う。以下、低負荷領域（１）−１、中負荷領域（１）−２、高負荷中回転領域（２）、高負荷低回転領域（３）、及び、高回転領域（４）の各領域におけるエンジン１の運転について、図６に示す、各運転領域における燃料噴射時期及び点火時期を参照しながら詳細に説明をする。

（低負荷領域（１）−１）
エンジン１が低負荷領域で運転しているときには、燃料噴射量が少なく、燃焼室１７の内部の温度も低い。そのため、所定の圧力及び温度に達することで自己着火するＣＩ燃焼は、安定して行えない。燃料が少ないため、点火による着火も困難でＳＩ燃焼も不安定になる。エンジン１の低負荷運転領域における燃焼室１７の内部全体での空燃比（Ａ／Ｆ）は、例えば３０以上４０以下である。

図７に、燃焼時のＮＯｘの発生量とＡ／Ｆとの関係を示す。理論空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．７）の周辺は、燃焼温度が高くなるため、ＮＯｘが多く発生する。Ａ／Ｆが１０を下回るような、燃料濃度が濃く、燃料に対して空気が不足する酸欠状態、又は、Ａ／Ｆが３０を超えるような、燃料濃度が薄く、燃料に対して空気が過剰となる空気過多状態となることで、ＮＯｘの発生は抑制される。

従って、現状では、エンジンが低負荷領域で運転しているときには、点火プラグの周辺に前者のようなリッチな混合気を形成して火種とし、その混合気の周辺に後者のようなリーンな混合気を形成して、圧縮着火させる成層リーン燃焼などが行われている。

しかし、そのような成層リーン燃焼では、リッチな混合気とリーンな混合気との間に、多量のＮＯｘが発生するＡ／Ｆが１０〜２５の混合気がどうしても発生する。そのため、ＮＯｘの抑制が図れない。

Ａ／Ｆが３０を超えるようなリーンな混合気は、火花点火で着火できても、火炎伝播が遅く、燃焼が進まないので、安定したＳＩ燃焼が行えない。一方、Ａ／Ｆが２５前後（２０〜３５）であれば、安定したＳＩ燃焼が行え、かつＮＯｘの発生も抑制できる。

そこで、エンジン１は、低負荷領域（１）−１において、ＳＩ燃焼とＣＩ燃焼とを組み合わせたＳＰＣＣＩ燃焼を行う。

そして、スワール流を利用した混合気分布の制御技術を応用することにより、エンジン１の低負荷運転領域において安定したＳＰＣＣＩ燃焼が行え、低ＮＯｘかつ低燃費な燃焼が実現できるようにしている。

具体的には、燃焼室１７の内部全体にＡ／Ｆが３０を超えるようなリーンな混合気が形成される少量の燃料を、燃焼室１７の内部に噴射し、点火プラグが有る燃焼室１７の中央部に位置して、火種となる領域（例えばＡ／Ｆが２０以上３５以下）と、燃焼室１７の周辺部に位置して、火種の燃焼圧と燃焼熱とによって圧縮着火する領域（例えばＡ／Ｆが３５以上５０以下）と、を有する成層化した混合気分布が、点火するタイミングで燃焼室１７の内部に形成されるようにした。次に、スワール流を利用した混合気分布の制御について、具体的に説明する。

（混合気分布の制御）
本発明者らは、燃焼室内での混合気分布を高精度に制御するために、スワール流に着目した。スワール流は、シリンダの中心軸と直交する方向に形成される旋回流（横渦）である。そのため、燃焼室の容積が大小に変化する方向に形成されるタンブル流（縦渦）とは異なり、燃焼室の容積の変化やエンジンの回転速度の影響をほとんど受けることがない。

従って、スワール流、厳密にはシリンダの中心軸と直交する方向に旋回するスワール成分は、燃焼室の容積の変化やエンジンの運転状態が変化しても、その流速は比較的安定している。そのため、燃焼室の中で燃料を噴射し、その燃料の噴霧の経時的な変化をスワール流を利用して制御することで、燃料の噴射後の所定のタイミングで燃焼室の内部に形成される混合気分布を、高精度に制御することが可能になる。

この点、図８を用いて具体的に説明する。図８の左端の図は、燃焼室１７の容積が比較的大きい吸気行程の所定のタイミングでの燃焼室１７を模式的に表したものである。前述したように、燃焼室１７の上部には、その内部にスワール流を発生させるスワールコントロール弁（ＳＣＶ）５６（スワール発生部を構成）が配設されている。燃焼室１７の上部の中央部位には、燃焼室１７の内部に燃料を噴射するインジェクタ６（燃料噴射部を構成）が配設されている。インジェクタ６は、周方向に等間隔に配置された１０個の噴孔から、噴射軸心Ｘ２に対して下方に向いた３０度〜６０度、好ましくは４５度の噴射角で、燃料を同時に放射状に噴射する。各噴孔から噴射される燃料の噴霧の中心線Ｌ１〜Ｌ１０を図２に示す。

燃料の噴霧の中心線Ｌ１〜Ｌ５は、エンジン１のフロント側に位置しており、燃料の噴霧の中心線Ｌ６〜Ｌ１０は、エンジン１のリヤ側に位置している。この図では、燃料の噴霧の中心線Ｌ１は、エンジン１のフロント側の燃料の噴霧の中心線Ｌ１〜Ｌ５のうち、最も排気側に位置しており、２つの吸気弁２１、２１の間を等分する二等分線であって噴射軸心Ｘ２を通る基準線Ｋからエンジン１のフロント側に略１８度傾斜した位置に配置されている。

エンジン１のフロント側に位置する燃料の噴霧の中心線Ｌ１〜Ｌ５と、エンジン１のリヤ側に位置する燃料の噴霧の中心線Ｌ６〜Ｌ１０とは、噴射軸心Ｘ２が延びる方向から見て、基準線Ｋに対して線対称に配置されている。燃料の噴霧の中心線Ｌ１〜Ｌ１０は、噴射軸心Ｘ２を中心に略３６度の等間隔で、この順に反時計回りに配置されている。

燃焼室１７では、ＥＣＵ１０によってスワールコントロール弁５６が閉じ側に制御されることで、燃焼室１７に偏った吸気の導入が行われる。それにより、燃焼室１７の内部に、中心軸Ｘ１に対して傾斜したスワール流（斜めスワール流、スワール成分とタンブル成分とで構成）が形成されるようになっている。

具体的には、スワールコントロール弁５６が閉じ側に制御されることで、第１吸気ポート１８１から燃焼室１７に相対的に多く吸気が流入する。それにより、図３に矢印で示したように、燃焼室１７の内部に反時計回りに旋回する流動が形成される。タンブルポートである吸気ポート１８との組み合わせにより、斜めスワール流が形成される。図８の左端の図に矢印で示すように、第１吸気ポート１８１から燃焼室１７に流入する吸気によって形成される斜めスワール流は、燃焼室１７の排気側の上部を通ってエンジン１のフロント側を斜め下向きに大きく旋回し、燃焼室１７の吸気側の下部を通って、エンジン１のリヤ側を斜め上向きに大きく旋回し、燃焼室１７の排気側の上部に戻るように流れる。

左端の図に示す符号Ｄは、燃焼室１７の内部を、エンジン１のフロント−リヤ方向で二等分した縦断面を示している。左端の図から矢印で示す、上段の５つの図（ａ）〜（ｅ）は、その縦断面Ｄで区画されたエンジン１のフロント側（図の手前側）に位置する、斜めスワール流の上流側（便宜上、上流側とする）での燃料噴射後の経時的な状態変化を模式的に表している。左端の図から矢印で示す、下段の５つの図（ｆ）〜（ｊ）は、その縦断面Ｄで区画されたエンジン１のリヤ側（図の奥方側）に位置する、斜めスワール流の下流側での燃料噴射後の経時的な状態変化を模式的に表している。

これら各図（ａ）〜（ｊ）の白抜き矢印は、燃焼室１７の内部に発生した斜めスワール流の主流（勢いの強い流動の中心となる部分、以下、単にスワール流ともいう）を示している。尚、スワール流の主流は、その周囲に主流と同じ方向に向かって流れる、流れの弱い副流を伴っている。その副流によって燃料の噴霧の流れが影響される場合があるが、副流の流れ方向は主流と同じであり、主流の方が勢いが強いので、副流によって燃料の噴霧が影響を受けたとしても、最終的には主流による影響が支配的となる。そのため、後述するスワール流によって混合気分布が形成される現象は、副流によってはほとんど変化しない。

上段の（ａ）は、インジェクタ６から燃料が噴射された直後の、スワール流の上流側を示している。スワール流の上流側では、５つの燃料ｆ１〜ｆ５が、スワール流の下流側の燃料ｆ６〜ｆ１０と同時に噴射される。

（ｂ）に示すように、上流側でスワール流に向けて噴射された燃料のうち、噴孔からスワール流までの距離（到達距離）が最も短い燃料ｆ１の噴霧が最初にスワール流に到達する。その後、（ｃ）に示すように、その次に到達距離が短い燃料ｆ２の噴霧が、燃料ｆ１の噴霧がスワール流に到達した部位よりも下流側の部位でスワール流に到達する。このとき、燃料ｆ１の噴霧は、スワール流と共に移動し、燃料ｆ２の噴霧と合流する。更にその後、（ｄ）に示すように、その次に到達距離が短い燃料ｆ３の噴霧がスワール流に到達する。このとき、先に合流した燃料ｆ１，ｆ２の噴霧は、スワール流と共に移動し、燃料ｆ３の噴霧と合流する。

更にその後、（ｅ）に示すように、その次に到達距離が短い燃料ｆ４の噴霧がスワール流に到達する。この例示では、この燃料ｆ４の噴霧は、燃焼室１７の下端部でスワール流に到達する。このとき、先に合流した燃料の噴ｆ１，ｆ２，ｆ３の噴霧は、スワール流と共に移動し、燃料ｆ４の噴霧と合流する。

噴射される燃料が、燃焼室１７の壁面１７ａに到達する場合がある（燃料ｆ５）。この燃料ｆ５の噴霧は、（ｄ）に示すように、壁面１７ａに到達した後、壁面１７ａに沿って移動する。そして、（ｅ）に示すように、燃料ｆ５の噴霧も、その後、スワール流に到達し、先に合流した燃料の噴ｆ１，ｆ２，ｆ３，ｆ４の噴霧と合流する。

すなわち、インジェクタ６が、スワール流に噴霧が到達する、第１燃料及び第２燃料を含む複数の燃料（図例のｆ１〜ｆ４）を噴射し、第１燃料（例えばｆ１）の噴霧がスワール流に到達した後、第２燃料（例えばｆ２）の噴霧が、スワール流によって第１燃料の噴霧が移動した位置に到達するように構成されている。

更に、壁面１７ａに到達する燃料ｆ５についても、その噴霧が壁面１７ａに沿って移動してスワール流に到達し、これら噴霧と合流するように構成されている。

そうすることで、スワール流を利用して噴射した燃料を合流させ、燃料濃度の濃いリッチな混合気を形成することができる。この例示では、インジェクタ６からスワール流の上流側で噴射された燃料は、その全量が一箇所に集められるようになっている。

一方、下段の（ｆ）は、インジェクタ６から燃料が噴射された直後の、スワール流の下流側を示している。スワール流の下流側でも、５つの燃料ｆ６〜ｆ１０が、スワール流の上流側の５つの燃料ｆ１〜ｆ５と同時に噴射される。

（ｇ）に示すように、下流側でスワール流に向けて噴射された燃料のうち、噴孔からスワール流までの距離（到達距離）が最も短い燃料ｆ１０の噴霧が最初にスワール流に到達する（第１位置Ｐ１）。その後、（ｈ）に示すように、その次に到達距離が短い燃料ｆ９の噴霧は、スワール流に対して、燃料ｆ１０の噴霧が到達した部位よりも上流側の部位に到達する（第２位置Ｐ２）。

このとき、燃料ｆ１０の噴霧は、第１位置Ｐ１に到達した後、燃料ｆ９の噴霧が第２位置Ｐ２に到達するまでの間に、スワール流と共に、燃料ｆ１０の噴霧の到達位置（第１到達位置Ｐ１）から更に下流側に移動し、第２位置Ｐ２から遠ざかる。従って、燃料ｆ９の噴霧が、その後スワール流と共に移動しても、燃料ｆ１０の噴霧は、燃料ｆ９の噴霧からスワール流の上流側に離れた位置でスワール流と共に移動するので、スワール流によって移動する間、燃料ｆ９の噴霧は、燃料ｆ１０の噴霧から離れた状態が保持される。従って、燃料濃度が分散した混合気が形成される。更にその後、（ｉ）に示すように、その次に到達距離が短い燃料ｆ８の噴霧が、燃料ｆ９の噴霧がスワール流に到達した部位よりも上流側の部位でスワール流に到達する。このとき、先にスワール流に到達した燃料ｆ１０，ｆ９の噴霧は、スワール流と共に移動し、それぞれの到達位置から下流側に移動している。

すなわち、インジェクタ６が、スワール流に噴霧が到達する、第１燃料及び第２燃料を含む複数の燃料（図例のｆ１０〜ｆ８）を噴射し、第１燃料の噴霧（例えばｆ１０）がスワール流に到達した位置を第１位置Ｐ１、第２燃料の噴霧（例えばｆ９）がスワール流に到達した位置を第２位置Ｐ２としたとき、第１燃料の噴霧は、第１位置Ｐ１に到達した後、第２燃料の噴霧が第２位置Ｐ２に到達するまでの間に移動し、スワール流によって第２位置から遠ざかるように構成されている。

そうすることで、スワール流を利用して噴射した燃料を適度に拡散させることができ、燃料が薄く拡がった均質な混合気を形成することができる。この例示では、インジェクタ６で噴射した燃料の約３０％が拡散されるようになっている。

更にその後、（ｊ）に示すように、その次に到達距離が短い燃料ｆ７の噴霧がスワール流に到達する。この例示では、この燃料ｆ７の噴霧は、燃焼室１７の下端部でスワール流に到達する。このとき、燃料ｆ７の噴霧は、スワール流の上流側の燃料ｆ１〜ｆ５の噴霧と合流する。

スワール流の上流側と同様に、噴射される燃料が、燃焼室１７の壁面１７ａに到達する場合がある（燃料ｆ６）。この燃料ｆ６の噴霧も、（ｉ）に示すように、壁面１７ａに到達した後、壁面１７ａに沿って移動する。そして、（ｊ）に示すように、燃料ｆ６の噴霧は、その後、スワール流に到達し、燃料ｆ７の噴霧と共に、燃料ｆ１〜ｆ５の噴霧と合流する。すなわち、この例示では、インジェクタ６で噴射された燃料の約７０％が合流するようになっている。

図８の右端の図は、インジェクタ６から噴射された燃料の全てがスワール流に到達した直後の状態を模式的に示している。この図に示すように、インジェクタ６から噴射された燃料は、スワール流に沿って大小に拡がる混合気を形成する。この混合気は、燃料が集まった領域と、燃料が分散した領域とを含み、部位によって燃料濃度が異なる、換言すれば、空燃比（Ａ／Ｆ）が異なる分布を有している（混合気分布）。その混合気分布は、スワール流と共に燃焼室１７の内部を周方向に移動する。その際、混合気分布は、次第に拡散しながら燃焼室１７の中心側に偏向していく。

図９は、スワール流と共に混合気分布が移動している燃焼室１７の内部を、燃焼室１７の上方から見た図を例示している。吸気の導入によって形成されるスワール流のエネルギーは、その後、空気抵抗を受けて減衰し、次第に拡散しながら燃焼室１７の中心側に偏向していく。従って、スワール流と共に移動する混合気分布は、そのスワール流の流動の変化に伴って、次第に拡散しながら燃焼室１７の中心側に偏向していく。

図９の（ａ）の上図に示すように、燃料ｆ１〜ｆ７が集まって形成された混合気分布（ドットで模式的に示す）は、矢印で示すように、スワール流と共に移動して拡散しながら燃焼室１７の中央部側に偏向していく。この混合気分布は、燃料濃度が濃いので、図９の（ａ）の下図にドットで示すように、燃焼が開始されるタイミングでは、燃焼室１７の中央部に偏った比較的リッチな混合気分布を形成することができる。

図９の（ｂ）の上図に示すように、燃料ｆ８〜ｆ１０が分散して形成された燃料濃度が薄く拡がった混合気分布（ドットで模式的に示す）は、矢印で示すように、スワール流と共に移動して更に拡散しながら燃焼室１７の中央部側に偏向していく。それにより、燃焼が開始されるタイミングでは、図９の（ｂ）の下図にドットで示すように、燃焼室１７の全体に拡がった比較的リーンな混合気分布を形成することができる。

これら混合気が合わさることにより、燃焼室１７の中に、相対的に燃料濃度が濃い領域と、相対的に燃料濃度が薄い領域とを含む、成層化した混合気分布を形成することができる。なお、図９（ａ）の上図と、図９（ｂ）の上図と、は同じクランク角時点の概念図であり、このクランク角時点の全体の混合気分布としては、燃料ｆ１〜ｆ７が集まって形成された混合気分布（図９（ａ）の上図のドット部）と、燃料ｆ８〜ｆ１０が分散して形成された燃料濃度が薄く拡がった混合気分布（図９（ｂ）の上図のドット部）と、が連なった混合気分布となる。

後述するように、燃料の噴射圧が３０〜１２０ＭＰａの範囲内、かつ、スワール比が２〜６の範囲内であれば、このような混合気分布をスワール流を利用して形成することができる。

エンジン１の運転中は、ピストン３が上昇及び下降を繰り返すので、燃焼室１７の容積もそれに伴って大小に変化する。中心軸Ｘ１に対するスワール流の旋回角度（図８の白抜き矢印の傾きに相当）もそれに伴って変化する。しかし、前述したように、スワール流（スワール成分）の旋回速度は、その影響をほとんど受けない。従って、燃焼室１７の容積が異なる場合であっても、このような混合気分布をスワール流を利用して形成することができる。

例えば、燃料噴射のタイミングが燃焼室１７の容積が比較的小さい圧縮行程であっても、説明した吸気行程の場合と同様の現象が発生する。ただし、燃焼が開始されるタイミングまでの時間は、圧縮行程よりも吸気行程の方が長いので、燃焼が開始されるタイミングでは、吸気行程での燃料噴射の方が、より燃料が拡散し、燃焼室１７の内部に大きく拡がる、リーンで燃料濃度が均質な混合気分布が形成される。燃焼が開始されるタイミングまでの時間は、吸気行程よりも圧縮行程の方が短いので、燃焼が開始されるタイミングでは、圧縮行程での燃料噴射の方が、より燃料が集約し、リッチで燃料濃度が燃焼室１７の中央部に偏った混合気分布が形成される。

従って、このように燃焼室１７の中で燃料を噴射し、その燃料の噴霧の経時的な変化をスワール流を利用して制御すれば、部位によって燃料濃度の異なる、成層化した混合気分布を形成することができる。インジェクタ６から燃料を噴射するタイミングを調整することにより、燃焼が開始されるタイミングでの混合気分布を、燃焼に適した配置や状態となるようにコントロールすることも可能になる。更に、このような混合気分布を、複数組み合わせることで、多様な形態の混合気分布が形成できる。

（燃料噴射圧力）
スワール流を利用して混合気分布をコントロールするためには、燃料が、３０ＭＰａ以上１２０ＭＰａ以下の範囲の圧力で、インジェクタ６から噴射されるようにするのが好ましい。

燃料の噴射圧が３０ＭＰａを下回ると、噴射された燃料の勢いが弱すぎて、スワール流に到達する前に拡散し、スワール流に到達できない燃料が発生する恐れがある。燃料の噴射圧が１２０ＭＰａを上回ると、噴射された燃料の勢いが強すぎて、燃料がスワール流を貫通する恐れがある。いずれの場合も、燃料をスワール流に適切に乗せることができない。それに対し、噴射圧が３０〜１２０ＭＰａの範囲であれば、噴射した燃焼をスワール流に適切に乗せることができるので、スワール流を利用して、混合気分布の安定したコントロールが可能になる。

（スワール流の強さ）
強いスワール流は、混合気分布を燃焼に適した状態にコントロールするためには重要である。

図１０に、スワール流の強さが着火の安定性に与える影響について解析した結果を示す。解析は、前述したようなスワール流を利用する条件の下で行った。スワール流の強さの指標となるスワール比を大小に変化させながら、燃焼室１７の内部がリーンな状態（Ａ／Ｆが３０程度）となる量の燃料を所定の割合で分割噴射した。前段噴射は吸気行程の初期（圧縮上死点前３２０°ＣＡ）に行い、後段噴射は噴射タイミングを変えて行った。点火は圧縮上死点直前で行った。図１０の縦軸は、燃焼安定性（ＳＤＩ）を示しており、斜線で示す領域は、着火が不安定になる後段噴射のタイミングを示している。

スワール流が弱い（スワール比が小さい、例えば、スワール比が０）と、着火が不安定な領域のみであったのに対し（図１０の下段の図）、スワール流が強く（スワール比が大きく、例えば、スワール比が２に）なると、安定して着火できるタイミングが出現し（図１０の中段の図）、更にスワール流が強くなる（例えば、スワール比が４になる）と、そのタイミング及びその範囲が増加する傾向が認められた（図１０の上段の図）。

すなわち、スワール流が弱いと、混合気分布のコントロールが行えない。そして、スワール流が強いと、それだけ安定して着火できるタイミング及びその範囲が増加することから、より自由度の高い混合気分布のコントロールが可能になる。従って、混合気分布を燃焼に適した状態にコントロールするために、強いスワール流を形成することが重要である。

それにより、エンジン１が低負荷領域（１）−１において運転しているときには、スワール比が少なくとも２以上、好ましくは４以上となるように、ＥＣＵ１０は、スワールコントロール弁（ＳＣＶ）５６を制御する。

ここで、スワール比を定義すると、「スワール比」は、吸気流横方向角速度をバルブリフト毎に測定して積分した値を、エンジン角速度で除した値である。吸気流横方向角速度は、図１１に示すリグ試験装置を用いた測定に基づいて求めることができる。すなわち、同図に示す装置は、基台にシリンダヘッド１３を上下反転して設置して、吸気ポート１８を図外の吸気供給装置に接続する一方、そのシリンダヘッド１３上にシリンダ３６を設置すると共に、その上端にハニカム状ロータ３７を有するインパルスメータ３８を接続して構成されている。インパルスメータ３８の下面は、シリンダヘッド１３とシリンダブロックとの合わせ面から１．７５Ｄ（尚、Ｄはシリンダボア径）の位置に位置づけている。吸気供給に応じてシリンダ３６内に生じるスワール（図１１の矢印参照）によって、ハニカム状ロータ３７に作用するトルクをインパルスメータ３８によって計測し、それに基づいて、吸気流横方向角速度を求めることができる。

図１２は、このエンジン１におけるスワールコントロール弁５６の開度と、スワール比との関係を示している。図１２は、スワールコントロール弁５６の開度を、セカンダリ通路４０２の全開断面に対する開口比率によって表している。スワールコントロール弁５６が全閉のときに、セカンダリ通路４０２の開口比率は０％となり、スワールコントロール弁５６の開度が大きくなると、セカンダリ通路４０２の開口比率が０％よりも大きくなる。スワールコントロール弁５６が全開のときに、セカンダリ通路４０２の開口比率は１００％となる。図１２に例示するように、このエンジン１は、スワールコントロール弁５６を全閉にすると、スワール比は６程度になる。エンジン１が低負荷領域（１）−１において運転するときに、スワール比は４以上６以下とすればよい。スワールコントロール弁５６の開度は、開口比率が０〜１５％となる範囲で調整すればよい。

（スワール流の特性）
スワール流は、タンブル流ほど、エンジン１の回転速度の影響を受けることがない。そのため、エンジン１の回転速度が変化しても、安定した着火が可能になる燃焼の噴射タイミングは大きく変化しない。従って、スワール流を利用すれば、エンジン１の回転数（回転速度）に依存することなく、混合気分布の制御が行える。

図１３に、エンジン１の回転数が、着火の安定性に与える影響について解析した結果を示す。この解析の条件は、エンジン１の回転数が異なる点を除き、前述したスワール流の強さの解析と同じである。図１３の上段の図は、図１０の上段の図である。図１３の下段の図は、上段の図より、エンジン１の負荷が同一の条件において、エンジン１の回転数が増加した場合（回転数の差：１０００ｒｐｍ）を示している。

図１３に見られるように、エンジン１の回転数が変化しても、安定した着火が可能になる噴射タイミングは、若干変化は認められるものの、重複している範囲が多く認められる。従って、混合気分布の制御は、エンジン１の回転数に依存することなく行える。

従って、このようにスワール流を活用し、噴射した燃料をスワール流で合流させたり分散させたりすることで、燃料濃度が部位によって異なる混合気分布を形成することができる。例えば、燃料ｆ８〜ｆ１０によって形成される混合気分布は、分散しているので、比較的燃料濃度が薄く、燃料濃度のばらつきの少ない、より均質な分布を形成する。これはＣＩ燃焼にとって有利である。対して、燃料ｆ１〜ｆ７によって形成される混合気分布は、集約しているので、比較的燃料濃度が濃い、偏った分布を形成する。これはＳＩ燃焼にとって有利である。

スワール流に燃料が到達する位置やタイミングを調整することで、燃料が分散して均質性に優れた混合気分布や、燃料が集約して燃料濃度の濃い偏った混合気分布を形成することができる。例えば、噴射される燃料が、燃料ｆ８〜ｆ１０のように、分散する燃料のみとなるように構成すれば、均質性に優れた混合気分布を形成できる。噴射される燃料が、燃料ｆ１〜ｆ７のように、集約する燃料のみとなるように構成すれば、燃料濃度の濃いまとまった混合気分布を形成することができる。

また、スワール流の強さやスワール流が発生するタイミングを調整してもよい。燃料を噴射する位置や噴射方向、燃料の噴射数を調整してもよい。そうすれば、１回の燃料噴射でも、燃料濃度の分布や燃焼室１７の内部での配置、形態が異なる混合気分布を形成することができる。

そして、燃焼サイクルの異なるタイミングで燃料噴射を複数回行い、そのような混合気分布を燃焼室１７の内部に複数形成し、点火のタイミング等、所望する所定のタイミングでこれら混合気分布を重ねて一体化することで、多様な形態の混合気分布を精度高くコントロールすることも可能になる。

（低ＮＯｘで低燃料量な噴射タイミングの探索）
スワール流を利用した混合気分布の制御により、低ＮＯｘで低燃料量な燃料噴射で安定した燃焼が実現できる噴射タイミングを探索すべく、解析を行った。図１４に、その解析の一例を示す。この解析では、エンジン回転数を２０００ｐｍとし、Ａ／Ｆが３０となるように一括噴射を行った。尚、スワール比は４以上である。

図１４の上段は、燃焼の噴射量（縦軸）及び燃料の噴射タイミング（横軸）に対する燃焼安定性（ＳＤＩ）を表したコンター図である。燃焼安定性が高い領域ほど、濃度が濃くなるように表してある。図１４の中段は、燃焼の噴射量（縦軸）及び燃料の噴射タイミング（横軸）に対するＮＯｘの発生量を表したコンター図である。ＮＯｘの発生量が多い領域ほど、濃度が濃くなるように表してある。

図１４の下段は、これらコンター図を組み合わせることによって得られる、所定の低ＮＯｘ及び低燃料量な燃料噴射で安定した燃焼が実現できる領域を表したコンター図である。燃焼安定性が高く、かつＮＯｘの発生量が少ない領域ほど、濃度が濃くなるように表してある。例えば、この場合、吸気下死点の近傍のタイミングで燃料を噴射すれば、少量の燃料でＮＯｘの発生を抑制しながら安定した燃焼が行えることになる。

このように、様々な条件で、低ＮＯｘで低燃料量な燃料噴射で安定した燃焼が実現できる噴射タイミングの探索を行うことで、エンジン１の運転状態に応じた適切な燃料の噴射タイミングを選択することができる。

（低負荷領域（１）−１でのエンジンの運転）
図６の符号６０１は、エンジン１が低負荷領域（１）−１において、運転状態６０１にて運転しているときの燃料噴射時期（符号６０１１、６０１２）及び点火時期（符号６０１３）、並びに、燃焼波形（つまり、クランク角に対する熱発生率の変化を示す波形、符号６０１４）それぞれの一例を示している。具体的には、後述する低（中）負荷領域における燃料噴射時期を示している。図５Ａに、運転状態６０１に対応する運転領域を黒丸６０１によって示す。

ＳＰＣＣＩ燃焼は、点火プラグ２５が、燃焼室１７の中の混合気に強制的に点火をすることによって、混合気が火炎伝播によりＳＩ燃焼をすると共に、ＳＩ燃焼の発熱により燃焼室１７の中の温度が高くなりかつ、火炎伝播により燃焼室１７の中の圧力が上昇することによって、未燃混合気が自己着火によるＣＩ燃焼をする。

ＳＩ燃焼の発熱量を調整することによって、圧縮開始前の燃焼室１７の中の温度のばらつきを吸収することができる。圧縮開始前の燃焼室１７の中の温度がばらついていても、例えば点火タイミングの調整によってＳＩ燃焼の開始タイミングを調整すれば、自己着火のタイミングをコントロールすることができる。

ＳＰＣＣＩ燃焼を行うときには、圧縮上死点付近、正確には圧縮上死点よりも前の所定タイミングで、点火プラグ２５が混合気に点火する、これによって、火炎伝播による燃焼が開始する。ＳＩ燃焼時の熱発生は、ＣＩ燃焼時の熱発生よりも穏やかである。従って、熱発生率の波形は、傾きが相対的に小さくなる。図示はしないが、ＳＩ燃焼時の、燃焼室１７の中における圧力変動（ｄｐ／ｄθ）も、ＣＩ燃焼時よりも穏やかになる。

ＳＩ燃焼によって、燃焼室１７の中の温度及び圧力が高まると、未燃混合気が自己着火する。図６の例では、自己着火のタイミングで、熱発生率の波形の傾きが、小から大へと変化している。つまり、熱発生率の波形は、ＣＩ燃焼が開始するタイミングで、変曲点を有している。

ＣＩ燃焼の開始後は、ＳＩ燃焼とＣＩ燃焼とが並行して行われる。ＣＩ燃焼は、ＳＩ燃焼よりも熱発生が大きいため、熱発生率は相対的に大きくなる。但し、ＣＩ燃焼は、圧縮上死点後に行われるため、ピストン３がモータリングによって下降している。ＣＩ燃焼による、熱発生率の波形の傾きが大きくなりすぎることが回避される。ＣＩ燃焼時のｄｐ／ｄθも比較的穏やかになる。

ｄｐ／ｄθは、燃焼騒音を表す指標として用いることができるが、前述の通りＳＰＣＣＩ燃焼は、ｄｐ／ｄθを小さくすることができるため、燃焼騒音が大きくなりすぎることを回避することが可能になる。燃焼騒音は、許容レベル以下に抑えることができる。

ＣＩ燃焼が終了することによって、ＳＰＣＣＩ燃焼が終了する。ＣＩ燃焼は、ＳＩ燃焼に比べて、燃焼期間が短い。ＳＰＣＣＩ燃焼は、ＳＩ燃焼よりも、燃焼終了時期が早まる。言い換えると、ＳＰＣＣＩ燃焼は、膨張行程中の燃焼終了時期を、圧縮上死点に近づけることが可能である。ＳＰＣＣＩ燃焼は、ＳＩ燃焼よりも、エンジン１の燃費性能の向上に有利である。

エンジン１の燃費性能を向上させるために、ＥＧＲシステム５５は、エンジン１が低負荷領域（１）−１において運転しているときに、燃焼室１７の中にＥＧＲガスを導入する。

エンジン１が低負荷領域（１）−１において運転するときに、ＥＣＵ１０は、前述したように、３０ＭＰａ〜１２０ＭＰａの範囲の圧力で、インジェクタ６から燃料が噴射されるように制御する。それにより、各噴孔から噴射された燃焼のうち、スワール流に向かう燃料の噴霧はスワール流に到達し、スワール流に適切に乗せることができる。

インジェクタ６の各噴孔から同時に噴射された燃料の噴霧ｆ１〜ｆ１０は、図８に示したように、スワール流に到達し、合流して集約されたり分散されたりしながら混合気分布を形成する。この混合気分布は、スワール流に乗って燃焼室１７の内部を移動する。

エンジン１が低負荷領域（１）−１において運転するときに、混合気の空燃比（Ａ／Ｆ）は、燃焼室１７の全体において理論空燃比よりもリーンである。つまり、燃焼室１７の全体において、混合気の空気過剰率λは１を超える。より詳細に、燃焼室１７の全体において混合気のＡ／Ｆは３０以上４０以下である。こうすることで、ＲａｗＮＯｘの発生を抑制することができ、排出ガス性能を向上させることができる。

点火プラグ２５が点火する点火タイミングでは、混合気は成層化し、燃焼室１７内の中央部と外周部との間において、ＳＰＣＣＩ燃焼に適した混合気分布を形成している。燃焼室１７内の中央部は、点火プラグ２５が配置されている部分であり、外周部は、中央部の周囲であって、シリンダ１１のライナーに接する部分である。

燃焼室１７内の中央部と周辺部は、燃焼室１７の内径を二等分した場合の、その内側と外側の各区分としてもよい。燃焼室１７内の中央部と周辺部はまた、燃焼室１７の内径を三等分した場合の、その内側の２区分と外側の１区分としてもよい。

燃焼室１７の中央部に分布する燃料濃度は、燃焼室１７の外周部に分布する燃料濃度よりも濃い。具体的に、中央部のＡ／Ｆは、２０以上３５以下であり、外周部のＡ／Ｆは、３５以上５０以下である。尚、Ａ／Ｆの値は、点火タイミングにおける空燃比の値であり、以下の説明においても同じである。

低負荷領域（１）−１は、負荷の大小により、更に、低（高）負荷領域、低（中）負荷領域、及び低（低）負荷領域の３つの領域に分けられている。低（高）負荷領域は、低負荷領域（１）−１の中での高負荷側の領域であり、中負荷領域（１）−２に連なっている。低（中）負荷領域は、低（高）負荷領域より負荷の小さい領域であり、低（低）負荷領域は、低（中）負荷領域より負荷の小さい領域である。低（低）負荷領域は、アイドル運転を含む。

これら低（高）負荷領域、低（中）負荷領域、及び低（低）負荷領域は、例えば、低負荷領域（１）−１を負荷方向に三等分した各領域であってもよく、エンジン１の仕様に応じて適宜設定できる。

エンジン１が低負荷領域（１）−１において運転するときには、吸気行程及び圧縮行程の間の所定のタイミングで燃料の噴射が行われる。燃料の噴射時期及び噴射回数は、低（高）負荷領域、低（中）負荷領域、及び低（低）負荷領域の各々で変更される。図１５に、これら各領域での燃料の噴射タイミング及び噴射回数を示す。尚、これら各領域での噴射タイミングは、前述した噴射タイミングの探索結果に基づいて設定されている。

エンジン１が低（高）負荷領域で運転するときには、吸気行程の後半（図１５に符号ＫＲで示す、吸気行程を２等分した後半の領域）に、２回に分けて燃料が噴射される。低（高）負荷領域は、低負荷領域（１）−１の中では、噴射される燃料の量は比較的多い。その燃料がほぼ二分（５：５）された状態で、２回に分けて噴射される。

吸気行程中に噴射されたこれら燃料は、比較的長い期間、スワール流によって周方向に移動する。それにより、拡散しながら燃焼室１７の中央部に偏向し、圧縮上死点直前の点火タイミングでは、燃焼室１７の中に大きく拡がった混合気分布を形成する。図１６の（ａ）に、その混合気分布を燃焼室１７の上方から見た図を模式的に示す。

先に噴射された燃料によって形成される混合気分布Ｇ１、及び、後に噴射された燃料よって形成される混合気分布Ｇ２を、概念的に示している。いずれの燃料噴射も、点火タイミングまでの期間が長いため、これら噴射で形成された各燃料の混合気分布Ｇ１，Ｇ２は、スワール流の作用を受けて移動し、均質で大きく拡がった状態となる。先に噴射された燃料の混合気分布Ｇ１の方が、後に噴射された燃料の混合気分布Ｇ２よりも僅かに大きく拡がる。いずれの混合気分布の重心も燃焼室１７の中央部に位置している。

これら混合気分布Ｇ１，Ｇ２が重なって、一体となった混合気分布が形成される。その混合気分布の中央部におけるＡ／Ｆは２０〜３５の範囲に、周辺部におけるＡ／Ｆは３５以上に、それぞれコントロールされている。尚、エンジン１が低（高）負荷領域で運転するときには、吸気行程の後半に燃料を１回で噴射してもよい。

点火プラグ２５は、圧縮上死点直前の点火タイミングで、燃焼室１７の中央部の混合気に点火をする。その混合気のＡ／Ｆは２０〜３５であるため、ＮＯｘの発生を抑制しながら火炎伝播によるＳＩ燃焼が安定して行える。ＳＩ燃焼が安定化することによって、適切なタイミングで、ＣＩ燃焼が開始する。ＳＰＣＣＩ燃焼において、ＣＩ燃焼のコントロール性が向上する。

エンジン１が、低（中）負荷領域及び低（低）負荷領域において運転するときには、吸気行程から圧縮行程の中期までの間のタイミングで燃料を噴射する前段噴射と、圧縮行程の中期以降のタイミングで燃料を噴射する後段噴射と、を含む複数回の噴射が行われる。圧縮行程の中期は、例えば、圧縮行程を前期、中期、及び後期に３等分したときの中間の期間である（図１５において前期、中期、及び後期を、各々符号Ａｆ、Ａｍ、Ａｒで示す）。前段噴射及び後段噴射が圧縮行程の中期に噴射される場合も含むが、その場合の前段噴射は後段噴射よりも先に噴射される。

エンジン１が、低（中）負荷領域において運転するときには、吸気行程の後半に、前段噴射が１回行われ、圧縮行程の中期に、後段噴射が１回行われる。低（中）負荷領域は、低（高）負荷領域に比べて、噴射される燃料の量は少ない。前段噴射は後段噴射よりも燃料が多く噴射される。例えば、前段噴射量：後段噴射量＝７：３の比率で噴射される。

吸気行程中に噴射された前段噴射の燃料の混合気分布は、拡散しながら燃焼室１７の中央部に偏向し、点火タイミングでは、燃焼室１７の中に大きく拡がった混合気分布を形成する。それに対し、圧縮行程の中期に噴射される後段噴射は、点火タイミングまでの時間が短い。そのため、後段噴射の燃料の混合気分布は、あまり拡散せず、点火タイミングでは、燃焼室１７の中央部の点火プラグ２５の周辺に、その重心が位置するように設定されている。それにより、点火タイミングでは、燃焼室１７の中央部と周辺部とでＡ／Ｆの分布が比較的大きく異なる混合気分布が形成される。

図１６の（ｂ）に、その混合気分布を模式的に示す。図１６の（ａ）と同様に、先に噴射された前段噴射の燃料の混合気分布Ｇ１、及び、後に噴射された後段噴射の燃料の混合気分布Ｇ２を概念的に示している。前段噴射の燃料の混合気分布Ｇ１は、相対的に燃料量は多いが、均質で大きく拡がった状態となる。従って、その燃料濃度は薄くなっている。後段噴射の燃料の混合気分布Ｇ２は、相対的に燃料は少ないが、集約されてあまり拡がらない状態となる。従って、その燃料濃度は濃くなっている。そして、いずれの混合気分布の重心も燃焼室１７の中央部に位置している。

それにより、比較的少量の燃料であっても、混合気分布の中央部におけるＡ／Ｆは、２０〜３５の範囲となっている。周辺部のＡ／Ｆは３５以上である。従って、低（高）負荷領域と同様に、ＮＯｘの発生を抑制しながら火炎伝播によるＳＩ燃焼が安定して行える。ＳＩ燃焼が安定化することによって、適切なタイミングで、ＣＩ燃焼が開始する。ＳＰＣＣＩ燃焼において、ＣＩ燃焼のコントロール性が向上する。

エンジン１が、低（低）負荷領域において運転するときには、吸気行程の後半に、前段噴射が１回行われ、圧縮行程には、後段噴射が３回に分けて行われる（後段第１噴射、後段第２噴射、及び後段第３噴射）。具体的には、後段第１噴射は、圧縮行程の前期から中期にわたる期間に行われ、後段第２噴射は、圧縮行程の中期に行われ、後段第３噴射は、圧縮行程の中期から後期にわたる期間に行われる。すなわち、後段噴射の噴射回数が増加するよう、インジェクタ６はＥＣＵ１０に制御される。

低（低）負荷領域は、低（中）負荷領域に比べて、噴射される燃料の量は少ない。燃料の噴射量の比率は、例えば、前段噴射量：後段第１噴射量：後段第２噴射量：後段第３噴射量＝１：１：１：０．５の比率であり、仕様に応じて設定できる。

後段第２噴射は、低（中）負荷領域での後段噴射と同じ圧縮行程の中期に行われ、後段第１噴射はそれよりも早いタイミングで行われ、後段第３噴射はそれよりも遅いタイミングで行われる。それにより、後段第１噴射の混合気分布は、後段第２噴射の混合気分布よりも大きく拡散し、後段第３噴射の混合気分布は、後段第２噴射の混合気分布よりも拡散せず、集約される。これら混合気分布の重心は、点火タイミングでは、燃焼室１７の中央部の点火プラグ２５の周辺に位置するように設定されている。それにより、点火のタイミングでは、燃焼室１７の中央部と周辺部とでＡ／Ｆの分布がより大きく異なる混合気分布が形成される。

図１６の（ｃ）に、その混合気分布を模式的に示す。前段噴射の燃料の混合気分布Ｇ１、並びに、後段第１噴射、後段第２噴射、及び後段第３噴射の各燃料の混合気分布Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４を概念的に示している。前段噴射、後段第１噴射、後段第２噴射、及び後段第３噴射の各燃料の混合気分布Ｇ１〜Ｇ４が重なることにより、Ａ／Ｆの分布が大きく異なる混合気分布が形成される。

それにより、少量の燃料であっても、混合気分布の中央部におけるＡ／Ｆは、２０〜３５の範囲となっている。周辺部のＡ／Ｆは３５以上である。従って、低（高）負荷領域や低（中）負荷領域と同様に、ＮＯｘの発生を抑制しながら火炎伝播によるＳＩ燃焼が安定して行える。ＳＩ燃焼が安定化することによって、適切なタイミングで、ＣＩ燃焼が開始する。ＳＰＣＣＩ燃焼において、ＣＩ燃焼のコントロール性が向上する。

その結果、エンジン１が低負荷領域（１）−１において運転するときには、ＳＩ燃焼の着火性の向上及びＳＩ燃焼の安定化を図ることができる。そして、安定したＳＰＣＣＩ燃焼が行え、低ＮＯｘかつ低燃費な燃焼が実現できる。

エンジン１が、低（低）負荷領域において運転するときには、後段噴射の噴射回数を増加するのではなく、後段噴射の噴射タイミングを遅く（遅角）してもよい。

具体的には、図１７に示すように、低（低）負荷領域では、低（中）負荷領域より、後段噴射の噴射タイミングが遅れるように、ＥＣＵ１０でインジェクタ６を制御する。後段噴射で噴射される燃料量は、双方とも同じでよい。そうすることで、低（低）負荷領域における後段噴射の燃料の混合気分布は、噴射から点火タイミングまでの期間が短くなるため、低（中）負荷領域における後段噴射の燃料の混合気分布よりも拡がりは小さくなる。後段噴射の噴射タイミングを遅くすることにより、燃料濃度の濃い（Ａ／Ｆが小さい）混合気分布が形成される。

これら混合気分布を重ねることにより、燃料濃度が薄い周辺部（Ａ／Ｆが３５以上）と、より分布範囲が小さく、燃料濃度がより濃い中央部（Ａ／Ｆが２０〜３５）とを有する混合気分布を、点火タイミングで形成することができる。従って、この場合も、ＮＯｘの発生を抑制しながら火炎伝播によるＳＩ燃焼が安定して行える。ＳＩ燃焼が安定化することによって、適切なタイミングで、ＣＩ燃焼が開始する。ＳＰＣＣＩ燃焼において、ＣＩ燃焼のコントロール性が向上する。

尚、エンジン負荷が同じ場合には、エンジン回転数が大小に変化しても、噴射タイミングは保持するとよい。

前述したように、スワール流は、エンジン回転数の影響をほとんど受けることがない。そのため、エンジン負荷が同じ、つまり噴射される燃料量が同じである場合には、エンジン回転数が大小に変化しても、同じタイミングで燃料を噴射すれば、点火タイミングにおいて同様の混合気分布を、燃焼室内に形成することができる。従って、エンジン負荷が同じ場合には、ＥＣＵ１０が、変化するエンジン回転数に対して噴射タイミングが保持されるよう、インジェクタ６に制御信号を出力すれば、安定した燃焼を実現しながら制御の簡素化が図れる。

低負荷領域（１）−１においてエンジン１は、混合気を理論空燃比よりもリーンしてＳＰＣＣＩ燃焼を行うため、低負荷領域（１）−１は、「ＳＰＣＣＩリーン領域」と呼ぶことができる。

（中負荷領域（１）−２）
エンジン１が中負荷領域（１）−２において運転しているときも、低負荷領域（１）−１と同様に、エンジン１は、ＳＰＣＣＩ燃焼を行う。

図６の符号６０２は、エンジン１が中負荷領域（１）−２において、運転状態６０２にて運転しているときの燃料噴射時期（符号６０２１，６０２２）及び点火時期（符号６０２３）、並びに、燃焼波形（符号６０２４）それぞれの一例を示している。図５Ａに、運転状態６０２に対応する運転領域を黒丸６０２によって示す。

ＥＧＲシステム５５は、エンジン１の運転状態が中負荷領域（１）−２にあるときに、燃焼室１７の中にＥＧＲガスを導入する。

また、エンジン１が中負荷領域（１）−２において運転するときにも、低負荷領域（１）−１と同様に、燃焼室１７の中には、スワール比が少なくとも２以上、好ましくは４以上の、強いスワール流が形成される。スワールコントロール弁（ＳＣＶ）５６は、全閉又は閉じ側の所定の開度である。スワール流を強くすることにより、燃焼室１７内の乱流エネルギーが高くなるから、エンジン１が中負荷領域（１）−２において運転するときに、ＳＩ燃焼の火炎が速やかに伝播してＳＩ燃焼が安定化する。ＳＩ燃焼が安定することによってＣＩ燃焼のコントロール性が高まる。ＳＰＣＣＩ燃焼におけるＣＩ燃焼のタイミングが適正化することによって、燃焼騒音の発生を抑制することができると共に、燃費性能の向上が図られる。また、サイクル間におけるトルクのばらつきを抑制することができる。

エンジン１が中負荷領域（１）−２において運転するときに、混合気の空燃比（Ａ／Ｆ）は、燃焼室１７の全体において理論空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．７）である。三元触媒が、燃焼室１７から排出された排出ガスを浄化することによって、エンジン１の排出ガス性能は良好になる。混合気のＡ／Ｆは、三元触媒の浄化ウインドウの中に収まるようにすればよい。従って、混合気の空気過剰率λは、１．０±０．２とすればよい。

エンジン１が中負荷領域（１）−２において運転するときに、インジェクタ６は、前段噴射（符号６０２１）と後段噴射（符号６０２２）との二回に分けて、燃焼室１７の中に燃料を噴射する。前段噴射は、点火タイミングから離れたタイミングで燃料を噴射し、後段噴射は、点火タイミングに近いタイミングで燃料を噴射する。前段噴射は、例えば圧縮行程の前半に行い、後段噴射は、例えば圧縮行程の後半に行ってもよい。圧縮行程の前半及び後半はそれぞれ、圧縮行程をクランク角度に関して二等分したときの前半及び後半とすればよい（図６に、圧縮行程の前半及び後半を、各々符号ＡＦ及びＡＲで示す）。

インジェクタ６は、燃焼室１７の中央部から径方向外方に向かって、傾いた複数の噴孔から放射状に燃料を噴射する。インジェクタ６が、圧縮行程の前半の期間内において前段噴射を行うと、ピストン３が上死点から離れているため、噴射した燃料噴霧は、上死点に向かって上昇しているピストン３の上面の、キャビティ３１の外に到達する。キャビティ３１の外の領域は、スキッシュエリア１７１を形成している（図２参照）。前段噴射によって噴射された燃料は、ピストン３が上昇する間にスキッシュエリア１７１に留まり、スキッシュエリア１７１において混合気を形成する。

インジェクタ６が、圧縮行程の後半において後段噴射を行うと、ピストン３が上死点に近いため、噴射した燃料噴霧は、キャビティ３１の中に入る。後段噴射によって噴射された燃料は、キャビティ３１の内の領域において混合気を形成する。ここで、「キャビティ３１の内の領域」とは、キャビティ３１の開口を燃焼室１７のルーフに投影した投影面からキャビティ３１の開口までの領域と、キャビティ３１の中の領域とを合わせた領域を意味する、としてもよい。キャビティ３１の内の領域は、燃焼室１７の中においてスキッシュエリア１７１以外の領域ということもできる。

後段噴射によってキャビティ３１の中に燃料を噴射することに伴い、キャビティ３１の内の領域において、ガスの流動が発生する。燃焼室１７の中の乱流エネルギーは、点火タイミングまでの時間が長いと、圧縮行程の進行に従い減衰してしまう。ところが、後段噴射の噴射タイミングは、前段噴射よりも点火タイミングに近いため、キャビティ３１の中の乱流エネルギーが高い状態のまま、点火プラグ２５は、キャビティ３１の内の領域の混合気に点火することができる。これにより、ＳＩ燃焼の燃焼速度が高まる。ＳＩ燃焼の燃焼速度が高まると、前述したように、ＳＩ燃焼によるＣＩ燃焼のコントロール性は高まる。

インジェクタ６が、前段噴射と後段噴射とを行うことによって、燃焼室１７の中には、全体として、空気過剰率λが１．０±０．２になった、略均質な混合気が形成される。混合気が略均質であるため、未燃損失の低減による燃費の向上、及び、スモークの発生回避による排出ガス性能の向上を図ることができる。空気過剰率λは、好ましくは、１．０〜１．２である。

圧縮上死点の前の所定のタイミングで、点火プラグ２５が混合気に点火をする（符号６０２３）ことによって、混合気は、火炎伝播により燃焼する。火炎伝播による燃焼の開始後、未燃混合気が自己着火して、ＣＩ燃焼する。後段噴射によって噴射された燃料は、主にＳＩ燃焼する。前段噴射によって噴射された燃料は、主にＣＩ燃焼する。前段噴射を圧縮行程中に行うと、前段噴射により噴射した燃料が過早着火等の異常燃焼を誘発することを防止することができる。また、後段噴射により噴射した燃料を、安定的に火炎伝播により燃焼させることができる。

中負荷領域（１）−２においてエンジン１は、混合気を理論空燃比にしてＳＰＣＣＩ燃焼を行うため、中負荷領域（１）−２は、「ＳＰＣＣＩλ＝１領域」と呼ぶことができる。

ここで、図５Ａに示すように、低負荷領域（１）−１の一部、及び、中負荷領域（１）−２の一部においては、過給機４４がオフにされる（Ｓ／Ｃ ＯＦＦ参照）。詳細には、低負荷領域（１）−１における低回転側の領域においては、過給機４４がオフにされる。低負荷領域（１）−１における高回転側の領域においては、エンジン１の回転数が高くなることに対応して必要な吸気充填量を確保するために、過給機４４がオンにされて、過給圧を高くする。また、中負荷領域（１）−２における低負荷低回転側の領域においては、過給機４４がオフにされ、中負荷領域（１）−２における高負荷側の領域においては、燃料噴射量が増えることに対応して必要な吸気充填量を確保するために、過給機４４がオンにされ、高回転側の領域においては、エンジン１の回転数が高くなることに対応して必要な吸気充填量を確保するために、過給機４４がオンになる。

尚、高負荷中回転領域（２）、高負荷低回転領域（３）、及び、高回転領域（４）の各領域においては、その全域に亘って過給機４４がオンになる（Ｓ／Ｃ ＯＮ参照）。

（高負荷中回転領域（２））
エンジン１が高負荷中回転領域（２）において運転しているときも、低負荷領域（１）−１及び中負荷領域（１）−２と同様に、エンジン１は、ＳＰＣＣＩ燃焼を行う。

図６の符号６０３は、エンジン１が高負荷中回転領域（２）において、運転状態６０３にて運転しているときの燃料噴射時期（符号６０３１、６０３２）及び点火時期（符号６０３３）、並びに、燃焼波形（符号６０３４）それぞれの一例を示している。図５Ａに、運転状態６０３に対応する運転領域を黒丸６０３によって示す。

ＥＧＲシステム５５は、エンジン１の運転状態が高負荷中回転領域（２）にあるときに、燃焼室１７の中にＥＧＲガスを導入する。エンジン１は、負荷が高まるに従いＥＧＲガスの量を減らす。全開負荷では、ＥＧＲガスをゼロにしてもよい。

また、エンジン１が高負荷中回転領域（２）において運転するときにも、低負荷領域（１）−１と同様に、燃焼室１７の中には、スワール比が少なくとも２以上、好ましくは４以上の、強いスワール流が形成される。スワールコントロール弁（ＳＣＶ）５６は、全閉又は所定の開度となるように閉じている。

エンジン１が高負荷中回転領域（２）において運転するときに、混合気の空燃比（Ａ／Ｆ）は、燃焼室１７の全体において理論空燃比又は理論空燃比よりもリッチである（つまり、混合気の空気過剰率λは、λ≦１）。

エンジン１が高負荷中回転領域（２）において、運転状態６０３にて運転するときに、インジェクタ６は、圧縮行程において、前段噴射（符号６０３１）と後段噴射（符号６０３２）との二回に分けて、燃焼室１７の中に燃料を噴射する。前段噴射は、例えば符号ＡＦで示す圧縮行程の前半に行い、後段噴射は、例えば符号ＡＲで示す圧縮行程の後半に行ってもよい。

燃焼室１７に強いスワール流を発生させていると、前段噴射の燃料は、燃焼室１７の中央部において混合気を形成する。中央部の混合気は、主にＳＩ燃焼によって燃焼する。後段噴射の燃料は主に、燃焼室１７の外周部において混合気を形成する。外周部の混合気は、主にＣＩ燃焼によって燃焼する。

そして、前段噴射と後段噴射とを行う燃料噴射において、燃焼室の外周部の混合気の燃料濃度が、中央部の混合気の燃料濃度よりも濃くかつ、外周部の混合気の燃料量が、中央部の混合気の燃料量よりも多くなるようにする。前段噴射の噴射量を、後段噴射の噴射量よりも多くすればよい。前段噴射の噴射量と後段噴射の噴射量との割合は、一例として、７：３としてもよい。

エンジン１が高負荷中回転領域（２）において運転するときには、点火プラグ２５が配置されている中央部の混合気は、好ましくは空気過剰率λが１以下であり、外周部の混合気は、空気過剰率λが１以下、好ましくは１未満である。中央部の混合気の空燃比（Ａ／Ｆ）は、例えば１３以上、理論空燃比（１４．７）以下としてもよい。中央部の混合気の空燃比は、理論空燃比よりもリーンであってもよい。また、外周部の混合気の空燃比は、例えば１１以上、理論空燃比以下、好ましくは１２１以上、１２以下としてもよい。燃焼室１７の全体の混合気の空燃比は、１２．５以上、１３以下としてもよい。燃焼室１７の外周部の空気過剰率λを１未満にすると、外周部は混合気中の燃料量が増えるため、燃料の気化潜熱によって温度を低下させることができる。燃焼室１７の全体の混合気の空燃比は、１２．５以上、理論空燃比以下、好ましくは１２．５以上、１３以下としてもよい。

点火プラグ２５は燃焼室１７の中央部に配置されているため、点火プラグ２５は、燃焼室１７の中央部の混合気に点火をする（符号６０３３）。点火プラグ２５の点火によって、中央部の混合気が火炎伝播によるＳＩ燃焼を開始する。

高負荷領域においては、燃料噴射量が多くなると共に、燃焼室１７の温度も高くなるため、ＣＩ燃焼が開始しやすい状況になる。言い換えると、高負荷領域においては、過早着火が発生しやすい。しかしながら、前述の通り、燃焼室１７の外周部の温度が、燃料の気化潜熱によって低下しているから、混合気に火花点火をした後、ＣＩ燃焼がすぐに開始してしまうことを回避することができる。

従って、高負荷中回転領域（２）においてエンジン１は、混合気を理論空燃比又は理論空燃比よりもリッチしてＳＰＣＣＩ燃焼を行うため、高負荷中回転領域（２）は、「ＳＰＣＣＩλ≦１領域」と呼ぶことができる。

（高負荷低回転領域（３））
エンジン１の回転数が低いと、クランク角が１°変化するのに要する時間が長くなる。高負荷低回転領域（３）において、高負荷中回転領域（２）と同様に、例えば吸気行程や圧縮行程の前半に、燃焼室１７内に燃料を噴射すると、燃料の反応が進みすぎてしまって過早着火を招く恐れがある。エンジン１が高負荷低回転領域（３）において運転しているときには、前述したＳＰＣＣＩ燃焼を行うことが困難になる。

そこで、エンジン１が高負荷中回転領域（３）において運転しているときに、エンジン１は、ＳＰＣＣＩ燃焼ではなく、ＳＩ燃焼を行う。

図６の符号６０４は、エンジン１が高負荷中回転領域（３）において、運転状態６０４にて運転しているときの燃料噴射時期（符号６０４１）及び点火時期（符号６０４２）、並びに、燃焼波形（符号６０４３）それぞれの一例を示している。図５Ａに、運転状態６０４に対応する運転領域を黒丸６０４によって示す。

ＥＧＲシステム５５は、エンジン１の運転状態が高負荷中回転領域（３）にあるときに、燃焼室１７の中にＥＧＲガスを導入する。エンジン１は、負荷が高まるに従いＥＧＲガスの量を減らす。全開負荷では、ＥＧＲガスをゼロにしてもよい。

エンジン１が高負荷低回転領域（３）において運転しているときに、混合気の空燃比（Ａ／Ｆ）は、燃焼室１７の全体において理論空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．７）である。混合気のＡ／Ｆは、三元触媒の浄化ウインドウの中に収まるようにすればよい。従って、混合気の空気過剰率λは、１．０±０．２とすればよい。混合気の空燃比を、理論空燃比にすることにより、高負荷低回転領域（３）において、燃費性能が向上する。尚、エンジン１が高負荷低回転領域（３）において運転するときに、燃焼室１７の全体の混合気の燃料濃度を、空気過剰率λにおいて１以下でかつ、高負荷中回転領域（２）における空気過剰率λ以上、好ましくは高負荷中回転領域（２）における空気過剰率λよりも大にしてもよい。

エンジン１が高負荷低回転領域（３）において運転するときに、インジェクタ６は、圧縮行程終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）内のタイミングで、燃焼室１７内に燃料を噴射する（符号６０４１）。圧縮行程の終期は、前述したように、圧縮行程を、前期、中期及び後期に三等分したときの後期を終期とすればよい。また、膨張行程の初期は、これと同様にして、膨張行程を、前期、中期及び後期に三等分したときの前期を初期とすればよい。

燃料の噴射時期を遅い時期にすることにより、過早着火を回避することが可能になる。燃料圧力は、３０ＭＰａ以上の高い燃料圧力に設定される。燃料圧力を高くすることによって、燃料の噴射期間及び混合気の形成期間を、それぞれ短くすることができる。燃料圧力の上限値は、一例として、１２０ＭＰａとしてもよい。

点火プラグ２５は、燃料の噴射後、圧縮上死点付近のタイミングで、混合気に点火を行う（符号６０４２）。点火プラグ２５は、例えば圧縮上死点後に点火を行ってもよい。混合気は、膨張行程においてＳＩ燃焼をする。ＳＩ燃焼が膨張行程において開始するため、ＣＩ燃焼は開始しない。

インジェクタ６は、過早着火を回避するために、エンジン１の回転数が低くなるほど、燃料噴射の時期を遅角する。燃料噴射は、膨張行程において終了する場合もある。

高負荷低回転領域（３）においてエンジン１は、燃料を圧縮行程終期から膨張行程初期までのリタード期間に噴射をしてＳＩ燃焼を行うため、高負荷低回転領域（３）は、「リタード−ＳＩ領域」と呼ぶことができる。

（高回転領域（４））
エンジン１の回転数が高いと、クランク角が１°変化するのに要する時間が短くなる。そのため、例えば高負荷領域における高回転領域において、前述したように、圧縮行程中に分割噴射を行うことにより、燃焼室１７内において混合気の成層化をすることが困難になる。エンジン１の回転数が高くなると、前述したＳＰＣＣＩ燃焼を行うことが困難になる。

そのため、エンジン１が高回転領域（４）において運転しているときには、エンジン１は、ＳＰＣＣＩ燃焼ではなく、ＳＩ燃焼を行う。尚、高回転領域（４）は、低負荷から高負荷まで負荷方向に広がっている。

図６の符号６０５は、エンジン１が高回転領域（４）において、運転状態６０５にて運転しているときの燃料噴射時期（符号６０５１）及び点火時期（符号６０５２）、並びに、燃焼波形（符号６０５３）それぞれの一例を示している。図５Ａに、運転状態６０５に対応する運転領域を黒丸６０５によって示す。

ＥＧＲシステム５５は、エンジン１の運転状態が高回転領域（４）にあるときに、燃焼室１７の中にＥＧＲガスを導入する。エンジン１は、負荷が高まるに従いＥＧＲガスの量を減らす。全開負荷では、ＥＧＲガスをゼロにしてもよい。

エンジン１は、高回転領域（４）において運転するときには、スワールコントロール弁（ＳＣＶ）５６を全開にする。燃焼室１７内にはスワール流が発生せず、タンブル流のみが発生する。スワールコントロール弁（ＳＣＶ）５６を全開にすることによって、高回転領域（４）において充填効率を高めることができると共に、ポンプ損失を低減することが可能になる。

エンジン１が高回転領域（４）において運転するときに、混合気の空燃比（Ａ／Ｆ）は、基本的には、燃焼室１７の全体において理論空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．７）である。混合気の空気過剰率λは、１．０±０．２とすればよい。尚、高回転領域（４）内の、全開負荷を含む高負荷領域においては、混合気の空気過剰率λを１未満にしてもよい。

エンジン１が高回転領域（４）において運転するときに、インジェクタ６は、吸気行程に燃料噴射を開始する（符号６０５１）。インジェクタ６は、燃料を一括で噴射する。尚、運転状態６０５は、エンジン１の負荷が高いため、燃料噴射量が多い。燃料の噴射量に応じて、燃料の噴射期間は変化する。吸気行程中に燃料噴射を開始することによって、燃焼室１７の中に、均質又は略均質な混合気を形成することが可能になる。また、エンジン１の回転数が高いときに、燃料の気化時間をできるだけ長く確保することができるため、未燃損失の低減を図ることもできる。

点火プラグ２５は、燃料の噴射終了後、圧縮上死点前の適宜のタイミングで、混合気に点火を行う（符号６０５２）。

従って、高回転領域（４）においてエンジン１は、燃料噴射を吸気行程に開始してＳＩ燃焼を行うため、高回転領域（４）は、「吸気−ＳＩ領域」と呼ぶことができる。

（エンジンの制御プロセス）
次に、図１８のフローチャートを参照しながら、ＥＣＵ１０が実行するエンジン１の運転制御について説明をする。先ず、スタート後のステップＳ１において、ＥＣＵ１０は、各センサＳＷ１〜ＳＷ１６の信号を読み込む。ＥＣＵ１０は、続くステップＳ２において、エンジン１の運転領域を判断する。

ＥＣＵ１０は、ステップＳ３において、エンジン１が「ＳＰＣＣＩリーン領域」（つまり、低負荷領域（１）−１）で運転するか否かを判断する。ステップＳ３の判定がＹＥＳのときには、プロセスはステップＳ８に進み、ＮＯのときには、プロセスはステップＳ４に進む。

ＥＣＵ１０は、ステップＳ４において、エンジン１が「ＳＰＣＣＩλ＝１領域」（つまり、中負荷領域（１）−２）で運転するか否かを判断する。ステップＳ４の判定がＹＥＳのときには、プロセスはステップＳ９に進み、ＮＯのときには、プロセスはステップＳ５に進む。

ＥＣＵ１０は、ステップＳ５において、エンジン１が「ＳＰＣＣＩλ≦１領域」（つまり、高負荷中回転領域（２）で運転するか否かを判断する。ステップＳ５の判定がＹＥＳのときには、プロセスはステップＳ１０に進み、ＮＯのときには、プロセスはステップＳ６に進む。

ＥＣＵ１０は、ステップＳ６において、エンジン１が「リタードＳＩ領域」（つまり、高負荷低回転領域（３）で運転するか否かを判断する。ステップＳ６の判定がＹＥＳのときには、プロセスはステップＳ１１に進み、ＮＯのときには、プロセスはステップＳ７に進む。

ＥＣＵ１０は、ステップＳ７において、エンジン１の運転領域が「吸気ＳＩ領域（つまり、高回転領域（４）であるか否かを判断する。ステップＳ７の判定がＹＥＳのときには、プロセスはステップＳ１２に進み、ＮＯのときには、プロセスはステップＳ１に戻る。

ステップＳ８において、ＥＣＵ１０は、スワールコントロール弁（ＳＣＶ）５６に、弁を閉じるよう制御信号を出力する。また、ＥＣＵ１０は、吸気行程に前段噴射を行い、圧縮行程に後段噴射を行うよう、インジェクタ６に制御信号を出力する。強いスワール流が発生した燃焼室１７の中に、成層化した混合気を形成することができる。その後のステップＳ１３において、ＥＣＵ１０は、圧縮上死点前の所定のタイミングで点火を行うよう、点火プラグ２５に制御信号を出力する。これにより、エンジン１は、ＳＰＣＣＩ燃焼を行う。

ステップＳ９において、ＥＣＵ１０は、スワールコントロール弁５６に、弁を閉じるよう制御信号を出力する。また、ＥＣＵ１０は、圧縮行程において、前段噴射と後段噴射とを行うよう、インジェクタ６に制御信号を出力する。強いスワール流が発生した燃焼室１７の中にλ＝１の混合気を形成することができる。ＥＣＵ１０は、その後のステップＳ１３において、圧縮上死点前の所定のタイミングで点火を行うよう、点火プラグ２５に制御信号を出力する。これにより、エンジン１は、ＳＰＣＣＩ燃焼を行う。

ステップＳ１０において、ＥＣＵ１０は、スワールコントロール弁５６に、弁を閉じるよう制御信号を出力する。また、ＥＣＵ１０は、圧縮行程において燃料を分割噴射するよう、又は、吸気行程において燃料を一括噴射するよう、インジェクタ６に制御信号を出力する。強いスワール流が発生した燃焼室１７の中に、成層化した混合気を形成することができる。ＥＣＵ１０は、その後のステップＳ１３において、圧縮上死点前の所定のタイミングで点火を行うよう、点火プラグ２５に制御信号を出力する。これにより、エンジン１は、ＳＰＣＣＩ燃焼を行う。

ステップＳ１１において、ＥＣＵ１０は、スワールコントロール弁５６に、弁が半開になるよう制御信号を出力する。また、ＥＣＵ１０は、圧縮行程終期から膨張行程初期において燃料噴射を行うよう、インジェクタ６に制御信号を出力する。その後のステップＳ１３において、ＥＣＵ１０は、燃料の噴射終了後でかつ圧縮上死点後の所定のタイミングで点火を行うよう、点火プラグ２５に制御信号を出力する。これにより、エンジン１は、ＳＩ燃焼を行う。

ステップＳ１２において、ＥＣＵ１０は、スワールコントロール弁５６に、弁を開けるよう制御信号を出力する。また、ＥＣＵ１０は、吸気行程において燃料噴射を行うよう、インジェクタ６に制御信号を出力する。燃焼室１７の中に、均質又は略均質な混合気を形成することができる。その後のステップＳ１３において、ＥＣＵ１０は、圧縮上死点前の所定のタイミングで点火を行うよう、点火プラグ２５に制御信号を出力する。これにより、エンジン１は、ＳＩ燃焼を行う。

（他の実施形態）
尚、ここに開示する技術は、前述した構成のエンジン１に適用することに限定されない。エンジン１の構成は、様々な構成を採用することが可能である。

また、エンジン１は、機械式過給機４４に代えて、ターボ過給機を備えるようにしてもよい。

スワール流を利用した混合気分布の制御は、前述した実施形態に限定されない。低負荷領域以外の領域にも適用可能である。燃料の噴射タイミング、燃料の噴射量、燃料の噴射回数、スワール比、燃料の噴射形態等を変更することにより、燃焼が開始されるタイミングで様々な形態の混合気分布を形成することができる。

実施形態では、斜めスワール流を示したが、スワール流は斜めスワール流に限らない。中心軸Ｘ１に直交して流動する、タンブル成分を含まないスワール流であっても、混合気分布の制御は可能である（例えば、インジェクタ６の噴射軸心Ｘ２をスワール流に対して傾斜して配設する）。

また、インジェクタ６から異なる方向に同時に複数の燃料を噴射するのではなく、インジェクタ６から同じ方向に複数の燃料を間隔を空けて噴射しても、混合気分布の制御は可能である。要は、スワール流に対して所定のタイミングでその上流側や下流側に到達するように、燃料を噴射すればよい。

１ エンジン
１０ ＥＣＵ（制御部）
１７ 燃焼室
２５ 点火プラグ（点火部）
３ ピストン
５６ スワールコントロール弁（スワール発生部）
６ インジェクタ（燃料噴射部）

Claims (7)

1. シリンダの内部をその中心軸に沿って摺動するピストンで底面が区画された燃焼室を有し、当該燃焼室の内部において、火炎伝播により混合気がＳＩ燃焼を開始した後、自己着火により未燃混合気がＣＩ燃焼する、エンジンの制御装置であって、
   前記燃焼室の中央部で点火する点火部と、
   前記燃焼室の内部に燃料を噴射する燃料噴射部と、
   前記燃焼室の内部に前記中心軸に対して傾斜した方向に流れる斜めのスワール流を発生させるスワール発生部と、
   前記点火部、及び前記燃料噴射部を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記スワール発生部がスワール流を発生した後の所定の噴射タイミングで燃料が噴射されるように、前記燃料噴射部を制御し、燃料の噴射の終了後の所定の点火タイミングで点火するように、前記点火部を制御し、
   少なくとも、吸気行程から圧縮行程の中期までの間のタイミングで燃料を噴射する前段噴射と、圧縮行程の中期以降のタイミングで燃料を噴射する後段噴射とを含む複数回の噴射が行われるように構成されていて、
   前記燃料噴射部は、前記燃焼室の中央部に配置されると共に、噴射方向が周方向で異なる少なくとも第１噴射孔、第２噴射孔、第３噴射孔、及び第４噴射孔を含む複数の噴射孔から、前記スワール発生部によって発生された前記スワール流に噴霧が到達する第１燃料、第２燃料、第３燃料、及び第４燃料を含む複数の燃料を同時に噴射し、
   前記第１燃料の噴霧が前記スワール流に到達した位置を第１位置、前記第２燃料の噴霧が前記スワール流に到達した位置を第２位置としたとき、前記第１燃料の噴霧は、前記第１位置に到達した後、前記第２燃料の噴霧が前記第２位置に到達するまでの間に移動し、前記スワール流によって第２位置から遠ざかるように構成されると共に、前記第３燃料の噴霧が前記スワール流に到達した後、前記第４燃料の噴霧が、前記スワール流によって前記第３燃料の噴霧が移動した位置に到達するよう構成されているエンジンの制御装置。
2. 請求項１に記載のエンジンの制御装置において、
   前記エンジンが所定負荷未満の低負荷側の運転領域で運転するときに、前記ＳＩ燃焼及び前記ＣＩ燃焼が行われ、
   前記低負荷側の運転領域では、前記後段噴射の行われるタイミングが、高負荷側よりも低負荷側で遅くなるよう、前記制御部が前記燃料噴射部を制御するエンジンの制御装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載のエンジンの制御装置において、
   前記エンジンが所定負荷未満の低負荷側の運転領域で運転するときに、前記ＳＩ燃焼及び前記ＣＩ燃焼が行われ、
   前記低負荷側の運転領域では、前記後段噴射の噴射回数が、高負荷側よりも低負荷側で増加するよう、前記制御部が前記燃料噴射部を制御するエンジンの制御装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１つに記載のエンジンの制御装置において、
   前記スワール発生部が、スワール比が４以上のスワール流を発生させるエンジンの制御装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１つに記載のエンジンの制御装置において、
   ３０ＭＰａ以上１２０ＭＰａ以下の範囲の圧力で燃料が噴射されるよう、前記制御部が前記燃料噴射部を制御するエンジンの制御装置。
6. 請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載のエンジンの制御装置において、
   前記噴射タイミングの各々で噴射される燃料によって形成される混合気分布の重心が、前記点火タイミングで前記燃焼室の中央部に位置するよう、前記制御部が、前記点火部、及び前記燃料噴射部を制御するエンジンの制御装置。
7. 請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載のエンジンの制御装置において、
   同時に噴射される複数の前記燃料は、前記燃焼室の壁面に到達する第５燃料を含み、
   前記第５燃料の噴霧が、前記壁面に到達した後、当該壁面に沿って移動して前記スワール流に到達するよう、構成されているエンジンの制御装置。