JP6565984B2 - 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。

特許文献１には、予混合圧縮着火燃焼を行うディーゼルエンジンにおいて、外気温度又は吸気温度が低下したときに、燃焼室内に吸入される空気量を増加することによって、混合気の空燃比をリーンにすることが記載されている。これにより、予混合時における燃料と空気との酸化反応を促進して、所望の熱発生率波形を得る。

特開２０１３−４４２８９号公報

特許文献１に記載された技術は、外気温度又は吸気温度に応じて、混合気の空燃比を調整する。しかしながら、本願発明者らの検討によると、外気温度又は吸気温度にのみに基づいて制御を行っても、圧縮着火による燃焼が安定化しない場合があることが新たにわかった。

ここに開示する技術は、圧縮着火式エンジンにおいて、圧縮着火による燃焼を安定化する。

具体的に、ここに開示する圧縮自己着火式エンジンは、燃焼室内の混合気が圧縮着火により燃焼するエンジンと、前記エンジンに取り付けられた燃料噴射部と、前記エンジンに取り付けられかつ、前記燃焼室の中への少なくとも新気の導入を調整する状態量調整部と、前記エンジンの排気通路に設けられた三元触媒と、前記燃焼室の壁温に関連するパラメータを取得する壁温取得部と、前記燃料噴射部、前記状態量調整部、及び、前記壁温取得部に接続されかつ、前記壁温取得部からの検知信号を受けると共に、前記燃料噴射部及び前記状態量調整部に制御信号を出力する制御部と、を備える。

そして、前記燃焼室内には、壁に沿って周回するスワール流が発生しており、前記制御部は、前記燃焼室の壁温が所定壁温未満のときには、前記混合気の空燃比を、前記三元触媒の浄化ウインドウに収まるよう、略理論空燃比にする。

ここで、「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。また、「略理論空燃比」は、理論空燃比と、理論空燃比近傍の空燃比とを含む。理論空燃比近傍の空燃比は、三元触媒の浄化ウインドウに収まることを限度とする。また、「状態量調整部」は、吸気通路に配設されたスロットル弁に限らない。例えば吸気弁のバルブタイミング及び／又はバルブリフトを調整することによって新気の導入量を調整してもよい。また、状態量調整部は、燃焼室の中へのＥＧＲガスの量を調整することによって、新気の導入量を調整するよう構成してもよい。

このエンジンの燃焼室内には、燃焼室の壁に沿って周回するスワール流が発生している。スワール流は、壁面近い燃焼室内の外周部において強く、壁面から離れた燃焼室内の中央部において弱い。

エンジンは、燃焼室内の混合気を圧縮着火により燃焼させる。混合気は、燃焼室内が所定の圧力及び／又は所定温度に達すると圧縮着火するが、燃焼室の外周部はスワール流が強いため、混合気と壁面との間の熱交換効率が高くなる。壁面の温度が低いと、外周部は中央部よりも温度が低くなりやすい。壁面の温度が低いときには、外周部の混合気は、圧縮着火し難くなる。その結果、エンジンの排気エミッション性能が低下する恐れがある。

前記の構成は、壁温取得部によって取得された燃焼室の壁温に関連するパラメータに基づいて、燃焼室の壁温が所定壁温未満のときには、混合気の空燃比を、前記三元触媒の浄化ウインドウに収まるよう、略理論空燃比にする。排気通路に設けた三元触媒によって、燃焼室から排出された排気ガスを浄化することができる。燃焼室の壁温が低いときに排気エミッション性能が低下することが防止される。

前記制御部は、前記燃焼室の壁温が前記所定壁温以上のときには、前記混合気の空燃比を理論空燃比よりもリーンにする、としてもよい。

燃焼室の壁温が高いときには、燃焼室内の混合気は、適切に圧縮着火による燃焼をする。混合気の空燃比を理論空燃比よりもリーンにしても、圧縮着火による燃焼の排気エミッション性能は低下しない。混合気の空燃比を理論空燃比よりもリーンにすることによって、エンジンの燃費性能を向上させることができる。

前記制御部は、前記エンジンの負荷が所定負荷以下でかつ、前記燃焼室の壁温が所定壁温未満のときには、前記混合気の空燃比を略理論空燃比にし、前記エンジンの負荷が所定負荷以下でかつ、前記燃焼室の壁温が前記所定壁温以上のときには、前記混合気の空燃比を理論空燃比よりもリーンにする、としてもよい。

エンジンの負荷が低いときに、混合気の空燃比を理論空燃比よりもリーンにすることによって、エンジンの燃費性能の向上に、より有利になる。また、エンジンの負荷が低くかつ、燃焼室の壁温が所定壁温未満のときには、混合気の空燃比を略理論空燃比にすることによって、排気エミッション性能が低下してしまうことを防止することができる。

前記状態量調整部は、前記燃焼室の中への新気及びＥＧＲガスの導入を調整し、前記制御部は、前記燃焼室の壁温が所定壁温未満のときには、前記混合気の空燃比を略理論空燃比にすると共に、前記燃焼室にＥＧＲガスを導入する、としてもよい。

燃焼室にＥＧＲガスを導入して混合気を希釈することにより、エンジンの燃費性能を向上させることができる。つまり、混合気の空燃比を略理論空燃比にすると共に、燃焼室にＥＧＲガスを導入することによって、燃費性能の向上と、排気エミッション性能の維持とが両立する。

前記制御部は、前記燃焼室の中の全ガスと燃料との重量比に関係する指標としてのＧ／Ｆを、１８以上にする、としてもよい。本願発明者らの知見によると、Ｇ／Ｆを１８以上にすると、圧縮着火による燃焼において、燃焼騒音が許容値を超えてしまうことを防止することができる。尚、本願発明者らの知見によると、混合気のＧ／Ｆは、例えば５０以下としてもよい。

前記圧縮着火式エンジンの制御装置は、前記燃焼室内に臨んで配設された点火部を備え、前記制御部は、点火された混合気がスワール流によって前記燃焼室の壁に沿う火炎伝播を開始した後、未燃混合気が所定時期において圧縮着火するよう、前記点火部を所定のタイミングで点火させる、としてもよい。

この燃焼形態は、ＳＩ（Spark Ignition）燃焼とＣＩ（Compression Ignition）燃焼とを組み合わせた燃焼形態である。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。この燃焼形態は、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。ＳＰＣＣＩ燃焼は、ＣＩ燃焼を含んでいるため、「圧縮着火による燃焼」の一形態である。

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。

前記の構成では、燃焼室内にスワール流が発生しているため、混合気が点火されると、スワール流により、燃焼室の壁に沿って火炎が伝播する。燃焼室の壁温が低いと、ＳＰＣＣＩ燃焼におけるＳＩ燃焼が、壁面によって冷やされるため、圧縮着火のタイミングが遅くなる。未燃混合気を目標タイミングにおいて圧縮着火させようとすると、例えば燃料量を増やすことにより、ＳＰＣＣＩ燃焼においてＳＩ燃焼による熱発生量を増やす必要がある。しかしながら、燃料量を増やすと、排気エミッション性能が低下する恐れがある。

そこで、ＳＰＣＣＩ燃焼を行う際に、壁温が所定壁温未満のときには、混合気の空燃比を略理論空燃比にする。三元触媒によって、燃焼室から排出された排気ガスを浄化することができるから、エンジンの排気エミッション性能の低下を防止することができる。

また、壁温が所定壁温以上のときには、混合気の空燃比を理論空燃比よりもリーンにしても、ＳＰＣＣＩ燃焼の燃焼安定性が確保されると共に、排気エミッション性能は低下しない。混合気の空燃比をリーンにすることによって、エンジンの燃費性能を向上させることができる。

前記圧縮着火式エンジンの制御装置は、前記燃焼室内にスワール流を発生させるスワール発生部を備え、前記制御部は、前記スワール発生部を通じて、前記点火のタイミングにおける前記燃焼室の中の状態を、４以上のスワール比にする、としてもよい。

燃焼室内のスワール流を強くすると、ＳＰＣＣＩ燃焼において、ＣＩ燃焼が開始するまでに、ＳＩ燃焼を十分に行うことができる。燃焼騒音の発生を抑制することができると共に、燃焼温度が高くなりすぎることがなくてＮＯｘの生成も抑制される。また、未燃混合気の圧縮着火が目標のタイミングで行われるようになり、ＳＰＣＣＩ燃焼の安定性が高まる結果、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。

以上説明したように、前記の圧縮着火式エンジンによると、圧縮着火による燃焼を安定化することができる。

図１は、エンジンの構成を例示する図である。 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Ａ−Ａ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。 図４の左図は、エンジンの冷却装置のメイン回路の構成を例示する図であり、図４の右図は、エンジンの冷却装置のサブ回路の構成を例示する図である。 図５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６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７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８は、エンジンの運転領域マップを例示する図である。 図９は、図８の運転領域マップの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１０は、ＳＰＣＣＩ燃焼のコンセプトを説明する燃焼室の平面視相当図である。 図１１は、エンジンの運転領域マップのレイヤ構造を説明する図である。 図１２は、運転領域マップのレイヤ選択に係る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、圧縮着火式エンジンの実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明は、エンジンの一例である。図１は、エンジンの構成を例示する図である。図２は、燃焼室の構成を例示する図である。図３は、燃焼室及び吸気系の構成を例示する図である。尚、図１におけ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及び図３におけ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、エンジンの冷却装置の構成を例示する図である。図５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。

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。

（エンジンの構成）
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。

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の上図に示すように、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、後述するインジェクタ６の噴射軸心Ｘ２に向かって上り勾配となっている。傾斜面１３１２は、排気側から噴射軸心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。

ピストン３の上面は燃焼室１７の天井面に向かって隆起している。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の中心は、シリンダ１１の中心軸Ｘ１よりも排気側にずれている。キャビティ３１の中心は、インジェクタ６の噴射軸心Ｘ２と一致している。キャビティ３１は、凸部３１１を有している。凸部３１１は、インジェクタ６の噴射軸心Ｘ２上に設けられている。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、燃焼室１７の天井面に向かって上向きに伸びている。

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。キャビティ３１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。

エンジン１の幾何学的圧縮比は、１３以上３０以下に設定されている。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燃焼とＣＩ燃焼とを組み合わせたＳＰＣＣＩ燃焼を行う。ＳＰＣＣＩ燃焼は、ＳＩ燃焼による発熱と圧力上昇とを利用して、ＣＩ燃焼をコントロールする。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を、比較的低く設定することが可能である。幾何学的圧縮比を低くすると、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。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５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Ｓ−ＶＴ２３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の開時期及び閉時期は、連続的に変化する。尚、吸気動弁機構は、電動Ｓ−ＶＴに代えて、油圧式のＳ−ＶＴ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５に示すように、可変動弁機構は、排気電動Ｓ−ＶＴ２４を有している。排気電動Ｓ−ＶＴ２４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の開時期及び閉時期は、連続的に変化する。尚、排気動弁機構は、電動Ｓ−ＶＴに代えて、油圧式のＳ−ＶＴを有していてもよい。

このエンジン１は、吸気電動Ｓ−ＶＴ２３及び排気電動Ｓ−ＶＴ２４によって、吸気弁２１の開時期と排気弁２２の閉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の中の残留ガスを掃気する。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、内部ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）ガスを燃焼室１７の中に導入する、又は、燃焼室１７の中に閉じ込める。この構成例においては、吸気電動Ｓ−ＶＴ２３及び排気電動Ｓ−ＶＴ２４が、内部ＥＧＲシステムを構成している。尚、内部ＥＧＲシステムは、Ｓ−ＶＴによって構成されるとは限らない。また、吸気電動Ｓ−ＶＴ２３及び排気電動Ｓ−ＶＴ２４はそれぞれ、燃焼室１７の中への新気及びＥＧＲガスの導入を調整する状態量調整部の一つである。

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１１の中心軸Ｘ１よりも排気側に配設されている。インジェクタ６の噴射軸心Ｘ２は、中心軸Ｘ１に平行である。インジェクタ６の噴射軸心Ｘ２と、前述したようにキャビティ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、複数の噴口を有する多噴口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るように燃料を噴射する。インジェクタ６は、本構成例においては、十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。噴孔の軸は、図２の上図に示すように、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の噴口から燃焼室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１２０ＭＰａ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、シリンダ１１の中心軸Ｘ１よりも吸気側に配設されている。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、図２に示すように、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。尚、点火プラグ２５を、シリンダ１１の中心軸Ｘ１よりも排気側に配置してもよい。また、点火プラグ２５をシリンダ１１の中心軸Ｘ１上に配置する一方、インジェクタ６を、シリンダ１１の中心軸Ｘ１よりも吸気側、又は、排気側に配設してよい。

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。スロットル弁４３は、状態量調整部の一つである。

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、例えばリショルム式としてもよい。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、ルーツ式、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。インタークーラー４６は、油冷式であってもよい。

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。より具体的に、バイパス通路４７は、サージタンク４２に接続されている。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。尚、過給時とは、サージタンク４２内の圧力が大気圧を超える時をいい、非過給時とは、サージタンク４２内の圧力が大気圧以下になる時をいう、と定義してもよい。

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。過給システム４９は、状態量調整部の一つである。

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との内の、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、白抜きの矢印で示すように、図３における反時計回り方向に周回する（図２の白抜きの矢印も参照）。

ここで、スワール流の強さについて説明する。スワール流の強さは、スワール比によって表すことができる。「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と定義することができる。吸気流横方向角速度は、図６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６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７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７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７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。スワール比を４以上にするならば、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。

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の中に吸気が不均等に導入するから、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。

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。例えば、ＧＰＦは省略してもよい。また、触媒コンバーターは、三元触媒を有するものに限定されない。さらに、三元触媒及びＧＰＦの並び順は、適宜変更してもよい。

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。より具体的に、ＥＧＲ通路５２の下流端は、バイパス通路４７の途中に接続されている。ＥＧＲ通路５２を流れるＥＧＲガスは、バイパス通路４７のエアバイパス弁４８を通らずに、吸気通路４０における過給機４４の上流に入る。

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Ｓ−ＶＴ２３及び排気電動Ｓ−ＶＴ２４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。ＥＧＲ弁５４はまた、状態量調整部の一つを構成している。外部ＥＧＲシステムは、ＥＧＲ通路５２がＧＰＦ５１２よりも下流に接続されていると共に、ＥＧＲクーラー５３を有しているため、内部ＥＧＲシステムよりも低温の既燃ガスを、燃焼室１７に供給することができる。

エンジン１の冷却装置７１は、図４に示すように、メイン回路７１Ａとサブ回路７１Ｂとを備えている。メイン回路７１Ａ及びサブ回路７１Ｂは、互いに独立している。メイン回路７１Ａとサブ回路７１Ｂとの間で、冷媒（つまり、冷却水）は相互に行き来しない。

メイン回路７１Ａは、走行風を利用して冷媒を冷却するメインラジエータ７２と、メインラジエータ７２によって冷却された冷却水を、シリンダヘッド１３及びシリンダブロック１２から構成されるエンジン本体１００に供給する可変容量型のウォータポンプ７４と、を有している。ウォータポンプ７４は、エンジン１によって駆動される。エンジン本体１００に供給された冷却水は、図示は省略するが、エンジン本体１００内において、燃焼室１７の周囲に設けられたウォータージャケット内を流れてエンジン本体１００の各部を冷却した後、エンジン本体１００から排出され、メインラジエータ７２に戻る。後述する水温センサＳＷ１０は、冷却水の温度を検知する。水温センサＳＷ１０によって検知された冷却水の温度は、エンジン本体１００の温度として、エンジン１の各種の制御に利用される場合がある。詳細は後述するが、水温センサＳＷ１０によって検知された冷却水の温度は、燃焼室１７の壁温の温度として用いられ、エンジン１の運転領域マップのレイヤ選択に利用される。

サブ回路７１Ｂは、メインラジエータ７２と同様に、走行風を利用して冷媒を冷却するサブラジエータ７５と、サブラジエータ７５によって冷却された冷媒をインタークーラー４６へ供給する電動ウォータポンプ７６と、を有している。インタークーラー４６に供給された冷媒は、インタークーラー４６を通過するガスを冷却した後に、インタークーラー４６から排出され、サブラジエータ７５に戻る。

メイン回路７１Ａを流れる冷媒は、エンジン本体１００の内部を通過する。サブ回路７１Ｂを流れる冷媒は、エンジン本体１００の内部を通過しない。そのため、メイン回路７１Ａを流れる冷媒は、サブ回路７１Ｂを流れる冷媒よりも高温になる。尚、ＥＧＲクーラー５３は、図示は省略するが、メイン回路７１Ａに接続されている。

圧縮着火式エンジンの制御装置は、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５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５に示すように、各種のセンサＳＷ１〜ＳＷ１７が接続されている。センサＳＷ１〜ＳＷ１７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、及び、サージタンク４２内のガスの温度、換言すると燃焼室１７に導入される吸気の温度を検知する第３吸気温度センサＳＷ１７、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Ｏ_２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Ｏ_２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。ＥＣＵ１００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Ｓ−ＶＴ２３、排気電動Ｓ−ＶＴ２４、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、アクセル開度センサＳＷ１２の検知信号と予め設定しているマップとに基づいて、エンジン１の目標トルクを設定すると共に、目標過給圧を決定する。そして、ＥＣＵ１０は、目標過給圧と、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の前後差圧とに基づいて、エアバイパス弁４８の開度を調整することにより、過給圧が目標過給圧となるようにフィードバック制御を行う。

また、ＥＣＵ１０は、エンジン１の運転状態と予め設定したマップとに基づいて目標ＥＧＲ率（つまり、燃焼室１７の中の全ガスに対するＥＧＲガスの比率）を設定する。そして、ＥＣＵ１０は、目標ＥＧＲ率とアクセル開度センサＳＷ１２の検知信号に基づく吸入空気量とに基づき目標ＥＧＲガス量を決定すると共に、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ガス量が目標ＥＧＲガス量となるようにフィードバック制御を行う。

さらに、ＥＣＵ１０は、所定の制御条件が成立しているときに空燃比フィードバック制御を実行する。具体的にＥＣＵ１０は、リニアＯ_２センサＳＷ８、及び、ラムダＯ_２センサＳＷ９によって検知された排気中の酸素濃度に基づいて、混合気の空燃比が所望の値となるように、インジェクタ６の燃料噴射量を調整する。

尚、その他の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８は、温間時における、エンジン１の運転領域マップを例示している。エンジン１の運転領域マップ５０１、５０２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、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）、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８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程度、回転数Ｎ２は、例えば４０００ｒｐｍ程度としてもよい。尚、図８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８においては、理解容易のために、エンジン１の運転領域マップ５０１、５０２を二つに分けて描いている。マップ５０１は、各領域における混合気の状態及び燃焼形態と、過給機４４の駆動領域及び非駆動領域と、を示している。マップ５０２は、各領域におけるスワールコントロール弁５６の開度を示している。

エンジン１は、温間時においては、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。

（ＳＰＣＣＩ燃焼のコンセプト）
自己着火による燃焼は、圧縮開始前の燃焼室１７の中の温度がばらつくと、自己着火のタイミングが大きく変化する。そこで、エンジン１は、ＳＩ燃焼とＣＩ燃焼とを組み合わせたＳＰＣＣＩ燃焼を行う。

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燃焼をする形態である。

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、混合気を目標のタイミングで自己着火させることができる。

ＳＰＣＣＩ燃焼において、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。ＳＰＣＣＩ燃焼における熱発生率の波形は、図９の符号６０１４、６０２４、６０３４、及び６０４３に例示するように、立ち上がりの傾きが相対的に小さくなる。また、燃焼室１７の中における圧力変動（ｄｐ／ｄθ）も、ＳＩ燃焼時は、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９に示す熱発生率の波形６０１４、６０２４、６０３４、及び６０４３の例では、自己着火のタイミングで、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６０１４、６０２４、６０３４、及び６０４３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。

このようにＳＰＣＣＩ燃焼の熱発生率波形は、ＳＩ燃焼によって形成された、立ち上がりの傾きが相対的に小さい第１熱発生率部と、ＣＩ燃焼によって形成された、立ち上がりの傾きが相対的に大きい第２熱発生率部と、が、この順番に連続するように形成されている。また、ＳＩ燃焼（つまり、第１熱発生率部）の熱発生量をエンジンの運転状態に応じて変化させることで、ＣＩ燃焼（つまり、第２熱発生率部）の開始時期がエンジンの運転状態に応じて設定される目標ＣＩ燃焼開始時期となるように、燃焼制御手段（例えばＥＧＲシステム、可変動弁機構、吸気量制御手段）を制御する。

エンジン１は、ＳＰＣＣＩ燃焼を行うときには、燃焼室１７内に強いスワール流を発生させている。スワール比は、例えば４以上としてもよい。

図１０は、ＳＰＣＣＩ燃焼のコンセプトを示している。燃焼室１７内に強いスワール流を発生させると、図１０に白抜きの矢印で示すように、燃焼室１７の外周部は強いスワール流れとなる。一方、中央部のスワール流は相対的に弱くなるが、中央部と外周部との境界における速度勾配に起因する渦流によって、中央部は、乱流エネルギが高くなる。

点火プラグ２５が中央部の混合気に点火をすると、ＳＩ燃焼は高い乱流エネルギによって、燃焼速度が高くなって安定化すると共に、ＳＩ燃焼の火炎は、図１０に黒矢印で示すように、燃焼室１７内の強いスワール流れに乗って、周方向に伝播する。燃焼室１７の中を、吸気−リヤ側部分、排気−リヤ側部分、排気−フロント側部分、及び、吸気−フロント側部分の、四つの部分に区分けすると、点火プラグ２５は、吸気−排気方向については、シリンダ１１の中心軸Ｘ１よりも吸気側に配置されていると共に、スワール流は、図１０における反時計回り方向であるから、ＳＩ燃焼の火炎は、吸気−リヤ側部分から、排気−リヤ側部分及び排気−フロント側部分を介して、吸気−フロント側部分へと至る。ＳＩ燃焼の発熱及び火炎伝播による圧力上昇により、図１０に破線の矢印で示すように、吸気−フロント側部分において未燃混合気が圧縮着火をし、燃焼室１７における外周部から中央部においてＣＩ燃焼が行われる。

このＳＰＣＣＩ燃焼のコンセプトでは、燃焼室１７の中に強いスワール流を発生させることによって、ＣＩ燃焼の開始までにＳＩ燃焼を十分に行うことができる。その結果、燃焼騒音の発生を抑制することができると共に、燃焼温度が高くなりすぎることがなくてＮＯｘの生成も抑制される。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。

また、ＳＰＣＣＩ燃焼のコンセプトは、ＳＩ燃焼の火炎が、燃焼室１７の壁面に沿って周方向に伝播するため、点火プラグ２５をシリンダ１１の中心に配設し、燃焼室１７の中心から径方向の外方に向かって火炎を伝播させる一般的なＳＩ燃焼と比較して、高周波振動を伴うノッキングが発生し難いという利点がある。また、ＳＰＣＣＩ燃焼は、前述したように、ＣＩ燃焼時の圧力変動が比較的穏やかであるため、ディーゼルノックの発生も抑制することができる。

（各領域におけるエンジンの運転）
以下、図８の運転領域マップ５０１、５０２の各領域におけるエンジン１の運転について、図９に示す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。図９の横軸は、クランク角である。尚、図９における符号６０１、６０２、６０３、６０４、６０５及び６０６はそれぞれ、図８の運転領域マップ５０１における符号６０１、６０２、６０３、６０４、６０５及び６０６によって示すエンジン１の運転状態に対応する。

（低負荷領域（１）−１）
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、エンジン１は、ＳＰＣＣＩ燃焼を行う。

図９の符号６０１は、エンジン１が低負荷領域（１）−１における運転状態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）を示している。

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。具体的には、排気上死点付近において、吸気弁２１及び排気弁２２の両方を開弁するポジティブオーバーラップ期間を設けることにより、燃焼室１７の中から吸気ポート１８及び排気ポート１９に排出した排気ガスの一部を、燃焼室１７の中に再導入する。燃焼室１７の中に熱い既燃ガスを導入するため、燃焼室１７の中の温度を高くすることができ、ＳＰＣＣＩ燃焼の安定化に有利になる。尚、吸気弁２１及び排気弁２２の両方を閉弁するネガティブオーバーラップ期間を設けてもよい。

また、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、燃焼室１７の中には、強いスワール流が形成される。スワールコントロール弁５６は、全閉又は閉じ側の所定の開度である。前述したように、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。

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、図７に示すように、開口比率が０〜１５％となる範囲で調整すればよい。燃焼室１７の中のスワール流を強くすることによって、ＳＰＣＣＩ燃焼を適切に行うことができる。

エンジン１が低負荷領域（１）−１において運転するときに、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。

エンジン１が低負荷領域（１）−１において運転するときに、燃焼室１７内の中央部と外周部との間において、混合気は成層化している。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内の中央部は、スワール流が弱い部分、外周部は、スワール流が強い部分、と定義してもよい。

中央部の混合気の燃料濃度は、外周部の燃料濃度よりも濃い。具体的に、中央部の混合気のＡ／Ｆは、２０以上３０以下であり、外周部の混合気のＡ／Ｆは、３５以上である。尚、空燃比の値は、点火時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。点火プラグ２５に近い混合気のＡ／Ｆを２０以上３０以下にすることにより、ＳＩ燃焼の火炎伝播を可能にしつつ、ＳＩ燃焼時のＲａｗＮＯｘの発生を抑制することができる。また、外周部の混合気のＡ／Ｆを３５以上にすることで、ＣＩ燃焼を安定して行うことができる。

エンジン１が低負荷領域（１）−１において運転するときに、インジェクタ６は、圧縮行程中に燃料を複数回、燃焼室１７の中に噴射する（符号６０１１、６０１２）。複数回の燃料噴射と、燃焼室１７の中のスワール流とによって、燃焼室１７の中央部と外周部とにおいて、混合気を成層化する。

燃料噴射の終了後、圧縮上死点前の所定のタイミングで、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６０１３）。中央部の混合気は燃料濃度が相対的に高いため、着火性が向上すると共に、火炎伝播によるＳＩ燃焼が安定化する。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、燃焼騒音の発生の抑制と、燃焼期間の短縮による燃費性能の向上とが両立する。

以上のように、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（つまり、ＳＰＣＣＩリーン）。エンジン１の燃費性能を、大幅に向上させることができる。

（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９の符号６０２は、エンジン１が中負荷領域（１）−２における運転状態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）を示している。

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。具体的には、低負荷領域（１）−１と同様に、排気上死点付近において、吸気弁２１及び排気弁２２の両方を開弁するポジティブオーバーラップ期間を設けることにより、燃焼室１７の中から吸気ポート１８及び排気ポート１９に排出した排気ガスの一部を、燃焼室１７の中に再導入する。つまり、内部ＥＧＲガスを、燃焼室１７の中に導入する。また、中負荷領域（１）−２においては、ＥＧＲ通路５２を通じて、ＥＧＲクーラー５３によって冷却した排気ガスを、燃焼室１７の中に導入する。つまり、内部ＥＧＲガスに比べて温度が低い外部ＥＧＲガスを、燃焼室１７の中に導入する。中負荷領域（１）−２においては、内部ＥＧＲガス及び／又は外部ＥＧＲガスを、燃焼室１７の中に導入することにより、燃焼室１７の中の温度を適切になるよう調整する。

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、エンジン１が中負荷領域（１）−２において運転するときに、ＳＰＣＣＩ燃焼を適切に行うことができる。

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５１１、５１３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。前述したように、燃焼室１７内にＥＧＲガスを導入しているため、燃焼室１７の中の全ガスと燃料との重量比であるＧ／Ｆはリーンである。エンジン１が中負荷領域（１）−２において運転するときに、Ｇ／Ｆは１８以上にしてもよい。こうすることで、いわゆるノッキングの発生を回避することができる。Ｇ／Ｆは１８以上３０以下において設定してもよい。また、Ｇ／Ｆは１８以上５０以下において設定してもよい。

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、吸気行程中の燃料噴射（符号６０２１）と、圧縮行程中の燃料噴射（符号６０２２）とを行う。吸気行程中に第１噴射６０２１を行うことによって、燃焼室１７の中に燃料を略均等に分布させることができる。圧縮行程中に第２噴射６０２２を行うことによって、燃料の気化潜熱によって燃焼室１７の中の温度を低下させることができる。第１噴射６０２１によって噴射した燃料を含む混合気が過早着火してしまうことを防止することができる。尚、運転状態６０２は、中負荷領域（１）−２において比較的負荷の高い運転状態である。中負荷領域（１）−２において、第２噴射６０２２は、省略することも可能である。特に中負荷領域（１）−２においてエンジンが負荷の低い運転状態のときには、第２噴射６０２２は、省略してもよい。

インジェクタ６が、第１噴射６０２１と第２噴射６０２２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。

従って、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（つまり、ＳＰＣＣＩλ＝１）。三元触媒５１１、５１３を利用して、燃焼室１７から排出された排出ガスを浄化することができる。また、ＥＧＲガスを燃焼室１７に導入して混合気を希釈化することによって、エンジン１の燃費性能が向上する。

ここで、図８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９の符号６０３は、エンジン１が高負荷中回転領域（２）における低回転側の運転状態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）を示している。また、符号６０４は、エンジン１が高負荷中回転領域（２）における高回転側の運転状態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）を示している。

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。

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５６は、全閉又は閉じ側の所定の開度である。スワール流が強いため、ＳＰＣＣＩ燃焼を適切に行うことができる。

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）において運転するときに、Ｇ／Ｆは１８以上にしてもよい。Ｇ／Ｆは１８以上３０以下において設定してもよい。また、Ｇ／Ｆは１８以上５０以下において設定してもよい。

エンジン１が高負荷中回転領域（２）における運転状態６０３にて運転するときに、インジェクタ６は、吸気行程において前段噴射６０３１を行うと共に、圧縮行程において後段噴射６０３２を行う。前段噴射は、例えば吸気行程の前半に開始し、後段噴射は、例えば圧縮行程の終期に行ってもよい。吸気行程の前半は、吸気行程を前半と後半とに二等分したときの前半としてもよい。具体的に前段噴射は、例えば圧縮上死点前２８０°ＣＡに、燃料噴射を開始してもよい。

前段噴射６０３１の噴射開始を吸気行程の前半にすると、図示は省略するが、燃料噴霧がキャビティ３１の開口縁部に当たることによって、一部の燃料は、燃焼室１７のスキッシュエリア１７１（つまり、キャビティ３１の外の領域（図２参照））に入り、残りの燃料は、キャビティ３１の内の領域に入る。スワール流は、燃焼室１７の外周部において強く、中央部において弱くなっている。そのため、スキッシュエリア１７１に入った燃料はスワール流に入り、キャビティ３１の内の領域に入った燃料は、スワール流の内側に入る。スワール流に入った燃料は、吸気行程から圧縮行程の間、スワール流の中に留まり、燃焼室１７の外周部においてＣＩ燃焼用の混合気を形成する。スワール流の内側に入った燃料も、吸気行程から圧縮行程の間、スワール流の内側に留まり、燃焼室１７の中央部においてＳＩ燃焼用の混合気を形成する。

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は、燃焼室１７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。具体的には、点火プラグ２５が配置されている中央部の混合気は、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。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、又は１１以上、１２以下としてもよい。燃焼室１７の外周部は、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が低下する。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、又は１２．５以上、１３以下としてもよい。

圧縮行程の終期は、圧縮行程を、初期、中期及び終期に三等分したときの終期とすればよい。圧縮行程の終期に行う後段噴射６０３２は、例えば上死点前１０°ＣＡで燃料噴射を開始してもよい。上死点の直前で後段噴射を行うことにより、燃料の気化潜熱によって燃焼室内の温度を低下させることができる。前段噴射６０３１によって噴射された燃料は、圧縮行程の間に低温酸化反応が進み、上死点前において高温酸化反応に移行するようになるが、上死点の直前で後段噴射６０３２を行い、燃焼室内の温度を低下させることにより、低温酸化反応から高温酸化反応へ移行することを抑制することができ、過早着火が発生してしまうことを抑制することができる。尚、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、９５：５としてもよい。

点火プラグ２５は、圧縮上死点付近において、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は、例えば圧縮上死点以降に点火を行う。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。

エンジン１が高負荷中回転領域（２）における運転状態６０４にて運転するときに、インジェクタ６は、吸気行程において燃料噴射を開始する（符号６０４１）。

吸気行程に開始する噴射６０４１は、前記と同様に、吸気行程の前半に燃料噴射を開始してもよい。具体的に噴射６０４１は、上死点前２８０°ＣＡで燃料噴射を開始してもよい。噴射６０４１の終了は、吸気行程を超えて圧縮行程中になる場合がある。噴射６０４１の開始を、吸気行程の前半にすることによって、前述したように、燃焼室１７の外周部においてＣＩ燃焼用の混合気を形成すると共に、燃焼室１７の中央部においてＳＩ燃焼用の混合気を形成することができる。点火プラグ２５が配置されている中央部の混合気は、前記と同様に、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、又は１１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、理論空燃比以下、又は１２．５以上、１３以下としてもよい。

エンジン１の回転数が高くなると、噴射６０４１によって噴射された燃料が反応する時間が短くなる。そのため、混合気の反応を抑制するための後段噴射を省略することができる。

点火プラグ２５は、圧縮上死点付近において、燃焼室１７の中央部の混合気に点火をする（符号６０４２）。点火プラグ２５は、例えば圧縮上死点以降に点火を行う。

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燃焼が早期に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、混合気の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。

燃焼室１７の中において混合気を成層化することと、燃焼室１７の中に強いスワール流を発生させることとによって、ＣＩ燃焼の開始までにＳＩ燃焼を十分に行うことができる。燃焼騒音の発生を抑制することができると共に、燃焼温度が高くなりすぎることがなくてＮＯｘの生成も抑制される。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。

また、外周部の温度が低いため、ＣＩ燃焼が緩やかになり、燃焼騒音の発生を抑制することができる。さらに、ＣＩ燃焼によって燃焼期間が短くなるから、高負荷領域においてトルクの向上、及び、熱効率の向上が図られる。よって、このエンジン１は、負荷が高い領域においてＳＰＣＣＩ燃焼を行うことにより、燃焼騒音を回避しながら、燃費性能を向上させることができる。

以上のように、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（つまり、ＳＰＣＣＩλ≦１）。この領域においても、三元触媒５１１、５１３を利用して、燃焼室１７から排出された排出ガスを浄化することができる。また、ＥＧＲガスを燃焼室１７に導入して混合気を希釈化することによって、エンジン１の燃費性能が向上する。

（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。燃焼室１７に噴射した燃料の反応が進みすぎてしまって、ＳＰＣＣＩ燃焼をしようとしても過早着火を招く恐れがある。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９の符号６０５は、エンジン１が高負荷中回転領域（３）における運転状態６０５にて運転しているときの燃料噴射時期（符号６０５１、６０５２）及び点火時期（符号６０５３）、並びに、燃焼波形（符号６０５４）を示している。

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、吸気行程において燃料を噴射する（符号６０５１）と共に、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６０５２）。膨張行程の初期は、膨張行程を、初期、中期及び終期に三等分したときの初期とすればよい。
吸気行程中に燃料を噴射することにより（符号６０５１）、混合気の形成時間を十分に確保することができる。また、リタード期間内に燃料を噴射することにより（符号６０５２）、点火直前に、燃焼室１７内のガス流動を強くすることができる。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と共に、燃焼室１７内のガス流動を、より強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６０５３）。点火プラグ２５は、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してもよい。リタード期間内の燃料噴射は、膨張行程において終了する場合もある。

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は、リタード期間内の燃料の噴射開始から点火までの時間が短い。混合気の着火性の向上及びＳＩ燃焼の安定化のためには、燃料を速やかに点火プラグ２５の付近に輸送する必要がある。

圧縮行程終期から膨張行程初期の期間において、インジェクタ６が燃料を噴射すると、図示は省略するが、ピストン３が圧縮上死点の近くに位置しているため、燃料噴霧は、新気と混ざり合いながら、キャビティ３１の凸部３１１に沿って下向きに流れると共に、キャビティ３１の底面及び周側面に沿って、燃焼室１７の中央から、径方向の外方に放射状に広がって流れる。その後、混合気はキャビティ３１の開口に至り、吸気側の傾斜面１３１１、及び、排気側の傾斜面１３１２に沿って、径方向の外方から、燃焼室１７の中央に向かって流れる。

また、エンジン１は、高負荷低回転領域（３）において運転するときには、高負荷中回転領域（２）において運転するときよりもスワール流を弱くする。高負荷低回転領域（３）において運転するときに、スワールコントロール弁５６の開度は、高負荷中回転領域（２）において運転するときよりも大きい。スワールコントロール弁５６の開度は、例えば５０％程度（つまり、半開）とすればよい。

図２の上図に二点鎖線で噴霧を例示するように、インジェクタ６の噴孔の軸は、点火プラグ２５に対し周方向に位置がずれている。噴孔から噴射された燃料は、燃焼室１７の中のスワール流によって周方向に流れる。スワール流によって、燃料を点火プラグ２５の付近に速やかに輸送することができる。燃料は、点火プラグ２５の付近に輸送される間に、気化することができる。

一方、スワール流が強すぎると、燃料が周方向に流されてしまい、点火プラグ２５の付近から離れてしまう。そこで、エンジン１は、高負荷低回転領域（３）において運転するときには、高負荷中回転領域（２）において運転するときよりもスワール流を弱くする。これによって、点火プラグ２５の付近に燃料を速やかに輸送することができるから、混合気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。

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燃料の噴射をしてＳＩ燃焼を行う（つまり、リタード−ＳＩ）。この領域においては、混合気の空燃比を略理論空燃比にすることによって、三元触媒５１１、５１３を利用して、燃焼室１７から排出された排出ガスを浄化することができる。ＳＩ燃焼を行うことによって、異常燃焼を回避することができる。

（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は、前述したように燃焼室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の全域に広がっている。

図９の符号６０６は、エンジン１が高回転領域（４）における負荷の高い運転状態６０６にて運転しているときの燃料噴射時期（符号６０６１）及び点火時期（符号６０６２）、並びに、燃焼波形（符号６０６３）を示している。

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）内の全開負荷の付近においては、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。インジェクタ６は、燃料を一括で噴射する（符号６０６１）。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６０６２）。

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（つまり、吸気−ＳＩ）。この領域においても、混合気の空燃比を略理論空燃比にすることによって、三元触媒５１１、５１３を利用して、燃焼室１７から排出された排出ガスを浄化することができる。また、ＳＩ燃焼を行うことによって、異常燃焼を回避することができる。

（運転領域マップのレイヤ構造）
図８に示すエンジン１の運転領域マップ５０１、５０２は、図１１に示すように、レイヤ１、レイヤ２及びレイヤ３の三つのレイヤを重ね合わせることによって構成されている。

レイヤ１は、ベースとなるレイヤである。レイヤ１は、運転領域マップの全体に広がる。レイヤ１は、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）の全ての領域を含んでいる。

レイヤ２は、レイヤ１の上に重なるレイヤである。レイヤ２は、高回転領域（４）と、高負荷低回転領域（３）とを除く、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）を含んでいる。

レイヤ３は、レイヤ２の上に重なるレイヤである。レイヤ３は、低負荷領域（１）−１を含んでいる。

レイヤ１、レイヤ２及びレイヤ３は、燃焼室１７の壁温及び吸気の温度それぞれの高低に応じて選択をする。詳細は後述するが、レイヤの選択は、レイヤ１のみを選択する場合、レイヤ１とレイヤ２とを選択する場合、及び、レイヤ１とレイヤ２とレイヤ３とを選択する場合の三通りである。図８に示すエンジン１の運転領域マップ５０１は、レイヤ１とレイヤ２とレイヤ３とを選択した場合に相当する。

レイヤ１とレイヤ２とレイヤ３とを選択して、これらレイヤ１、レイヤ２及びレイヤ３を重ねることによって構成される運転領域マップにおいて、低負荷領域（１）−１は、その領域において最上位のレイヤ３が有効になり、中負荷領域（１）−２及び高負荷中回転領域（２）は、それらの領域において最上位のレイヤ２が有効になり、残りの高負荷低回転領域（３）及び高回転領域（４）は、レイヤ１が有効になる。

レイヤ１とレイヤ２とを選択して、これらレイヤ１及びレイヤ２を重ねることによって構成される運転領域マップにおいては、前記とは異なり、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）はそれぞれ、それらの領域において最上位のレイヤ２が有効になり、残りの高負荷低回転領域（３）及び高回転領域（４）は、レイヤ１が有効になる。

レイヤ１のみを選択して、このレイヤ１のみによって構成される運転領域マップにおいては、前記とは異なり、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）はそれぞれ、レイヤ１が有効になる。

レイヤ３は、ＳＰＣＣＩ燃焼を行う。レイヤ３はまた、低負荷領域（１）−１において、燃焼室１７全体の混合気の空燃比を理論空燃比よりもリーンする（つまり、λ＞１）。レイヤ３は、燃焼室１７の壁温が第１所定壁温（例えば８０℃）以上でかつ、吸気温が第１所定吸気温（例えば５０℃）以上のときに選択される。尚、燃焼室１７の壁温は、例えば，水温センサＳＷ１０によって検知されるエンジン１の冷却水の温度によって代用してもよい。また、冷却水の温度や、その他の検知結果に基づいて、燃焼室１７の壁温を推定してもよい。また、吸気温は、例えば、サージタンク４２内の温度を検知する第３吸気温度センサＳＷ１７によって検知される。また、各種の検知結果に基づいて、燃焼室１７の中に導入される吸気温を推定してもよい。

図１０を参照しながら説明したように、ＳＰＣＣＩ燃焼は、燃焼室１７内に強いスワール流を発生させて行う。ＳＩ燃焼は、燃焼室１７の壁に沿って火炎が伝播するため、ＳＩ燃焼の火炎伝播は、壁温の影響を受ける。壁温が低いと、ＳＩ燃焼の火炎が冷やされてしまい、圧縮着火のタイミングが遅れてしまう。

図８の運転領域マップ５０１に示すように、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、混合気の空燃比は理論空燃比よりもリーンである。この運転状態において、燃焼室１７の壁温が低いときに圧縮着火のタイミングを目標タイミングまで進めようとすると、例えばＳＩ燃焼による発生する熱量を増やすべく、ＳＩ燃焼によって燃焼される燃料の噴射量を増やすことが考えられる。しかしながら、ＳＩ燃焼用である燃焼室１７の中央部の混合気の空燃比を、前述したようにＡ／Ｆ＝２０〜３０のリーン空燃比から理論空燃比に近づけると、ＳＩ燃焼の燃焼温度が高くなってＲａｗＮＯｘが多く発生してしまう。その一方で、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は、前述の通り、燃焼室１７全体の混合気の空燃比は理論空燃比よりもリーンであるため、三元触媒５１１、５１３は、燃焼室１７から排出されたＲａｗＮＯｘを浄化することができない。

また、ＳＰＣＣＩ燃焼は、ＳＩ燃焼とＣＩ燃焼とを組み合わせた燃焼形態であるため、燃焼室１７の壁温の影響を受けるだけではない。ＳＰＣＣＩ燃焼におけるＣＩ燃焼は、壁に沿って火炎が伝播した後に、燃焼室１７の外周部から中央部において行われるため、燃焼室１７の中央部の温度の影響を受ける。中央部の温度が低いと、ＣＩ燃焼が不安定になってしまう。燃焼室１７の中央部の温度は、燃焼室１７に導入される吸気の温度に依存する。つまり、吸気温度が高いときに、燃焼室１７の中央部の温度は高くなり、吸気温度が低いときに、中央部の温度は低くなる。

そこで、燃焼室１７の壁温が第１所定壁温以上でかつ、吸気温度が第１所定吸気温以上のときには、ＳＰＣＣＩ燃焼を安定して行うことができるため、レイヤ３を選択する。これにより、低負荷領域（１）−１は、混合気の空燃比を理論空燃比よりもリーンにして、ＳＰＣＣＩ燃焼を行う領域となる。エンジン１の負荷が低いときに混合気の空燃比を理論空燃比よりもリーンにすることによって、エンジン１の燃費性能を大幅に向上させることができる。

レイヤ２は、ＳＰＣＣＩ燃焼を行う。レイヤ２はまた、低負荷領域（１）−１、及び、中負荷領域（１）−２において、燃焼室１７全体の混合気の空燃比を理論空燃比又は略理論空燃比にする（つまり、λ＝１）。また、レイヤ２は、高負荷中回転領域（２）において、燃焼室１７全体の混合気の空燃比を、理論空燃比又は理論空燃比よりもリッチにする（つまり、λ≦１）。レイヤ２は、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）のそれぞれにおいて、ＥＧＲガスを燃焼室１７の中に導入する。混合気のＧ／Ｆは、１８以上に設定される。レイヤ２は、燃焼室１７の壁温が第２所定壁温（例えば３０℃）以上でかつ、吸気温が第２所定吸気温（例えば２５℃）以上のときに選択される。尚、レイヤ２は、燃焼室１７の壁温が第１所定壁温以上、又は、吸気温が第１所定吸気温以上のときにも選択される。

前述したように、燃焼室１７の壁温が低い、及び／又は、空気温度が低いと、混合気の空燃比を理論空燃比よりもリーンにした上で、ＳＰＣＣＩ燃焼を安定的に行うことが困難になる。

また、燃焼室１７の壁温が低すぎる、及び／又は、空気温度が低すぎると、ＳＩ燃焼の発熱を利用するＳＰＣＣＩ燃焼であっても、ＣＩ燃焼を安定的に行うことが困難になる。

そこで、燃焼室１７の壁温が第１所定壁温未満のとき又は吸気温が第１所定吸気温未満のときでかつ、燃焼室１７の壁温が第２所定壁温以上及び吸気温が第２所定吸気温以上のときには、レイヤ２を選択し、レイヤ３は選択しない。レイヤ２を選択することにより、燃焼室１７の壁温が第１所定壁温未満のとき又は吸気温が第１所定吸気温未満のときには、低負荷領域（１）−１において、混合気の空燃比を理論空燃比又は略理論空燃比にしたＳＰＣＣＩ燃焼が行われる。ＳＰＣＣＩ燃焼を安定化することができる。また、燃焼室１７の壁温が第２所定壁温以上でかつ、吸気温が第２所定吸気温以上のときに、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）のそれぞれにおいて、ＳＰＣＣＩ燃焼を行うことにより、エンジン１の燃費性能の向上が図られる。

レイヤ１は、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、高回転領域（４）において、吸気行程中に燃料噴射を開始し、火花点火によるＳＩ燃焼を行う（つまり、吸気−ＳＩ）。また、レイヤ１は、高負荷低回転領域（３）において、燃料を、吸気行程中と、圧縮行程終期から膨張行程初期までのリタード期間内において噴射をしてＳＩ燃焼を行う（つまり、リタード−ＳＩ）。従って、レイヤ１においては、エンジン１の運転領域の全体において、ＳＰＣＣＩ燃焼ではなく、火花点火によるＳＩ燃焼を行う。混合気の空燃比は、基本的には、理論空燃比又は略理論空燃比である。レイヤ１は、燃焼室１７の壁温の高低、及び、吸気温の高低にかかわらず、常に選択されるレイヤである。

燃焼室１７の壁温が第２所定壁温未満のとき又は吸気温が第２所定吸気温未満のときには、全ての運転領域においてＳＩ燃焼を行うことにより、燃焼安定性を確保することができる。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。また、混合気の空燃比を略理論空燃比にすることによって、三元触媒５１１、５１３を利用した排気ガスの浄化が可能であるから、排気エミッション性能が低下してしまうことを防止することができる。

このように運転領域マップのレイヤ構造は、ＳＰＣＣＩ燃焼の特性に基づいている。燃焼室１７の壁温及び吸気温に応じて、レイヤ１、レイヤ２及びレイヤ３の選択を行うことにより、エンジン１の排気エミッション性能が低下することを回避しつつ、エンジン１の燃費性能を最大限に向上させることができる。

（エンジンの制御プロセス）
次に、図１２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。このフローチャートは、運転領域マップのレイヤ選択に関係する。

先ず、スタート後のステップＳ１において、ＥＣＵ１０は、各センサＳＷ１〜ＳＷ１７の信号を読み込む。ＥＣＵ１０は、続くステップＳ２において、燃焼室１７の壁温が３℃０以上でかつ、吸気温が２５℃以上か否かを判断する。ステップＳ２の判定がＹＥＳのときには、プロセスはステップＳ３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、燃焼室１７の壁温が低すぎる、又は、吸気温が低すぎるため、レイヤ１のみを選択する。従って、エンジン１は、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、高回転領域（４）の各領域において運転するときには、前記「吸気―ＳＩ」により運転すると共に、高負荷低回転領域（３）において運転するときには、前記「リタード−ＳＩ」により運転する。プロセスはその後、ステップＳ５に進む。

ステップＳ３において、ＥＣＵ１０は、燃焼室１７の壁温が８０℃以上でかつ、吸気温が５０℃以上か否かを判断する。ステップＳ３の判定がＹＥＳのときには、プロセスはステップＳ４に進み、ＮＯのときには、プロセスはステップＳ８に進む。

ＥＣＵ１０は、ステップＳ８において、レイヤ１とレイヤ２とを選択する。従って、エンジン１は、低負荷領域（１）−１、及び、中負荷領域（１）−２の各領域において運転するときには、前記「ＳＰＣＣＩλ＝１」により運転すると共に、高負荷中回転領域（２）において運転するときには、前記「ＳＰＣＣＩλ≦１」により運転する。また、エンジン１は、高回転領域（４）において運転するときには、前記「吸気―ＳＩ」により運転すると共に、高負荷低回転領域（３）において運転するときには、前記「リタード−ＳＩ」により運転する。プロセスはその後、ステップＳ５に進む。

ＥＣＵ１０は、ステップＳ４において、レイヤ１とレイヤ２とレイヤ３とを選択する。従って、エンジン１は、低負荷領域（１）−１において運転するときには、前記「ＳＰＣＣＩλ＞１」により運転しかつ、中負荷領域（１）−２において運転するときには、前記「ＳＰＣＣＩλ＝１」により運転すると共に、高負荷中回転領域（２）において運転するときには、前記「ＳＰＣＣＩλ≦１」により運転する。また、エンジン１は、高回転領域（４）において運転するときには、前記「吸気―ＳＩ」により運転すると共に、高負荷低回転領域（３）において運転するときには、前記「リタード−ＳＩ」により運転する。プロセスはその後、ステップＳ５に進む。

ＥＣＵ１０は、ステップＳ５において、ステップＳ１において取得した各種の検知信号に基づいて、エンジン１の運転状態を判断し、続くステップＳ６において、ステップＳ４、Ｓ７、又はＳ８において選択したレイヤに基づく運転領域マップと、ステップＳ５において判断したエンジン１の運転状態と、に応じて、状態量調整（つまり、混合気のＡ／Ｆ、及び／又は、Ｇ／Ｆの調整）、燃料噴射時期の調整、及び、点火時期の調整を行い、エンジン１を運転する。

従って、エンジン１の負荷が所定負荷以下となる低負荷領域（１）−１においてエンジンが運転するときには、燃焼室１７の壁温が所定壁温未満、又は、吸気温が所定吸気温未満のときには、レイヤ２によって混合気の空燃比を略理論空燃比にし、燃焼室１７の壁温が所定壁温以上、及び、吸気温が所定吸気温以上のときには、レイヤ３によって混合気の空燃比を理論空燃比よりもリーンにすることになる。

尚、ここでは、壁温及び吸気温の両方を考慮して、レイヤを選択しているが、壁温に基づいて、レイヤを選択してもよい。

（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。

例えば、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。

また、ここに開示する技術は、ＳＰＣＣＩ燃焼を行うエンジンに限らず、圧縮着火燃焼を行うエンジンに広く適用することができる。

１ エンジン
１０ ＥＣＵ（制御部）
１７ 燃焼室
２３ 吸気電動Ｓ−ＶＴ（状態量調整部）
２４ 排気電動Ｓ−ＶＴ（状態量調整部）
２５ 点火プラグ（点火部）
４３ スロットル弁（状態量調整部）
４４ 過給機
４９ 過給システム（状態量調整部）
５１１、５１３ 三元触媒
５５ ＥＧＲシステム（状態量調整部）
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）
ＳＷ１０ 水温センサ（壁温取得部）
ＳＷ１７ 第３吸気温度センサ（吸気温取得部）

Claims (6)

1. 燃焼室内の混合気が圧縮着火により燃焼するエンジンと、
   前記燃焼室内に臨んで配設された点火部と、
   前記エンジンに取り付けられた燃料噴射部と、
   前記エンジンに取り付けられかつ、前記燃焼室の中への少なくとも新気の導入を調整する状態量調整部と、
   前記エンジンの排気通路に設けられた三元触媒と、
   前記燃焼室の壁温に関連するパラメータを取得する壁温取得部と、
   前記燃料噴射部、前記状態量調整部、及び、前記壁温取得部に接続されかつ、前記壁温取得部からの検知信号を受けると共に、前記燃料噴射部及び前記状態量調整部に制御信号を出力する制御部と、を備え、
   前記燃焼室には、前記燃焼室の壁に沿ってスワール流が発生しており、
   前記制御部は、前記燃焼室の壁温が所定壁温未満のときには、前記混合気の空燃比を、前記三元触媒の浄化ウインドウに収まるよう、略理論空燃比に制御しつつ、火炎伝播燃焼を開始した後に未燃混合気が自己着火燃焼するよう、前記点火部による点火時期を制御する一方、前記燃焼室の壁温が前記所定壁温以上のときには、前記状態量調整部により前記混合気の空燃比を、理論空燃比よりもリーンに制御しつつ、火炎伝播燃焼を開始した後に未燃混合気が自己着火燃焼するよう、前記点火部による点火時期を制御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、
   前記制御部は、前記点火部による点火時期の制御によって火炎伝播燃焼の熱発生量をエンジンの運転状態に応じて変化させることで、所定の自己着火燃焼の開始時期となるよう制御する圧縮着火式エンジンの制御装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の圧縮着火式エンジンの制御装置において、
   前記制御部は、前記エンジンの負荷が所定負荷以下でかつ、前記燃焼室の壁温が前記所定壁温未満のときには、前記混合気の空燃比を略理論空燃比にし、前記エンジンの負荷が所定負荷以下でかつ、前記燃焼室の壁温が前記所定壁温以上のときには、前記混合気の空燃比を理論空燃比よりもリーンにする圧縮着火式エンジンの制御装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧縮着火式エンジンの制御装置において、
   前記状態量調整部は、前記燃焼室の中への新気及びＥＧＲガスの導入を調整し、
   前記制御部は、前記燃焼室の壁温が前記所定壁温未満のときには、前記混合気の空燃比を略理論空燃比にすると共に、前記燃焼室にＥＧＲガスを導入する圧縮着火式エンジンの制御装置。
5. 請求項４に記載の圧縮着火式エンジンの制御装置において、
   前記制御部は、前記燃焼室の中の全ガスと燃料との重量比に関係する指標としてのＧ／Ｆを、１８以上にする圧縮着火式エンジンの制御装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の圧縮着火式エンジンの制御装置において、
   前記スワール流を発生させるスワール発生部を備え、
   前記制御部は、前記スワール発生部を通じて、前記点火時期における前記燃焼室の中の状態を、４以上のスワール比にする圧縮着火式エンジンの制御装置。

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