JP6614192B2 - 圧縮自己着火式エンジンの制御装置 - Google Patents

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Description

ここに開示する技術は、圧縮自己着火式エンジンの制御装置に関する。
特許文献１には、燃焼室内の混合気が自己着火により燃焼する運転領域において、内部ＥＧＲガスを燃焼室内に導入す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、排気弁を開弁する動弁機構が、通常モードと特殊モードとを切り替えて動作するよう構成されている。具体的に、通常モードは、排気弁を排気行程において開弁するモードであり、特殊モードは、排気弁を排気行程及び吸気行程において開弁するモードである。動弁機構は、第１カムと第２カムとを有している。第１カムは、通常モードにおいて選択されるカムであり、カム山を一つ有している。第２カムは、特殊モードにおいて選択されるカムであり、カム山を２つ有している。より詳細に、第２カムのカムプロフィールは、排気弁の開弁後、リフトが徐々に増大し最大リフトに到達した後、リフトが徐々に減少していくが、そのままゼロに至ることなく、最大リフトよりも低い所定リフトを、所定期間維持した後、ゼロに至る。排気弁は、特殊モードにおいては、吸気行程の期間において開弁することになる。特許文献１に記載されているエンジンでは、内部ＥＧＲガスを燃焼室内に導入するときに、コントローラーは、排気弁の動弁機構を特殊モードで動作させる。これにより、排気弁は吸気行程において開弁し、排気行程中に排気ポートに排出した既燃ガスの一部が、燃焼室内に再導入される。特許文献１に記載されているエンジンでは、内部ＥＧＲ率（燃焼室内に導入した全ガスの重量に対する、内部ＥＧＲガスの重量比）を調整することによって、燃焼室内の温度状態を適切に保ち、混合気を、安定的に自己着火により燃焼させるようにしている。
特開２０１５−９８８０２号公報
ところで、特許文献１に記載されているエンジンでは、燃焼室内の混合気が自己着火により燃焼する運転領域は、低負荷の狭い領域に制限されている。これに対し、混合気が自己着火により燃焼する運転領域が高負荷側に拡大すると、エンジンの燃費性能が向上する。
そこで、特許文献１に記載されている自然吸気エンジンとは異なり、エンジンが、燃焼室に導入する吸気を過給する過給機を備え、負荷が高い領域において、燃料量が増えることに対応して新気量が増えるように、吸気を過給することが考えられる。これによって、燃焼室内の混合気が自己着火により燃焼する運転領域を高負荷側に拡大することができる。
しかしながら、過給機が吸気の過給を行っているときに、前述したように、排気弁を吸気行程の期間において開弁すると、吸気行程において排気弁と吸気弁との両方が開弁しているため、エンジンの吸気側から排気側に吸気の吹き抜けが発生してしまう。これにより、燃焼室内に導入する内部ＥＧＲガスの量を精度よく調整することが難しくなる。つまり、内部ＥＧＲ率の制御性が低下してしまう。
内部ＥＧＲガスを燃焼室内に導入する手段は、特許文献１に記載されているように、排気弁を吸気行程において開弁することに限らない。例えば排気弁及び吸気弁を、排気上死点周りにおいて共に閉弁することにより、燃焼室の中に既燃ガスの一部を閉じ込めることが可能である。
そこで、エンジンの運転状態に応じて、内部ＥＧＲガスを燃焼室内に導入する手段を切り替えることが考えられる。しかしながら、この場合、手段の切り替え前後において、内部ＥＧＲ率が大きく変動することは避けなければならない。
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、圧縮自己着火式エンジンにおいて、内部ＥＧＲガスを燃焼室の中に導入する手段を切り替えた前後で、内部ＥＧＲ率が変動することを抑制することにある。
具体的に、ここに開示する圧縮自己着火式エンジンの制御装置は、燃焼室の中の混合気を自己着火によって燃焼させるよう構成されたエンジンと、吸気弁及び排気弁の内、少なくとも前記排気弁の開弁動作を変更することによって、前記燃焼室の中に内部ＥＧＲガスを導入するよう構成された可変動弁システムと、前記可変動弁システムに制御信号を出力することによって、前記エンジンを運転するよう構成されたコントローラーと、前記コントローラーに接続されかつ、前記エンジンの運転状態に関するパラメータを検知すると共に、前記コントローラーに検知信号を出力するよう構成されたセンサと、を備える。
そして、前記可変動弁システムは、前記排気弁を排気上死点前に閉弁することにより、前記燃焼室の中に前記内部ＥＧＲガスを閉じ込める第１モードと、前記排気弁を吸気行程において開弁することにより、前記燃焼室の中に前記内部ＥＧＲガスを導入する第２モードと、を切り替えるよう構成され、前記可変動弁システムは、前記第１モードにおいて選択されかつ、前記排気弁を排気行程において開弁するよう構成された第１カムと、前記第２モードにおいて選択されかつ、前記排気弁を排気行程及び吸気行程において開弁するよう構成された第２カムと、前記コントローラーからの制御信号を受けて前記第１カム及び前記第２カムを切り替えるよう構成された切り替え機構と、前記排気弁のバルブタイミングを変更するよう構成されたタイミング変更機構と、を含み、前記エンジンが自己着火燃焼によって運転する運転領域において、前記コントローラーは、第１領域では、前記可変動弁システムが前記第１モードで動作するよう、前記可変動弁システムに制御信号を出力すると共に、前記第１領域よりも負荷が低い第２領域では、前記可変動弁システムが前記第２モードで動作するよう、前記可変動弁システムに制御信号を出力し、前記切り替え機構が前記第１カムと前記第２カムとの切り替えを行うときに、前記第１カムの閉弁時期は、排気行程期間内であり、前記第２カムの閉弁時期は、吸気行程期間内である。
この構成によると、可変動弁システムは、第１モードでは、排気弁を排気上死点前に閉弁する。排気上死点の周りにおいて、吸気弁及び排気弁が共に閉弁するネガティブオーバーラップ期間が設けられる。既燃ガスの一部は燃焼室の中に閉じ込められる。可変動弁システムはまた、第２モードでは、排気弁を吸気行程において開弁する。排気行程中に排気ポートに排出された既燃ガスの一部が、吸気行程中に排気弁が開いたときに、燃焼室の中に再導入される。
第１モードと第２モードとの切り替えは、可変動弁システムの切り替え機構が、第１カムと第２カムとを切り替えることによって行う。第１カムは、第１モードにおいて選択されるカムである。第２カムは、第２モードにおいて選択されるカムである。
切り替え機構が第１カムと第２カムとの切り替えを行うときに、第１カムの閉弁時期は、排気行程期間内である。例えば、タイミング変更機構によって排気弁のバルブタイミングを適宜のタイミングにすればよい。この状態では、排気弁は、排気上死点前に閉弁するから、内部ＥＧＲガスが燃焼室の中に閉じ込められる。
一方、切り替え機構が第１カムと第２カムとの切り替えを行うときに、第２カムの閉弁時期は、吸気行程期間内である。つまり、この状態では、排気弁は吸気行程において開弁するから、内部ＥＧＲガスが燃焼室の中に導入される。
従って、切り替え機構が第１カムから第２カムへとカムの切り替えを行うと、排気弁を排気上死点前に閉弁することによって内部ＥＧＲガスを燃焼室の中に導入していたモードから、排気弁を吸気行程において開弁することによって内部ＥＧＲガスを燃焼室の中に導入するモードへと、瞬時に変更することができる。カムの切り替え前後において、内部ＥＧＲガスを燃焼室の中に導入する状態を維持することができる。
また、切り替え機構が第２カムから第１カムへとカムの切り替えを行うときも同様に、排気弁を吸気行程において開弁することによって内部ＥＧＲガスを燃焼室の中に導入していたモードから、排気弁を排気上死点前に閉弁することによって内部ＥＧＲガスを燃焼室の中に導入するモードへと、瞬時に変更することができる。このときもカムの切り替え前後において、内部ＥＧＲガスを燃焼室の中に導入する状態を維持することができる。
よって、内部ＥＧＲガスを燃焼室の中に導入する手段を切り替えた前後で、内部ＥＧＲ率が変動することを抑制することができる。
また、エンジンの負荷が相対的に低い第２領域では、可変動弁システムが第２モードで動作する。つまり、排気弁が吸気行程において開弁する。このことによって、大量の既燃ガスを燃焼室の中に導入することができる。エンジンの負荷が低い第２領域において自己着火燃焼を安定化するには、燃焼室内の温度を高める必要がある。一方で、エンジンの負荷が低いため、燃料量は少なく、既燃ガスの温度は低い。排気弁を吸気行程において開弁することによって、大量の既燃ガスを燃焼室の中に導入すれば、既燃ガスの温度が低くても、燃焼室内の温度を高めることができる。つまり、第２領域において、可変動弁システムが第２モードで動作することにより、燃焼室の温度を高くすることができるため、自己着火燃焼の安定化に有利になる。
これに対し、エンジンの負荷が相対的に高い第１領域では、可変動弁システムが第１モードで動作する。つまり、排気弁が排気上死点前に閉弁するため、吸気弁及び排気弁のネガティブオーバーラップ期間が設けられる。吸気弁及び排気弁の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ガスを燃焼室の中に導入する場合、排気弁を吸気行程において開弁することによって内部ＥＧＲガスを燃焼室の中に導入する場合よりも、内部ＥＧＲガスの導入量は少なくなる。しかしながら、エンジンの負荷が高い第１領域において自己着火燃焼を安定化するには、燃焼室内の温度は相対的に低くてもよい。また、第１領域では、燃料量が多いため、既燃ガスの温度が高くなる。従って、燃焼室の中に導入する内部ＥＧＲガスの量が少なくても、燃焼室の中の温度を所望の温度にまで高めることが可能になる。
前記コントローラーは、前記第１領域及び前記第２領域の全体に亘って、前記エンジンの負荷が高くなるに従い、前記燃焼室の中の内部ＥＧＲ率が連続的に低下するよう、前記可変動弁システムに制御信号を出力する。
前記の構成では、エンジンの負荷が高くなるに従い、燃焼室の中の内部ＥＧＲ率が連続的に低下することにより、混合気を自己着火により燃焼させる第１領域及び第２領域において燃焼室の中の温度を適切に調整することができる。その結果、第１領域及び第
２領域のそれぞれにおいて、自己着火燃焼を安定化することができる。
さらに、前述したように、第１カムと第２カムとの切り替えによって可変動弁システムを第１モード及び第２モードの間で切り替えるときに、内部ＥＧＲ率が変化しないことで、第１領域及び第２領域の境界において、内部ＥＧＲ率の連続性を保つことができる。可変動弁システムの第１モード及び第２モードの切り替え直後において、自己着火による燃焼の安定性が図られる。
前記コントローラーは、前記第２領域において、前記エンジンの負荷が高くなるに従い、前記排気弁のバルブタイミングが進角するよう、前記可変動弁システムに制御信号を出力する、としてもよい。
前述したように、第２領域において、可変動弁システムは第２モードで動作する。つまり、排気弁を吸気行程において開弁する。排気弁のバルブタイミングを進角させると、吸気行程において排気弁が開弁する期間が短くなるため、内部ＥＧＲ率は低下する。従って、第２領域において、エンジンの負荷が高くなるに従い排気弁のバルブタイミングを進角することによって、内部ＥＧＲ率を低下させることができる。
前記コントローラーは、前記第１領域において、前記エンジンの負荷が低くなるに従い、前記排気弁のバルブタイミングが進角するよう、前記可変動弁システムに制御信号を出力する、としてもよい。
第１領域において、可変動弁システムは、第１モードで動作する。つまり、排気弁を排気行程において閉弁する。排気弁のバルブタイミングを進角させると、排気行程において排気弁が閉弁する時期が早まるため、内部ＥＧＲ率は高くなる。従って、第１領域において、エンジンの負荷が低くなるに従い、排気弁のバルブタイミングを進角することによって、内部ＥＧＲ率を高くすることができる。言い換えると、第１領域において、エンジンの負荷が高くなるに従い、排気弁のバルブタイミングを遅角することによって、内部ＥＧＲ率を低くすることができる。
前記可変動弁システムは、前記吸気弁のリフト量を変更可能に構成されたリフト変更機構を含み、前記コントローラーは、前記第２領域において、前記吸気弁のリフト量が大となるよう、前記可変動弁システムに制御信号を出力する、としてもよい。
可変動弁システムが第２モードで動作していると、吸気行程において、吸気弁と排気弁との両方が開弁する。このときに、リフト量が可変の吸気弁が、大リフト量で開弁すると、ポンプ損失を低減することができる。
前記コントローラーは、前記エンジンの運転状態が前記第２領域から前記第１領域へ移行するタイミングで、前記吸気弁のリフト量が小さくなりかつ、前記吸気弁の開弁時期が遅角するよう、前記可変動弁システムに制御信号を出力すると共に、前記エンジンの運転状態が前記第１領域から前記第２領域へ移行するタイミングで、前記吸気弁のリフト量が大きくなりかつ、前記吸気弁の開弁時期が進角するよう、前記可変動弁システムに制御信号を出力する、としてもよい。
エンジンの運転状態が第１領域にあるときは、可変動弁システムが第１モードで動作するため、排気弁及び吸気弁は、排気上死点周りにおいて共に閉弁する。このときに、排気弁の閉弁時期から排気上死点までの期間（つまり、ピストンの圧縮ストローク）と、排気上死点から吸気弁の開弁時期までの期間（つまり、ピストンの膨張ストローク）とを一致させると、ポンプ損失が小さくなる。
前述したように、第２領域において、可変動弁システムが第２モードで動作していると、ポンプ損失を低減するために吸気弁は大リフト量に設定されている。このため、吸気弁が開弁している期間が長く、吸気弁の開弁時期は排気上死点の近くに設置される。
そこで、エンジンの運転状態が第２領域から第１領域へ移行するタイミングで、コントローラーは、吸気弁のリフト量が小さくなりかつ、吸気弁の開弁時期が遅角するよう、可変動弁システムに制御信号を出力する。こうすることで、排気上死点から吸気弁の開弁時期までの期間が長くなり、可変動弁システムが第１モードで動作するときに、排気弁の閉弁時期から排気上死点までの期間と、排気上死点から吸気弁の開弁時期までの期間とが一致して、ポンプ損失が小さくなる。
逆に、エンジンの運転状態が第１領域から第２領域へ移行するタイミングで、コントローラーは、吸気弁のリフト量が大きくなりかつ、吸気弁の開弁時期が進角するよう、可変動弁システムに制御信号を出力する。こうすることで、可変動弁システムが第２モードで動作するときに、吸気弁のリフト量が大きくなるから、ポンプ損失が小さくなる。
前記コントローラーは、前記第１領域において、前記エンジンの負荷が高くなるに従い、前記吸気弁の閉弁時期を一定にしながら、前記リフト量が大きくなるよう、前記可変動弁システムに制御信号を出力する、としてもよい。
吸気弁のリフト量が大きくなることで、燃焼室の中に導入する新気量を増やすことができる。従って、エンジンの負荷が高くなるに従い増える燃料量に対応して、燃焼室の中に導入する新気量を増やすことができる。
前記可変動弁システムは、前記第１モードで動作しているときには、前記排気弁のバルブタイミングを進角するに従い前記内部ＥＧＲ率が高くなりかつ、前記第２モードで動作しているときには、前記排気弁のバルブタイミングを遅角するに従い前記内部ＥＧＲ率が高くなると共に、前記吸気弁のリフト量に応じて前記内部ＥＧＲ率が増減し、前記コントローラーは、前記エンジンの運転状態が前記第１領域と前記第２領域との間で移行するタイミングで、前記排気弁のバルブタイミング及び前記吸気弁のリフト量を調整することによって、前記可変動弁システムを前記第１モードと前記第２モードとの間で切り替えた前後において前記内部ＥＧＲ率が変動しないよう、前記可変動弁システムに前記制御信号を出力する、としてもよい。
可変動弁システムが第２モードで動作しているときに、吸気弁のリフト量を調整すると、吸気弁を通じて燃焼室の中に流入する新気の量が変更される。それに伴い、吸気行程中に開弁している排気弁を通じて燃焼室の中に導入される内部ＥＧＲガスの量も変更される。つまり、内部ＥＧＲ率が変更される。可変動弁システムを第１モードと第２モードとの間で切り替えるときに、排気弁のバルブタイミングだけでなく、吸気弁のリフト量も調整することにより、可変動弁システムを第１モードと第２モードとの間で切り替えた前後において、内部ＥＧＲ率が変動することを、より一層確実に防止することができる。また、可変動弁システムは、内部ＥＧＲ率が一致しなければ、モードを切り替えることができない。排気弁のバルブタイミングと吸気弁のリフト量との二つのパラメータを調整することによって、内部ＥＧＲ率を速やかに一致させることができるから、前記の構成は、可変動弁システムのモードの切り換えを速やかに行う切り替えることができる。
前記第２カムは、前記排気行程において前記排気弁を開弁する第１のカム山と、前記第１のカム山に連続すると共に、前記排気行程から前記吸気行程まで、前記排気弁を開弁したままにする第２のカム山とを有している、としてもよい。
この構成によると、排気弁が第２のカム山によって開弁するときには、排気行程において開弁をし、最大リフトに到達した後、閉弁することなく所定のリフト量で開弁したまま、吸気行程に至り、所定のタイミングで閉弁する。排気弁を一旦閉弁しないことにより、内部ＥＧＲガスの導入量を増やすことができる。言い換えると、自己着火燃焼の安定に必要な内部ＥＧＲガスの導入量を確保する上で、吸気行程において排気弁が開弁する期間を短くすることができる。
以上説明したように、前記の圧縮自己着火式エンジンの制御装置によると、切り替え機構が第１カムと第２カムとの切り替えを行うときに、第１カムの閉弁時期は排気行程期間内であることで、内部ＥＧＲガスを燃焼室の中に導入することができ、第２カムの閉弁時期は吸気行程期間内であることで、内部ＥＧＲガスを燃焼室の中に導入することができるから、内部ＥＧＲガスを燃焼室の中に導入する手段を切り替えた前後で、内部ＥＧＲ率が変動することを抑制することができる。
図１は、圧縮自己着火式エンジンの構成を例示する図である。 図２は、圧縮自己着火式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３は、エンジンの運転領域を例示する図である。 図４は、エンジンの負荷の高低に対する、第１噴射と第２噴射との燃料噴射割合、第１噴射の開始時期、及び第２噴射の開始時期の変化を例示する図である。 図５は、排気弁の動弁機構の構成を例示する図である。 図６は、排気弁のバルブタイミングの変化と、吸気弁のリフト量の変化とを例示する図である。 図７は、各運転領域における、吸気弁と排気弁とのバルブリフトの関係を例示する図である。 図８は、エンジンの負荷の高低に対する、内部ＥＧＲ、排気弁のバルブタイミング、及び、排気弁の閉弁時期の変化を例示する図である。 図９は、エンジンの負荷の高低に対する、吸気弁のリフト量、吸気弁の閉弁時期、及び、吸気弁の開弁時期、過給圧の変化を例示する断面図である。 図１０は、非過給ＣＩ領域における、排気弁のリフト状態と吸気弁のリフト状態とを例示する図である。 図１１は、非過給ＣＩ領域と、過給ＣＩ領域とにおける燃焼室内のガス組成を例示する図である。 図１２は、エンジンの負荷の高低に対する、吸気弁の閉弁時期、及び、過給圧の変化の別の例を示す図である。 図１３は、非過給ＣＩ領域から過給ＣＩ領域へと移行するときの排気弁のバルブタイミングと、内部ＥＧＲ率との関係を例示する図である。 図１４は、エンジンの運転状態が非過給ＣＩ領域と過給ＣＩ領域との間で移行するときの可変動弁システムと過給システムとの制御例に関するフローチャートである。
以下、圧縮自己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詳細に説明する。以下の説明は、圧縮自己着火式エンジンの制御装置の一例である。図１は、圧縮自己着火式エンジンの構成を例示する図である。図２は、圧縮自己着火式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、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では、１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を形成する。尚、「燃焼室」は、ピストン３が圧縮上死点に至ったタイミングで形成される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。詳細な図示は省略するが、ピストン３の上面は平坦面である。ピストン３の上面には、キャビティが形成されている。シリンダヘッド１３の下面、つまり、燃焼室１７の天井面は、二つの傾斜面によって構成されている。燃焼室１７は、いわゆるペントルーフ形状である。
エンジン１の幾何学的圧縮比は、理論熱効率の向上や、後述するＣＩ（Compression Ignition）燃焼（つまり、自己着火燃焼）の安定化を目的として高く設定されている。具体的に、エンジン１の幾何学的圧縮比は、１７以上である。幾何学的圧縮比は、例えば１８としてもよい。幾何学的圧縮比は、１７以上２０以下の範囲で、適宜設定すればよい。
シリンダヘッド１３には、シリンダ１１毎に、２つの吸気ポート１８が形成されている（尚、図１では一つの吸気ポート１８のみ示している）。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。吸気動弁機構は、所定のタイミングで、吸気弁２１を開閉する。吸気動弁機構は、この構成例では、図２に示すように、可変動弁システム及びタイミング変更機構としての吸気ＶＶＴ（Variable Valve Timing）２３１を有している。吸気ＶＶＴ２３１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。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ＶＶＴ２３１は、例えば電動ＶＶＴや、液圧式のＶＶＴとすればよい。
吸気動弁機構はまた、この構成例では、図２に示すように、可変動弁システム及びリフト変更機構としての吸気ＣＶＶＬ（Continuously Variable Valve Lift）２３２を有している。吸気ＣＶＶＬ２３２は、吸気弁２１のリフト量を、所定の範囲内で連続的に変更するよう構成されている。尚、吸気ＣＶＶＬ２３２の構成は、公知の構成を適宜採用すればよい。吸気ＣＶＶＬ２３２の構成は、任意である。
シリンダヘッド１３にはまた、シリンダ１１毎に、２つの排気ポート１９が形成されている（尚、図１では一つの排気ポート１９のみ示している）。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。排気動弁機構は、所定のタイミングで、排気弁２２を開閉する。排気動弁機構は、この構成例では、図２に示すように、可変動弁システム及びタイミング変更機構としての排気ＶＶＴ２４１を有している。排気ＶＶＴ２４１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。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ＶＶＴ２４１は、電動ＶＶＴや、液圧式のＶＶＴとすればよい。
排気動弁機構はまた、この構成例では、図２に示すように、可変動弁システムとしての排気ＶＶＬ２４２を有している。排気ＶＶＬ２４２は、詳細は後述するが、排気弁２２を、第１のカム部８１１及び第２のカム部８１２のいずれか一方によって開弁することにより、排気弁２２のリフト量を変更するよう構成されている。
詳細は後述するが、このエンジン１は、吸気動弁機構及び排気動弁機構によって、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の中の既燃ガスを掃気したり、燃焼室１７の中に熱い既燃ガスを閉じ込めたり（つまり、内部ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）ガスを燃焼室１７の中に導入したり）する。また、このエンジン１は、所定の運転状態にあるときに、排気動弁機構によって、排気弁２２を吸気行程において開弁する。このことによって、内部ＥＧＲガスを燃焼室１７の中に導入する。
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、その中心軸が、シリンダ１１の中心軸に沿うように配設されている。インジェクタ６は、キャビティに対向している。尚、インジェクタ６の中心軸は、シリンダ１１の中心軸とずれていてもよい。
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、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。
尚、インジェクタ６は、多噴口型のインジェクタに限らない。インジェクタ６は、外開弁タイプのインジェクタを採用してもよい。
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。詳細な図示は省略するが、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、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に導入する吸気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スーパーチャージャーである。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、リショルム式や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。つまり、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、非過給の状態、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と電磁クラッチ４５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、１つ以上の触媒コンバーター５１を有する排気ガス浄化システムが配設されている。触媒コンバーター５１は、三元触媒を含んで構成されている。尚、排気ガス浄化システムは、三元触媒のみを含むものに限らない。
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における触媒コンバーター５１の上流に接続されている。ＥＧＲ通路５２の下流端は、吸気通路４０におけるサージタンク４２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、前述した吸気動弁機構及び排気動弁機構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。
圧縮自己着火式エンジンの制御装置は、図２に示すように、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、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、コントローラーの一例である。
ＥＣＵ１０には、図１及び図２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における触媒コンバーター５１の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、排気通路５０における触媒コンバーター５１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。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ＶＶＴ２３１、吸気ＣＶＶＬ２３２、排気ＶＶＴ２４１、排気ＶＶＬ２４２、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、及び、エアバイパス弁４８に出力する。例えば、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３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、負荷の高低、及び、回転数の高低に対し、大きく四つの領域に分けられている。具体的に、四つの領域は、アイドル運転付近の負荷の低い領域と低負荷でかつ回転数が高い領域とを含む低負荷ＳＩ領域、全開負荷を含む高負荷の高負荷ＳＩ領域、低負荷ＳＩ領域と高負荷ＳＩ領域との間の領域であって、相対的に負荷が低くかつ回転数の低い非過給ＣＩ領域、及び、相対的に負荷の高い過給ＣＩ領域である。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、非過給ＣＩ領域及び過給ＣＩ領域において、圧縮自己着火による燃焼を行う。また、低負荷ＳＩ領域及び高負荷ＳＩ領域において、火花点火（つまり、Spark Ignition：ＳＩ）による燃焼を行う。以下、低負荷ＳＩ領域、非過給ＣＩ領域、過給ＣＩ領域、及び、高負荷ＳＩ領域における燃焼形態について、順に説明をする。
エンジン１の運転状態が低負荷ＳＩ領域にあるときの燃焼形態は、点火プラグ２５が燃焼室１７の中の混合気に点火を行うことによって混合気を火炎伝播により燃焼させるＳＩ燃焼である。低負荷ＳＩ領域において、混合気の空燃比Ａ／Ｆ（つまり、燃焼室１７の中の新気と燃料との質量比）は、略理論空燃比である（つまり、Ａ／Ｆ＝１４．７）。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。過給機４４は、吸気の過給を行わず、スロットル弁４３の開度は適宜調整される。燃焼室１７に内部ＥＧＲガスは導入されない。
エンジン１の運転状態が非過給ＣＩ領域にあるときには、低負荷ＳＩ領域よりも燃料の噴射量が多くなる。燃焼温度が高くなるため、内部ＥＧＲガスを燃焼室１７の中に導入することによって、燃焼室１７の温度が高くなり、自己着火を安定して行うことが可能にある。エンジン１は、非過給ＣＩ領域において、ＣＩ燃焼を行う。また、エンジン１の運転状態が非過給ＣＩ領域にあるときには、内部ＥＧＲガスを燃焼室１７の中に導入する一方で、吸気の過給は行わない。混合気のＡ／Ｆは、理論空燃比よりもリーンにする。
エンジン１の負荷が高まり、燃料量がさらに増えたときに、自然吸気の状態であれば、燃焼室１７の中に導入する新気量が不足する。そこで、エンジン１の運転状態が過給ＣＩ領域にあるときには、過給機４４が、燃焼室１７の中に導入する吸気の過給を行いながら、エンジン１は、ＣＩ燃焼を行う。また、エンジン１の運転状態が過給ＣＩ領域にあるときにも、内部ＥＧＲガスを燃焼室１７の中に導入する。混合気のＡ／Ｆは、理論空燃比よりもリーンにする。過給ＣＩ領域は、第１領域に相当し、過給ＣＩ領域よりも負荷の低い非過給ＣＩ領域は、第２領域に相当する。
エンジン１の負荷が高いと、燃料の噴射量が多い。そのため、ＣＩ燃焼を行うと、燃焼騒音を抑制することが困難になる。また、燃焼室１７の中の温度が高くなるため、ＣＩ燃焼を行おうとしても、過早着火やノッキングといった異常燃焼が生じやすい。そのため、エンジン１の運転状態が高負荷の領域（つまり、高負荷ＳＩ領域）にあるときの燃焼形態は、ＳＩ燃焼である。混合気のＡ／Ｆは、略理論空燃比にする。また、エンジン１の運転状態が高負荷ＳＩ領域にあるときには、内部ＥＧＲガスを燃焼室１７の中に導入しないが、過給機４４は過給を行う。高負荷ＳＩ領域は、過給ＣＩ領域よりも負荷の高い第３領域に相当する。
（燃料噴射制御）
図４は、所定のエンジン回転数において、エンジン１の負荷の高低に対する燃料の噴射態様の変化を示している。以下、四つの領域のそれぞれにおける燃料噴射態様を順に説明する。
（高負荷ＳＩ領域）
前述の通り、エンジン１は、高負荷ＳＩ領域においてはＳＩ燃焼を行うが、幾何学的圧縮比が高いこと等に起因して、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、エンジン１は、高負荷ＳＩ領域において、燃料噴射の形態を工夫することにより異常燃焼を回避するよう構成されている。具体的に、ＥＣＵ１０は、３０ＭＰａ以上の高い燃料圧力でかつ、圧縮行程後期から膨張行程初期までの期間（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よう、燃料供給システム６１及びインジェクタ６に制御信号を出力する。従って、グラフ４０１に示すように、第１噴射と第２噴射との噴射割合は、１０：０である。インジェクタ６は、燃料を一括で噴射する。また、グラフ４０２に例示するように、第１噴射の噴射開始ＳＯＩは、圧縮行程後期である。
ＥＣＵ１０はまた、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よう、点火プラグ２５に制御信号を出力する。尚、以下においては、高い燃料圧力でかつ、リタード期間内のタイミングで、燃焼室１７の中に燃料を噴射することを、高圧リタード噴射と呼ぶ。
高圧リタード噴射は、混合気が反応する時間を短くすることによって、異常燃焼を回避する。すなわち、混合気が反応する時間は、（１）インジェクタ６が燃料を噴射する期間（つまり、噴射期間）と、（２）燃料の噴射が終了した後、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（つまり、混合気形成期間）と、（３）点火によって開始されたＳＩ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である。
高い燃料圧力で、燃焼室１７の中に燃料を噴射すると、噴射期間及び混合気形成期間は、それぞれ短くなる。噴射期間及び混合気形成期間が短くなると、燃料の噴射を開始するタイミングを点火タイミングに近づけることが可能になる。高圧リタード噴射は、燃料の圧力を高くすることによって、圧縮行程後期から膨張行程初期までのリタード期間内のタイミングで燃料噴射を行うことができる。
高い燃料圧力で燃焼室１７の中に燃料を噴射すると、燃焼室１７の中の乱流エネルギが高くなる。燃料噴射のタイミングを圧縮上死点に近づけると、燃焼室１７の中の乱流エネルギが高い状態でＳＩ燃焼を開始することができる。その結果、燃焼期間が短くなる。
高圧リタード噴射は、噴射期間、混合気形成期間、及び、燃焼期間をそれぞれ短くすることができる。吸気行程中に燃焼室１７の中に燃料を噴射する場合と比較して、高圧リタード噴射は、混合気が反応する時間を大幅に短くすることができる。高圧リタード噴射は、混合気が反応する時間が短くなるから、異常燃焼を回避することが可能になる。
燃料圧力を、例えば３０ＭＰａ以上にすれば、噴射期間、混合気形成期間及び燃焼期間を効果的に短縮することができる。尚、燃料圧力は、燃料の性状に応じて適宜設定するのが好ましい。燃料圧力の上限値は、一例として、１２０ＭＰａとしてもよい。
（低負荷ＳＩ領域）
低負荷ＳＩ領域において、ＥＣＵ１０は、インジェクタ６が吸気行程中に燃料を噴射するよう、インジェクタ６に制御信号を出力する。グラフ４０１に示すように、インジェクタ６は、燃料を一括で噴射する。尚、インジェクタ６は、燃料を分割して噴射してもよい。吸気行程中に燃焼室１７の中に噴射された燃料は、燃焼室１７の中に導入される吸気によって拡散される。混合気の均質性が高まる。その結果、未燃損失が低減することにより、エンジン１の燃費が向上する。また、スモークの発生が回避されることにより、排出ガス性能が向上する。
（非過給ＣＩ領域）
非過給ＣＩ領域は、負荷の低い領域と、負荷の低い領域とに分けられる。負荷の低い領域においては、低負荷ＳＩ領域と同様に、インジェクタ６は、吸気行程中に燃料を、一括で噴射する。一方、負荷の低い領域においては、インジェクタ６は、第１噴射と第２噴射とを含む分割噴射を行う。第１噴射の噴射開始ＳＯＩは、グラフ４０２に例示するように、圧縮行程前半である。第２噴射の噴射開始ＳＯＩは、グラフ４０３に例示するように、圧縮行程後半である。ここで、圧縮行程前半は、圧縮行程の期間を二等分したときの前半であり、圧縮行程後半は、圧縮行程の期間を二等分したときの後半である。
第１噴射と第２噴射との噴射割合は、グラフ４０１に例示するように、エンジン１の負荷が高くなるに従い、第２噴射の噴射量を次第に増やしかつ、第１噴射の噴射量を次第に減らす。第１噴射の噴射量と第２噴射の噴射量との大小関係は、所定負荷を境にして逆転する。
ＥＣＵ１０は、非過給ＣＩ領域において、エンジン１の負荷の高低に応じて、所定のタイミングで、所定量の燃料を噴射するよう、インジェクタ６に制御信号を出力する。
（過給ＣＩ領域）
過給ＣＩ領域においては、エンジン１の負荷の高低に関わらず、インジェクタ６は、第１噴射と第２噴射とを含む分割噴射を行う。第１噴射の噴射開始ＳＯＩは、グラフ４０２に例示するように、圧縮行程前半である。第２噴射の噴射開始ＳＯＩは、グラフ４０３に例示するように、圧縮行程後半である。第１噴射の噴射量と第２噴射の噴射量との割合は一定である。第２噴射の噴射量の方が、第１噴射の噴射量よりも多い。
ＥＣＵ１０は、過給ＣＩ領域においては、圧縮行程中に第１噴射と第２噴射との二回の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。
（吸気弁及び排気弁の動作）
次に、エンジン１の負荷の高低に対する吸気弁２１及び排気弁２２の動作の変化について説明をする。
先ず、図５を参照しながら、排気ＶＶＬ２４２の構成の詳細を説明する。図５は、エンジン１における特定のシリンダ１１のみを示している。エンジン１のシリンダヘッド１３には、各シリンダ１１について二つずつ、排気弁２２と、排気弁２２を閉方向に付勢するリターンスプリング８４とが設けられている。また、シリンダヘッド１３の上部において、ロッカーアーム８５を介してリターンスプリング８４の付勢力に抗して排気弁２２を開弁する排気側のカム軸８６を備えている。カム軸８６は、シリンダヘッド１３に設けられた軸受部８０に回転自在に支持されている。カム軸８６は、図５では図示を省略するクランクシャフト１５により、チェーンを介して回転駆動される。
カム軸８６には、筒状のカム要素部８１がスプライン嵌合されている。カム要素部８１は、カム軸８６に対して回転方向に結合して一体回転するとともに、軸方向にスライド可能に嵌合されている。カム要素部８１は、図示は省略するが、各シリンダ１１に対応するように、カム軸８６上でカム軸方向に列状に配置されている。カム要素部８１は、ロッカーアーム８５のカムフォロア８５１に摺接することで排気弁２２を開閉させる、第１のカム部８１１、及び、第２のカム部８１２を有している。第１のカム部８１１は、第１カムに相当し、第２のカム部８１２は、第２カムに相当する。一つのシリンダ１１に対して二つの排気弁２２が設けられていることに対応して、第１のカム部８１１及び第２のカム部８１２はそれぞれ、一つのシリンダ１１に対して二つずつ設けられている。
第１のカム部８１１及び第２のカム部８１２は、互いに隣接して設けられている。第１のカム部８１１は、後述するように、低負荷ＳＩ領域、過給ＣＩ領域、及び高負荷ＳＩ領域において選択されるカム部であり、第２のカム部８１２は、非過給ＣＩ領域において選択されるカム部である。
第１のカム部８１１及び第２のカム部８１２は、ベースサークル８１３が共通で、リフト量が異なるノーズ部がベースサークル８１３上に位相差をもって設けられている。尚、ベースサークル８１３が共通であるとは、第１のカム部８１１と第２のカム部８１２とのベースサークル８１３のベース円の径が同じであることを意味する。
カム要素部８１の軸方向の両端部には、端面カム８２がそれぞれ設けられている。端面カム８２は、回転方向に対して基準面から軸方向のリフト量が次第に増加し、リフト終了位置で基準面に戻るように形成されている。
カム要素部８１の上方でかつ、カム軸方向両側の端面カム８２に対応する位置には、電磁式アクチュエータ８３が配設されている。電磁式アクチュエータ８３は、通電時にカム軸８６に向かって突出可能なピン部８３１を有する。ＥＣＵ１０からの制御信号も応じて、電磁式アクチュエータ８３に通電しない状態では、ピン部８３１は、アクチュエータ内部に設けられた永久磁石によって上方の不作動位置に保持される。一方、電磁式アクチュエータ８３に通電されると、ピン部８３１は、永久磁石に抗して下方へ突出して作動位置に進出する。
電磁式アクチュエータ８３のピン部８３１が作動位置に進出すると、ピン部８３１の先端部が対応する端面カム８２に摺接することとなり、カム要素部８１がカム軸方向へスライドされる。
具体的に、カム要素部８１の一端側（つまり、図５における右側）の電磁式アクチュエータ８３を作動させて、ピン部８３１をカム要素部８１の一端側の端面カム８２に摺接させると、カム要素部８１は、カム軸方向の他端側（つまり、図５における左側）にスライドして、第２のカム部８１２がロッカーアーム８５のカムフォロア８５１に摺接するようにシフトする。また、カム要素部８１の他端側の電磁式アクチュエータ８３を作動させて、ピン部８３１をカム要素部８１の他端側の端面カム８２に摺接させると、カム要素部８１は、カム軸方向の一端側にスライドして、第１のカム部８１１がロッカーアーム８５のカムフォロア８５１に摺接するようにシフトする。このように、カム要素部８１の軸方向へのシフトによって、第１のカム部８１１及び第２のカム部８１２のうちで排気弁２２を開閉させるカム部が切り替えられることになる。端面カム８２及び電磁式アクチュエータ８３によって、第１のカム部８１１及び第２のカム部８１２を切り替える切り替え機構が構成されている。
次に、図６を参照しながら、吸気弁２１及び排気弁２２の開弁動作を説明する。吸気弁２１のリフト量は、吸気ＣＶＶＬ２３２によって、図６に示すように、最小リフトから最大リフトの間を連続的に変化する。ここで、吸気ＣＶＶＬ２３２は、吸気弁２１の閉弁時期を一定に維持しつつ、吸気弁２１のリフト量を変更するよう構成されている。従って、吸気弁２１のリフト量が大きくなると、吸気弁２１の開弁時期は進角する。また、図６には示していないが、吸気ＶＶＴ２３１によって、吸気弁２１のバルブタイミングは、所定の範囲で変更される。
排気ＶＶＬ２４２における第１のカム部８１１のカムプロフィールは、図６には示していないが、吸気弁２１のカムプロフィールと同様に、クランク角の進行に対して、排気弁２２のリフト量が、ゼロから次第に増えて最大リフト量に至ると共に、その後、リフト量が次第に減ってゼロに至るような、一つのカム山を有している。
これに対し、排気ＶＶＬ２４２における第２のカム部８１２のカムプロフィールは、図６に例示するように、リフトカーブにおける閉弁側に、クランク角の進行に対して、排気弁２２のリフトを略一定に維持するリフト棚部２２２を有している。より詳細に、第２のカム部８１２のカムプロフィールは、大リフト部２２１と、リフト棚部２２２と、小リフト部２２３とを有している。大リフト部２２１は、クランク角の進行に対して、排気弁２２のリフト量がゼロから次第に増えて最大リフト量に至ると共に、その後、リフト量が次第に減る部分である。大リフト部２２１は、排気行程において排気弁２２を開弁する第１のカム山に相当する。リフト棚部２２２は、大リフト部２２１に連続すると共に、排気弁２２のリフトを略一定に維持したまま、吸気行程へと至る部分である。小リフト部２２３は、リフト棚部２２２に連続すると共に、排気弁２２のリフト量を、リフト棚部２２２よりも大きくした後、リフト量が次第に減ってゼロへと至る部分である。リフト棚部２２２及び小リフト部２２３は、第１のカム山に連続すると共に、排気行程から吸気行程まで、排気弁２２を開弁したままにする第２のカム山に相当する。
ここで、図６における破線は、ピストン３の頂面と、排気弁２２の配設箇所における燃焼室１７の天井面との隙間の大きさを示しており、リフト棚部２２２のリフト量は、排気弁２２がピストン３の頂面に干渉しない限度において、最大リフト量に設定されている。また、小リフト部２２３を設けることによって、排気弁２２の開弁から閉弁までの期間を短くしながら、吸気行程において排気弁２２が開弁している量（つまり、図６に示す排気弁２２のリフトカーブが、吸気行程の期間において形成する範囲の面積）を大きくすることができる。吸気行程において排気弁２２が開弁している量を大きくすると、燃焼室１７の中に導入される内部ＥＧＲガスの導入量が増える。尚、リフト棚部２２２のリフト量は、前記の最大リフト量よりも小さくしてもよい。また、小リフト部２２３は、なくてもよい。また、排気弁２２の第２のカム部８１２は、排気行程での開弁後、リフト棚部２２２を通じて開弁状態を維持した上で、吸気行程で閉弁するようなカムプロフィールの代わりに、排気行程での開弁後に一旦閉弁をした後、吸気行程で再び開弁するようなカムプロフィールを採用してもよい。
排気弁２２のバルブタイミングは、排気ＶＶＴ２４１によって、図６に矢印で示すように、所定の範囲で変更される。
図７は、各運転領域における吸気弁２１及び排気弁２２のバルブリフトの関係を例示している。先ず、グラフ７０１は、エンジン１が高負荷ＳＩ領域において運転しているときの、吸気弁２１及び排気弁２２のバルブリフトの関係の一例である。吸気弁２１は、吸気ＣＶＶＬ２３２によって、リフト量が大に設定される。また、吸気弁２１の開弁時期及び閉弁時期は、エンジン１の運転状態に応じて、吸気ＶＶＴ２３１により、適宜調整される。一方、排気弁２２は、排気ＶＶＬ２４２の第１のカム部８１１によって開弁する。排気弁２２は、排気行程において開弁し、排気上死点の付近において閉弁する。排気弁２２の開弁時期及び閉弁時期は、排気ＶＶＴ２４１によって、適宜の時期に設定される。エンジン１が高負荷ＳＩ領域において運転しているときには、排気上死点の周りにおいて、吸気弁２１及び排気弁２２が共に開弁する。つまり、可変動弁システムは、高負荷ＳＩ領域において、第３モードで動作する。吸気弁２１及び排気弁２２のポジティブオーバーラップ期間を設けることと、過給機４４が過給を行うこととが組み合わさって、燃焼室１７の中の既燃ガスの掃気が促進される。エンジン１が高負荷ＳＩ領域において運転しているときに、燃焼室１７の中に導入される内部ＥＧＲガスは、実質的にゼロになる。このことは、高負荷ＳＩ領域において、異常燃焼を回避する上で有利になる。
グラフ７０４は、エンジン１が低負荷ＳＩ領域において運転しているときの、吸気弁２１及び排気弁２２のバルブリフトの関係の一例である。吸気弁２１は、吸気ＣＶＶＬ２３２によって、リフト量が小に設定される。また、吸気弁２１の開弁時期及び閉弁時期は、エンジン１の運転状態に応じて、吸気ＶＶＴ２３１により、適宜調整される。一方、排気弁２２は、排気ＶＶＬ２４２の第１のカム部８１１によって開弁する。排気弁２２の開弁時期及び閉弁時期は、排気ＶＶＴ２４１によって、適宜の時期に設定される。エンジン１が低負荷ＳＩ領域において運転しているときにも、燃焼室１７の中に導入される内部ＥＧＲガスは、実質的にゼロになる。
グラフ７０３は、エンジン１が非過給ＣＩ領域において運転しているときの、吸気弁２１及び排気弁２２のバルブリフトの関係の一例である。排気弁２２は、排気ＶＶＬ２４２の第２のカム部８１２によって開弁する。従って、排気弁２２の閉弁時期は、吸気行程の期間内になる。また、排気弁２２の開弁時期及び閉弁時期は、後述するように、エンジン１の負荷の高低に応じて、排気ＶＶＴ２４１により調整される。吸気弁２１のリフト量は、後述するように、吸気ＣＶＶＬ２３２によって、所定の大リフト量に設定される。また、吸気弁２１の閉弁時期は、吸気ＶＶＴ２３１により所定の時期に設定される一方で、吸気弁の開弁時期は、リフト量に応じて設定される。排気弁２２を吸気行程において開弁することにより、排気行程中に排気ポート１９に排出された既燃ガスが、燃焼室１７の中に再導入される。燃焼室１７の中には、所定量の内部ＥＧＲガスが導入される。つまり、非過給ＣＩ領域において、可変動弁システムは、第２モードで動作する。
グラフ７０２は、エンジン１が過給ＣＩ領域において運転しているときの、吸気弁２１及び排気弁２２のバルブリフトの関係の一例である。排気弁２２は、排気ＶＶＬ２４２の第１のカム部８１１によって開弁する。また、排気弁２２の開弁時期及び閉弁時期は、後述するように、エンジン１の負荷の高低に応じて、排気ＶＶＴ２４１により調整される。排気弁２２の閉弁時期は、排気上死点よりも前に設定される。吸気弁２１のリフト量は、後述するように、吸気ＣＶＶＬ２３２によって、エンジン１の負荷の高低に応じて変更される。また、吸気弁２１の閉弁時期は、吸気ＶＶＴ２３１により所定の時期に設定される一方で、吸気弁２１の開弁時期は、リフト量に応じて設定される。排気弁２２及び吸気弁２１は、排気上死点周りにおいて共に閉弁する。排気弁２２及び吸気弁２１のネガティブオーバーラップ期間を設けることにより、既燃ガスの一部が、燃焼室１７の中に閉じ込められる。燃焼室１７の中には、所定量の内部ＥＧＲガスが導入される。つまり、過給ＣＩ領域において、可変動弁システムは、第１モードで動作する。
次に、図８及び図９を参照しながら、エンジン１の負荷の高低に対する吸気弁２１及び排気弁２２の可変動弁システムの制御、及び、過給システム４９の制御について詳細に説明をする。以下においては、エンジン１が、負荷の低い状態から負荷の高い状態へと次第に変化すると仮定して、各運転領域における可変動弁システム、及び、過給システム４９の制御について説明をする。尚、エンジン１が、負荷の高い状態から負荷の低い高い状態へと次第に変化するときには、以下の説明とは逆になる。
先ず、図８のグラフ８０１は、エンジン１の回転数が所定回転数のときの、エンジン１の負荷の高低に対する、内部ＥＧＲ率の変化を示している。エンジン１の負荷が低い低負荷ＳＩ領域においては、前述したように、燃焼室１７の中に導入する内部ＥＧＲガスの量は、実質的にゼロになる。従って、内部ＥＧＲ率も、実質的にゼロである。このときに、排気弁２２は、第１のカム部８１１によって開弁する。排気ＶＶＴ２４１は、グラフ８０２に示すように、排気弁２２のバルブタイミングを遅角側に設定する。これにより、排気弁２２の閉弁時期（ＥＶＣ）は、グラフ８０３に示すように、排気上死点付近に設定される。
吸気ＣＶＶＬ２３２は、吸気弁２１のリフト量を、図９のグラフ９０１に示すように、所定の小リフト量にする。吸気ＶＶＴ２３１は、グラフ９０２に示すように、吸気弁２１の閉弁時期（ＩＶＣ）を、吸気下死点前にする。これに伴い、吸気弁２１の開弁時期（ＩＶＯ）は、グラフ９０３に示すように、所定の時期に設定される。
低負荷ＳＩ領域においては、過給システム４９は、吸気の過給を行わない（グラフ９０４参照）。また、ＥＣＵ１０は、スロットル弁４３を適宜の開度に調整し、燃焼室１７の中に導入する新気の量を調整する。よって、過給圧（つまり、吸気圧）は、大気圧よりも低くなる。
エンジン１の負荷が高くなった非過給ＣＩ領域においては、グラフ８０１に示すように、燃焼室１７の中に比較的大量の内部ＥＧＲガスの量を導入する。グラフ８０３に示すように、排気ＶＶＬ２４２は、低負荷ＳＩ領域と非過給ＣＩ領域との境界において、第１のカム部８１１と第２のカム部８１２との切り替えを行う。つまり、エンジン１の運転状態が低負荷ＳＩ領域から非過給ＣＩ領域へと移行するときには、排気ＶＶＬ２４２は、第１のカム部８１１から第２のカム部８１２に切り替える。排気弁２２の閉弁時期（ＥＶＣ）は、グラフ８０３に示すように、排気上死点付近から、吸気行程の期間内へと、瞬時に遅角する（図７のグラフ７０３の実線も参照）。これにより、大量の内部ＥＧＲガスを、燃焼室１７の中に導入することが可能になる。可変動弁システムが第２モードで動作すると、第１モードで動作するときと比較して、内部ＥＧＲ率を高くすることが可能になる。非過給ＣＩ領域では、エンジン１の負荷が相対的に低いため、内部ＥＧＲガスの温度が相対的に低くなるが、可変動弁システムを第２モードで動作させることによって大量の内部ＥＧＲガスを燃焼室１７の中に導入することができるから、燃焼室１７の中の温度を、所望の温度にまで高くすることができる。その結果、非過給ＣＩ領域において、ＣＩ燃焼を安定化させることができる。
排気ＶＶＴ２４１は、グラフ８０２に示すように、非過給ＣＩ領域において、エンジン１の負荷が高くなるに従い、排気弁２２のバルブタイミングを次第に進角させる。これにより、排気弁２２の閉弁時期は、グラフ８０３に示すように、吸気行程の期間内において、排気上死点に向かって次第に進角する。吸気行程の期間内において開弁している排気弁２２の開弁量が少なくなる（グラフ７０３の破線を参照）から、燃焼室１７の中に導入される内部ＥＧＲガスの量が、次第に減る。よって、グラフ８０１に示すように、非過給ＣＩ領域において、内部ＥＧＲ率は、エンジン１の負荷が高くなるに従い、次第に低くなる。エンジン１の負荷が高くなるに従い、燃料量が増えて燃焼室１７の中の温度は高くなる。内部ＥＧＲガスを減らしても、混合気を安定して自己着火により燃焼させることが可能になる。また、吸気の過給を行わない非過給ＣＩ領域では、内部ＥＧＲガスを減らす分、新気が増えるため、燃料量の見合った新気を確保することができる。
吸気ＶＶＴ２３１は、非過給ＣＩ領域において、吸気弁２１のバルブタイミングを遅角する。吸気弁２１のリフト量は、グラフ９０１に示すように、非過給ＣＩ領域においては、所定の大リフト量に変更される。こうすることで、図１０に示すように、吸気行程の期間における吸気弁２１と排気弁２２との開弁量の和が大きくなるから、エンジン１のポンプ損失を低減することが可能になる。所定の大リフト量は、例えば最小リフト量よりも大きくかつ、最大リフト量よりも小さい、としてもよい。吸気ＣＶＶＬ２４２は、吸気弁２１の閉弁時期を変更せずに、リフト量を変更するため、グラフ９０２に示すように、吸気弁２１の閉弁時期は、非過給ＣＩ領域において一定であると共に、グラフ９０３に示すように、吸気弁２１の開弁時期は、リフト量が大きくなることに伴い進角する。
尚、非過給ＣＩ領域において、過給システム４９は、吸気の過給を行わない（グラフ９０４参照）。また、ＥＣＵ１０は、スロットル弁４３を全開にする。これにより、過給圧は大気圧になる。
エンジン１の負荷がさらに高くなった過給ＣＩ領域においては、グラフ８０１に示すように、内部ＥＧＲ率を、エンジン１の負荷が高くなるに従い、次第に低くする。非過給ＣＩ領域と過給ＣＩ領域との境界において、内部ＥＧＲ率は連続している。従って、非過給ＣＩ領域と過給ＣＩ領域との全体に亘って、エンジンの負荷が高くなるに従い、内部ＥＧＲ率は連続的に低下する。グラフ８０１に示すように、内部ＥＧＲ率は、非過給ＣＩ領域から過給ＣＩ領域までの間において、エンジン１の負荷が高まるに従い、一次関数的に低下する。
前述したように、非過給ＣＩ領域では、排気ＶＶＬ２４２は、排気弁２２を第２のカム部８１２で開弁し、過給ＣＩ領域では、排気ＶＶＬ２４２は、排気弁２２を第１のカム部８１１で開弁する（グラフ８０３も参照）。エンジン１の運転状態が、非過給ＣＩ領域から過給ＣＩ領域へと移行するタイミングで、ＥＣＵ１０は、排気ＶＶＬ２４２に、第２のカム部８１２から第１のカム部８１１への切り替えを実行させる。カムの切り替え前後において、内部ＥＧＲ率が急変してしまうことを防止しなければならない。
第１のカム部８１１と第２のカム部８１２との切り替えは、詳細な図示は省略するが、カム要素部８１において、第１のカム部８１１と第２のカム部８１２との間で段差が無いタイミングで行う。具体的には、図７に白抜きの矢印で示すように、最大リフトを超えた閉弁側において、排気弁２２のリフト量が、第１のカム部８１１と第２のカム部８１２との間で一致している所定のタイミングで行う。
排気弁２２のバルブタイミングが、図７のグラフ７０３の破線で示す所定の進角位置にあるときに、排気ＶＶＬ２４２が、第２のカム部８１２から第１のカム部８１１への切り替えを行うと、グラフ７０２に実線で示すように、排気弁２２のリフトカーブが瞬時に切り替わる。これにより、排気弁２２の閉弁時期は、吸気行程の期間内から、排気行程期間内へと瞬時に変化する。可変動弁システムは、排気弁２２を吸気行程において開弁することによって、内部ＥＧＲガスを燃焼室１７の中に導入していた第２モードから、排気弁２２を、排気上死点前に閉弁することによって内部ＥＧＲガスを燃焼室１７の中に閉じ込める第１モードへと切り替わる。内部ＥＧＲガスを燃焼室の中に導入する手段は変わるものの、内部ＥＧＲガスを燃焼室の中に導入する状態は継続することができる。
非過給ＣＩ領域から過給ＣＩ領域へ移行するタイミングで、吸気ＣＶＶＬ２３２は、グラフ９０１に示すように、吸気弁２１のリフト量を、前記の大リフト量から所定のリフト量まで小さくする。これによってグラフ９０３に示すように、吸気弁２１の開弁時期が遅角側へと変更される。こうすることで、図７のグラフ７０２に示すように、排気弁２２の閉弁時期から排気上死点までの期間と、排気上死点から吸気弁２１の開弁時期までの期間が等しくなる。吸気弁２１及び排気弁２２のネガティブオーバーラップ期間を設けたときに、ポンプ損失を小さくすることが可能になる。
また、過給システム４９は、過給ＣＩ領域において過給を行う。具体的には、ＥＣＵ１０が、電磁クラッチ４５を接続することにより、過給機４４が過給を開始する。過給圧は、グラフ９０４に示すように、エンジン１の負荷が高くなるに従い、次第に高くなる。過給圧の調整は、ＥＣＵ１０が、エアバイパス弁４８の開度を調整することにより行う。
仮に過給ＣＩ領域において排気ＶＶＬ２４２が第２モードで動作していると、吸気行程において排気弁２２及び吸気弁２１の両方が開弁しているときに、エンジン１の吸気側から、燃焼室１７を通って、排気側へと流れる吸気の吹き抜けが発生してしまう。これにより、燃焼室１７の中に導入する内部ＥＧＲガスの量を精度よく調整することが難しくなる。つまり、内部ＥＧＲ率の制御性が低下してしまう。
これに対し、過給ＣＩ領域において、排気ＶＶＬ２４２を第１モードで動作させることにより、吸気行程において排気弁２２及び吸気弁２１の両方が開弁することがないから、前述した吸気の吹き抜けを防止することができる。これにより、内部ＥＧＲ率の制御性が向上する。
また、排気ＶＶＬ２４２を第１モードで動作させると、燃焼室１７の中に、大量の内部ＥＧＲガスを導入することが困難になるが、過給ＣＩ領域は、エンジン１の負荷が相対的に高い領域であるため、ＣＩ燃焼を安定化するために要求される燃焼室１７内の温度は、相対的に低い。また、過給ＣＩ領域では、燃料量が相対的に多いため、内部ＥＧＲガスの温度が相対的に高くなる。従って、燃焼室１７の中に導入する内部ＥＧＲガスの量が少なくても、燃焼室１７の中の温度を所望の温度にまで高めることが可能になる。
過給ＣＩ領域において、排気ＶＶＴ２４１は、グラフ８０２に示すように、排気弁２２のバルブタイミングをエンジン１の負荷が高くなるに従い、次第に遅角させる。これにより、排気弁２２の閉弁時期は、グラフ８０３に破線で示すように、排気上死点に近づくから、ネガティブオーバーラップ期間が短くなって、内部ＥＧＲ率が次第に低下する。
過給ＣＩ領域において、吸気ＣＶＶＬ２３２は、グラフ９０１に示すように、吸気弁２１のリフト量を、エンジン１の負荷が高まるに従い、次第に大きくする。これにより、吸気弁２１の閉弁時期は、グラフ９０２に示すように、一定のままで、吸気弁２１の開弁時期は、グラフ９０３に示すように、次第に進角する（図７のグラフ７０２の矢印も参照）。
これにより、燃料量の増量に対応するように、燃焼室１７の中に導入する新気量を増やすことができる。図１１は、非過給ＣＩ領域における、燃焼室１７内のガス組成の一例と、過給ＣＩ領域における、燃焼室１７内のガス組成の一例との比較である。非過給ＣＩ領域及び過給ＣＩ領域のそれぞれにおいて、エンジン１の負荷の高低に関わらず、混合気のＧ／Ｆ（つまり、燃焼室１７の中の全ガスと燃料との質量比）は一定に維持される一方で、混合気のＡ／Ｆは、エンジン１の負荷が高くなると、大きくなる。尚、前述したように、非過給ＣＩ領域及び過給ＣＩ領域において、混合気のＡ／Ｆは、理論空燃比よりもリーンである（つまり、混合気の空気過剰率λは、１を超える）。
高負荷ＳＩ領域においては、前述したように、内部ＥＧＲ率を実質的にゼロにする（グラフ８０１参照）。排気ＶＶＴ２４１は、グラフ８０２に示すように、排気弁２２のバルブタイミングを最遅角にし、これにより、排気弁２２の閉弁時期は、グラフ８０３に示すように、排気上死点よりも遅角側（つまり、吸気行程内）になる。排気ＶＶＴ２４１は、高負荷ＳＩ領域においては、エンジン１の負荷の高低に関わらす、排気弁２２のバルブタイミングを一定にする（グラフ８０２、８０３参照）。
高負荷ＳＩ領域においては、混合気のＡ／Ｆは、略理論空燃比になる。Ａ／Ｆが理論空燃比よりもリーンである過給ＣＩ領域から、高負荷ＳＩ領域へと、エンジン１の運転状態が移行するタイミングで、燃焼室１７の中に導入する新気量を減らさなければならない。吸気ＣＶＶＬ２４２は、グラフ９０１に示すように、吸気弁２１のリフト量を一旦、低くする。これに伴い、吸気弁２１の開弁時期が、グラフ９０３に示すように、一旦、遅角する。高負荷ＳＩ領域において、吸気ＣＶＶＬ２４２は、吸気弁２１のリフト量を、エンジン１の負荷が高くなるに従い、次第に大きくする。これに伴い、吸気弁２１の開弁時期は、エンジン１の負荷が高くなるに従い、次第に進角する。
吸気ＶＶＴ２３１はまた、高負荷ＳＩ領域において、グラフ９０２に示すように、エンジン１の負荷が高くなるに従い、吸気弁２１の閉弁時期を、次第に遅角する。吸気弁２１は、圧縮行程において閉弁する遅閉じとなり、吸気弁２１の遅閉じ量が次第に増える。
また、過給システム４９は、エンジン１の運転状態が過給ＣＩ領域から高負荷ＳＩ領域へと移行するタイミングで、新気量の調整のために、過給圧を、一旦、低くする（グラフ９０４参照）。過給システム４９は、高負荷ＳＩ領域において、エンジン１の負荷が高くなるに従い、過給圧を次第に高める。
エンジン１の負荷が高くなるほど、吸気弁２１の遅閉じ量を増やすことによって、ノッキングの発生を回避することが可能になる。その一方で、吸気弁２１を遅閉じにする分、過給圧を高める必要があるため、過給機４４の仕事はロスになる。
ここで、変形例として図１２のグラフ１２０１に示すように、吸気ＶＶＴ２３１は、吸気弁２１の閉弁時期を、高負荷ＳＩ領域において一定に維持するようにしてもよい。この場合、ノッキングの発生を回避するために、点火時期をリタードしなければならない場合がある。一方、過給システム４９は、グラフ１２０２に示すように、過給圧を相対的に低くすることが可能になる。尚、グラフ１２０２における破線は、図９のグラフ９０４の実線に相当する。
吸気ＶＶＴ２３１による吸気弁２１の閉弁時期の設定は、過給機４４の効率に応じて、図９のグラフ９０２か、又は、図１２のグラフ１２０１のいずれか一方を、適宜、設定すればよい。また、エンジン１の回転数の高低に応じて、グラフ９０２か、又は、グラフ１２０１のいずれか一方を選択してもよい。
（非過給ＣＩ領域と過給ＣＩ領域との境界におけるカムの切り替え制御）
図１３は、非過給ＣＩ領域及び過給ＣＩ領域における、排気ＶＶＴ２４１による排気弁２２のバルブタイミングと、内部ＥＧＲ率との関係を示している。図１３において「ＮＶＯによる内部ＥＧＲ」と示される線は、排気ＶＶＬ２４２が第１モードで動作することにより、吸気弁２１及び排気弁２２のネガティブオーバーラップ期間を設けることによって、燃焼室１７の中に内部ＥＧＲガスを導入するときの、排気弁２２のバルブタイミングと、内部ＥＧＲ率との関係である。この場合、排気弁２２のバルブタイミングを進角すると、ネガティブオーバーラップ期間が長くなるから、内部ＥＧＲ率が高くなる。よって、「ＮＶＯによる内部ＥＧＲ」と示される線は、図１３において右上がりになる。
排気ＶＶＬ２４２が第２モードで動作することにより、排気弁２２が、吸気行程において開弁することによって、燃焼室１７の中に内部ＥＧＲガスを導入するときは、排気弁２２のバルブタイミングを進角すると、吸気行程において排気弁２２が開弁している期間が短くなるから、内部ＥＧＲ率が低くなる一方、排気弁２２のバルブタイミングを遅角すると、吸気行程において排気弁２２が開弁している期間が長くなるから、内部ＥＧＲ率が高くなる。
ここで、排気ＶＶＬ２４２が第２モードで動作しているときは、吸気弁２１のリフト量を変更すると、吸気弁２１を通じて燃焼室１７の中に流入するガス流れに対する抵抗が変化するから、燃焼室１７の中に導入される内部ＥＧＲの量が変更する。具体的には、吸気弁２１のリフト量が小さいと、排気弁２２を通じて既燃ガスが相対的に流れやすくなるから内部ＥＧＲ率が高くなり、吸気弁２１のリフト量が大きいと、吸気弁２１を通じて新気が相対的に流れやすくなるから内部ＥＧＲ率が低くなる。図１３の、二本の一点鎖線の内「最大リフト」と示す線は、吸気弁２１のリフト量を最大リフト量とした上で、排気弁２２のバルブタイミングを変更したときの内部ＥＧＲ率の変化を示す。「最小リフト」と示す線は、吸気弁２１のリフト量を最小リフト量とした上で、排気弁２２のバルブタイミングを変更したときの内部ＥＧＲ率の変化を示す。「最大リフト」及び「最小リフト」と示される線はそれぞれ、図１３において右下がりになる。
また、図１３に縦の矢印で示すように、排気弁２２のバルブタイミングが同じであっても、吸気弁２１のリフト量を変更することによって、内部ＥＧＲ率を変更することが可能である。
前述したように、非過給ＣＩ領域と過給ＣＩ領域との境界では、第１のカム部８１１と第２のカム部８１２との切り替え前後で、内部ＥＧＲ率が変わらないように、第１のカム部８１１と、第２のカム部８１２との切り替えが行われる。具体的には、排気ＶＶＴ２４１によって排気弁２２のバルブタイミングが所定のタイミングのときに、排気ＶＶＬ２４２は、ＥＣＵ１０からの制御信号に基づいて、カムの切り替えを行う。非過給ＣＩ領域においては、ポンプ損失を少なくする観点から、前述したように吸気弁２１のリフト量は所定の大リフト量にする。エンジン１の負荷が高くなって、排気弁２２のバルブタイミングが進角するに従い、内部ＥＧＲ率は、図１３に太矢印で示すように、次第に低下する。そして、太矢印が、「ＮＶＯによる内部ＥＧＲ」の線と交差するバルブタイミングで、排気ＶＶＬ２４２が第２モードで動作しているときの内部ＥＧＲ率と、排気ＶＶＬ２４２が第１モードで動作しているときの内部ＥＧＲ率とが一致する。従って、このバルブタイミングで、第２のカム部８１２から第１のカム部８１１への切り替えが行われる。吸気弁２１のリフト量を大リフト量にすることで、前述したように、非過給ＣＩ領域におけるポンプ損失の低減という作用効果の他に、第２のカム部８１２から第１のカム部８１１への切り替えを行うことができるまでの、排気弁２２の進角量を少なくすることができるという作用効果を奏する。
例えば、アクセルペダルの踏み込み操作に伴い加速をする状況においては、エンジン１の運転状態が非過給ＣＩ領域から過給ＣＩ領域へと速やかに移行をして、過給システム４９による過給を速やかに開始することが可能になる。運転者の加速要求に対するレスポンスを向上させることが可能になる。
また、排気ＶＶＬ２４２が第２モードで動作しているときには、吸気弁２１のリフト量の調整によって、内部ＥＧＲ率を調整することができるから、前述したように排気弁２２のバルブタイミングを調整することに加えて、吸気弁２１のリフト量の調整を行うことにより、第１のカム部８１１と、第２のカム部８１２との間の切り替え時に、内部ＥＧＲ率が変わってしまうことを、確実に防止することができる。また、様々な要因によって排気弁２２のバルブタイミングを調整することだけでは、内部ＥＧＲ率が一致しない状況であっても、吸気弁２１のリフト量の調整を行うことにより、内部ＥＧＲ率が一致するようになり、第１のカム部８１１と、第２のカム部８１２との間の切り替えを速やかに行うことができる。
次に、図１４に示すフローチャートを参照しながら、非過給ＣＩ領域と、過給ＣＩ領域との間におけるカムの切り替え制御について説明をする。ステップＳ１において、ＥＣＭ１０は、各種のセンサＳＷ１〜ＳＷ１６から入力された検出信号等に基づき、エンジン１の運転状態を読み込む。
次に、ステップＳ２において、ＥＣＭ１０は、各種のセンサＳＷ１〜ＳＷ１６から入力された検出信号等に基づき、エンジン１に要求される運転状態を把握する。また、その運転状態に対応する各デバイス（インジェクタ６、点火プラグ２５、燃料供給システム６１、スロットル弁４３及びＥＧＲ弁５４）、並びに、各システム（可変動弁システム（吸気ＶＶＴ２３１、吸気ＣＶＶＬ２３２、排気ＶＶＴ２４１及び排気ＶＶＬ２４２）及び過給システム４９（電磁クラッチ４５及びエアバイパス弁４８））の制御量のベースセットを読み込む。
次に、ステップＳ３において、ＥＣＭ１０は、エンジン１に対する要求運転状態が非過給ＣＩ領域と過給ＣＩ領域との間で切り替わるか否かを判定する。この判定が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Ｓ１に戻る。
ステップＳ４において、ＥＣＭ１０は、非過給ＣＩ領域から過給ＣＩ領域への切り替えか否かを判定する。この判定がＹＥＳのときには、プロセスはステップＳ５に進み、ＮＯのときには、プロセスはステップＳ７に戻る。
非過給ＣＩ領域から過給ＣＩ領域への切り替えであるステップＳ５では先ず、ＥＣＵ１０は、排気ＶＶＬ２４２が、第２のカム部８１２から第１のカム部８１１への切り替えを行うよう制御信号を出力する。これにより、吸気弁２１及び排気弁２２のネガティブオーバーラップ期間が設けられる。
その後のステップＳ６において、ＥＣＵ１０は、過給システム４９に対し、過給を開始するよう制御信号を出力する。これにより、電磁クラッチ４５が接続し、過給機４４が過給を開始する。
このように、排気ＶＶＬ２４２が排気弁２２のカムの切り替えを行った後で、過給システム４９が過給を開始することにより、過給ＣＩ領域において、吸気側から排気側への吸気の吹き抜けを防止することができる。その結果、内部ＥＧＲ率の調整を、精度よく行うことができる。
過給ＣＩ領域から非過給ＣＩ領域への切り替えであるステップＳ７では、ＥＣＵ１０は、過給システム４９に対して、過給を停止するよう制御信号を出力する。そして、ステップＳ８で、ＥＣＵ１０は、過給圧が所定値以下に低下したか否かを判定する。過給圧が所定値以下に低下していない間は、ステップＳ８を繰り返す。過給圧が所定値以下に低下すれば、ステップＳ９に進む。
ステップＳ９において、ＥＣＵ１０は、排気ＶＶＬ２４２に対し、第１のカム部８１１から第２のカム部８１２への切り替えを行うよう制御信号を出力する。これにより、排気弁２２が、吸気行程において開弁する。カムの切り替えを行うときには、過給圧が低下しているため、吸気側から排気側への吸気の吹き抜けを防止することができる。その結果、内部ＥＧＲ率の調整を、精度よく行うことができる。
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、前記の構成では、エンジン１は、機械式のスーパーチャージャーを備えているが、これに代えて、排気エネルギによって駆動するターボ過給機を備えるようにしてもよい。
１ エンジン
１０ ＥＣＵ（コントローラー）
１７ 燃焼室
２１ 吸気弁
２２ 排気弁
２２１ 大リフト部（第１のカム山）
２２２ リフト棚部（第２のカム山）
２２３ 小リフト部（第２のカム山）
２３１ 吸気ＶＶＴ（可変動弁システム、タイミング変更機構）
２３２ 吸気ＣＶＶＬ（可変動弁システム、リフト変更機構）
２４１ 排気ＶＶＴ（可変動弁システム、タイミング変更機構）
２４２ 排気ＶＶＬ（可変動弁システム）
４４ 過給機（機械式スーパーチャージャー）
４５ 電磁クラッチ
８１１ 第１のカム部（第１カム）
８１２ 第２のカム部（第２カム）
８２ 端面カム（切り替え機構）
８３ 電磁式アクチュエータ（切り替え機構）
４９ 過給システム
ＳＷ１ エアフローセンサ
ＳＷ２ 第１吸気温度センサ
ＳＷ３ 第１圧力センサ
ＳＷ４ 第２吸気温度センサ
ＳＷ５ 第２圧力センサ
ＳＷ６ 指圧センサ
ＳＷ７ 排気温度センサ
ＳＷ８ リニアＯ２センサ
ＳＷ９ ラムダＯ２センサ
ＳＷ１０ 水温センサ
ＳＷ１１ クランク角センサ
ＳＷ１２ アクセル開度センサ
ＳＷ１３ 吸気カム角センサ
ＳＷ１４ 排気カム角センサ
ＳＷ１５ ＥＧＲ差圧センサ
ＳＷ１６ 燃圧センサ

Claims (8)

  1. 燃焼室の中の混合気を自己着火によって燃焼させるよう構成されたエンジンと、
    吸気弁及び排気弁の内、少なくとも前記排気弁の開弁動作を変更することによって、前記燃焼室の中に内部ＥＧＲガスを導入するよう構成された可変動弁システムと、
    前記可変動弁システムに制御信号を出力することによって、前記エンジンを運転するよう構成されたコントローラーと、
    前記コントローラーに接続されかつ、前記エンジンの運転状態に関するパラメータを検知すると共に、前記コントローラーに検知信号を出力するよう構成されたセンサと、を備え、
    前記可変動弁システムは、前記排気弁を排気上死点前に閉弁することにより、前記燃焼室の中に前記内部ＥＧＲガスを閉じ込める第１モードと、前記排気弁を吸気行程において開弁することにより、前記燃焼室の中に前記内部ＥＧＲガスを導入する第２モードと、を切り替えるよう構成され、
    前記可変動弁システムは、前記第１モードにおいて選択されかつ、前記排気弁を排気行程において開弁するよう構成された第１カムと、前記第２モードにおいて選択されかつ、前記排気弁を排気行程及び吸気行程において開弁するよう構成された第２カムと、前記コントローラーからの制御信号を受けて前記第１カム及び前記第２カムを切り替えるよう構成された切り替え機構と、前記排気弁のバルブタイミングを変更するよう構成されたタイミング変更機構と、を含み、
    前記エンジンが自己着火燃焼によって運転する運転領域において、前記コントローラーは、第１領域では、前記可変動弁システムが前記第１モードで動作するよう、前記可変動弁システムに制御信号を出力すると共に、前記第１領域よりも負荷が低い第２領域では、前記可変動弁システムが前記第２モードで動作するよう、前記可変動弁システムに制御信号を出力し、
    前記切り替え機構が前記第１カムと前記第２カムとの切り替えを行うときに、前記第１カムの閉弁時期は、排気行程期間内であり、前記第２カムの閉弁時期は、吸気行程期間内であり、
    前記コントローラーは、前記第１領域及び前記第２領域の全体に亘って、前記エンジンの負荷が高くなるに従い、前記燃焼室の中の内部ＥＧＲ率が連続的に低下するよう、前記可変動弁システムに制御信号を出力する圧縮自己着火式エンジンの制御装置。
  2. 請求項１に記載の圧縮自己着火式エンジンの制御装置において、
    前記コントローラーは、前記第２領域において、前記エンジンの負荷が高くなるに従い、前記排気弁のバルブタイミングが進角するよう、前記可変動弁システムに制御信号を出力する圧縮自己着火式エンジンの制御装置。
  3. 請求項１又は２に記載の圧縮自己着火式エンジンの制御装置において、
    前記コントローラーは、前記第１領域において、前記エンジンの負荷が低くなるに従い、前記排気弁のバルブタイミングが進角するよう、前記可変動弁システムに制御信号を出力する圧縮自己着火式エンジンの制御装置。
  4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧縮自己着火式エンジンの制御装置において、
    前記可変動弁システムは、前記吸気弁のリフト量を変更可能に構成されたリフト変更機構を含み、
    前記コントローラーは、前記第２領域において、前記吸気弁のリフト量が大となるよう、前記可変動弁システムに制御信号を出力する圧縮自己着火式エンジンの制御装置。
  5. 請求項４に記載の圧縮自己着火式エンジンの制御装置において、
    前記コントローラーは、前記エンジンの運転状態が前記第２領域から前記第１領域へ移行するタイミングで、前記吸気弁のリフト量が小さくなりかつ、前記吸気弁の開弁時期が遅角するよう、前記可変動弁システムに制御信号を出力すると共に、前記エンジンの運転状態が前記第１領域から前記第２領域へ移行するタイミングで、前記吸気弁のリフト量が大きくなりかつ、前記吸気弁の開弁時期が進角するよう、前記可変動弁システムに制御信号を出力する圧縮自己着火式エンジンの制御装置。
  6. 請求項４又は５に記載の圧縮自己着火式エンジンの制御装置において、
    前記コントローラーは、前記第１領域において、前記エンジンの負荷が高くなるに従い、前記吸気弁の閉弁時期を一定にしながら、前記リフト量が大きくなるよう、前記可変動弁システムに制御信号を出力する圧縮自己着火式エンジンの制御装置。
  7. 請求項４〜６のいずれか１項に記載の圧縮自己着火式エンジンの制御装置において、
    前記可変動弁システムは、前記第１モードで動作しているときには、前記排気弁のバルブタイミングを進角するに従い前記内部ＥＧＲ率が高くなりかつ、前記第２モードで動作しているときには、前記排気弁のバルブタイミングを遅角するに従い前記内部ＥＧＲ率が高くなると共に、前記吸気弁のリフト量に応じて前記内部ＥＧＲ率が増減し、
    前記コントローラーは、前記エンジンの運転状態が前記第１領域と前記第２領域との間で移行するタイミングで、前記排気弁のバルブタイミング及び前記吸気弁のリフト量を調整することによって、前記可変動弁システムを前記第１モードと前記第２モードとの間で切り替えた前後において前記内部ＥＧＲ率が変動しないよう、前記可変動弁システムに前記制御信号を出力する圧縮自己着火式エンジンの制御装置。
  8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の圧縮自己着火式エンジンの制御装置において、
    前記第２カムは、前記排気行程において前記排気弁を開弁する第１のカム山と、前記第１のカム山に連続すると共に、前記排気行程から前記吸気行程まで、前記排気弁を開弁したままにする第２のカム山とを有している圧縮自己着火式エンジンの制御装置。
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