WO2018096947A1

WO2018096947A1 - 圧縮自己着火式エンジンの制御装置

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Publication number: WO2018096947A1
Application number: PCT/JP2017/040546
Authority: WO
Inventors: 井上　淳; 賢也末岡; 浩太松本; 漆原　友則
Original assignee: マツダ株式会社
Priority date: 2016-11-22
Filing date: 2017-11-10
Publication date: 2018-05-31
Also published as: JP6601371B2; EP3421768A4; US10677186B2; EP3421768B1; CN108779735A; JP2018084175A; CN108779735B; US20190309699A1; EP3421768A1

Abstract

圧縮自己着火式エンジンの制御装置は、エンジン１と、点火プラグ２５と、コントローラー（ＥＣＵ１０）と、センサＳＷ１～ＳＷ１６と、を備える。点火プラグが混合気に点火をして燃焼が開始した後に、未燃混合気が自己着火により燃焼する。コントローラーは、ＳＩ率を、エンジンの運転状態に応じて変更する。コントローラーはまた、ＳＩ率の調整が必要と判断したときに、ＳＩ率を調整する。

Description

圧縮自己着火式エンジンの制御装置

　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、部分負荷領域において、燃焼室内の混合気が自己着火により燃焼するエンジンが記載されている。このエンジンは、部分負荷領域内の低負荷側の運転領域においては、熱い既燃ガスを燃焼室内に残すことによって、混合気の自己着火を促進する。また、このエンジンは、部分負荷領域内の高負荷側の運転領域においては、冷却した既燃ガスを燃焼室内に導入することによって自己着火を起こり難くすると共に、圧縮上死点の直前に、点火プラグが点火を行う。

特許第４０８２２９２号公報

　ところで、圧縮着火による燃焼は、燃焼室の中に供給する燃料量が増えると、着火時の圧力変動が大きくなるため、燃焼騒音が大きくなってしまうという問題がある。そのため、エンジンの運転状態が、エンジンの全運転領域における、一部の狭い運転領域にあるときしか、圧縮着火による燃焼を行うことができない。広い運転領域に亘って圧縮着火による燃焼を行うことができれば、エンジンの燃費性能を大幅に向上することができる。

　ここに開示する技術はかかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、圧縮自己着火式エンジンにおいて燃焼騒音の発生を抑制しながら、圧縮着火による燃焼を行う運転領域を拡大することにある。

　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。つまり、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行うと共に、ＳＩ燃焼の発熱によって、燃焼室の中の未燃混合気が自己着火により燃焼する。火炎伝播による燃焼は、燃焼速度が相対的に小さいため、燃焼騒音の発生を抑制することが可能になる。また、ＣＩ燃焼を行うことにより、火炎伝播による燃焼よりも、燃焼期間が短縮し、燃費の向上に有利になる。従って、ＳＩ燃焼とＣＩ燃焼とを組み合わせた燃焼形態は、燃焼騒音の発生を抑制しながら、燃費を向上させることができる。この燃焼形態は、ＳＩ燃焼がＣＩ燃焼をコントロールするため、以下においては、ＳＰＣＣＩ（SPark Controlled Compression Ignition）燃焼と呼ぶ。

　本願発明者らは、ＳＰＣＣＩ燃焼において、燃焼室の中の混合気が燃焼するときに発生する全熱量に対し、火炎伝播により混合気が燃焼するときに発生する熱量の割合に関係する指標としてのＳＩ率を、エンジンの運転状態に応じて変更すれば、広い運転領域に亘って、燃焼騒音の発生を抑制することと、燃費を向上させることとを両立することができる点を見出し、ここに開示する技術を完成するに至った。

　具体的に、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係る。この圧縮自己着火式エンジンの制御装置は、燃焼室の中において混合気を自己着火させるよう構成されたエンジンと、前記燃焼室の中に臨んで配設されかつ、前記燃焼室の中の混合気に点火をするよう構成された点火プラグと、前記点火プラグに接続されかつ、前記点火プラグ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。

　前記点火プラグが前記混合気に点火をして燃焼が開始した後に、未燃混合気が自己着火により燃焼し、前記コントローラーは、前記燃焼室の中の混合気が燃焼するときに発生する全熱量に対し、火炎伝播により混合気が燃焼するときに発生する熱量の割合に関係する指標としてのＳＩ率を、前記センサの検知信号に基づく前記エンジンの運転状態に応じて変更し、前記コントローラーはまた、前記センサの検知信号を受けて前記ＳＩ率の調整が必要と判断したときに、前記ＳＩ率を調整する。

　尚、ここでいう「燃焼室」は、ピストンが圧縮上死点に至ったときに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。

　この構成によると、点火プラグは、コントローラーの制御信号を受けて、燃焼室の中の混合気に強制的に点火する。混合気が燃焼を開始した後、前記燃焼室の中の未燃混合気が自己着火により燃焼することにより、燃焼が完了する。

　コントローラーは、ＳＩ率をエンジンの運転状態に応じて変更する。混合気が火炎伝播により燃焼し、その後、未燃混合気が自己着火により燃焼して燃焼が完了する燃焼形態、つまり、ＳＰＣＣＩ燃焼は、ＳＩ率が１００％未満になる。

　ＳＰＣＣＩ燃焼においてＳＩ率を高くすると、ＳＩ燃焼の割合が高くなるから、燃焼騒音の抑制に有利になる。ＳＰＣＣＩ燃焼においてＳＩ率を低くすると、ＣＩ燃焼の割合が高くなるから、燃費の向上に有利になる。

　ＳＩ率をエンジンの運転状態に応じて変更すれば、燃焼騒音の発生を抑制しながら、ＳＰＣＣＩ燃焼を行う運転領域を広げることが可能になる。エンジンの燃費性能が向上する。

　コントローラーは、ＳＩ率の調整が必要と判断したときにＳＩ率を調整する。このことによって、燃焼室の中のＳＰＣＣＩ燃焼を、エンジンの運転状態に対応する狙いの燃焼状態にすることができる。その結果、燃焼騒音を防止しながら、ＳＰＣＣＩ燃焼を行う運転領域を拡大することができる。

　圧縮自己着火式エンジンの制御装置は、前記エンジンに取り付けられかつ、前記燃焼室の中への新気及び既燃ガスの導入を調整することによって、前記燃焼室の中を所望の状態に設定するよう構成された状態量設定デバイスと、前記エンジンに取り付けられかつ、前記燃焼室の中に燃料を噴射するよう構成されたインジェクタと、を備えている、としてもよい。

　前記コントローラーは、前記エンジンの運転状態に基づいて目標のＳＩ率を設定すると共に、前記目標のＳＩ率の燃焼となるように、前記状態量設定デバイス、前記インジェクタ、及び、前記点火プラグのそれぞれに制御信号を出力する、としてもよい。

　これによって、燃焼室の中のＳＰＣＣＩ燃焼を、エンジンの運転状態に対応する狙いの燃焼状態にすることができる。

　前記センサは、前記燃焼室の中の圧力を検知する指圧センサを含み、前記コントローラーは、前記指圧センサの検知信号を受けかつ、混合気の燃焼に伴う圧力波形に基づいて、前記ＳＩ率を算出すると共に、算出した前記ＳＩ率と前記目標のＳＩ率とがずれているときに、前記ＳＩ率を調整する、としてもよい。

　こうすることで、指圧センサの検知信号に基づく燃焼室の中の実際の燃焼状態と、目標の燃焼状態とのずれに応じて、ＳＩ率を調整することができる。燃焼室の中のＳＰＣＣＩ燃焼を、正確に、狙いの燃焼状態にすることができる。

　前記コントローラーは、前記ＳＩ率が調整されるよう、前記状態量設定デバイスに出力する制御信号によって前記燃焼室の中への新気及び既燃ガスの導入を調整する、としてもよい。

　状態量設定デバイスが、新気及び既燃ガスの導入を調整することによって、燃焼室の中の、圧縮開始前の温度が調整される。圧縮開始前の温度が変わると、ＳＰＣＣＩ燃焼において、自己着火のタイミングが変化すると共に、ＳＩ燃焼による熱発生量が変化する。つまり、新気及び既燃ガスの導入を調整することによって、ＳＩ率を調整することができる。

　前記コントローラーは、前記センサの検知信号に基づいて前記燃焼室の中の状態量を予測すると共に、予測した状態量に基づいて、これから行う燃焼のＳＩ率が前記目標のＳＩ率からずれると判断したときに、前記ＳＩ率が前記目標のＳＩ率に近づくよう、前記ＳＩ率を調整する、としてもよい。

　予測した状態量に基づいてＳＩ率を調整することによって、これから行うＳＰＣＣＩ燃焼を、狙いの燃焼状態にすることができる。

　前記コントローラーは、前記ＳＩ率が前記目標のＳＩ率に近づくよう、前記点火プラグに出力する制御信号によって点火タイミングを調整する、としてもよい。

　燃焼室の中の温度が低いと、ＳＰＣＣＩ燃焼における自己着火のタイミングが遅れる。そこで、点火タイミングを進角すると、ＳＩ燃焼の開始が早くなる分、ＳＩ燃焼による熱発生により温度が高まるから、自己着火のタイミングが遅れることを防止することができる。

　一方、燃焼室の中の温度が高いと、ＳＰＣＣＩ燃焼における自己着火のタイミングが早まる。そこで、点火タイミングを遅角すると、ＳＩ燃焼の開始が遅くなる分、ＳＩ燃焼による熱発生が抑制されるから、自己着火のタイミングが早まることを防止することができる。

　従って、点火タイミングを調整することによって、ＳＰＣＣＩ燃焼におけるＳＩ率を調整することができる。点火タイミングを調整することは特に、ＳＩ率の調整の応答性が高い。

　前記コントローラーは、前記点火タイミングの調整に対応するよう、前記インジェクタに出力する制御信号によって、燃料の噴射タイミングを調整する、としてもよい。

　燃料の噴射タイミングを調整することによって、点火タイミングにおいて、燃焼室の中に適切な混合気を形成することができる。点火プラグは、確実に、混合気に点火することが可能になると共に、未燃混合気は、適切なタイミングで、自己着火することができる。

　前記インジェクタは、前記燃焼室の中に略均質な混合気を形成するよう、前記コントローラーの制御信号を受けて、前記点火タイミングの前でかつ前記点火タイミングに近いタイミングで燃料を噴射する後段噴射と、前記後段噴射よりも前でかつ前記点火タイミングから離れたタイミングで燃料を噴射する前段噴射とを実行する、としてもよい。

　前段噴射によって噴射された燃料は、主にＣＩ燃焼によって燃焼し、後段噴射によって噴射された燃料は、主にＳＩ燃焼によって燃焼する。ＳＰＣＣＩ燃焼において、点火プラグによる点火の安定化及び火炎伝播による燃焼の安定化と、自己着火による着火の安定化とが図られる。また、燃焼室の中に形成される混合気は、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。

　前記コントローラーは、前記状態量設定デバイス及び前記インジェクタに制御信号を出力することによって、前記燃焼室の中の状態を、前記燃焼室の中の全ガスと燃料との質量比に関係する指標としてのＧ／Ｆが１８．５以上３０以下でかつ、空気過剰率λが１．０±０．２に設定する、としてもよい。

　ＳＩ燃焼とＣＩ燃焼とを組み合わせるＳＰＣＣＩ燃焼は、自己着火のタイミングを精度よくコントロールすることができる。つまり、圧縮開始前の燃焼室の中の温度にばらつきが生じても、ＳＩ燃焼の発熱量を調整することによって、圧縮開始前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、所望のタイミングで、未燃混合気を自己着火させることができる。

　ところが、ＳＰＣＣＩ燃焼において、自己着火のタイミングを精度よくコントロールするためには、点火タイミングを変更することに対応して、自己着火のタイミングが変化しなければならない。点火タイミングの変更に対して、自己着火のタイミングが変化する感度が高いことが好ましい。

　本願発明者らの検討によると、燃焼室の中の状態を、混合気のλが１．０±０．２でかつ、Ｇ／Ｆが１８．５以上３０以下とすれば、ＳＩ燃焼が安定化する結果、点火タイミングの変更に対して、自己着火のタイミングが変化することがわかった。つまり、ＳＰＣＣＩ燃焼において、自己着火のタイミングを精度よくコントロールすることができる。

　また、燃焼室の中の状態を１８．５≦Ｇ／Ｆにすることで、混合気の希釈率が高いため、エンジンの燃費性能が向上する。

　さらに、λを１．０±０．２に設定することによって、エンジンの排気通路に取り付けた三元触媒により、排気ガスを浄化することが可能になる。

　従って、前記の構成によると、燃費性能を高くすると共に、排出ガス性能を良好にしながら、ＳＩ燃焼とＣＩ燃焼とを組み合わせたＳＰＣＣＩ燃焼において、自己着火のタイミングを精度よくコントロールすることができる。

　ＳＩ燃焼によって自己着火のタイミングをコントロールすることにより、圧縮開始前の燃焼室の中の温度がばらついても、燃焼騒音を抑制しながら、燃費に最適なタイミングで、未燃混合気を自己着火させることができる。

　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、エンジンの運転状態に応じてＳＩ率を変更することにより、燃焼騒音の発生を抑制しながら、圧縮着火による燃焼を行う運転領域を拡大することができ、エンジンの燃費性能を向上させることができる。

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、燃焼室の構成を例示する断面図である。図３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４は、エンジンの運転領域を例示する図である。図５は、ＳＩ燃焼とＣＩ燃焼とを組み合わせたＳＰＣＣＩ燃焼の熱発生率の変化を概念的に示す図である。図６は、ＳＰＣＣＩ燃焼におけるＳＩ率の定義を説明するための図である。図７は、ＳＰＣＣＩ燃焼におけるＳＩ率の定義を説明するための図である。図８は、エンジンの負荷の高低に対する、ＳＩ率の変化、燃焼室の中の状態量の変化、吸気弁及び排気弁のオーバーラップ期間の変化、並びに、燃料の噴射タイミング及び点火タイミングの変化を説明する図である。図９の上図は、非過給ＳＰＣＣＩ燃焼において、エンジンの負荷が増大することに対する燃焼波形の変化を例示する図であり、図９の下図は、過給ＳＰＣＣＩ燃焼において、エンジンの負荷が増大することに対する燃焼波形の変化を例示する図である。図１０は、ＥＣＵが実行するエンジンの制御の手順を示すフロー図である。図１１は、ＳＩ率の調整に係る制御概念を説明する図である。図１２は、エンジンが低負荷の所定回転数で運転しているときでかつ、内部ＥＧＲガスのみを燃焼室の中に導入しているときの、混合気のＧ／Ｆと、所望の乱流燃焼速度を実現するために必要な乱流エネルギとの関係を示す図である。図１３は、図１２に示す必要乱流エネルギを実現する燃焼室の中の温度と、混合気Ｇ／Ｆとの関係を示す図である。図１４は、図１２に示す必要乱流エネルギを実現する燃焼室の中の圧力と、混合気Ｇ／Ｆとの関係を示す図である。図１５は、ＳＰＣＣＩ燃焼において、点火タイミングの変化に対する自己着火タイミングの変化比率を例示する、縦軸を混合気のＥＧＲ率とし、横軸を混合気のＡ／Ｆとした平面上におけるコンター図である。

　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、燃焼室の構成を例示する断面図である。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３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及び図２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に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。

　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、浅皿形状を有している。キャビティ３１は、ピストン３が圧縮上死点付近に位置するときに、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Ｘ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、シリンダ１１の中心軸Ｘ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、中心軸Ｘ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の開口に向かって中心軸Ｘ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、吸気側から中心軸Ｘに向かって上り勾配となっている。傾斜面１３１２は、排気側から中心軸Ｘ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。

　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。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。吸気弁２１は吸気動弁機構によって、所定のタイミングで開閉する。吸気動弁機構は、この構成例では、図３に示すように、可変動弁機構である吸気電動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の開弁時期及び閉弁時期は、連続的に変化する。尚、吸気動弁機構は、電動Ｓ－ＶＴに代えて、液圧式の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、２つの排気ポート１９が形成されている。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。排気弁２２は排気動弁機構によって、所定のタイミングで開閉する。排気動弁機構は、この構成例では、図３に示すように、可変動弁機構である排気電動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の開弁時期及び閉弁時期は、連続的に変化する。尚、排気動弁機構は、電動Ｓ－ＶＴに代えて、液圧式のＳ－ＶＴを有していてもよい。

　詳細は後述するが、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の中の残留ガスを掃気したり、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。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、状態量設定デバイスの一つとしての、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。

　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、その噴射軸心が、中心軸Ｘに沿うように配設されている。インジェクタ６の噴射軸心と、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の噴射軸心は、シリンダ１１の中心軸Ｘとずれていてもよい。その場合も、インジェクタ６の噴射軸心と、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に矢印で示すように、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。

　後述するように、インジェクタ６は、ピストン３が圧縮上死点付近に位置するタイミングで燃料を噴射する場合がある。その場合、インジェクタ６が燃料を噴射すると、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、凹陥部３１２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。

　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Ｘを挟んだ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。

　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。スロットル弁４３は、状態量設定デバイスの一つを構成している。

　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、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。エアバイパス弁４８は、状態量設定デバイスの一つを構成している。

　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の下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、状態量設定デバイスの一つを構成している。

　圧縮自己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、プログラムを実行する中央演算処理装置（Central Processing Unit：ＣＰＵ）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と、電気信号の入出力をする入出力バスと、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３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Ｏ_２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、及び、エアバイパス弁４８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４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、負荷の高低に対し、大きく３つの領域に分けられている。具体的に、３つの領域は、アイドル運転を含む低負荷領域（Ａ）、全開負荷を含む高負荷領域（Ｃ）、及び、低負荷領域（Ａ）と高負荷領域（Ｃ）との間の中負荷領域（Ｂ）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、中負荷領域において、圧縮自己着火による燃焼を行う。以下、低負荷領域、中負荷領域、及び、高負荷領域の各領域における燃焼形態について、順に説明をする。

　（低負荷領域）
　エンジン１の運転状態が低負荷領域にあるときには、燃料の噴射量が少ない。そのため、燃焼室１７において混合気が燃焼したときに発生する熱量が少なく、燃焼室１７の温度が低くなる。また、排気ガスの温度も低くなるため、後述するように内部ＥＧＲガスを燃焼室１７の中に導入しても、燃焼室１７の温度が、自己着火が安定して可能になる程度まで高まらない。エンジン１の運転状態が低負荷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（Spark Ignition）燃焼である。以下、低負荷領域における燃焼形態を、低負荷ＳＩ燃焼と呼ぶ場合がある。

　エンジン１の運転状態が低負荷領域にあるときには、混合気の空燃比（Ａ／Ｆ）は、理論空燃比である（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。

　エンジン１の燃費性能を向上させるために、エンジン１の運転状態が低負荷領域にあるときに、ＥＧＲシステム５５は、燃焼室１７の中にＥＧＲガスを導入する。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１８．５以上３０以下に設定される。混合気は、ＥＧＲリーンである。混合気の希釈率は高い。混合気のＧ／Ｆを、例えば２５にすれば、低負荷運転領域において、混合気が自己着火に至ることなく、ＳＩ燃焼を安定して行うことができる。低負荷領域において、混合気のＧ／Ｆは、エンジン１の負荷の高低に関わらず一定に維持する。こうすることで、低負荷領域の全域において、ＳＩ燃焼は、安定化する。また、エンジン１の燃費が向上すると共に、排出ガス性能が良好になる。

　エンジン１の運転状態が低負荷領域にあるときには、燃料量が少ないため、混合気のλを１．０±０．２にしかつ、Ｇ／Ｆを１８．５以上３０以下にするには、燃焼室１７の中に導入するガスの充填量を１００％よりも少なくしなければならない。具体的に、エンジン１は、スロットル弁４３の開度を調整するスロットリング、及び／又は、吸気弁２１の閉弁時期を吸気下死点以降に遅らせるミラーサイクルを実行する。

　尚、低負荷領域内における、低負荷低回転領域においては、ガスの充填量をさらに少なくすることによって、混合気の燃焼温度及び排気ガスの温度を高くするようにしてもよい。こうすると、触媒コンバーター５１を活性状態に維持する上で有利になる。

　（中負荷領域）
　エンジン１の運転状態が中負荷領域にあるときには、燃料の噴射量が多くなる。燃焼室１７の温度が高くなるため、自己着火を安定して行うことが可能にある。燃費の向上及び排出ガス性能の向上を図るため、エンジン１は、中負荷領域において、ＣＩ燃焼を行う。

　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、中負荷領域において、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、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燃焼すると共に、ＳＩ燃焼の発熱により燃焼室１７の中の温度が高くなることによって、未燃混合気が自己着火により燃焼する。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燃焼において、自己着火のタイミングを精度よくコントロールするためには、点火タイミングを変更することに対応して、自己着火のタイミングが変化しなければならない。点火タイミングの変更に対して、自己着火のタイミングが変化する感度が高いことが好ましい。

　本願発明者らの検討によると、混合気のλが１．０±０．２でかつ、混合気のＧ／Ｆが１８．５以上３０以下であれば、点火タイミングの変更に対して、自己着火のタイミングが変化することがわかった。そこで、エンジン１の運転状態が中負荷領域にあるときには、エンジン１は、燃焼室１７の中の状態を、混合気のλが１．０±０．２でかつ、混合気のＧ／Ｆが１８．５以上３０以下にする。

　自己着火のタイミングを精度よくコントロールすることによって、エンジン１の運転状態が中負荷領域にあるときに、燃焼騒音の増大を回避することができる。また、混合気の希釈率をできるだけ高くしてＣＩ燃焼を行うことにより、エンジン１の燃費性能を高くすることが可能になる。さらに、混合気のλを１．０±０．２に設定することによって、三元触媒により、排気ガスを浄化することが可能になるため、エンジン１の排出ガス性能が良好になる。

　前述したように、低負荷領域においては、混合気のＧ／Ｆを１８．５以上３０以下（例えば２５）にしかつ、混合気のλを１．０±０．２にしている。エンジン１の運転状態が低負荷領域にあるときと、中負荷領域にあるときとの間において、燃焼室１７の中の状態量が大きく変動しない。従って、エンジン１の負荷が変更することに対する、エンジン１の制御のロバスト性が高まる。

　エンジン１の運転状態が中負荷領域にあるときには、低負荷領域にあるときとは異なり、燃料量が多くなるため、燃焼室１７の中に導入するガスの充填量を調整する必要がない。スロットル弁４３の開度は全開である。

　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、混合気のλを１．０±０．２にしかつ、混合気のＧ／Ｆを１８．５以上３０以下にするには、自然吸気の状態であれば、燃焼室１７の中に導入するガス量が不足する。そこで、中負荷領域における所定負荷よりも負荷の高い領域においては、過給機４４が、燃焼室１７の中に導入するガスの過給を行う。中負荷領域（Ｂ）は、所定負荷よりも高負荷の領域であって、過給を行う第１中負荷領域（Ｂ１）と、所定負荷以下の領域であって、過給を行わない第２中負荷領域（Ｂ２）とに分けられる。所定負荷は、例えば１／２負荷である。第２中負荷領域は、第１中負荷領域よりも負荷の低い領域である。以下、第１中負荷領域における燃焼形態を、過給ＳＰＣＣＩ燃焼と呼び、第２中負荷領域における燃焼形態を、非過給ＳＰＣＣＩ燃焼と呼ぶ場合がある。

　過給を行わない第２中負荷領域においては、燃料量が増えるに従い、燃焼室１７の中に導入する新気が増える一方、ＥＧＲガスは減る。混合気のＧ／Ｆは、エンジン１の負荷が高くなると小さくなる。スロットル弁４３の開度を全開にしているため、エンジン１は、燃焼室１７の中に導入するＥＧＲガスの量を調整することにより、燃焼室１７の中に導入する新気の量を調整する。第２中負荷領域において燃焼室１７の中の状態量は、例えば混合気のλは１．０で略一定になる一方、混合気のＧ／Ｆは２５～２８の範囲で変更される。

　これに対し、過給を行う第１中負荷領域において、エンジン１は、燃料量が増えるに従い、燃焼室１７の中に導入する新気及びＥＧＲガスを共に増やす。混合気のＧ／Ｆは、エンジン１の負荷が高くなっても一定である。第１中負荷領域において燃焼室１７の中の状態量は、例えば混合気のλは１．０で略一定になると共に、混合気のＧ／Ｆは２５で一定である。

　（高負荷領域）
　エンジン１の運転状態が高負荷領域にあるときには、燃料の噴射量が多い。そのため、ＳＰＣＣＩ燃焼を行っても、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領域にあるときの燃焼形態は、ＳＩ燃焼である。以下、高負荷領域における燃焼形態を、高負荷ＳＩ燃焼と呼ぶ場合がある。

　エンジン１の運転状態が高負荷領域にあるときに、混合気のλは１．０±０．２である。また、混合気のＧ／Ｆは、基本的には、１８．５以上３０以下に設定される。高負荷領域においては、スロットル弁４３の開度は全開であり、過給機４４は過給を行う。

　高負荷領域において、エンジン１は、負荷が高まるに従いＥＧＲガスの量を減らす。混合気のＧ／Ｆは、エンジン１の負荷が高くなると、小さくなる。ＥＧＲガスの量を減らした分、燃焼室１７の中に導入する新気の量が増えるから、燃料量を増やすことができる。エンジン１の最高出力を高くする上で有利になる。全開負荷付近において、混合気のＧ／Ｆは、１７程度にしてもよい。

　混合気のＧ／Ｆは、高負荷領域において、例えば１７～２５の範囲で変更してもよい。従って、低負荷領域、中負荷領域及び高負荷領域を含むエンジン１の運転領域の全体で、混合気のＧ／Ｆは、１７～３０の範囲で変更してもよい。

　エンジン１の運転状態が高負荷領域にあるときと、中負荷領域にあるときとの間において、燃焼室１７の中の状態量が大きく変動しない。エンジン１の負荷が変更することに対する、エンジン１の制御のロバスト性が高まる。

　前述の通り、エンジン１は、高負荷領域においては、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。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、高い圧力でかつ、燃焼室１７の中に燃料を噴射するから、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。

　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。

　エンジン制御の技術分野においては、異常燃焼を回避するために、点火タイミングを遅角することが、従来から行われている。しかしながら、点火タイミングを遅らせると、燃費性能は低下する。高圧リタード噴射は、点火タイミングを遅角させなくてもよい。高圧リタード噴射を利用することによって、燃費性能は向上する。

　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。

　ここで、エンジン１の回転数が低いときには、クランク角度が同一角度だけ変化するときの時間が長いため、高圧リタード噴射によって混合気の反応可能時間を短縮することは、異常燃焼を回避する上で、特に有効である。一方、エンジン１の回転数が高くなると、クランク角度が同一角度だけ変化するときの時間が短くなる。このため、混合気の反応可能時間を短縮することは、異常燃焼を回避する上で、それほど有効ではない。

　高圧リタード噴射はまた、圧縮上死点付近になって初めて、燃焼室１７の中に燃料を噴射するため、圧縮行程において、燃焼室１７の中では、燃料を含まないガス、言い換えると比熱比の高いガスが圧縮される。エンジン１の回転数が高いときに、高圧リタード噴射を行うと、圧縮上死点における燃焼室１７の中の温度、つまり、圧縮端温度が高くなってしまう。圧縮端温度が高くなることによって、ノッキング等の異常燃焼を招く恐れがある。

　そこで、このエンジン１は、高負荷領域（Ｃ）を、低回転側の第１高負荷領域（Ｃ１）と、第１高負荷領域（Ｃ１）よりも回転数の高い第２高負荷領域（Ｃ２）とに分けている。第１高負荷領域は、高負荷領域内を、低回転、中回転及び高回転の３つの領域に三等分したときの低回転及び中回転領域を含むとしてもよい。第２高負荷領域は、高負荷領域内を、低回転、中回転及び高回転の３つの領域に三等分したときの高回転領域を含むとしてもよい。

　第１高負荷領域において、インジェクタ６は、ＥＣＵ１０の制御信号を受けて、前述した高圧リタード噴射を行う。第２高負荷領域において、インジェクタ６は、ＥＣＵ１０の制御信号を受けて、吸気行程中の所定タイミングで燃料噴射を行う。吸気行程中に行う燃料噴射は、高い燃料圧力が不要である。ＥＣＵ１０は、燃料圧力が、高圧リタード噴射の燃料圧力よりも低くなるよう（例えば燃料圧力が４０ＭＰａ未満となるよう）、燃料供給システム６１に制御信号を出力する。燃料圧力を下げることによって、エンジン１の機械抵抗損失が低下するから、燃費の向上に有利になる。

　吸気行程中に燃焼室１７の中に燃料を噴射することによって、燃焼室１７の中のガスの比熱比が下がるから、圧縮端温度が低くなる。圧縮端温度が低くなるから、エンジン１は、異常燃焼を回避することができる。異常燃焼を回避するために、点火タイミングを遅角する必要がないため、第２高負荷領域において、点火プラグ２５は、第１高負荷領域と同様に、圧縮上死点付近のタイミングで、混合気に点火する。

　第１高負荷領域においては、高圧リタード噴射によって、混合気が自己着火に至らないため、エンジン１は、安定したＳＩ燃焼を行うことができる。第２高負荷領域においては、吸気行程中の燃料噴射によって、混合気が自己着火に至らないため、エンジン１は、安定したＳＩ燃焼を行うことができる。

　（自己着火のタイミングの変化感度）
　ここで、前述したＳＰＣＣＩ燃焼における、点火タイミングの変更に対する自己着火のタイミングの変化感度について説明をする。本願発明者らの検討によると、ＳＰＣＣＩ燃焼において、点火タイミングの変更に対して自己着火のタイミングが変化するためには、混合気が自己着火するまでの間に、火炎伝播によるＳＩ燃焼が安定的に行われる必要があることがわかった。

　ＳＩ燃焼の安定性に関係する因子の一つは乱流燃焼速度である。乱流燃焼速度が高いと、ＳＩ燃焼は安定化する。乱流燃焼速度は、混合気の空燃比（又は空気過剰率λ）、混合気のＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）率（つまり、希釈率）、燃焼室１７の中の温度及び圧力、及び、燃焼室１７の中の乱流エネルギ等の影響を受ける。

　本願発明者らは、ＳＩ燃焼の安定性確保に必要な乱流燃焼速度を実現するための、混合気の空気過剰率λ、混合気の希釈率（ここでは、燃焼室１７の中の全ガスと燃料との質量比であるＧ／Ｆ）、燃焼室１７の中の温度及び圧力、及び、燃焼室１７の中の乱流エネルギについて、シミュレーションによる検討を行った。このシミュレーションの条件は、エンジン１が低負荷で運転しておりかつ、内部ＥＧＲガスのみを燃焼室１７の中に導入することによって、燃焼室１７の中の温度をできるだけ高くしている条件である。

　ノッキングの発生に伴う大きな燃焼騒音を確実に回避する観点から、混合気のＧ／Ｆの下限は、１８．５である。また、このようなリーン空燃比でありかつ、ＮＯｘの排出を防止すべく三元触媒を利用するのであれば、混合気の空気過剰率λは１．０±０．２である。

　エンジン１の燃費性能を高める観点からは、混合気のＧ／Ｆは大きい方が好ましい。そこで、本願発明者らは、図１２に示すように、混合気のＧ／Ｆと、所望の乱流燃焼速度を実現するために必要な乱流エネルギとの関係を検討した。尚、エンジン１は、回転数が２０００ｒｐｍでかつ、低負荷運転をしている。また、燃焼室１７の中に内部ＥＧＲガスを導入している。吸気弁２１の閉弁時期は９１°ＡＢＤＣである。エンジン１の幾何学的圧縮比は１８である。

　図１２によると、混合気のλが１．２のときのＧ／Ｆの特性線は、３０付近で飽和する飽和曲線のようになる。一方、エンジン１の回転数が２０００ｒｐｍのときに、乱流エネルギは４０ｍ^２／ｓ^２を実現することが可能である。４０ｍ^２／ｓ^２を超える乱流エネルギを実現したとしても、混合気のＧ／Ｆは、３０よりもほとんど大きくならないことが、新たにわかった。図１２によると、ＳＩ燃焼の安定性を確保する上で、混合気のＧ／Ｆは３０が上限である。

　以上の検討から、混合気のＧ／Ｆは１８．５以上３０以下に設定する必要がある。図１２から、混合気のλが１．０又は１．２でかつ、Ｇ／Ｆの範囲が１８．５以上３０以下のときに、ＳＩ燃焼の安定化のために必要な乱流エネルギの範囲は１７～４０ｍ^２／ｓ^２である。

　図１３は、図１２と同条件において、所望の乱流燃焼速度を実現するために必要な燃焼室１７の中の、点火タイミングにおける温度と、混合気のＧ／Ｆと、の関係を示している。混合気のλが１．０又は１．２でかつ、Ｇ／Ｆの範囲が１８．５以上３０以下のときに、点火タイミングにおける燃焼室１７の中の必要温度ＴIg（Ｋ）は、５７０～８００Ｋである。

　図１４は、図１２と同条件において、所望の乱流燃焼速度を実現するために必要な燃焼室１７の中の、点火タイミングにおける圧力と、混合気のＧ／Ｆと、の関係を示している。混合気のλが１．０又は１．２でかつ、Ｇ／Ｆの範囲が１８．５以上３０以下のときに、点火タイミングにおける燃焼室１７の中の必要圧力ＰIg（ｋＰａ）は、４００～９２０ｋＰａである。

　尚、図示は省略するが、エンジン１の幾何学的圧縮比を１４～２０の範囲において変更しても、混合気のＧ／Ｆと、所望の乱流燃焼速度を実現するために必要な乱流エネルギとの関係に対しては、ほとんど影響がなかった。

　図１５は、実験によって得られた、点火タイミングの変化に対する自己着火タイミングの変化比率（＝（自己着火タイミングのクランク角変化）／（点火タイミングのクランク角変化））を示すコンター図である。変化比率は、点火タイミングをクランク角において１°だけ変更したときの、自己着火タイミングのクランク角変化の大きさを示す。変化比率の値が大きいほど、点火タイミングの変更に対する自己着火のタイミングの変化感度が高く、変化比率の値が小さいほど、点火タイミングの変更に対する自己着火のタイミングの変化感度が低いことを示す。

　図１５の縦軸は、混合気のＥＧＲ率、横軸は混合気のＡ／Ｆである。図の右上ほど、点火タイミングの変更に対する自己着火のタイミングの変化感度が低く、図の左下ほど、自己着火のタイミングの変化感度が高い。図１５から、混合気のλが１．０±０．２でかつ、Ｇ／Ｆの範囲が１８．５以上３０以下である破線で囲んだ範囲は、点火タイミングの変更に対して、自己着火のタイミングが変化することがわかる。尚、ＥＧＲ率の上限は、燃焼安定性の観点から、４０％であることが好ましい。

　すなわち、燃焼室１７の中の状態を、混合気のλが１．０±０．２でかつ、Ｇ／Ｆが１８．５以上３０以下とすれば、ＳＩ燃焼が安定化する結果、ＳＰＣＣＩ燃焼において、自己着火のタイミングを精度よくコントロールすることができる。

　（ＳＰＣＣＩ燃焼）
　次に、前述したＳＰＣＣＩ燃焼について、さらに詳細に説明をする。図５は、ＳＰＣＣＩ燃焼における、クランク角に対する熱発生率の変化を例示する波形を示している。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と、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５の例では、圧縮上死点付近において、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。

　従って、ＳＰＣＣＩ燃焼は、燃焼騒音の防止と、燃費性能の向上とを両立することができる。

　ここで、ＳＰＣＣＩ燃焼の特性を示すパラメータとして、ＳＩ率を定義する。ＳＩ率は、ＳＰＣＣＩ燃焼により発生した全熱量に対し、ＳＩ燃焼により発生した熱量の比率と定義する。つまり、図５においてＳＩ率は、ＳＩ率＝（ＳＩ燃焼の面積）／（ＳＰＣＣＩ燃焼の面積）である。ＳＩ率は、ＳＩ燃焼とＣＩ燃焼とを組み合わせたＳＰＣＣＩ燃焼において、ＳＩ燃焼とＣＩ燃焼との比である。ＳＩ率が高いと、ＳＩ燃焼の割合が高く、ＳＩ率が低いと、ＣＩ燃焼の割合が高い。

　ＳＩ率は、前述した定義に限定されるものではない。ＳＩ率は、様々な定義が考えられる。例えば、ＳＩ率は、ＣＩ燃焼により発生した熱量に対する、ＳＩ燃焼により発生した熱量の比率としてもよい。つまり、図５においてＳＩ率＝（ＳＩ燃焼の面積）／（ＣＩ燃焼の面積）としてもよい。

　また、ＳＰＣＣＩ燃焼において、ＣＩ燃焼が開始したタイミングで、熱発生率の波形は変曲点を有している。そこで、図６に示すように、熱発生率の波形における変曲点を境界にし、境界よりも進角側の範囲をＳＩ燃焼、遅角側の範囲をＣＩ燃焼としてもよい。この場合において、ＳＩ率は、図６にハッチングを付して示すように、境界よりも進角側の範囲の面積Ｑ_ＳＩ、遅角側の範囲の面積Ｑ_ＣＩから、ＳＩ率＝Ｑ_ＳＩ／（Ｑ_ＳＩ＋Ｑ_ＣＩ）としてもよいし、ＳＩ率＝Ｑ_ＳＩ／Ｑ_ＣＩとしてもよい。また、境界よりも進角側の範囲の全面積ではなく一部の面積と、境界よりも遅角側の範囲の一部の面積とに基づいて、ＳＩ率を定義してもよい。

　また、熱発生に基づいてＳＩ率を定義するのではなく、境界よりも進角側の範囲のクランク角度Δθ_ＳＩ、遅角側の範囲のクランク角度Δθ_ＣＩから、ＳＩ率＝Δθ_ＳＩ／（Δθ_ＳＩ＋Δθ_ＣＩ）としてもよいし、ＳＩ率＝Δθ_ＳＩ／Δθ_ＣＩとしてもよい。

　さらに、境界よりも進角側の範囲の熱発生率のピークΔＰ_ＳＩ、遅角側の範囲の熱発生率のピークΔＰ_ＣＩから、ＳＩ率＝ΔＰ_ＳＩ／（ΔＰ_ＳＩ＋ΔＰ_ＣＩ）としてもよいし、ＳＩ率＝ΔＰ_ＳＩ／ΔＰ_ＣＩとしてもよい。

　加えて、境界よりも進角側の範囲における熱発生率の傾きφ_ＳＩ、遅角側の範囲における熱発生率の傾きφ_ＣＩから、ＳＩ率＝φ_ＳＩ／（φ_ＳＩ＋φ_ＣＩ）としてもよいし、ＳＩ率＝φ_ＳＩ／φ_ＣＩとしてもよい。

　また、ここでは、熱発生率の波形に基づいて、面積（つまり、熱発生量の大きさ）、横軸の長さ（つまり、クランク角度の大きさ）、縦軸の長さ（つまり、熱発生率の大きさ）、又は、傾き（つまり、熱発生率の変化率）から、ＳＩ率を定義している。図示は省略するが、燃焼室１７の中の圧力（Ｐ）の波形に基づいて、同様に、面積、横軸の長さ、縦軸の長さ、又は、傾きから、ＳＩ率を定義してもよい。

　また、ＳＰＣＣＩ燃焼において、熱発生率又は圧力に係る燃焼波形の変曲点は、常に明確に現れるとは限らない。変曲点に基づかないＳＩ率の定義として、次のような定義を用いてもよい。つまり、図７に示すように、燃焼波形において、圧縮上死点（ＴＤＣ）よりも進角側の範囲をＳＩ燃焼とし、圧縮上死点よりも遅角側の範囲をＣＩ燃焼としてもよい。その上で、前記と同様に、面積（Ｑ_ＳＩ、Ｑ_ＣＩ）、横軸の長さ（Δθ_ＳＩ、Δθ_ＣＩ）、縦軸の長さ（ΔＰ_ＳＩ、ΔＰ_ＣＩ）、又は、傾き（φ_ＳＩ、φ_ＣＩ）から、ＳＩ率を定義してもよい。

　さらに、ＳＩ率は、燃焼室１７の中で実際に行われた燃焼波形によって定義するのではなく、燃料量に基づいて定義してもよい。後述するように、ＳＰＣＣＩ燃焼を行う中負荷領域においては、前段噴射と後段噴射とを含む分割噴射を行う。後段噴射によって燃焼室１７の中に噴射された燃料は、噴射から点火までの時間が短いため、燃焼室１７の中で拡散せずに、点火プラグ２５の付近に位置するようになる。従って、後段噴射によって燃焼室１７の中に噴射された燃料は、主にＳＩ燃焼によって燃焼する。一方、前段噴射によって燃焼室１７の中に噴射された燃料は、主にＣＩ燃焼によって燃焼する。従って、前段噴射によって噴射する燃料量（ｍ_１）と、後段噴射によって噴射する燃料量（ｍ_２）とに基づいて、ＳＩ率を定義することが可能である。つまり、ＳＩ率＝ｍ_２／（ｍ_１＋ｍ_２）としてもよいし、ＳＩ率＝ｍ_２／ｍ_１としてもよい。

　（エンジンの運転制御）
　エンジン１は、前述したように、運転状態に応じてＳＩ燃焼とＳＰＣＣＩ燃焼とを切り替える。エンジン１はまた、エンジン１の運転状態に応じてＳＩ率を変更する。自己着火による燃焼を行う運転領域が拡大するため、エンジン１は、燃焼騒音の発生を抑制することと、燃費の向上を図ることとが両立する。

　図８は、エンジン１の負荷の高低に対する、ＳＩ率の変化、燃焼室１７の中の状態量の変化、吸気弁の開弁期間及び排気弁の開弁期間の変化、並びに、燃料の噴射タイミング及び点火タイミングの変化を例示している。以下、所定の回転数で、エンジン１の負荷が次第に高くなる想定において、エンジン１の運転制御を説明する。

　（低負荷領域（低負荷ＳＩ燃焼））
　低負荷領域（Ａ）において、エンジン１は、低負荷ＳＩ燃焼を行う。エンジン１の運転状態が低負荷領域にあるときに、ＳＩ率は１００％で一定である。

　低負荷領域においては、前述したように、混合気のＧ／Ｆを、１８．５～３０の間で一定にする。エンジン１は、燃焼室１７の中に、燃料量に応じた量の新気及び既燃ガスを導入する。新気の導入量は、前述したように、スロットリング、及び／又は、ミラーサイクルによって調整する。希釈率が高いため、ＳＩ燃焼を安定化させるために、燃焼室１７の中の温度を高める。エンジン１は、低負荷領域においては、内部ＥＧＲガスを、燃焼室１７の中に導入する。

　内部ＥＧＲガスは、排気上死点を挟んで吸気弁２１及び排気弁２２が共に閉弁したネガティブオーバーラップ期間を設けることによって、燃焼室１７の中に導入する（つまり、既燃ガスを燃焼室１７の中に閉じ込める）。内部ＥＧＲガス量の調整は、吸気電動Ｓ－ＶＴ２３により吸気弁２１の開弁時期を調整することと、排気電動Ｓ－ＶＴ２４により排気弁２２の開弁時期を調整することと、によって、ネガティブオーバーラップ期間の長さを適宜設定することにより行う。

　低負荷領域においては、燃焼室１７の中に導入する充填量が１００％未満に調整される。燃料量が増大するに従い、燃焼室１７の中に導入する新気の量、及び、内部ＥＧＲガスの量が次第に増える。低負荷領域におけるＥＧＲ率（つまり、燃焼室１７の中の全ガスに対するＥＧＲガスの質量比）は、例えば４０％である。

　インジェクタ６は、吸気行程中に、燃焼室１７の中に燃料を噴射する。燃焼室１７の中には、空気過剰率λが１．０±０．２でかつ、Ｇ／Ｆが１８．５～３０になった、均質な混合気が形成される。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ことによって、混合気は、自己着火に至らずに、火炎伝播により燃焼する。

　（第２中負荷領域（非過給ＳＰＣＣＩ燃焼））
　エンジン１の負荷が高くなって、運転状態が第２中負荷領域（Ｂ２）に入ると、エンジン１は、低負荷ＳＩ燃焼から非過給ＳＰＣＣＩ燃焼に切り替える。ＳＩ率は、１００％未満になる。エンジン１の負荷が高まるに従い燃料量が増える。第２中負荷領域の中において負荷が低いときには、燃料量の増大に従って、ＣＩ燃焼の割合を増やす。ＳＩ率は、エンジン１の負荷が高くなる従って、次第に小さくなる。ＳＩ率は、図８の例では、５０％以下の所定値（最小値）にまで減少する。

　燃料量が増えるため、第２中負荷領域においては、燃焼温度が高くなる。燃焼室１７の中の温度が高くなりすぎると、ＣＩ燃焼が開始するときの熱発生が激しくなってしまう。そうなると、燃焼騒音が増大してしまう。

　そこで、第２中負荷領域においては、燃焼室１７の中の圧縮開始前の温度を調整するために、エンジン１の負荷が変化することに対して、内部ＥＧＲガスと、外部ＥＧＲガスとの割合を変更する。つまり、エンジン１の負荷が高くなるに従い、熱い内部ＥＧＲガスを次第に減らし、冷却した外部ＥＧＲガスを次第に増やす。ネガティブオーバーラップ期間は、第２中負荷領域において、負荷が高くなるに従い、最大からゼロになるまで変更される。内部ＥＧＲガスは、第２中負荷領域において最も負荷が高くなるとゼロになる。

　ＥＧＲ弁５４の開度は、第２中負荷領域において、負荷が高くなるに従い、外部ＥＧＲガスが増えるよう変更される。燃焼室１７の中に導入される外部ＥＧＲガスの量は、ＥＧＲ率で表すと、例えば０～３０％の間において調整される。第２中負荷領域においては、エンジン１の負荷が高くなるに従い、ＥＧＲガスが、内部ＥＧＲガスから外部ＥＧＲガスへと置換される。

　尚、低負荷領域と第２中負荷領域との間で、燃焼室１７の中に導入するＥＧＲガス量は連続している。第２中負荷領域における負荷の低い領域においては、低負荷領域と同じように、内部ＥＧＲガスが燃焼室１７の中に、大量に導入されている。燃焼室１７の中の温度が高くなるため、エンジン１の負荷が低いときに、混合気が確実に自己着火する。第２中負荷領域における負荷の高い領域においては、外部ＥＧＲガスが燃焼室１７の中に導入されている。燃焼室１７の中の温度が低くなるため、エンジン１の負荷が高いときに、ＣＩ燃焼に伴う燃焼騒音を抑制することができる。

　第２中負荷領域においては、燃焼室１７の中に導入する充填量が１００％にされる。スロットル弁４３の開度は、全開である。内部ＥＧＲガスと外部ＥＧＲガスとを合わせたＥＧＲガス量を調整することによって、燃焼室１７の中に導入する新気の量を、燃料量に対応する量に調整する。

　非過給ＳＰＣＣＩ燃焼においてＣＩ燃焼の割合が大きくなるに従い、自己着火のタイミングが早くなる。自己着火のタイミングが圧縮上死点よりも早くなると、ＣＩ燃焼が開始するときの熱発生が激しくなってしまう。そうなると、燃焼騒音が増大してしまう。そこで、エンジン１は、エンジン１の負荷が所定負荷Ｌ１に到達すれば、エンジン１の負荷が高まることに従い、ＳＩ率を次第に大きくする。

　つまり、エンジン１は、燃料量の増大に従ってＳＩ燃焼の割合を増やす。具体的には、図９の上図に示すように、非過給ＳＰＣＣＩ燃焼においては、燃料量が増えるに従い、点火タイミングを次第に進角させる。前述したように、内部ＥＧＲガスの導入量を減らしかつ、外部ＥＧＲガスの導入量を増やすことによって、燃焼室１７の中の温度の調整を行っているから、燃料量が増えるに従って、ＳＩ率を高くしたとしても、圧縮上死点での温度上昇を抑制することが可能になる。ＳＩ燃焼の熱発生率の傾きは、負荷が高くなっても、ほとんど変わらない。点火タイミングを進角すると、ＳＩ燃焼の開始が早まる分、ＳＩ燃焼の熱発生量が増える。

　ＳＩ燃焼による燃焼室１７の中の温度上昇が抑制される結果、未燃混合気は、圧縮上死点以降のタイミングで自己着火する。ＣＩ燃焼による熱発生は、ＳＩ燃焼の熱発生量が増えているから、エンジン１の負荷が高くなっても、ほぼ同じになる。従って、エンジン１の負荷が高くなることに応じて、ＳＩ率を次第に高く設定することにより、燃焼騒音が増大してしまうことを回避することができる。尚、非過給ＳＰＣＣＩ燃焼の燃焼重心は、負荷が高くなるほど遅角する。

　第２中負荷領域において、インジェクタ６は、圧縮行程中に、前段噴射と後段噴射との２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。燃焼室１７の中には、空気過剰率λが１．０±０．２でかつ、Ｇ／Ｆが１８．５～３０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ことによって、混合気は、火炎伝播により燃焼する。その後、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ため、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。

　（第１中負荷領域（過給ＳＰＣＣＩ燃焼））
　エンジン１の負荷がさらに高まり、エンジン１の運転状態が第１中負荷領域（Ｂ１）に入ると、過給機４４が、新気及び外部ＥＧＲガスの過給を行う。燃焼室１７の中に導入する新気の量、及び、外部ＥＧＲガスの量は共に、エンジン１の負荷が高くなるに従い増える。燃焼室１７の中に導入される外部ＥＧＲガスの量は、ＥＧＲ率で表すと、例えば３０％である。ＥＧＲ率は、エンジン１の負荷の高低に関わらず一定である。従って、混合気のＧ／Ｆも、エンジン１の負荷の高低に関わらず一定である。尚、第２中負荷領域と第１中負荷領域との間で、燃焼室１７の中に導入するＥＧＲガス量は連続している。

　ＳＩ率は、１００％未満の所定値で、エンジン１の負荷の高低に対して一定にする。第２中負荷領域のＳＩ率、特に所定負荷Ｌ１よりも負荷が高く、エンジン１の負荷が高まることに従い次第に大きくなるＳＩ率と、第１中負荷領域のＳＩ率とを比較したときに、エンジン１の負荷が高い第１中負荷領域のＳＩ率の方が、第２中負荷領域のＳＩ率よりも高い。第１中負荷領域と第２中負荷領域との境界において、ＳＩ率は連続している。

　図９の下図に示すように、過給ＳＰＣＣＩ燃焼においても、燃料量が増えることに伴い、点火タイミングを次第に進角させる。前述したように、過給によって燃焼室１７の中に導入する新気及びＥＧＲガス量を増やしているため、熱容量が大きい。燃料量が増えても、ＳＩ燃焼による燃焼室の中の温度上昇を抑制することが可能になる。過給ＳＰＣＣＩ燃焼の熱発生率の波形は、負荷が高くなるに従い、相似形で大きくなる。

　つまり、ＳＩ燃焼の熱発生率の傾きが、ほとんど変わらずに、ＳＩ燃焼の熱発生量が増える。圧縮上死点以降の、ほぼ同じタイミングで、未燃混合気が自己着火をする。ＣＩ燃焼による熱発生量は、エンジン１の負荷が高くなると、多くなる。その結果、第１中負荷領域においては、ＳＩ燃焼の熱発生量とＣＩ燃焼の熱発生量とが共に増えるから、エンジン１の負荷の高低に対してＳＩ率が一定になる。ＣＩ燃焼の熱発生のピークが高くなると、燃焼騒音が大きくなるが、第１中負荷領域は、エンジン１の負荷が比較的高いため、ある程度の大きさの燃焼騒音は許容することができる。尚、過給ＳＰＣＣＩ燃焼の燃焼重心は、負荷が高くなるほど遅角する。

　第１中負荷領域においては、排気上死点を挟んで、吸気弁２１と排気弁２２とが共に開弁するオーバーラップ期間を設ける。燃焼室１７の中に残留する既燃ガスを、過給圧によって掃気する。これにより、燃焼室１７の中の温度が低くなるため、エンジン１の負荷が比較的高いときに、異常燃焼が発生してしまうことを抑制することができる。また、燃焼室１７の中の温度を下げることによって、エンジン１の負荷が比較的高い領域において、自己着火のタイミングを適切なタイミングにすることができ、ＳＩ率を所定のＳＩ率に維持することが可能になる。さらに、既燃ガスを掃気することによって、燃焼室１７の中の新気の充填量を高めることができる。

　第１中負荷領域において、インジェクタ６は、第２中負荷領域と同様に、圧縮行程中に、前段噴射と後段噴射との２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。燃焼室１７の中には、空気過剰率λが１．０±０．２でかつ、Ｇ／Ｆが１８．５～３０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。

　（高負荷領域（高負荷ＳＩ燃焼））
　エンジン１の負荷がさらに高まり、エンジン１の運転状態が高負荷領域（Ｃ）に入ると、エンジン１は、高負荷ＳＩ燃焼を行う。従って、高負荷領域においてＳＩ率は、１００％になる。

　スロットル弁４３は、全開である。過給機４４は、高負荷領域においても、新気及び外部ＥＧＲガスの過給を行う。ＥＧＲ弁５４は、開度を調整することによって、エンジン１の負荷が高くなるに従い、外部ＥＧＲガスの導入量を次第に減少させる。そうすることによって、燃焼室１７の中に導入される新気が、エンジン１の負荷が高くなると増える。新気の量が増えると、燃料量を増やすことができるため、エンジン１の最高出力を高くする上で、有利になる。尚、第１中負荷領域と高負荷領域の間で、燃焼室１７の中に導入するＥＧＲガス量は連続している。

　高負荷領域においても、第１中負荷領域と同様に、排気上死点を挟んで、吸気弁２１と排気弁２２とが共に開弁するオーバーラップ期間を設ける。燃焼室１７の中に残留する既燃ガスを、過給圧によって掃気する。これにより、異常燃焼の発生が抑制される。また、燃焼室１７の中の新気の充填量を高めることができる。

　高負荷領域の低回転側の領域（つまり、第１高負荷領域（Ｃ１））において、インジェクタ６は、前述したように、リタード期間内に、燃焼室１７の中に燃料を噴射する。高負荷領域の高回転側の領域（つまり、第２高負荷領域（Ｃ２））においては、インジェクタ６は、吸気行程中に、燃焼室１７の中に燃料を噴射する。いずれにおいても、燃焼室１７の中には、空気過剰率λが１．０±０．２でかつ、Ｇ／Ｆが１８．５～３０になった、略均質な混合気が形成される。最高負荷において、空気過剰率λは、例えば０．８になる。また、混合気のＧ／Ｆは、最高負荷において、例えば１７としてもよい。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ことによって、混合気は、火炎伝播により燃焼する。高負荷領域においては、高圧リタード噴射、又は、吸気行程中の燃料噴射によって、混合気は、自己着火に至らずにＳＩ燃焼する。

　（ＳＩ率の調整）
　図１０は、ＥＣＵ１０が実行するエンジンの運転制御に係るフローを示している。ＥＣＵ１０は、各センサＳＷ１～ＳＷ１６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、燃焼室１７の中の燃焼が、運転状態に応じたＳＩ率の燃焼となるよう、燃焼室１７の中の状態量の調整、噴射量の調整、噴射タイミングの調整、及び、点火タイミングの調整を行う。ＥＣＵ１０はまた、各センサの検知信号に基づいて、ＳＩ率の調整が必要と判断したときに、ＳＩ率の調整を行う。

　ＥＣＵは先ず、ステップＳ１において、各センサＳＷ１～ＳＷ１６の検知信号を読み込む。次いで、ＥＣＵ１０は、ステップＳ２において、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、目標ＳＩ率を設定する。目標ＳＩ率は、図８に示した通りである。

　ＥＣＵ１０は、続くステップＳ３において、予め設定している燃焼モデルに基づいて、設定した目標ＳＩ率を実現するための目標筒内状態量を設定する。具体的には、燃焼室１７の中の目標温度及び目標圧力、並びに、目標状態量を設定する。ＥＣＵ１０は、ステップＳ４において、目標筒内状態量を実現するために必要な、ＥＧＲ弁５４の開度、スロットル弁４３の開度、エアバイパス弁４８の開度、並びに、吸気電動Ｓ－ＶＴ２３及び排気電動Ｓ－ＶＴ２４の位相角を設定する。ＥＣＵ１０は、これらのデバイスの制御量を、予め設定しかつ、ＥＣＵ１０に記憶しているマップに基づいて設定する。ＥＣＵ１０は、設定した制御量に基づいて、ＥＧＲ弁５４、スロットル弁４３、エアバイパス弁４８、並びに、吸気電動Ｓ－ＶＴ２３及び排気電動Ｓ－ＶＴ２４に制御信号を出力する。ＥＣＵ１０の制御信号に基づいて各デバイスが動作をすることによって、燃焼室１７の中の状態量が目標状態量になる。

　ＥＣＵ１０はさらに、設定した各デバイスの制御量に基づいて、燃焼室１７の中の状態量の予測値、及び、推定値をそれぞれ算出する。状態量予測値は、吸気弁２１が閉弁する前の燃焼室１７の中の状態量を予測した値であり、後述するように、吸気行程における燃料の噴射量の設定に用いる。状態量推定値は、吸気弁２１が閉弁した後の燃焼室１７の中の状態量を推定した値であり、後述するように、圧縮行程における燃料の噴射量の設定、及び、点火タイミングの設定に用いる。状態量推定値はまた、後述するように、実際の燃焼状態との比較による状態量誤差の計算にも用いる。

　ＥＣＵ１０は、ステップＳ５において、状態量予測値に基づいて、吸気行程中における燃料の噴射量を設定する。尚、吸気行程中に燃料の噴射を行わないときは、燃料の噴射量はゼロである。ステップＳ６において、ＥＣＵ１０はインジェクタ６の噴射を制御する。つまり、所定の噴射タイミングで、燃焼室１７の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。

　ＥＣＵ１０は、ステップＳ７において、状態量推定値と、吸気行程中の燃料の噴射結果と、に基づいて、圧縮行程中における燃料の噴射量を設定する。尚、圧縮行程中に燃料の噴射を行わないときは、燃料の噴射量はゼロである。圧縮行程中に分割噴射を行うときには、前段噴射の噴射量及び後段噴射の噴射量をそれぞれ設定する。ＥＣＵ１０は、ステップＳ８において、予め設定されているマップに基づく噴射タイミングで、燃焼室１７の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。

　ＥＣＵ１０は、ステップＳ９において、状態量推定値と、圧縮行程中の燃料の噴射結果と、に基づいて、点火タイミングを設定する。ＥＣＵ１０は、ステップＳ１０において、設定した点火タイミングで、燃焼室１７の中の混合気に点火をするよう、点火プラグ２５に制御信号を出力する。

　点火プラグ２５が混合気に点火をすることにより、燃焼室１７の中でＳＩ燃焼又はＳＰＣＣＩ燃焼が行われる。ステップＳ１１において、ＥＣＵ１０は、指圧センサＳＷ６が検知した燃焼室１７の中の圧力の変化を読み込み、それに基づいて、燃焼室１７の中の混合気の燃焼状態を判断する。ＥＣＵ１０はまた、ステップＳ１２において、燃焼状態の検出結果と、ステップＳ４において推定をした状態量推定値とを比較し、状態量推定値と、実際の状態量との誤差を計算する。計算した誤差は、今回以降のサイクルにおいて、ステップＳ４の推定に利用される。ＥＣＵ１０は、状態量誤差が無くなるように、スロットル弁４３、ＥＧＲ弁５４、及び／又は、エアバイパス弁４８の開度、並びに、吸気電動Ｓ－ＶＴ２３及び排気電動Ｓ－ＶＴ２４の位相角を調整する。それによって、燃焼室１７に導入される新気及びＥＧＲガス量が調整される。この状態量誤差のフィードバックは、ＥＣＵ１０が、目標ＳＩ率と実際のＳＩ率との誤差に基づいて、ＳＩ率の調整が必要と判断したときに、ＳＩ率を調整することに相当する。

　ＥＣＵ１０はまた、ステップＳ８において、状態量推定値に基づき燃焼室１７の中の温度が目標温度よりも低くなると予想したときには、点火タイミングを進角することが可能になるよう、圧縮行程中の噴射タイミングを、マップに基づく噴射タイミングよりも進角させる。一方、ＥＣＵ１０は、ステップＳ７において、状態量推定値に基づき燃焼室１７の中の温度が目標温度よりも高くなると予想したときには、点火タイミングを遅角することが可能になるよう、圧縮行程中の噴射タイミングを、マップに基づく噴射タイミングよりも遅角させる。

　つまり、図１１のＰ２に示すように、燃焼室１７の中の温度が低いと、火花点火によってＳＩ燃焼が開始した後、未燃混合気が自己着火するタイミングθ_ＣＩが遅れてしまい、ＳＩ率が、目標のＳＩ率（Ｐ１参照）からずれてしまう。この場合、未燃燃料の増大や、排出ガス性能の低下を招く。

　そこで、燃焼室１７の中の温度が目標温度よりも低くなると予想したときには、ＥＣＵ１０は、噴射タイミングを進角すると共に、図１０のステップＳ１０において、点火タイミングθ_ＩＧを進角する。図１１のＰ３に示すように、ＳＩ燃焼の開始が早まることによってＳＩ燃焼により十分な熱発生が可能になるから、燃焼室１７の中の温度が低いときに、未燃混合気の自己着火のタイミングθ_ＣＩが遅れることを防止することができる。その結果、ＳＩ率は、目標のＳＩ率に近づく。未燃燃料の増大や、排出ガス性能の低下が防止される。

　また、図１１のＰ４に示すように、燃焼室１７の中の温度が高いと、火花点火によってＳＩ燃焼が開始して直ぐに、未燃混合気が自己着火してしまい、ＳＩ率が、目標のＳＩ率（Ｐ１参照）からずれてしまう。この場合、燃焼騒音が増大してしまう。

　そこで、燃焼室１７の中の温度が目標温度よりも高くなると予想したときには、ＥＣＵ１０は、噴射タイミングを遅角すると共に、図１０のステップＳ１０において、点火タイミングθ_ＩＧを遅角する。図１１のＰ５に示すように、ＳＩ燃焼の開始が遅くなるから、燃焼室１７の中の温度が高いときに、未燃混合気の自己着火のタイミングθ_ＣＩが早くなることを防止することができる。その結果、ＳＩ率は、目標のＳＩ率に近づく。燃焼騒音が増大してしまうことが回避される。

　これらの噴射タイミングの調整、及び、点火タイミングの調整は、ＥＣＵ１０が、ＳＰＣＣＩ燃焼におけるＳＩ率の調整が必要と判断したときに、ＳＩ率を調整することに相当する。噴射タイミングを調整することによって、進角又は遅角される点火タイミングにおいて、燃焼室１７の中に適切な混合気を形成することができる。点火プラグ２５は、確実に、混合気に点火することが可能になると共に、未燃混合気は、適切なタイミングで、自己着火することができる。

　尚、図１１において、実際の燃焼状態に基づいて、スロットル弁４３、ＥＧＲ弁５４、エアバイパス弁４８、吸気電動Ｓ－ＶＴ２３、及び排気電動Ｓ－ＶＴ２４の制御を通じて燃焼室１７の中の状態量を調整する点は、図１０のステップＳ１２及びステップＳ４において説明した通りである。

　このエンジン１は、スロットル弁４３、ＥＧＲ弁５４、エアバイパス弁４８、吸気電動Ｓ－ＶＴ２３、及び排気電動Ｓ－ＶＴ２４を含む状態量設定デバイスによって、ＳＩ率を調整する。燃焼室１７の中の状態量を調整することによって、ＳＩ率の大まかな調整が可能である。それと共に、エンジン１は、燃料の噴射タイミング及び点火タイミングを調整することによって、ＳＩ率を調整する。噴射タイミング及び点火タイミングの調整によって、例えば気筒間差の補正を行ったり、自己着火タイミングの微調整を行ったりすることができる。ＳＩ率の調整を二段階に行うことによって、エンジン１は、運転状態に対応する狙いのＳＰＣＣＩ燃焼を正確に実現することができる。

　尚、ＥＣＵ１０が行うエンジン１の制御は、前述した燃焼モデルに基づく制御に限定されない。

　また、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。

１　エンジン
１０　ＥＣＵ（コントローラー）
１７　燃焼室
２３　吸気電動Ｓ－ＶＴ（状態量設定デバイス、可変動弁機構）
２４　排気電動Ｓ－ＶＴ（状態量設定デバイス、可変動弁機構）
２５　点火プラグ
４９　過給システム（状態量設定デバイス）
４４　過給機
４３　スロットル弁（状態量設定デバイス）
４８　エアバイパス弁（状態量設定デバイス）
５４　ＥＧＲ弁（状態量設定デバイス）
５５　ＥＧＲシステム（状態量設定デバイス）
６　インジェクタ
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Ｏ_２センサ
ＳＷ９　ラムダＯ_２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

　燃焼室の中において混合気を自己着火させるよう構成されたエンジンと、
　前記燃焼室の中に臨んで配設されかつ、前記燃焼室の中の混合気に点火をするよう構成された点火プラグと、
　前記点火プラグに接続されかつ、前記点火プラグ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、
　前記点火プラグが前記混合気に点火をして燃焼が開始した後に、未燃混合気が自己着火により燃焼し、
　前記コントローラーは、前記燃焼室の中の混合気が燃焼するときに発生する全熱量に対し、火炎伝播により混合気が燃焼するときに発生する熱量の割合に関係する指標としてのＳＩ率を、前記センサの検知信号に基づく前記エンジンの運転状態に応じて変更し、
　前記コントローラーはまた、前記センサの検知信号を受けて前記ＳＩ率の調整が必要と判断したときに、前記ＳＩ率を調整する圧縮自己着火式エンジンの制御装置。
　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、
　前記エンジンに取り付けられかつ、前記燃焼室の中への新気及び既燃ガスの導入を調整することによって、前記燃焼室の中を所望の状態に設定するよう構成された状態量設定デバイスと、
　前記エンジンに取り付けられかつ、前記燃焼室の中に燃料を噴射するよう構成されたインジェクタと、を備えている圧縮自己着火式エンジンの制御装置。
　請求項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、前記エンジンの運転状態に基づいて目標のＳＩ率を設定すると共に、前記目標のＳＩ率の燃焼となるように、前記状態量設定デバイス、前記インジェクタ、及び、前記点火プラグのそれぞれ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。
　請求項３に記載の圧縮自己着火式エンジンの制御装置において、
　前記センサは、前記燃焼室の中の圧力を検知する指圧センサを含み、
　前記コントローラーは、前記指圧センサの検知信号を受けかつ、混合気の燃焼に伴う圧力波形に基づいて、前記ＳＩ率を算出すると共に、算出した前記ＳＩ率と前記目標のＳＩ率とがずれているときに、前記ＳＩ率を調整する圧縮自己着火式エンジンの制御装置。
　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ＳＩ率が調整されるよう、前記状態量設定デバイスに出力する制御信号によって前記燃焼室の中への新気及び既燃ガスの導入を調整する圧縮自己着火式エンジンの制御装置。
　請求項３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、前記センサの検知信号に基づいて前記燃焼室の中の状態量を予測すると共に、予測した状態量に基づいて、これから行う燃焼のＳＩ率が前記目標のＳＩ率からずれると判断したときに、前記ＳＩ率が前記目標のＳＩ率に近づくよう、前記ＳＩ率を調整する圧縮自己着火式エンジンの制御装置。
　請求項６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ＳＩ率が前記目標のＳＩ率に近づくよう、前記点火プラグに出力する制御信号によって点火タイミングを調整する圧縮自己着火式エンジンの制御装置。
　請求項７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、前記点火タイミングの調整に対応するよう、前記インジェクタに出力する制御信号によって、燃料の噴射タイミングを調整する圧縮自己着火式エンジンの制御装置。
　請求項２～８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、
　前記インジェクタは、前記燃焼室の中に略均質な混合気を形成するよう、前記コントローラーの制御信号を受けて、点火タイミングの前でかつ前記点火タイミングに近いタイミングで燃料を噴射する後段噴射と、前記後段噴射よりも前でかつ前記点火タイミングから離れたタイミングで燃料を噴射する前段噴射とを実行する圧縮自己着火式エンジンの制御装置。
　請求項２～９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、
　前記コントローラーは、前記状態量設定デバイス及び前記インジェクタに制御信号を出力することによって、前記燃焼室の中の状態を、前記燃焼室の中の全ガスと燃料との質量比に関係する指標としてのＧ／Ｆが１８．５以上３０以下でかつ、空気過剰率λが１．０±０．２に設定する圧縮自己着火式エンジンの制御装置。