JP5552869B2 - エンジンの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、１気筒あたり複数の吸気弁および複数の排気弁を備えるとともに、これら吸気弁および排気弁の動作タイミングを可変的に設定するタイミング可変機構と、上記排気弁を排気行程だけでなく吸気行程でも開弁させるか、または排気行程のみで開弁させるかを切り替え可能な開閉切替機構と、上記タイミング可変機構および開閉切替機構を駆動して吸気弁および排気弁の開閉動作を制御するバルブ制御手段とを備え、少なくともエンジンの部分負荷域を含む運転領域に設定されたＨＣＣＩ領域で圧縮自己着火燃焼を行わせるように構成されたエンジンの制御装置に関する。

従来、例えばガソリンエンジンの分野では、点火プラグからの火花放電により強制的に混合気を着火させる燃焼形態が一般的であったが、近年、このような火花点火による燃焼に代えて、いわゆる圧縮自己着火燃焼をガソリンエンジンに適用する研究が進められている。この圧縮自己着火燃焼とは、筒内（燃焼室）に生成された混合気をピストンで圧縮し、高温・高圧化した環境下で、火花点火によらず混合気を自着火させるというものである。圧縮自己着火燃焼は、筒内の各所で同時多発的に自着火する燃焼であり、火花点火による燃焼に比べて燃焼期間が短く、より高い熱効率が得られると言われている。

例えば、下記特許文献１では、排気弁を排気行程だけでなく吸気行程でも開弁させ、一旦排出された高温の既燃ガスを排気ポートから筒内に逆流させることにより、筒内温度を上昇させ、混合気の自着火を促進することが行われている。

特開２００７−１３２３１９号公報

上記特許文献１のように、吸気行程中に排気弁を開弁させて高温の既燃ガスを筒内に導入すれば、特に混合気が自着火し難いエンジンの低負荷域で、混合気の自着火を効果的に促進し、圧縮自己着火燃焼を確実に引き起こすことが可能である。しかしながら、上記のような筒内への既燃ガスの導入操作を、比較的負荷の高い（つまり燃料の噴射量が多い）運転領域まで継続して行った場合には、混合気の自着火が過度に促進されて、過早着火等の異常燃焼を引き起こすおそれがある。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、筒内に導入される既燃ガスの量を負荷に応じて適正に制御することにより、適正な圧縮自己着火燃焼をより広い負荷域で行わせることが可能なエンジンの制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためのものとして、本発明は、１気筒あたり２つの吸気弁および２つの排気弁を備えるとともに、これら吸気弁および排気弁の動作タイミングを可変的に設定するタイミング可変機構と、上記吸気弁が吸気行程中に開弁する動作の有無を切り替え可能な吸気側開閉切替機構と、上記排気弁を排気行程だけでなく吸気行程でも開弁させるか、または排気行程のみで開弁させるかを切り替え可能な排気側開閉切替機構と、上記タイミング可変機構、吸気側開閉切替機構、および排気側開閉切替機構を駆動して吸気弁および排気弁の開閉動作を制御するバルブ制御手段とを備え、少なくともエンジンの部分負荷域を含む運転領域に設定されたＨＣＣＩ領域で圧縮自己着火燃焼を行わせるように構成されたエンジンの制御装置であって、上記ＨＣＣＩ領域が、相対的に負荷の低い低負荷域と、低負荷域よりも負荷の高い第１中負荷域と、第１中負荷域よりも負荷の高い第２中負荷域と、第２中負荷域よりも負荷の高い第３中負荷域と、第３中負荷域よりも負荷の高い高負荷域とを含む複数の負荷域に分割され、上記バルブ制御手段は、上記ＨＣＣＩ領域内の低負荷域で、各気筒における１つの吸気弁と２つの排気弁とを吸気行程中に開き始め、かつ、これら吸気弁および排気弁の開時期と、排気行程中に開弁する上記排気弁の閉時期とを、排気上死点を挟んで所定期間離れた時期に設定することにより、吸気弁および排気弁の双方が閉じるネガティブオーバーラップ期間を形成し、上記ＨＣＣＩ領域内の第１中負荷域で、吸気行程中に開弁する吸気弁および排気弁の数をともに２つにするとともに、上記ネガティブオーバーラップ期間を形成し、上記ＨＣＣＩ領域内の第２中負荷域で、吸気行程中に開弁する吸気弁の数を２つに、吸気行程中に開弁する排気弁の数を１つにするとともに、上記ネガティブオーバーラップ期間を形成し、上記ＨＣＣＩ領域内の第３中負荷域で、吸気行程中に開弁する吸気弁の数を２つに、吸気行程中に開弁する排気弁の数をゼロにするとともに、上記ネガティブオーバーラップ期間を形成し、上記ＨＣＣＩ領域内の高負荷域で、吸気行程中に開弁する吸気弁の数を２つに、吸気行程中に開弁する排気弁の数をゼロにするとともに、負荷の増大に応じて、排気行程中に開弁する排気弁の閉時期と、吸気行程中に開弁する吸気弁の開時期とを、ともに排気上死点に近づく方向に変化させることにより、上記ネガティブオーバーラップ期間を徐々に短縮することを特徴とするものである（請求項１）。

本発明によれば、ＨＣＣＩ領域内の低負荷域で、各気筒における２つの排気弁を排気行程だけでなく吸気行程でも開弁させるとともに、吸気行程中に開弁する吸気弁の数を１つだけとし、さらに排気上死点の前後にわたって吸気弁および排気弁の双方が閉じるいわゆるネガティブオーバーラップ期間を設けるようにしたため、多量の既燃ガスを筒内に導入することができるとともに、筒内に占める新気の割合を相対的に小さくすることができる。これにより、筒内温度が大幅に上昇し、混合気が自着火し易い環境がつくり出されるため、負荷が低く燃料噴射量が少ない状況であっても、圧縮自己着火燃焼を確実に引き起こすことができる。

そして、上記低負荷域よりも負荷が高い領域（第１、第２、第３中負荷域および高負荷域）では、負荷の増大に応じて、吸気行程中に開弁する吸気弁の数を１つから２つに増やすとともに、吸気行程中に開弁する排気弁の数を２→１→０と徐々に減らし、さらにネガティブオーバーラップ期間を短縮することで、筒内における既燃ガスと新気の割合を負荷に応じて適正に調節することができ、負荷がある程度高まった状況でも、適正な圧縮自己着火燃焼を継続して行わせることができる。

本発明において、好ましくは、上記ＨＣＣＩ領域内の低負荷域および第１、第２、第３中負荷域で、排気行程中に開弁する排気弁の閉時期から排気上死点までの期間と、吸気行程中に開弁する吸気弁および排気弁のうち早い方の開時期から排気上死点までの期間とが、略同一に設定される（請求項２）。

この構成によれば、ネガティブオーバーラップ期間を利用して筒内への既燃ガスの導入を図りながら、当該期間内に生じ得るポンピングロスの増大を効果的に防止することができる。

本発明にかかるエンジンの幾何学的圧縮比は、好ましくは、１５以上２２以下である（請求項３）。

このような圧縮比の比較的高いエンジンに本発明の構成を適用した場合には、既燃ガスを気筒に導入するために吸気行程中に排気弁を開弁させる方式（いわゆる排気２度開き方式）の利点を十分に生かしつつ、効率の高い圧縮自己着火燃焼を幅広い負荷域にわたって適正に実行させることができる。

以上説明したように、本発明のエンジンの制御装置によれば、筒内に導入される既燃ガスの量を負荷に応じて適正に制御することにより、適正な圧縮自己着火燃焼をより広い負荷域で行わせることができる。

本発明の一実施形態にかかるエンジンの全体構成を示す図である。 上記エンジンの吸排気弁に適用されている可変機構の種類を示す模式図である。 上記エンジンの制御系を示すブロック図である。 上記エンジンの運転領域マップの一例を示す図である。 上記エンジンにおいて実行される制御動作の手順を示すフローチャートである。 図４の低負荷域Ｒ１で実行される吸排気弁の開閉パターンＡの内容を説明するための図である。 図４の第１中負荷域Ｒ２ａで実行される吸排気弁の開閉パターンＢの内容を説明するための図である。 図４の第２中負荷域Ｒ２ｂで実行される吸排気弁の開閉パターンＣの内容を説明するための図である。 図４の第３中負荷域Ｒ２ｃで実行される吸排気弁の開閉パターンＤの内容を説明するための図である。 図４の高負荷域Ｒ３で実行される吸排気弁の開閉パターンＥの内容を説明するための図である。 上記各開閉パターンに沿って吸排気弁を制御した場合に得られる新気充填率の測定結果を示すグラフである。 上記各開閉パターンに沿って吸排気弁を制御した場合に得られる燃焼重心位置の測定結果を示すグラフである。

（１）エンジンの全体構成
図１は、本発明の一実施形態にかかるエンジンの全体構成を示す図である。本図に示されるエンジンは、走行駆動用の動力源として車両に搭載される往復ピストン型の多気筒ガソリンエンジンである。このエンジンのエンジン本体１は、紙面に直交する方向に並ぶ複数の気筒２（図中ではそのうちの１つのみを示す）を有するシリンダブロック３と、シリンダブロック３の上面に設けられたシリンダヘッド４と、各気筒２に往復摺動可能に挿入されたピストン５とを有している。なお、エンジン本体１に供給される燃料は、ガソリンを主成分とするものであればよく、その中身は、全てガソリンであってもよいし、ガソリンにエタノール（エチルアルコール）等を含有させたものでもよい。

上記ピストン５はコネクティングロッド８を介してクランク軸７と連結されており、上記ピストン５の往復運動に応じて上記クランク軸７が中心軸回りに回転するようになっている。

上記ピストン５の上方には燃焼室６が形成され、燃焼室６に吸気ポート９および排気ポート１０が開口し、各ポート９，１０を開閉する吸気弁１１および排気弁１２が、上記シリンダヘッド４にそれぞれ設けられている。なお、図例のエンジンはいわゆるダブルオーバーヘッドカムシャフト式（ＤＯＨＣ）エンジンであり、各気筒につき上記吸気弁１１および排気弁１２がそれぞれ２つずつ設けられている（図２参照）。

上記吸気弁１１および排気弁１２は、それぞれ、シリンダヘッド４に配設された一対のカムシャフト（図示省略）等を含む動弁機構１３，１４によりクランク軸７の回転に連動して開閉駆動される。

上記吸気弁１１用の動弁機構１３には、ＶＶＴ１５が組み込まれている。ＶＶＴ１５は、吸気弁１１の動作タイミングを連続的に変更可能な可変バルブタイミング機構（Variable Valve Timing Mechanism）と呼ばれるものであり、本発明にかかるタイミング可変機構に相当する。また、排気弁１２用の動弁機構１４にも、上記ＶＶＴ１５と同様のタイミング可変機構であるＶＶＴ１７が組み込まれている。

上記ＶＶＴ１５は、エンジンの全ての吸気弁１１の動作タイミングを一括して変更できるように設けられており、また、上記ＶＶＴ１７は、エンジンの全ての排気弁１２の動作タイミングを一括して変更できるように設けられている。これらＶＶＴ１５およびＶＶＴ１７が駆動されると、各気筒２における一対の吸気弁１１の動作タイミング、および一対の排気弁１２の動作タイミングが、それぞれ同時に変更され、その結果、各弁においては、リフト量が同一に維持されたまま、その開時期（開弁開始時期）および閉時期がそれぞれ同量ずつ変更されることになる。

このような機能を有するＶＶＴ１５，１７は、例えばチェーン等を介してクランク軸と連動連結されるカムプーリと、このカムプーリにより回転駆動されるカムシャフトとの間に、両者を相対回転可能に連結する位相変更部材を組み込むことによって実現することができる。同様の構造のＶＶＬ１６は既に公知であり、その具体例は、例えば特開２００７−８５２４１号公報に開示されている（なお、同文献ではＶＣＴと称されている）。

上記排気弁１２用の動弁機構１４には、吸気行程中に排気弁１２を押し下げる機能を有効または無効にするＯＮ／ＯＦＦタイプの可変バルブリフト機構（Variable Valve Lift Mechanism）であるＶＶＬ１８が組み込まれている。具体的に、このＶＶＬ１８は、排気弁１２を排気行程だけでなく吸気行程でも開弁可能にするとともに、この吸気行程中の排気弁１２の開弁を実行するか停止するかを切り替える機能を有しており、本発明にかかる排気側開閉切替機構に相当する。

上記ＯＮ／ＯＦＦタイプのＶＶＬ１８は、エンジンの全ての排気弁１２に対応して設けられており、かつ、各気筒２の一対の排気弁１２に対し、それぞれ個別に、吸気行程中の開弁動作を実行または停止できるように構成されている。

このような機能を有するＶＶＬ１８は、例えば、排気弁１２駆動用の通常のカム（つまり排気行程中に排気弁１２を押し下げるカム）とは別に吸気行程中に排気弁１２を押し下げるサブカムと、このサブカムの駆動力が排気弁１２に伝達されるのをキャンセルするいわゆるロストモーション機構とを、各排気弁１２に対し個別に設けることで実現することができる。同様の構造のＶＶＬ１８は既に公知であり、その具体例は、例えば特開２００７−８５２４１号公報に開示されている（なお、同文献では弁動作切替機構と称されている）。

上記吸気弁１１用の動弁機構１３には、上記ＶＶＬ１８と同様のＯＮ／ＯＦＦタイプの可変バルブリフト機構であるＶＶＬ１６（本発明にかかる吸気側開閉切替機構に相当）が組み込まれている。ただし、ＶＶＬ１６は、各気筒２に設けられた一対の吸気弁１１のうちの一方に対しては適用されておらず、他方の吸気弁１１にのみＶＶＬ１６が適用されている（図２参照）。また、ＶＶＬ１６は、上記他方の吸気弁１１が吸気行程中に開弁するのを実行または停止するように設けられており、このＶＶＬ１６が駆動されると、上記他方の吸気弁１１は、吸気行程中に開弁する状態と、吸気行程を含めた全期間にわたって開弁しない状態とに切り替えられるようになっている。

なお、当明細書において、「○○弁が××行程で開弁」、または「××行程中に開弁する○○弁」などというときは、○○弁の開弁期間（開き始めてから閉じるまでの期間）が主に××行程と重複するように設定されるということであり、必ずしも開弁期間の全てが××行程中にあることを意味しない。これに対し、例えば「○○弁が××行程で開き始め（または開弁し始め）」というときは、文字通り、××行程中の所定時期に○○弁の開時期（開弁開始時期）が設定されることを意味する。

例えば、「排気弁１２が排気行程で開弁」、または「排気行程中に開弁する排気弁１２」などというときは、排気弁１２の開弁期間が主に排気行程と重複することを意味し、後述する図６〜図１０のリフトカーブＥＸ１，ＥＸ２のように、排気行程よりも手前（膨張行程の後半）で開き始め、排気行程の後半で閉じるような態様もこれに該当する。一方、例えば「排気弁１２が吸気行程中に開き始め（または開弁し始め）」というときは、後述する図６および図７のリフトカーブＥＸ１ａ，ＥＸ２ａのように、排気弁１２の開時期（開弁開始時期）が吸気行程の期間内に設定されていることを意味する。

図２に、吸排気弁１１，１２に適用されている可変機構の種類をまとめて示している。上述した通り、当実施形態では、各気筒２における一対の排気弁１２の両方に、動作タイミングを変更するためのＶＶＴ１７と、吸気行程中の開弁を実行または停止するＯＮ／ＯＦＦタイプのＶＶＬ１８とがそれぞれ適用されている。また、各気筒２における一対の吸気弁１１については、その両方にＶＶＴ１５が適用されるとともに、そのうちの片側の吸気弁１１にのみ、ＯＮ／ＯＦＦタイプのＶＶＬ１６が適用されている。

図１に戻って、上記エンジン本体１のシリンダヘッド４には、点火プラグ２０およびインジェクタ２１が、各気筒２につき１組ずつ設けられている。

上記インジェクタ２１は、燃焼室６を吸気側の側方から臨むように設けられており、図外の燃料供給管から供給される燃料（ガソリンを主成分とする燃料）を先端から噴射する。そして、エンジンの吸気行程等において上記インジェクタ２１から燃焼室６に対し燃料が噴射され、噴射された燃料が空気と混合されることにより、燃焼室６に所望の空燃比の混合気が生成されるようになっている。

上記点火プラグ２０は、燃焼室６を上方から臨むように設けられており、図外の点火回路からの給電に応じて先端から火花を放電する。

以上のように構成されたエンジン本体１は、その幾何学的圧縮比が１５以上に設定されている。すなわち、一般的なガソリンエンジンの幾何学的圧縮比が約９〜１１程度であるのに対し、当実施形態のエンジン本体１では、その幾何学的圧縮比が、１５以上というかなり高い値に設定されている。

上記エンジン本体１の吸気ポート９および排気ポート１０には、吸気通路２３および排気通路２４がそれぞれ接続されている。すなわち、外部からの吸入空気（新気）が上記吸気通路２３を通じて燃焼室６に供給されるとともに、燃焼室６で生成された既燃ガス（排気ガス）が上記排気通路２４を通じて外部に排出されるようになっている。

上記吸気通路２３にはスロットル弁２５が設けられている。なお、このスロットル弁２５は、電子制御式のスロットル弁であり、運転者により踏み込み操作される図外のアクセルペダルとは非連動とされている。

上記排気通路２４には、排気ガス浄化用の触媒コンバータ２６が設けられている。触媒コンバータ２６には例えば三元触媒が内蔵されており、排気通路２４を通過する排気ガス中の有害成分が上記三元触媒の作用により浄化されるようになっている。

（２）制御系
図３は、エンジンの制御系を示すブロック図である。本図に示されるＥＣＵ４０は、エンジンの各部を統括的に制御するための装置であり、周知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成されている。

上記ＥＣＵ４０には、各種センサ類からの検出信号が入力される。すなわち、ＥＣＵ４０は、クランク軸７の回転速度Ｎｅを検出するエンジン回転速度センサ３０と、吸気通路２３を通過する吸入空気の流量Ｑａを検出するエアフローセンサ３１と、図外のアクセルペダルの開度を検出するアクセル開度センサ３２と電気的に接続されており、これら各センサで検出された状態量が電気信号として上記ＥＣＵ４０に逐次入力されるようになっている。

また、上記ＥＣＵ４０は、上記ＶＶＴ１５，１７、ＶＶＬ１６，１８、点火プラグ２０、インジェクタ２１、およびスロットル弁２５とも電気的に接続されており、これらの装置にそれぞれ駆動用の制御信号を出力するように構成されている。

上記ＥＣＵ４０が有するより具体的な機能について説明すると、上記ＥＣＵ４０は、その主な機能的要素として、記憶手段４１、燃料制御手段４２、点火制御手段４３、およびバルブ制御手段４４を有している。

上記記憶手段４１は、エンジンを制御する際に必要な各種データやプログラムを記憶するものである。その一例として、上記記憶手段４１には、図４に示される運転領域マップが記憶されている。この運転領域マップは、エンジンの回転速度Ｎｅおよび負荷Ｔ（要求トルク）に応じて、エンジンをどのような態様で運転すべきかを規定したものである。

図４の運転領域マップにおいて、エンジンの部分負荷域にはＨＣＣＩ領域Ｒが設定されており、このＨＣＣＩ領域Ｒでは、混合気を自着火により燃焼させる圧縮自己着火燃焼が実行される。ＨＣＣＩ領域Ｒは、大きく分けて、低負荷域Ｒ１と、これよりも負荷の高い中負荷域Ｒ２と、さらに負荷の高い高負荷域Ｒ３とに分割される。このうち、中負荷域Ｒ２は、さらに３つの領域に細分化され、それらは負荷の低い方から順に、第１中負荷域Ｒ２ａ、第２中負荷域Ｒ２ｂ、第３中負荷域Ｒ２ｃとされる。これら各負荷域（Ｒ１，Ｒ２ａ，Ｒ２ｂ，Ｒ２ｃ，Ｒ３）では、それぞれ、吸排気弁１１，１２の開閉制御のパターンを変化させながら、いずれも圧縮自己着火燃焼が実行されるようになっている（詳細は後述する）。

上記燃料制御手段４２は、上記インジェクタ２１から燃焼室６に噴射される燃料の噴射量や噴射時期を制御するものである。より具体的に、上記燃料制御手段４２は、エンジン回転速度センサ３０から入力されるエンジン回転速度Ｎｅやエアフローセンサ３１から入力される吸入空気量Ｑａ等の情報に基づいて、目標とする燃料の噴射量および噴射時期を演算し、その演算結果に基づいてインジェクタ２１の開弁時期および開弁期間を制御する。

上記点火制御手段４３は、エンジンの運転状態に応じ予め定められた所定のタイミングで点火プラグ２０の点火回路に給電信号を出力することにより、上記点火プラグ２０が火花放電を行うタイミング（点火時期）等を制御するものである。ただし、当実施形態において、少なくとも図４に示したＨＣＣＩ領域Ｒでは、火花点火によらず混合気を自着火させる圧縮自己着火燃焼が実行されるため、この圧縮自己着火燃焼の実行時には、基本的に点火プラグ２０からの火花点火は停止される。

上記バルブ制御手段４４は、上記ＶＶＬ１６，１８を駆動して吸排気弁１１，１２の吸気行程中の開弁を実行または停止するとともに、上記ＶＶＴ１５，１７を駆動して吸排気弁１１，１２の動作タイミングを可変的に設定するものである。特に、上記ＨＣＣＩ領域Ｒにおいて、バルブ制御手段４４は、上記のような吸排気弁１１，１２の制御に基づいて、筒内（気筒２の内部）に導入される新気量を調節するとともに、筒内に導入される既燃ガスの量を増減させて筒内温度を調節する機能を有している。

例えば、一対の吸気弁１１の片側についてその吸気行程中の開弁の有無が上記ＶＶＬ１６により切り替えられることで、吸気行程中に開弁する吸気弁１１の数が増減され、吸気ポート９を通じて筒内に導入される新気量が調節される。

また、一対の排気弁１２についてその吸気行程中の開弁の有無が上記ＶＶＬ１８により切り替えられることで、筒内に逆流する既燃ガスの量が増減され、筒内温度の上昇幅が調節される。例えば、一対の排気弁１２の少なくとも一方が吸気行程中に開弁すると、一旦は排気ポート１０に排出された高温の既燃ガス（排気ガス）が、排気ポート１０から逆流して再び筒内に導入され、筒内温度が上昇する。また、このような既燃ガスの逆流が起きると、その分だけ吸気ポート９からの新気の流入が制限されるため、筒内の新気量が減少する。逆に、排気弁１２が吸気行程中に開弁しなくなれば、上記のような既燃ガスの逆流が起きなくなることで、筒内温度が相対的に低下し、新気量が増大する。

さらに、上記ＶＶＴ１５，１７による吸排気弁１１，１２の動作タイミングの設定により、排気行程の途中から吸気行程にかけて吸気弁１１および排気弁１２の双方が閉じられる期間（いわゆるネガティブオーバーラップ期間）が設けられることで、既燃ガスの残留に基づく筒内温度および新気量の調節が図られる。すなわち、上記ネガティブオーバーラップ期間が設けられると、筒内で生成された既燃ガスの一部がそのまま筒内に閉じ込められるため、この残留した既燃ガスの存在により筒内温度が上昇するとともに、新気量の流入が制限される。したがって、上記ＶＶＴ１５，１７の駆動により上記ネガティブオーバーラップ期間が増減されることで、筒内に残留する既燃ガスの量が増減され、これに応じて筒内温度の上昇幅および新気量が調節される。

なお、上記のように筒内に既燃ガスを残留（または逆流）させる操作は、内部ＥＧＲ（Internal Exhaust Gas Recirculation）と呼ばれるため、以下では、筒内に残留（または逆流）させる既燃ガスのことを、ＥＧＲガスということがある。

上記バルブ制御手段４４は、上記のような吸排気弁１１，１２の制御に基づいて、ＥＧＲガスの量および新気量を適正に調節することにより、エンジンが上記ＨＣＣＩ領域Ｒ内のいずれで運転されている場合でも、混合気を適正な時期に確実に自着火させ、安定した圧縮自己着火燃焼を継続的に行わせる役割を担っている。

なお、上述したように、ＨＣＣＩ領域Ｒでは、バルブ制御手段４４による吸排気弁１１，１２の制御に基づいて新気量が調節されるため、スロットル弁２５による吸気通路２３の絞り制御は基本的に不要であり、スロットル弁２５の開度は、例えばエンジンの緊急停止時等を除いて、全開（１００％）もしくはその近傍に維持される。

ここで、上記ＨＣＣＩ領域Ｒ以外の運転領域における燃焼制御について簡単に説明する。上記ＨＣＣＩ領域Ｒ以外の運転領域、つまり、ＨＣＣＩ領域Ｒよりも高回転側の回転域と、ＨＣＣＩ領域Ｒよりも高負荷側の負荷域とを合わせた領域をＳＲとすると、同領域ＳＲでは、火花点火による燃焼、または、上記ＨＣＣＩ領域Ｒとは異なる態様の圧縮自己着火燃焼が行われる。

例えば、上記ＨＣＣＩ領域Ｒよりも高回転側では、燃料の受熱期間が短く、混合気の自着火が困難であるため、圧縮自己着火燃焼は実行されず、点火プラグ２０を用いた火花点火による強制燃焼（ＳＩ燃焼）が実行される。

また、上記ＨＣＣＩ領域Ｒより高負荷側では、上述の高回転側での制御と同じくＳＩ燃焼に切り替えてもよいが、例えば、エンジンが過給機付エンジンである場合には、吸気弁１１の閉時期を吸気下死点に対し大幅にシフトさせてエンジンの有効圧縮比を低下させながら、不足する新気を過給により補うことで、圧縮自己着火燃焼を継続させることも可能である。つまり、ＨＣＣＩ領域Ｒよりも高負荷側において、単に燃料の噴射量を増大させただけでは、過早着火等の異常燃焼を引き起こすおそれがあるが、エンジンの有効圧縮比を低下させつつ過給を行うようにすれば、新気を十分に確保しながら、圧縮上死点付近の燃焼室６の温度を低下させることができるため、ＨＣＣＩ領域Ｒよりさらに高負荷側であっても、過早着火等を引き起こすことなく圧縮自己着火燃焼を継続させることが可能である。

ただし、本発明において、ＨＣＣＩ領域Ｒ以外でどのような燃焼制御を行うかについては特に問題ではない。このため、以下では、ＨＣＣＩ領域Ｒでの制御動作についてのみ説明する。

（３）ＨＣＣＩ領域Ｒでの制御動作
次に、上記ＨＣＣＩ領域Ｒにおける制御動作の内容を、図５〜図１０に基づき説明する。なお、図５は、ＥＣＵ４０により実行される制御の手順を示すフローチャートであり、図６〜図１０は、上記ＨＣＣＩ領域Ｒの各負荷域Ｒ１，Ｒ２（Ｒ２ａ〜Ｒ２ｃ），Ｒ３において選択される吸排気弁１１，１２の開閉パターンを示す図である。

図５のフローチャートに示す処理がスタートすると、まず、各種センサ値を読み込む制御が実行される（ステップＳ１）。具体的には、上記エンジン回転速度センサ３０、エアフローセンサ３１、およびアクセル開度センサ３２から、それぞれ、エンジン回転速度Ｎｅ、吸入空気量Ｑａ、およびアクセル開度ＡＣが読み出され、ＥＣＵ４０に入力される。

次いで、上記ステップＳ１で読み込まれた情報に基づき定まるエンジンの運転点が、図４に示したＨＣＣＩ領域Ｒにあるか否かを判定する制御が実行される（ステップＳ２）。具体的には、上記ステップＳ１で読み込まれたエンジン回転速度Ｎｅと、アクセル開度ＡＣ等に基づき演算されるエンジン負荷（要求トルク）Ｔとが、ともに図４のＨＣＣＩ領域Ｒの範囲に含まれるか否かが判定される。

上記ステップＳ２でＹＥＳと判定されてエンジンの運転点がＨＣＣＩ領域Ｒにあることが確認された場合には、さらに、その中の低負荷域Ｒ１にあるか否かが判定される（ステップＳ３）。

上記ステップＳ３でＹＥＳと判定されてＨＣＣＩ領域Ｒ内の低負荷域Ｒ１にあることが確認された場合には、次のステップＳ７に移行して、予め定められた開閉パターンＡに沿って吸排気弁１１，１２を開閉駆動する制御が実行される。

上記開閉パターンＡに基づく吸排気弁１１，１２のリフトカーブを図６に示す。本図において、ＥＸ１とは、各気筒２に設けられた一対の排気弁１２のうちの一方が排気行程中に開弁した場合のリフトカーブであり、ＥＸ２とは、他方の排気弁１２が排気行程中に開弁した場合のリフトカーブである。また、ＥＸ１ａとは、上記一方の排気弁１２が吸気行程中に開弁した場合のリフトカーブであり、ＥＸ２ａとは、上記他方の排気弁１２が吸気行程中に開弁した場合のリフトカーブである。さらに、ＩＮ１とは、各気筒２に設けられた一対の吸気弁１１のうちの一方が開弁した場合のリフトカーブである。なお、他方の吸気弁１１が開弁した場合のリフトカーブについては、後述する図７〜図１０のように、ＩＮ２として示す。

また、図６の横軸ＣＡはクランク角を表し、ＴＤＣは上死点、ＢＤＣは下死点を表す。この横軸上で、リフトカーブの始点と終点は、それぞれ、バルブの開時期（開弁開始時期）および閉時期を表すが、ここでいう開時期および閉時期は、バルブのリフト量が完全にゼロになる時期ではなく、リフトカーブのランプ部（リフト量が緩やかに変化する部分）を除いた区間をバルブの開弁期間として定義した場合における開時期および閉時期を指すものとする。このことは、後述する図７〜図１０のケースでも同様である。

図６に示すように、低負荷域Ｒ１で選択される開閉パターンＡでは、各気筒２における一対の排気弁１２が、両方とも排気行程中に開弁し（ＥＸ１，ＥＸ２）、かつ吸気行程中にも開弁する（ＥＸ１ａ，ＥＸ２ａ）。また、各気筒２における一対の吸気弁１１は、そのうちの一方のみが吸気行程中に開弁する（ＩＮ１）。上記バルブ制御手段４４は、このようなバルブの開閉パターンの設定に従って、ＶＶＴ１５，１７およびＶＶＬ１６，１８の駆動を制御する。

より具体的に、上記開閉パターンＡのとき、各気筒２における一対の吸気弁１１は、そのうちの一方の弁のみが、排気上死点（ＴＤＣ）よりも遅れた吸気行程の途中から開き始め、吸気下死点（右側のＢＤＣ）よりも遅角側で閉じられる（ＩＮ１）。これに対し、他方の吸気弁１１については、吸気行程中の開弁が停止され、吸気行程を含めた全期間にわたって閉じた状態に維持される。

一方、各気筒２における一対の排気弁１２については、その両方が、まず膨張下死点（左側のＢＤＣ）よりも手前から開き始め、排気上死点（ＴＤＣ）よりも手前の排気行程の途中で閉じられる（ＥＸ１，ＥＸ２）。また、排気上死点よりも遅れた排気行程の途中で、一対の排気弁１２の両方が再度開き始め、吸気下死点（右側のＢＤＣ）よりも遅角側で閉じられる（ＥＸ１ａ，ＥＸ２ａ）。

吸気行程中に開弁する上記一対の排気弁１２は、その開時期（開弁開始時期）が、上記一方の吸気弁１１の開時期と同時に設定されている。これら吸気行程中に開弁する吸気弁１１および排気弁１２の開時期から、その直前の排気上死点までの期間をＹとし、排気行程中に開弁する排気弁１２の閉時期から、その直後の排気上死点までの期間をＸとすると、これら期間Ｘおよび期間Ｙは略同一（図６の例ではともに約４５°ＣＡ）に設定されており、排気上死点を挟んで略左右対称のリフトカーブが形成されるようになっている。なお、このことは、後述する図７〜図９に示される開閉パターンＢ〜Ｄでも同様である。

上記排気弁１２の閉時期から排気上死点までの期間Ｘと、上記吸気弁１１および排気弁１２の開時期から排気上死点までの期間Ｙとを足した合計の期間（Ｘ＋Ｙ）は、吸気弁１１および排気弁１２の双方が閉じられる、いわゆるネガティブオーバーラップ期間となる。このようなネガティブオーバーラップ期間（Ｘ＋Ｙ）が排気上死点の前後に設けられると、ピストン５が排気上死点に達する前に筒内が密閉されることから、筒内に生成された既燃ガスの一部が筒内に残留することになる。

さらに、上記ネガティブオーバーラップ期間（Ｘ＋Ｙ）の後の吸気行程途中からは、上述したように、排気弁１２が再び開弁するため（ＥＸ１ａ，ＥＸ２ａ）、その間は、一旦排気ポート１０に排出された既燃ガスの一部が筒内に逆流するという現象が起きる。このように、開閉パターンＡでは、ネガティブオーバーラップ期間を設けて既燃ガスを筒内に残留させた上で、さらに、吸気行程中に排気弁１２を再開弁させ、筒内に既燃ガスを逆流させるようにしている。そして、これら２種類の既燃ガスの導入操作が内部ＥＧＲとして行われることで、かなり多量の既燃ガスが筒内に確保されて、筒内の温度上昇が図られるようになっている。

また、開閉パターンＡでは、上述したように、一対の吸気弁１１のうちの一方のみが吸気行程中に開弁し、他方の吸気弁１１は開弁しないため、吸気ポート９から筒内への新気の流入が制限される。そして、このことと、上記ＥＧＲガスの導入との相互作用により、新気量が大幅に減少して、ＥＧＲガスの割合が増大する結果、筒内温度がかなりの高温まで上昇するようになっている。

再び図５のフローチャートに戻って、上記ステップＳ３でＮＯと判定された場合の制御動作について説明する。この場合には、現在のエンジンの運転点が、図４の第１中負荷域Ｒ２ａにあるか否かを判定する制御が実行される（ステップＳ４）。そして、ここでの判定がＮＯであれば、次に、エンジンの運転点が第２中負荷域Ｒ２ｂにあるか否かが判定され（ステップＳ５）、さらに、ここでの判定もＮＯであった場合に、第３中負荷域Ｒ２ｃにあるか否かが判定される（ステップＳ６）。

上記ステップＳ４，Ｓ５，Ｓ６のいずれかでＹＥＳと判定されて現在のエンジンの運転点が第１〜第３中負荷域Ｒ２ａ〜Ｒ２ｃ（つまり中負荷域Ｒ２）にあることが確認された場合には、ステップＳ８，Ｓ９，Ｓ１０のいずれかに移行して、予め定められた開閉パターンＢ，Ｃ，Ｄのいずれかに沿って吸排気弁１１，１２を開閉駆動する制御が実行される。これら開閉パターンＢ，Ｃ，Ｄでは、各気筒２において吸気行程中に開弁する吸気弁１１の数が、１つから２つに増やされる一方、各気筒２において吸気行程中に開弁する排気弁１２の数が、負荷の増大に伴って２→１→０と徐々に減らされる。以下、各開閉パターンＢ，Ｃ，Ｄでの具体的な制御内容について説明する。

まず、第１中負荷域Ｒ２ａで選択される開閉パターンＢ（ステップＳ８）について図７に基づき説明する。本図に示すように、開閉パターンＢでは、上述した開閉パターンＡのときと異なり、各気筒２における一対の吸気弁１１の両方が吸気行程中に開弁する（ＩＮ１，ＩＮ２）。すなわち、低負荷域Ｒ１のときに選択される上記開閉パターンＡ（図６）では、一対の吸気弁１１の一方のみが吸気行程中に開弁し、他方の吸気弁１１は閉じたままであったが、第１中負荷域Ｒ２ａまで負荷が高まって開閉パターンＢに切り替わった場合には、上記バルブ制御手段４４によりＶＶＬ１６が駆動され、上記他方の吸気弁１１の開弁が解禁される結果、一対の吸気弁１１の両方が吸気行程中に開弁することになる。

一方、各気筒２における一対の排気弁１２については、上記開閉パターンＡのときと変わらず、吸気行程および排気行程の両方で開弁する。このため、吸気弁１１および排気弁１２が双方とも閉じるネガティブオーバーラップ期間の長さも、上記開閉パターンＡのときと同一のＸ＋Ｙとなる。

このように、開閉パターンＢでは、排気弁１２に対し開閉パターンＡのときと同様の制御を実行しながら、吸気弁１１の開弁数を１気筒あたり１つから２つに増やすようにした。これにより、吸気ポート９から筒内に流入する新気の量が増大し、その分だけ筒内に導入される既燃ガス（ＥＧＲガス）の量が減少する。

次に、第２中負荷域Ｒ２ｂで選択される開閉パターンＣ（ステップＳ９）について図８に基づき説明する。本図に示すように、開閉パターンＣでは、各気筒２における一対の排気弁１２のうちの一方のみが吸気行程中に開弁し、他方の排気弁１２は吸気行程中に開弁しなくなる。すなわち、上記バルブ制御手段４４によりＶＶＬ１８が駆動されて、吸気行程中に上記他方の排気弁１２を押し下げる機能が無効にされることで、他方の排気弁１２は、排気行程中にのみ開弁し（ＥＸ２）、吸気行程中には開弁しなくなる。

これに対し、一方の排気弁１２については、排気行程中および吸気行程中の両方で開弁する（ＥＸ１，ＥＸ１ａ）。このように、各気筒２において吸気行程中に開弁する排気弁１２の数が２つから１つに減らされることで、ＥＧＲガスの量が減少し、新気量が増大する。なお、これ以外のバルブの動作は、上記開閉パターンＢのときと同様である。また、吸排気弁１１，１２がともに閉じるネガティブオーバーラップ期間についても、同一量（Ｘ＋Ｙ）だけ確保される。

次に、第３中負荷域Ｒ２ｃで選択される開閉パターンＤ（ステップＳ１０）について図９に基づき説明する。本図に示すように、開閉パターンＤでは、各気筒２における一対の排気弁１２の両方について、吸気行程中の開弁が禁止される。すなわち、上記バルブ制御手段４４によりＶＶＬ１８が駆動されて、吸気行程中に一対の排気弁１２を押し下げる機能がともに無効にされる。これにより、一対の排気弁１２は、ともに排気行程中にのみ開弁し（ＥＸ１，ＥＸ２）、吸気行程中には開弁しなくなる。このように、吸気行程中に開弁する排気弁１２の数がゼロにされることで、ＥＧＲガスの量がさらに減少し、かつ新気量が増大する。

なお、開閉パターンＤにおいて、上記内容以外のバルブの動作は、上記開閉パターンＣのときと同様である。また、吸排気弁１１，１２がともに閉じるネガティブオーバーラップ期間についても、同一量（Ｘ＋Ｙ）だけ確保される。上記のように、開閉パターンＤでは、吸気行程中に開弁する排気弁１２の数がゼロとされるが、上記ネガティブオーバーラップ期間（Ｘ＋Ｙ）が存在することで、ＥＧＲガスの量はある程度確保される。すなわち、開閉パターンＤでは、吸気行程中に排気弁１２が一切開弁せず、排気ポート１０からの既燃ガスの逆流はほとんど起きなくなるものの、上記ネガティブオーバーラップ期間（Ｘ＋Ｙ）中の既燃ガスの残留は依然として起きるため、この残留した既燃ガスがＥＧＲガスとして確保される。

再び図５のフローチャートに戻って、上記ステップＳ６でＮＯと判定された場合の制御動作について説明する。この場合は、現在のエンジンの運転点が、図４の高負荷域Ｒ３にあることになる。すると、次のステップＳ１１に移行して、予め定められた開閉パターンＥに沿って吸排気弁１１，１２を開閉駆動する制御が実行される。

上記開閉パターンＥに基づく吸排気弁１１，１２のリフトカーブを図１０に示す。本図に示すように、高負荷域Ｒ３で選択される開閉パターンＥでは、各気筒２の一対の排気弁１２が排気行程中に開弁し、かつ一対の吸気弁１１が吸気行程中に開弁するのは上記開閉パターンＤと同じであるが、開閉パターンＤと異なる点として、図中の矢印に示すように、上記吸気弁１１および排気弁１２の各動作タイミングが、負荷の増大に応じて互いに接近方向にシフトされる。

すなわち、上記バルブ制御手段４４によりＶＶＴ１５，１７が駆動されることにより、負荷の増大に応じて、一対の排気弁１２の動作タイミングが遅角側（図中右側）にシフトされるとともに、一対の吸気弁１１の動作タイミングが進角側（図中左側）にシフトされる。これにより、排気弁１２の閉時期と、吸気弁１１の開時期（開弁開始時期）とが、ともに排気上死点（ＴＤＣ）に近づき、最終的に、高負荷域Ｒ３の上限値付近まで負荷が増大した時点で、図示のように、排気弁１２の閉時期と吸気弁１１の開時期とが排気上死点において略一致する。これにより、排気上死点の前後にわたって吸排気弁１１，１２がともに閉じるネガティブオーバーラップ期間が存在しなくなるため、筒内に導入されるＥＧＲガスがほとんどなくなり、新気量が十分に確保されるようになる。

（４）作用効果
以上説明したように、当実施形態では、気筒２ごとに一対の吸気弁１１および一対の排気弁１２が設けられ、かつ、圧縮自己着火燃焼で運転するＨＣＣＩ領域Ｒが部分負荷域に設定されたエンジンにおいて、上記ＨＣＣＩ領域Ｒを、負荷の低い順に、低負荷域Ｒ１、中負荷域Ｒ２（第１〜第３中負荷域Ｒ２ａ〜Ｒ２ｃ）、高負荷域Ｒ３に分割し、各負荷域において、吸排気弁１１，１２をそれぞれ図６〜図１０に示したような開閉パターンに沿って制御するようにした。このような構成によれば、ＥＧＲガスの量を負荷に応じて適正に制御することにより、適正な圧縮自己着火燃焼をより広い負荷域で行わせることができる。

例えば、ＨＣＣＩ領域Ｒの中で最も負荷の低い低負荷域Ｒ１では、図６の開閉パターンＡに示したように、各気筒における一対の排気弁１２を排気行程だけでなく吸気行程でも開弁させ、かつ各気筒２における一対の吸気弁１１の一方のみを吸気行程で開弁させるようにしたため、一旦排気ポート１０に排出された高温の既燃ガスを筒内に逆流させることができるとともに、筒内への新気の流入を規制して新気量を減少させることができる。また、上記吸気弁１１および排気弁１２を吸気行程中に開き始め、かつ、その開時期（開弁開始時期）と、排気行程中に開弁する排気弁１２の閉時期とを、排気上死点（ＴＤＣ）を挟んで所定期間離れた時期に設定するようにしたため、吸気弁１１および排気弁１２の双方が閉じるネガティブオーバーラップ期間（Ｘ＋Ｙ）を排気上死点の前後に設けて、その間筒内を密閉することにより、高温の既燃ガスを筒内に残留させることができる。

そして、上記のように排気上死点の前後にわたって筒内を密閉する操作と、吸気行程中に排気弁１２を再開弁させる操作とを、筒内に既燃ガスを導入するための操作（内部ＥＧＲ）としてそれぞれ行い、さらに吸気弁１１の開弁数を１つに減らすことにより、多量の既燃ガス（ＥＧＲガス）を筒内に確保できるとともに、筒内に占める新気の割合を相対的に小さくすることができる。これにより、筒内温度が大幅に上昇し、混合気が自着火し易い環境がつくり出されるため、負荷が低く燃料噴射量が少ない状況であっても、圧縮自己着火燃焼を確実に引き起こすことができる。また、多量のＥＧＲガスを導入することにより、筒内の負圧を減らし、ポンピングロスを効果的に低減できるという利点もある。

ただし、負荷がある程度高まった状況で、上記のような多量のＥＧＲガスの導入が継続して行われた場合には、新気量が不足するだけでなく、混合気の自着火が促進され過ぎて、例えば混合気が異常に早いタイミングで自着火する過早着火と呼ばれる異常燃焼が起きるおそれがある。そこで、このような事態を回避すべく、上記実施形態では、上記低負荷域Ｒ１よりも負荷の高い中負荷域Ｒ２（第１〜第３中負荷域Ｒ２ａ〜Ｒ２ｃ）および高負荷域Ｒ３で、吸気弁１１の開弁数を増やすとともに、吸気行程中に開弁する排気弁１２の数を減らし、さらにはネガティブオーバーラップ期間を短縮することで、ＥＧＲガスと新気の割合を負荷に応じて適宜調節するようにした。

具体的に、上記中負荷域Ｒ２のうち、最も負荷の低い第１中負荷域Ｒ２ａでは、吸気弁１１の開弁数を１つから２つに増やして（図７の開閉パターンＢ）、筒内への新気の流入を促進することにより、新気量を増やし、かつＥＧＲガスの量を減らすようにしたため、ポンピングロスの低減を図りながら、上記低負荷域Ｒ１のときよりも筒内温度を低下させ、適正な圧縮自己着火燃焼を継続して行わせることができる。

次に、上記中負荷域Ｒ２のうち、上記第１中負荷域Ｒ２ａよりも負荷の高い第２中負荷域Ｒ２ｂおよび高い第３中負荷域Ｒ２ｃでは、吸気行程中に開弁する排気弁１２の数を２つから１つに減らし、さらにはゼロまで減らすようにたため（図８，９の開閉パターンＣ，Ｄ）、排気ポート１０からの逆流により得られるＥＧＲガスの量を負荷に応じて徐々に減少させることにより、上記第１中負荷域Ｒ２ａのときよりもさらに筒内温度を低下させることができる。

そして、最終的に、エンジン負荷が高負荷域Ｒ３まで高まった場合には、排気行程中に開弁する排気弁１２の閉時期と、吸気行程中に開弁する吸気弁１１の開時期とを、負荷の増大に応じてともに排気上死点に近づく方向にシフトさせるようにしたため、排気上死点の前後にわたって吸気弁１１および排気弁１２の双方が閉じるネガティブオーバーラップ期間が徐々に短縮され、当該期間中の筒内の密閉により得られるＥＧＲガスの量を徐々に減少させることができる。これにより、高い負荷に応じた十分な量の新気を確保できるとともに、筒内温度をより低く抑えて、過早着火のような異常燃焼を効果的に防止できるという利点がある。

また、上記実施形態では、ＨＣＣＩ領域Ｒ内の低負荷域Ｒ１および中負荷域Ｒ２において、図６〜図９の開閉パターンＡ〜Ｄに示したように、排気行程中に開弁する排気弁１２の閉時期から排気上死点までの期間Ｘと、吸気行程中に開弁する吸気弁１１および排気弁１２（ただし開閉パターンＤでは吸気弁１１のみ）の開時期から排気上死点までの期間Ｙとが、略同一に設定されているため、筒内の密閉により残留する既燃ガスをＥＧＲガスとして確保しながら、ポンピングロスの増大を効果的に防止できるという利点がある。

例えば、筒内に既燃ガスを残留させる操作は、排気行程中に開弁する排気弁１２の閉時期を排気上死点よりもある程度前に設定して期間Ｘを確保しさえすれば可能であり、排気上死点を過ぎた後は、すぐに吸気弁１１または排気弁１２を開弁させ始めてもよい（つまり期間Ｙは必ずしも必要ない）。しかしながら、排気上死点を過ぎた後ですぐに吸気弁１１または排気弁１２を開き始めた場合には、上記期間Ｘの間のピストン５の圧縮作用により上昇した筒内の圧力が、排気上死点で一気に大気圧まで低下することになる。このため、Ｐ−Ｖ線図上において、排気行程中の圧力変化のラインと吸気行程中の圧力変化のラインとの間に所定の面積が形成され、その面積の分の仕事にエネルギーが費やされてしまう。

これに対し、上記実施形態のように、期間Ｘおよび期間Ｙを略同一に設定した場合には、Ｐ−Ｖ線図上において、排気行程中の圧力変化のラインと吸気行程中の圧力変化のラインとが略同じ経路を辿ることにより、これら両ラインの間にほとんど面積が形成されず、上記のような余計な仕事が生じることがない。このため、上記期間Ｘおよび期間Ｙを略同一に設定した上記実施形態によれば、ＥＧＲガスを確保しながら、上記期間内に生じ得るポンピングロスの増大を効果的に防止することができる。

図１１は、以上のような作用効果を確認するために本願発明者が行った実験の結果を示すグラフである。なお、この実験で使用したエンジンの幾何学的圧縮比は２０で、ボア×ストロークはφ８７．５×８３．１であった。そして、このようなエンジンを用いて、圧縮自己着火燃焼による運転を行い、そのときの新気の充填率（充填効率）ηｖを測定した。なお、測定時のエンジン回転速度Ｎｅは１０００ｒｐｍで一定とし、吸気温度は５０℃で一定とした。

グラフ中の「◆」「■」「▲」「▼」「●」マークの各プロットは、吸排気弁１１，１２を図６〜図１０に示した開閉パターンに沿ってそれぞれ制御した場合に得られる新気充填率ηｖの値を示している。すなわち、「◆」が開閉パターンＡ（図６）のときの値、「■」が開閉パターンＢ（図７）のときの値、「▲」が開閉パターンＣ（図８）のときの値、「▼」が開閉パターンＤ（図９）のときの値、「●」が開閉パターンＥ（図１０）のときの値を示している。なお、このうち、開閉パターンＥのときの「●」のプロットについては、図１０に示したように、排気弁１２の閉時期および吸気弁１１の開時期をともに排気上死点付近に設定し、ネガティブオーバーラップの期間を略ゼロにした状態での新気充填率ηｖを示している。

また、図１１のグラフにおいて、横軸のＩＭＥＰは、負荷（仕事）の大小を表す指標である図示平均有効圧力を示している。各プロット間で横軸方向の位置が異なるものは、負荷に応じた燃料噴射量の相違を表しており、右側に位置するほど燃料噴射量が多いことになる。

図１１のグラフに示すように、新気充填率ηｖは、開閉パターンＡ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｅの順に段階的に大きくなっていることが分かる。すなわち、新気充填率ηｖは、開閉パターンＡのときが２０％弱であるのに対し、開閉パターンＢでは３０％強まで、開閉パターンＣでは５０％強まで、開閉パターンＤでは６０％強まで増大し、開閉パターンＥに至っては略１００％まで増大している。なお、開閉パターンＥのときのプロット「●」は、ネガティブオーバーラップ期間が略ゼロになった状態での新気充填率ηｖを示しているので、同期間がこれよりも長くなれば、新気充填率ηｖの値は当然に「●」よりも小さくなり、パターンＤの「▼」の値に近づいていく。

一方、新気の領域を除いたグラフ中のグレーの領域は、筒内に導入されたＥＧＲガスの量を示しており、このＥＧＲガスの割合（ＥＧＲ率）は、新気とは逆に、開閉パターンＡ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｅの順に段階的に小さくなっている。なお、ＥＧＲ率を示すグレーの領域の上辺部が左下がりになっているのは、ＥＧＲガスの量が多いほど密度が低下するためである。

以上の実験結果からも明らかなように、吸排気弁１１，１２の開閉パターンをグラフ中の破線矢印のように負荷の増大に応じてパターンＡ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｅの順に切り替えるようにした場合（つまり上記実施形態と同様の制御を行った場合）には、負荷に応じて段階的に新気量を増大させ、かつＥＧＲガスの量を減少させることができる。すなわち、開閉パターンＡでは、ＥＧＲガスが最大限に導入されて筒内の高温化が図られる一方、この状態から、負荷の増大に応じて開閉パターンをＢ→Ｃ→Ｄ→Ｅへと移行させることにより、ＥＧＲガスの量を段階的に減少させて筒内温度を抑制し、かつ新気量を増大させることができる。

図１２は、上記図１１のときと同じ条件下で運転したときの燃焼状態を確認した実験の結果であり、縦軸の燃焼重心位置とは、燃料の５０％質量が燃焼した時点（５０％ＭＢ）のクランク角を示している。この図１２のグラフによれば、開閉パターンＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅのいずれの場合における燃焼重心位置も、圧縮上死点（０°ＣＡ）より遅角側の適正範囲Ｐの中に概ね含まれていることが分かる。これにより、上記のように負荷の増大に応じ開閉パターンをＡ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｅと切り替えることで、負荷にかかわらず適正な圧縮自己着火燃焼を継続して行わせ得ることが分かった。

なお、以上説明したような実験結果は、幾何学的圧縮比が２０という高圧縮比エンジンを用いて得られたものであるが、ある程度高い圧縮比であれば、上記と同様の結果を得ることが可能である。ただし、少なくとも一部のＥＧＲガスを吸気行程中の排気弁１２の再開弁によって確保する上記実施形態の特徴を十分に生かそうとすれば、幾何学的圧縮比は１５以上とするのが望ましい。

例えば、開閉パターンＡ〜Ｃでは、筒内に既燃ガスを導入するために、吸気行程中に排気弁１２を再開弁するだけでなく、排気上死点の前後にわたって吸排気弁１１，１２の双方を閉じるネガティブオーバーラップ期間（図６〜図８のＸ＋Ｙ）を排気上死点の前後に設けるようにしたが、このネガティブオーバーラップ期間（Ｘ＋Ｙ）を図６〜図８の例よりもさらに長くすれば、吸気行程中に排気弁１２を再開弁しなくても、同程度の量のＥＧＲガスを確保することが可能である。しかしながら、ネガティブオーバーラップ期間を延長し、かなりの長期間にわたって吸排気弁１１，１２の双方を閉じるようにした場合には、その間に残留した多量の既燃ガスが圧縮されて排気上死点付近でさらに高温化するため、多くの熱量が外部に放出されてしまい（つまり冷却損失が増大し）、その後の圧縮上死点付近での筒内温度の上昇効果が減殺されてしまうおそれがある。

このような懸念は、圧縮比が高いエンジンほど大きくなる。具体的に、ネガティブオーバーラップ期間を利用して既燃ガスを筒内に導入する操作をＮＶＯ方式のＥＧＲ、吸気行程中に排気弁１２を開弁させることで既燃ガスを筒内に導入する操作を排気２度開き方式のＥＧＲとすると、本願発明者の研究によれば、同量のＥＧＲガスを確保した場合でも、ＮＶＯ方式による方が、排気２度開き方式のＥＧＲによる場合よりも、筒内温度の上昇幅が小さく、しかもその低下幅は、圧縮比が高いほど大きくなることが分かっている。例えば、ある条件下で、圧縮上死点における筒内温度をＮＶＯ方式と排気２度開き方式とで比較したところ、両者の温度差は、幾何学的圧縮比が１５のエンジンでは２０℃程度になり、幾何学的圧縮比が２０のエンジンに至っては、５０℃程度まで増大した。一方、幾何学的圧縮比が１０のエンジンでは、これほど有意な温度差は見られなかった。

以上のことから、特に高圧縮比エンジンにおいては、少なくとも一部のＥＧＲガスを排気２度開き方式のＥＧＲによって確保した方が、ＮＶＯ方式のＥＧＲのみによってＥＧＲガスを確保するよりも、冷却損失を低く抑えることができ、着火性や効率面で有利であるといえる。そして、このような排気２度開き方式の利点が有意に現れるのが、幾何学的圧縮比が１５以上のエンジンといえ、１５よりも圧縮比が高くなるほど、より優位性が増すことになる。

ただし、幾何学的圧縮比を高めるといっても実用上の限度があり、圧縮比をむやみに高くしても、それによって得られる効果は徐々に薄まっていく。このような点を考慮して、エンジンの幾何学的圧縮比は２２以下にするのがよい。

すなわち、幾何学的圧縮比が１５以上２２以下のエンジンにおいて、排気２度開き方式のＥＧＲを行い、負荷に応じて吸排気弁１１，１２を上述した開閉パターンＡ〜Ｅのように制御することで、排気２度開き方式の利点を十分に生かしつつ、効率の高い圧縮自己着火燃焼を幅広い負荷域にわたって適正に実行させることができる。

（５）変形例
なお、上記実施形態では、圧縮自己着火燃焼を行うＨＣＣＩ領域Ｒのうち、最も負荷の低い低負荷域Ｒ１で、図６に示した開閉パターンＡを選択して、吸気行程中に、各気筒２に設けられた一対の吸気弁１１のうちの一方のみを開弁させ、他方の吸気弁１１は閉じたままとしたが、これに代えて、一対の吸気弁１１の両方を開弁させるようにしてもよい。このようにすれば、上記他方の吸気弁１１に適用されているＶＶＬ１６を省略することができる。ただし、一対の吸気弁１１の両方を開弁させれば、筒内に流入する新気量が増大してＥＧＲガスの割合が低下するため、必要な場合には（特に無負荷近傍の極低負荷域では）、十分なＥＧＲガスの量を確保するために、吸排気弁１１，１２の双方を閉じるネガティブオーバーラップ期間（Ｘ＋Ｙ）を延長すればよい。

また、上記実施形態では、開閉パターンＡ〜Ｃのときに、吸気行程中に開弁する排気弁１２の開時期と、吸気弁１１の開時期とを同時期に設定したが、これら両弁の開時期はずれていてもよい。ただしこの場合でも、上記両弁のうち早く開弁する方の開時期については、排気上死点から期間Ｙだけ遅れた時期に固定するのが望ましい。これにより、筒内が密閉される期間が排気上死点を挟んで略左右対称となるため、上述したように、ネガティブオーバーラップ期間中に発生するポンピングロスを最小限に抑えることができる。

また、上記実施形態では、排気行程中に開弁する排気弁１２の閉時期から排気上死点までの期間Ｘと、吸気行程中に開弁する吸気弁１１および排気弁１２の開時期から排気上死点までの期間Ｙ（吸気行程中に排気弁１２が開弁しない場合には吸気弁１１単体の開時期から排気上死点までの期間Ｙ）とを略同一に設定したが、より厳密には、期間Ｘの方が、期間Ｙよりも若干長くなるのがよい。すなわち、吸気弁１１または排気弁１２が吸気行程中に開弁し始めてから、実際に筒内に新気または既燃ガスが流入するまでには、若干のタイムラグが存在するので、仮にＸ＝Ｙであれば、上記タイムラグに起因して筒内圧が一時的に大きく低下し、ポンピングロスが発生することが想定される。そこで、Ｘ＞Ｙとし、多少早めに吸気弁１１または排気弁１２を開き始めるようにすれば、上記のようなポンピングロスの発生を回避することができる。ただし、期間Ｘに対し期間Ｙを短くし過ぎると、上述したように、圧縮によって一旦増大した筒内圧が急減することによるポンピングロスが発生するため、期間Ｘと期間Ｙとの差は、１０°ＣＡ以内に留めることが望ましい。

また、上記実施形態では、吸気弁１１および排気弁１２を各気筒２につき２つずつ設けたが、吸排気弁１１，１２の数はこれに限られず、吸排気弁１１，１２の少なくとも一方を３つに増やしてもよい。例えば、排気弁１２の数を１気筒あたり３つにした場合には、ＨＣＣＩ領域Ｒ内の中負荷域Ｒ２において、吸気行程中に開弁する排気弁１２の数を、負荷の増大に応じて３→２→１→０というように減少させればよく、このようにすることで、より細やかに新気量およびＥＧＲガスの量を調節することができる。

１１ 吸気弁
１２ 排気弁
１５，１７ ＶＶＴ（タイミング可変機構）
１６ ＶＶＬ（吸気側開閉切替機構）
１８ ＶＶＬ（排気側開閉切替機構）
４４ バルブ制御手段
Ｒ ＨＣＣＩ領域
Ｒ１ 低中負荷域
Ｒ２ａ 第１中負荷域
Ｒ２ｂ 第２中負荷域
Ｒ２ｃ 第３中負荷域
Ｒ３ 高負荷域

Claims (3)

1. １気筒あたり２つの吸気弁および２つの排気弁を備えるとともに、これら吸気弁および排気弁の動作タイミングを可変的に設定するタイミング可変機構と、上記吸気弁が吸気行程中に開弁する動作の有無を切り替え可能な吸気側開閉切替機構と、上記排気弁を排気行程だけでなく吸気行程でも開弁させるか、または排気行程のみで開弁させるかを切り替え可能な排気側開閉切替機構と、上記タイミング可変機構、吸気側開閉切替機構、および排気側開閉切替機構を駆動して吸気弁および排気弁の開閉動作を制御するバルブ制御手段とを備え、少なくともエンジンの部分負荷域を含む運転領域に設定されたＨＣＣＩ領域で圧縮自己着火燃焼を行わせるように構成されたエンジンの制御装置であって、
   上記ＨＣＣＩ領域が、相対的に負荷の低い低負荷域と、低負荷域よりも負荷の高い第１中負荷域と、第１中負荷域よりも負荷の高い第２中負荷域と、第２中負荷域よりも負荷の高い第３中負荷域と、第３中負荷域よりも負荷の高い高負荷域とを含む複数の負荷域に分割され、
   上記バルブ制御手段は、
   上記ＨＣＣＩ領域内の低負荷域で、各気筒における１つの吸気弁と２つの排気弁とを吸気行程中に開き始め、かつ、これら吸気弁および排気弁の開時期と、排気行程中に開弁する上記排気弁の閉時期とを、排気上死点を挟んで所定期間離れた時期に設定することにより、吸気弁および排気弁の双方が閉じるネガティブオーバーラップ期間を形成し、
   上記ＨＣＣＩ領域内の第１中負荷域で、吸気行程中に開弁する吸気弁および排気弁の数をともに２つにするとともに、上記ネガティブオーバーラップ期間を形成し、
   上記ＨＣＣＩ領域内の第２中負荷域で、吸気行程中に開弁する吸気弁の数を２つに、吸気行程中に開弁する排気弁の数を１つにするとともに、上記ネガティブオーバーラップ期間を形成し、
   上記ＨＣＣＩ領域内の第３中負荷域で、吸気行程中に開弁する吸気弁の数を２つに、吸気行程中に開弁する排気弁の数をゼロにするとともに、上記ネガティブオーバーラップ期間を形成し、
   上記ＨＣＣＩ領域内の高負荷域で、吸気行程中に開弁する吸気弁の数を２つに、吸気行程中に開弁する排気弁の数をゼロにするとともに、負荷の増大に応じて、排気行程中に開弁する排気弁の閉時期と、吸気行程中に開弁する吸気弁の開時期とを、ともに排気上死点に近づく方向に変化させることにより、上記ネガティブオーバーラップ期間を徐々に短縮することを特徴とするエンジンの制御装置。
2. 請求項１記載のエンジンの制御装置において、
   上記ＨＣＣＩ領域内の低負荷域および第１、第２、第３中負荷域では、排気行程中に開弁する排気弁の閉時期から排気上死点までの期間と、吸気行程中に開弁する吸気弁および排気弁のうち早い方の開時期から排気上死点までの期間とが、略同一に設定されることを特徴とするエンジンの制御装置。
3. 請求項１または２記載のエンジンの制御装置において、
   上記エンジンの幾何学的圧縮比が１５以上２２以下に設定されたことを特徴とするエンジンの制御装置。