JP5589956B2 - 圧縮着火式ガソリンエンジン - Google Patents

Description

ここに開示する技術は、圧縮着火式ガソリンエンジンに関する。

排気エミッションの向上と熱効率の向上とを両立させる技術として、リーンな混合気を圧縮着火させる圧縮着火式のガソリンエンジンが知られている。例えば特許文献１には、この圧縮着火式ガソリンエンジンにおいて、気筒内温度を高めて圧縮着火を安定化させるために、吸気行程中に排気弁を再開弁させることによって比較的高温の既燃ガスを気筒内に導入する技術が記載されている。

一方、エンジン負荷が高くなるにつれて、圧縮着火燃焼は、圧力上昇の激しい過早着火の燃焼となってしまう。そのため、燃焼騒音の増大やノッキング等の異常燃焼の発生を招くと共に、高い燃焼温度に起因するＲａｗ ＮＯｘの増大を招く。そこで、例えば特許文献２には、圧縮着火燃焼は、低負荷側の運転領域のみに限定し、高負荷側の運転領域では、点火プラグの駆動による火花点火燃焼を行うガソリンエンジンが記載されている。さらに、例えば特許文献３には、圧縮着火燃焼から火花点火燃焼への切替時には、気筒内温度が高すぎてノッキングが生じやすいことから、空燃比を一時的にリッチに設定することによってノッキングを回避する技術が記載されている。

特開２００７−１３２３１９号公報 特開２００７−１５４８５９号公報 特開２００９−９１９９４号公報

前述したように圧縮着火燃焼においては、特に低負荷域において安定燃焼が求められるため、気筒内温度を高めることが好ましい。一方で、圧縮着火燃焼と火花点火燃焼との切り替えを行う場合、火花点火燃焼時の高すぎる気筒内温度はノッキング（つまり、プリイグニッション）を招く。

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、圧縮着火燃焼を実行する圧縮着火式ガソリンエンジンにおいて、圧縮着火燃焼の安定化を図ることにある。

具体的に、ここに開示する圧縮着火式ガソリンエンジンは、少なくともガソリンを含有する燃料が気筒内に供給されるよう構成されたエンジン本体と、吸気弁及び排気弁の開弁動作を少なくとも制御するように構成された制御器と、を備え、前記制御器は、前記エンジン本体が少なくとも暖機後でかつ、その運転状態が所定の低負荷域にあるときには、吸気行程中に排気弁を開弁することによって前記気筒内に既燃ガスを導入すると共に、前記気筒内の混合気を圧縮着火させる圧縮着火モードとし、前記エンジン本体の運転状態が前記圧縮着火モードよりも負荷の高い領域にあるときには、前記気筒内への既燃ガスの導入が実質的に中止されるように、前記吸気行程中の前記排気弁の開弁動作を停止した状態で、前記エンジン本体を運転する。

そうして、前記気筒に連通する吸気ポート及び排気ポートの内、少なくとも前記圧縮着火モード時に前記吸気行程中に開弁する前記排気弁が配置されているポートには、前記気筒内に向かって当該ポートを通過するガスを加熱する加熱手段を設ける。

ここで、「圧縮着火モード時に吸気行程中に開弁する排気弁が配置されているポート」とは、１つの気筒に対し排気弁が複数、設けられているときであって、吸気行程中に開弁する排気弁が、その内のいずれかであるとき、具体例として排気弁が二弁であって、そのうちの一つの排気弁のみが吸気行程中に開弁するときには、当該一つの排気弁が配置されているポートとなる。つまり、排気ポートの全てに加熱手段が設けられるとは限らない。

また、「気筒内への既燃ガスの導入が実質的に中止されるように、吸気行程中の排気弁の開弁動作を停止」するとは、吸気行程中に排気弁が閉弁していることだけでなく、既燃ガスの気筒内への導入が実質的に中止されるのであれば、吸気行程中に排気弁が若干開弁していることも含む。

先ず、エンジン本体の運転状態が、所定の低負荷域にあるときには、圧縮着火燃焼を実行する圧縮着火モードとする。圧縮着火燃焼は、排気エミッションの向上と熱効率の向上との両立に有利である。尚、圧縮着火モードでは、理論空燃比よりもリーンで、エンジン本体を運転すればよい。圧縮着火モードでは、吸気行程中に排気弁を開弁することによって前記気筒内に、比較的高温の既燃ガスを導入する。つまり、内部ＥＧＲ制御の実行によって圧縮端温度を高めることにより、圧縮着火燃焼が安定化する。また、エンジン本体の運転領域が、圧縮着火モードよりも負荷の高い領域にあるときには、吸気行程中の排気弁の開弁動作を停止し、このことにより、既燃ガスの導入を実質的に中止する。こうすることで、相対的に負荷の高い領域において気筒内温度が高くなりすぎることが回避されて、ノッキングの回避に有利になる。

そうして、排気ポート、又は、吸気及び排気ポートには、気筒内に向かってポートを通過するガスを加熱する加熱手段が設けられている。排気ポートに設けられている加熱手段は、吸気行程時に排気弁が開弁したときに、気筒内に導入される既燃ガスを加熱して、それを昇温する。一方、加熱手段が吸気ポートに設けられているときは、吸気行程時に気筒に導入される空気が加熱されて昇温する。その結果、圧縮着火モードにおいては気筒内温度が高まり、圧縮着火燃焼が安定化する。

ここで、排気ポートに設けられている加熱手段は、前述したように、吸気行程時に排気弁が開弁したときに気筒内に導入される既燃ガスを加熱して昇温する一方、相対的に負荷の高い運転領域では、吸気行程時の排気弁の開弁動作を停止して既燃ガスの導入を実質的に中止するため、気筒内温度を上昇させない。このことは、相対的に負荷の高い運転領域において気筒内温度が高くなりすぎることを回避する上で有利である。

一方、吸気ポートに加熱手段が設けられているときには、相対的に負荷の高い運転領域では、当該加熱手段によって気筒内に導入される空気の昇温が行われないようにすることが望ましい。

そのために、前記加熱手段は、前記吸気ポート及び排気ポートの内、前記排気ポートにのみ設けられている、としてもよい。

こうすることで、吸気ポートに加熱手段が設けられないため、相対的に負荷の高い運転領域において、気筒内に導入される空気（つまり、新気）の昇温は行われない。一方、排気ポートに設けられた加熱手段は、相対的に負荷の高い運転領域では、吸気行程時の排気弁の開弁動作を停止するため、気筒内温度は上昇しない。

特に吸気ポートに加熱手段を設けた場合、圧縮着火モードでは、加熱手段によって空気を加熱する一方で、その圧縮着火モードから相対的に負荷の高い運転領域に移行した直後は、加熱手段への、例えば通電を停止して加熱を停止しても、加熱手段の余熱によって気筒内に導入する空気を昇温してしまう場合がある。これに対し、吸気ポートに加熱手段が設けない構成は、余熱による導入空気の昇温が確実に回避される。従って、排気ポートにのみ加熱手段を設ける構成は、相対的に負荷の高い運転領域におけるノッキングの回避を、より確実にする上で有利になる。

前記の構成において、前記加熱手段は、前記制御器により作動及び非作動が切り替えられる発熱体を含んでおり、前記制御器は、前記エンジン本体の運転状態が前記負荷の高い領域にあるときには、前記発熱体の作動を停止する。

加熱手段が発熱体を含むことによって、気筒内に導入されるガスを効率的に昇温することが可能になり、圧縮端温度がより確実に上昇する。このことは、圧縮着火燃焼の安定化に有利である。一方、エンジン本体の運転状態が、相対的に負荷の高い領域にあるときには、発熱体の作動を停止する。このことにより、気筒内温度が高くなりすぎることが回避される。また、排気ポートに加熱手段を設けた構成においては、前述したように吸気行程時の排気弁の開弁を停止して、既燃ガスが気筒内に導入されることを禁止するため、仮に発熱体を作動させていても気筒内の温度は上昇しないものの、発熱体の作動を停止することは、エネルギーロスの低減に有利になり、ひいては燃費の向上に有利になる。

前記制御器は、前記エンジン本体の運転状態が少なくとも全開負荷域にあるときには、点火プラグの駆動によって前記気筒内の混合気に点火する火花点火モードとすると共に、その点火時期を、膨張行程において燃焼が開始するように遅角させる、としてもよい。これにより、少なくとも全開負荷域ではノッキングを回避しながら高トルクが確保される。

前記制御器は、前記エンジン本体の運転状態が前記圧縮着火モードの負荷領域に隣接する中負荷域にあるときには、前記気筒内への既燃ガスの導入が実質的に中止されるように、前記吸気行程中の前記排気弁の開弁動作を停止した状態で、前記気筒内の混合気を圧縮着火させる、としてもよい。

このことにより、エンジン負荷が高くなるにつれて、圧縮着火燃焼は、圧力上昇の激しい過早着火の燃焼となってしまうものの、エンジンの中負荷域においては、吸気行程中の排気弁の開弁動作を停止して気筒内温度が高くなることを抑制することにより、過早着火を回避しつつ、圧縮着火燃焼が可能になる。従って、圧縮着火モードの領域が、その分、高負荷側に拡大することになり、排気エミッションの向上と熱効率の向上とに有利になる。尚、この負荷領域では、排気側と吸気側とをつなぐＥＧＲ通路を介して既燃ガスを還流させることによって、相対的に低温の既燃ガスを気筒内に導入させる外部ＥＧＲ制御を実行してもよい。

前記加熱手段は、蓄熱材を含む、としてもよい。こうすることで、特に排気ポートに設けた加熱手段は、既燃ガスが気筒内から排出されるときに、蓄熱材が吸熱を行う一方、既燃ガスが気筒内に導入されるときに、蓄熱材が放熱を行って、既燃ガスを昇温する。つまり、気筒内から吸気ポートに一旦排出された既燃ガスが、気筒内に再導入されるまでの間に既燃ガスの温度が若干低下するものの、蓄熱材によって、排出直後の既燃ガスの熱を有効に利用することが可能になる。このことは、気筒内温度を高めるために必要な追加のエネルギを可及的に少なく、又は、追加のエネルギを不要にする。

前記加熱手段は、前記ポートのスロートに設けられている、としてもよい。スロートは、ガス流速が最も高い箇所であるため、ここに加熱手段を配置することは、高い熱伝達率が得られ、ガスを効率的に昇温することを可能にする。また、前述した蓄熱材を含む加熱手段を排気ポートのスロートに設けることは、ここを通過する既燃ガスに対する吸熱効率及び放熱効率をそれぞれ高めるから、気筒内の温度上昇に必要なエネルギを、より一層、少なくする。また、熱源が燃焼室内に露出しないため、ノッキングの回避にも有利になる。

以上説明したように、この圧縮着火式ガソリンエンジンは、少なくとも圧縮着火モード時に吸気行程中に開弁する排気弁が配置されているポートに加熱手段を設けることによって、圧縮着火モード時には、気筒内に導入されるガスを加熱して昇温することになり、気筒内温度をより高めることが可能になるから、圧縮着火燃焼を安定化させる一方、圧縮着火モードよりも負荷の高い領域では、吸気行程中の排気弁の開弁動作を停止して気筒内への既燃ガスの導入を実質的に中止することで、気筒内温度が高くなりすぎることを回避して、ノッキングの回避に有利になる。

火花点火式ガソリンエンジンの構成を示す概略図である。 火花点火式ガソリンエンジンの制御に係るブロック図である。 エンジンの運転領域を例示する図である。 高圧リタード噴射によるＳＩ燃焼の状態と、従来のＳＩ燃焼の状態とを比較する図である。 エンジンの負荷の相違に対する、吸気弁及び排気弁の動作の相違と、点火タイミング及び噴射タイミングの相違とを示すタイミングチャートである。 低負荷域において吸気弁の制御により内部ＥＧＲ量の制御を行いかつ、高負荷域において外部ＥＧＲを利用する場合の、（ａ）混合気充填量、（ｂ）スロットル弁開度、（ｃ）ＥＧＲ弁開度、（ｄ）排気弁の二度開きの閉弁タイミング、（ｅ）吸気弁の開弁タイミング、（ｆ）吸気弁の閉弁タイミング、（ｇ）吸気弁のリフト量、の変化の一例をそれぞれ示す図である。 低負荷域において内部ＥＧＲ量の制御を行いかつ、高負荷域において外部ＥＧＲを利用する場合の、（ａ）混合気充填量、（ｂ）Ｇ／Ｆ、（ｃ）外部ＥＧＲ率、（ｄ）噴射タイミング、（ｅ）燃料圧力、（ｆ）噴射パルス幅、（ｇ）点火タイミングの変化の一例をそれぞれ示す図である。 エンジンの吸気ポート及び排気ポート付近を拡大して示す断面図（図９のVIII−VIII断面図）である。 排気ポートに設けられたヒータの構成を示す平面説明図である。 吸気弁及び排気弁のリフトカーブの一例と、そのときの既燃ガスの流動を説明する図である。 図９とは異なる構成のヒータを示す図９対応図である。

以下、火花点火式ガソリンエンジンの制御装置の実施形態を図面に基づいて説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、例示である。図１，２は、エンジン（エンジン本体）１の概略構成を示す。このエンジン１は、車両に搭載されると共に、少なくともガソリンを含有する燃料が供給される火花点火式ガソリンエンジンである。エンジン１は、複数の気筒１８（一つのみ図示）が設けられたシリンダブロック１１と、このシリンダブロック１１上に配設されたシリンダヘッド１２と、シリンダブロック１１の下側に配設され、潤滑油が貯溜されたオイルパン１３とを有している。各気筒１８内には、コンロッド１４２を介してクランクシャフト１５と連結されているピストン１４が往復動可能に嵌挿されている。ピストン１４の頂面には、リエントラント形のようなキャビティ１４１が形成されている。キャビティ１４１は、ピストン１４が圧縮上死点付近に位置するときには、後述する直噴インジェクタ６７に相対する。シリンダヘッド１２と、気筒１８と、キャビティ１４１を有するピストン１４とは、燃焼室１９を区画する。尚、燃焼室１９の形状は、図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１４１の形状、ピストン１４の頂面形状、及び、燃焼室１９の天井部の形状等は、適宜変更することが可能である。

このエンジン１は、理論熱効率の向上や、後述する圧縮着火燃焼の安定化等を目的として、１４以上の比較的高い幾何学的圧縮比に設定されている。尚、幾何学的圧縮比は１４以上２０以下程度の範囲で、適宜設定すればよい。

シリンダヘッド１２には、気筒１８毎に、吸気ポート１６及び排気ポート１７が形成されていると共に、これら吸気ポート１６及び排気ポート１７には、燃焼室１９側の開口を開閉する吸気弁２１及び排気弁２２がそれぞれ配設されている。

吸気弁２１及び排気弁２２をそれぞれ駆動する動弁系の内、排気側には、排気弁２２の作動モードを通常モードと特殊モードとに切り替える、例えば油圧作動式の可変機構（図２参照。以下、ＶＶＬ（Variable Valve Lift）と称する）７１が設けられている。ＶＶＬ７１は、その構成の詳細な図示は省略するが、カム山を一つ有する第１カムとカム山を二つ有する第２カムとの、カムプロファイルの異なる２種類のカム、及び、その第１及び第２カムのいずれか一方のカムの作動状態を選択的に排気弁に伝達するロストモーション機構を含んで構成されている。第１カムの作動状態を排気弁２２に伝達しているときには、排気弁２２は、排気行程中において一度だけ開弁される通常モードで作動する（図５（ｂ）（ｃ）（ｄ）参照）のに対し、第２カムの作動状態を排気弁２２に伝達しているときには、排気弁２２が、排気行程中において開弁すると共に、吸気行程中においても開弁するような、いわゆる排気の二度開きを行う特殊モードで作動する（図５（ａ）参照）。ＶＶＬ７１の通常モードと特殊モードとは、エンジンの運転状態に応じて切り替えられる。具体的に、特殊モードは、内部ＥＧＲに係る制御の際に利用される。尚、こうした通常モードと特殊モードとの切り替えを可能にする上で、排気弁２２を電磁アクチュエータによって駆動する電磁駆動式の動弁系を採用してもよい。また、内部ＥＧＲの実行は、排気の二度開きのみによって実現されるのではない。例えば吸気弁２１を二回開く、吸気の二度開きによって内部ＥＧＲ制御を行ってもよいし、排気行程乃至吸気行程において吸気弁２１及び排気弁２２の双方を閉じるネガティブオーバーラップ期間を設けて既燃ガスを気筒１８内に残留させる内部ＥＧＲ制御を行ってもよい。

ＶＶＬ７１を備えた排気側の動弁系に対し、吸気側には、図２に示すように、クランクシャフト１５に対する吸気カムシャフトの回転位相を変更することが可能な位相可変機構（以下、ＶＶＴ（Variable Valve Timing）と称する）７２と、吸気弁２１のリフト量を連続的に変更することが可能なリフト量可変機構（以下、ＣＶＶＬ（Continuously Variable Valve Lift）と称する）７３とが設けられている。ＶＶＴ７２は、液圧式、電磁式又は機械式の公知の構造を適宜採用すればよく、その詳細な構造についての図示は省略する。また、ＣＶＶＬ７３も、公知の種々の構造を適宜採用することが可能であり、その詳細な構造についての図示は省略する。ＶＶＴ７２及びＣＶＶＬ７３によって、吸気弁２１は、図５（ａ）〜（ｄ）に示すように、その開弁タイミング及び閉弁タイミング、並びに、リフト量をそれぞれ変更することが可能である。

シリンダヘッド１２にはまた、気筒１８毎に、気筒１８内に燃料を直接噴射する直噴インジェクタ６７と、吸気ポート１６内に燃料を噴射するポートインジェクタ６８とがそれぞれ取り付けられている。

直噴インジェクタ６７は、図８に拡大して示すように、その噴口が燃焼室１９の天井面の中央部分から、その燃焼室１９内に臨むように配設されている。直噴インジェクタ６７は、エンジン１の運転状態に応じた噴射タイミングでかつ、エンジン１の運転状態に応じた量の燃料を、燃焼室１９内に直接噴射する。この例において、直噴インジェクタ６７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インジェクタである。これによって、直噴インジェクタ６７は、燃料噴霧が放射状に広がるように、燃料を噴射する。ピストン１４が圧縮上死点付近に位置するタイミングで、燃焼室１９の中央部分から放射状に広がるように噴射された燃料噴霧は、ピストン頂面に形成されたキャビティ１４１の壁面に沿って流動することにより、後述する点火プラグ２５の周囲に到達するようになる。キャビティ１４１は、ピストン１４が圧縮上死点付近に位置するタイミングで噴射された燃料噴霧を、その内部に収めるように形成されている、と言い換えることが可能である。この多噴口型のインジェクタ６７とキャビティ１４１との組み合わせは、燃料の噴射後、点火プラグ２５の周りに燃料噴霧が到達するまでの時間を短くすると共に、燃焼期間を短くする上で有利な構成である。尚、直噴インジェクタ６７は、多噴口型のインジェクタに限定されず、外開弁タイプのインジェクタを、直噴インジェクタに採用してもよい。

ポートインジェクタ６８は、図１に示すように、吸気ポート１６乃至吸気ポート１６に連通する独立通路に臨んで配置されかつ、吸気ポート１６内に燃料を噴射する。ポートインジェクタ６８は、一つの気筒１８に対して一つ設けてもよいし、一つの気筒１８に対し二つの吸気ポート１６が設けられているのであれば、二つの吸気ポート１６のそれぞれに設けてもよい。ポートインジェクタ６８の形式は特定の形式に限定されるものではなく、種々の形式のインジェクタを、適宜採用することが可能である。

図外の燃料タンクと直噴インジェクタ６７との間は、高圧燃料供給経路によって互いに連結されている。この高圧燃料供給経路上には、高圧燃料ポンプ６３とコモンレール６４とを含みかつ、直噴インジェクタ６７に、相対的に高い燃料圧力で燃料を供給する高圧燃料供給システム６２が介設されている。高圧燃料ポンプ６３は、燃料タンクからコモンレール６４に燃料を圧送し、コモンレール６４は圧送された燃料を、高い燃料圧力で蓄える。直噴インジェクタ６７が開弁することによって、コモンレール６４に蓄えられている燃料が直噴インジェクタ６７の噴口から噴射される。ここで、高圧燃料ポンプ６３は、図示は省略するが、プランジャー式のポンプであり、例えばクランク軸とカム軸との間のタイミングベルトに連結されることにより、エンジン１によって駆動される。このエンジン駆動のポンプを含む構成の高圧燃料供給システム６２は、４０ＭＰａ以上の高い燃料圧力の燃料を、直噴インジェクタ６７に供給することを可能にする。直噴インジェクタ６７に供給される燃料の圧力は、後述するように、エンジン１の運転状態に応じて変更される。尚、高圧燃料供給システム６２は、これに限定されるものではない。

同様に、図外の燃料タンクとポートインジェクタ６８との間は、低圧燃料供給経路によって互いに連結されている。この低圧燃料供給経路上には、ポートインジェクタ６８に対し、相対的に低い燃料圧力の燃料を供給する低圧燃料供給システム６６が介設されている。低圧燃料供給システム６６は、詳細な図示は省略するが、電動又はエンジン駆動の低圧燃料ポンプとレギュレータとを備えており、所定圧力の燃料を、各ポートインジェクタ６８に供給するように構成されている。ポートインジェクタ６８は、吸気ポートに燃料を噴射するため、低圧燃料供給システム６６が供給する燃料の圧力は、高圧燃料供給システム６２が供給する燃料の圧力に比べて、低い圧力に設定されている。

シリンダヘッド１２にはまた、燃焼室１９内の混合気に点火する点火プラグ２５が取り付けられている。点火プラグ２５は、エンジン１の排気側から斜め下向きに延びるように、シリンダヘッド１２内を貫通して配置されている。図８に示すように、点火プラグ２５の先端は、燃焼室１９の中央部分に配置された直噴インジェクタ６７の先端近傍で、燃焼室１９内に臨んで配置されている。

エンジン１の一側面には、各気筒１８の吸気ポート１６に連通するように吸気通路３０が接続されている。一方、エンジン１の他側面には、各気筒１８の燃焼室１９からの既燃ガス（排気ガス）を排出する排気通路４０が接続されている。

吸気通路３０の上流端部には、吸入空気を濾過するエアクリーナ３１が配設されている。また、吸気通路３０における下流端近傍には、サージタンク３３が配設されている。このサージタンク３３よりも下流側の吸気通路３０は、各気筒１８毎に分岐する独立通路とされ、これら各独立通路の下流端が各気筒１８の吸気ポート１６にそれぞれ接続されている。

吸気通路３０におけるエアクリーナ３１とサージタンク３３との間には、空気を冷却又は加熱する、水冷式のインタークーラ／ウォーマ３４と、各気筒１８への吸入空気量を調節するスロットル弁３６とが配設されている。吸気通路３０にはまた、インタークーラ／ウォーマ３４をバイパスするインタークーラバイパス通路３５が接続されており、このインタークーラバイパス通路３５には、当該通路３５を通過する空気流量を調整するためのインタークーラバイパス弁３５１が配設されている。インタークーラバイパス弁３５１の開度調整を通じて、インタークーラバイパス通路３５の通過流量とインタークーラ／ウォーマ３４の通過流量との割合を調整することにより、気筒１８に導入する新気の温度を調整する。

排気通路４０の上流側の部分は、各気筒１８毎に分岐して排気ポート１７の外側端に接続された独立通路と該各独立通路が集合する集合部とを有する排気マニホールドによって構成されている。この排気通路４０における排気マニホールドよりも下流側には、排気ガス中の有害成分を浄化する排気浄化装置として、直キャタリスト４１とアンダーフットキャタリスト４２とがそれぞれ接続されている。直キャタリスト４１及びアンダーフットキャタリスト４２はそれぞれ、筒状ケースと、そのケース内の流路に配置した、例えば三元触媒とを備えて構成されている。

吸気通路３０におけるサージタンク３３とスロットル弁３６との間の部分と、排気通路４０における直キャタリスト４１よりも上流側の部分とは、排気ガスの一部を吸気通路３０に還流するためのＥＧＲ通路５０を介して接続されている。このＥＧＲ通路５０は、排気ガスをエンジン冷却水によって冷却するためのＥＧＲクーラ５２が配設された主通路５１と、ＥＧＲクーラ５２をバイパスするためのＥＧＲクーラバイパス通路５３と、を含んで構成されている。主通路５１には、排気ガスの吸気通路３０への還流量を調整するためのＥＧＲ弁５１１が配設され、ＥＧＲクーラバイパス通路５３には、ＥＧＲクーラバイパス通路５３を流通する排気ガスの流量を調整するためのＥＧＲクーラバイパス弁５３１が配設されている。

このように構成されたエンジン１は、パワートレイン・コントロール・モジュール（以下、ＰＣＭという）１０によって制御される。ＰＣＭ１０は、ＣＰＵ、メモリ、カウンタタイマ群、インターフェース及びこれらのユニットを接続するパスを有するマイクロプロセッサで構成されている。このＰＣＭ１０が制御器を構成する。

ＰＣＭ１０には、図１，２に示すように、各種のセンサＳＷ１〜ＳＷ１６の検出信号が入力される。この各種のセンサには、次のセンサが含まれる。すなわち、エアクリーナ３１の下流側で、新気の流量を検出するエアフローセンサＳＷ１及び新気の温度を検出する吸気温度センサＳＷ２、インタークーラ／ウォーマ３４の下流側に配置されかつ、インタークーラ／ウォーマ３４を通過した後の新気の温度を検出する、第２吸気温度センサＳＷ３、ＥＧＲ通路５０における吸気通路３０との接続部近傍に配置されかつ、外部ＥＧＲガスの温度を検出するＥＧＲガス温センサＳＷ４、吸気ポート１６に取り付けられかつ、気筒１８内に流入する直前の吸気の温度を検出する吸気ポート温度センサＳＷ５、シリンダヘッド１２に取り付けられかつ、気筒１８内の圧力を検出する筒内圧センサＳＷ６、排気通路４０におけるＥＧＲ通路５０の接続部近傍に配置されかつ、それぞれ排気温度及び排気圧力を検出する排気温センサＳＷ７及び排気圧センサＳＷ８、直キャタリスト４１の上流側に配置されかつ、排気中の酸素濃度を検出するリニアＯ_２センサＳＷ９、直キャタリスト４１とアンダーフットキャタリスト４２との間に配置されかつ、排気中の酸素濃度を検出するラムダＯ_２センサＳＷ１０、エンジン冷却水の温度を検出する水温センサＳＷ１１、クランクシャフト１５の回転角を検出するクランク角センサＳＷ１２、車両のアクセルペダル（図示省略）の操作量に対応したアクセル開度を検出するアクセル開度センサＳＷ１３、吸気側及び排気側のカム角センサＳＷ１４，ＳＷ１５、及び、高圧燃料供給システム６２のコモンレール６４に取り付けられかつ、直噴インジェクタ６７に供給する燃料圧力を検出する燃圧センサＳＷ１６である。

ＰＣＭ１０は、これらの検出信号に基づいて種々の演算を行うことによってエンジン１や車両の状態を判定し、これに応じて直噴インジェクタ６７、ポートインジェクタ６８、点火プラグ２５、吸気弁側のＶＶＴ７２及びＣＶＶＬ７３、排気弁側のＶＶＬ７１、高圧燃料供給システム６２、並びに、各種の弁（スロットル弁３６、インタークーラバイパス弁３５１、ＥＧＲ弁５１１、及びＥＧＲクーラバイパス弁５３１）のアクチュエータへ制御信号を出力する。こうしてＰＣＭ１０は、エンジン１を運転する。

図３は、エンジン１の運転領域の一例を示している。このエンジン１は、燃費の向上や排気エミッションの向上を目的として、エンジン１の暖機後は、エンジン負荷が相対的に低い低負荷域では、点火プラグ２５による点火を行わずに、圧縮自己着火によって燃焼を行う圧縮着火燃焼を行う。しかしながら、エンジン１の負荷が高くなるに従って、圧縮着火燃焼では、燃焼が急峻になりすぎてしまい、例えば燃焼騒音等の問題を引き起こすことになる。そのため、このエンジン１では、エンジン負荷が相対的に高い高負荷域では、圧縮着火燃焼を止めて、点火プラグ２５を利用した火花点火燃焼に切り替える。従って、このエンジン１は、エンジン１の運転状態に応じて、圧縮着火燃焼を行うＣＩ（Compression Ignition）モードと、火花点火燃焼を行うＳＩ（Spark Ignition）モードとを切り替えるように構成されている。

詳しくは後述するが、ＣＩモードでは基本的に、例えば吸気行程乃至圧縮行程中の、比較的早いタイミングで、直噴インジェクタ６７が気筒１８内に燃料を噴射することにより、比較的均質なリーン混合気を形成すると共に、その混合気を圧縮上死点付近において圧縮自己着火させる。このＣＩモードにおける相対的に負荷の低い領域では、気筒内温度を高めて圧縮着火燃焼を安定化させる観点から、内部ＥＧＲ制御が併用される。一方、ＣＩモードにおける相対的に負荷の高い領域では、エンジン負荷の増大に伴い、気筒内温度が高まり、圧縮着火燃焼が急峻になることから、内部ＥＧＲ制御を止めて、外部ＥＧＲ制御に切り替える。尚、この中負荷の領域では、その一部において、内部ＥＧＲ制御と外部ＥＧＲ制御とを併用してもよい。

これに対し、ＳＩモードでは基本的に、例えば吸気行程乃至圧縮行程中に、直噴インジェクタ６７が気筒１８内に燃料を噴射することにより、均質乃至成層化した混合気を形成すると共に、圧縮上死点付近において点火を実行することによってその混合気に着火する。ＳＩモードではまた、理論空燃比（λ＝１）でエンジン１を運転する。これは、三元触媒の利用を可能にするから、エミッション性能の向上に有利になる。

このエンジン１の幾何学的圧縮比は、前述の通り、１４以上（例えば１８）に設定されている。高い圧縮比は、圧縮端温度及び圧縮端圧力を高くするため、ＣＩモードでは、圧縮着火燃焼の安定化に有利になる。一方で、この高圧縮比エンジン１は、高負荷域においてはＳＩモードに切り替えるため、エンジン負荷が高くなればなるほど、過早着火やノッキング（以下、これらを総称してノッキングという場合がある）といった異常燃焼が生じやすくなってしまうという不都合がある。

そこでこのエンジン１では、エンジンの運転状態が高負荷域にあるときには、燃料の噴射形態を従来とは大きく異ならせたＳＩ燃焼を実行することによって、異常燃焼を回避するようにしている。具体的に、この燃料の噴射形態は、従来と比較して大幅に高圧化した燃料圧力でもって、圧縮行程後期から膨張行程初期にかけての大幅に遅角した期間（以下、この期間をリタード期間と呼ぶ）内で、直噴インジェクタ６７によって、気筒１８内に燃料噴射を実行するものである。この特徴的な燃料噴射形態を、以下においては「高圧リタード噴射」と呼ぶ。

図４は、前述した高圧リタード噴射によるＳＩ燃焼（実線）と、吸気行程中に燃料噴射を実行する従来のＳＩ燃焼（破線）とにおける、熱発生率（上図）及び未燃混合気反応進行度（下図）の違いを比較する図である。図４の横軸は、クランク角である。この比較の前提として、エンジン１の運転状態は共に低速域内の高負荷域であり、噴射する燃料量は、高圧リタード噴射によるＳＩ燃焼と従来のＳＩ燃焼との場合で互いに同じである。

先ず、従来のＳＩ燃焼では、吸気行程中に気筒１８内に所定量の燃料噴射を実行する（上図の破線）。気筒１８内では、その燃料の噴射後、ピストン１４が圧縮上死点に至るまでの間に、比較的均質な混合気が形成される。そして、この例では、圧縮上死点以降の、白丸で示す所定タイミングで点火が実行され、それによって燃焼が開始する。燃焼の開始後は、図４の上図に破線で示すように、熱発生率のピークを経て燃焼が終了する。ここで、燃料噴射の開始から燃焼の終了までの間が未燃混合気の反応可能時間（以下、単に反応可能時間という場合がある）に相当し、図４の下図に破線で示すように、この間に未燃混合気の反応は次第に進行する。同図における点線は、未燃混合気が着火に至る反応度である、着火しきい値を示しており、従来のＳＩ燃焼は反応可能時間が非常に長く、その間、未燃混合気の反応が進行し続けてしまうことから、点火の前後に未燃混合気の反応度が着火しきい値を超えてしまい、過早着火又はノッキングといった異常燃焼を引き起こす。

これに対し、高圧リタード噴射は反応可能時間の短縮を図り、そのことによって異常燃焼を回避することを目的とする。すなわち、反応可能時間は、図４にも示しているように、直噴インジェクタ６７が燃料を噴射する期間（（１）噴射期間）と、噴射終了後、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（（２）混合気形成期間）と、点火によって開始された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、つまり、（１）＋（２）＋（３）である。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縮し、それによって、反応可能時間を短くする。

つまり、気筒１８内の乱れエネルギは、高い方が燃焼期間の短縮に有利である。前述の通り高い燃料圧力での燃料噴射は、気筒１８内の乱れエネルギを高めるとしても、仮にその噴射タイミングが吸気行程中であれば、点火タイミングまでの時間が長いことや、吸気行程後の圧縮行程において気筒１８内が圧縮されることに起因して乱れが減衰し、燃焼期間内における気筒内の乱れエネルギは、比較的低くなってしまう。すなわち、高い燃料圧力で気筒１８内に燃料を噴射するとしても、噴射タイミングが吸気行程中である以上は、燃焼期間を、ほとんど短縮しない。

これに対し、リタード期間内のタイミング、つまり、比較的遅いタイミングでかつ、高い燃料圧力で気筒内に燃料を噴射することは、気筒内の乱れの減衰を抑制しつつ、燃焼を開始することを可能にする。このことから、燃焼期間内における気筒内の乱れエネルギが高くなる。これによって、燃焼期間は短くなり、燃焼の安定化が図られる。

また、高い燃料圧力は、単位時間当たりに噴射される燃料量を相対的に多くする。このため、同一の燃料噴射量で比較した場合に、高い燃料圧力は、噴射期間を、低い燃料圧力のときよりも短縮する。

さらに、高い燃料圧力は、気筒内に噴射する燃料噴霧の微粒化に有利になると共に、燃料噴霧の飛翔距離を、より長くする。このことから、高い燃料圧力は、混合気形成期間を短縮する。

従って、前述した噴射期間の短縮及び混合気形成期間の短縮は、燃料の噴射タイミング（より正確には、噴射開始タイミング）を、比較的遅いタイミングにすることを可能にする。つまり、高い燃料圧力は、リタード期間内における燃料噴射を可能にする。

こうして火花点火モードにおいては、高い燃料圧力でかつ、リタード期間内に気筒内に燃料噴射を実行することによって、燃焼期間の短い急速燃焼が実現し、それによって燃焼が安定化する。

このように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縮し、その結果、図４に示すように、燃料の噴射開始タイミングＳＯＩから燃焼終了時期θｅｎｄまでの、未燃混合気の反応可能時間を、従来の吸気行程中での燃料噴射の場合と比較して大幅に短くすることを可能にする。この反応可能時間を短縮する結果、従来の低い燃料圧力での吸気行程噴射では、燃焼終了時における未燃混合気の反応進行度が、着火しきい値を超えてしまい、異常燃焼が発生してしまうところ、高圧リタード噴射は、燃焼終了時における未燃混合気の反応の進行を抑制し、異常燃焼を回避することが可能になる。

次に、図５を参照しながら、エンジン１の運転状態に対応した、吸気弁２１及び排気弁２２の作動状態、並びに、燃料噴射タイミング及び点火タイミングの制御例について説明する。ここで、図５の（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）はそれぞれ、（ａ）＜（ｂ）＜（ｃ）＜（ｄ）の順にエンジン負荷が高くなる。（ａ）（ｂ）は、ＣＩモードに対応する低、中負荷域であり、（ｃ）は、ＳＩモードに対応する高負荷域である。（ｄ）は、ＳＩモードに対応する全開負荷域である。

先ず、図５（ａ）は、エンジン１の運転状態が低負荷域にあるときを示す。この運転領域はＣＩモードであるため、ＶＶＬ７１の制御によって、排気弁２２を吸気行程中に開弁する排気の二度開きを行い（同図のＥｘ２の実線を参照。尚、実線は排気弁２２のリフトカーブを、破線は吸気弁２１のリフトカーブをそれぞれ示す）、そのことによって内部ＥＧＲガスを気筒１８内に導入する。内部ＥＧＲガスの導入は圧縮端温度を高め、圧縮着火燃焼を安定化させる。但し、エンジン負荷の上昇に伴い気筒１８内の温度が自然と高まることから、過早着火（つまり、ノッキング）を回避する観点から、内部ＥＧＲ量は低下させる。図５に例示するように、ＣＶＶＬ７３の制御によって、吸気弁２１のリフト量を調整することにより、内部ＥＧＲ量を調整してもよい。尚、図５には図示しないが、スロットル弁３６の開度調整によって、内部ＥＧＲ量を調整してもよい。燃料噴射のタイミングは吸気行程中に設定され、直噴インジェクタ６７が気筒１８内に燃料を噴射することによって気筒１８内に均質なリーン混合気を形成する。尚、燃料噴射量は、エンジン１の負荷に応じて設定される。

尚、図５（ａ）においては、吸気行程中における排気弁２２の開弁期間を、その吸気行程の前半に設定している例を示している。排気弁２２の開弁期間は、吸気行程の後半に設定してもよい。また、開弁期間を吸気行程の前半に設定する場合は、排気上死点を挟んだ排気行程から吸気行程の前半にかけて、排気弁２２を開弁したままに構成してもよい。

図５（ｂ）は、エンジン１の運転状態が、同図（ａ）よりもエンジン負荷が高い、中負荷域にあるときを示す。この運転領域もまた、ＣＩモードであるが、エンジン負荷が高く、気筒内温度が比較的高いことから、内部ＥＧＲガスを気筒１８内に導入したのでは、気筒内温度が高くなりすぎてしまう。そこで、エンジン負荷が中負荷域にあるときには、排気弁２２の二度開きを中止して内部ＥＧＲガスの導入を止め、代わりに外部ＥＧＲガスを気筒１８内に導入する。燃料噴射のタイミングは、吸気行程乃至圧縮行程中の適宜のタイミングに設定される。このタイミングで、直噴インジェクタ６７が気筒１８内に燃料を噴射することにより、気筒１８内に均質乃至成層化したリーン混合気を形成する。燃料噴射量がエンジン１の負荷に応じて設定される点は、図５（ａ）と同様である。

図５（ｃ）は、エンジン１の運転状態が高負荷域にあるときを示す。この運転領域はＳＩモードであり、この運転領域においては、排気弁２２の二度開きを中止する。また、ＳＩモードでは、空燃比λ＝１となるように充填量が調整される。充填量の調整は、スロットル弁３６を全開にする一方で、ＶＶＴ７２及びＣＶＶＬ７３の制御によって、吸気弁２１の閉弁タイミングを吸気下死点以降に設定する、吸気弁２１の遅閉じによって行ってもよい。これは、ポンプ損失の低減に有利である。充填量の調整はまた、スロットル弁３６を全開にする一方で、ＥＧＲ弁５１１の開度調整により、気筒１８内に導入する新気量と外部ＥＧＲガス量とを調整することによって行ってもよい。これは、ポンプ損失の低減と共に、冷却損失の低減にも有効である。また、外部ＥＧＲガスの導入は、異常燃焼の回避に寄与すると共に、Ｒａｗ ＮＯｘの生成を抑制するという利点もある。さらに、充填量の調整として、吸気弁２１の遅閉じ制御と、外部ＥＧＲの制御とを組み合わせてもよい。特に、高負荷域内における低負荷側においては、ＥＧＲ率が高すぎてしまうことを抑制すべく、外部ＥＧＲを気筒１８内に導入しつつ、吸気弁２１の遅閉じ制御によって充填量を調整してもよい。

また、燃料噴射の形態は、前述した高圧リタード噴射である。従って、圧縮行程後期から膨張行程初期にかけてのリタード期間内に、高い燃料圧力でもって、直噴インジェクタ６７が燃料を気筒１８内に直接、噴射する。高圧リタード噴射は、一回の噴射によって構成してもよい（つまり、一括噴射）が、図５（ｃ）に示すように、第１噴射と、その後の第２噴射との二回の噴射を、リタード期間内において行うように構成してもよい（つまり、分割噴射）。第１噴射は、相対的に長い混合気形成期間を確保することができるため、燃料の気化霧化に有利である。第１噴射によって十分な混合気形成期間が確保される分、第２噴射の噴射タイミングは、より一層遅角したタイミングに設定することが可能になる。このことは、気筒内の乱れエネルギの向上に有利になり、燃焼期間の短縮に有利になる。分割噴射を行う場合は、第２噴射の燃料噴射量を、第１噴射の燃料噴射量よりも大に設定することが好ましい。こうすることで、気筒１８内の乱れエネルギが十分に高まり、燃焼期間の短縮、ひいては異常燃焼の回避に有利になる。尚、こうした分割噴射は、高負荷域内において、燃料噴射量が多くなる相対的に高負荷側でのみ行い、燃料噴射量が比較的少ない、高負荷域内の低負荷側では、一括噴射を行うようにしてもよい。また、分割回数は２回に限定されず、３回以上に設定してもよい。

そうして、ＳＩモードでは、燃料噴射終了後の、圧縮上死点付近において、点火プラグ２５による点火が実行される。

図５（ｄ）は、エンジン１の運転状態が全開負荷域にあるときを示す。この運転領域は、図５（ｃ）と同様に、ＳＩモードであり、排気弁２２の二度開きを中止する。また、全開負荷域であるため、ＥＧＲ弁５１１を閉弁することにより、外部ＥＧＲも中止する。

燃料噴射の形態は、基本的には高圧リタード噴射であり、図に示すように、第１噴射と第２噴射との、リタード期間内における、気筒１８内への二回の噴射によって構成される。尚、高圧リタード噴射は、一括噴射であってもよい。また、この全開負荷域においては、吸気充填効率の向上を目的として、吸気行程中の噴射が追加される場合がある。この吸気行程噴射は、燃料噴射に伴う吸気の冷却効果によって吸気充填効率が向上し、トルクの向上に有利になる。従って、エンジン１の運転状態が全開負荷域にあるときは、吸気行程噴射と、第１及び第２噴射との三回の燃料噴射が実行される、又は、吸気行程噴射と、一括噴射との二回の燃料噴射が実行される。

ここで、前述の通り、直噴インジェクタ６７によって気筒１８内に燃料を直接噴射する高圧リタード噴射は、燃料圧力が極めて高い。そのため、そうした高い燃料圧力でもって、吸気行程中に、気筒１８内に直接燃料を噴射してしまうと、気筒１８内の壁面に燃料が大量に付着して、オイル希釈等の問題を引き起こす可能性がある。そこで、この吸気行程噴射は、直噴インジェクタ６７ではなく、相対的に低い燃料圧力でもって燃料を噴射するポートインジェクタ６８を通じて、吸気ポート１６内に燃料を噴射する。こうすることで、前述したオイル希釈等の問題が回避される。

図６は、負荷の変動に対するエンジン１の各パラメータ、つまり、（ｂ）スロットル弁３６の開度、（ｃ）ＥＧＲ弁５１１の開度、（ｄ）排気弁２２の二度開きの閉弁タイミング、（ｅ）吸気弁２１の開弁タイミング、（ｆ）吸気弁２１の閉弁タイミング、及び、（ｇ）吸気弁のリフト量それぞれの制御例を示している。

図６（ａ）は、気筒１８内の状態を示している。同図は、横軸をトルク（言い換えるとエンジン負荷）、縦軸を気筒内の混合気充填量として、気筒内の混合気の構成を示している。前述の通り、相対的に負荷の低い、図の左側の領域はＣＩモードとなり、所定負荷よりも負荷が高い、図の右側の領域はＳＩモードとなる。燃料量（総括燃料量）は、ＣＩモード及びＳＩモードに拘わらず、負荷の増大に従って増量される。この燃料量に対して、理論空燃比（λ＝１）となるための新気量が設定されることとなり、この新気量は、負荷の増大に対し、燃料量の増量に伴って増量することになる。

ＣＩモードにおいては、前述の通り、その低負荷側では、内部ＥＧＲガスが気筒１８内に導入されることから、充填量の残り分は、内部ＥＧＲガスと余剰の新気とによって構成される。また、ＣＩモードにおける高負荷側（つまり、中負荷）では、内部ＥＧＲガスの導入が中止される一方で、外部ＥＧＲガスが気筒１８内に導入され、充填量の残り分は、外部ＥＧＲガスと余剰の新気とによって構成される。従って、ＣＩモードでは、リーン混合気となる。一方、ＳＩモードにおいてはλ＝１となるようにエンジン１が運転されると共に、外部ＥＧＲガスが気筒１８内に導入される。

スロットル弁３６は、同図（ｂ）に示すように、基本的には、エンジン１の負荷の高低に拘わらず全開に設定される。また、ＥＧＲ弁５１１は、同図（ｃ）に示すように、内部ＥＧＲガスを導入している間は全閉に設定される一方、ＣＩモードにおいて外部ＥＧＲガスを導入する際には全開に設定される。また、それよりも高負荷のＳＩモードにおいては、エンジン１の負荷が高まるに従って、ＥＧＲ弁５１１は次第に閉じられ、全開負荷では、全閉にされる。このスロットル弁３６とＥＧＲ弁５１１との開度調整により、外部ＥＧＲ率は、図７（ｃ）に示すように、ＣＩモードの低負荷側では０（ゼロ）となる一方、高負荷側では最大となり、ＳＩモードにおいてはエンジン１の負荷が高まるに従って、ＥＧＲ率が次第に低下して、全開負荷において再び０になる。

図６（ｄ）は、排気弁２２の二度開き時の閉弁タイミングを示している。ＣＩモードで内部ＥＧＲガスを気筒１８内に導入するときには、その閉弁タイミングが排気上死点と吸気下死点との間の、所定タイミングに設定される。一方、ＣＩモード及びＳＩモードにおいて、内部ＥＧＲガスを導入しないときには、その閉弁タイミングが排気上死点に設定される。

このように、内部ＥＧＲの実行のために所定の閉弁タイミングに設定される排気弁２２の二度開きに対して、図６（ｅ）に示すように、吸気弁２１の開弁タイミングが、エンジン１の負荷が高くなるほど排気上死点に近づくように進角される。従って、エンジン１の負荷が低いほど、気筒１８内に導入される内部ＥＧＲガスが増量するのに対し、エンジン１の負荷が高くなればなるほど、気筒１８内に導入される内部ＥＧＲガスは減少する。エンジン１の負荷が低いほど、大量の内部ＥＧＲガスによって気筒１８内の圧縮端温度が高まるため、安定した圧縮着火燃焼を実現する上で有利になる。一方、エンジン１の負荷が高いほど、内部ＥＧＲガスを抑制することで気筒１８内の圧縮端温度の上昇を抑制するため、過早着火を抑制する上で有利になる。また、エンジン負荷が高まり、内部ＥＧＲ制御を中止するに伴い、吸気弁２１の開弁タイミングは、排気上死点に設定される。また、図６（ｆ）に示すように、吸気弁２１の閉弁タイミングは、吸気下死点で一定にされる。

さらに、図６（ｇ）に示すように、吸気弁２１のリフト量は、内部ＥＧＲの制御中は、エンジン負荷の増大に伴い、最小リフト量から次第に大きくなるのに対し、内部ＥＧＲの制御を行わないときには、エンジン負荷の高低に拘わらず、最大リフト量で一定に設定される。

従って、ＳＩモードでは、スロットル弁３６が全開で一定にされ（図６（ｂ））、吸気弁２１の開弁タイミング及び閉弁タイミングが一定にされる（図６（ｅ）（ｆ））と共に、リフト量が最大で一定にされる（図６（ｇ））。このことから、ＥＧＲ弁５１１の開度調整によって、気筒１８内の導入される新気量と、外部ＥＧＲガス量との割合が調整されることになる。このような制御は、ポンプ損失の低減に有利である。

尚、図６では、ＣＩモードの低負荷側において、スロットル弁３６を全開にする一方、エンジン負荷の増大に伴い、吸気弁２１の開弁タイミングを排気上死点に近づくように進角しかつ、吸気弁２１のリフト量を次第に大きくしているが、これとは異なり、ＣＩモードの低負荷側において、スロットル弁３６の開度がエンジン負荷の増大に伴い次第に大きくなるように制御する一方で、エンジン負荷の高低に拘わらず、吸気弁２１の開弁タイミングを排気上死点で一定にしかつ、吸気弁２１のリフト量を所定のリフト量で一定にしてもよい。こうすることによって、内部ＥＧＲ制御を実行しているときには、スロットル弁３６の開度に応じて、気筒１８内に導入される内部ＥＧＲガス量が調整されることになる。

次に、図７は、低速域内における負荷の変動に対するエンジン１の各制御パラメータ、すなわち、（ｂ）Ｇ／Ｆ、（ｃ）外部ＥＧＲ率、（ｄ）噴射タイミング、（ｅ）燃料圧力、（ｆ）燃料噴射パルス幅（つまり、噴射期間）、及び、（ｇ）点火タイミングの変化を示している。

先ず、気筒内の混合気の状態は、図７（ａ）に示すような構成となる。このため、Ｇ／Ｆは、図７（ｂ）に示すように、燃料量の増大に伴いリーンから次第に理論空燃比に近づくようになり、ＳＩモードにおける全開負荷において、Ｇ／Ｆ＝１４．７となる。

図７（ｃ）は、外部ＥＧＲ率を示しており、前述したように、外部ＥＧＲ率は、ＣＩモードにおける内部ＥＧＲ制御の実行中は０（ゼロ）となり、ＣＩモードにおいて外部ＥＧＲの制御中は最大となる。そうして、ＳＩモードにおいては、エンジン１の負荷が高まるに従ってＥＧＲ率が次第に低下して、全開負荷において再び０になる。つまり、ＳＩモードにおいても、全開負荷では、外部ＥＧＲ制御を中止する。

図７（ｄ）に示すように、燃料噴射タイミングは、ＣＩモードにおいては、一例として、排気上死点と吸気下死点との間の吸気行程中に設定される。燃料噴射タイミングは、エンジン１の負荷に応じて変更してもよい。これに対し、ＳＩモードにおいては、燃料噴射タイミングは、圧縮行程後半から膨張行程初期にかけてのリタード期間に設定される。つまり、高圧リタード噴射である。また、ＳＩモードでは、エンジン負荷の増大に伴い、その噴射タイミングは次第に遅角側に変更される。これは、エンジンの負荷が増大するに伴い、気筒１８内の圧力及び温度が高まって異常燃焼が発生しやすくなることから、これを効率的に回避するためには、噴射タイミングを遅角側に設定する必要があるためである。ここで、図７（ｄ）の実線は、高圧リタード噴射を一回の燃料噴射によって行う、一括噴射の場合の、燃料噴射タイミングの一例を示している。これに対し、図７（ｄ）の一点鎖線は、高圧リタード噴射を、第１噴射と第２噴射との二回の燃料噴射に分割した場合の、第１噴射及び第２噴射それぞれの燃料噴射タイミングの一例を示している。これによると、分割噴射における第２噴射は、一括噴射を行う場合よりも、遅角側で実行することになるため、異常燃焼の回避により有利になる。これは、前述したように、比較的早期に第１噴射を実行して燃料の気化霧化時間を確保していること、第２噴射の燃料噴射量が相対的少なくなるため、必要な気化霧化時間が短くなることに起因する。

さらに図７（ｄ）に点線で示すように、全開負荷域においては、総燃料噴射量が多くなることから、燃料噴射量の増量分を、吸気充填効率の向上を目的として、吸気行程噴射を実行するようにしてもよい。

図７（ｅ）は、直噴インジェクタ６７に供給される燃料圧力の変化を示しており、ＣＩモードでは最小燃料圧力で一定に設定される。これに対し、ＳＩモードでは、最小燃料圧力よりも高い燃料圧力に設定されると共に、エンジン負荷の増大に伴い、燃料圧力が増大するように設定される。これは、エンジン負荷が高くなるにつれて異常燃焼が発生しやすくなることから、噴射期間のさらなる短縮や、噴射タイミングのさらなる遅角化が求められるためである。

図７（ｆ）は、一括噴射を行う場合の噴射期間に相当する噴射パルス幅（インジェクタの開弁期間）の変化を示しており、ＣＩモードにおいては、燃料噴射量の増大に伴いパルス幅も大きくなり、ＳＩモードにおいても同様に、燃料噴射量の増大に伴いパルス幅も大きくなる。しかしながら、同図（ｅ）に示すように、ＳＩモードでは、ＣＩモードよりも燃料圧力が大幅に高く設定されているため、ＳＩモードにおける燃料噴射量は、ＣＩモードにおける燃料噴射量よりも多いにも拘わらず、そのパルス幅は、ＣＩモードのパルス幅よりも短く設定される。これは、未燃混合気反応可能時間を短縮し、異常燃焼の回避に有利になる。

また、図７（ｇ）は、点火タイミングの変化を示しており、ＳＩモードでは、燃料噴射タイミングがエンジン負荷の増大と共に遅角されることに従って、点火タイミングもまた、エンジン負荷の増大と共に遅角される。これにより、少なくとも全開負荷域においては、膨張行程において燃焼が開始するようになる。これは、異常燃焼の回避に有利である。また、ＣＩモードでは、基本的には点火を実行しないものの、点火プラグ２５のくすぶりを回避する目的で、同図に一点鎖線で示すように、例えば排気上死点付近で点火を行ってもよい。

そうして、このエンジン１においては、ＣＩモード時の圧縮着火燃焼の安定化を目的として、図８及び図９に拡大して示すように、排気ポート１７のスロートに、加熱手段としてのセラミックヒータ８１が配設されている。より詳細に、セラミックヒータ８１は、図例では無端環状に構成されており、気筒１８毎に２つ形成された排気ポート１７のそれぞれにおけるスロートに、その一部がポート壁面に埋め込まれるようにして取り付けられている。

各セラミックヒータ８１は、その詳細な構造の図示は省略するが、発熱体をセラミックに内蔵して構成されている。発熱体は、通電により発熱し、通電停止によりその発熱が停止する。セラミックヒータ８１に対する通電及び通電停止の切り替えは、ＰＣＭ１０によって行われる。また、セラミックは、蓄熱体としても機能し、後述するように、気筒１８内から排気ポート１７に排出される既燃ガスの熱を吸熱する一方、排気ポート１７から気筒１８内に導入される既燃ガスに放熱する。

そうしてこのセラミックヒータ８１は、前述したＣＩモードにおける低負荷側の領域、言い換えると、排気弁２２の二度開きによって内部ＥＧＲ制御を実行しているときに、通電される。これにより、図１０の左図に示すように、排気行程中に開弁される排気弁２２を通じて、気筒１８内から排気ポート１７に既燃ガスが排出されるときに、その既燃ガスの熱が、セラミックヒータ８１の蓄熱体に吸熱される。その後、図１０の右図に示すように、吸気行程中に排気弁２２が開弁されて、排気ポート１７から気筒１８内に既燃ガスが導入されるときに、セラミックヒータ８１の蓄熱体の放熱と発熱体の発熱とによって、既燃ガスが加熱され、排気ポート１７内で温度が低下していた既燃ガスが昇温される。こうして、より高温の既燃ガスが気筒１８内に導入されることにより、気筒内温度がより一層高くなる。このことによって、圧縮着火燃焼は、より一層安定化する。

また、エンジン１の負荷が高まり、内部ＥＧＲ制御を中止したときには、セラミックヒータ８１への通電も停止される。これによりエネルギーロスが抑制される。一方、セラミックヒータ８１への通電が停止された後も、セラミックヒータ８１の余熱が存在しているが、排気弁２２の二度開きが中止されるため、セラミックヒータ８１の余熱によって加熱された既燃ガスが気筒１８内に導入されることはない。このことは、気筒１８内の温度を不要に高めることを回避して、ノッキングの発生を回避する上で有利になる。

例えば、セラミックヒータ８１を、排気ポート１７のスロートに配置する代わりに、又は、排気ポート１７のスロートに配置することに加えて、吸気ポート１６のスロートに配置してもよい。吸気ポート１６のスロートに配置したセラミックヒータは、吸気行程時に吸気ポート１６から気筒１８内に導入されるガス（つまり、新気）を加熱して昇温する。従って、気筒内温度を高めて圧縮着火燃焼の安定化に寄与する。一方で、エンジン１の負荷が高まって、通電を停止した後も、吸気ポート１６のスロートに配置したセラミックヒータは、その余熱によって新気を加熱してしまう。従って、吸気ポート１６に加熱手段を配設することは、気筒内温度を不要に高めてしまう虞があり、この点で、加熱手段は、排気ポート１７にのみ配設することが好ましい。

排気ポート１７のスロートは、ガス流速が最も高まる箇所であり、ここにセラミックヒータ８１を配置することは熱伝達率を高めて、既燃ガスからの吸熱、及び、既燃ガスへの放熱及び発熱体による加熱を、効率よく行うことが可能である。

また、発熱体と蓄熱材との組み合わせは、既燃ガスの昇温に必要なエネルギ（消費電力）を可及的に低減する上で有利になる。特に、スロートに蓄熱材（セラミックヒータ８１）を配置することにより、その蓄熱材と気筒１８内から排出された直後の高温の既燃ガスとの温度差が大きくなって吸熱効率が高まる上に、既燃ガスの導入時には、排気ポート１７内で温度が低下した既燃ガスと蓄熱材との温度差が大きくなって放熱効率が高まり、既燃ガスの昇温に、より有利になる。

また、そうしたセラミックヒータ８１を、排気ポート１７内に配置し、気筒１８内には露出させないことにより、燃焼室内に熱源が設けられることが回避され、ノッキングの回避に有利になる。

また、前述したように、このエンジン１は、ＣＩモードにおける圧縮着火燃焼の安定化を目的の一つとして、その幾何学的圧縮比を比較的高く設定しているが、セラミックヒータ８１によって、圧縮着火燃焼の安定化が十分に図られるのであれば、エンジン１の幾何学的圧縮比を、その分低くすることも可能になる。このことは、機械抵抗損失の低減や冷却損失の低減といったメリットを得ることを可能にする。また、エンジン１の幾何学的圧縮比を低くすることは、例えば直噴インジェクタ６７の配置を、図例に示すセンター噴射からサイド噴射に変更することも可能にする。

尚、セラミックヒータ８１の形状は、図例に示すように無端の環状とする以外にも、図示は省略するが、その一部が切り離された有端の環状、又は、半円状としてもよい。また、図１１に示すように、２つの排気ポート１７それぞれに対応して配置された、概略半円状（「Ｃ」の字を左右反転させた形状）のヒータ同士を互いに連結することによって、全体として「３」の字をなすように形成してもよい。この形状のセラミックヒータ８２は、点火プラグ２５が配置される排気ポート１７，１７同士の間の狭い領域や、排気ポート１７と吸気ポート１６との間の狭い領域にヒータが配置されることを回避する上で有利であると共に、セラミックヒータ８２によって吸気側を加熱してしまうことを回避する上でも有利である。

尚、前記の構成では、排気ポートに、通電による発熱するセラミックヒータ８１を配置しているが、これに代えて蓄熱材（つまり、発熱体を含まない）を排気ポートに配置してもよい。また逆に、発熱体（つまり、蓄熱材を含まない）を排気ポートに配置してもよい。

また、前記の構成では、２つの排気ポート１７，１７のそれぞれに、セラミックヒータ８１、８２を配置しているが、例えば２つの排気ポート１７，１７のいずれか一方にのみ、セラミックヒータ８１、８２を配置してもよい。また、例えば排気弁２２の二度開きにおいて、２つの排気弁２２の内の一弁のみを開弁する構成においては、当該二度開きをする排気弁２２に対応する排気ポート１７にセラミックヒータ８１を配置することが好ましい。

１ エンジン（エンジン本体）
１０ ＰＣＭ（制御器）
１６ 吸気ポート
１７ 排気ポート
１８ 気筒
２２ 排気弁
２５ 点火プラグ
６７ 直噴インジェクタ（燃料噴射弁）
８１ セラミックヒータ（加熱手段）
８２ セラミックヒータ（加熱手段）

Claims (6)

1. 少なくともガソリンを含有する燃料が気筒内に供給されるよう構成されたエンジン本体と、
   吸気弁及び排気弁の開弁動作を少なくとも制御するように構成された制御器と、を備え、
   前記制御器は、
   前記エンジン本体が少なくとも暖機後でかつ、その運転状態が所定の低負荷域にあるときには、吸気行程中に排気弁を開弁することによって前記気筒内に既燃ガスを導入すると共に、前記気筒内の混合気を圧縮着火させる圧縮着火モードとし、
   前記エンジン本体の運転状態が前記圧縮着火モードよりも負荷の高い領域にあるときには、前記気筒内への既燃ガスの導入が実質的に中止されるように、前記吸気行程中の前記排気弁の開弁動作を停止した状態で、前記エンジン本体を運転し、
   前記気筒に連通する吸気ポート及び排気ポートの内、少なくとも前記圧縮着火モード時に前記吸気行程中に開弁する前記排気弁が配置されているポートには、前記気筒内に向かって当該ポートを通過するガスを加熱する加熱手段が設けられ、
   前記加熱手段は、前記制御器により作動及び非作動が切り替えられる発熱体を含んでおり、
   前記制御器は、前記エンジン本体の運転状態が前記負荷の高い領域にあるときには、前記発熱体の作動を停止する圧縮着火式ガソリンエンジン。
2. 請求項１に記載の圧縮着火式ガソリンエンジンにおいて、
   前記加熱手段は、前記吸気ポート及び排気ポートの内、前記排気ポートにのみ設けられている圧縮着火式ガソリンエンジン。
3. 請求項１又は２に記載の圧縮着火式ガソリンエンジンにおいて、
   前記制御器は、前記エンジン本体の運転状態が少なくとも全開負荷域にあるときには、点火プラグの駆動によって前記気筒内の混合気に点火する火花点火モードとすると共に、その点火時期を、膨張行程において燃焼が開始するように遅角させる圧縮着火式ガソリンエンジン。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧縮着火式ガソリンエンジンにおいて、
   前記制御器は、前記エンジン本体の運転状態が前記圧縮着火モードの負荷領域に隣接する中負荷域にあるときには、前記気筒内への既燃ガスの導入が実質的に中止されるように、前記吸気行程中の前記排気弁の開弁動作を停止した状態で、前記気筒内の混合気を圧縮着火させる圧縮着火式ガソリンエンジン。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧縮着火式ガソリンエンジンにおいて、
   前記加熱手段は、蓄熱材を含む圧縮着火式ガソリンエンジン。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の圧縮着火式ガソリンエンジンにおいて、
   前記加熱手段は、前記ポートのスロートに設けられている圧縮着火式ガソリンエンジン。

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