JP6171968B2 - 圧縮自己着火エンジンの制御装置 - Google Patents

Description

ここに開示する技術は、圧縮自己着火エンジンの制御装置に関する。

特許文献１には、幾何学的圧縮比εを１８≦ε≦４０に設定した高圧縮比エンジンが記載されている。このエンジンは、低負荷及び中負荷の運転領域では、空気過剰率λを２．５以上のリーンにして圧縮自己着火燃焼させることで、排気エミッション性能を向上させると共に、熱効率の向上を図っている。

特開２０１３−５３６０７号公報

本願発明者等の検討によれば、混合気の空気過剰率λを２．５以上にしたときには、燃焼温度の低減によりＲａｗＮＯｘの発生を抑制することが可能であるものの、エンジンの負荷の増大に伴い燃料噴射量が増えたときには、空気過剰率λを２．５以上に維持することが困難になる。そのため、前記特許文献１にも記載されているように、高負荷側の領域では、三元触媒を利用してＮＯｘの排出を抑制すべく、空気過剰率λを１に設定することになる。しかしながら、空気過剰率λを１にする高負荷側の領域においても、低負荷側の領域と同じように、排気エミッション性能を維持しつつ、燃費の向上を図りたいという要求がある。

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、圧縮自己着火エンジンにおいて、特に負荷の高い領域での燃費の向上を図ることにある。

ここに開示する技術は、圧縮自己着火エンジンの制御装置に係り、この制御装置は、幾何学的圧縮比が２０以上に設定された気筒を有して構成されたエンジン本体と、前記気筒内に、排気ガスの一部を冷却した上で還流させるよう構成されたコールドＥＧＲ手段と、前記気筒内の混合気を圧縮自己着火燃焼させることにより、前記エンジン本体を運転するよう構成された制御器と、前記気筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、を備える。

そして、前記制御器は、前記エンジン本体の運転状態が、中負荷に相当する所定の切替負荷よりも低い第１領域にあるときには、前記気筒内の混合気の空気過剰率λを２．５以上にして圧縮自己着火燃焼させる一方、前記エンジン本体の運転状態が前記切替負荷以上の第２領域にあるときには、前記空気過剰率λを１にして圧縮自己着火燃焼させ、前記制御器はまた、前記第１領域及び第２領域で、前記気筒に連通する吸気通路上に設けたスロットル弁の開度を全開に設定すると共に、前記第１領域内における所定の低負荷側領域では、前記コールドＥＧＲ手段による排気ガスの還流を行わない一方、全開負荷を除く前記第２領域では、前記コールドＥＧＲ手段を通じて冷却した排気ガスを還流することにより、前記空気過剰率λを１にする。

また、前記制御器は、前記第１領域では、圧縮上死点前に、全量の燃料噴射を前記燃料噴射弁に実行させ、前記第２領域では、圧縮上死点前に、熱炎反応に至らずに酸化反応をする量の燃料を噴射することにより、圧縮上死点以降に、気筒内の温度の変動が所定の温度幅に収まる温度維持期間を設ける前段噴射と、当該前段噴射よりも後に燃料を噴射して、圧縮上死点以降であって、前記温度維持期間内に燃料を圧縮自己着火燃焼させる主噴射と、を前記燃料噴射弁に実行させ、前記制御器はまた、前記第２領域では、前記エンジン本体の負荷の高低に応じてＥＧＲ率を変化させると共に、前記第１領域内において、前記第２領域に隣接する所定の高負荷側領域では、前記第２領域の前記切替負荷において設定されているＥＧＲ率に近づくように、前記エンジン本体の負荷が高まるに従いＥＧＲ率を高くする。
さらに、前記制御器は、前記第１領域における前記所定の高負荷側領域と前記所定の低負荷側領域との間の負荷領域では、ＥＧＲ率を、前記第２領域において変化するＥＧＲ率の中間値となるように設定する。

ここで、ＥＧＲ率は、気筒内の全ガスに対する排気ガスの体積比（排気ガス量／気筒内の全ガス量）で定義することが可能である。

幾何学的圧縮比を２０以上の高圧縮比に設定することにより、熱効率の向上に有利になる上に、圧縮上死点における気筒内の温度及び圧力（圧縮端温度及び圧力）がそれぞれ高くなる。これは、エンジン本体の負荷が比較的低いときに、圧縮自己着火による着火性を良好にして、圧縮自己着火燃焼の安定性を向上させる。幾何学的圧縮比の上限は、例えば４０としてもよい。

前記の構成では、中負荷に相当する所定の切替負荷よりも低い第１領域にあるときには、気筒内の混合気の空気過剰率λを２．５以上にして圧縮自己着火燃焼させる。空気過剰率λを２．５以上にすることで、燃焼温度が低減し、ＲａｗＮＯｘの発生を抑制することが可能になる。空気過剰率λの上限は、例えば８としてもよい。空気過剰率λが８を超えると、図示熱効率が低下するためである。

第１領域ではまた、吸気通路上に設けたスロットル弁の開度を全開に設定する。このことにより、ポンプ損失が低減する。従って、第１領域では、高圧縮比でかつ、空気過剰率λを２．５以上にした圧縮自己着火燃焼により、排気エミッション性能が向上する上に、燃費の向上が図られる。また、第１領域内における所定の低負荷側領域では、排気ガスの還流を行わないことにより、エンジン本体の負荷が低いときに、圧縮自己着火燃焼の安定性を確保することが可能になる。

第１領域よりも負荷の高い領域では、エンジン本体の負荷の増大に伴い、空気過剰率λを２．５以上にすることが困難になることから（つまり、燃料噴射量が増えることに伴い大量の空気を気筒内に導入しなければならなくなるから）、空気過剰率λを１にして圧縮着火燃焼を行う。

空気過剰率λを１にするためには、燃料量に対応して気筒内への新気の導入量を調整する必要があるが、スロットル弁の開度を絞って新気の導入量を調整したのでは、ポンプ損失が増大して燃費の悪化を招くことになる。前記の構成では、第２領域でも、第１領域と同様に、スロットル弁の開度を全開に維持する。こうすることで、ポンプ損失の増大が回避され、燃費の悪化が回避される。ここで、「スロットル弁の開度を全開に設定する」ことは、スロットル弁の開度を全開すること以外に、スロットル弁の開度を実質的に全開にすることを含む。つまり、コールドＥＧＲ手段を通じた排気ガスの還流が可能になる程度の吸気負圧が得られるようにスロットル弁を絞ることは、スロットル弁の開度を実質的に全開にすることに相当する。

そうして、前記の構成では、第２領域においてはスロットル弁の開度を全開に設定しつつ、コールドＥＧＲ手段を通じて気筒内に導入する排気ガス量を調整する。つまり、排気ガスの還流量を増やすと、気筒内に導入される新気は減り、排気ガスの還流量を減らすと、気筒内に導入される新気量は増える。こうして、排気ガスの還流量の調整を通じて、気筒内に導入する新気量、より正確には気筒内の酸素量を調整して、空気過剰率λを１にする。その結果、相対的に高負荷側の領域である第２領域においても、ポンプ損失が低減して燃費の向上に有利になると共に、空気過剰率λを１にすることで三元触媒が利用可能になり、排気エミッション性能を良好にすることが可能になる。また、コールドＥＧＲ手段によって、冷却した排気ガスを気筒内に導入することは、高圧縮比エンジンを高負荷側で運転するときに、燃焼温度の低下を図り、ＲａｗＮＯｘの抑制にも有利である。

また、前記の構成によると、第１領域では、圧縮上死点前に、全量の燃料噴射を燃料噴射弁に実行させる。燃料噴射は、圧縮行程を初期、中期及び終期に３分割したときの終期に行うとしてもよい。また、圧縮行程中に噴射する燃料は、一括で噴射してもよいし、分割して噴射してもよい。圧縮上死点前の燃料噴射によって気筒内に形成されるリーン混合気は、圧縮上死点付近において圧縮自己着火し、燃焼する。

これに対し、第２領域では、エンジン本体の負荷が相対的に高いと共に、空燃比も相対的にリッチであるため、第１領域と同様に圧縮上死点付近において圧縮自己着火燃焼をしたのでは、燃焼時の圧力上昇率が高くなりやすい。特にこのエンジン本体は幾何学的圧縮比が２０以上に高く設定されているため、圧力上昇率が高くなると燃焼騒音のレベルが高くなりやすい。

そこで、第２領域では、圧縮自己着火のタイミングを、圧縮上死点以降の適宜の時期に遅らせることにより、燃焼時の圧力上昇率を低くする。具体的には、圧縮自己着火燃焼の燃焼期間が、モータリング時（つまり、エンジンのクランク軸をモータで回したときの燃焼を伴わない状態時）の圧力上昇率が負の最大値となる時点と重複するまで、又は、圧縮自己着火燃焼の燃焼中心が負の圧縮上昇率が大きい期間（つまり、圧縮上死点後１０〜２０°ＣＡ）と重複するまで、圧縮自己着火燃焼を遅角させる。

しかしながら、膨張行程が進むにつれて筒内温度は次第に低下するため、圧縮自己着火燃焼を遅角させようとしても、失火を生じる虞がある。この点につき、前記の構成では、圧縮上死点前に前段噴射を行う。この前段噴射によって気筒内に噴射される燃料は、比較的少量であり、熱炎反応に至らずに酸化反応をする。本明細書では、燃料が熱炎反応に至らずに酸化反応をすることを「部分酸化反応」と称する場合がある。これにより、圧縮上死点での気筒内の温度が調整される。つまり、前段噴射の噴射量が多くなるほど、圧縮端温度は高くなる。圧縮端温度が高くなる結果、圧縮上死点以降に、気筒内の温度が所定の温度幅に収まる期間を設けることが可能になる。

そうして、前段噴射の後の主噴射により噴射した燃料を、その温度維持期間内で圧縮自己着火燃焼させる。その結果、遅角させた圧縮自己着火燃焼を、安定的に行うことが可能になり、第２領域では、圧縮自己着火燃焼を行いつつも、燃焼騒音の低減が図られる。

ここで、前段噴射は、膨張行程期間内での気筒内の温度の低下を抑制するだけでなく、気筒内の温度が高くなりすぎることを防止する。筒内温度が高くなり過ぎると、主噴射を行ったときに燃料が適切に混ざり切る前に局所的に着火して、煤が発生してしまう虞がある。つまり、筒内温度の変動を所定の温度幅に収めることによって、煤の発生を低減することができる。

また、第２領域では、コールドＥＧＲ手段を通じて、エンジン本体の負荷に対応した量の、冷却した排気ガスを気筒内に還流させる。このことは、気筒内の温度調整に寄与し、遅角した圧縮自己着火燃焼の安定化に有利になると共に、その圧縮自己着火燃焼の緩慢化により、燃焼騒音レベルを上げない範囲で主噴射の時期をできるだけ進角させることを
可能にする。これは、圧縮自己着火燃焼の燃焼期間をできるだけ進角させることになるから、燃費の向上に有利になる。

ここで、第１領域と第２領域とを比較したときに、第２領域では空気過剰率λを１にしかつ、圧縮自己着火燃焼の期間を遅角させているため、第１領域よりも熱効率は低下し得る。前記の構成では、第１領域内において、第２領域に隣接する高負荷側領域では、冷却した排気ガスを還流させるため、その分、気筒内の温度状態を低くすることが可能になる。これは、第１領域をできるだけ高負荷側に広げる上で有利になり、ひいては燃費の向上に有利になる。

さらに、第１領域内における高負荷側領域では、エンジン負荷が高まるに従い、ＥＧＲ率を高くして、第１領域と第２領域との境界である切替負荷において、ＥＧＲ率が同じになるようにしている。これは、エンジン負荷が連続的に変化をして、第１領域から第２領域へと移行する場合、又は、第２領域から第１領域へと移行する場合のいずれにおいても、ＥＧＲ率が連続的に変化することになる。これは、領域間の移行をスムースにして、トルクショック等の発生や、排気エミッション性能の低下を回避する上で有効である。

加えて、第１領域では、前述の通り、空気過剰率λを１にするために、エンジン本体の負荷に対応して、排気ガスの還流量が調整される。つまり、エンジン本体の負荷に応じてＥＧＲ率が変化する。その一方で、コールドＥＧＲ手段を通じてＥＧＲ率を変化させることの応答性は低い。そのため、エンジンの運転状態が変化し、第１領域から第１領域へと移行した直後は、そのエンジン本体の負荷に見合うＥＧＲ率からずれてしまう可能性がある。ＥＧＲ率のずれが大きいと排気エミッション性能が低下すると共に、ＥＧＲ率のずれが無くなるまでに要する時間も長くなってしまう。

このことに関し、前記の構成では、第１領域における所定の高負荷側領域（前述の通り、切替負荷において設定されているＥＧＲ率に近づくようなＥＧＲ率に設定されている領域）と所定の低負荷側領域（前述の通り、燃焼安定性の観点から排気ガスの還流を行わない（ＥＧＲ率がゼロ）領域）との間の負荷領域では、第２領域において変化するＥＧＲ率の中間値に、ＥＧＲ率を設定する。こうすることで、第１領域から第２領域へと移行したときに、ＥＧＲ率のずれが生じたとしても、そのずれ量の最大が所定値以下に規制されるようになる。つまり、ＥＧＲ率のずれを、できるだけ小さくすることが可能になると共に、第２領域への移行後、ＥＧＲ率のずれが無くなるまでに要する時間も短くなるから、排気エミッション性能の低下が抑制される。

前記制御器は、前記第２領域では、前記エンジン本体の負荷が高くなるに従いＥＧＲ率を低くし、前記制御器はまた、前記第２領域における所定の高負荷側領域では、前記前段噴射と前記主噴射との間で、熱炎反応に至らずに酸化反応をする量の燃料を噴射して、前記温度維持期間の長さを調整する第２の前段噴射を行うと共に、前記主噴射の時期を、前記所定の高負荷側領域よりも負荷の低い領域での主噴射の時期に対し遅角させる、としてもよい。

第２領域において、エンジン本体の負荷が高くなるに従ってＥＧＲ率を低くすることにより、エンジン本体の負荷が高くなるに従って、気筒内に導入される新気量が増える。従って、エンジン本体の負荷が高くなるに従って増える燃料量に対し、空気過剰率λを１にする上で必要な新気量が確保されることになる。

その一方で、エンジンの負荷が高くなるに従い、冷却された排気ガスの還流量が少なくなる上に、燃料量が増えることから、第２領域内における所定の高負荷側領域では、燃焼騒音を低減するために、圧縮自己着火燃焼の期間を、第２領域内における低負荷側の領域よりも、さらに遅角させる必要が生じる。

前記の構成では、第２領域における所定の高負荷側領域では、前段噴射と主噴射との間で第２の前段噴射を行う。第２の前段噴射により噴射された燃料は、熱炎反応に至ることなく酸化反応をして小さな熱量を発生し、膨張行程の進行に伴う筒内温度の低下を抑制しつつ、筒内温度が高くなり過ぎるのを防止する。燃料が熱炎反応すると、大きな熱量が発生し、筒内温度が高くなり過ぎる可能性がある。それに対し、燃料が熱炎反応に至ることなく酸化反応すれば、小さな熱量しか発生せず、筒内温度の過度な上昇を抑制することができる（つまり、部分酸化反応）。

こうして第２の前段噴射を行うことにより、圧縮上死点以降の気筒内の温度の変動が所定の温度幅に収まる期間（つまり、温度維持期間）をさらに長くすることが可能になる。その結果、圧縮自己着火燃焼の期間をさらに遅角させても、その安定化が図られ、第２領域における所定の高負荷側領域において、燃焼騒音の増大が回避される。圧縮自己着火燃焼の期間をさらに遅角させるために、所定の高負荷側領域における主噴射の時期は、この高負荷側領域よりも負荷の低い領域での主噴射の時期に対し、遅角させる。

また、この高負荷側領域を含む第２領域では、前述の通り、冷却した排気ガスを気筒内に還流させることで、燃焼を緩慢にして、燃焼騒音の低減には有利になる。従って、第２の前段噴射が必要となる高負荷側領域は、冷却した排気ガスを還流させる分だけ、高負荷側に縮小し得る（領域が小さくなり得る）。高負荷側領域では、第２の前段噴射を実行することにより、主噴射の時期は遅くなるため、燃費は低下し得るが、高負荷側領域を縮小することは、燃費に不利な領域が縮小するから、燃費の向上に有利になる。

ここに開示する圧縮自己着火エンジンの制御装置はまた、幾何学的圧縮比が２０以上に設定された気筒を有して構成されたエンジン本体と、前記気筒内に、排気ガスの一部を冷却した上で還流させるよう構成されたコールドＥＧＲ手段と、前記気筒内の混合気を圧縮自己着火燃焼させることにより、前記エンジン本体を運転するよう構成された制御器と、を備え、前記制御器は、前記エンジン本体の運転状態が、中負荷に相当する所定の切替負荷よりも低い第１領域にあるときには、前記気筒内の混合気の空気過剰率λを２．５以上にして圧縮自己着火燃焼させる一方、前記エンジン本体の運転状態が前記切替負荷以上の第２領域にあるときには、前記気筒内全体の前記空気過剰率λを１にして圧縮自己着火燃焼させ、前記制御器はまた、前記第１領域及び第２領域で、前記気筒に連通する吸気通路上に設けたスロットル弁の開度を全開に設定すると共に、前記第１領域内における所定の低負荷側領域では、前記コールドＥＧＲ手段による排気ガスの還流を行わない一方、全開負荷を除く前記第２領域では、前記コールドＥＧＲ手段を通じて冷却した排気ガスを還流することにより、前記空気過剰率λを１にする。

以上説明したように、前記の圧縮自己着火エンジンの制御装置によると、高負荷側の第２領域では、スロットル弁の開度を全開に維持しつつ、冷却した排気ガスを還流することで空気過剰率λを１にして圧縮自己着火燃焼を行うことにより、ポンプ損失が低減して燃費の向上に有利になると共に、三元触媒を利用して排気エミッション性能を良好にすることが可能になる。

圧縮自己着火エンジンの構成を示す概略図である。 圧縮自己着火エンジンの制御に係る構成を示すブロック図である。 エンジンの運転制御に係るマップである。 エンジンの負荷に対する、燃料の噴射時期及び噴射期間の変化を示す図、気筒内の温度変化を例示する図（上図）、及びエンジンの負荷に対する、ＥＧＲ率の変化を示す図（右図）である。 エンジン制御に係るフローチャートである。

以下、圧縮自己着火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。以下の説明は例示である。

（エンジンシステムの全体構成）
図１、２は、実施形態に係るエンジンシステム１の構成を示している。このエンジンシステム１は、車両に搭載されるシステムである。エンジンシステム１は、エンジン本体（以下、単に「エンジン」という）１０と、エンジン１０に付随する様々なアクチュエータ、様々なセンサ、及び、該センサからの信号に基づきアクチュエータを制御するＰＣＭ（Powertrain Control Module、制御器）１００を含む。

エンジン１０の出力軸は、図示しないが、変速機を介して駆動輪に連結されている。エンジン１０の出力が駆動輪に伝達されることによって、車両が推進する。エンジン１０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とを備えており、シリンダブロック１２の内部に複数の気筒１１が形成されている（図１では、１つのみ示す）。シリンダブロック１２及びシリンダヘッド１３の内部には、図示は省略するが冷却水が流れるウォータージャケットが形成されている。

各気筒１１内には、ピストン１５が摺動自在にそれぞれ嵌挿されており、ピストン１５は、気筒１１及びシリンダヘッド１３と共に燃焼室を区画している。本実施形態では、燃焼室は所謂ペントルーフ型であり、その天井面（シリンダヘッド１３の下面）は吸気側及び排気側の２つの傾斜面からなる三角屋根状をなしている。ピストン１５の冠面は、前記天井面に対応した凸形状をなしていて、冠面の中心部には、凹状のキャビティ１５ａが形成されている。尚、前記天井面及びピストン１５の冠面の形状は、後述の高い幾何学的圧縮比が可能であれば、どのような形状であってもよく、例えば、天井面及びピストン１５の冠面（キャビティ１５ａを除く部分）の両方が、気筒１１の中心軸に対して垂直な面で構成されていてもよく、天井面が前記のように三角屋根状をなす一方、ピストン１５の冠面（キャビティ１５ａを除く部分）が気筒１１の中心軸に対して垂直な面で構成されていてもよい。

図１には１つのみ示すが、気筒１１毎に２つの吸気ポート１８がシリンダヘッド１３に形成され、それぞれがシリンダヘッド１３の下面（燃焼室の天井面における吸気側の傾斜面）に開口することで燃焼室に連通している。同様に、気筒１１毎に２つの排気ポート１９がシリンダヘッド１３に形成され、それぞれがシリンダヘッド１３の下面（燃焼室の天井面の排気側の傾斜面）に開口することで燃焼室に連通している。

シリンダヘッド１３には、吸気弁２１及び排気弁２２が、それぞれ吸気ポート１８及び排気ポート１９を燃焼室から遮断（閉）することができるように配設されている。吸気弁２１は吸気弁駆動機構により、排気弁２２は排気弁駆動機構により、それぞれ駆動される。吸気弁２１及び排気弁２２は所定のタイミングで往復動して、それぞれ吸気ポート１８及び排気ポート１９を開閉し、気筒１１内のガス交換を行う。吸気弁駆動機構及び排気弁駆動機構は、図示は省略するが、それぞれ、クランクシャフトに駆動連結された吸気カムシャフト及び排気カムシャフトを有し、これらのカムシャフトはクランクシャフトの回転と同期して回転する。吸気弁駆動機構及び排気弁駆動機構は、この例では、吸気カムシャフトの位相を所定の角度範囲内で連続的に変更可能な、液圧式又は電動式の位相可変機構（Variable Valve Timing：ＶＶＴ）２３を、少なくとも含んで構成されている（図２参照）。尚、ＶＶＴ２３と共に、弁リフト量を変更可能なリフト可変機構を備えるようにしてもよい。リフト可変機構は、リフト量を連続的に変更可能なＣＶＶＬ（Continuous Variable Valve Lift）としてもよい。

各気筒１１の吸気ポート１８は、図１において明示されない吸気マニホールドを介して吸気通路３０に連通している。また、各気筒１１の排気ポート１９は、同様に明示されない排気マニホールドを介して排気通路４０に連通している。

吸気通路３０には、エアクリーナー３１と、ターボ過給機８のコンプレッサ８１と、該コンプレッサ８１により圧縮された空気を冷却するインタークーラ３２と、各気筒１１への吸入空気量を調節するスロットル弁３３とが、上流から下流に向かって順に配設されている。

排気通路４０には、ターボ過給機８のタービン８２と、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、上流側から下流側に向かって順に配設されている。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におけるコンプレッサ８１の下流側部分（より正確には、スロットル弁３３の下流側部分）と、排気通路４０におけるタービン８２の上流側部分とは、排気ガスの一部を吸気通路３０に還流するための高圧ＥＧＲ通路５１０によって接続されている。高圧ＥＧＲ通路５１０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高圧ＥＧＲ弁５１１及び排気ガスを冷却するための、水冷式のＥＧＲクーラ５１２が配設されている。高圧ＥＧＲ通路５１０、高圧ＥＧＲ弁５１１及びＥＧＲクーラ５１２を含んで、高圧ＥＧＲシステム５１が構成される。

また、吸気通路３０におけるコンプレッサ８１の上流側部分と、排気通路４０におけるタービン８２の下流側部分（より正確には、直キャタリスト４１と、後述の排気シャッター弁４３との間）とは、排気ガスの一部を吸気通路３０に還流するための低圧ＥＧＲ通路５２０によって接続されている。この低圧ＥＧＲ通路５２０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低圧ＥＧＲ弁５２１及び排気ガスを冷却するための、空冷式のＥＧＲクーラ５２２が介設されている。

排気シャッター弁４３は、排気通路４０において低圧ＥＧＲ通路５２０の接続部よりも下流側に配設されている。排気シャッター弁４３は、その開度を調整することが可能な流量調整弁であり、排気シャッター弁４３を閉じ側にすることによって、通過する流量が低減して、低圧ＥＧＲ通路５２０の排気通路４０側の圧力を、吸気通路３０側の圧力に対して相対的に高めることが可能になる。低圧ＥＧＲ通路５２０と低圧ＥＧＲ弁５２１とＥＧＲクーラ５２２と排気シャッター弁４３とを含んで、低圧ＥＧＲシステム５２が構成される。

ターボ過給機８は、吸気通路３０に配設されたコンプレッサ８１と、排気通路４０に配設されたタービン８２とを有し、コンプレッサ８１とタービン８２とは互いに連結されている。タービン８２が排気ガス流により回転し、それによって、コンプレッサ８１が作動する。この例においてターボ過給機は、可変ノズル８３を有するＶＧＴ（Variable Geometry Turbo）である。但し、ターボ過給機の構成は、ＶＧＴに限るものではない。

エンジン１０において、シリンダヘッド１３における気筒１１の中心軸上には、気筒内（燃焼室内）に燃料を直接噴射するインジェクタ３４が配設されている。このインジェクタ３４は、例えばブラケットを使用する等の周知の構造でシリンダヘッド１３に取付固定されている。インジェクタ３４の先端は、燃焼室の天井部の中心に臨んでいる。

インジェクタ３４は、この例では外開弁式のインジェクタである。つまり、その構成の詳細な図示は省略するが、気筒１１内に燃料を噴射するノズル口を開閉する外開弁を有し、外開弁が気筒１１側にリフトすることで、ノズル口を開放する。このとき、ノズル口から気筒１１内に燃料が、気筒１１の中心軸を中心とするコーン状（詳しくはホローコーン状）に噴射される。外開弁のリフト量が大きいほど、ノズル口の開度が大きくなってノズル口から気筒１１内に噴射される燃料噴霧のペネトレーションが大きくなる（長くなる）と共に、単位時間当たりに噴射される燃料量が多くなりかつ燃料噴霧の粒径が大きくなる。但し、インジェクタ３４は、外開弁式に限らず、多噴孔型のインジェクタとしてもよい。

燃料供給システム３５は、外開弁を駆動するための電気回路と、インジェクタ３４に燃料を供給する燃料供給系とを備えている。ＰＣＭ１００は、所定のタイミングで、リフト量に応じた電圧を有する噴射信号を前記電気回路に出力することで、該電気回路を介して外開弁を作動させて、所望量の燃料を、気筒１１内に噴射させる。前記噴射信号の非出力時（噴射信号の電圧が０であるとき）には、外開弁によりノズル口が閉じられた状態となる。こうしてＰＣＭ１００は、外開弁の作動を制御して、インジェクタ３４のノズル口からの燃料噴射及び該燃料噴射時におけるリフト量を制御する。

燃料供給系には、図示省略の高圧燃料ポンプやコモンレールが設けられており、その高圧燃料ポンプは、低圧燃料ポンプを介して燃料タンクより供給されてきた燃料をコモンレールに圧送し、コモンレールは、その圧送された燃料を、所定の燃料圧力で蓄える。そして、インジェクタ３４が作動することによって、コモンレールに蓄えられている燃料がノズル口から噴射される。

ここで、エンジン１０の燃料は、本実施形態ではガソリンであるが、バイオエタノール等を含むガソリンであってもよく、少なくともガソリンを含む燃料（液体燃料）であれば、どのような燃料であってもよい。

また、このエンジン１０の燃焼室内には、オゾン発生器３６が配設されている。このオゾン発生器３６は、例えばねじ等の周知の構造によって、シリンダヘッド１３に固定されている。オゾン発生器３６の先端部は燃焼室の天井部に臨んでいる。このオゾン発生器３６の先端部は、インジェクタ３４のノズル口の近傍に位置する。オゾン発生器３６は、互いに絶縁され且つ対向して配置された２つの電極を有している。オゾン発生器３６は、オゾン発生システム３７によって駆動される。オゾン発生システム３７は、オゾン発生回路を有している。オゾン発生システム３７は、ＰＣＭ１００からの制御信号を受けて、高圧の高周波電圧をオゾン発生器３６に出力する。オゾン発生器３６は、高周波電圧が印加されると、２つの電極間にオゾンを発生させる。オゾン発生器３６に印加する高周波電圧の大きさ又は周波数を変更することによって、オゾンの濃度を調整することができる。尚、オゾン発生器３６の配置及び構成は、これに限定されるものではない。

ＰＣＭ１００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であって、プログラムを実行する中央演算処理装置（ＣＰＵ）と、例えばＲＡＭやＲＯＭ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（Ｉ／Ｏ）バスと、を備えている。

ＰＣＭ１００には、車速を検出する車速センサ７１、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ７２、エンジン１０の回転数を検出するエンジン回転数センサ７３の各センサが接続されている。

吸気通路３０上には、吸気通路３０を流れる新気の流量（及び温度）を検出するエアフローセンサ７４が配設されており、エアフローセンサ７４は、検出した流量及び外気温度をＰＣＭ１００に出力する。

また、サージタンク３８には、燃焼室に供給される空気の圧力を検出する吸気圧センサ（過給圧センサ）７５が取り付けられると共に、排気通路４０には、タービン上流の圧力を検出する排気圧センサ７６が配設されている。各センサ７５、７６は、ＰＣＭ１００に接続されており、その検出値をＰＣＭ１００に出力する。

そして、ＰＣＭ１００は、前述した各センサ等からの信号に基づいて、エンジン１０の運転状態を判断し、それに対応するエンジン１０の制御パラメータを設定する。そして、ＰＣＭ１００は、各制御パラメータに対応する信号を、スロットル弁３３、燃料供給システム３５、ＶＶＴ２３、排気シャッター弁４３、高圧ＥＧＲ弁５１１、低圧ＥＧＲ弁５２１、及び、オゾン発生システム３７等に出力する。

（エンジン本体の構成）
次に、エンジン本体の構成についてさらに詳細に説明をする。このエンジン１０の幾何学的圧縮比εは、２０以上４０以下とされている。幾何学的圧縮比εは、特に２５以上３５以下が好ましい。エンジン１０は圧縮比＝膨張比となる構成から、高圧縮比と同時に、比較的高い膨張比を有するエンジン１０でもある。尚、圧縮比≦膨張比となる構成（例えばアトキンソンサイクルや、ミラーサイクル）を採用してもよい。また、吸気弁の遅閉じ等を行う場合には、エンジン１０の有効圧縮比は、１２以上に設定される。好ましくは、エンジン１０の有効圧縮比は、１８以上に設定される。

燃焼室は、気筒１１の壁面と、ピストン１５の冠面と、シリンダヘッド１３の下面（天井面）と、吸気弁２１及び排気弁２２それぞれのバルブヘッドの面と、によって区画形成されている。そして、冷却損失を低減するべく、これらの各面に、断熱層が設けられることによって、燃焼室が断熱化されている。断熱層は、これらの区画面の全てに設けてもよいし、これらの区画面の一部に設けてもよい。また、燃焼室を直接区画する壁面ではないが、吸気ポート１８や排気ポート１９における、燃焼室の天井面側の開口近傍のポート壁面に断熱層を設けてもよい。

燃焼室の断熱構造について、さらに詳細に説明する。燃焼室の断熱構造は、上述の如く、燃焼室を区画する各区画面に設けた断熱層によって構成されるが、これらの断熱層は、燃焼室内の燃焼ガスの熱が、区画面を通じて放出されることを抑制するため、燃焼室を構成する金属製の母材よりも熱伝導率が低く設定される。ここで、気筒１１の壁面に設けた断熱層については、シリンダブロック１２が母材であり、ピストン１５の冠面に設けた断熱層についてはピストン１５が母材であり、シリンダヘッド１３の天井面に設けた断熱層については、シリンダヘッド１３が母材であり、吸気弁２１及び排気弁２２それぞれのバルブヘッド面に設けた断熱層については、吸気弁２１及び排気弁２２がそれぞれ母材である。したがって、母材の材質は、シリンダブロック１２、シリンダヘッド１３及びピストン１５については、アルミニウム合金や鋳鉄となり、吸気弁２１及び排気弁２２については、耐熱鋼や鋳鉄等となる。

また、断熱層は、冷却損失を低減する上で、母材よりも容積比熱が小さいことが好ましい。つまり、燃焼室内のガス温度は燃焼サイクルの進行によって変動するが、燃焼室の断熱構造を有しない従来のエンジンは、シリンダヘッドやシリンダブロック内に形成したウォータージャケット内を冷却水が流れることにより、燃焼室を区画する面の温度は、燃焼サイクルの進行にかかわらず、概略一定に維持される。

一方で、冷却損失は、冷却損失＝熱伝達率×伝熱面積×（ガス温度−区画面の温度）によって決定されることから、ガス温度と壁面の温度との差温が大きくなればなるほど冷却損失は大きくなってしまう。冷却損失を抑制するためには、ガス温度と区画面の温度との差温は小さくすることが望ましいが、冷却水によって燃焼室の区画面の温度を概略一定に維持した場合、ガス温度の変動に伴い差温が大きくなることは避けられない。そこで、断熱層の熱容量を小さくして、燃焼室の区画面の温度が、燃焼室内のガス温度の変動に追従して変化するようにすることが好ましい。

前記断熱層は、例えば、母材上にＺｒＯ_２等のセラミック材料をプラズマ溶射によってコーティングして形成すればよい。このセラミック材料の中には、多数の気孔を含んでいてもよい。このようにすれば、断熱層の熱伝導率及び容積比熱をより低くすることができる。

また、本実施形態では、図１に示すように、熱伝導率が非常に低くて断熱性に優れかつ耐熱性にも優れたチタン酸アルミニウム製のポートライナ１８１を、シリンダヘッド１３に一体的に鋳ぐるむことによって、吸気ポート１８に断熱層を設けている。この構成は、新気が吸気ポート１８を通過するときに、シリンダヘッド１３から受熱して温度が上がることを抑制乃至回避し得る。これによって気筒１１内に導入する新気の温度（初期のガス温度）が低くなるため、燃焼時のガス温度が低下し、ガス温度と燃焼室の区画面との差温を小さくする上で有利になる。燃焼時のガス温度を低下させることは熱伝達率を低くし得るから、そのことによる冷却損失の低減にも有利になる。尚、吸気ポート１８に設ける断熱層の構成は、ポートライナ１８１の鋳ぐるみに限定されない。

本実施形態では、前記の燃焼室及び吸気ポート１８の断熱構造に加えて、気筒内（燃焼室内）においてガス層による断熱層を形成することで、冷却損失を大幅に低減するようにしている。

具体的には、ＰＣＭ１００は、エンジン１０の気筒内（燃焼室内）の外周部に新気を含むガス層が形成されかつ中心部に混合気層が形成されるように、圧縮行程以降においてインジェクタ３４のノズル口から気筒内に燃料を噴射させるべく、燃料供給システム３５の電気回路に噴射信号を出力する。すなわち、圧縮行程以降においてインジェクタ３４により気筒内に燃料を噴射させかつその燃料噴霧のペネトレーションを、燃料噴霧が気筒内の外周部まで届かないような大きさ（長さ）に抑えることで、気筒内の中心部に混合気層が形成されかつその周囲に新気を含むガス層が形成されるという、成層化が実現する。このガス層は、新気のみであってもよく、新気に加えて、既燃ガス（ＥＧＲガス）を含んでいてもよい。尚、ガス層に少量の燃料が混じっても問題はなく、ガス層が断熱層の役割を果たせるように混合気層よりも燃料リーンであればよい。

前記のようにガス層と混合気層とが形成された状態で燃料が自己着火すれば、混合気層と気筒１１の壁面との間のガス層により、混合気層の火炎が気筒１１の壁面に接触することがなく、そのガス層が断熱層となって、気筒１１の壁面からの熱の放出を抑えることができるようになる。この結果、冷却損失を大幅に低減することができる。

尚、冷却損失を低減させるだけでは、その冷却損失の低減分が排気損失に転換されて図示熱効率の向上にはあまり寄与しないところ、このエンジン１０では、高圧縮比化に伴う高膨張比化によって、冷却損失の低減分に相当する燃焼ガスのエネルギを、機械仕事に効率よく変換している。すなわち、エンジン１０は、冷却損失及び排気損失を共に低減させる構成を採用することによって、図示熱効率を大幅に向上させているということができる。
（エンジンの燃料噴射制御）
エンジン１０は、全運転領域において、インジェクタ３４により気筒内に噴射された燃料を自己着火燃焼させる。より詳しくは、エンジン１０は、エンジン負荷が、図３に実線で示す所定の負荷（つまり、切替負荷）よりも低い低負荷及び中負荷の運転領域であって、通常の自己着火燃焼を行う通常運転領域Ａと、通常運転領域Ａよりも高負荷側の運転領域であって、リタードさせた自己着火燃焼を行うリタード運転領域Ｂとを有している。リタード運転領域Ｂは、切替負荷以上の運転領域と言い換えることが可能である。通常運転領域Ａは、後述するように、負荷の高低について領域Ａ１と領域Ａ２とに分割され、リタード運転領域Ｂは、負荷の高低について領域Ｂ１と領域Ｂ２とに分割される。

図４は、通常運転領域Ａ及びリタード運転領域Ｂにおける燃料噴射時期及び燃焼期間を例示している。図４にはまた、通常運転領域Ａ及びリタード運転領域ＢにおけるＥＧＲ率の変化を例示している（右図）。図４はさらにリタード運転領域Ｂ内の所定負荷における、気筒１１内の温度変化を例示している（上図）。

図４に示すように、通常運転領域Ａでは、圧縮上死点前に、複数回（図例では４回）の燃料噴射（つまり、主噴射）を行うと共に、圧縮上死点付近で燃料を自己着火燃焼させる。ＰＣＭ１００は、エンジン回転数、エンジン負荷及び有効圧縮比に応じて、燃料量、燃料の噴射タイミング、燃料の噴射形態を調整する。燃料噴射は、ＡＴＤＣ−１５°〜−５°ＣＡの範囲で行うようにしてもよい。こうすることで、煤の発生を回避しつつ、圧縮上死点付近で主燃焼を開始することが可能になる。

通常運転領域Ａでは、気筒内（燃焼室内）全体の空気過剰率λが２．５以上（又は、気筒内におけるガスの燃料に対する重量比Ｇ／Ｆが３５以上）に設定される。これにより、断熱層による断熱化を図って図示熱効率を向上させながら、ＲａｗＮＯｘを低減することができる。空気過剰率λ＝８で図示熱効率がピークになることから、空気過剰率λの範囲としては、２．５≦λ≦８が好ましい。通常運転領域Ａは、空気過剰率λを２．５以上にすることから、リーン領域（つまり、第１領域）と呼ぶことが可能である。

また、通常運転領域Ａでは、スロットル弁３３の開度を全開に設定する。これは、ポンプ損失の低減による図示熱効率の向上に寄与する。

このように通常運転領域Ａでは、空気過剰率λを２．５以上に設定するが、エンジン１０の負荷が高まって燃料量が増えたときには、空気過剰率λを２．５以上にすることが困難になり得る。そこで、このエンジン１０では、エンジン１０の負荷が相対的に高いリタード運転領域Ｂでは、空気過剰率λを１にする。リタード運転領域Ｂにおいては、三元触媒を利用して排気エミッション性能を良好に維持することが可能になる。リタード運転領域Ｂは、空気過剰率λを１にすることから、λ＝１領域（つまり、第２領域）と呼ぶことができる。

リタード運転領域Ｂは、エンジン１０の負荷の高低について、低負荷側の領域Ｂ１と高負荷側の領域Ｂ２とに区分される。このうち、低負荷側の領域Ｂ１では、圧縮上死点前の前段噴射と、その前段噴射後、より正確には圧縮上死点後の主噴射とを実行する。

前段噴射は、図４に例示するように、圧縮上死点前の、例えば２０°ＣＡ程度の時期に行う。これは、図４に示す煤の発生領域から外れた時期である。前段噴射によって気筒１１内に噴射する燃料量は、熱炎反応に至らずに酸化反応をする程度の、比較的少量である。この前段噴射によって噴射された燃料は、熱炎反応に至らずに酸化反応をすることにより（つまり、部分酸化反応により）、圧縮上死点での気筒１１内の温度が調整される。前段噴射の噴射量が多くなるほど、圧縮端温度は高くなる。従って、圧縮端温度が所望の温度となるような量の燃料が、前段噴射によって気筒１１内に噴射される。

圧縮上死点以降、膨張行程が進行するに従い、モータリング時には、気筒１１内の温度は次第に低下するものの、前段噴射によって、圧縮端温度を適度に高めておくことで、圧縮上死点以降の筒内温度が所定以下に低下することを抑制することが可能になる。つまり、前段噴射は、筒内温度が高くなり過ぎることを防止しつつ、圧縮上死点以降の筒内温度を維持するためのものである。この前段噴射により、圧縮上死点以降の混合気は、温度変化が所定の温度幅内に抑制された状態で膨張、即ち、実質的に等温膨張する。本明細書では、この実質的な等温膨張のことを単に「等温膨張」という。

主噴射は、エンジントルクを生成する主燃焼（１サイクル中で最も大きな熱量を発生させる燃焼）を生じさせるための噴射である。前段噴射及び主噴射の全噴射量は、筒内全体の空気過剰率λが１となるように設定される。主噴射は、圧縮上死点後の所定の時期に行われる。これは煤の発生領域から外れた時期であると共に、圧縮上死点以降の気筒内の温度が所定の温度幅に収まる期間において燃料が圧縮自己着火し得る時期に相当する。ここで、着火とは、燃料の燃焼質量割合が１０％以上となった時点を意味する。主噴射は、圧縮上死点以降であって、膨張行程中（より詳しくは、膨張行程を初期、中期、終期に３等分したときの初期）に実行される。主噴射は、トルクを発生させる主燃焼を生じさせるものであるので、必要なトルクに見合った燃料を噴射する必要がある。例えば、主噴射では、前段噴射による噴射量と主噴射による噴射量とを合わせた全噴射量のうち３／４以上の燃料を噴射することが好ましい。

こうして、リタード運転領域Ｂにおける低負荷側の領域Ｂ１では、図４に示すように、その圧縮自己着火燃焼の期間を、通常運転領域Ａでの燃焼期間よりも遅角している。圧縮自己着火燃焼の燃焼期間は、モータリング時の圧力上昇率が負の最大値となる時点と重複するまで、又は、圧縮自己着火燃焼の燃焼中心が負の圧縮上昇率が大きい期間（つまり、圧縮上死点後１０〜２０°ＣＡ）と重複するまで、遅角させる。以下、着火時期をリタードさせる自己着火燃焼を「リタード自己着火燃焼」と称する場合がある。このリタード自己着火燃焼により、燃焼騒音が増大してしまうことが回避される。

このように主燃焼をリタードさせる場合、リタードできる期間には限界がある。つまり、膨張行程が進むと、筒内の容積の増大に伴って筒内温度が低下するので、主燃焼をリタードさせ過ぎると失火してしまう。膨張行程における筒内温度の低下速度は、圧縮比が高いほど速い。そのため、圧縮比が高いほど、リタード可能な期間が短くなる。しかしながら、前記前段噴射により圧縮上死点以降の筒内温度を維持することによって、主燃焼をリタードできる期間を拡大することができる。

ただし、圧縮上死点以降の筒内温度を高くする際に、筒内温度を高くし過ぎると、主噴射により噴射した燃料が筒内の空気と混ざり切る前に局所的に着火してしまい、煤を発生させる虞がある。しかし、前段噴射によれば、圧縮上死点以降の筒内温度の変動が所定の温度幅内に抑制されるので、筒内温度の過度な上昇も抑制される。その結果、主噴射による燃料が局所的に着火して煤が発生してしまうことを抑制することができる。

従って、前記「所定の温度幅」の上限値は、主噴射による燃料が筒内の空気に混合される前に着火してしまう温度未満の温度である。所定の温度幅の下限値は、圧縮上死点における筒内温度を、モータリングを行うことで低下させた温度よりも高い温度である。つまり、前段噴射によって、圧縮上死点から主燃焼が生じるまでの筒内温度は、主噴射による燃料が筒内の空気に混合される前に着火する温度未満であって、圧縮上死点における筒内温度を、モータリングを行うことで低下させた温度よりも高い温度に維持される。例えば、「所定の温度幅」は、１００度である。より具体的には、圧縮上死点から主燃焼が生じるまでの筒内温度は、１０００〜１１００Ｋに維持される。

このような、前段噴射と主噴射とを行ってリタード自己着火燃焼を行う低負荷側の領域Ｂ１に対し、リタード運転領域Ｂ内における高負荷側の領域Ｂ２では、圧縮上死点前の前段噴射と、圧縮上死点後の主噴射との間に、第２の前段噴射を行った上で、リタード自己着火燃焼を行う。これは、高負荷側の領域Ｂ２では、燃焼騒音を回避する目的から、圧縮自己着火燃焼の期間を、低負荷側の領域Ｂ１よりもさらに遅角させる必要があるが、圧縮自己着火燃焼の期間が、圧縮上死点から大きく遅れてしまうと、前述した前段燃焼によって気筒内の温度を維持しようとしても、温度が維持しきれずに低下してしまい、失火が生じる虞があるためである。つまり、第２の前段噴射は、圧縮上死点から主噴射の燃料が自己着火するまでの筒内温度を実質的に圧縮上死点における筒内温度のまま維持するための熱量を発生させるものであり、それによって、温度維持期間を調整する。

第２の前段噴射もまた、噴射した燃料を部分酸化反応させる空燃比となる量だけ燃料を噴射するものであって、圧縮上死点以降の筒内温度を所定の期間、主噴射による燃料が自己着火可能な温度に維持するためのものである。第２の前段噴射では、燃料が酸化反応するものの熱炎反応には至らないので、圧縮上死点以降の筒内温度の低下を抑制する程度の熱量しか発生しない。第２の前段噴射は、筒内温度が高くなり過ぎることを防止しつつ、圧縮上死点以降の筒内温度を維持するためのものである。この第２の前段噴射により、高負荷側の領域Ｂ２では、低負荷側の領域Ｂ１と比較して、圧縮上死点以降の温度維持期間が長くなる。

そうして、高負荷側の領域Ｂ２では、主噴射の噴射時期を、低負荷側の領域Ｂ１での噴射時期よりも遅角する。但し、主噴射の時期は、膨張行程において筒内温度の変動が前記所定の温度幅内に収まっている間に燃料が着火するタイミングでかつ、主燃焼の燃焼期間がモータリング時の気筒内の圧力上昇率が負の最大値となる時点と重複するタイミングである。主噴射の時期を相対的に遅角することで、圧縮自己着火時期が遅れるようになり、その結果、圧縮自己着火燃焼の期間が、低負荷側の領域Ｂ１よりも遅角するようになる。こうして、高負荷側の領域Ｂ２においても、燃焼騒音を回避することが可能になる。

第２の前段噴射の噴射量は、エンジン１０の負荷が高まるに従い増量する。負荷が高くなるほど、燃焼期間を遅らせるために主噴射のタイミングも遅くする必要があるため、第２の前段噴射の噴射量を増やすことによって、圧縮上死点後の、所定温度を維持する期間を長くする。これにより、第２の前段噴射の噴射開始時期はエンジン１０の負荷の高低に対してほとんど変化しないものの、その噴射終了時期はエンジン１０の負荷が高くなるほど遅くなる。

主噴射の噴射開始時期は、エンジン１０の負荷が高まるに従い次第に遅角する。これは、圧縮自己着火燃焼の期間を遅角させること、及び、第２の前段噴射の噴射終了時期が遅くなることに対応している。また、エンジントルクに寄与する主噴射は、エンジン１０の負荷が高まるに従い増量する。

これに対し、前段噴射は、その噴射量及び噴射時期共に、リタード運転領域Ｂの全域に亘って、エンジン１０の負荷の高低に対し、ほぼ一定である。

尚、高負荷側の領域Ｂ２においても、前段噴射、第２の前段噴射及び主噴射の全噴射量は、筒内全体の空気過剰率λが１となるように設定されている。前段噴射による噴射量は、全噴射量の５％程度であり、第２の前段噴射による噴射量は、全噴射量の１５％程度である。主噴射の噴射量は、全噴射量の８０％程度である。

図４に示す上図は、前段噴射、第２の前段噴射及び主噴射を行う、高負荷側の領域Ｂ２での気筒１１内の温度変化の一例を示している（実線を参照）。前述の通り、前段噴射によって気筒１１内に噴射された燃料は圧縮端温度を調整すると共に、圧縮上死点後の第２の燃料噴射により気筒１１内に噴射された燃料は部分酸化反応により、圧縮上死点後の気筒１１内の温度を所定の範囲に維持する期間を延長する。尚、破線は、モータリング時における、圧縮上死点後の気筒１１内の温度変化を示している。そうして、主噴射によって気筒内に噴射された燃料は、所定の時期に圧縮自己着火し、燃焼することになる。

尚、図４に一点鎖線で囲まれた、通常運転領域Ａとリタード運転領域Ｂとの切替負荷に隣接する燃焼遷移領域では、前述した、通常運転領域Ａにおける圧縮上死点前の複数回の燃料噴射と、リタード運転領域Ｂにおける低負荷側の領域Ｂ１での前段噴射及び主噴射とが、実行される。

また、リタード運転領域Ｂでは、前述の通り、少なくとも前段噴射と主噴射とを行うことにより、圧縮着火燃焼の期間を遅角させているものの、必要に応じて、主噴射の後に、オゾン発生器３６によって気筒１１内にオゾンを添加してもよい（図４参照）。すなわち、ＰＣＭ１００は、前段噴射及び主噴射をインジェクタ３４に行わせた後、オゾン発生器３６にオゾンを発生させる。主噴射によって気筒１１内に噴射された燃料は、オゾンによってエネルギが付与され、容易に自己着火燃焼する。つまり、オゾンは、燃料の自己着火燃焼をアシストする。

前段噴射（及び第２の前段噴射）によれば、圧縮上死点以降の筒内温度の低下を抑制できるため、自己着火燃焼をリタードできる期間を延長することができる。しかしながら、リタードできる期間を延長できたとしても限界がある。それに対し、オゾンを添加することによって、オゾンの添加が無ければ着火が困難又は着火が不可能な時点まで着火時期をリタードさせたとしても燃料を自己着火させることができる。オゾン添加は、自己着火燃焼をリタードさせる際のリタード期間を拡大することを可能にする。

オゾン添加は、常時行ってもよい。オゾン添加によって、前段噴射及び第２の前段噴射の噴射量を減らすことが可能になる。また、オゾン添加は、圧縮上死点以降の筒内温度が所定の温度を下回ったときに限り、実行してもよい。この所定の温度は、オゾン添加が無くても、燃料の自己着火燃焼が可能な温度である。つまり、前述したように、圧縮上死点から主噴射による燃料が着火するまでの筒内温度の変動を前段噴射によって所定の温度幅に維持する際の下限値に相当する温度である。つまり、圧縮上死点以降の筒内温度を前段噴射によって維持するだけでは主噴射による燃料の自己着火燃焼が困難な状況において、オゾンを添加してもよい。

オゾン添加はまた、リタード運転領域Ｂにおける高負荷側の領域Ｂ２においてのみ行うようにしてもよいし、リタード運転領域Ｂの全域に亘って行ってもよい。

また、オゾン発生器３６によって発生するオゾンの濃度は、例えばエンジン１０の負荷が高いほど高くしてもよい。オゾンの濃度が高いほど、自己着火燃焼のアシストは強くなり、気筒内の温度が低くても、自己着火が可能になる、又は、着火時期が早くなる。一方、オゾン濃度を高くすることは、燃費の悪化や、エンジン１０の腐食には不利である。そこで、必要最低限のオゾンを添加するように、オゾンの濃度は、エンジン１０の負荷が高いほど高くしてもよい。

オゾンの添加時期は、エンジン１０の負荷が高いほど遅くしてもよい。図４の右図に示すように、オゾンの添加時期を遅くするほど、主燃焼の着火時期は遅くなる。そのため、圧縮自己着火燃焼の期間の遅角量に対応するように、オゾンの添加時期を遅らせてもよい。こうすることで、圧縮自己着火燃焼の期間を、エンジン１０の負荷に対応した適切な時期に設定することが可能になる。

（エンジンのＥＧＲ制御）
次に、エンジン１０のＥＧＲ制御（吸気充填量制御）について説明をする。先ず、通常運転領域Ａは、エンジン負荷の高低に対して、低負荷側の領域Ａ１と、高負荷側の領域Ａ２とに区分される。低負荷側の領域Ａ１（つまり、リーン領域内における所定の低負荷側領域に対応）では、エンジン１０の負荷が低いことから燃焼安定性を確保するために、高圧ＥＧＲシステム５１及び低圧ＥＧＲシステム５２を通じた排気ガスの還流は行わない。一方、高負荷側の領域Ａ２では、高圧ＥＧＲシステム５１及び低圧ＥＧＲシステム５２を通じて排気ガスの還流を行う。高圧ＥＧＲシステム５１による排気ガスの還流量と、低圧ＥＧＲシステム５２による排気ガスの還流量との割合は、エンジン１０の運転状態に応じて適宜設定される。前述したように、高圧ＥＧＲシステム５１及び低圧ＥＧＲシステム５２はそれぞれ、ＥＧＲクーラ５１２、５２２を含むことから、いずれのシステム５１、５２を通じて還流した排気ガスも、冷却した排気ガスとなる。

図４の右図に実線で示すように、高負荷側の領域Ａ２におけるＥＧＲ率は、所定の負荷までは所定値で一定にされる一方、所定の負荷から切替負荷までの間は、エンジン１０の負荷が高まるに従い、ＥＧＲ率が次第に高くなるように設定される。そうして、切替負荷においては、後述するように、リタード運転領域Ｂにおいて設定されるＥＧＲ率と一致する。但し、より正確には、高負荷側の領域Ａ２においてＥＧＲ率は、切替負荷よりも低い負荷で、リタード運転領域Ｂにおいて設定されるＥＧＲ率と一致する。

リタード運転領域Ｂでは、空気過剰率λが１になるように、エンジン負荷の高低に対応してＥＧＲ率が連続的に変化するよう設定される。通常運転領域Ａ内においても、リタード運転領域Ｂに隣接する領域では、ＥＧＲ率を連続的に変化させる。このことで、エンジン１０の負荷が連続的に増減して、通常運転領域Ａからリタード運転領域Ｂへと移行するとき、又は、リタード運転領域Ｂから通常運転領域Ａへと移行するときに、ＥＧＲ率を連続的に変化させることが可能になる。高圧ＥＧＲシステム５１及び低圧ＥＧＲシステム５２の応答性は低いため、ＥＧＲ率を連続的に変化させることは、エンジン負荷の変化に対する追従性を高めて、排気エミッション性能の低下や、トルクショック等の発生を回避する上で有効になる。

また、高負荷側の領域Ａ２における、所定の負荷までの領域では、前述したように、ＥＧＲ率が、所定値で一定にされる。このＥＧＲ率は、リタード運転領域Ｂにおいて変化するＥＧＲ率の中間値に相当する。こうすることで、詳しくは後述するが、エンジン１０の運転状態が変化して、通常運転領域Ａからリタード運転領域Ｂへと移行したときに、ＥＧＲ率のずれを小さくすることが可能になる。ここで、中間値は、リタード運転領域Ｂにおいて設定されるＥＧＲ率の最大値と最小値との間の値であればよく、最大値と最小値との中央値としてもよいが、中央値でなくてもよい。中間値は、適宜の値に設定することが可能である。

尚、通常運転領域Ａの高負荷側の領域Ａ２においては、図４に二点鎖線で示すように、エンジン１０の負荷が低下するに従い、ＥＧＲ率を次第に低下させるようにしてもよい。

前述したように通常運転領域Ａの全域に亘って、スロットル弁３３の開度は全開に設定される。これにより、ポンプ損失が低減する。ここで、スロットル弁３３の開度は全開にすることには、開度を実質的に全開にすることが含まれる。これは、高圧ＥＧＲ通路５１０を通じて排気ガスを還流させることが可能となる程度の吸気負圧が発生するように、スロットル弁３３を若干絞ることは許容するものである。

リタード運転領域Ｂでは空気過剰率λを１にするが、そのときに、スロットル弁３３の開度を全開にしたまま、エンジン１０の負荷に応じて排気ガスの還流量を調整することにより、気筒１１内に導入する新気量（正確には酸素量）を調整し、空気過剰率λを１にする。つまり、エンジン１０の負荷が高くなるに従い、燃料量が増えてそれに見合う空気量も増えることから、ＥＧＲ率は、図４の右図に示すように、エンジン１０の負荷が高くなるに従い次第に低くなり、全開負荷でＥＧＲ率は０になる。これにより、リタード運転領域Ｂにおいては、ポンプ損失を低減して、図示熱効率の向上に有利になる。

ここで、このエンジンシステム１では、高圧ＥＧＲ通路５１０及び低圧ＥＧＲ通路５２０のそれぞれにおいて、ＥＧＲクーラ５１２、５２２が介設しており、排気ガスを冷却した上で、気筒１１内に還流させる。このため、気筒１１内の温度状態が高くなりすぎることが回避される。これは、リタード運転領域Ｂでは、主噴射による圧縮自己着火燃焼を緩慢にし、燃焼騒音の低減に有利になる。その結果、リタード運転領域Ｂにおける低負荷側の領域Ｂ１及び高負荷側の領域Ｂ２のそれぞれにおいて、圧縮自己着火燃焼の期間をできるだけ進角させることを可能にする。つまり、当該領域Ｂにおいて、燃費の向上に有利になる。また、圧縮自己着火燃焼の期間をできるだけ進角させることは、高負荷側の領域Ｂ２では、第２の前段噴射の燃料量を少なくすることを可能にする。このこともまた、主噴射の時期を進角可能にして燃費の向上に有利になると共に、主噴射の噴射量を増やすことが可能になる。これは、トルクの発生に有利になる。また、第２の前段噴射の燃料量を少なくすることは、第２の前段噴射が必要となる領域を縮小すると言い換えることができる。低負荷側の領域Ｂ１と高負荷側の領域Ｂ２とを比較したときには、自己着火燃焼の期間が進角している低負荷側の領域Ｂ１の方が燃費には有利であるため、高負荷側の領域Ｂ２が縮小することは、燃費の向上に有利である。

一方、通常運転領域Ａ内において、リタード運転領域Ｂに隣接する高負荷側の領域においては、通常運転領域Ａとリタード運転領域Ｂとの間の遷移をスムースにする観点から排気ガスを還流させているが、この領域においても、冷却した排気ガスを還流させることにより、自己着火燃焼が緩慢になり、燃焼騒音の低減に有利になる。その結果、燃焼騒音の回避が可能な通常運転領域Ａを、高負荷側に拡大することに有利になる。

また、通常運転領域Ａ内における中負荷の領域では、ＥＧＲ率を、リタード運転領域Ｂにおいて変化し得るＥＧＲ率の中間値に設定していることにより、例えば急加速等によって、エンジン１０の負荷が急変して、図４の右図に破線の矢印で示すように、通常運転領域Ａからリタード運転領域Ｂへと移行した直後に生じ得る、要求負荷に対応するＥＧＲ率との、ずれを小さくすることが可能になる。尚、ＥＧＲ率のずれは、図４では、破線の矢印の先端と一点鎖線とのずれに相当する。エンジン１０の負荷の変化に対し、高圧ＥＧＲシステム５１及び低圧ＥＧＲシステム５２の応答性は低い。リタード運転領域Ｂ内におけるＥＧＲ率のずれは、空気過剰率λのずれを招き、排気エミッション性能を低下させるものの、そのずれを小さくすることにより、排気エミッション性能の低下が、できるかぎり小さくなると共に、ＥＧＲ率のずれがなくなるまでの時間を、できるだけ短くすることが可能になる。

次に、図５に示すフローチャートを参照しながら、ＰＣＭ１００が実行する、前述したエンジン制御について説明をする。スタート後のステップＳ１では、アクセル開度センサ７２、エンジン回転数センサ７３、エアフローセンサ７４、及び車速センサ７１の各信号を読み込み、続くステップ２においてＰＣＭ１００は、読み込んだ各信号に基づいて、吸気弁２１及び排気弁２２の位相角を設定する。

ステップＳ３でＰＣＭ１００は、読み込んだアクセル開度と、エンジン回転数とに基づいて、エンジン１０の運転領域を判定し、当該運転領域と各信号値とに基づいて、燃料噴射量及び燃料噴射時期をそれぞれ決定する（ステップＳ４）。

また、ステップＳ５では、ＰＣＭ１００は、エンジン１０の運転領域と各信号値とに基づいて、オゾンの発生量と、その時期とをそれぞれ決定し、続くステップＳ６で、ＰＣＭ１００は、エンジン１０の負荷に基づいて設定される目標のＥＧＲ率を設定する。

こうして、前記のステップＳ２、Ｓ４〜Ｓ６において設定した、バルブ位相角、燃料噴射量及び燃料噴射時期、オゾン発生量及び発生時期、並びに、目標ＥＧＲ率に従って、スロットル弁３３、インジェクタ３４、ＶＶＴ２３、排気シャッター弁４３、高圧ＥＧＲ弁５１１、低圧ＥＧＲ弁５２１及びオゾン発生器３６を制御することで、エンジン１０を運転する。

尚、前記の構成では、燃焼室及び吸気ポート１８の断熱構造を採用するとともに、気筒内（燃焼室内）にガス層による断熱層を形成するようにしたが、燃焼室及び吸気ポート１８の断熱構造を採用しないエンジンや、ガス層による断熱層を形成しないエンジンにも本技術を適用することができる。

また、前記の構成では、ターボ過給機付きエンジンを例に、本技術を説明したが、ターボ過給機を備えない自然吸気エンジンに、本技術を適用することも可能である。自然吸気エンジンにおいては、低圧ＥＧＲシステム５２は省略される。

また、圧縮上死点以降の筒内温度の変動が収められる温度幅は、１００度に限られるものではない。燃料の異常燃焼を防止し且つリタードさせた自己着火燃焼を可能にする温度幅であれば、９０度や１１０度等、それ以外の値であってもよい。

同様に、筒内温度の変動が所定の温度幅に収められている間の筒内温度は、１０００〜１１００Ｋに限られるものではない。燃料の異常燃焼を防止し且つリタードさせた自己着火燃焼を可能にする温度であれば、９５０〜１１００Ｋ、１０００〜１１５０Ｋ、１１００〜１２００Ｋ等、それ以外の値であってもよい。

１ エンジンシステム
１０ エンジン（エンジン本体）
１１ 気筒
１００ ＰＣＭ（制御器）
３０ 吸気通路
３３ スロットル弁
３４ インジェクタ（燃料噴射弁）
５１ 高圧ＥＧＲシステム（コールドＥＧＲ手段）
５２ 低圧ＥＧＲシステム（コールドＥＧＲ手段）

Claims (3)

1. 幾何学的圧縮比が２０以上に設定された気筒を有して構成されたエンジン本体と、
   前記気筒内に、排気ガスの一部を冷却した上で還流させるよう構成されたコールドＥＧＲ手段と、
   前記気筒内の混合気を圧縮自己着火燃焼させることにより、前記エンジン本体を運転するよう構成された制御器と、
   前記気筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、を備え、
   前記制御器は、前記エンジン本体の運転状態が、中負荷に相当する所定の切替負荷よりも低い第１領域にあるときには、前記気筒内の混合気の空気過剰率λを２．５以上にして圧縮自己着火燃焼させる一方、前記エンジン本体の運転状態が前記切替負荷以上の第２領域にあるときには、前記空気過剰率λを１にして圧縮自己着火燃焼させ、
   前記制御器はまた、前記第１領域及び第２領域で、前記気筒に連通する吸気通路上に設けたスロットル弁の開度を全開に設定すると共に、
   前記第１領域内における所定の低負荷側領域では、前記コールドＥＧＲ手段による排気ガスの還流を行わない一方、
   全開負荷を除く前記第２領域では、前記コールドＥＧＲ手段を通じて冷却した排気ガスを還流することにより、前記空気過剰率λを１にし、
   前記制御器は、
   前記第１領域では、圧縮上死点前に、全量の燃料噴射を前記燃料噴射弁に実行させ、
   前記第２領域では、圧縮上死点前に、熱炎反応に至らずに酸化反応をする量の燃料を噴射することにより、圧縮上死点以降に、気筒内の温度の変動が所定の温度幅に収まる温度維持期間を設ける前段噴射と、当該前段噴射よりも後に燃料を噴射して、圧縮上死点以降であって、前記温度維持期間内に燃料を圧縮自己着火燃焼させる主噴射と、を前記燃料噴射弁に実行させ、
   前記制御器はまた、前記第２領域では、前記エンジン本体の負荷の高低に応じてＥＧＲ率を変化させると共に、前記第１領域内において、前記第２領域に隣接する所定の高負荷側領域では、前記第２領域の前記切替負荷において設定されているＥＧＲ率に近づくように、前記エンジン本体の負荷が高まるに従いＥＧＲ率を高くし、
   前記制御器は、前記第１領域における前記所定の高負荷側領域と前記所定の低負荷側領域との間の負荷領域では、ＥＧＲ率を、前記第２領域において変化するＥＧＲ率の中間値となるように設定する圧縮自己着火エンジンの制御装置。
2. 請求項１に記載の圧縮自己着火エンジンの制御装置において、
   前記制御器は、前記第２領域では、前記エンジン本体の負荷が高くなるに従いＥＧＲ率を低くし、
   前記制御器はまた、前記第２領域における所定の高負荷側領域では、前記前段噴射と前記主噴射との間で、熱炎反応に至らずに酸化反応をする量の燃料を噴射して、前記温度維持期間の長さを調整する第２の前段噴射を行うと共に、前記主噴射の時期を、前記所定の高負荷側領域よりも負荷の低い領域での主噴射の時期に対し遅角させる圧縮自己着火エンジンの制御装置。
3. 幾何学的圧縮比が２０以上に設定された気筒を有して構成されたエンジン本体と、
   前記気筒内に、排気ガスの一部を冷却した上で還流させるよう構成されたコールドＥＧＲ手段と、
   前記気筒内の混合気を圧縮自己着火燃焼させることにより、前記エンジン本体を運転するよう構成された制御器と、を備え、
   前記制御器は、前記エンジン本体の運転状態が、中負荷に相当する所定の切替負荷よりも低い第１領域にあるときには、前記気筒内の混合気の空気過剰率λを２．５以上にして圧縮自己着火燃焼させる一方、前記エンジン本体の運転状態が前記切替負荷以上の第２領域にあるときには、前記気筒内全体の前記空気過剰率λを１にして圧縮自己着火燃焼させ、
   前記制御器はまた、前記第１領域及び第２領域で、前記気筒に連通する吸気通路上に設けたスロットル弁の開度を全開に設定すると共に、
   前記第１領域内における所定の低負荷側領域では、前記コールドＥＧＲ手段による排気ガスの還流を行わない一方、
   全開負荷を除く前記第２領域では、前記コールドＥＧＲ手段を通じて冷却した排気ガスを還流することにより、前記空気過剰率λを１にする圧縮自己着火エンジンの制御装置。

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