JP5540729B2 - 過給機付エンジンの制御方法および制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃焼室に導入される新気を過給する過給機を備えた過給機付エンジンの制御方法および制御装置に関する。

従来、下記特許文献１に示されるように、点火プラグを有する火花点火式ガソリンエンジンにおいて、エンジンの部分負荷運転領域で、混合気を自着火させる圧縮自己着火燃焼を行う一方、これよりも高負荷側の運転領域では、火花点火による強制燃焼で運転することが行われている。

上記のように圧縮自己着火燃焼と火花点火による強制燃焼とをエンジン負荷に応じて使い分けることは、従来から多く提案されている。すなわち、圧縮自己着火燃焼は、燃焼室の各所で同時多発的に自着火する燃焼であり、従来から行われてきた火花点火による燃焼に比べてより高い熱効率が得られると言われているが、負荷が高いときの燃焼制御性に問題がある（つまり過早着火やノッキングが起き易くなる）ため、高負荷域では、火花点火によりコントロールされた強制燃焼を行う必要がある。そこで、圧縮自己着火による燃焼と火花点火による燃焼という２つの燃焼形式を負荷に応じて使い分けるようにしている。これにより、部分的にではあるが、圧縮自己着火燃焼が的確に実行され、その実行領域での熱効率が向上する結果、燃費性能が改善するという利点が得られる。

ところで、圧縮自己着火による燃焼は、高負荷域だけでなく、エンジン負荷が極端に低い場合（例えばアイドリング時）にも不安定になり易い。すなわち、負荷が極端に低いと、エンジンの筒内温度が低下するため、失火が起き易くなる。そこで、下記特許文献２では、エンジンの極低負荷域において、吸入空気（新気）を排気ガスとの熱交換により強制的に加熱し、この加熱された空気を筒内に導入するという技術が提案されている。このように、新気を加熱した上で筒内に導入するようにした場合には、筒内温度の上昇によって自着火が促進されるため、失火を防止できるという利点がある。

特開２００７−２９２０６０号公報 特開２００７−８５２４１号公報

一方、エンジンの熱効率を向上させるには、理論空燃比よりもリーンな空燃比下で混合気を燃焼させればよいことが知られている。すなわち、燃料（ガソリン）の供給量に対して過剰な空気を気筒内に導入し、これによって形成されるリーンな空燃比下で燃焼を行わせれば、理論空燃比下での燃焼と比べて燃焼温度を低下させることができるため、エンジンの排気損失および冷却損失が低減される結果、熱効率をより向上させることができる。

このことから、上記のように空燃比をリーンに設定した状態で、上述した圧縮自己着火燃焼を行わせれば、より効果的にエンジンの熱効率を向上させて燃費性能を改善できるようになると期待される。

しかしながら、リーン空燃比下で圧縮自己着火燃焼を行わせようとすれば、例えばエンジンの低負荷域でより失火が起き易くなることが懸念される。そのための対策として、上記特許文献２のように新気を加熱する方法を採用することが考えられるが、リーン空燃比でしかも負荷が低い状況での自着火を、新気を加熱することで無理に起こさせようとすれば、新気を大幅に加熱する必要が生じると予想され、実用上の問題や、密度低下による出力の低下等が懸念される。

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、新気の温度を強制的に増減させる操作を不要にしつつ、より広範な負荷域でリーン空燃比下での圧縮自己着火燃焼を行わせることにより、エンジンの熱効率をより効果的に向上させ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、燃焼室に導入される新気を過給する過給機を備えた過給機付エンジンを制御する方法であって、幾何学的圧縮比を１６以上に設定し、少なくともエンジンの低回転域で、理論空燃比よりもリーンな空燃比下での圧縮自己着火燃焼を行わせ、上記圧縮自己着火燃焼を行わせる運転領域のうち、所定の負荷よりも低負荷側では、相対的に新気量を低減させつつ有効圧縮比を高め、上記所定の負荷よりも高負荷側では、上記過給機による過給圧を高めることで相対的に新気量を増大させつつ有効圧縮比を低下させることを特徴とするものである（請求項１）。

また、本発明は、燃焼室に導入される新気を過給する過給機を備えた過給機付エンジンを制御する装置であって、幾何学的圧縮比が１６以上に設定され、少なくともエンジンの低回転域で、理論空燃比よりもリーンな空燃比下での圧縮自己着火燃焼を行わせるようにエンジンの各部を制御する制御手段を備え、上記制御手段は、上記圧縮自己着火燃焼を行わせる運転領域のうち、所定の負荷よりも低負荷側では、相対的に新気量を低減させつつ有効圧縮比を高め、上記所定の負荷よりも高負荷側では、上記過給機による過給圧を高めることで相対的に新気量を増大させつつ有効圧縮比を低下させることを特徴とするものである（請求項５）。

これらの発明によれば、幾何学的圧縮比を１６以上と高く設定した過給機付エンジンにおいて、理論空燃比よりもリーンな空燃比下での圧縮自己着火燃焼を行わせる際に、エンジン負荷の増大に応じて、有効圧縮比を低下させて圧縮端温度（着火直前の筒内温度）を低下させるとともに、過給により新気量を増大させて圧縮端圧力（着火直前の筒内圧力）を高めるようにしたため、過給された多量の新気によりエンジン出力を十分に確保しつつ、燃料分子と酸素分子の衝突速度を低下させて化学反応を抑制することにより、ノッキングや過早着火等の異常燃焼を効果的に防止することができる。

一方、エンジン負荷が低下した場合には、有効圧縮比を高めて圧縮端温度を上昇させるとともに、新気量を低減させて圧縮端圧力を低下させることにより、新気が少なく燃料分子と酸素分子の衝突頻度が少ない状況でも、分子速度を速めることで化学反応を促進し、混合気を確実に自着火させることができる。

そして、以上のような効果により、本発明では、例えば新気を吸入する過程でその温度を強制的に増減させるといった操作を行わなくても、リーン空燃比下での圧縮自己着火燃焼を負荷方向のより広い範囲にわたって適正に実行することができ、エンジンの熱効率を効果的に向上させることができる。

本発明の制御方法において、好ましくは、上記圧縮自己着火燃焼を行わせる運転領域のうち、上記所定の負荷よりも低負荷側では、既燃ガスを燃焼室に残留させる内部ＥＧＲを行うことにより、新気量を低減させる（請求項２）。

本発明の制御装置において、好ましくは、上記制御手段は、上記圧縮自己着火燃焼を行わせる運転領域のうち、上記所定の負荷よりも低負荷側では、既燃ガスを燃焼室に残留させる内部ＥＧＲを行うことにより、新気量を低減させる（請求項６）。

これらの態様によれば、低負荷側で内部ＥＧＲを行うことにより、新気量を低減できるだけでなく、圧縮初期温度を高めることができるため、低負荷に適した圧縮端温度および圧縮端圧力の条件を効率よくつくり出すことができ、リーン空燃比下での圧縮自己着火燃焼を低負荷側で適正に実行できるという利点がある。

本発明の制御方法において、好ましくは、上記圧縮自己着火燃焼を行わせる運転領域の全域で、理論空燃比に対する空気過剰率λをλ≧２に設定する（請求項３）。

本発明の制御装置において、好ましくは、上記制御手段は、上記圧縮自己着火燃焼を行わせる運転領域の全域で、理論空燃比に対する空気過剰率λをλ≧２に設定する（請求項７）。

これらの態様によれば、λ≧２という大幅にリーンな空燃比下で圧縮自己着火燃焼を行わせることにより、燃焼により生じるＮＯｘの量を効果的に低減でき、排ガス規制を十分に満足できるという利点がある。

本発明の制御方法において、好ましくは、上記圧縮自己着火燃焼を行わせる運転領域のうち、上記所定の負荷よりも高負荷側の負荷域の少なくとも一部では、圧縮行程後半に燃料を噴射する後段噴射と、それ以前に燃料を噴射する前段噴射とを含む分割噴射を実行する（請求項４）。

本発明の制御装置において、好ましくは、上記制御手段は、上記圧縮自己着火燃焼を行わせる運転領域のうち、上記所定の負荷よりも高負荷側の負荷域の少なくとも一部では、圧縮行程後半に燃料を噴射する後段噴射と、それ以前に燃料を噴射する前段噴射とを含む分割噴射を実行する（請求項８）。

これらの態様に示すように、燃料噴射を複数回に分割する分割噴射を行った場合には、燃料が高温・高圧に晒される時間が全体として短くなるため、圧縮端温度がある程度高くても、早期に化学反応が起きることが回避され、過早着火等の異常燃焼が防止される。このため、圧縮端温度を下げるために有効圧縮比を大幅に低下させる必要がなくなり、過給能力がそれ程高くなくても、負荷に応じた新気量を十分に確保できるという利点がある。

以上説明したように、本発明によれば、新気の温度を強制的に増減させる操作を不要にしつつ、より広範な負荷域でリーン空燃比下での圧縮自己着火燃焼を行わせることができ、エンジンの熱効率をより効果的に向上させることができる。

理論空燃比に対する空気過剰率λとＮＯｘの生成量との関係を示すグラフである。 燃料と酸素が化学反応して圧縮自己着火燃焼が起きる様子を説明するための図である。 一般的なレシプロ式ガソリンエンジンを模式的に示す図である。 エンジン回転速度が１０００ｒｐｍのときに混合気をＭＢＴで自着火させるための圧縮端温度および圧縮端圧力の条件を算出したグラフである。 エンジン回転速度が１０００，２０００…，６０００ｒｐｍのときに混合気をＭＢＴで自着火させるための圧縮端温度および圧縮端圧力の条件を算出したグラフである。 本発明の一実施例にかかるエンジンの全体構成を示す図である。 内部ＥＧＲ量を制御するために設定される吸排気弁のリフト特性の一例を示す図である。 有効圧縮比を制御するために設定される吸気弁のリフト特性の一例を示す図である。 エンジンの運転状態の変化を説明するための図である。 エンジンの運転状態が負荷方向に変化した場合に実行される制御の内容を説明するための図である。 エンジンの運転状態が回転方向に変化した場合に実行される制御の内容を説明するための図である。 本発明の他の実施例を説明するための図である。

＜本発明に至るまでの研究＞
（１−１）空燃比に関する考察
本発明の課題を説明する際にも述べた通り、エンジンの熱効率を向上させて燃費性能を改善するには、理論空燃比よりもリーンな空燃比下で混合気を燃焼させればよい。空燃比をリーンにすることで、混合気の燃焼温度が低下し、排気損失および冷却損失が低減され、熱効率が向上する。

上記のようなリーン燃焼を行わせるガソリンエンジン（リーンバーンガソリンエンジン）は、従来から既に開発されており、例えば、通常１４．７程度である理論空燃比に対し、混合気の空燃比を２０程度まで大きく設定したガソリンエンジンが過去にも実用化されている。しかしながら、２０程度の空燃比では、熱効率の大幅な改善が望めないだけでなく、エミッション性が悪化するという問題がある。すなわち、エンジンの排気通路には、一般に、排ガス中に含まれるＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを同時に浄化できる三元触媒が設けられるが、この三元触媒は、空燃比が理論空燃比であるときに最大の性能を発揮するものであり、例えば空燃比が２０程度までリーン化されると、ＮＯｘの浄化性能が極端に低下してしまう。

もちろん、三元触媒によるＮＯｘの浄化が期待できなくても、例えばＮＯｘを吸蔵して還元するＮＯｘ触媒を上記三元触媒とは別に設けることにより、ＮＯｘをある程度浄化してその排出量を抑制することが可能である。過去に開発されたリーンバーンガソリンエンジンにおいても、上記のようなＮＯｘ触媒を排気通路に設けることでＮＯｘの問題をクリアしてきた。しかしながら、ＮＯｘ触媒の性能にも限界があり、例えば２０程度の空燃比では、たとえＮＯｘ触媒を設けたとしても、年々厳しくなる排ガス規制に適合することは困難となってきている。

そこで、本願発明者は、空燃比を理論空燃比よりも大幅にリーン化することにより、燃焼により生じるＮＯｘ量（生のＮＯｘ量）自体を低減しようと考えた。すなわち、空燃比を大幅にリーンにすることで、混合気の燃焼温度をＮＯｘの生成温度（ＮＯｘが活発に生成される温度）よりも低くし、これによってＮＯｘの生成量を十分に低減しようというものである。

図１は、理論空燃比に対する空気過剰率λと、ＮＯｘの生成量（燃焼により生じる生のＮＯｘ量）との関係を示すグラフである。このグラフにおいて、縦軸の値Ｙは、ＮＯｘ触媒を設ければ排ガス規制を十分に満足できるＮＯｘの量を、値Ｘは、ＮＯｘ触媒を設けなくても排ガス規制を十分に満足できるＮＯｘの量を示している。

図１から理解できるように、理論空燃比に対する空気過剰率λが、２．４（空燃比で約３５）以上に大きくなれば、燃焼により生じる生のＮＯｘ量が上記基準値Ｘ以下になり、ＮＯｘ触媒を設けなくても排ガス規制を十分に満足できるようになる。一方、空気過剰率λがλ＝２〜２．４までの範囲では、ＮＯｘ生成量が上記基準値Ｘを超えることになるが、基準値Ｙよりは小さいため、ＮＯｘ触媒を設けさえすれば、規制を十分に満足することが可能である。

以上のことから、ＮＯｘ排出量の問題をクリアするには、理論空燃比に対する空気過剰率λを、２以上、より好ましくは２．４以上に設定すればよいことが分かる。λ≧２．４に設定すればＮＯｘ触媒を省略できるため、λ＝２〜２．４のときと比べてコスト面等でも有利となる。

ただし、λ≧２（または２．４）の超リーンな空燃比下で混合気を燃焼させようとした場合、混合気が着火した後の火炎伝播速度が、理論空燃比のときと比べて大幅に低下するため、従来のガソリンエンジンと同様の火花点火による燃焼を適用したのでは、失火が起き易く、実用化は困難である。しかしながら、混合気が同時多発的に自着火する圧縮自己着火燃焼を適用した場合には、自着火できる環境さえつくり出せば、上記のような火炎伝播速度の低下にかかわらず、λ≧２の空燃比下でも適正な燃焼を行える可能性があり、本願発明者は、この点に着目して、さらに以下のような検討を行った。

（１−２）圧縮自己着火燃焼に関する考察
ガソリンエンジンにおける圧縮自己着火燃焼は、図２に示すように、燃料（ガソリン）と酸素が自主的に化学反応する現象である。燃料と酸素の化学反応が起きると、水と二酸化炭素が生成されるとともに、内部エネルギー差による熱が発生する。このような化学反応が起きるか否かは、混合気の温度、圧力、高温高圧時間（高温・高圧に晒される時間）によって決まる。具体的には、温度が高いほど分子速度が速くなり、圧力が高いほど（つまり分子密度が高いほど）分子の衝突頻度が多くなるため、温度および圧力が高いほど、燃料と酸素の衝突によるエネルギーが増大し、化学反応が起き易くなる。そして、温度および圧力が高い時間（高温高圧時間）がある程度継続したところで、燃料と酸素の化学反応が始まり、その後は、化学反応が連鎖的に進行して混合気の燃焼が完了する。

図３は、ピストンやシリンダー等からなる一般的なガソリンエンジンを模式的に示している。本願発明者は、本図に示すようなレシプロ式ガソリンエンジンにおいて、上述したような圧縮自己着火燃焼の特性を考慮しつつ、最大のトルクが得られる最適の着火タイミング（Minimum Advance for Best Torque；以下、ＭＢＴという）で混合気を自着火させるための筒内温度Ｔ、筒内圧力Ｐの条件について考察した。なお、ＭＢＴ（最適の着火タイミング）は、エンジンの負荷によって異なるが、概ね圧縮上死点に一致するタイミング（高負荷時）から、３°ＡＴＤＣ（低負荷時）にかけての範囲である。

混合気をＭＢＴで自着火させるには、ＭＢＴ直前における筒内温度Ｔ、筒内圧力Ｐを、エンジンの回転速度に応じて制御する必要がある。すなわち、混合気の高温高圧時間は、エンジンの回転速度が速いほど短く、遅いほど長くなるため、高温高圧時間の短い高回転域では、ＭＢＴ直前の筒内温度・圧力Ｔ，Ｐを高くする必要があり、高温高圧時間の長い低回転域では、ＭＢＴ直前の筒内温度・圧力Ｔ，Ｐを低くする必要がある。なお、以下では、ＭＢＴ直前（つまり混合気が自着火する直前）の筒内温度Ｔおよび筒内圧力Ｐのことを、それぞれ圧縮端温度Ｔｘおよび圧縮端圧力Ｐｘと称する。

図４は、エンジン回転速度が１０００ｒｐｍのときに、混合気がＭＢＴ（最適の着火タイミング）で自着火する圧縮端温度Ｔｘおよび圧縮端圧力Ｐｘの条件を、素反応計算および状態方程式に基づき算出したグラフである。なお、このグラフの算出にあたっては、理論空燃比に対する空気過剰率λを２．４、圧縮比を１８とした。空気過剰率λ＝２．４としたのは、燃焼により生じるＮＯｘ量（生のＮＯｘ量）自体を十分に小さくでき、ＮＯｘ触媒を省略しても排ガス規制を満足できるからである（上述の（１−１）参照）。また、圧縮比を１８としたのは、λ＝２．４というリーンな空燃比下で混合気を自着火させるには、一般的なレシプロ式ガソリンエンジンよりも高い圧縮比で混合気をより高温・高圧化する必要があるからであり、さらには、高圧縮比化することで、熱効率の面でも有利だからである。

図４のグラフにおいて、ラインＬ１は、混合気がＭＢＴで自着火するために必要な圧縮端温度Ｔｘおよび圧縮端圧力Ｐｘの値を結んだラインであり、各値Ｔｘ，Ｐｘが上記ラインＬ１上にあれば、自着火のタイミングがＭＢＴになることを表わしている。なお、本図における圧縮端温度Ｔｘ、圧縮端圧力Ｐｘとは、圧縮上死点での筒内温度・圧力のことを指す。

また、図４のグラフにおいて、ラインＭ１，Ｍ２，Ｍ３は、筒内に導入される新気量に基づく負荷の値を示すものであり、Ｍ１が全負荷、Ｍ２が１／３負荷、Ｍ３が無負荷である。すなわち、圧縮比を１８一定とすると、ＭＢＴ直前（圧縮端）での行程容積は常に一定であるから、状態方程式によると、新気量（負荷）は、圧縮端圧力Ｐｘに比例し、圧縮端温度Ｔｘに反比例する。このため、負荷の値ごとに、傾きの異なる複数のラインＭ１〜Ｍ３を規定することができる。なお、本図において、各負荷の値を図示平均有効圧力（ＩＭＥＰ）で表すと、全負荷（Ｍ１）のときのＩＭＥＰ＝１３００ｋＰａ、１／３負荷（Ｍ２）のときのＩＭＥＰ＝５００ｋＰａ、無負荷（Ｍ３）のときのＩＭＥＰ＝２００ｋＰａである。

図４のグラフに示すように、混合気がＭＢＴで自着火する条件（ラインＬ１）は、負荷が低いほど高温・低圧側に移行し、逆に負荷が高いほど低温・高圧側に移行する。すなわち、負荷が低く新気量が少ない場合には、分子の衝突頻度が低くなるため、化学反応を起こすには、圧縮端温度Ｔｘを高くして分子速度を速める必要があり、逆に、負荷が高く新気量が多い場合には、分子の衝突頻度が高くなるため、同様のタイミングで自着火を起こすには、圧縮端温度Ｔｘを低下させて分子速度を遅くする必要がある。

圧縮端温度Ｔｘおよび圧縮端圧力Ｐｘの条件が上記ラインＬ１よりも高温・高圧側（グラフの右上側）に外れると、自着火のタイミングはＭＢＴよりも早くなり、上記ラインＬ１よりも低温・低圧側（グラフの左下側）に外れると、自着火のタイミングはＭＢＴよりも遅くなる。そして、ラインＬ１に対し高温・高圧側または低温・低圧側に大きく外れると、高温・高圧側では過早着火（プリイグニッション）やノッキングが起き、低温・低圧側では失火が起きてしまう。

図５は、上記図４のグラフを基礎として、エンジン回転速度のみを種々変化させながら図４と同様の演算を行った結果を示すものである。図中のラインＬ１〜Ｌ６のうち、ラインＬ１は、図４と同じくエンジン回転速度が１０００ｒｐｍのときの条件を示しており、他のラインＬ２〜Ｌ６は、エンジン回転速度をそれぞれ２０００、３０００、４０００、５０００、６０００ｒｐｍとしたときの温度・圧力の条件を示している。

図５のグラフから明らかなように、エンジン回転速度２０００〜６０００ｒｐｍのときの条件を示すラインＬ２〜Ｌ６は、いずれも右下がりに傾斜しており、上述した１０００ｒｐｍときのラインＬ１と同様の傾向を示している。また、これらラインＬ１〜Ｌ６の位置は、左から右にＬ１，Ｌ２，…Ｌ６の順になっており、このことから、エンジン回転速度が高くなるほど、自着火のために圧縮端温度Ｔｘを高める必要があることが分かる。これは、エンジン回転速度が速いと、混合気が高温・高圧に晒される時間（高温高圧時間）が短くなるため、より短時間で化学反応を起こす必要があるからである。

また、図５においては、ラインＬ１〜Ｌ６がいずれも右下がりであることから、混合気をＭＢＴで自着火させるための温度・圧力の条件は、エンジン回転速度にかかわらず、負荷が低いほど高温・低圧側に、負荷が高いほど低温・高圧側に移行することが分かる。しかし実際には、圧縮行程の初期温度（圧縮初期温度）が同じで、圧縮比も同じであれば、負荷の増減（つまり新気量の増減）に応じて圧縮端圧力Ｐｘが変化するだけで、圧縮端温度Ｔｘは変化しない。このことから、図５のラインＬ１〜Ｌ６に示したような温度・圧力の条件（グレーに着色した領域Ｓ内の条件）を一定の圧縮比の下でつくり出すことは、例えば新気を自在に加熱したり冷却したりできない限りは、実質的に不可能である。

例えば、図５中にハッチングで示す領域Ｗは、常温（圧縮初期温度で７５℃）でかつ大気圧（０．１ＭＰａ）にある所定量の新気を圧縮比１６〜１８で圧縮した場合に得られる圧縮端温度Ｔｘおよび圧縮端圧力Ｐｘの範囲を示している。この領域Ｗの範囲によると、常温・大気圧の新気を圧縮比１６〜１８で圧縮した場合、混合気を適正に自着火させ得る条件（グレーの領域Ｓの条件）を部分的に満足できることが分かるが、例えば、上記領域Ｗのときと比べて新気量（負荷）を減らした場合には、圧縮端温度Ｔｘおよび圧縮端圧力Ｐｘの範囲が上記領域Ｗの位置よりも低圧側（領域Ｗの真下側）に移行し、混合気を適正に自着火させ得る条件（領域Ｓ）から外れてしまう。したがって、単に新気量を増減させただけでは、あらゆる負荷および回転速度にわたって適正な圧縮自己着火燃焼を起こすことは不可能と理解できる。

仮に、新気の温度を自在に加熱したり冷却したりできれば、理論的には全ての負荷および回転速度にわたって適正な圧縮自己着火燃焼を起こすことが可能であるが、図５の領域Ｓのような条件を全て満足するには、かなり広範な温度範囲にわたって新気の加熱・冷却を行う必要があり、コスト面や制御性等の問題から、現実的な方法とはいえない。

（１−３）解決策
そこで、本願発明者は、エンジンの圧縮比を１８以下の範囲で変化させながら、過給や内部ＥＧＲを合わせて行うことにより、適正な圧縮自己着火燃焼の条件を示す領域Ｓと実質的に同じ条件をつくり出すことを考えた。

圧縮比を１８以下の範囲で変化させるには、エンジンの幾何学的圧縮比を１８に設定した上で、吸気弁の閉時期をリタードさせればよい。吸気弁の閉時期がリタードされれば、実質的に圧縮が開始される時期が遅れ、エンジンの実質的な圧縮比（有効圧縮比）が１８よりも低くなる。

有効圧縮比を低下させる操作は、圧縮端温度Ｔｘの低下につながるため、特にエンジンの低回転・高負荷域（図５の領域Ｓの左上部分）で有効である。しかしながら、有効圧縮比低下のために吸気弁の閉時期をリタードさせると、筒内の新気量が減り、圧縮行程の初期圧力（圧縮初期圧力）が低下するので、単に有効圧縮比を低下させただけでは、低回転・高負荷域での自着火の条件に比べて、圧縮端圧力Ｐｘが過小になり、トルク不足や失火を招くと予想される。そこで、有効圧縮比の低下に合わせて、減少する新気の量を補うべく、過給を行うようにする。

また、例えばエンジンの高回転域（領域Ｓの右側部分）、もしくは低負荷域（領域Ｓの下側部分）では、圧縮端温度Ｔｘを高くする必要があるが、このような場合には、高温の既燃ガスを筒内に残留させる内部ＥＧＲを行う。これにより、圧縮行程の初期温度（圧縮初期温度）を高めるとともに、圧縮端温度Ｔｘを高め、高回転・低負荷域での圧縮自己着火燃焼に適合した条件をつくり出すことができる。なお、内部ＥＧＲを行うには、例えば、排気行程から吸気行程にかけて吸排気弁をともに閉じるネガティブオーバーラップ期間を設けるようにすればよい。

＜本発明の実施例＞
（２−１）全体構成
図６は、以上のような基礎理論を基に考案された本発明の一実施例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、紙面に直交する方向に配置された複数の気筒２（図中ではそのうちの１つのみを示す）を有したシリンダブロック３と、シリンダブロック３上に配置されたシリンダヘッド４とを備えた多気筒ガソリンエンジンからなるエンジン本体１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。

上記エンジン本体１の各気筒２には、ピストン５が往復摺動可能に挿入されている。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。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および排気弁１２用の各動弁機構１３には、ＶＶＬ１４およびＶＶＴ１５がそれぞれ組み込まれている。ＶＶＬ１４は、可変バルブリフト機構（Variable Valve Lift Mechanism）の略称であり、吸排気弁１１，１２のリフト量（開弁量）を可変的に設定するものである。ＶＶＴ１５は、可変バルブタイミング機構（Variable Valve Timing Mechanism）の略称であり、吸排気弁１１，１２の開閉タイミング（位相角度）を可変的に設定するものである。なお、上記ＶＶＬ１４およびＶＶＴ１５は、既に様々な形式のものが実用化されて公知であるため、ここではその詳細な説明は省略するが、例えば特開２００７−８５２４１に開示されているものを採用することが可能である。

上記エンジン本体１のシリンダヘッド４には、各気筒２の燃焼室６を上方から臨むように点火プラグ１６が設けられている。点火プラグ１６は、シリンダヘッド４の上部に設けられた点火回路１７と電気的に接続されており、この点火回路１７による給電に応じて上記点火プラグ１６から点火用の火花が放電されるようになっている。なお、後述するように、当実施例のエンジンでは、全ての運転領域で圧縮自己着火による燃焼が行われ、基本的には火花点火による燃焼が行われることはないが、例えばエンジンの始動時や極冷間時においては、圧縮自己着火による燃焼では失火が懸念され、火花点火による燃焼が必要になるため、上記点火プラグ１６は、少なくともこのようなケースで使用される。

上記シリンダヘッド４には、燃焼室６を吸気側の側方から臨むようにインジェクタ１８が設けられている。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１８から燃焼室６に対し直接燃料（ガソリンを主成分とする燃料）が噴射され、噴射された燃料が空気と混合することで、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。

以上のように構成されたエンジン本体１においては、ピストン５が上死点にあるときの燃焼室６の容積とピストン５の行程容積とに基づき定まる幾何学的圧縮比が、１８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２０および排気通路２１がそれぞれ接続されている。すなわち、燃焼用の空気（新気）が上記吸気通路２０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２１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２０には、スロットル弁２２が設けられている。なお、上述したように、当実施例のエンジンでは、ＶＶＬ１４およびＶＶＴ１５の作動により吸排気弁１１，１２のリフト量および開閉タイミングが可変的に設定されるため、上記スロットル弁２２を開閉させなくても、燃焼室６への吸気充填量を調整してエンジン出力を制御することが可能である。このことから、上記スロットル弁２２は、例えばエンジンの緊急停止時に吸気通路２０を遮断するために作動し、基本的にはエンジンの運転状態にかかわらず全開に維持される。このように、スロットル弁２２を常時全開とすることで、ポンピングロスの低減を図ることができる。

上記吸気通路２０を通過する新気は、過給機２５により加圧されてから燃焼室６に供給される。

上記過給機２５は、吸気通路２０に設けられたコンプレッサ２６と、排気通路２１に設けられたタービン２７と、これらコンプレッサ２６およびタービン２７どうしを連結する連結軸２８と、この連結軸２８を回転駆動する電動モータ２９とを有している。そして、上記タービン２７が排気ガスのエネルギーを受けて回転すると、これと連動してコンプレッサ２６が高速回転することにより、上記吸気通路２０を通過する新気が加圧されて燃焼室６へと圧送されるとともに、必要に応じて上記電動モータ２９が駆動されてコンプレッサ２６の回転がアシストされるようになっている。

なお、上記コンプレッサ２６は比較的大型で加圧能力に優れたインペラからなり、このような大型のコンプレッサ２６により吸気を加圧する上記過給機２５は、特に排気ガスのエネルギーが大きい高負荷域で高い過給性能を発揮する。また、必要に応じて上記電動モータ２９による回転アシストが行われることにより、優れた応答性で吸気が加圧されるようになっている。

上記吸気通路２０におけるコンプレッサ２６よりも下流側には、水冷式のインタークーラ３０が設けられており、過給により昇温した新気が上記インタークーラ３０により冷却されるようになっている。

上記排気通路２１には、タービン２７をバイパスするためのバイパス通路３３と、バイパス通路３３を開閉する電動式のウェイストゲートバルブ３４が設けられている。そして、ウェイストゲートバルブ３４が作動してバイパス通路３３が開閉されることにより、排気ガスがタービン２７に流入してタービン２７が回転駆動される状態と、排気ガスがタービン２７をバイパスしてタービン２７の回転が停止される状態とに切り替えられるようになっている。

上記排気通路２１には、排気ガス浄化用の触媒コンバータ３２が設けられている。触媒コンバータ３２には三元触媒が内蔵されており、排気通路２１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。

（２−２）制御系
以上のように構成されたエンジンには、その動作を統括的に制御する制御手段として、従来周知のＣＰＵやメモリー等からなるＥＣＵ（Engine Control Unit）４０が設けられている。

上記ＥＣＵ４０は、エンジンの各部に設けられたセンサ類と電気的に接続されている。具体的に、上記ＥＣＵ４０には、クランク軸７の回転速度を検出するエンジン回転速度センサ５１と、吸気通路２０を通過する新気の量を検出するエアフローセンサ５２と、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の操作量（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサ５３とが電気的に接続されており、これら各センサ５１〜５３による検出値が電気信号として上記ＥＣＵ４０にそれぞれ入力されるようになっている。

また、上記ＥＣＵ４０は、上記ＶＶＬ１４、ＶＶＴ１５、点火回路１７、インジェクタ１８、スロットル弁２２、電動モータ２９、およびウェイストゲートバルブ３４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、バルブ制御手段４１、過給制御手段４２、およびインジェクタ制御手段４３を有している。

上記バルブ制御手段４１は、上記ＶＶＬ１４およびＶＶＴ１５を駆動して吸排気弁１１，１２のリフト特性（開閉タイミングおよびリフト量）を可変的に設定するものである。
より具体的に、バルブ制御手段４１は、上記のように吸排気弁１１，１２のリフト特性を変更することにより、燃焼室６に残留する既燃ガスの量（内部ＥＧＲ量）を制御する機能、および、エンジンの有効圧縮比を制御する機能を有している。

上記バルブ制御手段４１が内部ＥＧＲ量を制御する際には、例えば図７に示すような態様で吸排気弁１１，１２のリフト特性を変化させる。図７において、Ｌexは排気弁１２のリフト特性を、Ｌinは吸気弁１１のリフト特性をそれぞれ示しており、横軸のＮＶＯの範囲は、排気行程から吸気行程にかけて上記吸排気弁１１，１２がともに閉じられるネガティブオーバーラップ期間を示している。上記バルブ制御手段４１は、ＶＶＬ１４およびＶＶＴ１５を駆動して吸排気弁１１，１２のリフト特性を変化させ、上記ネガティブオーバーラップ期間ＮＶＯを増減させることにより、燃焼室６に残留する既燃ガスの量（内部ＥＧＲ量）を調節する。

また、上記バルブ制御手段４１がエンジンの有効圧縮比を制御する際には、例えば図８に示すような態様で吸気弁１１のリフト特性を変化させる。すなわち、吸気弁１１は、通常、図８の実線波形に示すように、吸気下死点の遅角側の近傍（吸気下死点をわずかに過ぎたタイミング）で閉じられるようになっており、この状態においては、有効圧縮比が幾何学的圧縮比（当実施例では１８）と一致するが、図８の破線波形に示すように、吸気弁１１の閉時期が吸気下死点よりも大幅に遅く設定された場合には、圧縮行程の実質的な開始時期が遅らされ、エンジンの実質的な圧縮比（有効圧縮比）が低下する。上記バルブ制御手段４１は、上記吸気弁１１の閉時期を遅らさせる量（リタード量）を増減させることにより、エンジンの有効圧縮比を可変的に設定する。

なお、図８では、吸気弁１１用のＶＶＴ１５を作動させて吸気弁１１の動作タイミング（開弁および閉弁タイミング）を図８の破線に示すように遅角側にずらした場合を例示している。このように、ＶＶＴ１５のみを作動させた場合には、吸気弁１１の閉時期だけでなく開時期も変更されるため、図７に示したネガティブオーバーラップ期間ＮＶＯも同時に変更されることになるが、ネガティブオーバーラップ期間ＮＶＯを変更せずに有効圧縮比のみを変更するには、吸気弁１１の開時期が一定で閉時期のみが可変となるように、ＶＶＬ１４およびＶＶＴ１５の両方を作動させて吸気弁１１のリフト量および開閉タイミングを変更すればよい。

上記過給制御手段４２は、上記過給機２５用の電動モータ２９を必要に応じて駆動するとともに、上記ウェイストゲートバルブ３４を開閉駆動することにより、運転状態に応じた適正な過給圧が得られるように過給機２５を制御するものである。

上記インジェクタ制御手段４３は、上記インジェクタ１８から燃焼室６に噴射される燃料の噴射時期や噴射量（噴射時間）を制御するものである。より具体的に、上記インジェクタ制御手段４３は、上記エアフローセンサ５２から入力される吸入空気量（新気量）等の情報に基づいて、所定の空燃比を得るための燃料の目標噴射量を演算し、その目標噴射量に応じた時間だけ上記インジェクタ１８を開弁させることにより、筒内の空燃比を制御する機能を有している。当実施例において、上記インジェクタ制御手段４３は、理論空燃比に対する空気過剰率λが、全ての運転領域においてλ＝２．４に維持されるように、インジェクタ１８からの燃料の噴射量を制御する。また、燃料の噴射時期については、燃料と空気のミキシング時間を十分に確保するために、吸気行程中に燃料が噴射される。

（２−３）制御の具体例
次に、以上のように構成されたＥＣＵ４０により、エンジンが負荷および回転速度に応じてどのように制御されるかを具体的に説明する。以下の説明では、エンジンの回転速度が１０００ｒｐｍで、負荷が１／３負荷（ＩＭＥＰ＝５００ｋＰａ）であるときの運転状態（図５の点Ｒ０）を代表点としたときに、この代表点Ｒ０から負荷または回転速度が変化した場合の制御の具体例について説明する。

図９は、エンジンの回転速度を横軸とし、負荷（ＩＭＥＰ）を縦軸とした場合の運転領域のマップである。本図における矢印Ａ１，Ａ２は、エンジンの運転状態が代表点Ｒ０から負荷方向に変化する状況を示しており、図１０は、このような場合にエンジンの有効圧縮比ε’、圧縮行程の初期温度（圧縮初期温度）Ｔ０、圧縮行程の初期圧力（圧縮初期圧力）Ｐ０がそれぞれどのように変化するかを示している。また、図９における矢印Ａ３は、エンジンの運転点が代表点Ｒ０から回転方向に変化する状況を示しており、図１１は、このような場合にエンジンの有効圧縮比ε’、圧縮初期温度Ｔ０、圧縮初期圧力Ｐ０がそれぞれどのように変化するかを示している。なお、ここでいう圧縮初期温度Ｔ０および圧縮初期圧力Ｐ０とは、吸気弁１１が閉弁されたときの筒内温度および筒内圧力をいうものとする。

まず、代表点Ｒ０での制御について説明する。図１０および図１１に示すように、エンジンの運転状態が代表点Ｒ０（回転速度＝１０００ｒｐｍ、ＩＭＥＰ＝５００ｋＰａ）にあるとき、当実施例のエンジンでは、有効圧縮比ε’が幾何学的圧縮比（＝１８）よりも小さい１５に設定されるとともに、圧縮初期圧力Ｐ０が自然吸気のときの圧力（つまり大気圧；０．１ＭＰａ）よりも所定量大きい値に設定される。一方、圧縮初期温度Ｔ０については、常温（７５℃）に維持される。

具体的には、上記バルブ制御手段４１により少なくとも吸気弁１１の閉時期がリタードされることで、有効圧縮比ε’が１８から１５まで下げられるとともに、上記過給制御手段４２により過給機２５が駆動されることで、圧縮初期圧力Ｐ０が自然吸気圧力よりも所定量高く設定される。なお、圧縮初期温度Ｔ０は常温に維持されるため、内部ＥＧＲ（ネガティブオーバーラップ期間を形成して高温の既燃ガスを燃焼室６に残留させる制御）は実行されない。このように、代表点Ｒ０において、有効圧縮比ε’を低下させかつ圧縮初期圧力Ｐ０を高める（つまり新気を過給する）制御を行うのは、上述した図５のグラフにおいて、代表点Ｒ０の位置が、大気圧の新気を圧縮比１６〜１８で圧縮したときの温度・圧力の範囲である領域Ｗよりも若干低温側でかつ高圧側にあるからである。

すなわち、回転速度＝１０００ｒｐｍ、ＩＭＥＰ＝５００ｋＰａという代表点Ｒ０で、混合気をＭＢＴ（最適な着火タイミング）で自着火させて適正な圧縮自己着火燃焼を行わせるには、圧縮端温度Ｔｘおよび圧縮端圧力Ｐｘの条件を図５の代表点Ｒ０の位置に一致させる必要があるが、この代表点Ｒ０に対応する条件は、上記領域Ｗのときのように大気圧の新気を圧縮比１６〜１８で圧縮したのでは得ることができず、圧縮端温度Ｔｘおよび圧縮端圧力Ｐｘの条件を若干低温・高圧側に移行させる必要がある。そこで、図１０および図１１に示したように、代表点Ｒ０において、有効圧縮比ε’を１５まで低下させ、かつ過給により圧縮初期圧力Ｐ０（新気量）を高めることにより、上記領域Ｗに比べて圧縮端温度Ｔｘを低下させ、かつ圧縮端圧力Ｐｘを高める。これにより、回転速度＝１０００ｒｐｍ、ＩＭＥＰ＝５００ｋＰａという代表点Ｒ０で、適正な圧縮自己着火燃焼を行わせることが可能な温度・圧力の条件をつくり出すことができる。

次に、エンジンの運転状態が代表点Ｒ０から負荷方向に変化した場合（図９の矢印Ａ１，Ａ２参照）の制御について説明する。まず、矢印Ａ１のように、代表点Ｒ０から高負荷側に移行した場合には、図１０の範囲ＳＡ１に示すように、負荷の増大に応じて、有効圧縮比ε’を徐々に低下させるとともに、圧縮初期圧力Ｐ０を徐々に高める制御が実行される。一方、圧縮初期温度Ｔ０については、負荷にかかわらず常温に維持される。

すなわち、代表点Ｒ０から高負荷側に移行した場合には、吸気弁１１の閉時期が代表点Ｒ０のときよりもさらにリタードされることにより、有効圧縮比ε’が１５未満の範囲で徐々に下げられ、例えば全負荷（ＩＭＥＰ＝１３００ｋＰａ）に相当する運転点Ｒ１で、ε’＝１０．５まで下げられる。また、有効圧縮比ε’の低下に合わせて、過給機２５による過給圧が徐々に高められることにより、圧縮初期圧力Ｐ０が代表点Ｒ０のときよりもさらに高められる。なお、内部ＥＧＲは実行されず、圧縮初期温度Ｔ０は常温に維持される。

上記のように、代表点Ｒ０よりも高負荷側において、負荷の増大とともに有効圧縮比ε’を徐々に低下させ、かつ過給により圧縮初期圧力Ｐ０を高める（つまり新気量を増大させる）ことは、上述した図５のグラフ上で、ラインＬ１に沿って上向きに温度・圧力の条件を変化させることに相当する（矢印Ａ１ａ参照）。そして、このように温度・圧力を制御することで、高負荷域での圧縮自己着火燃焼を適正に行わせることができる。

すなわち、代表点Ｒ０よりも高負荷側で適正な圧縮自己着火燃焼（混合気がＭＢＴで自着火する燃焼）を行わせようとすれば、ラインＬ１に沿った上向きの矢印Ａ１ａに示すように、圧縮端温度Ｔｘおよび圧縮端圧力Ｐｘの条件を、負荷の増大とともに低温・高圧側に移行させる必要がある。そこで、図１０では、代表点Ｒ０よりも負荷が増大したときに、有効圧縮比ε’を低下させ、かつ過給により圧縮初期圧力Ｐ０（新気量）を高めるようにしている。これにより、代表点Ｒ０を基準として、図５の矢印Ａ１ａに示すように、圧縮端温度Ｔｘを低下させるとともに、圧縮端圧力Ｐｘを高めることができ、適正な圧縮自己着火燃焼を高負荷側まで継続させることができる。

次に、図９の矢印Ａ２のように、エンジンの運転状態が代表点Ｒ０から低負荷側に移行した場合について説明する。この場合には、図１０の範囲ＳＡ２に示すように、負荷の低下に応じて、有効圧縮比ε’および圧縮初期温度Ｔ０を徐々に高めるとともに、圧縮初期圧力Ｐ０を徐々に低下させる制御が実行される。

すなわち、代表点Ｒ０から低負荷側に移行した場合には、吸気弁１１の閉時期のリタード量が代表点Ｒ０のときよりも少なく設定されることにより、有効圧縮比ε’が１５以上の範囲で徐々に高められ、例えば無負荷（ＩＭＥＰ＝２００ｋＰａ）に相当する運転点Ｒ２で、有効圧縮比ε’が幾何学的圧縮比と同じ１８まで高められる。また、有効圧縮比ε’の低下に合わせて内部ＥＧＲが実行され、筒内に残留する既燃ガスの量が徐々に増大されることにより、圧縮初期温度Ｔ０が常温以上の範囲で徐々に高められる。さらに、過給機２５による過給については、代表点Ｒ０よりも低負荷側に若干移行した時点で停止されるが、上記のように内部ＥＧＲが実行されることで、筒内における新気の分圧が低下するため、圧縮初期圧力Ｐ０は、負荷の低下とともに大気圧未満まで低下する。

上記のように、代表点Ｒ０よりも高負荷側において、負荷の増大とともに有効圧縮比ε’を徐々に高め、かつ内部ＥＧＲにより圧縮初期圧力Ｐ０を低下させる（つまり新気量を減少させる）ことは、上述した図５のグラフ上で、ラインＬ１に沿って下向きに温度・圧力の条件を変化させることに相当する（矢印Ａ２ａ参照）。そして、このように温度・圧力を制御することで、低負荷域での圧縮自己着火燃焼を適正に行わせることができる。

すなわち、代表点Ｒ０よりも低負荷側で適正な圧縮自己着火燃焼（混合気がＭＢＴで自着火する燃焼）を行わせようとすれば、ラインＬ１に沿った下向きの矢印Ａ２ａに示すように、圧縮端温度Ｔｘおよび圧縮端圧力Ｐｘの条件を、負荷の低下とともに高温・低圧側に移行させる必要がある。そこで、図１０では、代表点Ｒ０よりも負荷が低下したときに、有効圧縮比ε’を高め、かつ内部ＥＧＲにより圧縮初期圧力Ｐ０（新気量）を低下させるようにしている。これにより、代表点Ｒ０を基準として、図５の矢印Ａ２ａに示すように、圧縮端温度Ｔｘを高めるとともに、圧縮端圧力Ｐｘを低下させることができ、適正な圧縮自己着火燃焼を低負荷側まで継続させることができる。

次に、図９の矢印Ａ３のように、エンジンの運転状態が代表点Ｒ０から高回転側に移行した場合について説明する。この場合には、図１１に示すように、回転速度の上昇とともに圧縮初期温度Ｔ０を高める制御が実行される。すなわち、内部ＥＧＲが実行され、筒内に残留する既燃ガスの量が徐々に増大されることにより、圧縮初期温度Ｔ０が常温以上の範囲で徐々に高められる。

また、有効圧縮比ε’および圧縮初期圧力Ｐ０については、回転速度が１０００〜２０００ｒｐｍの範囲において、有効圧縮比ε’が１８よりも低く（１５〜１８）に設定されるとともに、過給により圧縮初期圧力Ｐ０が大気圧よりも高く設定される。一方、上記速度範囲よりも高回転側の２０００〜６０００ｒｐｍでは、有効圧縮比ε’が幾何学的圧縮比と同じ１８に維持されるとともに、軽めの過給が行われて圧縮初期圧力Ｐ０が大気圧よりも若干高く設定される。

上記のように、代表点Ｒ０よりも高回転側において、内部ＥＧＲにより圧縮初期温度Ｔ０を高めることは、上述した図５のグラフ上で、ラインＭ２に沿って右向きに温度・圧力の条件を変化させることに相当する（矢印Ａ３ａ参照）。そして、このように温度・圧力を制御することで、高回転域での圧縮自己着火燃焼を適正に行わせることができる。

すなわち、代表点Ｒ０よりも高回転側で適正な圧縮自己着火燃焼（混合気がＭＢＴで自着火する燃焼）を行わせようとすれば、ラインＭ２に沿った右向きの矢印Ａ３ａに示すように、回転速度の上昇に応じて主に圧縮端温度Ｔｘを高める必要がある。そこで、図１１では、代表点Ｒ０よりも回転速度が上昇したときに、内部ＥＧＲにより圧縮初期温度Ｔ０を高めるようにしている。これにより、代表点Ｒ０を基準として、図５の矢印Ａ３ａに示すように圧縮端温度Ｔｘを高めることができ、適正な圧縮自己着火燃焼を高負荷側まで継続させることができる。

ただし、特に２０００ｒｐｍよりも高回転側では、圧縮比ε’が１８に固定される一方、圧縮初期温度Ｔ０を高めるために内部ＥＧＲ量が増大されるため、内部ＥＧＲによる温度上昇に伴い新気の密度が低下し、エンジン出力の低下を招くおそれがある。そこで、図１１の例では、２０００ｒｐｍよりも高回転側において、軽めの過給を行って圧縮初期圧力Ｐ０を増大させることにより、新気の密度が低下するのを回避して、エンジン出力を適正に確保するようにしている。

なお、以上の例では、代表点Ｒ０を基準に、回転速度が一定で負荷のみが変化した場合（図９の矢印Ａ１，Ａ２）、および、負荷が一定で回転速度のみが変化した場合（図９の矢印Ａ３）の制御を、それぞれ図１０および図１１に基づき説明したが、これらのケース以外の運転領域に移行した場合でも、その運転領域に適合した圧縮端温度Ｔｘおよび圧縮端圧力Ｐｘの条件を図５のグラフから求め、その条件が得られるように有効圧縮比ε’、圧縮初期温度Ｔ０、圧縮初期圧力Ｐ０を制御すれば、全ての運転領域で適正な圧縮自己着火燃焼を行わせることが可能である。

具体的に、図１０では、回転速度が１０００ｒｐｍで一定で、負荷のみが変化した場合の制御を例示したが、１０００ｒｐｍ以外の回転速度のときでも、負荷に応じた制御の傾向は同じである。例えば、回転速度が２０００、３０００、４０００、５０００、６０００ｒｐｍ等の値で一定とした場合でも、図１０と同様に、所定の負荷よりも高負荷側で、有効圧縮比ε’を低下させつつ過給により新気量を増大させる（つまり圧縮初期圧力Ｐ０を高める）制御を行い、所定の負荷よりも低負荷側で、有効圧縮比ε’を高めつつ内部ＥＧＲにより新気量を低減させる（つまり圧縮初期圧力Ｐ０を低下させる）制御を行うようにすればよい。

また、図１１では、負荷がＩＭＥＰ＝５００ｋＰａ一定で、回転速度のみが変化した場合の制御を例示したが、ＩＭＥＰ＝５００ｋＰａ以外の負荷でも、回転速度に応じた制御の傾向は同じである。ＩＭＥＰ＝５００ｋＰａ以外のときでも、図１１と同様に、回転速度の上昇とともに、内部ＥＧＲによって圧縮初期温度Ｔ０を高めるとともに、必要に応じて過給を行えばよい。

ただし、上記において、圧縮比ε’や圧縮初期温度Ｔ０等の具体的な制御目標値は、図１０や図１１の場合と比べてそれぞれ異ならせる必要がある。例えば、エンジンの高回転・低負荷域を示す図９の領域Ｕは、図５に照らし合わせると、領域Ｓの右下部分に相当するが、このような運転領域では、最も圧縮端温度Ｔｘを高くする必要があるため、有効圧縮比ε’を最大の１８に設定するとともに、内部ＥＧＲ量を最も多く設定して圧縮初期温度Ｔ０をさらに上昇させる。すなわち、回転速度＝１０００ｒｐｍで無負荷（ＩＭＥＰ＝２００ｋＰａ）のときの運転点Ｒ２や、回転速度＝６０００ｒｐｍで１／３負荷（ＩＭＥＰ＝５００ｋＰａ）のときの運転点Ｒ３では、図１０および図１１に示したように、内部ＥＧＲにより圧縮初期温度Ｔ０を上昇させるとともに、これに応じて圧縮端温度Ｔｘを上昇させるようにしたが、エンジンの高回転・低負荷域（図９の領域Ｕ）では、さらに圧縮端温度Ｔｘを上昇させるために、上記運転点Ｒ２やＲ３のときよりもさらに多量の内部ＥＧＲを実行する。これにより、高回転・低負荷域でも適正な圧縮自己着火燃焼を行わせることができる。

また、例えば、エンジンの高回転・高負荷域を示す図９の領域Ｖは、図５に照らし合わせると、領域Ｓの右上部分に相当するが、このような運転領域では、例えば低回転かつ高負荷の運転点Ｒ１（回転速度＝１０００ｒｐｍ、ＩＭＥＰ＝１３００ｋＰａ）のときに比べて、圧縮端温度Ｔｘをより高く設定する必要がある。そこで、高回転・高負荷域では、上記運転点Ｒ１のときよりも有効圧縮比ε’をより大きく設定すればよい。すなわち、運転点Ｒ１では、圧縮端温度Ｔｘが低くかつ圧縮端圧力Ｐｘが高いという条件をつくり出すために、有効圧縮比ε’を１０．５まで低下させるとともに、過給により圧縮初期圧力Ｐ０を高めるようにしたが、高回転・高負荷域（図９の領域Ｖ）では、上記運転点Ｒ１のときよりも圧縮端温度Ｔｘを高くする必要があるため、有効圧縮比ε’を１０．５よりも高く設定することで、筒内をより高温化させるようにすればよい。

（２−４）作用効果等
以上説明したように、当実施例のエンジンでは、幾何学的圧縮比を１８、理論空燃比に対する空気過剰率λを全ての運転領域でλ＝２．４に設定した過給機付エンジンにおいて、その運転状態が負荷方向に変化したときに、例えば図１０に示したように、所定の負荷（例えば回転速度が１０００ｒｐｍのときはＩＭＥＰ＝５００ｋＰａ）よりも低負荷側では、内部ＥＧＲにより新気量を低減させつつ有効圧縮比ε’を高め、上記所定の負荷よりも高負荷側では、過給機２５による過給圧を高めることで相対的に新気量を増大させつつ有効圧縮比ε’を低下させるようにした。このような構成によれば、より広範な負荷域でリーン空燃比下での圧縮自己着火燃焼を行わせることができ、エンジンの熱効率をより効果的に向上させることができるという利点がある。

すなわち、上記実施例では、エンジン負荷の増大に応じて、過給により新気量を増大させつつ有効圧縮比ε’を低下させることにより、図５において矢印Ａ１ａに示したように、圧縮端温度Ｔｘを低下させるとともに、圧縮端圧力Ｐｘを上昇させることができるため、過給された多量の新気によりエンジン出力を十分に確保しつつ、燃料分子と酸素分子の衝突速度を低下させて化学反応を抑制することにより、ノッキングや過早着火等の異常燃焼を効果的に防止することができる。

一方、エンジン負荷が低下した場合には、内部ＥＧＲにより新気量を低減させつつ有効圧縮比ε’を高めることにより、図５において矢印Ａ２ａに示したように、圧縮端温度Ｔｘを上昇させるとともに、圧縮端圧力Ｐｘを低下させることができるため、新気が少なく燃料分子と酸素分子の衝突頻度が少ない状況でも、分子速度を速めることで化学反応を促進し、混合気を確実に自着火させることができる。

そして、以上のような効果により、上記実施例では、例えば新気を吸入する過程でその温度を強制的に増減させるといった操作を行わなくても、リーン空燃比下での圧縮自己着火燃焼を負荷方向のより広い範囲にわたって適正に実行することができ、エンジンの熱効率を効果的に向上させることができる。

特に、上記実施例では、所定の負荷よりも低負荷側で新気量を低減させるために、高温の既燃ガスを燃焼室６に残留させる内部ＥＧＲを行うようにしたため、内部ＥＧＲによって新気量を低減できるだけでなく、圧縮初期温度Ｔ０を高めることができる。このため、低負荷に適した圧縮端温度Ｔｘおよび圧縮端圧力Ｐｘの条件を効率よくつくり出すことができ、リーン空燃比下での圧縮自己着火燃焼を低負荷側で適正に実行できるという利点がある。

また、上記実施例では、エンジンの運転状態が回転方向に変化したときに、例えば図１１に示したように、高回転側では低回転側に対して内部ＥＧＲ量を増大させ、圧縮初期温度Ｔ０を上昇させるようにしたため、図５において矢印Ａ３ａに示したように、主に圧縮端温度Ｔｘを上昇させることができ、燃料分子と酸素分子の衝突速度を速めて化学反応を促進することができる。これにより、筒内の温度・圧力が高い時間（高温高圧時間）が短くなる高回転側でも、混合気を確実に自着火させることができるため、リーン空燃比下での圧縮自己着火燃焼が可能な回転速度の範囲をより高回転側まで拡大することができ、エンジンの熱効率をより効果的に向上させることができる。

特に、上記実施例では、図１１のように内部ＥＧＲによって圧縮初期温度Ｔ０を上昇させるのに応じて、過給により圧縮初期圧力Ｐ０を高めるようにしたため、温度上昇に起因した新気の密度低下を過給で補うことにより、回転速度にかかわらずエンジン出力を適正に確保できるという利点がある。

以上のように、当実施例のエンジンでは、有効圧縮比ε’、圧縮初期温度Ｔ０、および圧縮初期圧力Ｐ０の各パラメータを、過給や内部ＥＧＲ等を駆使しながらそれぞれ適切に制御することで、図５に示したような圧縮端温度Ｔｘおよび圧縮端圧力Ｐｘの条件をつくり出し、全ての運転領域で適正な圧縮自己着火燃焼（混合気がＭＢＴで自着火する燃焼）を行わせることが可能である。

なお、本願発明者は、実機を用いた確認実験においても、当実施例に基づく条件でエンジンを制御することにより、全ての運転領域で混合気をＭＢＴ付近で自着火させることができることを確認している。また、実験では、圧縮自己着火燃焼の燃焼期間についても調べられており、いわゆる１０〜９０％マスバーンの期間（燃料の質量の１０％が燃焼してから９０％が燃焼するまでの期間）が、１０°ＣＡ前後の燃焼期間に収まることが確認されている。このように、１０〜９０％マスバーンの期間が１０°ＣＡに収まる燃焼とは、通常の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ことが期待される。

（２−５）他の実施例
（ａ）過給能力に限界がある場合の対策
上記実施例では、負荷がある程度増大すると、例えば図１０においてＩＭＥＰ＝５００ｋＰａ以上の範囲に示されるように、有効圧縮比ε’を徐々に低下させつつ過給機２５による過給圧を高めることにより、図５の矢印Ａ１ａに示すように、圧縮端温度Ｔｘを低下させるとともに、圧縮端圧力Ｐｘを上昇させるようにしたが、このような構成では、特に負荷が全負荷（ＩＭＥＰ＝１３００ｋＰａ）の近傍まで増大したような場合に、有効圧縮比ε’を幾何学的圧縮比に対し大幅に低下させながら（例えば全負荷では１８→１０．５まで低下）、過給により多量の新気を筒内に導入する必要が生じる。過給機２５の性能が十分であれば、このような制御も問題なく行えるが、コスト面等の制約から過給機２５の性能を十分に確保できないような場合には、上記のような高負荷域での制御を実現するのは困難になると予想される。

上記の問題に対する対策としては、過給が行われる高負荷側の運転領域のうち、少なくとも全負荷を含む一部の負荷域で、通常は吸気行程中に１回だけ行われる燃焼噴射を、図１２に示すように複数回に分割することが考えられる。具体的に、図１２の例では、吸気行程中に１回目の噴射（前段噴射）Ｆ１を実行した後、圧縮行程の後半に２回目の噴射（後段噴射）Ｆ２を実行している。このようにすれば、燃料が高温・高圧に晒される時間（高温高圧時間）が全体として短くなるため、圧縮端温度Ｔｘがある程度高くても、早期に化学反応が起きることが回避され、過早着火等の異常燃焼が防止される。

したがって、上記構成によれば、圧縮端温度Ｔｘを下げるために有効圧縮比ε’を極端に下げる必要がなくなり、それ程多量の過給を行わなくても十分な新気量を確保することが可能になる。すなわち、有効圧縮比ε’を幾何学的圧縮比に対し大幅に低下させると、吸気弁１１の閉時期がそれだけ遅らされるため、負荷に応じた十分な新気量を確保するには、大きな過給圧によって多量の新気をごく短期間で筒内に導入する必要が生じ、高い過給能力が必須となるが、燃料噴射を複数回に分割するようにした上記構成によれば、有効圧縮比ε’の低下幅が少なく済むため、過給能力がそれ程高くなくても、負荷に応じた新気量を十分に確保できるという利点がある。

なお、図１２のように分割噴射を行う場合、特に後段噴射Ｆ２については、ごく短時間で燃料を分散させて気化霧化する必要があるため、例えば燃料の噴射圧力を１００ＭＰａ以上に設定したマルチ噴口型のインジェクタを使用することが望ましい。

（ｂ）その他
上記実施例では、全ての運転領域で、理論空燃比に対する空気過剰率λを一律にλ＝２．４に設定することにより、燃焼により生じるＮＯｘ量（生のＮＯｘ量）自体を十分に小さくし、ＮＯｘ触媒を省略しても排ガス規制を十分に満足できるようにしたが、ＮＯｘ触媒を設けることが可能であれば、少なくとも一部の運転領域で、空気過剰率λを２．４より小さくしてもよい。ただし、ＮＯｘ触媒を設けたとしても、将来的に予想される厳しい排ガス規制をも十分に満足するには、空気過剰率λを少なくとも２以上に設定すべきである。図１を用いて説明したように、空気過剰率λ≧２であれば、生成されたＮＯｘをＮＯｘ触媒で浄化することにより、その排出量を十分なレベルまで抑制することが可能である。

また、上記実施例では、エンジンの幾何学的圧縮比を１８としたが、これ以外の圧縮比に設定してもよい。例えば、図５のグラフでは、常温で大気圧の新気を圧縮比１６〜１８で圧縮した場合の温度・圧力の範囲を示す領域Ｗが、適正な圧縮自己着火燃焼のために必要な条件を示す領域Ｓと重複していることから、幾何学的圧縮比を少なくとも１６以上に設定すれば、その圧縮比１６を最大値として有効圧縮比ε’を適宜変化させる等により、上記実施例と同様に、各運転領域で適正な圧縮自己着火燃焼を行わせることが可能と考えられる。このため、幾何学的圧縮比は少なくとも１６以上に設定するとよい。

また、上記実施例では、エンジン負荷が低いか、またはエンジン回転速度が高い場合に、圧縮端温度Ｔｘを高めて混合気を自着火させるべく、排気行程から吸気行程にかけて吸排気弁１１，１２をともに閉じるネガティブオーバーラップ期間ＮＶＯ（図７）を設け、これによって高温の既燃ガスを燃焼室６に残留させる内部ＥＧＲを行うようにしたが、内部ＥＧＲを行うための方法は、上記のようなネガティブオーバーラップ期間ＮＶＯによるものに限られない。例えば、１気筒あたり排気弁１２が２つ以上設けられたエンジンにおいては、上記排気弁のうちの１つを吸気行程中に開き、同工程中に排気通路から既燃ガスを引き戻すことにより、既燃ガスを燃焼室６に残留させるようにしてもよい。

また、上記実施例では、エンジンの全ての運転領域で混合気が自着火する圧縮自己着火燃焼を行わせるように制御したが、特にエンジンの高回転域では、燃料が高温・高圧に晒される時間（高温高圧時間）を十分に確保できないため、例えば内部ＥＧＲによる圧縮端温度Ｔｘの上昇幅が目標よりも少なかったような場合に、失火を引き起こすおそれがある。そこで、少なくともエンジンの高回転域では、点火プラグ１６からの火花点火により混合気を強制的に着火させる燃焼（ＳＩ燃焼）に切り替え、エンジンの低回転域でのみ圧縮自己着火燃焼を行わせるようにしてもよい。

６ 燃焼室
２５ 過給機
４０ ＥＣＵ（制御手段）
Ｆ１ 前段噴射
Ｆ２ 後段噴射

Claims (8)

1. 燃焼室に導入される新気を過給する過給機を備えた過給機付エンジンを制御する方法であって、
   幾何学的圧縮比を１６以上に設定し、
   少なくともエンジンの低回転域で、理論空燃比よりもリーンな空燃比下での圧縮自己着火燃焼を行わせ、
   上記圧縮自己着火燃焼を行わせる運転領域のうち、所定の負荷よりも低負荷側では、相対的に新気量を低減させつつ有効圧縮比を高め、上記所定の負荷よりも高負荷側では、上記過給機による過給圧を高めることで相対的に新気量を増大させつつ有効圧縮比を低下させることを特徴とする過給機付エンジンの制御方法。
2. 請求項１記載の過給機付エンジンの制御方法において、
   上記圧縮自己着火燃焼を行わせる運転領域のうち、上記所定の負荷よりも低負荷側では、既燃ガスを燃焼室に残留させる内部ＥＧＲを行うことにより、新気量を低減させることを特徴とする過給機付エンジンの制御方法。
3. 請求項１または２記載の過給機付エンジンの制御方法において、
   上記圧縮自己着火燃焼を行わせる運転領域の全域で、理論空燃比に対する空気過剰率λをλ≧２に設定することを特徴とする過給機付エンジンの制御方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の過給機付エンジンの制御方法において、
   上記圧縮自己着火燃焼を行わせる運転領域のうち、上記所定の負荷よりも高負荷側の負荷域の少なくとも一部では、圧縮行程後半に燃料を噴射する後段噴射と、それ以前に燃料を噴射する前段噴射とを含む分割噴射を実行することを特徴とする過給機付エンジンの制御方法。
5. 燃焼室に導入される新気を過給する過給機を備えた過給機付エンジンを制御する装置であって、
   幾何学的圧縮比が１６以上に設定されるとともに、
   少なくともエンジンの低回転域で、理論空燃比よりもリーンな空燃比下での圧縮自己着火燃焼を行わせるようにエンジンの各部を制御する制御手段を備え、
   上記制御手段は、上記圧縮自己着火燃焼を行わせる運転領域のうち、所定の負荷よりも低負荷側では、相対的に新気量を低減させつつ有効圧縮比を高め、上記所定の負荷よりも高負荷側では、上記過給機による過給圧を高めることで相対的に新気量を増大させつつ有効圧縮比を低下させることを特徴とする過給機付エンジンの制御装置。
6. 請求項５記載の過給機付エンジンの制御装置において、
   上記制御手段は、上記圧縮自己着火燃焼を行わせる運転領域のうち、上記所定の負荷よりも低負荷側では、既燃ガスを燃焼室に残留させる内部ＥＧＲを行うことにより、新気量を低減させることを特徴とする過給機付エンジンの制御装置。
7. 請求項５または６記載の過給機付エンジンの制御装置において、
   上記制御手段は、上記圧縮自己着火燃焼を行わせる運転領域の全域で、理論空燃比に対する空気過剰率λをλ≧２に設定することを特徴とする過給機付エンジンの制御装置。
8. 請求項５〜７のいずれか１項に記載の過給機付エンジンの制御装置において、
   上記制御手段は、上記圧縮自己着火燃焼を行わせる運転領域のうち、上記所定の負荷よりも高負荷側の負荷域の少なくとも一部では、圧縮行程後半に燃料を噴射する後段噴射と、それ以前に燃料を噴射する前段噴射とを含む分割噴射を実行することを特徴とする過給機付エンジンの制御装置。

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