JP7047581B2 - 圧縮着火式エンジンの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、混合気の一部を火花点火によりＳＩ燃焼させるとともにその他の混合気を自着火によりＣＩ燃焼させる部分圧縮着火燃焼が可能な圧縮着火式エンジンの制御装置に関する。

近年、空気と混合されたガソリン燃料を十分に圧縮された燃焼室内で自着火により燃焼させるＨＣＣＩ燃焼が注目されている。ＨＣＣＩ燃焼は、混合気が同時多発的に燃焼する形態であるため、通常のガソリンエンジンにおいて採用されるＳＩ燃焼（火花点火燃焼）に比べて、混合気の燃焼速度が速く、熱効率の面で非常に有利だと言われている。しかしながら、ＨＣＣＩ燃焼は、気温などの外部因子により混合気の燃焼開始時期（混合気が自着火する時期）が大きく変動するなどの問題があり、また、負荷が急変するような過渡運転時の制御が難しいという問題もあった。

そこで、混合気の全てを自着火により燃焼させるのではなく、混合気の一部については点火プラグを用いた火花点火により燃焼させることが提案されている。すなわち、火花点火をきっかけに混合気の一部を火炎伝播により強制的に燃焼（ＳＩ燃焼）させ、その他の混合気を自着火により燃焼（ＣＩ燃焼）させるのである。以下では、このような燃焼のことを部分圧縮着火燃焼という。

上記部分圧縮着火燃焼に類似したコンセプトを採用したエンジンの一例として、下記特許文献１のものが知られている。この特許文献１のエンジンは、補助燃料噴射によって点火プラグ（点火栓）周りに形成された成層混合気を火花点火により火炎伝播燃焼させるとともに、当該燃焼（火炎）の作用により高温化された燃焼室に主燃料噴射を行い、この主燃料噴射により噴射された燃料を自着火により燃焼させるものである。

一方で、圧縮着火燃焼を用いない別の方法によってエンジンの熱効率を向上させることも提案されている。例えば、下記特許文献２には、点火プラグによる火花点火を１サイクル中に２回実行するようにした火花点火式エンジンが開示されている。具体的に、同文献の火花点火式エンジンでは、燃焼室内の混合気全体が着火、燃焼しない程度の（局所的に火種が形成される程度の）小さい点火エネルギーを供給する先行点火が圧縮行程中に実行されるとともに、この先行点火よりも遅れた適宜のタイミングで、先行点火よりも大きい点火エネルギーを供給する主点火が実行される。このように、主点火よりも早い段階で先行点火による火種を形成することにより、混合気の失火を防止できるだけでなく、燃焼速度を速めることができるとされている。

特開２００９－１０８７７８号公報 特許第４６９１３７３号公報

ここで、部分圧縮着火燃焼では、ＣＩ燃焼の燃焼速度が熱効率を左右する。ＣＩ燃焼は燃料成分が自発的に化学反応する現象であるので、火炎伝播により燃焼領域が徐々に拡大するＳＩ燃焼よりも本来的に燃焼速度は速いといえる。しかしながら、例えばＣＩ燃焼の前に燃料を反応性の高いものに改質することができれば、ＣＩ燃焼の燃焼速度がより速まって熱効率がさらに向上し、燃費性能とトルク性能とを両立できると考えられる。

反応性を高めるための燃料の改質は、例えば混合気の温度を所定の温度域まで高めることによって実現できる可能性がある。すなわち、混合気の高温化によって燃料成分（炭化水素）を開裂させることにより、反応性の高いＯＨラジカルを含む中間生成物を生成するのである。本願発明者は、このような燃料改質（中間生成物の生成）のための高温化の手段として、例えば上記特許文献２と同様に、火花点火を複数回実行すること、つまり主点火よりも前に補助的な先行点火を行うことによって混合気を高温化することを考えた。しかしながら、本願発明者の研究によれば、上記特許文献２のように混合気の一部が燃焼するようなエネルギーを先行点火によって付与した場合には、その燃焼によって中間生成物の多くが消費されてしまい、ＣＩ燃焼の燃焼速度を速める効果が十分に得られないことが分かった。

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、燃焼速度が速く熱効率に優れた部分圧縮着火燃焼を実現することが可能な圧縮着火式エンジンの制御装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するためのものとして、本発明は、気筒と、気筒に燃料を噴射するインジェクタと、インジェクタから噴射された燃料と空気とが混合された混合気に点火する点火プラグとを備え、前記混合気の一部を前記点火プラグを用いた火花点火によりＳＩ燃焼させるとともにその他の混合気を自着火によりＣＩ燃焼させる部分圧縮着火燃焼が可能な圧縮着火式エンジンを制御する装置であって、前記気筒内にスワール流を生成するスワール生成部と、前記インジェクタによる燃料の噴射動作を制御する噴射制御部と、前記点火プラグによる点火動作を制御する点火制御部とを備え、前記点火制御部は、前記部分圧縮着火燃焼の実行時、圧縮行程後期または膨張行程初期に火花を発生させてＳＩ燃焼を開始させる主点火と、主点火よりも早い吸気行程中のタイミングで火花を発生させる先行点火とを前記点火プラグに実行させ、前記噴射制御部は、前記部分圧縮着火燃焼の実行時、前記先行点火よりも前の時点で前記気筒内に燃料が存在するようなタイミングで前記インジェクタに燃料を噴射させ、前記先行点火のエネルギーは、前記スワール生成部により生成されるスワール流が弱いときは強いときに比べて小さくされる、ことを特徴とするものである（請求項１）。

本発明によれば、部分圧縮着火燃焼の実行時に、圧縮行程後期または膨張行程初期に（つまりトルクを発生させるタイミングで）火花を発生させてＳＩ燃焼を開始させる主点火と、主点火よりも早くかつ気筒内に燃料が存在する吸気行程中のタイミングで火花を発生させる先行点火とが行われるので、この先行点火を利用して火花（アーク）の周囲を適切な温度まで上昇させることにより、混合気の火炎伝播を抑制しつつＣＩ燃焼時の熱効率が高くなるように燃料を改質することができる。詳しくは、燃料成分（炭化水素）を高温化により開裂させて過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）やホルムアルデヒド（ＣＨ_２Ｏ）を生成し、これらの成分から生じるＯＨラジカルを生成することができる。ＯＨラジカルは、酸化作用が強く反応性が高いので、このようなＯＨラジカルを含む中間生成物が先行点火後の気筒内に生成されることにより、燃料成分が自発的に化学反応する現象であるＣＩ燃焼の燃焼速度を速めることができ、熱効率を向上させることができる。
特に、本発明では、吸気行程中、つまり圧縮上死点から十分に進角されたタイミングで先行点火が実行されるので、先行点火によって意図せず火炎伝播が発生するのを防止しながら、噴射後の燃料を先行点火により確実に改質してＣＩ燃焼の高速化を図ることができる。

ここで、前記のように先行点火によって燃料を改質する（火炎伝播を十分に抑制しつつＯＨラジカル等の中間生成物を生成する）には、気筒内の種々の環境に応じて先行点火のエネルギーを適正に調整する必要がある。この点について本願発明者が鋭意研究したところ、火炎伝播が生じる点火エネルギーの下限値は、スワール流が強くなるほど大きくなることが分かった（ただしスワール流以外のパラメータは一定とする）。

これに対し、本発明では、スワール流が弱いときは強いときに比べて先行点火のエネルギーが小さくされるので、スワール流が弱く火炎伝播が生じ易くなるときは点火エネルギーを低下させ、スワール流が強く火炎伝播が生じ難くなるときは点火エネルギーを増大させることにより、火炎伝播性の相違に応じた適切なエネルギーを先行点火により付与することができる。これにより、混合気の火炎伝播が生じないかほとんど生じない範囲で、燃料が十分に改質されるような温度帯まで混合気を適切に加熱することができ、ＣＩ燃焼の高速化に寄与する中間生成物を確実に生成することができる。

前記先行点火により燃料を適切に改質するには、前記先行点火のエネルギーは前記主点火のエネルギーよりも小さくすることが好ましい（請求項２）。より詳しくは、前記先行点火のエネルギーは、前記点火プラグから発生した火花の周囲に８５０Ｋ以上１１４０Ｋ未満の高温部が形成されかつ混合気の火炎伝播が生じないようなエネルギーに設定するのが好ましい（請求項３）。

これらの構成によれば、十分な量の中間生成物を先行点火により生成しつつ、その中間生成物が主点火の前に（先行点火による意図しない火炎伝播により）消費されてしまうのを回避することができる。

前記スワール生成部は、前記気筒に連通する吸気ポートに設けられた開閉可能なスワール弁とすることができる。この場合、前記点火制御部は、前記スワール弁の開度が高くなるほど前記先行点火のエネルギーが小さくなるように前記点火プラグを制御することが好ましい（請求項４）。

この構成によれば、スワール弁の開度が低くこれに伴いスワール流が弱くなるほど先行点火のエネルギーが小さくされるので、火炎伝播が実質的に生じない範囲で適切に燃料を改質し、ＣＩ燃焼を高速化することができる。

ここで、火炎伝播が生じる点火エネルギーの下限値（以下、単に下限エネルギーともいう）とスワール弁の開度との関係に関するより詳しい知見として、スワール弁の開度に対する当該下限エネルギーの低下率は、スワール弁の開度が低い領域の方が高い領域よりも大きくなることが分かっている。そこで、前記点火制御部は、前記スワール弁の開度に対する前記先行点火のエネルギーの低下率を、前記スワール弁の開度が低い領域の方が高い領域よりも当該低下率が大きくなるように設定することが好ましい（請求項５）。

この構成によれば、前記のような下限エネルギーの変化特性に合わせた適切なエネルギーを先行点火により付与することができ、燃料を十分に改質してＣＩ燃焼の高速化を図ることができる。

前記のように吸気行程中に先行点火が実行される場合、先行点火から主点火までの間には十分な間隔が確保され易い。このため、前記先行点火および主点火は、前記気筒ごとに、１つの点火回路を有する１つの点火プラグによって実行することが好ましい（請求項６）。

この構成によれば、既存の点火プラグを用いた簡単な方法により先行点火および主点火を実行することができる。

前記先行点火の回数は１サイクル中に１回に限定する必要はなく、複数回の先行点火を実行してもよい。ただし、本願発明者の研究によれば、３回を超えて先行点火を実行したところで、先行点火が３回である場合と比べて得られる効果はほとんど変わらない。このため、１サイクル中の前記先行点火の回数は３回以下とすることが好ましい（請求項７）。

この構成によれば、ＣＩ燃焼を高速化するという先行点火による効果を担保しつつ、点火プラグの電極の消耗を抑制することができる。

好ましくは、前記スワール生成部は、前記気筒に連通する吸気ポートに設けられた開閉可能なスワール弁であり、前記先行点火および主点火が実行される運転領域では、前記気筒内のスワール比が１．５以上になるように前記スワール弁の開度が制御される（請求項８）。

このように、先行点火および主点火が実行される運転領域において、スワール比が１．５以上という比較的強いスワール流を形成するようにした場合には、先行点火により生成された中間生成物をスワール流によって短時間のうちに気筒内の広い範囲に分散させることができるので、この分散した中間生成物を利用して、気筒内の各所で同時多発的に開始されるＣＩ燃焼の燃焼速度を効果的に速めることができる。

好ましくは、１サイクル中の全熱発生量に対するＳＩ燃焼による熱発生量の割合の目標値である目標ＳＩ率をエンジンの運転条件に応じて設定する設定部をさらに備え、前記点火制御部は、前記設定部により設定された目標ＳＩ率に基づいて前記主点火の時期を設定する（請求項９）。

このように、目標ＳＩ率に適合する部分圧縮着火燃焼が実現されるように主点火の時期を調整するようにした場合には、例えば燃焼騒音が過大にならない範囲でできるだけＣＩ燃焼の割合を増やす（つまりＳＩ率を低くする）ことができる。このことは、先行点火による燃料の改質による効果（ＣＩ燃焼の高速化）と相俟って、部分圧縮着火燃焼による熱効率を可及的に高めることにつながる。

ここで、主点火よりも前に実行される先行点火は、ＯＨラジカルを含む中間生成物を生成する（それによってＣＩ燃焼の燃焼速度を速める）働きをするだけなので、先行点火のエネルギーや時期が変化しても、ＳＩ率は特に影響を受けない。このことは、目標ＳＩ率を達成するための主点火の時期を、先行点火のエネルギーや時期とは独立して一義的に特定できることを意味する。すなわち、前記構成によれば、十分な中間生成物が生成されるように先行点火を行いつつ、目標ＳＩ率を実現するための主点火の時期を高い精度で特定することができる。

好ましくは、前記点火制御部は、前記部分圧縮着火燃焼が実行される運転領域における低負荷側の一部でのみ前記先行点火および主点火を実行する（請求項１０）。

この構成によれば、先行点火によるＣＩ燃焼の高速化によって異常燃焼が引き起こされるのを有効に回避することができる。すなわち、部分圧縮着火燃焼の実行領域において一律に先行点火および主点火を実行した場合には、同領域の高負荷側において、ＣＩ燃焼の燃焼速度が速くなり過ぎて、ノッキング等の異常燃焼が起きる可能性が高くなる。これに対し、前記構成では、部分圧縮着火燃焼の実行領域における低負荷側の一部でのみ先行点火が実行され、高負荷側では先行点火が禁止されるので、ノッキング等の異常燃焼を有効に回避することができる。

好ましくは、前記先行点火および主点火が実行される運転領域では、前記気筒内の空気と燃料との割合である空燃比が２０超３５未満となるＡ／Ｆリーン環境下で前記部分圧縮着火燃焼が実行されるか、もしくは、前記気筒内の全ガスと燃料との割合であるガス空燃比が１８超５０未満となりかつ前記空燃比が理論空燃比に略一致するＧ／Ｆリーン環境下で前記部分圧縮着火燃焼が実行される（請求項１１）。

この構成によれば、先行点火によるＣＩ燃焼の高速化（それによる熱効率の向上）を図りながら、混合気の燃焼温度を低く抑えることができ、燃焼に伴うＮＯｘの発生量を効果的に抑制することができる。

好ましくは、前記噴射制御部は、前記先行点火よりも前に燃料を噴射する第２噴射と、当該第２噴射よりも前に燃料を噴射する第１噴射とを前記インジェクタに実行させる（請求項１２）。

この構成によれば、第１噴射および第２噴射による燃料の噴射量／噴射時期をエンジンの運転条件に応じて設定することにより、各運転条件において適切な部分圧縮着火燃焼が実現されるように混合気の成層度合（もしくは均質度合）を調整することができる。

前記構成において、より好ましくは、前記噴射制御部は、前記第１噴射による燃料の噴射量の方が前記第２噴射による燃料の噴射量よりも多くなるように前記インジェクタを制御する（請求項１３）。

このように、噴射時期の早い第１噴射による噴射量を相対的に多くした場合には、燃料が成層化され過ぎてエミッション性能が低下するのを有効に回避することができる。

また、本発明は、気筒と、気筒に臨むよう配設されたインジェクタおよび点火プラグとを備えたエンジンを制御する装置であって、前記気筒内に生成されるスワール流を調整するスワール調整デバイスと、前記気筒内の温度である筒内温度を調整する温度調整デバイスと、前記インジェクタ、点火プラグ、スワール調整デバイス、および温度調整デバイスと電気的に接続され、当該インジェクタ、点火プラグ、スワール調整デバイス、および温度調整デバイスに制御信号を出力するコントローラとを備え、前記コントローラは、エンジンの運転状態に応じた所定時期に前記インジェクタを駆動して燃料を噴射させる噴射制御部と、前記インジェクタから噴射された燃料と空気との混合気が前記点火プラグによる火花点火により火炎伝播燃焼し、この火炎伝播燃焼の開始後に圧縮自己着火燃焼が起きるように前記筒内温度調整デバイスを駆動して筒内温度を調整する筒内温度調整部と、前記インジェクタによる燃料噴射の後でかつ吸気行程中に前記点火プラグを駆動して火花点火を行わせる第１点火制御部と、前記第１点火制御部による火花点火の後でかつ圧縮行程後期または膨張行程初期に前記点火プラグを駆動して火花点火を行わせ、当該火花点火により混合気を火炎伝播燃焼させる第２点火制御部と、前記スワール調整デバイスの制御量に基づいて、前記第１点火制御部による火花点火のエネルギーを、スワール流が弱いときは強いときに比べて小さくする点火エネルギー設定部とを有する、ことを特徴とするものである（請求項１４）。

本発明によれば、上述した発明と同様に、圧縮自己着火燃焼の燃焼速度が速くなるように燃料を改質することができ、熱効率を向上させることができる。

以上説明したように、本発明の圧縮着火式エンジンの制御装置によれば、燃焼速度が速く熱効率に優れた部分圧縮着火燃焼を実現することができる。

本発明の一実施形態にかかる圧縮着火式エンジンの全体構成を概略的に示すシステム図である。 エンジン本体の断面図とピストンの平面図とを併せて示した図である。 気筒およびその近傍の吸排気系の構造を示す概略平面図である。 エンジンの制御系統を示すブロック図である。 エンジンの運転領域を燃焼形態の相違により区分けした運転マップである。 エンジンの各運転領域で行われる燃焼制御を概略的に説明するためのタイムチャートである。 ＳＰＣＣＩ燃焼（部分圧縮着火燃焼）時の熱発生率の波形を示すグラフである。 エンジンの第１運転領域において設定される目標空燃比の具体例を示すマップ図である。 上記第１運転領域において設定される目標スワール開度の具体例を示すマップ図である。 負荷が一定の条件下で回転速度を変化させた場合の目標スワール開度の変化を示すグラフである。 スワール比を測定するリグ試験装置の概略を示す図である。 スワール開度とスワール比との関係を示すグラフである。 エンジンの温間時の燃焼制御の具体例を示すフローチャートである。 図１３のステップＳ１０の制御の詳細を示すサブルーチンである。 先行点火の基本点火エネルギーを決定する演算式の特性を説明するための図である。 上記第１運転領域で先行点火および主点火が行われるときの点火プラグの電気的な状態を燃焼波形と併せて示したタイムチャートである。 混合気の温度と中間生成物の生成量との関係を示すグラフである。 先行点火の回数を増やした場合の具体例を示すタイムチャートである。 先行点火の回数と燃費改善代との関係を示すグラフである。 ＳＩ率の種々の定義方法を説明するための図７相当図である。

（１）エンジンの全体構成
図１および図２は、本発明の制御装置が適用された圧縮着火式エンジン（以下、単にエンジンという）の好ましい実施形態を示す図である。本図に示されるエンジンは、走行用の動力源として車両に搭載された４サイクルのガソリン直噴エンジンであり、エンジン本体１と、エンジン本体１に導入される吸気が流通する吸気通路３０と、エンジン本体１から排出される排気ガスが流通する排気通路４０と、排気通路４０を流通する排気ガスの一部を吸気通路３０に還流する外部ＥＧＲ装置５０を備えている。

エンジン本体１は、気筒２が内部に形成されたシリンダブロック３と、気筒２を上から閉塞するようにシリンダブロック３の上面に取り付けられたシリンダヘッド４と、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。エンジン本体１は、典型的には複数の（例えば４つの）気筒を有する多気筒型のものであるが、ここでは簡略化のため、１つの気筒２のみに着目して説明を進める。

ピストン５の上方には燃焼室６が画成されており、この燃焼室６には、ガソリンを主成分とする燃料が、後述するインジェクタ１５からの噴射によって供給される。そして、供給された燃料が燃焼室６で空気と混合されつつ燃焼し、その燃焼による膨張力で押し下げられたピストン５が上下方向に往復運動する。なお、燃焼室６に噴射される燃料は、主成分としてガソリンを含有していればよく、例えばガソリンに加えてバイオエタノール等の副成分を含んでいてもよい。

ピストン５の下方には、エンジン本体１の出力軸であるクランク軸７が設けられている。クランク軸７は、ピストン５とコネクティングロッド８を介して連結され、ピストン５の往復運動（上下運動）に応じて中心軸回りに回転駆動される。

気筒２の幾何学的圧縮比、つまりピストン５が上死点にあるときの燃焼室６の容積とピストン５が下死点にあるときの燃焼室の容積との比は、後述するＳＰＣＣＩ燃焼（部分圧縮着火燃焼）に好適な値として、１３以上３０以下、好ましくは１４以上１８以下に設定される。より詳しくは、気筒２の幾何学的圧縮比は、オクタン価が９１程度のガソリン燃料を使用するレギュラー仕様の場合に１４以上１７以下に設定し、オクタン価が９６程度のガソリン燃料を使用するハイオク仕様の場合に１５以上１８以下に設定するのが好ましい。

シリンダブロック３には、クランク軸７の回転角度（クランク角）およびクランク軸７の回転速度（エンジン回転速度）を検出するクランク角センサＳＮ１と、シリンダブロック３およびシリンダヘッド４の内部を流通する冷却水の温度（エンジン水温）を検出する水温センサＳＮ２とが設けられている。

シリンダヘッド４には、燃焼室６に開口する吸気ポート９および排気ポート１０と、吸気ポート９を開閉する吸気弁１１と、排気ポート１０を開閉する排気弁１２とが設けられている。なお、当実施形態のエンジンのバルブ形式は、図２に示すように、吸気２バルブ×排気２バルブの４バルブ形式である。すなわち、吸気ポート９は、第１吸気ポート９Ａおよび第２吸気ポート９Ｂを有しており、排気ポート１０は、第１排気ポート１０Ａおよび第２排気ポート１０Ｂを有している（図３参照）。吸気弁１１は、第１吸気ポート９Ａおよび第２吸気ポート９Ｂに対しそれぞれ１つずつ設けられ、排気弁１２は、第１排気ポート１０Ａおよび第２排気ポート１０Ｂに対しそれぞれ１つずつ設けられている。

図３に示すように、第２吸気ポート９Ｂには開閉可能なスワール弁１８（請求項にいう「スワール生成部」または「スワール調整デバイス」の一例に該当）が設けられている。スワール弁１８は、第２吸気ポート９Ｂにのみ設けられており、第１吸気ポート９Ａには設けられていない。このようなスワール弁１８が閉方向に駆動されると、スワール弁１８が設けられていない第１吸気ポート９Ａから燃焼室６に流入する吸気の割合が増大するため、気筒軸線Ｚ（燃焼室６の中心軸）の回りを旋回する旋回流、つまりスワール流を強化することができる。逆に、スワール弁１８を開方向に駆動すればスワール流を弱めることができる。なお、当実施形態の吸気ポート９はタンブル流（縦渦）を形成可能なタンブルポートである。このため、スワール弁１８の閉時に形成されるスワール流は、タンブル流とミックスされた斜めスワール流となる。

吸気弁１１および排気弁１２は、シリンダヘッド４に配設された一対のカム軸等を含む動弁機構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。

吸気弁１１用の動弁機構１３には、吸気弁１１の開閉時期を変更可能な吸気ＶＶＴ１３ａが内蔵されている。同様に、排気弁１２用の動弁機構１４には、排気弁１２の開閉時期を変更可能な排気ＶＶＴ１４ａが内蔵されている。吸気ＶＶＴ１３ａ（排気ＶＶＴ１４ａ）は、いわゆる位相式の可変機構であり、吸気弁１１（排気弁１２）の開時期および閉時期を同時にかつ同量だけ変更する。これら吸気ＶＶＴ１３ａおよび排気ＶＶＴ１４ａの制御により、当実施形態では、吸気弁１１および排気弁１２の双方が排気上死点を跨いで開弁するバルブオーバーラップ期間を調整することが可能であり、また、このバルブオーバーラップ期間の調整により、燃焼室６に残留する既燃ガス（内部ＥＧＲガス）の量を調整することが可能である。なお、吸気ＶＶＴ１３ａおよび排気ＶＶＴ１４ａは、請求項にいう「温度調整デバイス」の一例に該当する。

シリンダヘッド４には、燃焼室６に燃料（主にガソリン）を噴射するインジェクタ１５と、インジェクタ１５から燃焼室６に噴射された燃料と燃焼室６に導入された空気とが混合された混合気に点火する点火プラグ１６とが設けられている。シリンダヘッド４には、さらに、燃焼室６の圧力（以下、筒内圧力ともいう）を検出する筒内圧センサＳＮ３が設けられている。

図２に示すように、ピストン５の冠面には、その中央部を含む比較的広い領域をシリンダヘッド４とは反対側（下方）に凹陥させたキャビティ２０が形成されている。また、ピストン５の冠面におけるキャビティ２０よりも径方向外側には、円環状の平坦面からなるスキッシュ部２１が形成されている。

インジェクタ１５は、その先端部に複数の噴孔を有した多噴孔型のインジェクタであり、当該複数の噴孔から放射状に燃料を噴射することが可能である（図２中のＦは各噴孔から噴射された燃料の噴霧を表している）。インジェクタ１５は、その先端部がピストン５の冠面の中心部（キャビティ２０の底部中央）と対向するように、燃焼室６の天井面の中心部に配置されている。

点火プラグ１６は、インジェクタ１５に対し吸気側に幾分ずれた位置に配置されている。点火プラグ１６の先端部（電極部）の位置は、キャビティ２０と平面視で重複するように設定されている。

図１に示すように、吸気通路３０は、吸気ポート９と連通するようにシリンダヘッド４の一側面に接続されている。吸気通路３０の上流端から取り込まれた空気（新気）は、吸気通路３０および吸気ポート９を通じて燃焼室６に導入される。

吸気通路３０には、その上流側から順に、吸気中の異物を除去するエアクリーナ３１と、吸気の流量を調整する開閉可能なスロットル弁３２と、吸気を圧縮しつつ送り出す過給機３３と、過給機３３により圧縮された吸気を冷却するインタークーラ３５と、サージタンク３６とが設けられている。

吸気通路３０の各部には、吸気の流量を検出するエアフローセンサＳＮ４と、吸気の温度を検出する第１・第２吸気温センサＳＮ５，ＳＮ７と、吸気の圧力を検出する第１・第２吸気圧センサＳＮ６，ＳＮ８とが設けられている。エアフローセンサＳＮ４および第１吸気温センサＳＮ５は、吸気通路３０におけるエアクリーナ３１とスロットル弁３２との間の部位に設けられ、当該部位を通過する吸気の流量および温度を検出する。第１吸気圧センサＳＮ６は、吸気通路３０におけるスロットル弁３２と過給機３３との間（後述するＥＧＲ通路５１の接続口よりも下流側）の部位に設けられ、当該部位を通過する吸気の圧力を検出する。第２吸気温センサＳＮ７は、吸気通路３０における過給機３３とインタークーラ３５との間の部位に設けられ、当該部位を通過する吸気の温度を検出する。第２吸気圧センサＳＮ８は、サージタンク３６に設けられ、当該サージタンク３６内の吸気の圧力を検出する。

過給機３３は、エンジン本体１と機械的に連係された機械式の過給機（スーパーチャージャ）である。過給機３３の具体的な形式は特に問わないが、例えばリショルム式、ルーツ式、または遠心式といった公知の過給機のいずれかを過給機３３として用いることができる。

過給機３３とエンジン本体１との間には、締結と解放を電気的に切り替えることが可能な電磁クラッチ３４が介設されている。電磁クラッチ３４が締結されると、エンジン本体１から過給機３３に駆動力が伝達されて、過給機３３による過給が行われる。一方、電磁クラッチ３４が解放されると、上記駆動力の伝達が遮断されて、過給機３３による過給が停止される。

吸気通路３０には、過給機３３をバイパスするためのバイパス通路３８が設けられている。バイパス通路３８は、サージタンク３６と後述するＥＧＲ通路５１とを互いに接続している。バイパス通路３８には開閉可能なバイパス弁３９が設けられている。

排気通路４０は、排気ポート１０と連通するようにシリンダヘッド４の他側面に接続されている。燃焼室６で生成された既燃ガスは、排気ポート１０および排気通路４０を通じて外部に排出される。

排気通路４０には触媒コンバータ４１が設けられている。触媒コンバータ４１には、排気通路４０を流通する排気ガス中に含まれる有害成分（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ）を浄化するための三元触媒４１ａと、排気ガス中に含まれる粒子状物質（ＰＭ）を捕集するためのＧＰＦ（ガソリン・パティキュレート・フィルタ）４１ｂとが内蔵されている。なお、触媒コンバータ４１の下流側に、三元触媒やＮＯｘ触媒等の適宜の触媒を内蔵した別の触媒コンバータを追加してもよい。

排気通路４０における触媒コンバータ４１よりも上流側の部位には、排気ガス中に含まれる酸素の濃度を検出するリニアＯ_２センサが設けられている。リニアＯ_２センサは、酸素濃度の濃淡に応じて出力値がリニアに変化するタイプのセンサであり、このリニアＯ_２センサの出力値に基づいて混合気の空燃比を推定することが可能である。

外部ＥＧＲ装置５０は、排気通路４０と吸気通路３０とを接続するＥＧＲ通路５１と、ＥＧＲ通路５１に設けられたＥＧＲクーラ５２およびＥＧＲ弁５３とを有している。ＥＧＲ通路５１は、排気通路４０における触媒コンバータ４１よりも下流側の部位と、吸気通路３０におけるスロットル弁３２と過給機３３との間の部位とを互いに接続している。ＥＧＲクーラ５２は、ＥＧＲ通路５１を通じて排気通路４０から吸気通路３０に還流される排気ガス（外部ＥＧＲガス）を熱交換により冷却する。ＥＧＲ弁５３は、ＥＧＲクーラ５２よりも下流側（吸気通路３０に近い側）のＥＧＲ通路５１に開閉可能に設けられ、ＥＧＲ通路５１を流通する排気ガスの流量を調整する。なお、ＥＧＲ弁５３は、請求項にいう「温度調整デバイス」の一例に該当する。

ＥＧＲ通路５１には、ＥＧＲ弁５３の上流側の圧力と下流側の圧力との差を検出するための差圧センサＳＮ９が設けられている。

（２）制御系統
図４は、エンジンの制御系統を示すブロック図である。本図に示されるＥＣＵ１００は、エンジンを統括的に制御するためのマイクロプロセッサであり、周知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成されている。なお、ＥＣＵ１００は、請求項にいう「コントローラ」の一例に該当する。

ＥＣＵ１００には各種センサによる検出信号が入力される。例えば、ＥＣＵ１００は、上述したクランク角センサＳＮ１、水温センサＳＮ２、筒内圧センサＳＮ３、エアフローセンサＳＮ４、第１・第２吸気温センサＳＮ５，ＳＮ７、第１・第２吸気圧センサＳＮ６，ＳＮ８、差圧センサＳＮ９、およびリニアＯ_２センサＳＮ１０と電気的に接続されており、これらのセンサによって検出された情報（つまりクランク角、エンジン回転速度、エンジン水温、筒内圧力、吸気流量、吸気温、吸気圧、ＥＧＲ弁５３の前後差圧、排気ガスの酸素濃度等）がＥＣＵ１００に逐次入力されるようになっている。

また、車両には、当該車両を運転するドライバーにより操作されるアクセルペダルの開度を検出するアクセルセンサＳＮ１１が設けられており、このアクセルセンサＳＮ１１による検出信号もＥＣＵ１００に入力される。

ＥＣＵ１００は、上記各センサからの入力情報に基づいて種々の判定や演算等を実行しつつエンジンの各部を制御する。すなわち、ＥＣＵ１００は、吸気ＶＶＴ１３ａ、排気ＶＶＴ１４ａ、インジェクタ１５、点火プラグ１６、スワール弁１８、スロットル弁３２、電磁クラッチ３４、バイパス弁３９、およびＥＧＲ弁５３等と電気的に接続されており、上記演算の結果等に基づいてこれらの機器にそれぞれ制御用の信号を出力する。

具体的に、ＥＣＵ１００は、演算部１０１、噴射制御部１０２、点火制御部１０３、スワール制御部１０４、吸気制御部１０５、およびＥＧＲ制御部１０６を機能的に有している。

噴射制御部１０２は、インジェクタ１５による燃料の噴射動作を制御するための制御モジュールである。点火制御部１０３は、点火プラグ１６による点火動作を制御するための制御モジュールである。スワール制御部１０４は、スワール弁１８の開度を制御するための制御モジュールである。吸気制御部１０５は、燃焼室６に導入される吸気の流量や圧力を調整するための制御モジュールであり、スロットル弁３２およびバイパス弁３９の各開度や電磁クラッチ３４のＯＮ／ＯＦＦを制御する。ＥＧＲ制御部１０６は、燃焼室６に導入されるＥＧＲガス（外部ＥＧＲガスおよび内部ＥＧＲガス）の量を調整するための制御モジュールであり、吸気ＶＶＴ１３ａおよび排気ＶＶＴ１４ａの各動作やＥＧＲ弁５３の開度を制御する。演算部１０１は、これら各制御部１０２～１０６による制御目標値を決定したりエンジンの運転状態を判定するといった各種演算を実行するための制御モジュールである。なお、演算部１０１は、請求項にいう「設定部」または「点火エネルギー設定部」の一例に相当し、点火制御部１０３は、請求項にいう「第１／第２点火制御部」の一例に該当し、ＥＧＲ制御部１０６は、請求項にいう「筒内温度調整部」の一例に該当する。

（３）運転状態に応じた制御
図５は、エンジンの温間時に使用される運転マップであり、エンジンの回転速度／負荷に応じた制御の相違を示す図である。なお、以下の説明において、エンジンの負荷が高い（低い）とは、エンジンの要求トルクが高い（低い）ことと等価である。

図５に示すように、エンジンが温間状態にあるとき、エンジンの運転領域は、燃焼形態の相違によって３つの運転領域Ａ１～Ａ３に大別される。それぞれ第１運転領域Ａ１、第２運転領域Ａ２、第３運転領域Ａ３とすると、第３運転領域Ａ３は、回転速度が高い高速領域であり、第１運転領域Ａ１は、第３運転領域Ａ３よりも低速側の領域から高負荷側の一部を除いた低・中速／低負荷の領域であり、第２運転領域Ａ２は、第１、第３運転領域Ａ１，Ａ３以外の残余の領域（言い換えると低・中速／高負荷の領域）である。以下、各運転領域で選択される燃焼形態等について順に説明する。

（３－１）第１運転領域
低・中速／低負荷の第１運転領域Ａ１では、ＳＩ燃焼とＣＩ燃焼とを組み合わせた部分圧縮着火燃焼（以下、これをＳＰＣＣＩ燃焼という）が実行される。ＳＩ燃焼とは、点火プラグ１６から発生する火花により混合気に点火し、その点火点から周囲へと燃焼領域を拡げていく火炎伝播により混合気を強制的に燃焼させる燃焼形態のことであり、ＣＩ燃焼とは、ピストン５の圧縮により高温・高圧化された環境下で混合気を自着火により燃焼させる燃焼形態のことである。そして、これらＳＩ燃焼とＣＩ燃焼とを組み合わせたＳＰＣＣＩ燃焼とは、混合気が自着火する寸前の環境下で行われる火花点火により燃焼室６内の混合気の一部をＳＩ燃焼させ、当該ＳＩ燃焼の後に（ＳＩ燃焼に伴うさらなる高温・高圧化により）燃焼室６内の他の混合気を自着火によりＣＩ燃焼させる、という燃焼形態のことである。なお、「ＳＰＣＣＩ」は「Spark Controlled Compression Ignition」の略である。

ＳＰＣＣＩ燃焼は、ＳＩ燃焼時の熱発生よりもＣＩ燃焼時の熱発生の方が急峻になるという性質がある。例えば、ＳＰＣＣＩ燃焼による熱発生率の波形は、後述する図６または図７に示すように、ＳＩ燃焼に対応する燃焼初期の立ち上がりの傾きが、その後のＣＩ燃焼に対応して生じる立ち上がりの傾きよりも小さくなる。言い換えると、ＳＰＣＣＩ燃焼時の熱発生率の波形は、ＳＩ燃焼に基づく相対的に立ち上がりの傾きが小さい第１熱発生率部と、ＣＩ燃焼に基づく相対的に立ち上がりの傾きが大きい第２熱発生部とが、この順に連続するように形成される。また、このような熱発生率の傾向に対応して、ＳＰＣＣＩ燃焼では、ＳＩ燃焼時に生じる燃焼室６内の圧力上昇率（ｄｐ／ｄθ）がＣＩ燃焼時のそれよりも小さくなる。

ＳＩ燃焼によって、燃焼室６内の温度および圧力が高まると、これに伴い未燃混合気が自着火し、ＣＩ燃焼が開始される。後述する図６または図７に例示するように、この自着火のタイミング（つまりＣＩ燃焼が開始するタイミング）で、熱発生率の波形の傾きが小から大へと変化する。すなわち、ＳＰＣＣＩ燃焼における熱発生率の波形は、ＣＩ燃焼が開始するタイミングで現れる変曲点（図７のＸ２）を有している。

ＣＩ燃焼の開始後は、ＳＩ燃焼とＣＩ燃焼とが並行して行われる。ＣＩ燃焼は、ＳＩ燃焼よりも混合気の燃焼速度が速いため、熱発生率は相対的に大きくなる。ただし、ＣＩ燃焼は、圧縮上死点の後に行われるため、熱発生率の波形の傾きが過大になることはない。すなわち、圧縮上死点を過ぎるとピストン５の下降によりモータリング圧力が低下するので、このことが熱発生率の上昇を抑制する結果、ＣＩ燃焼時のｄｐ／ｄθが過大になることが回避される。このように、ＳＰＣＣＩ燃焼では、ＳＩ燃焼の後にＣＩ燃焼が行われるという性質上、燃焼騒音の指標となるｄｐ／ｄθが過大になり難く、単純なＣＩ燃焼（全ての燃料をＣＩ燃焼させた場合）に比べて燃焼騒音を抑制することができる。

ＣＩ燃焼の終了に伴いＳＰＣＣＩ燃焼も終了する。ＣＩ燃焼はＳＩ燃焼に比べて燃焼速度が速いので、単純なＳＩ燃焼（全ての燃料をＳＩ燃焼させた場合）に比べて燃焼終了時期を早めることができる。言い換えると、ＳＰＣＣＩ燃焼では、燃焼終了時期を膨張行程内において圧縮上死点に近づけることができる。これにより、ＳＰＣＣＩ燃焼では、単純なＳＩ燃焼に比べて燃費性能を向上させることができる。

上記のようなＳＰＣＣＩ燃焼の具体的形態として、第１運転領域Ａ１では、点火プラグ１６から火花を複数回発生させた上で最後の火花点火をきっかけに混合気をＳＰＣＣＩ燃焼させる制御が実行される。当実施形態の場合、火花点火の回数は２回とされる。このような２回点火によるＳＰＣＣＩ燃焼を実現するため、第１運転領域Ａ１では、ＥＣＵ１００によってエンジンの各部が次のように制御される。なお、以下の説明では、燃料噴射や火花点火の時期を特定する用語として、～行程の「前期」「中期」「後期」といった用語や、～行程の「前半」「後半」といった用語を用いることがあるが、これは、次のことを前提としている。すなわち、本明細書では、吸気行程や圧縮行程等の任意の行程を３等分した場合の各期間を前から順に「前期」「中期」「後期」と定義する。このため、例えば圧縮行程の（ｉ）前期、（ii）中期、（iii）後期とは、それぞれ、（ｉ）圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）１８０～１２０°ＣＡ、（ii）ＢＴＤＣ１２０～６０°ＣＡ、（iii）ＢＴＤＣ６０～０°ＣＡの各範囲のことを指す。同様に、本明細書では、吸気行程や圧縮行程等の任意の行程を２等分した場合の各期間を前から順に「前半」「後半」と定義する。このため、例えば吸気行程の（iv）前半、（ｖ）後半とは、それぞれ、（iv）ＢＴＤＣ３６０～２７０°ＣＡ、（ｖ）ＢＴＤＣ２７０～１８０°ＣＡの各範囲のことを指す。

第１運転領域Ａ１での運転時、点火プラグ１６は、圧縮上死点から十分に進角された時期に火花を発生させる先行点火と、先行点火よりも圧縮上死点に近い時期に火花を発生させる主点火とを実行する。先行点火は、圧縮行程前期または中期のいずれか（ＢＴＤＣ１８０～６０°ＣＡ）に実行され、主点火は、圧縮行程後期から膨張行程初期までの期間内（ＢＴＤＣ６０～ＡＴＤＣ６０°ＣＡ）に実行される。

例えば、第１運転領域Ａ１における低負荷側の運転ポイントＰ１において、点火プラグ１６は、図６のチャート（ａ）に示すように、圧縮行程前期に先行点火を実行するとともに、圧縮行程後期に主点火を実行する。同様に、運転ポイントＰ１よりも負荷が高い運転ポイントＰ２において、点火プラグ１６は、図６のチャート（ｂ）に示すように、圧縮行程前期に先行点火を実行するとともに、圧縮行程後期に主点火を実行する。ただし、高負荷側の運転ポイントＰ２における先行点火の時期は、低負荷側の運転ポイントＰ１における先行点火の時期よりも進角側に設定される。これは、後述する第２噴射（１サイクル中の最後の燃料噴射）の時期に連動したものである。すなわち、第２噴射から先行点火までのクランク角期間が略一定に維持されるように、第２噴射の時期に連動して先行点火の時期が高負荷側ほど進角されるようになっている。

上記のように圧縮上死点から十分に進角された時期に実行される先行点火は、混合気の火炎伝播を生じさせない。詳細は追って説明するが、この先行点火は、火花（アーク）の周囲の混合気を８５０Ｋ以上１１４０Ｋ未満という狙いの温度にまで上昇させることにより、燃料成分（炭化水素）を開裂させてＯＨラジカルを含む中間生成物を生成することを目的として行われる。また、火炎伝播が生じるのを確実に防止するため、先行点火のエネルギーは、主点火のエネルギーよりも小さくされる。したがって、このような先行点火が行われても、混合気には実質的に火炎が形成されず、ＳＩ燃焼は開始されない。

一方、圧縮上死点に比較的近い時期に実行されるエネルギーの大きい主点火は、混合気の火炎伝播を生じさせ、ＳＩ燃焼を引き起こす。ＳＩ燃焼が開始されると、燃焼室６が高温・高圧化し、そのことがＣＩ燃焼を引き起こす。すなわち、主点火をきっかけにＳＰＣＣＩ燃焼が開始され、燃焼室６内の一部の混合気が火炎伝播により燃焼（ＳＩ燃焼）し、その他の混合気が自着火により燃焼（ＣＩ燃焼）する。

インジェクタ１５は、１サイクル中に噴射すべき燃料を複数回に分けて噴射するとともに、少なくとも一部の燃料を吸気行程中に噴射する。当実施形態の場合、燃料噴射の回数は２回とされる。すなわち、第１運転領域Ａ１での運転時、インジェクタ１５は、上述した先行点火よりも早い所定の期間内に、第１噴射と第２噴射との２回に分けて燃料を噴射する。例えば、第１運転領域Ａ１における低負荷側の運転ポイントＰ１において、インジェクタ１５は、図６のチャート（ａ）に示すように、吸気行程前半に第１噴射を開始するとともに、吸気行程後半に第２噴射を開始する。同様に、運転ポイントＰ１よりも負荷が高い運転ポイントＰ２において、インジェクタ１５は、図６のチャート（ｂ）に示すように、吸気行程前半に第１噴射を開始するとともに、吸気行程後半に第２噴射を開始する。ただし、高負荷側の運転ポイントＰ２における第２噴射の開始時期は、低負荷側の運転ポイントＰ１における第２噴射の開始時期よりも進角側に設定される。言い換えると、第２噴射の時期は、第１運転領域Ａ１内で負荷が増大するほど進角されるようになっている。

上記のような分割噴射によりインジェクタ１５から噴射される燃料の量（総量）および分割比は、エンジンの要求トルクに応じて可変的に設定される。具体的に、燃料の総量、つまり第１噴射による燃料の噴射量と第２噴射による燃料の噴射量との合計は、要求トルクが高くなる高負荷側ほど多くなるように設定される。また、第１・第２噴射の分割比、つまり、（第１噴射による燃料の噴射量）：（第２噴射による燃料の噴射量）は、高負荷側ほど第１噴射の割合が小さくなるように設定される。例えば、第１・第２噴射の分割比は、第１運転領域Ａ１内における低負荷側から高負荷側にかけて、概ね９：１から６：４まで変化するように設定される。

スロットル弁３２の開度は、理論空燃比相当の空気量よりも多くの空気が吸気通路３０を通じて燃焼室６に導入されるような開度に設定される。すなわち、吸気通路３０を通じて燃焼室６に導入される空気（新気）と、上記第１・第２噴射によって燃焼室６に噴射される燃料との重量比である空燃比（Ａ／Ｆ）が、理論空燃比（１４．７）よりも大きくなるように、スロットル弁３２の開度が比較的高めに設定されて、理論空燃比相当の空気量よりも多くの空気が吸気通路３０を通じて燃焼室６に導入される。このように、当実施形態では、第１運転領域Ａ１での運転時に、燃焼室６内の空燃比が理論空燃比よりも大きくなる環境（以下、これをＡ／Ｆリーン環境という）を形成しつつ混合気をＳＰＣＣＩ燃焼させる制御が実行される。

第１運転領域Ａ１における空燃比（Ａ／Ｆ）は、２０超３５未満の範囲内で可変的に設定される。図８は、第１運転領域Ａ１における空燃比（Ａ／Ｆ）の目標値である目標空燃比の設定例を示すマップ図である。本図に示すように、第１運転領域Ａ１での目標空燃比は、概ね、第１運転領域Ａ１内で負荷（要求トルク）が高くなるほど大きくなるように設定されている。より詳しくは、目標空燃比は、第１運転領域Ａ１の上限負荷（つまり第１運転領域Ａ１と第２運転領域Ａ２との境界の負荷）の近傍に設定された領域ａ１において最も高い値（３１以上）をとり、当該領域ａ１から離れるほど小さい値をとるように設定されている。ただし、第１運転領域Ａ１内のいずれの位置においても、空燃比が２０以下になることはない。なお、当実施形態において、目標空燃比が最大になる領域ａ１は、第１運転領域Ａ１の上限負荷からやや低負荷側に離れかつ第１運転領域Ａ１の下限速度から高速側に離れた帯状の領域、つまり第１運転領域Ａ１内の中・高速／高負荷の領域に設定されている。領域ａ１が上限負荷に近いことから、第１運転領域Ａ１内で領域ａ１から最も遠いのは、回転速度および負荷が共に最低となるアイドル領域であり、このアイドル領域での目標空燃比が最も小さくなる。

過給機３３は、図５に示される過給ラインＴの内側領域でＯＦＦ状態とされ、過給ラインＴの外側領域でＯＮ状態とされる。過給機３３がＯＦＦ状態とされる過給ラインＴの内側領域、つまり第１運転領域Ａ１の低速側では、電磁クラッチ３４が解放されて過給機３３とエンジン本体１との連結が解除されるとともに、バイパス弁３９が全開とされることにより、過給機３３による過給が停止される。一方、過給機３３がＯＮ状態とされる過給ラインＴの外側領域、つまり第１運転領域Ａ１の高速側では、電磁クラッチ３４が締結されて過給機３３とエンジン本体１とが連結されることにより、過給機３３による過給が行われる。このとき、第２吸気圧センサＳＮ８により検出されるサージタンク３６内の圧力（過給圧）が、エンジンの運転条件（回転速度や負荷等の条件）ごとに予め定められた目標圧力に一致するように、バイパス弁３９の開度が制御される。例えば、バイパス弁３９の開度が大きくなるほど、バイパス通路３８を通じて過給機３３の上流側に逆流する吸気の流量が多くなる結果、サージタンク３６に導入される吸気の圧力つまり過給圧が低くなる。バイパス弁３９は、このように吸気の逆流量を調整することにより、過給圧を目標圧力に制御する。

吸気ＶＶＴ１３ａおよび排気ＶＶＴ１４ａは、ＳＰＣＣＩ燃焼に適した燃焼室６の温度（以下、筒内温度ともいう）が実現されるように、第１運転領域Ａ１内の多くの領域において、燃焼室６に既燃ガスを残留させる内部ＥＧＲを実行可能なタイミングで吸気弁１１および排気弁１２を駆動する。すなわち、吸・排気ＶＶＴ１３ａ，１４ａは、排気上死点を挟んで吸・排気弁１１，１２の双方が開かれるバルブオーバーラップ期間が形成されるように各弁１１，１２を駆動し、排気上死点を過ぎるまで（吸気行程初期まで）排気弁１２を開弁させる。これにより、排気ポート１０から燃焼室６へと既燃ガスが引き戻されて、内部ＥＧＲが実現される。バルブオーバーラップ期間は、所望のＳＰＣＣＩ燃焼の波形（後述する目標ＳＩ率および目標θｃｉ）を得るのに適した筒内温度が実現されるように、言い換えれば当該温度を実現するのに必要な量の内部ＥＧＲガスが燃焼室６に導入されるように調整される。このようなバルブオーバーラップ期間の調整によって実現される内部ＥＧＲ率、つまり燃焼室６内の全ガス量のうち内部ＥＧＲガスが占める割合は、概ね、第１運転領域Ａ１内の低負荷側ほど大きくなる傾向にある。

ＥＧＲ弁５３は、ＳＰＣＣＩ燃焼に適した筒内温度が実現されるように、第１運転領域Ａ１内の多くの領域において開弁される。すなわち、ＥＧＲ通路５１を通じて燃焼室６に排気ガスを還流する外部ＥＧＲが実現されるように、ＥＧＲ弁５３が開弁される。詳細は後述するが、ＥＧＲ弁５３の開度は、所望のＳＰＣＣＩ燃焼の波形（後述する目標ＳＩ率および目標θｃｉ）を得るのに適した筒内温度が実現されるように、言い換えれば当該温度を実現するのに必要な量の外部ＥＧＲガスが燃焼室６に導入されるように調整される。このようなＥＧＲ弁５３の開度調整によって実現される外部ＥＧＲ率、つまり燃焼室６内の全ガス量のうち外部ＥＧＲガスが占める割合は、概ね、第１運転領域Ａ１内で回転速度または負荷のいずれかが高くなるほど大きくなる傾向にある。

スワール弁１８の開度は、半開（５０％）よりも低い低開度に設定される。このようにスワール弁１８の開度が低減されることにより、燃焼室６に導入される吸気は、その大部分が第１吸気ポート９Ａ（スワール弁１８が設けられていない側の吸気ポート）からの吸気となり、燃焼室６内に強いスワール流が形成される。このスワール流は、吸気行程中に成長して圧縮行程の途中まで残存し、燃料の成層化を促進する。つまり、燃焼室６の中央部の燃料濃度がその外側の領域（外周部）に比べて濃くなるという濃度差が形成される。なお、具体的なスワール弁１８の開度設定については後述の（４）において詳しく説明する。

（３－２）第２運転領域
低・中速／高負荷の第２運転領域Ａ２では、１回の火花点火によって混合気をＳＰＣＣＩ燃焼させる制御が実行される。言い換えると、第２運転領域Ａ２では、上述した第１運転領域Ａ１における先行点火が省略されて、主点火のみが実行される。このような１回点火によるＳＰＣＣＩ燃焼を実現するため、第２運転領域Ａ２では、ＥＣＵ１００によってエンジンの各部が次のように制御される。

点火プラグ１６は、圧縮行程後期から膨張行程初期までの期間内に１回の火花点火を実行する。例えば、第２運転領域Ａ２に含まれる運転ポイントＰ３において、点火プラグ１６は、図６のチャート（ｃ）に示すように、圧縮行程後期に１回の火花点火を実行する。そして、この火花点火をきっかけにＳＰＣＣＩ燃焼が開始され、燃焼室６内の一部の混合気が火炎伝播により燃焼（ＳＩ燃焼）し、その他の混合気が自着火により燃焼（ＣＩ燃焼）する。

インジェクタ１５は、吸気行程中に少なくとも１回の燃料噴射を実行する。例えば、第２運転領域Ａ２に含まれる運転ポイントＰ３において、インジェクタ１５は、図６のチャート（ｃ）に示すように、１サイクル中に噴射すべき燃料の全量を供給する１回の燃料噴射を吸気行程中に実行する。なお、運転ポイントＰ３以外（例えば第２運転領域Ａ２内においてＰ３よりも低負荷側にある運転ポイント）では、吸気行程中に２回に分けて燃料が噴射されることもある。

スロットル弁３２の開度は、理論空燃比相当の空気量が吸気通路３０を通じて燃焼室６に導入されるような開度、つまり、燃焼室６内の空気（新気）と燃料との重量比である空燃比（Ａ／Ｆ）が理論空燃比（１４．７）に略一致するような開度に設定される。一方、後述するように、第２運転領域Ａ２では、ＥＧＲ弁５３が開弁されて外部ＥＧＲガスが燃焼室６に導入される。このため、第２運転領域Ａ２では、燃焼室６内の全ガスと燃料との重量比であるガス空燃比（Ｇ／Ｆ）は理論空燃比（１４．７）よりも大きくなる。このように、当実施形態では、第２運転領域Ａ２での運転時に、ガス空燃比（Ｇ／Ｆ）が理論空燃比よりも大きくかつ空燃比（Ａ／Ｆ）が理論空燃比に略一致する環境（以下、これをＧ／Ｆリーン環境という）を形成しつつ混合気をＳＰＣＣＩ燃焼させる制御が実行される。

過給機３３は、過給ラインＴの内側領域と重複する低負荷かつ低速側の一部においてＯＦＦ状態とされ、それ以外の領域でＯＮ状態とされる。過給機３３がＯＮ状態とされて吸気が過給されているとき、バイパス弁３９の開度は、サージタンク３６内の圧力（過給圧）が目標圧力に一致するように制御される。

吸気ＶＶＴ１３ａおよび排気ＶＶＴ１４ａは、内部ＥＧＲが実質的に停止されるようなタイミングで吸気弁１１および排気弁１２を駆動する。

ＥＧＲ弁５３は、第２運転領域Ａ２でのＳＰＣＣＩ燃焼に適した量の外部ＥＧＲガスが燃焼室６に導入されるように適宜の開度まで開弁される。このときのＥＧＲ弁５３の開度は、上述した第１運転領域Ａ１のときと同様、所望のＳＰＣＣＩ燃焼の波形（後述する目標ＳＩ率および目標θｃｉ）を得るのに適した筒内温度が実現されるように調整される。

スワール弁１８の開度は、第１運転領域Ａ１での開度と同程度の値か、もしくはこれよりも大きい所定の中間開度に設定される。

（３－３）第３運転領域
上記第１・第２運転領域Ａ１，Ａ２よりも高速側の第３運転領域Ａ３では、比較的オーソドックスなＳＩ燃焼が実行される。このＳＩ燃焼の実現のために、第３運転領域Ａ３では、ＥＣＵ１００によってエンジンの各部が次のように制御される。

点火プラグ１６は、圧縮行程後期から膨張行程初期までの期間内に１回の火花点火を実行する。例えば、第３運転領域Ａ３に含まれる運転ポイントＰ４において、点火プラグ１６は、図６のチャート（ｄ）に示すように、圧縮行程後期に１回の火花点火を実行する。そして、この火花点火をきっかけにＳＩ燃焼が開始され、燃焼室６内の混合気の全てが火炎伝播により燃焼する。

インジェクタ１５は、少なくとも吸気行程と重複する所定の期間にわたって噴射を噴射する。例えば、上記運転ポイントＰ４において、インジェクタ１５は、図６のチャート（ｄ）に示すように、吸気行程から圧縮行程にかけた一連の期間にわたって燃料を噴射する。なお、運転ポイントＰ４は、かなり高速かつ高負荷の条件であるため、１サイクル中に噴射すべき燃料の量がそもそも多い上に、所要量の燃料を噴射するのに要するクランク角期間が長期化する。運転ポイントＰ４における燃料の噴射期間が既述の他の運転ポイント（Ｐ１～Ｐ３）のいずれよりも長いのはこのためである。

過給機３３はＯＮ状態とされ、過給機３３による過給が行われる。このときの過給圧は、バイパス弁３９によって調整される。

スロットル弁３２およびＥＧＲ弁５３は、燃焼室６内の空燃比（Ａ／Ｆ）が理論空燃比もしくはこれよりもややリッチな値（λ≦１）となるように、それぞれの開度が制御される。

スワール弁１８は全開とされる。これにより、第１吸気ポート９Ａだけでなく第２吸気ポート９Ｂが完全に開放されて、エンジンの充填効率が高められる。

（４）スワール制御
次に、第１運転領域Ａ１でのスワール制御の詳細について説明する。図９は、第１運転領域Ａ１において設定されるスワール弁１８の開度の目標値（以下、目標スワール開度ともいう）の具体例を示すマップ図であり、図１０は、負荷が一定の条件下で（図９のラインＶに沿って）回転速度を変化させた場合の目標スワール開度の変化を示すグラフである。これらの図に示すように、第１運転領域Ａ１では、目標スワール開度が概ね２０～４０％の範囲で可変的に設定され、その値は高速側または高負荷側ほど高くされる。

具体的に、目標スワール開度は、第１運転領域Ａ１内における最も低速かつ低負荷の第１領域ｂ１において一律に２０％に設定され、この第１領域ｂ１よりも回転速度または負荷が高い第２領域ｂ２において、回転速度または負荷が高くなるにつれて漸増するように設定されている。第２領域ｂ２では、第１領域ｂ１に近い低速・低負荷側ほど目標スワール開度が２０％に近くなり、第１領域ｂ１から遠い高速・高負荷側ほど目標スワール開度が２０％より大きくされ、最大で約４０％まで増大される。例えば、第１領域ｂ１→第２領域ｂ２の順に横切るように（図９のラインＶに沿って）回転速度が増大した場合、目標スワール開度は、図１０に示すように、回転速度が第１領域ｂ１に含まれる間は２０％に維持され、第２領域ｂ２に移行した後は回転速度の増大とともに略一定の割合で増大する。

ＥＣＵ１００（スワール制御部１０４）は、第１運転領域Ａ１での運転時、上記のとおり設定された目標スワール開度のマップ（図９および図１０）に従ってスワール弁１８の開度を制御する。

スワール弁１８の開度が低いほど、燃焼室６には強いスワール流が生成される。上記図９および図１０のマップが使用される当実施形態では、第１運転領域Ａ１での運転時に、回転速度および負荷が低いほどスワール弁１８の開度が低くされるので、これに応じて（回転速度および負荷が低いほど）スワール流は強められる。これは、着火性の厳しい低速かつ低負荷の条件下で混合気の成層化を促進し、着火性を改善するためである。

すなわち、当実施形態では、燃焼室６の天井面の中心部に配置されたインジェクタ１５から放射状に燃料が噴射されるが、噴射された燃料の各噴霧は、スワール流によって運ばれて燃焼室６の中心部を指向するように移動する。このとき、スワール弁１８の開度が低いほど（言い換えるとスワール流の初期速度が速いほど）、圧縮行程のより遅い段階までスワール流が残存するので、燃焼の開始直前まで燃焼室６の中央部に燃料濃度の濃い混合気が形成される結果、混合気の成層化が促進される。このことを利用して、当実施形態では、第１運転領域Ａ１の中でも低速かつ低負荷の条件であるほど、スワール弁１８の開度を低下させてスワール流を強化し、もって混合気の成層化および着火性の改善を図るようにしている。

ここで、スワール流の強さについて定義する。本明細書では、燃焼室６に生成されるスワール流の強さを、「スワール比」で表す。スワール比は、吸気流の横方向角速度をバルブリフト毎に測定して積分した値を、クランク軸の角速度で除した値として定義される。吸気流の横方向角速度は、図１１に示すリグ試験装置を用いた測定により特定することができる。本図に示すリグ試験装置は、シリンダブロック２０３とシリンダヘッド２０４とを含む試験用エンジンを対象として吸気流の横方向角速度を測定するものであり、試験用エンジンの下側に配置される基台２１０と、試験用エンジンの上側に配置されるインパルスメータ２１１とを有する。試験用エンジンは、上下反転した姿勢とされ、そのシリンダヘッド２０４が基台２１０の上に載置される。シリンダヘッド２０４には吸気ポート２０５が形成されており、この吸気ポート２０５には図外の吸気供給装置が接続されている。シリンダブロック２０３の内部には気筒２０２が形成され、当該気筒２０２には、上記吸気供給装置から供給される吸気が吸気ポート２０５を介して導入される。

インパルスメータ２１１は、シリンダブロック２０３の上面に取り付けられるハニカム状ロータ２１１ａと、ハニカム状ロータ２１１ａの上側に位置するメータ本体部２１１ｂとを有している。気筒２０２の直径であるシリンダボア径をＤとしたとき、インパルスメータ２１１の下面は、シリンダヘッド２０４とシリンダブロック２０３との合わせ面から１．７５Ｄだけ離れたところに位置している。上記吸気供給装置から吸気が供給されると、これに応じて気筒２０２の内部にスワール流（図１１の矢印参照）が発生し、このスワール流がハニカム状ロータ２１１ａに作用することにより、ハニカム状ロータ２１１ａに回転方向のトルクが発生する。このトルクは、メータ本体部２１１ｂによって計測されるとともに、計測されたトルクに基づいて吸気流の横方向角速度が求められる。

図１２は、当実施形態のエンジンにおけるスワール弁１８の開度と、上記の定義によるスワール比との関係を示している。本図に示すように、スワール弁１８の開度が低くなるほど、スワール比は増大する（つまりスワール流が強化される）。例えば、スワール弁１８の開度が４０％であるとき、スワール比は１．５を少し超えた値をとる。これに対し、スワール弁１８が全閉（０％）まで閉じられると、スワール比は約６まで増大する。

ここで、当実施形態では、上述したとおり、第１運転領域Ａ１での運転時に、スワール弁１８の開度が概ね２０～４０％の範囲内で制御される（図９、図１０参照）。このことから、当実施形態では、第１運転領域Ａ１でのスワール弁１８の開度が、燃焼室６内のスワール比が１．５以上となるような値に設定されているといえる。

（５）ＳＩ率について
上述したように、当実施形態では、ＳＩ燃焼とＣＩ燃焼とを組み合わせたＳＰＣＣＩ燃焼が第１運転領域Ａ１および第２運転領域Ａ２において実行されるが、このＳＰＣＣＩ燃焼では、ＳＩ燃焼とＣＩ燃焼との比率を運転条件に応じてコントロールすることが重要になる。

ここで、当実施形態では、上記比率として、ＳＰＣＣＩ燃焼（ＳＩ燃焼およびＣＩ燃焼）による全熱発生量に対するＳＩ燃焼による熱発生量の割合であるＳＩ率を用いる。図７は、このＳＩ率を説明するための図であり、ＳＰＣＣＩ燃焼が起きたときの熱発生率（Ｊ／ｄｅｇ）のクランク角による変化を示している。図７の波形における点Ｘ１は、ＳＩ燃焼の開始に伴って熱発生率が立ち上がる熱発生点であり、この熱発生点Ｘ１に対応するクランク角θｓｉを、ＳＩ燃焼の開始時期として定義する。また、同波形における点Ｘ２は、燃焼形態がＳＩ燃焼からＣＩ燃焼に切り替わるときに現れる変曲点であり、この変曲点Ｘ２に対応するクランク角θｃｉを、ＣＩ燃焼の開始時期と定義する。そして、このＣＩ燃焼の開始時期であるθｃｉよりも進角側（θｓｉからθｃｉまでの間）に位置する熱発生率の波形の面積Ｒ１をＳＩ燃焼による熱発生量とし、θｃｉよりも遅角側に位置する熱発生率の波形の面積Ｒ２をＣＩ燃焼による熱発生率とする。これにより、（ＳＩ燃焼による熱発生量）／（ＳＰＣＣＩ燃焼による熱発生量）で定義される上述したＳＩ率は、上記各面積Ｒ１，Ｒ２を用いて、Ｒ１／（Ｒ１＋Ｒ２）で表すことができる。つまり、当実施形態では、ＳＩ率＝Ｒ１／（Ｒ１＋Ｒ２）である。

ＣＩ燃焼では、混合気が自着火により同時多発的に燃焼するため、火炎伝播によるＳＩ燃焼と比べて圧力上昇率が高くなり易い。このため、特に、負荷が高く燃料噴射量が多い条件下で不用意にＳＩ率を小さくする（つまりＣＩ燃焼の割合を増やす）と、大きな騒音が発生してしまう。一方、ＣＩ燃焼は、燃焼室６が十分に高温・高圧化しないと発生しないので、負荷が低く燃料噴射量が少ない条件下では、ＳＩ燃焼がある程度進行してからでないとＣＩ燃焼が開始されず、必然的にＳＩ率は大きくなる（つまりＣＩ燃焼の割合が多くなる）。このような事情を考慮して、当実施形態では、ＳＰＣＣＩ燃焼が行われる運転領域（つまり第１・第２運転領域Ａ１，Ａ２）において、ＳＩ率の目標値である目標ＳＩ率がエンジンの運転条件ごとに予め定められている。具体的に、目標ＳＩ率は、低負荷側の第１運転領域Ａ１において、概ね負荷が高いほど小さくなるように（つまり負荷が高いほどＣＩ燃焼の割合が増えるように）設定されている。一方、高負荷側の第２運転領域Ａ２での目標ＳＩ率は、概ね負荷が高いほど大きくなるように（つまりＣＩ燃焼の割合が低くなるように）設定されている。さらに、これに対応して、当実施形態では、目標ＳＩ率に適合する燃焼が行われた場合のＣＩ燃焼の開始時期である目標θｃｉが、やはりエンジンの運転条件ごとに予め定められている。

上述した目標ＳＩ率および目標θｃｉを実現するには、点火プラグ１６による主点火の時期、インジェクタ１５からの燃料の噴射量／噴射時期、ＥＧＲ率（外部ＥＧＲ率および内部ＥＧＲ率）といった制御量を運転条件ごとに調整する必要がある。例えば、主点火の時期が進角されるほど、多くの燃料がＳＩ燃焼により燃焼することになり、ＳＩ率が高くなる。また、燃料の噴射時期が進角されるほど、多くの燃料がＣＩ燃焼により燃焼することになり、ＳＩ率が低くなる。あるいは、ＥＧＲ率の増大に伴って筒内温度が高くなるほど、多くの燃料がＣＩ燃焼により燃焼することになり、ＳＩ率が低くなる。さらに、ＳＩ率の変化はθｃｉの変化を伴うので、これらの各制御量（主点火時期、噴射時期、ＥＧＲ率等）の変化は、θｃｉを調整する要素となる。

上記のような傾向に基づいて、当実施形態では、ＳＰＣＣＩ燃焼の実行時に、主点火時期、燃料の噴射量／噴射時期、およびＥＧＲ率（ひいては筒内温度）等が、上述した目標ＳＩ率および目標θｃｉを実現可能な組合せになるように制御される。

（６）ＳＰＣＣＩ燃焼時の制御
図１３は、エンジンの温間時に実行される燃焼制御（主にＳＰＣＣＩ燃焼時の制御）の詳細を示すフローチャートである。本図に示す制御がスタートすると、ＥＣＵ１００の演算部１０１は、ステップＳ１において、アクセル操作状態に基づいてエンジンの要求トルクを算出する。すなわち、アクセルセンサＳＮ１１の検出値から特定されるアクセルペダルの操作量（踏込み量）と操作速度とに基づいて、エンジンから出力すべき目標トルクである要求トルクを算出する。要求トルクは、アクセルペダルの操作量および操作速度が大きいほど高く算出される。

次いで、演算部１０１は、ステップＳ２において、エンジンの現運転ポイントが図５に示した第１運転領域Ａ１に含まれるか否かを判定する。すなわち、演算部１０１は、クランク角センサＳＮ１により検出されるエンジン回転速度と、上記ステップＳ１で算出された要求トルクとに基づいて、現時点のエンジンの運転ポイントを図５の運転マップ上で特定し、当該マップ中の第１運転領域Ａ１に現運転ポイントが含まれるか否かを判定する。

上記ステップＳ２でＮＯと判定されてエンジンの現運転ポイントが第１運転領域Ａ１に含まれていないことが確認された場合、演算部１０１は、ステップＳ２０において、現運転ポイントが第２運転領域Ａ２に含まれるか否かを判定する。

上記ステップＳ２０でＹＥＳと判定されてエンジンの現運転ポイントが第２運転領域Ａ２に含まれることが確認された場合、ＥＣＵ１００の各制御部１０２～１０６は、この第２運転領域Ａ２に対応する制御として、点火プラグ１６による１回の火花点火によって混合気をＳＰＣＣＩ燃焼させる制御（ステップＳ２1）を実行する。なお、ここでの制御の内容は上述した（３－２）で説明したとおりであるので、詳細な説明はここでは省略する。

一方、上記ステップＳ２０でＮＯと判定された場合、つまりエンジンの現運転ポイントが第３運転領域Ａ３に含まれることが確認された場合、ＥＣＵ１００の各制御部１０２～１０６は、この第３運転領域Ａ３に対応する制御として、ＳＰＣＣＩ燃焼ではなくＳＩ燃焼によって混合気を燃焼させる制御（ステップＳ２２）を実行する。なお、ここでの制御の内容は上述した（３－３）で説明したとおりであるので、詳細な説明はここでは省略する。

次に、上記ステップＳ２でＹＥＳと判定された場合、つまりエンジンの現運転ポイントが第１運転領域Ａ１に含まれることが確認された場合の制御について説明する。この場合、ＥＣＵ１００の演算部１０１は、ステップＳ３において、エンジンの要求トルク（負荷）および回転速度に基づいて、燃焼室６内の空燃比（Ａ／Ｆ）の目標値である目標空燃比を決定する。すなわち、演算部１０１は、上記ステップＳ１で算出したエンジンの要求トルクと、クランク角センサＳＮ１により検出されるエンジン回転速度と、図８に示した目標空燃比のマップとに基づいて、現運転ポイント（回転速度／負荷）に適合する目標空燃比を決定する。

次いで、演算部１０１は、ステップＳ４において、上記ステップＳ１で算出されたエンジンの要求トルクに基づいて、インジェクタ１５から噴射すべき燃料の噴射量および噴射時期を決定する。なお、ここで決定される燃料の噴射量／噴射時期は、上述した目標ＳＩ率および目標θｃｉを実現するためにエンジンの運転条件ごとに予め定められた噴射量／噴射時期である。図６（ａ）（ｂ）に示したように、第１運転領域Ａ１では、第１噴射および第２噴射に分けて燃料が噴射され、かつ第１噴射の方が第２噴射よりも噴射量が多くなるように、燃料の噴射量／噴射時期が決定される。

また、演算部１０１は、ステップＳ５において、上記ステップＳ３で決定された目標空燃比に基づきスロットル弁３２の開度を決定する。すなわち、演算部１０１は、上記ステップＳ４で決定された量の燃料が燃焼室６に供給されることを前提に、この燃焼室６に対し上記目標空燃比に相当する量の空気（新気）が導入されるようなスロットル弁３２の開度を算出し、これをスロットル弁３２の開度目標値として決定する。

さらに、演算部１０１は、ステップＳ６において、エンジンの要求トルク（負荷）および回転速度に基づきスワール弁１８の開度を決定する。すなわち、演算部１０１は、上記ステップＳ１で算出したエンジンの要求トルクと、クランク角センサＳＮ１により検出されるエンジン回転速度と、図９に示したスワール開度のマップとに基づいて、現運転ポイント（回転速度／負荷）に適合するスワール弁１８の開度を特定し、これをスワール弁１８の開度目標値として決定する。

第１運転領域Ａ１での運転中は、以上のような噴射量／噴射時期等の決定と並行して、火花点火やＥＧＲ（外部ＥＧＲ／内部ＥＧＲ）に関する制御目標値が決定される。すなわち、上記ステップＳ２でＹＥＳと判定されて現運転ポイントが第１運転領域Ａ１に含まれることが確認された場合、演算部１０１は、ステップＳ１０に移行して、点火プラグ１６による先行点火の時期およびエネルギーを決定する。この決定のプロセスは、後述する図１４の制御フローにおいて詳しく説明する。

次いで、演算部１０１は、ステップＳ１１において、上記ステップＳ１で算出したエンジンの要求トルクに基づいて、目標ＳＩ率および目標θｃｉを決定する。上述した（５）で説明したように、第１運転領域Ａ１における目標ＳＩ率は、概ね、要求トルクが高い高負荷側ほど小さくなるように（つまり高負荷側ほどＣＩ燃焼の割合が増えるように）決定される。また、この決定された目標ＳＩ率に付随して目標θｃｉも決定される。

次いで、演算部１０１は、ステップＳ１２において、上記ステップＳ１１で決定された目標ＳＩ率および目標θｃｉに基づいて、点火プラグ１６による主点火の時期を決定する。すなわち、演算部１０１は、目標ＳＩ率および目標θｃｉに適合する燃焼を実現するのに必要なＳＩ燃焼の開始時期（図７に示すθｓｉ）と、このＳＩ燃焼の開始時期θｓｉから所定の着火遅れ時間（主点火から着火までに要する時間）の分だけ進角させたクランク角を特定し、これを主点火時期の目標値として決定する。なお、主点火は、点火プラグ１６の点火回路に含まれるコンデンサの電圧を最大電圧まで高めた上で行われる通常の火花点火である。このため、先行点火のときとは異なり、条件に応じて点火エネルギーを決定することは不要である。

次いで、演算部１０１は、ステップＳ１３において、目標ＳＩ率および目標θｃｉを実現するために主点火の時点で必要とされる筒内温度を算出し、これを主点火時点の目標筒内温度として決定する。

次いで、演算部１０１は、ステップＳ１４において、上記ステップＳ１３で算出された主点火時点の目標筒内温度に基づいて、燃焼室６の圧縮が実質的に開始される吸気弁１１の閉時期（以下、ＩＶＣともいう）において達成すべき筒内温度、つまりＩＶＣ時点の目標筒内温度を算出する。このＩＶＣ時点の目標筒内温度は、上記主点火時点の目標筒内温度と、ＩＶＣから主点火までの間のピストン５の圧縮代から推定される筒内温度の上昇量とに基づいて算出される。

次いで、演算部１０１は、ステップＳ１５において、上記ステップＳ１４で算出されたＩＶＣ時点の目標筒内温度に基づいて、ＥＧＲ弁５３の開度および吸・排気弁１１，１２のバルブタイミングを決定する。すなわち、演算部１０１は、上記ＩＶＣ時点の目標筒内温度を実現するのに必要な外部ＥＧＲ率および内部ＥＧＲ率を、ＩＶＣ時点の目標筒内温度と第１吸気温センサＳＮ５による検出温度（つまり新気の温度）との差に基づいて算出する。そして、算出された外部ＥＧＲ率を実現するのに必要なＥＧＲ弁５３の開度を算出し、これをＥＧＲ弁５３の開度目標値として決定するとともに、算出された内部ＥＧＲ率を実現するのに必要な吸・排気弁１１，１２のバルブタイミングを算出し、これをバルブタイミングの目標値として決定する。

次いで、ＥＣＵ１００の各制御部（噴射制御部１０２、点火制御部１０３、スワール制御部１０４、吸気制御部１０５、ＥＧＲ制御部１０６）は、ステップＳ１６において、上述した各ステップで決定された種々の制御目標値に基づいて、インジェクタ１５、点火プラグ１６、スワール弁１８、スロットル弁３２、ＥＧＲ弁５３、および吸・排気ＶＶＴ１３ａ，１４ａを駆動する。

例えば、噴射制御部１０２は、上記ステップＳ４で決定された量の燃料が、決定された時期にてインジェクタ１５から噴射されるように、インジェクタ１５を制御する。

点火制御部１０３は、先行点火として、上記ステップＳ１０で決定されたエネルギーを有する火花が、決定された時期にて点火プラグ１６から発生するように、点火プラグ１６を制御する。また、この先行点火に続く主点火として、点火制御部１０３は、上記ステップＳ１２で決定された時期に点火プラグ１６から火花が発生するように、点火プラグ１６を制御する。

スワール制御部１０４は、スワール弁１８の開度が上記ステップＳ６で決定されたスワール開度に一致するように、スワール弁１８を制御する。

吸気制御部１０５は、スロットル弁３２の開度が上記ステップＳ５で決定されたスロットル開度に一致するように、スロットル弁３２を制御する。

ＥＧＲ制御部１０６は、ＥＧＲ弁５３の開度が上記ステップＳ１５で決定された開度に一致するようにＥＧＲ弁５３を制御するとともに、同じくステップＳ１５で決定されたバルブタイミングに一致するタイミングで吸・排気弁１１，１２が開閉されるように、吸・排気ＶＶＴ１３ａ，１４ａを制御する。

以上のような各制御により、ステップＳ１６では、燃焼室６に噴射された燃料と空気との混合気が先行点火および主点火を受けた後にＳＰＣＣＩ燃焼によって燃焼する。

（７）先行点火の時期／エネルギーの決定
次に、上述したステップＳ１０において先行点火の時期およびエネルギーを決定する際の具体的な手順について説明する。図１４は、上記ステップＳ１０の制御の詳細を示すサブルーチンである。この制御がスタートすると、ＥＣＵ１００の演算部１０１は、ステップＳ３１において、燃料の噴射時期に基づき先行点火の時期を決定する。例えば、演算部１０１は、上述したステップＳ４で決定された燃料の噴射量／噴射時期から、噴射時期が遅い第２噴射が終了する時期を特定し、この第２噴射の噴射終了時期から所定のクランク角が経過した時点を、先行点火の時期として決定する。

なお、後述するとおり、当実施形態では、ＩＶＣ時点（吸気弁１１の閉時期）の筒内圧力が先行点火のエネルギーを決定するパラメータの１つとされる。このため、上記ステップＳ３１で決定される先行点火の時期は、必ず吸気弁１１の閉時期よりも遅角側とされる。

次いで、演算部１０１は、ステップＳ３２において、後述するステップＳ３４の演算にパラメータとして使用するスワール開度、エンジン水温、および筒内圧力を特定する。すなわち、演算部１０１は、吸気弁１１の閉時期であるＩＶＣ時点から上記ステップＳ３１で決定された先行点火の時期までの期間に含まれる所定のタイミング（以下、演算時期という）が到来した時点で、その直前のステップＳ６にて図９のマップを用いて決定されたスワール開度を、上記演算に使用するスワール開度として決定する。同様に、演算部１０１は、上記演算時期が到来した時点で、それ以前の直近のタイミングで水温センサＳＮ２により検出されたエンジン水温を、上記演算に使用するエンジン水温として決定するとともに、ＩＶＣ時点で筒内圧センサＳＮ３により検出された筒内圧力（つまりＩＶＣ時点の筒内圧力）を、上記演算に使用する筒内圧力として決定する。

次いで、演算部１０１は、ステップＳ３３において、燃焼室６内の混合気の空燃比を推定する。当実施形態では、第１運転領域Ａ１での運転時、インジェクタ１５から燃料の噴射量およびスロットル弁３２の開度が、図８に示した目標空燃比を実現し得る値にそれぞれ制御されるが、実際の空燃比は、空気量の変動等に起因して目標空燃比からずれる可能性があるので、実際値に近い正確な空燃比を把握するべく、種々の条件に基づいて混合気の空燃比を推定する。具体的に、演算部１０１は、筒内圧センサＳＮ３により検出されるＩＶＣ時点（吸気弁１１の閉時期）での筒内圧力と、ＩＶＣ以前にエアフローセンサＳＮ４により検出された吸気（新気）の流量と、ＩＶＣ以前に差圧センサＳＮ９により検出されたＥＧＲ弁５３の前後差圧と、吸・排気ＶＶＴ１３ａ，１４ａにより設定される吸・排気弁１１，１２のバルブタイミングとを含む各種パラメータに基づいて、燃焼室６に実際に導入される空気（新気）の量を算出する。そして、算出した空気量と、上記ステップＳ４で決定されたインジェクタ１５からの燃料噴射量とに基づいて、空気と燃料との重量比である空燃比（Ａ／Ｆ）を算出し、これを燃焼室６内に実際に形成される混合気の空燃比の推定値として決定する。

なお、演算部１０１は、上記ステップＳ３３による空燃比の推定処理と併せて、リニアＯ_２センサＳＮ１０を用いた学習処理を常時実行する。すなわち、演算部１０１は、上記ステップＳ３３で推定された空燃比と、リニアＯ_２センサＳＮ１０の検出値から特定される空燃比とを比較し、両者に誤差が生じる場合には、当該誤差が縮小される方向に推定用の演算式を修正する。このような学習処理は、空燃比の推定精度の向上につながる。

次いで、演算部１０１は、ステップＳ３４において、上記ステップＳ３２，Ｓ３３で特定した各パラメータ（スワール開度、エンジン水温、筒内圧力、空燃比）を用いた所定の演算により、先行点火のエネルギーを決定する。

ここで、先行点火の目的は、十分に圧縮される前の混合気に火炎伝播を生じさせない程度の小さな点火エネルギーを付与することにより、燃料を改質することである。この目的のためには、先行点火による火花（アーク）の周囲の混合気を８５０Ｋ以上１１４０Ｋ未満の温度にまで上昇させる必要がある。このような温度帯の混合気の層（以下、高温部ともいう）を形成することにより、燃料成分（炭化水素）を開裂させてＯＨラジカル等の中間生成物を生成することができ、その後の反応性を高めることができる。ＯＨラジカル等の中間生成物は、それが多い方がＣＩ燃焼時の熱効率が向上する。このため、先行点火のエネルギーは、火炎伝播が生じない範囲でできるだけ大きくすることが望ましい。しかしながら、火炎伝播の生じ易さは、燃焼室６の環境（温度や圧力等）によって変化するので、このことを考慮した上で先行点火のエネルギーを調整する必要がある。上記ステップＳ３４で先行点火のエネルギーを決定するのに用いられる演算式は、このような目的に沿うように、つまり燃焼室６内の環境が種々変化しても火花の周囲に８５０Ｋ以上１１４０Ｋ未満の高温部が形成されるように、予め定められたものである。

図１５は、上記ステップＳ３４で用いられる演算式の特性を説明するための図である。本図に示すように、上記ステップＳ３４では、上記ステップＳ３２で特定されたスワール弁１８の開度、エンジン水温、およびＩＶＣ時点の筒内圧力と、上記ステップＳ３３で推定された燃焼室６内の混合気の空燃比（Ａ／Ｆ）とをそれぞれ入力要素とし、先行点火のエネルギーを出力要素とする所定の演算式を用いて、先行点火のエネルギーが決定される。この演算式は、同図のグラフ（ａ）～（ｄ）に示すような特性を持つように予め設定されている。

すなわち、図１５のグラフ（ａ）～（ｄ）は、上記演算式がもつ特性をグラフ化したものであり、グラフ（ａ）はスワール弁１８の開度と先行点火のエネルギーとの関係を、グラフ（ｂ）はエンジン水温と先行点火のエネルギーとの関係を、グラフ（ｃ）は筒内圧力と先行点火のエネルギーとの関係を、グラフ（ｄ）は空燃比（Ａ／Ｆ）と先行点火のエネルギーとの関係をそれぞれ示している。なお、これらグラフ（ａ）～（ｄ）に示される特性は、各グラフの横軸に記載のパラメータのみを変化させ、それ以外のパラメータを固定した場合のものである。

例えば、図１５のグラフ（ａ）は、スワール弁１８の開度以外のパラメータを一定に維持しつつスワール弁１８の開度のみを変化させた場合の先行点火のエネルギーの変化傾向を示している。このグラフ（ａ）によれば、先行点火のエネルギーは、スワール弁１８の開度が高いほど小さくされる。また、当該グラフの傾きから理解されるように、スワール弁１８の開度に対する先行点火のエネルギーの低下率は、スワール弁１８の開度が低い領域の方が高い領域よりも大きくなるように設定されている。なお、ここでいう低下率とは、エネルギーの減少方向の変化量をプラスとした場合の値であって、この低下率が大きいほどエネルギーが高い率で減少することを意味する。

図１５のグラフ（ｂ）は、エンジン水温以外のパラメータを一定に維持しつつエンジン水温のみを変化させた場合の先行点火のエネルギーの変化傾向を示している。このグラフ（ｂ）によれば、先行点火のエネルギーは、エンジン水温が高いほど小さくされる。また、当該グラフの傾きから理解されるように、エンジン水温に対する先行点火のエネルギーの低下率は、エンジン水温が低い領域の方が高い領域よりも大きくなるように設定されている。

図１５のグラフ（ｃ）は、筒内圧力以外のパラメータを一定に維持しつつ筒内圧力のみを変化させた場合の先行点火のエネルギーの変化傾向を示している。このグラフ（ｃ）によれば、先行点火のエネルギーは、筒内圧力が高いほど大きくされる。また、当該グラフの傾きから理解されるように、筒内圧力に対する先行点火のエネルギーの増加率は、筒内圧力が高い領域の方が低い領域よりも大きくなるように設定されている。

図１５のグラフ（ｄ）は、空燃比以外のパラメータを一定に維持しつつ空燃比のみを変化させた場合の先行点火のエネルギーの変化傾向を示している。このグラフ（ｄ）によれば、先行点火のエネルギーは、空燃比が大きいほど（燃料リーンなほど）大きくされる。また、当該グラフの傾きから理解されるように、空燃比に対する先行点火のエネルギーの増加率は、空燃比が大きい領域の方が小さい領域よりも大きくなるように設定されている。

ここで、スワール弁１８の開度、エンジン水温、筒内圧力、および空燃比の各パラメータが火炎伝播性に及ぼす影響の強さは互いに異なり得るので、上記演算式には、このような影響度（感度）の相違を考慮した重み付けが予め付与されている。例えば、仮にスワール弁１８の開度が火炎伝播性に対し最も強い影響を及ぼすとすれば、図１５のグラフ（ａ）の傾向が最も強く反映されるような重み付けが上記演算式に付与されることになる。

以上のような特性に設定された図１５の演算式を用いて決定される先行点火のエネルギーは、既に述べたとおり、主点火よりも小さくかつ燃料の改質（ＯＨラジカル等の生成）が起きるようなエネルギー、より詳しくは、先行点火による火花（アーク）の周囲に８５０Ｋ以上１１４０Ｋ未満の高温部が形成されるようなエネルギーとされる。

（８）先行点火／主点火の具体的動作
上述したとおり、当実施形態では、第１運転領域Ａ１での運転時に、エネルギーの小さい先行点火とエネルギーの大きい主点火とが１サイクル中に実行される。このようなエネルギーの異なる２回の火花点火（先行点火および主点火）を点火プラグ１６に実行させるため、点火プラグ１６は例えば次のように制御される。

当実施形態では、１つの気筒２に対し１つの点火プラグ１６が設けられ、１つの点火プラグ１６には、コイルやコンデンサ等を含むＬＣ回路からなる１つの点火回路が備わっている。このため、点火プラグ１６に２回の火花点火を行わせるには、コンデンサの充放電を繰り返す必要がある。

図１６は、第１運転領域Ａ１で先行点火および主点火が行われるときの点火プラグ１６の電気的な状態を燃焼波形と併せて示したタイムチャートであり、（ａ）はＳＰＣＣＩ燃焼による熱発生率の波形を、（ｂ）は点火プラグ１６への通電指令の波形を、（ｃ）は点火プラグ１６からの放電電流の波形を、それぞれ示している。図１６（ｂ）において波形Ｗ１，Ｗ２で示すように、先行点火および主点火の前には、それぞれ点火プラグ１６への通電が行われるが、通電時間（いわゆるドエル時間）を比較すると、先行点火のときの通電時間（波形Ｗ１）の方が主点火のそれ（波形Ｗ２）よりも短い。また、図１６（ｃ）において波形Ｙ１，Ｙ２で示すように、点火プラグ１６からの放電（火花の発生）は、点火プラグ１６への通電を停止した時点で開始される。このとき、先行点火用の通電時間が主点火用の通電時間よりも短いことから、先行点火のときの放電エネルギー（波形Ｙ１）は、主点火のときの放電エネルギー（波形Ｙ２）よりも小さくなる。このことは、波形Ｙ１の面積が波形Ｙ２の面積よりも小さいことからも理解される。

図１６の例では、先行点火用の通電（波形Ｗ１）により蓄えられたエネルギーが先行点火により全て放出されている。このことは、先行点火の後のコンデンサの電圧が実質ゼロまで低下していることを意味する。このため、主点火のための十分なエネルギーを点火プラグ１６に蓄えるには、主点火用の通電（波形Ｗ２）の際に、コンデンサの電圧がゼロから最大電圧まで上昇するように通電を比較的長く継続する必要がある。一方、小さいエネルギーしか要しない先行点火では、コンデンサの電圧が最大電圧に達するよりも前に通電を停止することができる。先行点火用の通電時間が主点火用の通電時間よりも短いのはこのためである。

ここで、少なくとも先行点火は、それ以前に蓄えたエネルギーを全て放出するものである必要はなく、蓄えたエネルギーの一部だけを放出するものであってもよい。すなわち、点火プラグ１６からの放電中に点火プラグ１６への通電を再開すれば、その時点で放電は停止されるので、本来必要なエネルギーよりも大きいエネルギーを通電により蓄えた上で、放電の途中で通電を再開する（それによって放電を停止させる）ことにより、蓄えたエネルギーの一部だけを点火プラグ１６から放出させるようにしてもよい。この方法による先行点火を実施した場合には、主点火用の通電時間を短くできるので、先行点火から主点火までの間隔が比較的短いケースにおいて有効である。

（９）作用効果
以上説明したように、当実施形態では、ＳＰＣＣＩ燃焼が行われる第１運転領域Ａ１において、圧縮行程後期または膨張行程初期に火花を発生させてＳＩ燃焼を開始させる主点火と、主点火よりも早くかつ燃料の噴射よりも遅いタイミングで火花を発生させる先行点火とが実行される。このような構成によれば、燃焼速度が速く熱効率に優れたＳＰＣＣＩ燃焼を実現できるという利点がある。

すなわち、上記実施形態では、主点火よりも早いタイミングで先行点火が実行されて、この先行点火による火花（アーク）の周囲に８５０Ｋ以上１１４０Ｋ未満の高温部が形成されるので、先行点火により混合気の火炎伝播を生じさせることなく、ＣＩ燃焼時の熱効率が高くなるように燃料を改質することができる。詳しくは、上記温度帯までの加熱により燃料成分（炭化水素）を開裂させて過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）やホルムアルデヒド（ＣＨ_２Ｏ）を生成し、これらの成分から生じるＯＨラジカルを生成することができる。ＯＨラジカルは、酸化作用が強く反応性が高いので、このようなＯＨラジカルを含む中間生成物が先行点火後の燃焼室６に生成されることにより、燃料成分が自発的に化学反応する現象であるＣＩ燃焼の燃焼速度を速めることができ、熱効率を向上させることができる。

図１７は、本願発明者が行った数値シミュレーションから得られた、混合気の温度と中間生成物の生成量との関係を示すグラフである。このグラフに示すように、中間生成物の生成量は、総じて混合気の温度が高いほど多くなる。グラフの縦軸に表記された閾値αは、有意な効果を得るのに必要な中間生成物の生成量を表しており、この閾値α以上の中間生物が燃焼室に存在すれば燃焼速度に有意な差が生じることを表している。グラフより、閾値α以上の中間生成物を得る（つまり燃焼を有意なレベルで高速化する）には、混合気の温度を少なくとも８５０Ｋまで上昇させる必要がある。中間生成物の量は、混合気の温度が８５０Ｋを超えて以降も増加するが、温度が１１４０Ｋに達すると急激に（ほぼ垂直に）低下する。これは、混合気の温度が１１４０Ｋに達すると混合気が燃焼して火炎が発生し（つまり熱炎反応が起き）、中間生成物がほとんど消費されてしまうからと考えられる。

これに対し、上記実施形態では、先行点火のエネルギーが、火花（アーク）の周囲に８５０Ｋ以上１１４０Ｋ未満の高温部が形成されるようなエネルギーに調整されるので、この先行点火によって反応性の高いＯＨラジカルを含む中間生成物を確実に生成することができ、ＣＩ燃焼の燃焼速度を速めて熱効率を向上させることができる。図１６（ａ）には、このように適切なエネルギーに調整された先行点火を実行した場合の熱発生率の波形（実線）が、先行点火を実行しなかった場合の熱発生率の波形（破線）と比較する形で示されている。これら２つの燃焼波形の比較からも明らかなように、先行点火を実行したときの方が、先行点火を実行しなかった場合よりも、ＣＩ燃焼が開始されて以降の（点Ｘ’より遅角側での）熱発生率の立ち上がりが急になっており、ＣＩ燃焼の燃焼速度が速くなっていることが分かる。なお、先行点火により生成された中間生成物は、ＣＩ燃焼よりも前のＳＩ燃焼によってその一部が消費されるが、ＳＩ燃焼の開始時点では既に燃焼室６の広い範囲に中間生成物が分散しており、ＳＩ燃焼の領域の外側にも中間生成物は残存しているので、この残存した中間生成物の作用によりＣＩ燃焼の高速化は支障なく達成される。

ここで、上記のように先行点火によって燃料を改質する（火炎伝播を生じさせることなくＯＨラジカル等の中間生成物を生成する）には、気筒２内の種々の環境に応じて先行点火のエネルギーを適正に調整する必要がある。この点について本願発明者が鋭意研究したところ、次のような知見が得られた。

・スワール流の強さを表すスワール比を変化させたとき、詳しくは、スワール比以外のパラメータを一定に維持しつつスワール比のみを変化させたとき、火炎伝播が生じる点火エネルギーの下限値は、スワール比が大きいほど大きくなる。

・筒内温度を変化させたとき、詳しくは、筒内温度以外のパラメータを一定に維持しつつ筒内温度のみを変化させたとき、火炎伝播が生じる点火エネルギーの下限値は、筒内温度が低いほど大きくなる。

・筒内圧力を変化させたとき、詳しくは、筒内圧力以外のパラメータを一定に維持しつつ筒内圧力のみを変化させたとき、火炎伝播が生じる点火エネルギーの下限値は、筒内圧力が高いほど大きくなる。

・燃焼室６内の燃料濃度を変化させたとき、詳しくは、燃料濃度以外のパラメータを一定に維持しつつ燃料濃度のみを変化させたとき、火炎伝播が生じる点火エネルギーの下限値は、燃料濃度が薄いほど大きくなる。

上記実施形態で説明した先行点火のエネルギーの決定方法（図１４、図１５）は、上記のような知見に基づき案出されたものであって、この方法によれば、先行点火による火炎伝播の発生を回避しつつ確実に燃料の改質を図ることができる。

すなわち、上記実施形態では、スワール弁１８の開度が高いほど、言い換えるとスワール比が小さくスワール流が弱くなる条件であるほど、先行点火のエネルギーが小さくされるので（図１５のグラフ（ａ）参照）、スワール流が弱く火炎伝播が生じ易くなるときは点火エネルギーを低下させ、スワール流が強く火炎伝播が生じ難くなるときは点火エネルギーを増大させることにより、火炎伝播性の相違に応じた適切なエネルギーを先行点火により付与することができる。これにより、混合気の火炎伝播が生じない範囲で、混合気が十分に改質されるような適切な温度帯の高温部（つまり８５０Ｋ以上１１４０Ｋ未満の高温部）を火花の周囲に形成することができ、ＣＩ燃焼の高速化に寄与する中間生成物を確実に生成することができる。

同様の趣旨により、上記実施形態では、水温センサＳＮ２により検出されるエンジン水温が高いほど、言い換えると筒内温度が高くなる条件であるほど、先行点火のエネルギーが小さくされる（図１５のグラフ（ｂ）参照）。また、筒内圧センサＳＮ３により検出されるＩＶＣ時点の筒内圧力が高いほど、先行点火のエネルギーが大きくされる（グラフ（ｃ）参照）。さらに、複数のセンサＳＮ３，ＳＮ４，ＳＮ９の検出値等から推定される混合気の空燃比が大きいほど、言い換えると燃焼室６内の燃料濃度が薄くなる条件であるほど、先行点火のエネルギーが大きくされる（グラフ（ｄ）参照）。これらの構成により、やはり燃料を十分に改質してＣＩ燃焼の高速化を図ることができる。

ここで、火炎伝播が生じる点火エネルギーの下限値（以下、単に下限エネルギーともいう）とスワール弁１８の開度との関係については、スワール弁１８の開度に対する当該下限エネルギーの低下率が、スワール弁１８の開度が低い領域の方が高い領域よりも大きくなることが分かっている。このような事情を反映して、上記実施形態では、図１５のグラフ（ａ）に示すように、スワール弁１８の開度に対する先行点火のエネルギーの低下率が、スワール弁１８の開度が低い領域の方が高い領域よりも大きくなるように設定されている。これにより、上記のような下限エネルギーの変化特性に合わせた適切なエネルギーを先行点火により付与することができ、燃料を十分に改質してＣＩ燃焼の高速化を図ることができる。

同様の理由により、上記実施形態では、エンジン水温に対する先行点火のエネルギーの低下率が、エンジン水温が低い領域の方が高い領域よりも大きくなるように設定され（図１５のグラフ（ｂ）参照）、ＩＶＣ時点の筒内圧力に対する先行点火のエネルギーの増加率が、筒内圧力が高い領域の方が低い領域よりも大きくなるように設定され（グラフ（ｃ）参照）、空燃比（Ａ／Ｆ）に対する先行点火のエネルギーの増加率が、空燃比が大きい領域の方が小さい領域よりも大きくなるように設定されている（グラフ（ｄ）参照）。これらの特性は、筒内温度、筒内圧力、および燃料濃度に対する上記下限エネルギー（火炎伝播が生じる点火エネルギーの下限値）の変化について予め調べられた特性に基づいて設定されたものであり、当該特性に従って先行点火のエネルギーを調整することにより、燃料を十分に改質してＣＩ燃焼の高速化を図ることができる。

また、上記実施形態では、先行点火の時期が圧縮行程前期または中期に設定されるので、吸気行程中に燃料が噴射された後で、かつ圧縮上死点から十分に進角されたタイミングで先行点火を実行することができる。これにより、先行点火によって意図せず火炎伝播が発生するのを防止しながら、噴射後の燃料を先行点火により確実に改質してＣＩ燃焼の高速化を図ることができる。

特に、上記実施形態では、１サイクル中の最後の燃料噴射である第２噴射の時期に連動するように先行点火の時期が調整される、すなわち、吸気行程後半において運転条件に応じ進角／遅角される第２噴射の終了からほぼ一定の期間が経過した時点で先行点火が行われるので、点火プラグ１６の周囲に存在する燃料に先行点火のエネルギーを確実に付与して燃料を改質することができる。

また、上記実施形態では、第１運転領域Ａ１での運転時に、スワール比が１．５以上確保されるような開度までスワール弁１８が閉じられるので、先行点火により生成された中間生成物をスワール流によって短時間のうちに燃焼室６の広い範囲に分散させることができる。そして、この分散した中間生成物を利用して、燃焼室６の各所で同時多発的に開始されるＣＩ燃焼の燃焼速度を効果的に速めることができる。

また、上記実施形態では、ＳＰＣＣＩ燃焼の実行時（第１・第２運転領域Ａ１，Ａ２での運転時）に、１サイクル中の全熱発生量に対するＳＩ燃焼による熱発生量の割合であるＳＩ率が、エンジンの運転条件に応じて予め定められた目標ＳＩ率に一致するように、点火プラグ１６による主点火の時期が調整されるので、例えば燃焼騒音が過大にならない範囲でできるだけＣＩ燃焼の割合を増やす（つまりＳＩ率を低くする）ことができる。このことは、先行点火による燃料の改質による効果（ＣＩ燃焼の高速化）と相俟って、ＳＰＣＣＩ燃焼による熱効率を可及的に高めることにつながる。

ここで、主点火よりも前に実行される先行点火は、ＯＨラジカルを含む中間生成物を生成する（それによってＣＩ燃焼の燃焼速度を速める）働きをするだけなので、たとえ先行点火のエネルギーや時期が変化しても、ＳＩ率もしくはＣＩ燃焼の開始時期（θｃｉ）は特に影響を受けない。このことは、目標ＳＩ率を達成するための主点火の時期を、先行点火のエネルギーや時期とは独立して一義的に特定できることを意味する。すなわち、上記実施形態によれば、十分な中間生成物が生成されるように先行点火を行いつつ、目標ＳＩ率を実現するための主点火の時期を高い精度で特定することができる。

また、上記実施形態では、上記先行点火および主点火が実行される運転領域が、ＳＰＣＣＩ燃焼の実行領域（第１・第２運転領域Ａ１，Ａ２）における低負荷側の一部、つまり第１運転領域Ａ１のみに限定されており、高負荷側の第２運転領域Ａ２では先行点火が実行されないので、先行点火によるＣＩ燃焼の高速化によって異常燃焼が引き起こされるのを有効に回避することができる。すなわち、高負荷側の第２運転領域Ａ２において、仮に先行点火を行ってＯＨラジカル等の中間生成物を生成したとすると、ＣＩ燃焼の燃焼速度が速くなり過ぎて、ノッキング等の異常燃焼が起きる可能性が高くなる。これに対し、上記実施形態では、高負荷側の第２運転領域Ａ２での先行点火が禁止されるので、ノッキング等の異常燃焼を有効に回避することができる。

なお、第２運転領域Ａ２で先行点火を行った場合でも、例えば主点火の時期をリタードさせれば、異常燃焼を回避することはできる。しかしながら、主点火のリタードはトルクの低下につながるので、これを補うために燃料噴射量を増やす必要が生じ、結局は先行点火による効果（ＣＩ燃焼の高速化による燃費改善効果）が相殺されてしまう。このように、第２運転領域Ａ２で先行点火を禁止することは、制御を簡素化しつつ同等の結果を得ることにつながるので、第２運転領域Ａ２ではやはり先行点火を禁止した方が望ましい。

また、上記実施形態では、少なくともエンジンの温間時における第１運転領域Ａ１での運転時に、燃焼室６内の空気と燃料との割合である空燃比（Ａ／Ｆ）が理論空燃比よりも大きくなるＡ／Ｆリーン環境を形成しつつＳＰＣＣＩ燃焼を行わせる制御が実行されるので、先行点火によるＣＩ燃焼の高速化（それによる熱効率の向上）を図りながら、混合気の燃焼温度を低く抑えることができ、燃焼に伴うＮＯｘの発生量を効果的に抑制することができる。

また、上記実施形態では、先行点火および主点火が行われる第１運転領域Ａ１において、先行点火よりも前のタイミングで（吸気行程中に）第１噴射および第２噴射の２回に分けてインジェクタ１５から燃料が噴射されるので、第１噴射および第２噴射による燃料の噴射量／噴射時期をエンジンの運転条件に応じて設定することにより、各運転条件において適切なＳＰＣＣＩ燃焼が実現されるように燃焼室６内の混合気の成層度合（もしくは均質度合）を調整することができる。

例えば、第１運転領域Ａ１における低負荷側の運転ポイントＰ１では、第２噴射の時期が相対的に遅角され（図６（ａ）参照）、第１運転領域Ａ１における高負荷側の運転ポイントＰ２では、第２噴射の時期が相対的に進角されるので（図６（ｂ）参照）、着火性およびエミッション性の双方を考慮した適切な混合気を燃焼室６内に形成することができる。すなわち、負荷が低く１サイクル中の燃料の噴射量が少ない条件のときに第２噴射の時期が遅角されるので、燃焼室６の中央部の燃料濃度が濃くなるように混合気を成層化することができ、低負荷側での着火性を改善することができる。また、負荷が高く燃料の噴射量が多い条件のときに第２噴射の時期が進角されるので、局所的に過度にリッチな混合気が形成されないように混合気を均質化することができ、エミッション性能を良好にすることができる。

ただし、第１運転領域Ａ１では、負荷の高低にかかわらず（運転ポイントＰ１，Ｐ２のいずれであっても）、第１噴射による燃料の噴射量の方が第２噴射による燃料の噴射量よりも多くされる。これにより、燃料が過度に成層化されることがなく、良好なエミッション性能を確保することができる。

（１０）変形例
上記実施形態では、図１５に示したように、スワール弁１８の開度と、エンジン水温と、ＩＶＣ時点の筒内圧力と、燃焼室６内の混合気の空燃比（Ａ／Ｆ）とを入力要素とし、先行点火のエネルギーを出力要素とする所定の演算式を用いて、先行点火のエネルギーを決定するようにしたが、先行点火のエネルギーを決定する方法はこれに限られない。

例えば、予め定められたマップを用いて上記４つのパラメータから先行点火を決定するようにしてもよい。より詳しくは、上記４つのパラメータのうちの一部のパラメータと先行点火のエネルギーの基本値（基本点火エネルギー）との関係を規定した所定のマップに基づいて基本点火エネルギーを決定し、決定した基本点火エネルギーを他のパラメータの値に応じて補正する等により、先行点火のエネルギーを決定することが考えられる。また、先行点火のエネルギーを決定する要素は、上記４つのパラメータ（スワール開度、エンジン水温、筒内圧力、空燃比）だけに限られず、例えばエンジン負荷（要求トルク）やエンジン回転速度をパラメータとして考慮してもよい。

また、上記実施形態では、１つの気筒２に対し設けられた２つの吸気ポート９Ａ，９Ｂの一方（第２吸気ポート９Ｂ）にスワール弁１８を設け、このスワール弁１８の開度を増減させることによってスワール流の強さ（スワール比）を調整するようにしたが、スワール流の強さを調整する方法はこれに限られない。例えば、第１吸気ポート９Ａを開閉する吸気弁１１のリフト量と、第２吸気ポート９Ｂを開閉する吸気弁１１のリフト量とに差を持たせたり、これら２つの吸気弁１１の開閉タイミングに差をもたせたりすることにより、スワール流の強さを調整することも可能である。

また、上記実施形態では、第１噴射および第２噴射による燃料噴射が完了した後、圧縮行程前期または中期に先行点火を実行するようにしたが、先行点火の時期は燃焼室６に燃料が存在するタイミングであればよく、例えば吸気行程中に先行点火を実行してもよい。さらに、先行点火の回数は１サイクル中に１回とは限られず、２回以上に増やしてもよい。

例えば、図１８（ａ）に示すように、第１噴射および第２噴射による燃料噴射が完了した後、圧縮行程の前期から中期にかけて２回の先行点火を実行してもよいし、図１８（ｂ）に示すように、第１の噴射から第２噴射までの間に１回目の先行点火を実行し、かつ第２噴射が完了した後に２回目の先行点火を実行してもよい。いずれにせよ、先行点火は、燃焼室６に燃料が存在するタイミングであって、吸気行程中または圧縮行程の前期もしくは中期に実行されればよく、その限りにおいて先行点火の時期および回数は適宜変更可能である。

ただし、先行点火の回数は３回以下とすることが望ましい。このことを図１９を用いて説明する。図１９は、先行点火の回数と燃料消費率（ｇ／ｋＷｈ）の改善代との関係を示すグラフである。本図に示すように、先行点火を１回行えば燃料消費率は十分に改善するが、先行点火の回数を２回、３回と増やしていけば、少しずつではあるが燃料消費率はさらに改善する。しかしながら、先行点火の回数を３回から４回に増やしても、燃料消費率の値は実質同一である。このように、先行点火の回数を４回以上に増やしてもほとんど効果が得られないことから、先行点火の回数は３回以下とすることが望ましい。

また、上記実施形態では、エンジンが温間状態にあり、かつ負荷および回転速度が低い第１運転領域Ａ１でエンジンが運転されているときに、燃焼室６内の空気と燃料との重量比である空燃比（Ａ／Ｆ）が理論空燃比（１４．７）よりも大きくなるＡ／Ｆリーン環境、詳しくは空燃比が２０超３５未満になる環境を形成しつつ、混合気をＳＰＣＣＩ燃焼させる制御を実行したが、第１運転領域Ａ１でＳＰＣＣＩ燃焼を実行するときの筒内環境はこれに限られない。例えば、理論空燃比相当の空気（新気）に加えてＥＧＲガスとを燃焼室６に導入することにより、空燃比（Ａ／Ｆ）が理論空燃比に略一致しかつ燃焼室６内の全ガスと燃料との重量比であるガス空燃比（Ｇ／Ｆ）が理論空燃比よりも大きくなるＧ／Ｆリーン環境を形成し、その状態でＳＰＣＣＩ燃焼を実行するようにしてもよい。なお、このようにＧ／Ｆリーン環境下でＳＰＣＣＩ燃焼を実行する場合におけるガス空燃比（Ｇ／Ｆ）の値は、１８超５０未満とすることが好ましい。また、同じ第１運転領域Ａ１でＳＰＣＣＩ燃焼を実行する場合に、着火性が確保され易いエンジンの温間時はＡ／Ｆリーン環境を形成し、これより温度が低い条件（例えば準温間時）ではＧ／Ｆリーン環境を形成するというように、温度条件に応じて２種類の環境を使い分けるようにしてもよい。

また、上記実施形態では、ＳＰＣＣＩ燃焼による全熱発生量に対するＳＩ燃焼による熱発生量の割合であるＳＩ率を、図７の燃焼波形における面積Ｒ１，Ｒ２を用いて、Ｒ１／（Ｒ１＋Ｒ２）と定義し、このＳＩ率が予め定められた目標ＳＩ率に一致するように主点火の時期を調整するようにしたが、ＳＩ率を定義する方法は他にも種々考えられる。

例えば、ＳＩ率＝Ｒ１／Ｒ２としてもよい。さらに、図２０に示すΔθ１、Δθ２を用いてＳＩ率を定義してもよい。すなわち、ＳＩ燃焼のクランク角期間（変曲点点Ｘ２よりも進角側の燃焼期間）をΔθ１、ＣＩ燃焼のクランク角期間（変曲点Ｘ２よりも遅角側の燃焼期間）をΔθ２としたときに、ＳＩ率＝Δθ１／（Δθ１＋Δθ２）、もしくはＳＩ率＝Δθ１／Δθ２としてもよい。もしくは、ＳＩ燃焼の熱発生率のピークをΔＨ１、ＣＩ燃焼の熱発生率のピークをΔＨ２としたときに、ＳＩ率＝ΔＨ１／（ΔＨ１＋ΔＨ２）、もしくはＳＩ率＝ΔＨ１／ΔＨ２としてもよい。

２ 気筒
１３ａ 吸気ＶＶＴ（温度調整デバイス）
１４ａ 排気ＶＶＴ（温度調整デバイス）
１５ インジェクタ
１６ 点火プラグ
１８ スワール弁（スワール生成部、スワール調整デバイス）
３０ 吸気通路
３２ スロットル弁
４０ 排気通路
５３ ＥＧＲ弁（温度調整デバイス）
１００ ＥＣＵ（コントローラ）
１０１ 演算部（設定部、点火エネルギー設定部）
１０２ 噴射制御部
１０３ 点火制御部（第１点火制御部、第２点火制御部）
１０６ ＥＧＲ制御部（筒内温度調整部）

Claims (14)

1. 気筒と、気筒に燃料を噴射するインジェクタと、インジェクタから噴射された燃料と空気とが混合された混合気に点火する点火プラグとを備え、前記混合気の一部を前記点火プラグを用いた火花点火によりＳＩ燃焼させるとともにその他の混合気を自着火によりＣＩ燃焼させる部分圧縮着火燃焼が可能な圧縮着火式エンジンを制御する装置であって、
   前記気筒内にスワール流を生成するスワール生成部と、
   前記インジェクタによる燃料の噴射動作を制御する噴射制御部と、
   前記点火プラグによる点火動作を制御する点火制御部とを備え、
   前記点火制御部は、前記部分圧縮着火燃焼の実行時、圧縮行程後期または膨張行程初期に火花を発生させてＳＩ燃焼を開始させる主点火と、主点火よりも早い吸気行程中のタイミングで火花を発生させる先行点火とを前記点火プラグに実行させ、
   前記噴射制御部は、前記部分圧縮着火燃焼の実行時、前記先行点火よりも前の時点で前記気筒内に燃料が存在するようなタイミングで前記インジェクタに燃料を噴射させ、
   前記先行点火のエネルギーは、前記スワール生成部により生成されるスワール流が弱いときは強いときに比べて小さくされる、ことを特徴とする圧縮着火式エンジンの制御装置。
2. 請求項１に記載の圧縮着火式エンジンの制御装置において、
   前記先行点火のエネルギーは前記主点火のエネルギーよりも小さい、ことを特徴とする圧縮着火式エンジンの制御装置。
3. 請求項２に記載の圧縮着火式エンジンの制御装置において、
   前記先行点火のエネルギーは、前記点火プラグから発生した火花の周囲に８５０Ｋ以上１１４０Ｋ未満の高温部が形成されかつ混合気の火炎伝播が生じないようなエネルギーに設定される、ことを特徴とする圧縮着火式エンジンの制御装置。
4. 請求項１～３のいずれか１項に記載の圧縮着火式エンジンの制御装置において、
   前記スワール生成部は、前記気筒に連通する吸気ポートに設けられた開閉可能なスワール弁であり、
   前記点火制御部は、前記スワール弁の開度が高くなるほど前記先行点火のエネルギーが小さくなるように前記点火プラグを制御する、ことを特徴とする圧縮着火式エンジンの制御装置。
5. 請求項４に記載の圧縮着火式エンジンの制御装置において、
   前記点火制御部は、前記スワール弁の開度に対する前記先行点火のエネルギーの低下率を、前記スワール弁の開度が低い領域の方が高い領域よりも当該低下率が大きくなるように設定する、ことを特徴とする圧縮着火式エンジンの制御装置。
6. 請求項１～５のいずれか１項に記載の圧縮着火式エンジンの制御装置において、
   前記先行点火および主点火は、前記気筒ごとに、１つの点火回路を有する１つの点火プラグによって実行される、ことを特徴とする圧縮着火式エンジンの制御装置。
7. 請求項１～６のいずれか１項に記載の圧縮着火式エンジンの制御装置において、
   １サイクル中の前記先行点火の回数は３回以下に設定される、ことを特徴とする圧縮着火式エンジンの制御装置。
8. 請求項１～７のいずれか１項に記載の圧縮着火式エンジンの制御装置において、
   前記スワール生成部は、前記気筒に連通する吸気ポートに設けられた開閉可能なスワール弁であり、
   前記先行点火および主点火が実行される運転領域では、前記気筒内のスワール比が１．５以上になるように前記スワール弁の開度が制御される、ことを特徴とする圧縮着火式エンジンの制御装置。
9. 請求項１～８のいずれか１項に記載の圧縮着火式エンジンの制御装置において、
   １サイクル中の全熱発生量に対するＳＩ燃焼による熱発生量の割合の目標値である目標ＳＩ率をエンジンの運転条件に応じて設定する設定部をさらに備え、
   前記点火制御部は、前記設定部により設定された目標ＳＩ率に基づいて前記主点火の時期を設定する、ことを特徴とする圧縮着火式エンジンの制御装置。
10. 請求項１～９のいずれか１項に記載の圧縮着火式エンジンの制御装置において、
    前記点火制御部は、前記部分圧縮着火燃焼が実行される運転領域における低負荷側の一部でのみ前記先行点火および主点火を実行する、ことを特徴とする圧縮着火式エンジンの制御装置。
11. 請求項１～１０のいずれか１項に記載の圧縮着火式エンジンの制御装置において、
    前記先行点火および主点火が実行される運転領域では、前記気筒内の空気と燃料との割合である空燃比が２０超３５未満となるＡ／Ｆリーン環境下で前記部分圧縮着火燃焼が実行されるか、もしくは、前記気筒内の全ガスと燃料との割合であるガス空燃比が１８超５０未満となりかつ前記空燃比が理論空燃比に略一致するＧ／Ｆリーン環境下で前記部分圧縮着火燃焼が実行される、ことを特徴とする圧縮着火式エンジンの制御装置。
12. 請求項１～１１のいずれか１項に記載の圧縮着火式エンジンの制御装置において、
    前記噴射制御部は、前記先行点火よりも前に燃料を噴射する第２噴射と、当該第２噴射よりも前に燃料を噴射する第１噴射とを前記インジェクタに実行させる、ことを特徴とする圧縮着火式エンジンの制御装置。
13. 請求項１２に記載の圧縮着火式エンジンの制御装置において、
    前記噴射制御部は、前記第１噴射による燃料の噴射量の方が前記第２噴射による燃料の噴射量よりも多くなるように前記インジェクタを制御する、ことを特徴とする圧縮着火式エンジンの制御装置。
14. 気筒と、気筒に臨むよう配設されたインジェクタおよび点火プラグとを備えたエンジンを制御する装置であって、
    前記気筒内に生成されるスワール流を調整するスワール調整デバイスと、
    前記気筒内の温度である筒内温度を調整する温度調整デバイスと、
    前記インジェクタ、点火プラグ、スワール調整デバイス、および温度調整デバイスと電気的に接続され、当該インジェクタ、点火プラグ、スワール調整デバイス、および温度調整デバイスに制御信号を出力するコントローラとを備え、
    前記コントローラは、
    エンジンの運転状態に応じた所定時期に前記インジェクタを駆動して燃料を噴射させる噴射制御部と、
    前記インジェクタから噴射された燃料と空気との混合気が前記点火プラグによる火花点火により火炎伝播燃焼し、この火炎伝播燃焼の開始後に圧縮自己着火燃焼が起きるように前記筒内温度調整デバイスを駆動して筒内温度を調整する筒内温度調整部と、
    前記インジェクタによる燃料噴射の後でかつ吸気行程中に前記点火プラグを駆動して火花点火を行わせる第１点火制御部と、
    前記第１点火制御部による火花点火の後でかつ圧縮行程後期または膨張行程初期に前記点火プラグを駆動して火花点火を行わせ、当該火花点火により混合気を火炎伝播燃焼させる第２点火制御部と、
    前記スワール調整デバイスの制御量に基づいて、前記第１点火制御部による火花点火のエネルギーを、スワール流が弱いときは強いときに比べて小さくする点火エネルギー設定部とを有する、ことを特徴とする圧縮着火式エンジンの制御装置。
    

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