JP7334444B2 - エンジンシステム - Google Patents

Description

本発明はエンジンシステムに関し、特に、吸気流動を制御可能なエンジンシステムに関する。

特開２００６－３７８１５号公報（特許文献１）には、エンジンの吸気制御装置が記載されている。この吸気制御装置においては、エンジンの回転数や負荷に応じて吸気制御弁を開閉して、エンジンの燃焼室内にスワール流等の吸気旋回流を発生させている。

また、国際公開２０１８／０９６７４５号（特許文献２）には、エンジンの制御装置が記載されている。このエンジンの制御装置は、エンジンの運転条件に応じて火花点火燃焼（ＳＩ燃焼）、及びＳＩ燃焼と圧縮自己着火燃焼（ＣＩ燃焼）とを組み合わせた部分圧縮着火燃焼（ＳＰＣＣＩ燃焼）が行われるようにエンジンを制御している。また、特許文献２記載の制御装置では、エンジンの運転条件に応じてスワールコントロール弁の開度を変更し、燃焼室内のスワール流を強くすることにより、安定的にＳＰＣＣＩ燃焼を発生させている。

特開２００６－３７８１５号公報 国際公開２０１８／０９６７４５号

上記の特許文献に記載されているように、スワール流等の吸気旋回流は、燃焼室内での燃焼を安定化するために有効な技術である。特に、特許文献２記載の制御装置のように、ＳＰＣＣＩ燃焼を行うエンジンの制御においては、内部排気再循環量（内部ＥＧＲ量）が大きい運転条件が設定される場合等があり、吸気流動は燃焼安定性を確保するために重要な技術である。しかしながら、燃焼安定性向上のために吸気流動を多用すると、冷却損失が増加し、燃費が悪化するという問題がある。
従って、本発明は、十分な燃焼安定性を確保しながら、冷却損失の発生を抑制することができるエンジンシステムを提供することを目的としている。

上述した課題を解決するために、本発明は、吸気流動を制御可能なエンジンシステムであって、燃焼室と、この燃焼室内に配置された点火プラグと、燃焼室内に燃料を噴射するインジェクタと、燃焼室内に吸気流動を生成するための吸気流動制御弁と、点火プラグ、インジェクタ及び吸気流動制御弁を制御するための制御ユニットと、を有し、制御ユニットは、少なくとも一部の運転領域において、燃焼室内の混合気の一部を点火プラグによる火花点火によって火花点火燃焼させた後、燃焼室内の残りの混合気を自着火により圧縮着火燃焼させる部分圧縮着火燃焼を実行すると共に、この部分圧縮着火燃焼による運転領域の少なくとも一部において、吸気流動制御弁を制御して燃焼室内における吸気の流動を強化するように構成され、制御ユニットは、部分圧縮着火燃焼が行われる運転領域のうちの所定の中負荷領域において、空燃比を理論空燃比に設定すると共に、中負荷領域よりも負荷が高い高負荷領域、及び中負荷領域よりも負荷が低い低負荷領域よりも吸気の流動が弱くなるようにインジェクタ及び吸気流動制御弁を制御し、制御ユニットは、中負荷領域のうちの、所定の低負荷、所定の低回転の領域である部分圧縮着火燃焼リーン領域においては、空燃比を理論空燃比よりも大きく設定すると共に、冷却水温度が所定温度以上である場合には、部分圧縮着火燃焼リーン領域外の中負荷領域よりも吸気の流動が強くなるようにインジェクタ及び吸気流動制御弁を制御し、制御ユニットは、部分圧縮着火燃焼リーン領域において、冷却水温度が所定温度未満である場合には、冷却水温度が所定温度以上である場合よりも吸気の流動が強くなるように吸気流動制御弁を制御することを特徴としている。

このように構成された本発明によれば、所定の中負荷領域において、高負荷領域及び低負荷領域よりも吸気の流動が弱くなるように吸気流動制御弁を制御している。ここで、中負荷領域においては、部分圧縮着火燃焼を行っても燃焼の安定性が高く、吸気の流動を弱くした場合でも確実に燃焼させることができる。この結果、中負荷領域において吸気の流動を弱くすることにより、十分な燃焼安定性を確保しながら、冷却損失を抑制することができる。

本発明において、好ましくは、吸気流動制御弁は、燃焼室内にスワールを生成するスワール制御弁である。
スワール流は、旋回の中心軸がピストンの軸線方向に向けられた旋回流であるため、一般に、圧縮工程中においても渦流が減衰されにくい。上記のように構成された本発明によれば、燃焼室内にスワールを生成するスワール制御弁が吸気流動制御弁として使用されるので、吸気流動により、効果的に燃焼安定性を向上させることができる。

本発明において、好ましくは、制御ユニットは、部分圧縮着火燃焼が行われる高負荷領域においては、中負荷領域及び低負荷領域よりも点火時期が遅角されるように点火プラグを制御する。
高負荷領域においては、燃焼音を抑制するために遅角燃焼を行うことが好ましいが、その結果、失火が発生しやすい。上記のように構成された本発明によれば、失火が発生しやすい高負荷の部分圧縮着火燃焼領域において吸気の流動が強化されるので、燃焼音を抑制しながら燃焼を安定させることができる。

本発明において、好ましくは、さらに、燃焼室内に空気を吸入するための吸気弁、及び燃焼室内で燃焼した排気を排出するための排気弁を有し、制御ユニットは、部分圧縮着火燃焼が行われる低負荷領域において、吸気弁及び排気弁を制御して中負荷領域及び高負荷領域よりも内部排気再循環量を増加させる。

一般に、低負荷領域において内部排気再循環量を増加させると、燃焼の安定性が低下する。上記のように構成された本発明によれば、低負荷の部分圧縮着火燃焼領域において吸気の流動が強化されるので、内部排気再循環量を多くしても十分な燃焼安定性を確保することができる。

本発明において、好ましくは、さらに、燃焼室に空気を吸入するための２つの吸気弁を有し、点火プラグは、燃焼室の中心軸に対して、２つの吸気弁が設けられている側の、２つの吸気弁の間に配置されている。
このように構成された本発明によれば、点火プラグが燃焼室の中心軸に対して、２つの吸気弁が設けられている側の、２つの吸気弁の間に配置されているので、点火プラグが配置されている吸気側付近での吸気流動による冷却損失の悪化を抑制することができる。

本発明のエンジンシステムによれば、十分な燃焼安定性を確保しながら、冷却損失の発生を抑制することができる。

本発明の実施形態によるエンジンシステムの構成を例示する図である。 本発明の実施形態によるエンジンシステムにおけるエンジンの燃焼室の構成を例示する断面図である。 本発明の実施形態によるエンジンシステムにおけるエンジンの燃焼室及び吸気系の構成を例示する平面図である。 本発明の実施形態によるエンジンシステムの構成を例示するブロック図である。 本発明の実施形態によるエンジンシステムの暖機中における運転領域マップの一例を示す図である。 本発明の実施形態によるエンジンシステムの暖機が完了した後の運転領域マップの一例を示す図である。 本発明の実施形態によるエンジンシステムの各運転領域において、クランク角に対する燃料噴射及び熱が発生するタイミングを模式的に示した図である。 本発明の実施形態によるエンジンシステムにおいて、クランク角に対する熱発生率を模式的に示した図である。 本発明の実施形態によるエンジンシステムのＥＣＵ及びそれに内蔵された制御ユニットによる制御を示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態による過給機の故障診断装置について説明する。

＜装置構成＞
まず、図１乃至図４を参照して、本発明の第１実施形態によるエンジンシステムの構成について説明する。図１は、本実施形態によるエンジンシステムの構成を例示する図である。図２は、本実施形態によるエンジンシステムにおけるエンジンの燃焼室の構成を例示する断面図である。図３は、本実施形態によるエンジンシステムにおけるエンジンの燃焼室及び吸気系の構成を例示する平面図である。なお、図１における吸気側は紙面左側であり、排気側は紙面右側である。図２における吸気側は紙面右側であり、排気側は紙面左側である。図３におけるエンジンのリヤ側は紙面上側であり、フロント側は紙面下側である。図４は、本実施形態によるエンジンシステムの構成を例示するブロック図である。

本実施形態において、エンジンシステム１は、四輪の自動車に搭載された部分圧縮着火燃焼（SPark Controlled Compression Ignition:ＳＰＣＣＩ）を行うガソリンエンジンである。具体的には、エンジンシステム１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とを備えている。シリンダブロック１２の内部に複数のシリンダ１１が形成されている。図１及び図２では、１つのシリンダ１１のみを示すが、本実施形態においてエンジンシステム１は、多気筒エンジンである。

各シリンダ１１内には、ピストン３が摺動自在に内挿されている。ピストン３は、コネクティングロッド１４を介してクランクシャフト１５に連結されている。ピストン３は、シリンダ１１及びシリンダヘッド１３と共に燃焼室１７を区画する。なお、「燃焼室」は、ピストン３が圧縮上死点に至ったときに形成される空間の意味に限定されない。「燃焼室」の語は広義で用いる場合がある。つまり、「燃焼室」は、ピストン３の位置に関わらず、ピストン３、シリンダ１１及びシリンダヘッド１３によって形成される空間を意味する場合がある。

図２に示すように、ピストン３の上面は平坦面である。ピストン３の上面には、キャビティ３１が形成されている。キャビティ３１は、ピストン３の上面から凹陥している。キャビティ３１は、浅皿形状を有している。キャビティ３１は、ピストン３が圧縮上死点付近に位置するときに、後述するインジェクタ６に向かい合う。

キャビティ３１は、凸部３１ａを有している。凸部３１ａは、シリンダ１１のほぼ中心に設けられている。凸部３１ａは、略円錐状であり、キャビティ３１の底部から、シリンダ１１の中心軸Ｘに沿って上向きに伸びている。凸部３１ａの上端は、キャビティ３１の上面とほぼ同じ高さである。キャビティ３１はまた、凸部３１ａの周囲に設けられた凹陥部３１ｂを有している。

シリンダヘッド１３の下面、つまり、燃焼室１７の天井面は、図２に示すように、傾斜面１３ａと、傾斜面１３ｂとによって構成されている。傾斜面１３ａは、吸気側から中心軸Ｘに向かって上り勾配となっている。傾斜面１３ｂは、排気側から中心軸Ｘに向かって上り勾配となっている。燃焼室１７の天井面は、いわゆるペントルーフ形状である。
なお、燃焼室１７の形状は、図２に例示する形状に限定されるものではない。例えばキャビティ３１の形状、ピストン３の上面の形状、及び、燃焼室１７の天井面の形状等は、適宜変更することが可能である。

エンジンシステム１における幾何学的圧縮比は、理論熱効率の向上や、後述するＣＩ（Compression Ignition）燃焼の安定化を目的として高く設定されている。具体的に、エンジンシステム１の幾何学的圧縮比は、１７以上である。幾何学的圧縮比は、例えば１８としてもよい。幾何学的圧縮比は、１７以上２０以下の範囲で、適宜設定すればよい。

シリンダヘッド１３には、シリンダ１１毎に、２つの吸気ポート１８（図１）が形成されている。吸気ポート１８は、燃焼室１７に連通している。吸気ポート１８には、吸気弁２１が配設されている。吸気弁２１は、燃焼室１７と吸気ポート１８との間を開閉する。吸気弁２１は吸気動弁機構によって、所定のタイミングで開閉する。本実施形態において、吸気動弁機構は、可変動弁機構である吸気電動ＶＶＴ（Variable Valve Timing）２３（図４）を有している。吸気電動ＶＶＴ２３は、吸気カムシャフトの回転位相を所定の角度範囲内で連続的に変更するよう構成されている。それによって、吸気弁２１の開弁時期及び閉弁時期を、連続的に変化させることができる。なお、吸気動弁機構は、電動ＶＶＴに代えて、液圧式のＶＶＴを有していてもよい。

シリンダヘッド１３にはまた、シリンダ１１毎に、２つの排気ポート１９（図１）が形成されている。排気ポート１９は、燃焼室１７に連通している。排気ポート１９には、排気弁２２が配設されている。排気弁２２は、燃焼室１７と排気ポート１９との間を開閉する。排気弁２２は排気動弁機構によって、所定のタイミングで開閉する。本実施形態において、排気動弁機構は、可変動弁機構である排気電動ＶＶＴ２４（図４）を有している。排気電動ＶＶＴ２４は、排気カムシャフトの回転位相を所定の角度範囲内で連続的に変更するよう構成されている。それによって、排気弁２２の開弁時期及び閉弁時期を、連続的に変化させることができる。なお、排気動弁機構は、電動ＶＶＴに代えて、液圧式のＶＶＴを有していてもよい。

詳細は後述するが、本実施形態において、エンジンシステム１は、吸気電動ＶＶＴ２３及び排気電動ＶＶＴ２４によって、吸気弁２１の開弁と排気弁２２の開弁とに係るオーバーラップ期間の長さを調整することができる。これにより、燃焼室１７の中の残留ガスを掃気したり、燃焼室１７の中に熱い既燃ガスを閉じ込めたり（つまり、内部ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）ガスを燃焼室１７の中に導入）することができる。この構成例においては、吸気電動ＶＶＴ２３及び排気電動ＶＶＴ２４が、状態量設定デバイスの一つとしての、内部ＥＧＲシステムを構成している。なお、内部ＥＧＲシステムは、ＶＶＴによって構成されるとは限らない。

図２に示すように、シリンダヘッド１３には、シリンダ１１毎に、インジェクタ６が取り付けられている。インジェクタ６は、燃焼室１７の中に燃料を直接噴射するよう構成されている。インジェクタ６は、吸気側の傾斜面１３ａと排気側の傾斜面１３ｂとが交差するペントルーフの谷部に配設されている。また、インジェクタ６は、その噴射軸心が、シリンダ１１の中心軸Ｘに沿うように配設されている。インジェクタ６の噴射軸心と、キャビティ３１の凸部３１ａの位置とはほぼ一致している。インジェクタ６は、キャビティ３１に対向している。なお、インジェクタ６の噴射軸心は、シリンダ１１の中心軸Ｘと一致していなくてもよい。その場合も、インジェクタ６の噴射軸心と、キャビティ３１の凸部３１ａの位置とは一致していることが望ましい。

インジェクタ６は、詳細な図示は省略するが、複数の噴口を有する多噴口型の燃料噴射弁によって構成されている。インジェクタ６は、図２に矢印で示すように、燃料噴霧が、燃焼室１７の中央から放射状に広がるように燃料を噴射する。

後述するように、インジェクタ６は、ピストン３が圧縮上死点付近に位置するタイミングで燃料を噴射する場合がある。その場合、インジェクタ６が燃料を噴射すると、燃料噴霧は、新気と混ざり合いながら、キャビティ３１の凸部３１ａに沿って下向きに流れると共に、凹陥部３１ｂの底面及び周側面に沿って、燃焼室１７の中央から、径方向の外方に放射状に広がって流れる。その後、混合気はキャビティ３１の開口に至り、吸気側の傾斜面１３ａ、及び、排気側の傾斜面１３ｂに沿って、径方向の外方から、燃焼室１７の中央に向かって流れる。
なお、インジェクタ６は、多噴口型のインジェクタに限らない。インジェクタ６は、外開弁タイプのインジェクタを採用してもよい。

図１に示すように、インジェクタ６には、燃料供給システム６１が接続されている。燃料供給システム６１は、燃料を貯留するよう構成された燃料タンク６３と、燃料タンク６３とインジェクタ６とを互いに連結する燃料供給路６２とを備えている。燃料供給路６２には、燃料ポンプ６５とコモンレール６４とが設けられている。燃料ポンプ６５は、コモンレール６４に燃料を圧送するように構成されている。燃料ポンプ６５は、本実施形態においては、クランクシャフト１５によって駆動されるプランジャー式のポンプである。コモンレール６４は、燃料ポンプ６５から圧送された燃料を、高い燃料圧力で蓄えるよう構成されている。インジェクタ６が開弁すると、コモンレール６４に蓄えられていた燃料が、インジェクタ６の噴口から燃焼室１７の中に噴射される。燃料供給システム６１は、３０ＭＰａ以上の高い圧力の燃料を、インジェクタ６に供給することが可能に構成されている。燃料供給システム６１の最高燃料圧力は、例えば１２０ＭＰａ程度にしてもよい。インジェクタ６に供給する燃料の圧力は、エンジンシステム１の運転状態に応じて変更してもよい。なお、燃料供給システム６１の構成は、前記の構成に限定されない。

シリンダヘッド１３には、シリンダ１１毎に、点火プラグ２５が取り付けられている。点火プラグ２５は、燃焼室１７の中の混合気に強制的に点火をする。図２に示すように、点火プラグ２５は、本実施形態においては、シリンダ１１の中心軸Ｘを挟んだ吸気側に配設されている。また、点火プラグ２５は、２つの吸気ポート１８の間に位置している。点火プラグ２５は、上方から下方に向かって、燃焼室１７の中央に近づく方向に傾いて、シリンダヘッド１３に取り付けられている。点火プラグ２５の電極は、燃焼室１７の中に臨んでかつ、燃焼室１７の天井面の付近に位置している。

図１に示すように、エンジンシステム１の一側面には吸気通路４０が接続されている。吸気通路４０は、各シリンダ１１の吸気ポート１８に連通している。吸気通路４０は、燃焼室１７に導入するガスが流れる通路である。吸気通路４０の上流端部には、新気を濾過するエアクリーナー４１が配設されている。吸気通路４０の下流端近傍には、サージタンク４２が配設されている。サージタンク４２よりも下流の吸気通路４０は、詳細な図示は省略するが、シリンダ１１毎に分岐する独立通路を構成している。独立通路の下流端が、各シリンダ１１の吸気ポート１８に接続されている。

吸気通路４０におけるエアクリーナー４１とサージタンク４２との間には、スロットル弁４３が配設されている。スロットル弁４３は、弁の開度を調整することによって、燃焼室１７の中への新気の導入量を調整するよう構成されている。

吸気通路４０にはまた、スロットル弁４３の下流に、過給機４４が配設されている。過給機４４は、燃焼室１７に導入するガスを過給するよう構成されている。本実施形態において、過給機４４は、エンジンシステム１によって駆動される機械式の過給機である。機械式の過給機４４は、例えばルーツ式としてもよい。機械式の過給機４４の構成はどのような構成であってもよい。機械式の過給機４４は、リショルム式や遠心式であってもよい。

過給機４４とエンジンシステム１の出力軸との間には、電磁クラッチ４５が介設している。電磁クラッチ４５は、過給機４４とエンジンシステム１との間で、エンジンシステム１から過給機４４へ駆動力を伝達したり、駆動力の伝達を遮断したりする。後述するように、ＥＣＵ１０（図４）が電磁クラッチ４５の接続状態と非接続状態を切り替えることによって、過給機４４はオンとオフとが切り替わる。つまり、このエンジンシステム１は、過給機４４が、燃焼室１７に導入するガスを過給することと、過給機４４が、燃焼室１７に導入するガスを過給しないこととを切り替えることができるよう構成されている。

吸気通路４０における過給機４４の下流には、インタークーラー４６が配設されている。インタークーラー４６は、過給機４４において圧縮されたガスを冷却するよう構成されている。インタークーラー４６は、例えば水冷式に構成すればよい。

吸気通路４０には、バイパス通路４７が接続されている。バイパス通路４７は、過給機４４及びインタークーラー４６をバイパスするよう、吸気通路４０における過給機４４の上流部とインタークーラー４６の下流部とを互いに接続する。バイパス通路４７には、バイパス制御弁であるエアバイパス弁４８が配設されている。エアバイパス弁４８は、バイパス通路４７を流れるガスの流量を調整する。

過給機４４をオフにしたとき（つまり、電磁クラッチ４５を遮断したとき）には、エアバイパス弁４８を全開にする。これにより、吸気通路４０を流れるガスは、過給機４４をバイパスして、エンジンシステム１の燃焼室１７に導入される。エンジンシステム１は、非過給、つまり自然吸気の状態で運転する。
過給機４４をオンにしたとき（つまり、電磁クラッチ４５を接続したとき）には、過給機４４を通過したガスの一部は、バイパス通路４７を通って過給機の上流に逆流する。エアバイパス弁４８の開度を調整することによって、逆流量を調整することができるから、燃焼室１７に導入するガスの過給圧を調整することができる。この構成例においては、過給機４４とバイパス通路４７とエアバイパス弁４８とによって、過給システム４９が構成されている。

エンジンシステム１の他側面には、排気通路５０が接続されている。排気通路５０は、各シリンダ１１の排気ポート１９に連通している。排気通路５０は、燃焼室１７から排出された排気ガスが流れる通路である。排気通路５０の上流部分は、詳細な図示は省略するが、シリンダ１１毎に分岐する独立通路を構成している。独立通路の上流端が、各シリンダ１１の排気ポート１９に接続されている。排気通路５０には、１つ以上の触媒コンバーター５１を有する排気ガス浄化システムが配設されている。触媒コンバーター５１は、三元触媒を含んで構成されている。なお、排気ガス浄化システムは、三元触媒のみを含むものに限らない。

吸気通路４０と排気通路５０との間には、外部ＥＧＲシステムを構成するＥＧＲ通路５２が接続されている。ＥＧＲ通路５２は、既燃ガスの一部を吸気通路４０に還流させるための通路である。ＥＧＲ通路５２の上流端は、排気通路５０における触媒コンバーター５１の下流に接続されている。ＥＧＲ通路５２の下流端は、吸気通路４０における過給機４４の上流に接続されている。

ＥＧＲ通路５２には、水冷式のＥＧＲクーラー５３が配設されている。ＥＧＲクーラー５３は、既燃ガスを冷却するよう構成されている。ＥＧＲ通路５２にはまた、ＥＧＲ弁５４が配設されている。ＥＧＲ弁５４は、ＥＧＲ通路５２を流れる既燃ガスの流量を調整するよう構成されている。ＥＧＲ弁５４の開度を調整することによって、冷却した既燃ガス、つまり外部ＥＧＲガスの還流量を調整することができる。

本実施形態において、ＥＧＲシステム５５は、ＥＧＲ通路５２及びＥＧＲ弁５４を含んで構成されている外部ＥＧＲシステムと、前述した吸気電動ＶＶＴ２３及び排気電動ＶＶＴ２４を含んで構成されている内部ＥＧＲシステムとによって構成されている。ＥＧＲ弁５４はまた、状態量設定デバイスの一つを構成している。

図３に示すように、エンジンシステム１は、燃焼室１７内の吸気流動を強化するための吸気流動制御弁であるスワール制御弁２０を有している。エンジンシステム１の各燃焼室１７に接続された吸気通路４０は、平行に延びる２本の通路である第１吸気通路４０ａと第２吸気通路４０ｂから構成されている。本実施形態においては、第１吸気通路４０ａはエンジンのフロント側に設けられて第１吸気ポート１８ａに接続され、第２吸気通路４０ｂはエンジンのリヤ側に設けられて第２吸気ポート１８ｂに接続されている。スワール制御弁２０は第１吸気通路４０ａの内部に配置されている。即ち、スワール制御弁２０は第１吸気通路４０ａの断面を絞ることができる開度調整弁である。スワール制御弁２０の開度が小さいと、エンジンシステム１の前後方向に並んだ第１吸気ポート１８ａ及び第２吸気ポート１８ｂの内、第１吸気ポート１８ａから燃焼室１７に流入する吸気流量が相対的に減り、且つ第２吸気ポート１８ｂから燃焼室１７に流入する吸気流量が相対的に増えるから、燃焼室１７内のスワール流が強くなる。スワール制御弁２０の開度が大きいと、第１吸気ポート１８ａ及び第２吸気ポート１８ｂのそれぞれから燃焼室１７に流入する吸気流量が、略均等になり、燃焼室１７内のスワール流が弱くなる。スワール制御弁２０を全開にすると、スワール流が発生しない。なお、スワール流は、矢印で示すように、図３における反時計方向に周回する。

尚、吸気流動の生成は、吸気通路４０にスワール制御弁２０を取り付ける代わりに、又は、スワール制御弁２０を取り付けることに加えて、二つの吸気弁２１の開弁期間をずらし、一方の吸気弁２１のみから燃焼室１７の中に吸気を導入することができる構成を採用してもよい。二つの吸気弁２１の内の一方の吸気弁２１のみが開弁することによって、燃焼室１７の中に不均等に吸気を導入することができるから、燃焼室１７の中にスワール流を発生させることができる。さらに、スワール発生部は、吸気ポート１８の形状を工夫することによって、燃焼室１７の中に吸気流動を発生させように構成してもよい。

本実施形態において、各吸気ポート１８は、シリンダ１１の中心軸Ｘに対して傾斜して設けられたタンブルポートであるため、燃焼室１７の中には、タンブル成分とスワール成分とを有する斜めスワール流が形成される。斜めスワール流の傾斜角度は、シリンダ１１の中心軸Ｘと直交する面に対して４５度程度が一般的であるが、エンジンシステム１の仕様に応じ、例えば３０度から６０度の範囲で適宜設定される。

図４に示すように、エンジンシステム１は、これを運転するためのＥＣＵ（Engine Control Unit）１０を備えており、ＥＣＵ１０には、制御ユニット１０ａが内蔵されている。ＥＣＵ１０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（Central Processing Unit：ＣＰＵ）と、例えばＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）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バスと、を備えている。ＥＣＵ１０は、コントローラの一例である。

ＥＣＵ１０には、図１及び図４に示すように、各種のセンサＳＷ１～ＳＷ１６が接続されている。センサＳＷ１～ＳＷ１６は、検知信号をＥＣＵ１０に出力する。センサには、以下のセンサが含まれる。

すなわち、吸気通路４０におけるエアクリーナー４１の下流に配置されかつ、吸気通路４０を流れる新気の流量を検知するエアフローセンサＳＷ１、及び、新気の温度を検知する第１吸気温度センサＳＷ２、吸気通路４０におけるＥＧＲ通路５２の接続位置よりも下流でかつ、過給機４４の上流に配置されかつ、過給機４４に流入するガスの圧力を検知する第１圧力センサＳＷ３、吸気通路４０における過給機４４の下流でかつ、バイパス通路４７の接続位置よりも上流に配置されかつ、過給機４４から流出したガスの温度を検知する第２吸気温度センサＳＷ４、サージタンク４２に取り付けられかつ、過給機４４の下流のガスの圧力を検知する第２圧力センサＳＷ５、各シリンダ１１に対応してシリンダヘッド１３に取り付けられかつ、各燃焼室１７内の圧力（筒内圧）を検知する指圧センサＳＷ６、排気通路５０に配置されかつ、燃焼室１７から排出した排気ガスの温度を検知する排気温度センサＳＷ７、過給機４４に取り付けられかつ、過給機４４の回転数を検出する過給機回転数センサＳＷ８、エンジンシステム１の出力軸近傍に配置されかつ、出力軸の回転数を検出するエンジン回転数センサＳＷ９、エンジンシステム１に取り付けられかつ、冷却水の温度を検知する水温センサＳＷ１０、エンジンシステム１に取り付けられかつ、クランクシャフト１５の回転角を検知するクランク角センサＳＷ１１、アクセルペダル機構に取り付けられかつ、アクセルペダルの操作量に対応したアクセル開度を検知するアクセル開度センサＳＷ１２、エンジンシステム１に取り付けられかつ、吸気カムシャフトの回転角を検知する吸気カム角センサＳＷ１３、エンジンシステム１に取り付けられかつ、排気カムシャフトの回転角を検知する排気カム角センサＳＷ１４、ＥＧＲ通路５２に配置されかつ、ＥＧＲ弁５４の上流及び下流の差圧を検知するＥＧＲ差圧センサＳＷ１５、並びに、燃料供給システム６１のコモンレール６４に取り付けられかつ、インジェクタ６に供給する燃料の圧力を検知する燃圧センサＳＷ１６である。

ＥＣＵ１０は、これらの検知信号に基づいて、エンジンシステム１の運転状態を判断すると共に、各デバイスの制御量を計算する。ＥＣＵ１０は、計算をした制御量に係る制御信号を、インジェクタ６、点火プラグ２５、スワール制御弁２０、吸気電動ＶＶＴ２３、排気電動ＶＶＴ２４、燃料供給システム６１、スロットル弁４３、ＥＧＲ弁５４、過給機４４の電磁クラッチ４５、及び、エアバイパス弁４８に出力する。例えば、ＥＣＵ１０は、第１圧力センサＳＷ３及び第２圧力センサＳＷ５の検知信号から得られる過給機４４の前後差圧に基づいてエアバイパス弁４８の開度を調整することにより、過給圧を調整する。また、ＥＣＵ１０は、ＥＧＲ差圧センサＳＷ１５の検知信号から得られるＥＧＲ弁５４の前後差圧に基づいてＥＧＲ弁５４の開度を調整することにより、燃焼室１７の中に導入する外部ＥＧＲガス量を調整する。

また、ＥＣＵ１０に内蔵された制御ユニット１０ａは、エンジン回転数センサＳＷ９、及びアクセル開度センサＳＷ１２によって検出された信号に基づいて、吸気弁２１、排気弁２２、点火プラグ２５、及びスワール制御弁２０を制御して、シリンダ内の燃焼を制御する。

次に、図５及び図６を参照して、エンジンの運転領域を説明する。
図５はエンジンシステム１の暖機中における運転領域マップを例示し、図６は暖機が完了した後の運転領域マップを例示している。一例として、図５に示す運転領域マップはエンジンシステム１の冷却水温が８０℃未満のとき適用され、図６に示す運転領域マップは冷却水温が８０℃以上のとき適用される。また、図５及び図６には、各領域におけるスワール制御弁２０の開度も示されている。

エンジンシステム１の運転領域は、負荷及び回転数によって定められており、負荷の高低及び回転数の高低に対し、大きく五つの領域に分けられている。具体的に、五つの領域は、アイドル運転を含みかつ、低回転及び中回転の領域に広がる低負荷領域（Ａ）、低負荷領域よりも負荷が高くかつ、低回転及び中回転の領域に広がる中負荷領域（Ｂ）、中負荷領域（Ｂ）よりも概ね負荷が高い領域でかつ、低回転及び中回転の領域に広がる全開負荷を含む高負荷領域（Ｃ）、高負荷の中回転領域に位置する高負荷中回転領域（Ｃ’）及び、低負荷領域（Ａ）、中負荷領域（Ｂ）、高負荷領域（Ｃ）、及び高負荷中回転領域（Ｃ’）よりも回転数の高い高回転領域（Ｄ）である。

ここで、低回転領域、中回転領域、及び、高回転領域はそれぞれ、エンジンシステム１の全運転領域を回転数方向に、低回転領域、中回転領域及び高回転領域の略三等分にしたときの、低回転領域、中回転領域、及び、高回転領域とすればよい。図５及び図６の例では、回転数Ｎ１未満を低回転、回転数Ｎ２以上を高回転、回転数Ｎ１以上Ｎ２未満を中回転としている。回転数Ｎ１は、例えば１２００ｒｐｍ、回転数Ｎ２は、例えば４０００ｒｐｍとしてもよい。また、高負荷領域（Ｃ）は、燃焼圧力が９００ｋＰａ以上となる領域としてもよい。

エンジンシステム１は、燃費の向上及び排出ガス性能の向上を主目的として、低負荷領域（Ａ）、中負荷領域（Ｂ）、高負荷領域（Ｃ）及び高負荷中回転領域（Ｃ’）において、圧縮自己着火による燃焼を行う。エンジンシステム１はまた、高回転領域（Ｄ）においては、火花点火による燃焼を行う。以下、低負荷領域（Ａ）、中負荷領域（Ｂ）、高負荷領域（Ｃ）、高負荷中回転領域（Ｃ’）、及び高回転領域（Ｄ）の各領域におけるエンジンシステム１の運転について説明する。

図５及び図６において、エンジンシステム１が低負荷領域（Ａ）で運転しているときには、燃料噴射量が少なく、燃焼室１７の内部の温度も低い。そのため、所定の圧力及び温度に達することで自己着火するＣＩ燃焼（圧縮自己着火燃焼）は、安定して行うことが難しい。燃料が少ないため、点火による着火も困難でＳＩ燃焼（火花点火燃焼）も不安定になりやすい。また、エンジンシステム１の低負荷運転領域（Ａ）における燃焼室１７の空燃比（Ａ／Ｆ）は理論空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．７）に設定されているが、低負荷運転領域（Ａ）においては内部排気再循環量（内部ＥＧＲ量）が多く、Ｇ／Ｆの値はリーンにされている。なお、混合気のＧ／Ｆは、燃焼室１７内の全ガスと燃料との重量比を意味している。一方、低負荷運転領域（Ａ）においてはスワール制御弁２０の開度が１２％に設定され、これにより吸気の流動を強化して、十分な燃焼安定性を確保している。

例えば、Ｇ／Ｆが３０を超えるようなリーンな混合気は、火花点火で着火できても、火炎伝播が遅く、燃焼が進まないので、安定したＳＩ燃焼が行えない。一方、Ｇ／Ｆが２５前後（２０～３５）であれば、安定したＳＩ燃焼が行え、かつＮＯｘの発生も抑制できる。そこで、エンジンシステム１では、低負荷領域（Ａ）において、ＳＩ燃焼とＣＩ燃焼とを組み合わせたＳＰＣＣＩ燃焼（部分圧縮着火燃焼）を行う。そして、スワール流を利用した混合気分布の制御技術を応用することにより、エンジンシステム１の低負荷運転領域において安定したＳＰＣＣＩ燃焼が行え、低ＮＯｘかつ低燃費な燃焼が実現できるようにしている。

具体的には、燃焼室１７の内部全体にＧ／Ｆが３０を超えるようなリーンな混合気が形成される少量の燃料を、燃焼室１７の内部に噴射し、点火プラグが配置された燃焼室１７の中央部に位置して、火種となる領域（例えばＧ／Ｆが２０以上３５以下）と、燃焼室１７の周辺部に位置して、火種の燃焼圧と燃焼熱とによって圧縮着火する領域（例えばＧ／Ｆが３５以上５０以下）と、を有する成層化した混合気分布が、点火するタイミングで燃焼室１７の内部に形成されるようにした。

ＳＰＣＣＩ燃焼は、点火プラグ２５が、燃焼室１７の中の混合気に強制的に点火をすることによって、混合気が火炎伝播によりＳＩ燃焼をすると共に、ＳＩ燃焼の発熱により燃焼室１７の中の温度が高くなりかつ、火炎伝播により燃焼室１７の中の圧力が上昇することによって、未燃混合気が自己着火によるＣＩ燃焼をする。

ＳＩ燃焼の発熱量を調整することによって、圧縮開始前の燃焼室１７の中の温度のばらつきを吸収することができる。圧縮開始前の燃焼室１７の中の温度がばらついていても、例えば点火タイミングの調整によってＳＩ燃焼の開始タイミングを調整すれば、自己着火のタイミングをコントロールすることができる。ＳＰＣＣＩ燃焼を行うときには、圧縮上死点付近、正確には圧縮上死点よりも前の所定タイミングで、点火プラグ２５が混合気に点火する、これによって、火炎伝播による燃焼が開始する。

エンジンシステム１の燃費性能を向上させるために、ＥＧＲシステム５５は、エンジンシステム１が低負荷領域（Ａ）において運転しているときに、燃焼室１７の中にＥＧＲガスを導入する。エンジンシステム１が低負荷領域（Ａ）において運転するときに、ＥＣＵ１０は、前述したように、３０ＭＰａ～１２０ＭＰａの範囲の圧力で、インジェクタ６から燃料が噴射されるように制御する。また、エンジンシステム１が低負荷領域（Ａ）において運転するときに、空燃比（Ｇ／Ｆ）は、燃焼室１７の全体において理論空燃比よりもリーンである。つまり、燃焼室１７の全体において、混合気の空気過剰率λは１を超える。こうすることで、ＲａｗＮＯｘの発生を抑制することができ、排出ガス性能を向上させることができる。

次に、エンジンシステム１が中負荷領域（Ｂ）において運転しているときも、低負荷領域（Ａ）と同様に、エンジンシステム１は、ＳＰＣＣＩ燃焼を行う。
ＥＧＲシステム５５は、エンジンシステム１の運転状態が中負荷領域（Ｂ）にあるときに、燃焼室１７の中にＥＧＲガスを導入する。また、エンジンシステム１が中負荷領域（Ｂ）において運転するときに、概ね、混合気の空燃比（Ａ／Ｆ）は、燃焼室１７の全体において理論空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．７）である。三元触媒が、燃焼室１７から排出された排出ガスを浄化することによって、エンジンシステム１の排出ガス性能は良好になる。混合気のＡ／Ｆは、三元触媒の浄化ウインドウの中に収まるようにすればよい。従って、混合気の空気過剰率λは、１．０±０．２とすればよい。

また、中負荷領域（Ｂ）においては、スワール制御弁２０の開度が４５％に設定され、これにより吸気の流動（スワール流）が低負荷領域（Ａ）よりも弱くされる。即ち、中負荷領域（Ｂ）においては、比較的容易に着火することができるので、吸気の流動を弱めても十分な燃焼安定性を確保することができる。燃焼室１７内における吸気の流動を弱くすることにより、冷却損失を低減することができ、燃費を向上させることができる。

さらに、図６に斜線を施して示した「ＳＰＣＣＩリーン領域」は、中負荷領域（Ｂ）内の低負荷、低回転の領域に設定され、この領域では空燃比（Ａ／Ｆ）が理論空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．７）よりも大きく設定される。即ち、暖機が完了した後の「ＳＰＣＣＩリーン領域」においては、更に着火が容易になるため空燃比（Ａ／Ｆ）を理論空燃比よりも高くして、燃費を一層向上させる。なお、「ＳＰＣＣＩリーン領域」において、冷却水温１００℃未満、吸気温度２５℃未満の「状態１（state1）」である場合には、スワール制御弁２０の開度が０％（全閉）に設定される。また、「ＳＰＣＣＩリーン領域」において、冷却水温１００℃以上、吸気温度２５℃以上の「状態２（state2）」である場合には、スワール制御弁２０の開度が４３％に設定される。即ち、「ＳＰＣＣＩリーン領域」において比較的温度が低い場合には、燃焼室１７内のスワール流を強くして燃焼性を向上させ、温度が高い場合にはスワール流を弱めて冷却損失を低減している。

エンジンシステム１が中負荷領域（Ｂ）において運転するときに、インジェクタ６は、前段噴射と後段噴射との二回に分けて、燃焼室１７の中に燃料を噴射する。前段噴射は、点火タイミングから離れたタイミングで燃料を噴射し、後段噴射は、点火タイミングに近いタイミングで燃料を噴射する。前段噴射は、例えば圧縮行程の前半に行い、後段噴射は、例えば圧縮行程の後半に行ってもよい。圧縮行程の前半及び後半はそれぞれ、圧縮行程をクランク角度に関して二等分したときの前半及び後半とすればよい。

インジェクタ６は、燃焼室１７の中央部から径方向外方に向かって、傾いた複数の噴孔から放射状に燃料を噴射する。インジェクタ６が、圧縮行程の前半の期間内において前段噴射を行うと、ピストン３が上死点から離れているため、噴射した燃料噴霧は、上死点に向かって上昇しているピストン３の上面の、キャビティ３１の外に到達する。インジェクタ６が、圧縮行程の後半において後段噴射を行うと、ピストン３が上死点に近いため、噴射した燃料噴霧は、キャビティ３１の中に入る。後段噴射によって噴射された燃料は、キャビティ３１の内の領域において混合気を形成する。

後段噴射によってキャビティ３１の中に燃料を噴射することに伴い、キャビティ３１の内の領域において、ガスの流動が発生する。燃焼室１７の中の乱流エネルギーは、点火タイミングまでの時間が長いと、圧縮行程の進行に従い減衰してしまう。ところが、後段噴射の噴射タイミングは、前段噴射よりも点火タイミングに近いため、キャビティ３１の中の乱流エネルギーが高い状態のまま、点火プラグ２５は、キャビティ３１の内の領域の混合気に点火することができる。これにより、ＳＩ燃焼の燃焼速度が高まる。ＳＩ燃焼の燃焼速度が高まると、前述したように、ＳＩ燃焼によるＣＩ燃焼のコントロール性は高まる。

インジェクタ６が、前段噴射と後段噴射とを行うことによって、燃焼室１７の中には、全体として、空気過剰率λが１．０±０．２になった、略均質な混合気が形成される（ＳＰＣＣＩリーン領域を除く）。混合気が略均質であるため、未燃損失の低減による燃費の向上、及び、スモークの発生回避による排出ガス性能の向上を図ることができる。空気過剰率λは、好ましくは、１．０～１．２である。

圧縮上死点の前の所定のタイミングで、点火プラグ２５が混合気に点火をすることによって、混合気は、火炎伝播により燃焼する。火炎伝播による燃焼の開始後、未燃混合気が自己着火して、ＣＩ燃焼する。後段噴射によって噴射された燃料は、主にＳＩ燃焼する。前段噴射によって噴射された燃料は、主にＣＩ燃焼する。前段噴射を圧縮行程中に行うと、前段噴射により噴射した燃料が過早着火等の異常燃焼を誘発することを防止することができる。また、後段噴射により噴射した燃料を、安定的に火炎伝播により燃焼させることができる。

高負荷領域（Ｃ）においても、エンジンシステム１は、低負荷領域（Ａ）及び中負荷領域（Ｂ）と同様にＳＰＣＣＩ燃焼を行う。ＥＧＲシステム５５は、エンジンシステム１の運転状態が高負荷領域（Ｃ）にあるときに、燃焼室１７の中にＥＧＲガスを導入する。エンジンシステム１は、負荷が高まるに従いＥＧＲガスの量を減らす。全開負荷では、ＥＧＲガスをゼロにしてもよい。

エンジンシステム１が高負荷領域（Ｃ）において運転するときに、混合気の空燃比（Ａ／Ｆ）は、燃焼室１７の全体において理論空燃比に設定される。エンジンシステム１が高負荷領域（Ｃ）にある場合、インジェクタ６は圧縮行程において、前段噴射と後段噴射との二回に分けて、燃焼室１７の中に燃料を噴射する。前段噴射は圧縮行程の前半に行い、後段噴射は圧縮行程の後半に行ってもよい。

一方、高負荷領域（Ｃ）においてもスワール制御弁２０の開度が１２％に設定され、これにより吸気の流動が強化される。このように、スワール制御弁２０による吸気の流動は、概ね、低負荷領域（Ａ）及び高負荷領域（Ｃ）において強くされ、中負荷領域（Ｂ）において弱くされる。なお、高負荷領域（Ｃ）においては、燃料噴射量が比較的多く、ＥＧＲガス量も低下されるので、混合気は着火しやすい状態にあると言える。しかしながら、高負荷領域（Ｃ）においては、後述するように、燃焼音を抑制することを目的として点火プラグ２５による点火時期が遅角される。点火時期を遅角させることにより失火が発生しやすくなるため、吸気の流動を強化することにより、燃焼性を向上させている。

燃焼室１７に強いスワール流を発生させていると、前段噴射の燃料は、燃焼室１７の中央部において混合気を形成する。中央部の混合気は、主にＳＩ燃焼によって燃焼する。後段噴射の燃料は主に、燃焼室１７の外周部において混合気を形成する。外周部の混合気は、主にＣＩ燃焼によって燃焼する。

そして、前段噴射と後段噴射とを行う燃料噴射において、燃焼室の外周部の混合気の燃料濃度が、中央部の混合気の燃料濃度よりも濃くかつ、外周部の混合気の燃料量が、中央部の混合気の燃料量よりも多くなるようにする。前段噴射の噴射量を、後段噴射の噴射量よりも多くすればよい。前段噴射の噴射量と後段噴射の噴射量との割合は、一例として、７：３としてもよい。

次に、高負荷中回転領域（Ｃ’）においては、混合気の空燃比（Ａ／Ｆ）は、燃焼室１７の全体において理論空燃比に設定される。また、高負荷中回転領域（Ｃ’）においては、スワール制御弁２０の開度が２０％に設定される。これにより吸気の流動は、中負荷領域（Ｂ）よりも強く、高負荷領域（Ｃ）よりも少し弱いレベルに設定される。即ち、高負荷中回転領域（Ｃ’）では、高負荷領域（Ｃ）よりも燃料を噴射するタイミングが進角される。このため、噴射された燃料の霧化が進行し、より着火しやすい状態となるので、高負荷領域（Ｃ）よりも吸気の流動を弱めることが可能になる。

高回転領域（Ｄ）では、エンジンシステム１の回転数が高く、クランク角が１°変化するのに要する時間が短くなる。そのため、例えば高負荷領域における高回転領域において、前述したように、圧縮行程中に分割噴射を行うことにより、燃焼室１７内において混合気の成層化をすることが困難になる。エンジンシステム１の回転数が高くなると、前述したＳＰＣＣＩ燃焼を行うことが困難になる。そのため、エンジンシステム１が高回転領域（Ｄ）において運転しているときには、エンジンシステム１は、ＳＰＣＣＩ燃焼ではなく、ＳＩ燃焼を行う。尚、高回転領域（Ｄ）は、低負荷から高負荷まで負荷方向に広がっている。

ＥＧＲシステム５５は、エンジンシステム１の運転状態が高回転領域（Ｄ）にあるときに、燃焼室１７の中にＥＧＲガスを導入する。エンジンシステム１は、負荷が高まるに従いＥＧＲガスの量を減らす。全開負荷では、ＥＧＲガスをゼロにしてもよい。エンジンシステム１が高回転領域（Ｄ）において運転するときに、混合気の空燃比（Ａ／Ｆ）は、基本的には、燃焼室１７の全体において理論空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．７）である。混合気の空気過剰率λは、１．０±０．２とすればよい。尚、高回転領域（Ｄ）内の、全開負荷を含む高負荷領域においては、混合気の空気過剰率λを１未満にしてもよい。

エンジンシステム１が高回転領域（Ｄ）において運転するときに、インジェクタ６は、吸気行程に燃料噴射を開始する。インジェクタ６は、燃料を一括で噴射する。また、燃料の噴射量に応じて、燃料の噴射期間は変化する。吸気行程中に燃料噴射を開始することによって、燃焼室１７の中に、均質又は略均質な混合気を形成することが可能になる。また、エンジンシステム１の回転数が高いときに、燃料の気化時間をできるだけ長く確保することができるため、未燃損失の低減を図ることもできる。点火プラグ２５は、燃料の噴射終了後、圧縮上死点前の適宜のタイミングで、混合気に点火を行う。このため、高回転領域（Ｄ）においては、吸気の流動を強化することなく、十分な燃焼安定性を確保することができる。従って、高回転領域（Ｄ）においては、スワール制御弁２０の開度は９０％に設定され、スワール制御弁２０による吸気流動の強化はほぼゼロになる。

次に、図７及び図８を参照して、燃料噴射及び点火のタイミングと、燃焼室内における熱の発生を説明する。
図７は、各運転領域において、クランク角に対する燃料噴射及び熱が発生するタイミングを模式的に示した図である。図８は、クランク角に対する熱発生率を模式的に示した図である。

図８に示すように、ＳＰＣＣＩ燃焼では、ＳＩ燃焼時の熱発生がＣＩ燃焼時の熱発生よりも穏やかになる。例えば、ＳＰＣＣＩ燃焼が行われたときの熱発生率の波形は、立ち上がりの傾きが相対的に小さくなる。また、燃焼室１７における圧力変動（つまりｄＰ／ｄθ：Ｐは筒内圧 θはクランク角度）も、ＳＩ燃焼時はＣＩ燃焼時よりも穏やかになる。言い換えると、ＳＰＣＣＩ燃焼時の熱発生率の波形は、ＳＩ燃焼によって形成された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燃焼によって形成された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。

ＳＩ燃焼によって、燃焼室１７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。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（図８のＸ）で急激に立ち上がる。このように、運転領域に応じて、燃料噴射及び点火のタイミングを調整することにより、ＳＩ燃焼及びＣＩ燃焼の発生をコントロールし、クランク角に対して所望のタイミングに燃焼重心を設定することができる。

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燃焼よりも熱発生が大きいため、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３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燃焼を実現するため、低負荷領域（図５、図６の（Ａ））では、ＥＣＵ１０によってエンジンの各部が次のように制御される。
インジェクタ６は、１サイクル中に噴射すべき燃料の全量または大半を圧縮行程中に噴射する。例えば、インジェクタ６は、図７のチャート（ａ）に示すように、圧縮行程の中期から後期にかけた２回に分けて燃料を噴射する。

点火プラグ２５は、圧縮上死点の近傍で混合気に点火する。例えば、点火プラグ２５は、圧縮上死点よりもやや進角側のタイミングで混合気に点火するのが良い。そして、この点火をきっかけにＳＰＣＣＩ燃焼が開始され、燃焼室１７内の一部の混合気が火炎伝播により燃焼（ＳＩ燃焼）し、その後に残りの混合気が自着火により燃焼（ＣＩ燃焼）する。なお、図７の各チャートに示す燃料噴射量（燃料噴射期間）、燃料噴射タイミング、点火タイミング等は、各運転領域における一例であり、これらは、同一の運転領域内においてもエンジン回転数や負荷に応じて適宜変更される。

また、中負荷領域（図５、図６の（Ｂ））では、図７のチャート（ｂ）に示すように、エンジンの各部がＥＣＵ１０によって制御される。即ち、インジェクタ６は、吸気工程中に１回目の燃料噴射を行い、圧縮行程の中期に２回目の燃料噴射を行う。また、点火プラグ２５は、例えば、圧縮上死点よりもやや進角側のタイミングで混合気に点火する。

さらに、高負荷領域（図５、図６の（Ｃ））では、図７のチャート（ｃ）に示すように、エンジンの各部がＥＣＵ１０によって制御される。即ち、インジェクタ６は、吸気工程から圧縮行程にかけて燃料噴射を行う。また、点火プラグ２５は、例えば、圧縮上死点よりもやや遅角側のタイミングで混合気に点火する。これにより、燃焼重心が遅角側へ移動（リタード）するので、燃焼騒音を低減することができる。

また、高回転領域（図５、図６の（Ｄ））では、図７のチャート（ｄ）に示すように、エンジンの各部がＥＣＵ１０によって制御される。即ち、インジェクタ６は、吸気工程から圧縮行程にかけて燃料噴射を行う。また、点火プラグ２５は、例えば、圧縮上死点よりもやや進角のタイミングで混合気に点火する。高回転領域においては、ＳＰＣＣＩ燃焼ではなく、ＳＩ燃焼が行われ、噴射された全ての燃料がＳＩ燃焼される。

次に、図９を参照して、本発明の実施形態によるエンジンシステム１の作用を説明する。
図９は、エンジンシステム１のＥＣＵ１０及びそれに内蔵された制御ユニット１０ａによる制御を示すフローチャートである。なお、図９に示すフローチャートは、エンジンシステム１の作動中、所定の時間間隔で繰り返し実行される。

まず、図９のステップＳ１においては、ＥＣＵ１０に接続された各種センサによって検出された検出信号がＥＣＵ１０に読み込まれる。ステップＳ１において読み込まれる検出信号には、少なくともエンジン回転数センサＳＷ９、水温センサＳＷ１０、アクセル開度センサＳＷ１２により検出された各検出信号が含まれている。
次に、ステップＳ２においては、ステップＳ１において読み込まれた検出信号に基づいて、エンジンシステム１の運転状態が特定される。

さらに、ステップＳ３においては、ステップＳ２において特定された運転状態が低負荷領域であるか否かが判断される。具体的には、まず、水温センサＳＷ１０によって検出された水温が８０℃未満であるか否かが判断され、８０℃未満である場合には図５に示すマップが適用され、８０℃以上である場合には図６に示すマップが適用される。次いで、エンジン回転数センサＳＷ９によって検出された回転数、及びアクセル開度センサＳＷ１２によって検出された目標負荷が、適用されたマップの低負荷領域（Ａ）内であるか否かが判断される。低負荷領域（Ａ）内である場合にはステップＳ４に進み、それ以外の場合にはステップＳ５に進む。

ステップＳ４においては、空燃比（Ａ／Ｆ）が理論空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．７：空気過剰率λ＝１）に設定され、また、内部ＥＧＲ量は多くされる。さらに、スワール制御弁２０の開度が１２％に設定され、比較的強い吸気の流動が与えられる。即ち、制御ユニット１０ａは、インジェクタ６、スワール制御弁２０、吸気電動ＶＶＴ２３、排気電動ＶＶＴ２４、及び点火プラグ２５に制御信号を送り、比較的強い吸気の流動を与えたＳＰＣＣＩ燃焼が実行される。これにより、燃料噴射量の少ない低負荷領域における燃焼の安定性が向上される。以上の処理を行った後、図９に示すフローチャートの１回の処理を終了する。

一方、ステップＳ５においては、ステップＳ２において特定された運転状態が中負荷領域であるか否かが判断される。具体的には、まず、検出された水温が８０℃未満である場合には図５に示すマップが適用され、８０℃以上である場合には図６に示すマップが適用される。次いで、検出された回転数、及び検出された目標負荷が、適用されたマップの中負荷領域（Ｂ）内であるか否かが判断される。中負荷領域（Ｂ）内である場合にはステップＳ６に進み、それ以外の場合にはステップＳ７に進む。なお、適用されたマップが図６のマップであり、特定された運転状態が図６の斜線部内である場合にもステップＳ７に進む。

ステップＳ６においては、空燃比（Ａ／Ｆ）が理論空燃比（λ＝１）に設定され、また、内部ＥＧＲ量は少なくされる。さらに、スワール制御弁２０の開度が４５％に設定され、吸気流動は低負荷領域（Ａ）よりも弱くされる。即ち、制御ユニット１０ａは、インジェクタ６、スワール制御弁２０、吸気電動ＶＶＴ２３、排気電動ＶＶＴ２４、及び点火プラグ２５に制御信号を送り、比較的弱い吸気の流動を与えたＳＰＣＣＩ燃焼が実行される。これにより、比較的燃焼の安定している中負荷領域（Ｂ）において、吸気流動を低下させ、冷却損失の発生を抑制することができる。以上の処理を行った後、図９に示すフローチャートの１回の処理を終了する。

一方、ステップＳ７においては、ステップＳ２において特定された運転状態が、図６に示すマップの斜線部内であり、且つ水温センサＳＷ１０によって検出された水温が１００℃未満であるか否かが判断される。これらの条件が満足された場合にはステップＳ８に進み、それ以外の場合にはステップＳ９に進む。

ステップＳ８においては、ＳＰＣＣＩによるリーン燃焼（λ＞１）を実行すべく、燃料噴射量が設定されると共に、スワール制御弁２０の開度が０％に設定される。即ち、ＳＰＣＣＩによるリーン燃焼を実行するには温度が低いため、スワール制御弁２０開度を０％に設定して、吸気流動を最高に強化する。即ち、制御ユニット１０ａは、インジェクタ６、スワール制御弁２０、吸気電動ＶＶＴ２３、排気電動ＶＶＴ２４、及び点火プラグ２５に制御信号を送り、強い吸気の流動を与えたＳＰＣＣＩによるリーン燃焼が実行される。これにより、燃焼室１７内での火炎伝搬能力を高くし、ＳＰＣＣＩによるリーン燃焼が安定して行われるようにする。以上の処理を行った後、図９に示すフローチャートの１回の処理を終了する。

一方、ステップＳ９においては、ステップＳ２において特定された運転状態が、図６に示すマップの斜線部内であり、且つ水温センサＳＷ１０によって検出された水温が１００℃以上であるか否かが判断される。これらの条件が満足された場合にはステップＳ１０に進み、それ以外の場合にはステップＳ１１に進む。

ステップＳ１０においては、ＳＰＣＣＩによるリーン燃焼（λ＞１）を実行すべく、燃料噴射量が設定されると共に、スワール制御弁２０の開度が４３％に設定される。即ち、ＳＰＣＣＩによるリーン燃焼を実行するために十分な温度があるので、スワール制御弁２０開度を４３％に設定して、吸気流動を低負荷領域（Ａ）よりも弱く設定する。制御ユニット１０ａは、インジェクタ６、スワール制御弁２０、吸気電動ＶＶＴ２３、排気電動ＶＶＴ２４、及び点火プラグ２５に制御信号を送り、比較的弱い吸気の流動を与えたＳＰＣＣＩによるリーン燃焼が実行される。これにより、冷却損失を低減することができる。また、ステップＳ１０において設定される吸気流動は、マップの斜線部外の中負荷領域（Ｂ）よりも僅かに強く設定されており、リーン燃焼によっても安定した燃焼が行われるようにしている。以上の処理を行った後、図９に示すフローチャートの１回の処理を終了する。

一方、ステップＳ１１においては、ステップＳ２において特定された運転状態が高負荷領域（Ｃ）であるか否かが判断される。具体的には、まず、検出された水温が８０℃未満である場合には図５に示すマップが適用され、８０℃以上である場合には図６に示すマップが適用される。次いで、検出された回転数、及び検出された目標負荷が、適用されたマップの高負荷領域（Ｃ）内であるか否かが判断される。高負荷領域（Ｃ）内である場合にはステップＳ１２に進み、それ以外の場合にはステップＳ１３に進む。

ステップＳ１２においては、空燃比（Ａ／Ｆ）が理論空燃比（λ＝１）に設定される。さらに、スワール制御弁２０の開度が１２％に設定され、吸気流動を中負荷領域（Ｂ）よりも強く設定する。制御ユニット１０ａは、インジェクタ６、スワール制御弁２０、吸気電動ＶＶＴ２３、排気電動ＶＶＴ２４、及び点火プラグ２５に制御信号を送り、比較的強い吸気の流動を与えたＳＰＣＣＩ燃焼が実行される。即ち、上述したように、高負荷領域（Ｃ）においては、燃焼音を低減するため、点火プラグ２５による点火のタイミングが遅角されるので、燃焼が不安定になる傾向がある。このため、高負荷領域（Ｃ）においては、吸気流動を中負荷領域（Ｂ）よりも強化し、ＳＰＣＣＩ燃焼を安定化している。以上の処理を行った後、図９に示すフローチャートの１回の処理を終了する。

一方、ステップＳ１３においては、ステップＳ２において特定された運転状態が高負荷中回転領域（Ｃ’）であるか否かが判断される。具体的には、まず、検出された水温が８０℃未満である場合には図５に示すマップが適用され、８０℃以上である場合には図６に示すマップが適用される。次いで、検出された回転数、及び検出された目標負荷が、適用されたマップの高負荷中回転領域（Ｃ’）内であるか否かが判断される。高負荷中回転領域（Ｃ’）内である場合にはステップＳ１４に進み、それ以外の場合にはステップＳ１５に進む。

ステップＳ１４においては、空燃比（Ａ／Ｆ）が理論空燃比（λ＝１）に設定され、スワール制御弁２０の開度が２０％に設定される。即ち、高負荷中回転領域（Ｃ’）では、吸気流動が中負荷領域（Ｂ）よりも強く、高負荷領域（Ｃ）よりも弱く設定される。制御ユニット１０ａは、インジェクタ６、スワール制御弁２０、吸気電動ＶＶＴ２３、排気電動ＶＶＴ２４、及び点火プラグ２５に制御信号を送り、やや強い吸気の流動を与えたＳＰＣＣＩ燃焼が実行される。即ち、高負荷中回転領域（Ｃ’）においては、燃料の噴射タイミングが高負荷領域（Ｃ）よりも進角して設定されているため、燃料の霧化状態が改善されている。このため、高負荷中回転領域（Ｃ’）においては、高負荷領域（Ｃ）よりも吸気流動を弱く設定することができる。以上の処理を行った後、図９に示すフローチャートの１回の処理を終了する。

ステップＳ１５においては、空燃比（Ａ／Ｆ）を理論空燃比又は理論空燃比よりもリッチ（λ≦１）にしたＳＩ燃焼が設定される。さらに、スワール制御弁２０の開度は９０％に設定され、吸気流動は、何れの運転領域よりも弱く設定される。制御ユニット１０ａは、インジェクタ６、スワール制御弁２０、吸気電動ＶＶＴ２３、排気電動ＶＶＴ２４、及び点火プラグ２５に制御信号を送り、最も弱い吸気の流動を与えたＳＩ燃焼が実行される。即ち、上記のステップＳ３～Ｓ１３の何れの条件にも該当しない運転領域は、高回転領域（Ｄ）に該当し、ステップＳ１５においては高回転領域（Ｄ）の運転条件が設定され、図９に示すフローチャートの１回の処理を終了する。
このように、各運転領域に合わせてスワール制御弁２０の開度を設定することにより適切な吸気流動が与えられ、十分な燃焼安定性を確保しながら、冷却損失の発生を抑制することができる。

本発明の実施形態のエンジンシステム１によれば、所定の中負荷領域（Ｂ）において、高負荷領域（Ｃ）及び低負荷領域（Ａ）よりも吸気の流動が弱くなるように吸気流動制御弁であるスワール制御弁２０を制御している（図５及び図６）。中負荷領域（Ｂ）において吸気の流動を弱くすることにより、十分な燃焼安定性を確保しながら、冷却損失を抑制することができる。

また、本実施形態のエンジンシステム１によれば、燃焼室内にスワールを生成するスワール制御弁２０（図３）が吸気流動制御弁として使用されるので、吸気流動により、効果的に燃焼安定性を向上させることができる。

さらに、本実施形態のエンジンシステム１によれば、高負荷領域（Ｃ）において吸気の流動が強化されるので、点火時期を遅角させた場合（図７の（ｃ））でも部分圧縮着火（ＳＰＣＣＩ）燃焼を安定させることができ、燃焼音を抑制しながら安定した燃焼を得ることができる。

また、本実施形態のエンジンシステム１によれば、低負荷領域（Ａ）において吸気の流動が強化されるので、低負荷運転において内部排気再循環量（内部ＥＧＲ量）を多くしても十分な燃焼安定性を確保することができる。

さらに、本実施形態のエンジンシステム１によれば、点火プラグ２５が燃焼室１７内の周辺部に配置されている（図２）ので、点火プラグ２５周辺での吸気流動による冷却損失の悪化を抑制することができる。

また、本実施形態のエンジンシステム１によれば、点火プラグ２５が燃焼室１７の吸気弁２１が設けられている側の周辺部に配置されている（図２）ので、点火プラグ２５が配置されている吸気側付近での吸気流動による冷却損失の悪化を抑制することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、上述した実施形態に種々の変更を加えることができる。特に、上述した実施形態においては、吸気流動制御弁として、スワール制御弁が使用されていたが、吸気流動制御弁は燃焼室内にタンブル流を生起するものでも良く、また、スワール成分及びタンブル成分を有する吸気流動を生起するものであっても良い。

１ エンジンシステム
３ ピストン
６ インジェクタ
１０ ＥＣＵ
１０ａ 制御ユニット
１１ シリンダ
１２ シリンダブロック
１３ シリンダヘッド
１３ａ 傾斜面
１３ｂ 傾斜面
１４ コネクティングロッド
１５ クランクシャフト
１７ 燃焼室
１８ 吸気ポート
１８ａ 第１吸気ポート
１８ｂ 第２吸気ポート
１９ 排気ポート
２０ スワール制御弁（吸気流動制御弁）
２１ 吸気弁
２２ 排気弁
２３ 吸気電動ＶＶＴ
２４ 排気電動ＶＶＴ
２５ 点火プラグ
３１ キャビティ
３１ａ 凸部
３１ｂ 凹陥部
４０ 吸気通路
４１ エアクリーナー
４２ サージタンク
４３ スロットル弁
４４ 過給機
４５ 電磁クラッチ
４６ インタークーラー
４７ バイパス通路
４８ エアバイパス弁
４９ 過給システム
５０ 排気通路
５１ 触媒コンバーター
５２ ＥＧＲ通路
５３ ＥＧＲクーラー
５４ ＥＧＲ弁
５５ ＥＧＲシステム
６１ 燃料供給システム
６２ 燃料供給路
６３ 燃料タンク
６４ コモンレール
６５ 燃料ポンプ
ＳＷ９ エンジン回転数センサ
ＳＷ１０ 水温センサ
ＳＷ１２ アクセル開度センサ

Claims (6)

1. 吸気流動を制御可能なエンジンシステムであって、
   燃焼室と、
   この燃焼室内に配置された点火プラグと、
   上記燃焼室内に燃料を噴射するインジェクタと、
   上記燃焼室内に吸気流動を生成するための吸気流動制御弁と、
   上記点火プラグ、上記インジェクタ及び上記吸気流動制御弁を制御するための制御ユニットと、
   を有し、
   上記制御ユニットは、少なくとも一部の運転領域において、
   上記燃焼室内の混合気の一部を上記点火プラグによる火花点火によって火花点火燃焼させた後、上記燃焼室内の残りの混合気を自着火により圧縮着火燃焼させる部分圧縮着火燃焼を実行すると共に、この部分圧縮着火燃焼による運転領域の少なくとも一部において、上記吸気流動制御弁を制御して上記燃焼室内における吸気の流動を強化するように構成され、
   上記制御ユニットは、上記部分圧縮着火燃焼が行われる運転領域のうちの所定の中負荷領域において、空燃比を理論空燃比に設定すると共に、上記中負荷領域よりも負荷が高い高負荷領域、及び上記中負荷領域よりも負荷が低い低負荷領域よりも吸気の流動が弱くなるように上記インジェクタ及び上記吸気流動制御弁を制御し、
   上記制御ユニットは、上記中負荷領域のうちの、所定の低負荷、所定の低回転の領域である部分圧縮着火燃焼リーン領域においては、空燃比を理論空燃比よりも大きく設定すると共に、冷却水温度が所定温度以上である場合には、上記部分圧縮着火燃焼リーン領域外の上記中負荷領域よりも吸気の流動が強くなるように上記インジェクタ及び上記吸気流動制御弁を制御し、
   上記制御ユニットは、上記部分圧縮着火燃焼リーン領域において、冷却水温度が所定温度未満である場合には、冷却水温度が所定温度以上である場合よりも吸気の流動が強くなるように上記吸気流動制御弁を制御することを特徴とするエンジンシステム。
2. 上記吸気流動制御弁は、上記燃焼室内にスワールを生成するスワール制御弁である請求項１記載のエンジンシステム。
3. 上記制御ユニットは、上記部分圧縮着火燃焼が行われる上記高負荷領域においては、上記中負荷領域及び上記低負荷領域よりも点火時期が遅角されるように上記点火プラグを制御する請求項１又は２に記載のエンジンシステム。
4. さらに、上記燃焼室内に空気を吸入するための吸気弁、及び上記燃焼室内で燃焼した排気を排出するための排気弁を有し、上記制御ユニットは、上記部分圧縮着火燃焼が行われる上記低負荷領域において、上記吸気弁及び上記排気弁を制御して、上記中負荷領域及び上記高負荷領域よりも内部排気再循環量を増加させる請求項１乃至３の何れか１項に記載のエンジンシステム。
5. さらに、上記燃焼室に空気を吸入するための２つの吸気弁を有し、上記点火プラグは、上記燃焼室の中心軸に対して、上記２つの吸気弁が設けられている側の、上記２つの吸気弁の間に配置されている請求項１乃至３の何れか１項に記載のエンジンシステム。
6. 上記制御ユニットは、上記高負荷領域のうちの、所定の回転数以上の領域である高負荷中回転領域において、空燃比を理論空燃比に設定すると共に、上記高負荷中回転領域外の上記高負荷領域よりも吸気の流動が弱くなるように上記インジェクタ及び上記吸気流動制御弁を制御する請求項１乃至４の何れか１項に記載のエンジンシステム。

Images