JP6191837B2 - エンジンの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの制御装置に係わり、特に、運転状態が所定の圧縮自己着火領域内にある場合、圧縮自己着火燃焼が行われ、運転状態が所定の火花点火領域内にある場合、火花点火燃焼が行われるエンジンの制御装置に関する。

従来、予混合圧縮自己着火（Homogeneous-Charge Compression Ignition：ＨＣＣＩ）による圧縮着火燃焼を行うエンジンが知られている。このＨＣＣＩ燃焼を行うエンジンでは、吸気動作中の所定の開弁期間において排気弁を開くことにより、排気ポートから燃焼室へ既燃ガスを逆流させて燃焼室内の混合ガスの温度を上昇させる、いわゆる内部ＥＧＲシステムを利用している。

しかしながら、ＨＣＣＩ燃焼を安定して行うことができる運転領域は、エンジンの運転状態が相対的に低負荷側且つ低回転側の領域（ＨＣＣＩ領域）に限られている。そこで、ＨＣＣＩ燃焼を行うエンジンでは、エンジンの運転状態がＨＣＣＩ領域にある場合にＨＣＣＩ燃焼を行い、運転状態がＨＣＣＩ領域外の相対的に高負荷側且つ高回転側の運転領域にある場合には火花点火（Spark Ignition：ＳＩ）燃焼を行うようになっている。

例えば、エンジンの運転状態がＨＣＣＩ領域内にあり、ＨＣＣＩ燃焼で運転されている場合において、ドライバがアクセルを踏み込んだことによりエンジンに対する要求負荷が増大し、エンジンの運転領域がＨＣＣＩ領域からＳＩ燃焼を行う領域（ＳＩ領域）に入った場合には、排気バルブの作動モードをＨＣＣＩ燃焼用の作動モードからＳＩ燃焼用の作動モードへ切り替えると共に、燃料の噴射量や噴射時期等の燃焼制御パラメータをＨＣＣＩ燃焼用の設定値からＳＩ燃焼用の設定値へ切り替える必要がある。

このように、ＨＣＣＩ燃焼とＳＩ燃焼との間で燃焼方式を切り替える場合、排気バルブの作動モードが切り替わる過渡期において、ＨＣＣＩ燃焼には内部ＥＧＲ量が不足する一方、ＳＩ燃焼には内部ＥＧＲ量が過剰となり、燃焼の不安定化やノッキングの発生を招くことがある。

これに対し、例えば特許文献１に記載されたエンジンの制御装置では、燃焼方式の切替時において、気筒内に略均一な予混合気を形成した後に、圧縮行程で燃料噴射弁により燃料を噴射させて、点火プラグ周りに偏在する成層化混合気を形成し、この成層化混合気に点火して燃焼させる（成層化火花点火燃焼）ことにより、予混合気の自己着火を誘発するようにしている。このように点火プラグ周りの成層化混合気の火花点火燃焼によって予混合気の自己着火をアシストすることにより、燃焼の不安定化を防止すると共に、自己着火燃焼によって必要なエンジン出力が得られるようになっている。

特許第４７３７１０３号明細書

ところで、上述した成層化火花点火燃焼では、点火プラグ周りに形成したリッチな混合気が燃焼する際に窒素酸化物の生成量が増大するので、エミッション性能の悪化を招く。また、燃料噴射量の増加に伴って燃費が悪化する。
従って、燃焼方式の切替時に成層化火花点火燃焼を行う期間をできる限り短縮することが望ましいが、上述した従来技術では、成層化火花点火燃焼を行う期間を、燃焼方式の切替開始からの時間や燃焼サイクル数によって規定しているため、ＳＩ燃焼やＨＣＣＩ燃焼を安定して行うことができる状況にも関わらず成層化火花点火燃焼が継続されることがあり、エミッション性能や燃費の向上の余地がある。

本発明は、上述した従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、エンジンの燃焼をＨＣＣＩ燃焼とＳＩ燃焼との間で切り替える際に、エミッション性能や燃費の悪化を抑制しつつ、燃焼の不安定化を防止することができる、エンジンの制御装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明のエンジンの制御装置は、運転状態が所定の圧縮自己着火領域内にある場合、圧縮自己着火燃焼が行われ、運転状態が所定の火花点火領域内にある場合、火花点火燃焼が行われるエンジンの制御装置であって、エンジンの排気バルブの作動モードを変化させる排気側可変バルブ機構と、エンジンの運転状態に対応した燃料噴射時期に燃料噴射を行うようにエンジンの燃料噴射弁を制御する燃料噴射制御手段と、エンジンの運転状態が圧縮自己着火領域内にある場合、排気側可変バルブ機構により、吸気行程において排気バルブを開弁させて既燃ガスを排気ポートから気筒内へ再導入させる第１の作動モードで排気バルブを作動させ、エンジンの運転状態が火花点火領域内にある場合、排気側可変バルブ機構により、第１の作動モードにおける排気バルブの閉弁時期よりも進角した時期に排気バルブを閉弁させる第２の作動モードで排気バルブを作動させる可変バルブ機構制御手段と、エンジンの気筒内に導入された総ガス量に占める既燃ガス量の割合を気筒内の状態量として推定する筒内状態量推定手段とを有し、可変バルブ機構制御手段は、エンジンの運転状態が圧縮自己着火領域から火花点火領域へ切り替わった場合、排気バルブの作動モードを第１の作動モードから第２のモードへ切り替え、燃料噴射制御手段は、エンジンの運転状態が圧縮自己着火領域から火花点火領域へ切り替わった場合において、筒内状態量推定手段により推定された気筒内の状態量が圧縮自己着火燃焼を行うことのできる所定の圧縮自己着火燃焼閾値範囲内である場合、圧縮自己着火燃焼に対応した燃料噴射時期を設定し、気筒内の状態量が圧縮自己着火燃焼閾値範囲外となり且つ火花点火燃焼を行うことのできる所定の火花点火燃焼閾値範囲内に入っていない場合、吸気行程で気筒内に略均一な予混合気を形成した後に圧縮行程で燃料噴射を行うことによりエンジンの点火プラグ周辺に成層化混合気を形成し、その成層化混合気を火花点火して予混合気と共に燃焼させる成層火花点火燃焼に対応した燃料噴射時期を設定し、成層火花点火燃焼に対応した燃料噴射時期に燃料噴射を行っている場合において、気筒内の状態量が火花点火燃焼閾値範囲内に入った場合、燃料噴射時期を成層火花点火燃焼に対応した燃料噴射時期から火花点火燃焼に対応した燃料噴射時期に切り替えることにより、成層火花点火燃焼に対応した燃料噴射時期が設定されるのは、第１の作動モードから第２の作動モードへの切替において可変バルブ機構制御手段が排気バルブの閉弁時期の進角を開始した後且つその進角量が第２の作動モードにおける目標値に到達するよりも前の期間に限られることを特徴とする。
このように構成された本発明においては、燃料噴射制御手段は、エンジンの運転状態が火花点火領域と圧縮自己着火領域との間で切り替わったとき、筒内状態量推定手段により推定された気筒内の状態量に基づいて燃料噴射時期を設定するので、燃焼の安定性に相関がある気筒内の既燃ガス量に応じた適切な燃料噴射時期を設定することができ、これにより、エンジンの燃焼を圧縮自己着火燃焼と火花点火燃焼との間で切り替える際に、エミッション性能や燃費の悪化を抑制しつつ、燃焼の不安定化を防止することができる。
特に、エンジンの運転状態が圧縮自己着火領域から火花点火領域へ切り替わった場合において、気筒内の状態が火花点火燃焼を安定して行うことができない状態である場合に、成層火花点火燃焼に対応した燃料噴射時期を設定するので、成層火花点火燃焼を行う期間を必要な期間に限定することができ、これにより、エンジンの燃焼を圧縮自己着火燃焼から火花点火燃焼へ切り替える際に、エミッション性能や燃費の悪化を抑制しつつ、燃焼の不安定化を防止することができる。
また、エンジンの運転状態が圧縮自己着火領域から火花点火領域へ切り替わった場合において、気筒内の状態が圧縮自己着火燃焼を行うことのできる状態である場合、圧縮自己着火燃焼を維持するので、成層火花点火燃焼を行う期間を必要な期間に確実に限定することができ、これにより、エンジンの燃焼を圧縮自己着火燃焼から火花点火燃焼へ切り替える際に、エミッション性能や燃費の悪化を抑制しつつ、燃焼の不安定化を防止することができる。
また、成層火花点火燃焼を行っている間も筒内状態を推定し、気筒内の状態が火花点火燃焼を安定して行うことのできる状態になった場合には直ちに火花点火燃焼に移行するので、成層火花点火燃焼を行う期間を必要な期間に確実に限定することができ、これにより、エンジンの燃焼を圧縮自己着火燃焼から火花点火燃焼へ切り替える際に、エミッション性能や燃費の悪化を抑制しつつ、燃焼の不安定化を防止することができる。
また、燃料噴射制御手段は、エンジンの運転状態が火花点火領域と圧縮自己着火領域との間で切り替わったとき、エンジンの気筒内に導入された総ガス量に占める既燃ガス量の割合に基づいて燃料噴射時期を設定するので、より適切な燃料噴射時期を設定することができ、これにより、エンジンの燃焼を圧縮自己着火燃焼と火花点火燃焼との間で切り替える際に、エミッション性能や燃費の悪化を一層効果的に抑制しつつ、燃焼の不安定化をより確実に防止することができる。

また、本発明において、好ましくは、燃料噴射制御手段は、エンジンの運転状態が火花点火領域から圧縮自己着火領域へ切り替わった場合において、筒内状態量推定手段により推定された気筒内の状態量が圧縮自己着火燃焼を行うことのできる所定の圧縮自己着火燃焼閾値範囲内である場合、圧縮自己着火燃焼に対応した燃料噴射時期を設定し、筒内状態量推定手段により推定された気筒内の状態量が圧縮自己着火燃焼閾値範囲外である場合、吸気行程で気筒内に略均一な予混合気を形成した後に圧縮行程で燃料噴射を行うことによりエンジンの点火プラグ周辺に成層化混合気を形成し、その成層化混合気を火花点火して予混合気と共に燃焼させる成層火花点火燃焼に対応した燃料噴射時期を設定する。
このように構成された本発明においては、エンジンの運転状態が火花点火領域から圧縮自己着火領域へ切り替わった場合において、気筒内の状態が圧縮自己着火燃焼を安定して行うことができない状態である場合に、成層火花点火燃焼に対応した燃料噴射時期を設定するので、成層火花点火燃焼を行う期間を必要な期間に限定することができ、これにより、エンジンの燃焼を火花点火燃焼から圧縮自己着火燃焼へ切り替える際に、エミッション性能や燃費の悪化を抑制しつつ、燃焼の不安定化を防止することができる。

また、本発明において、好ましくは、エンジンの制御装置は、更に、エンジンの気筒内の温度に関する気筒内の状態量を取得する副筒内状態量取得手段を有し、燃料噴射制御手段は、エンジンの運転状態が火花点火領域と圧縮自己着火領域との間で切り替わったとき、筒内状態量推定手段により推定された気筒内の状態量及び副筒内状態量取得手段により取得された気筒内の状態量に基づいて燃料噴射時期を設定する。
このように構成された本発明においては、燃料噴射制御手段は、エンジンの運転状態が火花点火領域と圧縮自己着火領域との間で切り替わったとき、副筒内状態量推定手段により推定された気筒内の温度に関する状態量に基づいて燃料噴射時期を設定するので、燃焼の安定性に相関がある気筒内の温度に応じてより適切な燃料噴射時期を設定することができ、これにより、エンジンの燃焼を圧縮自己着火燃焼と火花点火燃焼との間で切り替える際に、エミッション性能や燃費の悪化を一層効果的に抑制しつつ、燃焼の不安定化をより確実に防止することができる。

また、本発明において、好ましくは、筒内状態量推定手段は、エンジンの吸気バルブを通過した吸気に対する、エンジンの吸気通路に還流された既燃ガスの割合として外部既燃ガス率を算出すると共に、エンジンの気筒内に導入された総ガス量の内、吸気行程において排気バルブを開弁させたことにより排気ポートから気筒内へ再導入された既燃ガスが占める内部既燃ガス率を算出し、算出した外部既燃ガス率及び内部既燃ガス率に基づき、エンジンの気筒内に導入された総ガス量に占める既燃ガス量の割合を推定する。
このように構成された本発明においては、エンジンの気筒内に導入された総ガス量に占める既燃ガス量の割合を一層正確に推定することができ、これにより、エンジンの燃焼を圧縮自己着火燃焼と火花点火燃焼との間で切り替える際に、エミッション性能や燃費の悪化を一層効果的に抑制しつつ、燃焼の不安定化をより確実に防止することができる。

また、本発明において、好ましくは、副筒内状態量取得手段は、吸気行程においてエンジンの吸気バルブが閉じたタイミングにおける気筒内の容積及び圧力と、エンジンの気筒内に導入された総ガス量とに基づき、エンジンの気筒内の温度を取得する。
このように構成された本発明においては、エンジンの気筒内の温度を一層正確に推定することができ、これにより、エンジンの燃焼を圧縮自己着火燃焼と火花点火燃焼との間で切り替える際に、エミッション性能や燃費の悪化を一層効果的に抑制しつつ、燃焼の不安定化をより確実に防止することができる。

本発明によるエンジンの制御装置によれば、エンジンの燃焼をＨＣＣＩ燃焼とＳＩ燃焼との間で切り替える際に、エミッション性能や燃費の悪化を抑制しつつ、燃焼の不安定化を防止することができる。

本発明の実施形態によるエンジンの制御装置が適用されたエンジンの概略構成図である。 本発明の実施形態によるエンジンの制御装置に関する電気的構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態によるエンジンの運転領域の説明図である。 本発明の実施形態による吸気バルブ及び排気バルブのリフトカーブを示す線図であり、（ａ）はエンジンのＨＣＣＩ領域の低負荷側、（ｂ）はエンジンのＨＣＣＩ領域の高負荷側、（ｃ）はエンジンのＳＩ領域における吸気バルブ及び排気バルブのリフトカーブを示す線図である。 本発明の実施形態によるエンジンの燃焼制御処理のフローチャートである。 図５に示したエンジンの燃焼制御処理における筒内ＥＧＲ率推定処理のフローチャートである。 図５に示したエンジンの燃焼制御処理における筒内温度推定処理のフローチャートである。 ＨＣＣＩ燃焼、成層化ＳＩ燃焼、及びＳＩ燃焼のそれぞれにおける燃料噴射時期を示す概略図である。 本発明の実施形態によるエンジンの運転領域がＨＣＣＩ領域における低負荷側領域からＳＩ領域へ切り替わるときの、筒内状態量と燃料噴射時期との関係を示すタイミングチャートである。 本発明の実施形態によるエンジンの運転領域がＨＣＣＩ領域における高負荷側領域からＳＩ領域へ切り替わるときの、筒内状態量と燃料噴射時期との関係を示すタイミングチャートである。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態によるエンジンの制御装置を説明する。

［装置構成］
図１は、本発明の実施形態によるエンジンの制御装置が適用されたエンジン（エンジン本体）１の概略構成を示し、図２は、本発明の実施形態によるエンジンの制御装置を示すブロック図である。

エンジン１は、車両に搭載されると共に、少なくともガソリンを含有する燃料が供給されるガソリンエンジンである。エンジン１は、複数の気筒１８が設けられたシリンダブロック１１（なお、図１では、１つの気筒のみを図示するが、例えば４つの気筒が直列に設けられる）と、このシリンダブロック１１上に配設されたシリンダヘッド１２と、シリンダブロック１１の下側に配設され、潤滑油が貯留されたオイルパン１３とを有している。各気筒１８内には、コンロッド１４２を介してクランクシャフト１５と連結されているピストン１４が往復動可能に嵌挿されている。ピストン１４の頂面には、ディーゼルエンジンでのリエントラント型のようなキャビティ１４１が形成されている。キャビティ１４１は、ピストン１４が圧縮上死点付近に位置するときには、後述するインジェクタ６７に相対する。シリンダヘッド１２と、気筒１８と、キャビティ１４１を有するピストン１４とは、燃焼室１９を画定する。なお、燃焼室１９の形状は、図示する形状に限定されるものではない。例えばキャビティ１４１の形状、ピストン１４の頂面形状、及び、燃焼室１９の天井部の形状等は、適宜変更することが可能である。

このエンジン１は、理論熱効率の向上や、後述する圧縮着火燃焼の安定化等を目的として、１５以上の比較的高い幾何学的圧縮比に設定されている。なお、幾何学的圧縮比は１５以上２０以下程度の範囲で、適宜設定すればよい。

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

吸気バルブ２１及び排気バルブ２２をそれぞれ駆動する動弁系の内、排気側には、排気バルブ２２の作動モードを通常モードと特殊モードとに切り替える、例えば油圧作動式の可変バルブリフト機構（図２参照。以下、ＶＶＬ（Variable Valve Lift）と称する）７１と、クランクシャフト１５に対する排気カムシャフトの回転位相を変更することが可能な位相可変機構（以下、ＶＶＴ（Variable Valve Timing）と称する）７５と、が設けられている。ＶＶＬ７１は、その構成の詳細な図示は省略するが、カム山を一つ有する第１カムとカム山を２つ有する第２カムとの、カムプロフィールの異なる２種類のカム、及び、その第１及び第２カムのいずれか一方のカムの作動状態を選択的に排気バルブ２２に伝達するロストモーション機構を含んで構成されている。第１カムの作動状態を排気バルブ２２に伝達しているときには、排気バルブ２２は、排気行程中において一度だけ開弁される通常モードで作動するのに対し、第２カムの作動状態を排気バルブ２２に伝達しているときには、排気バルブ２２が、排気行程中において開弁すると共に、吸気行程中においても開弁するような、いわゆる排気の二度開きを行う特殊モードで作動する。ＶＶＬ７１の通常モードと特殊モードとは、エンジンの運転状態に応じて切り替えられる。具体的には、特殊モードは、内部ＥＧＲに係る制御の際に利用される。なお、排気バルブ２２を電磁アクチュエータによって駆動する電磁駆動式の動弁系を採用してもよい。

なお、内部ＥＧＲの実行は、排気二度開きのみによって実現されるのではない。例えば吸気バルブ２１を二回開く、吸気の二度開きによって内部ＥＧＲ制御を行ってもよいし、排気行程乃至吸気行程において吸気バルブ２１及び排気バルブ２２の双方を閉じるネガティブオーバーラップ期間を設けて既燃ガスを気筒１８内に残留させる内部ＥＧＲ制御を行ってもよい。

ＶＶＴ７５は、液圧式、電磁式又は機械式の公知の構造を適宜採用すればよく、その詳細な構造についての図示は省略する。排気バルブ２２は、ＶＶＴ７５によって、その開弁時期及び閉弁時期を、所定の範囲内で連続的に変更可能である。

ＶＶＬ７１及びＶＶＴ７５を備えた排気側の動弁系と同様に、吸気側には、図２に示すように、ＶＶＬ７４とＶＶＴ７２とが設けられている。吸気側のＶＶＬ７４は、排気側のＶＶＬ７１とは異なる。吸気側のＶＶＬ７４は、吸気バルブ２１のリフト量を相対的に大きくする大リフトカムと、吸気バルブ２１のリフト量を相対的に小さくする小リフトカムとの、カムプロフィールの異なる２種類のカム、及び、大リフトカム及び小リフトカムのいずれか一方のカムの作動状態を選択的に吸気バルブ２１に伝達するロストモーション機構を含んで構成されている。ＶＶＬ７４が大リフトカムの作動状態を吸気バルブ２１に伝達しているときには、吸気バルブ２１は、相対的に大きいリフト量で開弁すると共に、その開弁期間も長くなる。これに対し、ＶＶＬ７４が小リフトカムの作動状態を吸気バルブ２１に伝達しているときには、吸気バルブ２１は、相対的に小さいリフト量で開弁すると共に、その開弁期間も短くなる。大リフトカムと小リフトカムとは、閉弁時期又は開弁時期を同じにして切り替わるように設定されている。

吸気側のＶＶＴ７２は、排気側のＶＶＴ７５と同様に、液圧式、電磁式又は機械式の公知の構造を適宜採用すればよく、その詳細な構造についての図示は省略する。吸気バルブ２１もまた、ＶＶＴ７２によって、その開弁時期及び閉弁時期を、所定の範囲内で連続的に変更可能である。なお、吸気側にＶＶＬ７４を適用せずに、ＶＶＴ７２のみを適用し、吸気バルブ２１の開弁時期及び閉弁時期のみを変更するようにしてもよい。

シリンダヘッド１２にはまた、気筒１８毎に、気筒１８内に燃料を直接噴射する（直噴）インジェクタ６７が取り付けられている。インジェクタ６７は、その噴口が燃焼室１９の天井面の中央部分から、その燃焼室１９内に臨むように配設されている。インジェクタ６７は、エンジン１の運転状態に応じて設定された噴射タイミングでかつ、エンジン１の運転状態に応じた量の燃料を、燃焼室１９内に直接噴射する。この例において、インジェクタ６７は、詳細な図示は省略するが、複数の噴口を有する多噴口型のインジェクタである。これによって、インジェクタ６７は、燃料噴霧が、燃焼室１９の中心位置から放射状に広がるように、燃料を噴射する。ピストン１４が圧縮上死点付近に位置するタイミングで、燃焼室１９の中央部分から放射状に広がるように噴射された燃料噴霧は、ピストン頂面に形成されたキャビティ１４１の壁面に沿って流動する。キャビティ１４１は、ピストン１４が圧縮上死点付近に位置するタイミングで噴射された燃料噴霧を、その内部に収めるように形成されている、と言い換えることが可能である。この多噴口型のインジェクタ６７とキャビティ１４１との組み合わせは、燃料の噴射後、混合気形成期間を短くすると共に、燃焼期間を短くする上で有利な構成である。なお、インジェクタ６７は、多噴口型のインジェクタに限定されず、外開弁タイプのインジェクタを採用してもよい。

図外の燃料タンクとインジェクタ６７との間は、燃料供給経路によって互いに連結されている。この燃料供給経路上には、燃料ポンプ６３とコモンレール６４とを含みかつ、インジェクタ６７に、比較的高い燃料圧力で燃料を供給することが可能な燃料供給システム６２が介設されている。燃料ポンプ６３は、燃料タンクからコモンレール６４に燃料を圧送し、コモンレール６４は圧送された燃料を、比較的高い燃料圧力で蓄えることが可能である。インジェクタ６７が開弁することによって、コモンレール６４に蓄えられている燃料がインジェクタ６７の噴口から噴射される。ここで、燃料ポンプ６３は、図示は省略するが、プランジャー式のポンプであり、エンジン１によって駆動される。このエンジン駆動のポンプを含む構成の燃料供給システム６２は、３０ＭＰａ以上の高い燃料圧力の燃料を、インジェクタ６７に供給することを可能にする。燃料圧力は、最高で１２０ＭＰａ程度に設定してもよい。インジェクタ６７に供給される燃料の圧力は、後述するように、エンジン１の運転状態に応じて変更される。なお、燃料供給システム６２は、この構成に限定されるものではない。

シリンダヘッド１２にはまた、燃焼室１９内の混合気に強制点火する点火プラグ２５が取り付けられている。点火プラグ２５は、この例では、エンジン１の排気側から斜め下向きに延びるように、シリンダヘッド１２内を貫通して配置されている。点火プラグ２５の先端は、圧縮上死点に位置するピストン１４のキャビティ１４１内に臨んで配置される。

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

吸気通路３０の上流端部には、吸入空気を濾過するエアクリーナ３１が配設され、その下流側には、各気筒１８への吸入空気量を調節するスロットル弁３６が配設されている。また、吸気通路３０における下流端近傍には、サージタンク３３が配設されている。このサージタンク３３よりも下流側の吸気通路３０は、気筒１８毎に分岐する独立通路とされ、これら各独立通路の下流端が各気筒１８の吸気ポート１６にそれぞれ接続されている。

吸気通路３０におけるスロットル弁３６とサージタンク３３との間には、気筒１８に導入する新気にオゾンを添加するオゾン発生器（Ｏ₃発生器）７６が介設されている。オゾン発生器７６は、吸気に含まれる酸素を原料ガスとして、無声放電によりオゾンを生成する。つまり、電極に対して、図外の電源から高周波交流高電圧を印加することにより、放電間隙において無声放電が発生し、そこを通過する空気（つまり、吸気）がオゾン化される。こうしてオゾンが添加された吸気は、サージタンク３３から吸気ポート１６を介して、各気筒１８内に導入される。オゾン発生器７６の電極に対する電圧の印加態様を変更する、及び／又は、電圧を印加する電極の数を変更することによって、オゾン発生器７６を通過した後の、吸気中のオゾン濃度を調整することが可能である。ＰＣＭ１０は、こうしたオゾン発生器７６に対する制御を通じて、気筒１８内に導入する吸気中のオゾン濃度の調整を行う。

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

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

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

ＰＣＭ１０には、図１、２に示すように、各種のセンサＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ４〜ＳＷ１６の検出信号が入力される。具体的には、ＰＣＭ１０には、エアクリーナ３１の下流側で、新気の流量を検出するエアフローセンサＳＷ１の検出信号と、新気の温度を検出する吸気温度センサＳＷ２の検出信号と、ＥＧＲ通路５０における吸気通路３０との接続部近傍に配置されかつ、外部ＥＧＲガスの温度を検出するＥＧＲガス温センサＳＷ４の検出信号と、吸気ポート１６に取り付けられかつ、気筒１８内に流入する直前の吸気の温度を検出する吸気ポート温度センサＳＷ５の検出信号と、シリンダヘッド１２に取り付けられかつ、気筒１８内の圧力を検出する筒内圧センサＳＷ６の検出信号と、排気通路４０におけるＥＧＲ通路５０の接続部近傍に配置されかつ、それぞれ排気温度及び排気圧力を検出する排気温センサＳＷ７及び排気圧センサＳＷ８の検出信号と、直キャタリスト４１の上流側に配置されかつ、排気中の酸素濃度を検出するリニアＯ₂センサＳＷ９の検出信号と、直キャタリスト４１とアンダーフットキャタリスト４２との間に配置されかつ、排気中の酸素濃度を検出するラムダＯ₂センサＳＷ１０の検出信号と、エンジン冷却水の温度を検出する水温センサＳＷ１１の検出信号と、クランクシャフト１５の回転角を検出するクランク角センサＳＷ１２の検出信号と、車両のアクセルペダル（図示省略）の操作量に対応したアクセル開度を検出するアクセル開度センサＳＷ１３の検出信号と、吸気側及び排気側のカム角センサＳＷ１４、ＳＷ１５の検出信号と、燃料供給システム６２のコモンレール６４に取り付けられかつ、インジェクタ６７に供給する燃料圧力を検出する燃圧センサＳＷ１６の検出信号と、ＥＧＲ弁５１１の開度を検出するＥＧＲ弁開度センサＳＷ１７の検出信号と、ＥＧＲ弁５１１の前後の差圧を検出するＥＧＲ弁差圧センサＳＷ１８の検出信号と、スロットル弁３６の開度を検出するスロットル弁開度センサＳＷ１９の検出信号と、スロットル弁３６の前後の差圧を検出するスロットル弁差圧センサＳＷ２０の検出信号と、吸気ポート１６の近傍に配置され吸気圧力を検出する吸気圧センサＳＷ２１の検出信号と、が入力される。

ＰＣＭ１０は、これらの検出信号に基づいて種々の演算を行うことによってエンジン１や車両の状態を判定し、これに応じてインジェクタ６７、点火プラグ２５、吸気バルブ側のＶＶＴ７２及びＶＶＬ７４、排気バルブ側のＶＶＴ７５及びＶＶＬ７１、燃料供給システム６２、各種の弁（スロットル弁３６、ＥＧＲ弁５１１）のアクチュエータ、並びに、オゾン発生器７６へ制御信号を出力する。こうしてＰＣＭ１０は、エンジン１を運転する。詳細は後述するが、ＰＣＭ１０は、本発明におけるエンジンの制御装置に相当し、燃料噴射制御手段、可変バルブ機構制御手段、筒内状態量推定手段、及び副筒内状態量推定手段として機能する。

［運転領域］
次に、図３を参照して、本発明の実施形態によるエンジンの運転領域について説明する。図３は、エンジン１の運転制御マップの一例を示している。このエンジン１は、燃費の向上や排気エミッション性能の向上を目的として、エンジン負荷が相対的に低い低負荷域では、点火プラグ２５による点火を行わずに、予混合圧縮自己着火（Homogeneous-Charge Compression Ignition：ＨＣＣＩ）による圧縮着火燃焼を行う。しかしながら、エンジン１の負荷が高くなるに従って、圧縮着火燃焼では、燃焼が急峻になりすぎてしまい、例えば燃焼騒音等の問題を引き起こすことになる。そこで、このエンジン１では、エンジン負荷が相対的に高い高負荷域では、圧縮着火燃焼を止めて、点火プラグ２５を利用した強制点火燃焼（ここでは火花点火燃焼（Spark Ignition：ＳＩ））に切り替える。このように、このエンジン１は、エンジン１の運転状態、特にエンジン１の負荷に応じて、予混合圧縮自己着火燃焼を行うＨＣＣＩモードと、火花点火燃焼を行うＳＩモードとを切り替えるように構成されている。但し、モード切り替えの境界線は、図例に限定されるものではない。

［吸気バルブ及び排気バルブの動作］
次に、図４を参照して、本発明の実施形態による吸気バルブ及び排気バルブの動作を説明する。図４は、本発明の実施形態による吸気バルブ及び排気バルブのリフトカーブを示す線図であり、（ａ）はエンジンのＨＣＣＩ領域の低負荷側、（ｂ）はエンジンのＨＣＣＩ領域の高負荷側、（ｃ）はエンジンのＳＩ領域における吸気バルブ及び排気バルブのリフトカーブの一例を示している。

吸気側のＶＶＬ７４における小リフトカムのプロフィールは、図４（ａ）及び（ｂ）に実線で例示するように、相対的に小さいリフト量の１つのカム山を有し、吸気側のＶＶＬ７４における大リフトカムのプロフィールは、図４（ｃ）に実線で例示するように、相対的に大きいリフト量の１つのカム山を有している。
ＶＶＬ７４が小リフトカムの作動状態を吸気バルブ２１に伝達しているときには、図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、吸気バルブ２１は、相対的に小さいリフト量で開弁すると共に、その開弁期間も短くなる。これに対し、ＶＶＬ７４が大リフトカムの作動状態を吸気バルブ２１に伝達しているときには、図４（ｃ）に示すように、吸気バルブ２１は、相対的に大きいリフト量で開弁すると共に、その開弁期間も長くなる。図４の例では、大リフトカムと小リフトカムとは、開弁時期を同じにして切り替わるように設定されているので、ＶＶＬ７４が大リフトカムの作動状態を吸気バルブ２１に伝達している場合、吸気バルブ２１の閉弁時期は圧縮行程中まで遅れるように設定され、遅閉じミラーサイクルが実現される。

排気側のＶＶＬ７１における第１カムのカムプロフィールは、図４（ａ）及び（ｂ）に破線で例示するように、リフトカーブにおける閉弁側に、クランク角の進行に対してリフトを略一定に維持するリフト棚部２２２を有し、第２カムのカムプロフィールは、図４（ｃ）に破線で例示するように、リフト棚部を有さずに、一つのカム山を有する。

排気側のＶＶＬ７１のロストモーション機構が、第１カムの作動状態を排気バルブ２２に伝達しているときには、図４（ａ）及び（ｂ）に破線で例示するように、排気バルブ２２は、開弁をした後、クランク角の進行に伴いリフト量が次第に大きくなり、少なくとも排気行程中で所定のピークに至った後、リフト棚部２２２において所定リフト量を維持した上で、閉弁に至る特殊モードで作動をする。これに対し、ロストモーション機構が、第２カムの作動状態を排気バルブ２２に伝達しているときには、図４（ｃ）に破線で例示するように、排気バルブ２２は開弁をした後、クランク角の進行に伴いリフト量が次第に大きくなり、少なくとも排気行程中で所定のピークに至った後、リフト量が次第に小さくなって、そのまま閉弁する通常モードで作動をする。ＶＶＬ７１の通常モードと特殊モードとは、エンジン１の運転状態に応じて切り替えられ、具体的に、特殊モードは、内部ＥＧＲガスを気筒１８内に導入する際に利用され、通常モードは、それ以外のときに利用される。以下の説明においては、ＶＶＬ７１を通常モードで作動させることを、「ＶＶＬ７１をオフにする」といい、ＶＶＬ７１を特殊モードで作動させ、内部ＥＧＲ制御を行うことを、「ＶＶＬ７１をオンにする」という場合がある。

ここで、図４（ａ）及び（ｂ）を参照しながら、排気側のＶＶＬ７１における第１カムのカムプロフィールについて、さらに詳細に説明をする。図４（ａ）の破線は、排気バルブ２２の閉時期の位相を最も遅角側に設定したときの、排気バルブ２２のリフトカーブ２２１であり、図３（ｂ）の破線は、排気バルブ２２の閉時期の位相を最も進角側に設定したときの、排気弁２２のリフトカーブ２２１である。第１カムは、上述の通り、そのリフトカーブ２２１における閉弁側にリフト棚部２２２を有するように構成されている。ここで、リフトカーブ２２１における閉弁側とは、リフトカーブ２２１におけるピークを挟んだ両側を、開弁側と閉弁側とに分けたときの閉弁側に相当する。図４（ａ）に示すように、ＶＶＴ７５によって排気バルブ２２の閉時期の位相を遅角したときに、リフト棚部２２２は、吸気行程の、少なくとも前半に位置するようになる。ここでいう「前半」は、吸気行程を前半と後半とに２等分したときの前半に相当する。従って、排気行程中に排気ポート１７に排出された排気ガスの一部は、吸気行程時に排気バルブ２２が開弁することに伴い、気筒１８内に戻される。こうして、排気ガスの一部が、実質的に、気筒１８内に残留することになる（つまり、内部ＥＧＲ制御）。

リフト棚部２２２のリフト量は、リフトカーブ２２１のピークよりも低いリフト量に設定されている。図４（ａ）に示すように、ＶＶＴ７５によって排気バルブ２２の開閉時期の位相を遅角したときに、リフト棚部２２２は上死点（Top Dead Center：ＴＤＣ）に位置する場合がある。そのため、実施形態では、リフト棚部２２２のリフト量は、上死点に位置するピストン１４の上面と干渉しない限度において、最大リフト量となるように設定される。こうすることで、内部ＥＧＲの最大量を、できるだけ多い量に設定することが可能になる。例えば、リフト棚部２２２のリフト量は、リフトカーブ２２１のピークにおけるリフト量に対して、１／２以下の範囲で、適宜、設定することが可能である。
また、リフト棚部２２２の長さ（つまり、クランク角の進行方向の長さ）は、設定可能な最大リフト量に基づいて、要求される最大の内部ＥＧＲガス量を満足することができるように設定される。

なお、排気バルブ２２の特殊モードにおいては、図４に示したように、排気行程での開弁後、リフト棚部２２２を通じて開弁状態を維持した上で、吸気行程で閉弁するようなカムプロフィールの代わりに、排気行程での開弁後に一旦閉弁をした後、吸気行程で再び開弁するようなカムプロフィールを採用してもよい。

［エンジンの燃焼方式の切替制御］
次に、図５乃至８を参照して、本発明の実施形態によるエンジンの燃焼制御処理を説明する。図５は、本発明の実施形態によるエンジンの燃焼制御処理のフローチャートであり、図６は、図５に示したエンジンの燃焼制御処理における筒内ＥＧＲ率推定処理のフローチャートであり、図７は、図５に示したエンジンの燃焼制御処理における筒内温度推定処理のフローチャートである。また、図８は、ＨＣＣＩ燃焼、成層化ＳＩ燃焼、及びＳＩ燃焼のそれぞれにおける燃料噴射時期を示す概略図である。
図５に示す燃焼制御処理は、ＰＣＭ１０によって、車両の運転時に所定の周期で繰り返し実行される。

図５に示すように、エンジン１の燃焼制御処理が開始されると、まず、ステップＳ１において、ＰＣＭ１０は、各種のセンサから入力された検出信号等に基づき、エンジン１の運転状態を取得する。

次に、ステップＳ２において、ＰＣＭ１０は、各種のセンサから入力された検出信号等に基づき、エンジン１に要求される運転状態を取得する。例えば、ＰＣＭ１０は、アクセル開度センサＳＷ１３から入力されたアクセル開度や、ステップＳ１において取得したエンジン１の運転状態に基づき、エンジン１に要求される運転状態を取得する。

次に、ステップＳ３において、ＰＣＭ１０は、ステップＳ２において取得したエンジン１に対する要求運転状態がＳＩ領域内に含まれるか否かを判定する。その結果、エンジン１に対する要求運転状態がＳＩ領域内に含まれる場合、ステップＳ４に進み、ＰＣＭ１０は、エンジン１がＳＩ燃焼中か否かを判定する。その結果、エンジン１がＳＩ燃焼中である場合、ＰＣＭ１０は、ＳＩ燃焼のための制御を継続し、燃焼制御処理を終了する。

一方、ステップＳ４において、エンジン１がＳＩ燃焼中ではない場合、エンジン１はＨＣＣＩ燃焼からＳＩ燃焼への切替中ということになる。そこで、ステップＳ５に進み、ＰＣＭ１０は、筒内ＥＧＲ率推定処理を実行し、エンジン１の気筒１８内に導入された総ガス量に占める既燃ガス量の割合、即ちＥＧＲ率を気筒１８内の状態量として推定する。

図６に示すように、筒内ＥＧＲ率推定処理が開始されると、ステップＳ２１において、ＰＣＭ１０は、ＥＧＲ弁開度センサＳＷ１７から入力されたＥＧＲ弁５１１の開度、及び、ＥＧＲ弁差圧センサＳＷ１８から入力されたＥＧＲ弁５１１の前後の差圧に基づき、このＥＧＲ弁５１１を通過した既燃ガスの流量を算出する。

次に、ステップＳ２２において、ＰＣＭ１０は、スロットル弁開度センサＳＷ１９から入力されたスロットル弁３６の開度、及び、スロットル弁差圧センサＳＷ２０から入力されたスロットル弁３６の前後の差圧に基づき、このスロットル弁３６を通過した新気の流量を算出する。

次に、ステップＳ２３において、ＰＣＭ１０は、吸気側カム角センサＳＷ１４から入力された吸気バルブ２１のカム角に基づき吸気バルブ２１のリフト量を推定し、吸気圧センサＳＷ２１から入力された吸気圧及び筒内圧センサＳＷ６から入力された気筒１８内の圧力に基づき、吸気バルブ２１の前後の差圧を推定し、吸気バルブ２１のリフト量と前後差圧とに基づき、この吸気バルブ２１を通過した吸気（ＥＧＲ通路５０から還流された既燃ガスと新気との混合ガス）の流量を算出する。

次に、ステップＳ２４において、ＰＣＭ１０は、ＥＧＲ弁５１１を通過した既燃ガスの流量、スロットル弁３６を通過した新気の流量、及び、吸気バルブ２１を通過した吸気の流量に基づき、吸気バルブ２１の閉時期における外部ＥＧＲ率（吸気バルブ２１を通過した吸気（ＥＧＲ通路５０から還流された既燃ガスと新気との混合ガス）に対する、ＥＧＲ通路５０から還流された既燃ガスの割合）を算出する。

次に、ステップＳ２５において、ＰＣＭ１０は、排気側カム角センサＳＷ１５から入力された排気バルブ２２のカム角に基づき排気バルブ２２のリフト量を推定し、排気圧センサＳＷ８から入力された排気圧及び筒内圧センサＳＷ６から入力された気筒１８内の圧力に基づき、排気バルブ２２の前後の差圧を推定し、排気バルブ２２のリフト量と前後差圧とに基づき、吸気行程中の排気バルブ２２の二度開きにより気筒１８内に再導入された既燃ガスの流量を算出する。

次に、ステップＳ２６において、ＰＣＭ１０は、排気バルブ２２を通過して気筒１８内に再導入された既燃ガスの流量と、吸気バルブ２１の閉時期までに気筒１８内に導入された総ガス量（吸気バルブ２１を通過した吸気流量と排気バルブ２２から再導入された既燃ガス流量とを合わせたもの）とに基づき、吸気バルブ２１の閉時期における内部ＥＧＲ率（気筒１８内に導入された総ガス量の内、排気バルブ２２から気筒１８内に再導入された既燃ガス流量（内部ＥＧＲガス流量）が占める割合）を算出する。

次に、ステップＳ２７において、ＰＣＭ１０は、ステップＳ２４で算出した外部ＥＧＲ率と、ステップＳ２６で算出した内部ＥＧＲ率とに基づき、吸気バルブ２１の閉時期におけるＥＧＲ率（気筒１８内に導入された総ガス量に占める既燃ガス量の割合）を算出する。ステップＳ２４の後、ＰＣＭ１０は筒内ＥＧＲ率推定処理を終了し、図５のメインルーチンに戻る。

図５に戻り、ステップＳ５における筒内ＥＧＲ率推定処理が終了すると、ステップＳ６に進み、ＰＣＭ１０は、筒内温度推定処理を実行し、エンジン１の気筒１８内の温度を気筒１８内の状態量として推定する。

図７に示すように、筒内温度推定処理が開始されると、ステップＳ３１において、ＰＣＭ１０は、吸気側ＶＶＴ７２の位相角及び吸気側ＶＶＬ７４の設定状態に基づき、吸気バルブ２１の閉時期における気筒１８内の容積を算出する。

次に、ステップＳ３２において、ＰＣＭ１０は、筒内圧センサＳＷ６から入力された気筒１８内の圧力に基づき、吸気バルブ２１の閉時期における気筒１８内の圧力を取得する。

次に、ステップＳ３３において、ＰＣＭ１０は、吸気バルブ２１の閉時期における気筒１８内の容積、圧力、及び、吸気バルブ２１の閉時期までに気筒１８内に導入された総ガス量に基づき、状態方程式から吸気バルブ２１の閉時期における気筒１８内の温度を算出する。ステップＳ３３の後、ＰＣＭ１０は筒内温度推定処理を終了し、図５のメインルーチンに戻る。

図５に戻り、ステップＳ６における筒内温度推定処理が終了すると、ステップＳ７に進み、ＰＣＭ１０は、ステップＳ５で推定した気筒１８内のＥＧＲ率及びステップＳ６で推定した気筒１８内の温度が、それぞれ、圧縮自己着火（Compression Ignition：ＣＩ）燃焼を行うことのできるＣＩ燃焼閾値範囲内か否かを判定する。このＣＩ燃焼閾値範囲は、ＣＩ燃焼を安定して行うことのできる範囲であり、下限値と上限値とによって規定された所定の範囲として、例えばエンジン１の試験結果に基づき設定される。

その結果、気筒１８内のＥＧＲ率及び温度が、それぞれ、ＣＩ燃焼閾値範囲内である場合、気筒１８内の状態はＣＩ燃焼を安定して行うことができる状態であるので、ＨＣＣＩ燃焼を継続する。以降、気筒１８内のＥＧＲ率又は温度がＣＩ燃焼閾値範囲外となるまで、ステップＳ５及びＳ６の処理を繰り返す。
ＨＣＣＩ燃焼を行う場合、図８に例示するように、燃料噴射時期は少なくとも吸気行程から圧縮行程中期までの期間内に設定される。この期間内にインジェクタ６７が気筒１８内に燃料を噴射することにより、均質な混合気を形成する。この混合気は、圧縮上死点付近において圧縮自己着火する。

一方、気筒１８内のＥＧＲ率及び温度がＣＩ燃焼閾値範囲内ではない場合（気筒１８内のＥＧＲ率及び温度の何れか一方又は両方がＣＩ燃焼閾値範囲外である場合）、ステップＳ８に進み、ＰＣＭ１０は、ステップＳ５で推定した気筒１８内のＥＧＲ率及びステップＳ６で推定した気筒１８内の温度が、それぞれ、ＳＩ燃焼を行うことのできるＳＩ燃焼閾値範囲内か否かを判定する。このＳＩ燃焼閾値範囲は、ＳＩ燃焼を安定して行うことのできる範囲であり、下限値と上限値とによって規定された所定の範囲として、例えばエンジン１の試験結果に基づき設定される。

その結果、気筒１８内のＥＧＲ率及び温度がＳＩ燃焼閾値範囲内ではない場合（気筒１８内のＥＧＲ率及び温度の何れか一方又は両方がＳＩ燃焼閾値範囲外である場合）、気筒１８内の状態はＣＩ燃焼及びＳＩ燃焼のどちらも安定して行うことができない過渡的な状態であるので、ステップＳ９に進み、ＰＣＭ１０は、燃料噴射時期を、成層化ＳＩ燃焼に対応した時期に設定する。その後、ＰＣＭ１０はステップＳ５に戻る。

成層化ＳＩ燃焼を行う場合、図８に例示するように、燃料噴射時期は圧縮上死点付近の点火時期直前に設定される。この時期にインジェクタ６７が気筒１８内に燃料を噴射することにより、点火プラグ２５の周辺に偏在する成層化混合気を形成し、この成層化混合気に点火して燃焼させることにより、気筒１８の状態がＣＩ燃焼及びＳＩ燃焼のどちらも安定して行うことができない過渡的な状態であっても、成層化混合気を火花点火燃焼させることができ、燃焼の安定化を図ることができる。また、燃料噴射時期の切替直前に、ＨＣＣＩ燃焼に対応する燃料噴射時期（即ち吸気行程から圧縮行程中期までの期間内）に燃料が噴射され、予混合気が形成された場合であっても、点火プラグ２５の周辺に形成した成層化混合気を火花点火燃焼によって予混合気の自己着火をアシストすることにより、燃焼の不安定化を防止することができる。

一方、ステップＳ８において、気筒１８内のＥＧＲ率及び温度が、それぞれ、ＳＩ燃焼閾値範囲内である場合、気筒１８内の状態はＳＩ燃焼を安定して行うことができる状態であるので、ステップＳ１０に進み、ＰＣＭ１０は、燃料噴射時期を、ＳＩ燃焼に対応した時期に設定する。その後、ＰＣＭ１０は燃焼制御処理を終了する。

ＳＩ燃焼を行う場合、図８に例示するように、燃料噴射時期は、吸気行程中の期間と、圧縮行程後期から膨張行程初期までの期間（リタード期間）に設定される。このように、燃料噴射時期を分割し、吸気行程中に燃料を噴射（前段噴射）すると共に、リタード期間において高い燃料圧力で気筒１８内に燃料を噴射（リタード噴射）することにより、ノッキングを抑制しつつ点火時期を進角させることが可能になる。

また、図５のステップＳ３において、エンジン１に対する要求運転状態がＳＩ領域内に含まれない（ＨＣＣＩ領域内に含まれる）場合、ステップＳ１１に進み、ＰＣＭ１０は、エンジン１がＨＣＣＩ燃焼中か否かを判定する。その結果、エンジン１がＨＣＣＩ燃焼中である場合、ＰＣＭ１０は、ＨＣＣＩ燃焼のための制御を継続し、燃焼制御処理を終了する。

一方、ステップＳ１１において、エンジン１がＨＣＣＩ燃焼中ではない場合、エンジン１はＳＩ燃焼からＨＣＣＩ燃焼への切替中ということになる。そこで、ステップＳ１２に進み、ＰＣＭ１０は、筒内ＥＧＲ率推定処理を実行し、エンジン１の気筒１８内に導入された総ガス量に占める既燃ガス量の割合、即ちＥＧＲ率を気筒１８内の状態量として推定する。

ステップＳ１２における筒内ＥＧＲ率推定処理が終了すると、ステップＳ１３に進み、ＰＣＭ１０は、筒内温度推定処理を実行し、エンジン１の気筒１８内の温度を気筒１８内の状態量として推定する。

ステップＳ１３における筒内温度推定処理が終了すると、ステップＳ１４に進み、ＰＣＭ１０は、ステップＳ１２で推定した気筒１８内のＥＧＲ率及びステップＳ１３で推定した気筒１８内の温度が、それぞれ、ＳＩ燃焼を行うことのできるＳＩ燃焼閾値範囲内か否かを判定する。

その結果、気筒１８内のＥＧＲ率及び温度が、それぞれ、ＳＩ燃焼閾値範囲内である場合、気筒１８内の状態はＳＩ燃焼を安定して行うことができる状態であるので、ＳＩ燃焼を継続する。以降、気筒１８内のＥＧＲ率又は温度がＳＩ燃焼閾値範囲外となるまで、ステップＳ１２及びＳ１３の処理を繰り返す。

一方、気筒１８内のＥＧＲ率及び温度がＳＩ燃焼閾値範囲内ではない場合（気筒１８内のＥＧＲ率及び温度の何れか一方又は両方がＳＩ燃焼閾値範囲外である場合）、ステップＳ１５に進み、ＰＣＭ１０は、ステップＳ１２で推定した気筒１８内のＥＧＲ率及びステップＳ１３で推定した気筒１８内の温度が、それぞれ、ＣＩ燃焼を行うことのできるＣＩ燃焼閾値範囲内か否かを判定する。

その結果、気筒１８内のＥＧＲ率及び温度がＣＩ燃焼閾値範囲内ではない場合（気筒１８内のＥＧＲ率及び温度の何れか一方又は両方がＣＩ燃焼閾値範囲外である場合）、気筒１８内の状態はＣＩ燃焼及びＳＩ燃焼のどちらも安定して行うことができない過渡的な状態であるので、ステップＳ１６に進み、ＰＣＭ１０は、燃料噴射時期を、成層化ＳＩ燃焼に対応した時期に設定する。その後、ＰＣＭ１０はステップＳ１２に戻る。

一方、ステップＳ１５において、気筒１８内のＥＧＲ率及び温度が、それぞれ、ＣＩ燃焼閾値範囲内である場合、気筒１８内の状態はＣＩ燃焼を安定して行うことができる状態であるので、ステップＳ１７に進み、ＰＣＭ１０は、燃料噴射時期を、ＨＣＣＩ燃焼に対応した時期に設定する。その後、ＰＣＭ１０は燃焼制御処理を終了する。

次に、図９及び図１０により、エンジン１の運転領域がＨＣＣＩ領域からＳＩ領域へ切り替わるときの、筒内状態量と燃料噴射時期との関係を説明する。図９は、本発明の実施形態によるエンジンの運転領域がＨＣＣＩ領域における低負荷側領域からＳＩ領域へ切り替わるときの、筒内状態量と燃料噴射時期との関係を例示したタイミングチャートであり、図１０は、本発明の実施形態によるエンジン１の運転領域がＨＣＣＩ領域における高負荷側領域からＳＩ領域へ切り替わるときの、筒内状態量と燃料噴射時期との関係を例示したタイミングチャートである。

図３において矢印Ａで示したように、エンジン１の運転領域がＨＣＣＩ領域における低負荷側領域からＳＩ領域へ切り替わる場合（例えば、エンジン１の運転状態がＨＣＣＩ領域における低負荷側領域内にある場合において、ドライバがアクセルを踏み込んだことによりエンジン１に対する要求負荷が急激に増大し、エンジン１の運転領域がＨＣＣＩ領域からＳＩ領域に入った場合）、吸気バルブ２１及び排気バルブ２２の作動モードを図４（ａ）に例示した状態から図４（ｃ）に例示した状態まで切り替えることになり、作動モードの切替に比較的長い時間を要すると共に、気筒１８内の状態が大きく変化することになる。

即ち、図９に示すように、時刻Ｔ０においてエンジン１の運転領域がＨＣＣＩ領域からＳＩ領域へ切り替わると、ＰＣＭ１０は、排気側のＶＶＬ７１に作動モードの切替を指示すると共に、ＶＶＴ７５により排気バルブ２２の閉時期の位相を進角させる。
ＶＶＬ７１の作動モードは、一定の応答遅れ時間が経過した後、時刻Ｔ１に特殊モードから通常モードに切り替わる。また、排気バルブ２２の閉時期の位相の進角量は、指示値（図９において実線により示す）に対して遅れて変化し（図９において点線により示す）、時刻Ｔ２に目標値に到達する。

エンジン１の運転領域がＨＣＣＩ領域からＳＩ領域へ切り替わった直後（図９では時刻Ｔ３まで）は、ＶＶＬ７１の作動モードは切り替わらず、排気バルブ２２の進角量の変化もわずかなので、図５の燃焼制御処理で推定した筒内ＥＧＲ率及び筒内温度（何れも図９において実線により示す）はＣＩ燃焼閾値範囲（図９において点線により示す）内に留まっている。従って、ＰＣＭ１０は、ＨＣＣＩ燃焼を継続する。

時刻Ｔ３を過ぎると、筒内ＥＧＲ率及び筒内温度はＣＩ燃焼閾値範囲外となり、且つ、ＳＩ燃焼閾値範囲内にも入っていない。従って、ＰＣＭ１０は、燃料噴射時期を成層化ＳＩ燃焼に対応した時期に設定する。
時刻Ｔ１においてＶＶＬ７１の作動モードが特殊モードから通常モードに切り替わると、排気バルブ２２の二度開きにより吸気行程中に気筒１８内に既燃ガスが再導入されなくなるので、筒内ＥＧＲ率及び筒内温度は何れもステップ的に低下する。これに伴い、筒内温度はＳＩ燃焼閾値範囲内となるが、依然として排気バルブ２２の閉時期の位相の進角量は目標値に到達しておらず、筒内ＥＧＲ率はＳＩ燃焼閾値範囲外であるので、ＰＣＭ１０は、成層化ＳＩ燃焼を継続する。

さらに、時刻Ｔ４になると、排気バルブ２２の閉時期の位相の進角量は目標値に到達していないが、筒内ＥＧＲ率及び筒内温度は何れもＳＩ燃焼閾値範囲内となる。そこで、ＰＣＭ１０は、燃料噴射時期をＳＩ燃焼に対応した時期に設定する。その後、時刻Ｔ２において排気バルブ２２の閉時期の位相の進角量が目標値に到達し、エンジン１の燃焼の切替が完了する。

このように、成層化ＳＩ燃焼が行われるのは、筒内ＥＧＲ率及び筒内温度がＣＩ燃焼閾値範囲外、且つ、ＳＩ燃焼閾値範囲外の時刻Ｔ３からＴ４の期間に限られるので、従来のようにエンジン１の運転領域がＨＣＣＩ領域からＳＩ領域へ切り替わってから、排気バルブ２２の閉時期の位相の進角量が目標値に到達し、エンジン１の燃焼の切替が完了するまでの時刻Ｔ０からＴ２の期間に成層化ＳＩ燃焼を行う場合と比較して、成層化ＳＩ燃焼を行う期間を短縮化できるので、エミッション性能や燃費の悪化を抑制できる。

一方、図３において矢印Ｂで示したように、エンジン１の運転領域がＨＣＣＩ領域における高負荷側領域からＳＩ領域へ切り替わる場合（例えば、エンジン１の運転状態がＨＣＣＩ領域における高負荷側領域内にある場合において、ドライバがアクセルを徐々に踏み増したことによりエンジン１に対する要求負荷が緩やかに増大し、エンジン１の運転領域がＨＣＣＩ領域からＳＩ領域に入った場合）、吸気バルブ２１及び排気バルブ２２の作動モードを図４（ｂ）に例示した状態から図４（ｃ）に例示した状態まで切り替えることになるので、作動モードの切替に要する時間は比較的短く、気筒１８内の状態も大きく変化しない。

即ち、図１０に示すように、時刻Ｔ０においてエンジン１の運転領域がＨＣＣＩ領域からＳＩ領域へ切り替わると、ＰＣＭ１０は、排気側のＶＶＬ７１に作動モードの切替を指示すると共に、ＶＶＴ７５により排気バルブ２２の閉時期の位相を進角させる。
ＶＶＬ７１の作動モードは、一定の応答遅れ時間が経過した後、時刻Ｔ１に特殊モードから通常モードに切り替わる。また、排気バルブ２２の閉時期の位相の進角量は、指示値（図１０において実線により示す）に対して遅れて変化し（図１０において点線により示す）、時刻Ｔ２に目標値に到達するが、その変化量は小さい。

エンジン１の運転領域がＨＣＣＩ領域からＳＩ領域へ切り替わった後においても、ＶＶＬ７１の作動モードは切り替わらず、排気バルブ２２の進角量の変化もわずかなので、図５の燃焼制御処理で推定した筒内ＥＧＲ率及び筒内温度（何れも図１０において実線により示す）は時刻Ｔ５までＣＩ燃焼閾値範囲（図１０において点線により示す）内に留まっている。従って、ＰＣＭ１０は、ＨＣＣＩ燃焼を継続する。なお、筒内ＥＧＲ率は、エンジン１の運転領域がＨＣＣＩ領域からＳＩ領域へ切り替わった直後からＳＩ燃焼閾値範囲内にも入っている。

時刻Ｔ５を過ぎると、筒内温度はＣＩ燃焼閾値範囲外となるが、ＳＩ燃焼閾値範囲内に入る。また、上述したように、筒内ＥＧＲ率は既にＳＩ燃焼閾値範囲内に入っている。従って、ＰＣＭ１０は、燃料噴射時期をＳＩ燃焼に対応した時期に設定する。その後、時刻Ｔ２において排気バルブ２２の閉時期の位相の進角量が目標値に到達し、エンジン１の燃焼の切替が完了する。

このように、ＨＣＣＩ燃焼とＳＩ燃焼との切替前後における気筒１８内の状態変化が小さく、切替の過渡期であっても気筒１８内の状態がＨＣＣＩ燃焼又はＳＩ燃焼の何れかを安定して行える状態である場合には、成層化ＳＩ燃焼を経由することなく燃焼の切替を行うので、従来のようにエンジン１の運転領域がＨＣＣＩ領域からＳＩ領域へ切り替わってから、排気バルブ２２の閉時期の位相の進角量が目標値に到達し、エンジン１の燃焼の切替が完了するまでの時刻Ｔ０からＴ２の期間に成層化ＳＩ燃焼を行う場合と比較して、エミッション性能や燃費の悪化を大幅に抑制できる。

次に、本発明の実施形態のさらなる変形例を説明する。
まず、上述した実施形態では、ＶＶＬ７１は、油圧で作動し、カム山を一つ有する第１カムとカム山を２つ有する第２カムとの、カムプロフィールの異なる２種類のカム、及び、その第１及び第２カムのいずれか一方のカムの作動状態を選択的に排気バルブ２２に伝達するロストモーション機構を含んで構成されていると説明したが、これとは異なる構成のＶＶＬを用いてもよく、電磁駆動や空気圧駆動のＶＶＬを用いてもよい。

また、上述した実施形態では、ＰＣＭ１０は、気筒１８内のＥＧＲ率及び温度がＣＩ燃焼及びＳＩ燃焼のどちらも安定して行うことができない過渡的な状態である場合、燃料噴射時期を成層化ＳＩ燃焼に対応した時期に設定すると説明したが、そのような過渡的な筒内状態でも安定した燃焼を行うことができる燃焼方式であれば、成層化ＳＩ燃焼とは異なる燃焼方式を採用してもよい。

次に、上述した本発明の実施形態及び本発明の実施形態の変形例によるエンジンの制御装置１の作用効果を説明する。

まず、ＰＣＭ１０は、エンジン１の運転状態がＳＩ領域とＣＩ領域との間で切り替わったとき、気筒１８内の既燃ガス量に関する状態量に基づいて燃料噴射時期を設定するので、燃焼の安定性に相関がある気筒１８内の既燃ガス量に応じた適切な燃料噴射時期を設定することができ、これにより、エンジン１の燃焼をＣＩ燃焼とＳＩ燃焼との間で切り替える際に、エミッション性能や燃費の悪化を抑制しつつ、燃焼の不安定化を防止することができる。

また、ＰＣＭ１０は、エンジン１の運転状態がＣＩ領域からＳＩ領域へ切り替わった場合において、気筒１８内の状態がＳＩ燃焼を安定して行うことができない状態である場合に、成層ＳＩ燃焼に対応した燃料噴射時期を設定するので、成層ＳＩ燃焼を行う期間を必要な期間に限定することができ、これにより、エンジン１の燃焼をＣＩ燃焼からＳＩ燃焼へ切り替える際に、エミッション性能や燃費の悪化を抑制しつつ、燃焼の不安定化を防止することができる。

また、ＰＣＭ１０は、エンジン１の運転状態がＣＩ領域からＳＩ領域へ切り替わった場合において、気筒１８内の状態がＣＩ燃焼を行うことのできる状態である場合、ＣＩ燃焼を維持するので、成層ＳＩ燃焼を行う期間を必要な期間に確実に限定することができ、これにより、エンジン１の燃焼をＣＩ燃焼からＳＩ燃焼へ切り替える際に、エミッション性能や燃費の悪化を抑制しつつ、燃焼の不安定化を防止することができる。

また、ＰＣＭ１０は、成層ＳＩ燃焼を行っている間も筒内状態を推定し、気筒１８内の状態がＳＩ燃焼を安定して行うことのできる状態になった場合には直ちにＳＩ燃焼に移行するので、成層ＳＩ燃焼を行う期間を必要な期間に確実に限定することができ、これにより、エンジン１の燃焼をＣＩ燃焼からＳＩ燃焼へ切り替える際に、エミッション性能や燃費の悪化を抑制しつつ、燃焼の不安定化を防止することができる。

また、ＰＣＭ１０は、エンジン１の運転状態がＳＩ領域からＣＩ領域へ切り替わった場合において、気筒１８内の状態がＣＩ燃焼を安定して行うことができない状態である場合に、成層ＳＩ燃焼に対応した燃料噴射時期を設定するので、成層ＳＩ燃焼を行う期間を必要な期間に限定することができ、これにより、エンジン１の燃焼をＳＩ燃焼からＣＩ燃焼へ切り替える際に、エミッション性能や燃費の悪化を抑制しつつ、燃焼の不安定化を防止することができる。

また、ＰＣＭ１０は、エンジン１の運転状態がＳＩ領域とＣＩ領域との間で切り替わったとき、気筒１８内の温度に関する状態量に基づいて燃料噴射時期を設定するので、燃焼の安定性に相関がある気筒１８内の温度に応じてより適切な燃料噴射時期を設定することができ、これにより、エンジン１の燃焼をＣＩ燃焼とＳＩ燃焼との間で切り替える際に、エミッション性能や燃費の悪化を一層効果的に抑制しつつ、燃焼の不安定化をより確実に防止することができる。

また、ＰＣＭ１０は、エンジン１の運転状態がＳＩ領域とＣＩ領域との間で切り替わったとき、エンジン１の気筒１８内に導入された総ガス量にＥＧＲ率に基づいて燃料噴射時期を設定するので、より適切な燃料噴射時期を設定することができ、これにより、エンジン１の燃焼をＣＩ燃焼とＳＩ燃焼との間で切り替える際に、エミッション性能や燃費の悪化を一層効果的に抑制しつつ、燃焼の不安定化をより確実に防止することができる。

また、ＰＣＭ１０は、吸気バルブ２１の閉時期における外部ＥＧＲ率と内部ＥＧＲ率とに基づき、吸気バルブ２１の閉時期におけるＥＧＲ率を算出するので、吸気バルブ２１の閉時期におけるＥＧＲ率を一層正確に推定することができ、これにより、エンジン１の燃焼をＣＩ燃焼とＳＩ燃焼との間で切り替える際に、エミッション性能や燃費の悪化を一層効果的に抑制しつつ、燃焼の不安定化をより確実に防止することができる。

また、ＰＣＭ１０は、吸気バルブ２１の閉時期における気筒１８内の容積、圧力、及び、吸気バルブ２１の閉時期までに気筒１８内に導入された総ガス量に基づき、吸気バルブ２１の閉時期における気筒１８内の温度を算出するので、エンジン１の気筒１８内の温度を一層正確に推定することができ、これにより、エンジン１の燃焼をＣＩ燃焼とＳＩ燃焼との間で切り替える際に、エミッション性能や燃費の悪化を一層効果的に抑制しつつ、燃焼の不安定化をより確実に防止することができる。

１ エンジン（エンジン本体）
１０ ＰＣＭ
１６ 吸気ポート
１７ 排気ポート
１８ 気筒
２２ 排気バルブ
７１ ＶＶＬ（排気側）
７４ ＶＶＬ（吸気側）
７５ ＶＶＴ（排気側）

Claims (5)

1. 運転状態が所定の圧縮自己着火領域内にある場合、圧縮自己着火燃焼が行われ、運転状態が所定の火花点火領域内にある場合、火花点火燃焼が行われるエンジンの制御装置であって、
   上記エンジンの排気バルブの作動モードを変化させる排気側可変バルブ機構と、
   上記エンジンの運転状態に対応した燃料噴射時期に燃料噴射を行うように上記エンジンの燃料噴射弁を制御する燃料噴射制御手段と、
   上記エンジンの運転状態が上記圧縮自己着火領域内にある場合、上記排気側可変バルブ機構により、吸気行程において上記排気バルブを開弁させて既燃ガスを排気ポートから気筒内へ再導入させる第１の作動モードで上記排気バルブを作動させ、上記エンジンの運転状態が上記火花点火領域内にある場合、上記排気側可変バルブ機構により、上記第１の作動モードにおける上記排気バルブの閉弁時期よりも進角した時期に上記排気バルブを閉弁させる第２の作動モードで上記排気バルブを作動させる可変バルブ機構制御手段と、
   上記エンジンの気筒内に導入された総ガス量に占める既燃ガス量の割合を上記気筒内の状態量として推定する筒内状態量推定手段とを有し、
   上記可変バルブ機構制御手段は、上記エンジンの運転状態が上記圧縮自己着火領域から上記火花点火領域へ切り替わった場合、上記排気バルブの作動モードを上記第１の作動モードから上記第２のモードへ切り替え、
   上記燃料噴射制御手段は、
   上記エンジンの運転状態が上記圧縮自己着火領域から上記火花点火領域へ切り替わった場合において、上記筒内状態量推定手段により推定された上記気筒内の状態量が圧縮自己着火燃焼を行うことのできる所定の圧縮自己着火燃焼閾値範囲内である場合、圧縮自己着火燃焼に対応した燃料噴射時期を設定し、
   上記気筒内の状態量が上記圧縮自己着火燃焼閾値範囲外となり且つ火花点火燃焼を行うことのできる所定の火花点火燃焼閾値範囲内に入っていない場合、吸気行程で気筒内に略均一な予混合気を形成した後に圧縮行程で燃料噴射を行うことにより上記エンジンの点火プラグ周辺に成層化混合気を形成し、その成層化混合気を火花点火して上記予混合気と共に燃焼させる成層火花点火燃焼に対応した燃料噴射時期を設定し、
   上記成層火花点火燃焼に対応した燃料噴射時期に燃料噴射を行っている場合において、上記気筒内の状態量が上記火花点火燃焼閾値範囲内に入った場合、燃料噴射時期を上記成層火花点火燃焼に対応した燃料噴射時期から上記火花点火燃焼に対応した燃料噴射時期に切り替えることにより、上記成層火花点火燃焼に対応した燃料噴射時期が設定されるのは、上記第１の作動モードから上記第２の作動モードへの切替において上記可変バルブ機構制御手段が上記排気バルブの閉弁時期の進角を開始した後且つその進角量が上記第２の作動モードにおける目標値に到達するよりも前の期間に限られることを特徴とするエンジンの制御装置。
2. 上記燃料噴射制御手段は、上記エンジンの運転状態が上記火花点火領域から上記圧縮自己着火領域へ切り替わった場合において、上記筒内状態量推定手段により推定された上記気筒内の状態量が上記圧縮自己着火燃焼閾値範囲内である場合、圧縮自己着火燃焼に対応した燃料噴射時期を設定し、上記筒内状態量推定手段により推定された上記気筒内の状態量が上記圧縮自己着火燃焼閾値範囲外である場合、上記成層火花点火燃焼に対応した燃料噴射時期を設定する、請求項１に記載のエンジンの制御装置。
3. 更に、上記エンジンの気筒内の温度に関する上記気筒内の状態量を取得する副筒内状態量取得手段を有し、
   上記燃料噴射制御手段は、上記エンジンの運転状態が上記火花点火領域と上記圧縮自己着火領域との間で切り替わったとき、上記筒内状態量推定手段により推定された上記気筒内の状態量及び上記副筒内状態量取得手段により取得された上記気筒内の状態量に基づいて燃料噴射時期を設定する、請求項１又は２に記載のエンジンの制御装置。
4. 上記筒内状態量推定手段は、上記エンジンの吸気バルブを通過した吸気に対する、上記エンジンの吸気通路に還流された既燃ガスの割合として外部既燃ガス率を算出すると共に、上記エンジンの気筒内に導入された総ガス量の内、吸気行程において上記排気バルブを開弁させたことにより排気ポートから気筒内へ再導入された既燃ガスが占める内部既燃ガス率を算出し、上記算出した外部既燃ガス率及び内部既燃ガス率に基づき、上記エンジンの気筒内に導入された総ガス量に占める既燃ガス量の割合を推定する、請求項１乃至３の何れか１項に記載のエンジンの制御装置。
5. 上記副筒内状態量取得手段は、吸気行程において上記エンジンの吸気バルブが閉じたタイミングにおける気筒内の容積及び圧力と、上記エンジンの気筒内に導入された総ガス量とに基づき、上記エンジンの気筒内の温度を取得する、請求項３に記載のエンジンの制御装置。

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