JP2007107486A - エンジンシステムおよびそれを備える車両 - Google Patents

Abstract

【課題】有害な排気の発生を防止しつつ燃料の自己着火性を判定することができるエンジンシステムおよびそれを備える車両を提供することである。
【解決手段】エンジンシステム２００は、ＥＣＵ５０およびエンジン１００を含む。ＥＣＵ５０は、アクセル開度ＡＯに応じてＨＣＣＩ燃焼による運転と火花点火燃焼による運転とを切り替える。エンジン１００が火花点火燃焼を行っている場合に、ＥＣＵ５０は、点火時期を進角させつつ混合気の自己着火を検出する。そして、自己着火が検出されたときの点火時期に基づいて燃料の自己着火性を判定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンシステムおよびそれを備える車両に関する。

エンジンの熱効率を改善するために、混合気の燃料の濃度を薄くすること（空燃比のリーン化）、または排気をシリンダ内へ再導入することによりエンジンの熱損失およびポンプ損失を低減する手法が知られている。

しかしながら、点火プラグを用いて混合気を着火させる火花点火方式のエンジンにおいては、空燃比をリーン化または排気を大量に再導入した場合、混合気の燃焼速度が低下し、燃焼状態が不安定になる。そのため、エンジンの熱効率を大幅に向上させることができない。

上記のような燃焼状態の不安定化を防止する技術としては、ＨＣＣＩ（Homogeneous-Charge Compression-Ignition combustion；予混合圧縮自己着火）方式が知られている。ＨＣＣＩ方式は、混合気を圧縮することにより筒内温度を上昇させ、火花点火を行うことなく混合気を自己着火させるものである。ＨＣＣＩ方式によれば、混合気の複数の箇所から燃焼反応が生じるため、燃焼速度が低下せず、安定した燃焼が可能となる。

ところで、ＨＣＣＩ方式においては、燃焼時期および燃焼の安定性は燃料の性状に大きく影響される。そのため、燃料の性状によっては、安定した自己着火燃焼を行えない場合がある。そこで、従来より、火花点火方式およびＨＣＣＩ方式を使い分けることができるエンジンが開発されている。

例えば、特許文献１に記載されている火花点火式内燃機関においては、排気中のＮＯ_x の濃度を検出し、その検出結果に基づいてエンジンの燃焼状態が自己着火燃焼であるか否かを判定している。そして、その判定結果に基づいて、エンジンの運転モード（火花点火モード、自己着火モード等）を制御している。

ここで、特許文献１においては、自己着火燃焼が発生した場合、排気中のＮＯ_x の濃度が急激に減少することに着目し、エンジンの燃焼状態を判定している。

しかしながら、実際には、エンジンの燃焼が火花点火によって行われている場合においても、火炎伝播が緩慢である場合または失火が生じた場合には、排気中のＮＯ_x の濃度が低くなる。そのため、特許文献１の方法では、エンジンの燃焼状態を誤判定することがある。

そこで、特許文献２に記載されている燃料の判定方法においては、エンジンの燃焼状態をエンジンの回転数に基づいて判定している。それにより、上記のような誤判定を防止している。
特開平１１−３３６６００号公報 特開２００４−２１８５９０号公報

ところで、特許文献２に記載されている判定方法においては、自着火優先運転を行いつつ燃料の自着火の可能性を判定している。この場合、燃料が自着火に適しているか否かを判定する前に自着火優先運転が行われるので、失火が生じる可能性がある。失火が生じた場合、未燃焼の燃料がシリンダから排出されるので、排気の有害性が高くなる。

本発明の目的は、有害な排気の発生を防止しつつ燃料の自己着火性を判定することができるエンジンシステムおよびそれを備える車両を提供することである。

（１）第１の発明に係るエンジンシステムは、機械装置を駆動するエンジンシステムであって、シリンダならびにシリンダ内の空気および燃料からなる混合気を火花点火させる点火手段を有し、自己着火燃焼および火花点火燃焼を行うエンジンと、混合気の自己着火を検出する自己着火検出手段と、機械装置の運転状態に関する情報を検出する運転情報検出手段と、運転状態に関する情報に基づいて自己着火燃焼および火花点火燃焼を選択的に行うようにエンジンを制御する制御手段とを備え、制御手段は、エンジンが火花点火燃焼を行っている場合に点火手段による点火時期を変化させ、自己着火検出手段により混合気の自己着火が検出されたときの点火時期に基づいて燃料の自己着火性を判定するものである。

本発明に係るエンジンシステムにおいては、制御手段は、運転情報検出手段により検出された運転状態に関する情報に基づいて、自己着火燃焼および火花点火燃焼を選択的に行うようにエンジンを制御する。また、制御手段は、エンジンが火花点火燃焼を行っている場合に、点火手段を制御することにより点火時期を変化させる。そして、自己着火検出手段が混合気の自己着火を検出したときの点火時期に基づいて燃料の自己着火性を判定する。

この場合、エンジンが火花点火燃焼を行っているときに、火花点火の時期を変化させつつ混合気の自己着火を検出しているので、シリンダ内で失火等の不整燃焼が発生することを防止することができる。それにより、有害な排気の発生を防止しつつ燃料の自己着火性を判定することが可能になる。

（２）運転状態に関する情報はエンジンの負荷を含み、制御手段は、エンジンの負荷が第１の値以上である場合に自己着火性の判定を行ってもよい。

この場合、第１の値を任意に設定することにより、エンジンの負荷領域が所望の領域である場合に、自己着火性の判定を行うことが可能になる。それにより、失火等の不整燃焼が発生することを防止することができる。

（３）運転状態に関する情報はさらにエンジンの負荷の所定時間当たりの変化量を含み、制御手段は、変化量が第２の値以下である場合に自己着火性の判定を行ってもよい。

この場合、第２の値を任意に設定することにより、エンジンの負荷の所定時間当たりの変化量が所望の範囲内にある場合に、自己着火性の判定を行うことが可能になる。つまり、エンジンの動作状態が安定しているときに自己着火性の判定を行うことができるので、失火等の不整燃焼が発生することを確実に防止することができる。それにより、混合気の自己着火を確実に検出することができ、誤判定を防止することができる。

（４）制御手段は、所定時間ごとに自己着火性の判定を行ってもよい。この場合、所定時間ごとに燃料の自己着火性の判定を行えばよいので、制御手段の負担を低減することができる。

（５）エンジンシステムは、燃料を貯蔵する燃料貯蔵手段をさらに備え、運転状態に関する情報はさらに燃料貯蔵手段に貯蔵される燃料の量を含み、制御手段は、燃料貯蔵手段に貯蔵される燃料の量が増加した場合に自己着火性の判定を行ってもよい。

この場合、燃料が補給されるごとに燃料の自己着火性が判定されるので、新たな燃料の補給により燃料の性状が変化しても、燃料の自己着火性を正確に求めることができる。

（６）エンジンシステムは、エンジンのトルクを決定するためのトルク決定手段と、空気を吸気としてシリンダに導く吸気通路と、シリンダから排出される排気の少なくとも一部を吸気としてシリンダ内へ導く再循環通路と、吸気通路を通してシリンダ内へ導かれる空気の量および再循環通路を通してシリンダ内へ導かれる排気の量の少なくとも一方を調整する吸気量調整手段とをさらに備え、制御手段は、エンジンがトルク決定手段によって決定されたトルクを満足するように吸気量調整手段を制御しつつ自己着火性の判定を行ってもよい。

この場合、運転者の要求するトルクを維持しつつ自己着火性の判定を行うことができる。

（７）制御手段は、点火時期を進角させつつ自己着火性の判定を行ってもよい。この場合、混合気の自己着火が発生する点火時期を容易に検出することができる。

（８）制御手段は、運転状態に関する情報が所定条件を満足する場合にエンジンを自己着火燃焼させてもよい。この場合、所定条件を任意に設定することにより、所望の条件下（所望の運転領域）において自己着火燃焼および火花点火燃焼を選択的に行うことができる。

（９）制御手段は、自己着火性の判定結果に応じて所定条件を変化させてもよい。この場合、自己着火性の判定結果に応じて自己着火燃焼および火花点火燃焼を行う運転領域を変化させることができる。したがって、燃料の自己着火性が悪い場合に自己着火燃焼が行われることを防止することができるので、失火等の不整燃焼が発生することを確実に防止することができる。

（１０）自己着火検出手段は、シリンダ内の圧力変動に起因する情報に基づいて混合気の自己着火を検出してもよい。この場合、自己着火が発生することによりシリンダ内の圧力が変動するので、シリンダ内の圧力変動に起因する情報に基づいて混合気の自己着火を確実に検出することができる。

（１１）自己着火検出手段はノックセンサであってもよい。この場合、ノックセンサは火花点火方式のエンジンにおいて一般的に用いられているので、新たな構成要素を追加することなく自己着火を検出することができる。それにより、製造コストおよび製造工程の増加を防止することができる。

（１２）自己着火検出手段はシリンダ内の圧力を測定する圧力センサであってもよい。この場合、シリンダ内の圧力を直接検出することにより、わずかな圧力変動であっても検出することが可能になるので、混合気の自己着火を確実に検出することができる。また、混合気の自己着火を早期に検出することが可能になり、自己着火性の判定時の騒音および振動を低減することができる。

（１３）シリンダは、シリンダボディおよびシリンダヘッドならびにシリンダボディとシリンダヘッドとを固定する固定部材を備え、自己着火検出手段は、固定部材の応力変化を測定してもよい。

この場合、燃料が自己着火することによりシリンダ内の圧力が上昇し、固定部材に引張応力が発生する。したがって、固定部材の応力変化を検出することにより、混合気の自己着火を検出することができる。

このような構成においては、自己着火検出手段による検出結果とシリンダ内の実際の圧力との相関が大きくなるので、わずかな圧力変動であっても検出することができる。それにより、混合気の自己着火を確実に検出することができる。また、混合気の自己着火を早期に検出することができるので、自己着火性の判定時の騒音および振動を低減することができる。また、高温高圧の燃焼ガスと接触することなくシリンダ内の圧力を検出することができるので、自己着火検出手段の劣化が防止される。したがって、自己着火検出手段の劣化を防止するためのコスト増加を防止することができる。

（１４）第２の発明に係る車両は、第１の発明に係るエンジンシステムと、エンジンシステムにより発生される動力を駆動輪に伝達する伝達機構とを備えたものである。

本発明に係る車両においては、第１の発明に係るエンジンシステムにより発生される動力が、伝達機構により駆動輪に伝達され、駆動輪が駆動される。

この場合、第１の発明に係るエンジンシステムにより、エンジンが火花点火燃焼を行っているときに、火花点火の時期を変化させつつ混合気の自着火が検出される。それにより、シリンダ内で失火等の不整燃焼が発生することを防止することができる。その結果、有害な排気の発生を防止しつつ燃料の自己着火性を判定することが可能になる。

本発明によれば、エンジンが火花点火燃焼を行っているときに、火花点火の時期を変化させつつ混合気の自着火を検出しているので、シリンダ内で失火等の不整燃焼が発生することを防止することができる。それにより、有害な排気の発生を防止しつつ燃料の自己着火性を判定することが可能になる。

以下、本発明の実施の形態に係るエンジンシステムについて図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態のエンジンシステムは、ＨＣＣＩ（Homogeneous-Charge Compression-Ignition combustion；予混合圧縮自己着火）方式および火花点火方式による燃焼を行う。

（第１の実施の形態）
（１）エンジンシステムの構成
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るエンジンシステムを示す模式図である。図１に示すように、エンジンシステム２００は、ＥＣＵ５０（Electronic Control Unit；電子制御ユニット）、エンジン１００、吸気管１１、排気管１２および排気再循環装置１３を含む。

エンジン１００はシリンダ１を有し、シリンダ１内には、ピストン２が上下動可能に設けられる。また、シリンダ１内の上部には燃焼室３が設けられる。燃焼室３は吸気ポート４および排気ポート５を介してエンジン１００の外部に連通する。燃焼室３の吸気口に開閉自在に吸気弁６が配置され、燃焼室３の排気口に開閉自在に排気弁７が配置される。吸気弁６の上端には、吸気弁６を駆動するための吸気弁駆動装置６ａが設けられる。排気弁７の上端には、排気弁７を駆動するための排気弁駆動装置７ａが設けられる。燃焼室３の上部には、燃焼室３内で火花点火を行うための点火プラグ８が設けられる。

シリンダ１には、シリンダ１内に燃料を噴射するためのインジェクタ９、シリンダ１内の混合気の燃焼時期を計測するための燃焼時期計測器１０ａおよび混合気の自己着火燃焼を検出する自己着火検出装置１０ｂが設けられる。

エンジン１００には、吸気ポート４と連通するように吸気管１１が取り付けられ、排気ポート５と連通するように排気管１２が取り付けられる。吸気管１１および排気管１２には、排気再循環装置１３が設けられる。排気再循環装置１３は、吸気管１１と排気管１２とを連通させる配管１３ａ、および配管１３ａ内に設けられた排気再循環バルブ１３ｂを有する。

エンジン１００が作動する際には、空気が吸気管１１を通して吸気ポート４からシリンダ１内に吸入される。シリンダ１内において混合気の燃焼により生じた既燃ガスは、排気ポート５から排気管１２を通して排出される。このとき、排気管１２を通る排気の少なくとも一部は、排気再循環装置１３により吸気管１１へと導かれる。排気管１２から吸気管１１へと導かれる排気の流量は、排気再循環バルブ１３ｂにより調整される。

また、吸気管１１内で配管１３ａとの合流部より上流側にスロットルバルブ１４が設けられる。図示しないアクセルを操作することにより直接的または間接的にスロットルバルブ１４の開度が調整される。それにより、空気の流量が調整される。本実施の形態においては、運転者は、アクセルの操作量（以下、アクセル開度と呼ぶ）を調節することにより要求トルクを決定することができる。したがって、エンジン１００のトルクを大きくしたい場合すなわち高負荷運転時にはアクセル開度を大きくし、エンジン１００のトルクを小さくしたい場合すなわち中低負荷運転時には、アクセル開度を小さくする。なお、本実施の形態においては、ＥＣＵ５０によってもスロットルバルブ１４の開度が調整される。

ＥＣＵ５０は、運転領域判定部５１、火花点火燃焼制御部５２、ＨＣＣＩ燃焼制御部５３、燃料性状判定部５４および記憶部５５を含む。なお、図１においては、機能的な構成を示すブロック図によりＥＣＵ５０を示している。運転領域判定部５１、火花点火燃焼制御部５２、ＨＣＣＩ燃焼制御部５３、燃料性状判定部５４および記憶部５５は、マイクロコンピュータおよびその制御プログラムにより実現されてもよく、これら各機能部の一部または全てが電子回路等のハードウェアにより実現されてもよい。

ＥＣＵ５０には、エンジン回転数センサ３１からエンジン回転数ＥＲが与えられ、アクセル開度センサ３２からアクセル開度ＡＯが与えられ、油温センサ３３から油温ＯＴが与えられ、水温センサ３４から水温ＷＴが与えられ、燃料量計測器３５から後述する図１６の燃料タンク６０６の燃料量ＦＱが与えられ、燃焼時期計測器１０ａから燃焼時期ＢＰが与えられ、自己着火検出装置１０ｂからは自己着火検出信号ＢＩが与えられる。また、ＥＣＵ５０には、図示しないスロットル開度センサからスロットル開度ＴＯが与えられる。なお、スロットル開度ＴＯとはスロットルバルブ１４の開き角度を示す。また、自己着火検出装置１０ｂは、シリンダ１内の圧力変動を検出することにより、混合気の自己着火を検出する。自己着火検出装置１０ｂの詳細は後述する。また、燃料タンク６０６の燃料量ＦＱの変化の履歴は記憶部５５に記憶される。

なお、本実施の形態においては燃焼時期計測器１０ａおよび自己着火検出装置１０ｂを設けているが、これら両方の機能を備えた一つの装置により燃焼時期の計測および自己着火の検出を行なってもよい。

ＥＣＵ５０は、吸気弁駆動装置６ａに吸気弁制御信号ＩＶを与え、排気弁駆動装置７ａに排気弁制御信号ＥＶを与え、排気再循環バルブ１３ｂに排気再循環バルブ制御信号ＥＧＲを与え、点火プラグ８に点火信号ＳＩを与え、インジェクタ９に噴射制御信号ＦＩを与え、スロットルバルブ１４にスロットルバルブ制御信号ＴＶを与える。これにより、ＥＣＵ５０は、吸気弁駆動装置６ａ、排気弁駆動装置７ａ、点火プラグ８、インジェクタ９、排気再循環バルブ１３ｂおよびスロットルバルブ１４を制御する。

（２）エンジンの動作
次に、エンジン１００の動作について説明する。本実施の形態においては、指定された負荷領域に応じてＨＣＣＩ方式による燃焼（以下、ＨＣＣＩ燃焼と呼ぶ）および火花点火方式による燃焼（以下、火花点火燃焼と呼ぶ）が選択的に行なわれるように、ＥＣＵ５０によりエンジン１００の動作が制御される。以下、火花点火燃焼、ＨＣＣＩ燃焼およびＥＣＵ５０による制御動作について説明する。

（２−１）火花点火燃焼
まず、火花点火燃焼について説明する。図２は、エンジン１００の火花点火燃焼の動作を説明するための図である。

図２（ａ）に示すように、吸気弁６が吸気口を閉塞するとともに、排気弁７が下方向にリフトし、ピストン２が略ＢＤＣ（Bottom Dead Center；下死点）から略ＴＤＣ（Top Dead Center；上死点）まで上昇する。それにより、シリンダ１内の既燃ガスが排気ポート５から排出される。以下、図２（ａ）に示す上記の行程を、排気行程と呼ぶ。

次に、図２（ｂ）に示すように、排気弁７が排気口を閉塞するとともに、吸気弁６が下方向にリフトし、ピストン２が略ＴＤＣから略ＢＤＣまで下降する。それにより、空気が吸気ポート４からシリンダ１内に吸入される。

このとき、インジェクタ９によりシリンダ１内に燃料が噴射され、空気および燃料からなる混合気が形成される。以下、図２（ｂ）に示す上記の行程を、吸気行程と呼ぶ。

ここで、火花点火燃焼においては、図２（ａ）の排気行程から図２（ｂ）の吸気行程に移行する際に、吸気弁６および排気弁７が共にリフトした状態となる期間が設けられる。このような期間を、一般的にオーバーラップ期間と呼ぶ。

次に、図２（ｃ）に示すように、吸気口および排気口が閉塞された状態で、ピストン２が上昇し、シリンダ１内の混合気が圧縮される。以下、図２（ｃ）に示す上記の行程を、圧縮行程と呼ぶ。

次に、図２（ｄ）に示すように、ピストン２がＴＤＣ近傍まで上昇し、シリンダ１内の混合気が十分に圧縮された状態で、点火プラグ８によりシリンダ１内の混合気に火花が点火される。それにより、シリンダ１内の混合気が燃焼する。その燃焼のエネルギーによりピストン２が下方向へ駆動される。以下、図２（ｄ）に示す上記の行程を、燃焼行程と呼ぶ。

ピストン２が略ＢＤＣまで下降した後、図２（ａ）の排気行程に移行し、図２（ａ）の排気行程から図２（ｄ）の燃焼行程を繰り返す。

（２−２）ＨＣＣＩ燃焼
次に、ＨＣＣＩ燃焼について説明する。図３は、エンジン１００のＨＣＣＩ燃焼の動作を説明するための図である。

図３（ａ）に示すように、吸気弁６が吸気口を閉塞するとともに、排気弁７が下方向にリフトし、ピストン２が略ＢＤＣから上昇する。それにより、シリンダ１内の既燃ガスが排気ポート５から排出される。図３（ａ）に示す行程は、図２（ａ）に示す行程と同様に、排気行程と呼ぶ。

ここで、ＨＣＣＩ燃焼においては、図３（ｂ）に示すように、ピストン２がシリンダ１のＴＤＣまで上昇する前、すなわち、シリンダ１内に既燃ガスが残留した状態で、排気弁７が排気口を閉塞する。このため、ピストン２が略ＴＤＣまで上昇することにより、シリンダ１内の既燃ガスが圧縮される。

このとき、インジェクタ９によりシリンダ１内の既燃ガス中に燃料が噴射される。シリンダ１内の既燃ガスはピストン２により圧縮されているので、高温高圧の状態である。それにより、既燃ガス中に噴射された燃料は、高温高圧のもとで反応が進み、反応性が高い状態に改質される。以下、図３（ｂ）に示すように、排気行程後に吸気口および排気口が共に閉塞される上記の期間を、密閉期間と呼ぶ。また、密閉期間における燃料の反応を、燃料の予反応と呼ぶ。

次に、図３（ｃ）に示すように、ピストン２が略ＴＤＣから下降するとともに、吸気弁６が下方向にリフトする。このため、吸気が吸気ポート４からシリンダ１内に吸入される。ここで、吸気は、吸気管１１を通して吸気ポート４に導かれた空気、および排気管１２から配管１３ａを介して吸気管１１内へ導かれた排気（以下、再循環排気と呼ぶ）を含む。それにより、シリンダ１内において空気および燃料からなる混合気が形成される。図３（ｃ）に示す行程は、図２（ｂ）に示す行程と同様に、吸気行程と呼ぶ。その後、ピストン２が略ＢＤＣまで下降し、吸気弁６は吸気口を閉塞する。

次に、図３（ｄ）に示すように、吸気口および排気口が閉塞された状態で、ピストン２が上昇し、シリンダ１内の混合気が圧縮される。図３（ｄ）に示す行程は、図２（ｃ）に示す行程と同様に、圧縮行程と呼ぶ。

次に、図３（ｅ）に示すように、ピストン２がＴＤＣ近傍まで上昇し、シリンダ１内の混合気が十分に圧縮されたときに、混合気に自己着火が起こる。このとき、自己着火は燃焼室３内の複数の箇所においてほぼ同時に起こる。それにより、燃焼室３内の混合気は瞬時に燃焼する。その燃焼のエネルギーによりピストン２が下方向へ駆動される。図３（ｅ）に示す行程は、図２（ｄ）に示す行程と同様に、燃焼行程と呼ぶ。

特に、本例では、図３（ｂ）の密閉期間が設けられるので、燃焼後の高温の状態である既燃ガスがシリンダ１内に残留する。それにより、シリンダ１内の混合気の温度が火花点火燃焼の場合と比べて高温になる。さらに、密閉期間において、シリンダ１内の燃料は反応性の高い状態に改質されている。これらの結果、図３（ｅ）の燃焼行程において容易に自己着火が起こる。

ピストン２が略ＢＤＣまで下降した後、図３（ａ）の排気行程に移行し、図３（ａ）の排気行程から図３（ｅ）の燃焼行程を繰り返す。

このように、ＨＣＣＩ燃焼では、上記の火花点火燃焼とは異なり、図３（ａ）の排気行程と図３（ｃ）の吸気行程との間に、吸気口および排気口が共に閉塞される図３（ｂ）の密閉期間が設けられる。

火花点火燃焼においては、図２（ｂ）の吸気行程において、吸気ポート４からシリンダ１内に空気が吸入されるとともに、インジェクタ９によりシリンダ１内に燃料が噴射され、空気および燃料からなる混合気が形成される。それに対し、ＨＣＣＩ燃焼においては、図３（ｂ）の密閉期間でインジェクタ９によりシリンダ１内に燃料が噴射された後、図３（ｃ）の吸気行程で空気および再循環排気を含む吸気がシリンダ１内に吸入される。それにより、シリンダ１内においては、空気および燃料からなる混合気と、再循環排気と、既燃ガスとが混在する状態となる。

（２−３）火花点火燃焼およびＨＣＣＩ燃焼時の弁リフト
図４は、図２の火花点火燃焼および図３のＨＣＣＩ燃焼の各行程における吸気弁６および排気弁７の弁リフト量を示した図である。図４（ａ）は、ＨＣＣＩ燃焼における弁リフト量の最大値と火花点火燃焼における弁リフト量の最大値とが等しくなる場合を示し、図４（ｂ）は、ＨＣＣＩ燃焼における弁リフト量の最大値と火花点火燃焼における弁リフト量の最大値とが異なる場合を示す。

図４において、縦軸は弁リフト量を示し、横軸はクランク角度を示す。曲線ａ１は、火花点火燃焼における排気弁７の弁リフト量を示し、曲線ａ２は、火花点火燃焼における吸気弁６の弁リフト量を示す。曲線ｂ１は、ＨＣＣＩ燃焼における排気弁７の弁リフト量を示し、曲線ｂ２は、ＨＣＣＩ燃焼における吸気弁６の弁リフト量を示す。

また、図４において、火花点火燃焼における各行程の期間を実線の矢印で示し、ＨＣＣＩ燃焼における各行程の期間を点線の矢印で示す。

図４（ａ）に示すように、火花点火燃焼においては、排気行程と吸気行程との間に、吸気弁６および排気弁７のリフト量が共に０となる密閉期間がなく、排気弁７のリフト量が０になる前に、吸気弁６のリフト量が正の値になる。すなわち、ＴＤＣ近傍において吸気弁６および排気弁７のリフト量が共に正の値となる。

ＨＣＣＩ燃焼においては、排気行程において排気弁７のリフト量が正の値となり、吸気行程において吸気弁６のリフト量が正の値となる。排気行程と吸気行程との間の密閉期間においては、吸気弁６および排気弁７のリフト量が０となる。

吸気行程後の圧縮行程においては、吸気弁６および排気弁７のリフト量が共に０となり、ＴＤＣ近傍において、燃焼行程に移行する。

図４（ｂ）に示す例では、ＨＣＣＩ燃焼における弁リフト量が火花点火燃焼における弁リフト量と比べて小さくなるように吸気弁６および排気弁７が駆動される。

この場合、エンジン１００がＨＣＣＩ燃焼を行う中低負荷運転時には、エンジン１００が火花点火燃焼を行う高負荷運転時と比べて、シリンダ１内に吸入される吸気の量、およびシリンダ１から排出される排気の量が減少する。

エンジン１００の負荷に応じて弁リフト量を切り替える装置としては、例えば、カムノーズの長さが異なる高負荷用および低負荷用の２種類のカムを負荷に応じて切り替えるカム切り替え機構、または電磁力により吸気弁６および排気弁７の開閉を制御する電磁駆動弁等が用いられる。

（２−４）ＥＣＵによる制御動作
次に、図１のＥＣＵ５０の制御動作について説明する。

図５は、ＥＣＵ５０の制御動作を示すフローチャートである。

まず、図５に示すように、ＥＣＵ５０が運転情報を取得する（ステップＳ１）。ここで、運転情報とは、エンジンシステム２００の動作状態に関する情報であり、例えば、アクセル開度ＡＯ、エンジン回転数ＥＲ、油温ＯＴ、水温ＷＴ、噴射制御信号ＦＩ、燃料量ＦＱ、スロットル開度ＴＯ、吸気弁６および排気弁７の開閉タイミング、ならびに排気再循環バルブの開度等を含む。

次に、ＥＣＵ５０の運転領域判定部５１は、ステップＳ１で取得されたアクセル開度ＡＯが、指定範囲内であるか否かを判定する（ステップＳ２）。なお、ステップＳ２で用いられる指定範囲は、後述する燃料性状判定処理において決定される燃料の自己着火レベルに基づいて変化する。

アクセル開度ＡＯが指定範囲内の場合、ＥＣＵ５０のＨＣＣＩ燃焼制御部５３がＨＣＣＩ燃焼処理を行う（ステップＳ３）。その後、ステップＳ１に戻る。

ステップＳ２において、アクセル開度ＡＯが指定範囲外の場合、ＥＣＵ５０の火花点火燃焼制御部５２が火花点火燃焼処理を行う（ステップＳ４）。この場合、通常の理論空燃比による火花点火燃焼の制御が行われる。次いで、ＥＣＵ５０の燃料性状判定部５４が燃料性状判定処理を行う（ステップＳ５）。その後、ステップＳ１に戻る。

また、本実施の形態においては、ステップＳ５の燃料性状判定処理において、所定期間ごとに燃料の自己着火性のレベル（自己着火レベル）を決定し、その自己着火レベルに基づいてＨＣＣＩ燃焼を行うべき運転領域（負荷領域）を変更する。以下、ＨＣＣＩ燃焼処理および燃料性状判定処理についてさらに詳細に説明する。

（ａ）ＨＣＣＩ燃焼処理の詳細
図６は、図５のステップＳ３に示されるＨＣＣＩ燃焼処理の詳細を示すフローチャートである。

図６に示すように、ＨＣＣＩ燃焼制御部５３（図１参照）は、図５のステップＳ１で取得した運転情報に基づいて目標燃焼時期を決定する。（ステップＳ１１）。なお、目標燃焼時期とは、取得した運転情報に基づいて自己着火燃焼を行う場合に、熱効率および燃焼の安定性が最も向上する着火時期のことである。目標燃焼時期は、ＴＤＣ近傍である。

次に、ＨＣＣＩ燃焼制御部５３は、図５のステップＳ１で取得した運転情報に基づいて燃料噴射量および空気量を決定する（ステップＳ１２）。なお、空気量は、混合気の空燃比が理論空燃比（約１４．５：１）となるように決定される。

次に、ＨＣＣＩ燃焼制御部５３は、ステップＳ１１で決定した目標燃焼時期およびステップＳ１２で決定した空気量に基づいて既燃ガス量および再循環排気量を決定する（ステップＳ１３）。なお、この処理においては、既燃ガス量および再循環排気量を調整することにより、シリンダ１内の温度を調整することができる。詳細は後述する。

次に、ＨＣＣＩ燃焼制御部５３は、１サイクル前の処理において補正係数が算出されたか否かを判別する（ステップＳ１４）。なお、補正係数は、後述するステップＳ２０の処理において算出される。

補正係数が算出されている場合、ＨＣＣＩ燃焼制御部５３は、ステップＳ１３で決定された既燃ガス量および再循環排気量に補正係数を乗算する（ステップＳ１５）。

次に、ＨＣＣＩ燃焼制御部５３は、ステップＳ１２で決定された燃料噴射量および空気量ならびにステップＳ１５で算出された既燃ガス量および再循環排気量に基づいて、吸気弁６の開閉タイミング、排気弁７の開閉タイミング、排気再循環バルブ１３ｂの開度、およびスロットルバルブ１４の開度を決定する（ステップＳ１６）。なお、ステップＳ１４において補正係数が算出されていない場合は、ステップＳ１２で決定された燃料噴射量および空気量ならびにステップＳ１３で決定された既燃ガス量および再循環排気量に基づいて、吸気弁６の開閉タイミング、排気弁７の開閉タイミング、排気再循環バルブ１３ｂの開度、およびスロットルバルブ１４の開度を決定する。

次に、ＨＣＣＩ燃焼制御部５３は、ステップＳ１６で決定された吸気弁６の開閉タイミング、排気弁７の開閉タイミング、排気再循環バルブ１３ｂの開度、およびスロットルバルブ１４の開度に基づいて混合気を自己着火燃焼させるとともに、燃焼時期計測器１０ａから実際の燃焼時期ＢＰを取得する（ステップＳ１７）。

次に、ＨＣＣＩ燃焼制御部５３は、ステップＳ１１で決定した目標燃焼時期とステップＳ１６で取得した燃焼時期ＢＰとの誤差を算出する（ステップＳ１８）。次に、ＨＣＣＩ燃焼制御部５３は、ステップＳ１８で算出された誤差が予め設定されたしきい値以上か否かを判別する（ステップＳ１９）。

誤差がしきい値以上の場合、ＨＣＣＩ燃焼制御部５３は、再循環排気量および既燃ガス量に対する補正係数を算出する（ステップＳ２０）。その後、ＨＣＣＩ燃焼制御部５３は図５のステップＳ１に戻る。

なお、再循環排気量および既燃ガス量に対する補正係数は、目標燃焼時期と実際の燃焼時期ＢＰとの誤差が小さくなるように算出される。具体的には、燃焼時期ＢＰが目標燃焼時期よりも遅い場合には、再循環排気に対する既燃ガスの割合を大きくし、燃焼時期ＢＰが目標燃焼時期よりも早い場合には、既燃ガスに対する再循環排気の割合を大きくするように補正係数を算出する。

ステップＳ１８において誤差がしきい値より小さい場合、ＨＣＣＩ燃焼制御部５３は、補正係数を算出することなく図５のステップＳ１に戻る。

ここで、燃焼時期は、シリンダ１内の温度に依存し、シリンダ１内の温度が高くなると燃焼時期が早くなる。

シリンダ１内に残留する既燃ガスは、燃焼直後の高温の状態にある。一方、吸気ポート４からシリンダ１内に吸入される吸気は、吸気管１１を通して吸気ポート４からシリンダ１内に吸入される空気、および排気再循環装置１３を通してシリンダ１内に吸入される再循環排気を含む。排気は、燃焼行程から所定の時間が経過したものであるので、既燃ガスよりも低温となる。

本実施の形態においては、空気量、既燃ガス量および再循環排気量との割合を調整することにより、シリンダ１内の温度を調整することが可能となる。空気量は、混合気が理論空燃比になるように決定され、決定された空気量に対して既燃ガス量および再循環排気量がそれぞれ最適となるように吸気弁６、排気弁７、排気再循環バルブ１３ｂおよびスロットルバルブ１４を制御することにより、シリンダ１内の温度を調整することができる。その結果、シリンダ１内における燃焼時期を調整することができる。

なお、シリンダ１内に残留する既燃ガスの温度を検出するための温度センサ、およびシリンダ１内に導入される吸気の温度を検出するための温度センサを所定の位置に設けてもよい。この場合、ＥＣＵ５０は、温度センサにより検出された温度に基づいて既燃ガス量と吸気量との割合を決定することができる。それにより、シリンダ１内の温度をより正確に調整することができる。

また、吸気管１１からシリンダ１内に吸入される空気の温度を検出するための温度センサと、排気再循環装置１３によりシリンダ１内に吸入される排気の温度を検出するための温度センサと別々に設けてもよい。この場合、シリンダ１内の温度をさらに正確に調整することができる。

（ｂ）燃料性状判定処理
図７および図８は、図５のステップＳ５に示される燃料性状判定処理の詳細を示すフローチャートである。

図７に示すように、燃料性状判定処理においては、まず、燃料性状判定部５４（図１参照）は、燃料タンク６０６（図１６参照）に燃料が補給された後、自己着火レベルが決定されたか否かを判別する（ステップＳ５１）。自己着火レベルが決定されている場合、燃料性状判定部５４は、自己着火レベルが決定されてから所定時間経過したか否かを判別する（ステップＳ５２）。

ステップＳ５１において自己着火レベルが決定されていない場合、またはステップＳ５２において所定時間経過している場合、燃料性状判定部５４は、アクセル開度ＡＯがしきい値以上か否かを判別する（ステップＳ５３）。このステップＳ５３の処理では、エンジン１００の運転領域が高負荷領域であるか否かを判定している。ステップＳ５３におけるしきい値は任意に設定することができ、より高負荷領域で燃料性状の判定を行いたい場合には、しきい値を大きく設定すればよい。より高負荷領域で燃料性状判定処理を行うことにより、燃料性状の判定をより正確に行うことができる。

アクセル開度ＡＯがしきい値以上の場合、燃料性状判定部５４は、アクセル開度ＡＯの変化率がしきい値以下か否かを判別する（ステップＳ５４）。なお、アクセル開度ＡＯの変化率とは、所定時間当たりのアクセル開度ＡＯの変化量のことである。このステップＳ５４の処理では、エンジン１００の動作状態が安定しているか否かを判定している。

アクセル開度ＡＯの変化率がしきい値以下の場合、すなわちエンジン１００の動作状態が安定している場合、燃料性状判定部５４は、点火時期がしきい値以上か否かを判別する（ステップＳ５５）。なお、ステップＳ５５においてしきい値以上とは、点火時期がしきい値より遅角側であることを意味する。ステップＳ５５における点火時期は、図５のステップＳ１において取得された運転情報に基づいて決定される。また、しきい値は任意に設定することができ、例えば、エンジン１００において失火が発生する限界の点火時期をしきい値とする。

点火時期がしきい値以上の場合、すなわち点火時期がしきい値より遅角側である場合、燃料性状判定部５４は、点火時期を進角させる（ステップＳ５６）。なお、進角させる量は任意に設定することができ、例えば１度（クランク角度）である。

次に、燃料性状判定部５４は、自己着火検出装置１０ｂによって自己着火が検出されたか否かを判別する（ステップＳ５７）。自己着火が検出された場合、燃料性状判定部５４は、現在の点火時期を記憶部５５（図１参照）に記憶する（ステップＳ５８）。

次に、燃料性状判定部５４は、ステップＳ５７において記憶部５５に記憶された点火時期に基づいて、燃料の自己着火レベルを決定する（ステップＳ５９）。次いで、燃料性状判定部５４は、決定された自己着火レベルに基づいて図５のステップＳ２の処理で用いられる指定範囲を設定する（ステップＳ６０）。これにより燃料性状判定処理が終了し、図５のステップＳ１の処理に戻る。

なお、ステップＳ５９で決定される燃料の自己着火レベルは、ステップＳ５８で記憶される点火時期が進角側であるほど低く設定され、点火時期が遅角側であるほど高く設定される。すなわち、点火時期が進角側であるほど、燃料の自己着火性が悪い（自己着火レベルが低い）と判定し、点火時期が遅角側であるほど、燃料の自己着火性が良い（自己着火レベルが高い）と判定する。

また、ステップＳ２で用いられる指定範囲は、自己着火レベルが高いほど広く設定され、自己着火レベルが低いほど狭く設定される。これにより、燃料の自己着火性が良い場合には、ＨＣＣＩ燃焼が行われる運転領域が広くなり、燃料の自己着火性が悪い場合は、火花点火燃焼が行われる運転領域が広くなるようにエンジン１００の動作を制御することが可能になる。

ステップＳ５７において、自己着火が検出されていない場合、図８に示すように、燃料性状判定部５４は、エンジン１００の実トルクと要求トルクとの差の絶対値がしきい値以上か否かを判別する（ステップＳ６１）。なお、エンジン１００の実トルクとは、図示しないトルクセンサによって実際に測定されるエンジン１００のトルクのことであり、要求トルクとは、上述したように運転者のアクセルの操作量によって決定されるトルクのことである。

実トルクと要求トルクとの差の絶対値がしきい値以上の場合、燃料性状判定部５４は、実トルクと要求トルクとの差の絶対値がしきい値より小さくなるようにスロットル開度ＴＯおよび燃料噴射量を調整する（ステップＳ６１）。この処理を設けることにより、エンジン１００は要求トルクと同等のトルクを維持することができる。

なお、ステップＳ６１の処理においてはスロットル開度ＴＯおよび燃料噴射量を調整しているが、例えば、エンジン回転数ＥＲ、油温ＯＴ、水温ＷＴ、燃料量ＦＱ、吸気弁６および排気弁７の開閉タイミング、ならびに排気再循環バルブの開度等の他の要素のいずれかまたは複数を制御することにより、実トルクと要求トルクとの差の絶対値がしきい値より小さくなるようにエンジンシステム２００の動作状態を変更してもよい。

次に、燃料性状判定部５４は、スロットル開度ＴＯがしきい値以上か否かを判別する（ステップＳ６３）。スロットル開度がしきい値以上の場合、燃料性状判定部５４は、自己着火レベルを決定することなく燃料性状判処理を終了し、図５のステップＳ１に戻る。

ステップＳ６３においてスロットル開度ＴＯがしきい値より小さい場合、燃料性状判定部５４はステップＳ６１の処理に戻る。なお、ステップＳ６３の処理は、スロットルバルブが大きく開き過ぎることを防止するために設けられた処理であり、しきい値は任意に設定することができる。

ステップＳ６１において実トルクと要求トルクとの差の絶対値がしきい値より小さい場合、燃料性状判定部５４は図７のステップＳ５５の処理に戻る。

図７のステップＳ５２において所定時間経過していない場合、ステップＳ５４においてアクセル開度ＡＯの変化率がしきい値以上の場合、またはステップＳ５５において点火時期がしきい値より小さい場合（点火時期がしきい値より進角側である場合）、燃料性状判定部５４は自己着火レベルを決定することなく燃料性状判定処理を終了し、図５のステップＳ１の処理に戻る。

（２−５）理論空燃比の設定
上記のように、本実施の形態では、ＨＣＣＩ燃焼においてシリンダ１内の空燃比が理論空燃比となるようにステップＳ１２でシリンダ１内の空気量を決定している。この理由について以下に説明する。

まず、ＨＣＣＩ燃焼を行う場合の熱効率と密閉期間におけるシリンダ１内の酸素濃度との関係について説明する。

図９は、密閉期間における酸素濃度と熱発生量との関係を示す図である。図９において、横軸はシリンダ１内の既燃ガス中の酸素濃度を示し、縦軸は密閉期間中の熱発生量を示す。

密閉期間においては、図３（ｂ）に示したように、密閉されたシリンダ１内において燃料の予反応が起こる。これにより、シリンダ１内には反応熱が発生する。また、シリンダ１内の酸素濃度が上昇することにより、燃料の予反応が進みやすくなる。したがって、図９に示すように、酸素濃度の上昇に伴い、燃料の予反応による熱発生量は増加する。

図１０は、クランク角度とシリンダ１内の圧力との関係を示す図である。

密閉期間、圧縮行程および燃焼行程においては、図３（ｂ）、（ｄ）、（ｅ）および図４に示したように、吸気弁６および排気弁７のリフト量が０となり、シリンダ１の吸気ポート４および排気ポート５が閉塞される。シリンダ１内の気体はピストン２により圧縮されるので、図１０に示すように、密閉期間、圧縮行程および燃焼行程において、シリンダ１内の圧力は高くなる。

また、図３に示すように、図３（ａ）の排気行程から図３（ｂ）の密閉期間へ移行する際のピストン２の位置は、図３（ｃ）の吸気行程から図３（ｄ）の圧縮行程へ移行する際のピストン２の位置よりもＴＤＣに近い状態にある。これにより、密閉期間におけるシリンダ１内の圧力は、圧縮行程および燃焼行程（以下、圧縮燃焼行程と呼ぶ）におけるシリンダ１内の圧力よりも小さくなる。すなわち、密閉期間におけるシリンダ１内の実圧縮比は、圧縮燃焼行程におけるシリンダ１内の実圧縮比よりも小さくなる。ここで、実圧縮比とは、密閉期間または圧縮行程へ移行するときにシリンダ１内でピストン２の上方に形成される空間の容積と、ピストン２がＴＤＣに位置するときにシリンダ１内でピストン２の上方に形成される空間の容積（燃焼室３の容積）との比である。

実圧縮比が小さくなることにより熱効率は低下するので、密閉行程の熱効率は、圧縮燃焼行程の熱効率より低くなる。

図１１は、密閉期間中の熱発生量とＨＣＣＩ燃焼における熱効率との関係を示す図である。

シリンダ１内では、密閉期間における燃料の予反応、および燃焼行程における混合気の燃焼により、熱が発生する。この熱により、ピストン２が駆動される。すなわち、シリンダ１内に噴射される燃料が、予反応および燃焼反応により熱エネルギーに変換され、この熱エネルギーが、ピストン２に対して仕事を行う。このとき、シリンダ１内の熱効率が高いほど、ピストン２に対してより大きな仕事を行うことができる。すなわち、エンジン１００の熱効率が高いほど、ピストン２は、より大きい駆動力を得ることができる。

上記のように、圧縮燃焼行程の熱効率は密閉行程の熱効率より高いため、ピストン２は、圧縮燃焼行程において、熱エネルギーからより効率良く駆動力を得ることができる。

また、燃料から得られる熱エネルギーは一定であるため、予反応による熱発生量と燃焼による熱発生量との和は一定となる。

したがって、図１１に示すように、密閉期間中の熱発生量が増加することにより、密閉期間および圧縮燃焼行程を含むＨＣＣＩ燃焼全体における熱効率は低下する。

図９に示したように、密閉期間中の熱発生量は、酸素濃度の上昇に伴い増加する。したがって、ＨＣＣＩ燃焼における熱効率は、密閉期間中の酸素濃度の上昇に伴い低下する。

本実施の形態においては、圧縮燃焼行程におけるシリンダ１内の空燃比は理論空燃比となるように設定される。この場合、空気中の酸素は燃焼によりほぼ全て消費される。それにより、密閉期間においてシリンダ１内に残留する既燃ガス中の酸素濃度はほぼ０となる。したがって、ＨＣＣＩ燃焼における熱効率の低下を防止することができる。

（２−６）ＨＣＣＩ燃焼による運転領域
次に、本実施の形態におけるＨＣＣＩ燃焼による運転領域について説明する。

図１２はエンジン１００のＨＣＣＩ燃焼による運転領域および火花点火燃焼による運転領域を示す図である。図１２において、横軸はエンジン回転数を示し、縦軸はエンジン１００の負荷を示す。

実線Ｈ１と実線Ｈ２とに囲まれた領域は、希薄化された混合気を用いる従来のＨＣＣＩ燃焼による運転領域を示し、点線Ｈ３と実線Ｈ２とに囲まれた領域は本実施の形態におけるＨＣＣＩ燃焼による運転領域を示す。また、実線Ｓ内のＨＣＣＩ燃焼による運転領域を除く領域は、火花点火燃焼による運転領域を示す。

図１２に示すように、従来のＨＣＣＩ燃焼による運転は、エンジン回転数が所定値より低い領域において、一部の低負荷領域を除く中低負荷領域で行われる。これに対して、本実施の形態では、点線Ｈ３で示すように、ＨＣＣＩ燃焼による運転領域を拡大することができる。この理由について以下に説明する。

図１３はエンジン１００の負荷とシリンダ１内の最高温度との関係を示す図である。図１４は、エンジン１００の負荷と生成されるＮＯ_Xとの関係を示す図である。

図１３に示すように、エンジン１００の負荷が増加すると、シリンダ１内の最高温度が上昇する。この理由の１つとしては、次のことが考えられる。エンジン１００の負荷は、エンジン回転数の上昇に伴い増加する。それにより、混合気の燃焼回数が増加し、燃焼反応による熱がシリンダ１内に蓄積される。

混合気の燃焼により生成されるＮＯ_Xの量は、シリンダ１内の燃焼温度に依存する。これにより、図１４に示すように、エンジン１００の負荷が増加すると、生成されるＮＯ_Xの濃度が上昇する。

そこで、混合気の燃焼により生成されるＮＯ_Xを低減させるために、例えば、三元触媒が用いられる。三元触媒は、例えば、白金およびロジウムを含み、排気中の還元作用が促進されるように作用する。それにより、排気中に含まれる、ＣＯ（一酸化炭素）またはＨＣ（炭化水素）がＮＯ_Xを還元することにより、ＮＯ_Xは無害なＮ₂（窒素ガス）に変化し、ＣＯまたはＨＣは無害なＣＯ₂（二酸化炭素）またはＨ₂Ｏ（水）に変化する。

三元触媒は、排気管１２の所定の位置に取り付けられ、シリンダ１から排出された排気が、排気管１２を通して三元触媒に導かれる。これにより、排気に含まれるＮＯ_Xの還元が三元触媒により促進される。

ここで、ＮＯ_Xの還元は、ＮＯ_X中の酸素原子の移動により進行するため、排気中に酸素が含まれる場合には、ＮＯ_X中の酸素原子の移動が阻害される。それにより、三元触媒の効果が低減される。

従来のＨＣＣＩ燃焼は酸素濃度が高い希薄化された混合気で行われるので、三元触媒の効果を得ることができない。したがって、従来のＨＣＣＩ燃焼はＮＯ_Xの濃度が低い中低負荷領域およびエンジン回転数が低い領域において行われる。

これに対して、本実施の形態では、図６で説明したように、圧縮燃焼行程におけるシリンダ１内の空燃比が理論空燃比に設定される。この場合、混合気中の酸素は燃焼反応によりほぼ全て消費される。したがって、排気中の酸素濃度がほぼ０となるので、三元触媒を用いることにより、排気中のＮＯ_Xを低減することが可能となる。その結果、図１２の点線Ｈ３で示すように、ＨＣＣＩ燃焼による運転領域を拡大することが可能となる。

なお、通常の火花点火燃焼においては、混合気の空燃比は理論空燃比に設定されるので、発生したＮＯ_Xは三元触媒を用いることにより低減される。

また、本実施の形態においては、図７および図８で説明した燃料性状判定処理において判定された燃料の自己着火レベルに基づいて、ＨＣＣＩ燃焼および火花点火燃焼を行う運転領域を調整することができる。例えば、燃料の自己着火レベルが高い場合、すなわち燃料の自己着火性が良い場合には、図１２の点線Ｈ３が矢印Ａ１で示す方向（高負荷および高回転側）に移動するとともに実線Ｈ２が矢印Ａ３で示す方向（低負荷および低回転側）に移動し、燃料の自己着火レベルが低い場合、すなわち燃料の自己着火性が悪い場合には、図１２の点線Ｈ３が矢印Ａ２で示す方向（低負荷および低回転側）に移動するとともに実線Ｈ２が矢印Ａ４に示す方向（高負荷および高回転側）に移動する。

つまり、燃料の自己着火性が良い場合には、ＨＣＣＩ燃焼による運転領域が拡大し、燃料の自己着火性が悪い場合には、ＨＣＣＩ燃焼による運転領域が縮小するようにエンジン１００の動作が制御される。このように、燃料の自己着火性に応じてＨＣＣＩ燃焼および火花点火燃焼による運転領域を調整することができるので、エンジン１００において失火等の不整燃焼が発生することを防止することができる。それにより、有害な排気の発生を防止することができる。

（３）第１の実施の形態の効果
第１の実施の形態に係るエンジンシステム２００においては、負荷に応じてＨＣＣＩ燃焼による運転と火花点火燃焼による運転とが切り替えられる。ＨＣＣＩ燃焼においては、ＥＣＵ５０が運転情報に基づいて目標燃焼時期を算出し、実際の燃焼時期ＢＰと比較する。目標燃焼時期と燃焼時期ＢＰとの誤差がしきい値以上の場合は、その誤差が小さくなるように、ＥＣＵ５０が吸気弁駆動装置６ａ、排気弁駆動装置７ａ、排気再循環バルブ１３ｂおよびスロットルバルブ１４を制御する。それにより、既燃ガス量と再循環排気量との割合が調整され、シリンダ１内の温度が調整される。したがって、ＨＣＣＩ燃焼における最適な燃焼時期を得ることができる。その結果、熱効率が向上されるとともに、安定したＨＣＣＩ燃焼を行うことができる。

また、ＨＣＣＩ燃焼による運転において、圧縮燃焼行程におけるシリンダ１内の空燃比が理論空燃比となるように設定される。この場合、混合気中の酸素は燃焼によりほぼ全て消費される。それにより、密閉期間においてシリンダ１内に残留する既燃ガス中の酸素濃度がほぼ０となる。したがって、ＨＣＣＩ燃焼における熱効率の低下を防止することができる。

また、理論空燃比でＨＣＣＩ燃焼を行うことにより、シリンダ１から排出される排気中の酸素濃度がほぼ０となる。したがって、三元触媒を用いることにより、排気中のＮＯ_Xを低減することができる。その結果、ＨＣＣＩ燃焼による運転領域を拡大することが可能となる。

また、燃料の自己着火性を判定するとともに、その判定結果に基づいてＨＣＣＩ燃焼および火花点火燃焼による運転領域を調整することができるので、エンジン１００の燃焼状態を安定させることができる。

また、火花点火燃焼による運転領域において燃料性状判定処理を行うので、自己着火性の判定時に失火等の不整燃焼が発生することを防止することができる。それにより、有害な排気の発生を防止することができる。

また、燃料の自己着火性の判定は高負荷運転時に行われるので、失火等の不整燃焼が発生することを確実に防止することができる。それにより、混合気の自己着火を確実に検出することができ、誤判定を防止することができる。

また、所定時間ごとに燃料の自己着火性を判定し、その判定結果を所定期間記憶するので、燃料性状判定処理に伴うＥＣＵ５０の負担を低減することができる。

また、燃料が補給されるごとに燃料の自己着火性を判定するので、新たに燃料が補給されることにより燃料の性状が変化しても、燃料の自己着火性を正確に求めることができる。

また、本実施の形態においては、空気と再循環排気とがシリンダ１内に同時に吸入される。通常、空気量は吸気弁駆動装置６ａおよびスロットルバルブ１４により調整されるが、本実施の形態の場合、さらに、排気再循環バルブ１３ｂにより再循環排気の流量を調整することによって、再循環排気量に対する空気量の割合をより正確に調整することができる。

（第２の実施の形態）
第２の実施の形態に係るエンジンシステム２００が第１の実施の形態に係るエンジンシステム２００と異なるのは以下の点である。

図１５は、ＥＣＵ５０によるＨＣＣＩ燃焼処理の詳細を示すフローチャートである。

図１５に示すように、ＨＣＣＩ燃焼制御部５３は、図５のステップＳ１で取得した運転情報に基づいて、燃料噴射量を決定する（ステップＳ２１）。

次に、ＨＣＣＩ燃焼制御部５３は、ステップＳ２１で決定された燃料噴射量に基づいて、混合気の空燃比が理論空燃比（約１４．５：１）となるように吸気管１１を通して吸気ポート４に導かれる空気の量を決定する（ステップＳ２２）。

次に、ＨＣＣＩ燃焼制御部５３は、図５のステップＳ１で取得した運転情報に基づいて、目標圧縮条件を決定する（ステップＳ２３）。ここで、目標圧縮条件とは、取得した運転情報に基づいて自己着火燃焼を行う場合に、熱効率および燃焼の安定性が最も向上するシリンダ１内の圧縮条件である。圧縮条件とは、例えば、シリンダ１内の温度である。

次に、ＨＣＣＩ燃焼制御部５３は、ステップＳ２３で決定した目標圧縮条件に基づいて再循環排気量および既燃ガス量を決定する（ステップＳ２４）。

次に、ＨＣＣＩ燃焼制御部５３は、ステップＳ２２で決定した空気量、ステップＳ２４で決定した再循環排気量および既燃ガス量を確保するように、吸気弁駆動装置６ａ、排気弁駆動装置７ａ、排気再循環バルブ１３ｂおよびスロットルバルブ１４を制御することより、吸気弁６の開閉タイミング、排気弁７の開閉タイミング、排気再循環バルブ１３ｂの開度、およびスロットルバルブ１４の開度を補正する（ステップＳ２５）。

上記のように、第２の実施の形態においては、既燃ガス量と再循環排気量との割合を調整することにより、シリンダ１内の温度を調整する。これにより、第１の実施の形態と同様に、シリンダ１内における燃焼時期を調整することができる。

また、第２の実施の形態においては、第１の実施の形態における燃焼時期計測器１０のように、シリンダ１内の状態を計測するための計測器を設けることなく、図１５のステップＳ２３において決定された目標圧縮条件に基づいて、吸気弁駆動装置６ａ、排気弁駆動装置７ａ、排気再循環バルブ１３ｂおよびスロットルバルブ１４が制御される。これにより、ＥＣＵ５０ａによる制御動作が簡略化される。また、シリンダ１内の状態を計測するための計測器を設ける必要がないので、シリンダ１周辺の構造が複雑化しない。

（自己着火検出装置）
以下、上記第１および第２の実施の形態に係るエンジンシステム２００において用いることができる自己着火検出装置１０ｂについて説明する。

自己着火検出装置１０ｂとしては、例えば、ノックセンサ、シリンダ１内の圧力を検出することができる圧力センサ、またはシリンダヘッドとシリンダボディとを固定するシリンダボルトの座面の応力を検出することができる応力センサ等を用いることができる。

ノックセンサとしては、共振形センサおよび非共振形センサ等の一般的なノックセンサを用いることができる。この場合、ノックセンサによってシリンダ１内の圧力振動の変動を検出することができる。それにより、混合気の自己着火を検出することができる。また、ノックセンサは火花点火式のエンジンで一般的に用いられているので、新たな構成要素を追加することなく自己着火を検出することができる。それにより、製造コストおよび製造工程の増加を防止することができる。

自己着火検出装置１０ｂとして圧力センサを用いる場合、圧力センサは、例えば、シリンダ１内の圧力を直接検出できるようにシリンダヘッド等に取り付ける（図示せず）。この場合、わずかな圧力変動を検出することが可能になるので、混合気の自己着火を確実に検出することができる。また、混合気の自己着火を早期に検出することができるので、燃料性状判定処理時の騒音および振動を低減することができる。

自己着火検出装置１０ｂとして応力センサを用いる場合、例えば、歪ゲージをシリンダボルトの座面に取り付け（図示せず）、歪ゲージの検出信号に基づいてシリンダボルトの座面の応力変動を検出する。燃料が自己着火することによりシリンダ１内の圧力が上昇すると、シリンダボルトに引張応力が発生し、シリンダボルトの軸力が増加する。この軸力の増加を、シリンダボルトの座面の応力変動により検出することができる。すなわち、シリンダボルトの座面の応力変動を検出することにより、混合気の自己着火を検出することができる。

このような構成においては、応力センサの検出値とシリンダ１内の圧力との相関が大きくなるので、わずかな圧力変動を検出することが可能になる。それにより、混合気の自己着火を確実に検出することができる。また、混合気の自己着火を早期に検出することができるので、燃料性状判定処理時の騒音および振動を低減することができる。また、高温高圧の燃焼ガスと接触することなくシリンダ１内の圧力変動を検出することができるので、自己着火検出装置１０ｂの耐久性が向上する。したがって、自己着火検出装置１０ｂの耐久性を向上させるためのコスト増加を低減することができる。

（車両全体の構成）
図１６は、上記第１または第２の実施の形態に係るエンジンシステム２００を備えた自動二輪車の模式図である。

この自動二輪車６００においては、本体フレーム６０１の前端にヘッドパイプ６０２が設けられる。ヘッドパイプ６０２にフロントフォーク６０３が左右方向に揺動可能に設けられる。フロントフォーク６０３の下端に前輪６０４が回転可能に支持される。ヘッドパイプ６０２の上端にはハンドル６０５が取り付けられる。

本体フレーム６０１の中央部には、図１のエンジンシステム２００が設けられる。図１６には、エンジンシステム２００に含まれるエンジン１００、吸気管１１、排気管１２および排気再循環装置１３が示される。エンジンシステム２００の上部には燃料タンク６０６が設けられ、燃料タンク６０６の後方にはシート６０７が設けられる。

エンジンシステム２００の後方に延びるように、本体フレーム６０１にリアアーム６０８が接続される。リアアーム６０８は、後輪６０９および後輪ドリブンスプロケット６１０を回転可能に保持する。また、エンジンシステム２００の排気管１２には三元触媒６１６が介挿され、排気管１２の後端にはマフラー６１２が取り付けられる。

エンジンシステム２００のエンジン１００にドライブシャフト６１３が取り付けられ、ドライブシャフト６１３には後輪ドライブスプロケット６１４が取り付けられる。後輪ドライブスプロケット６１４は、チェーン６１５を介して後輪６０９の後輪ドリブンスプロケット６１０に連結される。

この自動二輪車６００は、上記第１および第２の実施の形態のエンジンシステム２００を備えるので、ＨＣＣＩ燃焼においてシリンダ１内の温度が調整され、最適な燃焼時期を得ることができる。その結果、熱効率が向上されるとともに、安定したＨＣＣＩ燃焼を行うことができる。

また、ＨＣＣＩ燃焼による運転において、圧縮燃焼行程におけるシリンダ１内の空燃比が理論空燃比となるように設定される。この場合、混合気中の酸素は燃焼によりほぼ全て消費される。それにより、密閉期間においてシリンダ１内に残留する既燃ガス中の酸素濃度がほぼ０となる。したがって、ＨＣＣＩ燃焼における熱効率の低下を防止することができる。

また、理論空燃比でＨＣＣＩ燃焼を行うことにより、シリンダ１から排出される排気中の酸素濃度がほぼ０となる。したがって、三元触媒を用いることにより、排気中のＮＯ_Xを低減することができる。その結果、ＨＣＣＩ燃焼による運転領域を拡大することが可能となる。

また、燃料の自己着火性を判定するとともに、その判定結果に基づいてＨＣＣＩ燃焼および火花点火燃焼による運転領域を調整することができるので、エンジン１００の燃焼状態を安定させることができる。

また、火花点火燃焼による運転領域において燃料性状判定処理を行うので、自己着火性の判定時に失火等の不整燃焼が発生することを防止することができる。それにより、失火等の不整燃焼が発生することを防止することができる。その結果、有害な排気の発生を防止することができる。

また、燃料の自己着火性の判定は高負荷時に行われるので、混合気の自己着火を確実に検出することができ、誤判定を防止することができる。

また、所定時間ごとに燃料の自己着火性を判定し、その判定結果を所定期間記憶するので、燃料性状判定処理に伴うＥＣＵ５０の負担を低減することができる。

（請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応）
上記実施の形態においては、自動二輪車６００が機械装置に相当し、点火プラグ８が点火手段に相当し、自己着火検出装置１０ｂが自己着火検出手段に相当し、運転情報が運転状態に関する情報に相当し、エンジン回転数センサ３１、アクセル開度センサ３２、油温センサ３３、水温センサ３４、燃料量計測器３５およびスロットル開度センサが運転情報検出手段に相当し、ＥＣＵ５０が制御手段に相当し、燃料タンク６０６が燃料貯蔵手段に相当し、アクセルがトルク決定手段に相当し、吸気管１１が吸気通路に相当し、配管１３ａが再循環通路に相当し、吸気弁６、吸気弁駆動装置６ａ、排気再循環バルブ１３ｂおよびスロットルバルブ１４が吸気量調整手段に相当し、シリンダボルトが固定部材に相当する。

また、後輪６０９が駆動輪に相当し、後輪ドリブンスプロケット６１０、ドライブシャフト６１３、後輪ドライブスプロケット６１４およびチェーン６１５が伝達機構に相当する。

（変形例）
なお、上記第１および第２の実施の形態においては、運転情報としてアクセル開度ＡＯ、エンジン回転数ＥＲ、油温ＯＴ、水温ＷＴ、噴射制御信号ＦＩ、燃料量ＦＱ、スロットル開度ＴＯ、吸気弁６および排気弁７の開閉タイミング、ならびに排気再循環バルブの開度等の情報のいずれか１つまたは複数を取得してもよく、あるいは、エンジン温度または燃料の種類等の他の情報を運転情報として取得してもよい。

また、上記第１および第２の実施の形態では、エンジン１００の負荷を決定するためのパラメータとしてアクセル開度ＡＯを用いるが、これに限定されず、エンジン回転数ＥＲまたはエンジン温度等の他の条件を用いてもよい。また、これらの条件の複数を用いてエンジン１００の負荷を決定してもよい。

また、図５のステップＳ２においては、アクセル開度ＡＯ（要求トルク）に基づいてＨＣＣＩ燃焼を行うか、あるいは火花点火燃焼を行うかを決定しているが、実際に測定されたエンジン１００の負荷（トルク）に基づいて、ＨＣＣＩ燃焼処理を行うか、あるいは火花点火燃焼処理を行うかを決定してもよい。

また、図７のステップＳ５３およびステップＳ５４においてもアクセル開度ＡＯおよびその変化率に基づいて各判定を行っているが、上記と同様に実際に測定されたエンジン１００の負荷（トルク）およびその変化率に基づいて各判定を行ってもよい。

また、排気再循環装置１３には、配管１３ａ内の排気の温度を調整するための冷却装置が設けられてもよい。この場合、吸気に含まれる排気の温度を調整することができる。それにより、シリンダ１内の温度をより正確に調整することができる。

また、上記第１および第２の実施の形態では、ＨＣＣＩ燃焼の燃焼行程において、点火プラグ８による火花点火は行われないが、点火プラグ８による火花点火を行ってもよい。これにより、燃焼行程において燃料の着火がより確実に行われる。

また、上記第１および第２の実施の形態では、シリンダ１内に吸入される空気の量は、吸気弁駆動装置６ａおよびスロットルバルブ１４により調整されるが、これに限定されず、過給機等の他の装置を用いて空気の量を調整してもよい。

また、上記第１および第２の実施の形態では、図２に示されるＥＣＵ５０，５０ａの各機能部がプログラムにより実現されるが、各機能部の一部または全てを電子回路等のハードウェアにより実現してもよい。

また、上記第１および第２の実施の形態では、シリンダ１内に直接燃料が噴射される構造のシリンダ内燃料直噴型エンジンが用いられるが、これに限定されず、吸気ポート４内に燃料が噴射される構造を有するエンジンを用いてもよい。この場合、排気行程と吸気行程との間の密閉期間に燃料を噴射しないので、燃料の予反応は行われない。

また、図３（ｄ）に示されるＨＣＣＩ燃焼の圧縮行程において、インジェクタ９により２回目の燃料の噴射が行われてもよい。

また、自己着火検出装置１０ｂとしては、上述したセンサに限定されず、混合気の自己着火を検出できるの他の装置を用いてもよい。

また、図１６の例では、上記第１および第２の実施の形態のエンジンシステム２００を自動二輪車に適用した場合について説明したが、エンジンシステム２００を四輪自動車等の他の車両、船舶または発電機等に適用してもよい。

本発明は、二輪自動車、四輪自動車等のエンジンを備える種々の車両、船舶および発電機等に利用することができる。

本発明の第１の実施の形態に係るエンジンシステムを示す模式図である。 エンジンの火花点火燃焼の動作を説明するための図である。 エンジンのＨＣＣＩ燃焼の動作を説明するための図である。 図２の火花点火燃焼および図３のＨＣＣＩ燃焼の各行程における吸気弁および排気弁の弁リフト量を示した図である。 ＥＣＵの制御動作を示すフローチャートである。 図５のステップＳ３に示されるＨＣＣＩ燃焼処理の詳細を示すフローチャートである。 図５のステップＳ５に示される燃料性状判定処理の詳細を示すフローチャートである。 図５のステップＳ５に示される燃料性状判定処理の詳細を示すフローチャートである。 密閉期間における酸素濃度と熱発生量との関係を示す図である。 クランク角度とシリンダ内の圧力との関係を示す図である。 密閉期間中の熱発生量とＨＣＣＩ燃焼における熱効率との関係を示す図である。 エンジンのＨＣＣＩ燃焼による運転領域および火花点火燃焼による運転領域を示す図である。 エンジンの負荷とシリンダ内の最高温度との関係を示す図である。 エンジンの負荷と生成されるＮＯ_Xとの関係を示す図である。 ＥＣＵによるＨＣＣＩ燃焼処理の詳細を示すフローチャートである。 第１または第２の実施の形態に係るエンジンシステムを備えた自動二輪車の模式図である。

符号の説明

１ シリンダ
２ 吸気ポート
５ 排気ポート
６ 吸気弁
６ａ 吸気弁駆動装置
７ 排気弁
７ａ 排気弁駆動装置
８ 点火プラグ
９ インジェクター
１０ａ 燃焼時期計測器
１０ｂ 自己着火検出装置
１１ 吸気管
１２ 排気管
１３ 排気再循環装置
１３ｂ 排気再循環バルブ
１４ スロットルバルブ
３１ エンジン回転数センサ
３２ アクセル開度センサ
３３ 油温センサ
３４ 水温センサ
３５ 燃料量計測器
５０ ＥＣＵ
１００ エンジン
２００ エンジンシステム
６０９ 後輪
６１０ 後輪ドリブンスプロケット
６１３ ドライブシャフト
６１４ 後輪ドライブスプロケット
６１５ チェーン
６１６ 三元触媒

Claims (14)

1. 機械装置を駆動するエンジンシステムであって、
   シリンダならびに前記シリンダ内の空気および燃料からなる混合気を火花点火させる点火手段を有し、自己着火燃焼および火花点火燃焼を行うエンジンと、
   前記混合気の自己着火を検出する自己着火検出手段と、
   前記機械装置の運転状態に関する情報を検出する運転情報検出手段と、
   前記運転状態に関する情報に基づいて前記自己着火燃焼および前記火花点火燃焼を選択的に行うように前記エンジンを制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、前記エンジンが火花点火燃焼を行っている場合に前記点火手段による点火時期を変化させ、前記自己着火検出手段により前記混合気の自己着火が検出されたときの点火時期に基づいて前記燃料の自己着火性を判定することを特徴とするエンジンシステム。
2. 前記運転状態に関する情報は前記エンジンの負荷を含み、
   前記制御手段は、前記エンジンの負荷が第１の値以上である場合に前記自己着火性の判定を行うことを特徴とする請求項１記載のエンジンシステム。
3. 前記運転状態に関する情報はさらにエンジンの負荷の所定時間当たりの変化量を含み、
   前記制御手段は、前記変化量が第２の値以下である場合に前記自己着火性の判定を行うことを特徴とする請求項２記載のエンジンシステム。
4. 前記制御手段は、所定時間ごとに前記自己着火性の判定を行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のエンジンシステム。
5. 前記燃料を貯蔵する燃料貯蔵手段をさらに備え、
   前記運転状態に関する情報はさらに前記燃料貯蔵手段に貯蔵される燃料の量を含み、
   前記制御手段は、前記燃料貯蔵手段に貯蔵される燃料の量が増加した場合に前記自己着火性の判定を行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のエンジンシステム。
6. 前記エンジンのトルクを決定するためのトルク決定手段と、
   空気を吸気として前記シリンダに導く吸気通路と、
   前記シリンダから排出される排気の少なくとも一部を吸気として前記シリンダ内へ導く再循環通路と、
   前記吸気通路を通して前記シリンダ内へ導かれる空気の量および前記再循環通路を通して前記シリンダ内へ導かれる排気の量の少なくとも一方を調整する吸気量調整手段とをさらに備え、
   前記制御手段は、前記エンジンが前記トルク決定手段によって決定されたトルクを満足するように前記吸気量調整手段を制御しつつ前記自己着火性の判定を行うことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のエンジンシステム。
7. 前記制御手段は、前記点火時期を進角させつつ前記自己着火性の判定を行うことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のエンジンシステム。
8. 前記制御手段は、前記運転状態に関する情報が所定条件を満足する場合に前記エンジンを自己着火燃焼させることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のエンジンシステム。
9. 前記制御手段は、前記自己着火性の判定結果に応じて前記所定条件を変化させることを特徴とする請求項８記載のエンジンシステム。
10. 前記自己着火検出手段は、前記シリンダ内の圧力変動に起因する情報に基づいて前記混合気の自己着火を検出することを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載のエンジンシステム。
11. 前記自己着火検出手段はノックセンサであることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載のエンジンシステム。
12. 前記自己着火検出手段は前記シリンダ内の圧力を測定する圧力センサであることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載のエンジンシステム。
13. 前記シリンダは、シリンダボディおよびシリンダヘッドならびにシリンダボディとシリンダヘッドとを固定する固定部材を備え、
    前記自己着火検出手段は、前記固定部材の応力変化を測定することを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載のエンジンシステム。
14. 駆動輪と、
    請求項１〜１３のいずれかに記載のエンジンシステムと、
    前記エンジンシステムにより発生される動力を前記駆動輪に伝達する伝達機構とを備えることを特徴とする車両。

Images