JP5681902B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃焼室において予混合気を圧縮着火させる第１運転と、燃焼室において予混合気を放電手段により強制的に着火させる第２運転との切り替えを行う内燃機関の制御装置に関するものである。

従来より、燃焼室において予混合気を圧縮着火させる第１運転と、燃焼室において予混合気を放電手段により強制的に着火させる第２運転との切り替えを行う内燃機関の制御装置が知られている。この種の内燃機関の制御装置が、例えば特許文献１に開示されている。

具体的に、特許文献１に記載された内燃機関の制御装置は、第１運転に相当する自着火運転方式と、第２運転に相当する火花点火運転方式との切り替えを行う。この内燃機関の制御装置は、火花点火運転方式に切り替えられているときに、現時点における実際の燃料消費率と、現時点の運転状態において自着火運転方式に切り替えたと仮定した場合の基準燃料消費率とを算出する。そして、この内燃機関の制御装置は、実際の燃料消費率が基準燃料消費率を上回る場合に、火花点火運転方式から自着火運転方式への切り替えを行う。

特開２００６−９７６０３号公報

ところで、燃焼室において予混合気を圧縮着火させる第１運転と、燃焼室において予混合気を放電手段により強制的に着火させる第２運転とでは、着火方式及び燃焼方式が互いに異なる。このため、従来の内燃機関の制御装置のように予混合圧縮着火運転と強制着火運転との間に別の運転方式を挟まずに運転方式を切り替えると、内燃機関の出力トルクが急激に変動するという問題が生じる。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃焼室において予混合気を圧縮着火させる第１運転と、燃焼室において予混合気を放電手段により強制的に着火させる第２運転との切り替えを行う内燃機関の制御装置において、運転方式を切り替える際の内燃機関のトルク変動を低減させることにある。

第１の発明は、燃焼室（10）において放電を生じさせる放電手段（11）と、燃焼室（10）に電磁波を放射する電磁波放射手段（12）とを備える内燃機関（20）を制御する内燃機関の制御装置（30）を対象とする。そして、この内燃機関の制御装置（30）は、上記内燃機関（20）の運転状態に応じて、上記燃焼室（10）において予混合気を圧縮着火させる第１運転と、上記燃焼室（10）において上記放電手段（11）により放電を生じさせて予混合気を強制的に着火させる第２運転との切り替えを行う運転制御手段（31,32,33）を備え、上記運転制御手段（31,32,33）は、上記第１運転と上記第２運転との切り替えの際に、上記第１運転と上記第２運転との間に、上記放電手段（11）により放電を生じさせることなく、上記電磁波放射手段（12）から電磁波を放射して予混合気の温度を上昇させた後に予混合気を圧縮着火させる経過運転を挟む。

第１の発明では、内燃機関（20）の運転状態に応じて、第１運転と第２運転の切り替えが行われる。第１運転と第２運転の切り替えの際には、第１運転と第２運転の間に経過運転が挟まれる。例えば、第１運転から第２運転へ切り替えの際には、第１運転、経過運転、第２運転という順番で、内燃機関（20）の運転方式が変化する。

ここで、第１運転は、燃焼室（10）において予混合気を圧縮着火させる運転である。第１運転では、予混合気の複数箇所でほぼ同時に着火が生じる。厳密には、各箇所の着火タイミングには、極めて短い時間差がある。第１運転では、予混合気の圧縮行程において、予混合気の温度が全体的に上昇する。従って、最初の着火の時点では、未着火の予混合気が着火寸前の状態になっている。最初の着火後は、極めて短い時間の間に次々に着火が生じ、各着火箇所から火炎が広がる。このように、第１運転では予混合気の複数箇所でほぼ同時に着火が生じるので、第１運転は燃焼時間が極めて短く燃焼室（10）の内圧のピーク値が高い。一方、第２運転は、燃焼室（10）において放電手段（11）により放電を生じさせて予混合気を強制的に着火させる運転である。第２運転では、放電手段（11）により強制的に着火された箇所から火炎が広がり、火炎が伝播する。第２運転は、第１運転に比べて着火箇所が少ない。従って、第２運転は、第１運転に比べて燃焼時間が長く燃焼室（10）の内圧のピーク値が低い。

また、経過運転は、電磁波放射手段（12）から電磁波を放射して予混合気の温度を上昇させた後に予混合気を圧縮着火させる運転である。経過運転では、放電手段（11）により放電を生じさせない。電磁波放射手段（12）から電磁波を放射すると、燃焼室（10）における強電場領域の予混合気の温度が大きく上昇する。経過運転では、予混合気のうち、電磁波により温度が大きく上昇する領域で最初の着火が生じる。最初の着火の時点では、電磁波により温度がそれほど上昇しない領域が、着火寸前の状態にならない。従って、経過運転は、最初の着火から最後の着火までの時間が、第１運転に比べて長くなる。このため、経過運転は、第１運転に比べて燃焼時間が長く燃焼室（10）の内圧のピーク値が低い。また、経過運転は、第２運転よりも着火箇所が多いので、第２運転に比べて燃焼時間が短く燃焼室（10）の内圧のピーク値が高い。第１の発明では、第１運転と第２運転との切り替えの際に、第１運転と第２運転の間に、「燃焼時間」及び「燃焼室（10）の内圧のピーク値」が第１運転と第２運転の間の値になる経過運転が行われる。

第２の発明は、上記第１の発明において、上記運転制御手段（31,32,33）が、上記内燃機関（20）を上記第２運転に切り替えている期間に亘って、上記放電手段（11）による放電に伴って形成されるプラズマに対して上記電磁波放射手段（12）から電磁波が放射されるように上記内燃機関（20）を制御する。

第２の発明では、内燃機関（20）が第２運転に切り替えられている期間に亘って、放電手段（11）による放電に伴って形成されるプラズマに対して電磁波が放射される。これにより、プラズマが形成されている領域（以下、「プラズマ形成領域」という。）の予混合気からＯＨラジカルやオゾンが短時間で大量に生成される。その結果、ＯＨラジカルやオゾンにより予混合気の燃焼反応が促進される。また、プラズマ形成領域における予混合気の温度及び圧力が上昇する。第２の発明では、これらの要因により火炎の伝播速度が増す。このため、放電手段（11）による放電に伴って形成されるプラズマに対して電磁波を放射しない場合に比べて、第２運転は、燃焼時間が短く燃焼室（10）の内圧のピーク値が高い。

第３の発明は、燃焼室（10）において放電を生じさせる放電手段（11）と、燃焼室（10）に電磁波を放射する電磁波放射手段（12）とを備える内燃機関（20）を制御する内燃機関の制御装置（30）を対象とする。そして、この内燃機関の制御装置（30）は、上記内燃機関（20）の運転状態に応じて、上記燃焼室（10）において予混合気を圧縮着火させる第１運転と、上記電磁波放射手段（12）から電磁波を放射することなく、上記燃焼室（10）において上記放電手段（11）により放電を生じさせて予混合気を強制的に着火させる第２運転との切り替えを行う運転制御手段（31,32,33）を備え、上記運転制御手段（31,32,33）は、上記第１運転と上記第２運転との切り替えの際に、上記第１運転と上記第２運転との間に、上記燃焼室（10）において上記放電手段（11）により放電を生じさせると共に、該放電に伴って形成されるプラズマに対して上記電磁波放射手段（12）から電磁波を放射する経過運転を挟む。

第３の発明では、内燃機関（20）の運転状態に応じて、第１運転と第２運転の切り替えが行われる。第１運転と第２運転の切り替えの際には、第１運転と第２運転の間に経過運転が挟まれる。ここで、第１運転は、第１の発明と同様に、燃焼室（10）において予混合気を圧縮着火させる運転である。上述したように、第１運転は、燃焼時間が極めて短く燃焼室（10）の内圧のピーク値が極めて高い。一方、第２運転は、燃焼室（10）において予混合気を放電手段（11）により強制的に着火させる運転である。第２運転では、電磁波放射手段（12）から電磁波が放射されない。第２運転では、放電手段（11）により強制的に着火された箇所から火炎が広がる。上述したように、第２運転は、第１運転に比べて燃焼時間が長く燃焼室（10）の内圧のピーク値が低い。

また、経過運転は、燃焼室（10）において放電手段（11）により放電を生じさせると共に、該放電に伴って形成されるプラズマに対して上記電磁波放射手段（12）から電磁波を放射する運転である。経過運転は、第２運転とは異なり、放電手段（11）及び電磁波放射手段（12）の両方が用いられる。経過運転では、上述したように、プラズマ形成領域において生成したＯＨラジカルやオゾンにより予混合気の燃焼反応が促進されると共に、プラズマ形成領域における予混合気の温度及び圧力が上昇するので、火炎の伝播速度が増す。従って、放電手段（11）による放電に伴って形成されるプラズマに対して電磁波を放射しない第２運転に比べて、経過運転は、燃焼時間が短く燃焼室（10）の内圧のピーク値が高い。また、予混合気の複数箇所でほぼ同時に着火が生じる第１運転に比べて、経過運転は、燃焼時間が長く燃焼室（10）の内圧のピーク値が低い。第３の発明では、第１運転と第２運転との切り替えの際に、第１運転と第２運転の間に、「燃焼時間」及び「燃焼室（10）の内圧のピーク値」が第１運転と第２運転の間の値になる経過運転が行われる。

第４の発明は、上記第１乃至第３の何れか１つの発明において、上記運転制御手段（31,32,33）には、上記内燃機関（20）の運転状態に基づいて運転方式を決めるための運転制御領域として、上記内燃機関（20）に上記第１運転を実行させる第１領域と、上記内燃機関（20）に上記第２運転を実行させる第２領域と、上記内燃機関（20）に上記経過運転を実行させる経過領域とが設定され、該経過領域が上記第１領域と上記第２領域との間に挟まれている。

第４の発明では、経過領域が、第１領域と第２領域との間に挟まれている。従って、第１運転と第２運転との切り替えの過程で、内燃機関（20）の運転状態を表す運転制御領域上の座標値が経過領域を通過する。従って、第１運転と第２運転の間に経過運転が挟まれる。

第５の発明は、上記第１乃至第３の何れか１つの発明において、上記運転制御手段（31,32,33）が、上記第１運転と上記第２運転との切り替えの際に、所定のサイクル数だけ上記経過運転を上記内燃機関（20）に実行させる。

第５の発明では、第１運転と第２運転との切り替えの際に、所定のサイクル数だけ経過運転が行われる。従って、第１運転と第２運転の間に経過運転が挟まれる。

本発明では、第１運転と第２運転との切り替えの際に、第１運転と第２運転の間に、「燃焼時間」及び「燃焼室（10）の内圧のピーク値」が第１運転と第２運転の間の値になる経過運転が行われる。このため、第１運転と第２運転の間の「燃焼時間」及び「燃焼室（10）の内圧のピーク値」の違いが、経過運転により緩和される。従って、運転方式を切り替える際の内燃機関（20）のトルク変動を低減させることができる。

また、第２の発明では、内燃機関（20）が第２運転に切り替えられている期間に亘って、放電手段（11）による放電に伴って形成されたプラズマに対して電磁波を放射することで、第２運転の燃焼時間が短くなり、第２運転の燃焼室（10）の内圧のピーク値が高くなるようにしている。従って、第１運転と第２運転の間の「燃焼時間」及び「燃焼室（10）の内圧のピーク値」の違いが小さくなるので、運転方式を切り替える際の内燃機関（20）のトルク変動をさらに低減させることができる。

図１は、実施形態１に係る内燃機関の断面図である。 図２は、実施形態１に係る内燃機関の制御装置のブロック図である。 図３は、実施形態１に係る運転制御マップである。 図４は、実施形態２の変形例に係る運転制御マップである。 図５は、その他の実施形態に係る運転制御マップである。 図６は、その他の実施形態に係る内燃機関の断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。
《実施形態１》

本実施形態１は、本発明に係る内燃機関の制御装置（30）（以下、「制御装置」という。）である。以下では、制御装置（30）について説明する前に、まず内燃機関（20）について説明する。
−内燃機関の構成−

本実施形態１の内燃機関（20）は、レシプロタイプの均一予混合圧縮着火エンジンである。すなわち、本実施形態１の内燃機関（20）は、HCCI（Homogeneous Charge Compression Ignition）エンジンである。

内燃機関（20）は、図１に示すように、シリンダブロック（21）とシリンダヘッド（22）とピストン（23）とを備えている。シリンダブロック（21）には、横断面が円形のシリンダ（24）が複数形成されている。なお、シリンダ（24）の数は１つであってもよい。

各シリンダ（24）内には、ピストン（23）が摺動自在に設けられている。ピストン（23）は、コンロッド（コネクティングロッド）を介して、クランクシャフトに連結されている（図示省略）。クランクシャフトは、シリンダブロック（21）に回転自在に支持されている。各シリンダ（24）内においてシリンダ（24）の軸方向にピストン（23）が往復運動すると、コンロッドがピストン（23）の往復運動をクランクシャフトの回転運動に変換する。

シリンダヘッド（22）は、ガスケット（18）を挟んで、シリンダブロック（21）上に載置されている。シリンダヘッド（22）は、シリンダ（24）及びピストン（23）と共に、燃焼室（10）を形成している。シリンダヘッド（22）には、各シリンダ（24）に対して、吸気ポート（25）及び排気ポート（26）が１つ又は複数形成されている。各シリンダ（24）の吸気ポート（25）には、該吸気ポート（25）を開閉する吸気バルブ（27）と、燃料を噴射するインジェクター（29）（燃料噴射装置）とが設けられている。一方、各シリンダ（24）の排気ポート（26）には、該排気ポート（26）を開閉する排気バルブ（28）が設けられている。

本実施形態１では、インジェクター（29）のノズル（29a）が吸気ポート（25）に開口しており、インジェクター（29）が噴射する燃料が吸気ポート（25）を流れる空気に供給される。燃焼室（10）には、燃料と空気とが予め混合された予混合気が導入される。

シリンダヘッド（22）には、各シリンダ（24）に対して、スパークプラグ（15）が１つ設けられている。スパークプラグ（15）は、シリンダヘッド（22）に固定されている。スパークプラグ（15）は、図２に示すように、高電圧パルスとマイクロ波とを混合するミキサー回路（38）を介して、点火コイル（36）及びマグネトロン（37）に接続されている。スパークプラグ（15）には、点火コイル（36）から出力された高電圧パルスと、マグネトロン（37）から出力されたマイクロ波とが供給される。なお、点火コイル（36）には、第１パルス電源（34）が接続されている。マグネトロン（37）には、第２パルス電源（35）が接続されている。なお、マグネトロン（37）は、電子レンジ用のもの（発振周波数２．４５ＧＨｚ）である。

本実施形態１では、スパークプラグ（15）が、燃焼室（10）において放電を生じさせる放電手段（11）と、燃焼室（10）にマイクロ波を放射する電磁波放射手段（12）の両方を兼ねている。スパークプラグ（15）の放電電極（15a）は、マイクロ波用のアンテナになり、マイクロ波を放射する。
−制御装置の構成−

制御装置（30）は、電子制御装置（Electronic Control Unit）により構成されている。制御装置（30）は、図２に示すように、運転状態検出部（31）と運転切替部（32）と指令出力部（33）とを備えている。制御装置（30）は、点火コイル（36）及び第２パルス電源（35）に信号（後述する点火信号および放射信号）を出力することにより、内燃機関（20）を制御する。

運転状態検出部（31）と運転切替部（32）と指令出力部（33）とは、内燃機関（20）の運転状態に応じて、燃焼室（10）において予混合気を圧縮着火させる第１運転と、燃焼室（10）においてスパークプラグ（15）により火花放電を生じさせて予混合気を強制的に着火させる第２運転との切り替えを行う運転制御手段（31,32,33）を構成している。運転制御手段（31,32,33）は、運転状態検出部（31）と運転切替部（32）と指令出力部（33）により構成されている。第１運転では、スパークプラグ（15）により放電を生じさせることなく、スパークプラグ（15）からマイクロ波を放射することもない。

運転制御手段（31,32,33）は、第１運転と第２運転との切り替えの際に、第１運転と第２運転との間に、スパークプラグ（15）により放電を生じさせることなく、スパークプラグ（15）からマイクロ波を放射して予混合気の温度を上昇させた後に予混合気を圧縮着火させる経過運転を挟むように構成されている。第１運転及び経過運転は、いわゆる予混合圧縮着火運転である。第２運転は、いわゆる火花点火運転である。

また、運転制御手段（31,32,33）は、内燃機関（20）を第２運転に切り替えている期間に亘って、スパークプラグ（15）による火花放電に伴って形成されるプラズマに対してスパークプラグ（15）からマイクロ波が放射されるように内燃機関（20）を制御する。なお、運転制御手段（31,32,33）は、内燃機関（20）を第２運転に切り替えている期間に亘って、スパークプラグ（15）による火花放電に伴って形成されるプラズマに対してスパークプラグ（15）からマイクロ波が放射されないように内燃機関（20）を制御してもよい。

具体的に、運転状態検出部（31）は、所定の時間間隔で、内燃機関（20）の運転状態を検出する検出動作を行う。運転状態検出部（31）は、内燃機関（20）の運転状態を表すデータとして、内燃機関（20）の回転数（回転速度）と内燃機関（20）の負荷とを検出する。運転状態検出部（31）は、回転数センサ（16）の出力信号に基づいて、内燃機関（20）の回転数を検出する。回転数センサ（16）は、内燃機関（20）のクランク軸が１回転する度にパルス信号（出力信号）を出力する。また、運転状態検出部（31）は、アクセル開度センサ（17）の出力信号に基づいて、内燃機関（20）の負荷を検出する。アクセル開度センサ（17）は、アクセルペダルの操作量を表す開度信号（出力信号）を出力する。なお、内燃機関（20）の負荷にあたって、アクセル開度センサ（17）に代わりに、吸気空気の流量を計測するエアフローメータを使用してもよい。

運転状態検出部（31）は、検出動作を実行すると、該検出動作で検出した内燃機関（20）の運転状態（現時点における内燃機関（20）の運転状態）を表す検出信号を運転切替部（32）に出力する。検出信号には、現時点の内燃機関（20）の回転数を表すデータと、現時点の内燃機関（20）の負荷を表すデータとが含まれている。

運転切替部（32）は、内燃機関（20）の回転数及び内燃機関（20）の負荷の両方をパラメーターとする運転制御マップを備えている（図３参照）。運転制御マップには、内燃機関（20）の運転状態に基づいて運転方式を決めるための運転制御領域として、内燃機関（20）に第１運転を実行させる第１領域と、内燃機関（20）に第２運転を実行させる第２領域と、内燃機関（20）に経過運転を実行させる経過領域とが設定されている。第１領域は、低速低負荷側の領域である。第２領域は、高速高負荷側の領域である。経過領域は、上記第１領域と上記第２領域との間に挟まれている。

運転切替部（32）は、運転状態検出部（31）から検出信号を受信すると、現時点の内燃機関（20）の運転状態に対して、第１運転、第２運転及び経過運転の中からどの運転方式に設定すべきであるかを判定する判定動作を行う。運転切替部（32）は、検出信号を受信する度に判定動作を行う。判定動作は、検出信号に含まれる内燃機関（20）の回転数及び内燃機関（20）の負荷を用いて行われる。判定動作では、検出信号に含まれる内燃機関（20）の回転数及び内燃機関（20）の負荷により定まる座標値（以下、「現時点座標値」という。）が運転制御マップ上においてどの領域に存在しているかを判定することにより、現時点の内燃機関（20）の運転状態に対して設定すべき運転方式（以下、「設定運転方式」という。）が選ばれる。運転切替部（32）は、判定動作で選ばれた設定運転方式が現時点の運転方式と異なる場合に、運転方式の切り替えを指示する切替信号を指令出力部（33）に出力する。運転切替部（32）は、設定運転方式が現時点の運転方式と同じである場合に、切替信号を指令出力部（33）に出力しない。

具体的に、運転切替部（32）は、第１運転に切り替える場合には、第１切替信号を指令出力部（33）に出力する。運転切替部（32）は、第２運転に切り替える場合には、第２切替信号を指令出力部（33）に出力する。運転切替部（32）は、経過運転に切り替える場合には、第３切替信号を指令出力部（33）に出力する。

指令出力部（33）は、第１切替信号を受信すると、第１運転モードに設定される。指令出力部（33）は、第１運転モードに設定されている期間は、内燃機関（20）に第１運転を行わせる。また、指令出力部（33）は、第２切替信号を受信すると、第２運転モードに設定される。指令出力部（33）は、第２運転モードに設定されている期間は、内燃機関（20）に第２運転を行わせる。また、指令出力部（33）は、第３切替信号を受信すると、経過運転モードに設定される。指令出力部（33）は、経過運転モードに設定されている期間は、内燃機関（20）に経過運転を行わせる。

例えば、第１運転中に内燃機関（20）の回転数及び内燃機関（20）の負荷が増加すると、現時点座標値が第１領域から経過領域へ移動する。そうすると、運転切替部（32）が指令出力部（33）に第３切替信号を出力するので、指令出力部（33）が経過運転モードに設定され、内燃機関（20）が経過運転を行う。そして、内燃機関（20）の回転数及び内燃機関（20）の負荷がさらに増加すると、現時点座標値が経過領域から第２領域へ移動する。そうすると、運転切替部（32）が指令出力部（33）に第２切替信号を出力するので、指令出力部（33）が第２運転モードに設定され、内燃機関（20）が第２運転を行う。このように、内燃機関（20）の回転数及び内燃機関（20）の負荷が増加してゆくと、内燃機関（20）の運転方式は、経過運転を経て、第１運転から第２運転へ切り替えられる。

また、第２運転中に内燃機関（20）の回転数及び内燃機関（20）の負荷が低下すると、現時点座標値が第２領域から経過領域へ移動する。そうすると、運転切替部（32）が指令出力部（33）に第３切替信号を出力するので、指令出力部（33）が経過運転モードに設定され、内燃機関（20）が経過運転を行う。そして、内燃機関（20）の回転数及び内燃機関（20）の負荷がさらに低下すると、現時点座標値が経過領域から第１領域へ移動する。そうすると、運転切替部（32）が指令出力部（33）に第１切替信号を出力するので、指令出力部（33）が第１運転モードに設定され、内燃機関（20）が第１運転を行う。このように、内燃機関（20）の回転数及び内燃機関（20）の負荷が低下してゆくと、内燃機関（20）の運転方式は、経過運転を経て、第２運転から第１運転へ切り替えられる。
−制御装置の動作−

制御装置（30）の動作について説明する。まず、第１運転モードに設定されている状態の制御装置（30）の動作について説明する。以下では、１つ気筒に対する制御装置（30）の動作について説明する。

第１運転では、排気行程が終了してピストン（23）が上死点を通過した後に、吸気バルブ（27）が開かれて、吸気行程が開始される。指令出力部（33）は、吸気行程の開始直後に、インジェクター（29）に噴射信号を出力し、該インジェクター（29）に燃料を噴射させる。燃焼室（10）には、空気と燃料とが予め混合された予混合気が流入する。そして、ピストン（23）が下死点を通過した直後に、吸気バルブ（27）が閉じられて、吸気行程が終了する。

吸気行程が終了すると、燃焼室（10）において予混合気を圧縮する圧縮行程が開始される。圧縮行程では、ピストン（23）が上死点近傍に移動すると、自着火により予混合気の燃焼が開始される。ピストン（23）は、予混合気が燃焼するときの膨張力により、下死点側へ動かされる。そして、ピストン（23）がストロークの中間点を通過して下死点に達する前に、排気バルブ（28）が開かれて、排気行程が開始される。排気バルブ（28）は、ピストン（23）がストロークの中間点を通過して上死点に達する前に閉じられる。これにより、排気行程が終了する。本実施形態１では、ピストン（23）が上死点に達する前に排気バルブ（28）が閉じられるので、燃焼室（10）に排気ガスが残留する。つまり、第１運転では、内部ＥＧＲ方式の運転が行われる。

第１運転では、予混合気の複数箇所でほぼ同時に着火が生じる。厳密には、各箇所の着火タイミングには、極めて短い時間差がある。第１運転では、予混合気の圧縮行程において、予混合気の温度が全体的に上昇する。従って、最初の着火の時点では、未着火の予混合気が着火寸前の状態になっている。最初の着火後は、極めて短い時間の間に次々に着火が生じ、各着火箇所から火炎が広がる。このように、第１運転では予混合気の複数箇所でほぼ同時に着火が生じるので、第１運転は燃焼時間が極めて短く燃焼室（10）の内圧のピーク値が極めて高い。

続いて、第２運転モードに設定されている状態の制御装置（30）の動作について説明する。以下では、１つ気筒に対する制御装置（30）の動作について説明する。

第２運転では、ピストン（23）が上死点を達する直前に、吸気バルブ（27）が開かれて、吸気行程が開始される。第２運転では、ピストン（23）が上死点を通過した直後に、排気バルブ（28）が閉じられて、排気行程が終了する。指令出力部（33）は、排気行程の終了直後に、インジェクター（29）に噴射信号を出力し、該インジェクター（29）に燃料を噴射させる。これにより、予混合気が燃焼室（10）に流入する。そして、ピストン（23）が下死点を通過した直後に、吸気バルブ（27）が閉じられて、吸気行程が終了する。

吸気行程が終了すると、燃焼室（10）において予混合気を圧縮する圧縮行程が開始される。そして、圧縮行程において予混合気が自着火する前に、指令出力部（33）が、点火コイル（36）に点火信号を出力する。これにより、第１パルス電源（34）から出力された電圧パルスが、点火コイル（36）において昇圧され、点火コイル（36）がミキサー回路（38）へ高電圧パルスを出力する。他方、指令出力部（33）は、圧縮行程において予混合気が自着火する前に、第２パルス電源（35）に放射信号を出力する。これにより、第２パルス電源（35）からマグネトロン（37）へ電圧パルスが供給され、マグネトロン（37）がミキサー回路（38）へマイクロ波を出力する。

ミキサー回路（38）では、点火コイル（36）から出力された高電圧パルスと、マグネトロン（37）から出力されたマイクロ波とが混合される。そして、混合された高電圧パルスとマイクロ波とが、スパークプラグ（15）の放電電極（15a）に供給される。その結果、スパークプラグ（15）の放電電極（15a）と接地電極（15b）との間で、高電圧パルスにより火花放電が生じ、小規模のプラズマが形成される。そして、小規模のプラズマに、スパークプラグ（15）の放電電極（15a）からマイクロ波が放射される。小規模のプラズマは、マイクロ波のエネルギーを吸収して拡大する。

他方、予混合気は、火花放電を契機にして強制的に着火する。その結果、予混合気の燃焼が開始される。火炎は、火花放電により着火された箇所から拡大する。第２運転は、第１運転に比べて着火箇所が少ない。従って、第２運転は、第１運転に比べて燃焼時間が長く燃焼室（10）の内圧のピーク値が低い。

第２運転では、プラズマ形成領域の予混合気からＯＨラジカルやオゾン等の化学活性の高い化学種が短時間で大量に生成される。その結果、ＯＨラジカルやオゾンにより予混合気の燃焼反応が促進される。また、プラズマ形成領域における予混合気の温度及び圧力が上昇する。従って、火炎の伝播速度が増す。このため、スパークプラグ（15）による火花放電に伴って形成されるプラズマに対してマイクロ波を放射しない場合に比べて、第２運転は、燃焼時間が短く燃焼室（10）の内圧のピーク値が高い。

予混合気の燃焼が開始されると、ピストン（23）が、予混合気が燃焼するときの膨張力により、下死点側へ動かされる。そして、ピストン（23）がストロークの中間点を通過して下死点に達する前に、排気バルブ（28）が開かれて、排気行程が開始される。排気行程は、上述したように、吸気行程の開始直後に終了する。

第２運転では、放射信号が、スパークプラグ（15）の電極間（15a,15b）において火花放電が生じる前に出力され、マイクロ波が、火花放電が生じる前から放射される。マイクロ波は、火花放電が生じた後まで継続して放射される。マイクロ波は、極めて短い時間に亘って放射される。１回当たりのマイクロ波の放射時間は、第２パルス電源（35）からマグネトロン（37）へ出力される電圧パルスのパルス幅により規定される。なお、放射信号の出力開始タイミングは、スパークプラグ（15）の電極間（15a,15b）において火花放電が生じる前に限定されない。小規模のプラズマが消滅するまでにマイクロ波の放射が開始されれば、放射信号の出力開始タイミングは火花放電が生じた後でもよい。

また、第２運転では、１回当たりのマイクロ波の放射時間（第２パルス電源（35）からマグネトロン（37）へ出力される電圧パルスのパルス幅）が、拡大したプラズマが熱プラズマにならないように、つまり非平衡プラズマで維持されるように、所定の時間以下に設定される。なお、拡大したプラズマが熱プラズマになるように、１回当たりのマイクロ波の放射時間を所定の時間以上に設定してもよい。また、サーマルＮＯｘの発生を抑制するために、予混合気の温度が所定の温度（例えば、１８００℃）を超えないように、１回当たりのマイクロ波の放射時間を所定の時間以下に設定してもよい。

また、第２運転では、スパークプラグ（15）による火花放電により予混合気が着火するように、スパークプラグ（15）による放電に伴って形成されるプラズマのエネルギー密度を最小着火エネルギー以上としている。しかし、スパークプラグ（15）による放電に伴って形成されるプラズマのエネルギー密度を最小着火エネルギー未満にすることも可能である。この場合は、スパークプラグ（15）による火花放電により予混合気が着火しないが、マイクロ波による小規模のプラズマの拡大を契機にして、予混合気が強制的に着火される。

続いて、経過運転モードに設定されている状態の制御装置（30）の動作について説明する。以下では、１つ気筒に対する制御装置（30）の動作について説明する。なお、吸気バルブ（27）の開閉タイミングと排気バルブ（28）の開閉タイミングとは、第１運転と同じであるため、説明は省略する。以下では、第１運転と異なる点について説明する。

経過運転では、指令出力部（33）が、点火信号を出力することはなく、圧縮行程において予混合気が自着火する前の所定のタイミングで、第２パルス電源（35）に放射信号を出力する。これにより、第２パルス電源（35）からマグネトロン（37）へ電圧パルスが供給され、マグネトロン（37）がマイクロ波を出力する。マイクロ波は、ミキサー回路（38）を経て、スパークプラグ（15）の放電電極（15a）から燃焼室（10）に放射される。

燃焼室（10）では、スパークプラグ（15）からのマイクロ波の放射により、強電場領域の予混合気の温度が大きく上昇する。経過運転では、予混合気のうち、マイクロ波により温度が大きく上昇する領域で最初の着火が生じる。最初の着火の時点では、マイクロ波により温度がそれほど上昇しない領域が、着火寸前の状態にならない。従って、経過運転は、最初の着火から最後の着火までの時間が、第１運転に比べて長くなる。このため、経過運転は、第１運転に比べて燃焼時間が長く燃焼室（10）の内圧のピーク値が低い。また、経過運転は、第２運転よりも着火箇所が多いので、第２運転に比べて燃焼時間が短く燃焼室（10）の内圧のピーク値が高い。
−実施形態１の効果−

本実施形態１では、第１運転と第２運転との切り替えの際に、第１運転と第２運転の間に、「燃焼時間」及び「燃焼室（10）の内圧のピーク値」が第１運転と第２運転の間の値になる経過運転が行われる。このため、第１運転と第２運転の間の「燃焼時間」及び「燃焼室（10）の内圧のピーク値」の違いが、経過運転により緩和される。従って、運転方式を切り替える際の内燃機関（20）のトルク変動を低減させることができる。

また、本実施形態１では、内燃機関（20）が第２運転に切り替えられている期間に亘って、スパークプラグ（15）による火花放電に伴って形成されたプラズマに対してマイクロ波を放射することで、第２運転の燃焼時間が短くなるようにしている。従って、第１運転と第２運転の間の「燃焼時間」及び「燃焼室（10）の内圧のピーク値」の違いが小さくなるので、運転方式を切り替える際の内燃機関（20）のトルク変動をさらに低減させることができる。
《実施形態２》

本実施形態２は、第２運転と経過運転とがそれぞれ実施形態１とは異なる。ただし、制御装置（30）が、第１運転と第２運転との切り替えの際に、第１運転と第２運転の間に経過運転を挟む点は実施形態１と同じである。

第１運転は、燃焼室（10）において予混合気を圧縮着火させる運転であり、実施形態１と同じである。第２運転は、スパークプラグ（15）から電磁波を放射することなく、燃焼室（10）においてスパークプラグ（15）により火花放電を生じさせて予混合気を強制的に着火させる運転である。経過運転は、燃焼室（10）においてスパークプラグ（15）により火花放電を生じさせると共に、該火花放電に伴って形成されるプラズマに対してスパークプラグ（15）から電磁波を放射する運転である。経過運転は、実施形態１の第２運転と同じである。実施形態２では、第１運転がいわゆる予混合圧縮着火運転であり、第２運転がいわゆる火花点火運転である。

以下では、第１運転が実施形態１の第１運転と同じであり、経過運転が実施形態１の第２運転と同じである。このため、第２運転モードに設定されている状態の制御装置（30）の動作だけを説明する。以下では、１つ気筒に対する制御装置（30）の動作について説明する。

第２運転では、ピストン（23）が上死点を達する直前に、吸気バルブ（27）が開かれて、吸気行程が開始される。第２運転では、ピストン（23）が上死点を通過した直後に、排気バルブ（28）が閉じられて、排気行程が終了する。指令出力部（33）は、排気行程の終了直後に、インジェクター（29）に噴射信号を出力し、該インジェクター（29）に燃料を噴射させる。これにより、予混合気が燃焼室（10）に流入する。そして、ピストン（23）が下死点を通過した直後に、吸気バルブ（27）が閉じられて、吸気行程が終了する。

吸気行程が終了すると、燃焼室（10）において予混合気を圧縮する圧縮行程が開始される。そして、圧縮行程において予混合気が自着火する前に、指令出力部（33）が、点火コイル（36）に点火信号を出力する。これにより、第１パルス電源（34）から出力された電圧パルスが、点火コイル（36）において昇圧される。そして、点火コイル（36）から出力された高電圧パルスが、ミキサー回路（38）を経て、スパークプラグ（15）の放電電極（15a）に供給される。その結果、スパークプラグ（15）の放電電極（15a）と接地電極（15b）との間で、高電圧パルスにより火花放電が生じ、予混合気が強制的に着火する。

火花放電により予混合気の燃焼が開始されると、ピストン（23）が、予混合気が燃焼するときの膨張力により、下死点側へ動かされる。そして、ピストン（23）がストロークの中間点を通過して下死点に達する前に、排気バルブ（28）が開かれて、排気行程が開始される。排気行程は、上述したように、吸気行程の開始直後に終了する。

ここで、第１運転は、上述したように、燃焼時間が極めて短く燃焼室（10）の内圧のピーク値が極めて高い。また、第２運転では、スパークプラグ（15）により強制的に着火された箇所から火炎が広がる。上述したように、第２運転は、第１運転に比べて燃焼時間が長く燃焼室（10）の内圧のピーク値が低い。また、経過運転では、プラズマ形成領域において生成したＯＨラジカルやオゾンにより予混合気の燃焼反応が促進されると共に、プラズマ形成領域における予混合気の温度及び圧力が上昇するので、火炎の伝播速度が増す。従って、スパークプラグ（15）による火花放電に伴って形成されるプラズマに対して電磁波を放射しない第２運転に比べて、経過運転は、燃焼時間が短く燃焼室（10）の内圧のピーク値が高い。また、予混合気の複数箇所でほぼ同時に着火が生じる第１運転に比べて、経過運転は、燃焼時間が長く燃焼室（10）の内圧のピーク値が低い。実施形態２では、実施形態１と同様に、第１運転と第２運転との切り替えの際に、第１運転と第２運転の間に、「燃焼時間」及び「燃焼室（10）の内圧のピーク値」が第１運転と第２運転の間の値になる経過運転が行われる。
−実施形態２の変形例−

実施形態２の変形例について説明する。この変形例では、制御装置（30）が、第１運転と第２運転との切り替えの際に、第１運転と第２運転の間に、第１経過運転と第２経過運転とを挟む。なお、第１運転と第２運転は、実施形態２と同じである。

図４に示すように、運転制御マップでは、第１領域と第２領域との間に、内燃機関（20）に第１経過運転を実行させる第１経過領域と、内燃機関（20）に第２経過運転を実行させる第２経過領域とが挟まれている。第１経過領域は、第２経過領域よりも第１領域側に位置している。

第１経過運転は、スパークプラグ（15）により放電を生じさせることなく、スパークプラグ（15）から電磁波を放射して予混合気の温度を上昇させた後に予混合気を圧縮着火させる運転である。つまり、第１経過運転は、実施形態１の経過運転である。一方、第２経過運転は、燃焼室（10）においてスパークプラグ（15）により火花放電を生じさせると共に、該火花放電に伴って形成されるプラズマに対してスパークプラグ（15）から電磁波を放射する運転である。第２経過運転は、実施形態２の経過運転である。第２経過運転は、第１経過運転に比べて、燃焼時間が長く燃焼室（10）の内圧のピーク値が低い。この変形例では、高速高負荷側へ向かって、燃焼時間が長く燃焼室（10）の内圧のピーク値が低い運転へシフトしてゆく。
《その他の実施形態》

上記実施形態は、以下のように構成してもよい。

上記実施形態１、２において、制御装置（30）が、第１運転と第２運転との切り替えの際に、所定のサイクル数だけ経過運転を内燃機関（20）に実行させるように構成されていてもよい。その場合は、図５に示すように、運転制御マップにおいて第１領域と第２領域とが隣り合わせている。現時点座標値が第１領域から第２領域に移動した場合は、内燃機関（20）がすぐに第２運転に切り替えられない。内燃機関（20）は、所定のサイクル数だけ経過運転を実行した後に、第２運転に切り替えられる。また、現時点座標値が第２領域から第１領域に移動した場合は、内燃機関（20）がすぐに第１運転に切り替えられない。内燃機関（20）は、所定のサイクル数だけ経過運転を実行した後に、第１運転に切り替えられる。また、実施形態２の変形例のように第１運転と第２運転との間に２種類の経過運転を挟む場合は、制御装置（30）が、第１運転と第２運転との切り替えの際に、まず所定のサイクル数だけ第１経過運転を内燃機関（20）に実行させた後に、所定のサイクル数だけ第２経過運転を内燃機関（20）に実行させる。

また、上記実施形態１の経過運転及び上記実施形態２の変形例の第１経過運転において、第１運転から第２運転へ切り替える際には、予混合気が自着火するタイミングに対してマイクロ波の出力開始タイミングが徐々に離れて早くなり、第２運転から第１運転へ切り替える際には、予混合気が自着火するタイミングに対してマイクロ波の出力開始タイミングが徐々に近づき遅くなるように、マイクロ波の出力開始タイミングを変化させてもよい。

また、上記実施形態１の経過運転及び上記実施形態２の変形例の第１経過運転において、第１運転から第２運転へ切り替える際には、マイクロ波の強度が徐々に強くなり、第２運転から第１運転へ切り替える際にはマイクロ波の強度が徐々に弱くなるように、マイクロ波の強度を変化させてもよい。

また、上記実施形態２の経過運転及び上記実施形態２の変形例の第２経過運転において、第１運転から第２運転へ切り替える際には、マイクロ波の強度が徐々に弱くなり、第２運転から第１運転へ切り替える際にはマイクロ波の強度が徐々に強くなるように、マイクロ波の強度を変化させてもよい。

また、上記実施形態１、２において、燃焼室（10）において高電圧パルスの印加箇所とマイクロ波の発振箇所とが別々であってもよい。その場合、図６に示すように、スパークプラグ（15）の放電電極（15a）とは別にマイクロ波用のアンテナ（12）が設けられる。ミキサー回路（38）は必要なく、点火コイル（36）とスパークプラグ（15）とが直接接続され、マグネトロン（37）と電磁波放射アンテナ（12）とが直接接続される。なお、図６では、マイクロ波用のアンテナ（12）がスパークプラグ（15）と一体化されているが、マイクロ波用のアンテナ（12）をスパークプラグ（15）と別体にしてもよい。

また、上記実施形態１、２において、インジェクター（29）のノズル（29a）が燃焼室（10）に開口するようにしてもよい。その場合は、例えば吸気行程中に、インジェクター（29）のノズル（29a）から燃料が燃焼室（10）へ噴射される。燃焼室（10）内の温度及び圧力が自着火する条件に達する前に、燃料と空気とが予め混合された予混合気が燃焼室（10）において生成される。

以上説明したように、本発明は、燃焼室において予混合気を圧縮着火させる第１運転と、燃焼室において予混合気を放電手段により強制的に着火させる第２運転との切り替えを行う内燃機関の制御装置について有用である。

10 燃焼室
11 放電手段
12 電磁波放射手段
15 スパークプラグ（放電手段、電磁波放射手段）
20 内燃機関
30 内燃機関の制御装置
31 運転状態検出部（運転制御手段）
32 運転切替部（運転制御手段）
33 指令出力部（運転制御手段）

Claims (5)

1. 燃焼室（10）において放電を生じさせる放電手段（11）と、燃焼室（10）に電磁波を放射する電磁波放射手段（12）とを備える内燃機関（20）を制御する内燃機関の制御装置であって、
   上記内燃機関（20）の運転状態に応じて、上記燃焼室（10）において予混合気を圧縮着火させる第１運転と、上記燃焼室（10）において上記放電手段（11）により放電を生じさせて予混合気を強制的に着火させる第２運転との切り替えを行う運転制御手段（31,32,33）を備え、
   上記運転制御手段（31,32,33）は、上記第１運転と上記第２運転との切り替えの際に、上記第１運転と上記第２運転との間に、上記放電手段（11）により放電を生じさせることなく、上記電磁波放射手段（12）から電磁波を放射して予混合気の温度を上昇させた後に予混合気を圧縮着火させる経過運転を挟む
   ことを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 請求項１において、
   上記運転制御手段（31,32,33）は、上記内燃機関（20）を上記第２運転に切り替えている期間に亘って、上記放電手段（11）による放電に伴って形成されるプラズマに対して上記電磁波放射手段（12）から電磁波が放射されるように上記内燃機関（20）を制御する
   ことを特徴とする内燃機関の制御装置。
3. 燃焼室（10）において放電を生じさせる放電手段（11）と、燃焼室（10）に電磁波を放射する電磁波放射手段（12）とを備える内燃機関（20）を制御する内燃機関の制御装置であって、
   上記内燃機関（20）の運転状態に応じて、上記燃焼室（10）において予混合気を圧縮着火させる第１運転と、上記電磁波放射手段（12）から電磁波を放射することなく、上記燃焼室（10）において上記放電手段（11）により放電を生じさせて予混合気を強制的に着火させる第２運転との切り替えを行う運転制御手段（31,32,33）を備え、
   上記運転制御手段（31,32,33）は、上記第１運転と上記第２運転との切り替えの際に、上記第１運転と上記第２運転との間に、上記燃焼室（10）において上記放電手段（11）により放電を生じさせると共に、該放電に伴って形成されるプラズマに対して上記電磁波放射手段（12）から電磁波を放射する経過運転を挟む
   ことを特徴とする内燃機関の制御装置。
4. 請求項１乃至３の何れか１つにおいて、
   上記運転制御手段（31,32,33）には、上記内燃機関（20）の運転状態に基づいて運転方式を決めるための運転制御領域として、上記内燃機関（20）に上記第１運転を実行させる第１領域と、上記内燃機関（20）に上記第２運転を実行させる第２領域と、上記内燃機関（20）に上記経過運転を実行させる経過領域とが設定され、該経過領域が上記第１領域と上記第２領域との間に挟まれている
   ことを特徴とする内燃機関の制御装置。
5. 請求項１乃至３の何れか１つにおいて、
   上記運転制御手段（31,32,33）は、上記第１運転と上記第２運転との切り替えの際に、所定のサイクル数だけ上記経過運転を上記内燃機関（20）に実行させる
   ことを特徴とする内燃機関の制御装置。

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