(57)【要約】【課題】自着火燃焼を行わせるエンジンに供給される燃料の適否を正確に判定する技術を提供する。【解決手段】このエンジンは、ピストンの上死点前のタイミングで点火部による点火を行う点火運転と、点火部による点火を行わないか、または点火運転よりも遅いタイミングで点火部による点火を行う自着火優先運転と、で運転することができる。燃料の良否の判定を行う際には、まず、エンジンの始動時以降、自着火優先運転でエンジンを運転する。そして、エンジンの始動時から所定の期間が経過した後の時点で、クランクシャフトの単位時間当たりの回転数がしきい値に達しなかった場合には、燃料が自着火に適さないと判断する。このような態様とすれば、燃焼状態を正確に判定して燃料の適否を検知することができる。【選択図】  図３
2004218590.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室内の混合気を自着火させることができるエンジンであって、
燃焼室を構成するシリンダおよびピストンと、
前記燃焼室の混合気に点火を行うことができる点火部と、
前記エンジンの回転数を検出する回転数センサと、
前記ピストンの上死点前のタイミングで前記点火部による点火を行う点火運転と、前記点火部による点火を行わないか、または前記点火運転よりも遅いタイミングで前記点火部による点火を行う自着火優先運転と、で前記エンジンを運転することができる制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記自着火優先運転を行う運転モードであって、前記エンジンの始動時から所定の長さ以下の期間に実行される第１の運転モードにおいて、エンジンの回転数が第１のしきい値に達しなかった場合には、燃料が前記自着火運転に適していないと判断する、エンジン。
【請求項２】
請求項１記載のエンジンであって、
前記第１の運転モードは、圧縮比が比較的低い低圧縮比サブモードと、圧縮比が比較的高い高圧縮比サブモードと、を有し、
前記制御部は、
前記エンジンの始動後、前記低圧縮比サブモードにより所定の期間に前記エンジンを運転し、前記低圧縮比サブモードにおいてエンジンの回転数が第２のしきい値に達しなかった場合には、前記高圧縮比サブモードにより前記エンジンを運転する、エンジン。
【請求項３】
請求項１または２に記載のエンジンであって、
前記制御部は、さらに、
前記自着火優先運転を行う自着火サブモードと、前記点火運転を行う点火サブモードとを備え、前記第１の運転モードの後に実行される第２の運転モードを有し、
前記第１の運転モードにおいてエンジンの回転数が前記第１のしきい値に達した場合には、前記第２の運転モードにおいて前記自着火サブモードを実行し、
前記第１の運転モードにおいてエンジンの回転数が前記第１のしきい値に達しなかった場合には、燃料が前記自着火運転に適していないと判断して、前記第２の運転モードにおいて前記点火サブモードを実行する、エンジン。
【請求項４】
請求項３記載のエンジンであって、
前記第１の運転モードは、要求負荷が０である状態において燃料の噴射量が比較的多く、
前記第２の運転モードは、要求負荷が０である状態において燃料の噴射量が比較的少ないモードを含む、エンジン。
【請求項５】
燃焼室内の混合気を自着火させることができるエンジンであって、
燃焼室を構成するシリンダおよびピストンと、
前記燃焼室の混合気に点火を行うことができる点火部と、
前記燃焼室内の燃焼状態を検出することができる燃焼状態検出センサと、
ピストンの上死点前のタイミングで点火部による点火を行う点火運転と、前記点火部による点火を行わないか、または前記点火運転よりも遅いタイミングで前記点火部による点火を行う第１の自着火優先運転と、前記点火部による点火を行わないか、または前記点火運転よりも遅いタイミングで前記点火部による点火を行い、同じ要求負荷における前記燃焼室内への燃料噴射量が前記第１の自着火優先運転よりも多い第２の自着火優先運転と、で前記エンジンを運転することができる制御部と、を有し、
前記制御部は、
前記第１の自着火優先運転で前記エンジンを運転している場合において、前記燃焼状態検出センサによって燃焼状態の異常を検知した場合には、前記第２の自着火優先運転で前記エンジンを運転し、
前記第２の自着火優先運転で前記エンジンを運転している場合において、前記燃焼状態検出センサによって燃焼状態の異常を検知した場合には、前記点火運転で前記エンジンを運転する、エンジン。
【請求項６】
請求項５記載のエンジンであって、
前記燃焼状態検出センサは、前記燃焼室内のイオン電流を検出することができるセンサであり、
前記制御部は、前記イオン電流に基づいて燃焼状態を判定する、エンジン。
【請求項７】
燃焼室内の混合気を自着火させることができるエンジンに供給される燃料の判定方法であって、
（ａ）ピストンの上死点前のタイミングで点火部による点火を行う点火運転と、前記点火部による点火を行わないか、または前記点火運転よりも遅いタイミングで前記点火部による点火を行う自着火優先運転と、における前記エンジンの運転条件をそれぞれ設定する工程と、
（ｂ）前記エンジンの始動時以降、前記自着火優先運転で前記エンジンを運転する工程と、
（ｃ）前記エンジンの始動時から所定の期間が経過した後の時点で、エンジンの回転数がしきい値に達しなかった場合には、燃料が前記自着火運転に適していないと判断する工程と、を備える燃料の判定方法。
【請求項８】
燃焼室内の混合気を自着火させることができるエンジンに供給される燃料の判定方法であって、
（ａ）ピストンの上死点前のタイミングで点火部による点火を行う点火運転と、
前記点火部による点火を行わないか、または前記点火運転よりも遅いタイミングで前記点火部による点火を行う自着火優先運転と、における前記エンジンの運転条件をそれぞれ設定する工程と、
（ｂ）前記エンジンの始動時以降、前記自着火優先運転で前記エンジンを運転する工程と、
（ｃ）前記エンジンの始動時から第１の期間が経過した後の時点で、エンジンの回転数が第１のしきい値に達しなかった場合には、圧縮比を高く設定して前記エンジンを運転する工程と、
（ｄ）前記圧縮比を高く設定してから第２の期間が経過した後の時点で、エンジンの回転数が第２のしきい値に達しなかった場合には、燃料が前記自着火運転に適していないと判断する工程と、を備える燃料の判定方法。
【請求項９】
燃焼室内の混合気を自着火させることができるエンジンの運転方法であって、
（ａ）ピストンの上死点前のタイミングで点火部による点火を行う点火運転と、
前記点火部による点火を行わないか、または前記点火運転よりも遅いタイミングで前記点火部による点火を行う自着火優先運転と、における前記エンジンの運転条件をそれぞれ設定する工程と、
（ｂ）前記エンジンの始動時以降、前記自着火優先運転で前記エンジンを運転する工程と、
（ｃ）前記エンジンの始動時から所定の期間が経過した後の時点で、エンジンの回転数がしきい値に達しなかった場合には、前記点火運転で前記エンジンを運転する工程と、
（ｄ）前記エンジンの始動時から前記所定の期間が経過した後の時点で、エンジンの回転数が前記しきい値に達した場合には、前記自着火優先運転で前記エンジンを運転する工程と、を含む、エンジンの運転方法。
【請求項１０】
燃焼室内の混合気を自着火させることができるエンジンの運転方法であって、
（ａ）ピストンの上死点前のタイミングで点火部による点火を行う点火運転で前記エンジンを運転する工程と、
（ｂ）前記点火部による点火を行わないか、または前記点火運転よりも遅いタイミングで前記点火部による点火を行う第１の自着火優先運転で前記エンジンを運転する工程と、
（ｃ）前記点火部による点火を行わないか、または前記点火運転よりも遅いタイミングで前記点火部による点火を行い、同じ要求負荷における前記燃焼室内への燃料噴射量が前記第１の自着火優先運転よりも多い第２の自着火優先運転で前記エンジンを運転する工程と、を備え、
前記工程（ｂ）は、
燃焼状態に異常がある場合には、前記工程（ｃ）に移行する工程を備え、
前記工程（ｃ）は、
燃焼状態に異常がある場合には、前記工程（ａ）に移行する工程を備える、エンジンの運転方法。
【請求項１１】
請求項１０記載のエンジンの運転方法であって、
前記工程（ｂ）または（ｃ）は、
ピストンの上死点後、所定の期間が経過した後の前記燃焼室内のイオン電流量がしきい値を超えている場合に、前記燃焼状態の異常があるものと判断する工程を含む、エンジンの運転方法。
【請求項１２】
請求項１０記載のエンジンの運転方法であって、
前記工程（ｂ）または（ｃ）は、
ピストンの上死点後、前記燃焼室内のイオン電流が第１のしきい値以上である時間が第２のしきい値よりも長く継続した場合には、前記燃焼状態の異常があるものと判断する工程を含む、エンジンの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃焼室内で混合気を自着火させながら運転されるエンジンに関し、さらに詳しくは、そのようなエンジンに供給される燃料の適否を判定する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、予混合圧縮自着火運転を行うエンジンにおいて、自着火燃焼を安定して行えない場合には、火花点火による運転を行う、という運転モードの切換えが行われていた。たとえば、特許文献１においては、排気通路中のＮＯｘの濃度に基づいて燃焼状態を判定し、予混合自着火運転と火花点火運転を切り換える技術が開示されている。
【０００３】
特許文献１の技術は、一般に、自着火燃焼が起こった場合には排ガス中のＮＯｘ濃度が低くなり、自着火燃焼が起こらずに火炎伝播燃焼が起こった場合にはＮＯｘ濃度が高くなることに着目したものである。なお、その他の関連文献として、特許文献２〜５がある。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−３３６６００号公報
【特許文献２】
特開２０００−２５７４６７号公報
【特許文献３】
特開２００１−１５２９０８号公報
【特許文献４】
特開平１１−００６４３５号公報
【特許文献５】
特開平１１−００６４３６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、燃焼室内で混合気を自着火させながら運転されるエンジンには、オクタン価が低く着火しやすい燃料を供給することが好ましい。しかし、ユーザが誤って自着火運転に適さない燃料を供給してしまうことがある。よって、燃料を自着火させるエンジンを運転する際には、供給された燃料が自着火に適するものか否かを判定することが好ましく、燃料が自着火に適さないものである場合は、火花点火による運転を行うことが好ましい。
【０００６】
そのような燃料の適否の判定は、たとえば、実際にその燃料でエンジンを運転してみて、自着火燃焼が起こったか否かに基づいて行うことが可能である。そして、自着火燃焼が起こったか否かは、排ガス中のＮＯｘ濃度に基づいて自着火燃焼が起こるか否かを判定することも可能である（特許文献１）。
【０００７】
しかし、炎伝播燃焼であっても火炎の伝播が緩慢である場合や、失火が起こった場合には、排ガス中のＮＯｘの濃度は低くなる。よって、そのような場合には、排ガス中のＮＯｘの濃度に基づく判定では、自着火燃焼が起こっていると誤判定する可能性がある。
【０００８】
この発明は、従来技術における上述した課題を解決するためになされたものであり、自着火燃焼を行わせるエンジンに供給される燃料の適否を正確に判定する技術を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明では、燃焼室内の混合気を自着火させることができるエンジンにおいて、所定の処理を行う。このエンジンは、燃焼室を構成するシリンダおよびピストンと、燃焼室の混合気に点火を行うことができる点火部と、エンジンの回転数を検出する回転数センサと、を備える。そして、ピストンの上死点前のタイミングで点火部による点火を行う点火運転と、点火部による点火を行わないか、または点火運転よりも遅いタイミングで点火部による点火を行う自着火優先運転と、でエンジンを運転することができる制御部を有している。その制御部は、自着火優先運転を行う運転モードであって、エンジンの始動時から所定の長さ以下の期間に実行される第１の運転モードにおいて、エンジンの回転数が第１のしきい値に達しなかった場合には、燃料が自着火運転に適していないと判断する。このような態様とすれば、失火が起こった場合にも、正常な燃焼と誤判定することがなく、自着火燃焼に対する燃料の適否を正確に判定することができる。
【００１０】
また、第１の運転モードは、圧縮比が比較的低い低圧縮比サブモードと、圧縮比が比較的高い高圧縮比サブモードと、を有していることが好ましい。そして、エンジンの始動後、低圧縮比サブモードにより所定の期間にエンジンを運転し、低圧縮比サブモードにおいてエンジンの回転数が第２のしきい値に達しなかった場合には、高圧縮比サブモードによりエンジンを運転することが好ましい。このような態様とすれば、圧縮比が低い運転においては正常な運転を行うことができなくても、圧縮比を高くした状態で正常な運転を行うことができる燃料を、自着火燃焼に適さないと判定することなく、有効に活用することができる。すなわち、そのような燃料でＮＯｘの少ない自着火燃焼を行うことができる。
【００１１】
なお、運転モードとして、自着火優先運転を行う自着火サブモードと、点火運転を行う点火サブモードとを備え、第１の運転モードの後に実行される第２の運転モードを有する場合には、以下のような態様とすることが好ましい。すなわち、第１の運転モードにおいてエンジンの回転数が第１のしきい値に達した場合には、第２の運転モードにおいて自着火サブモードを実行する。また、第１の運転モードにおいてエンジンの回転数が第１のしきい値に達しなかった場合には、燃料が自着火運転に適していないと判断して、第２の運転モードにおいて点火サブモードを実行する。このような態様とすれば、エンジンの回転数に基づいて自着火燃焼に対する燃料の適否を正確に判定して、エンジンを適切に運転することができる。
【００１２】
また、第１の運転モードは、要求負荷が０である状態において燃料の噴射量が比較的多く、第２の運転モードは、要求負荷が０である状態において燃料の噴射量が比較的少ないモードを含むことが好ましい。このような態様とすれば、第１の運転モードにおいて無負荷状態で適正な燃焼が行われた場合のエンジン回転数が、第２の運転モードが含むモードよりも高くなる。よって、第１の運転モードにおいて要求負荷が０である場合にも、燃焼状態の異常が生じてエンジンの回転数が一定の値まで上昇しない場合と、適正な燃焼が行われている場合との回転数の違いが大きくなり、燃焼状態を正確に判定しやすい。
【００１３】
また、燃焼室内の燃焼状態を検出することができる燃焼状態検出センサを備える以下のようなエンジンにおいて、後述する処理を行うことも好ましい。このエンジンは、燃焼室内の混合気を自着火させることができるエンジンであって、以下のような運転が可能である。すなわち、ピストンの上死点前のタイミングで点火部による点火を行う点火運転と、点火部による点火を行わないか、または点火運転よりも遅いタイミングで点火部による点火を行う第１の自着火優先運転と、点火部による点火を行わないか、または点火運転よりも遅いタイミングで点火部による点火を行い、同じ要求負荷における燃焼室内への燃料噴射量が第１の自着火優先運転よりも多い第２の自着火優先運転と、である。
【００１４】
上記のようなエンジンにおいて、以下のような処理を行うことが好ましい。第１の自着火優先運転でエンジンを運転している場合において、燃焼状態検出センサによって燃焼状態の異常を検知した場合には、第２の自着火優先運転でエンジンを運転する。そして、第２の自着火優先運転でエンジンを運転している場合において、燃焼状態検出センサによって燃焼状態の異常を検知した場合には、点火運転でエンジンを運転する。このような態様とすれば、自着火が生じやすく燃費もよい運転を優先的に行いつつ、燃焼状態に応じた運転を行うことができる。
【００１５】
なお、燃焼状態検出センサを、燃焼室内のイオン電流を検出することができるセンサとし、イオン電流に基づいて燃焼状態を判定することが好ましい。このような態様とすれば、正確に燃焼状態を判定して、自着火運転に対する燃料の適否を判断することができる。
【００１６】
そして、上記のような態様において、ピストンの上死点後、所定の期間が経過した後の燃焼室内のイオン電流量がしきい値を超えている場合に、燃焼状態の異常があるものと判断することが好ましい。このような態様とすれば、自着火燃焼ではなく、火炎伝播燃焼が生じていることを正確に判定することができる。
【００１７】
また、ピストンの上死点後、燃焼室内のイオン電流が第１のしきい値以上である時間が第２のしきい値よりも長く継続した場合には、燃焼状態の異常があるものと判断する態様とすることもできる。このような態様としても、自着火燃焼ではなく、火炎伝播燃焼が生じていることを正確に判定することができる。
【００１８】
一方、燃焼室内の混合気を自着火させることができるエンジンに供給される燃料の判定を行う際には、以下のようにすることができる。すなわち、まず、ピストンの上死点前のタイミングで点火部による点火を行う点火運転と、点火部による点火を行わないか、または点火運転よりも遅いタイミングで点火部による点火を行う自着火優先運転と、におけるエンジンの運転条件をそれぞれ設定する。そして、エンジンの始動時以降、自着火優先運転でエンジンを運転する。その後、エンジンの始動時から所定の期間が経過した後の時点で、エンジンの回転数がしきい値に達しなかった場合には、燃料が自着火運転に適していないと判断する。このような態様としても、失火が起こった場合にも正常な燃焼と誤判定することがなく、燃焼状態を正確に判定できる。その結果、自着火燃焼に対する燃料の適否を正確に判断することができる。
【００１９】
また、以下のような方法で燃料の判定を行ってもよい。すなわち、エンジンの始動時以降、自着火優先運転でエンジンを運転する。その後、エンジンの始動時から第１の期間が経過した後の時点で、エンジンの回転数が第１のしきい値に達しなかった場合には、圧縮比を高く設定してエンジンを運転する。そして、圧縮比を高く設定してから第２の期間が経過した後の時点で、エンジンの回転数が第２のしきい値に達しなかった場合には、燃料が自着火運転に適していないと判断する。このような態様とすれば、圧縮比を高くすれば自着火燃焼を起こさせることができる燃料を、「自着火に適さない」と判断することなく有効に活用することができる。
【００２０】
そして、以下のようにエンジンを運転することも好ましい。すなわち、まず、ピストンの上死点前のタイミングで点火部による点火を行う点火運転と、点火部による点火を行わないか、または点火運転よりも遅いタイミングで点火部による点火を行う自着火優先運転と、におけるエンジンの運転条件をそれぞれ設定する。そして、エンジンの始動時以降、自着火優先運転でエンジンを運転する。その後、エンジンの始動時から所定の期間が経過した後の時点で、エンジンの回転数がしきい値に達しなかった場合には、点火運転でエンジンを運転する。エンジンの始動時から所定の期間が経過した後の時点で、エンジンの回転数がしきい値に達した場合には、自着火優先運転でエンジンを運転する。このような態様とすれば、ＮＯｘ発生量の少ない自着火運転を優先的に行いつつ、燃焼状態を正確に判定してエンジンを適切に運転することができる。
【００２１】
また、以下のようにエンジンを運転することも好ましい。対象となるエンジンは、前述の三つの運転、すなわち点火運転と、第１の自着火優先運転と、同じ要求負荷における燃焼室内への燃料噴射量が第１の自着火優先運転よりも多い第２の自着火優先運転が可能である。そして、第１の自着火優先運転の際に燃焼状態に異常がある場合には、第２の自着火優先運転の際に移行する。また、第２の自着火優先運転の際に燃焼状態に異常がある場合には、点火運転に移行する。このような態様とすれば、自着火が生じやすく燃費もよい運転を優先的に行いつつ、供給される燃料などの状況に応じた運転を行うことができる。
【００２２】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、エンジン、そのエンジンを用いた車両または移動体、運転モード切り換え方法、運転モード切り換え装置、その装置または方法の機能を実現するためのコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体、そのコンピュータプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号、等の態様で実現することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明の作用・効果をより明確に説明するために、次の順序に従って、本発明の実施例について説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ−１．装置構成：
Ａ−２．エンジンの運転：
Ｂ．第２実施例：
Ｂ−１．点火ユニットの構成およびイオン電流の検出：
Ｂ−２．エンジンの運転：
Ｃ．変形例：
Ｃ−１．第１実施例の変形例：
Ｃ−２．第２実施例の変形例：
Ｃ−３．その他：
【００２４】
Ａ．第１実施例：
Ａ−１．装置構成：
図１は、第１実施例のエンジン１０の構造を概念的に示した説明図である。第１実施例のエンジン１０は、４サイクル運転と、２サイクル運転とを含む複数の運転モードを選択的に実行することができる。「４サイクル運転」（正確には「４ストローク／１サイクル運転」）とは、吸気、圧縮、膨張、排気の４つのピストン行程で１サイクルが構成される運転である。「２サイクル運転」（正確には「２ストローク／１サイクル運転」）とは、掃気・圧縮期間と、膨張期間の２つの期間で１サイクルが構成される運転である。
【００２５】
図１では、エンジン１０の構造を示すために、燃焼室１５０のほぼ中央で断面を取って表示している。エンジン１０の本体は、シリンダブロック１４０の上部にシリンダヘッド１３０が組み付けられて構成されている。このシリンダブロック１４０とシリンダヘッド１３０とで、円筒形のシリンダ１４２が構成されており、このシリンダ１４２の内部をピストン１４４が上下に摺動する。シリンダヘッド１３０のうち、ピストンの往復方向の延長線上でピストンと向かい合う部分が、天井部１３０ｒである。天井部１３０ｒと、ピストン１４４の頂部と、シリンダ１４２の側壁と、で囲まれた空間が燃焼室１５０となる。
【００２６】
ピストン１４４は、コネクティングロッド１４６を介してクランクシャフト１４８に接続されており、ピストン１４４はクランクシャフト１４８の回転にともなってシリンダ１４２内を上下に摺動する。
【００２７】
シリンダヘッド１３０には、燃焼室１５０に吸入空気を取り入れるための吸気通路１２と、燃焼室１５０内の混合気に点火するための点火プラグ１３６と、燃焼室１５０内で発生した燃焼ガスを排出するための排気通路１６が設けられている。吸気通路１２を通ってきた酸素を含む空気は、シリンダヘッド１３０の天井部１３０ｒに設けられた吸気口１２ｏを介して燃焼室１５０内に流入する。また、燃焼室内の既燃ガスは、天井部１３０ｒに設けられた排気口１６ｏを介して排気通路１６から排出される。
【００２８】
シリンダヘッド１３０には、さらに、吸気バルブ１３２と排気バルブ１３４とが設けられている。吸気バルブ１３２および排気バルブ１３４は、それぞれに電動アクチュエータ１６２，１６４によって任意のタイミングで駆動され、ピストン１４４の動きに同期して吸気口１２ｏおよび排気口１６ｏを開閉する。
【００２９】
吸気通路１２には、スロットル弁２２が設けられている。電動アクチュエータ２４を駆動してスロットル弁２２を適切な開度に制御することで、燃焼室１５０内に吸入される空気量を制御することができる。また、スロットル弁２２の下流には、サージタンク１２ｔが設けられている。サージタンク１２ｔは、スロットル弁２２によって調節された吸気の圧力の変動を緩和する。
【００３０】
第１実施例のエンジン１０は、シリンダヘッド１３０に設けられた筒内燃料噴射部１５を備えている。筒内燃料噴射部１５は、燃焼室１５０内にガソリンを直接噴射するものである。筒内燃料噴射部１５は、ガソリンの噴射圧力を変えることで単位時間当たりに噴射するガソリンの量を増減させることができる。ガソリンは図示しないガソリンタンクに蓄えられており、図示しない燃料ポンプで汲み上げられて筒内燃料噴射部１５に供給されている。
【００３１】
エンジン１０の動作は、エンジン制御用ユニット（以下、ＥＣＵ）３０によって制御されている。ＥＣＵ３０は、ＣＰＵや、ＲＡＭ、ＲＯＭ、Ａ／Ｄ変換素子、Ｄ／Ａ変換素子などをバスで相互に接続して構成された周知のマイクロコンピュータである。ＥＣＵ３０は、エンジン回転速度Ｎｅやアクセル開度θａｃを検出し、これらに基づいてスロットル弁２２を適切な開度に制御する。エンジン回転速度Ｎｅは、クランクシャフト１４８の先端に設けたクランク角センサ３２によって検出することができる。アクセル開度θａｃは、アクセルペダルに内蔵されたアクセル開度センサ３４によって検出することができる。ＥＣＵ３０は、筒内燃料噴射部１５、点火プラグ１３６などを適切に駆動する制御も司っている。点火プラグ１３６は、具体的には、ＥＣＵ３０によって制御される点火ユニット（ＩＧＵ）１３７によって駆動される。
【００３２】
また、ＥＣＵ３０は、エンジン回転速度Ｎｅやアクセル開度θａｃを検出し、これらに基づいて４サイクル運転と２サイクル運転とを含む複数の運転モードを切り換える制御も行う。４サイクル運転では、ピストンが２往復する間に１回の割合で、混合気の吸入と燃焼と排気とを行うのに対し、２サイクル運転では、ピストンが１往復するたびに、吸入と燃焼と排気とを行う。ピストン１４４の動きに同期させて、吸気バルブ１３２、排気バルブ１３４を開閉させるタイミングを変更し、また、筒内燃料噴射部１５、点火プラグ１３６などを駆動するタイミングを切り換えてやれば、４サイクル運転と２サイクル運転とを切り換えることができる。
【００３３】
具体的には、ＥＣＵ３０は、エンジン回転速度Ｎｅやアクセル開度θａｃに基づいて、吸気バルブ１３２、排気バルブ１３４の開閉タイミングを設定する。そして、それら吸気バルブ１３２および排気バルブ１３４の開閉タイミングは、電磁駆動弁駆動回路４０に伝えられる。電磁駆動弁駆動回路４０は、それらの値にしたがって、電動アクチュエータ１６２，１６４を適切なタイミングで駆動する。
【００３４】
Ａ−２．エンジンの運転：
第１実施例のエンジンは、４サイクル運転と２サイクル運転を含む複数の運転モードを有している。しかし、以下では、２サイクル運転の例を使用して、運転モードの切換えについて説明する。
【００３５】
（１）運転モード：
図２は、第１実施例のエンジンが有する２サイクル運転の運転モードの表である。第１実施例のエンジンは、２サイクル運転としては、エンジンの始動時から所定の長さ以下の期間に実行される始動モードＳＭと、始動モードＳＭの後で実行される通常モードＲＭと、を有している。
【００３６】
始動モードＳＭは、さらに、エンジン始動直後に実施される低圧縮比サブモードＳＭ１と、状況に応じて低圧縮比サブモードＳＭ１の後に実施される高圧縮比サブモードＳＭ２とを有している。また、通常モードＲＭは、予混合自着火サブモードＲＭ１と火花点火サブモードＲＭ２を有している。なお、これら予混合自着火サブモードＲＭ１と火花点火サブモードＲＭ２は、所定の条件に従って選択的に実行される。
【００３７】
通常モードＲＭにおいては、燃焼室内の混合気の空気過剰率は１よりも大きい。「空気過剰率」は、混合気中に含まれる燃料と過不足なく燃焼するだけの空気の量に対して、実際の混合気中に含まれている空気は何倍であるか、を表す指標である。たとえば、空気過剰率が「２」であるとき、混合気中には、空気と燃料とが互いに過不足なく燃焼する量の２倍だけ、空気が含まれている。
【００３８】
通常モードＲＭの二つのサブモードのうち予混合自着火サブモードＲＭ１は、あらかじめ燃料と空気とを混合しておき、その混合気を燃焼室１５０内で圧縮して、燃料に自着火を起こさせて、動力を得る運転モードである。予混合自着火サブモードＲＭ１においては、点火プラグ１３６による点火は行わない。なお、予混合自着火サブモードＲＭ１においては、吸気バルブ１３２を閉じるタイミングは、ピストン１４４が下死点にきた後３０°〜４０°の所定のタイミングである。図２の表において、吸気バルブ１３２を閉じるタイミングは、「ＩＶＣ」の列に示す。「ＡＢＤＣ」は、「ピストンが下死点にきた後」の意味である。たとえば、ＩＶＣの欄が「３０°」であれば、その運転モードにおいては、吸気バルブ１３２はピストンが下死点にきた後３０°過ぎたところで閉じられる。吸気バルブ１３２を閉じるタイミングは、ＥＣＵ３０によって、燃焼状態の状況に応じて変更される。なお、図２の表において、「ＥＶＣ」の列には排気バルブ１３４を閉じるタイミングを示す。
【００３９】
自着火燃焼では燃焼室内で短時間にいっきに燃焼が起こる。このため、一般的な火花点火による火炎伝播燃焼のような、初期に燃焼した領域が長時間にわたって高温に維持されることによる影響が少ない。さらに、自着火燃焼は、火花点火燃焼が困難な希薄な混合気においても短時間で燃料が燃焼するという特徴を有するため、火花点火燃焼に比べてＮＯｘ発生量が著しく低くなる条件が存在する。よって、できるだけ広い運転領域で、このような自着火燃焼を利用する予混合自着火サブモードＲＭ１による運転を行うことが好ましい。
【００４０】
また、通常モードＲＭの二つのサブモードのうちの火花点火サブモードＲＭ２は、上死点前３０°において、点火プラグ１３６の電極から火花を飛ばして燃焼室１５０内の燃料に点火を行う。他の点は、予混合自着火サブモードＲＭ１と同様である。火花点火サブモードＲＭ２においては、点火プラグ１３６によって燃料に点火を行うため、確実に失火を防ぐことができる。ただし、燃焼室１５０内において火炎伝播燃焼がおこるため、排ガス中のＮＯｘの量は、予混合時着火モードに比べて多くなる。
【００４１】
一方、始動モードＳＭの二つのサブモードは、通常モードＲＭの二つのサブモードにくらべて、要求負荷が０である状態（無負荷状態）での１サイクルの燃料噴射量が多い。始動モードＳＭの二つのサブモードにおいては、無負荷状態での１サイクルの燃料噴射量が多いため、一般に予混合自着火サブモードＲＭ１にくらべて、無負荷状態でのエンジンの単位時間当たりの回転数は高くなる。なお、「要求負荷」は、アクセル開度センサ３４から送られてくるアクセル開度θａｃ等に基づいて、ＥＣＵ３０によって決定される。本明細書では、「要求負荷が０である状態（無負荷状態）」とは、アクセルの踏み込み量が０、すなわち、θａｃが０である状態をいう。
【００４２】
始動モードＳＭの二つのサブモードのうち低圧縮比サブモードＳＭ１においては、吸気バルブ１３２を閉じるタイミングは、下死点後４０°である。以上で説明した以外の点については、低圧縮比サブモードＳＭ１は、予混合自着火サブモードＲＭ１と同様である。すなわち、点火プラグ１３６による点火は行わない。低圧縮比サブモードＳＭ１は、エンジンの始動直後から実行される。
【００４３】
通常の運転において、無負荷状態では、スロットル弁２２は最も閉じた状態となり、サージタンク１２ｔ（図１参照）内の圧力は大気圧よりも低い。その結果、シリンダ１４２への空気の供給量も少ない。しかし、エンジン始動時においては、サージタンク１２ｔ内の圧力は大気圧となっている。このため、エンジン始動直後は、スロットル弁２２が最も開いた状態と同程度にシリンダ１４２に空気が供給される。よって、この点からも、エンジンの始動直後に実行される低圧縮比サブモードＳＭ１では、エンジンの回転数は通常モードＲＭの無負荷状態のときに比べて高くなる。
【００４４】
始動モードＳＭの二つのサブモードのうち高圧縮比サブモードＳＭ２は、低圧縮比サブモードＳＭ１に比べて吸気バルブ１３２を閉じるタイミングが早い。他の点は、低圧縮比サブモードＳＭ１と同じである。低圧縮比サブモードＳＭ１において、排気バルブ１３４を下死点後２５°で閉じ、吸気バルブ１３２を下死点後４０°で閉じている場合には、高圧縮比サブモードＳＭ２は、排気バルブ１３４を同様に下死点後２５°で閉じ、吸気バルブ１３２は、下死点後４０°よりも早い下死点後３０°で閉じる態様とすることができる。
【００４５】
高圧縮比サブモードＳＭ２は、低圧縮比サブモードＳＭ１に比べて吸気バルブ１３２を閉じるタイミングが早い。このため、ピストン１４４が低い位置にあるとき、すなわち、燃焼室１５０の容積が大きいときから圧縮が開始される。よって、高圧縮比サブモードＳＭ２は、低圧縮比サブモードＳＭ１に比べて圧縮比が高く、低圧縮比サブモードＳＭ１に比べて燃焼室１５０内の燃料が自着火を起こしやすい。
【００４６】
なお、高圧縮比サブモードＳＭ２においても点火プラグ１３６による点火は行わない。すなわち、始動モードＳＭにおいては、低圧縮比サブモードＳＭ１においても高圧縮比サブモードＳＭ２においても、点火プラグ１３６による点火は行わない。これら点火プラグ１３６による点火を行わない、始動モードＳＭの低圧縮比サブモードＳＭ１および高圧縮比サブモードＳＭ２、ならびに予混合自着火サブモードＲＭ１が、特許請求の範囲にいう「自着火優先運転」を行う運転モードである。
【００４７】
（２）運転モードの切換え：
図３は、エンジン始動後、燃焼状態に応じてエンジンの運転モードを切り換える手順を示すフローチャートである。ＥＣＵ３０は、エンジン始動直後は、ステップＳ２において、始動モードＳＭの低圧縮比サブモードＳＭ１による運転を行う。そして、ステップＳ４において、エンジン始動後の運転サイクル数Ｃ１が、しきい値Ｃｓ１を越えたか否かを判断する。エンジン始動後の運転サイクル数Ｃ１がしきい値Ｃｓ１以下であり、判断結果が「Ｎｏ」である場合は、低圧縮比サブモードＳＭ１による運転を継続する。そして、エンジン始動後の運転サイクル数Ｃ１がしきい値Ｃｓ１を越えるまで、ステップＳ２の低圧縮比サブモードＳＭ１による運転を継続する。なお、ステップＳ４におけるしきい値Ｃｓ１は、エンジンの始動後、通常の状態であれば運転状態が安定すると考えられる所定のサイクル数とすることができる。第１実施例では、Ｃｓ１は３とする。
【００４８】
エンジン始動後の運転サイクル数Ｃ１が、しきい値Ｃｓ１を越え、ステップＳ４の判断結果が「Ｙｅｓ」となった場合には、ステップＳ６において、エンジンの回転数Ｎｅが、しきい値Ｎｓ１を越えたか否かを判定する。なお、「エンジンの回転数」とは、エンジンのクランクシャフトの単位時間当たりの回転数である。
【００４９】
ステップＳ６においてエンジンの回転数Ｎｅがしきい値Ｎｓ１を越えており、判断結果が「Ｙｅｓ」である場合には、燃焼は正常に起こっており燃料は正常である（自着火運転に適している）と判定し、始動モードＳＭによる運転を終えて、ステップＳ１６で予混合自着火サブモードＲＭ１による運転を開始する。具体的には、無負荷状態での１サイクルの燃料噴射量を、始動モードＳＭの噴射量から低減して、予混合自着火サブモードＲＭ１（通常モードＲＭ）の噴射量とする（図２参照）。以降、予混合自着火サブモードＲＭ１による運転を続ける。このような手順を実行することで、低圧縮比サブモードＳＭ１において適正な運転が可能な場合には、ＮＯｘの発生量が少ない予混合自着火サブモードＲＭ１による運転を優先的に行うことができる。
【００５０】
なお、本実施例では、「燃焼が正常」であるとは、燃焼室内において自着火燃焼が支配的に起こっていることを意味し、「燃焼状態の異常」とは、燃焼室内において自着火燃焼が支配的に起こっていないことを意味する。多くの場合、自着火燃焼が支配的に起こっていないときには、火炎伝播燃焼が支配的に起こっている。また、失火が起こっていることもある。なお、ステップＳ６におけるしきい値Ｎｓ１は、エンジンの始動後、燃焼状態の異常が生じていなければ達成されると考えられる所定のエンジン回転数とすることができる。第１実施例では、Ｎｓ１は２０００ｒｐｍとする。第１実施例においては、始動モードＳＭにおける無負荷時の燃料噴射量が通常モードＲＭよりも多く、その結果、無負荷時のエンジン回転数が通常モードＲＭよりも高い。よって、燃焼異常により回転数が上昇しないか、正常な燃焼が起こっているかの違いを容易に判定することができる。また、エンジン始動後の一定期間を除いて定常的に実行される通常モードＲＭにおいては、無負荷時の燃料噴射量が始動モードＳＭよりも低い。このため、エンジンの燃費を向上させることができる。
【００５１】
ステップＳ６において、エンジンの回転数Ｎｅが、しきい値Ｎｓ１以下であり、判断結果が「Ｎｏ」であった場合には、ＥＣＵ３０は、ステップＳ８において、エンジンの運転を低圧縮比サブモードＳＭ１から高圧縮比サブモードＳＭ２に切り換える。具体的には、吸気バルブ１３２を閉じるタイミングを、下死点後４０°から３０°に早める（図２参照）。
【００５２】
その後、ステップＳ１０において、エンジンの運転を高圧縮比サブモードＳＭ２に切り換えた後の運転サイクル数Ｃ２が、しきい値Ｃｓ２を越えたか否かを判断する。運転サイクル数Ｃ２が、しきい値Ｃｓ２を越えるまでは、ステップＳ８の高圧縮比サブモードＳＭ２による運転を続ける。
【００５３】
なお、ステップＳ１０のしきい値Ｃｓ２は、エンジンの運転を高圧縮比サブモードＳＭ２に切り換えた後、通常の状態であれば運転状態が安定すると考えられる所定のサイクル数とすることができる。第１実施例では、Ｃｓ２は、Ｃｓ１と同じく３とする。
【００５４】
エンジンの運転を高圧縮比サブモードＳＭ２に切り換えた後の運転サイクル数Ｃ２がしきい値Ｃｓ２を越え、ステップＳ１０の判断結果が「Ｙｅｓ」となった場合には、ステップＳ１２において、エンジンの回転数Ｎｅが、しきい値Ｎｓ２を越えたか否かを判定する。
【００５５】
ステップＳ１２において、エンジンの回転数Ｎｅがしきい値Ｎｓ２を越えている場合には、燃料は正常であると判定し、ステップＳ１６で予混合自着火サブモードＲＭ１による運転を開始する。具体的には、無負荷状態での１サイクルの燃料噴射量を低減する（図２参照）。以降、予混合自着火サブモードＲＭ１による運転を続ける。その際、吸気バルブ１３２を閉じるタイミングは、予混合自着火サブモードＲＭ１においても下死点後３０°のままとする。すなわち、ステップＳ１２からステップＳ１６に移行した場合の予混合時着火サブモードＲＭ１の圧縮比は、ステップＳ６からステップＳ１６に移行した場合の予混合時着火サブモードＲＭ１の圧縮比よりも、高い。
【００５６】
なお、ステップＳ１２のしきい値Ｎｓ２は、エンジンの運転を高圧縮比サブモードＳＭ２に切り換えた後、燃焼状態の異常が生じていなければ達成されると考えられる所定のエンジン回転数とすることができる。第１実施例では、Ｎｓ２も、Ｎｓ１と同じく２０００ｒｐｍとする。これらＮｓ１、Ｎｓ２は、アイドリング時のエンジン回転数として設定されている回転数よりも高く設定することが好ましい。
【００５７】
ステップＳ１２において判定結果が「Ｙｅｓ」となる場合とは、低圧縮比サブモードＳＭ１においては燃焼異常が生じ（ステップＳ６において判定結果が「Ｎｏ」となる）、高圧縮比サブモードＳＭ２においては燃焼異常が生じない（ステップＳ１２において判定結果が「Ｙｅｓ」となる）場合である。燃料の質は適正であるが、気温、湿度、大気圧のうちの少なくとも一つが低圧縮比サブモードＳＭ１に適さない場合や、燃料のオクタン価が、予混合自着火運転ができないほどに高くはないが、低圧縮比サブモードＳＭ１において適正な運転ができない程度に高い場合には、そのような結果となることがある。
【００５８】
上記のような手順を実行することで、同じ予混合時着火サブモードＲＭ１であっても、燃焼の質、気温、湿度、大気圧などに応じた適切な圧縮比で運転を行うことができる。その結果、より広い条件下で、ＮＯｘの発生量が少ない予混合自着火運転を行わせることができる。また、低圧縮比では適切に自着火運転ができない場合に、高圧縮比で運転することとしているので、比較的自着火しやすい燃料に対して最初から圧縮比の高い運転モードを実行して、ノッキングを生じさせてしまうおそれがない。
【００５９】
ステップＳ１２において、エンジンの回転数Ｎｅがしきい値Ｎｓ２以下であり、判定結果がＮｏであった場合には、ＥＣＵ３０は、燃料が自着火に適さないと判断して、ステップＳ１４においてエンジンの運転を火花点火サブモードＲＭ２に切り換える。具体的には、各サイクルにつき、上死点前３０°において行う点火プラグ１３６による点火を開始する。そして処理を終了する。その後、エンジンは、火花点火サブモードＲＭ２による運転が続行される。
【００６０】
燃料が予混合自着火サブモードＲＭ１に適さない場合、例えば、燃料のオクタン価が高すぎる場合には、高圧縮比サブモードＳＭ２においてもエンジン回転数があがらないことがある。そのような場合には、ステップＳ１２において判定結果は「Ｎｏ」となり、火花点火サブモードＲＭ２が実行される。上記のような手順を実行することで、自着火燃焼を行えない場合にも、安定した運転を行うことができる。
【００６１】
以上で説明した第１実施例では、燃焼状態の異常の判定をエンジンの回転数に基づいて判定している（ステップＳ６およびＳ１２参照）。このため、火炎の伝播速度が緩慢な火炎伝播燃焼が起こっているときや、失火が起こったときにも、ＮＯｘ濃度によって燃焼状態の判定を行う場合のように、自着火が適正に起こっていると誤判定することがない。よって、燃料が自着火に適しているか否かを正確に判定することができる。
【００６２】
Ｂ．第２実施例：
Ｂ−１．点火ユニットの構成およびイオン電流の検出：
第２実施例のエンジンは、点火ユニットの構成が第１実施例とは異なっている。第２実施例のエンジンの他の構成は、図１に示す第１実施例と同様である。
【００６３】
図４は、第２実施例の点火ユニット（ＩＧＵ）１３７ｂの内部構造を示した説明図である。ＩＧＵ１３７ｂは、点火コイル４２とコイル駆動回路４４とを有している。点火コイル４２は、一次側コイル４２ａと二次側コイル４２ｂを有している。一次側コイル４２ａの一端はバッテリ６０に接続され、他端はコイル駆動回路４４に接続されている。また、二次側コイル４２ｂの一端は点火プラグ１３６の中心電極１３６ａに接続され、他端はコイル駆動回路４４に接続されている。
【００６４】
コイル駆動回路４４は、トランジスタ４４ａと、定電圧ダイオード４４ｂ、４４ｃ、コンデンサ４４ｄ、抵抗４４ｅを有している。トランジスタ４４ａのコレクタ電極は一次側コイル４２ａに接続され、トランジスタ４４ａのエミッタ電極は接地され、ベース電極はＥＣＵ３０に接続されている。定電圧ダイオード４４ｂ，４４ｃは、二次側コイル４２ｂからグランドに至る回路上にその順番に設けられている。二次側コイル４２ｂからグランドに向かう向きの電流に対して、定電圧ダイオード４４ｂは逆方向に設けられており、定電圧ダイオード４４ｃは順方向に設けられている。
【００６５】
また、コンデンサ４４ｄが、定電圧ダイオード４４ｂと並列に接続されており、抵抗４４ｅが、定電圧ダイオード４４ｃと並列に接続されている。その結果、抵抗４４ｅの一端も接地されていることになる。抵抗４４ｅの接地されていない側はＥＣＵ３０に接続されており、ＥＣＵ３０は接地電圧に対する電圧値を検出することができる。
【００６６】
図５は、点火プラグ１３６において火花を飛ばす場合の、点火信号（ＩＧＴ）、点火プラグ１３６の電極間（中心電極１３６ａと周辺電極１３６ｂの間）の電圧、イオン電流の波形を示すグラフである。グラフの横軸は、クランクシャフトの回転角度θｃである。点火プラグ１３６において火花を飛ばす場合には、ＥＣＵ３０は、たとえば、まず、図５のｔ１のタイミングで点火信号（ＩＧＴ）を出力して、図４のトランジスタ４４ａのベース電極をＯＮ状態（高電圧状態）とする。すると、一次側コイル４２ａに電流が流れる。一次側コイル４２ａの電流は徐々に増大するため、二次側コイル４２ｂには相互誘導作用によって逆起電力が生じる。その結果、図５に示すように、タイミングｔ１以降、二次側コイル４２ｂに接続された中心電極１３６ａと、周辺電極１３６ｂとの間にも電位差が生じる。
【００６７】
その後、ＥＣＵ３０がタイミングｔ２で点火信号（ＩＧＴ）の出力を停止すると、一次側コイル４２ａを流れる電流量は急激に０となる。すると、二次側コイル４２ｂには、相互誘導作用によってそれまでとは逆向きの逆起電力が発生する。この逆起電力により、図５に示すように、二次側コイル４２ｂに接続された点火プラグ１３６の中心電極１３６ａと、周辺電極１３６ｂとの間に、それまでとは逆向きの逆起電力が生じ、火花が飛ぶ。その火花によって燃焼室１５０内の混合気が点火される。その際、電流は、図４に示した二次側コイル４２ｂを図４において下向きに流れる。このときの二次側コイル４２ｂの逆起電力は、定電圧ダイオード４４ｂのツェナー電圧よりも大きいため、電流は、定電圧ダイオード４４ｂ，４４ｃを通ってグランドに流れる。
【００６８】
中心電極１３６ａと周辺電極１３６ｂとの間に放電が起こり、定電圧ダイオード４４ｂ，４４ｃを通って図４の下向きに電流が流れると、コンデンサ４４ｄには、定電圧ダイオード４４ｂのツェナー電圧に相当するだけの電荷が蓄えられる。このため、放電後、中心電極１３６ａと周辺電極１３６ｂとの間には、コンデンサ４４ｄに蓄えられた電荷に相当する分だけの電位差が生じる（図５の中段右側参照）。
【００６９】
燃料と空気を含む混合気が燃焼室１５０内において燃焼すると、その混合気はイオン化する。このため、混合気が燃焼すると、中心電極１３６ａと周辺電極１３６ｂの間にはイオン電流が流れる。すなわち、「イオン電流」とは、燃焼室内においてイオン化した混合気によって、燃焼室内にある電位差のある電極の間を流れる電流である。中心電極１３６ａと周辺電極１３６ｂの間にイオン電流が流れると、コンデンサ４４ｄの電荷が減少するので、抵抗４４ｅの接地されていない側の電位が変化する。ＥＣＵ３０はこれを検出することにより、イオン電流を検知することができる。
【００７０】
イオン電流の大きさ、発生時期、継続時間などに基づいて、燃焼室内の燃焼状態を判定することができる。自着火燃焼が生じた場合には、図５において比較的細かいハッチをかけた波形Ｉｆで示すように、比較的大きな電流が短時間だけ流れる。これに対して、火花点火によって火炎伝播燃焼が生じた場合には、図５において比較的粗いハッチをかけた波形Ｉｄで示すように、比較的小さな電流が長時間にわたって流れる。なお、図５において、「ＴＤＣ」は、ピストンの上死点である。そして、ｔ１のタイミングおよびＴＤＣ後のタイミングでいくつか生じているイオン電流の波形は、ノイズである。
【００７１】
第２実施例では、燃焼室１５０内において自着火燃焼が起こったか、火炎伝播燃焼が起こったかは、次のようにして判定する。上死点後２０°の時点（図５においてＡＴＤＣ２０°で示す）でのイオン電流の値が、しきい値Ｉｓを越えている場合は、長時間イオン電流が流れる火炎伝播燃焼が起こったものと判定する。そして、上死点後２０°の時点でのイオン電流の値（以下、「イオン電流Ｉ２０」と表記する）が、しきい値Ｉｓ以下である場合は、短時間しかイオン電流が流れない自着火燃焼が起こったものと判定する。図５の例では、自着火燃焼が起こった場合（波形Ｉｆで示される）のイオン電流Ｉ２０は０であり、しきい値Ｉｓより小さい（０に近い）。一方、火炎伝播燃焼が起こった場合（波形Ｉｄで示される）のイオン電流Ｉ２０はＩｄ２０であり、しきい値Ｉｓを越えている（０から遠い）。
【００７２】
第２実施例では、点火プラグ１３６を利用して燃焼室１５０中のイオン電流を測定し、燃焼状態を判定している。よって、複雑な構成を追加することなく、的確に燃焼状態を判定することができる。
【００７３】
Ｂ−２．エンジンの運転：
（１）運転モード：
第２実施例のエンジンは、始動モードＳＭおよび通常モードＲＭのいずれのモードにおいても、点火プラグ１３６による点火を行う。また、第２実施例のエンジンは、通常モードＲＭの予混合自着火サブモードを２種類有している。以下では、各モードの第１実施例との相違点を中心に説明する。
【００７４】
図６は、第２実施例のエンジンが有する２サイクル運転の運転モードを示す表である。第２実施例のエンジンは、通常モードＲＭ内に２種類の予混合自着火サブモードを有する。第１の予混合自着火サブモードＲＭ１１は、ピストンが上死点にあるときに点火プラグ１３６による点火を行う。他の点は、第１実施例の予混合自着火サブモードＲＭ１と同様である。以下では、第１の予混合自着火サブモードＲＭ１１を第１のサブモードＲＭ１１ということがある。
【００７５】
第２の予混合自着火サブモードＲＭ１２は、第１のサブモードＲＭ１１と比べたときに、それぞれ同一の負荷がある場合の燃料噴射量が第１のサブモードＲＭ１１よりも多い。このため、第２の予混合自着火サブモードＲＭ１２は、第１のサブモードＲＭ１１と比べて、燃焼室１５０内の混合気に自着火を起こさせやすい。他の点は、第１のサブモードＲＭ１１と同様である。以下では、第２の予混合自着火サブモードＲＭ１２を第２のサブモードＲＭ１２ということがある。
【００７６】
通常モードＲＭの火花点火サブモードＲＭ１３および始動モードＳＭにおいて、負荷があるときの燃料噴射量は、いずれも第１実施例の場合と同様である。したがって、同一の要求負荷に対する燃料噴射量は、図６の燃料噴射量の「有負荷」の欄に示すように、第２の予混合自着火サブモードＲＭ１２のみが他の運転モードに比べて多い。
【００７７】
図６の表に示すように、第２実施例においては、各運転モードにおいて点火プラグ１３６による点火を行う。ここで、「点火」とは、所定の条件下で混合気に火をつけることができる点火部が、混合気に火をつけるための動作を行うことをいう。その際、混合気が実際に点火部の動作によって燃焼されるか否かは問わない。第２実施例では、「点火」とは、点火プラグ１３６の電極から火花を飛ばすことである。
【００７８】
第２実施例では、図６の表に示すように、自着火を行わせる運転モードにおいても点火プラグ１３６による点火を行っている。このため、自着火を行わせる運転モードにおいて、適切に自着火が生じなかった場合にも、火花による点火を行うことで、失火を防止することができる。
【００７９】
点火プラグ１３６による点火のタイミングは、火花点火サブモードＲＭ１３においては第１実施例と同様に上死点前３０°であるのに対して、他の運転モードにおいては、上死点である。図６の表の点火タイミングの欄において、「ＢＴＤＣ」は、「ピストンが上死点にくる前」の意味である。火花点火サブモードＲＭ１３以外のモードにおいては上死点で点火を行うため、点火タイミングの欄は「０」となっている。低圧縮比サブモードＳＭ１１、高圧縮比サブモードＳＭ１２、火花点火サブモードＲＭ１３の他の点は、それぞれ第１実施例の低圧縮比サブモードＳＭ１、高圧縮比サブモードＳＭ２、火花点火サブモードＲＭ２と同様である。
【００８０】
第２実施例では、火花点火サブモードＲＭ１３においては、上死点前において火花点火を行っている。よって、エンジンが燃料の燃焼によって取り出すことができるトルクが大きい。なお、第１および第２実施例では、火花点火サブモードＲＭ１３における点火タイミングは、上死点前３０°としたが、エンジンのトルクが大きくなる任意の点火タイミングで、火花点火を行うことができる。通常、エンジンのトルクが最も大きくなる点火タイミングは、上死点前に存在する。
【００８１】
また、第２実施例においては、自着火を行わせる運転モードにおいては、火花点火サブモードＲＭ１３に比べて遅いタイミングで、具体的には、上死点で点火を行っている。このため、自着火が起こる状態であるにもかかわらず、自着火が起こる前に点火プラグ１３６による点火で混合気を火炎伝播燃焼させてしまうことがない。よって、ＮＯｘの発生量が少ない自着火燃焼を優先的に起こさせることができる。
【００８２】
なお、ＢＴＤＣ３０°で点火プラグ１３６による点火を行う火花点火サブモードＲＭ１３が、特許請求の範囲にいう「点火運転」を行う運転モードである。そして、ＢＴＤＣ３０°よりも遅いＴＤＣ（上死点）で点火プラグ１３６による点火を行う低圧縮比サブモードＳＭ１１および高圧縮比サブモードＳＭ１２、ならびに第１および第２の予混合自着火サブモードＲＭ１１，ＲＭ１２が、特許請求の範囲にいう「自着火優先運転」を行う運転モードである。
【００８３】
（２）運転モードの切換え：
第２実施例のエンジンは、点火プラグ１３６によって、燃焼室１５０内の燃焼状態を判定する。そして、始動時に好ましい運転モードを選択するだけでなく、エンジンの運転中にも、点火プラグ１３６によって燃焼室１５０内の燃焼状態をモニタし、燃焼状態に応じて運転モードを切り換える。以下では、通常モードＲＭにおけるモードの切換について説明する。始動モードＳＭにおけるモード選択の手続きは、第１実施例と同様である。
【００８４】
図７は、通常モードＲＭに移行した後、燃焼状態に応じてエンジンの運転モードを切り換える手順を示すフローチャートである。ＥＣＵ３０は、通常モードＲＭに移行した直後は、ステップＳ２２において、第１のサブモードＲＭ１１による運転を行う。そして、ステップＳ２４において、実行中のサイクルでピストンが上死点に達するまでに運転終了の指示があったか否かを判定する。運転終了の指示がなく、ステップＳ２４における判断結果が「Ｎｏ」である場合は、ステップＳ２６において、上死点後２０°におけるイオン電流Ｉ２０がしきい値Ｉｓを下回っているか否かを判定する（図５参照）。
【００８５】
上死点後２０°におけるイオン電流Ｉ２０が値Ｉｓを下回っており、ステップＳ２６の判断結果が「Ｙｅｓ」である場合は、ＥＣＵ３０は、燃料は正常であると判断して、次のサイクルもステップＳ２２において第１のサブモードＲＭ１１による運転を行う。そして、イオン電流Ｉ２０が値Ｉｓを下回っている限り、運転終了の指示があるまでは、第１のサブモードＲＭ１１による運転を継続する。このような手順を実行することで、第１の予混合自着火サブモードＲＭ１１において適正な運転が可能な場合には、ＮＯｘの発生量が少ない第１の予混合自着火サブモードＲＭ１１による運転を優先的に行うことができる。
【００８６】
上死点後２０°におけるイオン電流Ｉ２０が値Ｉｓ以上であり、ステップＳ２６の判断結果が「Ｎｏ」である場合は、ＥＣＵ３０は、次のサイクルについて、ステップＳ２２において第２の予混合自着火サブモードＲＭ１２による運転を行う。具体的には、同一負荷に対する燃料噴射量を増やして次のサイクルの運転を行う（図６参照）。そして、ステップＳ３０において、実行中のサイクルでピストンが上死点に達するまでに運転終了の指示があったか否かを判定する。運転終了の指示がなく、ステップＳ３０における判断結果が「Ｎｏ」である場合は、ステップＳ３２において、上死点後２０°におけるイオン電流Ｉ２０がしきい値Ｉｓを下回っているか否かを判定する（図５参照）。
【００８７】
上死点後２０°におけるイオン電流Ｉ２０が値Ｉｓを下回っており、ステップＳ３２の判断結果が「Ｙｅｓ」である場合は、ＥＣＵ３０は、燃料は正常であると判断して、次のサイクルもステップＳ２８において第２の予混合自着火サブモードＲＭ１２による運転を行う。そして、イオン電流Ｉ２０が値Ｉｓを下回っている限り、運転終了の指示があるまでは、第２の予混合自着火サブモードＲＭ１２による運転を継続する。
【００８８】
このような手順を実行することで、燃料の質、気温、湿度、大気圧などが適切ではないために第１のサブモードＲＭ１１において燃焼状態の異常がある場合にも、第２の予混合自着火サブモードＲＭ１２で予混合自着火運転を行わせることができる。また、第２実施例のエンジンは、第１と第２のサブモードＲＭ１１，ＲＭ１２を有しており、燃料噴射量が少ない第１のサブモードＲＭ１１を優先的に実行する。このため、全体として燃費を高くすることができる。すなわち、第２実施例のエンジンは、通常モードＲＭにおいて、燃料の質、気温、湿度、大気圧などに応じて適切なサブモードを選択して運転を行うことができる。
【００８９】
上死点後２０°におけるイオン電流Ｉ２０が値Ｉｓ以上であり、ステップＳ３２の判断結果が「Ｎｏ」である場合は、ＥＣＵ３０は、燃料が自着火に適さないと判断して、次のサイクルについて、ステップＳ３４で火花点火サブモードＲＭ１３による運転を行う。具体的には、同一負荷に対する燃料噴射量を減らして、点火プラグ１３６による点火タイミングを上死点から上死点前３０°まで前進させる（図６参照）。そして、ステップＳ３６において、実行中のサイクルで上死点までに運転終了の指示があったか否かを判定する。運転終了の指示がなく、ステップＳ３６における判断結果が「Ｎｏ」である場合は、火花点火サブモードＲＭ１３による運転を継続する。運転終了の指示があり、ステップＳ３６における判断結果が「Ｙｅｓ」である場合は、処理を終了する。上記のような手順を行うことで、自着火燃焼を行えない場合にも、安定した運転を行うことができる。
【００９０】
Ｃ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００９１】
Ｃ１．第１の変形例：
（１）変形例１：
第１実施例では、始動時に、低圧縮比サブモードＳＭ１による運転が適切に行われない場合には（図３のステップＳ６参照）、高圧縮比サブモードＳＭ２による運転が行われていた（ステップＳ８参照）。しかし、図３のエンジンの運転モードを切り換える手続きにおいて、ステップＳ８〜Ｓ１２を行わない態様とすることもできる。すなわち、ステップＳ６において、エンジンの回転数Ｎｅが、しきい値以下であった場合には、火花点火サブモードＲＭ２による運転を行って（ステップＳ１４）、処理を終了する態様とすることもできる。このような態様とすれば、単純な処理で安定したエンジンの運転を行うことができる。
【００９２】
（２）変形例２：
上記実施例では、２サイクル運転を例に運転モードの切換を説明したが、４サイクル運転において、同様に自着火運転と火花点火運転を切り換えてもよい。
【００９３】
２サイクル運転を例にして説明した第１実施例において、始動モードＳＭの低圧縮比サブモードＳＭ１は、吸気弁を閉じるタイミングが比較的遅いモードであり、高圧縮比サブモードＳＭ２は、吸気弁を閉じるタイミングが比較的早いモードであった。しかし、４サイクル自着火運転においては、低圧縮比サブモードＳＭ１は、ピストンの下死点後において吸気弁を閉じるタイミングが比較的遅いモードとし、高圧縮比サブモードＳＭ２は、ピストンの下死点後において吸気弁を閉じるタイミングが比較的早いモードとすることができる。また、４サイクル自着火運転において、低圧縮比サブモードＳＭ１は、ピストンの下死点前において吸気弁を閉じるタイミングが比較的早いモードとし、高圧縮比サブモードＳＭ２は、ピストンの下死点前において吸気弁を閉じるタイミングが比較的遅いモードとすることができる。
【００９４】
また、ピストンのストロークを変えることができるエンジンを使用する場合は、低圧縮比サブモードＳＭ１においてはピストンのストロークを比較的短くし、高圧縮比サブモードＳＭ２においてはピストンのストロークを比較的長くする態様とすることもできる。そして、燃焼室の容量を変えることができるエンジンを使用する場合は、低圧縮比サブモードＳＭ１においては燃焼室の容量を比較的大きくし、高圧縮比サブモードＳＭ２においては燃焼室の容量を比較的小さくする態様とすることもできる。すなわち、低圧縮比サブモードＳＭ１は比較的混合気の圧縮比が低いモードであればよく、高圧縮比サブモードＳＭ２は比較的混合気の圧縮比が高いモードであればよい。
【００９５】
（２）変形例３：
第１実施例では、始動モードＳＭにおける燃焼状態の判定は、エンジン始動後３サイクル後（ステップＳ４参照）と、状況に応じて高圧縮比サブモードＳＭ２に移行した後３サイクル後（ステップＳ１０参照）にも行われた。そして、燃焼状態の判定後、始動モードＳＭから通常モードＲＭに移行した。よって、始動モードＳＭは、３サイクル実行されることも６サイクル実行されることもあった。すなわち、燃焼状態の判定の前に行う始動モードＳＭは、サブモードの切換えが行われた場合と行われなかった場合、それぞれの状況に応じて、安定して燃焼状態の判定を行うことができる所定の長さ以下の期間だけ実行する態様とすることができる。
【００９６】
（４）変形例４：
上記実施例においては、図２および図６に示すように、始動モードＳＭは、負荷が０である状態において燃料の噴射量が通常モードＲＭよりも多かった。しかし、始動モードＳＭは、そのような態様に限られず、負荷が０である状態における始動モードＳＭの燃料の噴射量が、負荷が０である状態における通常モードＲＭの燃料噴射量と同じであってもよい。また、第１実施例では、通常モードＲＭの無負荷時の燃料噴射量は、始動モードＳＭの無負荷時の燃料の噴射量よりも少なかった。しかし、通常モードＲＭは、無負荷時の燃料噴射量が始動モードＳＭと同じである時間区間またはサブモードを含んでいてもよい。通常モードＲＭは、始動モードＳＭからの移行後、所定の期間は、無負荷時の燃料噴射量が始動モードＳＭと同じである態様とすることもできる。そのような態様とすれば、始動モードだけでは十分に上昇しなかった冷却水の温度を、エンジンの運転上、好ましい温度範囲まで上昇させることができる。
【００９７】
（５）変形例５：
上記実施例においては、エンジンの回転数に基づいて燃焼状態を判定し、燃焼状態に異常があると判定した場合には、吸気バルブ１３２を閉じるタイミングを早くしたり（図２の高圧縮比サブモードＳＭ２参照）、燃料噴射量を増やしたり（図６の第２の予混合自着火サブモードＲＭ１２参照）、点火プラグ１３６による点火を行っていた。しかし、燃焼状態に異常があると判定した後の対応は、他の対応であってもよい。たとえば、警告灯を点灯してもよいし、エンジンの運転を停止してもよい。すなわち、本発明を実施する際には、クランクシャフトの単位時間当たりの回転数がしきい値に達しなかった場合には、燃料が自着火に適さないと判断する、任意の態様とすることができる。
【００９８】
Ｃ−２．第２実施例の変形例：
（１）変形例１：
第２実施例においては、図６の表に示すように、火花点火サブモードＲＭ１３においては、上死点前３０°で点火を行っており、第１および第２の予混合自着火サブモードＲＭ１１，ＲＭ１２においては、上死点で点火を行っていた。しかし、点火タイミングはこれらに限られず、他のタイミングとすることもできる。たとえば、火花点火サブモードＲＭ１３においては、上死点前２５°で点火を行ってもよく、第１または第２の予混合自着火サブモードＲＭ１２において、上死点前５°で点火を行ってもよい。すなわち、点火サブモードは、ピストンの上死点前のタイミングで点火部による点火を行う運転モードであればよい。そして、自着火サブモードは、エンジンの回転数が同一で、要求負荷が同一であるという条件下で、点火サブモードよりも遅いタイミングで点火部による点火を行う運転モードとすることができる。また、自着火サブモードは、点火部による点火を行わない運転モードとすることもできる。
【００９９】
（２）変形例２：
第２実施例では、点火プラグ１３６を利用して燃焼室１５０中のイオン電流を測定し、燃焼状態を判定した。しかし、イオン電流を測定するための専用のセンサを、別途エンジンに備える態様としてもよい。
【０１００】
（３）変形例３：
第２実施例においては、上死点後２０°の時点でのイオン電流Ｉ２０が、しきい値Ｉｓを越えているか否かで燃焼状態の判定を行っていた。しかし、イオン電流に基づいて燃焼状態を判定する方法として、他の方法を利用することもできる。たとえば、ピストンの上死点後、イオン電流がしきい値Ｉｓを超えている時間を測定し、その時間に基づいて燃焼状態を判定してもよい。
【０１０１】
自着火燃焼が生じた場合には、図５において波形Ｉｆで示すように、比較的大きな電流が短時間だけ流れる。一方、火炎伝播燃焼が生じた場合には、波形Ｉｄで示すように、比較的小さな電流が長時間にわたって流れる。よって、具体的には、イオン電流がしきい値Ｉｓを超えている時間がしきい値ｔｓ以上である場合には、主として火炎伝播燃焼が生じていると判断し、しきい値ｔｓ未満である場合には、主として自着火燃焼が生じていると判定することができる。図５の例においては、自着火燃焼の場合にイオン電流がしきい値Ｉｓを超えている時間をｔｆで示し、火炎伝播燃焼の場合にイオン電流がしきい値Ｉｓを超えている時間をｔｄで示す。通常、ｔｄはｔｆより大きくなるため、ｔｄとｔｆの間の適切な値にｔｓを設定することで、上記のように燃焼状態を判定することができる。
【０１０２】
また、自着火燃焼の場合には、大きなイオン電流が流れる（図５参照）。よって、ピストンの上死点後、一定の時間内のイオン電流の最大値が、所定のしきい値を超えている場合は、自着火燃焼であると判断し、しきい値を下回っている場合は、火炎伝播燃焼が起こった、すなわち、燃焼状態の異常があると判断してもよい。さらに、イオン電流が０である場合や所定の下限値よりも小さい場合は、失火がおこったものと判断することが好ましい。
【０１０３】
さらに、上述したような複数の判断基準を組み合わせて、燃焼状態を判定してもよい。たとえば、それらすべての判断基準に基づく判定が「Ｙｅｓ（燃焼状態の異常がある）」である場合に、燃焼状態の異常があると判断してもよいし、いずれか一つが「Ｙｅｓ」である場合に、燃焼状態の異常があると判断してもよい。すなわち、本発明を実施する際には、燃焼室内のイオン電流を検出することができるセンサを利用して、任意の方法で燃焼状態を判定することができる。
【０１０４】
（４）変形例４：
第２実施例においては、イオン電流に基づいて燃焼室内の混合気の燃焼状態を判定していたが、他の方法で燃焼室内の混合気の燃焼状態を判定してもよい。たとえば、第１実施例と同様に、所定の要求負荷を与えた場合のエンジンの単位時間当たりの実際の回転数が、所定のしきい値に達しなかった場合には、その運転モードにおいて適切な燃焼が行われていないと判定して、運転モードを変える態様とすることができる。すなわち、本発明を実施する際には、燃焼室内の燃焼状態を検出することができる任意の燃焼状態検出センサに基づいて、運転状態を切り換える態様とすることができる。
【０１０５】
Ｃ−３．その他：
上記各実施例および変形例では、各バルブの開閉タイミング、火花点火のタイミングは、数値を挙げて説明した。しかし、それらは一例に過ぎず、各バルブの開閉タイミング、火花点火のタイミングは、シリンダの内径、ピストンのストローク量、バルブの径など、エンジンの設計値に応じた所定のタイミングとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例のエンジンの構造を概念的に示した説明図。
【図２】第１実施例のエンジンが有する２サイクル運転の運転モードの表。
【図３】エンジン始動後、燃焼状態に応じてエンジンの運転モードを切り換える手順を示すフローチャート。
【図４】第２実施例の点火ユニット（ＩＧＵ）１３７ｂの内部構造を示した説明図。
【図５】点火プラグ１３６において火花を飛ばす場合の、点火信号、点火プラグ１３６の電極間の電圧、イオン電流の波形を示すグラフ。
【図６】第２実施例のエンジンが有する２サイクル運転の運転モードを示す表。
【図７】通常モードＲＭに移行した後、燃焼状態に応じてエンジンの運転モードを切り換える手順を示すフローチャート。
【符号の説明】
１０…エンジン
１２…吸気通路
１２ｏ…吸気口
１２ｔ…サージタンク
１５…筒内燃料噴射部
１６…排気通路
１６ｏ…排気口
２２…スロットル弁
２４…電動アクチュエータ
３０…ＥＣＵ
３２…クランク角センサ
３４…アクセル開度センサ
４０…電磁駆動弁駆動回路
４２…点火コイル
４２ａ…一次側コイル
４２ｂ…二次側コイル
４４…コイル駆動回路
４４ａ…トランジスタ
４４ｂ，４４ｃ…定電圧ダイオード
４４ｄ…コンデンサ
４４ｅ…抵抗
６０…バッテリ
１３０…シリンダヘッド
１３０ｒ…天井部
１３２…吸気バルブ
１３４…排気バルブ
１３６…点火プラグ
１３６ａ…中心電極
１３６ｂ…周辺電極
１３７，１３７ｂ…点火ユニット（ＩＧＵ）
１４０…シリンダブロック
１４２…シリンダ
１４４…ピストン
１４６…コネクティングロッド
１４８…クランクシャフト
１５０…燃焼室
１６２，１６４…電動アクチュエータ
Ｃ１…エンジン始動後の運転サイクル数
Ｃｓ１…低圧縮比サブモードＳＭ１を終了するか否か判定するためのしきい値
Ｃ２…高圧縮比サブモードＳＭ２に移行した後の運転サイクル数
Ｃｓ２…高圧縮比サブモードＳＭ２を終了するか否か判定するためのしきい値
Ｉｄ…火炎伝播燃焼が起こった場合のイオン電流
Ｉｄ２０…火炎伝播燃焼が起こった場合のＡＴＤＣ２０°のイオン電流値
Ｉｆ…自着火燃焼が起こった場合のイオン電流
Ｎｅ…クランクシャフトの単位時間当たりの回転数（エンジンの回転数）
Ｎｓ１，Ｎｓ２…エンジンの回転数のしきい値
ｔ１…点火信号（ＩＧＴ）の出力をＯＮにするタイミング
ｔ２…点火信号（ＩＧＴ）の出力をＯＦＦにするタイミング
θａｃ…アクセル開度
θｃ…クランクシャフトの回転角度
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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