(57)【要約】【課題】高回転においても安定した自己着火燃焼を行う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。エンジン１００がＨＣＣＩ燃焼を行っている場合に、ＥＣＵ５０は、目標燃焼時期で自己着火燃焼が行われるようにエンジンシステム２００の各部を制御する。目標燃焼時期は、エンジン１００の回転数の増加に伴い増加しかつ圧縮上死点から目標燃焼時期までの時間が常に一定になるように設定される。【選択図】図１
2007107407.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械装置を駆動するエンジンシステムであって、
シリンダを有し、前記シリンダ内の混合気が自己着火燃焼を行うエンジンと、
前記エンジンの回転数を検出する回転数検出手段と、
前記エンジンが自己着火燃焼を行っているときに前記混合気の自己着火の時期を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記回転数検出手段により検出される前記エンジンの回転数の増加に伴い前記混合気の自己着火の時期が遅角するように前記混合気の自己着火の時期を制御することを特徴とするエンジンシステム。
【請求項２】
前記制御手段は、圧縮上死点から自己着火までの時間が常に等しくなるように前記混合気の自己着火の時期を制御することを特徴とする請求項１記載のエンジンシステム。
【請求項３】
前記混合気の燃焼時期を計測する燃焼時期計測手段と、
前記エンジンの回転数に応じた前記混合気の最適な燃焼時期を記憶する記憶手段とをさらに備え、
前記制御手段は、前記燃焼時期計測手段により計測された燃焼時期と前記記憶手段に記憶された前記最適な燃焼時期との誤差が小さくなるように前記混合気の自己着火の時期を制御することを特徴とする請求項１または２記載のエンジンシステム。
【請求項４】
前記混合気を火花点火燃焼させる点火手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記誤差の絶対値が所定の値より大きい場合に前記点火手段により前記混合気を火花点火燃焼させることを特徴とする請求項３記載のエンジンシステム。
【請求項５】
前記最適な燃焼時期は、前記シリンダから排出される排気に含まれる窒素酸化物、前記シリンダ内の圧力の変化率の最大値および前記混合気の燃焼安定性に基づいて決定されることを特徴とする請求項３または４記載のエンジンシステム。
【請求項６】
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、
前記シリンダから排出される排気の量を調整する排気量調整手段と、
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をさらに備え、
前記制御手段は、前記運転情報検出手段により検出された前記運転状態に関する情報に基づいて、前記吸気量調整手段および前記排気量調整手段の少なくとも一方を制御することにより、自己着火燃焼前に、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、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および前記シリンダ内に残存する既燃ガスの量を制御するとともに、混合気の空燃比を理論空燃比に設定する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。
【請求項７】
前記吸気量調整手段は、前記吸気通路内の流量を調整する第１の吸気量調整手段と、前記再循環通路内の流量を調整する第２の吸気量調整手段とを含み、
前記制御手段は、前記運転情報検出手段により検出された前記運転状態に関する情報に基づいて、前記第１の吸気量調整手段、前記第２の吸気量調整手段および前記排気量調整手段の少なくとも１つを制御することにより、自己着火燃焼前に、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、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および前記シリンダ内に残存する既燃ガスの量を制御することを特徴とする請求項６記載のエンジンシステム。
【請求項８】
前記吸気量調整手段は、前記吸気通路を通して前記シリンダ内へ導かれる空気と前記再循環通路を通してシリンダ内へ導かれる排気とを含む吸気の量を調整する第３の吸気量調整手段を含み、
前記制御手段は、前記運転情報検出手段により検出された前記運転状態に関する情報に基づいて、前記第３の吸気量調整手段および前記排気量調整手段の少なくとも一方を制御することにより、自己着火燃焼前に、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、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および前記シリンダ内に残存する既燃ガスの量を制御することを特徴とする請求項６記載のエンジンシステム。
【請求項９】
前記吸気量調整手段は、前記吸気通路内の流量を調整する第１の吸気量調整手段、前記再循環通路内の流量を調整する第２の吸気量調整手段、および前記吸気通路を通して前記シリンダ内へ導かれる空気と前記再循環通路を通してシリンダ内へ導かれる排気とを含む吸気の量を調整する第３の吸気量調整手段を含み、
前記制御手段は、前記運転情報検出手段により検出された前記運転状態に関する情報に基づいて、前記第１の吸気量調整手段、前記第２の吸気量調整手段、前記第３の吸気量調整手段および前記排気量調整手段の少なくとも１つを制御することにより、自己着火燃焼前に、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、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および前記シリンダ内に残存する既燃ガスの量を制御することを特徴とする請求項６記載のエンジンシステム。
【請求項１０】
駆動輪と、
請求項１〜９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たことを特徴とする車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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）、または排気ガス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。
【０００３】
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ガス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。
【０００４】
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。
【０００５】
ところで、混合気の燃焼反応においては、燃焼期間が過度に長期化すると燃焼が不安定化し、また、過度に短期化すると打音およびノッキング振動が増加することが知られている。そこで、例えば、特許文献１の圧縮自己着火式内燃機関においては、主たる燃焼時期および主たる燃焼期間を定義し、主たる燃焼期間が第１限界期間と第２限界期間との間に収まるように燃焼時期および燃焼期間を制御している。
【特許文献１】特開２００１−３５５４８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで、特許文献１においては、主たる燃焼期間は、主たる燃焼時期に対し燃焼安定性より決定される長期側の第１限界期間と、打音またはノッキングにより決定される短期側の第２限界期間との間に設定しなければならない。また、主たる燃焼時期の遅角限界は機関回転数の上昇に伴い進角側に変化するように設定されている。この場合、機関回転数が増加することにより、主たる燃焼期間および主たる燃焼時期の成立範囲は減少する。つまり、特許文献１の圧縮自己着火式内燃機関においては、機関回転数の上昇に伴い自己着火燃焼が可能な領域が狭くなる。
【０００７】
本発明の目的は、高回転においても安定した自己着火燃焼を行う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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（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、シリンダを有し、シリンダ内の混合気が自己着火燃焼を行うエンジンと、エンジンの回転数を検出する回転数検出手段と、エンジンが自己着火燃焼を行っているときに混合気の自己着火の時期を制御する制御手段とを備え、制御手段は、回転数検出手段により検出されるエンジンの回転数の増加に伴い混合気の自己着火の時期が遅角するように混合気の自己着火の時期を制御するものである。
【０００９】
本発明に係るエンジンシステムにおいては、回転数検出手段によりエンジンの回転数が検出される。制御手段は、エンジンの回転数の増加に伴い、混合気の自己着火の時期を遅角させる。
【００１０】
この場合、エンジンの回転数の増加に伴い燃焼時期が遅角するので、エンジンが高回転で作動しても混合気の燃焼期間が短くなることが防止される。それにより、エンジンが高回転で作動している場合においても、打音およびノッキング等が防止された安定した自己着火燃焼が可能になるとともに、エンジンの破損を防止することができる。
【００１１】
（２）制御手段は、圧縮上死点から自己着火までの時間が常に等しくなるように混合気の自己着火の時期を制御してもよい。
【００１２】
この場合、シリンダ内の温度および圧力とそれらの保持時間もほぼ一定に維持される。自己着火燃焼における燃焼安定性は、シリンダ内の温度および圧力とそれらの保持時間とに大きく影響を受ける。したがって、圧縮上死点から自己着火までの時間が常に等しくなるように混合気の自己着火の時期を制御することにより、常に良好な燃焼安定性を得ることが可能になる。
【００１３】
（３）エンジンシステムは、混合気の燃焼時期を計測する燃焼時期計測手段と、エンジンの回転数に応じた混合気の最適な燃焼時期を記憶する記憶手段とをさらに備え、制御手段は、燃焼時期計測手段により計測された燃焼時期と記憶手段に記憶された最適な燃焼時期との誤差が小さくなるように混合気の自己着火の時期を制御してもよい。
【００１４】
この場合、記憶手段に記憶された最適な燃焼時期に近づくように混合気の自己着火の時期が制御される。それにより、より安定した自己着火燃焼が可能になるとともに、エンジンの破損を確実に防止することができる。
【００１５】
（４）エンジンシステムは、混合気を火花点火燃焼させる点火手段をさらに備え、制御手段は、誤差の絶対値が所定の値より大きい場合に点火手段により混合気を火花点火燃焼させてもよい。
【００１６】
この場合、燃焼時期計測手段によって実際に測定された燃焼時期が記憶手段に記憶された最適な燃焼時期と大きく異なっている場合には、火花点火燃焼が行われる。それにより、混合気の早期着火および失火等の不整燃焼を防止することができる。
【００１７】
（５）最適な燃焼時期は、シリンダから排出される排気に含まれる窒素酸化物、シリンダ内の圧力の変化率の最大値および混合気の燃焼安定性に基づいて決定されてもよい。
【００１８】
この場合、燃焼安定性が良好でかつ窒素酸化物、打音およびノッキングが減少された自己着火燃焼が可能になる。
【００１９】
（６）エンジンシステムは、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、シリンダから排出される排気の量を調整する排気量調整手段と、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をさらに備え、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、吸気量調整手段および排気量調整手段の少なくとも一方を制御することにより、自己着火燃焼前に、吸気通路を通してシリンダ内へ導かれる空気の量、再循環通路を通してシリンダ内へ導かれる排気の量およびシリンダ内に残存する既燃ガスの量を制御するとともに、混合気の空燃比を理論空燃比に設定してもよい。
【００２０】
このエンジンシステムにおいては、混合気の自己着火燃焼後にシリンダ内の既燃ガスの少なくとも一部が排気としてシリンダから排出される。このとき、シリンダから排出される排気の量が排気量調整手段により調整される。次いで、空気が吸気通路を通してシリンダ内に導かれ、シリンダから排出される排気の少なくとも一部が再循環通路を通してシリンダ内に導かれる。このとき、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が吸気量調整手段により調整される。
【００２１】
その後、吸気通路を通してシリンダ内へ導かれた空気、再循環通路を通してシリンダ内へ導かれた排気およびシリンダ内に残存する既燃ガスがシリンダ内において圧縮される。それにより、シリンダ内が高温高圧の状態となり、空気および燃料からなる混合気が自己着火燃焼する。
【００２２】
この場合、運転情報検出手段により機械装置の運転状態に関する情報が検出され、検出された情報に基づいて制御手段により吸気量調整手段および排気量調整手段の少なくとも一方が制御される。それにより、自己着火燃焼前に、吸気通路を通してシリンダ内へ導かれる空気の量、再循環通路を通してシリンダ内へ導かれる排気の量およびシリンダ内に残存する既燃ガスの量が制御される。
【００２３】
シリンダ内に残存する既燃ガスは、燃焼直後の高温の状態にある。一方、再循環通路を通してシリンダ内へ導かれる排気は、シリンダ内に残存する既燃ガスよりも低温である。
【００２４】
したがって、シリンダ内に残存する既燃ガス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を制御することにより、シリンダ内を最適な温度に制御することができる。それにより、混合気の自己着火の時期を容易に調整することができる。その結果、熱効率が向上されるとともに、安定した自己着火燃焼を行うことができる。
【００２５】
また、シリンダ内の混合気の空燃比が理論空燃比に設定される。この場合、混合気の自己着火燃焼により生じる既燃ガス中の酸素濃度がほぼ０となる。すなわち、シリンダから排出される排気中の酸素濃度がほぼ０となる。そのため、触媒を用いることにより、排気中の窒素酸化物を十分に還元することが可能となり、排気中の窒素酸化物の量を低減することができる。その結果、排気中の窒素酸化物の量の増加を抑制しつつ自己着火燃焼による運転領域を拡大することが可能となる。
【００２６】
（７）吸気量調整手段は、吸気通路内の流量を調整する第１の吸気量調整手段と、再循環通路内の流量を調整する第２の吸気量調整手段とを含み、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、第１の吸気量調整手段、第２の吸気量調整手段および排気量調整手段の少なくとも１つを制御することにより、自己着火燃焼前に、吸気通路を通してシリンダ内へ導かれる空気の量、再循環通路を通してシリンダ内へ導かれる排気の量およびシリンダ内に残存する既燃ガスの量を制御してもよい。
【００２７】
この場合、第１の吸気量調整手段により吸気通路を通してシリンダ内へ導かれる空気の量が調整され、第２の吸気量調整手段により再循環通路を通してシリンダ内へ導かれる排気の量が調整される。第１の吸気量調整手段、第２の吸気量調整手段および排気量調整手段の少なくとも１つが制御されることにより、吸気通路を通してシリンダ内へ導かれる空気の量、再循環通路を通してシリンダ内へ導かれる排気の量およびシリンダ内に残存する既燃ガスの量が制御される。それにより、シリンダ内の温度が制御される。その結果、混合気の自己着火燃焼の時期を容易に調整することができる。
【００２８】
（８）吸気量調整手段は、吸気通路を通してシリンダ内へ導かれる空気と再循環通路を通してシリンダ内へ導かれる排気とを含む吸気の量を調整する第３の吸気量調整手段を含み、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、第３の吸気量調整手段および排気量調整手段の少なくとも一方を制御することにより、自己着火燃焼前に、吸気通路を通してシリンダ内へ導かれる空気の量、再循環通路を通してシリンダ内へ導かれる排気の量およびシリンダ内に残存する既燃ガスの量を制御してもよい。
【００２９】
この場合、第３の吸気量調整手段によりシリンダ内に導入される吸気通路を通してシリンダ内へ導かれる空気と再循環通路を通してシリンダ内へ導かれる排気とを含む吸気の量が調整される。第３の吸気量調整手段および排気量調整手段の少なくとも一方が制御されることにより、吸気通路を通してシリンダ内へ導かれる空気の量、再循環通路を通してシリンダ内へ導かれる排気の量およびシリンダ内に残存する既燃ガスの量が制御される。それにより、シリンダ内の温度が制御される。その結果、混合気の自己着火燃焼の時期を容易に調整することができる。
【００３０】
（９）吸気量調整手段は、吸気通路内の流量を調整する第１の吸気量調整手段、再循環通路内の流量を調整する第２の吸気量調整手段、および吸気通路を通してシリンダ内へ導かれる空気と再循環通路を通してシリンダ内へ導かれる排気とを含む吸気の量を調整する第３の吸気量調整手段を含み、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、第１の吸気量調整手段、第２の吸気量調整手段、第３の吸気量調整手段および排気量調整手段の少なくとも１つを制御することにより、自己着火燃焼前に、吸気通路を通してシリンダ内へ導かれる空気の量、再循環通路を通してシリンダ内へ導かれる排気の量およびシリンダ内に残存する既燃ガスの量を制御してもよい。
【００３１】
この場合、第１の吸気量調整手段、第２の吸気量調整手段、第３の吸気量調整手段および排気量調整手段の少なくとも１つが制御されることにより、吸気通路を通してシリンダ内へ導かれる空気の量、再循環通路を通してシリンダ内へ導かれる排気の量およびシリンダ内に残存する既燃ガスの量が制御される。それにより、シリンダ内の温度がより正確に制御される。その結果、混合気の自己着火燃焼の時期を容易に調整することができる。
【００３２】
（１０）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。
【００３３】
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。
【００３４】
この場合、第１の発明に係るエンジンシステムにより、エンジンの回転数の増加に伴い燃焼時期が遅角するので、エンジンが高回転で作動しても混合気の燃焼期間が短くなることが防止される。それにより、エンジンが高回転で作動している場合においても、打音およびノッキング等が防止された安定した自己着火燃焼が可能になるとともに、エンジンの破損を防止することができる。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によれば、エンジンの回転数の増加に伴い燃焼時期が遅角するので、エンジンが高回転で作動しても混合気の燃焼期間が短くなることが防止される。それにより、エンジンが高回転で作動している場合においても、打音およびノッキング等が防止された安定した自己着火燃焼が可能になるとともに、エンジンの破損を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
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。
【００３７】
（１）エンジンシステムの構成
図１は、本発明の一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。
【００３８】
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。
【００３９】
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およびシリンダ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１０が設けられる。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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、燃焼時期計測器１０から燃焼時期ＢＰ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。
【００４５】
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。
【００４６】
（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。
【００４７】
（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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
（２−２）ＨＣＣＩ燃焼
次に、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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
（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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
（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。
【００７６】
図５は、ＥＣＵ５０の制御動作を示すフローチャートである。
【００７７】
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、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１３ｂの開度等を含む。
【００７８】
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、エンジン１００が安定したＨＣＣＩ燃焼を行うことができるように任意に決定することができる。
【００７９】
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。
【００８０】
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。その後、ステップＳ１に戻る。
【００８１】
以下、ステップＳ３におけるＨＣＣＩ燃焼処理ついてさらに詳細に説明する。本実施の形態においては、エンジン１００の回転数に応じて目標となる燃焼時期（以下、目標燃焼時期と呼ぶ）が予め定められており、燃焼時期計測器１０によって検出される燃焼時期ＢＰが目標燃焼時期と等しくなるように各部が制御される。目標燃焼時期は、記憶部５５（図１参照）に記憶される。
【００８２】
まず、燃焼時期ＢＰおよび目標燃焼時期ついて説明する。
【００８３】
上述したように、燃焼時期ＢＰは燃焼時期計測器１０によって検出される。例えば、燃焼時期ＢＰは、シリンダ１内の熱発生率が最大となる時期（ｄＱ／ｄθが最大となる時期）、または燃焼によるシリンダ１内の圧力の変化率が最大となる時期（ｄＰ／ｄθが最大となる時期）のいずれかとして検出することができる。なお、上記Ｑはシリンダ１内の発熱量を示し、Ｐはシリンダ１内の圧力を示し、θはクランク角度を示す。
【００８４】
また、燃焼質量割合が５０％となる時期を燃焼時期ＢＰとして用いてもよい。図６は、シリンダ１におけるクランク角度と熱発生率との関係、およびクランク角度と燃料質量割合との関係の一例を示したものである。燃焼質量割合が５０％となる時期はｄＰ／ｄθが最大となる時期に比べてやや遅角側の値となるが、図６に示すように、燃焼質量割合が５０％となる時期とｄＱ／ｄθが最大となる時期とはほぼ同一である。したがって、燃焼質量割合が５０％となる時期を燃焼時期ＢＰとしてもよい。
【００８５】
また、エンジン１００の１サイクルにおけるイオン電流を積算した場合に、その積算値の５０％となる時期は燃焼質量割合が５０％となる時期とほぼ同一であるので、このイオン電流の積算値の５０％となる時期を燃焼時期ＢＰとしてもよい。
【００８６】
本実施の形態においては、燃焼時期計測器１０として、例えば、イオンプローブ等によってイオン電流を測定することができる装置を用いる。そして、測定されたイオン電流の積算値の５０％の時期を燃焼時期ＢＰとする。
【００８７】
ここで、本発明者らは、種々の実験等により、燃焼時期ＢＰとＮＯX との関係、燃焼時期ＢＰと燃焼によるシリンダ１の内の圧力の変化率との関係、および燃焼時期ＢＰと燃焼安定性との関係を以下のように導き出した。
【００８８】
図７は、エンジン１００がある一定の回転数で作動している場合の、燃焼時期ＢＰとエンジン１００から排出されるＮＯX との関係を示した図である。図７において、横軸は燃焼時期ＢＰを示し、縦軸は排出されるＮＯX の量を示す。図７に示すように、エンジン１００から排出されるＮＯX の量は、燃焼時期ＢＰが圧縮上死点近傍である場合には多く、圧縮上死点から遅角側になるにつれて減少している。つまり、燃焼時期ＢＰを遅角側に設定することにより、エンジン１００から排出されるＮＯX を低減できることが分かる。
【００８９】
図８は、エンジン１００がある一定の回転数で作動している場合の、燃焼時期ＢＰとシリンダ１内の圧力の変化率の最大値との関係を示した図である。図８において、横軸は燃焼時期ＢＰを示し、縦軸はシリンダ１内の圧力の変化率の最大値を示す。図８に示すように、シリンダ１内の圧力の変化率の最大値は、燃焼時期ＢＰが圧縮上死点近傍である場合には大きく、圧縮上死点から遅角側になるにつれて低下している。ここで、燃焼に起因する打音およびノッキングを減少させるためには、シリンダ１内の圧力の変化率の最大値を低下させる必要がある。つまり、燃焼時期ＢＰを遅角側に設定することにより、燃焼に起因する打音およびノッキングを減少させることができる。
【００９０】
図９は、エンジン１００がある一定の回転数で作動している場合の、燃焼時期ＢＰと燃焼安定性との関係を示した図である。図９において横軸は燃焼時期ＢＰを示し、縦軸は燃焼安定性を示す。図９に示すように、燃焼安定性は、燃焼時期ＢＰが圧縮上死点近傍である場合には悪く、圧縮上死点から遅角側になるにつれて良くなるが、ある時期を越えて遅角側になると再び悪化する。なお、燃焼安定性は、例えば、図示熱効率の変動率またはシリンダ１内の圧力のピーク値の変動率等に基づいて算出することができるが、これに限定されず、他の要素に基づいて燃焼安定性を算出してもよい。
【００９１】
本実施の形態においては、図７〜図９に示した関係を考慮して、燃焼安定性が良好でかつＮＯX 、打音およびノッキングを減少させることができるように最適な目標燃焼時期を決定する。
【００９２】
また、本実施の形態においては、圧縮上死点から目標燃焼時期までの時間が一定となるように、エンジン１００の回転数に応じて目標燃焼時期を変化させる。この場合、目標燃焼時期は、図１０に示すようにエンジン１００の回転数の増加に伴い遅角側に変化する。
【００９３】
つまり、本実施の形態においては、まず、エンジン１００の任意の回転数において基本となる目標燃焼時期を決定し、圧縮上死点から目標燃焼時期までの時間を算出する。そして、算出された圧縮上死点から目標燃焼時期までの時間が維持されるように、エンジン１００の回転数に応じた目標燃焼時期を決定する。ここで、ＨＣＣＩ燃焼における燃焼安定性は、シリンダ１内の温度および圧力とそれらの保持時間とに大きく影響を受ける。したがって、本実施の形態のように、圧縮上死点から目標燃焼時期までの時間を常に一定に制御することにより、常に良好な燃焼安定性を得ることが可能になる。なお、基本となる目標燃焼時期は、例えば、エンジン１００が最も高頻度で使用される回転数において求めることが好ましい。
【００９４】
次に、ＨＣＣＩ燃焼処理時のＥＣＵ５０の制御動作について説明する。
【００９５】
図１１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。
【００９６】
図１１に示すように、ＥＣＵ５０のＨＣＣＩ燃焼制御部５３（図１参照）は、図５のステップＳ１で取得したエンジン回転数ＥＲ（運転情報）に応じた目標燃焼時期を記憶部５５から読込む（ステップＳ１１）。
【００９７】
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。
【００９８】
次に、ＨＣＣＩ燃焼制御部５３は、ステップＳ１１で読込んだ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。
【００９９】
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。
【０１００】
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）。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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１０から実際の燃焼時期ＢＰを取得する（ステップＳ１７）。
【０１０３】
次に、ＨＣＣＩ燃焼制御部５３は、ステップＳ１１で読込んだ目標燃焼時期とステップＳ１６で取得した実際の燃焼時期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で算出された誤差の絶対値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）。
【０１０４】
誤差の絶対値がしきい値以下の場合、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。
【０１０５】
ステップＳ１９において誤差の絶対値がしきい値より大きい場合、火花点火燃焼制御部５２（図１参照）が火花点火燃焼処理を行う（ステップＳ２１）。その後、図５のステップＳ１に戻る。これらステップＳ１９およびステップＳ２１の処理を設けることにより、実際の燃焼時期ＢＰが目標燃焼時期と大きく異なっている場合には、ＨＣＣＩ燃焼を行わずに火花点火燃焼を行うことができる。それにより、混合気の早期着火および失火等の不整燃焼を防止することができる。
【０１０６】
なお、ステップＳ２０において算出される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、実燃焼時期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、実燃焼時期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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
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。
【０１１０】
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。
【０１１１】
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。
【０１１２】
（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。
【０１１３】
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。
【０１１４】
図１２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１２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。
【０１１５】
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１２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。
【０１１６】
図１３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。
【０１１７】
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１３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。
【０１１８】
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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
図１４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。
【０１２１】
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。
【０１２２】
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。
【０１２３】
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。
【０１２４】
したがって、図１４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。
【０１２５】
図１２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。
【０１２６】
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。
【０１２７】
（２−６）本実施の形態の効果
上記のように、本実施の形態に係るエンジンシステム２００においては、目標燃焼時期はエンジン１００の回転数の増加に伴い遅角するように設定され、設定された目標燃焼時期で自己着火燃焼が行われるようにエンジンシステム２００の各部が制御される。この場合、エンジン１００が高回転で作動しても混合気の燃焼期間が短くなることが防止される。それにより、エンジン１００が高回転で作動している場合においても、打音およびノッキング等が防止された安定したＨＣＣＩ燃焼が可能になるとともに、エンジン１００の破損を防止することができる。
【０１２８】
また、圧縮上死点から目標燃焼時期までの時間が常に一定になるように目標燃焼時期が設定される。それにより、より広範囲の運転領域において良好な燃焼安定性を得ることが可能になる。
【０１２９】
なお、上記実施の形態において、より広範囲の運転領域でＨＣＣＩ燃焼を行いたい場合には、図５のステップＳ２における指定範囲を大きくすればよい。
【０１３０】
また、ＨＣＣＩ燃焼において、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、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。
【０１３１】
また、ＨＣＣＩ燃焼において、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。
【０１３２】
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ＮＯX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。
【０１３３】
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。
【０１３４】
（車両全体の構成）
図１５は、上記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。
【０１３５】
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。
【０１３６】
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１５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。
【０１３７】
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。
【０１３８】
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。
【０１３９】
この自動二輪車６００は、上記第実施の形態のエンジンシステム２００を備えるので、エンジン１００が高回転で作動している場合においても、打音およびノッキング等が防止された安定した自己着火燃焼が可能になるとともに、エンジン１００の破損を防止することができる。
【０１４０】
また、圧縮上死点から目標燃焼時期までの時間が常に一定になるように目標燃焼時期が設定される。それにより、常に良好な燃焼安定性を得ることが可能になる。
【０１４１】
また、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。
【０１４２】
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。
【０１４３】
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ＮＯX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。
【０１４４】
（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、エンジン回転数センサ３１が回転数検出手段に相当し、ＥＣＵ５０が制御手段に相当し、燃焼時期計測器１０が燃焼時期計測手段に相当し、記憶部５５が記憶手段に相当し、点火プラグ８が点火手段に相当する。
【０１４５】
また、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、排気弁７および排気弁駆動装置７ａが排気量調整手段に相当し、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、スロットルバルブ１４が第１の吸気量調整手段に相当し、排気再循環バルブ１３ｂが第２の吸気量調整手段に相当し、吸気弁６および吸気弁駆動装置６ａが第３の吸気量調整手段に相当する。
【０１４６】
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。
【０１４７】
（変形例）
なお、上記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、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１３ｂ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。
【０１４８】
また、上記実施の形態では、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。
【０１４９】
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。
【０１５０】
また、図５のステップＳ２において、さらにエンジン１００の回転数およびエンジン１００の暖気状態等に基づいて、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。
【０１５１】
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。
【０１５２】
また、上記実施の形態では、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。
【０１５３】
また、上記実施の形態では、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。
【０１５４】
また、上記実施の形態では、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。
【０１５５】
また、上記実施の形態では、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。
【０１５６】
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。
【０１５７】
また、図１５の例では、上記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。
【産業上の利用可能性】
【０１５８】
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。
【図面の簡単な説明】
【０１５９】
【図１】本発明の一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２】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。
【図３】エンジンのＨＣＣＩ燃焼の動作を説明するための図である。
【図４】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。
【図５】ＥＣＵの制御動作を示すフローチャートである。
【図６】シリンダにおけるクランク角度と熱発生率との関係の一例を示す図である。
【図７】エンジンがある一定の回転数で作動している場合の、燃焼時期とエンジンから排出されるＮＯX との関係を示した図である。
【図８】エンジンがある一定の回転数で作動している場合の、燃焼時期とシリンダ内の圧力の変化率の最大値との関係を示した図である。
【図９】エンジンがある一定の回転数で作動している場合の、燃焼時期と燃焼安定性との関係を示した図である。
【図１０】エンジン回転数と目標燃焼時期との関係を示した図である。
【図１１】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１２】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１３】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。
【図１４】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。
【図１５】本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】
【０１６０】
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
１０  燃焼時期計測器
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
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
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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