JP2007085304A - エンジンシステムおよびそれを備える車両 - Google Patents

Abstract

【課題】 広い負荷領域において、窒素酸化物の発生が抑制されつつ安定した自己着火燃焼が行われ、かつ熱効率が向上されたエンジンシステムを提供することである。
【解決手段】 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、実燃焼時期と比較する。目標燃焼時期と実燃焼時期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、空気量、既燃ガス量および再循環排気量の割合が調整され、シリンダ１内の温度が調整される。また、ＨＣＣＩ燃焼による運転において、シリンダ１内の空燃比が理論空燃比となるように設定される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、自己着火燃焼を行う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、空気および燃料からなる混合気の空燃比を高くすること（燃料の濃度を薄くすること）、または排気をシリンダ内へ再導入することにより、エンジンの熱損失またはポンプ損失を低減する手法が知られている。

ガソリンを燃料とする一般乗用車においては、点火プラグを用いて混合気に点火させる火花点火方式のエンジンが用いられている。このような火花点火方式のエンジンでは、混合気の燃料の希薄化または多量の排気の再導入により、エンジンの燃焼安定度が悪化する。したがって、このような手法による熱効率の改善には限界がある。

上記のような混合気の燃料の希薄化または多量の排気の再導入を行う場合において、燃焼安定度の悪化を防止しつつ熱効率を改善する技術として、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に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起こるため、燃料の希薄化または多量の排気の再導入を行う場合においても、火花点火方式に比べて燃焼速度が遅くならずに安定した燃焼が可能となる。

しかしながら、ＨＣＣＩ方式では、着火のタイミングを制御することが困難である。特に、高負荷運転時においては急速燃焼となるため、騒音が発生する。そこで、高負荷運転時には、火花点火方式による燃焼に切替えることが提案されている。

一方、ＨＣＣＩ方式による燃焼を行うためには、筒内温度を自己着火が可能な温度まで上昇させなければならない。そこで、圧縮比を高くすることにより、筒内温度を上昇させる方法がある。それにより、混合気の自己着火が可能となる。しかしながら、上記のように、高負荷運転時に火花点火方式による燃焼に切替えられた場合に、圧縮比が高いことによりノッキングが発生しやすくなる。

そこで、特許文献１には、高負荷運転時にノッキングの発生を防止する圧縮自己着火式内燃機関が提案されている。その圧縮自己着火式内燃機関においては、排気行程後半に排気弁を閉じてシリンダ内に排気を閉じ込め、再度圧縮を行い、高温高圧の状態を形成する。この高温ガス中に燃料噴射することによってガソリンの組成が反応性の高い組成に改質される。さらに、吸気後の圧縮行程では、２回目の燃料噴射を行うことにより局所的に燃料が濃い混合気が形成される。このような濃い混合気の形成は、成層化と呼ばれている。この結果、燃料改質と燃料成層化との相乗作用により、低い圧縮比でも圧縮自己着火が可能になる。
特開２００１−２０７８８７号公報

特許文献１の圧縮自己着火式内燃機関では、燃料噴射量を制御することにより、圧縮着火時期が調整される。

しかしながら、この圧縮自己着火式内燃機関においては、排気中の有害物質を低減するために空燃比を調整しようとした場合、筒内温度を制御することができない。その結果、圧縮着火時期の調整が困難となる。

また、ＨＣＣＩ方式による燃焼においては、燃焼温度が負荷に依存し、負荷の増大により燃焼温度が上昇する。それにより、ＮＯ_X（窒素酸化物）が発生する。

火花点火方式では、発生したＮＯ_Xは三元触媒を用いることにより低減することができるが、ＨＣＣＩ方式では、一般的に排気中に酸素が多く含まれるため、三元触媒を用いることができない。そのため、ＨＣＣＩ方式による燃焼が可能となる負荷領域はさらに限定される。

本発明の目的は、広い負荷領域において、窒素酸化物の発生が抑制されつつ安定した自己着火燃焼が行われ、かつ熱効率が向上されたエンジンシステム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、空気および燃料の混合気を生成する混合気生成手段と、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、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、機械装置の予め定められた運転情報を検出する検出手段と、検出手段により検出された運転情報に基づいて、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する制御手段とを備えたものである。

第１の発明に係るエンジンシステムにおいては、混合気生成手段により空気および燃料の混合気が生成される。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。

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。

この場合、検出手段により機械装置の予め定められた運転情報が検出され、検出された運転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。

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。

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が制御されることにより、シリンダ内の温度が制御される。それにより、混合気の自己着火燃焼の時期を最適にすることができる。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。

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。

（２）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、検出手段により検出された運転情報に基づいて、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。

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最適にすることができる。

（３）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、検出手段により検出された運転情報に基づいて、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前記シリンダ内に残存する既燃ガスの量を制御してもよい。

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最適にすることができる。

（４）吸気量調整手段は、第１の吸気量調整手段、第２の吸気量調整手段および第３の吸気量調整手段を含み、制御手段は、検出手段により検出された運転情報に基づいて、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。

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より最適にすることができる。

（５）シリンダ内の混合気の燃焼時期を計測する燃焼時期計測手段をさらに備え、制御手段は、検出手段により検出された運転情報および燃焼時期計測手段により計測された燃焼時期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してもよい。

この場合、燃焼時期計測手段によりシリンダ内の混合気の燃焼時期が計測され、その燃焼時期に基づいて、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がフィードバック制御される。それにより、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より正確に制御される。

（６）制御手段は、検出手段により検出された運転情報に基づいて目標燃焼時期を算出するとともに、算出された目標燃焼時期と燃焼時期計測手段により計測された燃焼時期との誤差が小さくなるように、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。

この場合、検出手段により検出された運転情報に基づいて最適な自己着火燃焼の時期が目標燃焼時期として算出される。算出された目標燃焼時期と実際の燃焼時期との誤差が小さくなるように、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。それにより、実際の燃焼時期を目標燃焼時期に近づけることができる。その結果、混合気の自己着火燃焼の時期をより最適にすることができる。

（７）制御手段は、検出手段により検出された運転情報に基づいて、シリンダ内の気体の状態が所定の条件を満たすように、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。

この場合、検出手段により検出された運転情報に基づいて混合気の状態が最適になるように、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フィードフォワード制御される。それにより、吸気通路を通してシリンダ内へ導かれる空気の量と、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容易に制御される。

（８）制御手段は、自己着火燃焼後に、既燃ガスの一部が排出され、残りの部分が残存する状態で前記シリンダ内が密閉され、密閉されたシリンダ内において既燃ガスが圧縮され、シリンダ内の既燃ガス中に混合気生成手段により燃料が噴射されるように、吸気量調整手段、排気量調整手段および混合気生成手段を制御してもよい。

この場合、密閉されたシリンダ内に残存する既燃ガスは、圧縮されることにより高温高圧の状態となる。それにより、シリンダ内に残存する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、反応性の高い状態に改質される。したがって、シリンダ内に空気が導入された後、混合気の自己着火燃焼が容易に起こる。その結果、安定した自己着火燃焼を行うことができる。

（９）シリンダ内の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、エンジンの負荷に応じて、自己着火燃焼および火花点火燃焼のいずれかが選択的に行われるように、吸気量調整手段、排気量調整手段、混合気生成手段および点火手段を制御してもよい。

この場合、エンジンの負荷に応じて、優れた熱効率を有する自己着火燃焼および高出力を安定して得ることができる火花点火燃焼が選択的に行われる。それにより、エンジンの負荷に応じて、最適な燃焼を行うことができる。

（１０）第２の発明に係る車両は、駆動輪と、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、エンジンシステムから導出される排気を浄化する触媒とを備えるものである。

第２の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。また、エンジンシステムから導出される排気は触媒を通して車両の外部に導かれる。

このエンジンシステムにおいては、混合気生成手段により空気および燃料の混合気が生成される。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。

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。

この場合、検出手段により車両の予め定められた運転情報が検出され、検出された運転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、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。

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。

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が制御されることにより、シリンダ内の温度が制御される。それにより、混合気の自己着火燃焼の時期を最適にすることができる。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。

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。

本発明によれば、吸気通路を通してシリンダ内へ導かれる空気、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ことにより、シリンダ内の温度が制御される。それにより、混合気の自己着火燃焼の時期を最適にすることができる。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ので、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る。これらの結果、広い負荷領域において、窒素酸化物の発生を抑制しつつ安定した自己着火燃焼を行うことができ、かつエンジンの熱効率を向上させることができる。

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、エンジン１００を備える。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、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。

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の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グリップ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。また、本実施の形態においては、ＥＣＵ（Electronic Control Unit；電子制御ユニット）５０によってもスロットルバルブ１４の開度が調整される。

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。ここで、アクセル開度とは、アクセルグリップの操作量（回転量）をいう。

また、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）ＥＣＵの構成
図２は図１に示されるＥＣＵ５０の機能的な構成を示すブロック図である。

ＥＣＵ５０は、運転領域判定部５１、火花点火燃焼制御部５２およびＨＣＣＩ燃焼制御部５３を備える。運転領域判定部５１、火花点火燃焼制御部５２およびＨＣＣＩ燃焼制御部５３はＥＣＵ５０のプログラムにより実現される。

ＨＣＣＩ燃焼制御部５３は、空燃比演算処理部５３１、密閉期間中噴射制御部５３２、目標燃焼時期決定部５３３、燃焼時期比較演算部５３４、吸気量制御部５３５、排気弁閉じタイミング制御部５３６および排気再循環バルブ制御部５３７を含む。

運転領域判定部５１には、エンジン回転数ＥＲ、アクセル開度ＡＯ、油温ＯＴおよび水温ＷＴが与えられる。以下、エンジン回転数ＥＲ、アクセル開度ＡＯ、油温ＯＴおよび水温ＷＴを運転情報と呼ぶ。それにより、運転領域判定部５１が運転領域の判定を行う。その判定結果に基づいて、火花点火燃焼制御部５２およびＨＣＣＩ燃焼制御部５３のどちらか一方がエンジン１００における燃焼を制御する。エンジン１００は、中低負荷運転時には、ＨＣＣＩ方式による燃焼（以下、ＨＣＣＩ燃焼と呼ぶ）を行い、高負荷運転時には、火花点火方式による燃焼（以下、火花点火燃焼と呼ぶ）を行う。運転領域の判定、ＨＣＣＩ燃焼および火花点火燃焼の詳細については後述する。

火花点火燃焼制御部５２は、点火プラグ８に点火制御信号ＳＩを与え、火花点火燃焼における点火タイミングを制御する。

ＨＣＣＩ燃焼制御部５３の空燃比演算処理部５３１には、運転情報が与えられる。空燃比演算処理部５３１は、運転情報に基づいて、空気量および燃料噴射量を算出し、空気量の算出結果を燃焼時期比較演算部５３４および吸気量制御部５３５に与え、燃料噴射量の算出結果を密閉期間中噴射制御部５３２に与える。密閉期間中噴射制御部５３２は、空燃比演算処理部５３１の算出結果に基づいてインジェクタ９に噴射制御信号ＦＩを与える。

目標燃焼時期決定部５３３には、運転情報が与えられる。目標燃焼時期決定部５３３は、運転情報に基づいて目標燃焼時期を決定し、その目標燃焼時期を燃焼時期比較演算部５３４に与える。

燃焼時期比較演算部５３４には、空燃比演算処理部５３１における空気量の算出結果、目標燃焼時期決定部５３３で決定された目標燃焼時期、および燃焼時期ＢＰが与えられる。燃焼時期比較演算部５３４は、空気量、目標燃焼時期および燃焼時期ＢＰ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の開度を決定し、決定結果を吸気量制御部５３５、排気弁閉じタイミング制御部５３６および排気再循環バルブ制御部５３７に与える。

吸気量制御部５３５は、空燃比演算処理部５３１および燃焼時期比較演算部５３４の結果に基づいて、吸気弁駆動装置６ａに吸気弁制御信号ＩＶ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。排気弁閉じタイミング制御部５３６は、燃焼時期比較演算部５３４の算出結果に基づいて、排気弁駆動装置７ａに排気弁制御信号ＥＶを与える。排気循環バルブ制御部５３７は、燃焼時期比較演算部５３４の算出結果に基づいて、排気再循環バルブ１３ｂに排気循環バルブ制御信号ＥＧＲを与える。ＥＣＵ５０による各部の制御についての詳細は後述する。

（３）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。

（３−１）火花点火燃焼
まず、高負荷運転時におけるエンジン１００の動作について説明する。高負荷運転時には、エンジン１００は火花点火燃焼を行う。

図３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（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３（ａ）に示す上記の行程を、排気行程と呼ぶ。

次に、図３（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３（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３（ａ）の排気行程から図３（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３（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３（ｃ）に示す上記の行程を、圧縮行程と呼ぶ。

次に、図３（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３（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３（ａ）の排気行程に移行し、図３（ａ）の排気行程から図３（ｄ）の燃焼行程を繰り返す。

（３−２）ＨＣＣＩ燃焼
次に、中低負荷運転時におけるエンジン１００の動作について説明する。中低負荷運転時には、エンジン１００はＨＣＣＩ燃焼を行う。

図４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４（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４（ａ）に示す行程は、図３（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４（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４（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４（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４（ｃ）に示す行程は、図３（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４（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４（ｄ）に示す行程は、図３（ｃ）に示す行程と同様に、圧縮行程と呼ぶ。

次に、図４（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４（ｅ）に示す行程は、図３（ｄ）に示す行程と同様に、燃焼行程と呼ぶ。

特に、本例では、図４（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４（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４（ａ）の排気行程に移行し、図４（ａ）の排気行程から図４（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４（ａ）の排気行程と図４（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４（ｂ）の密閉期間が設けられる。

火花点火燃焼においては、図３（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４（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４（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。

（４）火花点火燃焼およびＨＣＣＩ燃焼時の弁リフト
図５は、図３の火花点火燃焼および図４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５（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５（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５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５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５（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５（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。

（５）ＥＣＵによる制御動作
次に、図１および図２に示されるＥＣＵ５０の制御動作について説明する。

図６は、ＥＣＵ５０の制御動作を示すフローチャートである。

まず、図６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、アクセル開度ＡＯ、エンジン回転数ＥＲ、油温ＯＴおよび水温ＷＴを含む（図１および図２参照）。次に、ＥＣＵ５０の運転領域判定部５１は、ステップＳ１で取得された運転情報に基づいてしきい値を設定し、ステップＳ１で取得されたアクセル開度ＡＯがしきい値以上か否かを判定する（ステップＳ２）。

アクセル開度ＡＯがしきい値より小さい場合には、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。

アクセル開度ＡＯがしきい値以上の場合には、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。

本例では、アクセル開度ＡＯ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用いられる。このようにして、エンジン１００の負荷に応じて火花点火燃焼処理またはＨＣＣＩ燃焼処理が行われる。

（５−１）ＨＣＣＩ燃焼処理の詳細
図７は、図６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７に示すように、ＨＣＣＩ燃焼制御部５３の目標燃焼時期決定部５３３（図２参照）は、図６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）。ここで、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の空燃比演算処理部５３１は、図６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の燃焼時期比較演算部５３４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の燃焼時期比較演算部５３４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の燃焼時期比較演算部５３４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。

ＨＣＣＩ燃焼制御部５３の密閉期間中噴射制御部５３２はステップＳ１２で決定された燃料噴射量に基づいて、インジェクター９を制御する。ＨＣＣＩ燃焼制御部５３の吸気量制御部５３５、排気弁閉じタイミング制御部５３６および排気循環バルブ制御部５３７は、ステップＳ１６で決定した吸気弁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、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。

このようにして、燃料噴射量、空気量、再循環排気量および既燃ガス量が調整され、その中で、自己着火燃焼が行われる。このとき、ＨＣＣＩ燃焼制御部５３の燃焼時期比較演算部５３４は燃焼時期計測器１０から実際の燃焼時期ＢＰを取得する（ステップＳ１７）。

次に、ＨＣＣＩ燃焼制御部５３の燃焼時期比較演算部５３４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の燃焼時期比較演算部５３４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、図６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との誤差が小さくなるように算出される。具体的には、実際の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、実際の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。

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の燃焼時期比較演算部５３４が補正係数を算出することなく図６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。再循環排気は、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を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。

（６）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８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８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４（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８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９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４（ｂ）、（ｄ）、（ｅ）および図５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９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４に示すように、図４（ａ）の排気行程から図４（ｂ）の密閉期間へ移行する際のピストン２の位置は、図４（ｃ）の吸気行程から図４（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１０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１０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８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。

（７）ＨＣＣＩ燃焼による運転領域の拡大
次に、本実施の形態におけるＨＣＣＩ燃焼による運転領域の拡大について説明する。

図１１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１１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で囲まれた領域は、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Ｈ２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は、火花点火燃焼による運転領域を示す。

図１１に実線Ｈ１で示すように、従来のＨＣＣＩ燃焼による運転は、中低負荷領域およびエンジン回転数が所定値より低い領域において行われる。実線Ｓで示すように、火花点火燃焼による運転は高負荷領域およびエンジン回転数が所定値以上の領域において行われる。これに対して、本実施の形態では、点線Ｈ２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１２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１３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１２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１３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７に示したように、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１１に示すＨＣＣＩ燃焼による運転領域を点線で示すように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。

（８）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、実際の燃焼時期と比較する。目標燃焼時期と実際の燃焼時期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、空気量、既燃ガス量および再循環排気量の割合が調整され、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、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）
（１）ＥＣＵの構成
次に、本発明の第２の実施の形態に係るエンジンシステム２００について説明する。

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１４は、第２の実施の形態に係るエンジンシステム２００のＥＣＵ５０ａの構成を示すブロック図である。

ＥＣＵ５０ａの圧縮自己着火制御部５３は、図２の目標燃焼時期決定部５３３および燃焼時期比較演算部５３４の代わりに目標圧縮条件決定部５４３を含む。

目標圧縮条件決定部５４３には、空燃比演算処理部５３１における空気量の算出結果、および運転情報（エンジン回転数ＥＲ、アクセル開度ＡＯ、油温ＯＴおよび水温ＷＴ等）が与えられる。

目標圧縮条件決定部５４３は、運転情報に基づいて目標圧縮条件を決定し、その目標圧縮条件、および空燃比演算処理部５３１から与えられた空気量の算出結果に基づいて吸気弁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。そして、その決定結果を吸気量制御部５３５、排気弁閉じタイミング制御部５３６および排気循環バルブ制御部５３７に与える。

第２の実施の形態におけるＥＣＵ５０ａのその他の構成は、第１の実施の形態におけるＥＣＵ５０と同様である。

次に、ＥＣＵ５０ａの制御動作について説明する。

まず、第１の実施の形態のＥＣＵ５０と同様に、運転領域判定部５１において運転領域の判定が行われ、エンジン１００の負荷に応じて火花点火燃焼処理またはＨＣＣＩ燃焼処理が行われる（図６参照）。

（２）ＨＣＣＩ燃焼処理の詳細
図１５は、ＥＣＵ５０ａ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の目標圧縮条件決定部５４３（図１４参照）は、図６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Ｓ２１）。ここで、目標圧縮条件とは、取得した運転情報の下で、熱効率および燃焼の安定性が最適となるようなシリンダ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の空燃比演算処理部５３１は、図６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Ｓ２２）。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の目標圧縮条件決定部５４３は、ステップＳ２１で決定した目標圧縮条件およびステップＳ２２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Ｓ２３）。

次に、ＨＣＣＩ燃焼制御部５３の目標圧縮条件決定部５４３は、ステップＳ２２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Ｓ２３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（ステップＳ２４）。

ＨＣＣＩ燃焼制御部５３の密閉期間中噴射制御部５３２はステップＳ２２で決定された燃料噴射量に基づいて、インジェクター９を制御する。ＨＣＣＩ燃焼制御部５３の吸気量制御部５３５、排気弁閉じタイミング制御部５３６および排気循環バルブ制御部５３７は、ステップＳ２３で決定した吸気弁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、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。

このようにして、燃料噴射量、空気量、再循環排気量および既燃ガス量が調整され、その中で、自己着火燃焼が行われる。その後、図６のステップＳ１に戻る。

（３）第２の実施の形態の効果
第２の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。

（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、理論空燃比でＨＣＣＩ燃焼を行うことにより、ＨＣＣＩ燃焼における熱効率の低下を防止することができるとともに、ＨＣＣＩ燃焼による運転領域を拡大することが可能となる。

その結果、広い負荷領域において、ＮＯ_Xの発生を抑制しつつ安定したＨＣＣＩ燃焼を行うことができ、さらにエンジン１００の熱効率を向上させることができる。

（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、インジェクタ９が混合気生成手段に相当し、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、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、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および水温センサ３４が検出手段に相当し、ＥＣＵ５０が制御手段に相当する。

また、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し、燃焼時期計測器１０が燃焼時期計測手段に相当し、点火プラグ８が点火手段に相当する。

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が伝達機構に相当し、三元触媒１６が触媒に相当する。

（変形例）
なお、上記第１および第２の実施の形態において、ＥＣＵ５０，５０ａは、エンジン回転数ＥＲ、アクセル開度ＡＯ、油温ＯＴおよび水温ＷＴを運転情報として取得するが、ＥＣＵ５０が取得する運転情報はこれに限定されず、運転情報としてエンジン回転数ＥＲ、アクセル開度ＡＯ、油温ＯＴおよび水温ＷＴ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、ＥＣＵ５０，５０ａ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、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４（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、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の一部およびその周辺部を示す模式図である。 図１に示されるＥＣＵの機能的な構成を示すブロック図である。 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３の火花点火燃焼および図４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６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。 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。 第２の実施の形態に係るエンジンシステムのＥＣＵの構成を示すブロック図である。 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
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

Claims (10)

1. 機械装置を駆動するエンジンシステムであって、
   空気および燃料の混合気を生成する混合気生成手段と、
   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、
   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、
   前記機械装置の予め定められた運転情報を検出する検出手段と、
   前記検出手段により検出された前記運転情報に基づいて、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制御手段とを備えたことを特徴とするエンジンシステム。
2. 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、前記検出手段により検出された前記運転情報に基づいて、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１記載のエンジンシステム。
3. 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、前記検出手段により検出された前記運転情報に基づいて、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１記載のエンジンシステム。
4. 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、前記検出手段により検出された前記運転情報に基づいて、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１記載のエンジンシステム。
5. 前記シリンダ内の混合気の燃焼時期を計測する燃焼時期計測手段をさらに備え、
   前記制御手段は、前記検出手段により検出された前記運転情報および前記燃焼時期計測手段により計測された燃焼時期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. 前記制御手段は、前記検出手段により検出された前記運転情報に基づいて目標燃焼時期を算出するとともに、算出された前記目標燃焼時期と前記燃焼時期計測手段により計測された燃焼時期との誤差が小さくなるように、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５記載のエンジンシステム。
7. 前記制御手段は、前記検出手段により検出された前記運転情報に基づいて、前記シリンダ内の気体の状態が所定の条件を満たすように、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。
8. 前記制御手段は、自己着火燃焼後に、既燃ガスの一部が排出され、残りの部分が残存する状態で前記シリンダ内が密閉され、密閉された前記シリンダ内において既燃ガスが圧縮され、前記シリンダ内の既燃ガス中に前記混合気生成手段により燃料が噴射されるように、前記吸気量調整手段、前記排気量調整手段および前記混合気生成手段を制御す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. 前記シリンダ内の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、前記エンジンの負荷に応じて、自己着火燃焼および火花点火燃焼のいずれかが選択的に行われるように、前記吸気量調整手段、前記排気量調整手段、前記混合気生成手段および前記点火手段を制御することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のエンジンシステム。
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、
    前記エンジンシステムから導出される排気を浄化する触媒とを備えることを特徴とする車両。

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