JP6763437B2 - 圧縮着火式ガソリンエンジン - Google Patents

Description

本発明は、ガソリンを主成分とする燃料を気筒内で自着火により燃焼させる圧縮着火式ガソリンエンジンに関する。

上記のような圧縮着火式ガソリンエンジンの一例として、下記特許文献１のものが知られている。この特許文献１のエンジンでは、高負荷を除く所定の運転領域においてＨＣＣＩ燃焼が実行される。また、このＨＣＣＩ燃焼の実行時には、気筒に既燃ガスを残留（逆流）させる内部ＥＧＲが実行されるとともに、この内部ＥＧＲのＥＧＲ率（気筒に導入される全ガス量に占めるＥＧＲガスの割合）が、負荷が高くなるほど小さくなるように制御される。これにより、燃焼騒音を抑制しながら燃料の自着火を促進できるとされている。

ここで、ＨＣＣＩ燃焼は、高温・高圧の環境下で燃料（ガソリン）が自発的に酸素と反応して起きる燃焼であるため、燃料性状の相違による影響を受け易いと言われている。このため、特に、着火性の指標であるオクタン価の異なる燃料がエンジンに供給された場合には、燃料の着火時期が所期のタイミングから大きく外れる等の悪影響が生じると予想される。例えば、レギュラーガソリンとハイオクガソリンを誤って給油するユーザがいることも考えられるし、燃料メーカ等の相違によりオクタン価がばらつくことも考えられる。そこで、仮にこのような原因によってオクタン価の異なる燃料が供給された場合であっても、ＨＣＣＩ燃焼による運転を支障なく継続できるように対策しておくことが望まれる。

特開２０１４−４７６４３号公報

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、規定と異なるオクタン価を有する燃料が供給された場合でもＨＣＣＩ燃焼を継続することが可能な圧縮着火式ガソリンエンジンを提供することを目的とする。

前記課題を解決するためのものとして、本発明の圧縮着火式ガソリンエンジンは、ピストンが往復動可能に収容された気筒と、ガソリンを主成分とする燃料を前記気筒に噴射する燃料噴射弁と、前記気筒で生成された既燃ガスを高温のまま気筒に導入する高温ＥＧＲを実行可能なＥＧＲ装置と、前記燃料噴射弁から噴射された燃料が規定のオクタン価を有するか否かを判定するオクタン価判定部と、前記燃料噴射弁から噴射された燃料が気筒内で自着火するＨＣＣＩ燃焼が起きるように前記燃料噴射弁およびＥＧＲ装置を制御する燃焼制御部とを備える。前記燃焼制御部は、少なくともＨＣＣＩ燃焼が行われる部分負荷の運転領域において、前記オクタン価判定部により燃料が規定のオクタン価を有していないと判定された場合には、規定のオクタン価を有すると判定された場合に比べてＥＧＲ率が大きくなるように前記ＥＧＲ装置を制御する。前記ＨＣＣＩ燃焼の運転領域において設定されるＥＧＲ率は、下式（１）で表されるオクタンインデックス（ＯＩ）の係数Ｋを０以上にすることが可能な値である。
ＯＩ＝（１−Ｋ）×ＲＯＮ＋Ｋ×ＭＯＮ ‥‥（１）
ここに、ＲＯＮはリサーチオクタン価、ＭＯＮはモータオクタン価である。

本発明によれば、オクタン価の相違による着火時期のばらつきを抑制できるので、オクタン価の異なる種々の燃料の使用を許容しながら適正なＨＣＣＩ燃焼を実現できるという利点がある。

本発明の一実施形態にかかる圧縮着火式ガソリンエンジンの全体構成を概略的に示すシステム図である。 上記エンジンに適用される内部ＥＧＲに関する制御手順を示すフローチャートである。 上記内部ＥＧＲの制御の際に参照されるマップを示す図である。 上記実施形態の基礎となる研究で用いられた実験用のエンジンの仕様と運転条件を示す表である。 上記実験に用いられた複数の供試燃料の特性をまとめて示す表である。 上記各供試燃料に含まれる成分の体積分率を示すグラフである。 上記各供試燃料の蒸留特性を示すグラフである。 上記供試燃料等から選ばれた複数種の燃料をそれぞれＨＣＣＩ燃焼させたときの熱発生率を種々のＥＧＲ率の条件ごとに示すグラフである。 上記供試燃料等から選ばれた別の複数種の燃料をそれぞれＨＣＣＩ燃焼させたときの熱発生率を種々のＥＧＲ率の条件ごとに示すグラフである。 図８および図９の燃焼試験から得られた各燃料の着火時期、図示燃料消費率（ＩＳＦＣ）、および図示平均有効圧（ＩＭＥＰ）の変動率を、ＥＧＲ率との関係で示すグラフである。 ９０ＲＯＮ燃料間の着火時期の差がＧ／ＦおよびＥＧＲ率に応じて変化する様子を示す等値線グラフである。 Ｇ／ＦおよびＥＧＲ率に応じて変化するＩＶＣ温度の等値線を図１１の結果と重ねて示すグラフである。 オクタンインデックスの係数ＫをＥＧＲ率との関係で示すグラフである。 レギュラーガソリンを用いた燃焼試験から得られた最大圧力上昇率（ｄｐ／ｄθ）、ＩＭＥＰ変動量（ＳＤＩ）、およびオクタンインデックスの係数Ｋの等値線グラフである。 図示燃料消費率（ＩＳＦＣ）の等値線を図１４の結果と重ねて示すグラフであり、適正なＨＣＣＩ燃焼を行うための制御指針を説明するための図である。 上記実施形態の変形例を説明するための図１５相当図である。 上記実施形態の別の変形例を説明するための図１５相当図である。

（１）実施形態の説明
（１−１）エンジンの全体構成
図１は、本発明の一実施形態にかかる圧縮着火式ガソリンエンジンの全体構成を概略的に示すシステム図である。本図に示されるエンジンは、走行用の動力源として車両に搭載される４サイクルの多気筒ガソリンエンジンである。このエンジンのエンジン本体１は、いわゆる直列４気筒型のものであり、紙面に直交する方向に列状に並ぶ４つの気筒２を有するシリンダブロック３と、各気筒２を上から閉塞するようにシリンダブロック３の上面に設けられたシリンダヘッド４と、各気筒２にそれぞれ往復摺動可能に挿入されたピストン５とを有している。

ピストン５の上方には燃焼室６が画成されており、この燃焼室６には、ガソリンを主成分とする燃料が、後述する燃料噴射弁１５からの噴射によって供給される。噴射された燃料は、空気と混合されるとともに、ピストン５の圧縮作用により高温・高圧化した燃焼室６で自着火し、燃焼する。ピストンは、当該燃焼に伴う膨張力（押し下げ力）を受けて上下方向に往復運動する。

上記のように燃料を空気と混合しつつ自着火させる燃焼は、予混合圧縮着火燃焼（ＨＣＣＩ燃焼）と呼ばれる。このＨＣＣＩ燃焼を実現可能にするためには、気筒２の内部温度が、ピストン５が圧縮上死点まで達した時点で十分に高温になっている必要がある。このため、当実施形態では、各気筒２の幾何学的圧縮比、つまり、ピストン５が上死点にあるときの燃焼室６の容積とピストン５が下死点にあるときの燃焼室６の容積との比が、１８以上２２以下に設定されている。

ピストン５の下方には、エンジン本体１の出力軸であるクランク軸７が設けられている。クランク軸７は、ピストン５とコネクティングロッド８を介して連結され、ピストン５の往復運動（上下運動）に応じて中心軸回りに回転駆動される。

シリンダヘッド４には、燃料噴射弁１５が各気筒２につき１つずつ設けられている。各燃料噴射弁１５には燃料供給管２０がそれぞれ接続されており、各燃料噴射弁１５は、燃料供給管２０から供給された燃料を燃焼室６に高圧噴射することにより、各気筒２に所要量の燃料を供給する。

ここで、当実施形態のエンジンは、基本的に全ての運転領域においてＨＣＣＩ燃焼を行うことが可能である。ただし、エンジン水温が低い冷間時など、ＨＣＣＩ燃焼が困難な条件下では、燃料と空気との混合気に点火するＳＩ燃焼（火花点火燃焼）が実行される。このため、シリンダヘッド４には、ＳＩ燃焼の実行時に混合気への点火を行う点火プラグ１６が、各気筒２につき１つずつ設けられている。

シリンダブロック３には水温センサＳＮ１およびクランク角センサＳＮ２が設けられている。水温センサＳＮ１は、エンジン本体１の内部に形成された図外のウォータジャケットを流通する冷却水の温度（エンジン水温）を検出するためのセンサであり、クランク角センサＳＮ２は、クランク軸７の回転角度（クランク角）およびクランク軸７の回転数（エンジン回転数）を検出するためのセンサである。

シリンダヘッド４には筒内圧センサＳＮ３が設けられている。筒内圧センサＳＮ３は、気筒２の内部圧力（燃焼室６の圧力）を検出するためのセンサである。

シリンダヘッド４には、各気筒２の燃焼室６に開口する吸気ポート９および排気ポート１０と、各ポート９，１０を開閉する吸気弁１１および排気弁１２とが設けられている。吸気弁１１および排気弁１２は、シリンダヘッド４に配設された一対のカム軸等を含む動弁機構により、クランク軸７の回転に連動して開閉駆動される。

シリンダヘッド４には、吸気通路２８および排気通路２９がそれぞれ接続されている。吸気通路２８は、外部から取り込んだ空気（新気）を燃焼室６に導入するためのものであり、吸気ポート９と連通するようにシリンダヘッド４の一側面に接続されている。排気通路２９は、燃焼室６で生成された既燃ガス（排気ガス）を外部に排出するためのものであり、排気ポート１０と連通するようにシリンダヘッド４の他側面に接続されている。

吸気通路２８のうち、エンジン本体１から所定距離上流側までの範囲は、気筒２ごとに分岐した分岐通路部２８ａとされており、各分岐通路部２８ａの上流端がそれぞれ共通のサージタンク２８ｂに接続されている。このサージタンク２８ｂよりも上流側には、単管状の共通通路部２８ｃが設けられている。

共通通路部２８ｃには、各気筒２への吸入空気量を調節するためのスロットル弁３０が開閉可能に設けられている。

吸気弁１１用の動弁機構には、吸気弁１１のリフト量を連続的に（無段階で）変更可能なリフト可変機構１３が組み込まれている。リフト可変機構１３は、リフト量を変更可能であればその種類を問わないが、例えば、吸気弁１１駆動用のカムをカムシャフトの回転と連動して往復揺動運動させるリンク機構と、リンク機構の配置（レバー比）を可変的に設定するコントロールアームと、コントロールアームを駆動することにより上記カムの揺動量（吸気弁１１を押し下げる量）を変更するアクチュエータとを備えたものとすることができる。なお、当実施形態のリフト可変機構１３は、リフト量の変更に伴ってバルブタイミング（開弁時期および閉弁時期の少なくとも一方）も変更されるタイプの可変機構である。

排気弁１２用の動弁機構には、吸気行程中に排気弁１２を押し下げる機能を有効または無効にする開閉切替機構１４が組み込まれている。すなわち、開閉切替機構１４は、排気弁１２を排気行程だけでなく吸気行程でも開弁可能にするとともに、この吸気行程中の排気弁１２の開弁動作を実行するか停止するかを切り替える機能を有している。このような開閉切替機構１４は、例えば、排気弁１２を駆動するための通常のカム（つまり排気行程中に排気弁１２を押し下げるカム）とは別に吸気行程中に排気弁１２を押し下げるサブカムと、このサブカムの駆動力が排気弁１２に伝達されるのをキャンセルするいわゆるロストモーション機構とを含んだものとすることができる。

これらリフト可変機構１３および開閉切替機構１４が設けられることにより、当実施形態のエンジンでは、気筒２に既燃ガスを残留させる操作である内部ＥＧＲが実現可能であり、また、この内部ＥＧＲによって導入される既燃ガスが気筒２内の全ガス量中に占める割合であるＥＧＲ率が調整可能である。すなわち、排気弁１２の吸気行程中の開弁が有効になるように開閉切替機構１４が駆動されると、気筒２から排気ポート１０に排出された既燃ガスの一部が気筒２に逆流する。これにより、排気通路２９に排出される前の高温の既燃ガスが気筒２に引き戻され（つまり実質的に気筒２に残留し）、内部ＥＧＲが実現される。また、リフト可変機構１３によって吸気弁１１のリフト量／バルブタイミングが変更され、それに伴い気筒２に導入される空気（新気）の量が変更されることにより、ＥＧＲ率が調整される。このように、リフト可変機構１３および開閉切替機構１４は、内部ＥＧＲを実行しかつそのＥＧＲ率を調整するためのバルブ可変機構であり、請求項にいう「ＥＧＲ装置」の一例に該当するものである。

（１−２）制御系統
以上のように構成されたエンジンは、その各部がＥＣＵ（エンジン制御ユニット）５０により統括的に制御される。ＥＣＵ５０は、周知のとおり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成されるマイクロプロセッサであり、請求項にいう「燃焼制御部」および「オクタン価判定部」に相当するものである。

ＥＣＵ５０には、エンジンに設けられた各種センサから種々の情報が入力される。すなわち、ＥＣＵ５０は、上述した水温センサＳＮ１、クランク角センサＳＮ２、および筒内圧センサＳＮ３と電気的に接続されており、これら各センサＳＮ１〜ＳＮ３からの入力信号に基づいて、エンジン水温、クランク角、エンジン回転数、筒内圧等の種々の情報を取得する。

また、車両の各部には、例えば車両の走行速度（車速）やアクセルペダルの開度（アクセル開度）といった各種情報を検出するための車載センサＳＮ４が設けられており、この車載センサＳＮ４もＥＣＵ５０と電気的に接続されている。ＥＣＵ５０は、車載センサＳＮ４からの入力信号に基づいて、車速やアクセル開度といった、車両に関する種々の情報を取得する。

ＥＣＵ５０は、上記各センサＳＮ１〜ＳＮ４から得られる情報に基づいて種々の演算等を実行しつつ、エンジンの各部を制御する。具体的に、ＥＣＵ５０は、リフト可変機構１３、開閉切替機構１４、燃料噴射弁１５、点火プラグ１６、およびスロットル弁３０等と電気的に接続されており、上記演算の結果等に基づいて、これらの機器にそれぞれ制御用の信号を出力する。

ＥＣＵ５０が有するより具体的な機能について説明する。エンジンの運転中、ＥＣＵ５０は、例えば、水温センサＳＮ１により検出されるエンジン水温に基づいて、ＨＣＣＩ燃焼およびＳＩ燃焼のいずれを実行すべきかを決定する。すなわち、エンジン水温が所定値未満である場合（冷間時）にはＳＩ燃焼を選択し、エンジン水温が所定値以上である場合（温間時）にはＨＣＣＩ燃焼を選択する。

また、ＥＣＵ５０は、車載センサＳＮ４により検出される車速やアクセル開度等に基づいてエンジン負荷（要求トルク）を特定するとともに、クランク角センサＳＮ２により検出されるクランク角の変化に基づいてエンジン回転数を特定する。そして、上述した燃焼形式の選択結果（ＨＣＣＩ燃焼またはＳＩ燃焼）と、特定したエンジン負荷および回転数とに基づいて、各気筒２に燃料噴射弁１５から噴射すべき燃料の目標噴射量および目標噴射タイミングを決定し、その決定に従って各気筒２の燃料噴射弁１５を制御する。すなわち、目標噴射量と同量の燃料を、目標噴射タイミングと同じタイミングで燃料噴射弁１５から噴射させる。また、ＥＣＵ５０は、スロットル弁３０の開度が、上述した各種条件に基づき設定される目標開度と一致するようにスロットル弁３０を制御する。なお、ＨＣＣＩ燃焼が選択された場合、スロットル弁３０の開度は、エンジン負荷／回転数によらず全開相当の高開度に維持される。

さらに、ＥＣＵ５０は、上述した燃焼形式の選択結果およびエンジン負荷／回転数に基づいて、気筒２に既燃ガスを残留（逆流）させる操作である内部ＥＧＲの実行の要否と、内部ＥＧＲにより気筒２に導入される既燃ガスの割合である目標ＥＧＲ率とを決定し、その決定に従ってリフト可変機構１３および開閉切替機構１４を制御する。すなわち、ＥＣＵ５０は、内部ＥＧＲの実行が要である場合に、排気弁１２の吸気行程中の開弁が有効になるように開閉切替機構１４を駆動して内部ＥＧＲを実行するとともに、リフト可変機構１３により吸気弁１１のリフト量／バルブタイミングを調整し、目標ＥＧＲ率に対応する量の空気（新気）および既燃ガスを気筒２に導入させる。

（１−３）負荷に応じた内部ＥＧＲの制御
次に、上記内部ＥＧＲに関する制御の具体例について、図２のフローチャートおよび図３の制御マップを参照しつつ説明する。なお、これらのフローチャートおよび制御マップは、燃焼形式としてＨＣＣＩ燃焼が選択された場合に適用されるものである。ＳＩ燃焼が選択された場合は基本的に内部ＥＧＲが不要であるため、ＳＩ燃焼が選択された場合の制御については説明を省略する。

図２のフローチャートに示す制御がスタートすると、ＥＣＵ５０は、クランク角センサＳＮ２および車載センサＳＮ４の各検出値から特定される現時点のエンジンの運転条件（負荷および回転数）が、後述するステップＳ４で行われるオクタン価の判定が可能な条件として予め定められた所定の運転条件に該当するか否かを判定する（ステップＳ１）。

上記ステップＳ１でＹＥＳと判定されて所定の運転条件に該当することが確認された場合、ＥＣＵ５０は、筒内圧センサＳＮ３により検出される筒内圧の変化に基づいて燃料の着火時期を特定する（ステップＳ２）。すなわち、燃料が着火すると、その着火と同時に筒内圧が急上昇する。そこで、ＥＣＵ５０は、このような筒内圧の急上昇が筒内圧センサＳＮ３により確認された時点で、燃料が着火したと判定する。

次いで、ＥＣＵ５０は、後述するステップＳ４のオクタン価の判定が行われたことを記録するためのフラグＦに「１」を入力する（ステップＳ３）。フラグＦのデフォルト値は「０」であり、エンジンの始動後にオクタン価の判定が１度でも行われるとフラグＦが「１」に変更されるようになっている。

次いで、ＥＣＵ５０は、上記ステップＳ２で特定した燃料の着火時期に基づいて、噴射された燃料が規定のオクタン価を有するものであるか否かを判定する（ステップＳ４）。すなわち、エンジン本体１に供給される燃料が貯留される燃料タンクには、常に規定通りの燃料が補充されるとは限らず、ユーザの間違いなどにより、規定以外の燃料が補充されることもあり得る。このように規定以外の燃料が燃料タンクに補充された場合、燃料の着火性を表す指標であるオクタン価の相違に起因して、同一の運転条件下であっても燃料の着火時期が異なるという現象が生じる。そこで、ＥＣＵ５０は、所定の運転条件下で特定した着火時期（ステップＳ２）と、予め定められた基準着火時期（燃料のオクタン価が規定通りであれば得られるはずの着火時期）との比較に基づいて、エンジン本体１に現在供給されている燃料が規定のオクタン価を有するものであるか否かを判定する。例えば、特定した着火時期と基準着火時期とのずれ量が所定値未満である場合に、規定のオクタン価を有する燃料であると判定し、当該ずれ量が所定値以上である場合に、規定のオクタン価を有する燃料でない（規定と異なるオクタン価の燃料が用いられている）と判定する。なお、当実施形態では、国内で市販されているレギュラーガソリン相当の燃料が使用すべき燃料として規定されており、上記ステップＳ４では、このレギュラーガソリン相当の燃料を用いた場合に得られる着火時期との比較に基づいて、規定のオクタン価（例えば８９〜９３ＲＯＮ）を有する燃料であるか否かが判定される。

上記ステップＳ４でＹＥＳと判定されて規定のオクタン価を有する燃料が用いられていると判定された場合、ＥＣＵ５０は、内部ＥＧＲの目標ＥＧＲ率、つまり内部ＥＧＲにより導入される既燃ガスが気筒２内の全ガス量中に占める割合であるＥＧＲ率の目標値を設定するためのマップとして、図３（ａ）に示されるマップＡを選択する（ステップＳ５）。このマップＡは、エンジン回転数が一定値（例えば１０００ｒｐｍ）である場合にエンジン負荷に応じて設定すべき目標ＥＧＲ率を示している。なお、エンジン回転数が異なる場合でも、目標ＥＧＲ率の数値（％）や負荷の閾値（Ｘ２，Ｘ３）が異なるだけで、傾向自体は同じである。

図３（ａ）に示されるように、マップＡが選択された場合、目標ＥＧＲ率は、アイドリング運転に対応する最低負荷Ｙからこれよりも高い第２負荷Ｘ２までの範囲において、一律に５０％に設定される（区間Ｐ参照）。第２負荷Ｘ２からこれよりも高い第３負荷Ｘ３までの範囲では、負荷が高くなるにつれて目標ＥＧＲ率が徐々に減らされ（区間Ｒ参照）、第３負荷Ｘ３において４０％に設定される。第３負荷Ｘ３から最高負荷Ｚまでの範囲では、目標ＥＧＲ率は一律に４０％に設定される（区間Ｔ参照）。

一方、上記ステップＳ４でＮＯと判定されて規定と異なるオクタン価の燃料が用いられていると判定された場合、ＥＣＵ５０は、目標ＥＧＲ率を設定するためのマップとして、図３（ｂ）に示されるマップＢを選択する（ステップＳ６）。このマップＢは、マップＡのときと同じ一定のエンジン回転数（例えば１０００ｒｐｍ）である場合にエンジン負荷に応じて設定すべき目標ＥＧＲ率を示している。なお、エンジン回転数が異なる場合でも、目標ＥＧＲ率の数値（％）や負荷の閾値（Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３）が異なるだけで、傾向自体は同じである。

図３（ｂ）に示されるように、マップＢが選択された場合、目標ＥＧＲ率は、アイドリング運転時に対応する最低負荷Ｙからこれよりも高い第１負荷Ｘ１までの範囲において、一律に８０％に設定される（区間Ｑ１参照）。第１負荷Ｘ１からこれよりも高い第２負荷Ｘ２までの範囲では、負荷が高くなるにつれて目標ＥＧＲ率が徐々に減らされるとともに（区間Ｑ２参照）、第２負荷Ｘ２からこれよりも高い第３負荷Ｘ３までの範囲においても同様の傾向で目標ＥＧＲ率が徐々に減らされ（区間Ｒ参照）、第３負荷Ｘ３において４０％に設定される。第３負荷Ｘ３から最高負荷Ｚまでの範囲では、目標ＥＧＲ率は一律に４０％に設定される（区間Ｔ参照）。

上記ステップＳ５またはＳ６においてマップの選択が完了すると、ＥＣＵ５０は、選択したマップ（マップＡまたはＢ）に従って目標ＥＧＲ率を設定し、設定した目標ＥＧＲ率に対応する量の空気および既燃ガスが気筒２に導入されるようにリフト可変機構１３および開閉切替機構１４を制御する（ステップＳ７）。すなわち、ＥＣＵ５０は、排気弁１２の吸気行程中の開弁が有効になるように開閉切替機構１４を駆動して内部ＥＧＲを実行するとともに、リフト可変機構１３により吸気弁１１のリフト量／バルブタイミングを調整し、目標ＥＧＲ率に対応する量の空気（新気）および既燃ガスを気筒２に導入させる。

次に、上記ステップＳ１での判定がＮＯであった場合、つまりエンジンの運転条件が上述した所定の運転条件（オクタン価の判定が可能な運転条件）に該当しなかった場合の制御について説明する。この場合、ＥＣＵ５０は、上述したフラグＦの値が「０」であるか否かを判定する（ステップＳ８）。

上記ステップＳ８でＹＥＳと判定された場合、つまりオクタン価の判定がエンジン始動後に１度も行われていないことが確認された場合、ＥＣＵ５０は、ステップＳ６に移行し、目標ＥＧＲ率のマップとして図３（ｂ）に示したマップＢを選択する。そして、このマップＢに従って目標ＥＧＲ率を設定し、設定した目標ＥＧＲ率に対応する量の空気および既燃ガスが気筒２に導入されるようにリフト可変機構１３および開閉切替機構１４を制御する（ステップＳ７）。

一方、上記ステップＳ８でＮＯと判定されてオクタン価の判定が既に行われたことが確認された場合、ＥＣＵ５０は、既に選択済みのマップ（マップＡまたはＢ）に従って目標ＥＧＲ率を設定し、設定した目標ＥＧＲ率に対応する量の空気および既燃ガスが気筒２に導入されるようにリフト可変機構１３および開閉切替機構１４を制御する（ステップＳ７）。

（２）本発明の基礎となる研究
以上説明したとおり、上記実施形態では、ＨＣＣＩ燃焼時に内部ＥＧＲが実行されるとともに、その内部ＥＧＲのＥＧＲ率が、オクタン価の判定に基づいて選択されるマップ（マップＡまたはＢ）に基づいて可変的に設定されるようになっている。この実施形態に代表される本発明は、燃料性状の相違がＨＣＣＩ燃焼に及ぼす影響を調べるために本願発明者が行った研究に基づいてなされたものである。以下、この研究の内容について詳しく説明する。

（２−１）実験方法および供試燃料
（ａ）実験方法
本研究の実験に用いたエンジンの仕様と運転条件を図４の表に示す。ＨＣＣＩ燃焼を容易に行うため、幾何学的圧縮比が通常のエンジンよりも高い２０とされた実験用のエンジンを用意し、当該エンジンを１０００ｒｐｍにて自然吸気で運転した。また、この実験用のエンジンは、上記実施形態と同じく、気筒に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、吸排気弁のバルブ特性を変更可能なバルブ可変機構（上記実施形態のリフト可変機構１３および開閉切替機構１４に相当するもの）とを有している。バルブ可変機構は油圧駆動式であり、このバルブ可変機構により吸排気弁のバルブ特性を変更することにより、内部ＥＧＲのＥＧＲ率を、０％，４０％，６０％，８０％の間で可変的に設定し、気筒の圧縮開始温度を変化させた。なお、実験の評価にあたっては、運転条件の指標として、新気と内部ＥＧＲガスを含む気筒内の全作動ガス量と燃料量との比であるＧ／Ｆ（ガス燃料比）を用いる。また、燃料の連鎖分岐反応の開始時期をＨＣＣＩ燃焼の着火時期として捉えるために、熱発生率の二階微分が最大値となる時点を着火時期として定義した。

（ｂ）供試燃料
図５に示すように、実験に用いる燃料として、ほぼ同一のオクタン価を有する複数の供試燃料を作製した。具体的には、市場のガソリン規格であるＲＯＮを基準に、オクタン価がいずれも約９０ＲＯＮである７種類の供試燃料（Ｐａｒａ９０、Ａｒｏｍ３０、Ａｒｏｍ２０、Ａｒｏｍ３０−Ｏｌｅ２０、Ａｒｏｍ３０−Ｎａｐｈ２０、ＥＴＢＥ２０、ＥｔＯＨ２０）を作製した。図５および図６に示すように、Ｐａｒａ９０は、ベース燃料であるパラフィン系炭化水素（ノルマルパラフィンおよびイソパラフィン）のみで構成された燃料であり、Ａｒｏｍ３０は、パラフィン系炭化水素に加えて約３０ｖｏｌ％（ｖｏｌ％は体積割合）のアロマ系炭化水素を含有した燃料であり、Ａｒｏｍ２０は、パラフィン系炭化水素に加えて約２０ｖｏｌ％のアロマ系炭化水素を含有した燃料であり、Ａｒｏｍ３０−Ｏｌｅ２０は、パラフィン系炭化水素に加えて約３０ｖｏｌ％のアロマ系炭化水素と約２０ｖｏｌ％のオレフィン系炭化水素とを含有した燃料であり、Ａｒｏｍ３０−Ｎａｐｈ２０は、パラフィン系炭化水素に加えて約３０ｖｏｌ％のアロマ系炭化水素と約２０ｖｏｌ％のナフテン系炭化水素とを含有した燃料であり、ＥＴＢＥ２０は、パラフィン系炭化水素に加えて約２０ｖｏｌ％のＥＴＢＥ（エチルtert−ブチルエーテル）を含有したバイオ系燃料であり、ＥｔＯＨ２０は、パラフィン系炭化水素に加えて約２０ｖｏｌ％のエタノールを含有したバイオ系燃料である。これら７種類の供試燃料は、いずれもオクタン価が約９０ＲＯＮになるように調製されている。また、実験用のエンジンは直噴式であるため、燃料による混合気形成の差異が生じないように、エタノールが混合されたＥｔＯＨ２０以外の各供試燃料においては、蒸発や微粒化に関係する動粘度、表面張力、および蒸留特性（図７）が同等となるように調製した。

さらに、比較のために、上記７種の９０ＲＯＮ燃料に加えて、パラフィン系炭化水素のみで構成された約８０ＲＯＮのオクタン価を有する燃料であるＰａｒａ８０を用意した。さらに、図５には示していないが、国内で市販されているレギュラーガソリンおよびハイオクガソリンも用意した。レギュラーガソリンのオクタン価は約９１ＲＯＮであり、ハイオクガソリンのオクタン価は約１００ＲＯＮであった。なお、上記７種の９０ＲＯＮ燃料とレギュラーガソリンとは、同等のＲＯＮを有する燃料ということができる。これに対し、Ｐａｒａ８０のＲＯＮは１０程度小さく、ハイオクガソリンのＲＯＮは１０程度高くなっている。

（２−２）実験結果および考察
（ａ）実験結果
上記各燃料（合計１０種）を用いて、４つの異なるＥＧＲ率（０％、４０％、６０％、８０％）の条件下でＨＣＣＩ燃焼による運転を試みた。その結果を図８および図９に示す。なお、いずれのケースでもＧ／Ｆは８０に設定されている。

まず、アロマ系、オレフィン系、ナフテン系の各成分の影響を調べるために、Ｐａｒａ８０、Ｐａｒａ９０、Ａｒｏｍ２０、Ａｒｏｍ３０、Ａｒｏｍ３０-Ｏｌｅ２０、およびＡｒｏｍ３０-Ｎａｐｈ２０の各燃料を用いた場合の熱発生率をそれぞれ測定し、図８のグラフを得た。この図８における（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）の各グラフは、それぞれＥＧＲ率を０％、４０％、６０％、８０％に設定した場合のものである。図８のグラフ（ａ）に示すように、ＥＧＲ率が０％の場合、ＲＯＮが低いＰａｒａ８０の着火時期が最も早くなる。残りの５種類の燃料の着火時期は、ＲＯＮがほぼ同一であるにも関わらず互いに異なっている。例えば、当該５種類の燃料の中では、パラフィン系成分のみからなるＰａｒａ９０の着火時期が最も早く、アロマ系成分およびナフテン系成分を含むＡｒｏｍ３０-Ｎａｐｈ２０の着火時期が最も遅い。これら各燃料の着火時期の相違は、ＥＧＲ率が大きくなるほど縮小し、ＥＧＲ率が８０％に達すると（グラフ（ｄ））、燃料による着火時期の差はほぼ認められなくなった。

次に、バイオ系燃料に含まれる代表的な成分の影響、および市販ガソリンの成分またはオクタン価の影響を調べるために、ＥｔＯＨ２０、ＥＴＢＥ２０、レギュラーガソリン（９１ＲＯＮ）、およびハイオクガソリン（１００ＲＯＮ）の各燃料を用いた場合の熱発生率を測定し、図９のグラフを得た。この図９における（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）の各グラフは、それぞれＥＧＲ率を０％、４０％、６０％、８０％に設定した場合のものである。各グラフでは、比較のために、Ｐａｒａ８０およびＰａｒａ９０を用いた場合の熱発生率も併せて示している。図９のグラフ（ａ）に示すように、ＥＧＲ率が０％の場合には、筒内温度の不足により、ハイオクガソリンを着火させることができなかった。また、レギュラーガソリンも着火しにくい特性を示し、その着火時期が大幅に遅角した。ＥＧＲ率が４０％の場合（グラフ（ｂ））は、ハイオクガソリンでも着火させることが可能になり、また、レギュラーガソリンの着火時期がＰａｒａ９０とほぼ同じ着火時期となった。また、図８のケースと同様、ＥＧＲ率が８０％に達すると（グラフ（ｄ））、燃料による着火時期の差はほぼ認められなくなった。

上記燃焼試験（図８、図９）の結果に基づいて、試験に用いられた１０種全ての燃料の着火時期、図示燃料消費率（ＩＳＦＣ）、および図示平均有効圧（ＩＭＥＰ）の変動率を、ＥＧＲ率との関係において調べ、それぞれ図１０のグラフ（ａ）〜（ｃ）を得た。先にも説明したとおり、ＥＧＲ率が０％の条件ではハイオクガソリン（１００ＲＯＮ）を着火させることができなかったので、各グラフ（ａ）〜（ｃ）におけるハイオクガソリンに対応する線図は、ＥＧＲ率４０％未満の範囲（厳密にはＥＧＲ率が約３５％未満となる範囲）で途切れている。

図１０のグラフ（ａ）に示すように、ＥＧＲ率が０％の条件では、着火不能なハイオクガソリンを除く他の９種の燃料の間で、着火時期が最大で約９ｄｅｇ異なっている。このような大きな着火時期のばらつきが生じるのは、図８のグラフ（ａ）および図９のグラフ（ａ）に示すように、圧縮行程の途中で低温酸化反応が起きているためと考えられる（破線で囲んだ符号Ｗの部分参照）。なお、低温酸化反応とは、燃料が激しく酸化する反応（火炎の発生を伴う反応）である高温酸化反応が起きる前の比較的低温の環境下で起きる緩慢な酸化反応のことである。低温酸化反応は、燃料の分子構造が少しずつ壊れるような緩慢な反応であるため、燃料成分（分子構造）の相違による影響を受け易い。このような低温酸化反応が事前に起きたことが、高温酸化反応に影響を及ぼし、大きな着火時期の相違を生み出したものと考えられる。

また、オクタン価がいずれも約９０ＲＯＮである７種の燃料（Ｐａｒａ９０、Ａｒｏｍ３０、Ａｒｏｍ２０、Ａｒｏｍ３０−Ｏｌｅ２０、Ａｒｏｍ３０−Ｎａｐｈ２０、ＥＴＢＥ２０、ＥｔＯＨ２０）の間の比較では、ＥＧＲ率が０％の条件で着火時期が最大で約６ｄｅｇ異なっているものの、ＥＧＲ率が４０％まで上昇すると、全体的に着火時期が進角するとともに着火時期の差が約２ｄｅｇ以内に収まるようになる。つまり、同一のＲＯＮを有する７種の燃料の間では、ＥＧＲ率を４０％以上にすることにより、燃料成分の相違が着火時期に及ぼす影響をほぼ解消できるということが分かった。これは、内部ＥＧＲによる気筒内の高温化の影響で、低温酸化反応が十分に抑制されたためであると考えられる。

上記７種の燃料にＰａｒａ８０、レギュラーガソリン、およびハイオクガソリンを加えた全ての燃料、つまり８０ＲＯＮから１００ＲＯＮまでオクタン価が異なる１０種の燃料の間の比較では、ＥＧＲ率４０％の条件で着火時期が最大で約７ｄｅｇ異なっているものの、ＥＧＲ率が６０％まで上昇すると、着火時期の差が約３ｄｅｇ以内に収まり、ＥＧＲ率が８０％まで上昇すると、着火時期の差が約２ｄｅｇ以内に収まるようになる。つまり、ＲＯＮの異なる１０種の燃料の間では、ＥＧＲ率を８０％以上にすることにより、燃料成分およびＲＯＮの相違が着火時期に及ぼす影響をほぼ解消できるということが分かった。なお、ＥＧＲ率が６０％から８０％まで上昇すると全体的に着火時期が遅角しているが、これは、ＥＧＲ率の増加に伴い筒内ガスの比熱比が低下し、圧縮端温度が低下したためである。

また、ＩＳＦＣおよびＩＭＥＰ変動率（図１０のグラフ（ｂ）（ｃ））も、着火時期の変化と同様であり、ＥＧＲ率が６０％以上になると燃料成分およびＲＯＮによる影響がほぼ認められなくなった。

（ｂ）Ｇ／Ｆによる影響
Ｇ／Ｆの相違による影響を明らかにするために、オクタン価がいずれも約９０ＲＯＮである７種の燃料（Ｐａｒａ９０、Ａｒｏｍ３０、Ａｒｏｍ２０、Ａｒｏｍ３０−Ｏｌｅ２０、Ａｒｏｍ３０−Ｎａｐｈ２０、ＥＴＢＥ２０、ＥｔＯＨ２０）を用いて、種々のＧ／Ｆの条件下でＨＣＣＩ燃焼による運転を試みた。そして、Ｐａｒａ９０を基準とした着火時期の差分（ΔＩｇ）を調べ、図１１に示す等値線グラフを得た。なお、Ｇ／Ｆが小さいほど気筒内への燃料の供給量が多いことになるので、Ｇ／Ｆが小さいことはエンジン負荷が高いことを意味し、Ｇ／Ｆが大きいことはエンジン負荷が低いことを意味する。また、ＥＧＲ率が８０の条件では、Ｇ／Ｆが８０になると空気過剰率λが1に達した。そのため、このＧ／Ｆ８０相当の負荷よりも高負荷側では運転できなかった。そこで、図１１では、λが1未満になる運転不能な領域（「Ｏｖｅｒ Ｒｉｃｈ」と記す領域）を空白としている。このことは、後述する図１２、図１４、図１５のグラフでも同様である。

図１１に示すように、Ｇ／Ｆが１６０以上の負荷の低い運転条件では、ＥＧＲ率によらず着火時期の差は±１ｄｅｇ以内に収まり、燃料成分の相違による影響は小さいことが分かる。しかしながら、Ｇ／Ｆが１６０よりも小さくなる（つまり負荷が高くなる）と着火時期の差が±１ｄｅｇよりも大きくなる領域（つまり燃料成分の相違による影響が大きい領域）が現れ始める。着火時期の差が「１．０」の等値線から理解されるように、着火時期の差を±１ｄｅｇ以内に抑えるためには、Ｇ／Ｆが１００の条件ではＥＧＲ率を２０％以上にする必要があり、Ｇ／Ｆが８０以下の条件ではＥＧＲ率を４０％以上にする必要がある。

図１１のような特性が見られるメカニズムを理解するために、吸気弁の閉時期（ＩＶＣ）での筒内温度を調べ、図１２に示す等値線グラフを得た。なお、この図１２のグラフには、図１１より得られた着火時期差±１ｄｅｇの等値線も併せて示している。図１２に示すように、着火時期の差（ΔＩｇ）が±１ｄｅｇよりも大きくなる運転条件は、Ｇ／Ｆが小さく（つまり燃料濃度が高く）、かつ筒内温度が低い運転条件であることが分かる。このことより、着火時期の差が低温酸化反応の影響によって生じていることが示唆される。

（ｃ）燃料性状による影響
燃料性状（オクタン価および成分）がＨＣＣＩ燃焼の着火時期に及ぼす影響を調べるために、オクタンインデックス（ＯＩ）を用いた解析を行った。すなわち、運転条件ごとに下式（１）に示す係数Ｋを同定することにより、着火時期のＲＯＮとＭＯＮへの依存度合を調べた。

ＯＩ＝（１−Ｋ）×ＲＯＮ＋Ｋ×ＭＯＮ ‥‥（１）
周知のとおり、ＲＯＮはリサーチオクタン価であり、ＭＯＮはモータオクタン価である。

上記両オクタン価はいずれも燃料の着火性（耐ノック性）を示す指標であるが、測定条件が異なっている。この測定条件の相違より、ＲＯＮは比較的低い温度条件での着火性を表す指標であるということができ、ＭＯＮは比較的高い温度条件での着火性を表す指標であるということができる。さらにいえば、ＲＯＮは低温酸化反応を伴う燃焼条件下での燃料の着火性を表す指標であり、ＭＯＮは低温酸化反応を伴わない燃焼条件下での燃料の着火性を表す指標である。

図１０のグラフ（ａ）に示した各燃料の着火時期、つまりＧ／Ｆが８０一定でかつＥＧＲ率が変化した場合の各燃料の着火時期の変化に基づいて、ＥＧＲ率ごとに、上記式（１）の係数Ｋを最小二乗法により同定し、図１３のグラフを得た。ここで、係数Ｋを運転条件ごとに同定することは、ＲＯＮとＭＯＮのどちらが着火時期との相関性が高いのかを運転条件ごとに調べることを意味する。すなわち、ある運転条件において同定されたＫが大きい場合、その運転条件は、着火時期がＭＯＮの値による影響を受け易い（つまり着火時期とＭＯＮとの相関性が高い）運転条件であるということができる。このことは、低温酸化反応の影響が小さい運転条件であることを意味する。一方、ある運転条件において同定されたＫが小さい場合、その運転条件は、着火時期がＲＯＮの値による影響を受け易い（つまり着火時期とＲＯＮとの相関性が高い）運転条件であるということができる。このことは、低温酸化反応の影響が大きい運転条件であることを意味する。なお、係数Ｋが１の場合、式（１）はＯＩ＝ＭＯＮとなるので、オクタンインデックスはＭＯＮそのものである。また、係数Ｋが０の場合、式（１）はＯＩ＝ＲＯＮとなるので、オクタンインデックスはＲＯＮそのものである。

図１３によれば、係数Ｋは、ＥＧＲ率８０％の条件では１より大きく、ＥＧＲ率４０％の条件ではゼロにほぼ等しくなっており、ＥＧＲ率が小さくなるにつれて比例的に係数Ｋが小さくなっている。このことは、ＥＧＲ率８０％の条件では低温酸化反応の影響を無視できること、および、ＥＧＲ率が８０％より小さくなるほど低温酸化反応の影響が徐々に大きく現れることを示唆している。つまり、図１３に示す係数Ｋの変化は、燃料性状が着火時期に及ぼす影響の特性をよく説明できているといえる。なお、図１１によれば、ＥＧＲ率が４０％以上の範囲では、ほとんどのＧ／Ｆの場合で着火時期の差が約±１ｄｅｇ以下となっている。このことと図１３の結果より、ＨＣＣＩ燃焼において燃料性状による影響を十分に抑制するためには、係数Ｋが０以上であることが求められるといえる。逆に、係数Ｋが０より小さいと、低温酸化反応の影響が非常に大きくなって、燃料性状の相違によりＨＣＣＩ燃焼の着火時期が大きくばらつくことになる。したがって、このようなことを避けつつ適正なＨＣＣＩ燃焼を行うには、オクタンインデックスの係数Ｋが０以上となる運転条件、つまり低温酸化反応の影響が相対的に小さい運転条件を用いることが重要である。

（２−３）ＨＣＣＩ燃焼制御の指針検討
（ａ）各種の運転制約の検討
ＨＣＣＩ燃焼を試みる場合、従来のＳＩ燃焼（火花点火燃焼）に比べて考慮すべき制約が多いことが知られている。例えば、エンジンの高負荷域では、急峻な燃焼の進行によって大きな燃焼騒音が発生することが懸念され、また、低負荷域では、着火のための熱源となる内部ＥＧＲガスの温度が低いことに起因して燃焼が不安定になることが懸念される。すなわち、ＨＣＣＩ燃焼では、高負荷域での燃焼騒音の増大と低負荷域での燃焼安定性の低下とをともに解決するように燃焼を制御しなければならないという制約がある。そこで、これらの制約も考慮した上で、燃料性状による影響を最小にするための燃焼制御の指針を検討した。

レギュラーガソリン（９１ＲＯＮ）を用いてＨＣＣＩ燃焼を行った場合の燃焼騒音および燃焼安定性について調べ、図１４のグラフ（ａ）（ｂ）を得た。具体的に、図１４のグラフ（ａ）は、ＥＧＲ率およびＧ／Ｆに応じた最大圧力上昇率（ｄｐ／ｄθ）の変化を示す等値線グラフであり、図１４のグラフ（ｂ）は、ＥＧＲ率およびＧ／Ｆに応じたＩＭＥＰ変動量（ＳＤＩ）の変化を示す等値線グラフである。また、図１４のグラフ（ｃ）として、ＥＧＲ率およびＧ／Ｆに応じたオクタンインデックスの係数Ｋの変化を示す等値線グラフを作成した。なお、最大圧力上昇率（ｄｐ／ｄθ）は、クランク角に応じて変化する筒内圧力の上昇率の最大値であり、燃焼騒音の指標となるパラメータである。また、ＩＭＥＰ変動量（ＳＤＩ）は、燃焼サイクルごとに変動するＩＭＥＰの変動量の最大値、言い換えると燃料サイクルごとのトルク変動量であり、燃焼安定性の指標となるパラメータである。

燃料性状の影響を弱めつつ低騒音性および燃焼安定性を確保する観点から、ここでは、最大圧力上昇率の上限値を７００ｋＰａ／ｄｅｇ（５ＭＰａ／ｓｅｃに相当）とし、ＩＭＥＰ変動率の上限値を９ｋＰａとし、係数Ｋの下限値を０とする。グラフ（ａ）に示すように、最大圧力上昇率は、高負荷側の一部の領域において上限値（７００ｋＰａ／ｄｅｇ）を超えているが、ＥＧＲ率が低いと着火時期が遅角することから、ＥＧＲ率が低い範囲（約２０％未満）ではいずれの負荷でも最大圧力上昇率が上限値以下に抑えられている。グラフ（ｂ）に示すように、ＩＭＥＰ変動量は、ＥＧＲ率が低い一部の領域において上限値（９ｋＰａ）を超えているが、負荷が高くなると燃焼ガスの温度および燃料濃度がともに高くなることから、高負荷側ではＥＧＲ率が低い条件でも（もしくはＥＧＲなしでも）ＩＭＥＰ変動量が上限値以下に抑えられている。グラフ（ｃ）に示すように、係数Ｋは、ＥＧＲ率が低くかつ負荷が高い一部の領域において下限値（０）を下回っている。これは、ＥＧＲ率が低くかつ負荷が高いと、低温の気筒内に高濃度の燃料が存在することになり、低温酸化反応の影響を受け易くなるからである。

（ｂ）各運転制約を考慮した燃焼制御指針
図１４のグラフ（ａ）〜（ｃ）に示した最大圧力上昇率（ｄｐ／ｄθ）、ＩＭＥＰ変動量（ＳＤＩ）、および係数Ｋの各許容値を、図示燃料消費率（ＩＳＦＣ）の等値線に重ねることにより、図１５のグラフを得た。この図１５のグラフを用いて、燃焼騒音の増大および燃焼安定性の低下を回避しつつ低負荷から高負荷まで適正なＨＣＣＩ燃焼を行うための制御指針について検討する。なお、図１５には、最大圧力上昇率、ＩＭＥＰ変動量、および係数Ｋが許容範囲外になる領域、つまりｄｐ／ｄθ＞７００ｋＰａの領域と、ＳＤＩ＞９ｋＰａの領域と、Ｋ＜０の領域とを、それぞれグレーで着色して示しており、以下ではこれらをＮＧ領域と称する。

ここで、最大圧力上昇率（ｄｐ／ｄθ）およびＩＭＥＰ変動量（ＳＤＩ）の各ＮＧ領域は、レギュラーガソリンを用いた場合のものであるが、既に説明したとおり、オクタン価が同等であれば、係数Ｋが０以上となる運転条件をつくり出すことにより、たとえ燃料性状が異なる燃料を用いた場合でも同様の着火特性が得られることが分かっている。このため、燃料のオクタン価がレギュラーガソリン（９１ＲＯＮ）と同等であることが保障されている場合には、最大圧力上昇率、ＩＭＥＰ変動量、および係数Ｋの各ＮＧ領域をいずれも避けるように運転条件を調整することにより、燃料性状によらず低騒音で安定したＨＣＣＩ燃焼を実現できると考えられる。

そこで、まず燃料のオクタン価がレギュラーガソリン相当であることが保障されている場合の燃焼制御の指針について検討する。この場合は、図１５に示す矢印ｐ，ｒ，ｔに沿ってＥＧＲ率を制御することが提案される。すなわち、まず矢印ｐに示すように、圧力上昇率のＮＧ領域（ｄｐ／ｄθ＞７００ｋＰａの領域）よりも負荷の低い領域において、ＥＧＲ率を一律に５０％に設定する。負荷が圧力上昇率のＮＧ領域の境界に対応する値に近づくと、矢印ｒに示すように、最大圧力上昇率のＮＧ領域の境界に沿ってＥＧＲ率を減少させながら負荷を上昇させる。ＥＧＲ率が係数ＫのＮＧ領域の境界に対応する値に近づくと、それ以上ＥＧＲ率が減少しないように、矢印ｔに示すように、ＥＧＲ率を一定値（４０％）に維持しながら負荷を上昇させる。矢印ｐ，ｒは、最大圧力上昇率、ＩＭＥＰ変動量、および係数Ｋの各ＮＧ領域から外れているため、この矢印ｐ，ｒに沿ってＥＧＲ率を制御することにより、燃料性状によらず低騒音で安定したＨＣＣＩ燃焼を実現することが可能になると考えられる。一方、矢印ｔは圧力上昇率のＮＧ領域内に存在するため、燃焼騒音を抑えるための別の対策を講じる必要がある。例えば、燃料の噴射タイミングを通常よりもリタードさせて故意に着火時期を遅らせるなどの対策を採ることが考えられる。

次に、燃料のオクタン価がレギュラーガソリン相当であることが保障されていない場合の燃焼制御の指針について検討する。この場合は、図１５に示す矢印ｑ１，ｑ２，ｒ，ｔに沿ってＥＧＲ率を制御することが提案される。すなわち、まず矢印ｑ１に示すように、λが１未満になる運転不能領域（「Ｏｖｅｒ Ｒｉｃｈ」と記す領域）よりも負荷の低い領域において、ＥＧＲ率を一律に８０％に設定する。図１０のグラフ（ａ）によれば、ＲＯＮが８０から１００まで変化する場合でも、ＥＧＲ率が８０％であれば、着火時期のばらつきを２ｄｅｇ以内に抑えることができる。そこで、λが１以上（Ｇ／Ｆが約８０以上になる）負荷域では、ＥＧＲ率を８０％に設定することで着火時期のばらつきの抑制を図る。λが１に近づくと、矢印ｑ２に示すように、ＥＧＲ率を減少させつつ負荷を上昇させる。その後は、燃料のオクタン価が保障されている場合と同様に、矢印ｒに沿ってＥＧＲ率を減少させつつ負荷を上昇させるとともに、矢印ｔに沿ってＥＧＲ率を固定しつつ負荷を上昇させる。

（３）実施形態の作用効果等の説明
次に、本願発明者による上述した研究の成果に基づいて、図１〜図３に示した実施形態の作用効果等について説明する。

図２および図３に示したとおり、上記実施形態では、規定のオクタン価（レギュラーガソリン相当のオクタン価）を有する燃料が用いられていると判定された場合に、マップＡ（図３（ａ））に定められた目標ＥＧＲ率に沿って内部ＥＧＲの制御が実行され、規定のオクタン価を有する燃料が用いられていないと判定された場合に、マップＢ（図３（ｂ））に定められた目標ＥＧＲ率に沿って内部ＥＧＲの制御が実行される。このようなオクタン価判定に基づいたマップ（ＥＧＲ率）の使い分けは、上述した研究で得られた図１５の制御指針に適合した制御であるということができる。すなわち、図３（ａ）のマップＡにおける区間Ｐ，Ｒ，Ｔは、図１５の矢印ｐ，ｒ，ｔに沿ってＥＧＲ率を設定することに対応しており、図３（ｂ）のマップＢにおける区間Ｑ１，Ｑ２，Ｒ，Ｔは、図１５の矢印ｑ１，ｑ２，ｒ，ｔに沿ってＥＧＲ率を設定することに対応している。このような態様でＥＧＲ率が設定される上記実施形態によれば、規定のオクタン価であるか否かにかかわらず安定したＨＣＣＩ燃焼を実現できるという利点がある。

具体的に、上記実施形態では、最低負荷Ｙから第２負荷Ｘ２までの負荷域において、規定のオクタン価でないと判定された場合（マップＢ）には、規定のオクタン価であると判定された場合（マップＡ）に比べてＥＧＲ率が大きく設定されるので、多量の内部ＥＧＲによる気筒２の高温化によって低温酸化反応が起きない（もしくは起き難い）環境がつくり出される結果、燃料性状（オクタン価および成分）の相違が着火時期に及ぼす影響を十分に抑制することができる。これにより、オクタン価の異なる燃料が使用されたとしても、着火時期が大きくばらつくのを回避でき、安定したＨＣＣＩ燃焼を実現することができる。また、規定のオクタン価である場合にはＥＧＲ率が相対的に低く設定されるので、オクタン価が同等であるために気筒２をそれほど高温化しなくても着火時期のばらつきが抑えられると予想される状況下で、必要以上に多くのＥＧＲガスが気筒２に導入されるのを回避でき、適正量のＥＧＲガスを導入しながらＨＣＣＩ燃焼の安定化を図ることができる。

また、上記実施形態では、図２のフローチャートを用いて示したように、所定の運転条件下で筒内圧センサＳＮ３を用いて特定される燃料の着火時期に基づいて、規定のオクタン価を有する燃料が用いられているか否かが判定されるので、例えば燃料のオクタン価を直接計測する高価なセンサを用いる必要がなく、オクタン価を判定するのに要する追加のコストを低減することができる。

また、上記実施形態では、最低負荷Ｙから第３負荷Ｘ３までの負荷域において、ＥＧＲ率がマップＡ，Ｂ（図３（ａ）（ｂ））にそれぞれ示すような値に設定されることにより、図１５のグラフに矢印ｐ，ｑ１，ｑ２，ｒとして示したように、オクタンインデックスの係数Ｋ、最大圧力上昇率（ｄｐ／ｄθ）、およびＩＭＥＰ変動量（ＳＤＩ）を、それぞれ許容範囲内に抑えることができる。これにより、燃料性状（オクタン価および成分）の相違による着火時期のばらつき、燃焼騒音の増大、および燃焼安定性の低下をそれぞれ抑制することができ、燃料性状によらず低騒音で安定したＨＣＣＩ燃焼を実現することができる。

なお、上記実施形態では、エンジンの全ての負荷域において、オクタンインデックスの係数Ｋが０以上になるようにＥＧＲ率を設定したが、図１６において矢印ｐ，ｑ１，ｑ２，ｕとして示すように、着火時期の差（ΔＩｇ）が±１ｄｅｇを超える領域を避けるようにＥＧＲ率を設定してもよい。このようにすれば、ΔＩｇが±１ｄｅｇ以下に抑えられるので、やはり燃料成分の相違による着火時期のばらつきを抑制することができる。なお、図１６における着火時期差のＮＧ領域（ΔＩｇ＞１．０ｄｅｇの領域）の境界は、図１１に示したΔＩｇ＝１．０の等値線を重ねることにより得たものである。

また、上記実施形態では、図１５において矢印ｒとして示したように、最大圧力上昇率のＮＧ領域の境界に沿ってＥＧＲ率を減少させつつ負荷を上昇させ、オクタンインデックスの係数Ｋが０になる条件に近づいた以降は、矢印ｔに示すように、ＥＧＲ率を固定しつつ負荷を上昇させるようにしたが、図１７において矢印ｖ，ｗとして示すような態様でＥＧＲ率を制御してもよい。すなわち、この図１７の例では、矢印ｖのように最大圧力上昇率の制約を受けて減少させられるＥＧＲ率が係数ＫのＮＧ領域に達した後も、矢印ｗに示すように、引き続き負荷の上昇に応じてＥＧＲ率が減少させられる。この場合、当然ながら、矢印ｗの位置では燃料性状の相違による着火時期のばらつきが増大することが懸念される。しかしながら、例えば燃焼状態を高精度に検知しながら所定の制御量をフィードフォワード処理することができれば、矢印ｗのようにＥＧＲ率を設定したとしても着火時期のばらつきを解消できる可能性がある。

また、上記実施形態では、排気弁１２を吸気行程中に開弁させる（それに伴い既燃ガスを気筒２に逆流させる）ことにより内部ＥＧＲを実現したが、これに代えて、吸気弁および排気弁の双方が閉じるネガティブオーバーラップ期間を設けることにより内部ＥＧＲを実現してもよい。あるいは、内部ＥＧＲに代えて、吸気通路と排気通路とを短距離で結ぶＥＧＲ通路を通じて既燃ガスを還流する外部ＥＧＲを実行してもよい。ただしこの場合、ＥＧＲ通路には、既燃ガスを冷却するためのＥＧＲクーラを設けないようにする。これは、ＥＧＲクーラが備わっていない短距離のＥＧＲ通路を通じて、気筒から排出された既燃ガス（排気ガス）を高温のまま気筒２に還流するためである。いずれにしても、本発明におけるＥＧＲ装置は、既燃ガスを高温のまま気筒内に導入するＥＧＲ（高温ＥＧＲ）が実現できるものであればよく、その限りにおいてＥＧＲ装置は種々の改変が可能である。

（４）実施形態のまとめ
前記実施形態をまとめると以下のとおりである。

前記実施形態の圧縮着火式ガソリンエンジンは、ピストンが往復動可能に収容された気筒と、ガソリンを主成分とする燃料を前記気筒に噴射する燃料噴射弁と、前記気筒で生成された既燃ガスを高温のまま気筒に導入する高温ＥＧＲを実行可能なＥＧＲ装置と、前記燃料噴射弁から噴射された燃料が規定のオクタン価を有するか否かを判定するオクタン価判定部と、前記燃料噴射弁から噴射された燃料が気筒内で自着火するＨＣＣＩ燃焼が起きるように前記燃料噴射弁およびＥＧＲ装置を制御する燃焼制御部とを備える。前記燃焼制御部は、少なくともＨＣＣＩ燃焼が行われる部分負荷の運転領域において、前記オクタン価判定部により燃料が規定のオクタン価を有していないと判定された場合には、規定のオクタン価を有すると判定された場合に比べてＥＧＲ率が大きくなるように前記ＥＧＲ装置を制御する。

この構成によれば、燃料が規定のオクタン価を有していないと判定された場合には、規定のオクタン価を有すると判定された場合に比べてＥＧＲ率が大きく設定されるので、多量の高温ＥＧＲによる気筒の高温化によって低温酸化反応が起きない（もしくは起き難い）環境がつくり出される結果、燃料性状（オクタン価および成分）の相違が着火時期に及ぼす影響を十分に抑制することができる。これにより、オクタン価の異なる燃料が使用されたとしても、着火時期が大きくばらつくのを回避でき、安定したＨＣＣＩ燃焼を実現することができる。また、規定のオクタン価である場合にはＥＧＲ率が相対的に低く設定されるので、オクタン価が同等であるために気筒をそれほど高温化しなくても着火時期のばらつきが抑えられると予想される状況下で、必要以上に多くのＥＧＲガスが気筒に導入されるのを回避でき、適正量のＥＧＲガスを導入しながらＨＣＣＩ燃焼の安定化を図ることができる。

好ましくは、前記オクタン価判定部は、所定の条件でエンジンが運転されているときの燃料の着火時期に基づいて、燃料が規定のオクタン価を有するか否かを判定する。

この構成によれば、例えば燃料のオクタン価を直接計測する高価なセンサを用いる必要がないので、オクタン価を判定するのに要する追加のコストを低減することができる。

好ましくは、前記燃焼制御部は、下式（１）で表されるオクタンインデックスの係数Ｋを所定値以上にすることが可能なＥＧＲ率が実現されるように前記ＥＧＲ装置を制御する。

ＯＩ＝（１−Ｋ）×ＲＯＮ＋Ｋ×ＭＯＮ ‥‥（１）
ここに、ＲＯＮはリサーチオクタン価、ＭＯＮはモータオクタン価である。

このように、オクタンインデックスの係数Ｋが比較的大きくなるようにＥＧＲ率を設定した場合には、着火時期とＲＯＮとの相関性が低く低温酸化反応の影響が小さい運転条件をつくり出すことができ、燃料性状（オクタン価および成分）の相違による着火時期のばらつきを効果的に抑制することができる。

あるいは、同様の効果を奏する別の態様として、前記燃焼制御部は、燃料性状の相違による着火時期のばらつきを所定値以下に抑制可能なＥＧＲ率が実現されるように前記ＥＧＲ装置を制御するものであってもよい。

好ましくは、前記燃焼制御部は、燃焼サイクルごとのトルク変動量を所定値以下に抑制可能なＥＧＲ率が実現されるように前記ＥＧＲ装置を制御する。

この構成によれば、燃焼サイクルごとのトルク変動量が小さい安定したＨＣＣＩ燃焼を実現することができる。

前記気筒の幾何学的圧縮比は、１８以上２２以下に設定されることが好ましい。

この構成によれば、ＨＣＣＩ燃焼を実現可能な高温・高圧の筒内環境を適正につくり出すことができる。

好ましくは、前記ＥＧＲ装置は、前記高温ＥＧＲとして、前記気筒で生成された既燃ガスを気筒に残留させる内部ＥＧＲを実行可能なバルブ可変機構である。

この構成によれば、高温の既燃ガスを気筒に残留させることにより筒内温度を確実に上昇させることができる。

Claims (5)

1. ピストンが往復動可能に収容された気筒と、
   ガソリンを主成分とする燃料を前記気筒に噴射する燃料噴射弁と、
   前記気筒で生成された既燃ガスを高温のまま気筒に導入する高温ＥＧＲを実行可能なＥＧＲ装置と、
   前記燃料噴射弁から噴射された燃料が規定のオクタン価を有するか否かを判定するオクタン価判定部と、
   前記燃料噴射弁から噴射された燃料が気筒内で自着火するＨＣＣＩ燃焼が起きるように前記燃料噴射弁およびＥＧＲ装置を制御する燃焼制御部とを備え、
   前記燃焼制御部は、少なくともＨＣＣＩ燃焼が行われる部分負荷の運転領域において、前記オクタン価判定部により燃料が規定のオクタン価を有していないと判定された場合には、規定のオクタン価を有すると判定された場合に比べてＥＧＲ率が大きくなるように前記ＥＧＲ装置を制御し、
   前記ＨＣＣＩ燃焼の運転領域において設定されるＥＧＲ率は、下式（１）で表されるオクタンインデックス（ＯＩ）の係数Ｋを０以上にすることが可能な値である、ことを特徴とする圧縮着火式ガソリンエンジン。
   ＯＩ＝（１−Ｋ）×ＲＯＮ＋Ｋ×ＭＯＮ ‥‥（１）
   ここに、ＲＯＮはリサーチオクタン価、ＭＯＮはモータオクタン価である。
2. 請求項１に記載の圧縮着火式ガソリンエンジンにおいて、
   前記オクタン価判定部は、所定の条件でエンジンが運転されているときの燃料の着火時期に基づいて、燃料が規定のオクタン価を有するか否かを判定する、ことを特徴とする圧縮着火式ガソリンエンジン。
3. 請求項１または２に記載の圧縮着火式ガソリンエンジンにおいて、
   前記燃焼制御部は、燃焼サイクルごとのトルク変動量を所定値以下に抑制可能なＥＧＲ率が実現されるように前記ＥＧＲ装置を制御する、ことを特徴とする圧縮着火式ガソリンエンジン。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧縮着火式ガソリンエンジンにおいて、
   前記気筒の幾何学的圧縮比が１８以上２２以下に設定された、ことを特徴とする圧縮着火式ガソリンエンジン。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧縮着火式ガソリンエンジンにおいて、
   前記ＥＧＲ装置は、前記高温ＥＧＲとして、前記気筒で生成された既燃ガスを気筒に残留させる内部ＥＧＲを実行可能なバルブ可変機構である、ことを特徴とする圧縮着火式ガソリンエンジン。
   

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