JP2004197753A - 内燃機関の回転速度制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼形態を切り換えて運転する内燃機関の回転速度制御装置において、高応答制御を良好に実現する。
【解決手段】成層燃焼時において、エアーコンディショナの作動等による外部負荷変化があってもこれに対応して機関発生トルクを制御し、回転変動等を充分に抑制し得るか否かを判断する（Ｓ２８０）。抑制不可と判断したときは、燃焼形態を均質燃焼に強制的に切り換える（Ｓ２９０）。
【選択図】 図５

Description

本発明は、内燃機関の回転速度制御装置に関し、詳しくは、燃焼形態を切り換えることができる（例えば、成層混合気による燃焼形態と、均質混合気による燃焼形態とを切り換えることができる）内燃機関の回転速度制御装置に関する。

アイドル状態を含む低回転速度・低負荷状態において、燃焼室内に点火栓により着火可能な可燃混合比の混合気からなる層（１）と、ＥＧＲを含む空気層或いは点火栓による着火は困難であるが前記（１）層での燃焼火炎を受け燃焼可能な可燃混合比の混合気からなる層（２）の、層からなる成層混合気を形成し、極希薄な空燃比で燃焼を実現し、ポンピングロスの低減等により燃費の向上を図るようにしたエンジン（所謂、燃焼室直接燃料噴射式ガソリンエンジン）がある（特許文献１，２）。

また、アイドル状態において、目標回転速度を設定し、実際の回転速度がこれと一致するように制御を行うアイドル回転速度制御がある。特に、制御量の操作からトルク発生までの時間が短い高応答の制御手段として点火時期を操作（制御）するものがある。
この一例として、エンジンのアイドル運転時に、エンジン回転速度を検出し、この回転速度がエンジンの運転条件に応じて予め定められた目標回転速度と一致するように、エンジンへの供給空気量の調整を行うと共に、回転速度の落ち込み或いは目標回転速度からの偏差に応じて、点火時期を補正するようにしている（特許文献３）。つまり、吸気量を調整し、エンジン回転速度を目標に制御するだけでなく、トルク発生への応答が速い点火時期を用いてエンジン回転速度の変動や落ち込みを極力小さくすることを目指すシステムとしている。

また、燃料噴射量（即ち、燃料供給量）を調整して、点火時期と同様に応答よくエンジンの発生トルクを操作し、エンジン回転速度のフィードバック制御を行うようにしている（特許文献４，５）。
特開昭６２−１９１６２２号公報 特開平０２−１６９８３４号公報 特開昭５７−０８３６６５号公報 特開昭５８−００８２４８号公報 特開平０３−０８５３４６号公報

上述したような、燃焼室内に局所的に混合気を形成する成層混合気により、燃焼室内の平均空燃比を極薄い希薄な状態として燃焼を行うシステムにおいては、燃費向上を図るために、成層混合気による燃焼が可能なエンジン運転条件においてこれを実行するが、例えば、エンジンの暖機状態などいくつかの条件が満たされたアイドル状態においては、成層混合気を形成し燃焼を行う。

このような場合、燃焼室内において可燃混合気は偏在し、特にアイドル時のように極低負荷である場合、混合気の占める領域は狭い。このため、その混合気領域が点火プラグを含む状態のときに、的確に点火できるように点火時期を選ぶ必要がある。言い換えると、成層混合気による燃焼を行わせる場合、点火時期を最適値として設定された位置からあまり自由に変化させることができない。

このため、前述のように、応答よくトルクを調整する手段として点火時期を用いても、事実上点火時期を使用してのトルク制御領域はほとんどないと言える。
従って、点火時期制御による高応答なトルク調整制御は期待できないため、成層混合気による燃焼を行う際に、応答よく発生トルクの制御を行わせるための手法としては、上述したような、燃料噴射量を調整してトルク調整制御を行わせることが考えられる。

しかし、成層混合気を形成し燃焼室平均空燃比を極リーンにした場合、その一例としては空燃比で４０程度、ＥＧＲガスも含めたガス量と燃料の質量比では６０或いはそれ以上の比で燃焼が実現される。このため、例えスロットル全開状態のような吸入空気量が最大となる状況においても、発生トルクとしてはそれほど大きな値とはならない。即ち、リーン（希薄）限界の空燃比では、発生できるトルクに限界がある。

このため、アイドル状態でかつ比較的高負荷の場合｛例えばＡＴがＤレンジ状態（トルクコンバータの粘性抵抗に見合った発生トルクが必要な状況）でエアコンが非常に高い負荷状態であるときなど｝には、上記発生トルクではカバーしきれない惧れがある。しかし、このような場合は、空燃比を希薄限界よりリッチ目の空燃比とすることにより、必要とされるトルクを発生させることが可能である。

即ち、成層混合気を形成して燃焼を行う場合に、定常的な（過渡的でない）要求に対するトルク実現手段として、燃料噴射量を使用することができる。
しかしながら、上記のように定常的な空燃比をリッチ目に設定する場合、高応答制御として燃料噴射量を制御しようとしても、その制御量が縮小される場合がある。即ち、成層混合気を形成して燃焼を行う場合にあっても、あまり空燃比を濃くするとリッチ限界（点火性の悪化など）の制限値に達してしまうことになるため、定常的な空燃比をリッチ目に設定した結果、燃料噴射量の増量可能幅が縮小されることとなり、負荷変化（変動）に応じて要求される発生トルクを十分に達成できない事態が生じる。つまり、高応答トルク制御が十分機能できないような状況に陥る惧れがある。

本発明は、上記のような実情に鑑みなされたもので、燃焼形態を切り換える内燃機関の回転速度制御装置において、常に、良好に高応答制御を実現できるようにすることを目的とする。

このため、請求項１に記載の発明では、図１に示すように、
内燃機関の回転速度を目標値に維持するように、内燃機関の発生トルクを制御する回転速度制御手段と、
内燃機関の燃焼形態を、所定の運転条件に応じて、所定の燃焼形態から他の燃焼形態へ切り換える燃焼形態切換手段と、
を含んで構成される内燃機関の回転速度制御装置において、
内燃機関の外部負荷変化に対応して、高応答で内燃機関の発生トルクを制御可能な高応答トルク制御手段と、
前記回転速度制御手段による回転速度制御中に、内燃機関の外部負荷変化があったとした場合に、現在の燃焼形態において、前記高応答トルク制御手段により内燃機関の発生トルクをその外部負荷変化に対応して十分に制御できるか否かを判断する判断手段と、
前記判断手段において十分に制御できると判断されたときには、現在の燃焼形態を維持し、前記判断手段において十分に制御できないと判断されたときには、前記所定の運転条件に拘わらず、他の燃焼形態に切り換える燃焼形態強制切換手段と、
を含んで構成した。

このように構成すると、所定の燃焼形態（例えば成層混合気による燃焼形態）で内燃機関が運転されている場合で、かつ、内燃機関の回転速度を目標値に維持するための制御を行っている場合において、外部負荷（例えばエアコンなど）が作動を開始したとした場合に、前記高応答トルク制御手段による高応答トルク制御では十分に対応できない｛外部負荷変化（変動）による回転速度の変動や落ち込み等を良好に抑制できない｝と判断されたときには、前記所定の燃焼形態を、前記高応答トルク制御手段による高応答トルク制御で十分に外部負荷変化に対応できる他の燃焼形態（例えば均質混合気による燃焼形態）に強制的に切り換えるようにしたので、内燃機関の回転速度制御の制御性能を確保し、内燃機関の回転速度を安定して維持することができることとなる。即ち、燃焼形態を切り換えられるようにした内燃機関の回転速度制御においても、常に、良好に高応答制御を実現できることになる。

請求項２に記載の発明では、
前記現在の燃焼形態が成層混合気により燃焼が行われる燃焼形態であり、他の燃焼形態が均質混合気により燃焼が行われる燃焼形態であり、
前記高応答トルク制御手段が、内燃機関への燃料供給量を制御する手段を含んで構成されるようにする。

このようにすると、成層混合気による燃焼形態と均質混合気による燃焼形態とを切換使用する燃焼室直接燃料噴射式ガソリンエンジンの回転速度制御において、良好に高応答制御を実現できるので、以って外部負荷変化等があっても回転速度を安定して維持することができる。
前記現在の燃焼形態が成層混合気により燃焼が行われる燃焼形態であり、他の燃焼形態が均質混合気により燃焼が行われる燃焼形態であり、
前記高応答トルク制御手段が、前記現在の燃焼形態のときに内燃機関への燃料供給量を制御する手段と、前記他の燃焼形態のときに内燃機関の点火時期を制御する手段と、を含んで構成されるようにする。

このようにすると、成層混合気による燃焼形態と均質混合気による燃焼形態とを切換使用する燃焼室直接燃料噴射式ガソリンエンジンの回転速度制御において、良好に高応答制御を実現できるので、以って外部負荷変化等があっても回転速度を安定して維持することができることに加え、各々の燃焼形態に最適な高応答トルク制御手段で高応答トルク制御を行わせることが可能となるので、回転速度制御中の燃費や排気性能等を一層改善することができる。

請求項４に記載の発明では、
前記判断手段が、現在の燃焼形態において、前記高応答トルク制御手段により内燃機関の発生トルクを制御できる制御幅が、少なくともトルク増大方向において所定以上狭められていることに基づいて、前記高応答トルク制御手段により内燃機関の発生トルクを外部負荷変化に対応して十分に制御できるか否かを判断するように構成した。

つまり、前記高応答トルク制御手段による内燃機関の発生トルクの制御幅が、トルク増大側において余裕が少ない状態では、外部負荷が内燃機関にかかったときの不足トルク分を補償しきれなくなり、回転速度の変動や落ち込みを防止できなくなる惧れがあるが、上記のように構成して、前記高応答トルク制御手段による内燃機関の発生トルクの制御幅が、トルク増大側において余裕のある燃焼形態へ切り換えることができるので、前記高応答トルク制御手段により内燃機関の発生トルクを外部負荷変化に対応して十分に制御することが可能となる。よって、良好に高応答制御を実現できるので、以って外部負荷変化等があっても回転速度を安定して維持することができることとなる。

請求項５に記載の発明では、
前記判断手段が、内燃機関に加わる可能性がある外部負荷の大きさ若しくはこれに所定の余裕度を加えた値の大きさに基づいて、現在の燃焼形態において、前記高応答トルク制御手段により内燃機関の発生トルクを外部負荷変化に対応して十分に制御できるか否かを判断するように構成した。

このようにすると、比較的簡単な構成で、高精度に高応答トルク制御が十分に機能できない状況下を検出することができることとなる。従って、例えば現在成層混合気による燃焼形態で運転している場合に、必要最小限の範囲で均質混合気による燃焼形態へ切り換えられ、最大限成層混合気による運転を行わせることができるので、燃費向上やこれに付随する排気有害成分の排出量の低減を最大限維持・促進することができる。

請求項６に記載の発明では、
前記判断手段が、現在の空燃比と、予め定めた所定の空燃比と、の比較結果に基づいて、現在の燃焼形態において、前記高応答トルク制御手段により内燃機関の発生トルクを外部負荷変化に対応して十分に制御できるか否かを判断するように構成した。
また、請求項７に記載の発明では、
前記高応答トルク制御手段が内燃機関への燃料供給量を制御する手段として構成された場合に、
前記判断手段が、前記高応答トルク制御手段により、現在の空燃比が所定のリッチ限界空燃比となるまで燃料供給量を増加させた場合に得られるトルク増大幅に基づいて、現在の燃焼形態において、前記高応答トルク制御手段により内燃機関の発生トルクを外部負荷変化に対応して十分に制御できるか否かを判断するように構成した。

そして、請求項８に記載の発明では、
前記判断手段が、所定の大きな外部負荷が内燃機関に既にかかっていることに基づいて、現在の燃焼形態において、前記高応答トルク制御手段により内燃機関の発生トルクを外部負荷変化に対応して十分に制御できるか否かを判断するように構成した。
請求項９に記載の発明では、
前記判断手段が、スロットル弁等の吸入空気量制御手段が、吸気を増大する側に所定以上作動していることに基づいて、現在の燃焼形態において、前記高応答トルク制御手段により内燃機関の発生トルクを外部負荷変化に対応して十分に制御できるか否かを判断するように構成した。

請求項６〜請求項９に記載の発明によれば、一層簡単な構成で、高精度に高応答トルク制御が十分に機能できない状況下を検出することができる。
請求項１０に記載の発明では、
前記所定の大きな外部負荷が、エアコンの作動、パワーステアリングポンプの作動、自動変速機の走行／後退レンジの選択中、所定以上の電気負荷の作動、或いはこれらの組み合わせであるようにする。

請求項１に記載の発明によれば、所定の燃焼形態で内燃機関が運転されている場合で、かつ、内燃機関の回転速度を目標値に維持するための制御を行っている場合において、外部負荷（例えばエアコンなど）が作動を開始したとした場合に、前記高応答トルク制御手段による高応答トルク制御では十分に対応できない｛外部負荷変化（変動）変動による回転速度の変動や落ち込み等を良好に抑制できない｝と判断されたときには、前記所定の燃焼形態を、前記高応答トルク制御手段による高応答トルク制御で外部負荷変化に十分に対応できる他の燃焼形態での運転に強制的に切り換えるようにしたので、内燃機関の回転速度制御の制御性能を確保し、内燃機関の回転速度を安定して維持することができる。即ち、燃焼形態を切り換えられるようにした内燃機関の回転速度制御において、常に、良好に高応答制御を実現できることになる。

請求項２に記載の発明によれば、成層混合気による燃焼形態と均質混合気による燃焼形態とを切換使用する燃焼室直接燃料噴射式ガソリンエンジンの回転速度制御において、良好に高応答制御を実現できるので、以って外部負荷変化等があっても回転速度を安定して維持することができる。
請求項３に記載の発明によれば、成層混合気による燃焼形態と均質混合気による燃焼形態とを切換使用する燃焼室直接燃料噴射式ガソリンエンジンの回転速度制御において、良好に高応答制御を実現できるので、以って外部負荷変化等があっても回転速度を安定して維持することができることに加え、各々の燃焼形態に最適な高応答トルク制御手段で高応答トルク制御を行わせることが可能となるので、回転速度制御中の燃費や排気性能等を一層改善することができる。

請求項４に記載の発明によれば、前記高応答トルク制御手段による内燃機関の発生トルクの制御幅が、トルク増大側において余裕が少ない状態では、外部負荷が内燃機関にかかったときの不足トルク分を補償しきれなくなり、回転速度の変動や落ち込みを防止できなくなる惧れがあるが、前記高応答トルク制御手段による内燃機関の発生トルクの制御幅が、トルク増大側において余裕のある燃焼形態へ切り換えることができるので、前記高応答トルク制御手段により内燃機関の発生トルクを外部負荷変化に対応して十分に制御することが可能となる。よって、良好に高応答制御を実現できるので、以って外部負荷変化等があっても回転速度を安定して維持することができる。

請求項５に記載の発明によれば、比較的簡単な構成で、高精度に高応答トルク制御が十分に機能できない状況下を検出することができることとなる。従って、例えば現在成層混合気による燃焼形態で運転している場合に、必要最小限の範囲で均質混合気による燃焼形態へ切り換えられ、最大限成層混合気による運転を行わせることができるので、燃費向上やこれに付随する排気有害成分の排出量の低減を最大限維持・促進することができる。

請求項６〜請求項９に記載の発明によれば、一層簡単な構成で、高精度に高応答トルク制御が十分に機能できない状況下を検出することができる。
請求項１０に記載の発明によれば、より一層簡単な構成で、高精度に高応答トルク制御が十分に機能できない状況下を検出することができる。

以下に、本発明の実施の形態を、添付の図面に基づいて説明する。
図２は、本発明の第１の実施形態のシステム構成を示す図である。本実施形態では、燃料噴射弁１５により燃焼室１０に直接燃料を噴射供給する燃焼室直接燃料噴射式ガソリンエンジンの例を示しているが、吸気ポートに燃料噴射弁を配設した吸気ポート燃料噴射式ガソリンエンジンであっても適用できるものである。

コントローラ１９は、Ｉ／ＯインターフェースやＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等からなり、ＲＯＭ上に格納された後述するプログラムを実行することにより、本発明に係る回転速度制御手段、燃焼形態切換手段、高応答トルク制御手段、判断手段、燃焼形態強制切換手段として機能することになる。
燃料噴射弁１５は、コントローラ１９からの指令により、例えば所定気筒の吸気行程において燃料噴射（燃料供給）を行うことで均質混合気（燃焼室１０全域に亘ってほぼ均一な空燃比となる混合気）を形成する一方、圧縮行程において燃料噴射を行うことで燃焼室１０内の一部に混合気が偏在する成層混合気を形成することができるものである。つまり、燃料噴射弁１５からの燃料供給時期を切り換えることで、均質混合気による燃焼と、成層混合気により燃焼と、を切り換えることができるようになっている。ところで、成層混合気により燃焼を行わせる際には、コントローラ１９を介して後述するスロットル弁４或いは補助空気量制御バルブ３を所定量開弁させて吸入空気量を所定量増加させたうえで、所定の極希薄な混合気を形成するようになっている。従って、成層混合気による燃焼時には、吸気の通気抵抗が減少されるから、ポンピングロスが低減され、以って燃費が向上し延いては排気有害成分の排出量も低減されることになる。

なお、吸気コレクタ５を介装し、吸気弁１３を備えた吸気ポートに接続される吸気通路６には、吸入空気量Ｑａｉｒを検出するエアフローメータ１が設けられている。また、その下流側には、吸入空気量を制御するスロットル弁４が介装されており、該スロットル弁４をアクチュエータ（モータ等）３０により電気的に開度制御する機構が備えられている。

また、前記スロットル弁４をバイパスして吸気を燃焼室１０内へ導入させるための補助空気通路２が設けられていると共に、該補助空気通路２には当該補助空気通路２の流量を制御する補助空気量制御バルブ３が介装されている。なお、補助空気通路２、補助空気量制御バルブ３については、アイドル時の吸入空気量を精度よく制御することができれば、スロットル弁４、アクチュエータ（モータ等）３０により代用させることも可能である。なお、補助空気量制御バルブ３やスロットル弁４が、吸入空気量制御手段に相当する。

燃焼室１０内に臨んでシリンダヘッド９に配設され、燃焼室１０内の混合気に対して点火を行う点火栓１６は、コントローラ１９からの指令により所定時期に点火を行うようになっている。
また、排気は排気弁１４を介して排気ポート７、排気通路へ導出されるが、排気中の酸素濃度から空燃比を検出する空燃比センサ１７が、排気通路に配設されている。

なお、シリンダブロック８に摺動自在に保持されるピストン１１の往復運動を、コネクティングロッド１２を介して回転力として取り出すためのクランク軸の回転角度を検出するクランク角度センサ２１が設けられており、当該クランク角度センサ２１の検出信号に基づいて、コントローラ１９ではクランク角度位置やエンジン回転速度を検出できるようになっている。

ところで、図２中には図示していないが、ドライバ（運転者）の要求を検知するためにアクセル操作量を検出する、例えばポテンショメータ等を含んで構成されるアクセル操作量検出センサなども設けられ、その検出信号はコントローラ１９へ入力されるようになっている。
以下に、本実施形態に係る作用について説明する。

図３は、本実施形態におけるコントローラ１９が行う基本的なアイドル回転速度フィードバック制御の構成（手順）を示すフローチャートである。なお、当該フローチャートが、本発明に係る回転速度制御手段として機能するものである。
Ｓ１１０では、アイドル目標回転速度（回転数）Ｎｓｅｔを算出する。これは、エンジンの暖機状態や、ＡＴ（自動変速機）のＮレンジやＤレンジのセレクト状態などに応じて与えられる。

Ｓ１２０では、エアコン等の外部負荷（図示せず）からのエンジンに対する負荷量を算出する。これは、例えば、エアコン作動スイッチ、パワステポンプ作動スイッチなどのＯＮ・ＯＦＦ状態などから推定する。
Ｓ１３０では、Ｓ１１０で算出された目標回転速度や外部負荷から目標アイドル回転速度を維持するために必要とされる必要トルク操作量（基本トルク操作量）を算出する。

Ｓ１４０では、実際のエンジン回転速度（実エンジン回転速度速度）Ｎｅを算出する。これは、例えばクランク角センサ２１の基準位置信号がコントローラ１９へ入力される時間間隔を計測することにより算出することができる。例えば、４気筒エンジンでクランク角度１８０ｄｅｇ毎に基準位置信号（ＲＥＦ信号）が発生し、その時間間隔が例えばｘ（ｓｅｃ）毎であれば、
エンジン回転数（ｒｐｍ）＝３０／ｘとなる。

Ｓ１５０では、目標エンジン回転速度Ｎｓｅｔと実エンジン回転速度Ｎｅとの偏差Ｎｅｒｒ（＝Ｎｓｅｔ−Ｎｅ）を算出する。
Ｓ１６０では、この偏差Ｎｅｒｒに基づいて、補正すべきトルク操作量（補正トルク操作量）を算出する。
Ｓ１７０では、上記必要トルク操作量（基本トルク操作量）と、補正トルク操作量と、を加算し、目標トルク操作量として算出する。

Ｓ１８０では、この目標トルク操作量を実現するように、吸入空気量や点火時期、空燃比（燃料噴射量）などの操作を行う。
これにより、エンジンの回転速度は、安定して目標回転速度に維持されることになる。
次に、本実施形態における高応答トルク制御について、図４のタイミングチャートに基づき説明する。

図４のタイミングチャートは、エアコンが作動した際に、エンジンに加わる負荷に対して、これを相殺するために一時的にエンジン発生トルクを増加させ、アイドル回転速度の安定化を図るフィードフォワード制御の一例を示している。
図４の（Ａ）は、エアコンの負荷の変化のタイミングチャートである。
図４の（Ｂ）は、エアコンの負荷の増加に対応し、その負荷に相当するトルクの増加が実現されるように、例えばスロットル弁４や補助空気量制御バルブ３等の空気量制御弁が開かれることを示すタイミングチャートである。

図４の（Ｃ）は、これに伴い、空気量制御弁を通過する空気量は増加するものの、吸気系の容積の影響により燃焼室１０に吸入される空気量は、徐々に増加する傾向であり発生するトルクも急峻には立ち上げることができないことを示している。
このため、エアコン負荷の増加と釣り合わせるためには、図４の（Ｄ）のようなトルクが不足することになる。

これに対し、点火時期の補正や筒内直噴エンジン（燃焼室直接燃料噴射式ガソリンエンジン）での燃料噴射量補正などでは、吸気系に比べて遅れは非常に小さく、高応答のトルク制御が可能である。
そこで、この特徴を活かして、図４の（Ｅ）のように、空燃比（燃料供給量）をリッチ側に補正することにより、図４の（Ｄ）の不足トルクを補償するようなフィードフォワード制御を行わせることが、一例として考えられる。

なお、既述したように、成層混合気による燃焼実行時には、高応答トルク制御手段として、空燃比（燃料噴射量）補正が有力な手段となるが、それにも限界があること、及び、均質混合気による燃焼実行時には、点火時期補正が有力な制御手段（燃料噴射量補正に比べ燃費等の悪化を抑制できる）となるものであることなどを踏まえ、本実施形態では、エアコン負荷等の外部負荷投入時における回転速度変動等を防止するための高応答トルク制御を、図５に示すフローチャートに従って行わせるようになっている。従って、当該フローチャートが、本発明に係る燃焼形態切換手段、高応答トルク制御手段、判断手段、燃焼形態強制切換手段として機能することになる。

即ち、
Ｓ２１０では、エンジンの暖機状態を検出する。
Ｓ２２０では、この暖機状態に応じて、成層混合気による燃焼が可能か否かを判断する。可能であれば、Ｓ２３０へ進む。可能でないと判断された場合は、Ｓ２９０へ進み、均質混合気による燃焼を行わせる。

Ｓ２３０では、エンジンの運転条件を検出する。
なお、成層混合気での燃焼を行った場合、発生できるトルクのレンジがあまり大きくないため、要求されるエンジンの運転条件が高トルク側の状態であった場合、成層混合気での燃焼では実現できない場合がある。
そこで、Ｓ２４０では、そのような状況を判断し、実現できる範囲であれば、Ｓ２５０へ進ませ、実現できない範囲であれば、Ｓ２９０へ進ませる。

Ｓ２５０では、現在の状況がアイドルエンジン回転速度制御を行うべき状態か否かを判断する。ＮＯであればＳ２６０へ進み、ＹＥＳであればＳ２７０へ進む。
Ｓ２７０では、高応答トルク制御の制御可能な量を算出する。
Ｓ２８０では、その制御可能な量が高応答トルク制御として十分性能を発揮できる量であるか否かにより、成層混合気による燃焼を行っても高応答トルク制御を十分に行えるか否かを判断する。なお、前記Ｓ２７０、Ｓ２８０についての具体的な例は後述する。

ＹＥＳであればＳ２６０へ進み、ＮＯであればＳ２９０へ進む。
そして、Ｓ２６０では、以上の判断に基づき第１の動作状態（第１の燃焼形態）として成層混合気による燃焼を行わせ、Ｓ２９０では第２の動作状態（第２燃焼形態）として均質混合気による燃焼を行わせる。
即ち、Ｓ２６０では、成層混合気による燃焼を行わせ、高応答トルク制御手段として燃料噴射量補正により高応答トルク制御を行わせる。

一方、Ｓ２９０では、均質混合気による燃焼を行わせ、点火時期補正（或いは燃料噴射量補正を行わせることもできる）により高応答トルク制御を行わせる。
以上の説明では、機械的に所定の敷居値で判断を切り換えるようにしているが、実際はヒステリシスなどを設けて、切り換えのハンチングが生じないようにすることが好ましい。

このように、本実施形態によれば、成層混合気による燃焼によりエンジンが運転されているアイドル回転速度を目標に維持するための制御中で、高応答トルク制御が十分に機能できない状況下においては、成層混合気によるエンジンの運転を、均質混合気による燃焼での運転に強制的に切り換えるようにしたので、アイドル回転速度制御の制御性能を確保し、エンジンの回転速度を安定して維持することが可能となる。

つまり、成層混合気による燃焼形態のときに、アイドル回転速度のフィードバック制御を行っているか否かを判断し（Ｓ２１０〜Ｓ２５０）、行っている場合には、Ｓ２８０において外部負荷変化・変動（エアコン作動開始等）があってもこれに対応して十分に回転変動等を抑制できるか否かを判断し、十分に回転変動等を抑制できないと判断された場合には、Ｓ２９０へ進み、燃焼形態を均質混合による燃焼形態へ切り換えるようにしたので、外部負荷変化があった場合に、それによる回転変動等を抑制できる燃焼形態（均質混合気による燃焼形態）へ切り換えておくことができるので、外部負荷変化があっても、アイドル回転速度制御の制御性能を確保し、エンジンの回転速度を安定して維持することが可能となる。

なお、図５のフローチャートにおけるＳ２７０、Ｓ２８０に相当する部分（即ち、本発明に係る判断手段）として、例えば図６のフローチャートを実行させることができる。
即ち、
Ｓ３１０では、第１の高応答トルク制御によるトルク操作可能な範囲ＴＲＱ１を算出する。

Ｓ３２０では、今後負荷として加わってくる可能性のある負荷量ＴＲＱ２を算出する。なお、当該負荷量ＴＲＱ２には、所定の余裕度（例えば、図３のアイドル回転速度フィードバック制御によるフィードバック補正量「目標トルク操作量」や、その他の未知負荷分）を加算するようにすることができる。このようにすると、後述するＳ３４０における誤判断が抑制されるので、高応答トルク制御が十分に機能できない状況下において成層混合気による燃焼が行われてしまうような事態を確実に回避することが可能となる。

Ｓ３３０では、「前記ＴＲＱ１−前記ＴＲＱ２」を演算することにより、高応答トルクの余裕代ＴＲＱ３を算出する。
Ｓ３４０では、この余裕代ＴＲＱ３と、所定の余裕代ａと、を比較する。
そして、ＴＲＱ３＞ａであれば、第１の高応答トルク制御が行えると判断し、Ｓ３５０により成層混合気による燃焼が可能であると判断して、本フローを終了する。

一方、そうでない（ＴＲＱ３≦ａ）場合は、成層混合気による燃焼を行わせたら十分に高応答トルク制御を行えないことになるため、Ｓ３６０へ進んで成層混合気による燃焼は不可能であると判断して、本フローを終了する。
このうようにすると、高応答トルク制御で発生可能なトルク量と、突入（投入）される可能性のある負荷量と、を比較し、その比較結果に基づいて、高応答トルク制御が十分機能できない状況であるか否かを判断するので、高精度に高応答トルク制御が十分に機能できない状況下を検出することができる。従って、必要最小限の範囲でのみ均質混合気による燃焼へ切り換えられ、最大限成層混合気による運転を行わせることができるので、燃費向上やこれに付随するＣＯ₂ 排出量の低減を最大限維持・促進することができる。

ところで、前記第１の高応答トルク制御によるトルク操作可能な範囲ＴＲＱ１を算出する具体的な例としては、例えば、過渡的な状態を含めて操作できる空燃比のリッチ限界値と、現在の空燃比と、現在の吸入空気量から，それぞれの空燃比に対応する発生トルク或いは出力トルクを算出し、その差分をＴＲＱ１として算出することができる。
また、図６のフローチャートに対して、一層構成の簡略化を図るべく、前記２つの空燃比（リッチ限界値と現在の空燃比）の偏差に基づいて、第１の高応答トルク制御を十分機能させることができるか否かを直接判断するように構成することも可能である。

更に、現在の空燃比のみに着目して、これが所定の空燃比よりリッチの場合は、第１の高応答トルク制御が十分機能できないと判断し、所定の空燃比よりリーンの場合は第１の高応答トルク制御が十分機能できるなどと判断するように構成することも可能である。
なお、成層混合気を形成し、極希薄な空燃比にてエンジンを運転する場合、出力トルクが小さくなり、供給空気量を可能な範囲或いは容認できる範囲で増加させたとしても、負荷の状態によっては十分でない場合があり得る。つまり、例えば、エアコンが最大能力で働き、ＡＴは走行レンジにセットされ、前照燈など大きな電気負荷によりオルタネータの負荷が大きくなったような場合は、目標空燃比が希薄限界に対しリッチ側の値に設定される。

即ち、実質的に、現在の空燃比が所定の空燃比よりリッチの場合となり、第１の高応答トルク制御が十分機能できない状態となる。従って、このような状況を踏まえ、簡易的に、所定の大きな負荷が投入されているときを（例えば、ＯＮ・ＯＦＦスイッチの状態などで判断できる）、第１の高応答トルク制御が十分機能できない状態であると判断させるようにすることもできる。

更に、上記の場合は、供給空気量を可能な範囲或いは容認できる範囲で増加させた状態であるから、供給空気量に基づき、第１の高応答トルク制御が十分機能できるか否かを判断させるようにすることもできる。
なお、上記において、「供給空気量を可能な範囲或いは容認できる範囲で増加させる」としたが、この具体的状況としては、吸気負圧に応じて動作するアクチュエータがエンジンに備えられている場合に、これを動作させるための負圧を確保しておく必要があり、供給空気量をある程度（即ち、可能な範囲或いは容認できる範囲）に制限する必要がある場合などが挙げられる。

ところで、上記実施形態では、アイドル回転速度制御について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、例えば、他の負荷領域・回転速度領域において回転速度維持制御を行わせている場合（例えば、オートクルーズによる定速走行中や、発電機の原動機等としてエンジンを運転させる場合）等において、外部負荷（エアコン等）による負荷変化・変動があった場合にも適用することができるものである。

また、上記実施形態では、成層混合気による燃焼形態と、均質燃焼による燃焼形態と、を切り換える構成として説明したが、本発明は、これに限られるものではなく、例えば吸気ポート内噴射での燃焼形態と、燃焼室内直接噴射での燃焼形態と、を切り換えることができるエンジンにも適用できるものである。また、ＥＧＲ量（或いはパージ量）の大きい燃焼形態と、ＥＧＲ量の少ない燃焼形態と、を切り換える場合、即ち、ＥＧＲ量の大きい燃焼形態において高応答トルク制御手段で制御不十分なときには、ＥＧＲ量の少ない燃焼形態に切り換えるようにすることも可能である。更に、スワール比の高い燃焼形態と、スワール比の低い燃焼形態と、を切り換える場合、即ち、例えばスワール比の小さい燃焼形態において高応答トルク制御手段で制御不十分なときには、スワール比の高い燃焼形態に切り換えるようにすることも可能である。即ち、その他燃焼形態を切り換えるようにした全ての場合に、本発明は適用できるものである。

本発明の構成を示すブロック図。 本発明の一実施形態に係るシステム構成図。 同上実施形態におけるアイドル回転速度フィードバック制御ルーチンのフローチャート。 同上実施形態における高応答トルク制御を説明するタイミングチャート。 同上実施形態における高応答トルク制御ルーチンのフローチャート。 図５のフローチャートにおけるＳ２７０、Ｓ２８０に相当する部分（本発明に係る判断手段）の一例を示すフローチャート。

符号の説明

１…エアフローメータ、２…補助空気通路、３…補助空気量制御バルブ、４…スロットル弁、１０…燃焼室（筒内）、１１…ピストン、１５…燃料噴射弁、１６…点火栓、１９…コントローラ、２１…クランク角度センサ、３０…アクチュエータ。

Claims (10)

1. 内燃機関の回転速度を目標値に維持するように、内燃機関の発生トルクを制御する回転速度制御手段と、
   内燃機関の燃焼形態を、所定の運転条件に応じて、所定の燃焼形態から他の燃焼形態へ切り換える燃焼形態切換手段と、
   を含んで構成される内燃機関の回転速度制御装置において、
   内燃機関の外部負荷変化に対応して、高応答で内燃機関の発生トルクを制御可能な高応答トルク制御手段と、
   前記回転速度制御手段による回転速度制御中に、内燃機関の外部負荷変化があったとした場合に、現在の燃焼形態において、前記高応答トルク制御手段により内燃機関の発生トルクをその外部負荷変化に対応して十分に制御できるか否かを判断する判断手段と、
   前記判断手段において十分に制御できると判断されたときには、現在の燃焼形態を維持し、前記判断手段において十分に制御できないと判断されたときには、前記所定の運転条件に拘わらず、他の燃焼形態に切り換える燃焼形態強制切換手段と、
   を含んで構成したことを特徴とする内燃機関の回転速度制御装置。
2. 前記現在の燃焼形態が成層混合気により燃焼が行われる燃焼形態であり、他の燃焼形態が均質混合気により燃焼が行われる燃焼形態であり、
   前記高応答トルク制御手段が、内燃機関への燃料供給量を制御する手段を含んで構成されたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の回転速度制御装置。
3. 前記現在の燃焼形態が成層混合気により燃焼が行われる燃焼形態であり、他の燃焼形態が均質混合気により燃焼が行われる燃焼形態であり、
   前記高応答トルク制御手段が、前記現在の燃焼形態のときに内燃機関への燃料供給量を制御する手段と、前記他の燃焼形態のときに内燃機関の点火時期を制御する手段と、を含んで構成されたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の回転速度制御装置。
4. 前記判断手段が、現在の燃焼形態において、前記高応答トルク制御手段により内燃機関の発生トルクを制御できる制御幅が、少なくともトルク増大方向において所定以上狭められていることに基づいて、前記高応答トルク制御手段により内燃機関の発生トルクを外部負荷変化に対応して十分に制御できるか否かを判断することを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１つに記載の内燃機関の回転速度制御装置。
5. 前記判断手段が、内燃機関に加わる可能性がある外部負荷の大きさ若しくはこれに所定の余裕度を加えた値の大きさに基づいて、現在の燃焼形態において、前記高応答トルク制御手段により内燃機関の発生トルクを外部負荷変化に対応して十分に制御できるか否かを判断することを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１つに記載の内燃機関の回転速度制御装置。
6. 前記判断手段が、現在の空燃比と、予め定めた所定の空燃比と、の比較結果に基づいて、現在の燃焼形態において、前記高応答トルク制御手段により内燃機関の発生トルクを外部負荷変化に対応して十分に制御できるか否かを判断することを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１つに記載の内燃機関の回転速度制御装置。
7. 前記高応答トルク制御手段が内燃機関への燃料供給量を制御する手段として構成された場合に、
   前記判断手段が、前記高応答トルク制御手段により、現在の空燃比が所定のリッチ限界空燃比となるまで燃料供給量を増加させた場合に得られるトルク増大幅に基づいて、現在の燃焼形態において、前記高応答トルク制御手段により内燃機関の発生トルクを外部負荷変化に対応して十分に制御できるか否かを判断することを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１つに記載の内燃機関の回転速度制御装置。
8. 前記判断手段が、所定の大きな外部負荷が内燃機関に既にかかっていることに基づいて、現在の燃焼形態において、前記高応答トルク制御手段により内燃機関の発生トルクを外部負荷変化に対応して十分に制御できるか否かを判断することを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１つに記載の内燃機関の回転速度制御装置。
9. 前記判断手段が、スロットル弁等の吸入空気量制御手段が、吸気を増大する側に所定以上作動していることに基づいて、現在の燃焼形態において、前記高応答トルク制御手段により内燃機関の発生トルクを外部負荷変化に対応して十分に制御できるか否かを判断することを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１つに記載の内燃機関の回転速度制御装置。
10. 前記所定の大きな外部負荷が、エアコンの作動、パワーステアリングポンプの作動、自動変速機の走行／後退レンジの選択中、所定以上の電気負荷の作動、或いはこれらの組み合わせであることを特徴とする請求項８に記載の内燃機関の回転速度制御装置。

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