以下、本発明を直列4気筒の自動車用ガソリンエンジンに適用した一実施形態を図1〜図9に従って説明する。
図1に示すように、エンジン11は、そのシリンダブロック11a内に往復移動可能に設けられた合計四つのピストン12(図1には一つのみ図示)を備えている。これらピストン12の頭部には、成層燃焼を実行するのに必要な窪み12aが形成されている。また、これらピストン12は、コンロッド13を介して出力軸であるクランクシャフト14に連結されている。そして、ピストン12の往復移動は、上記コンロッド13によってクランクシャフト14の回転へと変換されるようになっている。
クランクシャフト14にはシグナルロータ14aが取り付けられている。このシグナルロータ14aの外周部には、複数の突起14bがクランクシャフト14の軸線を中心とする等角度毎に設けられている。また、シグナルロータ14aの側方には、クランクポジションセンサ14cが設けられている。そして、クランクシャフト14が回転して、シグナルロータ14aの各突起14bが順次クランクポジションセンサ14cの側方を通過することにより、同センサ14cからはそれら各突起14bの通過に対応したパルス状の検出信号が出力されるようになる。
また、シリンダブロック11aの上端には、シリンダヘッド15が設けられ、シリンダヘッド15とピストン12との間には燃焼室16が設けられている。この燃焼室16には、シリンダヘッド15に設けられた吸気ポート17と排気ポート18とが連通している。こうした吸気ポート17及び排気ポート18には、それぞれ吸気バルブ19及び排気バルブ20が設けられている。
一方、シリンダヘッド15には、上記吸気バルブ19及び排気バルブ20を開閉駆動するための吸気カムシャフト21及び排気カムシャフト22が回転可能に支持されている。これら吸気及び排気カムシャフト21,22は、タイミングベルト及びギヤ(共に図示せず)等を介してクランクシャフト14に連結され、同ベルト及びギヤ等によりクランクシャフト14の回転が伝達されるようになる。
そして、吸気カムシャフト21が回転すると、吸気バルブ19が開閉駆動されて、吸気ポート17と燃焼室16とが連通・遮断される。また、排気カムシャフト22が回転すると、排気バルブ20が開閉駆動されて、排気ポート18と燃焼室16とが連通・遮断される。
また、シリンダヘッド15において、吸気カムシャフト21の側方には、同シャフト21の外周面に設けられた突起21aを検出して検出信号を出力するカムポジションセンサ21bが設けられている。そして、吸気カムシャフト21が回転すると、同シャフト21の突起21aがカムポジションセンサ21bの側方を通過する。この状態にあっては、カムポジションセンサ21bから上記突起21aの通過に対応して所定間隔毎に検出信号が出力されるようになる。
吸気ポート17及び排気ポート18には、それぞれ吸気管30及び排気管31が接続されている。この吸気管30内及び吸気ポート17内は吸気通路32となっており、排気管31内及び排気ポート18内は排気通路33となっている。吸気通路32の上流部分にはスロットルバルブ23が設けられている。このスロットルバルブ23は、直流(DC)モータからなるスロットル用モータ24の駆動により回動されて開度調節がなされる。そして、スロットルバルブ23の開度は、スロットルポジションセンサ44によって検出される。
また、上記スロットル用モータ24の駆動は、自動車の室内に設けられたアクセルペダル25の踏込量(アクセル踏込量)に基づき制御される。即ち、自動車の運転者がアクセルペダル25を踏込操作すると、アクセル踏込量がアクセルポジションセンサ26によって検出され、同センサ26の検出信号に基づきスロットル用モータ24が駆動制御される。このスロットル用モータ24の駆動制御に基づくスロットルバルブ23の開度調節により、吸気通路32の空気流通面積が変化して燃焼室16へ吸入される空気の量が調整されるようになる。
吸気通路32においてスロットルバルブ23の下流側に位置する部分には、同通路32内の圧力を検出するバキュームセンサ36が設けられている。そして、バキュームセンサ36は検出した吸気通路32内の圧力に対応した検出信号を出力する。
また、図1に示すように、シリンダヘッド15には、燃焼室16内に燃料を噴射供給する燃料噴射弁40と、燃焼室16内に充填される燃料と空気とからなる混合気に対して点火を行う点火プラグ41とが設けられている。この点火プラグ41による上記混合気への点火時期は、点火プラグ41の上方に設けられたイグナイタ41aによって調整される。
そして、燃料噴射弁40から燃焼室16内へ燃料が噴射されると、同燃料が吸気通路32を介して燃焼室16に吸入された空気と混ぜ合わされ、燃焼室16内で空気と燃料とからなる混合気が形成される。更に、燃焼室16内の混合気は点火プラグ41によって点火がなされて燃焼し、燃焼後の混合気は排気として排気通路33に送り出される。
一方、吸気通路32のスロットルバルブ23よりも下流側は、排気再循環(EGR)通路42を介して排気通路33と連通している。このEGR通路42の途中には、ステップモータ43aを備えたEGRバルブ43が設けられている。そして、EGRバルブ43は、ステップモータ43aを駆動制御することで開度調節が行われる。こうしたEGRバルブ43の開度調節により、排気通路33を介して吸気通路32へ再循環する排気の量(EGR量)が調整されるようになる。
そして、エンジン11の排気が吸気通路32に再循環されることで、燃焼室16内の温度が下がって窒素酸化物(NOx )の生成が抑制され、エミッションの低減が図られる。
次に、本実施形態におけるエンジン11の燃焼制御装置の電気的構成を図2に基づいて説明する。
この燃焼制御装置は、燃料噴射量制御、燃料噴射時期制御、点火時期制御、スロットル開度制御、及びEGR制御など、エンジン11の運転状態を制御するための電子制御ユニット(以下「ECU」という)92を備えている。このECU92は、ROM93、CPU94、RAM95及びバックアップRAM96等を備える論理演算回路として構成されている。
ここで、ROM93は各種制御プログラムや、それら各種制御プログラムを実行する際に参照されるマップ等が記憶されたメモリであり、CPU94はROM93に記憶された各種制御プログラムやマップに基づいて演算処理を実行する。
また、RAM95はCPU94での演算結果や各センサから入力されたデータ等を一時的に記憶するメモリであり、バックアップRAM96はエンジン11の停止時に保存すべきデータを記憶する不揮発性のメモリである。そして、ROM93、CPU94、RAM95及びバックアップRAM96は、バス97を介して互いに接続されるとともに、外部入力回路98及び外部出力回路99と接続されている。
外部入力回路98には、クランクポジションセンサ14c、カムポジションセンサ21b、アクセルポジションセンサ26、バキュームセンサ36、及びスロットルポジションセンサ44等が接続されている。一方、外部出力回路99には、スロットル用モータ24、燃料噴射弁40、イグナイタ41a、及びEGRバルブ43等が接続されている。
このように構成されたECU92は、クランクポジションセンサ14cからの検出信号に基づきエンジン回転数NEを求める。更に、アクセルポジションセンサ26又はバキュームセンサ36からの検出信号と、上記エンジン回転数NEとに基づきエンジン11の負荷を表す基本燃料噴射量Qbse を求める。ECU92は、図3に示すように、均質燃焼領域AB、弱成層燃焼領域C及び成層燃焼領域Dを備えたマップを参照し、エンジン回転数NE及び基本燃料噴射量Qbse からエンジン11の燃焼方式切換に用いられる要求モードFMODEBを決定する。
。この要求モードFMODEBは、エンジン回転数NE及び基本燃料噴射量Qbse が上記領域AB〜Dのいずれの領域に位置する状態かにより、例えば「0(成層燃焼)」、「4(弱成層燃焼)」、及び「8(均質燃焼)」のように決定される。
ECU92は、上記のように決定された要求モードFMODEBに応じて燃焼方式を切り換える。なお、上記マップから明らかなように、エンジン11の運転状態が高回転高負荷へと移行するに従い、エンジン11の燃焼方式が「成層燃焼」、「弱成層燃焼」、及び「均質燃焼」へと順次変化することとなる。このように燃焼方式を変化させるのは、高出力が要求される高回転高負荷時ほど空燃比がリッチ側になる燃焼方式を実行してエンジン出力を高め、低回転低負荷時ほど空燃比がリーン側になる燃焼方式を実行して燃費の向上を図るためである。
ここで、上記各燃焼方式が実行されるときにECU92を通じて実行される制御態様について、「均質燃焼」、「弱成層燃焼」、及び「成層燃焼」の各燃焼方式毎にそれぞれ説明する。
・「均質燃焼」
エンジン11の燃焼方式が「均質燃焼」であるとき、ECU92は、バキュームセンサ36からの検出信号に基づき吸気圧PMを求めるとともに、アクセルポジションセンサ26からの検出信号に基づきアクセル踏込量ACCPを求める。
そして、ECU92は、吸気圧PM又はアクセル踏込量ACCPと、エンジン回転数NEとに基づき基本燃料噴射量Qbse をマップ演算する。ECU92は、燃料噴射弁40を駆動制御し、基本燃料噴射量Qbse に基づき求められる最終燃料噴射量Qfin に対応した量の燃料を吸気行程中に噴射させる。こうした燃料噴射により燃焼室16内に形成される混合気においては、その空燃比が理論空燃比若しくは理論空燃比よりもリーン側の値とされる。
また、ECU92は、実際のスロットル開度が上記アクセル踏込量ACCP又は基本燃料噴射量Qbse 等に基づき算出される目標スロットル開度TRTに近づくよう、スロットルポジションセンサ44からの検出信号に基づきスロットル用モータ24を駆動制御する。更に、ECU92は、吸気圧PM又は基本燃料噴射量Qbse と、エンジン回転数NEとに基づき目標点火時期及び目標EGR開度Eを算出する。そして、ECU92は、上記目標点火時期及び目標EGR開度Eに応じてイグナイタ41a及びEGRバルブ43を駆動制御し、点火時期及びEGR量が「均質燃焼」に適したものとなるようにする。
・「弱成層燃焼」
エンジン11の燃焼方式が「弱成層燃焼」であるとき、ECU92は、アクセル踏込量ACCPとエンジン回転数NEとに基づき基本燃料噴射量Qbse をマップ演算する。ECU92は、燃料噴射弁40を駆動制御し、基本燃料噴射量Qbse に基づき求められる最終燃料噴射量Qfin に対応した量の燃料を吸気行程と圧縮行程との両方で噴射させる。こうした燃料噴射により燃焼室16に形成される混合気においては、その空燃比が「均質燃焼」時の空燃比よりもリーン側の値(例えば20〜23)とされる。
また、ECU92は、基本燃料噴射量Qbse に基づき目標スロットル開度TRTを算出する。こうして算出される目標スロットル開度TRTに実際のスロットル開度が近づくよう、ECU92は、スロットルポジションセンサ44からの検出信号に基づきスロットル用モータ24を駆動制御する。更に、ECU92は、基本燃料噴射量Qbse 及びエンジン回転数NEに基づき目標点火時期及び目標EGR開度Eを算出する。そして、ECU92は、上記目標点火時期及び目標EGR開度Eに応じてイグナイタ41a及びEGRバルブ43を駆動制御し、点火時期及びEGR量が「弱成層燃焼」に適したものとなるようにする。
こうした「弱成層燃焼」時において、吸気行程のときに噴射供給された燃料は空気に対して均等に分散され、圧縮行程のときに噴射供給された燃料はピストン12の頭部に設けられた窪み12aによって点火プラグ41の周りに集められる。上記のように吸気行程と圧縮行程との二回に分けて燃料噴射を行うことで、上記「均質燃焼」と後述する「成層燃焼」との中間の燃焼方式(「弱成層燃焼」)で混合気の燃焼が行われ、その「弱成層燃焼」によって「均質燃焼」と「成層燃焼」との切り換え時のトルクショックが抑えられる。
・「成層燃焼」
エンジン11の燃焼方式が「成層燃焼」であるとき、ECU92は、アクセル踏込量ACCPとエンジン回転数NEとに基づき基本燃料噴射量Qbse をマップ演算する。ECU92は、燃料噴射弁40を駆動制御し、基本燃料噴射量Qbse に基づき求められる最終燃料噴射量Qfin に対応した量の燃料を圧縮行程で噴射させる。こうした燃料噴射により燃焼室16に形成される混合気においては、その空燃比が「弱成層燃焼」時の空燃比よりもリーン側の値(例えば25〜50)とされる。
ECU92は、この「成層燃焼」時にも上記「弱成層燃焼」時と同様に、目標スロットル開度TRT、目標点火時期、目標EGR開度Eを算出する。ECU92は、目標スロットル開度TRTに実際のスロットル開度が近づくようスロットルポジションセンサ44からの検出信号に基づきスロットル用モータ24を駆動制御する。また、ECU92は、上記目標点火時期及び目標EGR開度Eに応じてイグナイタ41a及びEGRバルブ43を駆動制御し、点火時期及びEGR量が「成層燃焼」に適したものとなるようにする。
こうした「成層燃焼」時において、エンジン11の圧縮行程中に燃料噴射弁40から噴射された燃料は、ピストン12の頭部に設けられた窪み12a内に入り込み、そのピストン12の移動により上記燃料が点火プラグ41の周りに集められる。このように点火プラグ41の周りに燃料を集めることによって、燃焼室16内の混合気全体の平均空燃比を「弱成層燃焼」時より大きくしても、同プラグ41周りの混合気の空燃比が着火に適したものとされて良好な混合気への着火が行われる。この「成層燃焼」においては、混合気の平均空燃比を理論空燃比よりも大きくすべくスロットルバルブ23が「均質燃焼」の場合に比べて開き側に制御されるため、ポンピングロスが低減されるようになる。
次に、要求モードFMODEBに基づく燃焼方式の切換手順を詳細に説明する。
エンジン11において燃焼方式が切り換えられる際には、燃料噴射制御、点火時期制御、スロットル開度制御、及びEGR制御などが、「成層燃焼」用の制御、「弱成層燃焼」用の制御、及び「均質燃焼」用の制御の間で切り換えられる。
上記燃料噴射制御及び点火時期制御等の燃焼方式に応じた切り換えは噴射・点火用モードFMODEIに基づき行われ、上記スロットル開度制御及びEGR制御の燃焼方式に応じた切換はバルブ用モードFMODEに基づき行われる。これら噴射・点火用モードFMODEI及びバルブ用モードFMODEは、上記要求モードFMODEBと同様に、例えば「0(成層燃焼)」、「4(弱成層燃焼)」、及び「8(均質燃焼)」のように設定される。
そして、噴射・点火用モードFMODEIが「0」、「4」、及び「8」になると、燃料噴射制御及び点火時期制御がそれそれ「成層燃焼」用、「弱成層燃焼」用、及び「均質燃焼」用の制御とされる。また、バルブ用モードFMODEが「0」、「4」、「8」になると、スロットル開度制御及びEGR制御がそれぞれ「成層燃焼」用、「弱成層燃焼」用、及び「均質燃焼」用の制御とされるようになる。
エンジン11における燃焼方式の切り換えは、運転状態に応じて要求モードFMODEBが変化することにより開始される。通常、要求モードFMODEBが変化すると、ECU92は、バルブ用モードFMODEを直ちに要求モードFMODEBと同じ値に設定する。こうしてバルブ用モードFMODEが設定されることにより、スロットル開度及びEGR量が要求モードFMODEBに対応した燃焼方式に適した値になる。
上記のようにバルブ用モードFMODEが要求モードFMODEBと同じ値に設定されてから所定時間が経過した後、ECU92は、噴射・点火用モードFMODEIを要求モードFMODEBと同じ値に設定する。こうして噴射・点火用モードFMODEIが設定されることにより、燃料噴射量、燃料噴射時期、及び点火時期が要求モードFMODEBに対応した燃焼方式に適した値になる。
上記のように要求モードFMODEBに応じた噴射・点火用モードFMODEIの設定は、要求モードFMODEBに応じたバルブ用モードFMODEの設定を行った後に所定時間が経過してから行われる。そのため、両モードFMODEI,FMODEの設定タイミングにずれが生じるようになる。このように両モードFMODEI,FMODEの設定タイミングをずらすのは、スロットルバルブ23及びEGRバルブ43の開度変化に基づくエンジン11の運転状態の変化は、燃料噴射量、燃料噴射時期、及び点火時期の変化に基づくエンジン11の運転状態の変化よりも応答が遅いためである。
即ち、バルブ用モードFMODEが変化して例えばスロットル開度変化する際には、同開度変化に対する吸入空気量の変化に応答遅れが生じる。これに対し、噴射・点火用モードFMODEIが変化して例えば燃料噴射量が変化する際には、噴射・点火用モードFMODEIの変化に応答性よく追従して燃料噴射量が変化することとなる。
従って、上記のように両モードFMODEI,FMODEの設定タイミングをずらすことによって、噴射・点火用モードFMODEIの変化に基づく燃料噴射量などエンジン11の運転状態の変化が、バルブ用モードFMODEの変化に基づく吸入空気量などエンジン11の運転状態の変化に対して遅延され、上記燃料噴射量等が変化するときの吸入空気量等が適正な値となる。
次に、燃焼方式の切換手順について図6を参照して説明する。図6は、各モードFMODEB,FMODE,FMODEIの設定を行って燃焼方式を切り換える燃焼方式切換ルーチンを示すフローチャートである。この燃焼方式切換ルーチンは、ECU92を通じて例えば所定時間毎の時間割り込みにて実行される。
燃焼方式切換ルーチンにおいて、ECU92は、ステップS101の処理として、最終燃料噴射量Qfin が図3に示す所定値αよりも小さいか否かを判断する。この所定値αは、「弱成層燃焼」時に吸気行程と圧縮行程との両方で燃料噴射が行えるほど、最終燃料噴射量Qfin が大きいか否かを判断するためのものである。この所定値αは、「弱成層燃焼」時に最終燃料噴射量Qfin 分の燃料を吸気行程と圧縮行程との二回に分けて噴射しても、燃料噴射弁40によって適正に燃料を噴射することが可能な最終燃料噴射量Qfin に対応した値とされる。
ステップS101の処理において、「Qfin <α」でなく「弱成層燃焼」時での二回に分けた燃料噴射を実行可能である旨判断されると、ステップS104の処理として上述した通常時における各モードFMODEB,FMODE,FMODEIの設定を行うことで、通常時の燃焼方式の切換処理を実行する。その後、ステップS105に進み、ECU92は、噴射量フラグXQlow として「0」をRAM95の所定領域に記憶した後、この燃焼方式切換ルーチンを一旦終了する。
また、ステップS101の処理において、「Qfin <α」であって「弱成層燃焼」時での二回に分けた燃料噴射を実行不可能である旨判断されると、ステップS102の処理として後述する二回噴射不可領域での燃焼方式の切換処理を実行する。ECU92は、続くステップS103の処理で、噴射量フラグXQlow として「1」をRAM95の所定領域に記憶した後、この燃焼方式切換ルーチンを一旦終了する。
なお、上記噴射量フラグXQlow は、エンジン11の運転状態が「弱成層燃焼」(二回噴射)を実行不可能な領域にあるか否を判断するためのものである。そして、「XQlow =1(Qfin<α )」である場合、図3のマップに示されるように「弱成層燃焼」が行われる弱成層燃焼領域Cは存在しなくなる。そのため、「XQlow =1(Qfin<α )」であるときに「弱成層燃焼」が行われることに伴い、不適正な量の燃料が噴射されるのを防止することができる。上記のように「XQlow =1(Qfin<α )」である場合には、各モードFMODEB,FMODE,FMODEIは、「4(弱成層燃焼)」に設定されることはなく、「0(成層燃焼)」若しくは「8(均質燃焼)」に設定される。
この場合において、上記のようにバルブ用モードFMODEと噴射・点火用モードFMODEIとの設定タイミングをずらすと、要求モードFMODEBが変化するとき、バルブ用モードFMODEの変化に対して噴射・点火用モードFMODEIの変化が遅延する。
例えば、要求モードFMODEBが「0(成層燃焼)」から「8(均質燃焼)」に切り換えられるときには、その要求モードFMODEBの変化に対して噴射・点火用モードFMODEIの「0」から「8」への変化が遅延する。これに対し、バルブ用モードFMODEの「0」から「8」への変化は、上記要求モードFDEMOBの変化に応じて直ちに行われる。
そのため、噴射・点火用モードFMODEIが「0」であって燃料噴射形態が「成層燃焼」に適した状態になっているとき、バルブ用モードFMODEが「8」になってエンジン11の吸気状態が「均質燃焼」に適した状態とされるようになる。この場合、上記「成層燃焼」を行う上で点火プラグ41周りの混合気がリッチになり過ぎて燃焼状態が悪化する。これは、「均質燃焼」時のスロットルバルブ23及びEGRバルブ43は、「成層燃焼」時に比べてともに閉じ側に制御され、上記「均質燃焼」に適した吸気状態では燃焼室16に吸入される気体の量が「成層燃焼」時に比べて少なくなるためである。
一方、要求モードFMODEBが「8(均質燃焼)」から「0(成層燃焼)」に切り換えられるときには、その要求モードFMODEBの変化に対して噴射・点火用モードFMODEIの「8」から「0」への変化が遅延する。これに対し、バルブ用モードFMODEの「8」から「0」への変化は、上記要求モードFMODEBの変化に応じて直ちに行われる。そのため、噴射・点火用モードFMODEIが「8」であって燃料噴射形態が「均質燃焼」に適した状態になっているとき、バルブ用モードFMODEが「0」になってエンジン11の吸気状態が「成層燃焼」に適した状態とされるようになる。この場合、上記「均質燃焼」を行う上で燃焼室16内の混合気がリーンになり過ぎて燃焼状態が悪化する。これは、「成層燃焼」時でのスロットルバルブ23及びEGRバルブ43はともに開き側に制御され、上記「成層燃焼」に適した吸気状態では燃焼室16に吸入される気体の量が「均質燃焼」時に比べて多くなるためである。
上記のように「XQlow =1(Qfin<α )」であるときに要求モードFMODEBの「0(成層燃焼)」と「8(均質燃焼)」との間での切り換えが行われると、エンジン11における燃焼状態が悪化するようになる。そこで本実施形態では、上記要求モードFMODEBの切り換えが行われた場合、その切り換えから所定時間が経過するまでの間は、スロットルバルブ23及びEGRバルブ43をそれぞれ、同切換前の燃焼方式での要求開度と同切換後の燃焼方式での要求開度との中間の所定開度(以下、中間開度という)Mt,Meに保持制御する。このようにスロットルバルブ23及びEGRバルブ43の開度を制御することで、噴射・点火用モードFMODEIの切換前後において吸気状態が適正値から大きく外れるのを抑制することができる。
ここで、「XQlow =1(Qfin<α )」であるときの各モードFMODEB,FMODE,FMODEIの設定手順の概要、並びにスロットルバルブ23及びEGRバルブ43の開度制御の概要について図4及び図5のタイムチャートを参照して説明する。なお、図4は燃焼方式が「成層燃焼」から「均質燃焼」に切り換えられる場合のタイムチャートであり、図5は燃焼方式が「均質燃焼」から「成層燃焼」へと切り換えられる場合のタイムチャートである。
まず、燃焼方式が「成層燃焼」から「均質燃焼」に切り換えられる場合について図4に基づき説明する。
「XQlow =1」のときに図4(a)に示すように、要求モードFMODEBが「0(成層燃焼)」から「8(均質燃焼)」に切り換えられると、図4(d)に示すバルブ用モードFMODEが「0」であることから、「FMODEB≠FMODE」になる。このように「FMODEB≠FMODE」であること、そして図4(b)に示す開度変化フラグXclが「0」であることを条件に、図4(c)に示す遅延カウンタCが所定値Aに設定される。この所定値Aは、例えば120msに対応した値とされる。
なお、上記開度変化フラグXclは、スロットルバルブ23及びEGRバルブ43が上記中間開度Mt,Meに保持制御されているか否かを判断するためのものであって、上記中間開度Mt,Meへの保持制御中は「1」に設定されるとともに同制御が行われていないときには「0」に設定される。また、上記遅延カウンタCは、スロットルバルブ23及びEGRバルブ43を上記中間開度Mt,Meに保持制御する期間を決定するためのものであって、所定周期毎に「1」づつカウントダウンされる。
上記のように要求モードFMODEBが「0」から「8」に切り換えられた直後は「Xcl=0」であるため、「FMODEB≠FMODE」,「Xcl=0」という条件がともに成立し遅延カウンタCが所定値Aに設定される。この遅延カウンタCが「0」になるまでの間は、上記スロットルバルブ23及びEGRバルブ43の中間開度Mt,Meへの保持制御が行われ、開度変化フラグXclが「1」に維持される。
上記スロットルバルブ23における中間開度Mtへの保持制御は、図4(e)に示すように、「成層燃焼」時の要求スロットル開度である目標スロットル開度TRTをスロットル変化量Tcl分だけ閉じ側の値に変化させることによって行われる。また、上記EGRバルブ43の中間開度Meへの保持制御は、図4(f)に示すように、「成層燃焼」時の要求EGR開度である目標EGR開度EをEGR変化量Ke 分だけ閉じ側の値に変化させることによって行われる。
スロットルバルブ23及びEGRバルブ43の中間開度Mt,Meへの保持制御が行われ、開度変化フラグXclが「1」に維持されている間は、図4(d)に示すように、バルブ用モードFMODEが上記切換前の要求モードFMODEBと同じ値(「0(成層燃焼)」)に維持される。また、このときには、図4(h)に示すように、噴射・点火用モードFMODEIが上記バルブ用モードFMODEと同じ値(「0(成層燃焼)」)に維持される。
そして、上記遅延カウンタCが「0」になると、上記スロットルバルブ23及びEGRバルブ43の中間開度Mt,Meへの保持制御が終了し、図4(b)に示すように開度変化フラグXclが「0」に設定される。「Xcl=0」になると、図4(d)に示すようにバルブ用モードFMODEが上記切換後の要求モードFMODEBと同じ値(「8(均質燃焼)」)にされる。これにより、目標スロットル開度TRTが「均質燃焼」時の要求スロットル開度とされるとともに、目標EGR開度Eも「均質燃焼」時の要求EGR開度とされるようになる。
このようにスロットルバルブ23及びEGRバルブ43の中間開度Mt,Meへの保持制御を行うことで、図4(g)に示すようにエンジン11の吸気圧PMが推移するとともに、同吸気圧PMに対応してエンジン11の吸気量(吸気状態)が推移するようになる。
一方、上記のようにバルブ用モードFMODEが要求モードFMODEBと同じ値(「8」)にされたときには、図4(h)に示すように、噴射・点火用モードFMODEIが上記バルブ用モードFMODEと同じ値(「8(均質燃焼)」)にされる。これにより、燃料噴射量及び燃料噴射時期などの燃料噴射形態が「成層燃焼」に適した状態から「均質燃焼」に適した状態へと変化するようになる。
上記のように要求モードFMODEBが「0」から「8」に切り換えられたとき、スロットルバルブ23及びEGRバルブ43が上記中間開度Mt,Meに保持制御されることで、燃料噴射形態の切換前後に吸気状態(吸気量)が要求される状態から大きくずれることはなくなる。
即ち、燃料噴射形態が上記切換前の状態であって噴射・点火用モードFMODEIが「0(成層燃焼)」のとき、「成層燃焼」を行う上で吸気量が少なくなり過ぎて点火プラグ41周りの混合気がリッチになり、燃焼状態が悪化するのを防止することができるようになる。また、燃料噴射形態が上記切換後の状態であって噴射・点火用モードFMODEIが「8(均質燃焼)」のとき、「均質燃焼」を行う上で吸気量が多くなり過ぎて燃焼室16内の混合気がリーンになり、燃焼状態が悪化するのを防止することができるようになる。
次に、燃焼方式が「均質燃焼」から「成層燃焼」に切り換えられる場合について図5に基づき説明する。
「XQlow =1」のときに図5(a)に示すように、要求モードFMODEBが「8(均質燃焼)」から「0(成層燃焼)」に切り換えられると、図5(d)に示すバルブ用モードFMODEが「8」であることから、「FMODEB≠FMODE」になる。このように「FMODEB≠FMODE」であること、そして図5(b)に示す開度変化フラグXclが「0」であることを条件に、図5(c)に示す遅延カウンタCが所定値Aに設定される。この遅延カウンタCが「0」になるまでの間は、上記スロットルバルブ23及びEGRバルブ43の中間開度Mt,Meへの保持制御が行われ、開度変化フラグXclが「1」に維持される。
上記スロットルバルブ23における中間開度Mtへの保持制御は、図5(e)に示すように、「成層燃焼」時の要求スロットル開度である目標スロットル開度TRTをスロットル変化量Tcl分だけ閉じ側の値に変化させることによって行われる。また、上記EGRバルブ43の中間開度Meへの保持制御は、図5(f)に示すように、「成層燃焼」時の要求EGR開度である目標EGR開度EをEGR変化量Ke 分だけ閉じ側の値に変化させることによって行われる。
スロットルバルブ23及びEGRバルブ43の中間開度Mt,Meへの保持制御が行われ、開度変化フラグXclが「1」に設定されると、図5(d)に示すように、バルブ用モードFMODEが上記切換後の要求モードFMODEBと同じ値(「0(成層燃焼)」)に切り換えられる。また、このときには、図5(h)に示すように、噴射・点火用モードFMODEIが上記切換前のバルブ用モードFMODEと同じ値(「8(均質燃焼)」)に維持される。
そして、上記遅延カウンタCが「0」になると、上記スロットルバルブ23及びEGRバルブ43の中間開度Mt,Meへの保持制御が終了し、図5(b)に示すように開度変化フラグXclが「0」に設定される。このとき、図5(d)に示すように、バルブ用モードFMODEは、既に上記切換後の要求モードFMODEBと同じ値(「0(成層燃焼)」)に切り換えられている。そのため、目標スロットル開度TRTが「成層燃焼」時の要求スロットル開度とされるとともに、目標EGR開度Eも「成層燃焼」時の要求EGR開度とされるようになる。
このようにスロットルバルブ23及びEGRバルブ43の中間開度Mt,Meへの保持制御を行うことで、図5(g)に示すようにエンジン11の吸気圧PMが推移するとともに、同吸気圧PMに対応してエンジン11の吸気量(吸気状態)が推移するようになる。
一方、上記のように遅延カウンタCが「0」になって開度変化フラグXclが「0」に設定されたときには、図5(h)に示すように、噴射・点火用モードFMODEIが上記要求モードFMODEB(バルブ用モードFMODE)と同じ値(「0(成層燃焼)」)にされる。これにより、燃料噴射量及び燃料噴射時期などの燃料噴射形態が「均質燃焼」に適した状態から「成層燃焼」に適した状態へと変化するようになる。
上記のように要求モードFMODEBが「8」から「0」に切り換えられたとき、スロットルバルブ23及びEGRバルブ43が上記中間開度Mt,Meに保持制御されることで、燃料噴射形態の切換前後に吸気状態(吸気量)が要求される状態から大きくずれることはなくなる。
即ち、燃料噴射形態が上記切換前の状態であって噴射・点火用モードFMODEIが「8(均質燃焼)」のとき、「均質燃焼」を行う上で吸気量が多くなり過ぎて燃焼室16内の混合気がリーンになり、燃焼状態が悪化するのを防止することができるようになる。また、燃料噴射形態が上記切換後の状態であって噴射・点火用モードFMODEIが「0(成層燃焼)」のとき、「成層燃焼」を行う上で点火プラグ41周りの混合気がリッチになり、燃焼状態が悪化するのを防止することができるようになる。
次に、「XQlow =1(Qfin<α )」であるときの各モードFMODEB,FMODE,FMODEIの設定手順について図7及び図8を参照して詳細に説明する。図7及び図8は、上記各モードFMODEB,FMODE,FMODEIを設定して燃焼方式の切り換えを行うためのモード設定ルーチンを示すフローチャートである。このモード設定ルーチンは、図6に示す燃焼方式切換ルーチンのステップS102に進む毎にECU92を通じて実行される。
モード設定ルーチンにおいて、ECU92は、ステップS201(図7)の処理として、基本燃料噴射量Qbse 及びエンジン回転数NEに基づき現在の要求モードFMODEBを決定する。続くステップS202〜S207の処理は、上記遅延カウンタC及び開度変化フラグXclの設定、並びに同遅延カウンタCのカウントダウンを行うためのものである。
ECU92は、ステップS202の処理として、「FMODEB≠FMDOE」且つ「Xcl=0」であるか否か、即ち図4(a)及び図5(a)に示すように要求モードFMODEBが切り換えられた直後か否かを判断する。このステップS202の処理において、NOであって要求モードFMODEBの切換直後でない旨判断されるとステップS205に進み、YESであって要求モードFMODEBの切換直後である旨判断されるとステップS203に進む。
ECU92は、ステップS203の処理として遅延カウンタCを所定値Aに設定し、ステップS204の処理で開度変化フラグXclとして「1」をRAM95の所定領域に記憶する。続いてステップS205に進み、ECU92は、遅延カウンタCが「0」であるか否かを判断する。そして、「C=0」でなければステップS207に進んで遅延カウンタCを「1」だけカウントダウンし、「C=0」であればステップS206に進んで開度変化フラグXclとして「0」をRAM95の所定領域に記憶する。
上記ステップS203〜S207の処理により、図4(b),(c)及び図5(b),(c)に示すように、要求モードFMODEBの切換時に所定値Aに設定された遅延カウンタCが徐々に小さくなり、同遅延カウンタCが「0」以外のときに開度変化フラグXclが「1」になる。このように遅延カウンタC及び開度変化フラグXclに関する処理を実行した後、ステップS208(図8)に進む。
このステップS208以降の処理は、バルブ用モードFMODE及び噴射・点火用モードFMODEIの設定を行うためのものである。
ECU92は、ステップS208の処理として、開度変化フラグXclが「0」であるか否か、即ち遅延カウンタCが「0」以外であってスロットルバルブ23及びEGRバルブ43の中間開度Mt,Meへの保持制御が行われているか否かを判断する。そして、「Xcl=0」でなければ、バルブ23,43の上記中間開度Mt,Meへの保持制御中である旨判断してステップS209に進む。ECU92は、ステップS209の処理として、要求モードFMODEBが「0(成層燃焼)」であるか否か、即ち要求モードFMODEBの「8(均質燃焼)」から「0(成層燃焼)」への切り換えであるか否かを判断する。
このステップS209の処理において、NOであって要求モードFMODEBの「0」から「8」への切り換えである旨判断されると、ステップS212に進んで噴射・点火用モードFMODEIを「0(成層燃焼)」に維持する。その後、このモード設定ルーチンを一旦終了して燃焼方式切換ルーチン(図6)に戻る。
この状態にあっては、図4(d),(h)に示すように、バルブ用モードFMODE及び噴射・点火用モードFMODEIがともに「0」となる。そして、バルブ用モードFMODEが「0(成層燃焼)」であることから、図4(e)に示すように、スロットル変化量Tclの分だけ閉じ側の値にされるのは「成層燃焼」時の要求スロットル開度である目標スロットル開度TRTということになる。また、図4(f)に示すように、EGR変化量Ke の分だけ閉じ側の値にされるのは「成層燃焼」時の要求EGR開度である目標EGR開度Eということになる。このように目標スロットル開度TRT及び目標EGR開度Eをそれぞれ閉じ側の値とすることで、スロットルバルブ23及びEGRバルブ43の中間開度Mt,Meへの保持制御が行われる。
また、上記ステップS209の処理において、YESであって要求モードFMODEBの「8」から「0」への切り換えである旨判断されると、ステップS210に進んでバルブ用モードFMODEを要求モードFMODEBと同じ値(0「成層燃焼」)にした後にステップS211に進み、噴射・点火用モードFMODEIを「8(均質燃焼)」に維持する。その後、このモード設定ルーチンを一旦終了して燃焼方式切換ルーチン(図6)に戻る。
この状態にあっては、図5(d),(h)に示すように、バルブ用モードFMODEが「0」になるとともに噴射・点火用モードFMODEIが「8」になる。そして、バルブ用モードFMODEが「0(成層燃焼)」であることから、図5(e)に示すように、スロットル変化量Tclの分だけ閉じ側の値にされるのは「成層燃焼」時の要求スロットル開度である目標スロットル開度TRTということになる。また、図5(f)に示すように、EGR変化量Ke の分だけ閉じ側の値にされるのは「成層燃焼」時の要求EGR開度である目標EGR開度Eということになる。このように目標スロットル開度TRT及び目標EGR開度Eをそれぞれ閉じ側の値とすることで、スロットルバルブ23及びEGRバルブ43の中間開度Mt,Meへの保持制御が行われる。
このように要求モードFMODEBの「0」から「8」への切り換えであれ、「8」から「0」への切り換えであれ、スロットル変化量Tcl及びEGR変化量Ke の分だけ変化するのは、「成層燃焼」時の要求スロットル開度である目標スロットル開度TRT、及び「成層燃焼」時の要求EGR開度である目標EGR開度Eである。そのため、上記スロットル変化量Tcl及びEGR変化量Ke は、常にスロットルバルブ23及びEGRバルブ43を閉じる方向について目標スロットル開度TRT及び目標EGR開度Eを変化させることになる。
上記スロットルバルブ23及びEGRバルブ43の中間開度Mt,Meへの保持制御が行われた後、遅延カウンタCが「0」になって開度変化フラグXclが「0」になると、上記ステップS208の処理においてYESと判断されてステップS213に進むようになる。ECU92は、ステップS213の処理として、バルブ用モードFMODEを現在の要求モードFMODEBと同じ値にする。その結果、バルブ用モードFMODEが図4(d)若しくは図5(d)に示すように変化するようになる。
ECU92は、ステップS214の処理として、噴射・点火用モードFMODEIが「0(成層燃焼)」であるか否か、即ち要求モードFMODEBの「0」から「8」への切り換えか否かを判断する。そして、「FMODEI=0」であって要求モードFMODEBの「0」から「8」への切り換えである旨判断されると、ステップS215に進んで要求モードFMODEBが「8(均質燃焼)」であるか否かを判断する。そして、「FMODEB=8」であれば噴射・点火用モードFMODEIを「8(均質燃焼)」に設定し、「FMODEB=8」でなければこのモード設定ルーチンを一旦終了して燃焼方式切換ルーチン(図6)に戻る。上記のように噴射・点火用モードFMODEIを「0」から「8」に切り換えることで、燃料噴射形態が「成層燃焼」に適した状態から「均質燃焼」に適した状態へと切り換えられる。
一方、ステップS214の処理において、「FMODEI=0」でなく要求モードFMODEBの「8」から「0」への切り換えである旨判断されると、ステップS217に進んで要求モードFMODEBが「0(成層燃焼)」であるか否かを判断する。そして、「FMODEB=0」であれば噴射・点火用モードFMODEIを「0(成層燃焼)」に設定し、「FMODEB=0」でなければこのモード設定ルーチンを一旦終了して燃焼方式切換ルーチン(図6)に戻る。このように噴射・点火用モードFMODEIを「8」から「0」に切り換えることで、燃料噴射形態が「均質燃焼」に適した状態から「成層燃焼」に適した状態へと切り換えられる。
なお、上記ステップS215の処理で行われる「FMODEB=8」であるか否かの判断、及び上記ステップS217の処理で行われる「FMODEB=0」であるか否かの判断は、噴射・点火用モードFMODEIを「8」及び「0」に切り換える前の最終的な確認のためのものである。
次に、目標スロットル開度TRT及び目標EGR開度Eの算出手順について図9を参照して説明する。図9は、目標スロットル開度TRT及び目標EGR開度Eを算出するための目標開度算出ルーチンを示すフローチャートである。この目標開度算出ルーチンは、ECU92を通じて例えば所定時間毎の時間割り込みにて実行される。
目標開度算出ルーチンにおいて、ステップS301〜S303の処理は上記スロットル変化量Tcl及びEGR変化量Ke を算出するためのものである。また、ステップS304〜S307の処理は目標スロットル開度TRTを算出するためのものであって、ステップS308〜S311の処理は目標EGR開度Eを算出するためのものである。
ECU92は、上記ステップS301の処理で、噴射量フラグXQlow として「1」がRAM95の所定領域に記憶されているか否か、即ちエンジン11の運転状態が「弱成層燃焼」(二回噴射)の不可能な領域にあるか否かを判断する。このステップS301の処理において、「XQlow =1」であって「弱成層燃焼」が不可能である旨判断されると、ステップS302に進む。
ECU92は、ステップS302の処理として、エンジン回転数NEに基づきスロットル変化量Tclを算出するとともに、同スロットル変化量Tclに基づきEGR変化量Ke を算出する。こうして算出されるスロットル変化量Tclはエンジン回転数NEが大きくなるほど大きい値とされ、これに対応してEGR変化量Ke もスロットル変化量Tcl、即ちエンジン回転数NEが大きくなるほど大きい値になる。
また、上記ステップS301の処理において、「XQlow =1」でなく「弱成層燃焼」が可能である旨判断されると、ステップS303に進む。ECU92は、ステップS303の処理として、スロットル変化量Tcl及びEGR変化量Ke をともに「0」にする。こうしてステップS302とステップS303とのいずれかの処理を実行した後、ステップS304に進む。
ECU92は、ステップS304の処理として基本スロットル開度Tb を算出する。この基本スロットル開度は、「均質燃焼」時にはアクセル踏込量ACCP或いは基本燃料噴射量Qbse とエンジン回転数NEとに基づき算出され、「成層燃焼」時には基本燃料噴射量Qbse とエンジン回転数NEとに基づき算出される。
ECU92は、続くステップS305の処理で、開度変化フラグXclとして「1」がRAM95の所定領域に記憶されているか否か、即ちスロットルバルブ23中間開度Mtへの制御中であるか否かを判断する。そして、「Xcl=1」であればステップS306に進み、ECU92は、基本スロットル開度Tb からスロットル変化量Tclを減算して目標スロットル開度TRTを算出する。また、「Xcl=1」でなければステップS307に進み、ECU92は、基本スロットル開度Tb を目標スロットル開度TRTとする。
このように目標スロットル開度TRTが算出されると、ECU92は、実際のスロットル開度を目標スロットル開度TRTに制御する。従って、「Xcl=1」である場合には、図4(e)及び図5(e)に示すようにスロットル変化量Tclの分だけ目標スロットル開度TRTが閉じ側の値にされ、これによりスロットルバルブ23が中間開度Mtに保持制御されることとなる。なお、スロットルバルブ23の中間開度Mtは、スロットル変化量Tclがエンジン回転数NEに基づき変化するため、同じくエンジン回転数NEに応じて可変とされる。
ECU92は、ステップS308の処理として基本EGR開度Eb を算出する。この基本EGR開度は、「均質燃焼」時にはアクセル踏込量ACCP或いは基本燃料噴射量Qbse とエンジン回転数NEとに基づき算出され、「成層燃焼」時には基本燃料噴射量Qbse とエンジン回転数NEとに基づき算出される。
ECU92は、続くステップS309の処理で、開度変化フラグXclとして「1」がRAM95の所定領域に記憶されているか否か、即ちEGRバルブ43の中間開度Meへの保持制御中であるか否かを判断する。そして、「Xcl=1」であればステップS310に進み、ECU92は、基本EGR開度Eb からEGR変化量Ke を減算して目標EGR開度Eを算出する。また、「Xcl=1」でなければステップS311に進み、ECU92は、基本EGR開度Eb を目標EGR開度Eとする。
このように目標EGR開度Eが算出されると、ECU92は、実際のEGR開度を目標EGR開度Eに制御する。従って、「Xcl=1」である場合には、図4(f)及び図5(f)に示すようにEGR変化量Ke の分だけ目標EGR量Eが閉じ側の値にされ、これによりEGRバルブ43が中間開度Meに保持制御されることとなる。なお、EGRバルブ43の中間開度Meは、EGR変化量Ke がスロットル変化量Tcl(エンジン回転数NE)に基づき変化するため、同じくエンジン回転数NEに応じて可変とされる。
以上詳述した処理が行われる本実施形態によれば、以下に示す効果が得られるようになる。
(1)「弱成層燃焼」が不可能なエンジン11の運転領域において、要求モードFMODEBが「0(成層燃焼)」と「8(均質燃焼)」との間で切り換えられるとき、その切り換えから遅延カウンタCが「0」になるまではスロットルバルブ23及びEGRバルブ43が中間開度Mt,Meに保持制御される。この中間開度Mt,Meは、「成層燃焼」と「均質燃焼」とでのスロットルバルブ23及びEGRバルブ43の要求開度(目標開度)の中間の所定開度である。これら要求開度の間には大きなひらきがある。そして、遅延カウンタCが「0」になって上記スロットルバルブ23及びEGRバルブ43の中間開度Mt,Meへの保持制御が終了すると、噴射・点火用モードFMODEIが「0(成層燃焼)」と「8(均質燃焼)」との間で切り換えられる。これにより燃料噴射形態が「成層燃焼」に適した状態と「均質燃焼」に適した状態との間で切り換えられようになる。噴射・点火用モードFMODEIの「0」と「8」との間での切換前後においては、上記スロットルバルブ23及びEGRバルブ43の中間開度Mt,Meへの保持制御により、燃料噴射形態に応じた要求される吸気状態(吸気量)に対して実際の吸気状態が大きくずれることが防止される。そして、この要求される吸気状態に対する実際の吸気状態のずれにより、空燃比が適正値から大きくずれて燃焼状態が悪化するのを防止することができる。
(2)エンジン11において要求される吸気状態(吸気量)は、エンジン回転数NEなどの機関運転状態に応じて変化する。しかし、上記のように要求モードFMODEBが「0」と「8」との間で切り換えられ、スロットルバルブ23及びEGRバルブ43が中間開度Mt,Meに保持制御されるとき、同中間開度Mt,Meがエンジン回転数NEによって可変とされる。従って、上記要求モードFMODEBの切換時等に上記要求される吸気状態がエンジン回転数NEの変化に基づき変化しても、上記噴射・点火用モードFMODEIの切換前後においてエンジン11の吸気状態が要求される吸気状態から大きくずれるのを的確に抑制することができる。
(3)上記中間開度Mt,Meをエンジン回転数NEの変化に基づき可変とすることは、目標スロットル開度TRT及び目標EGR開度Eを閉じ側に変化させるためのスロットル変化量Tcl及びEGR変化量Ke を、それぞれエンジン回転数NEに応じて可変とすることによって行われる。このようにスロットル変化量Tcl及びEGR変化量Ke をエンジン回転数NEに応じて可変とすることにより、上記中間開度Mt,Meをエンジン回転数NEに応じて的確に可変とすることができる。
なお、本実施形態は、例えば以下のように変更することもできる。
・本実施形態では、目標スロットル開度TRT及び目標EGR開度Eをスロットル変化量Tcl及びEGR変化量Ke の分だけ閉じ側の値とすることで、スロットルバルブ23及びEGRバルブ43を中間開度Mt,Meに保持制御したが、本発明はこれに限定されない。即ち、目標スロットル開度TRT及び目標EGR開度Eをスロットル変化量Tcl及びEGR変化量Ke の分だけ開き側の値とすることで、スロットルバルブ23及びEGRバルブ43を中間開度Mt,Meとする制御態様を採用してもよい。
・本実施形態では、最終燃料噴射量Qfin が所定値αよりも小さく「弱成層燃焼」が不可能な状態で、エンジン11の運転状態が図3の成層燃焼領域Dと均質燃焼領域ABとの間を行き来するよう変化した場合について本発明を適用したが、本発明はこれに限定されない。即ち、最終燃料噴射量Qfin が所定値αよりも小さくエンジン11の運転状態が成層燃焼領域Dに位置した状態で、燃焼方式をエンジン回転数NE及び基本燃料噴射量Qbse にかかわりなく「均質燃焼」を強制的に実行する、いわゆるリッチスパイク制御やブレーキ制御を行う場合について本発明を適用してもよい。なお、上記リッチスパイク制御とは、排気中の窒素酸化物(NOx )を浄化するためのNOx 吸蔵還元触媒が排気通路中に設けられたエンジンにあって、上記触媒に吸着されたNOx が飽和しないように所定のタイミングを見計らって、例えば「成層燃焼」中であっても強制的に「均質燃焼」を実行し、リッチ側の空燃比の混合気での燃焼を行うことで上記NOx を排気中の炭化水素(HC)等によって窒素(N2 )に還元する制御のことである。また、上記ブレーキ制御とは、ブレーキペダルの操作に必要な力を軽減すべく機関吸気負圧によって駆動されるブレーキブースタを備えたエンジンにあって、例えばブレーキペダルの操作時に「成層燃焼」が行われていたとしても燃焼方式を強制的に「均質燃焼」に切り換え、これによりスロットル開度を閉じ側にしてブレーキブースタの駆動に必要な吸気負圧を確保する制御のことである。
・本実施形態では、「弱成層燃焼」が実行されるエンジン11に本発明を適用したが、これに代えて「弱成層燃焼」が行われず「成層燃焼」及び「均質燃焼」のみが行われるエンジン11に本発明を適用してもよい。この場合、最終燃料噴射量Qfin が所定値αよりも小さいか否かに関係なく、常に要求モードFMODEBの切換時にはスロットルバルブ23及びEGRバルブ43の中間開度Mt,Meへの保持制御が行われるようになる。
11…エンジン、14c…クランクポジションセンサ、16…燃焼室、23…スロットルバルブ、24…スロットル用モータ、25…アクセルペダル、26…アクセルポジションセンサ、36…バキュームセンサ、40…燃料噴射弁、42…EGR通路、43…EGRバルブ、43a…ステップモータ、92…電子制御ユニット(ECU)。