JP2006299854A - 筒内噴射型火花点火式内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】 内燃機関のトルク段差を抑制すると共に失火を防止した上で燃料噴霧の移送モードを切換でき、それぞれの噴霧移送モードが有するメリットを十分に発揮できる筒内噴射型火花点火式内燃機関を提供する。
【解決手段】 スプレーガイド（ＳＧ）式による成層燃焼とウォールガイド(ＷＧ)式による成層燃焼とが共に成立する共存領域内において、噴霧移送モードをＳＧ式からＷＧ式に切換えるとき、切換前のＳＧ式での目標トルクＴqと同一の目標トルクＴqをＷＧ式により達成可能な燃料噴射時期及び点火時期のポイントｂを求め、ＳＧ領域内のポイントａからＷＧ領域内のポイントｂに失火領域を飛び越えてステップ的に切換え、その後に最適なＭＢＴ相当値のポイントｃまで連続的に変化させる。
【選択図】 図４

Description

本発明は筒内噴射型火花点火式内燃機関に係り、詳しくはスプレーガイド式の成層燃焼とウォールガイド式の成層燃焼とを切換可能な筒内噴射型火花点火式内燃機関に関するものである。

燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内噴射型火花点火式内燃機関では、例えば圧縮行程で燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧を点火プラグ近傍に移送して、点火プラグの周囲に理論空燃比近傍の混合気を形成した上で、全体として極めてリーンな空燃比で着火する成層希薄燃焼を可能としている。燃料噴霧を点火プラグ近傍に移送する形態としては種々のものがあり、機関運転状態に応じて燃料噴霧の移送形態（以下、噴霧移送モードという）を切換えるようにした内燃機関が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

当該特許文献１に開示された技術では、燃焼室の頂部に燃料噴射弁を略直立配置すると共に、燃料噴射弁の噴孔部の近傍に電極部を臨ませるように点火プラグを配設し、ピストン頂面にキャビティを形成している。機関負荷が低い運転領域では燃料噴射時期を点火時期付近まで遅角することにより、燃料噴射弁からの燃料噴霧が自己の運動エネルギで点火プラグ近傍に到達したときに点火する所謂スプレーガイド式により成層燃焼を成立させ、一方、機関負荷が高い運転領域では燃料噴射時期を進角することにより、ピストンのキャビティにより生起されたタンブル流を利用して燃料噴霧を点火プラグ近傍に移送して点火する所謂ウォールガイド式により成層燃焼を成立させている。
特開平１１−２１０４７２号公報

ところで、特許文献１の技術のように内燃機関の負荷に応じて噴霧移送モードを切換えるには、所定の機関トルクを閾値として燃料噴射時期及び点火時期を切換える必要がある。しかしながら、通常の燃料噴射時期マップ及び点火時期マップでは燃料噴射時期や点火時期の急変によるトルク段差の発生を防止するために、制御マップ間の補間処理により燃料噴射時期及び点火時期を連続的に変化させているため、これに起因して噴霧移送モードの切換時に失火を発生させるという問題があった。

即ち、図４は横軸を燃料噴射時期Ｔijとして縦軸を点火時期Ｔigとし、ある空燃比においてスプレーガイド式により安定した成層燃焼を成立可能な領域（ＳＧ領域）とウォールガイド式により安定した成層燃焼を成立可能な領域（ＷＧ領域）とを表した特性図であるが、この図に示した空燃比ではＳＧ領域とＷＧ領域とが相互に独立して両領域間に失火領域が存在することが判る。従って、上記のように補間処理により燃料噴射時期Ｔij及び点火時期Ｔigが連続的に変化すると失火領域に長期間留まって失火状態が継続する場合があり、このような事態を回避するために、機関負荷からは噴霧移送モードの切換が要求されるにも拘わらずモード切換を実行できず、双方の噴霧移送モードによりもたらされるメリット、例えば燃費向上やＮＯx低減等のメリットを十分に活かすことができなかった。

本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、内燃機関のトルク段差を抑制すると共に失火を防止した上で燃料噴霧の移送モードを切換でき、もって、それぞれの噴霧移送モードが有するメリットを十分に発揮させることができる筒内噴射型火花点火式内燃機関を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１の発明は、燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、燃料噴射弁からの燃料噴霧の噴射経路近傍に電極部が配置された点火プラグと、点火プラグの電極部近傍を通過後の燃料噴霧を反転させ再び電極部近傍に移送可能に形成されたピストンと、燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧が点火プラグの電極部近傍を通過したときに点火する第１の噴霧移送モードによる成層燃焼、及び電極部を通過後の燃料噴霧が反転により再び電極部近傍に移送されたときに点火する第２の噴霧移送モードによる成層燃焼を共に成立可能な共存領域内において、両噴霧移送モード間の切換判定を下すモード切換判定手段と、モード切換判定手段により噴霧移送モードの切換判定が下されたときに、切換前の内燃機関のトルクと略等しい機関トルクを切換後の噴霧移送モードの成層燃焼により達成可能な燃料噴射時期及び点火時期を算出する噴射時期・点火時期算出手段と、モード切換判定手段により噴霧移送モードの切換判定が下されたときに、噴射時期・点火時期算出手段の算出結果に基づいて内燃機関の燃料噴射時期及び点火時期をステップ的に切換える噴霧移送モード切換手段とを備えたものである。

従って、燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧が点火プラグの電極部近傍を通過したときには第１の噴霧移送モードにより点火可能となり、その後にピストンにより反転させられた燃料噴霧が再び電極部に移送されたときには第２の噴霧移送モードにより点火可能となる。
それぞれの噴霧移送モードにより成層燃焼が成立する領域は機関負荷や空燃比に応じて異なり、双方の領域間には第１の噴霧移送モード及び第２の噴霧移送モードによる成層燃焼が共に成立する共存領域が存在する。ここで、共存領域内で成層燃焼を成立可能な燃料噴射時期及び点火時期は噴霧移送モードによって異なることから、共存領域内では第１の噴霧移送モードの領域と第２の噴霧移送モードの領域とが独立して形成される場合があり、このときの両領域間には失火領域が存在する。

ここで、噴霧移送モードの切換判定がモード切換判定手段により下され、この切換判定に基づき、切換前の機関トルクを切換後の噴霧移送モードの成層燃焼により達成可能な燃料噴射時期及び点火時期が噴射時期・点火時期算出手段により算出され、その算出結果に基づいて噴霧移送モード切換手段により燃料噴射時期及び点火時期が上記失火領域を飛び越えてステップ的に切換えられる。従って、噴霧移送モードの切換に伴う内燃機関のトルク段差が抑制されると共に、燃料噴射時期及び点火時期が失火領域に留まったときの失火状態の継続が未然に防止され、これらのトルク段差や失火の発生を懸念することなく噴霧移送モードの切換を実行可能となる。

請求項２の発明は、請求項１において、噴射時期・点火時期算出手段が、切換前と略等しい機関トルクを切換後の噴霧移送モードの成層燃焼により同一空燃比で達成可能な燃料噴射時期及び点火時期を算出し、噴霧移送モード切換手段が、同一空燃比を保ったまま燃料噴射時期及び点火時期をステップ的に切換えるものである。
従って、同一空燃比を前提として燃料噴射時期及び点火時期が算出され、算出結果に基づいて同一空燃比を保ったまま燃料噴射時期及び点火時期がステップ的に切換えられるため、噴霧移送モードの切換に伴う空燃比変動を抑制するための対策、例えばスロットル制御の併用等が不要となる。

請求項３の発明は、請求項１又は２において、噴霧移送モード切換手段が、噴射時期・点火時期算出手段により切換前と略等しい機関トルクを達成可能な燃料噴射時期及び点火時期が複数組算出されたときに、切換後の噴霧移送モードにおける燃費及びトルクに関する最適制御点に最も近い燃料噴射時期及び点火時期を選択し、燃料噴射時期及び点火時期にステップ的に切換えるものである。

従って、切換前と略等しい機関トルクを達成可能な燃料噴射時期及び点火時期が複数組算出されたときには、これらの候補の中から燃費及びトルクに関する最適制御点に最も近い燃料噴射時期及び点火時期が選択されて切換が行われるため、噴霧移送モードの切換に伴う燃焼悪化が最小限に抑制される。
請求項４の発明は、請求項１乃至３において、噴霧移送モード切換手段が、燃料噴射時期及び点火時期をステップ的に切換えた後に、燃料噴射時期及び点火時期を切換後の噴霧移送モードにおける燃費及びトルクに関する最適制御点まで連続的に変化させるものである。

従って、燃料噴射時期及び点火時期はステップ的に切換えられた後に、燃費及びトルクに関する最適制御点まで連続的に変化されるため、切換後の噴霧移送モードによる運転で良好な燃費及びトルクが得られる。
請求項５の発明は、請求項１乃至４において、モード切換判定手段が、第２の噴霧移送モードから第１の噴霧移送モードへの切換時には、第１の噴霧移送モードから第２の噴霧移送モードへの切換時に比較して低負荷側又はリーン側に設定された閾値に基づいて切換判定を下すものである。

燃料噴射弁からの燃料噴霧が点火プラグの電極部近傍を通過したときに点火する第１の噴霧移送モードでは、吸気流と共に拡散しながら再び電極部に移送された燃料噴霧を点火する第２の噴霧移送モードに比較すると、成層燃焼を成立可能な燃料噴射時期及び点火時期がかなり狭い範囲に限定されるため、第１の噴霧移送モードでは略等しい機関トルクを達成可能な燃料時期噴射及び点火時期が存在しない場合があり、トルク段差を発生させる要因となる。

ここで、第１の噴霧移送モードによる成層燃焼は主に低負荷で空燃比がリーン側の領域で成立することから、共存領域内でも低負荷側又はリーン側ほど第１の噴霧移送モードにより成層燃焼を成立可能な燃料噴射時期及び点火時期の領域が拡大する傾向となる。よって、共存領域内において低負荷側又はリーン側の閾値に基づいて切換が行われることで、略等しい機関トルク、若しくは等しくなくてもより近い機関トルクを達成できる確率が高まり、第１の噴霧移送モードへの切換時のトルク段差をより確実に抑制可能となる。

以上説明したように請求項１の発明の筒内噴射型火花点火式内燃機関によれば、噴霧移送モードを切換える際に、切換前の機関トルクを切換後の噴霧移送モードの成層燃焼により実現可能な燃料噴射時期及び点火時期を算出してステップ的に切換えるようにしたため、トルク段差や失火の発生を懸念することなく噴霧移送モードの切換を実行でき、もって、現在の運転状態に対して燃費やＮＯx排出量等の面で最適な噴霧移送モードにより内燃機関を運転して、それぞれの噴霧移送モードが有するメリットを最大限に発揮させることができる。

請求項２の発明の筒内噴射型火花点火式内燃機関によれば、請求項１に加えて、同一空燃比を保ったまま噴霧移送モードを切換えるため、空燃比変動を抑制するための対策を不要とすることができる。
請求項３の発明の筒内噴射型火花点火式内燃機関によれば、請求項１及び２に加えて、燃費及びトルクに関する最適制御点に最も近い燃料噴射時期及び点火時期に切換えるため、噴霧移送モードの切換に伴う燃焼悪化を最小限に抑制することができる。

請求項４の発明の筒内噴射型火花点火式内燃機関によれば、請求項１乃至３に加えて、ステップ的な切換後に燃料噴射時期及び点火時期を燃費及びトルクに関する最適制御点まで連続的に変化させるため、切換後の噴霧移送モードによる運転時の燃費及びトルクを向上することができる。
請求項５の発明の筒内噴射型火花点火式内燃機関によれば、請求項１乃至４に加えて、共存領域内の低負荷側又はリーン側の閾値に基づいて第２の噴霧移送モードから第１の噴霧移送モードへの切換を行うため、第１の噴霧移送モードにより成層燃焼を成立可能な燃料噴射時期及び点火時期の領域が拡大されて、略等しい機関トルク若しくはより近い機関トルクを達成できる確率が高まり、第１の噴霧移送モードへの切換時のトルク段差をより確実に抑制することができる。

以下、本発明を具体化した筒内噴射型火花点火式内燃機関の一実施形態を説明する。
図１は本実施形態の筒内噴射型火花点火式内燃機関を示す概略構成図である。本実施形態の内燃機関は直列４気筒機関として構成されており、各図では１気筒分を示しているが、他の気筒についても全く同一構成である。
内燃機関Ｅのシリンダブロック１に形成されたシリンダ１ａ内には上下方向に摺動可能にピストン２が配設され、シリンダブロック１上にはシリンダヘッド３が固定されている。シリンダヘッド３の下面には内燃機関Ｅの吸気側（図の左方）及び排気側（図の右方）に向けてそれぞれ傾斜する一対の斜面３ａ，３ｂが形成され、これらの傾斜面３ａ，３ｂ、シリンダ１ａの内壁、ピストン２の頂面に囲まれて所謂ペントルーフ型燃焼室４が形作られている。ピストン頂面にはキャビティ２ａが形成され、当該キャビティ２ａの形状は、燃焼室４内に流入した吸気をキャビティ２ａ内で上方に反転させてタンブル流を生起させるための最適形状に設定されている。

シリンダヘッド３の両斜面３ａ，３ｂが交わる稜線より若干吸気側の位置には燃料噴射弁５が配設され、当該燃料噴射弁５は上端を僅かに吸気側に傾斜させた直立姿勢に保持され、下端に設けられた噴孔部５ａを燃焼室４内に臨ませて当該燃焼室４内に燃料を噴射し得る。又、シリンダヘッド３の両斜面３ａ，３ｂの稜線より若干排気側の位置には点火プラグ６が配設され、当該点火プラグ６は上端を僅かに排気側に傾斜させた直立姿勢に保持されて、下端の電極部６ａを燃焼室４内に臨ませている。

このような燃料噴射弁５と点火プラグ６との位置関係の結果、燃焼室４内において燃料噴射弁５の噴孔部５ａと点火プラグ６の電極部６ａとは互いに近接しており、噴孔部５ａから噴射された燃料噴霧が電極部６ａの近傍（直下）を通過するようになっている。尚、燃料噴霧の移送経路と電極部６ａとの位置関係はこれに限ることはなく、後述するスプレーガイド式により混合気を点火可能であれば任意に変更可能であり、例えば燃料噴霧の移送経路を電極部６ａと一致させてもよい。

シリンダヘッド３の吸気側の斜面３ａには燃料噴射弁５を間に挟んで内燃機関Ｅの前後方向（紙面と直交する方向）に一対の吸気ポート７が併設され、同様にシリンダヘッド３の排気側の斜面３ｂには点火プラグ７を挟んで前後方向に一対の排気ポート８が併設されている。両吸気ポート７にはそれぞれ吸気弁７ａが設けられ、両排気ポート８にはそれぞれ排気弁８ａが設けられ、これらの吸気弁７ａ及び排気弁８ａは、シリンダヘッド３上の図示しない動弁機構によりクランク軸の回転に同期した所定のタイミングで開閉駆動される。

両吸気ポート７，８は他の気筒の吸気ポートと共に図示しない共通の吸気通路と連通し、機関運転時には、吸気通路に導入された吸気がスロットル弁の開度に応じて流量調整された後に各気筒に分配され、吸気弁７ａの開弁に伴って燃焼室４内に流入する。又、両排気ポート８ａは他の気筒の排気ポートと共に図示しない共通の排気通路と連通し、機関運転時には、燃焼室４内で燃焼後の排ガスが排気弁８ａの開弁に伴って排気通路へと排出されて他の気筒の排ガスと合流し、排気通路に設けられた触媒や消音器を経て外部に排出される。

車室内には、図示しない入出力装置、制御プログラムや制御マップ等の記憶に供される記憶装置（ＲＯＭ，ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を備えたＥＣＵ（電子制御ユニット）１１が設置されている。ＥＣＵ１１の入力側には、内燃機関Ｅの回転速度Ｎeを検出する回転速度センサ１２、内燃機関Ｅのスロットル開度θthを検出するスロットルセンサ１３、アクセル操作量θaccを検出するアクセルセンサ１４等の各種センサ類が接続され、出力側には上記燃料噴射弁５、点火プラグ６を駆動するイグナイタ１５等の各種デバイス類が接続されている。

ＥＣＵ１１は予め設定された燃料噴射量マップ、燃料噴射時期マップ及び点火時期マップに基づき、機関回転速度Ｎeやアクセル操作量θacc等から燃料噴射量Ｑ、燃料噴射時期Ｔij及び点火時期Ｔigを設定し、これらの目標値に基づいて燃料噴射弁５の開弁期間及び開弁時期を制御すると共に、イグナイタ１５を駆動して点火プラグ６の点火時期を制御する。

運転時の内燃機関Ｅはアクセル操作量θacc等から求められた目標トルクＴq及び機関回速度Ｎeに応じて均一燃焼と成層燃焼とを切換えられ、目標トルクＴq又は機関回速度Ｎeが比較的高い運転領域では吸気行程で噴射した燃料により均一な混合気を形成して燃焼させる均一燃焼を行い、目標トルクＴq及び機関回速度Ｎeが比較的低い運転領域では圧縮行程で噴射した燃料により点火プラグ６の電極部６ａの周囲に理論空燃比近傍の混合気を形成した上で、全体として極めてリーンな空燃比で燃焼させる成層燃焼を行う。

そして、本実施形態では上記した成層燃焼を内燃機関Ｅの運転状態に応じて異なる噴霧移送モード（燃料噴霧の移送形態）により成立させており、以下、これらの噴霧移送モードについて詳述する。
吸気行程で吸気ポート７から燃焼室４内に流入した吸気はピストン２のキャビティ２ａにより上方に反転されてタンブル流を生起し、生起されたタンブル流は機関Ｅのサイクルが圧縮行程に移行した後にも持続している。一方、成層燃焼による内燃機関Ｅの運転時には、圧縮行程で燃料噴射弁５から噴射された燃料噴霧は自己の運動エネルギにより点火プラグ６の電極部６ａの直下を通過した後、吸気のタンブル流と共に上昇中のピストン２のキャビティ２ａ内で上方に反転され、再び点火プラグ６の電極部６ａ近傍に到達する。

結果として燃料噴霧は、噴射直後に点火プラグ２の電極部２ａの直下を通過するタイミングと、その後にタンブル流と共にピストンキャビティ２ａにより反転されて再び電極部２ａに到達したタイミングとの２回に亘り、電極部２ａの周囲に点火可能な混合気を形成して点火の機会を与えられ、前者のタイミングで点火が行われると所謂スプレーガイド式の噴霧移送モード（第１の噴霧移送モード）により成層燃焼が成立し、後者のタイミングで点火が行われると所謂ウォールガイド式の噴霧移送モード（第２の噴霧移送モード）により成層燃焼が成立する。

このようにスプレーガイド式とウォールガイド式とでは燃料噴霧の移送形態が異なることに起因して、双方の噴霧移送モードにより成層燃焼を成立させるための燃料噴射時期Ｔij及び点火時期Ｔigは相違することになる。そして、双方の噴霧移送モードの領域を示す図２のように、スプレーガイド式による成層燃焼は比較的空燃比がリーン側の高回転域で成立し（以下、この領域をＳＧ領域と称する）、ウォールガイド式による成層燃焼は比較的空燃比がリッチ側の低回転域で成立し（以下、この領域をＷＧ領域と称する）、両運転領域の境界には双方の噴霧移送モードによる成層燃焼が共に成立する共存領域が存在する。

図２の特性から、ウォールガイド式の成層燃焼では主に低回転域で且つ高トルク域で良好な燃費とリッチ化に伴うＮＯｘ抑制とが期待でき、スプレーガイド式の成層燃焼ではそれ以外の領域で良好な燃費が期待できる。ＥＣＵ１１は成層燃焼による運転時には図３の制御マップに従って噴霧移送モードの切換を実行しており、主に低回転域で且つ高トルク域ではウォールガイド式により成層燃焼を行い、それ以外の領域ではスプレーガイド式により成層燃焼を行う。

そして、図３の制御マップに基づく噴霧移送モードの切換は、図２に示す双方の噴霧移送モードの成層燃焼が共に成立する共存領域で行われる。従って、当該共存領域内であれば何れのポイントでも双方の噴霧移送モードにより成層燃焼を成立できるが、このときの燃料噴射時期Ｔij及び点火時期Ｔigは噴霧移送モードによって異なる。図４はある空燃比における共存領域内のＳＧ領域とＷＧ領域とを燃料噴射時期Ｔij及び点火時期Ｔigについて示した特性図であるが、これらのＳＧ領域とＷＧ領域とが相互に独立しており、両領域間に失火領域が存在することが判る。

尚、図４の特性は一例であって、空燃比が異なればＳＧ領域及びＷＧ領域の面積及び形状や相互位置等が異なり、場合によってはＳＧ領域とＷＧ領域とが部分的にオーバラップすることもあるが、基本的に多くの空燃比では両領域が独立して形成される。
そして、共存領域内での噴霧移送モードの切換のために、図４においてＳＧ領域とＷＧ領域との間で燃料噴射時期Ｔij及び点火時期を変化させる場合、一般的な燃料噴射時期マップ制御及び点火時期マップ制御では内燃機関Ｅのトルク段差の発生を防止すべく、制御マップ間の補間処理により燃料噴射時期Ｔij及び点火時期Ｔigを連続的に変化させているが、この手法では失火領域に長時間留まって失火状態が継続する場合がある。そこで、本実施形態ではこのような事態を防止すべく、噴霧移送モードの切換時に補間処理を中止した上で失火対策を講じており、以下、当該噴霧移送モードの切換手順を設定する。

図５はスプレーガイド式とウォールガイド式との切換時の制御状況を示すタイムチャート、図６はスプレーガイド式からウォールガイド式への切換時のトルク変化を表した説明図である。
例えばスプレーガイド式により成層燃焼を行っている運転状態において、内燃機関Ｅの負荷増加に伴って目標トルクＴqが次第に増加側に設定されると共に、目標トルクＴqを達成すべく目標空燃比（Ａ／Ｆ）が次第にリッチ側に変更される。図５中のαが上記した共存領域に相当する空燃比幅であり、この共存領域内でスプレーガイド式からウォールガイド式への噴霧移送モードの切換が行われる。本実施形態では噴霧移送モードの切換タイミングを目標トルクＴqに基づいて判定しており、共存領域内に予め設定されたＳＷ切換トルク（閾値）を目標トルクＴqが越えた時点で、ウォールガイド式により同一の目標トルクＴq、若しくは同一目標トルクＴqが不可能なときには最も近い目標トルクＴq（機関負荷：尚、以下の説明では単に同一目標トルクＴqと称するが、最も近い目標トルクＴqも含む意味とする）を達成可能な燃料噴射時期Ｔij及び点火時期Ｔigに切換えられる。

ここで、上記のように図４に示すＳＧ領域及びＷＧ領域の特性（面積及び形状や相互位置等）は空燃比に応じて異なるため、ＳＷ切換トルクに対応する空燃比を前提とした領域特性の下で噴霧移送モードの切換が行われることになる。そして、噴霧移送モードの切換後には切換前と同一の目標トルクＴqを達成することが理想のため、同一目標トルクＴqを達成可能な燃料噴射時期Ｔij及び点火時期Ｔigが存在する最も条件の良好な領域特性が得られる空燃比に対応してＳＷ切換トルクが設定され、当該ＳＷ切換トルクに基づいて噴霧移送モードの切換タイミングが判定される（モード切換判定手段）。

切換前のスプレーガイド式による成層燃焼では、燃料噴射時期マップ及び点火時期マップから燃費に対して最良トルクが得られるＭＢＴ（Minimum advance for the Best Torque）相当値（最適制御点）の燃料噴射時期Ｔij及び点火時期Ｔigが設定されており、当該ＭＢＴ相当値に基づいて、図４ではＳＧ領域内のポイントａで燃料噴射時期Ｔij及び点火時期Ｔigが制御され、図６ではスプレーガイド式による成層燃焼（以下、ＳＧ燃焼と称する）上のポイントａで燃料噴射時期Ｔij及び点火時期Ｔigが制御されている。

目標トルクＴqがＳＷ切換トルクを越えると、このときの目標トルクＴqに基づき所定の変換マップからウォールガイド式による同一目標トルクＴqの燃料噴射時期Ｔij及び点火時期Ｔigが求められる（噴射時期・点火時期算出手段）。当該変換マップは、実際に内燃機関Ｅをウォールガイド式の成層燃焼により各空燃比で運転して、それぞれの空燃比毎に各目標トルクＴqが達成される燃料噴射時期Ｔij及び点火時期Ｔigを求めた試験結果から設定されたものである。尚、ウォールガイド式からスプレーガイド式への切換を想定した変換マップも設定されており、後述する逆方向の切換時には当該変換マップが適用される。

変換マップの設定に従って燃料噴射時期Ｔij及び点火時期Ｔigは、図４に示すようにＳＧ領域内のポイントａから失火領域を飛び越えてＷＧ領域内のポイントｂへとステップ的に切換えられると共に、図６に示すようにＳＧ燃焼上のポイントａから同一目標トルクＴqに相当するＷＧ燃焼上のポイントｂへとステップ的に切換えられる（噴霧移送モード切換手段）。即ち、失火領域に留まったときの失火状態の継続が未然に防止されると共に、噴霧移送モードの切換に伴う内燃機関Ｅのトルク段差が抑制される。

このように、燃料噴射時期Ｔij及び点火時期Ｔigの切換は所定の空燃比（ＳＷ切換トルクに対応）を前提とした図４の領域特性上で実行されるため、必然的に同一空燃比を保ったまま燃料噴射時期Ｔij及び点火時期Ｔigはステップ的に切換えられることになる。その結果、噴霧移送モードの切換に伴う空燃比変動を抑制するための対策、例えばスロットル制御の併用等を不要とすることができる。

その後、ウォールガイド式による成層燃焼でのＭＢＴ相当値（最適制御点）が燃料噴射時期マップ及び点火時期マップから求められ、当該ＭＢＴ相当値を目標値として切換後の燃料噴射時期Ｔij及び点火時期Ｔigが連続的に変化される。具体的には燃料噴射時期Ｔij及び点火時期Ｔigは、図４に示すようにＷＧ領域内においてＭＢＴ相当値であるポイントｃに向けて直線状に連続的に変化すると共に、図６に示すようにウォールガイド式による成層燃焼（以下、ＷＧ燃焼と称する）上をＭＢＴ相当値のポイントｃに向けて連続的に変化して最終的にＭＢＴ相当値に到達し、一連の噴霧移送モードの切換が完了する。このときの燃料噴射時期Ｔij及び点火時期Ｔigは図６から明らかなようにトルク増方向に変化するが、連続的な変化のためトルク段差が生じる虞は一切ない。

尚、ＭＢＴ相当値を適用するとノッキングが生じる領域では、ノッキング抑制方向に最小限度に補正した値がＭＢＴ相当値として燃料噴射時期マップ及び点火時期マップから求められ、当該ＭＢＴ相当値に基づいて燃料噴射時期Ｔij及び点火時期Ｔigが制御される。
以上のようにスプレーガイド式からウォールガイド式への切換時には、切換前の目標トルクＴqをウォールガイド式で達成可能な燃料噴射時期Ｔij及び点火時期Ｔigを求め、求めた燃料噴射時期Ｔij及び点火時期Ｔigにステップ的に切換える。よって、噴霧移送モードの切換に伴うトルク段差を抑制し、且つ、失火領域に留まったときの失火状態の継続を防止した上で、ウォールガイド式への切換を実行できる。

一方、ウォールガイド式からスプレーガイド式への切換は基本的に上記と同様の手順で実行される。即ち、図５に示すように、ウォールガイド式により成層燃焼を行っている運転状態において、負荷低下に伴って目標トルクＴqが次第に低下してウォールガイド式からスプレーガイド式への切換を想定したＷＳ切換トルク（閾値）を下回った時点で、スプレーガイド式により同一の目標トルクＴqが達成可能な燃料噴射時期Ｔij及び点火時期Ｔigにステップ的に切換えられる。

図７はウォールガイド式からスプレーガイド式への切換に際して図４と全く逆方向にポイントｃからポイントａに切換えたときの領域変化を表した説明図であるが、まず、ＷＧ領域内のポイントｃの目標トルクＴqに基づき変換マップからスプレーガイド式による同一目標トルクＴqの燃料噴射時期Ｔij及び点火時期Ｔigであるポイントｄが求められる。そして、ポイントｃから失火領域を飛び越えてＳＧ領域内のポイントｄへと燃料噴射時期Ｔij及び点火時期Ｔigがステップ的に切換えられ、その後にＳＧ領域内においてＭＢＴ相当値であるポイントａまで連続的に変化する。よって、上記スプレーガイド式からウォールガイド式への切換時と同じく、噴霧移送モードの切換に伴うトルク段差を抑制し、且つ、失火領域に留まったときの失火状態の継続を防止した上で、ウォールガイド式への切換を実行できる。

結果として本実施形態では、トルク段差や失火の発生を懸念することなくスプレーガイド式とウォールガイド式との相互間の切換を実行でき、もって、現在の運転状態に対して燃費やＮＯx排出量等の面を考慮した最適な噴霧移送モードにより成層燃焼を実行でき、それぞれの噴霧移送モードが有するメリットを最大限に発揮させることができる。
上記したＷＳ切換トルクもＳＷ切換トルクと同じく、同一目標トルクＴqの達成に最も条件が良好な領域特性の空燃比に対応する値として設定されたものであるが、この条件を考慮した結果、必然的にＷＳ切換トルクはＳＷ切換トルクに比較して低トルク側（リーン側）に設定されており、以下、当該ＷＳ切換トルクの設定に関して述べる。

まず、図４，７の特性から明らかなように、共存領域内においてＷＧ領域に対してＳＧ領域は大幅に面積が小さく、スプレーガイド式により成層燃焼を成立可能な燃料噴射時期Ｔij及び点火時期Ｔigがかなり狭い範囲に限定されることが判る。この傾向は、燃料噴射弁５から噴射されて点火プラグ６の電極部６ａの直下を通過する燃料噴霧を点火可能な期間がごく短いのに対して、タンブル流と共に再び電極部６ａに到達したときの燃料噴霧は既にある程度拡散していることから、点火可能な期間が長いことに起因する。

このようなＳＧ領域とＷＧ領域との面積格差により、同一空燃比においてＳＧ領域からＷＧ領域への切換時には同一目標トルクＴqの燃料噴射時期Ｔij及び点火時期Ｔigが存在する場合であっても、ＷＧ領域からＳＧ領域への切換時には同一目標トルクＴqの燃料噴射時期Ｔij及び点火時期Ｔigが存在しない可能性があり、結果としてＷＧ領域に比較してＳＧ領域では同一目標トルクＴqの燃料噴射時期Ｔij及び点火時期Ｔigをより確保し難く、トルク段差を発生させる要因となり得る。

ここで、図４，７に示すＳＧ領域及びＷＧ領域の特性（面積及び形状や相互位置等）は空燃比に応じて異なり、その全体的な傾向は、共存領域内においてリッチ側ほどウォールガイド式の成層燃焼が成立し易くなってＷＧ領域が拡大し、リーン側ほどスプレーガイド式の成層燃焼が成立し易くなってＳＧ領域が拡大する。このような特性を考慮した結果、ＳＷ切換トルクに比較してＷＳ切換トルクを低トルク側（リーン側）に設定しているのである。

これにより、ＷＳ切換トルクに対応する図７の領域特性では、図４のＳＷ領域（図７中に破線で示す）に比較してＳＧ領域が拡大することになり（ＷＧ領域は逆に縮小）、ウォールガイド式からスプレーガイド式への切換時においてＳＧ領域内で同一目標トルクＴq、或いは同一目標トルクＴqが存在しない場合でもより近い目標トルクＴqの燃料噴射時期Ｔij及び点火時期Ｔigを確保し易くなり、トルク段差を生じることなくスプレーガイド式への切換を完了することができる。

ところで、図４，７に示す領域特性によっては、切換後の噴霧移送モードの領域内において同一目標トルクＴqを達成可能な燃料噴射時期Ｔij及び点火時期Ｔigが複数組存在する場合もある。この場合には、候補の中から切換後の噴霧移送モードにおけるＭＢＴ相当値に最も近い燃料噴射時期Ｔij及び点火時期Ｔigが変換マップにより設定され、設定された燃料噴射時期Ｔij及び点火時期Ｔigにステップ的に切換えられる。結果として燃料噴射時期Ｔij及び点火時期ＴigはＭＢＴ相当値に近いポイントに切換えられると共に、その後に最短距離でＭＢＴ相当値に到達するため、噴霧移送モードの切換に伴って燃料噴射時期Ｔij及び点火時期ＴigがＭＢＴ相当値から外れている期間が極めて短くなり、その間の燃焼悪化を最小限に抑制することができる。

又、同一目標トルクＴqを達成可能な燃料噴射時期Ｔij及び点火時期Ｔigが存在せず、同一目標トルクＴqに近い候補が複数組存在する場合には、トルク段差及び燃焼状態の観点から最も条件の良好な候補が変換マップにより設定される。より詳細には、同一目標トルクＴqに近い候補を選択したときのトルク段差の抑制と、ＭＢＴ相当値に近い候補を選択したときの燃焼悪化の抑制とを考慮した上で、双方の要件を最大限に満足する候補が予め変換マップに設定されており、当該候補の燃料噴射時期Ｔij及び点火時期Ｔigにステップ的に切換えられる。よって、この場合でもトルク段差の抑制と失火の防止とを両立させることができる。

以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では直列４気筒内燃機関Ｅとして構成したが、燃焼室４内に直接燃料を噴射して異なる噴霧移送モード間で切換可能であれば、内燃機関Ｅのシリンダ配列や気筒数は限定されるものではなく任意に変更可能である。
又、上記実施形態では噴霧移送モードの切換タイミングを目標トルクＴqに基づいて判定したが、実施形態の説明から明らかなように目標トルクＴqと空燃比とは相関するため、目標トルクＴqに代えて空燃比に基づいて切換タイミングを判定するようにしてもよい。

実施形態の筒内噴射型火花点火式内燃機関を示す概略構成図である。 スプレーガイド式の成層燃焼及びウォールガイド式の成層燃焼が成立する領域を示す特性図である。 スプレーガイド式とウォールガイド式との運転領域の制御マップを示す図である。 スプレーガイド式からウォールガイド式への切換時の領域変化を表した説明図である。 スプレーガイド式とウォールガイド式との切換時の制御状況を示すタイムチャートである。 スプレーガイド式からウォールガイド式への切換時のトルク変化を表した説明図である。 ウォールガイド式からスプレーガイド式への切換時の領域変化を表した説明図である。

符号の説明

２ ピストン
２ａ キャビティ
４ 燃焼室
５ 燃料噴射弁
６ 点火プラグ
６ａ 電極部
１１ ＥＣＵ
（モード切換判定手段、噴射時期・点火時期算出手段、噴霧移送モード切換手段）

Claims (5)

1. 燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、
   上記燃料噴射弁からの燃料噴霧の噴射経路近傍に電極部が配置された点火プラグと、
   上記点火プラグの電極部近傍を通過後の燃料噴霧を反転させ再び該電極部近傍に移送可能に形成されたピストンと、
   上記燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧が上記点火プラグの電極部近傍を通過したときに点火する第１の噴霧移送モードによる成層燃焼、及び上記電極部を通過後の燃料噴霧が上記反転により再び上記電極部近傍に移送されたときに点火する第２の噴霧移送モードによる成層燃焼を共に成立可能な共存領域内において、上記両噴霧移送モード間の切換判定を下すモード切換判定手段と、
   上記モード切換判定手段により噴霧移送モードの切換判定が下されたときに、切換前の上記内燃機関のトルクと略等しい機関トルクを切換後の噴霧移送モードの成層燃焼により達成可能な燃料噴射時期及び点火時期を算出する噴射時期・点火時期算出手段と、
   上記モード切換判定手段により噴霧移送モードの切換判定が下されたときに、上記噴射時期・点火時期算出手段の算出結果に基づいて上記内燃機関の燃料噴射時期及び点火時期をステップ的に切換える噴霧移送モード切換手段と
   を備えたことを特徴とする筒内噴射型火花点火式内燃機関。
2. 上記噴射時期・点火時期算出手段は、上記切換前と略等しい機関トルクを切換後の噴霧移送モードの成層燃焼により同一空燃比で達成可能な燃料噴射時期及び点火時期を算出し、
   上記噴霧移送モード切換手段は、同一空燃比を保ったまま燃料噴射時期及び点火時期をステップ的に切換えることを特徴とする請求項１記載の筒内噴射型火花点火式内燃機関。
3. 上記噴霧移送モード切換手段は、上記噴射時期・点火時期算出手段により上記切換前と略等しい機関トルクを達成可能な燃料噴射時期及び点火時期が複数組算出されたときに、上記切換後の噴霧移送モードにおける燃費及びトルクに関する最適制御点に最も近い燃料噴射時期及び点火時期を選択し、該燃料噴射時期及び点火時期にステップ的に切換えることを特徴とする請求項１又は２記載の筒内噴射型火花点火式内燃機関。
4. 上記噴霧移送モード切換手段は、上記燃料噴射時期及び点火時期をステップ的に切換えた後に、該燃料噴射時期及び点火時期を上記切換後の噴霧移送モードにおける燃費及びトルクに関する最適制御点まで連続的に変化させることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の筒内噴射型火花点火式内燃機関。
5. 上記モード切換判定手段は、上記第２の噴霧移送モードから上記第１の噴霧移送モードへの切換時には、上記第１の噴霧移送モードから上記第２の噴霧移送モードへの切換時に比較して低負荷側又はリーン側に設定された閾値に基づいて切換判定を下すことを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の筒内噴射型火花点火式内燃機関。

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