JP2017193989A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】安定した燃焼を担保しながらストイキモードから均質リーンモードへ速やかに切り替えることができる内燃機関を提供する。
【解決手段】制御装置は、ストイキモードから均質リーンモードへ燃焼モードを切り替える場合は、タンブル制御弁の開度の切り替えの開始後に燃焼モードの切り替えを開始する。その際、制御装置は、少なくとも低吸入負荷率域を除き少なくとも中吸入負荷率中回転速度域を含む範囲に設定された所定運転領域の外に内燃機関の目標動作点が位置する場合には、所定運転領域の中に目標動作点が位置する場合よりも、タンブル制御弁の開度の切り替えの開始から燃焼モードの切り替えの開始までの待機時間を長くする。
【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関に関し、特に、燃料と空気とを理論空燃比よりも燃料リーンな空燃比で且つ均質に混ざった状態で燃焼させるモードと、燃料と空気とを理論空燃比で燃焼させるモードとを切り替え可能な内燃機関に関する。

特開２００２−０７０６１３号公報には、燃料と空気とを均質に混合させる均質燃焼から、混合気の空燃比を理論空燃比よりも燃料リーンとすることが可能な成層燃焼へ燃焼方式を切り替える場合に、気流制御弁の動作状態を切り替えてから所定時間経過後に燃焼方式を切り替えることが提案されている。なお、本出願の出願時点における技術水準を示す文献としては、上記特許文献の他にも、特開平１０−１０３１２０号公報や特開平０６−１５９１１９号公報等が挙げられる。

特開２００２−０７０６１３号公報 特開平１０−１０３１２０号公報 特開平０６−１５９１１９号公報

上記従来技術は、燃焼方式と気流制御弁とが同時に切り替えられることに伴うショックを抑制することを課題として提案されている。しかし、燃費性能の観点からは、内燃機関の動作点が成層燃焼による運転が可能な運転領域に入ったのであれば、できる限り速く燃焼方式の切り替えを行いたい。このことは、理論空燃比よりも燃料リーンな空燃比による運転を成層燃焼により実現する場合のみならず、均質燃焼により実現する場合にも当てはまる。以下、本明細書では、理論空燃比よりも燃料リーンな空燃比の混合気を成層燃焼により燃焼させるモードを成層リーンモードと呼び、同混合気を均質燃焼により燃焼させるモードを均質リーンモードと呼ぶ。また、理論空燃比の混合気を均質燃焼により燃焼させるモードをストイキモードと呼ぶ。

排気ガス性能の観点からは、成層リーンモードによる運転よりも、燃料と空気とを均質に混合させる均質リーンモードよる運転の方がより好ましい。ただし、成層リーンモードによれば比較的高い燃焼安定性が得られるのに対し、均質リーンモードでは、運転領域に大きく依存して燃焼のロバスト性が変化する。つまり、均質リーンモードでは、比較的高いロバスト性を得られる運転領域は一部の運転領域に限られており、低吸入負荷率域を含むその他の運転領域における燃焼のロバスト性は高くはない。このため、ストイキモードから均質リーンモードへの切り替えにおいては、気流制御弁の動作状態の切り替えから燃焼モードの切り替えまでの待機時間を単純に短くすることは好ましくない。なぜなら、運転領域によっては、短すぎる待機時間は燃焼を不安定にさせるおそれがあるからである。

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、安定した燃焼を担保しながらストイキモードから均質リーンモードへ速やかに切り替えることができる内燃機関を提供することを目的とする。

本発明に係る内燃機関は、燃料と空気とを理論空燃比よりも燃料リーンな空燃比で且つ均質に混ざった状態で燃焼させる均質リーンモードと、燃料と空気とを理論空燃比で燃焼させるストイキモードとの間で燃焼モードを切り替え可能な内燃機関において、以下の装置を備える。

本発明に係る内燃機関は、吸気通路に設けられ、燃焼室内に発生する気流の強さを弁の開度によって制御する気流制御弁と、少なくとも気流制御弁を操作する制御装置とを備える。詳しくは、制御装置は、燃焼モードとして均質リーンモードを選択する場合は、燃焼モードとしてストイキモードを選択する場合よりも、燃焼室内に強い気流が発生するように、燃焼モードの選択に応じて気流制御弁の開度を切り替えるように構成される。また、この制御装置は、ストイキモードから均質リーンモードへ燃焼モードを切り替える場合は、気流制御弁の開度の切り替えの開始後に燃焼モードの切り替えを開始するように構成される。さらにまた、この制御装置は、ストイキモードから均質リーンモードへの燃焼モードの切り替えにおいて、所定運転領域の外に内燃機関の目標動作点が位置する場合には、当該所定運転領域の中に目標動作点が位置する場合よりも、気流制御弁の開度の切り替えの開始から燃焼モードの切り替えの開始までの待機時間を長くするように構成される。ここで言及される所定運転領域とは、エンジン回転速度と吸入負荷率とで定義される内燃機関の運転領域のうち低吸入負荷率域を除き少なくとも中吸入負荷率中回転速度域を含む範囲に設定された領域であって、より詳しくは、安定した燃焼が得られる空燃比の範囲の燃料リーン側の限界値である燃焼限界空燃比が低吸入負荷率域よりも大きい領域である。

均質リーンモードはストイキモードに比較して燃焼のロバスト性が低く、燃焼室内の気流の乱れや燃料と空気との混合状態は燃焼の安定に大きく影響する。燃焼室内の気流の乱れと燃料と空気との混合は、気流制御弁を閉じて燃焼室内に強い気流を発生させることで促進されるが、それらの促進具合は気流制御弁の開度の切り替えを開始してからの時間に依存する。ゆえに、制御装置は、気流制御弁の開度の切り替えの開始後、待機時間の経過の後に、ストイキモードから均質リーンモードへの燃焼モードの切り替えを開始する。この待機時間は、燃焼の安定を保ちながら燃焼モードを切り替えることができる程度に燃焼室内に気流の乱れが生じ、且つ燃料と空気との混合が進むまでの時間であり、その時間の長さは内燃機関の目標動作点が位置する運転領域に依存する。均質リーンモードでは、内燃機関の運転領域のうち低吸入負荷率域は燃焼のロバスト性が高くはないが、中吸入負荷率中回転速度域は相対的に燃焼のロバスト性が高いことが確認されている。上記のごとく構成された内燃機関によれば、低吸入負荷率域を除き少なくとも中吸入負荷率中回転速度域を含む範囲に設定された所定運転領域の外に内燃機関の目標動作点が位置する場合には、当該所定運転領域の中に目標動作点が位置する場合よりも、待機時間を長くすることが行われる。これによれば、燃焼のロバスト性が相対的に高い所定運転領域への移行時には、待機時間を短くしてストイキモードから均質リーンモードへ速やかに切り替えることができ、燃焼のロバスト性が相対的に低い所定運転領域外への移行時には、待機時間を長くして燃焼の安定を優先することができる。

また、制御装置は、ストイキモードから均質リーンモードへの燃焼モードの切り替えにおいて、現在動作点と目標動作点との間で吸入負荷率が所定値以上変化する場合には、吸入負荷率が所定値以上変化しない場合に比較して、気流制御弁の開度の切り替えの開始から燃焼モードの切り替えの開始までの待機時間を長くするように構成されてもよい。燃焼の不安定は、吸入負荷率が大きく変化する過度状態で起きやすいからである。これによれば、吸入負荷率の変化が大きい過渡状態での燃焼の安定を担保しつつ、吸入負荷率の変化が小さくて比較的燃焼が安定するときには、ストイキモードから均質リーンモードへ速やかに切り替えることができる。

ストイキモードから均質リーンモードへの切り替えでは、空燃比が均質リーンモードの制御目標空燃比を超えてリーン化されるオーバーシュートが起きる場合がある。空燃比のオーバーシュートは、気流制御弁の開度の切り替えに伴う空燃比の変動と重なった時に大きくなりやすい。一般に、均質リーンモードの制御目標空燃比は燃焼限界空燃比（安定した燃焼が得られる空燃比の範囲の燃料リーン側の限界値）に対して余裕を持って設定されているので、切り替えの前後において燃焼限界空燃比が一定或いは一定に近ければ、空燃比が燃焼限界空燃比を超えてリーン化する可能性は低い。しかし、燃焼モードの切り替えの前後において燃焼限界空燃比が大きく変化する場合には、空燃比が大きくオーバーシュートしたとき、空燃比が一時的にでも燃焼限界空燃比を超えてリーン化するおそれが高くなる。

ゆえに、制御装置は、ストイキモードから均質リーンモードへの燃焼モードの切り替えにおいて、燃焼限界空燃比の目標動作点における値と現在動作点における値との差が大きい場合には、その差が小さい場合よりも、気流制御弁の開度の切り替えの開始から燃焼モードの切り替えの開始までの待機時間を長くするように構成されてもよい。これによれば、切り替えの前後における燃焼限界空燃比の変化量が大きいほど、待機時間は大きくされ、燃焼モードの切り替え時の空燃比のオーバーシュートと気流制御弁の開度の切り替えに伴う空燃比の変動との重なりが抑えられる。

さらに、制御装置は、ストイキモードから均質リーンモードへの燃焼モードの切り替えにおいて、所定の条件が満たされた場合には、気流制御弁の開度の切り替えの開始を燃焼モードの切り替えの開始よりも遅らせるように構成されてもよい。その所定の条件とは、現在動作点と目標動作点との間で吸入負荷率が増大し、且つ、所定運転領域の中に目標動作点が位置し、なお且つ、燃焼限界空燃比の目標動作点における値と現在動作点における値との偏差が所定値以下であることである。つまり、安定した燃焼が得られる状況では、気流制御弁の開度の切り替えの開始を遅らせて吸入効率が高い状態を維持してもよい。そうすることで、吸入負荷率を速やかに増大させ、ひいては、空燃比の制御目標空燃比への到達を促進することができる。

なお、前述の所定運転領域（気流制御弁の開度の切り替えの開始から燃焼モードの切り替えの開始までの待機時間を相対的に小さく設定する領域）は、均質リーンモードの制御目標空燃比に対する燃焼限界空燃比の余裕代が所定値以上となる動作点の集合として定義してもよい。燃焼限界空燃比と制御目標空燃比との間の余裕代が大きければ、ストイキモードから均質リーンモードへの切り替え時に空燃比が多少変動したとしても、空燃比が燃焼限界空燃比を超えるおそれは小さい。ゆえに、この余裕代が相対的に大きい領域を所定運転領域として設定し、この領域の中と外とで待機時間を異ならせることで、安定した燃焼の担保と、ストイキモードから均質リーンモードへの速やかな切り替えとを両立させることができる

さらに、制御装置は、均質リーンモードからストイキモードへ燃焼モードを切り替える場合は、燃焼モードの切り替えの開始後に気流制御弁の開度の切り替えを開始するように構成されてもよい。さらにまた、この制御装置は、均質リーンモードからストイキモードへの燃焼モードの切り替えにおいて、前述の所定運転領域の外に内燃機関の現在動作点が位置する場合には、当該所定運転領域の中に前記現在動作点が位置する場合よりも、燃焼モードの切り替えの開始から気流制御弁の開度の切り替えの開始までの待機時間を長くするように構成されてもよい。

均質リーンモードからストイキモードへ燃焼モードを切り替える場合、空燃比が変化している間は、ストイキモードに比較して燃焼のロバスト性が低い状態が続いている。ゆえに、燃焼モードの切り替えの開始後の暫くの間は、筒内の状態は均質リーンモードに適した状態にしておくことが望ましい。ゆえに、制御装置は、均質リーンモードからストイキモードへの燃焼モードの切り替えの開始後、待機時間の経過の後に、気流制御弁の開度の切り替えを開始する。この待機時間は、燃焼の安定を保ちながら気流制御弁の開度を切り替えることができる程度に空燃比が理論空燃比に近づくまでの時間であり、その時間の長さは内燃機関の目標動作点が位置する運転領域に依存する。上記のごとく構成された内燃機関によれば、燃焼のロバスト性が相対的に高い所定運転領域からの移行時には、待機時間を短くして気流制御弁の開度の速やかな切り替えにより吸入効率を向上させることができ、燃焼のロバスト性が相対的に低い所定運転領域外からの移行時には、待機時間を長くして燃焼の安定を優先することができる。

さらに、制御装置は、均質リーンモードからストイキモードへの燃焼モードの切り替えにおいて、現在動作点と目標動作点との間で吸入負荷率が所定値以上変化する場合には、吸入負荷率が所定値以上変化しない場合に比較して、燃焼モードの切り替えの開始から気流制御弁の開度の切り替えの開始までの待機時間を長くするように構成されてもよい。燃焼の不安定は、吸入負荷率が大きく変化する過度状態で起きやすいからである。これによれば、吸入負荷率の変化が大きい過渡状態での燃焼の安定を担保しつつ、吸入負荷率の変化が小さくて比較的燃焼が安定するときには、気流制御弁の開度の速やかな切り替えにより吸入効率を向上させることができる。

空燃比が一時的にでも均質リーンモードの制御目標空燃比を超えてリーン化されることは、均質リーンモードからストイキモードへの切り替えの過程でも起こりうる。これは、気流制御弁の開度の切り替えに伴う空燃比の変動と重なった時に大きくなりやすい。特に、燃焼モードの切り替えの前後において燃焼限界空燃比が大きく変化する場合には、空燃比が大きく変動したとき、空燃比が一時的にでも燃焼限界空燃比を超えてリーン化するおそれが高くなる。

ゆえに、制御装置は、均質リーンモードからストイキモードへの燃焼モードの切り替えにおいて、燃焼限界空燃比の目標動作点における値と現在動作点における値との差が大きい場合には、その差が小さい場合よりも、燃焼モードの切り替えの開始から気流制御弁の開度の切り替えの開始までの待機時間を長くするように構成されてもよい。これによれば、切り替えの前後における燃焼限界空燃比の変化量が大きいほど、待機時間は大きくされ、燃焼モードの切り替え時の空燃比の変動は抑えられる。

以上述べたとおり、本発明に係る内燃機関によれば、前述の所定運転領域の外に内燃機関の目標動作点が位置する場合には、所定運転領域の中に目標動作点が位置する場合よりも、気流制御弁の開度の切り替えの開始から燃焼モードの切り替えの開始までの待機時間を長くすることによって、安定した燃焼を担保しながらストイキモードから均質リーンモードへ速やかに切り替えることができる。

本発明が適用さる内燃機関の構成の概略を示す図である。 トルクとエンジン回転速度とで定義される運転領域上での燃焼モードの設定を示す図である。 制御目標空燃比及び燃焼限界空燃比と吸入負荷率との関係を示す図である。 吸入負荷率とエンジン回転速度とで定義される運転領域を制御目標空燃比の燃焼限界空燃比に対する余裕代が大きい領域と小さい領域とに区分けして示す図である。 制御目標空燃比の燃焼限界空燃比に対する余裕代の大小と燃焼限界空燃比の変化量の大小と燃焼のロバスト性の高低との関係を示す表である。 吸入負荷率ごとエンジン回転速度ごと燃焼限界空燃比の変化量ごとに待機時間を設定するマップの構成を示す図である。 ストイキモードから均質リーンモードへの切り替え時の制御フローを示すフローチャートである。 等トルクでの燃焼モードの切り替え時、図７に示す制御フローが実行された場合の内燃機関の動作の一例を示すタイムチャートである。 等トルクでの燃焼モードの切り替え時、図７に示す制御フローが実行された場合の内燃機関の動作の別の例を示すタイムチャートである。 等トルクでの燃焼モードの切り替え時、図７に示す制御フローが実行された場合の内燃機関の動作のさらに別の例を示すタイムチャートである。 トルク減による燃焼モードの切り替え時、図７に示す制御フローが実行された場合の内燃機関の動作の一例を示すタイムチャートである。 トルク減による燃焼モードの切り替え時、図７に示す制御フローが実行された場合の内燃機関の動作の別の例を示すタイムチャートである。 トルク減による燃焼モードの切り替え時、図７に示す制御フローが実行された場合の内燃機関の動作のさらに別の例を示すタイムチャートである。 均質リーンモードからストイキモードへの切り替え時の制御フローを示すフローチャートである。 等トルクでの燃焼モードの切り替え時、図１４に示す制御フローが実行された場合の内燃機関の動作の一例を示すタイムチャートである。 等トルクでの燃焼モードの切り替え時、図１４に示す制御フローが実行された場合の内燃機関の動作の別の例を示すタイムチャートである。 等トルクでの燃焼モードの切り替え時、図１４に示す制御フローが実行された場合の内燃機関の動作のさらに別の例を示すタイムチャートである。 別の実施の形態におけるストイキモードから均質リーンモードへの切り替え時の制御フローを示すフローチャートである。 別の実施の形態における均質リーンモードからストイキモードへの切り替え時の制御フローを示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。ただし、以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造やステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。

１．内燃機関の構成の概略
図１は、本発明が適用さる内燃機関の構成の概略を示す図である。図１には、内燃機関（以下、単にエンジンという）１を構成する要素がクランク軸に垂直な１つの平面上に投影して描かれている。エンジン１は、複数のシリンダ４を有する火花点火式の多気筒エンジンである。シリンダ４の数と配置に限定はない。シリンダ４内にはその軸方向に往復動するピストン８が配置されている。図示しないエンジンヘッドには、シリンダ４の上部空間であるペントルーフ形状の燃焼室６が形成されている。

燃焼室６には吸気ポート１０及び排気ポート１６が接続されている。吸気ポート１０の燃焼室６に連通する開口部には、吸気バルブ１４が設けられている。吸気バルブ１４は、そのバルブタイミングを連続可変にするとともに、駆動用のカムを大作用角カムと小作用角カムとの間で切り替え可能な吸気側可変動弁装置１５によって駆動される。排気ポート１６の燃焼室６に連通する開口部には、排気バルブ１７が設けられている。排気バルブ１７は、そのバルブタイミングを連続可変にするとともに、駆動用のカムを大作用角カムと小作用角カムとの間で切り替え可能な排気側可変動弁装置１８によって駆動される。

吸気ポート１０には、スロットル１３で流量を調整された空気を気筒ごとに分配するインテークマニホールド１１が接続されている。インテークマニホールド１１の各分岐管には、気流制御弁であるタンブル制御弁１２が設けられている。タンブル制御弁１２の開度を小さくすることで、燃焼室６内に発生するタンブル流の強さを高めることができ、タンブル制御弁１２の開度を大きくすることで、流路の有効断面積を拡大して吸入効率を高めることができる。この実施の形態では、タンブル制御弁１２の開度の調整は、開と閉の２段階切り替えであるとする。なお、タンブル流の強さを表す具体的な指標としては、タンブル比が用いられる。タンブル比は、ピストン８が一往復する間に燃焼室６内でタンブル流が回転した回数、と定義される。

シリンダ４の周囲には、冷却水が流れるウォータジャケット２０が設けられている。冷却水は、ウォータジャケット２０とラジエータ２１とを結ぶ冷却水循環回路２２を循環している。冷却水の水温は、冷却水循環回路２２に設けられた電子サーモスタット２３によって調温することができる。

図示は省略するが、エンジン１には、吸気ポート１０に燃料を噴射するポート噴射弁と、燃焼室６内に燃料を直接噴射する筒内噴射弁とが設けられている。エンジン１は、均質リーンモードによる運転と、ストイキモードによる運転とを切り替え可能なエンジンである。均質リーンモードでは、均質性の高い混合気が得られるポート噴射によって、或いはポート噴射を主とするポート噴射と筒内噴射との組み合わせによって燃料リーンな空燃比（例えば、２５程度の空燃比）による運転が行われる。エンジン１で実現されるリーン燃焼は、燃料濃度の高い混合気の層を点火プラグの周辺に形成する成層リーン燃焼ではなく、燃焼室６の全体に均質な燃料濃度の混合気を分布させる均質リーン燃焼である。ストイキモードでは、筒内噴射によって、或いは、筒内噴射を主とするポート噴射と筒内噴射との組み合わせによって理論空燃比による運転、すなわち、ストイキ燃焼による運転が行われる。

均質リーンモード及びストイキモードを実現するための装置及びアクチュエータの操作は、制御装置３０によって行われる。制御装置３０は、エンジン１が備える様々な装置及びアクチュエータを操作することにより、エンジン１の運転を制御する。制御装置３０は、少なくとも１つのＣＰＵ、少なくとも１つのＲＯＭ、少なくとも１つのＲＡＭを有するＥＣＵ（Electronic Control Unit）である。ただし、制御装置３０は、複数のＥＣＵから構成されていてもよい。制御装置３０では、ＲＯＭに記憶されているプログラムをＲＡＭにロードし、ＣＰＵで実行することで、エンジン制御に係る様々な機能が実現される。

２．燃焼モードに応じたエンジン制御
図２は、制御装置３０によって選択されるエンジン１の燃焼モードと、トルク及びエンジン回転速度との関係を示す図である。この図に示すように、低回転速度域、高回転速度域、低トルク域、及び高トルク域ではストイキモードが選択され、中トルク中回転速度域では均質リーンモードが選択される。なお、本明細書においてエンジン回転速度、トルク、吸入負荷率等の大きさを表すのに用いている「低」、「中」、「高」は、エンジン１の運転領域内での相対的な大きさを意味するものであって、絶対的な大きさを意味するものではない。

制御装置３０は、選択した燃焼モードに応じて、スロットル１３の操作による空気量制御と、図示しない燃料噴射装置（ポート噴射弁及び筒内噴射弁を含む）の操作による燃料噴射制御と、図示しない点火装置（点火プラグを含む）の操作による点火制御とを実施する。空気量制御では、制御目標トルクと制御目標空燃比とから制御目標吸入負荷率が計算され、制御目標吸入負荷率を実現するためのスロットル１３の開度が物理モデルを用いて計算される。燃料噴射制御では、スロットル１３やタンブル制御弁１２を含む吸気に関係するアクチュエータの動作状態をパラメータとする物理モデルを用いて、燃焼室６内の空気量が推定される。そして。推定空気量と制御目標空燃比とから総燃料噴射量が計算され、燃焼モードにより決まる各噴射弁の分担率と総燃料噴射量とから、噴射弁ごとの燃料噴射量が計算される。点火制御では、制御目標吸入負荷率や制御目標空燃比等から点火時期が決定される。

空気量、噴射弁ごとの燃料噴射量、及び点火時期は、燃焼状態を決める基本的な操作量である。同一トルク同一回転速度であっても、ストイキ燃焼による運転を行う場合と、均質リーン燃焼による運転を行う場合とでは、それら操作量の好適値は異なったものとなる。ゆえに、空気量、噴射弁ごとの燃料噴射量、及び点火時期のそれぞれをストイキ燃焼に適した値から均質リーン燃焼に適した値に変更することによって、ストイキモードから均質リーンモードへの切り替えが実現される。逆に、それら操作量を均質リーン燃焼に適した値からストイキ燃焼に適した値に変更することによって、均質リーンモードからストイキモードへの切り替えが実現される。本明細書における燃焼モードの切り替えとは、空気量制御、燃料噴射制御、及び点火制御の各内容を、選択した燃焼モードに適したものに切り替えることを意味する。

制御装置３０は、上記の操作量の変更による燃焼モードの切り替えに付随して、少なくともタンブル制御弁１２、吸気側可変動弁装置１５、排気側可変動弁装置１８、及び電子サーモスタット２３の各操作量の設定を変更する。これらの操作量は直接的或いは間接的に各燃焼モードの燃焼状態に影響を与えるためである。具体的には、タンブル制御弁１２の操作においては、均質リーンモードでは、燃焼室６内に強いタンブル流を発生させるようにタンブル制御弁１２は閉じられる。燃焼室６内の気流の乱れを強めるとともに、燃料と空気との混合を促進するためである。ストイキモードでは、流路の有効断面積を大きくして吸入効率を向上させるためにタンブル制御弁１２は開かれる。吸気側可変動弁装置１５の操作においては、ストイキモードでは、バルブタイミングが相対的に進角されるとともに大作用角カムが用いられ、均質リーンモードでは、バルブタイミングが相対的に遅角されるとともに小作用角カムが用いられる。排気側可変動弁装置１８の操作においては、ストイキモードでは、バルブタイミングが相対的に遅角されるとともに大作用角カムが用いられ、均質リーンモードでは、バルブタイミングが相対的に進角されるとともに小作用角カムが用いられる。そして、電子サーモスタット２３の操作においては、ストイキモードでは、ノックを抑制するべくエンジン水温が相対的に低くなるように電子サーモスタット２３は開かれ、均質リーンモードでは、筒内温度の上昇により燃料の気化を促進するべくエンジン水温が相対的に高くなるように電子サーモスタット２３は閉じられる。

３．燃焼モードの切り替え制御の概要
燃焼モードの切り替えは、燃費性能及び運転性能の観点からは、エンジン１の目標動作点の移動に合わせて即行うことが好ましい。しかし、ここで留意しなければならないことは、安定した燃焼を担保しながら切り替えを行うことである。燃焼の不安定によって失火が生じると、排気ガス性能が大きく低下するだけでなく、燃費性能や運転性能の低下も招くことになるからである。

燃焼モードの切り替え時の燃焼の不安定は、空燃比がストイキモードの制御目標空燃比から均質リーンモードの制御目標空燃比へ変更されている間、或いは、均質リーンモードの制御目標空燃比からストイキモードの制御目標空燃比へ変更されている間に、空燃比が燃焼限界空燃比を一時的にでも超えてしまうことに起因して生じる。燃焼限界空燃比は、安定した燃焼が得られる空燃比の範囲の燃料リーン側の限界値であって、これは吸入負荷率に依存する。空燃比が変動する要因の一つは、物理モデルを用いて推定される空気量の推定精度の低下による。燃料噴射制御において空気量の推定に用いられている物理モデル（エアモデルと呼ばれる）は、定常状態を前提にして設計されている。このため、燃焼モードの切り替え時のようにスロットル開度が大きく変化する過渡状態では、高い精度で空気量を推定することが困難となる。燃料噴射量は推定空気量に基づき決定されるため、推定空気量と実空気量とが乖離すると、実空燃比と制御目標空燃比との間にも乖離が生じることになる。

図３には、エンジン回転速度が一定である場合の、吸入負荷率に対する燃焼限界空燃比（図中には、燃焼限界Ａ／Ｆと表記）の変化が二重線で描かれている。吸入負荷率が低い領域では、吸入負荷率の変化に対する燃焼限界空燃比の変化は大きく、吸入負荷率が上昇するにつれて燃焼限界空燃比は急速に大きくなっていく。吸入負荷率が中程の領域では、吸入負荷率の変化に対する燃焼限界空燃比の変化は鈍く、燃焼限界空燃比は高く保たれている。吸入負荷率が高い領域では、吸入負荷率の上昇に対する燃焼限界空燃比の一時的に低下によって、吸入負荷率が中程の領域よりも燃焼限界空燃比は少し低くなる。

吸入負荷率に対して上記のような変化を示す燃焼限界空燃比に対し、均質リーンモードの制御目標空燃比はある程度の余裕を持って設定されている。図３には、エンジン回転速度が一定である場合の、吸入負荷率に対する均質リーンモードの制御目標空燃比（図中には、制御目標Ａ／Ｆと表記）の変化が一重線で描かれている。以下、制御目標空燃比とは、特に言及しない限り、均質リーンモードの制御目標空燃比を意味するものとする。燃焼限界空燃比が吸入負荷率の変化に対して上下に変化するのに対し、吸入負荷率が中程の領域から高い領域にかけての制御目標空燃比の変化は抑えられている。これは、吸入負荷率の変化に対して制御目標空燃比が急変することを防ぐためである。その結果、制御目標空燃比の燃焼限界空燃比に対する余裕代は一様にはなっていない。吸入負荷率が中程の領域では余裕代は大きいが、吸入負荷率が低い領域と高い領域では余裕代は小さい。

以上のような燃焼限界余裕代と制御目標空燃比との関係は、吸入負荷率の方向だけでなく、エンジン回転速度の方向にも存在する。つまり、制御目標空燃比の燃焼限界空燃比に対する余裕代はエンジン回転速度に対して一様ではない。エンジン回転速度が中程の領域では余裕代は大きいが、エンジン回転速度が低い領域と高い領域では余裕代は小さい。エンジン１の運転領域を吸入負荷率とエンジン回転速度とを座標軸とする２次元平面上で定義し、その運転領域を制御目標空燃比の燃焼限界空燃比に対する余裕代が大きい領域と小さい領域とに区分けして示したものが図４である。以下、制御目標空燃比の燃焼限界空燃比に対する余裕代が大きい領域を燃焼限界余裕大の領域と呼び、燃焼限界空燃比に対する余裕代が小さい領域を燃焼限界余裕小の領域と呼ぶ。

図４に示す運転領域の区分けはあくまでも一例であって、エンジン１の仕様により、運転領域における燃焼限界余裕大の領域の範囲は異なったものとなる。ただし、低吸入負荷率域が燃焼限界余裕小の領域であることと、中吸入負荷率中回転速度域が燃焼限界余裕大の領域であることは、均質リーンモードによる運転が可能な一般的なエンジンのほぼ全てに共通するエンジン特性である。つまり、少なくとも低吸入負荷率域を除き少なくとも中吸入負荷率中回転速度域を含む範囲に、燃焼限界余裕大の領域が設定される。

さて、再び図３に戻って、燃焼限界空燃比が燃焼モードの切り替え時の燃焼のロバスト性に与える影響について説明する。図３には、吸入負荷率の変更に伴って燃焼モードが切り替えられる場合の空燃比の変化の軌跡の一例が描かれている。図３に示す動作点Ｙから動作点Ｘへの移動は、吸入負荷率が高い領域でのストイキモードによる運転から、吸入負荷率が低い領域での均質リーンモードによる運転への切り替えを表している。一方、動作点Ｚから動作点Ｘへの移動は、吸入負荷率が低い領域でのストイキモードによる運転から、同じく吸入負荷率が低い領域での均質リーンモードによる運転への切り替えを表している。

空燃比の変化の軌跡で示すように、ストイキモードから均質リーンモードへの切り替えでは、燃料噴射量の計算に用いる空気量の推定誤差に起因して、空燃比が均質リーンモードの制御目標空燃比を超えてリーン化されるオーバーシュートが起きる場合がある。オーバーシュートにより空燃比が燃焼限界空燃比を超えてリーン化するおそれは、当然ながら、目標動作点における制御目標空燃比の燃焼限界空燃比に対する余裕代が小さいほど大きい。つまり、制御目標空燃比の燃焼限界空燃比に対する余裕代が小さい場合と大きい場合とでは、小さい場合の方が燃焼のロバスト性は低くなる。

また、目標動作点での制御目標空燃比の燃焼限界空燃比に対する余裕代が同一であっても、燃焼モードの切り替えの前後における燃焼限界空燃比の変化量が大きい場合には、それが小さい場合と比較して、空燃比が燃焼限界空燃比を超えてリーン化するおそれはより高くなる。現に、燃焼限界空燃比の変化が小さい点Ｙから点Ｘへの移動では、空燃比は燃焼限界空燃比を超えてはいないが、燃焼限界空燃比の変化が大きい点Ｚから点Ｘへの移動では、一時的にではあるが空燃比は燃焼限界空燃比を超えている。つまり、燃焼限界空燃比の変化量が小さい場合と大きい場合とでは、大きい場合の方が燃焼のロバスト性は低くなる。

また、図３に示す燃焼モードの切り替え時の空燃比の変化の軌跡は、均質リーンモードからストイキモードへの切り替えにも当てはまる。つまり、燃料噴射量の計算に用いる空気量の推定誤差の影響により、空燃比は均質リーンモードの制御目標空燃比から理論空燃比まで単調にリッチ化するとは限らない。例えば、動作点Ｘから動作点Ｙへ至る軌跡のように、一時的に均質リーンモードの制御目標空燃比を超えてリーン化する場合がある。動作点Ｘにおける制御目標空燃比の燃焼限界空燃比に対する余裕代が小さい場合には、空燃比が燃焼限界空燃比を超えてリーン化するおそれもある。また、燃焼モードの切り替えの前後において燃焼限界空燃比が大きく変化する場合にも、動作点Ｘから動作点Ｚへ至る軌跡のように、空燃比が燃焼限界空燃比を超えてリーン化する場合もある。

以上のことから、燃焼モードの切り替え時の燃焼のロバスト性は、制御目標空燃比の燃焼限界空燃比に対する余裕代の大小と、燃焼モードの切り替えの前後での燃焼限界空燃比の変化量の大小とによって決まる。図５は、制御目標空燃比の燃焼限界空燃比に対する余裕代の大小と、燃焼限界空燃比の変化量の大小と、燃焼のロバスト性の高低との関係を示す表である。この表において、「燃焼限界余裕大」とは、ストイキモードから均質リーンモードへの切り替えにおいては、目標動作点が図４に示す燃焼限界余裕大の領域にあることを意味し、均質リーンモードからストイキモードへの切り替えにおいては、現在動作点が図４に示す燃焼限界余裕大の領域にあることを意味する。「燃焼限界余裕小」の意味についても同様である。また、「燃焼限界Ａ／Ｆの変化量大」とは、ストイキモードから均質リーンモードへの切り替えの前後、或いは、均質リーンモードからストイキモードへの切り替えの前後での燃焼限界空燃比の変化量が相対的に大きいことを意味する。「燃焼限界Ａ／Ｆの変化量小」の意味についても同様である。

表に示す通り、「燃焼限界余裕大」且つ「燃焼限界Ａ／Ｆの変化量小」のとき、高い燃焼のロバスト性が得られる。「燃焼限界余裕小」且つ「燃焼限界Ａ／Ｆの変化量大」のとき、燃焼のロバスト性は低くなる。「燃焼限界余裕大」且つ「燃焼限界Ａ／Ｆの変化量大」のとき、及び、「燃焼限界余裕小」且つ「燃焼限界Ａ／Ｆの変化量小」のときは、燃焼のロバスト性は中程の高さとなる。ここに示す燃焼のロバスト性の高低は、燃焼モードの切り替えに係るエンジン制御に課せられる条件であって、その条件の元で、安定した燃焼と燃焼モードの速やかな切り替えとを両立させることが求められる。

４．待機時間の設定
さて、前述のごとく、燃焼モードの切り替えに付随して、タンブル制御弁１２等のアクチュエータの操作量の設定が変更される。均質リーンモードはストイキモードに比較して燃焼のロバスト性が低く、燃料と空気との混合状態は燃焼の安定に大きく影響する。タンブル制御弁１２を閉じて燃焼室６内に強い気流を発生させることで燃料と空気との混合が促進されるが、その混合の促進具合はタンブル制御弁１２を閉じてからの時間に依存する。また、空燃比が均質リーンモードの制御目標空燃比を超えてリーン化されるオーバーシュートは、タンブル制御弁１２の開度の切り替えに伴う空燃比の変動と重なった時に大きくなりやすい。ゆえに、制御装置３０は、ストイキモードから均質リーンモードへ燃焼モードを切り替える場合、まずはタンブル制御弁１２の開度の切り替えを開始し、必要に応じて時間を空けてから燃焼モードの切り替えを開始する。

燃焼モードの切り替えの開始時点での筒内状態をより安定したものにしたいのであれば、タンブル制御弁１２の開度の切り替えの開始から燃焼モードの切り替えの開始までの待機時間は長いほうがよい。しかし、この待機時間を長くするほど、燃焼モードの切り替えの遅れによる燃費性能及び運転性能の低下が起きてしまう。そこで、待機時間を設定する上での指標として用いられるのが、図５の表に示す燃焼モードの切り替え時の燃焼のロバスト性の高低である。燃焼のロバスト性が低ければ、待機時間を長くして筒内状態が安定するのを待つ必要があるが、燃焼のロバスト性が高ければ、筒内状態が安定するのを待つこと無く燃焼モードの切り替えを開始することができる。なお、図５の表では４つに場合分けされているが、より細かく場合分けして燃焼のロバスト性を評価してもよい。

制御装置３０は、ストイキモードから均質リーンモードへ燃焼モードが切り替えられる場合、吸入負荷率、エンジン回転速度、及び燃焼限界空燃比の変化量をパラメータとするマップを用いて上記の待機時間を決定する。吸入負荷率とエンジン回転速度は、エンジン１の目標動作点が、燃焼限界余裕大の領域と燃焼限界余裕小の領域のどちらの領域に位置するのか判断するために用いられる。燃焼限界空燃比の変化量は、現在の動作点における燃焼限界空燃比の値と、目標動作点における燃焼限界空燃比の値との差として算出される。燃焼限界空燃比は、別のマップにおいて、吸入負荷率ごとエンジン回転速度ごとに定められている。

図６は、待機時間の設定に用いるマップの構成を示す図である。待機時間設定用のマップは、吸入負荷率、エンジン回転速度、及び燃焼限界空燃比の変化量を座標軸とする３次元マップであるが、燃焼限界空燃比の変化量に関しては、大、中、小の３つの変化量で区分されている。ここでは、燃焼のロバスト性に関して６つの場合分けが行われ、それぞれの場合について待機時間が設定されている。図６には、燃焼限界空燃比の変化量が大の場合の待機時間の設定を示すマップ（ａ）、燃焼限界空燃比の変化量が中の場合の待機時間の設定を示すマップ（ｂ）、燃焼限界空燃比の変化量が小の場合の待機時間の設定を示すマップ（ｃ）が描かれている。例えばマップ（ａ）では、燃焼限界余裕大の領域の待機時間は０．３秒に設定され、燃焼限界余裕小の領域の待機時間はそれよりも長い０．５秒に設定されている。他のマップ（ｂ）（ｃ）においても、燃焼限界余裕小の領域の待機時間は、燃焼限界余裕大の領域の待機時間よりも長い時間に設定されている。また、３つのマップ（ａ）（ｂ）（ｃ）を比較して分かるように、燃焼限界空燃比の変化量が大きいほど、待機時間はより長い時間に設定されている。

一方、均質リーンモードからストイキモードへの切り替えでは、空燃比が変化している間は、ストイキモードに比較して燃焼のロバスト性が低い状態になっている。この状態での燃焼の安定を保つためには、燃焼モードの切り替えの開始後の暫くの間は、筒内の状態を均質リーンモードに適した状態にしておくことが望ましい。また、均質リーンモードからストイキモードへ空燃比を変化させている過渡状態では、空燃比が燃焼限界空燃比を超えることもあり得るが、これはタンブル制御弁１２の開度の切り替えに伴う空燃比の変動が重なることでさらに助長されてしまう。ゆえに、制御装置３０は、均質リーンモードからストイキモードへ燃焼モードを切り替える場合、まずは燃焼モードの切り替えを開始し、必要に応じて時間を空けてからタンブル制御弁１２の開度の切り替えを開始する。

燃焼モードの切り替え開始後の筒内状態に与えるタンブル制御弁１２の影響を抑えたいのであれば、燃焼モードの切り替えの開始からタンブル制御弁１２の開度の切り替えの開始までの待機時間は長いほうがよい。しかし、この待機時間を長くするほど、タンブル制御弁１２を開いて吸入効率を高めることが遅れるために、燃費性能及び運転性能の低下が起きてしまう。そこで、ストイキモードから均質リーンモードへの切り替えの場合と同様、図５の表に示すように場合分けされる燃焼のロバスト性の高低を指標として、待機時間の設定が行われている。具体的には、制御装置３０は、均質リーンモードからストイキモードへ燃焼モードが切り替えられる場合、吸入負荷率、エンジン回転速度、及び燃焼限界空燃比の変化量をパラメータとするマップを用いて待機時間を決定する。待機時間設定用のマップの構成は、ストイキモードから均質リーンモードへの切り替えの場合と同様、図６で表すことができる。すなわち、待機時間設定用のマップでは、燃焼限界余裕小の領域の待機時間は、燃焼限界余裕大の領域の待機時間よりも長い時間に設定されている。また、燃焼限界空燃比の変化量が大きいほど、待機時間はより長い時間に設定されている。

５．燃焼モード切り替え制御の制御フロー
燃焼モード切り替え制御は、上記のごとく設定された待機時間に基づいて実施される。以下に、制御装置３０が燃焼モード切り替え制御を実施するための制御フローを説明するとともに、その制御フローに実行によって実現されるエンジン１の動作をいくつか例示する。

５−１．ストイキモードから均質リーンモードへの切り替え時の制御フロー
図７は、ストイキモードから均質リーンモードへの燃焼モードの切り替えにおいて、制御装置３０により実施される燃焼モード切り替え制御の制御フローを示すフローチャートである。制御装置３０は、このような制御フローに基づいて作成されたプログラムをＲＯＭから読み出して実行する。

まず、制御装置３０は、ステップＳ１００において、燃焼モードの切り替え要求の有無を判定する。ここでの燃焼モードの切り替え要求とは、ストイキモードから均質リーンモードへの切り替えを意味する。制御装置３０は、エンジン回転速度とトルクとを座標軸とする２次元平面上において、ストイキモードを選択する運転領域から均質リーンモードを選択する運転領域へエンジン１の目標動作点が移動したことをもって、切り替え要求が有ったと判定する。切り替え要求が無ければ、本制御フローは終了する。

燃焼モードの切り替え要求が有る場合、制御装置３０は、ステップＳ１０２の処理を実行する。ステップＳ１０２では、制御装置３０は、アクチュエータの動作を開始する。ここでいうアクチュエータには、タンブル制御弁１２、吸気側可変動弁装置１５、排気側可変動弁装置１８、及び電子サーモスタット２３が含まれる。また、アクチュエータの動作とは、ストイキモードに適した操作量から均質リーンモードに適した操作量へのアクチュエータの操作量の変更に係る動作を意味する。タンブル制御弁１２の場合、開いた状態から閉じた状態への開度の切り替えがここで開始される。

次に、ステップＳ１０４では、制御装置３０は、エンジン回転速度（ＮＥ）、吸入負荷率（ＫＬ）、及び、燃焼限界空燃比の変化量（Δ燃焼限界Ａ／Ｆ）より燃焼モード切り替えまでの待機時間Ｃを決定する。待機時間Ｃの決定には図６に構成を示すようなマップが用いられる。エンジン回転速度と吸入負荷率とを座標軸とする２次元平面上において、燃焼限界余裕大の領域に目標動作点が位置する場合には、待機時間Ｃは相対的に短い時間に設定され、燃焼限界余裕小の領域に目標動作点が位置する場合には、待機時間Ｃは相対的に長い時間に設定される。また、燃焼限界空燃比の変化量が大きい場合は、小さい場合よりも、待機時間Ｃは長い時間に設定される。

次に、ステップＳ１０６では、制御装置３０は、アクチュエータ動作を開始してからの経過時間を示すパラメータＤに初期値であるゼロをセットする。

次に、ステップＳ１０８では、制御装置３０は、上記のパラメータＤの値に、前回ステップＳ１０８の実行後の経過時間Ｔｉを加算する。ステップＳ１０８の処理及び次のステップＳ１１０の判定は一定の周期で繰り返し実行されるため、経過時間Ｔｉにはその周期に相当する一定値が与えられる。

ステップＳ１１０では、制御装置３０は、パラメータＤの値、すなわち、アクチュエータ動作を開始してからの経過時間が、ステップＳ１０４で設定された待機時間Ｃ以上になったかどうか判定する。経過時間が待機時間Ｃに達するまで、制御装置３０は、ステップＳ１０８の処理とステップＳ１１０の判定を繰り返し実行する。

経過時間が待機時間Ｃに達した場合、制御装置３０は、ステップＳ１１２の処理を実行する。ステップＳ１１２では、制御装置３０は、ストイキモードから均質リーンモードへの燃焼モードの切り替えを開始する。詳しくは、制御装置３０は、スロットル開度、噴射弁間の燃料噴射量の分担率、点火時期等、燃焼モードを決定する操作量の変更を開始する。これにより、本制御フローは終了する。

５−２．ストイキモードから均質リーンモードへの切り替え時のエンジンの動作
上記の制御フローが実行された場合、例えば図８乃至図１３にタイムチャートで示すようにエンジン１は動作する。

図８乃至図１０は、等トルクを維持しながらストイキモードから均質リーンモードへ燃焼モードを切り替えたときのエンジン１の動作を示すタイムチャートである。前掲の図３における動作点Ｚが現在動作点で、動作点Ｘが目標動作点であるとき、エンジン１はここに示されているように動作する。各タイムチャートは、上から順に、燃焼モードの切り替えを要求するフラグ、燃焼モードの切り替えを許可するフラグ、トルク（ＴＱ）、吸入負荷率（ＫＬ）、空燃比（Ａ／Ｆ）、スロットル１３の開度（ＴＡ）、タンブル制御弁１２の閉度（ＴＣＶ）の時刻による変化を示している。なお、タンブル制御弁１２の閉度とは、全開を基準としたときのタンブル制御弁１２の閉じ具合を意味する。

図８に示すタイムチャートＡ−１は燃焼のロバスト性が低い場合、図９に示すタイムチャートＡ−２は燃焼のロバスト性が中程の場合、図１０に示すタイムチャートＡ−３は燃焼のロバスト性が高い場合のエンジン１の動作をそれぞれ示している。３つのタイムチャートの違いは、タンブル制御弁１２の動作の開始のタイミング（図中にはＴＣＶ動作開始と示す）から、燃焼モードの切り替え開始のタイミング（図中には燃焼切替開始と示す）までの待機時間の長さにある。タイムチャートＡ−１では、丁度、タンブル制御弁１２の動作による空気量の変動が収まるころに燃焼モードの切り替えが開始されているのに対し、タイムチャートＡ−３では、タンブル制御弁１２の動作の開始と同時に燃焼モードの切り替えが開始されている。タイムチャートＡ−２では、タイムチャートＡ−１とＡ−３の中間の長さの待機時間で燃焼モードが切り替えられている。

なお、タイムチャートＡ−３には、タンブル制御弁１２の動作の開始のタイミングを燃焼モードの切り替え開始のタイミングよりも遅らせている様子が点線で描かれている。燃焼のロバスト性が高く、安定した燃焼が得られる状況では、タンブル制御弁１２の開度の切り替えの開始を燃焼モードの切り替えの開始よりも遅らせることができる。タンブル制御弁１２を全開のままに維持すれば、吸入効率が高い状態を維持することができるので、吸入負荷率を速やかに増大させ、ひいては、空燃比の制御目標空燃比への到達を促進することができる。

図１１乃至図１３は、トルクの減少に合わせてストイキモードから均質リーンモードへ燃焼モードを切り替えたときのエンジン１の動作を示すタイムチャートである。前掲の図３における動作点Ｙが現在動作点で、動作点Ｘが目標動作点であるとき、エンジン１はここに示されているように動作する。図１１に示すタイムチャートＢ−１は燃焼のロバスト性が低い場合、図１２に示すタイムチャートＢ−２は燃焼のロバスト性が中程の場合、図１３に示すタイムチャートＢ−３は燃焼のロバスト性が高い場合のエンジン１の動作をそれぞれ示している。３つのタイムチャートの違いは、タンブル制御弁１２の動作の開始のタイミング（図中にはＴＣＶ動作開始と示す）から、燃焼モードの切り替え開始のタイミング（図中には燃焼切替開始と示す）までの待機時間の長さにある。タイムチャートＢ−１では、丁度、タンブル制御弁１２の動作による空気量の変動が収まるころに燃焼モードの切り替えが開始されているのに対し、タイムチャートＢ−３では、タンブル制御弁１２の動作の開始と同時に燃焼モードの切り替えが開始されている。タイムチャートＢ−２では、タイムチャートＢ−１とＢ−３の中間の長さの待機時間で燃焼モードが切り替えられている。

５−３．均質リーンモードからストイキモードへの切り替え時の制御フロー
図１４は、均質リーンモードからストイキモードへの燃焼モードの切り替えにおいて、制御装置３０により実施される燃焼モード切り替え制御の制御フローを示すフローチャートである。制御装置３０は、このような制御フローに基づいて作成されたプログラムをＲＯＭから読み出して実行する。

まず、制御装置３０は、ステップＳ２００において、燃焼モードの切り替え要求の有無を判定する。ここでの燃焼モードの切り替え要求とは、均質リーンモードからストイキモードへの切り替えを意味する。制御装置３０は、エンジン回転速度とトルクとを座標軸とする２次元平面上において、均質リーンモードを選択する運転領域からストイキモードを選択する運転領域へエンジン１の目標動作点が移動したことをもって、切り替え要求が有ったと判定する。切り替え要求が無ければ、本制御フローは終了する。

燃焼モードの切り替え要求が有る場合、制御装置３０は、ステップＳ２０２の処理を実行する。ステップＳ２０２では、制御装置３０は、均質リーンモードからストイキモードへの燃焼モードの切り替えを開始する。詳しくは、制御装置３０は、スロットル開度、噴射弁間の燃料噴射量の分担率、点火時期等、燃焼モードを決定する操作量の変更を開始する。

次に、ステップＳ２０４では、制御装置３０は、エンジン回転速度（ＮＥ）、吸入負荷率（ＫＬ）、及び、燃焼限界空燃比の変化量（Δ燃焼限界Ａ／Ｆ）よりアクチュエータの動作を開始するまでの待機時間Ｅを決定する。ここでいうアクチュエータには、タンブル制御弁１２、吸気側可変動弁装置１５、排気側可変動弁装置１８、及び電子サーモスタット２３が含まれる。待機時間Ｅの決定には図６に構成を示すようなマップが用いられる。エンジン回転速度と吸入負荷率とを座標軸とする２次元平面上において、燃焼限界余裕大の領域に現在の動作点が位置する場合には、待機時間Ｅは相対的に短い時間に設定され、燃焼限界余裕小の領域に現在の動作点が位置する場合には、待機時間Ｅは相対的に長い時間に設定される。また、燃焼限界空燃比の変化量が大きい場合は、小さい場合よりも、待機時間Ｅは長い時間に設定される。

次に、ステップＳ２０６では、制御装置３０は、燃焼モードの切り替えを開始してからの経過時間を示すパラメータＦに初期値であるゼロをセットする。

次に、ステップＳ２０８では、制御装置３０は、上記のパラメータＦの値に、前回ステップＳ２０８の実行後の経過時間Ｔｉを加算する。ステップＳ２０８の処理及び次のステップＳ２１０の判定は一定の周期で繰り返し実行されるため、経過時間Ｔｉにはその周期に相当する一定値が与えられる。

ステップＳ２１０では、パラメータＦの値、すなわち、燃焼モードの切り替えを開始してからの経過時間が、ステップＳ２０４で設定された待機時間Ｅ以上になったかどうか判定する。経過時間が待機時間Ｅに達するまで、制御装置３０は、ステップＳ２０８の処理とステップＳ２１０の判定を繰り返し実行する。

経過時間が待機時間Ｅに達した場合、制御装置３０は、ステップＳ２１２の処理を実行する。ステップＳ２１２では、制御装置３０は、アクチュエータの動作を開始する。ここでいうアクチュエータの動作とは、均質リーンモードに適した操作量からストイキモードに適した操作量へのアクチュエータの操作量の変更に係る動作を意味する。タンブル制御弁１２の場合、閉じた状態から開いた状態への開度の切り替えがここで開始される。これにより、本制御フローは終了する。

５−４．均質リーンモードからストイキモードへの切り替え時のエンジンの動作
上記の制御フローが実行された場合、例えば図１５乃至図１７にタイムチャートで示すようにエンジン１は動作する。

図１５乃至図１７は、等トルクを維持しながら均質リーンモードからストイキモードへ燃焼モードを切り替えたときのエンジン１の動作を示すタイムチャートである。前掲の図３における動作点Ｘが現在動作点で、動作点Ｚが目標動作点であるとき、エンジン１はここに示されているように動作する。図１５に示すタイムチャートＣ−１は燃焼のロバスト性が低い場合、図１６に示すタイムチャートＣ−２は燃焼のロバスト性が中程の場合、図１７に示すタイムチャートＣ−３は燃焼のロバスト性が高い場合のエンジン１の動作をそれぞれ示している。３つのタイムチャートの違いは、燃焼モードの切り替え開始のタイミング（図中には燃焼切替開始と示す）から、タンブル制御弁１２の動作の開始のタイミング（図中にはＴＣＶ動作開始と示す）までの待機時間の長さにある。タイムチャートＣ−１では、丁度、燃焼モードの切り替えによる空燃比の変動が収まるころにタンブル制御弁１２の動作が開始されているのに対し、タイムチャートＣ−３では、燃焼モードの切り替えの開始と同時にタンブル制御弁１２の動作が開始されている。タイムチャートＣ−２では、タイムチャートＣ−１とＣ−３の中間の長さの待機時間でタンブル制御弁１２の動作が開始されている。

６．燃焼モード切り替え制御の別の実施の形態
待機時間の設定に用いる情報として、制御目標空燃比の燃焼限界空燃比に対する余裕代と、燃焼限界空燃比の変化量とに加えて、吸入負荷率の変化量を用いてもよい。詳しくは、現在動作点の吸入負荷率と目標動作点の吸入負荷率との間の変化量の大小によって、待機時間の設定を変更してもよい。燃焼の不安定は、吸入負荷率が大きく変化する過度状態で起きやすいからである。以下に、吸入負荷率の変化量を待機時間の設定のための情報として用いた場合の制御フローについて説明する。

６−１．ストイキモードから均質リーンモードへの切り替え時の制御フロー
図１８は、ストイキモードから均質リーンモードへの燃焼モードの切り替えにおいて、制御装置３０により実施される燃焼モード切り替え制御の制御フローを示すフローチャートである。図７に示す制御フローにおける処理と同一の処理を行うステップには、共通するステップ番号を付している。

図７に示す制御フローと図１８に示す制御フローとの違いは、アクチュエータ動作を開始した後、ステップＳ１０４乃至Ｓ１１０の処理の前にステップＳ１０３の判定を行うことにある。ステップＳ１０３では、制御装置３０は、現在動作点の吸入負荷率と目標動作点の吸入負荷率との間の変化量（ΔＫＬ）の大きさを計算し、吸入負荷率の変化量が所定値以上かどうか判定する。そして、吸入負荷率の変化量が所定値以上である場合、制御装置３０は、ステップＳ１０４乃至Ｓ１１０の処理を実行する。この処理により、燃焼限界余裕大の領域と燃焼限界余裕小の領域のどちらに目標動作点が位置するかと、現在動作点と目標動作点との間の燃焼限界空燃比の変化量の大小とにより、アクチュエータ動作を開始してから燃焼モードの切り替えを開始するまでの待機時間が調整される。

一方、吸入負荷率の変化量が所定値より小さい場合、制御装置３０は、ステップＳ１０４乃至Ｓ１１０の処理をスキップし、ステップＳ１１２の処理を実行する。すなわち、制御装置３０は、アクチュエータ動作の開始とともに燃焼モードの切り替えを開始する。このように吸入負荷率の変化量に応じて待機時間の設定を変更することにより、吸入負荷率の変化が大きい過渡状態での燃焼の安定を担保しつつ、吸入負荷率の変化が小さくて比較的燃焼が安定するときには、ストイキモードから均質リーンモードへ速やかに切り替えることができる。

６−２．均質リーンモードからストイキモードへの切り替え時の制御フロー
図１９は、均質リーンモードからストイキモードへの燃焼モードの切り替えにおいて、制御装置３０により実施される燃焼モード切り替え制御の制御フローを示すフローチャートである。図１４に示す制御フローにおける処理と同一の処理を行うステップには、共通するステップ番号を付している。

図１４に示す制御フローと図１９に示す制御フローとの違いは、燃焼モードの切り替えを開始した後、ステップＳ２０４乃至Ｓ２１０の処理の前にステップＳ２０３の判定を行うことにある。ステップＳ２０３では、制御装置３０は、現在動作点の吸入負荷率と目標動作点の吸入負荷率との間の変化量（ΔＫＬ）の大きさを計算し、吸入負荷率の変化量が所定値以上かどうか判定する。そして、吸入負荷率の変化量が所定値以上である場合、制御装置３０は、ステップＳ２０４乃至Ｓ２１０の処理を実行する。この処理により、燃焼限界余裕大の領域と燃焼限界余裕小の領域のどちらに現在動作点が位置するかと、現在動作点と目標動作点との間の燃焼限界空燃比の変化量の大小とにより、燃焼モードの切り替えを開始してからアクチュエータ動作を開始するまでの待機時間が調整される。

一方、吸入負荷率の変化量が所定値より小さい場合、制御装置３０は、ステップＳ２０４乃至Ｓ２１０の処理をスキップし、ステップＳ２１２の処理を実行する。すなわち、制御装置３０は、燃焼モードの切り替えの開始とともにアクチュエータ動作を開始する。このように吸入負荷率の変化量に応じて待機時間の設定を変更することにより、吸入負荷率の変化が大きい過渡状態での燃焼の安定を担保しつつ、吸入負荷率の変化が小さくて比較的燃焼が安定するときには、アクチュエータ動作の速やかな切り替えによって燃費性能や運転性能を向上させることができる。

７．その他
図１８及び図１９に示す制御フローでは、吸入負荷率の変化量により待機時間を設けるか設けないかを決めているが、変速機の変速中かどうかによって待機時間を設けるか設けないかを決めてもよい。つまり、負荷が急変する変速機の変速中のみ、待機時間を設けるようにしてもよい。また、燃焼の悪化が検出された場合のみ、待機時間を設けるようにしてもよい。燃焼の悪化は、例えば、エンジン回転速度の変動、熱発生率の波形の変動、空燃比の変動、排気温度の変動、ＮＯｘ発生量の変動等から検出することができる。

上記の実施の形態では、エンジン１はタンブル制御弁１２を備えているが、本発明は気流制御弁としてスワール制御弁を備えるエンジンにも適用することができる。

１ エンジン
４ シリンダ
６ 燃焼室
１０ 吸気ポート
１２ タンブル制御弁
１３ スロットル
１４ 吸気バルブ
１６ 排気ポート
１７ 排気バルブ
３０ 制御装置

Claims (8)

1. 燃料と空気とを理論空燃比よりも燃料リーンな空燃比で且つ均質に混ざった状態で燃焼させる均質リーンモードと、燃料と空気とを理論空燃比で燃焼させるストイキモードとの間で燃焼モードを切り替え可能な内燃機関において、
   吸気通路に設けられ、燃焼室内に発生する気流の強さを弁の開度によって制御する気流制御弁と、
   少なくとも前記気流制御弁を操作する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、前記燃焼モードとして前記均質リーンモードを選択する場合は、前記燃焼モードとして前記ストイキモードを選択する場合よりも、前記燃焼室内に強い気流が発生するように、前記燃焼モードの選択に応じて前記気流制御弁の開度を切り替えるように構成され、且つ、
   前記制御装置は、前記ストイキモードから前記均質リーンモードへ前記燃焼モードを切り替える場合は、前記気流制御弁の開度の切り替えの開始後に前記燃焼モードの切り替えを開始するように構成され、なお且つ、
   前記制御装置は、前記ストイキモードから前記均質リーンモードへの前記燃焼モードの切り替えにおいて、エンジン回転速度と吸入負荷率とで定義される前記内燃機関の運転領域のうち低吸入負荷率域を除き少なくとも中吸入負荷率中回転速度域を含む範囲に設定された所定運転領域の外に前記内燃機関の目標動作点が位置する場合には、前記所定運転領域の中に前記目標動作点が位置する場合よりも、前記気流制御弁の開度の切り替えの開始から前記燃焼モードの切り替えの開始までの待機時間を長くするように構成され、
   前記所定運転領域は、安定した燃焼が得られる空燃比の範囲の燃料リーン側の限界値である燃焼限界空燃比が前記低吸入負荷率域よりも大きい領域に設定されている
   ことを特徴とする内燃機関。
2. 前記制御装置は、前記ストイキモードから前記均質リーンモードへの前記燃焼モードの切り替えにおいて、現在動作点と前記目標動作点との間で吸入負荷率が所定値以上変化する場合には、吸入負荷率が前記所定値以上変化しない場合に比較して、前記気流制御弁の開度の切り替えの開始から前記燃焼モードの切り替えの開始までの待機時間を長くするように構成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記制御装置は、前記燃焼限界空燃比をエンジン回転速度ごと吸入負荷率ごとに記憶するように構成され、且つ、
   前記制御装置は、前記ストイキモードから前記均質リーンモードへの前記燃焼モードの切り替えにおいて、前記燃焼限界空燃比の前記目標動作点における値と現在動作点における値との差が大きい場合には、当該差が小さい場合よりも、前記気流制御弁の開度の切り替えの開始から前記燃焼モードの切り替えの開始までの待機時間を長くするように構成されている
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関。
4. 前記制御装置は、前記ストイキモードから前記均質リーンモードへの前記燃焼モードの切り替えにおいて、前記現在動作点と前記目標動作点との間で吸入負荷率が増大し、且つ、前記所定運転領域の中に前記目標動作点が位置し、なお且つ、前記燃焼限界空燃比の前記目標動作点における値と前記現在動作点における値との偏差が所定値以下である場合には、前記気流制御弁の開度の切り替えの開始を前記燃焼モードの切り替えの開始よりも遅らせるように構成されている
   ことを特徴とする請求項３に記載の内燃機関。
5. 前記制御装置は、前記燃焼限界空燃比と前記均質リーンモードにおける制御目標空燃比とをエンジン回転速度ごと吸入負荷率ごとに記憶するように構成され、
   前記制御目標空燃比に対する前記燃焼限界空燃比の余裕代が所定値以上となる動作点の集合が前記所定運転領域として定められている
   ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の内燃機関。
6. 前記制御装置は、前記均質リーンモードから前記ストイキモードへ前記燃焼モードを切り替える場合は、前記燃焼モードの切り替えの開始後に前記気流制御弁の開度の切り替えを開始するように構成され、且つ、
   前記制御装置は、前記均質リーンモードから前記ストイキモードへの前記燃焼モードの切り替えにおいて、前記所定運転領域の外に前記内燃機関の現在動作点が位置する場合には、前記所定運転領域の中に前記現在動作点が位置する場合よりも、前記燃焼モードの切り替えの開始から前記気流制御弁の開度の切り替えの開始までの待機時間を長くするように構成されている
   ことを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の内燃機関。
7. 前記制御装置は、前記均質リーンモードから前記ストイキモードへの前記燃焼モードの切り替えにおいて、前記現在動作点と前記目標動作点との間で吸入負荷率が所定値以上変化する場合には、吸入負荷率が前記所定値以上変化しない場合に比較して、前記燃焼モードの切り替えの開始から前記気流制御弁の開度の切り替えの開始までの待機時間を長くするように構成されている
   ことを特徴とする請求項６に記載の内燃機関。
8. 前記制御装置は、前記燃焼限界空燃比をエンジン回転速度ごと吸入負荷率ごとに記憶するように構成され、且つ、
   前記制御装置は、前記均質リーンモードから前記ストイキモードへの前記燃焼モードの切り替えにおいて、前記燃焼限界空燃比の前記目標動作点における値と前記現在動作点における値との差が大きい場合には、当該差が小さい場合よりも、前記燃焼モードの切り替えの開始から前記気流制御弁の開度の切り替えの開始までの待機時間を長くするように構成されている
   ことを特徴とする請求項６又は７に記載の内燃機関。

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