JP3882630B2 - 火花点火式直噴エンジンの制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼室内の空燃比が理論空燃比よりも大きいリーン状態の燃焼モードおいて、上記吸気量調節手段の下流側で吸気通路を絞ることによりタンブル流の強度を高めた状態で、このタンブル流に対向させるように燃料を噴射して点火時に点火プラグの周りに可燃混合気を成層化させるように構成された火花点火式直噴エンジンの制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば特開２０００−２０４９５４号公報に示されるように、気筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、燃焼室内におけるタンブル流の強度を調節するための空気流動調節弁とを有し、上記タンブル流に対向させるように燃料を噴射して点火時に点火プラグの周りに可燃混合気を成層化させるように構成された火花点火式直噴内燃機関の制御装置において、上記空気流動調節弁の開度と、燃料噴霧の圧力とを機関の回転数に応じて制御する制御手段を設け、上記タンブル流の強度と燃料噴霧の有するエネルギーとをバランスさせることが行われている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記公報に開示された火花点火式直噴エンジンの制御装置では、エンジンの運転状態が急変することのない通常運転時に、燃焼室内で形成されるタンブル流の強度と、燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧の圧力とをバランスさせることにより、点火プラグ周りに適正な混合気層を形成することが可能である。しかし、エンジンの運転状態が急変する過渡期、例えば燃焼室内の空燃比を理論空燃比よりも大きいリーン状態の成層燃焼モードと、略理論空燃比ないし理論空燃比よりも小さいリッチ状態の均一燃焼モードとの間で、燃焼モードが切り替えられる切替過渡期等に、上記タンブル流の強度と燃料噴霧の圧力とを適正にバランスさせることが困難であるという問題があった。
【０００４】
すなわち、上記燃焼モードの切替時に、燃料噴射弁から噴射される燃料の噴射形態は、燃料モードの切替が開始された時点で迅速に変化するのに対し、燃焼室内に供給される吸気量を調節するスロットル弁等からなる吸気量調節手段の作動状態は、切替後の燃焼モードに適合した状態となるまでに所定の応答遅れが生じることになる。このため、上記燃焼モードの切替過渡期に、燃焼室内で形成されるタンブル流の強度と、燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧の圧力とのバランスが崩れることに起因して燃焼安定性が低下し易いとともに、エミッション性が悪化し易いという問題があった。
【０００５】
上記の弊害を防止するため、リーン状態の成層燃焼モードからリッチ状態の均一燃焼モードへの切替時に、スロットル弁を閉方向に駆動する操作が終了するまで、燃料の噴射形態を切替前の状態に保持し、スロットル弁の閉止操作が終了した時点で、リッチ状態の燃料モードに適合した噴射形態に切り替えることも行われているが、このように構成した場合には、上記燃焼モードの切替過渡期にスロットル弁が閉止されるのに応じ、燃焼室内に導入される吸気量が減少することに起因してタンブル流の強度と燃料噴霧の圧力とのバランスが崩れ易く、燃焼安定性が低下し易い等の問題があった。
【０００６】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、燃焼モードの切替過渡期等に、燃焼室内で形成されるタンブル流の強度と、燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧の圧力とを適正にバランスさせることにより、燃焼安定性の低下や、エミッション性の悪化を効果的に防止することができる火花点火式直噴エンジンの制御装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、燃料の噴射状態を制御する噴射制御手段と、吸気通路の途中に設けられた吸気量調節手段と、この吸気量調節手段により吸気量を調節して燃焼室内の空燃比を理論空燃比よりも大きいリーン状態と略理論空燃比ないし理論空燃比よりも小さいリッチ状態とに燃焼モードを切り替えるように制御するモード切替手段と、上記吸気量調節手段の下流側における吸気通路の絞り状態を変化させてタンブル流の強度を調節するタンブル流調節手段とを備え、少なくとも燃焼室内の空燃比が理論空燃比よりも大きいリーン状態の燃焼モードでは、上記タンブル流の強度を高めた状態で、このタンブル流に対向させるように燃料を噴射して点火時に点火プラグの周りに可燃混合気を成層化させるように構成された火花点火式直噴エンジンの制御装置において、上記リーン状態の燃焼モードからリッチ状態の燃焼モードへの切替過渡期に、燃焼室内の空燃比が上記リッチ状態の燃焼モードに略対応した値となるまで、リーン状態の燃焼モードに適合した燃料の噴射形態を維持しつつ、上記タンブル流調節手段による吸気通路の絞り状態を、さらに強化するように上記タンブル流調節手段を制御するものである。
【０００８】
上記構成によれば、吸気量の多いリーン状態の燃焼モードから、吸気量の少ないリッチ状態の燃焼モードへの切替過渡期に、吸気充填量に適合した燃料の噴射形態が維持されつつ、上記タンブル流調節手段の下流側における吸気通路の絞り状態が強化されることにより、燃焼室内におけるタンブル流の強度低下が防止されて点火プラグ周りにおける混合気の成層度が確保されるため、燃焼安定性の低下およびエミッション性の悪化が防止されることになる。
【０００９】
請求項２に係る発明は、上記請求項１記載の火花点火式直噴エンジンの制御装置において、吸気量調節手段の動作に応じて吸気圧が変化する吸気通路に接続された排気還流通路と、この排気還流通路に設けられたＥＧＲ弁とを有し、リーン状態の燃焼モードからリッチ状態の燃焼モードへの切替過渡期に、上記吸気量調節手段の閉止動作に応じて吸気圧が低下する前に上記ＥＧＲ弁の開度を予め設定されたリッチ状態の燃焼モードに対応した値に設定するものである。
【００１０】
上記構成によれば、リーン状態の燃焼モードからリッチ状態の燃焼モードへの切替過渡期に、上記ＥＧＲ弁が早期に閉方向に駆動されることにより、多量の既燃ガスが吸気通路に還流されることが防止されるため、燃焼安定性の低下およびエミッション性の悪化が効果的に防止されることになる。
【００１１】
請求項３に係る発明は、上記請求項１または２記載の火花点火式直噴エンジンの制御装置において、タンブル流調節手段をタンブル流調節弁によって構成し、リーン状態の燃焼モードからリッチ状態の燃焼モードへの切替過渡期に、上記タンブル流調節弁の設置部における吸気圧の変化状態を予測し、この吸気圧の予測値が低下するのに対応させて上記タンブル流調節弁を閉方向に駆動するものである。
【００１２】
上記構成によれば、リーン状態の燃焼モードからリッチ状態の燃焼モードへの切替過渡期に、吸気圧の予測値に応じてタンブル流調節弁の閉止量が調節されることにより、燃焼室内におけるタンブル流の強度低下が効果的に防止されて点火プラグ周りにおける混合気の成層度が適正状態に維持されることになる。
【００１３】
請求項４に係る発明は、上記請求項１〜３のいずれかに記載の火花点火式直噴エンジンの制御装置において、リーン状態の燃焼モードからリッチ状態の燃焼モードへの切替過渡期に、燃焼室内の空燃比が上記リッチ状態の燃焼モードに略対応した値となった時点で、リッチ状態の燃焼モードに適合した燃料の噴射形態に切り替えるとともに、タンブル流調節手段による吸気通路の絞り状態を通常の制御状態に対応した値に設定するものである。
【００１４】
上記構成によれば、リーン状態の燃焼モードからリッチ状態の燃焼モードへの切替過渡期に、燃焼室内の空燃比が上記リッチ状態の燃焼モードに略対応した値、つまり略理論空燃比ないし理論空燃比よりも小さい値となった時点で、燃料の噴射形態がリッチ状態の燃焼モードに対応した噴射形態に切り替えられるとともに、吸気量調節手段の下流側における吸気通路の絞り量が通常の制御状態に対応した値に設定されることにより、上記リッチ状態の燃焼モード制御が適正に実行されることになる。
【００１５】
請求項５に係る発明は、燃料の噴射状態を制御する噴射制御手段と、吸気通路の途中に設けられた吸気量調節手段と、この吸気量調節手段により吸気量を調節して燃焼室内の空燃比を理論空燃比よりも大きいリーン状態に制御する吸気量制御手段と、上記吸気量調節手段の下流側における吸気通路の絞り状態を変化させてタンブル流の強度を調節するタンブル流調節手段とを備え、少なくとも燃焼室内の空燃比が理論空燃比よりも大きいリーン状態の燃焼モードにある場合に、上記タンブル流の強度を高めた状態で、このタンブル流に対向させるように燃料を噴射して点火時に点火プラグの周りに可燃混合気を成層化させるように構成された火花点火式直噴エンジンの制御装置において、上記リーン状態の燃焼モードで、上記吸気量調節手段により吸気量を変化させて燃焼室内の空燃比を一時的に略理論空燃比または理論空燃比よりも小さいリッチ状態とするリッチスパイク制御手段を有し、このリッチスパイク制御の実行中に、少なくとも圧縮行程で燃料を噴射するとともに、上記吸気量調節手段の下流側における吸気通路の絞り状態を、リッチスパイク制御の実行前と同等ないしそれよりも強化するものである。
【００１６】
上記構成によれば、リーン状態の燃焼モードにおけるリッチスパイク制御の実行中に、少なくとも圧縮行程で燃料が噴射されるとともに、上記タンブル流調節手段の下流側における吸気通路の絞り状態がリッチスパイク制御の実行前と同等ないしそれよりも強化されることにより、燃焼室内におけるタンブル流の強度低下が防止されて混合気の成層度が確保された状態で、上記リッチスパイク制御が適正に実行されることになる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施形態に係る制御装置を備えた火花点火式直噴エンジンの全体的な構成を示している。この図において、上記エンジン本体１は、複数の気筒２が配設されたシリンダブロック３と、このシリンダブロック３上に配設されたシリンダヘッド４とを有し、各気筒２内には、ピストン５が上下方向に往復動可能に嵌装され、このピストン５とシリンダヘッド４との間に燃焼室６が形成されている。上記ピストン５は、シリンダブロック３の下方に配設されたクランク軸７に、コネクティングロッド８を介して連結されている。上記クランク軸７の一端部側には、クランク角（クランク軸７の回転角度）を検出する電磁式のクランク角センサ９が配設されている。
【００１８】
上記各気筒２の燃焼室６は、その天井部が中央部分からシリンダヘッド４の下端まで延びる二つの傾斜面で構成された所謂ペントルーフ型となっている。この燃焼室６の天井部を構成する二つの傾斜面には、吸気ポート１０および排気ポート１１がそれぞれ二つずつ開口し、各ポート１０，１１の開口端には、吸気弁１２および排気弁１３がそれぞれ設けられている。これらの吸気弁１２および排気弁１３は、シリンダヘッド４の上部に軸支された二本のカム軸等からなる動弁機構１４により、それぞれ各気筒２毎に所定のタイミングで開閉作動されるようになっている。
【００１９】
上記燃焼室６の中央部上方には、上記四つの吸気弁１２および排気弁１３により取り囲まれるように点火プラグ１６が配設され、この点火プラグ１６の先端部が上記天井部から燃焼室６内に突出している。上記点火プラグ１６には点火回路１７が接続され、この点火回路１７から各気筒２毎に所定のタイミングで点火プラグ１６に通電されるようになっている。
【００２０】
また、燃焼室６の周縁部には、二つの吸気ポート１０に挟まれるように燃料噴射弁１８が配置され、この燃料噴射弁１８から燃焼室６内に直接燃料が噴射されるようになっている。上記燃料噴射弁１８の基端部には、全気筒２に共通の燃料分配管１９が接続され、燃料供給系２０から供給される高圧の燃料が上記燃料分配管１９を介して各気筒２に分配されるようになっている。
【００２１】
上記燃料供給系２０は、図２に示すように、燃料分配管１９と燃料タンク２１とを連通させる燃料通路２２の上流側から下流側に向かって、低圧ポンプ２３、低圧レギュレータ２４、燃料フィルタ２５および高圧ポンプ２６が順に配設されている。そして、上記低圧ポンプ２３により燃料タンク２１から吸い上げられた燃料が、低圧レギュレータ２４により調圧された後、燃料フィルタ２５により濾過された状態で高圧ポンプ２６に圧送される。この高圧ポンプ２６は、燃料の吐出量を広い範囲に亘って調節可能な電磁ポンプ等からなり、燃料分配管１９への燃料の吐出量を調節することにより、燃料の噴射圧力を適正値（例えば略３ＭＰａ〜略１３ＭＰａ、好ましくは４ＭＰａ〜７ＭＰａ程度）に制御するように構成されている。なお、上記高圧ポンプ２６によって昇圧された燃料の一部を、リターン通路から燃料タンク２１に戻すことにより、上記燃料分配管１９に供給される燃料の圧力状態を適正値に調節する高圧レギュレータを設けた構成としてもよい。
【００２２】
上記エンジン本体１の構造を、図３に示す拡大断面図を参照しつつ、さらに詳しく説明すると、上記吸気ポート１０が燃焼室６から斜め上方に向かって直線的に延びるとともに、エンジン本体１の一側面に開口しており、二つの吸気ポート１０（その一方は図示せず）が互いに独立して形成されている。これらの吸気ポート１０によりタンブル生成手段が構成され、吸気ポート１０を通って燃焼室６内に流入する吸気により、タンブル流Ｔが生成されるようになっている。
【００２３】
また、上記燃料噴射弁１８からの燃料の噴射方向は、燃焼室６内のタンブル流Ｔに逆行するように設定されている。すなわち、図３に示す断面において、燃焼室６の右側に位置する燃料噴射弁１８から斜め左下方に向けて燃料が噴射されることにより、この噴射された燃料がピストン５の冠面上でタンブル流Ｔと逆行するように、燃料の噴射方向が設定されている。
【００２４】
また、図１に示すように、各気筒２の吸気ポート１０にそれぞれ連通するように吸気通路３１がエンジン本体１の一側面部に接続されるとともに、各気筒２の排気ポート１１にそれぞれ連通するように排気通路３２がエンジン本体１の他側面部に接続されている。
【００２５】
上記吸気通路３１は、エンジン本体１の各気筒２の燃焼室６に対して図外のエアクリーナで濾過した吸気を供給するものであり、その上流側から順に、吸気量を検出するホットワイヤ式のエアフローセンサ３３と、電動モータ３５により駆動されて開閉する電気式のスロットル弁３４と、サージタンク３６とが配設されている。また、上記サージタンク３６よりも下流側の吸気通路３１は、各気筒２毎に分岐する独立吸気通路とされ、各独立吸気通路の下流側部は、さらに二つに分岐して上記両吸気ポート１０にそれぞれ連通している。
【００２６】
上記各吸気ポート１０の上流側には、燃焼室６内におけるタンブル流の強さを調節するタンブル流調節弁３７が配設され、このタンブル流調節弁３７が、例えばステッピングモータからなるアクチュエータ３８により開閉駆動されるようになっている。上記タンブル流調節弁３７は、円形のバタフライ弁の一部、例えば弁軸よりも下側の部分を切り欠くことによって形成され、タンブル流調節弁３７が閉じられているときに、上記切欠き部分を介して吸気を下流側に流動させることにより、燃焼室６内に強いタンブル流Ｔを形成し、上記タンブル流調節弁３７が開かれるのに応じてタンブル流Ｔの強度を徐々に弱めるように構成されている。
【００２７】
なお、上記吸気ポート１０やタンブル流調節弁３７の形状は、上記形状に限定されるものではなく、例えば吸気ポート１０を、上流側で一つに合流する所謂コモンポートタイプに構成してもよい。この場合、上記タンブル流調節弁３７は、コモンポートの断面形状に対応する形状のものをベースとして、その一部分を切り欠いた形状とすればよい。
【００２８】
一方、上記排気通路３２は、燃焼室６の外部に既燃ガスを導出するものであり、その上流側には各気筒２の排気ポート１１に連通する排気マニフォールド３９を備えている。この排気マニフォールド３９の集合部には、排気中の酸素濃度を検出するリニアＯ2センサ４０が配設されている。このリニアＯ2センサ４０は、排気中の酸素濃度に基づいて空燃比を検出するために用いられ、理論空燃比を含む所定の空燃比範囲で酸素濃度に対してリニアな出力が得られるものである。
【００２９】
上記排気マニフォールド３９の集合部には、排気管４１の上流端が接続され、この排気管４１の下流側には排気を浄化するためのＮＯｘ浄化触媒４２および三元触媒４３が設けられるとともに、両触媒４２，４３の間に、排気温度を検出する排気温センサ４４が配設されている。また、上記排気管４１の上流側には、排気通路３２を流れる排気の一部を吸気通路３１に還流させるＥＧＲ通路４５の上流端が接続されている。このＥＧＲ通路４５の下流端は、上記電気式スロットル弁３４の下流側で吸気通路３１に接続され、上記ＥＧＲ通路４５の途中には、開閉駆動されることにより排気の還流量を調節する電気式のＥＧＲ弁４６と、排気を冷却するＥＧＲクーラ４７とが配設されている。
【００３０】
上記点火回路１７、燃料噴射弁１８、燃料供給系２０、スロットル弁３４を駆動する電動モータ３５、タンブル流調節弁３７のアクチュエータ３８および上記電気式のＥＧＲ弁４６等は、エンジンコントロールユニット（以下ＥＣＵという）５０によって制御されるように構成されている。一方、上記ＥＣＵ５０には、クランク角センサ９、エアフローセンサ３３、Ｏ2センサ４０および排気温センサ４４等からの信号が入力され、さらにサージタンク３６内の吸気負圧を検出するブーストセンサ２８の検出信号と、吸気温度を検出する吸気温度センサ２９の検出信号と、大気圧センサ３０の検出信号と、アクセルペダルの操作量に対応したアクセル開度を検出するアクセル開度センサ４８からの検出信号と、エンジンの回転速度を検出する回転速度センサ４９からの検出信号とが入力されるようになっている。
【００３１】
そして、上記ＥＣＵ５０は、各センサから入力された信号に基づいて、上記燃料噴射弁１８による燃料の噴射量、噴射時期および噴射圧力と、上記スロットル弁３４により調節される吸気量と、上記タンブル流調節弁３７により調節されるタンブル流Ｔの強度と、電気式のＥＧＲ制御弁４６により調節される排気の還流量等を、それぞれエンジンの運転状態に応じて制御するように構成されている。
【００３２】
具体的には、エンジンの温間状態で、例えば図４に一例を示すように、図の太線で矩形に囲繞された低負荷かつ低回転の運転領域（イ）が成層燃焼領域とされ、燃料噴射弁１８により気筒２の圧縮行程における所定時期（例えば圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）４０°〜１４０°の範囲）に燃料を噴射して点火プラグ１６の近傍に混合気が層状に偏在する状態で燃焼させる成層燃焼モードとなる。この成層燃焼モードでは、空燃比のリーン化および吸気損失の低減化のためにスロットル弁３４の開度を相対的に大きくするようにしており、このときの燃焼室６の平均的な空燃比は理論空燃比よりもリーンな状態（例えばＡ／Ｆ＞２５）になる。
【００３３】
一方、上記成層燃焼領域以外の領域（ロ）は、均一燃焼領域とされ、燃料噴射弁１８により気筒２の吸気行程で燃料を噴射して吸気と充分に混合し、燃焼室６に均一な混合気を形成した上で燃料させる均一燃焼モードとなる。この均一燃焼モードでは、例えば大部分の運転領域において混合気の空燃比が略理論空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．７）になるように、燃料噴射量やスロットル弁３４の開度が制御されるが、特に全負荷運転状態では、空燃比を理論空燃比よりもリッチな状態（例えばＡ／Ｆ＝１３程度）に制御することにより、高負荷に対応した大出力が得られるようにしている。
【００３４】
さらに、エンジンの温間状態で同図の斜線に示す領域では、電気式のＥＧＲ弁４６を開弁して、ＥＧＲ通路４５から排気の一部を吸気通路３１に還流させるようにしている。この際、上記ＥＧＲ弁４６の開度を、エンジンの負荷状態および回転速度に応じ、少なくとも高負荷側ほど排気の還流割合（以下、ＥＧＲ率という）が小さくなるように調節する。これにより、エンジンの燃焼安定性を損なうことなく、排気の還流によりＮＯｘの生成が抑制されるようになっている。
【００３５】
また、エンジンの冷間状態では、燃焼安定性の確保を最優先とし、エンジンの全ての運転領域で均一燃焼状態、または均一燃焼と成層燃焼との中間状態（弱成層燃焼状態）とするとともに、電気式のＥＧＲ弁４６を全閉とするようにしている。なお、上記ＥＧＲ率としては、例えば上記ＥＧＲ通路４５から吸気通路３１に還流される排気還流量の新気量に対する割合を用いればよい。ここで、新気というのは、気筒２に吸入される気体のうちから上記還流排気や燃料ガス等を除いた外気のことである。
【００３６】
図５は、上記ＥＣＵ５０に機能的に含まれる手段の構成を示している。上記ＥＣＵ５０は、吸気温度センサ２９および大気圧センサ３０からの信号等に基づいてエアフロー部の吸気密度ganmaおよび吸気ポート部の吸気密度ganmapを検出する吸気密度状態検出手段５１を有するとともに、上記エンジン回転数センサ４８およびアクセル開度センサ４９からの信号に基づき、上記吸気密度の状態を加味して、目標負荷に相当する値を設定する目標負荷設定手段５２を有している。
【００３７】
上記目標負荷設定手段５２は、図６に示すように、仮想体積効率演算手段５２ａ、仮想充填効率演算手段５２ｂ、なまし処理手段５２ｃ、目標図示平均有効圧力演算手段５２ｄおよびアイドリング負荷補正手段５２ｅを含んでいる。
【００３８】
上記仮想体積効率演算手段５２ａは、アクセル開度accelおよびエンジン回転数neに応じて仮想体積効率veimgを求める。この場合、予めベンチテスト等により標準大気状態下で、かつ空燃比を理論空燃比に保った標準運転条件下において要求される出力性能が得られるように、アクセル開度accelおよびエンジン回転数neと仮想体積効率veimgとの対応関係が定められ、その対応関係がマップとしてＥＣＵ５０内のメモリに記憶されており、このメモリから実際のアクセル開度accelおよびエンジン回転数neに対応した仮想体積効率veimgが求められる。
【００３９】
上記アクセル開度accelおよびエンジン回転数neと仮想体積効率veimgとの対応関係は、例えば図７に示すようになる。すなわち、仮想体積効率veimgは、アクセル開度accelが大きくなるにつれて増加し、かつ、エンジン低速側ほど大きめとなるように設定されている。
【００４０】
また、図６において上記仮想充填効率演算手段５２ｂは、上記仮想体積効率veimgに対し、吸気密度状態検出手段５１で求められた吸気密度を加味して仮想充填効率ceimgを求める。これにより、空燃比を理論空燃比に保つ標準運転条件を想定した場合の要求エンジントルクに見合う充填効率が仮想充填効率ceimgとして求められる。
【００４１】
なまし処理手段５２ｃは、上記仮想充填効率ceimgを、次式（１）に基づく一次遅れ補正によりなまし処理するように構成されている。
ceimgd＝（１−α）・ceimg＋α・ceimgd[i-1] …（１）
なお、上記演算式（１）において、ceimgd[i-1]はceimgdの前回値、αは係数（０＜α＜１）である。
【００４２】
また、目標図示平均有効圧力演算手段５２ｄは、上記仮想充填効率ceimgからこれに対応した値である目標図示平均有効圧力を求め、これを目標負荷とする。この場合、なまし処理されない仮想充填効率ceimgから第１の目標図示平均有効圧力Piobjが、また、なまし処理された仮想充填効率ceimgdから第２の目標図示平均有効圧力Piobjdが、それぞれ次式（２ａ），（２ｂ）に基づいて演算される。なお、K1，K2は、予めエンジン毎に設定された所定の係数である。
Piobj＝K1×ceimg＋K2… （２ａ）
Piobjd＝K1×ceimgd＋K2 …（２ｂ）
【００４３】
アイドリング負荷補正手段５２ｅは、アイドル運転時にエアコン等の外部負荷が加わったときなどにそれに見合う程度にエンジントルクを高めるべくアイドリング負荷補正値を求め、目標図示平均有効圧力の演算に先立って上記仮想充填効率ceimg，ceimgdを補正するようになっている。
【００４４】
図５に示すＥＣＵ５０は、さらに基本的な燃焼モードmodsを設定し、必要に応じてエンジンの燃焼モードを切り替える制御を実行する運転モード設定手段５３からなるモード切替手段を有している。
【００４５】
運転モード設定手段５３は、上記目標負荷図示平均有効圧力演算手段５２ｄにおいて求められた第１の目標図示平均有効圧力Piobjとエンジン回転数neとに応じて基本的な燃焼モードmodsを設定する。すなわち、第１の目標図示平均有効圧力Piobjが所定の低負荷側閾値より低く、かつ、エンジン回転数neが低い領域（図４の成層燃焼領域Ａに対応した領域）では成層燃焼モードに設定され、それ以外の領域（図４の均一燃焼領域Ｂに対応した領域）では、均一燃焼モードに設定される。
【００４６】
さらにＥＣＵ５０は、エンジン出力に関係する各種制御値を決定する制御手段を有し、当実施形態では、スロットル弁３４で調節される吸気量、ＥＧＲ弁４６で調節されるＥＧＲ流量、燃料噴射弁１８からの燃料噴射量、燃料噴射時期および点火プラグ１６の点火時期が制御対象とされ、これら制御対象の制御値が目標負荷およびエンジン回転数ne等に応じて決定される。この場合、上記制御対象のうち低速応答系の制御値を決定するための目標負荷としては第１の目標図示平均有効圧力Piobjが用いられ、高速応答系の制御値を決定するための目標負荷としては第２の目標図示平均有効圧力Piobjdが用いられる。
【００４７】
すなわち、上記各制御対象のうちで吸気量、ＥＧＲ流量およびタンブル流の強度は、それぞれスロットル弁３４、ＥＧＲ弁４６およびタンブル流調節弁３７の作動に対する応答性が比較的低い低速応答系であって、これらの制御量である目標スロットル弁開度tvoobjおよびＥＧＲ弁４６の目標制御量は第１の目標図示平均有効圧力Piobjとエンジン回転数ne等に応じて決定される。一方、燃料噴射量、燃料噴射時期および点火時期は制御信号に速やかに応答する高速応答系であって、これら燃料噴射量、燃料噴射時期および点火時期は上記第２の目標図示平均有効圧力Piobjdとエンジン回転数ne等に応じて決定されるようになっている。
【００４８】
具体的に説明すると、吸気量制御のための手段としては目標空燃比設定手段５４、目標充填効率演算手段５５およびスロットル弁開度演算手段５６を有している。上記目標空燃比設定手段５４は、吸気量制御用の目標空燃比afwbを、上記運転モード設定手段５３で設定される燃焼モード別に設定するものであり、成層燃焼モードでは第１の目標図示平均有効圧力Piobjとエンジン回転数neとに応じ、予め作成されているマップから目標空燃比afwbを求め、均一燃焼モードでは目標空燃比afwbを、例えば理論空燃比（λ＝１）とするようになっている。
【００４９】
上記目標充填効率演算手段５５は、第１の目標図示平均有効圧力Piobjもしくはこれに対応する仮想充填効率ceimgと上記目標空燃比afwbとから、目標充填効率ceobjを例えば次式（３）により求める。
ceobj＝ceimg×｛(afwb＋K3)／１４．７｝×K4 …（３）
【００５０】
この演算式（３）は、仮想充填効率ceimgから、リーン運転される場合の目標空燃比の空気過剰率分（afwb／１４．７）と燃費改善効果分とを加味して目標充填効率ceobjを求めるようにしたものである。
【００５１】
つまり、上記仮想充填効率ceimgは理論空燃比で運転される状態を想定した目標負荷に対応する値であり、これに対し、リーン運転時に同等の燃料噴射量を確保するには上記空気過剰率分を加味する必要があるが、このようにして理論空燃比の場合と同等の燃料噴射量を確保すると、リーン運転時は熱効率が高められて燃費が改善されるので、その分だけトルクが理論空燃比の場合と比べて高くなってしまう。そこで、目標負荷に対応するトルクを得るため、上記空気過剰率分を加味するほかに、燃費改善効果分も加味するようにしたものであって、上記式中のK3，K4が燃費改善効果分を加味するための係数であり、燃費改善効果分に見合う程度に目標充填効率を減少方向に補正すべく、予め係数K3，K4が設定されている。
【００５２】
なお、前記の式（２ａ）から、ceimg＝（Piobj−K1）／K2を求め、この値を上記式（３）に代入することにより得られた演算式から、目標図示平均有効圧力Piobjに対応した目標充填効率ceobjを算出するようにしてもよい。
【００５３】
スロットル弁開度演算手段５６は、図８に示すように、目標体積効率演算手段５６ａ及びスロットル弁開度決定手段５６ｂを有し、上記目標充填効率ceobjから吸気密度に応じた補正を行うことで目標体積効率veobjを求め、この目標体積効率veobj及びエンジン回転数neに応じてスロットル弁開度tvoobjを決定する。この際、体積効率及びエンジン回転数とスロットル弁開度との対応関係はＥＧＲの有無によって異なるため、その各場合についてそれぞれ上記対応関係を示すマップを予め作成し、ＥＧＲ判別手段５６ｃによるＥＧＲの有無の判別に応じていずれかのマップから、目標体積効率veobjに応じたスロットル弁開度tvoobjを求める。上記対応関係は、例えば、ＥＧＲが行われていない場合に図９中の実線、ＥＧＲが行われている場合に図９中の破線のようになる。つまり、スロットル弁開度tvoobjは、目標体積効率veobjが大きくなる程大きくされ、かつ、エンジン回転数が高くなるほど大きめとされるとともに、ＥＧＲ有りの場合はＥＧＲ無しの場合と比べて大きめとされる。
【００５４】
さらに、図８に示す例では、ＥＧＲが行われる場合の既燃ガス体積割合に応じた補正が行われる。すなわち、成層燃焼モードにある場合のように空燃比がリーンな状態でＥＧＲが行われる場合はＥＧＲガス中に既燃ガスだけでなく空気（酸素）も多く存在し、その比率が燃焼室６に吸入される空気の量に影響するので、既燃ガス体積割合演算手段５７により既燃ガス体積割合が求められ、吸気量・ＥＧＲ補正手段５８により、上記既燃ガス体積割合とその目標値との比較、及びエアフローセンサ２６の出力に基づいて求められる実体積効率veと目標体積効率veobjとの比較に基づき、スロットル弁開度の補正値tvofbが求められ、これに関連してＥＧＲ弁制御量の補正値ptfbも求められる。なお、既燃ガス体積割合の目標値については、後述のＥＧＲ弁基本制御量のマップと同様のマップ（図示せず）が予め作成され、このマップから読み出される。
【００５５】
ＥＧＲ量制御のための手段としてはＥＧＲ弁基本制御量設定手段５９及びＥＧＲ弁制御量演算手段６０を有している。上記ＥＧＲ弁基本制御量設定手段５９は、ＥＧＲ弁４６の基本制御量pbaseを上記運転モード設定手段５３で設定される運転モードmods別に設定するものであり、成層燃焼モードでは第１の目標図示平均有効圧力Piobjとエンジン回転数neとに応じ、予め作成されているマップから基本制御量pbaseを求め、均一燃焼モードでは基本制御量pbaseを「０」、またはエアフローセンサ２６の出力に基づいて求められる実充填効率ceとエンジン回転数neとに応じ、予め作成されているマップから基本制御量pbaseを読み出して設定する。
【００５６】
ＥＧＲ弁制御量演算手段６０は、上記ＥＧＲ弁基本制御量設定手段５９において求められた基本制御量pbaseに、上記吸気量・ＥＧＲ補正手段５８において求められた補正値ptfbを加味して目標ＥＧＲ弁制御量egrobjを求める。そして、目標ＥＧＲ弁制御量egrobjと実ＥＧＲ制御量とが一致するようＥＧＲ弁４６を制御する。
【００５７】
また、吸気量の多い成層燃焼モードから、吸気量の少ない均一燃焼モードへの切替過渡期には、この燃焼モードの切替に応じて吸気圧が低下する前の初期段階で、ＥＧＲ弁４６の開度を、予め設定された成層燃焼モードに対応した値、例えば「０」とする制御が、上記ＥＧＲ弁制御量演算手段６０において実行されることにより、上記ＥＧＲ弁４６が閉方向に駆動されるようになっている。
【００５８】
上記ＥＣＵ５０には、タンブル流調節弁３７の制御手段としての機能を有するタンブル弁開度設定手段６１が設けられている。このタンブル弁開度設定手段６１は、上記運転モード設定手段５３で設定された運転モードmods別に要求されるタンブル流Ｔの強度が得られるようにタンブル流調節弁３７の基本開度TSCVBを求めるものであり、成層燃焼モードでは、第１の目標図示平均有効圧力Piobjとエンジン回転数neとに基づき、予め作成されているマップから上記基本開度TSCVBを求め、均一燃焼モードでは実充填効率ceとエンジン回転数neに応じ、予め作成されているマップから上記基本開度TSCVBを求めるようになっている。
【００５９】
そして、上記燃焼室６内の空燃比をリーン状態とする成層燃焼モードから、リッチ状態とする均一燃焼モードへの切替過渡期には、吸気圧の予測値が低下するのに対応させて上記タンブル流調節弁３７を閉方向に駆動することにより、スロットル弁３４の下流側における吸気通路３１の絞り状態を一時的に強化し、燃焼室６内の空燃比が上記リッチ状態の燃焼モードに略対応した値となった時点で、タンブル流調節弁３７を開方向に駆動することにより、スロットル弁３４の下流側における吸気通路３１の絞り量を通常の制御状態に対応した値、つまり均一燃焼モードに対応した値に設定する制御を、上記タンブル弁開度設定手段６１において実行するように構成されている。
【００６０】
また、上記ＥＣＵ５０には、インジェクタ２２からの燃料噴射を制御する手段として、目標空燃比作成手段６２、運転モード設定手段６３、噴射量演算手段６５、噴射時期設定手段６６および噴射制御手段６７が設けられている。
【００６１】
上記目標空燃比作成手段６２は、燃料噴射量等の制御に用いる目標空燃比を求めるものであり、より具体的には図１０に示すように、主として過渡時に利用される目標空燃比afw0を演算する目標空燃比演算手段（afw0演算手段）６２ａと、主として定常時に利用される目標空燃比afwbdを設定する目標空燃比設定手段６２ｂ（afwbd設定手段）と、過渡状態検出のため吸気量制御用の目標空燃比afwbと上記目標空燃比演算手段６２ａで演算された目標空燃比afw0との偏差dafwbを演算する偏差演算手段（dafwb演算手段）６２ｃと、最終的な目標空燃比afwの決定手段（afw決定手段）６２ｄとを有している。
【００６２】
上記目標空燃比演算手段６２ａは、第２の目標図示平均有効圧力Piobjdもしくはこれに対応する仮想充填効率ceimgdと実充填効率ceとから、下記の演算式（４ａ），（４ｂ）のように目標空燃比afw0を演算する。
【００６３】
上記演算式は、理論空燃比と、実充填効率ceと、第２の目標平均有効圧力Piobjdもしくは仮想充填効率ceimgdと、前記の燃費改善効果分を加味する係数K3，K4等とを用い、実充填効率ceの下で目標負荷に対応するトルクが得られるような空燃比を求めるようにしたものである。
【００６４】
また、上記目標空燃比設定手段６２ｂは、目標空燃比afwbdを、運転モード設定手段６３で設定される燃焼モードmodf別に設定するものであり、成層燃焼モードでは第２の目標図示平均有効圧力Piobjdとエンジン回転数neとに応じ、予め作成されているマップから運転状態に対応した目標空燃比afwbdを求め、均一燃焼モードでは目標空燃比afwbdを、例えば理論空燃比（λ＝１）として固定するようになっている。
【００６５】
最終的な目標空燃比afwの決定手段６２ｄは、上記偏差演算手段６２ｃにおいて求められた偏差dafwbが大きくなる過渡時に、目標空燃比演算手段６２ａで演算された目標空燃比afw0を最終的な目標空燃比afwとし、上記偏差dafwbが小さい定常時に、目標空燃比設定手段６２ｂで設定された目標空燃比afwbdを最終的な目標空燃比afwとする。
【００６６】
なお、目標空燃比作成手段６２を、上記のように構成しているのは出力上の要求とエミッション性とを満足するためであるが、より簡単な構成としては上記目標空燃比設定手段６２ｂ及び偏差演算手段６２ｃを省略し、常に目標空燃比演算手段６２ａで求められた目標空燃比afw0を燃料噴射量制御用等の最終的な目標空燃比とするようにしてもよい。
【００６７】
図１０中の演算手段８０は、燃焼モードの切替過渡時における点火時期補正のための空燃比偏差dafwbd，dafw0を演算するものであり、運転モード設定手段６３で設定されるモードmodfが均一燃焼モードでない場合は、上記定常時用の目標空燃比afwbdに基づいてdafwbd（＝afwbd−afw）を算出し、均一燃焼モードの場合は、燃料噴射量等制御用の目標空燃比afw0に基づいてdafw0（＝afw0−afw）を算出するようになっている。
【００６８】
運転モード設定手段６３は、高速応答系の制御値を決定するために用いる燃焼モードmodfを、燃料噴射量等制御用の目標空燃比afw0とエンジン回転数neとに応じて設定する。すなわち、上記目標空燃比演算手段６２ａで演算された目標空燃比afw0が均一下限基準値（例えばＡ／Ｆ＝１８）より小さい値となる場合は均一燃焼モードとし、上記目標空燃比afw0が均一下限基準値よりも大きい値となるときは成層燃焼モードとするようになっている。
【００６９】
噴射量演算手段６５は、上記エアフローセンサ２６の出力から求められた充填効率ceと、上記目標空燃比作成手段６２により求められた目標空燃比afw0とに基づいて燃料噴射量を算出するとともに、これに対応した噴射パルスＴｉを求めるものである。
【００７０】
噴射時期設定手段６６は、燃料の噴射時期を上記運転モード設定手段６３で設定される燃焼モード別に設定するものであり、成層燃焼モードでは第２の目標図示平均有効圧力Piobjdとエンジン回転数neとに応じて予め作成されているマップから圧縮行程噴射用の噴射時期thtinjdを求め、均一燃焼モードではエンジン回転数neに応じて予め作成されているテーブルから吸気行程噴射用の噴射時期thtinjpを求める。
【００７１】
噴射制御手段６７は、上記噴射時期設定手段６６により設定された噴射時期に、上記噴射量演算手段６５により演算された噴射パルス幅Tiに相当する時間だけインジェクタ２２を作動させるように、噴射パルスを出力する。
【００７２】
また、点火時期を制御する手段としては、基本点火時期および補正量を設定する基本点火時期補正量設定手段６８と、点火時期演算手段６９を有する。上記基本点火時期補正量の設定手段６８は、上記運転モード設定手段６３で設定される燃焼モードmodf別に基本点火時期thtigbや、各種の点火時期補正値を設定するものである。
【００７３】
上記基本点火時期補正量設定手段６８による設定を具体的に説明すると、吸気量の多い成層燃焼モードでは、第２の目標図示平均有効圧力Piobjdとエンジン回転数neとに応じて予め作成されているマップから基本点火時期thtigbを求めるとともに、上記目標空燃比偏差dafwbdに応じた補正値thtigwdを予め作成されているテーブルから求める。目標空燃比偏差dafwbd（＝afwbd−afw）に応じた補正は、基本点火時期thtigbが予め定常運転時の目標空燃比afwbdにおける目標図示平均有効圧力Piobjdおよびエンジン回転数neに応じて定められているのに対し、過渡時にはafw0が最終的な目標空燃比afwとされて定常時とは空燃比のずれが生じるので、それに見合うように点火時期を調整するものである。
【００７４】
吸気量の少ない均一燃焼モードでは、充填効率ceとエンジン回転数neとに応じて予め作成されているマップから基本点火時期thtigbを求めるとともに、ＥＧＲ時の補正値thtigweを充填効率ceとエンジン回転数neとに応じて予め作成されているマップから求め、上記目標空燃比偏差dafw0に応じた補正値thtigwdおよびエンジン水温thwに応じた冷間時補正値thtigwcをそれぞれ予め作成されているテーブルから求める。目標空燃比偏差dafw0（＝afw0−afw）に応じた補正は、目標空燃比afw0が理論空燃比よりリーン側の所定値以下となったときＮＯｘ発生量が増大する空燃比を通ることを避けるために最終的な目標空燃比afwが理論空燃比とされる場合に、その空燃比変更に見合うように点火時期を調整するものである。
【００７５】
点火時期演算手段６９は、上記基本点火時期補正量設定手段６８で設定された基本噴射量thtigbおよび各種補正値から点火時期thtigを次式（５）のように求める。
thtig＝thtigb−（thtigwd＋thtigwe＋thtigwc） …（５）
【００７６】
上記ＥＣＵ５０のタンブル弁開度設定手段６１等により行われるタンブル流強度の制御動作を、図１１に示すフローチャートに基づいて説明する。上記制御動作がスタートすると、まず運転モード設定手段５３において設定された基本的な燃焼モードmodsが成層燃焼モードであるか否かを判定する（ステップＳ１）。
【００７７】
上記ステップＳ１でＹＥＳと判定されて成層燃焼モードの運転状態にあることが確認された場合には、エンジン回転数neと、上記目標図示平均有効圧力演算手段５２ｄにおいて求められた第１の目標図示平均有効圧力Piobjdとに基づき、タンブル流調節弁３７の基本開度TSCVBを設定した後（ステップＳ２）、この基本開度TSCVBに基づいてタンブル流調節弁３７の最終開度TSCV（＝TSCVB）を設定する（ステップＳ３）。
【００７８】
また、上記ステップＳ１でＮＯと判定されて基本的な燃焼モードmodsが成層燃焼モードないこと、つまり均一燃焼モードであることが確認された場合には、上記高速応答系制御用の運転モード設定手段６３において設定された燃焼モードmodfが成層燃焼モードであるか否かを判定する（ステップＳ４）。
【００７９】
上記ステップＳ４でＮＯと判定されて均一燃焼モードの運転状態にあることが確認された場合には、エンジン回転数neと、エアフローセンサ２６の出力に基づいて求められる実充填効率ceとに基づき、タンブル流調節弁３７の基本開度TSCVBを設定した後（ステップＳ５）、この基本開度TSCVBに基づいてタンブル流調節弁３７の最終開度TSCV（＝TSCVB）を設定する（ステップＳ６）。
【００８０】
上記ステップＳ４でＹＥＳと判定されて成層燃焼モードから均一燃焼モードへの切替過渡期にあること、つまり図１２（ａ）に示すように、スロットル弁３４の開度TVOを減少させる方向に駆動する制御が開始された上記燃焼モードの切替開始時点ｔ１から、スロットル弁３４の閉止動作に応じて燃焼室６内の空燃比が上記均一燃焼モードに略対応した値となる時点（上記目標空燃比演算手段６２で求められた目標空燃比afw0が均一下限基準値よりも小さい値となる時点）ｔ２までの間にあることが確認された場合には、エンジン回転数neと、上記第１の目標図示平均有効圧力Piobjdとに基づき、上記タンブル流調節弁３７の基本開度TSCVBを設定する（ステップＳ７）。
【００８１】
また、上記スロットル弁３４の開度TVOと、エンジン回転数neとに基づき、現時点における体積効率の推定値cepを算出した後（ステップＳ８）、この体積効率の推定値cepと、上記目標体積効率演算手段５６ａにおいて演算された目標体積効率veobjとに基づき、上記タンブル流調節弁３７を閉方向に駆動して吸気通路３１の絞り状態を強化するための絞り量補正値catscvを設定する（ステップＳ９）。
【００８２】
上記絞り量補正値catscvは、スロットル弁３４の開度に応じて変化する吸気圧、つまり上記タンブル流調節弁３７の設置部における吸気圧の予測値に対応して変化する上記体積効率の推定値depと、上記目標体積効率veobjとの差に基づいて設定され、この差が小さく、上記体積効率の推定値depが低下して目標体積効率veobjに近づくほど、上記絞り量補正値catscvが大きな値に設定されるようになっている。
【００８３】
次いで、上記タンブル流調節弁３７の基本開度TSCVBと、絞り量補正値catscvとに基づいてタンブル流調節弁３７の最終開度TSCV（＝TSCVB−catscv）を算出する（ステップＳ１０）。この結果、上記成層燃焼モードから均一燃焼モードへの切替過渡期おいて、燃焼室６内の空燃比が均一燃焼モードに略対応した値となる時点ｔ２以前の初期段階では、上記体積効率の推定値depが低下して上記目標体積効率veobjsとの差が小さくなるに従い、図１２（ｂ）の実線に示すように、タンブル流調節弁３７の最終開度TSCVを減少させて上記スロットル弁３４の設置部の下流側における吸気通路３１の絞り状態を強化する補正が実行されることになる。
【００８４】
そして、上記最終開度TSCVに対応した制御信号を上記タンブル流調節弁３７のアクチュエータ３８に出力することにより、タンブル流調節弁３７を駆動する（ステップＳ１１）。なお、上記ステップＳ４でＮＯと判定されて均一燃焼モードの運転状態に移行した時点、つまり燃焼室６内の空燃比が均一燃焼モードに略対応した値となった時点ｔ２で、上記燃料の噴射形態がリッチ状態の均一燃焼モードに切り替えられるのに応じ、上記吸気通路３１の絞り状態を強化する補正が停止されてタンブル流調節弁３７の開度が通常の制御状態（リッチ状態）に対応した値に設定されることになる。
【００８５】
以上のような制御装置を備えた当実施形態の火花点火式直噴エンジンでは、燃焼モードとして成層燃焼モードと均一燃焼モードとが運転状態に応じて設定される。そして、成層燃焼モードでは空燃比が理論空燃比と比べて大幅にリーンとされた状態で成層燃焼が行われることにより燃費が大幅に改善され、均一燃焼モードでは、空燃比が略理論空燃比ないし理論空燃比よりも小さいリッチとされた状態で吸気行程噴射により均一燃焼が行われる。
【００８６】
また、少なくとも燃焼室６内の空燃比が理論空燃比よりも大きいリーン状態の燃焼モード（成層燃焼モード）では、燃焼室６内におけるタンブル流Ｔの強度を高めた状態で、このタンブル流Ｔに対向させるように燃料を噴射することにより、この燃料噴霧と上記タンブル流Ｔとが衝突して燃料の微粒化が促進されるとともに、タンブル流Ｔにより燃料噴霧が減速されつつ、空気と充分に混合された状態で燃焼室６内に漂い、点火時に点火プラグ１６の周りに可燃混合気が成層化されることになる。
【００８７】
そして、上記リーン状態の成層燃焼モードからリッチ状態の均一燃焼モードへの切替過渡期には、燃焼室６内の空燃比が上記リッチ状態の燃焼モードに略対応した値となるまで、リーン状態の燃焼モードに適合した燃料の噴射形態を維持しつつ、上記タンブル流調節弁３７の開度を減少させる補正を行うことにより、上記スロットル弁３４の下流側における吸気通路３１の絞り状態を、さらに強化するように構成したため、タンブル流Ｔの強度が低下することを防止して点火プラグ周りにおける混合気の成層度を確保し、燃焼安定性の低下およびエミッション性の悪化を防止することができる。
【００８８】
すなわち、吸気量の多い上記成層燃焼モードから、吸気量の少ない均一燃焼モードへの切替時点ｔ１で、図１２（ａ）に示すように、スロットル弁３４の開度TVOを急減させる制御が実行されるのに応じ、上記の切替時点ｔ１から所定の時間差をもって吸気量が減少し始めることになる。このため、上記燃焼モードの切替過渡期において、燃焼室６内の空燃比が切替後の状態、つまり均一燃焼モードの空燃比に略対応した値となる時点ｔ２までの初期段階では、成層燃焼モードに適合した燃料の噴射形態を維持しつつ、図１２（ｂ）の実線で示すように、上記タンブル流調節弁３７を閉方向に駆動してスロットル弁３４の下流側における吸気通路３１の絞り状態を強化する補正を行うことにより、上記吸気量の減少に対応してタンブル流Ｔの強度が低下することを防止し、タンブル流Ｔの強度を確保した状態で、このタンブル流Ｔに対向させるように燃料を噴射して点火時に点火プラグ１６の周りに可燃混合気を適正に成層化させることができる。
【００８９】
したがって、上記燃焼モードの切替過渡期に、吸気量が減少するのに応じてタンブル流Ｔの強度が不足し、これに起因して燃焼安定性が低下することにより、図１３（ｃ）の破線で示すように、エンジン回転数neが一時的に低下するという事態の発生を効果的に防止し、燃焼安定性を良好状態に維持して図１３（ｃ）の実線で示すように、エンジン回転数neを一定に維持することができる。しかも、燃焼安定性が低下することに起因して図１３（ｄ）の破線で示すように、排気通路３２に導出されるＨＣ量が増大してエミッション性が悪化する等の弊害を生じることなく、図１３（ｄ）の実線で示すように、排気通路３２に導出されるＨＣ量を略一定量に維持してエミッション性を良好状態に維持することができるという利点がある。
【００９０】
また、上記実施形態に示すように、スロットル弁３４からなる吸気量調節手段の動作に応じて吸気圧が変化する吸気通路３１に接続されたＥＧＲ通路４５からなる排気還流通路と、このＥＧＲ通路４５に設けられたＥＧＲ弁４６とを有し、リーン状態の成層燃焼モードからリッチ状態の均一燃焼モードへの切替過渡期に、上記スロットル弁３４の閉止動作に応じて吸気圧が低下する前に上記ＥＧＲ弁４６の開度を予め設定された均一燃焼モードに対応した値、例えば「０」に設定するように構成した場合には、上記燃焼モードの切替過渡期に、ＥＧＲ通路４５を介して多量の既燃ガスが吸気通路３１に還流されるのを防止することにより、燃焼安定性の低下およびエミッション性の悪化を、さらに効果的に防止できるという利点がある。
【００９１】
また、上記実施形態では、成層燃焼モードから均一燃焼モードへの切替過渡期に、上記体積効率の推定値depと目標体積効率veobjsとの差に基づき、上記スロットル弁３１の下流側、つまり上記タンブル流調節弁３７の設置部における吸気圧の変化を予測し、この吸気圧の予測値が低下するのに対応して上記タンブル流調節弁３７の絞り補正値catscvを大きな値に設定することにより、タンブル流調節弁３７の最終開度TSCVを減少させて上記スロットル弁３４の設置部の下流側における吸気通路３１の絞り状態を強化する補正を実行するように構成したため、上記燃焼モードの切替過渡期に、吸気圧の低下状態に応じてタンブル流調節弁３７の閉止量を適正に調節することにより、タンブル流Ｔの強度低下を効果的に防止して点火プラグ周りにおける混合気の成層度を適正状態に維持することができるという利点がある。
【００９２】
さらに、上記実施形態では、リーン状態の成層燃焼モードからリッチ状態の均一燃焼モードへの切替過渡期に、燃焼室６内の空燃比が上記リッチ状態の燃焼モードに略対応した値となった時点ｔ２で、均一燃焼モードに適合した燃料の噴射形態に切り替えるとともに、スロットル弁３４からなる吸気量調節手段の下流側における吸気通路３１の絞り量を通常の制御状態に対応した値に設定するように構成したため、上記燃焼モードの切替過渡期の初期段階で、タンブル流Ｔの強度低下を効果的に防止して点火プラグ周りにおける混合気の成層度を適正状態に維持しつつ、上記燃焼モードの切替過渡期の終期段階で、リッチ状態の燃焼モード制御を適正に実行することができる。
【００９３】
なお、上記スロットル弁３４からなる吸気量調節手段により吸気量を調節して燃焼室６内の空燃比理論空燃比よりも大きいリーン状態に制御する上記スロットル弁開度演算手段５６等からなる吸気量制御手段と、上記吸気量調節手段の下流側で吸気通路３１の絞り量を変化させてタンブル流Ｔの強度を調節するタンブル流調節弁３７からなるタンブル流調節手段とを備え、上記リーン状態の燃焼モードにある場合に、上記タンブル流Ｔの強度を高めた状態で、このタンブル流Ｔに対向させるように燃料を噴射して点火時に点火プラグ１６の周りに可燃混合気を成層化させるように構成された火花点火式直噴エンジンの制御装置において、上記リーン状態の成層燃焼モードで、上記スロットル弁開度演算手段５６に設けられたリッチスパイク制御手段により、吸気量を減少させて燃焼室６内の空燃比を一時的にリッチ状態とするリッチスパイク制御を実行し、このリッチスパイク制御の実行中に、少なくとも圧縮行程で燃料を噴射するとともに、上記吸気量調節手段の下流側における吸気通路の絞り状態を、リッチスパイク制御の実行前と同等ないしそれよりも強化するように構成してもよい。
【００９４】
上記リッチスパイク制御は、例えばリーン状態の燃焼モードで排気ガス中のＮＯｘを吸着するＮＯｘ吸着材を有し、リッチ状態の燃焼モードでこのＮＯｘ吸着材からＮＯｘを放出させて還元することにより、排気ガスを浄化するように構成されたＮＯｘ吸着触媒を備えたエンジン等において、リーン状態の成層燃焼モードで、上記ＮＯｘ吸着材に吸着されたＮＯｘを放出させて還元させるために短期間だけ実行されるものである。
【００９５】
上記リッチスパイク制御の実行中に、少なくとも圧縮行程で燃料を噴射する噴射形態を維持しつつ、上記タンブル流調節弁３７の開度を補正して、上記タンブル流調節弁３７の下流側における吸気通路３１の絞り状態を、リッチスパイク制御の実行前と同等ないしそれよりも強化することにより、タンブル流Ｔの強度が低下することを効果的に防止して混合気の成層度を確保した状態で、上記リッチスパイク制御を適正に実行することができる。したがって、上記リーン状態の成層燃焼モードにおいて、スロットル弁３４を閉方向に駆動して燃焼室６内の空燃比を一時的にリッチ状態とする上記リッチスパイク制御の実行中に、燃焼安定性の低下およびエミッション性の悪化を防止しつつ、ＮＯｘ浄化触媒４２等に吸蔵されたＮＯｘを放出させて還元することができる。
【００９６】
なお、上記実施形態では、スロットル弁３４からなる吸気量調節手段の作動量を制御して吸気通路３１から燃焼室６内に導入される吸気量を調節するようにした例について説明したが、上記スロットル弁３４に代え、アイドル時等に吸気量を調節するために設けられた図外のＩＳＣ弁開度を調節し、あるいは図外のＶＶＬ（バルブリフト量調節手段）により吸気弁１２のリフト量を調節することにより、上記吸気量を調節することも可能である。
【００９７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、燃料の噴射状態を制御する噴射制御手段と、吸気通路の途中に設けられた吸気量調節手段と、この吸気量調節手段により吸気量を調節して燃焼室内の空燃比を理論空燃比よりも大きいリーン状態と略理論空燃比ないし理論空燃比よりも小さいリッチ状態とに燃焼モードを切り替えるように制御するモード切替手段と、上記吸気量調節手段の下流側における吸気通路の絞り状態を変化させてタンブル流の強度を調節するタンブル流調節手段とを備え、少なくとも燃焼室内の空燃比が理論空燃比よりも大きいリーン状態の燃焼モードでは、上記タンブル流の強度を高めた状態で、このタンブル流に対向させるように燃料を噴射して点火時に点火プラグの周りに可燃混合気を成層化させるように構成された火花点火式直噴エンジンの制御装置において、上記リーン状態の燃焼モードからリッチ状態の燃焼モードへの切替過渡期に、燃焼室内の空燃比が上記リッチ状態の燃焼モードに略対応した値となるまで、リーン状態の燃焼モードに適合した燃料の噴射形態を維持しつつ、上記タンブル流調節手段による吸気通路の絞り状態を、さらに強化するように上記タンブル流調節手段を制御するように構成したため、吸気量の多いリーン状態の燃焼モードから、吸気量の少ないリッチ状態の燃焼モードへの切替過渡期に、タンブル流の強度が低下することを防止して点火プラグ周りにおける混合気の成層度を確保し、燃焼安定性の低下およびエミッション性の悪化を効果的に防止できるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】火花点火式直噴エンジンの全体構成を示す説明図である。
【図２】燃料噴射系の具体的構成を示すブロック図である。
【図３】エンジン本体の要部の具体的構成を示す断面図である。
【図４】エンジンの運転領域を示す制御マップの一例を示す説明図である。
【図５】本発明に係る火花点火式直噴エンジンの制御装置の実施形態を示すブロック図である。
【図６】目標負荷設定手段の具体的構成を示すブロック図である。
【図７】目標体積効率とスロットル弁開度との対応関係を示す説明図である。
【図８】スロットル弁開度設定手段等の具体的構成を示すブロック図である。
【図９】目標体積効率とスロットル弁開度との対応関係を示す説明図である。
【図１０】目標空燃比作成手段の具体的構成を示すブロック図である。
【図１１】タンブル弁開度設定手段によるタンブル流強度の制御動作を示すフローチャートである。
【図１２】タンブル流強度の制御に基づく作用を説明するためのタイムチャートである。
【符号の説明】
６ 燃焼室
１６ 点火プラグ
１８ 燃料噴射弁
３１ 吸気通路
３４ スロットル弁（吸気量調節手段）
３７ タンブル流調節弁（タンブル流調節手段）
４５ ＥＧＲ通路（排気還流通路）
４６ ＥＧＲ弁
５３ 運転モード設定手段（モード切替手段）
５６ スロットル弁開度演算手段（吸気量制御手段）
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼室内の空燃比が理論空燃比よりも大きいリーン状態の燃焼モードおいて、上記吸気量調節手段の下流側で吸気通路を絞ることによりタンブル流の強度を高めた状態で、このタンブル流に対向させるように燃料を噴射して点火時に点火プラグの周りに可燃混合気を成層化させるように構成された火花点火式直噴エンジンの制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば特開２０００−２０４９５４号公報に示されるように、気筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、燃焼室内におけるタンブル流の強度を調節するための空気流動調節弁とを有し、上記タンブル流に対向させるように燃料を噴射して点火時に点火プラグの周りに可燃混合気を成層化させるように構成された火花点火式直噴内燃機関の制御装置において、上記空気流動調節弁の開度と、燃料噴霧の圧力とを機関の回転数に応じて制御する制御手段を設け、上記タンブル流の強度と燃料噴霧の有するエネルギーとをバランスさせることが行われている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記公報に開示された火花点火式直噴エンジンの制御装置では、エンジンの運転状態が急変することのない通常運転時に、燃焼室内で形成されるタンブル流の強度と、燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧の圧力とをバランスさせることにより、点火プラグ周りに適正な混合気層を形成することが可能である。しかし、エンジンの運転状態が急変する過渡期、例えば燃焼室内の空燃比を理論空燃比よりも大きいリーン状態の成層燃焼モードと、略理論空燃比ないし理論空燃比よりも小さいリッチ状態の均一燃焼モードとの間で、燃焼モードが切り替えられる切替過渡期等に、上記タンブル流の強度と燃料噴霧の圧力とを適正にバランスさせることが困難であるという問題があった。
【０００４】
すなわち、上記燃焼モードの切替時に、燃料噴射弁から噴射される燃料の噴射形態は、燃料モードの切替が開始された時点で迅速に変化するのに対し、燃焼室内に供給される吸気量を調節するスロットル弁等からなる吸気量調節手段の作動状態は、切替後の燃焼モードに適合した状態となるまでに所定の応答遅れが生じることになる。このため、上記燃焼モードの切替過渡期に、燃焼室内で形成されるタンブル流の強度と、燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧の圧力とのバランスが崩れることに起因して燃焼安定性が低下し易いとともに、エミッション性が悪化し易いという問題があった。
【０００５】
上記の弊害を防止するため、リーン状態の成層燃焼モードからリッチ状態の均一燃焼モードへの切替時に、スロットル弁を閉方向に駆動する操作が終了するまで、燃料の噴射形態を切替前の状態に保持し、スロットル弁の閉止操作が終了した時点で、リッチ状態の燃料モードに適合した噴射形態に切り替えることも行われているが、このように構成した場合には、上記燃焼モードの切替過渡期にスロットル弁が閉止されるのに応じ、燃焼室内に導入される吸気量が減少することに起因してタンブル流の強度と燃料噴霧の圧力とのバランスが崩れ易く、燃焼安定性が低下し易い等の問題があった。
【０００６】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、燃焼モードの切替過渡期等に、燃焼室内で形成されるタンブル流の強度と、燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧の圧力とを適正にバランスさせることにより、燃焼安定性の低下や、エミッション性の悪化を効果的に防止することができる火花点火式直噴エンジンの制御装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、燃料の噴射状態を制御する噴射制御手段と、吸気通路の途中に設けられた吸気量調節手段と、この吸気量調節手段により吸気量を調節して燃焼室内の空燃比を理論空燃比よりも大きいリーン状態と略理論空燃比ないし理論空燃比よりも小さいリッチ状態とに燃焼モードを切り替えるように制御するモード切替手段と、上記吸気量調節手段の下流側における吸気通路の絞り状態を変化させてタンブル流の強度を調節するタンブル流調節手段とを備え、少なくとも燃焼室内の空燃比が理論空燃比よりも大きいリーン状態の燃焼モードでは、上記タンブル流の強度を高めた状態で、このタンブル流に対向させるように燃料を噴射して点火時に点火プラグの周りに可燃混合気を成層化させるように構成された火花点火式直噴エンジンの制御装置において、上記リーン状態の燃焼モードからリッチ状態の燃焼モードへの切替過渡期に、燃焼室内の空燃比が上記リッチ状態の燃焼モードに略対応した値となるまで、リーン状態の燃焼モードに適合した燃料の噴射形態を維持しつつ、上記タンブル流調節手段による吸気通路の絞り状態を、さらに強化するように上記タンブル流調節手段を制御するものである。
【０００８】
上記構成によれば、吸気量の多いリーン状態の燃焼モードから、吸気量の少ないリッチ状態の燃焼モードへの切替過渡期に、吸気充填量に適合した燃料の噴射形態が維持されつつ、上記タンブル流調節手段の下流側における吸気通路の絞り状態が強化されることにより、燃焼室内におけるタンブル流の強度低下が防止されて点火プラグ周りにおける混合気の成層度が確保されるため、燃焼安定性の低下およびエミッション性の悪化が防止されることになる。
【０００９】
請求項２に係る発明は、上記請求項１記載の火花点火式直噴エンジンの制御装置において、吸気量調節手段の動作に応じて吸気圧が変化する吸気通路に接続された排気還流通路と、この排気還流通路に設けられたＥＧＲ弁とを有し、リーン状態の燃焼モードからリッチ状態の燃焼モードへの切替過渡期に、上記吸気量調節手段の閉止動作に応じて吸気圧が低下する前に上記ＥＧＲ弁の開度を予め設定されたリッチ状態の燃焼モードに対応した値に設定するものである。
【００１０】
上記構成によれば、リーン状態の燃焼モードからリッチ状態の燃焼モードへの切替過渡期に、上記ＥＧＲ弁が早期に閉方向に駆動されることにより、多量の既燃ガスが吸気通路に還流されることが防止されるため、燃焼安定性の低下およびエミッション性の悪化が効果的に防止されることになる。
【００１１】
請求項３に係る発明は、上記請求項１または２記載の火花点火式直噴エンジンの制御装置において、タンブル流調節手段をタンブル流調節弁によって構成し、リーン状態の燃焼モードからリッチ状態の燃焼モードへの切替過渡期に、上記タンブル流調節弁の設置部における吸気圧の変化状態を予測し、この吸気圧の予測値が低下するのに対応させて上記タンブル流調節弁を閉方向に駆動するものである。
【００１２】
上記構成によれば、リーン状態の燃焼モードからリッチ状態の燃焼モードへの切替過渡期に、吸気圧の予測値に応じてタンブル流調節弁の閉止量が調節されることにより、燃焼室内におけるタンブル流の強度低下が効果的に防止されて点火プラグ周りにおける混合気の成層度が適正状態に維持されることになる。
【００１３】
請求項４に係る発明は、上記請求項１〜３のいずれかに記載の火花点火式直噴エンジンの制御装置において、リーン状態の燃焼モードからリッチ状態の燃焼モードへの切替過渡期に、燃焼室内の空燃比が上記リッチ状態の燃焼モードに略対応した値となった時点で、リッチ状態の燃焼モードに適合した燃料の噴射形態に切り替えるとともに、タンブル流調節手段による吸気通路の絞り状態を通常の制御状態に対応した値に設定するものである。
【００１４】
上記構成によれば、リーン状態の燃焼モードからリッチ状態の燃焼モードへの切替過渡期に、燃焼室内の空燃比が上記リッチ状態の燃焼モードに略対応した値、つまり略理論空燃比ないし理論空燃比よりも小さい値となった時点で、燃料の噴射形態がリッチ状態の燃焼モードに対応した噴射形態に切り替えられるとともに、吸気量調節手段の下流側における吸気通路の絞り量が通常の制御状態に対応した値に設定されることにより、上記リッチ状態の燃焼モード制御が適正に実行されることになる。
【００１５】
請求項５に係る発明は、燃料の噴射状態を制御する噴射制御手段と、吸気通路の途中に設けられた吸気量調節手段と、この吸気量調節手段により吸気量を調節して燃焼室内の空燃比を理論空燃比よりも大きいリーン状態に制御する吸気量制御手段と、上記吸気量調節手段の下流側における吸気通路の絞り状態を変化させてタンブル流の強度を調節するタンブル流調節手段とを備え、少なくとも燃焼室内の空燃比が理論空燃比よりも大きいリーン状態の燃焼モードにある場合に、上記タンブル流の強度を高めた状態で、このタンブル流に対向させるように燃料を噴射して点火時に点火プラグの周りに可燃混合気を成層化させるように構成された火花点火式直噴エンジンの制御装置において、上記リーン状態の燃焼モードで、上記吸気量調節手段により吸気量を変化させて燃焼室内の空燃比を一時的に略理論空燃比または理論空燃比よりも小さいリッチ状態とするリッチスパイク制御手段を有し、このリッチスパイク制御の実行中に、少なくとも圧縮行程で燃料を噴射するとともに、上記吸気量調節手段の下流側における吸気通路の絞り状態を、リッチスパイク制御の実行前と同等ないしそれよりも強化するものである。
【００１６】
上記構成によれば、リーン状態の燃焼モードにおけるリッチスパイク制御の実行中に、少なくとも圧縮行程で燃料が噴射されるとともに、上記タンブル流調節手段の下流側における吸気通路の絞り状態がリッチスパイク制御の実行前と同等ないしそれよりも強化されることにより、燃焼室内におけるタンブル流の強度低下が防止されて混合気の成層度が確保された状態で、上記リッチスパイク制御が適正に実行されることになる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施形態に係る制御装置を備えた火花点火式直噴エンジンの全体的な構成を示している。この図において、上記エンジン本体１は、複数の気筒２が配設されたシリンダブロック３と、このシリンダブロック３上に配設されたシリンダヘッド４とを有し、各気筒２内には、ピストン５が上下方向に往復動可能に嵌装され、このピストン５とシリンダヘッド４との間に燃焼室６が形成されている。上記ピストン５は、シリンダブロック３の下方に配設されたクランク軸７に、コネクティングロッド８を介して連結されている。上記クランク軸７の一端部側には、クランク角（クランク軸７の回転角度）を検出する電磁式のクランク角センサ９が配設されている。
【００１８】
上記各気筒２の燃焼室６は、その天井部が中央部分からシリンダヘッド４の下端まで延びる二つの傾斜面で構成された所謂ペントルーフ型となっている。この燃焼室６の天井部を構成する二つの傾斜面には、吸気ポート１０および排気ポート１１がそれぞれ二つずつ開口し、各ポート１０，１１の開口端には、吸気弁１２および排気弁１３がそれぞれ設けられている。これらの吸気弁１２および排気弁１３は、シリンダヘッド４の上部に軸支された二本のカム軸等からなる動弁機構１４により、それぞれ各気筒２毎に所定のタイミングで開閉作動されるようになっている。
【００１９】
上記燃焼室６の中央部上方には、上記四つの吸気弁１２および排気弁１３により取り囲まれるように点火プラグ１６が配設され、この点火プラグ１６の先端部が上記天井部から燃焼室６内に突出している。上記点火プラグ１６には点火回路１７が接続され、この点火回路１７から各気筒２毎に所定のタイミングで点火プラグ１６に通電されるようになっている。
【００２０】
また、燃焼室６の周縁部には、二つの吸気ポート１０に挟まれるように燃料噴射弁１８が配置され、この燃料噴射弁１８から燃焼室６内に直接燃料が噴射されるようになっている。上記燃料噴射弁１８の基端部には、全気筒２に共通の燃料分配管１９が接続され、燃料供給系２０から供給される高圧の燃料が上記燃料分配管１９を介して各気筒２に分配されるようになっている。
【００２１】
上記燃料供給系２０は、図２に示すように、燃料分配管１９と燃料タンク２１とを連通させる燃料通路２２の上流側から下流側に向かって、低圧ポンプ２３、低圧レギュレータ２４、燃料フィルタ２５および高圧ポンプ２６が順に配設されている。そして、上記低圧ポンプ２３により燃料タンク２１から吸い上げられた燃料が、低圧レギュレータ２４により調圧された後、燃料フィルタ２５により濾過された状態で高圧ポンプ２６に圧送される。この高圧ポンプ２６は、燃料の吐出量を広い範囲に亘って調節可能な電磁ポンプ等からなり、燃料分配管１９への燃料の吐出量を調節することにより、燃料の噴射圧力を適正値（例えば略３ＭＰａ〜略１３ＭＰａ、好ましくは４ＭＰａ〜７ＭＰａ程度）に制御するように構成されている。なお、上記高圧ポンプ２６によって昇圧された燃料の一部を、リターン通路から燃料タンク２１に戻すことにより、上記燃料分配管１９に供給される燃料の圧力状態を適正値に調節する高圧レギュレータを設けた構成としてもよい。
【００２２】
上記エンジン本体１の構造を、図３に示す拡大断面図を参照しつつ、さらに詳しく説明すると、上記吸気ポート１０が燃焼室６から斜め上方に向かって直線的に延びるとともに、エンジン本体１の一側面に開口しており、二つの吸気ポート１０（その一方は図示せず）が互いに独立して形成されている。これらの吸気ポート１０によりタンブル生成手段が構成され、吸気ポート１０を通って燃焼室６内に流入する吸気により、タンブル流Ｔが生成されるようになっている。
【００２３】
また、上記燃料噴射弁１８からの燃料の噴射方向は、燃焼室６内のタンブル流Ｔに逆行するように設定されている。すなわち、図３に示す断面において、燃焼室６の右側に位置する燃料噴射弁１８から斜め左下方に向けて燃料が噴射されることにより、この噴射された燃料がピストン５の冠面上でタンブル流Ｔと逆行するように、燃料の噴射方向が設定されている。
【００２４】
また、図１に示すように、各気筒２の吸気ポート１０にそれぞれ連通するように吸気通路３１がエンジン本体１の一側面部に接続されるとともに、各気筒２の排気ポート１１にそれぞれ連通するように排気通路３２がエンジン本体１の他側面部に接続されている。
【００２５】
上記吸気通路３１は、エンジン本体１の各気筒２の燃焼室６に対して図外のエアクリーナで濾過した吸気を供給するものであり、その上流側から順に、吸気量を検出するホットワイヤ式のエアフローセンサ３３と、電動モータ３５により駆動されて開閉する電気式のスロットル弁３４と、サージタンク３６とが配設されている。また、上記サージタンク３６よりも下流側の吸気通路３１は、各気筒２毎に分岐する独立吸気通路とされ、各独立吸気通路の下流側部は、さらに二つに分岐して上記両吸気ポート１０にそれぞれ連通している。
【００２６】
上記各吸気ポート１０の上流側には、燃焼室６内におけるタンブル流の強さを調節するタンブル流調節弁３７が配設され、このタンブル流調節弁３７が、例えばステッピングモータからなるアクチュエータ３８により開閉駆動されるようになっている。上記タンブル流調節弁３７は、円形のバタフライ弁の一部、例えば弁軸よりも下側の部分を切り欠くことによって形成され、タンブル流調節弁３７が閉じられているときに、上記切欠き部分を介して吸気を下流側に流動させることにより、燃焼室６内に強いタンブル流Ｔを形成し、上記タンブル流調節弁３７が開かれるのに応じてタンブル流Ｔの強度を徐々に弱めるように構成されている。
【００２７】
なお、上記吸気ポート１０やタンブル流調節弁３７の形状は、上記形状に限定されるものではなく、例えば吸気ポート１０を、上流側で一つに合流する所謂コモンポートタイプに構成してもよい。この場合、上記タンブル流調節弁３７は、コモンポートの断面形状に対応する形状のものをベースとして、その一部分を切り欠いた形状とすればよい。
【００２８】
一方、上記排気通路３２は、燃焼室６の外部に既燃ガスを導出するものであり、その上流側には各気筒２の排気ポート１１に連通する排気マニフォールド３９を備えている。この排気マニフォールド３９の集合部には、排気中の酸素濃度を検出するリニアＯ2センサ４０が配設されている。このリニアＯ2センサ４０は、排気中の酸素濃度に基づいて空燃比を検出するために用いられ、理論空燃比を含む所定の空燃比範囲で酸素濃度に対してリニアな出力が得られるものである。
【００２９】
上記排気マニフォールド３９の集合部には、排気管４１の上流端が接続され、この排気管４１の下流側には排気を浄化するためのＮＯｘ浄化触媒４２および三元触媒４３が設けられるとともに、両触媒４２，４３の間に、排気温度を検出する排気温センサ４４が配設されている。また、上記排気管４１の上流側には、排気通路３２を流れる排気の一部を吸気通路３１に還流させるＥＧＲ通路４５の上流端が接続されている。このＥＧＲ通路４５の下流端は、上記電気式スロットル弁３４の下流側で吸気通路３１に接続され、上記ＥＧＲ通路４５の途中には、開閉駆動されることにより排気の還流量を調節する電気式のＥＧＲ弁４６と、排気を冷却するＥＧＲクーラ４７とが配設されている。
【００３０】
上記点火回路１７、燃料噴射弁１８、燃料供給系２０、スロットル弁３４を駆動する電動モータ３５、タンブル流調節弁３７のアクチュエータ３８および上記電気式のＥＧＲ弁４６等は、エンジンコントロールユニット（以下ＥＣＵという）５０によって制御されるように構成されている。一方、上記ＥＣＵ５０には、クランク角センサ９、エアフローセンサ３３、Ｏ2センサ４０および排気温センサ４４等からの信号が入力され、さらにサージタンク３６内の吸気負圧を検出するブーストセンサ２８の検出信号と、吸気温度を検出する吸気温度センサ２９の検出信号と、大気圧センサ３０の検出信号と、アクセルペダルの操作量に対応したアクセル開度を検出するアクセル開度センサ４８からの検出信号と、エンジンの回転速度を検出する回転速度センサ４９からの検出信号とが入力されるようになっている。
【００３１】
そして、上記ＥＣＵ５０は、各センサから入力された信号に基づいて、上記燃料噴射弁１８による燃料の噴射量、噴射時期および噴射圧力と、上記スロットル弁３４により調節される吸気量と、上記タンブル流調節弁３７により調節されるタンブル流Ｔの強度と、電気式のＥＧＲ制御弁４６により調節される排気の還流量等を、それぞれエンジンの運転状態に応じて制御するように構成されている。
【００３２】
具体的には、エンジンの温間状態で、例えば図４に一例を示すように、図の太線で矩形に囲繞された低負荷かつ低回転の運転領域（イ）が成層燃焼領域とされ、燃料噴射弁１８により気筒２の圧縮行程における所定時期（例えば圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）４０°〜１４０°の範囲）に燃料を噴射して点火プラグ１６の近傍に混合気が層状に偏在する状態で燃焼させる成層燃焼モードとなる。この成層燃焼モードでは、空燃比のリーン化および吸気損失の低減化のためにスロットル弁３４の開度を相対的に大きくするようにしており、このときの燃焼室６の平均的な空燃比は理論空燃比よりもリーンな状態（例えばＡ／Ｆ＞２５）になる。
【００３３】
一方、上記成層燃焼領域以外の領域（ロ）は、均一燃焼領域とされ、燃料噴射弁１８により気筒２の吸気行程で燃料を噴射して吸気と充分に混合し、燃焼室６に均一な混合気を形成した上で燃料させる均一燃焼モードとなる。この均一燃焼モードでは、例えば大部分の運転領域において混合気の空燃比が略理論空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．７）になるように、燃料噴射量やスロットル弁３４の開度が制御されるが、特に全負荷運転状態では、空燃比を理論空燃比よりもリッチな状態（例えばＡ／Ｆ＝１３程度）に制御することにより、高負荷に対応した大出力が得られるようにしている。
【００３４】
さらに、エンジンの温間状態で同図の斜線に示す領域では、電気式のＥＧＲ弁４６を開弁して、ＥＧＲ通路４５から排気の一部を吸気通路３１に還流させるようにしている。この際、上記ＥＧＲ弁４６の開度を、エンジンの負荷状態および回転速度に応じ、少なくとも高負荷側ほど排気の還流割合（以下、ＥＧＲ率という）が小さくなるように調節する。これにより、エンジンの燃焼安定性を損なうことなく、排気の還流によりＮＯｘの生成が抑制されるようになっている。
【００３５】
また、エンジンの冷間状態では、燃焼安定性の確保を最優先とし、エンジンの全ての運転領域で均一燃焼状態、または均一燃焼と成層燃焼との中間状態（弱成層燃焼状態）とするとともに、電気式のＥＧＲ弁４６を全閉とするようにしている。なお、上記ＥＧＲ率としては、例えば上記ＥＧＲ通路４５から吸気通路３１に還流される排気還流量の新気量に対する割合を用いればよい。ここで、新気というのは、気筒２に吸入される気体のうちから上記還流排気や燃料ガス等を除いた外気のことである。
【００３６】
図５は、上記ＥＣＵ５０に機能的に含まれる手段の構成を示している。上記ＥＣＵ５０は、吸気温度センサ２９および大気圧センサ３０からの信号等に基づいてエアフロー部の吸気密度ganmaおよび吸気ポート部の吸気密度ganmapを検出する吸気密度状態検出手段５１を有するとともに、上記エンジン回転数センサ４８およびアクセル開度センサ４９からの信号に基づき、上記吸気密度の状態を加味して、目標負荷に相当する値を設定する目標負荷設定手段５２を有している。
【００３７】
上記目標負荷設定手段５２は、図６に示すように、仮想体積効率演算手段５２ａ、仮想充填効率演算手段５２ｂ、なまし処理手段５２ｃ、目標図示平均有効圧力演算手段５２ｄおよびアイドリング負荷補正手段５２ｅを含んでいる。
【００３８】
上記仮想体積効率演算手段５２ａは、アクセル開度accelおよびエンジン回転数neに応じて仮想体積効率veimgを求める。この場合、予めベンチテスト等により標準大気状態下で、かつ空燃比を理論空燃比に保った標準運転条件下において要求される出力性能が得られるように、アクセル開度accelおよびエンジン回転数neと仮想体積効率veimgとの対応関係が定められ、その対応関係がマップとしてＥＣＵ５０内のメモリに記憶されており、このメモリから実際のアクセル開度accelおよびエンジン回転数neに対応した仮想体積効率veimgが求められる。
【００３９】
上記アクセル開度accelおよびエンジン回転数neと仮想体積効率veimgとの対応関係は、例えば図７に示すようになる。すなわち、仮想体積効率veimgは、アクセル開度accelが大きくなるにつれて増加し、かつ、エンジン低速側ほど大きめとなるように設定されている。
【００４０】
また、図６において上記仮想充填効率演算手段５２ｂは、上記仮想体積効率veimgに対し、吸気密度状態検出手段５１で求められた吸気密度を加味して仮想充填効率ceimgを求める。これにより、空燃比を理論空燃比に保つ標準運転条件を想定した場合の要求エンジントルクに見合う充填効率が仮想充填効率ceimgとして求められる。
【００４１】
なまし処理手段５２ｃは、上記仮想充填効率ceimgを、次式（１）に基づく一次遅れ補正によりなまし処理するように構成されている。
ceimgd＝（１−α）・ceimg＋α・ceimgd[i-1] …（１）
なお、上記演算式（１）において、ceimgd[i-1]はceimgdの前回値、αは係数（０＜α＜１）である。
【００４２】
また、目標図示平均有効圧力演算手段５２ｄは、上記仮想充填効率ceimgからこれに対応した値である目標図示平均有効圧力を求め、これを目標負荷とする。この場合、なまし処理されない仮想充填効率ceimgから第１の目標図示平均有効圧力Piobjが、また、なまし処理された仮想充填効率ceimgdから第２の目標図示平均有効圧力Piobjdが、それぞれ次式（２ａ），（２ｂ）に基づいて演算される。なお、K1，K2は、予めエンジン毎に設定された所定の係数である。
Piobj＝K1×ceimg＋K2… （２ａ）
Piobjd＝K1×ceimgd＋K2 …（２ｂ）
【００４３】
アイドリング負荷補正手段５２ｅは、アイドル運転時にエアコン等の外部負荷が加わったときなどにそれに見合う程度にエンジントルクを高めるべくアイドリング負荷補正値を求め、目標図示平均有効圧力の演算に先立って上記仮想充填効率ceimg，ceimgdを補正するようになっている。
【００４４】
図５に示すＥＣＵ５０は、さらに基本的な燃焼モードmodsを設定し、必要に応じてエンジンの燃焼モードを切り替える制御を実行する運転モード設定手段５３からなるモード切替手段を有している。
【００４５】
運転モード設定手段５３は、上記目標負荷図示平均有効圧力演算手段５２ｄにおいて求められた第１の目標図示平均有効圧力Piobjとエンジン回転数neとに応じて基本的な燃焼モードmodsを設定する。すなわち、第１の目標図示平均有効圧力Piobjが所定の低負荷側閾値より低く、かつ、エンジン回転数neが低い領域（図４の成層燃焼領域Ａに対応した領域）では成層燃焼モードに設定され、それ以外の領域（図４の均一燃焼領域Ｂに対応した領域）では、均一燃焼モードに設定される。
【００４６】
さらにＥＣＵ５０は、エンジン出力に関係する各種制御値を決定する制御手段を有し、当実施形態では、スロットル弁３４で調節される吸気量、ＥＧＲ弁４６で調節されるＥＧＲ流量、燃料噴射弁１８からの燃料噴射量、燃料噴射時期および点火プラグ１６の点火時期が制御対象とされ、これら制御対象の制御値が目標負荷およびエンジン回転数ne等に応じて決定される。この場合、上記制御対象のうち低速応答系の制御値を決定するための目標負荷としては第１の目標図示平均有効圧力Piobjが用いられ、高速応答系の制御値を決定するための目標負荷としては第２の目標図示平均有効圧力Piobjdが用いられる。
【００４７】
すなわち、上記各制御対象のうちで吸気量、ＥＧＲ流量およびタンブル流の強度は、それぞれスロットル弁３４、ＥＧＲ弁４６およびタンブル流調節弁３７の作動に対する応答性が比較的低い低速応答系であって、これらの制御量である目標スロットル弁開度tvoobjおよびＥＧＲ弁４６の目標制御量は第１の目標図示平均有効圧力Piobjとエンジン回転数ne等に応じて決定される。一方、燃料噴射量、燃料噴射時期および点火時期は制御信号に速やかに応答する高速応答系であって、これら燃料噴射量、燃料噴射時期および点火時期は上記第２の目標図示平均有効圧力Piobjdとエンジン回転数ne等に応じて決定されるようになっている。
【００４８】
具体的に説明すると、吸気量制御のための手段としては目標空燃比設定手段５４、目標充填効率演算手段５５およびスロットル弁開度演算手段５６を有している。上記目標空燃比設定手段５４は、吸気量制御用の目標空燃比afwbを、上記運転モード設定手段５３で設定される燃焼モード別に設定するものであり、成層燃焼モードでは第１の目標図示平均有効圧力Piobjとエンジン回転数neとに応じ、予め作成されているマップから目標空燃比afwbを求め、均一燃焼モードでは目標空燃比afwbを、例えば理論空燃比（λ＝１）とするようになっている。
【００４９】
上記目標充填効率演算手段５５は、第１の目標図示平均有効圧力Piobjもしくはこれに対応する仮想充填効率ceimgと上記目標空燃比afwbとから、目標充填効率ceobjを例えば次式（３）により求める。
ceobj＝ceimg×｛(afwb＋K3)／１４．７｝×K4 …（３）
【００５０】
この演算式（３）は、仮想充填効率ceimgから、リーン運転される場合の目標空燃比の空気過剰率分（afwb／１４．７）と燃費改善効果分とを加味して目標充填効率ceobjを求めるようにしたものである。
【００５１】
つまり、上記仮想充填効率ceimgは理論空燃比で運転される状態を想定した目標負荷に対応する値であり、これに対し、リーン運転時に同等の燃料噴射量を確保するには上記空気過剰率分を加味する必要があるが、このようにして理論空燃比の場合と同等の燃料噴射量を確保すると、リーン運転時は熱効率が高められて燃費が改善されるので、その分だけトルクが理論空燃比の場合と比べて高くなってしまう。そこで、目標負荷に対応するトルクを得るため、上記空気過剰率分を加味するほかに、燃費改善効果分も加味するようにしたものであって、上記式中のK3，K4が燃費改善効果分を加味するための係数であり、燃費改善効果分に見合う程度に目標充填効率を減少方向に補正すべく、予め係数K3，K4が設定されている。
【００５２】
なお、前記の式（２ａ）から、ceimg＝（Piobj−K1）／K2を求め、この値を上記式（３）に代入することにより得られた演算式から、目標図示平均有効圧力Piobjに対応した目標充填効率ceobjを算出するようにしてもよい。
【００５３】
スロットル弁開度演算手段５６は、図８に示すように、目標体積効率演算手段５６ａ及びスロットル弁開度決定手段５６ｂを有し、上記目標充填効率ceobjから吸気密度に応じた補正を行うことで目標体積効率veobjを求め、この目標体積効率veobj及びエンジン回転数neに応じてスロットル弁開度tvoobjを決定する。この際、体積効率及びエンジン回転数とスロットル弁開度との対応関係はＥＧＲの有無によって異なるため、その各場合についてそれぞれ上記対応関係を示すマップを予め作成し、ＥＧＲ判別手段５６ｃによるＥＧＲの有無の判別に応じていずれかのマップから、目標体積効率veobjに応じたスロットル弁開度tvoobjを求める。上記対応関係は、例えば、ＥＧＲが行われていない場合に図９中の実線、ＥＧＲが行われている場合に図９中の破線のようになる。つまり、スロットル弁開度tvoobjは、目標体積効率veobjが大きくなる程大きくされ、かつ、エンジン回転数が高くなるほど大きめとされるとともに、ＥＧＲ有りの場合はＥＧＲ無しの場合と比べて大きめとされる。
【００５４】
さらに、図８に示す例では、ＥＧＲが行われる場合の既燃ガス体積割合に応じた補正が行われる。すなわち、成層燃焼モードにある場合のように空燃比がリーンな状態でＥＧＲが行われる場合はＥＧＲガス中に既燃ガスだけでなく空気（酸素）も多く存在し、その比率が燃焼室６に吸入される空気の量に影響するので、既燃ガス体積割合演算手段５７により既燃ガス体積割合が求められ、吸気量・ＥＧＲ補正手段５８により、上記既燃ガス体積割合とその目標値との比較、及びエアフローセンサ２６の出力に基づいて求められる実体積効率veと目標体積効率veobjとの比較に基づき、スロットル弁開度の補正値tvofbが求められ、これに関連してＥＧＲ弁制御量の補正値ptfbも求められる。なお、既燃ガス体積割合の目標値については、後述のＥＧＲ弁基本制御量のマップと同様のマップ（図示せず）が予め作成され、このマップから読み出される。
【００５５】
ＥＧＲ量制御のための手段としてはＥＧＲ弁基本制御量設定手段５９及びＥＧＲ弁制御量演算手段６０を有している。上記ＥＧＲ弁基本制御量設定手段５９は、ＥＧＲ弁４６の基本制御量pbaseを上記運転モード設定手段５３で設定される運転モードmods別に設定するものであり、成層燃焼モードでは第１の目標図示平均有効圧力Piobjとエンジン回転数neとに応じ、予め作成されているマップから基本制御量pbaseを求め、均一燃焼モードでは基本制御量pbaseを「０」、またはエアフローセンサ２６の出力に基づいて求められる実充填効率ceとエンジン回転数neとに応じ、予め作成されているマップから基本制御量pbaseを読み出して設定する。
【００５６】
ＥＧＲ弁制御量演算手段６０は、上記ＥＧＲ弁基本制御量設定手段５９において求められた基本制御量pbaseに、上記吸気量・ＥＧＲ補正手段５８において求められた補正値ptfbを加味して目標ＥＧＲ弁制御量egrobjを求める。そして、目標ＥＧＲ弁制御量egrobjと実ＥＧＲ制御量とが一致するようＥＧＲ弁４６を制御する。
【００５７】
また、吸気量の多い成層燃焼モードから、吸気量の少ない均一燃焼モードへの切替過渡期には、この燃焼モードの切替に応じて吸気圧が低下する前の初期段階で、ＥＧＲ弁４６の開度を、予め設定された成層燃焼モードに対応した値、例えば「０」とする制御が、上記ＥＧＲ弁制御量演算手段６０において実行されることにより、上記ＥＧＲ弁４６が閉方向に駆動されるようになっている。
【００５８】
上記ＥＣＵ５０には、タンブル流調節弁３７の制御手段としての機能を有するタンブル弁開度設定手段６１が設けられている。このタンブル弁開度設定手段６１は、上記運転モード設定手段５３で設定された運転モードmods別に要求されるタンブル流Ｔの強度が得られるようにタンブル流調節弁３７の基本開度TSCVBを求めるものであり、成層燃焼モードでは、第１の目標図示平均有効圧力Piobjとエンジン回転数neとに基づき、予め作成されているマップから上記基本開度TSCVBを求め、均一燃焼モードでは実充填効率ceとエンジン回転数neに応じ、予め作成されているマップから上記基本開度TSCVBを求めるようになっている。
【００５９】
そして、上記燃焼室６内の空燃比をリーン状態とする成層燃焼モードから、リッチ状態とする均一燃焼モードへの切替過渡期には、吸気圧の予測値が低下するのに対応させて上記タンブル流調節弁３７を閉方向に駆動することにより、スロットル弁３４の下流側における吸気通路３１の絞り状態を一時的に強化し、燃焼室６内の空燃比が上記リッチ状態の燃焼モードに略対応した値となった時点で、タンブル流調節弁３７を開方向に駆動することにより、スロットル弁３４の下流側における吸気通路３１の絞り量を通常の制御状態に対応した値、つまり均一燃焼モードに対応した値に設定する制御を、上記タンブル弁開度設定手段６１において実行するように構成されている。
【００６０】
また、上記ＥＣＵ５０には、インジェクタ２２からの燃料噴射を制御する手段として、目標空燃比作成手段６２、運転モード設定手段６３、噴射量演算手段６５、噴射時期設定手段６６および噴射制御手段６７が設けられている。
【００６１】
上記目標空燃比作成手段６２は、燃料噴射量等の制御に用いる目標空燃比を求めるものであり、より具体的には図１０に示すように、主として過渡時に利用される目標空燃比afw0を演算する目標空燃比演算手段（afw0演算手段）６２ａと、主として定常時に利用される目標空燃比afwbdを設定する目標空燃比設定手段６２ｂ（afwbd設定手段）と、過渡状態検出のため吸気量制御用の目標空燃比afwbと上記目標空燃比演算手段６２ａで演算された目標空燃比afw0との偏差dafwbを演算する偏差演算手段（dafwb演算手段）６２ｃと、最終的な目標空燃比afwの決定手段（afw決定手段）６２ｄとを有している。
【００６２】
上記目標空燃比演算手段６２ａは、第２の目標図示平均有効圧力Piobjdもしくはこれに対応する仮想充填効率ceimgdと実充填効率ceとから、下記の演算式（４ａ），（４ｂ）のように目標空燃比afw0を演算する。
上記演算式は、理論空燃比と、実充填効率ceと、第２の目標平均有効圧力Piobjdもしくは仮想充填効率ceimgdと、前記の燃費改善効果分を加味する係数K3，K4等とを用い、実充填効率ceの下で目標負荷に対応するトルクが得られるような空燃比を求めるようにしたものである。
【００６４】
また、上記目標空燃比設定手段６２ｂは、目標空燃比afwbdを、運転モード設定手段６３で設定される燃焼モードmodf別に設定するものであり、成層燃焼モードでは第２の目標図示平均有効圧力Piobjdとエンジン回転数neとに応じ、予め作成されているマップから運転状態に対応した目標空燃比afwbdを求め、均一燃焼モードでは目標空燃比afwbdを、例えば理論空燃比（λ＝１）として固定するようになっている。
【００６５】
最終的な目標空燃比afwの決定手段６２ｄは、上記偏差演算手段６２ｃにおいて求められた偏差dafwbが大きくなる過渡時に、目標空燃比演算手段６２ａで演算された目標空燃比afw0を最終的な目標空燃比afwとし、上記偏差dafwbが小さい定常時に、目標空燃比設定手段６２ｂで設定された目標空燃比afwbdを最終的な目標空燃比afwとする。
【００６６】
なお、目標空燃比作成手段６２を、上記のように構成しているのは出力上の要求とエミッション性とを満足するためであるが、より簡単な構成としては上記目標空燃比設定手段６２ｂ及び偏差演算手段６２ｃを省略し、常に目標空燃比演算手段６２ａで求められた目標空燃比afw0を燃料噴射量制御用等の最終的な目標空燃比とするようにしてもよい。
【００６７】
図１０中の演算手段８０は、燃焼モードの切替過渡時における点火時期補正のための空燃比偏差dafwbd，dafw0を演算するものであり、運転モード設定手段６３で設定されるモードmodfが均一燃焼モードでない場合は、上記定常時用の目標空燃比afwbdに基づいてdafwbd（＝afwbd−afw）を算出し、均一燃焼モードの場合は、燃料噴射量等制御用の目標空燃比afw0に基づいてdafw0（＝afw0−afw）を算出するようになっている。
【００６８】
運転モード設定手段６３は、高速応答系の制御値を決定するために用いる燃焼モードmodfを、燃料噴射量等制御用の目標空燃比afw0とエンジン回転数neとに応じて設定する。すなわち、上記目標空燃比演算手段６２ａで演算された目標空燃比afw0が均一下限基準値（例えばＡ／Ｆ＝１８）より小さい値となる場合は均一燃焼モードとし、上記目標空燃比afw0が均一下限基準値よりも大きい値となるときは成層燃焼モードとするようになっている。
【００６９】
噴射量演算手段６５は、上記エアフローセンサ２６の出力から求められた充填効率ceと、上記目標空燃比作成手段６２により求められた目標空燃比afw0とに基づいて燃料噴射量を算出するとともに、これに対応した噴射パルスＴｉを求めるものである。
【００７０】
噴射時期設定手段６６は、燃料の噴射時期を上記運転モード設定手段６３で設定される燃焼モード別に設定するものであり、成層燃焼モードでは第２の目標図示平均有効圧力Piobjdとエンジン回転数neとに応じて予め作成されているマップから圧縮行程噴射用の噴射時期thtinjdを求め、均一燃焼モードではエンジン回転数neに応じて予め作成されているテーブルから吸気行程噴射用の噴射時期thtinjpを求める。
【００７１】
噴射制御手段６７は、上記噴射時期設定手段６６により設定された噴射時期に、上記噴射量演算手段６５により演算された噴射パルス幅Tiに相当する時間だけインジェクタ２２を作動させるように、噴射パルスを出力する。
【００７２】
また、点火時期を制御する手段としては、基本点火時期および補正量を設定する基本点火時期補正量設定手段６８と、点火時期演算手段６９を有する。上記基本点火時期補正量の設定手段６８は、上記運転モード設定手段６３で設定される燃焼モードmodf別に基本点火時期thtigbや、各種の点火時期補正値を設定するものである。
【００７３】
上記基本点火時期補正量設定手段６８による設定を具体的に説明すると、吸気量の多い成層燃焼モードでは、第２の目標図示平均有効圧力Piobjdとエンジン回転数neとに応じて予め作成されているマップから基本点火時期thtigbを求めるとともに、上記目標空燃比偏差dafwbdに応じた補正値thtigwdを予め作成されているテーブルから求める。目標空燃比偏差dafwbd（＝afwbd−afw）に応じた補正は、基本点火時期thtigbが予め定常運転時の目標空燃比afwbdにおける目標図示平均有効圧力Piobjdおよびエンジン回転数neに応じて定められているのに対し、過渡時にはafw0が最終的な目標空燃比afwとされて定常時とは空燃比のずれが生じるので、それに見合うように点火時期を調整するものである。
【００７４】
吸気量の少ない均一燃焼モードでは、充填効率ceとエンジン回転数neとに応じて予め作成されているマップから基本点火時期thtigbを求めるとともに、ＥＧＲ時の補正値thtigweを充填効率ceとエンジン回転数neとに応じて予め作成されているマップから求め、上記目標空燃比偏差dafw0に応じた補正値thtigwdおよびエンジン水温thwに応じた冷間時補正値thtigwcをそれぞれ予め作成されているテーブルから求める。目標空燃比偏差dafw0（＝afw0−afw）に応じた補正は、目標空燃比afw0が理論空燃比よりリーン側の所定値以下となったときＮＯｘ発生量が増大する空燃比を通ることを避けるために最終的な目標空燃比afwが理論空燃比とされる場合に、その空燃比変更に見合うように点火時期を調整するものである。
【００７５】
点火時期演算手段６９は、上記基本点火時期補正量設定手段６８で設定された基本噴射量thtigbおよび各種補正値から点火時期thtigを次式（５）のように求める。
thtig＝thtigb−（thtigwd＋thtigwe＋thtigwc） …（５）
【００７６】
上記ＥＣＵ５０のタンブル弁開度設定手段６１等により行われるタンブル流強度の制御動作を、図１１に示すフローチャートに基づいて説明する。上記制御動作がスタートすると、まず運転モード設定手段５３において設定された基本的な燃焼モードmodsが成層燃焼モードであるか否かを判定する（ステップＳ１）。
【００７７】
上記ステップＳ１でＹＥＳと判定されて成層燃焼モードの運転状態にあることが確認された場合には、エンジン回転数neと、上記目標図示平均有効圧力演算手段５２ｄにおいて求められた第１の目標図示平均有効圧力Piobjdとに基づき、タンブル流調節弁３７の基本開度TSCVBを設定した後（ステップＳ２）、この基本開度TSCVBに基づいてタンブル流調節弁３７の最終開度TSCV（＝TSCVB）を設定する（ステップＳ３）。
【００７８】
また、上記ステップＳ１でＮＯと判定されて基本的な燃焼モードmodsが成層燃焼モードないこと、つまり均一燃焼モードであることが確認された場合には、上記高速応答系制御用の運転モード設定手段６３において設定された燃焼モードmodfが成層燃焼モードであるか否かを判定する（ステップＳ４）。
【００７９】
上記ステップＳ４でＮＯと判定されて均一燃焼モードの運転状態にあることが確認された場合には、エンジン回転数neと、エアフローセンサ２６の出力に基づいて求められる実充填効率ceとに基づき、タンブル流調節弁３７の基本開度TSCVBを設定した後（ステップＳ５）、この基本開度TSCVBに基づいてタンブル流調節弁３７の最終開度TSCV（＝TSCVB）を設定する（ステップＳ６）。
【００８０】
上記ステップＳ４でＹＥＳと判定されて成層燃焼モードから均一燃焼モードへの切替過渡期にあること、つまり図１２（ａ）に示すように、スロットル弁３４の開度TVOを減少させる方向に駆動する制御が開始された上記燃焼モードの切替開始時点ｔ１から、スロットル弁３４の閉止動作に応じて燃焼室６内の空燃比が上記均一燃焼モードに略対応した値となる時点（上記目標空燃比演算手段６２で求められた目標空燃比afw0が均一下限基準値よりも小さい値となる時点）ｔ２までの間にあることが確認された場合には、エンジン回転数neと、上記第１の目標図示平均有効圧力Piobjdとに基づき、上記タンブル流調節弁３７の基本開度TSCVBを設定する（ステップＳ７）。
【００８１】
また、上記スロットル弁３４の開度TVOと、エンジン回転数neとに基づき、現時点における体積効率の推定値cepを算出した後（ステップＳ８）、この体積効率の推定値cepと、上記目標体積効率演算手段５６ａにおいて演算された目標体積効率veobjとに基づき、上記タンブル流調節弁３７を閉方向に駆動して吸気通路３１の絞り状態を強化するための絞り量補正値catscvを設定する（ステップＳ９）。
【００８２】
上記絞り量補正値catscvは、スロットル弁３４の開度に応じて変化する吸気圧、つまり上記タンブル流調節弁３７の設置部における吸気圧の予測値に対応して変化する上記体積効率の推定値depと、上記目標体積効率veobjとの差に基づいて設定され、この差が小さく、上記体積効率の推定値depが低下して目標体積効率veobjに近づくほど、上記絞り量補正値catscvが大きな値に設定されるようになっている。
【００８３】
次いで、上記タンブル流調節弁３７の基本開度TSCVBと、絞り量補正値catscvとに基づいてタンブル流調節弁３７の最終開度TSCV（＝TSCVB−catscv）を算出する（ステップＳ１０）。この結果、上記成層燃焼モードから均一燃焼モードへの切替過渡期おいて、燃焼室６内の空燃比が均一燃焼モードに略対応した値となる時点ｔ２以前の初期段階では、上記体積効率の推定値depが低下して上記目標体積効率veobjsとの差が小さくなるに従い、図１２（ｂ）の実線に示すように、タンブル流調節弁３７の最終開度TSCVを減少させて上記スロットル弁３４の設置部の下流側における吸気通路３１の絞り状態を強化する補正が実行されることになる。
【００８４】
そして、上記最終開度TSCVに対応した制御信号を上記タンブル流調節弁３７のアクチュエータ３８に出力することにより、タンブル流調節弁３７を駆動する（ステップＳ１１）。なお、上記ステップＳ４でＮＯと判定されて均一燃焼モードの運転状態に移行した時点、つまり燃焼室６内の空燃比が均一燃焼モードに略対応した値となった時点ｔ２で、上記燃料の噴射形態がリッチ状態の均一燃焼モードに切り替えられるのに応じ、上記吸気通路３１の絞り状態を強化する補正が停止されてタンブル流調節弁３７の開度が通常の制御状態（リッチ状態）に対応した値に設定されることになる。
【００８５】
以上のような制御装置を備えた当実施形態の火花点火式直噴エンジンでは、燃焼モードとして成層燃焼モードと均一燃焼モードとが運転状態に応じて設定される。そして、成層燃焼モードでは空燃比が理論空燃比と比べて大幅にリーンとされた状態で成層燃焼が行われることにより燃費が大幅に改善され、均一燃焼モードでは、空燃比が略理論空燃比ないし理論空燃比よりも小さいリッチとされた状態で吸気行程噴射により均一燃焼が行われる。
【００８６】
また、少なくとも燃焼室６内の空燃比が理論空燃比よりも大きいリーン状態の燃焼モード（成層燃焼モード）では、燃焼室６内におけるタンブル流Ｔの強度を高めた状態で、このタンブル流Ｔに対向させるように燃料を噴射することにより、この燃料噴霧と上記タンブル流Ｔとが衝突して燃料の微粒化が促進されるとともに、タンブル流Ｔにより燃料噴霧が減速されつつ、空気と充分に混合された状態で燃焼室６内に漂い、点火時に点火プラグ１６の周りに可燃混合気が成層化されることになる。
【００８７】
そして、上記リーン状態の成層燃焼モードからリッチ状態の均一燃焼モードへの切替過渡期には、燃焼室６内の空燃比が上記リッチ状態の燃焼モードに略対応した値となるまで、リーン状態の燃焼モードに適合した燃料の噴射形態を維持しつつ、上記タンブル流調節弁３７の開度を減少させる補正を行うことにより、上記スロットル弁３４の下流側における吸気通路３１の絞り状態を、さらに強化するように構成したため、タンブル流Ｔの強度が低下することを防止して点火プラグ周りにおける混合気の成層度を確保し、燃焼安定性の低下およびエミッション性の悪化を防止することができる。
【００８８】
すなわち、吸気量の多い上記成層燃焼モードから、吸気量の少ない均一燃焼モードへの切替時点ｔ１で、図１２（ａ）に示すように、スロットル弁３４の開度TVOを急減させる制御が実行されるのに応じ、上記の切替時点ｔ１から所定の時間差をもって吸気量が減少し始めることになる。このため、上記燃焼モードの切替過渡期において、燃焼室６内の空燃比が切替後の状態、つまり均一燃焼モードの空燃比に略対応した値となる時点ｔ２までの初期段階では、成層燃焼モードに適合した燃料の噴射形態を維持しつつ、図１２（ｂ）の実線で示すように、上記タンブル流調節弁３７を閉方向に駆動してスロットル弁３４の下流側における吸気通路３１の絞り状態を強化する補正を行うことにより、上記吸気量の減少に対応してタンブル流Ｔの強度が低下することを防止し、タンブル流Ｔの強度を確保した状態で、このタンブル流Ｔに対向させるように燃料を噴射して点火時に点火プラグ１６の周りに可燃混合気を適正に成層化させることができる。
【００８９】
したがって、上記燃焼モードの切替過渡期に、吸気量が減少するのに応じてタンブル流Ｔの強度が不足し、これに起因して燃焼安定性が低下することにより、図１３（ｃ）の破線で示すように、エンジン回転数neが一時的に低下するという事態の発生を効果的に防止し、燃焼安定性を良好状態に維持して図１３（ｃ）の実線で示すように、エンジン回転数neを一定に維持することができる。しかも、燃焼安定性が低下することに起因して図１３（ｄ）の破線で示すように、排気通路３２に導出されるＨＣ量が増大してエミッション性が悪化する等の弊害を生じることなく、図１３（ｄ）の実線で示すように、排気通路３２に導出されるＨＣ量を略一定量に維持してエミッション性を良好状態に維持することができるという利点がある。
【００９０】
また、上記実施形態に示すように、スロットル弁３４からなる吸気量調節手段の動作に応じて吸気圧が変化する吸気通路３１に接続されたＥＧＲ通路４５からなる排気還流通路と、このＥＧＲ通路４５に設けられたＥＧＲ弁４６とを有し、リーン状態の成層燃焼モードからリッチ状態の均一燃焼モードへの切替過渡期に、上記スロットル弁３４の閉止動作に応じて吸気圧が低下する前に上記ＥＧＲ弁４６の開度を予め設定された均一燃焼モードに対応した値、例えば「０」に設定するように構成した場合には、上記燃焼モードの切替過渡期に、ＥＧＲ通路４５を介して多量の既燃ガスが吸気通路３１に還流されるのを防止することにより、燃焼安定性の低下およびエミッション性の悪化を、さらに効果的に防止できるという利点がある。
【００９１】
また、上記実施形態では、成層燃焼モードから均一燃焼モードへの切替過渡期に、上記体積効率の推定値depと目標体積効率veobjsとの差に基づき、上記スロットル弁３１の下流側、つまり上記タンブル流調節弁３７の設置部における吸気圧の変化を予測し、この吸気圧の予測値が低下するのに対応して上記タンブル流調節弁３７の絞り補正値catscvを大きな値に設定することにより、タンブル流調節弁３７の最終開度TSCVを減少させて上記スロットル弁３４の設置部の下流側における吸気通路３１の絞り状態を強化する補正を実行するように構成したため、上記燃焼モードの切替過渡期に、吸気圧の低下状態に応じてタンブル流調節弁３７の閉止量を適正に調節することにより、タンブル流Ｔの強度低下を効果的に防止して点火プラグ周りにおける混合気の成層度を適正状態に維持することができるという利点がある。
【００９２】
さらに、上記実施形態では、リーン状態の成層燃焼モードからリッチ状態の均一燃焼モードへの切替過渡期に、燃焼室６内の空燃比が上記リッチ状態の燃焼モードに略対応した値となった時点ｔ２で、均一燃焼モードに適合した燃料の噴射形態に切り替えるとともに、スロットル弁３４からなる吸気量調節手段の下流側における吸気通路３１の絞り量を通常の制御状態に対応した値に設定するように構成したため、上記燃焼モードの切替過渡期の初期段階で、タンブル流Ｔの強度低下を効果的に防止して点火プラグ周りにおける混合気の成層度を適正状態に維持しつつ、上記燃焼モードの切替過渡期の終期段階で、リッチ状態の燃焼モード制御を適正に実行することができる。
【００９３】
なお、上記スロットル弁３４からなる吸気量調節手段により吸気量を調節して燃焼室６内の空燃比理論空燃比よりも大きいリーン状態に制御する上記スロットル弁開度演算手段５６等からなる吸気量制御手段と、上記吸気量調節手段の下流側で吸気通路３１の絞り量を変化させてタンブル流Ｔの強度を調節するタンブル流調節弁３７からなるタンブル流調節手段とを備え、上記リーン状態の燃焼モードにある場合に、上記タンブル流Ｔの強度を高めた状態で、このタンブル流Ｔに対向させるように燃料を噴射して点火時に点火プラグ１６の周りに可燃混合気を成層化させるように構成された火花点火式直噴エンジンの制御装置において、上記リーン状態の成層燃焼モードで、上記スロットル弁開度演算手段５６に設けられたリッチスパイク制御手段により、吸気量を減少させて燃焼室６内の空燃比を一時的にリッチ状態とするリッチスパイク制御を実行し、このリッチスパイク制御の実行中に、少なくとも圧縮行程で燃料を噴射するとともに、上記吸気量調節手段の下流側における吸気通路の絞り状態を、リッチスパイク制御の実行前と同等ないしそれよりも強化するように構成してもよい。
【００９４】
上記リッチスパイク制御は、例えばリーン状態の燃焼モードで排気ガス中のＮＯｘを吸着するＮＯｘ吸着材を有し、リッチ状態の燃焼モードでこのＮＯｘ吸着材からＮＯｘを放出させて還元することにより、排気ガスを浄化するように構成されたＮＯｘ吸着触媒を備えたエンジン等において、リーン状態の成層燃焼モードで、上記ＮＯｘ吸着材に吸着されたＮＯｘを放出させて還元させるために短期間だけ実行されるものである。
【００９５】
上記リッチスパイク制御の実行中に、少なくとも圧縮行程で燃料を噴射する噴射形態を維持しつつ、上記タンブル流調節弁３７の開度を補正して、上記タンブル流調節弁３７の下流側における吸気通路３１の絞り状態を、リッチスパイク制御の実行前と同等ないしそれよりも強化することにより、タンブル流Ｔの強度が低下することを効果的に防止して混合気の成層度を確保した状態で、上記リッチスパイク制御を適正に実行することができる。したがって、上記リーン状態の成層燃焼モードにおいて、スロットル弁３４を閉方向に駆動して燃焼室６内の空燃比を一時的にリッチ状態とする上記リッチスパイク制御の実行中に、燃焼安定性の低下およびエミッション性の悪化を防止しつつ、ＮＯｘ浄化触媒４２等に吸蔵されたＮＯｘを放出させて還元することができる。
【００９６】
なお、上記実施形態では、スロットル弁３４からなる吸気量調節手段の作動量を制御して吸気通路３１から燃焼室６内に導入される吸気量を調節するようにした例について説明したが、上記スロットル弁３４に代え、アイドル時等に吸気量を調節するために設けられた図外のＩＳＣ弁開度を調節し、あるいは図外のＶＶＬ（バルブリフト量調節手段）により吸気弁１２のリフト量を調節することにより、上記吸気量を調節することも可能である。
【００９７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、燃料の噴射状態を制御する噴射制御手段と、吸気通路の途中に設けられた吸気量調節手段と、この吸気量調節手段により吸気量を調節して燃焼室内の空燃比を理論空燃比よりも大きいリーン状態と略理論空燃比ないし理論空燃比よりも小さいリッチ状態とに燃焼モードを切り替えるように制御するモード切替手段と、上記吸気量調節手段の下流側における吸気通路の絞り状態を変化させてタンブル流の強度を調節するタンブル流調節手段とを備え、少なくとも燃焼室内の空燃比が理論空燃比よりも大きいリーン状態の燃焼モードでは、上記タンブル流の強度を高めた状態で、このタンブル流に対向させるように燃料を噴射して点火時に点火プラグの周りに可燃混合気を成層化させるように構成された火花点火式直噴エンジンの制御装置において、上記リーン状態の燃焼モードからリッチ状態の燃焼モードへの切替過渡期に、燃焼室内の空燃比が上記リッチ状態の燃焼モードに略対応した値となるまで、リーン状態の燃焼モードに適合した燃料の噴射形態を維持しつつ、上記タンブル流調節手段による吸気通路の絞り状態を、さらに強化するように上記タンブル流調節手段を制御するように構成したため、吸気量の多いリーン状態の燃焼モードから、吸気量の少ないリッチ状態の燃焼モードへの切替過渡期に、タンブル流の強度が低下することを防止して点火プラグ周りにおける混合気の成層度を確保し、燃焼安定性の低下およびエミッション性の悪化を効果的に防止できるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】火花点火式直噴エンジンの全体構成を示す説明図である。
【図２】燃料噴射系の具体的構成を示すブロック図である。
【図３】エンジン本体の要部の具体的構成を示す断面図である。
【図４】エンジンの運転領域を示す制御マップの一例を示す説明図である。
【図５】本発明に係る火花点火式直噴エンジンの制御装置の実施形態を示すブロック図である。
【図６】目標負荷設定手段の具体的構成を示すブロック図である。
【図７】目標体積効率とスロットル弁開度との対応関係を示す説明図である。
【図８】スロットル弁開度設定手段等の具体的構成を示すブロック図である。
【図９】目標体積効率とスロットル弁開度との対応関係を示す説明図である。
【図１０】目標空燃比作成手段の具体的構成を示すブロック図である。
【図１１】タンブル弁開度設定手段によるタンブル流強度の制御動作を示すフローチャートである。
【図１２】タンブル流強度の制御に基づく作用を説明するためのタイムチャートである。
【符号の説明】
６ 燃焼室
１６ 点火プラグ
１８ 燃料噴射弁
３１ 吸気通路
３４ スロットル弁（吸気量調節手段）
３７ タンブル流調節弁（タンブル流調節手段）
４５ ＥＧＲ通路（排気還流通路）
４６ ＥＧＲ弁
５３ 運転モード設定手段（モード切替手段）
５６ スロットル弁開度演算手段（吸気量制御手段）
Claims (5)
- 燃料の噴射状態を制御する噴射制御手段と、吸気通路の途中に設けられた吸気量調節手段と、この吸気量調節手段により吸気量を調節して燃焼室内の空燃比を理論空燃比よりも大きいリーン状態と略理論空燃比ないし理論空燃比よりも小さいリッチ状態とに燃焼モードを切り替えるように制御するモード切替手段と、上記吸気量調節手段の下流側における吸気通路の絞り状態を変化させてタンブル流の強度を調節するタンブル流調節手段とを備え、少なくとも燃焼室内の空燃比が理論空燃比よりも大きいリーン状態の燃焼モードでは、上記タンブル流の強度を高めた状態で、このタンブル流に対向させるように燃料を噴射して点火時に点火プラグの周りに可燃混合気を成層化させるように構成された火花点火式直噴エンジンの制御装置において、上記リーン状態の燃焼モードからリッチ状態の燃焼モードへの切替過渡期に、燃焼室内の空燃比が上記リッチ状態の燃焼モードに略対応した値となるまで、リーン状態の燃焼モードに適合した燃料の噴射形態を維持しつつ、上記タンブル流調節手段による吸気通路の絞り状態を、さらに強化するように上記タンブル流調節手段を制御することを特徴とする火花点火式直噴エンジンの制御装置。
- 吸気量調節手段の動作に応じて吸気圧が変化する吸気通路に接続された排気還流通路と、この排気還流通路に設けられたＥＧＲ弁とを有し、リーン状態の燃焼モードからリッチ状態の燃焼モードへの切替過渡期に、上記吸気量調節手段の動作に応じて吸気圧が低下する前に上記ＥＧＲ弁の開度を予め設定されたリッチ状態の燃焼モードに対応した値に設定することを特徴とする請求項１記載の火花点火式直噴エンジンの制御装置。
- タンブル流調節手段をタンブル流調節弁によって構成し、リーン状態の燃焼モードからリッチ状態の燃焼モードへの切替過渡期に、上記タンブル流調節弁の設置部における吸気圧の変化状態を予測し、この吸気圧の予測値が低下するのに対応させて上記タンブル流調節弁を閉方向に駆動することを特徴とする請求項１または２記載の火花点火式直噴エンジンの制御装置。
- リーン状態の燃焼モードからリッチ状態の燃焼モードへの切替過渡期に、燃焼室内の空燃比が上記リッチ状態の燃焼モードに略対応した値となった時点で、リッチ状態の燃焼モードに適合した燃料の噴射形態に切り替えるとともに、タンブル流調節手段による吸気通路の絞り状態を通常の制御状態に対応した値に設定することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の火花点火式直噴エンジンの制御装置。
- 燃料の噴射状態を制御する噴射制御手段と、吸気通路の途中に設けられた吸気量調節手段と、この吸気量調節手段により吸気量を調節して燃焼室内の空燃比を理論空燃比よりも大きいリーン状態に制御する吸気量制御手段と、上記吸気量調節手段の下流側における吸気通路の絞り状態を変化させてタンブル流の強度を調節するタンブル流調節手段とを備え、少なくとも燃焼室内の空燃比が理論空燃比よりも大きいリーン状態の燃焼モードにある場合に、上記タンブル流の強度を高めた状態で、このタンブル流に対向させるように燃料を噴射して点火時に点火プラグの周りに可燃混合気を成層化させるように構成された火花点火式直噴エンジンの制御装置において、上記リーン状態の燃焼モードで、上記吸気量調節手段により吸気量を変化させて燃焼室内の空燃比を一時的に略理論空燃比または理論空燃比よりも小さいリッチ状態とするリッチスパイク制御手段を有し、このリッチスパイク制御の実行中に、少なくとも圧縮行程で燃料を噴射するとともに、上記吸気量調節手段の下流側における吸気通路の絞り状態を、リッチスパイク制御の実行前と同等ないしそれよりも強化することを特徴とする火花点火式直噴エンジンの制御装置。
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