JP3968330B2 - 筒内噴射式エンジンの燃焼制御装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃焼室内に縦渦等の空気流を生成するとともに、燃焼室内に燃料を直接噴射するようにされてなる筒内噴射式エンジンの燃焼制御装置及び方法に係り、特に、エンジンの運転状態に応じて、吸気行程噴射モードと圧縮行程噴射モードとを選択的にとり得るようにされた筒内噴射式エンジンの燃焼制御装置及び方法に関する。

近年、燃焼室内に直接燃料を噴射し、従来の均質ストイキ燃焼や均質リーン燃焼（以下まとめて「均質燃焼」）よりもさらに希薄な混合気での燃焼を可能とする筒内噴射式エンジンが開発されている。

筒内噴射式エンジンでは、燃焼室内において可燃混合気を点火プラグ付近に集中させることにより、全体としては均質燃焼よりも希薄な空燃比でありながら、安定した燃焼が可能な成層燃焼を実現している。成層燃焼では、均質燃焼と比べて多量の空気をシリンダ（燃焼室）内に吸入するため、スロットル弁を大きく開くことによるポンピングロスの低減や、冷却損失の低減等により、燃費を向上できる。これら均質燃焼と成層燃焼とは、エンジンの負荷や回転数等の運転状態に従って切り換える。

また、均質燃焼は吸気行程中に燃料を噴射する吸気行程噴射モードによって、成層燃焼は圧縮行程中に燃料を噴射する圧縮行程噴射モードによって、それぞれ実現する。

ここで、圧縮行程噴射モードでは、吸気弁と排気弁が共に閉じて密閉された燃焼室内に燃料を噴射するため、噴射した燃料は全て燃焼室内に残る。それに対し、吸気行程噴射モードでは、空気を吸入するために吸気弁が開いている吸気行程で燃料を噴射し、さらに圧縮行程へ移行した後も、しばらくは吸気弁が開かれていることがあるため、このときの燃焼室内は密閉されておらず、特に圧縮行程においては燃焼室内の混合気に圧縮される力が加わる上に、吸気通路から燃焼室内へと空気を吸入する圧力がなくなるため、噴射した燃料の一部が吸気通路へと吹き返されることがある。

このとき、吸気行程噴射モードのままで連続運転している場合のあるサイクルに着目すると、上記のように燃料が吸気通路へと吹き返されることによって燃焼室内で燃料が不足する一方で、前サイクルにおいても同様にして吸気通路へと吹き返された燃料は、次のサイクルで燃焼室内へと吸入されるため、前後のサイクルで平衡状態を保ちながら、燃焼室内の混合気の空燃比は一定に保たれる。

しかし、圧縮行程噴射モードから吸気行程噴射モードへと切り換えられた直後においては、直前のサイクルが圧縮行程噴射モードであるため、吸気通路内に滞留している燃料は存在せず、吸気通路からは新気のみが吸入される。そのため、吸気行程噴射モードへ切り換えられた直後の燃焼室内の混合気の空燃比は、吸気通路へと吹き返された燃料分だけリーン側になってしまう。

これに対し、例えば、下記特許文献１においては、吸気行程噴射モードに比べて燃料の吸気通路への吹き返し量が少ないと検出または予測される燃料噴射モードから、吸気行程噴射モードへと切り換える場合には、吸気行程噴射モードへ切り換え後の所定期間は目標空燃比をリッチ側に補正することが提案されている。また、このときの燃料の吹き返し量（吹き返し燃料量）と吸気弁閉時期とは相関しているため、前記補正量は、前記吸気弁閉時期に基づいて算出できるとされている。

特開平２００１−２４８４７２号公報（第１〜７頁、図１〜図６）

ところで、成層燃焼を実現する際の、可燃混合気を点火プラグ付近に集中させる手法として、従来の筒内噴射式エンジンでは、ピストン頂部に形成されたキャビティ（凹部）へ向けて燃料を噴射し、さらに補助として燃焼室内に形成されたスワール（横渦の空気流）やタンブル（縦渦の空気流）などを合わせて利用する方式（以下「ウォールガイド方式」）が多く実用化されている。一方、近年の筒内噴射式エンジンでは、吸気通路に設けられたタンブル生成弁によって、燃焼室内のタンブルを自在に調整し、成層燃焼時には燃焼室内に強力なタンブルを生成することによって、前記キャビティを浅くしながらも、前記タンブルを主に利用して可燃混合気を点火プラグ付近に集中させる方式（以下「エアーガイド方式」）の開発が進んでいる。

ここで、エアーガイド方式の筒内噴射式エンジンで吸気行程噴射モードを実行する場合には、先に述べた吸気弁閉時期と相関した吹き返し燃料量とは別に、吸気弁閉時期と相関しない吹き返し燃料量が存在する。この吸気弁閉時期と相関しない吹き返し燃料量は、吸気行程中に燃焼室内に生成された強力なタンブルによって生じるものであり、ウォールガイド方式の筒内噴射式エンジンではほとんど発生しないものである。

従って、エアーガイド方式の筒内噴射式エンジンにおいて、圧縮行程噴射モードから吸気行程噴射モードへと切り換えられた際に必要とされる補正は、吸気弁閉時期から算出される燃料噴射量の補正量のみでは不十分であり、前述の補正のみでは吸気行程噴射モードへ切り換え後の所定期間は実空燃比が目標空燃比よりリーン側になってしまう。

さらに、上記とは逆に、吸気行程噴射モードから圧縮行程噴射モードへと切り換えられた場合は、圧縮行程噴射モードへ切り換え後の所定期間は、前サイクルが吸気行程噴射モードであるため、切り換え前の吸気行程噴射モードで吹き返された燃料が吸気通路内に滞留しており、この対流している燃料は切り換え後の圧縮行程噴射モードで燃焼室内に吸入されるため、この場合には実空燃比が目標空燃比よりリッチ側になってしまう。

上記のように、燃焼室から吸気通路に燃料が吹き返されることに起因して、燃焼モード（燃料噴射モード）の切り換え時において、実空燃比が目標空燃比から大きく外れると、燃焼性が悪化するとともに、トルク変動が大となる等の問題を生じる。

本発明は、上記問題を解消すべくなされたもので、その目的とするところは、燃焼室から吸気通路に燃料が吹き返されることに起因して、吸気行程噴射モードと圧縮行程噴射モードとの間のモード切り換え時において、実空燃比が目標空燃比から大きく外れてしまう事態が生じないようにされ、もって、空燃比の制御精度を向上させることができるとともに、トルク変動等を可及的に抑えることのできる筒内噴射式エンジンの燃焼制御装置及び方法を提供することにある。

上記目的を達成すべく、本発明に係る燃焼制御装置は、燃焼室内に縦渦等の空気流を生成するとともに、前記燃焼室内に燃料を直接噴射するようにされてなる筒内噴射式エンジンに備えられるもので、エンジンの運転状態が成層燃焼運転領域及び均質燃焼運転領域のいずれにあるかを判定する燃焼領域判定手段と、前記成層燃焼運転領域から前記均質燃焼運転領域へ移行せしめられた直後の所定の時期に、燃焼モードを圧縮行程噴射モードから吸気行程噴射モードに切り換え、また、前記均質燃焼運転領域から前記成層燃焼運転領域に移行せしめられた直後の所定の時期に、燃焼モードを吸気行程噴射モードから圧縮行程噴射モードに切り換える燃焼モード切換手段と、該燃焼モード切換手段により前記圧縮行程噴射モードと前記吸気行程噴射モードとの間の切り換えが行われた直後の所定期間は、前記燃焼室内に生成された空気流の強さに応じて燃料噴射量を補正する燃料噴射制御手段と、を具備して構成される。

好ましい態様では、前記燃料噴射制御手段は、前記圧縮行程噴射モードから前記吸気行程噴射モードへの切り換えが行われた場合には、切り換え後の吸気行程噴射モードにおける燃焼室内の空気流の強さに応じて燃料噴射量を増量補正し、上記とは逆に、前記吸気行程噴射モードから前記圧縮行程噴射モードへの切り換えが行われた場合には、切り換え前の吸気行程噴射モードにおける燃焼室内の空気流の強さに応じて燃料噴射量を減量補正するようにされる。

また、本発明に係る燃焼制御装置の他の好ましい態様では、前記エンジンの吸気通路に、前記燃焼室内においてタンブル（縦渦）を生成するためのタンブル生成弁が設けられ、前記燃料噴射制御手段は、前記燃料噴射量の補正を、前記タンブル生成弁の開度に基づいて行うようにされる。

さらに、他の好ましい態様では、前記燃料噴射制御手段は、前記燃料噴射量を補正する所定期間を、気筒毎にサイクル数に基づいて設定するようにされる。

一方、本発明に係る筒内噴射式エンジンの燃焼制御方法は、燃焼室内に縦渦等の空気流を生成するとともに、前記燃焼室内に燃料を直接噴射するようにされてなる筒内噴射式エンジンについてのもので、エンジンの運転状態が成層燃焼運転領域から均質燃焼運転領域へ移行せしめられた直後の所定の時期に、燃焼モードを圧縮行程噴射モードから吸気行程噴射モードに切り換え、また、前記均質燃焼運転領域から前記成層燃焼運転領域に移行せしめられた直後の所定の時期に、燃焼モードを吸気行程噴射モードから圧縮行程噴射モードに切り換え、かつ、前記圧縮行程噴射モードと前記吸気行程噴射モードとの間の切り換えが行われた直後の所定期間は、前記燃焼室内に生成された空気流の強さに応じて燃料噴射量を補正することを特徴としている。

かかる燃焼制御方法の好ましい態様では、前記圧縮行程噴射モードから前記吸気行程噴射モードへの切り換えが行われた場合には、切り換え後の吸気行程噴射モードにおける燃焼室内の空気流の強さに応じて燃料噴射量を増量補正し、前記吸気行程噴射モードから前記圧縮行程噴射モードへの切り換えが行われた場合には、切り換え前の吸気行程噴射モードにおける燃焼室内の空気流の強さに応じて燃料噴射量を減量補正するようにされる。

このような構成とされた本発明に係る燃焼制御装置及び方法の好ましい態様においては、圧縮行程噴射モードから吸気行程噴射モードへと切り換えられた場合には、モード切り換え後の所定期間において、燃焼室から吸気通路に燃料が吹き返されることに起因して燃料量が不足するが、この不足する燃料量は、吸気行程噴射モードへ切り換え後の燃焼室内に生成される空気流（例えば、タンブル）の強さに応じたものとなるので、かかる場合には、不足する燃料量を、吸気行程噴射モードへ切り換え後の燃焼室内に生成されるタンブルの強さに基づいて算出し、燃料噴射量をその不足する燃料相当分だけ増量することによって、実空燃比を目標空燃比に近づけるように制御する。

同様に、吸気行程噴射モードから圧縮行程噴射モードへと切り換えられた場合には、モード切り換え後の所定期間においては、切り換え前の吸気行程噴射モードにおいて燃焼室から吸気通路に吹き返された燃料が、圧縮行程噴射モードへ切り換えられた直後に燃焼室に吸入されることに起因して燃料量が過多になるが、この過多になる燃料量は、圧縮行程噴射モードへ切り換え前の吸気行程噴射モードで燃焼室内に生成されていた空気流（例えば、タンブル）の強さに応じたものとなるので、かかる場合には、過多になる燃料量を、モードへ切り換え前の吸気行程噴射モードで燃焼室内に生成されていたタンブルの強さに基づいて算出し、燃料噴射量をその過多となる燃料相当分だけ減量することによって、実空燃比を目標空燃比に近づけるように制御する。

このように、圧縮行程噴射モードと吸気行程噴射モードとの間の切り換えが行われた直後の所定期間、燃焼室内に生成された空気流の強さに応じて燃料噴射量を補正することにより、燃焼室から吸気通路に燃料が吹き返されることに起因して、燃焼モード切り換え時において、実空燃比が目標空燃比から大きく外れてしまう事態が生じないようにでき、そのため、空燃比の制御精度を向上できるとともに、トルク変動等を可及的に抑えることができる。

ここで、同一の運転状態（エンジン回転数、吸入空気量、燃料噴射量、燃料噴射時期等）における、前記した燃焼室から吸気通路への燃料の吹き返し量は、燃焼室内に生成されるタンブルの強さと相関し、さらに、前記タンブルの強さは、例えば吸気通路内に設けられたタンブル生成弁の開度と相関する。すなわち、燃料の吹き返し量は、タンブル生成弁の開度と相関するので、燃料噴射量の補正は、タンブル生成弁の開度に基づいて算出することができる。

また、それぞれの吸気通路内に滞留している燃料量は、各気筒の吸気行程において燃焼室内へと吸入されるため、気筒別にサイクル毎で変化する。そのため、前記燃料噴射量を補正する所定期間は、気筒毎のサイクル数に基づいて算出することで、空燃比の制御精度をより向上できる。

以上の説明から明らかなように、本発明に係る筒内噴射式エンジンの燃焼制御装置及び燃焼制御方法によれば、圧縮行程噴射モードと吸気行程噴射モードとの間の切り換えが行われた直後の所定期間、燃焼室内に生成された空気流の強さに応じて燃料噴射量を補正するようにされるので、燃焼室から吸気通路に燃料が吹き返されることに起因して、燃焼モード切り換え時において、実空燃比が目標空燃比から大きく外れてしまう事態が生じないようにでき、そのため、空燃比の制御精度を向上できるとともに、燃焼モード切り換え時におけるトルク変動等を可及的に抑えることができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明に係る燃焼制御装置５０を、それが適用された筒内噴射式エンジン２００と共に示す概略構成図である。

図示の筒内噴射式エンジン２００は、例えば４つの気筒＃１，＃２，＃３，＃４を有する直列４気筒エンジンであって、シリンダヘッド２１３と、シリンダブロック２２９と、このシリンダブロック２２９内に嵌挿されたピストン２２７とを有し、該ピストン２２７上方には燃焼室２２８が画成され、この燃焼室２２８に吸入される吸入空気は、吸気通路２２５始端部に設けられたエアクリーナ２２０の入口部２１９から取り入れられ、空気流量計（エアフローセンサ）２１８を通り、吸気流量を制御する電制スロットル弁２２４が収容されたスロットルボディ２２１を通ってコレクタ２２３に入る。

前記エアフローセンサ２１８からは、吸気流量を表す信号が燃焼制御装置５０の主要部を構成するコントロールユニット１００（図２も参照）に出力される。また、前記スロットルボディ２２１には、モータ２２２駆動の電制スロットル弁２２４の開度を検出するスロットルセンサ２１７が取り付けられており、その信号もコントロールユニット１００に出力される。

前記コレクタ２２３に吸入された空気は、エンジン２００の各気筒＃１、＃２＃３、＃４に接続された各吸気通路（分岐通路部）２２５に分配された後、各気筒＃１、＃２、＃３、＃４の燃焼室２２８に導かれる。また、各吸気通路２２５の下流部分（吸気ポート２２５ａ側）は、図６〜図１０の拡大図を参照すればよくわかるように、上段側吸気通路部分２２５Ａと下段側吸気通路部分２２５Ｂとに隔壁で分割されていて、その下段側通路路部分２２５の上流端部を開閉するようにタンブル生成弁２３１が配在されている。このタンブル生成弁２３１の開度を調整することによって、上流側通路部分２２５Ａと下段側通路部分２２５Ｂに流れる空気量の割合を変えることができ、これによって、前記燃焼室２２８内で生成されるタンブルの強さが調整される。この場合、前記タンブル生成弁２３１が全閉状態のとき（図６〜図８に示される状態）、前記タンブルが最も強くされ、前記タンブル生成弁２３１が全開状態のとき（図９に示される状態）、前記タンブルが最も弱くされる。

一方、ガソリン等の燃料は、燃料タンク２０５から燃料ポンプ２０４により一次加圧されて燃料圧力レギュレータ２０３により一定の圧力（例えば３ｋｇ／ｃｍ２）に調圧されるとともに、高圧燃料ポンプ２０１でより高い圧力に二次加圧（例えば５０ｋｇ／ｃｍ２）されてコモンレールへ圧送される。前記高圧燃料は、各気筒＃１〜＃４に設けられている燃料噴射弁（インジェクタ）２１４から燃焼室２２８に直接噴射供給される。燃焼室２２８内に噴射された燃料と吸入空気との混合気は、点火コイル２１１によって高電圧が印加される点火プラグ２１５により点火される。

また、排気弁２３３のカムシャフト２０２に付設されたカム角センサ２０７は、カムシャフト２０２の位相を検出するための信号をコントロールユニット１００に出力する。ここで、カム角センサ２０７は吸気弁２３２側のカムシャフト２１２に付設しても良い。また、エンジン２００のクランクシャフト２４１の回転と位相を検出するためにクランク角センサ２３０が設けられており、その出力もコントロールユニット１００に入力される。

さらに、排気通路２０９には，排気ガス中の例えば酸素濃度をリニアに検出してその検出信号をコントロールユニット１００に出力する空燃比センサ２０８、排気ガス浄化用触媒２１０等が設けられている。

前記コントロールユニット１００は、基本的には、図２に示される如くに、ＭＰＵ３０２、ＲＯＭ３０１、ＲＡＭ３０３及びＡ／Ｄ変換器を含むＩ／ＯＬＳＩ３０４等で構成され、エアフローセンサ２１８、燃料圧力センサ２０６、空燃比センサ２０８等のセンサ類からの信号を取り込み、所定の演算処理を実行し、この演算結果として算定された制御信号を、各燃料噴射弁２１４、点火コイル２１１、高圧燃料ポンプ２０１、スロットル弁２２４（２２２）、タンブル生成弁２３１等に供給して、燃料噴射（噴射量、噴射時期）制御、点火時期制御、燃料圧力制御、スロットル弁及びタンブル生成弁の開度制御等を実行する。

ここで、本実施形態の筒内噴射式エンジン２００の制御装置５０においては、成層燃焼を行う運転領域が予め設定されている。かかる成層燃焼運転領域は、エンジン回転数とエンジン負荷（トルク）からのマップ等で設定され、均質燃焼を実施する運転領域と区別される。図５にその領域設定例を示す。低回転・低負荷域は、成層燃焼運転領域とされ、このときは、目標空燃比が例えば４０以上の極めてリーンな値（燃焼室内全体での値）に設定され、圧縮行程中に燃料を噴射する圧縮行程噴射モードを実行する。一方、高回転・高負荷域は、均質燃焼運転領域とされ、このときは、目標空燃比が例えば理論空燃比（１４．７）又はその近傍値に設定され、吸気行程中に燃料を噴射する吸気行程噴射モードを実行する。実際にエンジンが運転されている状態では、要求に応じて、これら均質燃焼運転領域と成層燃焼運転領域との間で燃焼モード（燃料噴射モード）を切り換える。これは、均質燃焼に対して成層燃焼では、出し得るトルクに上限があるためであり、ドライバが要求するトルクを満足させるためには、必然的に上記のような領域設定が必要になる。なお、成層燃焼運転領域（圧縮行程噴射モード）から均質燃焼運転領域（吸気行程噴射モード）への移行時（過渡時）、及び、均質燃焼運転領域（吸気行程噴射モード）から成層燃焼運転領域（圧縮行程噴射モード）への移行時（過渡時）には、スロットル弁２２４の動きに対して吸入空気量は応答遅れがあり、そのため燃焼室内の空燃比は漸減又は漸増するため、目標空燃比も漸減又は漸増するようにされる。

そして、本実施形態のコントロールユニット１００は、図３に機能ブロック図で示されているように、エンジン２００の運転状態（負荷、回転数）が前記した成層燃焼運転領域及び均質燃焼運転領域のいずれにあるかを判定する燃焼領域判定手段１０１と、燃焼モード切換手段１０２（後述）と、設定された目標空燃比を達成すべく、スロットル弁２２４及びタンブル生成弁２３１の開度を制御する空気量制御手段１０３と、燃料噴射弁２１４による燃料噴射量及び噴射時期を制御する燃料噴射制御手段１０４と、点火コイル２１１（点火プラグ２１５）に所定のタイミングで点火信号を出力する点火時期制御手段１０５と、を有する。

前記燃焼モード切換手段１０２は、前記燃焼領域判定手段１０１の判定結果を受けて、エンジンの運転状態が成層燃焼運転領域から均質燃焼運転領域へ移行せしめられた直後の所定の時期、即ち、例えば図１１に示されているように、成層燃焼運転領域から均質燃焼運転領域に移行せしめられた時点Ｊａの直後の、目標空燃比がＫｃ（例えば４０）からＫａ（例えば２０）以下に下がった時点Ｊｂで、燃焼モードを圧縮行程噴射モードから吸気行程噴射モードに切り換え、また、エンジンの運転状態が均質燃焼運転領域から成層燃焼運転領域に移行せしめられた直後の所定の時期、即ち、例えば図１２に示されているように、均質燃焼運転領域から成層燃焼運転領域に移行せしめられた時点Ｊｆの直後の、目標空燃比がＫｄ（例えば１４．７）からＫｂ（例えば２０）以上に上がった時点Ｊｇで、燃焼モードを吸気行程噴射モードから圧縮行程噴射モードに切り換えるようにされる。

前記燃料噴射制御手段１０４は、より詳細には、図４に示される如くに、燃料噴射時期算出手段１１０と、燃料噴射弁駆動手段１１１と、基本燃料噴射量算出手段１１２と、最終燃料噴射量算出手段１１３と、燃料噴射補正量算出手段１１４と、を備える。前記燃料噴射時期算出手段１１０は、前記燃焼領域判定手段１０１及び燃焼モード切換手段１０２から得られる燃焼領域及び燃焼モード情報、エンジン回転数、エンジン負荷等に基づいて燃料噴射時期を算出する。前記基本燃料噴射量算出手段１１２は、前記燃焼領域及び燃焼モード情報、エンジン回転数、エンジン負荷等に基づいて、前記目標空燃比を達成するための基本燃料噴射量を算出する。前記燃料噴射補正量算出手段１１４は、前記燃焼領域及び燃焼モード情報、エンジン回転数、エンジン負荷、さらに、空燃比センサ２０８により検出される実空燃比、タンブル生成弁開度及び吸気弁閉時期等に基づいて燃料噴射補正量を算出する。前記最終燃料噴射量算出手段１１３は、前記基本燃料噴射量と前記燃料噴射補正量とに基づいて最終燃料噴射量を算出する。前記燃料噴射弁駆動手段１１１は、前記燃料噴射時期算出手段１１０及び最終燃料噴射量算出手段の算出結果に基づいて、駆動パルス信号を燃料噴射弁（ＩＮＪ）２１４に供給してそれを開弁駆動する。

ここで、前記燃料噴射補正量算出手段１１４は、燃焼モード切換手段１０２により圧縮行程噴射モードと吸気行程噴射モードとの間の切り換えが行われた直後の所定期間（図１１、図１２においてＴａ［Ｊｂ〜Ｊｃ］、Ｔｂ［Ｊｇ〜Ｊｈ］で示されている期間）は、前記燃焼室２２８内に生成された空気流の強さに応じて燃料噴射量を補正する補正量を算出するようにされる。

より具体的には、圧縮行程噴射モードから吸気行程噴射モードへの切り換えが行われた場合には、切り換え後の吸気行程噴射モードにおける、燃焼室２２８内の空気流の強さ（に相関するタンブル生成弁２３１の開度）に応じて、燃料噴射量を増量補正し、上記とは逆に、吸気行程噴射モードから圧縮行程噴射モードへの切り換えが行われた場合には、切り換え前の吸気行程噴射モードにおける燃焼室２２８内の空気流の強さ（に相関するタンブル生成弁２３１の開度）に応じて燃料噴射量を減量補正するようにされる。

これをさらに詳しく説明するに、燃焼モード切換手段１０２により吸気行程噴射モードと圧縮行程噴射モードとの間で切り換えが行われると、燃料噴射制御手段１０４では、前記燃料噴射補正量算出手段１１４が、前記燃焼モードの切り換えを受け、タンブル生成弁開度、吸気弁閉時期等のパラメータから、モード切り換え後の所定期間（Ｔａ、Ｔｂ）で燃料噴射量を増減させる補正量を算出し、最終燃料噴射量算出手段１１３が、基本燃料噴射量算出手段１１２で算出された基本燃料噴射量に前記補正量を加算もしくは減算して最終燃料噴射量を算出し、前記燃料噴射弁駆動手段１１１が、この最終燃料噴射量に対応するパルス幅を持つ駆動パルスを前記燃料噴射弁２１４に供給する。

次に、上記の如くに燃料噴射量の補正を行う理由等について、図６〜図１０を参照しながら説明する。

成層燃焼を実現する際の圧縮行程噴射モードでは、図６（Ａ）に示される如くに、吸気弁２３２と排気弁２３３が共に閉じて密閉された燃焼室２２８内に燃料噴射弁２１４から燃料が噴射される。そのため、噴射された燃料は全て燃焼室２２８内に閉じ込められ、吸気通路２２５への燃料の吹き返しは存在しない。

一方、均質燃焼を実現する吸気行程噴射モードでは、図６（Ｂ）に示される如くに、吸気弁２３２が開かれている吸気行程中に燃料が噴射され、さらに圧縮行程へ移行した後も、ピストン２２７の上昇に必要な力を小さくするために、しばらくは吸気弁２３２が開かれている場合がある。そのため、燃焼室２２８は密閉状態にはなっておらず、噴射された燃料のうちの一部が吸気通路２２５へと吹き返されてしまうことがある。

ここで、吸気行程噴射モードにおける燃料の吹き返しは、吸気行程中に発生するものと、圧縮行程中に発生するものに分けて考えることができる。

まず、吸気行程噴射モードの圧縮行程中に発生する燃料の吹き返しについて、図７を参照しながら説明する。圧縮行程中に発生する燃料の吹き返しは、吸気弁２３２の閉時期を遅らせて圧縮行程に移行後も、しばらくは吸気弁２３２が開かれていて、燃焼室２２８から吸気通路２２５へと空気流が発生することによる。そのため、吸気行程噴射モードの圧縮行程における燃料の吹き返し量は、吸気弁２３２の閉時期と相関しており、これはエアーガイド方式の筒内噴射式エンジンに限らず、ウォールガイド方式の筒内噴射式エンジン等にも共通の現象である。

次に、吸気行程噴射モードの吸気行程中に発生する燃料の吹き返しについて、図８を参照しながら説明する。図示状態は、タンブル生成弁２３１が全閉の場合である。吸気行程中に発生する燃料の吹き返しは、燃焼室２２８内に生成された強力なタンブルが燃焼室２２８内を一周した後、その一部が吸気通路２２５へと吹き返す空気流に分岐し、燃料の一部もその分岐した空気流と共に吸気通路２２５へと押し出されることによって発生する。

例えば、図８に示されているように、タンブル生成弁２３１を全閉にし、吸気通路２２５の下段側通路部分２２５Ｂに空気が流れない状態にすると、燃焼室２２８内には吸気通路２２５の上段側通路部分２２５Ａによって生成される空気流しか存在しないため、燃焼室２２８内にタンブルが生成される。このとき、吸気通路２２５の上段側通路部分２２５Ａの空気の流速は上昇するので強力なタンブルとなり、さらに吸気通路２２５の下段側通路部分２２５Ｂから燃焼室２２８に吸入される空気はほとんど存在しないため、燃焼室２２８内を一周した後、タンブルから分岐した空気流の一部は、吸気通路２２５へと吹き返す空気流になる。そのため、吸気行程における燃料の吹き返し量は多くなる。

一方、図９に示される如くに、タンブル生成弁２３１を全開にし、吸気通路２２５の上段側通路部分２２５Ａ及び下段側通路部分２２５Ｂに共に空気が十分に流れる状態にすると、吸気通路２２５の上段側通路部分２２５Ａと下段側通路部分２２５Ｂとの間で空気の流速の差が小さいため、燃焼室２２８内で吸気通路２２５の上段側通路部分２２５Ａによって生成された空気流と、吸気通路２２５の下段側通路部分２２５Ｂによって生成された空気流とが衝突し合い、タンブルは生成されない。そのため、吸気行程中における燃料の吹き返し量も微量となる。

さらに、図１０に示される如くに、タンブル生成弁２３１が中間開度の場合は、吸気通路２２５の上段側通路部分２２５Ａ及び下段側通路部分２２５Ｂの両方共に空気が流れるが、吸気通路２２５の上段側通路部分２２５Ａには下段側通路部分２２５Ｂよりも速く多量の空気が流れるため、燃焼室２２８内に生成されるタンブルは、多少強さを弱める。そのため、この場合も、燃料の吹き返しは発生するものの、タンブル生成弁２３１が全閉のときと比較すると、その量は少なくなる。

以上のようにして、吸気行程中における燃料の吹き返し量は、燃焼室内のタンブルの強さと相関し、さらに前記タンブルの強さは、吸気通路２２５に設けられたタンブル生成弁２３１の開度と相関するため、吸気行程中の燃料の吹き返し量（吹き返し燃料量）はタンブル生成弁２３１の開度と相関すると言える。また、この現象は燃焼室２２８内に強力なタンブルを形成するエアーガイド式の筒内噴射式エンジン２００において、特に顕著に表れる現象である。

ここで、燃料の吹き返しについてまとめると、燃料の吹き返しは吸気行程と圧縮行程に分けて発生しており、吸気行程中の吹き返し燃料量はタンブル生成弁の開度と相関し、圧縮行程中の吹き返し燃料量は吸気弁閉時期と相関すると言える。よって、総吹き返し燃料量はこれらの二つの和で求めることができる。

このとき、吸気行程噴射モードで連続運転している場合のあるサイクルに着目すると、上記のように燃料の吹き返しが発生することによって燃焼室内で燃料が不足する一方で、前サイクルにおける吹き返し燃料は、次のサイクルで燃焼室２２８に吸入されるため、前後のサイクルで平衡状態を保ちながら、燃焼室２２８内の混合気の空燃比は一定に保たれる。

しかし、圧縮行程噴射モードから吸気行程噴射モードへと切り換えが行われると、切り換えられた直後の吸気行程モード噴射においては、直前のサイクルが圧縮行程噴射モードであるため、吸気通路２２５内に滞留している燃料は存在せず、新気のみが吸入されるため、燃焼室２２８内の混合気の実空燃比が目標空燃比よりリーン側になってしまう。

これに対し、図１１に示される如くに、時点Ｊｂにおいて圧縮行程噴射モードから吸気行程噴射モードへの切り換えが行われた場合に、その時点Ｊｂから所定期間Ｔａにおいて燃料が不足する分を、燃料噴射量を増量補正することによって、燃焼室２２８内の混合気を適切な空燃比（略目標空燃比）に保つことができる。

さらに、吸気行程噴射モードから圧縮行程噴射モードへ切り換えが行われた場合には、切り換え前のサイクルが吸気行程噴射モードであるため、吸気行程噴射モードで吹き返されて吸気通路内に滞留している燃料が存在し、この吹き返し燃料は、モード切り換え後の圧縮行程噴射モードで燃焼室２２８内に吸入される。そのため、圧縮行程噴射モードへの切り換え直後には、燃焼室内の混合気の実空燃比が目標空燃比よりリッチ側になってしまう。

これに対し、図１２に示される如くに、時点Ｊｇにおいて吸気行程噴射モードから圧縮行程噴射モードへと切り換えが行われた場合には、その時点Ｊｇから所定期間Ｔｂにおいて燃料が過多となる分を、燃料噴射量を減量補正することによって、燃焼室内を適切な空燃比（略目標空燃比）に保つことができる。

次に、前記コントロールユニット１００が燃焼モード切換時（燃焼運転領域移行過渡時）に実行する燃料噴射量補正ルーチンを、図１３のフローチャートを参照しながら説明する。このルーチンは所定の制御周期をもって繰り返して行われ、まず、ステップ５０１において、現在燃焼切換中（均質燃焼運転領域⇔成層燃焼運転領域との間での切り換え過渡状態）であるか否か、言い換えれば、図１１、図１２において、均質燃焼運転領域⇔成層燃焼運転領域移行時点Ｊａ、Ｊｆから空燃比（目標空燃比）Ａ／Ｆが安定する時点Ｊｄ、Ｊｉまでの間の期間であるか否かを判断し、燃焼切換中ではないと判断されると、燃料の吹き返しに対する補正は必要としないので、このルーチンを終了する。

ステップ５０１において燃焼切換中であると判断された場合には、次に、ステップ５０２において、その燃焼切換は成層燃焼（成層燃焼運転領域）から均質燃焼（均質燃焼運転領域）への切り換え（移行）であるか否かを判断する。成層燃焼（圧縮行程噴射モード）から均質燃焼（吸気行程噴射モード）への切り換えであると判断された場合には、さらにステップ５０３において、現在の目標空燃比Ａ／Ｆが設定値Ｋａ（例えば２０）以下か否かを判断する。この判断は、図１１における時点Ｊｂを検出するために行い、目標空燃比Ａ／Ｆが設定値Ｋａ以下ではないと判断された場合には、このルーチンを終了し、目標空燃比Ａ／Ｆが設定値Ｋａ以下であると判断された場合は、ステップ５０４において所定期間Ｔａ内であるか否かを判断する。

前記所定期間Ｔａは、前記時点Ｊｂからカウントされ、カウント値が設定値に達する時点Ｊｃまでの期間であり、この期間Ｔａは、前記吸気通路への燃料の吹き返しに対する増量補正が必要とされる期間である。従って、ステップ５０４において所定期間Ｔａ内ではないと判断された場合には、このルーチンを終了し、所定期間Ｔａ内であると判断された場合は、ステップ５０５に進んで燃料噴射量を増量する補正を行って、このルーチンを終了する。

一方、ステップ５０２において、成層燃焼から均質燃焼への切り換えではない、つまり、均質燃焼（吸気行程噴射モード）から成層燃焼（圧縮行程噴射モード）への切り換えであると判断された場合には、ステップ５０６において、現在の目標空燃比Ａ／Ｆが設定値Ｋｂ（例えば２０）以上か否かを判断する。この判断は、図１２における時点Ｊｇを検出するために行い、目標空燃比Ａ／Ｆが設定値Ｋｂ以上ではないと判断された場合には、このルーチンを終了し、目標空燃比Ａ／Ｆが設定値Ｋｂ以上であると判断された場合は、ステップ５０７において所定期間Ｔｂ内であるか否かを判断する。

前記所定期間Ｔｂは、前記時点Ｊｇからカウントされ、カウント値が設定値に達する時点Ｊｈまでの期間であり、この期間Ｔｂは、前記吸気通路への燃料の吹き返しに対する減量補正が必要とされる期間である。従って、ステップ５０７において所定期間Ｔｂ内ではないと判断された場合には、このルーチンを終了し、所定期間Ｔｂ内であると判断された場合は、ステップ５０８に進んで燃料噴射量を減量する補正を行って、このルーチンを終了する。

なお、前記補正開始時点Ｊｂ、Ｊｇ（目標空燃比のしきい値）や補正期間（所定期間）Ｔａ、Ｔｂは、エンジンの運転状態（負荷、回転数、冷却水温等）やタンブル生成弁の開度（タンブルの強さ）等に応じて変えてもよい。

また、前記補正期間（所定期間）Ｔａ、Ｔｂは、時間で設定してもよいが、気筒毎にサイクル数に基づいて設定する方が望ましい。すなわち、各気筒＃１、＃２、＃３、＃４に接続された吸気通路２２５内に滞留している燃料量は、各気筒＃１、＃２、＃３、＃４の吸気行程において燃焼室２２８内へと吸入されるため、気筒別にサイクル毎で変化する。そのため、前記燃料噴射量を補正する所定期間Ｔａ、Ｔｂは、気筒毎のサイクル数に基づいて算出することで、空燃比の制御精度をより向上できる。

本発明に係る燃焼制御装置の一実施形態を、それが適用された筒内噴射式エンジンの一例と共に示す概略構成図。 図１に示される燃焼制御装置の主要部を構成するコントロールユニットの説明に供されるブロック図。 図２に示されるコントロールユニットの説明に供される機能ブロック図。 図３に示される燃料噴射制御手段の詳細説明に供される機能ブロック図。 成層燃焼運転領域と均質燃焼運転領域の領域設定例を示す図。 圧縮行程噴射モード（Ａ）と吸気行程噴射モード（Ｂ）における吸気通路への燃料の吹き返しの説明に供される、燃焼室周辺の概略断面図。 吸気行程噴射モードの圧縮行程中に発生する燃料の吹き返しの説明に供される、燃焼室周辺の概略断面図。 吸気行程噴射モードの吸気行程中に発生する燃料の吹き返しの説明に供される、燃焼室周辺の概略断面図。 タンブル生成弁が全開にされている場合における燃料の吹き返しの説明に供される、燃焼室周辺の概略断面図。 タンブル生成弁が中間開度にされている場合における燃料の吹き返しの説明に供される、燃焼室周辺の概略断面図。 圧縮行程噴射モード（成層燃焼）から吸気行程噴射モード（均質燃焼）への切り換え時に行われる燃料噴射量の補正例の説明に供されるタイムチャート。 吸気行程噴射モード（均質燃焼）から圧縮行程噴射モード（成層燃焼）への切り換え時に行われる燃料噴射量の補正例の説明に供されるタイムチャート。 図１に示されるコントロールユニットが燃焼モード切換時（燃焼運転領域移行過渡時）に実行する燃料噴射量補正ルーチンの一例を示すフローチャート。

符号の説明

５０…燃焼制御装置、１００…コントロールユニット、１０１…燃焼領域判定手段、１０２…燃焼モード切換手段、１０３…空気量制御手段、１０４…燃料噴射制御手段、１０５…点火時期制御手段、２００…筒内噴射式エンジン、２０１…高圧燃料ポンプ、２０２…カムシャフト、２０３…燃料圧力レギュレータ、２０４…燃料ポンプ、２０５…燃料タンク、２０７…カム角センサ、２０８…空燃比センサ、２０９…排気通路、２１０…触媒、２１１…点火コイル、２１４…燃料噴射弁、２１５…点火プラグ、２１７…スロットルセンサ、２１８…空気流量計、２２０…エアクリーナ、２２１…スロットルボディ、２２３…コレクタ、２２４…電制スロットル弁、２２５…吸気通路、２２７…ピストン、２２８…燃焼室、２３０…クランク角センサ、２３１…タンブル生成弁、２３２…吸気弁、２３３…排気弁、＃１、＃２、＃３、＃４…気筒、

Claims (8)

1. 燃焼室内に縦渦等の空気流を生成するとともに、前記燃焼室内に燃料を直接噴射するようにされてなる筒内噴射式エンジンの燃焼制御装置であって、
   エンジンの運転状態が成層燃焼運転領域及び均質燃焼運転領域のいずれにあるかを判定する燃焼領域判定手段と、前記成層燃焼運転領域から前記均質燃焼運転領域へ移行せしめられた直後の所定の時期に、燃焼モードを圧縮行程噴射モードから吸気行程噴射モードに切り換え、また、前記均質燃焼運転領域から前記成層燃焼運転領域に移行せしめられた直後の所定の時期に、燃焼モードを吸気行程噴射モードから圧縮行程噴射モードに切り換える燃焼モード切換手段と、該燃焼モード切換手段により前記圧縮行程噴射モードと前記吸気行程噴射モードとの間の切り換えが行われた直後の所定期間は、前記燃焼室内に生成された空気流の強さに応じて燃料噴射量を補正する燃料噴射制御手段と、を具備して構成された筒内噴射式エンジンの燃焼制御装置。
2. 前記燃料噴射制御手段は、前記圧縮行程噴射モードから前記吸気行程噴射モードへの切り換えが行われた場合には、切り換え後の吸気行程噴射モードにおける燃焼室内の空気流の強さに応じて燃料噴射量を増量補正することを特徴とする請求項１に記載の燃焼制御装置。
3. 前記燃料噴射制御手段は、前記吸気行程噴射モードから前記圧縮行程噴射モードへの切り換えが行われた場合には、切り換え前の吸気行程噴射モードにおける燃焼室内の空気流の強さに応じて燃料噴射量を減量補正することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃焼制御装置。
4. 前記エンジンの吸気通路に、前記燃焼室内においてタンブルを生成するためのタンブル生成弁が設けられ、前記燃料噴射制御手段は、前記燃料噴射量の補正を、前記タンブル生成弁の開度に基づいて行うことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のエンジン燃焼制御装置。
5. 前記燃料噴射制御手段は、前記燃料噴射量を補正する所定期間を、気筒毎にサイクル数に基づいて設定することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のエンジン燃焼制御装置。
6. 燃焼室内に縦渦等の空気流を生成するとともに、前記燃焼室内に燃料を直接噴射するようにされてなる筒内噴射式エンジンの制御方法であって、
   エンジンの運転状態が成層燃焼運転領域から均質燃焼運転領域へ移行せしめられた直後の所定の時期に、燃焼モードを圧縮行程噴射モードから吸気行程噴射モードに切り換え、また、前記均質燃焼運転領域から前記成層燃焼運転領域に移行せしめられた直後の所定の時期に、燃焼モードを吸気行程噴射モードから圧縮行程噴射モードに切り換え、かつ、前記圧縮行程噴射モードと前記吸気行程噴射モードとの間の切り換えが行われた直後の所定期間は、前記燃焼室内に生成された空気流の強さに応じて燃料噴射量を補正することを特徴とする燃焼制御方法。
7. 前記圧縮行程噴射モードから前記吸気行程噴射モードへの切り換えが行われた場合には、切り換え後の吸気行程噴射モードにおける燃焼室内の空気流の強さに応じて燃料噴射量を増量補正することを特徴とする請求項６に記載の燃焼制御方法。
8. 前記吸気行程噴射モードから前記圧縮行程噴射モードへの切り換えが行われた場合には、切り換え前の吸気行程噴射モードにおける燃焼室内の空気流の強さに応じて燃料噴射量を減量補正することを特徴とする請求項６又は７に記載の燃焼制御方法。

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