JP4092940B2

JP4092940B2 - 内燃機関制御装置

Info

Publication number: JP4092940B2
Application number: JP2002117014A
Authority: JP
Inventors: 修深沢
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-04-19
Filing date: 2002-04-19
Publication date: 2008-05-28
Anticipated expiration: 2022-04-19
Also published as: DE10317903A1; DE10317903B4; JP2003314314A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の運転状態等に応じて燃焼モードを成層燃焼モードと均質燃焼モードとの間で切り換える内燃機関制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、低燃費、低排気エミッション、高出力の特長を兼ね備えた筒内噴射エンジンの需要が急増している。この筒内噴射エンジンは、低負荷時には少量の燃料を圧縮行程で噴射して混合気を成層燃焼させ（リーン運転）、高負荷時には燃料噴射量を増量して吸気行程で噴射して混合気を均質燃焼させる（リッチ運転）。また、筒内噴射エンジンは、一般的な吸気ポート噴射エンジンよりもＮＯｘ生成量が多いため、排気管にＮＯｘ吸蔵還元型のＮＯｘ触媒を設置することが多い。
【０００３】
このＮＯｘ触媒は、排出ガス中の酸素濃度が高い成層燃焼運転中（リーン運転中）に、排出ガス中のＮＯｘを吸着し、その後、均質燃焼運転（リッチ運転）に切り換えられて排気中の酸素濃度が低下した時に、吸着したＮＯｘを還元浄化して放出する。従って、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化性能を維持するためには、成層燃焼運転中に、時々、均質燃焼運転に切り換えてＮＯｘ触媒のＮＯｘパージを行う必要がある。
【０００４】
更に、成層燃焼運転中は、スロットル開度が全開に維持されるため、吸気管内の負圧が小さく、その負圧を駆動源とするブレーキブースタの制動倍力効果が低下する。そのため、成層燃焼運転中に、時々、均質燃焼運転に切り換えて吸気管負圧を増加させてブレーキブースタ内の負圧を確保する必要がある。
【０００５】
以上のような理由から、筒内噴射エンジンでは、運転中に燃焼モードを成層燃焼と均質燃焼との間で適宜切り換えるようにしている。この際、特許第３２０１９３６号公報に示すように、空気系、燃料系、点火系の各制御パラメータの目標値を各燃焼モード毎にマップ等で設定し、燃焼モードを切り換える際に、空気系、燃料系、点火系の各制御パラメータを切り換え先の燃焼モードの目標値に切り換えるようにしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図８（ａ）に示すように、従来の筒内噴射エンジンでは、排気還流制御弁（ＥＧＲ弁）を開弁して排出ガスを筒内へ還流させると、成層燃焼と均質燃焼の双方の安定燃焼領域の間に燃焼が不安定となる領域が存在するため、燃焼モードを切り換える際に不安定燃焼領域を通過する。このため、燃焼モード切換時に、負荷によっては、不安定燃焼領域を通過する際に失火やトルクショックが発生するおそれがある。
【０００７】
また、近年の筒内噴射エンジンは、燃費、排気エミッション、出力の更なる向上を目指して、空気系に可変バルブタイミング機構や可変バルブリフト機構等の新たな機能が追加されてきており、今後も、空気系の制御パラメータの数が益々増加するものと思われる。しかし、空気系の制御パラメータの数が増加するほど、各制御パラメータ間の影響が複雑に絡み合って吸入空気量（筒内充填空気量）、筒内の気流状態、外部排気還流量（外部ＥＧＲ量）、内部排気還流量（内部ＥＧＲ量）が複雑に変化するため、燃焼安定性を維持しながら燃焼モードを切り換えるには、燃焼モードの切換速度を遅くして各制御パラメータの切り換えにある程度の時間的な余裕を持たせる必要があり、燃焼モードの切換制御が遅くなるという新たな欠点が生じる。しかも、切り換える制御パラメータの数が多くなれば、車両開発設計段階で各制御パラメータの切換マップを作成する適合工数が膨大となり、車両開発設計期間が長くなるという欠点もある。
【０００８】
以上説明した燃焼モード切換時の問題点は、筒内噴射エンジンのみの問題点ではなく、吸気ポート噴射エンジンであっても、リーンバーンエンジンのように燃焼モードを切り換える機能を備えたエンジンであれば、同様の問題点がある。
【０００９】
本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、多くの機能を搭載した内燃機関であっても、燃焼モード切換時に燃焼安定性を維持しながら燃焼モードを従来より短い時間で切り換えることができ、燃焼モードの切換速度を速くできると共に、車両開発設計段階における制御パラメータの適合工数を削減することができて、車両開発設計期間を短縮することができる内燃機関制御装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１の内燃機関制御装置は、燃焼モード切換要求が生じたときに、空気系のうちのスロットル開度以外の少なくとも１つの制御パラメータ（以下「特定の制御パラメータ」という）を固定して燃焼モードを切り換える特定制御パラメータ固定燃焼モード切換制御を実行するようにしたものである。空気系の各制御パラメータは、それらの影響が複雑に絡み合って、吸入空気量（筒内充填空気量）、筒内の気流状態、外部排気還流量、内部排気還流量が複雑に変化するため、空気系の制御パラメータの数が多くなると、燃焼安定性を維持しながら燃焼モードを切り換えるには、燃焼モードの切換速度を遅くして各制御パラメータの切り換えにある程度の時間的な余裕を持たせる必要があり、しかも、車両開発設計段階で各制御パラメータの切換マップを作成する適合工数が膨大となるという欠点がある。
【００１１】
従って、本発明のように、燃焼モード切換時に、空気系の制御パラメータのうちの少なくとも１つの制御パラメータ（特定の制御パラメータ）を固定すれば、切り換えが必要な制御パラメータの数が少なくなるため、空気系の全ての制御パラメータを切り換える場合よりも、空気系の制御パラメータの切換制御が容易となり、燃焼モード切換時の燃焼安定性を維持しながら、燃焼モードの切換速度を速くできると共に、車両開発設計段階における制御パラメータの適合工数を減らすことができて、車両開発設計期間を短縮することができる。
【００１２】
本発明は、請求項２のように、空気系が吸気バルブタイミング及び／又は吸気バルブリフト量を可変する吸気バルブ可変手段、排気バルブタイミング及び／又は排気バルブリフト量を可変する排気バルブ可変手段、排気還流量を制御する排気還流制御手段、筒内の気流を制御する気流制御手段のうちの少なくとも１つを備えた内燃機関に適用すると良い。燃焼モード切換時に、燃焼状態を悪化させずに、これらの全ての制御パラメータを短時間で切り換えることは困難であるからである。
【００１３】
更に、請求項３のように、燃焼モードを一時的に短時間だけ切り換えるときに前記特定制御パラメータ固定燃焼モード切換制御を実行するようにすると良い。例えば、成層燃焼モードでリーン運転しているときに、ＮＯｘ触媒のＮＯｘパージ又はブレーキブースタ内の負圧確保を行う場合は、燃焼モードを一時的に短時間だけ均質燃焼モードに切り換えるだけであり、均質燃焼モード（リッチ運転）の時間は非常に短いため、特定の制御パラメータを固定して燃焼モードを切り換えても、その影響が現れる前に、元の燃焼モードに戻すことができ、燃焼安定性を維持できる。
【００１５】
この場合、請求項４のように、前記特定の制御パラメータは、吸気側及び／又は排気側のバルブタイミング及び／又はバルブリフト量としても良い。一般に、バルブタイミングやバルブリフト量は、油圧で制御されるため、油温によって作動油の粘度（流動性）が変化して油圧が変動したり、エンジン回転速度によっても油圧が変動するため、他の制御パラメータと比較して制御精度が悪い。従って、短時間の燃焼モードの切り換えであれば、バルブタイミングやバルブリフト量を固定しても、影響が少なく、しかも、エンジン運転状態によっては、バルブタイミングやバルブリフト量を固定した方が燃焼安定性を維持しやすい場合もある。
【００１６】
また、請求項５のように、特定制御パラメータ固定燃焼モード切換制御を開始してから燃焼モードを元の燃焼モードに戻すまで、前記特定の制御パラメータを固定するようにしても良い。このようにすれば、燃焼モードの切換制御が容易になる。
【００１７】
この場合、請求項６のように、特定制御パラメータ固定燃焼モード切換制御を開始する際に、前記特定の制御パラメータをその直前の燃焼モードの目標値に固定したり、或は、請求項７のように、特定制御パラメータ固定燃焼モード切換制御を開始する際に、前記特定の制御パラメータを燃焼モード切換用の目標値に固定するようにしても良い。前者（請求項６）は、燃焼モードの切り換えの前後で特定の制御パラメータを全く変化させる必要がないため、燃焼モードの切換制御が容易になる利点がある。一方、特定の制御パラメータを切り換え前の燃焼モードの目標値に固定すると、燃焼安定性の悪化が懸念される場合に、後者（請求項７）のように、特定の制御パラメータを燃焼モード切換用の目標値に固定すれば、燃焼モードの切換制御中の燃焼安定性を確保することができる利点がある。
【００１８】
本発明は、リーンバーンエンジンにも適用できるが、請求項８のように、筒内噴射式の内燃機関に適用して、ＮＯｘ触媒のＮＯｘパージ又はブレーキブースタ内の負圧確保の要求があったときに、前記特定制御パラメータ固定燃焼モード切換制御を実行するようにすると良い。このようにすれば、ＮＯｘパージやブレーキブースタ内の負圧確保の制御を、燃焼安定性を維持しながら従来よりも短い時間で実行することができ、ドライバビリティや燃費を向上できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を筒内噴射式の内燃機関に適用した一実施形態を図面に基づいて説明する。まず、図１に基づいてエンジン制御システム全体の概略構成を説明する。筒内噴射式の内燃機関である筒内噴射式エンジン１１の吸気管１２の最上流部には、エアクリーナ１３が設けられ、このエアクリーナ１３の下流側に、吸入空気量を検出するエアフローメータ１４が設けられている。このエアフローメータ１４の下流側には、ＤＣモータ等のモータ１５によって駆動されるスロットルバルブ１６が設けられ、このスロットルバルブ１６の開度（スロットル開度）がスロットル開度センサ１７によって検出される。
【００２０】
また、スロットルバルブ１６の下流側には、サージタンク１８が設けられ、このサージタンク１８に、吸気管圧力を検出する吸気管圧力センサ１９が設けられている。また、サージタンク１８には、エンジン１１の各気筒に空気を導入する吸気マニホールド２０が設けられ、各気筒の吸気マニホールド２０に、エンジン１１の筒内の気流（スワール流やタンブル流）を制御する気流制御弁３１が設けられている。
【００２１】
エンジン１１の各気筒の上部には、それぞれ燃料を筒内に直接噴射する燃料噴射弁２１が取り付けられている。エンジン１１のシリンダヘッドには、各気筒毎に点火プラグ２２が取り付けられ、各点火プラグ２２の火花放電によって筒内の混合気に着火される。また、エンジン１１の吸気バルブ３７と排気バルブ３８には、それぞれバルブタイミングを可変する可変バルブタイミング機構３９，４０（吸気／排気バルブ可変手段）が設けられている。
【００２２】
エンジン１１のシリンダブロックには、ノッキングを検出するノックセンサ３２と、冷却水温を検出する冷却水温センサ２３と、エンジン回転速度を検出するクランク角センサ２４とが取り付けられている。
【００２３】
一方、エンジン１１の排気管２５には、排出ガスを浄化する上流側触媒２６と下流側触媒２７が設けられ、上流側触媒２６の上流側に、排出ガスの空燃比又はリーン／リッチ等を検出する排出ガスセンサ２８（空燃比センサ、酸素センサ等）が設けられている。本実施形態では、上流側触媒２６として理論空燃比付近で排出ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘ等を浄化する三元触媒が設けられ、下流側触媒２７としてＮＯｘ触媒（ＮＯｘ吸蔵還元型触媒）が設けられている。このＮＯｘ触媒２７は、排出ガスの空燃比がリーンのときに排出ガス中のＮＯｘを吸蔵し、空燃比が理論空燃比付近又はリッチになったときに吸蔵ＮＯｘを還元浄化して放出する特性を持っている。
【００２４】
また、排気管２５のうちの上流側触媒２６の下流側と吸気管１２のうちのスロットルバルブ１６の下流側のサージタンク１８との間に、排出ガスの一部を吸気側に還流させるためのＥＧＲ配管３３が接続され、このＥＧＲ配管３３の途中に排気還流量（ＥＧＲ量）を制御するＥＧＲ弁３４（排気還流制御手段）が設けられている。また、アクセルペダル３５の踏込量がアクセルセンサ３６によって検出される。
【００２５】
前述した各種センサの出力は、エンジン制御回路（以下「ＥＣＵ」と表記する）３０に入力される。このＥＣＵ３０は、マイクロコンピュータを主体として構成され、内蔵されたＲＯＭ（記憶媒体）に記憶された各種の制御ルーチンを実行することで、エンジン運転状態に応じて燃料噴射弁２１の燃料噴射量や燃料噴射時期、点火プラグ２２の点火時期等を制御する。
【００２６】
このＥＣＵ３０は、後述する図２乃至図７に示す各ルーチンを実行することで、エンジン運転状態（要求トルクやエンジン回転速度等）に応じて成層燃焼モードと均質燃焼モードとを切り換える。成層燃焼モードでは、少量の燃料を圧縮行程で筒内に直接噴射して点火プラグ２２の近傍に成層混合気を形成して成層燃焼させることで、燃費を向上させる。一方、均質燃焼モードでは、燃料噴射量を増量して吸気行程で筒内に直接噴射して均質混合気を形成して均質燃焼させることで、エンジン出力を高める。また、成層燃焼モードから均質燃焼モードに切り換える際には、ＥＧＲ弁３４を全閉状態に切り換えることで、図８（ｂ）に示すように、成層燃焼と均質燃焼の双方の安定燃焼領域を拡大して、図８（ａ）に示すような不安定燃焼領域を無くしてから（又は少なくしてから）、成層燃焼モードから均質燃焼モードに切り換える。
【００２７】
更に、ＥＣＵ３０は、特許請求の範囲でいう制御手段として機能し、成層燃焼モード運転中に、ＮＯｘ触媒２７のＮＯｘパージやブレーキブースタ内の負圧確保等のための短時間（例えば数秒以下）の燃焼モード切換要求があったときに、一時的に短時間だけ均質燃焼モードに切り換える。この際、空気系のうちのスロットル開度以外の少なくとも１つの制御パラメータ（特定の制御パラメータ）を、切り換え前の燃焼モードである成層燃焼モードの目標値に固定して燃焼モードを成層燃焼モードから均質燃焼モードに切り換える。
【００２８】
この際、固定する空気系の制御パラメータは、他の制御パラメータと比較して応答遅れの大きい制御パラメータであり、具体的には、吸気バルブタイミング（以下「吸気ＶＣＴ」と表記する）と排気バルブタイミング（以下「排気ＶＣＴ」と表記する）である。その他の空気系の制御パラメータ（本実施形態ではスロットルバルブ１６、ＥＧＲ弁３４、気流制御弁３１）は、短時間の燃焼モード切換要求があったときに、直ちに切り換え先の燃焼モードである均質燃焼モードの目標値に切り換える。以下、吸気／排気ＶＣＴを固定してその他の空気系の制御パラメータを切り換える制御を「ＶＣＴ固定燃焼モード切換制御」という。
【００２９】
吸気／排気ＶＣＴの制御は、成層燃焼モードでは、図９（ａ）に示すように、バルブオーバーラップを少なくして内部ＥＧＲを減らし、筒内に成層混合気を形成するためのガス流動（スワール流又はタンブル流）が生じやすいようにする。また、通常の均質燃焼モードでは、図９（ｂ）に示すように、バルブオーバーラップを大きくして内部ＥＧＲを増やし、排出ガス中のＮＯｘやＨＣを低減すると共に、ポンプ損失を低減して燃費を向上させる。
【００３０】
成層燃焼モード運転中に、ＮＯｘ触媒２７のＮＯｘパージやブレーキブースタ内の負圧確保等のための短時間の燃焼モード切換要求があったときには、前述したＶＣＴ固定燃焼モード切換制御を実行し、吸気ＶＣＴと排気ＶＣＴを切り換え前の燃焼モードである成層燃焼モードの目標値に固定して、その他の空気系の制御パラメータのみを直ちに切り換え先の燃焼モードである均質燃焼モードの目標値に切り換える（図１１参照）。
【００３１】
尚、エンジン運転中に、エンジン運転状態（要求トルクやエンジン回転速度等）が変化して燃焼モード切換要求が発生したときは、ＶＣＴ固定燃焼モード切換制御を行わず、吸気／排気ＶＣＴを含む空気系の全ての制御パラメータを直ちに切り換え先の燃焼モードの目標値に切り換える。
【００３２】
一方、燃料系や点火系の制御パラメータは、燃焼モード切換要求があったときでも、実際の空気系の状態が切り換え先の燃焼モードで正常燃焼可能な状態になるまでは、切り換え前の燃焼モードの目標値に維持される。その後、実際の空気系の状態が切り換え先の燃焼モードで正常燃焼可能な状態になった時点で、燃料系や点火系の制御パラメータが切り換え先の燃焼モードの目標値に切り換えられる。これにより、実燃焼モードの切り換えが完了する。
【００３３】
以上説明した本実施形態の燃焼モード切換制御は、ＥＣＵ３０によって図２乃至図７に示す各ルーチンに従って実行される。以下、これら各ルーチンの処理内容を説明する。
【００３４】
［エンジン制御メインルーチン］
図２のエンジン制御メインルーチンは、イグニッションスイッチ（図示せず）のオン後に所定周期で実行される。本メインルーチンが起動されると、まずステップ１００で、アクセル開度とエンジン回転速度等に基づいて要求トルクを算出する。この後、ステップ２００に進み、図３の燃焼モード決定ルーチンを実行して燃焼モードを決定した後、ステップ３００に進み、図４の燃焼モード切換制御ルーチンを実行して、燃焼モード切換要求があれば、燃焼モード切換制御を実行し、次のステップ４００〜６００で、図５の空気系制御ルーチン、図６の燃料系制御ルーチン、図７の点火系制御ルーチンを実行して、空気系、燃料系、点火系の各制御パラメータを後述するタイミングで切り換え先の燃焼モードの目標値に切り換えて燃焼モードを切り換える。
【００３５】
［燃焼モード決定ルーチン］
図２のエンジン制御メインルーチンのステップ２００で、図３の燃焼モード決定ルーチンが起動されると、まずステップ２０１で、要求燃焼モード判定マップを検索して現在のエンジン運転状態（例えばエンジン回転速度と要求トルク）に応じて成層燃焼モードと均質燃焼モードのいずれか一方を要求燃焼モードとして選択する。この要求燃焼モード判定マップは、低回転、低トルク領域では、燃費節減を優先して成層燃焼モードが選択され、一方、高回転、高トルク領域では、エンジン出力を優先して均質燃焼モードが選択されるように設定されている。
【００３６】
この後、ステップ２０２に進み、現在のエンジン運転状態に応じて選択した要求燃焼モードが均質燃焼モードであるか否かを判定し、要求燃焼モードが均質燃焼モードであれば、ステップ２０３に進み、現在の実燃焼モードが均質燃焼モードであるか否かを判定する。もし、現在の実燃焼モードが均質燃焼モードでなければ、燃焼モードを切り換える必要があるため、ステップ２０４に進み、燃焼モード切換中フラグをＯＮして、ステップ２０５に進み、空気系制御モードを均質燃焼モードに設定する。一方、現在の実燃焼モードが均質燃焼モードであれば、燃焼モードを切り換える必要がないため、ステップ２０４を飛び越して、ステップ２０５に進み、空気系制御モードを均質燃焼モードに維持する。
【００３７】
前記ステップ２０２で、要求燃焼モードが均質燃焼モードでない（成層燃焼モードである）と判定された場合は、ステップ２０６に進み、短時間の燃焼モード切換要求（例えばＮＯｘ触媒２７のＮＯｘパージやブレーキブースタ内の負圧確保等の要求）があるか否かを判定する。その結果、短時間の燃焼モード切換要求が有ると判定された場合は、上述したステップ２０３〜２０５の処理を行い、現在の実燃焼モードが成層燃焼モードであれば、燃焼モード切換中フラグをＯＮし（ステップ２０４）、空気系制御モードを均質燃焼モードに設定する（ステップ２０５）。
【００３８】
これに対し、要求燃焼モードが成層燃焼モードで、且つ、短時間の燃焼モード切換要求が無いと判定された場合（ステップ２０２、２０６で共に「Ｎｏ」と判定された場合）は、ステップ２０７に進み、現在の実燃焼モードが成層燃焼モードであるか否かを判定する。もし、現在の実燃焼モードが成層燃焼モードでなければ、燃焼モードを切り換える必要があるため、ステップ２０８に進み、燃焼モード切換中フラグをＯＮして、ステップ２０９に進み、空気系制御モードを均質燃焼モードに設定する。一方、現在の実燃焼モードが成層燃焼モードであれば、燃焼モードを切り換える必要がないため、ステップ２０８を飛び越して、ステップ２０５に進み、空気系制御モードを成層燃焼モードに維持する。
【００３９】
［燃焼モード切換制御ルーチン］
図２のエンジン制御メインルーチンのステップ３００で、図４の燃焼モード切換制御ルーチンが起動されると、まずステップ３０１で、燃焼モード切換中フラグがＯＮであるか否かによって燃焼モード切換中であるか否かを判定し、燃焼モード切換中でなければ、以降の処理を行うことなく、本ルーチンを終了する。
【００４０】
一方、燃焼モード切換中であれば、ステップ３０２に進み、要求燃焼モードが成層燃焼モードであるか否かを判定し、要求燃焼モードが成層燃焼モードでなければ（つまり要求燃焼モードが均質燃焼モードであれば）、ステップ３０３に進み、実空燃比Ａ／Ｆが均質燃焼領域判定値ＣＡＦ２よりリッチであるか否かで、実空燃比Ａ／Ｆが均質燃焼領域であるか否かを判定する。その結果、実空燃比Ａ／Ｆが均質燃焼領域判定値ＣＡＦ２よりリーンである（実空燃比Ａ／Ｆが均質燃焼領域に入っていない）と判定された場合は、以降の処理を行うことなく、本ルーチンを終了する。
【００４１】
その後、実空燃比Ａ／Ｆが均質燃焼領域判定値ＣＡＦ２よりもリッチになって実空燃比Ａ／Ｆが均質燃焼可能な領域に入ったと判定された時点で、ステップ３０４に進み、燃料系制御モードを均質燃焼モードに設定して、燃料噴射モードを吸気行程噴射に切り換えた後、燃焼モード切換中フラグをＯＦＦして本ルーチンを終了する。
【００４２】
また、燃焼モード切換中で、且つ要求燃焼モードが成層燃焼モードであると判定された場合（ステップ３０１、３０２で共に「Ｙｅｓ」と判定された場合）は、ステップ３０６に進み、実空燃比Ａ／Ｆが成層燃焼領域判定値ＣＡＦ１よりもリーンであるか否かで、実空燃比Ａ／Ｆが成層燃焼領域であるか否かを判定する。その結果、実空燃比Ａ／Ｆが成層燃焼領域判定値ＣＡＦ１よりもリッチである（実空燃比Ａ／Ｆが成層燃焼領域に入っていない）と判定された場合は、以降の処理を行うことなく、本ルーチンを終了する。
【００４３】
その後、実空燃比Ａ／Ｆが成層燃焼領域判定値ＣＡＦ１よりもリーンになって実空燃比Ａ／Ｆが成層燃焼可能な領域に入ったと判定された時点で、ステップ３０８に進み、燃料系制御モードを成層燃焼モードに設定して、燃料噴射モードを圧縮行程噴射に切り換えた後、燃焼モード切換中フラグをＯＦＦして本ルーチンを終了する。
【００４４】
［空気系制御ルーチン］
図２のエンジン制御メインルーチンのステップ４００で、図５の空気系制御ルーチンが起動されると、まずステップ４０１で、短時間の燃焼モード切換要求（例えばＮＯｘ触媒２７のＮＯｘパージやブレーキブースタ内の負圧確保等の要求）があるか否かを判定する。その結果、短時間の燃焼モード切換要求が無いと判定された場合は、ステップ４０２に進み、空気系制御モードが均質燃焼モードであるか否かを判定し、均質燃焼モードであれば、ステップ４０３に進み、空気系の各制御パラメータ（スロットルバルブ１６、ＥＧＲ弁３４、気流制御弁３１、吸気ＶＣＴ、排気ＶＣＴ）の目標値として、均質燃焼モード用の目標値を算出する。また、上記ステップ４０２で、空気系制御モードが均質燃焼モードでない（成層燃焼モードである）と判定された場合は、ステップ４０４に進み、空気系の各制御パラメータの目標値として、成層燃焼モード用の目標値を算出する。
【００４５】
一方、前記ステップ４０１で、短時間の燃焼モード切換要求があると判定された場合は、ステップ４０５に進み、ＶＣＴ固定燃焼モード切換制御用の目標値を算出する。このＶＣＴ固定燃焼モード切換制御用の目標値は、吸気／排気ＶＣＴについては切り換え前の燃焼モードである成層燃焼モードの目標値を引き続き維持し、その他の空気系の制御パラメータ（スロットルバルブ１６、ＥＧＲ弁３４、気流制御弁３１）についてのみ、切り換え先の燃焼モードである均質燃焼モードの目標値を算出する。
【００４６】
［燃料系制御ルーチン］
図２のエンジン制御メインルーチンのステップ５００で、図６の燃料系制御ルーチンが起動されると、まずステップ５０１で、燃料系制御モードが均質燃焼モードであるか否かを判定し、均質燃焼モードであれば、ステップ５０２に進み、燃料系の制御パラメータ（燃料噴射量、燃料噴射時期）の目標値として、均質燃焼モード用の目標値を算出する。
【００４７】
また、上記ステップ５０１で、燃料系制御モードが均質燃焼モードでない（成層燃焼モードである）と判定された場合は、ステップ５０３に進み、燃料系の制御パラメータの目標値として、成層燃焼モード用の目標値を算出する。
【００４８】
［点火系制御ルーチン］
図２のエンジン制御メインルーチンのステップ６００で、図７の点火系制御ルーチンが起動されると、まずステップ６０１で、点火系制御モードが均質燃焼モードであるか否かを判定し、均質燃焼モードであれば、ステップ６０２に進み、点火系の制御パラメータ（点火時期）の目標値として、均質燃焼モード用の目標値を算出する。
【００４９】
また、上記ステップ６０１で、点火系制御モードが均質燃焼モードでない（成層燃焼モードである）と判定された場合は、ステップ６０３に進み、点火系の制御パラメータの目標値として、成層燃焼モード用の目標値を算出する。
【００５０】
以上説明した本実施形態の燃焼モード切換制御と従来の燃焼モード切換制御との相違について図１０及び図１１のタイムチャートを用いて説明する。図１０は従来の筒内噴射エンジンで短時間の燃焼モード切換要求（ＮＯｘ触媒のＮＯｘパージ等の要求）があったときの燃焼モード切換制御の一例を示すタイムチャートであり、図１１は本実施形態において短時間の燃焼モード切換要求があったときの燃焼モード切換制御の一例を示すタイムチャートである。
【００５１】
従来の筒内噴射エンジンでは、図１０に示すように、成層燃焼モード運転中に短時間の燃焼モード切換要求（ＮＯｘ触媒のＮＯｘパージ等の要求）が生じて、要求燃焼モードが成層燃焼モードから均質燃焼モードに切り換えられると、直ちに、空気系の全ての制御パラメータ（スロットル開度、ＥＧＲ弁、吸気ＶＣＴ、排気ＶＣＴ、気流制御弁）の目標値を同時に切り換え先の燃焼モードである均質燃焼モードの目標値に切り換える。このように、同時に切り換える空気系の制御パラメータの数が多いと、各制御パラメータ間の影響が複雑に絡み合って吸入空気量（筒内充填空気量）、筒内の気流状態、外部ＥＧＲ量、内部ＥＧＲ量が複雑に変化するため、実空燃比Ａ／Ｆが成層燃焼領域から均質燃焼領域判定値ＣＡＦ２まで変化するのに要する時間Ａが長くなる。実空燃比Ａ／Ｆが均質燃焼領域判定値ＣＡＦ２まで変化した時点で、燃料噴射モードを吸気行程噴射に切り換えて実燃焼モードを均質燃焼モードに切り換えるため、実空燃比Ａ／Ｆが成層燃焼領域から均質燃焼領域判定値ＣＡＦ２まで変化するのに要する時間Ａが長くなれば、短時間の燃焼モード切換要求（ＮＯｘ触媒のＮＯｘパージ等の要求）が生じてから実燃焼モードが均質燃焼モードに切り換わるまでの時間Ａが長くなり、燃焼モードの切換速度が遅くなるという問題が生じる。その後、実燃焼モードを均質燃焼モードから成層燃焼モードに切り換える場合も、同様の問題が生じる。
【００５２】
これに対して、本実施形態では、図１１に示すように、成層燃焼モード運転中に短時間の燃焼モード切換要求（ＮＯｘ触媒のＮＯｘパージ等の要求）が生じて、要求燃焼モードが成層燃焼モードから均質燃焼モードに切り換えられると、燃焼モード切換フラグをＯＮに切り換えて、ＶＣＴ固定燃焼モード切換制御を実行し、吸気ＶＣＴと排気ＶＣＴを切り換え前の燃焼モードである成層燃焼モードの目標値に固定して、その他の空気系の制御パラメータ（スロットル開度、ＥＧＲ弁３４、気流制御弁３１）のみを直ちに切り換え先の燃焼モードである均質燃焼モードの目標値に切り換える。
【００５３】
そして、実空燃比Ａ／Ｆが均質燃焼領域判定値ＣＡＦ２まで変化した時点で、燃焼モード切換フラグをＯＦＦに切り換えて、燃料噴射モードを吸気行程噴射に切り換えて実燃焼モードを均質燃焼モードに切り換える。この後も、吸気ＶＣＴと排気ＶＣＴは、切り換え前の燃焼モードである成層燃焼モードの目標値に固定された状態に維持される。
【００５４】
その後、要求燃焼モードが成層燃焼モードから均質燃焼モードに切り換えられた時点で、燃焼モード切換フラグをＯＮに切り換えて、吸気／排気ＶＣＴを除く空気系の制御パラメータ（スロットル開度、ＥＧＲ弁３４、気流制御弁３１）のみを直ちに切り換え先の燃焼モードである成層燃焼モードの目標値に切り換える。これにより、実空燃比Ａ／Ｆが成層燃焼領域判定値ＣＡＦ１まで変化した時点で、燃焼モード切換フラグをＯＦＦに切り換えて、燃料噴射モードを圧縮行程噴射に切り換えて実燃焼モードを成層燃焼モードに切り換える。
【００５５】
本実施形態では、短時間の燃焼モード切換要求により燃焼モードを切り換えるときに、吸気ＶＣＴと排気ＶＣＴを固定するようにしたので、切り換えが必要な制御パラメータの数が従来よりも少なくなる。その結果、短時間の燃焼モード切換要求が生じてから実燃焼モードが均質燃焼モードに切り換わるまでの時間Ｂが従来よりも短くなり、燃焼モードの切換速度を速くできる。しかも、車両開発設計段階における制御パラメータの適合工数を減らすことができて、車両開発設計期間を短縮することができる。
【００５６】
また、本実施形態では、短時間の燃焼モード切換要求により燃焼モードを切り換えるときに、固定する制御パラメータを、吸気ＶＣＴと排気ＶＣＴとしたので、他の制御パラメータを固定する場合と比較して次のような利点がある。吸気ＶＣＴと排気ＶＣＴは、油圧で制御されるため、他の制御パラメータと比較して応答性のばらつきが大きい制御パラメータである。そのため、短時間の燃焼モードの切り換えであれば、吸気ＶＣＴと排気ＶＣＴを、固定しても、切り換えても、空気系に及ぼす影響はあまり違わない。従って、燃焼モード切換時に固定する特定の制御パラメータを応答性のばらつきが大きい制御パラメータである吸気ＶＣＴと排気ＶＣＴとすれば、制御パラメータの固定による影響を小さくすることができる。
【００５７】
つまり、油圧で制御される吸気ＶＣＴと排気ＶＣＴは、油温によって作動油の粘度（流動性）が変化して油圧が変動したり、エンジン回転速度によっても油圧が変動するため、他の制御パラメータと比較して制御精度が悪い。従って、短時間の燃焼モードの切り換えであれば、吸気ＶＣＴと排気ＶＣＴを固定しても、影響が少なく、しかも、エンジン運転状態によっては、吸気ＶＣＴと排気ＶＣＴを固定した方が燃焼安定性を維持しやすい場合もある。
しかしながら、燃焼モード切換時に固定する制御パラメータは、吸気ＶＣＴと排気ＶＣＴに限定されず、例えばＥＧＲ弁を固定するようにしても良い。
【００５８】
また、本発明は、吸気及び／又は排気のバルブリフト量を可変する可変バルブリフト機構を搭載した内燃機関に適用しても良く、この場合には、燃焼モード切換時に固定する制御パラメータを、吸気及び／又は排気のバルブリフト量とすると良い。同様に、本発明は、バルブタイミングとバルブリフト量の両方を可変する可変バルブ機構を搭載した内燃機関に適用しても良く、この場合には、燃焼モード切換時に固定する制御パラメータを、バルブタイミングとバルブリフト量の両方とすると良い。
【００５９】
尚、バルブタイミングやバルブリフト量を可変する駆動源は、油圧に限定されず、電磁アクチュエータ等でバルブタイミングやバルブリフト量を可変する内燃機関にも本発明を適用できる。
【００６０】
また、本実施形態では、燃焼モード切換時に、吸気ＶＣＴと排気ＶＣＴを切り換え前の燃焼モードの目標値に固定するようにしたが、吸気ＶＣＴと排気ＶＣＴを切り換え前の燃焼モードの目標値に固定すると、燃焼安定性の悪化が懸念される場合には、吸気ＶＣＴと排気ＶＣＴを燃焼モード切換用の目標値に固定するようにしても良い。このようにすれば、燃焼モードの切換制御中の燃焼安定性を確保することができる利点がある。
【００６１】
また、本実施形態では、短時間の燃焼モード切換要求により燃焼モードを切り換えるときのみに、ＶＣＴ固定燃焼モード切換制御を実行し、エンジン運転中に、エンジン運転状態（要求トルクやエンジン回転速度等）が変化して燃焼モード切換要求が発生したときには、ＶＣＴ固定燃焼モード切換制御を行わず、吸気／排気ＶＣＴを含む空気系の全ての制御パラメータを直ちに切り換え先の燃焼モードの目標値に切り換えるようにしたが、エンジン運転状態（要求トルクやエンジン回転速度等）が変化して燃焼モード切換要求が発生したときにも、ＶＣＴ固定燃焼モード切換制御を実行するようにしても良い。この場合は、実燃焼モードが切り換え先の燃焼モードに切り換わった後に、それまで固定していた吸気／排気ＶＣＴを切り換え先の燃焼モードの目標値に切り換えるようにすれば良い。
【００６２】
尚、本発明は、筒内噴射エンジンに限定されず、吸気ポート噴射エンジンであっても、リーンバーンエンジンのように燃焼モードを切り換える機能を備えたエンジンであれば適用して実施できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態におけるエンジン制御システム全体の概略構成図
【図２】エンジン制御メインルーチンの処理の流れを示すフローチャート
【図３】燃焼モード決定ルーチンの処理の流れを示すフローチャート
【図４】燃焼モード切換制御ルーチンの処理の流れを示すフローチャート
【図５】空気系制御ルーチンの処理の流れを示すフローチャート
【図６】燃料系制御ルーチンの処理の流れを示すフローチャート
【図７】点火系制御ルーチンの処理の流れを示すフローチャート
【図８】（ａ）はＥＧＲ弁開弁時の成層燃焼と均質燃焼の安定燃焼領域を示す図、（ｂ）はＥＧＲ弁閉弁時に成層燃焼と均質燃焼の安定燃焼領域が拡大することを模式的に示す図
【図９】（ａ）は成層燃焼モードとＶＣＴ固定燃焼モード切換制御における吸気／排気バルブタイミングを示す図、（ｂ）は通常の均質燃焼モードにおける吸気／排気バルブタイミングを示す図
【図１０】従来の筒内噴射エンジンで短時間の燃焼モード切換要求（ＮＯｘ触媒のＮＯｘパージ等の要求）があったときの燃焼モード切換制御の一例を示すタイムチャート
【図１１】本発明の実施形態において短時間の燃焼モード切換要求があったときの燃焼モード切換制御の一例を示すタイムチャート
【符号の説明】
１１…エンジン（内燃機関）、１２…吸気管、１６…スロットルバルブ、２１…燃料噴射弁、２２…点火プラグ、２５…排気管、２７…ＮＯｘ触媒、３０…ＥＣＵ（制御手段）、３１…気流制御弁、３４…ＥＧＲ弁（排気還流制御手段）、３７…吸気バルブ、３８…排気バルブ、３９…吸気可変バルブタイミング機構（吸気バルブ可変手段）、４０…排気可変バルブタイミング機構（排気バルブ可変手段）。

Claims

燃焼モード切換要求に応じて燃焼モードを成層燃焼モードと均質燃焼モードとの間で切り換えるように空気系、燃料系、点火系の各制御パラメータを設定する内燃機関制御装置において、
燃焼モード切換要求が生じたときに前記空気系のうちのスロットル開度以外の少なくとも１つの制御パラメータ（以下「特定の制御パラメータ」という）を固定して燃焼モードを切り換える特定制御パラメータ固定燃焼モード切換制御を実行する制御手段を備えていることを特徴とする内燃機関制御装置。
前記空気系は、吸気バルブタイミング及び／又は吸気バルブリフト量を可変する吸気バルブ可変手段、排気バルブタイミング及び／又は排気バルブリフト量を可変する排気バルブ可変手段、排気還流量を制御する排気還流制御手段、筒内の気流を制御する気流制御手段のうちの少なくとも１つを備えていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関制御装置。
前記制御手段は、燃焼モードを一時的に短時間だけ切り換えるときに前記特定制御パラメータ固定燃焼モード切換制御を実行することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関制御装置。
前記特定の制御パラメータは、吸気側及び／又は排気側のバルブタイミング及び／又はバルブリフト量であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の内燃機関制御装置。
前記制御手段は、前記特定制御パラメータ固定燃焼モード切換制御を開始してから燃焼モードを元の燃焼モードに戻すまで、前記特定の制御パラメータを固定することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の内燃機関制御装置。
前記制御手段は、前記特定制御パラメータ固定燃焼モード切換制御を開始する際に、前記特定の制御パラメータをその直前の燃焼モードの目標値に固定することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の内燃機関制御装置。
前記制御手段は、前記特定制御パラメータ固定燃焼モード切換制御を開始する際に、前記特定の制御パラメータを燃焼モード切換用の目標値に固定することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の内燃機関制御装置。
筒内に燃料を直接噴射する筒内噴射式の内燃機関において、
前記制御手段は、成層燃焼運転中にＮＯｘ触媒のＮＯｘパージ又はブレーキブースタ内の負圧確保の要求があったときに、前記特定制御パラメータ固定燃焼モード切換制御を実行することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の内燃機関制御装置。