JP4123898B2 - An internal combustion engine that operates while switching between compression auto-ignition combustion and spark ignition combustion - Google Patents

An internal combustion engine that operates while switching between compression auto-ignition combustion and spark ignition combustion Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、混合気を圧縮自着火させて運転する圧縮自着火運転状態と、混合気に火花を飛ばして運転する火花点火運転状態とを切り替えながら内燃機関を運転する技術に関し、より詳しくは、切り替えに伴う違和感の発生や大気汚染物質の増加を招くことなく、運転状態を確実に切り替える技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関は燃焼室内に形成した混合気を燃焼させて、このときに生じる熱エネルギを機械的な仕事に変換することを動作原理としている。燃焼室内で混合気を燃焼させる方式としては、混合気を圧縮して自着火させるいわゆる圧縮自着火燃焼方式や、燃焼室内で火花を飛ばして混合気に点火する火花点火燃焼方式など、種々の方式が提案されている。
【０００３】
圧縮自着火燃焼方式は、燃焼室内で混合気を圧縮自着火させているために、燃焼室内のほぼ全域で同時に混合気の燃焼が開始され、燃焼を速やかに完了させることが可能である。このため燃焼の等容度を増加させることができ、燃料消費効率を改善させることが可能となる。また希薄な混合気を燃焼させることができるので、燃焼温度の低下を通じて、窒素酸化物などの大気汚染物質の排出量を減少させることが可能であるという優れた特性を備えている。
【０００４】
また、火花点火燃焼方式は、燃焼室内で火花を飛ばすことによって混合気を強制的に着火し燃焼させる。このため、火花を飛ばす時期を適切な時期に設定しておけば、内燃機関の高速回転時や高出力時などにおいても、混合気を確実に燃焼させることができるので適切に動力を取り出すことが可能である。
【０００５】
こうしたそれぞれの燃焼方式が備える特性を生かして、内燃機関が高速回転あるいは高負荷条件で運転される場合には火花点火燃焼を行い、中低速回転かつ中低負荷条件で運転される場合には圧縮自着火燃焼を行うこととすれば、高速回転時あるいは高負荷条件時にも十分な出力を確保しつつ、燃料消費効率および大気汚染物質の排出量を同時に改善することが可能となる。
【０００６】
また、圧縮自着火燃焼方式と火花点火燃焼方式とを切り替えるに際しては、一旦、成層火花点火燃焼を経由して切り替えてやることで、燃焼状態が不安定となることを回避して、安定した切り替えを可能とする技術も提案されている（特許文献１）。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−１５２９１９号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、内燃機関の燃焼方式を切り替える場合、単に安定して切り替えることができるだけでは、決して十分ではない。すなわち、燃焼方式を切り替えた時に、内燃機関の操作者に違和感を与えるようなことがあってはならないし、また、切り替えに伴って大気汚染物質の排出量が増加するような事態も決して許容されるものではない。従前の提案では、これらの重要な要請を如何にすれば満足させることができるかといった点については、何ら考慮されていなかった。
【０００９】
本願発明は、従来技術における上述した課題を解決するためになされたものであり、内燃機関の運転状態を、圧縮自着火運転状態と火花点火運転状態とに切り替えるに際して、切り替えに伴う違和感の発生や大気汚染物質の増加を招くことなく、運転状態を確実に切り替えることが可能な技術を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の内燃機関は次の構成を採用した。すなわち、
燃焼室内に形成した混合気を圧縮して自着火させる圧縮自着火運転状態と、火花を飛ばして該混合気に点火する火花点火運転状態とを切り替えながら運転される内燃機関であって、
前記内燃機関を定常運転する際に前記圧縮自着火運転または前記火花点火運転のいずれの運転状態で運転するかを、少なくとも該内燃機関が出力するトルクに応じて予め記憶している定常運転状態記憶手段と、
前記内燃機関が出力すべき目標トルクを検出する目標トルク検出手段と、
前記目標トルクが、前記圧縮自着火運転状態に相当するトルクから前記火花点火運転状態に相当するトルクに増加した場合に、前記内燃機関を該圧縮自着火運転状態から該火花点火運転状態に切り替える運転状態切替手段と
を備え、
前記運転状態切替手段は、
前記内燃機関の圧縮行程の半ば以降に前記燃焼室内に燃料を直接噴射して成層給気した混合気に火花を飛ばすことにより、該内燃機関を成層火花点火運転しつつ、前記検出した目標トルクの増加に合わせて該燃料の噴射量を増加させる第１段階の切り替え動作を行う第１段階切替手段と、
前記燃焼室内に吸入した空気量の、前記噴射した燃料量に対する割合を表す指標たる空燃比を検出する空燃比検出手段と、
前記検出した空燃比が所定の閾値よりも小さくなった場合には、前記燃料の噴射時期を進角させるとともに、前記吸入した空気量に対し理論混合比の燃料量を噴射して形成した理論混合気に火花を飛ばすことにより、前記内燃機関の運転状態を前記火花点火運転状態に切り替える第２段階の切り替え動作を行う第２段階切替手段と
を備えていることを要旨とする。
【００１１】
また、上記の内燃機関に対応する本発明の制御方法は、
燃焼室内に形成した混合気を圧縮して自着火させる圧縮自着火運転状態と、火花を飛ばして該混合気に点火する火花点火運転状態とを切り替えながら運転される内燃機関の制御方法であって、
前記内燃機関を定常運転する際に前記圧縮自着火運転または前記火花点火運転のいずれの運転状態で運転するかを、少なくとも該内燃機関が出力するトルクに応じて予め記憶しておく第１の工程と、
前記内燃機関が出力すべき目標トルクを検出する第２の工程と、
前記目標トルクが、前記圧縮自着火運転状態に相当するトルクから前記火花点火運転状態に相当するトルクに増加した場合に、前記内燃機関を該圧縮自着火運転状態から該火花点火運転状態に切り替える第３の工程と
を備え、
前記第３の工程は、
前記内燃機関の圧縮行程の半ば以降に前記燃焼室内に燃料を直接噴射して成層給気した混合気に火花を飛ばすことにより、該内燃機関を成層火花点火運転しつつ、前記検出した目標トルクの増加に合わせて該燃料の噴射量を増加させる第１段階の切り替え動作を行う工程と、
前記燃焼室内に吸入した空気量の、前記噴射した燃料量に対する割合を示す指標たる空燃比を検出する工程と、
前記検出した空燃比が所定の閾値よりも小さくなった場合には、前記燃料の噴射時期を進角させるとともに、前記吸入した空気量に対し理論混合比の燃料量を噴射して形成した理論混合気に火花を飛ばすことにより、前記内燃機関の運転状態を前記火花点火運転状態に切り替える第２段階の切り替え動作を行う工程と
を備えていることを要旨とする。
【００１２】
かかる本発明の内燃機関および内燃機関の制御方法においては、目標トルクの増加に合わせて運転状態を圧縮自着火運転から火花点火運転に切り替えるに際して、内燃機関を成層火花点火運転しながら燃料の噴射量を増加させ、これにより、空燃比を次第に小さくしていく。そして、空燃比が所定の閾値に達すると、燃料の噴射時期を早めるとともに空燃比を理論空燃比に切り替え、燃焼室内に形成した理論混合気に火花を飛ばして燃焼させる。
【００１３】
こうして燃料の噴射量を徐々に増加させながら運転状態を切り替えてやれば、内燃機関の操作者に違和感を与えることなく切り換えることが可能となる。もちろん、切り替えに際しては、成層火花点火運転を一旦経由させているので、燃焼が不安定になることなく、安定して運転状態を切り換えることが可能である。
【００１４】
また、混合気の空燃比が理論空燃比よりも僅かに大きな値を取る場合、大気汚染物質の浄化が困難となることが知られている。すなわち、大気汚染物質の１つである窒素酸化物の発生量は、混合気の空燃比が理論空燃比付近でもっと多くなる特性がある。空燃比が理論空燃比よりも小さい領域では、いわゆる三元触媒などによって窒素酸化物を効果的に浄化することが可能であり、また、空燃比が理論空燃比よりもかなり大きい領域では、いわゆるＮＯｘ触媒を利用することで窒素酸化物を浄化することができる。しかし、空燃比が理論空燃比よりも僅かに大きな領域では窒素酸化物の発生量が増加するので、その分だけＮＯｘ触媒による浄化が困難となる。結局、混合気の空燃比が理論空燃比よりも僅かに大きな値を取る領域では、他の領域に比べて大気汚染物質の浄化が困難となるのである。従って、成層火花点火運転時に空燃比が所定空燃比に達したら、空燃比を理論空燃比に切り替えてやれば、窒素酸化物の浄化が困難な空燃比の混合気を燃焼させることを回避して、大気汚染物質の排出量を増加させることなく、運転状態を切り替えることが可能となる。
【００１５】
こうした内燃機関および内燃機関の制御方法においては、燃焼室内に吸入される空気量を制御可能として、運転状態を切り替えるに際しては、空気量を減少させることによって空燃比を理論空燃比に変更することとしても良い。
【００１６】
こうして空燃比を理論空燃比に切り替えてやれば、内燃機関の出力が大きく変動することなく運転状態を切り替えることができ、その結果、操作者に違和感を与えることを回避することが可能となるので好ましい。
【００１７】
あるいは、空燃比を理論空燃比に切り替えるに際して、次のようにして切り替えても良い。すなわち、吸入した空気量に対して理論空燃比となるように燃料の噴射量を増量させ、同時に混合気の点火時期を遅角させることとしてもよい。
【００１８】
こうして燃料の噴射量を増量してやれば、簡便に且つ確実に空燃比を理論空燃比に切り換えることが可能である。もっとも、燃料噴射量の増量に伴って内燃機関の出力が急激に増加したのでは、内燃機関の操作者に違和感を与えるおそれが生じるが、燃料噴射量の増量に合わせて混合気の点火時期を遅角させれば、出力の増加を抑制することが可能であり、操作者に違和感を感じさせることなく運転状態を切り換えることが可能となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の作用・効果をより明確に説明するために、次の順序に従って、本発明の実施例について説明する。
Ａ．装置構成：
Ｂ．エンジン制御の概要：
Ｃ．第１実施例の運転状態切り替え処理：
Ｄ．第２実施例の運転状態切り替え処理：
【００２０】
Ａ．装置構成：
図１は、本実施例のエンジン１０の構造を概念的に示した説明図である。本実施例のエンジン１０は、吸気・圧縮・膨張・排気の４つの行程を繰り返しながら燃焼室内で混合気を燃焼させることによって動力を出力する４サイクル式のエンジンである。尚、エンジン１０は、その構造を示すために、燃焼室のほぼ中央位置で断面を取った形態で表示している。
【００２１】
図示されているように、エンジン１０は、シリンダブロック１４０の上部にシリンダヘッド１３０が組み付けられて構成されている。シリンダブロック１４０の内部には、円筒形のシリンダ１４２が設けられており、このシリンダ１４２の内部をピストン１４４が上下に摺動する。シリンダ１４２とピストン１４４とシリンダヘッド１３０の下面とで囲まれた空間が燃焼室となる。ピストン１４４は、コネクティングロッド１４６を介してクランクシャフト１４８に接続されており、ピストン１４４はクランクシャフト１４８の回転にともなってシリンダ１４２内を上下に摺動する。
【００２２】
シリンダヘッド１３０には、燃焼室に吸入空気を取り入れるための吸気通路１２と、燃焼室内に燃料を噴射して混合気を形成する燃料噴射弁１４と、燃焼室内に形成された混合気に点火するための点火プラグ１３６と、混合気が燃焼することで燃焼室内に発生した燃焼ガスを排出するための排気通路１６などが接続されている。また、シリンダヘッド１３０には、吸気バルブ１３２と排気バルブ１３４とが設けられている。吸気バルブ１３２および排気バルブ１３４は、それぞれに電動アクチュエータ１５２、１５４によって駆動される。電動アクチュエータ１５２，１５４は、ピエゾ素子などの電歪素子を複数積層して構成されており、印加される電圧に応じて極めて高速に変形することにより、吸気バルブ１３２、排気バルブ１３４を開閉することができる。電動アクチュエータ１５２，１５４は、後述するＥＣＵの制御の下で、印加される電圧に応じて吸気バルブ１３２および排気バルブ１３４を駆動することにより、吸気通路１２および排気通路１６を開閉する。
【００２３】
吸気通路１２の上流側にはエアクリーナ２０が設けられており、エアクリーナ２０には空気中の異物を除去するためのフィルタが内蔵されている。エンジン１０に吸入される空気は、エアクリーナ２０を通過する際にフィルタで異物を除去された後、燃焼室内に吸入される。また、吸気通路１２には、スロットルバルブ２２が設けられており、電動アクチュエータ２４を駆動してスロットルバルブ２２を適切な開度に制御することで、燃焼室内に吸入される空気量を制御することができる。排気通路１６の下流には、排気ガスに含まれる大気汚染物質を浄化するための触媒２６が設けられている。こうして排気通路に触媒２６を設けておけば、排気ガス中に含まれる大気汚染物質も浄化することが可能である。
【００２４】
エンジン１０の動作は、エンジン制御用ユニット（以下、ＥＣＵ）３０によって制御されている。ＥＣＵ３０は、ＣＰＵや、ＲＡＭ、ＲＯＭ、Ａ／Ｄ変換素子、Ｄ／Ａ変換素子などをバスで相互に接続して構成された周知のマイクロコンピュータである。ＥＣＵ３０は、エンジン回転速度Ｎe やアクセル開度θacを検出し、これらに基づいてスロットルバルブ２２を適切な開度に制御する。エンジン回転速度Ｎe は、クランクシャフト１４８の先端に設けたクランク角センサ３２によって検出することができる。アクセル開度θacは、アクセルペダルに内蔵されたアクセル開度センサ３４によって検出することができる。ＥＣＵ３０は、吸気バルブ１３２や、排気バルブ１３４、燃料噴射弁１４、点火プラグ１３６などを適切なタイミングで駆動する制御も行う。これらを駆動するタイミングについては、別図を参照しながら後述する。
【００２５】
Ｂ．エンジン制御の概要：
次に、上述した構造を有するエンジン１０の動作について説明する。本実施例のエンジン１０は、エンジンの運転条件に応じて、火花点火運転状態と圧縮自着火運転状態とを切り替えながら運転される。図２は、エンジンの運転条件に応じて運転状態を切り替える様子を示した説明図である。図示されているように、エンジン１０が出力すべき目標トルクが中低負荷領域にあり、且つ、エンジン回転速度が中低速度領域にある場合は、エンジン１０は圧縮自着火運転され、その他の運転条件では火花点火運転される。以下では、先ず、火花点火運転時に行われるエンジン制御の概要について説明し、次いで、圧縮自着火運転時のエンジン制御の概要について説明する。
【００２６】
図３は、火花点火運転時における吸気バルブ１３２、排気バルブ１３４の動作タイミングを示した説明図である。図中には、燃料噴射弁１４，点火プラグ１３６の動作タイミングも併せて示してある。図中にＴＤＣと表示されているのは、ピストンが上がりきった位置、すなわち上死点にあるタイミングを示しており、ＢＤＣと表示されているのは、ピストンが下がりきった位置、すなわち下死点にあるタイミングを示している。また、図４は、図３に示したタイミングで吸気バルブ１３２、排気バルブ１３４、燃料噴射弁１４、点火プラグ１３６を駆動しながら、エンジン１０が動作する様子を概念的に示した説明図である。以下では、図３および図４を参照しながら、火花点火運転されているときのエンジン１０の動作について説明する。
【００２７】
図３中に白抜きで示した矢印は、吸気バルブが開いている期間を示している。火花点火運転時には、吸気バルブ１３２はピストンが上死点（ＴＤＣ）に達する少し手前で開き始め、ピストンが下死点（ＢＤＣ）に達してから暫くしたタイミングで閉じるように設定されている。吸気バルブ１３２が開いている間にピストンが降下することによって、燃焼室内に空気が吸入される。ここで、吸気バルブ１３２がＴＤＣより少し早めに開くように設定されているのは、バルブを開くためには短時間ではあるが、ある程度の時間が必要であることを考慮したためである。すなわち、ピストンが降下し始めてから吸気バルブを開いたのでは、吸気バルブが開くまでの期間は空気を吸入することができないので、この期間を見越して早めに吸気バルブを開き始めるのである。また、ピストンがＢＤＣに達してからもしばらくは吸気バルブ１３２を開いたままにしているのは、吸気通路１２を流れる空気の慣性を考慮したためである。すなわち、ピストンの降下中は吸気通路１２内を燃焼室に向かって空気が勢いよく流れているので、ピストンがＢＤＣに達して空気の吸入を停止した後も暫くの間は、慣性の作用によって空気はそのまま燃焼室に向かって流れ続けようとする。従って、ピストンがＢＤＣに達した後も、暫くの間、吸気バルブを開いておくことで、より多くの空気を吸入して、より大きな出力を発生させることが可能となるのである。
【００２８】
燃料は、吸気行程の前半、すなわちピストンがＴＤＣに達して暫くしたタイミングで燃料噴射弁１４から燃焼室内に直接噴射してやる。図３中で斜線を付した矩形は、燃料を噴射している期間を表している。
【００２９】
図４（ａ）は、吸気行程中に燃料噴射弁１４から燃焼室内に燃料を噴射している様子を概念的に示している。図４（ａ）中で、吸気バルブ１３２の間を通過する矢印は、燃焼室内に空気が流入する様子を概念的に示したものである。また、燃料噴射弁１４から燃焼室内に噴射された燃料噴霧は、細かい斜線を付して表されている。燃料噴射弁１４から噴射された燃料噴霧は、吸気バルブ１３２から流入する空気とともに燃焼室内を流動しながら、空気と混合して燃焼室内に均一な混合気を形成する。
【００３０】
次いで、吸気バルブ１３２を閉じた状態でピストン１４４を上昇させると、燃焼室内に形成された混合気が圧縮されていく。図４（ｂ）は、こうしてピストン１４４を上昇させて、燃焼室内に形成された混合気を圧縮している様子を概念的に示している。図中で、燃焼室内の全域に付された斜線は、燃焼室内に均一な混合気が形成されていることを表している。
【００３１】
そして、ピストンがＴＤＣに達する直前の所定のタイミングで、点火プラグ１３６から火花を飛ばして混合気に点火してやる。図４（ｃ）は、点火プラグ１３６から火花を飛ばしている様子を概念的に表している。点火プラグ１３６から火花を飛ばすタイミングは、図３中では星印で表示されている。こうして、燃焼室内で火花を飛ばすことによって混合気に点火すると、混合気は燃焼して高温高圧の燃焼ガスに変換され、その結果、燃焼室内の圧力が急激に上昇してピストン１４４を下方向に押し下げようとする。ピストン１４４は燃焼ガスの圧力を受けながら降下していき、このときにピストンが受ける仕事がクランクシャフト１４８で回転力に変換されて動力として外部に取り出されることになる。
【００３２】
ピストン１４４が下がるにつれて燃焼室内の圧力は低下するので、動力として取り出される仕事も減少していく。そこで、排気バルブ１３４を開いて燃焼室内の燃焼ガスを排出してやる。図３中で斜線を付して表示した矢印は、排気バルブ１３４を開閉するタイミングを表したものである。図３に示されているように、排気バルブ１３４は、ピストンがＢＤＣに達する少し手前のタイミングで開くように設定されている。排気バルブ１３４を開くタイミングがＢＤＣより少し早めに設定されているのは、吸気バルブ１３２の場合と同様に、バルブを開くまでに要する時間を見越していることによる。こうして排気バルブ１３４を開くと、燃焼室内から燃焼ガスが排気通路１６に流出し、排気ガスとして排出される。その結果、燃焼室内の圧力は排気通路１６内の圧力まで低下する。その後は、クランクシャフト１４８が回転するにつれてピストン１４４が上昇し、燃焼室内に残った燃焼ガスが排気ガスとして排出されていく。ピストン１４４がＴＤＣの位置まで上がりきったら、燃焼室内に残った燃焼ガスをほぼ排出し終わったことになるので、排気バルブ１３４を閉じてやる。尚、図３に示されているように、排気バルブ１３４を閉じるタイミングは、ピストン１４４がＴＤＣに達してから暫くたったタイミングに設定されている。これは、排気ガスの排出に伴って排気通路１６内に生じた反射波を利用することにより、燃焼室内に残った燃焼ガスを吸い出しているためである。
【００３３】
また、前述したように、火花点火運転時は、吸気バルブ１３２はＴＤＣよりも少し早めに開き始めるから、ＴＤＣ付近で、吸気バルブ１３２および排気バルブ１３４がいずれも開いている期間が存在している。この様な期間はオーバーラップ期間と呼ばれる。
【００３４】
このように、エンジン１０は火花点火運転中は、以上に説明した一連の動作を繰り返し行いながら、燃焼室内に空気を吸い込んで混合気を形成し、この混合気に点火することによって動力を出力する。
【００３５】
次に、圧縮自着火運転中のエンジン１０の動作について説明する。図５は、圧縮自着火運転時における吸気バルブ１３２、排気バルブ１３４の動作タイミングを示した説明図である。図中には、燃料噴射弁１４の動作タイミングも併せて示してある。また、図６は、図５に示したタイミングで吸気バルブ１３２、排気バルブ１３４、燃料噴射弁１４を駆動しながら、エンジン１０が動作する様子を概念的に示した説明図である。以下では、図５および図６を参照しながら、圧縮自着火運転状態におけるエンジン１０の動作について説明する。
【００３６】
図５に示されているように、圧縮自着火運転時に吸気バルブ１３２が開くタイミングは、火花点火運転時よりも遅いタイミングに設定されている（図３を参照のこと）。この理由については後述する。
【００３７】
吸気バルブ１３２を開いた状態でピストン１４４を降下させると、ピストンの降下に伴って燃焼室内に空気が吸入される。燃料は、空気の吸入が開始された後の適切なタイミングで噴射してやる。図５中に斜線を付した矩形は、燃料を噴射する期間を表している。こうして噴射された燃料は、吸気バルブ１３２から流入する空気の流れに乗って燃焼室内を流動し、空気と混合して均一な混合気を形成する。図６（ａ）は、燃料噴射弁１４から燃料を噴射している様子を概念的に示した説明図である。図中に表示された矢印は、吸気バルブ１３２から空気が燃焼室内に流入する様子を概念的に表したものである。また、燃料噴射弁１４から噴射された燃料噴霧には、細かい斜線を付して表示されている。
【００３８】
次いで、吸気バルブ１３２を閉じた状態でピストン１４４を上昇させると、燃焼室内に形成された混合気が圧縮されていく。図６（ｂ）は、こうしてピストン１４４を上昇させて、燃焼室内に形成された混合気を圧縮している様子を概念的に示している。混合気は圧縮されるに従って、温度および圧力が上昇していき、ピストン１４４がほぼ上がりきった付近で混合気温度が発火点に達し、混合気が自着火する。図６（ｃ）は、こうして燃焼室内で混合気が自着火している様子を概念的に表している。ピストン１４４で圧縮すると混合気温度は燃焼室内のほぼ全域で同じように上昇していくから、燃焼室内の混合気がほぼ同時に自着火することになる。このため、圧縮自着火運転時は、極めて短時間で燃焼を完了させることができる。尚、前述した火花点火運転時と異なり、圧縮自着火運転時に混合気が自着火するのは、吸気バルブ１３２および排気バルブ１３４の開閉タイミングが異なっているためである（図３および図５を参照のこと）。これについては後述する。
【００３９】
燃焼室内で圧縮された混合気は、自着火すると速やかに燃焼して高温高圧の燃焼ガスに変換される。ピストン１４４は、この圧力を受けて降下しながら、燃焼室内の圧力をクランクシャフト１４８に伝え、クランクシャフト１４８から動力が出力される。
【００４０】
ピストン１４４がほぼ下がりきった付近で排気バルブ１３４を開いてやると、燃焼室内の燃焼ガスが排気ガスとして排出され、その後、ピストン１４４が上昇するにつれて、燃焼室内に残った燃焼ガスが押し出されていく。
【００４１】
ここで、圧縮自着火運転時は、図５に示すように、ピストン１４４がＴＤＣに達する以前に排気バルブ１３４を閉じるように設定されている。こうして排気バルブ１３４を閉じてしまえば、ピストン１４４を上昇させても、燃焼ガスは排出されることなく、そのまま燃焼室内に残存することになる。続く吸気行程では、こうして燃焼ガスが残存している燃焼室内に空気を吸い込むことになる。燃焼ガスは吸入空気に比べて遙かに温度が高いので、吸入された空気は高温の燃焼ガスと混合することにより圧縮前から温度が高くなっている。圧縮自着火運転時は、こうして温度が高い状態から混合気を圧縮しているために、混合気温度を発火点以上の温度まで上昇させ、混合気を自着火させることができるのである。
【００４２】
また、図５に示したように、圧縮自着火運転時では、吸気バルブ１３２を開くタイミングが遅めに設定されている。これは次の理由による。上述したように、圧縮自着火運転時は、排気バルブ１３４を早めに閉じて燃焼室内に燃焼ガスを閉じ込めたままピストン１４４を上昇させているために、火花点火運転時と同様にＴＤＣ付近で吸気バルブ１３２を開くと、燃焼室内で圧縮されている燃焼ガスが吸気バルブ１３２から吸気通路１２内に逆流してしまう。そこで、ピストン１４４が降下して、燃焼ガスが逆流しない程度まで燃焼室内の圧力が下がってから吸気バルブ１３２が開くように、吸気バルブ１３２の開弁タイミングが遅めに設定されているのである。
【００４３】
このように、圧縮自着火運転時には、吸気バルブ１３２はＴＤＣを過ぎてから開き始めるように設定されており、排気バルブ１３４はＴＤＣに達する前に閉じるように設定されている。従って、火花点火運転時とは逆に、ＴＤＣ付近で吸気バルブ１３２および排気バルブ１３４がともに閉じている期間が存在していることになる。この様な期間を負のオーバーラップ期間と呼ぶ。前述したように、オーバーラップ期間では吸気バルブ１３２および排気バルブ１３４が同時に開いているのに対して、吸気バルブ１３２および排気バルブ１３４がともに閉じた状態となっていることから、「負」のオーバーラップ期間と呼ばれるのである。
【００４４】
以上に説明したように、エンジン１０は、運転条件に応じて火花点火運転状態と圧縮自着火運転状態とに運転状態を切り替えながら運転されている。エンジンの運転条件は操作者の操作に応じて変動するから、こうした運転状態の切り替えは頻繁に発生する。従って、運転状態を確実に切り替えることに加えて、操作者に違和感を与えることなく、しかも大気汚染物質の排出量を増加させずに切り替えることが重要となる。そこで、本実施例のエンジン１０では、運転状態を切り替えるに際して、次のような制御を行う。
【００４５】
Ｃ．第１実施例の運転状態切り替え処理：
図７は、第１実施例において運転状態を切り替える処理の前半部分を示すフローチャートであり、図８は、処理の後半部分を示すフローチャートである。かかる処理は、エンジン１０に搭載されたＥＣＵ３０によって、ほぼ所定時間ごとに定期的に実行される。また、図９は、第１実施例の運転状態切り替え処理に従って、圧縮自着火運転から火花点火運転へと、運転状態を切り替える様子を示したタイムチャートである。以下では、これらの図を参照しながら説明する。
【００４６】
ＥＣＵ３０は、運転状態切り替え処理を開始すると先ず初めに、目標出力トルクを検出する処理を行う（ステップＳ１００）。目標出力トルクは、アクセル開度センサ３４で検出したアクセル開度θacに基づいて算出する。すなわち、エンジン１０の操作者は、エンジンの出力トルクを増やしたいと思った場合はアクセルペダルを踏み増す操作を行い、出力トルクを減らしたいと思った場合はアクセルペダルを戻す操作を行う。特に、エンジンからトルクを発生させる必要がないと考えた場合は、アクセルペダルを全閉状態とする。このことから、アクセルペダルの操作量はエンジンの操作者が要求しているトルクを代表していると考えることができる。ステップＳ１００では、こうした原理に基づいて、アクセル開度θacからエンジンが出力すべき目標出力トルクを算出する。
【００４７】
次いで、前回の処理時に検出した目標出力トルクと比較することにより、目標トルクが増加しているか否かを判断し（ステップＳ１０２）、目標トルクが増加している場合は（ステップＳ１０２：ｙｅｓ）、エンジン回転速度を検出する（ステップＳ１０４）。エンジン回転速度は、クランク角センサ３２の出力に基づいて算出することができる。
【００４８】
こうして目標トルクとエンジン回転速度を検出したら、対応する運転状態を検出する処理を行う（ステップＳ１０６）。ＥＣＵ３０に内蔵されたＲＡＭには、図２に示すように、エンジン回転速度と目標トルクとの組合せに対応するエンジンの運転状態がマップの形式で記憶されており、かかるマップを参照することで、運転条件に対応する運転状態を検出する。
【００４９】
次いで、検出した運転状態が圧縮自着火運転から火花点火運転に変更されているか否か、すなわち前回処理時と今回の処理時とで、エンジン回転速度と目標トルクとの組合せに基づいて検出されたエンジンの運転状態が、圧縮自着火運転から火花点火運転に変わっているか否かを判断する（ステップＳ１０８）。そして、エンジン１０を制御すべき運転状態が圧縮自着火運転から火花運転に変更された場合（ステップＳ１０８：ｙｅｓ）は、後述する方法によって運転状態の切り替えを行う。そうでない場合（ステップＳ１０８：ｎｏ）や、ステップＳ１０２において目標トルクが増加していないと判断された場合は、以下に説明する切り替えを行うことなく、そのまま運転状態切り替え処理を終了する。
【００５０】
運転状態を圧縮自着火運転から火花点火運転に切り替える場合（ステップＳ１０８：ｙｅｓ）は、負のオーバーラップ期間を少しずつ減少させながら、スロットルバルブ２２の開度を増加させるとともに、燃料噴射量を少しずつ増加させる（ステップＳ１１０）。そして、負のオーバーラップ期間が所定値まで減少したか否かを判断し（ステップＳ１１２）、所定値に達していなければステップＳ１１０に戻って、負のオーバーラップ期間が所定値に減少するまで、スロットルバルブの開度と燃料噴射量とを少しずつ増加させていく。この様子について図９を参照しながら説明する。
【００５１】
図９には、エンジンの運転状態が、時間の経過とともに圧縮自着火運転から火花点火運転へと切り替える様子が示されている。図９の最下段には目標トルクの変化が示されている。時刻Ｔa までは目標トルクは一定であり、エンジン１０は圧縮自着火運転されている。
【００５２】
時刻Ｔa で目標トルクが増加し、これに伴って、エンジン１０の運転条件を圧縮自着火運転から火花点火運転へと変更する旨の要求が生じたものとする。すると、ＥＣＵ３０は、エンジン１０の運転状態を火花点火運転に切り替えるべく、負のオーバーラップ期間を徐々に減少させると、これに伴って、内部ＥＧＲ量が少しずつ減少していく。ここで、内部ＥＧＲ量とは、排気バルブ１３４がＴＤＣ前に閉じられることによって燃焼室内に閉じ込められた燃焼ガス量を指している。内部ＥＧＲ量が減少したということは取りも直さず、燃焼室内に閉じ込められた燃焼ガスが減少したことに対応するから、結果として、燃焼室内に流入する空気がその分だけ増加することになる。図９には、こうして吸入空気量が少しずつ増加する様子が示されている。スロットルバルブ２２は、こうした空気量の増量を抑制しないように、少しずつ開き側に制御される。
【００５３】
また、ＥＣＵ３０は、目標トルクの増加に合わせて燃料噴射量も少しずつ増加させる制御を行う。このとき、燃料噴射量の増加割合は、目標トルクの増加割合が大きくなるほど大きな値に設定される。負のオーバーラップ期間を減少させたことに伴う空気量の増加量が、目標トルクに応じた燃料量の増加に対して小さい場合には、ＥＣＵ３０はスロットルバルブ２２の開度を大きめに設定することにより、空気量の不足を補う制御を行う。この結果、燃焼室内に形成される混合気は、ほぼ同じ空燃比に保たれている。ここで空燃比とは、燃焼室内に吸入された空気量の、燃料量に対する比率を示す指標である。図９には、こうして時刻Ｔa 以降も空燃比がほぼ一定に保たれている様子が示されている。
【００５４】
こうして、負のオーバーラップ期間を少しずつ減少させてくにつれ、内部ＥＧＲ量が減少する。図６を用いて前述したように、内部ＥＧＲは圧縮開始時の混合気温度を高めて混合気を自着火させ易くする作用を有しているから、負のオーバーラップ期間を減少させて内部ＥＧＲ量を減少させるにつれて、エンジン１０は次第に圧縮自着火運転が困難となっていく。そこで、負のオーバーラップ期間が所定値まで減少したら（図７のステップＳ１１２：ｙｅｓに相当）、ＥＣＵ３０は、オーバーラップ期間を正のオーバーラップに切り替えた後（ステップＳ１１４に相当）、燃料の噴射時期を圧縮行程中に設定する（ステップＳ１１６に相当）。尚、図９では、負のオーバーラップ期間が所定値まで減少したときの内部ＥＧＲ量をＥＧＲthとして表している。また、オーバーラップ期間を正のオーバーラップに切り替えると、内部ＥＧＲ量は、図９に示すように若干の遅れを伴って、速やかに減少する。尚、ここではオーバーラップ期間を直ちに正のオーバーラップに切り替えるものとしたが、もちろん、徐々に切り替えることとしても良い。こうして、オーバーラップおよび燃料噴射時期を変更したら、点火プラグ１３６から火花を飛ばして成層火花点火運転しながら、燃料噴射量を少しずつ増加させていく（ステップＳ１１８に相当）。成層火花点火運転とは、燃焼室内の一部領域にのみ混合気を形成し、この混合気に点火プラグで点火することによって燃焼させる運転状態である。
【００５５】
図１０は、エンジン１０が成層火花点火運転されている様子を概念的に示した説明図である。図１０（ａ）は、吸気バルブ１３２を開いてピストン１４４を降下させることにより、燃焼室内に空気を吸入している様子を示している。成層火花点火運転時は、吸気行程では燃料は噴射しない。こうして空気を吸い込んだら、吸気バルブ１３２を閉じてピストン１４４を上昇させる。成層火花点火運転においては、この圧縮行程中の所定のタイミングで燃焼室内に燃料を噴射してやる。図１０（ｂ）は、こうして圧縮行程中に、燃料噴射弁１４から燃料を噴射している様子を概念的に表したものである。燃焼室内に噴射された燃料噴霧は、ピストン１４４の頂面に形成された凹部に導かれて、点火プラグ１３６の周辺に混合気を形成する。こうして形成された混合気に、圧縮上死点付近の適切なタイミングで点火プラグ１３６から火花を飛ばして点火してやる。図１０（ｃ）は、点火プラグ１３６の周辺に形成された混合気に、火花を飛ばして点火している様子を概念的に表している。
【００５６】
上述した成層火花点火運転は、点火プラグ１３６の周りに混合気を形成して点火している。このため、燃焼室全体としてみたときの空気量に対する燃料量の割合が小さい場合（リーン空燃比）でも、点火プラグ１３６の周りでは燃料割合を比較的大きくすることができるので、混合気に確実に点火して燃焼させることが可能である。
【００５７】
図８に示したステップＳ１１８では、以上、図９および図１０を用いて説明したように、成層火花点火運転を行いながら少しずつ燃料噴射量を増加させる処理を行う。そして、混合気の空燃比が所定空燃比ＡＦthに達したか否かを判断し（ステップＳ１２０）、所定空燃比ＡＦthに達していない場合は（ステップＳ１２０：ｎｏ）、再びステップＳ１１８に戻って燃料噴射量を増加させる。こうして、エンジン１０を成層火花点火運転しながら、所定空燃比ＡＦthに達するまで燃料噴射量を増加させていく。
【００５８】
空燃比が所定空燃比ＡＦthまで低下したら（ステップＳ１２０：ｙｅｓ）、燃料の噴射時期を進角させて、図３に示した吸気行程の所定時期に設定する（ステップＳ１２２）。そして、燃焼室内に理論空燃比（ストイキオ）の混合気を形成し、この混合気に点火プラグで点火することによって火花点火運転を行う（ステップＳ１２４）。この様子を、再び図９を参照しながら説明する。
【００５９】
前述したように、時刻Ｔa 以降、負のオーバーラップ期間を減少させながら圧縮自着火運転を行い、時刻Ｔb になると運転状態を成層火花点火運転に切り替える。そして、成層火花点火運転しながら、目標トルクの増加に合わせて少しずつ燃料噴射量を増加させていく。これに伴い、混合気の空燃比は次第に小さく（吸入空気量に対する燃料割合が大きく）なり、ついには時刻Ｔc の時点で所定空燃比ＡＦthに達する。こうして空燃比が所定空燃比ＡＦthに達したら、運転状態を図１０に示した成層火花点火運転から、図４を用いて説明した火花点火運転に切り替える。すなわち、燃料を吸気行程中に噴射するように燃料噴射時期を進角する。また、噴射した燃料量に対して理論空燃比に相当する空気が吸入されるように、スロットルバルブ２２の開度を閉じ側に制御してやる。こうして燃焼室内に形成された理論空燃比（ストイキオ）の混合気に、点火プラグ１３６から火花を飛ばして点火してやる。以上のようにして、エンジン１０の運転状態を、理論空燃比の混合気に火花点火して運転する運転状態に切り替えたら、図７および図８に示した第１実施例の運転状態切り替え処理を終了する。
【００６０】
以上に説明した第１実施例の切り替え処理では、エンジンの運転状態を圧縮自着火運転から火花点火運転に切り替えるに際して、一旦、成層火花点火運転を経由してから切り替えている。一般に、圧縮自着火運転時は混合気を確実に自着火させるために、内部ＥＧＲ量が、火花点火運転が成立し得ないほどに大きな値に設定されている。このため、圧縮自着火運転から火花点火運転に切り替える過程で内部ＥＧＲ量を減少させていくと、一時的に、混合気を圧縮自着火させることも、火花点火することも困難で燃焼が不安定となる条件が発生し得る。そこで、運転状態を切り替えるに際して、一旦、成層火花点火運転を経由させる。前述したように、成層火花点火運転では、点火プラグの近傍に比較的燃料濃度の大きな（空燃比の小さい）混合気を形成するので、内部ＥＧＲ量が大きな条件でも確実に混合気に点火することが可能であり、燃焼が不安定となることがなく、従って、エンジンの運転状態を圧縮自着火運転から火花点火運転へと、スムーズに切り換えることが可能となる。
【００６１】
また、一般的に圧縮自着火運転は、混合気の空燃比が大きな条件、すなわち吸入空気量の燃料量に対する割合が大きい条件で運転される。一方、運転状態が、圧縮自着火運転から火花点火運転へと切り替えが行われるのは、エンジンが出力すべき目標トルクが増加した場合が多い。混合気の空燃比が大きいままでは発生可能な出力にも限界があるので、圧縮自着火運転から火花点火運転へと運転状態を切り替えるに伴って、混合気の空燃比も、大きな空燃比から理論空燃比へと切り替えられる場合が多い。こうして運転状態とともに空燃比も切り替える場合には、少しずつ燃料噴射量を増やしながら空燃比を小さくしていくとともに、所定空燃比に達したら段階で一気に理論空燃比に切り替えてやる。こうして燃料噴射量を徐々に増加させていけば、エンジンの出力も徐々に増加するので操作者に違和感を与えることなく、運転状態を切り換えることが可能となる。
【００６２】
また、混合気の空燃比が所定空燃比に達した段階で一気に理論空燃比に切り替えることとすれば、次の理由から、運転状態の切り替えに伴って大気汚染物質の排出量が増加することを効果的に回避することができる。よく知られているように、大気汚染物質の中の一つである窒素酸化物は、混合気の空燃比が理論空燃比の付近では大量に排出され、理論空燃比から離れるほど排出量が減少する傾向にある。このうち、混合気の空燃比が理論空燃比よりも小さい場合には、三元触媒などを用いて効果的に浄化することが可能であり、また、空燃比が理論空燃比よりも遙かに大きな値となる場合も、窒素酸化物の排出量が少ない分だけ比較的容易に浄化することができる。しかし、理論空燃比より僅かに空燃比の大きな混合気については、窒素酸化物を完全に浄化することは容易ではなく、こうした空燃比の混合気を燃焼させると、窒素酸化物の排出量が増加してしまう。そこで、こうした空燃比で混合気を燃焼させずに済むように、空燃比が所定空燃比まで減少した段階で一気に理論空燃比に切り替えてやる。こうすれば、運転状態の切り替えに伴って、大気汚染物質の一つである窒素酸化物の排出量が増加することを効果的に回避することが可能となる。
【００６３】
また、混合気の空燃比が所定空燃比に達したのち、一気に理論空燃比に切り替えるに際しては、吸入空気量を変更することによって空燃比を切り替えてやる。こうすれば、燃料噴射量については大きく変更することなく、混合気の空燃比を理論空燃比に設定することができる。このため、エンジンの出力の変動を回避して、エンジン操作者に違和感を与えることなく運転状態を切り替えることができる。
【００６４】
以上に説明した第１実施例では、混合気の空燃比が所定空燃比ＡＦthに達したら、スロットルバルブ２２を閉じ側に制御することで、混合気を理論空燃比に変更した。しかし、燃料噴射量を変更することで混合気を理論空燃比とすることも可能である。以下では、こうした第１実施例の変形例について説明する。
【００６５】
図１１は、第１実施例の変形例に従って、エンジンの運転状態を圧縮自着火運転から火花点火運転に切り替えている様子を概念的に示したタイムチャートである。図９に示した第１実施例に対して、混合気が所定空燃比ＡＦthに達した以降、すなわち時刻Ｔc 以降における空気量および燃料噴射量の設定が大きく異なっている。以下、相違点を中心に図１１を参照しながら説明する。
【００６６】
変形例においても、第１実施例と同様に、時刻Ｔa で目標トルクの増加を検出すると、負のオーバーラップ期間すなわち内部ＥＧＲ量を減少させながら、燃料噴射量および吸入空気量を増加させていく。そして、時刻Ｔb で内部ＥＧＲ量が所定のＥＧＲthまで減少すると、オーバーラップ期間を正のオーバーラップに切り替えるとともに、燃料噴射時期を圧縮行程に設定するとともに点火プラグから火花を飛ばして、成層火花点火運転に切り替える。そして、成層火花点火運転しながら燃料噴射量を増加させ、混合気の空燃比を徐々に小さくしていく。こうして空燃比を小さくしていくと、やがて時刻Ｔc でついに所定空燃比ＡＦthに達するので、混合気の空燃比を一気に理論空燃比に切り替えて、火花点火運転を開始する。
【００６７】
図示されているように、変形例においては、混合気の空燃比を理論空燃比に切り替えるに際して、燃料噴射量を増量することによって混合気を理論空燃比に切り替える。また、燃料噴射量を増加させると同時に、点火時期を一旦大きく遅角させた後、徐々に定常状態の点火時期まで進角させる。燃料噴射量を急に増加させると、これに伴ってエンジンの出力トルクも増加するので、エンジンの操作者に違和感を与えるおそれがあるが、点火時期を大きく遅角させれば、出力トルクが急に増加することを抑制することができる。こうして出力トルクが急に増加することを回避した後、徐々に点火時期を定常状態に戻していけば、操作者に違和感を与えることなく運転状態を切り換えることが可能となる。
【００６８】
以上に説明した第１実施例においては、圧縮自着火運転時にも、圧縮ＴＤＣ後の適切なタイミングで点火プラグ１３６から火花を飛ばすこととしても良い。こうすれば、圧縮自着火運転時に何らかの理由で混合気が自着火しなかったり、あるいは自着火時期が遅れた場合でも、点火プラグ１３６で点火して混合気を燃焼させることが可能となる。図１１において、破線で示された点火時期は、このように圧縮ＴＤＣ以降の所定のタイミングで、バックアップ的に火花を飛ばしていることを表したものである。
【００６９】
Ｄ．第２実施例の運転状態切り替え処理：
以上に説明した第１実施例の運転状態切り替え処理においては、目標トルクの増加を検出したら負のオーバーラップ期間を徐々に減少させていき、内部ＥＧＲ量が所定量まで減少した段階で、運転状態を成層火花点火運転に切り替えることとした。しかし、目標トルクの増加を検出したら、直ちに成層火花点火運転に切り替えることとしても良い。目標トルクの変化速度が速い場合には、このようにして切り替えることで、運転状態を速やかに切り換えることが可能となる。以下では、図１２を参照しながら、こうした第２実施例の運転状態切り替え処理について説明する。
【００７０】
図１２は、第２実施例の運転状態切り替え処理を行いながら、エンジンの運転状態を圧縮自着火運転から火花点火運転に切り替えている様子を概念的に示したタイムチャートである。第２実施例では、図９を用いて説明した第１実施例と比べて、目標トルクが大きな速度で増加している。このように、目標トルクの増加速度が所定速度よりも大きい場合は、直ちに成層火花点火運転に切り替えてやる。すなわち、時刻Ｔa までは、エンジン１０は圧縮自着火運転されており、吸気バルブ１３２および排気バルブ１３４の開閉時期は、図５に示すように、負のオーバーラップ状態となるように設定されている。時刻Ｔa で目標トルクが所定速度以上の速さで増加し始めると、負のオーバーラップを図３に示した正のオーバーラップ状態に切り替えるとともに、燃料噴射時期の設定を圧縮行程中の適切な時期に変更する。図１２に示されているように、内部ＥＧＲ量は、オーバーラップが切り替わったことによって若干の遅れを伴いながら速やかに減少し、定常量で安定する。こうしてバルブタイミングと燃料噴射時期とを切り替えて、所定のタイミングで点火プラグ１３６から火花を飛ばしてやれば、エンジン１０は成層火花点火運転に切り替わる。
【００７１】
尚、第２実施例においても前述した第１実施例と同様に、圧縮自着火運転時にも、圧縮ＴＤＣ後の適切なタイミングで点火プラグ１３６から火花を飛ばすこととしても良い。図１２中で破線で示された点火時期は、圧縮ＴＤＣ以降の所定のタイミングで、バックアップ的に火花を飛ばしていることを表している。
【００７２】
成層火花点火運転中は、目標トルクの増加に合わせて燃料噴射量を増加させ、これに併せて吸入空気量も増加させる。吸入空気量は、主にスロットルバルブ２２の開度を開くことによって増加させる。ここで、吸入空気量の増加割合は、燃料噴射量の増加割合に対して若干少なめに設定されており、このため、混合気の空燃比は次第に小さく（空気に対する燃料割合が大きく）なっていく。また、点火時期は、目標トルクが増加して運転負荷が高くなるに従って遅角側に制御される。これは、運転負荷が高くなるほどノックが発生し易くなるので、ノックの発生を避けるためである。
【００７３】
こうして成層火花点火運転しながら混合気の空燃比を小さくしていくと、やがて空燃比が所定空燃比ＡＦthまで減少する。図１２に示した例では、時刻Ｔe で所定空燃比ＡＦthに達している。尚、図１２に示されているように、目標トルクの増加が完了する時刻Ｔd と時刻Ｔe とは必ずしも一致しているとは限らない。
【００７４】
第２実施例においても、混合気が所定空燃比ＡＦthまで減少したら、空燃比を一気に理論空燃比まで減少させる。混合気の空燃比を理論空燃比に設定するに際しては、燃料噴射量を増加させることによって行う。また、燃料噴射量の増加に伴ってエンジン１０の出力トルクが急に増加することの無いように、点火時期を一旦大きく遅角させた後、徐々に定常状態の点火時期まで進角させる。こうすれば、エンジン１０の操作者に違和感を与えることがない。尚、前述した第１実施例と同様に、吸入空気量を減少させることによって、混合気の空燃比を理論空燃比に設定することとしても構わない。
【００７５】
以上に説明した第２実施例の運転状態切り替え処理においても、第１実施例と同様に、運転状態を圧縮自着火運転から火花点火運転に切り替える際に、成層火花点火運転を経由させることで、燃焼状態が不安定となることを回避しながら確実に切り替えることができる。また、目標トルクの増加後、直ちに成層火花点火運転に移行しているために、目標トルクの増加速度が大きな場合でも、エンジンの出力トルクを速やかに増加させることが可能である。
【００７６】
更に、燃料噴射量を徐々に増加させることで、運転状態の切り替えに伴う違和感の発生を回避しつつ、混合気の空燃比が所定空燃比まで減少したら一気に空燃比を理論空燃比に変更することで、切り替えに伴って窒素酸化物の排出量が増加することも回避することが可能となる。
【００７７】
以上、各種の実施例について説明してきたが、本発明は上記すべての実施例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本実施例のエンジンの構造を概念的に示した説明図である。
【図２】 エンジンの運転条件に応じて運転状態を切り替える様子を示した説明図である。
【図３】 火花点火運転時における吸気バルブ、排気バルブ、燃料噴射弁、点火プラグの動作タイミングを示した説明図である。
【図４】 火花点火運転時のエンジンの動作を概念的に示した説明図である。
【図５】 圧縮自着火運転時における吸気バルブ、排気バルブ、燃料噴射弁の動作タイミングを示した説明図である。
【図６】 圧縮自着火運転時のエンジンの動作を概念的に示した説明図である。
【図７】 第１実施例の運転状態切り替え処理の前半部分の流れを示すフローチャートである。
【図８】 第１実施例の運転状態切り替え処理の後半部分の流れを示すフローチャートである。
【図９】 第１実施例の運転状態切り替え処理に従って、圧縮自着火運転から火花点火運転へと、運転状態を切り替える様子を示したタイムチャートである。
【図１０】 成層火花点火運転時のエンジンの動作を概念的に示した説明図である。
【図１１】 第１実施例の変形例に従って、エンジンの運転状態を圧縮自着火運転から火花点火運転に切り替えている様子を概念的に示したタイムチャートである。
【図１２】 第２実施例の運転状態切り替え処理に従って、圧縮自着火運転から火花点火運転へと、運転状態を切り替える様子を示したタイムチャートである。
【符号の説明】
１０…エンジン
１２…吸気通路
１４…燃料噴射弁
１６…排気通路
２０…エアクリーナ
２２…スロットルバルブ
２４…電動アクチュエータ
２６…触媒
３０…ＥＣＵ
３２…クランク角センサ
３４…アクセル開度センサ
１３０…シリンダヘッド
１３２…吸気バルブ
１３４…排気バルブ
１３６…点火プラグ
１４０…シリンダブロック
１４２…シリンダ
１４４…ピストン
１４６…コネクティングロッド
１４８…クランクシャフト
１５２，１５４…電動アクチュエータ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a technology for operating an internal combustion engine while switching between a compressed self-ignition operation state in which an air-fuel mixture is operated by compression self-ignition and a spark ignition operation state in which an air-fuel mixture is operated by blowing a spark. The present invention relates to a technique for reliably switching operation states without causing a sense of incongruity associated with switching and an increase in air pollutants.
[0002]
[Prior art]
An internal combustion engine operates on the principle of burning an air-fuel mixture formed in a combustion chamber and converting thermal energy generated at this time into mechanical work. There are various methods to burn the air-fuel mixture in the combustion chamber, such as the so-called compression self-ignition combustion method that compresses the air-fuel mixture and ignites itself, and the spark ignition combustion method that ignites the air-fuel mixture by blowing a spark in the combustion chamber. Has been proposed.
[0003]
In the compression auto-ignition combustion method, since the air-fuel mixture is compressed and self-ignited in the combustion chamber, combustion of the air-fuel mixture is started almost simultaneously in almost the entire area of the combustion chamber, and combustion can be completed quickly. For this reason, the equal volume of combustion can be increased, and fuel consumption efficiency can be improved. Further, since the lean air-fuel mixture can be burned, it has an excellent characteristic that it is possible to reduce the emission amount of air pollutants such as nitrogen oxides through lowering the combustion temperature.
[0004]
In the spark ignition combustion method, the air-fuel mixture is forcibly ignited and burned by blowing a spark in the combustion chamber. For this reason, if the timing for sparking is set to an appropriate time, the air-fuel mixture can be reliably burned even during high-speed rotation or high output of the internal combustion engine, so that power can be taken out appropriately. Is possible.
[0005]
Taking advantage of the characteristics of each of these combustion methods, spark ignition combustion is performed when the internal combustion engine is operated at high speed or high load conditions, and compression is performed when the internal combustion engine is operated at medium and low speed conditions and medium and low load conditions. If self-igniting combustion is performed, it is possible to simultaneously improve fuel consumption efficiency and the amount of air pollutants discharged while ensuring sufficient output even at high speed rotation or high load conditions.
[0006]
In addition, when switching between the compression auto-ignition combustion method and the spark ignition combustion method, switching is performed via stratified spark ignition combustion, thereby avoiding unstable combustion state and stable switching. A technique that enables this is also proposed (Patent Document 1).
[0007]
[Patent Document 1]
JP 2001-152919 A
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, when switching the combustion system of the internal combustion engine, it is not sufficient to simply switch the combustion system stably. In other words, when the combustion method is switched, the operator of the internal combustion engine must not feel uncomfortable, and a situation in which the emission of air pollutants increases with the switching is never allowed. It is not something. Previous proposals did not take into account how these important requirements can be met.
[0009]
The present invention has been made to solve the above-described problems in the prior art, and when switching the operation state of the internal combustion engine between the compression self-ignition operation state and the spark ignition operation state, An object of the present invention is to provide a technique capable of switching the operating state reliably without causing an increase in air pollutants.
[0010]
[Means for solving the problems and their functions and effects]
In order to solve at least a part of the problems described above, the internal combustion engine of the present invention employs the following configuration. That is,
An internal combustion engine that is operated while switching between a compressed self-ignition operation state in which a gas mixture formed in a combustion chamber is compressed and ignited, and a spark ignition operation state in which a spark is ignited to ignite the air-fuel mixture,
A steady operation state memory that stores in advance whether to operate in the compression self-ignition operation or the spark ignition operation when the internal combustion engine is in a steady operation according to at least the torque output by the internal combustion engine Means,
Target torque detection means for detecting target torque to be output by the internal combustion engine;
An operation for switching the internal combustion engine from the compression ignition operation state to the spark ignition operation state when the target torque increases from a torque corresponding to the compression ignition operation state to a torque corresponding to the spark ignition operation state. State switching means and
With
The operating state switching means is
After the middle of the compression stroke of the internal combustion engine, the fuel is directly injected into the combustion chamber and a spark is blown to the air-fuel mixture that has been stratified, so that the detected target torque is detected while the internal combustion engine is performing a stratified spark ignition operation. First stage switching means for performing a first stage switching operation for increasing the fuel injection amount in accordance with the increase;
Air-fuel ratio detecting means for detecting an air-fuel ratio as an index representing a ratio of the amount of air sucked into the combustion chamber to the injected fuel amount;
When the detected air-fuel ratio becomes smaller than a predetermined threshold, the fuel injection timing is advanced, and the theoretical mixture formed by injecting the fuel amount of the theoretical mixture ratio with respect to the intake air amount Second stage switching means for performing a second stage switching operation for switching the operation state of the internal combustion engine to the spark ignition operation state by skipping sparks;
The main point is that
[0011]
Further, the control method of the present invention corresponding to the internal combustion engine described above is
A control method for an internal combustion engine that is operated while switching between a compression self-ignition operation state in which an air-fuel mixture formed in a combustion chamber is compressed and ignited and a spark ignition operation state in which a spark is ignited to ignite the air-fuel mixture. ,
A first step of storing in advance whether at least one of the compression self-ignition operation and the spark ignition operation is performed when the internal combustion engine is in a steady operation in accordance with at least the torque output by the internal combustion engine. When,
A second step of detecting a target torque to be output by the internal combustion engine;
When the target torque increases from a torque corresponding to the compression ignition operation state to a torque corresponding to the spark ignition operation state, the internal combustion engine is switched from the compression ignition operation state to the spark ignition operation state. 3 steps and
With
The third step includes
After the middle of the compression stroke of the internal combustion engine, the fuel is directly injected into the combustion chamber and a spark is blown to the air-fuel mixture that has been stratified, so that the detected target torque is detected while the internal combustion engine is performing a stratified spark ignition operation. Performing a first-stage switching operation for increasing the fuel injection amount in accordance with the increase; and
Detecting an air-fuel ratio as an index indicating a ratio of the amount of air sucked into the combustion chamber to the injected fuel amount;
When the detected air-fuel ratio becomes smaller than a predetermined threshold, the fuel injection timing is advanced, and the theoretical mixture formed by injecting the fuel amount of the theoretical mixture ratio with respect to the intake air amount Performing a second-stage switching operation for switching the operating state of the internal combustion engine to the spark ignition operating state by skipping sparks;
The main point is that
[0012]
In the internal combustion engine and the control method for the internal combustion engine of the present invention, when the operation state is switched from the compression ignition operation to the spark ignition operation in accordance with the increase of the target torque, the fuel injection amount while the internal combustion engine is stratified spark ignition operation. As a result, the air-fuel ratio is gradually reduced. When the air-fuel ratio reaches a predetermined threshold value, the fuel injection timing is advanced, the air-fuel ratio is switched to the stoichiometric air-fuel ratio, and a spark is blown to the stoichiometric mixture formed in the combustion chamber for combustion.
[0013]
If the operating state is switched while gradually increasing the fuel injection amount in this way, it is possible to switch without causing an uncomfortable feeling to the operator of the internal combustion engine. Of course, when switching, since the stratified spark ignition operation is once passed, it is possible to stably switch the operation state without causing unstable combustion.
[0014]
Further, it is known that when the air-fuel ratio of the air-fuel mixture takes a value slightly larger than the stoichiometric air-fuel ratio, it becomes difficult to purify the air pollutants. That is, the amount of nitrogen oxides that are one of the air pollutants has a characteristic that the air-fuel ratio of the air-fuel mixture becomes larger near the stoichiometric air-fuel ratio. In a region where the air-fuel ratio is smaller than the stoichiometric air-fuel ratio, it is possible to effectively purify nitrogen oxides with a so-called three-way catalyst, and in a region where the air-fuel ratio is considerably larger than the stoichiometric air-fuel ratio, so-called NOx. Nitrogen oxides can be purified by using a catalyst. However, in the region where the air-fuel ratio is slightly larger than the stoichiometric air-fuel ratio, the amount of nitrogen oxide generated increases, so that the purification with the NOx catalyst becomes difficult accordingly. Eventually, in the region where the air-fuel ratio of the air-fuel mixture takes a value slightly larger than the stoichiometric air-fuel ratio, it becomes difficult to purify air pollutants compared to other regions. Therefore, if the air-fuel ratio reaches the predetermined air-fuel ratio during the stratified spark ignition operation, switching the air-fuel ratio to the stoichiometric air-fuel ratio avoids burning the air-fuel mixture that is difficult to purify nitrogen oxides. It is possible to switch the operating state without increasing the discharge amount of air pollutants.
[0015]
In such an internal combustion engine and a control method for the internal combustion engine, it is possible to control the amount of air sucked into the combustion chamber, and to change the air-fuel ratio to the stoichiometric air-fuel ratio by reducing the air amount when switching the operating state. Also good.
[0016]
If the air-fuel ratio is switched to the stoichiometric air-fuel ratio in this way, the operating state can be switched without greatly changing the output of the internal combustion engine, and as a result, it is possible to avoid giving the operator a sense of incongruity. preferable.
[0017]
Alternatively, when the air-fuel ratio is switched to the stoichiometric air-fuel ratio, the switching may be performed as follows. That is, the fuel injection amount may be increased so that the stoichiometric air-fuel ratio becomes the intake air amount, and at the same time, the ignition timing of the air-fuel mixture may be retarded.
[0018]
If the fuel injection amount is increased in this way, the air-fuel ratio can be easily and reliably switched to the stoichiometric air-fuel ratio. However, if the output of the internal combustion engine suddenly increases as the fuel injection amount increases, the operator of the internal combustion engine may feel uncomfortable, but the ignition timing of the air-fuel mixture is adjusted according to the increase in the fuel injection amount. By retarding, it is possible to suppress an increase in output, and it is possible to switch the driving state without making the operator feel uncomfortable.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In order to more clearly describe the operation and effect of the present invention, examples of the present invention will be described in the following order.
A. Device configuration:
B. Overview of engine control:
C. Operation state switching process of the first embodiment:
D. Operation state switching process of the second embodiment:
[0020]
A. Device configuration:
FIG. 1 is an explanatory diagram conceptually showing the structure of the engine 10 of this embodiment. The engine 10 of this embodiment is a four-cycle engine that outputs power by burning an air-fuel mixture in a combustion chamber while repeating four strokes of intake, compression, expansion, and exhaust. In addition, in order to show the structure, the engine 10 is displayed with the form which took the cross section in the approximate center position of the combustion chamber.
[0021]
As shown in the figure, the engine 10 is configured by assembling a cylinder head 130 on top of a cylinder block 140. A cylindrical cylinder 142 is provided inside the cylinder block 140, and the piston 144 slides up and down in the cylinder 142. A space surrounded by the cylinder 142, the piston 144, and the lower surface of the cylinder head 130 is a combustion chamber. The piston 144 is connected to the crankshaft 148 via a connecting rod 146, and the piston 144 slides up and down in the cylinder 142 as the crankshaft 148 rotates.
[0022]
In the cylinder head 130, an intake passage 12 for taking intake air into the combustion chamber, a fuel injection valve 14 for injecting fuel into the combustion chamber to form an air-fuel mixture, and an air-fuel mixture formed in the combustion chamber are ignited. A spark plug 136 is connected to the exhaust passage 16 for discharging the combustion gas generated in the combustion chamber when the air-fuel mixture burns. The cylinder head 130 is provided with an intake valve 132 and an exhaust valve 134. The intake valve 132 and the exhaust valve 134 are driven by electric actuators 152 and 154, respectively. The electric actuators 152 and 154 are configured by laminating a plurality of electrostrictive elements such as piezo elements, and open and close the intake valve 132 and the exhaust valve 134 by deforming at an extremely high speed according to the applied voltage. Can do. The electric actuators 152 and 154 open and close the intake passage 12 and the exhaust passage 16 by driving the intake valve 132 and the exhaust valve 134 in accordance with an applied voltage under the control of the ECU described later.
[0023]
An air cleaner 20 is provided on the upstream side of the intake passage 12, and the air cleaner 20 incorporates a filter for removing foreign substances in the air. The air sucked into the engine 10 is sucked into the combustion chamber after foreign matters are removed by a filter when passing through the air cleaner 20. In addition, a throttle valve 22 is provided in the intake passage 12, and the amount of air taken into the combustion chamber is controlled by driving the electric actuator 24 to control the throttle valve 22 to an appropriate opening degree. Can do. A catalyst 26 for purifying air pollutants contained in the exhaust gas is provided downstream of the exhaust passage 16. By providing the catalyst 26 in the exhaust passage in this way, it is possible to purify air pollutants contained in the exhaust gas.
[0024]
The operation of the engine 10 is controlled by an engine control unit (hereinafter, ECU) 30. The ECU 30 is a well-known microcomputer configured by connecting a CPU, a RAM, a ROM, an A / D conversion element, a D / A conversion element, and the like with a bus. The ECU 30 detects the engine rotational speed Ne and the accelerator opening θac, and controls the throttle valve 22 to an appropriate opening based on these. The engine speed Ne can be detected by a crank angle sensor 32 provided at the tip of the crankshaft 148. The accelerator opening degree θac can be detected by an accelerator opening degree sensor 34 incorporated in the accelerator pedal. The ECU 30 also performs control to drive the intake valve 132, the exhaust valve 134, the fuel injection valve 14, the spark plug 136, and the like at appropriate timing. The timing for driving these will be described later with reference to another drawing.
[0025]
B. Overview of engine control:
Next, the operation of the engine 10 having the above-described structure will be described. The engine 10 of this embodiment is operated while switching between a spark ignition operation state and a compression self-ignition operation state according to the engine operating conditions. FIG. 2 is an explanatory diagram showing how the operating state is switched according to the operating conditions of the engine. As shown in the figure, when the target torque to be output by the engine 10 is in the middle / low load region and the engine rotation speed is in the middle / low speed region, the engine 10 is subjected to compression self-ignition operation and other operations. Under conditions, spark ignition operation is performed. In the following, first, an overview of engine control performed during the spark ignition operation will be described, and then, an overview of engine control during the compression ignition operation will be described.
[0026]
FIG. 3 is an explanatory diagram showing operation timings of the intake valve 132 and the exhaust valve 134 during the spark ignition operation. In the drawing, the operation timings of the fuel injection valve 14 and the spark plug 136 are also shown. In the figure, TDC indicates the position where the piston is fully raised, that is, the timing at the top dead center, and BDC indicates the position where the piston is fully lowered, that is, the bottom dead center. The timing at the point is shown. FIG. 4 is an explanatory diagram conceptually showing how the engine 10 operates while driving the intake valve 132, the exhaust valve 134, the fuel injection valve 14, and the spark plug 136 at the timing shown in FIG. . Hereinafter, the operation of the engine 10 during the spark ignition operation will be described with reference to FIGS. 3 and 4.
[0027]
The white arrows in FIG. 3 indicate the period during which the intake valve is open. During the spark ignition operation, the intake valve 132 is set to start opening slightly before the piston reaches the top dead center (TDC) and to close at a timing after the piston reaches the bottom dead center (BDC). The piston descends while the intake valve 132 is open, so that air is sucked into the combustion chamber. Here, the reason why the intake valve 132 is set to be opened slightly earlier than the TDC is because it takes a short time to open the valve in consideration of a certain time. That is, if the intake valve is opened after the piston starts to descend, air cannot be sucked in until the intake valve opens, so the intake valve starts to open early in anticipation of this period. The reason why the intake valve 132 remains open for a while after the piston reaches BDC is that the inertia of the air flowing through the intake passage 12 is taken into consideration. That is, while the piston is descending, air vigorously flows in the intake passage 12 toward the combustion chamber. Therefore, for a while after the piston reaches the BDC and stops the intake of air, the air is moved by the inertial action. Will continue to flow toward the combustion chamber. Therefore, by opening the intake valve for a while after the piston reaches the BDC, it becomes possible to suck more air and generate a larger output.
[0028]
The fuel is directly injected from the fuel injection valve 14 into the combustion chamber in the first half of the intake stroke, that is, at a timing after the piston reaches TDC. In FIG. 3, a hatched rectangle represents a period during which fuel is injected.
[0029]
FIG. 4A conceptually shows a state in which fuel is injected from the fuel injection valve 14 into the combustion chamber during the intake stroke. In FIG. 4A, the arrows passing between the intake valves 132 conceptually show how air flows into the combustion chamber. Further, the fuel spray injected from the fuel injection valve 14 into the combustion chamber is shown with fine oblique lines. The fuel spray injected from the fuel injection valve 14 mixes with air while flowing in the combustion chamber together with the air flowing in from the intake valve 132 to form a uniform mixture in the combustion chamber.
[0030]
Next, when the piston 144 is raised with the intake valve 132 closed, the air-fuel mixture formed in the combustion chamber is compressed. FIG. 4B conceptually shows how the air-fuel mixture formed in the combustion chamber is compressed by raising the piston 144 in this way. In the figure, the hatched lines throughout the combustion chamber indicate that a uniform air-fuel mixture is formed in the combustion chamber.
[0031]
Then, at a predetermined timing immediately before the piston reaches TDC, the spark is blown from the spark plug 136 and the air-fuel mixture is ignited. FIG. 4C conceptually shows how a spark is blown from the spark plug 136. The timing at which a spark is blown from the spark plug 136 is indicated by an asterisk in FIG. Thus, when the air-fuel mixture is ignited by flying sparks in the combustion chamber, the air-fuel mixture is combusted and converted into high-temperature and high-pressure combustion gas. As a result, the pressure in the combustion chamber rises rapidly, causing the piston 144 to move downward. Try to push down. The piston 144 descends while receiving the pressure of the combustion gas, and the work received by the piston at this time is converted into rotational force by the crankshaft 148 and taken out to the outside as power.
[0032]
Since the pressure in the combustion chamber is lowered as the piston 144 is lowered, the work taken out as power is also reduced. Therefore, the exhaust valve 134 is opened to discharge the combustion gas in the combustion chamber. In FIG. 3, the arrow indicated by hatching represents the timing for opening and closing the exhaust valve 134. As shown in FIG. 3, the exhaust valve 134 is set to open at a timing slightly before the piston reaches the BDC. The reason why the opening timing of the exhaust valve 134 is set a little earlier than the BDC is because, as in the case of the intake valve 132, the time required to open the valve is anticipated. When the exhaust valve 134 is thus opened, the combustion gas flows out from the combustion chamber into the exhaust passage 16 and is discharged as exhaust gas. As a result, the pressure in the combustion chamber decreases to the pressure in the exhaust passage 16. Thereafter, as the crankshaft 148 rotates, the piston 144 rises, and the combustion gas remaining in the combustion chamber is discharged as exhaust gas. When the piston 144 has been raised to the TDC position, the combustion gas remaining in the combustion chamber is almost exhausted, so the exhaust valve 134 is closed. As shown in FIG. 3, the timing for closing the exhaust valve 134 is set to a timing after the piston 144 reaches TDC. This is because the combustion gas remaining in the combustion chamber is sucked out by utilizing the reflected wave generated in the exhaust passage 16 as the exhaust gas is discharged.
[0033]
Further, as described above, during the spark ignition operation, the intake valve 132 starts to open slightly earlier than the TDC, so there is a period in which both the intake valve 132 and the exhaust valve 134 are open near the TDC. . Such a period is called an overlap period.
[0034]
As described above, during the spark ignition operation, the engine 10 repeatedly performs the series of operations described above, sucks air into the combustion chamber to form a mixture, and outputs power by igniting the mixture. .
[0035]
Next, the operation of the engine 10 during the compression self-ignition operation will be described. FIG. 5 is an explanatory diagram showing operation timings of the intake valve 132 and the exhaust valve 134 during the compression self-ignition operation. In the figure, the operation timing of the fuel injection valve 14 is also shown. FIG. 6 is an explanatory diagram conceptually showing how the engine 10 operates while driving the intake valve 132, the exhaust valve 134, and the fuel injection valve 14 at the timing shown in FIG. Hereinafter, the operation of the engine 10 in the compression self-ignition operation state will be described with reference to FIGS. 5 and 6.
[0036]
As shown in FIG. 5, the timing at which the intake valve 132 opens during the compression auto-ignition operation is set to a timing later than that during the spark ignition operation (see FIG. 3). The reason for this will be described later.
[0037]
When the piston 144 is lowered with the intake valve 132 opened, air is sucked into the combustion chamber as the piston is lowered. The fuel is injected at an appropriate timing after the inhalation of air is started. The hatched rectangle in FIG. 5 represents the period during which fuel is injected. The fuel thus injected rides on the flow of air flowing from the intake valve 132 and flows in the combustion chamber, and mixes with air to form a uniform air-fuel mixture. FIG. 6A is an explanatory diagram conceptually showing a state in which fuel is injected from the fuel injection valve 14. The arrows displayed in the figure conceptually show how air flows from the intake valve 132 into the combustion chamber. Further, the fuel spray injected from the fuel injection valve 14 is displayed with fine oblique lines.
[0038]
Next, when the piston 144 is raised with the intake valve 132 closed, the air-fuel mixture formed in the combustion chamber is compressed. FIG. 6B conceptually shows how the air-fuel mixture formed in the combustion chamber is compressed by raising the piston 144 in this way. As the air-fuel mixture is compressed, the temperature and pressure rise, and the air-fuel mixture temperature reaches the ignition point near the point where the piston 144 is almost raised, and the air-fuel mixture self-ignites. FIG. 6C conceptually shows how the air-fuel mixture self-ignites in the combustion chamber. When compressed by the piston 144, the air-fuel mixture temperature rises in the same manner in almost the entire region in the combustion chamber, so that the air-fuel mixture in the combustion chamber self-ignites almost simultaneously. For this reason, combustion can be completed in a very short time during the compression self-ignition operation. Note that, unlike the spark ignition operation described above, the air-fuel mixture self-ignites during the compression ignition operation because the opening and closing timings of the intake valve 132 and the exhaust valve 134 are different (see FIGS. 3 and 5). ) This will be described later.
[0039]
When the air-fuel mixture compressed in the combustion chamber self-ignites, it quickly burns and is converted into high-temperature and high-pressure combustion gas. Piston 144 transmits the pressure in the combustion chamber to crankshaft 148 while descending in response to this pressure, and power is output from crankshaft 148.
[0040]
If the exhaust valve 134 is opened in the vicinity where the piston 144 is almost lowered, the combustion gas in the combustion chamber is discharged as exhaust gas, and then the combustion gas remaining in the combustion chamber is pushed out as the piston 144 rises. Go.
[0041]
Here, during the compression self-ignition operation, as shown in FIG. 5, the exhaust valve 134 is set to be closed before the piston 144 reaches TDC. If the exhaust valve 134 is closed in this way, even if the piston 144 is raised, the combustion gas is not discharged but remains in the combustion chamber. In the subsequent intake stroke, air is thus sucked into the combustion chamber where the combustion gas remains. Since the combustion gas has a temperature much higher than that of the intake air, the intake air has a high temperature before compression by mixing with the high-temperature combustion gas. During the compression self-ignition operation, since the air-fuel mixture is compressed from a state where the temperature is high in this way, the air-fuel mixture temperature can be raised to a temperature equal to or higher than the ignition point and the air-fuel mixture can be self-ignited.
[0042]
Further, as shown in FIG. 5, the timing for opening the intake valve 132 is set later in the compression self-ignition operation. This is due to the following reason. As described above, during the compression ignition operation, the exhaust valve 134 is closed early and the piston 144 is raised while the combustion gas is confined in the combustion chamber. When the valve 132 is opened, the combustion gas compressed in the combustion chamber flows backward from the intake valve 132 into the intake passage 12. Therefore, the valve opening timing of the intake valve 132 is set so that the intake valve 132 is opened after the pressure in the combustion chamber is lowered to such an extent that the piston 144 is lowered and the combustion gas does not flow backward.
[0043]
In this way, during the compression self-ignition operation, the intake valve 132 is set to start opening after passing TDC, and the exhaust valve 134 is set to close before reaching TDC. Therefore, contrary to the spark ignition operation, there is a period in which both the intake valve 132 and the exhaust valve 134 are closed in the vicinity of TDC. Such a period is called a negative overlap period. As described above, since the intake valve 132 and the exhaust valve 134 are simultaneously opened during the overlap period, the intake valve 132 and the exhaust valve 134 are both closed. This is called the lap period.
[0044]
As described above, the engine 10 is operated while switching the operation state between the spark ignition operation state and the compression self-ignition operation state according to the operation conditions. Since the operating condition of the engine varies according to the operation of the operator, such switching of the operating state frequently occurs. Therefore, in addition to switching the operating state with certainty, it is important to switch without causing an uncomfortable feeling to the operator and without increasing the discharge amount of air pollutants. Therefore, in the engine 10 of the present embodiment, the following control is performed when switching the operating state.
[0045]
C. Operation state switching process of the first embodiment:
FIG. 7 is a flowchart showing the first half of the process for switching the operating state in the first embodiment, and FIG. 8 is a flowchart showing the second half of the process. Such processing is periodically executed almost every predetermined time by the ECU 30 mounted on the engine 10. FIG. 9 is a time chart showing how the operation state is switched from the compression self-ignition operation to the spark ignition operation in accordance with the operation state switching process of the first embodiment. Hereinafter, description will be given with reference to these drawings.
[0046]
When starting the operation state switching process, the ECU 30 first performs a process of detecting the target output torque (step S100). The target output torque is calculated based on the accelerator opening θac detected by the accelerator opening sensor 34. That is, the operator of the engine 10 performs an operation of increasing the accelerator pedal when it is desired to increase the output torque of the engine, and an operation of returning the accelerator pedal when it is desired to decrease the output torque. In particular, when it is considered that it is not necessary to generate torque from the engine, the accelerator pedal is fully closed. From this, it can be considered that the operation amount of the accelerator pedal represents the torque requested by the engine operator. In step S100, based on this principle, a target output torque to be output by the engine is calculated from the accelerator opening θac.
[0047]
Next, by comparing with the target output torque detected during the previous process, it is determined whether or not the target torque has increased (step S102). If the target torque has increased (step S102: yes), The engine rotation speed is detected (step S104). The engine rotation speed can be calculated based on the output of the crank angle sensor 32.
[0048]
When the target torque and the engine speed are detected in this way, a process for detecting the corresponding operation state is performed (step S106). In the RAM built in the ECU 30, as shown in FIG. 2, the operating state of the engine corresponding to the combination of the engine speed and the target torque is stored in the form of a map. By referring to this map, An operating state corresponding to the operating condition is detected.
[0049]
Next, whether or not the detected operating state has been changed from compression self-ignition operation to spark ignition operation, that is, based on the combination of the engine speed and the target torque at the time of the previous processing and the current processing. It is determined whether or not the engine operating state has changed from the compression ignition operation to the spark ignition operation (step S108). And when the driving | running state which should control the engine 10 is changed from compression self-ignition driving | operation to spark driving | operation (step S108: yes), a driving | operation state is switched by the method mentioned later. If not (step S108: no) or if it is determined in step S102 that the target torque has not increased, the operation state switching process is terminated without performing the switching described below.
[0050]
When the operation state is switched from the compression ignition operation to the spark ignition operation (step S108: yes), the opening degree of the throttle valve 22 is increased while the fuel injection amount is slightly decreased while the negative overlap period is gradually decreased. Increase it step by step (step S110). Then, it is determined whether or not the negative overlap period has decreased to a predetermined value (step S112), and if the predetermined value has not been reached, the process returns to step S110 until the negative overlap period decreases to the predetermined value. The throttle valve opening and the fuel injection amount are gradually increased. This will be described with reference to FIG.
[0051]
FIG. 9 shows a state where the engine operating state is switched from the compression ignition operation to the spark ignition operation over time. A change in the target torque is shown at the bottom of FIG. Until the time Ta, the target torque is constant, and the engine 10 is in compression self-ignition operation.
[0052]
It is assumed that the target torque increases at time Ta, and accordingly, a request for changing the operation condition of the engine 10 from the compression ignition operation to the spark ignition operation is generated. Then, when the ECU 30 gradually decreases the negative overlap period so as to switch the operation state of the engine 10 to the spark ignition operation, the internal EGR amount gradually decreases accordingly. Here, the internal EGR amount indicates the amount of combustion gas confined in the combustion chamber when the exhaust valve 134 is closed before TDC. The reduction in the amount of internal EGR cannot be corrected, and this corresponds to the reduction in the combustion gas trapped in the combustion chamber. As a result, the air flowing into the combustion chamber increases accordingly. FIG. 9 shows how the intake air amount gradually increases in this way. The throttle valve 22 is controlled to the opening side little by little so as not to suppress such an increase in the air amount.
[0053]
Further, the ECU 30 performs control to increase the fuel injection amount little by little as the target torque increases. At this time, the increase rate of the fuel injection amount is set to a larger value as the increase rate of the target torque increases. When the increase amount of the air amount due to the reduction of the negative overlap period is small with respect to the increase of the fuel amount corresponding to the target torque, the ECU 30 sets the opening degree of the throttle valve 22 to be larger. Thus, the control for compensating for the shortage of the air amount is performed. As a result, the air-fuel mixture formed in the combustion chamber is maintained at substantially the same air-fuel ratio. Here, the air-fuel ratio is an index indicating the ratio of the amount of air taken into the combustion chamber to the amount of fuel. FIG. 9 shows how the air-fuel ratio is maintained substantially constant after time Ta.
[0054]
Thus, as the negative overlap period is gradually reduced, the internal EGR amount decreases. As described above with reference to FIG. 6, the internal EGR has the effect of increasing the temperature of the air-fuel mixture at the start of compression and facilitating the self-ignition of the air-fuel mixture, and therefore reducing the negative overlap period to reduce the internal EGR. As the amount is decreased, the engine 10 becomes increasingly difficult to perform compression self-ignition operation. Therefore, when the negative overlap period decreases to a predetermined value (corresponding to step S112 in FIG. 7: yes), the ECU 30 switches the overlap period to a positive overlap (corresponding to step S114), and then injects fuel. The time is set during the compression stroke (corresponding to step S116). In FIG. 9, the internal EGR amount when the negative overlap period is reduced to a predetermined value is represented as EGRth. When the overlap period is switched to a positive overlap, the internal EGR amount decreases rapidly with a slight delay as shown in FIG. Although the overlap period is immediately switched to a positive overlap here, it is of course possible to switch gradually. When the overlap and the fuel injection timing are changed in this way, the fuel injection amount is gradually increased while the stratified spark ignition operation is performed by blowing a spark from the spark plug 136 (corresponding to step S118). The stratified spark ignition operation is an operation state in which an air-fuel mixture is formed only in a partial region in the combustion chamber and the air-fuel mixture is burned by being ignited by an ignition plug.
[0055]
FIG. 10 is an explanatory diagram conceptually showing a state in which the engine 10 is stratified spark ignition operation. FIG. 10A shows a state in which air is sucked into the combustion chamber by opening the intake valve 132 and lowering the piston 144. During the stratified spark ignition operation, fuel is not injected during the intake stroke. When air is sucked in this way, the intake valve 132 is closed and the piston 144 is raised. In the stratified spark ignition operation, fuel is injected into the combustion chamber at a predetermined timing during the compression stroke. FIG. 10B conceptually shows how fuel is injected from the fuel injection valve 14 during the compression stroke. The fuel spray injected into the combustion chamber is guided to a recess formed in the top surface of the piston 144 to form an air-fuel mixture around the spark plug 136. The air-fuel mixture thus formed is ignited by blowing a spark from the spark plug 136 at an appropriate timing near the compression top dead center. FIG. 10C conceptually shows a state in which the air-fuel mixture formed around the spark plug 136 is ignited by sparks.
[0056]
In the stratified spark ignition operation described above, an air-fuel mixture is formed around the spark plug 136 and ignited. For this reason, even when the ratio of the fuel amount to the air amount when viewed as the entire combustion chamber is small (lean air-fuel ratio), the fuel ratio can be made relatively large around the spark plug 136, so that the air-fuel mixture can be reliably It can be ignited and burned.
[0057]
In step S118 shown in FIG. 8, as described above with reference to FIGS. 9 and 10, the process of increasing the fuel injection amount little by little while performing the stratified spark ignition operation is performed. Then, it is determined whether or not the air-fuel ratio of the air-fuel mixture has reached the predetermined air-fuel ratio AFth (step S120). If the air-fuel ratio has not reached the predetermined air-fuel ratio AFth (step S120: no), the process returns to step S118 again to return to the fuel. Increase injection volume. Thus, the fuel injection amount is increased until the predetermined air-fuel ratio AFth is reached while the engine 10 is stratified spark ignition operation.
[0058]
When the air-fuel ratio decreases to the predetermined air-fuel ratio AFth (step S120: yes), the fuel injection timing is advanced and set to the predetermined timing of the intake stroke shown in FIG. 3 (step S122). Then, a stoichiometric air-fuel mixture is formed in the combustion chamber, and a spark ignition operation is performed by igniting the air-fuel mixture with a spark plug (step S124). This will be described with reference to FIG. 9 again.
[0059]
As described above, after time Ta, the compression ignition operation is performed while reducing the negative overlap period, and the operation state is switched to the stratified spark ignition operation at time Tb. Then, while performing the stratified spark ignition operation, the fuel injection amount is gradually increased as the target torque increases. Along with this, the air-fuel ratio of the air-fuel mixture gradually decreases (the fuel ratio with respect to the intake air amount increases), and finally reaches the predetermined air-fuel ratio AFth at time Tc. When the air-fuel ratio thus reaches the predetermined air-fuel ratio AFth, the operation state is switched from the stratified spark ignition operation shown in FIG. 10 to the spark ignition operation described with reference to FIG. That is, the fuel injection timing is advanced so that the fuel is injected during the intake stroke. Further, the opening of the throttle valve 22 is controlled to the closed side so that air corresponding to the theoretical air-fuel ratio is sucked with respect to the injected fuel amount. A spark is blown from the spark plug 136 to the stoichiometric air-fuel mixture (stoichiometric) mixture formed in the combustion chamber in this way and ignited. As described above, when the operating state of the engine 10 is switched to the operating state in which the stoichiometric air-fuel ratio mixture is sparked and operated, the operating state switching process of the first embodiment shown in FIGS. 7 and 8 is performed. finish.
[0060]
In the switching process of the first embodiment described above, when the operating state of the engine is switched from the compression self-ignition operation to the spark ignition operation, the switching is performed once through the stratified spark ignition operation. In general, the internal EGR amount is set to such a large value that the spark ignition operation cannot be established in order to ensure that the air-fuel mixture self-ignites during the compression self-ignition operation. For this reason, if the internal EGR amount is decreased in the process of switching from compression self-ignition operation to spark ignition operation, it is difficult to temporarily make the mixture self-ignite by compression or spark ignition, and combustion is unstable. The following conditions can occur. Therefore, when switching the operation state, the stratified spark ignition operation is temporarily performed. As described above, in the stratified spark ignition operation, an air-fuel mixture having a relatively high fuel concentration (low air-fuel ratio) is formed in the vicinity of the spark plug, so that the air-fuel mixture is reliably ignited even under a large internal EGR amount. Therefore, the combustion does not become unstable, and therefore, the operating state of the engine can be smoothly switched from the compression ignition operation to the spark ignition operation.
[0061]
In general, the compression ignition operation is performed under a condition where the air-fuel ratio of the air-fuel mixture is large, that is, under a condition where the ratio of the intake air amount to the fuel amount is large. On the other hand, the operation state is switched from the compression self-ignition operation to the spark ignition operation in many cases when the target torque that the engine should output increases. Since there is a limit to the output that can be generated if the air-fuel ratio of the air-fuel mixture remains large, the air-fuel ratio of the air-fuel mixture is theoretically increased from a large air-fuel ratio as the operating state is switched from the compression ignition operation to the spark ignition operation. In many cases, the air-fuel ratio can be switched. In this way, when the air-fuel ratio is switched together with the operating state, the air-fuel ratio is decreased while gradually increasing the fuel injection amount, and when the predetermined air-fuel ratio is reached, the air-fuel ratio is switched to the stoichiometric air-fuel ratio at once. If the fuel injection amount is gradually increased in this way, the engine output also gradually increases, so that the operating state can be switched without giving the operator a sense of incongruity.
[0062]
Also, if the air-fuel ratio of the air-fuel mixture reaches the predetermined air-fuel ratio at once, it is assumed that the stoichiometric air-fuel ratio is switched at once. It can be effectively avoided. As is well known, nitrogen oxides, one of the air pollutants, are discharged in large quantities when the air-fuel ratio of the mixture is close to the stoichiometric air-fuel ratio, and the emission decreases as the distance from the stoichiometric air-fuel ratio increases. Tend to. Of these, when the air-fuel ratio of the air-fuel mixture is smaller than the stoichiometric air-fuel ratio, it can be effectively purified using a three-way catalyst or the like, and the air-fuel ratio is much higher than the stoichiometric air-fuel ratio. Even in the case of a large value, the amount of nitrogen oxide emission can be reduced relatively easily. However, it is not easy to completely purify nitrogen oxides for an air-fuel mixture that is slightly larger than the stoichiometric air-fuel ratio. Combustion of such air-fuel mixture increases the emission of nitrogen oxides. Resulting in. Therefore, the air-fuel ratio is switched to the stoichiometric air-fuel ratio at a stage when the air-fuel ratio is reduced to a predetermined air-fuel ratio so that the air-fuel mixture does not have to be burned at such air-fuel ratio. If it carries out like this, it will become possible to avoid effectively that the discharge | emission amount of the nitrogen oxide which is one of the air pollutants increases with the switching of an operating state.
[0063]
Further, when the air-fuel ratio of the air-fuel mixture reaches the predetermined air-fuel ratio, when switching to the stoichiometric air-fuel ratio at once, the air-fuel ratio is switched by changing the intake air amount. In this way, the air-fuel ratio of the air-fuel mixture can be set to the stoichiometric air-fuel ratio without greatly changing the fuel injection amount. For this reason, fluctuations in the output of the engine can be avoided, and the driving state can be switched without causing the engine operator to feel uncomfortable.
[0064]
In the first embodiment described above, when the air-fuel ratio of the air-fuel mixture reaches the predetermined air-fuel ratio AFth, the air-fuel mixture is changed to the stoichiometric air-fuel ratio by controlling the throttle valve 22 to the closed side. However, it is possible to change the fuel injection amount to the stoichiometric air-fuel ratio. Below, the modification of such 1st Example is demonstrated.
[0065]
FIG. 11 is a time chart conceptually showing how the operating state of the engine is switched from the compression ignition operation to the spark ignition operation in accordance with a modification of the first embodiment. The settings of the air amount and the fuel injection amount after the air-fuel mixture reaches the predetermined air-fuel ratio AFth, that is, after the time Tc, are greatly different from the first embodiment shown in FIG. Hereinafter, the difference will be mainly described with reference to FIG.
[0066]
Also in the modification, as in the first embodiment, when an increase in the target torque is detected at time Ta, the fuel injection amount and the intake air amount are increased while decreasing the negative overlap period, that is, the internal EGR amount. . Then, when the internal EGR amount decreases to a predetermined EGRth at time Tb, the overlap period is switched to a positive overlap, the fuel injection timing is set to the compression stroke, and the spark is blown from the spark plug, so that the stratified spark ignition operation is performed. Switch to. Then, the fuel injection amount is increased while performing the stratified spark ignition operation, and the air-fuel ratio of the air-fuel mixture is gradually reduced. When the air-fuel ratio is reduced in this way, the predetermined air-fuel ratio AFth is finally reached at time Tc, so that the air-fuel ratio of the air-fuel mixture is switched to the stoichiometric air-fuel ratio at a stretch and the spark ignition operation is started.
[0067]
As illustrated, in the modification, when the air-fuel ratio of the air-fuel mixture is switched to the stoichiometric air-fuel ratio, the air-fuel mixture is switched to the stoichiometric air-fuel ratio by increasing the fuel injection amount. Further, at the same time as increasing the fuel injection amount, the ignition timing is once retarded greatly and then gradually advanced to the steady ignition timing. If the fuel injection amount is suddenly increased, the engine output torque also increases accordingly, which may give the engine operator a sense of incongruity, but if the ignition timing is greatly retarded, the output torque will suddenly increase. Can be suppressed. If the ignition timing is gradually returned to the steady state after avoiding the sudden increase in the output torque in this way, the operating state can be switched without causing the operator to feel uncomfortable.
[0068]
In the first embodiment described above, a spark may be emitted from the spark plug 136 at an appropriate timing after the compression TDC even during the compression ignition operation. In this way, even if the air-fuel mixture does not self-ignite for some reason during the compression self-ignition operation or the self-ignition timing is delayed, the air-fuel mixture can be burned by ignition with the spark plug 136. In FIG. 11, the ignition timing indicated by the broken line represents that the spark is being skipped in a backup manner at a predetermined timing after the compression TDC.
[0069]
D. Operation state switching process of the second embodiment:
In the operation state switching process of the first embodiment described above, when the increase in the target torque is detected, the negative overlap period is gradually decreased, and the operation state is changed when the internal EGR amount is reduced to a predetermined amount. Was switched to stratified spark ignition operation. However, when an increase in the target torque is detected, it is possible to immediately switch to the stratified spark ignition operation. When the change speed of the target torque is fast, the operation state can be quickly switched by switching in this way. Hereinafter, the operation state switching process of the second embodiment will be described with reference to FIG.
[0070]
FIG. 12 is a time chart conceptually showing how the engine operating state is switched from the compression self-ignition operation to the spark ignition operation while performing the operation state switching process of the second embodiment. In the second embodiment, the target torque increases at a larger speed than in the first embodiment described with reference to FIG. Thus, when the increase speed of the target torque is greater than the predetermined speed, the stratified spark ignition operation is immediately switched. That is, until time Ta, the engine 10 is in compression self-ignition operation, and the opening / closing timings of the intake valve 132 and the exhaust valve 134 are set to be in a negative overlap state as shown in FIG. . When the target torque starts to increase at a speed equal to or higher than the predetermined speed at time Ta, the negative overlap is switched to the positive overlap state shown in FIG. 3, and the fuel injection timing is set to an appropriate time during the compression stroke. Change to As shown in FIG. 12, the internal EGR amount decreases rapidly with a slight delay due to the switching of the overlap, and is stabilized at a steady amount. If the valve timing and the fuel injection timing are switched in this manner and the spark is blown from the spark plug 136 at a predetermined timing, the engine 10 is switched to the stratified spark ignition operation.
[0071]
In the second embodiment, as in the first embodiment described above, the spark may be blown from the spark plug 136 at an appropriate timing after the compression TDC even during the compression ignition operation. The ignition timing indicated by a broken line in FIG. 12 represents that a spark is being skipped in a backup manner at a predetermined timing after compression TDC.
[0072]
During the stratified spark ignition operation, the fuel injection amount is increased as the target torque is increased, and the intake air amount is increased accordingly. The intake air amount is increased mainly by opening the opening of the throttle valve 22. Here, the increase rate of the intake air amount is set to be slightly smaller than the increase rate of the fuel injection amount. For this reason, the air-fuel ratio of the air-fuel mixture gradually decreases (the fuel ratio to the air increases). . The ignition timing is controlled to the retard side as the target torque increases and the operating load increases. This is because knocking is more likely to occur as the operating load increases, and therefore knocking is avoided.
[0073]
Thus, when the air-fuel ratio of the air-fuel mixture is reduced while performing the stratified spark ignition operation, the air-fuel ratio is eventually reduced to the predetermined air-fuel ratio AFth. In the example shown in FIG. 12, the predetermined air-fuel ratio AFth is reached at time Te. Note that, as shown in FIG. 12, the time Td at which the increase in the target torque is completed and the time Te do not always coincide with each other.
[0074]
Also in the second embodiment, when the air-fuel mixture is reduced to the predetermined air-fuel ratio AFth, the air-fuel ratio is reduced to the stoichiometric air-fuel ratio all at once. The air / fuel ratio of the mixture is set to the stoichiometric air / fuel ratio by increasing the fuel injection amount. Further, in order to prevent the output torque of the engine 10 from increasing suddenly with the increase in the fuel injection amount, the ignition timing is once retarded greatly and then gradually advanced to the steady-state ignition timing. In this way, the operator of the engine 10 does not feel uncomfortable. As in the first embodiment, the air-fuel ratio of the air-fuel mixture may be set to the stoichiometric air-fuel ratio by reducing the intake air amount.
[0075]
In the operation state switching process of the second embodiment described above, similarly to the first embodiment, when the operation state is switched from the compression ignition operation to the spark ignition operation, by passing the stratified spark ignition operation, It is possible to switch reliably while avoiding that the combustion state becomes unstable. Further, since the shift to the stratified spark ignition operation is started immediately after the increase of the target torque, the output torque of the engine can be quickly increased even when the increase speed of the target torque is large.
[0076]
Furthermore, by gradually increasing the fuel injection amount, the air-fuel ratio is changed to the stoichiometric air-fuel ratio at once when the air-fuel ratio of the air-fuel mixture decreases to a predetermined air-fuel ratio while avoiding the uncomfortable feeling associated with the switching of the operating state. Thus, it is possible to avoid an increase in the emission amount of nitrogen oxides accompanying switching.
[0077]
Although various embodiments have been described above, the present invention is not limited to all the embodiments described above, and can be implemented in various modes without departing from the scope of the invention.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram conceptually showing the structure of an engine of the present embodiment.
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a state in which the operating state is switched according to the operating conditions of the engine.
FIG. 3 is an explanatory diagram showing operation timings of an intake valve, an exhaust valve, a fuel injection valve, and an ignition plug during a spark ignition operation.
FIG. 4 is an explanatory diagram conceptually showing the operation of the engine during a spark ignition operation.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing operation timings of an intake valve, an exhaust valve, and a fuel injection valve during a compression self-ignition operation.
FIG. 6 is an explanatory diagram conceptually showing the operation of the engine during the compression self-ignition operation.
FIG. 7 is a flowchart showing the flow of the first half of the operation state switching process of the first embodiment.
FIG. 8 is a flowchart showing the flow of the latter half of the operation state switching process of the first embodiment.
FIG. 9 is a time chart showing how the operating state is switched from the compression self-ignition operation to the spark ignition operation in accordance with the operation state switching process of the first embodiment.
FIG. 10 is an explanatory view conceptually showing the operation of the engine during the stratified spark ignition operation.
FIG. 11 is a time chart conceptually showing how the engine operating state is switched from compression self-ignition operation to spark ignition operation according to a modification of the first embodiment.
FIG. 12 is a time chart showing how the operating state is switched from the compression self-ignition operation to the spark ignition operation in accordance with the operation state switching process of the second embodiment.
[Explanation of symbols]
10 ... Engine
12 ... Intake passage
14 ... Fuel injection valve
16 ... Exhaust passage
20 ... Air cleaner
22 ... Throttle valve
24 ... Electric actuator
26 ... Catalyst
30 ... ECU
32 ... Crank angle sensor
34 ... accelerator opening sensor
130 ... Cylinder head
132 ... Intake valve
134. Exhaust valve
136 ... Spark plug
140 ... Cylinder block
142 ... Cylinder
144 ... Piston
146 ... Connecting rod
148 ... crankshaft
152, 154 ... Electric actuator

Claims (4)

燃焼室内に形成した混合気を圧縮して自着火させる圧縮自着火運転状態と、火花を飛ばして該混合気に点火する火花点火運転状態とを切り替えながら運転される内燃機関であって、
前記内燃機関を定常運転する際に前記圧縮自着火運転または前記火花点火運転のいずれの運転状態で運転するかを、少なくとも該内燃機関が出力するトルクに応じて予め記憶している定常運転状態記憶手段と、
前記内燃機関が出力すべき目標トルクを検出する目標トルク検出手段と、
前記目標トルクが、前記圧縮自着火運転状態に相当するトルクから前記火花点火運転状態に相当するトルクに増加した場合に、前記内燃機関を該圧縮自着火運転状態から該火花点火運転状態に切り替える運転状態切替手段と
を備え、
前記運転状態切替手段は、
前記内燃機関の圧縮行程の半ば以降に前記燃焼室内に燃料を直接噴射して成層給気した混合気に火花を飛ばすことにより、該内燃機関を成層火花点火運転しつつ、前記検出した目標トルクの増加に合わせて該燃料の噴射量を増加させる第１段階の切り替え動作を行う第１段階切替手段と、
前記燃焼室内に吸入した空気量の、前記噴射した燃料量に対する割合を表す指標たる空燃比を検出する空燃比検出手段と、
前記検出した空燃比が所定の閾値よりも小さくなった場合には、前記燃料の噴射時期を進角させるとともに、前記吸入した空気量に対し理論混合比の燃料量を噴射して形成した理論混合気に火花を飛ばすことにより、前記内燃機関の運転状態を前記火花点火運転状態に切り替える第２段階の切り替え動作を行う第２段階切替手段と
を備えている内燃機関。An internal combustion engine that is operated while switching between a compressed self-ignition operation state in which a gas mixture formed in a combustion chamber is compressed and ignited, and a spark ignition operation state in which a spark is ignited to ignite the air-fuel mixture,
A steady operation state memory that stores in advance whether to operate in the compression self-ignition operation or the spark ignition operation when the internal combustion engine is in a steady operation according to at least the torque output by the internal combustion engine Means,
Target torque detection means for detecting target torque to be output by the internal combustion engine;
An operation for switching the internal combustion engine from the compression ignition operation state to the spark ignition operation state when the target torque increases from a torque corresponding to the compression ignition operation state to a torque corresponding to the spark ignition operation state. State switching means,
The operating state switching means is
After the middle of the compression stroke of the internal combustion engine, the fuel is directly injected into the combustion chamber and a spark is blown to the air-fuel mixture that has been stratified, so that the detected target torque is detected while the internal combustion engine is performing a stratified spark ignition operation. First stage switching means for performing a first stage switching operation for increasing the fuel injection amount in accordance with the increase;
Air-fuel ratio detecting means for detecting an air-fuel ratio as an index representing a ratio of the amount of air sucked into the combustion chamber to the injected fuel amount;
When the detected air-fuel ratio becomes smaller than a predetermined threshold, the fuel injection timing is advanced, and the theoretical mixture formed by injecting the fuel amount of the theoretical mixture ratio with respect to the intake air amount An internal combustion engine comprising: second stage switching means for performing a second stage switching operation for switching the operation state of the internal combustion engine to the spark ignition operation state by skipping sparks. 請求項１記載の内燃機関であって、
前記燃焼室内に吸入する空気量を制御する空気量制御手段を備え、
前記第２段階切替手段は、前記第２段階の切り替え動作を行うに際して、前記吸入する空気量を減少させることによって前記理論混合気を形成する手段である内燃機関。The internal combustion engine according to claim 1,
An air amount control means for controlling the amount of air taken into the combustion chamber;
The second stage switching means is an internal combustion engine that forms the theoretical mixture by reducing the amount of air to be sucked when performing the switching operation of the second stage. 請求項１記載の内燃機関であって、
前記第２段階切替手段は、前記第２段階の切り替え動作を行うに際して、前記噴射する燃料量を増量させることによって前記理論混合気を形成するとともに、該混合気の点火時期を遅角させる手段である内燃機関。The internal combustion engine according to claim 1,
The second stage switching means is means for forming the theoretical mixture by increasing the amount of fuel to be injected and retarding the ignition timing of the mixture when performing the second stage switching operation. An internal combustion engine. 燃焼室内に形成した混合気を圧縮して自着火させる圧縮自着火運転状態と、火花を飛ばして該混合気に点火する火花点火運転状態とを切り替えながら運転される内燃機関の制御方法であって、
前記内燃機関を定常運転する際に前記圧縮自着火運転または前記火花点火運転のいずれの運転状態で運転するかを、少なくとも該内燃機関が出力するトルクに応じて予め記憶しておく第１の工程と、
前記内燃機関が出力すべき目標トルクを検出する第２の工程と、
前記目標トルクが、前記圧縮自着火運転状態に相当するトルクから前記火花点火運転状態に相当するトルクに増加した場合に、前記内燃機関を該圧縮自着火運転状態から該火花点火運転状態に切り替える第３の工程と
を備え、
前記第３の工程は、
前記内燃機関の圧縮行程の半ば以降に前記燃焼室内に燃料を直接噴射して成層給気した混合気に火花を飛ばすことにより、該内燃機関を成層火花点火運転しつつ、前記検出した目標トルクの増加に合わせて該燃料の噴射量を増加させる第１段階の切り替え動作を行う工程と、
前記燃焼室内に吸入した空気量の、前記噴射した燃料量に対する割合を示す指標たる空燃比を検出する工程と、
前記検出した空燃比が所定の閾値よりも小さくなった場合には、前記燃料の噴射時期を進角させるとともに、前記吸入した空気量に対し理論混合比の燃料量を噴射して形成した理論混合気に火花を飛ばすことにより、前記内燃機関の運転状態を前記火花点火運転状態に切り替える第２段階の切り替え動作を行う工程と
を備えている制御方法。A control method for an internal combustion engine that is operated while switching between a compression self-ignition operation state in which an air-fuel mixture formed in a combustion chamber is compressed and ignited and a spark ignition operation state in which a spark is ignited to ignite the air-fuel mixture. ,
A first step of storing in advance whether at least one of the compression self-ignition operation and the spark ignition operation is performed when the internal combustion engine is in a steady operation in accordance with at least the torque output by the internal combustion engine. When,
A second step of detecting a target torque to be output by the internal combustion engine;
When the target torque increases from a torque corresponding to the compression ignition operation state to a torque corresponding to the spark ignition operation state, the internal combustion engine is switched from the compression ignition operation state to the spark ignition operation state. 3 processes,
The third step includes
After the middle of the compression stroke of the internal combustion engine, the fuel is directly injected into the combustion chamber and a spark is blown to the air-fuel mixture that has been stratified, so that the detected target torque is detected while the internal combustion engine is performing a stratified spark ignition operation. Performing a first-stage switching operation for increasing the fuel injection amount in accordance with the increase; and
Detecting an air-fuel ratio as an index indicating a ratio of the amount of air sucked into the combustion chamber to the injected fuel amount;
When the detected air-fuel ratio becomes smaller than a predetermined threshold, the fuel injection timing is advanced, and the theoretical mixture formed by injecting the fuel amount of the theoretical mixture ratio with respect to the intake air amount And a step of performing a second stage switching operation for switching the operation state of the internal combustion engine to the spark ignition operation state by skipping sparks.
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