JP4320345B2 - 直噴形エンジンの制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、燃焼室へ直接燃料を噴射する直噴形エンジンの制御装置に関するものである。

燃焼室内に直接燃料を噴射する直噴形ガソリンエンジンでは、点火プラグの近傍にのみ可燃混合気を形成し、成層リーン燃焼を実現することができる。この成層リーン燃焼では、燃焼室内の点火プラグの近傍にのみ可燃混合気を存在させ、それ以外の領域は、空気が占めているため、内燃機関の出力を制御する場合に、点火プラグの近傍の混合気の量を制御するだけでよく、一般的な均質混合気を供給するエンジンのようにスロットル弁によって吸入混合気量を制御する必要がない。そのため、直噴形ガソリンエンジンは、ポンピングロスに起因する出力損失を低減することができ、ガソリンエンジンの燃費改善方策として普及しつつある。

吸気行程または圧縮行程において、燃料インジェクタから燃焼室内に噴射された燃料は、燃料インジェクタの燃料噴射口から噴出された後に粒子に分裂し、蒸発しながら空気を取り込み、燃焼室内で混合気を形成するが、燃料の一部は燃料インジェクタの燃料噴射口の近傍に残留して液膜を形成する。その後、燃料噴射口の近傍に残留した燃料は燃焼行程において燃焼火炎に直接晒されるが、温度が低い状態だと燃料の蒸発はわずかであり、次
サイクルの燃料噴射で洗い流される。しかし、燃料噴射口の近傍の温度が高温になると、燃料噴射口の近傍に残留した燃料の蒸発が進み、燃料成分に含まれる高沸点成分がデポジット(すす)生成前駆物質として凝集が促進する。凝集した前駆物質は噴射サイクル毎に堆積し、燃料噴射口の内部またはその近傍にデポジットを形成する。一般に、温度が燃料の９０％蒸発温度を超えると、デポジットの堆積が進むと考えられている。

燃料噴射口の内部またはその近傍に付着したデポジットは、流量抵抗となり、流量特性などの燃料インジェクの特性を変化させ、さらに、噴霧燃料粒子径、噴霧角度、貫徹力（ペネトレーション）等の噴霧特性を変化させる。

従来の直噴形ガソリンエンジンは点火プラグの近傍へ可燃混合気を搬送するためにピストンの上面にキャビティを形成し、キャビティから可燃混合気を燃焼室の壁面に反射させるウォールガイド燃焼方式が主流であったが、キャビティ壁面への燃料付着による排気ガスの悪化および燃焼火炎の消炎（クエンチング）等により燃焼効率が低下するという問題があった。なお、ウォールガイド燃焼方式は、混合気誘導に壁面反射を主として利用しているので、燃料噴射特性、および燃料噴霧特性の経時変化に対しては耐性を有し、エンジンの運転時間が長くなっても、燃料噴射特性が変化し難い特徴を有する。

このウォールガイド燃焼方式の排気ガスの悪化、燃焼効率低下の問題を解決するために提案された燃焼方式が、例えば特開平６−８１６５６に示すスプレーガイド燃焼方式の直噴エンジンである。このスプレーガイド燃焼方式は、スプレーガイド燃焼モードを採用し、燃料インジェクタから点火プラグの近傍に向けて燃料を噴射し、点火プラグの近傍に噴霧成層混合気を形成する方式であり、ウォールガイド燃焼方式のように成層混合気を反射誘導するための壁面は不要で、燃料付着による排気ガスの悪化は発生しない。また、ピストンの上面にキャビティを形成しないので、ピストンの上面をフラットにすることができ、燃焼火炎の消炎による燃焼効率の低下も回避することができる。

特開平６−８１６５６号公報

しかし、スプレーガイド燃焼モードでは、直噴形エンジンの運転時間の増大に伴ない、燃料インジェクタの燃料噴射口にデポジットが堆積するなどの原因で、燃料インジェクタの燃料噴霧特性が変化し、噴霧成層混合気の形状が変化すると、例えば噴霧成層混合気と点火プラグとの相対距離が変化し、点火プラグの近傍の噴霧成層混合気がリッチまたはリーンにシフトする。そのため、点火性能の不安定化により失火が発生し、また未燃焼の排気ガス成分またはＮＯｘ濃度の増加等排気ガス特性の悪化が発生する。

燃料インジェクタの噴出口の近傍へのデポジット付着を抑制するために、燃料インジェクタの噴出口を含む先端部分の温度の上昇を抑制する対策、例えば、燃焼火炎からの受熱量を低減するために、燃料インジェクタの先端部分の受熱面積を低減する方法、または燃料インジェクタの先端部分を断熱し、燃料インジェクタ内を流れる燃料によって冷却する方法が考えられる。しかし、これらの対策によってもデポジット付着を完全に抑制することはできず、直噴形エンジンの長時間の運転によって、徐々に特性が劣化するという問題があった。

この発明は、このような問題点を改善するものであり、燃焼室内に直接燃料を噴射する直噴ガソリンエンジンをスプレーガイド燃焼モードで運転した場合に、運転時間の増大に伴ない、噴霧成層混合気の形状が変化しても、安定した燃焼を継続させることのできる直噴形エンジンの制御装置を提案するものである。

この発明による直噴形エンジンの制御装置は、燃焼室に配置された燃料インジェクタと点火プラグを備え、前記燃料インジェクタから前記燃焼室に直接燃料を噴射し、この燃料と空気との混合気を、少なくともスプレーガイド燃焼モードと、拡散成層燃焼モードとのいずれかの燃焼モードで燃焼して運転できるように構成された直噴形エンジンの制御装置であって、直噴形エンジンは、前記スプレーガイド燃焼モードでは、圧縮行程で燃料インジェクタから燃料を噴射することにより、点火プラグの近傍にピストンに衝突していない態様の噴霧成層混合気を形成し、この噴霧成層混合気に前記点火プラグにより点火して、それを燃焼させるように制御され、また、スプレーガイド燃焼モードでの運転時間の増大に応じて、前記噴霧成層混合気の形状が変化し、その結果、燃焼室での燃焼状態が変化するものとなっており、また、前記拡散成層燃焼モードでは、前記直噴形エンジンの圧縮工程で、前記スプレーガイド燃焼モードより早い燃料噴射タイミングで前記燃料インジェクタから燃料を噴射し、前記ピストンに衝突していない態様の噴霧成層混合気を前記スプレーガイド燃焼モードよりも長い拡散時間で拡散させ、この拡散した噴霧成層混合気に前記圧縮工程の終期で、前記点火プラグにより点火し、それを燃焼させるように制御され、前記制御装置は、前記燃焼状態の変化に対応して燃焼安定度を表わす燃焼安定度信号を出力する燃焼状態検出手段と、前記燃焼安定度信号に基づき燃焼モードを切替える燃焼モード切替手段を有し、前記燃焼モード切替手段は、前記燃焼安定度信号に応じて、スプレーガイド燃焼モードを、前記拡散成層燃焼モードに切替えることを特徴とする。

この発明による直噴形エンジンの制御装置では、制御装置が、燃焼状態の変化に対応して燃焼安定度を表わす燃焼安定度信号を出力する燃焼状態検出手段と、前記燃焼安定度信号に基づき燃焼モードを切替える燃焼モード切替手段を有し、前記燃焼モード切替手段は、前記燃焼安定度信号に応じて、スプレーガイド燃焼モードを、拡散成層燃焼モードに切替え、前記拡散成層燃焼モードでは、直噴形エンジンの圧縮工程で、スプレーガイド燃焼モードより早い燃料噴射タイミングで燃料インジェクタから燃料を噴射し、ピストンに衝突していない態様の噴霧成層混合気をスプレーガイド燃焼モードよりも長い拡散時間で拡散させ、この拡散した噴霧成層混合気に圧縮工程の終期で、点火プラグにより点火し、それを燃焼させるように制御されるので、直噴形エンジンの運転時間の増大に伴ない、噴霧成層混合気の形状が変化しても、燃焼安定度の悪化を防止し、直噴形エンジンの排気ガスの悪化、および燃費増大を抑制することができる。

この発明の前記以外の目的、特徴、観点、および効果は、図面を参照する以下の発明の詳細な説明から、より明確とされる。

以下この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明による直噴形エンジンの制御装置の実施の形態１の全体な構成図である。まず、図１を参照して、実施の形態１の直噴形エンジンの制御装置の全体的な構成を説明する。この実施の形態１の直噴形エンジンの制御装置は、直噴形エンジン１０と、その制御装置８０を含む。

直噴形エンジン１０は周知の通り、エンジン本体２０と、その吸気系６０と、その排気系７０を含む。エンジン本体２０は、例えば４気筒４サイクルのガソリンエンジンであり、吸気、圧縮、燃焼（爆発）、排気の各行程を繰り返す。このエンジン本体２０は、４つの気筒２１を有するが、図１には、その１つの気筒２１を代表として図示している。各気
筒２１は、互いに同じに構成される。この気筒２１は、燃焼室２２と、ピストン２５と、吸入弁２６と、排気弁２８と、燃料インジェクタ３０と、点火プラグ４０と、クランク軸５０と、コネクティングロッド５１と、エンジン回転センサ５５を有する。

燃焼室２２は、シリンダ２３と、シリンダヘッド２４と、ピストン２５により構成される。シリンダ２３は円筒形に構成され、シリンダヘッド２４は、シリンダ２３の上部を閉鎖するように、シリンダ２３の上部にそれと一体に形成される。ピストン２５は、シリンダ２３の内部に、その軸線Ｌ−Ｌの方向に往復運動が可能なように嵌め込まれる。燃焼室２２は、シリンダ２３と、シリンダヘッド２４と、ピストン２５により囲まれた空間に形成される。

シリンダヘッド２４には、吸気弁２６と、排気弁２８と、燃料インジェクタ３０と、点火プラグ４０が配置される。吸気弁２６は、クランク軸５０とともに回転する吸気制御カム（図示せず）により駆動され、クランク軸５０の回転と同期して燃焼室２２の吸気口２７を開閉する。排気弁２８は、クランク軸５０とともに回転する排気制御カム（図示せず）により駆動され、クランク軸５０の回転と同期して燃焼室２２の排気口２９を開閉する。

燃料インジェクタ３０は、例えばシリンダヘッド２４の上部の中心に配置される。この燃料インジェクタ３０には、制御装置８０から燃料噴射制御信号ＦＣが供給される。燃料インジェクタ３０は、燃料噴射制御信号ＦＣに基づいて、制御された燃料噴射タイミングで燃焼室２２に燃料を噴射する。具体的には、燃料インジェクタ３０は、燃料噴射制御信号ＦＣにより制御された燃料噴射開始タイミングｔａで燃料室２２への燃料噴射を開始し、また燃料噴射制御信号ＦＣに基づいて制御された燃料噴射終了タイミングｔｂで燃料噴射を終了する。燃料インジェクタ３０は、燃料噴射開始タイミングｔａと燃料噴射終了タイミングｔｂとの間の燃料噴射時間ｔｃを通じて、燃料を燃焼室２２の直接噴射し、燃焼室２２内に燃料と空気との混合気を生成する。燃焼室２２へ噴射される燃料量は、燃料噴射時間ｔｃに比例する。この燃料噴射時間ｔｃは、燃料噴射制御信号ＦＣにより制御される。

点火プラグ４０は、例えば燃料インジェクタ３０と排気口２９との間に配置される。この点火プラグ４０は、ベース電極４１と、これに放電ギャップ４２を介して対向する対向電極４３を有する。この点火プラグ４０には、点火回路４５が接続され、この点火回路４５には、制御装置８０から点火制御信号ＩＧが供給される。点火回路４５は、制御装置８０からの点火制御信号ＩＧにより制御された点火タイミングｔｉで、高圧点火電圧を発生し、この高圧点火電圧を点火プラグ４０に供給する。点火プラグ４０は、点火タイミングｔｉで、点火回路４５からの高圧点火電圧に基づいて、放電ギャップ４２に点火スパークを発生し、燃焼室２２内の混合気に点火して、それを燃焼させる。

点火プラグ４０は、制御装置８０へイオン電流信号ＩＯを供給する。点火プラグ４０のベース電極４１と対向電極４３の間には、例えば３００ボルトの低圧直流電圧が常時印加され、この低圧直流電圧に基づいて、ベース電極４１と対向電極４３との間に流れるイオン電流をイオン電流信号ＩＯとして、制御装置８０に供給する。このイオン電流信号ＩＯは、燃焼室２２内の混合気の燃焼状態に対応して、大きさが変化する。

クランク軸５０は、ピストン２５の下方に配置される。コネクティングロッド５１は、ピストン２５とクランク軸５０を連結し、シリンダ２３内におけるピストン２５の往復運動をクランク軸５０の回転運動に変換する。クランク軸５０の外周には、エンジン回転センサ５５が配置される。このエンジン回転センサ５５も周知であるので、詳細な説明は省略するが、クランク軸５０の回転に伴ないエンジン回転信号ＲＳを発生し、制御装置８０
に供給する。エンジン回転センサ５５は、例えばクランク軸５０の１回転当たり、３６個のパルスを発生し、このパルスをエンジン回転信号ＲＳとして、制御装置８０に供給する。

吸気系６０は、吸気管６１と、スロットルバルブ６３と、スロットルアクチュエータ６４を含む。吸気管６１は、空気吸込口６２と、燃焼室２２の吸気口２７とを連結する。空気吸入口６２から空気ＡＩＲが取り込まれる。スロットルバルブ６３は、吸気管６１の途中に配置される。スロットルアクチュエータ６４は、Ｄ．Ｃモータまたはステッピングモータを有し、スルットルバルブ６３を駆動する。このスロットルアクチュエータ６４は、アクセルポジションセンサ６５から出力されるアクセルポジション信号ＡＰに応じて駆動される。アクセルポジションセンサ６５は、直噴形エンジン１０に付属するアクセルペダル６６の踏込度合を検出し、このアクセルペダル６６の踏込度合に対応するアクセルポジション信号ＡＰを制御装置８０に供給する。制御装置８０は、アクセルポジション信号ＡＰに基づき、スロットル駆動信号ＴＤを発生し、スロットルアクチュエータ６４はこのスロットル駆動信号ＴＤに応じてスロットルバルブ６３の開度を制御し、燃焼室２２への吸入空気量を調整する。

排気系７０は、排気管７１と、三元触媒７３と、リーンＮＯｘ触媒７４と、空燃比センサ７５を含む。排気管７１は、燃焼室２２の排気口２９と、排気ガス排出口７２とを連結する。排気ガス排出口７２から、排気ガスＥＸＧが排出される。三元触媒７３は、排気管７１の上流側に配置される。この三元触媒７３は、燃焼室２２内において、燃料が理論空燃比で完全燃焼したときに、排気ガス中に含まれるＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘの有害ガス成分を同時に酸化還元して、排気ガスを浄化する。この三元触媒７３は、空燃比が空気の過剰なリーン状態になれば、ＣＯ、ＨＣの有害ガスを酸化して浄化する酸化触媒として働き、また、空燃比が燃料の過剰なリッチ状態になれば、ＮＯｘの有害ガスを還元して浄化する。

リーンＮＯｘ触媒７４は、三元触媒７３の下流に配置される。このリーンＮＯｘ触媒７４は、空燃比がリーン状態になった場合に、三元触媒７３で浄化されないＮＯｘの有害ガス成分を触媒内貯蔵し、そのＮＯｘの貯蔵量が限界に達するまで、ＮＯｘの排出を抑制する。リーンＮＯｘ触媒７４に貯蔵されたＮＯｘは、空燃比をリーン状態からリッチ状態に切替えることにより分解し、放出される。放出されたＮＯｘは、リッチ状態での燃焼で酸素が存在しない排気ガス中に含まれるＨＣ、ＣＯの還元剤によってリーンＮＯｘ触媒７４上によってＮＯｘパージされる。このＮＯｘの貯蔵とＮＯｘパージのサイクルを繰り返すことにより、リーンＮＯｘ触媒７４は排気ガス中のＮＯｘの有害ガスを浄化する。排気管７１には、三元触媒７３の上流側に空燃比センサ７５が配置される。この空燃比センサ７５は、燃焼室２２の排気口２９から排気された排気ガスの空燃比を検出し、この空燃比の応じた空燃比信号Ａ／Ｆを制御装置８０に供給する。

制御装置８０は、電子的な制御ユニット８１で構成される。この制御ユニット８１は、例えばマイクロプロセッサで構成され、ＣＰＵ８２と、メモリ８３を有する。ＣＰＵ８２は、直噴形エンジン１０の各種の制御を行う。イオン電流信号ＩＯ、エンジン回転信号ＲＳ、アクセルポジション信号ＡＰおよび空燃比信号Ａ／Ｆは、制御ユニット８１に供給される。

制御ユニット８１は、この発明の特徴として、直噴形エンジン１０の燃焼モードを制御する。この燃焼モードを制御するために、ＣＰＵ８２は、燃焼状態検出手段８５と、燃焼状態選択手段８６と、燃焼モード切替手段８７を有する。燃焼状態検出手段８５は、エンジン回転信号ＲＳまたはイオン電流信号ＩＯを使用して、燃焼室２２の燃焼状態の変化に対応して燃焼安定度ＳＣを表わす燃焼安定度信号ＳＣＳを発生する。燃焼状態選択手段８６は、燃焼安定度信号ＳＣＳを閾値と比較して、燃焼状態選択信号ＳＳＣを発生する。燃
焼モード切替手段８７は、燃焼状態選択信号ＳＳＣに基づき、直噴形エンジン１０の燃焼モードを設定し、また切替える。また、制御ユニット８１は、表示ランプなどの報知手段８９を制御し、燃焼モードの切替えを運転者に報知する。

燃焼モード切替手段８７は、燃料噴射制御信号ＦＣと点火制御信号ＩＧを発生し、これらに基づいて、燃料インジェクタ３０と点火プラグ４０を制御することにより、直噴形エンジン１０の燃焼モードを設定し、また切替える。燃焼モード切替手段８７は、直噴形エンジン１０が新品であるか、またはメンテナンスの終了直後であって、燃焼安定度ＳＣが第１閾値以上で場合には、燃焼モードをスプレーガイド燃焼モードＣ１に設定し、このスプレーガイド燃焼モードＣ１で直噴形エンジン１０を運転するように制御する。スプレーガイド燃焼モードＣ１で直噴形エンジン１０を運転し、その運転時間が増大して、燃焼安定度ＳＣが低下し、第１閾値より小さくなれば、スプレーガイド燃焼モードＣ１から拡散成層燃焼モードＣ２に切替え、拡散成層燃焼モードＣ２で直噴形エンジン１０を運転するように、直噴形エンジン１０を制御する。さらに、拡散成層燃焼モードＣ２で運転時間が増大して、燃焼安定度ＳＣが低下し、第２閾値より小さくなれば、拡散成層燃焼モードＣ２から吸気行程均質燃焼モードＣ３に切替えて、吸気行程均質燃焼モードＣ３で直噴形エンジン１０を運転するように、直噴形エンジン１０を制御する。

これらのスプレーガイド燃焼モードＣ１、拡散成層燃焼モードＣ２、および吸気行程均質燃焼モードＣ３について、以後詳細に説明する。

まず、燃料インジェクタ３０の詳細と、この燃料インジェクタ３０により形成される噴霧成層混合気について、図２から図５を参照して説明する。図２は、燃焼室２２をさらに拡大して示す断面図であり、図３は、燃料インジェクタ３０の先端部分の拡大図である。燃料インジェクタ３０は、図３に示すように、シリンダヘッド２４の上部の中心部に形成された取付孔３１に、先端部を嵌め込んで固定される。取付孔３１の中心は、シリンダ２３の軸線Ｌ−Ｌと一致する。燃料インジェクタ３０は、具体的にはマルチホール形の燃料インジェクタであり、先端部に燃料噴出板３２を有し、この燃料噴出板３２には、軸線Ｌ−Ｌを中心として、６つの燃料噴出口３３が形成される。これらの燃料噴出口３３は、軸線Ｌ−Ｌの周りに、６つの噴霧成層混合気３５を形成する。

燃料インジェクタ３０によって形成される噴霧成層混合気３５について、図２、図４を参照して説明する。図２は、燃料インジェクタ３０の燃料噴射口３３の近傍に、デポジットが堆積されていない状態における噴霧成層混合気３５を示している。直噴形エンジン１０が新品であるか、またはメンテナンスの終了直後の状態では、デポジットが堆積しておらず、燃料インジェクタ３０は、図２に示すように、ピストンに衝突していない態様の噴霧成層混合気３５を形成する。燃料インジェクタ３０は、６つの燃料噴射口３３のそれぞれから同時に燃料を噴射することにより、合計６本の噴霧成層混合気３５を同時に形成する。各噴霧成層混合気３５は、それぞれ各燃料噴射口３３から噴射された燃料が、粒子に分裂し、さらに蒸発し空気を取り込んで形成される。図２において、各噴霧成層混合気３５の噴霧角をαとする。

各噴霧成層混合気３５は、それぞれ液相優勢領域３６と、気相優勢領域３７を含む。液相優勢領域３６は、燃料噴射口３３から噴射された燃料が粒子に分裂したものの、まだ蒸発が不充分で液相噴霧を多く含む領域である。気相優勢領域３７は、燃料噴射口３３から噴射された燃料が粒子に分裂し、さらに蒸発が進み、燃料粒子が気化した気相燃料を多く含む領域である。気相優勢領域３７は、各液相優勢領域３６の外周を取り囲むように形成される。６本の噴霧混合気３５について、それぞれの気相優勢領域３７は、隣接する各噴霧混合気３５の間で互いに繋がるように形成され、その結果、軸線Ｌ−Ｌの周りで連続する筒形状の噴霧混合気３５が形成される。

６つの燃料噴射口３３中の１つの燃料噴射口３３ａは、点火プラグ４０の近傍に向けて燃料を噴射し、この燃料噴射口３３ａから噴出された燃料が、点火プラグ４０の近傍に噴霧成層混合気３５ａを形成する。燃料噴射弁３０の燃料噴射口３３の近傍にデポジットが堆積していない状態では、図２に示すように、噴霧成層混合気３５ａの気相優勢領域３７が点火プラグ４０の放電ギャップ４２を覆うように、噴霧成層混合気３５ａが形成される。

さて、スプレーガイド燃焼モードＣ１は、各気筒２１の圧縮行程で燃料を噴射して、ピストン２５に衝突していない態様の噴霧成層混合気３５を形成し、この噴霧成層混合気３５が余り周囲に拡散しない状態で、言い換えれば、噴霧成層混合気３５の拡散度合が小さい成層混合気に点火プラグ４０で点火する。

図４（ａ）は、スプレーガイド燃焼モードＣ１のタイムシーケンスを示す。図４の横軸は、クランク軸５０の回転角度であり、この横軸に沿って、各気筒２１の吸気行程とそれ続く圧縮行程が示される。クランク軸５０の回転角度が０度であるとき、ピストン２５は吸気上死点にあり、クランク軸５０の回転角度が１８０度であるとき、ピストン２５は下死点にあり、またクランク軸５０の回転角度が３６０度であるとき、ピストン２５は圧縮上死点にある。吸気行程は、クランク軸５０の回転角度が０〜１８０度の範囲であり、圧縮行程は、クランク軸５０の回転角度が１８０〜３６０度の範囲である。

スプレーガイド燃焼モードＣ１では、図４（ａ）に示すように、燃料噴射開始タイミングがｔａ１、燃料噴射終了タイミングがｔｂ１、点火タイミングがｔｉ１とされる。燃料噴射開始タイミングｔａ１は、圧縮行程の中に設定される。スプレーガイド燃焼モードＣ１では、燃料インジェクタ３０は、圧縮行程において、燃料噴射開始タイミングｔａ１と燃料噴射終了タイミングｔｂ１の間の燃料噴射時間ｔｃ１で燃料を噴射し、点火プラグ４０の近傍に噴霧成層混合気３５を形成する。噴霧成層混合気３５が形成された直後に、点火タイミングｔｉ１となり、点火プラグ４０が、噴射成層混合気３５に点火する。燃料噴射終了タイミングｔｂ１と点火タイミングｔｉ１の間の拡散時間ｔｄ１で、噴霧成層混合気３５は周りに拡散するが、スプレーガイド燃焼モードＣ１では、拡散時間ｔｄ１は短く、したがって、噴霧成層混合気３５は、その拡散度合が小さい状態で、点火プラグ４０により、点火される。

このスプレーガイド燃焼モードＣ１では、とくに、噴霧成層混合気３５の気相優勢領域３７は、点火の容易な燃料濃度を有しており、この気相優勢領域３７が点火プラグ４０の放電ギャップ４２を覆う状態で、点火することが重要である。気相優勢領域３７が点火プラグ４０の放電ギャップ４２を覆う状態で点火することにより、失火を起こすことなく、噴霧成層混合気３５を確実に、しかも排気ガスＥＸＧの有害ガス成分を少なくして、直噴形エンジン１０を運転することができる。もし、液相優勢領域３６が、点火プラグ４０の放電ギャップ４２を覆う状態になれば、点火プラグ４０の周りの混合気はオーバーリッチ状態となり、点火プラグ４０のベース電極４１および対向電極４３が燃料で濡らされ、点火放電が阻害されて、失火が起こり、この失火により燃焼状態が変動し、また点火しても液相燃料の燃焼により、未燃焼成分ＨＣおよび不完全燃焼成分ＣＯの排出濃度が増加し、燃焼状態の変動が増加する。逆に気相優勢領域３７が、点火プラグ４０から離れると、点火プラグ４０の周りの混合気がオーバーリーン状態となり、失火が起こり、失火により燃焼状態が変動し、また未燃焼ガスによる排気ガスの有害成分も増加する。

しかし、スプレーガイド燃焼モードＣ１で直噴形エンジン１０を運転し、その運転時間が増大すると、燃料インジェクタ３０の燃料噴射口３３の近傍にデポジットが堆積し、燃料インジェクタ３０の燃料噴霧特性が変化し、噴霧成層混合気３５の形状が変化する。図
５は、燃料インジェクタ３０の燃料噴射口３３の近傍に、デポジット３８が堆積した状態を示す。図５では、デポジット３８が、燃料インジェクタ３０の先端部分の外面、具体的には、取付孔３１と燃料噴射板３２の外面との間に堆積した状態を示す。

燃料インジェクタ３０から噴射される燃料は、燃料インジェクタ３０の先端部分または燃料噴射口３３の内部に液体として付着し、液膜を形成する。そのとき、燃料が付着した部分の温度が、燃料の９０％蒸発温度より高ければ、燃料中の高沸点成分が蒸発せずに残渣として残る。この残渣の中に、デポジット３８を形成する前駆体が存在し、直噴形エンジン１０の運転時間の増大に伴ない、すす、またはコールタール状のカーボンデポジット３８が形成される。図５では、デポジット３８が、燃料インジェクタ３０の先端部に堆積したものだけを示しているが、デポジット３８は、上記メカニズムにより、燃料噴射口３３の内壁および燃料噴射板３２の内面にも生成する。

このデポジット３８の堆積に伴ない、燃料インジェクタ３０の燃料噴霧特性が変化し、噴霧成層混合気３５の形状が変化する。図５では、デポジット３８により、噴霧成層混合気３５の形状が、噴霧角を小さくするように変化した状態を示している。図５において、各噴霧成層混合気３５の噴射角をβとする。β＜αである。図５に示すように、噴霧角が小さくなるように噴霧成層混合気３５の形状が変化すると、気相優勢領域３７は点火プラグ４０の放電ギャップ４２から離れてしまう。このような状態では、点火プラグ４０の周りの混合気はオーバーリーンとなり、失火による燃焼状態の変動、さらに未燃ガスによる排気ガス濃度の悪化が起こり、点火性能および燃焼安定性が大きく悪化する。また、デポジットの付着位置が異なると、噴霧成層混合気３５の形状が、噴霧角が大きくなるように変化し、点火プラグ４０の周りの混合気がオーバーリッチになる場合もある。

もし、液相優勢領域３６が、点火プラグ４０のベース電極４１、対向電極４３を覆う場合には、点火プラグ４０の周りの混合気はオーバーリッチ状態となり、点火プラグ７の電極４１、４３が燃料によって濡らされ火花放電が阻害され失火するか、点火しても液相燃料の燃焼により、未燃焼成分ＨＣや不完全燃焼成分ＣＯの排出濃度が増加し、また燃焼状態の変動が増加する。

噴霧成層混合気３５の形状の変化は、デポジットの堆積だけに原因するものではなく、燃料インジェクタ３０の性能の経時変化によっても起こる。例えば、燃料インジェクタ３０の内部の電気回路の劣化、磁気回路の磁気抵抗の変化などでも、燃料噴霧特性が変化し、噴霧成層混合気３５の形状が変化する。

制御ユニット８１の燃焼状態検出手段８５は、例えばエンジン回転信号ＲＳに基づき、燃焼状態の変化に対応して燃焼安定度ＳＣを表わす燃焼安定度信号ＳＣＳを発生する。この燃焼安定度ＳＣは、噴霧成層混合気３５の形状の変化に基づいて起こる燃焼状態の変化に対応して変化し、この燃焼安定度ＳＣに応じて燃焼安定度信号ＳＣＳの大きさが変化する。

図６は、エンジン回転センサ５５から制御ユニット８１に入力されるエンジン回転信号ＲＳに基づいて得られる直噴形エンジン１０の回転変動の変化を示すを示す特性図である。図６の横軸は、直噴形エンジン１０のすべての気筒２１の燃焼サイクルを示し、その縦軸は、直噴形エンジン１０の回転数である。

図６の横軸に沿って、複数の期間＃１１、＃３１、＃４１、＃２１、＃１２、＃３２が連続して示される。期間＃１１、＃１２は、直噴形エンジン１０の４つの気筒２１の中の第１気筒の燃焼（爆発）行程、＃３１、＃３２はその第３気筒の燃焼（爆発）行程、＃４１はその第４気筒の燃焼（爆発）行程、＃２１はその第２気筒の燃焼（爆発）行程を示す
。各期間＃１１、＃３１、＃４１、＃２１、＃１２、＃３２は、それぞれクランク軸５０の１／２回転に相当するので、例えば２つの連続する期間＃１１、＃３１がクランク軸５０の１回転に相当し、４つの連続する期間＃１１、＃３１、＃４１、＃２１がクランク軸５０の２回転に相当する。

図６の信号ＲＳ１１、ＲＳ３１、ＲＳ４１、ＲＳ２１、ＲＳ１２、ＲＳ３２は、それぞれ各期間＃１１、＃３１、＃４１、＃２１、＃１２、＃３２に対応する直噴形エンジン１０の回転数の変動を示す。ΔＮ１１は、信号ＲＳ１１の所定回転数Ｎｅからのピーク値であり、同様に、ΔＮ３１、ΔＮ４１、ΔＮ２１、ΔＮ１２、ΔＮ３２は、それぞれ信号ＲＳ３１、ＲＳ４１、ＲＳ２１、ＲＳ１２、ＲＳ３２の所定回転数Ｎｅからのピーク値である。

信号ＲＳ１１、ＲＳ３１、ＲＳ４１、ＲＳ２１、ＲＳ１２、ＲＳ３２に示すように、各気筒２１の燃焼（爆発）行程の中で、回転数は変動し、ピーク値ΔＮ１１、ΔＮ３１、ΔＮ４１、ΔＮ２１、ΔＮ１２、ΔＮ３２も順次変化している。これらのピーク値ΔＮ１１、ΔＮ３１、ΔＮ４１、ΔＮ２１、ΔＮ１２、ΔＮ３２の標準偏差ΔＮを求めることにより、直噴形エンジン１０の燃焼安定度ＳＣを表わす燃焼安定度信号ＳＣＳ＝（１−ΔＮ）を得ることができる。噴霧成層混合気３５の形状が安定し、その気相優勢領域３７が点火プラグ４０の放電ギャップ４２を覆うように形成されれば、標準偏差ΔＮは小さい値となり、燃焼安定度信号ＳＣＳは大きくなる。しかし、デポジット３８の堆積などにより、噴霧成層混合気３５の形状が変化すれば、それに伴なって標準偏差ΔＮが大きくなり、燃焼安定度信号ＳＣＳが低下する。

同一気筒、例えば第１気筒の信号ＲＳ１１、ＲＳ１２、・・・、ＲＳ１ｎのピーク値ΔＮ１１、ΔＮ１２、・・・、ΔＮ１ｎの標準偏差ΔＮ１を求めることもできる。この場合の燃焼安定度信号ＳＣＳは、（１−ΔＮ１）である。噴霧成層混合気３５の形状が安定し、その気相優勢領域３７が点火プラグ４０の放電ギャップ４２を覆うように形成されれば、標準偏差ΔＮは小さい値となり、燃焼安定度信号ＳＣＳは大きくなる。しかし、デポジット３８の堆積などにより、噴霧成層混合気３５の形状が変化すれば、それに伴なって標準偏差ΔＮ１が大きくなり、燃焼安定度信号ＳＣＳが低下する。

なお、標準偏差ΔＮ１は、次の式により求めることができる。標準偏差ΔＮも同様な式で求めることができる。

制御ユニット８１の燃焼状態検出手段８５は、エンジン回転信号ＲＳに代わって、イオン電流信号ＩＯに基づき、燃焼状態の変化に対応して燃焼安定度ＳＣを表わす燃焼安定度信号ＳＣＳを発生することもできる。図７は、点火プラグ４０から制御ユニット８１に入力されるイオン電流信号ＩＯの変化を示すを示す特性図である。図７の横軸は、直噴形エンジン１０のすべての気筒２１の燃焼サイクルを示し、その縦軸は、直噴形エンジン１０の各気筒２１のイオン電流である。図７の横軸に沿って、複数の期間＃１１、＃３１、＃４１、＃２１、＃１２、＃３２が連続して示される。これらの期間＃１１、＃３１、＃４１、＃２１、＃１２、＃３２は、図６と同じである。

図７の信号ＩＯ１１、ＩＯ３１、ＩＯ４１、ＩＯ２１、ＩＯ１２、ＩＯ３２は、それぞれ各期間＃１１、＃３１、＃４１、＃２１、＃１２、＃３２に対応する各気筒２１のイオン電流を示す。ΔＩ１１は、信号ＩＯ１１の主燃焼火炎のピーク値であり、同様に、ΔＩ３１、ΔＩ４１、ΔＩ２１、ΔＩ１２、ΔＩ３２は、それぞれ信号ＩＯ３１、ＩＯ４１、ＩＯ２１、ＩＯ１２、ＩＯ３２の主燃焼火炎のピーク値である。Ａ１１は、信号ＩＯ１１の全体の面積（積分値）であり、同様に、Ａ４１、Ａ３１、Ａ２１、Ａ１２、Ａ３２は、それぞれ信号ＩＯ１１、ＩＯ３１、ＩＯ４１、ＩＯ２１、ＩＯ１２、ＩＯ３２の全体の面積（積分値）である。

信号ＩＯ１１、ＩＯ３１、ＩＯ４１、ＩＯ２１、ＩＯ１２、ＩＯ３２に示すように、各気筒２１の燃焼（爆発）行程の中で、イオン電流ＩＯは変動し、それぞれの主燃焼火炎のピーク値ΔＩ１１、ΔＩ３１、ΔＩ４１、ΔＩ２１、ΔＩ１２、ΔＩ３２も順次変化している。これらのピーク値ΔＩ１１、ΔＩ３１、ΔＩ４１、ΔＩ１２、ΔＩ３２の標準偏差ΔＩを求めることにより、直噴形エンジン１０の燃焼安定度ＳＣを表わす燃焼安定度信号ＳＣＳを得ることができる。この場合の燃焼安定度信号ＳＣＳは、（１−ΔＩ）となる。また、同一気筒、例えば第１気筒の信号ＩＯ１１、ＩＯ１２、・・・、ＩＯ１ｎの主燃焼火炎のピーク値ΔＩ１１、ΔＩ１２、・・・、ΔＩ１ｎの標準偏差ΔＩ１から、燃焼安定度信号を得ることもできる。この場合の燃焼安定度ＳＣＳは、（１−ΔＩ１）となる。標準偏差ΔＩ、ΔＩ１は、前記式と同様な式から求められる。

また、信号ＩＯ１１、ＩＯ３１、ＩＯ４１、ＩＯ２１、ＩＯ１２、ＩＯ３２のそれぞれの面積Ａ１１、Ａ３１、Ａ４１、Ａ２１、Ａ１２、Ａ３２も、順次変化している。これらの面積Ａ１１、Ａ３１、Ａ４１、Ａ１２、Ａ３２の標準偏差ΔＡを求めることにより、直噴形エンジン１０の燃焼安定度ＳＣを表わす燃焼安定度信号ＳＣＳを得ることができる。この場合の燃焼安定度信号ＳＣＳは、（１−ΔＡ）となる。また、同一気筒、例えば第１気筒の信号ＩＯ１１、ＩＯ１２、・・・、ＩＯ１ｎの面積Ａ１１、Ａ１２、・・・、Ａ１ｎの標準偏差ΔＡ１を求めることにより、燃焼安定度信号ＳＣＳを得ることもできる。この場合の燃焼安定度信号ＳＣＳは、（１−ΔＡ１）となる。標準偏差ΔＡ、ΔＡ１は、前記式と同様な式から求められる。

燃焼状態選択手段８６は、スプレーガイド燃焼モードＣ１では、燃焼状態検出手段８５からの燃焼安定度信号ＳＣＳを第１閾値ＳＣａと比較し、燃焼状態選択信号ＳＳＣを発生する。燃焼安定度信号ＳＣＳが第１閾値ＳＣａ以上であれば、燃焼状態選択信号ＳＳＣは、スプレーガイド燃焼モードＣ１を維持する信号となり、燃焼モード切替手段８７は、スプレーガイド燃焼モードＣ１を維持するように、燃料噴射制御信号ＦＣにより、燃料インジェクタ３０の燃料噴射開始タイミングｔａ１および燃料噴射終了タイミングｔｂ１を制御し、また点火制御信号ＩＧにより、点火プラグ４０の点火タイミングｔｉ１を制御する。なお、この場合、制御ユニット８１は、スプレーガイド燃焼モードＣ１を維持する範囲内で、エンジン回転信号ＲＳおよびアクセルポジション信号ＡＰに対応して、燃料噴射開始タイミングｔａ１、燃料噴射終了タイミングｔｂ１、および点火タイミングｔｉ１を調整する。

スプレーガイド燃焼モードＣ１において、運転時間が増大し、デポジット３８の堆積などの原因で、燃料インジェクタ３０の燃料噴霧特性が変化し、噴霧成層混合気３５の形状が図５に示すように変化して、燃焼安定度信号ＳＣＳが第１閾値ＳＣａより小さくなれば、燃焼状態選択手段８６の燃焼状態選択信号ＳＳＣは、スプレーガイド燃焼モードＣ１から拡散成層燃焼モードＣ２に切替える信号となり、燃焼モード切替手段８７が、直噴形エンジン１０の燃焼モードを拡散成層燃焼モードＣ２に切替える。

この拡散成層燃焼モードＣ２について説明する。図４（ｂ）は拡散成層燃焼モードＣ２のタイムシーケンスを示す。この拡散成層燃焼モードＣ２では、燃料噴射開始タイミングがｔａ２、燃料噴射終了タイミングがｔｂ２、点火タイミングがｔｉ３とされる。拡散成層燃焼モードＣ２における燃料噴射開始タイミングｔａ１は、直噴形エンジン１０の圧縮行程の中で、スプレーガイド燃焼モードＣ１の燃料噴射開始タイミングｔａ１よりも早いタイミングに設定される。この拡散成層燃焼モードＣ２では、燃料インジェクタ３０は、圧縮行程において、燃料噴射開始タイミングｔａ２と燃料噴射終了タイミングｔｂ２の間の燃料噴射時間ｔｃ２で燃料を噴射し、点火プラグ４０の近傍に、図５に示すようなピストン２５に衝突していない態様の噴霧成層混合気３５を形成する。この噴霧成層混合気３５は、燃料噴射終了タイミングｔｂ２と点火タイミングｔｉ２の間の拡散時間ｔｃ２で周りに拡散し、この拡散した噴霧成層混合気３５に、点火タイミングｔｉ２で点火される。拡散成層燃焼モードＣ２の燃料噴射開始タイミングｔａ２は、スプレーガイド燃焼モードＣ１における燃料噴射開始タイミングｔａ１よりも早いので、拡散成層燃焼モードＣ２における拡散時間ｔｄ２は、スプレーガイド燃焼モードＣ１の拡散時間ｔｄ１よりも長く、ｔｄ２＞ｔｄ１となる。したがって、拡散成層燃焼モードＣ２では、噴霧成層混合気３５の拡散度合は、スプレーガイド燃焼モードＣ２よりも大きくなり、この大きな拡散度合で拡散した状態で、点火タイミングｔｉ２となり、点火プラグ４０により点火される。

この拡散成層燃焼モードＣ２では、噴霧成層混合気３５の拡散度合が大きく、結果として、図５に示すピストン２５に衝突していない態様の噴霧成層混合気３５が周りに拡散し、その気相優勢領域３７が点火プラグ４０の放電ギャップ４２を覆う状態で、点火プラグ４０により点火が行なわれる。このため、各気筒２１の燃焼室２２における燃焼状態は再び安定し、燃焼安定度信号ＳＣＳが増大する。

拡散成層燃焼モードＣ２においても、燃焼状態検出手段７５は、スプレーガイド燃焼モードＣ１における動作と同じ動作で、各気筒２１の燃焼室２２の各燃焼（爆発）行程における燃焼安定度ＳＣを表わす燃焼安定度信号ＳＣＳを発生する。燃焼状態選択手段８６は、拡散成層燃焼モードＣ２では、燃焼状態検出手段８５からの燃焼安定度信号ＳＣＳを第２閾値ＳＣｂ（ＳＣｂ＜ＳＣａ）と比較し、燃焼状態選択信号ＳＳＣを発生する。燃焼安定度信号ＳＣＳが第２閾値ＳＣｂ以上の大きさであれば、燃焼状態選択信号ＳＳＣは、拡散成層燃焼モードＣ２を維持する信号となり、燃焼モード切替手段８７は、拡散成層燃焼モードＣ２を維持するように、燃料噴射制御信号ＦＣにより、燃料インジェクタ３０の燃料噴射開始タイミングｔａ２および燃料噴射終了タイミングｔｂ２を制御し、また点火制御信号ＩＧにより、点火プラグ４０の点火タイミングｔｉ２を制御する。この場合にも、制御ユニット８１は、拡散成層燃焼モードＣ２を維持する範囲内で、エンジン回転信号ＲＳおよびアクセルポジション信号ＡＰに対応して、燃料噴射開始タイミングｔａ２、燃料噴射終了タイミングｔｂ２、および点火タイミングｔｉ２を調整する。

拡散成層燃焼モードＣ２において、運転時間が増大し、デポジット３８の堆積などの原因で、燃料インジェクタ３０の燃料噴霧特性が変化し、噴霧成層混合気３５の形状が、図５に示す噴霧成層混合気３５よりも、さらに噴射角が小さくなるように変化して、燃焼安定度信号ＳＣＳが第２閾値ＳＣｂよりも小さくなれば、燃焼状態選択手段８６の燃焼状態選択信号ＳＳＣは、拡散成層燃焼モードＣ２から吸気行程均質燃焼モードＣ３に切替える信号となり、燃焼モード切替手段８７が、直噴形エンジン１０の燃焼モードを吸気行程均質燃焼モードＣ３に切替える。

この吸気行程均質燃焼モードＣ３について説明する。図４（ｃ）は吸気行程均質燃焼モードＣ３のタイムシーケンスを示す。この吸気行程均質燃焼モードＣ３では、燃料噴射開始タイミングがｔａ３、燃料噴射終了タイミングがｔｂ３、点火タイミングがｔｉ３とされる。吸気行程均質燃焼モードＣ３における燃料噴射開始タイミングｔａ３は、直噴形エ
ンジン１０の吸気行程の中に設定され、拡散成層燃焼モードＣ２の燃料噴射開始タイミングｔａ２よりも早いタイミングに設定される。この吸気行程均質燃焼モードＣ３では、燃料インジェクタ３０は、吸気行程において、燃料噴射開始タイミングｔａ３と燃料噴射終了タイミングｔｂ３の間の燃料噴射時間ｔｃ３で燃料を噴射し、点火プラグ４０の近傍に、図５に示す噴霧成層混合気３５よりもさらに噴射角の小さい噴霧成層混合気３５を形成する。この噴霧成層混合気３５は、燃料噴射終了タイミングｔｂ３と点火タイミングｔｉ３の間の長い拡散時間ｔｄ３で周りに拡散し、燃焼室２２内の全体に均一に拡散する。点火タイミングｔｉ３は、噴霧成層混合気３５が、燃焼室２２の全体に均一に拡散した状態に設定され、点火プラグ４０は、この点火タイミングｔｉ３で、均一に拡散した混合気に点火する。吸気行程均質燃焼モードＣ３の燃料噴射開始タイミングｔａ３は、拡散成層燃焼モードＣ２における燃料噴射開始タイミングｔａ２よりも充分に早いので、吸気行程均質燃焼モードＣ３における拡散時間ｔｄ３は、拡散成層燃焼モードＣ２の拡散時間ｔｄ２よりも充分に長く、ｔｄ３＞ｔｄ２となる。

この吸気行程均質燃焼モードＣ３では、噴霧成層混合気３５が燃焼室２２の全体にほぼ均一に拡散するので、その均一に拡散した混合気が点火プラグ４０の放電ギャップ４２を覆う状態で、点火プラグ４０により点火が行なわれる。このため、各気筒２１の燃焼室２２における燃焼状態は再び安定し、燃焼安定度信号ＳＣＳが増大する。この吸気行程均質燃焼モードＣ３に移行した後では、燃焼状態検出手段８５および燃焼状態選択手段８６は動作を停止する。

図８は、燃焼モードの制御パラメータである燃料噴射終了タイミングｔｂおよび点火タイミングｔｉと燃焼状態との関係を示す。原点Ｏは圧縮上死点を示し、横軸は燃料噴射終了タイミングｔｂ、縦軸は点火タイミングｔｉである。燃料噴射終了タイミングｔｂに対応する燃料噴射開始タイミングｔａを、横軸の下に示している。図中、曲線ａと曲線ｂで囲まれた領域９２が安定燃焼の可能な領域である。傾斜した一点鎖線の特性９１は、燃料噴射終了タイミングｔｂと点火タイミングｔｉとの間の拡散時間ｔｄが短く、かつ一定となる特性を示している。安定燃焼の可能な領域９２の中で、特性９１の近傍の曲線ａと曲線ｃで囲まれた領域９３は、燃料噴射の直後に点火するスプレーガイド燃焼モードＣ１が成立する領域である。安定燃焼の可能な領域９２のうち、曲線ｂと曲線ｃで囲まれた領域９３以外の領域９４は、燃料噴射直後の点火ではなく、混合気拡散のための拡散時間ｔｄがスプレーガイド燃焼モードＣ１以上に大きい領域である。この領域９４は、燃焼室２２内の空気流動の影響を受けるため、領域９３に比べて燃焼安定度ＳＣは若干低下するけれども、成層燃焼が可能な領域であって、拡散成層燃焼モードＣ２が成立する領域である。同じ点火タイミングに相当する直線９５上で、領域９３内のポイントＰ１と、領域９４内のポイントＰ２を比較すれば、それらの燃料噴射終了タイミングｔｂ１、ｔｂ２の差が明らかであり、ポイントＰ２ではポイントＰ１に比べて、拡散時間ｔｄが長くなる。

スプレーガイド燃焼モードＣ１において、噴霧成層混合気３５の形状が図５に示すように変化すれば、燃焼状態が不安定になり、スプレーガイド燃焼モードＣ１を継続することができない。そのとき、直噴形エンジン１０の運転を継続させるためには、図８の領域９３から領域９４に移行し、点火タイミングｔｉを遅らせるか、または燃料噴射終了タイミングｔｂを早期化し、燃料噴射終了タイミングｔｂと点火タイミングｔｉとの間の拡散時間ｔｄを長くして、拡散成層燃焼モードＣ２が成立する領域９４で燃焼させることが必要である。

図９は、実施の形態１について、燃焼モードの切替えを行うフローチャートを示す。このフローチャートは、スタートとエンドの間に、ステップＳ１０１からステップＳ１１４の１４のステップを含む。最初のステップでは、燃焼モードフラグＣＦをＣＰＵ８２に読み込む。この燃焼モードフラグＣＦは、メモリ８３に記憶されている。この燃焼モードフ
ラグＣＦは、直噴形エンジン１０が新品であるか、またはメンテナンスが終了した直後であれば、スプレーガイド燃焼モードＣ１にセットされている。次のステップＳ１０２では、燃焼モードフラグＣＦが、スプレーガイド燃焼モードＣ１であるかどうかを判定する。ステップＳ１０２の判定結果がＹＥＳならばステップＳ１０３に進み、その判定結果がＮＯならば、ステップＳ１０８に進む。

ステップＳ１０３では、スプレーガイド燃焼モードＣ１用の燃料噴射タイミングｔａ１、ｔｂ１を燃料噴射制御信号ＦＣに設定し、これにより燃料インジェクタ３０を制御する。またスプレーガイド燃焼モードＣ１用の点火タイミングｔｉ１を点火制御信号ＩＧに設定し、これにより、点火回路４５を通じて点火プラグ４０を制御する。次のステップＳ１０４では、エンジン回転信号ＲＳまたはイオン電流信号ＩＯに基づき、燃焼安定度ＳＣを検出する。次のステップＳ１０５では、燃焼安定度ＳＣが第１閾値ＳＣａ以上かどうかを判定する。ステップＳ１０５の判定結果がＹＥＳならば、そのままエンドに進む。ステップＳ１０５の判定結果がＮＯならば、ステップＳ１０６に進む。

ステップＳ１０６では、燃焼モードフラグＣＦを拡散成層燃焼モードＣ２にセットする。次のステップＳ１０７では、報知手段８９により、燃焼モードが拡散成層燃焼モードＣ２へ移行することをアラームとして運転者に報知する。燃焼モードフラグＣＦが拡散成層燃焼モードＣ２にセットされると、ステップＳ１０２の判定結果はＮＯとなり、ステップＳ１０８に進む。

ステップＳ１０８では、燃焼モードフラグＣＦが拡散成層燃焼モードＣ２であるかどうかが判定される。ステップＳ１０８の判定結果がＹＥＳならば、ステップＳ１０９に進み、またステップＳ１０８の判定結果がＮＯならば、ステップＳ１１４に進む。

ステップＳ１０９では、拡散成層燃焼モードＣ２用の燃料噴射タイミングｔａ２、ｔｂ２を燃料噴射制御信号ＦＣに設定し、これにより燃料インジェクタ３０を制御する。また拡散成層燃焼モードＣ２用の点火タイミングｔｉ２を点火制御信号ＩＧに設定し、これにより、点火回路４５を通じて点火プラグ４０を制御する。次のステップＳ１１０では、エンジン回転信号ＲＳまたはイオン電流信号ＩＯに基づき、燃焼安定度ＳＣを検出する。次のステップＳ１１１では、燃焼安定度ＳＣが第２閾値ＳＣｂ以上かどうかを判定する。ステップＳ１１１の判定結果がＹＥＳならば、そのままエンドに進む。ステップＳ１１１の判定結果がＮＯならば、ステップＳ１１２に進む。

ステップＳ１１２では、燃焼モードフラグＣＦを吸気行程均質燃焼モードＣ３にセットする。次のステップＳ１１３では、報知手段８９により、燃焼モードが吸気行程均質燃焼モードＣ３へ移行することをアラームとして運転者に報知する。燃焼モードフラグＣＦが吸気行程均質燃焼モードＣ３にセットされると、ステップＳ１０８の判定結果はＮＯとなり、ステップＳ１１４に進む。

ステップＳ１１４では、吸気行程均質燃焼モードＣ３用の燃料噴射タイミングｔａ３、ｔｂ３を燃料噴射制御信号ＦＣに設定し、これにより燃料インジェクタ３０を制御する。また吸気行程均質燃焼モードＣ３用の点火タイミングｔｉ３を点火制御信号ＩＧに設定し、これにより、点火回路４５を通じて点火プラグ４０を制御する。

図９のステップＳ１０４、Ｓ１１０は、燃焼状態検出手段８５により実行される。ステップＳ１０４、Ｓ１１０の出力が燃焼安定度信号ＳＣＳである。図９のステップＳ１０５、Ｓ１１１は、燃焼状態選択手段８６により実行される。ステップＳ１０５、Ｓ１１１の出力が、燃焼状態選択信号ＳＳＣである。図９のステップＳ１０３、Ｓ１０９、Ｓ１１４は、燃焼モード切替手段８７により実行される。

図１０は、実施の形態１における燃焼安定度ＳＣの変化を示す。図１０の横軸は、直噴形エンジン１０の運転時間であり、縦軸は燃焼安定度ＳＣである。横軸に沿って、原点Ｏと運転時間Ｔ１との間がスプレーガイド燃焼モードＣ１での運転期間であり、また運転時間Ｔ１とＴ２の間が拡散成層燃焼モードＣ２での運転期間であり、さらに運転時間Ｔ２以降が吸気行程均質燃焼モードＣ３での運転期間である。

スプレーガイド燃焼モードＣ１では、燃焼安定度ＳＣは特性ＳＣ１に沿って変化し、運転時間の増大に伴い、燃焼安定度ＳＣが低下する。運転時間Ｔ１において、燃焼安定度ＳＣが第１閾値ＳＣａより小さくなり、拡散成層燃焼モードＣ２に切替えられ、燃焼安定度ＳＣが上昇する。拡散成層燃焼モードＣ２では、燃焼安定度ＳＣは特性ＳＣ２に沿って変化し、運転時間の増大に伴い、燃焼安定度ＳＣが低下する。運転時間Ｔ２において、燃焼安定度ＳＣが第２閾値ＳＣｂより小さくなり、吸気行程均質燃焼モードＣ３に切替えられ、燃焼安定度ＳＣが再び上昇する。

この発明の各種の変更および変形は、この発明の観点と精神とを逸脱しない範囲で、関連技術者にとって明確なところであり、また図示された実施の形態には制限されないものと理解されるべきである。

この発明による直噴形エンジンの制御装置は、各種自動車などに搭載される直噴形エンジンの制御装置として利用可能である。

この発明による直噴形エンジンの制御装置の実施の形態１を示す構成図。 実施の形態１における燃焼室を拡大し、デポジットが堆積しない状態における噴霧成層混合気の形状を示す断面図。 実施の形態１における燃料インジェクタの先端部分の拡大斜視図。 実施の形態１における各燃焼モードのタイムシーケンス図。 実施の形態１における燃焼室を拡大し、デポジットが堆積した状態における噴霧成層混合気の形状を示す断面図。 実施の形態１におけるエンジン回転数の変化を示す特性図。 実施の形態１におけるイオン電流の変化を示す特性図。 実施の形態１において、燃料噴射タイミングおよび点火タイミングと燃焼状態との関係を示す説明図。 実施の形態１における燃焼モード制御フローチャート。 実施の形態１における燃焼安定度の変化を示す説明図。

２２：燃焼室、３０：燃料インジェクタ、３５、３５ａ：噴霧成層混合気、
４０：点火プラグ、８０：制御装置、８５：燃焼状態検出手段、
８７：燃焼モード切替手段、８９：報知手段。

Claims (7)

1. 燃焼室に配置された燃料インジェクタと点火プラグを備え、前記燃料インジェクタから前記燃焼室に直接燃料を噴射し、この燃料と空気との混合気を、少なくともスプレーガイド燃焼モードと、拡散成層燃焼モードとのいずれかの燃焼モードで燃焼して運転できるように構成された直噴形エンジンの制御装置であって、
   前記直噴形エンジンは、前記スプレーガイド燃焼モードでは、前記直噴形エンジンの圧縮行程で、前記燃料インジェクタから燃料を噴射することにより、前記点火プラグの近傍にピストンに衝突していない態様の噴霧成層混合気を形成し、この噴霧成層混合気に前記点火プラグにより点火して、それを燃焼させるように制御され、また、前記スプレーガイド燃焼モードによる運転時間の増大に応じて、前記噴霧成層混合気の形状が変化し、その結果、前記燃焼室での燃焼状態が変化するものとなっており、
   また、前記拡散成層燃焼モードでは、前記直噴形エンジンの圧縮工程で、前記スプレーガイド燃焼モードより早い燃料噴射タイミングで前記燃料インジェクタから燃料を噴射し、前記ピストンに衝突していない態様の噴霧成層混合気を前記スプレーガイド燃焼モードよりも長い拡散時間で拡散させ、この拡散した噴霧成層混合気に前記圧縮工程の終期で、前記点火プラグにより点火し、それを燃焼させるように制御され、
   前記制御装置は、前記燃焼状態の変化に対応して燃焼安定度を表わす燃焼安定度信号を出力する燃焼状態検出手段と、前記燃焼安定度信号に基づき燃焼モードを切替える燃焼モード切替手段を有し、
   前記燃焼モード切替手段は、前記燃焼安定度信号に応じて、前記スプレーガイド燃焼モードを、前記拡散成層燃焼モードに切替えることを特徴とする直噴形エンジンの制御装置。
2. 請求項１記載の直噴形エンジンの制御装置であって、前記燃焼モード切替手段は、前記直噴形エンジンが前記スプレーガイド燃焼モードで運転されている場合に、前記燃焼安定度が悪化した時点で、前記スプレーガイド燃焼モードを、前記拡散成層燃焼モードに切替えることにより、前記燃焼安定度を向上させることを特徴とする直噴形エンジンの制御装置。
3. 請求項２記載の直噴形エンジンの制御装置であって、前記燃焼モード切替手段は、さらに、前記直噴形エンジンが前記拡散成層燃焼モードで運転されている場合に、前記燃焼安
   定度が悪化した時点で、前記拡散成層燃焼モードを、さらに吸気行程均質燃焼モードに切替えるように構成され、
   前記吸気行程均質燃焼モードでは、前記直噴形エンジンの吸気行程で、前記燃料インジェクタから燃料を噴射し、前記圧縮行程の終期で、前記噴霧成層混合気が拡散して燃料と空気がほぼ均一に混合した混合気に点火することを特徴とする直噴形エンジンの制御装置。
4. 請求項１記載の直噴形エンジンの制御装置であって、前記燃焼状態検出手段は、前記直噴形エンジンのサイクル毎の回転数変動に基づき、前記燃焼安定度信号を出力することを特徴とする直噴形エンジンの制御装置。
5. 請求項１記載の直噴形エンジンの制御装置であって、前記燃焼状態検出手段は、前記燃焼室内のイオン電流のサイクル毎の変動に基づき、前記燃焼安定度信号を出力することを特徴とする直噴形エンジンの制御装置。
6. 請求項１記載の直噴形エンジンの制御装置であって、前記燃焼モード切替手段は、前記スプレーガイド燃焼モードを前記拡散成層燃焼モードに切替えたときに、この切替えに応じて、前記燃料インジェクタの燃料噴射タイミングとともに、前記点火プラグの点火タイミングをも制御することを特徴とする直噴形エンジンの制御装置。
7. 請求項１記載の直噴形エンジンの制御装置であって、さらに報知手段を備え、前記報知手段は、前記スプレーガイド燃焼モードが前記拡散成層燃焼モードに切替えられたことを運転者に報知することを特徴とする直噴形エンジンの制御装置。

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