JP4324297B2 - 筒内噴射エンジンの制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼室内に直接噴射された燃料により燃焼を行う筒内噴射エンジンの制御装置に係り、特に、成層燃焼と均一混合燃焼との間における燃焼形態の切り換え制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、燃費の向上を図るために、インジェクタを燃焼室に設け、燃料を筒内に直接噴射する筒内噴射エンジンが提案されている。一般に、筒内噴射エンジン（直噴エンジンともいう）では、エンジンの運転状態に応じて、燃費を重視した成層燃焼または出力を重視した均一混合燃焼のいずれかの燃焼形態が選択的に実行される。周知のとおり、成層燃焼における空燃比と均一混合燃焼における空燃比とは大きく相違している。そのため、一方の燃焼形態から他方の燃焼形態へ切り換える際に空燃比の変動に伴いトルクショックが発生し、筒内噴射エンジンのドライバビリティの悪化を招くといった問題がある。
【０００３】
このようなトルクショックを低減するために、例えば特開平９−１５１７７１号公報には、直噴エンジンにおける燃焼形態の切り換えに際して、中間的な燃焼制御を過渡的に行う技術が開示されている。この中間的制御では、成層燃焼の場合と同様に圧縮行程で燃料噴射を行い、空燃比Ａ／Ｆが、成層燃焼の空燃比（Ａ／Ｆ＝30〜40）よりも濃く、均質燃焼（均一混合燃焼）の空燃比（Ａ／Ｆ＝12〜22）よりも薄い値（Ａ／Ｆ＝22〜30）になるように設定する。そして、均質燃焼と中間的制御との間では、排気ガス中のＨＣ濃度の増大を抑制するために燃料噴射量をステップ的に変化させている。また、成層燃焼と中間的制御との間では、トルク変動を滑らかにするために燃料噴射量を徐々に変化させている。
【０００４】
しかしながら、この公報には、中間的制御における各気筒の切り換え順序や切り換え間隔については、まったく言及されていない。そのため、例えば、各気筒の燃焼形態の切り換えを点火順序と同様の順序で行った場合、気筒毎に生じるトルク変動（中間的制御を行ったとしてもある程度は発生する）が短い間（１サイクル）に集中する。その結果、ドライバーが体感し得る程のトルクショックが生じる可能性がある。
【０００５】
一方、特開平１０−１８４４３０号公報には、リーン空燃比での運転とリッチ空燃比での運転とを選択的に実行するリーンバーンエンジンにおいて、リッチスパイク実行時に生じるトルクショックを抑制する技術が開示されている。このリッチスパイクとは、リーン運転時に発生したＮＯxを三元触媒中に吸蔵し、所定の蓄積量に達したときに、リーン運転からリッチ運転に一時的に移行することをいう。リーン運転とリッチ運転との間の移行制御時において、気筒毎の運転状態の切り換えは、エンジン２回転（１サイクル）以上の切り換え間隔で順次実行される。これにより、気筒間の切り換え間隔を長くした分だけ各気筒で生じるトルク変動が分散され、トルクショックを効果的に低減することができる。
【０００６】
しかしながら、この公報に開示された技術は、インジェクタがインテークマニホールド内に設けられたＭＰＩ（Multi-point Injection）方式に関するものであり、筒内噴射エンジンに関するものではない。換言すれば、この公報に開示された技術は、均一混合燃焼という一つの燃焼形態においてリーン運転とリッチ運転とを切り換えるものであり、成層燃焼と均一混合燃焼といった異なる燃焼形態の切り換えに関するものではない。周知のように、成層燃焼は、燃焼室内に混合気の濃い部分（点火プラグ近傍）と薄い部分とを作り、着火しやすい濃い部分に点火して全体に燃焼を広げる燃焼方式である。このような層状混合気は、燃焼室内に設けられたインジェクタで燃焼室に燃料を直接噴射する筒内噴射エンジンでは形成可能であるが、燃焼室外に設けられたインジェクタによってそのような成層状態を形成することはできない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
筒内噴射エンジンのドライバビリティの向上を図るためには、異なる燃焼形態への移行時に生じるトルクショックを一層高いレベルで抑制する必要がある。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、異なる燃焼形態の切り換えを行う際におけるトルクショックの発生を効果的に低減することができる筒内噴射エンジンの制御装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決するために、第１の発明は、燃焼室内に燃料を直接噴射するインジェクタを有し、運転状態に応じて成層燃焼または均一混合燃焼を選択的に行う筒内噴射エンジンの制御装置において、成層燃焼と均一混合燃焼との間で燃焼形態を移行させるか否かを判定する判定手段と、判定手段によって燃焼形態を移行させると判定された場合、燃焼形態を気筒毎に順次切り換える移行制御を行う制御手段とを有する。この制御手段は、移行制御時において、１サイクルよりも長い期間をかけて、すべての気筒の燃焼形態の切り換えを行う。また、制御手段は、一気筒の燃焼形態を切り換える場合、均一混合燃焼における空燃比と当該空燃比よりもリーン側に設定された第１のしきい値との間では空燃比を徐々に変化させ、成層燃焼における空燃比と当該空燃比よりもリッチ側に設定された第２のしきい値との間では空燃比を徐々に変化させ、かつ、第１のしきい値と第２のしきい値との間では、空燃比をステップ的に変化させる制御を行う。
【００１０】
また、第２の発明は、燃焼室内に燃料を直接噴射するインジェクタを有し、運転状態に応じて成層燃焼または均一混合燃焼を選択的に行う筒内噴射エンジンの制御装置において、成層燃焼と均一混合燃焼との間で燃焼形態を移行させるか否かを判定する判定手段と、判定手段によって燃焼形態を移行させると判定された場合、燃焼形態を気筒毎に順次切り換える移行制御を行う制御手段とを有する。この制御手段は、移行制御時において、気筒間の点火間隔よりも長い切り換え間隔で、各気筒の燃焼形態の切り換えを行う。また、制御手段は、一気筒の燃焼形態を切り換える場合、均一混合燃焼における空燃比と当該空燃比よりもリーン側に設定された第１のしきい値との間では空燃比を徐々に変化させ、成層燃焼における空燃比と当該空燃比よりもリッチ側に設定された第２のしきい値との間では空燃比を徐々に変化させ、かつ、第１のしきい値と第２のしきい値との間では、空燃比をステップ的に変化させる制御を行う。
【００１１】
ここで、第２の発明において、気筒によって切り換え間隔を相違させてもよい。四気筒の筒内噴射エンジンの場合、切り換え間隔を１／４サイクルよりも長い間隔、例えば、５／４サイクルまたは３／４サイクルに設定することが望ましい。
【００１３】
さらに、上記の構成において、エンジン回転数またはアクセル開度の少なくとも一方に基づいて、運転領域の変化速度を検出する検出手段を設けてもよい。制御手段は、検出手段により検出された運転領域の変化速度が判定しきい値以下である場合に、移行制御を実行する。
【００１４】
さらに、上記の構成に、インジェクタの燃料噴射量を制御する燃料噴射制御手段を追加してもよい。この場合、燃料噴射制御手段は、成層燃焼時においては、圧縮行程で燃料噴射を開始するとともに点火直前に燃料噴射を終了する。そして、均一混合燃焼時においては、成層燃焼よりも早い行程で燃料噴射を開始する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、一例である四気筒の水平対向筒内噴射エンジンの全体構成図である。この筒内噴射エンジン１の気筒＃１〜＃４のうち、気筒＃１，＃３は左バンクに配置され、気筒＃２，＃４は右バンクに配置されている。このエンジン１の各吸気ポートには吸気バルブ２が設けられているとともに、これらの吸気ポートはインテークマニホールド３に連通している。一方、エンジン１の各排気ポートには排気バルブ４が設けられているとともに、これらの排気ポートはエギゾーストマニホールド５に連通している。また、シリンダヘッドにおいて各気筒＃１〜＃４の燃焼室の中央には、混合気を着火する点火プラグ６が設けられている。そして、各燃焼室における吸気バルブ２の近傍には、燃焼室内に燃料（ガソリン）を直接噴射するインジェクタ７が設けられている。筒内噴射エンジン１は、燃焼特性上の要求から燃料噴霧を微細化する必要があるため、インジェクタ７には高圧化された燃料が供給される。
【００１６】
吸気通路に設けられたエアクリーナ８は、インテークマニホールド３に連通したエアチャンバ９に接続されている。エアクリーナ８とエアチャンバ９との間には、吸入空気量を調整する電動スロットルバルブ１０が介装されている。このスロットルバルブ１０は、電動モータ１１によって動作し、アクセルペダル１８と機械的にリンクした構造とはなっていない。スロットルバルブ１０の開度（スロットル開度）は、マイクロコンピュータを中心として構成される制御装置１２（以下、「ＥＣＵ」という）からの出力信号によって設定される。
【００１７】
一方、エギゾーストマニホールド５は、排気通路を介して三元触媒コンバータ１３と連通しているとともに、その下流にはＮＯx吸蔵触媒コンバータ１４が設けられている。そして、これらの触媒コンバータ１３，１４を介して浄化された排気ガスがマフラー１５を経て排出される。
【００１８】
また、エギゾーストマニホールド５とエアチャンバ９との間には、排気還流通路１６が設けられている。この排気還流通路１６には、吸気通路へ還流させる排気量を調整する排気再循環バルブ１７（以下、「ＥＧＲバルブ」という）が介装されている。ＥＧＲバルブ１７は、内蔵されたステッパーモータによって駆動し、ＥＣＵ１２からの出力信号によってその開度が設定される。ＥＧＲバルブ１７の開度（ＥＧＲ開度）を調整することで、燃焼に寄与しない不活性ガスを吸気通路内を流れる吸気中に適切に混入する。それにより、燃焼温度を低下させ、排気ガス中に含まれるＮＯxの排出量を減少させることができる。
【００１９】
ＥＣＵ１２は、ＲＯＭに格納された制御プログラムに従って燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期、スロットル開度およびＥＧＲ開度等に関する演算を行う。そして、算出された制御量に対応する制御信号を各種アクチュエータに対して出力する。ＥＣＵ１２には、運転状態を検出するために、センサ２０〜２４を含む各種センサからのセンサ信号が入力されている。吸入空気量センサ２０は、エアクリーナ８の直下流に設けられており、吸入空気量Ｑを検出するホットワイヤ式またはホットフィルム式のセンサである。スロットル開度センサ２１は、スロットル開度θtを検出するセンサである。アクセル開度センサ２２は、ポテンショメータ等で構成されており、ドライバの要求負荷を表すアクセルペダル１８の踏み込み量（アクセル開度θa）を検出するセンサである。エンジン回転数センサ２３は、エンジン回転数Ｎｅを検出するセンサであり、エンジン１のクランクシャフトと一体的に回転するクランクロータの外周近傍に配置されたクランク角センサを用いることができる。空燃比センサ２４は、三元触媒コンバータ１３の直上流に設けられており、排気通路を流れる排気ガスから排気空燃比A/F（排気当量比Φexと等価）を検出するためのセンサである。空燃比センサ２４としては、例えばリニアＯ2センサを用いることができる。
【００２０】
インジェクタ７による燃料噴射量は、基本的には、運転状態に応じた目標空燃比に相当する燃焼が行われるような値に設定される（空燃比制御）。この目標空燃比は、燃焼形態に応じた値に設定され、例えば、通常の成層燃焼では30から40までの範囲内、通常の均一混合燃焼では12から18までの範囲内において適切に設定される。しかしながら、外乱的な要因が加わると、排気空燃比A/F（実空燃比）は目標空燃比と一致しない。そこで、空燃比センサ２４により検出される排気空燃比A/F（実空燃比）に基づいた空燃比フィードバック制御が行われる。具体的には、空燃比センサ２４であるリニアＯ2センサの出力電圧Ｖから排気空燃比A/Fを検出する。センサの出力電圧Ｖと排気空燃比とは一対一の関係にあるから、両者の関係をまとめたテーブルを実験またはシミュレーション等を通じて作成し、このテーブルをＥＣＵ１２中のＲＯＭに格納しておく。そして、テーブルを参照して特定された排気空燃比と目標空燃比との偏差が小さくなるようなフィードバック補正を燃料噴射量に対して行う。これにより、排気空燃比を目標空燃比に収束させることができ、空燃比の制御精度を向上させることができる。
【００２１】
なお、後述する空燃比制御では、制御変数として、空燃比の代わりに当量比を用いている。ここで、当量比は空気過剰率λの逆数であり、理論空燃比（例えば14.5）／実空燃比として表される。当量比が定まれば空燃比も一義的に特定されるため、空燃比の制御変数として空燃比または当量比のどちらを用いてもよい。上述した目標空燃比に相当する目標当量比は、ドライバーの要求負荷（例えばアクセル開度θa）、エンジン回転数Ｎｅ等から特定された運転状態に基づき、テーブル参照等の手法を用いて特定される。なお、均一混合燃焼と成層燃焼とでは空燃比が大きく異なるため、当量比も燃焼形態によって大きく相違する。そのため、本形態においては、目標当量比を算出するためのテーブルが均一混合燃焼用と成層燃焼用に別個に用意されている。
【００２２】
図２は、燃焼形態の移行判定ルーチンを示したフローチャートである。ＥＣＵ１２は、この判定ルーチンを所定の実行サイクル（例えば10ms）で繰り返し実行し、燃焼形態の移行判定を行う。そして、判定結果である移行実施フラグPFMの内容に応じて、燃焼形態の移行制御が別のルーチンによって実行される。まず、ステップ１において、ＥＣＵ１２は、エンジン回転数センサ２３によって特定されたエンジン回転数Ｎｅと、アクセル開度センサ２２によって特定されたアクセル開度θa（ドライバーの要求負荷に相当）とを読み込む。
【００２３】
続くステップ２において、図１０に示した燃焼形態判定マップを参照して、エンジンの運転状態に応じた目標燃焼形態（成層燃焼または均一混合燃焼）が選択される。同図のマップからわかるように、目標燃焼形態は、低負荷低回転領域においては成層燃焼が設定され、それ以外の領域では均一混合燃焼が設定される。ここで、成層燃焼は、圧縮行程においてインジェクタ７による燃料噴射を開始するとともに点火直前に終了し、燃料噴霧の後端部を点火プラグ６で着火して混合気を燃焼させる燃焼方式である。成層燃焼は、燃料周辺の空気しか利用せず、充填空気量に対して極めて少ない燃料量で安定した燃焼を得ることができるため、エンジン低負荷低回転運転時に適している。一方、均一混合燃焼は、成層燃焼よりも早い行程（例えば排気行程終期または吸気行程）に燃料を噴射し、気筒内に噴射燃料が十分に拡散し、噴射燃料と空気とが均一に混合した後に着火する燃焼方式である。均一混合燃焼は、空気利用率が高くエンジンの出力向上を図ることができるため、高負荷高回転運転時に適している。
【００２４】
そして、ステップ３において、移行実施フラグPFMが「１」であるか否かが判定される。移行実施フラグPFMは、初期的には「０」に設定されており、「１」は燃焼形態の移行制御中であることを意味する。ステップ３において否定判定された場合（PFM＝「０」）、ステップ４に進み、現在行われている燃焼形態がステップ２において決定された目標燃焼形態と一致しているか否かが判断される。このステップ４で肯定判定された場合は、移行実施フラグPFM（＝「０」）を変更することなくリターンへ進み、今回の実行サイクルにおける本ルーチンの実行を終了する。現在行われている燃焼形態が目標燃焼形態と一致している間、ステップ１からステップ４までの一連の手順が繰り返されるため、移行実施フラグPFMは「０」のままである。したがって、その期間においては、通常の燃焼制御が継続される。
【００２５】
その後、運転状態が変化して、現在の燃焼形態がステップ２において決定された目標燃焼形態と相違した場合、ステップ４の判定結果が肯定から否定に変わるため、移行実施フラグPFMは「１」にセットされる（ステップ５）。これにより、通常の燃焼制御が一時的に中断され、燃焼形態を移行するための移行制御が指示される。移行制御の詳細については後述する。
【００２６】
ステップ５において移行実施フラグPFMが「１」にセットされた場合、それ以降の実行サイクルでは、ステップ３の判定結果が否定から肯定に変わるため、ステップ３からステップ６へ進む。このステップ６は移行制御の終了判定に関するものであり、基準当量比Φが移行後の燃焼形態における目標当量比Φaftrに到達したか否かが判断される。この移行後の目標当量比Φaftrは、移行後の燃焼形態が成層燃焼である場合、例えば0.36〜0.48（空燃比換算で30〜40）において適切に設定される。また、移行後の燃焼形態が均一混合燃焼である場合、この目標当量比Φaftrは、例えば0.81〜1.21（空燃比換算で12〜18）において適切に設定される。
【００２７】
また、基準当量比Φは、図３に示した基準当量比算出ルーチンに従って算出される。詳細については後述するが、この算出ルーチンが繰り返されることで、移行制御中においては、基準当量比Φが経時的に変化（均一混合→成層では減少、成層→均一混合では増加）していく。基準当量比Φが移行後の目標当量比Φaftrに到達（移行制御の終了を意味する）するまでの間、ステップ６の判定結果は否定であるから、移行実施フラグPFMが「１」に維持され、移行制御が継続される。そして、基準当量比Φが移行後の目標当量比Φaftrに到達すると、ステップ６の判定結果が否定から肯定に変わるため、移行実施フラグPFMは「０」にリセットされる（ステップ７）。これにより、移行制御が終了して通常制御へと復帰する。
【００２８】
移行実施フラグPFMが「１」にセットされることで（ステップ５）、現在の燃焼形態から目標燃焼形態への移行制御が開始される。この移行制御では、当量比（最終当量比Φfinal）が、燃焼形態の切り換え実行可能な範囲（例えば空燃比換算で18〜27）にあることを前提として、各気筒における燃焼形態の切り換えが順次実行される。燃焼形態の切り換え条件として基準当量比Φの範囲を設けた理由は、燃焼形態の切り換えによる空燃比の急激な変化をなるべく抑えて、トルクショックを軽減するためである。
【００２９】
図７は、エンジン１の各気筒＃１〜＃４に関する燃焼形態の切り換え順序を示した説明図である。４つの気筒＃１〜＃４の点火順序は予め設定されており、クランクシャフトの回転に伴い、気筒＃１→気筒＃３→気筒＃２→気筒＃４の順に点火すなわち燃焼が行われる。また、同図に示した○印は移行前の燃焼形態を示し、×印は移行後の燃焼形態（目標燃焼形態）を示す。各気筒の切り換えは、まず最初のサイクル（４サイクルエンジンにおいて１サイクルはエンジン２回転）における気筒＃１の燃焼時に、気筒＃１の燃焼形態が目標燃焼形態へ切り換えられる。気筒＃１の燃焼形態が切り換わるタイミングをｔ#1とする。つぎに、２番目のサイクルにおける気筒＃３の燃焼時に気筒＃３の燃焼形態が、そして、３番目のサイクルにおける気筒＃２の燃焼時に気筒＃２の燃焼形態がそれぞれ切り換えられる。各気筒＃３，＃２の燃焼形態が切り換わるタイミングをそれぞれｔ#3，ｔ#2とする。最後に、４番目のサイクルにおける気筒＃４の燃焼時に気筒＃４の燃焼形態が切り換えられ（その切り換えタイミングｔ#4）、全気筒＃１〜＃４に関する燃焼形態の切り換えが完了する。そして、上述したように、基準当量比Φが移行後の目標当量比Φaftrに到達した時点で、移行実施フラグPFMが「０」にリセットされ、移行制御が終了する（図２のステップ６，７）。
【００３０】
図７に示した切り換え順序において、各気筒＃１〜＃４に関する燃焼形態の切り換え間隔はすべて５／４サイクルとなる。このように、切り換え間隔を気筒の点火間隔（１／４サイクル）よりも長く設定することにより、ドライバーが体感し得るトルクショックの発生を効果的に低減することができる。この点を図６に示した燃焼形態の切り換え順序と対比して説明する。図６に示した切り換え順序において、各気筒＃１〜＃４の燃焼形態は、点火順序と同様の順序（間隔も同様）で切り換えられる。したがって、切り換え間隔は１／４サイクルとなり、全気筒＃１〜＃４の燃焼形態の切り換えは１サイクルの間で完了する。各気筒で発生するトルク変動自体は、後述する移行制御によってある程度低減することが可能である。しかしながら、図６に示した切り換え順序では、全気筒＃１〜＃４のトルク変動が１サイクルという短期間に集中するため、ドライバーが体感し得るトルクショックが生じやすい。これに対して、図７に示した切り換え順序では、点火間隔（１／４サイクル）よりも長い切り換え間隔（５／４サイクル）で、各気筒＃１〜＃４の燃焼形態を順次切り換えている。そして、気筒＃１で最初に切り換えを行ってから気筒＃４で最後の切り換えが完了するまでに要する期間は、１５／４サイクルとなる。したがって、切り換え間隔を広げた分だけ、換言すれば、全気筒＃１〜＃４を切り換えるのに要する期間が長くなった分だけ、各気筒＃１〜＃４のトルク変動が分散される。その結果、図６に示した切り換え順序よりも、図７に示した順序の方が、トルクショックを効果的に低減することができる。
【００３１】
つぎに、燃焼形態の具体的な移行制御について説明する。図３は基準当量比Φの算出ルーチンを示したフローチャートである。この算出ルーチンは、ＥＣＵ１２によって所定の実行サイクル（例えば10ms）で繰り返し実行される。基準当量比Φは、燃料噴射パルス幅Ｔiの制御変数である最終当量比Φfinalを算出するために用いられる。したがって、最終当量比Φfinalから算出された燃料噴射パルス幅Ｔi（インジェクタ７の燃料噴射量に相当）は、基本的には基準当量比Φに応じて変化する（ただし例外あり）。また、基準当量比Φは、図２の判定ルーチンにおいて移行終了判定を行う際にも用いられる（ステップ６）。
【００３２】
まず、ステップ１１において、移行制御フラグPFMが「１」であるか否かが判断される。移行制御フラグPFMの内容は、図２に示した判定ルーチンにより設定される。ステップ１１において否定判定された場合、すなわち、通常制御期間においては、移行前の目標当量比Φbfrが基準当量比Φとして設定される（ステップ１２）。一方、ステップ１１において肯定判定された場合、すなわち、移行実施フラグPFMが「１」の場合は、ステップ１３に進み、どちらの燃焼形態への移行であるかが判断される（均一混合燃焼→成層燃焼または成層燃焼→均一混合燃焼）。均一混合燃焼から成層燃焼へ移行する場合は、ステップ１３において肯定判定され、基準当量比Φの減算処理が行われる（ステップ１４）。すなわち、現在の基準当量比Φから所定の制御定数αを減算した値が新たな基準当量比Φとしてセットされる。一方、成層燃焼から均一混合燃焼への移行する場合は、ステップ１３において否定判定され、基準当量比Φの加算処理が行われる（ステップ１５）。すなわち、現在の基準当量比Φに所定の制御定数βを加算した値が新たな基準当量比Φとしてセットされる。そして、移行判定ルーチンにより移行実施フラグPFMが再び「０」にリセットされると（移行制御の終了）、ステップ１１の判定結果が肯定から否定に変わるため、基準当量比Φは、移行後の目標当量比Φaftrにセットされる（ステップ１２）。
【００３３】
以上の説明からわかるように、図３に示した算出ルーチンが繰り返されることによって、均一混合燃焼から成層燃焼への移行時において、基準当量比Φは均一混合燃焼の目標当量比Φbfrから徐々に減少していく（空燃比は大きくなっていく）。また、成層燃焼から均一混合燃焼への移行時において、基準当量比Φは成層燃焼の目標当量比Φbfrから徐々に増加していく（空燃比は小さくなっていく）。
【００３４】
図４は、燃料噴射パルス幅Tiの算出ルーチンを示したフローチャートである。この算出ルーチンは、ＥＣＵ１２によって所定の実行サイクル（例えば10ms）で繰り返し実行される。なお、この算出ルーチンは、各気筒＃１〜＃４で別個に実行される点に留意されたい。その結果、気筒毎に最終当量比Φfinal(#1)〜Φfinal(#4)が算出され、燃料噴射パルス幅Ｔiも気筒毎に算出される。
【００３５】
まず、ステップ２１において、移行実施フラグPFMが「１」であるか否かが算出される。通常制御時においてはステップ２１での否定判定からステップ２２に進み、基準当量比Φが最終当量比Φfinalとしてセットされる。基準当量比Φは、図３に示した算出ルーチンに基づいて算出される。
【００３６】
一方、ステップ２１において肯定判定され場合は、ステップ２３に進み、切り換えの実行対象となっている気筒＃１〜＃４（対象気筒）に関する現在の燃焼形態が判断される。燃焼形態の切り換えは、上述したように、気筒＃１（タイミングｔ#1）→気筒＃３（タイミングｔ#3）→気筒＃２（タイミングｔ#2）→気筒＃４（タイミングｔ#4）の順序で実行され、各気筒の切り換え間隔は５／４サイクルである。したがって、気筒＃１の切り換えタイミングｔ#1から気筒＃４の切り換えタイミングｔ#4までの期間の一部（ｔ#1〜ｔ#4）では、燃焼形態が気筒＃１〜＃４によって相違している点に留意されたい。
【００３７】
ステップ２３において否定判定された場合、すなわち、対象気筒で均一混合燃焼が行われている場合は、ステップ２５に進み、基準当量比Φが第１のしきい値Φlim1よりも大きいか否かが判断される。この第１のしきい値Φlim1は、均一混合燃焼を行い得る空燃比の上限値（均一リーン限界空燃比）に基づいて適切に設定された値である。例えば、均一リーン限界空燃比を20とした場合、この空燃比相当の当量比は約0.73（均一リーン限界当量比）となる。つまり、0.73より小さい当量比では、混合気が希薄すぎて適切な均一混合燃焼を行うことができない。そこで、均一リーン限界当量比に所定のマージンMRGを加算した値を第１のしきい値Φlim1として設定する。そして、システム制御上、この第１のしきい値Φlim1よりも小さい当量比では均一混合燃焼を実行不可なものとして取り扱う。
【００３８】
ステップ２５において肯定判定された場合、すなわち、基準当量比Φが第１のしきい値Φlim1よりも大きい場合は、ステップ２７に進み、最終当量比Φfinalに基準当量比Φの値がセットされる。すなわち、基準当量比Φが均一混合燃焼を実行可能な範囲にある場合、燃料噴射パルス幅Ｔiの制御変数である最終当量比Φfinalとして、基準当量比Φの値がそのまま用いられる。一方、基準当量比Φが第１のしきい値Φlim1以下である場合は、ステップ２５からステップ２８に進み、最終当量比Φfinalに第１のしきい値Φlim1の値がセットされる。すなわち、基準当量比Φが均一混合燃焼を実行できない程小さい場合、最終当量比Φfinalは、その燃焼形態を維持しうるリーン側の限界値である第１のしきい値Φlim1にホールドされる。
【００３９】
また、ステップ２３において肯定判定された場合、すなわち、対象気筒で成層燃焼が行われている場合は、ステップ２４に進み、基準当量比Φが第２のしきい値Φlim2よりも小さいか否かが判断される。この第２のしきい値Φlim2は、成層燃焼を行い得る空燃比の下限値（成層リッチ限界空燃比）に基づいて適切に設定された値である。例えば、成層リッチ限界空燃比を25とした場合、この空燃比相当の当量比は0.58（成層リッチ限界当量比）となる。つまり、0.58より大きい当量比では、空燃比が小さすぎて適切な成層燃焼を行うことができない。そこで、成層リッチ限界当量比から所定のマージンMRGを減算した値を第２のしきい値Φlim2として設定する。そして、システム制御上、この第２のしきい値Φlim2よりも大きい当量比では成層燃焼を実行不可なものとして取り扱う。
【００４０】
なお、第１のしきい値Φlim1と第２のしきい値Φlim2は、トルク変動の抑制と燃焼の安定性との双方を考慮した上で設定される。後述するように、燃焼形態が切り換わると、最終当量比Φfinalは、第１のしきい値Φlim1と第２のしきい値Φlim2との間でステップ的に切り換わるため、その間で空燃比は急激に変化する。したがって、空燃比変化に伴うトルク変動の抑制に主眼を置くならば、２つのしきい値の変化量｜Φlim1−Φlim2｜を極力小さく、すなわちマージンMRGを極力小さくことが好ましい。しかしながら、マージンMRGをあまり小さくしすぎると、燃焼制御の精度との関係で、各燃焼形態での実空燃比が成層リッチ／均一リーン限界空燃比を割り込んでしまう可能性がある。そこで、これらのしきい値Φlim1，Φlim2は、燃焼の安定性とトルク変動の抑制の双方を適切に満足するような値に設定するべきである。
【００４１】
ステップ２４において肯定判定された場合、すなわち、基準当量比Φが第２のしきい値Φlim2よりも小さい場合は、最終当量比Φfinalに基準当量比Φの値がセットされる（ステップ２７）。すなわち、基準当量比Φが成層燃焼を実行可能な範囲にある場合は、燃料噴射パルス幅Ｔiの制御変数である最終当量比Φfinalとして、基準当量比Φの値がそのまま用いられる。一方、基準当量比Φが第２のしきい値Φlim2以上である場合は、最終当量比Φfinalに第２のしきい値Φlim2の値がセットされる（ステップ２６）。すなわち、基準当量比Φが成層燃焼を実行できない程大きい場合、最終当量比Φfinalは、その燃焼形態を維持しうるリッチ側の限界値である第２のしきい値Φlim2にホールドされる。
【００４２】
ステップ２２，２６，２７，２８において最終当量比Φfinalが算出されると、続くステップ２９において、基本燃料噴射パルス幅Ｔpが算出される。基本燃料噴射パルス幅Ｔpは、エンジン回転数センサ２３および吸入空気量センサ２０からそれぞれ特定されたエンジン回転数Ｎｅと吸入空気量Ｑとに基づき、下式に従って算出される。なお、同数式において、Ｋはインジェクタ特性補正係数である（気筒＃１〜＃４毎に個別に設定）。
【数１】
Ｔp＝Ｋ×Ｑ／Ｎｅ
【００４３】
そして、上述のステップにおいて算出された最終当量比Φfinal、ステップ２９において算出された基本燃料噴射パルス幅Ｔp等に基づき、下式より燃料噴射パルス幅Ｔiが算出される（ステップ３０）。
【数２】
Ｔi＝Ｔp×Φfinal×LAMBDA＋Ｔs
【００４４】
ここで、LAMBDAは空燃比フィードバック補正係数であり、この補正係数を適切に設定することによって、空燃比センサ２４から算出された排気当量比Φex（実当量比）が目標当量比Φbfrに収束するように制御される。また、Ｔsはバッテリー電圧によって定まる無効噴射パルス幅である。
【００４５】
そして、ステップ３０において算出された燃料噴射パルス幅Ｔiが対象気筒のインジェクタ７に対して出力される（ステップ３１）。それに応じて、インジェクタ７から、燃料噴射パルス幅Ｔi相当の燃料量が筒内に直接噴射される。以上のような燃料噴射制御を行うことにより、移行制御時も含めて排気当量比Φex（排気空燃比A/F）が目標当量比（目標空燃比）と一致するような制御が行われる。
【００４６】
つぎに、均一混合燃焼から成層燃焼へ移行するケースを例に、具体的な移行制御について説明する。図５は、この移行制御におけるタイミングチャートである。タイミングｔ0で、図２に示した移行判定ルーチンにより移行実施フラグPFMが「１」に切り換わり、移行制御が開始される。スロットル開度θtは、現在のスロットル開度θbfrから成層燃焼の目標スロットル開度θaftr（θbfr＜θaftr）へ向けて変化するため、これと一次遅れの関係で吸入空気量Ｑも増大していく。また、タイミングｔ0から移行制御の終了時であるタイミングｔ1までの間は、図３に示した基準当量比算出ルーチンに従い基準当量比Φは徐々に減少していく（ステップ１１，１３，１４）。そして、基準当量比Φが第１のしきい値Φlim1に到達するまでは、全気筒＃１〜＃４の最終当量比Φfinal(#1)〜Φfinal(#4)も同様に減少し、それに応じた燃料が各気筒のインジェクタ７から噴射される（ステップ２１，２３，２５，２７，２９〜３１）。吸入空気量Ｑの増大に伴い、上記の数式１に示した基本燃料噴射パルス幅Ｔpは増大していくが、最終当量比Φfinalは逆に減少していく。そのため、数式２に示した燃料噴射パルス幅Ｔpはほぼ一定（またはやや増加する傾向）となる。したがって、実空燃比は成層燃焼の空燃比へ向けて緩やかに増加していく。
【００４７】
タイミングｔ#1は、燃焼形態の切り換えを実行可能な状態（空燃比が18〜27）における、最初の切り換え対象気筒＃１の点火タイミングである。このタイミングｔ#1で、気筒＃１の燃焼形態が成層燃焼へと切り換わり、その最終当量比Φfinal(#1)は、基準当量比Φ（Φ＞Φlim1ならばΦlim1）から第２のしきい値Φlim2へステップ的に変化する。なぜなら、切り換えタイミングｔ#1で、ステップ２３の判定結果が否定から肯定に変わることで、最終当量比Φfinal(#1)の算出手順がステップ２７（または２８）からステップ２６へと変わるからである。そして、それ以降、気筒＃１の最終当量比Φfinal(#1)は、基準当量比Φが第２のしきい値Φlim2に到達するまで（タイミングｔ2）、第２のしきい値Φlim2にホールドされる（ステップ２６）。一方、気筒＃１以外の気筒＃２〜＃４については、タイミングｔ#1後も均一混合燃焼が継続される。したがって、基準当量比Φが第１のしきい値Φlim1に到達後は、気筒＃２〜＃４の最終当量比Φfinal(#2)〜Φfinal(#4)は、第１のしきい値Φlim1にホールドされる（ステップ２８）。
【００４８】
タイミングｔ#1後のタイミングｔ#3は、２番目の切り換え対象気筒＃３の点火タイミングである。タイミングｔ#3までは、気筒＃３の最終当量比Φfinal(#3)は、第１のしきい値Φlim1にホールドされている（ステップ２８）。そして、このタイミングｔ#3で、気筒＃３の燃焼形態が成層燃焼へと切り換わり、その最終当量比Φfinal(#3)は、ステップ２８でセットされていた第１のしきい値Φlim1からステップ２６でセットされる第２のしきい値Φlim2へとステップ的に変化する。そして、それ以降、気筒＃３の最終当量比Φfinal(#3)は、タイミングｔ2まで第２のしきい値Φlim2にホールドされる（ステップ２６）。一方、気筒＃２，＃４については、タイミングｔ#3後も均一混合燃焼が継続される。したがって、気筒＃２，＃４の最終当量比Φfinal(#2)，Φfinal(#4)は、第１のしきい値Φlim1にホールドされる（ステップ２８）。
【００４９】
３番目の対象気筒である気筒＃２の点火タイミングｔ#2までは、気筒＃２の最終当量比Φfinal(#2)は、第１のしきい値Φlim1にホールドされている（ステップ２８）。そして、このタイミングｔ#2で、気筒＃２の燃焼形態が成層燃焼へと切り換わり、その最終当量比Φfinal(#2)は、第１のしきい値Φlim1から第２のしきい値Φlim2へとステップ的に変化する。そして、気筒＃１，＃３の場合と同様に、気筒＃２の最終当量比Φfinal(#2)は第２のしきい値Φlim2にホールドされる（ステップ２６）。一方、気筒＃４については、タイミングｔ#2後も均一混合燃焼が継続される。したがって、気筒＃４の最終当量比Φfinal(#4)は、第１のしきい値Φlim1にホールドされる（ステップ２８）。
【００５０】
最後の対象気筒である気筒＃４の点火タイミングｔ#4までは、気筒＃４の最終当量比Φfinal(#4)は、第１のしきい値Φlim1にホールドされている（ステップ２８）。このタイミングｔ#4において、気筒＃４の最終当量比Φfinal(#4)は、第２のしきい値Φlim2へとステップ的に変化し、第２のしきい値Φlim2にホールドされる（ステップ２６）。これにより全気筒＃１〜＃４の燃焼形態の切り換えが完了する。
【００５１】
そして、タイミングｔ2において基準当量比Φが第２のしきい値Φlim2に到達すると、ステップ２４の判定結果が否定から肯定へと変化する。これにより、各気筒の最終当量比Φfinal(#1)〜Φfinal(#4)の算出手順は、ステップ２６からステップ２７へと変わる。タイミングｔ2以降、最終当量比Φfinal(#1)〜Φfinal(#4)は基準当量比Φとともに減少していく。そして、基準当量比Φが移行後の目標当量比Φaftrに到達した時点（タイミングｔ1）で、移行実施フラグPFMが「０」にリセットされ、移行制御が終了する。
【００５２】
このように、本実施例では、燃焼形態の移行制御時において、１サイクルよりも長い期間をかけて、４つの気筒＃１〜＃４の燃焼形態の切り換えを順次行っている。すなわち、点火順序における隣接気筒間の点火間隔（１／４サイクル）よりも長い切り換え間隔（５／４サイクル）で、各気筒の燃焼形態の切り換えを行っている。したがって、切り換え間隔を広げた分だけ、換言すれば、全気筒の切り換えに要する期間が長くなった分だけ、各気筒のトルク変動が分散されるため、トルクショックを低減することが可能となる。また、移行制御時において、各気筒の燃料噴射量を制御することにより、個々の気筒で生じるトルク変動を極力抑制している。すなわち、燃焼形態の切り換えの前後で最終当量比Φfinalのステップ的な変化がなるべく小さくなるように第１，第２のしきい値Φlim1，Φlim2を設定している。これにより、トルクショックを一層効果的に低減することができ、筒内噴射エンジンのドライバビリティの一層の向上を図ることができる。
【００５３】
なお、上記の実施例では、トルクショックを抑制できる反面、移行制御期間は長くなる。その結果、運転状態によっては加速ラグがドライバーに体感される可能性があり、ドライバビリティの低下を招くおそれがある。そこで、以下のような手法により、アクセル開度θa等に基づいて特定された運転領域の変化速度の大小に応じて、移行制御の手法を選択的に実行することが好ましい。
【００５４】
図１１は、燃焼形態移行モード判定ルーチンを示したフローチャートである。まず、ステップ４１において、アクセル開度センサ２２から検出されたアクセル開度θaが読み込まれる。つぎに、ステップ４２において、運転領域の変化速度の大小を判断するために、アクセル開度変化速度Δθa/Δtが算出される。これは所定時間当たりのアクセル開度θaの変化量として算出することができる。
【００５５】
そして、ステップ４３において、アクセル開度変化速度Δθa/Δtが所定の判定しきい値ＴＨよりも大きいか否かが判断される。このステップ４３において肯定判定された場合（Δθa/Δt＞ＴＨ）、すなわち、運転領域の変化速度が大きい場合は、ステップ４４に進み、通常移行制御が指示される。この場合、図６に示した切り換え順序によって移行制御が行われる。上述したように、この切り換え順序では、各気筒＃１〜＃４のトルク変動が１サイクルという短期間に集中するため、ドライバーが体感し得るトルクショックが生じるやすい。しかしながら、このような運転状態では、迅速に燃焼形態を移行させる必要があり、また、ドライバーの要求トルクの変動自体も大きい（ドライバー自身もある程度のトルクショックを予想している）。したがって、燃焼形態の移行に伴うトルクショックの問題をあまり考慮する必要はない。
【００５６】
一方、ステップ４３において否定判定された場合（Δθa/Δt≦ＴＨ）、すなわち、運転領域の変化速度が小さい場合は、ステップ４５に進み、トルクショック緩和移行制御が指示される。この場合、図７に示した切り換え順序によって移行制御が行われる。上述したように、この切り換え順序では、各気筒＃１〜＃４のトルク変動が数サイクルに渡って分散されるので、トルクショックを低減することができる。したがって、一定車速で走行中の場合等、ドライバーがトルクショックを敏感に感じやすい運転状態においては、トルクショック緩和移行制御を行うことが好ましい。
【００５７】
なお、運転状態の変化速度は、アクセル開度θaの代わりにエンジン回転数Ｎｅ（或いは、両センサ出力θa，Ｎｅを併用してもよい）を用いて特定することも可能である。この場合、エンジン回転数Ｎｅが所定のしきい値よりも大きい場合は、運転領域の変化速度が大きいと判断し、しきい値以下の場合は、その変化速度が小さいと判断する。
【００５８】
また、各気筒＃１〜＃４の燃焼形態の切り換え順序は、上記実施例で述べた手法に限定されるものではない。本発明は、以下の変形例も含めた様々な手法に広く適用することが可能である。
【００５９】
図８は、燃焼形態の切り換え順序の変形例を示した説明図である。まず最初のサイクルにおける気筒＃１の燃焼時に、気筒＃１の燃焼形態が目標燃焼形態へ切り換えられる。また、これと同じサイクルにおける気筒＃４の燃焼時に、気筒＃４の燃焼形態が切り換えられる。燃焼形態の切り換え順で隣接した気筒＃１，＃４間の切り換え間隔は３／４サイクルとなる。そして、それに続く２番目のサイクルにおける気筒＃２の燃焼時に気筒＃２の燃焼形態が切り換えられる（隣接気筒＃４，＃２間の間隔も３／４サイクル）。最後に、３番目のサイクルにおける気筒＃３の燃焼時に気筒＃３の燃焼形態が切り換えられ（隣接気筒＃２，＃３間の間隔も３／４サイクル）、全気筒＃１〜＃４に関する燃焼形態の切り換えが完了する。
【００６０】
上述した例では、気筒＃１→気筒＃４→気筒＃２→気筒＃３の順序で燃焼形態の切り換えを行っており、隣接気筒間の切り換え間隔は、図７に示した順序における切り換え間隔（５／４サイクル）よりも短い３／４サイクルとなる。したがって、全気筒＃１〜＃４の切り換えに要する期間を、図７のケースよりも短縮することができる。
【００６１】
図９は、燃焼形態の切り換え順序の他の変形例を示した説明図である。まず最初のサイクルにおける気筒＃１の燃焼時に、気筒＃１の燃焼形態が目標燃焼形態へ切り換えられる。また、これと同じサイクルにおける気筒＃２の燃焼時に、気筒＃２の燃焼形態が切り換えられる。隣接気筒＃１，＃２間の切り換え間隔は１／２サイクルである。そして、それに続く２番目のサイクルにおける気筒＃３の燃焼時に気筒＃３の燃焼形態が切り換えられる（隣接気筒＃２，＃３間の切り換え間隔は３／４サイクル）。最後に、２番目のサイクルにおける気筒＃４の燃焼時に気筒＃４の燃焼形態が切り換えられ（隣接気筒＃３，＃４間の間隔は１／２サイクル）、全気筒＃１〜＃４に関する燃焼形態の切り換えが完了する。
【００６２】
上述した例では、気筒＃１→気筒＃２→気筒＃３→気筒＃４の順序で燃焼形態の切り換えを行っている。また、隣接気筒間の切り換え間隔を気筒によって変えている（１／２サイクルまたは３／４サイクル）。このように気筒毎に切り換え間隔を変えることで、燃焼形態の移行制御に要する期間を、図８のケースよりもさらに短縮することができる。
【００６３】
なお、以上の説明は四気筒エンジンに関するものであるが、それ以上の気筒を有する筒内噴射エンジン（六気筒エンジンや八気筒エンジン等）についても適用することができるのは当然である。例えば、六気筒エンジンに適用する場合、気筒間の点火間隔は１／６サイクルになるので、各気筒の切り換え間隔を、１／６サイクルよりも長く設定すればよい（例えば７／６サイクル間隔）。
【００６４】
【発明の効果】
このように本発明によれば、成層燃焼と均一混合燃焼との間で燃焼形態を移行させる場合において、切り換え順序で隣接した気筒間の切り換え間隔を、気筒間の点火間隔よりも長く設定している。したがって、各気筒で生じるトルク変動が分散されるため、ドライバーが体感し得るトルクショックを効果的に抑制することができる。その結果、筒内噴射エンジンのドライバビリティの一層の向上を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】筒内噴射エンジンの全体構成図
【図２】燃焼形態の移行判定ルーチンを示したフローチャート
【図３】基準当量比の算出ルーチンを示したフローチャート
【図４】燃料噴射パルス幅の算出ルーチンを示したフローチャート
【図５】均一混合燃焼から成層燃焼へ移行するケースにおけるタイミングチャート
【図６】通常移行制御における燃焼形態の切り換え順序を示した説明図
【図７】トルクショック緩和移行制御における燃焼形態の切り換え順序を示した説明図
【図８】燃焼形態の切り換え順序の変形例を示した説明図
【図９】燃焼形態の切り換え順序の他の変形例を示した説明図
【図１０】燃焼形態判定マップを示した図
【図１１】燃焼形態移行モード判定ルーチンを示したフローチャート
【符号の説明】
１ 筒内噴射エンジン、 ２ 吸気バルブ、
３ インテークマニホールド、 ４ 排気バルブ、
５ エギゾーストマニホールド、 ６ 点火プラグ、
７ インジェクタ、 ８ エアクリーナ、
９ エアチャンバ、 １０ 電動スロットルバルブ、
１１ 電動モータ、 １２ 制御装置（ＥＣＵ）、
１３ 三元触媒コンバータ、 １４ ＮＯx吸蔵触媒コンバータ、
１５ マフラー、 １６ 排気還流通路、
１７ 排気再循環（ＥＧＲ）バルブ、１８ アクセルペダル、
２０ 吸入空気量センサ、 ２１ スロットル開度センサ、
２２ アクセル開度センサ、 ２３ エンジン回転数センサ、
２４ 空燃比センサ
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼室内に直接噴射された燃料により燃焼を行う筒内噴射エンジンの制御装置に係り、特に、成層燃焼と均一混合燃焼との間における燃焼形態の切り換え制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、燃費の向上を図るために、インジェクタを燃焼室に設け、燃料を筒内に直接噴射する筒内噴射エンジンが提案されている。一般に、筒内噴射エンジン（直噴エンジンともいう）では、エンジンの運転状態に応じて、燃費を重視した成層燃焼または出力を重視した均一混合燃焼のいずれかの燃焼形態が選択的に実行される。周知のとおり、成層燃焼における空燃比と均一混合燃焼における空燃比とは大きく相違している。そのため、一方の燃焼形態から他方の燃焼形態へ切り換える際に空燃比の変動に伴いトルクショックが発生し、筒内噴射エンジンのドライバビリティの悪化を招くといった問題がある。
【０００３】
このようなトルクショックを低減するために、例えば特開平９−１５１７７１号公報には、直噴エンジンにおける燃焼形態の切り換えに際して、中間的な燃焼制御を過渡的に行う技術が開示されている。この中間的制御では、成層燃焼の場合と同様に圧縮行程で燃料噴射を行い、空燃比Ａ／Ｆが、成層燃焼の空燃比（Ａ／Ｆ＝30〜40）よりも濃く、均質燃焼（均一混合燃焼）の空燃比（Ａ／Ｆ＝12〜22）よりも薄い値（Ａ／Ｆ＝22〜30）になるように設定する。そして、均質燃焼と中間的制御との間では、排気ガス中のＨＣ濃度の増大を抑制するために燃料噴射量をステップ的に変化させている。また、成層燃焼と中間的制御との間では、トルク変動を滑らかにするために燃料噴射量を徐々に変化させている。
【０００４】
しかしながら、この公報には、中間的制御における各気筒の切り換え順序や切り換え間隔については、まったく言及されていない。そのため、例えば、各気筒の燃焼形態の切り換えを点火順序と同様の順序で行った場合、気筒毎に生じるトルク変動（中間的制御を行ったとしてもある程度は発生する）が短い間（１サイクル）に集中する。その結果、ドライバーが体感し得る程のトルクショックが生じる可能性がある。
【０００５】
一方、特開平１０−１８４４３０号公報には、リーン空燃比での運転とリッチ空燃比での運転とを選択的に実行するリーンバーンエンジンにおいて、リッチスパイク実行時に生じるトルクショックを抑制する技術が開示されている。このリッチスパイクとは、リーン運転時に発生したＮＯxを三元触媒中に吸蔵し、所定の蓄積量に達したときに、リーン運転からリッチ運転に一時的に移行することをいう。リーン運転とリッチ運転との間の移行制御時において、気筒毎の運転状態の切り換えは、エンジン２回転（１サイクル）以上の切り換え間隔で順次実行される。これにより、気筒間の切り換え間隔を長くした分だけ各気筒で生じるトルク変動が分散され、トルクショックを効果的に低減することができる。
【０００６】
しかしながら、この公報に開示された技術は、インジェクタがインテークマニホールド内に設けられたＭＰＩ（Multi-point Injection）方式に関するものであり、筒内噴射エンジンに関するものではない。換言すれば、この公報に開示された技術は、均一混合燃焼という一つの燃焼形態においてリーン運転とリッチ運転とを切り換えるものであり、成層燃焼と均一混合燃焼といった異なる燃焼形態の切り換えに関するものではない。周知のように、成層燃焼は、燃焼室内に混合気の濃い部分（点火プラグ近傍）と薄い部分とを作り、着火しやすい濃い部分に点火して全体に燃焼を広げる燃焼方式である。このような層状混合気は、燃焼室内に設けられたインジェクタで燃焼室に燃料を直接噴射する筒内噴射エンジンでは形成可能であるが、燃焼室外に設けられたインジェクタによってそのような成層状態を形成することはできない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
筒内噴射エンジンのドライバビリティの向上を図るためには、異なる燃焼形態への移行時に生じるトルクショックを一層高いレベルで抑制する必要がある。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、異なる燃焼形態の切り換えを行う際におけるトルクショックの発生を効果的に低減することができる筒内噴射エンジンの制御装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決するために、第１の発明は、燃焼室内に燃料を直接噴射するインジェクタを有し、運転状態に応じて成層燃焼または均一混合燃焼を選択的に行う筒内噴射エンジンの制御装置において、成層燃焼と均一混合燃焼との間で燃焼形態を移行させるか否かを判定する判定手段と、判定手段によって燃焼形態を移行させると判定された場合、燃焼形態を気筒毎に順次切り換える移行制御を行う制御手段とを有する。この制御手段は、移行制御時において、１サイクルよりも長い期間をかけて、すべての気筒の燃焼形態の切り換えを行う。また、制御手段は、一気筒の燃焼形態を切り換える場合、均一混合燃焼における空燃比と当該空燃比よりもリーン側に設定された第１のしきい値との間では空燃比を徐々に変化させ、成層燃焼における空燃比と当該空燃比よりもリッチ側に設定された第２のしきい値との間では空燃比を徐々に変化させ、かつ、第１のしきい値と第２のしきい値との間では、空燃比をステップ的に変化させる制御を行う。
【００１０】
また、第２の発明は、燃焼室内に燃料を直接噴射するインジェクタを有し、運転状態に応じて成層燃焼または均一混合燃焼を選択的に行う筒内噴射エンジンの制御装置において、成層燃焼と均一混合燃焼との間で燃焼形態を移行させるか否かを判定する判定手段と、判定手段によって燃焼形態を移行させると判定された場合、燃焼形態を気筒毎に順次切り換える移行制御を行う制御手段とを有する。この制御手段は、移行制御時において、気筒間の点火間隔よりも長い切り換え間隔で、各気筒の燃焼形態の切り換えを行う。また、制御手段は、一気筒の燃焼形態を切り換える場合、均一混合燃焼における空燃比と当該空燃比よりもリーン側に設定された第１のしきい値との間では空燃比を徐々に変化させ、成層燃焼における空燃比と当該空燃比よりもリッチ側に設定された第２のしきい値との間では空燃比を徐々に変化させ、かつ、第１のしきい値と第２のしきい値との間では、空燃比をステップ的に変化させる制御を行う。
【００１１】
ここで、第２の発明において、気筒によって切り換え間隔を相違させてもよい。四気筒の筒内噴射エンジンの場合、切り換え間隔を１／４サイクルよりも長い間隔、例えば、５／４サイクルまたは３／４サイクルに設定することが望ましい。
【００１３】
さらに、上記の構成において、エンジン回転数またはアクセル開度の少なくとも一方に基づいて、運転領域の変化速度を検出する検出手段を設けてもよい。制御手段は、検出手段により検出された運転領域の変化速度が判定しきい値以下である場合に、移行制御を実行する。
【００１４】
さらに、上記の構成に、インジェクタの燃料噴射量を制御する燃料噴射制御手段を追加してもよい。この場合、燃料噴射制御手段は、成層燃焼時においては、圧縮行程で燃料噴射を開始するとともに点火直前に燃料噴射を終了する。そして、均一混合燃焼時においては、成層燃焼よりも早い行程で燃料噴射を開始する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、一例である四気筒の水平対向筒内噴射エンジンの全体構成図である。この筒内噴射エンジン１の気筒＃１〜＃４のうち、気筒＃１，＃３は左バンクに配置され、気筒＃２，＃４は右バンクに配置されている。このエンジン１の各吸気ポートには吸気バルブ２が設けられているとともに、これらの吸気ポートはインテークマニホールド３に連通している。一方、エンジン１の各排気ポートには排気バルブ４が設けられているとともに、これらの排気ポートはエギゾーストマニホールド５に連通している。また、シリンダヘッドにおいて各気筒＃１〜＃４の燃焼室の中央には、混合気を着火する点火プラグ６が設けられている。そして、各燃焼室における吸気バルブ２の近傍には、燃焼室内に燃料（ガソリン）を直接噴射するインジェクタ７が設けられている。筒内噴射エンジン１は、燃焼特性上の要求から燃料噴霧を微細化する必要があるため、インジェクタ７には高圧化された燃料が供給される。
【００１６】
吸気通路に設けられたエアクリーナ８は、インテークマニホールド３に連通したエアチャンバ９に接続されている。エアクリーナ８とエアチャンバ９との間には、吸入空気量を調整する電動スロットルバルブ１０が介装されている。このスロットルバルブ１０は、電動モータ１１によって動作し、アクセルペダル１８と機械的にリンクした構造とはなっていない。スロットルバルブ１０の開度（スロットル開度）は、マイクロコンピュータを中心として構成される制御装置１２（以下、「ＥＣＵ」という）からの出力信号によって設定される。
【００１７】
一方、エギゾーストマニホールド５は、排気通路を介して三元触媒コンバータ１３と連通しているとともに、その下流にはＮＯx吸蔵触媒コンバータ１４が設けられている。そして、これらの触媒コンバータ１３，１４を介して浄化された排気ガスがマフラー１５を経て排出される。
【００１８】
また、エギゾーストマニホールド５とエアチャンバ９との間には、排気還流通路１６が設けられている。この排気還流通路１６には、吸気通路へ還流させる排気量を調整する排気再循環バルブ１７（以下、「ＥＧＲバルブ」という）が介装されている。ＥＧＲバルブ１７は、内蔵されたステッパーモータによって駆動し、ＥＣＵ１２からの出力信号によってその開度が設定される。ＥＧＲバルブ１７の開度（ＥＧＲ開度）を調整することで、燃焼に寄与しない不活性ガスを吸気通路内を流れる吸気中に適切に混入する。それにより、燃焼温度を低下させ、排気ガス中に含まれるＮＯxの排出量を減少させることができる。
【００１９】
ＥＣＵ１２は、ＲＯＭに格納された制御プログラムに従って燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期、スロットル開度およびＥＧＲ開度等に関する演算を行う。そして、算出された制御量に対応する制御信号を各種アクチュエータに対して出力する。ＥＣＵ１２には、運転状態を検出するために、センサ２０〜２４を含む各種センサからのセンサ信号が入力されている。吸入空気量センサ２０は、エアクリーナ８の直下流に設けられており、吸入空気量Ｑを検出するホットワイヤ式またはホットフィルム式のセンサである。スロットル開度センサ２１は、スロットル開度θtを検出するセンサである。アクセル開度センサ２２は、ポテンショメータ等で構成されており、ドライバの要求負荷を表すアクセルペダル１８の踏み込み量（アクセル開度θa）を検出するセンサである。エンジン回転数センサ２３は、エンジン回転数Ｎｅを検出するセンサであり、エンジン１のクランクシャフトと一体的に回転するクランクロータの外周近傍に配置されたクランク角センサを用いることができる。空燃比センサ２４は、三元触媒コンバータ１３の直上流に設けられており、排気通路を流れる排気ガスから排気空燃比A/F（排気当量比Φexと等価）を検出するためのセンサである。空燃比センサ２４としては、例えばリニアＯ2センサを用いることができる。
【００２０】
インジェクタ７による燃料噴射量は、基本的には、運転状態に応じた目標空燃比に相当する燃焼が行われるような値に設定される（空燃比制御）。この目標空燃比は、燃焼形態に応じた値に設定され、例えば、通常の成層燃焼では30から40までの範囲内、通常の均一混合燃焼では12から18までの範囲内において適切に設定される。しかしながら、外乱的な要因が加わると、排気空燃比A/F（実空燃比）は目標空燃比と一致しない。そこで、空燃比センサ２４により検出される排気空燃比A/F（実空燃比）に基づいた空燃比フィードバック制御が行われる。具体的には、空燃比センサ２４であるリニアＯ2センサの出力電圧Ｖから排気空燃比A/Fを検出する。センサの出力電圧Ｖと排気空燃比とは一対一の関係にあるから、両者の関係をまとめたテーブルを実験またはシミュレーション等を通じて作成し、このテーブルをＥＣＵ１２中のＲＯＭに格納しておく。そして、テーブルを参照して特定された排気空燃比と目標空燃比との偏差が小さくなるようなフィードバック補正を燃料噴射量に対して行う。これにより、排気空燃比を目標空燃比に収束させることができ、空燃比の制御精度を向上させることができる。
【００２１】
なお、後述する空燃比制御では、制御変数として、空燃比の代わりに当量比を用いている。ここで、当量比は空気過剰率λの逆数であり、理論空燃比（例えば14.5）／実空燃比として表される。当量比が定まれば空燃比も一義的に特定されるため、空燃比の制御変数として空燃比または当量比のどちらを用いてもよい。上述した目標空燃比に相当する目標当量比は、ドライバーの要求負荷（例えばアクセル開度θa）、エンジン回転数Ｎｅ等から特定された運転状態に基づき、テーブル参照等の手法を用いて特定される。なお、均一混合燃焼と成層燃焼とでは空燃比が大きく異なるため、当量比も燃焼形態によって大きく相違する。そのため、本形態においては、目標当量比を算出するためのテーブルが均一混合燃焼用と成層燃焼用に別個に用意されている。
【００２２】
図２は、燃焼形態の移行判定ルーチンを示したフローチャートである。ＥＣＵ１２は、この判定ルーチンを所定の実行サイクル（例えば10ms）で繰り返し実行し、燃焼形態の移行判定を行う。そして、判定結果である移行実施フラグPFMの内容に応じて、燃焼形態の移行制御が別のルーチンによって実行される。まず、ステップ１において、ＥＣＵ１２は、エンジン回転数センサ２３によって特定されたエンジン回転数Ｎｅと、アクセル開度センサ２２によって特定されたアクセル開度θa（ドライバーの要求負荷に相当）とを読み込む。
【００２３】
続くステップ２において、図１０に示した燃焼形態判定マップを参照して、エンジンの運転状態に応じた目標燃焼形態（成層燃焼または均一混合燃焼）が選択される。同図のマップからわかるように、目標燃焼形態は、低負荷低回転領域においては成層燃焼が設定され、それ以外の領域では均一混合燃焼が設定される。ここで、成層燃焼は、圧縮行程においてインジェクタ７による燃料噴射を開始するとともに点火直前に終了し、燃料噴霧の後端部を点火プラグ６で着火して混合気を燃焼させる燃焼方式である。成層燃焼は、燃料周辺の空気しか利用せず、充填空気量に対して極めて少ない燃料量で安定した燃焼を得ることができるため、エンジン低負荷低回転運転時に適している。一方、均一混合燃焼は、成層燃焼よりも早い行程（例えば排気行程終期または吸気行程）に燃料を噴射し、気筒内に噴射燃料が十分に拡散し、噴射燃料と空気とが均一に混合した後に着火する燃焼方式である。均一混合燃焼は、空気利用率が高くエンジンの出力向上を図ることができるため、高負荷高回転運転時に適している。
【００２４】
そして、ステップ３において、移行実施フラグPFMが「１」であるか否かが判定される。移行実施フラグPFMは、初期的には「０」に設定されており、「１」は燃焼形態の移行制御中であることを意味する。ステップ３において否定判定された場合（PFM＝「０」）、ステップ４に進み、現在行われている燃焼形態がステップ２において決定された目標燃焼形態と一致しているか否かが判断される。このステップ４で肯定判定された場合は、移行実施フラグPFM（＝「０」）を変更することなくリターンへ進み、今回の実行サイクルにおける本ルーチンの実行を終了する。現在行われている燃焼形態が目標燃焼形態と一致している間、ステップ１からステップ４までの一連の手順が繰り返されるため、移行実施フラグPFMは「０」のままである。したがって、その期間においては、通常の燃焼制御が継続される。
【００２５】
その後、運転状態が変化して、現在の燃焼形態がステップ２において決定された目標燃焼形態と相違した場合、ステップ４の判定結果が肯定から否定に変わるため、移行実施フラグPFMは「１」にセットされる（ステップ５）。これにより、通常の燃焼制御が一時的に中断され、燃焼形態を移行するための移行制御が指示される。移行制御の詳細については後述する。
【００２６】
ステップ５において移行実施フラグPFMが「１」にセットされた場合、それ以降の実行サイクルでは、ステップ３の判定結果が否定から肯定に変わるため、ステップ３からステップ６へ進む。このステップ６は移行制御の終了判定に関するものであり、基準当量比Φが移行後の燃焼形態における目標当量比Φaftrに到達したか否かが判断される。この移行後の目標当量比Φaftrは、移行後の燃焼形態が成層燃焼である場合、例えば0.36〜0.48（空燃比換算で30〜40）において適切に設定される。また、移行後の燃焼形態が均一混合燃焼である場合、この目標当量比Φaftrは、例えば0.81〜1.21（空燃比換算で12〜18）において適切に設定される。
【００２７】
また、基準当量比Φは、図３に示した基準当量比算出ルーチンに従って算出される。詳細については後述するが、この算出ルーチンが繰り返されることで、移行制御中においては、基準当量比Φが経時的に変化（均一混合→成層では減少、成層→均一混合では増加）していく。基準当量比Φが移行後の目標当量比Φaftrに到達（移行制御の終了を意味する）するまでの間、ステップ６の判定結果は否定であるから、移行実施フラグPFMが「１」に維持され、移行制御が継続される。そして、基準当量比Φが移行後の目標当量比Φaftrに到達すると、ステップ６の判定結果が否定から肯定に変わるため、移行実施フラグPFMは「０」にリセットされる（ステップ７）。これにより、移行制御が終了して通常制御へと復帰する。
【００２８】
移行実施フラグPFMが「１」にセットされることで（ステップ５）、現在の燃焼形態から目標燃焼形態への移行制御が開始される。この移行制御では、当量比（最終当量比Φfinal）が、燃焼形態の切り換え実行可能な範囲（例えば空燃比換算で18〜27）にあることを前提として、各気筒における燃焼形態の切り換えが順次実行される。燃焼形態の切り換え条件として基準当量比Φの範囲を設けた理由は、燃焼形態の切り換えによる空燃比の急激な変化をなるべく抑えて、トルクショックを軽減するためである。
【００２９】
図７は、エンジン１の各気筒＃１〜＃４に関する燃焼形態の切り換え順序を示した説明図である。４つの気筒＃１〜＃４の点火順序は予め設定されており、クランクシャフトの回転に伴い、気筒＃１→気筒＃３→気筒＃２→気筒＃４の順に点火すなわち燃焼が行われる。また、同図に示した○印は移行前の燃焼形態を示し、×印は移行後の燃焼形態（目標燃焼形態）を示す。各気筒の切り換えは、まず最初のサイクル（４サイクルエンジンにおいて１サイクルはエンジン２回転）における気筒＃１の燃焼時に、気筒＃１の燃焼形態が目標燃焼形態へ切り換えられる。気筒＃１の燃焼形態が切り換わるタイミングをｔ#1とする。つぎに、２番目のサイクルにおける気筒＃３の燃焼時に気筒＃３の燃焼形態が、そして、３番目のサイクルにおける気筒＃２の燃焼時に気筒＃２の燃焼形態がそれぞれ切り換えられる。各気筒＃３，＃２の燃焼形態が切り換わるタイミングをそれぞれｔ#3，ｔ#2とする。最後に、４番目のサイクルにおける気筒＃４の燃焼時に気筒＃４の燃焼形態が切り換えられ（その切り換えタイミングｔ#4）、全気筒＃１〜＃４に関する燃焼形態の切り換えが完了する。そして、上述したように、基準当量比Φが移行後の目標当量比Φaftrに到達した時点で、移行実施フラグPFMが「０」にリセットされ、移行制御が終了する（図２のステップ６，７）。
【００３０】
図７に示した切り換え順序において、各気筒＃１〜＃４に関する燃焼形態の切り換え間隔はすべて５／４サイクルとなる。このように、切り換え間隔を気筒の点火間隔（１／４サイクル）よりも長く設定することにより、ドライバーが体感し得るトルクショックの発生を効果的に低減することができる。この点を図６に示した燃焼形態の切り換え順序と対比して説明する。図６に示した切り換え順序において、各気筒＃１〜＃４の燃焼形態は、点火順序と同様の順序（間隔も同様）で切り換えられる。したがって、切り換え間隔は１／４サイクルとなり、全気筒＃１〜＃４の燃焼形態の切り換えは１サイクルの間で完了する。各気筒で発生するトルク変動自体は、後述する移行制御によってある程度低減することが可能である。しかしながら、図６に示した切り換え順序では、全気筒＃１〜＃４のトルク変動が１サイクルという短期間に集中するため、ドライバーが体感し得るトルクショックが生じやすい。これに対して、図７に示した切り換え順序では、点火間隔（１／４サイクル）よりも長い切り換え間隔（５／４サイクル）で、各気筒＃１〜＃４の燃焼形態を順次切り換えている。そして、気筒＃１で最初に切り換えを行ってから気筒＃４で最後の切り換えが完了するまでに要する期間は、１５／４サイクルとなる。したがって、切り換え間隔を広げた分だけ、換言すれば、全気筒＃１〜＃４を切り換えるのに要する期間が長くなった分だけ、各気筒＃１〜＃４のトルク変動が分散される。その結果、図６に示した切り換え順序よりも、図７に示した順序の方が、トルクショックを効果的に低減することができる。
【００３１】
つぎに、燃焼形態の具体的な移行制御について説明する。図３は基準当量比Φの算出ルーチンを示したフローチャートである。この算出ルーチンは、ＥＣＵ１２によって所定の実行サイクル（例えば10ms）で繰り返し実行される。基準当量比Φは、燃料噴射パルス幅Ｔiの制御変数である最終当量比Φfinalを算出するために用いられる。したがって、最終当量比Φfinalから算出された燃料噴射パルス幅Ｔi（インジェクタ７の燃料噴射量に相当）は、基本的には基準当量比Φに応じて変化する（ただし例外あり）。また、基準当量比Φは、図２の判定ルーチンにおいて移行終了判定を行う際にも用いられる（ステップ６）。
【００３２】
まず、ステップ１１において、移行制御フラグPFMが「１」であるか否かが判断される。移行制御フラグPFMの内容は、図２に示した判定ルーチンにより設定される。ステップ１１において否定判定された場合、すなわち、通常制御期間においては、移行前の目標当量比Φbfrが基準当量比Φとして設定される（ステップ１２）。一方、ステップ１１において肯定判定された場合、すなわち、移行実施フラグPFMが「１」の場合は、ステップ１３に進み、どちらの燃焼形態への移行であるかが判断される（均一混合燃焼→成層燃焼または成層燃焼→均一混合燃焼）。均一混合燃焼から成層燃焼へ移行する場合は、ステップ１３において肯定判定され、基準当量比Φの減算処理が行われる（ステップ１４）。すなわち、現在の基準当量比Φから所定の制御定数αを減算した値が新たな基準当量比Φとしてセットされる。一方、成層燃焼から均一混合燃焼への移行する場合は、ステップ１３において否定判定され、基準当量比Φの加算処理が行われる（ステップ１５）。すなわち、現在の基準当量比Φに所定の制御定数βを加算した値が新たな基準当量比Φとしてセットされる。そして、移行判定ルーチンにより移行実施フラグPFMが再び「０」にリセットされると（移行制御の終了）、ステップ１１の判定結果が肯定から否定に変わるため、基準当量比Φは、移行後の目標当量比Φaftrにセットされる（ステップ１２）。
【００３３】
以上の説明からわかるように、図３に示した算出ルーチンが繰り返されることによって、均一混合燃焼から成層燃焼への移行時において、基準当量比Φは均一混合燃焼の目標当量比Φbfrから徐々に減少していく（空燃比は大きくなっていく）。また、成層燃焼から均一混合燃焼への移行時において、基準当量比Φは成層燃焼の目標当量比Φbfrから徐々に増加していく（空燃比は小さくなっていく）。
【００３４】
図４は、燃料噴射パルス幅Tiの算出ルーチンを示したフローチャートである。この算出ルーチンは、ＥＣＵ１２によって所定の実行サイクル（例えば10ms）で繰り返し実行される。なお、この算出ルーチンは、各気筒＃１〜＃４で別個に実行される点に留意されたい。その結果、気筒毎に最終当量比Φfinal(#1)〜Φfinal(#4)が算出され、燃料噴射パルス幅Ｔiも気筒毎に算出される。
【００３５】
まず、ステップ２１において、移行実施フラグPFMが「１」であるか否かが算出される。通常制御時においてはステップ２１での否定判定からステップ２２に進み、基準当量比Φが最終当量比Φfinalとしてセットされる。基準当量比Φは、図３に示した算出ルーチンに基づいて算出される。
【００３６】
一方、ステップ２１において肯定判定され場合は、ステップ２３に進み、切り換えの実行対象となっている気筒＃１〜＃４（対象気筒）に関する現在の燃焼形態が判断される。燃焼形態の切り換えは、上述したように、気筒＃１（タイミングｔ#1）→気筒＃３（タイミングｔ#3）→気筒＃２（タイミングｔ#2）→気筒＃４（タイミングｔ#4）の順序で実行され、各気筒の切り換え間隔は５／４サイクルである。したがって、気筒＃１の切り換えタイミングｔ#1から気筒＃４の切り換えタイミングｔ#4までの期間の一部（ｔ#1〜ｔ#4）では、燃焼形態が気筒＃１〜＃４によって相違している点に留意されたい。
【００３７】
ステップ２３において否定判定された場合、すなわち、対象気筒で均一混合燃焼が行われている場合は、ステップ２５に進み、基準当量比Φが第１のしきい値Φlim1よりも大きいか否かが判断される。この第１のしきい値Φlim1は、均一混合燃焼を行い得る空燃比の上限値（均一リーン限界空燃比）に基づいて適切に設定された値である。例えば、均一リーン限界空燃比を20とした場合、この空燃比相当の当量比は約0.73（均一リーン限界当量比）となる。つまり、0.73より小さい当量比では、混合気が希薄すぎて適切な均一混合燃焼を行うことができない。そこで、均一リーン限界当量比に所定のマージンMRGを加算した値を第１のしきい値Φlim1として設定する。そして、システム制御上、この第１のしきい値Φlim1よりも小さい当量比では均一混合燃焼を実行不可なものとして取り扱う。
【００３８】
ステップ２５において肯定判定された場合、すなわち、基準当量比Φが第１のしきい値Φlim1よりも大きい場合は、ステップ２７に進み、最終当量比Φfinalに基準当量比Φの値がセットされる。すなわち、基準当量比Φが均一混合燃焼を実行可能な範囲にある場合、燃料噴射パルス幅Ｔiの制御変数である最終当量比Φfinalとして、基準当量比Φの値がそのまま用いられる。一方、基準当量比Φが第１のしきい値Φlim1以下である場合は、ステップ２５からステップ２８に進み、最終当量比Φfinalに第１のしきい値Φlim1の値がセットされる。すなわち、基準当量比Φが均一混合燃焼を実行できない程小さい場合、最終当量比Φfinalは、その燃焼形態を維持しうるリーン側の限界値である第１のしきい値Φlim1にホールドされる。
【００３９】
また、ステップ２３において肯定判定された場合、すなわち、対象気筒で成層燃焼が行われている場合は、ステップ２４に進み、基準当量比Φが第２のしきい値Φlim2よりも小さいか否かが判断される。この第２のしきい値Φlim2は、成層燃焼を行い得る空燃比の下限値（成層リッチ限界空燃比）に基づいて適切に設定された値である。例えば、成層リッチ限界空燃比を25とした場合、この空燃比相当の当量比は0.58（成層リッチ限界当量比）となる。つまり、0.58より大きい当量比では、空燃比が小さすぎて適切な成層燃焼を行うことができない。そこで、成層リッチ限界当量比から所定のマージンMRGを減算した値を第２のしきい値Φlim2として設定する。そして、システム制御上、この第２のしきい値Φlim2よりも大きい当量比では成層燃焼を実行不可なものとして取り扱う。
【００４０】
なお、第１のしきい値Φlim1と第２のしきい値Φlim2は、トルク変動の抑制と燃焼の安定性との双方を考慮した上で設定される。後述するように、燃焼形態が切り換わると、最終当量比Φfinalは、第１のしきい値Φlim1と第２のしきい値Φlim2との間でステップ的に切り換わるため、その間で空燃比は急激に変化する。したがって、空燃比変化に伴うトルク変動の抑制に主眼を置くならば、２つのしきい値の変化量｜Φlim1−Φlim2｜を極力小さく、すなわちマージンMRGを極力小さくことが好ましい。しかしながら、マージンMRGをあまり小さくしすぎると、燃焼制御の精度との関係で、各燃焼形態での実空燃比が成層リッチ／均一リーン限界空燃比を割り込んでしまう可能性がある。そこで、これらのしきい値Φlim1，Φlim2は、燃焼の安定性とトルク変動の抑制の双方を適切に満足するような値に設定するべきである。
【００４１】
ステップ２４において肯定判定された場合、すなわち、基準当量比Φが第２のしきい値Φlim2よりも小さい場合は、最終当量比Φfinalに基準当量比Φの値がセットされる（ステップ２７）。すなわち、基準当量比Φが成層燃焼を実行可能な範囲にある場合は、燃料噴射パルス幅Ｔiの制御変数である最終当量比Φfinalとして、基準当量比Φの値がそのまま用いられる。一方、基準当量比Φが第２のしきい値Φlim2以上である場合は、最終当量比Φfinalに第２のしきい値Φlim2の値がセットされる（ステップ２６）。すなわち、基準当量比Φが成層燃焼を実行できない程大きい場合、最終当量比Φfinalは、その燃焼形態を維持しうるリッチ側の限界値である第２のしきい値Φlim2にホールドされる。
【００４２】
ステップ２２，２６，２７，２８において最終当量比Φfinalが算出されると、続くステップ２９において、基本燃料噴射パルス幅Ｔpが算出される。基本燃料噴射パルス幅Ｔpは、エンジン回転数センサ２３および吸入空気量センサ２０からそれぞれ特定されたエンジン回転数Ｎｅと吸入空気量Ｑとに基づき、下式に従って算出される。なお、同数式において、Ｋはインジェクタ特性補正係数である（気筒＃１〜＃４毎に個別に設定）。
【数１】
Ｔp＝Ｋ×Ｑ／Ｎｅ
【００４３】
そして、上述のステップにおいて算出された最終当量比Φfinal、ステップ２９において算出された基本燃料噴射パルス幅Ｔp等に基づき、下式より燃料噴射パルス幅Ｔiが算出される（ステップ３０）。
【数２】
Ｔi＝Ｔp×Φfinal×LAMBDA＋Ｔs
【００４４】
ここで、LAMBDAは空燃比フィードバック補正係数であり、この補正係数を適切に設定することによって、空燃比センサ２４から算出された排気当量比Φex（実当量比）が目標当量比Φbfrに収束するように制御される。また、Ｔsはバッテリー電圧によって定まる無効噴射パルス幅である。
【００４５】
そして、ステップ３０において算出された燃料噴射パルス幅Ｔiが対象気筒のインジェクタ７に対して出力される（ステップ３１）。それに応じて、インジェクタ７から、燃料噴射パルス幅Ｔi相当の燃料量が筒内に直接噴射される。以上のような燃料噴射制御を行うことにより、移行制御時も含めて排気当量比Φex（排気空燃比A/F）が目標当量比（目標空燃比）と一致するような制御が行われる。
【００４６】
つぎに、均一混合燃焼から成層燃焼へ移行するケースを例に、具体的な移行制御について説明する。図５は、この移行制御におけるタイミングチャートである。タイミングｔ0で、図２に示した移行判定ルーチンにより移行実施フラグPFMが「１」に切り換わり、移行制御が開始される。スロットル開度θtは、現在のスロットル開度θbfrから成層燃焼の目標スロットル開度θaftr（θbfr＜θaftr）へ向けて変化するため、これと一次遅れの関係で吸入空気量Ｑも増大していく。また、タイミングｔ0から移行制御の終了時であるタイミングｔ1までの間は、図３に示した基準当量比算出ルーチンに従い基準当量比Φは徐々に減少していく（ステップ１１，１３，１４）。そして、基準当量比Φが第１のしきい値Φlim1に到達するまでは、全気筒＃１〜＃４の最終当量比Φfinal(#1)〜Φfinal(#4)も同様に減少し、それに応じた燃料が各気筒のインジェクタ７から噴射される（ステップ２１，２３，２５，２７，２９〜３１）。吸入空気量Ｑの増大に伴い、上記の数式１に示した基本燃料噴射パルス幅Ｔpは増大していくが、最終当量比Φfinalは逆に減少していく。そのため、数式２に示した燃料噴射パルス幅Ｔpはほぼ一定（またはやや増加する傾向）となる。したがって、実空燃比は成層燃焼の空燃比へ向けて緩やかに増加していく。
【００４７】
タイミングｔ#1は、燃焼形態の切り換えを実行可能な状態（空燃比が18〜27）における、最初の切り換え対象気筒＃１の点火タイミングである。このタイミングｔ#1で、気筒＃１の燃焼形態が成層燃焼へと切り換わり、その最終当量比Φfinal(#1)は、基準当量比Φ（Φ＞Φlim1ならばΦlim1）から第２のしきい値Φlim2へステップ的に変化する。なぜなら、切り換えタイミングｔ#1で、ステップ２３の判定結果が否定から肯定に変わることで、最終当量比Φfinal(#1)の算出手順がステップ２７（または２８）からステップ２６へと変わるからである。そして、それ以降、気筒＃１の最終当量比Φfinal(#1)は、基準当量比Φが第２のしきい値Φlim2に到達するまで（タイミングｔ2）、第２のしきい値Φlim2にホールドされる（ステップ２６）。一方、気筒＃１以外の気筒＃２〜＃４については、タイミングｔ#1後も均一混合燃焼が継続される。したがって、基準当量比Φが第１のしきい値Φlim1に到達後は、気筒＃２〜＃４の最終当量比Φfinal(#2)〜Φfinal(#4)は、第１のしきい値Φlim1にホールドされる（ステップ２８）。
【００４８】
タイミングｔ#1後のタイミングｔ#3は、２番目の切り換え対象気筒＃３の点火タイミングである。タイミングｔ#3までは、気筒＃３の最終当量比Φfinal(#3)は、第１のしきい値Φlim1にホールドされている（ステップ２８）。そして、このタイミングｔ#3で、気筒＃３の燃焼形態が成層燃焼へと切り換わり、その最終当量比Φfinal(#3)は、ステップ２８でセットされていた第１のしきい値Φlim1からステップ２６でセットされる第２のしきい値Φlim2へとステップ的に変化する。そして、それ以降、気筒＃３の最終当量比Φfinal(#3)は、タイミングｔ2まで第２のしきい値Φlim2にホールドされる（ステップ２６）。一方、気筒＃２，＃４については、タイミングｔ#3後も均一混合燃焼が継続される。したがって、気筒＃２，＃４の最終当量比Φfinal(#2)，Φfinal(#4)は、第１のしきい値Φlim1にホールドされる（ステップ２８）。
【００４９】
３番目の対象気筒である気筒＃２の点火タイミングｔ#2までは、気筒＃２の最終当量比Φfinal(#2)は、第１のしきい値Φlim1にホールドされている（ステップ２８）。そして、このタイミングｔ#2で、気筒＃２の燃焼形態が成層燃焼へと切り換わり、その最終当量比Φfinal(#2)は、第１のしきい値Φlim1から第２のしきい値Φlim2へとステップ的に変化する。そして、気筒＃１，＃３の場合と同様に、気筒＃２の最終当量比Φfinal(#2)は第２のしきい値Φlim2にホールドされる（ステップ２６）。一方、気筒＃４については、タイミングｔ#2後も均一混合燃焼が継続される。したがって、気筒＃４の最終当量比Φfinal(#4)は、第１のしきい値Φlim1にホールドされる（ステップ２８）。
【００５０】
最後の対象気筒である気筒＃４の点火タイミングｔ#4までは、気筒＃４の最終当量比Φfinal(#4)は、第１のしきい値Φlim1にホールドされている（ステップ２８）。このタイミングｔ#4において、気筒＃４の最終当量比Φfinal(#4)は、第２のしきい値Φlim2へとステップ的に変化し、第２のしきい値Φlim2にホールドされる（ステップ２６）。これにより全気筒＃１〜＃４の燃焼形態の切り換えが完了する。
【００５１】
そして、タイミングｔ2において基準当量比Φが第２のしきい値Φlim2に到達すると、ステップ２４の判定結果が否定から肯定へと変化する。これにより、各気筒の最終当量比Φfinal(#1)〜Φfinal(#4)の算出手順は、ステップ２６からステップ２７へと変わる。タイミングｔ2以降、最終当量比Φfinal(#1)〜Φfinal(#4)は基準当量比Φとともに減少していく。そして、基準当量比Φが移行後の目標当量比Φaftrに到達した時点（タイミングｔ1）で、移行実施フラグPFMが「０」にリセットされ、移行制御が終了する。
【００５２】
このように、本実施例では、燃焼形態の移行制御時において、１サイクルよりも長い期間をかけて、４つの気筒＃１〜＃４の燃焼形態の切り換えを順次行っている。すなわち、点火順序における隣接気筒間の点火間隔（１／４サイクル）よりも長い切り換え間隔（５／４サイクル）で、各気筒の燃焼形態の切り換えを行っている。したがって、切り換え間隔を広げた分だけ、換言すれば、全気筒の切り換えに要する期間が長くなった分だけ、各気筒のトルク変動が分散されるため、トルクショックを低減することが可能となる。また、移行制御時において、各気筒の燃料噴射量を制御することにより、個々の気筒で生じるトルク変動を極力抑制している。すなわち、燃焼形態の切り換えの前後で最終当量比Φfinalのステップ的な変化がなるべく小さくなるように第１，第２のしきい値Φlim1，Φlim2を設定している。これにより、トルクショックを一層効果的に低減することができ、筒内噴射エンジンのドライバビリティの一層の向上を図ることができる。
【００５３】
なお、上記の実施例では、トルクショックを抑制できる反面、移行制御期間は長くなる。その結果、運転状態によっては加速ラグがドライバーに体感される可能性があり、ドライバビリティの低下を招くおそれがある。そこで、以下のような手法により、アクセル開度θa等に基づいて特定された運転領域の変化速度の大小に応じて、移行制御の手法を選択的に実行することが好ましい。
【００５４】
図１１は、燃焼形態移行モード判定ルーチンを示したフローチャートである。まず、ステップ４１において、アクセル開度センサ２２から検出されたアクセル開度θaが読み込まれる。つぎに、ステップ４２において、運転領域の変化速度の大小を判断するために、アクセル開度変化速度Δθa/Δtが算出される。これは所定時間当たりのアクセル開度θaの変化量として算出することができる。
【００５５】
そして、ステップ４３において、アクセル開度変化速度Δθa/Δtが所定の判定しきい値ＴＨよりも大きいか否かが判断される。このステップ４３において肯定判定された場合（Δθa/Δt＞ＴＨ）、すなわち、運転領域の変化速度が大きい場合は、ステップ４４に進み、通常移行制御が指示される。この場合、図６に示した切り換え順序によって移行制御が行われる。上述したように、この切り換え順序では、各気筒＃１〜＃４のトルク変動が１サイクルという短期間に集中するため、ドライバーが体感し得るトルクショックが生じるやすい。しかしながら、このような運転状態では、迅速に燃焼形態を移行させる必要があり、また、ドライバーの要求トルクの変動自体も大きい（ドライバー自身もある程度のトルクショックを予想している）。したがって、燃焼形態の移行に伴うトルクショックの問題をあまり考慮する必要はない。
【００５６】
一方、ステップ４３において否定判定された場合（Δθa/Δt≦ＴＨ）、すなわち、運転領域の変化速度が小さい場合は、ステップ４５に進み、トルクショック緩和移行制御が指示される。この場合、図７に示した切り換え順序によって移行制御が行われる。上述したように、この切り換え順序では、各気筒＃１〜＃４のトルク変動が数サイクルに渡って分散されるので、トルクショックを低減することができる。したがって、一定車速で走行中の場合等、ドライバーがトルクショックを敏感に感じやすい運転状態においては、トルクショック緩和移行制御を行うことが好ましい。
【００５７】
なお、運転状態の変化速度は、アクセル開度θaの代わりにエンジン回転数Ｎｅ（或いは、両センサ出力θa，Ｎｅを併用してもよい）を用いて特定することも可能である。この場合、エンジン回転数Ｎｅが所定のしきい値よりも大きい場合は、運転領域の変化速度が大きいと判断し、しきい値以下の場合は、その変化速度が小さいと判断する。
【００５８】
また、各気筒＃１〜＃４の燃焼形態の切り換え順序は、上記実施例で述べた手法に限定されるものではない。本発明は、以下の変形例も含めた様々な手法に広く適用することが可能である。
【００５９】
図８は、燃焼形態の切り換え順序の変形例を示した説明図である。まず最初のサイクルにおける気筒＃１の燃焼時に、気筒＃１の燃焼形態が目標燃焼形態へ切り換えられる。また、これと同じサイクルにおける気筒＃４の燃焼時に、気筒＃４の燃焼形態が切り換えられる。燃焼形態の切り換え順で隣接した気筒＃１，＃４間の切り換え間隔は３／４サイクルとなる。そして、それに続く２番目のサイクルにおける気筒＃２の燃焼時に気筒＃２の燃焼形態が切り換えられる（隣接気筒＃４，＃２間の間隔も３／４サイクル）。最後に、３番目のサイクルにおける気筒＃３の燃焼時に気筒＃３の燃焼形態が切り換えられ（隣接気筒＃２，＃３間の間隔も３／４サイクル）、全気筒＃１〜＃４に関する燃焼形態の切り換えが完了する。
【００６０】
上述した例では、気筒＃１→気筒＃４→気筒＃２→気筒＃３の順序で燃焼形態の切り換えを行っており、隣接気筒間の切り換え間隔は、図７に示した順序における切り換え間隔（５／４サイクル）よりも短い３／４サイクルとなる。したがって、全気筒＃１〜＃４の切り換えに要する期間を、図７のケースよりも短縮することができる。
【００６１】
図９は、燃焼形態の切り換え順序の他の変形例を示した説明図である。まず最初のサイクルにおける気筒＃１の燃焼時に、気筒＃１の燃焼形態が目標燃焼形態へ切り換えられる。また、これと同じサイクルにおける気筒＃２の燃焼時に、気筒＃２の燃焼形態が切り換えられる。隣接気筒＃１，＃２間の切り換え間隔は１／２サイクルである。そして、それに続く２番目のサイクルにおける気筒＃３の燃焼時に気筒＃３の燃焼形態が切り換えられる（隣接気筒＃２，＃３間の切り換え間隔は３／４サイクル）。最後に、２番目のサイクルにおける気筒＃４の燃焼時に気筒＃４の燃焼形態が切り換えられ（隣接気筒＃３，＃４間の間隔は１／２サイクル）、全気筒＃１〜＃４に関する燃焼形態の切り換えが完了する。
【００６２】
上述した例では、気筒＃１→気筒＃２→気筒＃３→気筒＃４の順序で燃焼形態の切り換えを行っている。また、隣接気筒間の切り換え間隔を気筒によって変えている（１／２サイクルまたは３／４サイクル）。このように気筒毎に切り換え間隔を変えることで、燃焼形態の移行制御に要する期間を、図８のケースよりもさらに短縮することができる。
【００６３】
なお、以上の説明は四気筒エンジンに関するものであるが、それ以上の気筒を有する筒内噴射エンジン（六気筒エンジンや八気筒エンジン等）についても適用することができるのは当然である。例えば、六気筒エンジンに適用する場合、気筒間の点火間隔は１／６サイクルになるので、各気筒の切り換え間隔を、１／６サイクルよりも長く設定すればよい（例えば７／６サイクル間隔）。
【００６４】
【発明の効果】
このように本発明によれば、成層燃焼と均一混合燃焼との間で燃焼形態を移行させる場合において、切り換え順序で隣接した気筒間の切り換え間隔を、気筒間の点火間隔よりも長く設定している。したがって、各気筒で生じるトルク変動が分散されるため、ドライバーが体感し得るトルクショックを効果的に抑制することができる。その結果、筒内噴射エンジンのドライバビリティの一層の向上を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】筒内噴射エンジンの全体構成図
【図２】燃焼形態の移行判定ルーチンを示したフローチャート
【図３】基準当量比の算出ルーチンを示したフローチャート
【図４】燃料噴射パルス幅の算出ルーチンを示したフローチャート
【図５】均一混合燃焼から成層燃焼へ移行するケースにおけるタイミングチャート
【図６】通常移行制御における燃焼形態の切り換え順序を示した説明図
【図７】トルクショック緩和移行制御における燃焼形態の切り換え順序を示した説明図
【図８】燃焼形態の切り換え順序の変形例を示した説明図
【図９】燃焼形態の切り換え順序の他の変形例を示した説明図
【図１０】燃焼形態判定マップを示した図
【図１１】燃焼形態移行モード判定ルーチンを示したフローチャート
【符号の説明】
１ 筒内噴射エンジン、 ２ 吸気バルブ、
３ インテークマニホールド、 ４ 排気バルブ、
５ エギゾーストマニホールド、 ６ 点火プラグ、
７ インジェクタ、 ８ エアクリーナ、
９ エアチャンバ、 １０ 電動スロットルバルブ、
１１ 電動モータ、 １２ 制御装置（ＥＣＵ）、
１３ 三元触媒コンバータ、 １４ ＮＯx吸蔵触媒コンバータ、
１５ マフラー、 １６ 排気還流通路、
１７ 排気再循環（ＥＧＲ）バルブ、１８ アクセルペダル、
２０ 吸入空気量センサ、 ２１ スロットル開度センサ、
２２ アクセル開度センサ、 ２３ エンジン回転数センサ、
２４ 空燃比センサ
Claims (7)
- 燃焼室内に燃料を直接噴射するインジェクタを有し、運転状態に応じて成層燃焼または均一混合燃焼を選択的に行う筒内噴射エンジンの制御装置において、
成層燃焼と均一混合燃焼との間で燃焼形態を移行させるか否かを判定する判定手段と、
前記判定手段によって燃焼形態を移行させると判定された場合、燃焼形態を気筒毎に順次切り換える移行制御を行う制御手段とを有し、
前記制御手段は、前記移行制御時において、１サイクルよりも長い期間をかけて、すべての気筒の燃焼形態の切り換えを行い、
前記制御手段は、一気筒の燃焼形態を切り換える場合、均一混合燃焼における空燃比と当該空燃比よりもリーン側に設定された第１のしきい値との間では空燃比を徐々に変化させ、成層燃焼における空燃比と当該空燃比よりもリッチ側に設定された第２のしきい値との間では空燃比を徐々に変化させ、かつ、前記第１のしきい値と前記第２のしきい値との間では、空燃比をステップ的に変化させる制御を行うことを特徴とする筒内噴射エンジンの制御装置。 - 燃焼室内に燃料を直接噴射するインジェクタを有し、運転状態に応じて成層燃焼または均一混合燃焼を選択的に行う筒内噴射エンジンの制御装置において、
成層燃焼と均一混合燃焼との間で燃焼形態を移行させるか否かを判定する判定手段と、
前記判定手段によって燃焼形態を移行させると判定された場合、燃焼形態を気筒毎に順次切り換える移行制御を行う制御手段とを有し、
前記制御手段は、前記移行制御時において、気筒間の点火間隔よりも長い切り換え間隔で、各気筒の燃焼形態の切り換えを行い、
前記制御手段は、一気筒の燃焼形態を切り換える場合、均一混合燃焼における空燃比と当該空燃比よりもリーン側に設定された第１のしきい値との間では空燃比を徐々に変化させ、成層燃焼における空燃比と当該空燃比よりもリッチ側に設定された第２のしきい値との間では空燃比を徐々に変化させ、かつ、前記第１のしきい値と前記第２のしきい値との間では、空燃比をステップ的に変化させる制御を行うことを特徴とする筒内噴射エンジンの制御装置。 - 前記切り換え間隔は、気筒によって相違していることを特徴とする請求項２に記載された筒内噴射エンジンの制御装置。
- 前記筒内噴射エンジンは四気筒エンジンであり、
前記切り換え間隔は、１／４サイクルよりも長いことを特徴とする請求項２に記載された筒内噴射エンジンの制御装置。 - 前記切り換え間隔は、５／４サイクルまたは３／４サイクルであることを特徴とする請求項４に記載された筒内噴射エンジンの制御装置。
- エンジン回転数またはアクセル開度の少なくとも一方に基づいて、運転領域の変化速度を検出する検出手段をさらに有し、
前記制御手段は、前記検出手段により検出された運転領域の変化速度が判定しきい値以下である場合に、前記移行制御を実行することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載された筒内噴射エンジンの制御装置。 - インジェクタの燃料噴射量を制御する燃料噴射制御手段をさらに有し、
前記燃料噴射制御手段は、成層燃焼時においては、圧縮行程で燃料噴射を開始するとともに点火直前に燃料噴射を終了し、均一混合燃焼時においては、成層燃焼よりも早い行程で燃料噴射を開始することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載された筒内噴射エンジンの制御装置。
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