JP4384677B2 - 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またはその近傍にデポジットが堆積すると、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し、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またはそ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するように構成した場合に、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、燃焼安定度が低下した場合に、燃焼安定度の回復を図り、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、スプレーガイド燃焼モードで燃焼す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、前記スプレーガイド燃焼モードでは、前記直噴形エンジンの吸気行程または圧縮行程で、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噴霧成層混合気を形成し、前記点火プラグにより前記噴霧成層混合気に点火して、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による運転時間の増大に応じて、前記燃料インジェクタの噴射口またはその近傍にデポジットが堆積し、このデポジットの堆積に起因して、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、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前記直噴形エンジンを前記スプレーガイド燃焼モードのノーマルモードから燃焼安定度回復モードに切替える回復モード切替手段を有し、前記燃焼安定度回復モードでは、前記直噴形エンジンを前記スプレーガイド燃焼モードで運転するように制御する中で、前記燃料インジェクタから噴射される燃料の圧力を前記ノーマルモードより上昇させるか、または前記直噴形エンジンの少なくとも高負荷運転状態で、スロットル弁開度を前記ノーマルモードより増大し前記燃焼室への吸入空気量を増大させることにより、前記デポジットの少なくとも一部を除去し、前記燃焼安定度を所定範囲に回復させ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前記直噴形エンジンを燃焼安定度回復モードで運転させる回復モード切替手段を有し、燃焼安定度回復モードでは、デポジットの少なくとも一部を除去し、燃焼安定度を所定範囲に回復させるので、スプレーガイド燃焼モードの運転時間が増大しても、燃焼安定度回復モードにより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の全体の構成図である。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、スプレーガイド燃焼モードで運転されるように構成される。この発明では、スプレーガイド燃焼モードで運転される直噴形エンジン１０の運転モードが、ノーマルモードＮＭと、燃焼安定度回復モードＲＭを含む。これらのノーマルモードＮＭおよび燃焼安定度回復モードＲＭでは、直噴形エンジン１０は、いずれもスプレーガイド燃焼モードで運転され、ノーマルモードＮＭで、その運転時間が増大して、燃焼安定度が低下した場合に、燃焼安定度回復モードＲＭに切替えられる。

直噴形エンジン１０は、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、燃料ポンプ４０と、点火プラグ４５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４５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の中心に配置される。この燃料インジェクタ３０は、燃料管４１を通じて燃料ポンプ４０に連結され、燃料ポンプ４０から燃圧ｆｐに加圧された燃料の供給を受ける。燃料ポンプ４０は、電動式燃料ポンプであり、図示しないバッテリ電源から給電を受ける燃料駆動モータを内蔵し、この燃料駆動モータで燃料に燃圧ｆｐを与え、燃料管４１を通じて燃料インジェクタ３０に供給する。燃料ポンプ４０には、制御装置８０から燃圧指示信号ＩＰが供給される。この燃圧指示信号ＩＰは、燃料ポンプ４０から燃料インジェクタ３０に供給される燃料の燃圧ｆｐを、ノーマル燃圧ｆｐｎと回復モード燃圧ｆｐｒに切替える。

ノーマル燃圧ｆｐｎと、回復モード燃圧ｆｐｒは、ｆｐｒ＞ｆｐｎの関係に設定される。回復モード燃圧ｆｐｒは、ノーマル燃圧ｆｐｎの１．５〜３．０倍に設定される。具体的には、ノーマル燃圧ｆｐｎは、例えば１０メガパスカル、回復モード燃圧ｆｐｒは、例えば２０メガパスカルに設定される。直噴形エンジン１０が、燃焼安定度回復モードＲＭで運転されるときには、燃圧指示信号ＩＰは、燃料ポンプ４０が、回復モード燃圧ｆｐｒの燃料を燃料インジェクタ３０に供給するように燃料ポンプ４０を制御するが、この燃焼安定度回復モードＲＭ以外のノーマルモードＮＭでは、ノーマル燃圧ｆｐｎを維持するように、燃料ポンプ４０が制御される。燃料管４１には、圧力センサ４２が配置される。この圧力センサ４２は、燃料インジェクタ３０に供給される燃料の圧力、すなわち燃圧ｆｐを表わす燃圧検出信号ＦＰを発生し、この燃圧検出信号ＦＰを制御装置８０へ供給する。

制御装置８０から燃料インジェクタ３０へ燃料噴射制御信号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内の点火プラグ４５の近傍に、燃料と空気からなる噴霧成層混合気を生成する。燃焼室２２へ噴射される燃料量は、燃圧ｆｐと燃料噴射時間ｔｃに比例する。燃圧ｆｐは、燃圧指示信号ＩＰにより決定され、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４５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４５は、ベース電極４６と、これに放電ギャップ４７を介して対向する対向電極４８を有する。この点火プラグ４５には、点火回路４９が接続され、この点火回路４９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４９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４５に供給する。点火プラグ４５は、点火タイミングｔｉで、点火回路４９からの高圧点火電圧に基づいて、放電ギャップ４７に点火スパークを発生し、燃焼室２２内の噴霧成層混合気に点火して、それを燃焼させる。

点火プラグ４５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４５のベース電極４６と対向電極４８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４６と対向電極４８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は周知であるので、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、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。

スロットルアクチュエータ６４は、制御装置８０からスロットル駆動信号ＴＤを受け、このスロットル駆動信号ＴＤにより駆動される。スロットル駆動信号ＴＤは、アクセルポジションセンサ６５から制御装置８０に供給されるアクセルポジション信号ＡＰに応じて決定される。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、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、排気口２９から排気された排気ガスの空燃比を検出し、この空燃比に応じた空燃比信号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。燃圧検出信号ＦＰ、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、スプレーガイド燃焼モードで運転される直噴形エンジン１０の運転モードを、ノーマルモードＮＭと燃焼安定度回復モードＲＭで制御する。ＣＰＵ８２は、燃焼状態検出手段８５と、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ＳＣを発生する。モード切替手段８７は、燃焼安定度信号ＳＣに基づき、スプレーガイド燃焼モードで運転される直噴形エンジン１０の運転モードを、ノーマルモードＮＭと燃焼安定度回復モードＲＭとの間で切替え、それらの各モードで直噴形エンジン１０を制御する。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、燃焼安定度回復モードＲＭで直噴形エンジン１０を運転した場合に、燃焼安定度の回復が不可能なことを運転者に報知する。

モード切替手段８７は、燃圧検出信号ＦＰと燃焼安定度信号ＳＣに基づいて、ノーマルモードＮＭと、燃焼安定度回復モードＲＭとを切替え、このノーマルモードＮＭと燃焼安定度回復モードＲＭのそれぞれに対応して、燃圧指示信号ＩＰと、燃料噴射制御信号ＦＣと、点火制御信号ＩＧと、スロットル駆動信号ＴＤを発生して直噴形エンジン１０の制御を行なう。

ノーマルモードＮＭでは、次の制御が行なわれる。燃圧指示信号ＩＰは、燃圧ｆｐをノーマル燃圧ｆｐｎとするように、燃料ポンプ４０を制御する。燃料噴射制御信号ＦＣは、エンジン回転信号ＲＳと、アクセルポジション信号ＡＰと、空燃比信号Ａ／Ｆに基づき、燃料噴射タイミングｔａ１、燃料噴射終了タイミングｔｂ１を決定し、燃料インジェクタ３０を制御する。点火制御信号ＩＧは、エンジン回転信号ＲＳと、アクセルポジション信号ＡＰに基づき、点火タイミングｔｉ１を決定し、点火回路４９から点火プラグ４５に高圧点火電圧を供給する。スロットル駆動信号ＴＤは、アクセルポジション信号ＡＰに基づき、スロットルバルブ６３の開度を決定し、スロットルアクチュエータ６４を制御する。

燃焼安定度回復モードＲＭでは、燃圧指示信号ＩＰは、燃圧ｆｐを回復モード燃圧ｆｐｒとするように、燃料ポンプ４０を制御し、併せて、点火制御信号ＩＧは、ノーマルモードＮＭにおける点火タイミングｔｉ１よりも早い点火タイミングｔｉ２を与えるように制御する。また、燃料噴射制御信号ＦＣは、燃圧ｆｐの上昇に伴ない、ノーマルモードＮＭにおける燃料噴射時間ｔｃ１よりも短縮された燃料噴射時間ｔｃ２を与えるように制御する。その他は、ノーマルモードＮＭと同様な制御が行なわれる。

さて、スプレーガイド燃焼モードで運転される直噴形エンジン１０と、そのノーマルモードＮＭと燃焼安定度回復モードＲＭについて、さらに詳細に説明する。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２に示すように、シリンダヘッド２４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、図３に示すように、先端部に燃料噴射板３２を有し、この燃料噴射板３２には、軸線Ｌ−Ｌを中心として、６つの燃料噴射口３３が形成される。これらの燃料噴射口３３は、軸線Ｌ−Ｌの周りに、図２に示す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３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およびその近傍に、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に示す形状で噴霧成層混合気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４５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４５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およびそ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４５の放電ギャップ４７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は、各気筒２１の吸気行程または圧縮行程で燃料を噴射して噴霧成層混合気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、拡散度合が小さい噴霧成層混合気３５に点火プラグ４５で点火する。

図４（ａ）は、スプレーガイド燃焼モードで運転される直噴形エンジン１０のノーマルモードＮＭのタイムシーケンスを例示する。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。

ノーマルモードＮＭ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。これらの各タイミングｔａ１、ｔｂ１、ｔｉ１は、例えば圧縮行程の終期近くに設定される。スプレーガイド燃焼モードでは、燃料インジェクタ３０は、例えば圧縮行程において、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４５の近傍に噴霧成層混合気３５を形成する。ノーマルモードＮＭでは、燃料噴射終了タイミングｔｂ１から拡散時間ｔｄ１の後で、噴霧成層混合気３５が形成された状態で点火タイミングｔｉ１となり、噴霧成層混合気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。この拡散時間ｔｄ１は、比較的短く、噴霧成層混合気３５が余り周囲に拡散しない状態で、点火が行なわれる。燃料噴射タイミングｔａ１および燃料噴射終了タイミングｔｂ１は、エンジン回転信号ＲＳと、アクセルポジション信号ＡＰと、空燃比信号Ａ／Ｆに基づいて、調整される。点火タイミングｔｉ１は、エンジン回転信号ＲＳと、アクセルポジション信号ＡＰに基づいて、調整される。

スプレーガイド燃焼モードでは、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４５の放電ギャップ４７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４５の放電ギャップ４７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４５の放電ギャップ４７を覆う状態になれば、放電ギャップ４７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４５のベース電極４６および対向電極４８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、放電ギャップ４７から離れると、放電ギャップ４７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。

ノーマルモードＮＭにおいて、直噴形エンジン１０をスプレーガイド燃焼モードで運転し、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およびそ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。図６は、燃料噴射口３３の内壁に形成されたデポジット３８ａを例示する。

これらのデポジット３８、３８ａ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、３８ａ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４５の放電ギャップ４７から離れてしまう。このような状態では、放電ギャップ４７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４５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４５のベース電極４６、対向電極４８を覆う場合には、点火プラグ４５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４５の電極４６、４８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。

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ＳＣ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ＳＣの大きさが変化する。

図７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の回転数である。

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。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７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ＳＣ＝（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４５の放電ギャップ４７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ＳＣは大きくなる。しかし、デポジット３８、３８ａの堆積により、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ＳＣ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ＳＣ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４５の放電ギャップ４７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ＳＣは大きくなる。しかし、デポジット３８、３８ａの堆積により、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ＳＣ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ＳＣを発生することもできる。図８は、点火プラグ４５から制御ユニット８１に入力されるイオン電流信号ＩＯの変化を示す特性図である。図８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８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７と同じである。

図８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、Ａ３１、Ａ４１、Ａ２１、Ａ１２、Ａ３２は、それぞれ信号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、ΔＩ２１、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ＳＣを得ることができる。この場合の燃焼安定度信号ＳＣ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ＳＣを得ることもできる。この場合の燃焼安定度ＳＣ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、Ａ２１、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ＳＣを得ることができる。この場合の燃焼安定度信号ＳＣ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ＳＣを得ることもできる。この場合の燃焼安定度信号ＳＣ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。

モード切替手段８７は、燃圧検出信号ＦＰと、燃焼安定度信号ＳＣとに基づいて、ノーマルモードＮＭと燃焼安定度回復モードＲＭを切替える。ノーマルモードＮＭで、直噴形エンジン１０をスプレーガイド燃焼モードで運転し、その運転時間が増大し、デポジット３８、３８ａが堆積すると、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ｓｃを表わす燃焼安定度信号ＳＣが低下する。燃焼安定度ｓｃが、閾値ｓｃｔより小さくなれば、モード切替手段８７は、ノーマルモードＮＭから燃焼安定度回復モードＲＭに切替える。モード切替手段８７は、燃圧検出信号ＦＰが、回復モード燃圧ｆｐｒとなったときにも、ノーマルモードＮＭから燃焼安定度回復モードＲＭに切替える。

この燃焼安定度回復モードＲＭについて説明する。この燃焼安定度回復モードＲＭでは、燃圧指示信号ＩＰが、燃料ポンプ４０からの燃圧ｆｐを、回復モード燃圧ｆｐｒとするように、またはこの燃圧ｆｐｒを維持するように制御され、これに伴ない、燃料噴射時間ｔｃ２が、ノーマルモードＮＭにおける燃料噴射時間ｔｃ１より小さく制御され、また、点火タイミングｔｉ２が、ノーマルモードＮＭにおける点火タイミングｔｉ１よりも早められる。図４（ｂ）は、燃焼安定度回復モードＲＭのタイムシーケンスを例示する。この燃焼安定度回復モードＲＭ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ｔｉ２とされる。

燃料噴射時間ｔｃ２は、ノーマルモードＮＭにおける燃料噴射時間ｔｃ１よりも小さく、ｔｃ２＜ｔｃ１とされる。ノーマルモードＮＭと同じ燃料噴射量を噴射するとき、燃圧ｆｐが回復モード燃圧ｆｐｒに上昇しているので、ノーマルモードＮＭよりも小さい燃料噴射時間ｔｃ２とされる。具体的には、例えば燃料噴射終了タイミングｔｂ１、ｔｂ２をほぼ同じタイミングとしたとき、燃焼安定度回復モードＲＭにおける燃料噴射開始タイミングｔａ２は、ノーマルモードＮＭにおける燃料噴射開始タイミングｔａ１より遅くされ、短縮された燃料噴射時間ｔｃ２が与えられる。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は、ノーマルモードＮＭと同様に、例えば圧縮工程の終期に設定される。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は、燃圧検出信号ＦＰと、エンジン回転信号ＲＳと、アクセルポジション信号ＡＰと、空燃比信号Ａ／Ｆにより決定される。

燃焼安定度回復モードＲＭにおける点火タイミングｔｉ２は、ノーマルモードＮＭにおける点火タイミングｔｉ１よりも早められる。燃焼安定度回復モードＲＭでは、燃圧ｆｐが回復モード燃圧ｆｐｒに上昇しているので、燃料インジェクタ３０からの燃料噴射速度および燃料拡散が、ノーマルモードＮＭよりも早くなるため、点火タイミングｔｉ２を、ノーマルモードＮＭにおける点火タイミングｔｉ１より早くする。この点火タイミングｔｉ２は、燃圧検出信号ＦＰ、エンジン回転信号ＲＳ、アクセルポジション信号ＡＰにより決定される。

燃焼安定度回復モードＲＭでは、燃圧ｆｐが回復モード燃圧ｆｐｒに上昇されるので、燃料インジェクタ３０の燃料噴射口３３から噴射される燃料の噴射圧力が高くなり、その噴射速度も高くなる。この高い噴射圧力と噴射速度により、燃料インジェクタ３０の燃焼噴射口３３またはその近傍に付着したデポジット３８、３８ａの全部、または少なくとも一部が、吹き飛ばされて解消し、噴射成層混合気３５の形状が図２に示すように回復し、燃焼安定度ｓｃが回復する。

図９は、燃焼安定度回復モードＲＭにおける噴霧成層混合気３５の様子を示す。燃料噴射口３３からの燃料噴射圧力が増大し、燃料噴射口３３の内壁のデポジット３８ａおよびその近傍のデポジット３８が吹き飛ばされる。図９は、図５、図６に示したデポジット３８、３８ａが完全に除去され、燃料インジェクタ３０の燃料噴射口３３から、図２と同様に、中心軸線Ｌ−Ｌに対し、角度αで噴霧成層混合気３５が形成された状態を示している。加えて、燃焼安定度回復モードＲＭでは、図９に示すように、燃料噴射口３３から噴射される燃料粒子の噴出速度が高くなり、燃焼室２２内の空気とのせん断力が大きくなり、噴霧燃料の巻き上がりが大きくなり、燃料の気化が促進され、点火プラグ４５の近傍に噴霧成層混合気３５が早期に集まる。このため、燃焼安定度回復モードＲＭでは、ノーマルモードＮＭにおける点火タイミングｔｉ１よりも早い点火タイミングｔｉ２で点火を行なう。

図１０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。図中、領域９１は、燃料噴射の後、比較的短い拡散時間ｔｄで点火するスプレーガイド燃焼モードが成立する領域である。ノーマルモードＮＭでは、直線で示す特性９２に沿って制御が行なわれ、燃焼安定度回復モードＲＭでは、直線で示す特性９３に沿って制御が行なわれる。特性９２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が比較的短く、かつ一定となる特性を示している。特性９３は、特性９２とほぼ平行であり、特性９２の上に位置している。特性９３では、特性９２よりも、点火タイミングｔｉが原点Ｏの上方へ移動しており、特性９２よりも点火タイミングｔｉが早くされている。

図１１は、実施の形態１について、ノーマルモードＮＭと燃焼安定度回復モードＲＭの切替えを行なうフローチャートを示す。このフローチャートは、スタートとリターンの間に、ステップＳ１０１からステップＳ１１４までの１４のステップを含む。最初のステップＳ１０１では、圧力センサ４２からの燃圧検出信号ＦＰに基づき、燃圧ｆｐをＣＰＵ８２に読み込む。次のステップＳ１０２では、燃圧ｆｐがノーマル燃圧ｆｐｎであるかどうかを判定する。

燃圧ｆｐがノーマル燃圧ｆｐｎであり、ステップＳ１０２の判定結果がＹＥＳになれば、モード切替手段８５は、ノーマルモードＮＭを選択し、次のステップＳ１０３で、直噴形エンジン１０をスプレーガイド燃焼モードのノーマルモードＮＭで運転するために、ノーマルモードＮＭの燃料噴射開始タイミングｔａ１、燃料噴射終了タイミングｔｂ１、点火タイミングｔｉ１を設定し、次のステップＳ１０４に進む。この場合、直噴形エンジン１０は、スプレーガイド燃焼モードのノーマルモードＮＭで運転される。

ステップＳ１０４では、燃焼状態検出手段８５により、燃焼室２２における燃焼安定度ｓｃを検出し、この燃焼安定度ｓｃを示す燃焼安定度信号ＳＣを出力し、次のステップＳ１０５に進む。ステップＳ１０５では、モード切替手段８７は、燃焼安定度信号ＳＣに基づいて、燃焼安定度ｓｃが、閾値ｓｃｔ以上かどうかを判定する。この閾値ｓｃｔは、メモリ８３に記憶されており、ステップＳ１０５でメモリ８３からＣＰＵ８２に移される。燃焼安定度ｓｃが閾値ｓｃｔ以上であり、ステップＳ１０５の判定結果がＹＥＳになれば、リターンに到り、次の制御サイクルを繰返す。この場合、モード切替手段８７はノーマルモードＮＭを維持する。

ステップＳ１０５において、燃焼安定度ｓｃが閾値ｓｃｔより小さく、ステップＳ１０５の判定結果がＮＯになれば、ステップＳ１０６に進む。このステップＳ１０６では、モード切替手段８７が、ノーマルモードＮＭから燃焼安定度回復モードＲＭへの切替えを行ない、燃圧指示信号ＩＰにより、燃圧ｆｐを回復モード燃圧ｆｐｒに上昇させる。次のステップＳ１０７では、モード切替手段８７は、直噴形エンジン１０を燃焼安定度回復モードＲＭで運転するために、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を設定する。この場合、直噴形エンジン１０は、燃焼安定度回復モードＲＭで運転される。

ステップＳ１０２において、燃圧ｆｐがすでに回復モード燃圧ｆｐｒになっておれば、ステップＳ１０２の判定結果はＮＯとなり、次のステップＳ１０８で、直噴形エンジン１０を燃焼安定度回復モードＲＭで運転するために、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ｔｃ２を改めて設定し、次のステップＳ１０９に進む。このステップＳ１０９では、回復モード時間ｔｒ１から１を減算し、次のステップＳ１１０では、回復モード時間ｔｒ１が０になったかどうかを判定する。ステップＳ１０２の判定結果がＮＯになってから回復モード時間ｔｒ１の後に、ステップＳ１１０の判定結果がＹＥＳとなる。ステップＳ１０２の判定結果がＮＯになってから回復モード時間ｔｒ１が０になるまでの間では、ステップＳ１１０の判定結果がＮＯとなり、リターンに至り、次の制御サイクルを繰返す。なお、回復モード時間ｔｒ１は制御ユニット８１のメモリ８３に記憶され、ステップＳ１０９において、メモリ８３からＣＰＵ８２に移され、各制御サイクル毎に１が減算される。

ステップＳ１１０の判定結果がＹＥＳになれば、次のステップＳ１１１に進む。このステップＳ１１１では、燃焼状態検出手段８５からの燃焼安定度信号ＳＣに基づき、燃焼室２２の燃焼安定度ｓｃを検出し、次のステップＳ１１２に進む。

ステップＳ１１２では、燃焼安定度信号ＳＣに基づき、燃焼安定度ｓｃが閾値ｓｃｔ以上に回復したかどうかを判定する。この判定は、ステップＳ１０２がＮＯとなってから回復モード時間ｔｒ１の後で実行される。このステップＳ１１２の判定結果がＹＥＳになれば、ステップＳ１１３に進み、モード切替手段８７は、直噴形エンジン１０を、再びノーマルモードＮＭで運転するために、燃圧ｆｐをノーマル燃圧ｆｐｎに設定した後、リターンに至り、再びスタートに返り、次の制御サイクルを繰返す。ステップＳ１１２の判定結果がＮＯになれば、ステップＳ１１４に進む。このステップＳ１１４では、報知手段８９によりアラームを行ない、燃焼安定度回復モードＲＭによっても、燃焼安定度ｓｃが回復しないことを運転者に報知する。

デポジット８３、８３ａは、燃焼安定度回復モードＲＭで燃圧ｆｐが回復モード燃圧ｆｐｒに上昇することにより、多くの場合、極く短時間に除去される。回復モード燃圧ｆｐｒを与えることによって、デポジット３８、３８ａが完全に除去できないとしても、そのデポジット３８、３８ａの少なくとも一部が、回復モード燃圧ｆｐｒが与えられることにより、極く短時間に除去され、燃焼安定度ｓｃの回復が図られる。このため実施の形態１では、回復モード時間ｔｒ１は短時間に設定され、ステップＳ１０２の判定結果がＮＯになってから、この短時間の回復モード時間ｔｒ１の後で、ステップＳ１１１で燃焼安定度ｓｃを検出し、ステップＳ１１２で、燃焼安定度ｓｃが閾値ｓｃｔ以上に回復したかどうかが判定される。回復モード時間ｔｒ１の後で燃焼安定度ｓｃが閾値ｓｃｔ以上に回復しておれば、ステップＳ１１２の判定結果は、ＹＥＳになるが、デポジット８３、８３ａの付着強度が強い場合には、回復モード燃圧ｆｐｒを与えても、デポジット８３、８３ａを除去できない場合もあり、この場合には、ステップＳ１１２の判定結果がＮＯとなり、ステップＳ１１４で運転者へのアラームが行なわれる。

図１２は、実施の形態１における燃焼安定度ｓｃの変化を例示する。図１２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。スプレーガイド燃焼モードで運転される直噴形エンジン１０は、原点ＯからノーマルモードＮＭで継続して運転され、デポジット３８．３８ａが徐々に堆積し、それに伴なって燃焼安定度ｓｃが低下し、運転時間がＴ１に到達し、燃焼安定度ｓｃが閾値ｓｃｔ以下に低下したものと想定する。原点Ｏから時間Ｔ１まで直噴形エンジン１０は、ノーマルモードＮＭで継続して運転されるが、時間Ｔ１に至り、燃焼安定度ｓｃが閾値ｓｃｔ以下となったときに、燃焼安定度回復モードＲＭに切替えられる。この燃焼安定度回復モードＲＭは、短い回復モード時間ｔｒ１だけ選択される。図１２では、時間Ｔ１で燃焼安定度回復モードＲＭが選択された直後に、燃焼安定度ｓｃが初期状態まで回復した場合を例示する。これは、燃焼安定度回復モードＲＭで回復モード燃圧ｆｐｒが与えられた結果、その直後に、デポジット３８、３８がほぼ完全に除去され、燃焼安定度ｓｃが初期値に回復したことを意味する。

図１２において、運転時間Ｔ１から回復モード時間ｔｒ１の後、再びノーマルモードで運転が継続され、運転時間がＴ２となったときに、再び燃焼安定度ｓｃが閾値ｓｃｔ以下に低下したと想定する。この時間Ｔ２でも、短い回復モード時間ｔｒ１だけ燃焼安定度回復モードＲＭが与えられるが、この燃焼安定度回復モードＲＭでは、燃焼安定度ｓｃが閾値ｓｃｔ以上に回復せず、報知手段８９により、運転者にアラームが与えられる結果となる。

以上のように、実施の形態１では、制御装置８０が、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ＳＣを出力する燃焼状態検出手段８５と、前記燃焼安定度信号ＳＣに基づき直噴形エンジン１０を燃焼安定度回復モードＲＭで運転させるモード切替手段８７を有し、燃焼状態回復モードＲＭでは、燃焼安定度ｓｃを所定範囲に回復させるので、スプレーガイド燃焼モードの運転時間が増大しても、燃焼安定度回復モードＲＭにより燃焼安定度の悪化を防止し、直噴形エンジン１０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。

実施の形態２．
実施の形態１は、燃焼安定度回復モードＲＭにおいて、燃圧ｆｐを回復モード燃圧ｆｐｒに上昇させるが、この実施の形態２では、燃焼安定度回復モードＲＭを選択したときに、燃圧ｆｐの切替えは行なわずに、直噴形エンジン１０の少なくとも高負荷運転状態におけるスロットルバルブ６３の弁開度を、ノーマルモードＮＭよりも大きくするように、制御する。その他は、実施の形態１と同じに構成される。

この実施の形態２でも、ノーマルモードＮＭは、実施の形態１と同じである。実施の形態２では、モード切替手段８７が、燃焼安定度回復モードＲＭを選択したときに、燃圧ｆｐをノーマル燃圧ｆｐｎに維持し、直噴形エンジン１０の少なくとも高負荷運転状態におけるスロットルバルブ６３の弁開度を、ノーマルモードＮＭよりも大きくするように、制御する。直噴形エンジン１０において、その高負荷運転状態におけるスロットルバルブ６３の弁開度を大きくする結果、吸気口２７から燃焼室２２に吸入される空気量が増大し、噴霧成層混合気３５が高酸素状態となり、燃焼室２２の燃焼温度が上昇する。この燃焼温度の上昇は、デポジット３８、３８ａを焼き切る効果をもたらし、燃焼安定度ｓｃを回復する効果をもたらす。デポジット３８、３８ａが焼き切られると、噴霧成層混合気３５の形状は、図２に示すデポジットのない状態に回復し、燃焼安定度ｓｃが回復する。

図１３は、実施の形態２において、排気口２９から排出される排気ガスの排気ガス温度と、その排気ガス中の酸素濃度との関係を示す。図１３で、横軸は、排気口２９から排出される排気ガス温度を示し、縦軸はその排気ガス中の酸素濃度を示す。図１３では、横軸と縦軸で形成される領域が、曲線９５によって、領域Ｎと領域Ｒに分けられる。曲線９５は、排気口２９から排出される排気ガス中の酸素濃度をｙ、その排気ガス温度をｘとしたとき、ｙ＝１／ｘ^２に近い特性を示し、領域Ｎは、原点Ｏに近い領域と、排気ガス温度ｘと排気ガス中の酸素濃度ｙのいずれか一方が大きい領域を含む。領域Ｒは、排気ガス温度ｘと排気ガス中の酸素濃度ｙの両方が大きい領域である。

実施の形態２では、ノーマルモードＮＭでは、直噴形エンジン１０は、図１３の領域Ｎで運転され、また燃焼安定度回復モードＲＭでは、図１３の領域Ｒで運転される結果となる。領域Ｎでは、デポジット３８、３８ａが堆積するが、領域Ｒでは、高い酸素濃度により、デポジット３８、３８ａの焼き切りが行なわれる。

実施の形態２では、アクセルポジション信号ＡＰにスロットル駆動乗数ｄｔｈを乗算してスロットル駆動信号ＴＤが生成される。モード切替手段８７がノーマルモードＮＭを選択したときには、ノーマルモードＮＭにおけるスロットル駆動乗数ｄｔｈｎは、ｄｔｈｎ＝１とされ、アクセルポジション信号ＡＰに比例したスロットル駆動信号ＴＤが発生される。モード切替手段８７が燃焼安定度回復モードＲＭを選択したときには、燃焼安定度回復モードＲＭにおけるスロットル駆動常数ｄｔｈｒは、１．３から２．０、例えば１．５とされ、アクセルポジション信号ＡＰにこのスロットル駆動乗数ｄｔｈｒを乗算し、そのスロットル駆動乗数ｄｔｈｒが乗算されたアクセルポジション信号ＡＰに基づいて、スロットル駆動信号ＴＤが発生され、ノーマルモードＮＭに比べで、スロットルバルブ６３の弁開度が、直噴形エンジン１０のとくに高負荷運転状態で増大される。スロットル駆動乗数ｄｔｈは、制御ユニット８１のメモリ８３に記憶され、ＣＰＵ８２に移される。

図１４は、実施の形態２におけるノーマルモードＮＭと、燃焼安定度回復モードＲＭとの切替えのフローチャートを示す。この図１４のフローチャートは、スタートとリターンの間のＳ２０１からＳ２１１の１１つのステップを含む。

最初のステップＳ２０１では、スロットル駆動信号ＴＤの発生に使用されるスロットル駆動乗数ｄｔｈを読取る。次のステップＳ２０２では、スロットル駆動乗数ｄｔｈがｄｔｈｎかどうかを判定する。ノーマルモードＮＭに対応して、スロットル駆動乗数ｄｔｈがｄｔｈｎであれば、ステップＳ２０２の判定結果はＹＥＳとなり、次のステップＳ２０３に進む。このステップＳ２０３では、燃焼状態検出手段８５により算出された燃焼安定度信号ＳＣに基づいて、燃焼安定度ｓｃの検出が行なわれ、次のステップＳ２０４に進む。

ステップＳ２０４では、燃焼安定度ｓｃが閾値ｓｃｔ以上であるどうかの判定が行なわれる。燃焼安定度ｓｃが閾値ｓｃｔ以上であり、ステップＳ２０４の判定結果がＹＥＳになれば、リターンに至り、再び次の制御サイクルが実行される。この場合、モード切替手段８７は、ノーマルモードＮＭを選択し、直噴形エンジン１０はノーマルモードＮＭで運転される。

燃焼安定度ｓｃが閾値ｓｃｔよりも小さく、ステップＳ２０４の判定結果がＮＯとなれば、次のステップＳ２０５に進み、このステップＳ２０５で、スロットル駆動信号ＴＤの発生に使用されるスロットル駆動信号ｄｔｈをｄｔｈｒに設定する。この場合、モード切替手段８７は、燃焼安定度回復モードＲＭを選択し、直噴形エンジン１０は燃焼安定度回復モードＲＭで運転される。

ステップ２０２において、スロットル駆動信号ＴＤの発生に使用されるスロットル駆動乗数ｄｔｈがｄｔｈｒとなっておれば、ステップＳ２０２の判定結果はＮＯとなり、次のステップＳ２０６に進む。このステップＳ２０６では、回復モード時間ｔｒ２から１を減算し、次のステップＳ２０７では、回復モード時間ｔｒ２が０になったかどうかを判定する。ステップＳ２０２の判定結果がＮＯとなってから回復モード時間ｔｒ２が経過すれば、ステップＳ２０７の判定結果はＹＥＳとなる。ステップＳ２０２の判定結果がＮＯになってから回復モード時間ｔｒ２が経過するまでの間では、ステップＳ２０７の判定結果がＮＯとなり、リターンに至り、次の制御サイクルを繰返す。なお、回復モード時間ｔｒ２は制御ユニット８１のメモリ８３に記憶され、ステップＳ２０６において、ＣＰＵに移され、制御サイクル毎に１の減算が行なわれる。

ステップＳ２０７の判定結果がＹＥＳになれば、次のステップＳ２０８に進み、このステップＳ２０８で、燃焼安定度ｓｃの検出が実行される。次のステップＳ２０９では、ステップＳ２０８で検出された燃焼安定度ｓｃが、閾値以上かどうかを判定する。ステップＳ２０９の判定結果がＹＥＳならば、ステップＳ２１０に進み、スロットル駆動信号ＴＤの発生に使用されるスロットル駆動乗数ｄｔｈをノーマルモードＮＭに対応してｄｔｈｎに切替える。ステップＳ２０９の判定結果がＮＯになれば、ステップＳ２１１に進み、報知手段８９により運転者にアラームを行ない、燃焼安定度回復モードＲＭによって、燃焼安定度の回復が不可能なことを報知する。

図１５は、実施の形態１における燃焼安定度ｓｃの変化を例示する。図１５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。スプレーガイド燃焼モードで運転される直噴形エンジン１０は、原点ＯからノーマルモードＮＭで継続して運転され、デポジット３８．３８ａが徐々に堆積し、それに伴なって燃焼安定度ｓｃが低下し、運転時間がＴ１に到達し、燃焼安定度ｓｃが閾値ｓｃｔ以下に低下したものと想定する。原点Ｏから時間Ｔ１まで直噴形エンジン１０は、ノーマルモードＮＭで継続して運転されるが、時間Ｔ１に至り、燃焼安定度ｓｃが閾値ｓｃｔ以下となったときに、燃焼安定度回復モードＲＭに切替えられる。この燃焼安定度回復モードＲＭは、回復モード時間ｔｒ２だけ選択される。図１５では、時間Ｔ１で燃焼安定度回復モードＲＭが選択された後、回復モード時間ｔｒ２の経過後に、燃焼安定度ｓｃが初期状態まで回復した場合を例示する。これは、燃焼安定度回復モードＲＭにおいて、スロットル駆動信号ＴＤの発生に使用されるスロットル駆動乗数ｄｔｈがｄｔｈｒとされた結果、燃焼室２２の燃焼温度が上昇し、デポジット３８、３８ａがほぼ完全に除去され、燃焼安定度ｓｃが初期値に回復したことを意味する。

図１５において、運転時間Ｔ１から回復モード時間ｔｒ２の後、再びノーマルモードで運転が継続され、運転時間がＴ２となったときに、再び燃焼安定度ｓｃが閾値ｓｃｔ以下に低下したと想定する。この時間Ｔ２でも、ノーマルモードＮＭから燃焼安定度回復モードＲＭに切替えが行なわれるが、時間Ｔ２では、燃焼安定度回復モードＲＭへの切替えによっても、燃焼安定度ｓｃが閾値ｓｃｔ以上に回復せず、報知手段８９により、運転者にアラームが与えられる結果となる。

なお、実施の形態２における回復モード時間ｔｒ２は、実施の形態１の回復モード時間ｔｒ１に比べて、大きく設定される。実施の形態２では、直噴形エンジン１０のとくに高負荷運転状態におけるスリットルバルブ６３の開度の増大に基づいて、デポジット３８、３８ａが焼き切り、除去するが、このデポジット３８、３８ａの除去には、実施の形態１よりも、長い時間が必要とされるためである。

以上のように、実施の形態２では、制御装置８０が、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ＳＣを出力する燃焼状態検出手段８５と、前記燃焼安定度信号ＳＣに基づき直噴形エンジン１０を燃焼安定度回復モードＲＭで運転させるモード切替手段８７を有し、燃焼状態回復モードＲＭでは、燃焼安定度ｓｃを所定範囲に回復させるので、スプレーガイド燃焼モードの運転時間が増大しても、燃焼安定度回復モードＲＭにより燃焼安定度の悪化を防止し、直噴形エンジン１０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。

この発明の各種の変更および変形は、この発明の観点と精神を逸脱しない範囲で、関係技術者によ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ノーマルモード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における燃料インジェクタにデポジットが堆積状態を示す断面図。 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における燃焼室を拡大し、燃焼安定度回復モードにおける噴霧成層混合気の状態を示す断面図。 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におけるモード切替えの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。 この発明による直噴形エンジンの実施の形態２における排気ガス温度と排気ガス中の酸素濃度との関係を示す特性図。 実施の形態２におけるモード切替えの制御フローチャート。 実施の形態２における燃焼安定度の変化を示す説明図。

符号の説明

２２：燃焼室、３０：燃料インジェクタ、３５、３５ａ：噴霧成層混合気、
４０：燃料ポンプ、４５：点火プラグ、８０：制御装置、８５：燃焼状態検出手段、
８７：モード切替手段、８９：報知手段。

Claims (6)

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、スプレーガイド燃焼モードで燃焼す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、
   前記スプレーガイド燃焼モードでは、前記直噴形エンジンの吸気行程または圧縮行程で、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噴霧成層混合気を形成し、前記点火プラグにより前記噴霧成層混合気に点火して、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による運転時間の増大に応じて、前記燃料インジェクタの噴霧口またはその近傍にデポジットが堆積し、このデポジットの堆積に起因して、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、
   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前記直噴形エンジンを前記スプレーガイド燃焼モードのノーマルモードから燃焼安定度回復モードに切替える回復モード切替手段を有し、
   前記燃焼安定度回復モードでは、前記直噴形エンジンを前記スプレーガイド燃焼モードで運転するように制御する中で、前記燃料インジェクタから噴射される燃料の圧力を前記ノーマルモードより上昇させるか、または前記直噴形エンジンの少なくとも高負荷運転状態で、スロットル弁開度を前記ノーマルモードより増大し前記燃焼室への吸入空気量を増大させることにより、前記デポジットの少なくとも一部を除去し、前記燃焼安定度を所定範囲に回復させ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、前記燃焼安定度回復モードにおいて、前記燃料インジェクタから噴射される燃料の圧力を前記ノーマルモードより上昇させるときには、前記点火プラグによる点火タイミングを前記ノーマルモードよりも、早くす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１記載の直噴形エンジンの制御装置であって、前記燃焼安定度回復モードにおいて、前記直噴形エンジンの少なくとも高負荷運転状態で、前記スロットル弁開度を前記ノーマルモードより増大し前記燃焼室への吸入空気量を増大するときには、アクセルポジション信号に乗算されるスロットル駆動乗数を前記ノーマルモードよりも高く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、さらに報知手段を備え、前記報知手段は、前記燃焼安定度回復モードで直噴形エンジンを運転した後で、前記燃焼安定度を所定範囲に回復させることが不可能である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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