JP5276692B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、運転領域に応じて成層燃焼と均質燃焼を切替える内燃機関において、燃焼方式を切替える運転領域で燃焼状態を検出しながら気筒毎に燃焼方式を順に切替える内燃機関の制御装置に関するものである。

内燃機関の燃焼室に直接燃料を噴射して燃焼させる一般的な直噴火花点火式内燃機関では、圧縮行程において燃焼室に直接燃料を噴射して点火プラグ近傍のみに可燃混合気を形成し、燃焼室内全体としてはリーンな混合気を形成する成層燃焼と、吸気行程で燃焼室に燃料を噴射することにより吸気と十分に混合し、燃焼室全体に理論空燃比となる均質な可燃混合気を形成した上で燃焼させる均質燃焼が実現可能となっている。

均質燃焼は、燃焼室全体に均質な可燃混合気を形成するので、空燃比と燃焼室に噴射される燃料量によって燃焼室に吸入される空気量は制限されるが、成層燃焼は、点火プラグ近傍のみに可燃混合気を形成できればよいので、均質燃焼よりも多量の吸入空気量を燃焼室に供給することができる。
その結果、成層燃焼は、均質燃焼よりも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るので、燃費改善方策として有効であり、広い運転領域で成層燃焼を実現することが望ましい。

しかし、圧縮行程において燃料を噴射してから点火するまでの短い期間で燃料噴霧の分裂と蒸発を促して点火プラグ近傍を可燃混合気とする成層燃焼の場合、低負荷の運転状態よりも多くの燃料量を必要とする比較的高負荷の運転状態では、燃料量の増加に伴い点火プラグ近傍の燃料噴霧の分裂や蒸発が進みにくく、点火プラグ近傍の混合気が理論空燃比よりも非常にリッチな過濃状態になってしまい、燃焼が悪化してしまうという問題がある。
成層燃焼の運転領域は、このような燃焼の悪化が発生しないように実際に成層燃焼が可能な運転領域よりも低負荷側の狭い領域とされ、それ以外の高負荷側の運転領域では均質燃焼が実施される。このように成層燃焼の運転領域が狭く設定されているために、十分な燃費の効果が得られていない。

そこで、燃焼状態を監視して成層燃焼における燃焼が異常と判断した気筒のみを均質燃焼に切替えることで、実質的に成層燃焼が実行される負荷が高負荷側に拡大して燃費を向上させている。（例えば、特許文献１参照）。
しかし、吸入空気量が大きく異なる成層燃焼と均質燃焼とを連続するサイクルで切替えると、特に均質燃焼における空燃比が不安定となって一時的なトルク低下に伴うトルクショックが発生する。また、成層燃焼において複数気筒で燃焼異常が発生した場合には複数気筒同時に燃焼方式を切替えることになり、トルクショックが拡大する。

そこで、燃焼方式の切替えによるトルクショックを緩和するために、燃焼方式を切替える際に所定の空燃比範囲で吸気行程と圧縮行程に分割して燃料を供給し、空燃比を徐々に変更しながら燃焼方式を切替える技術が示されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００４−２４５１８５号公報（第５〜９頁、図１） 特開平１１−２２５０８号公報（第３〜６頁、図２）

ところが、特許文献２に係る技術では、空燃比を徐々に変更することでトルクショックを感じにくくしているものの、全気筒同時に燃焼方式を切替えているのでトルクショックは残る。また、燃料噴射量や吸入空気量などの燃焼状態に寄与するパラメータに、トルクショックを緩和するための補正がなされておらず、トルクショックを抑制できないという問題がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、燃費を向上しながら、燃焼方式の切替時のトルクショックを緩和する内燃機関の制御装置を得ることを目的とする。

この発明に係わる内燃機関の制御装置においては、低速低負荷域を含む成層燃焼領域で圧縮行程噴射により点火プラグ近傍に可燃混合気を形成して燃焼する成層燃焼運転と、高速高負荷域の均質燃焼領域で吸気行程噴射により燃焼室全体に可燃混合気を形成して燃焼する均質燃焼運転との間の燃焼方式の切替えを行う内燃機関の制御装置であって、成層燃焼領域と均質燃焼領域に挟まれた運転領域で、成層燃焼領域より高回転高負荷側で成層燃焼が可能でかつ燃料噴射量の増加に伴い燃焼が悪化する可能性のある運転領域を燃焼方式切替領域と定義し、機関回転数を検出する機関回転数検出手段、負荷を示す各気筒の吸気管の圧力を検出する吸気管内圧力検出手段、燃焼室の燃焼状態を検出する燃焼状態検出手段、燃焼室に燃料を噴射するタイミング及び燃料噴射量を制御する燃料噴射制御手段、燃焼室に導入される吸入空気量を制御する吸気制御手段、成層燃焼領域、均質燃焼領域及び燃焼方式切替領域のいずれの運転領域にあるかを機関回転数と負荷から判定する燃焼領域判定手段、燃焼方式切替領域で燃焼方式の切替えを行う燃焼方式切替手段を備え、燃焼方式切替手段は、成層燃焼領域または均質燃焼領域から燃焼方式切替領域に変化してから、燃焼状態検出手段により検出される燃焼状態に応じて、燃焼方式の切替えを１気筒毎または気筒グループ毎に順に行うとともに、１気筒または気筒グループの燃焼方式の切替えを所定サイクル数かけて徐々に変更し、燃料噴射制御手段及び吸気制御手段は、燃焼方式切替手段による燃焼方式の切替え及び燃焼状態検出手段による燃焼状態に応じて、それぞれ燃料噴射量または吸入空気量を制御し、燃焼方式切替手段は、均質燃焼運転から成層燃焼運転へ燃焼方式を切替える場合には、運転領域が燃焼方式切替領域に入った直後から燃焼方式の切替えを開始し、成層燃焼運転から均質燃焼運転へ燃焼方式を切替える場合には、運転領域が燃焼方式切替領域に入ってから、燃焼状態検出手段で成層燃焼を維持できる限界を検出して、燃焼方式の切替えを開始するものである。

この発明は、以上説明したように、低速低負荷域を含む成層燃焼領域で圧縮行程噴射により点火プラグ近傍に可燃混合気を形成して燃焼する成層燃焼運転と、高速高負荷域の均質燃焼領域で吸気行程噴射により燃焼室全体に可燃混合気を形成して燃焼する均質燃焼運転との間の燃焼方式の切替えを行う内燃機関の制御装置であって、成層燃焼領域と均質燃焼領域に挟まれた運転領域で、成層燃焼領域より高回転高負荷側で成層燃焼が可能でかつ燃料噴射量の増加に伴い燃焼が悪化する可能性のある運転領域を燃焼方式切替領域と定義し、機関回転数を検出する機関回転数検出手段、負荷を示す各気筒の吸気管の圧力を検出する吸気管内圧力検出手段、燃焼室の燃焼状態を検出する燃焼状態検出手段、燃焼室に燃料を噴射するタイミング及び燃料噴射量を制御する燃料噴射制御手段、燃焼室に導入される吸入空気量を制御する吸気制御手段、成層燃焼領域、均質燃焼領域及び燃焼方式切替領域のいずれの運転領域にあるかを機関回転数と負荷から判定する燃焼領域判定手段、燃焼方式切替領域で燃焼方式の切替えを行う燃焼方式切替手段を備え、燃焼方式切替手段は、成層燃焼領域または均質燃焼領域から燃焼方式切替領域に変化してから、燃焼状態検出手段により検出される燃焼状態に応じて、燃焼方式の切替えを１気筒毎または気筒グループ毎に順に行うとともに、１気筒または気筒グループの燃焼方式の切替えを所定サイクル数かけて徐々に変更し、燃料噴射制御手段及び吸気制御手段は、燃焼方式切替手段による燃焼方式の切替え及び燃焼状態検出手段による燃焼状態に応じて、それぞれ燃料噴射量または吸入空気量を制御し、燃焼方式切替手段は、均質燃焼運転から成層燃焼運転へ燃焼方式を切替える場合には、運転領域が燃焼方式切替領域に入った直後から燃焼方式の切替えを開始し、成層燃焼運転から均質燃焼運転へ燃焼方式を切替える場合には、運転領域が燃焼方式切替領域に入ってから、燃焼状態検出手段で成層燃焼を維持できる限界を検出して、燃焼方式の切替えを開始するので、燃費を向上しながら、複数気筒同時に燃焼方式が切替わる時と比べてトルクショックを緩和することができる。

この発明の内燃機関の制御装置を示す概略構成図である。 この発明の内燃機関の制御装置の燃焼過程で検出されるイオン電流と筒内圧力波形を示す図である。 この発明の内燃機関の制御装置のＥＣＵの構成を示すブロック図である。 この発明の内燃機関の制御装置の成層燃焼実行時の燃料噴射タイミングでの燃料噴霧形状を示す概略図である。 この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置の制御内容を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置の燃焼領域を判定する処理を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置の機関回転数と吸気管内圧力によって区別される運転領域を示す図である。 この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置の燃焼方式を切替える気筒を判定する処理を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置の燃焼方式切替領域において均質燃焼へ切替える際の制御を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置の燃焼状態を検出する処理を示すフローチャートである。

この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置の燃焼方式切替領域で均質燃焼へ切替える際の燃料噴射制御を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置の機関回転数と要求トルクに基づき設定された均質燃焼時の吸気行程基本噴射量を示す図である。 この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置の機関回転数と要求トルクに基づき設定された成層燃焼時の圧縮行程基本噴射量を示す図である。 この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置の燃焼方式切替領域で均質燃焼へ切替える際の吸気制御を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置の機関回転数と要求トルクに基づき設定された均質燃焼時の基本スロットルバルブ開度を示す図である。 この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置の機関回転数と要求トルクに基づき設定された成層燃焼時の基本スロットルバルブ開度を示す図である。 この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置のイオン電流の積算値と実際のトルクの関係を示す図である。 この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置の要求トルクと実トルクの差分に応じたスロットルバルブ開度トルク補正量を示す図である。 この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置の燃焼方式切替領域において成層燃焼へ切替える際の制御を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置の燃焼方式切替領域で成層燃焼へ切替える際の燃料噴射制御を示すフローチャートである。

この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置の燃焼方式切替領域で成層燃焼へ切替える際の吸気制御を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置の要求トルクと実トルクの差分に応じた燃料噴射量トルク補正量を示す図である。 この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置の燃焼方式の切替え動作を説明するためのタイミングチャートである。 この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置の燃焼方式切替中の特定気筒の制御動作を説明するためのタイミングチャートである。 この発明の実施の形態２による内燃機関の制御装置の燃焼方式を切替える気筒を判定する処理を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態３による内燃機関の制御装置の燃焼方式を切替える気筒を判定する処理を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態４による内燃機関の制御装置の燃焼方式を切替える気筒を判定する処理を示すフローチャートである。

まず、本発明の概要を説明する。
図１は、この発明の内燃機関の制御装置を示す概略構成図である。
図１において、内燃機関本体１は、多気筒エンジンとして構成されているが、図１では内燃機関本体の１気筒のみを示している。内燃機関本体１には、クランク角センサ１８が取り付けられ、クランク軸が一定角度回転するごとにパルス信号を出力する。クランク角センサ１８は、例えばクランク回転角１０度ごとに回転角検出用のパルスを出力し、機関回転数の算出に用いられる。
さらに、内燃機関本体１には、カム角センサ２１が取り付けられており、カム軸が一定回転するごとに各気筒で異なるパルス信号を出力するので、クランク角センサ１８の信号と組合せて各気筒のタイミングを特定することができる。
ピストン３は、燃焼室２を往復運動し、吸気弁８を経由して燃焼室２へ空気を導入し、また混合気の燃焼圧力を運動エネルギーに変換し、さらに燃焼後の既燃ガスを排気弁７から排出する。吸気管４は、内燃機関本体１の吸気ポートに接続され、排気管５は、排気ポートに接続されている。吸気管４の途中には吸気管４内の圧力を測定する圧力センサ２０と吸入空気量を制御するスロットルバルブ６が各気筒に設けられ、アクセル開度センサ１９の信号に応じたスロットルバルブ６の開閉量をたとえばＤＣモータやステッピングモータによって制御することで、燃焼室２に導入される吸入空気量を制御する。

各気筒には、燃料噴射弁９と点火プラグ１０が設けられ、ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）１１の信号に応じてそれぞれ制御される。燃料噴射弁９は、各気筒の燃焼室２へ加圧燃料を噴射し、噴射された燃料と吸気管４から流入する空気により燃焼室２で可燃混合気が形成され、点火プラグ１０によって着火される。
吸気行程噴射による均質燃焼では、噴射された燃料が空気と混ざりながら燃焼室２内に拡散して、均質な可燃混合気を形成し、圧縮行程噴射による成層燃焼では、噴射された燃料が点火プラグ１０に集中的に層状の可燃混合気を形成し、点火プラグ１０により点火されて燃焼する。

一方、車室内等に設けられたＥＣＵ１１は、燃料噴射量や燃料噴射時期を制御する燃料噴射制御や吸入空気量を制御する吸気制御や点火時期を制御する点火時期制御等を実行するマイクロコンピュータシステムであり、入出力インターフェース１２、中央演算処理装置１３、ＲＯＭ１４、ＲＡＭ１５、駆動回路１６から構成されている。
ＥＣＵ１１の入力側には、各種センサやスイッチ類が接続されており、各種センサ出力はインターフェースを介し、Ａ／Ｄ変換してＥＣＵ１１へ取り込まれる。その入力信号に基づいて演算処理を実行する。その演算結果に基づいて、各種アクチュエータ用制御信号を出力し、燃料噴射弁９やスロットルバルブ６や点火プラグ１０などのアクチュエータを制御するようになっている。

また、この内燃機関には、燃焼状態やトルクを検出する手段として、燃焼室２で燃焼時に発生するイオンを検出するためのイオン電流検出回路１７が設けられている。イオンは混合気が燃焼することで生成され、イオン電流検出回路１７に設けられたバイアス回路から点火プラグ１０にバイアス電圧を印加することで、燃焼室２に発生したイオンが流れ、イオン電流検出回路１７によりイオン電流として検出される。

図２は、この発明の内燃機関の制御装置の燃焼過程で検出されるイオン電流と筒内圧力波形を示す図である。
図２において、内燃機関での燃焼過程で検出されるイオン電流と筒内圧力の例を示している。イオン電流は、点火プラグのスパークによる燃料または空気の一部がイオン化することにより検知される点火時の放電によるピークと、燃焼が開始された直後に検知される燃焼による第１のピークと、燃焼火炎が気筒内に伝播して燃焼が最も活発化した時期に検知される第２のピークを有する。
燃焼状態や燃焼トルクを示す燃焼室内の圧力が急上昇し始めた時期にイオン電流の第１のピークが、燃焼室内の圧力がほぼ最大となる時期に第２のピークが発生しており、イオン電流は燃焼室内の圧力波形と類似している。
イオン電流を積算処理することで、トルクや燃焼状態と相関があるパラメータを得ることができる。なお、燃焼状態とトルクを検出する手段としてイオン電流を用いたが、他の手段として筒内圧センサ等を用いても良い。

図３は、この発明の内燃機関の制御装置のＥＣＵの構成を示すブロック図である。
図３において、ＥＣＵ１１は、機関回転数検出手段３１、吸気管内圧力検出手段３２、燃焼領域判定手段３３、燃焼方式切替手段３４、燃焼方式切替手段３４に含まれる燃焼状態検出手段３５、吸気制御手段３６、燃料噴射制御手段３７および点火時期制御手段３８により構成され、ＲＯＭ１４に記憶された制御プログラムに基づいて、各種の演算処理を行う。

燃焼領域判定手段３３は、クランク角センサ１８の信号を基に機関回転数検出手段３１が算出する機関回転数と、吸気管内圧力検出手段３２によって圧力センサ２０の出力を基に検出される負荷を示す吸気管内の圧力とから、成層燃焼領域、均質燃焼領域と両領域に挟まれた運転領域で燃焼方式を切替える燃焼方式切替領域を判定する。
成層燃焼領域と均質燃焼領域では、燃焼方式切替手段３４を介さずに、成層燃焼や均質燃焼について予め実験で求めた基本設定に対し、各種センサ出力に基づいた補正を行った燃料噴射制御、吸気制御と点火時期制御を実行する。
一方、燃焼方式切替領域では、燃焼状態検出手段３５で検出される燃焼状態に応じて、燃焼方式切替手段３４で１気筒毎あるいは気筒グループ毎に燃焼方式の切替を順に行うと共に、１気筒あるいは気筒グループの燃焼方式の切替をサイクル毎に徐々に実行し、燃焼状態と燃焼方式の切替えに応じた燃料噴射制御、吸気制御と点火時期制御を実行する。
吸気制御手段３６がスロットルバルブ６の吸気制御を行い、燃料噴射制御手段３７が燃料噴射弁９に対する燃料噴射制御を行い、点火時期制御手段３８が点火プラグ１０の点火時期制御を行う。

図４は、この発明の内燃機関の制御装置の成層燃焼実行時の燃料噴射タイミングでの燃料噴霧形状を示す概略図である。
図４において、２、３、７〜１０は図１におけるものと同一のものである。液相領域２２は、燃料噴射弁９から噴出された燃料のうち蒸発不十分で液体噴霧が多く含まれる液相の領域である。気相領域２３は、液相領域２２と同様に噴出された燃料であるが、噴霧の外周部分であり燃料噴霧の分裂と蒸発が進んで燃料が気化した領域である。成層燃焼を行うには点火プラグ１０の先端の電極に点火が可能な気相領域２３が含まれる必要がある。

次に、成層燃料領域と、均質燃焼領域と、燃焼方式切替領域について説明する。
成層燃焼領域では、圧縮行程で燃焼室２に燃料噴射弁９から噴射された燃料は、噴口から噴射された後に分裂や蒸発とともに空気を取り込みながら、点火プラグ１０近傍に可燃混合気を形成し、点火プラグ１０の火花放電ギャップに火花放電することで、可燃混合気は燃焼する。
次に、点火プラグ１０近傍の混合気形成について、成層燃焼実行時の燃料噴射タイミングにおける燃料噴霧形状の概略を示す図４を基に説明する。
気相領域２３は、液相領域２２と同様に噴出された燃料であるが、噴霧の外周部分であり燃料噴霧の分裂と蒸発が進んで燃料が気化した領域であり、成層燃焼を行うには点火プラグ１０の先端の電極に点火が可能な気相領域２３が含まれる必要がある。
もし、液相領域２２が含まれると、混合気はオーバーリッチ状態となり、点火プラグ１０の電極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燃焼変動が起こる。
比較的高負荷の運転状態では、出力を得るために低負荷よりも燃料噴射量が増加するので、液相領域２２が拡大する傾向にあり、点火プラグ１０の電極にかかりやすくなるので、成層燃焼領域は、成層燃焼が実際には可能な運転領域よりも低回転低負荷側に狭めた運転領域に設定している。

一方、均質燃焼領域では、吸気行程期間に燃料噴射弁９から燃焼室２に燃料を噴射し、空気と混ざり合いながら燃焼室全体に均一な可燃混合気を形成し、点火プラグ１０の火花放電ギャップに火花放電することで、可燃混合気は燃焼する。点火プラグ１０近傍に可燃混合気を形成する成層燃焼に比べると、吸入空気量が少なくなる分、ポンピングロスが多く燃費は悪くなるが、点火プラグ１０近傍の混合気形成のばらつきは小さく、安定した燃焼が得られる。

燃焼方式切替領域は、成層燃焼領域より高回転高負荷側で成層燃焼が可能であるが、燃料噴射量の増加に伴い燃焼が悪化する可能性のある運転領域とする。この燃焼方式切替領域では、燃焼状態に応じて、１気筒毎あるいは気筒グループ毎に燃焼方式を順に切替え、さらに１気筒あるいは気筒グループの燃焼方式の切替えをサイクル毎に実行し、燃焼方式の切替えに応じた燃料噴射量と吸入空気量に設定する。
成層燃焼と均質燃焼の一方から他方への切替の際には、１サイクル中に吸気行程と圧縮行程にそれぞれ燃料を噴射する分割噴射として、それぞれの燃料噴射量の比率をサイクル毎に変更することで、徐々に燃焼方式を切替えていく。
また、吸入空気量も燃料噴射量の変更に合わせて制御する。なお、成層燃焼の場合は点火プラグの電極を燃料噴霧の気相領域が通過する短い期間に点火する必要があり、点火時期がズレると燃焼が悪化するので、燃焼方式の切替え中の点火時期については成層燃焼に合わせた設定とする。

燃焼状態を検出しながら燃焼方式の切替えをすることで、燃焼方式切替領域内で失火や燃焼変動を確認しながら燃焼状態が良好でなくなるまで成層燃焼を実行できるので、燃費を向上できる。
また、１気筒あるいは気筒グループ毎に燃焼方式を切替えること、１気筒あるいは気筒グループの燃焼方式をサイクル毎に徐々に切替えることで、複数気筒同時での燃焼方式の切替よりも燃焼方式の切替時のトルクショックを緩和できる。

実施の形態１．
図５は、この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置の制御内容を示すフローチャートである。
図６は、この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置の燃焼領域を判定する処理を示すフローチャートである。

図７は、この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置の機関回転数と吸気管内圧力によって区別される運転領域を示す図である。
図７において、縦軸に吸気管内圧力ｋＰａ、横軸に機関回転数ｒｐｍを取り、均質燃料領域、成層燃焼領域、燃焼切替領域を示している。

図８は、この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置の燃焼方式を切替える気筒を判定する処理を示すフローチャートである。
図９は、この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置の燃焼方式切替領域において均質燃焼へ切替える際の制御を示すフローチャートである。
図１０は、この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置の燃焼状態を検出する処理を示すフローチャートである。
図１１は、この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置の燃焼方式切替領域で均質燃焼へ切替える際の燃料噴射制御を示すフローチャートである。

図１２は、この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置の機関回転数と要求トルクに基づき設定された均質燃焼時の吸気行程基本噴射量を示す図である。
図１２において、縦軸に要求トルクｋＰａ、横軸に機関回転数ｒｐｍを取り、均質燃焼時の吸気行程基本噴射量を示している。

図１３は、この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置の機関回転数と要求トルクに基づき設定された成層燃焼時の圧縮行程基本噴射量を示す図である。
図１３において、縦軸に要求トルクｋＰａ、横軸に機関回転数ｒｐｍを取り、成層燃焼時の圧縮行程基本噴射量を示している。

図１４は、この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置の燃焼方式切替領域で均質燃焼へ切替える際の吸気制御を示すフローチャートである。

図１５は、この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置の機関回転数と要求トルクに基づき設定された均質燃焼時の基本スロットルバルブ開度を示す図である。
図１５において、縦軸に要求トルクｋＰａ、横軸に機関回転数ｒｐｍを取り、均質燃焼時の基本スロットルバルブ開度を示している。

図１６は、この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置の機関回転数と要求トルクに基づき設定された成層燃焼時の基本スロットルバルブ開度を示す図である。
図１６において、縦軸に要求トルクｋＰａ、横軸に機関回転数ｒｐｍを取り、成層燃焼時の基本スロットルバルブ開度を示している。

図１７は、この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置のイオン電流の積算値と実際のトルクの関係を示す図である。
図１７において、縦軸に実トルクｋＰａ、横軸にイオン電流積算値Ｖを取り、実トルクと、イオン電流積算値の関係をグラフで示している。

図１８は、この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置の要求トルクと実トルクの差分に応じたスロットルバルブ開度トルク補正量を示す図である。
図１８において、縦軸にスロットルバルブ開度トルク補正量、横軸に要求トルクと実トルクの差分を取り、両者の関係をグラフで示している。

図１９は、この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置の燃焼方式切替領域において成層燃焼へ切替える際の制御を示すフローチャートである。
図２０は、この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置の燃焼方式切替領域で成層燃焼へ切替える際の燃料噴射制御を示すフローチャートである。
図２１は、この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置の燃焼方式切替領域で成層燃焼へ切替える際の吸気制御を示すフローチャートである。

図２２は、この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置の要求トルクと実トルクの差分に応じた燃料噴射量トルク補正量を示す図である。
図２２において、縦軸に燃料噴射量トルク補正量、横軸に要求トルクと実トルクの差分を取り、両者の関係をグラフで示している。

図２３は、この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置の燃焼方式の切替え動作を説明するためのタイミングチャートである。
図２４は、この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置の燃焼方式切替中の特定気筒の制御動作を説明するためのタイミングチャートである。

以下、本発明の実施の形態１の動作について説明する。
燃焼方式の切替えは、１気筒毎に順に行い、機関回転数と負荷による運転状態が成層燃焼領域から燃焼方式切替領域になった場合には、燃焼状態を確認しながら成層燃焼を継続し、失火や燃焼変動により燃焼が良好ではない状態となったら、吸気行程噴射と圧縮行程噴射の分割噴射（分割噴射手段）として、吸気行程噴射量の比率を徐々に増加し、圧縮行程噴射量の比率を徐々に減少させながら、吸入空気量を徐々に均質燃焼の設定へ切替える。

一方、運転状態が均質燃焼領域から燃焼方式切替領域になった場合には、燃焼状態を確認しながら、運転領域が切替わった直後から成層燃焼へ切替えていく。成層燃焼への切替えも吸気行程噴射と圧縮行程噴射の分割噴射として、吸気行程噴射量の比率を徐々に減少し、圧縮行程噴射量の比率を徐々に増加させながら、吸入空気量を徐々に成層燃焼の設定へ切替える。
ただし、失火や燃焼変動を確認しながら燃焼状態が良好でない場合は、均質燃焼を維持する。燃焼方式切替領域において、燃焼状態を確認しながら成層燃焼を実施することで燃費を向上することができる。
さらに、燃焼方式の切替えを１気筒毎に順に実施すること、１気筒の燃焼方式を徐々に切替えることに加えて、燃料噴射量と吸入空気量には燃焼状態に応じた補正を行うことで燃焼切替に伴うトルクショックを緩和することができる。

次に、ＥＣＵ１１の内部で実行される実施の形態１による制御について説明する。
図５は、実施の形態１のメインとなる制御で、例えば４気筒の内燃機関に実施の形態１を適用した場合は、クランク角度１８０度毎に対応気筒について実行される。
つまり、＃１気筒、＃３気筒、＃４気筒、＃２気筒、＃１気筒の順で処理する。
まず、図５のステップＳ１０１で、切替領域フラグがセットされているかどうかを確認する。切替領域フラグは、運転状態が燃焼方式切替領域にあるか否かを判断するためのフラグであり、ＥＣＵ１１の内部で、３０ｍｓ毎に実行される図６に示す燃焼領域判定によって決定される。

図６のステップＳ２０１で、運転状態を表す機関回転数と負荷を意味する吸気管内圧力から、図７の燃焼領域マップを用いて高回転高負荷の場合は均質燃焼領域、低回転低負荷では成層燃焼領域、両燃焼領域に挟まれた燃焼方式切替領域に分ける。
図６のステップＳ２０２で、成層燃焼領域であるかどうかを確認し、成層燃焼領域である場合は、ステップＳ２０３で成層領域フラグをセットして、ステップＳ２０４で、切替領域フラグをクリアする。
一方、ステップＳ２０２で、成層燃焼領域ではないと判定された場合、ステップＳ２０５で、均質燃焼領域であるかどうかを確認する。均質燃焼領域である場合には、ステップＳ２０６で、成層領域フラグをクリアし、ステップＳ２０７で、切替領域フラグをクリアする。
ステップＳ２０５で、均質燃焼領域ではないと判定された場合は、両燃焼領域に挟まれた燃焼方式を切替えるべき燃焼領域であることを意味しているので、ステップＳ２０８で、切替領域フラグをセットする。

図５のメインの制御に戻り、ステップＳ１０１で、切替領域フラグがセットされているかどうかを確認し、セットされていなければ、ステップＳ１０３に進み、燃焼方式切替領域において、制御で用いられる切替完了（Ｓ）フラグ、切替フラグ及び切替可フラグをクリアし、さらにステップＳ１０４で、燃焼方式切替領域において加算されるサイクル数ｎ（Ｓ）を０とする。
次に、ステップＳ１０５に進み、成層領域フラグがセットされているかどうかを確認する。成層領域フラグがセットされていれば、ステップＳ１０６において、成層燃焼で用いられる通常の燃料噴射制御、吸気制御および点火時期制御が実行される。

一方、成層領域フラグがセットされていなければ、ステップＳ１０７で、均質燃焼用の通常の燃料噴射制御、吸気制御および点火時期制御が実行される。燃料噴射制御は、各燃焼方式で機関回転数と負荷に応じた基本燃料噴射量に対し、図示していない水温センサ等の各種センサ信号に基づいた補正を行い、成層燃焼では圧縮行程において燃料噴射弁から燃料を噴射し、均質燃焼では吸気行程において燃料を噴射する。
また、吸気制御では、両燃焼方式においてアクセル開度センサ信号と機関回転数から要求トルクを算出し、各燃焼方式に適した吸気量の制御を行う。
また、点火時期制御は、各燃焼方式において予め実験で求めた機関回転数と負荷に応じた基本点火時期に対し、各種センサ信号に基づいた補正を行い、算出した点火時期に点火プラグにより混合気を燃焼させる。

一方、ステップＳ１０１で、切替領域フラグがセットされていれば、運転状態が燃焼方式切替領域であるので、ステップＳ１０２で、燃焼方式を切替える気筒を、図８に示す切替気筒判定（Ｓ）で判定する。切替気筒判定（Ｓ）のＳは、気筒を意味しており、＃１気筒の処理を実行中であればＳ＝１、＃３気筒の処理を実行中であればＳ＝２、＃４気筒の処理を実行中であればＳ＝３、＃２気筒の処理を実行中であればＳ＝４とする。

図８のステップＳ３０１で、全ての気筒に対し、１気筒でも燃焼方式の切替を許可する切替可フラグがセットされているかどうかを確認する。切替可フラグがセットされていなければ、何れの気筒も燃焼方式の切替処理が実行されていないので、ステップＳ３０２で、処理を実行中の気筒の切替可（Ｓ）フラグをセットする。例えば、＃１気筒の処理を実行中であれば切替可（１）フラグがセットされる。
一方、何れかの切替可フラグがセットされていれば、ステップＳ３０２を実行することなく、ステップＳ３０３の処理に移る。ステップＳ３０３では、直前に処理した気筒の燃焼方式の切替が完了したことを示す切替完了（Ｓ−１）フラグがセットされているかどうかを確認し、切替完了（Ｓ−１）フラグがセットされていれば、ステップＳ３０４で、演算処理中の気筒の切替可（Ｓ）フラグをセットする。
ステップＳ３０３とステップＳ３０４の処理は、特定の気筒の燃焼方式の切替が完了していない限り、別の気筒の燃焼方式の切替処理を実行しないことを意味している。１気筒のみで燃焼方式の切替処理を行うので、トルクショックを緩和することができる。

図５のメインの制御に戻り、ステップＳ１０８で切替可（Ｓ）フラグがセットされているかどうかを確認し、セットされていなければ、処理中の気筒とは別の気筒で燃焼方式の切替えを処理中であるので、ステップＳ１０５からステップＳ１０７で、成層燃焼あるいは均質燃焼に即した燃料噴射制御と吸気制御を処理中の気筒に対し実行する。
一方、切替可（Ｓ）フラグがセットされていれば、ステップＳ１０９で、燃焼方式を切替える前の燃焼方式を確認するため、成層領域フラグがセットされているかどうかを確認する。セットされていれば、成層燃焼から均質燃焼への切替えとなるので、ステップＳ１１０に進み、均質燃焼への切替制御（Ｓ）を実行し、セットされていなければ、均質燃焼から成層燃焼への切替となるので、ステップＳ１１１に進み、成層燃焼への切替制御（Ｓ）を実行する。

成層燃焼から均質燃焼への燃焼方式の切替は、燃焼状態検出手段３５で燃焼状態を確認しながら、燃焼方式切替領域に入ってからも成層燃焼を継続し、失火や燃焼変動により燃焼状態が良好でなくなった瞬間から、吸気行程と圧縮行程での分割燃料噴射として双方の燃料量比率をサイクル毎に徐々に変更しながら均質燃焼に切替える制御を行うことで、燃費を向上しつつトルクショックを緩和する。

次に、図５のステップＳ１１０の均質燃焼への切替制御（Ｓ）について図９を用いて説明する。
図９のステップＳ４０１で、切替フラグがセットされているかどうかを確認する。この切替フラグは、次のステップＳ４０２で、成層燃焼を続けた結果、失火や燃焼変動があり燃焼状態が良好ではないと判断された場合に、ステップＳ４０５で均質燃焼への切替を行うためにセットされる。

ここで、点火毎に実行する燃焼状態の検出について、図１０を用いて説明する。
図１０のステップＳ５０１で、点火毎に発生し、トルクと相関のあるイオン電流を、例えばクランク角度０．５ｄｅｇ毎に積算する。ステップＳ５０２で、ステップＳ５０１で算出したイオン電流積算値が１点火前のイオン電流積算値の例えば７０パーセントより大きいかどうかを確認し、大きい場合は、トルクが安定し燃焼状態が良好であるので、ステップＳ５０３で、燃焼良好フラグ（Ｓ）をセットする。
一方、失火や燃焼変動によりトルクが減少し、イオン電流積算値が小さくなった場合には燃焼が良好な状態ではないので、ステップＳ５０４で、燃焼良好フラグ（Ｓ）をクリアする。１点火前のイオン電流積算値の７０パーセントとの比較としたが、燃焼状態が失火や燃焼変動のない良好な状態でも燃焼ばらつきがあり、また、イオン電流検出のばらつきもあるので、予め実験でこれらのばらつきを把握し、考慮した値に設定する。

均質燃焼への切替制御（Ｓ）の図９に戻り、ステップＳ４０２で、燃焼良好フラグ（Ｓ）がセットされていなければ燃焼が良好でないので、ステップＳ４０５で、燃焼方式を切替えるための切替フラグをセットし、ステップＳ４０６で、燃焼方式の切替制御である均質燃焼切替分割燃料制御（Ｓ）を実行する。

この均質燃焼切替分割燃料制御（Ｓ）について、図１１を用いて説明する。
図１１のステップＳ６０１とステップＳ６０２で、均質燃焼時の吸気行程基本噴射量Ｆ１と成層燃焼時の圧縮行程基本噴射量Ｆ２を、機関回転数と要求トルクに基づき、予め実験で設定されたそれぞれの基本燃料噴射量マップを示す図１２と図１３から、運転状態に応じた噴射量を算出する。
要求トルクは、アクセル開度センサの出力を基に算出する。運転者が大きなトルクを求めてアクセルを大きく踏み込めば、アクセル開度センサ出力は大きくなる。従って、機関回転数や要求トルクの増加に伴い、基本燃料噴射量は、大きく設定されている。

次に、ステップＳ６０３で、実際のトルクを要求トルクに一致させるためのトルク補正量を算出する。ステップＳ６０３で、点火毎に検出するイオン電流の積算値と実際のトルクの関係を示す図１７から、燃焼状態を示す実際のトルクを導き出し、図２２に示す要求トルクと実トルクの差分に応じたトルク補正量を算出する。
次いで、ステップＳ６０４で、吸気行程に噴射する燃料量を吸気行程基本燃料噴射量Ｆ１と燃焼方式切替に伴う比率とトルク補正量から算出する。
吸気行程噴射量Ｆ１（Ｓ）＝Ｆ１＊ｎ（Ｓ）／Ｎ＊トルク補正量
ここで、Ｎは燃焼方式の切替に要するサイクル数であり、燃焼方式の切替に際し、燃焼の悪化が生じない最小サイクル数を予め実験で確認し設定する。本実施の形態１では、例えば５サイクルとする。ｎ（Ｓ）は燃焼方式の切替開始からのサイクル数であり、燃焼方式の切替制御の実施回数を意味する。

次に、ステップＳ６０５で、圧縮行程に噴射する燃料量を圧縮行程基本燃料噴射量Ｆ２に燃焼方式切替に伴う比率を設けて演算する。
圧縮行程噴射量Ｆ２（Ｓ）＝Ｆ２＊（（Ｎ−ｎ（Ｓ））／Ｎ）
ステップＳ６０４で、吸気行程噴射量はサイクル毎に増加し、ステップＳ６０５で、圧縮行程噴射量はサイクル毎に減少する。これらの演算結果に応じた噴射量を各行程において燃料噴射弁から噴射する。
圧縮行程噴射の場合には、燃料量の増減によって点火プラグ近傍の混合気が可燃混合気にならずに、失火や燃焼変動によるトルクショックが発生しやすい。それらを防止するために、圧縮行程噴射量にトルク補正を行わず、点火プラグ近傍の混合気形成のばらつきが小さく、失火や燃焼変動のない安定した燃焼が得られる吸気行程噴射量にトルク補正を実施することと両行程における噴射量をサイクル毎に変更することで、トルクショックを緩和することができる。

次に、ステップＳ６０６で、燃焼方式の切替開始からのサイクル数が予め設定された燃焼方式の切替に要するサイクル数（５サイクル）以上となったら、燃焼方式の切替が完了しているので、ステップＳ６０７で、切替完了（Ｓ）フラグをセットする。
なお、次ステップＳ６０８で、燃焼方式の切替開始からのサイクル数を加算し、ｎ（Ｓ）が５サイクル以上となる場合には、燃焼方式の切替も完了しているので、サイクル数のオーバーフローを防止するため、ｎ（Ｓ）を５サイクルで制限する。

均質燃焼への切替制御（Ｓ）の図９に戻り、均質燃焼切替分割燃料制御（Ｓ）に続き、次のステップＳ４０７で、図１４に示す燃焼方式の切替制御である吸気制御（Ｓ）を実行する。燃焼室に吸入される吸気量は、各気筒の吸気ポートに設置されたスロットルバルブの開度で制御される。
図１４のステップＳ７０１とステップＳ７０２で、均質燃焼スロットルバルブ開度Ａ１と成層燃焼スロットルバルブ開度Ａ２を、機関回転数と要求トルクに基づき予め実験で設定されたそれぞれの基本スロットルバルブ開度マップを示す図１５と図１６から、運転状態に応じた基本スロットルバルブ開度を算出する。
機関回転数や要求トルクの増加に伴い、基本スロットルバルブ開度は大きく設定されている。

次に、図１４のステップＳ７０３で、燃焼方式の切替時に燃焼の悪化が発生しないように成層燃焼時と均質燃焼時の基本スロットルバルブ開度に均質燃焼切替分割燃料制御（Ｓ）に適した比率となる補正を加える。
スロットルバルブ開度（Ｓ）＝Ａ１＊ｎ（Ｓ）／Ｎ＋Ａ２＊（（Ｎ−ｎ（Ｓ））／Ｎ）
サイクル毎に均質燃焼スロットルバルブ開度Ａ１が大きくなり、成層燃焼スロットルバルブ開度Ａ２は小さくなり、均質燃焼切替分割燃料制御に合わせて徐々に吸気制御も均質燃焼スロットルバルブ開度Ａ１に切替えられる。

さらに、ステップＳ７０４とステップＳ７０５で、実際のトルクが要求トルクに一致するようにトルク補正を実施する。ステップＳ７０４で、点火毎に検出するイオン電流の積算値と実際のトルクの関係を示す図１７から実際のトルクを導き出し、図１８に示す要求トルクと実トルクの差分に応じたトルク補正量を算出する。
ステップＳ７０５で、スロットルバルブ開度（Ｓ）をトルク補正量で補正する。
スロットルバルブ開度（Ｓ）＝スロットルバルブ開度（Ｓ）＊トルク補正量

トルク補正を行ったスロットルバルブ開度に制御することで、トルクショックを緩和し、均質燃焼への切替制御（Ｓ）の図９に戻る。
吸気行程と圧縮行程での分割燃料噴射として、双方の燃料比率をサイクル毎に徐々に変更し、さらに、燃料噴射量の変化に合わせて、吸気量を制御するスロットルバルブの開度も徐々に変更することで、失火や燃焼変動によるトルクショックを起こすことなく燃焼方式の切替えを実施できる。

次に、図９のステップＳ４０８で、燃焼方式を均質燃焼へ切替える際の点火時期の制御を実行する。成層燃焼の場合は、点火プラグの電極を燃料噴霧の気相領域が通過する短い期間に点火する必要があり、点火時期がズレると燃焼が悪化するので、燃焼方式の切替え中に成層燃焼となった時に点火時期のズレによる燃焼悪化を防止するために点火時期については成層燃焼に合わせた設定とする。
一方、図９の均質燃焼への切替制御（Ｓ）で、ステップＳ４０２で、燃焼状態が良好であり燃焼良好フラグ（Ｓ）がセットされていれば、ステップＳ４０３に進み、燃焼方式の切替開始からのサイクル数を示すｎ（Ｓ）を０サイクルとして、ステップＳ４０４で、成層燃焼に用いられる通常の燃料噴射制御、吸気制御と点火時期制御を継続する。
燃焼方式切替領域に入ってからも均質燃焼への切替制御（Ｓ）で、検出される燃焼状態が失火や燃焼変動のない良好な状態であれば、成層燃焼運転を継続するので、燃費を向上することができる。

図５の本実施の形態１のメインとなる制御に戻り、ステップＳ１０９で、成層領域フラグがセットされているかどうかを確認する。セットされていなければ、均質燃焼から成層燃焼への切替となるので、ステップＳ１１１に進み、成層燃焼への切替制御（Ｓ）を実行する。

均質燃焼から成層燃焼への燃焼方式の切替は、燃焼状態検出手段で燃焼状態を確認しながら、燃焼方式切替領域に入った直後から成層燃焼に切替える制御を行うことで、燃費を向上する。図５のステップＳ１１１の成層燃焼への切替制御（Ｓ）について、図１９を用いて説明する。
図１９のステップＳ８０１で、燃焼良好フラグ（Ｓ）がセットされているかどうかを確認する。図１０に示す燃焼状態の検出で、失火や燃焼変動によるトルク低下がなく燃焼状態が良好であればセットされ、ステップＳ８０２で、図２０に示す成層燃焼切替分割燃料制御（Ｓ）を実行する。

成層燃焼切替分割燃料制御（Ｓ）は、図１１の均質燃焼切替分割燃料制御（Ｓ）と比較して、図２０のステップＳ９０４の吸気行程噴射量Ｆ１（Ｓ）演算とステップＳ９０５の圧縮行程噴射量Ｆ２（Ｓ）演算以外は同様なので、ステップＳ９０４とステップＳ９０５以外の説明は省略する。ステップＳ９０４では、吸気行程に噴射する燃料量を吸気行程基本燃料噴射量Ｆ１に比率とトルク補正量を掛けて演算する。
吸気行程噴射量Ｆ１（Ｓ）＝Ｆ１＊（（Ｎ−ｎ（Ｓ））／Ｎ）＊トルク補正量
ここで、Ｎは燃焼方式の切替に要するサイクル数であり、燃焼方式の切替に際し、燃焼の悪化が生じない最小サイクル数を予め実験で確認し設定する。本実施の形態１では、例えば５サイクルとする。ｎ（Ｓ）は燃焼方式の切替開始からのサイクル数であり、燃焼方式の切替制御の実施回数を意味する。

次に、図２０のステップＳ９０５で、圧縮行程に噴射する燃料量を圧縮行程基本燃料噴射量Ｆ２に比率を設けて演算する。
圧縮行程噴射量Ｆ２（Ｓ）＝Ｆ２＊ｎ（Ｓ）／Ｎ
ステップＳ９０４で、吸気行程噴射量はサイクル毎に減少し、ステップＳ９０５で、圧縮行程噴射量はサイクル毎に増加する。これらの演算結果に応じた噴射量を各行程において燃料噴射弁から噴射する。失火や燃焼変動のない安定した燃焼が得られる吸気行程噴射量にトルク補正を実施することと両行程における噴射量をサイクル毎に変更することで、トルクショックを緩和することができる。

成層燃焼への切替制御（Ｓ）の図１９に戻り、成層燃焼切替分割燃料制御（Ｓ）に続き、次のステップＳ８０３で、図２１に示す燃焼方式の切替制御である吸気制御（Ｓ）を実行する。
図２１のステップＳ１００３以外は図１４の均質燃焼切替吸気制御（Ｓ）と同様であるので、その説明を省略する。ステップＳ１００３で、ステップＳ１００１とステップＳ１００２で算出された均質燃焼時と成層燃焼時の運転状態に応じた基本スッロトルバルブ開度に成層燃焼切替分割燃料制御（Ｓ）に適した比率となる補正を加える。
スロットルバルブ開度（Ｓ）＝Ａ１＊（（Ｎ−ｎ（Ｓ））／Ｎ）＋Ａ２＊ｎ（Ｓ）／Ｎ
最後に、ステップＳ１００４で、トルク補正を行ったスロットルバルブ開度に制御し、図９の均質燃焼への切替制御（Ｓ）と同様に、燃料噴射量の変化に合わせた吸気量の制御とすることで、失火や燃焼変動によるトルクショックを起こすことなく、燃焼方式の切替が実施できる。

次に、図１９のステップＳ８０４で、燃焼方式を均質燃焼へ切替える際の点火時期の制御を実行する。燃焼方式の切替え中に成層燃焼となった時に点火時期のズレによる燃焼悪化を防止するために、燃焼方式の切替え中の点火時期については成層燃焼に合わせた設定とする。
一方、図１９の成層燃焼への切替制御（Ｓ）のステップＳ８０１で、図１０に示す燃焼状態の検出で失火や燃焼変動によりトルクが低下し燃焼状態が良好でないと判定された場合には、ステップＳ８０５で、燃焼方式の切替開始からのサイクル数を示すｎ（Ｓ）を０サイクルとして、ステップＳ８０６で、均質燃焼に用いられる通常の燃料噴射制御、吸気制御と点火時期制御を継続する。
燃焼方式切替領域に入った直後から燃焼状態に失火や燃焼変動がなく良好な場合には成層燃焼運転への切替を実行するが、燃焼状態が良好でない場合には均質燃焼とすることで、燃焼の悪化を抑えつつ燃費を向上することができる。

ここで、本実施の形態１の燃焼方式の切替え動作について、図２３のタイミングチャートを用いて、均質燃焼から燃焼方式の切替を経て成層燃焼へ切替える場合と成層燃焼から燃焼方式の切替を経て均質燃焼へ切替える場合について説明する。
３０ｍｓのタイミングで実行する図６に示す燃焼領域判定で、機関回転数と負荷で運転状態を判定する。運転状態が均質燃焼である場合は、成層領域フラグはクリアされており、運転状態が均質燃焼から燃焼方式切替領域に変化したら、切替領域フラグがセットされる。
燃焼方式切替領域以外では、燃焼切替に関するフラグは全てクリアされた状態となっており、切替領域フラグのセット直後に実行される気筒が＃１気筒であるとした場合、＃１気筒に関する切替可（１）がセットされ、＃１気筒のみについて燃焼方式の切替が実行される。

燃焼方式の切替中は、図１０に示す燃焼状態検出で、燃焼毎に発生するイオン電流を例えばクランク角度０．５ｄｅｇ毎の積算値処理をし、燃焼状態を気筒毎に確認する。１点火毎に得られるイオン電流の積算値が１点火前のイオン電流の積算値の７０パーセントより大きい場合は、失火や燃焼変動はなく燃焼状態が良好であるので、燃焼良好フラグ（１）がセットされ、燃焼方式の切替開始からのサイクル数を示すカウンタｎ（１）を１サイクル毎にカウントしていく。
なお、燃料噴射制御や吸気制御では、このカウンタｎ（１）を基に燃焼方式に応じた補正がなされる。仮に燃焼方式を切替えている最中にイオン電流の積算値が７０パーセント以下となった場合には、失火や燃焼変動が発生した可能性があるので、燃焼良好フラグ（１）をクリアし、カウンタｎ（１）を０とする。
失火や燃焼変動がなく燃焼状態が良好であれば、燃焼方式を切替える制御を継続し、カウンタｎ（１）が予め実験から求めた燃焼方式の切替に際し燃焼の悪化が生じない最小サイクル数、例えば本実施の形態１では５サイクルに達したら切替完了（１）フラグをセットして、＃１気筒について燃焼方式の切替を完了する。

続いて、処理を実行中の気筒に対し、１気筒前の切替完了（Ｓ−１）フラグがセットされていれば、実行中の気筒の切替可（Ｓ）フラグをセットする。本タイミングチャートでは＃１気筒の燃焼方式の切替が完了し、切替完了（１）フラグがセットされているので、＃３気筒の処理を実行時に切替可（２）フラグがセットされ、＃１気筒と同じような処理が実行され、＃３気筒の燃焼方式の切替が行われる。
＃４気筒や＃２気筒についても同様の処理が行われ、運転状態が燃焼方式切替領域から成層燃焼に変化したら、切替領域フラグはクリアされ、成層領域フラグがセットされる。

続いて、成層燃焼から均質燃焼への切替について説明する。
３０ｍｓのタイミングで実行する図６に示す燃焼領域判定で、機関回転数と負荷で運転状態を判定する。運転状態が成層燃焼であるので、成層領域フラグがセットされており、運転状態が成層燃焼から燃焼方式切替領域に変化したら、切替領域フラグがセットされる。
切替領域フラグのセット直後に実行される気筒が例えば＃４気筒であるとした場合、＃４気筒に関する切替可（３）フラグがセットされ、＃４気筒のみについて燃焼方式の切替が実行される。＃４気筒の燃焼方式が切替えられたら、＃２気筒、＃１気筒、＃３気筒の順に燃焼方式が切替ええられる。

次に、実施の形態１の、燃焼方式切替中の特定気筒の制御動作について、図２４のタイミングチャートを用いて、燃焼方式の切替に応じた制御内容の説明に重点をおき、燃焼状態に応じたトルク補正については説明を省略する。
均質燃焼から燃焼方式切替領域を経て成層燃焼への燃焼方式切替時の燃料噴射制御は、吸気行程噴射と圧縮行程噴射の分割燃料噴射とし、燃焼方式の切替開始からのサイクル数を示すカウンタｎ（Ｓ）に応じて、吸気行程噴射量は吸気行程噴射の基本燃料噴射量から減量する。つまり、燃焼方式の切替に応じて吸気行程噴射量を変化させる。

一方、圧縮行程噴射量は均質燃焼時は０なので、燃焼方式の切替に応じて圧縮行程噴射の基本燃料噴射量へ増量する。吸気制御は、均質燃焼の基本設定から成層燃焼の基本設定へ燃焼方式の切替に応じて、スロットルバルブ開度を変更する。点火時期制御は、燃焼方式の切替中は燃焼の悪化を防止するために、成層燃焼に合わせた基本設定とする。
なお、失火や燃焼変動により燃焼が良好でない場合には、燃料噴射制御、吸気制御と点火時期制御は均質燃焼に合わせた設定とする。
一方、成層燃焼から燃焼方式切替領域を経て均質燃焼へ燃焼方式を切替える時の燃料噴射制御も分割噴射として、吸気行程噴射量を燃焼方式の切替に応じて、基本燃料噴射量へ増量し、圧縮行程噴射量を基本燃料噴射量から減量する。吸気制御は、スロットルバルブ開度を成層燃焼に合わせた基本設定から、均質燃焼に合わせた基本設定へ燃焼切替に応じて変更する。点火時期制御は、燃焼方式の切替中は燃焼の悪化を防止するために成層燃焼に合わせた基本設定とする。

実施の形態１によれば、以上のように、燃焼方式切替領域において燃焼状態を確認しながら成層燃焼を実施すること、燃焼方式の切替えを１気筒毎に順に実施すること、１気筒の燃焼方式を徐々に切替えることに加えて、燃焼状態に応じて燃料噴射量と吸入空気量を補正することで、燃費を向上しつつ、燃焼切替に伴うトルクショックを緩和することができる。

実施の形態２．
図２５は、この発明の実施の形態２による内燃機関の制御装置の燃焼方式を切替える気筒を判定する処理を示すフローチャートである。

実施の形態１では、特定気筒の燃焼方式の切替が完了した後に、別気筒の燃焼方式の切替を開始したが、実施の形態２では、燃焼状態を確認しながら特定気筒の燃焼方式の切替の開始から所定期間後に別気筒の燃焼方式の切替を開始することで、トルクショックを緩和しつつ燃焼方式の切替速度を速めて、より燃費を高める。なお、本実施の形態２では、所定期間をサイクル数として実行するが、点火回数や時間で処理しても良い。

以下、実施の形態２について、図２５を用いて説明する。なお、実施の形態１との相違点は燃焼方式の切替中の気筒とは別気筒の燃焼方式の切替開始タイミングであり、実施の形態１の図８に示す切替気筒判定（Ｓ）以外は実施の形態１と同様なので、その説明を省略する。
図２５のステップＳ１１０１で、全ての気筒に対し、１気筒でも燃焼方式の切替を許可する切替可フラグがセットされているかどうかを確認する。切替可フラグがセットされていなければ、何れの気筒も燃焼方式の切替処理が実行されていないので、ステップＳ１１０２で、本処理を実行中の気筒の切替可（Ｓ）フラグをセットする。＃１気筒の燃焼方式の切替処理を実行中であれば、切替可（１）フラグがセットされる。一方、何れかの切替可フラグがセットされていれば、ステップＳ１１０２を実行することなく、ステップＳ１１０３の処理に移る。

ステップＳ１１０３では、直前に処理した気筒の燃焼方式の切替開始から所定サイクル（２）経過したかどうかを判断する。本実施の形態２では、例えば２サイクルとの比較としたが、燃焼の悪化によるトルク変動が生じないサイクル数を予め実験で確認したサイクルとする。
燃焼方式の切替開始から２サイクル以下の場合は、別気筒の燃焼方式の切替を実施した場合、トルク変動が悪化する恐れがあるので、ステップＳ１１０４を介さず、切替気筒判定（Ｓ）を終了する。一方、２サイクルよりも多い場合は、燃焼方式を切替中の気筒とは別の気筒の燃焼方式の切替を開始してもトルク変動が起こる恐れがないので、ステップＳ１１０４で、切替可（Ｓ）フラグをセットして、切替気筒判定（Ｓ）を終了する。

実施の形態２によれば、以上のように、燃焼方式の切替開始タイミングを気筒間で所定期間後として、燃焼方式の切替を実行することで、トルクショックを緩和しつつ燃焼方式の切替速度を速めて、より燃費を高めることができる。

実施の形態３．
図２６は、この発明の実施の形態３による内燃機関の制御装置の燃焼方式を切替える気筒を判定する処理を示すフローチャートである。

実施の形態１では、燃焼方式の切替をある特定気筒のみとして順に各気筒の燃焼方式を切替えたが、実施の形態３では、燃焼状態を確認しながら特定気筒グループで燃焼方式の切替を実施することで、トルクショックを緩和しつつ燃焼方式の切替速度を速めて、より燃費を高めるようにした。

以下、実施の形態３について、図２６を用いて説明する。なお、実施の形態１との相違点は、ある特定の気筒のみの燃焼方式の切替に対し、数気筒をグループとして特定の気筒グループ毎に燃焼方式を切替えていくところにある。したがって、実施の形態１の図８に示す切替気筒判定（Ｓ）以外は実施の形態１と同様なので、その説明を省略する。
本実施の形態３では、２つの気筒を１グループとして説明する。
ステップＳ１２０１で、全ての気筒に対し、１気筒でも燃焼方式の切替を許可する切替可フラグがセットされているかどうかを確認する。切替可フラグがセットされていなければ、何れの気筒も燃焼方式の切替処理が実行されていないので、ステップＳ１２０２で、本処理を実行中の気筒と次に処理する気筒の切替可（Ｓ）フラグをセットする。
＃１気筒の燃焼方式の切替処理を実行中であれば、切替可（１）フラグと次に処理される＃３気筒の気筒切替可（２）フラグがセットされる。

一方、何れかの切替可フラグがセットされていれば、ステップＳ１２０２を実行することなく、ステップＳ１２０３の処理に移る。ステップＳ１２０３では、直前に処理した気筒グループの燃焼方式の切替が完了したことを示す切替完了（Ｓ−１）フラグと切替完了（Ｓ−２）フラグがセットされているかどうかを確認し、セットされていれば、ステップＳ１２０４で、演算処理中の気筒の切替可（Ｓ）フラグと次に処理される気筒の切替可（Ｓ＋１）フラグをセットする。
ステップＳ１２０３とステップＳ１２０４の処理は、ある特定の気筒グループの燃焼方式の切替が完了していない限り、別の気筒グループの燃焼方式の切替処理を実行しないことを意味している。

実施の形態３によれば、以上のように、特定気筒グループの燃焼方式の切替を順に実施することで、トルクショックを緩和しつつ燃焼方式の切替速度を速めて、より燃費を高めることができる。

実施の形態４．
図２７は、この発明の実施の形態４による内燃機関の制御装置の燃焼方式を切替える気筒を判定する処理を示すフローチャートである。

実施の形態２では、燃焼方式の切替開始タイミングを気筒間で所定期間ずらして、数気筒で燃焼方式の切替を進行したが、実施の形態４では、燃焼状態を確認しながら気筒グループ毎に燃焼方式の切替開始タイミングを所定期間ずらすことで、トルクショックを緩和しつつ燃焼方式の切替速度を速めて、より燃費を高めるようにした。

以下、実施の形態４について、図２７を用いて説明する。なお、実施の形態２との相違点は、ある特定の気筒のみの燃焼方式の切替に対し、数気筒をグループとして特定の気筒グループ毎に燃焼方式を切替えていくところにある。したがって、実施の形態２の図２５に示す切替気筒判定（Ｓ）以外は実施の形態２と同様なので、その説明を省略する。
本実施の形態４では、２つの気筒を１グループとして説明する。
ステップＳ１３０１で、全ての気筒に対し、１気筒でも燃焼方式の切替を許可する切替可フラグがセットされているかどうかを確認する。切替可フラグがセットされていなければ、何れの気筒も燃焼方式の切替処理が実行されていないので、ステップＳ１３０２で、本処理を実行中の気筒切替可（Ｓ）フラグと次に処理する気筒の切替可（Ｓ＋１）フラグをセットする。
＃１気筒の燃焼方式の切替処理を実行中であれば、切替可（１）フラグと次に処理される＃３気筒の気筒切替可（２）フラグがセットされる。

一方、何れかの切替可フラグがセットされていれば、ステップＳ１３０２を実行することなく、ステップＳ１３０３とステップＳ１３０４の処理に移る。ステップＳ１３０３とステップＳ１３０４で、直前に処理した気筒グループの燃焼方式の切替開始から所定サイクル（２）経過したかどうかを判断する。
本実施の形態４では、例えば２サイクルとの比較としたが、燃焼の悪化によるトルク変動が生じないサイクル数を予め実験で確認したサイクルとする。燃焼方式の切替開始から２サイクル以下の場合は、別気筒グループの燃焼方式の切替を実施した場合、燃焼の悪化によるトルク変動が発生する恐れがあるので、ステップＳ１３０５を介さず、切替気筒判定（Ｓ）を終了する。
一方、２サイクルよりも多い場合は、燃焼方式を切替中の気筒グループとは別の気筒グループの燃焼方式の切替を開始してもトルク変動が悪化する恐れがないので、ステップＳ１３０５で、切替可（Ｓ）フラグと次に処理される気筒の切替可（Ｓ＋１）フラグをセットして、切替気筒判定（Ｓ）を終了する。

実施の形態４によれば、以上のように、特定気筒グループの燃焼方式の切替を順に実施することで、トルクショックを緩和しつつ燃焼方式の切替速度を速めて、より燃費を高めることができる。

１ 内燃機関本体、２ 燃焼室、６ スロットルバルブ、９ 燃料噴射弁、
１０ 点火プラグ、１１ ＥＣＵ、１２ 入出力インターフェース、
１３ 中央演算処理装置、１４ ＲＯＭ、１５ ＲＡＭ、１６ 駆動回路、
１７ イオン電流検出回路、１８ クランク角センサ、１９ アクセル開度センサ、
２１ カム角センサ、
３１ 機関回転数検出手段、３２ 吸気管内圧力検出手段、３３ 燃焼領域判定手段、
３４ 燃焼方式切替手段、３５ 燃焼状態検出手段、３６ 吸気制御手段、
３７ 燃料噴射制御手段、３８ 点火時期制御手段。

Claims (9)

1. 低速低負荷域を含む成層燃焼領域で圧縮行程噴射により点火プラグ近傍に可燃混合気を形成して燃焼する成層燃焼運転と、高速高負荷域の均質燃焼領域で吸気行程噴射により燃焼室全体に可燃混合気を形成して燃焼する均質燃焼運転との間の燃焼方式の切替えを行う内燃機関の制御装置であって、
   上記成層燃焼領域と上記均質燃焼領域に挟まれた運転領域で、上記成層燃焼領域より高回転高負荷側で成層燃焼が可能でかつ燃料噴射量の増加に伴い燃焼が悪化する可能性のある運転領域を燃焼方式切替領域と定義し、
   機関回転数を検出する機関回転数検出手段、
   負荷を示す各気筒の吸気管の圧力を検出する吸気管内圧力検出手段、
   燃焼室の燃焼状態を検出する燃焼状態検出手段、
   上記燃焼室に燃料を噴射するタイミング及び燃料噴射量を制御する燃料噴射制御手段、
   上記燃焼室に導入される吸入空気量を制御する吸気制御手段、
   上記成層燃焼領域、上記均質燃焼領域及び上記燃焼方式切替領域のいずれの運転領域にあるかを機関回転数と負荷から判定する燃焼領域判定手段、
   上記燃焼方式切替領域で上記燃焼方式の切替えを行う燃焼方式切替手段を備え、
   上記燃焼方式切替手段は、上記成層燃焼領域または上記均質燃焼領域から上記燃焼方式切替領域に変化してから、上記燃焼状態検出手段により検出される上記燃焼状態に応じて、上記燃焼方式の切替えを１気筒毎または気筒グループ毎に順に行うとともに、１気筒または気筒グループの上記燃焼方式の切替えを所定サイクル数かけて徐々に変更し、
   上記燃料噴射制御手段及び上記吸気制御手段は、上記燃焼方式切替手段による燃焼方式の切替え及び上記燃焼状態検出手段による燃焼状態に応じて、それぞれ燃料噴射量または吸入空気量を制御し、
   上記燃焼方式切替手段は、均質燃焼運転から成層燃焼運転へ燃焼方式を切替える場合には、運転領域が上記燃焼方式切替領域に入った直後から上記燃焼方式の切替えを開始し、
   成層燃焼運転から均質燃焼運転へ燃焼方式を切替える場合には、運転領域が上記燃焼方式切替領域に入ってから、上記燃焼状態検出手段で成層燃焼を維持できる限界を検出して、上記燃焼方式の切替えを開始することを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 上記燃焼方式切替手段は、特定気筒あるいは特定気筒グループの燃焼方式の切替え開始の所定サイクル後から別気筒あるいは別気筒グループの燃焼方式の切替えを開始することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 上記燃焼方式切替手段は、特定気筒あるいは特定気筒グループの燃焼方式の切替えが完了した後に別気筒あるいは別気筒グループの燃焼方式の切替えを開始することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
4. １サイクル中の吸気行程と圧縮行程にそれぞれ燃料を噴射する分割噴射手段を備え、
   上記燃焼方式切替手段は、上記燃焼方式の切替え中に分割噴射手段による噴射を実行し、
   上記燃料噴射制御手段は、上記燃焼方式切替手段による上記燃焼方式の切替えに応じてサイクル毎に吸気行程噴射と圧縮行程噴射の燃料噴射量の比率を変更することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項記載の内燃機関の制御装置。
5. 上記燃焼方式切替手段による燃焼方式の切替えにおいて、上記燃料噴射制御手段は、上記燃焼状態検出手段で検出される燃焼状態に応じて、吸気行程噴射の燃料噴射量を補正することを特徴とする請求項４記載の内燃機関の制御装置。
6. 上記燃焼方式切替手段による燃焼方式の切替えにおいて、上記燃料噴射制御手段は、圧縮行程噴射の燃料噴射量への補正を禁止することを特徴とする請求項４記載の内燃機関の制御装置。
7. 上記燃焼方式切替手段による燃焼方式の切替えにおいて、上記吸気制御手段は、成層燃焼時の吸入空気量と均質燃焼時の吸入空気量に比率を設け、上記燃焼方式切替手段による燃焼方式の切替えに応じてサイクル毎に比率を変更し、上記燃焼状態検出手段で検出される燃焼状態に応じて吸入空気量を補正することを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項記載の内燃機関の制御装置。
8. 点火時期を制御する点火時期制御手段を備え、
   上記燃焼方式切替手段による燃焼方式の切替えにおいて、上記点火時期制御手段は、燃焼室の点火時期を成層燃焼に合わせた設定にすることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか一項記載の内燃機関の制御装置。
9. 上記燃焼方式切替領域以外の運転領域では、上記燃焼方式切替手段を実行しないことを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか一項記載の内燃機関の制御装置。

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