JPWO2018066328A1 - 内燃機関制御装置 - Google Patents

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Abstract

均質リーン燃焼モード、及び成層リーン燃焼モードを行う内燃機関において、空気流動の遅れと過渡状態の変化度合の影響を低減して均質リーン燃焼モードと成層リーン燃焼モードを円滑に切り換えて、安定した燃焼状態を得ることができる新規な内燃機関制御装置を提供することにある。そのため、本発明は直噴インジェクタ７による圧縮行程噴射を行う成層リーン燃焼モードと、直噴インジェクタ７による吸気行程噴射を行う均質リーン燃焼モードを切り替える時に、少なくともタンブル制御弁６の切り換え動作より所定の遅延時間Δｔを有して、圧縮行程噴射と吸気行程噴射との切り換え動作を行い、更にこの遅延時間Δｔを過渡状態の変化度合ΔＬの大きさに対応して設定した。タンブル制御弁６のような空気制御系の流動遅れと過渡状態の変化度合ΔＬに対応して、圧縮行程噴射と吸気行程噴射の切り替え時期を制御するようにしているので、燃焼室内での燃焼安定性を向上できるようになる。

Description

本発明は自動車等に搭載される内燃機関を制御する内燃機関制御装置に係り、特に内燃機関の運転中に燃焼モード切換要求に応じて、成層リーン燃焼モードと均質リーン燃焼モードとを切り換えて運転する内燃機関制御装置に関するものである。
環境保全と省エネルギの観点から自動車に搭載される内燃機関は、高効率化と排気清浄化を要求されている。高効率化と排気清浄化を図る方法には、内燃機関の燃焼室で行われる燃焼を改善することが有効であり、燃料と空気の混合割合を理論空燃比より希薄(以下、リーンと表記する)な混合気として燃焼させるリーン燃焼方式、または排気ガスを燃焼室内に再吸入させ、混合気を排気ガスによって希釈する排気再循環(以下、ＥＧＲと表記する)燃焼方式等が知られている。
例えば、最近の燃焼制御方法として、燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内燃料噴射弁(以下、直噴インジェクタと表記する)を使用して、低負荷時には少量の燃料を圧縮行程で噴射して点火プラグの近傍に成層混合気を形成して成層リーン燃焼させることで、燃費性能、排気浄化性能を向上する運転を行い、中負荷時には成層リーン燃焼に比べて燃料噴射量を増量して吸気行程で噴射することで、燃焼室全体に均質混合気を形成して均質リーン燃焼させて燃費性能、排気浄化性能に加えて運転性を向上するようにしている。そして、内燃機関の運転中に負荷変化等に応じて要求燃焼モードを決定して、その要求燃焼モードに応じて燃焼モードを成層リーン燃焼モードと均質リーン燃焼モードとの間で切り換えるようにしている。
ところで、燃焼室内の混合気を成層リーン燃焼させるためには、燃焼室内の点火プラグの近傍に成層混合気を形成する必要があり、成層混合気を形成するには、吸気ポートに設けられたタンブル制御弁を成層リーン燃焼用の目標開度に設定して燃焼室内に成層リーン燃焼に適したタンブル流を形成している。この場合、成層混合気を維持するためタンブル流は弱めに制御されている。
また、均質リーン燃焼では、タンブル制御弁を成層リーン燃焼用の目標開度とは異なる目標開度に設定して、燃焼室内に均質リーン燃焼に適したタンブル流を形成している。この場合、均質混合気を得るためにタンブル流は強めに制御されている。
例えば、特開２００３−２９３８３９号公報(特許文献１)においては、燃焼モードを成層リーン燃焼モードから均質リーン燃焼モードに切り換えるときには、タンブル制御弁を成層リーン燃焼可能な開度から均質リーン燃焼可能な開度に設定すると共に、燃料噴射時期を成層リーン燃焼での圧縮行程噴射から均質リーン燃焼での吸気行程噴射に切り換えるようにしている。
特開２００３−２９３８３９号公報
ところで、これらの燃焼モードを切り換える領域においては、燃焼室内での燃焼状態は運転状態や環境条件の変化で燃焼安定性が悪化するため、これらの夫々の燃焼モードが備える燃費性能や排気浄化性能が充分に発揮できない状況が発生する。具体的には、運転者がアクセルペダルを踏み込み、或いは踏み離しする過渡状態に燃焼安定性が悪化する現象が多く発現する。
これは、過渡状態においては、タンブル制御弁のような空気制御系の制御状態の切り替えと、直噴インジェクタのような燃料制御系の制御状態の切り替えがうまく適合しないからである。例えば、空気制御系と燃料制御系を成層リーン燃焼モードから均質リーン燃焼モードに同時に切り替えると、空気制御系の流動遅れがあるため、燃焼室での混合気の空燃比が適切な空燃比とならない恐れがある。尚、逆の燃焼モードの切り替えの場合も同様の課題が生じるものである。
また、過渡状態の変化度合の大きさの違いによっても、空気制御系と燃料制御系の制御状態が更に適合しなくなり、特に変化度合が大きいほど空気制御系の流動遅れが大きくなり、これに伴って燃焼安定性も大きく影響を受ける。したがって、空気流動の遅れと過渡状態の変化度合の影響をできるだけ低減して、燃焼モードを円滑に切り替えることが重要である。
本発明の目的は、均質リーン燃焼モード、及び成層リーン燃焼モードを行う内燃機関において、空気流動の遅れと過渡状態の変化度合の影響を低減して均質リーン燃焼モードと成層リーン燃焼モードを円滑に切り換えて、安定した燃焼状態を得ることができる新規な内燃機関制御装置を提供することにある。
本発明の特徴は、圧縮行程噴射を行う成層リーン燃焼モードと、吸気行程噴射を行う均質リーン燃焼モードを切り替える時に、成層リーン燃焼モードと均質リーン燃焼モードに対応する空気制御系の切り換え動作から、所定の遅延時間が経過した後に圧縮行程噴射と吸気行程噴射との切り換え動作を行い、更にこの遅延時間を過渡状態の変化度合の大きさに対応して設定した、ところにある。
本発明によれば、タンブル制御弁のような空気制御系の流動遅れと過渡状態の変化度合の大きさに対応して、圧縮行程噴射と吸気行程噴射の切り替え時期を制御するようにしているので、燃焼室内での燃焼安定性を向上できるようになる。
本発明が適用される自動車の内燃機関制御システムの構成図である。 図１に示す電子制御手段の構成を示すブロック図である。 内燃機関の回転数と目標トルクに対応した目標空燃比特性、目標タンブル制御弁開度特性、目標吸気流路長特性、及び目標ピストンストローク特性の制御マップである。 内燃機関の回転数と目標トルクに対応した目標点火回数特性、吸気行程噴射特性、圧縮行程噴射特性、及びポート噴射特性の制御マップである。 燃焼モードＭＤの演算ロジックを示す図である。 演算ロジックによる燃焼モードＭＤの判定結果を説明する説明図である。 燃焼モードＭＤに基づく制御値演算ロジックのブロック図である。 燃焼モードＭＤとアクセル開度ＡＰＯに基づく制御値演算ロジックを示す図である。 制御値演算ロジックの過渡状態での補正量を説明する説明図である。 本発明の実施形態になる制御フローを示すフローチャート図である 成層リーン燃焼モードから均質リーン燃焼モードに切り替わり、過渡状態の変化度合が小さい場合の制御を説明する説明図である。 成層リーン燃焼モードから均質リーン燃焼モードに切り替わり、過渡状態の変化度合が大きい場合の制御を説明する説明図である。 均質リーン燃焼モードから成層リーン燃焼モードに切り替わり、過渡状態の変化度合が小さい場合の制御を説明する説明図である。 均質リーン燃焼モードから成層リーン燃焼モードに切り替わり、過渡状態の変化度合が大きい場合の制御を説明する説明図である。
次に、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されることなく、本発明の技術的な概念の中で種々の変形例や応用例をもその範囲に含むものである。
以下、図１〜図１２を用いて本発明の実施形態になる内燃機関制御装置の構成及びその動作について説明する。先ず、図１は本実施形態になる内燃機関システムの構成を示している。
内燃機関Ｅｎｇは、火花点火式の内燃機関であって、燃焼方式が「ストイキ燃焼」、又は「ＥＧＲ燃焼」、又は「リーン燃焼」を実施することができる内燃機関である。吸入空気量を計測するエアフロセンサ３と、吸気管圧力を調整するスロットル５と、吸入空気温度及び湿度検出器の一態様であって吸入空気の温度及び湿度を計測する吸気温湿度センサ４と、吸気管内の面積を可変にするタンブル制御弁６と、吸気管長変更機構を構成する吸気管長調整弁３４と、ポートインジェクタ３３が吸気管１１の各々の適宜位置に備えられている。ここで、吸気管長調整弁３４は、例えば吸気温湿度センサ４より上流で吸気管１１が長短２系統に分割された吸気管１１を選択的に開閉するものである。
尚、本実施形態ではポートインジェクタ３３を備えていない内燃機関でも良いし、吸気管長調整弁３４とタンブル制御弁６はいずれかを一方を備えていても良いものである。また、吸気管長調整弁３４は閉めた時に吸気管長が長くなり、或いは開いた時に吸気管長が長くなるものであっても良いし、吸気管長調整弁３４の開閉による吸気管長変化は内燃機関システムのレイアウトに依存して逆の特性を有しても良いものである。更にエアフロセンサ３は吸入空気圧力センサとしても良いものである。
内燃機関Ｅｎｇには燃焼室１７の中に燃料を直接噴射する直噴インジェクタ７と、点火エネルギを供給する点火プラグ１９が備えられ、燃焼室１７に流入する吸入空気の流入時期や、燃焼室１７から流出する排気ガスの流出時期を調整する可変動弁機構１２が内燃機関Ｅｎｇの各々の適宜位置に備えられている。
可変動弁機構１２は、吸気弁と排気弁の開いている期間、或いは開閉時期を可変とすることが可能であり、吸気弁側のみ可変動弁１２を備えていても良いものである。また、吸気弁の閉じ時期を変更することにより実圧縮比が変更可能であり、燃焼室内圧力、温度を可変とすることができる。
直噴インジェクタ７と連結することで燃料を供給するコモンレール９と、コモンレール９に燃料を圧送するための燃料ポンプ８と、燃料ポンプ８に燃料を供給する燃料配管１０が内燃機関Ｅｎｇの各々の適宜位置に備えられている。また、燃料圧力検出器の一態様であって、燃料の圧力を計測する燃料圧力センサがコモンレール９の適宜位置に備えられている。ここで燃料圧力センサは燃料温度センサであっても良いものである。点火プラグ１９は点火コイル２０と接続され、点火コイル２０によって点火エネルギ、または点火回数を制御されている。点火コイル２０は別体の制御装置により制御されても良いものである。
更に、排気を浄化する三元触媒２３と、排気温検出器の一態様であって、三元触媒２３の上流側にて排気の温度を計測する排気温センサ２４と、空燃比検出器の一態様であって、三元触媒２３の上流側にて排気の空燃比を検出する空燃比センサ２５と、吸気管１１へ連結される排気還流管２８とが、排気管２２の各々の適宜位置に備えられている。空燃比センサ２５は酸素濃度センサとしても良いものである。
また、排気還流率を調整するＥＧＲ弁２６と、還流ガス温度を検出する還流ガス温度検出器の一態様であって還流ガス温度を調整するＥＧＲクーラ２７が排気還流管２８の適宜位置に備えられている。また、ＥＧＲクーラ２７は還流ガス温度の温度調整を実施するための冷却水の出入口を有し、冷却水の流量を制御するための冷却水ポンプ２９と、冷却水流路切替弁３０が内燃機関Ｅｎｇの各々の適宜位置に備えられている。
また、ピストンストローク変更機構が備えられており、クランクシャフト１４はメインシャフトとサブシャフトにより構成され、サブシャフトはコネクティングロッドを介してピストン１３に連結されている。ここで、メインシャフトとサブシャフトの距離、或いはコネクティングロッドの長さを可変とするコントロールシャフト３１を備えている。
このピストンストローク変更機構を備えることにより、ピストンのストローク量を変更することが可能となり、燃焼室内圧力と温度を可変とすることができる。また、ピストンストローク量を可変とせしめる機構は上記の限りではない。
クランクシャフト１４には、クランクシャフト１４の角度、回転速度、及びピストン１３の移動速度を検出するためのクランク角センサ１５が備えられている。また、内燃機関Ｅｎｇには、内燃機関Ｅｎｇの振動を加速度として検出するためのノックセンサ１６が備えられている。また、燃焼室内部の圧力を検出する圧力センサ２１が内燃機関Ｅｎｇの適宜位置に備えられている。圧力センサ２１は燃焼室のイオン量を検出するイオン電流センサであっても良いものである。
また、内燃機関Ｅｎｇ内部の冷却水温度を検出する冷却水温センサ１８が、内燃機関Ｅｎｇの適宜位置に備えられている。エアフロセンサ３と、吸気温湿度センサ４と、クランク角センサ１５と、ノックセンサ１６と、冷却水温センサ１８と、圧力センサ２１と、排気温センサ２４と、空燃比センサ２５と、還流ガス温度検出器の一態様であって還流ガス温度を調整するＥＧＲクーラ２７から得られる各種情報は、電子制御手段１に送られる。
更に、アクセルペダル開度センサ２から得られるアクセル開度情報は電子制御手段１に送られる。アクセルペダル開度センサ２はアクセルペダルの踏み込み量、すなわちアクセル開度を検出する。電子制御手段１はアクセルペダル開度センサ２のアクセル開度情報に基づいて要求トルクを演算する。すなわち、アクセルペダル開度センサ２は内燃機関Ｅｎｇへの要求トルクを検出する要求トルク検出センサとして用いられる。
電子制御手段１は、クランク角センサ１５の出力情報に基づいてクランクシャフト１４の角度、回転速度、及びピストン１３の移動速度を演算する。また、電子制御手段１は各種センサの出力から得られる内燃機関Ｅｎｇの運転状態に基づいて、スロットル５の開度情報と、タンブル制御弁６の開度情報と、直噴インジェクタ７の噴射情報と、燃料ポンプ８の駆動情報と、可変動弁機構１２の弁開閉時期情報と、点火コイル２０の点火制御情報と、ＥＧＲ弁２６の開度情報と、冷却水ポンプ２９と冷却水切替弁の冷却水制御情報と、ピストンストローク量を制御するコントロールシャフト３１のピストンストローク情報と、吸気管長調整弁３４の切換情報と、ポートインジェクタ３３の噴射情報等の内燃機関Ｅｎｇの主要な作動量を演算する。
電子制御手段１で演算された、スロットル開度情報はスロットル駆動情報としてスロットル５へ送られ、タンブル制御弁開度情報はタンブル制御弁駆動情報としてタンブル制御弁６へ送られ、噴射情報は直噴インジェクタ開弁パルス信号に変換され直噴インジェクタ7に送られる。また、噴射情報はポートインジェクタ開弁パルス信号に変換されポートインジェクタ３３にも送られる。
同様に、電子制御手段１で演算された燃料ポンプ駆動信号は燃料ポンプ８へ送られ、弁開閉時期情報は可変動弁駆動信号として可変動弁１２へ送られ、1回或いは複数回の点火を指令する点火制御情報は点火コイル２０に送られ、ＥＧＲ弁開度情報はＥＧＲ弁駆動信号としてＥＧＲ弁２６へ送られ、冷却水制御情報は冷却水制御駆動信号として冷却水ポンプ２９と冷却水流路切替弁３０へ送られる。
吸気管１１から吸気弁を経て燃焼室１７内に流入した空気と、排気管２２からＥＧＲ弁２６とＥＧＲクーラ２７を経て再循環する再循環ガスとの混合気に対して、燃料が噴射され可燃混合気を形成する。可燃混合気は所定の点火時期で点火コイル２０により点火エネルギ、または点火数を供給された点火プラグ１９から発生される火花により燃焼し、その燃焼圧によりピストン１３を押し下げて内燃機関Ｅｎｇの駆動力となる。爆発後の排気ガスは排気管２２を経て三元触媒２３に送られ、排気有害成分は三元触媒２３内で浄化された後で排出される。
電子制御手段１で演算された目標ピストンストローク情報は、コントロールシャフト３１へ送られる。内燃機関Ｅｎｇは自動車に搭載されており、自動車の走行状態に関する情報は電子制御手段１に送られる。また、電子制御手段１へは内燃機関を搭載する車体あるいは車輪に取り付けられた車速センサと、加速度または角度などを計測するセンサ(以下、Ｇセンサと表記する)と、内燃機関を搭載する車体に取り付けられた変速機を制御するためのシフトレバーの位置を検出するシフトレバー位置センサとの情報が直接あるいは電子制御手段１に直接、または異なる制御装置から入力されている。
図２は本発明の実施形態による電子制御手段１の構成を示すシステムブロック図である。アクセルペダル開度センサ２、エアフロセンサ３、吸気温湿度センサ４、クランク角センサ１５、ノックセンサ１６、冷却水温センサ１８、圧力センサ２１、排気温センサ２４、空燃比センサ２５、ＥＧＲクーラに備えられた還流ガス温度検出器２７、Ｇセンサ３２の出力情報は、電子制御手段１の入力回路５０ａに入力される。ただし入力情報はこれらだけに限られないものである。
入力された各センサの入力情報は、入出力ポート５０ｂ内の入出力ポートに送られる。
入出力ポート５０ｂに送られた値は、ＲＡＭ５０ｃに保管されＣＰＵ５０ｅで演算処理される。演算処理内容を記述した制御プログラムはＲＯＭ５０ｄに予め書き込まれている。
制御プログラムに従って演算された各アクチュエータの作動量を示す値は、ＲＡＭ５０ｃに保管された後、入出力ポート５０ｂの出力ポートに送られ各駆動回路を経て各アクチュエータに送られる。
本実施形態の場合は、駆動回路としてスロットル駆動回路５０ｆ、タンブル制御弁駆動回路５０ｇ、直噴インジェクタ駆動回路５０ｈ、燃料ポンプ駆動回路５０ｉ、可変動弁駆動回路５０ｊ、コントロールシャフト駆動回路５０ｋ、点火信号出力回路５０ｌ、ＥＧＲ弁駆動回路５０ｍ、冷却水制御駆動回路５０ｎ、ポートインジェクタ駆動回路５０ｏがある。各回路はスロットル５、タンブル制御弁６、直噴インジェクタ７、燃料ポンプ８、可変動弁機構１２、コントロールシャフト３１、点火コイル２０、ＥＧＲ弁２６、冷却水ポンプあるいは冷却水流路切替弁３０、ポートインジェクタ３３を制御する。本実施形態においては、電子制御手段１内に駆動回路を備えた装置であるが、これに限るものではなく駆動回路のいずれかを電子制御手段１内に備えるものであっても良いものである。
図３は、本発明の実施形態になる内燃機関の回転数と目標トルク（＝アクセルペダル開度）に応じた空気制御系の制御マップを示している。各目標制御マップの縦軸は目標トルクＴＲＧＴＲＱ、横軸は内燃機関の回転数ＮＥであり、上から順に、目標空燃比ＴＲＧＡＦ、目標タンブル制御弁開度ＴＲＧＴＣＶ、目標吸気流路長ＴＲＧＬＩＮ、目標ピストンストロークＴＲＧＳＴＲを示している。そして、回転数ＮＥと目標トルクＴＲＧＴＲＱに対応して目標空燃比ＴＲＧＡＦは変化するよう設定されており、成層リーン燃焼モードでは例えば空燃比３０よりリーンであり、均質リーン燃焼モードでは例えば空燃比３０、ストイキ燃焼モードでは例えば空燃比１４、５に設定されている。ここで、目標空燃比ＴＲＧＡＦは、適用する内燃機関の流動特性や均質度特性などにより異なるため、任意の設定としても良いものである。
この成層リーン燃焼モード、均質リーン燃焼モード、ストイキ燃焼モードに対応する回転数ＮＥと目標トルクＴＲＧＴＲＱに応じて、目標タンブル制御弁開度ＴＲＧＴＣＶ、目標吸気流路長ＴＲＧＬＩＮ、目標ピストンストロークＴＲＧＳＴＲ等は夫々の制御目標値を有するようになっている。
例えば、目標タンブル制御弁開度ＴＲＧＴＣＶは、成層リーン燃焼モードでは「開状態」、均質リーン燃焼モードでは「閉状態」、ストイキ燃焼モードでは「開状態」となるように設定されている。これにより、均質リーン燃焼モードではタンブル制御弁を閉じて燃焼室内の混合気の流動を強化（強流動）して燃焼安定化が得られるようにし、成層リーン燃焼モードではタンブル制御弁を開いて混合気の流動を弱化（弱流動）することによって燃焼安定化が得られるようにし、更に、ストイキ燃焼モードではタンブル制御弁を開いて混合気の流動を弱化（弱流動）することによって最適な流動特性を与えるようにしている。
また、目標吸気流路長ＴＲＧＬＩＮは成層リーン燃焼モードでは短くし、均質リーン燃焼モードでは長くし、更にストイキ燃焼モードでは短くなるように設定されている。これにより強流動による燃焼安定化が得られる均質リーンと、弱流動によって燃焼安定化が得られる成層リーン燃焼に最適な混合気の流動特性を与えることができる。更に、高負荷のストイキ燃焼モード時の空気応答遅れの無いレスポンスの良い特性にすることができる。
ここで流路長に対して適用する内燃機関の特性によっては流動性能が逆の特性となることもあり得ることから、そのような場合は長短が逆となっても良いものである。
また、目標ピストンストロークＴＲＧＳＴＲは成層リーン燃焼モードでは小さくし、均質リーン燃焼モードでは大きく、ストイキ燃焼モードではこれらの中間になるように設定されている。これにより強流動による燃焼安定化が得られる均質リーンと、弱流動によって燃焼安定化が得られる成層リーン燃焼に最適な混合気の流動特性を与えることができる。更に、高負荷のストイキ燃焼モード時での高い充填効率を確保し、レスポンスの良い特性に制御することができる。
尚、空気制御系は、タンブル制御弁、吸気流路長、ピストンストロークを示しているが、タンブル制御弁が多く採用されているので、少なくともタンブル制御弁だけを制御することがより実際的である。
以上の制御目標値を設定することで、よりリーンとなる目標空燃比設定となる成層リーン燃焼モードと、それに比べてリッチとなる目標空燃比設定となる均質リーン燃焼モードのそれぞれの燃焼安定化を実現しつつ、目標空燃比をリーン側に設定することで排気ガス浄化性能と燃費性能の向上を図ることができるようになる。
また、図４は本発明の実施形態による回転数と目標トルクに応じた燃料制御系の制御マップである。各目標制御マップの縦軸は目標トルクＴＲＧＴＲＱ、横軸は内燃機関の回転数ＮＥであり、上から順に目標点火回数ＴＲＧＩＧＮ、吸気行程噴射ＰＩＮ、圧縮行程噴射ＰＣＯ、ポート噴射ＰＰＯを示している。尚、適用する内燃機関システムによってはポート噴射ＰＰＯの目標制御マップは無くても良いし、目標点火回数ＴＲＧＩＧＮは目標点火エネルギ、または目標点火コイル充電時間ＤＷＥＬＬでも良いものである。
この成層リーン燃焼モード、均質リーン燃焼モード、ストイキ燃焼モードに対応する回転数ＮＥと目標トルクＴＲＧＴＲＱに応じて、目標点火回数ＴＲＧＩＧＮ、吸気行程噴射ＰＩＮ、圧縮行程噴射ＰＣＯ、ポート噴射ＰＰＯ等は夫々の制御目標値を有するようになっている。
例えば、目標点火回数ＴＲＧＩＧＮは成層リーン燃焼モードでは多く、均質リーン燃焼でモードは少なく、ストイキ燃焼モードでも少なくするように設定されている。これにより強流動による燃焼安定化が得られる均質リーンに対して、点火回数を低減することで点火1回あたりの投入エネルギを増加させることができ、強流動時に放電が吹き消えることを抑制し着火性を改善することができる。
また、弱流動によって燃焼安定化が得られる成層リーン燃焼モードに対しては、点火回数を増加することで、点火プラグ周りに存在する成層混合気のサイクル変動に対して複数回の着火機会を与えることができ、着火のロバスト性を向上して着火性の改善を得ることができる。
このように、成層リーン燃焼モードと均質リーン燃焼モードに最適な点火制御を与えることができる。また、点火回数の代わりに点火エネルギ、又は点火コイル充電時間ＤＷＥＬＬで制御する場合でも、均質リーン燃焼モードでは点火エネルギを成層リーン燃焼モードよりも増加させることで、同様の着火性の改善効果を得ることができる。
次に、直噴インジェクタ７、ポートインジェクタ３３の制御について説明する。例えば、直噴インジェクタ７においては、吸気行程噴射ＰＩＮは成層リーン燃焼モードではＯＦＦとし、均質リーン燃焼モードではＯＮとし、ストイキ燃焼モードではＯＮとするように設定されている。一方、圧縮行程噴射ＰＣＯは、成層リーン燃焼モードではＯＮとし、均質リーン燃焼モードではＯＦＦとし、ストイキ燃焼モードではＯＮとするように設定されている。
これにより、均質リーン燃焼モードでは吸気行程噴射を行うことでサイクル中の早期段階で燃料噴射を終えることができるため、高均質な混合気形成が可能となり燃焼安定化が得られるようになる。また、成層リーン燃焼モードでは圧縮行程噴射を行うことで燃料の拡散時間が短いために、点火プラグ周りに良好な成層混合気の形成が得られて燃焼安定化が得られようになる。
更に、ストイキ燃焼モードでは吸気行程噴射を行うことでサイクル中の早期段階で燃料噴射を実施することで高均質な混合気形成が可能となると共に、吸気行程噴射に続いて圧縮行程噴射により燃焼室を冷却することで、燃焼室の端々に残った燃料が自着火するノッキングと呼ばれる異常燃焼を抑制できるようになる。
次に、ポートインジェクタ３３においては、ポート噴射ＰＰＯは成層リーン燃焼モードではＯＦＦとし、均質リーン燃焼モードではＯＮとし、ストイキ燃焼モードではＯＮとするように設定されている。これは上述した吸気行程噴射ＰＩＮと同様の効果を得られるためであり、直噴インジェクタ７のみを備える内燃機関システムよりも高均質な混合気形成が可能となるため、排気浄化性能と燃費性能の改善効果が増大する。
しかしながら、内燃機関システムがポートインジェクタを備えない場合は上述の限りではなく、ポート噴射ＰＰＯの代わりに直噴インジェクタ７の吸気行程噴射ＰＩＮにおける分割噴射回数の増加、燃料噴射圧力の増加、噴射開始時期の最適化を制御目標値に追加することで、ポートインジェクタ３３を使用した場合と同様の効果を得ることができる。
図５Ａは燃焼モードを演算する演算ロジックを示し、図５Ｂは燃焼モードＭＤを判定する判定表を示している。そして、この燃焼モードＭＤの判定演算は電子制御手段１内部にて実施されている。図５Ａに示す演算ロジックは制御機能として表現しているものであり、実際は電子制御手段１に設けたマイクロコンピュータの制御プログラムで実行されるものである。
図５Ａにおいて、アクセルペダル開度センサ２からのアクセル開度情報ＡＰＯと、クランク角センサ１５からの内燃機関の回転数情報ＮＥと、冷却水温センサ１８からの冷却水温度情報ＴＷは、燃焼モード演算部６０に入力されている。燃焼モード演算部６０では、図５Ｂに示す燃焼モード判定表に基づいて燃焼モードＭＤを演算して出力する。
次に、燃焼モード判定表について説明する。まず、冷却水温度情報ＴＷが、予め燃焼モード演算部６０に記憶された許可条件温度ＴＬを下回る場合は、燃焼モードＭＤが「ＭＤ＝０」モードとなり成層、均質リーン燃焼は行わず、ストイキ燃焼を行うように決められている。この状態は内燃機関が冷機状態にあることを示し、安定した燃焼を行うためストイキ燃焼モードとしている。この演算された燃焼モードＭＤはモード設定部６１に設定される。
また、内燃機関が暖機完了して冷却水温度情報ＴＷが許可条件温度ＴＬ以上である場合でも、アクセル開度情報ＡＰＯが燃焼モード演算部６０に記憶された成層リーン許可条件ＡＰＯＳ、均質リーン許可条件ＡＰＯＨ、ストイキＥＧＲ許可条件ＡＰＯＥ未満である場合、及び/又は回転数情報ＮＥが燃焼モード演算部６０に記憶された成層リーン許可条件ＮＥＳ、均質リーン許可条件ＮＥＨ、ストイキＥＧＲ許可条件ＮＥＥ未満である場合は、燃焼モードＭＤが「ＭＤ＝１」モードとなり、成層リーン燃焼、均質リーン燃焼は行わず、ストイキ燃焼を行うように決められている。
また、冷却水温度情報ＴＷが許可条件温度ＴＬ以上である場合で、アクセル開度情報ＡＰＯ及び回転数情報ＮＥが成層リーン許可条件ＡＰＯＳ、ＮＥＳを上回る場合には、燃焼モードＭＤが「ＭＤ＝２」モードとなり、成層リーン燃焼を行うように決められている。
また、冷却水温度情報ＴＷが許可条件温度ＴＬ以上である場合で、アクセル開度情報ＡＰＯ及び回転数情報ＮＥが成層リーン許可条件ＡＰＯＳ、ＮＥＳと、均質リーン許可条件ＡＰＯＨ、ＮＥＨを上回る場合には、燃焼モードＭＤが「ＭＤ＝３」モードとなり、均質リーン燃焼を行うように決められている。
更に、冷却水温度情報ＴＷが許可条件温度ＴＬ以上である場合で、アクセル開度情報ＡＰＯ及び回転数情報ＮＥが成層リーン許可条件ＡＰＯＳ、ＮＥＳと、均質リーン許可条件ＡＰＯＨ、ＮＥＨと、ストイキＥＧＲ許可条件ＡＰＯＥ、ＮＥＥを上回る場合には、燃焼モードＭＤが「ＭＤ＝４」モードとなり、ストイキＥＧＲ燃焼を行うように決められている。
このように、機関温度状態を表す冷却水温度、吸気温度、排気温度、潤滑油温度などを用いることで適切なリーン燃焼許可条件を与えることができると共に、アクセル開度や回転数から、運転者の加減速要求や車両速度に応じた燃焼許可判定が可能となり、ストイキ燃焼モード、成層リーン燃焼モード、均質リーン燃焼モード、及びストイキＥＧＲ燃焼モード等の内燃機関の燃費性能と排気浄化性能を改善する燃焼形態を適切に選択することができる。
図６は、図５Ｂで求められた燃焼モードＭＤに基づいて図３、図４に示す各制御目標値を演算する演算ロジックを示している。尚、図６に示す演算ロジックは制御機能として表現しているものであり、実際は電子制御手段１に設けたマイクロコンピュータの制御プログラムで実行されるものである。燃焼モード演算部６０からモード設定部６１に出力された燃焼モードＭＤとアクセル開度情報ＡＰＯは、制御値演算部６２へ入力される。
制御値演算部６２は各燃焼モードに対応して、目標空燃比ＴＲＧＡＦと、目標点火回数ＴＲＧＩＧＮと、目標タンブル制御弁開度ＴＲＧＴＣＶと、吸気行程噴射ＰＩＮと、圧縮行程噴射ＰＣＯと、目標吸気流路長ＴＲＧＬＩＮと、ポート噴射ＰＰＯと、目標ピストンストロークＴＲＧＳＴＲを演算し出力する。これにより各燃焼モードに応じた適切な目標値を出力できる。
次に、運転状態が変化して燃焼モードが変化する過渡状態の制御について説明する。図７Ａは、燃焼モードＭＤとアクセル開度情報ＡＰＯに基づく過渡状態の制御値演算ロジックを示している。この図７Ａに示す演算ロジックも制御機能として表現しているものであり、実際は電子制御手段１に設けたマイクロコンピュータの制御プログラムで実行されるものである。
図６に示している制御値演算部６２の内部には、燃焼モードＭＤとアクセル開度情報ＡＰＯを入力として各制御目標値を演算する制御目標値演算部６３と、切替条件判定部６４を備えており、更に、その後段に目標値補正部６５も備えている。目標値補正部６５では切替条件判定部からの入力を元に制御目標値演算部６３からの入力を補正し、目標値出力部６６から各種目標値出力として出力する。
ここで、図７Ｂに基づいて燃焼モードＭＤとアクセル開度情報ＡＰＯに応じた過渡状態の制御について説明する。例えば、燃焼モードＭＤが「ＭＤ＝１」から「ＭＤ＝２」に変化する際、アクセル開度情報ＡＰＯの変化量の大小に応じて過渡状態の変化度合ΔＬを判定し、この変化度合ΔＬに応じて補正量の大小を求める過渡状態補正機能が目標値補正部６５に備えられている。
過渡状態の変化度合ΔＬは、アクセル開度情報ＡＰＯから判断することができ、例えば、ΔＬ＝ＡＰＯ(ｎ)−ＡＰＯ(ｎ-１)で求めることができる。ここで、ＡＰＯ(ｎ)は現在のＡＰＯの取込値であり、ＡＰＯ(ｎ-１)は所定時間前のＡＰＯの取込値である。尚、過渡状態の変化度合ΔＬはアクセル開度情報ＡＰＯの変化量ではなく、例えば、負荷(空気量を回転数で除した値)の変化量であっても差し支えないものである。
これにより、成層リーン燃焼モードと均質リーン燃焼モードの間で切り替え要求があった際に、内燃機関が過渡状態にあるのか否かの判定を行うと共に、過渡状態の変化度合ΔＬに応じた補正量(大／小)を制御目標値に反映できるため、違和感の無いドライバビリティを得ることができるようになる。もちろん、燃焼安定性が向上するので排気浄化性能と燃費性能も向上できることはいうまでもない。
図７Ｂの上側に示すものは、燃焼モードＭＤの値が「ＭＤ＝１」⇒「ＭＤ＝２」、「ＭＤ＝１」⇒「ＭＤ＝３」、「ＭＤ＝２」⇒「ＭＤ＝３」、「ＭＤ＝２」⇒「ＭＤ＝４」「ＭＤ＝３」⇒「ＭＤ＝４」と切り替わる場合に、この時のアクセル開度情報ＡＰＯの変化量に基づいて、制御目標値を補正する補正量を求めているものである。同様に、図７Ｂの下側に示すものは、燃焼モードＭＤの値が「ＭＤ＝２」⇒「ＭＤ＝１」、「ＭＤ＝３」⇒「ＭＤ＝１」、「ＭＤ＝３」⇒「ＭＤ＝２」、「ＭＤ＝４」⇒「ＭＤ＝２」「ＭＤ＝４」⇒「ＭＤ＝３」と切り替わる場合に、この時のアクセル開度情報ＡＰＯの変化量に基づいて、制御目標値を補正する補正量を求めているものである。
ここで、アクセル開度情報ＡＰＯの変化量は、所定の基準変化量より大きいか、或いは小さいかを判断し、これに基づいて補正量を大きくするか、或いは小さくするかを決定している。しかしながら、アクセル開度情報ＡＰＯの基準変化量を複数に設定し、これに合わせて補正量も複数の大きさに設定することも可能である。つまり、アクセル開度の変化量が大きくなるにしたがって補正量もこれに基づいて大きく設定されている。
次に、以上に説明した実施形態による電子制御手段１における制御フローを図８に基づき説明する。尚、上述したように図５Ａ、図６、及び図７Ａに示した演算ブロックの制御内容は、図８に示す制御フローを実行する制御プログラムによって所定の周期で繰り返し実行されるものである。
図８において、ステップＳ１０１ではアクセル開度情報ＡＰＯ、内燃機関の回転数情報ＮＥ、冷却水温情報ＴＷ等の検出値、及び電子制御手段１のＲＯＭに書き込まれた値などを読み込む。次に、ステップＳ１０２では、燃焼モードＭＤを演算する。この燃焼モードＭＤの演算は、アクセル開度情報ＡＰＯ、回転数情報ＮＥ、冷却水温度情報ＴＷから図５Ｂにある判定表から演算されるものである。
燃焼モードＭＤが求まると、次にステップＳ１０３において制御目標値を演算する。この制御目標値は図６に示すように、燃焼モードＭＤとアクセル開度情報ＡＰＯが入力された制御演算部６２によって、図３及び図４に示す目標空燃比ＴＲＧＡＦ、目標タンブル制御弁開度ＴＲＧＴＣＶ、目標吸気流路長ＴＲＧＬＩＮ、目標ピストンストロークＴＲＧＳＴＲ、吸気行程噴射ＰＩＮ、圧縮行程噴射ＰＣＯ、ポート噴射ＰＰＯが求められる。
次に、ステップＳ１０４においてステップＳ１０３で求められた目標空燃比ＴＲＧＡＦを読み込み、以下、同様にしてステップＳ１０５で目標タンブル制御弁開度ＴＲＧＴＣＶを読み込み、ステップＳ１０６で吸気行程噴射ＰＩＮを読み込み、ステップＳ１０７で圧縮行程噴射ＰＣＯを読み込み、ステップＳ１０８で目標吸気流路長ＴＲＧＬＩＮを読み込み、ステップＳ１０９でポート噴射ＰＰＯを読み込み、ステップＳ１１０で目標ピストンストロークＴＲＧＳＴＲを読み込み、最後にステップＳ１１１で目標点火回数ＴＲＧＩＧＮを読み込む。
次に、ステップＳ１１２において、図７Ａに示すように燃焼モードＭＤとアクセル開度情報ＡＰＯとから、図７Ｂに示すように燃焼モードＭＤがどのように変化したか、またアクセル開度情報ＡＰＯの変化量がどの程度であったかという切換条件の判定を実行する。
そして、ステップＳ１１３において、図７Ｂに示す制御目標値を補正するための補正量を求め、この補正量によって制御目標値の補正を実行する。
次に、ステップＳ１１３で補正された各制御目標値に基づき夫々の制御を実行する。この場合、本実施形態では、空気制御系を先行して実行し、これに続いて燃料制御系を実行するようにしている。これによって、正確な空燃比制御が実行できるようになる。
先ず、ステップＳ１１４では空燃比制御(成層リーン燃焼モード／均質リーン燃焼モード／ストイキ燃焼モードのいずれか)を実行する。次に、ステップＳ１１５においては、燃焼モードＭＤに対応して空気流動制御、具体的にはタンブル制御弁開度制御(開状態／閉状態のいずれか)、ピストンストローク制御(大／中／小のいずれか)、流路長制御(長／短のいずれか)を実行する。
次に、ステップＳ１１６では燃焼モードＭＤに対応して燃料噴射制御、具体的には吸気行程噴射(ＯＮ/ＯＦＦのいずれか)、圧縮行程噴射(ＯＮ/ＯＦＦのいずれか)、ポート噴射(ＯＮ/ＯＦＦのいずれか)を実行する。次に、ステップＳ１１７では点火制御、具体的には点火回数、点火エネルギ、点火コイル充填時間の制御を実行する。
このように、空気制御系を燃料制御系に先行して実行し、更に過渡状態の変化度合を反映することで、吸入空気の時間的な流動遅れに対応した正確な空燃比制御が実現できると共に、燃焼モードの空燃比に応じた適切な点火制御を行うことができる。
次に上述した制御フローの具体的な制御例をいくつか説明する。図９は加速のためにアクセルペダルが踏み込まれて、燃焼モードＭＤが「ＭＤ＝２」から「ＭＤ＝３」に切り換えられ、かつその変化度合が「＋ΔＬ１」と小さい場合の制御例である。尚、図５Ｂから「ＭＤ＝２」は成層リーン燃焼モードであり、「ＭＤ＝３」は均質リーン燃焼モードである。
図９の(Ａ)は燃焼モードＭＤ、(Ｂ)はアクセル開度情報ＡＰＯ、(Ｃ)は目標空燃比ＴＲＧＡＦ、(Ｄ)は目標タンブル制御弁開度ＴＲＧＴＣＶ、(Ｅ)は目標吸気流路長ＴＲＧＬＩＮ、(Ｆ)は目標ピストンストロークＴＲＧＳＴＲ、(Ｇ)は吸気行程噴射ＰＩＮ、(Ｈ)は圧縮行程噴射ＰＣＯ、(Ｉ)は目標点火回数ＴＲＧＩＧＮであり、燃焼モードＭＤが「ＭＤ＝２」から「ＭＤ＝３」に切り換えられた時の変化状態を示している。尚、以下に説明する図１０〜図１２も同様に、燃焼モードが切り替えられた時の各作動量の変化状態を示している。
燃焼モードＭＤが「ＭＤ＝２」から「ＭＤ＝３」へ切り換えられた時、成層リーン燃焼モードから均質リーン燃焼モードへと燃焼モードの切り替えが実施される。更に、アクセル開度情報ＡＰＯは●印Ａｃ１で示すように小さい変化量であるため、変化度合＋ΔＬ１は小さいものと見做せる。尚、この変化度合＋ΔＬ１は上述したように所定時間内のアクセル開度情報ＡＰＯの変化量で表すことができる。
そして、均質リーン燃焼モードに切り替えられる時期に同期して目標空燃比は小さく(濃い側)設定され、同様に切り換え時期に同期して(Ｄ)〜(Ｆ)に示すように空気制御系である目標タンブル制御弁開度ＴＲＧＴＣＶ、目標吸気流路長ＴＲＧＬＩＮ、目標ピストンストロークＴＲＧＳＴＲの夫々が、均質リーン燃焼モードでの制御目標値に直ちに変更されるように制御される。すなわち、タンブル制御弁６は閉じ方向に制御され、吸気流路長は長い方に吸気管が切り替えられ、ピストンストロークは大きくなる方に切り替えられる。ここで、吸入空気量に対する燃料噴射量の割合が増加すればするほど、タンブル制御弁６の開度が大きくなるように設定され、またピストンストロークが減少するように設定することも可能である。
そして、燃料制御系は燃焼モードＭＤの切り替え動作、或いは空気制御系の切り替え動作が行われた時期より遅れて、過渡状態の変化度合＋ΔＬ１に対応した短い遅延時間Δｔ１を経過した後に、吸気行程噴射ＰＩＮ、圧縮行程噴射ＰＣＯ、目標点火回数ＴＲＧＩＧＮを変更する制御が実行される。すなわち、燃焼モードＭＤの切り替え動作、或いは空気制御系の切り替え動作の後の遅延時間Δｔ１後に、吸気行程噴射ＰＩＮがＯＮとなって吸気行程噴射が実行され、一方、圧縮行程噴射がＯＦＦとなって圧縮行程噴射が停止されるものである。更に、点火回数が成層リーン燃焼モードに比べて少なく設定されて、点火エネルギを増大するように制御されるものである。
これにより、均質リーン燃焼モードに必要な空気の流動状態(強流動)を、空気の応答遅れを考慮して燃料噴射より先行して強化することができ、燃焼モードＭＤの切り替え動作に同期して直ちに圧縮行程噴射ＰＣＯを停止して吸気行程噴射を実行させた場合に比べて、空気の流動状態が強流動である時に燃料噴射が実行されるため混合気の均質化が向上されて、均質リーン燃焼モードの空燃比を高く設定することができ、排気浄化性能と燃費性能を高める効果を奏することができるようになる。
次に、図１０は加速のためにアクセルペダルが踏み込まれて、燃焼モードＭＤが「ＭＤ＝２」から「ＭＤ＝３」に切り換えられ、その変化度合が「＋ΔＬ２」と大きい場合の制御例である。燃焼モードＭＤが「ＭＤ＝２」から「ＭＤ＝３」に切り替えられると、上述したように成層リーン燃焼モードから均質リーン燃焼モードへと燃焼モードが変更される。
この時、図９の場合に比べてアクセル開度情報ＡＰＯは○印Ａｃ２で示すように大きい変化量であるため、変化度合＋ΔＬ２は大きいものと見做せる。この時、目標空燃比は小さく(濃い側)設定され、(Ｄ)〜(Ｆ)に示すように空気制御系である目標タンブル制御弁開度ＴＲＧＴＣＶ、目標吸気流路長ＴＲＧＬＩＮ、目標ピストンストロークＴＲＧＳＴＲの夫々が均質リーン燃焼での目標値に直ちに変更されように制御される。これは図９と同様である。
一方、燃料制御系は燃焼モードＭＤの切り替え動作、或いは空気制御系の切り替え動作が行われた時期より遅れて、過渡状態の変化度合＋ΔＬ２に対応した長い遅延時間Δｔ２を経過した後に、吸気行程噴射ＰＩＮ、圧縮行程噴射ＰＣＯ、目標点火回数ＴＲＧＩＧＮを変更する制御が実行される。すなわち、燃焼モードＭＤの切り替え動作、或いは空気制御系の切り替え動作の後の遅延時間Δｔ２後に、吸気行程噴射ＰＩＮがＯＮとなって吸気行程噴射が実行され、一方、圧縮行程噴射がＯＦＦとなって圧縮行程噴射が停止されるものである。更に、点火回数が成層リーン燃焼モードに比べて少なく設定されて点火エネルギを増大するように制御されるものである。
尚、本実施形態では、例示的に変化度合＋ΔＬ２に対応した遅延時間Δｔ２を設定しているが、要はアクセル開度の変化量が大きくなるにしたがって遅延時間もこれに基づいて長く設定されているものである。
これにより、均質リーン燃焼モードに必要な空気の流動状態(強流動)を、空気の応答遅れを考慮して燃料噴射より先行して強化することができ、燃焼モードＭＤの切り替え動作に同期して直ちに圧縮行程噴射ＰＣＯを停止して吸気行程噴射を実行させた場合に比べて、空気の流動状態が強流動である時に燃料噴射が実行されるため混合気の均質化が向上されて、均質リーン燃焼モードの空燃比を高く設定することができ、排気浄化性能と燃費性能を高める効果を奏することができるようになる。
また、図１０の(Ｂ)に示すように、アクセル開度情報ＡＰＯの変化量が正の方向へ大きい加速要求状態であるので、圧縮行程噴射ＰＣＯを実行する遅延時間Δｔ２を長くすることにより、供給燃料量を増加して加速性を改善できるようになる。更には、過給機を備える内燃機関に適用した場合には、圧縮行程噴射ＰＣＯの遅延時間Δｔ２の増加による排気温度上昇に伴う排気エンタルピの増加が生じ、ターボレスポンスを増大させることで吸気圧を素早く上昇させることができる。その結果、燃費性能を向上することができる。
次に、図１１に示す制御例は、減速のためにアクセルペダルが踏み離されて、燃焼モードＭＤが「ＭＤ＝３」から「ＭＤ＝２」に切り換えられ、その変化度合が「−ΔＬ１」と小さい場合の制御例である。尚、この場合も図５Ｂから「ＭＤ＝３」は均質リーン燃焼モードであり、「ＭＤ＝２」は成層リーン燃焼モードである。
図１１も図９と同様に燃焼モードＭＤが「ＭＤ＝３」から「ＭＤ＝２」に切り換えられた時の変化状態を示している。そして、燃焼モードＭＤが「ＭＤ＝３」から「ＭＤ＝２」へ切り換えられた時、均質リーン燃焼モードから成層リーン燃焼モードへと燃焼モードの切り替えが実施される。更に、アクセル開度情報ＡＰＯは●印Ａｃ３で示すように小さい変化量であるため、変化度合−ΔＬ３は小さいものと見做せる。この時、切り替え時期に同期して目標空燃比は大きく(希薄側)設定され、同様にして(Ｄ)〜(Ｆ)に示すように空気制御系である目標タンブル制御弁開度ＴＲＧＴＣＶ、目標吸気流路長ＴＲＧＬＩＮ、目標ピストンストロークＴＲＧＳＴＲの夫々が、成層リーン燃焼モードでの制御目標値に直ちに変更されように制御される。すなわち、タンブル制御弁６は開き方向に制御され、吸気流路長は短い方に吸気管が切り替えられ、ピストンストロークは小さくなる方に切り替えられる。
そして、燃料制御系は燃焼モードＭＤの切り替え動作、或いは空気制御系の切り替え動作が行われた時期より遅れて、過渡状態の変化度合−ΔＬ３に対応した短い遅延時間Δｔ３を経過した後に、吸気行程噴射ＰＩＮ、圧縮行程噴射ＰＣＯ、目標点火回数ＴＲＧＩＧＮを変更する制御が実行される。すなわち、燃焼モードＭＤの切り替え動作、或いは空気制御系の切り替え動作の後の遅延時間Δｔ３後に、吸気行程噴射ＰＩＮがＯＦＦとなって吸気行程噴射が停止され、一方、圧縮行程噴射がＯＮとなって圧縮行程噴射が実行されるものである。更に、点火回数が均質リーン燃焼モードに比べて多く設定されて複数回の着火機会を与えることができ、着火のロバスト性を向上して着火性の改善を得ることができる。
これにより、成層リーン燃焼モードに必要な流動状態(弱流動)を空気の応答遅れを考慮して燃料噴射より先行して弱くすることができ、燃焼モードＭＤの切り替え動作に同期して直ちに吸気工程噴射を停止して圧縮行程噴射を実行した場合に比べて、空気の流動状態が弱流動であるため混合気の拡散が抑制されて、成層リーン燃焼の空燃比を高く設定することができ、排気浄化性能と燃費性能を高める効果を奏することができるようになる。
次に、図１２は燃焼モードＭＤが「ＭＤ＝３」から「ＭＤ＝２」に切り換えられ、かつ過渡状態の変化度合が大きい場合の制御例である。燃焼モードＭＤが「ＭＤ＝３」から「ＭＤ＝２」に切り替えられると、上述したように均質リーン燃焼モードから成層リーン燃焼モードへと燃焼モードが変更される。
この時、図１１の場合に比べてアクセル開度情報ＡＰＯは○印Ａｃ４で示すように大きい変化量であるため、変化度合−ΔＬ４は大きいものと見做せる。この時、目標空燃比は大きく(希薄側)設定され、(Ｄ)〜(Ｆ)に示すように空気制御系である目標タンブル制御弁開度ＴＲＧＴＣＶ、目標吸気流路長ＴＲＧＬＩＮ、目標ピストンストロークＴＲＧＳＴＲの夫々が成層リーン燃焼での目標値に直ちに変更されように制御される。これは図１１と同様である。
一方、燃料制御系は燃焼モードＭＤの切り替え動作、或いは空気制御系の切り替え動作が行われた時期より遅れて、過渡状態の変化度合−ΔＬ４に対応した長い遅延時間Δｔ４を経過した後に、吸気行程噴射ＰＩＮ、圧縮行程噴射ＰＣＯ、目標点火回数ＴＲＧＩＧＮを変更する制御が実行される。すなわち、燃焼モードＭＤの切り替え動作、或いは空気制御系の切り替え動作の後の遅延時間Δｔ４後に、吸気行程噴射ＰＩＮがＯＦＦとなって吸気行程噴射が停止され、一方、圧縮行程噴射がＯＮとなって圧縮行程噴射が実行されるものである。更に、点火回数が均質リーン燃焼モードに比べて多く設定されて複数回の着火機会を与えることができ、着火のロバスト性を向上して着火性の改善を得ることができる。
尚、本実施形態では図１０と同様に、例示的に変化度合−ΔＬ４に対応した遅延時間Δｔ４を設定しているが、要はアクセル開度の変化量が大きくなるにしたがって遅延時間もこれに基づいて長く設定されているものである。
これにより、成層リーン燃焼モードに必要な空気の流動状態(弱流動)を、空気の応答遅れを考慮して燃料噴射より先行して弱くすることができ、燃焼モードＭＤの切り替え動作に同期して直ちに燃料噴射を停止させた場合に比べて、空気の流動状態が弱流動であるため混合気の拡散が抑制されて、成層リーン燃焼の空燃比を高く設定することができ、排気浄化性能と燃費性能を高める効果を奏することができるようになる。
また、図１２の(Ｂ)に示すように、アクセル開度情報ＡＰＯの変化量が負の方向へ大きい減速要求状態であるので、吸気行程噴射ＰＩＮの遅延時間Δｔ４を長くすることにより、圧縮行程噴射ＰＣＯよりも早い段階で燃料噴射を完了することができ、混合気の均質性が確保できることで排気浄化性能を改善できる。
尚、上述した本実施形態から把握できる特徴的な構成について以下に記載する。
（１）成層リーン燃焼モードから均質リーン燃焼モードに切り替わる際に、圧縮行程噴射の停止時期と吸気行程噴射の実行時期、及び点火回数を低減する時期に対して、タンブル制御弁を閉じ方向に制御する時期、或いはピストンストロークを増加方向に制御する時期、或いは吸気管長を長くする時期が、過渡状態の変化度合に対応して設定した時間より先となるように制御することで、空気が燃料噴射に対して遅れる挙動を短縮、または同期させることができる。
（２）圧縮行程噴射を行う成層リーン燃焼モードから吸気行程噴射を行う均質リーン燃焼モードへ切り替える場合に、タンブル制御弁を閉じる、或いは吸気管流路長を長くする、或いはピストンストロークを増加すると共に、過渡状態の変化度合の大きさに対応した所定の遅延時間後に圧縮行程噴射を停止して吸気行程噴射を実行し、更に点火プラグの点火回数を低減することで、空気の応答遅れを考慮した流動強化を行うことができ、均質リーン燃焼の安定条件を充足した後に圧縮行程噴射を停止することができ、これによって弱流動化での均質リーン化を回避することができ排気浄化性能と燃費性能の改善を両立できる。
（３）圧縮行程噴射を行う成層リーン燃焼モードから吸気行程噴射を行う均質リーン燃焼モードへ切り替える場合に、アクセルペダル開度が設定値以上に開き側へ変化すると、タンブル制御弁を閉じる、或いは吸気流路長を長くする、或いはピストンストロークを増加した後に、アクセルペダル開度の変化度合の大きさに対応した遅延時間が経過した時点で吸気行程噴射を実行すると共に圧縮行程噴射を停止し、更に点火プラグの点火回数を低減することで、燃焼切替時のドライバからの加速要求に対し、直ちに均質リーン燃焼での流動状態を作り出し、高負荷での均質リーン加速を成立させることができる。
（４）吸気行程噴射を行う均質リーン燃焼モードから圧縮行程噴射を行う成層リーンモードへ切り替える場合に、タンブル弁の開度を開く、或いは吸気流路長を短くする、或いはピストンストロークを減少すると共に、過渡状態の変化度合の大きさに対応した所定の遅延時間後に吸気行程噴射を停止して圧縮行程噴射を実行し、点火プラグの点火回数を増加することで、空気の応答遅れを考慮した流動抑制を行うことができ、成層リーン燃焼の安定条件を充足した後に圧縮行程噴射を開始することができ、これによって強流動下での成層リーン化を回避することができ、排気浄化性能と燃費性能の改善を両立できる。
（５）吸気行程噴射を行う均質リーン燃焼モードから圧縮行程噴射を行う成層リーン燃焼モードへ切り替える場合に、アクセル開度が設定値以上に閉じ側へ変化すると、タンブル制御弁を開く、或いは吸気流路長を短くする、或いはピストンストロークを減少した後に、アクセルペダル開度の変化度合の大きさに対応した所定の遅延時間が経過した時点で圧縮行程噴射を実行すると共に吸気行程噴射を停止し、更に点火プラグの点火回数を増加することで、燃焼切替時の運転者からの減速要求に対し、直ちに成層リーン燃焼での流動状態を作り出し、低負荷での成層リーン減速を成立させることができる。
（６）吸入空気量に対する燃料噴射量の割合が増加すればするほど、タンブル弁制御の開度が大きくなるように設定されており、またピストンストロークが減少するように設定されている。これによって成層リーン燃焼と均質リーン燃焼の夫々の燃焼安定化を実現しつつ、更なる排気浄化性能と燃費性能の両立を実現できる。
（７）吸気ポート内部へ噴射するポート噴射インジェクタと燃焼室内部へ噴射する直噴インジェクタを備えると共に、直噴インジェクタによって圧縮行程噴射を行う成層リーン燃焼モードにおいてはポート噴射インジェクタの燃料噴射を停止して点火プラグ周りに混合気を形成し、直噴インジェクタによって吸気行程噴射を行う均質リーンモードにおいては、ポート噴射インジェクタの燃料噴射を行うことで、均質リーン燃焼における高均質混合気を燃焼室内に形成し、更に直噴インジェクタから吸気行程に燃料噴射することでノッキング等の異常燃焼を回避することができる。
以上述べた通り本発明によれば、圧縮行程噴射を行う成層リーン燃焼モードと、吸気行程噴射を行う均質リーン燃焼モードを切り替える時に、成層リーン燃焼モードと均質リーン燃焼モードに対応する空気制御系の切り換え動作から、所定の遅延時間が経過した後に圧縮行程噴射と吸気行程噴射との切り換え動作を行い、更にこの遅延時間を過渡状態の変化度合の大きさに対応して設定する構成としたものである。
これによれば、タンブル制御弁のような空気制御系の流動遅れと過渡状態の変化度合に対応して、圧縮行程噴射と吸気行程噴射の切り替え時期を制御するようにしているので、燃焼室内での燃焼安定性を向上できるようになる。
本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。
１…電子制御手段、２…アクセルペダル開度センサ、３…エアフロセンサ、４…吸気温湿度センサ、５…スロットル、６…タンブル制御弁、７…直噴インジェクタ、８…燃料ポンプ、９…コモンレール、１０…燃料配管、１１…吸気管、１２…可変動弁機構、１３…ピストン、１４…クランクシャフト、１５…クランク角センサ、１６…ノックセンサ、１７…燃焼室、１８…冷却水温センサ、１９…点火プラグ、２０…点火コイル、２１…圧力センサ(イオン電流センサ)、２２…排気管、２３…三元触媒、２４…排気温センサ、２５…空燃比センサ、２６…EGR弁、２７…EGRクーラ、２８…排気還流管、２９…冷却水ポンプ、３０…冷却水流路切替弁、３１…コントロールシャフト、３２…Ｇセンサ、３３…ポートインジェクタ、３４…吸気管長調整弁、Ｅｎｇ…内燃機関。

Claims (8)

  1. 燃焼室に直噴インジェクタから燃料を噴射する内燃機関に使用され、圧縮行程噴射を行う成層リーン燃焼モードと、吸気行程噴射を行う均質リーン燃焼モードを切り替える制御手段を備えた内燃機関制御装置において、
    前記制御手段は、前記成層リーン燃焼モードと前記均質リーン燃焼モードを切り替える時に、前記成層リーン燃焼モードと前記均質リーン燃焼モードに対応する空気制御系の切り換え動作から所定の遅延時間が経過した後に前記圧縮行程噴射と前記吸気行程噴射との切り換え動作を行い、更に前記遅延時間を過渡状態の変化度合の大きさに対応して設定したことを特徴とする内燃機関制御装置。
  2. 請求項1記載の内燃機関制御装置において、前記空気制御系は、タンブル制御弁、吸気流路長変更機構、ピストンストローク変更機構の１つ以上から構成され、
    前記制御手段は、前記成層リーン燃焼モードから前記均質リーン燃焼モードへ切り替える時期に同期して、少なくとも、前記タンブル制御弁の開度を閉じる、或いは前記吸気流路長変更機構によって吸気流路長を長くする、或いはピストンストローク変更機構によってピストンストロークを増加するという空気制御の１つ以上を実行し、前記空気制御が実行されて前記遅延時間が経過すると、前記圧縮行程噴射から前記吸気行程噴射に切り替えることを特徴とする内燃機関制御装置。
  3. 請求項２に記載の内燃機関制御装置において、
    前記制御手段は、成層リーン燃焼モードでは複数の点火回数で点火制御を実行しており、前記圧縮行程噴射から前記吸気行程噴射に切り替わると、前記点火回数を減少させて点火制御を実行することを特徴とする内燃機関制御装置。
  4. 請求項２に記載の内燃機関制御装置において、
    前記制御手段にはアクセル開度が入力されており、
    前記制御手段は、前記アクセル開度が開き方向に所定の変化量以上に変化すると前記成層リーン燃焼モードから前記均質リーン燃焼モードに切り替え、更に前記アクセル開度の変化量が大きくなるにしたがって前記遅延時間もこれに基づいて長く設定することを特徴とする内燃機関制御装置。
  5. 請求項1記載の内燃機関制御装置において、前記空気制御系は、タンブル制御弁、吸気流路長変更機構、ピストンストローク変更機構の１つ以上から構成され、
    前記制御手段は、前記均質リーン燃焼モードから前記成層リーン燃焼モードへ切り替える時期に同期して、少なくとも、前記タンブル制御弁の開度を開く、或いは前記吸気流路長変更機構によって吸気流路長を短くする、或いはピストンストローク変更機構によってピストンストロークを減少するという空気制御の１つ以上を実行し、前記空気制御が実行されて前記遅延時間が経過すると、前記圧縮行程噴射から前記吸気行程噴射に切り替えることを特徴とする内燃機関制御装置。
  6. 請求項５に記載の内燃機関制御装置において、
    前記制御手段は、前記均質リーン燃焼モードでは少なくとも１回の点火回数で点火制御を実行しており、前記吸気行程噴射から前記圧縮行程噴射に切り替わると、前記点火回数を増加させて点火制御を実行することを特徴とする内燃機関制御装置。
  7. 請求項５に記載の内燃機関制御装置において、
    前記制御手段にはアクセル開度が入力されており、
    前記制御手段は、前記アクセル開度が閉じ方向に所定の変化量以上に変化すると前記均質リーン燃焼モードから前記成層リーン燃焼モードに切り替え、更に前記アクセル開度の変化量が大きくなるにしたがって前記遅延時間もこれに基づいて長く設定することを特徴とすることを特徴とする内燃機関制御装置。
  8. 請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の内燃機関制御装置において、
    前記内燃機関は吸気ポート内部へ燃料を噴射するポート噴射インジェクタを備えており、
    前記制御手段は、前記成層リーン燃焼モードにおいては、前記ポート噴射インジェクタの燃料噴射を停止して前記圧縮行程噴射によって点火プラグ周りに混合気を形成し、
    前記吸気行程噴射を行う前記均質リーン燃焼モードにおいては、前記ポート噴射インジェクタから燃料噴射を行い、更に前記直噴インジェクタから吸気行程に追加の燃料噴射を実行すること特徴とする内燃機関制御装置。
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