JP2004150383A - 圧縮自着火燃焼と火花点火燃焼とを切り替えながら運転する内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の運転状態を圧縮自着火運転から火花点火運転に適切に切り替える。
【解決手段】目標トルクの増加に合わせて運転状態を圧縮自着火運転から火花点火運転に切り替えるに際して、一旦、成層火花点火運転の状態で、燃料噴射量を徐々に増加させ、混合気の空燃比を漸減させる。そして、空燃比が所定値まで低下したら、一気に理論空燃比まで低下させるとともに火花点火運転に移行させる。こうすれば、成層火花点火運転を経由することで安定して運転状態を切り替えることができ、また燃料を漸増させながら切り替えることで出力トルクが急増することがなく、違和感なく切り替えることができる。更に、所定空燃比に達したら一気に理論空燃比に切り替えることで、窒素酸化物などの大気汚染物質の排出量が増加することもない。
【選択図】 図９

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、混合気を圧縮自着火させて運転する圧縮自着火運転状態と、混合気に火花を飛ばして運転する火花点火運転状態とを切り替えながら内燃機関を運転する技術に関し、より詳しくは、切り替えに伴う違和感の発生や大気汚染物質の増加を招くことなく、運転状態を確実に切り替える技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関は燃焼室内に形成した混合気を燃焼させて、このときに生じる熱エネルギを機械的な仕事に変換することを動作原理としている。燃焼室内で混合気を燃焼させる方式としては、混合気を圧縮して自着火させるいわゆる圧縮自着火燃焼方式や、燃焼室内で火花を飛ばして混合気に点火する火花点火燃焼方式など、種々の方式が提案されている。
【０００３】
圧縮自着火燃焼方式は、燃焼室内で混合気を圧縮自着火させているために、燃焼室内のほぼ全域で同時に混合気の燃焼が開始され、燃焼を速やかに完了させることが可能である。このため燃焼の等容度を増加させることができ、燃料消費効率を改善させることが可能となる。また希薄な混合気を燃焼させることができるので、燃焼温度の低下を通じて、窒素酸化物などの大気汚染物質の排出量を減少させることが可能であるという優れた特性を備えている。
【０００４】
また、火花点火燃焼方式は、燃焼室内で火花を飛ばすことによって混合気を強制的に着火し燃焼させる。このため、火花を飛ばす時期を適切な時期に設定しておけば、内燃機関の高速回転時や高出力時などにおいても、混合気を確実に燃焼させることができるので適切に動力を取り出すことが可能である。
【０００５】
こうしたそれぞれの燃焼方式が備える特性を生かして、内燃機関が高速回転あるいは高負荷条件で運転される場合には火花点火燃焼を行い、中低速回転かつ中低負荷条件で運転される場合には圧縮自着火燃焼を行うこととすれば、高速回転時あるいは高負荷条件時にも十分な出力を確保しつつ、燃料消費効率および大気汚染物質の排出量を同時に改善することが可能となる。
【０００６】
また、圧縮自着火燃焼方式と火花点火燃焼方式とを切り替えるに際しては、一旦、成層火花点火燃焼を経由して切り替えてやることで、燃焼状態が不安定となることを回避して、安定した切り替えを可能とする技術も提案されている（特許文献１）。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−１５２９１９号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、内燃機関の燃焼方式を切り替える場合、単に安定して切り替えることができるだけでは、決して十分ではない。すなわち、燃焼方式を切り替えた時に、内燃機関の操作者に違和感を与えるようなことがあってはならないし、また、切り替えに伴って大気汚染物質の排出量が増加するような事態も決して許容されるものではない。従前の提案では、これらの重要な要請を如何にすれば満足させることができるかといった点については、何ら考慮されていなかった。
【０００９】
本願発明は、従来技術における上述した課題を解決するためになされたものであり、内燃機関の運転状態を、圧縮自着火運転状態と火花点火運転状態とに切り替えるに際して、切り替えに伴う違和感の発生や大気汚染物質の増加を招くことなく、運転状態を確実に切り替えることが可能な技術を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の内燃機関は次の構成を採用した。すなわち、
燃焼室内に形成した混合気を圧縮して自着火させる圧縮自着火運転状態と、火花を飛ばして該混合気に点火する火花点火運転状態とを切り替えながら運転される内燃機関であって、
前記内燃機関を定常運転する際に前記圧縮自着火運転または前記火花点火運転のいずれの運転状態で運転するかを、少なくとも該内燃機関が出力するトルクに応じて予め記憶している定常運転状態記憶手段と、
前記内燃機関が出力すべき目標トルクを検出する目標トルク検出手段と、
前記目標トルクが、前記圧縮自着火運転状態に相当するトルクから前記火花点火運転状態に相当するトルクに増加した場合に、前記内燃機関を該圧縮自着火運転状態から該火花点火運転状態に切り替える運転状態切替手段と
を備え、
前記運転状態切替手段は、
前記内燃機関の圧縮行程の半ば以降に前記燃焼室内に燃料を直接噴射して成層給気した混合気に火花を飛ばすことにより、該内燃機関を成層火花点火運転しつつ、前記検出した目標トルクの増加に合わせて該燃料の噴射量を増加させる第１段階の切り替え動作を行う第１段階切替手段と、
前記燃焼室内に吸入した空気量の、前記噴射した燃料量に対する割合を表す指標たる空燃比を検出する空燃比検出手段と、
前記検出した空燃比が所定の閾値よりも小さくなった場合には、前記燃料の噴射時期を進角させるとともに、前記吸入した空気量に対し理論混合比の燃料量を噴射して形成した理論混合気に火花を飛ばすことにより、前記内燃機関の運転状態を前記火花点火運転状態に切り替える第２段階の切り替え動作を行う第２段階切替手段と
を備えていることを要旨とする。
【００１１】
また、上記の内燃機関に対応する本発明の制御方法は、
燃焼室内に形成した混合気を圧縮して自着火させる圧縮自着火運転状態と、火花を飛ばして該混合気に点火する火花点火運転状態とを切り替えながら運転される内燃機関の制御方法であって、
前記内燃機関を定常運転する際に前記圧縮自着火運転または前記火花点火運転のいずれの運転状態で運転するかを、少なくとも該内燃機関が出力するトルクに応じて予め記憶しておく第１の工程と、
前記内燃機関が出力すべき目標トルクを検出する第２の工程と、
前記目標トルクが、前記圧縮自着火運転状態に相当するトルクから前記火花点火運転状態に相当するトルクに増加した場合に、前記内燃機関を該圧縮自着火運転状態から該火花点火運転状態に切り替える第３の工程と
を備え、
前記第３の工程は、
前記内燃機関の圧縮行程の半ば以降に前記燃焼室内に燃料を直接噴射して成層給気した混合気に火花を飛ばすことにより、該内燃機関を成層火花点火運転しつつ、前記検出した目標トルクの増加に合わせて該燃料の噴射量を増加させる第１段階の切り替え動作を行う工程と、
前記燃焼室内に吸入した空気量の、前記噴射した燃料量に対する割合を示す指標たる空燃比を検出する工程と、
前記検出した空燃比が所定の閾値よりも小さくなった場合には、前記燃料の噴射時期を進角させるとともに、前記吸入した空気量に対し理論混合比の燃料量を噴射して形成した理論混合気に火花を飛ばすことにより、前記内燃機関の運転状態を前記火花点火運転状態に切り替える第２段階の切り替え動作を行う工程と
を備えていることを要旨とする。
【００１２】
かかる本発明の内燃機関および内燃機関の制御方法においては、目標トルクの増加に合わせて運転状態を圧縮自着火運転から火花点火運転に切り替えるに際して、内燃機関を成層火花点火運転しながら燃料の噴射量を増加させ、これにより、空燃比を次第に小さくしていく。そして、空燃比が所定の閾値に達すると、燃料の噴射時期を早めるとともに空燃比を理論空燃比に切り替え、燃焼室内に形成した理論混合気に火花を飛ばして燃焼させる。
【００１３】
こうして燃料の噴射量を徐々に増加させながら運転状態を切り替えてやれば、内燃機関の操作者に違和感を与えることなく切り換えることが可能となる。もちろん、切り替えに際しては、成層火花点火運転を一旦経由させているので、燃焼が不安定になることなく、安定して運転状態を切り換えることが可能である。
【００１４】
また、混合気の空燃比が理論空燃比よりも僅かに大きな値を取る場合、大気汚染物質の浄化が困難となることが知られている。すなわち、大気汚染物質の１つである窒素酸化物の発生量は、混合気の空燃比が理論空燃比付近でもっと多くなる特性がある。空燃比が理論空燃比よりも小さい領域では、いわゆる三元触媒などによって窒素酸化物を効果的に浄化することが可能であり、また、空燃比が理論空燃比よりもかなり大きい領域では、いわゆるＮＯｘ触媒を利用することで窒素酸化物を浄化することができる。しかし、空燃比が理論空燃比よりも僅かに大きな領域では窒素酸化物の発生量が増加するので、その分だけＮＯｘ触媒による浄化が困難となる。結局、混合気の空燃比が理論空燃比よりも僅かに大きな値を取る領域では、他の領域に比べて大気汚染物質の浄化が困難となるのである。従って、成層火花点火運転時に空燃比が所定空燃比に達したら、空燃比を理論空燃比に切り替えてやれば、窒素酸化物の浄化が困難な空燃比の混合気を燃焼させることを回避して、大気汚染物質の排出量を増加させることなく、運転状態を切り替えることが可能となる。
【００１５】
こうした内燃機関および内燃機関の制御方法においては、燃焼室内に吸入される空気量を制御可能として、運転状態を切り替えるに際しては、空気量を減少させることによって空燃比を理論空燃比に変更することとしても良い。
【００１６】
こうして空燃比を理論空燃比に切り替えてやれば、内燃機関の出力が大きく変動することなく運転状態を切り替えることができ、その結果、操作者に違和感を与えることを回避することが可能となるので好ましい。
【００１７】
あるいは、空燃比を理論空燃比に切り替えるに際して、次のようにして切り替えても良い。すなわち、吸入した空気量に対して理論空燃比となるように燃料の噴射量を増量させ、同時に混合気の点火時期を遅角させることとしてもよい。
【００１８】
こうして燃料の噴射量を増量してやれば、簡便に且つ確実に空燃比を理論空燃比に切り換えることが可能である。もっとも、燃料噴射量の増量に伴って内燃機関の出力が急激に増加したのでは、内燃機関の操作者に違和感を与えるおそれが生じるが、燃料噴射量の増量に合わせて混合気の点火時期を遅角させれば、出力の増加を抑制することが可能であり、操作者に違和感を感じさせることなく運転状態を切り換えることが可能となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の作用・効果をより明確に説明するために、次の順序に従って、本発明の実施例について説明する。
Ａ．装置構成：
Ｂ．エンジン制御の概要：
Ｃ．第１実施例の運転状態切り替え処理：
Ｄ．第２実施例の運転状態切り替え処理：
【００２０】
Ａ．装置構成：
図１は、本実施例のエンジン１０の構造を概念的に示した説明図である。本実施例のエンジン１０は、吸気・圧縮・膨張・排気の４つの行程を繰り返しながら燃焼室内で混合気を燃焼させることによって動力を出力する４サイクル式のエンジンである。尚、エンジン１０は、その構造を示すために、燃焼室のほぼ中央位置で断面を取った形態で表示している。
【００２１】
図示されているように、エンジン１０は、シリンダブロック１４０の上部にシリンダヘッド１３０が組み付けられて構成されている。シリンダブロック１４０の内部には、円筒形のシリンダ１４２が設けられており、このシリンダ１４２の内部をピストン１４４が上下に摺動する。シリンダ１４２とピストン１４４とシリンダヘッド１３０の下面とで囲まれた空間が燃焼室となる。ピストン１４４は、コネクティングロッド１４６を介してクランクシャフト１４８に接続されており、ピストン１４４はクランクシャフト１４８の回転にともなってシリンダ１４２内を上下に摺動する。
【００２２】
シリンダヘッド１３０には、燃焼室に吸入空気を取り入れるための吸気通路１２と、燃焼室内に燃料を噴射して混合気を形成する燃料噴射弁１４と、燃焼室内に形成された混合気に点火するための点火プラグ１３６と、混合気が燃焼することで燃焼室内に発生した燃焼ガスを排出するための排気通路１６などが接続されている。また、シリンダヘッド１３０には、吸気バルブ１３２と排気バルブ１３４とが設けられている。吸気バルブ１３２および排気バルブ１３４は、それぞれに電動アクチュエータ１５２、１５４によって駆動される。電動アクチュエータ１５２，１５４は、ピエゾ素子などの電歪素子を複数積層して構成されており、印加される電圧に応じて極めて高速に変形することにより、吸気バルブ１３２、排気バルブ１３４を開閉することができる。電動アクチュエータ１５２，１５４は、後述するＥＣＵの制御の下で、印加される電圧に応じて吸気バルブ１３２および排気バルブ１３４を駆動することにより、吸気通路１２および排気通路１６を開閉する。
【００２３】
吸気通路１２の上流側にはエアクリーナ２０が設けられており、エアクリーナ２０には空気中の異物を除去するためのフィルタが内蔵されている。エンジン１０に吸入される空気は、エアクリーナ２０を通過する際にフィルタで異物を除去された後、燃焼室内に吸入される。また、吸気通路１２には、スロットルバルブ２２が設けられており、電動アクチュエータ２４を駆動してスロットルバルブ２２を適切な開度に制御することで、燃焼室内に吸入される空気量を制御することができる。排気通路１６の下流には、排気ガスに含まれる大気汚染物質を浄化するための触媒２６が設けられている。こうして排気通路に触媒２６を設けておけば、排気ガス中に含まれる大気汚染物質も浄化することが可能である。
【００２４】
エンジン１０の動作は、エンジン制御用ユニット（以下、ＥＣＵ）３０によって制御されている。ＥＣＵ３０は、ＣＰＵや、ＲＡＭ、ＲＯＭ、Ａ／Ｄ変換素子、Ｄ／Ａ変換素子などをバスで相互に接続して構成された周知のマイクロコンピュータである。ＥＣＵ３０は、エンジン回転速度Ｎｅ やアクセル開度θａｃを検出し、これらに基づいてスロットルバルブ２２を適切な開度に制御する。エンジン回転速度Ｎｅ は、クランクシャフト１４８の先端に設けたクランク角センサ３２によって検出することができる。アクセル開度θａｃは、アクセルペダルに内蔵されたアクセル開度センサ３４によって検出することができる。ＥＣＵ３０は、吸気バルブ１３２や、排気バルブ１３４、燃料噴射弁１４、点火プラグ１３６などを適切なタイミングで駆動する制御も行う。これらを駆動するタイミングについては、別図を参照しながら後述する。
【００２５】
Ｂ．エンジン制御の概要：
次に、上述した構造を有するエンジン１０の動作について説明する。本実施例のエンジン１０は、エンジンの運転条件に応じて、火花点火運転状態と圧縮自着火運転状態とを切り替えながら運転される。図２は、エンジンの運転条件に応じて運転状態を切り替える様子を示した説明図である。図示されているように、エンジン１０が出力すべき目標トルクが中低負荷領域にあり、且つ、エンジン回転速度が中低速度領域にある場合は、エンジン１０は圧縮自着火運転され、その他の運転条件では火花点火運転される。以下では、先ず、火花点火運転時に行われるエンジン制御の概要について説明し、次いで、圧縮自着火運転時のエンジン制御の概要について説明する。
【００２６】
図３は、火花点火運転時における吸気バルブ１３２、排気バルブ１３４の動作タイミングを示した説明図である。図中には、燃料噴射弁１４，点火プラグ１３６の動作タイミングも併せて示してある。図中にＴＤＣと表示されているのは、ピストンが上がりきった位置、すなわち上死点にあるタイミングを示しており、ＢＤＣと表示されているのは、ピストンが下がりきった位置、すなわち下死点にあるタイミングを示している。また、図４は、図３に示したタイミングで吸気バルブ１３２、排気バルブ１３４、燃料噴射弁１４、点火プラグ１３６を駆動しながら、エンジン１０が動作する様子を概念的に示した説明図である。以下では、図３および図４を参照しながら、火花点火運転されているときのエンジン１０の動作について説明する。
【００２７】
図３中に白抜きで示した矢印は、吸気バルブが開いている期間を示している。火花点火運転時には、吸気バルブ１３２はピストンが上死点（ＴＤＣ）に達する少し手前で開き始め、ピストンが下死点（ＢＤＣ）に達してから暫くしたタイミングで閉じるように設定されている。吸気バルブ１３２が開いている間にピストンが降下することによって、燃焼室内に空気が吸入される。ここで、吸気バルブ１３２がＴＤＣより少し早めに開くように設定されているのは、バルブを開くためには短時間ではあるが、ある程度の時間が必要であることを考慮したためである。すなわち、ピストンが降下し始めてから吸気バルブを開いたのでは、吸気バルブが開くまでの期間は空気を吸入することができないので、この期間を見越して早めに吸気バルブを開き始めるのである。また、ピストンがＢＤＣに達してからもしばらくは吸気バルブ１３２を開いたままにしているのは、吸気通路１２を流れる空気の慣性を考慮したためである。すなわち、ピストンの降下中は吸気通路１２内を燃焼室に向かって空気が勢いよく流れているので、ピストンがＢＤＣに達して空気の吸入を停止した後も暫くの間は、慣性の作用によって空気はそのまま燃焼室に向かって流れ続けようとする。従って、ピストンがＢＤＣに達した後も、暫くの間、吸気バルブを開いておくことで、より多くの空気を吸入して、より大きな出力を発生させることが可能となるのである。
【００２８】
燃料は、吸気行程の前半、すなわちピストンがＴＤＣに達して暫くしたタイミングで燃料噴射弁１４から燃焼室内に直接噴射してやる。図３中で斜線を付した矩形は、燃料を噴射している期間を表している。
【００２９】
図４（ａ）は、吸気行程中に燃料噴射弁１４から燃焼室内に燃料を噴射している様子を概念的に示している。図４（ａ）中で、吸気バルブ１３２の間を通過する矢印は、燃焼室内に空気が流入する様子を概念的に示したものである。また、燃料噴射弁１４から燃焼室内に噴射された燃料噴霧は、細かい斜線を付して表されている。燃料噴射弁１４から噴射された燃料噴霧は、吸気バルブ１３２から流入する空気とともに燃焼室内を流動しながら、空気と混合して燃焼室内に均一な混合気を形成する。
【００３０】
次いで、吸気バルブ１３２を閉じた状態でピストン１４４を上昇させると、燃焼室内に形成された混合気が圧縮されていく。図４（ｂ）は、こうしてピストン１４４を上昇させて、燃焼室内に形成された混合気を圧縮している様子を概念的に示している。図中で、燃焼室内の全域に付された斜線は、燃焼室内に均一な混合気が形成されていることを表している。
【００３１】
そして、ピストンがＴＤＣに達する直前の所定のタイミングで、点火プラグ１３６から火花を飛ばして混合気に点火してやる。図４（ｃ）は、点火プラグ１３６から火花を飛ばしている様子を概念的に表している。点火プラグ１３６から火花を飛ばすタイミングは、図３中では星印で表示されている。こうして、燃焼室内で火花を飛ばすことによって混合気に点火すると、混合気は燃焼して高温高圧の燃焼ガスに変換され、その結果、燃焼室内の圧力が急激に上昇してピストン１４４を下方向に押し下げようとする。ピストン１４４は燃焼ガスの圧力を受けながら降下していき、このときにピストンが受ける仕事がクランクシャフト１４８で回転力に変換されて動力として外部に取り出されることになる。
【００３２】
ピストン１４４が下がるにつれて燃焼室内の圧力は低下するので、動力として取り出される仕事も減少していく。そこで、排気バルブ１３４を開いて燃焼室内の燃焼ガスを排出してやる。図３中で斜線を付して表示した矢印は、排気バルブ１３４を開閉するタイミングを表したものである。図３に示されているように、排気バルブ１３４は、ピストンがＢＤＣに達する少し手前のタイミングで開くように設定されている。排気バルブ１３４を開くタイミングがＢＤＣより少し早めに設定されているのは、吸気バルブ１３２の場合と同様に、バルブを開くまでに要する時間を見越していることによる。こうして排気バルブ１３４を開くと、燃焼室内から燃焼ガスが排気通路１６に流出し、排気ガスとして排出される。その結果、燃焼室内の圧力は排気通路１６内の圧力まで低下する。その後は、クランクシャフト１４８が回転するにつれてピストン１４４が上昇し、燃焼室内に残った燃焼ガスが排気ガスとして排出されていく。ピストン１４４がＴＤＣの位置まで上がりきったら、燃焼室内に残った燃焼ガスをほぼ排出し終わったことになるので、排気バルブ１３４を閉じてやる。尚、図３に示されているように、排気バルブ１３４を閉じるタイミングは、ピストン１４４がＴＤＣに達してから暫くたったタイミングに設定されている。これは、排気ガスの排出に伴って排気通路１６内に生じた反射波を利用することにより、燃焼室内に残った燃焼ガスを吸い出しているためである。
【００３３】
また、前述したように、火花点火運転時は、吸気バルブ１３２はＴＤＣよりも少し早めに開き始めるから、ＴＤＣ付近で、吸気バルブ１３２および排気バルブ１３４がいずれも開いている期間が存在している。この様な期間はオーバーラップ期間と呼ばれる。
【００３４】
このように、エンジン１０は火花点火運転中は、以上に説明した一連の動作を繰り返し行いながら、燃焼室内に空気を吸い込んで混合気を形成し、この混合気に点火することによって動力を出力する。
【００３５】
次に、圧縮自着火運転中のエンジン１０の動作について説明する。図５は、圧縮自着火運転時における吸気バルブ１３２、排気バルブ１３４の動作タイミングを示した説明図である。図中には、燃料噴射弁１４の動作タイミングも併せて示してある。また、図６は、図５に示したタイミングで吸気バルブ１３２、排気バルブ１３４、燃料噴射弁１４を駆動しながら、エンジン１０が動作する様子を概念的に示した説明図である。以下では、図５および図６を参照しながら、圧縮自着火運転状態におけるエンジン１０の動作について説明する。
【００３６】
図５に示されているように、圧縮自着火運転時に吸気バルブ１３２が開くタイミングは、火花点火運転時よりも遅いタイミングに設定されている（図３を参照のこと）。この理由については後述する。
【００３７】
吸気バルブ１３２を開いた状態でピストン１４４を降下させると、ピストンの降下に伴って燃焼室内に空気が吸入される。燃料は、空気の吸入が開始された後の適切なタイミングで噴射してやる。図５中に斜線を付した矩形は、燃料を噴射する期間を表している。こうして噴射された燃料は、吸気バルブ１３２から流入する空気の流れに乗って燃焼室内を流動し、空気と混合して均一な混合気を形成する。図６（ａ）は、燃料噴射弁１４から燃料を噴射している様子を概念的に示した説明図である。図中に表示された矢印は、吸気バルブ１３２から空気が燃焼室内に流入する様子を概念的に表したものである。また、燃料噴射弁１４から噴射された燃料噴霧には、細かい斜線を付して表示されている。
【００３８】
次いで、吸気バルブ１３２を閉じた状態でピストン１４４を上昇させると、燃焼室内に形成された混合気が圧縮されていく。図６（ｂ）は、こうしてピストン１４４を上昇させて、燃焼室内に形成された混合気を圧縮している様子を概念的に示している。混合気は圧縮されるに従って、温度および圧力が上昇していき、ピストン１４４がほぼ上がりきった付近で混合気温度が発火点に達し、混合気が自着火する。図６（ｃ）は、こうして燃焼室内で混合気が自着火している様子を概念的に表している。ピストン１４４で圧縮すると混合気温度は燃焼室内のほぼ全域で同じように上昇していくから、燃焼室内の混合気がほぼ同時に自着火することになる。このため、圧縮自着火運転時は、極めて短時間で燃焼を完了させることができる。尚、前述した火花点火運転時と異なり、圧縮自着火運転時に混合気が自着火するのは、吸気バルブ１３２および排気バルブ１３４の開閉タイミングが異なっているためである（図３および図５を参照のこと）。これについては後述する。
【００３９】
燃焼室内で圧縮された混合気は、自着火すると速やかに燃焼して高温高圧の燃焼ガスに変換される。ピストン１４４は、この圧力を受けて降下しながら、燃焼室内の圧力をクランクシャフト１４８に伝え、クランクシャフト１４８から動力が出力される。
【００４０】
ピストン１４４がほぼ下がりきった付近で排気バルブ１３４を開いてやると、燃焼室内の燃焼ガスが排気ガスとして排出され、その後、ピストン１４４が上昇するにつれて、燃焼室内に残った燃焼ガスが押し出されていく。
【００４１】
ここで、圧縮自着火運転時は、図５に示すように、ピストン１４４がＴＤＣに達する以前に排気バルブ１３４を閉じるように設定されている。こうして排気バルブ１３４を閉じてしまえば、ピストン１４４を上昇させても、燃焼ガスは排出されることなく、そのまま燃焼室内に残存することになる。続く吸気行程では、こうして燃焼ガスが残存している燃焼室内に空気を吸い込むことになる。燃焼ガスは吸入空気に比べて遙かに温度が高いので、吸入された空気は高温の燃焼ガスと混合することにより圧縮前から温度が高くなっている。圧縮自着火運転時は、こうして温度が高い状態から混合気を圧縮しているために、混合気温度を発火点以上の温度まで上昇させ、混合気を自着火させることができるのである。
【００４２】
また、図５に示したように、圧縮自着火運転時では、吸気バルブ１３２を開くタイミングが遅めに設定されている。これは次の理由による。上述したように、圧縮自着火運転時は、排気バルブ１３４を早めに閉じて燃焼室内に燃焼ガスを閉じ込めたままピストン１４４を上昇させているために、火花点火運転時と同様にＴＤＣ付近で吸気バルブ１３２を開くと、燃焼室内で圧縮されている燃焼ガスが吸気バルブ１３２から吸気通路１２内に逆流してしまう。そこで、ピストン１４４が降下して、燃焼ガスが逆流しない程度まで燃焼室内の圧力が下がってから吸気バルブ１３２が開くように、吸気バルブ１３２の開弁タイミングが遅めに設定されているのである。
【００４３】
このように、圧縮自着火運転時には、吸気バルブ１３２はＴＤＣを過ぎてから開き始めるように設定されており、排気バルブ１３４はＴＤＣに達する前に閉じるように設定されている。従って、火花点火運転時とは逆に、ＴＤＣ付近で吸気バルブ１３２および排気バルブ１３４がともに閉じている期間が存在していることになる。この様な期間を負のオーバーラップ期間と呼ぶ。前述したように、オーバーラップ期間では吸気バルブ１３２および排気バルブ１３４が同時に開いているのに対して、吸気バルブ１３２および排気バルブ１３４がともに閉じた状態となっていることから、「負」のオーバーラップ期間と呼ばれるのである。
【００４４】
以上に説明したように、エンジン１０は、運転条件に応じて火花点火運転状態と圧縮自着火運転状態とに運転状態を切り替えながら運転されている。エンジンの運転条件は操作者の操作に応じて変動するから、こうした運転状態の切り替えは頻繁に発生する。従って、運転状態を確実に切り替えることに加えて、操作者に違和感を与えることなく、しかも大気汚染物質の排出量を増加させずに切り替えることが重要となる。そこで、本実施例のエンジン１０では、運転状態を切り替えるに際して、次のような制御を行う。
【００４５】
Ｃ．第１実施例の運転状態切り替え処理：
図７は、第１実施例において運転状態を切り替える処理の前半部分を示すフローチャートであり、図８は、処理の後半部分を示すフローチャートである。かかる処理は、エンジン１０に搭載されたＥＣＵ３０によって、ほぼ所定時間ごとに定期的に実行される。また、図９は、第１実施例の運転状態切り替え処理に従って、圧縮自着火運転から火花点火運転へと、運転状態を切り替える様子を示したタイムチャートである。以下では、これらの図を参照しながら説明する。
【００４６】
ＥＣＵ３０は、運転状態切り替え処理を開始すると先ず初めに、目標出力トルクを検出する処理を行う（ステップＳ１００）。目標出力トルクは、アクセル開度センサ３４で検出したアクセル開度θａｃに基づいて算出する。すなわち、エンジン１０の操作者は、エンジンの出力トルクを増やしたいと思った場合はアクセルペダルを踏み増す操作を行い、出力トルクを減らしたいと思った場合はアクセルペダルを戻す操作を行う。特に、エンジンからトルクを発生させる必要がないと考えた場合は、アクセルペダルを全閉状態とする。このことから、アクセルペダルの操作量はエンジンの操作者が要求しているトルクを代表していると考えることができる。ステップＳ１００では、こうした原理に基づいて、アクセル開度θａｃからエンジンが出力すべき目標出力トルクを算出する。
【００４７】
次いで、前回の処理時に検出した目標出力トルクと比較することにより、目標トルクが増加しているか否かを判断し（ステップＳ１０２）、目標トルクが増加している場合は（ステップＳ１０２：ｙｅｓ）、エンジン回転速度を検出する（ステップＳ１０４）。エンジン回転速度は、クランク角センサ３２の出力に基づいて算出することができる。
【００４８】
こうして目標トルクとエンジン回転速度を検出したら、対応する運転状態を検出する処理を行う（ステップＳ１０６）。ＥＣＵ３０に内蔵されたＲＡＭには、図２に示すように、エンジン回転速度と目標トルクとの組合せに対応するエンジンの運転状態がマップの形式で記憶されており、かかるマップを参照することで、運転条件に対応する運転状態を検出する。
【００４９】
次いで、検出した運転状態が圧縮自着火運転から火花点火運転に変更されているか否か、すなわち前回処理時と今回の処理時とで、エンジン回転速度と目標トルクとの組合せに基づいて検出されたエンジンの運転状態が、圧縮自着火運転から火花点火運転に変わっているか否かを判断する（ステップＳ１０８）。そして、エンジン１０を制御すべき運転状態が圧縮自着火運転から火花運転に変更された場合（ステップＳ１０８：ｙｅｓ）は、後述する方法によって運転状態の切り替えを行う。そうでない場合（ステップＳ１０８：ｎｏ）や、ステップＳ１０２において目標トルクが増加していないと判断された場合は、以下に説明する切り替えを行うことなく、そのまま運転状態切り替え処理を終了する。
【００５０】
運転状態を圧縮自着火運転から火花点火運転に切り替える場合（ステップＳ１０８：ｙｅｓ）は、負のオーバーラップ期間を少しずつ減少させながら、スロットルバルブ２２の開度を増加させるとともに、燃料噴射量を少しずつ増加させる（ステップＳ１１０）。そして、負のオーバーラップ期間が所定値まで減少したか否かを判断し（ステップＳ１１２）、所定値に達していなければステップＳ１１０に戻って、負のオーバーラップ期間が所定値に減少するまで、スロットルバルブの開度と燃料噴射量とを少しずつ増加させていく。この様子について図９を参照しながら説明する。
【００５１】
図９には、エンジンの運転状態が、時間の経過とともに圧縮自着火運転から火花点火運転へと切り替える様子が示されている。図９の最下段には目標トルクの変化が示されている。時刻Ｔａ までは目標トルクは一定であり、エンジン１０は圧縮自着火運転されている。
【００５２】
時刻Ｔａ で目標トルクが増加し、これに伴って、エンジン１０の運転条件を圧縮自着火運転から火花点火運転へと変更する旨の要求が生じたものとする。すると、ＥＣＵ３０は、エンジン１０の運転状態を火花点火運転に切り替えるべく、負のオーバーラップ期間を徐々に減少させると、これに伴って、内部ＥＧＲ量が少しずつ減少していく。ここで、内部ＥＧＲ量とは、排気バルブ１３４がＴＤＣ前に閉じられることによって燃焼室内に閉じ込められた燃焼ガス量を指している。内部ＥＧＲ量が減少したということは取りも直さず、燃焼室内に閉じ込められた燃焼ガスが減少したことに対応するから、結果として、燃焼室内に流入する空気がその分だけ増加することになる。図９には、こうして吸入空気量が少しずつ増加する様子が示されている。スロットルバルブ２２は、こうした空気量の増量を抑制しないように、少しずつ開き側に制御される。
【００５３】
また、ＥＣＵ３０は、目標トルクの増加に合わせて燃料噴射量も少しずつ増加させる制御を行う。このとき、燃料噴射量の増加割合は、目標トルクの増加割合が大きくなるほど大きな値に設定される。負のオーバーラップ期間を減少させたことに伴う空気量の増加量が、目標トルクに応じた燃料量の増加に対して小さい場合には、ＥＣＵ３０はスロットルバルブ２２の開度を大きめに設定することにより、空気量の不足を補う制御を行う。この結果、燃焼室内に形成される混合気は、ほぼ同じ空燃比に保たれている。ここで空燃比とは、燃焼室内に吸入された空気量の、燃料量に対する比率を示す指標である。図９には、こうして時刻Ｔａ 以降も空燃比がほぼ一定に保たれている様子が示されている。
【００５４】
こうして、負のオーバーラップ期間を少しずつ減少させてくにつれ、内部ＥＧＲ量が減少する。図６を用いて前述したように、内部ＥＧＲは圧縮開始時の混合気温度を高めて混合気を自着火させ易くする作用を有しているから、負のオーバーラップ期間を減少させて内部ＥＧＲ量を減少させるにつれて、エンジン１０は次第に圧縮自着火運転が困難となっていく。そこで、負のオーバーラップ期間が所定値まで減少したら（図７のステップＳ１１２：ｙｅｓに相当）、ＥＣＵ３０は、オーバーラップ期間を正のオーバーラップに切り替えた後（ステップＳ１１４に相当）、燃料の噴射時期を圧縮行程中に設定する（ステップＳ１１６に相当）。尚、図９では、負のオーバーラップ期間が所定値まで減少したときの内部ＥＧＲ量をＥＧＲｔｈとして表している。また、オーバーラップ期間を正のオーバーラップに切り替えると、内部ＥＧＲ量は、図９に示すように若干の遅れを伴って、速やかに減少する。尚、ここではオーバーラップ期間を直ちに正のオーバーラップに切り替えるものとしたが、もちろん、徐々に切り替えることとしても良い。こうして、オーバーラップおよび燃料噴射時期を変更したら、点火プラグ１３６から火花を飛ばして成層火花点火運転しながら、燃料噴射量を少しずつ増加させていく（ステップＳ１１８に相当）。成層火花点火運転とは、燃焼室内の一部領域にのみ混合気を形成し、この混合気に点火プラグで点火することによって燃焼させる運転状態である。
【００５５】
図１０は、エンジン１０が成層火花点火運転されている様子を概念的に示した説明図である。図１０（ａ）は、吸気バルブ１３２を開いてピストン１４４を降下させることにより、燃焼室内に空気を吸入している様子を示している。成層火花点火運転時は、吸気行程では燃料は噴射しない。こうして空気を吸い込んだら、吸気バルブ１３２を閉じてピストン１４４を上昇させる。成層火花点火運転においては、この圧縮行程中の所定のタイミングで燃焼室内に燃料を噴射してやる。図１０（ｂ）は、こうして圧縮行程中に、燃料噴射弁１４から燃料を噴射している様子を概念的に表したものである。燃焼室内に噴射された燃料噴霧は、ピストン１４４の頂面に形成された凹部に導かれて、点火プラグ１３６の周辺に混合気を形成する。こうして形成された混合気に、圧縮上死点付近の適切なタイミングで点火プラグ１３６から火花を飛ばして点火してやる。図１０（ｃ）は、点火プラグ１３６の周辺に形成された混合気に、火花を飛ばして点火している様子を概念的に表している。
【００５６】
上述した成層火花点火運転は、点火プラグ１３６の周りに混合気を形成して点火している。このため、燃焼室全体としてみたときの空気量に対する燃料量の割合が小さい場合（リーン空燃比）でも、点火プラグ１３６の周りでは燃料割合を比較的大きくすることができるので、混合気に確実に点火して燃焼させることが可能である。
【００５７】
図８に示したステップＳ１１８では、以上、図９および図１０を用いて説明したように、成層火花点火運転を行いながら少しずつ燃料噴射量を増加させる処理を行う。そして、混合気の空燃比が所定空燃比ＡＦｔｈに達したか否かを判断し（ステップＳ１２０）、所定空燃比ＡＦｔｈに達していない場合は（ステップＳ１２０：ｎｏ）、再びステップＳ１１８に戻って燃料噴射量を増加させる。こうして、エンジン１０を成層火花点火運転しながら、所定空燃比ＡＦｔｈに達するまで燃料噴射量を増加させていく。
【００５８】
空燃比が所定空燃比ＡＦｔｈまで低下したら（ステップＳ１２０：ｙｅｓ）、燃料の噴射時期を進角させて、図３に示した吸気行程の所定時期に設定する（ステップＳ１２２）。そして、燃焼室内に理論空燃比（ストイキオ）の混合気を形成し、この混合気に点火プラグで点火することによって火花点火運転を行う（ステップＳ１２４）。この様子を、再び図９を参照しながら説明する。
【００５９】
前述したように、時刻Ｔａ 以降、負のオーバーラップ期間を減少させながら圧縮自着火運転を行い、時刻Ｔｂ になると運転状態を成層火花点火運転に切り替える。そして、成層火花点火運転しながら、目標トルクの増加に合わせて少しずつ燃料噴射量を増加させていく。これに伴い、混合気の空燃比は次第に小さく（吸入空気量に対する燃料割合が大きく）なり、ついには時刻Ｔｃ の時点で所定空燃比ＡＦｔｈに達する。こうして空燃比が所定空燃比ＡＦｔｈに達したら、運転状態を図１０に示した成層火花点火運転から、図４を用いて説明した火花点火運転に切り替える。すなわち、燃料を吸気行程中に噴射するように燃料噴射時期を進角する。また、噴射した燃料量に対して理論空燃比に相当する空気が吸入されるように、スロットルバルブ２２の開度を閉じ側に制御してやる。こうして燃焼室内に形成された理論空燃比（ストイキオ）の混合気に、点火プラグ１３６から火花を飛ばして点火してやる。以上のようにして、エンジン１０の運転状態を、理論空燃比の混合気に火花点火して運転する運転状態に切り替えたら、図７および図８に示した第１実施例の運転状態切り替え処理を終了する。
【００６０】
以上に説明した第１実施例の切り替え処理では、エンジンの運転状態を圧縮自着火運転から火花点火運転に切り替えるに際して、一旦、成層火花点火運転を経由してから切り替えている。一般に、圧縮自着火運転時は混合気を確実に自着火させるために、内部ＥＧＲ量が、火花点火運転が成立し得ないほどに大きな値に設定されている。このため、圧縮自着火運転から火花点火運転に切り替える過程で内部ＥＧＲ量を減少させていくと、一時的に、混合気を圧縮自着火させることも、火花点火することも困難で燃焼が不安定となる条件が発生し得る。そこで、運転状態を切り替えるに際して、一旦、成層火花点火運転を経由させる。前述したように、成層火花点火運転では、点火プラグの近傍に比較的燃料濃度の大きな（空燃比の小さい）混合気を形成するので、内部ＥＧＲ量が大きな条件でも確実に混合気に点火することが可能であり、燃焼が不安定となることがなく、従って、エンジンの運転状態を圧縮自着火運転から火花点火運転へと、スムーズに切り換えることが可能となる。
【００６１】
また、一般的に圧縮自着火運転は、混合気の空燃比が大きな条件、すなわち吸入空気量の燃料量に対する割合が大きい条件で運転される。一方、運転状態が、圧縮自着火運転から火花点火運転へと切り替えが行われるのは、エンジンが出力すべき目標トルクが増加した場合が多い。混合気の空燃比が大きいままでは発生可能な出力にも限界があるので、圧縮自着火運転から火花点火運転へと運転状態を切り替えるに伴って、混合気の空燃比も、大きな空燃比から理論空燃比へと切り替えられる場合が多い。こうして運転状態とともに空燃比も切り替える場合には、少しずつ燃料噴射量を増やしながら空燃比を小さくしていくとともに、所定空燃比に達したら段階で一気に理論空燃比に切り替えてやる。こうして燃料噴射量を徐々に増加させていけば、エンジンの出力も徐々に増加するので操作者に違和感を与えることなく、運転状態を切り換えることが可能となる。
【００６２】
また、混合気の空燃比が所定空燃比に達した段階で一気に理論空燃比に切り替えることとすれば、次の理由から、運転状態の切り替えに伴って大気汚染物質の排出量が増加することを効果的に回避することができる。よく知られているように、大気汚染物質の中の一つである窒素酸化物は、混合気の空燃比が理論空燃比の付近では大量に排出され、理論空燃比から離れるほど排出量が減少する傾向にある。このうち、混合気の空燃比が理論空燃比よりも小さい場合には、三元触媒などを用いて効果的に浄化することが可能であり、また、空燃比が理論空燃比よりも遙かに大きな値となる場合も、窒素酸化物の排出量が少ない分だけ比較的容易に浄化することができる。しかし、理論空燃比より僅かに空燃比の大きな混合気については、窒素酸化物を完全に浄化することは容易ではなく、こうした空燃比の混合気を燃焼させると、窒素酸化物の排出量が増加してしまう。そこで、こうした空燃比で混合気を燃焼させずに済むように、空燃比が所定空燃比まで減少した段階で一気に理論空燃比に切り替えてやる。こうすれば、運転状態の切り替えに伴って、大気汚染物質の一つである窒素酸化物の排出量が増加することを効果的に回避することが可能となる。
【００６３】
また、混合気の空燃比が所定空燃比に達したのち、一気に理論空燃比に切り替えるに際しては、吸入空気量を変更することによって空燃比を切り替えてやる。こうすれば、燃料噴射量については大きく変更することなく、混合気の空燃比を理論空燃比に設定することができる。このため、エンジンの出力の変動を回避して、エンジン操作者に違和感を与えることなく運転状態を切り替えることができる。
【００６４】
以上に説明した第１実施例では、混合気の空燃比が所定空燃比ＡＦｔｈに達したら、スロットルバルブ２２を閉じ側に制御することで、混合気を理論空燃比に変更した。しかし、燃料噴射量を変更することで混合気を理論空燃比とすることも可能である。以下では、こうした第１実施例の変形例について説明する。
【００６５】
図１１は、第１実施例の変形例に従って、エンジンの運転状態を圧縮自着火運転から火花点火運転に切り替えている様子を概念的に示したタイムチャートである。図９に示した第１実施例に対して、混合気が所定空燃比ＡＦｔｈに達した以降、すなわち時刻Ｔｃ 以降における空気量および燃料噴射量の設定が大きく異なっている。以下、相違点を中心に図１１を参照しながら説明する。
【００６６】
変形例においても、第１実施例と同様に、時刻Ｔａ で目標トルクの増加を検出すると、負のオーバーラップ期間すなわち内部ＥＧＲ量を減少させながら、燃料噴射量および吸入空気量を増加させていく。そして、時刻Ｔｂ で内部ＥＧＲ量が所定のＥＧＲｔｈまで減少すると、オーバーラップ期間を正のオーバーラップに切り替えるとともに、燃料噴射時期を圧縮行程に設定するとともに点火プラグから火花を飛ばして、成層火花点火運転に切り替える。そして、成層火花点火運転しながら燃料噴射量を増加させ、混合気の空燃比を徐々に小さくしていく。こうして空燃比を小さくしていくと、やがて時刻Ｔｃ でついに所定空燃比ＡＦｔｈに達するので、混合気の空燃比を一気に理論空燃比に切り替えて、火花点火運転を開始する。
【００６７】
図示されているように、変形例においては、混合気の空燃比を理論空燃比に切り替えるに際して、燃料噴射量を増量することによって混合気を理論空燃比に切り替える。また、燃料噴射量を増加させると同時に、点火時期を一旦大きく遅角させた後、徐々に定常状態の点火時期まで進角させる。燃料噴射量を急に増加させると、これに伴ってエンジンの出力トルクも増加するので、エンジンの操作者に違和感を与えるおそれがあるが、点火時期を大きく遅角させれば、出力トルクが急に増加することを抑制することができる。こうして出力トルクが急に増加することを回避した後、徐々に点火時期を定常状態に戻していけば、操作者に違和感を与えることなく運転状態を切り換えることが可能となる。
【００６８】
以上に説明した第１実施例においては、圧縮自着火運転時にも、圧縮ＴＤＣ後の適切なタイミングで点火プラグ１３６から火花を飛ばすこととしても良い。こうすれば、圧縮自着火運転時に何らかの理由で混合気が自着火しなかったり、あるいは自着火時期が遅れた場合でも、点火プラグ１３６で点火して混合気を燃焼させることが可能となる。図１１において、破線で示された点火時期は、このように圧縮ＴＤＣ以降の所定のタイミングで、バックアップ的に火花を飛ばしていることを表したものである。
【００６９】
Ｄ．第２実施例の運転状態切り替え処理：
以上に説明した第１実施例の運転状態切り替え処理においては、目標トルクの増加を検出したら負のオーバーラップ期間を徐々に減少させていき、内部ＥＧＲ量が所定量まで減少した段階で、運転状態を成層火花点火運転に切り替えることとした。しかし、目標トルクの増加を検出したら、直ちに成層火花点火運転に切り替えることとしても良い。目標トルクの変化速度が速い場合には、このようにして切り替えることで、運転状態を速やかに切り換えることが可能となる。以下では、図１２を参照しながら、こうした第２実施例の運転状態切り替え処理について説明する。
【００７０】
図１２は、第２実施例の運転状態切り替え処理を行いながら、エンジンの運転状態を圧縮自着火運転から火花点火運転に切り替えている様子を概念的に示したタイムチャートである。第２実施例では、図９を用いて説明した第１実施例と比べて、目標トルクが大きな速度で増加している。このように、目標トルクの増加速度が所定速度よりも大きい場合は、直ちに成層火花点火運転に切り替えてやる。すなわち、時刻Ｔａ までは、エンジン１０は圧縮自着火運転されており、吸気バルブ１３２および排気バルブ１３４の開閉時期は、図５に示すように、負のオーバーラップ状態となるように設定されている。時刻Ｔａ で目標トルクが所定速度以上の速さで増加し始めると、負のオーバーラップを図３に示した正のオーバーラップ状態に切り替えるとともに、燃料噴射時期の設定を圧縮行程中の適切な時期に変更する。図１２に示されているように、内部ＥＧＲ量は、オーバーラップが切り替わったことによって若干の遅れを伴いながら速やかに減少し、定常量で安定する。こうしてバルブタイミングと燃料噴射時期とを切り替えて、所定のタイミングで点火プラグ１３６から火花を飛ばしてやれば、エンジン１０は成層火花点火運転に切り替わる。
【００７１】
尚、第２実施例においても前述した第１実施例と同様に、圧縮自着火運転時にも、圧縮ＴＤＣ後の適切なタイミングで点火プラグ１３６から火花を飛ばすこととしても良い。図１２中で破線で示された点火時期は、圧縮ＴＤＣ以降の所定のタイミングで、バックアップ的に火花を飛ばしていることを表している。
【００７２】
成層火花点火運転中は、目標トルクの増加に合わせて燃料噴射量を増加させ、これに併せて吸入空気量も増加させる。吸入空気量は、主にスロットルバルブ２２の開度を開くことによって増加させる。ここで、吸入空気量の増加割合は、燃料噴射量の増加割合に対して若干少なめに設定されており、このため、混合気の空燃比は次第に小さく（空気に対する燃料割合が大きく）なっていく。また、点火時期は、目標トルクが増加して運転負荷が高くなるに従って遅角側に制御される。これは、運転負荷が高くなるほどノックが発生し易くなるので、ノックの発生を避けるためである。
【００７３】
こうして成層火花点火運転しながら混合気の空燃比を小さくしていくと、やがて空燃比が所定空燃比ＡＦｔｈまで減少する。図１２に示した例では、時刻Ｔｅ で所定空燃比ＡＦｔｈに達している。尚、図１２に示されているように、目標トルクの増加が完了する時刻Ｔｄ と時刻Ｔｅ とは必ずしも一致しているとは限らない。
【００７４】
第２実施例においても、混合気が所定空燃比ＡＦｔｈまで減少したら、空燃比を一気に理論空燃比まで減少させる。混合気の空燃比を理論空燃比に設定するに際しては、燃料噴射量を増加させることによって行う。また、燃料噴射量の増加に伴ってエンジン１０の出力トルクが急に増加することの無いように、点火時期を一旦大きく遅角させた後、徐々に定常状態の点火時期まで進角させる。こうすれば、エンジン１０の操作者に違和感を与えることがない。尚、前述した第１実施例と同様に、吸入空気量を減少させることによって、混合気の空燃比を理論空燃比に設定することとしても構わない。
【００７５】
以上に説明した第２実施例の運転状態切り替え処理においても、第１実施例と同様に、運転状態を圧縮自着火運転から火花点火運転に切り替える際に、成層火花点火運転を経由させることで、燃焼状態が不安定となることを回避しながら確実に切り替えることができる。また、目標トルクの増加後、直ちに成層火花点火運転に移行しているために、目標トルクの増加速度が大きな場合でも、エンジンの出力トルクを速やかに増加させることが可能である。
【００７６】
更に、燃料噴射量を徐々に増加させることで、運転状態の切り替えに伴う違和感の発生を回避しつつ、混合気の空燃比が所定空燃比まで減少したら一気に空燃比を理論空燃比に変更することで、切り替えに伴って窒素酸化物の排出量が増加することも回避することが可能となる。
【００７７】
以上、各種の実施例について説明してきたが、本発明は上記すべての実施例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施例のエンジンの構造を概念的に示した説明図である。
【図２】エンジンの運転条件に応じて運転状態を切り替える様子を示した説明図である。
【図３】火花点火運転時における吸気バルブ、排気バルブ、燃料噴射弁、点火プラグの動作タイミングを示した説明図である。
【図４】火花点火運転時のエンジンの動作を概念的に示した説明図である。
【図５】圧縮自着火運転時における吸気バルブ、排気バルブ、燃料噴射弁の動作タイミングを示した説明図である。
【図６】圧縮自着火運転時のエンジンの動作を概念的に示した説明図である。
【図７】第１実施例の運転状態切り替え処理の前半部分の流れを示すフローチャートである。
【図８】第１実施例の運転状態切り替え処理の後半部分の流れを示すフローチャートである。
【図９】第１実施例の運転状態切り替え処理に従って、圧縮自着火運転から火花点火運転へと、運転状態を切り替える様子を示したタイムチャートである。
【図１０】成層火花点火運転時のエンジンの動作を概念的に示した説明図である。
【図１１】第１実施例の変形例に従って、エンジンの運転状態を圧縮自着火運転から火花点火運転に切り替えている様子を概念的に示したタイムチャートである。
【図１２】第２実施例の運転状態切り替え処理に従って、圧縮自着火運転から火花点火運転へと、運転状態を切り替える様子を示したタイムチャートである。
【符号の説明】
１０…エンジン
１２…吸気通路
１４…燃料噴射弁
１６…排気通路
２０…エアクリーナ
２２…スロットルバルブ
２４…電動アクチュエータ
２６…触媒
３０…ＥＣＵ
３２…クランク角センサ
３４…アクセル開度センサ
１３０…シリンダヘッド
１３２…吸気バルブ
１３４…排気バルブ
１３６…点火プラグ
１４０…シリンダブロック
１４２…シリンダ
１４４…ピストン
１４６…コネクティングロッド
１４８…クランクシャフト
１５２，１５４…電動アクチュエータ

Claims (4)

1. 燃焼室内に形成した混合気を圧縮して自着火させる圧縮自着火運転状態と、火花を飛ばして該混合気に点火する火花点火運転状態とを切り替えながら運転される内燃機関であって、
   前記内燃機関を定常運転する際に前記圧縮自着火運転または前記火花点火運転のいずれの運転状態で運転するかを、少なくとも該内燃機関が出力するトルクに応じて予め記憶している定常運転状態記憶手段と、
   前記内燃機関が出力すべき目標トルクを検出する目標トルク検出手段と、
   前記目標トルクが、前記圧縮自着火運転状態に相当するトルクから前記火花点火運転状態に相当するトルクに増加した場合に、前記内燃機関を該圧縮自着火運転状態から該火花点火運転状態に切り替える運転状態切替手段と
   を備え、
   前記運転状態切替手段は、
   前記内燃機関の圧縮行程の半ば以降に前記燃焼室内に燃料を直接噴射して成層給気した混合気に火花を飛ばすことにより、該内燃機関を成層火花点火運転しつつ、前記検出した目標トルクの増加に合わせて該燃料の噴射量を増加させる第１段階の切り替え動作を行う第１段階切替手段と、
   前記燃焼室内に吸入した空気量の、前記噴射した燃料量に対する割合を表す指標たる空燃比を検出する空燃比検出手段と、
   前記検出した空燃比が所定の閾値よりも小さくなった場合には、前記燃料の噴射時期を進角させるとともに、前記吸入した空気量に対し理論混合比の燃料量を噴射して形成した理論混合気に火花を飛ばすことにより、前記内燃機関の運転状態を前記火花点火運転状態に切り替える第２段階の切り替え動作を行う第２段階切替手段と
   を備えている内燃機関。
2. 請求項１記載の内燃機関であって、
   前記燃焼室内に吸入する空気量を制御する空気量制御手段を備え、
   前記第２段階切替手段は、前記第２段階の切り替え動作を行うに際して、前記吸入する空気量を減少させることによって前記理論混合気を形成する手段である内燃機関。
3. 請求項１記載の内燃機関であって、
   前記第２段階切替手段は、前記第２段階の切り替え動作を行うに際して、前記噴射する燃料量を増量させることによって前記理論混合気を形成するとともに、該混合気の点火時期を遅角させる手段である内燃機関。
4. 燃焼室内に形成した混合気を圧縮して自着火させる圧縮自着火運転状態と、火花を飛ばして該混合気に点火する火花点火運転状態とを切り替えながら運転される内燃機関の制御方法であって、
   前記内燃機関を定常運転する際に前記圧縮自着火運転または前記火花点火運転のいずれの運転状態で運転するかを、少なくとも該内燃機関が出力するトルクに応じて予め記憶しておく第１の工程と、
   前記内燃機関が出力すべき目標トルクを検出する第２の工程と、
   前記目標トルクが、前記圧縮自着火運転状態に相当するトルクから前記火花点火運転状態に相当するトルクに増加した場合に、前記内燃機関を該圧縮自着火運転状態から該火花点火運転状態に切り替える第３の工程と
   を備え、
   前記第３の工程は、
   前記内燃機関の圧縮行程の半ば以降に前記燃焼室内に燃料を直接噴射して成層給気した混合気に火花を飛ばすことにより、該内燃機関を成層火花点火運転しつつ、前記検出した目標トルクの増加に合わせて該燃料の噴射量を増加させる第１段階の切り替え動作を行う工程と、
   前記燃焼室内に吸入した空気量の、前記噴射した燃料量に対する割合を示す指標たる空燃比を検出する工程と、
   前記検出した空燃比が所定の閾値よりも小さくなった場合には、前記燃料の噴射時期を進角させるとともに、前記吸入した空気量に対し理論混合比の燃料量を噴射して形成した理論混合気に火花を飛ばすことにより、前記内燃機関の運転状態を前記火花点火運転状態に切り替える第２段階の切り替え動作を行う工程と
   を備えている制御方法。

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