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
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Abstract
【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
【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)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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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