JP3757998B2

JP3757998B2 - 筒内噴射型内燃エンジンの制御装置

Info

Publication number: JP3757998B2
Application number: JP22571896A
Authority: JP
Inventors: 宏記田村; 一親田島; 淳良小島
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 1996-08-27
Filing date: 1996-08-27
Publication date: 2006-03-22
Anticipated expiration: 2016-08-27
Also published as: JPH1068350A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両に搭載される筒内噴射型内燃エンジンの制御装置に関する。
【０００２】
【関連する背景技術】
車両に搭載される火花点火式内燃エンジンにおいて、有害排出ガス成分の低減や燃費の向上等を図るため、吸気管噴射型に代えて燃焼室に直接燃料を噴射する筒内噴射型のガソリンエンジンが種々提案されている。
筒内噴射型のガソリンエンジンでは、例えば、低負荷運転時には、主として圧縮行程中に燃料を噴射し、点火プラグの周囲やキャビティ内に局所的に理論空燃比に近い空燃比の混合気を形成させ、全体として希薄な空燃比でも良好な燃焼を実現できる（これを「層状燃焼」と称する）。一方、中高負荷運転時には、吸気行程中に燃料を噴射し、燃焼室内に均一な空燃比の混合気を形成させ、吸気管噴射型のガソリンエンジンと同様に、多量の燃料を燃焼させて（これを「予混合燃焼」と称する）加速時や高速走行時に要求される出力を確保することが可能とされている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このようなエンジンにおいては、アイドル時に層状燃焼（超リーン運転）を行いアイドル燃費を向上させるように設定することが考えられる。しかしながら、アイドル時における層状燃焼では過給等を行っていない場合には、筒内に供給される空気量は、全負荷相当の空気量（スロットル全開）しか供給されないため、必然的に層状燃焼時に得られる出力は決まってくる。即ち、層状燃焼においては、空気量に対する燃料比率がある程度以上増大すると点火プラグ回りの混合気が濃くなり過ぎて失火したりスモークが発生したりする。このため、全負荷相当の空気量に適合する最大燃料量により層状燃焼時の最大出力は決定されることになる。そして、層状燃焼の最大出力発生時における燃焼室内の空燃比は依然として理論空燃比よりリーンであり、このため、層状燃焼時において供給可能な最大燃料量は、予混合時に比べ少量であり、結果として最大出力も低いものとなっている。このため、アイドル時にエアコン、パワーステアリング等の外部負荷が加わってくると、これに対応させて燃料量を増量させようとしても増量には限界があるため、層状燃焼時に得られる出力では対応することができず、エンジン回転数の落ち込みが生じ、場合によってはエンジンストールが生じる虞がある。
【０００４】
また、上述した筒内噴射型内燃エンジンとは異なる従来型のポート噴射型希薄燃焼内燃エンジンにおいて、アイドル運転時に外部負荷が加わると回転数が変動し易いので、エアコンの作動信号が出力された際に、リーン運転を禁止してストイキオ（理論空燃比）運転に移行する技術が開示されている（特開昭６０−１７２３４号公報）。
【０００５】
しかしながら、上記公知例では、補機類（エアコン等）の作動信号に基づいて運転状態をストイキオ運転に切り換えているため、実際にはリーン運転を継続可能な状態でもあるにもかかわらず、運転状態が切り替わることになり、アイドル燃費が悪化するという課題が生じる。また、作動信号の出力で運転状態を切り換えているため作動信号が出力されていないにも拘わらず、リーン運転の状態で、環境条件（吸気密度の低くなる高地等）や変速機（Ｔ／Ｍ）の故障等による負荷上昇が発生したとき、前記公知例では、リーン運転を継続していまい、上述したようにリーン運転時の出力が前記負荷上昇に対応できず、エンジン回転数の落ち込みやエンジンストールが発生する虞がある。
【０００６】
本発明は、上述の点に鑑みてなされたもので、環境条件の変更や変速機の故障等のような補機類の作動以外による負荷上昇においても確実にアイドル時の回転数の落ち込み等を防止し得る筒内噴射型内燃エンジンの制御装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１に記載された本発明によれば、燃焼室内に直接燃料を噴射し、運転状態に応じて予混合燃焼と層状燃焼とを切り換え、アイドル時には層状燃焼を行うと共に、該アイドル時には外部負荷の増加に対し燃料量を増量し、エンジン出力を増加側に変更する出力制御手段を備えた筒内噴射型内燃エンジンの制御装置において、前記アイドル時に前記燃料量又は該燃料量に相関するパラメータが所定値を超えた場合、前記予混合燃焼に切り換え、前記所定値は、全開空気量或いはその近傍の空気量に対して前記層状燃焼が許容される空燃比に相当する値である構成としたものである。
【０００８】
即ち、アイドル時にはエンジンに対する外部負荷の増大に対応させて、層状燃焼での出力増加が可能な空燃比範囲内で燃料を増量する。ここで、外部負荷がそれほど大きくない通常のアイドル時に吸気流量をある程度絞り燃費のよい空燃比範囲で運転を行っているエンジンの場合には、外部負荷の増大に伴い、燃費のよい空燃比範囲を維持したまま、空気量（即ち、燃料量）の増量を行い、空気量が上限に達したときに空燃比を前記低燃費範囲を超えてリッチ側となるように燃料増量を行うことが考えられる。また、アイドル時には基本的に全開空気量としているものにおいては、外部負荷の増大に伴い、燃料増量のみを行うことになる。そして、いずれの場合にも供給燃料量が全開空気量あるいはその近傍の空気量に対して層状燃焼が許容される上限空燃比相当値に達した場合には、即ち、燃料量又は燃料量に相関するパラメータが全開空気量或いはその近傍の空気量に対して前記層状燃焼が許容される空燃比に相当する値を超えた場合には、層状燃焼モードから予混合燃焼モードに切り換え、更なる外部負荷への対応を可能とし、これによりエンジン回転数の落ち込みに基づくストールの発生を防止する。
【０００９】
また、請求項２に記載された本発明によれば、燃焼室内に直接燃料を噴射し、運転状態に応じて予混合燃焼と層状燃焼とを切り換え、アイドル時には層状燃焼を行うと共に、該アイドル時には外部負荷の増加に対して空気量を増量し、この空気量増量に対応させて燃料増量を行い、エンジン出力を増加側に変更する出力制御手段を備えた筒内噴射型内燃エンジンの制御装置において、前記アイドル時に前記空気量又は該空気量に相関するパラメータが所定値を超えた場合、前記予混合燃焼に切り換える構成としたものである。
請求項３に記載された本発明によれば、前記所定値は、前記層状燃焼が許容される最大空気量より低い値に設定した構成としたものである。
請求項４に記載された本発明によれば、前記所定値は、前記最大空気量の約７０％に設定した構成としたものである。
【００１０】
つまり、アイドル時にはエンジンに対する外部負荷の増大に対応させて、空燃比を燃焼面で有利な特定空燃比近傍で略一定としたまま空気量と燃料量とを増大させる。この際、燃料量と空気量とは空燃比を一定としたまま、同時に増量させてもよいが、燃料量と空気量との関係はある下限空燃比と上限空燃比との範囲内で若干変更しても良い。即ち、外部負荷の増大が各負荷スイッチ又はアイドル回転数の落ち込み等で検出された場合に、先ず、燃料量を増大させ空燃比を小さくし、空燃比が下限空燃比に達した時点でも未だ外部負荷への対応が不十分な場合には、空気量を増大させ空燃比を上限空燃比まで変更すると共に、更なる燃料量の増量を行い空燃比を下限値に向かって低くする。この燃料量と空気量との交互の増量を繰り返すことで増大した外部負荷に対処することも可能である。
【００１１】
このように、燃料・空気を同時又は交互に増量することで、外部負荷の増大に対処した結果、このときの空気量に相関する値が一定値（閾値）を超えると、超リーン運転（層状燃焼）によるそれ以上の出力増大は、不可能或いは効果が小であると判断して予混合燃焼に切り換え、大きなトルクの発生が可能なストイキオ運転等に移行する。これにより、エンジン回転数の落ち込みが防止され、エンジンストールが防止される。
【００１２】
請求項３及び請求項４に記載されているように、上記所定値は、層状燃焼が許容される最大空気量より低く設定されることが好ましい。その理由は、所定値を上記最大空気量に設定した場合、外部負荷増大に伴う機関運転の切り換えに際し遅れが生じることから、層状燃焼から予混合燃焼に切り換わる際に、何らかの原因で大きな外部負荷が加わると、失火等の虞があり、また、アイドル燃費の観点から所定値を前記最大空気量として層状燃焼の領域を広げたとしても最大空気量近傍では予混合燃焼の場合と燃費的に大きな差はなく、燃焼の安定性から考えると予混合燃焼の方がメリットがあるからである。
【００１３】
また、請求項２のようにアイドル時に空気量又はその相関値をみて燃焼状態を予混合燃焼に切り換える制御を行うものにおいては、上記空気量又はその相関値は、体積流量を用いて制御を行うことが好ましい。その理由は、吸気密度が低下する高地において、燃料量等で燃焼状態を切り換える制御を行おうとすると、吸気密度変化に対応した燃料量変化が得られないことから、回転数の落ち込み等の問題が生じてしまうため、燃料量に対して吸気密度の補正を加えた制御を行わなければならず、制御が複雑になるからである。
【００１４】
請求項１のようにアイドル時に燃料量又はその相関値をみて燃焼状態を予混合燃焼に切り換える制御を行うものにおいては、吸気密度が変化する高地では、燃料量に対して吸気密度補正を加えた制御を行うことが好ましい。これにより、高地等でも確実に回転数の落ち込みを防止できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
図１は、車両に搭載された本発明に係る筒内噴射ガソリンエンジンの制御装置の概略構成図である。エンジン１のシリンダヘッド２には、各気筒毎に点火プラグ３と共に電磁式の燃料噴射弁４も取り付けられており、燃焼室５内に直接燃料が噴射されるようになっている。また、シリンダ６内を摺動して往復運動するピストン７の頂面には、上死点近傍で燃料噴射弁４からの燃料噴霧が到達する位置に、半球状のキャビティ８が形成されている。また、このエンジン１の理論圧縮比は、吸気管噴射型のものに比べ、高く（本実施例では、１２程度）設定されている。動弁機構としてはＤＯＨＣ４弁式が採用されており、シリンダヘッド２の上部には、吸排気弁９，１０をそれぞれ駆動するべく、吸気側カムシャフト１１と排気側カムシャフト１２とが回転自在に保持されている。
【００１６】
シリンダヘッド２には、両カムシャフト１１，１２の間を抜けるようにして、略直立方向に吸気ポート１３が形成されており、この吸気ポート１３を通過した吸気流が燃焼室５内で後述する逆タンブル流を発生させるようになっている。一方、排気ポート１４については、通常のエンジンと同様に略水平方向に形成されているが、斜めに大径のＥＧＲポート１５が分岐している。図中、１６は冷却水温ＴW を検出する水温センサであり、１７は各気筒の所定のクランク位置（本実施例では、５°BTDCおよび７５°BTDC）でクランク角信号ＳＧＴを出力するクランク角センサであり、１９は点火プラグ３に高電圧を出力する点火コイルである。尚、クランクシャフトの半分の回転数で回転するカムシャフト等には、気筒判別信号ＳＧＣを出力する気筒判別センサ（図示せず）が取り付けられ、クランク角信号ＳＧＴがどの気筒のものか判別される。
【００１７】
吸気ポート１３には、サージタンク２０を有する吸気マニホールド２１を介して、エアクリーナ２２，スロットルボディ２３，ステッパモータ式のアイドルスピードコントロールバルブ（以下、アイドル調整弁という）２４を具えた吸気管２５が接続している。更に、吸気管２５には、スロットルボディ２３を迂回して吸気マニホールド２１に吸入気を導入する、大径のエアバイパスパイプ２６が併設されており、その管路にはリニアソレノイド式で大型のエアバイパスバルブ（ＡＢＶ弁という）２７が設けられている。尚、エアバイパスパイプ２６は、吸気管２５に準ずる流路面積を有しており、ＡＢＶ弁２７の全開時にはエンジン１の低中速域で要求される量の吸入気が流通可能となっている。一方、アイドル調整弁２４は、ＡＢＶ弁２７より小さい流路面積を有しており、吸入空気量を精度よく調整する場合にはアイドル調整弁２４を使用する。
【００１８】
スロットルボディ２３には、流路を開閉するバタフライ式のスロットル弁２８と共に、スロットル弁２８の開度θthを検出することでアクセル開度情報を検出するスロットルセンサ２９と、全閉状態を検出するアイドルスイッチ３０とが備えられている。また、エアクリーナ２２の内部には吸気密度を求めるための大気圧センサ３１、吸気温センサ３２が配設されており、大気圧Ｐa 、吸気温度Ｔa に対応する信号を出力する。更に、吸気管２５の入口近傍には、カルマン渦式のエアフローセンサ３３が配設されており、一吸気行程当たりの体積空気流量Ｑa に比例した渦発生信号を出力する。
【００１９】
一方、排気ポート１４には、Ｏ₂ センサ４０が取付けられた排気マニホールド４１を介して、三元触媒４２や図示しないマフラー等を具えた排気管４３が接続している。また、ＥＧＲポート１５は、大径のＥＧＲパイプ４４を介して、スロットル弁２８の下流、且つ、吸気マニホールド２１の上流に接続されており、その管路にはステッパモータ式のＥＧＲ弁４５が設けられている。
【００２０】
燃料タンク５０は、図示しない車体後部に設置されている。そして、燃料タンク５０に貯留された燃料は、電動式の低圧燃料ポンプ５１に吸い上げられ、低圧フィードパイプ５２を介して、エンジン１側に送給される。低圧フィードパイプ５２内の燃圧は、リターンパイプ５３の管路に介装された第１燃圧レギュレータ５４により、比較的低圧（以下、低燃圧と記す）に調圧される。エンジン１側に送給された燃料は、シリンダヘッド２に取り付けられた高圧燃料ポンプ５５により、高圧フィードパイプ５６とデリバリパイプ５７とを介して、各燃料噴射弁４に送給される。本実施例の場合、高圧燃料ポンプ５５は斜板アキシャルピストン式であり、排気側カムシャフト１２により駆動され、エンジン１のアイドル運転時にも高圧の吐出圧を発生する。デリバリパイプ５７内の燃圧は、リターンパイプ５８の管路に介装された第２燃圧レギュレータ５９により、比較的高圧（以下、高燃圧と記す）に調圧される。図中、６０は第２燃圧レギュレータ５９に取付けられた電磁式の燃圧切換弁であり、オン状態で燃料をリリーフして、デリバリパイプ５７内の燃圧を所定値に低下させる。また、６１は高圧燃料ポンプ５５の潤滑や冷却等を行った燃料を燃料タンク５０に還流させるリターンパイプである。
【００２１】
車室内には、ＥＣＵ（電子制御ユニット）７０が設置されており、このＥＣＵ７０には図示しない入出力装置，制御プログラムや制御マップ等の記憶に供される記憶装置（ＲＯＭ，ＲＡＭ，不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等が具えられ、エンジン１の総合的な制御を行っている。
ＥＣＵ７０の入力側には、作動時にエンジン１の負荷となるエアコン装置、パワーステアリング装置、自動変速装置等の作動状況を検出するスイッチ類、即ち、エアコンスイッチ（Ａ／Ｃ・ＳＷ）３４、パワーステアリングスイッチ（Ｐ／Ｓ・ＳＷ）３５、インヒビタスイッチ（ＩＮＨ・ＳＷ）３６等が夫々接続され、各検出信号をＥＣＵ７０に供給している。尚、ＥＣＵ７０には、上述した各種のセンサ類やスイッチ類の他に、図示しない多数のスイッチやセンサ類が入力側に接続されており、出力側にも各種警告灯や機器類等が接続されている。
【００２２】
ＥＣＵ７０は、上述した各種センサ類及びスイッチ類からの入力信号に基づき、燃料噴射モードや燃料噴射量を始めとして、燃料噴射終了時期、点火時期やＥＧＲガスの導入量等を決定し、燃料噴射弁４、点火コイル１９，ＥＧＲ弁４５等を駆動制御する。
次に、エンジン制御の基本的な流れを簡単に説明する。
【００２３】
冷機時において、運転者がイグニッションキーをスタート操作或いは、エンジン１が所定回転数に達すると、ＥＣＵ７０は、低圧燃料ポンプ５１と燃圧切換弁６０をオンにして、燃料噴射弁４に低燃圧の燃料を供給する。これは、エンジン１の停止時やクランキング時には、高圧燃料ポンプ５５が全く、あるいは不完全にしか作動しないため、低圧燃料ポンプ５１の吐出圧と燃料噴射弁４の開弁時間とに基づいて燃料噴射量を決定せざるを得ないためである。同時に図示しないセルモータによりエンジン１がクランキングされ、同時にＥＣＵ７０による燃料噴射制御が開始される。この時点では、ＥＣＵ７０は、吸気行程噴射モードを選択し、比較的リッチな空燃比となるように燃料を噴射する。これは、冷機時には燃料の気化率が低いため、圧縮行程噴射モードで噴射を行った場合、失火や未燃燃料（ＨＣ）の排出が避けられないためである。また、ＥＣＵ７０は、始動時にはＡＢＶ弁２７を閉鎖するため、燃焼室５への吸入空気はスロットル弁２８の隙間やアイドル調整弁２４から供給される。尚、アイドル調整弁２４とＡＢＶ弁２７とはＥＣＵ７０により一元管理されており、スロットル弁２８を迂回する吸入空気（バイパスエア）の必要導入量に応じてそれぞれの開弁量が決定される。
【００２４】
始動が完了してエンジン１がアイドル運転を開始すると、高圧燃料ポンプ５５が定格の吐出作動を始めるため、ＥＣＵ７０は、燃圧切換弁６０をオフにして燃料噴射弁４に高燃圧の燃料を供給する。この際には、当然のことながら、高燃圧と燃料噴射弁４の開弁時間とに基づいて燃料噴射量が決定される。そして、冷却水温ＴW が所定値に上昇するまでは、ＥＣＵ７０は、始動時と同様に吸気行程噴射モードを選択して燃料を噴射すると共に、ＡＢＶ弁２７も継続して閉鎖する。また、エアコン等の補機類の負荷の増減に応じたアイドル回転数の制御は、吸気管噴射型と同様にアイドル調整弁２４（必要に応じてＡＢＶ弁２７も開弁される）によって行われる。更に、所定サイクルが経過してＯ₂ センサ４０が活性温度に達すると、ＥＣＵ７０は、Ｏ₂ センサ４０の出力電圧に応じて空燃比フィードバック制御を開始し、有害排出ガス成分を三元触媒４２により浄化させる。このように、冷機時においては、吸気管噴射型と略同様の燃料噴射制御が行われるが、吸気管１３の壁面への燃料滴の付着等がないため、制御の応答性や精度は高くなる。
【００２５】
エンジン１の暖機が終了すると、ＥＣＵ７０は、スロットル開度θth等から得た目標筒内有効圧（目標負荷）Ｐe とエンジン回転数（回転速度）Ｎe とに基づき、燃料噴射制御マップから現在の燃料噴射制御領域を検索し、燃料噴射モードと燃料噴射量とを決定して燃料噴射弁４を駆動する他、ＡＢＶ弁２７やＥＧＲ弁４５の開弁制御等も行う。
【００２６】
例えば、アイドル運転時等の低負荷・低回転運転時には図２中斜線で示す圧縮行程噴射リーン域となるため、ＥＣＵ７０は、圧縮行程噴射モードを選択すると共にＡＢＶ弁２７及びＥＧＲ弁４０を運転状態に応じて開弁し、リーンな空燃比（本実施例では、20〜40程度）となるように燃料を噴射する。この時点では燃料の気化率が上昇すると共に、吸気ポート１３から流入した吸気流が逆タンブル流を形成するため、ピストン７のキャビティ８内に噴射された燃料噴霧が点火時点において点火プラグ３の周囲に理論空燃比近傍の混合気として偏在することになり、全体として極めてリーンな空燃比（例えば、全体空燃比で50程度）でも燃焼（層状燃焼）が可能となる。これにより、ＣＯやＨＣの排出が極く少量になると共に、排気ガスの還流によってＮＯx の排出量も低く抑えられる。そして、ＡＢＶ弁２７及びＥＧＲ弁４０を開弁することによるポンピングロスの低減も相俟って燃費が大幅に向上する。そして、負荷の増減に応じたアイドル回転数の制御は、空気量及び燃料噴射量を増減させることにより行っている。
【００２７】
詳しくは、アイドル時にはエンジンに対する外部負荷の増大に対応させて、空燃比を略一定としたまま空気量と燃料量とを増大させるようＥＣＵ７０からの信号によりアイドル調整弁２４（必要に応じてＡＢＶ弁も制御対象）と燃料噴射弁４を制御する。即ち、ＥＣＵ７０には各負荷スイッチのオン信号に対応する（外部負荷の増大に対応する）燃料噴射量（燃料増量）と開度データが予め記憶されており、負荷スイッチがオン信号を出力した場合には、その負荷スイッチ信号によりＥＣＵ７０に記憶されたデータが読み出され、そのデータに基づいて燃料噴射弁４及びアイドル調整弁２４が制御される。尚、各負荷スイッチからオン信号が出力された場合には、外部負荷が負荷スイッチのオン信号数だけ増大するため、ＥＣＵ７０からのデータは加算されて燃料噴射弁４及びアイドル調整弁２４に出力される。これにより、負荷スイッチの動作により外部負荷が増大してもある負荷増大の範囲では対処できるよう予め設定された空燃比を維持しつつ空気量及び燃料量が制御される。また、負荷スイッチ以外で外部負荷が増大した場合には、アイドル回転数の落ち込みが生じるため、この回転数の落ち込み度合いを検出して燃料噴射弁４及びアイドル調整弁２４を下限空燃比と上限空燃比との範囲内で制御している。即ち、所望回転数フィードバック制御が行われている。この場合、先ず、燃料噴射弁４の燃料量を増大させ空燃比を小さくし、空燃比が下限空燃比に達した時点でも未だ外部負荷への対応が不十分な場合（即ち、アイドル回転数が既定値を下回っている場合）には、ＥＣＵ７０からの信号によりアイドル調整弁２４を開方向に駆動し空気量を増大させ空燃比を上限空燃比まで変更すると共に、更なる燃料量の増量を行い空燃比を下限値に向かって低くする。この燃料量と空気量との交互の増量を繰り返すことで増大した外部負荷に対処している。
【００２８】
尚、圧縮行程噴射モードにおいては、噴射弁４から噴射された燃料噴霧が前述した逆タンブル流に乗って、点火プラグ３に到達しなければならないし、到達して点火時点までに燃料が蒸発して点火容易な混合気が形成されていなければならない。平均空燃比が20以下になると点火プラグ３近傍において局所的にオーバリッチな混合気が生成されて所謂リッチ失火が生じる一方、40以上になると希薄限界を超えてやはり失火（所謂リーン失火）が生じ易くなる。このため、後述するように燃料噴射開始及び終了のタイミングや点火のタイミングが正確に制御されると共に、平均空燃比が20〜40の範囲になるように設定される。
【００２９】
また、低中速走行時は、その負荷状態やエンジン回転速度Ｎe に応じて、図２中の吸気行程噴射モードによるリーン域あるいはストイキオフィードバック域（理論空燃比フィードバック制御域）となるため、ＥＣＵ７０は、吸気行程噴射モードを選択すると共に、所定の空燃比となるように燃料を噴射する。
即ち、吸気行程噴射モードのリーン域では、比較的リーンな空燃比（例えば、20〜23程度）となるようにＡＢＶ弁２７の開弁量と燃料噴射量とを制御し、ストイキオフィードバック域では、ＡＢＶ弁２７とＥＧＲ弁４５とを開閉制御すると共に（但し、ＥＧＲ弁４５を開閉制御するのは、ストイキオフィードバック域の特定の領域のみで行われる）、Ｏ₂ センサ４０の出力電圧に応じて空燃比フィードバック制御を行う。吸気ポート１３から流入した吸気流が逆タンブル流を形成するため、燃料噴射開始時期又は終了時期を調整することにより吸気行程噴射モードのリーン域においても、逆タンブルによる乱れの効果でリーンな空燃比でも着火が可能となる。尚、ストイキオフィードバック域では、比較的高い圧縮比により大きな出力が得られると共に、有害排出ガス成分が三元触媒４２により浄化される。
【００３０】
急加速時や高速走行時は図２中のオープンループ制御域となるためＥＣＵ７０は、吸気行程噴射モードを選択すると共にＡＢＶ弁２７を閉鎖し、スロットル開度θthやエンジン回転速度Ｎe 等に応じて、比較的リッチな空燃比となるように燃料を噴射する。この際には、圧縮比が高いことや吸気流が逆タンブル流を形成することの他、吸気ポート１３が燃焼室５に対して略直立しているため、慣性効果によっても高い出力が得られる。
【００３１】
更に、中高速走行中の惰行運転時は図２中の燃料カット域となるため、ＥＣＵ７０は、燃料噴射を完全に停止する。これにより、燃費が向上すると同時に有害排出ガス成分の排出量も低減される。尚、燃料カットは、エンジン回転速度Ｎe が復帰回転速度より低下した場合や、運転者がアクセルペダルを踏み込んだ場合には即座に中止される。
【００３２】
次に、本発明に係わり、環境条件の変更や変速機の故障等のような補機類の作動以外による負荷上昇においてアイドル時の回転数の落ち込みを防止する制御手順について説明する。
図３に示すフローチャートは、クランク角センサ１７からクランク角信号が出力される毎にＥＣＵ７０によって割り込み実行される。ＥＣＵ７０は、図３のステップＳ１０においてクランク角センサ１７からのクランク角信号発生時間間隔から検出されるエンジン回転数Ｎe 、スロットルセンサ２９が検出するスロットル弁開度θth、エアフローセンサ３３が検出する一吸気行程当たりの吸入空気量（体積空気流量）Ｑa を読み込む。次に、ＥＣＵ７０は、記憶装置に予め記憶されている目標平均有効圧マップから例えば、４点補間法によりスロットル弁開度θthとエンジン回転数Ｎeとに応じた最適の目標平均有効圧Ｐeを演算する（ステップＳ１１）。この目標平均有効圧Ｐeは、運転者が望むエンジン出力と相関する目標筒内有効圧（負荷値）で、ＥＣＵ７０は、この目標平均有効圧（目標負荷）Ｐeに基づいて燃料供給量（目標空燃比）や点火時期を設定する。次いで、ＥＣＵ７０は、吸入空気量（体積流量）Ｑａを燃焼室５の容積で除算して体積効率Ｅvを演算する（ステップＳ１２）。この体積効率Ｅvは、各燃焼室５に供給され、単位吸気行程当たり（１気筒当たり）の燃焼に係わることのできる酸素量に関連した指標で、燃料噴射弁４の開弁時間（Ｔing）の演算に使用される。
【００３３】
次いで、ＥＣＵ７０は、アイドル運転状態にあるか否かを判別し（ステップＳ１３）、アイドル運転状態にないときには、目標平均有効圧Ｐe、エンジン回転数Ｎeに応じた運転モードに設定する（ステップＳ１７）。例えば、低中速走行のときには、図２中の吸気行程噴射モードによるリーン域あるいはストイキオフィードバック域（理論空燃比フィードバック制御域）となるように吸気行程噴射モードを選択すると共に所定の空燃比となるように燃料を噴射する。
【００３４】
ＥＣＵ７０は、ステップＳ１３においてアイドル運転状態にあると判別すると、変速機がＤレンジにあるか否かを判定し（ステップＳ１４）、Ｄレンジでないときには体積効率Ｅｖが所定値Ｅv0よりも大きいか否かを判別し（ステップＳ１５）、大きくないときには、体積効率Ｅvが小さく、つまり、外部負荷の増大によりアイドル調整弁２４が大きく開方向へ制御されていないものと判断して超リーン運転（層状燃焼）を実行し（ステップＳ１８）、体積効率Ｅｖが所定値Ｅv0よりも大きいときには、何らかの原因でアイドル調整弁２４が大きく開方向に制御されており、超リーン運転による出力増大は困難（又は効果小）であると判断して大きなトルクを発生し得るストイキオ運転（予混合燃焼）に移行する。（ステップＳ１９）。
【００３５】
尚、所定値Ｅv0は、約７０％程度に設定されている。その理由は、所定値Ｅv0を超リーン運転（層状燃焼）が許容される最大空気量、即ち、体積効率１００％近傍にも設定は可能であるが、仮に所定値Ｅv0を１００％近傍に設定した場合には以下のような問題がある。
外部負荷増大に対処すべく出力を増大するためには、運転モードを切り換える必要が生じるが、体積効率Ｅvが１００％近傍で運転中、何らかの原因で更なる大きな外部負荷が加わると、運転モード切替に際し遅れが生じるため、回転数の落ち込みへの対応が遅れるという問題がある。また、アイドル燃費の観点から体積効率Ｅvが１００％近傍では層状燃焼と予混合燃焼とで燃費的に変化はなく、燃焼の安定性から考えると予混合燃焼の方がメリットがあることから、所定値Ｅv0をある程度、低い値に設定している。尚、上述した点が懸念されない場合は、所定値Ｅｖ0を更に１００％近傍まで近づけて設定しても良い。また、本実施形態では所定値Ｅv0を約７０％という固定値としているが、回転数に応じて変化させても良い。
【００３６】
ＥＣＵ７０は、ステップＳ１４においてＤレンジにあると判別したときには負荷例えば、エアコンスイッチがオンされたか否かを判別し（ステップＳ１６）、エアコンスイッチがオフのときにはステップＳ１５に進み、エアコンスイッチがオンされたときには、Ｄレンジであることによる負荷増大に加え更に負荷が増大し、超リーン運転では、外部負荷の増大に対し出力増大は困難であると判断してステップＳ１９に進み、ストイキオ運転（予混合燃焼）に移行する。
【００３７】
エンジン１は、過給していないのでスロットル全開相当の空気量以上は供給されない。従って、超リーン運転（層状燃焼）をしているアイドル時に発生し得るトルクが限られてくる。このため、車両がＤレンジで停止しており、エンジンがアイドル状態にあるときにエアコンが作動すると、全負荷量（スロットル全開）時の空気量を供給しても、トルクが不足してエンジン回転数が落ち込み、エンジンストールを起こす虞がある。アイドル時は、同一空燃比（Ａ／Ｆ）で制御しているので、空気量は、負荷と比例関係にあり、空気量（体積効率Ｅv）が増加することは、何らかの原因で負荷が増加したことである。従って、ＥＣＵ７０は、このときの空気量に相関する体積効率Ｅvが閾値（Ｅv0）を超えると、超リーン運転（層状燃焼）は、不可能であると判断してより大きなトルクの発生が可能なストイキオ運転に切り換えてアイドル状態を保持する。これにより、環境条件の変化や変速機の故障等のような補機類の作動以外による負荷上昇においても、確実にアイドル時の回転数の落ち込みを防止することが可能となる。
【００３８】
体積効率Ｅvは、空燃比Ａ／Ｆを一定に保持しておくとトルク情報は、空気量と比例関係にあるので、体積効率が上昇すると空燃比をリッチ（濃く）にしていく方法もあるが、圧縮リーンにおいて空燃比をリッチ（濃く）にするにも限界がある。このため安全サイドで前期噴射モード、或いはストイキオ運転（予混合燃焼）で空気過剰率を１に近づき充分なトルクを発生するようにする。
【００３９】
このように、超リーン運転（層状燃焼）ではトルクの増加が見込めないためにストイキオ運転（予混合燃焼）に切り換えることにより、空燃比（Ａ／Ｆ）が超リーン運転と比較して高いトルクまで発生可能であり、負荷状態（環境変化）が長く続いて何らかの不具合により負荷が増加してもアイドル運転させることが可能である。
【００４０】
尚、上記実施例では、体積効率Ｅvの変化に応じて層状燃焼から直接予混合燃焼（ストイキオ運転）に切り換えるようにしたが、層状燃焼から予混合リーン燃焼（前期リーンモード）に切り換え、その後、予混合燃焼（ストイキオ）に切り換えるように設定しても良い。
また、上記実施例ではエアフローセンサにより吸入空気量を検出し、この空気量から算出した体積効率Ｅvにより負荷状態を判断して運転状態を切り換えるようにしたが、アイドル調整弁、ＡＢＶ（エアバイパスバルブ）、電子スロットル等の開度信号に応じて負荷状態を判断し運転状態を切り換えるように設定しても良い。
【００４１】
更に、体積効率Ｅvの代わりに、吸気管負圧を検出して運転状態を切り換えるようにしても良い。また、アイドル時の空燃比を略一定の範囲に収めるように制御しているものにおいては、空気量に相関するパラメータとしての燃料量が上限値に達したことを検出して運転状態を切り換えるようにしても良い。
また、本実施態様では、前述した公知例のようなエアコン等の負荷信号により運転状態を切り換えるものとの組み合わせた制御について説明したが、制御の簡素化を図るため、体積効率Ｅv0のみで運転状態を切り換えるようにしても良い。
【００４２】
更に、上記実施形態では、体積効率Ｅvが所定値Ｅv0を超えた場合、ストイキオ運転としているが、所定値Ｅv0を更に低く設定し、所定値Ｅv0を超えた後の回転数変化を検出し、回転数の落ち込み変化が大きく層状燃焼による出力増大が困難と予測される場合には、予混合燃焼（ストイキオ運転、前期リーンモード）に切り換えるよう設定してもよい。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、アイドル時に層状燃焼を行うことにより燃費を向上させ、アイドル時にエアコン等が作動してエンジン負荷が増大し、層状燃焼ではトルクの増大が見込めないと判断したときにストイキオ運転に切り換えることにより、トルクの増大を図り、アイドル時のエンジン回転数の落ち込みを防止することができる。また、環境条件の変化や変速機の故障等のような補機類の作動以外による負荷上昇においても、確実にアイドル時の回転数の落ち込みを防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る筒内噴射型内燃エンジンの制御装置の概略構成図である。
【図２】燃料噴射モードの判定マップを示す図である
【図３】本発明に係るエンジンの制御手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１エンジン
４燃料噴射弁
５燃焼室
１７クランク角センサ
２５吸気管
２６エアバイパスパイプ
２７ＡＢＶ弁
２８スロットル弁
２９スロットルセンサ
３１大気圧センサ
３２吸気温センサ
７０ＥＣＵ

Claims

燃焼室内に直接燃料を噴射し、運転状態に応じて予混合燃焼と層状燃焼とを切り換え、アイドル時には層状燃焼を行うと共に、該アイドル時には外部負荷の増加に対し燃料量を増量し、エンジン出力を増加側に変更する出力制御手段を備えた筒内噴射型内燃エンジンの制御装置において、前記アイドル時に前記燃料量又は該燃料量に相関するパラメータが所定値を超えた場合、前記予混合燃焼に切り換え、前記所定値は、全開空気量或いはその近傍の空気量に対して前記層状燃焼が許容される空燃比に相当する値であることを特徴とする筒内噴射型内燃エンジンの制御装置。
燃焼室内に直接燃料を噴射し、運転状態に応じて予混合燃焼と層状燃焼とを切り換え、アイドル時には層状燃焼を行うと共に、該アイドル時には外部負荷の増加に対して空気量を増量し、この空気量増量に対応させて燃料増量を行い、エンジン出力を増加側に変更する出力制御手段を備えた筒内噴射型内燃エンジンの制御装置において、前記アイドル時に前記空気量又は該空気量に相関するパラメータが所定値を超えた場合、前記予混合燃焼に切り換えることを特徴とする筒内噴射型内燃エンジンの制御装置。
前記所定値は、前記層状燃焼が許容される最大空気量より低い値に設定されていることを特徴とする請求項２記載の筒内噴射型内燃エンジンの制御装置。
前記所定値は、前記最大空気量の約７０％に設定されていることを特徴とする請求項３記載の筒内噴射型内燃エンジンの制御装置。