JP4247591B2 - 筒内噴射式内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、運転状態に応じて燃焼モードを成層燃焼モード（圧縮行程噴射モード）と均質燃焼モード（吸気行程噴射モード）との間で切り換えるようにした筒内噴射式内燃機関の制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、低燃費、低排気エミッション、高出力の特長を兼ね備えた筒内噴射式エンジン（直噴式エンジン）の需要が急増している。この筒内噴射式エンジンは、低負荷時には、少量の燃料を圧縮行程で筒内に直接噴射して成層混合気を形成して成層燃焼させることで燃費を向上させ、一方、中・高負荷時には、燃料噴射量を増量して吸気行程で筒内に直接噴射して均質混合気を形成して均質燃焼させることで、エンジン出力を高めるようにしている。このような筒内噴射式エンジンでは、特開平１０−２９９５３６公報に示すように、燃焼モード切換条件が成立した時（燃焼モード切換要求があった時）に、切換先の燃焼モードに応じて目標空燃比を変化させてから燃焼モードを切り換えるようにしたものがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、燃焼モードの切換の際に、目標空燃比を設定しても、吸入空気系の過渡的な遅れにより筒内の実際の空燃比が目標空燃比に追従しないため、目標空燃比を判定基準として燃焼モードを切り換えると、燃焼が不安定になって失火やトルクショックが発生するおそれがある。特に、成層燃焼モードでは、要求トルク等に応じて燃料噴射量が決定された後に、この燃料噴射量に応じて空気量（スロットル開度）が決定される燃料優先方式の制御が行われるため、目標空燃比と実空燃比とのずれが大きくなり、上記の問題が生じやすくなる。
【０００４】
本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、従ってその目的は、成層燃焼、均質燃焼のいずれの燃焼モードに切り換える場合でも、燃焼を不安定にさせることなく燃焼モードを切り換えることができ、燃焼モード切換時の失火やトルクショックを抑えてドライバビリティを向上することができる筒内噴射式内燃機関の制御装置を提供することにある。
【０００５】
本発明は、燃焼モード切換時において、その切換の前後の筒内の空燃比が燃焼安定性に大きく影響することに着目し、請求項１では、圧縮行程で筒内に燃料を噴射して成層燃焼させる成層燃焼モードで運転する成層燃焼モード制御手段と、吸気行程で筒内に燃料を噴射して均質燃焼させる均質燃焼モードで運転する均質燃焼モード制御手段と、前記成層燃焼モード制御手段による成層燃焼モードと前記均質燃焼モード制御手段による均質燃焼モードとを燃焼モード切換要求に応じて切り換える燃焼モード切換手段とを備えた筒内噴射式内燃機関の制御装置において、前記成層燃焼モード制御手段は、要求負荷に応じて目標燃料量を設定して燃料優先方式で成層燃焼モードの運転を制御し、前記均質燃焼モード制御手段は、要求負荷に応じて目標空気量を設定して空気優先方式で均質燃焼モードの運転を制御し、前記燃焼モード切換手段は、燃焼モード切換要求があった時に、成層燃焼、均質燃焼のいずれの燃焼モードにおいても、常に成層燃焼モードと仮定して筒内空燃比を推定する筒内空燃比推定手段と、この推定筒内空燃比に基づいて燃焼モード切換タイミングを判定して燃焼モードを切り換える手段とを備え、前記筒内空燃比推定手段は、スロットル通過空気量と機関回転速度等から筒内空気量を推定し、この推定筒内空気量を要求負荷に応じて設定された目標燃料量で割り算して推定筒内空燃比を算出する。つまり、均質燃焼と比較して成層燃焼の方が目標空燃比と実空燃比とのずれが大きく且つ燃焼が不安定になりやすいため、請求項１のように、常に成層燃焼モードと仮定して、燃焼安定性に大きく影響する筒内空燃比を推定し、この推定筒内空燃比に基づいて燃焼モード切換タイミングを決定すれば、成層燃焼、均質燃焼のいずれの燃焼モードに切り換える場合でも、燃焼を不安定にさせることなく燃焼モードを安定した燃焼状態で切り換えることができ、燃焼モード切換時の失火やトルクショックを抑えてドライバビリティを向上することができる。
【０００６】
この場合、請求項１に係る発明では、筒内空燃比を推定する際に、スロットル通過空気量と機関回転速度等から筒内空気量を推定し、この推定筒内空気量を要求負荷に応じて設定された目標燃料量で割り算して推定筒内空燃比を算出するようにしている。筒内空燃比＝筒内空気量／燃料量であるが、筒内空気量と燃料量は測定できないため、推定する必要がある。筒内空気量の推定方法は、スロットル通過空気量（エアフローメータの検出値）と機関回転速度等を入力情報とする筒内空気量推定モデル（吸入空気系のモデル）を用いて、筒内空気量を推定すれば良い。また、燃料を直接筒内に噴射する筒内噴射式内燃機関では、吸気ポート内壁に付着する燃料（ウェット）が存在しないため、燃料量は、目標燃料量と等しいと仮定しても良い。従って、推定筒内空燃比＝推定筒内空気量／目標燃料量の計算によって推定筒内空燃比を精度良く算出することができる。
【０００７】
前述した請求項１では、現在の燃焼モードが成層燃焼、均質燃焼のいずれの燃焼モードであっても、常に、成層燃焼モードと仮定して筒内空燃比を推定したが、請求項２のように、切換え先の燃焼モードと仮定して筒内空燃比を推定し、この推定筒内空燃比に基づいて燃焼モード切換タイミングを判定して燃焼モードを切り換えるようにしても良い。例えば、成層燃焼モードから均質燃焼モードに切り換える場合は、均質燃焼モードと仮定して筒内空燃比を推定し、その反対に、均質燃焼モードから成層燃焼モードに切り換える場合は、成層燃焼モードと仮定して筒内空燃比を推定する。このようにすれば、常に、切換え先の燃焼モードの燃焼安定性を考慮して、より安定した燃焼モードの切換を行うことができる。
【０００８】
この場合、請求項２に係る発明では、筒内空燃比を推定する際に、切換え先の燃焼モードが成層燃焼モードの場合は、スロットル通過空気量と機関回転速度等から筒内空気量を推定して、この推定筒内空気量を要求負荷に応じて設定された目標燃料量で割り算して成層燃焼モードでの推定筒内空燃比を算出し、一方、切換え先の燃焼モードが均質燃焼モードの場合は、要求負荷に応じて設定された目標空燃比を均質燃焼モードでの推定筒内空燃比とすれば良い。つまり、成層燃焼モードでの推定筒内空燃比は、請求項１と同じ方法で推定すれば良いが、空気優先方式で制御する均質燃焼モードでは、燃料優先方式で制御する成層燃焼モードと比較して、目標空燃比と筒内空燃比とのずれが小さいため、均質燃焼モードでの推定筒内空燃比は、目標空燃比と等しいと仮定しても良い。
【０００９】
また、請求項３のように、推定筒内空燃比が所定範囲内に達した時に燃焼モードを切り換えるようにしても良い。つまり、燃焼安定性を確保できる筒内空燃比の範囲はある程度の幅があるため、それを考慮して、燃焼モードを切り換える推定筒内空燃比の範囲にある程度の幅を持たせても良く、これによって、成層燃焼、均質燃焼のいずれの燃焼モードに切り換える場合でも、燃焼安定性を確保できる筒内空燃比の範囲内で早期に燃焼モードを切り換えることができる。
【００１０】
或は、請求項４のように、推定筒内空燃比が燃焼切換可能な範囲内の中央値に達した時に燃焼モードを切り換えるようにしても良い。つまり、燃焼切換可能な範囲内の中央値付近は、燃焼状態が最も安定して切換可能であるため、推定筒内空燃比が燃焼切換可能な範囲内の中央値に達した時に燃焼モードを切り換えれば、燃焼状態が最も安定している時期に燃焼モードを切り換えることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
［実施形態（１）］
以下、本発明の実施形態（１）を図１乃至図６に基づいて説明する。まず、図１に基づいてエンジン制御システム全体の概略構成を説明する。筒内噴射式内燃機関である筒内噴射式エンジン１１の吸気管１２の最上流部には、エアクリーナ（図示せず）が設けられ、このエアクリーナの下流側には、吸入空気量を検出するエアーフローメータ１３が設けられている。このエアーフローメータ１３の下流側には、ＤＣモータ等のモータ１４によって開度調節されるスロットルバルブ１５が設けられている。このモータ１４がエンジン電子制御回路（以下「ＥＣＵ」と表記する）１６からの出力信号に基づいて駆動されることで、スロットルバルブ１５の開度（スロットル開度）が制御され、そのスロットル開度に応じて各気筒ヘの吸入空気量（筒内空気量）が調節される。
【００１２】
このスロットルバルブ１５の下流側にはサージタンク１７が設けられ、このサージタンク１７に、吸気圧を検出する吸気圧センサ１８が取り付けられている。サージタンク１７には、エンジン１１の各気筒に空気を導入する吸気マニホールド１９が接続され、各気筒の吸気マニホールド１９内には、エンジン１１の筒内のスワール流を制御するためのスワールコントロールバルブ２０が設けられている。
【００１３】
エンジン１１の各気筒の上部には、燃料を筒内に直接噴射する燃料噴射弁２１が取り付けられ、燃料タンク２２内の燃料が燃料ポンプ２３によって高圧に加圧されて各気筒の燃料噴射弁２１に供給され、その燃料の圧力（燃圧）が燃圧センサ２４によって検出される。エンジン１１のシリンダヘッドには、各気筒毎に点火プラグ２５が取り付けられ、各点火プラグ２５の火花放電によって筒内の混合気に点火される。
【００１４】
エンジン１１の吸気バルブ２６と排気バルブ２７は、それぞれカム軸２８，２９によって駆動され、吸気側のカム軸２８には、運転状態に応じて吸気バルブ２６の開閉タイミングを可変する油圧式の可変バルブタイミング機構３０が設けられている。この可変バルブタイミング機構３０を駆動する油圧は、油圧制御弁３１によって制御される。エンジン１１の各気筒のピストン３２の往復運動によってクランク軸３３が回転駆動され、このクランク軸３３の回転トルクによって外部負荷３４（エアコンのコンプレッサ、オルタネータ、パワーステアリングのポンプ等）と車両駆動系が駆動される。エンジン１１のシリンダブロックには、冷却水温を検出する水温センサ３５が取り付けられている。
【００１５】
一方、エンジン１１の排気管３６には、排ガスを浄化する三元触媒等の触媒３７が設けられ、この触媒３７の上流側に排ガスの空燃比を検出する空燃比センサ３８が設けられている。排気管３６のうちの空燃比センサ３８の上流側とサージタンク１７との間には、排ガスの一部を吸気側に環流させるためのＥＧＲ配管３９が接続され、このＥＧＲ配管３９の途中に排ガス環流量（ＥＧＲ量）を制御するＥＧＲバルブ４０が設けられている。
【００１６】
エンジン運転状態を制御するＥＣＵ１６は、マイクロコンピュータを主体として構成され、そのＲＯＭ（記憶媒体）に記憶されたトルクディマンド制御プログラムを実行することで、図２に示す要求図示トルク演算手段５１、燃焼モード切換手段５２、均質燃焼モード制御手段５３、成層燃焼モード制御手段５４、目標空燃比設定手段５５、筒内空燃比推定手段５６の各機能を実現する。以下、これら各機能について具体的に説明する。
【００１７】
要求図示トルク演算手段５１は、アクセルペダルの開度（アクセル開度）を検出するアクセルセンサ４１の出力等に基づいて要求図示トルクを算出する。ここで、要求図示トルクは、図示トルクの要求値（目標値）であり、図示トルクは、エンジン１１の燃焼によって発生するトルク、つまりエンジン１１の内部損失トルクや外部負荷トルク（補機類の負荷）を含めたトルクである。従って、図示トルクから内部損失トルクや外部負荷トルクを差し引いたトルクは、クランク軸３３から取り出される軸トルク（正味トルク）となり、この軸トルクによって車両駆動系が駆動される。
【００１８】
図３に示すように、要求図示トルク演算手段５１は、アクセルセンサ４１の出力（アクセル開度）、エンジン回転速度Ｎｅ、車速等に基づいて要求軸トルクを算出し、この要求軸トルクに後述する各種の損失トルクを加算し、更に、このトルクからアイドルスピードコントロール（ＩＳＣ制御）によるトルク増減分を補正して要求図示トルクを求める。ここで、要求軸トルクに加算する内部損失トルクは、機械摩擦損失とポンピング損失であり、機械摩擦損失は、エンジン回転速度Ｎｅと冷却水温ＴＨＷとに基づいてマップ又は数式によって算出され、ポンピング損失は、エンジン回転速度Ｎｅと吸気圧Ｐｍとに基づいてマップ又は数式によって算出される。また、要求軸トルクに加算する外部負荷トルクは、エンジン１１の動力で駆動される補機類（エアコンのコンプレッサ、オルタネータ、パワーステアリングのポンプ等）の負荷トルクであり、エアコン信号、オルタネータのフィールド電流等に応じて設定される。
【００１９】
更に、要求図示トルク演算手段５１は、内部損失トルクと外部負荷トルクを加算した要求軸トルクを、アイドルスピードコントロール（ＩＳＣ制御）によるトルク増減分を補正することで、要求図示トルクを求める。ＩＳＣ制御による補正トルク（トルク増減分）は、目標アイドル回転速度Ｎｅtargetと現在のエンジン回転速度Ｎｅとに基づいてマップ又は数式によって算出される。
【００２０】
一方、目標空燃比設定手段５５は、要求図示トルク演算手段５１で演算した要求図示トルクとエンジン回転速度Ｎｅとに基づいてマップ等により目標空燃比（目標Ａ／Ｆ）を設定する。この目標空燃比は、均質燃焼モード制御手段５３と成層燃焼モード制御手段５４の両方で共通して使用される。
【００２１】
燃焼モード切換手段５２は、要求図示トルクとエンジン回転速度Ｎｅに応じてマップ等から要求燃焼モードを判定し、要求燃焼モードが現在の燃焼モードと異なる場合は、燃焼モード切換要求有りと判断して、後述する筒内空燃比推定手段５６で算出した推定筒内空燃比が所定範囲内に達した時に燃焼モード制御手段５３，５４を切り換えて、燃焼モードを切り換える。例えば、低回転領域、低トルク領域では、成層燃焼モード制御手段５４が選択され、成層燃焼モードで運転される。この成層燃焼モード運転時には、少量の燃料を圧縮行程で筒内に直接噴射して成層混合気を形成して成層燃焼させることで、燃費を向上させる。また、中・高回転領域、中・高トルク領域では、均質燃焼モード制御手段５３が選択され、均質燃焼モードで運転される。この均質燃焼モード運転時には、燃料噴射量を増量して吸気行程で筒内に直接噴射して均質混合気を形成して均質燃焼させることで、エンジン出力や軸トルクを高める。
【００２２】
一方、筒内空燃比推定手段５６は、燃焼モード切換要求があった時に、成層燃焼、均質燃焼のいずれの燃焼モードにおいても、常に成層燃焼モードと仮定して推定筒内空燃比を次式により算出する。
推定筒内空燃比＝推定筒内空気量／目標燃料量
【００２３】
実際には、筒内空燃比＝筒内空気量／燃料量であるが、筒内空気量と燃料量は測定できないため、推定する必要がある。筒内空気量の推定方法は、スロットル通過空気量（エアフローメータ１３の検出値）、エンジン回転速度Ｎｅ、吸気圧Ｐｍ、ＥＧＲ量等を入力情報とする筒内空気量推定モデル（吸入空気系のモデル）を用いて、筒内空気量を推定する。また、燃料を直接筒内に噴射する筒内噴射式エンジン１１では、吸気ポート内壁に付着する燃料（ウェット）が存在しないため、燃料量は、目標燃料量と等しいと仮定しても良い。従って、図４に示すように、筒内空燃比推定手段５６は、推定筒内空燃比＝推定筒内空気量／目標燃料量の計算によって推定筒内空燃比を算出する。この際、目標燃料量は、要求図示トルクとエンジン回転速度Ｎｅとに基づいてマップ等により算出する。
【００２４】
次に、図５（ａ）に基づいて、均質燃焼モード制御手段５３の各機能を説明する。均質燃焼モード制御手段５３は、要求図示トルクを目標空気量に変換してスロットル開度を設定する空気優先方式のトルクディマンド制御を行う。その際、点火時期や筒内の空燃比によって図示トルクが変動することを考慮して、要求図示トルクを点火時期効率（ＳＡ効率）と空燃比効率（Ａ／Ｆ効率）とによって次式により補正する。
【００２５】
補正後の要求図示トルク＝要求図示トルク／（点火時期効率×空燃比効率）ここで、点火時期効率は、点火遅角量に応じてマップ等により設定され、点火遅角量が０の時に図示トルクが最大になることから、点火遅角量が０の時に点火時期効率＝１に設定される。また、空燃比効率は、前述した目標空燃比に応じてマップ等により設定される。
【００２６】
そして、補正後の要求図示トルクとエンジン回転速度Ｎｅに基づいてマップ等により目標空気量を算出し、この目標空気量とエンジン回転速度Ｎｅ、目標ＥＧＲ量、内部ＥＧＲ量（可変バルブタイミング機構３０の進角量）等に基づいて空気系逆モデルを用いてスロットル開度の指令値を算出する。ここで、空気系逆モデルは、スロットルバルブ１５から吸気ポートまでの空気の流れを模擬した空気系モデルの入出力関係を逆に解いたモデルである。この空気系逆モデルで算出したスロットル開度の指令値に応じた制御信号を電子スロットルシステムのモータ１４に出力し、スロットルバルブ１５を駆動してスロットル開度を制御する。
【００２７】
また、均質燃焼モード制御手段５３は、推定筒内空気量（又は実空気量）を目標空燃比で割り算して目標燃料量を算出し、この目標燃料量に各種の補正係数（水温補正係数、フィードバック補正係数、学習補正係数等）を乗算して最終的な燃料噴射量を求め、この燃料噴射量に応じたパルス幅の噴射パルスを、各気筒の吸気行程で燃料噴射弁２１に出力して燃料噴射を実行する。これにより、均質燃焼モード運転時には、吸気行程で燃料を筒内に直接噴射して均質混合気を形成して均質燃焼させる。
【００２８】
更に、均質燃焼モード制御手段５３は、運転状態に応じて目標ＥＧＲ量をマップ等により算出し、その算出結果に応じてＥＧＲバルブ４０を駆動してＥＧＲ量を目標ＥＧＲ量に制御する。
【００２９】
また、均質燃焼モード制御手段５３は、運転状態に応じて各気筒の点火時期をマップ等により算出し、その点火時期に点火プラグ２５に高電圧を印加して火花放電を発生させる。この点火時期から前述した点火時期効率が算出される。
【００３０】
次に、図５（ｂ）に基づいて、成層燃焼モード制御手段５４の各機能を説明する。成層燃焼モード制御手段５４は、要求図示トルクを目標燃料量に変換し、この目標燃料量と目標空燃比とを乗算して目標空気量を求めてスロットル開度を設定する燃料優先方式のトルクディマンド制御を行う。その際、筒内の空燃比によって図示トルクが変動することを考慮して、要求図示トルクを空燃比効率で割り算して要求図示トルクを補正する。
補正後の要求図示トルク＝要求図示トルク／空燃比効率
ここで、空燃比効率は、目標空燃比に応じてマップ等により算出する。
【００３１】
そして、補正後の要求図示トルクとエンジン回転速度Ｎｅとに基づいてマップ等により目標燃料量を算出し、この目標燃料量に各種の補正係数（水温補正係数、フィードバック補正係数、学習補正係数等）を乗算して最終的な燃料噴射量を求め、この燃料噴射量に応じたパルス幅の噴射パルスを、各気筒の圧縮行程で燃料噴射弁２１に出力して燃料噴射を実行する。これにより、成層燃焼モード運転時には、圧縮行程で燃料を筒内に直接噴射して成層混合気を形成して成層燃焼させる。
【００３２】
更に、成層燃焼モード制御手段５４は、目標燃料量とエンジン回転速度Ｎｅに応じて点火時期をマップ等により算出し、その点火時期に点火プラグ２５に高電圧を印加して火花放電を発生させる。
【００３３】
また、成層燃焼モード制御手段５４は、目標燃料量に目標空燃比を乗算して目標空気量を算出し、この目標空気量、エンジン回転速度Ｎｅ、目標ＥＧＲ量、内部ＥＧＲ量（可変バルブタイミング機構３０の進角量）等に基づいて空気系逆モデルを用いてスロットル開度の指令値を算出し、このスロットル開度の指令値に応じた制御信号を電子スロットルシステムのモータ１４に出力し、スロットルバルブ１５を駆動してスロットル開度を制御する。更に、目標ＥＧＲ量に応じてＥＧＲバルブ４０を駆動してＥＧＲ量を目標ＥＧＲ量に制御する。
【００３４】
以上説明した筒内噴射式エンジン１１のトルクディマンド制御は、ＥＣＵ１６によって図６に示すような手順で実行される。まず、ステップ１０１で、アクセルセンサ４１の出力（アクセル開度）、エンジン回転速度Ｎｅ、車速等に基づいて要求軸トルクを算出し、この要求軸トルクに内部損失トルクと外部負荷トルクを加算し、更に、このトルクをＩＳＣ制御によるトルク増減分で補正して要求図示トルクを求める。この後、ステップ１０２に進み、要求図示トルクとエンジン回転速度Ｎｅに応じてマップ等から均質燃焼モードと成層燃焼モードのいずれか一方を要求燃焼モードとして選択し、次のステップ１０３で、この要求燃焼モードが現在の燃焼モードと異なるか否かで燃焼モード切換要求有りか否かを判定する。燃焼モード切換要求が無ければ、現在の燃焼モードをそのまま継続する（ステップ１０８〜１１０）。
【００３５】
もし、ステップ１０３で、燃焼モード切換要求有りと判定されれば、ステップ１０４に進み、要求図示トルクとエンジン回転速度Ｎｅとに基づいてマップ等により燃焼モード切換用の目標空燃比を設定する。この後、ステップ１０５で、成層燃焼、均質燃焼のいずれの燃焼モードにおいても、常に成層燃焼モードと仮定して推定筒内空燃比を次式により算出する。
推定筒内空燃比＝推定筒内空気量／目標燃料量
【００３６】
この際、推定筒内空気量は、スロットル通過空気量（エアフローメータ１３の検出値）、エンジン回転速度Ｎｅ等を入力情報とする筒内空気量推定モデルによって算出し、目標燃料量は、要求図示トルクとエンジン回転速度Ｎｅとに基づいてマップ等により算出する。
【００３７】
推定筒内空燃比の算出後、ステップ１０６に進み、推定筒内空燃比が燃焼切換可能な所定範囲内（Ａ／Ｆlow ＜推定筒内空燃比＜Ａ／Ｆhigh）であるか否かを判定し、推定筒内空燃比が燃焼切換可能な所定範囲内でなければ、燃焼モード切換タイミングに達していないと判断して、ステップ１０５に戻り、再度、推定筒内空燃比を算出して、推定筒内空燃比が燃焼切換可能な所定範囲内に達したか否かを判定する処理を繰り返す。
【００３８】
その後、推定筒内空燃比が燃焼切換可能な所定範囲内に達した時に、燃焼モード切換タイミングに達したと判断して、ステップ１０７に進み、要求燃焼モードが均質燃焼モードであるか否かを判定し、要求燃焼モードが均質燃焼モードであれば、ステップ１０９に進み、燃焼モードを均質燃焼モードに切り換え、要求燃焼モードが成層燃焼モードであれば、ステップ１１０に進み、燃焼モードを成層燃焼モードに切り換える。
【００３９】
均質燃焼モードの運転中は、要求図示トルクとエンジン回転速度Ｎｅとに基づいてマップ等により目標空気量を算出し、この目標空気量とエンジン回転速度Ｎｅ等に基づいて空気系逆モデルを用いてスロットル開度の指令値を算出する。その後、このスロットル開度の指令値に応じた制御信号を電子スロットルシステムのモータ１４に出力し、スロットルバルブ１５を駆動してスロットル開度を制御する。
【００４０】
また、均質燃焼モードの運転中は、次のようにして燃料噴射量を算出する。まず、筒内空気量推定モデルを用いてスロットル通過空気量、吸気圧Ｐｍ、エンジン回転速度Ｎｅから推定筒内空気量を算出する。この後、推定筒内空気量を目標空燃比で割り算して目標燃料量を算出し、この目標燃料量に各種の補正係数（水温補正係数、フィードバック補正係数、学習補正係数等）を乗算して最終的な燃料噴射量を求める。その後、この燃料噴射量に応じたパルス幅の噴射パルスを、各気筒の吸気行程で燃料噴射弁２１に出力して燃料噴射を実行する。これにより、均質燃焼モード運転時には、吸気行程で燃料を筒内に直接噴射して均質混合気を形成して均質燃焼させる。
【００４１】
一方、成層燃焼モードの運転中は、要求図示トルクとエンジン回転速度Ｎｅとに基づいてマップ等により目標燃料量を算出し、この目標燃料量に各種の補正係数（水温補正係数、フィードバック補正係数、学習補正係数等）を乗算して最終的な燃料噴射量を求め、この燃料噴射量に応じたパルス幅の噴射パルスを、各気筒の圧縮行程で燃料噴射弁２１に出力して燃料噴射を実行する。これにより、成層燃焼モード運転時には、圧縮行程で燃料を筒内に直接噴射して成層混合気を形成して成層燃焼させる。
【００４２】
更に、成層燃焼モードの運転中は、目標空燃比と目標燃料量とを乗算して目標空気量を求め、この目標空気量とエンジン回転速度Ｎｅ等に基づいて空気系逆モデルを用いてスロットル開度の指令値を算出する。そして、このスロットル開度の指令値に応じた制御信号を電子スロットルシステムのモータ１４に出力し、スロットルバルブ１５を駆動してスロットル開度を制御する。
【００４３】
以上説明した本実施形態（１）の筒内噴射式エンジン１１の燃焼モード切換判定方法によれば、燃焼モード切換時において、その切換の前後の筒内の空燃比が燃焼安定性に大きく影響することに着目し、また、均質燃焼と比較して成層燃焼の方が目標空燃比と実空燃比とのずれが大きく且つ燃焼が不安定になりやすいことを考慮して、燃焼モード切換要求があった時に、成層燃焼、均質燃焼のいずれの燃焼モードにおいても、常に成層燃焼モードと仮定して筒内空燃比を推定し、この推定筒内空燃比に基づいて燃焼モード切換タイミングを判定して燃焼モードを切り換えるようにしたので、成層燃焼、均質燃焼のいずれの燃焼モードに切り換える場合でも、燃焼を不安定にさせることなく燃焼モードを安定した燃焼状態で切り換えることができ、燃焼モード切換時の失火やトルクショックを抑えてドライバビリティを向上することができる。
【００４４】
［実施形態（２）］
前記実施形態（１）では、現在の燃焼モードが成層燃焼、均質燃焼のいずれの燃焼モードであっても、常に、成層燃焼モードと仮定して筒内空燃比を推定したが、図７及び図８に示す本発明の実施形態（２）では、燃焼モード切換要求があった時に、切換え先の燃焼モードと仮定して筒内空燃比を推定し、この推定筒内空燃比に基づいて燃焼モード切換タイミングを判定して燃焼モードを切り換えるようにしている。以下、前記実施形態（１）と異なる部分について説明する。
【００４５】
本実施形態（２）では、成層燃焼モード用の筒内空燃比推定手段５７と均質燃焼モード用の筒内空燃比推定手段５８を備えている。成層燃焼モード用の筒内空燃比推定手段５７は、燃焼モードを均質燃焼モードから成層燃焼モードに切り換える場合に、成層燃焼モードでの推定筒内空燃比を次式により算出する。
【００４６】
成層燃焼モードでの推定筒内空燃比＝推定筒内空気量／目標燃料量
この推定筒内空燃比の算出方法は、前記実施形態（１）の筒内空燃比推定手段５６と全く同じである。
【００４７】
一方、均質燃焼モード用の筒内空燃比推定手段５８は、燃焼モードを成層燃焼モードから均質燃焼モードに切り換える場合に、均質燃焼モードでの推定筒内空燃比を目標空燃比設定手段５５で設定された目標空燃比と同一の値に設定する。
【００４８】
均質燃焼モードでの推定筒内空燃比＝目標空燃比
つまり、空気優先方式で制御する均質燃焼モードでは、燃料優先方式で制御する成層燃焼モードと比較して、目標空燃比と筒内空燃比とのずれが小さいため、均質燃焼モードでの推定筒内空燃比は、目標空燃比と等しいと仮定しても良い。
【００４９】
本実施形態（２）の筒内噴射式エンジン１１のトルクディマンド制御は、ＥＣＵ１６によって図８に示すような手順で実行される。まず、ステップ２０１，２０２で、前記実施形態（１）のステップ１０１，１０２と同じ方法で、要求図示トルクを演算して、この要求図示トルク等から要求燃焼モードを選択する。次のステップ２０３で、燃焼モード切換要求が無いと判定されれば、現在の燃焼モードをそのまま継続するが（ステップ２１０〜２１２）、燃焼モード切換要求が有ると判定されれば、ステップ２０３からステップ２０４に進み、前記実施形態（１）のステップ１０４と同じ方法で燃焼モード切換用の目標空燃比を設定した後、ステップ２０５に進み、現在の燃焼モードが均質燃焼モードであるか否かを判定する。
【００５０】
現在の燃焼モードが均質燃焼モードである場合は、ステップ２０６に進み、切換先の燃焼モードとなる成層燃焼モードでの推定筒内空燃比を、前記実施形態（１）のステップ１０５と同じ方法で算出する。
成層燃焼モードでの推定筒内空燃比＝推定筒内空気量／目標燃料量
【００５１】
一方、現在の燃焼モードが成層燃焼モードである場合は、ステップ２０７に進み、切換先の燃焼モードとなる均質燃焼モードでの推定筒内空燃比を、ステップ２０４で設定された目標空燃比と同一の値に設定する。
均質燃焼モードでの推定筒内空燃比＝目標空燃比
【００５２】
以上のようにしたステップ２０６又は２０７で、切換先の燃焼モードでの推定筒内空燃比を算出した後、ステップ２０８に進み、推定筒内空燃比が燃焼切換可能な所定範囲内（Ａ／Ｆlow ＜推定筒内空燃比＜Ａ／Ｆhigh）であるか否かを判定し、推定筒内空燃比が燃焼切換可能な所定範囲内でなければ、燃焼モード切換タイミングに達していないと判断して、ステップ２０５に戻り、再度、切換先の燃焼モードでの推定筒内空燃比を算出して、推定筒内空燃比が燃焼切換可能な所定範囲内に達したか否かを判定する処理を繰り返す。
【００５３】
その後、切換先の燃焼モードでの推定筒内空燃比が燃焼切換可能な所定範囲内に達した時に、燃焼モード切換タイミングに達したと判断して、ステップ２０９に進み、要求燃焼モードが均質燃焼モードであるか否かを判定し、要求燃焼モードが均質燃焼モードであれば、ステップ２１１に進み、燃焼モードを均質燃焼モードに切り換え、要求燃焼モードが成層燃焼モードであれば、ステップ２１２に進み、燃焼モードを成層燃焼モードに切り換える。
【００５４】
以上説明した本実施形態（２）の筒内噴射式エンジン１１の燃焼モード切換判定方法によれば、燃焼モードを切り換える際に、切換え先の燃焼モードと仮定して筒内空燃比を推定し、この推定筒内空燃比に基づいて燃焼モード切換タイミングを判定して燃焼モードを切り換えるようにしたので、常に、切換え先の燃焼モードの燃焼安定性を考慮して、より安定した燃焼モードの切換を行うことができる。
【００５５】
尚、各実施形態（１），（２）では、推定筒内空燃比が燃焼切換可能な所定範囲内（Ａ／Ｆlow ＜推定筒内空燃比＜Ａ／Ｆhigh）に達した時に、燃焼モードを切り換えるようにしたが、推定筒内空燃比が燃焼切換可能な範囲内の中央値に達した時に燃焼モードを切り換えるようにしても良い。つまり、燃焼切換可能な範囲内の中央値付近は、燃焼状態が最も安定して切換可能であるため、推定筒内空燃比が燃焼切換可能な範囲内の中央値に達した時に燃焼モードを切り換えれば、燃焼状態が最も安定している時に燃焼モードを切り換えることができる。
【００５６】
また、燃焼モードの切換判定に用いる所定範囲（Ａ／Ｆlow 〜Ａ／Ｆhigh）又は所定値（中央値）を、切換先の燃焼モードに応じて変更するようにしても良い。このようにすれば、切換先の燃焼モードに最も適したタイミングで燃焼モードを切り換えることができる。
【００５７】
その他、本発明は、筒内空燃比の推定方法を適宜変更しても良い等、種々変更して実施できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態（１）を示す筒内噴射式エンジン制御システム全体の概略構成図
【図２】実施形態（１）の筒内噴射式エンジンのトルクディマンド制御の概要を説明するブロック図
【図３】要求図示トルク演算手段の機能を説明するブロック図
【図４】筒内空燃比推定手段の機能を説明するブロック図
【図５】（ａ）は均質燃焼モード制御手段の機能を説明するブロック図、（ｂ）は成層燃焼モード制御手段の機能を説明するブロック図
【図６】実施形態（１）の筒内噴射式エンジンのトルクディマンド制御の概要を説明するフローチャート
【図７】実施形態（２）の筒内噴射式エンジンのトルクディマンド制御の概要を説明するブロック図
【図８】実施形態（２）の筒内噴射式エンジンのトルクディマンド制御の概要を説明するフローチャート
【符号の説明】
１１…筒内噴射式エンジン（筒内噴射式内燃機関）、１２…吸気管、１３…エアフローメータ、１５…スロットルバルブ、１６…ＥＣＵ（燃焼モード切換手段）、１８…吸気圧センサ、２１…燃料噴射弁、２５…点火プラグ、３３…クランク軸、３４…外部負荷、３６…排気管、４０…ＥＧＲバルブ、４１…アクセルセンサ、５１…要求図示トルク演算手段、５２…燃焼モード切換手段、５３…均質燃焼モード制御手段、５４…成層燃焼モード制御手段、５５…目標空燃比設定手段、５６…筒内空燃比推定手段、５７…成層燃焼モード用の筒内空燃比推定手段、５８…均質燃焼モード用の筒内空燃比推定手段。

Claims (4)

1. 圧縮行程で筒内に燃料を噴射して成層燃焼させる成層燃焼モードで運転する成層燃焼モード制御手段と、
   吸気行程で筒内に燃料を噴射して均質燃焼させる均質燃焼モードで運転する均質燃焼モード制御手段と、
   前記成層燃焼モード制御手段による成層燃焼モードと前記均質燃焼モード制御手段による均質燃焼モードとを燃焼モード切換要求に応じて切り換える燃焼モード切換手段とを備えた筒内噴射式内燃機関の制御装置において、
   前記成層燃焼モード制御手段は、要求負荷に応じて目標燃料量を設定して燃料優先方式で成層燃焼モードの運転を制御し、
   前記均質燃焼モード制御手段は、要求負荷に応じて目標空気量を設定して空気優先方式で均質燃焼モードの運転を制御し、
   前記燃焼モード切換手段は、燃焼モード切換要求があった時に、成層燃焼、均質燃焼のいずれの燃焼モードにおいても、常に成層燃焼モードと仮定して筒内空燃比を推定する筒内空燃比推定手段と、この推定筒内空燃比に基づいて燃焼モード切換タイミングを判定して燃焼モードを切り換える手段とを備え、
   前記筒内空燃比推定手段は、スロットル通過空気量と機関回転速度等から筒内空気量を推定し、この推定筒内空気量を要求負荷に応じて設定された目標燃料量で割り算して推定筒内空燃比を算出することを特徴とする筒内噴射式内燃機関の制御装置。
2. 圧縮行程で筒内に燃料を噴射して成層燃焼させる成層燃焼モードで運転する成層燃焼モード制御手段と、
   吸気行程で筒内に燃料を噴射して均質燃焼させる均質燃焼モードで運転する均質燃焼モード制御手段と、
   前記成層燃焼モード制御手段による成層燃焼モードと前記均質燃焼モード制御手段による均質燃焼モードとを燃焼モード切換要求に応じて切り換える燃焼モード切換手段とを備えた筒内噴射式内燃機関の制御装置において、
   前記成層燃焼モード制御手段は、要求負荷に応じて目標燃料量を設定して燃料優先方式で成層燃焼モードの運転を制御し、
   前記均質燃焼モード制御手段は、要求負荷に応じて目標空気量を設定して空気優先方式で均質燃焼モードの運転を制御し、
   前記燃焼モード切換手段は、燃焼モード切換要求があった時に、切換え先の燃焼モードと仮定して筒内空燃比を推定する筒内空燃比推定手段と、この推定筒内空燃比に基づいて燃焼モード切換タイミングを判定して燃焼モードを切り換える手段とを備え、
   前記筒内空燃比推定手段は、切換え先の燃焼モードが成層燃焼モードの場合は、スロットル通過空気量と機関回転速度等から筒内空気量を推定して、この推定筒内空気量を要求負荷に応じて設定された目標燃料量で割り算して成層燃焼モードでの推定筒内空燃比を算出し、一方、切換え先の燃焼モードが均質燃焼モードの場合は、要求負荷に応じて設定された目標空燃比を均質燃焼モードでの推定筒内空燃比とすることを特徴とする筒内噴射式内燃機関の制御装置。
3. 前記燃焼モード切換手段は、前記推定筒内空燃比が所定範囲内に達した時に燃焼モードを切り換えることを特徴とする請求項１又は２に記載の筒内噴射式内燃機関の制御装置。
4. 前記燃焼モード切換手段は、前記推定筒内空燃比が燃焼切換可能な範囲内の中央値に達した時に燃焼モードを切り換えることを特徴とする請求項１又は２に記載の筒内噴射式内燃機関の制御装置。

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