(57)【要約】【課題】より広い運転範囲において、燃費や排気エミッションに優れた成層燃焼運転を行う。【解決手段】燃焼室の上面の略中心位置に、燃料噴射弁が設けられ、これに隣接して点火プラグが配置される。ピストンの冠面の中心位置に、略円筒状のキャビティが形成される。成層燃焼モードとして、燃料噴射中または燃料噴射終了直後のピストンに衝突する以前の燃料に点火する第１の成層運転モード（モード１）と、燃料噴射終了後ピストンを経由した燃料に点火する第２の成層運転モード（モード２）と、の２つの成層燃焼モードを有している。第１の成層運転モードの下でスモーク排出量もしくはＣＯ排出量が、切換レベルを超えたら、第２の成層運転モード（モード２）へ切り換え、第２の成層運転モードの下で燃焼安定度が切換レベルを超えたら、第１の成層運転モード（モード１）へ切り換える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室上部に点火プラグと燃料噴射弁とを有し、かつピストン冠面の略中心付近に略円筒状のキャビティを有する筒内直接噴射式内燃機関において、
燃料噴射中または燃料噴射終了直後のピストンに衝突する以前の燃料に点火する第１の成層運転モードと、燃料噴射終了後、ピストンを経由した燃料に点火する第２の成層運転モードと、を有し、
これらの２つの成層運転モードを、内燃機関の燃焼状態に応じて切り換えることを特徴とする筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項２】
内燃機関の燃焼安定度を検出する手段を有し、この燃焼安定度検出手段からの信号に基づいて、２つの成層運転モードの切換を行うことを特徴とする請求項１に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項３】
一方の成層運転モードでの運転中に、上記燃焼安定度検出手段の信号に基づいて、燃焼安定度が所定レベルよりも悪化したと判定される場合に、他方の成層運転モードへ切り換えることを特徴とする請求項２に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項４】
内燃機関のスモーク排出量を検出する手段を有し、このスモーク排出量検出手段の信号に基づいて、２つの成層運転モードの切換を行うことを特徴とする請求項１に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項５】
一方の成層運転モードでの運転中に、上記スモーク排出量検出手段の信号に基づいて、スモーク排出量が所定値以上の場合に、他方の成層運転モードへ切り換えることを特徴とする請求項４に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項６】
内燃機関のＣＯ排出量を検出する手段を有し、このＣＯ排出量検出手段の信号に基づいて、２つの成層運転モードの切換を行うことを特徴とする請求項１に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項７】
一方の成層運転モードでの運転中に、上記ＣＯ排出量検出手段の信号に基づいて、ＣＯ排出量が所定値以上の場合に、他方の成層運転モードへ切り換えることを特徴とする請求項６に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項８】
内燃機関のスモーク排出量を検出する手段もしくは内燃機関のＣＯ排出量を検出する手段と、内燃機関の燃焼安定度を検出する手段と、を有し、
上記第１の成層運転モードから上記第２の成層運転モードへの切換は、上記第１の成層運転モードにおけるスモーク排出量もしくはＣＯ排出量に基づいて行い、
上記第２の成層運転モードから上記第１の成層運転モードへの切換は、上記第２の成層運転モードにおける燃焼安定度に基づいて行うことを特徴とする請求項１に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、筒内に燃料を噴射することにより成層燃焼を実現するようにした筒内直接噴射式内燃機関の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特許文献１には、筒内直接噴射式内燃機関の一例が開示されている。この特許文献１の内燃機関は、ピストン冠面にキャビティつまりピストンボウルを凹設するとともに、燃料噴射弁をピストンボウルの真上近傍に配置し、燃料噴霧をピストンボウル周壁面に衝突させ、ピストンボウル中心部へ向かう噴霧循環流を形成することにより、筒内に適切な成層混合気を形成するようにしており、これによって燃料消費の低減を図っている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−８２０２８公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような構成においては、ピストンを経由（換言すればピストンと衝突）して形成される成層混合気の大きさは、おおむねピストンキャビティの形状すなわちキャビティ容積によって定まる。
【０００５】
この場合、ある１つの成層運転条件において、安定燃焼を行い、かつ良好な燃費や排気エミッションを実現させようとすると、機関回転速度および負荷の異なる他の成層運転条件においては、良好な燃焼が成立せず、いわゆる跳ね返りが生じる懸念がある。
【０００６】
例えば、機関回転速度が高い場合は、機関回転速度が低い場合と比べて、混合気形成時間に対するクランク角度の進行（ピストン上昇）が相対的に早くなり、仮に同一の燃料噴射時期、燃料噴射期間（これは機関負荷に比例する）では、点火プラグ近傍に可燃混合気が到達しないうちに、所定の点火時期を迎えることになる。機関回転速度が高くなるほど噴射時期を進角側に設定することで上記問題を回避することが考えられるが、早期の噴射では、ピストンキャビティにより燃料噴霧を受け止めることが難しくなる。特に、全負荷領域において吸気行程噴射により均一混合気による燃焼を行うことを考慮すると、ある程度以上の噴霧角（傘角）で噴射される燃料噴霧を用いる必要があり、従って、成層燃焼時に過早な噴射時期に設定することはできない。
【０００７】
また、噴霧を受け止め易いようにキャビティを大開口にした場合には、圧縮比の観点からキャビティの深さが制約されることとなり、十分な深さがないために逆に燃料噴霧を受け止めることが難しくなる。
【０００８】
つまり、上記従来のように、成層燃焼時に常にピストンキャビティを経由した燃料に点火するようにした構成では、機関回転速度の高低に対して、安定かつ良好な燃費，排気の運転を行うことが難しい。
【０００９】
一方、機関負荷の高低について検討すると、常に同一の混合気形成プロセスでは、低い負荷での成層運転においては、点火プラグ近傍の成層混合気がリーンとなり易く、燃焼安定性が悪くなり燃費が悪化する傾向となる。また、高い負荷での成層運転においては、点火プラグ近傍の成層混合気が過濃となり、スモークやＨＣが増加する懸念がある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記のような問題を解決するために、成層運転条件の中において、さらに２種類の燃焼方式に切り換えるようにしたものである。
【００１１】
すなわち本発明の筒内直接噴射式内燃機関は、燃焼室上部に点火プラグと燃料噴射弁とを有し、かつピストン冠面の略中心付近に略円筒状のキャビティを有している。そして、成層燃焼を行う運転モードとして、燃料噴射中または燃料噴射終了直後のピストンに衝突する以前の燃料に点火する第１の成層運転モードと、燃料噴射終了後、ピストンを経由した燃料に点火する第２の成層運転モードと、を有している。
【００１２】
ここで、第２の成層運転モードとして燃料噴射終了後にピストンを経由して形成される混合気は、キャビティを経由することにより、十分な気化と混合がなされたのち、キャビティ上空に比較的均一な混合気分布を形成する。これにより、過濃な混合気からのスモークやＣＯの排出の懸念がなく、混合気分布のサイクル変動の影響を受けづらいという利点がある。
【００１３】
しかしながら、機関回転速度の上昇に伴って、均一な混合気形成を十分に行うには、時間が不足となることが懸念される。また、機関回転速度の上昇とともに、筒内流動が強くなることで、混合気が過拡散となり、点火プラグ近傍が過薄となる恐れがある。
【００１４】
さらに、機関負荷が低い場合、キャビティ上空に形成される比較的均一な混合気が可燃空燃比を超えて薄くなり、失火する恐れがある。
【００１５】
一方、第１の成層運転モードとして燃料噴射中または燃料噴射終了直後のピストンに衝突する以前の飛翔中の燃料噴霧は、噴射後直ちに噴霧軸の周囲から、周辺空気と混合および気化により混合気を形成する。このピストンを経由しない混合気は、機関回転速度に拘わらず燃料噴射弁直下に速やかにコンパクトな混合気として形成されるため、機関回転速度に拘わらず安定した成層燃焼を行うことができる。
【００１６】
また、機関負荷が低い場合でも、確実にスパークギャップ付近に燃料（混合気）を配することが可能なため、安定した燃焼が実現できる。
【００１７】
しかしながら、噴射中または噴射終了直後の燃料は、大きな分布を持ち、燃料噴射量の多い高負荷領域では、スパークギャップ周辺の混合気濃度が可燃空燃比を超えて濃くなり、燃焼安定性を悪化させるほか、過濃な混合気からＣＯまたはスモークが排出される恐れがある。
【００１８】
請求項１の発明は、これらの２つの成層運転モードを、内燃機関の燃焼状態に応じて切り換えることを特徴としている。すなわち、機関回転速度や負荷に応じて２つの成層運転モードを切り換えるとしても、多気筒内燃機関では燃料噴射弁の個体差による気筒バラツキがあり、また、燃料噴射弁や点火プラグ等の経時劣化もあるので、これらに対応するために、運転中の燃焼状態に応じて２つの成層運転モードの中で、適切な燃焼モードを選択する必要がある。内燃機関の燃焼状態を示すパラメータとしては、例えば、内燃機関の燃焼安定度、スモーク排出量、ＣＯ排出量などが挙げられる。
【００１９】
【発明の効果】
この発明によれば、燃料噴射中または燃料噴射終了直後のピストンに衝突する以前の燃料に点火する第１の成層運転モードと、燃料噴射終了後、ピストンを経由した燃料に点火する第２の成層運転モードと、を実際の内燃機関の燃焼状態に応じて切り換えることにより、機関の回転速度や負荷に拘わらず、かつ経時劣化等に影響されずに、常に安定した成層燃焼を行うことが可能となり、広い運転領域において、燃費および排気エミッションを良好なものとすることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る筒内直接噴射式内燃機関の一実施例の機械的構成を示している。図示するように、シリンダヘッド１と、シリンダブロック２のシリンダ３と、ピストン４と、によって燃焼室５が形成されている。この燃焼室５は、吸気弁６を介して吸気ポート７と連通し、排気弁８を介して排気ポート９と連通している。吸気弁６は、図示しない吸気弁用カムシャフトによって開閉駆動され、排気弁８は、同じく図示しない排気弁用カムシャフトによって開閉駆動される。
【００２１】
上記燃焼室５の上面つまりシリンダヘッド１側の天井面の略中心位置に、ピストン４ヘ向かって燃料を噴射する燃料噴射弁１１が設けられている。この燃料噴射弁１１の噴霧中心線は、シリンダ中心線とほぼ一致している。そして、この燃料噴射弁１１に隣接して点火プラグ１２が配置されており、そのスパークギャップ１２ａが燃焼室５中央付近に位置している。上記の燃料噴射弁１１および点火プラグ１２は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１０からの信号に基づいて制御され、機関運転条件に応じた時期に、燃料噴射および点火が行われる。
【００２２】
また、上記燃料噴射弁１１と対向するように、ピストン４の冠面の中心位置に、略円筒状のキャビティ１３が形成されている。このキャビティ１３は、例えばリエントラント型をなし、成層燃焼時には、主としてキャビティ１３内およびその上空に、成層混合気が形成される。
【００２３】
上記点火プラグ１２には、図２に拡大して示すように、中心電極と略平行に光ファイバ１４が埋設されており、この光ファイバ１４の先端が、燃焼室５に向かって、視野角θで開口している。図１に示すように、上記光ファイバ１４の基端は、光強度検出器１５に接続され、燃焼室５からの発光を光強度検出器１５に照射するように構成されている。この光強度検出器１５の検出信号は、上記エンジンコントロールユニット１０に入力されている。
【００２４】
上記光強度検出器１５は、燃焼火炎のうち、特にスモークやＣＯを排出するような濃混合気が存在する場合に見られる波長５００ｎｍから６００ｎｍ間の輝炎と呼ばれる発光のみを検出するように、その帯域に対応したフィルタを前面または内部に有しており、この光強度検出器１５からの信号光強度に基づいて、ＣＯまたはスモークの排出量が算出される。従って、これらの光ファイバ１４や光強度検出器１５等によって、スモーク排出量検出手段もしくはＣＯ排出量検出手段が構成される。
【００２５】
上記のフィルタとしては、スモークやＣＯを排出するような濃混合気が存在する場合に見られる波長５１６．５ｎｍのＣ２ラジカルからの発光のみを検出するよう設定されていてもよい。
【００２６】
スモーク排出量（あるいはＣＯ排出量）と輝炎（Ｃ２ラジカル）の発光強度との間には、図３に示すような関係がある。
【００２７】
また、燃焼安定度検出手段として、クランク角センサ１６が用いられており、このクランク角センサ１６から得られる角速度の変動に基づいて、エンジンコントロールユニット１０において、燃焼安定度が算出されるようになっている。
【００２８】
このように構成された本発明の内燃機関では、燃焼形態として、主に圧縮行程中（特に、圧縮行程後半）に燃料噴射を行うことでリーン運転を実現し、燃費を向上させる成層燃焼モードと、吸気行程中（特に吸気行程前半）に燃料噴射を行い理論空燃比運転を実現する均質燃焼モードと、が設けられており、運転状態に応じて選択されるようになっている。
【００２９】
さらに、上記の成層燃焼モードの中に、燃料噴射中または燃料噴射終了直後のピストン４に衝突する以前の燃料に点火する第１の成層運転モード（モード１）と、燃料噴射終了後ピストン４を経由した燃料に点火する第２の成層運転モード（モード２）と、の２つの成層燃焼モードを有しており、燃焼安定度、スモーク排出量もしくはＣＯ排出量に基づいて、最適な燃焼モードが選択され、それぞれに対応する燃料噴射時期および点火時期が設定される。つまり、両者を切り換えるように、機関の制御が行われる。
【００３０】
まず始めに、本発明における上記２つの成層運転モードにおける混合気形成過程の概略を説明する。
【００３１】
図４は、第１の成層運転モード、つまり、燃料噴射中または燃料噴射終了直後のピストン４に衝突する以前の燃料に点火する成層運転モードでの混合気形成過程を示す。この第１の成層運転モードでは、燃料噴射時期は圧縮上死点近くに設定される。スパークギャップ１２ａは、燃料噴射弁１１先端付近に設置されており、燃料噴射開始直後または燃料噴射終了直後に点火を行う。噴射された燃料のうち、ピストン４に衝突する以前の飛翔中の燃料に点火を行うためである。ここで、図２の（ａ），（ｂ），（ｃ）の順に示すように、噴射された燃料噴霧は噴霧軸の先端および周辺から、周囲空気との混合により、混合気を形成する。圧縮上死点に近い、比較的遅い噴射時期に設定することにより、燃料噴射時の筒内温度は高く、噴射後の燃料は速やかに気化、混合がなされる。そして、この第１の成層運転モードにおいては、燃料噴射中または直後の、急速に行われる気化、混合の過程において、可燃混合気が形成される噴霧軸周辺の燃料に点火を行う。これにより、安定した燃焼が実現される。
【００３２】
次に、第２の成層運転モード、つまり燃料噴射終了後ピストン４を経由した燃料に点火する成層運転モードの混合気形成について図５を用いて説明する。図５では、（ａ）→（ｂ）→（ｃ）→（ｄ）の順に混合気形成過程が進行する。また、（ｄ１）は、最後の過程（ｄ）について、負荷が高い場合の様子を示し、（ｄ２）は、負荷が低い場合の様子を示している。
【００３３】
この第２の成層運転モードでは、燃料噴射時期は、燃料噴霧がピストンキャビティ１３に受け止められるように設定され、噴射された燃料噴霧はキャビティ１３底面に衝突する。その後噴霧は、図（ｂ）のように噴霧の貫徹力によってピストンキャビティ１３底面に沿って進行し、燃焼室上空へと向かう。その後、燃焼室５上空をうずのように旋回しつつ、周囲の空気を巻き込みながら、点火プラグ１２近傍のキャビティ１３上空に比較的均質な成層混合気が生成される。
【００３４】
機関負荷が高い場合は、図（ｄ１）のようにキャビティ１３上空に比較的濃い均質混合気が形成され、機関負荷が低くなるほど、図（ｄ２）のようにキャビティ１３上空に形成される混合気濃度が薄くなる。
【００３５】
そして、このようにして形成された比較的に均質な混合気に点火を行うことで、サイクル変動の影響を受けにくくなり、かつ混合気の濃淡による排気エミッションの悪化を抑制しつつ安定した成層燃焼が実現される。
【００３６】
次に、図６および図７に基づいて、機関負荷および機関回転速度に対する２つの成層運転モードでの燃焼安定度、ＣＯ排出量およびスモーク排出量の関係について説明する。なお、図中のＭ１は、第１の成層運転モードでの特性を、Ｍ２は、第２の成層運転モードでの特性を、それぞれ示す。
【００３７】
第１の成層運転モード（図中ではモード１と略記する）においては、燃料噴射弁１１直下にコンパクトな混合気として形成されるため、機関負荷が低い場合でも、確実にスパークギャップ１２ａ付近に燃料（混合気）を配することが可能であり、安定した燃焼が実現できる。一方、機関負荷が高い場合、スパークギャップ１２ａ周辺の混合気濃度が可燃空燃比を超えて濃くなり、燃焼安定性が悪化する。また、負荷が高くなると、過濃な混合気からは、ＣＯやスモークが排出されるようになる。
【００３８】
一方、第２の成層運転モード（図中ではモード２と略記する）の場合、ピストン４を経由して形成される成層混合気が、十分に気化、混合がなされた後に形成される比較的に均質なものであるため、高負荷領域では排気エミッションの悪化なく、良好な燃焼が実現できる。一方、機関負荷が低くなると、均質な混合気が可燃空燃比を超えて薄くなるため、混合気濃度が過薄となり、燃焼安定度が悪化する。
【００３９】
機関回転速度に対しては、第１の成層運転モードでは、比較的高い機関回転速度においても、速やかにコンパクトな混合気形成が可能なため、安定した成層燃焼を行うことができる。
【００４０】
しかしながら、この第１の成層運転モードでは、噴射中または噴射終了直後の燃料は、大きな濃度分布を持つため、筒内流動が弱い機関低速域において、燃料の拡散混合が十分に進まない場合、過濃混合気が存在し、スモーク、ＣＯ等の排気エミッションの悪化が起こる。
【００４１】
また、機関負荷に対応した燃料噴射量を噴射するための燃料噴射期間が機関速度に対して相対的に長くなった場合、初期に噴射した燃料の拡散によりＨＣが多く排出され、熱発生量がサイクル間で大きく変動することにより、燃焼安定度が悪化する。
【００４２】
一方、第２の成層運転モードでは、機関回転速度の上昇に伴い、均一な混合気形成を十分に行うには、時間が不足となり易く、また、筒内流動が強くなることで、混合気が過拡散となり、点火プラグ近傍が過薄となって燃焼安定度が悪化する。
【００４３】
本発明においては、図６および図７に示すように、燃焼安定度と、ＣＯ排出量もしくはスモーク排出量と、に基づいて、運転モードの切換を行う。具体的には、第１の成層運転モード（モード１）から第２の成層運転モード（モード２）への切換は、第１の成層運転モードの下でのスモーク排出量もしくはＣＯ排出量のいずれかが、所定の切換レベルを超えたとき（図中のａ）に行われ、第２の成層運転モード（モード２）から第１の成層運転モード（モード１）への切換は、第２の成層運転モードの下での燃焼安定度が所定の切換レベルを超えたとき（図中のｂ）に行われる。
【００４４】
図８は、機関回転速度および機関負荷に対応した基本的な燃焼モードの切換マップを示す。基本的に、機関回転速度が低く、かつ機関負荷が高い領域では、第２の成層運転モード（モード２）による運転を行い、機関回転速度が高く、かつ機関負荷の低い領域では、第１の成層運転モード（モード１）による運転を行う。なお、所定の機関負荷以上の高負荷域ならびに所定の機関回転速度以上の高速域では、吸気行程噴射による均質燃焼を行う。
【００４５】
第１の成層運転モードと第２の成層運転モードとの切換は、機関負荷が高いほど、運転モードを切り換える機関回転速度が高くなるように設定されている。
【００４６】
燃焼安定度等のパラメータが検出し得ないとき、例えば、機関の始動時には、この図８に示すマップに基づいて、第１，第２の成層運転モードが選択される。そして、燃焼安定度やスモーク、ＣＯの排出量の検出が開始されると、これに基づいて、気筒毎、サイクル毎に最適な燃焼方式が選択される。
【００４７】
また、成層燃焼領域の中での第１，第２の成層運転モードの切換については、切換マップを持たずに、上述した燃焼安定度等のパラメータのみに基づいて、両者を切換を行うようにすることもできる。図９は、このような場合の切換マップを示し、図示するように、成層燃焼と均質燃焼とが運転条件から決定され、成層燃焼領域の中では、上述したように燃焼安定度等のパラメータに基づいて、第１，第２の成層運転モードの切換が行われる。これは、図６，図７に例示するように、各パラメータに基づく第１の成層運転モード（モード１）と第２の成層運転モード（モード２）との切換領域（不感帯）が広く、かつ、この切換領域における燃焼性能が両者において差異がない場合に適しており、燃焼状態の判定に基づいた切換制御を行うことで、常に良好な成層燃焼運転が行える。
【００４８】
次に、図１０，図１１は、ＣＯ排出量検出手段の他の実施例を示している。これは、各気筒の排気管２１を横切るように一対の窓を対向して形成し、ＣＯ分子の振動モード周波数を含む赤外光が排気流を横切るように、一方の窓から第１の光ファイバ２２を介して上記の赤外光を投光し、かつ他方の窓から第２の光ファイバ２３を介して透過光を受光し、この透過光を、各気筒毎に光検出器に導くように構成したものである。なお、各光ファイバ２２，２３は、それぞれコネクタ２４，２５によって排気管２１の窓に取り付けられている。
【００４９】
このような構成において、ＣＯ排出量と赤外光の透過率は、図１２に示すような関係を有しており、これによってＣＯ排出量が検出される。本実施例の方式では、一対の光源および光検出器によって、サイクル毎の時間分解能を有する計測が可能である。
【００５０】
以下に、本発明をより具体化した各請求項に特有の作用効果について、まとめて記載する。
【００５１】
請求項２の発明は、内燃機関の燃焼状態を示すパラメータとして、内燃機関の燃焼安定度を検出する手段を有し、この燃焼安定度検出手段からの信号に基づいて、２つの成層運転モードの切換を行うようにした。より具体的な請求項３の発明では、一方の成層運転モードでの運転中に、上記燃焼安定度検出手段の信号に基づいて、燃焼安定度が所定レベルよりも悪化したと判定される場合に、他方の成層運転モードへ切り換えるようにした。そのため、機関の運転条件によらず、常に燃焼悪化による運転性悪化を引き起こすことなく、成層燃焼による燃費の向上を得ることができる。
【００５２】
また、成層燃焼時の混合気は、その燃料噴射量や、燃料噴射時期と点火時期との時間間隔、ガス流動との相互作用の大小、によっては、大きな濃淡分布を持ち、燃焼安定度が悪化しない場合でも、濃混合気によってスモークが生成、排出される場合がある。
【００５３】
そこで、請求項４の発明は、内燃機関の燃焼状態を示すパラメータとして、内燃機関のスモーク排出量を検出する手段を有し、このスモーク排出量検出手段の信号に基づいて、２つの成層運転モードの切換を行うようにした。より具体化な請求項５の発明では、一方の成層運転モードでの運転中に、上記スモーク排出量検出手段の信号に基づいて、スモーク排出量が所定値以上の場合に、他方の成層運転モードへ切り換えるようにした。そのため、スモークの排出を伴うことなく、運転条件によらず安定した成層燃焼により燃費の向上を図ることができる。
【００５４】
また、成層燃焼時の大きな濃淡分布の混合気からは、濃混合気によって、スモークが排出されない場合でも、ＣＯ排出により燃焼効率が悪化するおそれがある。
【００５５】
そこで、請求項６の発明は、内燃機関の燃焼状態を示すパラメータとして、内燃機関のＣＯ排出量を検出する手段を有し、このＣＯ排出量検出手段の信号に基づいて、２つの成層運転モードの切換を行うようにした。より具体化な請求項７の発明では、一方の成層運転モードでの運転中に、上記ＣＯ排出量検出手段の信号に基づいて、ＣＯ排出量が所定値以上の場合に、他方の成層運転モードへ切り換えるようにした。そのため、ＣＯの排出量増加による燃焼効率の悪化を引き起こさずに、成層燃焼により燃費の向上を図ることができる。
【００５６】
また、第２の成層運転モードとして、燃料噴射終了後にピストンを経由して形成される混合気は、キャビティを経由することにより、十分な気化と混合がなされた後、キャビティ上空に比較的均一な混合気分布を形成する。これにより、過濃な混合気からのスモークやＣＯの排出の懸念がなく、混合気分布のサイクル変動の影響を受けづらいという利点がある。
【００５７】
しかしながら、機関回転速度の上昇とともに、均一な混合気形成を十分に行うには、時間が不足となることが懸念される。また、機関回転速度の上昇とともに、筒内流動が強くなることで、混合気が過拡散となり、点火プラグ近傍が過薄となる恐れがある。
【００５８】
さらに、特に、機関負荷が低い場合、キャビティ上空に形成される比較的均一な混合気が可燃空燃比を超えて薄くなり、失火する恐れがある。
【００５９】
一方、第１の成層運転モードとして、燃料噴射中または燃料噴射終了直後のピストンに衝突する以前の飛翔中の燃料噴霧は、噴射後直ちに、噴霧軸の周囲から周辺空気と混合するとともに気化して混合気を形成する。このピストンを経由しない混合気は、機関回転速度によらず燃料噴射弁直下に速やかにコンパクトな混合気として形成されるため、機関回転速度によらず安定した成層燃焼を行うことができる。
【００６０】
また、機関負荷が低い場合でも、確実にスパークギャップ付近に燃料（混合気）を配することが可能なため、安定した燃焼が実現できる。
【００６１】
しかしながら、この第１の成層運転モードでは、噴射中または噴射終了直後の燃料は、大きな濃淡分布を持ち、燃焼噴射量の多い高負荷運転域では、スパークギャップ周辺の混合気濃度が可燃空燃比を超えて濃くなり、燃焼安定性を悪化させるほか、過濃な混合気からＣＯまたはスモークが排出される恐れがある。
【００６２】
そこで、請求項８記載の発明は、内燃機関の燃焼状態を示すパラメータとして、内燃機関のスモーク排出量を検出する手段もしくは内燃機関のＣＯ排出量を検出する手段と、内燃機関の燃焼安定度を検出する手段と、を有し、上記第１の成層運転モードから上記第２の成層運転モードへの切換は、上記第１の成層運転モードにおけるスモーク排出量もしくはＣＯ排出量に基づいて行い、上記第２の成層運転モードから上記第１の成層運転モードへの切換は、上記第２の成層運転モードにおける燃焼安定度に基づいて行うようにした。
【００６３】
つまり、燃焼安定性の悪化により成層燃焼が実現できない恐れのある第２の成層運転モードでは、燃焼安定性の検出により燃焼モードの可否を判定し、燃焼安定性よりもむしろスモークやＣＯの排出の恐れがある第１の成層運転モードでは、スモーク排出量またはＣＯ排出量により燃焼モードの可否を判定することで、燃焼安定性を損なうことなく、また、スモークやＣＯの排出を抑制した成層燃焼が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る筒内直接噴射式内燃機関の一実施例を示す断面図。
【図２】光ファイバを備えた点火プラグの拡大図。
【図３】スモーク排出量（あるいはＣＯ排出量）と輝炎の発光強度との関係を示す特性図。
【図４】第１の成層運転モードの混合気形成過程を示す説明図。
【図５】第２の成層運転モードの混合気形成過程を示す説明図。
【図６】機関負荷に対する燃焼安定度等の変化ならびにモード切換を示す特性図。
【図７】機関回転速度に対する燃焼安定度等の変化ならびにモード切換を示す特性図。
【図８】運転条件に対する燃焼モードのマップを示す特性図。
【図９】運転条件に対する燃焼モードのマップの異なる例を示す特性図。
【図１０】ＣＯ排出量検出手段として排気管に光ファイバを設けた実施例を示す説明図。
【図１１】同じく排気管の断面説明図。
【図１２】この実施例におけるＣＯ排出量と赤外光透過率との関係を示す特性図。
【符号の説明】
４…ピストン
５…燃焼室
１０…エンジンコントロールユニット
１１…燃料噴射弁
１２…点火プラグ
１３…キャビティ
１４…光ファイバ
１５…光強度検出器
１６…クランク角センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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