JP2015098800A - Control device for compression ignition type engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧縮着火式エンジンの制御装置に関する。 The present invention relates to a control device for a compression ignition engine.
従来より、燃費性能の向上および排気性能の向上を目的として、エンジン本体に形成された燃焼室内で空燃比が理論空燃比よりもリーンに設定された混合気を圧縮自己着火燃焼させることが行われている。 Conventionally, for the purpose of improving fuel efficiency and exhaust performance, an air-fuel mixture in which the air-fuel ratio is set leaner than the stoichiometric air-fuel ratio in a combustion chamber formed in the engine body has been subjected to compression self-ignition combustion. ing.
例えば特許文献1には、リーンな混合気を圧縮自着火燃焼させるエンジンシステムであって、低回転・低負荷の所定の運転領域でのみ圧縮自着火燃焼を実施し、それ以外の運転領域では火花点火燃焼を実施する装置が開示されている。
For example,
特開2009−091994号公報 JP 2009-091994 A
ここで、空燃比リーンの混合気の圧縮自着火燃焼を燃焼温度が高くなる運転条件において実施すると、燃焼により生成されるNOx量が増大し、排気性能がかえって悪化するという問題がある。これに対して前記特許文献1に開示されている装置では、燃焼温度が比較的低い低負荷・低回転領域でのみ圧縮自着火燃焼が実施されているため、NOx量の増大を回避することができる。しかしながら、この装置では、一部の領域でしか圧縮自己着火燃焼が実施されないことから、燃費性能を十分に高めることができないという問題がある。
Here, when the compression auto-ignition combustion of the air-fuel ratio lean air-fuel mixture is performed under the operating condition where the combustion temperature becomes high, there is a problem that the amount of NOx generated by the combustion increases and the exhaust performance deteriorates. On the other hand, in the apparatus disclosed in
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、排気性能を高く維持しつつより広い範囲での圧縮自着火燃焼を実現することのできる圧縮着火式エンジンの制御装置を提供する。 The present invention has been made in view of such a point, and provides a control device for a compression ignition engine capable of realizing compression auto-ignition combustion in a wider range while maintaining high exhaust performance.
前記課題を解決するために、本発明は、内側に少なくとも燃料と空気とを含む混合気が燃焼する燃焼室が形成された気筒と、当該気筒内に吸気を導入する吸気ポートと、前記気筒内から排気を排出する排気ポートと、前記吸気ポートを開閉可能な吸気弁と、前記排気ポートを開閉可能な排気弁とを有するエンジン本体と、前記排気ポートに接続される排気通路に設けられて三元触媒を含む触媒装置と、前記混合気の燃焼形態および前記燃焼室内の混合気の空燃比を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、少なくともエンジン負荷が所定負荷よりも低い低負荷領域では前記燃焼形態を圧縮自着火燃焼にし、前記圧縮自着火燃焼が実施される圧縮自着火領域において、エンジン負荷が特定負荷未満の低負荷側圧縮自着火領域では、前記燃焼室で生成された既燃ガスの一部を当該燃焼室に残留させる内部EGRを実施するとともに当該燃焼室内の混合気の空燃比を理論空燃比よりもリーンにする一方、エンジン負荷が前記特定負荷以上の高負荷側圧縮自着火領域では、前記混合気の空燃比を理論空燃比とし、前記特定負荷は、エンジン回転数が高いほど低い値に設定されていることを特徴とする圧縮着火式エンジンの制御装置を提供する。 In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a cylinder in which a combustion chamber in which an air-fuel mixture containing at least fuel and air is burned is formed, an intake port for introducing intake air into the cylinder, Provided in an exhaust passage connected to the exhaust port, an engine body having an exhaust port for exhausting exhaust gas from the engine, an intake valve capable of opening and closing the intake port, and an exhaust valve capable of opening and closing the exhaust port. A catalyst device including an original catalyst, and a control means for controlling the combustion mode of the air-fuel mixture and the air-fuel ratio of the air-fuel mixture in the combustion chamber, wherein the control means is a low load region where at least the engine load is lower than a predetermined load Then, in the compression auto-ignition region in which the combustion mode is compression auto-ignition combustion and the compression auto-ignition combustion is performed, the combustion is performed in the low-load side compression auto-ignition region where the engine load is less than a specific load. The internal EGR is performed so that a part of the burned gas generated in the step remains in the combustion chamber and the air-fuel ratio of the air-fuel mixture in the combustion chamber is made leaner than the stoichiometric air-fuel ratio, while the engine load is higher than the specific load. In the high load side compression auto-ignition region, the air-fuel ratio of the air-fuel mixture is the stoichiometric air-fuel ratio, and the specific load is set to a lower value as the engine speed is higher. A control device is provided.
この発明によれば、燃焼温度が高い運転領域においても最終的に外部に排出されるNOx量を少なく抑えつつ圧縮自着火燃焼を実現することができ、排気性能を高く維持しつつより広い範囲での圧縮自着火燃焼を実現することができる。 According to the present invention, even in an operation region where the combustion temperature is high, compression auto-ignition combustion can be realized while suppressing the amount of NOx finally discharged to the outside, and in a wider range while maintaining high exhaust performance. Compressed self-ignition combustion can be realized.
具体的には、エンジン負荷および燃焼温度が比較的低く燃焼により生成されるNOx量の少ない低負荷側圧縮自着火領域では、空燃比を理論空燃比よりもリーンとしつつ圧縮自己着火燃焼を実施しているので、この領域において燃費性能を高くすることができる。そして、エンジン負荷および燃焼温度が比較的高い高負荷側圧縮自着火領域では、燃焼により生成されるNOx量が比較的多くなるが、本発明では、この高負荷側圧縮自着火領域において空燃比を三元触媒によるNOxの浄化が可能な理論空燃比としつつ圧縮自己着火燃焼を実施しているので、燃焼により生成されたNOxを三元触媒により浄化して最終的に外部に出されるNOx量を少なく抑えて排気性能を高く維持しつつ圧縮自着火燃焼の実施に伴う燃費性能向上効果を得ることができる。 Specifically, in the low-load side compression auto-ignition region where the engine load and combustion temperature are relatively low and the amount of NOx produced by combustion is low, compression auto-ignition combustion is performed while the air-fuel ratio is leaner than the stoichiometric air-fuel ratio. Therefore, fuel efficiency can be improved in this region. In the high load side compression auto-ignition region where the engine load and the combustion temperature are relatively high, the amount of NOx generated by combustion is relatively large. In the present invention, the air-fuel ratio is reduced in this high load side compression auto-ignition region. Compressed self-ignition combustion is carried out with a stoichiometric air-fuel ratio capable of purifying NOx by a three-way catalyst. Therefore, the amount of NOx that is finally emitted to the outside is purified by the three-way catalyst. It is possible to obtain the fuel efficiency improvement effect associated with the execution of the compression auto-ignition combustion while keeping the exhaust performance high while suppressing the amount low.
特に、混合気の温度および燃焼温度そして燃焼により生成されるNOx量は、エンジン回転数が高くなるほど、また、エンジン負荷が高くなるほど高くなる。これに対して、前記低負荷側圧縮自着火燃焼と高負荷側圧縮自着火燃焼との境界となる負荷すなわち空燃比をリーンと理論空燃比とで切替える基準となる特定負荷が、エンジン回転数が高いほど低い値に設定されているため、NOx量が多くなる高回転・高負荷領域において確実に空燃比を理論空燃比として外部に排出されるNOxをより確実に小さく抑えることができる。 In particular, the temperature of the air-fuel mixture, the combustion temperature, and the amount of NOx generated by the combustion increase as the engine speed increases and the engine load increases. On the other hand, the load that becomes the boundary between the low load side compression autoignition combustion and the high load side compression autoignition combustion, that is, the specific load that serves as a reference for switching the air-fuel ratio between lean and stoichiometric air-fuel ratio, Since the higher the value, the lower the value, the higher the rotation speed and the higher load region where the amount of NOx increases, the more reliably the NOx discharged to the outside with the air-fuel ratio as the stoichiometric air-fuel ratio can be reliably reduced.
しかも、低負荷側圧縮自着火領域において、内部EGRが実施されて高温の既燃ガスが燃焼室内に残留するよう構成されている。そのため、エンジン負荷が低く混合気の着火性が悪化しやすい低負荷側圧縮自着火領域において、混合気の空燃比を理論空燃比よりもリーンとして低温の新気を多量に導入しつつ混合気の温度を適正に高めることができ、安定した圧縮自着火燃焼を実現することができる。 In addition, the internal EGR is performed in the low load side compression self-ignition region so that high-temperature burned gas remains in the combustion chamber. Therefore, in the low-load side compression auto-ignition region where the engine load is low and the ignitability of the mixture tends to deteriorate, the air-fuel ratio of the mixture is leaner than the stoichiometric air-fuel ratio, and a large amount of low-temperature fresh air is introduced. Temperature can be raised appropriately and stable compression auto-ignition combustion can be realized.
ここで、エンジン回転数が十分に低い低回転領域では混合気および燃焼温度が低いため、空燃比リーンの圧縮自着火燃焼を実施してもNOx生成量は少なく抑えられる。従って、本発明において、前記制御手段は、前記圧縮自着火領域のうちエンジン回転数が特定回転数未満の低回転側圧縮自着火領域では、その全域において、前記燃焼室で生成された既燃ガスの一部を当該燃焼室に残留させる内部EGRを実施するとともに当該燃焼室内の混合気の空燃比を理論空燃比よりもリーンな値にするのが好ましい(請求項2)。 Here, since the air-fuel mixture and the combustion temperature are low in a low engine speed range where the engine speed is sufficiently low, the amount of NOx generated can be suppressed to a low level even when the air-fuel ratio lean compression auto-ignition combustion is performed. Therefore, in the present invention, the control means includes the burned gas generated in the combustion chamber in the entire region of the compression auto-ignition region in the low-rotation side compression auto-ignition region where the engine speed is less than the specific engine speed. It is preferable to carry out internal EGR that causes a part of the air to remain in the combustion chamber and to make the air-fuel ratio of the air-fuel mixture in the combustion chamber leaner than the stoichiometric air-fuel ratio (claim 2).
このようにすれば、外部に排出されるNOx量を少なく抑えつつ燃費性能をより高めることができる。 In this way, it is possible to further improve fuel efficiency while suppressing the amount of NOx discharged to the outside.
また、本発明において、前記燃焼室で生成された既燃ガスの一部を吸気に還流する外部EGR手段を有し、前記制御手段は、前記高負荷側圧縮自着火領域において、前記外部EGR手段により前記既燃ガスの一部を燃焼室内に導入するのが好ましい(請求項3)。 In the present invention, there is provided an external EGR means for recirculating a part of the burned gas generated in the combustion chamber to the intake air, and the control means is configured to provide the external EGR means in the high load side compression auto-ignition region. It is preferable to introduce a part of the burned gas into the combustion chamber.
このようにすれば、高負荷側圧縮自着火領域において、燃焼温度を低く抑えて燃焼時のNOxの生成量を少なく抑えることができるとともに、異常燃焼を抑制してより確実に安定した圧縮自着火燃焼を実現することができる。このことは、排気性能および燃費性能をより確実に高める。また、EGRの実施により、EGRガスに含まれる未燃ガスを再度燃焼させることで、燃料を効率よく消費することができ、高負荷側圧縮自着火領域においても、燃費性能を高めることができる。 In this way, in the high load side compression auto-ignition region, the combustion temperature can be kept low to reduce the amount of NOx generated during combustion, and the combustion can be suppressed more reliably and more reliably and stably. Combustion can be realized. This more reliably increases the exhaust performance and the fuel consumption performance. Further, by performing EGR, the unburned gas contained in the EGR gas is burned again, so that the fuel can be efficiently consumed, and the fuel efficiency can be improved even in the high load side compression auto-ignition region.
また、前記制御手段は、前記高負荷側圧縮自着火領域において、前記外部EGR手段により既燃ガスの一部を燃焼室へ導入しつつ前記内部EGRを実施して既燃ガスの一部を当該燃焼室に残留させるとともに、この高負荷側圧縮自着火領域における内部EGRによる残留既燃ガスの混合気全体に対する割合を、前記低負荷側圧縮自着火領域におけるこの内部EGRによる残留既燃ガスの混合気全体に対する割合よりも小さくするのが好ましい(請求項4)。 Further, the control means implements the internal EGR while introducing a part of the burned gas into the combustion chamber by the external EGR means in the high load side compression auto-ignition region, and a part of the burned gas is concerned. While remaining in the combustion chamber, the ratio of the residual burned gas by the internal EGR in the high load side compression autoignition region to the total air-fuel mixture is determined as the mixture of the residual burned gas by the internal EGR in the low load side compression autoignition region. It is preferable to make it smaller than the ratio with respect to the whole (Claim 4).
このようにすれば、高負荷側圧縮自着火領域において、内部EGRと外部EGRとの組み合わせにより混合気の温度を適正な温度にすることができる。 If it does in this way, in the high load side compression auto-ignition area | region, the temperature of air-fuel | gaseous mixture can be made into appropriate temperature by the combination of internal EGR and external EGR.
また、前記制御手段は、前記排気弁を少なくとも排気行程と吸気行程中とに開弁させて前記排気ポート側に排出された既燃ガスを気筒内に逆流させることで気筒内に既燃ガスを残留させるのが好ましい(請求項5)。 Further, the control means opens the exhaust valve at least during the exhaust stroke and the intake stroke, and causes the burned gas discharged to the exhaust port side to flow back into the cylinder, thereby causing the burned gas into the cylinder. It is preferable to leave it (claim 5).
このようにすれば、既燃ガスを排気ポート側に排出せず気筒内に残留させる場合に比べて、冷却損失を小さく抑えてより確実に燃費性能を高めることができる。 In this way, compared with the case where the burned gas is not exhausted to the exhaust port side and remains in the cylinder, the cooling loss can be suppressed to be small and the fuel efficiency can be improved more reliably.
具体的には、既燃ガスを気筒内に残留させる方法として排気行程途中で排気弁を閉弁する方法を用いた場合には、排気弁閉弁後、既燃ガスが圧縮高温化されてこの高温化された既燃ガスが気筒の壁面で冷却されるため比較的大きい冷却損失が生じるが、排気弁を排気行程と吸気行程中とに開弁させて排気ポート側に排出された既燃ガスを気筒内に逆流させる方法では、既燃ガスの高温圧縮化が行われないため、前記冷却損失を小さく抑えることができる。 Specifically, when a method of closing the exhaust valve during the exhaust stroke is used as a method for causing the burned gas to remain in the cylinder, the burned gas is compressed and heated after the exhaust valve is closed. Although a relatively large cooling loss occurs because the heated burned gas is cooled by the cylinder wall, the burned gas discharged to the exhaust port side by opening the exhaust valve during the exhaust stroke and the intake stroke In the method of causing the gas to flow back into the cylinder, the combustion loss is not compressed at high temperature, so that the cooling loss can be kept small.
以上説明したように、本発明によれば、排気性能を高く維持しつつより広い範囲での圧縮自着火燃焼を実現することができる。 As described above, according to the present invention, compression auto-ignition combustion can be realized in a wider range while maintaining high exhaust performance.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明に係る圧縮着火式エンジンの制御装置が適用されたエンジンシステム100の概略構成図である。エンジンシステム100は、車両に搭載されて、エンジン本体1を有する。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an
エンジン本体1は、少なくともガソリンを含有する燃料が供給されるガソリンエンジンであり、4サイクルエンジン、すなわち、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程が順に実施されるエンジンである。エンジン本体1は、圧縮自着火燃焼が実施される圧縮着火式エンジンである。エンジン本体1は、気筒18が設けられたシリンダブロック11と、シリンダブロック11上に配設されたシリンダヘッド12とを有する。エンジン本体1は、例えば、4つの気筒18を有する。
The
各気筒18内には、コンロッド142を介してクランクシャフト15と連結されたピストン14が往復動可能に嵌挿されている。各気筒18内には、気筒18の内側面とピストン14の頂面とによって囲まれた燃焼室19が形成されている。
A
ピストン14および燃焼室19の具体的構成は特に限定されないが、例えば、図3に示すような構成を有する。図3に示す例では、ピストン14の頂面の中央には、シリンダヘッド12から離間する方向に凹むとともにその深さが中央から径方向外側に向かに従って深くなった後浅くなる、いわゆるリエントラント型のキャビティ141が形成されている。
Although the specific structure of the
本実施形態では、熱効率の向上や圧縮自着火燃焼の安定化等を目的として、エンジン本体1の幾何学的圧縮比は、15以上の比較的高い値に設定されている。エンジン本体1の幾何学的圧縮比は、これに限定されるものではないが、15以上20以下程度の範囲が好ましい。
In the present embodiment, the geometric compression ratio of the
シリンダヘッド12には、気筒18毎に、気筒18内に吸気を導入するための吸気ポート16および気筒18内から排気を排出するための排気ポート17がそれぞれ形成されている。吸気ポート16および排気ポート17には、これら各ポート、詳細には、シリンダヘッド12に形成されたこれら各ポート16,17の開口をそれぞれ開閉する吸気弁21および排気弁22がそれぞれ配設されている。
In the
排気弁22は、排気弁駆動機構70aによって駆動される。排気弁駆動機構70aは、排気バルブリフト可変機構(以下、排気VVL(Variable Valve Lift)という)71と、排気位相可変機構(以下、排気VVT(Variable Valve Timing)という)75とを含む。
The
排気VVL71は、排気弁22の作動モードを図4(a)の実線で示す通常モードと、図4(b)の実線で示す特殊モードとに切り替える。すなわち、排気弁22のリフト特性を、図4(a)の実線で示す第1特性と、図4(b)の実線で示す第2特性とに切り替える。通常モードでは、排気弁22のバルブリフトは、開弁後徐々に増大していき、最大リフトに到達すると再び徐々に減少してゼロに至る。特殊モードでは、排気弁22のバルブリフトは、通常モードと同様に、第1の開弁期間t_1中は、開弁後徐々に増大し最大リフトに到達した後再び徐々に減少していくが、そのままゼロに至ることなく、そのリフト量すなわち第1の開弁期間t_1での最大リフトよりも低いリフトを所定期間維持した後ゼロに至る。このように、特殊モードでは、排気弁22の開弁期間すなわち排気弁22が開弁してから最終的に(本実施形態では吸気行程中に)閉弁するまでの間の期間t_3は、所定の最大リフトとなる第1の開弁期間t_1と、この第1の開弁期間t_1に継続して最大リフトが第1の開弁期間t_1における最大リフトよりも小さくなるよう構成された第2の開弁期間t_2とからなる。特殊モードでは、通常モードにおける閉弁時期の直前から通常モードにおける閉弁時期よりも遅角側の所定タイミングまで開弁しており、排気弁の開弁期間は通常モードよりも特殊モードの方が長くなっている。排気VVL71は、これらのモードを実現するために、カム形状が互いに異なる第1カムと第2カムとを有する。第1カムは、図4(a)の実線で示すリフト特性に対応した形状を有し、カム山を1つ有する。第2カムは、図4(b)の破線で示すリフト特性に対応した形状を有し、カム山を2つ有する。排気VVL71は、第1カムと第2カムの作動状態を選択的に排気弁22に伝達するロストモーション機構を含んでおり、第1カムの作動状態を排気弁22に伝達することで排気弁22の作動状態を通常モードとし、第2カムの作動状態を排気弁22に伝達することで排気弁22の作動状態を特殊モードとする。排気VVL71は、例えば油圧作動式である。なお、第2カムの作動状態を排気弁22に伝達させた場合には、排気弁22のリフト特性は、図4(a)の破線で示す形状となる。
The
排気VVT75は、クランクシャフト15に対する排気カムシャフトの回転位相を変更して排気弁22の開弁時期と閉弁時期とを変更する。なお、排気弁VVT75は、通常モードおよび特殊モードの各モードで、それぞれ排気弁22の開弁期間を一定に維持したまま、排気弁22の開弁時期と閉弁時期とを変更する。排気VVT75は、液圧式、電磁式又は機械式の公知の構造を適宜採用すればよく、その詳細な構造についての説明は省略する。
The
排気VVT75は、排気弁22の作動状態が特殊モードとされている場合、排気弁22が排気行程に加えて吸気行程でも開弁するように、排気カムシャフトの回転位相を設定する。また、排気VVT75は、排気弁22の作動状態が特殊モードとされている場合、第2の開弁期間t_2中に吸気上死点がくるように、すなわち吸気上死点における排気弁22のバルブリフトが第2の開弁期間t_2中に実現される比較的小さい値となるように、排気カムシャフトの回転位相を設定する。このように、本実施形態では、排気弁22の作動状態が特殊モードとされることで、排気弁22が排気行程に加えて吸気行程中にも開弁する排気二度開きが実施される。特に、本実施形態では、排気弁22は、途中で閉弁することなく吸気上死点を挟んで排気行程と吸気行程において連続して開弁する。ここで、このように排気弁22を、吸気上死点を挟んで連続して開弁させた場合には、排気弁22とピストン14とが干渉するおそれがある。これに対して、本実施形態では、前述のように、吸気上死点付近での排気弁22のバルブリフト量が小さい値に抑えられるため、排気弁22とピストン14との干渉を回避することができる。排気二度開きすなわち特殊モードは、高温の既燃ガスすなわち内部EGRガスを燃焼室19内に残留させていわゆる内部EGRを行うために実施される。具体的には、排気二度開きが実施されて吸気行程中にも排気弁22が開弁していると、排気行程で一旦排気ポート17に排出された排気が吸気行程中に燃焼室19内に逆流して排気すなわち高温の既燃ガスが燃焼室19内に残留する。
The
ここで、高温の既燃ガスを燃焼室19内に残留させる方法すなわち内部EGRの方法としては、排気弁22を排気行程の途中で閉弁して既燃ガスを燃焼室19内に閉じ込める方法があるが、この方法に比べて排気二度開きによる内部EGRは冷却損失を小さく抑えることができる。そのため、本実施形態では、システム全体の熱効率すなわち燃費性能を高めるべく、排気二度開きにより内部EGRを行う。
Here, as a method of causing the high-temperature burned gas to remain in the
具体的には、吸気上死点を挟んでネガティブオーバーラップ期間が設けられた場合、排気弁22の閉弁後吸気上死点までの間に既燃ガスは圧縮され高温化する。高温化されることで、既燃ガスの温度と気筒の壁面との間には温度差が生じる。温度差が生じると、既燃ガスは、気筒の壁面、詳細には、気筒の壁面を冷却しているエンジン冷却水により冷却される。この冷却により、既燃ガスの熱エネルギーは減少し、既燃ガスの温度は低下する。
Specifically, when a negative overlap period is provided across the intake top dead center, the burnt gas is compressed and heated to a temperature after the
これに対して、排気二度開きでは、吸気上死点を挟んで排気弁22が開弁しており、既燃ガスは圧縮高温化されない。そのため、排気二度開きでは、気筒の壁面すなわちエンジン冷却水による冷却に伴う既燃ガスの温度低下を小さく抑えることができ、冷却損失を小さく抑えることができる。
In contrast, when the exhaust is opened twice, the
吸気弁22は、吸気弁駆動機構70bによって駆動される。吸気弁駆動機構70bは、排気弁駆動機構70aと同様に、吸気弁21の作動モードを2モードで切り替える吸気VVL74と、クランクシャフト15に対する吸気カムシャフトの回転位相を変更して吸気弁21の開弁時期と閉弁時期とを変更する吸気VVT72とを含む。
The
吸気VVL74は、吸気弁21のバルブリフトを相対的に大きくする大リフトカムと、吸気弁21のバルブリフトを相対的に小さくする小リフトカムと、これらカムのいずれか一方のカムの作動状態を選択的に吸気弁21に伝達するロストモーション機構とを含む。吸気VVL74は、大リフトカムの作動状態を吸気弁21に伝達することで、吸気弁21の作動モードを、バルブリフトおよび開弁期間が相対的に大きいモードにする。吸気VVL74は、小リフトカムの作動状態を吸気弁21に伝達することで、吸気弁21の作動モードを、バルブリフトおよび開弁期間が相対的に小さいモードにする。大リフトカムと小リフトカムとは、閉弁時期又は開弁時期を同じにして切り替わるように設定されている。
The
吸気VVT72は、排気VVT75と同様に、液圧式、電磁式又は機械式の公知の構造を適宜採用すればよく、その詳細な構造についての図示は省略する。
As with the
各吸気ポート16には、吸気通路30が接続されている。具体的には、吸気通路30の下流端には気筒18に対応して分岐する分岐通路が形成されており、これら分岐通路と各吸気ポート16とが接続されている。
An
吸気通路30には、その上流側から順に、エアクリーナ31、水冷式のインタークーラ/ウォーマ34、スロットル弁36、サージタンク33が配設されている。
In the
吸気通路30には、インタークーラ/ウォーマ34をバイパスするインタークーラバイパス通路35が接続されている。インタークーラバイパス通路35には、気筒18内に流入する新気の温度を調整するためにインタークーラバイパス通路35を通過する空気流量を調整するインタークーラバイパス弁351が配設されている。なお、インタークーラ/ウォーマ34及びそれに付随する部材は、省略してもよい。
An
各排気ポート17には排気通路40が接続されている。具体的には、吸気通路30と同様に、排気通路40の上流端には気筒18に対応して分岐する分岐通路が形成されており、これら分岐通路と各吸気ポート18とが接続されている。
An
排気通路40には、排ガス中の有害成分を浄化する排気浄化装置が配設されている。本実施形態では、上流側から順に直キャタリスト41とアンダーフットキャタリスト42とが設けられている。直キャタリスト41及びアンダーフットキャタリスト42には、それぞれ、混合気が理論空燃比となる条件でCO,HC、NOxを浄化可能な三元触媒が含まれている。
The
吸気通路30と排気通路40との間には、排気の一部を吸気に還流するため、すなわち、外部EGRを行うためのEGR装置50が設けられている。EGR装置50は、EGR通路51と、EGRクーラ52と、EGRクーラバイパス通路53とを含む。EGR通路51は、吸気通路30のうちのサージタンク33とスロットル弁36との間の部分と、排気通路40のうちの直キャタリスト41よりも上流側の部分とを接続している。EGRクーラ52は、EGR通路51を通過するガスを冷却するためのものであり、EGR通路51に介設されている。EGRクーラバイパス通路53は、EGRクーラ52をバイパスする通路であり、EGR通路51のうちEGRクーラ52の上下流部分を接続している。EGR通路51およびEGRクーラバイパス通路53には、それぞれ、各通路51、53を通過する排気の流量を調整するEGR弁511、EGRクーラバイパス弁531が配設されている。以下、このEGR装置50を用いて排気の一部を吸気に還流することを、外部EGRを行うといい、このEGR装置50により吸気に還流された排気を外部EGRガスという場合がある。
An
シリンダヘッド12には、気筒18毎に、燃焼室19内に燃料を直接噴射するインジェクタ67が取り付けられている。インジェクタ67は、図3に示すように、その噴口が燃焼室19の天井面の中央部分から、その燃焼室19内に臨むように配設されており、キャビティ141と相対している。本実施形態では、インジェクタ67は、複数の噴口を有する多噴口型である。インジェクタ67から噴射された燃料噴霧は、燃焼室19の中心位置から放射状に広がる。
An
ここで、ピストン14が圧縮上死点付近に位置するタイミングでインジェクタ67から燃料が噴射された場合には、図3の矢印に示すように、燃料噴霧はキャビティ141の壁面に沿って流動する。そのため、本エンジンシステム100では、後述する高圧リタード噴射を行った際に、燃料噴霧をより早期に拡散させて早期に混合気を形成することができる。
Here, when the fuel is injected from the
インジェクタ67には、燃料供給システム62により燃料タンク(不図示)から燃料が供給される。燃料供給システム62は、燃料ポンプ63と蓄圧レール64とを含む。燃料ポンプ63は、燃料タンクから蓄圧レール64に燃料を圧送する。本実施形態では、燃料ポンプ63は、エンジン1によって駆動されるプランジャー式のポンプである。蓄圧レール64は圧送された燃料を比較的高い圧力で蓄える。インジェクタ67は、蓄圧レール64に蓄えられている高圧の燃料を燃焼室19内に噴射する。噴射圧の値は特に限定されるものではないが、例えば、30MPa以上120MPa以下に設定されている。
Fuel is supplied to the
シリンダヘッド12には、燃焼室19内の混合気に強制点火する点火プラグ25が取り付けられている。本実施形態では、点火プラグ25は、エンジン本体1の排気側から斜め下向きに延びるように、シリンダヘッド12を貫通して配置されている。図3に示すように、点火プラグ25の先端は、圧縮上死点に位置するピストン14のキャビティ141内に臨んでいる。
A
前記各装置は、パワートレイン・コントロール・モジュール(制御手段、以下、PCMという)10によって制御される。PCM10は、CPU、メモリ、カウンタタイマ群、インターフェース及びこれらのユニットを接続するパスを有するマイクロプロセッサで構成されている。
Each device is controlled by a power train control module (control means, hereinafter referred to as PCM) 10. The
PCM10には、図1,2に示すように、各種のセンサSW1〜SW16の検出信号が入力される。
As shown in FIGS. 1 and 2, detection signals from various sensors SW <b> 1 to SW <b> 16 are input to the
センサSW1は、新気の流量を検出するエアフローセンサSW1である。センサSW2は、新気の温度を検出する吸気温度センサSW2である。エアフローセンサSW1、吸気温度センサSW2は、吸気通路20のうちエアクリーナ31の下流側に配設されている。センサSW3は、インタークーラ/ウォーマ34を通過した後の新気の温度を検出する第2吸気温度センサSW3であり、インタークーラ/ウォーマ34の下流側に配置されている。センサSW4は、外部EGRガスの温度を検出するためのEGRガス温センサSW4であり、EGR通路50のうち吸気通路30との接続部分近傍に配置されている。センサSW5は、気筒18内に流入する直前の吸気の温度を検出する吸気ポート温度センサSW5であり、吸気ポート16に取り付けられている。センサSW6は、気筒18内の圧力を検出する筒内圧センサSW6であり、シリンダヘッド12に取り付けられている。センサSW7は、排気温度を検出する排気温センサSW7である。センサSW8は、排気圧を検出する排気圧センサSW8である。排気温センサSW7、排気圧センサSW8は、排気通路40のうちEGR通路50の接続部分近傍に配置されている。センサSW9は、排気中の酸素濃度を検出するリニアO2センサSW9であり、排気通路40のうち直キャタリスト41の上流側に配置されている。センサSW10は、排気中の酸素濃度を検出するラムダO2センサSW10であり、直キャタリスト41とアンダーフットキャタリスト42との間に配置されている。センサSW11は、エンジン冷却水の温度を検出する水温センサSW11である。センサSW12は、クランクシャフト15の回転角を検出するクランク角センサSW12である。センサSW13は、車両のアクセルペダル(図示略)の操作量に対応したアクセル開度を検出するアクセル開度センサSW13である。センサSW14、センサSW15は、それぞれ吸気側及び排気側のカム角センサSW14,SW15である。センサSW16は、インジェクタ67に供給される燃料の圧力を検出する燃圧センサSW16であり、コモンレール64に取り付けられている。
The sensor SW1 is an air flow sensor SW1 that detects the flow rate of fresh air. The sensor SW2 is an intake air temperature sensor SW2 that detects the temperature of fresh air. The air flow sensor SW <b> 1 and the intake air temperature sensor SW <b> 2 are disposed on the downstream side of the
PCM10は、各センサSW1〜16の検出信号に基づいて種々の演算を行う。PCM10は、これらの検出信号に基づいてエンジン本体1や車両の運転条件を判定する。PCM10は、運転条件に応じてインジェクタ67、点火プラグ25、燃料供給システム62、並びに、各種の弁(スロットル弁36、インタークーラバイパス弁351、EGR弁511、EGRクーラバイパス弁531)のアクチュエータへ制御信号を出力して、これらを制御する。PCM10は、運転条件に応じて、吸気VVT72、吸気VVL74、排気VVT75、排気VVL71へ制御信号を出力して、これらおよび吸気弁21、排気弁22を制御する。
The
図5は、横軸がエンジンの回転数、縦軸がエンジン負荷の制御マップを示している。前述のように、エンジン本体1では、点火プラグ25による点火を行わずに混合気を自着火させて燃焼させる圧縮自着火燃焼が実施される。ただし、エンジン負荷が高い運転領域において圧縮自着火燃焼を実施した場合には、混合気の温度が高いために燃焼が急峻になり燃焼騒音等の問題が生じる。そのため、本実施形態に係るエンジンシステム100では、エンジン負荷が所定の第1負荷T1未満の低負荷領域でのみ圧縮自着火燃焼を実施し、エンジン負荷が第1負荷T1以上の高負荷領域では点火プラグ25により混合気を強制点火する火花点火燃焼を実施する。すなわち、このエンジンシステム100では、低負荷領域がCI(Compression Ignition)燃焼領域に設定され、高負荷領域がSI(Spark Ignition)燃焼領域に設定されている。なお、これら燃焼領域の境界線は、図例に限定されるものではない。
FIG. 5 shows a control map of the engine speed on the horizontal axis and the engine load on the vertical axis. As described above, the
CI燃焼領域は、さらに、エンジン負荷の高低に応じて2つの領域に分けられている。以下に、各領域の詳細な制御内容について説明する。 The CI combustion region is further divided into two regions depending on the engine load. Below, the detailed control content of each area | region is demonstrated.
(1)第1領域(低負荷側圧縮自着火領域)
CI燃料領域のうちエンジン負荷が所定の第2負荷T2未満の領域に設定された第1領域A1では、混合気の空燃比が理論空燃比よりもリーンとなるように、すなわち、空気過剰率λ>1となり、燃料量に対するEGRガスも含めた混合気の全量の割合であるG/Fが35以上となるように、制御される。
(1) First region (low load side compression auto-ignition region)
In the first region A1 in which the engine load is set to a region below the predetermined second load T2 in the CI fuel region, the air-fuel ratio of the air-fuel mixture becomes leaner than the stoichiometric air-fuel ratio, that is, the excess air ratio λ The G / F, which is the ratio of the total amount of the air-fuel mixture including the EGR gas to the fuel amount, is controlled to be 35 or more.
第1領域A1では、外部EGRは実施されず内部EGRのみが実施される。すなわち、第1領域A1では、EGR弁511およびEGRクーラバイパス弁531は閉弁される一方、排気VVL71により排気弁22の作動状態が特殊モードとされて、排気二度開きが実施される。例えば、内部EGR率は20%以上に制御される。
In the first area A1, the external EGR is not performed and only the internal EGR is performed. That is, in the first region A1, the
第1領域A1では、図6、図7に示すように、エンジン負荷が低いほど内部EGR率が大きくなるように制御される。具体的には、エンジン負荷が低いほど排気弁22の閉弁時期が遅角されて、吸気行程で燃焼室19に逆流する既燃ガス量が多くされる。図6および図7は、互いにエンジン回転数の異なる運転条件における、エンジン負荷に対する気筒18内のガスの内訳の変化を示したものである。これら図6、図7の横軸は、エンジン負荷であり、縦軸は、気筒18内に流入可能なガス量を100%として、この流入可能なガス量に対する各ガス(新気、内部EGRガス、外部EGRガス)量の割合を示している。図6は、図5の回転数NE1での混合気の内訳を示しており、図7は、図5の回転数NE2であって回転数NE1よりも高回転での混合気の内訳を示している。これら図6、図7に示すように、第1領域A1では、所定の負荷Tmin以下では内部EGR率は最大値に維持され、この負荷Tminよりエンジン負荷が大きい領域では、エンジン負荷の低下に伴って内部EGR率は最大値になるまで徐々に増加される。
In the first region A1, as shown in FIGS. 6 and 7, control is performed such that the internal EGR rate increases as the engine load decreases. Specifically, as the engine load is lower, the closing timing of the
なお、図6、図7の破線mは、空気過剰率λ=1となる新気量を示した線であり、破線mよりも上の部分(破線mと100%ラインとで挟まれた部分)の新気量が各エンジン負荷で噴射される燃料に対して空気過剰率λ=1となる量である。図6、図7において、第1領域A1では、新気が破線mよりも下方まで位置しており、空気過剰率λが少なくとも1以上であることが示されている。 The broken line m in FIGS. 6 and 7 is a line indicating the fresh air amount at which the excess air ratio λ = 1, and is a portion above the broken line m (a portion sandwiched between the broken line m and the 100% line). ) Is the amount of excess air ratio λ = 1 with respect to the fuel injected at each engine load. 6 and 7, in the first region A1, it is shown that the fresh air is located below the broken line m and the excess air ratio λ is at least 1 or more.
また、第1領域A1では、吸気行程中にインジェクタ67により噴射が行われる吸気行程噴射が実施される。
Further, in the first region A1, intake stroke injection in which injection is performed by the
本実施形態では、図5に示すように、第2負荷T2は、エンジン回転数に対して異なる値に設定されている。具体的には、第2負荷T2は、エンジン回転数が予め設定された基準回転数NE1以下では第1負荷T1と同じ値に設定され、基準回転数NE1よりエンジン回転数が高くなると第1負荷T1からいエンジン回転数の増大に伴って低下するように設定されている。 In the present embodiment, as shown in FIG. 5, the second load T2 is set to a different value with respect to the engine speed. Specifically, the second load T2 is set to the same value as the first load T1 when the engine speed is equal to or less than a preset reference speed NE1, and the first load is increased when the engine speed is higher than the reference speed NE1. It is set to decrease as the engine speed increases from T1.
すなわち、CI領域のうち基準回転数NE1よりもエンジン回転数の低い低回転領域は、その全領域が第1領域A1に含まれており、基準回転数NE1よりもエンジン回転数の低い運転領域では、第1負荷(=第2負荷)を境として第1領域A1とSI燃焼領域とに分けられている。 That is, in the CI region, the low speed region where the engine rotational speed is lower than the reference rotational speed NE1 is entirely included in the first region A1, and in the operating region where the engine rotational speed is lower than the reference rotational speed NE1. The first region (= second load) is divided into a first region A1 and an SI combustion region.
第1領域A1で前記の制御を行うのは次の理由による。 The above-described control is performed in the first area A1 for the following reason.
エンジン負荷が第2負荷T2未満の比較的低い第1領域A1では、混合気の発熱量が小さく燃焼温度も比較的低いため、燃焼により生成されるNOxすなわちROW NOxが少なく抑えられる。そのため、第1領域A1では、三元触媒によりNOxを浄化させる必要がない。すなわち、空燃比を、三元触媒によるNOx浄化が可能な理論空燃比にする必要がない。 In the first region A1, where the engine load is less than the second load T2, the amount of heat generated by the air-fuel mixture is small and the combustion temperature is also relatively low, so that NOx generated by combustion, that is, ROW NOx, is suppressed to a low level. Therefore, in the first region A1, it is not necessary to purify NOx with a three-way catalyst. That is, the air-fuel ratio does not have to be a stoichiometric air-fuel ratio that allows NOx purification by the three-way catalyst.
そこで、第1領域A1では、燃費性能を高めるべく空燃比をリーンすなわち空気過剰率λ>1とし燃料割合G/Fを35以上とする。なお、空燃比をリーンにすることで燃費性能が高まるのは、温度の低い新気量が増えて混合気の温度および燃焼温度が低く抑えられる結果冷却損失および排気損失が低減するためと考えられる。 Therefore, in the first region A1, the air-fuel ratio is made lean, that is, the excess air ratio λ> 1 and the fuel ratio G / F is 35 or more in order to improve fuel efficiency. Note that fuel efficiency is improved by making the air-fuel ratio lean because the amount of fresh air at a low temperature increases and the temperature of the air-fuel mixture and the combustion temperature are kept low, resulting in a reduction in cooling loss and exhaust loss. .
また、前述のように、燃焼騒音等を回避するためには燃焼室19内の温度を低くする方が好ましいが、燃焼室19内の温度が低すぎると、今度は、混合気の温度が自着火可能な温度にまで上昇せず、失火等が発生して、安定した圧縮自着火燃焼を実現できないおそれがある。
Further, as described above, in order to avoid combustion noise and the like, it is preferable to lower the temperature in the
そこで、エンジン負荷が第1負荷T1未満の比較的低い負荷であって混合気の発熱量が小さく、この発熱量だけでは燃焼室19内および混合気の温度を十分に高められない第1領域A1では、失火等を回避するべく、内部EGRを実施して高温の既燃ガス(内部EGRガス)を燃焼室19内に残留させ、これにより燃焼室19内および混合気の温度を高めている。
Therefore, the engine load is a relatively low load less than the first load T1, and the heat generation amount of the air-fuel mixture is small. The first region A1 in which the temperature of the
燃焼室19内および混合気の温度はエンジン負荷が低く混合気の発熱量が小さくなるほど低くなる。
The temperature in the
そこで、第1領域A1では、エンジン負荷の低下に伴って内部EGR率を高くしていき、エンジン負荷に応じて内部EGRによって混合気の温度を適正に高め、これにより
第1領域A1全域において混合気の着火性を高める。
Therefore, in the first region A1, the internal EGR rate is increased as the engine load decreases, and the temperature of the air-fuel mixture is appropriately increased by the internal EGR according to the engine load, thereby mixing in the entire first region A1. Increase the ignitability of qi.
本願発明者らが検討したところ、EGR率を所定以上に高くすると、圧縮端温度を逆に低下させる場合があることを知見した。これは、次の理由によると考えられる。内部EGR率を高くして高温の内部EGRガスの割合を高めれば燃焼室19内の混合気の圧縮前温度は確実に高くなる。しかしながら、内部EGRガスすなわち既燃ガスは、三原子分子であるCO2やH2Oを多く含んでおり、窒素(N2)や酸素(O2)を含む空気(つまり、気筒内に導入される新気)と比較して比熱比が高い。そのため、EGR率を過剰に高くして気筒内に導入する既燃ガスの割合を増やしたときには、圧縮開始前の混合気の温度は高くなるものの、圧縮をしても混合気の温度はそれほど高まらず、結果として、圧縮端温度が低くなると考えられる。
As a result of studies by the inventors of the present application, it has been found that if the EGR rate is increased to a predetermined value or more, the compression end temperature may be decreased. This is considered to be due to the following reason. If the internal EGR rate is increased to increase the ratio of the high-temperature internal EGR gas, the pre-compression temperature of the air-fuel mixture in the
そこで、本実施形態では、前記のようにエンジン負荷の低下に伴って内部EGR率を高くしていくが、内部EGR率が、それ以上内部EGR率を高めても圧縮端温度が上昇しない所定の値に到達すると、内部EGR率をそれ以上高めることなく、この所定の値を維持する。すなわち、前記のように、所定の負荷Tmin以下において内部EGR率を最大値に維持し、これにより、圧縮端温度を確実に高める。 Therefore, in the present embodiment, the internal EGR rate is increased as the engine load decreases as described above. However, the compression end temperature does not increase even if the internal EGR rate is further increased. When the value is reached, this predetermined value is maintained without further increasing the internal EGR rate. That is, as described above, the internal EGR rate is maintained at the maximum value below the predetermined load Tmin, thereby reliably increasing the compression end temperature.
ここで、前記のように、NOxの生成を少なく抑えつつ空燃比リーンで圧縮自着火燃焼を実施できるのは、燃焼温度が低い領域である。そして、燃焼温度は、エンジン回転数が高くなるほど、また、エンジン負荷が高くなるほど、高くなる。そのため、この制御を実施する第1領域A1の上限負荷である第2負荷は、エンジン回転数が高くなるほど低く設定されている。また、エンジン回転数が十分に低い運転領域では、燃焼温度も低く抑えられる。特に、エンジン回転数が十分に低い運転領域では、燃焼騒音が許容値を超えるようなエンジン不可であってもNOxの生成量を少なく抑えることができる。そのため、エンジン回転数が基準回転数NE1以下の領域では、CI燃焼を実施する領域全域で空燃比をリーンとしてもNOxの生成量を少なく抑えることができる。そこで、本実施形態では、第2負荷のうちエンジン回転数が基準回転数NE1以下の値を、CI燃焼の上限負荷である第1負荷と同じ値とし、CI燃焼領域のうち基準回転数NE1よりもエンジン回転数が低い領域では、その全領域において空燃比リーンの圧縮自着火燃焼を実施する。 Here, as described above, the compression auto-ignition combustion can be performed with the air-fuel ratio lean while suppressing the generation of NOx in a region where the combustion temperature is low. The combustion temperature increases as the engine speed increases and as the engine load increases. Therefore, the second load, which is the upper limit load of the first region A1 in which this control is performed, is set to be lower as the engine speed increases. Further, in the operation region where the engine speed is sufficiently low, the combustion temperature can be kept low. In particular, in an operation region where the engine speed is sufficiently low, the amount of NOx produced can be reduced even if the engine is not capable of combustion noise exceeding an allowable value. Therefore, in the region where the engine speed is equal to or lower than the reference speed NE1, it is possible to reduce the amount of NOx generated even if the air-fuel ratio is lean over the entire region where the CI combustion is performed. Therefore, in the present embodiment, the value of the engine speed of the second load that is equal to or lower than the reference engine speed NE1 is set to the same value as the first load that is the upper limit load of the CI combustion, and from the reference engine speed NE1 in the CI combustion region. However, in the region where the engine speed is low, the compression auto-ignition combustion with the air-fuel ratio lean is performed in the entire region.
また、空気と燃料との混合が十分になされていれば混合気を適切にすなわち排気性能および熱効率の高い状態で自着火させることができる。そして、第1領域A1では、混合気の温度が比較的低いため、混合気が過早着火するおそれがない。 Further, if the air and the fuel are sufficiently mixed, the air-fuel mixture can be self-ignited appropriately, that is, with high exhaust performance and high thermal efficiency. In the first region A1, since the temperature of the air-fuel mixture is relatively low, there is no possibility that the air-fuel mixture will ignite prematurely.
そこで、第1領域A1では、燃料を吸気行程中に噴射して予め空気と混合させておくことで圧縮上死点近傍において混合気を適切に自着火させる。 Therefore, in the first region A1, the air-fuel mixture is appropriately self-ignited in the vicinity of the compression top dead center by injecting fuel during the intake stroke and mixing it with air in advance.
(2)第2領域(高負荷側圧縮自着火領域)
CI燃料領域のうちエンジン負荷が第2負荷T2以上の領域に設定された第2領域A2では、第1領域と異なり、混合気の空燃比が理論空燃比となるように、すなわち、空気過剰率λ=1となるように、制御される。図6、図7に示すように、空気過剰率λ=1は、スロットル弁36を絞って新気量を少なく抑えることにより実現されるのではなく、燃焼室19内に多量のEGRガスを導入することで実現される。すなわち、第2領域A2では、気筒18内に流入可能なガス量のうち空気過剰率λ=1となる新気以外は、すべてEGRガスとされる。
(2) Second region (high load side compression auto-ignition region)
In the second region A2, in which the engine load is set to a region equal to or greater than the second load T2 in the CI fuel region, unlike the first region, the air-fuel ratio of the air-fuel mixture becomes the stoichiometric air-fuel ratio, that is, the excess air ratio. Control is performed so that λ = 1. As shown in FIGS. 6 and 7, the excess air ratio λ = 1 is not realized by reducing the amount of fresh air by restricting the
第2領域A2では、内部EGRに加えて外部EGRが実施される。特に、EGRクーラを通過して冷却された既燃ガス(クールドEGRガス)が吸気に還流される。すなわち、第2領域A2では、排気VVL71により排気弁22の作動状態が特殊モードとされて、排気二度開きが実施されるとともに、EGRクーラバイパス弁531が閉弁される一方EGR弁511が開弁される。
In the second region A2, external EGR is performed in addition to internal EGR. In particular, the burnt gas (cooled EGR gas) cooled through the EGR cooler is returned to the intake air. That is, in the second region A2, the operating state of the
第2領域A2においても、図6、図7に示すように、エンジン負荷が低いほど内部EGR率は大きくなるように制御される。ただし、第2領域A2では、第1領域A1に比べて内部EGR率は小さくされる。より詳細には、内部EGR率は、第1領域A1と第2領域A2とのうち所定負荷Tmin以上の領域では、エンジン負荷の低下に従って内部EGR率は略一定の増加量で増大されていく。一方、外部EGR率は、エンジン負荷が低いほど、わずかではあるが少なくなるように制御される。 Also in the second region A2, as shown in FIGS. 6 and 7, the internal EGR rate is controlled to increase as the engine load decreases. However, in the second region A2, the internal EGR rate is made smaller than that in the first region A1. More specifically, the internal EGR rate is increased by a substantially constant increase amount as the engine load decreases in a region of the first region A1 and the second region A2 that is equal to or greater than the predetermined load Tmin. On the other hand, the external EGR rate is controlled so as to decrease slightly as the engine load decreases.
第2領域A2では、第1領域A1と同様に、吸気行程中にインジェクタ67により噴射が行われる吸気行程噴射が実施される。
In the second region A2, as in the first region A1, intake stroke injection in which injection is performed by the
第2領域A2で前記の制御を行うのは次の理由による。 The above-described control is performed in the second region A2 for the following reason.
エンジン負荷が第2負荷T2以上であってエンジン負荷およびエンジン回転数が高い側に設定された第2領域A2では、混合気の発熱量が大きく燃焼温度も比較的高い。そのため、燃焼により生成されるNOx(ROW NOx)を十分に抑えることができない。そこで、第2領域A2では、燃焼により生成されたNOxを三元触媒で浄化することで最終的に車両から外部に排出されるNOxを少なく抑えるべく、NOxの三元触媒での浄化が可能なように、混合気の空燃比を理論空燃比として空気過剰率λ=1とする。 In the second region A2 where the engine load is equal to or higher than the second load T2 and the engine load and the engine speed are higher, the heat generation amount of the air-fuel mixture is large and the combustion temperature is relatively high. Therefore, NOx (ROW NOx) generated by combustion cannot be sufficiently suppressed. Therefore, in the second region A2, NOx generated by combustion is purified by a three-way catalyst, so that NOx can be purified by a three-way catalyst so as to finally reduce NOx discharged from the vehicle to the outside. Thus, the excess air ratio λ = 1 is set with the air-fuel ratio of the mixture as the stoichiometric air-fuel ratio.
ここで、混合気の空燃比を理論空燃比とすると、空燃比がリーンの場合に比べて温度の低い新気量が少なくなり混合気の温度が高くなる結果冷却損失および排気損失が増加する。しかしながら、本発明者らは、圧縮自着火燃焼時における空燃比の違いに伴う燃費性能の差について詳細な検討を行った結果、空燃比を理論空燃比にする場合であっても、燃焼室内にEGRガスを多量に導入することで新気量を少なく抑えれば、空燃比リーンの場合に比べて冷却損失および排気損失は増加するものの、EGRガス中の未燃燃料分が燃焼室内で燃焼することにより燃料が効率よく消費されて未燃損失が減少し、結果的に空燃比リーンの場合に比べて、燃費の悪化を最小限に抑えることができることを突き止めた。 Here, if the air-fuel ratio of the air-fuel mixture is the stoichiometric air-fuel ratio, the amount of fresh air having a low temperature is reduced and the temperature of the air-fuel mixture is increased as compared with the case where the air-fuel ratio is lean, resulting in an increase in cooling loss and exhaust loss. However, as a result of detailed examination of the difference in fuel efficiency performance due to the difference in air-fuel ratio during compression auto-ignition combustion, the present inventors have found that even when the air-fuel ratio is the stoichiometric air-fuel ratio, If the amount of fresh air is reduced by introducing a large amount of EGR gas, the cooling loss and exhaust loss will increase as compared with the case of lean air-fuel ratio, but the unburned fuel in EGR gas will burn in the combustion chamber. As a result, it has been found that fuel is efficiently consumed and unburned loss is reduced, and as a result, deterioration of fuel consumption can be minimized as compared with the case of lean air-fuel ratio.
そこで、本実施形態では、第2領域A2において、EGRを実施しつつ混合気の空燃比を理論空燃比すなわち混合気の空気過剰率λをλ=1に制御する。特に、本実施形態では、気筒18内に流入可能なガス量のうち空気過剰率λ=1となる新気以外をすべてEGRガスとして、燃費性能を高くしている。
Therefore, in the present embodiment, in the second region A2, the air-fuel ratio of the air-fuel mixture is controlled to the stoichiometric air-fuel ratio, that is, the excess air ratio λ of the air-fuel mixture to λ = 1 while performing EGR. In particular, in the present embodiment, fuel consumption performance is enhanced by setting all of the amount of gas that can flow into the
ここで、前記のように、第2領域A2は第1領域A1よりも混合気の発熱量が大きく燃焼温度も比較的高い。そこで、第2領域A2では、内部EGR率を第1領域A1よりも小さくするとともにクールドEGRガスを気筒18内に導入して、混合気の温度を自着火可能、かつ、異常燃焼しない適正な温度に制御する。このように、クールドEGRガスを気筒18内に導入すれば、燃焼温度を低く抑えて燃焼時のNOxの生成量を少なく抑えることもできる。また、クールドEGRガスを気筒18内に導入すれば、高温の内部EGRガス量を少なく抑えて混合気の温度が過剰に高くなるのを抑制しつつ、前記のように、気筒18内に流入可能なガス量のうち空気過剰率λ=1となる新気以外をすべてEGRガスとすることができる。
Here, as described above, the second region A2 has a larger calorific value and a relatively higher combustion temperature than the first region A1. Therefore, in the second region A2, the internal EGR rate is made smaller than that in the first region A1, and the cooled EGR gas is introduced into the
第2領域A2においてエンジン負荷が低いほど内部EGR率が大きくなるように制御されるのは、第1領域A1の場合と同様の理由からである。すなわち、第2領域A2においても、エンジン負荷が低いほど混合気の発熱量が小さくなるのに合わせて内部EGR率を高めることで混合気の温度を適正に高めている。 The reason why the internal EGR rate is controlled to increase as the engine load is lower in the second region A2 is the same as in the first region A1. That is, also in the second region A2, the temperature of the air-fuel mixture is appropriately increased by increasing the internal EGR rate in accordance with the heat generation amount of the air-fuel mixture becoming smaller as the engine load is lower.
また、第2領域A2においても、第1領域A1と同様に、混合気を適切にすなわち排気性能および熱効率の高い状態で自着火させるべく、燃料を吸気行程中に噴射して予め空気と混合させておき圧縮上死点近傍において混合気を適切に自着火させる。 Also in the second region A2, as in the first region A1, fuel is injected during the intake stroke and mixed with air in advance in order to cause the air-fuel mixture to self-ignite appropriately, that is, in a state of high exhaust performance and thermal efficiency. The air-fuel mixture is appropriately self-ignited near the compression top dead center.
なお、第2領域A2では、混合気の温度が比較的高いため、エンジンの種類等によっては、前記のように吸気行程中に燃料を噴射することで過早着火する可能性がある。そのため、このように過早着火が生じるシステムでは、圧縮行程後期から膨張行程初期までの期間にインジェクタ67により燃焼室19内に燃料を噴射する高圧リタード噴射を実施して、均質な混合気を比較的短時間で形成して膨張行程期間での燃焼を実現するようにしてもよい。
In the second region A2, since the temperature of the air-fuel mixture is relatively high, depending on the type of engine or the like, there is a possibility of pre-ignition by injecting fuel during the intake stroke as described above. Therefore, in such a system in which premature ignition occurs, high-pressure retarded injection in which fuel is injected into the
(3)SI燃焼領域
SI燃焼領域での具体的制御内容は特に限定されるものではないが、このエンジンシステム100では、SI燃焼領域では、混合気の空燃比は理論空燃比とされ、過早着火やノッキングといった異常燃焼の回避、NOx生成の抑制および冷却損失の低減を目的として、高圧リタード噴射が実施され、内部EGRが停止される一方クールドEGRガスを燃焼室19内に導入する外部EGRが実施される。また、SI燃焼領域では、ポンプ損失を低減するべく、スロットル弁36は全開とされて、EGR弁511の開度を調整することで気筒18内に導入する新気量が調整される。
(3) SI Combustion Region Although the specific control content in the SI combustion region is not particularly limited, in this
また、吸気弁21は、混合気の空燃比や内部EGR率が前記のように実現されるように制御されればよく、その制御内容は特に限定されるものではないが、例えば、吸気VVL54により、CI燃焼領域では小リフトとされ、SI燃焼領域では大リフトとされる。
The
以上のように、本エンジンシステム100では、エンジン負荷が特定負荷T2未満の第1領域A1であって混合気の温度および燃焼温度が低く燃焼により生成されるNOx量が少ない領域では、内部EGRが実施されることで混合気の着火性が高められて安定した圧縮自着火燃焼を実現することができるとともに混合気の空燃比が理論空燃比よりもリーンとされるため、NOxの排出を少なく抑えつつ燃費性能を高めることができる。さらに、エンジン負荷が特定負荷T2以上の第2領域A2であって混合気の温度および燃焼温度が比較的高く燃焼により生成されるNOx量が多い領域では、混合気の空燃比が理論空燃比とされつつ圧縮自着火燃焼が実施されるため、三元触媒によるNOxの浄化すなわち最終的に外部に排出されるNOx量を少なく抑えつつ燃費性能を高めることができる。従って、本エンジンシステム100によれば、排気性能と燃費性能を確実に高めることができる。
As described above, in the
しかも、第2負荷T2が、エンジン回転数が低いほど低い値に設定されており、混合気の温度および燃焼温度そして燃焼により生成されるNOx量が増大する領域で確実に混合気の空燃比が理論空燃比とされるため、外部に排出されるNOxを確実に少なく抑えることができる。 In addition, the second load T2 is set to a lower value as the engine speed is lower, and the air-fuel ratio of the air-fuel mixture is reliably increased in a region where the temperature and combustion temperature of the air-fuel mixture and the amount of NOx generated by combustion increase. Since the stoichiometric air-fuel ratio is set, NOx discharged to the outside can be surely suppressed to a low level.
また、第2領域A2において、外部EGRが実施されているので、混合気の温度および燃焼温度が高くなりやすいこの第2領域A2において、燃焼温度の上昇を抑えて燃焼時のNOxの生成量を少なく抑えることができるとともに、異常燃焼を抑制することができ、排気性能の向上および安定した圧縮自着火燃焼の実現に伴う燃費性能の向上を実現することができる。また、EGRガスに含まれる未燃ガスを再度燃焼室19内で燃焼させることができ、第2領域A2において未燃損失を小さく抑えて燃費性能を高めることができる。
In addition, since the external EGR is performed in the second region A2, the temperature of the air-fuel mixture and the combustion temperature are likely to be high. In this second region A2, the increase in the combustion temperature is suppressed and the amount of NOx produced during combustion is reduced. In addition to being able to suppress the abnormal combustion, the abnormal combustion can be suppressed, and the improvement of the exhaust performance and the improvement of the fuel consumption performance accompanying the realization of the stable compression auto-ignition combustion can be realized. Further, the unburned gas contained in the EGR gas can be burned again in the
さらに、第2領域A2において、外部EGRに加えて内部EGRも実施されているので、これらEGRの組み合わせにより混合気の温度および燃焼温度をより確実に適正な温度にして、より確実に適正な圧縮自着火燃焼を実現することができる。 Further, in the second region A2, in addition to the external EGR, the internal EGR is also performed. Therefore, by combining these EGRs, the temperature of the air-fuel mixture and the combustion temperature are more reliably set to appropriate temperatures, and the compression is performed more reliably. Self-ignition combustion can be realized.
また、これらEGRガスの導入によりスロットルを絞ることなく気筒18内への新気量の導入を抑制して混合気の空燃比を理論空燃比にすることができ、ポンピングロスを抑制することができる。このことは、燃費性能をより一層高める。
In addition, the introduction of these EGR gases can suppress the introduction of a fresh air amount into the
また、内部EGRとして、排気二度開きによる方法を用いているので、気筒の壁面すなわちエンジン冷却水による冷却に伴う既燃ガスの温度低下を小さく抑えること、すなわち、冷却損失を小さく抑えることができる。このことは、システム全体の熱効率すなわち燃費性能を高める。 In addition, since a method by double exhaust opening is used as the internal EGR, it is possible to suppress the temperature drop of the burned gas accompanying the cooling by the cylinder wall surface, that is, the engine cooling water, that is, to suppress the cooling loss. . This enhances the overall system thermal efficiency, i.e. fuel efficiency.
なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。例えば、吸気行程中に燃料を噴射する場合において、気筒18内に設けたインジェクタ67ではなく、別途、吸気ポート16に設けたポートインジェクタにより、吸気ポート16内に燃料を噴射してもよい。
In addition, this invention is not limited to embodiment mentioned above. For example, when fuel is injected during the intake stroke, the fuel may be injected into the intake port 16 by a port injector provided separately in the intake port 16 instead of the
また、エンジン1の動弁系に関し、吸気弁21のVVL74に代えて、リフト量を連続的に変更可能なCVVL(Continuously Variable Valve Lift)を備えるようにしてもよい。
Further, regarding the valve train of the
また、高圧リタード噴射は、必要に応じて分割噴射にしてもよく、同様に、吸気行程噴射もまた、必要に応じて分割噴射にしてもよい。これらの分割噴射では、吸気行程と圧縮行程とのそれぞれにおいて燃料を噴射してもよい。 Further, the high-pressure retarded injection may be divided injection as necessary, and similarly, the intake stroke injection may also be divided injection as necessary. In these divided injections, fuel may be injected in each of the intake stroke and the compression stroke.
1 エンジン(エンジン本体)
10 PCM(制御手段)
18 気筒
21 吸気弁
22 排気弁
1 Engine (Engine body)
10 PCM (control means)
18
Claims (5)
前記排気ポートに接続される排気通路に設けられて三元触媒を含む触媒装置と、
前記混合気の燃焼形態および前記燃焼室内の混合気の空燃比を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、
少なくともエンジン負荷が所定負荷よりも低い低負荷領域では前記燃焼形態を圧縮自着火燃焼にし、
前記圧縮自着火燃焼が実施される圧縮自着火領域において、エンジン負荷が特定負荷未満の低負荷側圧縮自着火領域では、前記燃焼室で生成された既燃ガスの一部を当該燃焼室に残留させる内部EGRを実施するとともに当該燃焼室内の混合気の空燃比を理論空燃比よりもリーンにする一方、エンジン負荷が前記特定負荷以上の高負荷側圧縮自着火領域では、前記混合気の空燃比を理論空燃比とし、
前記特定負荷は、エンジン回転数が高いほど低い値に設定されていることを特徴とする圧縮着火式エンジンの制御装置。 A cylinder in which a combustion chamber in which an air-fuel mixture containing at least fuel and air burns is formed; an intake port for introducing intake air into the cylinder; an exhaust port for exhausting exhaust gas from the cylinder; and the intake port An engine body having an intake valve capable of opening and closing, and an exhaust valve capable of opening and closing the exhaust port;
A catalyst device including a three-way catalyst provided in an exhaust passage connected to the exhaust port;
Control means for controlling the combustion mode of the air-fuel mixture and the air-fuel ratio of the air-fuel mixture in the combustion chamber,
The control means includes
At least in the low load region where the engine load is lower than the predetermined load, the combustion mode is compression self-ignition combustion,
In the compression auto-ignition region where the compression auto-ignition combustion is performed, in the low load side compression auto-ignition region where the engine load is less than a specific load, a part of the burned gas generated in the combustion chamber remains in the combustion chamber. While the internal EGR is performed and the air-fuel ratio of the air-fuel mixture in the combustion chamber is made leaner than the stoichiometric air-fuel ratio, the air-fuel ratio of the air-fuel mixture is higher in the compression load auto-ignition region where the engine load is higher than the specific load. Is the theoretical air-fuel ratio,
The control apparatus for a compression ignition engine, wherein the specific load is set to a lower value as the engine speed is higher.
前記制御手段は、前記圧縮自着火領域のうちエンジン回転数が特定回転数未満の低回転側圧縮自着火領域では、その全域において、前記燃焼室で生成された既燃ガスの一部を当該燃焼室に残留させる内部EGRを実施するとともに当該燃焼室内の混合気の空燃比を理論空燃比よりもリーンな値にすることを特徴とする圧縮着火式エンジンの制御装置。 The control apparatus for a compression ignition engine according to claim 1,
The control means combusts a part of the burned gas generated in the combustion chamber in the entire region of the compression auto-ignition region in the low-rotation side compression auto-ignition region where the engine speed is less than a specific speed. A control device for a compression ignition engine, wherein internal EGR to be left in a chamber is performed and an air-fuel ratio of an air-fuel mixture in the combustion chamber is made leaner than a stoichiometric air-fuel ratio.
前記燃焼室で生成された既燃ガスの一部を吸気に還流する外部EGR手段を有し、
前記制御手段は、前記高負荷側圧縮自着火領域において、前記外部EGR手段により前記既燃ガスの一部を燃焼室内に導入することを特徴とする圧縮着火式エンジンの制御装置。 The control apparatus for a compression ignition engine according to claim 1 or 2,
An external EGR means for recirculating a part of the burned gas generated in the combustion chamber to the intake air;
The control means is a control apparatus for a compression ignition engine, wherein in the high load side compression auto-ignition region, a part of the burned gas is introduced into a combustion chamber by the external EGR means.
前記制御手段は、前記高負荷側圧縮自着火領域において、前記外部EGR手段により既燃ガスの一部を燃焼室へ導入しつつ前記内部EGRを実施して既燃ガスの一部を当該燃焼室に残留させるとともに、この高負荷側圧縮自着火領域における内部EGRによる残留既燃ガスの混合気全体に対する割合を、前記低負荷側圧縮自着火領域におけるこの内部EGRによる残留既燃ガスの混合気全体に対する割合よりも小さくすることを特徴とする圧縮着火式エンジンの制御装置。 The control apparatus for a compression ignition engine according to claim 3,
The control means implements the internal EGR while introducing a part of the burned gas into the combustion chamber by the external EGR means in the high load side compression auto-ignition region, and a part of the burned gas is transferred to the combustion chamber. And the ratio of the residual burned gas by the internal EGR in the high load side compression autoignition region to the total mixture of residual burned gas by the internal EGR in the low load side compression autoignition region A control device for a compression ignition engine, characterized in that the ratio is smaller than the ratio to the engine.
前記制御手段は、前記排気弁を少なくとも排気行程と吸気行程中とに開弁させて前記排気ポート側に排出された既燃ガスを気筒内に逆流させることで気筒内に既燃ガスを残留させることを特徴とする圧縮着火式エンジンの制御装置。 In the control device for the compression ignition engine according to any one of claims 1 to 4,
The control means opens the exhaust valve at least during an exhaust stroke and an intake stroke, and causes the burned gas discharged to the exhaust port side to flow back into the cylinder, thereby leaving the burned gas in the cylinder. A control device for a compression ignition type engine.
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