JP2015148178A - Control device for compression self-ignition engine - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve a fuel consumption of a compression self-ignition engine in particular in a relatively high load area.SOLUTION: A control device (PCM100) causes an engine to perform a compression self-ignition combustion with an excess air factor λ being 2.5 or more when an operation state of an engine main body (engine 10) is kept in a lean area (normal operation areas A1, A2) lower than a prescribed changing-over load corresponding to a medium load, and in turn when the operation state of the engine main body (engine 10) is kept in an area λ=1 (retarded operation areas B1, B2) more than a changing-over load, it causes an engine to perform a compression self-ignition combustion with the excess air factor λ being 1. The control device also sets opening of a throttle valve 33 to a full admission in a full-load area and at the same time does not provide any reflux flow of exhaust gas under a prescribed low load area in the lean area, and in turn in the area of λ=1, adjusts a reflux volume of cooled exhaust gas to cause the excess air ratio λ to be set to 1.

Description

ここに開示する技術は、圧縮自己着火エンジンの制御装置に関する。   The technology disclosed herein relates to a control device for a compression self-ignition engine.

特許文献1には、幾何学的圧縮比εを18≦ε≦40に設定した高圧縮比エンジンが記載されている。このエンジンは、低負荷及び中負荷の運転領域では、空気過剰率λを2.5以上のリーンにして圧縮自己着火燃焼させることで、排気エミッション性能を向上させると共に、熱効率の向上を図っている。   Patent Document 1 describes a high compression ratio engine in which the geometric compression ratio ε is set to 18 ≦ ε ≦ 40. This engine is designed to improve exhaust emission performance and improve thermal efficiency by performing compression self-ignition combustion with a lean excess air ratio λ of 2.5 or more in the low-load and medium-load operation regions. .

特開2013−53607号公報JP 2013-53607 A

本願発明者等の検討によれば、混合気の空気過剰率λを2.5以上にしたときには、燃焼温度の低減によりRawNOxの発生を抑制することが可能であるものの、エンジンの負荷の増大に伴い燃料噴射量が増えたときには、空気過剰率λを2.5以上に維持することが困難になる。そのため、前記特許文献1にも記載されているように、高負荷側の領域では、三元触媒を利用してNOxの排出を抑制すべく、空気過剰率λを1に設定することになる。しかしながら、空気過剰率λを1にする高負荷側の領域においても、低負荷側の領域と同じように、排気エミッション性能を維持しつつ、燃費の向上を図りたいという要求がある。   According to the study by the inventors of the present application, when the excess air ratio λ of the air-fuel mixture is set to 2.5 or more, although it is possible to suppress the generation of RawNOx by reducing the combustion temperature, it increases the engine load. Accordingly, when the fuel injection amount increases, it becomes difficult to maintain the excess air ratio λ at 2.5 or more. Therefore, as described in Patent Document 1, the excess air ratio λ is set to 1 in the region on the high load side in order to suppress the emission of NOx using a three-way catalyst. However, in the region on the high load side where the excess air ratio λ is 1, there is a demand for improving the fuel efficiency while maintaining the exhaust emission performance as in the region on the low load side.

ここに開示する技術は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、圧縮自己着火エンジンにおいて、特に負荷の高い領域での燃費の向上を図ることにある。   The technology disclosed herein has been made in view of such a point, and an object of the technology is to improve fuel consumption particularly in a high-load region in a compression self-ignition engine.

ここに開示する技術は、圧縮自己着火エンジンの制御装置に係り、この制御装置は、幾何学的圧縮比が20以上に設定された気筒を有して構成されたエンジン本体と、前記気筒内に、排気ガスの一部を冷却した上で還流させるよう構成されたコールドEGR手段と、前記気筒内の混合気を圧縮自己着火燃焼させることにより、前記エンジン本体を運転するよう構成された制御器と、を備える。   The technology disclosed herein relates to a control device for a compression self-ignition engine, and the control device includes an engine body having a cylinder having a geometric compression ratio set to 20 or more, A cold EGR means configured to recirculate after cooling a part of the exhaust gas, and a controller configured to operate the engine body by subjecting the air-fuel mixture in the cylinder to compression self-ignition combustion; .

そして、前記制御器は、前記エンジン本体の運転状態が、中負荷に相当する所定の切替負荷よりも低いリーン領域にあるときには、前記気筒内の混合気の空気過剰率λを2.5以上にして圧縮自己着火燃焼させる一方、前記エンジン本体の運転状態が前記切替負荷以上のλ=1領域にあるときには、前記空気過剰率λを1にして圧縮自己着火燃焼させ、前記制御器はまた、前記エンジン本体の運転領域の全負荷域で、前記気筒に連通する吸気通路上に設けたスロットル弁の開度を全開に設定すると共に、前記リーン領域内における所定の低負荷側領域では、排気ガスの還流を行わない一方、前記λ=1領域では、前記コールドEGR手段を通じて冷却した排気ガスを還流することにより、前記空気過剰率λを1にする。   The controller sets the excess air ratio λ of the air-fuel mixture in the cylinder to 2.5 or more when the operating state of the engine body is in a lean region lower than a predetermined switching load corresponding to a medium load. When the operation state of the engine body is in the λ = 1 region that is equal to or higher than the switching load, the excess air ratio λ is set to 1, and the controller performs self-combustion combustion. In the full load range of the engine main body operating range, the throttle valve opening provided on the intake passage communicating with the cylinder is set to fully open, and in a predetermined low load side region in the lean region, the exhaust gas On the other hand, in the λ = 1 region, the excess air ratio λ is set to 1 by refluxing the exhaust gas cooled through the cold EGR means.

幾何学的圧縮比を20以上の高圧縮比に設定することにより、熱効率の向上に有利になる上に、圧縮上死点における気筒内の温度及び圧力(圧縮端温度及び圧力)がそれぞれ高くなる。これは、エンジン本体の負荷が比較的低いときに、圧縮自己着火による着火性を良好にして、圧縮自己着火燃焼の安定性を向上させる。幾何学的圧縮比の上限は、例えば40としてもよい。   By setting the geometric compression ratio to a high compression ratio of 20 or more, it is advantageous for improving thermal efficiency, and the temperature and pressure (compression end temperature and pressure) in the cylinder at the compression top dead center are increased. . This improves the stability of the compression self-ignition combustion by improving the ignitability by compression self-ignition when the load on the engine body is relatively low. The upper limit of the geometric compression ratio may be 40, for example.

前記の構成では、中負荷に相当する所定の切替負荷よりも低いリーン領域にあるときには、気筒内の混合気の空気過剰率λを2.5以上にして圧縮自己着火燃焼させる。空気過剰率λを2.5以上にすることで、燃焼温度が低減し、RawNOxの発生を抑制することが可能になる。空気過剰率λの上限は、例えば8としてもよい。空気過剰率λが8を超えると、図示熱効率が低下するためである。   In the above configuration, when the engine is in a lean region lower than a predetermined switching load corresponding to a medium load, the compressed air is burned by increasing the excess air ratio λ of the air-fuel mixture in the cylinder to 2.5 or more. By setting the excess air ratio λ to 2.5 or more, the combustion temperature is reduced, and the generation of RawNOx can be suppressed. The upper limit of the excess air ratio λ may be 8, for example. This is because when the excess air ratio λ exceeds 8, the illustrated thermal efficiency decreases.

リーン領域ではまた、吸気通路上に設けたスロットル弁の開度を全開に設定する。このことにより、ポンプ損失が低減する。従って、リーン領域では、高圧縮比でかつ、空気過剰率λを2.5以上にした圧縮自己着火燃焼により、排気エミッション性能が向上する上に、燃費の向上が図られる。また、リーン領域内における所定の低負荷側領域では、排気ガスの還流を行わないことにより、エンジン本体の負荷が低いときに、圧縮自己着火燃焼の安定性を確保することが可能になる。   In the lean region, the opening degree of the throttle valve provided on the intake passage is set to fully open. This reduces pump loss. Therefore, in the lean region, the exhaust emission performance is improved and the fuel efficiency is improved by the compression self-ignition combustion with the high compression ratio and the excess air ratio λ of 2.5 or more. In addition, in a predetermined low load side region in the lean region, it is possible to ensure the stability of compression self-ignition combustion when the load on the engine body is low by not performing exhaust gas recirculation.

リーン領域よりも負荷の高い領域では、エンジン本体の負荷の増大に伴い、空気過剰率λを2.5以上にすることが困難になることから(つまり、燃料噴射量が増えることに伴い大量の空気を気筒内に導入しなければならなくなるから)、空気過剰率λを1にして圧縮着火燃焼を行う。   In a region where the load is higher than the lean region, it becomes difficult to increase the excess air ratio λ to 2.5 or more as the load of the engine body increases (that is, a large amount of fuel increases as the fuel injection amount increases). Because air must be introduced into the cylinder), compression ignition combustion is performed with an excess air ratio λ of 1.

空気過剰率λを1にするためには、燃料量に対応して気筒内への新気の導入量を調整する必要があるが、スロットル弁の開度を絞って新気の導入量を調整したのでは、ポンプ損失が増大して燃費の悪化を招くことになる。前記の構成では、λ=1領域でも、リーン領域と同様に、スロットル弁の開度を全開に維持する。こうすることで、ポンプ損失の増大が回避され、燃費の悪化が回避される。ここで、「スロットル弁の開度を全開に設定する」ことは、スロットル弁の開度を全開すること以外に、スロットル弁の開度を実質的に全開にすることを含む。つまり、コールドEGR手段を通じた排気ガスの還流が可能になる程度の吸気負圧が得られるようにスロットル弁を絞ることは、スロットル弁の開度を実質的に全開にすることに相当する。   In order to set the excess air ratio λ to 1, it is necessary to adjust the amount of fresh air introduced into the cylinder according to the amount of fuel, but the amount of fresh air introduced is adjusted by narrowing the throttle valve opening. As a result, the pump loss increases and the fuel consumption deteriorates. In the above-described configuration, even in the λ = 1 region, the opening of the throttle valve is maintained fully open as in the lean region. By doing so, an increase in pump loss is avoided, and deterioration in fuel consumption is avoided. Here, “setting the opening of the throttle valve to fully open” includes substantially opening the opening of the throttle valve in addition to fully opening the opening of the throttle valve. That is, to throttle the throttle valve so as to obtain an intake negative pressure that allows the exhaust gas to recirculate through the cold EGR means corresponds to substantially opening the throttle valve.

そうして、前記の構成では、λ=1領域においてはスロットル弁の開度を全開に設定しつつ、コールドEGR手段を通じて気筒内に導入する排気ガス量を調整する。つまり、排気ガスの還流量を増やすと、気筒内に導入される新気は減り、排気ガスの還流量を減らすと、気筒内に導入される新気量は増える。こうして、排気ガスの還流量の調整を通じて、気筒内に導入する新気量、より正確には気筒内の酸素量を調整して、空気過剰率λを1にする。その結果、相対的に高負荷側の領域であるλ=1領域においても、ポンプ損失が低減して燃費の向上に有利になると共に、空気過剰率λを1にすることで三元触媒が利用可能になり、排気エミッション性能を良好にすることが可能になる。また、コールドEGR手段によって、冷却した排気ガスを気筒内に導入することは、高圧縮比エンジンを高負荷側で運転するときに、燃焼温度の低下を図り、RawNOxの抑制にも有利である。   Thus, in the above configuration, in the λ = 1 region, the amount of exhaust gas introduced into the cylinder through the cold EGR means is adjusted while the throttle valve opening is set to be fully open. That is, when the recirculation amount of the exhaust gas is increased, the fresh air introduced into the cylinder decreases, and when the recirculation amount of the exhaust gas is decreased, the fresh air amount introduced into the cylinder increases. Thus, through adjustment of the exhaust gas recirculation amount, the amount of fresh air introduced into the cylinder, more precisely, the amount of oxygen in the cylinder is adjusted, and the excess air ratio λ is set to 1. As a result, even in the λ = 1 region, which is a relatively high load side region, the pump loss is reduced, which is advantageous for improving fuel efficiency, and the three-way catalyst is used by setting the excess air ratio λ to 1. This makes it possible to improve the exhaust emission performance. Further, introducing the cooled exhaust gas into the cylinder by the cold EGR means is advantageous for reducing the combustion temperature and suppressing RawNOx when the high compression ratio engine is operated on the high load side.

前記圧縮自己着火エンジンの制御装置は、前記気筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁をさらに備え、前記制御器は、前記リーン領域では、圧縮上死点前に、全量の燃料噴射を前記燃料噴射弁に実行させ、前記λ=1領域では、圧縮上死点前に、熱炎反応に至らずに酸化反応をする量の燃料を噴射することにより、圧縮上死点以降に、気筒内の温度の変動が所定の温度幅に収まる温度維持期間を設ける前段噴射と、当該前段噴射よりも後に燃料を噴射して、圧縮上死点以降であって、前記温度維持期間内に燃料を圧縮自己着火燃焼させる主噴射と、を前記燃料噴射弁に実行させ、前記制御器はまた、前記λ=1領域では、前記エンジン本体の負荷の高低に応じてEGR率を変化させると共に、前記リーン領域内において、前記λ=1領域に隣接する所定の高負荷側領域では、前記λ=1領域の前記切替負荷において設定されているEGR率に近づくように、前記エンジン本体の負荷が高まるに従いEGR率を高くする、としてもよい。   The control device for the compression self-ignition engine further includes a fuel injection valve that injects fuel into the cylinder, and the controller injects the entire amount of fuel injection before the compression top dead center in the lean region. In the λ = 1 region, before the compression top dead center, by injecting an amount of fuel that causes an oxidation reaction without reaching a thermal flame reaction, the temperature in the cylinder after the compression top dead center is reached. Pre-stage injection that provides a temperature maintenance period in which fluctuations fall within a predetermined temperature range, and fuel is injected after the pre-stage injection, and compression self-ignition is performed after the compression top dead center and within the temperature maintenance period. The fuel injection valve executes the main injection to be combusted, and the controller also changes the EGR rate in accordance with the load of the engine body in the λ = 1 region, and in the lean region. , Adjacent to the λ = 1 region In the high load side region of the constant, so as to approach the EGR rate is set in the switching load of the lambda = 1 area, to increase the EGR rate according to the load increases the engine body may be.

ここで、EGR率は、気筒内の全ガスに対する排気ガスの体積比(排気ガス量/気筒内の全ガス量)で定義することが可能である。   Here, the EGR rate can be defined by the volume ratio of the exhaust gas to the total gas in the cylinder (exhaust gas amount / total gas amount in the cylinder).

前記の構成によると、リーン領域では、圧縮上死点前に、全量の燃料噴射を燃料噴射弁に実行させる。燃料噴射は、圧縮行程を初期、中期及び終期に3分割したときの終期に行うとしてもよい。また、圧縮行程中に噴射する燃料は、一括で噴射してもよいし、分割して噴射してもよい。圧縮上死点前の燃料噴射によって気筒内に形成されるリーン混合気は、圧縮上死点付近において圧縮自己着火し、燃焼する。   According to the above-described configuration, in the lean region, the fuel injection valve executes the entire amount of fuel injection before the compression top dead center. The fuel injection may be performed at the end when the compression stroke is divided into an initial period, a middle period, and an end period. Further, the fuel injected during the compression stroke may be injected in a lump or may be divided and injected. The lean air-fuel mixture formed in the cylinder by the fuel injection before the compression top dead center is compressed and ignited near the compression top dead center and burns.

これに対し、λ=1領域では、エンジン本体の負荷が相対的に高いと共に、空燃比も相対的にリッチであるため、リーン領域と同様に圧縮上死点付近において圧縮自己着火燃焼をしたのでは、燃焼時の圧力上昇率が高くなりやすい。特にこのエンジン本体は幾何学的圧縮比が20以上に高く設定されているため、圧力上昇率が高くなると燃焼騒音のレベルが高くなりやすい。   On the other hand, in the λ = 1 region, the load on the engine body is relatively high and the air-fuel ratio is also relatively rich. Therefore, as in the lean region, compression self-ignition combustion was performed near the compression top dead center. Then, the rate of pressure increase during combustion tends to be high. In particular, since the geometric compression ratio of the engine body is set to 20 or higher, the combustion noise level tends to increase as the pressure increase rate increases.

そこで、λ=1領域では、圧縮自己着火のタイミングを、圧縮上死点以降の適宜の時期に遅らせることにより、燃焼時の圧力上昇率を低くする。具体的には、圧縮自己着火燃焼の燃焼期間が、モータリング時(つまり、エンジンのクランク軸をモータで回したときの燃焼を伴わない状態時)の圧力上昇率が負の最大値となる時点と重複するまで、又は、圧縮自己着火燃焼の燃焼中心が負の圧縮上昇率が大きい期間(つまり、圧縮上死点後10〜20°CA)と重複するまで、圧縮自己着火燃焼を遅角させる。   Therefore, in the λ = 1 region, the pressure increase rate during combustion is lowered by delaying the timing of compression self-ignition to an appropriate timing after compression top dead center. Specifically, when the combustion period of compression self-ignition combustion becomes the maximum negative value of the pressure increase rate during motoring (that is, when combustion is not accompanied when the crankshaft of the engine is rotated by a motor) Or until the combustion center of the compression autoignition combustion overlaps with a period during which the negative compression increase rate is large (that is, 10 to 20 ° CA after the compression top dead center). .

しかしながら、膨張行程が進むにつれて筒内温度は次第に低下するため、圧縮自己着火燃焼を遅角させようとしても、失火を生じる虞がある。この点につき、前記の構成では、圧縮上死点前に前段噴射を行う。この前段噴射によって気筒内に噴射される燃料は、比較的少量であり、熱炎反応に至らずに酸化反応をする。本明細書では、燃料が熱炎反応に至らずに酸化反応をすることを「部分酸化反応」と称する場合がある。これにより、圧縮上死点での気筒内の温度が調整される。つまり、前段噴射の噴射量が多くなるほど、圧縮端温度は高くなる。圧縮端温度が高くなる結果、圧縮上死点以降に、気筒内の温度が所定の温度幅に収まる期間を設けることが可能になる。   However, since the in-cylinder temperature gradually decreases as the expansion stroke proceeds, there is a risk of misfire even if the compression self-ignition combustion is delayed. In this regard, in the above-described configuration, the pre-stage injection is performed before the compression top dead center. The fuel injected into the cylinder by this pre-stage injection is a relatively small amount and undergoes an oxidation reaction without reaching a hot flame reaction. In the present specification, the fact that the fuel undergoes an oxidation reaction without reaching a hot flame reaction may be referred to as a “partial oxidation reaction”. Thereby, the temperature in the cylinder at the compression top dead center is adjusted. That is, the compression end temperature increases as the injection amount of the upstream injection increases. As a result of the increase in the compression end temperature, it is possible to provide a period during which the temperature in the cylinder falls within a predetermined temperature range after the compression top dead center.

そうして、前段噴射の後の主噴射により噴射した燃料を、その温度維持期間内で圧縮自己着火燃焼させる。その結果、遅角させた圧縮自己着火燃焼を、安定的に行うことが可能になり、λ=1領域では、圧縮自己着火燃焼を行いつつも、燃焼騒音の低減が図られる。   Thus, the fuel injected by the main injection after the pre-stage injection is subjected to compression self-ignition combustion within the temperature maintenance period. As a result, the retarded compression self-ignition combustion can be stably performed, and in the λ = 1 region, the combustion noise can be reduced while performing the compression self-ignition combustion.

ここで、前段噴射は、膨張行程期間内での気筒内の温度の低下を抑制するだけでなく、気筒内の温度が高くなりすぎることを防止する。筒内温度が高くなり過ぎると、主噴射を行ったときに燃料が適切に混ざり切る前に局所的に着火して、煤が発生してしまう虞がある。つまり、筒内温度の変動を所定の温度幅に収めることによって、煤の発生を低減することができる。   Here, the pre-stage injection not only suppresses a decrease in the temperature in the cylinder during the expansion stroke period, but also prevents the temperature in the cylinder from becoming too high. If the in-cylinder temperature becomes too high, there is a risk that soot will be generated by locally igniting the fuel before it is properly mixed when the main injection is performed. That is, the occurrence of soot can be reduced by keeping the variation in the in-cylinder temperature within a predetermined temperature range.

また、λ=1領域では、コールドEGR手段を通じて、エンジン本体の負荷に対応した量の、冷却した排気ガスを気筒内に還流させる。このことは、気筒内の温度調整に寄与し、遅角した圧縮自己着火燃焼の安定化に有利になると共に、その圧縮自己着火燃焼の緩慢化により、燃焼騒音レベルを上げない範囲で主噴射の時期をできるだけ進角させることを可能にする。これは、圧縮自己着火燃焼の燃焼期間をできるだけ進角させることになるから、燃費の向上に有利になる。   In the λ = 1 region, the cooled exhaust gas corresponding to the load on the engine body is recirculated into the cylinder through the cold EGR means. This contributes to the temperature adjustment in the cylinder and is advantageous for stabilizing the retarded compression self-ignition combustion, and the slowdown of the compression self-ignition combustion reduces the combustion noise level within the range where the combustion noise level is not increased. It makes it possible to advance the timing as much as possible. This is advantageous in improving fuel consumption because the combustion period of compression self-ignition combustion is advanced as much as possible.

ここで、リーン領域とλ=1領域とを比較したときに、λ=1領域では空気過剰率λを1にしかつ、圧縮自己着火燃焼の期間を遅角させているため、リーン領域よりも熱効率は低下し得る。前記の構成では、リーン領域内において、λ=1領域に隣接する高負荷側領域では、冷却した排気ガスを還流させるため、その分、気筒内の温度状態を低くすることが可能になる。これは、リーン領域をできるだけ高負荷側に広げる上で有利になり、ひいては燃費の向上に有利になる。   Here, when the lean region and the λ = 1 region are compared, the excess air ratio λ is set to 1 in the λ = 1 region and the period of the compression self-ignition combustion is delayed, so that the thermal efficiency is higher than that of the lean region. Can decline. In the above-described configuration, in the high load side region adjacent to the λ = 1 region in the lean region, the cooled exhaust gas is recirculated, so that the temperature state in the cylinder can be lowered accordingly. This is advantageous in extending the lean region to the high load side as much as possible, and in turn is advantageous in improving fuel consumption.

さらに、リーン領域内における高負荷側領域では、エンジン負荷が高まるに従い、EGR率を高くして、リーン領域とλ=1領域との境界である切替負荷において、EGR率が同じになるようにしている。これは、エンジン負荷が連続的に変化をして、リーン領域からλ=1領域へと移行する場合、又は、λ=1領域からリーン領域へと移行する場合のいずれにおいても、EGR率が連続的に変化することになる。これは、領域間の移行をスムースにして、トルクショック等の発生や、排気エミッション性能の低下を回避する上で有効である。   Further, in the high load side region in the lean region, as the engine load increases, the EGR rate is increased so that the EGR rate is the same at the switching load that is the boundary between the lean region and the λ = 1 region. Yes. This is because the EGR rate is continuous even when the engine load continuously changes and shifts from the lean region to the λ = 1 region, or when the λ = 1 region shifts to the lean region. Will change. This is effective for smooth transition between regions to avoid the occurrence of torque shock or the like and the deterioration of exhaust emission performance.

前記制御器は、前記λ=1領域では、前記エンジン本体の負荷が高くなるに従いEGR率を低くし、前記制御器はまた、前記λ=1領域における所定の高負荷側領域では、前記前段噴射と前記主噴射との間で、熱炎反応に至らずに酸化反応をする量の燃料を噴射して、前記温度維持期間の長さを調整する第2の前段噴射を行うと共に、前記主噴射の時期を、前記所定の高負荷側領域よりも負荷の低い領域での主噴射の時期に対し遅角させる、としてもよい。   The controller decreases the EGR rate as the load of the engine body increases in the λ = 1 region, and the controller also performs the pre-injection in a predetermined high load side region in the λ = 1 region. Between the main injection and the main injection, an amount of fuel that undergoes an oxidation reaction without causing a hot flame reaction is injected, and a second pre-injection that adjusts the length of the temperature maintenance period is performed, and the main injection This timing may be retarded with respect to the timing of main injection in a region where the load is lower than the predetermined high load side region.

λ=1領域において、エンジン本体の負荷が高くなるに従ってEGR率を低くすることにより、エンジン本体の負荷が高くなるに従って、気筒内に導入される新気量が増える。従って、エンジン本体の負荷が高くなるに従って増える燃料量に対し、空気過剰率λを1にする上で必要な新気量が確保されることになる。   In the λ = 1 region, by reducing the EGR rate as the load on the engine body increases, the amount of fresh air introduced into the cylinder increases as the load on the engine body increases. Therefore, the amount of fresh air necessary for setting the excess air ratio λ to 1 is secured against the amount of fuel that increases as the load on the engine body increases.

その一方で、エンジンの負荷が高くなるに従い、冷却された排気ガスの還流量が少なくなる上に、燃料量が増えることから、λ=1領域内における所定の高負荷側領域では、燃焼騒音を低減するために、圧縮自己着火燃焼の期間を、λ=1領域内における低負荷側の領域よりも、さらに遅角させる必要が生じる。   On the other hand, as the engine load increases, the recirculation amount of the cooled exhaust gas decreases and the fuel amount increases. Therefore, in a predetermined high load side region within the λ = 1 region, combustion noise is reduced. In order to reduce this, it is necessary to retard the period of the compression self-ignition combustion more than the low load side region in the λ = 1 region.

前記の構成では、λ=1領域における所定の高負荷側領域では、前段噴射と主噴射との間で第2の前段噴射を行う。第2の前段噴射により噴射された燃料は、熱炎反応に至ることなく酸化反応をして小さな熱量を発生し、膨張行程の進行に伴う筒内温度の低下を抑制しつつ、筒内温度が高くなり過ぎるのを防止する。燃料が熱炎反応すると、大きな熱量が発生し、筒内温度が高くなり過ぎる可能性がある。それに対し、燃料が熱炎反応に至ることなく酸化反応すれば、小さな熱量しか発生せず、筒内温度の過度な上昇を抑制することができる(つまり、部分酸化反応)。   In the above configuration, in the predetermined high load side region in the λ = 1 region, the second upstream injection is performed between the upstream injection and the main injection. The fuel injected by the second pre-stage injection undergoes an oxidation reaction without reaching a flame reaction, generates a small amount of heat, and suppresses a decrease in the in-cylinder temperature accompanying the progress of the expansion stroke, while the in-cylinder temperature is reduced. Prevent it from becoming too high. When the fuel undergoes a hot flame reaction, a large amount of heat is generated, and the in-cylinder temperature may become too high. On the other hand, if the fuel undergoes an oxidation reaction without reaching a hot flame reaction, only a small amount of heat is generated, and an excessive rise in the in-cylinder temperature can be suppressed (that is, a partial oxidation reaction).

こうして第2の前段噴射を行うことにより、圧縮上死点以降の気筒内の温度の変動が所定の温度幅に収まる期間(つまり、温度維持期間)をさらに長くすることが可能になる。その結果、圧縮自己着火燃焼の期間をさらに遅角させても、その安定化が図られ、λ=1領域における所定の高負荷側領域において、燃焼騒音の増大が回避される。圧縮自己着火燃焼の期間をさらに遅角させるために、所定の高負荷側領域における主噴射の時期は、この高負荷側領域よりも負荷の低い領域での主噴射の時期に対し、遅角させる。   By performing the second pre-injection in this way, it is possible to further increase the period during which the temperature variation in the cylinder after the compression top dead center falls within a predetermined temperature range (that is, the temperature maintenance period). As a result, even if the period of compression self-ignition combustion is further retarded, stabilization is achieved, and an increase in combustion noise is avoided in a predetermined high load side region in the λ = 1 region. In order to further retard the period of compression self-ignition combustion, the timing of main injection in a predetermined high load side region is retarded with respect to the timing of main injection in a region with a lower load than this high load side region. .

また、この高負荷側領域を含むλ=1領域では、前述の通り、冷却した排気ガスを気筒内に還流させることで、燃焼を緩慢にして、燃焼騒音の低減には有利になる。従って、第2の前段噴射が必要となる高負荷側領域は、冷却した排気ガスを還流させる分だけ、高負荷側に縮小し得る(領域が小さくなり得る)。高負荷側領域では、第2の前段噴射を実行することにより、主噴射の時期は遅くなるため、燃費は低下し得るが、高負荷側領域を縮小することは、燃費に不利な領域が縮小するから、燃費の向上に有利になる。   Further, in the λ = 1 region including the high load side region, as described above, the cooled exhaust gas is recirculated into the cylinder, so that the combustion is slowed down, which is advantageous in reducing the combustion noise. Therefore, the high load side area that requires the second pre-injection can be reduced to the high load side by the amount of recirculation of the cooled exhaust gas (the area can be reduced). In the high load side region, by performing the second pre-stage injection, the main injection time is delayed, so the fuel consumption can be reduced. However, reducing the high load side region reduces the region disadvantageous for fuel consumption. Therefore, it becomes advantageous for improvement of fuel consumption.

前記制御器は、前記リーン領域における前記所定の高負荷側領域と前記所定の低負荷側領域との間の負荷領域では、EGR率を、前記λ=1領域において変化するEGR率の中間値となるように設定する、としてもよい。   In the load region between the predetermined high load side region and the predetermined low load side region in the lean region, the controller sets an EGR rate to an intermediate value of an EGR rate that changes in the λ = 1 region. It may be set as follows.

λ=1領域では、前述の通り、空気過剰率λを1にするために、エンジン本体の負荷に対応して、排気ガスの還流量が調整される。つまり、エンジン本体の負荷に応じてEGR率が変化する。その一方で、コールドEGR手段を通じてEGR率を変化させることの応答性は低い。そのため、エンジンの運転状態が変化し、リーン領域からλ=1領域へと移行した直後は、そのエンジン本体の負荷に見合うEGR率からずれてしまう可能性がある。EGR率のずれが大きいと排気エミッション性能が低下すると共に、EGR率のずれが無くなるまでに要する時間も長くなってしまう。   In the λ = 1 region, as described above, in order to set the excess air ratio λ to 1, the recirculation amount of the exhaust gas is adjusted in accordance with the load of the engine body. That is, the EGR rate changes according to the load on the engine body. On the other hand, the responsiveness of changing the EGR rate through the cold EGR means is low. Therefore, immediately after the operating state of the engine changes and shifts from the lean region to the λ = 1 region, there is a possibility of deviating from the EGR rate commensurate with the load of the engine body. When the deviation of the EGR rate is large, the exhaust emission performance is deteriorated and the time required until the deviation of the EGR rate is eliminated becomes long.

このことに関し、前記の構成では、リーン領域における所定の高負荷側領域(前述の通り、切替負荷において設定されているEGR率に近づくようなEGR率に設定されている領域)と所定の低負荷側領域(前述の通り、燃焼安定性の観点から排気ガスの還流を行わない(EGR率がゼロ)領域)との間の負荷領域では、λ=1領域において変化するEGR率の中間値に、EGR率を設定する。こうすることで、リーン領域からλ=1領域へと移行したときに、EGR率のずれが生じたとしても、そのずれ量の最大が所定値以下に規制されるようになる。つまり、EGR率のずれを、できるだけ小さくすることが可能になると共に、λ=1領域への移行後、EGR率のずれが無くなるまでに要する時間も短くなるから、排気エミッション性能の低下が抑制される。   In this regard, in the above configuration, the predetermined high load side region in the lean region (as described above, the region set to the EGR rate that approaches the EGR rate set in the switching load) and the predetermined low load In the load region with the side region (as described above, the region where exhaust gas recirculation is not performed from the viewpoint of combustion stability (the EGR rate is zero)), the intermediate value of the EGR rate that changes in the λ = 1 region is Set the EGR rate. By doing so, even if a shift in the EGR rate occurs when shifting from the lean region to the λ = 1 region, the maximum shift amount is regulated to a predetermined value or less. That is, the shift in the EGR rate can be made as small as possible, and the time required for the shift in the EGR rate to disappear after the shift to the λ = 1 region is shortened, so that the deterioration of the exhaust emission performance is suppressed. The

以上説明したように、前記の圧縮自己着火エンジンの制御装置によると、高負荷側のλ=1領域では、スロットル弁の開度を全開に維持しつつ、冷却した排気ガスを還流することで空気過剰率λを1にして圧縮自己着火燃焼を行うことにより、ポンプ損失が低減して燃費の向上に有利になると共に、三元触媒を利用して排気エミッション性能を良好にすることが可能になる。   As described above, according to the control device for the compression self-ignition engine, in the λ = 1 region on the high load side, the air is obtained by recirculating the cooled exhaust gas while maintaining the opening degree of the throttle valve fully open. By performing compression self-ignition combustion with an excess ratio λ of 1, it is possible to reduce pump loss and improve fuel efficiency, and it is possible to improve exhaust emission performance using a three-way catalyst. .

圧縮自己着火エンジンの構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of a compression self-ignition engine. 圧縮自己着火エンジンの制御に係る構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure which concerns on control of a compression self-ignition engine. エンジンの運転制御に係るマップである。3 is a map related to engine operation control. エンジンの負荷に対する、燃料の噴射時期及び噴射期間の変化を示す図、気筒内の温度変化を例示する図(上図)、及びエンジンの負荷に対する、EGR率の変化を示す図(右図)である。The figure which shows the change of the fuel injection timing and the injection period with respect to the engine load, the figure which illustrates the temperature change in the cylinder (upper figure), and the figure which shows the change of the EGR rate with respect to the engine load (right figure) is there. エンジン制御に係るフローチャートである。It is a flowchart which concerns on engine control.

以下、圧縮自己着火エンジンの制御装置の実施形態を図面に基づいて説明する。以下の説明は例示である。   Hereinafter, an embodiment of a control device for a compression self-ignition engine will be described with reference to the drawings. The following description is exemplary.

(エンジンシステムの全体構成)
図1、2は、実施形態に係るエンジンシステム1の構成を示している。このエンジンシステム1は、車両に搭載されるシステムである。エンジンシステム1は、エンジン本体(以下、単に「エンジン」という)10と、エンジン10に付随する様々なアクチュエータ、様々なセンサ、及び、該センサからの信号に基づきアクチュエータを制御するPCM(Powertrain Control Module、制御器)100を含む。
(Overall configuration of engine system)
1 and 2 show a configuration of an engine system 1 according to the embodiment. The engine system 1 is a system mounted on a vehicle. The engine system 1 includes an engine main body (hereinafter simply referred to as “engine”) 10, various actuators associated with the engine 10, various sensors, and a PCM (Powertrain Control Module) that controls the actuators based on signals from the sensors. , Controller) 100.

エンジン10の出力軸は、図示しないが、変速機を介して駆動輪に連結されている。エンジン10の出力が駆動輪に伝達されることによって、車両が推進する。エンジン10は、シリンダブロック12と、その上に載置されるシリンダヘッド13とを備えており、シリンダブロック12の内部に複数の気筒11が形成されている(図1では、1つのみ示す)。シリンダブロック12及びシリンダヘッド13の内部には、図示は省略するが冷却水が流れるウォータージャケットが形成されている。   Although not shown, the output shaft of the engine 10 is connected to drive wheels via a transmission. The vehicle is propelled by the output of the engine 10 being transmitted to the drive wheels. The engine 10 includes a cylinder block 12 and a cylinder head 13 mounted thereon, and a plurality of cylinders 11 are formed inside the cylinder block 12 (only one is shown in FIG. 1). . Although not shown, a water jacket through which cooling water flows is formed inside the cylinder block 12 and the cylinder head 13.

各気筒11内には、ピストン15が摺動自在にそれぞれ嵌挿されており、ピストン15は、気筒11及びシリンダヘッド13と共に燃焼室を区画している。本実施形態では、燃焼室は所謂ペントルーフ型であり、その天井面(シリンダヘッド13の下面)は吸気側及び排気側の2つの傾斜面からなる三角屋根状をなしている。ピストン15の冠面は、前記天井面に対応した凸形状をなしていて、冠面の中心部には、凹状のキャビティ15aが形成されている。尚、前記天井面及びピストン15の冠面の形状は、後述の高い幾何学的圧縮比が可能であれば、どのような形状であってもよく、例えば、天井面及びピストン15の冠面(キャビティ15aを除く部分)の両方が、気筒11の中心軸に対して垂直な面で構成されていてもよく、天井面が前記のように三角屋根状をなす一方、ピストン15の冠面(キャビティ15aを除く部分)が気筒11の中心軸に対して垂直な面で構成されていてもよい。   A piston 15 is slidably inserted in each cylinder 11, and the piston 15 divides a combustion chamber together with the cylinder 11 and the cylinder head 13. In this embodiment, the combustion chamber is a so-called pent roof type, and the ceiling surface (the lower surface of the cylinder head 13) has a triangular roof shape composed of two inclined surfaces on the intake side and the exhaust side. The crown surface of the piston 15 has a convex shape corresponding to the ceiling surface, and a concave cavity 15a is formed at the center of the crown surface. The shape of the ceiling surface and the crown surface of the piston 15 may be any shape as long as a high geometric compression ratio described later is possible. For example, the ceiling surface and the crown surface of the piston 15 ( Both of the portions excluding the cavity 15a may be formed of a surface perpendicular to the central axis of the cylinder 11, and the ceiling surface forms a triangular roof as described above, while the crown surface (cavity) of the piston 15 The portion excluding 15a) may be constituted by a plane perpendicular to the central axis of the cylinder 11.

図1には1つのみ示すが、気筒11毎に2つの吸気ポート18がシリンダヘッド13に形成され、それぞれがシリンダヘッド13の下面(燃焼室の天井面における吸気側の傾斜面)に開口することで燃焼室に連通している。同様に、気筒11毎に2つの排気ポート19がシリンダヘッド13に形成され、それぞれがシリンダヘッド13の下面(燃焼室の天井面の排気側の傾斜面)に開口することで燃焼室に連通している。   Although only one is shown in FIG. 1, two intake ports 18 are formed in the cylinder head 13 for each cylinder 11, and each opens to the lower surface of the cylinder head 13 (the inclined surface on the intake side on the ceiling surface of the combustion chamber). This communicates with the combustion chamber. Similarly, two exhaust ports 19 are formed in the cylinder head 13 for each cylinder 11, and each communicates with the combustion chamber by opening on the lower surface of the cylinder head 13 (the inclined surface on the exhaust side of the ceiling surface of the combustion chamber). ing.

シリンダヘッド13には、吸気弁21及び排気弁22が、それぞれ吸気ポート18及び排気ポート19を燃焼室から遮断(閉)することができるように配設されている。吸気弁21は吸気弁駆動機構により、排気弁22は排気弁駆動機構により、それぞれ駆動される。吸気弁21及び排気弁22は所定のタイミングで往復動して、それぞれ吸気ポート18及び排気ポート19を開閉し、気筒11内のガス交換を行う。吸気弁駆動機構及び排気弁駆動機構は、図示は省略するが、それぞれ、クランクシャフトに駆動連結された吸気カムシャフト及び排気カムシャフトを有し、これらのカムシャフトはクランクシャフトの回転と同期して回転する。吸気弁駆動機構及び排気弁駆動機構は、この例では、吸気カムシャフトの位相を所定の角度範囲内で連続的に変更可能な、液圧式又は電動式の位相可変機構(Variable Valve Timing:VVT)23を、少なくとも含んで構成されている(図2参照)。尚、VVT23と共に、弁リフト量を変更可能なリフト可変機構を備えるようにしてもよい。リフト可変機構は、リフト量を連続的に変更可能なCVVL(Continuous Variable Valve Lift)としてもよい。   The cylinder head 13 is provided with an intake valve 21 and an exhaust valve 22 so that the intake port 18 and the exhaust port 19 can be shut off (closed) from the combustion chamber, respectively. The intake valve 21 is driven by an intake valve drive mechanism, and the exhaust valve 22 is driven by an exhaust valve drive mechanism. The intake valve 21 and the exhaust valve 22 reciprocate at a predetermined timing to open and close the intake port 18 and the exhaust port 19, respectively, and exchange gas in the cylinder 11. Although not shown, the intake valve drive mechanism and the exhaust valve drive mechanism each have an intake camshaft and an exhaust camshaft that are drivingly connected to the crankshaft. These camshafts are synchronized with the rotation of the crankshaft. Rotate. In this example, the intake valve driving mechanism and the exhaust valve driving mechanism are a hydraulic or electric variable phase mechanism (Variable Valve Timing: VVT) capable of continuously changing the phase of the intake camshaft within a predetermined angle range. 23 at least (see FIG. 2). In addition, you may make it provide the lift variable mechanism which can change valve lift amount with VVT23. The lift variable mechanism may be a CVVL (Continuous Variable Valve Lift) capable of continuously changing the lift amount.

各気筒11の吸気ポート18は、図1において明示されない吸気マニホールドを介して吸気通路30に連通している。また、各気筒11の排気ポート19は、同様に明示されない排気マニホールドを介して排気通路40に連通している。   The intake port 18 of each cylinder 11 communicates with the intake passage 30 via an intake manifold not explicitly shown in FIG. Similarly, the exhaust port 19 of each cylinder 11 communicates with the exhaust passage 40 via an exhaust manifold that is not clearly shown.

吸気通路30には、エアクリーナー31と、ターボ過給機8のコンプレッサ81と、該コンプレッサ81により圧縮された空気を冷却するインタークーラ32と、各気筒11への吸入空気量を調節するスロットル弁33とが、上流から下流に向かって順に配設されている。   In the intake passage 30, an air cleaner 31, a compressor 81 of the turbocharger 8, an intercooler 32 that cools the air compressed by the compressor 81, and a throttle valve that adjusts the amount of intake air to each cylinder 11. 33 are arranged in order from upstream to downstream.

排気通路40には、ターボ過給機8のタービン82と、排気ガス中の有害成分を浄化する排気浄化装置として、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、上流側から下流側に向かって順に配設されている。直キャタリスト41及びアンダーフットキャタリスト42はそれぞれ、筒状ケースと、そのケース内の流路に配置した三元触媒とを備えて構成されている。   The exhaust passage 40 includes a turbine 82 of the turbocharger 8 and a direct catalyst 41 and an underfoot catalyst 42 as an exhaust purification device that purifies harmful components in the exhaust gas from the upstream side to the downstream side. Are arranged in order. Each of the direct catalyst 41 and the underfoot catalyst 42 includes a cylindrical case and a three-way catalyst disposed in a flow path in the case.

吸気通路30におけるコンプレッサ81の下流側部分(より正確には、スロットル弁33の下流側部分)と、排気通路40におけるタービン82の上流側部分とは、排気ガスの一部を吸気通路30に還流するための高圧EGR通路510によって接続されている。高圧EGR通路510には、排気ガスの吸気通路30への還流量を調整するための高圧EGR弁511及び排気ガスを冷却するための、水冷式のEGRクーラ512が配設されている。高圧EGR通路510、高圧EGR弁511及びEGRクーラ512を含んで、高圧EGRシステム51が構成される。   The downstream portion of the compressor 81 in the intake passage 30 (more precisely, the downstream portion of the throttle valve 33) and the upstream portion of the turbine 82 in the exhaust passage 40 return a part of the exhaust gas to the intake passage 30. Are connected by a high pressure EGR passage 510. The high-pressure EGR passage 510 is provided with a high-pressure EGR valve 511 for adjusting the recirculation amount of the exhaust gas to the intake passage 30 and a water-cooled EGR cooler 512 for cooling the exhaust gas. A high pressure EGR system 51 is configured including the high pressure EGR passage 510, the high pressure EGR valve 511, and the EGR cooler 512.

また、吸気通路30におけるコンプレッサ81の上流側部分と、排気通路40におけるタービン82の下流側部分(より正確には、直キャタリスト41と、後述の排気シャッター弁43との間)とは、排気ガスの一部を吸気通路30に還流するための低圧EGR通路520によって接続されている。この低圧EGR通路520には、排気ガスの吸気通路30への還流量を調整するための低圧EGR弁521及び排気ガスを冷却するための、空冷式のEGRクーラ522が介設されている。   Further, the upstream portion of the compressor 81 in the intake passage 30 and the downstream portion of the turbine 82 in the exhaust passage 40 (more precisely, between the direct catalyst 41 and an exhaust shutter valve 43 described later) The gas is connected by a low pressure EGR passage 520 for returning a part of the gas to the intake passage 30. The low-pressure EGR passage 520 is provided with a low-pressure EGR valve 521 for adjusting the amount of exhaust gas recirculated to the intake passage 30 and an air-cooled EGR cooler 522 for cooling the exhaust gas.

排気シャッター弁43は、排気通路40において低圧EGR通路520の接続部よりも下流側に配設されている。排気シャッター弁43は、その開度を調整することが可能な流量調整弁であり、排気シャッター弁43を閉じ側にすることによって、通過する流量が低減して、低圧EGR通路520の排気通路40側の圧力を、吸気通路30側の圧力に対して相対的に高めることが可能になる。低圧EGR通路520と低圧EGR弁521とEGRクーラ522と排気シャッター弁43とを含んで、低圧EGRシステム52が構成される。   The exhaust shutter valve 43 is disposed downstream of the connection portion of the low pressure EGR passage 520 in the exhaust passage 40. The exhaust shutter valve 43 is a flow rate adjustment valve whose opening degree can be adjusted. By setting the exhaust shutter valve 43 to the closed side, the flow rate passing therethrough is reduced, and the exhaust passage 40 of the low-pressure EGR passage 520 is reduced. The side pressure can be relatively increased with respect to the pressure on the intake passage 30 side. A low pressure EGR system 52 is configured including the low pressure EGR passage 520, the low pressure EGR valve 521, the EGR cooler 522, and the exhaust shutter valve 43.

ターボ過給機8は、吸気通路30に配設されたコンプレッサ81と、排気通路40に配設されたタービン82とを有し、コンプレッサ81とタービン82とは互いに連結されている。タービン82が排気ガス流により回転し、それによって、コンプレッサ81が作動する。この例においてターボ過給機は、可変ノズル83を有するVGT(Variable Geometry Turbo)である。但し、ターボ過給機の構成は、VGTに限るものではない。   The turbocharger 8 includes a compressor 81 disposed in the intake passage 30 and a turbine 82 disposed in the exhaust passage 40, and the compressor 81 and the turbine 82 are connected to each other. The turbine 82 is rotated by the exhaust gas flow, thereby operating the compressor 81. In this example, the turbocharger is a VGT (Variable Geometry Turbo) having a variable nozzle 83. However, the configuration of the turbocharger is not limited to VGT.

エンジン10において、シリンダヘッド13における気筒11の中心軸上には、気筒内(燃焼室内)に燃料を直接噴射するインジェクタ34が配設されている。このインジェクタ34は、例えばブラケットを使用する等の周知の構造でシリンダヘッド13に取付固定されている。インジェクタ34の先端は、燃焼室の天井部の中心に臨んでいる。   In the engine 10, an injector 34 that directly injects fuel into the cylinder (combustion chamber) is disposed on the central axis of the cylinder 11 in the cylinder head 13. The injector 34 is attached and fixed to the cylinder head 13 with a known structure such as using a bracket. The tip of the injector 34 faces the center of the ceiling of the combustion chamber.

インジェクタ34は、この例では外開弁式のインジェクタである。つまり、その構成の詳細な図示は省略するが、気筒11内に燃料を噴射するノズル口を開閉する外開弁を有し、外開弁が気筒11側にリフトすることで、ノズル口を開放する。このとき、ノズル口から気筒11内に燃料が、気筒11の中心軸を中心とするコーン状(詳しくはホローコーン状)に噴射される。外開弁のリフト量が大きいほど、ノズル口の開度が大きくなってノズル口から気筒11内に噴射される燃料噴霧のペネトレーションが大きくなる(長くなる)と共に、単位時間当たりに噴射される燃料量が多くなりかつ燃料噴霧の粒径が大きくなる。但し、インジェクタ34は、外開弁式に限らず、多噴孔型のインジェクタとしてもよい。   In this example, the injector 34 is an externally opened injector. That is, although detailed illustration of the configuration is omitted, the nozzle opening is opened by opening and closing the nozzle opening for injecting fuel into the cylinder 11, and the opening valve lifts to the cylinder 11 side. To do. At this time, fuel is injected from the nozzle opening into the cylinder 11 in a cone shape (specifically, a hollow cone shape) centered on the central axis of the cylinder 11. The greater the lift amount of the outer valve, the greater the opening of the nozzle opening, the greater the penetration of fuel spray injected into the cylinder 11 from the nozzle opening, and the fuel injected per unit time. The amount increases and the particle size of the fuel spray increases. However, the injector 34 is not limited to the external valve opening type, and may be a multi-hole injector.

燃料供給システム35は、外開弁を駆動するための電気回路と、インジェクタ34に燃料を供給する燃料供給系とを備えている。PCM100は、所定のタイミングで、リフト量に応じた電圧を有する噴射信号を前記電気回路に出力することで、該電気回路を介して外開弁を作動させて、所望量の燃料を、気筒11内に噴射させる。前記噴射信号の非出力時(噴射信号の電圧が0であるとき)には、外開弁によりノズル口が閉じられた状態となる。こうしてPCM100は、外開弁の作動を制御して、インジェクタ34のノズル口からの燃料噴射及び該燃料噴射時におけるリフト量を制御する。   The fuel supply system 35 includes an electric circuit for driving the outer valve and a fuel supply system for supplying fuel to the injector 34. The PCM 100 outputs an injection signal having a voltage corresponding to the lift amount to the electric circuit at a predetermined timing, thereby operating an outer valve through the electric circuit to supply a desired amount of fuel to the cylinder 11. Inject into. When the injection signal is not output (when the voltage of the injection signal is 0), the nozzle port is closed by the outer valve. In this way, the PCM 100 controls the operation of the outer valve to control the fuel injection from the nozzle opening of the injector 34 and the lift amount at the time of the fuel injection.

燃料供給系には、図示省略の高圧燃料ポンプやコモンレールが設けられており、その高圧燃料ポンプは、低圧燃料ポンプを介して燃料タンクより供給されてきた燃料をコモンレールに圧送し、コモンレールは、その圧送された燃料を、所定の燃料圧力で蓄える。そして、インジェクタ34が作動することによって、コモンレールに蓄えられている燃料がノズル口から噴射される。   The fuel supply system is provided with a high-pressure fuel pump (not shown) and a common rail. The high-pressure fuel pump pumps fuel supplied from the fuel tank via the low-pressure fuel pump to the common rail. The pumped fuel is stored at a predetermined fuel pressure. When the injector 34 is operated, the fuel stored in the common rail is injected from the nozzle port.

ここで、エンジン10の燃料は、本実施形態ではガソリンであるが、バイオエタノール等を含むガソリンであってもよく、少なくともガソリンを含む燃料(液体燃料)であれば、どのような燃料であってもよい。   Here, the fuel of the engine 10 is gasoline in the present embodiment, but may be gasoline containing bioethanol or the like, and any fuel as long as it is a fuel (liquid fuel) containing at least gasoline. Also good.

また、このエンジン10の燃焼室内には、オゾン発生器36が配設されている。このオゾン発生器36は、例えばねじ等の周知の構造によって、シリンダヘッド13に固定されている。オゾン発生器36の先端部は燃焼室の天井部に臨んでいる。このオゾン発生器36の先端部は、インジェクタ34のノズル口の近傍に位置する。オゾン発生器36は、互いに絶縁され且つ対向して配置された2つの電極を有している。オゾン発生器36は、オゾン発生システム37によって駆動される。オゾン発生システム37は、オゾン発生回路を有している。オゾン発生システム37は、PCM100からの制御信号を受けて、高圧の高周波電圧をオゾン発生器36に出力する。オゾン発生器36は、高周波電圧が印加されると、2つの電極間にオゾンを発生させる。オゾン発生器36に印加する高周波電圧の大きさ又は周波数を変更することによって、オゾンの濃度を調整することができる。尚、オゾン発生器36の配置及び構成は、これに限定されるものではない。   An ozone generator 36 is disposed in the combustion chamber of the engine 10. The ozone generator 36 is fixed to the cylinder head 13 by a known structure such as a screw. The tip of the ozone generator 36 faces the ceiling of the combustion chamber. The tip of the ozone generator 36 is located in the vicinity of the nozzle opening of the injector 34. The ozone generator 36 has two electrodes that are insulated from each other and arranged to face each other. The ozone generator 36 is driven by an ozone generation system 37. The ozone generation system 37 has an ozone generation circuit. The ozone generation system 37 receives a control signal from the PCM 100 and outputs a high-frequency high-frequency voltage to the ozone generator 36. The ozone generator 36 generates ozone between two electrodes when a high frequency voltage is applied. By changing the magnitude or frequency of the high-frequency voltage applied to the ozone generator 36, the ozone concentration can be adjusted. The arrangement and configuration of the ozone generator 36 are not limited to this.

PCM100は、周知のマイクロコンピュータをベースとするコントローラであって、プログラムを実行する中央演算処理装置(CPU)と、例えばRAMやROMにより構成されてプログラム及びデータを格納するメモリと、電気信号の入出力をする入出力(I/O)バスと、を備えている。   The PCM 100 is a controller based on a well-known microcomputer, and includes a central processing unit (CPU) that executes a program, a memory that includes, for example, a RAM and a ROM and stores a program and data, and an electric signal input. And an input / output (I / O) bus for outputting.

PCM100には、車速を検出する車速センサ71、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ72、エンジン10の回転数を検出するエンジン回転数センサ73の各センサが接続されている。   Connected to the PCM 100 are a vehicle speed sensor 71 that detects the vehicle speed, an accelerator opening sensor 72 that detects the accelerator opening, and an engine rotation speed sensor 73 that detects the rotation speed of the engine 10.

吸気通路30上には、吸気通路30を流れる新気の流量(及び温度)を検出するエアフローセンサ74が配設されており、エアフローセンサ74は、検出した流量及び外気温度をPCM100に出力する。   An air flow sensor 74 that detects the flow rate (and temperature) of fresh air flowing through the intake passage 30 is disposed on the intake passage 30, and the air flow sensor 74 outputs the detected flow rate and outside air temperature to the PCM 100.

また、サージタンク38には、燃焼室に供給される空気の圧力を検出する吸気圧センサ(過給圧センサ)75が取り付けられると共に、排気通路40には、タービン上流の圧力を検出する排気圧センサ76が配設されている。各センサ75、76は、PCM100に接続されており、その検出値をPCM100に出力する。   The surge tank 38 is provided with an intake pressure sensor (supercharging pressure sensor) 75 for detecting the pressure of air supplied to the combustion chamber, and the exhaust passage 40 is provided with an exhaust pressure for detecting the pressure upstream of the turbine. A sensor 76 is provided. Each sensor 75 and 76 is connected to the PCM 100 and outputs the detected value to the PCM 100.

そして、PCM100は、前述した各センサ等からの信号に基づいて、エンジン10の運転状態を判断し、それに対応するエンジン10の制御パラメータを設定する。そして、PCM100は、各制御パラメータに対応する信号を、スロットル弁33、燃料供給システム35、VVT23、排気シャッター弁43、高圧EGR弁511、低圧EGR弁521、及び、オゾン発生システム37等に出力する。   Then, the PCM 100 determines the operating state of the engine 10 based on the signals from the above-described sensors and the like, and sets the control parameter of the engine 10 corresponding thereto. The PCM 100 outputs signals corresponding to the control parameters to the throttle valve 33, the fuel supply system 35, the VVT 23, the exhaust shutter valve 43, the high pressure EGR valve 511, the low pressure EGR valve 521, the ozone generation system 37, and the like. .

(エンジン本体の構成)
次に、エンジン本体の構成についてさらに詳細に説明をする。このエンジン10の幾何学的圧縮比εは、20以上40以下とされている。幾何学的圧縮比εは、特に25以上35以下が好ましい。エンジン10は圧縮比=膨張比となる構成から、高圧縮比と同時に、比較的高い膨張比を有するエンジン10でもある。尚、圧縮比≦膨張比となる構成(例えばアトキンソンサイクルや、ミラーサイクル)を採用してもよい。また、吸気弁の遅閉じ等を行う場合には、エンジン10の有効圧縮比は、12以上に設定される。好ましくは、エンジン10の有効圧縮比は、18以上に設定される。
(Engine structure)
Next, the configuration of the engine body will be described in more detail. The geometric compression ratio ε of the engine 10 is 20 or more and 40 or less. The geometric compression ratio ε is particularly preferably 25 or more and 35 or less. Since the engine 10 has a configuration in which the compression ratio = expansion ratio, the engine 10 has a relatively high expansion ratio as well as a high compression ratio. In addition, you may employ | adopt the structure (for example, Atkinson cycle and a mirror cycle) used as compression ratio <= expansion ratio. When the intake valve is closed late, the effective compression ratio of the engine 10 is set to 12 or more. Preferably, the effective compression ratio of the engine 10 is set to 18 or more.

燃焼室は、気筒11の壁面と、ピストン15の冠面と、シリンダヘッド13の下面(天井面)と、吸気弁21及び排気弁22それぞれのバルブヘッドの面と、によって区画形成されている。そして、冷却損失を低減するべく、これらの各面に、断熱層が設けられることによって、燃焼室が断熱化されている。断熱層は、これらの区画面の全てに設けてもよいし、これらの区画面の一部に設けてもよい。また、燃焼室を直接区画する壁面ではないが、吸気ポート18や排気ポート19における、燃焼室の天井面側の開口近傍のポート壁面に断熱層を設けてもよい。   The combustion chamber is defined by the wall surface of the cylinder 11, the crown surface of the piston 15, the lower surface (ceiling surface) of the cylinder head 13, and the valve head surfaces of the intake valve 21 and the exhaust valve 22. And in order to reduce a cooling loss, the combustion chamber is heat-insulated by providing a heat insulation layer in each of these surfaces. A heat insulation layer may be provided in all of these section screens, and may be provided in a part of these section screens. Further, a heat insulating layer may be provided on the port wall surface in the vicinity of the opening on the ceiling surface side of the combustion chamber in the intake port 18 and the exhaust port 19, although it is not a wall surface that directly partitions the combustion chamber.

燃焼室の断熱構造について、さらに詳細に説明する。燃焼室の断熱構造は、上述の如く、燃焼室を区画する各区画面に設けた断熱層によって構成されるが、これらの断熱層は、燃焼室内の燃焼ガスの熱が、区画面を通じて放出されることを抑制するため、燃焼室を構成する金属製の母材よりも熱伝導率が低く設定される。ここで、気筒11の壁面に設けた断熱層については、シリンダブロック12が母材であり、ピストン15の冠面に設けた断熱層についてはピストン15が母材であり、シリンダヘッド13の天井面に設けた断熱層については、シリンダヘッド13が母材であり、吸気弁21及び排気弁22それぞれのバルブヘッド面に設けた断熱層については、吸気弁21及び排気弁22がそれぞれ母材である。したがって、母材の材質は、シリンダブロック12、シリンダヘッド13及びピストン15については、アルミニウム合金や鋳鉄となり、吸気弁21及び排気弁22については、耐熱鋼や鋳鉄等となる。   The heat insulation structure of the combustion chamber will be described in more detail. As described above, the heat insulating structure of the combustion chamber is configured by the heat insulating layers provided on the respective screens that divide the combustion chamber. These heat insulating layers release the heat of the combustion gas in the combustion chamber through the screen. In order to suppress this, the thermal conductivity is set lower than that of the metal base material constituting the combustion chamber. Here, for the heat insulating layer provided on the wall surface of the cylinder 11, the cylinder block 12 is the base material, and for the heat insulating layer provided on the crown surface of the piston 15, the piston 15 is the base material, and the ceiling surface of the cylinder head 13. The cylinder head 13 is a base material for the heat insulating layer provided on the intake valve 21 and the exhaust valve 22 is the base material for the heat insulating layers provided on the valve head surfaces of the intake valve 21 and the exhaust valve 22, respectively. . Accordingly, the base material is aluminum alloy or cast iron for the cylinder block 12, cylinder head 13 and piston 15, and heat-resistant steel or cast iron for the intake valve 21 and exhaust valve 22.

また、断熱層は、冷却損失を低減する上で、母材よりも容積比熱が小さいことが好ましい。つまり、燃焼室内のガス温度は燃焼サイクルの進行によって変動するが、燃焼室の断熱構造を有しない従来のエンジンは、シリンダヘッドやシリンダブロック内に形成したウォータージャケット内を冷却水が流れることにより、燃焼室を区画する面の温度は、燃焼サイクルの進行にかかわらず、概略一定に維持される。   In addition, the heat insulation layer preferably has a volumetric specific heat smaller than that of the base material in order to reduce cooling loss. In other words, the gas temperature in the combustion chamber fluctuates depending on the progress of the combustion cycle, but in a conventional engine that does not have a heat insulation structure of the combustion chamber, the cooling water flows through the water jacket formed in the cylinder head or cylinder block. The temperature of the surface defining the combustion chamber is maintained substantially constant regardless of the progress of the combustion cycle.

一方で、冷却損失は、冷却損失=熱伝達率×伝熱面積×(ガス温度−区画面の温度)によって決定されることから、ガス温度と壁面の温度との差温が大きくなればなるほど冷却損失は大きくなってしまう。冷却損失を抑制するためには、ガス温度と区画面の温度との差温は小さくすることが望ましいが、冷却水によって燃焼室の区画面の温度を概略一定に維持した場合、ガス温度の変動に伴い差温が大きくなることは避けられない。そこで、断熱層の熱容量を小さくして、燃焼室の区画面の温度が、燃焼室内のガス温度の変動に追従して変化するようにすることが好ましい。   On the other hand, since the cooling loss is determined by cooling loss = heat transfer coefficient × heat transfer area × (gas temperature−temperature of the section screen), the cooling temperature increases as the temperature difference between the gas temperature and the wall surface temperature increases. The loss will increase. In order to suppress cooling loss, it is desirable to reduce the difference between the gas temperature and the temperature of the section screen. However, if the temperature of the section screen of the combustion chamber is maintained approximately constant by cooling water, the fluctuation of the gas temperature Along with this, it is inevitable that the temperature difference increases. Therefore, it is preferable to reduce the heat capacity of the heat insulating layer so that the temperature of the section screen of the combustion chamber changes following the fluctuation of the gas temperature in the combustion chamber.

前記断熱層は、例えば、母材上にZrO等のセラミック材料をプラズマ溶射によってコーティングして形成すればよい。このセラミック材料の中には、多数の気孔を含んでいてもよい。このようにすれば、断熱層の熱伝導率及び容積比熱をより低くすることができる。 The heat insulation layer may be formed, for example, by coating a ceramic material such as ZrO 2 on the base material by plasma spraying. The ceramic material may contain a number of pores. If it does in this way, the heat conductivity and volume specific heat of a heat insulation layer can be made lower.

また、本実施形態では、図1に示すように、熱伝導率が非常に低くて断熱性に優れかつ耐熱性にも優れたチタン酸アルミニウム製のポートライナ181を、シリンダヘッド13に一体的に鋳ぐるむことによって、吸気ポート18に断熱層を設けている。この構成は、新気が吸気ポート18を通過するときに、シリンダヘッド13から受熱して温度が上がることを抑制乃至回避し得る。これによって気筒11内に導入する新気の温度(初期のガス温度)が低くなるため、燃焼時のガス温度が低下し、ガス温度と燃焼室の区画面との差温を小さくする上で有利になる。燃焼時のガス温度を低下させることは熱伝達率を低くし得るから、そのことによる冷却損失の低減にも有利になる。尚、吸気ポート18に設ける断熱層の構成は、ポートライナ181の鋳ぐるみに限定されない。   Further, in the present embodiment, as shown in FIG. 1, a port liner 181 made of aluminum titanate having an extremely low thermal conductivity, excellent heat insulation, and excellent heat resistance is integrated with the cylinder head 13. A heat insulating layer is provided in the intake port 18 by casting. With this configuration, when fresh air passes through the intake port 18, it is possible to suppress or avoid an increase in temperature due to heat received from the cylinder head 13. As a result, the temperature of fresh air introduced into the cylinder 11 (initial gas temperature) is lowered, so that the gas temperature during combustion is lowered, which is advantageous in reducing the temperature difference between the gas temperature and the combustion chamber section screen. become. Lowering the gas temperature at the time of combustion can lower the heat transfer rate, which is advantageous for reducing the cooling loss. In addition, the structure of the heat insulation layer provided in the intake port 18 is not limited to the casting of the port liner 181.

本実施形態では、前記の燃焼室及び吸気ポート18の断熱構造に加えて、気筒内(燃焼室内)においてガス層による断熱層を形成することで、冷却損失を大幅に低減するようにしている。   In the present embodiment, in addition to the heat insulation structure of the combustion chamber and the intake port 18, a heat insulation layer is formed by a gas layer in the cylinder (combustion chamber), so that the cooling loss is greatly reduced.

具体的には、PCM100は、エンジン10の気筒内(燃焼室内)の外周部に新気を含むガス層が形成されかつ中心部に混合気層が形成されるように、圧縮行程以降においてインジェクタ34のノズル口から気筒内に燃料を噴射させるべく、燃料供給システム35の電気回路に噴射信号を出力する。すなわち、圧縮行程以降においてインジェクタ34により気筒内に燃料を噴射させかつその燃料噴霧のペネトレーションを、燃料噴霧が気筒内の外周部まで届かないような大きさ(長さ)に抑えることで、気筒内の中心部に混合気層が形成されかつその周囲に新気を含むガス層が形成されるという、成層化が実現する。このガス層は、新気のみであってもよく、新気に加えて、既燃ガス(EGRガス)を含んでいてもよい。尚、ガス層に少量の燃料が混じっても問題はなく、ガス層が断熱層の役割を果たせるように混合気層よりも燃料リーンであればよい。   Specifically, in the PCM 100, the injector 34 after the compression stroke is formed so that a gas layer containing fresh air is formed in the outer peripheral portion of the cylinder (combustion chamber) of the engine 10 and an air-fuel mixture layer is formed in the central portion. An injection signal is output to the electric circuit of the fuel supply system 35 in order to inject fuel into the cylinder from the nozzle opening of the nozzle. That is, fuel is injected into the cylinder by the injector 34 after the compression stroke, and the penetration of the fuel spray is suppressed to a size (length) that prevents the fuel spray from reaching the outer periphery of the cylinder. Stratification is realized in which an air-fuel mixture layer is formed at the center of the gas and a gas layer containing fresh air is formed around it. This gas layer may be only fresh air, and may contain burned gas (EGR gas) in addition to fresh air. It should be noted that there is no problem even if a small amount of fuel is mixed in the gas layer, and the fuel layer may be leaner than the gas mixture layer so that the gas layer can serve as a heat insulating layer.

前記のようにガス層と混合気層とが形成された状態で燃料が自己着火すれば、混合気層と気筒11の壁面との間のガス層により、混合気層の火炎が気筒11の壁面に接触することがなく、そのガス層が断熱層となって、気筒11の壁面からの熱の放出を抑えることができるようになる。この結果、冷却損失を大幅に低減することができる。   If the fuel self-ignites with the gas layer and the mixture layer formed as described above, the gas layer between the mixture layer and the wall surface of the cylinder 11 causes the flame of the mixture layer to become the wall surface of the cylinder 11. The gas layer serves as a heat insulating layer without being in contact with the gas, and the release of heat from the wall surface of the cylinder 11 can be suppressed. As a result, the cooling loss can be greatly reduced.

尚、冷却損失を低減させるだけでは、その冷却損失の低減分が排気損失に転換されて図示熱効率の向上にはあまり寄与しないところ、このエンジン10では、高圧縮比化に伴う高膨張比化によって、冷却損失の低減分に相当する燃焼ガスのエネルギを、機械仕事に効率よく変換している。すなわち、エンジン10は、冷却損失及び排気損失を共に低減させる構成を採用することによって、図示熱効率を大幅に向上させているということができる。
(エンジンの燃料噴射制御)
エンジン10は、全運転領域において、インジェクタ34により気筒内に噴射された燃料を自己着火燃焼させる。より詳しくは、エンジン10は、エンジン負荷が、図3に実線で示す所定の負荷(つまり、切替負荷)よりも低い低負荷及び中負荷の運転領域であって、通常の自己着火燃焼を行う通常運転領域Aと、通常運転領域Aよりも高負荷側の運転領域であって、リタードさせた自己着火燃焼を行うリタード運転領域Bとを有している。リタード運転領域Bは、切替負荷以上の運転領域と言い換えることが可能である。通常運転領域Aは、後述するように、負荷の高低について領域A1と領域A2とに分割され、リタード運転領域Bは、負荷の高低について領域B1と領域B2とに分割される。
It should be noted that reducing the cooling loss only converts the reduced cooling loss into an exhaust loss and does not contribute much to the improvement in the illustrated thermal efficiency. The energy of the combustion gas corresponding to the reduced cooling loss is efficiently converted into mechanical work. That is, it can be said that the illustrated thermal efficiency is greatly improved in the engine 10 by adopting a configuration that reduces both the cooling loss and the exhaust loss.
(Engine fuel injection control)
The engine 10 self-ignites and burns the fuel injected into the cylinder by the injector 34 in the entire operation region. More specifically, the engine 10 is a low load / medium load operating region in which the engine load is lower than a predetermined load (that is, a switching load) indicated by a solid line in FIG. The operation region A has a higher load side operation region than the normal operation region A, and includes a retard operation region B that performs retarded self-ignition combustion. The retard operation region B can be rephrased as an operation region that is greater than or equal to the switching load. As will be described later, the normal operation region A is divided into a region A1 and a region A2 for the load level, and the retard operation region B is divided into a region B1 and a region B2 for the load level.

図4は、通常運転領域A及びリタード運転領域Bにおける燃料噴射時期及び燃焼期間を例示している。図4にはまた、通常運転領域A及びリタード運転領域BにおけるEGR率の変化を例示している(右図)。図4はさらにリタード運転領域B内の所定負荷における、気筒11内の温度変化を例示している(上図)。   FIG. 4 illustrates the fuel injection timing and the combustion period in the normal operation region A and the retard operation region B. FIG. 4 also illustrates changes in the EGR rate in the normal operation region A and the retard operation region B (right diagram). FIG. 4 further illustrates a temperature change in the cylinder 11 at a predetermined load in the retard operation region B (upper diagram).

図4に示すように、通常運転領域Aでは、圧縮上死点前に、複数回(図例では4回)の燃料噴射(つまり、主噴射)を行うと共に、圧縮上死点付近で燃料を自己着火燃焼させる。PCM100は、エンジン回転数、エンジン負荷及び有効圧縮比に応じて、燃料量、燃料の噴射タイミング、燃料の噴射形態を調整する。燃料噴射は、ATDC−15°〜−5°CAの範囲で行うようにしてもよい。こうすることで、煤の発生を回避しつつ、圧縮上死点付近で主燃焼を開始することが可能になる。   As shown in FIG. 4, in the normal operation region A, fuel injection (that is, main injection) is performed a plurality of times (that is, four times in the example) before the compression top dead center, and fuel is injected near the compression top dead center. Self-igniting and burning. The PCM 100 adjusts the fuel amount, the fuel injection timing, and the fuel injection mode according to the engine speed, the engine load, and the effective compression ratio. The fuel injection may be performed in the range of ATDC-15 ° to -5 ° CA. In this way, it is possible to start main combustion near the compression top dead center while avoiding the generation of soot.

通常運転領域Aでは、気筒内(燃焼室内)全体の空気過剰率λが2.5以上(又は、気筒内におけるガスの燃料に対する重量比G/Fが35以上)に設定される。これにより、断熱層による断熱化を図って図示熱効率を向上させながら、RawNOxを低減することができる。空気過剰率λ=8で図示熱効率がピークになることから、空気過剰率λの範囲としては、2.5≦λ≦8が好ましい。通常運転領域Aは、空気過剰率λを2.5以上にすることから、リーン領域と呼ぶことが可能である。   In the normal operation region A, the excess air ratio λ in the entire cylinder (combustion chamber) is set to 2.5 or more (or the weight ratio G / F of gas to fuel in the cylinder is 35 or more). Thereby, RawNOx can be reduced while achieving thermal insulation by the heat insulation layer and improving the illustrated thermal efficiency. Since the illustrated thermal efficiency peaks when the excess air ratio λ = 8, the range of excess air ratio λ is preferably 2.5 ≦ λ ≦ 8. The normal operation region A can be called a lean region because the excess air ratio λ is 2.5 or more.

また、通常運転領域Aでは、スロットル弁33の開度を全開に設定する。これは、ポンプ損失の低減による図示熱効率の向上に寄与する。   In the normal operation region A, the opening degree of the throttle valve 33 is set to fully open. This contributes to the improvement of the indicated thermal efficiency by reducing the pump loss.

このように通常運転領域Aでは、空気過剰率λを2.5以上に設定するが、エンジン10の負荷が高まって燃料量が増えたときには、空気過剰率λを2.5以上にすることが困難になり得る。そこで、このエンジン10では、エンジン10の負荷が相対的に高いリタード運転領域Bでは、空気過剰率λを1にする。リタード運転領域Bにおいては、三元触媒を利用して排気エミッション性能を良好に維持することが可能になる。リタード運転領域Bは、空気過剰率λを1にすることから、λ=1領域と呼ぶことができる。   As described above, in the normal operation region A, the excess air ratio λ is set to 2.5 or more. However, when the load on the engine 10 increases and the amount of fuel increases, the excess air ratio λ may be set to 2.5 or more. Can be difficult. Therefore, in this engine 10, the excess air ratio λ is set to 1 in the retard operation region B where the load of the engine 10 is relatively high. In the retard operation region B, it becomes possible to maintain good exhaust emission performance using a three-way catalyst. The retard operation region B can be called the λ = 1 region because the excess air ratio λ is 1.

リタード運転領域Bは、エンジン10の負荷の高低について、低負荷側の領域B1と高負荷側の領域B2とに区分される。このうち、低負荷側の領域B1では、圧縮上死点前の前段噴射と、その前段噴射後、より正確には圧縮上死点後の主噴射とを実行する。   The retard operation region B is divided into a low load side region B1 and a high load side region B2 with respect to the load level of the engine 10. Among these, in the low load side region B1, the pre-injection before the compression top dead center and the main injection after the compression top dead center are executed after the pre-stage injection.

前段噴射は、図4に例示するように、圧縮上死点前の、例えば20°CA程度の時期に行う。これは、図4に示す煤の発生領域から外れた時期である。前段噴射によって気筒11内に噴射する燃料量は、熱炎反応に至らずに酸化反応をする程度の、比較的少量である。この前段噴射によって噴射された燃料は、熱炎反応に至らずに酸化反応をすることにより(つまり、部分酸化反応により)、圧縮上死点での気筒11内の温度が調整される。前段噴射の噴射量が多くなるほど、圧縮端温度は高くなる。従って、圧縮端温度が所望の温度となるような量の燃料が、前段噴射によって気筒11内に噴射される。   As illustrated in FIG. 4, the pre-stage injection is performed at a time of, for example, about 20 ° CA before compression top dead center. This is the time when the region deviated from the wrinkle generation region shown in FIG. The amount of fuel injected into the cylinder 11 by the pre-injection is a relatively small amount that causes an oxidation reaction without reaching a hot flame reaction. The fuel injected by this pre-stage injection undergoes an oxidation reaction without reaching a thermal flame reaction (that is, by a partial oxidation reaction), thereby adjusting the temperature in the cylinder 11 at the compression top dead center. The compression end temperature increases as the injection amount of the upstream injection increases. Therefore, an amount of fuel such that the compression end temperature becomes a desired temperature is injected into the cylinder 11 by the pre-injection.

圧縮上死点以降、膨張行程が進行するに従い、モータリング時には、気筒11内の温度は次第に低下するものの、前段噴射によって、圧縮端温度を適度に高めておくことで、圧縮上死点以降の筒内温度が所定以下に低下することを抑制することが可能になる。つまり、前段噴射は、筒内温度が高くなり過ぎることを防止しつつ、圧縮上死点以降の筒内温度を維持するためのものである。この前段噴射により、圧縮上死点以降の混合気は、温度変化が所定の温度幅内に抑制された状態で膨張、即ち、実質的に等温膨張する。本明細書では、この実質的な等温膨張のことを単に「等温膨張」という。   As the expansion stroke progresses after the compression top dead center, the temperature in the cylinder 11 gradually decreases during motoring. However, by appropriately increasing the compression end temperature by the pre-stage injection, the temperature after the compression top dead center is reached. It is possible to suppress the in-cylinder temperature from falling below a predetermined level. That is, the pre-stage injection is for maintaining the in-cylinder temperature after the compression top dead center while preventing the in-cylinder temperature from becoming too high. By this pre-stage injection, the air-fuel mixture after compression top dead center expands, that is, substantially isothermally expands in a state in which the temperature change is suppressed within a predetermined temperature range. In this specification, this substantially isothermal expansion is simply referred to as “isothermal expansion”.

主噴射は、エンジントルクを生成する主燃焼(1サイクル中で最も大きな熱量を発生させる燃焼)を生じさせるための噴射である。前段噴射及び主噴射の全噴射量は、筒内全体の空気過剰率λが1となるように設定される。主噴射は、圧縮上死点後の所定の時期に行われる。これは煤の発生領域から外れた時期であると共に、圧縮上死点以降の気筒内の温度が所定の温度幅に収まる期間において燃料が圧縮自己着火し得る時期に相当する。ここで、着火とは、燃料の燃焼質量割合が10%以上となった時点を意味する。主噴射は、圧縮上死点以降であって、膨張行程中(より詳しくは、膨張行程を初期、中期、終期に3等分したときの初期)に実行される。主噴射は、トルクを発生させる主燃焼を生じさせるものであるので、必要なトルクに見合った燃料を噴射する必要がある。例えば、主噴射では、前段噴射による噴射量と主噴射による噴射量とを合わせた全噴射量のうち3/4以上の燃料を噴射することが好ましい。   The main injection is an injection for generating main combustion that generates engine torque (combustion that generates the largest amount of heat in one cycle). The total injection amounts of the upstream injection and the main injection are set so that the excess air ratio λ of the entire cylinder is 1. The main injection is performed at a predetermined time after the compression top dead center. This is a time when the fuel is out of the soot generation region and corresponds to a time when the fuel can be subjected to compression self-ignition in a period in which the temperature in the cylinder after the compression top dead center falls within a predetermined temperature range. Here, ignition means a point in time when the combustion mass ratio of the fuel becomes 10% or more. The main injection is executed after the compression top dead center and during the expansion stroke (more specifically, the initial stage when the expansion stroke is divided into three equal parts in the initial, middle and final stages). Since the main injection causes main combustion that generates torque, it is necessary to inject fuel corresponding to the required torque. For example, in the main injection, it is preferable to inject 3/4 or more of the total injection amount including the injection amount by the pre-stage injection and the injection amount by the main injection.

こうして、リタード運転領域Bにおける低負荷側の領域B1では、図4に示すように、その圧縮自己着火燃焼の期間を、通常運転領域Aでの燃焼期間よりも遅角している。圧縮自己着火燃焼の燃焼期間は、モータリング時の圧力上昇率が負の最大値となる時点と重複するまで、又は、圧縮自己着火燃焼の燃焼中心が負の圧縮上昇率が大きい期間(つまり、圧縮上死点後10〜20°CA)と重複するまで、遅角させる。以下、着火時期をリタードさせる自己着火燃焼を「リタード自己着火燃焼」と称する場合がある。このリタード自己着火燃焼により、燃焼騒音が増大してしまうことが回避される。   Thus, in the low load side region B1 in the retard operation region B, the compression self-ignition combustion period is delayed from the combustion period in the normal operation region A as shown in FIG. The combustion period of compression auto-ignition combustion overlaps with the time point at which the pressure increase rate during motoring becomes a negative maximum value, or the period during which the combustion center of compression auto-ignition combustion has a large negative compression increase rate (that is, The angle is delayed until it overlaps with 10-20 ° CA after compression top dead center. Hereinafter, the self-ignition combustion that retards the ignition timing may be referred to as “retard self-ignition combustion”. This retarded self-ignition combustion avoids an increase in combustion noise.

このように主燃焼をリタードさせる場合、リタードできる期間には限界がある。つまり、膨張行程が進むと、筒内の容積の増大に伴って筒内温度が低下するので、主燃焼をリタードさせ過ぎると失火してしまう。膨張行程における筒内温度の低下速度は、圧縮比が高いほど速い。そのため、圧縮比が高いほど、リタード可能な期間が短くなる。しかしながら、前記前段噴射により圧縮上死点以降の筒内温度を維持することによって、主燃焼をリタードできる期間を拡大することができる。   When the main combustion is retarded in this way, there is a limit to the period during which the retard can be performed. That is, as the expansion stroke progresses, the in-cylinder temperature decreases with an increase in the in-cylinder volume. If the main combustion is retarded too much, a misfire occurs. The lowering speed of the in-cylinder temperature in the expansion stroke is faster as the compression ratio is higher. Therefore, the higher the compression ratio, the shorter the retardable period. However, the period during which the main combustion can be retarded can be extended by maintaining the in-cylinder temperature after compression top dead center by the pre-stage injection.

ただし、圧縮上死点以降の筒内温度を高くする際に、筒内温度を高くし過ぎると、主噴射により噴射した燃料が筒内の空気と混ざり切る前に局所的に着火してしまい、煤を発生させる虞がある。しかし、前段噴射によれば、圧縮上死点以降の筒内温度の変動が所定の温度幅内に抑制されるので、筒内温度の過度な上昇も抑制される。その結果、主噴射による燃料が局所的に着火して煤が発生してしまうことを抑制することができる。   However, when increasing the in-cylinder temperature after compression top dead center, if the in-cylinder temperature is too high, the fuel injected by the main injection will ignite locally before mixing with the air in the cylinder, There is a risk of causing wrinkles. However, according to the pre-stage injection, the fluctuation of the in-cylinder temperature after the compression top dead center is suppressed within a predetermined temperature range, so that an excessive increase in the in-cylinder temperature is also suppressed. As a result, it is possible to suppress the occurrence of soot by locally igniting the fuel from the main injection.

従って、前記「所定の温度幅」の上限値は、主噴射による燃料が筒内の空気に混合される前に着火してしまう温度未満の温度である。所定の温度幅の下限値は、圧縮上死点における筒内温度を、モータリングを行うことで低下させた温度よりも高い温度である。つまり、前段噴射によって、圧縮上死点から主燃焼が生じるまでの筒内温度は、主噴射による燃料が筒内の空気に混合される前に着火する温度未満であって、圧縮上死点における筒内温度を、モータリングを行うことで低下させた温度よりも高い温度に維持される。例えば、「所定の温度幅」は、100度である。より具体的には、圧縮上死点から主燃焼が生じるまでの筒内温度は、1000〜1100Kに維持される。   Therefore, the upper limit of the “predetermined temperature range” is a temperature lower than the temperature at which the fuel from the main injection ignites before being mixed with the air in the cylinder. The lower limit value of the predetermined temperature range is a temperature higher than the temperature at which the in-cylinder temperature at the compression top dead center is reduced by performing motoring. That is, the in-cylinder temperature from the compression top dead center to the occurrence of main combustion by the pre-injection is lower than the temperature at which the fuel from the main injection ignites before being mixed with the air in the cylinder, and at the compression top dead center. The in-cylinder temperature is maintained at a temperature higher than the temperature reduced by performing motoring. For example, the “predetermined temperature range” is 100 degrees. More specifically, the in-cylinder temperature from the compression top dead center until the main combustion occurs is maintained at 1000 to 1100K.

このような、前段噴射と主噴射とを行ってリタード自己着火燃焼を行う低負荷側の領域B1に対し、リタード運転領域B内における高負荷側の領域B2では、圧縮上死点前の前段噴射と、圧縮上死点後の主噴射との間に、第2の前段噴射を行った上で、リタード自己着火燃焼を行う。これは、高負荷側の領域B2では、燃焼騒音を回避する目的から、圧縮自己着火燃焼の期間を、低負荷側の領域B1よりもさらに遅角させる必要があるが、圧縮自己着火燃焼の期間が、圧縮上死点から大きく遅れてしまうと、前述した前段燃焼によって気筒内の温度を維持しようとしても、温度が維持しきれずに低下してしまい、失火が生じる虞があるためである。つまり、第2の前段噴射は、圧縮上死点から主噴射の燃料が自己着火するまでの筒内温度を実質的に圧縮上死点における筒内温度のまま維持するための熱量を発生させるものであり、それによって、温度維持期間を調整する。   In contrast to the low load side region B1 in which the retarded self-ignition combustion is performed by performing the pre-stage injection and the main injection, the pre-stage injection before the compression top dead center is performed in the high load side region B2 in the retard operation region B. And the second pre-stage injection between the main injection after the compression top dead center and the retarded self-ignition combustion. In the high load region B2, it is necessary to further retard the compression self-ignition combustion period than the low load region B1 in order to avoid combustion noise. However, if there is a large delay from the compression top dead center, even if an attempt is made to maintain the temperature in the cylinder by the pre-stage combustion described above, the temperature may not be maintained and may be reduced, resulting in a misfire. In other words, the second pre-injection generates heat for maintaining the in-cylinder temperature from the compression top dead center until the main injection fuel self-ignites substantially at the in-cylinder temperature at the compression top dead center. And thereby adjusting the temperature maintenance period.

第2の前段噴射もまた、噴射した燃料を部分酸化反応させる空燃比となる量だけ燃料を噴射するものであって、圧縮上死点以降の筒内温度を所定の期間、主噴射による燃料が自己着火可能な温度に維持するためのものである。第2の前段噴射では、燃料が酸化反応するものの熱炎反応には至らないので、圧縮上死点以降の筒内温度の低下を抑制する程度の熱量しか発生しない。第2の前段噴射は、筒内温度が高くなり過ぎることを防止しつつ、圧縮上死点以降の筒内温度を維持するためのものである。この第2の前段噴射により、高負荷側の領域B2では、低負荷側の領域B1と比較して、圧縮上死点以降の温度維持期間が長くなる。   The second pre-stage injection also injects fuel by an amount that provides an air-fuel ratio that causes partial oxidation reaction of the injected fuel, and the in-cylinder temperature after compression top dead center is maintained for a predetermined period. It is for maintaining the temperature at which self-ignition is possible. In the second pre-stage injection, although the fuel undergoes an oxidation reaction but does not reach a hot flame reaction, only a quantity of heat that suppresses a decrease in in-cylinder temperature after compression top dead center is generated. The second pre-stage injection is for maintaining the in-cylinder temperature after the compression top dead center while preventing the in-cylinder temperature from becoming too high. By this second pre-stage injection, the temperature maintenance period after the compression top dead center becomes longer in the region B2 on the high load side than in the region B1 on the low load side.

そうして、高負荷側の領域B2では、主噴射の噴射時期を、低負荷側の領域B1での噴射時期よりも遅角する。但し、主噴射の時期は、膨張行程において筒内温度の変動が前記所定の温度幅内に収まっている間に燃料が着火するタイミングでかつ、主燃焼の燃焼期間がモータリング時の気筒内の圧力上昇率が負の最大値となる時点と重複するタイミングである。主噴射の時期を相対的に遅角することで、圧縮自己着火時期が遅れるようになり、その結果、圧縮自己着火燃焼の期間が、低負荷側の領域B1よりも遅角するようになる。こうして、高負荷側の領域B2においても、燃焼騒音を回避することが可能になる。   Thus, in the high load side region B2, the injection timing of the main injection is retarded from the injection timing in the low load side region B1. However, the timing of the main injection is the timing at which the fuel is ignited while the variation in the in-cylinder temperature is within the predetermined temperature range in the expansion stroke, and the combustion period of the main combustion is in the cylinder during motoring. This is the same timing as when the pressure increase rate reaches the maximum negative value. By relatively retarding the timing of main injection, the compression self-ignition timing is delayed, and as a result, the period of compression self-ignition combustion is retarded relative to the low load side region B1. Thus, it is possible to avoid combustion noise even in the high load region B2.

第2の前段噴射の噴射量は、エンジン10の負荷が高まるに従い増量する。負荷が高くなるほど、燃焼期間を遅らせるために主噴射のタイミングも遅くする必要があるため、第2の前段噴射の噴射量を増やすことによって、圧縮上死点後の、所定温度を維持する期間を長くする。これにより、第2の前段噴射の噴射開始時期はエンジン10の負荷の高低に対してほとんど変化しないものの、その噴射終了時期はエンジン10の負荷が高くなるほど遅くなる。   The injection amount of the second upstream injection increases as the load on the engine 10 increases. As the load increases, the timing of the main injection needs to be delayed in order to delay the combustion period. Therefore, by increasing the injection amount of the second pre-stage injection, the period for maintaining the predetermined temperature after the compression top dead center is increased. Lengthen. Thereby, although the injection start timing of the second front stage injection hardly changes with the load of the engine 10, the injection end timing becomes later as the load of the engine 10 becomes higher.

主噴射の噴射開始時期は、エンジン10の負荷が高まるに従い次第に遅角する。これは、圧縮自己着火燃焼の期間を遅角させること、及び、第2の前段噴射の噴射終了時期が遅くなることに対応している。また、エンジントルクに寄与する主噴射は、エンジン10の負荷が高まるに従い増量する。   The injection start timing of the main injection is gradually retarded as the load on the engine 10 increases. This corresponds to delaying the period of compression self-ignition combustion and delaying the injection end timing of the second pre-stage injection. The main injection that contributes to the engine torque increases as the load on the engine 10 increases.

これに対し、前段噴射は、その噴射量及び噴射時期共に、リタード運転領域Bの全域に亘って、エンジン10の負荷の高低に対し、ほぼ一定である。   On the other hand, the pre-stage injection is substantially constant with respect to the load of the engine 10 over the entire retard operation region B, both in the injection amount and the injection timing.

尚、高負荷側の領域B2においても、前段噴射、第2の前段噴射及び主噴射の全噴射量は、筒内全体の空気過剰率λが1となるように設定されている。前段噴射による噴射量は、全噴射量の5%程度であり、第2の前段噴射による噴射量は、全噴射量の15%程度である。主噴射の噴射量は、全噴射量の80%程度である。   Even in the high load side region B2, the total injection amounts of the pre-stage injection, the second pre-stage injection, and the main injection are set so that the excess air ratio λ of the entire cylinder becomes 1. The injection amount by the front injection is about 5% of the total injection amount, and the injection amount by the second front injection is about 15% of the total injection amount. The injection amount of the main injection is about 80% of the total injection amount.

図4に示す上図は、前段噴射、第2の前段噴射及び主噴射を行う、高負荷側の領域B2での気筒11内の温度変化の一例を示している(実線を参照)。前述の通り、前段噴射によって気筒11内に噴射された燃料は圧縮端温度を調整すると共に、圧縮上死点後の第2の燃料噴射により気筒11内に噴射された燃料は部分酸化反応により、圧縮上死点後の気筒11内の温度を所定の範囲に維持する期間を延長する。尚、破線は、モータリング時における、圧縮上死点後の気筒11内の温度変化を示している。そうして、主噴射によって気筒内に噴射された燃料は、所定の時期に圧縮自己着火し、燃焼することになる。   The upper diagram shown in FIG. 4 shows an example of a temperature change in the cylinder 11 in the high-load region B2 in which the front injection, the second front injection, and the main injection are performed (see the solid line). As described above, the fuel injected into the cylinder 11 by the pre-injection adjusts the compression end temperature, and the fuel injected into the cylinder 11 by the second fuel injection after the compression top dead center is caused by the partial oxidation reaction. The period during which the temperature in the cylinder 11 after the compression top dead center is maintained within a predetermined range is extended. The broken line indicates the temperature change in the cylinder 11 after compression top dead center during motoring. Thus, the fuel injected into the cylinder by the main injection is compressed and ignited at a predetermined time and burned.

尚、図4に一点鎖線で囲まれた、通常運転領域Aとリタード運転領域Bとの切替負荷に隣接する燃焼遷移領域では、前述した、通常運転領域Aにおける圧縮上死点前の複数回の燃料噴射と、リタード運転領域Bにおける低負荷側の領域B1での前段噴射及び主噴射とが、実行される。   In addition, in the combustion transition region adjacent to the switching load between the normal operation region A and the retard operation region B and surrounded by the one-dot chain line in FIG. 4, a plurality of times before the compression top dead center in the normal operation region A described above. Fuel injection and pre-injection and main injection in the low load side region B1 in the retard operation region B are performed.

また、リタード運転領域Bでは、前述の通り、少なくとも前段噴射と主噴射とを行うことにより、圧縮着火燃焼の期間を遅角させているものの、必要に応じて、主噴射の後に、オゾン発生器36によって気筒11内にオゾンを添加してもよい(図4参照)。すなわち、PCM100は、前段噴射及び主噴射をインジェクタ34に行わせた後、オゾン発生器36にオゾンを発生させる。主噴射によって気筒11内に噴射された燃料は、オゾンによってエネルギが付与され、容易に自己着火燃焼する。つまり、オゾンは、燃料の自己着火燃焼をアシストする。   In the retard operation region B, as described above, at least the pre-injection and the main injection are performed to retard the period of compression ignition combustion, but if necessary, after the main injection, the ozone generator Ozone may be added into the cylinder 11 by 36 (see FIG. 4). That is, the PCM 100 causes the ozone generator 36 to generate ozone after causing the injector 34 to perform the pre-injection and the main injection. The fuel injected into the cylinder 11 by the main injection is given energy by ozone and is easily self-ignited and combusted. That is, ozone assists the self-ignition combustion of fuel.

前段噴射(及び第2の前段噴射)によれば、圧縮上死点以降の筒内温度の低下を抑制できるため、自己着火燃焼をリタードできる期間を延長することができる。しかしながら、リタードできる期間を延長できたとしても限界がある。それに対し、オゾンを添加することによって、オゾンの添加が無ければ着火が困難又は着火が不可能な時点まで着火時期をリタードさせたとしても燃料を自己着火させることができる。オゾン添加は、自己着火燃焼をリタードさせる際のリタード期間を拡大することを可能にする。   According to the pre-stage injection (and the second pre-stage injection), it is possible to suppress the decrease in the in-cylinder temperature after the compression top dead center, and therefore it is possible to extend the period during which the self-ignition combustion can be retarded. However, there is a limit even if the period of retarding can be extended. On the other hand, by adding ozone, the fuel can be self-ignited even if the ignition timing is retarded to a point where ignition is difficult or impossible without addition of ozone. The addition of ozone makes it possible to extend the retarding period when retarding autoignition combustion.

オゾン添加は、常時行ってもよい。オゾン添加によって、前段噴射及び第2の前段噴射の噴射量を減らすことが可能になる。また、オゾン添加は、圧縮上死点以降の筒内温度が所定の温度を下回ったときに限り、実行してもよい。この所定の温度は、オゾン添加が無くても、燃料の自己着火燃焼が可能な温度である。つまり、前述したように、圧縮上死点から主噴射による燃料が着火するまでの筒内温度の変動を前段噴射によって所定の温度幅に維持する際の下限値に相当する温度である。つまり、圧縮上死点以降の筒内温度を前段噴射によって維持するだけでは主噴射による燃料の自己着火燃焼が困難な状況において、オゾンを添加してもよい。   Ozone addition may be performed constantly. By adding ozone, it is possible to reduce the injection amounts of the first-stage injection and the second-stage injection. The ozone addition may be executed only when the in-cylinder temperature after compression top dead center is lower than a predetermined temperature. This predetermined temperature is a temperature at which self-ignition combustion of the fuel can be performed without adding ozone. That is, as described above, this is a temperature corresponding to the lower limit value when the in-cylinder temperature fluctuation from the compression top dead center until the fuel is ignited by the main injection is maintained within a predetermined temperature range by the pre-stage injection. That is, ozone may be added in a situation where it is difficult to perform self-ignition combustion of fuel by main injection only by maintaining the in-cylinder temperature after compression top dead center by pre-stage injection.

オゾン添加はまた、リタード運転領域Bにおける高負荷側の領域B2においてのみ行うようにしてもよいし、リタード運転領域Bの全域に亘って行ってもよい。   Ozone addition may be performed only in the high load side region B2 in the retard operation region B, or may be performed over the entire retard operation region B.

また、オゾン発生器36によって発生するオゾンの濃度は、例えばエンジン10の負荷が高いほど高くしてもよい。オゾンの濃度が高いほど、自己着火燃焼のアシストは強くなり、気筒内の温度が低くても、自己着火が可能になる、又は、着火時期が早くなる。一方、オゾン濃度を高くすることは、燃費の悪化や、エンジン10の腐食には不利である。そこで、必要最低限のオゾンを添加するように、オゾンの濃度は、エンジン10の負荷が高いほど高くしてもよい。   Further, the concentration of ozone generated by the ozone generator 36 may be increased, for example, as the load on the engine 10 is higher. The higher the concentration of ozone, the stronger the assist of self-ignition combustion, and the self-ignition becomes possible or the ignition timing is advanced even if the temperature in the cylinder is low. On the other hand, increasing the ozone concentration is disadvantageous for fuel consumption deterioration and engine 10 corrosion. Therefore, the concentration of ozone may be increased as the load on the engine 10 is higher so that the minimum amount of ozone is added.

オゾンの添加時期は、エンジン10の負荷が高いほど遅くしてもよい。図4の右図に示すように、オゾンの添加時期を遅くするほど、主燃焼の着火時期は遅くなる。そのため、圧縮自己着火燃焼の期間の遅角量に対応するように、オゾンの添加時期を遅らせてもよい。こうすることで、圧縮自己着火燃焼の期間を、エンジン10の負荷に対応した適切な時期に設定することが可能になる。   The ozone addition time may be delayed as the load on the engine 10 increases. As shown in the right diagram of FIG. 4, the ignition timing of the main combustion is delayed as the ozone addition timing is delayed. Therefore, the ozone addition timing may be delayed so as to correspond to the retard amount of the compression self-ignition combustion period. By doing so, it is possible to set the compression self-ignition combustion period to an appropriate time corresponding to the load of the engine 10.

(エンジンのEGR制御)
次に、エンジン10のEGR制御(吸気充填量制御)について説明をする。先ず、通常運転領域Aは、エンジン負荷の高低に対して、低負荷側の領域A1と、高負荷側の領域A2とに区分される。低負荷側の領域A1(つまり、リーン領域内における所定の低負荷側領域に対応)では、エンジン10の負荷が低いことから燃焼安定性を確保するために、高圧EGRシステム51及び低圧EGRシステム52を通じた排気ガスの還流は行わない。一方、高負荷側の領域A2では、高圧EGRシステム51及び低圧EGRシステム52を通じて排気ガスの還流を行う。高圧EGRシステム51による排気ガスの還流量と、低圧EGRシステム52による排気ガスの還流量との割合は、エンジン10の運転状態に応じて適宜設定される。前述したように、高圧EGRシステム51及び低圧EGRシステム52はそれぞれ、EGRクーラ512、522を含むことから、いずれのシステム51、52を通じて還流した排気ガスも、冷却した排気ガスとなる。
(Engine EGR control)
Next, EGR control (intake charge amount control) of the engine 10 will be described. First, the normal operation region A is divided into a low load side region A1 and a high load side region A2 with respect to the engine load level. In the low load side region A1 (that is, corresponding to a predetermined low load side region in the lean region), since the load of the engine 10 is low, the high pressure EGR system 51 and the low pressure EGR system 52 are used to ensure combustion stability. The exhaust gas does not recirculate through the air. On the other hand, in the high load side region A2, the exhaust gas is recirculated through the high pressure EGR system 51 and the low pressure EGR system 52. The ratio of the exhaust gas recirculation amount by the high pressure EGR system 51 and the exhaust gas recirculation amount by the low pressure EGR system 52 is appropriately set according to the operating state of the engine 10. As described above, since the high pressure EGR system 51 and the low pressure EGR system 52 include the EGR coolers 512 and 522, the exhaust gas recirculated through any of the systems 51 and 52 becomes the cooled exhaust gas.

図4の右図に実線で示すように、高負荷側の領域A2におけるEGR率は、所定の負荷までは所定値で一定にされる一方、所定の負荷から切替負荷までの間は、エンジン10の負荷が高まるに従い、EGR率が次第に高くなるように設定される。そうして、切替負荷においては、後述するように、リタード運転領域Bにおいて設定されるEGR率と一致する。但し、より正確には、高負荷側の領域A2においてEGR率は、切替負荷よりも低い負荷で、リタード運転領域Bにおいて設定されるEGR率と一致する。   As shown by the solid line in the right diagram of FIG. 4, the EGR rate in the region A2 on the high load side is constant at a predetermined value up to a predetermined load, while between the predetermined load and the switching load, the engine 10 As the load increases, the EGR rate is set to gradually increase. Thus, the switching load coincides with the EGR rate set in the retard operation region B as will be described later. However, more precisely, the EGR rate in the high load side region A2 matches the EGR rate set in the retard operation region B at a load lower than the switching load.

リタード運転領域Bでは、空気過剰率λが1になるように、エンジン負荷の高低に対応してEGR率が連続的に変化するよう設定される。通常運転領域A内においても、リタード運転領域Bに隣接する領域では、EGR率を連続的に変化させる。このことで、エンジン10の負荷が連続的に増減して、通常運転領域Aからリタード運転領域Bへと移行するとき、又は、リタード運転領域Bから通常運転領域Aへと移行するときに、EGR率を連続的に変化させることが可能になる。高圧EGRシステム51及び低圧EGRシステム52の応答性は低いため、EGR率を連続的に変化させることは、エンジン負荷の変化に対する追従性を高めて、排気エミッション性能の低下や、トルクショック等の発生を回避する上で有効になる。   In the retard operation region B, the EGR rate is set to continuously change so as to correspond to the engine load so that the excess air ratio λ becomes 1. Even in the normal operation region A, the EGR rate is continuously changed in the region adjacent to the retard operation region B. Thus, when the load of the engine 10 continuously increases and decreases and shifts from the normal operation region A to the retard operation region B, or when shifts from the retard operation region B to the normal operation region A, EGR The rate can be changed continuously. Since the responsiveness of the high pressure EGR system 51 and the low pressure EGR system 52 is low, continuously changing the EGR rate improves the followability to changes in the engine load, thereby reducing exhaust emission performance, generating torque shocks, etc. It becomes effective in avoiding.

また、高負荷側の領域A2における、所定の負荷までの領域では、前述したように、EGR率が、所定値で一定にされる。このEGR率は、リタード運転領域Bにおいて変化するEGR率の中間値に相当する。こうすることで、詳しくは後述するが、エンジン10の運転状態が変化して、通常運転領域Aからリタード運転領域Bへと移行したときに、EGR率のずれを小さくすることが可能になる。ここで、中間値は、リタード運転領域Bにおいて設定されるEGR率の最大値と最小値との間の値であればよく、最大値と最小値との中央値としてもよいが、中央値でなくてもよい。中間値は、適宜の値に設定することが可能である。   Further, in the region up to the predetermined load in the high load side region A2, the EGR rate is made constant at a predetermined value as described above. This EGR rate corresponds to an intermediate value of the EGR rate that changes in the retard operation region B. By doing this, as will be described in detail later, when the operating state of the engine 10 changes and shifts from the normal operation region A to the retard operation region B, it is possible to reduce the deviation of the EGR rate. Here, the intermediate value may be a value between the maximum value and the minimum value of the EGR rate set in the retard operation region B, and may be a median value between the maximum value and the minimum value. It does not have to be. The intermediate value can be set to an appropriate value.

尚、通常運転領域Aの高負荷側の領域A2においては、図5に二点鎖線で示すように、エンジン10の負荷が低下するに従い、EGR率を次第に低下させるようにしてもよい。   In the high load side region A2 of the normal operation region A, as indicated by a two-dot chain line in FIG. 5, the EGR rate may be gradually decreased as the load on the engine 10 decreases.

前述したように通常運転領域Aの全域に亘って、スロットル弁33の開度は全開に設定される。これにより、ポンプ損失が低減する。ここで、スロットル弁33の開度は全開にすることには、開度を実質的に全開にすることが含まれる。これは、高圧EGR通路510を通じて排気ガスを還流させることが可能となる程度の吸気負圧が発生するように、スロットル弁33を若干絞ることは許容するものである。   As described above, the opening degree of the throttle valve 33 is set to be fully open over the entire normal operation region A. This reduces pump loss. Here, making the opening degree of the throttle valve 33 fully open includes making the opening degree substantially fully open. This allows the throttle valve 33 to be slightly throttled so that the intake negative pressure is generated so that the exhaust gas can be recirculated through the high-pressure EGR passage 510.

リタード運転領域Bでは空気過剰率λを1にするが、そのときに、スロットル弁33の開度を全開にしたまま、エンジン10の負荷に応じて排気ガスの還流量を調整することにより、気筒11内に導入する新気量(正確には酸素量)を調整し、空気過剰率λを1にする。つまり、エンジン10の負荷が高くなるに従い、燃料量が増えてそれに見合う空気量も増えることから、EGR率は、図4の右図に示すように、エンジン10の負荷が高くなるに従い次第に低くなり、全開負荷でEGR率は0になる。これにより、リタード運転領域Bにおいては、ポンプ損失を低減して、図示熱効率の向上に有利になる。   In the retard operation region B, the excess air ratio λ is set to 1, but at that time, the recirculation amount of the exhaust gas is adjusted according to the load of the engine 10 while the opening degree of the throttle valve 33 is fully opened. 11 adjusts the amount of fresh air introduced into the air 11 (more precisely, the amount of oxygen), and sets the excess air ratio λ to 1. That is, as the load on the engine 10 increases, the amount of fuel increases and the amount of air commensurate with it increases, so the EGR rate gradually decreases as the load on the engine 10 increases as shown in the right diagram of FIG. The EGR rate becomes 0 at full open load. Thereby, in the retard operation area | region B, it becomes advantageous to the improvement of illustrated thermal efficiency by reducing pump loss.

ここで、このエンジンシステム1では、高圧EGR通路510及び低圧EGR通路520のそれぞれにおいて、EGRクーラ512、522が介設しており、排気ガスを冷却した上で、気筒11内に還流させる。このため、気筒11内の温度状態が高くなりすぎることが回避される。これは、リタード運転領域Bでは、主噴射による圧縮自己着火燃焼を緩慢にし、燃焼騒音の低減に有利になる。その結果、リタード運転領域Bにおける低負荷側の領域B1及び高負荷側の領域B2のそれぞれにおいて、圧縮自己着火燃焼の期間をできるだけ進角させることを可能にする。つまり、当該領域Bにおいて、燃費の向上に有利になる。また、圧縮自己着火燃焼の期間をできるだけ進角させることは、高負荷側の領域B2では、第2の前段噴射の燃料量を少なくすることを可能にする。このこともまた、主噴射の時期を進角可能にして燃費の向上に有利になると共に、主噴射の噴射量を増やすことが可能になる。これは、トルクの発生に有利になる。また、第2の前段噴射の燃料量を少なくすることは、第2の前段噴射が必要となる領域を縮小すると言い換えることができる。低負荷側の領域B1と高負荷側の領域B2とを比較したときには、自己着火燃焼の期間が進角している低負荷側の領域B1の方が燃費には有利であるため、高負荷側の領域B2が縮小することは、燃費の向上に有利である。   Here, in the engine system 1, EGR coolers 512 and 522 are interposed in each of the high pressure EGR passage 510 and the low pressure EGR passage 520 to cool the exhaust gas and return it to the cylinder 11. For this reason, it is avoided that the temperature state in the cylinder 11 becomes too high. In the retard operation region B, this slows down the compression self-ignition combustion by the main injection, which is advantageous for reducing combustion noise. As a result, in each of the low load side region B1 and the high load side region B2 in the retard operation region B, the period of the compression self-ignition combustion can be advanced as much as possible. That is, in the region B, it is advantageous for improving fuel consumption. Further, advancing the compression self-ignition combustion period as much as possible makes it possible to reduce the fuel amount of the second pre-stage injection in the high-load region B2. This also makes it possible to advance the timing of the main injection, which is advantageous for improving fuel efficiency, and can increase the injection amount of the main injection. This is advantageous for torque generation. In other words, reducing the amount of fuel in the second pre-injection can be paraphrased as reducing the area in which the second pre-injection is necessary. When comparing the low load side region B1 and the high load side region B2, the low load side region B1 in which the period of self-ignition combustion is advanced is more advantageous for fuel consumption. The reduction in the area B2 is advantageous in improving fuel consumption.

一方、通常運転領域A内において、リタード運転領域Bに隣接する高負荷側の領域においては、通常運転領域Aとリタード運転領域Bとの間の遷移をスムースにする観点から排気ガスを還流させているが、この領域においても、冷却した排気ガスを還流させることにより、自己着火燃焼が緩慢になり、燃焼騒音の低減に有利になる。その結果、燃焼騒音の回避が可能な通常運転領域Aを、高負荷側に拡大することに有利になる。   On the other hand, in the normal operation region A, in the high load side region adjacent to the retard operation region B, the exhaust gas is recirculated from the viewpoint of smoothing the transition between the normal operation region A and the retard operation region B. However, also in this region, by recirculating the cooled exhaust gas, the self-ignition combustion becomes slow, which is advantageous in reducing combustion noise. As a result, it is advantageous to expand the normal operation region A in which combustion noise can be avoided to the high load side.

また、通常運転領域A内における中負荷の領域では、EGR率を、リタード運転領域Bにおいて変化し得るEGR率の中間値に設定していることにより、例えば急加速等によって、エンジン10の負荷が急変して、図4の右図に破線の矢印で示すように、通常運転領域Aからリタード運転領域Bへと移行した直後に生じ得る、要求負荷に対応するEGR率との、ずれを小さくすることが可能になる。尚、EGR率のずれは、図4では、破線の矢印の先端と一点鎖線とのずれに相当する。エンジン10の負荷の変化に対し、高圧EGRシステム51及び低圧EGRシステム52の応答性は低い。リタード運転領域B内におけるEGR率のずれは、空気過剰率λのずれを招き、排気エミッション性能を低下させるものの、そのずれを小さくすることにより、排気エミッション性能の低下が、できるかぎり小さくなると共に、EGR率のずれがなくなるまでの時間を、できるだけ短くすることが可能になる。   Further, in the medium load region in the normal operation region A, the EGR rate is set to an intermediate value of the EGR rate that can change in the retard operation region B. Suddenly, as shown by the dashed arrow in the right diagram of FIG. 4, the deviation from the EGR rate corresponding to the required load that can occur immediately after the transition from the normal operation region A to the retard operation region B is reduced. It becomes possible. In FIG. 4, the deviation of the EGR rate corresponds to the deviation between the tip of the dashed arrow and the alternate long and short dash line. Responsiveness of the high pressure EGR system 51 and the low pressure EGR system 52 is low with respect to a change in the load of the engine 10. Although the deviation of the EGR rate in the retard operation region B causes the deviation of the excess air ratio λ and reduces the exhaust emission performance, by reducing the deviation, the deterioration of the exhaust emission performance becomes as small as possible, It is possible to shorten the time until the deviation of the EGR rate is eliminated as much as possible.

次に、図5に示すフローチャートを参照しながら、PCM100が実行する、前述したエンジン制御について説明をする。スタート後のステップS1では、アクセル開度センサ72、エンジン回転数センサ73、エアフローセンサ74、及び車速センサ71の各信号を読み込み、続くステップ2においてPCM100は、読み込んだ各信号に基づいて、吸気弁21及び排気弁22の位相角を設定する。   Next, the above-described engine control executed by the PCM 100 will be described with reference to the flowchart shown in FIG. In step S1 after the start, the signals of the accelerator opening sensor 72, the engine speed sensor 73, the airflow sensor 74, and the vehicle speed sensor 71 are read. In the subsequent step 2, the PCM 100 reads the intake valve based on the read signals. 21 and the phase angle of the exhaust valve 22 are set.

ステップS3でPCM100は、読み込んだアクセル開度と、エンジン回転数とに基づいて、エンジン10の運転領域を判定し、当該運転領域と各信号値とに基づいて、燃料噴射量及び燃料噴射時期をそれぞれ決定する(ステップS4)。   In step S3, the PCM 100 determines the operating region of the engine 10 based on the read accelerator opening and the engine speed, and determines the fuel injection amount and the fuel injection timing based on the operating region and each signal value. Each is determined (step S4).

また、ステップS5では、PCM100は、エンジン10の運転領域と各信号値とに基づいて、オゾンの発生量と、その時期とをそれぞれ決定し、続くステップS6で、PCM100は、エンジン10の負荷に基づいて設定される目標のEGR率を設定する。   In step S5, the PCM 100 determines the amount of ozone generated and the timing thereof based on the operating range of the engine 10 and each signal value. In the subsequent step S6, the PCM 100 determines the load on the engine 10. A target EGR rate is set based on the target.

こうして、前記のステップS2、S4〜S6において設定した、バルブ位相角、燃料噴射量及び燃料噴射時期、オゾン発生量及び発生時期、並びに、目標EGR率に従って、スロットル弁33、インジェクタ34、VVT23、排気シャッター弁43、高圧EGR弁511、低圧EGR弁521及びオゾン発生器36を制御することで、エンジン10を運転する。   Thus, according to the valve phase angle, fuel injection amount and fuel injection timing, ozone generation amount and generation timing, and target EGR rate set in steps S2, S4 to S6, the throttle valve 33, injector 34, VVT 23, exhaust gas The engine 10 is operated by controlling the shutter valve 43, the high pressure EGR valve 511, the low pressure EGR valve 521 and the ozone generator 36.

尚、前記の構成では、燃焼室及び吸気ポート18の断熱構造を採用するとともに、気筒内(燃焼室内)にガス層による断熱層を形成するようにしたが、燃焼室及び吸気ポート18の断熱構造を採用しないエンジンや、ガス層による断熱層を形成しないエンジンにも本技術を適用することができる。   In the above-described configuration, the heat insulating structure of the combustion chamber and the intake port 18 is adopted, and the heat insulating layer by the gas layer is formed in the cylinder (combustion chamber). The present technology can also be applied to an engine that does not employ a gas layer or an engine that does not form a heat insulating layer by a gas layer.

また、前記の構成では、ターボ過給機付きエンジンを例に、本技術を説明したが、ターボ過給機を備えない自然吸気エンジンに、本技術を適用することも可能である。自然吸気エンジンにおいては、低圧EGRシステム52は省略される。   In the above configuration, the present technology has been described by taking an engine with a turbocharger as an example. However, the present technology can also be applied to a naturally aspirated engine that does not include a turbocharger. In the naturally aspirated engine, the low pressure EGR system 52 is omitted.

また、圧縮上死点以降の筒内温度の変動が収められる温度幅は、100度に限られるものではない。燃料の異常燃焼を防止し且つリタードさせた自己着火燃焼を可能にする温度幅であれば、90度や110度等、それ以外の値であってもよい。   Further, the temperature range in which the variation in the in-cylinder temperature after the compression top dead center is accommodated is not limited to 100 degrees. Any other value such as 90 degrees or 110 degrees may be used as long as it is a temperature range that prevents abnormal combustion of the fuel and enables retarded self-ignition combustion.

同様に、筒内温度の変動が所定の温度幅に収められている間の筒内温度は、1000〜1100Kに限られるものではない。燃料の異常燃焼を防止し且つリタードさせた自己着火燃焼を可能にする温度であれば、950〜1100K、1000〜1150K、1100〜1200K等、それ以外の値であってもよい。   Similarly, the in-cylinder temperature while the variation in the in-cylinder temperature is within a predetermined temperature range is not limited to 1000 to 1100K. Other values such as 950 to 1100K, 1000 to 1150K, and 1100 to 1200K may be used as long as the temperature is such that the abnormal combustion of the fuel is prevented and the retarded self-ignition combustion is possible.

1 エンジンシステム
10 エンジン(エンジン本体)
11 気筒
100 PCM(制御器)
30 吸気通路
33 スロットル弁
34 インジェクタ(燃料噴射弁)
51 高圧EGRシステム(コールドEGR手段)
52 低圧EGRシステム(コールドEGR手段)
1 Engine system 10 Engine (engine body)
11 cylinder 100 PCM (controller)
30 Intake passage 33 Throttle valve 34 Injector (fuel injection valve)
51 High pressure EGR system (Cold EGR means)
52 Low pressure EGR system (Cold EGR means)

Claims (4)

幾何学的圧縮比が20以上に設定された気筒を有して構成されたエンジン本体と、
前記気筒内に、排気ガスの一部を冷却した上で還流させるよう構成されたコールドEGR手段と、
前記気筒内の混合気を圧縮自己着火燃焼させることにより、前記エンジン本体を運転するよう構成された制御器と、を備え、
前記制御器は、前記エンジン本体の運転状態が、中負荷に相当する所定の切替負荷よりも低いリーン領域にあるときには、前記気筒内の混合気の空気過剰率λを2.5以上にして圧縮自己着火燃焼させる一方、前記エンジン本体の運転状態が前記切替負荷以上のλ=1領域にあるときには、前記空気過剰率λを1にして圧縮自己着火燃焼させ、
前記制御器はまた、前記エンジン本体の運転領域の全負荷域で、前記気筒に連通する吸気通路上に設けたスロットル弁の開度を全開に設定すると共に、
前記リーン領域内における所定の低負荷側領域では、排気ガスの還流を行わない一方、
前記λ=1領域では、前記コールドEGR手段を通じて冷却した排気ガスを還流することにより、前記空気過剰率λを1にする圧縮自己着火エンジンの制御装置。
An engine body configured with a cylinder having a geometric compression ratio set to 20 or more;
Cold EGR means configured to recirculate after cooling a part of the exhaust gas in the cylinder;
A controller configured to operate the engine body by compressing self-ignition combustion of the air-fuel mixture in the cylinder, and
When the operating state of the engine body is in a lean region lower than a predetermined switching load corresponding to a medium load, the controller compresses the excess air ratio λ of the air-fuel mixture in the cylinder to 2.5 or more. On the other hand, when the operation state of the engine body is in the λ = 1 region equal to or higher than the switching load, the excess air ratio λ is set to 1, and the self-ignition combustion is performed.
The controller also sets the opening of the throttle valve provided on the intake passage communicating with the cylinder to be fully open in the full load range of the operation range of the engine body,
In a predetermined low load side region in the lean region, the exhaust gas is not recirculated,
In the λ = 1 region, the control device for a compression self-ignition engine that sets the excess air ratio λ to 1 by recirculating the exhaust gas cooled through the cold EGR means.
請求項1に記載の圧縮自己着火エンジンの制御装置において、
前記気筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁をさらに備え、
前記制御器は、
前記リーン領域では、圧縮上死点前に、全量の燃料噴射を前記燃料噴射弁に実行させ、
前記λ=1領域では、圧縮上死点前に、熱炎反応に至らずに酸化反応をする量の燃料を噴射することにより、圧縮上死点以降に、気筒内の温度の変動が所定の温度幅に収まる温度維持期間を設ける前段噴射と、当該前段噴射よりも後に燃料を噴射して、圧縮上死点以降であって、前記温度維持期間内に燃料を圧縮自己着火燃焼させる主噴射と、を前記燃料噴射弁に実行させ、
前記制御器はまた、前記λ=1領域では、前記エンジン本体の負荷の高低に応じてEGR率を変化させると共に、前記リーン領域内において、前記λ=1領域に隣接する所定の高負荷側領域では、前記λ=1領域の前記切替負荷において設定されているEGR率に近づくように、前記エンジン本体の負荷が高まるに従いEGR率を高くする圧縮自己着火エンジンの制御装置。
The control device for a compression self-ignition engine according to claim 1,
A fuel injection valve for injecting fuel into the cylinder;
The controller is
In the lean region, before the compression top dead center, the fuel injection valve performs the entire amount of fuel injection,
In the λ = 1 region, before the compression top dead center, by injecting an amount of fuel that causes an oxidation reaction without reaching a thermal flame reaction, the temperature variation in the cylinder after the compression top dead center is changed to a predetermined value. Pre-stage injection that provides a temperature maintenance period that falls within the temperature range; and main injection that injects fuel after the pre-stage injection and that is after compression top dead center and that performs compression self-ignition combustion within the temperature maintenance period. The fuel injection valve is executed,
The controller also changes an EGR rate in accordance with a load level of the engine body in the λ = 1 region, and a predetermined high load side region adjacent to the λ = 1 region in the lean region. Then, the control device for a compression self-ignition engine that increases the EGR rate as the load of the engine body increases so as to approach the EGR rate set in the switching load in the λ = 1 region.
請求項2に記載の圧縮自己着火エンジンの制御装置において、
前記制御器は、前記λ=1領域では、前記エンジン本体の負荷が高くなるに従いEGR率を低くし、
前記制御器はまた、前記λ=1領域における所定の高負荷側領域では、前記前段噴射と前記主噴射との間で、熱炎反応に至らずに酸化反応をする量の燃料を噴射して、前記温度維持期間の長さを調整する第2の前段噴射を行うと共に、前記主噴射の時期を、前記所定の高負荷側領域よりも負荷の低い領域での主噴射の時期に対し遅角させる圧縮自己着火エンジンの制御装置。
The control device for a compression self-ignition engine according to claim 2,
In the λ = 1 region, the controller decreases the EGR rate as the load on the engine body increases.
The controller also injects an amount of fuel that undergoes an oxidation reaction between the preceding injection and the main injection without causing a thermal flame reaction in a predetermined high load side region in the λ = 1 region. The second pre-stage injection for adjusting the length of the temperature maintenance period is performed, and the timing of the main injection is retarded with respect to the timing of the main injection in a region where the load is lower than the predetermined high load side region Control device for compression self-ignition engine.
請求項2又は3に記載の圧縮自己着火エンジンの制御装置において、
前記制御器は、前記リーン領域における前記所定の高負荷側領域と前記所定の低負荷側領域との間の負荷領域では、EGR率を、前記λ=1領域において変化するEGR率の中間値となるように設定する圧縮自己着火エンジンの制御装置。
In the control device of the compression self-ignition engine according to claim 2 or 3,
In the load region between the predetermined high load side region and the predetermined low load side region in the lean region, the controller sets an EGR rate to an intermediate value of an EGR rate that changes in the λ = 1 region. A control device for a compression self-ignition engine set to be
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