JP2018193987A - Control device for compression ignition type engine - Google Patents
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Abstract
Description
ここに開示する技術は、圧縮着火式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 ignition engine.
特許文献1には、低負荷低回転の所定領域において、燃焼室内の混合気を自己着火により燃焼させるエンジンが記載されている。このエンジンは、前記低負荷低回転の領域よりも負荷の高い領域、及び、前記低負荷低回転の領域よりも回転数の高い領域においては、火花点火により混合気を燃焼させる。
ところで、圧縮着火による燃焼は、比較的大きな燃焼騒音を発する。エンジンの回転数が高いときに、エンジンのNVH(Noise Vibration Harshness)が許容値を超えてしまう。 By the way, combustion by compression ignition generates a relatively large combustion noise. When the engine speed is high, the NVH (Noise Vibration Harshness) of the engine exceeds an allowable value.
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、圧縮着火式エンジンにおいてNVHを許容値以下に抑えながら、圧縮着火による燃焼を行うことにある。 The technology disclosed herein has been made in view of such a point, and an object thereof is to perform combustion by compression ignition while suppressing NVH below an allowable value in a compression ignition engine.
本願発明者らは、後述するように、SI(Spark Ignition)燃焼とCI(Compression Ignition)燃焼とを組み合わせる燃焼形態(SPCCI燃焼)を考えた。つまり、燃焼室の中の混合気に強制的に点火を行って、火炎伝播による燃焼を行うと共に、SI燃焼の発熱によって、燃焼室の中の未燃混合気が自己着火により燃焼する。 As described later, the inventors of the present application have considered a combustion mode (SPCCI combustion) that combines SI (Spark Ignition) combustion and CI (Compression Ignition) combustion. That is, the air-fuel mixture in the combustion chamber is forcibly ignited and burned by flame propagation, and the unburned air-fuel mixture in the combustion chamber is combusted by self-ignition due to the heat generated by SI combustion.
自己着火による燃焼においては、圧縮開始前の燃焼室の中の温度がばらつくと、自己着火のタイミングが大きく変化する。例えば自己着火のタイミングが早くなると、燃焼騒音が大きくなってしまうという問題がある。 In combustion by self-ignition, if the temperature in the combustion chamber before the start of compression varies, the self-ignition timing changes greatly. For example, if the timing of self-ignition is advanced, there is a problem that combustion noise increases.
SPCCI燃焼において、SI燃焼の発熱量を変更することによって、圧縮開始前の燃焼室の中の温度のばらつきを吸収することができる。圧縮開始前の燃焼室の中の温度に応じて、例えば点火タイミングの変更によってSI燃焼の開始タイミングを変更すれば、自己着火のタイミングをコントロールすることができる。 In SPCCI combustion, variation in temperature in the combustion chamber before the start of compression can be absorbed by changing the calorific value of SI combustion. If the start timing of SI combustion is changed by changing the ignition timing, for example, according to the temperature in the combustion chamber before the compression starts, the self-ignition timing can be controlled.
火炎伝播による燃焼は、圧力変動が相対的に小さいため、燃焼騒音の発生を抑制することが可能になる。また、CI燃焼を行うことにより、火炎伝播による燃焼よりも、燃焼期間が短縮し、燃費の向上に有利になる。従って、SI燃焼とCI燃焼とを組み合わせた燃焼形態は、燃焼騒音の発生を抑制しながら、燃費を向上させることができる。 Combustion by flame propagation can suppress the generation of combustion noise because the pressure fluctuation is relatively small. Also, by performing CI combustion, the combustion period is shortened and combustion efficiency is improved compared to combustion by flame propagation. Therefore, the combustion mode combining SI combustion and CI combustion can improve fuel efficiency while suppressing the generation of combustion noise.
エンジンの回転数が高いときにSPCCI燃焼を行うようにすれば、NVHを許容値以下に抑えながら、CI燃焼を行うことができる。 If SPCCI combustion is performed when the engine speed is high, CI combustion can be performed while NVH is kept below an allowable value.
具体的に、ここに開示する技術は、圧縮着火式エンジンの制御装置であって、燃焼室の中において混合気を燃焼させるように構成されたエンジンと、前記燃焼室の中に臨んで配設されかつ、前記燃焼室の中の混合気に点火をするように構成された点火プラグと、前記エンジンに取り付けられかつ、前記燃焼室で生じた既燃ガスを排出する排気通路から前記燃焼室にガスを流入させる吸気通路を経由することにより、前記燃焼室の中へ前記既燃ガスを導入するように構成されたEGRシステムと、前記点火プラグ、及び前記EGRシステムのそれぞれに接続されかつ、前記点火プラグ、及び前記EGRシステムのそれぞれに制御信号を出力することによって、前記エンジンを運転するように構成されたコントローラーと、を備える。 Specifically, the technology disclosed herein is a control apparatus for a compression ignition engine, and is arranged to face an engine configured to burn an air-fuel mixture in a combustion chamber. And an ignition plug configured to ignite an air-fuel mixture in the combustion chamber, and an exhaust passage attached to the engine and exhausting burned gas generated in the combustion chamber to the combustion chamber. Each of the EGR system configured to introduce the burned gas into the combustion chamber by way of an intake passage through which gas flows in, the spark plug, and the EGR system; and A spark plug and a controller configured to operate the engine by outputting a control signal to each of the EGR systems.
前記コントローラーは、前記点火プラグの点火によって前記燃焼室の中の未燃混合気が自己着火により燃焼する所定形態の燃焼が行われるように、所定の点火タイミングで前記点火プラグに制御信号を出力する。そして、前記コントローラーが、前記エンジンの回転数が低い時よりも高い時に、前記燃焼室の中の混合気に含まれる前記既燃ガスの量の割合であるEGR率が低くなるよう、前記EGRシステムに制御信号を出力する。 The controller outputs a control signal to the spark plug at a predetermined ignition timing so that a predetermined form of combustion is performed in which the unburned mixture in the combustion chamber is combusted by self-ignition by ignition of the spark plug. . The EGR system is configured such that when the engine speed is higher than when the engine speed is low, an EGR rate that is a ratio of the amount of the burned gas contained in the air-fuel mixture in the combustion chamber is reduced. Output a control signal.
尚、ここでいう「燃焼室」は、ピストンが圧縮上死点に至ったときの空間の意味に限定されない。「燃焼室」の語は広義で用いる。 The “combustion chamber” here is not limited to the meaning of the space when the piston reaches compression top dead center. The term “combustion chamber” is used in a broad sense.
この構成によると、コントローラーが、エンジンの運転状態から必要であると判断すると、点火プラグに制御信号を出力する。それにより、点火プラグは、燃焼室の中に形成された混合気を、所定の点火タイングで点火する。それにより、燃焼が開始され、その燃焼に引き続いて未燃混合気が自己着火により燃焼する。すなわち、前述したSPCCI燃焼が行われる。 According to this configuration, when the controller determines that it is necessary from the operating state of the engine, it outputs a control signal to the spark plug. Thereby, the spark plug ignites the air-fuel mixture formed in the combustion chamber with a predetermined ignition wing. Thereby, combustion is started, and the unburned mixture is combusted by self-ignition following the combustion. That is, the aforementioned SPCCI combustion is performed.
そして、そのSPCCI燃焼が行われるときに、コントローラーは、エンジンに取り付けられたEGRシステムに制御信号を出力する。このEGRシステムは、排気通路(燃焼室で生じた既燃ガスを排出する通路)から吸気通路(燃焼室に未燃ガスを流入させる通路)を経由することにより、燃焼室の中へ既燃ガス、すなわちEGRガスを導入するように構成されている(いわゆる外部EGR)。従って、このEGRガスは、エンジン外の通路を経由して燃焼室に間接的に導入されるので、その温度は相対的に低くなる。また、強制的に冷却することも可能である。すなわち、このEGRシステムによって導入されるEGRガスの温度は、燃焼室の中よりも低くできる。 When the SPCCI combustion is performed, the controller outputs a control signal to the EGR system attached to the engine. This EGR system passes burned gas into the combustion chamber by passing from the exhaust passage (passage for discharging burned gas generated in the combustion chamber) through the intake passage (passage for allowing unburned gas to flow into the combustion chamber). That is, it is configured to introduce EGR gas (so-called external EGR). Therefore, since this EGR gas is indirectly introduced into the combustion chamber via a passage outside the engine, its temperature becomes relatively low. It is also possible to forcibly cool. That is, the temperature of the EGR gas introduced by the EGR system can be lower than that in the combustion chamber.
そして、EGRシステムは、EGR率(燃焼室の中の混合気に含まれるEGRガスの量の割合)を変更するように構成されており、コントローラーから出力された制御信号に従って、エンジンの回転数が低い時よりも高い時に、EGR率が低くなるようにする。 The EGR system is configured to change the EGR rate (the ratio of the amount of EGR gas contained in the air-fuel mixture in the combustion chamber), and the engine speed is determined according to the control signal output from the controller. The EGR rate is made lower when it is higher than when it is low.
前述したように、エンジンの高回転時は、低回転時よりもNVHが大きくなる。そのため、高回転時も低回転時と同様に、燃焼騒音が大きなCI燃焼を行うと、NVHが許容値を超えてしまうおそれがある。従って、高回転時に、自己着火による燃焼を行うためには、SPCCI燃焼におけるCI燃焼を減らしてSI燃焼を増やす必要がある。 As described above, NVH becomes larger at the time of high engine rotation than at low speed. Therefore, as in the case of low rotation at high rotation, when CI combustion with large combustion noise is performed, NVH may exceed an allowable value. Therefore, in order to perform combustion by self-ignition at high speed, it is necessary to reduce CI combustion in SPCCI combustion and increase SI combustion.
また、高回転時には、低回転時に比べて燃焼サイクルが短くなる。それに伴い、燃焼室の内壁等が燃焼時に受けとる熱量が少なくなって温度が低くなるので、混合気は受熱し難くなるし、混合気が燃焼する時間も短くなる。従って、高回転時には、そのような不利な条件の下で、SPCCI燃焼を促進してSI燃焼の割合を高める必要があるが、混合気それ自体の温度(燃焼直前の温度)を高くすれば、そのような条件の下でもSPCCI燃焼を促進させることができる。 Further, the combustion cycle is shortened at the time of high rotation compared to that at the time of low rotation. Accordingly, the amount of heat received by the inner wall of the combustion chamber during combustion is reduced and the temperature is lowered, so that the air-fuel mixture is less likely to receive heat and the time for which the air-fuel mixture burns is also shortened. Therefore, at the time of high rotation, under such unfavorable conditions, it is necessary to promote SPCCI combustion and increase the rate of SI combustion. However, if the temperature of the air-fuel mixture itself (temperature immediately before combustion) is increased, SPCCI combustion can be promoted even under such conditions.
SPCCI燃焼では、CI燃焼は、SI燃焼に遅れて着火する。混合気の温度を高くすると、SI燃焼及びCI燃焼のいずれも促進されるが、高回転時は燃焼時間が短いため、燃焼が先に始まるSI燃焼の方が急速になり、燃焼が後に始まるCI燃焼よりも燃焼が促進される。すなわち、混合気の温度を高くすることで、高回転時においてSI燃焼の割合を高めることができる。 In the SPCCI combustion, the CI combustion is ignited after the SI combustion. When the temperature of the air-fuel mixture is increased, both SI combustion and CI combustion are promoted. However, since the combustion time is short at a high rotation speed, the SI combustion in which combustion starts first becomes faster and the CI in which combustion starts later. Combustion is promoted rather than combustion. That is, by increasing the temperature of the air-fuel mixture, it is possible to increase the rate of SI combustion at the time of high rotation.
そのため、エンジンが運転しているときに、EGR率を低くして、混合気それ自体に含まれるEGRガス(低温の既燃ガス)の割合を減らすことで、混合気の温度を高くでき、SPCCI燃焼においてSI燃焼を増やすことができる。その結果、高回転時においてもNVHを許容値以下に抑制できる。 Therefore, when the engine is in operation, the EGR rate is lowered and the ratio of EGR gas (low-temperature burned gas) contained in the mixture itself can be reduced, so that the temperature of the mixture can be increased. In combustion, SI combustion can be increased. As a result, NVH can be suppressed to an allowable value or less even during high rotation.
前記エンジンに取り付けられかつ、前記燃焼室の中へ導入するガスの流動を変更するよう構成された吸気流動制御デバイス、を更に備え、前記コントローラーは、前記エンジンの回転数が低い時よりも高い時に、前記EGR率が低くなるよう、前記EGRシステムに制御信号を出力すると共に、前記ガスの流動が強くなるよう、前記吸気流動制御デバイスに制御信号を出力する、としてもよい。 An intake air flow control device attached to the engine and configured to change the flow of gas introduced into the combustion chamber, the controller when the engine speed is higher than when it is low The control signal may be output to the EGR system so that the EGR rate is low, and the control signal may be output to the intake air flow control device so that the gas flow is strong.
EGR率は、混合気のG/F等、その他の状態量による制約がある。そのため、EGR率の変更だけでは、SPCCI燃焼での燃焼騒音の抑制効果が制限され、十分な効果が得られない場合がある。それに対し、吸気流動を強くすれば、噴射された燃料の気化が促進されかつ、燃焼室内での流動が強い状態でSI燃焼を行うことができる。それにより、SI燃焼が急速になって、遅れて着火するCI燃焼に比べてSI燃焼が促進される。従って、EGR率を低くすることと共に、吸気流動を強化することで、EGR率の変更では制限される効果を補うことが可能になる。その結果、SPCCI燃焼におけるSI燃焼の割合を高めることができ、高回転時においてもNVHを許容値以下に抑制できる。 The EGR rate is limited by other state quantities such as G / F of the air-fuel mixture. Therefore, only by changing the EGR rate, the suppression effect of combustion noise in SPCCI combustion is limited, and a sufficient effect may not be obtained. On the other hand, if the intake air flow is strengthened, vaporization of the injected fuel is promoted, and SI combustion can be performed in a state where the flow in the combustion chamber is strong. Thereby, SI combustion becomes rapid, and SI combustion is promoted as compared with CI combustion that ignites with a delay. Therefore, by lowering the EGR rate and strengthening the intake air flow, it is possible to compensate for the effects that are limited by changing the EGR rate. As a result, the ratio of SI combustion in SPCCI combustion can be increased, and NVH can be suppressed to an allowable value or less even at high revolutions.
前記コントローラーは、前記エンジンの回転数が低い時よりも高い時に、前記EGR率が低くなるよう、前記EGRシステムに制御信号を出力すると共に、点火タイミングが進角するよう前記点火プラグに制御信号を出力する、としてもよい。 The controller outputs a control signal to the EGR system so that the EGR rate becomes lower when the engine speed is higher than when the engine speed is low, and sends a control signal to the spark plug so that the ignition timing is advanced. May be output.
点火タイミングを進角すれば、SI燃焼の開始が早まる。そのため、高回転時の短い時間であってもSI燃焼が急速になるので、SPCCI燃焼におけるSI燃焼の割合を高めることができる。従って、点火タイミングの進角によっても、外部EGR率の変更では制限される効果を補うことができ、高回転時においてもNVHを許容値以下に抑制できる。 If the ignition timing is advanced, the start of SI combustion is accelerated. Therefore, since SI combustion becomes rapid even in a short time at high rotation, the rate of SI combustion in SPCCI combustion can be increased. Therefore, the ignition timing advance angle can also compensate for the effect that is limited by the change in the external EGR rate, and NVH can be suppressed to an allowable value or less even at high revolutions.
前記コントローラーは、前記エンジンの回転数が予め設定された低下開始回転数を超えた場合に、前記EGR率の低下が開始するよう、前記EGRシステムに制御信号を出力する、としてもよい。 The controller may output a control signal to the EGR system so that the EGR rate starts to decrease when the engine speed exceeds a preset reduction start speed.
そうすれば、低下開始回転数以下の低回転時には、EGR率を高い値に設定できるので、混合気のG/Fの値が高いSPCCI燃焼であっても、広い運転領域で、混合気のG/Fを適切な範囲内に収めることができる。混合気の希釈率を高く維持できるので、燃費の向上が図れる。そして、低下開始回転数を超える高回転時には、燃焼室に導入されるEGRガス量の割合が減って、混合気の温度が高くなる。その結果、SI燃焼が急速になって、CI燃焼が減るから、SPCCI燃焼で発生する燃焼騒音を抑制することができる。高回転時に、NVHを許容値以下に抑えることができる。 By doing so, the EGR rate can be set to a high value at a low rotation speed that is equal to or less than the lowering start rotation speed. / F can be kept within an appropriate range. Since the dilution ratio of the air-fuel mixture can be kept high, the fuel efficiency can be improved. And at the time of the high rotation exceeding a fall start rotation speed, the ratio of the amount of EGR gas introduced into the combustion chamber decreases, and the temperature of the air-fuel mixture increases. As a result, SI combustion becomes rapid and CI combustion decreases, so that combustion noise generated by SPCCI combustion can be suppressed. NVH can be suppressed to an allowable value or less during high rotation.
前記エンジンに取り付けられかつ、前記燃焼室の中に導入するガスを過給するよう構成された過給システムと、前記エンジンに設けられかつ、前記燃焼室の中の混合気に含まれる内部EGRガスの量の割合である内部EGR率を変更するように構成された内部EGRシステムと、を更に備え、前記コントローラーは、所定負荷よりも高負荷の第1領域にあるときに前記過給システムが過給を行い、前記所定負荷以下の第2領域にあるときに前記過給システムが過給を行わないよう、前記過給システムに制御信号を出力し、前記コントローラーが、少なくとも前記第1領域で、前記エンジンの回転数が低い時よりも高い時に、前記EGR率が低くなるよう、前記EGRシステムに制御信号を出力すると共に、前記第2領域で、低回転時よりも高回転時に前記内部EGR率が高くなるよう、前記内部EGRシステムに制御信号を出力する、としてもよい。 A supercharging system attached to the engine and configured to supercharge a gas introduced into the combustion chamber; and an internal EGR gas provided in the engine and included in an air-fuel mixture in the combustion chamber An internal EGR system configured to change an internal EGR rate that is a percentage of the amount of the engine, wherein the controller is in a first region with a higher load than a predetermined load. A control signal is output to the supercharging system so that the supercharging system does not perform supercharging when in the second region below the predetermined load, and the controller is at least in the first region, A control signal is output to the EGR system so that the EGR rate decreases when the engine speed is higher than when the engine speed is low, and in the second region, the control signal is higher than when the engine speed is low. So that the internal EGR rate at the time of rolling is increased, and outputs a control signal to the internal EGR system may be.
内部EGR率を高くして、混合気に含まれる内部EGRガス(高温の既燃ガス)の割合を増やすことでも、混合気の温度を高くできるので、SPCCI燃焼におけるSI燃焼を増やすことができる。 The temperature of the air-fuel mixture can also be increased by increasing the internal EGR rate and increasing the proportion of internal EGR gas (high-temperature burned gas) contained in the air-fuel mixture, so that SI combustion in SPCCI combustion can be increased.
ところが、このようなエンジンの場合、過給が行われる第1領域では、内部EGRガスを導入しても過給圧によって掃気されてしまう。そのため、内部EGR率の変更は難しい。従って、コントローラーは、過給が行われない第2領域で、内部EGR率が高くなるよう、制御信号を出力する。一方、EGRガスは吸気通路を経て導入されるので、EGR率は、過給が行われていても、比較的容易に変更できる。従って、コントローラーは、過給が行われる第1領域では、EGR率が低くなるよう、制御信号を出力する。それにより、高回転時においてもNVHを許容値以下に抑制できるようになり、エンジンの燃費性能を向上できる。 However, in the case of such an engine, in the first region where supercharging is performed, even if the internal EGR gas is introduced, scavenging is performed by the supercharging pressure. Therefore, it is difficult to change the internal EGR rate. Therefore, the controller outputs a control signal so that the internal EGR rate becomes high in the second region where supercharging is not performed. On the other hand, since the EGR gas is introduced through the intake passage, the EGR rate can be changed relatively easily even when supercharging is performed. Accordingly, the controller outputs a control signal so that the EGR rate becomes low in the first region where supercharging is performed. As a result, NVH can be suppressed to an allowable value or less even at high revolutions, and the fuel efficiency of the engine can be improved.
前記点火プラグは、前記燃焼室の上部の中央部位に臨むように配置され、前記エンジンに設けられかつ、前記燃焼室の中の混合気に含まれる内部EGRガスの量の割合である内部EGR率を変更するように構成された内部EGRシステム、を更に備え、前記所定形態の燃焼が行われる時に、前記燃焼室の中にスワール流が形成され、前記コントローラーが、前記エンジンの回転数が低い時よりも高い時に、前記内部EGR率が高くなるよう、前記内部EGRシステムに制御信号を出力する、としてもよい。 The spark plug is disposed so as to face an upper central portion of the combustion chamber, is provided in the engine, and is an internal EGR rate that is a ratio of the amount of internal EGR gas contained in the air-fuel mixture in the combustion chamber An internal EGR system configured to change the flow rate, and when the predetermined form of combustion is performed, a swirl flow is formed in the combustion chamber, and the controller has a low engine speed. It is good also as outputting a control signal to the internal EGR system so that the internal EGR rate may become high when it is higher.
点火プラグが燃焼室の上部の中央部位に臨むように配置されている燃焼室の中にスワール流が形成されると、燃焼室の中の混合気の流動が促進され、燃焼室の中に成層化した混合気を形成できる。それにより、燃焼室の中の混合気に内部EGRガスが多く含まれていても、点火のタイミングに点火プラグの周囲の内部EGRガスの量を少なくでき、SI燃焼を安定して行える。従って、高回転時に内部EGR率が高くなっても、安定したSPCCI燃焼が実現できる。 When a swirl flow is formed in the combustion chamber in which the spark plug is disposed so as to face the upper central portion of the combustion chamber, the flow of the air-fuel mixture in the combustion chamber is promoted, and the stratification in the combustion chamber A gasified mixture can be formed. As a result, even if the air-fuel mixture in the combustion chamber contains a large amount of internal EGR gas, the amount of internal EGR gas around the spark plug can be reduced at the ignition timing, and SI combustion can be performed stably. Therefore, stable SPCCI combustion can be realized even if the internal EGR rate becomes high at high revolutions.
前記内部EGRガスが、吸気弁の開弁期間と排気弁の開弁期間とがオーバーラップする、いわゆるポジティブオーバーラップ期間を設けることによって前記燃焼室の中に導入される、としてもよい。 The internal EGR gas may be introduced into the combustion chamber by providing a so-called positive overlap period in which the valve opening period of the intake valve and the valve opening period of the exhaust valve overlap.
ポジティブオーバーラップ期間の設定によって内部EGRガスを導入すれば、ポンプ損失等の低減が図れる If internal EGR gas is introduced by setting a positive overlap period, pump loss and the like can be reduced.
前記コントローラーは、前記エンジンの回転数が予め設定された低下開始回転数を超えた場合に、前記EGR率の低下が開始するよう、前記EGRシステムに制御信号を出力し、かつ前記エンジンの負荷の変化に対して、前記EGR率の低下率を略一定に保持する、としてもよい。 The controller outputs a control signal to the EGR system so as to start a decrease in the EGR rate when the engine speed exceeds a preset decrease start speed, and the load of the engine is The change rate of the EGR rate may be kept substantially constant with respect to the change.
前述したように、高回転時も低回転時と同様にEGR率を高く維持すると、混合気の温度が低くなり過ぎて、燃焼騒音の抑制と安定したSPCCI燃焼との両立が困難になる恐れがある。エンジンの回転数が予め設定された低下開始回転数を超えた場合に、EGR率を低下させることで、そのような不具合を防止できる。 As described above, if the EGR rate is maintained high at the same time as during the low rotation, the temperature of the air-fuel mixture becomes too low, and it may be difficult to achieve both suppression of combustion noise and stable SPCCI combustion. is there. Such a problem can be prevented by reducing the EGR rate when the engine speed exceeds a preset reduction start speed.
ところがそうした場合、エンジンの負荷が高くなると、燃料に対して既燃ガスが過度に多くなり、SPCCI燃焼におけるSI燃焼の着火が不安定になる恐れがある。それを防止するためには、エンジンの負荷が高くなるほど、EGR率の低下率を大きくさせる必要がある。 However, in such a case, when the engine load becomes high, the amount of burned gas becomes excessive with respect to the fuel, and the ignition of SI combustion in SPCCI combustion may become unstable. In order to prevent this, it is necessary to increase the decrease rate of the EGR rate as the engine load increases.
それに対し、燃焼室の中にスワール流が形成されると、燃焼室の中で混合気の流動性が高まる。それにより、点火が行われる点火プラグの周辺の既燃ガス(EGRガス)の量を少なくできる。その結果、燃料に対して既燃ガスが過度に多くなることが抑制され、SPCCI燃焼が安定して行えるので、エンジンの負荷の高低の変化に対し、EGR率の低下率を大きくすることなく略一定に保持できる。 On the other hand, when a swirl flow is formed in the combustion chamber, the fluidity of the air-fuel mixture increases in the combustion chamber. Thereby, the amount of burned gas (EGR gas) around the spark plug where ignition is performed can be reduced. As a result, an excessive increase in burnt gas with respect to the fuel is suppressed, and SPCCI combustion can be performed stably, so that the change rate of the engine load can be reduced without increasing the reduction rate of the EGR rate. Can be held constant.
開示した圧縮着火式エンジンの制御装置によれば、高回転時においてもNVHを許容値以下に抑制できるようになるので、エンジンの燃費性能を向上させることができる。 According to the disclosed control device for a compression ignition engine, NVH can be suppressed to an allowable value or less even at high revolutions, so that the fuel efficiency of the engine can be improved.
以下、圧縮着火式エンジン(以下、単にエンジン1ともいう)の制御装置の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明は、エンジン1の制御装置の一例である。図1は、エンジン1の構成を例示する図である。図2は、燃焼室の構成を例示する断面図である。尚、図1における吸気側は紙面左側であり、排気側は紙面右側である。図2における吸気側は紙面右側であり、排気側は紙面左側である。図3は、エンジン1の制御装置の構成を例示するブロック図である。
Hereinafter, an embodiment of a control device for a compression ignition engine (hereinafter also simply referred to as an engine 1) will be described in detail with reference to the drawings. The following description is an example of the control device for the
また、以下の説明で用いる「EGRガス」は、「燃焼室に残留及び/又は燃焼室に再吸入される既燃ガス(排気ガス)」を含む。同様に、「内部EGRガス」は、「燃焼室に残留、及び/又は、エンジン外の通路を経由することなく、燃焼室に直接的に再吸入される、既燃ガス(排気ガス)」を含み、「外部EGRガス」は、「排気通路や吸気通路等、エンジン外の通路を経由して燃焼室に間接的に再吸入される既燃ガス(排気ガス)」を含む。また、「EGR率」は、「燃焼室の中の混合気(全ガス)に含まれるEGRガスの量の割合」に相当する。「内部EGR率」は、「燃焼室の中の混合気(全ガス)に含まれる内部EGRガスの量の割合」に相当し、「外部EGR率」は、「燃焼室の中の混合気(全ガス)に含まれる外部EGRガスの量の割合」に相当する。「熱量比率(SI率)」の詳細は、別途後述する。 Further, “EGR gas” used in the following description includes “burned gas (exhaust gas) remaining in the combustion chamber and / or re-inhaled into the combustion chamber”. Similarly, “internal EGR gas” means “burned gas (exhaust gas) that remains in the combustion chamber and / or is directly re-inhaled into the combustion chamber without passing through a passage outside the engine”. The “external EGR gas” includes “burned gas (exhaust gas) indirectly re-inhaled into the combustion chamber via a passage outside the engine such as an exhaust passage or an intake passage”. The “EGR rate” corresponds to “a ratio of the amount of EGR gas contained in the air-fuel mixture (total gas) in the combustion chamber”. The “internal EGR rate” corresponds to “the ratio of the amount of internal EGR gas contained in the mixture (total gas) in the combustion chamber”, and the “external EGR rate” is “the mixture in the combustion chamber ( The ratio of the amount of external EGR gas contained in the total gas). Details of the “heat ratio (SI rate)” will be described later.
<SPCCI燃焼>
このエンジン1では、SI(Spark Ignition)燃焼とCI(Compression Ignition)燃焼とを組み合わせた形態の燃焼を行う。
<SPCCI combustion>
The
SI燃焼は、燃焼室の中の混合気に強制的に点火を行うことにより開始する火炎伝播を伴う燃焼である。CI燃焼は、燃焼室の中の混合気が圧縮自己着火することにより開始する燃焼である。SI燃焼とCI燃焼とを組み合わせた燃焼形態は、点火プラグが、燃焼室の中の混合気に強制的に点火することで、混合気が火炎伝播によって燃焼する、それと共に、SI燃焼の発熱と圧力上昇により、燃焼室の中の温度が高くなることで、未燃混合気が自己着火によって燃焼する形態である。 SI combustion is combustion with flame propagation that starts by forcibly igniting the air-fuel mixture in the combustion chamber. CI combustion is combustion that starts when the air-fuel mixture in the combustion chamber undergoes compression self-ignition. Combustion mode combining SI combustion and CI combustion is such that the spark plug forcibly ignites the air-fuel mixture in the combustion chamber, so that the air-fuel mixture burns by flame propagation. This is a form in which the unburned mixture is burned by self-ignition by increasing the temperature in the combustion chamber due to the pressure increase.
SI燃焼の発熱量を調整することによって、圧縮開始前の燃焼室の中の温度のばらつきを吸収することができる。圧縮開始前の燃焼室の中の温度に応じて、例えば点火タイミングの調整によってSI燃焼の開始タイミングを調整すれば、未燃混合気を、目標時期において自己着火させることができる。 By adjusting the calorific value of SI combustion, it is possible to absorb variations in temperature in the combustion chamber before the start of compression. If the start timing of SI combustion is adjusted by adjusting the ignition timing, for example, according to the temperature in the combustion chamber before the start of compression, the unburned mixture can be self-ignited at the target time.
SI燃焼がCI燃焼をコントロールするため、SI燃焼とCI燃焼とを組み合わせた燃焼形態(SICI燃焼)を、以下においては、SPCCI(SPark Controlled Compression Ignition)燃焼と呼ぶ。 Since the SI combustion controls the CI combustion, a combustion mode combining SI combustion and CI combustion (SICI combustion) is hereinafter referred to as SPCCI (SPark Controlled Compression Ignition) combustion.
<エンジン1の構成>
エンジン1は、四輪の自動車に搭載される。エンジン1が運転することによって、自動車は走行する。エンジン1の燃料は、この構成例においてはガソリンである。燃料は、バイオエタノール等を含むガソリンであってもよい。エンジン1の燃料は、少なくともガソリンを含む液体燃料であれば、どのような燃料であってもよい。
<Configuration of
The
エンジン1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とを備えている。シリンダブロック12の内部には、複数のシリンダ11が形成されている。図1及び図2では、1つのシリンダ11のみを示す。エンジン1は、多気筒エンジンである。エンジン1は、更に、ピストン3、インジェクタ6、点火プラグ25、吸気弁21、排気弁22なども備えている。
The
(ピストン3)
各シリンダ11内には、ピストン3が摺動自在に内挿されている。ピストン3は、コネクティングロッド14を介してクランクシャフト15に連結されている。ピストン3は、シリンダ11及びシリンダヘッド13と共に燃焼室17を区画する。尚、「燃焼室」は、ピストン3が圧縮上死点に至ったときの空間の意味に限定されない。「燃焼室」の語は広義で用いる場合がある。つまり、「燃焼室」は、ピストン3の位置に関わらず、ピストン3、シリンダ11、及びシリンダヘッド13によって形成される空間を意味する場合がある。
(Piston 3)
A
シリンダヘッド13の下面、つまり、燃焼室17の天井面は、図2に示すように、傾斜面1311と、傾斜面1312とによって構成されている。傾斜面1311は、吸気側から軸X2(インジェクタ6の噴射中心を通る軸)に向かって上り勾配となっている。傾斜面1312は、排気側から軸X2に向かって上り勾配となっている。燃焼室17の天井面は、いわゆるペントルーフ形状である。キャビティ31の外の領域には、スキッシュエリア171が形成されている。
As shown in FIG. 2, the lower surface of the
ピストン3の上面は、燃焼室17の天井面に向かって隆起している(平坦面であってもよい)。ピストン3の上面には、キャビティ31が形成されている。キャビティ31は、ピストン3の上面から凹陥している。キャビティ31は、浅皿形状を有している。キャビティ31は、ピストン3が圧縮上死点付近に位置するときに、インジェクタ6に向かい合う。
The upper surface of the
キャビティ31の中心は、軸X1(シリンダ11の中心を通る軸)に対して排気側にずれている。キャビティ31の中心は、軸X2と一致している。キャビティ31は、凸部311を有している。凸部311は、軸X2上に設けられている。凸部311は、略円錐状である。凸部311は、キャビティ31の底部から、シリンダ11の天井面に向かって上向きに伸びている。
The center of the
キャビティ31はまた、凸部311の周囲に設けられた凹陥部312を有している。凹陥部312は、凸部311の全周を囲むように設けられている。キャビティ31は、軸X2に対して対称な形状を有している。
The
凹陥部312の周側面は、キャビティ31の底面からキャビティ31の開口に向かって軸X2に対して傾いている。凹陥部312におけるキャビティ31の内径は、キャビティ31の底部からキャビティ31の開口に向かって次第に拡大する。
The peripheral side surface of the recessed
尚、燃焼室17の形状は、図2に例示する形状に限定されるものではない。例えばキャビティ31の形状、ピストン3の上面の形状、及び、燃焼室17の天井面の形状等は、適宜変更することが可能である。
The shape of the
例えば、凹陥部312のシリンダ外側の深さを小さくしてもよい。この場合、点火プラグ25周辺のEGRガスが少なくなり、SPCCI燃焼におけるSI燃焼の火炎伝播が良好になる。
For example, the depth of the recessed
キャビティ31はまた、図2に仮想線L1で示すように、軸X2に対して非対称な形状にしてもよい。すなわち、排気側の凹陥部312は、吸気側の凹陥部312よりも大きくかつ、深くする。この場合、点火時における点火プラグ25の周辺の燃料濃度を高くできるので、SPCCI燃焼におけるSI燃焼の着火が良好になる。
The
キャビティ31はまた、図2に仮想線L2で示すように、凸部311を省略してもよい。すなわち、キャビティ31を、その中心部から径方向外側に向かって次第に浅くなる球面状とする。この場合、ピストン3が吸気弁21や排気弁22と接触し難くなるので、これら吸気弁21及び排気弁22の開閉制御の自由度が向上する。燃焼室17の中で、スワール流を形成した場合、その流動を安定化できるので、混合気の成層化が容易になる。
The
エンジン1の幾何学的圧縮比は、13以上30以下に設定されている。SPCCI燃焼は、前述したように、SI燃焼による発熱と圧力上昇とを利用して、CI燃焼をコントロールする。このエンジン1は、混合気の自着火のためにピストン3が圧縮上死点に至った時の燃焼室17の温度(つまり、圧縮端温度)を高くする必要がない。
The geometric compression ratio of the
つまり、エンジン1は、CI燃焼を行うものの、その幾何学的圧縮比を、比較的低く設定することが可能である。幾何学的圧縮比を低くすることによって、冷却損失の低減、及び、機械損失の低減に有利になる。エンジン1の幾何学的圧縮比は、一例として、レギュラー仕様(燃料のオクタン価が91程度)においては、14〜17(14以上17以下、以下同様)とし、ハイオク仕様(燃料のオクタン価が96程度)においては、15〜18としてもよい。
That is, although the
(吸気弁21、排気弁22)
シリンダヘッド13には、シリンダ11毎に、吸気ポート18が形成されている。吸気ポート18は、図3に示すように、第1吸気ポート181及び第2吸気ポート182の、二つの吸気ポートを有している。第1吸気ポート181及び第2吸気ポート182は、クランクシャフト15の軸方向、つまり、エンジン1のフロント−リヤ方向に並んでいる。吸気ポート18は、燃焼室17に連通している。吸気ポート18は、詳細な図示は省略するが、いわゆるタンブルポートである。つまり、吸気ポート18は、燃焼室17の中にタンブル流が形成されるような形状を有している。
(
An
吸気ポート18には、吸気弁21が配設されている。吸気弁21は、燃焼室17と吸気ポート18との間を開閉する。吸気弁21は動弁機構によって、所定のタイミングで開閉する。動弁機構は、バルブタイミング及び/又はバルブリフトを可変にする可変動弁機構とすればよい。この構成例では、図4に示すように、可変動弁機構は、吸気電動S−VT(Sequential-Valve Timing)23を有している。吸気電動S−VT23は、吸気カムシャフトの回転位相を所定の角度範囲内で連続的に変更するよう構成されている。それによって、吸気弁21の開弁時期及び閉弁時期は、連続的に変化する。尚、吸気動弁機構は、電動S−VTに代えて、油圧式のS−VTを有していてもよい。
An
シリンダヘッド13にはまた、シリンダ11毎に、排気ポート19が形成されている。排気ポート19も、図3に示すように、第1排気ポート191及び第2排気ポート192の、二つの排気ポートを有している。第1排気ポート191及び第2排気ポート192は、エンジン1のフロント−リヤ方向に並んでいる。排気ポート19は、燃焼室17に連通している。
The
排気ポート19には、排気弁22が配設されている。排気弁22は、燃焼室17と排気ポート19との間を開閉する。排気弁22は動弁機構によって、所定のタイミングで開閉する。この動弁機構は、バルブタイミング及び/又はバルブリフトを可変にする可変動弁機構とすればよい。この構成例では、図4に示すように、可変動弁機構は、排気電動S−VT24を有している。排気電動S−VT24は、排気カムシャフトの回転位相を所定の角度範囲内で連続的に変更するよう構成されている。それによって、排気弁22の開弁時期及び閉弁時期は、連続的に変化する。尚、排気動弁機構は、電動S−VTに代えて、油圧式のS−VTを有していてもよい。
An
詳細は後述するが、このエンジン1は、吸気電動S−VT23及び排気電動S−VT24によって、吸気弁21の開弁時期と排気弁22の閉弁時期とに係るオーバーラップ期間の長さを調整する。このことによって、燃焼室17の中の残留ガスを掃気する。また、オーバーラップ期間の長さを調整することによって、内部EGR(Exhaust Gas Recirculation)ガスを燃焼室17の中に導入する、又は、燃焼室17の中に閉じ込める。この構成例においては、吸気電動S−VT23及び排気電動S−VT24が、状態量設定デバイスの一つとしての、内部EGRシステムを構成している。尚、内部EGRシステムは、S−VTによって構成されるとは限らない。
Although details will be described later, the
(インジェクタ6)
シリンダヘッド13には、シリンダ11毎に、インジェクタ6が取り付けられている。インジェクタ6は、燃焼室17の中に燃料を直接噴射するよう構成されている。インジェクタ6は、吸気側の傾斜面1311と排気側の傾斜面1312とが交差するペントルーフの谷部に配設されている。インジェクタ6は、図2に示すように、その噴射軸心が、軸X2に沿うように配設されている。インジェクタ6の噴射軸心と、キャビティ31の凸部311の位置とは一致している。インジェクタ6は、キャビティ31に対向している。尚、インジェクタ6の噴射軸心は、シリンダ11の中心軸X1と一致していてもよい。その場合も、インジェクタ6の噴射軸心と、キャビティ31の凸部311の位置とは一致していることが望ましい。
(Injector 6)
An
インジェクタ6は、詳細な図示は省略するが、複数の噴孔を有する多噴孔型の燃料噴射弁によって構成されている。インジェクタ6は、図2に二点鎖線で示すように、燃料噴霧が、噴射軸心が位置する燃焼室17の上部中央部位から下方に向かって放射状に広がるように燃料を噴射する。インジェクタ6は、本構成例においては、10個の噴孔を有しており、各噴孔は、周方向に等角度に配置されている。
Although not shown in detail, the
各噴孔の軸は、図2の上図に示すように、後述する点火プラグ25に対して、周方向に位置がずれている。つまり、点火プラグ25は、隣り合う二つの噴孔の軸に挟まれている。これにより、インジェクタ6から噴射された燃料の噴霧が、点火プラグ25に直接当たって、電極を濡らしてしまうことが回避される。
The axis of each nozzle hole is displaced in the circumferential direction with respect to a
後述するように、インジェクタ6は、ピストン3が圧縮上死点付近に位置するタイミングで燃料を噴射する場合がある。その場合、インジェクタ6が燃料を噴射すると、燃料噴霧は、新気と混ざり合いながら、キャビティ31の凸部311に沿って下向きに流れると共に、凹陥部312の底面及び周側面に沿って、燃焼室17の中央から、径方向の外方に放射状に広がって流れる。その後、混合気はキャビティ31の開口に至り、吸気側の傾斜面1311、及び、排気側の傾斜面1312に沿って、径方向の外方から、燃焼室17の中央に向かって流れる。尚、インジェクタ6は、多噴孔型のインジェクタに限らない。インジェクタ6は、外開弁タイプのインジェクタを採用してもよい。
As will be described later, the
インジェクタ6には、燃料供給システム61が接続されている。燃料供給システム61は、燃料を貯留するよう構成された燃料タンク63と、燃料タンク63とインジェクタ6とを互いに連結する燃料供給路62とを備えている。燃料供給路62には、燃料ポンプ65とコモンレール64とが介設している。燃料ポンプ65は、コモンレール64に燃料を圧送する。燃料ポンプ65は、この構成例においては、クランクシャフト15によって駆動されるプランジャー式のポンプである。
A
コモンレール64は、燃料ポンプ65から圧送された燃料を、高い燃料圧力で蓄えるよう構成されている。インジェクタ6が開弁すると、コモンレール64に蓄えられていた燃料が、インジェクタ6の噴孔から燃焼室17の中に噴射される。燃料供給システム61は、30MPa以上の高い圧力の燃料を、インジェクタ6に供給することが可能に構成されている。燃料供給システム61の最高燃料圧力は、例えば120MPa程度にしてもよい。インジェクタ6に供給する燃料の圧力は、エンジン1の運転状態に応じて変更してもよい。尚、燃料供給システム61の構成は、前記の構成に限定されない。
The
(点火プラグ25)
シリンダヘッド13には、シリンダ11毎に、点火プラグ25が取り付けられている。点火プラグ25は、燃焼室17の中の混合気に強制的に点火をする。点火プラグ25は、この構成例では、シリンダ11の中心を通る軸X1よりも吸気側に配設されている。点火プラグ25は、2つの吸気ポート18の間に位置している。点火プラグ25は、上方から下方に向かって、燃焼室17の中央に近づく方向に傾いて、シリンダヘッド13に取り付けられている。
(Ignition plug 25)
A
点火プラグ25の電極は、図2に示すように、燃焼室17の中に臨んでかつ、燃焼室17の天井面の付近に位置している。点火プラグ25の電極は、インジェクタ6の噴孔に隣接している。尚、点火プラグ25の配設位置は、図2の構成例に限定されない。点火プラグ25は、軸X1よりも排気側に配設してもよい。また、点火プラグ25を、軸X1上に配設すると共に、インジェクタ6を、軸X1よりも吸気側又は排気側に配設してもよい。
As shown in FIG. 2, the electrode of the
(吸気通路40)
エンジン1の一側面には吸気通路40が接続されている。吸気通路40は、各シリンダ11の吸気ポート18に連通している。吸気通路40は、燃焼室17に導入するガスが流れる通路である。吸気通路40の上流端部には、新気を濾過するエアクリーナー41が配設されている。吸気通路40の下流端近傍には、サージタンク42が配設されている。サージタンク42よりも下流の吸気通路40は、詳細な図示は省略するが、シリンダ11毎に分岐する独立通路を構成している。独立通路の下流端が、各シリンダ11の吸気ポート18に接続されている。
(Intake passage 40)
An
吸気通路40におけるエアクリーナー41とサージタンク42との間には、スロットル弁43が配設されている。スロットル弁43は、弁の開度を変更することによって、燃焼室17の中への新気の導入量を変更するよう構成されている。スロットル弁43は、状態量設定デバイスの一つを構成している。
A
吸気通路40にはまた、スロットル弁43の下流に、過給機44が配設されている。過給機44は、燃焼室17に導入するガスを過給するよう構成されている。この構成例において、過給機44は、エンジン1によって駆動される機械式の過給機である。機械式の過給機44は、例えばリショルム式としてもよい。機械式の過給機44の構成はどのような構成であってもよい。機械式の過給機44は、ルーツ式、ベーン式、又は遠心式であってもよい。尚、過給機は、電動式の過給機としてもよいし、排気によって駆動されるターボ過給機としてもよい。
A
過給機44とエンジン1との間には、電磁クラッチ45が介設している。電磁クラッチ45は、過給機44とエンジン1との間で、エンジン1から過給機44へ駆動力を伝達したり、駆動力の伝達を遮断したりする。後述するように、ECU10が電磁クラッチ45の遮断及び接続を切り替えることによって、過給機44はオンとオフとが切り替わる。つまり、このエンジン1は、過給機44が、燃焼室17に導入するガスを過給することと、過給機44が、燃焼室17に導入するガスを過給しないこととを切り替えることができるよう構成されている。
An electromagnetic clutch 45 is interposed between the
吸気通路40における過給機44の下流には、インタークーラー46が配設されている。インタークーラー46は、過給機44において圧縮されたガスを冷却するよう構成されている。インタークーラー46は、例えば水冷式に構成すればよい。
An
吸気通路40には、バイパス通路47が接続されている。バイパス通路47は、過給機44及びインタークーラー46をバイパスするよう、吸気通路40における過給機44の上流部とインタークーラー46の下流部(具体的にはサージタンク42)とを互いに接続する。バイパス通路47には、エアバイパス弁48が配設されている。エアバイパス弁48は、バイパス通路47を流れるガスの流量を変更する。
A
過給機44をオフにしたとき(つまり、電磁クラッチ45を遮断したとき)には、エアバイパス弁48を全開にする。これにより、吸気通路40を流れるガスは、過給機44をバイパスして、エンジン1の燃焼室17に導入される。エンジン1は、非過給、つまり自然吸気の状態で運転する。
When the
過給機44をオンにしたとき(つまり、電磁クラッチ45を接続したとき)には、過給状態(過給機44の下流側が大気圧より動的に高圧になる状態)で運転する。過給機44を通過したガスの一部は、バイパス通路47を通って過給機44の上流に逆流する。エアバイパス弁48の開度を変更することによって、逆流量を変更することができるから、燃焼室17に導入するガスの過給圧を変更することができる。この構成例においては、過給機44とバイパス通路47とエアバイパス弁48とによって、過給システム49が構成されている。エアバイパス弁48は、状態量設定デバイスの一つを構成している。
When the
(スワールコントロール弁56)
吸気通路40にはまた、燃焼室17に導入する吸気の流動を制御することにより、燃焼室17の中にスワール流を形成し、その強さを変更するスワールコントロール弁56(吸気流動制御デバイス)が配設されている。
(Swirl control valve 56)
The
図3に示すように、スワールコントロール弁56は、第1吸気ポート181につながるプライマリ通路401と、第2吸気ポート182につながるセカンダリ通路402との内の、セカンダリ通路402に配設されている。スワールコントロール弁56は、セカンダリ通路の断面を絞ることができる開度調整弁である。
As shown in FIG. 3, the
スワールコントロール弁56の開度が小さいと、エンジン1の前後方向に並んだ第1吸気ポート181及び第2吸気ポート182のうち、第1吸気ポート181から燃焼室17に流入する吸気流量が相対的に増えかつ、第2吸気ポート182から燃焼室17に流入する吸気流量が相対的に減るから、燃焼室17内のスワール流が強くなる。
When the opening of the
スワールコントロール弁56の開度が大きいと、第1吸気ポート181及び第2吸気ポート182のそれぞれから燃焼室17に流入する吸気流量が、略均等になるから、燃焼室17内のスワール流が弱くなる。スワールコントロール弁56を全開にすると、スワール流が発生しない。尚、スワール流は、白抜きの矢印で示すように、図3における反時計回り方向に周回する(図2の白抜きの矢印も参照)。
When the opening of the
尚、吸気通路40にスワールコントロール弁56を取り付ける代わりに、又は、スワールコントロール弁56を取り付けることに加えて、二つの吸気弁21の開弁期間をずらし、一方の吸気弁21のみから燃焼室17の中に吸気を導入することができる構成を採用してもよい。二つの吸気弁21の内の一方の吸気弁21のみが開弁することによって、燃焼室17の中に吸気が不均等に導入するから、燃焼室17の中にスワール流を発生させることができる。さらに、スワール流は、吸気ポート18の形状を工夫することによって、燃焼室17の中に発生するように構成してもよい。
Instead of attaching the
(スワール流)
ここで、燃焼室17内のスワール流の強さについて定義する。本構成例においては、燃焼室17内のスワール流の強さを、「スワール比」で表す。「スワール比」は、吸気流横方向角速度をバルブリフト毎に測定して積分した値を、エンジン角速度で除した値と定義することができる。吸気流横方向角速度は、図5に示すリグ試験装置を用いた測定に基づいて求めることができる。
(Swirl style)
Here, the strength of the swirl flow in the
すなわち、同図に示すリグ試験装置では、シリンダヘッド13が、基台に上下反転して設置され、吸気ポート18が、図外の吸気供給装置に接続される。そのシリンダヘッド13上にシリンダ36が設置され、その上端にハニカム状ロータ37を有するインパルスメータ38が接続されている。インパルスメータ38の下面は、シリンダヘッド13とシリンダブロックとの合わせ面から1.75D(尚、Dはシリンダボア径)の位置に位置づけている。吸気供給に応じてシリンダ36内に生じるスワール(図5の矢印参照)によって、ハニカム状ロータ37に作用するトルクをインパルスメータ38によって計測し、それに基づいて、吸気流横方向角速度を求めることができる。
That is, in the rig testing apparatus shown in the figure, the
図6は、このエンジン1におけるスワールコントロール弁56の開度と、スワール比との関係を示している。図6は、スワールコントロール弁56の開度を、セカンダリ通路402の全開断面に対する開口比率によって表している。スワールコントロール弁56が全閉のときに、セカンダリ通路402の開口比率は0%となり、スワールコントロール弁56の開度が大きくなると、セカンダリ通路402の開口比率が0%よりも大きくなる。スワールコントロール弁56が全開のときに、セカンダリ通路402の開口比率は100%となる。
FIG. 6 shows the relationship between the opening of the
図6に例示するように、このエンジン1は、スワールコントロール弁56を全閉にすると、スワール比は6程度になる。スワール比を4以上にするならば、スワールコントロール弁56の開度は、開口比率が0〜15%となる範囲で調整すればよい。
As illustrated in FIG. 6, in the
また、スワール比を4未満にするならば、スワールコントロール弁56の開度は、開口比率が15%未満となる範囲で調整すればよい。特に、エンジン1の低負荷や中負荷での運転領域において、SPCCI燃焼との組み合わせで、混合気の流動性を確保し、かつ、燃焼室17の中での混合気の成層化をコントロールするためには、スワール比は1.5〜3(スワールコントロール弁56の開度であれば、25%〜40%)となる範囲で調整するのが好ましい。
If the swirl ratio is less than 4, the opening degree of the
(排気通路50)
エンジン1の他側面には、排気通路50が接続されている。排気通路50は、各シリンダ11の排気ポート19に連通している。排気通路50は、燃焼室17から排出された排気ガスが流れる通路である。排気通路50の上流部分は、詳細な図示は省略するが、シリンダ11毎に分岐する独立通路を構成している。独立通路の上流端が、各シリンダ11の排気ポート19に接続されている。
(Exhaust passage 50)
An
排気通路50には、1つ以上の触媒コンバーターを有する排気ガス浄化システムが配設されている。排気ガス浄化システムは、本構成例では、二つの触媒コンバーターを有している。上流の触媒コンバーターは、エンジンルーム内に配設されている。上流の触媒コンバーターは、三元触媒511と、GPF(Gasoline Particulate Filter)512とを有している。下流の触媒コンバーターは、エンジンルーム外に配設されている。下流の触媒コンバーターは、三元触媒513を有している。
An exhaust gas purification system having one or more catalytic converters is disposed in the
尚、排気ガス浄化システムは、図例の構成に限定されるものではない。例えば、GPFは省略してもよい。また、触媒コンバーターは、三元触媒を有するものに限定されない。さらに、三元触媒及びGPFの並び順は、適宜変更してもよい。
The exhaust gas purification system is not limited to the configuration shown in the figure. For example, GPF may be omitted. Further, the catalytic converter is not limited to one having a three-way catalyst. Furthermore, the arrangement order of the three-way catalyst and the GPF may be changed as appropriate.
吸気通路40と排気通路50との間には、外部EGRシステムを構成するEGR通路52が接続されている。EGR通路52は、既燃ガスの一部を吸気通路40に還流させるための通路である。EGR通路52の上流端は、排気通路50における上流の触媒コンバーターと下流の触媒コンバーターとの間に接続されている。EGR通路52の下流端は、吸気通路40における過給機44の上流に接続されている。
An
より具体的に、EGR通路52の下流端は、バイパス通路47の途中に接続されている。EGR通路52を流れるEGRガスは、バイパス通路47のエアバイパス弁48を通らずに、吸気通路40における過給機44の上流に入る。
More specifically, the downstream end of the
EGR通路52には、水冷式のEGRクーラー53が配設されている。EGRクーラー53は、既燃ガスを冷却するよう構成されている。EGR通路52にはまた、EGR弁54が配設されている。EGR弁54は、EGR通路52を流れる既燃ガスの流量を変更するよう構成されている。EGR弁54の開度を変更することによって、冷却した既燃ガス、つまり外部EGRガスの還流量を変更することができる。
A water-cooled
この構成例において、EGRシステム55は、EGR通路52及びEGR弁54を含んで構成されているシステム(外部EGRシステム)と、前述した吸気電動S−VT23及び排気電動S−VT24を含んで構成されているシステム(内部EGRシステム)とによって構成されている。EGR弁54はまた、状態量設定デバイスの一つを構成している。外部EGRシステムは、EGR通路52が触媒コンバーターよりも下流に接続されていると共に、EGRクーラー53を有しているため、内部EGRシステムよりも低温の既燃ガスを、燃焼室17に供給することができる。
In this configuration example, the
(ECU10)
エンジン1の制御装置は、エンジン1を運転するためのECU(Engine Control Unit)10を備えている。ECU10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ーである。ECU10は、プログラムを実行する中央演算処理装置(Central Processing Unit:CPU)101と、例えばRAM(Random Access Memory)やROM(Read Only Memory)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102と、電気信号の入出力をする入出力バス103と、を備えている。
(ECU 10)
The control device of the
メモリ102には、SPCCI燃焼をコントロールするために、エンジン1の運転状態に応じてSI率(熱量比率、詳細は後述)を変更するSI率変更手段(熱量比率変更手段)102aが格納されている。SI率変更手段102aは、例えば、制御プログラムやそれに用いられるマップ等のデータで構成されている。
The
ECU10には、図1及び図3に示すように、各種のセンサSW1〜SW16が接続されている。センサSW1〜SW16は、検知信号をECU10に出力する。センサには、以下のセンサが含まれる。
As shown in FIGS. 1 and 3, various sensors SW <b> 1 to SW <b> 16 are connected to the
すなわち、吸気通路40におけるエアクリーナー41の下流に配置されかつ、吸気通路40を流れる新気の流量を検知するエアフローセンサSW1、及び、新気の温度を検知する第1吸気温度センサSW2、吸気通路40におけるEGR通路52の接続位置よりも下流でかつ、過給機44の上流に配置されかつ、過給機44に流入するガスの圧力を検知する第1圧力センサSW3、吸気通路40における過給機44の下流でかつ、バイパス通路47の接続位置よりも上流に配置されかつ、過給機44から流出したガスの温度を検知する第2吸気温度センサSW4、サージタンク42に取り付けられかつ、過給機44の下流のガスの圧力を検知する第2圧力センサSW5、各シリンダ11に対応してシリンダヘッド13に取り付けられかつ、各燃焼室17内の圧力を検知する指圧センサSW6、排気通路50に配置されかつ、燃焼室17から排出した排気ガスの温度を検知する排気温度センサSW7、排気通路50における触媒コンバーター51の上流に配置されかつ、排気ガス中の酸素濃度を検知するリニアO2センサSW8、排気通路50における触媒コンバーター51の下流に配置されかつ、排気ガス中の酸素濃度を検知するラムダO2センサSW9、エンジン1に取り付けられかつ、冷却水の温度を検知する水温センサSW10、エンジン1に取り付けられかつ、クランクシャフト15の回転角を検知するクランク角センサSW11、アクセルペダル機構に取り付けられかつ、アクセルペダルの操作量に対応したアクセル開度を検知するアクセル開度センサSW12、エンジン1に取り付けられかつ、吸気カムシャフトの回転角を検知する吸気カム角センサSW13、エンジン1に取り付けられかつ、排気カムシャフトの回転角を検知する排気カム角センサSW14、EGR通路52に配置されかつ、EGR弁54の上流及び下流の差圧を検知するEGR差圧センサSW15、並びに、燃料供給システム61のコモンレール64に取り付けられかつ、インジェクタ6に供給する燃料の圧力を検知する燃圧センサSW16である。
That is, the air flow sensor SW1 that is disposed downstream of the air cleaner 41 in the intake passage 40 and detects the flow rate of fresh air flowing through the intake passage 40, the first intake temperature sensor SW2 that detects the temperature of fresh air, and the intake passage 40, the first pressure sensor SW3 that is disposed downstream of the connection position of the EGR passage 52 and upstream of the supercharger 44 and detects the pressure of the gas flowing into the supercharger 44, and supercharging in the intake passage 40 The second intake air temperature sensor SW4, which is disposed downstream of the machine 44 and upstream of the connection position of the bypass passage 47 and detects the temperature of the gas flowing out from the supercharger 44, is attached to the surge tank 42, and A second pressure sensor SW5 for detecting the pressure of the gas downstream of the feeder 44, attached to the cylinder head 13 corresponding to each cylinder 11, and each A finger pressure sensor SW6 that detects the pressure in the firing chamber 17 and the exhaust passage 50 and is disposed upstream of the catalytic converter 51 in the exhaust passage 50 and an exhaust temperature sensor SW7 that detects the temperature of the exhaust gas discharged from the combustion chamber 17 And a linear O2 sensor SW8 that detects the oxygen concentration in the exhaust gas, a lambda O2 sensor SW9 that is disposed downstream of the catalytic converter 51 in the exhaust passage 50 and detects the oxygen concentration in the exhaust gas, and is attached to the engine 1. Further, a water temperature sensor SW10 that detects the temperature of the cooling water, a crank angle sensor SW11 that is attached to the
ECU10は、これらの検知信号に基づいて、エンジン1の運転状態を判断すると共に、各デバイスの制御量を計算する。ECU100は、計算をした制御量に係る制御信号を、インジェクタ6、点火プラグ25、吸気電動VVT23、排気電動VVT24、燃料供給システム61、スロットル弁43、EGR弁54、過給機44の電磁クラッチ45、エアバイパス弁48、及び、スワールコントロール弁56に出力する。
The
例えば、ECU10は、第1圧力センサSW3及び第2圧力センサSW5の検知信号から得られる過給機44の前後差圧に基づいてエアバイパス弁48の開度を変更することにより、過給圧を変更する。また、ECU10は、EGR差圧センサSW15の検知信号から得られるEGR弁54の前後差圧に基づいてEGR弁54の開度を変更することにより、燃焼室17の中に導入する外部EGRガスの量を変更する。ECU10によるエンジン1の制御の詳細は、後述する。
For example, the
<エンジンの運転領域>
図7Aは、エンジン1の運転領域マップの第1の構成例(第1の運転領域マップ700)を例示している。運転領域マップ700は、負荷及び回転数によって定められていて、負荷の高低及び回転数の高低に対し、大きく次の四つの領域に分けられている。
<Engine operating range>
FIG. 7A illustrates a first configuration example (first operation region map 700) of the operation region map of the
(A)アイドル運転を含む低負荷領域
(B)低負荷領域(A)と次の高負荷領域(C)との間の中負荷領域
(C)全開負荷を含む高負荷領域
(D)低負荷領域(A)、中負荷領域(B)、及び高負荷領域(C)よりも回転数の高い高回転領域
(A) Low load region including idle operation (B) Medium load region between low load region (A) and next high load region (C) (C) High load region including fully open load (D) Low load High rotational speed region having a higher rotational speed than the region (A), medium load region (B), and high load region (C)
エンジン1は、燃費の向上及び排出ガス性能の向上を主目的として、中負荷領域(B)において、SPCCI燃焼を行う。以下、低負荷領域(A)、中負荷領域(B)、及び、高負荷領域(C)の各領域における燃焼形態について、詳細に説明をする。
The
(低負荷領域)
エンジン1の運転状態が低負荷領域(A)にあるときには、燃料の噴射量が少ない。そのため、燃焼室17において混合気が燃焼したときに発生する熱量が少なく、燃焼室17の温度が低くなる。また、排気ガスの温度も低くなるため、後述するように内部EGRガスを燃焼室17の中に導入しても、燃焼室17の温度は、自己着火が安定して可能になる程度まで高めるのは難しい。
(Low load area)
When the operating state of the
エンジン1の運転状態が低負荷領域(A)にあるときの燃焼形態は、点火プラグ25が燃焼室17の中の混合気に点火を行うことによって混合気を火炎伝播により燃焼させるSI燃焼である。以下、低負荷領域(A)における燃焼形態を、低負荷SI燃焼と呼ぶ場合がある。
The combustion mode when the operating state of the
エンジン1の運転状態が低負荷領域(A)にあるときには、混合気の空燃比(A/F)は、理論空燃比である(A/F≒14.7)。尚、以下の説明において、混合気の空燃比、空気過剰率λ、及びG/Fの値は、点火タイミングにおける値を意味する。
When the operating state of the
混合気の空燃比を理論空燃比にすると、三元触媒が燃焼室17から排出された排出ガスを浄化することができるから、エンジン1の排出ガス性能が良好になる。混合気のA/Fは、三元触媒の浄化ウインドウの中に収まるようにすればよい。混合気の空気過剰率λは、1.0±0.2としてもよい。
When the air-fuel ratio of the air-fuel mixture is the stoichiometric air-fuel ratio, the exhaust gas performance of the
エンジン1の燃費性能を向上させるために、エンジン1の運転状態が低負荷領域(A)にあるときに、EGRシステム55は、燃焼室17の中にEGRガスを導入する。混合気のG/F、つまり、燃焼室17の中の全ガスと燃料との質量比は18以上30以下に設定される。混合気のG/Fを、18以上50以下に設定してもよい。混合気は、EGRリーンである。混合気の希釈率は高い。
In order to improve the fuel consumption performance of the
混合気のG/Fを、例えば25にすれば、低負荷領域(A)において、混合気が自己着火に至ることなく、SI燃焼を安定して行うことができる。低負荷領域(A)において、混合気のG/Fは、エンジン1の負荷の高低に関わらず一定に維持する。こうすることで、低負荷領域の全域において、SI燃焼は、安定化する。また、エンジン1の燃費が向上すると共に、排出ガス性能が良好になる。
If the G / F of the air-fuel mixture is set to 25, for example, SI combustion can be performed stably in the low load region (A) without the air-fuel mixture reaching self-ignition. In the low load region (A), the G / F of the air-fuel mixture is kept constant regardless of the load level of the
エンジン1の運転状態が低負荷領域(A)にあるときには、燃料量が少ないため、混合気のλを1.0±0.2にしかつ、G/Fを18以上50以下にするには、燃焼室17の中に導入するガスの充填量を100%よりも少なくしなければならない。具体的に、エンジン1は、スロットル弁43の開度を変更するスロットリング、及び/又は、吸気弁21の閉弁時期を吸気下死点以降に遅らせるミラーサイクルを実行する。
When the operating state of the
運転領域マップ700を採用したエンジン1では、運転状態が低負荷領域(A)にあるときには、スワールコントロール弁56の開度を略全開にする。従って、燃焼室17の中にスワール流は、ほとんど発生しない。
In the
尚、低負荷領域(A)内における、低負荷低回転領域においては、ガスの充填量をさらに少なくすることによって、混合気の燃焼温度及び排気ガスの温度を高くするようにしてもよい。こうすると、触媒コンバーター51を活性状態に維持する上で有利になる。 In the low load region (A), in the low load and low speed region, the combustion temperature of the air-fuel mixture and the exhaust gas temperature may be increased by further reducing the gas filling amount. This is advantageous in maintaining the catalytic converter 51 in an active state.
(中負荷領域)
エンジン1の運転状態が中負荷領域(B)にあるときには、燃料の噴射量が多くなる。燃焼室17の温度が高くなるため、自己着火を安定して行うことが可能になる。燃費の向上及び排出ガス性能の向上を図るため、エンジン1は、中負荷領域(B)において、CI燃焼を行う。
(Medium load area)
When the operating state of the
自己着火による燃焼は、圧縮開始前の燃焼室17の中の温度がばらつくと、自己着火のタイミングが大きく変化する。そこで、エンジン1は、中負荷領域(B)において、SPCCI燃焼を行う。
In the combustion by self-ignition, when the temperature in the
そして、中負荷領域(B)では、エンジン1は、燃焼室17の中の状態を、混合気のλが1.0±0.2でかつ、混合気のG/Fが18以上50以下にする。また、点火タイミングにおける燃焼室17の中の必要温度TIGは、570〜800K、点火タイミングにおける燃焼室17の中の必要圧力PIGは、400〜920kPa、燃料室17の中の乱流エネルギは、17〜40m2/s2である。
In the middle load region (B), the
運転領域マップ700を採用したエンジン1では、運転状態が中負荷領域(B)にあるときには、スワールコントロール弁56の開度を略全開にする。従って、燃焼室17の中にスワール流は、ほとんど発生しない。
In the
自己着火のタイミングを精度よくコントロールすることによって、エンジン1の運転状態が中負荷領域(B)にあるときに、燃焼騒音の増大を回避することができる。また、混合気の希釈率をできるだけ高くしてCI燃焼を行うことにより、エンジン1の燃費性能を高くすることが可能になる。さらに、混合気のλを1.0±0.2に設定することによって、三元触媒により、排気ガスを浄化することが可能になるため、エンジン1の排出ガス性能が良好になる。
By controlling the timing of self-ignition with high accuracy, an increase in combustion noise can be avoided when the operating state of the
前述したように、低負荷領域(A)においては、混合気のG/Fを18以上50以下(例えば25)にしかつ、混合気のλを1.0±0.2にしている。エンジン1の運転状態が低負荷領域(A)にあるときと、中負荷領域(B)にあるときとの間において、燃焼室17の中の状態量が大きく変動しない。従って、エンジン1の負荷が変更することに対する、エンジン1の制御のロバスト性が高まる。
As described above, in the low load region (A), the G / F of the air-fuel mixture is set to 18 to 50 (for example, 25), and λ of the air-fuel mixture is set to 1.0 ± 0.2. The state quantity in the
エンジン1の運転状態が中負荷領域(B)にあるときには、低負荷領域(A)にあるときとは異なり、燃料量が多くなるため、燃焼室17の中に導入するガスの充填量を変更する必要がない。スロットル弁43の開度は全開である。
When the operating state of the
エンジン1の負荷が高まり、燃料量がさらに増えたときに、混合気のλを1.0±0.2にしかつ、混合気のG/Fを18以上50以下にするには、自然吸気の状態であれば、燃焼室17の中に導入するガス量が不足する。そこで、中負荷領域(B)における所定負荷よりも負荷の高い領域においては、過給機44が、燃焼室17の中に導入するガスの過給を行う。
When the load of the
中負荷領域(B)は、所定負荷よりも高負荷の領域であって、過給を行う第1中負荷領域(B1)と、所定負荷以下の領域であって、過給を行わない第2中負荷領域(B2)とに分けられる。所定負荷は、例えば1/2負荷である。第2中負荷領域(B2)は、第1中負荷領域(B1)よりも負荷の低い領域である。以下、第1中負荷領域(B1)における燃焼形態を、過給SPCCI燃焼と呼び、第2中負荷領域(B2)における燃焼形態を、非過給SPCCI燃焼と呼ぶ場合がある。 The medium load region (B) is a region that is higher than the predetermined load, and is a first medium load region (B1) that performs supercharging, and a region that is below the predetermined load and that does not perform supercharging. It is divided into a medium load region (B2). The predetermined load is, for example, a ½ load. The second medium load region (B2) is a region having a lower load than the first medium load region (B1). Hereinafter, the combustion mode in the first medium load region (B1) may be referred to as supercharging SPCCI combustion, and the combustion mode in the second medium load region (B2) may be referred to as non-supercharging SPCCI combustion.
過給を行わない第2中負荷領域(B2)においては、燃料量が増えるに従い、燃焼室17の中に導入する新気が増える一方、EGRガスは減る。混合気のG/Fは、エンジン1の負荷が高くなると小さくなる。スロットル弁43の開度を全開にしているため、エンジン1は、燃焼室17の中に導入するEGRガスの量を変更することにより、燃焼室17の中に導入する新気の量を変更する。第2中負荷領域(B2)において燃焼室17の中の状態量は、例えば混合気のλは1.0で略一定になる一方、混合気のG/Fは25〜28の範囲で変更される。
In the second medium load region (B2) where supercharging is not performed, as the amount of fuel increases, new air introduced into the
これに対し、過給を行う第1中負荷領域(B1)において、エンジン1は、燃料量が増えるに従い、燃焼室17の中に導入する新気及びEGRガスを共に増やす。混合気のG/Fは、エンジン1の負荷が高くなっても一定である。第1中負荷領域(B1)において燃焼室17の中の状態量は、例えば混合気のλは1.0で略一定になると共に、混合気のG/Fは25で一定である。
In contrast, in the first medium load region (B1) where supercharging is performed, the
(高負荷領域)
エンジン1の運転状態が高負荷領域にあるときの燃焼形態は、SI燃焼である。これは、燃焼騒音を確実に回避することを優先するためである。以下、高負荷領域における燃焼形態を、高負荷SI燃焼と呼ぶ場合がある。
(High load area)
The combustion mode when the operating state of the
エンジン1の運転状態が高負荷領域(C)にあるときに、混合気のλは1.0±0.2である。また、混合気のG/Fは、基本的には、18以上30以下に設定される。混合気のG/Fを、18以上50以下に設定してもよい。高負荷領域(C)においては、スロットル弁43の開度は全開であり、過給機44は過給を行う。
When the operating state of the
高負荷領域(C)において、エンジン1は、負荷が高まるに従いEGRガスの量を減らす。混合気のG/Fは、エンジン1の負荷が高くなると、小さくなる。EGRガスの量を減らした分、燃焼室17の中に導入する新気の量が増えるから、燃料量を増やすことができる。エンジン1の最高出力を高くする上で有利になる。
In the high load region (C), the
運転領域マップ700を採用したエンジン1では、運転状態が高負荷領域(C)にあるときには、スワールコントロール弁56の開度を略全開にする。従って、燃焼室17の中にスワール流は、ほとんど発生しない。
In the
エンジン1の運転状態が高負荷領域(C)にあるときと、中負荷領域(B)にあるときとの間において、燃焼室17の中の状態量が大きく変動しない。エンジン1の負荷が変更することに対する、エンジン1の制御のロバスト性が高まる。
The state quantity in the
前述の通り、エンジン1は、高負荷領域(C)においては、SI燃焼を行うが、過早着火やノッキングといった異常燃焼が生じやすくなるという問題がある。
As described above, the
そこで、エンジン1は、高負荷領域(C)において、燃料噴射の形態を工夫することにより異常燃焼を回避するよう構成されている。具体的に、ECU10は、30MPa以上の高い燃料圧力でかつ、圧縮行程後期から膨張行程初期までの期間(以下、この期間をリタード期間と呼ぶ)内のタイミングで、燃焼室17内に燃料を噴射するよう、燃料供給システム61及びインジェクタ6に制御信号を出力する。ECU10はまた、燃料の噴射後、圧縮上死点付近のタイミングで、混合気に点火を行うよう、点火プラグ25に制御信号を出力する。尚、以下においては、高い燃料圧力でかつ、リタード期間内のタイミングで、燃焼室17の中に燃料を噴射することを、高圧リタード噴射と呼ぶ。
Therefore, the
高圧リタード噴射は、混合気が反応する時間を短くすることによって、異常燃焼を回避する。すなわち、混合気が反応する時間は、(1)インジェクタ6が燃料を噴射する期間(つまり、噴射期間)と、(2)燃料の噴射が終了した後、点火プラグ25の周りに可燃混合気が形成されるまでの期間(つまり、混合気形成期間)と、(3)点火によって開始されたSI燃焼が終了するまでの期間((3)燃焼期間)と、を足し合わせた時間である。
High pressure retarded injection avoids abnormal combustion by shortening the time during which the air-fuel mixture reacts. That is, the reaction time of the air-fuel mixture includes (1) a period during which the
高い燃料圧力で、燃焼室17の中に燃料を噴射すると、噴射期間及び混合気形成期間は、それぞれ短くなる。噴射期間及び混合気形成期間が短くなると、燃料の噴射を開始するタイミングを点火タイミングに近づけることが可能になる。高圧リタード噴射は、高い圧力でかつ、燃焼室17の中に燃料を噴射するから、圧縮行程後期から膨張行程初期までのリタード期間内のタイミングで、燃料噴射を行う。
When fuel is injected into the
高い燃料圧力で燃焼室17の中に燃料を噴射すると、燃焼室17の中の乱流エネルギが高くなる。燃料噴射のタイミングを圧縮上死点に近づけると、燃焼室17の中の乱流エネルギが高い状態でSI燃焼を開始することができる。その結果、燃焼期間が短くなる。
When fuel is injected into the
高圧リタード噴射は、噴射期間、混合気形成期間、及び、燃焼期間をそれぞれ短くすることができる。吸気行程中に燃焼室17の中に燃料を噴射する場合と比較して、高圧リタード噴射は、混合気が反応する時間を大幅に短くすることができる。高圧リタード噴射は、混合気が反応する時間が短くなるから、異常燃焼を回避することが可能になる。
The high pressure retarded injection can shorten the injection period, the mixture formation period, and the combustion period. Compared with the case where fuel is injected into the
エンジン制御の技術分野においては、異常燃焼を回避するために、点火タイミングを遅角することが、従来から行われている。しかしながら、点火タイミングを遅らせると、燃費性能は低下する。高圧リタード噴射は、点火タイミングを遅角させなくてもよい。高圧リタード噴射を利用することによって、燃費性能は向上する。 In the technical field of engine control, in order to avoid abnormal combustion, the ignition timing is conventionally retarded. However, if the ignition timing is delayed, the fuel consumption performance decreases. The high pressure retarded injection need not retard the ignition timing. By using high-pressure retarded injection, fuel efficiency is improved.
燃料圧力を、例えば30MPa以上にすれば、噴射期間、混合気形成期間及び燃焼期間を効果的に短縮することができる。尚、燃料圧力は、燃料の性状に応じて適宜設定するのが好ましい。燃料圧力の上限値は、一例として、120MPaとしてもよい。 If the fuel pressure is, for example, 30 MPa or more, the injection period, the mixture formation period, and the combustion period can be effectively shortened. The fuel pressure is preferably set as appropriate according to the properties of the fuel. As an example, the upper limit value of the fuel pressure may be 120 MPa.
ここで、エンジン1の回転数が低いときには、クランク角度が同一角度だけ変化するときの時間が長いため、高圧リタード噴射によって混合気の反応可能時間を短縮することは、異常燃焼を回避する上で、特に有効である。一方、エンジン1の回転数が高くなると、クランク角度が同一角度だけ変化するときの時間が短くなる。このため、混合気の反応可能時間を短縮することは、異常燃焼を回避する上で、それほど有効ではない。
Here, when the rotation speed of the
高圧リタード噴射はまた、圧縮上死点付近になって初めて、燃焼室17の中に燃料を噴射するため、圧縮行程において、燃焼室17の中では、燃料を含まないガス、言い換えると比熱比の高いガスが圧縮される。エンジン1の回転数が高いときに、高圧リタード噴射を行うと、圧縮上死点における燃焼室17の中の温度、つまり、圧縮端温度が高くなってしまう。圧縮端温度が高くなることによって、ノッキング等の異常燃焼を招く恐れがある。
The high-pressure retarded injection also injects fuel into the
そこで、このエンジン1は、高負荷領域(C)を、低回転側の第1高負荷領域(C1)と、第1高負荷領域(C1)よりも回転数の高い第2高負荷領域(C2)とに分けている。第1高負荷領域(C1)は、高負荷領域(C)内を、低回転、中回転及び高回転の3つの領域に三等分したときの低回転及び中回転領域を含むとしてもよい。第2高負荷領域(C2)は、高負荷領域(C)内を、低回転、中回転及び高回転の3つの領域に三等分したときの高回転領域を含むとしてもよい。
Therefore, in the
第1高負荷領域(C1)において、インジェクタ6は、ECU10の制御信号を受けて、前述した高圧リタード噴射を行う。第2高負荷領域(C2)において、インジェクタ6は、ECU10の制御信号を受けて、吸気行程中の所定タイミングで燃料噴射を行う。吸気行程中に行う燃料噴射は、高い燃料圧力が不要である。ECU10は、燃料圧力が、高圧リタード噴射の燃料圧力よりも低くなるよう(例えば燃料圧力が40MPa未満となるよう)、燃料供給システム61に制御信号を出力する。燃料圧力を下げることによって、エンジン1の機械抵抗損失が低下するから、燃費の向上に有利になる。
In the first high load region (C1), the
吸気行程中に燃焼室17の中に燃料を噴射することによって、燃焼室17の中のガスの比熱比が下がるから、圧縮端温度が低くなる。圧縮端温度が低くなるから、エンジン1は、異常燃焼を回避することができる。異常燃焼を回避するために、点火タイミングを遅角する必要がないため、第2高負荷領域(C2)において、点火プラグ25は、第1高負荷領域(C1)と同様に、圧縮上死点付近のタイミングで、混合気に点火する。
By injecting fuel into the
第1高負荷領域(C1)においては、高圧リタード噴射によって、混合気が自己着火に至らないため、エンジン1は、安定したSI燃焼を行うことができる。第2高負荷領域(C2)においては、吸気行程中の燃料噴射によって、混合気が自己着火に至らないため、エンジン1は、安定したSI燃焼を行うことができる。
In the first high load region (C1), the
<SPCCI燃焼>
次に、前述したSPCCI燃焼について、さらに詳細に説明をする。図8の上図は、SPCCI燃焼における、クランク角に対する熱発生率の変化を例示する波形801を示している。圧縮上死点付近、正確には、圧縮上死点よりも前の所定タイミングで、点火プラグ25が混合気に点火すると、火炎伝播による燃焼が開始する。SI燃焼時の熱発生は、CI燃焼時の熱発生よりも穏やかである。従って、熱発生率の波形は、傾きが相対的に小さくなる。図示はしないが、SI燃焼時の、燃焼室17の中における圧力変動(dp/dθ)も、CI燃焼時よりも穏やかになる。
<SPCCI combustion>
Next, the aforementioned SPCCI combustion will be described in more detail. The upper diagram of FIG. 8 shows a
SI燃焼によって、燃焼室17の中の温度及び圧力が高まると、未燃混合気が自己着火する。波形801の例では、圧縮上死点付近において、熱発生率の波形の傾きが、小から大へと変化している。つまり、熱発生率の波形は、CI燃焼が開始するタイミングで、変曲点を有している。
When the temperature and pressure in the
CI燃焼の開始後は、SI燃焼とCI燃焼とが並行して行われる。CI燃焼は、SI燃焼よりも熱発生が大きいため、熱発生率は相対的に大きくなる。但し、CI燃焼は、圧縮上死点後に行われるため、ピストン3がモータリングによって下降している。CI燃焼による、熱発生率の波形の傾きが大きくなりすぎることが回避される。CI燃焼時のdp/dθも比較的穏やかになる。
After the start of CI combustion, SI combustion and CI combustion are performed in parallel. Since CI combustion generates more heat than SI combustion, the heat generation rate is relatively large. However, since CI combustion is performed after compression top dead center, the
dp/dθは、燃焼騒音を表す指標として用いることができるが、前述の通りSPCCI燃焼は、dp/dθを小さくすることができるため、燃焼騒音が大きくなりすぎることを回避することが可能になる。燃焼騒音は、許容レベル以下に抑えることができる。 dp / dθ can be used as an index representing combustion noise. However, since SPCCI combustion can reduce dp / dθ as described above, it is possible to avoid excessive combustion noise. . Combustion noise can be suppressed below an acceptable level.
CI燃焼が終了することによって、SPCCI燃焼が終了する。CI燃焼は、SI燃焼に比べて、燃焼期間が短い。SPCCI燃焼は、SI燃焼よりも、燃焼終了時期が早まる。言い換えると、SPCCI燃焼は、膨張行程中の燃焼終了時期を、圧縮上死点に近づけることが可能である。SPCCI燃焼は、SI燃焼よりも、エンジン1の燃費性能の向上に有利である。
When CI combustion ends, SPCCI combustion ends. CI combustion has a shorter combustion period than SI combustion. In SPCCI combustion, the combustion end timing is earlier than SI combustion. In other words, SPCCI combustion can bring the combustion end time during the expansion stroke closer to the compression top dead center. The SPCCI combustion is more advantageous for improving the fuel efficiency of the
従って、SPCCI燃焼は、燃焼騒音の防止と、燃費性能の向上とを両立することができる。 Therefore, SPCCI combustion can achieve both prevention of combustion noise and improvement in fuel efficiency.
(SI率:熱量比率)
ここで、SPCCI燃焼の特性を示すパラメータとして、SI率を定義する。SI率は、SPCCI燃焼により発生した全熱量に対し、SI燃焼により発生した熱量の割合に関係する指標と定義する。SI率は、燃焼形態の相違する二つの燃焼によって発生する熱量比率である。SI率は、SPCCI燃焼により発生した熱量に対する、SI燃焼により発生した熱量の比率としてもよい。例えば波形801においてSI率は、SI率=(SI燃焼の面積)/(SPCCI燃焼の面積)によって表すことができる。波形801においてSI燃焼によって燃焼をする燃料の割合の意味で、前記SI率を、SI燃料割合と呼んでもよい。
(SI rate: calorie ratio)
Here, the SI rate is defined as a parameter indicating the characteristics of SPCCI combustion. The SI rate is defined as an index related to the ratio of the amount of heat generated by SI combustion to the total amount of heat generated by SPCCI combustion. The SI rate is a ratio of the amount of heat generated by two combustions having different combustion forms. The SI rate may be the ratio of the amount of heat generated by SI combustion to the amount of heat generated by SPCCI combustion. For example, in the
SI率は、SI燃焼とCI燃焼とを組み合わせたSPCCI燃焼において、SI燃焼とCI燃焼との比である。SI率が高いと、SI燃焼の割合が高く、SI率が低いと、CI燃焼の割合が高い。 The SI rate is a ratio between SI combustion and CI combustion in SPCCI combustion combining SI combustion and CI combustion. When the SI rate is high, the SI combustion rate is high, and when the SI rate is low, the CI combustion rate is high.
SI率は、前述した定義に限定されるものではない。SI率は、様々な定義が考えられる。例えば、SI率は、CI燃焼により発生した熱量に対する、SI燃焼により発生した熱量の比率としてもよい。つまり、図5においてSI率=(SI燃焼の面積)/(CI燃焼の面積)としてもよい。 The SI rate is not limited to the above-described definition. Various definitions can be considered for the SI rate. For example, the SI rate may be the ratio of the amount of heat generated by SI combustion to the amount of heat generated by CI combustion. That is, in FIG. 5, SI rate = (SI combustion area) / (CI combustion area).
また、SPCCI燃焼において、CI燃焼が開始したタイミングで、熱発生率の波形は変曲点を有している。そこで、図8の中図に符号802で示すように、熱発生率の波形における変曲点を境界にし、境界よりも進角側の範囲をSI燃焼、遅角側の範囲をCI燃焼としてもよい。この場合において、SI率は、波形802にハッチングを付して示すように、境界よりも進角側の範囲の面積QSI、遅角側の範囲の面積QCIから、SI率=QSI/(QSI+QCI)としてもよいし、SI率=QSI/QCIとしてもよい。また、境界よりも進角側の範囲の全面積ではなく一部の面積と、境界よりも遅角側の範囲の一部の面積とに基づいて、SI率を定義してもよい。
Further, in SPCCI combustion, the waveform of the heat generation rate has an inflection point at the timing when CI combustion starts. Therefore, as indicated by
また、熱発生に基づいてSI率を定義するのではなく、境界よりも進角側の範囲のクランク角度ΔθSI、遅角側の範囲のクランク角度ΔθCIから、SI率=ΔθSI/(ΔθSI+ΔθCI)としてもよいし、SI率=ΔθSI/ΔθCIとしてもよい。 In addition, the SI rate is not defined based on the heat generation, but the SI rate = Δθ SI / (Δθ) from the crank angle Δθ SI in the range on the advance side from the boundary and the crank angle Δθ CI in the range on the retard side. SI + [Delta] [theta] CI) may be used as the, or as a SI index = Δθ SI / Δθ CI.
さらに、境界よりも進角側の範囲の熱発生率のピークΔPSI、遅角側の範囲の熱発生率のピークΔPCIから、SI率=ΔPSI/(ΔPSI+ΔPCI)としてもよいし、SI率=ΔPSI/ΔPCIとしてもよい。 Furthermore, the SI rate = ΔP SI / (ΔP SI + ΔP CI ) may be calculated from the peak ΔP SI of the heat generation rate in the range on the advance side from the boundary and the peak ΔP CI of the heat generation rate in the range on the retard side. , SI rate = ΔP SI / ΔP CI .
加えて、境界よりも進角側の範囲における熱発生率の傾きφSI、遅角側の範囲における熱発生率の傾きφCIから、SI率=φSI/(φSI+φCI)としてもよいし、SI率=φSI/φCIとしてもよい。 In addition, the SI rate = φ SI / (φ SI + φ CI ) may be calculated from the slope φ SI of the heat generation rate in the advance angle range from the boundary and the slope φ CI of the heat generation rate in the retard angle range. The SI rate may be φ SI / φ CI .
また、ここでは、熱発生率の波形に基づいて、面積(つまり、熱発生量の大きさ)、横軸の長さ(つまり、クランク角度の大きさ)、縦軸の長さ(つまり、熱発生率の大きさ)、又は、傾き(つまり、熱発生率の変化率)から、SI率を定義している。図示は省略するが、燃焼室17の中の圧力(P)の波形に基づいて、同様に、面積、横軸の長さ、縦軸の長さ、又は、傾きから、SI率を定義してもよい。
Also, here, based on the heat generation rate waveform, the area (that is, the amount of heat generation), the length of the horizontal axis (that is, the size of the crank angle), the length of the vertical axis (that is, the heat generation amount) The SI rate is defined from the magnitude of the generation rate) or the slope (that is, the rate of change of the heat generation rate). Although illustration is omitted, based on the waveform of the pressure (P) in the
また、SPCCI燃焼において、熱発生率又は圧力に係る燃焼波形の変曲点は、常に明確に現れるとは限らない。変曲点に基づかないSI率の定義として、次のような定義を用いてもよい。つまり、図8の下図に符号803で示すように、燃焼波形において、圧縮上死点(TDC)よりも進角側の範囲をSI燃焼とし、圧縮上死点よりも遅角側の範囲をCI燃焼としてもよい。その上で、前記と同様に、面積(QSI、QCI)、横軸の長さ(ΔθSI、ΔθCI)、縦軸の長さ(ΔPSI、ΔPCI)、又は、傾き(φSI、φCI)から、SI率を定義してもよい。
Further, in SPCCI combustion, the inflection point of the combustion waveform related to the heat generation rate or pressure does not always appear clearly. The following definition may be used as the definition of the SI rate that is not based on the inflection point. That is, as indicated by
さらに、SI率は、燃焼室17の中で実際に行われた燃焼波形によって定義するのではなく、燃料量に基づいて定義してもよい。後述するように、SPCCI燃焼を行う中負荷領域においては、前段噴射と後段噴射とを含む分割噴射を行う場合がある。後段噴射によって燃焼室17の中に噴射された燃料は、噴射から点火までの時間が短いため、燃焼室17の中で拡散せずに、点火プラグ25の付近に位置するようになる。従って、後段噴射によって燃焼室17の中に噴射された燃料は、主にSI燃焼によって燃焼する。
Further, the SI rate may be defined not based on the combustion waveform actually performed in the
一方、前段噴射によって燃焼室17の中に噴射された燃料は、主にCI燃焼によって燃焼する。従って、前段噴射によって噴射する燃料量(m1)と、後段噴射によって噴射する燃料量(m2)とに基づいて、SI率を定義することが可能である。つまり、SI率=m2/(m1+m2)としてもよいし、SI率=m2/m1としてもよい。
On the other hand, the fuel injected into the
(SPCCI燃焼の安定化)
SPCCI燃焼を適切に行うためには、SI燃焼を安定化させなければならない。SI燃焼が不安定であると、CI燃焼を含めた燃焼全体が安定化しない。
(Stabilization of SPCCI combustion)
In order to properly perform SPCCI combustion, SI combustion must be stabilized. If the SI combustion is unstable, the entire combustion including the CI combustion is not stabilized.
SI燃焼の安定性に関係する因子の一つに乱流燃焼速度がある。乱流燃焼速度が高いと、SI燃焼は安定化する。乱流燃焼速度は、混合気の空燃比(又は空気過剰率λ)、混合気のG/F、燃焼室の中の温度及び圧力、並びに、燃焼室の中の乱流エネルギ等の影響を受ける。 One of the factors related to the stability of SI combustion is turbulent combustion speed. When the turbulent combustion rate is high, SI combustion is stabilized. The turbulent combustion speed is affected by the air-fuel ratio (or excess air ratio λ) of the mixture, the G / F of the mixture, the temperature and pressure in the combustion chamber, and the turbulent energy in the combustion chamber. .
本願発明者らの検討によれば、混合気のλが1.0±0.2、混合気のG/Fの範囲が18以上30以下、点火タイミングにおける燃焼室の中の必要温度TIgの範囲が570〜800K、点火タイミングにおける燃焼室の中の必要圧力PIgの範囲が400〜920kPa、燃焼室の中の乱流エネルギの範囲が17〜40m2/s2であれば、SI燃焼が安定化できることを確認した。 According to the study by the inventors of the present application, the λ of the mixture is 1.0 ± 0.2, the G / F range of the mixture is 18 or more and 30 or less, and the range of the required temperature TIg in the combustion chamber at the ignition timing. Is 570 to 800 K, the required pressure PIg in the combustion chamber at the ignition timing is 400 to 920 kPa, and the turbulent energy in the combustion chamber is 17 to 40 m 2 / s 2 , the SI combustion is stabilized I confirmed that I can do it.
更に、その混合気のG/Fの範囲は、燃焼室内の混合気を成層化することにより、30を超える50以下の範囲まで拡大できることも確認した。 Furthermore, it was also confirmed that the G / F range of the air-fuel mixture can be expanded to a range of more than 30 to 50 or less by stratifying the air-fuel mixture in the combustion chamber.
すなわち、SPCCI燃焼におけるSI燃焼は点火プラグ25によって点火される混合気の燃焼である。点火プラグ25の近傍の混合気は主に、SI燃焼により燃焼する。そのため、例えばスワール流を活用し、燃焼室17の中を移動する燃料の噴霧の状態をコントロールする。そうすることにより、点火のタイミングにおいて、燃焼室内のG/Fの範囲が30を超えても、点火プラグ25の近傍の混合気のG/Fを、例えば14以上22以下等、点火プラグ25から離れた周囲の混合気よりも相対的に小さくできる(成層化)。
That is, the SI combustion in the SPCCI combustion is the combustion of the air-fuel mixture that is ignited by the
それにより、燃費性能の向上に有利な希釈された混合気であっても、SI燃焼を安定化でき、SPCCI燃焼を適切に行うことができる。 Thereby, even if it is the diluted air-fuel | gaseous mixture which is advantageous for the improvement of a fuel consumption performance, SI combustion can be stabilized and SPCCI combustion can be performed appropriately.
<負荷方向に対するエンジンの運転制御>
エンジン1は、運転領域マップ700の採用により、運転状態に応じてSI燃焼とSPCCI燃焼とを切り替える。エンジン1はまた、エンジン1の運転状態に応じてSI率を変更する。これにより、エンジン1は、燃焼騒音の発生を抑制することと、燃費の向上を図ることとが両立する。
<Engine operation control for load direction>
The
図9は、エンジン1の負荷の高低に対する、SI率の変化、燃焼室17の中の状態量の変化、吸気弁21の開弁期間及び排気弁22の開弁期間の変化、並びに、燃料の噴射タイミング及び点火タイミングの変化を例示している。以下、所定の回転数で、エンジン1の負荷が次第に高くなる想定において、エンジン1の運転制御を説明する。
FIG. 9 shows the change in the SI rate with respect to the load of the
(低負荷領域(低負荷SI燃焼))
低負荷領域(A)において、エンジン1は、低負荷SI燃焼を行う。エンジン1の運転状態が低負荷領域(A)にあるときに、SI率は100%で一定である。
(Low load area (low load SI combustion))
In the low load region (A), the
低負荷領域(A)においては、前述したように、混合気のG/Fを、18〜50の間で一定にする。エンジン1は、燃焼室17の中に、燃料量に応じた量の新気及び既燃ガスを導入する。新気の導入量は、前述したように、スロットリング、及び/又は、ミラーサイクルによって変更する。希釈率が高いため、SI燃焼を安定化させるために、燃焼室17の中の温度を高める。エンジン1は、低負荷領域(A)においては、内部EGRガスを、燃焼室17の中に導入する。
In the low load region (A), as described above, the G / F of the air-fuel mixture is made constant between 18 and 50. The
内部EGRガスは、排気上死点を挟んで吸気弁21及び排気弁22が共に閉弁したネガティブオーバーラップ期間を設けることによって、燃焼室17の中に導入する(つまり、既燃ガスを燃焼室17の中に閉じ込める)。内部EGRガス量の変更は、吸気電動S−VT23により吸気弁21の開弁時期を変更することと、排気電動S−VT24により排気弁22の閉弁時期を変更することと、によって、ネガティブオーバーラップ期間の長さを適宜設定することにより行う。
The internal EGR gas is introduced into the
尚、内部EGRガスは、吸気弁21及び排気弁22を共に開弁するポジティブオーバーラップ期間を設けることによって、燃焼室17の中に導入するようにしてもよい。
The internal EGR gas may be introduced into the
すなわち、吸気弁21の開弁期間と排気弁22の開弁期間とがオーバーラップ(重なり合う)する期間を設ける。そうすることで、燃焼室17の中の高温の既燃ガスの一部は、吸気弁21の開弁によって燃焼室17に連通した吸気ポート18に流入する。吸気ポート18に流入した既燃ガスは、吸気行程において、再度、燃焼室17に導入される。内部EGRガスの量は、ポジティブオーバーラップ期間の長さと、ポジティブオーバーラップ期間のタイミングとを変更することによって変更できる。
That is, a period in which the valve opening period of the
尚、ポジティブオーバーラップ期間の設定による内部EGRガスの導入は、ネガティブオーバーラップ期間の設定による内部EGRガスの導入に対して、吸気弁21の開弁期間を進角させることができる。吸気弁21の開弁期間を進角すれば、有効圧縮比を高めることができ、燃焼室17の中の温度を上昇させることができる。従って、その温度上昇が得られる分、SPCCI燃焼の安定性を確保したうえで、エンジン1の幾何学的圧縮比を低く設定することが可能になり、冷却損失や機械損失、ポンプ損失等の低減が図れる利点がある。
The introduction of the internal EGR gas by setting the positive overlap period can advance the valve opening period of the
また、ポジティブオーバーラップ期間の設定による内部EGRガスの導入では、燃焼室の中に高温の既燃ガスをそのまま閉じ込めるネガティブオーバーラップ期間の設定による内部EGRガスの導入よりも、燃焼室の温度を低くできる。それにより、SPCCI燃焼における自己着火を緩慢にでき、過度なCI燃焼を抑制できる。 Also, the introduction of the internal EGR gas by setting the positive overlap period lowers the temperature of the combustion chamber than the introduction of the internal EGR gas by setting the negative overlap period in which the high-temperature burned gas is confined as it is in the combustion chamber. it can. Thereby, self-ignition in SPCCI combustion can be slowed down, and excessive CI combustion can be suppressed.
低負荷領域(A)においては、燃焼室17の中に導入する充填量が100%未満に変更される。燃料量が増大するに従い、燃焼室17の中に導入する新気の量、及び、内部EGRガスの量が次第に増える。低負荷領域(A)におけるEGR率は、例えば40%である。
In the low load region (A), the filling amount introduced into the
インジェクタ6は、吸気行程中に、燃焼室17の中に燃料を噴射する。燃焼室17の中には、空気過剰率λが1.0±0.2でかつ、G/Fが18〜50になった、均質な混合気が形成される。空気過剰率λは、好ましくは、1.0〜1.2である。圧縮上死点の前の所定のタイミングで、点火プラグ25が混合気に点火をすることによって、混合気は、自己着火に至らずに、火炎伝播により燃焼する。
The
(第2中負荷領域(非過給SPCCI燃焼))
エンジン1の負荷が高くなって、運転状態が第2中負荷領域(B2)に入ると、エンジン1は、低負荷SI燃焼から非過給SPCCI燃焼に切り替える。SI率は、100%未満になる。エンジン1の負荷が高まるに従い燃料量が増える。第2中負荷領域(B2)の中において負荷が低いときには、燃料量の増大に従って、CI燃焼の割合を増やす。SI率は、エンジン1の負荷が高くなる従って、次第に小さくなる。SI率は、図9の例では、50%以下の所定値(最小値)にまで減少する。
(Second medium load region (non-supercharging SPCCI combustion))
When the load of the
燃料量が増えるため、第2中負荷領域(B2)においては、燃焼温度が高くなる。燃焼室17の中の温度が高くなりすぎると、CI燃焼が開始するときの熱発生が激しくなってしまう。そうなると、燃焼騒音が増大してしまう。
Since the amount of fuel increases, the combustion temperature becomes higher in the second medium load region (B2). If the temperature in the
そこで、第2中負荷領域(B2)においては、燃焼室17の中の圧縮開始前の温度を変更するために、エンジン1の負荷が変化することに対して、内部EGRガスと、外部EGRガスとの割合を変更する。つまり、エンジン1の負荷が高くなるに従い、熱い内部EGRガスを次第に減らし、冷却した外部EGRガスを次第に増やす。ネガティブオーバーラップ期間は、第2中負荷領域(B2)において、負荷が高くなるに従い、最大からゼロになるまで変更される。内部EGRガスは、第2中負荷領域(B2)において最も負荷が高くなるとゼロになる。
Therefore, in the second medium load region (B2), the internal EGR gas and the external EGR gas are changed against the change in the load of the
尚、吸気弁21及び排気弁22のポジティブオーバーラップ期間を設けて内部EGRガスを燃焼室17に導入する場合も、同様である。オーバーラップ期間の調整によって、燃焼室17の中の温度を調整する結果、SPCCI燃焼のSI率を調整することができる。
The same applies to the case where the internal EGR gas is introduced into the
EGR弁54の開度は、第2中負荷領域(B2)において、負荷が高くなるに従い、外部EGRガスが増えるよう変更される。燃焼室17の中に導入される外部EGRガスの量は、EGR率で表すと、例えば0〜30%の間において変更される。第2中負荷領域(B2)においては、エンジン1の負荷が高くなるに従い、EGRガスが、内部EGRガスから外部EGRガスへと置換される。EGR率の調整によっても、燃焼室17の中の温度が変化するため、SPCCI燃焼のSI率を調整することができる。
The opening degree of the
尚、低負荷領域(A)と第2中負荷領域(B2)との間で、燃焼室17の中に導入するEGRガス量は連続している。第2中負荷領域(B2)における負荷の低い領域においては、低負荷領域(A)と同じように、内部EGRガスが燃焼室17の中に、大量に導入されている。燃焼室17の中の温度が高くなるため、エンジン1の負荷が低いときに、混合気が確実に自己着火する。第2中負荷領域(B2)における負荷の高い領域においては、外部EGRガスが燃焼室17の中に導入されている。燃焼室17の中の温度が低くなるため、エンジン1の負荷が高いときに、CI燃焼に伴う燃焼騒音を抑制することができる。
The amount of EGR gas introduced into the
第2中負荷領域(B2)においては、燃焼室17の中に導入する充填量が100%にされる。スロットル弁43の開度は、全開である。内部EGRガスと外部EGRガスとを合わせたEGRガス量を変更することによって、燃焼室17の中に導入する新気の量を、燃料量に対応する量に変更する。
In the second medium load region (B2), the filling amount introduced into the
非過給SPCCI燃焼においてCI燃焼の割合が大きくなるに従い、自己着火のタイミングが早くなる。自己着火のタイミングが圧縮上死点よりも早くなると、CI燃焼が開始するときの熱発生が激しくなってしまう。そうなると、燃焼騒音が増大してしまう。そこで、エンジン1は、エンジン1の負荷が所定負荷L1に到達すれば、エンジン1の負荷が高まることに従い、SI率を次第に大きくする。
In the non-supercharged SPCCI combustion, the timing of self-ignition is advanced as the CI combustion ratio increases. If the timing of self-ignition becomes earlier than the compression top dead center, heat generation when CI combustion starts becomes intense. If it becomes so, combustion noise will increase. Therefore, when the load on the
つまり、エンジン1は、燃料量の増大に従ってSI燃焼の割合を増やす。具体的には、図10の上図に示すように、非過給SPCCI燃焼においては、燃料量が増えるに従い、点火タイミングを次第に進角させる。前述したように、内部EGRガスの導入量を減らしかつ、外部EGRガスの導入量を増やすことによって、燃焼室17の中の温度の変更を行っているから、燃料量が増えるに従って、SI率を高くしたとしても、圧縮上死点での温度上昇を抑制することが可能になる。SI燃焼の熱発生率の傾きは、負荷が高くなっても、ほとんど変わらない。点火タイミングを進角すると、SI燃焼の開始が早まる分、SI燃焼の熱発生量が増える。
That is, the
SI燃焼による燃焼室17の中の温度上昇が抑制される結果、未燃混合気は、圧縮上死点以降のタイミングで自己着火する。CI燃焼による熱発生は、SI燃焼の熱発生量が増えているから、エンジン1の負荷が高くなっても、ほぼ同じになる。従って、エンジン1の負荷が高くなることに応じて、SI率を次第に高く設定することにより、燃焼騒音が増大してしまうことを回避することができる。尚、非過給SPCCI燃焼の燃焼重心は、負荷が高くなるほど遅角する。
As a result of suppressing the temperature rise in the
第2中負荷領域(B2)において、インジェクタ6は、圧縮行程中に、前段噴射と後段噴射との2回に分けて、燃焼室17の中に燃料を噴射する。前段噴射は、点火タイミングから離れたタイミングで燃料を噴射し、後段噴射は、点火タイミングに近いタイミングで燃料を噴射する。
In the second intermediate load region (B2), the
(第1中負荷領域(過給SPCCI燃焼))
エンジン1の負荷がさらに高まり、エンジン1の運転状態が第1中負荷領域(B1)に入ると、過給機44が、新気及び外部EGRガスの過給を行う。燃焼室17の中に導入する新気の量、及び、外部EGRガスの量は共に、エンジン1の負荷が高くなるに従い増える。燃焼室17の中に導入される外部EGRガスの量は、EGR率で表すと、例えば30%である。EGR率は、エンジン1の負荷の高低に関わらず一定である。従って、混合気のG/Fも、エンジン1の負荷の高低に関わらず一定である。尚、第2中負荷領域(B2)と第1中負荷領域(B1)との間で、燃焼室17の中に導入するEGRガス量は連続している。
(First medium load region (supercharged SPCCI combustion))
When the load on the
SI率は、100%未満の所定値で、エンジン1の負荷の高低に対して一定にする。第2中負荷領域(B2)のSI率、特に所定負荷L1よりも負荷が高く、エンジン1の負荷が高まることに従い次第に大きくなるSI率と、第1中負荷領域(B1)のSI率とを比較したときに、エンジン1の負荷が高い第1中負荷領域(B1)のSI率の方が、第2中負荷領域(B2)のSI率よりも高い。第1中負荷領域(B1)と第2中負荷領域(B2)との境界において、SI率は連続している。
The SI rate is a predetermined value less than 100%, and is constant with respect to the load of the
ここで、第1中負荷領域(B1)において、エンジン1の負荷が変化することに対して、SI率を多少変化させてもよい。第1中負荷領域(B1)における、エンジン1の負荷の変化に対するSI率の変化率は、第2中負荷領域(B2)の高負荷側におけるSI率の変化率よりも小にすればよい。
Here, in the first medium load region (B1), the SI rate may be slightly changed in response to the load of the
図10の下図に示すように、過給SPCCI燃焼においても、燃料量が増えることに伴い、点火タイミングを次第に進角させる。前述したように、過給によって燃焼室17の中に導入する新気及びEGRガス量を増やしているため、熱容量が大きい。燃料量が増えても、SI燃焼による燃焼室17の中の温度上昇を抑制することが可能になる。過給SPCCI燃焼の熱発生率の波形は、負荷が高くなるに従い、相似形で大きくなる。
As shown in the lower diagram of FIG. 10, in the supercharged SPCCI combustion, the ignition timing is gradually advanced as the fuel amount increases. As described above, since the amount of fresh air and EGR gas introduced into the
つまり、SI燃焼の熱発生率の傾きが、ほとんど変わらずに、SI燃焼の熱発生量が増える。圧縮上死点以降の、ほぼ同じタイミングで、未燃混合気が自己着火をする。CI燃焼による熱発生量は、エンジン1の負荷が高くなると、多くなる。その結果、第1中負荷領域(B1)においては、SI燃焼の熱発生量とCI燃焼の熱発生量とが共に増えるから、エンジン1の負荷の高低に対してSI率が一定になる。CI燃焼の熱発生のピークが高くなると、燃焼騒音が大きくなるが、第1中負荷領域(B1)は、エンジン1の負荷が比較的高いため、ある程度の大きさの燃焼騒音は許容することができる。尚、過給SPCCI燃焼の燃焼重心は、負荷が高くなるほど遅角する。
In other words, the amount of heat generated by SI combustion increases while the slope of the heat generation rate of SI combustion hardly changes. The unburned mixture self-ignites at approximately the same timing after compression top dead center. The amount of heat generated by CI combustion increases as the load on the
第1中負荷領域(B1)においては、排気上死点を挟んで、吸気弁21と排気弁22とが共に開弁するオーバーラップ期間(ポジティブオーバーラップ期間)を設ける。燃焼室17の中に残留する既燃ガスを、過給圧によって掃気する。これにより、燃焼室17の中の温度が低くなるため、エンジン1の負荷が比較的高いときに、異常燃焼が発生してしまうことを抑制することができる。また、燃焼室17の中の温度を下げることによって、エンジン1の負荷が比較的高い領域において、自己着火のタイミングを適切なタイミングにすることができ、SI率を所定のSI率に維持することが可能になる。さらに、既燃ガスを掃気することによって、燃焼室17の中の新気の充填量を高めることができる。
In the first intermediate load region (B1), an overlap period (positive overlap period) in which both the
第1中負荷領域(B1)において、インジェクタ6は、第2中負荷領域(B2)と同様に、圧縮行程中に、前段噴射と後段噴射との2回に分けて、燃焼室17の中に燃料を噴射する。前段噴射は、点火タイミングから離れたタイミングで燃料を噴射し、後段噴射は、点火タイミングに近いタイミングで燃料を噴射する。前段噴射は、例えば吸気行程から圧縮行程の前半の期間内に行い、後段噴射は、例えば圧縮行程の後半から膨張行程の前半の期間内に行ってもよい。
In the first intermediate load region (B1), the
インジェクタ6がこれら期間内に前段噴射と後段噴射とを行うことによって、燃焼室17の中には、全体として、空気過剰率λが1.0±0.2でかつ、G/Fが18〜50になった、略均質な混合気が形成される。混合気が略均質であるため、未燃損失の低減による燃費の向上、及び、スモークの発生回避による排出ガス性能の向上を図ることができる。空気過剰率λは、好ましくは、1.0〜1.2である。
When the
圧縮上死点の前の所定のタイミングで、点火プラグ25が混合気に点火をすることによって、混合気は、火炎伝播により燃焼する。火炎伝播による燃焼の開始後、未燃混合気が自己着火して、CI燃焼する。後段噴射によって噴射された燃料は、主にSI燃焼する。前段噴射によって噴射された燃料は、主にCI燃焼する。前段噴射を圧縮行程中に行うため、前段噴射により噴射した燃料が過早着火等の異常燃焼を誘発することを防止することができる。また、後段噴射により噴射した燃料を、安定的に火炎伝播により燃焼させることができる。
When the
(高負荷領域(高負荷SI燃焼))
エンジン1の負荷がさらに高まり、エンジン1の運転状態が高負荷領域(C)に入ると、エンジン1は、高負荷SI燃焼を行う。従って、高負荷領域(C)においてSI率は、100%になる。
(High load range (high load SI combustion))
When the load on the
スロットル弁43は、全開である。過給機44は、高負荷領域(C)においても、新気及び外部EGRガスの過給を行う。EGR弁54は、開度を変更することによって、エンジン1の負荷が高くなるに従い、外部EGRガスの導入量を次第に減少させる。そうすることによって、燃焼室17の中に導入される新気が、エンジン1の負荷が高くなると増える。新気の量が増えると、燃料量を増やすことができるため、エンジン1の最高出力を高くする上で、有利になる。尚、第1中負荷領域(B1)と高負荷領域(C)の間で、燃焼室17の中に導入するEGRガス量は連続している。
The
高負荷領域(C)においても、第1中負荷領域(B1)と同様に、排気上死点を挟んで、吸気弁21と排気弁22とが共に開弁するオーバーラップ期間を設ける。燃焼室17の中に残留する既燃ガスを、過給圧によって掃気する。これにより、異常燃焼の発生が抑制される。また、燃焼室17の中の新気の充填量を高めることができる。
Also in the high load region (C), similarly to the first intermediate load region (B1), an overlap period is provided in which both the
高負荷領域(C)の低回転側の領域(つまり、第1高負荷領域(C1))において、インジェクタ6は、前述したように、リタード期間内に、燃焼室17の中に燃料を噴射する。高負荷領域(C)の高回転側の領域(つまり、第2高負荷領域(C2))においては、インジェクタ6は、吸気行程中に、燃焼室17の中に燃料を噴射する。いずれにおいても、燃焼室17の中には、空気過剰率λが1.0±0.2でかつ、G/Fが18〜50になった、略均質な混合気が形成される。
In the region on the low rotation side of the high load region (C) (that is, the first high load region (C1)), as described above, the
最高負荷において、空気過剰率λは、例えば0.8になる。また、混合気のG/Fは、最高負荷において、例えば17としてもよい。圧縮上死点の前の所定のタイミングで、点火プラグ25が混合気に点火をすることによって、混合気は、火炎伝播により燃焼する。高負荷領域(C)においては、高圧リタード噴射、又は、吸気行程中の燃料噴射によって、混合気は、自己着火に至らずにSI燃焼する。
At the maximum load, the excess air ratio λ is, for example, 0.8. Further, the G / F of the air-fuel mixture may be 17, for example, at the maximum load. When the
<回転方向に対するエンジンの運転制御>
(SI率の調節)
図11に、SPCCI燃焼を行う中負荷領域(B)での所定の負荷において、エンジン1の回転数の高低とSI率との関係を示す。図7Aに示す運転領域マップ700のように、回転数N1は、中負荷領域(B)の最低回転数である。回転数N2は、中負荷領域(B)の最高回転数であり、SI燃焼を行う高回転領域(D)との境界に位置している(以下においても同様)。
<Operation control of the engine in the rotational direction>
(Adjustment of SI rate)
FIG. 11 shows the relationship between the engine speed of the
CI燃焼は、SI燃焼と比べると、燃焼騒音が大きいという不利がある。しかし、一般的に、エンジン1の回転数が低いときは、エンジン1のNVHが小さい。そのため、低回転時には、NVHにCI燃焼の燃焼騒音が加わったとしても、NVHは、その許容値を下回った状態に維持できる。従って、エンジン1の回転数が低いときには、ECU10は、SI率を低くして、十分にCI燃焼を行うことができる。それにより、エンジン1の低回転時には、NVHが問題になること無く、燃費の向上を図ることができる。
CI combustion has a disadvantage that the combustion noise is larger than SI combustion. However, generally, when the rotational speed of the
それに対し、エンジン1の回転数が高くなると、それに伴ってエンジン1のNVHも大きくなる。その大きくなったNVHにCI燃焼の燃焼騒音が加わると、NVHがその許容値を上回る恐れがある。そのため、ECU10は、エンジン1の回転数が高くなると、その上昇に合わせて、SI率が高くなるように調節する。
On the other hand, when the rotational speed of the
この構成例のECU10は、図11に示すように、エンジン1の回転数が高くなるに従い、SI率を線形的に高くする。最高回転数N2は、SI燃焼のみを行う高回転領域(D)との境界であるため、その回転数でのSI率は100%に調節されている。従って、SPCCI燃焼を行う中負荷領域(B)と、SI燃焼を行う高回転領域(D)との間で、燃焼状態が大きく変動することなく、互いに円滑に移行できる。
As shown in FIG. 11, the
すなわち、エンジン1の回転数の高低に対して行うSI率の調節により、CI燃焼を連続的に減少させることができるようになり、高回転方向にも、その限界まで、自己着火による燃焼を行うことが可能になる。その結果、このエンジン1では、高負荷方向だけでなく、高回転方向に対しても、問題となり得るNVHを許容値以下に維持した状態で、自己着火による燃焼を行う運転領域を拡大できる。よって、このエンジン1は、燃費性能に優れる。尚、このようなSI率の調節は、ECU10が実行する高度なエンジン1の運転制御によって実現可能となっている(詳細は後述)。
That is, the CI combustion can be continuously reduced by adjusting the SI rate performed for the rotational speed of the
エンジン1の負荷が高いと、燃料が増えて燃焼室17の受熱量も増加するため、燃焼室17の温度は相対的に高くなる。そのため、負荷が高いときは低いときよりも、SPCCI燃焼におけるSI燃焼は急速になる。従って、同一回転数で比較した場合、SI率は、エンジン1の負荷が高いときには、エンジン1の負荷が低いときよりも高くなるように調節される。従って、図11に一点鎖線で示すように、エンジン1の回転数に対するSI率の変化を示す直線の傾き(SI率/エンジン回転数)は、エンジン1の負荷が高くなるほど緩くなる。
When the load on the
(高回転時においてSI率を高める手段)
高回転時には、低回転時に比べて燃焼サイクルが短くなる。それに伴い、燃焼室の内壁等が燃焼時に受けとる熱量が少なくなるので、燃焼室17は、低回転時に比べると温度が低くなる。混合気も燃焼室17から受熱し難くなる。更に、混合気が燃焼する時間も短くなる。高回転時には、このような不利な条件の下でSI率が高まるように調節する必要がある。
(Means to increase SI rate at high rotation)
At high speed, the combustion cycle is shorter than at low speed. Along with this, the amount of heat received by the inner wall of the combustion chamber during combustion is reduced, so that the temperature of the
それに対し、燃焼室17の中の混合気それ自体の温度を高くすれば、燃焼室17から受熱し難い条件の下でも燃焼を促進させることができる。
On the other hand, if the temperature of the air-fuel mixture itself in the
また、CI燃焼は、SI燃焼に遅れて着火する。混合気の温度を高くすると、SI燃焼及びCI燃焼のいずれも促進されるが、高回転時は燃焼時間が短い。そのため、燃焼が先に始まるSI燃焼の方が急速になり、燃焼が後に始まるCI燃焼よりも燃焼が促進される。従って、混合気の温度を高くすれば、高回転時においてSI率を高めることが可能になる。 CI combustion is ignited after SI combustion. When the temperature of the air-fuel mixture is increased, both SI combustion and CI combustion are promoted, but the combustion time is short at high revolutions. For this reason, the SI combustion in which the combustion starts first becomes faster and the combustion is promoted than the CI combustion in which the combustion starts later. Therefore, if the temperature of the air-fuel mixture is increased, the SI rate can be increased at the time of high rotation.
(第1の手段)
そこで、このエンジン1では、エンジン1の回転数の変化に対してSI率を変更するために、SPCCI燃焼を行う中負荷領域(B)において、内部EGR率を調節する。
(First means)
Therefore, in the
具体的に、ECU10は、吸気電動S−VT23、及び/又は排気電動S−VT24に、制御信号を出力し、吸気弁21、及び/又は排気弁22の開弁時期を変更する。そうすることにより、ネガティブオーバーラップ期間を設けると共に、その長さを変更し、燃焼室17の中に導入される高温の既燃ガス(内部EGRガス)を所定量にする。それにより、内部EGR率、詳細には「燃焼室17の中の全ガスに対する内部EGRガスの質量比(%)」が、変更される。
Specifically, the
図7Aに示したように、運転領域マップ700を採用したエンジン1では、中負荷領域(B)が、高負荷側に位置する第1中負荷領域(B1)と、低負荷側に位置する第2中負荷領域(B2)とに分けられている。第1中負荷領域(B1)では、高負荷に対応しながら、SPCCI燃焼を行う運転領域を高負荷方向に拡大するため、過給が行われるのに対し、第2中負荷領域(B2)では、過給は行われない。
As shown in FIG. 7A, in the
このエンジン1では、過給が行われる第1中負荷領域(B1)では、ポジティブオーバーラップ期間が設けられているので、内部EGRガスを導入しても過給圧によって掃気されてしまう。従って、第1中負荷領域(B1)では、内部EGR率の変更は困難なため、この第1の手段は採用していない。ECU10は、第2中負荷領域(B2)で、エンジン1の回転数が低い低回転時よりも高い高回転時に内部EGR率が高くなるよう、吸気電動S−VT23等に制御信号を出力する。
In the
図12の(a)に、その第2中負荷領域(B2)での所定の負荷において、エンジン1の回転数の高低と内部EGR率との関係(内部EGR率/エンジン回転数)を示す。ECU10は、最低回転数である回転数N1から、エンジン1の回転数が高くなるに従い、内部EGR率を線形的に高くする。その結果、燃焼室17の中の混合気の温度が高くなるので、燃焼室17からの受熱量が少なく、燃焼時間が短くなっても、SI燃焼が急速になって、SI率が高くなる。SI率が高くなると、CI燃焼が減るから、SPCCI燃焼により発生する燃焼騒音を抑制することができる。エンジン1の回転数が高い時に、NVHを許容値以下に抑えることができる。尚、図12で示すエンジン回転数と内部EGR率との関係は一例であり、その変化率は仕様に応じて適宜変更可能である。
FIG. 12 (a) shows the relationship (internal EGR rate / engine speed) between the engine speed of the
図12の(a)に示すように、エンジン1の回転数が所定の回転数(制限開始回転数Na)を超えた場合には、内部EGR率の上昇は制限されるようになっている。具体的には、エンジン1の回転数の変化に対して内部EGR率を変更するために、ECU10のメモリ102に、所定のマップが格納されており、そのマップの中に、制限開始回転数Naが予め設定されている。ECU10は、エンジン1の回転数がその制限開始回転数Naを超えた場合に、内部EGR率の上昇を制限するよう、吸気電動S−VT23等に制御信号を出力する。
As shown in FIG. 12A, when the rotational speed of the
尚、制限開始回転数Naは、少なくとも、中負荷領域(B)におけるエンジン回転数の範囲(回転数N1〜回転数N2)を二等分した回転数よりも大きい値に設定されている。特には、中負荷領域(B)におけるエンジン回転数の範囲を三等分したときの高回転側の範囲に設定するのが好ましい。 The limit start rotational speed Na is set to a value larger than at least the rotational speed obtained by dividing the engine rotational speed range (the rotational speed N1 to the rotational speed N2) in the medium load region (B) into two equal parts. In particular, it is preferable that the range of the engine speed in the medium load region (B) is set to a range on the high speed side when it is divided into three equal parts.
この構成例では、制限開始回転数Naを超えることで、内部EGR率は、頭打ちとなり、略一定の値に保持されるようになっている(仕様によっては、その値が多少増減することもあり得る)。内部EGR率が高まって、混合気の温度が過度に高くなると、CI燃焼も急速になって燃焼騒音が増大し、NVHの許容値を超えてしまうおそれがある。そのため、ECU10は、そのような状況になり得る回転数より前に、制限開始回転数Naを設定することで、NVHをその許容値以下に抑えている。
In this configuration example, the internal EGR rate reaches its peak and is held at a substantially constant value by exceeding the limit start rotational speed Na (the value may slightly increase or decrease depending on the specification). obtain). If the internal EGR rate is increased and the temperature of the air-fuel mixture becomes excessively high, CI combustion also becomes rapid and combustion noise increases, which may exceed the allowable value of NVH. Therefore, the
エンジン1の負荷が高いと、燃料が増えて燃焼室17の受熱量も増加するため、燃焼室17の温度は相対的に高くなる。そのため、負荷が高いときは低いときよりも、混合気の温度が高くなり、SPCCI燃焼におけるSI燃焼は急速になる。従って、ECU10は、エンジン1の負荷が高くなるほど、回転数の全域にわたって、内部EGR率が低くなるように変更する。
When the load on the
またこのとき、制限開始回転数Naは、エンジンの負荷が高くなるほど、低回転側に変位するよう設定されている。エンジンの負荷が高くなるほど、混合気の温度は過度に高くなり易い。そのため、エンジンの負荷が高くなるほど、制限開始回転数Naを低回転側に設定することで、NVHがその許容値を超えることを、より確実に抑えるようにしている。 At this time, the limit start rotational speed Na is set so as to be displaced toward the low speed side as the engine load increases. As the engine load increases, the temperature of the air-fuel mixture tends to become excessively high. Therefore, the higher the engine load is, the more reliably the NVH exceeds its allowable value by setting the limit start speed Na to the low speed side.
図12の(a)は、ネガティブオーバーラップ期間の設定(NVO設定ともいう)によって内部EGRガスを導入する場合におけるエンジン回転数と内部EGR率との関係を示している。ポジティブオーバーラップ期間の設定(PVO設定ともいう)によって内部EGRガスを導入する場合におけるエンジン回転数と内部EGR率との関係を、図12の(b)に示す。 FIG. 12A shows the relationship between the engine speed and the internal EGR rate when the internal EGR gas is introduced by setting the negative overlap period (also referred to as NVO setting). FIG. 12B shows the relationship between the engine speed and the internal EGR rate when the internal EGR gas is introduced by setting the positive overlap period (also referred to as PVO setting).
PVO設定による内部EGRガスの導入では、燃焼室17の中に高温の既燃ガスをそのまま閉じ込めるNVO設定による内部EGRガスの導入とは異なり、高温の既燃ガスは、いったん吸気ポート18に流出した後、再度、燃焼室17に導入される。温度の低い吸気ポート18に流出することで、燃焼室17に導入される高温の既燃ガス、つまり内部EGRガスは冷却される。
In the introduction of the internal EGR gas by the PVO setting, unlike the introduction of the internal EGR gas by the NVO setting in which the high-temperature burned gas is confined in the
従って、NVO設定による内部EGRガスの導入に比べて、PVO設定による内部EGRガスの導入では、燃焼室17の温度が相対的に低くなる。よって、内部EGR率が高まっても、混合気の温度は過度に高くなり難い。そのため、制限開始回転数Naの設定は不要か、制限開始回転数Naの設定が必要であっても、NVO設定よりも十分に大きい値に設定される。
Therefore, in comparison with the introduction of the internal EGR gas with the NVO setting, the temperature of the
そのため、PVO設定による内部EGRガスの導入では、最高回転数である回転数N2の近傍に至るまで、内部EGR率は、制限を受けることなく連続して高くなる。図12の(b)に示す高負荷時では、最高回転数N2の近傍で制限開始回転数Naが設定されているが、高負荷時においても制限開始回転数Naの設定は不要な場合はあり得る。また、低負荷時や中負荷時においても制限開始回転数Naの設定が必要な場合もあり得る。ただし、その場合であっても、NVO設定による内部EGRガスの導入と比べれば、制限開始回転数Naは、最高回転数N2により近い値に設定される。 Therefore, in the introduction of the internal EGR gas by the PVO setting, the internal EGR rate continuously increases without being limited until reaching the vicinity of the rotation speed N2 that is the maximum rotation speed. At the time of high load shown in FIG. 12B, the limit start speed Na is set near the maximum speed N2, but it may not be necessary to set the limit start speed Na even at high load. obtain. Further, it may be necessary to set the limit start rotational speed Na even when the load is low or medium. However, even in that case, the limit start rotational speed Na is set to a value closer to the maximum rotational speed N2 as compared with the introduction of the internal EGR gas by the NVO setting.
尚、後述する運転領域マップ701又は運転領域マップ702を採用したエンジン1では、燃焼室17の中に、所定以上の強さを有するスワール流が形成される。燃焼室17の中にそのようなスワール比が形成されていると、その流動によって燃焼室17の中の混合気を成層化できる。それにより、点火プラグ25の周辺の混合気を、SI燃焼に適した状態にできるので、安定したSPCCI燃焼が実現できる。
In the
従って、この場合、高いSI率を確保するために、高回転時に内部EGR率を高くしても、混合気の成層化により、点火プラグ25の周辺でのEGRガスを少なくできる。それにより、SI燃焼の着火の安定性が確保でき、安定したSPCCI燃焼が実現できる。
Therefore, in this case, in order to ensure a high SI rate, even if the internal EGR rate is increased during high rotation, the EGR gas around the
(第2の手段)
この第1の手段だけでは、SPCCI燃焼を行う中負荷領域(B)のうち、第2中負荷領域(B2)しか、高回転方向に、自己着火による燃焼を行う運転領域を拡大できない。そこで、このエンジン1では、第1中負荷領域(B1)でも、第2中負荷領域(B2)と同様に、高回転方向に向かって、燃焼室17の中の混合気それ自体の温度を高く変更できるよう、第2の手段も採用されている。
(Second means)
With only the first means, only the second medium load region (B2) of the medium load region (B) performing SPCCI combustion can expand the operation region in which combustion by self-ignition is performed in the high rotation direction. Therefore, in the
すなわち、このエンジン1は、エンジン1の回転数の変化に対してSI率を変更するために、SPCCI燃焼を行う中負荷領域(B)において、外部EGR率を変更する。
That is, the
具体的には、EGR弁54の開度の変更により、冷却された、内部EGRガスよりも低温の既燃ガス(外部EGRガス)の燃焼室17の中への導入量が変更され、それによって外部EGR率、詳細には「燃焼室17の中の全ガスに対する外部EGRガスの質量比(%)」が、変更される。
Specifically, by changing the opening degree of the
ECU10は、低回転時よりも高回転時に外部EGR率が低くなるよう、EGR弁54に制御信号を出力する。外部EGRガスは、燃焼室17の中の混合気よりも温度が低い。そのため、外部EGRガスの導入量が多いと、それだけ混合気の温度は低くなる。従って、外部EGR率を低くすることで、燃焼室17の中の混合気それ自体の温度を高く変更できる。
The
図7Aに示したように、外部EGRガスは、第1中負荷領域(B1)及び第2中負荷領域(B2)の双方で導入されており、特に、第1中負荷領域(B1)において多量に導入されている。従って、第2の手段は、第1中負荷領域(B1)において有効であり、第1の手段と組み合わせることで、SPCCI燃焼を行う中負荷領域(B)の全域において、効果的に、エンジン1の回転数の変化に対してSI率を高く調節できる。
As shown in FIG. 7A, the external EGR gas is introduced in both the first medium load region (B1) and the second medium load region (B2), and particularly in the first medium load region (B1). Has been introduced. Therefore, the second means is effective in the first medium load region (B1), and in combination with the first means, the
図13の(a)に、その中負荷領域(B)の所定の負荷において、エンジン1の回転数の高低と外部EGR率との関係(外部EGR率/エンジン回転数)を示す。実線は、第1中負荷領域(B1)における関係を示しており、一点破線は、第2中負荷領域(B2)における関係を示している。
FIG. 13A shows the relationship between the level of the
前述したように、運転領域マップ700を採用したエンジン1では、スワールコントロール弁56は、SPCCI燃焼を行う中負荷領域(B)を含め、各運転領域において略全開に制御されている。図13の(a)は、そのような、燃焼室17の中に、スワール流がほとんど発生していないか、スワール流が発生していてもその流動が弱い場合における前述した関係を示している。
As described above, in the
ECU10は、最低回転数である回転数N1から所定の回転数(低下開始回転数Nb)に至るまで、外部EGR率を略一定に保持する。そうすることにより、低回転時には、EGR率(外部EGR率)を高い値に設定できるので、確保しなければならない混合気のG/Fの値が高くても、適切な範囲内に収めることができる。混合気の希釈率を高く維持できるので、燃費の向上が図れる。
The
そして、低下開始回転数Nbを超えると、ECU10は、エンジン1の負荷に応じて、外部EGR率を低下させる。具体的には、エンジン1の回転数の変化に対して外部EGR率を変更するために、ECU10のメモリ102に、所定のマップが格納されており、そのマップの中に、低下開始回転数Nbが予め設定されている。
Then, when the reduction start rotational speed Nb is exceeded, the
低下開始回転数Nbも、制限開始回転数Naと同様に、少なくとも、中負荷領域(B)におけるエンジン回転数の範囲を二等分した回転数よりも大きい値に設定されている。特に、中負荷領域(B)におけるエンジン回転数の範囲を三等分したときの高回転側の範囲に設定するのが好ましく、低下開始回転数Nb及び制限開始回転数Naは同じ回転数に設定するのが好ましい。 The reduction start rotational speed Nb is also set to a value that is at least larger than the rotational speed obtained by dividing the engine rotational speed range in the medium load region (B) into two equal parts, similarly to the limited start rotational speed Na. In particular, it is preferable to set the range of the engine speed in the medium load region (B) to the high speed side when the engine speed is divided into three equal parts, and the decrease start speed Nb and the limit start speed Na are set to the same speed. It is preferable to do this.
ECU10は、そのマップに基づき、低下開始回転数Nbを超えた場合に、エンジン1の負荷に応じて、外部EGR率の低下が開始するよう、EGR弁54に制御信号を出力する。尚、負荷が低いときには、低下開始回転数Nbを超えても外部EGR率の値がそのまま維持される場合もある。
Based on the map, the
それにより、低下開始回転数Nb以上の高回転領域では、燃焼室17に導入される外部EGRガスの割合が減って、混合気それ自体の温度が高くなる。従って、燃焼室17からの受熱量が少なく、燃焼時間が短くなっても、SI燃焼が急速になって、SI率が高くなる。SI率が高くなると、CI燃焼が減るから、SPCCI燃焼により発生する燃焼騒音を抑制することができる。エンジン1の回転数が高い時に、NVHを許容値以下に抑えることができる。尚、図13で示すエンジン回転数と外部EGR率との関係は一例であり、その変化率は仕様に応じて適宜変更可能である。
As a result, in the high speed region where the reduction start rotational speed Nb or higher, the ratio of the external EGR gas introduced into the
このとき、ECU10は、エンジン1の負荷が高くなるほど、外部EGR率が急に低下するよう(低下率が大きくなるよう)、EGR弁54に制御信号を出力する。
At this time, the
エンジン1の負荷が高くなると、それに伴って燃料の量が増加する。増加する燃料に対して既燃ガスが過度に多いと、火花点火による着火、すなわちSPCCI燃焼におけるSI燃焼が不安定になり、SI率が低下する恐れがある。そこで、エンジン1の負荷が高くなるほど、外部EGR率の低下率を大きくし、着火を安定化させることで、高いSI率を維持する。
As the load on the
ECU10は、第2中負荷領域(B2)においても、第1中負荷領域(B1)と同様に、外部EGR率を変更する。この構成例では、第1中負荷領域(B1)で導入されるEGRガスは外部EGRガスのみであるのに対し、第2中負荷領域(B2)では内部EGRガスも導入される。そのため、第2中負荷領域(B2)では、内部EGRガスの導入量との関係で、混合気のG/F等、燃焼室17の中の状態量を考慮して、外部EGR率が変更される。その結果、第2中負荷領域(B2)での外部EGR率は、第1中負荷領域(B1)と比べて、相対的に低く、また、異なった値となる。
The
後述する運転領域マップ701又は運転領域マップ702を採用したエンジン1では、運転領域マップ700を採用したエンジン1と異なり、燃焼室17の中に、所定以上の強さを有するスワール流が形成される。図13の(b)は、そのようなエンジン1での前述した関係を示している。
In the
燃焼室17の中に、所定以上の強さを有するスワール流が形成されると、燃焼室17の中で混合気の流動性が高まる。そのため、EGRガスの量が多くても、点火が行われる時に、点火プラグ25の周辺のEGRガスの量を少なくできる。従って、負荷が高まって燃料が増加しても、点火による着火の安定性を確保できるので、SPCCI燃焼におけるSI燃焼が安定して行える。
When a swirl flow having a predetermined strength or more is formed in the
それにより、ECU10は、図13の(b)に示すように、エンジン1の負荷の高低の変化に対して外部EGR率の低下率が略一定に保持されるように、EGR弁54に制御信号を出力する。ECU10は、負荷が高くなっても、低負荷の時と同じ状態で外部EGR率を低下させる。
Thereby, as shown in FIG. 13B, the
(第3の手段)
第1や第2の手段のように、混合気の温度を高くする方法では、その温度が過度に高くなると、CI燃焼も急速になって燃焼騒音が増大し、NVHの許容値を超えてしまうおそれがある。また、内部EGR率や外部EGR率は、混合気のG/F等、その他の状態量による制約があるため、その変更だけでは、SPCCI燃焼での燃焼騒音の抑制効果が制限され、十分な効果が得られない場合がある。
(Third means)
In the method of increasing the temperature of the air-fuel mixture as in the first and second means, if the temperature becomes excessively high, the CI combustion also becomes rapid and the combustion noise increases and exceeds the allowable value of NVH. There is a fear. In addition, since the internal EGR rate and the external EGR rate are limited by other state quantities such as the G / F of the air-fuel mixture, the effect of suppressing the combustion noise in the SPCCI combustion is limited only by changing the internal EGR rate and the external EGR rate. May not be obtained.
特に、第1の手段では、制限開始回転数Naを超えた範囲で内部EGR率の上昇が制限される。また、第2の手段でも、低下開始回転数Nbを超えた範囲で、外部EGR率が低下し過ぎると、混合気の温度が過度に高くなって燃焼騒音が増大し、NVHの許容値を超えてしまうおそれがあるため、その低下率は制限を受ける。従って、これら制限開始回転数Naや低下開始回転数Nbを超えた範囲では、所望するSI率まで高くならない場合がある。その場合、燃焼騒音の抑制効果が制限され、十分な効果が得られない。 In particular, in the first means, the increase in the internal EGR rate is limited within a range exceeding the limit start rotational speed Na. Also in the second means, if the external EGR rate is excessively decreased within the range where the decrease start rotational speed Nb is exceeded, the temperature of the air-fuel mixture becomes excessively high and combustion noise increases, exceeding the allowable value of NVH. The rate of decline is limited. Accordingly, there is a case where the desired SI rate is not increased in a range exceeding the limit start rotation speed Na and the decrease start rotation speed Nb. In that case, the effect of suppressing combustion noise is limited, and a sufficient effect cannot be obtained.
そこで、このエンジン1では、混合気の温度を高くする方法とは異なる、別の手段を利用し、それによってもSI率が高められるようしている。
Therefore, in this
すなわち、ECU10は、第1や第2の手段と併用して、スワールコントロール弁56を制御することによって、吸気流動を強くする第3の手段を用いる。吸気流動を強くすると、SI燃焼が急速になるためSI率が高くなる。その結果、SPCCI燃焼の燃焼騒音を抑制することができる。
That is, the
図14の(a)に、運転領域マップ700を採用したエンジン1の回転数の高低とスワールコントロール弁56の開度との関係を示す。前述したように、運転領域マップ700を採用したエンジン1では、スワールコントロール弁56は、SPCCI燃焼を行う中負荷領域(B)を含め、各運転領域において略全開に制御されている。図14の(a)は、その場合での前述した関係を示している。対して、図14の(b)は、後述する、運転領域マップ701を採用したエンジン1及び運転領域マップ702を採用したエンジン1での前述した関係を示している。
FIG. 14A shows the relationship between the rotational speed of the
図14の(a)に示すように、運転領域マップ700を採用したエンジン1では、エンジン1の回転数が、内部EGR率の制限が開始される制限開始回転数Naや、外部EGR率の低下が開始される低下開始回転数Nbなど、第1や第2の手段だけでは所望するSI率に調節するのが困難な所定の回転数(作動開始回転数Nc)に到達すると、ECU10は、スワールコントロール弁56に制御信号を出力し、その開度を、略全開から閉じ側に変更する。これにより、燃焼室17の中のスワール流が強くなる。ECU10は、エンジン1の回転数が高くなるに従い、スワールコントロール弁56の開度を線形的に閉じ側に変更する。エンジン1の回転数が高くなるに従い、スワール流が強くなるから、SI燃焼がより一層急速になる。
As shown in FIG. 14 (a), in the
その結果、第1や第2の手段では、制限を受ける高回転側の範囲においても、SPCCI燃焼の燃焼騒音を抑制することができる。その結果、エンジン1の回転数が高いときに、NVHを許容値以下に抑えることが可能になる。第1や第2の手段と、第3の手段との組み合わせにより、SI率を、高く、よりいっそう適切に変更できるようになる。
As a result, in the first and second means, it is possible to suppress the combustion noise of SPCCI combustion even in the range on the high speed side that is restricted. As a result, when the rotational speed of the
一方、図14の(b)に示すように、後述する、運転領域マップ701を採用したエンジン1及び運転領域マップ702を採用したエンジン1では、SPCCI燃焼が行われる領域において、所定の強さを有するスワール流が燃焼室17の中に形成される。
On the other hand, as shown in FIG. 14B, the
例えば、吸気から点火に至るタイミングにおいて、スワール比が1.5〜3の範囲となるように、スワールコントロール弁56が、全閉することなく閉じ側の所定の開度で制御される。スワールコントロール弁56の開度又はスワール比は、エンジン1の仕様に応じて適宜設定される。図14の(b)は、スワールコントロール弁56が、エンジン1の回転数の高低の変化に対し、略30%の開度で略一定に保持される場合を例示している。
For example, at the timing from intake to ignition, the
SPCCI燃焼を行う時に、このようなスワール流を燃焼室17の中に形成することで、燃焼室17の中の流動性を高めることができ、また、燃焼室17の中に、成層化した混合気を形成することが可能になる。それにより、エンジン1の広い運転領域で、安定したSPCCI燃焼が実現できる。その詳細については後述する。
By forming such a swirl flow in the
(第4の手段)
運転領域マップ700を採用したエンジン1では、点火タイミングの変更によっても、高回転方向に向かってSI率が高められるように構成されている。
(Fourth means)
The
図15に、SPCCI燃焼を行う中負荷領域(B)の所定の負荷における、エンジン1の回転数の高低と点火タイミングとの関係を示す。第3の手段と同様に、エンジン1の回転数が、内部EGR率の制限が開始される制限開始回転数Naや、外部EGR率の低下が開始される低下開始回転数Nbなど、第1や第2の手段だけでは所望するSI率に調節するのが困難な所定の回転数(進角開始回転数Nd)に到達すると、ECU10は、点火プラグ25に制御信号を出力し、点火タイミングを進角させる。これにより、SI燃焼の開始が早まってSI燃焼が急速になる。ECU10は、エンジン1の回転数が高くなるほど、点火タイミングを線形的に進角させる。エンジン1の回転数が高くなるに従い、SI燃焼がより一層急速になる。
FIG. 15 shows the relationship between the engine speed of the
第4の手段は、第3の手段に代えて用いることができる。第3の手段と共に第4の手段を用いてもよい。第1から第4の手段を適宜組み合わせることで、高回転時においても、安定したSI率の調節が可能になる。 The fourth means can be used in place of the third means. The fourth means may be used together with the third means. By appropriately combining the first to fourth means, it is possible to stably adjust the SI rate even at high revolutions.
(SI率の変更)
図16は、ECU10が実行するエンジン1の運転制御に係るフローを示している。ECU10は、各センサSW1〜SW16の検知信号に基づいて、エンジン1の運転状態を判断すると共に、燃焼室17の中の燃焼が、運転状態に応じたSI率の燃焼となるよう、燃焼室17の中の状態量の変更、噴射量の変更、噴射タイミングの変更、及び、点火タイミングの変更を行う。
(Change of SI rate)
FIG. 16 shows a flow relating to operation control of the
ECU10はまた、各センサの検知信号に基づいて、SI率の変更が必要と判断したときには、SI率変更手段102aにより、SI率の変更を行う。
The
ECU10は先ず、ステップS1において、各センサSW1〜SW16の検知信号を読み込む。次いで、ECU10は、ステップS2において、検知信号に基づいてエンジン1の運転状態を判断すると共に、目標SI率を設定する。目標SI率は、図9又は図11に示した通りである。
First, in step S1, the
ECU10は、続くステップS3において、予め設定している燃焼モデルに基づいて、設定した目標SI率を実現するための目標筒内状態量を設定する。具体的には、燃焼室17の中の目標温度及び目標圧力、並びに、目標状態量を設定する。ECU10は、ステップS4において、目標筒内状態量を実現するために必要な、EGR弁54の開度、スロットル弁43の開度、エアバイパス弁48の開度、吸気電動S−VT23及び排気電動S−VT24の位相角、並びに、スワールコントロール弁56の開度を設定する。
In the subsequent step S3, the
ECU10は、これらのデバイスの制御量を、予め設定しかつ、ECU10に記憶しているマップに基づいて設定する。ECU10は、設定した制御量に基づいて、EGR弁54、スロットル弁43、エアバイパス弁48、吸気電動S−VT23及び排気電動S−VT24、並びに、スワールコントロール弁56に制御信号を出力する。ECU10の制御信号に基づいて各デバイスが動作をすることによって、燃焼室17の中の状態量が目標状態量になる。
The
ECU10はさらに、設定した各デバイスの制御量に基づいて、燃焼室17の中の状態量の予測値、及び、推定値をそれぞれ算出する。状態量予測値は、吸気弁21が閉弁する前の燃焼室17の中の状態量を予測した値であり、後述するように、吸気行程における燃料の噴射量の設定に用いる。状態量推定値は、吸気弁21が閉弁した後の燃焼室17の中の状態量を推定した値であり、後述するように、圧縮行程における燃料の噴射量の設定、及び、点火タイミングの設定に用いる。状態量推定値はまた、後述するように、実際の燃焼状態との比較による状態量誤差の計算にも用いる。
The
ECU10は、ステップS5において、状態量予測値に基づいて、吸気行程中における燃料の噴射量を設定する。尚、吸気行程中に燃料の噴射を行わないときは、燃料の噴射量はゼロである。ステップS6において、ECU10はインジェクタ6の噴射を制御する。つまり、所定の噴射タイミングで、燃焼室17の中に燃料を噴射するよう、インジェクタ6に制御信号を出力する。
In step S5, the
ECU10は、ステップS7において、状態量推定値と、吸気行程中の燃料の噴射結果と、に基づいて、圧縮行程中における燃料の噴射量を設定する。尚、圧縮行程中に燃料の噴射を行わないときは、燃料の噴射量はゼロである。圧縮行程中に分割噴射を行うときには、前段噴射の噴射量及び後段噴射の噴射量をそれぞれ設定する。ECU10は、ステップS8において、予め設定されているマップに基づく噴射タイミングで、燃焼室17の中に燃料を噴射するよう、インジェクタ6に制御信号を出力する。
In step S7, the
ECU10は、ステップS9において、状態量推定値と、圧縮行程中の燃料の噴射結果と、に基づいて、点火タイミングを設定する。ECU10は、ステップS10において、設定した点火タイミングで、燃焼室17の中の混合気に点火をするよう、点火プラグ25に制御信号を出力する。
In step S9, the
点火プラグ25が混合気に点火をすることにより、燃焼室17の中でSI燃焼又はSPCCI燃焼が行われる。ステップS11において、ECU10は、指圧センサSW6が検知した燃焼室17の中の圧力の変化を読み込み、それに基づいて、燃焼室17の中の混合気の燃焼状態を判断する。ECU10はまた、ステップS12において、燃焼状態の検出結果と、ステップS4において推定をした状態量推定値とを比較し、状態量推定値と、実際の状態量との誤差を計算する。計算した誤差は、今回以降のサイクルにおいて、ステップS4の推定に利用される。
When the
ECU10は、状態量誤差が無くなるように、スロットル弁43、EGR弁54、スワールコントロール弁56、及び/又は、エアバイパス弁48の開度、並びに、吸気電動S−VT23及び排気電動S−VT24の位相角を変更する。それによって、燃焼室17に導入される新気及びEGRガス量が変更される。この状態量誤差のフィードバックは、ECU10が、目標SI率と実際のSI率との誤差に基づいて、SI率の変更が必要と判断したときに、SI率を変更することに相当する。
The
ECU10はまた、ステップS8において、状態量推定値に基づき燃焼室17の中の温度が目標温度よりも低くなると予想したときには、点火タイミングを進角することが可能になるよう、圧縮行程中の噴射タイミングを、マップに基づく噴射タイミングよりも進角させる。一方、ECU10は、ステップS7において、状態量推定値に基づき燃焼室17の中の温度が目標温度よりも高くなると予想したときには、点火タイミングを遅角することが可能になるよう、圧縮行程中の噴射タイミングを、マップに基づく噴射タイミングよりも遅角させる。
The
つまり、図17のP2に示すように、燃焼室17の中の温度が低いと、火花点火によってSI燃焼が開始した後、未燃混合気が自己着火するタイミングθCIが遅れてしまい、SI率が、目標のSI率(P1参照)からずれてしまう。この場合、未燃燃料の増大や、排出ガス性能の低下を招く。
That is, as shown in P2 of Fig. 17, when the low temperature of the
そこで、燃焼室17の中の温度が目標温度よりも低くなると予想したときには、ECU10は、噴射タイミングを進角すると共に、図17のステップS10において、点火タイミングθIGを進角する。図17のP3に示すように、SI燃焼の開始が早まることによってSI燃焼により十分な熱発生が可能になるから、燃焼室17の中の温度が低いときに、未燃混合気の自己着火のタイミングθCIが遅れることを防止することができる。その結果、SI率は、目標のSI率に近づく。未燃燃料の増大や、排出ガス性能の低下が防止される。
Therefore, when the temperature inside the
また、図17のP4に示すように、燃焼室17の中の温度が高いと、火花点火によってSI燃焼が開始して直ぐに、未燃混合気が自己着火してしまい、SI率が、目標のSI率(P1参照)からずれてしまう。この場合、燃焼騒音が増大してしまう。
Moreover, as shown in P4 of FIG. 17, when the temperature in the
そこで、燃焼室17の中の温度が目標温度よりも高くなると予想したときには、ECU10は、噴射タイミングを遅角すると共に、図16のステップS10において、点火タイミングθIGを遅角する。図17のP5に示すように、SI燃焼の開始が遅くなるから、燃焼室17の中の温度が高いときに、未燃混合気の自己着火のタイミングθCIが早くなることを防止することができる。その結果、SI率は、目標のSI率に近づく。燃焼騒音が増大してしまうことが回避される。
Therefore, when the temperature inside the
これらの噴射タイミングの変更、及び、点火タイミングの変更は、ECU10が、SPCCI燃焼におけるSI率の変更が必要と判断したときに、SI率を変更することに相当する。噴射タイミングを変更することによって、進角又は遅角される点火タイミングにおいて、燃焼室17の中に適切な混合気を形成することができる。点火プラグ25は、確実に、混合気に点火することが可能になると共に、未燃混合気は、適切なタイミングで、自己着火することができる。
These changes in the injection timing and the ignition timing correspond to the change in the SI rate when the
尚、図17において、実際の燃焼状態に基づいて、スロットル弁43、EGR弁54、エアバイパス弁48、吸気電動S−VT23、排気電動S−VT24、及びスワールコントロール弁56の制御を通じて燃焼室17の中の状態量を変更する点は、図16のステップS12及びステップS4において説明した通りである。
In FIG. 17, the
このエンジン1は、スロットル弁43、EGR弁54、エアバイパス弁48、吸気電動S−VT23、排気電動S−VT24、及びスワールコントロール弁56を含む状態量設定デバイスによって、SI率を変更する。燃焼室17の中の状態量を変更することによって、SI率の大まかな変更が可能である。それと共に、エンジン1は、燃料の噴射タイミング及び点火タイミングを変更することによって、SI率を変更する。噴射タイミング及び点火タイミングの変更によって、例えば気筒間差の補正を行ったり、自己着火タイミングの微変更を行ったりすることができる。SI率の変更を二段階に行うことによって、エンジン1は、運転状態に対応する狙いのSPCCI燃焼を正確に実現することができる。
The
<第2の運転領域マップ>
図7Bは、エンジン1の運転領域マップの第2の構成例(第2の運転領域マップ701)を示している。運転領域マップ701は、次の3つの領域に分けられている。
<Second operation area map>
FIG. 7B shows a second configuration example (second operation region map 701) of the operation region map of the
(A)アイドル運転を含む低負荷領域
(B)低負荷領域(A)と次の高負荷領域(C)との間の中負荷領域
(C)全開負荷を含む高負荷領域
(A) Low load region including idle operation (B) Medium load region between low load region (A) and next high load region (C) (C) High load region including fully open load
すなわち、運転領域マップ701は、前述した運転領域マップ700と比べて、エンジン1の回転数の方向に向かって、低負荷領域(A)、中負荷領域(B)、及び高負荷領域(C)の各々が拡大されている。
In other words, the
運転領域マップ701を採用したエンジン1では、特に、SPCCI燃焼を行う中負荷領域(B)を拡大するために、燃焼室17の中に所定の強さを有するスワール流を発生させることが行われている。
In the
例えば、ECU10は、必要に応じて、スワールコントロール弁56の開度を調整する。エンジン1の運転状態が中負荷領域(B)にあるときに、スワールコントロール弁56は、全閉又は閉じ側の所定の開度にされる。その結果、燃焼室17の中には、所定の強さを有するスワール流が形成される。吸気から点火に至るタイミングにおいて、スワール比は4以上としてもよい。また、スワール比は、4未満、例えば1.5〜3の範囲としてもよい。
For example, the
運転領域マップ701を採用したエンジン1においても、運転領域マップ700を採用したエンジン1と同様に、SI率の調節を行うのが好ましい。すなわち、図11に示すように、過給が行われない第2中負荷領域(B2)において、エンジン1の回転数が高くなるに従い、SI率を線形的に高くする。そうすることで、高回転領域においても、問題となり得るNVHを許容値以下に維持した状態で、SPCCI燃焼を安定して行うことができる。
Also in the
また、運転領域マップ701を採用したエンジン1においても、運転領域マップ700を採用したエンジン1と同様に、第1〜第4の手段により、高回転時においてSI率を高めることができる。
Also, in the
<第3の運転領域マップ>
図7Cは、エンジン1の運転領域マップの第3の構成例(第3の運転領域マップ702)を示している。運転領域マップ702は、次の5つの領域に分けられている。
<Third driving area map>
FIG. 7C shows a third configuration example (third operation region map 702) of the operation region map of the
(1)−1:アイドル運転を含みかつ、低回転及び中回転の領域に広がる低負荷領域
(1)−2:低負荷領域よりも負荷が高くかつ、低回転及び中回転の領域に広がる中負荷領域
(2):中負荷領域よりも負荷が高い領域でかつ、全開負荷を含む高負荷領域の中回転領域
(3):高負荷領域において中回転領域よりも回転数の低い低回転領域
(4):低負荷領域、中負荷領域、高負荷中回転領域、及び、高負荷低回転領域よりも回転数の高い高回転領域
(1) -1: Low load region including idle operation and extending to low and medium rotation regions (1) -2: Medium load higher than low load region and extending to low and medium rotation regions Load region (2): Medium load region where load is higher than medium load region and high load region including fully open load (3): Low rotation region where rotation speed is lower than medium rotation region in high load region ( 4): A low load region, a medium load region, a high load medium rotation region, and a high rotation region having a higher rotational speed than the high load low rotation region.
ここで、低回転領域、中回転領域、及び、高回転領域はそれぞれ、エンジン1の全運転領域を回転数方向に、低回転領域、中回転領域及び高回転領域の略三等分にしたときの、低回転領域、中回転領域、及び、高回転領域とすればよい。運転領域マップ702では、回転数N1未満を低回転、回転数N2以上を高回転、回転数N1以上N2未満を中回転としている。
Here, the low rotation region, the medium rotation region, and the high rotation region are each when the entire operation region of the
回転数N1は、例えば1200rpm程度、回転数N2は、例えば4000rpm程度としてもよい。尚、回転数N1及び回転数N2は、運転領域マップ700及び運転領域マップ702の各々において同じでもよいし、異なっていてもよい。
For example, the rotational speed N1 may be about 1200 rpm, and the rotational speed N2 may be about 4000 rpm, for example. The rotation speed N1 and the rotation speed N2 may be the same or different in each of the
運転領域マップ702においては、燃費の向上及び排出ガス性能の向上を主目的として、低負荷領域(1)−1、中負荷領域(1)−2、及び、高負荷中回転領域(2)において、エンジン1は、SPCCI燃焼を行う。エンジン1が低負荷で運転するとき、及び、エンジン1が高負荷で運転するときにも、SPCCI燃焼を行う点が、運転領域マップ701と相違する。エンジン1はまた、その他の領域、具体的には、高負荷低回転領域(3)及び高回転領域(4)においては、火花点火による燃焼を行う。以下、各領域におけるエンジン1の運転について、図18に示す燃料噴射時期及び点火時期を参照しながら詳細に説明をする。
In the driving
(低負荷領域(1)−1)
エンジン1が低負荷領域(1)−1において運転しているときに、エンジン1は、SPCCI燃焼を行う。
(Low load area (1) -1)
When the
図18の符号601は、エンジン1が低負荷領域(1)−1において、符号601の運転状態にて運転しているときの燃料噴射時期(符号6011、6012)及び点火時期(符号6013)、並びに、燃焼波形(つまり、クランク角に対する熱発生率の変化を示す波形、符号6014)それぞれの一例を示している。
エンジン1が低負荷領域(1)−1において運転しているときには、燃焼室17の中には、所定の強さを有するスワール流が形成される(図14の(b)参照)。エンジン1が低負荷領域(1)−1において運転するときのスワール比は、略2であり、4未満の範囲、例えば1.5〜3の範囲で調整される。尚、スワール比を4以上にして強いスワール流を形成してもよい。
When the
スワール流は、燃焼室17の外周部において強く、中央部において弱くなる。スワールコントロール弁(SCV)56は、全閉することなく閉じ側の所定の開度で制御される。前述したように、吸気ポート18はタンブルポートであるため、燃焼室17の中には、タンブル成分とスワール成分とを有する斜めスワール流が形成される。
The swirl flow is strong at the outer periphery of the
エンジン1が低負荷領域(1)−1において運転するときに、混合気の空燃比(A/F)は、燃焼室17の全体において理論空燃比よりもリーンである。つまり、燃焼室17の全体において、混合気の空気過剰率λは1を超える。より詳細に、燃焼室17の全体において混合気のA/Fは30以上である。こうすることで、RawNOxの発生を抑制することができ、排出ガス性能を向上させることができる。
When the
EGRシステム55は、エンジン1が低負荷領域(1)−1において運転しているときに、必要に応じて燃焼室17の中にEGRガスを導入する。例えば、ポジティブオーバーラップ期間の設定により、内部EGRガスを導入する。
The
エンジン1が低負荷領域(1)−1において運転するときに、燃焼室17内の中央部と外周部との間において、混合気は成層化している。燃焼室17内の中央部は、点火プラグ25が配置されている部分であり、外周部は、中央部の周囲であって、シリンダ11のライナーに接する部分である。燃焼室17内の中央部は、スワール流が弱い部分、外周部は、スワール流が強い部分、と定義してもよい。
When the
中央部の混合気の燃料濃度は、外周部の燃料濃度よりも濃い。具体的に、中央部の混合気のA/Fは、20以上30以下であり、外周部の混合気のA/Fは、35以上である。 The fuel concentration of the air-fuel mixture at the center is higher than the fuel concentration at the outer periphery. Specifically, the A / F of the air-fuel mixture in the central part is 20 or more and 30 or less, and the A / F of the air-fuel mixture in the outer peripheral part is 35 or more.
エンジン1が低負荷領域(1)−1において運転するときに、インジェクタ6は、基本的には、圧縮行程中において燃料を、複数回に分けて、燃焼室17の中に噴射する。燃料の分割噴射と、燃焼室17の中のスワール流と、によって、燃焼室17の中央部と外周部とにおいて、混合気が成層化する。
When the
燃料噴射の終了後、圧縮上死点前の所定のタイミングで、点火プラグ25は、燃焼室17の中央部の混合気に点火をする(符号6013参照)。中央部の混合気は燃料濃度が相対的に高いため、着火性が向上すると共に、火炎伝播によるSI燃焼が安定化する。SI燃焼が安定化することによって、適切なタイミングで、CI燃焼が開始する。SPCCI燃焼において、CI燃焼のコントロール性が向上する。その結果、エンジン1が低負荷領域(1)−1において運転するときに、燃焼騒音の発生の抑制と、燃焼期間の短縮による燃費性能の向上とが両立する。
After completion of fuel injection, the
(中負荷領域(1)−2)
エンジン1が中負荷領域(1)−2において運転しているときも、低負荷領域(1)−1と同様に、エンジン1は、SPCCI燃焼を行う。中負荷領域(1)−2は、運転領域マップ701における中負荷領域(B)に対応する。
(Medium load area (1) -2)
Even when the
図18の符号602は、エンジン1が中負荷領域(1)−2において、符号602の運転状態にて運転しているときの燃料噴射時期(符号6021、6022)及び点火時期(符号6023)、並びに、燃焼波形(符号6024)それぞれの一例を示している。
EGRシステム55は、エンジン1の運転状態が中負荷領域(1)−2にあるときに、燃焼室17の中にEGRガスを導入する。例えば、ポジティブオーバーラップ期間の設定により、内部EGRガスを導入する。
The
エンジン1が中負荷領域(1)−2において運転するときにも、低負荷領域(1)−1と同様に、燃焼室17の中には、スワール比が2程度の、所定の強さを有するスワール流が形成される。スワールコントロール弁(SCV)56は、全閉ではない、閉じ側の所定の開度である。スワール流を形成することによって、キャビティ31の中に溜まった残留ガスをキャビティ31の中から追い出すことができる。その結果、点火プラグ25の近傍のSI部の混合気のG/Fと、SI部の周囲のCI部の混合気のG/Fと、を異ならせることができる。そのことによって、前述したように、燃焼室17全体のトータルG/Fを、18以上50以下にすれば、SPCCI燃焼を安定化させることができる。
Even when the
また、スワール流を形成することにより、燃焼室17内の乱流エネルギが高くなるから、エンジン1が中負荷領域(1)−2において運転するときに、SI燃焼の火炎が速やかに伝播してSI燃焼が安定化する。SI燃焼が安定することによってCI燃焼のコントロール性が高まる。SPCCI燃焼におけるCI燃焼のタイミングが適正化することによって、燃焼騒音の発生を抑制することができると共に、燃費性能の向上が図られる。また、サイクル間におけるトルクのばらつきを抑制することができる。
Further, since the turbulent energy in the
エンジン1が中負荷領域(1)−2において運転するときに、混合気の空燃比(A/F)は、燃焼室17の全体において理論空燃比(A/F≒14.7)である。三元触媒が、燃焼室17から排出された排出ガスを浄化することによって、エンジン1の排出ガス性能は良好になる。混合気のA/Fは、三元触媒の浄化ウインドウの中に収まるようにすればよい。従って、混合気の空気過剰率λは、1.0±0.2とすればよい。
When the
エンジン1が中負荷領域(1)−2において運転するときに、インジェクタ6は、吸気行程中の燃料噴射(符号6021)と、圧縮行程中の燃料噴射(符号6022)とを行う。吸気行程中に第1噴射6021を行うことによって、燃焼室17の中に燃料を略均等に分布させることができる。圧縮行程中に第2噴射6022を行うことによって、燃料の気化潜熱によって燃焼室17の中の温度を低下させることができる。第1噴射6021によって噴射した燃料を含む混合気が過早着火してしまうことを防止することができる。
When the
インジェクタ6が、吸気行程中の第1噴射6021と圧縮行程中の第2噴射6022とを行うことによって、燃焼室17の中には、全体として、空気過剰率λが1.0±0.2になった混合気が形成される。混合気の燃料濃度が略均質であるため、未燃損失の低減による燃費の向上、及び、スモークの発生回避による排出ガス性能の向上を図ることができる。空気過剰率λは、好ましくは、1.0〜1.2である。また、燃焼室17全体のトータルG/Fは18以上50以下であり、点火プラグ25の近傍のSI部のG/Fは14〜22である。
When the
圧縮上死点の前の所定のタイミングで、点火プラグ25が混合気に点火をすることによって(符号6023)、混合気は、火炎伝播により燃焼する。火炎伝播による燃焼の開始後、未燃混合気が、目標タイミングで自己着火して、CI燃焼する。後段噴射によって噴射された燃料は、主にSI燃焼する。前段噴射によって噴射された燃料は、主にCI燃焼する。燃焼室17全体のトータルG/Fを18以上50以下とし、点火プラグ25の近傍のSI部のG/Fを14〜22とすることにより、SPCCI燃焼を安定化させることができる。
When the
ここで、図7Cに示すように、過給機44がオフにされる領域(S/C OFF参照)は、低負荷領域(1)−1の一部、及び、中負荷領域(1)−2の一部である。詳細には、低負荷領域(1)−1における低回転側の領域においては、過給機44がオフにされる。低負荷領域(1)−1における高回転側の領域においては、エンジン1の回転数が高くなることに対応して必要な吸気充填量を確保するために、過給機44がオンにされて、過給圧を高くする。また、中負荷領域(1)−2における低負荷低回転側の領域においては、過給機44がオフにされ、中負荷領域(1)−2における高負荷側の領域においては、燃料噴射量が増えることに対応して必要な吸気充填量を確保するために、過給機44がオンにされ、高回転側の領域においては、エンジン1の回転数が高くなることに対応して必要な吸気充填量を確保するために、過給機44がオンになる。
Here, as shown to FIG. 7C, the area | region (refer S / C OFF) where the
尚、高負荷中回転領域(2)、高負荷低回転領域(3)、及び、高回転領域(4)の各領域においては、その全域に亘って過給機44がオンになる。
Note that the
(高負荷中回転領域(2))
エンジン1が高負荷中回転領域(2)において運転しているときも、低負荷領域(1)−1及び中負荷領域(1)−2と同様に、エンジン1は、SPCCI燃焼を行う。
(High load medium rotation range (2))
Even when the
図18の符号603は、エンジン1が高負荷中回転領域(2)において、符号603の運転状態にて運転しているときの燃料噴射時期(符号6031、6032)及び点火時期(符号6033)、並びに、燃焼波形(符号6034)それぞれの一例を示している。また、図18の符号604は、符号603の運転状態よりも回転数が高いときの燃料噴射時期(符号6041)及び点火時期(符号6042)、並びに、燃焼波形(符号6043)それぞれの一例を示している。
EGRシステム55は、エンジン1の運転状態が高負荷中回転領域(2)にあるときに、燃焼室17の中にEGRガス(例えば外部EGRガス)を導入する。エンジン1は、負荷が高まるに従いEGRガスの量を減らす。全開負荷では、EGRガスをゼロにしてもよい。
The
また、エンジン1が高負荷中回転領域(2)において運転するときにも、低負荷領域(1)−1と同様に、燃焼室17の中には、スワール比が4未満の、所定の強さを有するスワール流が形成される。スワール比を4以上にして強いスワール流を形成してもよい。スワールコントロール弁(SCV)56は、全閉することなく閉じ側の所定の開度で制御される。
Further, when the
エンジン1が高負荷中回転領域(2)において運転するときに、混合気の空燃比(A/F)は、燃焼室17の全体において理論空燃比又は理論空燃比よりもリッチである(つまり、混合気の空気過剰率λは、λ≦1)。
When the
エンジン1が高負荷中回転領域(2)における低回転側で運転するときに、インジェクタ6は、吸気行程において燃料を噴射する(符号6031)と共に、圧縮行程の終期に燃料を噴射する(符号6032)。圧縮行程の終期とは、圧縮行程を初期、中期、及び、終期に三等分したときの終期としてもよい。
When the
吸気行程に開始する前段噴射6031は、吸気行程の前半に燃料噴射を開始してもよい。吸気行程の前半は、吸気行程を前半と後半とに二等分したときの前半としてもよい。具体的に前段噴射は、上死点前280°CAで燃料噴射を開始してもよい。
The
前段噴射6031の噴射開始を、吸気行程の前半にすると、図示は省略するが、燃料噴霧がキャビティ31の開口縁部に当たることによって、一部の燃料は、燃焼室17のスキッシュエリア171に入り、残りの燃料は、キャビティ31の内の領域に入る。スワール流は、燃焼室17の外周部において強く、中央部において弱くなっている。そのため、スキッシュエリア171に入った一部の燃料はスワール流に入り、キャビティ31の内の領域に入った残りの燃料は、スワール流の内側に入る。スワール流に入った燃料は、吸気行程から圧縮行程の間、スワール流の中に留まり、燃焼室17の外周部においてCI燃焼用の混合気を形成する。スワール流の内側に入った燃料も、吸気行程から圧縮行程の間、スワール流の内側に留まり、燃焼室17の中央部においてSI燃焼用の混合気を形成する。
When the injection start of the
エンジン1が高負荷中回転領域(2)において運転するときには、点火プラグ25が配置されている中央部の混合気は、好ましくは空気過剰率λが1以下であり、外周部の混合気は、空気過剰率λが1以下、好ましくは1未満である。中央部の混合気の空燃比(A/F)は、例えば13以上、理論空燃比(14.7)以下としてもよい。中央部の混合気の空燃比は、理論空燃比よりもリーンであってもよい。また、外周部の混合気の空燃比は、例えば11以上、理論空燃比以下、好ましくは11以上、12以下としてもよい。燃焼室17の外周部の空気過剰率λを1未満にすると、外周部は混合気中の燃料量が増えるため、燃料の気化潜熱によって温度を低下させることができる。燃焼室17の全体の混合気の空燃比は、12.5以上、理論空燃比以下、好ましくは12.5以上、13以下としてもよい。
When the
圧縮行程の終期に行う後段噴射6032は、例えば上死点前10°CAで燃料噴射を開始してもよい。上死点の直前で後段噴射を行うことにより、燃料の気化潜熱によって燃焼室内の温度を低下させることができる。前段噴射6031によって噴射された燃料は、圧縮行程の間に低温酸化反応が進み、上死点前において高温酸化反応に移行するようになるが、上死点の直前で後段噴射6032を行い、燃焼室内の温度を低下させることにより、低温酸化反応から高温酸化反応へ移行することを抑制することができ、過早着火が発生してしまうことを抑制することができる。尚、前段噴射の噴射量と後段噴射の噴射量との割合は、一例として、95:5としてもよい。
For example, the post-injection 6032 performed at the end of the compression stroke may start fuel injection at 10 ° CA before top dead center. By performing the post-stage injection immediately before the top dead center, the temperature in the combustion chamber can be lowered by the latent heat of vaporization of the fuel. The fuel injected by the
点火プラグ25は、圧縮上死点付近において、燃焼室17の中央部の混合気に点火をする(符号6033)。点火プラグ25は、例えば圧縮上死点以降に点火を行う。点火プラグ25は燃焼室17の中央部に配置されているため、点火プラグ25の点火によって、中央部の混合気が火炎伝播によるSI燃焼を開始する。
The
高負荷領域においては、燃料噴射量が多くなると共に、燃焼室17の温度も高くなるため、CI燃焼が早期に開始しやすい状況になる。言い換えると、高負荷領域においては、混合気の過早着火が発生しやすい。しかしながら、前述の通り、燃焼室17の外周部の温度が、燃料の気化潜熱によって低下しているから、混合気に火花点火をした後、CI燃焼がすぐに開始してしまうことを回避することができる。
In the high load region, the fuel injection amount increases and the temperature of the
前述したように、点火プラグ25が中央部の混合気に点火をすると、SI燃焼は高い乱流エネルギによって、燃焼速度が高くなって安定化すると共に、SI燃焼の火炎は、燃焼室17内のスワール流れに乗って、周方向に伝播する。そうして、燃焼室17の外周部における、周方向の所定の位置において、未燃混合気が自己着火をし、CI燃焼が開始する。
As described above, when the
このSPCCI燃焼のコンセプトでは、燃焼室17の中において混合気を成層化することと、燃焼室17の中にスワール流を発生させることとによって、CI燃焼の開始までにSI燃焼を十分に行うことができる。その結果、燃焼騒音の発生を抑制することができると共に、燃焼温度が高くなりすぎることがなくてNOxの生成も抑制される。また、サイクル間におけるトルクのばらつきを抑制することができる。
In this SPCCI combustion concept, sufficient SI combustion is performed before the start of CI combustion by stratifying the air-fuel mixture in the
また、外周部の温度が低いため、CI燃焼が緩やかになり、燃焼騒音の発生を抑制することができる。さらに、CI燃焼によって燃焼期間が短くなるから、高負荷領域においてトルクの向上、及び、熱効率の向上が図られる。よって、このエンジン1は、負荷が高い領域においてSPCCI燃焼を行うことにより、燃焼騒音を回避しながら、燃費性能を向上させることができる。
Moreover, since the temperature of the outer peripheral portion is low, CI combustion becomes moderate, and the generation of combustion noise can be suppressed. Furthermore, since the combustion period is shortened by CI combustion, torque can be improved and thermal efficiency can be improved in a high load region. Therefore, the
エンジン1が高負荷中回転領域(2)における高回転側で運転するときに、インジェクタ6は、吸気行程において燃料噴射を開始する(符号6041)。
When the
吸気行程に開始する前段噴射6041は、前記と同様に、吸気行程の前半に燃料噴射を開始してもよい。具体的に前段噴射6041は、上死点前280°CAで燃料噴射を開始してもよい。前段噴射の終了は、吸気行程を超えて圧縮行程中になる場合がある。前段噴射6041の噴射開始を、吸気行程の前半にすることによって、燃焼室17の外周部においてCI燃焼用の混合気を形成すると共に、燃焼室17の中央部においてSI燃焼用の混合気を形成することができる。点火プラグ25が配置されている中央部の混合気は、前記と同様に、好ましくは空気過剰率λが1以下であり、外周部の混合気は、空気過剰率λが1以下、好ましくは1未満である。中央部の混合気の空燃比(A/F)は、例えば13以上、理論空燃比(14.7)以下としてもよい。中央部の混合気の空燃比は、理論空燃比よりもリーンであってもよい。また、外周部の混合気の空燃比は、例えば11以上、理論空燃比以下、好ましくは11以上、12以下としてもよい。燃焼室17の全体の混合気の空燃比は、12.5以上、理論空燃比以下、好ましくは12.5以上、13以下としてもよい。
The
エンジン1の回転数が高くなると、前段噴射6041によって噴射された燃料が反応する時間が短くなる。そのため、混合気の酸化反応を抑制するための後段噴射を省略することができる。
When the rotation speed of the
点火プラグ25は、圧縮上死点付近において、燃焼室17の中央部の混合気に点火をする(符号6042)。点火プラグ25は、例えば圧縮上死点以降に点火を行う。
The
前述したように、混合気を成層化することによって、高負荷中回転領域(2)において、燃焼騒音を抑制すると共に、SPCCI燃焼を安定化することができる。 As described above, by stratifying the air-fuel mixture, combustion noise can be suppressed and SPCCI combustion can be stabilized in the high load mid-rotation region (2).
(高負荷低回転領域(3))
エンジン1が高負荷低回転領域(3)において運転しているときに、エンジン1は、SPCCI燃焼ではなく、SI燃焼を行う。高負荷低回転領域(3)は、運転領域マップ701にける第1高負荷領域(C1)に対応する。
(High load, low rotation range (3))
When the
図18の符号605は、エンジン1が高負荷低回転領域(3)において、符号605の運転状態にて運転しているときの燃料噴射時期(符号6051、6052)及び点火時期(符号6053)、並びに、燃焼波形(符号6054)それぞれの一例を示している。
EGRシステム55は、エンジン1の運転状態が高負荷低回転領域(3)にあるときに、燃焼室17の中にEGRガスを導入する。エンジン1は、負荷が高まるに従いEGRガスの量を減らす。全開負荷では、EGRガスをゼロにすればよい。
The
エンジン1が高負荷低回転領域(3)において運転しているときに、混合気の空燃比(A/F)は、燃焼室17の全体において理論空燃比(A/F≒14.7)である。混合気のA/Fは、三元触媒の浄化ウインドウの中に収まるようにすればよい。従って、混合気の空気過剰率λは、1.0±0.2とすればよい。混合気の空燃比を、理論空燃比にすることにより、高負荷低回転領域(3)において、燃費性能が向上する。尚、エンジン1が高負荷低回転領域(3)において運転するときに、燃焼室17の全体の混合気の燃料濃度を、空気過剰率λにおいて1以下でかつ、高負荷中回転領域(2)における空気過剰率λ以上、好ましくは高負荷中回転領域(2)における空気過剰率λよりも大にしてもよい。
When the
運転領域マップ702においては、エンジン1が高負荷低回転領域(3)において運転するときに、インジェクタ6は、吸気行程中と、圧縮行程終期から膨張行程初期までのリタード期間とのそれぞれのタイミングで、燃焼室17内に燃料を噴射する(符号6051、6052)。二回に分けて燃料を噴射することにより、リタード期間内に噴射する燃料量を少なくすることができる。吸気行程中に燃料を噴射することにより(符号6051)、混合気の形成時間を十分に確保することができる。また、リタード期間に燃料を噴射することにより(符号6052)、点火直前に、燃焼室17の中の流動を高めることができ、SI燃焼の安定化に有利になる。
In the
点火プラグ25は、燃料の噴射後、圧縮上死点付近のタイミングで、混合気に点火を行う(符号6053)。点火プラグ25は、例えば圧縮上死点後に点火を行ってもよい。混合気は、膨張行程においてSI燃焼をする。SI燃焼が膨張行程において開始するため、CI燃焼は開始しない。
The
エンジン1は、高負荷低回転領域(3)において運転するときには、高負荷中回転領域(2)において運転するときよりもスワール流を弱くする。高負荷低回転領域(3)において運転するときに、スワールコントロール弁(SCV)56の開度は、高負荷中回転領域(2)において運転するときよりも大きい。スワールコントロール弁56の開度は、例えば50%程度(つまり、半開)とすればよい。
When the
インジェクタ6の噴孔の軸は、点火プラグ25に対し周方向に位置がずれている。噴孔から噴射された燃料は、燃焼室17の中のスワール流によって周方向に流れる。スワール流によって、燃料を点火プラグ25の付近に速やかに輸送することができる。燃料は、点火プラグ25の付近に輸送される間に、気化することができる。
The axis of the injection hole of the
一方、スワール流が強すぎると、燃料が周方向に流されてしまい、点火プラグ25の付近から離れてしまって、点火プラグ25の付近に燃料を速やかに輸送することができなくなる。そこで、エンジン1は、高負荷低回転領域(3)において運転するときには、高負荷中回転領域(2)において運転するときよりもスワール流を弱くする。これによって、点火プラグ25の付近に燃料を速やかに輸送することができるから、混合気の着火性の向上及びSI燃焼の安定化を図ることができる。
On the other hand, if the swirl flow is too strong, the fuel is caused to flow in the circumferential direction, away from the vicinity of the
(高回転領域(4))
エンジン1の回転数が高いと、クランク角が1°変化するのに要する時間が短くなる。そのため、例えば高負荷領域における高回転領域において、前述したように、燃焼室17内において混合気の成層化をすることが困難になる。エンジン1の回転数が高くなると、前述したSPCCI燃焼を行うことが困難になる。
(High rotation area (4))
When the rotational speed of the
そのため、エンジン1が高回転領域(4)において運転しているときには、エンジン1は、SPCCI燃焼ではなく、SI燃焼を行う。尚、高回転領域(4)は、低負荷から高負荷まで負荷方向の全域に広がっている。
Therefore, when the
図18の符号606は、エンジン1が高回転領域(4)において、符号606の運転状態にて運転しているときの燃料噴射時期(符号6061)及び点火時期(符号6062)、並びに、燃焼波形(符号6063)それぞれの一例を示している。
EGRシステム55は、エンジン1の運転状態が高回転領域(4)にあるときに、燃焼室17の中にEGRガスを導入する。エンジン1は、負荷が高まるに従いEGRガスの量を減らす。全開負荷では、EGRガスをゼロにすればよい。
The
エンジン1は、高回転領域(4)において運転するときには、スワールコントロール弁(SCV)56を全開にする。燃焼室17内にはスワール流が発生せず、タンブル流のみが発生する。スワールコントロール弁56を全開にすることによって、高回転領域(4)において充填効率を高めることができると共に、ポンプ損失を低減することが可能になる。
When the
エンジン1が高回転領域(4)において運転するときに、混合気の空燃比(A/F)は、基本的には、燃焼室17の全体において理論空燃比(A/F=14.7)である。混合気の空気過剰率λは、1.0±0.2とすればよい。尚、高回転領域(4)内の、全開負荷を含む高負荷領域においては、混合気の空気過剰率λを1未満にしてもよい。
When the
エンジン1が高回転領域(4)において運転するときに、インジェクタ6は、吸気行程に燃料噴射を開始する(符号6061参照)。インジェクタ6は、燃料を一括で噴射する。吸気行程中に燃料噴射を開始することによって、燃焼室17の中に、均質又は略均質な混合気を形成することが可能になる。また、エンジン1の回転数が高いときに、燃料の気化時間をできるだけ長く確保することができるため、未燃損失の低減及び煤の発生の抑制を図ることもできる。
When the
点火プラグ25は、燃料の噴射終了後、圧縮上死点前の適宜のタイミングで、混合気に点火を行う(符号6062参照)。
The
運転領域マップ702を採用したエンジン1においても、運転領域マップ700を採用したエンジン1と同様に、SI率の調節を行うのが好ましい。すなわち、図11に示すように、SPCCI燃焼が行われる、低負荷領域(1)−1、中負荷領域(1)−2、及び高負荷中回転領域(2)の過給が行われない領域において、エンジン1の回転数が高くなるに従い、SI率を線形的に高くする。そうすることで、高回転領域においても、問題となり得るNVHを許容値以下に維持した状態で、SPCCI燃焼を安定して行うことができる。
Also in the
また、運転領域マップ702を採用したエンジン1においても、運転領域マップ700を採用したエンジン1と同様に、第1〜第4の手段により、高回転時においてSI率を高めることができる。
Also in the
(燃焼波形)
図19及び図20に、運転領域マップ702を採用したエンジン1の各運転状態における燃焼波形を例示する。図19は、図7Cに示す運転領域マップ702に対応した簡略図である。燃焼波形は、クランク角の変化に対する熱発生率の変化を示している。W1〜W12は、図19に示す各運転状態に対応する。
(Combustion waveform)
19 and 20 illustrate combustion waveforms in each operation state of the
前述したように、SPCCI燃焼を行う領域において、エンジン1の回転数が高くなるに従いSI率を高くする。W2、W7、W10の波形を比較すると、SI燃焼のピークは、W2、W7、W10の順に次第に高くなっている。その結果、CI燃焼のピークは、W2、W7、W10の順に次第に小さくなっている。これにより、エンジン1の回転数が高くなるに従い、燃焼騒音の発生を抑制することができる。尚、SPCCI燃焼を行う領域において、W2、W7、W10よりも負荷の低い、W3、W8、W11、及び、W4、W9、W12においても、同様の傾向が現れている。
As described above, in the region where SPCCI combustion is performed, the SI rate is increased as the rotational speed of the
(他の実施形態)
尚、ECU10が行うエンジン1の制御は、前述した燃焼モデルに基づく制御に限定されない。例えば、前述したエンジン1の内部EGRシステムでは、内部EGRガス率の変更を、ネガティブオーバーラップ期間の変更によって行ったが、排気弁を吸気行程でも開く制御によって行ってもよい。
(Other embodiments)
The control of the
第3や第4の手段は、第1や第2の手段を補うだけに限らない。仕様によっては、第1や第2の手段とは別に、独立して用いてもよい。すなわち、第1〜第4の手段の組み合わせは任意である。 The third and fourth means are not limited to supplementing the first and second means. Depending on the specification, it may be used independently of the first and second means. That is, the combination of the first to fourth means is arbitrary.
また、エンジン1は、高回転の領域においてSI燃焼を行うのではなく、回転数領域の全域に亘って、SPCCI燃焼を行ってもよい。さらに、エンジン1は、全運転領域においてSPCCI燃焼を行ってもよい。
Further, the
また、ここに開示する技術は、前述した構成のエンジン1に適用することに限定されない。エンジン1の構成は、様々な構成を採用することが可能である。
Further, the technology disclosed herein is not limited to being applied to the
1 エンジン
10 ECU(コントローラー)
17 燃焼室
23 吸気電動S−VT(内部EGRシステム)
24 排気電動S−VT(内部EGRシステム)
25 点火プラグ
3 ピストン
31 キャビティ
54 EGR弁(外部EGRシステム)
55 EGRシステム
56 スワールコントロール弁(吸気流動制御デバイス)
6 インジェクタ
102a SI率変更手段(熱量比率変更手段)
SW6 指圧センサ
1
17
24 Exhaust electric S-VT (internal EGR system)
25
55
6
SW6 Acupressure sensor
Claims (8)
前記燃焼室の中に臨んで配設されかつ、前記燃焼室の中の混合気に点火をするように構成された点火プラグと、
前記エンジンに取り付けられかつ、前記燃焼室で生じた既燃ガスを排出する排気通路から前記燃焼室にガスを流入させる吸気通路を経由することにより、前記燃焼室の中へ前記既燃ガスを導入するように構成されたEGRシステムと、
前記点火プラグ、及び前記EGRシステムのそれぞれに接続されかつ、前記点火プラグ、及び前記EGRシステムのそれぞれに制御信号を出力することによって、前記エンジンを運転するように構成されたコントローラーと、
を備え、
前記コントローラーは、前記点火プラグの点火によって前記燃焼室の中の未燃混合気が自己着火により燃焼する所定形態の燃焼が行われるように、所定の点火タイミングで前記点火プラグに制御信号を出力し、
前記コントローラーが、前記エンジンの回転数が低い時よりも高い時に、前記燃焼室の中の混合気に含まれる前記既燃ガスの量の割合であるEGR率が低くなるよう、前記EGRシステムに制御信号を出力する圧縮着火式エンジンの制御装置。 An engine configured to burn the air-fuel mixture in the combustion chamber;
A spark plug disposed facing the combustion chamber and configured to ignite an air-fuel mixture in the combustion chamber;
The burned gas is introduced into the combustion chamber by way of an intake passage that is attached to the engine and exhausts the burned gas generated in the combustion chamber from an exhaust passage through which the gas flows into the combustion chamber. An EGR system configured to:
A controller connected to each of the spark plug and the EGR system and configured to operate the engine by outputting a control signal to each of the spark plug and the EGR system;
With
The controller outputs a control signal to the spark plug at a predetermined ignition timing so that a predetermined form of combustion is performed in which the unburned mixture in the combustion chamber is combusted by self-ignition by ignition of the spark plug. ,
The controller controls the EGR system so that an EGR rate, which is a ratio of the amount of the burned gas contained in the air-fuel mixture in the combustion chamber, becomes lower when the engine speed is higher than when the engine speed is low. A control device for a compression ignition engine that outputs a signal.
前記エンジンに取り付けられかつ、前記燃焼室の中へ導入するガスの流動を変更するよう構成された吸気流動制御デバイス、を更に備え、
前記コントローラーは、前記エンジンの回転数が低い時よりも高い時に、前記EGR率が低くなるよう、前記EGRシステムに制御信号を出力すると共に、前記ガスの流動が強くなるよう、前記吸気流動制御デバイスに制御信号を出力する圧縮着火式エンジンの制御装置。 The control apparatus for a compression ignition engine according to claim 1,
An intake air flow control device attached to the engine and configured to change the flow of gas introduced into the combustion chamber;
The controller outputs a control signal to the EGR system so that the EGR rate is lower when the engine speed is higher than when the engine speed is low, and the intake flow control device is configured to increase the gas flow. A control device for a compression ignition engine that outputs a control signal.
前記コントローラーは、前記エンジンの回転数が低い時よりも高い時に、前記EGR率が低くなるよう、前記EGRシステムに制御信号を出力すると共に、点火タイミングが進角するよう前記点火プラグに制御信号を出力する圧縮着火式エンジンの制御装置。 In the control device for a compression ignition engine according to claim 1 or 2,
The controller outputs a control signal to the EGR system so that the EGR rate becomes lower when the engine speed is higher than when the engine speed is low, and sends a control signal to the spark plug so that the ignition timing is advanced. Control device for compression ignition engine to output.
前記コントローラーは、前記エンジンの回転数が予め設定された低下開始回転数を超えた場合に、前記EGR率の低下が開始するよう、前記EGRシステムに制御信号を出力する圧縮着火式エンジンの制御装置。 In the control apparatus for the compression ignition engine according to any one of claims 1 to 3,
The controller is a control device for a compression ignition engine that outputs a control signal to the EGR system so that the EGR rate starts decreasing when the engine speed exceeds a preset reduction start speed .
前記エンジンに取り付けられかつ、前記燃焼室の中に導入するガスを過給するよう構成された過給システムと、
前記エンジンに設けられかつ、前記燃焼室の中の混合気に含まれる内部EGRガスの量の割合である内部EGR率を変更するように構成された内部EGRシステムと、
を更に備え、
前記コントローラーは、所定負荷よりも高負荷の第1領域にあるときに前記過給システムが過給を行い、前記所定負荷以下の第2領域にあるときに前記過給システムが過給を行わないよう、前記過給システムに制御信号を出力し、
前記コントローラーが、少なくとも前記第1領域で、前記エンジンの回転数が低い時よりも高い時に、前記EGR率が低くなるよう、前記EGRシステムに制御信号を出力すると共に、前記第2領域で、前記エンジンの回転数が低い時よりも高い時に、前記内部EGR率が高くなるよう、前記内部EGRシステムに制御信号を出力する圧縮着火式エンジンの制御装置。 In the control apparatus for the compression ignition engine according to any one of claims 1 to 4,
A supercharging system attached to the engine and configured to supercharge gas introduced into the combustion chamber;
An internal EGR system provided in the engine and configured to change an internal EGR rate that is a ratio of an amount of internal EGR gas contained in an air-fuel mixture in the combustion chamber;
Further comprising
The controller performs supercharging when the supercharging system is in a first region where the load is higher than a predetermined load, and does not supercharge when the supercharging system is in a second region below the predetermined load. Output a control signal to the supercharging system,
The controller outputs a control signal to the EGR system so that the EGR rate is low when the engine speed is higher at least in the first region than when the engine speed is low, and in the second region, A control device for a compression ignition engine that outputs a control signal to the internal EGR system so that the internal EGR rate becomes high when the engine speed is higher than when the engine speed is low.
前記点火プラグは、前記燃焼室の上部の中央部位に臨むように配置され、
前記エンジンに設けられかつ、前記燃焼室の中の混合気に含まれる内部EGRガスの量の割合である内部EGR率を変更するように構成された内部EGRシステム、を更に備え、
前記所定形態の燃焼が行われる時に、前記燃焼室の中にスワール流が形成され、
前記コントローラーが、前記エンジンの回転数が低い時よりも高い時に、前記内部EGR率が高くなるよう、前記内部EGRシステムに制御信号を出力する圧縮着火式エンジンの制御装置。 In the control device for the compression ignition engine according to any one of claims 1 to 5,
The spark plug is disposed so as to face an upper central portion of the combustion chamber,
An internal EGR system provided in the engine and configured to change an internal EGR rate that is a ratio of the amount of internal EGR gas contained in the air-fuel mixture in the combustion chamber;
When the predetermined form of combustion is performed, a swirl flow is formed in the combustion chamber,
A control device for a compression ignition engine that outputs a control signal to the internal EGR system so that the internal EGR rate becomes high when the controller is higher than when the engine speed is low.
前記内部EGRガスが、吸気弁の開弁期間と排気弁の開弁期間とがオーバーラップすることによって前記燃焼室の中に導入される圧縮着火式エンジンの制御装置。 In the control device for a compression ignition engine according to claim 5 or 6,
A control device for a compression ignition engine, in which the internal EGR gas is introduced into the combustion chamber when an intake valve opening period and an exhaust valve opening period overlap each other.
前記コントローラーは、前記エンジンの回転数が予め設定された低下開始回転数を超えた場合に、前記EGR率の低下が開始するよう、前記EGRシステムに制御信号を出力し、かつ前記エンジンの負荷の変化に対して、前記EGR率の低下率を略一定に保持する圧縮着火式エンジンの制御装置。 The control apparatus for a compression ignition engine according to claim 7,
The controller outputs a control signal to the EGR system so as to start a decrease in the EGR rate when the engine speed exceeds a preset decrease start speed, and the load of the engine is A control device for a compression ignition engine that keeps the rate of decrease of the EGR rate substantially constant with respect to a change.
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