JP2019085979A - 圧縮着火式エンジンの制御装置 - Google Patents
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Abstract
Description
図1および図2は、本発明の制御装置が適用された圧縮着火式エンジン(以下、単にエンジンという)の好ましい実施形態を示す図である。本図に示されるエンジンは、走行用の動力源として車両に搭載された4サイクルのガソリン直噴エンジンであり、エンジン本体1と、エンジン本体1に導入される吸気が流通する吸気通路30と、エンジン本体1から排出される排気ガスが流通する排気通路40と、排気通路40を流通する排気ガスの一部を吸気通路30に還流するEGR装置50を備えている。
図4は、エンジンの制御系統を示すブロック図である。本図に示されるECU100は、エンジンを統括的に制御するためのマイクロプロセッサであり、周知のCPU、ROM、RAM等から構成されている。
図5(a)〜(c)は、エンジンの暖機の進行度合いとエンジンの回転速度/負荷とに応じた制御の相違を説明するための運転マップである。本図に示すように、当実施形態では、エンジンの暖機が完了した温間時と、エンジンの暖機が途中まで進行した半暖機時と、エンジンが未暖機である冷間時との3つの段階に対応して、それぞれ異なる運転マップQ1〜Q3が用意されている。以下、温間時に用いられる運転マップQ1を第1運転マップ、半暖機時に用いられる運転マップQ2を第2運転マップ、冷間時に用いられる運転マップQ3を第3運転マップと称する。
まず、第1運転マップQ1(図5(a))を参照しつつ、エンジンの温間時の燃焼制御について説明する。第1運転マップQ1に含まれる5つの運転領域をそれぞれ第1領域A1、第2領域A2、第3領域A3、第4領域A4、第5領域A5とすると、第1領域A1は、エンジン負荷が低い(無負荷を含む)低負荷の領域から高速側の一部の領域を除いた低・中速/低負荷の領域(請求項にいう「所定の低負荷域」に相当)であり、第2領域A2は、第1領域A1よいも負荷が高い低・中速/中負荷の領域であり、第4領域A4は、第2領域A2よりも負荷が高くかつ回転速度が低い低速/高負荷の領域であり、第3領域A3は、第4領域A4よりも回転速度が高い中速/高負荷の領域であり、第5領域A5は、第1〜第4領域A1〜A4のいずれよりも回転速度が高い高速領域である。以下、各運転領域で選択される燃焼形態等について順に説明する。
低・中速/低負荷の第1領域A1では、SI燃焼とCI燃焼とをミックスした部分圧縮着火燃焼(以下、これをSPCCI燃焼という)が実行される。SI燃焼とは、点火プラグ16を用いた火花点火により混合気に点火し、その点火点から周囲へと燃焼領域を拡げていく火炎伝播により混合気を強制的に燃焼させる形態のことであり、CI燃焼とは、ピストン5の圧縮により高温・高圧化された環境下で混合気を自着火により燃焼させる形態のことである。そして、これらSI燃焼とCI燃焼とをミックスしたSPCCI燃焼とは、混合気が自着火する寸前の環境下で行われる火花点火により燃焼室6内の混合気の一部をSI燃焼させ、当該SI燃焼の後に(SI燃焼に伴うさらなる高温・高圧化により)燃焼室6内の残りの混合気を自着火によりCI燃焼させる、という燃焼形態のことである。なお、「SPCCI」は「Spark Controlled Compression Ignition」の略である。
低・中速/中負荷の第2領域A2では、燃焼室6内の空燃比が理論空燃比(λ=1)に略一致する環境下で混合気をSPCCI燃焼させる制御が実行される。具体的に、このようなストイキ環境下でのSPCCI燃焼を実現するため、第2領域A2では、ECU100によってエンジンの各部が次のように制御される。
第3領域A3では、燃焼室6内の空燃比が理論空燃比よりもややリッチ(λ≦1)になる環境下で混合気をSPCCI燃焼させる制御が実行される。具体的に、このようなリッチ環境下でのSPCCI燃焼を実現するため、第3領域A3では、ECU100によってエンジンの各部が次のように制御される。
低速・高負荷の第4領域A4では、燃料の少なくとも一部を圧縮行程の後期に噴射しつつ混合気をSI燃焼させる制御が実行される。具体的に、このようなリタード噴射を伴うSI燃焼を実現するため、第3領域A3では、ECU100によってエンジンの各部が次のように制御される。
上記第1〜第4領域A1〜A4よりも高速側の第5領域A5では、比較的オーソドックスなSI燃焼が実行される。このSI燃焼の実現のために、第5領域A5では、ECU100によってエンジンの各部が次のように制御される。
次に、第2運転マップQ2(図5(b))に基づいて、エンジンの半暖機時の燃焼制御について説明する。第2運転マップQ2に含まれる4つの運転領域をそれぞれ第6領域B1、第7領域B2、第8領域B3、第9領域B4とすると、第6領域B1は、暖機時に使用される第1運転マップQ1における第1・第2領域A1,A2を併合した領域に対応しており、第7領域B2は、第1運転マップQ1の第3領域A3に対応しており、第8領域B3は、第1運転マップQ1の第4領域A4に対応しており、第9領域B4は、第1運転マップQ1の第5領域A5に対応している。
次に、第3運転マップQ3(図5(c))に基づいて、エンジンの冷間時の燃焼制御について説明する。第3運転マップQ3に含まれる2つの運転領域をそれぞれ第10領域C1、第11領域C2とすると、第10領域C1は、暖機時に使用される第1運転マップQ1における第1・第2・第3・第5領域A1,A2,A3,A5を併合した領域に対応しており、第11領域C2は、第1運転マップQ1の第4領域A4に対応している。
上述したように、当実施形態では、いくつかの運転領域(第1運転マップQ1の第1〜第3領域A1〜A3および第2運転マップQ2の第6・第7領域B1,B2)において、SI燃焼とCI燃焼とをミックスしたSPCCI燃焼が実行されるが、このSPCCI燃焼では、SI燃焼とCI燃焼との比率を運転条件に応じてコントロールすることが重要になる。
SI燃焼とCI燃焼とをミックスしたSPCCI燃焼では、SI燃焼およびCI燃焼のそれぞれに起因したノッキングが起きる可能性があり、これらのノッキングはそれぞれ燃焼騒音が増大する原因となる。SI燃焼に起因したノッキングをSIノック、CI燃焼に起因したノッキングをCIノックとすると、SIノックとは、混合気がSI燃焼した領域の外側の未燃ガスが異常な局所自着火(正常なCI燃焼とは明確に異なる局所自着火)により急速燃焼する現象のことであり、CIノックとは、CI燃焼による圧力変動に起因してエンジンの主要部品(シリンダブロック/ヘッド、ピストン、クランクジャーナル部など)が共振する現象のことである。SIノックは、局所自着火により燃焼室6内で気柱振動が起きることにより、約6.3kHzの周波数をもった大きな騒音として出現する。一方、CIノックは、上記エンジンの主要部品の共振が起きることにより、約1〜4kHzの周波数(より厳密には当該範囲に含まれる複数の周波数)をもった大きな騒音として出現する。このように、SIノックとCIノックとは、異なる原因に起因した異なる周波数の騒音として出現するものであり、CIノック時の騒音の周波数の方が、SIノック時の騒音の周波数よりも低くなる。
上記(3)の(a−1)で説明したとおり、エンジンの温間時は、図5(a)に示した第1運転マップQ1が選択されるとともに、この第1運転マップQ1の第1領域A1での運転時には、空燃比(A/F)の異なる2種類のモード(第1/第2モード)によるSPCCI燃焼が択一的に実行される。次に、このモード切り替えの詳細について、図17および図18のフローチャートを参照しつつ説明する。
以上説明したとおり、当実施形態では、エンジンの温間時に使用される第1運転マップQ1の第1領域A1において、空燃比(A/F)が理論空燃比よりも大きくされる第1モードによるSPCCI燃焼と、空燃比が略理論空燃比とされかつEGR率が第1モードのときよりも高くされる第2モードによるSPCCI燃焼とが択一的に実行される。具体的には、第1モードによるSPCCI燃焼の実行中に、筒内圧センサSN3の検出値に基づき特定される騒音指標値が許容限界W以上であることが確認された場合に、燃焼モードが第1モードから第2モードへと切り替えられて、燃焼室6内の全ガス中に占める空気(新気)の割合が減らされるとともに、EGRガスの割合(EGR率)が増やされる。このような構成によれば、SPCCI燃焼時の熱効率を可及的に高めながら、燃焼に伴う大きな騒音の発生を防止できるという利点がある。
したがって、有効圧縮比εを一定とすると、混合気の比熱比κが大きい方が理論熱効率ηが高くなり、より燃費性能が改善すると考えられる。
上記実施形態では、筒内圧センサSN3(検出部)により検出された筒内圧力に基づいて騒音指標値を特定したが、この騒音指標値を特定するために検出が必要なパラメータは、燃焼に伴い生じる騒音に関連するパラメータであればよく、筒内圧力はその一例に過ぎない。例えば、エンジン本体1の振動(振動加速度)や、エンジン本体1から発せられる騒音そのものを上記パラメータとして検出してもよい。すなわち、本発明における検出部としては、筒内圧センサ以外にも、エンジン本体の振動を検出する振動センサや、騒音を検出する騒音センサ等を用いることができる。
2 気筒
13a 吸気VVT(EGR操作部)
14a 排気VVT(EGR操作部)
15 インジェクタ
16 点火プラグ
53 EGR弁(EGR操作部)
100 ECU(燃焼制御部)
A1 第1領域(低負荷域)
SN2 筒内圧センサ(検出部)
W 許容限界(閾値)
Claims (7)
- 気筒内の混合気の一部を火花点火によりSI燃焼させた後に気筒内の残りの混合気を自着火によりCI燃焼させる部分圧縮着火燃焼が少なくとも一部の運転領域で実行される圧縮着火式エンジンの制御装置であって、
前記気筒での燃焼により生じる騒音に関連するパラメータを検出する検出部と、
前記気筒に導入される排気ガスの割合であるEGR率を変更可能なEGR操作部と、
前記検出部による検出値から特定される騒音指標値が所定の閾値以上であることが前記部分圧縮着火燃焼の実行中に確認された場合に、前記EGR率が増大する方向に前記EGR操作部を制御する燃焼制御部とを備えた、ことを特徴とする圧縮着火式エンジンの制御装置。 - 請求項1に記載の圧縮着火式エンジンの制御装置において、
前記燃焼制御部は、前記エンジンが特定の条件下で運転されているときの部分圧縮着火燃焼の燃焼モードとして、前記気筒内の空気と燃料との割合である空燃比が理論空燃比よりも大きくなる環境下で前記部分圧縮着火燃焼を行う第1モードと、EGRガスを含む気筒内の全ガスと燃料との割合であるガス空燃比が理論空燃比よりも大きくかつ前記空燃比が理論空燃比と略一致する環境下で前記部分圧縮着火燃焼を行う第2モードとのいずれかを選択可能であり、
前記第1モードによる部分圧縮着火燃焼の実行中に前記騒音指標値が前記閾値以上であることが確認された場合に、前記燃焼モードが前記第1モードから前記第2モードに切り替えられる、ことを特徴とする圧縮着火式エンジンの制御装置。 - 請求項2に記載の圧縮着火式エンジンの制御装置において、
前記第1モードによる部分圧縮着火燃焼の燃焼重心と、前記第2モードによる部分圧縮着火燃焼の燃焼重心とが、回転速度および負荷が同一の条件では同一になるように、火花点火の時期を含む所定の制御量の目標値が予め定められている、ことを特徴とする圧縮着火式エンジンの制御装置。 - 請求項3に記載の圧縮着火式エンジンの制御装置において、
前記燃焼制御部は、前記第1および第2モードによる部分圧縮着火燃焼の実行時に、前記騒音指標値が前記閾値未満に抑えられるように、必要に応じて前記制御量を前記目標値に対し補正する、ことを特徴とする圧縮着火式エンジンの制御装置。 - 請求項2〜4のいずれか1項に記載の圧縮着火式エンジンの制御装置において、
前記特定の条件は、エンジンが温間状態にありかつエンジンの運転ポイントが所定の低負荷域に含まれることである、ことを特徴とする圧縮着火式エンジンの制御装置。 - 請求項1〜5のいずれか1項に記載の圧縮着火式エンジンの制御装置において、
前記騒音指標値が前記閾値未満であった場合に、混合気がSI燃焼した領域の外側の未燃ガスが異常な局所自着火を起こす現象であるSIノックと、混合気のCI燃焼に起因してエンジン部品が共振する現象であるCIノックとの双方が許容レベル未満に収まるように、前記閾値が設定されている、ことを特徴とする圧縮着火式エンジンの制御装置。 - 請求項1〜6のいずれか1項に記載の圧縮着火式エンジンの制御装置において、
前記検出部は、前記気筒内の圧力を前記パラメータとして検出する筒内圧センサである、ことを特徴とする圧縮着火式エンジンの制御装置。
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