JP2019085982A - 圧縮着火式エンジンの制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】部分圧縮着火燃焼時のモード切り替えに起因した乗員の違和感を軽減する。【解決手段】本発明の制御装置は、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可能な圧縮着火式エンジンに適用される。この制御装置は、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、部分圧縮着火燃焼の実行時に、EGR率の低い第1モードとEGR率の高い第2モードとの間で燃焼モードが切り替わるようにEGR操作部を制御可能な燃焼制御部とを備える。燃焼制御部は、第1モードから第2モードへの切り替えが行われた後、第1モードに復帰させる条件が成立した場合でも、第2モードへの切り替えから所定期間が経過していなければ第1モードへの復帰を許可しない。【選択図】図18
Description
本発明は、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を実行可能な圧縮着火式エンジンの制御装置に関する。
近年、空気と混合されたガソリン燃料を十分に圧縮された気筒内で自着火により燃焼させるHCCI燃焼が注目されている。HCCI燃焼は、混合気が同時多発的に燃焼する形態であるため、通常のガソリンエンジンにおいて採用されるSI燃焼(火花点火燃焼)に比べて、混合気の燃焼速度が速く、熱効率の面で非常に有利だと言われている。しかしながら、HCCI燃焼は、気温などの外部因子により混合気の燃焼開始時期(混合気が自着火する時期)が大きく変動するなどの問題があり、また、負荷が急変するような過渡運転時の制御が難しいという問題もあった。
そこで、混合気の全てを自着火により燃焼させるのではなく、混合気の一部については点火プラグを用いた火花点火により燃焼させることが提案されている。すなわち、火花点火をきっかけに混合気の一部を火炎伝播により強制的に燃焼(SI燃焼)させた後に、残りの混合気を自着火により燃焼(CI燃焼)させるのである。以下では、このような燃焼のことを部分圧縮着火燃焼という。
上記部分圧縮着火燃焼に類似したコンセプトを採用したエンジンの一例として、下記特許文献1のものが知られている。この特許文献1のエンジンは、補助燃料噴射によって点火プラグ(点火栓)周りに形成された成層混合気を火花点火により火炎伝播燃焼させるとともに、当該燃焼(火炎)の作用により高温化された気筒内に主燃料噴射を行い、この主燃料噴射により噴射された燃料を自着火により燃焼させるものである。
ここで、部分圧縮着火燃焼を採用したエンジンでは、例えばSI燃焼(火花点火燃焼)のみを行う通常のガソリンエンジンと比べて、燃焼騒音が大きくなり易いという問題がある。このため、部分圧縮着火燃焼の実行中は、燃焼騒音等の要因に応じて、気筒内のガス状態量(例えばEGR率や空燃比等)が異なる別の燃焼モードに切り替える要求が出されることがある。
しかしながら、上記のような燃焼モードの切り替えを燃焼騒音等の要因に応じて無制限に許可した場合には、例えば一方のモードから他方のモードへと燃焼モードが切り替わった後、直ちに一方のモードへの復帰がなされるなど、燃焼モードの切り替えが頻繁に繰り返されるおそれがある。この場合、モード切り替えに伴う騒音(音色)の変化が頻繁に発生することになり、乗員が違和感を覚えるおそれがある。
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、部分圧縮着火燃焼時のモード切り替えに起因した乗員の違和感を軽減することが可能な圧縮着火式エンジンの制御装置を提供することを目的とする。
前記課題を解決するためのものとして、本発明は、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、前記部分圧縮着火燃焼の実行時に、EGR率の低い第1モードとEGR率の高い第2モードとの間で燃焼モードが切り替わるように前記EGR操作部を制御可能な燃焼制御部とを備え、前記燃焼制御部は、前記第1モードから第2モードへの切り替えが行われた後、第1モードに復帰させる条件が成立した場合に、前記第2モードへの切り替えから所定期間が経過するのを待ってから前記第1モードへの復帰を許可する、ことを特徴とするものである(請求項1)。
なお、前記において「所定期間が経過するのを待ってから第1モードへの復帰を許可する」とは、所定期間に亘って第2モードを維持した上で第1モードに切り替えるという態様を当然に含むが、これに限られず、例えば、第1モードと第2モードとの中間の状態を所定期間に亘って形成した上で第1モードに切り替えるという態様も、前記「所定期間が経過するのを待ってから第1モードへの復帰を許可する」という概念に含まれる。
本発明によれば、第1モードから第2モードへの切り替え後、第1モードに復帰させる条件が成立しても、所定期間が経過するまでは第1モードへの復帰が許可されないので、第1/第2モード間の切り替えが頻繁に繰り返されるのを有効に回避することができる。第1モードと第2モードとを比較した場合、両モード間ではEGR率(気筒内に導入される不活性な排気ガスの割合)が異なるために、燃焼時の熱発生(もしくは圧力上昇)の波形が異なり、発生する騒音の音色も異なると考えられる。このため、第1/第2モード間の切り替えが頻繁に繰り返されると、前記のような騒音(音色)の変化が頻発する結果、乗員が違和感を覚えるおそれがある。これに対し、本発明では、第1/第2モード間の切り替えが頻繁に繰り返されることがないので、モード切り替えに伴う騒音(音色)の変化が頻発するのを有効に回避でき、乗員の違和感を軽減することができる。
好ましくは、前記燃焼制御部は、前記第2モードが選択されているときは第1モードが選択されているときに比べて、気筒内の空気と燃料との割合である空燃比が低下するように制御する(請求項2)。
この構成によれば、第1モードから第2モードへの切り替えに伴って、気筒内の排気ガス(EGRガス)の割合が増大する一方で、空気(新気)の割合は減少する。このため、気筒内の全ガス量が第1/第2モード間で大きく異なることがなく、ポンピングロスの相違等による大きなトルク段差(切り替え前後での出力トルクの差)が第1/第2モード間の切り替え時に生じるのを有効に回避することができる。
好ましくは、前記燃焼制御部は、前記第1モードによる部分圧縮着火燃焼の開始後、前記第1モードから第2モードに切り替える条件が成立した場合に、当該条件の成立後直ちに前記第2モードへの切り替えを許可するか、または前記第1モードの開始から前記所定期間よりも短い期間が経過するのを待ってから前記第2モードへの切り替えを許可する(請求項3)。
第2モードは第1モードに比べてEGR率が高く(つまり気筒内の不活性ガスの割合が高く)、燃焼騒音が抑制され易い。したがって、第1モードから第2モードへの切り換え条件の成立後早期に第2モードに切り替える前記構成によれば、相対的に騒音が大きくなり易い第1モードが不用意に継続されることがなく、速やかな第2モードへの切り替えによって燃焼騒音を効果的に抑制することができる。
好ましくは、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る(請求項4)。
この構成によれば、第1モードと第2モードとの間で燃焼モードが切り替わっても燃焼重心が大きくずれることがないので、モード切り替え時のトルク段差を低減することができ、乗員に感知されにくいスムーズなモード切り替えを実現することができる。
前記構成において、より好ましくは、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、当該燃焼に伴う騒音を代表する騒音指標値に基づいて前記制御量を前記目標値に対し補正することが可能であり、かつ、前記第1モードの選択中に前記騒音指標値が所定の閾値以上であることが確認された場合に、燃焼モードを前記第1モードから第2モードに切り替える(請求項5)。
この構成によれば、騒音指標値に基づいた制御量の補正が可能であるため、第1/第2モードによるSPCCI燃焼時の騒音をそれぞれ低いレベルに維持することができる。ただしこの場合でも、例えばEGR率の高い第2モードからEGR率の低い第1モードへと移行した直後などは、制御量の補正が追い付かず、一時的にでも大きな騒音が発生するおそれがある。前記構成によれば、このような場合に燃焼モードが第2モードに戻されてEGR率が低減されるので、モード切り替えに起因した大きな騒音が継続発生するのを有効に回避することができる。
また、本発明は、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、前記気筒内の空気と燃料との割合である空燃比を変更可能な空燃比操作部と、前記部分圧縮着火燃焼の実行時に、空燃比の高い第1モードと空燃比の低い第2モードとの間で燃焼モードが切り替わるように前記空燃比操作部を制御可能な燃焼制御部とを備え、前記燃焼制御部は、前記第1モードから第2モードへの切り替えが行われた後、第1モードに復帰させる条件が成立した場合に、前記第2モードへの切り替えから所定期間が経過するのを待ってから前記第1モードへの復帰を許可する、ことを特徴とするものである(請求項6)。
本発明によれば、空燃比の異なる第1/第2モード間の切り替えが頻繁に繰り返されることがないので、モードの切り替えに伴う騒音(音色)の変化が頻発するのを有効に回避でき、乗員の違和感を軽減することができる。
以上説明したように、本発明の圧縮着火式エンジンの制御装置によれば、部分圧縮着火燃焼時のモード切り替えに起因した乗員の違和感を軽減することができる。
(1)エンジンの全体構成
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。
エンジン本体1は、気筒2が内部に形成されたシリンダブロック3と、気筒2を上から閉塞するようにシリンダブロック3の上面に取り付けられたシリンダヘッド4と、気筒2に往復摺動可能に挿入されたピストン5とを有している。エンジン本体1は、典型的には複数の(例えば4つの)気筒を有する多気筒型のものであるが、ここでは簡略化のため、1つの気筒2のみに着目して説明を進める。
ピストン5の上方には燃焼室6が画成されており、この燃焼室6には、ガソリンを主成分とする燃料が、後述するインジェクタ15からの噴射によって供給される。そして、供給された燃料が燃焼室6で空気と混合されつつ燃焼し、その燃焼による膨張力で押し下げられたピストン5が上下方向に往復運動する。なお、燃焼室6に噴射される燃料は、主成分としてガソリンを含有していればよく、例えばガソリンに加えてバイオエタノール等の副成分を含んでいてもよい。
ピストン5の下方には、エンジン本体1の出力軸であるクランク軸7が設けられている。クランク軸7は、ピストン5とコネクティングロッド8を介して連結され、ピストン5の往復運動(上下運動)に応じて中心軸回りに回転駆動される。
気筒2の幾何学的圧縮比、つまりピストン5が上死点にあるときの燃焼室6の容積とピストン5が下死点にあるときの燃焼室の容積との比は、後述するSPCCI燃焼(部分圧縮着火燃焼)に好適な値として、13以上30以下に設定される。より詳しくは、気筒2の幾何学的圧縮比は、オクタン価が91程度のガソリン燃料を使用するレギュラー仕様の場合に14以上17以下に設定し、オクタン価が96程度のガソリン燃料を使用するハイオク仕様の場合に15以上18以下に設定するのが好ましい。
シリンダブロック3には、クランク軸7の回転角度(クランク角)およびクランク軸7の回転速度(エンジン回転速度)を検出するクランク角センサSN1と、シリンダブロック3およびシリンダヘッド4の内部を流通する冷却水の温度(エンジン水温)を検出する水温センサSN2とが設けられている。
シリンダヘッド4には、燃焼室6に開口する吸気ポート9および排気ポート10と、吸気ポート9を開閉する吸気弁11と、排気ポート10を開閉する排気弁12とが設けられている。なお、当実施形態のエンジンのバルブ形式は、図2に示すように、吸気2バルブ×排気2バルブの4バルブ形式である。すなわち、吸気ポート9は、第1吸気ポート9Aおよび第2吸気ポート9Bを有しており、排気ポート10は、第1排気ポート10Aおよび第2排気ポート10Bを有している。吸気弁11は、第1吸気ポート9Aおよび第2吸気ポート9Bをそれぞれ開閉するように合計2つ設けられ、排気弁12は、第1排気ポート10Aおよび第2排気ポート10Bをそれぞれ開閉するように合計2つ設けられている。
図3に示すように、第2吸気ポート9Bには開閉可能なスワール弁18が設けられている。スワール弁18は、第2吸気ポート9Bにのみ設けられており、第1吸気ポート9Aには設けられていない。このようなスワール弁18が閉方向に駆動されると、スワール弁18が設けられていない第1吸気ポート9Aから燃焼室6に流入する吸気の割合が増大するため、気筒軸線の回りを旋回する旋回流、つまりスワール流を強化することができる。逆に、スワール弁18を開方向に駆動すればスワール流を弱めることができる。なお、当実施形態の吸気ポート9はタンブル流(縦渦)を形成可能なタンブルポートである。このため、スワール弁18の閉時に形成されるスワール流は、タンブル流とミックスされた斜めスワール流となる。
吸気弁11および排気弁12は、シリンダヘッド4に配設された一対のカム軸等を含む動弁機構13,14により、クランク軸7の回転に連動して開閉駆動される。
吸気弁11用の動弁機構13には、吸気弁11の少なくとも開時期を変更可能な吸気VVT13aが内蔵されている。同様に、排気弁12用の動弁機構14には、排気弁12の少なくとも閉時期を変更可能な排気VVT14aが内蔵されている。これら吸気VVT13aおよび排気VVT14aの制御により、当実施形態では、吸気弁11および排気弁12の双方が排気上死点を跨いで開弁するバルブオーバーラップ期間を調整することが可能であり、また、このバルブオーバーラップ期間の調整により、燃焼室6に残留する既燃ガス(内部EGRガス)の量を調整することが可能である。なお、吸気VVT13a(排気VVT14a)は、吸気弁11(排気弁12)の閉時期(開時期)を固定したまま開時期(閉時期)のみを変更するタイプの可変機構であってもよいし、吸気弁11(排気弁12)の開時期および閉時期を同時に変更する位相式の可変機構であってもよい。吸気VVT13aおよび排気VVT14aは、請求項にいう「EGR操作部」および「空燃比操作部」の一例に該当する。
シリンダヘッド4には、燃焼室6に燃料(主にガソリン)を噴射するインジェクタ15と、インジェクタ15から燃焼室6に噴射された燃料と燃焼室6に導入された空気との混合気に点火する点火プラグ16とが設けられている。シリンダヘッド4には、さらに、燃焼室6の圧力(以下、筒内圧力ともいう)を検出する筒内圧センサSN3が設けられている。なお、筒内圧センサSN3は請求項にいう「検出部」に相当する。
図2に示すように、ピストン5の冠面には、その中央部を含む比較的広い領域をシリンダヘッド4とは反対側(下方)に凹陥させたキャビティ20が形成されている。キャビティ20の中心部には、相対的に上方に隆起したほぼ円錐状の隆起部20aが形成されており、この隆起部20aを挟んだ径方向の両側がそれぞれ断面お椀状の凹部とされている。言い換えると、キャビティ20は、隆起部20aを囲むように形成された平面視ドーナツ状の凹部である。また、ピストン5の冠面のうちキャビティ20よりも径方向外側の領域は、円環状の平坦面からなるスキッシュ部21とされている。
インジェクタ15は、その先端部に複数の噴孔を有した多噴孔型のインジェクタであり、当該複数の噴孔から放射状に燃料を噴射することが可能である(図2中のFは各噴孔から噴射された燃料の噴霧を表している)。インジェクタ15は、その先端部がピストン5の冠面の中心部(隆起部20a)と対向するように設けられている。
点火プラグ16は、インジェクタ15に対し吸気側に幾分ずれた位置に配置されている。点火プラグ16の先端部(電極部)は、キャビティ20と平面視で重複する位置に設定されている。
図1に示すように、吸気通路30は、吸気ポート9と連通するようにシリンダヘッド4の一側面に接続されている。吸気通路30の上流端から取り込まれた空気(新気)は、吸気通路30および吸気ポート9を通じて燃焼室6に導入される。
吸気通路30には、その上流側から順に、吸気中の異物を除去するエアクリーナ31と、吸気の流量を調整する開閉可能なスロットル弁32と、吸気を圧縮しつつ送り出す過給機33と、過給機33により圧縮された吸気を冷却するインタークーラ35と、サージタンク36とが設けられている。
吸気通路30の各部には、吸気の流量を検出するエアフローセンサSN4と、吸気の温度を検出する第1・第2吸気温センサSN5,SN7と、吸気の圧力を検出する第1・第2吸気圧センサSN6,SN8とが設けられている。エアフローセンサSN4および第1吸気温センサSN5は、吸気通路30におけるエアクリーナ31とスロットル弁32との間の部分に設けられ、当該部分を通過する吸気の流量および温度を検出する。第1吸気圧センサSN6は、吸気通路30におけるスロットル弁32と過給機33との間(後述するEGR通路51の接続口よりも下流側)の部分に設けられ、当該部分を通過する吸気の圧力を検出する。第2吸気温センサSN7は、吸気通路30における過給機33とインタークーラ35との間の部分に設けられ、当該部分を通過する吸気の温度を検出する。第2吸気圧センサSN8は、サージタンク36に設けられ、当該サージタンク36内の吸気の圧力を検出する。
過給機33は、エンジン本体1と機械的に連係された機械式の過給機(スーパーチャージャ)である。過給機33の具体的な形式は特に問わないが、例えばリショルム式、ルーツ式、または遠心式といった公知の過給機のいずれかを過給機33として用いることができる。
過給機33とエンジン本体1との間には、締結と解放を電気的に切り替えることが可能な電磁クラッチ34が介設されている。電磁クラッチ34が締結されると、エンジン本体1から過給機33に駆動力が伝達されて、過給機33による過給が行われる。一方、電磁クラッチ34が解放されると、上記駆動力の伝達が遮断されて、過給機33による過給が停止される。
吸気通路30には、過給機33をバイパスするためのバイパス通路38が設けられている。バイパス通路38は、サージタンク36と後述するEGR通路51とを互いに接続している。バイパス通路38には開閉可能なバイパス弁39が設けられている。
排気通路40は、排気ポート10と連通するようにシリンダヘッド4の他側面に接続されている。燃焼室6で生成された既燃ガス(排気ガス)は、排気ポート10および排気通路40を通じて外部に排出される。
排気通路40には触媒コンバータ41が設けられている。触媒コンバータ41には、排気通路40を流通する排気ガス中に含まれる有害成分(HC、CO、NOx)を浄化するための三元触媒41aと、排気ガス中に含まれる粒子状物質(PM)を捕集するためのGPF(ガソリン・パティキュレート・フィルタ)41bとが内蔵されている。なお、触媒コンバータ41の下流側に、三元触媒やNOx触媒等の適宜の触媒を内蔵した別の触媒コンバータを追加してもよい。
EGR装置50は、排気通路40と吸気通路30とを接続するEGR通路51と、EGR通路51に設けられたEGRクーラ52およびEGR弁53とを有している。EGR通路51は、排気通路40における触媒コンバータ41よりも下流側の部分と、吸気通路30におけるスロットル弁32と過給機33との間の部分とを互いに接続している。EGRクーラ52は、EGR通路51を通じて排気通路40から吸気通路30に還流される排気ガス(外部EGRガス)を熱交換により冷却する。EGR弁53は、EGRクーラ52よりも下流側(吸気通路30に近い側)のEGR通路51に開閉可能に設けられ、EGR通路51を流通する排気ガスの流量を調整する。なお、EGR弁53は、請求項にいう「EGR操作部」および「空燃比操作部」の一例に該当する。
EGR通路51には、EGR弁53の上流側の圧力と下流側の圧力との差を検出するための差圧センサSN9が設けられている。
(2)制御系統
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。
ECU100には各種センサによる検出信号が入力される。例えば、ECU100は、上述したクランク角センサSN1、水温センサSN2、筒内圧センサSN3、エアフローセンサSN4、第1・第2吸気温センサSN5,SN7、第1・第2吸気圧センサSN6,SN8、および差圧センサSN9と電気的に接続されており、これらのセンサによって検出された情報(つまりクランク角、エンジン回転速度、エンジン水温、筒内圧力、吸気流量、吸気温、吸気圧、EGR弁53の前後差圧等)がECU100に逐次入力されるようになっている。
また、車両には、当該車両を運転するドライバーにより操作されるアクセルペダルの開度を検出するアクセルセンサSN10が設けられており、このアクセルセンサSN10による検出信号もECU100に入力される。
ECU100は、上記各センサからの入力信号に基づいて種々の判定や演算等を実行しつつエンジンの各部を制御する。すなわち、ECU100は、吸気VVT13a、排気VVT14a、インジェクタ15、点火プラグ16、スワール弁18、スロットル弁32、電磁クラッチ34、バイパス弁39、およびEGR弁53等と電気的に接続されており、上記演算の結果等に基づいてこれらの機器にそれぞれ制御用の信号を出力する。
なお、上記のようなECU100は、請求項にいう「燃焼制御部」に相当する。
(3)運転状態に応じた制御
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。
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。
温間時の第1運転マップQ1(図5(a))には、燃焼形態の異なる5つの運転領域A1〜A5が含まれており、半暖機時の第2運転マップQ2(図5(b))には、燃焼形態の異なる4つの運転領域B1〜B4が含まれており、冷間時の第3運転マップQ3(図5(c))には、燃焼形態の異なる2つの運転領域C1,C2が含まれている。これら各運転領域における燃焼形態の詳細については後述する。
図6は、第1〜第3運転マップQ1〜Q3から適切なマップを選択するための手順を説明するフローチャートである。このフローチャートに示す制御がスタートすると、ECU100は、ステップS1において、水温センサSN2により検出されるエンジン水温と、第2吸気温センサSN7により検出される吸気温とに基づいて、(i)エンジン水温が30℃未満であること、および(ii)吸気温が25℃未満であること、の双方の要件が成立するか否かを判定する。
上記ステップS1でYESと判定されて上記(i)(ii)が成立したことが確認された場合、つまり、「エンジン水温<30℃」および「吸気温<25℃」の双方の要件が成立し、エンジンが冷間状態にあることが確認された場合、ECU100は、ステップS2に移行して、図5(c)に示した第3運転マップQ3を使用すべき運転マップとして決定する。
一方、上記ステップS1でNOと判定されて上記(i)(ii)のいずれかが非成立であることが確認された場合、ECU100は、ステップS3に移行して、水温センサSN2により検出されるエンジン水温と、第2吸気温センサSN7により検出される吸気温とに基づいて、(iii)エンジン水温が80℃未満であること、および(iv)吸気温が50℃未満であること、の双方の要件が成立するか否かを判定する。
上記ステップS3でYESと判定されて上記(iii)(iv)が成立したことが確認された場合、つまり、「エンジン水温≧30℃」および「吸気温≧25℃」の少なくとも一方の要件と、「エンジン水温<80℃」および「吸気温<50℃」の双方の要件とが成立し、エンジンが半暖機状態にあることが確認された場合、ECU100は、ステップS4に移行して、図5(b)に示した第2運転マップQ2を使用すべき運転マップとして決定する。
一方、上記ステップS3でNOと判定されて上記(iii)(iv)のいずれかが非成立であることが確認された場合、つまり、「エンジン水温≧80℃」および「吸気温≧50℃」の少なくとも一方の要件が成立し、エンジンが温間状態(暖機完了状態)にあることが確認された場合、ECU100は、ステップS5に移行して、図5(a)に示した第1運転マップQ1を使用すべき運転マップとして決定する。
次に、以上のような冷間時、半暖機時、温間時の各運転マップQ1〜Q3により規定される具体的な制御の内容(回転速度/負荷に応じた燃焼制御の相違)について説明する。
(a)温間時の制御
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。
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。
(a−1)第1領域
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/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。
SPCCI燃焼は、SI燃焼時の熱発生よりもCI燃焼時の熱発生の方が急峻になるという性質がある。例えば、SPCCI燃焼による熱発生率の波形は、後述する図7または図8に示すように、SI燃焼に対応する燃焼初期の立ち上がりの傾きが、その後のCI燃焼に対応して生じる立ち上がりの傾きよりも小さくなる。言い換えると、SPCCI燃焼時の熱発生率の波形は、SI燃焼によって形成された相対的に立ち上がりの傾きが小さい第1熱発生率部と、CI燃焼によって形成された相対的に立ち上がりの傾きが大きい第2熱発生部とが、この順に連続するように形成される。また、このような熱発生率の傾向に対応して、SPCCI燃焼では、SI燃焼時に生じる燃焼室6内の圧力上昇率(dp/dθ)がCI燃焼時のそれよりも小さくなる。
SI燃焼によって、燃焼室6内の温度および圧力が高まると、これに伴い未燃混合気が自着火し、CI燃焼が開始される。後述する図7または図8に例示するように、この自着火のタイミング(つまりCI燃焼が開始するタイミング)で、熱発生率の波形の傾きが小から大へと変化する。すなわち、SPCCI燃焼における熱発生率の波形は、CI燃焼が開始するタイミングで現れる変曲点(図8のX)を有している。
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燃焼よりも混合気の燃焼速度が速いため、熱発生率は相対的に大きくなる。ただし、CI燃焼は、圧縮上死点の後に行われるため、熱発生率の波形の傾きが過大になることはない。すなわち、圧縮上死点を過ぎるとピストン5の下降によりモータリング圧力が低下するので、このことが熱発生率の上昇を抑制する結果、CI燃焼時のdp/dθが過大になることが回避される。このように、SPCCI燃焼では、SI燃焼の後にCI燃焼が行われるという性質上、燃焼騒音の指標となるdp/dθが過大になり難く、単純なCI燃焼(全ての燃料をCI燃焼させた場合)に比べて燃焼騒音を抑制することができる。
CI燃焼の終了に伴いSPCCI燃焼も終了する。CI燃焼はSI燃焼に比べて燃焼速度が速いので、単純なSI燃焼(全ての燃料をSI燃焼させた場合)に比べて燃焼終了時期を早めることができる。言い換えると、SPCCI燃焼では、燃焼終了時期を膨張行程内において圧縮上死点に近づけることができる。これにより、SPCCI燃焼では、単純なSI燃焼に比べて燃費性能を向上させることができる。
上記SPCCI燃焼の具体的形態として、第1領域A1では、第1モードと第2モードという2種類のモードが用意されている。第1モードは、燃焼室6内の空気(新気)と燃料との重量比である空燃比(A/F)を理論空燃比(14.7)よりも大きい値に設定しつつSPCCI燃焼を行うモードであり、第2モードは、空燃比を理論空燃比もしくはその近傍に設定しつつSPCCI燃焼を行うモードである。言い換えると、第1モードでは、空気過剰率λ(実空燃比を理論空燃比で割った値)が1より大きくなる空燃比リーンな環境下でSPCCI燃焼が行われ、第2モードでは、空気過剰率が1もしくはその近傍となるストイキ環境下でSPCCI燃焼が行われる。例えば、第1モードでは、空気過剰率λが2以上に設定され、第2モードでは、空気過剰率λが1±0.2に設定される。第1領域A1では、基本的に第1モード(λ>1)が選択されるが、この第1モードでの運転中に大きな燃焼騒音が検知されると、燃焼モードが一時的に第2モード(λ=1)に切り替えられるようになっている。なお、燃焼騒音に応じたモード切り替えの詳細については後述する。
上記のような第1/第2モードによるSPCCI燃焼を実現するため、第1領域A1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。
インジェクタ15は、第1/第2モードのいずれが選択されるかによって異なる態様の燃料噴射を実行する。具体的に、第1モードが選択されているとき、インジェクタ15は、1サイクル中に噴射すべき燃料の全量または大半を圧縮行程中に噴射する。例えば、第1領域A1に含まれる運転ポイントP1でエンジンが運転されており、かつ第1モードが選択されているとき、インジェクタ15は、図7のチャート(a)に示すように、圧縮行程の中期から後期にかけた2回に分けて燃料を噴射する。一方、第2モードが選択されているとき、インジェクタ15は、少なくとも一部の燃料の噴射時期を吸気行程にまで早める。例えば、上記運転ポイントP1でエンジンが運転されており、かつ第2モードが選択されているとき、インジェクタ15は、図7のチャート(b)に示すように、1回目の燃料噴射を吸気行程中に実行するとともに、2回目の燃料噴射を圧縮行程中に実行する。
点火プラグ16は、圧縮上死点の近傍で混合気に点火する。例えば、上記運転ポイントP1において、点火プラグ16は、圧縮上死点よりもやや進角側のタイミングで混合気に点火する。そして、この点火をきっかけにSPCCI燃焼が開始され、燃焼室6内の一部の混合気が火炎伝播により燃焼(SI燃焼)し、その後に残りの混合気が自着火により燃焼(CI燃焼)する。
過給機33は、第1運転マップQ1(図5(a))に示される過給ラインLの内側領域でOFF状態とされ、過給ラインLの外側領域でON状態とされる。過給機33がOFF状態とされる過給ラインLの内側領域、つまり第1領域A1の低速側では、電磁クラッチ34が解放されて過給機33とエンジン本体1との連結が解除されるとともに、バイパス弁39が全開とされることにより、過給機33による過給が停止される。一方、過給機33がON状態とされる過給ラインLの外側領域、つまり第1領域A1の高速側では、電磁クラッチ34が締結されて過給機33とエンジン本体1とが連結されることにより、過給機33による過給が行われる。このとき、第2吸気圧センサSN8により検出されるサージタンク36内の圧力(過給圧)が、運転条件(回転速度/負荷)ごとに予め定められた目標圧力に一致するように、バイパス弁39の開度が制御される。例えば、バイパス弁39の開度が大きくなるほど、バイパス通路38を通じて過給機33の上流側に逆流する吸気の流量が多くなる結果、サージタンク36に導入される吸気の圧力つまり過給圧が低くなる。バイパス弁39は、このように吸気の逆流量を調整することにより、過給圧を目標圧力に制御する。
吸気VVT13aおよび排気VVT14aは、吸気弁11および排気弁12のバルブタイミングを内部EGRを行うためのタイミング、つまり、吸・排気弁11,12の双方が排気上死点を跨いで開弁されるバルブオーバーラップ期間が十分に形成されるようなタイミングに設定する。これにより、燃焼室6に既燃ガスを残留させる内部EGRが実現され、燃焼室6の温度(圧縮前の初期温度)が高められる。内部EGRガスの導入量は、第1モード(λ>1)のときの方が第2モード(λ=1)のときよりも少なくされる。
スロットル弁32は全開とされる。
EGR弁53は、燃焼室6内の空燃比が第1/第2モードにおいてそれぞれ規定の目標空燃比(λ>1またはλ=1)となるように、その開度が制御される。すなわち、EGR弁53は、スロットル弁32が全開の状態で燃焼室6に導入される全ガス量から、上記目標空燃比相当の空気量と、内部EGRにより燃焼室6に残留させられる既燃ガスの量とを除いた分のガスが、外部EGRガスとしてEGR通路51から燃焼室6に還流されるように、EGR通路51内の流量を調整する。第1モード(λ>1)のときは第2モード(λ=1)に比べて燃焼室6内に多くの空気を必要とするので、第1モードのときの外部EGRガスの導入量は、第2モードのときよりも少なくされる。なお、第1領域A1では、上記のように空燃比(A/F)が理論空燃比もしくはこれよりリーンに設定される上に、燃焼室6にEGRガス(外部EGRガスおよび内部EGRガス)が導入されるので、燃焼室6内の全ガスと燃料との重量比であるガス空燃比(G/F)は、第1/第2モードのいずれであってもリーンとなる。
スワール弁18は全閉もしくは全閉に近い低開度まで閉じられる。これにより、燃焼室6に導入される吸気は、その全部もしくは大部分が第1吸気ポート9A(スワール弁18が設けられていない側の吸気ポート)からの吸気となるので、燃焼室6内に強いスワール流が形成される。このスワール流は、吸気行程中に成長して、圧縮行程の途中まで残存する。このため、例えば図7(a)に示した第1モード(λ>1の空燃比リーンな環境下でSPCCI燃焼をするモード)での運転時のように圧縮行程の中期以降に燃料を噴射した場合には、スワール流の作用によって燃料の成層化が実現される。すなわち、スワール流が存在する状況下で圧縮行程の中期以降に燃料が噴射されると、噴射された燃料は、スワール流が比較的弱い燃焼室6の中央部に集められる。これにより、燃焼室6の中央部の燃料濃度がその外側の領域(外周部)に比べて濃くなるという濃度差が生じ、燃料の成層化が実現される。例えば、第1モードでの運転時は、燃焼室6の中央部の空燃比が20以上30以下に、燃焼室6の外周部の空燃比が35以上に設定される。
(a−2)第2領域
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。
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。
インジェクタ15は、1サイクル中に噴射すべき燃料の一部を吸気行程中に噴射し、残りの燃料を圧縮行程中に噴射する。例えば、第2領域A2に含まれる運転ポイントP2において、インジェクタ15は、図7のチャート(c)に示すように、比較的多量の燃料を噴射する1回目の燃料噴射を吸気行程中に実行するとともに、当該1回目の燃料噴射よりも少量の燃料を噴射する2回目の燃料噴射を圧縮行程中に実行する。
点火プラグ16は、圧縮上死点の近傍で混合気に点火する。例えば、上記運転ポイントP2において、点火プラグ16は、圧縮上死点よりもやや進角側のタイミングで混合気に点火する。そして、この点火をきっかけにSPCCI燃焼が開始され、燃焼室6内の一部の混合気が火炎伝播により燃焼(SI燃焼)し、その後に残りの混合気が自着火により燃焼(CI燃焼)する。
過給機33は、過給ラインLの内側領域と重複する低負荷かつ低速側の一部においてOFF状態とされ、それ以外の領域でON状態とされる。過給機33がON状態とされて吸気が過給されているとき、バイパス弁39の開度は、サージタンク36内の圧力(過給圧)が目標圧力に一致するように制御される。
吸気VVT13aおよび排気VVT14aは、吸気弁11および排気弁12のバルブタイミングを、内部EGRを行うことが可能なタイミング(つまり所定量のバルブオーバーラップ期間が形成されるタイミング)に設定する。なお、第2領域A2の高負荷側では実質的に内部EGRを停止してもよい。
スロットル弁32は全開とされる。
EGR弁53は、燃焼室6内の空燃比(A/F)が理論空燃比(λ=1)もしくはその近傍となるように、その開度が制御される。例えば、EGR弁53は、空気過剰率λが1±0.2になるように、EGR通路51を通じて還流される排気ガス(外部EGRガス)の量を調整する。なお、燃焼室6内のガス空燃比(G/F)はいずれもリーンとされる。
スワール弁18は、全閉もしくは全閉に近い低開度まで閉じられる。これにより、燃焼室6には強いスワール流が形成される。
(a−3)第3領域
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。
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。
インジェクタ15は、1サイクル中に噴射すべき燃料の全部または大半を吸気行程中に噴射する。例えば、第3領域A3に含まれる運転ポイントP3において、インジェクタ15は、図7のチャート(d)に示すように、吸気行程の後半と重複する一連の期間、より詳しくは、吸気行程の後半から圧縮行程の初期にかけた一連の期間にわたって燃料を噴射する。
点火プラグ16は、圧縮上死点の近傍で混合気に点火する。例えば、上記運転ポイントP3において、点火プラグ16は、圧縮上死点よりもやや遅角側のタイミングで混合気に点火する。
過給機33はON状態とされ、過給機33による過給が行われる。このときの過給圧は、バイパス弁39によって調整される。
吸気VVT13aおよび排気VVT14aは、吸気弁11および排気弁12のタイミングを、内部EGRが実質的に停止されるようなタイミングに設定する。
スロットル弁32は全開とされる。
EGR弁53は、燃焼室6内の空燃比(A/F)が理論空燃比よりもややリッチ(λ≦1)となるように、その開度が制御される。例えば、EGR弁53は、空燃比が12以上14以下となるように、EGR通路51を通じて還流される排気ガス(外部EGRガス)の量を調整する。ただし、エンジンの最高負荷の近傍ではEGR弁53を閉じて実質的に外部EGRを停止してもよい。
スワール弁18の開度は、第1・第2領域A1,A2での開度よりも大きくかつ全開相当の開度よりも小さい中間開度に設定される。
(a−4)第4領域
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。
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。
インジェクタ15は、1サイクル中に噴射すべき燃料の一部を吸気行程中に噴射し、残りの燃料を圧縮行程の後期に噴射する。例えば、第4領域A4に含まれる運転ポイントP4において、インジェクタ15は、図7のチャート(e)に示すように、比較的多量の燃料を噴射する1回目の燃料噴射を吸気行程中に実行するとともに、当該1回目の燃料噴射よりも少量の燃料を噴射する2回目の燃料噴射を圧縮行程の後期(圧縮上死点の直前)に実行する。
点火プラグ16は、例えば圧縮上死点から5〜20°CA程度経過した比較的遅めのタイミングで混合気に点火する。そして、この点火をきっかけにSI燃焼が開始され、燃焼室6内の混合気の全てが火炎伝播により燃焼する。なお、第4領域A4での点火時期が上記のように遅角されるのは、ノッキングやプリイグニッション等の異常燃焼を防止するためである。ただし、第4領域A4では、2回目の燃料噴射が圧縮行程の後期(圧縮上死点の直前)というかなり遅めのタイミングに設定されるので、点火時期が上記のように遅角されたとしても、点火後の燃焼速度(火炎伝播速度)は比較的速いものになる。すなわち、2回目の燃料噴射から点火までの期間が十分に短いことから、点火時点における燃焼室6内の流動(乱流エネルギー)が比較的強くなり、当該流動を利用して点火後の燃焼速度を速めることができる。これにより、異常燃焼を防止しつつ熱効率を高く維持することができる。
過給機33はON状態とされ、過給機33による過給が行われる。このときの過給圧は、バイパス弁39によって調整される。
スロットル弁32は全開とされる。
吸気VVT13aおよび排気VVT14aは、吸気弁11および排気弁12のタイミングを、内部EGRが実質的に停止されるようなタイミングに設定する。
EGR弁53は、燃焼室6内の空燃比(A/F)が理論空燃比(λ=1)もしくはその近傍となるように、その開度が制御される。例えば、EGR弁53は、空気過剰率λが1±0.2となるように、EGR通路51を通じて還流される排気ガス(外部EGRガス)の量を調整する。ただし、エンジンの最高負荷の近傍ではEGR弁53を閉じて実質的に外部EGRを停止してもよい。
スワール弁18の開度は、所定の中間開度(例えば50%)またはその近傍値に設定される。
(a−5)第5領域
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。
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。
インジェクタ15は、少なくとも吸気行程と重複する所定の期間にわたって噴射を噴射する。例えば、第5領域A5に含まれる運転ポイントP5において、インジェクタ15は、図7のチャート(f)に示すように、吸気行程から圧縮行程にかけた一連の期間にわたって燃料を噴射する。なお、運転ポイントP5は、かなり高速かつ高負荷の条件であるため、1サイクル中に噴射すべき燃料の量がそもそも多い上に、所要量の燃料を噴射するのに要するクランク角期間が長期化する。運転ポイントP5における燃料の噴射期間が既述の他の運転ポイント(P1〜P4)のいずれよりも長いのはこのためである。
点火プラグ16は、圧縮上死点の近傍で混合気に点火する。例えば、上記運転ポイントP5において、点火プラグ16は、圧縮上死点よりもやや進角側のタイミングで混合気に点火する。そして、この点火をきっかけにSI燃焼が開始され、燃焼室6内の混合気の全てが火炎伝播により燃焼する。
過給機33はON状態とされ、過給機33による過給が行われる。このときの過給圧は、バイパス弁39によって調整される。
スロットル弁32は全開とされる。
EGR弁53は、燃焼室6内の空燃比(A/F)が理論空燃比もしくはこれよりもややリッチな値(λ≦1)となるように、その開度が制御される。
スワール弁18は全開とされる。これにより、第1吸気ポート9Aだけでなく第2吸気ポート9Bが完全に開放されて、エンジンの充填効率が高められる。
(b)半暖機時の制御
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。
第6領域B1では、温間時(第1運転マップQ1)の第2領域A2と同様に、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。この第6領域B1での制御は、基本的に上記(a−2)で説明した制御(温間時の第2領域A2での制御)と同様であるので、ここではその説明を省略する。
また、残余の領域B2〜B4での制御は、それぞれ温間時(第1運転マップQ1)の領域A3〜A5での制御(上記(a−3)〜(a−5))と同様であるので、やはりその説明を省略する。
(c)冷間時の制御
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。
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。
第10領域C1では、主に吸気行程中に噴射された燃料を空気と混合しつつSI燃焼させる制御が実行される。この第10領域C1での制御は、一般的なガソリンエンジンの燃焼制御と同様であるので、ここではその説明を省略する。
また、第11領域C2での制御は、温間時(第1運転マップQ1)の第4領域A4での制御(上記(a−4))と同様であるので、やはりその説明を省略する。
(4)SI率について
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。
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。
ここで、当実施形態では、上記比率として、SPCCI燃焼(SI燃焼およびCI燃焼)による全熱発生量に対するSI燃焼による熱発生量の割合であるSI率を用いる。図8は、このSI率を説明するための図であり、SPCCI燃焼が起きたときの熱発生率(J/deg)のクランク角による変化を示している。図8の波形における変曲点Xは、燃焼形態がSI燃焼からCI燃焼に切り替わるときに現れる変曲点であり、この変曲点Xに対応するクランク角θciを、CI燃焼の開始時期と定義することができる。そして、このθci(CI燃焼の開始時期)よりも進角側に位置する熱発生率の波形の面積R1をSI燃焼による熱発生量とし、θciよりも遅角側に位置する熱発生率の波形の面積R2をCI燃焼による熱発生率とする。これにより、(SI燃焼による熱発生量)/(SPCCI燃焼による熱発生量)で定義される上述したSI率は、上記各面積R1,R2を用いて、R1/(R1+R2)で表すことができる。つまり、当実施形態では、SI率=R1/(R1+R2)である。
SI率は、1サイクル中に燃焼室6に噴射される燃料の半分の質量(50%質量分)が燃焼した時期である燃焼重心と相関がある。例えば、SI率が小さいほど、混合気が自着火により同時多発的に燃焼するCI燃焼の割合が増えるので、平均的な燃焼速度が速くなり、燃焼重心が進角して圧縮上死点に近づく。このことは、熱効率の向上につながる一方で、燃焼騒音の増大を招くことになる。逆に、SI率が高い(CI燃焼の割合が小さい)ほど、平均的な燃焼速度が遅くなるので、燃焼重心が遅角して圧縮上死点から遠ざかる。このことは、燃焼騒音の抑制につながる一方で、熱効率の低下を招くことになる。当実施形態では、このようなSI率と燃焼重心との相関性を考慮して、燃焼騒音を許容レベル未満に抑えつつ高い熱効率が得られる最適な燃焼重心が目標燃焼重心として予め定められるとともに、この目標燃焼重心に対応する最適なSI率が目標SI率として予め定められている。
ここで、目標燃焼重心は、エンジンの運転条件(回転速度/負荷)に応じて変化する。例えば、熱発生量の多い高負荷条件のときは、燃料の噴射量が多く燃焼室6内でのトータルの熱発生量が大きい(言い換えると燃焼騒音が大きくなり易い)ため、熱発生量の少ない低負荷条件のときと比べて、燃焼騒音を抑えるべく燃焼重心を圧縮上死点から大きく遅角させる必要がある。逆に、低負荷条件のときは、高負荷条件のときに比べて、熱発生量が小さく燃焼騒音が大きくなり難いので、熱効率を高めるべく燃焼重心を進角側に設定することが望ましい。このことから、目標燃焼重心は、総じて、負荷が高いほど遅角側に(言い換えると負荷が低いほど進角側に)設定される。また、単位時間あたりのクランク角の進行量がエンジン回転速度に応じて変化することから、騒音および熱効率を考慮した最適な燃焼重心は回転速度によっても変化する。このため、目標燃焼重心は、負荷だけでなく回転速度によっても可変的に設定される。
このように、目標燃焼重心は、エンジンの運転条件(回転速度/負荷)に応じて変化するが、逆に言えば、回転速度および負荷が同一のときは燃焼重心も同一とすることが望ましい。このため、当実施形態では、回転速度および負荷が同一の場合の目標燃焼重心が、SPCCI燃焼のモードの相違にかかわらず同一に設定される。例えば、エンジンの温間時にSPCCI燃焼が実行されているとき(第1運転マップQ1の第1〜第3領域A1〜A3での運転時)であっても、エンジンの半暖機時にSPCCI燃焼が実行されているとき(第2運転マップQ2の第1・第2領域B1,B2での運転時)であっても、目標燃焼重心は、回転速度および負荷が同一であれば同一とされる。また、第1運転マップQ1の第1領域A1では第1モードおよび第2モードのいずれかが選択されるが、どちらのモードによるSPCCI燃焼が実行されているときであっても、目標燃焼重心は、やはり回転速度および負荷が同一であれば同一とされる。
以上のように、SPCCI燃焼における目標燃焼重心は、エンジンの回転速度および負荷に応じて変化するので、これに合わせて、目標SI率も回転速度および負荷に応じて可変的に設定される。例えば、上述したように、目標燃焼重心は負荷が高いほど遅角側に存在するので、これに合わせて、目標SI率は負荷が高いほど大きくなるように(言い換えると負荷が高いほどCI燃焼の割合が減少するように)設定される。また、目標燃焼重心は、SPCCI燃焼のモードの相違(温間時/半暖機時の相違、もしくは第1領域A1での第1/第2モードの相違)にかかわらず、回転速度および負荷が同一であれば同一とされるので、これに合わせて、目標SI率も回転速度および負荷が同一であれば(燃焼モードの相違にかかわらず)同一とされる。
そして、当実施形態では、上記のように設定される目標燃焼重心および目標SI率が実現されるように、点火プラグ16による点火時期、燃料の噴射量/噴射時期、および筒内状態量といった制御量の目標値が、それぞれ運転条件(回転速度/負荷)に応じて予め定められている。なお、ここでいう筒内状態量とは、例えば、燃焼室6内の温度やEGR率等である。EGR率には、燃焼室6内の全ガスに対する外部EGRガス(EGR通路51を通じて燃焼室6に還流される排気ガス)の割合である外部EGR率と、燃焼室6内の全ガスに対する内部EGRガス(燃焼室6に残留する既燃ガス)の割合である内部EGR率とが含まれる。
例えば、点火プラグ16による点火時期(火花点火の時期)が進角されるほど、多くの燃料がSI燃焼により燃焼することになり、SI率が高くなる。また、燃料の噴射時期が進角されるほど、多くの燃料がCI燃焼により燃焼することになり、SI率が低くなる。あるいは、燃焼室6の温度が高くなるほど、多くの燃料がCI燃焼により燃焼することになり、SI率が低くなる。さらに、SI率の変化は燃焼重心の変化を伴うので、これらの各制御量(点火時期、噴射時期、筒内温度等)の変化は、燃焼重心を調整する要素となる。
上記のような傾向に基づいて、当実施形態では、点火時期、燃料の噴射量/噴射時期、および筒内状態量(温度、EGR率等)の各目標値が、上述した目標燃焼重心および目標SI率を実現可能な組合せになるように運転条件ごとに予め定められている。SPCCI燃焼による運転時(つまり第1運転マップQ1の第1〜第3領域A1〜A3または第2運転マップQ2の第1・第2領域B1,B2での運転時)、ECU100は、これら制御量の各目標値に基づいて、インジェクタ15、点火プラグ16、EGR弁53、吸・排気VVT13a,14a等を制御する。例えば、点火時期の目標値に基づいて点火プラグ16を制御するとともに、燃料の噴射量/噴射時期の目標値に基づいてインジェクタ15を制御する。また、燃焼室6の温度およびEGR率の各目標値に基づいてEGR弁53および吸・排気VVT13a,14aを制御し、EGR通路51を通じた排気ガス(外部EGRガス)の還流量や内部EGRによる既燃ガス(内部EGRガス)の残留量を調整する。
なお、目標燃焼重心および目標SI率がエンジンの運転条件ごとに予め定められている当実施形態では、これら目標燃焼重心および目標SI率に適合する燃焼が行われた場合のCI燃焼の開始時期θciもおのずと定まっていることになる。以下の説明では、このように目標燃焼重心および目標SI率に基づき定まっているCI燃焼の開始時期を標準θciと称する。この標準θciは、後述するフローチャート(図9のステップS13)において目標θciを決定するときの基準となる。
(5)騒音指標値に基づいたSPCCI燃焼時の制御
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。
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。
上記のようなSIノックおよびCIノックは、いずれも、車室内の乗員に耳障りな騒音として検知されるため、SIノックとCIノックとがともに抑制されるようにSPCCI燃焼を制御する必要がある。ただし、本願発明者の知見によれば、CIノックに起因した騒音が許容レベル未満に収まるようにSPCCI燃焼を制御すれば、SIノックに起因した騒音も自ずと許容レベル未満に収まることが分かっている。そこで、当実施形態では、CIノックに起因して生じる騒音(約1〜4kHzの周波数の騒音)のレベルを騒音指標値として検出し、この騒音指標値に基づいてSPCCI燃焼を制御する。騒音指標値は、後で詳しく述べるように、筒内圧センサSN3による検出波形をフーリエ変換することにより算出される。
図9は、SPCCI燃焼による運転時、つまり図5(a)に示した第1運転マップQ1(温間時)における第1〜第3領域A1〜A3での運転時、および図5(b)に示した第2運転マップQ2(半暖機時)における第6・第7領域B1,B2での運転時にそれぞれECU100によって行われる制御の詳細を示すフローチャートである。このフローチャートに示す制御がスタートすると、ECU100は、ステップS11において、クランク角センサSN1により検出されるエンジン回転速度と、アクセルセンサSN10の検出値(アクセル開度)やエアフローセンサSN4の検出値(吸気流量)等から特定されるエンジン負荷とに基づいて、インジェクタ15からの燃料の噴射量および噴射時期を決定する。なお、上記(4)で説明したとおり、当実施形態では、エンジンの運転条件ごとに目標燃焼重心および目標SI率が予め定められているとともに、これら目標燃焼重心および目標SI率を実現するための燃料の噴射量/噴射時期がエンジンの運転条件ごとに予め定められている。上記ステップS11で決定される燃料の噴射量/噴射時期は、これら目標燃焼重心および目標SI率を実現するための噴射量/噴射時期である。
次いで、ECU100は、ステップS12に移行して、現時点の運転条件下で許容できる騒音指標値の上限である許容限界W(図12)を決定する。なお、許容限界Wは、請求項にいう「所定の閾値」に相当する。
具体的に、上記ステップS12において、ECU100は、クランク角センサSN1により検出されるエンジン回転速度と、アクセルセンサSN10の検出値(アクセル開度)等から特定されるエンジン負荷と、図12に示されるマップM1とに基づいて、騒音指標値の許容限界Wを特定する。
図12のマップM1は、騒音指標値の基本限界Vをエンジン回転速度/負荷ごとに規定したマップであり、ECU100に予め記憶されている。このマップM1において、騒音指標値の基本限界Vは、エンジン回転速度/負荷が高くなるほど大きくなるように定められている。すなわち、基本限界Vは、エンジン回転速度および負荷のいずれが高くなっても大きくなる値であり、エンジン回転速度および負荷がともに低い低回転・低負荷の条件のときが最も小さく、エンジン回転速度および負荷がともに高い高回転・高負荷の条件のときが最も大きくなる。これは、低回転・低負荷条件であるほど小さな騒音でも感知され易い(逆に言えば高回転・高負荷条件であるほど大きな騒音でも感知され難い)からである。
上記ステップS12において、ECU100は、上記各センサSN1,SN10の検出値等から特定される現時点のエンジンの運転条件(回転速度/負荷)を上記図12のマップM1に照合することにより、現運転条件に対応する騒音指標値の基本限界Vxを特定する。そして、この基本限界Vxと、過去に取得された騒音指標値のバラつきに基づく余裕代yとに基づいて、騒音指標値の許容限界Wを決定する。すなわち、現運転条件に対応する騒音指標値の基本限界VxをマップM1(図12)を用いて特定するとともに、当該基本限界Vxから、過去に取得された騒音指標値のバラつきに基づく余裕代yを差し引いた値を、騒音指標値の許容限界Wとして決定する。
なお、上記の処理において基本限界Vxから差し引かれる余裕代yは、過去に取得された騒音指標値の履歴より求められるものであり(後述するステップS20)、所定期間に亘って蓄積された過去の騒音指標値の標準偏差に対応している。このように騒音指標値のバラつき(標準偏差)を考慮して許容限界Wを決定するのは、燃焼サイクルごとの騒音バラつきが大きいにもかかわらず騒音指標値の許容限界が一定であると、許容限界を超えるような大きな騒音の燃焼が偶発的に起きる可能性が高くなるからである。言い換えると、許容限界を超えるような大きな騒音の燃焼が騒音バラつきの程度によらずどの燃焼サイクルでも起きないことを担保するために、上記のとおりバラつき(標準偏差)を考慮した許容限界Wを設定しているのである。
次いで、ECU100は、ステップS13に移行して、目標とするCI燃焼の開始時期である目標θciを決定する。この目標θciは、SI燃焼からCI燃焼に切り替わるクランク角(図8に示したクランク角θci)の目標値であり、騒音指標値を許容限界W未満に抑えることを目的に決定される。
図10は、目標θciを決定する上記ステップS13の制御の詳細を示すサブルーチンである。このサブルーチンに示す制御がスタートすると、ECU100は、ステップS31において、クランク角センサSN1により検出されるエンジン回転速度と、アクセルセンサSN10の検出値等から特定されるエンジン負荷と、上記ステップS12で決定された騒音指標値の許容限界Wと、図13に示されるマップM2とに基づいて、騒音指標値を許容限界W以下に抑え得る限界のCI燃焼の開始時期であるθci限界を決定する。
図13のマップM2は、θci(CI燃焼の開始時期)と騒音指標値との標準的な関係を規定したマップであり、ECU100に予め記憶されている。具体的に、マップM2は、エンジン回転速度を一定(N1)としかつエンジン負荷を種々変化させた場合に得られる騒音指標値の標準的な特性を規定しており、横軸はθciを、縦軸は騒音指標値(予測値)をそれぞれ表している。なお、図13では便宜上、低負荷、中負荷、高負荷の3種類の負荷のみを示しているが、これら3種類の負荷以外における特性も上記マップM2には含まれている。また、上記マップM2はエンジン回転速度を一定(N1)とした場合のものであるが、これとは異なる種々のエンジン回転速度に対し作成されたマップについても、上記マップM2と同様にそれぞれECU100に記憶されている。なお、エンジン回転速度/負荷がマップM2に規定のない値である場合には、例えば線形補間により騒音指標値を予測することができる。このように、当実施形態では、エンジン回転速度/負荷が異なる種々の条件下でθciを変化させた場合に、これに伴って騒音指標値がどのように変化するかを、図13のマップM2を用いて予測できるようになっている。
上記ステップS31において、ECU100は、上記ステップS12で決定された騒音指標値の許容限界Wを図13のマップM2に照合することにより、騒音指標値が当該許容限界Wに一致するようなθciを特定し、これを上述したθci限界として決定する。
次いで、ECU100は、ステップS32に移行して、上記ステップS31で決定されたθci限界が、予め定められた標準θciよりも遅角側であるか否かを判定する。なお、ここでいう標準θciとは、上記(4)で説明したとおり、運転条件ごとに予め定められた目標燃焼重心および目標SI率を達成するような燃焼(いわば狙い通りのSPCCI燃焼)が実現できた場合に得られるCI燃焼の開始時期のことである。
上記ステップS32でYESと判定されてθci限界が標準θciよりも遅角側であることが確認された場合、ECU100は、ステップS33に移行して、θci限界を目標θciとして決定する。
一方、上記ステップS32でNOと判定されてθci限界が標準θciよりも遅角側でないこと、つまりθci限界と標準θciとが同一であるかもしくはθci限界が標準θciよりも進角側であることが確認された場合、ECU100は、ステップS34に移行して、標準θciを目標θciとして決定する。
以上のようにして目標θciの決定処理が終了すると、ECU100は、図9のステップS14に移行して、クランク角センサSN1の検出値に基づいて、予め定められた特定クランク角が到来したか否かを判定する。この特定クランク角は、点火プラグ16による点火時期を決定するタイミングとして予め定められたものであり、例えば圧縮上死点前60°CA程度に定められている。
上記ステップS14でYESと判定されて特定クランク角が到来したことが確認された場合、ECU100は、ステップS15に移行して、上記ステップS13で決定された目標θciを実現するための点火時期を決定する。ここで、当実施形態では、エンジンの運転条件ごとに、目標燃焼重心および目標SI率と、これら目標燃焼重心および目標SI率に対応する標準θciと、標準θciを実現するための点火時期、燃料の噴射量/噴射時期、および筒内状態量(温度、EGR率等)の各目標値が予め定められているので、これらの各目標値を基準に点火時期を決定することができる。例えば、標準θciと目標θciとのずれ量と、上記特定クランク角時点での筒内状態量とに基づいて、目標θciを実現するための点火時期を決定することができる。
すなわち、標準θciと目標θciとのずれ量が大きいほど、標準θciに対応して定められた点火時期の当初の目標値(以下、デフォルト点火時期という)から大きくずらした時期を点火時期として決定する必要があり、また、上記特定クランク角時点での筒内状態量がその目標値から大きくずれているほど、やはりデフォルト点火時期から大きくずらした時期を点火時期として決定する必要がある。一方、上記ステップS11で説明したとおり、当実施形態では、燃料の噴射量/噴射時期として当初の目標値がそのまま採用されるので、これら燃料の噴射量/噴射時期のずれ量は考慮しなくてよい。上記ステップS15では、以上のような事情に基づき予め用意された所定の演算式を用いて、標準θciと目標θciとのずれ量と、筒内状態量の目標値に対するずれ量とから、点火プラグ16による点火時期を決定する。筒内状態量つまり燃焼室6の温度やEGR率等は、例えば第2吸気温センサSN7、第2吸気圧センサSN8、差圧センサSN9等の検出値から予測することができる。なお、目標θciが標準θciと同一であり、しかも上記特定クランク角時点での筒内状態量が目標値と同一である場合には、デフォルト点火時期がそのまま点火時期として採用されることになる。
次いで、ECU100は、ステップS16に移行して、上記ステップS11で決定された燃料の噴射量/噴射時期と、上記ステップS15で決定された点火時期と、上記特定クランク角時点での筒内状態量およびエンジン回転速度とに基づいて、1サイクル中に燃焼室6に噴射される燃料の半分の質量(50%質量分)が燃焼した時期である燃焼重心を予測する。このステップS16の予測処理は、予め用意された予測モデルに基づいて行われる。
次いで、ECU100は、ステップS17に移行して、上記ステップS16で予測された燃焼重心を含む所定期間を、後述するステップS19の騒音指標値算出のために筒内圧力を検出する期間として決定する。この筒内圧力を検出する期間(以下、検出期間という)は、上記燃焼重心を含む有限かつ一連の期間となるように定められる。検出期間は、時間を基準に設定される期間であってもよいし、クランク角を基準に設定される期間であってもよい。クランク角を基準とする場合、例えば、燃焼重心から40°CAだけ進角したクランク角から40°CAだけ遅角したクランク角までの間を上記検出期間として決定することができる(後述する図14参照)。
次いで、ECU100は、ステップS18に移行して、上記ステップS15で決定された点火時期にて点火プラグ16に点火を行わせ、この点火をきっかけに混合気をSPCCI燃焼させる。
次いで、ECU100は、ステップS19に移行して、上記ステップS17で決定された検出期間中に筒内圧センサSN3により検出された筒内圧力の波形に基づいて騒音指標値を算出する。
図11は、騒音指標値を算出する上記ステップS19の制御の詳細を示すサブルーチンである。このサブルーチンに示す制御がスタートすると、ECU100は、ステップS41において、上記検出期間中に筒内圧センサSN3により検出された筒内圧力の波形を読み込む。
図14は、上記ステップS41で読み込まれた筒内圧力の波形の一例を示すグラフである。なお、グラフの横軸に表示されるクランク角は、圧縮上死点を0°CAとした場合のクランク角(deg.ATDC)である。この例において、燃焼重心はATDC20°CA付近と予測されており、この燃焼重心の前後の40°CAを合わせた期間(ATDC−20°CAからATDC60°CAまでの期間)が検出期間とされている。この検出期間内の検出波形には、点火プラグ16による点火に起因して生じるノイズである点火ノイズが含まれている。
次いで、ECU100は、ステップS42に移行して、上記ステップS41で読み込まれた筒内圧力の検出波形をフーリエ解析し、周波数成分ごとの振幅を求める。なお、フーリエ解析の際には、その前処理として、筒内圧力の検出波形に対し上記点火ノイズを除去するための窓関数を適用する処理が実行される。窓関数としては、例えば、フーリエ解析の際に一般的に用いられる関数(例えばハニング窓関数)に対し、点火時期の前後の所定期間に亘って関数値がゼロとなるように改変したものを用いることができる。
図15は、上記ステップS42でのフーリエ解析により得られた周波数スペクトルを示すグラフである。上述したように、フーリエ解析の際には前処理(窓関数の適用)によって検出波形から点火ノイズが除去されているので、この点火ノイズ除去後の波形をフーリエ解析して得られる周波数スペクトル(実線)は、仮に点火ノイズを除去しなかった場合に得られる周波数スペクトル(一点鎖線)とは異なっている。すなわち、点火ノイズを除去してからフーリエ解析する上記ステップS42による方法によれば、点火ノイズに起因した余計な周波数成分が混じることがなく、筒内圧力の波形における本来の周波数成分が正確に抽出される。
次いで、ECU100は、ステップS43に移行して、上記ステップS42によるフーリエ解析の結果(周波数スペクトル)を1/3オクターブバンド化処理する。1/3オクターブバンド化処理とは、周波数スペクトルの各オクターブ領域(ある周波数からその2倍の周波数までの領域)をそれぞれ3分割し、各分割帯域の筒内圧レベル(CPL)を算出する処理のことである。これにより、例えば図16に示すように、‥‥1kHz、1.25kHz、1.6kHz、2kHz、2.5kHz、3.15kHz、4kHz、5kHz、6.3kHz、8.0kHz‥‥をそれぞれ中心周波数とする各帯域の筒内圧レベルが特定されることになる。
次いで、ECU100は、ステップS44に移行して、上記ステップS43による1/3オクターブバンド化処理の結果(図16)に基づいて騒音指標値を算出する。具体的に、ECU100は、図16において「◇」のプロットで示す筒内圧レベル、つまり、1kHz、1.25kHz、1.6kHz、2kHz、2.5kHz、3.15kHz、4kHzをそれぞれ中心周波数とする各帯域の筒内圧レベルの平均値を、騒音指標値として算出する。
ここで、1〜4kHzの周波数をもった騒音は、上述したとおり、CI燃焼に起因して生じるCIノックと相関の高い騒音であるが、この1〜4kHzの騒音を十分に抑制できた場合には、SI燃焼に起因して生じるSIノックおよびこれと相関の高い6.3kHz付近の騒音も十分に抑制できることが分かっている。言い換えると、1〜4kHzの騒音は、本来はCIノックの程度を表す騒音であるが、上記の事情により、CIノックおよびSIノックの双方の程度を表す騒音として取り扱うことができる。そこで、当実施形態では、1〜4kHz(1kHz、1.25kHz、‥‥4kHz)帯域の筒内圧レベルの平均値を算出し、これをCIノックおよびSIノックを抑制するための騒音指標値として使用している。一方、6.3kHz帯域の筒内圧レベル(図16において「※」マークが付されたプロット)は、騒音指標値しては考慮されない。
以上のようにして騒音指標値の算出が完了すると、ECU100は、図9のステップS20に移行して、上記ステップS44で算出された最新の騒音指標値と、過去に蓄積された複数の騒音指標値とに基づいて、騒音指標値の標準偏差を算出・更新する。このようにして更新される騒音指標値の標準偏差は、次に、騒音指標値の許容限界Wを決定する際に余裕代y(図12)として利用される。なお、騒音指標値の標準偏差は、例えば、直近の所定期間に亘って蓄積された騒音指標値から求められるものであってもよいし、同様の運転条件ごとに分類して蓄積された騒音指標値から求められるものであってもよい。
次いで、ECU100は、ステップS21に移行して、上記検出期間中の筒内圧力の波形に基づいて燃焼重心を算出するとともに、算出した燃焼重心に基づいて燃焼重心の予測モデルを修正する。すなわち、ECU100は、上記検出期間中に筒内圧センサSN3により検出された筒内圧力の波形に基づいて、燃焼に伴う熱発生量をクランク角ごとに算出するとともに、このクランク角ごとの熱発生量のデータに基づいて、燃料の50%質量分が燃焼した時点である燃焼重心を算出する。そして、この算出した燃焼重心と上記ステップS16で予測された燃焼重心とのずれ量に基づいて、燃焼重心を予測するための予測モデルを修正する。この予測モデルの修正は、次回以降に同様の条件下で燃焼重心を予測するときの精度向上(予測値と実際値とのずれ量の抑制)につながる。
(6)温間時のモード切り替え制御
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。
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。
図17のフローチャートに示す制御がスタートすると、ECU100は、ステップS51において、現時点の運転マップとして第1運転マップQ1(図5(a))が選択されているか否か、言い換えるとエンジンが温間状態(エンジン水温≧80℃、または吸気温≧50℃のいずれかが成立する状態)にあるか否かを判定する。
上記ステップS51でYESと判定されて第1運転マップQ1が選択されていることが確認された場合、ECU100は、ステップS52に移行して、当該第1運転マップQ1の第1領域A1でエンジンが運転されているか否かを判定する。すなわち、ECU100は、クランク角センサSN1により検出されるエンジン回転速度と、アクセルセンサSN10の検出値(アクセル開度)やエアフローセンサSN4の検出値(吸気流量)等から特定されるエンジン負荷とに基づいて、現時点のエンジンの運転ポイントを特定し、当該運転ポイントが第1運転マップQ1の第1領域A1に含まれるか否かを判定する。
上記ステップS52でNOと判定されて運転ポイントが第1領域A1に含まれていないことが確認された場合、ECU100は、ステップS58に移行して、第1領域A1以外の該当する運転領域(第2〜第5領域A2〜A5のいずれか)に規定される制御を実行する。
一方、上記ステップS52でYESと判定されて運転ポイントが第1領域A1に含まれることが確認された場合、ECU100は、ステップS53に移行して、第1領域A1に規定される2種類の燃焼モードの1つとして、空気過剰率λが1より大きくなる空燃比リーンな環境下でSPCCI燃焼を行う第1モードを選択する。この第1モードによる燃焼制御の詳細は、上記(3)の(a−1)で説明したとおりである。
上記第1モードによるSPCCI燃焼の実行時は、上記(5)で説明したとおり、騒音指標値(1〜4kHz帯域の筒内圧レベルの平均値)がその許容限界W未満に抑えられるように目標θci(CI燃焼の目標開始時期)が設定され、この目標θciが実現されるように点火時期が調整される。このため、第1モードによるSPCCI燃焼の実行時は、基本的に騒音指標値が許容限界W以上になることはないと考えられる。しかしながら、例えば他の運転領域(第2〜第5領域A2〜A5のいずれか)から第1領域A1に運転ポイントが移行した直後であったり、第1領域A1内において燃焼モードが第2モードから第1モードへと切り替えられた直後であったりした場合には、制御量の調整が追い付かず、一時的に騒音指標値が許容限界W以上になることが考えられる。そこで、このような事象の有無を捉えるべく、ECU100は、次のステップS54において、騒音指標値が許容限界W以上であるか否かを判定する。なお、騒音指標値を特定する方法は図9のステップS19(図11のステップS41〜S44)と同様であり、騒音指標値の許容限界Wを特定する方法は図9のステップS12と同様である。
上記ステップS54でNOと判定されて騒音指標値が許容限界W未満であることが確認された場合、ECU100は、フローをリターンして第1モード(λ>1)によるSPCCI燃焼を継続させる。
一方、上記ステップS54でYESと判定されて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、ECU100は、ステップS55に移行して、燃焼モードを第1モード(λ>1)から第2モード(λ=1)へと切り替える。すなわち、空気過剰率λが1より大きい空燃比リーンな環境下でSPCCI燃焼を行う上記第1モードから、空気過剰率λが1に略一致するストイキ環境下でSPCCI燃焼を行う第2モードへと燃焼モードを切り替える。この第2モードへの切り替えにあたっては、燃焼室6に導入される空気量(新気量)を減らす必要がある。このため、上記ステップS55での具体的な制御としては、燃焼室6内の空気量を理論空燃比相当の量まで減少させるべく、EGR弁53やVVT13a,14aを用いてEGR率(燃焼室6の全ガスに占める外部EGRガスおよび内部EGRガスの割合)を増大させる制御が実行される。
なお、上記ステップS55において第1モードから第2モードへと切り替える制御は、許容限界W以上の騒音指標値が確認されたときに直ちに許可される。言い換えると、後述するステップS65による第2モードから第1モードへの切り替え制御と異なり、タイマーを用いた待機時間の設定は特に行われない。
次いで、ECU100は、ステップS56に移行して、ECU100に内蔵されたタイマーを起動させる。このタイマーによる計測時間は、上記ステップS55でモード切り替え(第1モード→第2モードへの切り替え)を行った後の経過時間に相当する。
次いで、ECU100は、図18のステップS60に移行して、エンジンの運転ポイントが引き続き第1運転マップQ1の第1領域A1に含まれているか否かを判定する。
上記ステップS60でNOと判定されて運転ポイントが第1領域A1に含まれていないことが確認された場合、ECU100は、ステップS67に移行して、第1領域A1以外の該当する運転領域(第2〜第5領域A2〜A5のいずれか)に規定される制御を実行する。
一方、上記ステップS60でYESと判定されて運転ポイントが第1領域A1に含まれることが確認された場合、ECU100は、ステップS61に移行して、空気過剰率λが1に略一致するストイキ環境下でSPCCI燃焼を行う第2モードによる運転を実行する。
次いで、ECU100は、ステップS62に移行して、騒音指標値が許容限界W以上であるか否かを判定する。
ここで、第2モード(λ=1)によるSPCCI燃焼は、不活性ガスであるEGRガスが多い環境で行われるSPCCI燃焼であるため、EGRガスの少ない第1モード(λ>1)と比べると燃焼騒音は小さくなり易い。このため、上記ステップS62では基本的にNOの判定(騒音指標値<許容限界Wの判定)がなされると期待される。
ただし、第2モードへの切り換え後のごく初期においては比較的大きな騒音が発生する可能性があり、そのときは上記ステップS62においてYESの判定(騒音指標値≧許容限界W)がなされる。この場合、ECU100は、ステップS63に移行して、点火プラグ16による点火時期を一時的にリタードさせる。
一方、上記ステップS62でNOされて期待通り騒音指標値<許容限界Wとなったことが確認された場合、ECU100は、ステップS64に移行して、上記ステップS56で起動されたタイマーのカウント値(つまり第2モードに切り替えられてからの経過時間)が予め定められた基準時間T以上になったか否かを判定する。
上記ステップS64でNOと判定されてタイマーのカウント値が基準時間T未満であることが確認された場合、ECU100は、フローを上記ステップS60へと戻す。そして、ここでの判定がYESであれば引き続き第2モードによるSPCCI燃焼を実行する(ステップS61)。この第2モードによるSPCCI燃焼は、タイマーのカウント値(第2モードの継続時間)が基準時間Tに達するまで継続される。
一方、上記ステップS64でYESと判定されてタイマーのカウント値が基準時間T以上になったことが確認された場合、ECU100は、ステップS65に移行して、燃焼モードを第2モード(λ=1)から第1モード(λ>1)へと切り替える。すなわち、空気過剰率λが1に略一致するストイキ環境下でSPCCI燃焼を行う上記第2モードから、空気過剰率λが1より大きい空燃比リーンな環境下でSPCCI燃焼を行う第1モードへと燃焼モードを切り替える。
(7)作用効果
以上説明したように、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る。一方、第1モードから第2モードへと切り替えられた後は、たとえ騒音指標値が許容限界W未満であっても、切り替えからの経過時間が所定の基準時間Tに達しない限り第1モードへの復帰が許可されない。このような構成によれば、SPCCI燃焼時のモード切り替えに起因した乗員の違和感を軽減できる等の利点がある。
以上説明したように、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る。一方、第1モードから第2モードへと切り替えられた後は、たとえ騒音指標値が許容限界W未満であっても、切り替えからの経過時間が所定の基準時間Tに達しない限り第1モードへの復帰が許可されない。このような構成によれば、SPCCI燃焼時のモード切り替えに起因した乗員の違和感を軽減できる等の利点がある。
すなわち、第1モードから第2モードへと燃焼モードが切り替えられると、これに伴いEGR率が高められて燃焼室6内の不活性ガスの割合が増やされることにより、混合気の燃焼速度を低下させる(言い換えれば圧力上昇率を低下させる)ことができ、上記切り替え以降に発生する燃焼騒音を低いレベルに抑えることができる。これにより、騒音指標値は多くの場合において許容限界W未満に収まる(つまり第1モードに復帰させる条件が成立する)と考えられるが、この時点で直ちに第1モードへの復帰を許可すると、再び騒音指標値が許容限界W以上に増大する可能性がある。このような事態が生じると、燃焼モードが第1モードから第2モードへと再び切り替えられることになり、結果として第1/第2モード間の切り替えが頻繁に繰り返されることになる。第1モードと第2モードとを比較した場合、両モード間では空燃比およびEGR率が異なるために、燃焼時の熱発生(もしくは圧力上昇)の波形が異なり、発生する騒音の音色も異なると考えられる。このため、第1/第2モード間の切り替えが頻繁に繰り返されると、上記のような騒音(音色)の変化が頻発する結果、乗員が違和感を覚えるおそれがある。これに対し、上記実施形態のように、第2モードへの切り替えから所定時間Tが経過するまでは第1モードへの復帰を許可しないようにした場合には、第1/第2モード間の切り替えが頻繁に繰り返されることがないので、モード切り替えに伴う騒音(音色)の変化が頻発するのを有効に回避でき、乗員の違和感を軽減することができる。
一方で、上記実施形態では、第1モードによるSPCCI燃焼時に許容限界W以上の騒音指標値が確認されると(つまり第1モードから第2モードへの切り替え条件が成立すると)、その時点で直ちに第2モードへの切り替えが許可されるので、相対的に騒音が大きくなり易い第1モードが不用意に継続されることがなく、速やかな第2モードへの切り替えによって燃焼騒音を効果的に抑制することができる。
また、上記実施形態では、第1モードから第2モードへの切り替えに伴って、燃焼室6内の排気ガス(EGRガス)の割合が増大する一方で、空気(新気)の割合は減少する。このため、燃焼室6内の全ガス量が第1/第2モード間で大きく異なることがなく、ポンピングロスの相違等による大きなトルク段差(切り替え前後での出力トルクの差)が第1/第2モード間の切り替え時に生じるのを有効に回避することができる。
また、上記実施形態では、温間時(第1運転マップQ1)の第1領域A1での運転時に許容限界W以上の騒音指標値が確認されると、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EGR率が高められるが、このことは、逆に言えば、許容限界W以上の騒音指標値が確認されない限りEGR率の低い第1モードによるSPCCI燃焼が継続されることを意味する。これにより、混合気の比熱比が大きい環境下でSPCCI燃焼が実行される期間が長く確保されるので、エンジンの燃費性能を効果的に向上させることができる。
すなわち、有効圧縮比をε、混合気の比熱比をκとすると、オットーサイクルエンジンの理論熱効率ηは、下式(1)で表すことができる。
η=1−(1/εκ−1)・・・(1)
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。
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。
比熱比κは、気体分子を構成する原子数が多いほど小さくなる。例えば、空気(新気)に主に含まれるN2やO2等の2原子分子よりも、EGRガスに多く含まれるCO2やH2O等の3原子分子の方が比熱比κが小さい。このため、EGR率の高い第2モードが選択された場合には、EGRガス中の3原子分子が混合気に多く含まれることになり、混合気の比熱比κが低下する。このことは、理論熱効率ηが低下して燃費性能が悪化することを意味する。これに対し、上記実施形態では、第1領域A1での運転時にEGR率の低い第1モードが優先的に選択され、燃焼騒音が増大しない限り第2モードに切り替わらないので、EGR率の低い(よって比熱比の大きい)第1モードによるSPCCI燃焼が実行される期間をできるだけ長く確保でき、燃費性能を効果的に高めることができる。
また、上記実施形態では、SPCCI燃焼を行うときの目標燃焼重心(および目標SI率)がエンジンの回転速度および負荷ごとに予め定められるとともに、この目標燃焼重心(および目標SI率)が得られるように、点火プラグ16による点火時期、燃料の噴射量/噴射時期、筒内状態量(温度、EGR率等)といった各制御量の目標値が予め定められている。そして、温間時の第1領域A1にてエンジンが運転されているときには、上述した第1モードおよび第2モードのいずれが選択されているときであっても、回転速度および負荷が同一であれば目標燃焼重心が同一になるように、上記各制御量の目標値が定められている。このような構成によれば、第1モードと第2モードとの間で燃焼モードが切り替わっても燃焼重心が大きくずれることがないので、モード切り替え時のトルク段差(切り替え前後での出力トルクの差)を低減することができ、乗員に感知されにくいスムーズなモード切り替えを実現することができる。
また、上記実施形態では、第1領域A1において第1/第2モードによるSPCCI燃焼が実行されているときに、騒音指標値が許容限界W未満に抑えられるように点火プラグ16による点火時期が調整される(つまり必要に応じ点火時期が上記目標値に対し補正される)ので、基本的に(特に定常運転時は)、第1領域A1におけるSPCCI燃焼の騒音を十分に低いレベルに維持することができる。ただしこの場合でも、例えばEGR率の高い第2モードからEGR率の低い第1モードへと移行した直後などは、制御量の調整が追い付かず、一時的にでも大きな騒音が発生するおそれがある。上記実施形態では、このような場合に燃焼モードが第2モードに戻されてEGR率が低減されるので、モード切り替えに起因した大きな騒音が継続発生するのを有効に回避することができる。
(8)変形例
上記実施形態では、温間時(図5(a))の第1領域A1において第1モードから第2モードへの切り替えが行われた後、第1モードに復帰させる条件(騒音指標値が許容限界W未満という条件)が成立した場合でも、第2モードへの切り替えから所定時間Tが経過していなければ第1モードへの復帰を許可せずに第2モードを維持するようにしたが、必ずしも所定時間Tが経過するまで第2モードを維持する必要はない。例えば、第1モードへの復帰条件の成立後、所定時間Tが経過するまでの間は、第1モードと第2モードとの中間の状態でSPCCI燃焼を実行し、所定時間Tが経過した時点で第1モードによるSPCCI燃焼に切り替えるようにしてもよい。
上記実施形態では、温間時(図5(a))の第1領域A1において第1モードから第2モードへの切り替えが行われた後、第1モードに復帰させる条件(騒音指標値が許容限界W未満という条件)が成立した場合でも、第2モードへの切り替えから所定時間Tが経過していなければ第1モードへの復帰を許可せずに第2モードを維持するようにしたが、必ずしも所定時間Tが経過するまで第2モードを維持する必要はない。例えば、第1モードへの復帰条件の成立後、所定時間Tが経過するまでの間は、第1モードと第2モードとの中間の状態でSPCCI燃焼を実行し、所定時間Tが経過した時点で第1モードによるSPCCI燃焼に切り替えるようにしてもよい。
また、上記実施形態では、第1領域A1において第1モードによるSPCCI燃焼が実行されているときに、第2モードに切り替える条件(騒音指標値が許容限界W以上という条件)が成立した場合には、直ちに第2モードへの切り替えを許可するようにしたが、第1モード開始後の経過時間がある程度の時間(ただし上述した所定時間Tよりは短い時間)に達するのを待ってから第2モードへの切り替えを許可するようにしてもよい。
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。
上記実施形態では、筒内圧センサSN3により検出された筒内圧力に基づいて、CIノックと相関の高い筒内圧レベル、より詳しくは、筒内圧力の検出波形をフーリエ解析して得られる1kHz、1.25kHz、1.6kHz、2kHz、2.5kHz、3.15kHz、4kHzの各帯域の筒内圧レベルの平均値を算出し、この平均値を騒音指標値として使用するようにしたが、これに代えて、各帯域の筒内圧レベルの最大値を騒音指標値として算出してもよい。また、CIノックはエンジン部品との共振現象であり、その共振周波数はおのずといくつかの周波数に限られることから、各共振周波数に最も近い限られた帯域の筒内圧レベルのみを用いて騒音指標値を算出してもよい。言い換えると、上記各帯域のうち共振周波数から遠い一部の帯域の筒内圧レベルについては無視してもよい。
さらに言えば、騒音指標値は、上記のような1〜4kHz帯域の筒内圧レベルから求められる値に限定されない。例えば、1〜4kHz帯域の(つまりCIノックと相関の高い)筒内圧レベルから第1の騒音指標値を算出するとともに、SIノックと相関の高い6.3kHz帯域の筒内圧レベルから第2の騒音指標値を算出し、これら第1・第2の騒音指標値の双方に基づいてSPCCI燃焼を制御してもよい。あるいは、第1・第2の騒音指標値のうちの大きい方を騒音指標値として使用してもよい。
上記実施形態では、騒音指標値が許容限界Wを超えないような目標θci(CI燃焼の開始時期θciの目標値)を設定するとともに、この目標θciが実現されるように点火プラグ16による点火時期(火花点火の時期)を調整したが、点火時期に代えて、もしくは点火時期に加えて、インジェクタ15からの燃料の噴射時期を調整してもよい。さらには、燃料の噴射時期と噴射量の双方を調整してもよい。
上記実施形態では、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)およびEGR率が異なる第1モードおよび第2モードのいずれかが選択可能とされ、第1モードと第2モードとの切り替え時には、スロットル弁32を全開にしたままEGRガス(外部EGRガスおよび内部EGRガス)の量を増減させ、それによって空燃比およびEGR率を変化させるようにしたが、このような制御に加えて(もしくは代えて)、スロットル弁32の開閉によって空燃比およびEGR率を変化させるようにしてもよい。このような目的で開閉駆動されるスロットル弁32は、請求項にいう「EGR操作部」および「空燃比操作部」に相当する。なお、スロットル弁32を用いて空燃比およびEGR率を操作する場合、空燃比(A/F)が相対的に小さい第2モードでは、スロットル弁32を第1モードに比べて閉側に駆動するとよい。この場合、ガス空燃比(G/F)は、第2モードのときの方が第1モードのときよりも小さくなる。
上記実施形態では、エンジン本体1により機械的に駆動される過給機33を吸気通路30に設けたが、このような機械式の過給機33(スーパーチャージャ)に代えて、電気モータで駆動される電動過給機や、排気ガスのエネルギーにより駆動されるターボ過給機を設けてもよい。
上記実施形態では、円錐状の隆起部20aを囲むような平面視ドーナツ状のキャビティ20をピストン5の冠面に設けたが、キャビティ20のうち点火プラグ16と対向する部分の凹部、つまり隆起部20aよりも吸気側に位置する部分の凹部を、これとは反対側(排気側)の凹部よりも小さくなるように形成してもよい。このようにすれば、インジェクタ15から圧縮行程の後期に燃料を噴射したときに、燃料の噴霧をより迅速に点火プラグ16の電極の近傍に移動させることができる。
上記実施形態では、燃焼室6に既燃ガスを残留させる内部EGRを行う際に、排気上死点を跨いで吸・排気弁11,12の双方が開弁するバルブオーバーラップ期間が形成されるように吸・排気VVT13a,14aを制御したが、これとは逆に、排気上死点を跨いで吸・排気弁11,12の双方が閉弁するいわゆるネガティブオーバーラップ期間を形成することで内部EGRを行うことも可能である。
上記実施形態では、1つの気筒2に対し設けられた2つの吸気ポート9A,9Bの一方(第2吸気ポート9B)にスワール弁18を設け、このスワール弁18の開度を増減させることによってスワール流の強度を調整するようにしたが、スワール流の強度を調整する方法はこれに限られない。例えば、第1吸気ポート9Aを開閉する吸気弁11のリフト量と、第2吸気ポート9Bを開閉する吸気弁11のリフト量とに差を持たせたり、これら2つの吸気弁11の開閉タイミングに差をもたせたりすることにより、スワール流の強度を調整することも可能である。
上記実施形態では、運転条件ごとに定められた目標燃焼重心および目標SI率が実現されるように点火時期等の制御量の目標値を予め定めておき、予想される騒音指標値が許容限界W未満になるように必要に応じて点火時期を補正するようにしたが、このような制御に加えて(もしくは代えて)、燃焼重心またはSI率に基づいたフィードバック制御を行ってもよい。
例えば、燃焼重心に基づくフィードバック制御を行う場合には、筒内圧センサSN3による検出波形等から各回の燃焼(SPCCI燃焼)における燃焼重心を都度算出し、算出した燃焼重心が目標燃焼重心と一致しない場合には、そのずれ量が小さくなる方向に点火時期や燃料の噴射量/噴射時期等を補正する。
同様に、SI率に基づいたフィードバック制御を行う場合には、筒内圧センサSN3による検出波形等から各回の燃焼におけるSI率を都度算出し、算出したSI率が目標SI率と一致しない場合には、そのずれ量が小さくなる方向に点火時期や燃料の噴射量/噴射時期等を補正する。
なお、上記のように各回の燃焼のSI率を算出する場合、このSI率を算出する具体的な方法は種々考えられる。
例えば、筒内圧センサSN3による検出波形から各クランク角時点での熱発生率を算出し、算出した熱発生率のデータ(波形)に基づいて、図8に示した面積R1,R2をそれぞれ算出してもよい。この場合、既に説明したとおり、SI率=R1/(R1+R2)として算出することができるが、これに代えて、SI率=R1/R2としてもよい。
もしくは、図19に示すΔθ1、Δθ2を用いてSI率を算出してもよい。すなわち、SI燃焼のクランク角期間(変曲点Xよりも進角側のクランク角期間)をΔθ1、CI燃焼のクランク角期間(変曲点Xよりも遅角側のクランク角期間)をΔθ2としたときに、SI率=Δθ1/(Δθ1+Δθ2)、もしくはSI率=Δθ1/Δθ2としてもよい。
あるいは、SI燃焼の熱発生率のピークをΔH1、CI燃焼の熱発生率のピークをΔH2としたときに、SI率=ΔH1/(ΔH1+ΔH2)、もしくはSI率=ΔH1/ΔH2としてもよい。
1 エンジン本体
2 気筒
13a 吸気VVT(EGR操作部、空燃比操作部)
14a 排気VVT(EGR操作部、空燃比操作部)
15 インジェクタ
16 点火プラグ
53 EGR弁(EGR操作部、空燃比操作部)
100 ECU(燃焼制御部)
SN2 筒内圧センサ(検出部)
2 気筒
13a 吸気VVT(EGR操作部、空燃比操作部)
14a 排気VVT(EGR操作部、空燃比操作部)
15 インジェクタ
16 点火プラグ
53 EGR弁(EGR操作部、空燃比操作部)
100 ECU(燃焼制御部)
SN2 筒内圧センサ(検出部)
Claims (6)
- 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、
前記部分圧縮着火燃焼の実行時に、EGR率の低い第1モードとEGR率の高い第2モードとの間で燃焼モードが切り替わるように前記EGR操作部を制御可能な燃焼制御部とを備え、
前記燃焼制御部は、前記第1モードから第2モードへの切り替えが行われた後、第1モードに復帰させる条件が成立した場合に、前記第2モードへの切り替えから所定期間が経過するのを待ってから前記第1モードへの復帰を許可する、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、前記第2モードが選択されているときは第1モードが選択されているときに比べて、気筒内の空気と燃料との割合である空燃比が低下するように制御する、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1または2に記載の圧縮着火式エンジンの制御装置において、
前記燃焼制御部は、前記第1モードによる部分圧縮着火燃焼の開始後、前記第1モードから第2モードに切り替える条件が成立した場合に、当該条件の成立後直ちに前記第2モードへの切り替えを許可するか、または前記第1モードの開始から前記所定期間よりも短い期間が経過するのを待ってから前記第2モードへの切り替えを許可する、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1〜3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4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、当該燃焼に伴う騒音を代表する騒音指標値に基づいて前記制御量を前記目標値に対し補正することが可能であり、かつ、前記第1モードの選択中に前記騒音指標値が所定の閾値以上であることが確認された場合に、燃焼モードを前記第1モードから第2モードに切り替える、ことを特徴とする圧縮着火式エンジンの制御装置。 - 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、
前記気筒内の空気と燃料との割合である空燃比を変更可能な空燃比操作部と、
前記部分圧縮着火燃焼の実行時に、空燃比の高い第1モードと空燃比の低い第2モードとの間で燃焼モードが切り替わるように前記空燃比操作部を制御可能な燃焼制御部とを備え、
前記燃焼制御部は、前記第1モードから第2モードへの切り替えが行われた後、第1モードに復帰させる条件が成立した場合に、前記第2モードへの切り替えから所定期間が経過するのを待ってから前記第1モードへの復帰を許可する、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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