JP2020169624A - エンジンの燃焼制御装置 - Google Patents
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Abstract
Description
先ず、前記圧縮着火式エンジンを備えたエンジンシステムについて説明する。図1は、本実施形態に係るエンジンシステムの全体構成を示す図である。エンジンシステムは、4サイクルの4気筒ガソリン直噴エンジンからなるエンジン本体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に還流させるEGR装置50とを備えている。
次に、上述の吸気通路30及び排気通路40の構造的な特徴を説明する。図2は、エンジン本体1の外観を示す斜視図、図3は、吸気通路30の構造を示すエンジン本体1の前後方向縦断面図、図4は、吸気通路30に配置されているサージタンク36周辺を示すエンジン本体1の左右方向縦断面図である。これらの図には、上下、前後、左右の方向表示を付しているが、これは説明の便宜のためであり、実際の方向を限定する趣旨ではない。
図6は、前記エンジンシステムの制御構成を示すブロック図である。本実施形態のエンジンシステムは、プロセッサ60(エンジンの燃焼制御装置)によって統括的に制御される。プロセッサ60は、CPU、ROM、RAM等から構成されるマイクロプロセッサである。
図7(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。本実施形態では、エンジンの暖機が完了した温間時に用いられる第1運転マップQ1(図7(A))と、エンジンの暖機が途中まで進行した半暖機時に用いられる第2運転マップQ2(図7(B))と、エンジンが未暖機である冷間時に用いられる第3運転マップQ3(図7(C))とが用意されている。温間時の第1運転マップQ1には、燃焼形態の異なる第1、第2、第3、第4、第5運転領域A1、A2、A3、A4、A5が含まれており、半暖機時の第2運転マップQ2には、燃焼形態の異なる第6、第7、第8、第9運転領域B1、B2、B3、B4が含まれている。冷間時の第3運転マップQ3は、第10運転領域C1の一つからなる。
第1運転マップQ1において、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/低負荷の領域である。第2領域A2は、第1領域A1よいも負荷が高い低・中速/中負荷の領域である。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/高負荷の領域である。第3領域A3は、第4領域A4よりも回転速度が高い中速/高負荷の領域である。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。
半暖機時の第2運転マップQ2において、第6領域B1は、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いる。第7領域B2、第8領域B3及び第9領域B4は、それぞれ第1運転マップQ1の第3領域A3、第4領域A4及び第5領域A5に対応している。
冷間時の第3運転マップQ3は、第10領域C1のみからなる。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。
本実施形態では、SI燃焼とCI燃焼とを組み合わせたSPCCI燃焼が、第1運転マップQ1の第1〜第4領域A1〜A4及び第2運転マップQ2の第6〜第8領域B1〜B3において実行される。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制御することが重要になる。本実施形態では、上記比率として、SPCCI燃焼中による1サイクル中の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率を用いて制御する。図8は、このSI率を説明するための図でもあり、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。
(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。すなわち、SI率=R1/(R1+R2)である。
続いて、内部EGRの実行態様について説明する。本実施形態では、少なくとも半暖機時の第2運転マップQ2における第6領域B1(特定領域B11)、及び温感時の第1運転マップQ1における第1領域A1において、吸気弁11及び排気弁12の双方を開弁するバルブオーバーラップによる内部EGRが実行される。内部EGRの実行態様は、A/Fを理論空燃比に設定してSPCCI燃焼を行う第6領域B1(SPCCI_λ=1)と、A/Fをリーンに設定してSPCCI燃焼を行う第1領域A1(SPCCI_λ>1)とで相違する。
図10は、内部EGRの実行による気筒への排気の戻り、吸気の戻り及び再吸入の状況を説明するための模式図である。吸気G1は、吸気通路30の第3通路303からサージタンク36に導入される。燃焼後の排気G2は、排気マニホールド42を経て、排気管43に送り出される。これに対し、内部EGRの実行時には、バルブオーバーラップ期間の設定及び吸排気差圧により、#1〜#4気筒2の各々へ排気G2の一部が戻る戻り排気G3が発生する。そして、戻り排気G3に押し出される形で、一旦は#1〜#4気筒2に各々導入された吸気G1が吹き出す戻り吸気G4が発生する。
図11(A)〜(D)は、SPCCI_λ=1の運転領域における#1〜#4気筒2の燃料噴射量の補正傾向を示すグラフである。これらグラフの横軸BGR比は、気筒2(燃焼室6)内の既燃ガスの残量を示す指標であり、BGR比が増加するほど、既燃ガス量(つまり内部EGR量)が多いことを示す。縦軸の「+」は、目標燃料噴射量を増量する補正であることを、「−」は目標燃料噴射量を減量する補正であることを示す。
本実施形態では、第2補正部66(図6)が、少なくとも図11(A)〜(D)に示した各気筒2の固有の再吸入補正量を、種々の運転条件及び環境条件に応じてさらに補正する。前記運転条件及び環境条件は、例えば吸気圧、バルブオーバーラップ量、排気弁12の閉弁時期、エンジン回転数、大気圧、排気ガス温度である。これらは、内部EGRによって気筒2へ戻される既燃ガスの量に影響を与える変数である。既燃ガスの戻り量が変動すると、吸気ポート9から吹き出される吸気の量も変動する。例えば、サージタンク36に進入する吹き出し吸気g11〜g14(図10参照)の量が変動する。このため、吹き出し吸気g11〜g14の再吸入の態様にも変動が生じ得る。従って、再吸入補正量を固定的に設定するのではなく、さらに上掲の条件に応じて再吸入補正量を二次補正することが望ましい。これにより、#1〜#4気筒2間のA/Fをより精度良く揃えることができる。
図13(A)は、吸気圧と固有の再吸入補正量の二次補正量との関係を示すグラフである。このグラフに示す通り、第2補正部66は、吸気圧が大きくなるほど、再吸入補正量を減量するように補正する。すなわち、吸気圧が基準値Refよりも高いときは再吸入補正量を減量し、吸気圧が基準値Refよりも小さいときは再吸入補正量を増量する補正が行われる。吸気圧は、第1吸気圧センサSN6及び第2吸気圧センサSN8の計測値にて把握することができる。
図13(B)は、バルブオーバーラップ量と固有の再吸入補正量の二次補正量との関係を示すグラフである。このグラフに示す通り、第2補正部66は、バルブオーバーラップ量が大きくなるほど、再吸入補正量を増量するように補正する。すなわち、バルブオーバーラップ量が基準値Refよりも大きいときは再吸入補正量を増量し、バルブオーバーラップ量が基準値Refよりも小さいときは再吸入補正量を減量する補正が行われる。バルブオーバーラップ量は、吸気カム角センサSN12及び排気カム角センサSN13の計測値から把握することができる。
図13(C)は、排気弁12の閉弁時期と固有の再吸入補正量の二次補正量との関係を示すグラフである。このグラフに示す通り、第2補正部66は、排気弁12の閉時期が遅くなるほど、再吸入補正量を増量するように補正する。すなわち、排気弁12の閉タイミングが基準閉タイミング(Ref)よりも遅角しているときは再吸入補正量を増量し、排気弁12の閉タイミングが基準閉タイミング(Ref)よりも進角しているときは再吸入補正量を減量する補正が行われる。排気弁12の閉弁時期は、例えば排気カム角センサSN13の計測値にて把握することができる。
図14(A)は、エンジン回転数と固有の再吸入補正量の二次補正量との関係を示すグラフである。このグラフに示す通り、第2補正部66は、エンジン回転数が大きくなるほど、再吸入補正量を減量するように補正する。すなわち、エンジン回転数が基準値Refよりも高回転であるときは再吸入補正量を減量し、エンジン回転数が基準値Refよりも低回転であるときは再吸入補正量を増量する補正が行われる。エンジン回転数は、例えばクランク角センサSN1の計測値から求めることができる。
図14(B)は、大気圧と固有の再吸入補正量の二次補正量との関係を示すグラフである。このグラフに示す通り、第2補正部66は、大気圧が高くなるほど、再吸入補正量を増量するように補正する。すなわち、大気圧が基準値Refよりも大きいときは再吸入補正量を増量し、大気圧が基準値Refよりも小さいときは再吸入補正量を減量する補正が行われる。大気圧は、大気圧センサSN15の計測値から把握することができる。
図14(B)は、排気ガス温度と固有の再吸入補正量の二次補正量との関係を示すグラフである。このグラフに示す通り、第2補正部66は、排気ガス温度が高くなるほど、再吸入補正量を増量するように補正する。すなわち、排気ガス温度が基準値Refよりも高いときは再吸入補正量を増量し、排気ガス温度が基準値Refよりも低いときは再吸入補正量を減量する補正が行われる。排気ガス温度は、排気温センサSN10の計測値から把握することができる。
図11(A)〜(D)に示した通り、固有の再吸入補正量は、BGR比に応じて予め定められている。BGR比は内部EGR量に相当するので、再吸入補正量の設定には、現状の運転状態における内部EGR量を把握する必要がある。内部EGR量を直接計測するセンサは存在しないので、センサSN1〜SN15のうちの幾つかのセンサ値を参照して、演算によって内部EGR量を求める必要がある。
図17は、本実施形態のプロセッサ60による燃焼制御の具体例を示すフローチャートである。燃料噴射制御部61は、図6に示す各センサSN1〜SN15や他のセンサから各種信号を読み込み、エンジン本体1の運転状態に関する情報や燃焼条件に影響を与える環境情報を取得する(ステップS11)。
以上説明した本実施形態に係るエンジンの燃焼制御装置によれば、何らかの要因で内部EGRによる吸気の再吸入量において複数の気筒2間にバラツキが生じる場合でも、再吸入補正量によって気筒2毎に目標燃料噴射量が補正される。例えば、吸気通路の構造的な特徴によって気筒2間に再吸入量に固有の差異が生じる場合でも、第1補正部65が設定する再吸入補正量によって気筒2毎に空燃比を調整することができる。これにより複数の気筒2間で空燃比を揃えることが可能となる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような変形実施形態を取ることができる。
2 気筒
#1、#4気筒(第1の気筒/端部側気筒)
#2、#3気筒(第2の気筒/中央側気筒)
#1気筒(第4の気筒/一端側気筒)
#2〜#4気筒(第3の気筒/残りの3つの気筒)
9 吸気ポート
10 排気ポート
11 吸気弁
12 排気弁
15 インジェクタ(燃料噴射弁)
30 吸気通路(吸気経路)
303 第3通路(上流吸気路)
36 サージタンク
36R 内部空間(流路空間)
37 独立吸気通路
42 排気マニホールド(排気集合部)
43 排気管(下流排気路)
44_#1〜#4 独立排気管(排気経路)
60 プロセッサ(エンジンの燃焼制御装置)
61 燃料噴射制御部(制御ユニット)
Claims (8)
- 複数の気筒と、
前記複数の気筒への吸気経路に配置されるサージタンクと、
前記サージタンクと前記複数の気筒の各吸気ポートとを接続する独立吸気通路と、
前記複数の気筒の各々に対して配置され、各気筒内に燃料を供給する燃料噴射弁と、
前記燃料噴射弁の各々の燃料噴射量を、エンジンの運転状態に応じて制御する制御ユニットと、を備えるエンジンの燃焼制御装置であって、
前記制御ユニットは、エンジンの運転状態に応じて定められた気筒毎の目標燃料噴射量を、各気筒における内部EGRによる吸気の前記吸気ポートからの再吸入量に応じて気筒毎に設定される再吸入補正量に基づき補正する、ことを特徴とするエンジンの燃焼制御装置。 - 請求項1に記載のエンジンの燃焼制御装置において、
前記エンジンは、前記気筒の吸気ポートを開閉する吸気弁と排気ポートを開閉する排気弁とを備え、前記内部EGRは、前記吸気弁と前記排気弁とを共に開弁状態とするバルブオーバーラップの設定によって実現されるものであり、
前記独立吸気通路は、前記バルブオーバーラップの期間において前記吸気ポートから吹き出した吸気が前記サージタンクに至ることを許容する長さに設定されている、エンジンの燃焼制御装置。 - 請求項1又は2に記載のエンジンの燃焼制御装置において、
前記制御ユニットは、吸気圧が高くなるほど、前記再吸入補正量を小さく設定する、エンジンの燃焼制御装置。 - 請求項1〜3のいずれか1項に記載のエンジンの燃焼制御装置において、
前記複数の気筒のうち、前記吸気ポートからの前記内部EGRによる吸気の再吸入量が所定量である第1の気筒と、前記再吸入量が前記第1の気筒よりも多い第2の気筒とが存在し、
前記制御ユニットは、前記第1の気筒については空燃比がリーン側に、前記第2の気筒については空燃比がリッチ側に向かうように、前記目標燃料噴射量を補正する、エンジンの燃焼制御装置。 - 請求項1〜3のいずれか1項に記載のエンジンの燃焼制御装置において、
前記エンジンは、4つの気筒が一列に並ぶ4気筒エンジンであり、
前記独立吸気通路は前記気筒の配列方向に一列に並び、前記サージタンクは前記配列方向に長手の流路空間を備え、
前記サージタンクには、当該サージタンクの長手方向の中央領域へ吸気を導入する上流吸気路が接続されるものであって、
前記制御ユニットは、前記一列に並ぶ4つの気筒のうち、両端に位置する端部側気筒については空燃比がリーン側に、前記端部側気筒に挟まれる2つの中央側気筒については空燃比がリッチ側に向かうように、前記目標燃料噴射量を補正する、エンジンの燃焼制御装置。 - 請求項1〜5のいずれか1項に記載のエンジンの燃焼制御装置において、
前記複数の気筒のうち、当該気筒の排気ポートからの前記内部EGRによる既燃ガスの再吸入量が所定量である第3の気筒と、前記再吸入量が前記第3の気筒よりも多い第4の気筒とが存在し、
前記制御ユニットは、
前記気筒内で生成される混合気の空燃比を、理論空燃比と理論空燃比よりもリーンな空燃比との間で切り換えることが可能であって、
前記リーンな空燃比に設定する際、前記第3の気筒については空燃比がリーン側に、前記第4の気筒については空燃比がリッチ側に向かうように、前記目標燃料噴射量を補正する、エンジンの燃焼制御装置。 - 請求項1〜5のいずれか1項に記載のエンジンの燃焼制御装置において、
前記エンジンは、4つの気筒が一列に並ぶ4気筒エンジンであって、前記4つの気筒の各排気ポートから排出される排気を集合する排気集合部と、前記排気集合部から排気を下流に導く下流排気路と、をさらに備え、
前記排気集合部は、前記一列に並ぶ4つの気筒のうち、一の端部に位置する一端側気筒の排気ポートから前記下流排気路への経路が最も短く、他の端部側に位置する気筒ほど排気ポートから前記下流排気路への経路が長くなる排気経路を備え、
前記制御ユニットは、
前記気筒内で生成される混合気の空燃比を、理論空燃比と理論空燃比よりもリーンな空燃比との間で切り換えることが可能であって、
前記リーンな空燃比に設定する際、前記一端側気筒については空燃比がリッチ側に、残りの3つの気筒については空燃比がリーン側に向かうように、前記目標燃料噴射量を補正する、エンジンの燃焼制御装置。 - 請求項1〜7のいずれか1項に記載のエンジンの燃焼制御装置において、
前記制御ユニットは、少なくとも前記気筒の吸気弁と排気弁とが共に開弁状態となるバルブオーバーラップの量と、吸排気差圧と、前記排気弁の閉弁時期と、エンジン回転数とを要素とする多項式モデルを用いて算出される前記再吸入量に基づいて、前記再吸入補正量を設定する、エンジンの燃焼制御装置。
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