JP5447434B2 - 火花点火式ガソリンエンジン - Google Patents
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Description
図1は、本発明の一実施形態にかかるエンジンの全体構成を示す図である。本図に示されるエンジンは、走行駆動用の動力源として車両に搭載される往復ピストン型の多気筒ガソリンエンジンである。このエンジンのエンジン本体1は、紙面に直交する方向に並ぶ複数の気筒2(図中ではそのうちの1つのみを示す)を有するシリンダブロック3と、シリンダブロック3の上面に設けられたシリンダヘッド4と、各気筒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。なお、エンジン本体1に供給される燃料は、ガソリンを主成分とするものであればよく、その中身は、全てガソリンであってもよいし、ガソリンにエタノール(エチルアルコール)等を含有させたものでもよい。
図3は、エンジンの制御系を示すブロック図である。本図に示されるECU50は、エンジンの各部を統括的に制御するための装置(本発明にかかる制御手段)であり、周知のCPU、ROM、RAM等から構成されている。
次に、以上のような機能を有するECU50によりエンジンがどのように制御されるかについて説明する。エンジンの運転中は、ECU50により、上記図4(a)〜(c)の各制御マップA〜Cに沿った制御が実行される。各制御マップA〜Cは、上述したように、エンジンの温度条件に応じて選択的に使用される。すなわち、エンジンの運転が開始されると、上記ECU50の判定手段51が、エンジン水温センサSW1および外気温センサSW4の各検出値(冷却水温Twおよび外気温Ta)に基づいて、エンジンの温度条件が温間、準温間、冷間のいずれであるのか(図5のW1,W2,W3のいずれに該当するのか)を逐次判定し、その結果に基づいて、上記制御マップA〜Cの中から適切なマップを選択する。そして、上記クランク角センサSW2およびアクセル開度センサSW5の各検出値に基づいて、エンジンの運転点(負荷Tおよび回転速度Neの各値から特定される制御マップ上でのポイント)を特定するとともに、その運転点が、上記選択した制御マップにおけるいずれの運転領域に該当するかを調べる。
まず、エンジンの温間時(冷却水温および外気温の条件が図5の領域W1に該当するとき)に選択される制御マップA(図4(a))に基づき実行される燃焼制御について説明する。この制御マップAでは、エンジンの運転領域における比較的負荷Tの低い領域に、回転速度Ne全域にわたって領域A1が設定されている。また、この領域A1よりも負荷Tが高く、かつ回転速度Neが所定値よりも低い領域には、領域A2が設定されているとともに、上記領域A1よりも負荷Tが高く、かつ回転速度Neが上記所定値よりも高い領域には、領域A3が設定されている。さらに、上記領域A1と領域A2との間、および、領域A1と領域A3との間には、それぞれ、領域A4および領域A5が設定されている。以下では、これら各領域A1、A2,A3,A4,A5を、それぞれ、第1運転領域A1、第2運転領域A2、第3運転領域A3、第4運転領域A4、第5運転領域A5と称する。
図6は、エンジンが図4(a)の第1運転領域A1で運転されている場合の燃料噴射時期と吸排気弁11,12のリフト特性、およびそれに基づく燃焼により生じる熱発生率(J/deg)を示す図である。本図に示すように、第1運転領域A1では、圧縮行程よりも前に噴射された燃料と空気との混合気をピストン5の圧縮作用によって自着火させる、一般的な予混合圧縮自己着火燃焼が実行される。なお、図4(a)の制御マップでは、このような予混合圧縮自己着火燃焼(Homogeneous-Charge Compression Ignition)が実行されることを指して、第1運転領域A1内に「HCCI」と表記している。
上記第1運転領域A1よりも負荷Tが高く、かつ回転速度Neが比較的低い領域に設定された第2運転領域A2(図4(a))では、図7に示すような制御が実行される。すなわち、第2運転領域A2では、圧縮上死点付近とそれより前の圧縮行程中の所定時期とに設定された2回の噴射タイミング(P1,P2)に分けてインジェクタ21から燃料を噴射させ、それぞれの燃料に基づく混合気を自着火により燃焼させる制御が実行される。なお、後述する第3運転領域A3のときと異なり、第2運転領域A2では、点火プラグ20を用いた着火アシストは実行されない。このように、分割噴射に基づく混合気を着火アシストを伴うことなく自着火させる第2運転領域A2は、本発明にかかる「非アシスト領域」に相当する。図4(a)の制御マップでは、このような分割噴射に基づく(着火アシストなしの)圧縮自己着火燃焼が実行されることを指して、第2運転領域A2内に「多段CI」と表記している。また、以下の説明では、圧縮行程中に実行される1回目の燃料噴射P1を前段噴射、それより後の圧縮上死点付近(図例では膨張行程のごく初期)に実行される2回目の燃料噴射P2を後段噴射と称する。
上記第1運転領域A1よりも負荷Tが高く、かつ上記第2運転領域A2よりも回転速度Neが高い第3運転領域A3(図4(a))では、図8に示すような制御が実行される。すなわち、第3運転領域A3では、上記第2運転領域A2のときと同様、インジェクタ21からの燃料が複数回に分けて噴射されるが、上記第2運転領域A2のときとは異なり、前段噴射P1および後段噴射P2との間に、自着火を促進するための着火アシストが実行される。このように、燃料を分割噴射しつつ着火アシストを行うことにより混合気を自着火させる第3運転領域A3は、本発明にかかる「特定運転領域」に相当する。なお、図4(a)の制御マップでは、このような分割噴射および着火アシスト(Spark Asist)に基づく圧縮自己着火燃焼が実行されることを指して、第3運転領域A3内に「SA+多段CI」と表記している。
上記第4運転領域A4および第5運転領域A5は、第1運転領域A1と第2運転領域A2との間、または第1運転領域A1と第3運転領域A3との間に位置する領域であるから、上述の(i)〜(iii)で説明した各制御内容の中間的な制御が実行される。
次に、エンジンの準温間時(冷却水温Twおよび外気温Taの条件が図5の領域W2に該当するとき)に選択される制御マップB(図4(b))に基づき実行される燃焼制御について説明する。この制御マップBでは、エンジン回転速度Neが比較的高い領域に、負荷Tの全域にわたって領域B3が設定されている。また、この領域B3よりも回転速度Neが低く、かつ負荷TがラインLx(一括噴射の限界ラインLx)よりも低い領域には、領域B1が設定されているとともに、この領域B1よりも負荷Tが高くかつ上記領域B3よりも回転速度Neが低い領域には、領域B2が設定されている。さらに、上記領域B1と領域B2との間には、領域B4および領域B5が設定されている。以下では、これら各領域B1、B2,B3,B4,B5を、それぞれ、第6運転領域B1、第7運転領域B2、第8運転領域B3、第9運転領域B4、第10運転領域B5と称する。これら各運転領域B1〜B5では、それぞれ次のような燃焼制御が実行される。
上記制御マップBに基づく制御において、先の制御マップAのときと最も異なるのは、高回転側に設定された第8運転領域B3で、圧縮自己着火燃焼ではなく、点火プラグ20の火花点火により混合気を強制的に燃焼させる火花点火燃焼が実行されることである。すなわち、エンジンの温度条件が相対的に低い準温間時は、温間時のときと比べて、筒内温度が低くなりがちであるため、特に燃料の受熱期間が短い高回転域において、混合気の自着火が困難になると考えられる。そこで、準温間時に使用される上記制御マップBでは、その高回転側の領域に、火花点火燃焼の実行領域である第8運転領域B3が設定されている。なお、第8運転領域B3で火花点火燃焼を実行する場合の混合気の空燃比は、理論空燃比(λ=1)もしくはその近傍に設定される。
上記SI燃料の実行領域である第8運転領域B3よりも低回転側に設定された他の運転領域(B1,B2,B4,B5)では、いずれの場合でも、混合気を自着火により燃焼させる圧縮自己着火燃焼が実行される。
最後に、エンジンの冷間時(冷却水温Twおよび外気温Taの条件が図5の領域W3に該当するとき)に選択される制御マップC(図4(c))における燃焼制御について説明する。この制御マップCでは、エンジンの運転領域の全域が、火花点火燃焼の実行領域C1として設定されている。すなわち、エンジンが冷間状態にあるときは、もはや混合気を自着火により燃焼させることは不可能であるため、エンジンの運転領域の全域で、圧縮自己着火燃焼ではなく、点火プラグ20の火花点火により混合気を強制的に燃焼させる火花点火燃焼が実行される。
以上説明したように、当実施形態の火花点火式ガソリンエンジンでは、温間時もしくは準温間時に、少なくとも一部の運転領域で、混合気を自着火により燃焼させる圧縮自己着火燃焼が実行される。この圧縮自己着火燃焼の実行領域のうち、特定の運転領域(温間時の第3運転領域A3や準温間時の第7運転領域B2)では、前段噴射P1および後段噴射P2に分けてインジェクタ21から燃料が噴射されるとともに、前段噴射P1から後段噴射P2までの間の所定時期に、前段噴射P1および後段噴射P2の各噴射量よりも少量の燃料をインジェクタ21から噴射させかつ点火プラグ20に火花点火を行わせる着火アシストが実行される(図8および図10(c)参照)。すると、この着火アシストによって上記点火プラグ20の電極付近に火炎(図10(d)のYa)が形成され、これをきっかけにして、点火プラグ20の電極から離れた場所で上記前段噴射P1に基づく混合気X1が自着火による燃焼を開始するとともに(図10(e)のY1)、それに引き続いて上記後段噴射P2に基づく混合気X2が自着火により燃焼する(図10(h)のY2)。このような構成によれば、着火アシストにより混合気の自着火を促進しながら、燃焼騒音やスートの増大を効果的に防止することができる。
20 点火プラグ
21 インジェクタ
50 ECU(制御手段)
A2 非アシスト領域
A3 第3運転領域(特定運転領域)
B2 第7運転領域(特定運転領域)
Ly 境界ライン
P1 前段噴射
P2 後段噴射
Pa アシスト用噴射(着火アシスト用の燃料噴射)
S アシスト用点火(着火アシスト用の火花点火)
Claims (6)
- 少なくとも一部がガソリンからなる燃料を燃焼室に噴射するインジェクタと、燃焼室に露出する電極から火花を放電する点火プラグと、上記インジェクタおよび点火プラグの動作を制御する制御手段とを備えるとともに、上記インジェクタから噴射された燃料と空気との混合気を自着火により燃焼させる圧縮自己着火燃焼が少なくとも温間時に実行される火花点火式ガソリンエンジンであって、
上記制御手段は、上記圧縮自己着火燃焼の実行領域の少なくとも一部に設定された特定運転領域において、前段噴射および後段噴射を含む複数回に分けて上記インジェクタから燃料を噴射させるとともに、上記前段噴射から後段噴射までの間の所定時期に、上記前段噴射および後段噴射の各噴射量よりも少量の燃料を上記インジェクタから噴射させかつ上記点火プラグに火花点火を行わせる着火アシストを実行するものであり、
上記着火アシストにより上記点火プラグの電極付近に火炎が形成されるのをきっかけに、上記点火プラグの電極から離れた場所で上記前段噴射に基づく混合気が自着火による燃焼を開始するとともに、それに引き続いて上記後段噴射に基づく混合気が自着火により燃焼するように、上記点火プラグの電極位置や上記前段噴射および後段噴射のタイミングが設定されたことを特徴とする火花点火式ガソリンエンジン。 - 請求項1記載の火花点火式ガソリンエンジンにおいて、
上記前段噴射は、上記着火アシスト用の火花点火の時点で上記点火プラグの電極よりもボア径方向の外側に離間した位置に混合気が偏在するようなタイミングで燃料を噴射するものであり、
上記着火アシスト用の燃料噴射は、上記着火アシスト用の火花点火の時点で上記点火プラグの電極周りに混合気が形成されるようなタイミングで燃料を噴射するものであることを特徴とする火花点火式ガソリンエンジン。 - 請求項2記載の火花点火式ガソリンエンジンにおいて、
上記後段噴射は、上記前段噴射に基づく燃焼が起きている時点で上記燃焼室の中央部に混合気が偏在するようなタイミングで燃料を噴射するものであることを特徴とする火花点火式ガソリンエンジン。 - 請求項1〜3のいずれか1項に記載の火花点火式ガソリンエンジンにおいて、
エンジンの温間時に設定される上記特定運転領域に、エンジンの高負荷域の少なくとも一部が含まれることを特徴とする火花点火式ガソリンエンジン。 - 請求項4記載の火花点火式ガソリンエンジンにおいて、
エンジンの温間時の上記特定運転領域が、エンジンの高回転かつ高負荷寄りの領域に設定されるとともに、この特定運転領域よりも低回転側に、上記インジェクタから分割噴射された燃料に基づく混合気を上記着火アシストを伴うことなく自着火させる運転領域である非アシスト領域が設定され、
上記特定運転領域と非アシスト領域との境界ラインが、エンジンの温度条件が高いほど高回転側に、温度条件が低いほど低回転側に設定されることを特徴とする火花点火式ガソリンエンジン。 - 請求項1〜5のいずれか1項に記載の火花点火式ガソリンエンジンにおいて、
エンジンの温間時以外は、少なくともエンジンの高回転域を含む運転領域で、点火プラグの火花点火により混合気を強制的に燃焼させる火花点火燃焼が実行されることを特徴とする火花点火式ガソリンエンジン。
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