JP5447435B2 - 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CI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CI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CI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。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)CI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。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CI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。このような第3運転領域A3での燃焼モード(SA+多段CI)は、本発明にかかる「第1の特定燃焼モード」に相当する。
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。
図12は、エンジンが図4(b)の第6運転領域B1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を示す図である。本図に示すように、第6運転領域B1では、吸気行程中の所定時期にインジェクタ21から燃焼室6に燃料が噴射(P)され、この燃料噴射Pにより噴射された燃料に基づき燃焼室6全体に均質な混合気が形成された状態で、点火プラグ20よる予備的な火花点火(予備点火)S’が実行される。これにより、少量の混合気を予備点火S’に基づく火炎伝播により燃焼(SI燃焼)させ、その後、残りの混合気を自着火により燃焼(CI燃焼)させる。なお、図4(b)の制御マップでは、このような予備点火S’を利用した予混合CI燃焼が実行されることを指して、第6運転領域B1内に「補助HCCI」と表記している。
上記第6運転領域B1よりも負荷Tの高い第7運転領域B2(図4(b))では、図13に示すような制御が実行される。すなわち、第7運転領域B2では、ピストン5が吸気下死点(BDC)を過ぎて圧縮行程に移行した後、まず最初に着火アシストが実行され、その後で、前段噴射P1および後段噴射P2が実行されることにより、各噴射P1,P2に基づく混合気がそれぞれ自着火により燃焼(CI燃焼)する。このように、準温間時における比較的負荷Tの高い第7運転領域B2では、着火アシストにより燃焼室6の高温化を図ることで混合気を自着火させる点において、温間時の第3運転領域A3のときと同様である。ただし、温間時の第3運転領域A3では、前段噴射P1および後段噴射P2の間に着火アシストを実行したのに対し(図8)、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のいずれよりも早いタイミングで着火アシストが実行される。なお、図4(b)の制御マップでは、このような変則的な着火アシストによるCI燃焼が行われることを指して、第7運転領域B2内に「変形SA+多段CI」と表記している。このような第7運転領域B2での燃焼モードは、本発明にかかる「第2の特定燃焼モード」に相当する。
上記第6・第7運転領域B1,B2よりも高回転側の第8運転領域B3では、混合気を自着火させるCI燃焼ではなく、点火プラグ20の火花点火に基づく火炎伝播により混合気を強制的に燃焼させるSI燃焼が実行される。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燃料(ガソリン)の反応性が悪いため、特に燃料の受熱期間が短い高回転域においては、たとえ上述したような着火アシストにより自着火を促進したとしても、混合気はまず自着火しないと考えられる。そこで、比較的回転速度Neの高い上記第8運転領域B3では、混合気の全てを火炎伝播により燃焼させるSI燃焼に切り替える。なお、ここでの空燃比は、理論空燃比(λ=1)もしくはその近傍に設定される。
上記各運転領域B1,B2,B3以外の領域、つまり第9運転領域B4および第10運転領域B5は、上記第6運転領域B1および第7運転領域B2の間に位置することから、両者の中間的な制御が実行される領域であるが、ここではその具体的な制御の中身については説明を省略する。
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、SI燃焼の実行領域Cとして設定されている。すなわち、エンジンの温度条件がかなり低い冷間状態では、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Cで、CI燃焼ではなく、火花点火に基づく火炎伝播により混合気を強制的に燃焼させるSI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、エンジンの温間時における高負荷側の一部の運転領域(第3運転領域A3)で、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、これら前段噴射P1および後段噴射P2の間に、少量の燃料噴射Paとその直後の火花点火Sとによる着火アシストが実行されることにより、その着火アシストの後、上記前段噴射P1および後段噴射P2に基づくCI燃焼が圧縮上死点付近から順番に開始される(第1の特定燃焼モード)。一方、温度条件が温間時よりも低い準温間時には、高負荷側の一部の運転領域(第6運転領域B2)で、前段噴射P1よりも先に上記着火アシストが実行されることにより、上記前段噴射P1および後段噴射P2に基づくCI燃焼が圧縮上死点付近から順番に開始される(第2の特定燃焼モード)。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伴わない適正なCI燃焼を実現することができ、しかもCI燃焼に適した温度条件を速やかにつくり出すことができるという利点がある。
21 インジェクタ
50 ECU(制御手段)
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 (7)
- 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CI燃焼が所定の条件下で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CI燃焼による運転時に、必要に応じて、CI燃焼のための燃料噴射とは別に上記インジェクタから少量の燃料を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、
予め定められた第1の温度条件下では、エンジン負荷が所定値以上の領域の少なくとも一部の回転域でエンジンが運転されているときに、前段噴射とそれよりも遅い後段噴射とに分けて上記インジェクタから燃料が噴射されるとともに、当該前段噴射および後段噴射の間に上記着火アシストが実行されることにより、その着火アシストの後、上記前段噴射および後段噴射に基づくCI燃焼が順番に開始される第1の特定燃焼モードが実行され、
上記第1の温度条件よりも低い第2の温度条件下では、エンジン負荷が所定値以上の領域の少なくとも一部の回転域でエンジンが運転されているときに、上記前段噴射よりも先に上記着火アシストが実行されることにより、上記前段噴射および後段噴射に基づくCI燃焼が順番に開始される第2の特定燃焼モード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。 - 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に、上記火花点火の直前に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、
上記第1特定燃焼モードでは、上記前段噴射および後段噴射の間の圧縮行程後期に、上記着火アシスト用の燃料噴射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。 - 請求項2または3記載の火花点火式ガソリンエンジンにおいて、
上記第2特定燃焼モードでは、上記前段噴射より前の圧縮行程前半に、上記着火アシスト用の燃料噴射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。 - 請求項1〜4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、
上記第1の温度条件下で、高回転かつ高負荷域を含む一部の領域でエンジンが運転されている場合に、上記第1の特定燃焼モードが実行され、
上記第2の温度条件下で、低回転かつ高負荷域を含む一部の領域でエンジンが運転されている場合に、上記第2の特定燃焼モード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。 - 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、
上記前段噴射は、圧縮行程中の所定時期に燃料を噴射することにより、圧縮上死点よりも前の時点で燃焼室の外周部に混合気を偏在させるものであり、
上記後段噴射は、圧縮行程後期から膨張行程初期までの間の所定時期に燃料を噴射することにより、上記前段噴射の後でかつそれに基づくCI燃焼の終了前に上記燃焼室の中央部に混合気を偏在させ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1〜6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、
上記第2の温度条件下で、上記第2特定燃焼モードが実行される領域よりも負荷の低い領域でエンジンが運転されている場合には、吸気行程から圧縮行程初期までの間に上記インジェクタから燃料を噴射させ、その噴射燃料に基づき燃焼室全体に混合気が形成された状態で、上記点火プラグに予備的な火花点火を行わせることにより、その火花点火をきっかけに上記混合気の一部をCI燃焼させる制御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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