JP5589959B2 - Spark ignition engine with turbocharger - Google Patents
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Description
本発明は、吸入空気を加圧する過給機と、燃焼室に燃料を噴射するインジェクタと、インジェクタから噴射された燃料に基づき燃焼室に形成された混合気に対し火花を放電する点火プラグと、上記過給機、インジェクタ、および点火プラグを含む各部の動作を制御する制御手段とを備えた過給機付き火花点火式エンジンに関する。 The present invention includes a supercharger that pressurizes intake air, an injector that injects fuel into the combustion chamber, an ignition plug that discharges sparks to an air-fuel mixture formed in the combustion chamber based on the fuel injected from the injector, The present invention relates to a spark ignition engine equipped with a supercharger, comprising a supercharger, an injector, and a control means for controlling the operation of each part including an ignition plug.
従来、下記特許文献1に示されるように、混合気を自着火により燃焼させるHCCI燃焼(Homogeneous-Charge Compression Ignition combustion)が少なくとも部分負荷域で実行されるように構成された過給機付き火花点火式エンジンにおいて、エンジンの温間時における混合気の空気過剰率λを、エンジン負荷の全域で2以上に設定することが行われている。
Conventionally, as shown in
特に、特許文献1では、上記HCCI燃焼の実行領域における高負荷側の領域(第2HCCI領域)で、過給機による過給量を増大させるとともに、吸気弁の閉時期に基づくエンジンの有効圧縮比を低下させ、さらに燃料を複数回に分割噴射することにより、燃料圧力の上昇率(dp/dθ)を緩和させながら、λ=2のリーンな混合気をHCCI燃焼させるようにしている。
In particular, in
上記特許文献1のように、エンジンの有効圧縮比の低下や燃料の分割噴射を実行することにより、燃焼圧力の上昇率を緩和させつつ混合気をHCCI燃焼させるようにした場合には、燃焼騒音の増大や異常燃焼を伴わない適正なHCCI燃焼を、比較的高い負荷域まで継続的に行わせることが可能になる。
When the mixture is HCCI-combusted while reducing the rate of increase in the combustion pressure by reducing the effective compression ratio of the engine or performing split fuel injection as in
しかしながら、上記のようにHCCI燃焼をかなり高い負荷(例えば最高負荷の近傍)まで継続させるには、有効圧縮比を極端に低下させる等の措置が必要となり、あまり現実的ではない。そこで、上記特許文献1では、エンジンの最高負荷の近傍(SI領域)にまで負荷が高まると、点火プラグの火花点火をきっかけに混合気を火炎伝播により燃焼させるSI燃焼に切り替えるようにしている。
However, as described above, in order to continue the HCCI combustion to a considerably high load (for example, in the vicinity of the maximum load), measures such as extremely reducing the effective compression ratio are required, which is not very realistic. Therefore, in
具体的に、上記SI燃焼の実行領域では、混合気の空気過剰率λがλ=2のままに維持されるとともに、点火プラグに連続した複数回の火花点火を行わせる多重点火が実行される。一般に、λ=2のような大幅にリーンな空燃比下では、火炎伝播速度が大幅に低下し、通常の火花点火では失火が起き易くなるため、上記のような多重点火が必要になる。 Specifically, in the SI combustion execution region, the excess air ratio λ of the air-fuel mixture is maintained at λ = 2, and multiple ignition is performed to cause the spark plug to perform a plurality of consecutive spark ignitions. The In general, under a significantly lean air-fuel ratio such as λ = 2, the flame propagation speed is greatly reduced, and misfire is likely to occur in normal spark ignition, so multiple ignition as described above is necessary.
上記のように、特許文献1では、エンジンの高負荷域までλ=2という大幅にリーンな空燃比が維持されるため、熱効率の向上やNOx生成量の抑制が期待できる。しかしながら、エンジンの高負荷域までλ=2というリーンな空燃比を維持するには、負荷に応じて増量される噴射燃料に見合ったかなり多量の空気を圧送できる過給能力の高い過給機が必要になるばかりでなく、多量の過給によってエンジンの排圧(過給機のタービンより上流側の排気ガスの圧力)が過度に上昇し、ポンプ損失が増大する結果、かえって熱効率の悪化を招くおそれがある。
As described above, in
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、HCCI燃焼とSI燃焼とを使い分けながら、熱効率が高くかつエミッション性に優れた燃焼を高負荷域まで適正に継続させることが可能な過給機付き火花点火式エンジンを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the circumstances as described above, and it is possible to properly continue combustion with high thermal efficiency and excellent emission properties to a high load range while properly using HCCI combustion and SI combustion. An object is to provide a spark ignition engine with a supercharger.
上記課題を解決するためのものとして、本発明は、吸入空気を加圧する過給機と、燃焼室に燃料を噴射するインジェクタと、インジェクタから噴射された燃料に基づき燃焼室に形成された混合気に対し火花を放電する点火プラグと、上記過給機、インジェクタ、および点火プラグを含む各部の動作を制御する制御手段とを備えるとともに、幾何学的圧縮比が14以上に設定された過給機付き火花点火式エンジンであって、上記制御手段は、少なくともエンジンの温間時における高負荷域で、上記点火プラグの火花点火による火炎伝播燃焼を圧縮上死点を過ぎてから開始させるリタードSIモードを実行する一方、このリタードSIモードの実行領域よりも負荷の低い所定の負荷域では、上記過給機に過給を行わせつつ混合気を自着火により燃焼させる過給HCCIモードを実行するものであり、上記過給HCCIモードでは、過給により多量の空気を燃焼室に導入することで混合気の空気過剰率λをλ≧2に設定するとともに、このλ≧2のリーンな混合気を圧縮上死点付近から自着火により燃焼させる制御が実行され、上記リタードSIモードでは、混合気の空気過剰率λをλ=1に設定するとともに、上記インジェクタからの20MPa以上の噴射圧力による燃料噴射を圧縮行程後期に実行し、さらに上記点火プラグによる火花点火を膨張行程初期に実行することにより、圧縮上死点を所定期間以上過ぎてから混合気を火炎伝播により急速に燃焼させる制御が実行されることを特徴とするものである(請求項1)。
In order to solve the above problems, the present invention provides a supercharger that pressurizes intake air, an injector that injects fuel into the combustion chamber, and an air-fuel mixture formed in the combustion chamber based on the fuel injected from the injector. And a control unit for controlling the operation of each part including the supercharger, the injector, and the spark plug, and a supercharger in which the geometric compression ratio is set to 14 or more A retarded SI mode for starting the flame propagation combustion by the spark ignition of the spark plug after the compression top dead center at least in a high load region when the engine is warm. On the other hand, in a predetermined load region where the load is lower than the execution region of the retarded SI mode, the air-fuel mixture is burned by self-ignition while supercharging the supercharger. The supercharging HCCI mode is performed. In the supercharging HCCI mode, the excess air ratio λ of the air-fuel mixture is set to λ ≧ 2 by introducing a large amount of air into the combustion chamber by supercharging. Control is performed to burn a lean air-fuel mixture with λ ≧ 2 from the vicinity of compression top dead center by self-ignition. In the retarded SI mode, the excess air ratio λ of the air-fuel mixture is set to λ = 1, and from the injector the fuel injection executed in the compression stroke later due to
本発明によれば、エンジンの温間時における所定の負荷域で、過給機により過給された多量の空気に基づくλ≧2の混合気を自着火により燃焼(HCCI燃焼)させることにより、燃焼温度が十分に低く抑えられるため、燃焼により生じるNOx量(生のNOx量)を大幅に低減できるとともに、熱効率を効果的に向上させることができる。 According to the present invention, a mixture of λ ≧ 2 based on a large amount of air supercharged by a supercharger is burned by self-ignition (HCCI combustion) in a predetermined load range when the engine is warm. Since the combustion temperature is sufficiently low, the NOx amount (raw NOx amount) generated by combustion can be greatly reduced, and the thermal efficiency can be effectively improved.
一方、エンジンの温間時における上記HCCI燃焼の実行領域よりも高負荷側では、圧縮行程の後期以降という遅めのタイミングで20MPa以上の高圧噴射を実行するとともに、それに基づくλ=1の混合気に対し火花点火を実行することにより、この火花点火をきっかけに、圧縮上死点を過ぎてから(つまり筒内温度・圧力がある程度低下してから)混合気を急速に火炎伝播により燃焼(SI燃焼)させることができる。このため、吸気行程等の早いタイミングで燃料を噴射させる従来のSI燃焼と異なり、プリイグニッションやノッキングといった異常燃焼の発生を確実に回避しながら、燃焼期間の短い熱効率に優れた燃焼を実現することができる。特に、混合気の空気過剰率λがλ=1(理論空燃比)に設定されるため、λ≧2のリーンな空燃比を維持した場合と異なり、吸入空気の過給量を極端に増大させる必要がなく、エンジンの排圧が過度に上昇することによるポンプ損失の増大や、それに基づく燃費の悪化を招くことがない。また、λ=1での燃焼であれば、三元触媒のみによってNOxを十分に浄化することが可能であり、エミッション性についても良好に確保される。 On the other hand, on the higher load side than the HCCI combustion execution region when the engine is warm, high-pressure injection of 20 MPa or more is executed at a later timing after the later stage of the compression stroke, and λ = 1 based on the mixture When spark ignition is performed on the air-fuel mixture, the air-fuel mixture is rapidly burned by flame propagation (SI after the compression top dead center has passed (that is, after the in-cylinder temperature and pressure have dropped to some extent). Combustion). Therefore, unlike conventional SI combustion in which fuel is injected at an early timing such as the intake stroke, it is possible to realize combustion with excellent thermal efficiency with a short combustion period while reliably avoiding abnormal combustion such as pre-ignition and knocking. Can do. In particular, since the excess air ratio λ of the air-fuel mixture is set to λ = 1 (theoretical air-fuel ratio), unlike the case where a lean air-fuel ratio of λ ≧ 2 is maintained, the supercharging amount of intake air is extremely increased. There is no need to increase the pump loss due to excessive increase in the exhaust pressure of the engine and the deterioration of the fuel consumption based on it. Further, if combustion is performed at λ = 1, NOx can be sufficiently purified only by the three-way catalyst, and the emission property is also ensured satisfactorily.
本発明において、好ましくは、上記インジェクタは、複数の噴孔を有する多噴孔型のインジェクタである(請求項2)。 In the present invention, preferably, the injector is a multi-hole injector having a plurality of nozzle holes (Claim 2).
この構成によれば、上記リタードSIモードのときに、インジェクタの燃料噴射に基づき生成される乱流エネルギーがより高まるとともに、燃料の気化霧化がより促進されるため、燃焼期間をより短縮して熱効率を向上させることができる。 According to this configuration, in the retarded SI mode, the turbulent energy generated based on the fuel injection of the injector is further increased and the vaporization of the fuel is further promoted, so that the combustion period is further shortened. Thermal efficiency can be improved.
本発明において、好ましくは、上記燃焼室から排気通路に排出された排気ガスを吸気通路に還流させる外部EGR装置がエンジンに装備され、上記過給HCCIモードでは、上記外部EGR装置による排気ガスの還流操作が実行される(請求項3)。 In the present invention, preferably, the engine is equipped with an external EGR device that recirculates exhaust gas discharged from the combustion chamber into the exhaust passage to the intake passage. In the supercharged HCCI mode, recirculation of exhaust gas by the external EGR device. The operation is executed (claim 3).
この構成によれば、過給HCCIモードでの運転時に、λ≧2のリーンな空燃比を実現するための過給量を適正に確保しつつ、混合気の燃焼温度をより低下させてNOx生成量を効果的に低減できるという利点がある。 According to this configuration, during operation in the supercharged HCCI mode, NOx is generated by further reducing the combustion temperature of the air-fuel mixture while appropriately securing the supercharging amount for realizing a lean air-fuel ratio of λ ≧ 2. There is an advantage that the amount can be effectively reduced.
本発明において、好ましくは、上記制御手段は、上記過給HCCIモードの実行領域よりも低負荷側で、上記過給機による過給を行うことなく混合気を自着火により燃焼させるNA−HCCIモードを実行し、上記NA−HCCIモードでは、燃焼により生じた高温の排気ガスを燃焼室に残留させる内部EGRが実行される(請求項4)。 In the present invention, preferably, the control means is a NA-HCCI mode in which an air-fuel mixture is burned by self-ignition without performing supercharging by the supercharger on a lower load side than the execution region of the supercharging HCCI mode. In the NA-HCCI mode, internal EGR is performed in which high-temperature exhaust gas generated by combustion remains in the combustion chamber (claim 4).
この構成によれば、エンジン負荷が低く混合気の着火性が悪い運転領域で、内部EGRを駆使して燃焼室の高温化を図ることにより、混合気を自着火により確実に燃焼させることができる。 According to this configuration, in the operating region where the engine load is low and the ignitability of the air-fuel mixture is poor, the air-fuel mixture can be reliably combusted by self-ignition by making full use of the internal EGR to increase the temperature of the combustion chamber. .
本発明において、好ましくは、上記過給機は、エンジンの排気通路に配設されたタービンと、エンジンの吸気通路に配設され、上記タービンの回転により駆動されるコンプレッサとを有し、上記吸気通路および排気通路の間には、上記タービンより下流側の排気通路から分岐した排気ガスを吸気通路に還流させる第1外部EGR装置と、上記タービンよりも上流側の排気通路から分岐した排気ガスを吸気通路に還流させる第2外部EGR装置とが設けられ、上記リタードSIモードの実行領域における低回転側の一部では、上記第1外部EGR装置による排気ガスの還流操作が実行される一方、上記リタードSIモードの実行領域における残余の領域では、上記第2外部EGR装置による排気ガスの還流操作が実行される(請求項5)。 In the present invention, preferably, the supercharger includes a turbine disposed in an exhaust passage of the engine and a compressor disposed in an intake passage of the engine and driven by rotation of the turbine. Between the passage and the exhaust passage, a first external EGR device that recirculates the exhaust gas branched from the exhaust passage downstream of the turbine to the intake passage, and the exhaust gas branched from the exhaust passage upstream of the turbine. A second external EGR device that recirculates to the intake passage is provided, and exhaust gas recirculation operation by the first external EGR device is executed in a part of the low rotation side in the execution region of the retard SI mode, In the remaining area in the execution area of the retarded SI mode, the exhaust gas recirculation operation is performed by the second external EGR device.
このように、上記リタードSIモードの実行領域のうち、回転速度が低く排気ガスの流量が少ない運転領域で、第1外部EGR装置を用いてタービンを通過した後の排気ガスを吸気通路に還流させる一方、回転速度が高く排気ガスの流量が多い運転領域で、第2外部EGR装置を用いてタービンを通過する前の排気ガスを吸気通路に還流させるようにした場合には、低回転側での過給性能の確保と高回転側でのポンプ損失の低減とを両立できるという利点がある。 As described above, in the operation region where the retarded SI mode is performed, the exhaust gas after passing through the turbine is recirculated to the intake passage using the first external EGR device in the operation region where the rotational speed is low and the exhaust gas flow rate is small. On the other hand, when the exhaust gas before passing through the turbine is recirculated to the intake passage using the second external EGR device in the operation region where the rotational speed is high and the exhaust gas flow rate is large, There is an advantage that both supercharging performance can be secured and pump loss on the high rotation side can be reduced.
本発明において、好ましくは、少なくとも吸気弁の閉時期を可変的に設定する可変機構がエンジンに装備され、上記制御手段は、エンジンの冷間時における中高負荷域で、上記過給機に過給を行わせつつ混合気を火花点火により燃焼させる過給SIモードを実行するとともに、この過給SIモードの実行領域における少なくとも高負荷側の一部で、上記可変機構を駆動して上記吸気弁の閉時期を下死点よりも早いタイミングに設定する(請求項6)。 In the present invention, preferably, the engine is equipped with a variable mechanism that variably sets at least the closing timing of the intake valve, and the control means supercharges the supercharger in a medium to high load range when the engine is cold. The supercharging SI mode in which the air-fuel mixture is combusted by spark ignition is performed while the variable mechanism is driven and the variable mechanism is driven at least at a part of the high load side in the supercharging SI mode execution region. The closing time is set earlier than the bottom dead center (claim 6).
この構成によれば、エンジンの冷間時であっても、負荷が高いために異常燃焼(プリイグニッションやノッキング)が起き易い状況では、吸気弁の閉時期を吸気下死点よりも早めることにより、エンジンの有効圧縮比を低下させて異常燃焼を防止することができる。しかも、有効圧縮比の低下のために吸気弁の閉時期を吸気下死点よりも遅くした場合と異なり、吸気ポートに吹き返された空気が再び燃焼室に導入されることによる燃焼室の高温化を回避でき、異常燃焼の防止効果をより高めることができる。この結果、有効圧縮比の低下幅を低く抑えることができ、エンジン出力や燃費の犠牲を最小限に抑えることができる。 According to this configuration, even when the engine is cold, in situations where abnormal combustion (pre-ignition or knocking) is likely to occur due to high load, the intake valve closing timing is made earlier than the intake bottom dead center. It is possible to prevent the abnormal combustion by reducing the effective compression ratio of the engine. In addition, unlike the case where the closing timing of the intake valve is made later than the intake bottom dead center due to a decrease in the effective compression ratio, the temperature of the combustion chamber is increased due to the air blown back to the intake port being introduced again into the combustion chamber. Can be avoided, and the effect of preventing abnormal combustion can be further enhanced. As a result, the reduction range of the effective compression ratio can be kept low, and the sacrifice of engine output and fuel consumption can be minimized.
以上説明したように、本発明の過給機付き火花点火式エンジンによれば、HCCI燃焼とSI燃焼とを使い分けながら、熱効率が高くかつエミッション性に優れた燃焼を高負荷域まで適正に継続させることができる。 As described above, according to the spark ignition engine with a supercharger according to the present invention, while using HCCI combustion and SI combustion properly, combustion with high thermal efficiency and excellent emission characteristics is properly continued to a high load range. be able to.
(1)エンジンの全体構成
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り、図2は、そのエンジン本体1の具体的構成を示す断面図である。これらの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、一軸方向に並ぶ複数の気筒2A〜2Dを有するシリンダブロック2と、シリンダブロック2の上面に設けられたシリンダヘッド3と、各気筒2A〜2Dに往復摺動可能に挿入されたピストン4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。
(1) Overall Configuration of Engine FIG. 1 is a diagram showing an overall configuration of an engine according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view showing a specific configuration of the
上記ピストン4はコネクティングロッド12を介してクランク軸13と連結されており、上記ピストン4の往復運動に応じて上記クランク軸13が中心軸回りに回転するようになっている。
The
上記ピストン4の上方には燃焼室5が形成され、燃焼室5に吸気ポート6および排気ポート7が開口し、各ポート6,7を開閉する吸気弁8および排気弁9が、上記シリンダヘッド3にそれぞれ設けられている。なお、図例のエンジンはいわゆるダブルオーバーヘッドカムシャフト式(DOHC)エンジンであり、各気筒につき上記吸気ポート6および排気ポート7が2つずつ設けられるとともに、上記吸気弁8および排気弁9も2つずつ設けられている。
A
なお、「燃焼室」とは、狭義には、ピストン4が上死点まで上昇したときに当該ピストン4の上方に形成される空間のことを指すが、本明細書でいう燃焼室5とは、ピストン4の上下位置にかかわらずその上方に形成される空間のことを指すものとする(広義の燃焼室)。
The “combustion chamber”, in a narrow sense, refers to a space formed above the
ここで、当実施形態のエンジン本体1の幾何学的圧縮比は、理論熱効率の向上や、後述するHCCI燃焼(圧縮自己着火燃焼)の安定化等を目的として、14以上という比較的高い値に設定されている。なお、幾何学的圧縮比の上限値は、実用上の観点等から20程度であると考えられるため、上記エンジン本体1の幾何学的圧縮比は、14以上20以下の範囲の適宜の値に設定される。
Here, the geometric compression ratio of the
図2に示すように、上記吸気弁8および排気弁9は、それぞれ、シリンダヘッド3に配設された一対のカムシャフト(図示省略)等を含む動弁機構15,16によりクランク軸13の回転に連動して開閉駆動される。
As shown in FIG. 2, the
上記吸気弁8用の動弁機構15には、吸気弁8のリフト特性を変更するための可変機構17が組み込まれている。この可変機構17は、少なくとも吸気弁8の閉時期を変更し得るものであればよいが、吸気弁8の閉時期のみを変更し、開時期については変更しないといった操作が可能なものがより好ましい。このような構成の可変機構17としては、例えば、吸気弁8の動作タイミング(位相角度)を変更するVVT(可変バルブタイミング機構;Variable Valve Timing Mechanism)と、吸気弁8のリフト量を変更するVVL(可変バルブリフト機構;Variable Valve Lift Mechanism)とを組み合わせたものが考えられる。このようなタイプの可変機構であれば、吸気弁8の閉時期だけでなく開弁期間(つまり吸気弁8を開き始めてから閉じるまでの期間)をも変更できるため、吸気弁8の閉時期のみを変更する(開時期は変更しない)という操作が可能である。
A
上記排気弁9用の動弁機構16には、吸気行程中に排気弁9を押し下げる機能を有効または無効にする切替機構18が組み込まれている。すなわち、この切替機構18は、排気弁9を排気行程だけでなく吸気行程でも開弁可能にするとともに、この吸気行程中の排気弁9の開弁動作(いわゆる排気弁9の2度開き)を実行するか停止するかを切り替える機能を有している。
The
上記切替機構18の作用により排気弁9が吸気行程中に開弁すると、一旦排気ポート7に排出された高温の排気ガスが燃焼室5に逆流し、次回の排気行程まで燃焼室5に残留する。以下では、このような排気弁9の2度開き(吸気行程中の開弁)による排気ガスの残留操作を、後述する外部EGR装置39,44による排気ガスの還流操作(外部EGR)と区別して、内部EGRと称する。
When the
なお、上記可変機構17および切替機構18としては、同様の機能を備えた種々の従来構造から適宜のものを選択して使用し得る。
The
上記エンジン本体1のシリンダヘッド3には、インジェクタ10および点火プラグ11が、各気筒2A〜2Dにつきそれぞれ1組ずつ設けられている。
The
上記インジェクタ10は、各気筒2A〜2Dの燃焼室5をその吸気側の側方から臨むように設けられている。インジェクタ10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、当実施形態では、合計で12個の噴孔がインジェクタ10の先端部に設けられている。
The
また、上記インジェクタ10の各噴孔から噴射される燃料(ガソリンを主成分とする燃料)の圧力は、20MPa以上という高い値に設定されている。このインジェクタ10からの噴射圧力は、より好ましくは、20MPaよりもさらに高い値(例えば30〜40MPa)に設定されるが、実用上の観点等から、噴射圧力の上限は120MPa程度であると考えられる。このことから、上記インジェクタ10からの噴射圧力は、20MPa以上120MPa以下の範囲の適宜の値に設定される。
Moreover, the pressure of the fuel (fuel mainly composed of gasoline) injected from each injection hole of the
なお、上記のような高い噴射圧力を実現するには、例えば、各気筒2A〜2Dのインジェクタ10に接続された燃料供給管と、その上流側に設けられた燃料ポンプとの間に、燃料ポンプから圧送された燃料を蓄圧しつつ貯蔵するコモンレールを設けた、いわゆるコモンレール式の燃料供給システムを採用することが考えられる。
In order to realize the high injection pressure as described above, for example, a fuel pump is provided between a fuel supply pipe connected to the
上記点火プラグ11は、各気筒2A〜2Dの燃焼室5を上方から臨むように設けられている。具体的に、この点火プラグ11は、燃焼室5に露出する電極を先端部に有し、図外の点火回路からの給電に応じて上記電極から火花を放電する。
The
図2に示すように、上記エンジン本体1のシリンダブロック2やシリンダヘッド3の内部には、冷却水が流通するウォータジャケット(図示省略)が設けられており、このウォータジャケット内の冷却水の温度を検出するための水温センサSW1が、上記シリンダブロック2に設けられている。
As shown in FIG. 2, a water jacket (not shown) through which cooling water flows is provided inside the
上記シリンダブロック2には、クランク角センサSW2が設けられている。クランク角センサSW2は、クランク軸13と一体に回転するクランクプレート(図示省略)の回転に応じてパルス信号を出力するものであり、このパルス信号に基づいて、クランク軸13の回転角度(クランク角)および回転速度(エンジン回転速度)が検出されるようになっている。
The
上記シリンダヘッド3には、動弁機構15におけるカムシャフトの角度を検出するためのカム角センサSW3が設けられている。カム角センサSW3は、カムシャフトと一体に回転するシグナルプレートの歯の通過に応じて、気筒判別(各気筒が吸気、圧縮、膨張、排気のいずれの行程にあるかの判別)用のパルス信号を出力するものである。
The
上記エンジン本体1の吸気ポート6および排気ポート7には、吸気通路20および排気通路30がそれぞれ接続されている。すなわち、外部からの吸入空気(新気)が上記吸気通路20を通じて燃焼室5に供給されるとともに、燃焼室5で生成された排気ガス(既燃ガス)が上記排気通路30を通じて外部に排出されるようになっている。
An
図1に示すように、上記吸気通路20は、単一の管路からなる共通管部23と、共通管部23の下流端(図中に矢印で示す吸入空気の流れ方向の下流端)に接続されたサージタンク22と、気筒2A〜2Dごとに分岐して設けられ、上記サージタンク22と各気筒2A〜2Dの吸気ポート6とを接続する分岐管部21とを有している。
As shown in FIG. 1, the
上記排気通路30は、単一の管路からなる共通管部32と、気筒2A〜2Dごとに分岐して設けられ、上記共通管部32の上流端(図中に矢印で示す排気ガスの流れ方向の上流端)と各気筒2A〜2Dの排気ポート7とを接続する分岐管部31とを有している。
The
当実施形態のエンジンには、排気ターボ式の過給機35と、排気通路30に排出された排気ガスを吸気通路20に還流させる第1および第2の外部EGR装置39,44とが装備されている。
The engine of the present embodiment is equipped with an exhaust turbo-
上記過給機35は、排気通路30の共通管部32に配設されたタービン36と、吸気通路20の共通管部23に設けられたコンプレッサ37と、これらタービン36およびコンプレッサ37どうしを互いに連結する連結軸38とを有している。エンジンの運転中に、上記排気通路30を通じて排気ガスがタービン36に流入すると、その排気ガスのエネルギによりタービン36が回転するとともに、これと連動してコンプレッサ37が高速回転することにより、上記吸気通路20を通過する空気(吸入空気)が加圧されつつ燃焼室5に送り込まれるようになっている。
The
上記排気通路30の共通管部32には、上記過給機35のタービン36をバイパスするためのバイパス管48が設けられている。バイパス管48にはウェストゲートバルブ49が設けられており、当該バルブ49の開閉に応じて排気ガスの流通経路が切り替えられ、上記過給機35による過給のON/OFF等が切り替えられるようになっている。
The
すなわち、上記ウェストゲートバルブ49が閉弁されると、排気ガスがタービン36に流入することにより、コンプレッサ37が回転駆動されて吸入空気が加圧される一方、ウェストゲートバルブ49が開弁されると、排気ガスが主にバイパス管48を通過する(タービン36をパイパスする)ことにより、コンプレッサ37による吸入空気の加圧が実質的に停止される。なお、ウェストゲートバルブ49を100%(全開)未満の中間開度に設定することにより、コンプレッサ37の仕事量(過給能力)を調節することも可能である。
That is, when the
上記第1外部EGR装置39は、タービン36よりも下流側の排気通路30とコンプレッサ37よりも上流側の吸気通路20とを連通させる第1EGR通路40と、第1EGR通路40の途中部に設けられ、その内部を通過する排気ガスの流量を制御する第1EGRバルブ41と、第1EGR通路40を通過する排気ガスの温度を低下させる水冷式のEGRクーラ42とを有している。
The first
上記第1EGR通路40は、排気通路30の共通管部32のうちタービン36よりも下流側(排ガス流れ方向の下流側)に位置する部分と、吸気通路20の共通管部23のうちコンプレッサ37よりも上流側(吸気流れ方向の上流側)に位置する部分とを連通している。このため、上記第1EGRバルブ41が開弁されると、タービン36を通過した後の排気ガスが第1EGR通路40に流れ込み、当該通路40を通じてコンプレッサ37よりも上流側の吸気通路20(共通管部23)へと戻される。すなわち、第1外部EGR装置39は、タービン36を通過した後の比較的圧力の低い排気ガスを吸気通路20に還流させるものである。
The
上記第2外部EGR装置44は、タービン36よりも上流側の排気通路30とコンプレッサ37よりも下流側の吸気通路20とを連通させる第2EGR通路45と、第2EGR通路45の途中部に設けられ、その内部を通過する排気ガスの流量を制御する第2EGRバルブ46と、第2EGR通路45を通過する排気ガスの温度を低下させる水冷式のEGRクーラ47とを有している。
The second
上記第2EGR通路45は、排気通路30の共通管部32のうちタービン36よりも上流側(排ガス流れ方向の上流側)に位置する部分と、吸気通路20の共通管部23のうちコンプレッサ37よりも下流側(吸気流れ方向の下流側)に位置する部分とを連通している。このため、上記第2EGRバルブ46が開弁されると、タービン36を通過する前の排気ガスが第2EGR通路45に流れ込み、当該通路45を通じてコンプレッサ37よりも下流側の吸気通路20(共通管部23)へと戻される。すなわち、第2外部EGR装置44は、タービン36を通過する前の比較的圧力の高い排気ガスを吸気通路20に還流させるものである。
The
上記吸気通路20の共通管部23におけるコンプレッサ37よりも上流側には、吸入空気に含まれる異物等を除去するためのエアクリーナ26が設けられるとともに、上記コンプレッサ37よりも下流側の共通管部23には、過給により温度上昇した吸入空気を冷却するためのインタークーラ25が設けられている。
An
また、上記吸気通路20の共通管部23におけるインタークーラ25よりも下流側には、スロットルバルブ24が開閉可能に設けられている。ただし、当実施形態のエンジンでは、排気弁9の2度開き(吸気行程中の開弁)により排気ガスを燃焼室5に残留させる操作(内部EGR)や、第1、第2外部EGR装置39,44を用いて吸気通路20に排気ガスを還流させる操作(外部EGR)が可能で、さらには、過給機35の作動により過給量を調節することが可能なことから、これらの操作に基づいて、スロットルバルブ24を操作することなく、燃焼室5に導入される空気(新気)の量を調整することが可能である。このため、スロットルバルブ24は、エンジンの停止時等を除いて、基本的に全開状態に維持される。
In addition, a
上記排気通路30の共通管部32におけるタービン36よりも下流側には、排気ガス浄化用の触媒コンバータ28が設けられている。触媒コンバータ28には三元触媒が内蔵されており、排気通路30を通過する排気ガス中の有害成分が上記三元触媒の作用により浄化されるようになっている。
A
(2)制御系
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。
(2) Control System FIG. 3 is a block diagram showing an engine control system. The
上記ECU50には、エンジンに設けられた各種センサから種々の情報が入力される。すなわち、ECU50は、エンジンに設けられた上記水温センサSW1、クランク角センサSW2、およびカム角センサSW3と電気的に接続されており、これら各センサSW1〜SW3からの入力信号に基づいて、エンジンの冷却水温、クランク角、エンジン回転速度、および気筒判別情報といった種々の情報を取得する。
Various information is input to the
また、ECU50には、車両に設けられた各種センサからの情報も入力される。例えば、車両には、運転者により踏み込み操作される図外のアクセルペダルの開度(アクセル開度)を検出するアクセル開度センサSW4が設けられており、このアクセル開度センサSW4により検出されたアクセル開度が、上記ECU50に入力される。
The
上記ECU50が有するより具体的な機能について説明すると、上記ECU50は、その主な機能的要素として、判定手段51、インジェクタ制御手段52、吸気弁制御手段53、内部EGR制御手段54、外部EGR制御手段55、点火制御手段56、および過給制御手段57を有している。
A more specific function of the
上記判定手段51は、クランク角センサSW2の検出値から特定されるエンジン回転速度と、アクセル開度センサSW4の検出値から特定されるエンジン負荷(目標トルク)とに基づいて、エンジンをどのような態様で制御すべきかを都度判定するものである。なお、以下では、エンジン回転速度をNe、エンジン負荷をTとする。 The determination means 51 determines the engine based on the engine speed specified from the detected value of the crank angle sensor SW2 and the engine load (target torque) specified from the detected value of the accelerator opening sensor SW4. It is determined each time whether it should be controlled in a manner. In the following, it is assumed that the engine rotation speed is Ne and the engine load is T.
図4および図5は、上記エンジン回転速度Neおよび負荷Tに基づいてエンジンの制御内容を決定するための領域判定マップの一例を示すものである。なお、図4のマップは、エンジン水温センサSW1により検出された冷却水温が高い(例えば80℃以上)温間状態のときのものであり、図5のマップは、エンジンの冷却水温が低い冷間状態のときのものである。 4 and 5 show an example of a region determination map for determining the engine control content based on the engine rotation speed Ne and the load T. FIG. Note that the map in FIG. 4 is for a warm state where the coolant temperature detected by the engine coolant temperature sensor SW1 is high (eg, 80 ° C. or higher), and the map in FIG. 5 is a cold state where the coolant temperature of the engine is low. It is for the state.
まず、温間時のマップ(図4)について説明する。図4のマップのうち、エンジン負荷Tが比較的低い領域(低負荷域)には、全ての回転速度域にわたって第1運転領域A1が設定されている。また、この第1運転領域A1よりも高負荷側の領域(主に中負荷域)には、全ての回転速度域にわたって第2運転領域A2が設定されている。さらに、この第2運転領域A2よりも高負荷側の領域(主に高負荷域)には、低回転側から順に第3運転領域A3および第4運転領域A4が設定されている。つまり、第2運転領域A2よりも高負荷側の領域において、回転速度Neが所定値(例えば2000〜3000rpm程度)よりも低い領域に第3運転領域A3が設定されるとともに、この第3運転領域A2よりも回転速度Neの高い領域に第4運転領域A4が設定されている。 First, the warm map (FIG. 4) will be described. In the map of FIG. 4, the first operation region A1 is set over the entire rotational speed region in a region where the engine load T is relatively low (low load region). Further, in the region on the higher load side (mainly the middle load region) than the first operation region A1, the second operation region A2 is set over the entire rotational speed region. Furthermore, a third operation region A3 and a fourth operation region A4 are set in order from the low rotation side in a region (mainly a high load region) on the higher load side than the second operation region A2. That is, in the region on the higher load side than the second operation region A2, the third operation region A3 is set in a region where the rotational speed Ne is lower than a predetermined value (for example, about 2000 to 3000 rpm). The fourth operation region A4 is set in a region where the rotational speed Ne is higher than A2.
エンジンの運転中においては、エンジンの運転ポイント(負荷Tおよび回転速度Neの各値から特定されるマップ上でのポイント)が上記図4中のどの運転領域(A1〜A4)に該当するかが都度判断され、各運転領域に応じた適切な制御が実行されるようになっている。 During operation of the engine, which operation region (A1 to A4) in FIG. 4 corresponds to the operation point of the engine (the point on the map specified from each value of the load T and the rotational speed Ne). It is judged each time and appropriate control according to each operation region is executed.
上記図4のマップに基づく制御の中身について簡単に説明しておく。このマップのうち、第3、第4運転領域A3,A4を除く部分負荷の領域、つまり第1運転領域A1および第2運転領域A2は、そのいずれもが、ピストン4の圧縮作用により混合気を自着火させるHCCI燃焼(圧縮自己着火燃焼)の実行領域として設定されている。ただし、第1運転領域A1では、過給機35が実質的に停止される自然吸気(Natural Aspiration)による運転が行われる一方、第2運転領域A2では、過給機35による過給が行われる。よって、以下では、上記第1、第2運転領域A1,A2での制御のことを、それぞれ「NA−HCCIモード」および「過給HCCIモード」と称する。
The contents of the control based on the map of FIG. 4 will be briefly described. In this map, the partial load areas excluding the third and fourth operation areas A3 and A4, that is, the first operation area A1 and the second operation area A2 are both mixed with the air-fuel mixture by the compression action of the
一方、上記第1、第2運転領域A1,A2よりも高負荷側に設定された第3、第4運転領域A3,A4は、HCCI燃焼ではなく、点火プラグ11を用いた火花点火(Spark Ignition)をきっかけに混合気を火炎伝播により燃焼させるSI燃焼の実行領域として設定されている。ただし、上記第3、第4運転領域A3,A4でのSI燃焼は、一般的なSI燃焼とは異なり、燃料の噴射時期および点火時期を遅めに設定しつつ混合気を急速な火炎伝播により燃焼させるというものである(その詳細については後述する)。また、第3運転領域A3および第4運転領域A4では、ともに排気ガスを排気通路30から吸気通路20に還流させる外部EGRが実行されるが、その外部EGRのために第1外部EGR装置39または第2外部EGR装置44のいずれを使用するかが異なる。以下では、第3運転領域A3での制御のことを「第1リタードSIモード」と称し、第4運転領域A4での制御のことを「第2リタードSIモード」と称する。
On the other hand, the third and fourth operation regions A3 and A4 set on the higher load side than the first and second operation regions A1 and A2 are not HCCI combustion but spark ignition (Spark Ignition) using the spark plug 11. ) Is set as an execution region of SI combustion in which the air-fuel mixture is combusted by flame propagation. However, SI combustion in the third and fourth operation regions A3 and A4 is different from general SI combustion, and the air-fuel mixture is rapidly propagated while the fuel injection timing and ignition timing are set later. It is to burn (the details will be described later). Further, in the third operation region A3 and the fourth operation region A4, the external EGR that recirculates the exhaust gas from the
次に、図5に示される冷間時のマップについて説明すると、このマップにおけるエンジンの低負荷域には第5運転領域B1が設定され、これよりも負荷Tの高い中高負荷域には第6運転領域B2が設定されている。このマップ(図5)が使用される冷間時は、上述した温間時(図4)と異なり、HCCI燃焼は実行されず、いずれの運転領域でもSI燃焼が実行される。ただし、低負荷側の第5運転領域B1では過給機35による過給が停止され、高負荷側の第6運転領域B2では過給機35による過給が行われる。以下では、第5運転領域B1での制御のことを「NA−SIモード」と称し、第6運転領域B2での制御のことを「過給SIモードと称する」。
Next, the cold map shown in FIG. 5 will be described. The fifth operation region B1 is set in the low load region of the engine in this map, and the sixth operation region is set in the middle and high load region where the load T is higher than this. The operation area B2 is set. When the map (FIG. 5) is cold, unlike the above-described warm time (FIG. 4), HCCI combustion is not performed, and SI combustion is performed in any operating region. However, supercharging by the
再び図3に戻って、上記インジェクタ制御手段52は、上記インジェクタ10に内蔵された図外のニードル弁(インジェクタ10の先端部の噴孔を開閉する弁)を電磁的に開閉することにより、インジェクタ10から燃焼室5に噴射される燃料の噴射量や噴射時期を制御するものである。
Returning to FIG. 3 again, the injector control means 52 electromagnetically opens and closes an unillustrated needle valve (a valve that opens and closes the nozzle hole at the tip of the injector 10) built in the
上記吸気弁制御手段53は、上記可変機構17を駆動することにより、吸気弁8のリフト特性(開閉タイミング等)を変更する制御を実行するものである。
The intake valve control means 53 executes control for changing the lift characteristics (opening / closing timing, etc.) of the
上記内部EGR制御手段54は、上記切替機構18を駆動して排気弁9の吸気行程中の開弁(2度開き)を実行または停止することにより、燃焼室5に排気ガスを残留(逆流)させる操作(内部EGR)の有無を切り替えるものである。
The internal EGR control means 54 drives the
上記外部EGR制御手段55は、上記第1外部EGR装置39および第2外部EGR装置44の各EGRバルブ41,46の開度を制御することにより、排気通路30から吸気通路20に排気ガスを還流する操作(外部EGR)の有無を切り替えるとともに、外部EGRの実行時に排気ガスの還流量(外部EGR量)を調節するものである。
The external EGR control means 55 recirculates exhaust gas from the
上記点火制御手段56は、上記点火プラグ11による火花点火のタイミング(点火時期)等を制御するものである。ただし、当実施形態において、点火プラグ11は、エンジンがSI燃焼により運転される場合や、混合気の自着火をアシストする着火アシストが必要な場合にのみ作動し、それ以外のときは基本的に(カーボン除去のために行われる吸気行程や排気行程中の点火動作を除いて)作動しない。
The ignition control means 56 controls the timing of spark ignition (ignition timing) by the
上記過給制御手段57は、ウェストゲートバルブ49の開度を制御することにより、過給機35による過給の有無を切り替えるとともに、過給の実行時にその過給量を調節するものである。
The supercharging control means 57 controls the opening degree of the
(3)温間時の各運転領域における燃焼形態
次に、以上のような機能を有するECU50の制御に基づき、図4に示した温間時の各運転領域(A1,A2,A3,A4)で、それぞれどのような燃焼形態が選択されるのかを説明する。エンジンが温間状態で運転されているとき、ECU50は、上記クランク角センサSW2およびアクセル開度センサSW4の各検出値に基づいて、エンジンの運転ポイント(負荷Tおよび回転速度Ne)が図4の制御マップにおけるどの運転領域に該当するかを逐次判定する。そして、判定された運転領域が、図4中の第1〜第4運転領域A1〜A4の中のいずれであるかに応じて、それぞれ以下のような制御を実行する。
(3) Combustion mode in each operation region during warming Next, each operation region during warming (A1, A2, A3, A4) shown in FIG. 4 based on the control of the
(i)第1運転領域A1(NA−HCCIモード)
図6は、エンジンの運転ポイントが第1運転領域A1にあるためにエンジンがNA−HCCIモードで運転されている場合の燃焼形態を説明するための図である。本図に示すように、このNA−HCCIモードでは、吸気行程中に噴射された燃料と空気とに基づく混合気をピストン4の圧縮作用によって自着火させる、一般的なHCCI燃焼が実行される。
(I) First operation area A1 (NA-HCCI mode)
FIG. 6 is a diagram for explaining the combustion mode when the engine is operated in the NA-HCCI mode because the operating point of the engine is in the first operating region A1. As shown in this figure, in this NA-HCCI mode, general HCCI combustion is performed in which an air-fuel mixture based on fuel and air injected during the intake stroke is self-ignited by the compression action of the
具体的に、当実施形態において、NA−HCCIモードで運転されているときには、吸気行程中の所定時期にインジェクタ10から燃焼室5に対し比較的少量の燃料が噴射(P1)される。また、図9に示すように、ウェストゲートバルブ49が全開にされることにより、過給機35が実質的に停止され、自然吸気によって吸気通路20から燃焼室5に空気が導入される。そして、上記燃料噴射P1により噴射された少量の燃料と、吸気通路20から燃焼室5に導入される空気(新気)とに基づき形成される均質でかつリーンな混合気が、ピストン4の圧縮作用により高温、高圧化し、圧縮上死点(圧縮行程と排気行程の間のTDC)付近で自着火する。すると、このような自着火に基づき、波形Q1に示すような熱発生を伴う燃焼が生じることになる。
Specifically, in the present embodiment, when operating in the NA-HCCI mode, a relatively small amount of fuel is injected (P1) from the
上記NA−HCCIモードでは、燃焼室5内の混合気の空燃比(混合気に含まれる空気の質量を燃料の質量で割った実空燃比)を理論空燃比(14.7)で割った値である空気過剰率λが2以上となるように設定される。ただし、このように大幅にリーンでかつ均質な空燃比下では、筒内温度を意図的に上昇させないと、失火が起きるおそれがある。そこで、上記NA−HCCIモードでは、切替機構18を駆動して排気弁9を吸気行程中に開弁させる、いわゆる排気弁9の2度開きを行うことにより、燃焼室5で生成された排気ガスを燃焼室5に逆流させる内部EGRが実行される。このように、高温の排気ガスを燃焼室5に逆流(残留)させることで、燃焼室5を高温化して、混合気の自着火を促進する。
In the NA-HCCI mode, a value obtained by dividing the air-fuel ratio of the air-fuel mixture in the combustion chamber 5 (actual air-fuel ratio obtained by dividing the mass of air contained in the air-fuel mixture by the mass of fuel) by the theoretical air-fuel ratio (14.7). The excess air ratio λ is set to be 2 or more. However, under such a substantially lean and homogeneous air-fuel ratio, misfire may occur unless the in-cylinder temperature is intentionally increased. Therefore, in the NA-HCCI mode, the
上記内部EGRにより燃焼室5に残留する排気ガスの量(内部EGR量)は、着火性が悪い低負荷側ほど多く設定され、逆に高負荷側ほど少なく設定される。上記可変機構17に吸気弁8のリフト量を変更する機能が備わっている場合には、上記のように内部EGR量を制御するために、負荷Tの増大とともに吸気弁8のリフト量を徐々に増大させる操作を、上記可変機構17を用いて行うとよい。もしくは、当実施形態では排気弁9が1気筒あたり2つ設けられているので、吸気行程中に開弁(2度開き)される排気弁9の数を0,1,2の間で切り替えることにより、上記内部EGR量を段階的に変化させることも可能である。この場合は、吸気弁8のリフト量を変更してなくても内部EGR量を調節し得る。
The amount of exhaust gas remaining in the
なお、上記NA−HCCIモードが実行される第1運転領域A1のうち、燃料の噴射量が大幅に減らされる負荷Tの極めて低い(無負荷に近い)運転領域、あるいは、噴射された燃料の受熱期間(燃料が高温・高圧環境下に晒される実時間)が短くなる高回転側の領域では、たとえ内部EGRにより燃焼室5の高温化を図ったとしても、混合気が安定的に自着火しないおそれがある。そこで、このような運転領域では、点火プラグ11の補助的な火花点火により混合気の一部を燃焼させ、その燃焼をきっかけに残りの混合気を自着火により燃焼させる、いわゆる着火アシストを行うとよい。
Of the first operation region A1 in which the NA-HCCI mode is executed, the operation region in which the load T is significantly reduced (close to no load) in which the fuel injection amount is significantly reduced, or the heat reception of the injected fuel. In the high speed region where the period (actual time during which the fuel is exposed to high temperature and high pressure) is shortened, even if the temperature of the
上記NA−HCCIモードでは、上記のような排気弁9の2度開きに基づく内部EGRが実行されるため、外部EGRについては停止される。すなわち、上記第1、第2外部EGR装置39,44の各EGRバルブ41,46の開度が全閉に設定されることにより、排気通路30から吸気通路20への排気ガスの還流が停止される。
In the NA-HCCI mode, the internal EGR based on the opening of the
(ii)第2運転領域A2(過給HCCIモード)
上記第1運転領域A1よりも負荷Tが高い領域に設定された第2運転領域A2では、過給HCCIモードとして、図7に示すような制御が実行される。すなわち、過給HCCIモードでは、上記NA−HCCIモードのときと同じく混合気を自着火により燃焼(HCCI燃焼)させるために、吸気行程を含む所定時期に少なくとも1回の燃料噴射P2が実行される。また、図10に示すように、排気通路30を流れる排気ガスが全て過給機35のタービン36に流入するように、ウェストゲートバルブ49が全閉にされ、これに伴ってタービン36およびコンプレッサ37が回転駆動されることにより、吸入空気の過給がフルに行われる。
(Ii) Second operation area A2 (supercharged HCCI mode)
In the second operation region A2 set in a region where the load T is higher than the first operation region A1, the control as shown in FIG. 7 is executed as the supercharging HCCI mode. That is, in the supercharging HCCI mode, at least one fuel injection P2 is executed at a predetermined time including the intake stroke in order to combust the air-fuel mixture by self-ignition (HCCI combustion) as in the NA-HCCI mode. . Further, as shown in FIG. 10, the
そして、上記過給機35の過給により多量に供給される空気(新気)と、上記燃料噴射P2により噴射された燃料とに基づいて、空気過剰率λが2以上(λ≧2)となるリーンな混合気が形成されるとともに、その混合気がピストン4の圧縮作用により圧縮上死点付近で自着火し、図7の波形Q2に示すような熱発生を伴う燃焼が生じる。なお、上記過給HCCIモードの実行領域である第2運転領域A2は、上述したNA−HCCIモードの実行領域である第1運転領域A1よりも負荷Tが高く、噴射される燃料の量も多くなるため、ここでの熱発生量(波形Q2)は、第1運転領域A1のときの熱発生量(図6の波形Q1)よりも多くなる。
The excess air ratio λ is 2 or more (λ ≧ 2) based on the air (fresh air) supplied in large quantities by supercharging of the
上記のように、負荷に応じた比較的多くの燃料が噴射される第2運転領域A2では、燃料を吸気行程中の1回で噴射すると、特にその高負荷側の一部において、燃焼圧力が急上昇して大きな燃焼騒音が発生したり、燃焼温度が過度の高くなってNOxの生成量が増大したりするおそれがある。そこで、第2運転領域A2における高負荷側の一部では、吸気行程中の燃料噴射P2に加えて、圧縮行程の中期以降にも燃料噴射(図7に破線で示す噴射P2’)を実行するとよい。このように、必要量の燃料を吸気行程と圧縮行程の2回に分けて噴射するようにした場合には、燃料の受熱期間が平均的に短くなるとともに、特に圧縮行程の中期以降という遅めのタイミングで実行される2回目の燃料噴射P2’の気化潜熱によって圧縮上死点付近の燃焼室5の温度が低下するため、燃焼が緩慢化し、上記のような燃焼騒音やNOxの増大が防止される。
As described above, in the second operation region A2 in which a relatively large amount of fuel corresponding to the load is injected, when the fuel is injected once during the intake stroke, the combustion pressure is particularly high in a part of the high load side. There is a risk that a sudden combustion noise will be generated, or that the combustion temperature will be excessively high and the amount of NOx produced will increase. Therefore, in a part on the high load side in the second operation region A2, in addition to the fuel injection P2 during the intake stroke, fuel injection (injection P2 ′ indicated by a broken line in FIG. 7) is executed after the middle of the compression stroke. Good. As described above, when the required amount of fuel is injected in two steps, that is, the intake stroke and the compression stroke, the heat receiving period of the fuel is shortened on average, and in particular, it is delayed after the middle stage of the compression stroke. The temperature of the
また、上記過給HCCIモードでは、吸気行程中に排気弁9を押し下げる機能を無効にするように切替機構18が駆動され、排気弁9の吸気行程中の開弁(2度開き)が停止される。これにより、排気ガスが燃焼室5に逆流することがほとんどなくなり、内部EGRが禁止される。
In the supercharging HCCI mode, the
一方、過給HCCIモードでは、上記のように禁止された内部EGRに代わり、外部EGRが実行される。ここでの外部EGRは、当時実施形態では、第1外部EGR装置39を用いた外部EGRとされる。すなわち、第1外部EGR装置39のEGRバルブ41が開弁されることにより、過給機35のタービン36を通過した後の比較的圧力の低い排気ガスが、第1EGR通路40を通じて吸気通路20に還流される。
On the other hand, in the supercharged HCCI mode, external EGR is executed instead of the prohibited internal EGR as described above. The external EGR here is an external EGR using the first
上記(i)(ii)で説明したように、エンジンの部分負荷域(第1、第2運転領域A1,A2)では、混合気の空気過剰率λを2以上とした大幅にリーンな環境下でHCCI燃焼が実行される(NA−HCCIモードおよび過給HCCIモード)。このように大幅にリーンに設定された混合気をHCCI燃焼させると、燃焼温度が大幅に低下するため、冷却損失を低減して熱効率(燃費)を向上させることができる。なお、λ≧2にまでリーンになると、三元触媒によるNOxの浄化作用はほとんど期待できなくなるが、λ≧2での低温燃焼により生じるNOx量(生のNOx量)は大幅に少なくなるため、三元触媒以外に特別な触媒(例えばNOxトラップ触媒)を設けなくても、排気ガス中に含まれるNOxの量を十分に小さい値に抑制することができる。 As described in (i) and (ii) above, in the engine partial load region (first and second operation regions A1 and A2), the air-fuel mixture has an excess air ratio λ of 2 or more in a significantly lean environment. HCCI combustion is performed at (NA-HCCI mode and supercharged HCCI mode). When the air-fuel mixture that is set to be lean in this way is subjected to HCCI combustion, the combustion temperature is greatly lowered, so that the cooling loss can be reduced and the thermal efficiency (fuel consumption) can be improved. When leaning to λ ≧ 2, the NOx purification action by the three-way catalyst can hardly be expected, but the NOx amount (raw NOx amount) generated by low temperature combustion at λ ≧ 2 is greatly reduced. Even if a special catalyst (for example, NOx trap catalyst) is not provided other than the three-way catalyst, the amount of NOx contained in the exhaust gas can be suppressed to a sufficiently small value.
ここで、上記のようなλ≧2でのHCCI燃焼をエンジンの全ての負荷域で(エンジンの最高負荷まで)継続的に行わせることも考えられる。しかしながら、先にも述べたように、エンジン負荷Tがある程度高まれば(例えば第2運転領域A2の高負荷側まで高まれば)、燃焼騒音やNOx生成量の問題から、燃料の分割噴射によって燃焼を緩慢化させる必要が生じる。このため、λ≧2でのHCCI燃焼を第2運転領域A2よりも高負荷側まで継続させるには、上記のような燃焼の緩慢化をさらに進める必要があり、そのためには、例えば必要量の燃料のうちの多くを圧縮行程の中期以降に噴射させたり、さらには、吸気弁8の閉時期に基づくエンジンの有効圧縮比を極端に低下させたりする必要がある。しかも、エンジンの最高負荷の近傍では、噴射される燃料の量がかなり多くなるため、そのような多量の燃料に対しλ≧2のリーンな空燃比を維持するには、過給機35による過給量を極端に増大させる必要があり、過給機35の要求性能が過大になってしまう。そして、過給量が増えすぎると、エンジンの排圧(タービン36より上流側の排気ガスの圧力)が過度に上昇し、ポンプ損失が増大する結果、かえって熱効率が悪化することが懸念される。
Here, it is also conceivable that HCCI combustion with λ ≧ 2 as described above is continuously performed in all engine load ranges (up to the maximum engine load). However, as described above, if the engine load T increases to some extent (for example, increases to the high load side of the second operation region A2), combustion is caused by split fuel injection due to problems of combustion noise and NOx generation amount. Need to slow down. For this reason, in order to continue the HCCI combustion at λ ≧ 2 to a higher load side than the second operation region A2, it is necessary to further promote the slowing of the combustion as described above. It is necessary to inject most of the fuel after the middle stage of the compression stroke, and to extremely reduce the effective compression ratio of the engine based on the closing timing of the
そこで、本願発明者は、エンジンの主に高負荷域では、上記のようなλ≧2でのHCCI燃焼ではなく、λ=1(理論空燃比)でのSI燃焼に切り替えた方が得策であるという結論に至った。ただし、単に従来通りのSI燃焼に切り替えたのでは、高負荷域での熱効率が悪化し、燃費向上等の効果が減殺されてしまう。そこで、上記第2運転領域A2よりも高負荷側の第3、第4運転領域A3,A4では、次のような特殊なSI燃焼を実行させる。 Therefore, the present inventor is better to switch to SI combustion at λ = 1 (theoretical air-fuel ratio) instead of HCCI combustion at λ ≧ 2 as described above, mainly in the high load region of the engine. The conclusion was reached. However, simply switching to the conventional SI combustion deteriorates the thermal efficiency in the high load range and diminishes effects such as fuel efficiency improvement. Therefore, the following special SI combustion is performed in the third and fourth operation regions A3 and A4 on the higher load side than the second operation region A2.
(iii)第3、第4運転領域A3,A4(第1、第2リタードSIモード)
エンジンの最高負荷を含む比較的負荷の高い領域に設定された上記第3、第4運転領域A3,A4では、リタードSIモード(第1、第2リタードSIモード)として、図8に示すような制御が実行される。すなわち、圧縮行程の後期にインジェクタ10から燃料を噴射させ(P3)、この燃料噴射P3の後に点火プラグ11に火花点火を行わせることにより、圧縮上死点を過ぎたタイミング(膨張行程の初期)から火炎伝播により混合気を燃焼させる制御が実行される。なお、当明細書において、ある行程の「後期」とか「初期」とかいう場合は、その行程を初期、中期、後期に3分割したときの後期あるいは初期を指すものとする。例えば、圧縮行程の後期であれば、圧縮上死点前(BTDC)60〜0°CAの範囲を指し、膨張行程の初期であれば、圧縮上死点後(ATDC)0〜60°CAの範囲を指すことになる。
(Iii) Third and fourth operation areas A3 and A4 (first and second retarded SI modes)
In the third and fourth operation areas A3 and A4 set in a relatively high load area including the maximum engine load, the retard SI mode (first and second retard SI modes) is as shown in FIG. Control is executed. That is, fuel is injected from the
また、上記第1、第2リタードSIモードでは、排気通路30に排出された排気ガスを吸気通路20に還流させる外部EGRが実行される。ただし、上記第3運転領域A3で選択される第1リタードSIモードと、上記第4運転領域A4で選択される第2リタードSIモードとでは、外部EGRを行うための装置として、第1外部EGR装置39および第2外部EGR装置44のいずれを使用するかが異なる。
Further, in the first and second retarded SI modes, external EGR for returning the exhaust gas discharged to the
具体的に、当実施形態において、エンジン回転速度Neが相対的に低い第3運転領域A3(第1リタードSIモード)のときには、図10に示すように、第1外部EGR装置39を用いた外部EGRが実行され、第3運転領域A3よりも高回転側の第4運転領域A4(第2リタードSIモード)のときには、図11に示すように、第2外部EGR装置44を用いた外部EGRが実行される。このように、回転速度Neによって第1、第2外部EGR装置39,44のいずれかを選択的に使用するのは、排気通路30を通過する排気ガスの流量の相違に由来する。
Specifically, in the present embodiment, in the third operating region A3 (first retarded SI mode) in which the engine rotational speed Ne is relatively low, as shown in FIG. 10, an external device using the first
すなわち、低回転側の第3運転領域A3では、排気通路30を通過する排気ガスの流量が少ないため、仮に第2外部EGR装置44を用いた外部EGRを行ったと仮定すると(図11参照)、過給機35のタービン36よりも上流側から排気ガスが分流することにより、タービン36に流入する排気ガスの流量が減少して、過給機35の過給能力が十分に確保できなくなるおそれがある。一方、高回転側の第4運転領域A4では、排気通路30を通過する排気ガスの流量が多いため、仮に第1外部EGR装置39を用いてタービン36よりも下流側から排気ガスを分流させたと仮定すると(図10参照)、タービン36に流入する排気ガスの流量が過剰になり、エンジンの排圧の過上昇や、それに基づくポンプ損失の増大を招くおそれがある。
That is, in the third operating region A3 on the low rotation side, since the flow rate of the exhaust gas passing through the
以上のような事情から、当実施形態では、第3運転領域A3(第1リタードSIモード)で第1外部EGR装置39を使用し(図10)、第4運転領域A4(第2リタードSIモード)で第2外部EGR装置44を使用するようにしている(図11)。なお、第4運転領域A4(第2リタードSIモード)では、エンジンの排圧(タービン36よりも上流側の排気ガスの圧力)が過度に上昇しないように、図11に示すように、ウェストゲートバルブ49を100%(全開)未満の範囲で開弁させ、排気ガスの一部をバイパス管48に導入する(タービン36をバイパスさせる)ようにしている。
From the above circumstances, in the present embodiment, the first
上記第1、第2リタードSIモードでの燃料噴射P3のタイミングは、圧縮行程の後期(BTDC60〜0°CA)における適宜のタイミングに設定される。また、同モードでの火花点火のタイミングは、膨張行程の初期(ATDC0〜60°CA)の中でも比較的早めのタイミング、具体的には、ATDC0〜20°CA程度の範囲内に設定される。ただし、エンジン回転速度Neが相対的に高い第4運転領域A4で選択される第2リタードSIモードでは、低回転側の第3運転領域A3で選択される第1リタードSIモードのときと比べて、燃料噴射P3および火花点火のタイミングが、上記のクランク角範囲の中でもより進角側に設定される。これは、単位時間あたりのクランク角の変化量が大きくなる高回転時においても、低回転時と同様のタイミングで混合気の燃焼を開始させるためである。
The timing of the fuel injection P3 in the first and second retarded SI modes is set to an appropriate timing in the later stage of the compression stroke (BTDC 60 to 0 ° CA). The spark ignition timing in the same mode is set to a relatively early timing in the initial stage of the expansion stroke (
上記燃料噴射P3による噴射量は、燃焼室5全体の平均の空燃比が理論空燃比(空気過剰率λ=1)となるような値に設定される。そして、燃料噴射P3に基づき形成される理論空燃比(λ=1)の混合気は、上記燃料噴射P3の完了から比較的短い期間を空けたタイミング(図8の例では圧縮上死点の少し後)で実行される火花点火をきっかけに、通常よりも急速な火炎伝播によって燃焼し始め、図8の波形Q3に示すように、膨張行程のそう遅くない時期までに燃焼を完了させる(このような急速な火炎伝播燃焼が実現される理由については後述する)。
The injection amount by the fuel injection P3 is set to a value such that the average air-fuel ratio of the
次に、上記第1、第2リタードSIモードに基づきどのようなSI燃焼が実現されるのかについてより具体的に説明する。なお、以下では、第1、第2リタードSIモードにより実現されるSI燃焼のことを、「急速リタードSI燃焼」と称する。 Next, it will be described more specifically what kind of SI combustion is realized based on the first and second retarded SI modes. Hereinafter, SI combustion realized by the first and second retarded SI modes is referred to as “rapid retarded SI combustion”.
図12は、第1、第2リタードSIモードによる急速リタードSI燃焼(実線)の場合と、吸気行程中に燃料噴射を実行する従来のSI燃焼(破線)の場合とで、熱発生率(上図)および未燃混合気の反応進行度(下図)がそれぞれどのように異なるかを概念的に示す説明図である。なお、この比較の前提として、エンジンの幾何学的圧縮比はともに18とする。また、負荷Tおよび回転速度Neは同一であり、したがって燃料の噴射量も同一であるものとする。ただし、燃料噴射の圧力は、急速リタードSI燃焼の方が、従来のSI燃焼よりも大幅に高いものとする(例えば前者の噴射圧力が40MPaで後者の噴射圧力が7MPa)。 FIG. 12 shows the heat generation rate (upper) in the case of rapid retarded SI combustion (solid line) in the first and second retarded SI modes and in the case of conventional SI combustion (broken line) in which fuel injection is performed during the intake stroke. FIG. 6 is an explanatory diagram conceptually showing how the reaction progress of the unburned air-fuel mixture differs (below). As a precondition for this comparison, the geometric compression ratio of the engine is both 18. Further, it is assumed that the load T and the rotational speed Ne are the same, and therefore the fuel injection amount is also the same. However, it is assumed that the pressure of fuel injection is significantly higher in the rapid retarded SI combustion than in the conventional SI combustion (for example, the former injection pressure is 40 MPa and the latter injection pressure is 7 MPa).
まず、従来のSI燃焼では、吸気行程中に燃料噴射P’を実行する。燃焼室5では、その燃料噴射P’の後、ピストン4が圧縮上死点に至るまでの間に、十分に均質な混合気が形成される。そして、この例では、圧縮上死点を過ぎた遅めのタイミングで火花点火が実行され、それをきっかけに(所定の着火遅れ時間の後に)、時点θig’で火炎伝播による燃焼が開始される。その後は、図12の上図に破線の波形で示すように、燃焼開始時期θig’から所定期間が経過した時点で熱発生率のピークを迎え、そこからさらに時間が経過した時点θend’で燃焼が完了する。
First, in the conventional SI combustion, the fuel injection P ′ is executed during the intake stroke. In the
ここで、燃料噴射の開始から燃焼の終了までの間は、未燃混合気が存在し得る期間(未燃混合気の存在期間)ということができる。図12の下図に破線で示すように、未燃混合気の反応は、上記未燃混合気の存在期間中に徐々に進行する。従来のSI燃焼は、未燃混合気の存在期間が非常に長く、その間、未燃混合気の反応が進行し続けることから、火花点火後の火炎伝播の途中で未燃混合気が自着火する異常燃焼、つまりノッキングが起きてしまうという問題があった。特に、同一のクランク角変化量に対応する実時間が相対的に長くなるエンジンの低回転側では、ピストン4が混合気を圧縮している間に未燃混合気の反応がどんどん進行するため、火花点火に基づく燃焼開始時期θig’よりも早いタイミングで未燃混合気の反応度が着火しきい値を超えてしまい(つまり火花点火とは関係なく未燃混合気が自着火してしまい)、プリイグニッション(過早着火)を招く結果となってしまう。
Here, the period from the start of fuel injection to the end of combustion can be referred to as a period during which an unburned mixture can exist (an unburned mixture period). As shown by the broken line in the lower diagram of FIG. 12, the reaction of the unburned mixture gradually proceeds during the existence period of the unburned mixture. In conventional SI combustion, the unburned mixture exists for a very long period, and during that time, the reaction of the unburned mixture continues, so the unburned mixture self-ignites during the flame propagation after spark ignition. There was a problem that abnormal combustion, that is, knocking occurred. In particular, on the low speed side of the engine where the real time corresponding to the same crank angle change amount is relatively long, the reaction of the unburned mixture proceeds more and more while the
以上のことから、当実施形態のような高圧縮比エンジンにおいて、第3、第4運転領域A3,A4のような高負荷域で従来のSI燃焼を適用した場合(つまり吸気行程中のようなかなり早いタイミングで燃料を噴射した場合)には、たとえ火花点火のタイミングを調節しても、プリイグニッションまたはノッキングといった異常燃焼が避けられないということが分かる。 From the above, in the high compression ratio engine as in the present embodiment, when conventional SI combustion is applied in a high load region such as the third and fourth operation regions A3 and A4 (that is, during the intake stroke) If the fuel is injected at a very early timing), it can be seen that abnormal combustion such as pre-ignition or knocking cannot be avoided even if the spark ignition timing is adjusted.
これに対し、急速リタードSI燃焼では、上述したように、20MPa以上(例えば30〜40MPa)という非常に高い噴射圧力で、しかも圧縮行程の後期(例えばBTDC20〜0°CA)という大幅に遅角した期間に燃料が噴射される(図8のP3)。このような高圧でかつ遅いタイミングの噴射(以下、高圧リタード噴射という)を行うことは、未燃混合気の存在期間を短縮し、異常燃焼を回避することにつながる。すなわち、未燃混合気の存在期間は、図13にも示すように、インジェクタ10からの燃料噴射に要する期間((A)噴射期間)と、噴射終了後、点火プラグ11の周りに可燃混合気が形成されるまでの期間((B)混合気形成期間)と、点火によって開始された燃焼が終了するまでの期間((C)燃焼期間)とを足し合わせた時間、つまり、(A)+(B)+(C)である。以下に説明するように、高圧リタード噴射は、噴射期間、混合気形成期間、および燃焼期間をそれぞれ短縮し、それによって未燃混合気の存在期間を短縮する。
On the other hand, in the rapid retarded SI combustion, as described above, the injection pressure is extremely high, such as 20 MPa or more (for example, 30 to 40 MPa), and the retarded phase is greatly retarded (for example,
まず、高い噴射圧力は、単位時間当たりにインジェクタ10から噴射される燃料の量を相対的に多くする。このため、燃料噴射量を一定とした場合には、図13の下段に示すように、噴射圧力が高いほど、上記噴射量を噴射するのに要する期間(噴射期間)は短くなる。したがって、噴射圧力が従来に比べて大幅に高く設定された高圧リタード噴射は、上記噴射期間(A)の短縮に貢献する。
First, the high injection pressure relatively increases the amount of fuel injected from the
また、高い噴射圧力は、噴射された燃料噴霧の微粒化に有利になるとともに、燃料噴霧の貫徹力を強く(飛翔速度を速く)する。このため、噴射圧力が高いほど、燃料の蒸発に要する時間(燃料蒸発時間)は短くなり、点火プラグ11の周りに噴霧が到達するまでの時間(噴霧到達時間)も短くなる。上記混合気形成期間(B)は、燃料蒸発時間と噴霧到達時間とを足し合わせた期間であるから、図13の下段に示すように、噴射圧力が高いほど、上記混合気形成期間(B)は短くなる。したがって、噴射圧力の高い高圧リタード噴射は、上記混合気形成期間(B)の短縮に貢献する。 Further, the high injection pressure is advantageous for atomization of the injected fuel spray, and the penetration force of the fuel spray is increased (the flight speed is increased). For this reason, the higher the injection pressure, the shorter the time required for fuel evaporation (fuel evaporation time), and the shorter the time required for the spray to reach around the spark plug 11 (spray arrival time). Since the mixture formation period (B) is a period obtained by adding the fuel evaporation time and the spray arrival time, as shown in the lower part of FIG. 13, the higher the injection pressure, the mixture formation period (B). Becomes shorter. Therefore, the high-pressure retarded injection with a high injection pressure contributes to shortening the mixture formation period (B).
このように、高い噴射圧力によって燃料の噴射期間(A)および混合気形成期間(B)を短縮することができれば、これに伴って、燃料の噴射タイミング、より正確には、噴射開始タイミングを遅らせることが可能になる。図12および図8では、このような背景から、燃料噴射P3のタイミングが圧縮行程の後期にまで遅角されている。そして、圧縮行程の後期という遅いタイミングで燃料を高圧噴射することは、燃焼期間中の乱流エネルギーを増大させることにつながる。 Thus, if the fuel injection period (A) and the mixture formation period (B) can be shortened by the high injection pressure, the fuel injection timing, more precisely, the injection start timing is delayed accordingly. It becomes possible. In FIGS. 12 and 8, the timing of the fuel injection P3 is delayed to the latter stage of the compression stroke from such a background. And high-pressure injection of fuel at a late timing of the latter stage of the compression stroke leads to an increase in turbulent energy during the combustion period.
すなわち、燃料噴射タイミングを圧縮行程後期にまで遅らせた場合、燃料の噴射圧力が高いほど乱流エネルギーは高くなる。これに対し、たとえ高い噴射圧力で燃焼室5に燃料を噴射したとしても、そのタイミングが早すぎる(例えば吸気行程中に噴射した)場合には、点火時期までの時間が長いことや、圧縮行程中にピストン4から圧縮を受けることに起因して、燃焼室5内の乱れは減衰してしまう。このため、吸気行程中のような早いタイミングで燃料噴射を行った場合には、燃焼期間中の乱流エネルギーは、噴射圧力の高低にかかわらず著しく低下してしまう。
That is, when the fuel injection timing is delayed to the latter stage of the compression stroke, the turbulent energy increases as the fuel injection pressure increases. On the other hand, even if fuel is injected into the
燃焼期間中の乱流エネルギーは、これが高いほど燃焼期間を短くする作用をもたらす。したがって、噴射タイミングが圧縮行程後期である場合には、図13の下段に示すように、噴射圧力が高いほど燃焼期間(C)が短くなる。つまり、圧縮行程の後期に高圧で燃料噴射する高圧リタード噴射は、上記燃焼期間(C)の短縮に貢献する。 The higher the turbulent energy during the combustion period, the shorter the combustion period. Therefore, when the injection timing is the latter half of the compression stroke, the combustion period (C) becomes shorter as the injection pressure is higher, as shown in the lower part of FIG. That is, the high pressure retarded injection in which fuel is injected at a high pressure in the latter stage of the compression stroke contributes to shortening the combustion period (C).
なお、図13の下段には、従来通りの低い噴射圧力で吸気行程中に燃料を噴射した場合の燃焼期間を白丸の点で示している。この従来の燃焼期間との比較からも明らかなように、20MPa以上の高い噴射圧力で圧縮行程後期に燃料を噴射する当実施形態の高圧リタード噴射によれば、燃焼期間を大幅に短縮できることが分かる。 In the lower part of FIG. 13, the combustion period in the case where fuel is injected during the intake stroke at a low injection pressure as in the past is indicated by white dots. As is clear from the comparison with the conventional combustion period, according to the high-pressure retarded injection of this embodiment in which fuel is injected in the latter half of the compression stroke at a high injection pressure of 20 MPa or more, it can be seen that the combustion period can be greatly shortened. .
しかも、当実施形態のインジェクタ10のように、12個という多数の噴孔を有したインジェクタであれば、より乱流エネルギーが高まるため、燃焼期間の短縮により有利となる。
In addition, an injector having a large number of twelve injection holes, such as the
ここで、高圧リタード噴射(図8および図12の燃料噴射P3)は、圧縮行程後期の所定時期に必要量の燃料を1回で噴射するものであってもよいが、圧縮行程後期の2回に分けて燃料を噴射するものであってもよい。後者のように、高圧リタード噴射を2回に分割した場合には、燃料の気化霧化の促進と乱流エネルギーの向上とをより高次元で両立することができる。 Here, the high-pressure retarded injection (fuel injection P3 in FIGS. 8 and 12) may inject a required amount of fuel at one time at a predetermined timing in the latter half of the compression stroke, but twice in the latter half of the compression stroke. The fuel may be injected separately. As in the latter case, when the high-pressure retarded injection is divided into two, acceleration of fuel vaporization and improvement of turbulent energy can be achieved at a higher level.
すなわち、燃料噴射P3を2回に分けた場合、その1回目の燃料噴射は、相対的に長い混合気形成期間を確保することにつながるため、燃料の気化霧化に有利である。そして、1回目の燃料噴射によって十分な混合気形成期間が確保される分、2回目の燃料噴射のタイミングは、より一層遅れたタイミングに設定することが可能になる。このことは、燃焼室5内の乱流エネルギーの向上に有利になり、燃焼期間の短縮に貢献する。この場合において、1回目の燃料噴射と2回目の燃焼噴射の割合は、2回目の燃料噴射の噴射量を、1回目の燃料噴射の噴射量よりも多く設定するとよい。このようにすることで、燃焼室5内の乱れエネルギーが十分に高まり、燃焼期間の短縮、ひいては異常燃焼の回避に有利になる。
That is, when the fuel injection P3 is divided into two times, the first fuel injection leads to securing a relatively long mixture formation period, which is advantageous for fuel vaporization atomization. Further, the timing of the second fuel injection can be set to a further delayed timing because the sufficient fuel-air mixture formation period is ensured by the first fuel injection. This is advantageous for improving the turbulent energy in the
さらに、圧縮行程後期に実行される上記燃料噴射P3の前に、予備噴射として、吸気行程中に少量の燃料を噴射するようにしてもよい。特に、上記第4運転領域A4の高回転側では、圧縮行程後期に燃料噴射P3を実行した後、燃料の気化およびミキシング時間を十分に確保できないため、それを補うための措置として、吸気行程中に予備噴射を実行しておくことが考えられる。 Furthermore, a small amount of fuel may be injected during the intake stroke as a preliminary injection before the fuel injection P3 executed in the latter half of the compression stroke. In particular, on the high speed side of the fourth operation region A4, after the fuel injection P3 is executed in the latter half of the compression stroke, the fuel vaporization and mixing time cannot be sufficiently secured. It is conceivable to perform preliminary injection at the same time.
以上のように、高圧リタード噴射は、燃料の噴射期間(A)、混合気形成期間(B)、および燃焼期間(C)をそれぞれ短縮し、その結果、図12に示したように、燃料の噴射開始時期θinjから燃焼終了時期θendまでの期間(未燃混合気の存在期間)を、吸気行程中に燃料噴射する従来の場合と比較して大幅に短縮することができる。そして、当該期間の短縮により、圧縮比が高くしかも負荷Tの高い条件下であっても、異常燃焼を引き起こすことなく、適正な火炎伝播によって混合気を燃焼し切ることができる。すなわち、図13の上段に示すように、低い噴射圧力で吸気行程噴射する従来のSI燃焼では、白丸の点で示すように、未燃混合気の反応進行度が着火しきい値を超えてしまい、異常燃焼が発生してしまうのに対し、高圧リタード噴射を用いたSI燃焼、つまり急速リタードSI燃焼では、黒丸の点で示すように、未燃混合気の反応進行度が燃焼終了時期まで着火しきい値を越えないように反応の進行を抑制することができ、異常燃焼を回避することが可能になる。 As described above, the high pressure retarded injection shortens the fuel injection period (A), the mixture formation period (B), and the combustion period (C). As a result, as shown in FIG. The period from the injection start timing θinj to the combustion end timing θend (the existence period of the unburned mixture) can be significantly shortened compared to the conventional case in which fuel injection is performed during the intake stroke. And by shortening the said period, even if the compression ratio is high and the load T is high, the air-fuel mixture can be burned out by proper flame propagation without causing abnormal combustion. That is, as shown in the upper part of FIG. 13, in the conventional SI combustion in which the intake stroke injection is performed at a low injection pressure, the reaction progress of the unburned mixture exceeds the ignition threshold as shown by the white circles. In contrast, abnormal combustion occurs, but SI combustion using high-pressure retarded injection, that is, rapid retarded SI combustion, the reaction progress of the unburned mixture is ignited until the end of combustion, as indicated by the black dots. The progress of the reaction can be suppressed so as not to exceed the threshold value, and abnormal combustion can be avoided.
しかも、急速リタードSI燃焼では、燃焼期間(C)が大幅に短縮されることから、たとえ火花点火に基づく燃焼開始時期θigが、図12の例のように圧縮上死点からある程度遅れたタイミング(膨張行程初期)に設定されていたとしても、膨張行程がかなり進行するまで燃焼が緩慢に継続するといったことがなく、熱効率および出力トルクの低下が避けられる。もちろん、点火時期を図12の例よりもさらに進角させれば、これに伴って燃焼開始時期θigが圧縮上死点により近づくため、熱効率および出力トルクのさらなる向上が期待できるが、点火時期を早めると今度はノッキングが起き易くなるため、点火時期は、ノッキングを起こさないという制約の下、できるだけ進角側に設定される。このような事情から、点火時期は、上述したように、例えば圧縮上死点後(ATDC)0〜20°CA程度の範囲内に設定される。このような範囲内に点火時期が設定されることで、圧縮上死点をある程度過ぎた適正なタイミングに燃焼開始時期θigが設定され、ノッキングが回避される。 Moreover, in the rapid retarded SI combustion, the combustion period (C) is greatly shortened, so that the combustion start timing θig based on spark ignition is delayed to some extent from the compression top dead center as shown in the example of FIG. Even if it is set to the initial stage of the expansion stroke, combustion does not continue slowly until the expansion stroke has progressed considerably, and a decrease in thermal efficiency and output torque can be avoided. Of course, if the ignition timing is further advanced than in the example of FIG. 12, the combustion start timing θig approaches the compression top dead center accordingly, so further improvement in thermal efficiency and output torque can be expected. If it is advanced earlier, knocking is more likely to occur. Therefore, the ignition timing is set to the advance side as much as possible under the restriction that knocking does not occur. For this reason, as described above, the ignition timing is set, for example, within a range of about 0 to 20 ° CA after compression top dead center (ATDC). By setting the ignition timing within such a range, the combustion start timing θig is set at an appropriate timing after the compression top dead center to some extent, and knocking is avoided.
(iv)運転状態の変化に伴う制御の具体例
まず、エンジンの低速域で負荷Tのみが変化したときの制御例について説明する。図14(a)〜(f)は、エンジンの低速域内で負荷Tが低負荷から高負荷まで変動することにより、図4に示した領域判定マップにおいて、エンジンの運転ポイントが第1運転領域A1→第2運転領域A2→第3運転領域A3へと変化し、これによってエンジンの制御モードが、NA−HCCIモード→過給HCCIモード→第1リタードSIモードと変化した場合の、各種制御パラメータの変化を示す図である。このうち、図14(a)は、燃焼室5への燃料およびガス(新気およびEGRガス)の充填量の内訳を示している。また、図14(b)はスロットルバルブ24の開度、(c)は排気2度開き(排気弁9の吸気行程中の開弁)の有無、(d)は第1EGRバルブ41の開度、(e)は第2EGRバルブ46の開度、(f)はウェストゲートバルブ49の開度をそれぞれ示している。
(Iv) Specific Example of Control Accompanying Change in Operating State First, an example of control when only the load T changes in the low speed region of the engine will be described. FIGS. 14A to 14F show that the engine operating point is the first operating region A1 in the region determination map shown in FIG. 4 when the load T varies from a low load to a high load in the low speed region of the engine. → 2nd operation area A2 → 3rd operation area A3, and this causes various control parameters when the engine control mode changes from NA-HCCI mode → supercharged HCCI mode → first retarded SI mode It is a figure which shows a change. Among these, FIG. 14A shows a breakdown of the amount of fuel and gas (fresh air and EGR gas) charged into the
スロットルバルブ24の開度は、図14(b)に示すように、エンジンの負荷Tにかかわらず(つまりいずれの制御モードかにかかわらず)、常に全開に維持される。
As shown in FIG. 14B, the opening degree of the
排気弁9は、図14(c)に示すように、NA−HCCIモードのときに、排気行程だけでなく吸気行程でも開弁(2度開きON)され、過給HCCIモードおよび第1リタードSIモードのときに、上記吸気行程中の開弁が禁止(2度開きOFF)されて、排気弁9は排気行程でのみ開弁される。これにより、燃焼室5に排気ガスを逆流(残留)させる内部EGRが、NA−HCCIモードのときにのみ実行され、過給HCCIモードおよび第1リタードSIモードのときには禁止される。
As shown in FIG. 14C, the
第1EGRバルブ41の開度は、図14(d)に示すように、NA−HCCIモードのときに全閉に設定される(つまり外部EGRが禁止される)。これに対し、過給HCCIモードに移行すると、第1EGRバルブ41が所定の中間開度まで開かれることにより、第1外部EGR装置39を用いた外部EGR、つまりタービン36を通過した後の比較的圧力の低い排気ガスを吸気通路20に還流させる操作が開始される。さらに、第1リタードSIモードにまで移行すると、第1外部EGRバルブ41の開度がさらに増大され(一旦全開に設定され)、その後は、負荷Tの増大とともに漸減される。このように、過給HCCIモードから第1リタードSIモードへの移行時に第1外部EGRバルブ41の開度を一旦増大させるのは、図14(a)に示すように、過給HCCIモードのときは、空気過剰率λが2以上(つまりλ=1相当の新気に対し2倍以上の新気が燃焼室5に導入される)ことから、その分だけ外部EGR量が少なく済む一方、第1リタードSIモードのときは、空気過剰率λが1であり、λ=1相当の新気以外を全て外部EGRによる排気ガスで満たす必要があるからである。
As shown in FIG. 14D, the opening degree of the
第2EGRバルブ46の開度は、図14(e)に示すように、エンジンの負荷Tにかかわらず(つまりいずれの制御モードかにかかわらず)、常に全閉に維持される。つまり、第2外部EGR装置44を用いた外部EGRは、NA−HCCIモード、過給HCCIモード、第1リタードSIモードのいずれにおいても実行されない。
As shown in FIG. 14E, the opening degree of the
ウェストゲートバルブ49の開度は、図14(f)に示すように、NA−HCCIモードのときに全開にされ、過給HCCIモードおよび第1リタードSIモードのときに全閉にされる。これにより、NA−HCCIモードのときは過給機35が実質的に停止される一方、過給HCCIモードおよび第1リタードSIモードのときは、過給機35が駆動されて吸入空気の加圧が行われる。これにより、過給HCCIモードおよび第1リタードSIモードでは、燃焼室5に充填される全ガス量(新気およびEGRガスの合計の量)が、自然吸気時の最大値(NA時max)よりも多くなる。ただし、図14に例示するエンジンの低速域では、排気ガスの流量が少なく、過給機35による過給量は比較的早期に頭打ちになるため、負荷Tがある程度まで高まれば、充填ガス量がそれ以上増えることはない。
As shown in FIG. 14F, the opening degree of the
そして、以上のような各種パラメータ制御の結果として、図14(a)のような筒内環境が実現される。すなわち、NA−HCCIモード、過給HCCIモード、第1リタードSIモードのいずれにおいても、負荷Tの増大とともに燃料の噴射量が徐々に増大され、かつこれに応じたλ=1相当の新気が少なくとも確保される。一方、λ=1相当の新気を除くその他のガス(余剰ガス)については、上記各モードで内訳が異なる。例えば、リーンHCCIモードのときは、余剰ガスが内部EGRガスと新気とによって構成され、過給HCCIモードのときは、余剰ガスが外部EGRガスと新気とによって構成され、急速リタードSIモードのときは、余剰ガスが外部EGRガスのみによって構成される。これにより、空気過剰率λは、NA−HCCIモードおよび過給HCCIモードのときに2以上に設定され、第1リタードSIモードのときに1に設定される。なお、図14(a)において、「λ=1」および「λ=2」の線は、空気過剰率λを1または2に設定するために必要な新気の量を表しており、「G/F=35」の線は、燃焼室5内の全ガス質量(新気およびEGRガスの質量)を燃料の質量で割った値であるガス空燃比(G/F)を35にするために必要なガス量を表している。 As a result of the various parameter controls as described above, an in-cylinder environment as shown in FIG. 14A is realized. That is, in any of the NA-HCCI mode, the supercharged HCCI mode, and the first retarded SI mode, the fuel injection amount is gradually increased with the increase of the load T, and a fresh air corresponding to λ = 1 corresponding to this increases. At least secured. On the other hand, the breakdown of other gases (excess gas) excluding fresh air corresponding to λ = 1 differs in each of the above modes. For example, in the lean HCCI mode, the surplus gas is composed of internal EGR gas and fresh air, and in the supercharged HCCI mode, the surplus gas is composed of external EGR gas and fresh air, and in the rapid retarded SI mode. Sometimes the surplus gas is composed only of external EGR gas. Thereby, the excess air ratio λ is set to 2 or more in the NA-HCCI mode and the supercharged HCCI mode, and is set to 1 in the first retarded SI mode. In FIG. 14A, the lines of “λ = 1” and “λ = 2” represent the amount of fresh air necessary to set the excess air ratio λ to 1 or 2, and “G The line “/ F = 35” indicates that the gas air-fuel ratio (G / F), which is a value obtained by dividing the total gas mass in the combustion chamber 5 (the mass of fresh air and EGR gas) by the mass of the fuel, is 35. Represents the amount of gas required.
次に、エンジンの高速域で負荷Tのみが変化したときの制御例について説明する。図15(a)〜(f)は、エンジンの高速域内で負荷Tが低負荷から高負荷まで変動することにより、図4に示した領域判定マップにおいて、エンジンの運転ポイントが第1運転領域A1→第2運転領域A2→第4運転領域A4へと変化し、これによってエンジンの制御モードが、NA−HCCIモード→過給HCCIモード→第2リタードSIモードと変化した場合の、各種制御パラメータの変化を示す図である。 Next, an example of control when only the load T changes in the high speed region of the engine will be described. FIGS. 15A to 15F show that the engine operating point is the first operating region A1 in the region determination map shown in FIG. 4 when the load T fluctuates from a low load to a high load within the high speed region of the engine. → The second operation area A2 → the fourth operation area A4, the various control parameters when the engine control mode is changed from NA-HCCI mode → supercharged HCCI mode → second retarded SI mode It is a figure which shows a change.
図15(a)〜(f)によれば、NA−HCCIモードのときと、過給HCCIモードのときでは、先の図14(a)〜(f)において説明したケースと基本的に同じ制御が実行される。一方、第2リタードSIモードのときは、上記図14(a)〜(f)に示した第1リタードSIモードのときと異なり、第1EGRバルブ41の開度(図15(d))が全閉に設定される一方、第2EGRバルブ46の開度(図15(e))が全開に設定される。つまり、第2リタードSIモードのときは、第1リタードSIモードのときと異なり、第1外部EGR装置39を用いた外部EGRが禁止され、第2外部EGR装置44を用いた外部EGRに切り替えられる。これにより、外部EGRガスとしては、タービン36を通過する前の比較的高い圧力の排気ガスが還流されることになる。
According to FIGS. 15A to 15F, basically the same control as in the case described in FIGS. 14A to 14F is performed in the NA-HCCI mode and in the supercharged HCCI mode. Is executed. On the other hand, in the second retarded SI mode, unlike the first retarded SI mode shown in FIGS. 14A to 14F, the opening degree of the first EGR valve 41 (FIG. 15D) is fully increased. On the other hand, the opening degree of the second EGR valve 46 (FIG. 15E) is set to be fully open. That is, in the second retarded SI mode, unlike in the first retarded SI mode, external EGR using the first
また、第2リタードSIモードのときは、上記第1リタードSIモードのときと異なり、ウェストゲートバルブ49の開度が全開(100%)よりも低い中間開度に設定される。より具体的には、過給HCCIモードから第2リタードSIモードへの移行時に、ウェストゲートバルブ49の開度が全閉(0%)から全開(100%)未満の中間開度に設定され、その後、負荷Tの増大とともに漸減される。これは、図15に例示したエンジンの高速域では、図14のようなエンジンの低速域よりも排気ガスの流量が多く、排気ガスのエネルギーが高いからである。すなわち、第2リタードSIモードの実行領域(第4運転領域A4)のような高回転・高負荷でかつλ=1の燃焼が行われる運転領域(つまり排気ガスのエネルギーが高まる運転領域)では、ウェストゲートバルブ49を全閉にしなくても、過給機35による過給量が十分に確保されるため、排気ガスの一部をタービン36からバイパスさせるべく、ウェストゲートバルブ49の開度を中間開度に設定するようにしている。このように、排気ガスのエネルギーが最も高まる第4運転領域A4で、ウェストゲートバルブ49の開度を全開よりも低い中間開度に設定することにより、過給機35による過給量が過剰になってポンプ損失が増大することが防止されるようになっている。
In the second retard SI mode, unlike the first retard SI mode, the opening of the
エンジンの高速域では、以上のような各種パラメータ制御により、図15(a)のような筒内環境が実現される。本図に示すように、NA−HCCIモード、過給HCCIモード、および第2リタードSIモードの各モードにおいて、燃焼室5に充填されるガスの種類および空気過剰率λの値は、先に説明した図14(a)のときと同様である。ただし、図15(a)の場合は、排気ガスの流量が多く、過給機35による過給量が十分に確保されるため、図14(a)のときと異なり、過給HCCIモードおよび第2リタードSIモードのときの全ガス量は、自然吸気時の最大値(NA時max)を越えて上昇し続ける。このため、燃焼室5内のガス空燃比(G/F)は、全ての負荷域に亘って35以上に維持される。
In the high speed region of the engine, the in-cylinder environment as shown in FIG. 15A is realized by the above various parameter control. As shown in this figure, in each mode of the NA-HCCI mode, the supercharged HCCI mode, and the second retarded SI mode, the type of gas charged in the
(4)冷間時の各運転領域における燃焼形態
次に、図5に示したエンジンの冷間時の各運転領域(B1,B2)での燃焼形態について簡単に説明する。エンジンの冷間時は、混合気の着火性が悪いため、エンジンの全ての運転領域で、混合気を自着火させるHCCI燃焼ではなく、火花点火を用いたSI燃焼が実行される。
(4) Combustion mode in each operation region when cold The combustion mode in each operation region (B1, B2) when the engine shown in FIG. 5 is cold will be briefly described. When the engine is cold, the ignitability of the air-fuel mixture is poor, and therefore, SI combustion using spark ignition is executed in all operating regions of the engine, not HCCI combustion that self-ignites the air-fuel mixture.
具体的に、エンジン冷間時の低負荷域に設定された第5運転領域B1では、NA−SIモードとして、過給機35を実質的に停止した自然吸気によるSI燃焼が実行される。このNA−SIモードでのSI燃焼は、従来のSI燃焼と基本的に同じである。つまり、吸気行程中に燃料が噴射され、それに基づくλ=1(理論空燃比)の混合気に対し、圧縮上死点の少し手前で火花点火が実行されることにより、火炎伝播による燃焼が圧縮上死点付近から開始される。
Specifically, in the fifth operation region B1 set in the low load region when the engine is cold, SI combustion by natural intake with the
一方、上記第5運転領域B1よりも高負荷側の第6運転領域B2では、過給SIモードとして、過給機35を作動させながらのSI燃焼が実行される。すなわち、この過給SIモードでは、ウェストゲートバルブ49が閉弁されて排気ガスがタービン36に流入することにより、過給機35による吸入空気の加圧(過給)が行われるとともに、吸気行程中の燃料噴射に基づく混合気が火花点火をきっかけに圧縮上死点付近から火炎伝播燃焼を開始する。
On the other hand, in the sixth operation region B2 on the higher load side than the fifth operation region B1, SI combustion is performed while operating the
ただし、当実施形態のように、幾何学的圧縮比が14以上に設定された高圧縮比エンジンでは、たとえ冷間時であっても、特に高負荷域においてプリイグニッションやノッキングといった異常燃焼が起きるおそれがある。そこで、上記過給SIモードが実行される第6運転領域B2のうち、少なくとも高負荷側の一部では、上記可変機構17を駆動することにより、図16に示すように、吸気弁8の閉時期(IVC)を吸気下死点(吸気行程と圧縮行程の間の下死点BDC)よりも早い時期に変更する。これにより、エンジンの有効圧縮比が幾何学的圧縮比よりも小さい値に設定され、圧縮端圧力・温度(圧縮上死点付近での筒内圧力および筒内温度)が低下するため、混合気が自着火し難くなり、プリイグニッションやノッキングが回避される。
However, in the high compression ratio engine in which the geometric compression ratio is set to 14 or more as in this embodiment, abnormal combustion such as pre-ignition and knocking occurs particularly in a high load region even when it is cold. There is a fear. Therefore, at least in a part on the high load side in the sixth operation region B2 in which the supercharging SI mode is executed, the
なお、エンジンの有効圧縮比を低下させる操作は、吸気弁8の閉時期(IVC)を吸気下死点(BDC)よりも遅い時期(例えば図16のX)に変更することによっても可能である。しかしながら、このようにした場合には、圧縮行程に移行した後もしばらく吸気弁8が開き続けることにより、燃焼室5に一旦導入された空気が再び吸気ポート6に吹き返される、いわゆる吸気の吹き返しが起きるようになる。この吹き返された吸気は、吸気ポート6内の熱によって高温化し、次の吸気行程で再び燃焼室5に導入されるため、燃焼室5内の空気の温度が上昇して、異常燃焼が起き易い環境がつくり出されてしまう。
The operation for reducing the effective compression ratio of the engine can also be performed by changing the closing timing (IVC) of the
このように、エンジンの有効圧縮比を低下させるために吸気弁8の閉時期(IVC)を下死点(BDC)よりも遅くした場合には、下死点より早めた場合と比較して、異常燃焼を回避する効果が相対的に低くなってしまう。したがって、異常燃焼を確実に回避するには、吸気弁8の閉時期(IVC)を下死点(BDC)に対しより遅角側まで変更することにより、有効圧縮比の低下幅をより大きく確保する必要が生じる。
Thus, when the closing timing (IVC) of the
このような観点から、当実施形態では、エンジンの冷間時における少なくとも高負荷域(第6運転領域B2の高負荷側の一部)で、有効圧縮比を低下させるために吸気弁8の閉時期を吸気下死点よりも早いタイミングに設定している。これにより、吸気弁8の閉時期を吸気下死点よりも遅くした場合と比較して、有効圧縮比の低下幅が小さく済み、エンジン出力や燃費の犠牲が最小限に抑えられる。
From this point of view, in the present embodiment, the
(5)作用効果等
以上説明したように、当実施形態の過給機付き火花点火式エンジンでは、少なくともエンジンの温間時における高負荷域を含んだ第3、第4運転領域A3,A4(図4)で、点火プラグ11の火花点火による火炎伝播燃焼を圧縮上死点を過ぎてから開始させるリタードSIモード(第1、第2リタードSIモード)が実行される一方、このリタードSIモードの実行領域(A3,A4)よりも負荷Tの低い第2運転領域A2では、過給機35に過給を行わせつつ混合気を自着火により燃焼させる過給HCCIモードが実行される。そして、上記過給HCCIモードでは、過給により多量の空気を燃焼室5に導入することで混合気の空気過剰率λをλ≧2に設定するとともに、このλ≧2のリーンな混合気を圧縮上死点付近から自着火により燃焼させる制御が実行され、上記リタードSIモードでは、混合気の空気過剰率λをλ=1(理論空燃比)に設定するとともに、インジェクタ10からの20MPa以上の噴射圧力による燃料噴射を圧縮行程の後期に実行し、さらに点火プラグ11による火花点火を膨張行程初期に実行することにより、圧縮上死点を所定期間以上過ぎてから混合気を火炎伝播により急速に燃焼させる制御が実行される。このような構成によれば、HCCI燃焼とSI燃焼とを使い分けながら、熱効率が高くかつエミッション性に優れた燃焼を高負荷域まで適正に継続させることができるという利点がある。
(5) Effects, etc. As described above, in the spark ignition type engine with a supercharger of the present embodiment, the third and fourth operation regions A3, A4 (including at least the high load region when the engine is warm) In FIG. 4), a retard SI mode (first and second retard SI modes) is started in which flame propagation combustion by spark ignition of the
すなわち、上記実施形態では、エンジンの温間時における所定の負荷域(第2運転領域A2)で、過給機35により過給された多量の空気に基づくλ≧2の混合気を自着火により燃焼(HCCI燃焼)させることにより、燃焼温度が十分に低く抑えられるため、燃焼により生じるNOx量(生のNOx量)を大幅に低減できるとともに、熱効率を効果的に向上させることができる。
That is, in the above-described embodiment, an air-fuel mixture of λ ≧ 2 based on a large amount of air supercharged by the
一方、エンジンの温間時における上記HCCI燃焼の実行領域よりも高負荷側(第3、第4運転領域A3,A4)では、圧縮行程の後期以降という遅めのタイミングで20MPa以上の高圧噴射(燃料噴射P3)を実行するとともに、それに基づくλ=1の混合気に対し火花点火を実行することにより、この火花点火をきっかけに、圧縮上死点を過ぎてから(つまり筒内温度・圧力がある程度低下してから)混合気を急速に火炎伝播により燃焼(SI燃焼)させることができる。このため、吸気行程等の早いタイミングで燃料を噴射させる従来のSI燃焼と異なり、プリイグニッションやノッキングといった異常燃焼の発生を確実に回避しながら、燃焼期間の短い熱効率に優れた燃焼を実現することができる。特に、混合気の空気過剰率λがλ=1(理論空燃比)に設定されるため、λ≧2のリーンな空燃比を維持した場合と異なり、吸入空気の過給量を極端に増大させる必要がなく、エンジンの排圧が過度に上昇することによるポンプ損失の増大や、それに基づく燃費の悪化を招くことがない。また、λ=1での燃焼であれば、触媒コンバータ28に内蔵された三元触媒のみによってNOxを十分に浄化することが可能であり、エミッション性についても良好に確保される。
On the other hand, on the higher load side (third and fourth operation regions A3, A4) than the execution region of the HCCI combustion when the engine is warm, high-pressure injection (20 MPa or more) at a later timing after the later stage of the compression stroke ( By performing the fuel injection P3) and performing spark ignition on the λ = 1 mixture based on the fuel injection P3), the spark ignition is triggered and the compression top dead center is passed (that is, the in-cylinder temperature and pressure are reduced). The air-fuel mixture can be rapidly burned by flame propagation (SI combustion) after being reduced to some extent. Therefore, unlike conventional SI combustion in which fuel is injected at an early timing such as the intake stroke, it is possible to realize combustion with excellent thermal efficiency with a short combustion period while reliably avoiding abnormal combustion such as pre-ignition and knocking. Can do. In particular, since the excess air ratio λ of the air-fuel mixture is set to λ = 1 (theoretical air-fuel ratio), unlike the case where a lean air-fuel ratio of λ ≧ 2 is maintained, the supercharging amount of intake air is extremely increased. There is no need to increase the pump loss due to excessive increase in the exhaust pressure of the engine and the deterioration of the fuel consumption based on it. Further, if combustion is performed at λ = 1, NOx can be sufficiently purified only by the three-way catalyst built in the
また、上記実施形態では、インジェクタ10として、多数の(当実施形態では12個の)噴孔を有した多噴孔型のインジェクタが設けられているため、上記リタードSIモードのときに、インジェクタ10の燃料噴射P3に基づき生成される乱流エネルギーがより高まるとともに、燃料の気化霧化がより促進されるため、燃焼期間をより短縮して熱効率を向上させることができる。
In the above embodiment, since the
また、上記実施形態では、過給HCCIモードの実行領域(第2運転領域A2)で、第1外部EGR装置39を用いた外部EGR(排気通路30から吸気通路20へ排気ガスを還流させる操作)が実行されるため、λ≧2のリーンな空燃比を実現するための過給量を適正に確保しつつ、混合気の燃焼温度をより低下させてNOx生成量を効果的に低減できるという利点がある。
In the above embodiment, in the supercharged HCCI mode execution region (second operation region A2), external EGR using the first external EGR device 39 (operation for recirculating exhaust gas from the
また、上記実施形態では、過給HCCIモードの実行領域(第2運転領域A2)よりも低負荷側(第1運転領域A1)で、過給機35による過給を行うことなく混合気を自着火により燃焼させるNA−HCCIモードが実行され、当該モードでは、燃焼により生じた高温の排気ガスを燃焼室5に残留させる内部EGRが実行される。このような構成によれば、エンジン負荷Tが低く混合気の着火性が悪い運転領域で、内部EGRを駆使して燃焼室5の高温化を図ることにより、混合気を自着火により確実に燃焼させることができる。
Further, in the above-described embodiment, the air-fuel mixture is not automatically supercharged by the
また、上記実施形態では、リタードSIモードの実行領域(第3、第4運転領域A3,A4)のうち低回転側の一部に設定された第3運転領域A3で、第1外部EGR装置39を用いた外部EGRが実行される一方、上記第3運転領域A3よりも高回転側の第4運転領域A4では、第2外部EGR装置44を用いた外部EGRが実行される。このように、回転速度Neが低く排気ガスの流量が少ない第3運転領域A3で、第1外部EGR装置39を用いてタービン36を通過した後の排気ガスを吸気通路20に還流させる一方、回転速度Neが高く排気ガスの流量が多い第4運転領域A4で、第2外部EGR装置44を用いてタービン36を通過する前の排気ガスを吸気通路20に還流させるようにした場合には、低回転側での過給性能の確保と高回転側でのポンプ損失の低減とを両立できるという利点がある。
Further, in the above embodiment, the first
すなわち、排気ガスの流量が少ない低回転側の第3運転領域A3では、タービン36を通過した後の排気ガスが吸気通路20に還流されることにより、タービン36に流入する排気ガスの量が減少することによる過給能力の低下が防止される。一方、排気ガスの流量が多い高回転側の第4運転領域A4では、タービン36を通過した後の排気ガスが吸気通路20に還流されることにより、タービン36に無用に多くの排気ガスが流入することによるポンプ損失の増大が防止される。
That is, in the third operating region A3 on the low speed side where the flow rate of the exhaust gas is small, the amount of the exhaust gas flowing into the
また、上記実施形態において、エンジンが冷間状態にあるときは、エンジンの低負荷域を除く第6運転領域B2(図5)で、過給機35に過給を行わせつつ混合気を火花点火により燃焼させる過給SIモードが実行されるとともに、この過給SIモードの実行領域(B2)における少なくとも高負荷側の一部で、可変機構17が駆動されて吸気弁8の閉時期が吸気下死点よりも早いタイミングに設定される。このような構成によれば、エンジンの冷間時であっても、負荷Tが高いために異常燃焼(プリイグニッションやノッキング)が起き易い状況では、吸気弁8の閉時期を吸気下死点よりも早めることにより、エンジンの有効圧縮比を低下させて異常燃焼を防止することができる。しかも、有効圧縮比の低下のために吸気弁8の閉時期を吸気下死点よりも遅くした場合と異なり、吸気ポート6に吹き返された空気が再び燃焼室5に導入されることによる燃焼室5の高温化を回避でき、異常燃焼の防止効果をより高めることができる。この結果、有効圧縮比の低下幅を低く抑えることができ、エンジン出力や燃費の犠牲を最小限に抑えることができる。
In the above embodiment, when the engine is in a cold state, the air-fuel mixture is sparked while the
なお、上記実施形態では特に言及しなかったが、第1外部EGR装置39のEGR通路40に、EGRクーラ42をパイパスするためのバイパス管を設けてもよい。このバイパス管を通じて排気ガスを吸気通路20に還流させた場合には、排気ガスが比較的高温を維持しながら燃焼室5に導入されることになるので、混合気の着火性が悪いときにこのような操作を行えば、混合気の着火性を改善することができる。例えば、過給HCCIモードの実行領域(第2運転領域A2)における高回転側の一部では、燃料の受熱期間(燃料が高温・高圧に晒される実時間)が短く、混合気の自着火が比較的起き難い。そこで、このような運転領域に移行したときに、上記のようなバイパス管を通じてEGRクーラ42を介さず排気ガスを還流させることにより、燃焼室5を高温化させて混合気を確実に自着火させることができる。
Although not particularly mentioned in the above embodiment, a bypass pipe for bypassing the
また、上記実施形態では、エンジンの温間時における主に中負荷域に設定された第2運転領域A2と、この第2運転領域A2よりも負荷Tの高い領域における低回転側の一部に設定された第3運転領域A3とにおいて、第1外部EGR装置39を用いた外部EGRを実行し、上記第2運転領域A2よりも負荷Tが高くかつ第3運転領域A3よりも回転速度Neが高い第4運転領域A4で、第2外部EGR装置44を用いた外部EGRを実行するようにしたが、これはあくまで一例に過ぎず、いずれの運転領域でいずれの外部EGR装置を用いるかは、エンジンの特性等によって適宜変更可能である。
Further, in the above embodiment, the engine is warmed in the second operation region A2 set mainly in the middle load region, and on a part of the low rotation side in the region where the load T is higher than the second operation region A2. External EGR using the first
また、上記実施形態では、インジェクタ10が多噴孔型のインジェクタであり、その先端部に12個の噴孔が設けられるものとしたが、噴孔の数は12個に限られず、12個より多くても少なくてもよい。ただし、噴孔の数があまりに少ないと、インジェクタ10から噴射された燃料の濃度が周方向に大きくばらつくことになる。このため、噴孔の数は8個以上とすることが望ましい。噴孔の数が8個以上であれば、特に燃料噴射時期が圧縮行程の後期以降にまで遅らされるリタードSIモード(第1、第2リタードSIモード)において、インジェクタ10からの燃料噴射の後、ごく短時間で、周方向にほぼ均一な空燃比をもった混合気を形成することができ、その後の燃焼を適正に行わせることができる。
In the above embodiment, the
また、上記実施形態では、インジェクタ10からの燃料の噴射圧力を、20MPa以上で一定としたが、噴射圧力は一定でなくてもよく、運転領域に応じて可変的に設定されるものであってもよい。ただし、この場合でも、少なくとも急速リタードSIモードの実行領域(第3、第4運転領域A3,A4)では、燃料噴射圧力が20MPa以上に設定される。
Moreover, in the said embodiment, although the injection pressure of the fuel from the
8 吸気弁
10 インジェクタ
11 点火プラグ
17 可変機構
20 吸気通路
30 排気通路
35 過給機
36 タービン
37 コンプレッサ
39 第1外部EGR装置
44 第2外部EGR装置
50 ECU(制御手段)
DESCRIPTION OF
Claims (6)
上記制御手段は、少なくともエンジンの温間時における高負荷域で、上記点火プラグの火花点火による火炎伝播燃焼を圧縮上死点を過ぎてから開始させるリタードSIモードを実行する一方、このリタードSIモードの実行領域よりも負荷の低い所定の負荷域では、上記過給機に過給を行わせつつ混合気を自着火により燃焼させる過給HCCIモードを実行するものであり、
上記過給HCCIモードでは、過給により多量の空気を燃焼室に導入することで混合気の空気過剰率λをλ≧2に設定するとともに、このλ≧2のリーンな混合気を圧縮上死点付近から自着火により燃焼させる制御が実行され、
上記リタードSIモードでは、混合気の空気過剰率λをλ=1に設定するとともに、上記インジェクタからの20MPa以上の噴射圧力による燃料噴射を圧縮行程後期に実行し、さらに上記点火プラグによる火花点火を膨張行程初期に実行することにより、圧縮上死点を所定期間以上過ぎてから混合気を火炎伝播により急速に燃焼させる制御が実行される
ことを特徴とする過給機付き火花点火式エンジン。 A supercharger that pressurizes intake air; an injector that injects fuel into the combustion chamber; an ignition plug that discharges sparks to an air-fuel mixture formed in the combustion chamber based on the fuel injected from the injector; and the supercharger A spark-ignition engine with a supercharger having a geometric compression ratio set to 14 or more, and a control means for controlling the operation of each part including an injector and a spark plug,
The control means executes a retard SI mode in which flame propagation combustion due to spark ignition of the spark plug is started after the compression top dead center at least in a high load region when the engine is warm. In a predetermined load region where the load is lower than the execution region of (2), the supercharger HCCI mode in which the air-fuel mixture is combusted by self-ignition while supercharging the supercharger is executed,
In the supercharged HCCI mode, the excess air ratio λ of the air-fuel mixture is set to λ ≧ 2 by introducing a large amount of air into the combustion chamber by supercharging, and the lean air-fuel mixture of λ ≧ 2 is compressed top dead. Control to burn by self-ignition from near the point is executed,
In the retard SI mode, the air excess ratio of the mixture gas lambda and sets the lambda = 1, the fuel injection by 20MPa or more injection pressure from the injectors perform the compression stroke late, a further spark ignition by the spark plug by executing the Rise Zhang stroke Initial, supercharged spark-ignition engine, wherein a control for rapidly combusted by flame propagating mixture compression top dead center after waiting more than a predetermined period is performed .
上記インジェクタは、複数の噴孔を有する多噴孔型のインジェクタである
ことを特徴とする過給機付き火花点火式エンジン。 The spark ignition engine with a supercharger according to claim 1,
The above-mentioned injector is a multi-hole type injector having a plurality of nozzle holes. A spark ignition engine with a supercharger.
上記燃焼室から排気通路に排出された排気ガスを吸気通路に還流させる外部EGR装置をさらに備え、
上記過給HCCIモードでは、上記外部EGR装置による排気ガスの還流操作が実行される
ことを特徴とする過給機付き火花点火式エンジン。 The spark ignition engine with a supercharger according to claim 1 or 2,
An external EGR device that recirculates exhaust gas discharged from the combustion chamber to the exhaust passage to the intake passage;
In the supercharged HCCI mode, an exhaust gas recirculation operation is executed by the external EGR device. A spark ignition engine with a supercharger.
上記制御手段は、上記過給HCCIモードの実行領域よりも低負荷側で、上記過給機による過給を行うことなく混合気を自着火により燃焼させるNA−HCCIモードを実行し、
上記NA−HCCIモードでは、燃焼により生じた高温の排気ガスを燃焼室に残留させる内部EGRが実行される
ことを特徴とする過給機付き火花点火式エンジン。 The spark ignition engine with a supercharger according to any one of claims 1 to 3,
The control means executes the NA-HCCI mode in which the air-fuel mixture is combusted by self-ignition without performing supercharging by the supercharger on a lower load side than the execution region of the supercharging HCCI mode,
In the NA-HCCI mode, a spark ignition engine with a supercharger is executed, wherein internal EGR is performed in which high-temperature exhaust gas generated by combustion remains in the combustion chamber.
上記過給機は、エンジンの排気通路に配設されたタービンと、エンジンの吸気通路に配設され、上記タービンの回転により駆動されるコンプレッサとを有し、
上記吸気通路および排気通路の間には、上記タービンより下流側の排気通路から分岐した排気ガスを吸気通路に還流させる第1外部EGR装置と、上記タービンよりも上流側の排気通路から分岐した排気ガスを吸気通路に還流させる第2外部EGR装置とが設けられ、
上記リタードSIモードの実行領域における低回転側の一部では、上記第1外部EGR装置による排気ガスの還流操作が実行される一方、上記リタードSIモードの実行領域における残余の領域では、上記第2外部EGR装置による排気ガスの還流操作が実行される
ことを特徴とする過給機付き火花点火式エンジン。 The spark ignition engine with a supercharger according to any one of claims 1 to 4,
The supercharger has a turbine disposed in the exhaust passage of the engine, and a compressor disposed in the intake passage of the engine and driven by the rotation of the turbine,
Between the intake passage and the exhaust passage, a first external EGR device that recirculates the exhaust gas branched from the exhaust passage downstream of the turbine to the intake passage, and the exhaust branched from the exhaust passage upstream of the turbine. A second external EGR device for recirculating gas to the intake passage,
The exhaust gas recirculation operation by the first external EGR device is executed in a part of the low rotation side in the execution region of the retard SI mode, while the second region is executed in the remaining region in the execution region of the retard SI mode. A spark ignition engine equipped with a supercharger, wherein an exhaust gas recirculation operation is performed by an external EGR device.
少なくとも吸気弁の閉時期を可変的に設定する可変機構をさらに備え、
上記制御手段は、エンジンの冷間時における中高負荷域で、上記過給機に過給を行わせつつ混合気を火花点火により燃焼させる過給SIモードを実行するとともに、この過給SIモードの実行領域における少なくとも高負荷側の一部で、上記可変機構を駆動して上記吸気弁の閉時期を下死点よりも早いタイミングに設定する
ことを特徴とする過給機付き火花点火式エンジン。
The spark ignition engine with a supercharger according to any one of claims 1 to 5,
A variable mechanism for variably setting at least the closing timing of the intake valve;
The control means executes a supercharging SI mode in which the air-fuel mixture is combusted by spark ignition while supercharging the supercharger in a middle and high load range when the engine is cold. A spark ignition engine with a supercharger, wherein the variable mechanism is driven and the closing timing of the intake valve is set to a timing earlier than bottom dead center at least at a part of the high load side in the execution region.
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