JP5842406B2 - 過給機付リーンバーンエンジン - Google Patents

Description

ここに開示する技術は、過給機付リーンバーンエンジンに関する。

例えば特許文献１には、ターボ過給機付エンジンの制御に関する技術が記載されており、この技術は、エンジンの運転状態が低速低負荷から中速中負荷の運転領域にあるときには、外部ＥＧＲ制御を行い、運転状態が低速高負荷から中速高負荷の運転領域にあるときには、掃気制御を行い、そして、高速高負荷の運転領域にあるときには、掃気制御及び外部ＥＧＲ制御を行うようにしている。これにより高速高負荷の運転領域では、気筒内の高温の残留ガスを低減した上で、冷却された外部ＥＧＲガスを気筒内に導入して、異常燃焼を抑制しながらトルクの向上及び燃費の向上が図られる。このように特許文献１の制御は、ターボ過給機付エンジンのノッキング対策として、エンジンの負荷に応じてＥＧＲ制御の実行、非実行を切り替えている。

特開２０１０−２４９７４号公報

ところで、作動ガス燃料比Ｇ／Ｆを３０以上、又は空気燃料比Ａ／Ｆを３０以上に設定するリーンバーンエンジンは、ＲａｗＮＯｘの生成抑制と、低燃費との両立に有効である。そうした超リーンな混合気で運転されるリーンバーンエンジンにおいて、所望のトルクを確保するためには、例えばターボ過給機が組みあわせられる。

しかしながら、本願発明者らは、こうしたターボ過給機付リーンバーンエンジンでは、特に低速領域において、エンジン負荷の増大に伴い、Ｇ／Ｆ≧３０又はＡ／Ｆ≧３０を達成することが難しくなる点に気づいた。これは、ターボ過給機の過給限界に起因しており、低速領域では排気エネルギが小さくターボ過給機のコンプレッサ効率がもともと低いため、エンジン負荷が高まるに伴い燃料量が増量したときに、Ｇ／Ｆ≧３０又はＡ／Ｆ≧３０を達成するだけの過給能力が得られないのである。逆に、エンジン負荷が高まってもＧ／Ｆ≧３０又はＡ／Ｆ≧３０を維持しようとすれば、所望のトルクが得られなくなる。

ここに開示する技術は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、低速領域において過給限界を高負荷側に移動することにより、ＲａｗＮＯｘの生成抑制と低燃費との両立に有利な運転領域を拡大させた過給機付リーンバーンエンジンを実現することにある。

本願発明者らは、低速域においてエンジン負荷が高まったときには、排気エネルギを増大させてコンプレッサ効率を高める点に着目した。つまり、低負荷領域では、ターボ過給機による過給と共に、ポンピングロスの低減を目的の一つとしてＥＧＲ手段による気筒内への既燃ガスの導入を行いＧ／Ｆを３０以上に設定する一方、その低負荷領域よりも負荷の高い中負荷領域では、ＥＧＲ手段による既燃ガスの導入を停止することにより排気エネルギを増大させてターボ過給機のコンプレッサ効率を高め、そのことにより、所望のトルクを確保しつつ、Ａ／Ｆを３０以上に設定することを可能にした。

具体的に、ここに開示する過給機付リーンバーンエンジンは、理論空燃比よりもリーンな混合気で運転される運転領域を有するように構成されたエンジン本体と、前記エンジン本体の気筒内に導入するガスの過給を行うように構成された、排気エネルギにより駆動されるターボ過給機と、前記気筒内に既燃ガスを導入するように構成されたＥＧＲ手段と、前記エンジンの運転を制御するように構成された制御器と、を備える。

前記ＥＧＲ手段は、排気通路に配設された前記ターボ過給機の上流と吸気通路とを連通する外部ＥＧＲシステムと、吸排気弁の作動制御を行うことにより既燃ガスを前記気筒内に導入する内部ＥＧＲシステムと、を含み、前記制御器は、前記エンジン本体が少なくとも暖機後でかつ、その運転状態が、所定回転数以下の低速領域にあるときにおいて、エンジン負荷が低負荷である第１負荷領域の低負荷側の領域にあるときには、前記ターボ過給機により過給を実行しかつ、前記内部ＥＧＲシステムにより前記気筒内に既燃ガスを導入すると共に、作動ガス燃料比Ｇ／Ｆを３０以上に設定し、前記エンジン負荷が前記第１負荷領域の、前記低負荷側の領域よりも負荷の高い高負荷側の領域にあるときには、前記ターボ過給機により過給を実行しかつ、前記内部ＥＧＲシステムを止めて前記外部ＥＧＲシステムにより前記気筒内に既燃ガスを導入すると共に、作動ガス燃料比Ｇ／Ｆを３０以上に設定し、前記エンジン負荷が前記第１負荷領域よりも高い第２負荷領域にあるときには、前記ターボ過給機により過給を実行しかつ、前記ＥＧＲ手段による既燃ガスの導入を停止すると共に、空気燃料比Ａ／Ｆを３０以上に設定し、前記エンジン負荷が前記第２負荷領域よりも高くかつ、全開負荷を含む第３負荷領域にあるときには、空気燃料比を理論空燃比に設定すると共に、前記外部ＥＧＲシステムによる既燃ガスの導入を行う。

ＥＧＲ手段は、ＥＧＲ通路を介して還流させた既燃ガスを気筒内に導入する外部ＥＧＲシステムと、特に低負荷領域において、吸排気弁の作動制御を行うことにより既燃ガスを気筒内に導入する内部ＥＧＲシステムと、を含む。

この構成によると、エンジン本体が少なくとも暖機後でかつ、その運転状態が低速領域にあるときにおいて、エンジンの負荷状態が比較的低負荷である第１負荷領域にあるときには、ＥＧＲ手段により気筒内に既燃ガスを導入しつつ、ターボ過給機による過給によって、作動ガス燃料比Ｇ／Ｆを３０以上に設定する。これによって、ＲａｗＮＯｘの生成抑制と低燃費とが両立する。また、ＥＧＲ手段による既燃ガスの導入は、ポンピングロスを低減し、燃費の向上に有利である。

エンジン本体の運転状態が、第１負荷領域よりも負荷の高い第２負荷領域にあるときには、ＥＧＲ手段による気筒内への既燃ガスの導入を停止する。低速領域においてＥＧＲ制御を停止することによって、排気エネルギが増大し、ターボ過給機のコンプレッサ効率が高まる。その結果、相対的に負荷の高い第２負荷領域（つまり、中負荷領域）において、所望のトルクを確保しつつ、空気燃料比Ａ／Ｆを３０以上に設定することが実現する。このことは、ターボ過給機の過給限界を高負荷側に移動させて、ＲａｗＮＯｘの生成を抑制と低燃費とが両立する運転領域を、第２負荷領域まで拡大させたことと等価である。

そうして、エンジン本体の運転状態が、第２負荷領域よりも負荷の高い第３負荷領域にあるときには、空気燃料比を理論空燃比に設定すると共に、ＥＧＲ手段による既燃ガスの導入を行う。このことにより、全開負荷を含む第３負荷領域において所望のトルクを確保しつつ、既燃ガスの導入によってノッキング等の異常燃焼が回避される。

ここで、前記第２負荷領域と第３負荷領域との境界は、前記ターボ過給機の過給限界によって定まる、としてもよい。

つまり、ターボ過給機の過給限界を超える第３領域では、所望のトルク確保と、超リーンな混合気とが両立しないため、空気燃料比を理論空燃比に設定して、必要トルクを確保すればよい。

ここに開示する別の過給機付リーンバーンエンジンは、その過給機として、排気エネルギにより駆動されるターボ過給機と、前記ターボ過給機とは異なる駆動源を有する補助過給機と、を備えており、前記制御器は、前記エンジン本体が少なくとも暖機後でかつ、その運転状態が、所定回転数以下の低速領域にあるときにおいて、エンジン負荷が低負荷である第１負荷領域の低負荷側の領域にあるときには、前記ターボ過給機により過給を実行しかつ、前記内部ＥＧＲシステムにより前記気筒内に既燃ガスを導入すると共に、作動ガス燃料比Ｇ／Ｆを３０以上に設定し、前記エンジン負荷が前記第１負荷領域の、前記低負荷側の領域よりも負荷の高い高負荷側の領域にあるときには、前記ターボ過給機により過給を実行しかつ、前記外部ＥＧＲシステムにより前記気筒内に既燃ガスを導入すると共に、作動ガス燃料比Ｇ／Ｆを３０以上に設定し、前記エンジン負荷が前記第１負荷領域よりも高い第２負荷領域にあるときには、前記ターボ過給機により過給を実行しかつ、前記ＥＧＲ手段による既燃ガスの導入を停止すると共に、空気燃料比Ａ／Ｆを３０以上に設定し、前記エンジン負荷が前記第２負荷領域よりも高くかつ、全開負荷を含む第３負荷領域にあるときには、前記補助過給機を駆動することによって、前記Ｇ／Ｆを３０以上に、又は、前記Ａ／Ｆを３０以上に設定する。

この構成によると、前述した構成の過給機付リーンバーンエンジンと同様に、エンジン本体が少なくとも暖機後でかつ、その運転状態が低速領域にあるときにおいて、第１負荷領域にあるときには、ＥＧＲ手段により気筒内に既燃ガスを導入しながら、Ｇ／Ｆ≧３０以上に設定する。このことにより、ＲａｗＮＯｘの生成抑制と低燃費とが両立する。

また、エンジン本体の運転状態が第２負荷領域にあるときには、ＥＧＲ手段を停止することによって排気エネルギを高めて、ターボ過給機のコンプレッサ効率を向上し、所望のトルクを確保しつつ、Ａ／Ｆ≧３０を可能にする。こうして、ＲａｗＮＯｘの生成抑制と低燃費とが両立する運転領域が高負荷側に拡大する。

そうして、エンジン本体の運転状態が、全開負荷を含む第３負荷領域にあるときには、補助過給機を駆動することによって、Ｇ／Ｆ≧３０（ＥＧＲ手段による既燃ガスの導入を行う場合に対応）又はＡ／Ｆ≧３０（ＥＧＲ手段による既燃ガスの導入を行わない場合に対応）を実現する。つまり、ターボ過給機の過給限界を超える第３負荷領域では、補助過給機を駆動することによって、所望のトルクを確保しつつ、Ｇ／Ｆ≧３０又はＡ／Ｆ≧３０を実現する。これにより、全開負荷を含む第３負荷領域においても、ＲａｗＮＯｘの生成抑制と低燃費とが両立する。

前記補助過給機は、電動ブースト、又は、電動ターボ過給機である、としてもよい。電動ブースト又は電動ターボ過給機は、ターボ過給機の過給限界を超える第３負荷領域において、Ｇ／Ｆ≧３０又はＡ／Ｆ≧３０を実現する上で有効である。

前記制御器は、少なくとも前記第１負荷領域及び第２負荷領域においては、圧縮着火燃焼を実行する、としてもよい。圧縮着火燃焼は、排気エミッションの向上と熱効率の向上とを両立することが可能である。

以上説明したように、この過給機付リーンバーンエンジンは、低速領域における中負荷領域に相当する第２負荷領域では、ＥＧＲ手段による既燃ガスの導入を停止することによって、ターボ過給機のコンプレッサ効率を高めるから、所望のトルクを確保しつつ、Ａ／Ｆ≧３０が実現可能になり、ＲａｗＮＯｘの生成抑制と低燃費との両立に有利な運転領域を、高負荷側に拡大させることが可能になる。

過給機付リーンバーンエンジンの構成を示す概略図である。 過給機付リーンバーンエンジンの制御に係るブロック図である。 エンジンの運転領域を例示する図である。 エンジン回転数とコンプレッサ効率との関係の一例を示す図である。 電動ブーストをさらに備えた、エンジンシステムの構成例を示す図である。 エンジントルクと燃費率との関係の一例を示す図である。

以下、過給機付リーンバーンエンジンの実施形態を図面に基づいて説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、例示である。図１，２は、エンジン（エンジン本体）１の概略構成を示す。このエンジン１は、車両に搭載されると共に、少なくともガソリンを含有する燃料が供給される火花点火式ガソリンエンジンである。エンジン１は、複数の気筒１８（一つのみ図示）が設けられたシリンダブロック１１と、このシリンダブロック１１上に配設されたシリンダヘッド１２と、シリンダブロック１１の下側に配設され、潤滑油が貯溜されたオイルパン１３とを有している。各気筒１８内には、コンロッド１４２を介してクランクシャフト１５と連結されているピストン１４が往復動可能に嵌挿されている。ピストン１４の頂面には、リエントラント形のようなキャビティ１４１が形成されている。キャビティ１４１は、ピストン１４が圧縮上死点付近に位置するときには、後述する直噴インジェクタ６７に相対する。シリンダヘッド１２と、気筒１８と、キャビティ１４１を有するピストン１４とは、燃焼室１９を区画する。尚、燃焼室１９の形状は、図示する形状に限定されるものではない。例えばキャビティ１４１の形状、ピストン１４の頂面形状、及び、燃焼室１９の天井部の形状等は、適宜変更することが可能である。

このエンジン１は、理論熱効率の向上や、後述する圧縮着火燃焼の安定化等を目的として、１４以上の比較的高い幾何学的圧縮比に設定されている。尚、幾何学的圧縮比は１４以上２０以下程度の範囲で、適宜設定すればよい。但し、エンジン１の幾何学的圧縮比は、この範囲に限定されるものではない。

シリンダヘッド１２には、気筒１８毎に、吸気ポート１６及び排気ポート１７が形成されていると共に、これら吸気ポート１６及び排気ポート１７には、燃焼室１９側の開口を開閉する吸気弁２１及び排気弁２２がそれぞれ配設されている。

吸気弁２１及び排気弁２２をそれぞれ駆動する動弁系の内、排気側には、排気弁２２の作動モードを通常モードと特殊モードとに切り替える、例えば油圧作動式の可変機構（図２参照。以下、ＶＶＬ（Variable Valve Lift）と称する）７１が設けられている。ＶＶＬ７１は、その構成の詳細な図示は省略するが、カム山を一つ有する第１カムとカム山を二つ有する第２カムとの、カムプロファイルの異なる２種類のカム、及び、その第１及び第２カムのいずれか一方のカムの作動状態を選択的に排気弁に伝達するロストモーション機構を含んで構成されている。第１カムの作動状態を排気弁２２に伝達しているときには、排気弁２２は、排気行程中において一度だけ開弁される通常モードで作動するのに対し、第２カムの作動状態を排気弁２２に伝達しているときには、排気弁２２が、排気行程中において開弁すると共に、吸気行程中においても開弁するような、いわゆる排気の二度開きを行う特殊モードで作動する。ＶＶＬ７１の通常モードと特殊モードとは、エンジンの運転状態に応じて切り替えられる。具体的に、特殊モードは、内部ＥＧＲに係る制御の際に利用される。尚、こうした通常モードと特殊モードとの切り替えを可能にする上で、排気弁２２を電磁アクチュエータによって駆動する電磁駆動式の動弁系を採用してもよい。また、内部ＥＧＲの実行は、排気の二度開きのみによって実現されるのではない。例えば吸気弁２１を二回開く、吸気の二度開きによって内部ＥＧＲ制御を行ってもよいし、排気行程乃至吸気行程において吸気弁２１及び排気弁２２の双方を閉じるネガティブオーバーラップ期間を設けて既燃ガスを気筒１８内に残留させる内部ＥＧＲ制御を行ってもよい。

ＶＶＬ７１を備えた排気側の動弁系に対し、吸気側には、図２に示すように、クランクシャフト１５に対する吸気カムシャフトの回転位相を変更することが可能な位相可変機構（以下、ＶＶＴ（Variable Valve Timing）と称する）７２と、吸気弁２１のリフト量を連続的に変更することが可能なリフト量可変機構（以下、ＣＶＶＬ（Continuously Variable Valve Lift）と称する）７３とが設けられている。ＶＶＴ７２は、液圧式、電磁式又は機械式の公知の構造を適宜採用すればよく、その詳細な構造についての図示は省略する。また、ＣＶＶＬ７３も、公知の種々の構造を適宜採用することが可能であり、その詳細な構造についての図示は省略する。ＶＶＴ７２及びＣＶＶＬ７３によって、吸気弁２１は、その開弁タイミング及び閉弁タイミング、並びに、リフト量をそれぞれ変更することが可能である。

シリンダヘッド１２にはまた、気筒１８毎に、気筒１８内に燃料を直接噴射する直噴インジェクタ６７と、吸気ポート１６内に燃料を噴射するポートインジェクタ６８とがそれぞれ取り付けられている。

直噴インジェクタ６７は、その噴口が燃焼室１９の天井面の中央部分から、その燃焼室１９内に臨むように配設されている。直噴インジェクタ６７は、エンジン１の運転状態に応じた噴射タイミングでかつ、エンジン１の運転状態に応じた量の燃料を、燃焼室１９内に直接噴射する。この例において、直噴インジェクタ６７は、詳細な図示は省略するが、複数の噴口を有する多噴口型のインジェクタである。これによって、直噴インジェクタ６７は、燃料噴霧が放射状に広がるように、燃料を噴射する。ピストン１４が圧縮上死点付近に位置するタイミングで、燃焼室１９の中央部分から放射状に広がるように噴射された燃料噴霧は、ピストン頂面に形成されたキャビティ１４１の壁面に沿って流動することにより、後述する点火プラグ２５の周囲に到達するようになる。キャビティ１４１は、ピストン１４が圧縮上死点付近に位置するタイミングで噴射された燃料噴霧を、その内部に収めるように形成されている、と言い換えることが可能である。この多噴口型のインジェクタ６７とキャビティ１４１との組み合わせは、燃料の噴射後、点火プラグ２５の周りに燃料噴霧が到達するまでの時間を短くすると共に、燃焼期間を短くする上で有利な構成である。尚、直噴インジェクタ６７は、多噴口型のインジェクタに限定されず、外開弁タイプのインジェクタを、直噴インジェクタに採用してもよい。

ポートインジェクタ６８は、図１に示すように、吸気ポート１６乃至吸気ポート１６に連通する独立通路に臨んで配置されかつ、吸気ポート１６内に燃料を噴射する。ポートインジェクタ６８は、一つの気筒１８に対して一つ設けてもよいし、一つの気筒１８に対し二つの吸気ポート１６が設けられているのであれば、二つの吸気ポート１６のそれぞれに設けてもよい。ポートインジェクタ６８の形式は特定の形式に限定されるものではなく、種々の形式のインジェクタを、適宜採用することが可能である。

図外の燃料タンクと直噴インジェクタ６７との間は、高圧燃料供給経路によって互いに連結されている。この高圧燃料供給経路上には、高圧燃料ポンプ６３とコモンレール６４とを含みかつ、直噴インジェクタ６７に、相対的に高い燃料圧力で燃料を供給する高圧燃料供給システム６２が介設されている。高圧燃料ポンプ６３は、燃料タンクからコモンレール６４に燃料を圧送し、コモンレール６４は圧送された燃料を、高い燃料圧力で蓄える。直噴インジェクタ６７が開弁することによって、コモンレール６４に蓄えられている燃料が直噴インジェクタ６７の噴口から噴射される。ここで、高圧燃料ポンプ６３は、図示は省略するが、プランジャー式のポンプであり、例えばクランク軸とカム軸との間のタイミングベルトに連結されることにより、エンジン１によって駆動される。このエンジン駆動のポンプを含む構成の高圧燃料供給システム６２は、４０ＭＰａ以上の高い燃料圧力の燃料を、直噴インジェクタ６７に供給することを可能にする。直噴インジェクタ６７に供給される燃料の圧力は、エンジン１の運転状態に応じて変更される。尚、高圧燃料供給システム６２は、これに限定されるものではない。

同様に、図外の燃料タンクとポートインジェクタ６８との間は、低圧燃料供給経路によって互いに連結されている。この低圧燃料供給経路上には、ポートインジェクタ６８に対し、相対的に低い燃料圧力の燃料を供給する低圧燃料供給システム６６が介設されている。低圧燃料供給システム６６は、詳細な図示は省略するが、電動又はエンジン駆動の低圧燃料ポンプとレギュレータとを備えており、所定圧力の燃料を、各ポートインジェクタ６８に供給するように構成されている。ポートインジェクタ６８は、吸気ポートに燃料を噴射するため、低圧燃料供給システム６６が供給する燃料の圧力は、高圧燃料供給システム６２が供給する燃料の圧力に比べて、低い圧力に設定されている。尚、ここでは、直噴インジェクタ６７とポートインジェクタ６８との、２種類のインジェクタを備えているが、ポートインジェクタ６８を省略することも可能である。

シリンダヘッド１２にはまた、燃焼室１９内の混合気に点火する点火プラグ２５が取り付けられている。点火プラグ２５は、エンジン１の排気側から斜め下向きに延びるように、シリンダヘッド１２内を貫通して配置されている。点火プラグ２５の先端は、燃焼室１９の中央部分に配置された直噴インジェクタ６７の先端近傍で、燃焼室１９内に臨んで配置されている。

エンジン１の一側面には、各気筒１８の吸気ポート１６に連通するように吸気通路３０が接続されている。一方、エンジン１の他側面には、各気筒１８の燃焼室１９からの既燃ガス（排気ガス）を排出する排気通路４０が接続されている。これら吸気通路３０及び排気通路４０には、詳しくは後述するが、吸入空気の過給を行うターボ過給機６１が配設されている。

吸気通路３０の上流端部には、吸入空気を濾過するエアクリーナ３１が配設されている。また、吸気通路３０における下流端近傍には、サージタンク３３が配設されている。このサージタンク３３よりも下流側の吸気通路３０は、各気筒１８毎に分岐する独立通路とされ、これら各独立通路の下流端が各気筒１８の吸気ポート１６にそれぞれ接続されている。

吸気通路３０におけるエアクリーナ３１とサージタンク３３との間には、ターボ過給機６１のコンプレッサ６１１と、コンプレッサ６１１により圧縮された空気を冷却するインタークーラ３４と、各気筒１８への吸入空気量を調節するスロットル弁３６とが配設されている。

排気通路４０の上流側の部分は、各気筒１８毎に分岐して排気ポート１７の外側端に接続された独立通路と該各独立通路が集合する集合部とを有する排気マニホールドによって構成されている。この排気通路４０における排気マニホールドよりも下流側には、ターボ過給機６１のタービン６１２が配設されていると共に、その下流には、排気ガス中の有害成分を浄化する排気浄化装置として、直キャタリスト４１とアンダーフットキャタリスト４２とがそれぞれ接続されている。直キャタリスト４１及びアンダーフットキャタリスト４２はそれぞれ、筒状ケースと、そのケース内の流路に配置した、例えば三元触媒とを備えて構成されている。後述するように、このエンジンシステムでは、少なくとも一部の運転領域において、作動ガス燃料比Ｇ／Ｆ≧３０、又は、空気燃料比Ａ／Ｆ≧３０に設定することでＲａｗＮＯｘの生成を抑制している。このことにより、このエンジンシステムでは、ＮＯｘ浄化触媒が不要なシステムに構成されている。

吸気通路３０におけるサージタンク３３とスロットル弁３６との間の部分と、排気通路４０におけるタービン６１２よりも上流側の部分とは、排気ガスの一部を吸気通路３０に還流するためのＥＧＲ通路５０を介して接続されている。このＥＧＲ通路５０は、排気ガスをエンジン冷却水によって冷却するためのＥＧＲクーラ５２が配設された主通路５１と、ＥＧＲクーラ５２をバイパスするためのＥＧＲクーラバイパス通路５３と、を含んで構成されている。主通路５１には、排気ガスの吸気通路３０への還流量を調整するためのＥＧＲ弁５１１が配設され、ＥＧＲクーラバイパス通路５３には、ＥＧＲクーラバイパス通路５３を流通する排気ガスの流量を調整するためのＥＧＲクーラバイパス弁５３１が配設されている。吸気通路３０におけるコンプレッサ６１１よりも下流側と、排気通路４０におけるタービン６１２よりも上流側とを連通させるＥＧＲ通路５０を含むＥＧＲシステムを、以下においては高圧ＥＧＲシステムと呼ぶ場合がある。

このエンジン１はまた、高圧ＥＧＲシステムとは別に、低圧ＥＧＲシステムを備えている。低圧ＥＧＲシステムは、排気通路４０におけるアンダーフットキャタリスト４２よりも下流側部分と吸気通路３０におけるターボ過給機６１のコンプレッサ６１１よりも上流側部分とを互いに接続するＬ／Ｐ（Low Pressure）ＥＧＲ通路５４と、このＬ／Ｐ ＥＧＲ通路５４上に介設されて、排気ガスの吸気通路３０への還流量を調整するためのＬ／Ｐ ＥＧＲ弁５４１とを含んで構成されている。

ターボ過給機６１は、吸気通路３０に配設されたコンプレッサ６１１と、排気通路４０に配設されたタービン６１２とを有している。コンプレッサ６１１は、吸気通路３０におけるエアクリーナ３１とインタークーラ３４との間に配設されている。一方、タービン６１２は、排気通路４０における排気マニホールドと直キャタリスト４１との間に配設されている。タービン６１２が排気ガス流により回転し、このタービン６１２の回転により、タービン６１２と連結されたコンプレッサ６１１が作動する。

排気通路４０には、タービン６１２をバイパスする排気バイパス通路４３が接続されている。排気バイパス通路４３には、排気バイパス通路４３へ流れる排気量を調整するためのウエストゲートバルブ４３１が配設されている。

このように構成されたエンジン１は、パワートレイン・コントロール・モジュール（以下、ＰＣＭという）１０によって制御される。ＰＣＭ１０は、ＣＰＵ、メモリ、カウンタタイマ群、インターフェース及びこれらのユニットを接続するパスを有するマイクロプロセッサで構成されている。このＰＣＭ１０が制御器を構成する。

ＰＣＭ１０には、図１，２に示すように、各種のセンサＳＷ１〜ＳＷ１６の検出信号が入力される。この各種のセンサには、次のセンサが含まれる。すなわち、エアクリーナ３１の下流側で、新気の流量を検出するエアフローセンサＳＷ１及び新気の温度を検出する吸気温度センサＳＷ２、インタークーラ３４の下流側に配置されかつ、インタークーラ３４を通過した後のガスの温度を検出する、第２吸気温度センサＳＷ３、ＥＧＲ通路５０における吸気通路３０との接続部近傍に配置されかつ、外部ＥＧＲガスの温度を検出するＥＧＲガス温センサＳＷ４、吸気ポート１６に取り付けられかつ、気筒１８内に流入する直前の吸気の温度を検出する吸気ポート温度センサＳＷ５、シリンダヘッド１２に取り付けられかつ、気筒１８内の圧力を検出する筒内圧センサＳＷ６、排気通路４０におけるＥＧＲ通路５０の接続部近傍に配置されかつ、それぞれ排気温度及び排気圧力を検出する排気温センサＳＷ７及び排気圧センサＳＷ８、直キャタリスト４１の上流側に配置されかつ、排気中の酸素濃度を検出するリニアＯ_２センサＳＷ９、直キャタリスト４１とアンダーフットキャタリスト４２との間に配置されかつ、排気中の酸素濃度を検出するラムダＯ_２センサＳＷ１０、エンジン冷却水の温度を検出する水温センサＳＷ１１、クランクシャフト１５の回転角を検出するクランク角センサＳＷ１２、車両のアクセルペダル（図示省略）の操作量に対応したアクセル開度を検出するアクセル開度センサＳＷ１３、吸気側及び排気側のカム角センサＳＷ１４，ＳＷ１５、及び、高圧燃料供給システム６２のコモンレール６４に取り付けられかつ、直噴インジェクタ６７に供給する燃料圧力を検出する燃圧センサＳＷ１６である。

ＰＣＭ１０は、これらの検出信号に基づいて種々の演算を行うことによってエンジン１や車両の状態を判定し、これに応じて直噴インジェクタ６７、ポートインジェクタ６８、点火プラグ２５、吸気弁側のＶＶＴ７２及びＣＶＶＬ７３、排気弁側のＶＶＬ７１、高圧燃料供給システム６２、並びに、各種の弁（スロットル弁３６、ＥＧＲ弁５１１、及びＥＧＲクーラバイパス弁５３１、Ｌ／Ｐ ＥＧＲ弁５４１、ウエストゲートバルブ４３１）のアクチュエータへ制御信号を出力する。こうしてＰＣＭ１０は、エンジン１を運転する。

図３は、エンジン１の運転領域の一例を示している。この運転領域は、エンジン暖機後の運転領域を示しており、このエンジン１は、ＲａｗＮＯｘの生成抑制と、低燃費との両立を図るために、一部の運転領域である第１及び第２領域では、作動ガス燃料比Ｇ／Ｆが３０以上に、又は、空気燃料比Ａ／Ｆが３０以上に設定されるリーンバーンエンジンである。一方、詳しくは後述するが、低速かつ高負荷の第３領域では、空気燃料比が理論空燃比に設定される。

また、このエンジン１は、燃費の向上や排気エミッションの向上を目的として、エンジン１の暖機後は、一部の運転領域、具体的には第１及び第２領域において、点火プラグ２５による点火を行わずに、圧縮自己着火によって燃焼を行う圧縮着火燃焼を行うように構成されている。しかしながら、圧縮着火燃焼は、例えばエンジン１の負荷が高いときには燃焼が急峻になりすぎてしまい、燃焼騒音等の問題を引き起こすことになる。そのため、このエンジン１では、エンジン負荷が相対的に高い第３領域では、点火プラグ２５を利用した火花点火燃焼を行う。尚、以下においては、圧縮着火燃焼を行うモードを、ＣＩ（Compression Ignition）モードと呼び、火花点火燃焼を行うモードをＳＩ（Spark Ignition）モードと呼ぶ場合がある。

第１領域は、図３に示すように、エンジン負荷が相対的に低い領域であり、特に高速側（エンジン回転数が所定回転数Ｎ１よりも高い側、但し、回転数Ｎ１はエンジン１の回転数領域についての、おおよそ中間に相当する）では、低負荷から高負荷までの全ての負荷領域に相当する。尚、正確には、中速領域の全開負荷付近は、後述する第２領域となる。第１領域はＣＩモードに設定される。ＣＩモードでは基本的に、例えば吸気行程乃至圧縮行程中の、比較的早いタイミングで、直噴インジェクタ６７又はポートインジェクタ６８が燃料を噴射することにより、比較的均質なリーン混合気を形成すると共に、その混合気を圧縮上死点付近において圧縮自己着火させる。

ＣＩモードである第１領域内の、相対的に負荷の低い領域では、気筒内温度を高めて圧縮着火燃焼を安定化させる観点から、内部ＥＧＲ制御が併用される。つまり、ＶＶＬ７１の制御によって、排気弁２２を吸気行程中に開弁する排気の二度開きを行い、そのことによって内部ＥＧＲガスを気筒１８内に導入する。一方、第１領域内の、相対的に負荷の高い領域では、エンジン負荷の増大に伴い、気筒内温度が高まり、圧縮着火燃焼が急峻になることから、内部ＥＧＲ制御を止めて、高圧ＥＧＲシステムや低圧ＥＧＲシステムにより、相対的に低温のＥＧＲガスを気筒１８内に導入する外部ＥＧＲ制御に切り替える。尚、一部の領域、例えば中負荷の領域では、内部ＥＧＲ制御と外部ＥＧＲ制御とを併用してもよい。また、第１領域内において、エンジン負荷が高い上に、エンジン冷却水温度または外気温度が高く、気筒内温度が高くなり過ぎる環境下にあっては、前記外部ＥＧＲ制御によっても急峻な圧縮着火燃焼が抑制し難い場合もあり、このようなエンジン運転状態のときは、火花点火燃焼による超リーン燃焼を実行するようにしても良い。

そうして、第１領域では、ターボ過給機６１による吸気の過給と共に、内部ＥＧＲ制御及び／又は外部ＥＧＲ制御の実行により、既燃ガスを気筒１８内に導入することによって、Ｇ／Ｆが３０以上の超リーンに設定する。超リーンな混合気は、ＲａｗＮＯｘの生成を抑制する上で有効であると共に、燃費の向上にも有利になる。既燃ガスを気筒１８内に導入することはまた、ポンピングロスの低減にも有利である。

第２領域は、図３に示すように、おおよそ低速側（エンジン回転数がＮ１以下の側）において、第１領域よりも負荷の高い領域である。但し、第２領域の一部は、エンジン回転数がＮ１よりも高い側になる。この第２領域も、第１領域と同様に、ＣＩモードに設定される。しかしながら、第２領域は、負荷が相対的に高いため燃料噴射量が増大する一方で、低速側であることから排気エネルギが低く、Ｇ／Ｆを３０以上に設定するには、ターボ過給機６１の過給能力が不足する。そこで、この第２領域では、第１領域で行っていた内部ＥＧＲ制御及び外部ＥＧＲ制御を共に、停止することによって、排気エネルギを高めるようにしている。

図４は、エンジン回転数と、ターボ過給機６１のコンプレッサ効率との関係の一例を示す図である。同図において実線は、外部ＥＧＲ制御を停止してＡ／Ｆ＝３０としたときの過給限界を示し、破線は、外部ＥＧＲ制御を実行してＧ／Ｆ＝３０としたときの過給限界を示している。この図によると、エンジン回転数が相対的に低回転のときには、外部ＥＧＲ制御を停止しているときの方が、外部ＥＧＲ制御を実行しているときよりもコンプレッサ効率が高まる。これは、外部ＥＧＲ制御を停止することによって、排気側で抜き取られる既燃ガスが無くなる分、ターボ過給機６１のタービン６１２に供給される排気エネルギが高まるためである。尚、エンジン回転数が相対的に高回転のときには、外部ＥＧＲ制御を実行しているときの方が、外部ＥＧＲ制御を停止しているときよりもコンプレッサ効率が高まる。

従って、低速かつ中負荷に相当する第２領域では、内部ＥＧＲ制御及び外部ＥＧＲ制御を共に停止して、ターボ過給機６１のコンプレッサ効率を高めることにより、所望のトルクを確保しつつ、Ａ／Ｆ≧３０を実現することが可能になる。その結果、この相対的に負荷の高い第２領域においても、ＲａｗＮＯｘの生成が抑制されると共に、低燃費が実現する。

第３領域は、図３に示すように、低速側において、第２領域よりも負荷の高い領域である。全開領域を含む第３領域では、所望のトルクを確保しつつ、Ｇ／Ｆ≧３０及びＡ／Ｆ≧３０にするだけのターボ過給機６１の過給能力が得られない。そのため、第３領域では、空気燃料比を理論空燃比（λ＝１）に設定する。

また、エンジン負荷が相対的に高くかつ、空気燃料比も理論空燃比に設定される第３領域では、圧縮着火燃焼が急峻な燃焼になってしまう。そこで、この第３領域は、第１及び第２領域とは異なり、ＳＩモードに設定される。ＳＩモードでは基本的に、例えば吸気行程乃至圧縮行程中に、直噴インジェクタ６７が気筒１８内に燃料を噴射することにより、均質乃至成層化した混合気を形成すると共に、圧縮上死点付近において点火を実行することによってその混合気に着火する。

第３領域ではさらに、ポンピングロスの低減や、過剰なエンジントルクの低減のために、高圧ＥＧＲシステム又は低圧ＥＧＲシステムによる既燃ガスの導入を行う。外部ＥＧＲ制御の実行はまた、比較的ノッキングが発生しやすい低速かつ高負荷の第３領域において、ノッキングの回避にも有利になる。

このように、このリーンバーンエンジン１では、エンジン回転数がＮ１以下の低速領域において、低負荷である第１領域では、ターボ過給機６１による吸気の過給と共に、内部ＥＧＲ制御及び／又は外部ＥＧＲ制御の実行により、既燃ガスを気筒１８内に導入することによって、Ｇ／Ｆを３０以上に設定している。これに対し、第１領域よりも負荷が高い、中負荷に相当する第２領域では、内部ＥＧＲ制御及び外部ＥＧＲ制御を共に停止することによって、ターボ過給機６１のコンプレッサ効率を高めて、所望のトルクを確保しつつも、Ａ／Ｆを３０以上に設定することを可能にしている。つまり、ＥＧＲ制御を行う場合はターボ過給機６１の過給限界は、第１領域と第２領域との境界になるものの、ＥＧＲ制御を停止することによってターボ過給機６１の過給限界を高負荷側に移動させ、そのことにより、第１領域だけでなく、第２領域もＲａｗＮＯｘの生成抑制及び低燃費に優れた超リーンの運転領域としている。

そうして、第２領域よりも負荷の高い、高負荷に相当する第３領域（但し、全開負荷を含む）では、空気燃料比を理論空燃比に設定すると共に、外部ＥＧＲ制御を行うことで、所望のトルクの確保とノッキング等の異常燃焼の回避とが可能になる。従って、第２領域と第３領域との境界は、ターボ過給機６１による過給限界によって定まることになる。

このように、低速かつ高負荷である第３領域においては、ターボ過給機６１による過給限界から、空気燃料比を理論空燃比に設定しているが、ターボ過給機６１に加えて補助過給機を備えるようにすれば、ターボ過給機６１の過給限界に制限されることなく、第３領域においてもＧ／Ｆ≧３０又はＡ／Ｆ≧３０の超リーンな運転を実現することが可能である。

例えば図５は、補助過給機の一例としての電動ブースト９１を備えたエンジンシステムの構成を概略的に示している。尚、図１のエンジンシステムにおける構成要素と対応する構成要素については、同じ符号を付す。このエンジンシステムでは、吸気通路３０における、ターボ過給機６１のコンプレッサ６１１よりも上流側に電動ブースト９１を配設している。電動ブースト９１とコンプレッサ６１１との間には、電動ブースト９１により圧縮されたガスを冷却する、第２のインタークーラ９２が介設されている。

電動ブースト９１を備えることによって、ターボ過給機６１の過給限界を超える負荷領域（第３領域）においても、電動ブースト９１を駆動することによって吸気の過給を行うことが可能になり、所望のトルクを確保しつつ、Ｇ／Ｆ≧３０又はＡ／Ｆ≧３０を実現することが可能になる。尚、第３領域において電動ブースト９１を駆動する場合、外部ＥＧＲ制御の実行及び非実行は、適宜設定すればよい。

ここで、図６は、エンジントルクと燃費率との関係を示している。同図において実線は、ターボ過給機６１による過給を行ってＡ／Ｆ＝３０とした場合の、エンジントルクと燃費率との関係を示している。前述の通り、ターボ過給機６１による過給でかつＡ／Ｆ＝３０とした場合、所定のトルクで過給限界となる。図６において、過給限界を示す縦の点線よりも左側は第２領域に対応し、右側は第３領域に対応する。これに対し、同図における一点鎖線は、空気燃料比を理論空燃比（λ＝１）としかつ、外部ＥＧＲ制御を行った場合のトルクと燃費率との関係である。従って、第２領域においては、ターボ過給機６１による過給かつＡ／Ｆ＝３０とし、第３領域において空気燃料比を理論空燃比（λ＝１）としかつ、外部ＥＧＲ制御を行った場合は、図６における実線から一点鎖線へと移行し、第３領域においては、燃費が若干悪化することになる。

これに対し、図６における破線は、実線で示すターボ過給機６１の特性線が延長されるように、高負荷側において電動ブースト９１を駆動することによりＡ／Ｆ＝３０を満足させたときのトルクと燃費率との関係を示している。つまり、第３領域において電動ブースト９１を利用することは、燃費の向上に有利である。

尚、ここでは補助過給機の一例として、電動ブースト９１を備えるようにしたが、例えばターボ過給機６１のシャフトに電動モータを取り付けた電動ターボ過給機を採用し、第３領域において、この電動モータを駆動するようにしてもよい。

また、前記の構成では、第３領域をＳＩモードとしているが、第３領域をＣＩモードとしてもよい。また、第２及び第３領域をＳＩモードとしてもよい。

１ エンジン（エンジン本体）
１０ ＰＣＭ（制御器）
１８ 気筒
２１ 吸気弁
２２ 排気弁
５０ ＥＧＲ通路（ＥＧＲ手段）
５４ Ｌ／Ｐ ＥＧＲ通路（ＥＧＲ手段）
５３１ ＥＧＲ弁（ＥＧＲ手段）
５４１ Ｌ／Ｐ ＥＧＲ弁（ＥＧＲ手段）
６１ ターボ過給機
６１１ タービン
６１２ コンプレッサ
７１ ＶＶＬ（ＥＧＲ手段）
９１ 電動ブースト（補助過給機）

Claims (5)

1. 理論空燃比よりもリーンな混合気で運転される運転領域を有するように構成されたエンジン本体と、
   前記エンジン本体の気筒内に導入するガスの過給を行うように構成された、排気エネルギにより駆動されるターボ過給機と、
   前記気筒内に既燃ガスを導入するように構成されたＥＧＲ手段と、
   前記エンジンの運転を制御するように構成された制御器と、を備え、
   前記ＥＧＲ手段は、排気通路に配設された前記ターボ過給機の上流と吸気通路とを連通する外部ＥＧＲシステムと、吸排気弁の作動制御を行うことにより既燃ガスを前記気筒内に導入する内部ＥＧＲシステムと、を含み、
   前記制御器は、前記エンジン本体が少なくとも暖機後でかつ、その運転状態が、所定回転数以下の低速領域にあるときにおいて、
   エンジン負荷が低負荷である第１負荷領域の低負荷側の領域にあるときには、前記ターボ過給機により過給を実行しかつ、前記内部ＥＧＲシステムにより前記気筒内に既燃ガスを導入すると共に、作動ガス燃料比Ｇ／Ｆを３０以上に設定し、
   前記エンジン負荷が前記第１負荷領域の、前記低負荷側の領域よりも負荷の高い高負荷側の領域にあるときには、前記ターボ過給機により過給を実行しかつ、前記内部ＥＧＲシステムを止めて前記外部ＥＧＲシステムにより前記気筒内に既燃ガスを導入すると共に、作動ガス燃料比Ｇ／Ｆを３０以上に設定し、
   前記エンジン負荷が前記第１負荷領域よりも高い第２負荷領域にあるときには、前記ターボ過給機により過給を実行しかつ、前記ＥＧＲ手段による既燃ガスの導入を停止すると共に、空気燃料比Ａ／Ｆを３０以上に設定し、
   前記エンジン負荷が前記第２負荷領域よりも高くかつ、全開負荷を含む第３負荷領域にあるときには、空気燃料比を理論空燃比に設定すると共に、前記外部ＥＧＲシステムによる既燃ガスの導入を行う過給機付リーンバーンエンジン。
2. 理論空燃比よりもリーンな混合気で運転される運転領域を有するように構成されたエンジン本体と、
   それぞれ前記エンジン本体の気筒内に導入するガスの過給を行うように構成された、排気エネルギにより駆動されるターボ過給機と、前記ターボ過給機とは異なる駆動源を有する補助過給機と、
   前記気筒内に既燃ガスを導入するように構成されたＥＧＲ手段と、
   前記エンジンの運転を制御するように構成された制御器と、を備え、
   前記ＥＧＲ手段は、排気通路に配設された前記ターボ過給機の上流と吸気通路とを連通する外部ＥＧＲシステムと、吸排気弁の作動制御を行うことにより既燃ガスを前記気筒内に導入する内部ＥＧＲシステムと、を含み、
   前記制御器は、前記エンジン本体が少なくとも暖機後でかつ、その運転状態が、所定回転数以下の低速領域にあるときにおいて、
   エンジン負荷が低負荷である第１負荷領域の低負荷側の領域にあるときには、前記ターボ過給機により過給を実行しかつ、前記内部ＥＧＲシステムにより前記気筒内に既燃ガスを導入すると共に、作動ガス燃料比Ｇ／Ｆを３０以上に設定し、
   前記エンジン負荷が前記第１負荷領域の、前記低負荷側の領域よりも負荷の高い高負荷側の領域にあるときには、前記ターボ過給機により過給を実行しかつ、前記外部ＥＧＲシステムにより前記気筒内に既燃ガスを導入すると共に、作動ガス燃料比Ｇ／Ｆを３０以上に設定し、
   前記エンジン負荷が前記第１負荷領域よりも高い第２負荷領域にあるときには、前記ターボ過給機により過給を実行しかつ、前記ＥＧＲ手段による既燃ガスの導入を停止すると共に、空気燃料比Ａ／Ｆを３０以上に設定し、
   前記エンジン負荷が前記第２負荷領域よりも高くかつ、全開負荷を含む第３負荷領域にあるときには、前記補助過給機を駆動することによって、前記Ｇ／Ｆを３０以上に、又は、前記Ａ／Ｆを３０以上に設定する過給機付リーンバーンエンジン。
3. 請求項１又は２に記載の過給機付リーンバーンエンジンにおいて、
   前記第２負荷領域と第３負荷領域との境界は、前記ターボ過給機の過給限界によって定まる過給機付リーンバーンエンジン。
4. 請求項２に記載の過給機付リーンバーンエンジンにおいて、
   前記補助過給機は、電動ブースト、又は、電動ターボ過給機である過給機付リーンバーンエンジン。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の過給機付リーンバーンエンジンにおいて、
   前記制御器は、少なくとも前記第１負荷領域及び第２負荷領域においては、圧縮着火燃焼を実行する過給機付リーンバーンエンジン。

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