JP5910423B2 - Spark ignition engine - Google Patents
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Description
ここに開示する技術は、火花点火式エンジンに関する。 The technology disclosed herein relates to a spark ignition engine.
例えば特許文献1に記載されているように、排気エミッション性能の向上と熱効率の向上とを両立させる技術として、気筒内の混合気を圧縮着火させる燃焼形態が知られている。このような圧縮着火燃焼を行うエンジンでは、エンジンの負荷が高くなるにつれて、圧縮着火燃焼は、圧力上昇の激しい燃焼となってしまい、燃焼騒音の増大を招く。そこで、特許文献1にも記載されているように、圧縮着火燃焼を行うエンジンであっても、高負荷側の運転領域では、圧縮着火燃焼ではなく、点火プラグの駆動による火花点火燃焼を行うことが一般的である。 For example, as described in Patent Document 1, a combustion mode in which an air-fuel mixture in a cylinder is ignited by compression is known as a technique for achieving both improvement in exhaust emission performance and improvement in thermal efficiency. In an engine that performs such compression ignition combustion, as the engine load increases, the compression ignition combustion becomes combustion with a sharp pressure rise, leading to an increase in combustion noise. Therefore, as described in Patent Document 1, even in an engine that performs compression ignition combustion, spark ignition combustion is performed not by compression ignition combustion but by driving an ignition plug in an operation region on the high load side. Is common.
特許文献2には、特許文献1のエンジンと同様に、低負荷低回転の領域において圧縮着火燃焼を行うエンジンにおいて、圧縮着火燃焼を行う領域内においては、吸排気弁の開弁期間の調整を行うことで高温の既燃ガスを気筒内に留め、気筒内の温度を高めて圧縮自己着火燃焼を促進する一方で、その圧縮着火燃焼を行う領域内における高負荷高回転の領域では、吸気弁の開弁時期を進めることで、気筒内の既燃ガスを吸気ポート側に一旦吹き戻した後に、新気と共に既燃ガスを再び気筒内に導入する技術が記載されている。こうすることで、既燃ガスの温度が新気によって低下するから、圧縮端温度圧力が高くなる相対的に高負荷高回転の領域において、圧縮着火燃焼による急激な圧力上昇が抑制される。 In Patent Document 2, as in the engine of Patent Document 1, in an engine that performs compression ignition combustion in a low load and low rotation region, adjustment of the valve opening period of the intake and exhaust valves is performed in the region where compression ignition combustion is performed. In this way, high-temperature burned gas is retained in the cylinder, and the temperature in the cylinder is increased to promote the compression self-ignition combustion. On the other hand, in the region where the compression ignition combustion is performed, the intake valve Is described in which the burned gas in the cylinder is once blown back to the intake port side by advancing the valve opening timing, and then the burned gas is again introduced into the cylinder together with fresh air. By so doing, the temperature of the burned gas is reduced by fresh air, so that a sudden increase in pressure due to compression ignition combustion is suppressed in a relatively high-load high-rotation region where the compression end temperature pressure becomes high.
ところで、火花点火燃焼は、熱効率が相対的に低いため燃焼ガス温度が高くなる。一方で、圧縮着火燃焼は、着火性の確保のために、前記の特許文献にも記載されているように、高温の既燃ガスを気筒内に導入することが行われる。そのため、特許文献に記載されているような燃焼形態を切り替えるエンジンにおいては、火花点火燃焼から圧縮着火燃焼へと切り替わった直後には、気筒内の温度雰囲気が比較的高くなっている上に、火花点火燃焼による高温の既燃ガスが気筒内に導入されるようになって、気筒内の温度が高くなりすぎることになる。このことは、気筒内の混合気が、例えば圧縮行程期間中に圧縮着火してしまうような過早着火を招き、気筒内の圧力上昇率(dP/dt)が急峻となって大きな燃焼騒音を招く虞がある。 By the way, since the spark ignition combustion has relatively low thermal efficiency, the combustion gas temperature becomes high. On the other hand, in compression ignition combustion, high temperature burned gas is introduced into a cylinder as described in the above-mentioned patent document in order to ensure ignitability. Therefore, in an engine that switches the combustion mode as described in the patent document, immediately after switching from spark ignition combustion to compression ignition combustion, the temperature atmosphere in the cylinder is relatively high, and the spark High-temperature burned gas by ignition combustion is introduced into the cylinder, and the temperature in the cylinder becomes too high. This leads to premature ignition such that the air-fuel mixture in the cylinder ignites, for example, during the compression stroke, and the pressure increase rate (dP / dt) in the cylinder becomes steep, resulting in large combustion noise. There is a risk of inviting.
尚、火花点火燃焼から圧縮着火燃焼への切り替えは、例えばエンジンの負荷の低下に伴う場合に限らず、エンジンの負荷が等負荷であっても切り替えられる場合があると共に、例えばエンジンの温度が冷間から温間へ上昇する際にも行われ得る。 Note that switching from spark ignition combustion to compression ignition combustion is not limited to when the engine load decreases, for example, and may be switched even if the engine load is equal, and for example, the engine temperature is reduced. It can also be done when rising from warm to warm.
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、火花点火燃焼から圧縮着火燃焼への切り替え時に、燃焼騒音が増大することを回避することにある。 The technology disclosed herein has been made in view of such a point, and an object thereof is to avoid an increase in combustion noise when switching from spark ignition combustion to compression ignition combustion.
ここに開示する技術は、火花点火燃焼から圧縮着火燃焼への切替時には、その切り替え直前の火花点火燃料による燃焼ガス温を低く抑えることにより、圧縮着火燃焼への切り替え直後の気筒内に導入される排気ガス温度を低くして、当該気筒内の温度状態を低くすることにより、混合気の過早着火を回避して燃焼騒音の発生を回避するようにした。 The technology disclosed herein is introduced into a cylinder immediately after switching to compression ignition combustion by suppressing the combustion gas temperature by the spark ignition fuel immediately before the switching when switching from spark ignition combustion to compression ignition combustion. The exhaust gas temperature is lowered to lower the temperature state in the cylinder, thereby avoiding premature ignition of the air-fuel mixture and avoiding combustion noise.
具体的に、ここに開示する技術は、火花点火式エンジンに係り、気筒を有するエンジン本体と、前記気筒内に臨んで配設されかつ、前記気筒内の混合気に点火をするように構成された点火プラグと、排気ガスを前記気筒内に導入するように構成された排気還流手段と、少なくとも前記点火プラグ及び前記排気還流手段を制御することによって、前記エンジン本体を運転するように構成された制御器と、を備える。 Specifically, the technology disclosed herein relates to a spark ignition engine, and is configured to be disposed facing an engine body having a cylinder and the cylinder, and to ignite an air-fuel mixture in the cylinder. A spark plug, an exhaust gas recirculation means configured to introduce exhaust gas into the cylinder, and at least the spark plug and the exhaust gas recirculation means are controlled to operate the engine body. And a controller.
前記制御器は、前記気筒内の混合気を自着火により燃焼させる圧縮着火燃焼を行って前記エンジン本体を運転する圧縮着火モードと、前記点火プラグの駆動により前記気筒内の混合気に点火をして燃焼させる火花点火燃焼を行って前記エンジン本体を運転する火花点火モードと、を切り替えるよう構成されると共に、少なくとも前記圧縮着火モードでは、前記排気還流手段の制御を通じて前記排気ガスを前記気筒内に導入し、前記制御器はまた、前記火花点火モードから前記圧縮着火モードへ切り替える際に、モード切り替え前の火花点火燃焼時の燃焼ガス温度よりも低温の燃焼ガス温度となる過渡燃焼モードを行った後に、圧縮着火モードに切り替える。 The controller performs compression ignition combustion in which the air-fuel mixture in the cylinder is combusted by self-ignition and operates the engine body, and ignites the air-fuel mixture in the cylinder by driving the spark plug. A spark ignition mode in which the engine body is operated by performing spark ignition combustion, and at least in the compression ignition mode, the exhaust gas is introduced into the cylinder through control of the exhaust gas recirculation means. Introducing the controller, when switching from the spark ignition mode to the compression ignition mode, performed a transient combustion mode in which the combustion gas temperature is lower than the combustion gas temperature at the time of spark ignition combustion before the mode switching Later, switch to compression ignition mode.
この構成によると、火花点火モードから圧縮着火モードへの切替時には、そのモード切り替え前の火花点火燃焼時の燃焼ガス温度よりも低温の燃焼ガス温度となる過渡燃焼モードを行う。これによって、過渡燃焼モードを行った後に、燃焼モードを圧縮着火モードに切り替えれば、過渡燃焼モードによる相対的に温度の低い排気ガスが、気筒内に導入されると共に、過渡燃焼モードによって気筒内の温度状態も低くなり得る。つまり、圧縮着火モードに切り替わった直後の気筒内の温度状態が低くなるから、気筒内の燃料が高い温度雰囲気に曝されることで過早着火してしまうようなことが回避され、所定のタイミングで圧縮着火するようになる。こうして、圧力上昇が急峻になることが回避され、それに伴い、燃焼騒音が増大してしまうことも回避される。 According to this configuration, when switching from the spark ignition mode to the compression ignition mode, the transient combustion mode in which the combustion gas temperature is lower than the combustion gas temperature during the spark ignition combustion before the mode switching is performed. As a result, if the combustion mode is switched to the compression ignition mode after the transient combustion mode is performed, the exhaust gas having a relatively low temperature due to the transient combustion mode is introduced into the cylinder, and in the cylinder by the transient combustion mode. Temperature conditions can also be lowered. In other words, since the temperature state in the cylinder immediately after switching to the compression ignition mode becomes low, it is avoided that the fuel in the cylinder is ignited prematurely by being exposed to a high temperature atmosphere. Compressive ignition will start. In this way, it is avoided that the pressure rise is steep, and accordingly, it is also possible to avoid an increase in combustion noise.
前記制御器は、前記過渡燃焼モード時には、作動ガス燃料比G/F、又は、空気燃料比A/Fを、モード切り替え前の火花点火燃焼時における作動ガス燃料比G/F、又は、空気燃料比A/Fよりもリーンに設定する。A/Fリーン又はG/Fリーンとすることで、燃料に対するガス量が増えるから、燃焼ガス温度が低下する。
In the transient combustion mode, the controller sets the working gas fuel ratio G / F or the air fuel ratio A / F to the working gas fuel ratio G / F or the air fuel at the time of spark ignition combustion before the mode switching. When set to leaner than the ratio A / F. By using A / F lean or G / F lean, the amount of gas with respect to fuel increases, so the combustion gas temperature decreases.
前記制御器は、前記過渡燃焼モード時には、新気量を増大することによって、作動ガス燃料比G/F、又は、空気燃料比A/Fをリーンに設定する。
相対的に低温の新気量を増大させることは、気筒内の温度を低下させるから、過渡燃焼モード時における燃焼ガス温をさらに低下させる上で有利になる。このことは、火花点火モードから圧縮着火モードへの切り替え直後の気筒内の温度状態をさらに低下させ、過早着火を回避する上で有利になる。
Wherein the controller, wherein the transient combustion mode, by increasing the fresh air amount, the working gas fuel ratio G / F, or, to set the air fuel ratio A / F lean.
Increasing the amount of fresh air at a relatively low temperature lowers the temperature in the cylinder, which is advantageous for further reducing the combustion gas temperature in the transient combustion mode. This is advantageous in further reducing the temperature state in the cylinder immediately after switching from the spark ignition mode to the compression ignition mode and avoiding premature ignition.
前記制御器は、前記過渡燃焼モード時には、前記排気還流手段の制御を通じた前記排気ガスの前記気筒内への導入を禁止しかつ、前記圧縮着火モードに切り替えた後に、前記排気還流手段の制御を通じて前記排気ガスを前記気筒内に導入する。In the transient combustion mode, the controller prohibits the introduction of the exhaust gas into the cylinder through the control of the exhaust gas recirculation means, and switches to the compression ignition mode, and then controls the exhaust gas recirculation means. The exhaust gas is introduced into the cylinder.
前記排気還流手段は、冷却した前記排気ガスを前記気筒内に導入可能に構成され、前記制御器は、前記過渡燃焼モード時には、前記気筒内に導入する冷却した排気ガス量を増大することによって、作動ガス燃料比G/Fをリーンに設定する、としてもよい。 The exhaust gas recirculation means is configured to be able to introduce the cooled exhaust gas into the cylinder, and the controller increases the amount of cooled exhaust gas introduced into the cylinder during the transient combustion mode, The working gas fuel ratio G / F may be set to lean.
前記と同様に、比較的温度が低い冷却した排気ガスの導入量を増大させることは、気筒内の温度を低下させると共に、過渡燃焼モード時における燃焼ガス温を、さらに低下させる。その結果、火花点火モードから圧縮着火モードへの切り替え直後の気筒内の温度状態がさらに低下し、過早着火の回避に有利になる。 Similarly to the above, increasing the introduction amount of the cooled exhaust gas having a relatively low temperature lowers the temperature in the cylinder and further lowers the combustion gas temperature in the transient combustion mode. As a result, the temperature state in the cylinder immediately after switching from the spark ignition mode to the compression ignition mode is further lowered, which is advantageous for avoiding premature ignition.
前記制御器は、前記エンジン本体の運転状態が所定の低負荷領域にあるときに、前記圧縮着火モードで前記エンジン本体を運転すると共に、前記エンジン本体の運転状態が前記所定の低負荷領域よりも負荷の高い高負荷領域にあるときに、前記火花点火モードで前記エンジン本体を運転し、前記制御器はまた、前記エンジン本体の負荷が低下して前記高負荷領域から前記低負荷領域へ移行する際に、前記過渡燃焼モードを実行する、としてもよい。 The controller operates the engine body in the compression ignition mode when the operating state of the engine body is in a predetermined low load region, and the operating state of the engine body is lower than the predetermined low load region. The engine body is operated in the spark ignition mode when the load is in a high load area where the load is high, and the controller also shifts from the high load area to the low load area as the load of the engine body decreases. At this time, the transient combustion mode may be executed.
エンジン本体の運転状態が高負荷領域にあるときの火花点火モードでは、燃料噴射量が相対的に多くなるため、燃焼ガス温がより一層高くなっている。このため、エンジン本体の負荷が低下して高負荷領域から低負荷領域へ移行するに伴い、火花点火モードから圧縮着火モードへ切り替わる際には、その切り替え直後に、気筒内の高温の雰囲気による過早着火が、より生じ易くなる。そこで、高負荷領域から低負荷領域へ移行する際の、火花点火モードから圧縮着火モードへの切り替え直前に過渡燃焼モードを実行することは、前述したように、燃料モードの切り替え直後における過早着火を回避し燃焼騒音の増大を確実に回避する上で有利になる。つまり、過渡燃焼モードは、高負荷領域から低負荷領域へ移行することに伴う、火花点火モードから圧縮着火モードへの切り替え時に特に有効である。 In the spark ignition mode when the operating state of the engine body is in the high load region, the fuel injection amount is relatively large, so the combustion gas temperature is even higher. For this reason, when switching from the spark ignition mode to the compression ignition mode as the load of the engine main body decreases and shifts from the high load region to the low load region, immediately after the switching, an excess due to the high temperature atmosphere in the cylinder is caused. Early ignition is more likely to occur. Therefore, when the transition from the high load region to the low load region is performed, the transient combustion mode is executed immediately before switching from the spark ignition mode to the compression ignition mode. This is advantageous in avoiding an increase in combustion noise. That is, the transient combustion mode is particularly effective at the time of switching from the spark ignition mode to the compression ignition mode accompanying the transition from the high load region to the low load region.
以上説明したように、この火花点火式エンジンは、火花点火モードから圧縮着火モードへ切り替える直前に、火花点火燃焼時の燃焼ガス温度よりも低温の燃焼ガス温度となる過渡燃焼モードを行うことで、圧縮着火モードに切り替えた直後の気筒内の温度状態を低くすることができるから、過早着火を回避して燃焼騒音の増大を回避することが可能になる。 As described above, this spark ignition engine performs a transient combustion mode in which the combustion gas temperature is lower than the combustion gas temperature at the time of spark ignition combustion immediately before switching from the spark ignition mode to the compression ignition mode. Since the temperature state in the cylinder immediately after switching to the compression ignition mode can be lowered, it is possible to avoid premature ignition and avoid an increase in combustion noise.
以下、火花点火式直噴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が設けられたシリンダブロック11(尚、図1では、1つの気筒のみを図示するが、例えば4つの気筒が直列に設けられる)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、潤滑油が貯留されたオイルパン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、図3に拡大して示すように、ディーゼルエンジンでのリエントラント型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。
Hereinafter, an embodiment of a spark ignition direct injection engine will be described with reference to the drawings. The following description of preferred embodiments is exemplary. 1 and 2 show a schematic configuration of an engine (engine body) 1. The engine 1 is a spark ignition gasoline engine that is mounted on a vehicle and supplied with fuel containing at least gasoline. The engine 1 includes a
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、15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15以上20以下程度の範囲で、適宜設定すればよい。 The engine 1 is set to a relatively high geometric compression ratio of 15 or more for the purpose of improving the theoretical thermal efficiency and stabilizing the compression ignition combustion described later. In addition, what is necessary is just to set a geometric compression ratio suitably in the range of about 15-20.
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。
The
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2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。以下の説明においては、VVL71を通常モードで作動させ、排気二度開きを行わないことを、「VVL71をオフにする」といい、VVL71を特殊モードで作動させ、排気二度開きを行うことを、「VVL71をオンにする」という場合がある。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。
Among the valve systems that drive the intake valve 21 and the
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。
As shown in FIG. 2, the exhaust side valve system having the
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インジェクタ67が取り付けられている。インジェクタ67は、図3に拡大して示すように、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。インジェクタ67は、エンジン1の運転状態に応じて設定され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、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、インジェクタ67は、燃料噴霧が、燃焼室19の中心位置から放射状に広がるように、燃料を噴射する。図3に矢印で示すように、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。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、混合気形成期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、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採用してもよい。
In addition, an
図外の燃料タンクとインジェクタ67との間は、燃料供給経路によって互いに連結されている。この燃料供給経路上には、燃料ポンプ63とコモンレール64とを含みかつ、インジェクタ67に、比較的高い燃料圧力で燃料を供給することが可能な燃料供給システム62が介設されている。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、比較的高い燃料圧力で蓄えることが可能である。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インジェクタ67の噴口から噴射される。ここで、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、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燃料供給システム62は、30MPa以上の高い燃料圧力の燃料を、インジェクタ67に供給することを可能にする。燃料圧力は、最大で120MPa程度に設定してもよい。インジェクタ67に供給される燃料の圧力は、後述するように、エンジン1の運転状態に応じて変更される。尚、燃料供給システム62は、この構成に限定されるものではない。
A fuel tank (not shown) and the
シリンダヘッド12にはまた、図3に示すように、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、この例では、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。図3に示すように、点火プラグ25の先端は、圧縮上死点に位置するピストン14のキャビティ141内に臨んで配置される。
As shown in FIG. 3, a
エンジン1の一側面には、図1に示すように、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。
As shown in FIG. 1, an
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。
An
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、空気を冷却又は加熱する、水冷式のインタークーラ/ウォーマ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。吸気通路30にはまた、インタークーラ/ウォーマ34をバイパスするインタークーラバイパス通路35が接続されており、このインタークーラバイパス通路35には、当該通路35を通過する空気流量を調整するためのインタークーラバイパス弁351が配設されている。インタークーラバイパス弁351の開度調整を通じて、インタークーラバイパス通路35の通過流量とインタークーラ/ウォーマ34の通過流量との割合を調整することにより、気筒18に導入する新気の温度を調整することが可能である。
Between the
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、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。
The upstream portion of the
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における直キャタリスト41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。
A portion between the
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。
The engine 1 configured as described above is controlled by a powertrain control module (hereinafter referred to as PCM) 10. The
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/ウォーマ34の下流側に配置されかつ、インタークーラ/ウォーマ34を通過した後の新気の温度を検出する、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O2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O2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、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、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。
As shown in FIGS. 1 and 2, detection signals from various sensors SW <b> 1 to SW <b> 16 are input to the
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、これに応じてインジェクタ67、点火プラグ25、吸気弁側のVVT72及びCVVL73、排気弁側のVVL71、燃料供給システム62、並びに、各種の弁(スロットル弁36、インタークーラバイパス弁351、EGR弁511、及びEGRクーラバイパス弁531)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。
The
図4は、エンジン1の温間時における運転領域の一例を示している。このエンジン1は、燃費の向上や排気エミッション性能の向上を目的として、エンジン負荷が相対的に低い低負荷域では、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。しかしながら、エンジン1の負荷が高くなるに従って、圧縮着火燃焼では、燃焼が急峻になりすぎてしまい、例えば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高負荷域では、圧縮着火燃焼を止めて、点火プラグ25を利用した火花点火燃焼に切り替える。このように、このエンジン1は、エンジン1の運転状態、特にエンジン1の負荷に応じて、圧縮着火燃焼を行うCI(Compression Ignition)モードと、火花点火燃焼を行うSI(Spark Ignition)モードとを切り替えるように構成されている。但し、モード切り替えの境界線は、図例に限定されるものではない。
FIG. 4 shows an example of the operation region when the engine 1 is warm. This engine 1 is a compression ignition combustion in which combustion is performed by compression self-ignition without ignition by the
CIモードはさらに、エンジン負荷の高低に応じて3つの領域に分けられている。具体的に、CIモードにおいて負荷が最も低い領域(1)では、圧縮着火燃焼の着火性及び安定性を高めるために、相対的に温度の高いホットEGRガスを気筒18内に導入する。これは、VVL71をオンにして、排気弁22を吸気行程中に開弁する排気の二度開きを行うことによる。ホットEGRガスの導入は、気筒18内の圧縮端温度を高め、軽負荷である領域(1)において、圧縮着火燃焼の着火性及び安定性を高める上で有利になる。領域(1)ではまた、図5(a)に示すように、少なくとも吸気行程から圧縮行程中期までの期間内において、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、均質なリーン混合気を形成する。混合気の空気過剰率λは、例えば2.4以上に設定してもよく、こうすることで、RawNOxの生成を抑制して、排気エミッション性能を高めることが可能になる。そうして、そのリーン混合気は、図5(a)に示すように、圧縮上死点付近において圧縮自己着火する。
The CI mode is further divided into three areas according to the engine load. Specifically, in the region (1) where the load is the lowest in the CI mode, hot EGR gas having a relatively high temperature is introduced into the
領域(1)における負荷の高い領域、具体的には、領域(1)と領域(2)との境界を含む領域では、少なくとも吸気行程から圧縮行程中期までの期間内において、気筒18内に燃料を噴射するものの、混合気の空燃比を理論空燃比(λ≒1)に設定する。理論空燃比にすることにより、三元触媒が利用可能になると共に、後述の通り、SIモードにおいても混合気の空燃比を理論空燃比にすることから、SIモードとCIモードとの間の切り替え時の制御が簡素化し、さらに、CIモードを高負荷側へ拡大可能にすることにも寄与する。
In the region with a high load in the region (1), specifically in the region including the boundary between the region (1) and the region (2), the fuel in the
CIモードにおいて、領域(1)よりも負荷の高い領域(2)では、領域(1)の高負荷側と同様に、少なくとも吸気行程から圧縮行程中期までの期間内において、気筒18内に燃料を噴射し(図5(a)参照)、均質な理論空燃比(λ≒1)の混合気を形成する。
In the CI mode, in the region (2) where the load is higher than that in the region (1), as in the high load side of the region (1), at least in the period from the intake stroke to the middle of the compression stroke, fuel is injected into the
領域(2)ではまた、エンジン負荷の上昇に伴い気筒18内の温度が自然と高まることから、過早着火を回避するためにホットEGRガス量を低下させる。これは、気筒18内に導入する内部EGRガス量の調整による。また、EGRクーラ52をバイパスした外部EGRガス量を調整することによって、ホットEGRガス量が調整されることもある。
In the region (2), the temperature in the
領域(2)ではさらに、相対的に温度の低いクールドEGRガスを気筒18内に導入する。こうして高温のホットEGRガスと低温のクールドEGRガスとを適宜の割合で気筒18内に導入することにより、気筒18内の圧縮端温度を適切にし、圧縮着火の着火性を確保しつつも急激な燃焼を回避して、圧縮着火燃焼の安定化を図る。尚、ホットEGRガス及びクールドEGRガスを合わせた、気筒18内に導入されるEGRガスの割合としてのEGR率は、混合気の空燃比をλ≒1に設定する条件下で可能な限り高いEGR率に設定される。従って、領域(2)においては、エンジン負荷の増大に伴い燃料噴射量が増大するから、EGR率は次第に低下するようになる。
In the region (2), a cooled EGR gas having a relatively low temperature is further introduced into the
CIモードとSIモードとの切り替え境界線を含む、CIモードにおいて最も負荷の高い領域(3)では、気筒18内の圧縮端温度がさらに高くなるため、領域(1)や領域(2)のように、吸気行程から圧縮行程中期までの期間内で気筒18内に燃料を噴射してしまうと、過早着火等の異常燃焼が生じるようになる。一方、温度の低いクールドEGRガスを大量に導入して気筒内の圧縮端温度を低下させようとすると、今度は、圧縮着火の着火性が悪化してしまう。つまり、気筒18内の温度制御だけでは、圧縮着火燃焼を安定して行い得ないため、この領域(3)では、気筒18内の温度制御に加えて、燃料噴射形態を工夫することによって過早着火等の異常燃焼を回避しつつ、圧縮着火燃焼の安定化を図る。具体的に、この燃料噴射形態は、従来と比較して大幅に高圧化した燃料圧力でもって、図5(b)に示すように、少なくとも圧縮行程後期から膨張行程初期までの期間(以下、この期間をリタード期間と呼ぶ)内で、気筒18内に燃料噴射を実行するものである。この特徴的な燃料噴射形態を、以下においては「高圧リタード噴射」又は単に「リタード噴射」と呼ぶ。このような高圧リタード噴射により、領域(3)での異常燃焼を回避しつつ、圧縮着火燃焼の安定化が図られる。この高圧リタード噴射に詳細については、後述する。
In the region (3) where the load is highest in the CI mode, including the boundary line between the CI mode and the SI mode, the compression end temperature in the
領域(3)では、領域(2)と同様に、高温のホットEGRガスと低温のクールドEGRガスとを適宜の割合で気筒18内に導入する。このことにより、気筒18内の圧縮端温度を適切にして圧縮着火燃焼の安定化を図る。
In the region (3), similarly to the region (2), high-temperature hot EGR gas and low-temperature cooled EGR gas are introduced into the
エンジン負荷の高低に応じて3つの領域に分けられたCIモードに対して、SIモードは、エンジン回転数の高低に応じて、領域(4)と領域(5)との2つの領域に分けられている。領域(4)は、図例においては、エンジン1の運転領域を低速、高速の2つに区分したときの低速域に相当し、領域(5)は高速域に相当する。領域(4)と領域(5)との境界はまた、図4に示す運転領域において、負荷の高低に対して回転数方向に傾いているが、領域(4)と領域(5)との境界は図例に限定されるものではない。 In contrast to the CI mode divided into three regions according to the engine load, the SI mode is divided into two regions, region (4) and region (5), according to the engine speed. ing. The region (4) corresponds to a low speed region when the operation region of the engine 1 is divided into a low speed and a high speed in the illustrated example, and the region (5) corresponds to a high speed region. The boundary between the region (4) and the region (5) is also inclined in the rotational speed direction with respect to the load level in the operation region shown in FIG. 4, but the boundary between the region (4) and the region (5) Is not limited to the illustrated example.
領域(4)及び領域(5)のそれぞれにおいて、混合気は、領域(2)及び領域(3)と同等に、理論空燃比(λ≒1)に設定される。従って、混合気の空燃比は、CIモードとSIモードとの境界を跨って理論空燃比(λ≒1)で一定にされる。これは、三元触媒の利用を可能にする。また、領域(4)及び領域(5)では、基本的にはスロットル弁36を全開にする一方で、EGR弁511の開度調整により、気筒18内に導入する新気量及び外部EGRガス量を調整する。こうして気筒18内に導入するガス割合を調整することは、ポンプ損失の低減と共に、大量のEGRガスを気筒18内に導入することにより、火花点火燃焼の燃焼温度が低く抑えられ冷却損失の低減も図られる。領域(4)及び領域(5)では、主にEGRクーラ52を通じて冷却した外部EGRガスを、気筒18に導入する。このことによって、異常燃焼の回避に有利になると共に、Raw NOxの生成を抑制するという利点もある。尚、全開負荷域では、EGR弁511を閉弁することにより、外部EGRをゼロにする。
In each of the region (4) and the region (5), the air-fuel mixture is set to the stoichiometric air-fuel ratio (λ≈1) as in the regions (2) and (3). Therefore, the air-fuel ratio of the air-fuel mixture is made constant at the theoretical air-fuel ratio (λ≈1) across the boundary between the CI mode and the SI mode. This allows the use of a three-way catalyst. In the region (4) and the region (5), the
尚、領域(4)及び領域(5)では、EGRガスを導入するのではなく、その導入を中止する一方で、噴射される燃料量に応じてスロットル弁36の開度を制御することにより、理論空燃比(λ≒1)となるよう、気筒18内に導入する新気量を調整してもよい。
In the regions (4) and (5), the introduction of EGR gas is not introduced, but the introduction is stopped, while the opening of the
このエンジン1の幾何学的圧縮比は、前述の通り、15以上(例えば18)に設定されている。高い圧縮比は、圧縮端温度及び圧縮端圧力を高くするため、CIモードの、特に低負荷の領域(例えば領域(1))では、圧縮着火燃焼の安定化に有利になる。一方で、この高圧縮比エンジン1は、高負荷域であるSIモードにおいては、過早着火やノッキングといった異常燃焼が生じやすくなるという問題がある。 As described above, the geometric compression ratio of the engine 1 is set to 15 or more (for example, 18). Since the high compression ratio increases the compression end temperature and the compression end pressure, it is advantageous for stabilizing the compression ignition combustion in the CI mode, particularly in a low load region (for example, the region (1)). On the other hand, the high compression ratio engine 1 has a problem that abnormal combustion such as pre-ignition and knocking is likely to occur in the SI mode which is a high load region.
そこでこのエンジン1では、SIモードの領域(4)や領域(5)においては、前述した高圧リタード噴射を行うことにより、異常燃焼を回避するようにしている。より詳細には、領域(4)においては、30MPa以上の高い燃料圧力でもって、図5(c)に示すように、圧縮行程後期から膨張行程初期にかけてリタード期間内で、気筒18内に燃料噴射を実行する高圧リタード噴射のみを行う。これに対し、領域(5)においては、図5(d)に示すように、噴射する燃料の一部を、吸気弁21が開弁している吸気行程期間内で気筒18内に噴射すると共に、残りの燃料をリタード期間内で気筒18内に噴射する。つまり、領域(5)では、燃料の分割噴射を行う。ここで、吸気弁21が開弁している吸気行程期間とは、ピストン位置に基づいて定義した期間ではなく、吸気弁の開閉に基づいて定義した期間であり、ここで言う吸気行程は、CVVL73やVVT72によって変更される吸気弁21の閉弁時期によって、ピストンが吸気下死点に到達した時点に対しずれる場合がある。
Therefore, in the engine 1, in the region (4) and the region (5) of the SI mode, abnormal combustion is avoided by performing the above-described high-pressure retarded injection. More specifically, in the region (4), fuel is injected into the
次に、図6を参照しながら、SIモードにおける高圧リタード噴射について説明する。図6は、前述した高圧リタード噴射によるSI燃焼(実線)と、吸気行程中に燃料噴射を実行する従来のSI燃焼(破線)とにおける、熱発生率(上図)及び未燃混合気反応進行度(下図)の違いを比較する図である。図6の横軸はクランク角である。この比較の前提として、エンジン1の運転状態は共に高負荷の低速域(つまり、領域(4))であり、噴射する燃料量は、高圧リタード噴射によるSI燃焼と従来のSI燃焼との場合で互いに同じである。 Next, the high pressure retarded injection in the SI mode will be described with reference to FIG. FIG. 6 shows the heat generation rate (upper diagram) and the progress of the unburned mixture reaction in the SI combustion (solid line) by the high pressure retarded injection described above and the conventional SI combustion (broken line) in which fuel injection is performed during the intake stroke. It is a figure which compares the difference in a degree (lower figure). The horizontal axis in FIG. 6 is the crank angle. As a precondition for this comparison, the operating state of the engine 1 is both a high-load low-speed region (that is, region (4)), and the amount of fuel to be injected is the case of SI combustion by high-pressure retarded injection and conventional SI combustion. They are the same as each other.
先ず、従来のSI燃焼では、吸気行程中に気筒18内に所定量の燃料噴射を実行する(上図の破線)。気筒18内では、その燃料の噴射後、ピストン14が圧縮上死点に至るまでの間に、比較的均質な混合気が形成される。そして、この例では、圧縮上死点以降の、白丸で示す所定タイミングで点火が実行され、それによって燃焼が開始する。燃焼の開始後は、図6の上図に破線で示すように、熱発生率のピークを経て燃焼が終了する。燃料噴射の開始から燃焼の終了までの間が未燃混合気の反応可能時間(以下、単に反応可能時間という場合がある)に相当し、図6の下図に破線で示すように、この間に未燃混合気の反応は次第に進行する。同図における点線は、未燃混合気が着火に至る反応度である、着火しきい値を示しており、従来のSI燃焼は、低速域であることと相俟って、反応可能時間が非常に長く、その間、未燃混合気の反応が進行し続けてしまうことから、点火の前後に未燃混合気の反応度が着火しきい値を超えてしまい、過早着火又はノッキングといった異常燃焼を引き起こす。
First, in the conventional SI combustion, a predetermined amount of fuel is injected into the
これに対し、高圧リタード噴射は反応可能時間の短縮を図り、そのことによって異常燃焼を回避することを目的とする。すなわち、反応可能時間は、図6にも示しているように、インジェクタ67が燃料を噴射する期間((1)噴射期間)と、噴射終了後、点火プラグ25の周りに可燃混合気が形成されるまでの期間((2)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((3)燃焼期間)と、を足し合わせた時間、つまり、(1)+(2)+(3)である。高圧リタード噴射は、噴射期間、混合気形成期間及び燃焼期間をそれぞれ短縮し、それによって、反応可能時間を短くする。このことについて、順に説明する。
On the other hand, the high pressure retarded injection aims to shorten the reaction possible time, thereby avoiding abnormal combustion. That is, as shown in FIG. 6, the possible reaction time is a period during which the
先ず、高い燃料圧力は、単位時間当たりにインジェクタ67から噴射される燃料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、燃料圧力と燃料の噴射期間との関係は概ね、燃料圧力が低いほど噴射期間は長くなり、燃料圧力が高いほど噴射期間は短くなる。従って、燃料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、噴射期間を短縮する。
First, the high fuel pressure relatively increases the amount of fuel injected from the
また、高い燃料圧力は、気筒18内に噴射する燃料噴霧の微粒化に有利になると共に、燃料噴霧の飛翔距離を、より長くする。このため、燃料圧力と燃料蒸発時間との関係は概ね、燃料圧力が低いほど燃料蒸発時間は長くなり、燃料圧力が高いほど燃料蒸発時間は短くなる。また、燃料圧力と点火プラグ25の周りに燃料噴霧が到達するまでの時間は概ね、燃料圧力が低いほど到達までの時間は長くなり、燃料圧力が高いほど到達までの時間は短くなる。混合気形成期間は、燃料蒸発時間と、点火プラグ25の周りへの燃料噴霧到達時間とを足し合わせた時間であるから、燃料圧力が高いほど混合気形成期間は短くなる。従って、燃料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、燃料蒸発時間及び点火プラグ25の周りへの燃料噴霧到達時間がそれぞれ短くなる結果、混合気形成期間を短縮する。これに対し、同図に白丸で示すように、従来の、低い燃料圧力での吸気行程噴射は、混合気形成期間が大幅に長くなる。尚、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、SIモードにおいては、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結果、混合気形成期間の短縮に有効である。
Further, the high fuel pressure is advantageous for atomization of the fuel spray injected into the
このように、噴射期間及び混合気形成期間を短縮することは、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、比較的遅いタイミングにすることを可能にする。そこで、高圧リタード噴射では、図6の上図に示すように、圧縮行程後期から膨張行程初期にかけてのリタード期間内に燃料噴射を行う。高い燃料圧力で気筒18内に燃料を噴射することに伴い、その気筒内の乱れが強くなり、気筒18内の乱れエネルギが高まるが、この高い乱れエネルギは、燃料噴射のタイミングが比較的遅いタイミングに設定されることと相俟って、燃焼期間の短縮に有利になる。
Thus, shortening the injection period and the mixture formation period makes it possible to set the fuel injection timing, more precisely, the injection start timing to a relatively late timing. Therefore, in the high pressure retarded injection, as shown in the upper diagram of FIG. 6, fuel injection is performed within the retard period from the latter stage of the compression stroke to the early stage of the expansion stroke. As the fuel is injected into the
すなわち、燃料噴射をリタード期間内に行った場合、燃料圧力と燃焼期間内での乱流エネルギとの関係は概ね、燃料圧力が低いほど乱流エネルギが低くなり、燃料圧力が高いほど乱流エネルギは高くなる。ここで、仮に高い燃料圧力で気筒18内に燃料を噴射するとしても、その噴射タイミングが吸気行程中にある場合は、点火タイミングまでの時間が長いことや、吸気行程後の圧縮行程において気筒18内が圧縮されることに起因して、気筒18内の乱れは減衰してしまう。その結果、吸気行程中に燃料噴射を行った場合、燃焼期間内での乱流エネルギは、燃料圧力の高低に拘わらず比較的低くなってしまう。
That is, when the fuel injection is performed within the retard period, the relationship between the fuel pressure and the turbulent energy in the combustion period is generally lower as the fuel pressure is lower and the turbulent energy is lower as the fuel pressure is higher. Becomes higher. Here, even if fuel is injected into the
燃焼期間での乱流エネルギと燃焼期間との関係は概ね、乱流エネルギが低いほど燃焼期間が長くなり、乱流エネルギが高いほど燃焼期間が短くなる。従って、燃料圧力と燃焼期間との関係は、燃料圧力が低いほど燃焼期間は長くなり、燃料圧力が高いほど燃焼期間は短くなる。すなわち、高圧リタード噴射は、燃焼期間を短縮する。これに対し、従来の、低い燃料圧力での吸気行程噴射は、燃焼期間が長くなる。尚、多噴口型のインジェクタ67は、気筒18内の乱れエネルギの向上に有利であって、燃焼期間の短縮に有効であると共に、その多噴口型のインジェクタ67とキャビティ141との組み合わせによって、燃料噴霧をキャビティ141内に収めることもまた、燃焼期間の短縮に有効である。
In general, the relationship between the turbulent energy and the combustion period in the combustion period is such that the lower the turbulent energy, the longer the combustion period, and the higher the turbulent energy, the shorter the combustion period. Therefore, the relationship between the fuel pressure and the combustion period is such that the lower the fuel pressure, the longer the combustion period, and the higher the fuel pressure, the shorter the combustion period. That is, the high pressure retarded injection shortens the combustion period. In contrast, the conventional intake stroke injection at a low fuel pressure has a longer combustion period. The
このように高圧リタード噴射は、噴射期間、混合気形成期間、及び、燃焼期間をそれぞれ短縮し、その結果、図6に示すように、燃料の噴射開始タイミングSOIから燃焼終了時期θendまでの、未燃混合気の反応可能時間を、従来の吸気行程中での燃料噴射の場合と比較して大幅に短くすることを可能にする。この反応可能時間を短縮する結果、図6の上段に示す図のように、従来の低い燃料圧力での吸気行程噴射では、白丸で示すように、燃焼終了時における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ところ、高圧リタード噴射は、黒丸で示すように、燃焼終了時における未燃混合気の反応の進行を抑制し、異常燃焼を回避することが可能になる。尚、図6の上図における白丸と黒丸とで、点火タイミングは互いに同じタイミングに設定している。 As described above, the high pressure retarded injection shortens the injection period, the mixture formation period, and the combustion period, and as a result, as shown in FIG. 6, the fuel injection start timing SOI to the combustion end timing θend are not changed. It is possible to significantly shorten the reaction time of the fuel mixture as compared with the case of fuel injection during the conventional intake stroke. As a result of shortening this reaction possible time, as shown in the upper diagram of FIG. 6, in the conventional intake stroke injection at a low fuel pressure, as shown by a white circle, the reaction progress of the unburned mixture at the end of combustion is shown. However, when the ignition threshold is exceeded and abnormal combustion occurs, the high-pressure retarded injection suppresses the progress of the reaction of the unburned mixture at the end of combustion, as shown by the black circle, to prevent abnormal combustion. It can be avoided. It should be noted that the ignition timing is set to the same timing in the white circle and the black circle in the upper diagram of FIG.
燃料圧力は、例えば30MPa以上に設定することによって、燃焼期間を効果的に短縮化することが可能である。また、30MPa以上の燃料圧力は、噴射期間及び混合気形成期間も、それぞれ有効に短縮化することが可能である。尚、燃料圧力は、少なくともガソリンを含有する、使用燃料の性状に応じて適宜設定するのが好ましい。その上限値は、一例として、120MPaとしてもよい。 By setting the fuel pressure to, for example, 30 MPa or more, the combustion period can be effectively shortened. Moreover, the fuel pressure of 30 MPa or more can effectively shorten the injection period and the mixture formation period, respectively. The fuel pressure is preferably set as appropriate according to the properties of the fuel used, which contains at least gasoline. The upper limit may be 120 MPa as an example.
高圧リタード噴射は、気筒18内への燃料噴射の形態を工夫することによってSIモードにおける異常燃焼の発生を回避する。これとは異なり、異常燃焼の回避を目的として点火タイミングを遅角することが、従来から知られている。点火タイミングの遅角化は、未燃混合気の温度及び圧力の上昇を抑制することによって、その反応の進行を抑制する。しかしながら、点火タイミングの遅角化は熱効率及びトルクの低下を招くのに対し、高圧リタード噴射を行う場合は、燃料噴射の形態の工夫によって異常燃焼を回避する分、点火タイミングを進角させることが可能であるから、熱効率及びトルクが向上する。つまり、高圧リタード噴射は、異常燃焼を回避するだけでなく、その回避可能な分だけ、点火タイミングを進角することを可能にして、燃費の向上に有利になる。
The high pressure retarded injection avoids the occurrence of abnormal combustion in the SI mode by devising the form of fuel injection into the
以上説明したように、SIモードでの高圧リタード噴射は、噴射期間、混合気形成期間及び燃焼期間をそれぞれ短縮することが可能であるが、CIモードの領域(3)で行う高圧リタード噴射は、噴射期間及び混合気形成期間をそれぞれ短縮することが可能である。つまり、気筒18内に高い燃料圧力で燃料を噴射することにより気筒18内の乱れが強くなることで、微粒化した燃料のミキシング性が高まり、圧縮上死点付近の遅いタイミングで燃料を噴射しても、比較的均質な混合気を速やかに形成することが可能になるのである。
As described above, the high pressure retarded injection in the SI mode can shorten the injection period, the mixture formation period, and the combustion period, but the high pressure retarded injection performed in the CI mode region (3) It is possible to shorten the injection period and the mixture formation period. In other words, the turbulence in the
CIモードでの高圧リタード噴射は、比較的負荷の高い領域において、圧縮上死点付近の遅いタイミングで燃料を噴射することにより、例えば圧縮行程期間中の過早着火を防止しつつ、前述の通り、概ね均質な混合気が速やかに形成されるため、圧縮上死点以降において、確実に圧縮着火させることが可能になる。そうして、モータリングにより気筒18内の圧力が次第に低下する膨張行程期間において、圧縮着火燃焼が行われることで、燃焼が緩慢になり、圧縮着火燃焼に伴う気筒18内の圧力上昇(dP/dt)が急峻になってしまうことが回避される。こうして、NVHの制約が解消される結果、CIモードの領域が高負荷側に拡大する。
In the high pressure retarded injection in the CI mode, fuel is injected at a late timing near the compression top dead center in a relatively high load region, for example, while preventing premature ignition during the compression stroke period, as described above. Since a substantially homogeneous air-fuel mixture is quickly formed, it is possible to reliably perform compression ignition after the compression top dead center. Thus, in the expansion stroke period in which the pressure in the
SIモードの説明に戻り、前述の通り、SIモードの高圧リタード噴射は、燃料噴射をリタード期間内に行うことによって未燃混合気の反応可能時間を短縮させるものの、この反応可能時間の短縮は、エンジン1の回転数が比較的低い低速域においては、クランク角変化に対する実時間が長いため、有効であるのに対し、エンジン1の回転数が比較的高い高速域においては、クランク角変化に対する実時間が短いため、それほど有効でない。逆に、リタード噴射では、燃料噴射時期を圧縮上死点付近に設定するため、圧縮行程においては、燃料を含まない筒内ガス、言い換えると比熱比の高い空気が圧縮されるようになる。その結果、高速域においては、気筒18内の圧縮端温度が高くなり、この高い圧縮端温度がノッキングを招くようになる。そのため、領域(5)においてリタード噴射のみを行うときには、点火タイミングを遅角化して、ノッキングを回避しなければならない場合も起き得る。
Returning to the description of the SI mode, as described above, the high pressure retarded injection in the SI mode shortens the reaction time of the unburned mixture by performing the fuel injection within the retard period. In the low speed range where the engine 1 has a relatively low rotational speed, the actual time for the crank angle change is long, which is effective. On the other hand, in the high speed range where the engine 1 has a relatively high rotational speed, the actual Not very effective due to short time. On the contrary, in the retard injection, since the fuel injection timing is set near the compression top dead center, in-cylinder gas not containing fuel, in other words, air having a high specific heat ratio is compressed in the compression stroke. As a result, in the high speed region, the compression end temperature in the
そこで、図4に示すように、SIモードにおいて相対的に回転数の高い領域(5)では、図5(d)に示すように、噴射する燃料の一部を、吸気行程期間内で気筒18内に噴射すると共に、残りの燃料をリタード期間内で気筒18内に噴射をする。吸気行程噴射では、圧縮行程中の筒内ガス(つまり、燃料を含む混合気)の比熱比を下げ、それによって圧縮端温度を低く抑えることが可能である。こうして、圧縮端温度が低くなることで、ノッキングを抑制することが可能になるから、点火タイミングを進角させることが可能になる。
Therefore, as shown in FIG. 4, in the region (5) where the rotational speed is relatively high in the SI mode, as shown in FIG. 5 (d), a part of the fuel to be injected is
また、高圧リタード噴射を行うことにより、前述の通り、圧縮上死点付近の気筒18内(燃焼室19内)において乱れが強くなり、燃焼期間が短くなる。このこともまた、ノッキングの抑制に有利になり、点火タイミングをさらに進角させることが可能になる。そうして、領域(5)においては、吸気行程噴射と高圧リタード噴射との分割噴射を行うことにより、異常燃焼を回避しつつ、熱効率を向上させることが可能になる。 Further, by performing the high pressure retarded injection, as described above, the turbulence becomes strong in the cylinder 18 (combustion chamber 19) near the compression top dead center, and the combustion period is shortened. This is also advantageous in suppressing knocking, and the ignition timing can be further advanced. Thus, in the region (5), by performing split injection of intake stroke injection and high pressure retarded injection, it is possible to improve thermal efficiency while avoiding abnormal combustion.
尚、領域(5)において燃焼期間を短縮させるために、高圧リタード噴射を行う代わりに多点点火構成を採用してもよい。つまり、複数の点火プラグを燃焼室内に臨んで配置し、領域(5)においては、吸気行程噴射を実行すると共に、その複数の点火プラグのそれぞれを駆動することにより、多点点火を行う。こうすることで、燃焼室19内の複数の火種のそれぞれから火炎が広がるため、火炎の広がりが早くて燃焼期間が短くなる。その結果、高圧リタード噴射を採用した場合と同様に燃焼期間を短くして、熱効率の向上に有利になる。
In order to shorten the combustion period in the region (5), a multi-point ignition configuration may be adopted instead of performing high pressure retarded injection. That is, a plurality of ignition plugs are arranged facing the combustion chamber, and in the region (5), the intake stroke injection is executed and each of the plurality of ignition plugs is driven to perform multipoint ignition. By doing so, since the flame spreads from each of the plurality of fire types in the
(SIモードからCIモードへの切り替え時の制御)
火花点火燃焼は、圧縮着火燃焼を比較して熱効率が低いため、燃焼ガス温が相対的に高くなる。
(Control when switching from SI mode to CI mode)
Since spark ignition combustion has lower thermal efficiency than compression ignition combustion, the combustion gas temperature is relatively high.
一方で、圧縮着火燃焼を行うCIモードでは、前述したように、圧縮着火の着火性を確保するために、内部EGRガス又は外部EGRガスを気筒18内に導入することで、気筒18内の温度状態を高くしている。
On the other hand, in the CI mode in which compression ignition combustion is performed, as described above, the internal EGR gas or the external EGR gas is introduced into the
燃焼ガス温が相対的に高いSIモードから、CIモードへと切り替わった直後には気筒18内は高温の雰囲気であると共に、火花点火燃焼によって生じた温度の高い排気ガスが気筒18内に導入されることによって、気筒18内の温度状態が高い状態で、圧縮着火燃焼が行われることになる。この場合、例えば吸気行程中のような比較的早い時期に気筒18内に燃料噴射をしてしまうと、圧縮行程期間中での過早着火が生じ、気筒18内の圧力上昇率(dP/dt)が急峻になって大きな燃焼騒音が発生する虞がある。
Immediately after switching from the SI mode where the combustion gas temperature is relatively high to the CI mode, the inside of the
そこで、このエンジン1では、SIモードからCIモードへの切り替え直後の過早着火を回避し、燃焼騒音の増大を回避するための、様々な過渡制御を実行する。 Therefore, in the engine 1, various transient controls are performed to avoid premature ignition immediately after switching from the SI mode to the CI mode and to avoid an increase in combustion noise.
ここで、SIモードからCIモードへの切り替えは、例えば図4に示す温間時の運転マップにおいては、エンジン1の負荷がSIモードとなる高負荷領域から、CIモードとなる低負荷領域へと移行する場合に相当し得る。つまり、エンジン1の負荷が低下することに伴い、SIモードからCIモードへ切り替わる。尚、SIモードとCIモードとの境界付近においては、エンジン1が等負荷の状態でSIモードからCIモードへ切り替わる場合もある。 Here, the switching from the SI mode to the CI mode is performed, for example, in the warm operation map shown in FIG. 4 from the high load region in which the load of the engine 1 is in the SI mode to the low load region in which the CI mode is set. This can correspond to a transition. That is, the SI mode is switched to the CI mode as the load on the engine 1 is reduced. In the vicinity of the boundary between the SI mode and the CI mode, the engine 1 may be switched from the SI mode to the CI mode when the engine 1 is at an equal load.
また、エンジン1の温度が所定温度未満の冷間乃至半暖機時には、圧縮着火燃焼が安定化しないことから、図示は省略するが、CIモードが実行されず、エンジン1の全ての運転領域でSIモードが実行される。一方で、図4に示すように、エンジン1の温度が所定温度以上の温間時には、CIモードが実行される。そのため、エンジン1の温度が上昇して温間状態になることに伴い、エンジン負荷が等負荷で、SIモードからCIモードへと切り替わる場合もある。 Also, when the temperature of the engine 1 is cold or semi-warm when the temperature is lower than a predetermined temperature, the compression ignition combustion is not stabilized. Therefore, although not shown, the CI mode is not executed, and the engine 1 is operated in all operating regions. SI mode is executed. On the other hand, as shown in FIG. 4, when the temperature of the engine 1 is warm above a predetermined temperature, the CI mode is executed. Therefore, as the temperature of the engine 1 rises and becomes a warm state, the engine load may be equal and the mode may be switched from the SI mode to the CI mode.
(高圧リタードを利用した圧縮着火初期モード)
図7は、SIモードからCIモードへの切り替え直後に、高圧リタード噴射を利用する圧縮着火初期モードを実行することで、燃焼モードの切り替え直後における過早着火を回避するようにした制御例を示している。具体的に、図7は、SIモードからCIモードへの切替時における、燃料噴射時期及び火花点火時期の変更、筒内圧力の変化、吸排気弁の開弁状態の変更、スロットル弁の開度変更、並びに、気筒内のガス状態の変化の一例を示している。図7においては、紙面左から右の方向にクランク角(つまり、時間)が進行している。尚、図7においては、理解容易のために、エンジン1が等負荷で、SIモードからCIモードへ切り替わるとし、SIモードでは、EGRガスを導入せずに、スロットル弁36の開度調整を行うようにしている。
(Initial compression ignition mode using high pressure retard)
FIG. 7 shows a control example in which the pre-ignition immediately after switching of the combustion mode is avoided by executing the compression ignition initial mode using high-pressure retarded injection immediately after switching from the SI mode to the CI mode. ing. Specifically, FIG. 7 shows changes in fuel injection timing and spark ignition timing, changes in in-cylinder pressure, changes in the open state of the intake and exhaust valves, throttle valve opening when switching from the SI mode to the CI mode. An example of the change and the change of the gas state in the cylinder is shown. In FIG. 7, the crank angle (that is, time) advances from the left to the right of the page. In FIG. 7, for easy understanding, it is assumed that the engine 1 is switched from the SI mode to the CI mode at an equal load. In the SI mode, the opening degree of the
先ず、図7における最も左側の1サイクル目では、SIモードで運転をしており、ここでは、吸気行程期間中に燃料噴射を実行すると共に、圧縮上死点付近において火花点火を実行する。混合気の空燃比は理論空燃比(λ≒1)に設定しており、燃料噴射量に見合った新気量となるよう、スロットル弁を絞る(図7の最下段に示す気筒内のガス状態も参照)。また、SIモードである1サイクル目では、排気弁22のVVL71はオフである(つまり、内部EGRガスは導入しない)。
First, in the leftmost first cycle in FIG. 7, the operation is performed in the SI mode. Here, fuel injection is performed during the intake stroke period, and spark ignition is performed in the vicinity of the compression top dead center. The air-fuel ratio of the air-fuel mixture is set to the stoichiometric air-fuel ratio (λ≈1), and the throttle valve is throttled so that the amount of fresh air is commensurate with the fuel injection amount (the gas state in the cylinder shown in the lowest stage of FIG. 7) See also). In the first cycle in the SI mode, the
続く2サイクル目は、SIモードからCIモードへの切り替え直前のサイクルに相当する。ここでは、スロットル開度を全開に設定するCIモードへの切り替えに備え、スロットル弁を全開方向に開け、気筒18内のガス量(新気量)を増量する。その増量した新気量に見合う燃料量を噴射することで、理論空燃比を維持する。ここでの燃料噴射は、前述した高圧リタード噴射であり、圧縮上死点付近において燃料噴射を行うと共に、圧縮上死点以降において火花点火を実行する。こうして、火花点火時期を遅らせることにより、等負荷(等トルク)を維持する。また、吸気弁21の開弁時期は、VVL71をオンにするCIモードへの切り替えに備え、1サイクル目よりも遅角する。
The subsequent second cycle corresponds to the cycle immediately before switching from the SI mode to the CI mode. Here, in preparation for switching to the CI mode in which the throttle opening is set to fully open, the throttle valve is opened in the fully open direction to increase the gas amount (fresh air amount) in the
3サイクル目は、SIモードからCIモードへの切り替え直後のサイクルに相当し、前述の圧縮着火初期モードに対応する。CIモード(正確には圧縮着火初期モード)では、VVL71をオンすることによって、排気二度開きを行う、それによって、2サイクル目の火花点火燃焼によって生じた既燃ガスの一部は、気筒18内に導入される。この既燃ガスは火花点火燃焼によるため、その温度が比較的高くなる。こうして、高温の既燃ガスが導入される結果、気筒18内の温度状態は比較的高くなる。
The third cycle corresponds to a cycle immediately after switching from the SI mode to the CI mode, and corresponds to the compression ignition initial mode described above. In the CI mode (more precisely, the compression ignition initial mode), the exhaust gas is opened twice by turning on the
3サイクル目の圧縮着火初期モードでも、高圧リタード噴射を利用する。つまり、圧縮行程後期から膨張行程初期までの期間内で、燃料噴射を行う。こうして燃料噴射時期を遅らせることにより、気筒18内の温度状態が比較的高くなっていても、圧縮行程期間中の過早着火は回避される。
The high pressure retarded injection is used also in the compression ignition initial mode of the third cycle. That is, fuel injection is performed within the period from the late stage of the compression stroke to the early stage of the expansion stroke. By delaying the fuel injection timing in this way, pre-ignition during the compression stroke period is avoided even if the temperature state in the
また、上述したように、高圧リタード噴射によって、比較的均質な混合気が早期に形成されると共に、気筒18内の温度状態は比較的高いため、その均質混合気は圧縮上死点付近、又は、圧縮上死点以降に、確実に圧縮着火して、安定的に燃焼する。こうして、SIモードからCIモードへの切り替え直後に燃焼騒音が増大することが回避される。
As described above, the high-pressure retarded injection forms a relatively homogeneous mixture at an early stage, and the temperature in the
圧縮着火燃焼の燃焼ガス温は相対的に低くなる。また、CIモードでは、混合気の空気燃料比A/Fを理論空燃比に設定する一方で、EGRガスが導入されるため、作動ガス燃料比G/Fはリーンになる。そのため、燃焼ガス温はさらに低くなる。 The combustion gas temperature of compression ignition combustion becomes relatively low. In the CI mode, the air / fuel ratio A / F of the air-fuel mixture is set to the stoichiometric air / fuel ratio, while the EGR gas is introduced, so the working gas / fuel ratio G / F becomes lean. Therefore, the combustion gas temperature is further lowered.
4サイクル目は、圧縮着火初期モードの終了後に相当し、3サイクル目と同様に、VVL71をオンにし、3サイクル目の圧縮着火燃焼によって生じた既燃ガスの一部を、気筒18内に導入するが、前述したように、この既燃ガスは比較的低温であるため、気筒18内の温度状態は低くなる。これにより、過早着火が回避されるから、燃料噴射時期を、吸気行程期間中に設定する。これにより、強い吸気流動と長い混合気形成期間とが相俟って、均質な混合気が形成され、その均質混合気は、圧縮上死点付近において圧縮着火する。
The fourth cycle corresponds to the end of the compression ignition initial mode, and as in the third cycle, the
図7は、エンジン1が等負荷で、SIモードからCIモードへ切り替わった際の制御を例に説明したが、前述した圧縮着火初期モードは、前述したように、エンジン1が高負荷から低負荷へと負荷が低下することに伴い、SIモードからCIモードへ切り替わった際において、特に有効である。なぜなら、エンジン1が高負荷から低負荷へと負荷が低下する場合、SIモードとなる高負荷領域では、燃料噴射量が相対的に多いため、燃焼ガス温がさらに高くなり得るためであり、この場合、SIモードからCIモードへと切り替わった直後は、気筒18内の温度状態がさらに高くなり、過早着火が生じ易くなる。しかしながら、前述の通り、圧縮着火初期モードでは、高圧リタード噴射によって、圧縮行程期間中の過早着火を確実に回避することが可能であるから、エンジン負荷の低下に伴うモード切替時に燃焼騒音が増大してしまうことが、確実に回避される。
FIG. 7 illustrates an example of control when the engine 1 is switched from the SI mode to the CI mode at an equal load. However, in the compression ignition initial mode described above, the engine 1 is operated from a high load to a low load as described above. This is particularly effective when the mode is switched from the SI mode to the CI mode as the load decreases. This is because when the load of the engine 1 decreases from a high load to a low load, the combustion gas temperature can be further increased because the fuel injection amount is relatively large in the high load region in the SI mode. In this case, immediately after switching from the SI mode to the CI mode, the temperature state in the
エンジン負荷の低下に伴う、燃焼モード切替の具体例としては、図4に示す温間時の運転マップでは、SIモードである領域(4)又は領域(5)から、CIモードである領域(2)又は領域(1)への移行を例示することができる。つまり、領域(2)又は領域(1)へと移行した直後に、圧縮着火初期モードを実行すればよい。圧縮着火初期モードの終了後には、領域(2)又は領域(1)において設定されている燃料噴射時期(つまり、吸気行程から圧縮行程中期までの期間内)となるように、燃料噴射時期を進角させればよい。 As a specific example of combustion mode switching accompanying a decrease in engine load, in the warm-time operation map shown in FIG. 4, from the region (4) or region (5) in the SI mode to the region (2 in the CI mode) ) Or transition to region (1). That is, the compression ignition initial mode may be executed immediately after shifting to the region (2) or the region (1). After completion of the compression ignition initial mode, the fuel injection timing is advanced so that the fuel injection timing set in the region (2) or the region (1) (that is, within the period from the intake stroke to the middle of the compression stroke) is reached. Just horn.
ここで、CIモードである領域(3)は、前述したように、リタード噴射を行う領域であるため、領域(4)又は領域(5)から、領域(3)へ移行する場合は、圧縮着火初期モードの実行を省略してもよい。また、領域(4)又は領域(5)から、領域(3)へ移行した直後には、当該領域(3)において設定されている燃料噴射時期(つまり、リタード期間内の噴射時期)よりも、さらに遅角した時期で燃料を噴射する圧縮着火初期モードを実行してもよい。このときの噴射時期は、リタード期間内であってもよいし、リタード期間よりもさらに遅角した時期であってもよい。そうして、その圧縮着火初期モードの終了後に、領域(3)において設定されているリタード期間内の燃料噴射時期となるように、噴射時期を進角させてもよい。 Here, since the region (3) in the CI mode is a region where the retarded injection is performed as described above, the compression ignition is performed when the region (4) or the region (5) is shifted to the region (3). Execution of the initial mode may be omitted. Further, immediately after the transition from the region (4) or the region (5) to the region (3), the fuel injection timing set in the region (3) (that is, the injection timing within the retard period) Further, a compression ignition initial mode in which fuel is injected at a retarded timing may be executed. The injection timing at this time may be within the retard period, or may be a period further retarded than the retard period. Then, after the compression ignition initial mode ends, the injection timing may be advanced so that the fuel injection timing is within the retard period set in the region (3).
尚、前述の通り、エンジン1の温度が上昇して、冷間状態から温間状態になることに伴い、エンジン負荷が等負荷でSIモードからCIモードへと切り替わる場合にも、図7に示すような圧縮着火初期モードは、燃焼騒音が増大することを回避する上で有効である。 Note that, as described above, FIG. 7 also shows a case where the engine load is switched from the SI mode to the CI mode at an equal load as the temperature of the engine 1 rises and changes from the cold state to the warm state. Such a compression ignition initial mode is effective in avoiding an increase in combustion noise.
図7の制御例では、圧縮着火初期モードを1サイクルだけ行っているが、圧縮着火初期モードを数サイクル行ってもよい。また、図7の制御例では、SIモードにおいて、EGRガスを導入せずにスロットル弁36の開度を調整しているが、EGRガスを導入するようにしてもよい。
In the control example of FIG. 7, the compression ignition initial mode is performed for only one cycle, but the compression ignition initial mode may be performed for several cycles. In the control example of FIG. 7, in the SI mode, the opening degree of the
(燃焼モードの切り替え直前の燃焼ガス温を低下させる過渡燃焼モード)
図8は、SIモードからCIモードへの切り替え直前に、燃料空燃比A/Fをリーンすることによって、火花点火燃焼の燃焼ガス温を低くする過渡燃焼モードを実行することによって、燃焼モードの切り替え直後における過早着火を回避するようにした制御例を示している。
(Transient combustion mode that lowers the combustion gas temperature immediately before switching the combustion mode)
FIG. 8 shows the switching of the combustion mode by executing the transient combustion mode in which the combustion gas temperature of the spark ignition combustion is lowered by leaning the fuel air-fuel ratio A / F immediately before switching from the SI mode to the CI mode. The control example which avoided the premature ignition immediately after is shown.
具体的に図8は、図7と同様に、SIモードからCIモードへの切替時における、燃料噴射時期及び火花点火時期の変更、筒内圧力の変化、吸排気弁の開弁状態の変更、スロットル弁の開度変更、並びに、気筒内のガス状態の変化の一例を示しており、図8においても、理解容易のために、エンジン1が等負荷で、SIモードからCIモードへ切り替わるとし、SIモードでは、EGRガスを導入せずに、スロットル弁36の開度調整を行うようにしている。
Specifically, FIG. 8 shows a change in the fuel injection timing and the spark ignition timing, a change in the in-cylinder pressure, a change in the open state of the intake and exhaust valves, at the time of switching from the SI mode to the CI mode, as in FIG. FIG. 8 shows an example of a change in the opening of the throttle valve and a change in the gas state in the cylinder. In FIG. 8, for easy understanding, the engine 1 is switched from the SI mode to the CI mode at an equal load. In the SI mode, the opening degree of the
図8における最も左側の1サイクル目は、図7における1サイクル目と同じである。つまり、SIモードで運転をしており、ここでは、吸気行程期間中に燃料噴射を実行すると共に、圧縮上死点付近において火花点火を実行する。混合気の空燃比は理論空燃比(λ≒1)に設定しており、燃料噴射量に見合った新気量となるよう、スロットル弁を絞る。また、SIモードである1サイクル目では、排気弁22のVVL71はオフである(つまり、内部EGRガスは導入しない)。
The leftmost first cycle in FIG. 8 is the same as the first cycle in FIG. That is, the operation is performed in the SI mode. Here, fuel injection is performed during the intake stroke period, and spark ignition is performed near the compression top dead center. The air-fuel ratio of the air-fuel mixture is set to the stoichiometric air-fuel ratio (λ≈1), and the throttle valve is throttled so that the new air amount is commensurate with the fuel injection amount. In the first cycle in the SI mode, the
続く2サイクル目は、SIモードからCIモードへの切り替え直前のサイクルに相当する。ここでは、燃料量は1サイクル目と同じにしたままで、スロットル弁を全開方向に開け、気筒18内のガス量(新気量)を増量する。これによって気筒18内の混合気は、空気燃料比A/Fがリーンになり、同時に作動ガス燃料比G/Fもリーンになる(図8の最下段に示す気筒内のガス状態も参照)。燃料噴射は、前述した高圧リタード噴射であり、圧縮上死点付近において燃料噴射を行うと共に、火花点火を実行する。こうして、A/F(及びG/F)をリーンに設定することで、燃料量に対するガス量が増大するから、火花点火燃焼による燃焼ガス温が低下するようになる。比較的温度が低い新気の導入量を増大することは、気筒18内の温度を低くして、燃焼ガス温を低くする上で特に有効である。この2サイクル目が、過渡燃焼モードに相当する。
The subsequent second cycle corresponds to the cycle immediately before switching from the SI mode to the CI mode. Here, with the fuel amount kept the same as in the first cycle, the throttle valve is opened in the fully open direction to increase the gas amount (fresh air amount) in the
3サイクル目は、SIモードからCIモードへの切り替え直後のサイクルに相当し、VVL71をオンすることによって、排気二度開きを行う。これにより、2サイクル目の火花点火燃焼によって生じた排気ガスの一部が気筒18内に導入され、作動ガス燃料比G/Fはリーンになる。尚、空気燃料比A/Fは理論空燃比(λ≒1)である。3サイクル目では、気筒18内に内部EGRガスが導入されるが、前述したように、2サイクル目における排気ガスの温度は比較的低温に抑制されているため、気筒18内の温度状態は比較的低くなる。
The third cycle corresponds to a cycle immediately after switching from the SI mode to the CI mode, and the exhaust is opened twice by turning on the
こうして、3サイクル目においては、CIモードで予め設定されているように吸気行程期間中に燃料噴射を行っても過早着火が回避され、均質混合気は、圧縮上死点付近において圧縮着火し、燃焼する。4サイクル目は、3サイクル目と同じである。 Thus, in the third cycle, pre-ignition is avoided even if fuel injection is performed during the intake stroke period as previously set in the CI mode, and the homogeneous mixture is compressed and ignited near the compression top dead center. To burn. The fourth cycle is the same as the third cycle.
尚、図8の例では、過渡燃焼モードにおいて、空気燃料比A/Fをリーンに設定した火花点火燃焼を行うことにより、三元触媒によるNOxの浄化率が低下する虞があるため、必要に応じて、NOx触媒(例えばLNT)を設けてもよい。 In the example of FIG. 8, the NOx purification rate by the three-way catalyst may be reduced by performing spark ignition combustion with the air fuel ratio A / F set to lean in the transient combustion mode. Accordingly, a NOx catalyst (for example, LNT) may be provided.
また、図8の制御例の2サイクル目に相当する過渡燃焼モード時には、気筒18内の、高温の残留ガス(図8の最下段に示す気筒内のガス状態を参照)を掃気することで、気筒内の温度を低下させると共に、残留ガスを掃気する分だけ気筒18内に導入する新気量を増やしてもよい。気筒18の掃気は、例えば高速の排気流速に伴うエゼクタ効果によって、排気ポート内を負圧にする動圧掃気システムを採用してもよい。また、排気脈動によって排気ポート内に負圧波を作用させる、いわゆる4−2−1タイプの排気システムを採用してもよい。
Further, during the transient combustion mode corresponding to the second cycle of the control example of FIG. 8, by scavenging the high-temperature residual gas (see the gas state in the cylinder shown in the lowest stage of FIG. 8) in the
さらに、図8における2サイクル目に相当する過渡燃焼モード時には、EGRガスを気筒18内に導入することによって、作動ガス燃料比G/Fをリーン設定してもよい。過渡燃焼モード時に導入するEGRガスは、EGRクーラ52を通過することによって冷却されたクールドEGRガスが好ましく、こうすることで気筒18内の温度が低くなり、燃焼ガス温を低下させる上で有利になる。
Further, in the transient combustion mode corresponding to the second cycle in FIG. 8, the working gas fuel ratio G / F may be set lean by introducing EGR gas into the
尚、図8に示すような過渡燃焼モードは、図8に示すようにエンジン1が等負荷でSIモードからCIモードへと切り替わる際に適用されるだけでなく、エンジン1が高負荷から低負荷へと負荷が低下することに伴い、SIモードからCIモードへ切り替わる際においても適用可能である。また、エンジン1が冷間状態から温間状態へと温度が上昇することに伴い、SIモードからCIモードへ切り替わる際においても有効である。 The transient combustion mode as shown in FIG. 8 is not only applied when the engine 1 is switched from the SI mode to the CI mode at an equal load as shown in FIG. 8, but the engine 1 is changed from a high load to a low load. This is also applicable when switching from the SI mode to the CI mode as the load decreases. It is also effective when the engine 1 is switched from the SI mode to the CI mode as the temperature rises from the cold state to the warm state.
図8の制御例では、過渡燃焼モードを1サイクルだけ行っているが、過渡燃焼モードを数サイクル行ってもよい。また、図8の制御例では、SIモードにおいて、EGRガスを導入しないが、EGRガスを導入してもよい。 In the control example of FIG. 8, the transient combustion mode is performed for only one cycle, but the transient combustion mode may be performed for several cycles. Further, in the control example of FIG. 8, EGR gas is not introduced in the SI mode, but EGR gas may be introduced.
さらに、図8の制御例と図7の制御例とを組み合わせることも可能である。つまり、図8の制御例における3サイクル目、つまり、CIモードへの切り替え直後に、高圧リタード噴射を利用した圧縮燃焼初期モードを実行してもよい。過渡燃焼モードと圧縮燃焼初期モードとの組み合わせは、燃焼騒音の増大を、より一層確実に回避する上で有効となる場合がある。 Further, the control example of FIG. 8 and the control example of FIG. 7 can be combined. That is, the compression combustion initial mode using high-pressure retarded injection may be executed in the third cycle in the control example of FIG. 8, that is, immediately after switching to the CI mode. The combination of the transient combustion mode and the compression combustion initial mode may be effective for more reliably avoiding an increase in combustion noise.
(燃焼モードの切り替え直後のEGR率を低下させる過渡燃焼モード)
図9は、SIモードからCIモードへの切り替え直後に、EGR率を一時的に低下させる過渡燃焼モードを実行することによって、燃焼モードの切り替え直後における気筒18内の温度状態を低くし、過早着火を回避するようにした制御例を示している。
(Transient combustion mode that reduces the EGR rate immediately after switching the combustion mode)
FIG. 9 shows that the temperature state in the
具体的に図9は、図7と同様に、SIモードからCIモードへの切替時における、燃料噴射時期及び火花点火時期の変更、筒内圧力の変化、吸排気弁の開弁状態の変更、スロットル弁の開度変更、並びに、気筒内のガス状態の変化の一例を示しており、図9においても、理解容易のために、エンジン1が等負荷で、SIモードからCIモードへ切り替わるとし、SIモードでは、EGRガスを導入せずに、スロットル弁36の開度調整を行うようにしている。
Specifically, FIG. 9 similarly to FIG. 7, changes in the fuel injection timing and spark ignition timing, changes in the in-cylinder pressure, changes in the open state of the intake and exhaust valves, when switching from the SI mode to the CI mode, FIG. 9 shows an example of a change in the opening of the throttle valve and a change in the gas state in the cylinder. Also in FIG. 9, for the sake of easy understanding, the engine 1 is switched from the SI mode to the CI mode at an equal load. In the SI mode, the opening degree of the
図9における最も左側の1サイクル目は、図7における1サイクル目と同じである。つまり、SIモードで運転をしており、ここでは、吸気行程期間中に燃料噴射を実行すると共に、圧縮上死点付近において火花点火を実行する。混合気の空燃比は理論空燃比(λ≒1)に設定しており、燃料噴射量に見合った新気量となるよう、スロットル弁を絞る。また、SIモードである1サイクル目では、排気弁22のVVL71はオフである(つまり、内部EGRガスは導入しない)。
The leftmost first cycle in FIG. 9 is the same as the first cycle in FIG. That is, the operation is performed in the SI mode. Here, fuel injection is performed during the intake stroke period, and spark ignition is performed near the compression top dead center. The air-fuel ratio of the air-fuel mixture is set to the stoichiometric air-fuel ratio (λ≈1), and the throttle valve is throttled so that the new air amount is commensurate with the fuel injection amount. In the first cycle in the SI mode, the
続く2サイクル目は、SIモードからCIモードへの切り替え直前のサイクルに相当する。このサイクルも、図7における2サイクル目と同じである。つまり、スロットル弁を全開方向に開け、気筒18内のガス量(新気量)を増量する。その増量した新気量に見合う燃料量を噴射することで、理論空燃比を維持する。ここでの燃料噴射は、前述した高圧リタード噴射であると共に、圧縮上死点以降において火花点火を実行する。こうして点火時期を遅らせることにより、等負荷(等トルク)を維持する。尚、燃焼期間を遅らせることで、排気ガス(既燃ガス)の温度は高くなる。また、吸気弁21の開弁時期は、1サイクル目よりも遅角させる。
The subsequent second cycle corresponds to the cycle immediately before switching from the SI mode to the CI mode. This cycle is also the same as the second cycle in FIG. That is, the throttle valve is opened in the fully open direction, and the gas amount (fresh air amount) in the
3サイクル目は、SIモードからCIモードへの切り替え直後のサイクルに相当し、過渡燃焼モードに相当する。具体的には、VVL71をオンするCIモードへ切り替わったにも拘わらず、過渡燃焼モードではVVL71をオフのままにし、排気二度開きを行わない。これにより、モードの切り替えがスムースになると共に、2サイクル目の火花点火燃焼によって生じた高温の既燃ガスは、気筒18内に導入されなくなる。その結果、気筒18内の温度状態は比較的低くなる。尚、VVL71をオンにしつつ、内部EGRガス量を、CIモードにおいて設定されている内部EGRガス量よりも減量するようにしてもよい。
The third cycle corresponds to the cycle immediately after switching from the SI mode to the CI mode, and corresponds to the transient combustion mode. Specifically, in spite of switching to the CI mode in which the
3サイクル目においては、CIモードで予め設定されているように吸気行程期間中に燃料噴射を行うが気筒18内の温度状態が比較的低いため、過早着火が回避され、均質混合気は、圧縮上死点付近において圧縮着火し、燃焼する。前述の通り、2サイクル目における既燃ガスの温度が高くなるため、3サイクル目における気筒18内の残留ガスの温度が高くなる結果、排気二度開きを行わないものの、気筒18内の温度が低すぎることは回避される。そのため、圧縮上死点付近において、均質な混合気を確実に圧縮着火させて、安定的に燃焼させることが可能になる。尚、3サイクル目の燃焼は圧縮着火燃焼であると共に、作動ガス燃料比G/Fがリーンであるから、燃焼ガス温は低くなる。
In the third cycle, fuel injection is performed during the intake stroke period as set in advance in the CI mode. However, since the temperature in the
4サイクル目は、過渡燃焼モードの終了後に相当し、これは、図7における4サイクル目と同じである。つまり、通常のCIモードで設定されているように、VVL71をオンにし、3サイクル目の圧縮着火燃焼によって生じた既燃ガスの一部を、気筒18内に導入するが、この既燃ガスは比較的低温であるため、気筒18内の温度状態は低くなる。これにより、燃料噴射時期は、吸気行程期間中に設定されるが、過早着火は回避される。均質な混合気は、圧縮上死点付近において圧縮着火する。
The fourth cycle corresponds to after the end of the transient combustion mode, which is the same as the fourth cycle in FIG. That is, as set in the normal CI mode, the
尚、過渡燃焼モードは、図8に示すようにエンジン1が等負荷でSIモードからCIモードへと切り替わる際に適用されるだけでなく、エンジン1が高負荷から低負荷へと負荷が低下することに伴い、SIモードからCIモードへ切り替わった際においても有効である。また、エンジン1が冷間状態から温間状態へと温度が上昇することに伴い、SIモードからCIモードへ切り替わる際においても有効である。 The transient combustion mode is not only applied when the engine 1 is switched from the SI mode to the CI mode at an equal load as shown in FIG. 8, but the load of the engine 1 is reduced from a high load to a low load. Accordingly, it is effective even when the SI mode is switched to the CI mode. It is also effective when the engine 1 is switched from the SI mode to the CI mode as the temperature rises from the cold state to the warm state.
また、図9の制御例では、過渡燃焼モードを1サイクルだけ行っているが、過渡燃焼モードを数サイクル行ってもよい。また、図9の制御例では、SIモードにおいて、EGRガスを導入せずにスロットル弁36の開度を調整しているが、EGRガスを導入するようにしてもよい。
In the control example of FIG. 9, the transient combustion mode is performed for only one cycle, but the transient combustion mode may be performed for several cycles. Further, in the control example of FIG. 9, in the SI mode, the opening degree of the
さらに、図9の制御例と図7の制御例とを組み合わせることも可能である。つまり、図9の制御例における3サイクル目、つまり、CIモードへの切り替え直後に、過渡燃焼モードと共に、高圧リタード噴射を利用した圧縮燃焼初期モードを実行してもよい。過渡燃焼モードと圧縮燃焼初期モードとの組み合わせは、燃焼騒音の増大を、より一層確実に回避する上で有効となる場合がある。 Furthermore, the control example of FIG. 9 and the control example of FIG. 7 can be combined. That is, the compression combustion initial mode using the high pressure retarded injection may be executed together with the transient combustion mode immediately after the third cycle in the control example of FIG. 9, that is, immediately after switching to the CI mode. The combination of the transient combustion mode and the compression combustion initial mode may be effective for more reliably avoiding an increase in combustion noise.
尚、ここに開示する技術は、前述したエンジン構成への適用に限定されるものではない。例えば、吸気行程期間内における燃料噴射は、気筒18内に設けたインジェクタ67ではなく、別途、吸気ポート16に設けたポートインジェクタを通じて、吸気ポート16内に燃料を噴射してもよい。
The technique disclosed here is not limited to application to the engine configuration described above. For example, fuel may be injected into the
また、エンジン1は、直列4気筒エンジンに限らず、直列3気筒、直列2気筒、直列6気筒エンジン等に適用してもよい。また、V型6気筒、V型8気筒、水平対向4気筒等の各種のエンジンに適用可能である。 The engine 1 is not limited to an in-line 4-cylinder engine, and may be applied to an in-line 3-cylinder, in-line 2-cylinder, in-line 6-cylinder engine, or the like. Further, the present invention can be applied to various engines such as a V type 6 cylinder, a V type 8 cylinder, and a horizontally opposed 4 cylinder.
さらに、前記の説明では、所定の運転領域において混合気の空燃比を理論空燃比(λ≒1)に設定しているが、混合気の空燃比をリーンに設定してもよい。但し、空燃比を理論空燃比に設定することは、三元触媒の利用が可能になるという利点がある。 Further, in the above description, the air-fuel ratio of the air-fuel mixture is set to the stoichiometric air-fuel ratio (λ≈1) in the predetermined operation region, but the air-fuel ratio of the air-fuel mixture may be set to lean. However, setting the air-fuel ratio to the stoichiometric air-fuel ratio has the advantage that a three-way catalyst can be used.
図4に示す運転領域は例示であり、これ以外にも様々な運転領域を設けることが可能である。 The operation region shown in FIG. 4 is an example, and various operation regions other than this can be provided.
また、高圧リタード噴射は、必要に応じて分割噴射にしてもよく、同様に、吸気行程噴射もまた、必要に応じて分割噴射にしてもよい。これらの分割噴射では、吸気行程と圧縮行程とのそれぞれにおいて燃料を噴射してもよい。 Further, the high-pressure retarded injection may be divided injection as necessary, and similarly, the intake stroke injection may also be divided injection as necessary. In these divided injections, fuel may be injected in each of the intake stroke and the compression stroke.
1 エンジン(エンジン本体)
10 PCM(制御器)
18 気筒
25 点火プラグ
50 EGR通路(排気還流手段)
51 主通路(排気還流手段)
511 EGR弁(排気還流手段)
52 EGRクーラ(排気還流手段)
53 EGRクーラバイパス通路(排気還流手段)
531 EGRクーラバイパス弁(排気還流手段)
62 燃料供給システム(燃圧設定機構)
67 インジェクタ(燃料噴射弁)
71 VVL(排気還流手段)
1 Engine (Engine body)
10 PCM (controller)
18
51 Main passage (exhaust gas recirculation means)
511 EGR valve (exhaust gas recirculation means)
52 EGR cooler (exhaust gas recirculation means)
53 EGR cooler bypass passage (exhaust gas recirculation means)
531 EGR cooler bypass valve (exhaust gas recirculation means)
62 Fuel supply system (fuel pressure setting mechanism)
67 Injector (fuel injection valve)
71 VVL (exhaust gas recirculation means)
Claims (3)
前記気筒内に臨んで配設されかつ、前記気筒内の混合気に点火をするように構成された点火プラグと、
排気ガスを前記気筒内に導入するように構成された排気還流手段と、
少なくとも前記点火プラグ及び前記排気還流手段を制御することによって、前記エンジン本体を運転するように構成された制御器と、を備え、
前記制御器は、前記気筒内の混合気を自着火により燃焼させる圧縮着火燃焼を行って前記エンジン本体を運転する圧縮着火モードと、前記点火プラグの駆動により前記気筒内の混合気に点火をして燃焼させる火花点火燃焼を行って前記エンジン本体を運転する火花点火モードと、を切り替えるよう構成されると共に、少なくとも前記圧縮着火モードでは、前記排気還流手段の制御を通じて前記排気ガスを前記気筒内に導入し、
前記制御器はまた、前記火花点火モードから前記圧縮着火モードへ切り替える際に、モード切り替え前の火花点火燃焼時の燃焼ガス温度よりも低温の燃焼ガス温度となる過渡燃焼モードを行った後に、圧縮着火モードに切り替え、
前記制御器は、前記過渡燃焼モード時には、新気量を増大することによって、作動ガス燃料比G/F、又は、空気燃料比A/Fを、モード切り替え前の火花点火燃焼時における作動ガス燃料比G/F、又は、空気燃料比A/Fよりもリーンに設定し、
前記制御器は、前記過渡燃焼モード時には、前記排気還流手段の制御を通じた前記排気ガスの前記気筒内への導入を禁止しかつ、前記圧縮着火モードに切り替えた後に、前記排気還流手段の制御を通じて前記排気ガスを前記気筒内に導入する火花点火式エンジン。 An engine body having a cylinder;
A spark plug disposed facing the cylinder and configured to ignite an air-fuel mixture in the cylinder;
Exhaust gas recirculation means configured to introduce exhaust gas into the cylinder;
A controller configured to operate the engine body by controlling at least the spark plug and the exhaust gas recirculation means, and
The controller performs compression ignition combustion in which the air-fuel mixture in the cylinder is combusted by self-ignition and operates the engine body, and ignites the air-fuel mixture in the cylinder by driving the spark plug. A spark ignition mode in which the engine body is operated by performing spark ignition combustion, and at least in the compression ignition mode, the exhaust gas is introduced into the cylinder through control of the exhaust gas recirculation means. Introduced,
When the controller switches from the spark ignition mode to the compression ignition mode, the controller performs compression after performing the transient combustion mode in which the combustion gas temperature is lower than the combustion gas temperature during the spark ignition combustion before the mode switching. Switch to ignition mode,
In the transient combustion mode, the controller increases the amount of fresh air to change the working gas fuel ratio G / F or the air fuel ratio A / F to the working gas fuel at the time of spark ignition combustion before mode switching. Set leaner than ratio G / F or air fuel ratio A / F,
In the transient combustion mode, the controller prohibits the introduction of the exhaust gas into the cylinder through the control of the exhaust gas recirculation means, and switches to the compression ignition mode, and then controls the exhaust gas recirculation means. A spark ignition engine for introducing the exhaust gas into the cylinder .
前記排気還流手段は、冷却した前記排気ガスを前記気筒内に導入可能に構成され、
前記制御器は、前記過渡燃焼モード時には、前記気筒内に導入する冷却した排気ガス量を増大することによって、作動ガス燃料比G/Fをリーンに設定する火花点火式エンジン。 The spark ignition engine according to claim 1 ,
The exhaust gas recirculation means is configured to be able to introduce the cooled exhaust gas into the cylinder,
The controller is a spark ignition engine that sets the working gas fuel ratio G / F to lean by increasing the amount of cooled exhaust gas introduced into the cylinder during the transient combustion mode.
前記制御器は、前記エンジン本体の運転状態が所定の低負荷領域にあるときに、前記圧縮着火モードで前記エンジン本体を運転すると共に、前記エンジン本体の運転状態が前記所定の低負荷領域よりも負荷の高い高負荷領域にあるときに、前記火花点火モードで前記エンジン本体を運転し、
前記制御器はまた、前記エンジン本体の負荷が低下して前記高負荷領域から前記低負荷領域へ移行する際に、前記過渡燃焼モードを実行する火花点火式エンジン。
The spark ignition engine according to claim 1 or 2 ,
The controller operates the engine body in the compression ignition mode when the operating state of the engine body is in a predetermined low load region, and the operating state of the engine body is lower than the predetermined low load region. When in a high load region with a high load, operate the engine body in the spark ignition mode,
The controller is also a spark ignition type engine that executes the transient combustion mode when the load of the engine main body decreases and shifts from the high load region to the low load region.
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