(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圧縮自己着火式エンジンの全体構成を示す図である。本図に示されるエンジンは、走行用の動力源として車両に搭載される4サイクルのガソリンエンジンである。具体的に、このエンジンは、紙面に直交する方向に列状に並ぶ複数の気筒2(図1にはそのうちの1つの気筒のみを示す)を有するエンジン本体1と、エンジン本体1に空気を導入するための吸気通路20と、エンジン本体1で生成された排気ガスを排出するための排気通路30と、排気通路30を流通する排気ガスの一部を吸気通路20に還流するためのEGR装置40と、排気ガスのエネルギーにより駆動されるターボ過給機50とを備えている。
エンジン本体1は、上記複数の気筒2が内部に形成されたシリンダブロック3と、シリンダブロック3の上部に設けられたシリンダヘッド4と、各気筒2に往復摺動可能に挿入されたピストン5とを有している。
ピストン5の上方には燃焼室10が形成されており、この燃焼室10には、後述するインジェクタ11からの噴射によって燃料が供給される。そして、噴射された燃料が燃焼室10で燃焼し、その燃焼による膨張力で押し下げられたピストン5が上下方向に往復運動する。なお、本実施形態のエンジンはガソリンエンジンであるため、燃料としてはガソリンが用いられる。ただし、燃料の全てがガソリンである必要はなく、例えばアルコール等の副成分が燃料に含まれていてもよい(例えばE3等の混合燃料等)。
ピストン5は、エンジン本体1の出力軸であるクランク軸15とコネクティングロッド16を介して連結されており、上記ピストン5の往復運動に応じてクランク軸15が中心軸回りに回転するようになっている。
各気筒2の幾何学的圧縮比、つまり、ピストン5が下死点にあるときの燃焼室10の容積とピストン5が上死点にあるときの燃焼室10の容積との比は、ガソリンエンジンとしてはかなり高めの値である17以上23以下に設定されている。これは、ガソリンを自着火により燃焼させるCI燃焼を実現するために、燃焼室10を大幅に高温・高圧化する必要があるからである。
シリンダヘッド4には、吸気通路20から供給される空気(以下、吸気ともいう)を各気筒2の燃焼室10に導入するための吸気ポート6と、各気筒2の燃焼室10で生成された排気ガスを排気通路30に導出するための排気ポート7と、吸気ポート6の燃焼室10側の開口を開閉する吸気弁8と、排気ポート7の燃焼室10側の開口を開閉する排気弁9とが設けられている。
吸気弁8および排気弁9は、それぞれ、シリンダヘッド4に配設された一対のカムシャフト等を含む動弁機構18,19により、クランク軸15の回転に連動して開閉駆動される。
吸気弁8用の動弁機構18には、吸気弁8のリフト量を連続的に(無段階で)変更することが可能な可変機構18aが組み込まれている。このような構成の可変機構18aは、連続可変バルブリフト機構(CVVL)などとして既に公知であり、具体的な構成例として、吸気弁8駆動用のカムをカム軸の回転と連動して往復揺動運動させるリンク機構と、リンク機構の配置(レバー比)を可変的に設定するコントロールアームと、コントロールアームを電気的に駆動することによって上記カムの揺動量(吸気弁8を押し下げる量と期間)を変更するステッピングモータとを備えたものを挙げることができる。
排気弁9用の動弁機構19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19aが組み込まれている。すなわち、この切替機構19a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。
このような構成の切替機構19aは既に公知であり、その具体例として、排気弁9駆動用の通常のカム(排気行程中に排気弁9を押し下げるカム)とは別に吸気行程中に排気弁9を押し下げるサブカムと、このサブカムの駆動力が排気弁9に伝達されるのを有効または無効にするいわゆるロストモーション機構とを備えたものを挙げることができる。
上記切替機構19aのサブカムによる排気弁9の押し下げが有効にされると、排気弁9が排気行程だけでなく吸気行程中にも開弁させられるので、高温の排気ガスが排気ポート7から燃焼室10に逆流する、いわゆる内部EGRが実現され、燃焼室10の高温化が図られるとともに、燃焼室10に導入される吸気の量が低減される。
シリンダヘッド4には、燃焼室10に向けて燃料(ガソリン)を噴射するインジェクタ11と、インジェクタ11から噴射された燃料と空気との混合気に対し火花放電による点火エネルギーを供給する点火プラグ12とが、各気筒2につきそれぞれ1組ずつ設けられている。
インジェクタ11は、ピストン5の上面を臨むような姿勢でシリンダヘッド4に設けられている。各気筒2のインジェクタ11にはそれぞれ燃料供給管13が接続されており、各燃料供給管13を通じて供給される燃料(ガソリン)が、インジェクタ11の先端部に設けられた複数の噴孔(図示省略)から噴射されるようになっている。
より具体的に、燃料供給管13の上流側には、クランク軸15の回転により駆動されるプランジャー式の燃料ポンプであるサプライポンプ14が設けられているとともに、このサプライポンプ14と燃料供給管13との間には、全気筒に共通の蓄圧用のコモンレール(図示省略)が設けられている。そして、このコモンレール内で蓄圧された燃料が各気筒2のインジェクタ11に供給されることにより、各インジェクタ11からは、最大で120MPa程度の高い圧力の燃料が噴射可能となされている。
インジェクタ11から噴射される燃料の噴射圧力(以下、単に燃圧ともいう)は、サプライポンプ14から圧送された燃料の一部を燃料タンク側に戻す量(燃料の逃がし量)を増減させることにより調節可能である。すなわち、サプライポンプ14には、燃料の逃がし量を調節するための燃圧制御弁14a(図4参照)が内蔵されており、この燃圧制御弁14aを用いて燃圧を所定範囲内(例えば20〜120MPaの間)で調節することが可能とされている。
吸気通路20は、1本の共通通路21と、共通通路21の下流端部(吸気の流れ方向下流側の端部)から2股状に分岐した高温通路22および低温通路23と、両通路22,23の各下流端部に接続された所定容積のサージタンク24と、サージタンク24から下流側に延びて各気筒2の吸気ポート6とそれぞれ連通する複数本の独立通路25(図1にはそのうちの1本のみを示す)とを有している。なお、サージタンク24は本発明にかかる「集合部」に相当し、独立通路25は本発明にかかる「下流側通路」に相当する。
高温通路22には、吸気を加熱するインターウォーマ26が設けられている。インターウォーマ26は、エンジン本体1を冷却する冷却水との熱交換によって吸気を加熱する熱交換器であり、本発明にかかる「加熱手段」に相当するものである。詳しい図示を省略するが、インターウォーマ26の内部には、吸気が流通可能な多数のチューブが配設されており、そのチューブの周囲領域にエンジンの冷却水が導入されるようになっている。高温通路22に流れ込んだ吸気は、インターウォーマ26内を上記多数のチューブに分かれて流通し、その過程で、エンジンの冷却水との熱交換によって加熱される。その結果、インターウォーマ26を通過した後の吸気の温度は、エンジンの冷却水の温度(暖機が完了した温間時で約75〜90℃)とほぼ同一の温度まで上昇させられる。
低温通路23には、吸気を冷却するインタークーラ27が設けられている。インタークーラ27は、車両のエンジンルームに導入される走行風との熱交換によって吸気を冷却する空冷式の熱交換である。詳しい図示を省略するが、インタークーラ27の内部には、吸気が流通可能な多数のチューブが配設されており、そのチューブの周囲領域に走行風が導入されるようになっている。低温通路23に流れ込んだ吸気は、インタークーラ27内を上記多数のチューブに分かれて流通し、その過程で、走行風との熱交換によって冷却される。これにより、吸気通路20の共通通路21を流れる過程で昇温した吸気、特にターボ過給機50で圧縮されることにより昇温した吸気が、インタークーラ27を経て再び外気と同程度の温度まで冷却される。
インターウォーマ26およびインタークーラ27の構造、より詳しくは、これらに内蔵された上記熱交換用のチューブの内径や長さ等は、インターウォーマ26およびインタークーラ27の流通抵抗の誤差が同一流量下で±20%以内になるように設定されている。ここで、流通抵抗とは、圧力損失を力で表した値である。このため、流通抵抗の誤差が±20%以内とは、圧力損失の誤差が±20%以内であることを意味する。
このことを図2を用いてより詳しく説明する。圧力損失の誤差が±20%以内とは、インターウォーマ26およびインタークーラ27に同一流量の吸気が流れているという前提で、インターウォーマ26上流側の点Y1での圧力から下流側の点Y2での圧力を差し引いた圧力損失をΔP1、インタークーラ27上流側の点Z1での圧力から下流側の点Z2での圧力を差し引いた圧力損失をΔP2としたとき、(|ΔP1−ΔP2|/ΔP1)×100≦20、という関係を満たすことをいう。
本実施形態では、インターウォーマ26およびインタークーラ27に内蔵された上記熱交換用のチューブの内径や長さ等が調節されることにより、上述した関係が成立するように設定されている。なお、熱交換効率を向上させるためにチューブの内部に多数のフィンが設けられることがあり、このような場合には、フィンの形状や数等についても考慮される。
再び図1に戻ってエンジンの説明を続ける。高温通路22におけるインターウォーマ26よりも下流側(インターウォーマ26とサージタンク24との間)には、高温通路22を流通する吸気の流量を調節するスロットル弁28が設けられている。同様に、低温通路23におけるインタークーラ27よりも下流側(インタークーラ27とサージタンク24との間)には、低温通路23を流通する吸気の流量を調節するスロットル弁29が設けられている。
図3に高温通路22用のスロットル弁28を例示してさらに説明する。高温通路22用のスロットル弁28は、高温通路22と連続する円筒状の内部通路(ボア)28eが形成されたバルブボディ28aと、バルブボディ28aの内部通路28eに回転可能に配設され、内部通路28eの断面形状(この例では円形)に一致する輪郭を有するディスク状の弁体28bと、弁体28bの受圧面積を二等分する位置に弁体28bと一体に設けられた弁軸28cと、弁軸28cを回転させる駆動源としての電気モータ28dとを備えた電動式のバタフライ弁である。
高温通路22を流通する吸気の流量は、電気モータ28dにより回転駆動される弁体28bの回転角度(開度)に基づき調節される。このようなバタフライ式のスロットル弁は、弁体28bの受圧面積が弁軸28cを境に二等分されているので、高温通路22の上流側から吸気が弁体28bを開けようとする回転モーメントとそれに抗して閉じようとする回転モーメントとが相殺し合い、電気モータ28dを用いての開度調節が精度よく行えるから、吸気流量の制御性に優れるという利点がある。また、弁体28bの駆動源が電気モータ28dであるため、例えば機械式のスロットル弁(車両に備わるアクセルペダルとワイヤー等で連係されたもの)を用いた場合と異なり、アクセルペダルの開度とは関係なく自由にスロットル弁28の開度を変更することが可能である。
弁体28bをバルブボディ28aの内部通路28e内で円滑に回転させるために(熱膨張率の相違から弁体28bがバルブボディ28aの内部通路28eに噛り付かないように)、図中符号αで示すように、弁軸28cの周囲でバルブボディ28aの内部通路28eの内壁と弁体28bとの間に間隙が残されている。そのため、スロットル弁28を全閉相当の開度まで閉じても多少の吸気の漏れが生じる。
以上、高温通路22用のスロットル弁28を例にして説明したが、低温通路23用のスロットル弁29もこれに準じて同様であるので、その説明は省略する。
このように、本実施形態では、スロットル弁28,29として同様の構造のバタフライ弁が用いられている。ただし、各弁のボア径、つまりディスク状の弁体が着座する部分におけるバルブボディの内部通路の径を比較すると、本実施形態では、高温通路22用のスロットル弁28のボア径の方が、低温通路23用のスロットル弁29のボア径よりも小さく設定されている(図1参照)。
再び図1に戻ってエンジンの説明を続ける。排気通路30は、各気筒2の排気ポート7と連通する複数本の独立通路31(図1にはそのうちの1本のみを示す)と、独立通路31の各下流端部(排気ガスの流れ方向下流側の端部)が集合した排気集合部32と、排気集合部32から下流側に延びる1本の共通通路33とを有している。
EGR装置40は、排気通路30と吸気通路20とを互いに連通するEGR通路41と、EGR通路41の途中部に設けられたEGRクーラ42および低温EGR弁43と、EGR通路41から分岐するように設けられたバイパス通路45と、バイパス通路45に設けられた高温EGR弁46とを有している。
EGR通路41は、排気通路30を流通する排気ガスの一部を吸気通路20に還流するための通路であり、本実施形態では、排気通路30の排気集合部32と吸気通路20の独立通路25とを互いに連通している。なお、図示しないが、EGR通路41の下流部(吸気通路20側の端部)は、気筒2ごとに設けられた独立通路25の数に対応して複数本に分岐しており、各独立通路25と1対1で接続されている。
EGRクーラ42は、EGR通路41を流通する排気ガスを冷却するための水冷式の熱交換器である。すなわち、EGRクーラ42では、その内部に導入される冷却水との熱交換によって排気ガスが冷却される。EGRクーラ42で用いられる冷却水は、エンジン本体1を冷却するための冷却水(エンジン冷却水)と同じものを用いてもよいが、本実施形態では、より高い冷却効果を得るために、エンジン冷却水とは別の冷却水が用いられる。このため、本実施形態の車両のエンジンルームには、エンジン冷却水を外気との熱交換によって冷却するためのメインラジエータとは別に、EGRクーラ42用の冷却水を冷却するためのサブラジエータが設けられる(いずれも図示省略)。
低温EGR弁43は、EGR通路41におけるEGRクーラ42よりも下流側に設けられた電動式のバルブであり、その開閉動作に応じて、EGR通路41を通じて吸気通路20に還流される排気ガスの量が調節されるようになっている。
バイパス通路45は、EGRクーラ42およびEGR弁43の双方をバイパスするように設けられており、EGR通路41におけるEGRクーラ42の上流側部位とEGR弁43の下流側部位とを互いに連通している。
高温EGR弁46は、バイパス通路45に設けられた電動式のバルブであり、その開閉動作に応じて、EGR通路41からバイパス通路45へ分岐する排気ガスの量が調節されるようになっている。
以上のようなEGR装置40において、低温EGR弁43および高温EGR弁46の双方が閉じられると、EGR通路41またはバイパス通路45を流通する排気ガスの流れが遮断されて、吸気通路20へと還流される排気ガスの量は実質的にゼロになる。一方、低温EGR弁43が開かれて高温EGR弁46が閉じられたときには、排気ガスはEGR通路41のみを通って吸気通路20へと還流される。このため、吸気通路20に還流される排気ガスは、その全てが、EGRクーラ42によって冷却された低温の排気ガスとなる。この状態からさらに高温EGR弁46が開かれたとき、つまり低温EGR弁43および高温EGR弁46の双方が開かれたときには、排気ガスはEGR通路41およびバイパス通路45に分かれた後に吸気通路20へと還流される。このため、吸気通路20に還流される排気ガスは、EGRクーラ42によって冷却された低温の排気ガスと、EGRクーラ42によって冷却されない高温の排気ガスとが混合したものになる。
ターボ過給機50は、排気通路30の共通通路33に設けられたタービン51と、吸気通路20の共通通路21に設けられたコンプレッサ52と、これらタービン51およびコンプレッサ52を互いに連結する連結軸53とを有している。エンジンの運転中、エンジン本体1の各気筒2から排気通路30に排気ガスが排出されると、その排気ガスがターボ過給機50のタービン51を通過することにより、タービン51が排気ガスのエネルギーを受けて高速で回転する。また、タービン51と連結軸53を介して連結されたコンプレッサ52がタービン51と同じ回転速度で回転させられることにより、吸気通路20を通過する吸気が加圧されて、エンジン本体1の各気筒2へと圧送される。
(2)制御系
次に、図4を用いて、エンジンの制御系について説明する。本実施形態のエンジンは、その各部がECU(エンジン制御ユニット)60によって統括的に制御される。ECU60は、周知のとおり、CPU、ROM、RAM等を含むマイクロプロセッサからなるものであり、本発明にかかる「制御手段」に相当する。
ECU60には、エンジンおよびこれを搭載する車両に設けられた複数のセンサから種々の情報が入力される。
具体的に、エンジンには、図1および図4に示すように、エンジン本体1のクランク軸15の回転速度を検出するエンジン速度センサSN1と、エンジン本体1の冷却水の温度(つまりエンジン本体1の温度)を検出する水温センサSN2と、サージタンク24を通過する吸気の温度を検出する吸気温センサSN3と、サージタンク24を通過する吸気の流量を検出するエアフローセンサSN4とが設けられている。また、車両には、外気温を検出する外気温センサSN5と、運転者により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SN6とが設けられている。
ECU60は、これらのセンサSN1〜SN6と電気的に接続されており、それぞれのセンサから入力される信号に基づいて、上述した各種情報(エンジンの回転速度、冷却水の温度、サージタンク24内の吸気温度および吸気流量、外気温、アクセル開度など)を取得する。
なお、水温センサSN2は、インターウォーマ26の加熱源となるエンジン冷却水の温度を検出するものである。また、外気温センサSN5は、インタークーラ27の冷却源となる外気の温度を検出するものである。
また、ECU60は、上記各センサSN1〜SN6からの入力信号に基づいて種々の演算等を実行しつつ、エンジンの各部を制御する。すなわち、ECU60は、インジェクタ11、点火プラグ12、燃圧制御弁14a、吸気弁8用の可変機構18a、排気弁9用の切替機構19a、高温通路22用のスロットル弁28、低温通路23用のスロットル弁29、低温EGR弁43、および高温EGR弁46と電気的に接続されており、上記演算の結果等に基づいて、これらの機器にそれぞれ駆動用の制御信号を出力する。
(3)運転状態に応じた制御
次に、図5〜図7を用いて、運転状態に応じたエンジン制御の具体的内容について説明する。
図5は、エンジンの負荷および回転速度を縦軸および横軸として表したエンジンの運転領域を燃焼形態の相違によって複数の領域に分けたマップである。このマップは、エンジンの冷却水の温度が所定値(例えば60℃)以上であり、CI燃焼が実行可能な場合のマップ(図7のステップS3の基本燃焼制御のときのマップ)である。このマップは、エンジンの高負荷域および高速域に設定されたSI領域Bと、SI領域Bを除く部分負荷の領域に設定されたCI領域Aとを含んでいる。さらに、CI領域Aは、第1CI領域A1と、第1領域A1よりも負荷の高い第2CI領域A2とに分けられる。
図6は、図5に類似のマップであって、エンジンの冷却水の温度が上記所定値未満であり、CI燃焼が実行困難な場合のマップ(図7のステップS4の全域SI制御のときのマップ)である。このマップでは、エンジンの全ての運転領域がSI領域とされている。また、極低負荷域かつ極低速域はエンジンのアイドル運転領域に設定されている。
次に、図7のフローチャートを用いて、エンジンが各領域でどのように制御されるかについて説明する。ただし、ここでは、図5のマップに従った基本燃焼制御および図6のマップに従った全域SI制御の大まかな内容と、高温通路22および低温通路23用の各スロットル弁28,29の開度制御について主に説明するに留め、これ以外の詳細な制御の内容については、後述する「(4)制御の具体例」の中で説明することとする。
図7のフローチャートに示す処理がスタートすると、ECU60は、各種センサ値を読み込む処理を実行する(ステップS1)。すなわち、ECU60は、エンジン速度センサSN1、水温センサSN2、吸気温センサSN3、エアフローセンサSN4、外気温センサSN5、およびアクセル開度センサSN6からそれぞれの検出信号を読み込み、これらの信号に基づいて、エンジンの回転速度、冷却水の温度、サージタンク24内の吸気温度および吸気流量、外気温、アクセル開度といった各種情報を取得する。
次いで、ECU60は、上記ステップS1で水温センサSN2から取得した情報に基づいて、エンジンの冷却水の温度が所定値(例えば60℃)以上であるか否かを判定する処理を実行する(ステップS2)。
上記ステップS2でYESと判定されて冷却水温が所定値以上であることが確認された場合、ECU60は、図5に示したマップに従った基本燃焼制御を実行する(ステップS3)。
すなわち、ECU60は、当該マップに対応するデータ(運転領域ごとの各種制御目標値など)を読み出す処理を実行する。次いで、ECU60は、上記ステップS1で取得した情報に基づいて、図5のマップにおけるCI領域Aでエンジンが運転されているか否かを判定する処理を実行する。すなわち、ECU60は、エンジン速度センサSN1、エアフローセンサSN4、およびアクセル開度センサSN6等から得られる情報に基づいて、エンジンの負荷および回転速度を特定するとともに、両者の値から求まるエンジンの運転ポイントが、図5に示したCI領域Aに含まれるか否かを判定する。
その結果、YESと判定されてCI領域Aで運転されていることが確認された場合、ECU60は、さらに、CI領域Aの中でも低負荷側の第1CI領域A1でエンジンが運転されているか否かを判定する処理を実行する。
その結果、YESと判定されて第1CI領域A1で運転されていることが確認された場合、ECU60は、HCCIモードによる燃焼制御を実行する。HCCIモードとは、燃料と空気とを予め混合して得た混合気(予混合気)を圧縮により自着火させる燃焼制御のことである。
具体的に、HCCIモードでは、圧縮上死点よりも充分に早い段階で(例えば吸気行程中に)、インジェクタ11から燃焼室10に燃料が噴射される。噴射された燃料は、ピストン5が圧縮上死点に達するまでの間に空気と充分に混合され、それによって比較的均質な混合気が形成される。この混合気は、燃焼室10が充分に高温・高圧化する圧縮上死点の近傍で自着火し、燃焼する。
ところで、HCCIモードが選択される第1CI領域A1では、比較的エンジンの負荷が低いため、本来であれば、混合気が自着火し得る温度まで燃焼室10を昇温させることが難しい。そこで、HCCIモードの実行に伴い、ECU60は、インターウォーマ26により加熱された吸気とインタークーラ27により冷却された吸気とが適切な割合で混合されるようにスロットル弁28,29を制御する処理を実行し、混合後の吸気の温度、つまりサージタンク24内の吸気の温度を予め定められた所定の温度範囲(例えば50±5℃)まで上昇させる。これにより、当該所定の温度範囲まで昇温された暖かい吸気が独立通路25を通じてエンジン本体1の各気筒2へと導入されるので、各気筒2での混合気の自着火が促進されて、安定したCI燃焼が実現される。
具体的に、上記ステップS1で取得した外気温とエンジン冷却水の温度とに基づいて、高温通路22および低温通路23用の各スロットル弁28,29の開度が制御され、インターウォーマ26通過後の高温の吸気(エンジン冷却水とほぼ同一温度の吸気)とインタークーラ27通過後の低温の吸気(外気とほぼ同一温度の吸気)との混合割合が調節される。これにより、混合後の吸気の温度が上記所定の温度範囲に収められる。
例えば、エンジン冷却水の温度が高いほど、エンジン冷却水を利用した上記インターウォーマ26により加熱される吸気の温度は高くなる。このため、混合後の吸気の温度を上記所定の温度範囲に収めるために必要な高温通路22側の吸気の流量は、仮に低温通路23側の吸気の温度が同一であるとすると、エンジン冷却水の温度が高いほど少なくなる。一方、外気温が低いほど、走行風を利用した上記インタークーラ27により冷却される吸気の温度は低くなる。このため、混合後の吸気の温度を上記所定の温度範囲に収めるために必要な低温通路23側の吸気の流量は、仮に高温通路22側の吸気の温度が同一であるとすると、外気温が低いほど少なくなる。
このような事情を考慮して、ECU60には、高温通路22および低温通路23用の各スロットル弁28,29の開度をエンジン冷却水の温度と外気温とに基づき決定するためのマップデータが記憶されている。ECU60は、水温センサSN2から取得したエンジン冷却水の温度と、外気温センサSN5から取得した外気温と、上記のマップデータとに基づいて、設定すべき各スロットル弁28,29の開度(目標開度)を決定し、その目標開度に合わせて各スロットル弁28,29を制御する。さらに、ECU60は、サージタンク24内で検出された実際の吸気の温度(吸気温センサSN3の検出値)をフィードバックしつつ各スロットル弁28,29の開度を補正する。これにより、サージタンク24で混合後の吸気の温度は、高い精度で上記所定の温度範囲に収められることになる。
次に、エンジンが第2CI領域A2で運転されている場合の制御動作について説明する。この場合、ECU60は、リタードCIモードによる燃焼制御を実行する。リタードCIモードとは、噴射すべき燃料の少なくとも一部を圧縮上死点の近傍で噴射し、その燃料を短時間で自着火に至らせる燃焼制御のことである。
具体的に、リタードCIモードでは、サプライポンプ14の燃圧制御弁14aが駆動されてインジェクタ11からの燃料噴射圧力(燃圧)が高められた上で、圧縮上死点の近傍という遅めのタイミングでインジェクタ11から燃料が噴射される。このようなタイミング(燃焼室10が充分に昇温されるタイミング)で高圧噴射された燃料は、燃焼室10内で直ちに気化した後、圧縮上死点を過ぎた適宜のタイミングで自着火に至り、燃焼する。このように、第1CI領域A1よりも負荷の高い第2CI領域A2において、燃料噴射のタイミングを遅くするリタードCIモードが選択されるのは、仮に第1CI領域A1と同様のタイミングで燃料を噴射したとすると、混合気が自着火するタイミングが早くなり過ぎて、異常燃焼や過大な燃焼騒音が生じるおそれがあるためである。なお、リタードCIモードでは、噴射すべき燃料の全てを圧縮上死点の近傍で噴射する必要はなく、一部の燃料は吸気行程等で噴射してもよい。
上記リタードCIモードにおいても、先のHCCIモードのときと同様の態様で、高温通路22および低温通路23用の各スロットル弁28,29の開度が制御される。すなわち、インターウォーマ26通過後の高温の吸気とインタークーラ27通過後の低温の吸気との混合割合が上記各スロットル弁28,29の開度制御によって調節されることにより、混合後の吸気の温度、つまりサージタンク24内の吸気の温度が所定の温度範囲(例えば50±5℃)に収められる。
次に、エンジンがSI領域Bで運転されている場合の制御動作について説明する。この場合、ECU60は、リタードSIモードによる燃焼制御を実行する。リタードSIモードとは、噴射すべき燃料の少なくとも一部を圧縮上死点の近傍で噴射し、その後間もなく行われる火花点火により強制燃焼させる制御のことである。
具体的に、リタードSIモードでは、サプライポンプ14の燃圧制御弁14aが駆動されてインジェクタ11からの燃料噴射圧力(燃圧)が高められた上で、圧縮上死点の近傍という遅めのタイミングでインジェクタ11から燃料が噴射される。さらに、その後間もないタイミングで点火プラグ12が駆動されて、火花点火による着火エネルギーが供給される。インジェクタ11からの燃料は、圧縮上死点の近傍というかなり遅めのタイミング(燃焼室10が充分に昇温されるタイミング)で高圧噴射されることにより、燃焼室10内で直ちに気化し、この気化した燃料は、その後の火花点火をきっかけに、圧縮上死点を過ぎた適宜のタイミングで燃焼を開始する。このときの燃焼形態は、上述したHCCIモードまたはリタードCIモードのときと異なり、火炎伝播により徐々に燃え広がる燃焼(SI燃焼)となるが、燃料が高圧噴射されて間もない高い乱流エネルギー下での燃焼となることから、その燃焼期間は充分に短くなり、熱効率の高い比較的急速なSI燃焼が実現される。また、燃料の噴射タイミングが充分に遅いため、高負荷のときに起き易いノッキングやプリイグニッション等の異常燃焼も回避される。なお、リタードSIモードでは、噴射すべき燃料の全てを圧縮上死点の近傍で噴射する必要はなく、一部の燃料は吸気行程等で噴射してもよい。
上記のように、リタードSIモードでの燃焼形態は、火花点火により混合気を強制燃焼させるSI燃焼であるため、燃焼室10の温度を故意に上昇させる必要はなくなる。そこで、リタードSIモードの実行に伴い、ECU60は、高温通路22用のスロットル弁28を全閉にする処理を実行する。これにより、高温通路22が遮断されるので、インターウォーマ26で加熱された高温の吸気はサージタンク24まで流入せず、その結果、エンジン本体1に導入される吸気は全てインタークーラ27で冷却された低温の(外気とほぼ同一温度の)吸気となる。
次に、上記ステップS2でNOと判定された場合、つまり、エンジン冷却水の温度が上記所定値(例えば60℃)未満であった場合の制御動作について説明する。この場合、ECU60は、図6に示したマップに従い、エンジンの全ての運転領域でSI燃焼を行う全域SI制御を実行する(ステップS4)。
すなわち、エンジン冷却水の温度が低いときは、インターウォーマ26を用いて吸気を充分に加熱することができず、また、燃焼室10の壁面の温度も低いので、混合気を自着火させることが難しい。そこで、このような場合には、ECU60は、火花点火による強制燃焼、つまりSI燃焼をエンジンの全ての運転領域で実行する。
具体的に、ECU60は、エンジンの負荷に応じて燃料噴射量を設定し、エンジンの回転速度に応じて吸気行程から圧縮行程の間で噴射タイミングを設定し、かつ分割噴射する場合の噴射段数を設定する。これにより、インジェクタ11から噴射された燃料が燃焼室10内で気化し、その後、圧縮行程の後期に(圧縮上死点の近傍で)点火プラグ12が駆動されて、混合気に火花点火による着火エネルギーが供給される。混合気は、この火花点火をきっかけに火炎伝播によって燃焼を開始し、膨張行程中にSI燃焼が完了する。上記燃料噴射量は、基本的に、混合気の空気過剰率λが1となるような量、つまり燃焼室10に導入された吸気(新気)の質量を燃料の質量で割った値が14.7(理論空燃比)になるような量に設定される。
次いで、ECU60は、エンジン速度センサSN1、エアフローセンサSN4、およびアクセル開度センサSN6等から得られる情報に基づいて、エンジンの負荷および回転速度を特定するとともに、両者の値から求まるエンジンの運転ポイントが、図6に示したアイドル運転領域に含まれるか否かを判定する(ステップS5)。
その結果、上記ステップS5でYESと判定されて、アイドル運転領域で運転されていることが確認された場合、ECU60は、低温通路23用のスロットル弁29および高温通路22用のスロットル弁28を全閉相当の開度まで閉じ、かつ、吸気弁8を吸気下死点を過ぎて閉じる遅閉じとする(ステップS6)。これにより、各スロットル弁28,29から吸気の漏れが生じている状態で、吸気行程でいったん気筒2の燃焼室10に導入された吸気の一部が圧縮行程で吸気ポート6に吹き返される。なお、図7のフローチャートでは、高温通路22用のスロットル弁28を「HTV」、低温通路23用のスロットル弁29を「CTV」と表記している。
一方、上記ステップS5でNOと判定されて、アイドル運転領域以外の領域で運転されていることが確認された場合、ECU60は、高温通路22用のスロットル弁28を全閉相当の開度まで閉じ、低温通路23用のスロットル弁29の開度を制御する(ステップS7)。これにより、エンジン本体1に導入される吸気は全てインタークーラ27で冷却された低温の(外気とほぼ同一温度の)吸気となる。
(4)制御の具体例
[a]基本燃焼制御
次に、図5のマップに基づく基本燃焼制御(図7のステップS3)の実行時に、エンジンの各種状態量がどのように変化するかを、図8に基づいてより具体的に説明する。図8では、図5のマップにおいてエンジンの運転ポイントがラインXのように変化した場合、つまり、第1CI領域A1、第2CI領域A2、SI領域Bの順に移動するように運転ポイントが負荷方向に変化した場合の各種状態量の推移を示している。
図8において、Lminはエンジンの最低負荷、Lmaxはエンジンの最高負荷であり、両者の間に存在する負荷L1,L2,L3,L5,L6,L7は、何らかの制御の変更点となる負荷である。なお、第1CI領域A1(HCCIモード)に対応する負荷域はLminからL5までであり、第2CI領域A2(リタードCIモード)に対応する負荷域はL5からL6までであり、SI領域B(リタードSIモード)に対応する負荷域はL6からLmaxまでである。
図8の(a)は、各気筒2の燃焼室10に導入される充填ガスの内訳、つまり、それぞれの負荷において燃焼室10に充填可能な最大充填量を100%としたときの充填ガスの成分比率を表している。本図において、「内部EGR」とは、排気弁9の2度開き(切替機構19aをONして排気弁9を排気行程だけでなく吸気行程でも開弁させること)により排気ポート7から排気ガスを逆流させる操作により燃焼室10に残留させられた高温の排気ガスのことである。また、「Hot−EGR」とは、EGR装置40のバイパス通路45を通って燃焼室10に還流された高温の排気ガスのことであり、「Cold−EGR」とは、EGR装置40のEGR通路41を通って(つまりEGRクーラ42により冷却された後に)燃焼室10に還流された低温の排気ガスのことである。さらに、「Hot−Air」とは、吸気通路20の高温通路22を通じて燃焼室10に導入された高温の吸気(新気)のことであり、「Cold−Air」とは、吸気通路20の低温通路23を通じて燃焼室10に導入された低温の吸気(新気)のことである。
上記図8の(a)以外のグラフについては、それぞれ次のような状態量を表している。すなわち、(b)は吸気弁8の開時期(IVO)および閉時期(IVC)、(c)は排気弁9の開時期(EVO)および閉時期(EVC)、(d)は高温通路22用のスロットル弁28(HTV)の開度、(e)は低温通路23用のスロットル弁29(CTV)の開度、(f)は低温EGR弁43の開度、(g)は高温EGR弁46の開度、(h)はインジェクタ11からの燃料の噴射時期、(i)はインジェクタ11からの燃料の噴射圧力(燃圧)、(j)は燃焼室10内の空燃比を、それぞれ表している。なお、(j)の空燃比のうち、A/Fとは、燃焼室10に導入された吸気(新気)の質量を燃料の質量で割った値であり、G/Fとは、燃焼室10に導入された全ガス質量を燃料の質量で割った値(ガス空燃比)である。
図8(b)に示すように、吸気弁8については、エンジン負荷がLminからL1までの間、可変機構18aによって吸気弁8のリフト量が所定の小リフトに設定され、それに伴い吸気弁8の開弁期間(IVO〜IVCの期間)が短く設定される。一方、エンジン負荷がL1からL3までの間、吸気弁8のリフト量(開弁期間)は徐々に増大され、L3よりも高負荷側では最大値で一定とされる。
図8(c)に示すように、排気弁9については、エンジン負荷がLminからL4までの間、切替機構19aがONされることにより、排気弁9が排気行程だけでなく吸気行程でも開かれる(2度開き)。一方、エンジン負荷がL4からLmaxまでの間は、切替機構19aがOFFされ、排気弁9の2度開きが停止される。
図8(d)に示すように、高温通路22用のスロットル弁28の開度は、負荷LminからL6までの間、所定の中間開度(図7のステップS3で決定される開度)に設定される。負荷L6を超えると、スロットル弁28の開度は全閉(0%)まで低減され、負荷Lmaxまで全閉に維持される。
図8(e)に示すように、低温通路23用のスロットル弁29の開度は、負荷LminからL6までの間、所定の中間開度(図7のステップS3で決定される開度)に設定される。負荷L6を超えると、スロットル弁29の開度は全開(100%)まで増大され、負荷Lmaxまで全開に維持される。
図8(f)に示すように、低温EGR弁43の開度は、負荷LminからL1までの間、全閉(0%)に設定される。負荷L1を超えると、徐々に開度が増大されて、負荷L2で全開(100%)とされる。負荷L2からL5までの間、開度は全開(100%)に維持されるが、負荷L5を超えると、再び開度が低減されて、負荷Lmaxで全閉(0%)に戻される。
図8(g)に示すように、高温EGR弁46の開度は、負荷LminからL4までの間、全閉(0%)に設定される。負荷L4を超えると、開度は一気に全開(100%)まで増大されるが、それ以降は徐々に低減されて、負荷L7で全閉(0%)とされる。さらに、負荷L7からLmaxまでは、一律に全閉(0%)とされる。
図8(h)に示すように、インジェクタ11からの燃料の噴射時期は、負荷LminからL5までの間、吸気行程中の所定時期(BDCとTDCの間)に設定される。負荷L5を超えると、噴射時期は圧縮上死点(圧縮TDC)の近傍まで遅らされ、負荷Lmaxまで同様の時期に維持される。ただし、負荷L5よりも高負荷側での噴射時期は、より詳しくは、負荷Lmaxに近づくほど僅かずつ遅らされる。
図8(i)に示すように、燃料の噴射圧力(燃圧)は、負荷LminからL5までの間、20MPa程度に設定される。負荷L5を超えると、燃圧は100MPa以上にまで増大され、負荷Lmaxまで同様の値に維持される。
以上のような負荷に応じた各種状態量の変化に基づき、燃焼室10内のガスの内訳は、次のように変化する。
エンジン負荷がLminからL1までの間にあるとき、燃焼室10を占めるガスの種類は、高温通路22から導入される高温の吸気(Hot−Air)と、低温通路23から導入される低温の吸気(Cold−Air)と、排気弁9の2度開きにより導入される高温の排気ガス(内部EGR)との3種類とされる(図8(a))。中でも、内部EGRによる排気ガスが多くされ、燃焼室10の大半は高温の排気ガスで占められる。
エンジン負荷がL1からL4までの間にあるとき、燃焼室10を占めるガスの種類は、高温通路22から導入される高温の吸気(Hot−Air)と、低温通路23から導入される低温の吸気(Cold−Air)と、EGRクーラ42で冷却された後に導入される低温の排気ガス(Cold−EGR)と、排気弁9の2度開きにより導入される高温の排気ガス(内部EGR)との4種類とされる(図8(a))。吸気の量、つまり、高温の吸気と低温の吸気とが混合したトータルの新気の量は、負荷が上昇するにつれて徐々に増やされる。一方で、内部EGRによる排気ガスの量は、負荷が上昇するにつれて徐々に減らされる。
エンジン負荷がL4からL6までの間にあるとき、燃焼室10を占めるガスの種類は、高温通路22から導入される高温の吸気(Hot−Air)と、低温通路23から導入される低温の吸気(Cold−Air)と、EGRクーラ42で冷却された後に導入される低温の排気ガス(Cold−EGR)と、EGRクーラ42で冷却されないまま導入される高温の排気ガス(Hot−EGR)との4種類とされる。負荷がL4からL6まで上昇するにつれて、高温の排気ガス(Hot−EGR)の量は徐々に減らされ、これに代わって吸気の量が増やされる。
エンジン負荷がL6からLmaxまでの間にあるとき、燃焼室10を占めるガスの種類は、基本的に、低温通路23から導入される低温の吸気(Cold−Air)と、EGRクーラ42で冷却された後に導入される低温の排気ガス(Cold−EGR)との2種類とされる。ただし、負荷L6に近い低負荷側の一部では、EGRクーラ42で冷却されない高温の排気ガス(Hot−EGR)がわずかに燃焼室10に導入される。EGRクーラ42で冷却された後に導入される低温の排気ガス(Cold−EGR)は、負荷がL6からLmaxまで上昇するにつれて徐々に減らされ、これに代わって吸気(ここでは全て低温の吸気)の量が徐々に増やされる。
そして、以上のように負荷ごとにつくり分けられる燃焼室10の環境を前提に、既に図7のフローチャートでも説明したように、本実施形態では、第1CI領域A1(負荷Lmin〜L5)でHCCIモードによる燃焼制御が実行され、第2CI領域A2(負荷L5〜L6)でリタードCIモードによる燃焼制御が実行され、SI領域B(負荷L6〜Lmax)でリタードSIモードによる燃焼制御が実行される。
すなわち、第1CI領域A1では、高温通路22用のスロットル弁28と低温通路23用のスロットル弁29とがともに開かれることにより(図8(d),(e))、吸気の一部が高温通路22を通って加熱された上で燃焼室10に導入される。また、排気弁9の2度開きが実行されるか(図8(c))、または高温EGR弁43が開かれることにより(図8(g))、排気ポート7から逆流した高温の排気ガスか、またはEGRクーラ42を介さずに還流された高温の排気ガスが燃焼室10に導入される。これにより、燃焼室10の温度上昇が図られる。インジェクタ11からは吸気行程中に燃料が噴射され(図8(h))、そのときの燃圧は20MPa程度に設定される(図8(i))。噴射された燃料に基づく空燃比A/Fは、Lmin〜L2の負荷域では理論空燃比(=14.7)より大きいリーンな値に設定され、L2以上の負荷域では理論空燃比に設定される(図8(j))。これらの制御の結果、第1CI領域A1では、充分に混合された予混合気が圧縮上死点の近傍で自着火し、燃焼する(HCCIモード)。
第2CI領域A2では、上記第1CI領域A1内の高負荷域(負荷L4〜L5)と同様、高温通路22用のスロットル弁28と低温通路23用のスロットル弁29とがともに開かれ(図8(d),(e))、かつ高温EGR弁43が開かれることにより(図8(g))、燃焼室10の高温化が図られる。また、インジェクタ11からの燃料の噴射タイミングは圧縮上死点の近傍まで遅らされ(図8(h))、そのときの燃圧は100MPa以上にまで増大される(図8(i))。噴射された燃料に基づく空燃比A/Fは、理論空燃比(=14.7)に設定される(図8(j))。これらの制御の結果、第2CI領域A2では、噴射されて間もない燃料が圧縮上死点を過ぎたタイミングで自着火し、燃焼する(リタードCIモード)。
SI領域Bでは、高温通路22用のスロットル弁28の開度が全閉(0%)に設定され、低温通路23用のスロットル弁29のみが開かれる(図8(d),(e))。これにより、インターウォーマ26により加熱された高温の吸気は燃焼室10に導入されなくなり、燃焼室10の温度低下が図られる。また、インジェクタ11からの噴射タイミングは圧縮上死点以降とされ(図8(h))、燃圧は100MPa以上とされる(図8(i))。さらに、図8では図示しないが、燃料が噴射された後の間もないタイミングで点火プラグ12による火花点火が行われる。噴射された燃料に基づく空燃比A/Fは、理論空燃比(=14.7)に設定される(図8(j))。これらの制御の結果、SI領域Bでは、噴射されて間もない燃料が圧縮上死点を過ぎたタイミングで火花点火により強制燃焼させられる(リタードSIモード)。
[b]アイドル運転領域でのSI制御
次に、図6のマップに基づく全域SI制御のうち、アイドル運転領域でのSI制御(図7のステップS6)を、図9に基づいてさらに詳しく説明する。
図9は、エンジンのアイドル運転領域でSI燃焼が実行される場合の吸気弁8および排気弁9の開閉動作をクランク角CAとの関係で示す図である。図9において、「EX」および「IN」は、それぞれ、アイドル運転領域でSI燃焼が実行される場合の排気弁9および吸気弁8のリフトカーブを表している。併せて、図9には、上記アイドル運転領域を含むCI領域Aの低負荷側の一部(図8(a)のLmin〜L4)においてCI燃焼が実行される場合の排気弁9のリフトカーブを「EX’」で表している。なお、上記アイドル運転領域を含むCI領域Aの低負荷側の一部(図8(a)のLmin〜L4)においてCI燃焼が実行される場合の吸気弁8のリフトカーブは、アイドル運転領域でSI燃焼が実行される場合の吸気弁8のリフトカーブ「IN」と同じである。あるいは、上記排気弁9のリフトカーブ「EX’」と重ならない程度に、アイドル運転領域でSI燃焼が実行される場合の吸気弁8のリフトカーブ「IN」から幾分進角してもよい。
前述したように、エンジン冷却水の温度が所定値未満のときに(図7のステップS2でNO)、エンジンのアイドル運転領域でSI燃焼が実行される場合は、低温通路23用のスロットル弁29および高温通路22用のスロットル弁28が全閉相当の開度まで閉じられ、かつ、吸気弁8が吸気下死点を過ぎて閉じる遅閉じとされる(図7のステップS6)。
すなわち、アイドル運転領域でのSI燃焼の実行時は、ECU60は、図9に「EX」で示すように、排気弁9の開時期(EVO)を膨張下死点(BDC)から所定量進角させた膨張行程中の所定時期に設定し、排気弁9の閉時期(EVC)を排気上死点(TDC)から所定量遅角させた吸気行程中の所定時期に設定する。ただし、排気弁9の閉時期(EVC)を排気上死点(TDC)から所定量進角させた排気行程中の所定時期に設定してもよい。また、ECU60は、図9に「IN」で示すように、吸気弁8の開時期(IVO)を排気弁9の閉時期(EVC)から所定期間後の吸気行程中の所定時期に設定し、吸気弁8の閉時期(IVC)を吸気下死点(BDC)から所定量遅角させた圧縮行程中の所定時期、特に、本実施形態では、圧縮行程中期の所定時期(例えば吸気下死点後70°〜110°CA)に設定する。
これにより、低温通路23用のスロットル弁29および高温通路22用のスロットル弁28が全閉相当の開度まで閉じられても、各スロットル弁28,29から吸気の漏れが生じ、吸気通路20全体としてスロットル弁を1つだけ設けた場合に比べて、エンジン本体1に流入するトータルの吸気の漏れ量が大きくなっている状態で、吸気行程でいったん気筒2の燃焼室10に導入された吸気の一部が圧縮行程で吸気ポート6に吹き返されるので、例えば吸気弁8の閉時期(IVC)を吸気下死点(BDC)に設定した場合等に比べて、燃焼室10に残存する空気の量が減少する。
したがって、吸気弁8の閉時期(IVC)の吸気下死点(BDC)からの遅角量を調節することにより、気筒2に供給される空気の量を調節し、これにより、エンジン本体1に流入するトータルの吸気の漏れ量が大きくなっている状態でも、SI燃焼でのアイドル運転に必要なだけの少量(アイドル流量)の空気を気筒2に供給することができる。
また、アイドル運転領域でのSI燃焼の実行時は、排気弁9が閉じてから所定期間(図9の「EX」のEVCから「IN」のIVOまでの間の期間)が経過した後の吸気行程中に吸気弁8が開くので、吸気行程中に排気弁9および吸気弁8の双方が閉じるいわゆるネガティブオーバーラップが発生し、気筒2内に負圧が生成する。そして、この気筒2内に負圧が生成した段階で吸気弁8が開くので、吸気が一気に気筒2内に流入し、この吸気の一気の流入により気筒2内に吸気の断熱圧縮が生じる。そして、この気筒2内の吸気の断熱圧縮により燃焼室10の温度が上昇して、SI燃焼における混合気の着火安定性が向上する。また、吸気弁8が圧縮行程中期まで遅閉じされることにより、気筒2に供給される空気の量が確実に減少する。
一方、エンジン冷却水の温度が所定値以上のときに(図7のステップS2でYES)、CI燃焼が実行される場合は、上記アイドル運転領域を含むCI領域Aの低負荷側の一部(図8(a)のLmin〜L4)において、ECU60は、図9に「EX’」で示すように、排気弁9を排気行程だけでなく吸気行程でも開く2度開きを行う。このとき、ECU60は、吸気弁8については、アイドル運転領域でSI燃焼が実行される場合の吸気弁8のリフトカーブ「IN」をそのまま維持する。あるいは、上記排気弁9のリフトカーブ「EX’」と重ならない程度に、アイドル運転領域でSI燃焼が実行される場合の吸気弁8のリフトカーブ「IN」から幾分進角してもよい。その結果、上記CI燃焼の実行時における排気弁9の2度開き後の閉時期(EVC’)は、吸気弁8の開時期(IVO)よりも先に到来し、上記「EX’」と上記「IN」との間には、依然として、時間的間隔が空いている。つまり、排気弁9の2度開き終了後、吸気弁8が開くまでの間に、排気弁9および吸気弁8の双方が閉じるネガティブオーバーラップが発生している。
これにより、エンジンが暖機するまではアイドル運転領域でSI燃焼を実行させ、エンジンが暖機した後はCI燃焼に移行する場合に、その移行が円滑に進行する。すなわち、CI燃焼の実行時は、排気弁9は、図9に「EX’」で示すように、排気行程と吸気行程とで2度開きする。一方、SI燃焼の実行時は、吸気弁8は、上記CI燃焼の実行時における排気弁9の2度開き後の閉時期(EVC’)よりも遅角側で開く。そのため、エンジンの暖機に伴うSI燃焼からCI燃焼への移行の際に、吸気弁8の開時期(IVO)を大幅に変更しなくても、CI燃焼の実行時は、排気弁9の2度開きにより、排気ガスを排気ポート7から燃焼室10に逆流させる内部EGRを満足に行うことができ、燃焼室10の温度が上昇して、CI燃焼の安定性がさらに高められる。しかも、吸気弁8は排気弁9の2度開き中には開かないから、排気弁9の2度開きにより、排気ガスだけが確実に排気ポート7から燃焼室10に逆流し、内部EGRの効果が高められる。
(5)作用等
以上説明したとおり、本実施形態の圧縮自己着火式エンジンは、ガソリンを含有する燃料が供給されるエンジン本体1の気筒2と、気筒2に導入される吸気が流通する吸気通路20と、気筒2から排出される排気ガスが流通する排気通路30と、上記吸気通路20と気筒2とを連通する吸気ポート6に開閉可能に設けられた吸気弁8と、上記排気通路30と気筒2とを連通する排気ポート7に開閉可能に設けられた排気弁9と、全運転領域の少なくとも一部に設定されたCI領域Aで、上記気筒2に供給された燃料の自着火による燃焼であるCI燃焼を実行させるECU60とを備える。
上記吸気通路20は、吸気を加熱するインターウォーマ26が設けられた高温通路22と、高温通路22と並列に延びる低温通路23と、高温通路22および低温通路23が集合したサージタンク24と、サージタンク24と上記エンジン本体1とを接続する独立通路25とを有する。
上記高温通路22および低温通路23には、それぞれ吸気の流量を調節するスロットル弁28,29が設けられる。
上記ECU60は、エンジンのアイドル運転領域で、火花点火による強制燃焼であるSI燃焼を実行させ、上記アイドル運転領域でのSI燃焼の実行時は、上記高温通路22および低温通路23用の各スロットル弁28,29を全閉相当の開度まで閉じ、かつ、上記吸気弁8の閉時期(IVC)を吸気下死点(BDC)から所定量遅角させた圧縮行程中の所定時期に設定する(図9)。
本実施形態によれば、高温通路22および低温通路23用の各スロットル弁28,29により、高温通路22および低温通路23からの吸気の混合割合を自在に調節することができるので、エンジン本体1に導入される吸気の温度を応答性よく高い精度で所定の温度範囲に収めることができる。これにより、CI燃焼が実行される運転領域Aにおいて、適正なタイミングで燃料が自着火する環境を確実につくり出すことができ、CI燃焼の安定性を高めることができる。
その場合に、アイドル運転領域でのSI燃焼の実行時は、上記高温通路22および低温通路23用の各スロットル弁28,29を全閉相当の開度まで閉じた上で、吸気弁8の閉時期(IVC)を吸気下死点(BDC)から所定量遅角させるので、気筒2に供給される空気の量が、吸気弁8の閉時期(IVC)を吸気下死点(BDC)に設定した場合に比べて、減少する。
つまり、吸気弁8の閉時期(IVC)を吸気下死点(BDC)から所定量遅角させた圧縮行程中の所定時期に設定したので、いわゆる吸気弁8の遅閉じにより、いったん気筒2に入った空気の一部が吸気ポート6に吹き返されて、燃焼室10に残存する空気の量が減少する。
そして、吸気下死点(BDC)からの遅角量を調節することにより、気筒2に供給される空気の量が調節されるので、たとえ、精度よいCI燃焼の実現のために、高温通路22用と低温通路23用との2つのスロットル弁28,29を設け、その結果、エンジン本体1に流入するトータルの吸気の漏れ量が大きくなる場合でも、SI燃焼でのアイドル運転に必要なだけの少量(アイドル流量)の空気を気筒2に供給することが可能となる。
本実施形態では、上記ECU60は、上記アイドル運転領域でのSI燃焼の実行時は、上記吸気弁8の開時期(IVO)を上記排気弁9の閉時期(EVC)から所定期間後の吸気行程中の所定時期に設定し、上記吸気弁8の閉時期(EVC)を圧縮行程中期の所定時期に設定する(図9)。
本実施形態によれば、上記アイドル運転領域でのSI燃焼の実行時は、排気弁9が閉じてから所定期間が経過した後の吸気行程中に吸気弁8が開くので、吸気行程中に排気弁9および吸気弁8の双方が閉じるいわゆるネガティブオーバーラップにより気筒2内に負圧が生成する。そして、この気筒2内に負圧が生成した段階で吸気弁8が開くので、吸気が一気に気筒2内に流入し、この吸気の一気の流入により吸気の断熱圧縮が生じる。そして、この吸気の断熱圧縮により燃焼室10の温度が上昇して、SI燃焼における混合気の着火安定性が向上する。また、吸気弁8が圧縮行程中期まで遅閉じされることにより、気筒2に供給される空気の量が確実に減少する。
本実施形態では、上記ECU60は、エンジン本体1の冷却水の温度(エンジン本体1の温度)が所定値未満のときに(図7のステップS2でNO)、上記アイドル運転領域でのSI燃焼を実行させ、エンジン本体1の冷却水の温度(エンジン本体1の温度)が上記所定値以上のときは(図7のステップS2でYES)、上記アイドル運転領域を含む上記CI領域Aの少なくとも低負荷側の一部(図8(a)のLmin〜L4)において、上記排気弁9を排気行程だけでなく吸気行程でも開く2度開きを行い、上記アイドル運転領域でのSI燃焼の実行時における上記吸気弁8の開時期(IVO)は、上記CI燃焼の実行時における上記排気弁9の2度開き後の閉時期(EVC’)よりも遅角側に設定されている(図9)。
本実施形態によれば、エンジンが暖機するまではアイドル運転領域でSI燃焼を実行させ、エンジンが暖機した後はCI燃焼に移行する場合に、その移行が円滑に進行する。すなわち、上記CI燃焼の実行時は、排気弁9は、排気行程と吸気行程とで2度開きする(図9のEX’)。一方、上記SI燃焼の実行時は、吸気弁8は、上記CI燃焼の実行時における排気弁9の2度開き後の閉時期(EVC’)よりも遅角側で開く。そのため、エンジンの暖機に伴うSI燃焼からCI燃焼への移行の際に、吸気弁8の開時期(IVO)を大幅に変更しなくても、CI燃焼の実行時は、排気弁9の2度開きにより、排気ガスを排気ポート7から燃焼室10に逆流させる内部EGRを満足に行うことができ、燃焼室10の温度が上昇して、CI燃焼の安定性がさらに高められる。しかも、吸気弁8は排気弁9の2度開き中には開かないから、排気弁9の2度開きにより、排気ガスだけが確実に排気ポート7から燃焼室10に逆流し、内部EGRの効果が高められる。
本実施形態では、上記ECU60は、上記CI領域Aよりも高負荷側の領域を含む運転領域に設定されたSI領域BでSI燃焼を実行させるとともに、上記SI領域Bでの運転時、上記高温通路22の流量に対する低温通路23の流量の割合を、上記CI領域Aのときと比べて増大する(図8(a))。
本実施形態によれば、エンジン高負荷域でのSI燃焼の実行時に(L6〜Lmax)、燃焼室10が無用に高温化することが回避されるので、ノッキング等の異常燃焼の発生を防止することができる。
なお、上記実施形態では、インターウォーマ26の加熱源であるエンジン冷却水の温度を検出する水温センサSN2の検出値と、インタークーラ27の冷却源である外気の温度を検出する外気温センサSN5の検出値とに基づいて、高温通路22および低温通路23用の各スロットル弁28,29の開度を制御したが、インターウォーマ26およびインタークーラ27の温度条件に基づいて(言い換えれば、インターウォーマ26およびインタークーラ27通過後の各吸気の温度を代表する状態量に基づいて)スロットル弁28,29を制御すればよく、その具体的手法は他にも種々考えられる。例えば、インターウォーマ26より下流側の高温通路22と、インタークーラ27より下流側の低温通路23とに、それぞれ温度センサを設け、各温度センサにより検出される加熱または冷却後の吸気の温度に基づいて、上記各スロットル弁28,29の開度を制御してもよい。
また、上記実施形態では、インターウォーマ26の加熱源としてエンジンの冷却水を用いるとともに、インタークーラ27の冷却源として外気(走行風)を用いたが、これら加熱源および冷却源は、吸気を加熱または冷却できるものであればよく、種々の代替が可能である。例えば、インターウォーマ26として電熱式のヒータを用いてもよく、インタークーラ27として水冷式の熱交換器を用いてもよい。
また、上記実施形態では、CI燃焼が行われるCI領域A(第1CI領域A1および第2CI領域A2)での運転時に、高温通路22からの吸気と低温通路23からの吸気とを混合させることにより(つまりスロットル弁28,29の双方を開弁させることにより)、混合後の吸気の温度を一律に同じ温度範囲(例えば50±5℃)まで高めるようにしたが、目標とする温度範囲(所定の温度範囲)は、エンジンの負荷または回転速度に応じて異なる値であってもよい。
また、上記実施形態では、アイドル運転領域でのSI燃焼の実行時は、高温通路22および低温通路23用の各スロットル弁28,29を全閉相当の開度まで閉じるようにしたが、これに限らず、高温通路22および低温通路23用の各スロットル弁28,29を微少量だけ開いた状態にしてもよい。
また、上記実施形態では、アイドル運転領域でのSI燃焼の実行時は、吸気弁8の閉時期(IVC)を吸気下死点(BDC)から所定量遅角させるようにしたが、これに限らず、図10に例示したように、所定量進角させてもよい。吸気弁8の閉時期(IVC)を吸気下死点(BDC)から所定量進角させた吸気行程中の所定時期に設定した場合は、いわゆる吸気弁8の早閉じにより、ピストン5の下降中に吸気ポート6と気筒2とが遮断されて、燃焼室10に導入される空気の量が減少する。この場合も、吸気下死点(BDC)からの進角量を調節することにより、気筒2に供給される空気の量が調節される。
また、上記実施形態では、吸気流量の制御性に優れるとの観点から、高温通路22および低温通路23用の各スロットル弁28,29をバタフライ式のスロットル弁としたが、これに限られない。バタフライ式のスロットル弁は、閉じたときの漏れ量が大きいという特質があるが、他の形式の弁でも閉じたときに漏れが生じる可能性があり、漏れが生じる可能性のあるスロットル弁28,29が吸気通路20に1つではなく複数(上記実施形態では2つ)設けられて、エンジン本体1に流入するトータルの吸気の漏れ量が大きくなって、スロットル弁28,29を閉じただけではアイドル流量が確保できない場合に、本発明は好ましく適用可能である。