以下、圧縮着火式エンジンの制御装置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。
(エンジンの全体構成)
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の上面には、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、燃焼室を区画する。尚、燃焼室の形状は、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の上面形状、及び、燃焼室の天井部の形状等は、適宜変更することが可能である。
このガソリンエンジン1は、理論熱効率の向上や、後述する圧縮自着火による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、適宜設定すればよく、例えば18としてもよい。
シリンダヘッド12には、気筒18毎に、吸気ポート16及び排気ポート17が形成されていると共に、これら吸気ポート16及び排気ポート17には、燃焼室側の開口を開閉する吸気弁21及び排気弁22がそれぞれ配設されている。
吸気弁21及び排気弁22をそれぞれ駆動する動弁系の内、吸気側には、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 ValveTiming)と称する)71と、吸気弁21の開弁態様を変更可能な油圧式の可変駆動機構72が設けられている。VVT71は、液圧式、又は、電動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。可変駆動機構72の詳細は、後述する。吸気弁21の駆動機構は、VVT71と可変駆動機構72とを含んで構成される。
これに対し、排気側には、クランクシャフト15に対する排気カムシャフトの回転位相を変更することが可能なVVT74が設けられている。排気側のVVT74も、液圧式、又は、電動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。排気弁22の駆動機構は、VVT74を含んで構成される。
図3は、吸気弁21の可変駆動機構72の構成を示している。可変駆動機構72は、カムシャフト721と、カムシャフト721に設けられたカム722と、カム722が摺動するタペット723と、タペット723に結合されたポンプ部724と、ポンプ部724に連通する油圧排出路725とを備えている。
吸気弁21を駆動するためのカム722は、この構成例では、2つのカムローブ7221、7222を有している。カム722は、一回転をする間に、言い換えると吸気、圧縮、膨張及び排気の一燃焼サイクルの間に、2つのカムローブ7221、7222によってタペット723を2回押し下げる。
ポンプ部724は、作動油が充填されるシリンダ7241と、シリンダ7241内に内挿されかつ、シリンダ7241内を往復動可能なプランジャー7242とを備えている。プランジャー7242はまた、タペット723に結合されていると共に、プランジャー7242及びタペット723は、ばね726によって、カム722側に付勢されている。タペット723がカムローブ7221、7222によって押し下げられると、プランジャー7242がシリンダ7241内を下降し、作動油の圧力が高まる。作動油の圧力は、カム722のプロフィールに対応するように、クランク角の進行に従い上昇した後、下降をする。前述したように、カム722は、2つのカムローブ7221、7222を有しているため、作動油の圧力は、一燃焼サイクルの間に2回上昇する。
油圧排出路725は、ポンプ部724のシリンダ7241に連通しており、油圧排出路725の途中には、ソレノイドバルブ7251が介設している。ソレノイドバルブ7251は、後述するPCM10によって制御される流量調整弁であり、その開度が全閉から全開の間で任意に設定可能である。ソレノイドバルブ7251を全開にしたときには、前述の通りプランジャー7242が下降をしても油圧排出路725を通じて作動油が排出されることから、作動油の圧力が実質的に高まらない。これに対し、ソレノイドバルブ7251を全閉にしたときには、油圧排出路725を通じた作動油の排出がないため、作動油の圧力が高まるようになる。さらに、詳細は後述するが、カム722の駆動に合わせてソレノイドバルブ7251の開度の調整を行うことによって、作動油の圧力の調整が可能になる。
ポンプ部724のシリンダ7241はまた、チャンバ727に連通しており、このチャンバ727には、吸気弁21のステム上端に連結されたピストン728が配設されている。ピストン728は、チャンバ727を往復動可能に配設されており、ポンプ部724によって昇圧された作動油が供給されたときにチャンバ727内を下降し、ばね729によって閉弁方向に付勢されている吸気弁21を押し下げて、この吸気弁21を開弁する。
図4は、吸気弁21が取り得るリフトカーブの一例を示している。図4における実線L1、L2は、ソレノイドバルブ7251が常時全閉のときの、吸気弁21のリフトカーブに相当する。ソレノイドバルブ7251が全閉であれば、2つのカムローブ7221、7222によって昇圧された作動油が、そのままチャンバ727に供給されるため、吸気弁21は、クランク角の進行に伴い、2回開弁することになる。
吸気弁21が、一燃焼サイクルの間に2回開弁することは、このエンジン1では内部EGRに係る制御の際に利用される。このエンジン1において「内部EGR」とは、気筒18内から吸気ポート16側に排出された燃焼ガスを、気筒18内に再導入することを意味する。つまり、吸気弁21は、膨張行程から排気行程の期間において開弁する(つまり、先行開弁L1)と共に、少なくとも吸気行程においても開弁する(つまり、主開弁L2)。先行開弁時に、気筒18内の燃焼ガスの一部が吸気ポート16側に排出されると共に、主開弁時に、その燃焼ガスと新気とが気筒18内に導入される。燃焼ガスは、同じ気筒18に導入される場合、及び、異なる気筒18に導入される場合がある。
また、2つのカムローブ7221、7222の内、カムローブ7221がタペット723を押し下げている間(言い換えると、カムローブ7221が作動している間)に、ソレノイドバルブ7251を全開にすれば、昇圧された作動油がチャンバ727に供給されないため、吸気弁21は開弁しない。その後、カムローブ7222がタペット723を押し下げている間(言い換えると、カムローブ7221が作動している間)に、ソレノイドバルブ7251を全閉にすれば、前述したように、吸気弁21は開弁する(つまり、主開弁L2)。こうして、カムローブ7221を実質的に機能させず、カムローブ7222のみを機能させるようにすれば、一燃焼サイクルの間に、吸気弁21を1回だけ開弁することが可能になる。これは、内部EGR制御を行わない通常のエンジン運転時に利用される。従って、吸気弁21の可変駆動機構72は、内部EGR制御の実行・非実行の切り替えを行うことが可能である。
また、先行開弁の際のソレノイドバルブ7251の開閉を制御することによって、先行開弁のリフト量及び開弁時期が変更され、気筒18内に導入される内部EGR量を調整することが可能になる。具体的に、カムローブ7221の作動が開始した当初に、ソレノイドバルブ7251を全開にすれば、吸気弁21を閉弁状態に維持することができる一方で、カムローブ7221の作動中(より正確には、カムローブ7221のノーズに至るまで)にソレノイドバルブ7251を閉じることで、作動油の昇圧が開始してピストン728を押すようになるから、吸気弁21が開弁する。こうして、吸気弁21の開弁時期を遅くすることができると共に、リフト量を小さくすることが可能になる(図4のL11参照)。ソレノイドバルブ7251の開から閉への切り替えタイミングをさらに遅くすることで、吸気弁21の開弁時期をさらに遅くすることができると共に、リフト量をさらに小さくすることも可能になる(図4のL12参照)。
さらに、カムローブ7221の作動が開始した当初は、ソレノイドバルブ7251を全閉にすれば、前述したように、吸気弁21は作動油の圧力上昇に従って開弁する一方で、カムローブ7221の作動中にソレノイドバルブ7251を開くことによって、作動油の圧力が低下するから、吸気弁21は、ばね729の付勢力によって閉弁するようになる。こうして、吸気弁21の閉弁時期を進めることが可能になって、吸気弁21のリフト量及び作動角がそれぞれ小さくなる(図4のL13参照)。ソレノイドバルブ7251の閉から開への切り替えタイミングに応じて、吸気弁21の閉弁時期及びリフト量がそれぞれ変更される。例えば図4のL12とL13とを比較すれば、吸気弁21のリフト量が実質的に同じである一方で、その開弁時期を変更していることと等価である。これは、主開弁L2の位相を変更せずに、先行開弁の位相のみを変更することを可能にする。
また、ソレノイドバルブ7251のバルブ開度を全閉から全開にするまでの開度変化率を高くすれば、吸気弁21の閉弁動作を素早くすることが可能になり、逆に、ソレノイドバルブ7251の開度変化率を低くすれば、吸気弁21をゆっくりと閉弁させることも可能になる。可変駆動機構72は、吸気弁21の閉弁時期を調整することも可能である。
シリンダヘッド12にはまた、気筒18毎に、気筒18内に燃料を直接噴射するインジェクタ67が取り付けられている。インジェクタ67は、その噴口が燃焼室の天井面の中央部分から、その燃焼室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、燃焼室の中心位置から放射状に広がるように、燃料を噴射する。ピストン14が圧縮上死点付近に位置するタイミングで、燃焼室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、ピストン上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。
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、最高で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、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。
シリンダヘッド12にはまた、燃焼室内の混合気に強制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。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。
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。
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、気筒18毎に分岐する独立通路とされ、これら各独立通路の下流端が各気筒18の吸気ポート16にそれぞれ接続されている。
吸気通路30におけるエアクリーナ31とサージタンク33との間には、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。尚、インタークーラ/ウォーマ34及びそれに付随する部材は、省略することも可能である。
排気通路40の上流側の部分は、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。尚、このエンジン1は、NOx浄化触媒を備えていない。
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。
エンジン1は、パワートレイン・コントロール・モジュール(以下、PCMという)10によって制御される。PCM10は、CPU、メモリ、カウンタタイマ群、インターフェース及びこれらのユニットを接続するパスを有するマイクロプロセッサで構成されている。このPCM10が制御器を構成する。
PCM10には、図1,2に示すように、各種のセンサSW1〜SW16の検出信号が入力される。この各種のセンサには、次のセンサが含まれる。すなわち、エアクリーナ31の下流側で、新気の流量を検出するエアフローセンサSW1及び新気の温度を検出する吸気温度センサSW2、インタークーラ/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。
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、吸気側のVVT71及び可変駆動機構72、排気側のVVT73、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、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。PCM10は、予め設定されたモデルと、前述した各種の検出信号等とに基づいて、燃焼室内の温度や圧力を含む燃焼状態を推定し、その燃焼状態に基づいて各制御信号を出力することにより、エンジン1を運転する。
(エンジンの運転制御)
図5は、エンジン1の運転制御マップ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、制御自着火(Controlled Auto Ignition:CAI)によって燃焼を行う。図5の例では、実線で示す燃焼切替負荷よりも低い領域が、CAI燃焼を行う自着火領域(CAI)に対応する。
エンジン1の負荷が高くなるに従って、CAI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、CAI燃焼を止めて、点火プラグ25を利用した強制点火(ここでは火花点火Spark Ignition:SI)による燃焼に切り替える。図5の例では、実線で示す燃焼切替負荷以上の領域が、火花点火燃焼を行う火花点火領域(SI)に対応する。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、CAIモードと、SI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。
図6(a)は、エンジン回転数が低回転側の所定回転数で一定のときの、エンジン1の負荷の高低に対するEGR率の変化(つまり、気筒18内のガス組成の変化)を示している。図6(b)は、エンジン1の負荷の高低に対する燃焼ガス温度の変化を示している。以下、気筒18内のガス組成の変化について、低負荷側から高負荷側に向かって順に説明する。
(最低負荷から特定負荷T1まで)
特定負荷T1までの低負荷領域は、CAIモードの低負荷域に相当し、CAI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、内部EGRガスを気筒18内に導入することによる。ホットEGRガスの導入は、気筒18内の圧縮端温度(つまり、ピストン14が圧縮上死点に至ったときの気筒18内の温度)を高め、低負荷域におけるCAI燃焼の着火性及び安定性を高める。
CAIモードにおいては、スロットル弁36の開度を全開に維持した状態で、内部EGRガス量の調整を行い、それと共に新気量も調整する。これは、ポンプ損失の低減に有利である。また、特定負荷T1までの低負荷領域では、EGR率を、最高EGR率rmaxに設定する。後述するように、特定負荷T1以上の負荷領域では、エンジン1の負荷が高くなるに従い、EGR率が低くなるように設定するが、特定負荷T1よりもエンジン1の負荷が低いときには、エンジン1の負荷の高低に拘わらず、EGR率を最高EGR率rmaxで一定にする。EGR率を、最高EGR率rmaxに制限することは、EGR率を、それ以上に高くして気筒18内に大量の排気ガスを導入してしまうと、気筒18内のガスの比熱比が低くなることで、圧縮開始時のガス温度が高くても、圧縮端温度が逆に低くなってしまうためである。
つまり、排気ガスは、三原子分子であるCO2やH2Oを多く含んでおり、窒素(N2)や酸素(O2)を含む空気と比較して、比熱比が低い。そのため、EGR率を高くして気筒18内に導入する排気ガスが増えたときには、気筒18内のガスの比熱比は低下する。
排気ガスの温度は、新気と比較して高いため、EGR率が高くなるほど、圧縮開始時の気筒18内の温度は高くなる。しかしながら、EGR率が高くなるほど、ガスの比熱比が低下することから、圧縮をしてもガスの温度がそれほど高まらず、結果として、圧縮端温度は、所定のEGR率rmaxで最高となり、EGR率をそれより高めても、圧縮端温度は低くなる。
そこで、このエンジン1においては、圧縮端温度が最も高くなるEGR率を最高EGR率rmaxに設定している。そして、エンジン1の負荷が特定負荷T1よりも低いときには、EGR率を最高EGR率rmaxに設定し、そのことにより、圧縮端温度が低下してしまうことを回避している。この最高EGR率rmaxは、50〜90%に設定してもよい。最高EGR率rmaxは、高い圧縮端温度を確保することができる限度において、できるだけ高く設定してもよく、好ましくは、70〜90%である。このエンジン1は、高い圧縮端温度が得られるように、幾何学的圧縮比を15以上の高い圧縮比に設定している。こうして、できる限り高い圧縮端温度を確保するように構成しているエンジン1においては、最高EGR率rmaxは、例えば80%程度に設定してもよい。最高EGR率rmaxを、できるだけ高く設定することは、エンジン1の未燃損失の低減に有利になる。つまり、エンジン1の負荷が低いときには未燃損失が高くなり易いため、エンジン1の負荷が特定負荷T1よりも低いときにEGR率をできるだけ高く設定することは、未燃損失の低減による燃費の向上に極めて有効である。
この特定負荷T1よりも低い領域では、図4に、例えばL11で示すように、相対的に大きなリフト量の先行開弁を行う。このことで、気筒18内に導入する内部EGRガス量が最大となるようにする。こうして、このエンジン1においては、エンジン1の負荷が特定負荷T1よりも低いときに、高い圧縮端温度を確保することにより、CAI燃焼の着火性及び燃焼安定性を確保する。
尚、この特定負荷T1よりも低い領域では、少なくとも吸気行程から圧縮行程前半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。このことにより、気筒18内に均質な混合気を形成する。
(特定負荷T1から所定負荷T2まで)
特定負荷T1から所定負荷T2までの領域は、CAIモードの中負荷域に相当する。この領域では、混合気の空気過剰率λを1よりも大きくする。従って、図6において一点鎖線で示すλ≒1のラインよりも気筒18内に導入される新気量は増えかつ、気筒18内に導入される排気ガス量(ここでは、内部EGRガス量)はλ≒1のラインよりも減る。混合気の空気過剰率λは、2.4以上のリーンにすることが好ましい。混合気をリーンにすることは、熱効率を高めて燃費の向上に有利になると共に、空気過剰率λを2.4以上にすることで、RawNOxの生成が抑制される。これは、NOx浄化触媒を備えていない本エンジン1において、排気エミッション性能を確保することを可能にする。尚、所定負荷T2と、後述する切替負荷T3との間には、混合気の空気過剰率λを徐変する区間を設けている。
特定負荷T1を超える領域において、エンジン1の負荷が高まるに従い燃料噴射量は増大するため、空気過剰率λを、前述のように2.4以上に維持する上で、必要な新気量は次第に多くなり、それに伴い、ホットEGRガス量は次第に少なくなる。エンジン1の負荷が低いときには、ホットEGRガスの導入量を増やすことによって圧縮開始時の気筒18内の温度を高め、それに伴い圧縮端温度を高くし、圧縮自着火の着火性を高めると共に、圧縮自着火燃焼の安定性を高める上で有利である。一方、エンジン1の負荷が高くなれば、燃料噴射量が増えることに伴い、図6(b)に示すように、燃焼ガス温度が高くなり、気筒18内の温度状態と共に排気ガス温度が高まる。そのため、ホットEGRガスの導入量を少なくしても、圧縮自着火の着火性及び安定性は確保可能である。
このCAI領域における、エンジン1の負荷に対応したホットEGRガスの導入量の調整は、吸気弁21の先行開弁のリフト量を調整することによって行われる。すなわち、エンジン1の負荷が上昇するに従い、EGR率を高から低へ変更するときには、先行開弁のリフト量を小さくする。逆に、エンジン1の負荷が低下するに従い、EGR率を低から高へ変更するときには、吸気弁21の先行開弁のリフト量を大きくする。これは、前述したように、可変駆動機構72のソレノイドバルブ7251の開閉を調整することにより行う。つまり、エンジン1の負荷が上昇するに従い、EGR率を高から低へ変更するときには、ソレノイドバルブ7251の開から閉への切り替えタイミングを、カムローブ7221の作動開始に対して遅くすることにより先行開弁のリフト量を小さくする。逆に、エンジン1の負荷が低下するに従い、EGR率を低から高へ変更するときには、ソレノイドバルブ7251の開から閉への切り替えタイミングをカムローブ7221の作動開始に近づけることにより先行開弁のリフト量を大きくする。
(所定負荷T2から切替負荷T3まで)
CAIモードにおいて所定負荷T2以上の負荷領域は、CAIモードの高負荷域に相当する。CAIモード内の高負荷域では、混合気の空燃比を理論空燃比(λ≒1)に設定する。これにより、三元触媒の利用が可能になり、排気エミッション性能を確保することが可能になる。燃焼ガス温度は、図6(b)に示すように、リーン燃焼時よりも高くなる。
この高負荷側の領域では、気筒18内の温度状態がさらに高くなる。そのため、混合気の空燃比を理論空燃比(λ≒1)に維持しつつ、気筒18内にホットEGRガスを導入したのでは、気筒18内の温度状態が高くなりすぎて、過早着火等の異常燃焼が生じたり、CAI燃焼時に気筒18内の圧力上昇(dP/dθ)が急峻になって燃焼騒音の問題が生じたりする虞がある。そこで、所定負荷T2から切替負荷T3までの領域では、ホットEGRガスと共に、クールドEGRガスを気筒18内に導入する。クールドEGRガスは、基本的には、EGRクーラ52を通過することによって冷却された外部EGRガスである。尚、EGRクーラ52をバイパスした外部EGRガスを、クールドEGRガスに含んでもよい。
また、CAIモードの高負荷側の領域においても、エンジン1の負荷に対応したホットEGRガスの導入量の調整は、吸気弁21の先行開弁のリフト量を調整することによって行われる。前述したように、可変駆動機構72のソレノイドバルブ7251の開閉制御によって、先行開弁のリフト量を調整する。先行開弁は、図4に例えばL12で示すように、相対的に小さいリフト量でかつ、相対的に短い開弁期間で開弁する。高負荷側の領域における先行開弁の開弁時期は、低負荷側の領域における先行開弁の開弁時期よりも遅角している。
こうして、CAIモードの高負荷側の領域では、ホットEGRガス量が少なくかつ、温度が低下することと、クールドEGRガスを気筒18内に導入することとが組み合わさって、気筒18内の温度状態が高くなりすぎることが回避され、異常燃焼や燃焼騒音の回避に有利になる。尚、CAIモードにおいては、後述するSIモードとは異なり、燃焼安定性に関連するEGR率の制限が無い。そのため、混合気の空気過剰率λを実質的に1に設定しつつ、EGR率を可能な限り高くすることが可能である。EGR率を高くすることはまた、CAIモードの高負荷側の領域において、異常燃焼や燃焼騒音の回避に有利になる。
切替負荷T3は、CAIモードとSIモードとの切り替えに係り、切替負荷T3以上の高負荷側においてはSIモードとなる。CAIモードにおいては、吸気弁21の先行開弁を行うことで内部EGRガス(つまりホットEGRガス)を気筒18内に導入する一方で、SIモードでは、吸気弁21の先行開弁を行わないことで内部EGRガスの導入を中止する。従って、切替負荷T3を境にして、吸気弁21の先行開弁の実行・非実行が、切り替わる。これもまた、ソレノイドバルブ7251の開閉を制御することによって行われる。
(切替負荷T3から最大負荷Tmaxまで)
切替負荷T3よりも負荷の高い領域はSIモードに相当する。このSI領域では、前述したように、ホットEGRガスを実質的にゼロにし、クールドEGRガスのみを気筒18内に導入する。尚、ホットEGRガスを実質的にゼロにするとは、内部EGR制御を行わない意味である。構造上、気筒18内には燃焼ガスの一部が残留するため、SIモードにおいてもホットEGRガスは、気筒18内に残留し得る。
SIモードでは、基本的には、スロットル弁36の開度を全開に維持しかつ、EGR弁511の開度を、エンジン負荷に応じて変更する。こうして、SIモードにおいては、混合気の空燃比を理論空燃比(λ≒1)に設定する条件下でEGR率を最大に設定している。これは、ポンプ損失の低減に有利である。また、混合気の空燃比を理論空燃比に設定することは、三元触媒の利用を可能にする。EGR弁511は、具体的には、エンジン負荷の上昇に従い次第に閉じ、全開負荷では閉弁する。このことは、エンジン負荷が連続的に変化するようなときには、気筒18内のガス組成を連続的に変化させることになるから、制御性の向上に有利である。
SI燃焼においては、気筒18内に導入する排気ガスの量が多すぎると燃焼安定性が低下してしまう。そのため、SI燃焼において設定可能な最高のEGR率(つまり、EGR限界)が存在する。前述の通り、混合気の空燃比を理論空燃比(λ≒1)に設定するため、エンジン負荷の高低に応じてEGR率は連続的に変化し、SIモードにおいてエンジン負荷が低いときには、燃料量が少なくかつ、新気量が少なくなることで、EGR率は高くなり得るものの、切替負荷T3から所定負荷T4までは、EGR率はEGR限界に制限する。従って、切替負荷T3から所定負荷T4までの間は、EGR率はEGR限界で一定になる、こうして、EGR率がEGR限界によって制限されると、混合気の空燃比を理論空燃比(λ≒1)に設定する上で、気筒18内に導入する新気量を減らさなければならない。ここでは、吸気弁21の閉弁時期を吸気下死点以降に遅らせることによって、気筒18内に導入する新気量を減らしている。尚、吸気弁21の閉弁時期の制御の代わりに、例えばスロットル弁36の開度制御を行っても、気筒18内に導入する新気を減らすことが可能である。但し、吸気弁21の閉弁時期を制御することは、ポンプ損失の低減に有利である。
(エンジン負荷の変化に伴う内部EGRガス量の調整)
前述の通り、CAIモードにおいては、エンジン負荷の高低に従って内部EGRガス量を変更する。具体的に、エンジン負荷が低いときには、気筒18内に導入する内部EGRガス量が多く(つまり、内部EGR率が高く)、エンジン負荷が高いときには、気筒18内に導入する内部EGRガス量が少ない(つまり、内部EGR率が低い)。ここで、運転者がアクセルペダルを踏み込んで加速をするときを考える。加速時には、エンジン1の運転状態は高負荷側へと移行するため、吸気弁21の先行開弁のリフト量を変更することにより、内部EGR率を高から低へと変更する。しかしながら、気筒18内の温度状態や、排気ガス温度は遅れて高まるため、エンジン1の運転状態の移行過渡時には、相対的に低温でかつ、少量の内部EGRガスが、気筒18内に導入される結果、気筒18内の温度状態が大幅に低くなり、圧縮着火燃焼の着火性の低下、及び、安定性の低下を招き得る。そこで、このエンジン1では、エンジン1の運転状態が高負荷側と移行する過渡時に、圧縮着火燃焼の着火性の低下、及び、安定性の低下を回避するための過渡制御を実行する。
図7は、内部EGR率が高から低へと変更するように、エンジン1の運転状態が高負荷側へと移行する過渡時における、吸気弁21のリフトカーブ(実線参照)及び排気弁22のリフトカーブ(破線参照)を示している。図7(a)は従来構成であり、図7(b)は本構成である。本構成は、前述したように、吸気弁21の先行開弁によって内部EGR制御を行う。従来構成は、本構成とは異なり、排気弁22を吸気行程においても開弁することによって内部EGR制御を行う(いわゆる、排気弁22の二度開き)。つまり、吸気行程中に排気弁22を開弁することにより、排気行程中に排気ポート17側に排出した排気ガスの一部を、気筒18内に再導入する。図7(a)の例では、排気行程中に開弁した排気弁22を、吸気行程中まで開弁したままにしている。こうした排気弁22の二度開きを行う従来構成において、内部EGRガス量を増やして内部EGR率を高めようとすれば、図7(a)の左に示すように、排気弁22の開弁期間の位相を遅角させ、それによって、吸気行程中に開弁する排気弁22の開口時間面積(つまり、排気弁22のリフト量を時間で積分した値)を大きくする。逆に、内部EGRガス量を減らして内部EGR率を低くしようとすれば、図7(a)の右に示すように、排気弁22の開弁期間の位相を進角させ、それによって、吸気行程中に開弁する排気弁22の開口時間面積を小さくする。このように、排気弁22の二度開きを行う従来構成においては、吸気行程中の排気弁22の開口時間面積の大小によって内部EGR率、ひいては気筒内の温度状態の調整が行われることから、エンジン1の運転状態が高負荷側へと移行する過渡時には、図7(a)に矢印で示すように、排気弁22の開弁期間の位相を、遅角側から進角側へと次第に変更させることになる。この構成では、前述したように、移行過渡時に、気筒18内の温度が低下しすぎることを回避するために、内部EGRガスを少しずつ減量しなければならず、エンジン1の運転状態の移行が遅くなる。
これに対し本構成は、エンジン1の運転状態が高負荷側へと移行する過渡時に、気筒18内に導入する燃焼ガスの温度と、燃焼ガスの量とを独立して調整することを特徴とする。これは、エンジン1の負荷の高低に応じて内部EGR率を変更することは、気筒18内の温度状態を、エンジン1の負荷の高低に拘わらず、ほぼ一定にすることを鑑みたものである。
具体的には、エンジン1の運転状態が低負荷域にあって、内部EGR率が高く設定されるときには、図7(b)の左に示すように、吸気弁21の先行開弁のリフト量を大きくし、それに伴い先行開弁の開弁期間を長くする(L11参照)。図4を参照して説明したように、先行開弁のリフト量及び開弁期間は、可変駆動機構72のソレノイドバルブの開閉タイミングを調整することにより行われる。
本構成では、エンジン1の運転状態が高負荷側へと移行する過渡時に、先行開弁のリフト量を大から小へと次第に小さくするのではなく、先行開弁のリフト量を大幅に小さくしつつ、その開弁時期を、排気弁22の開弁時期よりも早くする。これにより、図7(b)の中央に示すように、吸気弁21の先行開弁は、過渡時には、膨張行程中に行われる。膨張行程中に先行開弁を行うことにより、気筒18内の高温の燃焼ガスを吸気ポート16側に排出することが可能になる。その結果、先行開弁のリフト量を小さくして、気筒18内に導入される内部EGRの量を少なくしても、気筒18内の温度状態、特に圧縮端温度を高めることが可能になる。こうして高い圧縮端温度を確保することが可能になるから、エンジン1の運転状態が高負荷側へと移行する過渡時に、気筒18内の温度状態の低下によってCAI燃焼の着火性が低下したり、安定性が低下したりする事態を回避することが可能になる。
本構成ではまた、エンジン1の運転状態が高負荷域へと移行した後には、図7(b)の右に示すように、吸気弁21の先行開弁の開弁時期を、過渡時よりも遅角させる。先行開弁の開弁時期は、低負荷時の開弁時期よりも遅角する。これにより、気筒18内に導入される燃焼ガスの温度が、過渡時と比べて低下する。また、吸気弁21の先行開弁のリフト量を低負荷時よりも小さくし、それに伴い先行開弁の開弁期間を低負荷時よりも短くする(L12参照)。リフト量及び開弁期間は、高負荷域の運転状態に応じて設定されるリフト量及び開弁期間であり、内部EGR率が低く設定される。こうして、高負荷域においては、気筒18内の温度状態が高くなりすぎることを防止する。これにより、燃焼騒音の増大が回避されると共に、過早着火等の異常燃焼が回避される。
尚、図7(b)の制御例では、吸気弁21の主開弁L21は、エンジン1の運転状態の移行中に、そのリフト量も開弁期間の位相も変化していない。また、排気弁22も、エンジン1の運転状態の移行中に、そのリフト量及び開弁期間の位相は変化していない。
次に、図8、9に示すタイムチャートを参照しながら、エンジン1の運転状態が高負荷側へと移行するときの各種パラメータの変化について説明する。先ず、図8に示すタイムチャートにおいて、エンジン1の負荷は、図6に示すT1未満の当初負荷(1)から、T1〜T2の間の目標負荷(2)まで上昇する。つまり、エンジン1の負荷は、CAIモードにおける低負荷域から中負荷域へと移行する。目標負荷(2)では、内部EGRガスのみが気筒18内に導入され、外部EGRガスは導入されない。
図8の左側の各図は、図7(a)に示す排気弁22の二度開きを行う従来構成におけるパラメータの変化を例示している。図8(a)は内部EGR温度の変化、(b)はTDC温度の変化、(c)は内部EGR率の変化、(d)は混合気のA/Fの変化、及び(e)は排気弁22の開弁期間の位相変化をそれぞれ示している。
従来構成では、前述したように、内部EGR率を高から低へと変更する際に、排気弁22の開弁期間の位相を進角させる。ここで、図8(c)に破線で示すように、エンジン1の運転状態の移行に際し、内部EGRガスを大きく減らすと、それまでの燃焼ガス温度、ひいては排気ガス温度が低いことから(尚、従来構成では、排気行程中に排気ポート17側に排出した排気ガスが気筒18内に導入されるため、排気ガス温度と、図8(a)に示す内部EGRガス温度とはほぼ同じになる)、図8(b)に破線で示すように気筒18内の温度状態が低下して、CAI燃焼の着火性や安定性が低下してしまう。
そこで、従来構成では、燃焼ガス温度を可能な範囲で高め、ガス温度の上昇に合わせて内部EGR率を下げるようにする。具体的には、図8(d)に示すように、エンジン1の負荷の上昇に合わせて、燃料量を徐々に増やす。内部EGRガスを急激に減らすことができず、十分な新気量が確保できないことから、燃料量を徐々に増やすことになる。燃料量の増大により、混合気の空燃比はリッチ側へと変更され(図8(e)参照)、燃焼ガス温度が上昇する。それに伴い、図8(a)に示すように、気筒18内に導入される内部EGRガスの温度が徐々に高まる。そうして、内部EGRガスの温度上昇に合わせて、排気弁22の開弁期間の位相を、徐々に進角する(図8(f)参照)。これにより、内部EGR率が徐々に低下するようになる(図8(c)参照)。こうすることで、図8(b)に示すように、過渡時において圧縮端温度をほぼ一定に維持することが可能になる。
このように、排気弁22の二度開きを行う従来構成では、エンジン1の運転状態が高負荷側へと移行するときに、燃料量の増大、排気温度の上昇、排気弁22の開弁期間の進角、内部EGR率の低下を順に行うようにする。そうして、目標負荷に対応する内部EGR率及び燃料流量になれば、過渡制御が終了する。従来構成では、過渡制御時に、燃料量の増大や、排気弁22の開弁期間の進角を、徐々に変更させなければならないため、高負荷側への移行が完了するまでに長い時間がかかってしまうという不都合がある(図8の白抜きの矢印参照)。
これに対し、図8の右側の各図は、図7(b)に示す吸気弁21の先行開弁を行う本構成におけるパラメータの変化を例示している。図8(g)は内部EGR温度の変化、(h)はTDC温度の変化、(i)は内部EGR率の変化、(j)は混合気のA/Fの変化、及び(k)は排気弁22の開弁期間の位相変化をそれぞれ示している。
本構成では、前述の通り、移行過渡時に、吸気弁21の先行開弁の位相を大きく進角し、膨張行程で先行開弁を行う(図8(l)参照)。また、先行開弁のリフト量を十分に小さくする(つまり、開弁期間を短くする)。これにより、内部EGR率を、目標負荷での内部EGR率と実質的に同じにする(図8(i)参照)。これにより、気筒18内に十分な新気量を確保することができるから、燃料量を大きく増大しても、混合気の空気過剰率λを1以上にすることが可能である。図例では、図8(j)に示すように、燃料量は、移行開始後、目標負荷に対応する燃料量まで増大している。
こうして燃料量を増大することにより、燃焼ガスの温度が高まる。尚、燃料量は、λ≧1の範囲で増量することが可能である。前述したように、先行開弁を膨張行程で行うことにより、高温の燃焼ガスを吸気ポート16側に排出することが可能になる。その結果、図8(a)に示すように、気筒18内に導入する内部EGRガスの温度を、大幅に高めることが可能になる。図例では、内部EGRガスの温度を、過渡時には一時的に、中負荷域への移行後の内部EGR温度よりも高めている。内部EGR温度を高めることにより、内部EGR率が低くても、圧縮端温度が低下してしまうことが抑制される(図8(h)参照)。
本構成ではまた、燃料量の増大により、気筒18内の温度状態が速やかに高まると共に、排気ガス温度も速やかに高まる。本構成では、その過渡制御中に、圧縮端温度が高くなりすぎないように、先行開弁の開弁期間の位相を遅らせる(図8(l)参照)。こうして、気筒内に導入する内部EGRガスの温度を調整する(図8(a)参照)。その結果、圧縮端温度を、過渡制御の最中に、ほぼ一定に維持することが可能になる。本構成では、図8に白抜きの矢印で示すように、過渡制御を速やかに終了して、エンジン1の運転状態を中負荷域に速やかに移行させることができる。中負荷域への移行完了後、先行開弁の開弁時期は、過渡制御中よりもさらに遅角される。その結果、先行開弁の開弁時期は、低負荷域での開弁時期よりも遅角するようになる(図8(l)のIVO参照)。こうして、中負荷域において、気筒18内の温度状態が高くなりすぎることが回避される。
次に、図9は、エンジン1の負荷が、図6に示すT1未満の当初負荷(1)から、T2〜T3の間の目標負荷(3)まで上昇するときの各種パラメータの変化を例示している。目標負荷(3)は、CAIモードにおける高負荷域に相当し、目標負荷(3)では、内部EGRガスと外部EGRガスとの両方が気筒18内に導入される点が、図8の制御例とは相違する。図9の左側の各図は、排気弁22の二度開きを行う従来構成(図7(a)参照)に係り、(a)内部EGR温度の変化、(b)TDC温度の変化、(c)内部EGR率の変化、(d)混合気のA/Fの変化、(e)外部EGR率、及び(f)排気弁22の開弁期間の位相変化をそれぞれ示している。また、図9の右側の各図は、吸気弁21の先行開弁を行う本構成(図7(b)参照)に係り、(h)内部EGR温度の変化、(i)TDC温度の変化、(j)内部EGR率の変化、(k)燃料流量の変化、(l)混合気のA/Fの変化、(m)外部EGR率、及び(n)吸気弁21の先行開弁の開弁期間の位相変化をそれぞれ示している。
先ず、図9の右側の各図に示す従来構成での過渡制御について説明する。従来構成では、図8に示す場合と同様に、燃料量を徐々に増やして排気ガスの温度を高め、排気ガス温度の上昇に応じて、排気弁22の開弁期間の位相を次第に進角し内部EGR率を次第に低下させる。そうして、圧縮端温度を一定に維持する。また、外部EGR率も次第に高まるように、EGR弁511の開度を調整する。当初負荷と目標負荷との差が大きいこと、及び、外部EGRシステムの応答性が低いことに起因して、図8に示す制御例よりも、過渡制御に要する時間が長くなる。
これに対し、図9の左側の各図に示す本構成では、従来構成とは異なり、燃料量を大幅に増やすことが可能である。但し、図9の例では、目標負荷において外部EGRガスを気筒18内に導入することを考慮して、燃料量の増量を、図8の例よりも少なくする(図9(k)参照)。外部EGRシステムの応答性が低く、外部EGRガスは、内部EGRガスよりも遅れて気筒18内に導入されることから、過渡制御中に燃料量を増やしすぎると、過渡制御時又は移行完了後に。外部EGRガスの温度が高くなりすぎるためである。その一方で、本構成では、前述の通り、先行開弁によって、内部EGRガスの導入量から独立して、内部EGRガスの温度を調整することが可能である。
図9の制御例では、高負荷域への移行後に設定される内部EGRガス温度を超えない限度で、過渡時における内部EGRガス温度を高めるようにしている。そうして内部EGRガスの温度を適切に高めつつ、吸気弁21の先行開弁の開弁期間が長くなるように設定している(図9(n)参照)。これにより、過渡制御時における外部EGRシステムの遅れを補いながら、過渡時における圧縮端温度の低下を抑制することが可能になる。
EGR弁511は、過渡制御の開始当初から徐々に開弁する。それにより、図9(k)に示すように、外部EGR率は徐々に高まる。
過渡制御中に、外部EGRガスの導入が開始されれば、燃料量をさらに増やして、燃焼ガス温度をさらに高める一方で、内部EGRガス温度の上昇を制限するように(図9(a)参照)先行開弁の開弁時期を遅角すると共に、内部EGR率が低下するように(図9(j)参照)吸気弁21の先行開弁のリフト量を低減する(図9(n))。内部EGRガス温度は、移行後に設定される内部EGRガスの温度を超えないように調整される。こうして、気筒18内に、内部EGRガス、外部EGRガス及び新気を所定量だけ導入して、圧縮端温度を所定温度に維持する。
燃料量が目標負荷での燃料量まで増加し、内部EGR率及び外部EGR率がそれぞれ、目標負荷でのEGR率に到達すれば、過渡制御が完了する。過渡制御中に、内部EGRガスの温度を高めすぎないことで、内部EGRガス及び外部EGRガスの両方が気筒18内に導入される高負荷側への移行後に、圧縮端温度が高くなり過ぎることを回避することができる。これは、高負荷側への移行後に、燃焼騒音が増大してしまう事態を未然に回避する。吸気弁21の先行開弁の開弁時期は、過渡制御時よりも遅角する。これは、低負荷時の開弁時期よりも遅角していて、排気行程に相当する。
こうして、図9に示す制御例でも、本構成は、吸気弁21の先行開弁を利用して、内部EGRガスの温度を独立して調整することにより、従来構成と比較して、過渡制御が短くなり、高負荷域の移行が速やかに完了する。
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。
吸気弁21の駆動機構は、VVT71と可変駆動機構72とを含む構成に限定されない。例えば、吸気弁21の駆動機構は、VVT71と可変駆動機構72とに加えて、2種類のカムを切り換え可能な切換機構をさらに含むようにしてもよい。カム切換機構は、例えばカム山を1つ有するカムと、カム山を2つ有するカムとを切り換えるようにしてもよい。カム山を1つ有するカムは、内部EGR制御を行わないときに使用し、カム山を2つ有するカムは、内部EGR制御を行うときに使用すればよい。
また、吸気弁21の駆動機構は、可変駆動機構72に代えて、前記のカム切換機構を含んで構成してもよい。つまり、吸気弁21の駆動機構は、VVTと、カム切換機構を含んで構成してもよい。この構成でも、図4に示す各リフトカーブを実現可能である。
さらに、吸気弁21の駆動機構は、吸気弁のリフト量を連続的に変更可能な、機械式のリフト可変機構(Continuously Variable Valve Lift:CVVL)と、VVTとを含んで構成してもよい。この構成でも、図4に示す各リフトカーブを実現可能である。
図5に示す運転制御マップは例示であり、これ以外にも様々なマップを設けることが可能である。
また、排気通路には三元触媒のみを備えたが、NOx浄化触媒を備えて、空気過剰率λが2.4よりも小さく1.0よりも大きい、A/FがLeanの運転を可能にしてもよい。
さらに、ここに開示する技術は、ディーゼルエンジンに適用することも可能である。