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。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。
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。
シリンダヘッド12には、気筒18毎に、吸気ポート16及び排気ポート17が形成されていると共に、これら吸気ポート16及び排気ポート17には、燃焼室19側の開口を開閉する吸気弁21及び排気弁22がそれぞれ配設されている。
吸気弁21及び排気弁22をそれぞれ駆動する動弁系の内、排気側には、排気弁22の作動モードを通常モードと特殊モードとに切り替える、例えば油圧作動式の可変機構(図2参照。以下、VVL(Variable Valve Lift)と称する)71と、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位相可変機構(以下、VVT(Variable Valve Timing)と称する)75と、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、図5に実線で例示するように、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、図5に破線で例示するように、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。
尚、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制御を行うことも可能であるし、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制御を行うことも可能である。但し、後述の通り、圧縮端温度を高くする上では、排気二度開きが最も好ましい。
VVT75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。排気弁22は、VVT75によって、その開弁時期及び閉弁時期を、所定の範囲内で連続的に変更可能である。
VVL71及びVVT75を備えた排気側の動弁系と同様に、吸気側には、図2に示すように、VVL74とVVT72とが設けられている。吸気側のVVL74は、排気側のVVL71とは異なる。吸気側のVVL74は、吸気弁21のリフト量を相対的に大きくする大リフトカムと、吸気弁21のリフト量を相対的に小さくする小リフトカムとの、カムプロファイルの異なる2種類のカム、及び、大リフトカム及び小リフトカムのいずれか一方のカムの作動状態を選択的に吸気弁21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。VVL74が大リフトカムの作動状態を吸気弁21に伝達しているときには、図5に実線で示すように、吸気弁21は、相対的に大きいリフト量で開弁すると共に、その開弁期間も長くなる。これに対し、VVL74が小リフトカムの作動状態を吸気弁21に伝達しているときには、吸気弁21は、図5に破線で示すように、相対的に小さいリフト量で開弁すると共に、その開弁期間も短くなる。大リフトカムと小リフトカムとは、その開弁時期又は閉弁時期を同じにして切り替わるように設定されている。
吸気側のVVT72は、排気側のVVT75と同様に、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。吸気弁21もまた、VVT72によって、その開弁時期及び閉弁時期を、所定の範囲内で連続的に変更可能である。
シリンダヘッド12にはまた、気筒18毎に、気筒18内に燃料を直接噴射する(直噴)インジェクタ67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。
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、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。
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。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。
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。
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。
また、吸気通路30におけるスロットル弁36とサージタンク33との間には、気筒18に導入する新気にオゾンを添加するオゾン発生器(O3発生器)76が介設している。オゾン発生器76は、例えば図4に示すように、吸気管301の横断面上で、上下又は左右方向に所定間隔を設けて並列された複数の電極を備えて構成されている。オゾン発生器76は、吸気に含まれる酸素を原料ガスとして、無声放電によりオゾンを生成する。つまり、電極に対して、図外の電源から高周波交流高電圧を印加することにより、放電間隙において無声放電が発生し、そこを通過する空気(つまり、吸気)がオゾン化される。こうしてオゾンが添加された吸気は、サージタンク33から吸気マニホールドを介して、各気筒18内に導入される。オゾン発生器76の電極に対する電圧の印加態様を変更する、及び/又は、電圧を印加する電極の数を変更することによって、オゾン発生器76を通過した後の、吸気中のオゾン濃度を調整することが可能である。後述するように、PCM10は、こうしたオゾン発生器76に対する制御を通じて、気筒18内に導入する吸気中のオゾン濃度の調整を行う。
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、吸気弁側のVVT72及びVVL74、排気弁側のVVT75及び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、EGRクーラバイパス弁531)のアクチュエータ、及びオゾン発生器76へ制御信号を出力する。こうしてPCM10は、エンジン1を運転する。
図6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、圧縮自己着火によって燃焼を行う圧縮着火燃焼を行う。図6の例では、実線で示す燃焼切替負荷よりも低い領域が、圧縮着火燃焼を行う圧縮着火領域に対応する。
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を利用した強制点火燃焼(ここでは火花点火燃焼)に切り替える。図6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、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。
CIモードはさらに、エンジン負荷の高低及びエンジン回転数の高低に応じて概ね4つの領域に分けられている。4つの領域は、気筒18内のガス状態と、気筒18内に噴射する燃料噴射態様との組み合わせが互いに異なる。尚、CIモードの全域において、スロットル弁36は全開であり、気筒18の充填量は最大に維持されている。これにより、ポンプ損失を低減している。
CIモード内における低中負荷に相当する領域(1−1)(1−2)及び(2−1)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、詳しくは後述するが、排気側の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、これらの領域において、圧縮着火の着火性及び燃焼安定性を高める上で有利になる。
ホットEGRガスを気筒18内に導入する領域(1−1)(1−2)及び(2−1)の内で、領域(1−1)及び(1−2)では、図7(a)に示すように、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、気筒内に均質な混合気を形成する。燃料噴射時期は、排気弁22が再開弁している時期に一致させることが好ましい。こうすることで、燃料の気化霧化に有利になる。均質混合気は、図7(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。
また、領域(1−1)、つまり、低速側における軽負荷領域と高速側の領域を含む領域では、混合気の空気過剰率λを1以下にする。好ましくは、空気過剰率λを実質的に1にする(λ≒1)。こうすることで、三元触媒を利用して、排気エミッション性能を確保することが可能になる。
これに対し、領域(1−2)、つまり、低速側における所定負荷以上の領域では、混合気の空気過剰率λを1よりも高くする。好ましくは、空気過剰率λを2.4以上のリーンにする。このことで、熱効率を高めて燃費の向上に有利になる。また、空気過剰率λを2.4以上にすることによって、RawNOxの生成が抑制され、NOx浄化触媒を備えていないエンジン1において、排気エミッション性能を確保することが可能になる。
領域(1−1)よりも負荷が高くてかつ、高速側の領域である領域(2−1)は、気筒18内の温度状態が高くなる。このため、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たり、気筒18内の圧力上昇(dP/dt)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。その一方で、ホットEGRガスを気筒18内に導入しないで、圧縮開始温度及び圧縮端温度を低くしたのでは、今度は、圧縮着火の着火性の悪化や圧縮着火燃焼の安定性の低下を招いてしまう。つまり、領域(2−1)は、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。そこで、この領域(2−1)では、気筒18内の温度制御に加えて、燃料噴射態様を工夫することによって過早着火等の異常燃焼や燃焼騒音を回避しつつ、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7(b)に示すように、少なくとも圧縮行程後半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。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(2−1)での異常燃焼を回避しつつ、膨張行程において安定的に圧縮着火燃焼を行うことが可能になる。この高圧リタード噴射の詳細については、後述する。尚、領域(2−1)において、混合気の空気過剰率λは、領域(1−1)と同様に1以下(具体的には、λ≒1)にする。リタード噴射は、燃料噴射時期が遅いため、局所的にリッチな混合気が生じる虞がある。そのため、排気エミッション性能を確保すべく、混合気の空気過剰率λを実質的に1にして、三元触媒の利用を可能にする。
CIモードとSIモードとの切り替え境界線(つまり、燃焼切替負荷)を含む、CIモード内において高負荷の領域(2−2)では、気筒18内の温度環境がさらに高くなる。そのため、過早着火を抑制するためにホットEGRガス量を低下させる一方で、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ガスを気筒18内に導入する。このことにより、圧縮端温度が高くなり過ぎることを回避する。尚、EGRクーラ52をバイパスした外部EGRガスを気筒18内に導入することも可能である。また、図7(c)に示すように、この領域(2−2)では、領域(2−1)と同様にリタード噴射を行う。これにより、膨張行程において圧縮着火燃焼を安定的に行って、異常燃焼及び燃焼騒音をそれぞれ回避する。こうしてこのエンジン1は、CIモードの領域を、可能な限り高負荷側に拡大している。
このようなCIモードに対し、SIモードは、図6においては明示していないが、排気側のVVL71をオフにして、ホットEGRガスの導入を中止する一方で、クールドEGRガスの導入は継続する。SIモードではまた、詳細は後述するが、スロットル弁36を、可能な限り、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によって、ポンプ損失の低減と共に、大量のクールドEGRガスを気筒18内に導入することによる異常燃焼の回避、火花点火燃焼の燃焼温度を低く抑えることによるRaw NOxの生成抑制及び冷却損失の低減が図られる。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。
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(1−1)(1−2))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。
そこでこのエンジン1では、SIモードにおいては、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、30MPa以上の高い燃料圧力でもって、図7(d)に示すように、圧縮行程後半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を行い、その後、圧縮上死点付近において点火を行う。尚、SIモードにおいては、リタード期間内での高圧リタード噴射に加えて、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内に噴射するようにしてもよい(つまり、分割噴射を行うとしてもよい)。
ここで、SIモードにおける高圧リタード噴射について簡単に説明すると、例えば本願出願人が先に出願をした前記特許文献2(特開2012−172665号公報)に、詳細に記載しているように、高圧リタード噴射は、燃料の噴射開始から燃焼の終了までの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、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、高い圧力で、気筒18内に燃料を噴射することにより、噴射期間及び混合気形成期間をそれぞれ短縮する。噴射期間及び混合気形成期間の短縮は、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から、高圧リタード噴射では、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。このことと、燃料噴射のタイミングを比較的遅いタイミングに設定することとにより、高い乱れエネルギを維持したまま、火花点火を行って燃焼を開始することが可能になる。これは、燃焼期間を短くする。
こうして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、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。反応可能時間が短くなる結果として、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。
ここで、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。
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。
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(2−1)及び(2−2)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。CIモードにおける高圧リタード噴射は、未燃混合気の反応開始時期のコントロールを可能にする。
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、そもそも気筒18内に燃料が噴射されていない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。これは、NVHの制約を解消するから、CIモードの領域を高負荷側に拡大させる。CIモードにおける高圧リタード噴射は、圧縮着火燃焼の時期をコントロール可能にするから、異常燃焼及び燃焼騒音の回避に有効である。
ここで、図6に示す運転制御マップにおいて特徴的な点をさらに詳細に説明をする。先ず、領域(1−2)と領域(2−1)とを比較する。CIモードにおいては、その全域に亘って、気筒18の充填量を最大に設定している。領域(1−2)においては、混合気の空気過剰率λを1よりも大きいリーンにするため、気筒18内に導入される新気量が多くかつ、気筒内18に導入される排気ガス量(内部EGRガス量)が少なくなる。逆に、領域(2−1)においては、混合気の空気過剰率λを1以下(具体的には、λ≒1)にするため、同一負荷であっても、気筒18内に導入される新気量は相対的に少なくかつ、気筒内18に導入される排気ガス量(内部EGRガス量)は相対的に多くなる。
前述の通り、領域(2−1)ではエンジン1の負荷が高く、それに伴い気筒18内の温度状態が高い。そのため、異常燃焼及び燃焼騒音の回避のために、リタード噴射を採用していると共に、混合気の空気過剰率λを実質的に1にしている。
これに対し、領域(1−2)は、領域(2−1)と比較して、エンジン1の回転数が相対的に低い。この低速側の領域(1−2)では、単位時間当たりに発生する熱量が少なくなるため、気筒18内の温度状態が、領域(2−1)と比較して低くなる。そのため、リタード噴射を採用しなくても、異常燃焼及び燃焼騒音の回避が可能になる。そこで、圧縮着火領域における低速側の領域(1−2)では、燃費の改善を目的として、前述の通り、混合気の空気過剰率λを1よりも大きいリーンにしている。このような領域(1−2)は、エンジン1の回転数領域における1/2よりも低速側において設ければよい。
尚、図6において領域(1−2)の下側に相当する、低速側の軽負荷領域においても、燃費の改善を目的として混合気の空気過剰率λを1よりも大きいリーンにすることが考えられる。しかしながら、エンジン1の負荷が低い領域は未燃燃料が増大するため、混合気の空気過剰率を1よりも大きいリーンにしてEGRガス量を減らすよりも、EGRガス量をできるだけ増やして、未燃損失を低減した方が、燃費の改善効果が高い。従って、領域(1−2)の下側の領域は、混合気の空気過剰率λを1以下にすることが好ましい。言い換えると、領域(1−2)は、所定負荷以上にすることが好ましい。
一方、エンジン1の負荷が高くなると燃料噴射量が増えるから、混合気の空気過剰率λを2.4以上にすることが困難になる。そこで、特にNOx浄化触媒を備えていないエンジン1においては、領域(1−2)は、所定負荷よりも低い領域にすることが好ましい。尚、NOx浄化触媒を備えているエンジンにおいては、混合気の空気過剰率λが1よりも大きいリーンにする領域(1−2)を、図例よりもさらに高負荷側までに拡大してもよい。
また、同一のエンジン負荷で(つまり、CIモードにおける中高負荷において)、領域(1−2)と領域(1−1)とを比較したときも、低速側の領域(1−2)は、空気過剰率λを1よりも大きいリーンにし、その分、EGR率を低くするのに対し、高速側の領域(1−1)は、空気過剰率λを1以下にしかつ、EGR率を高くすることになる。高速側の領域(1−1)では、相対的に大量のEGRガスを気筒18内に導入することと、空気過剰率λを1以下にすることとによって、NOx排出の抑制と燃焼騒音の回避とが可能になる。
ここで、混合気の空気過剰率λを1よりも大きいリーンにする領域(1−2)においては、圧縮着火の着火性及び圧縮着火燃焼の安定性を確保する観点から、オゾン発生器76を作動させ、気筒18内に導入する吸気にオゾンを添加してもよい。気筒18内にオゾンを導入することは、混合気の着火性を高め、圧縮着火燃焼の安定性を高める。尚、最大のオゾン濃度は、例えば50〜30ppm程度としてもよい。領域(1−2)においては、大量の新気が気筒18内に導入されるため、オゾン濃度が低くしても気筒18内に導入されるオゾン量は多くなる。オゾン濃度を低く設定することは、オゾンの発生に必要な電力消費を最低限にして、燃費の向上に有利になる。
領域(1−2)においてオゾンを導入することは特に、外気温度が所定温度以下であるときに行ってもよい。外気温度が低いときには、気筒18内における圧縮開始温度が低くなり、それに伴い圧縮端温度も低くなる。特に、領域(1−2)においては、前述の通り、気筒18内に導入する新気量が多いため、低い外気温度による圧縮端温度の低下が、より一層顕著である。そこで、外気温度が所定温度以下であるときには、領域(1−2)において、気筒18内にオゾンを導入することによって、圧縮着火の着火性及び圧縮着火燃焼の安定性を高めるようにしてもよい。
また、図6に示す運転制御マップにおいて、領域(1−2)と領域(2−1)とは、ホットEGRガスを気筒18内に導入してEGR率を所定以上に設定する点は同じであるが、燃料噴射時期が互いに相違する。具体的に、低速側の領域(1−2)では、ホットEGRガスを気筒18内に導入して、EGR率を所定以上に設定しつつ、圧縮行程前半以前に気筒18内に燃料を噴射する。領域(1−2)では、エンジン1の回転数が相対的に低くて、気筒18内の温度状態が低くなるため、燃料噴射時期を比較的早い時期に設定しても、異常燃焼や燃焼騒音を回避することが可能である。これに対し、高速側の領域(2−1)では、エンジン1の回転数が相対的に高くて、気筒18内の温度状態が高くなる。そこで、燃料噴射時期をリタード期間内に設定することにより、前述の通り、異常燃焼や燃焼騒音を有効に回避することが可能になる。領域(1−2)と領域(2−1)とは、圧縮着火領域における所定負荷よりも低い特定領域に対応する。
さらに、領域(1−2)及び(2−1)と領域(2−2)とを比較すると、領域(1−2)及び(2−1)では、ホットEGRガスのみを気筒18内に導入するのに対し、これらの領域よりも負荷の高い領域(2−2)では、ホットEGRガスに加えて、クールドEGRガスを気筒18内に導入する点で相違する。圧縮着火領域における最高負荷を含む領域(2−2)では、エンジン1の回転数の高低に拘わらず気筒18内の温度状態が高くなる結果、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虞がある。そこで、領域(2−1)においては、クールドEGRガスを気筒18内に導入することにより、圧縮開始時の気筒内温度が高くなりすぎることを抑制し、圧縮端温度を適度の温度に抑制する。このことは、CIモードの高負荷側の領域(2−2)において燃焼騒音の回避に有利になり、CIモードを、さらに高負荷側まで拡大することを可能にする。
ここで、領域(2−1)と領域(2−2)とはそれぞれ、圧縮着火領域における高速側において、図6に二点鎖線で例示するロードロードラインRL以上の負荷領域における領域に相当し、燃料噴射時期を共にリタード期間内に設定する点で共通する。燃料噴射の開始時期は、例えば圧縮上死点前30〜40°CAに設定される。尚、図7(b)(c)に示すように、相対的に負荷の高い領域(2−2)の燃料噴射時期は、同じリタード期間内でも、相対的に負荷の低い領域(2−1)の燃料噴射時期よりも遅角側になる。
一方、前述したように、領域(2−1)では、ホットEGRガスのみを気筒18内に導入するのに対し、領域(2−1)よりも負荷の高い領域(2−2)では、ホットEGRガスとクールドEGRガスとの双方を気筒18内に導入する。こうして、領域(2−1)及び領域(2−2)のそれぞれにおいて、リタード噴射によって未燃混合気の反応開始時期をコントロールしつつ、エンジン1の負荷の高低に対応して気筒18内の温度状態をコントロールすることによって、異常燃焼及び燃焼騒音を共に回避することが可能になる。
図8は、例えば回転数がN1(図6参照)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。以下、気筒18内のガス組成の変化について、高負荷側から低負荷側に向かって順に説明する。
(最大負荷Tmaxから切替負荷T3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、クールドEGRガスのみを気筒18内に導入する。すなわち、スロットル弁36の開度は全開に維持されると共に、EGR弁511は、全開負荷では閉弁している一方で、エンジン負荷の低下に従い次第に開く。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。エンジン負荷の低下に従い燃料噴射量が低下するため、EGR率は連続的に高くなる。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。
火花点火燃焼においては、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、火花点火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、エンジン負荷の低下に従いEGR率は連続的に高くなるものの、所定負荷T4において、EGR率はEGR限界になる。そのため、所定負荷T4よりも低負荷側では、EGR率をEGR限界に制限する。従って、所定負荷T4から切替負荷T3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。
(切替負荷T3から所定負荷T2まで)
切替負荷T3は、前述したようにCIモードとSIモードとの切り替えに係り、切替負荷T3以下の低負荷側においてはCIモードとなる。CIモードとSIモードとの切替負荷を挟んだ低負荷側と高負荷側とのそれぞれにおいて、混合気の空燃比は理論空燃比(λ≒1)に設定している。CIモードにおいては、前述したEGR率の制限が無くなることから、気筒18内に導入する新気量を減らさずに、気筒18の充填量を最大にする。
CIモードにおいては、排気側のVVL71をオンにして、内部EGRガス(つまりホットEGRガス)を気筒18内に導入する。従って、切替負荷T3を境にして、排気側のVVL71のオン・オフが切り替わる。
切替負荷T3に対し低負荷側に隣接する領域(つまり、領域(2−2))では、切替負荷T3に対し高負荷側に隣接する領域から継続するように、比較的大量のEGRガス(クールドEGRガス)を気筒18内に導入しながら、前述した30MPa以上の高い燃料圧力でかつ、圧縮上死点付近において燃料を噴射する高圧リタード噴射を行って圧縮着火燃焼を行うことになる。
(所定負荷T2から特定負荷T1まで)
所定負荷T2以下の領域は、図6における領域(1−2)に対応する。前述の通り、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8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、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。尚、切替負荷T3と所定負荷T2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。
所定負荷T2以下の領域において、エンジン1の負荷が低下するに従い、ホットEGRガス量は次第に多くなりかつ、新気量は次第に少なくなる。ホットEGRガスの導入量を増やすことは、圧縮開始時の気筒内の温度を高め、それに伴い圧縮端温度を高くする。このことは、エンジン1の負荷が低い領域において圧縮着火の着火性を高めると共に、圧縮着火燃焼の安定性を高める上で有利である。ホットEGRガスの導入量は、吸気行程期間内で開弁する排気弁22の開弁期間に対する、吸気弁21の開弁期間の重なり具合を調整することによって行われる。具体的には、吸気側のVVT72及び排気側のVVT75によって、吸気弁21の開弁時期及び排気弁22の閉弁時期を調整することと、吸気側のVVL74により、吸気弁21のリフト量を大リフトと小リフトとで切り替えることとを組み合わせることで、ホットEGRガスの導入量は調整される。
(特定負荷T1から最低負荷まで)
エンジン1の負荷が低下するに従い連続的に高くなるEGR率は、特定負荷T1において、最高EGR率rmaxに設定される。特定負荷T1までは、前述の通り、エンジン1の負荷が低下するに従い、EGR率を連続的に高く設定しているが、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。ここで、EGR率を、最高EGR率rmaxを超えないように設定することは、EGR率を高くして気筒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、比熱比が高い。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すればよく、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。また、できるだけ温度の高い排気ガスを気筒18内に導入するために、排気二度開きを採用している。つまり、排気二度開きは、気筒18内に導入する排気ガスを排気ポートに一旦排出するため、ネガティブオーバーラップ期間を設ける構成とは異なり、排気行程中に排気ガスを圧縮して冷却損失を増大させることなく、しかも、相対的に温度の低い吸気ポートに排気ガスを排出する吸気二度開きとは異なり、排気ガスの温度低下を抑制することができるから、圧縮開始時のガス温度を最も高くすることが可能である。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よりも低いときにも、高い圧縮端温度を確保することにより、圧縮着火燃焼の着火性及び燃焼安定性を確保するようにしている。
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。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。
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。
図6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。例えば、図6に示す運転制御マップにおいては、CIモードにおける低速側の中負荷領域において、混合気の空気過剰率λを1よりも大きいリーンにする領域(1−2)を設けている。このリーン領域(1−2)は省略して、当該領域を領域(1−1)と同じにしてもよい。
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。