JP6268863B2 - Control device for compression ignition engine - Google Patents

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Description

ここに開示する技術は、圧縮着火式エンジンの制御装置に関する。   The technology disclosed herein relates to a control device for a compression ignition engine.

例えば特許文献1には、エンジンの運転状態が所定の切替負荷以下の運転領域にあるときには、気筒内の混合気を圧縮着火燃焼させる一方で、当該切替負荷よりも負荷の高い運転領域にあるときには、気筒内の混合気に点火プラグによって強制点火を行って燃焼させるよう構成されたエンジンが記載されている。このエンジンはまた、圧縮着火燃焼を行うときには、吸気行程中に排気弁を再度、開弁することによって、排気側に排出した排気ガスの一部を気筒内に導入する、いわゆる排気二度開きを行う。この排気二度開きによる内部EGRガスの導入は、圧縮端温度を高めて、圧縮着火の着火性及び燃焼安定性を高める。さらに、このエンジンでは、火花点火燃焼を行うときには冷却した外部EGRガスを気筒内に導入しており、これにより、冷却損失の低減やRaw NOxの低減等を図っている。   For example, in Patent Document 1, when the operating state of the engine is in an operating region of a predetermined switching load or less, the air-fuel mixture in the cylinder is subjected to compression ignition combustion, while in the operating region where the load is higher than the switching load. In addition, an engine is described that is configured to perform combustion by forcibly igniting an air-fuel mixture in a cylinder with an ignition plug. In addition, when performing compression ignition combustion, this engine opens the exhaust valve again during the intake stroke, so that a part of the exhaust gas discharged to the exhaust side is introduced into the cylinder, so-called double exhaust opening. Do. The introduction of the internal EGR gas by the double opening of the exhaust raises the compression end temperature and improves the ignitability and combustion stability of the compression ignition. Furthermore, in this engine, when performing spark ignition combustion, cooled external EGR gas is introduced into the cylinder, thereby reducing cooling loss, raw NOx, and the like.

また、特許文献2にも、エンジンの運転状態が低回転低負荷の所定の領域にあるときには、圧縮着火燃焼を行う一方で、当該所定の領域以外の領域にあるときには、火花点火燃焼を行うエンジンが記載されている。このエンジンはまた、圧縮着火燃焼を行う領域においては、吸気にオゾンを添加することによって圧縮着火の着火性を高めている。   Patent Document 2 also discloses an engine that performs compression ignition combustion when the operating state of the engine is in a predetermined region of low rotation and low load, and performs spark ignition combustion when it is in a region other than the predetermined region. Is described. This engine also improves the ignitability of compression ignition by adding ozone to the intake air in a region where compression ignition combustion is performed.

特開2012−172665号公報JP 2012-172665 A 特開2002−276404号公報JP 2002-276404 A

ところで、特許文献1に記載されたエンジンでは、火花点火燃焼を行う領域においては、できるだけ大量の排気ガスを気筒内に導入するために、スロットル弁を全開のままにする一方で、EGR弁の開度を調整することにより、気筒内に導入する新気量と排気ガス量との割合を調整している。エンジン負荷の高低に対して混合気の空燃比を理論空燃比で一定にするためには、エンジン負荷が低くなるに従って燃料噴射量が低減して必要な新気量も低減するから、エンジン負荷が低いほどEGR率(つまり、気筒内の全ガス量に対する排気ガスの割合)を連続的に高くすることになる。このようにエンジンの負荷の高低に対してEGR率を連続的に変化させることは、エンジンの負荷の高低に対して状態量制御を連続化することになるから、エンジンの制御上、好ましい。   By the way, in the engine described in Patent Document 1, in the region where spark ignition combustion is performed, in order to introduce as much exhaust gas as possible into the cylinder, the throttle valve is left fully open while the EGR valve is opened. By adjusting the degree, the ratio between the amount of fresh air introduced into the cylinder and the amount of exhaust gas is adjusted. In order to make the air-fuel ratio of the air-fuel mixture constant at the stoichiometric air-fuel ratio with respect to the engine load level, the fuel injection amount decreases as the engine load decreases and the required new air amount also decreases. The lower the value, the higher the EGR rate (that is, the ratio of exhaust gas to the total gas amount in the cylinder). Thus, continuously changing the EGR rate with respect to the engine load is preferable in terms of engine control because the state quantity control is made continuous with respect to the engine load.

しかしながら、火花点火燃焼のような、混合気に強制点火を行うことにより生じた火炎を伝播させる燃焼形態は、大量の排気ガスを気筒内に導入すると燃焼安定性が低下してしまうことから、EGR率の最高値は比較的低い値に制限されてしまう(いわゆるEGR限界)。そのため、特許文献1にも記載されているように、強制点火燃焼を行う領域内において切替負荷に隣接する負荷の低い領域においては、EGR率が制限される結果、例えばスロットル弁の開度制御や、吸気弁の閉弁時期の制御を通じて、気筒内に導入する新気量を低減しなければならない場合がある。   However, a combustion mode that propagates a flame generated by forcibly igniting an air-fuel mixture, such as spark ignition combustion, reduces combustion stability when a large amount of exhaust gas is introduced into the cylinder. The maximum rate is limited to a relatively low value (so-called EGR limit). Therefore, as described in Patent Document 1, as a result of limiting the EGR rate in the low load region adjacent to the switching load in the region where forced ignition combustion is performed, for example, throttle valve opening control or In some cases, it is necessary to reduce the amount of fresh air introduced into the cylinder through control of the closing timing of the intake valve.

また、切替負荷に対して低負荷側に隣接する領域は、圧縮着火燃焼を行う領域においては高負荷側の領域に相当するため、圧縮着火燃焼が圧力上昇(dp/dθ)の激しい過早着火の燃焼となり得る。圧縮着火燃焼は、高いEGR率が許容されることから、この領域ではEGR率を高めて、できるだけ多くの排気ガスを気筒内に導入することにより、燃焼の緩慢化を図ることが望ましい。しかしながら、前述したように、切替負荷に対して高負荷側に隣接する領域では火花点火燃焼を行うために、EGR率が低く制限されてしまうことから、切替負荷を挟んだ高負荷側と低負荷側とで、EGR率の差が大きくなってしまう。   In addition, since the region adjacent to the low load side with respect to the switching load corresponds to the region on the high load side in the region where compression ignition combustion is performed, the compression ignition combustion causes premature ignition where the pressure rise (dp / dθ) is severe. Can be burned. Since compression ignition combustion allows a high EGR rate, it is desirable to increase the EGR rate and introduce as much exhaust gas as possible into the cylinder in this region to slow down the combustion. However, as described above, since the spark ignition combustion is performed in the region adjacent to the high load side with respect to the switching load, the EGR rate is limited to a low level. The difference in the EGR rate becomes large between the two sides.

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、エンジン負荷に応じて圧縮着火燃焼と強制点火燃焼とを切り替える圧縮着火式エンジンにおいて、強制点火燃焼を行う領域内で、高いEGR率を許容可能にし、そのことによりエンジンの負荷の高低に対してEGR率を連続的に変化可能にすることにある。   The technology disclosed herein has been made in view of the above points, and the purpose thereof is to perform forced ignition combustion in a compression ignition engine that switches between compression ignition combustion and forced ignition combustion according to engine load. It is to allow a high EGR rate within an area to be performed, thereby allowing the EGR rate to continuously change with respect to the engine load.

ここに開示する技術は、気筒内にオゾンを導入することが混合気の燃焼性を高める点に着目し、強制点火燃焼を行う領域内において、圧縮着火燃焼への切り替えを行う切替負荷に隣接する特定領域においては、気筒内にオゾンを導入することにした。オゾンの導入によって、EGR率を高く設定しても燃焼安定性を確保するようにし、その結果、エンジンの負荷の高低に対してEGR率を連続的に変化可能にした。   The technique disclosed here pays attention to the fact that introducing ozone into a cylinder increases the combustibility of the air-fuel mixture, and is adjacent to a switching load for switching to compression ignition combustion in a region where forced ignition combustion is performed. In a specific area, we decided to introduce ozone into the cylinder. By introducing ozone, combustion stability is ensured even if the EGR rate is set high. As a result, the EGR rate can be continuously changed with respect to the engine load.

具体的に、ここに開示する圧縮着火式エンジンの制御装置は、気筒を有するエンジン本体と、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システムと、前記気筒内の混合気に強制点火を行うよう構成された点火装置と、前記気筒内にオゾンを導入するように構成されたオゾン導入器と、前記エンジン本体の運転状態が所定の切替負荷以下の運転領域にあるときには、前記気筒内の混合気を圧縮着火燃焼させると共に、前記エンジン本体の運転状態が前記切替負荷よりも高負荷の運転領域にあるときには、前記点火装置を作動させて、前記気筒内の混合気を強制点火燃焼させることにより、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, a control device for a compression ignition engine disclosed herein includes an engine body having a cylinder, an exhaust gas recirculation system configured to introduce exhaust gas into the cylinder, and an air-fuel mixture in the cylinder. When the ignition device configured to perform forced ignition, the ozone introducer configured to introduce ozone into the cylinder, and the operating state of the engine body is in an operating region below a predetermined switching load, The air-fuel mixture in the cylinder is subjected to compression ignition combustion, and when the operating state of the engine body is in an operation region higher than the switching load, the ignition device is operated to forcibly ignite the air-fuel mixture in the cylinder. And a controller configured to operate the engine body by burning.

前記排気還流システムは、前記エンジン本体の排気通路と吸気通路とを連通しかつ、排気ガスを排気側から吸気側に向かって流すよう構成されたEGR通路を有する外部EGRシステムを含んでいる。The exhaust gas recirculation system includes an external EGR system having an EGR passage configured to communicate an exhaust passage and an intake passage of the engine body and to flow exhaust gas from the exhaust side toward the intake side.

そして、前記制御器は、前記エンジン本体の運転状態が前記切替負荷よりも高負荷の運転領域にあるときには、前記エンジン本体の負荷が低いほど、前記気筒内の全ガス量に対する前記排気ガスの量の割合であるEGR率が高くなるように、負荷の高低に応じて前記EGR率を連続的に変化させると共に、前記切替負荷に隣接する特定領域においては、前記オゾン導入器によって前記気筒内にオゾンを導入する。   When the operating state of the engine main body is in an operating region where the engine main body is higher in load than the switching load, the controller reduces the amount of the exhaust gas relative to the total gas amount in the cylinder as the load on the engine main body is lower. The EGR rate is continuously changed according to the level of the load so that the EGR rate, which is the ratio of the load, and in the specific region adjacent to the switching load, ozone is introduced into the cylinder by the ozone introducer. Is introduced.

前記オゾンを導入する前記特定領域では、前記外部EGRシステムによって前記EGR率が調整され、前記オゾンを導入する前記特定領域において設定される前記EGR率は、強制点火燃焼時のEGR限界よりも高く設定されている。In the specific region where ozone is introduced, the EGR rate is adjusted by the external EGR system, and the EGR rate set in the specific region where ozone is introduced is set higher than the EGR limit during forced ignition combustion. Has been.

この構成によると、エンジン本体の運転状態が所定の切替負荷以下の運転領域にあるときには、気筒内の混合気を圧縮着火燃焼させる。このことにより、排気エミッション性能の向上と熱効率の向上とが両立する。また、エンジン本体の運転状態が、切替負荷よりも高負荷の運転領域にあるときには、点火装置を作動させて、気筒内の混合気を強制点火燃焼させる。エンジン本体の負荷が比較的高いときには圧縮着火燃焼を行わないことで、燃焼騒音を回避することができる。   According to this configuration, the air-fuel mixture in the cylinder is subjected to compression ignition combustion when the operating state of the engine main body is in an operating region of a predetermined switching load or less. As a result, both improvement in exhaust emission performance and improvement in thermal efficiency are achieved. Further, when the operating state of the engine body is in an operating region where the load is higher than the switching load, the ignition device is operated to forcibly ignite and burn the air-fuel mixture in the cylinder. Combustion noise can be avoided by not performing compression ignition combustion when the load on the engine body is relatively high.

エンジン本体の運転状態が強制点火燃焼を行う運転領域にあるときには、エンジン本体の負荷が低いほどEGR率が高くなるように、負荷の高低に応じてEGR率を連続的に変化させる。これにより、エンジン本体の状態量制御が連続化する。例えば混合気の空燃比を理論空燃比に設定した上で、可能な限りの排気ガスを気筒内に導入してもよい。こうすることで、ポンプ損失及び冷却損失が低減されると共に、Raw NOxの生成も抑制される。   When the operating state of the engine body is in an operating region where forced ignition combustion is performed, the EGR rate is continuously changed according to the level of the load so that the EGR rate increases as the load on the engine body decreases. Thereby, the state quantity control of the engine body is continued. For example, the exhaust gas as much as possible may be introduced into the cylinder after setting the air-fuel ratio of the air-fuel mixture to the stoichiometric air-fuel ratio. By doing so, pump loss and cooling loss are reduced, and generation of Raw NOx is also suppressed.

そうして、切替負荷よりも高負荷の運転領域であって切替負荷に隣接する特定領域においては、オゾン導入器によって気筒内にオゾンを導入する。切替負荷に隣接する特定領域は、強制点火燃焼を行う運転領域における負荷の低い領域に相当し、エンジン本体の負荷に応じて変化させるEGR率は、比較的高く設定される。このため、強制点火燃焼の燃焼安定性が低下するものの、このEGR率が高く設定される特定領域において気筒内にオゾンを導入することにより、混合気の燃焼性を高めて、高い燃焼安定性を確保することが可能になる。こうして、特定領域において、気筒内にオゾンを導入することにより、強制点火燃焼を行う運転領域の全域に亘って、EGR率を連続的に変化させることが可能になる。尚、気筒内へのオゾンの導入は、気筒内に吸気を導入する際に吸気にオゾンを添加してもよいし、気筒内に吸気を導入した後に気筒内のガスにオゾンを添加してもよい。   Thus, ozone is introduced into the cylinder by the ozone introducer in a specific region adjacent to the switching load that is an operation region higher than the switching load. The specific region adjacent to the switching load corresponds to a low load region in the operation region where the forced ignition combustion is performed, and the EGR rate to be changed according to the load of the engine body is set to be relatively high. For this reason, although the combustion stability of forced ignition combustion is reduced, by introducing ozone into the cylinder in a specific region where the EGR rate is set high, the combustibility of the air-fuel mixture is improved and high combustion stability is achieved. It becomes possible to secure. In this way, by introducing ozone into the cylinder in the specific region, it is possible to continuously change the EGR rate over the entire operation region where the forced ignition combustion is performed. Note that ozone may be introduced into the cylinder when ozone is introduced into the cylinder, or ozone may be added to the gas within the cylinder after the intake air has been introduced into the cylinder. Good.

また、前述の通り、特定領域においては、気筒内にオゾンを導入することによって強制点火燃焼の燃焼性が高まっている。このため、強制点火燃焼時のEGR限界を超える高いEGR率を設定しても、燃焼安定性を確保することが可能になる。このことは、強制点火燃焼を行う運転領域の全域に亘って、EGR率を連続的に変化させることを可能にし、特にオゾンを気筒内に導入する特定領域において、スロットル弁の制御や、吸気弁の閉弁時期の制御を通じて気筒内に導入する新気量を低減する制御を不要にする。 Further, as described above, in a specific region, the combustibility of forced ignition combustion is increased by introducing ozone into the cylinder. For this reason, even if a high EGR rate exceeding the EGR limit during forced ignition combustion is set, it is possible to ensure combustion stability. This makes it possible to continuously change the EGR rate over the entire operation region where the forced ignition combustion is performed. In particular, in a specific region where ozone is introduced into the cylinder, the control of the throttle valve and the intake valve The control for reducing the amount of fresh air introduced into the cylinder through the control of the valve closing timing is eliminated.

また、特定領域におけるEGR率を、強制点火燃焼時のEGR限界よりも高く設定することにより、燃焼形態を切り替える切替負荷を挟んだ高負荷側と低負荷側との間のEGR率の差を小さく、又は、実質的に無くすことが可能になる。   In addition, by setting the EGR rate in the specific region higher than the EGR limit during forced ignition combustion, the difference in EGR rate between the high load side and the low load side across the switching load for switching the combustion mode is reduced. Or can be substantially eliminated.

さらに、外部EGRシステムによって冷却した排気ガスを気筒内に導入することができ、冷却した排気ガスを気筒内に導入することと、特定領域におけるオゾンの導入とが組み合わさって、強制点火燃焼を行う領域の負荷方向の全域に亘って、エンジン本体の負荷の高低に対しEGR率を連続的に変化させることが可能となる。Further, exhaust gas cooled by the external EGR system can be introduced into the cylinder, and forced ignition combustion is performed by combining the introduction of the cooled exhaust gas into the cylinder and the introduction of ozone in a specific region. It is possible to continuously change the EGR rate with respect to the load level of the engine body over the entire region in the load direction.

前記制御器は、前記切替負荷よりも高負荷の運転領域と、前記切替負荷以下の領域であって前記高負荷の運転領域に隣接する所定領域とに亘って、前記エンジン本体の負荷が低いほど、前記気筒内の全ガス量に対する前記排気ガスの量の割合であるEGR率が高くなるように、負荷の高低に応じて前記EGR率を連続的に変化させる、としてもよい。   The controller has a lower load on the engine body over an operating region that is higher in load than the switching load and a predetermined region that is lower than the switching load and that is adjacent to the operating region of high load. The EGR rate may be continuously changed according to the load level so that the EGR rate, which is the ratio of the exhaust gas amount to the total gas amount in the cylinder, becomes high.

こうすることで、切替負荷を挟んで隣り合う、強制点火燃焼を行う高負荷側の領域と、圧縮着火燃焼を行う低負荷側の領域(つまり、所定領域)とに亘って、EGR率が連続的に変化するから、燃焼形態は切り替えつつ、状態量制御を連続化することが可能になる。このことより、燃焼形態の切り替え時には、実質的に、点火装置の作動・非作動の切り替えのみを行えばよく、燃焼形態の切り替えをスムースにし、トルクショック等の発生が抑制される。   By doing so, the EGR rate is continuous over the high load side region where forced ignition combustion is performed and the low load side region where compression ignition combustion is performed (that is, the predetermined region) which are adjacent to each other with the switching load interposed therebetween. Therefore, the state quantity control can be continued while switching the combustion mode. Thus, at the time of switching the combustion mode, it is only necessary to substantially switch the ignition device between operation and non-operation, smoothing the switching of the combustion mode and suppressing the occurrence of torque shock or the like.

また、切替負荷以下の圧縮着火燃焼を行う領域において、切替負荷に隣接する所定領域は、エンジン本体の負荷が比較的高いものの、比較的高いEGR率が設定されるため、圧縮着火燃焼の緩慢化が可能になり、燃焼騒音の回避に有利になる。   Further, in the region where the compression ignition combustion below the switching load is performed, the predetermined region adjacent to the switching load has a relatively high EGR rate although the load on the engine body is relatively high, so that the compression ignition combustion is slowed down. This is advantageous for avoiding combustion noise.

前記外部EGRシステムは、前記排気ガスを冷却するよう構成された冷却器を更に有し、前記外部EGRシステムはまた、少なくとも、前記切替負荷よりも高負荷の運転領域において、前記EGR率を調整する、としてもよい。 The external EGR system, the exhaust gas further comprises a configured cooler to cool, the external EGR system also includes at least in the operating region of a high load than the switching load, adjusting the EGR rate It is good also as.

こうすることで、切替負荷よりも高負荷の運転領域においては、冷却器によって冷却された排気ガスが気筒内に導入されるため、過早着火やノッキング等の異常燃焼を回避しつつ、比較的大量の排気ガスを気筒内に導入することが可能になる。こうして、冷却した排気ガスを気筒内に導入することと、特定領域におけるオゾンの導入とが組み合わさって、強制点火燃焼を行う領域の負荷方向の全域に亘って、エンジン本体の負荷の高低に対しEGR率を連続的に変化させることが実現する。   In this way, in the operation region where the load is higher than the switching load, the exhaust gas cooled by the cooler is introduced into the cylinder, so that abnormal combustion such as pre-ignition and knocking can be avoided relatively. A large amount of exhaust gas can be introduced into the cylinder. In this way, the introduction of the cooled exhaust gas into the cylinder and the introduction of ozone in a specific region are combined, and the load on the engine body is reduced over the entire load direction in the region where forced ignition combustion is performed. It is possible to continuously change the EGR rate.

また、切替負荷よりも低負荷側であって、切替負荷に隣接する前記所定領域においても、外部EGRシステムによって冷却した排気ガスを気筒内に導入するようにすれば、圧縮端温度が高くなりすぎることが回避され、圧縮着火燃焼の緩慢化が図られる。これは、燃焼騒音の回避に有利になる。   Further, even in the predetermined region adjacent to the switching load and on the lower load side than the switching load, if the exhaust gas cooled by the external EGR system is introduced into the cylinder, the compression end temperature becomes too high. Is avoided, and compression ignition combustion is slowed down. This is advantageous for avoiding combustion noise.

以上説明したように、前記の圧縮着火式エンジンの制御装置は、切替負荷よりも高負荷の運転領域であって切替負荷に隣接する特定領域においては、オゾン導入器によって気筒内にオゾンを導入することにより、強制点火燃焼を行う領域内における負荷の低い領域において、燃焼性を高めることができる。その結果、切替負荷よりも高負荷の運転領域の全域に亘って、エンジン本体の負荷が低いほどEGR率が高くなるように、負荷の高低に応じてEGR率を連続的に変化させることが実現する。   As described above, the compression ignition type engine control apparatus introduces ozone into the cylinder by the ozone introducer in a specific region adjacent to the switching load that is an operation region higher in load than the switching load. Thus, combustibility can be enhanced in a low load region in the region where forced ignition combustion is performed. As a result, it is possible to continuously change the EGR rate according to the level of the load so that the EGR rate becomes higher as the load on the engine body is lower over the entire operation region where the load is higher than the switching load. To do.

圧縮着火式エンジンの構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of a compression ignition type engine. 圧縮着火式エンジンの制御に係るブロック図である。It is a block diagram concerning control of a compression ignition type engine. 燃焼室を拡大して示す断面図である。It is sectional drawing which expands and shows a combustion chamber. オゾン発生器の構成を例示する概念図である。It is a conceptual diagram which illustrates the structure of an ozone generator. リフト量を連続的に切り替え可能に構成された吸気弁のリフトカーブの例示と、通常の開弁動作と、吸気行程時に再開弁する特殊動作とに切り替え可能に構成された排気弁のリフトカーブとの例示である。An example of an intake valve lift curve configured to be able to continuously switch the lift amount, and an exhaust valve lift curve configured to be able to switch between a normal valve opening operation and a special operation that restarts during the intake stroke, and This is an example. エンジンの運転制御マップを例示する図である。It is a figure which illustrates the operation control map of an engine. (a)は、CIモードにおいて吸気行程噴射を行う場合の燃料噴射時期の一例と、それに伴うCI燃焼の熱発生率の例示、(b)は、CIモードにおいて高圧リタード噴射を行う場合の燃料噴射時期の一例と、それに伴うCI燃焼の熱発生率の例示である。(A) is an example of the fuel injection timing when the intake stroke injection is performed in the CI mode, and an example of the heat generation rate of the CI combustion associated therewith, and (b) is the fuel injection when performing the high pressure retarded injection in the CI mode. It is an example of the heat release rate of an example of time and the accompanying CI combustion. エンジンの負荷の高低に対するEGR率の関係、及び、エンジンの負荷の高低に対するオゾン濃度の関係を例示する図である。It is a figure which illustrates the relationship of the EGR rate with respect to high and low of engine load, and the relationship of ozone concentration with respect to high and low of engine load.

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。   Hereinafter, an embodiment of a control device for a compression ignition 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 cylinder block 11 provided with a plurality of cylinders 18 (only one cylinder is shown in FIG. 1, but four cylinders are provided in series, for example), and the cylinder block 11 is arranged on the cylinder block 11. The cylinder head 12 is provided, and an oil pan 13 is provided below the cylinder block 11 and stores lubricating oil. A piston 14 connected to the crankshaft 15 via a connecting rod 142 is fitted in each cylinder 18 so as to be able to reciprocate. A cavity 141 like a reentrant type in a diesel engine is formed on the top surface of the piston 14 as shown in an enlarged view in FIG. The cavity 141 is opposed to an injector 67 described later when the piston 14 is positioned near the compression top dead center. The cylinder head 12, the cylinder 18, and the piston 14 having the cavity 141 define a combustion chamber 19. The shape of the combustion chamber 19 is not limited to the illustrated shape. For example, the shape of the cavity 141, the top surface shape of the piston 14, the shape of the ceiling portion of the combustion chamber 19, and the like can be changed as appropriate.

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 cylinder head 12 is provided with an intake port 16 and an exhaust port 17 for each cylinder 18. The intake port 16 and the exhaust port 17 have an intake valve 21 and an exhaust for opening and closing the opening on the combustion chamber 19 side. Each valve 22 is disposed.

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22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。   Among the valve systems that drive the intake valve 21 and the exhaust valve 22, respectively, on the exhaust side, the operation mode of the exhaust valve 22 is switched between a normal mode and a special mode, for example, a hydraulically operated variable mechanism (see FIG. 2). Hereinafter, a VVL (Variable Valve Lift) 71 is provided. Although the detailed illustration of the configuration of the VVL 71 is omitted, two types of cams having different cam profiles, a first cam having one cam peak and a second cam having two cam peaks, and the first And a lost motion mechanism that selectively transmits the operating state of one of the second cams to the exhaust valve 22. When the operating state of the first cam is transmitted to the exhaust valve 22, as illustrated by a solid line in FIG. 5, the exhaust valve 22 operates in the normal mode in which the valve is opened only once during the exhaust stroke. When the operating state of the second cam is transmitted to the exhaust valve 22, as illustrated by a broken line in FIG. 5, the exhaust valve 22 opens during the exhaust stroke and also opens during the intake stroke. It operates in a special mode that opens the exhaust twice. The normal mode and the special mode of the VVL 71 are switched according to the operating state of the engine. Specifically, the special mode is used in the control related to the internal EGR. In the following explanation, operating the VVL 71 in the normal mode and not opening the exhaust twice is referred to as “turning off the VVL 71”, and operating the VVL 71 in the special mode and opening the exhaust twice. , “Turn on VVL 71”. In order to enable switching between the normal mode and the special mode, an electromagnetically driven valve system that drives the exhaust valve 22 by an electromagnetic actuator may be employed.

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。   Note that the execution of the internal EGR is not realized only by opening the exhaust gas twice. For example, it is possible to perform internal EGR control by opening the intake valve 21 twice, or by opening the intake valve twice, and providing a negative overlap period in which both the intake valve 21 and the exhaust valve 22 are closed in the exhaust stroke or the intake stroke. It is also possible to perform internal EGR control that causes the burned gas to remain in the cylinder 18. However, as will be described later, in order to increase the compression end temperature, it is most preferable to open the exhaust twice.

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、図5に実線、破線及び一点鎖線で例示するように、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 VVL 71 is arranged on the intake side as shown in FIG. 2. 72) and a lift variable mechanism (hereinafter referred to as CVVL (hereinafter referred to as CVVL)) that can continuously change the lift amount of the intake valve 21, as exemplified by a solid line, a broken line, and an alternate long and short dash line in FIG. (Continuously Variable Valve Lift) 73). The VVT 72 may employ a hydraulic, electromagnetic, or mechanical structure as appropriate, and illustration of the detailed structure is omitted. The CVVL 73 can also adopt various known structures as appropriate, and the detailed structure is not shown. By the VVT 72 and the CVVL 73, the intake valve 21 can change its valve opening timing, valve closing timing, and lift amount.

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。   In addition, for each cylinder 18, an injector 67 that directly injects fuel into the cylinder 18 (direct injection) is attached to the cylinder head 12. As shown in an enlarged view in FIG. 3, the injector 67 is disposed so that its nozzle hole faces the inside of the combustion chamber 19 from the central portion of the ceiling surface of the combustion chamber 19. The injector 67 directly injects an amount of fuel into the combustion chamber 19 at an injection timing set according to the operating state of the engine 1 and according to the operating state of the engine 1. In this example, the injector 67 is a multi-hole injector having a plurality of nozzle holes, although detailed illustration is omitted. Thereby, the injector 67 injects the fuel so that the fuel spray spreads radially from the center position of the combustion chamber 19. As indicated by the arrows in FIG. 3, the fuel spray injected radially from the central portion of the combustion chamber 19 at the timing when the piston 14 is located near the compression top dead center is a cavity formed on the top surface of the piston. It flows along the wall surface of 141. It can be paraphrased that the cavity 141 is formed so that the fuel spray injected at the timing when the piston 14 is located near the compression top dead center is contained therein. This combination of the multi-hole injector 67 and the cavity 141 is an advantageous configuration for shortening the mixture formation period and the combustion period after fuel injection. In addition, the injector 67 is not limited to a multi-hole injector, and may be an outside-opening type injector.

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。   A fuel tank (not shown) and the injector 67 are connected to each other by a fuel supply path. A fuel supply system 62 including a fuel pump 63 and a common rail 64 and capable of supplying fuel to the injector 67 at a relatively high fuel pressure is interposed on the fuel supply path. The fuel pump 63 pumps fuel from the fuel tank to the common rail 64, and the common rail 64 can store the pumped fuel at a relatively high fuel pressure. When the injector 67 is opened, the fuel stored in the common rail 64 is injected from the injection port of the injector 67. Here, although not shown, the fuel pump 63 is a plunger type pump and is driven by the engine 1. The fuel supply system 62 configured to include this engine-driven pump enables the fuel with a high fuel pressure of 30 MPa or more to be supplied to the injector 67. The fuel pressure may be set to about 120 MPa at the maximum. The pressure of the fuel supplied to the injector 67 is changed according to the operating state of the engine 1 as will be described later. The fuel supply system 62 is not limited to this configuration.

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。   As shown in FIG. 3, a spark plug 25 for forcibly igniting the air-fuel mixture in the combustion chamber 19 is attached to the cylinder head 12. In this example, the spark plug 25 is disposed through the cylinder head 12 so as to extend obliquely downward from the exhaust side of the engine 1. As shown in FIG. 3, the tip of the spark plug 25 is disposed facing the cavity 141 of the piston 14 located at the compression top dead center.

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 intake passage 30 is connected to one side of the engine 1 so as to communicate with the intake port 16 of each cylinder 18. On the other hand, an exhaust passage 40 for discharging burned gas (exhaust gas) from the combustion chamber 19 of each cylinder 18 is connected to the other side of the engine 1.

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。   An air cleaner 31 that filters intake air is disposed at the upstream end of the intake passage 30. A surge tank 33 is disposed near the downstream end of the intake passage 30. The intake passage 30 on the downstream side of the surge tank 33 is an independent passage branched for each cylinder 18, and the downstream end of each independent passage is connected to the intake port 16 of each cylinder 18.

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。   Between the air cleaner 31 and the surge tank 33 in the intake passage 30, a water-cooled intercooler / warmer 34 that cools or heats the air and a throttle valve 36 that adjusts the amount of intake air to each cylinder 18 are arranged. It is installed. An intercooler bypass passage 35 that bypasses the intercooler / warmer 34 is also connected to the intake passage 30. The intercooler bypass passage 35 is connected to an intercooler for adjusting the flow rate of air passing through the passage 35. A bypass valve 351 is provided. Adjusting the temperature of fresh air introduced into the cylinder 18 by adjusting the ratio between the passage flow rate of the intercooler bypass passage 35 and the passage flow rate of the intercooler / warmer 34 through the opening degree adjustment of the intercooler bypass valve 351. Is possible. It should be noted that the intercooler / warmer 34 and its associated members can be omitted.

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。   The upstream portion of the exhaust passage 40 is constituted by an exhaust manifold having an independent passage branched for each cylinder 18 and connected to the outer end of the exhaust port 17 and a collecting portion where the independent passages gather. A direct catalyst 41 and an underfoot catalyst 42 are connected downstream of the exhaust manifold in the exhaust passage 40 as exhaust purification devices for purifying harmful components in the exhaust gas. Each of the direct catalyst 41 and the underfoot catalyst 42 includes a cylindrical case and, for example, a three-way catalyst disposed in a flow path in the case.

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 surge tank 33 and the throttle valve 36 in the intake passage 30 and a portion upstream of the direct catalyst 41 in the exhaust passage 40 are used for returning a part of the exhaust gas to the intake passage 30. They are connected via a passage 50. The EGR passage 50 includes a main passage 51 in which an EGR cooler 52 for cooling the exhaust gas with engine coolant is disposed, and an EGR cooler bypass passage 53 for bypassing the EGR cooler 52. ing. The main passage 51 is provided with an EGR valve 511 for adjusting the amount of exhaust gas recirculated to the intake passage 30, and the EGR cooler bypass passage 53 has a flow rate of exhaust gas flowing through the EGR cooler bypass passage 53. An EGR cooler bypass valve 531 for adjustment is provided.

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。
Further, an ozone generator (O3 generator) 76 for adding ozone to fresh air introduced into the cylinder 18 is interposed between the throttle valve 36 and the surge tank 33 in the intake passage 30.
For example, as shown in FIG. 4, the ozone generator 76 includes a plurality of electrodes arranged in parallel at predetermined intervals in the vertical and horizontal directions on the cross section of the intake pipe 301. The ozone generator 76 generates ozone by silent discharge using oxygen contained in the intake air as a source gas. That is, when a high frequency alternating current high voltage is applied to the electrode from a power source (not shown), silent discharge is generated in the discharge gap, and the air (that is, intake air) passing therethrough is ozonized. The intake air thus added with ozone is introduced into each cylinder 18 from the surge tank 33 via the intake manifold. The ozone concentration in the intake air after passing through the ozone generator 76 is adjusted by changing the voltage application mode to the electrodes of the ozone generator 76 and / or changing the number of electrodes to which the voltage is applied. It is possible. As will be described later, the PCM 10 adjusts the ozone concentration in the intake air introduced into the cylinder 18 through the control of the ozone generator 76.

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 is controlled by a powertrain control module (hereinafter referred to as PCM) 10. The PCM 10 includes a microprocessor having a CPU, a memory, a counter timer group, an interface, and a path connecting these units. This PCM 10 constitutes a controller.

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 PCM 10. The various sensors include the following sensors. That is, the air flow sensor SW1 that detects the flow rate of fresh air, the intake air temperature sensor SW2 that detects the temperature of fresh air, the downstream side of the intercooler / warmer 34, and the intercooler / warmer 34 downstream of the air cleaner 31. A second intake air temperature sensor SW3 for detecting the temperature of fresh air after passing through the EGR gas temperature sensor SW4, which is disposed in the vicinity of the connection portion of the EGR passage 50 with the intake passage 30 and detects the temperature of the external EGR gas. An intake port temperature sensor SW5 that is attached to the intake port 16 and detects the temperature of the intake air just before flowing into the cylinder 18, and an in-cylinder pressure sensor SW6 that is attached to the cylinder head 12 and detects the pressure in the cylinder 18. The exhaust passage 40 is disposed in the vicinity of the connection portion of the EGR passage 50, and the exhaust temperature and the exhaust respectively. An exhaust temperature sensor SW7 and an exhaust pressure sensor SW8 for detecting force, and a linear O2 sensor SW9 for detecting the oxygen concentration in the exhaust gas, upstream of the direct catalyst 41, a direct catalyst 41 and an underfoot catalyst 42, The lambda O2 sensor SW10 that detects the oxygen concentration in the exhaust gas, the water temperature sensor SW11 that detects the temperature of the engine coolant, the crank angle sensor SW12 that detects the rotation angle of the crankshaft 15, and the accelerator pedal of the vehicle An accelerator opening sensor SW13 for detecting an accelerator opening degree corresponding to an operation amount (not shown), cam angle sensors SW14 and SW15 on the intake side and exhaust side, and a common rail 64 of the fuel supply system 62, and an injector 67 is a fuel pressure sensor SW16 for detecting the fuel pressure supplied to 67. .

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21のVVT72及びCVVL73、排気弁22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、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。   The PCM 10 determines the state of the engine 1 and the vehicle by performing various calculations based on these detection signals, and accordingly, the injector 67, the spark plug 25, the VVT 72 and the CVVL 73 of the intake valve 21, and the exhaust valve 22 Control signals are output to the VVL 71, the fuel supply system 62, actuators of various valves (throttle valve 36, intercooler bypass valve 351, EGR valve 511, EGR cooler bypass valve 531), and ozone generator 76. Thus, the PCM 10 operates the engine 1.

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。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を利用した強制点火燃焼(ここでは火花点火燃焼)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. 6 shows an example of the operation control map of the engine 1. This engine 1 is a compression ignition combustion in which combustion is performed by compression self-ignition without ignition by the spark plug 25 in a low load region where the engine load is relatively low for the purpose of improving fuel consumption and exhaust emission performance. I do. However, as the load on the engine 1 increases, in the compression ignition combustion, the combustion becomes too steep and causes problems such as combustion noise. Therefore, in the engine 1, in a high load region where the engine load is relatively high, the compression ignition combustion is stopped and switched to forced ignition combustion (here, spark ignition combustion) using the spark plug 25. As described above, the engine 1 has a CI (Compression Ignition) mode in which compression ignition combustion is performed and an SI (Spark Ignition) mode in which spark ignition combustion is performed in accordance with the operation state of the engine 1, in particular, the load of the engine 1. It is configured to switch. However, the boundary line for mode switching is not limited to the illustrated example.

CIモードはさらに、エンジン負荷の高低に応じて2つの領域に分けられている。具体的に、CIモード内における低中負荷に相当する領域(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、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、領域(1)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。領域(1)ではまた、図7(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、均質な混合気を形成する。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。   The CI mode is further divided into two areas depending on the engine load. Specifically, in the region (1) corresponding to the low and medium load in the CI mode, hot EGR gas having a relatively high temperature is introduced into the cylinder 18 in order to improve the ignitability and stability of the compression ignition combustion. . As will be described in detail later, this is because the VVL 71 on the exhaust side is turned on and the exhaust valve 22 is opened twice during the intake stroke. The introduction of the hot EGR gas is advantageous in increasing the compression end temperature in the cylinder 18 and improving the ignitability and combustion stability of the compression ignition in the region (1). In the region (1), as shown in FIG. 7A, the injector 67 injects fuel into the cylinder 18 at least during the period from the intake stroke to the middle of the compression stroke, thereby forming a homogeneous mixture. To do. As shown in FIG. 7A, the homogeneous air-fuel mixture undergoes compression self-ignition near the compression top dead center.

CIモードとSIモードとの切り替え境界線(つまり、切替負荷)を含む、CIモード内において高負荷の領域(2)では、気筒18内の温度環境が高くなる。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。   In the high load region (2) in the CI mode including the switching boundary line between the CI mode and the SI mode (that is, the switching load), the temperature environment in the cylinder 18 becomes high. For this reason, the amount of hot EGR gas is reduced in order to suppress premature ignition, while cooled EGR gas cooled by passing through the EGR cooler 52 is introduced into the cylinder 18.

このエンジン1はまた、切替負荷を可能な限り高く設定することにより、CIモードの領域を可能な限り高負荷側に拡大しており、負荷の高い領域(2)において、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虞がある。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、領域(2)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)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7(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。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)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の詳細については、後述する。   The engine 1 also expands the CI mode region to the high load side as much as possible by setting the switching load as high as possible. In the high load region (2), the intake stroke is changed to the middle of the compression stroke. If fuel is injected into the cylinder 18 within the period up to this time, abnormal combustion such as pre-ignition may occur. On the other hand, if a large amount of cooled EGR gas having a low temperature is introduced to lower the compression end temperature in the cylinder, the ignitability of the compression ignition is deteriorated. That is, in the region (2), the compression ignition combustion cannot be stably performed only by the temperature control in the cylinder 18. Therefore, in this region (2), in addition to the temperature control in the cylinder 18, the compression ignition combustion is stabilized while avoiding abnormal combustion such as pre-ignition by devising the fuel injection mode. Specifically, this fuel injection mode has a fuel pressure that is significantly higher than that of the prior art, and as shown in FIG. 7B, at least a period from the latter stage of the compression stroke to the initial stage of the expansion stroke (hereinafter referred to as this The fuel is injected into the cylinder 18 within a period of time (referred to as a retard period). This characteristic fuel injection mode is hereinafter referred to as “high pressure retarded injection” or simply “retarded injection”. By such high-pressure retarded injection, compression ignition combustion is stabilized while avoiding abnormal combustion in the region (2). Details of the high-pressure retarded injection will be described later.

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。   In contrast to the CI mode, the SI mode is not clearly shown in FIG. 6, but the introduction of the hot EGR gas is continued while the VVL 71 on the exhaust side is turned off to stop the introduction of the hot EGR gas. . In the SI mode, as will be described in detail later, while the throttle valve 36 is fully opened, the amount of fresh air introduced into the cylinder 18 and the amount of external EGR gas are adjusted by adjusting the opening of the EGR valve 511. Adjusting the gas ratio introduced into the cylinder 18 in this way reduces pump loss, avoids abnormal combustion by introducing a large amount of cooled EGR gas into the cylinder 18, and keeps the combustion temperature of spark ignition combustion low. Can suppress the generation of Raw NOx and the cooling loss. In the fully open load range, the external EGR is set to zero by closing the EGR valve 511.

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、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)。   Therefore, in the engine 1, in the SI mode, abnormal combustion is avoided by performing the high-pressure retarded injection described above. More specifically, high-pressure retarded injection is performed in which fuel is injected into the cylinder 18 within the retard period from the latter half of the compression stroke to the early stage of the expansion stroke with a high fuel pressure of 30 MPa or more. In the SI mode, in addition to the high pressure retarded injection in the retard period, a part of the injected fuel is injected into the cylinder 18 in the intake stroke period in which the intake valve 21 is opened. (That is, split injection may be performed).

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1(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。   Here, the high-pressure retarded injection in the SI mode will be briefly described. For example, as described in detail in Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2012-172665) filed earlier by the applicant of the present application, High-pressure retarded injection aims to shorten the possible reaction time from the start of fuel injection to the end of combustion, thereby avoiding abnormal combustion. That is, the reaction possible time includes a period during which the injector 67 injects fuel ((1) injection period) and a period after the end of injection until a combustible mixture is formed around the spark plug 25 ((2) mixture) (The formation period) and the period until the combustion started by ignition is completed ((3) combustion period), that is, (1) + (2) + (3). In the high pressure retarded injection, fuel is injected into the cylinder 18 at a high pressure, thereby shortening the injection period and the mixture formation period. The shortening of 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. Fuel injection is performed within the retard period.

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。   As fuel is injected into the cylinder 18 with high fuel pressure, the turbulence in the cylinder becomes stronger, and the turbulence energy in the cylinder 18 increases. By setting the fuel injection timing to a relatively late timing, it becomes possible to start combustion by performing spark ignition while maintaining high turbulent energy. This shortens the combustion period.

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。   In this way, the high pressure retarded injection shortens the injection period, the mixture formation period, and the combustion period, and as a result, the reaction time of the unburned mixture is compared with the case of the fuel injection in the conventional intake stroke. Can be significantly shortened. As a result of shortening the possible reaction time, it is possible to suppress the progress of the reaction of the unburned mixture at the end of combustion and to avoid abnormal combustion.

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。   Here, the combustion period can be effectively shortened by setting the fuel pressure to, for example, 30 MPa or more. 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 cylinder 18. Unlike this, it is conventionally known that the ignition timing is retarded for the purpose of avoiding abnormal combustion. While retarding the ignition timing causes a decrease in thermal efficiency and torque, when performing high pressure retarded injection, it is possible to advance the ignition timing by avoiding abnormal combustion by devising the form of fuel injection. As a result, thermal efficiency and torque are improved. That is, the high pressure retarded injection not only avoids abnormal combustion, but also makes it possible to advance the ignition timing by the amount that can be avoided, which is advantageous in improving fuel consumption.

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)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 (2) It is possible to shorten the injection period and the mixture formation period. In other words, the turbulence in the cylinder 18 is increased by injecting the fuel into the cylinder 18 at a high fuel pressure, so that the mixing performance of the atomized fuel is increased and the fuel is injected at a late timing near the compression top dead center. However, a relatively homogeneous air-fuel mixture can be quickly formed.

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/dθ)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。   In the high pressure retarded injection in the CI mode, fuel is injected at a late timing near the compression top dead center in an area where the load is relatively high, so that excessive fuel is not injected into the cylinder 18 in the first place. As described above, a substantially homogeneous air-fuel mixture is quickly formed while preventing pre-ignition, so that compression ignition can be reliably performed after the compression top dead center. Thus, in the expansion stroke period in which the pressure in the cylinder 18 gradually decreases due to motoring, the compression ignition combustion is performed, so that the combustion becomes slow, and the pressure increase in the cylinder 18 due to the compression ignition combustion (dP / It is avoided that dθ) becomes steep. This eliminates the NVH restriction, so that the CI mode area is expanded to the high load side.

図8は、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、EGR率の変化について、高負荷側から低負荷側に向かって順に説明する。   FIG. 8 shows a change in the EGR rate with respect to the load of the engine 1 (that is, a change in the gas composition in the cylinder 18). Hereinafter, the change in the EGR rate will be described in order from the high load side to the low load side.

(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。
(From maximum load Tmax to switching load T3)
A region where the load is higher than the switching load T3 corresponds to the SI mode. In this SI region, as described above, only the cooled EGR gas is introduced into the cylinder 18. That is, the opening degree of the throttle valve 36 is kept fully open, and the EGR valve 511 is closed at the fully open load, but gradually opens as the engine load decreases. Thus, in the SI mode, the EGR rate is set to the maximum under the condition that the air-fuel ratio of the air-fuel mixture is set to the theoretical air-fuel ratio (λ≈1). This is advantageous for reducing pump loss. In addition, setting the air-fuel ratio of the air-fuel mixture to the stoichiometric air-fuel ratio makes it possible to use a three-way catalyst. Since the fuel injection amount decreases as the engine load decreases, the EGR rate increases continuously. This is advantageous in improving controllability because the gas composition in the cylinder 18 is continuously changed when the engine load changes continuously.

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から切替負荷T3までの間は、通常であれば、図8に一点鎖線で示すように、EGR率をそれ以上に高く設定することができない。また、そのように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、図8に一点鎖線で示すように、例えばスロットル弁36の開度制御や、吸気弁21の閉弁時期の制御と通じて、気筒18内に導入する新気を減らさなければならない。   In spark ignition combustion, if the amount of exhaust gas introduced into the cylinder 18 is too large, the combustion stability deteriorates. Therefore, there is a maximum EGR rate (that is, an EGR limit) that can be set in the spark ignition combustion. As described above, the EGR rate continuously increases as the engine load decreases, but at the predetermined load T4, the EGR rate reaches the EGR limit. For this reason, during the period from the predetermined load T4 to the switching load T3, the EGR rate cannot be set higher than that, as indicated by a one-dot chain line in FIG. Further, when the EGR rate is limited by the EGR limit as described above, when setting the air-fuel ratio of the air-fuel mixture to the stoichiometric air-fuel ratio (λ≈1), as shown by a one-dot chain line in FIG. The fresh air introduced into the cylinder 18 must be reduced through the opening degree control and the closing timing control of the intake valve 21.

これに対し、このエンジン1においては、EGR限界によってEGR率が制限される所定負荷T4から切替負荷T3までの間の特定領域においては、オゾン発生器76を作動させて、気筒18内に導入する吸気にオゾンを添加する。気筒18内にオゾンを導入することは、火花点火燃焼の燃焼性を高めるから、EGR率を、EGR限界よりも高く設定しても、火花点火燃焼の燃焼安定性を確保することが可能になる。こうして、このエンジン1においては、所定負荷T4から切替負荷T3までの間において、EGR率を、EGR限界よりも高く設定することにより、エンジン1の負荷の高低に対してEGR率を連続的に変化させるようにしている(図8のハッチングを付した部分参照)。その結果、切替負荷T3までの、火花点火燃焼を行う領域の全域に亘って、エンジン1の負荷の高低に対してEGR率を連続的に変化させることになる。また、気筒18内に導入する新気量を減らす必要もなくなる。   On the other hand, in the engine 1, the ozone generator 76 is operated and introduced into the cylinder 18 in a specific region between the predetermined load T4 and the switching load T3 where the EGR rate is limited by the EGR limit. Add ozone to the intake. Introducing ozone into the cylinder 18 enhances the ignitability of spark ignition combustion, so that it is possible to ensure the combustion stability of spark ignition combustion even when the EGR rate is set higher than the EGR limit. . Thus, in this engine 1, by setting the EGR rate higher than the EGR limit between the predetermined load T4 and the switching load T3, the EGR rate is continuously changed with respect to the load level of the engine 1. (Refer to the hatched portion in FIG. 8). As a result, the EGR rate is continuously changed with respect to the load level of the engine 1 over the entire region where the spark ignition combustion is performed up to the switching load T3. Further, it is not necessary to reduce the amount of fresh air introduced into the cylinder 18.

ここで、オゾン濃度は、図8の下図に示すように、エンジン1の負荷に応じて、負荷が低下するに従い連続的に高まるように設定してもよい。こうすることで、火花点火燃焼の燃焼安定性を確保する上で、必要最低限のオゾン濃度とすることが可能になり、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。尚、最大のオゾン濃度は、例えば50〜30ppm程度としてもよい。また、オゾン濃度は、エンジン1の負荷に応じて、負荷が低下するに従い段階的に高まるように設定してもよい。また、オゾン濃度は、所定負荷T4と切替負荷T3との間において、エンジン1の負荷に拘わらず一定濃度に設定してもよい。   Here, as shown in the lower diagram of FIG. 8, the ozone concentration may be set so as to increase continuously as the load decreases according to the load of the engine 1. By doing this, it is possible to achieve the minimum ozone concentration necessary to ensure the combustion stability of spark ignition combustion, minimizing the power consumption required for generating ozone, and improving fuel efficiency. Become advantageous. The maximum ozone concentration may be about 50 to 30 ppm, for example. Further, the ozone concentration may be set to increase stepwise as the load decreases according to the load of the engine 1. Further, the ozone concentration may be set to a constant concentration between the predetermined load T4 and the switching load T3 regardless of the load of the engine 1.

(切替負荷T3から特定負荷T1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。このため、EGR率は、CIモードからSIモードにかけて連続的に高まることになる。このことは、燃焼形態の切り替えが行われるCIモードとSIモードとの間の移行に際しては、火花点火の実行、非実行を切り替えること以外に大きな変化はなく、CIモードからSIモードへの切り替え、又は、その逆の切り替えをそれぞれスムースにし、トルクショック等の発生を抑制することが可能になる。
(From switching load T3 to specific load T1)
As described above, the switching load T3 is involved in switching between the CI mode and the SI mode, and is in the CI mode on the low load side below the switching load T3. In each of the low load side and the high load side across the switching load between the CI mode and the SI mode, the air-fuel ratio of the air-fuel mixture is set to the theoretical air-fuel ratio (λ≈1). For this reason, the EGR rate continuously increases from the CI mode to the SI mode. This means that when switching between the CI mode and the SI mode in which the combustion mode is switched, there is no significant change other than switching between execution and non-execution of spark ignition, switching from the CI mode to the SI mode, Alternatively, it is possible to suppress the occurrence of torque shock or the like by switching the reverse switching smoothly.

また、切替負荷T3に対し低負荷側に隣接する領域では、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。このことは、圧縮着火燃焼を行う領域としては、エンジン1の負荷が比較的高い領域において、圧縮着火燃焼を緩慢にしてdP/dθの制約を解消しつつ、圧縮着火燃焼を安定して行うことを可能にする。   Further, in the region adjacent to the low load side with respect to the switching load T3, a relatively large amount of EGR gas (cooled EGR gas) is put into the cylinder 18 so as to continue from the region adjacent to the high load side with respect to the switching load T3. While being introduced, compression ignition combustion is performed by performing high pressure retarded injection in which fuel is injected at a high fuel pressure of 30 MPa or more and in the vicinity of compression top dead center. This means that the compression ignition combustion is performed stably in a region where the load of the engine 1 is relatively high while slowing down the compression ignition combustion and eliminating the restriction of dP / dθ. Enable.

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。ホットEGRガス及びクールドEGRガスを足し合わせたEGR率は、エンジン1の負荷が低下するに従い連続的に高くなる。また、クールドEGRガスとホットEGRガスとの割合は、エンジン1の負荷が低下するに従い、クールドEGRガス割合は次第に小さくかつ、ホットEGRガス割合は次第に大きくなる。クールドEGRガスの導入量は、EGR弁511の開度を制御することによって調整される。一方、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CVVL73によって、吸気弁21の開弁時期及び閉弁時期を調整することで、ホットEGRガスの導入量は調整される。   In the CI mode, the VVL 71 on the exhaust side is turned on, and internal EGR gas (that is, hot EGR gas) is introduced into the cylinder 18. Therefore, the VVL 71 on the exhaust side is switched on / off with the switching load T3 as a boundary. The EGR rate obtained by adding the hot EGR gas and the cooled EGR gas continuously increases as the load on the engine 1 decreases. Further, the ratio of the cooled EGR gas to the hot EGR gas gradually decreases as the load on the engine 1 decreases, and the hot EGR gas ratio gradually increases. The introduction amount of the cooled EGR gas is adjusted by controlling the opening degree of the EGR valve 511. On the other hand, the amount of hot EGR gas introduced is adjusted by adjusting the degree of overlap of the opening period of the intake valve 21 with respect to the opening period of the exhaust valve 22 that opens within the intake stroke period. Specifically, the introduction amount of the hot EGR gas is adjusted by adjusting the valve opening timing and the valve closing timing of the intake valve 21 by the VVT 72 and the CVVL 73 on the intake side.

そうして、切替負荷T3と特定負荷T1との間の所定負荷T2において、クールドEGRガスの導入は中止され、所定負荷T2よりもエンジン1の負荷が低いときには、ホットEGRガスのみが気筒18内に導入される。エンジン1の負荷が低くなるに従い、ホットEGRガスの導入量を増やすことは、圧縮開始前の気筒内のガス温度を高め、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。   Thus, the introduction of the cooled EGR gas is stopped at the predetermined load T2 between the switching load T3 and the specific load T1, and when the load of the engine 1 is lower than the predetermined load T2, only the hot EGR gas is contained in the cylinder 18. To be introduced. Increasing the amount of hot EGR gas introduced as the load on the engine 1 decreases increases the gas temperature in the cylinder before the start of compression, and accordingly increases the compression end temperature. This is advantageous in improving the ignition quality of compression ignition in the region where the load of the engine 1 is low and improving the stability of compression ignition combustion.

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。   The EGR rate that continuously increases as the load of the engine 1 decreases is set to the maximum EGR rate rmax at the specific load T1.

(特定負荷T1から最低負荷まで)
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。これにより、混合気の空燃比はリーンに設定される。
(From specific load T1 to minimum load)
Until the specific load T1, as described above, the EGR rate is continuously set higher as the load of the engine 1 decreases. However, when the load of the engine 1 is lower than the specific load T1, the load of the engine 1 Regardless of the height, the EGR rate is made constant at the maximum EGR rate rmax. Thereby, the air-fuel ratio of the air-fuel mixture is set to lean.

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、圧縮開始前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。   Here, setting the EGR rate so as not to exceed the maximum EGR rate rmax means that if a large amount of exhaust gas is introduced into the cylinder 18 by increasing the EGR rate, the specific heat ratio of the gas in the cylinder 18 This is because, even if the gas temperature before the start of compression is high, the compression end temperature becomes low.

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。   That is, the exhaust gas contains a large amount of triatomic molecules such as CO2 and H2O, and has a higher specific heat ratio than air containing nitrogen (N2) and oxygen (O2). Therefore, when the EGR rate is increased and the exhaust gas introduced into the cylinder 18 increases, the specific heat ratio of the gas in the cylinder 18 decreases.

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、圧縮開始前のガスの温度は高くなる。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。   Since the temperature of the exhaust gas is higher than that of fresh air, the higher the EGR rate, the higher the temperature of the gas before starting compression. However, the higher the EGR rate, the lower the specific heat ratio of the gas. Therefore, even if compression is performed, the temperature of the gas does not increase so much. As a result, the compression end temperature becomes the highest at a predetermined EGR rate rmax, and the EGR rate Even if it is made higher than that, the compression end temperature is lowered.

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、圧縮開始前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。   Therefore, in the engine 1, the EGR rate at which the compression end temperature is highest is set to the maximum EGR rate rmax. When the load on the engine 1 is lower than the specific load T1, the EGR rate is set to the maximum EGR rate rmax, thereby avoiding a decrease in the compression end temperature. The maximum EGR rate rmax may be set to 50 to 90%. The maximum EGR rate rmax may be set as high as possible as long as a high compression end temperature can be secured, and is preferably 70 to 90%. In this engine 1, the geometric compression ratio is set to a high compression ratio of 15 or more so that a high compression end temperature can be obtained. Further, in order to introduce exhaust gas having as high a temperature as possible into the cylinder 18, a double exhaust opening is adopted. In other words, in the case of the double exhaust opening, the exhaust gas introduced into the cylinder 18 is once discharged to the exhaust port, so that unlike the configuration in which a negative overlap period is provided, the exhaust gas is compressed during the exhaust stroke to increase the cooling loss. In addition, unlike the double intake opening that exhausts the exhaust gas to the intake port having a relatively low temperature, the temperature drop of the exhaust gas can be suppressed, so that the gas temperature before the start of compression is the highest. Is possible. In the engine 1 configured to ensure as high a compression end temperature as possible, the maximum EGR rate rmax may be set to about 80%, for example. Setting the maximum EGR rate rmax as high as possible is advantageous in reducing the unburned loss of the engine 1. That is, since the unburned loss tends to increase when the load on the engine 1 is low, setting the EGR rate as high as possible when the load on the engine 1 is lower than the specific load T1 improves fuel consumption by reducing the unburned loss. Is extremely effective.

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。   In this way, in this engine 1, even when the load of the engine 1 is lower than the specific load T1, by ensuring a high compression end temperature, the ignitability and combustion stability of compression ignition combustion are ensured.

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 intake port 16 through a port injector provided separately in the intake port 16 instead of the injector 67 provided in the cylinder 18 during the intake stroke period.

また、エンジン1の動弁系に関し、吸気弁21のCVVL73に代えて、リフト量を相対的に大きくする大リフトカムと、リフト量を相対的に小さくする小リフトカムとを切替可能なVVLを備えるようにしてもよい。またその場合には、ホットEGRガスの導入量を調整可能となるように、排気側にもVVTを備えるようにすればよい。   Further, regarding the valve train of the engine 1, a VVL that can switch between a large lift cam that relatively increases the lift amount and a small lift cam that relatively decreases the lift amount is provided instead of the CVVL 73 of the intake valve 21. It may be. In that case, VVT may be provided on the exhaust side so that the amount of hot EGR gas introduced can be adjusted.

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。   The operation control map shown in FIG. 6 is merely an example, and various other maps 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
21 吸気弁
22 排気弁
25 点火プラグ(点火装置)
50 EGR通路(排気還流システム)
51 主通路(外部EGRシステム、排気還流システム)
511 EGR弁(外部EGRシステム、排気還流システム)
52 EGRクーラ(冷却器)
76 オゾン発生器(オゾン導入器)
1 Engine (Engine body)
10 PCM (controller)
18 cylinder 21 intake valve 22 exhaust valve 25 spark plug (ignition device)
50 EGR passage (exhaust gas recirculation system)
51 Main passage (external EGR system, exhaust gas recirculation system)
511 EGR valve (external EGR system, exhaust gas recirculation system)
52 EGR cooler (cooler)
76 Ozone generator (ozone introducer)

Claims (3)

気筒を有するエンジン本体と、
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システムと、
前記気筒内の混合気に強制点火を行うよう構成された点火装置と、
前記気筒内にオゾンを導入するように構成されたオゾン導入器と、
前記エンジン本体の運転状態が所定の切替負荷以下の運転領域にあるときには、前記気筒内の混合気を圧縮着火燃焼させると共に、前記エンジン本体の運転状態が前記切替負荷よりも高負荷の運転領域にあるときには、前記点火装置を作動させて、前記気筒内の混合気を強制点火燃焼させることにより、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、
前記排気還流システムは、前記エンジン本体の排気通路と吸気通路とを連通しかつ、排気ガスを排気側から吸気側に向かって流すよう構成されたEGR通路を有する外部EGRシステムを含み、
前記制御器は、前記エンジン本体の運転状態が前記切替負荷よりも高負荷の運転領域にあるときには、
前記エンジン本体の負荷が低いほど、前記気筒内の全ガス量に対する前記排気ガスの量の割合であるEGR率が高くなるように、負荷の高低に応じて前記EGR率を連続的に変化させると共に、
前記切替負荷に隣接する特定領域においては、前記オゾン導入器によって前記気筒内にオゾンを導入し、
前記オゾンを導入する前記特定領域では、前記外部EGRシステムによって前記EGR率が調整され、
前記オゾンを導入する前記特定領域において設定される前記EGR率は、強制点火燃焼時のEGR限界よりも高く設定されている圧縮着火式エンジンの制御装置。
An engine body having a cylinder;
An exhaust gas recirculation system configured to introduce exhaust gas into the cylinder;
An ignition device configured to perform forced ignition on the air-fuel mixture in the cylinder;
An ozone introducer configured to introduce ozone into the cylinder;
When the operating state of the engine body is in an operating region below a predetermined switching load, the air-fuel mixture in the cylinder is subjected to compression ignition combustion, and the operating state of the engine body is in an operating region where the load is higher than the switching load. A controller configured to operate the engine body by operating the ignition device and forcibly igniting and burning the air-fuel mixture in the cylinder; and
The exhaust gas recirculation system includes an external EGR system having an EGR passage configured to communicate an exhaust passage and an intake passage of the engine body and to flow exhaust gas from the exhaust side toward the intake side,
The controller, when the operating state of the engine body is in an operating region of a higher load than the switching load,
The EGR rate is continuously changed according to the level of the load so that the EGR rate, which is the ratio of the amount of the exhaust gas to the total gas amount in the cylinder, becomes higher as the load on the engine body is lower. ,
In a specific region adjacent to the switching load, ozone is introduced into the cylinder by the ozone introducer ,
In the specific region where ozone is introduced, the EGR rate is adjusted by the external EGR system,
The control apparatus for a compression ignition engine in which the EGR rate set in the specific region where ozone is introduced is set higher than an EGR limit during forced ignition combustion .
請求項1に記載の圧縮着火式エンジンの制御装置において、
前記制御器は、前記切替負荷よりも高負荷の運転領域と、前記切替負荷以下の領域であって前記高負荷の運転領域に隣接する所定領域とに亘って、前記エンジン本体の負荷が低いほど、前記気筒内の全ガス量に対する前記排気ガスの量の割合であるEGR率が高くなるように、負荷の高低に応じて前記EGR率を連続的に変化させる圧縮着火式エンジンの制御装置。
The control apparatus for a compression ignition engine according to claim 1,
The controller has a lower load on the engine body over an operating region that is higher in load than the switching load and a predetermined region that is lower than the switching load and that is adjacent to the operating region of high load. A control device for a compression ignition engine that continuously changes the EGR rate according to the load level so that the EGR rate, which is the ratio of the exhaust gas amount to the total gas amount in the cylinder, becomes high.
請求項1又は2に記載の圧縮着火式エンジンの制御装置において、
前記外部EGRシステムは、前記排気ガスを冷却するよう構成された冷却器を更に有し、
前記外部EGRシステムはまた、少なくとも、前記切替負荷よりも高負荷の運転領域において、前記EGR率を調整する圧縮着火式エンジンの制御装置。
The control apparatus for a compression ignition engine according to claim 1 or 2 ,
The external EGR system further comprises a cooler configured to cool the exhaust gas ,
The external EGR system is also a control device for a compression ignition engine that adjusts the EGR rate at least in an operation region where the load is higher than the switching load.
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