(1)エンジンの全体構成
図1および図2は、本発明の制御装置が適用されたエンジンの好ましい実施形態を示す図である。本図に示されるエンジンは、走行用の動力源として車両に搭載された4サイクルのガソリンエンジンであり、列状に並ぶ4つの気筒2を含む直列多気筒型のエンジン本体1と、エンジン本体1に導入される吸気が流通する吸気通路20と、エンジン本体1から排出される排気が流通する排気通路30と、排気通路30を流通する排気の一部を吸気通路20に還流するEGR装置40と、排気通路30を流通する排気から取り出した水をエンジン本体1の各気筒2に供給する水供給システム50とを備えている。
エンジン本体1は、図2に示すように、気筒2が内部に形成されたシリンダブロック3と、気筒2を上から塞ぐようにシリンダブロック3の上面に取り付けられたシリンダヘッド4と、各気筒2にそれぞれ往復動可能に収容されたピストン5とを有している。
ピストン5の上方には燃焼室Cが画成されており、この燃焼室Cには、後述する燃料噴射弁11から噴射されるガソリンを主成分とする燃料が供給される。そして、供給された燃料が燃焼室Cで燃焼し、その燃焼による膨張力で押し下げられたピストン5が上下方向に往復運動するようになっている。
ピストン5の下方には、エンジン本体1の出力軸であるクランク軸15が配設されている。クランク軸15は、ピストン5とコネクティングロッド14を介して連結され、ピストン5の往復運動に応じて中心軸回りに回転する。シリンダブロック3には、クランク軸15の回転角度(クランク角)を検出するクランク角センサSN1が設けられている。なお、クランク角センサSN1は、クランク軸15の回転速度つまりエンジン本体1の出力回転速度(エンジン回転速度)を検出するためのセンサを兼ねている。
ピストン5の冠面(上面)には、その中央部をシリンダヘッド4とは反対側(下方)に凹ませたキャビティ10が形成されている。キャビティ10は、ピストン5が上死点まで上昇したときの燃焼室Cの大部分を占める容積を有するように形成されている。
シリンダヘッド4には、図外の燃料ポンプから供給された燃料(ガソリン)を燃焼室Cに噴射する燃料噴射弁11が、各気筒2につき1つずつ(合計4つ)設けられている。各燃料噴射弁11は、後述する水噴射弁57と気筒2の中心軸を挟んで隣接するように設けられている。なお、図1に示すように、燃料噴射弁11の上方には、上記燃料ポンプから供給された燃料を蓄圧状態で貯留する燃料レール16が設けられている。この燃料レール16に貯留された燃料は、燃料噴射弁11と同数の(4つの)分配管17を通じて各燃料噴射弁11に供給される。
燃料噴射弁11は、気筒2の中心軸の近傍において燃焼室Cに露出する先端部を有し、当該先端部からピストン5のキャビティ10に向けて燃料を噴射するように設けられている。具体的に、燃料噴射弁11は、1サイクル中に噴射すべき量の燃料の少なくとも一部を圧縮上死点よりも前に燃焼室Cに噴射する。噴射された燃料は、燃焼室Cに導入された空気(吸気)と混合された後に、例えば圧縮上死点の近傍で自着火する。
すなわち、当実施形態のエンジンでは、燃料としてガソリンを用いた場合に一般的に採用される火花点火燃焼(混合気を火花点火により強制着火させる燃焼)ではなく、燃料と空気との混合気をピストン5による圧縮に伴い自着火させるHCCI燃焼(予混合圧縮着火燃焼)がエンジンの全ての運転領域において実行されるようになっている。このため、当実施形態のエンジンには混合気に点火するための点火プラグが設けられていない。ただし、これに代わる態様として、エンジンが冷間始動された直後のような自着火が困難な状況下においてHCCI燃焼に代えて火花点火燃焼を実行することが考えられ、また、エンジンの暖機後にHCCI燃焼を補助するためにいわゆるスパークアシストを実行することが考えられる。したがって、このような制御を行うために点火プラグを設けてもよい。
上記のようなHCCI燃焼を可能にするために、当実施形態のエンジンでは、火花点火燃焼が採用される一般的なガソリンエンジンと比べて、各気筒2の圧縮比が高めに設定されている。具体的に、当実施形態では、各気筒2の幾何学的圧縮比、つまり、ピストン5が上死点にあるときの燃焼室Cの容積とピストン5が下死点にあるときの燃焼室Cの容積との比が、18以上35以下、より好ましくは18以上30以下に設定されている。
図2に示すように、シリンダヘッド4には、気筒2ごとに、吸気通路20から供給される空気を燃焼室Cに導入するための吸気ポート6と、燃焼室Cで生成された排気を排気通路30に導出するための排気ポート7と、吸気ポート6の燃焼室C側の開口を開閉する吸気弁8と、排気ポート7の燃焼室C側の開口を開閉する排気弁9とがそれぞれ設けられている。
吸気弁8および排気弁9は、図外の弁駆動機構により、クランク軸15の回転に連動して開閉駆動される。吸気弁8用の弁駆動機構には、吸気弁8の少なくとも閉時期を変更可能な吸気弁可変機構18(図4)が内蔵されている。吸気弁可変機構18は、エンジンの運転条件に応じて吸気弁8の閉時期を変更し、この変更に伴って、各気筒2の有効圧縮比、つまりピストン5が上死点にあるときの燃焼室Cの容積と吸気弁8が閉じた時点での燃焼室Cの容積との比が変更される。なお、吸気弁可変機構18は、吸気弁8の開時期を固定したまま閉時期のみを変更する(これに伴ってリフト量を変更する)タイプの可変機構であってもよいし、吸気弁8の開時期および閉時期を同時に変更する位相式の可変機構であってもよい。
燃焼室Cの内壁を構成する各部、つまりシリンダブロック3の内壁面と、ピストン5の冠面と、シリンダヘッド4の下面と、吸気弁8および排気弁9の各バルブヘッドの下面とには、それぞれ断熱層13が設けられている。なお、シリンダブロック3の内壁面に設けられた断熱層13は、ピストン5が上死点にある状態でピストンリング5aよりも上側(シリンダヘッド4側)に位置する部分に限定されており、ピストンリング5aが断熱層13上を摺動しないようになっている。
断熱層13は、シリンダブロック3、シリンダヘッド4、ピストン5、および吸・排気弁8,9のいずれよりも熱伝導率および容積比熱が低い材質により構成されている。これは、燃焼室Cで生成された燃焼ガスの熱が燃焼室Cの外部に放出されるのを抑制し、エンジンの冷却損失を低減するためである。すなわち、断熱層13の熱伝導率が低いことにより、燃焼ガスの熱が断熱層13を通じてシリンダブロック3やシリンダヘッド4等に伝達されることが抑制される。また、断熱層13の容積比熱が低いことにより、断熱層13と燃焼ガスとの温度差が小さく抑えられ、この温度差に起因した熱の移動が抑制される。例えば、シリンダブロック3やシリンダヘッド4といったエンジン本体1の主要部品は、容積比熱が大きい上に、冷却水により冷却されるので、たとえ気筒2の内部が燃焼により一時的に高温化しても、上記主要部品の温度は比較的低い温度に維持される。このため、仮に断熱層13が存在しなかった場合には、低温の上記主要部品の内壁面に高温の燃焼ガスが直接触れることとなり、両者の温度差に起因した大きな熱移動が生じる。これに対し、容積比熱が低い断熱層13を設けた場合には、断熱層13の温度が燃焼ガスの温度に連動して応答性よく変化するので、上記のような熱移動を抑制して冷却損失を低減することができる。
断熱層13は、例えばZrO2等のセラミック材料をプラズマ溶射によりコーティングすることで形成することができる。この場合、断熱層13の内部には多数の気孔を含ませることができる。このような多孔性の断熱層は、熱伝導率および容積比熱を小さくする上で有利である。
図2に示すように、シリンダヘッド4には、気筒2の内部圧力(以下、筒内圧力ともいう)を検出する筒内圧センサSN2が、各気筒2につき1つずつ(合計4つ)設けられている。各筒内圧センサSN2は、圧力の大小に応じて起電力が変化する検出素子を先端部に有しており、当該検出素子が燃焼室Cに露出するような状態でシリンダヘッド4に取り付けられている。
図1に示すように、吸気通路20は、単管状の共通吸気管22と、共通吸気管22の下流端から枝分かれするように形成された吸気マニホールド21とを有している。吸気マニホールド21の各枝管は、各気筒2と吸気ポート6を介して連通するようにエンジン本体1(シリンダヘッド4)に接続されており、共通吸気管22の下流端部は、吸気マニホールド21の枝管の集合部(各枝管の上流端どうしが集合した部分)に接続されている。なお、本明細書において、吸気通路20における上流(または下流)とは、吸気通路20を流通する吸気の流れ方向の上流(または下流)のことをいう。
共通吸気管22には、吸気中に含まれる異物を除去するエアクリーナ25と、共通吸気管22を流通する吸気の流量を調整する開閉可能なスロットル弁27とが、上流側からこの順に設けられている。さらに、共通吸気管22におけるスロットル弁27よりも下流側には、共通吸気管22を流通する吸気の流量を検出するエアフローセンサSN3が設けられている。
排気通路30は、単管状の共通排気管32と、共通排気管32の上流端から枝分かれするように形成された排気マニホールド31とを有している。排気マニホールド31の各枝管は、各気筒2と排気ポート7を介して連通するようにエンジン本体1(シリンダヘッド4)に接続されており、共通排気管32の上流端部は、排気マニホールド31の枝管の集合部(各枝管の下流端どうしが集合した部分)に接続されている。なお、本明細書において、排気通路30における上流(または下流)とは、排気通路30を流通する排気の流れ方向の上流(または下流)のことをいう。
共通排気管32には、触媒装置35、熱交換器54、コンデンサ51、および排気シャッタ弁36が、上流側からこの順に設けられている。
触媒装置35は、排気中に含まれる有害成分を浄化するためのものであり、例えば、三元触媒、酸化触媒、およびNOx触媒のいずれかもしくはその組合せからなる触媒を内蔵している。なお、このような触媒に加えて、排気中に含まれるPMを捕集するためのフィルターが含まれていてもよい。
排気シャッタ弁36は、共通排気管32におけるコンデンサ51よりも下流側の位置に開閉可能に設けられている。この排気シャッタ弁36は、通常は全開もしくはその近傍の開度に保持されているが、例えば、EGR装置40による排気の還流操作(つまり排気通路30を流通する排気の一部を吸気通路20に還流させる操作;以下、EGRという)を行う必要がある場合に、このEGRを促進するために必要に応じて閉弁側に駆動される。すなわち、排気シャッタ弁36が閉弁側に駆動されてその開度が低減されると、排気通路30内の排気の圧力が高まり、吸気通路20内の吸気の圧力との差が大きくなる。これにより、排気通路30から吸気通路20への排気の流れが促進されて、十分なEGR量が確保される。
コンデンサ51は、排気中に含まれる水蒸気を凝縮させるものであり、熱交換器54は、コンデンサ51で生成された凝縮水を昇温させるものである。これら熱交換器54およびコンデンサ51は、水供給システム50の一部を構成する要素である(詳細は後述する)。
EGR装置40は、共通排気管32と共通吸気管22とを連通するEGR通路41と、EGR通路41に設けられたEGR弁42およびEGRクーラ43とを有している。
EGR通路41は、共通排気管32における触媒装置35よりも上流側の部分と、共通吸気管22におけるスロットル弁27よりも下流側の部分とを接続している。EGR弁42は、EGR通路41を通じて共通排気管32から共通吸気管22に還流される排気(EGRガス)の流量を調整するための開閉弁である。EGRクーラ43は、EGR通路41を流通するEGRガスを所定の冷媒(例えばエンジンの冷却水)との熱交換により冷却する熱交換器である。
(2)水供給システムの具体的構成
図1に示すように、水供給システム50は、上述したコンデンサ51および熱交換器54と、コンデンサ51で生成された凝縮水を貯留する水タンク52と、水タンク52に貯留された凝縮水を熱交換器54に向けて圧送する送水ポンプ53と、送水ポンプ53で加圧されかつ熱交換器54で加熱された高温・高圧の水を保温しつつ蓄圧状態で貯留する蓄圧レール56と、蓄圧レール56に貯留された水を気筒2に噴射するために各気筒2につき1つずつ(合計4つ)設けられた水噴射弁57と、コンデンサ51と水タンク52とを接続する第1水配管61と、水タンク52と熱交換器54とを接続する第2水配管62と、熱交換器54と蓄圧レール56とを接続する第3水配管63と、蓄圧レール56と各水噴射弁57とを接続する複数の(4つの)分配管64とを有している。
コンデンサ51は、共通排気管32を流通する排気中に含まれる水蒸気を凝縮させるための熱交換器であり、所定の冷媒(例えばエンジンの冷却水)との熱交換により排気を冷却することで、当該排気中に含まれる水蒸気を凝縮させる。コンデンサ51で生成された凝縮水は、第1水配管61を通じて下流側に流出し、水タンク52内に貯留される。
送水ポンプ53は、第2水配管62の途中部に設けられており、水タンク52内に貯留された凝縮水を加圧しつつ熱交換器54に向けて送り出す。送水ポンプ53から圧送される水は、例えば24MPa程度の圧力と80℃程度の温度とを有している。
熱交換器54は、送水ポンプ53から供給された水を、コンデンサ51に流入する前の排気との熱交換により加熱するものである。詳細な図示は省略するが、熱交換器54は、共通排気管32のうち触媒装置35とコンデンサ51との間に位置する部分に挿入された小径かつ長尺形状の細管54aと、この細管54aが挿入される部分の共通排気管32を覆うように設けられた二重管構造の保温ケースと、保温ケースの周囲空間部(外管と内管との間)に充填された蓄熱材とを有している。このように蓄熱材付きの保温ケースが熱交換器54に使用されるのは、熱交換器54による水の加熱効果を、エンジンの運転条件に応じた排気の温度変化にかかわらず一定のレベル以上確保するためである。
熱交換器54で加熱された水は、第3水配管63を通じて下流側に送り出され、蓄圧レール56内に貯留される。蓄圧レール56には、内部の水の圧力を検出する水圧センサSN4が設けられている。
熱交換器54は、水を超臨界状態になるまで加熱できるような十分な加熱能力を有している。すなわち、熱交換器54に流入する直前において24MPa程度の圧力と80℃程度の温度を有していた水は、熱交換器54を通過するのに伴い大幅に昇温されて、超臨界状態の水(超臨界水)となる。超臨界水とは、647K(374℃)以上の温度と22MPa以上の圧力とを有することにより、液体の性質と気体の性質とを併せ持った(液体、気体、固体の三相のいずれにもあてはまらない)特殊な状態にある水のことである。熱交換器54で生成された超臨界水は、蓄圧レール56において蓄圧および保温されつつ貯留され、必要時に水噴射弁57を通じて気筒2に噴射される。すなわち、当実施形態では、水噴射弁57から気筒2に噴射される水として超臨界水が使用される。
さらに、当実施形態で使用される超臨界水は、上述したような過程を経て(送水ポンプ53および熱交換器54を経て)生成されることにより、250kg/m3以上という比較的高い密度を有している。すなわち、当実施形態において水噴射弁57から噴射される超臨界水は、647K以上の温度と、22MPa以上の圧力と、250kg/m3以上の密度とを有する、高温、高圧、高密度の水である。
超臨界水の性質を図3を用いて説明する。図3は、エンタルピーおよび圧力の変化に伴う水の状態変化を示す図であり、横軸をエンタルピー(kJ/kg)、縦軸を圧力(MPa)としている。この図3において、領域Z2は液体の領域、領域Z3は気体の領域、領域Z4は液体と気体が共存する領域である。実線で示したラインLT350,LT400,‥‥LT1000は、それぞれ温度が同一の等温線であって、LTに続く数字が温度(K)を表している。例えば、LT350は350Kの等温線であり、LT1000は1000Kの等温度線である。破線で示したラインLD0.01,LD0.1,‥‥LD1000は、それぞれ密度が同一の等密度線であって、LDに続く数字が密度(kg/m3)を表している。例えば、LD0.01は密度が0.01kg/m3の等密度線であり、LD1000は密度が1000kg/m3の等密度線である。
また、図3上の点Xは水の臨界点であり、この臨界点Xの温度は647K(より正確には647.3K)、圧力は22MPa(より正確には22.12MPa)である。超臨界水とは、この臨界点Xよりも温度および圧力が高い領域Z1に含まれる水、つまり温度が647K以上でかつ圧力が22MPa以上の水である。
さらに、図3では、超臨界水の領域Z1から密度250kg/m3未満の領域(ラインLD250よりも右側の領域)を除いた領域をZ1aとしている。この領域Z1aに含まれる水は、当実施形態で用いられる超臨界水(温度647K以上、圧力22MPa以上、密度250kg/m3以上の水)を表している。
図3から理解されるように、当実施形態で用いられる超臨界水(領域Z1aに含まれる水)は、領域Z3に含まれる気体の水(水蒸気)よりも密度が高い。このような超臨界水を気筒2に噴射することは、気体の水を噴射する場合に比べて、多くの水を短時間で気筒2に供給できることを意味する。また、図3において矢印W1で示すように、超臨界水は、気体の水に変化するのにほとんどエンタルピー(潜熱)を必要としない。これに対し、領域Z2に含まれる液体の水は、矢印W2で示すように、気体に変化するために大きなエンタルピー(潜熱)を必要とする。このことは、超臨界水を気筒2に噴射した方が、液体の水を噴射するよりも、水の潜熱吸収に伴う気筒2の温度低下を大幅に小さくできることを意味する。
(3)エンジンの制御系統
図4は、エンジンの制御系統を示すブロック図である。本図に示されるPCM100は、エンジンを統括的に制御するためのマイクロプロセッサであり、周知のCPU、ROM、RAM等から構成されている。
PCM100には各種センサによる検出信号が入力される。例えば、PCM100は、上述したクランク角センサSN1、筒内圧センサSN2、エアフローセンサSN3、および水圧センサSN4と電気的に接続されており、これらのセンサによって検出された情報(つまりクランク角、筒内圧力、吸気流量、水圧等)が電気信号としてPCM100に逐次入力されるようになっている。
また、車両には、当該車両を運転するドライバーにより操作されるアクセルペダル(図示省略)の開度を検出するアクセルセンサSN5が設けられており、このアクセルセンサSN5による検出信号もPCM100に入力される。
PCM100は、上記各種センサからの入力信号に基づいて種々の判定や演算等を実行しつつエンジンの各部を制御する。すなわち、PCM100は、燃料噴射弁11、吸気弁可変機構18、スロットル弁27、排気シャッタ弁36、EGR弁42、送水ポンプ53、および水噴射弁57等と電気的に接続されており、上記演算の結果等に基づいてこれらの機器にそれぞれ制御用の信号を出力する。
上記の制御に関する機能要素として、PCM100は、燃料噴射制御部101と、水噴射制御部102と、EGR制御部103と、バルブ制御部104とを含んでいる。
燃料噴射制御部101は、アクセルセンサSN5の検出値(アクセル開度)から特定されるエンジン負荷と、クランク角センサSN1により検出されるエンジン回転速度と、エアフローセンサSN3により検出される吸気流量とに基づいて、燃料噴射弁11からの燃料の噴射量および噴射タイミングを決定し、その決定に従って燃料噴射弁11を制御する。
水噴射制御部102は、水圧センサSN4により検出される蓄圧レール56の内部圧力(蓄圧レール56内に貯留されている水の圧力)に基づいて、当該圧力が超臨界水としての必要圧力(22MPa)以上に保持されるように送水ポンプ53を駆動する。また、水噴射制御部102は、燃料噴射弁11からの燃料の噴射量と、筒内圧センサSN2により検出される気筒2の内部圧力(筒内圧力)とに基づいて、水噴射弁57からの超臨界水の噴射量および噴射タイミングを決定し、その決定に従って水噴射弁57を制御する。
EGR制御部103は、気筒2に導入される全ガス量に占めるEGRガスの割合であるEGR率の目標値を上記エンジン負荷等に基づいて決定し、その目標値に一致するEGR率が得られるようにEGR弁42および排気シャッタ弁36を制御する。
バルブ制御部104は、吸気弁可変機構18を駆動して吸気弁8の開閉特性(少なくとも閉時期)を可変的に設定することにより、エンジンの運転条件(エンジン負荷および回転速度)に応じて有効圧縮比を増減させる。すなわち、バルブ制御部104は、運転条件に応じた適切な有効圧縮比が得られるように予め定められた吸気弁8の目標開閉特性を記憶しており、当該目標開閉特性に従って吸気弁8が駆動されるように吸気弁可変機構18を制御する。なお、各気筒2の幾何学的圧縮比が18以上35以下(好ましくは18以上30以下)に設定される当実施形態のエンジンにおいて、バルブ制御部104は、有効圧縮比を13以上27以下の範囲で可変的に設定する。特に、幾何学的圧縮比が18以上30以下に設定される場合、バルブ制御部104は、有効圧縮比を13以上23以下の範囲で可変的に設定する。
(4)運転条件に応じた制御
次に、PCM100による燃料噴射弁11、水噴射弁57、EGR弁42、および排気シャッタ弁36の制御について詳しく説明する。
図5は、エンジンの運転条件(負荷/回転速度)に応じた制御の相違を説明するためのマップ図である。先にも述べたとおり、当実施形態では、エンジンの全ての運転領域において、燃料と空気との混合気をピストンによる圧縮に伴い自着火させるHCCI燃焼が実行される。ただし、当実施形態におけるHCCI燃焼の種類は、水噴射弁57からの超臨界水の噴射を伴うHCCI燃焼と、水噴射弁57からの超臨界水の噴射を伴わないHCCI燃焼とに大別される。すなわち、図5に示すように、エンジンの運転領域を第1運転領域A1とこれよりも負荷の低い第2運転領域A2とに分けたとき、高負荷側の第1運転領域A1では、水噴射弁57から超臨界水を噴射しつつHCCI燃焼を実行する制御が選択され、低負荷側の第2運転領域A2では、超臨界水の噴射を停止した状態でHCCI燃焼を実行する制御が選択される。各運転領域A1,A2での制御の概要は以下のとおりである。
(a)第1運転領域での制御
水噴射を伴うHCCI燃焼の実行領域である第1運転領域A1では、高負荷側ほど燃料の噴射量が増大するように燃料噴射弁11が制御される。また、燃料の噴射タイミングは、エンジンの運転条件(負荷/回転速度)に応じた適正なタイミング(例えば圧縮上死点の近傍)で燃料が自着火するように、その目標とする着火タイミングよりもいくらか早めた適宜のタイミングに設定される。
水噴射弁57は、高負荷側ほど多くの超臨界水を噴射するように制御される。より詳しくは、燃料噴射弁11からの燃料の噴射量に比例する量の超臨界水が噴射されるように水噴射弁57が制御される。また、超臨界水の噴射タイミングは、HCCI燃焼に伴い増大する筒内圧力の上昇率および最大値が許容値を超えないような所定のタイミングに設定される。より詳しくは、当実施形態では、各気筒2の1サイクル中に、水噴射弁57からの超臨界水の噴射が2回に分けて実行される(例えば後述する図7参照)。この場合において、1回目を第1の水噴射、2回目を第2の水噴射とすると、第1の水噴射は、燃料が自着火するタイミング(つまり燃焼の開始)とほぼ一致するタイミングで開始され、かつ燃焼の途中で終了される。第2の水噴射は、第1の水噴射の終了後でかつ燃焼が終了する前に開始される。また、これら第1の水噴射と第2の水噴射との間には、水噴射弁57からの超臨界水の噴射が停止される無噴射期間が設けられる。
スロットル弁27は特に開閉制御されず、原則として全開相当の開度に維持される。
EGR弁42および排気シャッタ弁36の開度は、スロットル弁27が全開相当とされた状態で空気過剰率λが1もしくはその近傍になるように制御される。すなわち、スロットル弁27を全開にした場合に気筒2に導入されるガスが、λ≒1相当の空気(新気)とEGRガスとによって占められるように、言い換えると、スロットル全開時の全ガス量からλ≒1相当の空気量を差し引いた分のEGRガス量が確保されるように、EGR弁42および排気シャッタ弁36の開度が制御される。なお、空気過剰率λとは、気筒2に導入される実際の空気量を、理論空燃比(空気量/燃料量=14.7)を実現するのに必要な空気量で割った値のことである。
ここで、燃料の噴射量はエンジン負荷が高いほど増やされるので、これに伴って、λ≒1相当の空気量も負荷が高いほど増大する。このため、気筒2内の全ガス量に占めるEGRガスの割合であるEGR率は、高負荷側ほど小さくする必要がある。特に、第1運転領域A1の中でも最も負荷の高い部分(エンジンの全負荷ラインおよびその近傍)では、負荷に見合った多量の空気を確保するためにEGR率(EGR量)がゼロに設定されている(つまりEGR自体が停止される)。EGR弁42および排気シャッタ弁36の開度は、このような傾向で変化するEGR率(EGR量)が実現されるように制御される。
(b)第2運転領域での制御
水噴射を伴わないHCCI燃焼の実行領域である第2運転領域A2では、水噴射弁57が閉弁状態に維持されて、超臨界水の噴射が停止される。燃料噴射弁11からの燃料の噴射量は、高負荷側ほど多くなるように制御されるが、その噴射量は第1運転領域A1のときよりも総じて少なくされる。スロットル弁27は全開相当の開度に維持され、また、この状態でλ≒1相当の空気量が確保されるように、EGR弁42および排気シャッタ弁36が制御される。なお、第2運転領域A2では第1運転領域A1よりも燃料噴射量が少ないため、これに適合するλ≒1相当の空気量(つまり第2運転領域A2よりも少ない空気量)を気筒2に導入するために、第2運転領域A2でのEGR率(EGR量)は第1運転領域A1よりも高い値に設定される。
(5)第1運転領域での具体的な制御例
次に、水噴射を伴うHCCI燃焼が実行される第1運転領域A1での具体的な制御例(主に燃料噴射弁11および水噴射弁57の制御)について、図6および図7を参照しつつ説明する。図6は、第1運転領域A1において実行される燃料噴射弁11および水噴射弁57の制御の具体的手順を示すフローチャートであり、図7は、第1運転領域A1での燃料噴射および水噴射に伴う気筒2の状態変化を示すタイムチャートである。具体的に、図7における(a)のチャートはクランク角に対する筒内圧力(Pa)の変化を、(b)のチャートはクランク角に対する筒内圧力の上昇率(Pa/deg)の変化を、(c)のチャートはクランク角に対する熱発生率(J/deg)の変化を、(d)のチャートは燃料噴射パルスおよび水噴射パルスをそれぞれ示している。なお、図7において、横軸のクランク角は圧縮上死点を0°とした場合のクランク角(deg.ATDC)を表している。
図6のフローチャートに示す制御がスタートすると、燃料噴射制御部101は、燃料噴射弁11からの燃料の噴射量および噴射タイミングを決定する(ステップS1)。具体的に、燃料噴射制御部101は、アクセルセンサSN5、クランク角センサSN1、およびエアフローセンサSN3の各検出値からエンジン負荷、エンジン回転速度、吸気流量を取得し、取得した各値に基づいて、燃料噴射弁11からの燃料の噴射量および噴射タイミングを決定する(ステップS1)。
既に説明したとおり、燃料噴射弁11からの燃料の噴射量は、エンジン負荷が高いほど多くなるように決定される。また、燃料の噴射タイミングは、噴射された燃料が予め定められた目標着火タイミングで自着火するように、予測される着火遅れ時間を考慮した適宜のタイミングに決定される。ここで、燃料の目標着火タイミングは、典型的には圧縮上死点の近傍に設定される。この目標着火タイミングに対し、燃料の噴射量、吸気流量、およびエンジン回転速度等に基づいて着火遅れ時間(噴射から着火までの時間)が予測演算され、演算された着火遅れ時間の分だけ目標着火タイミングよりも早めたタイミングが、燃料の噴射タイミングとして決定される。なお、目標着火タイミングは圧縮上死点の近傍に限られず、エンジンの運転条件によっては圧縮上死点に対しある程度進角または遅角され得る。ただし、いずれの場合でも、目標着火タイミングは、圧縮行程後期および膨張行程初期のいずれかには含まれるように設定される。ここでいう圧縮行程後期とは、圧縮上死点前(BTDC)60°CAから圧縮上死点までの範囲のことであり、膨張行程初期とは、圧縮上死点から圧縮上死点後(ATDC)60°CAまでの範囲のことである。すなわち、当実施形態において、燃料噴射弁11からの燃料の噴射タイミングは、圧縮行程後期または膨張行程初期(BTDC60°CA〜ATDC60°CA)に燃料が自着火するようなタイミングに決定される。
次いで、水噴射制御部102は、上記ステップS1で決定された燃料の噴射量に基づいて、水噴射弁57からの超臨界水の噴射量を決定する(ステップS2)。具体的に、当実施形態において、水噴射弁57からの超臨界水の噴射量(1サイクル中に噴射される水の質量)は、燃料噴射弁11からの燃料の噴射量(1サイクル中に噴射される燃料の質量)に対し所定の比率になるように予め定められている。すなわち、ステップS2では、ステップS1で決定された燃料の噴射量に上記比率(以下、水/燃料比αという)が乗算されることにより、水噴射弁57からの超臨界水の噴射量が決定される。なお、水/燃料比αは、例えば3以上6以下のいずれかの値に設定される。すなわち、当実施形態では、水噴射を伴うHCCI燃焼の実行時(第1運転領域A1での運転時)に、燃料の噴射量よりも3〜6倍だけ多い超臨界水が各気筒2に供給されるようになっている。
次いで、燃料噴射制御部101は、燃料噴射弁11から燃料を噴射させる(ステップS3)。すなわち、燃料噴射制御部101は、上記ステップS1で決定された噴射量に一致する量の燃料が燃料噴射弁11から噴射され、かつその噴射タイミングが上記ステップS1で決定された噴射タイミングに一致するように、燃料噴射弁11の開弁動作を制御する。なお、図7(チャート(d))には、BTDC20°CAの前後に亘って燃料噴射弁11から燃料が噴射される例が示されている。
次いで、水噴射制御部102は、燃焼による熱発生があったか否かを判定する(ステップS4)。すなわち、上記ステップS3で噴射された燃料は、気筒2の内部において空気と混合されつつ所定の着火遅れ時間の後に自着火し、これにより燃焼(HCCI燃焼)が開始される。すると、当該燃焼に伴う熱発生により筒内圧力が急激に上昇し始める。水噴射制御部102は、筒内圧センサSN2の検出値に基づいてこの筒内圧力の急上昇を検知し、検知した時点で熱発生があった(つまり燃料が自着火した)と判定する。なお、このようにして特定される燃料の自着火(HCCI燃焼の開始)のタイミングは、燃料噴射弁11から1サイクル中に噴射される燃料の質量の5〜15%が燃焼を完了したタイミングに相当する。また、筒内圧センサSN2の検出値に基づき燃料の自着火を判定する水噴射制御部102(PCM100)は、請求項にいう「着火判定手段」に相当する。
上記ステップS4でYESと判定されて熱発生があったこと(燃料が自着火したこと)が確認された場合、水噴射制御部102は、水噴射弁57を開弁させて第1の水噴射を開始する(ステップS5)。なお、図7の例では、燃料が圧縮上死点(0°CA)の近傍で自着火しており、これに伴って筒内圧力、圧力上昇率、熱発生率がそれぞれ急上昇を開始している。この場合、第1の水噴射は、自着火とほぼ同じタイミングである圧縮上死点の近傍で開始されることになる。
上記第1の水噴射の開始後、水噴射制御部102は、圧力上昇率が所定の閾値X未満に低下したか否かを判定する(ステップS6)。すなわち、水噴射制御部102は、第1の水噴射の開始後に筒内圧センサSN2により検出される筒内圧力に基づいて、クランク角に対する筒内圧力の上昇率である圧力上昇率(Pa/deg)を調べ、その圧力上昇率が上昇傾向から低下傾向に転じたことを特定する。そして、低下傾向に転じた後の圧力上昇率が閾値X(例えば470kPa/deg)未満になったか否かを判定する。
上記ステップS6でYESと判定されて圧力上昇率が閾値X未満に低下したことが確認された場合、水噴射制御部102は、水噴射弁57を閉弁させて第1の水噴射を停止する(ステップS7)。なお、図7の例では、ATDC5°CAの近傍で圧力上昇率が閾値X未満に低下しており(チャート(b)参照)、この時点で第1の水噴射が停止されている。
第1の水噴射の停止後、水噴射制御部102は、筒内圧力が所定の閾値Yを超えたか否かを判定する(ステップS8)。すなわち、水噴射制御部102は、第1の水噴射の停止後に筒内圧センサSN2により検出される筒内圧力を調べ、その値が閾値Y(例えば12.5MPa)よりも高くなったか否かを判定する。なお、ここで用いられる閾値Yは、エンジン本体1の主要部品(例えばピストン5やシリンダヘッド4等)の信頼性を考慮して予め定められたものである。筒内圧力が閾値Yに到達するタイミングは、エンジンの有効圧縮比により異なるが、当実施形態のように有効圧縮比が13〜27のいずれかに設定されるケースでは、1サイクル中に噴射される燃料質量の40〜95%が燃焼を完了した時点に相当する。また、有効圧縮比が13〜23のいずかに設定される場合、上記タイミング(筒内圧力が閾値Yに到達するタイミング)は、燃料質量の50〜95%が燃焼を完了した時点に相当する。
上記ステップS8でYESと判定されて筒内圧力が閾値Yを超えたことが確認された場合、水噴射制御部102は、水噴射弁57を開弁させて第2の水噴射を開始する(ステップS9)。なお、図7の例では、ATDC15°CAの近傍で筒内圧力が閾値Yを超えており(チャート(a)参照)、この時点で第2の水噴射が開始されている。また、図7のチャート(d)に示されるように、この第2の水噴射は、上述した第1の水噴射の停止から所定の期間を隔てて開始されている。つまり、第1の水噴射と第2の水噴射との間には、水噴射が行われない無噴射期間が存在する。
上記第2の水噴射の開始後、水噴射制御部102は、第1の水噴射と第2の水噴射とを合わせた超臨界水の総噴射量(質量)が、上記ステップS2で決定された水噴射量、つまり燃料のα倍に相当する質量に到達したか否かを判定する(ステップS10)。
上記ステップS10でYESと判定されて水噴射量が規定量(燃料のα倍)に到達したことが確認された場合、水噴射制御部102は、水噴射弁57を閉弁させて第2の水噴射を停止する(ステップS11)。なお、図7の例では、ATDC20°CAの近傍で燃焼が終了(つまり噴射した燃料質量のほぼ100%が燃焼を完了)しているが、第2の水噴射は、この燃焼の終了時点を過ぎるまで継続されている。
(6)作用効果
以上説明したとおり、当実施形態のエンジンは、気筒2に燃料を噴射する燃料噴射弁11と、気筒2に超臨界水を噴射する水噴射弁57とを備えている。エンジンが高負荷側の第1運転領域A1で運転されているとき、水噴射弁57は、燃料噴射弁11から噴射された燃料の自着火とほぼ同時に開始されかつ燃焼の途中で終了される第1の水噴射と、第1の水噴射の終了後でかつ燃焼の終了前に開始される第2の水噴射とを1サイクル中に実行し、第1の水噴射と第2の水噴射との間には水噴射のない無噴射期間が設けられる。このような構成によれば、エンジンの出力トルクを確保しつつ筒内圧力の上昇を効果的に抑制できるという利点がある。
すなわち、上記実施形態では、燃料の自着火とほぼ同時に第1の水噴射が開始されて気筒2内に水が供給されるので、自着火の直後における燃焼(HCCI燃焼)の進行が、燃料成分と反応しない不活性物質である水の存在によって抑制される。これにより、自着火の直後に筒内圧力が急激に上昇するのを回避でき、筒内圧力の急上昇(圧力上昇率の増大)に伴う燃焼騒音の増大を抑制することができる。例えば、図7のチャート(c)に破線の波形で示すように、仮に第1の水噴射をしなかった場合には、自着火の直後に燃焼が急速に進行して短時間に多量の熱が発生し、これに伴って筒内圧力が急上昇すると考えられる。このことは、燃焼騒音に相関する圧力上昇率の増大、つまり燃焼騒音の増大につながり、エンジンの商品性低下を招くことになる。これに対し、自着火とほぼ同時に水噴射弁57から水(超臨界水)を噴射する上記実施形態によれば、噴射された水によって筒内圧力の上昇(圧力上昇率)が抑制されるので、燃焼騒音の増大を抑制することができ、エンジンの商品性を向上させることができる。
また、上記第1の水噴射の終了後でかつ燃焼の終了前に第2の水噴射が開始されるので、第1の水噴射が終了した後の燃焼の進行およびそれに伴う筒内圧力の上昇を第2の水噴射により抑制することができ、筒内圧力の最大値が過度に大きくなる(例えば設計上の許容値を超える)ような事態を回避することができる。これにより、ピストン5やシリンダヘッド4等の部品に過大な圧力が加わって当該部品が損傷するといった事態が回避され、エンジン(エンジン本体1)の信頼性を良好に確保することができる。
さらに、第1の水噴射と第2の水噴射との間に、水噴射が行われない無噴射期間が設けられるので、燃焼の進行が過度に抑制されることがなく、燃焼重心(つまり1サイクル中に噴射される燃料質量の50%が燃焼を完了するタイミング)が遅角側に大きくずれるのを回避することができる。これにより、燃焼エネルギーが効率よくピストン5に伝達されてトルクに変換されるので、燃料の噴射量を特に増やさなくてもエンジンの出力トルクを十分に確保でき、燃費性能を向上させることができる。例えば、図7のチャート(d)に一点鎖線のブロックで示すように、仮に第1の水噴射および第2の水噴射の間の無噴射期間を省略して、一連の水噴射によって同量の水を供給した場合には、同図のチャート(c)に一点鎖線の波形で示すように、燃焼の進行が緩やかになって燃焼期間が長期化すると考えられる。このことは、燃焼重心が比較的大きく遅角側にずれることにつながり、エンジンの出力トルクの低下等を招いてしまう。これに対し、第1の水噴射と第2の水噴射との間に無噴射期間を設けた上記実施形態によれば、水が噴射されない無噴射期間中に燃焼の進行が促進されるので、燃焼重心が大幅に遅角化するのを回避でき、エンジンの出力トルクを十分に確保することができる。
また、上記実施形態では、燃料噴射弁11から噴射された燃料の自着火が筒内圧センサSN2の検出値に基づき特定された時点、つまり、筒内圧センサSN2により検出される筒内圧力が燃料噴射後に急激に上昇し始めたことが確認された時点で、第1の水噴射が開始されるので、燃料の自着火に合わせて遅滞なく第1の水噴射を開始することができ、自着火直後の筒内圧力の急上昇およびそれに伴う燃焼騒音の増大を効果的に抑制することができる。また、自着火よりも前には水が噴射されないので、自着火のタイミングが水噴射の影響により遅延するのを防止することができる。
また、上記実施形態では、第1の水噴射の終了後、筒内圧センサSN2による検出圧力が閾値Yを超えた時点で第2の水噴射が開始されるので、エンジンの信頼性に影響が及ぶほど筒内圧力が上昇する前に確実に第2の水噴射を開始することができ、この第2の水噴射によって筒内圧力の最大値を適正なレベルに抑えることができる。
また、上記実施形態では、水噴射弁57から気筒2に噴射される水が超臨界水とされるので、密度の低い気体の水(水蒸気)を噴射する場合に比べて、多くの水を短時間で気筒2に供給することができ、筒内圧力を適切に抑制し得る十分な量の水を効率よく気筒2に供給することができる。また、液体の水を噴射する場合に比べて、水の潜熱吸収に伴う気筒2の温度低下を大幅に小さくすることができ、当該温度低下に起因したエンジンの出力トルクの低下を効果的に抑制することができる。しかも、気筒2に噴射された超臨界水は、燃焼を緩慢化するだけでなく、自身の膨張によって膨張行程中の筒内圧力を比較的高い値に維持する役割を果たし、ピストン5を押し下げる仕事を増大させる。したがって、このような性質の超臨界水を気筒2に噴射する上記実施形態によれば、筒内圧力の上昇を効率よく抑制しつつエンジンの出力トルクを十分に確保することができる。
(7)変形例
上記実施形態では、エンジン本体1の各気筒2にその内部圧力を検出する筒内圧センサSN2を設け、この筒内圧センサSN2の検出値、つまり筒内圧力の実測値に基づいて、水噴射弁57からの水噴射のタイミングを決定したが、本発明において筒内圧センサは必須ではなく、省略することもできる。
筒内圧センサを省略した場合、例えば第1の水噴射を開始するタイミングは、運転条件ごとに予め定められた目標着火タイミングに合わせて決定することができる。また、第2の水噴射を開始するタイミングは、例えば運転中の各時点での有効圧縮比、吸気流量、吸気温度、吸気圧力、および燃料噴射量等から演算される筒内圧力の予測値に基づいて決定することができる。なお、上記実施形態では、吸気圧力および吸気温度を検出するセンサの存在について特に言及しなかったが、このようなセンサは車両用のエンジンにおいて広く採用されている。したがって、上記のような筒内圧力の予測演算は、特別なセンサの追加なしに行うことが可能である。
また、上記実施形態では、燃料の自着火が判定された時点で(つまり自着火とほぼ同時に)第1の水噴射を開始したが、第1の水噴射を開始するタイミングは、必ずしも自着火とほぼ同時でなくてもよく、自着火よりも前(例えば自着火より5〜15°CA程度進角側)のタイミングであってもよい。
また、上記実施形態では、水噴射弁57から気筒2内に噴射される水として、647K以上の温度と22MPa以上の圧力と250kg/m3以上の密度とを有する比較的高密度の超臨界水(図5の領域Z1aに含まれる水)を用いたが、これに代えて、超臨界水に近い性質を有する亜臨界水を用いてもよい。例えば、図8に示す領域Z10に含まれる水、つまり600K以上647K未満の温度と250kg/m3以上の密度とを有する水を亜臨界水として用いることができる。この亜臨界水の性質も、密度が水蒸気よりも高くかつ潜熱が非常に小さいという意味で超臨界水に類似している。このような亜臨界水を気筒に噴射した場合でも、エンジンの出力トルクを確保しつつ筒内圧力の上昇を抑制することができる。
また、超臨界水または亜臨界水を水噴射弁から噴射する場合において、その噴射圧力は種々変更し得るが、噴射効率および実用面を考慮すると、噴射圧力は20MPa以上30MPa以下に設定することが好ましい。
また、上記実施形態では、スロットル弁27の開度を全開相当に維持しつつEGR量を負荷に応じて増減させることにより、エンジンの全ての運転領域で空気過剰率λを1もしくはその近傍に設定したが、例えば、比較的負荷の低い第2運転領域A2では、気筒2に導入される全ガス量のうち空気(新気)が占める割合を十分に増やす(言い換えるとEGR量を減らす)ことにより、空気過剰率λが1よりも大きくなるリーンな空燃比下でエンジンを運転するようにしてもよい。
また、上記実施形態では、ガソリンと空気との混合気を圧縮して自着火させるHCCI燃焼が全ての運転領域で実行されるガソリンエンジンに本発明を適用した例について説明したが、本発明が適用可能なエンジンはこのようなエンジンに限られない。例えば、一部の運転領域でHCCI燃焼が実行されかつ残りの運転領域で火花点火燃焼が実行されるガソリンエンジンや、ガソリン以外の燃料をHCCI燃焼させるエンジンにも本発明を適用可能である。