(実施形態1)
以下、本発明の実施形態1について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図1は、本実施形態1に係るエンジン1を示す。このエンジン1のエンジン本体10は、車両に搭載されるとともに、軽油を主成分とした燃料が供給されるディーゼルエンジンであって、複数の気筒30a(図2において1つのみ図示している)が設けられたシリンダブロック30と、このシリンダブロック30上に配設されたシリンダヘッド31と、シリンダブロック30の下側に配設され、潤滑油が貯留されたオイルパン39とを有している。このエンジン1の各気筒30a内には、ピストン32(図2参照)が往復摺動可能にそれぞれ嵌挿されていて、このピストン32と、シリンダブロック30と、シリンダヘッド31とによって燃焼室33(図2参照)が区画されている。ピストン32の頂面には、図2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32aが形成されている。キャビティ32aは、ピストン32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。また、ピストン32は、シリンダブロック30内においてコンロッドを介してクランクシャフトと連結されている。尚、燃焼室33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32aの形状、ピストン32の頂面形状、及び、燃焼室33の天井部の形状等は、適宜変更することが可能である。
図2に示すように、シリンダヘッド31には、気筒20a毎に、吸気ポート34及び排気ポート35が形成されているとともに、これら吸気ポート34及び排気ポート35には、燃焼室33側の開口を開閉する吸気弁36及び排気弁37がそれぞれ配設されている。
各吸気弁36は吸気側カム40によって開閉され,各排気弁37は排気側カム41によって開閉される。吸気側カム40及び排気側カム41は、上記クランクシャフトの回転と連動してそれぞれ回転駆動される。図示は省略するが、吸気弁36及び排気弁37のそれぞれの開閉タイミングや開閉期間を調整するための、例えば油圧作動式の弁可変機構が設けられている。
シリンダヘッド31にはまた、気筒30a毎に、気筒30a内に燃料を直接噴射するインジェクタ(燃料噴射弁)38が取り付けられている。インジェクタ38は、図2に示すように、その噴口が燃焼室33の天井面の中央部分から、その燃焼室33内に臨むように配設されている。インジェクタ38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33内に直接噴射する。
図1に示すように、エンジン本体10の一側面には、各気筒30aの吸気ポート34に連通する様に吸気通路50が接続されている。一方、エンジン本体10の他側面には、各気筒30aからの既燃ガス(つまり、排気ガス)を排出する排気通路60が接続されている。詳しくは後述するが、吸気通路50及び排気通路60には、吸気の過給を行うターボ過給機56が設けられている。
吸気通路50の上流端部には、吸入空気を濾過するエアクリーナ54が配設されている。一方、吸気通路50における下流側近傍には、サージタンク51が配設されている。このサージタンク51よりも下流側の吸気通路30は、気筒30a毎に分岐する独立吸気通路とされ、これら各独立吸気通路の下流端が各気筒30aの吸気ポート34にそれぞれ接続されている。
吸気通路50におけるエアクリーナ54とサージタンク51との間には、上流側から下流側へ向かって順に、ターボ過給機56のコンプレッサ56aと、電動式過給機18と、スロットル弁55と、熱交換器としての水冷式のインタークーラ57とが配設されている。スロットル弁55は基本的には全開状態とされるが、エンジン1の停止時には、ショックが生じないように全閉状態とされる。インタークーラ57は、例えば吸気マニホールド内に設けられる。
吸気通路50には、電動式過給機18をバイパスする吸気側バイパス通路53が設けられている。吸気側バイパス通路53は、その上流端が、吸気通路50におけるコンプレッサ56aと電動式過給機18との間に接続される一方、下流端が、吸気通路50における電動式過給機18とスロットル弁55との間に接続されている。吸気側バイパス通路53には、吸気側バイパス通路53へ流れる空気量を調整するための吸気側バイパス弁58が配設されている。この吸気側バイパス弁58の開度を調整することによって、電動式過給機18で過給される吸気量と、吸気側バイパス通路53を通る吸気量との割合を段階的に又は連続的に変更することができるようになる。
電動式過給機18は、吸気通路50内に設けられたコンプレッサホイール18aと、このコンプレッサホイール18aを駆動する電動モータ18bとから構成されている。電動モータ18bを駆動することによって、コンプレッサホイール18aが回転駆動されて、吸気の過給が行われる。つまり、電動式過給機18は、排気エネルギーを利用しない過給機である。電動式過給機18の過給圧能力(つまり、電動式過給機18による過給圧)は、電動モータ18bの駆動力を変更することで変更される。詳しくは後述するが、電動式過給機18は、エンジン1の作動中はパーシャル状態で作動されるようになっている。
電動モータ18bは、上記車両に搭載されたバッテリ19に蓄積された電力によって駆動される。電動モータ18bの駆動力の大きさは、該電動モータ18bに供給される電力の大きさによって変更される。例えば、車両に搭載されたオルタネータ(図示省略)によって発電された電力が蓄積される。バッテリ19は、例えば48Vバッテリとしてもよい。電動モータ18bは、48V電流が供給されて駆動してもよい。
上記インタークーラ57は、水冷式であって、ラジエータ90に対して、供給経路91及びリターン経路92を介して接続されている。供給経路91には、ウォータポンプ93が接続されている。ウォータポンプ93によって、供給経路91に吐出された冷媒としての冷却水は、供給経路91、インタークーラ57、リターン経路92及びラジエータ90を通って、再びウォータポンプ93に戻り、再度供給経路91に吐出されて、インタークーラ57へ供給される。そして、冷却水がインタークーラ57を通過するときに、該冷却水と吸気との間で熱交換されて、吸気が冷却される。インタークーラ57で温度が上昇した冷却水は、ラジエータ90で例えば大気と熱交換されて冷却される。
上記排気通路60の上流側の部分は、気筒30a毎に分岐して排気ポート37の外側端に接続された独立排気通路と該各独立排気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60における上記排気マニホールドよりも下流側には、上流側から順に、ターボ過給機56のタービン56bと、酸化触媒61と、ディーゼルパティキュレートフィルタ62(以下、DPF62という)と、排気シャッター弁64とが配設されている。
ターボ過給機56は、排気ガスのエネルギー(つまり、排気エネルギー)を受けて回転駆動されるものである。具体的には、ターボ過給機56のタービン56bが排気エネルギーを受けて回転行動されると、連結シャフト56cを介してコンプレッサ56aが回転駆動されて、吸気の過給が行われる。排気通路60には、ターボ過給機56をバイパスするための排気側バイパス通路63が設けられている。この排気側バイパス通路63には、該排気側バイパス通路63へ流れる排気ガスの流量を調整するためのウエストゲートバルブ63aが配設されている。ターボ過給機56はタービンケース(図示省略)内に収容されている。
ターボ過給機56は、タービンケース内に可動ベーンが配設された可変容量式のターボ過給機としてもよい。可動ベーンの開度を調整することによって、タービン56bを実質的にバイパスして排気ガスを流すことができるのであれば、排気側バイパス通路63及びウエストゲートバルブ65を省略することもできる。
酸化触媒61は、排気ガス中のCO及びHCが酸化されてCO2及びH2Oが生成される反応を促すものである。また、DPF62は、エンジン1の排気ガス中に含まれるスート(煤)等の微粒子を捕集するものである。
排気シャッター弁64は、その開度を調整することで、排気通路60内の排気圧を調整することが可能な弁である。この排気シャッター弁64は、例えば、後述する低圧EGR通路70によって、排気通路60を流れる排気ガスの一部を吸気通路50に還流させる際に、排気通路60内の排気圧を高めるために利用される場合がある。
このエンジン1は、NOxを浄化するための触媒を備えていない。但し、本発明は、NOxを浄化するための触媒を備えたエンジンに適用することを排除しない。
本実施形態1では、吸気通路50と排気通路60とに接続され、排気通路60を流れる排気ガスの一部を吸気通路50に還流可能な低圧EGR通路70及び高圧EGR通路80が設けられている。
高圧EGR通路80は、吸気通路50におけるインタークーラ57とサージタンク51との間の部分(つまり、電動式過給機18よりも下流側の部分)と、排気通路60における上記排気マニホールドとターボ過給機56のタービン56bとの間の部分(つまり、ターボ過給機56のタービン56bよりも上流側の部分)とに接続されている。高圧EGR通路80内には、該高圧EGR通路80を通って吸気通路50に還流される排気ガス(以下、高圧EGRガスという)の流量を調整する電磁式の高圧EGR弁82が設けられている。該高圧EGR弁82は、その開度を調整することによって、高圧EGRガスの流量を調整するように構成されている。
一方で、低圧EGR通路70は、吸気通路50におけるエアクリーナ54とターボ過給機56のコンプレッサ56aとの間の部分(つまり、ターボ過給機56のコンプレッサ56aよりも上流側の部分)と、排気通路60におけるDPF62と排気シャッター弁64との間の部分とに接続されている。低圧EGR通路70には、該低圧EGR通路70を通って吸気通路50に還流される排気ガス(以下、低圧EGRガスという)を冷却するEGRクーラ71と、低圧EGRガスの流量を調整する電磁式の低圧EGR弁72とが設けられている。該低圧EGR弁72は、高圧EGR弁82と同様に、その開度を調整することによって、低圧EGRガスの流量を調整するように構成されている。
上述のように構成されたエンジン1は、図3に示すように、パワートレイン・コントロール・モジュール(以下、PCMという)100によって制御される。PCM100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。PCM100には、図3に示すように、エンジン冷却水の温度を検出する水温センサSW1、ターボ過給機56による過給圧を検出する過給圧センサSW2、吸気温度を検出する吸気温度センサSW3、排気温度を検出する排気温度センサSW4、上記クランクシャフトの回転角を検出するクランク角センサSW5、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SW6、車両の車速を検出する車速センサSW7、ターボ過給機56のタービン56bの回転数を検出するタービン回転数センサSW8、バッテリ19の残存容量を検出するバッテリ残量センサSW9、及び、電動式過給機18のコンプレッサホイール18aの回転数を検出する電動式過給機回転数センサSW10からの検出信号が入力される。
PCM100は、クランク角センサSW5の検出結果からエンジン1のエンジン回転速度及びエンジン回転数を算出し、アクセル開度センサSW6の検出結果からエンジン負荷を算出する。
PCM100は、入力された検出信号に基づいて、インジェクタ38、電動モータ18b、各種の弁55,58,63a,64,65,72,82のアクチュエータへ制御信号を出力する。つまり、PCM100は、インジェクタ38による燃料噴射を制御する噴射制御手段を構成する。
また、PCM100は、バッテリ残量センサSW9によって検出されたバッテリ残量に基づいて、上記車両に搭載された各電装部品に供給する電力を決定する。電力の供給は、優先順位が予め定められており、上記車両の操作や安全性に関する部品(例えば、電動パワーステアリング等)は優先順位が高く設定されている。電動式過給機18を駆動する電動モータ18bは、上記車両の操作や安全性に関する部品と比べると、優先順位が低く設定されており、バッテリ残量が少ない場合には、電動モータ18bに供給される電力が低めに設定されたり、電動モータ18bに電力が供給されなくなったりすることがあり得る。詳しくは後述するが、PCM100は、電動モータ18bに供給される電力が低めに設定されたときに、電動式過給機18が正常に作動できないと推定することがある。
さらに、PCM100は、電動式過給機回転数センサSW10の検出結果から電動式過給機18が故障しているか否か判定する。詳しくは、PCM100には、電動モータ18bに供給する電力と電動式過給機18のコンプレッサホイール18aの回転数との関係を表すマップ又は関係式が予め格納されており、PCM100は、電動モータ18bに供給した電力から算出されるコンプレッサホイール18aの回転数と、電動式過給機回転数センサSW10によって検出されるコンプレッサホイール18aの実回転数とを比較して、電動式過給機18が故障しているか否かを判定する。例えば、PCM100は、上記マップ又は上記関係式を用いて、電動モータ18bに供給された電力から算出されたコンプレッサホイール18aの回転数に対して、コンプレッサホイール19aの実回転数がかなり少ない場合には、電動式過給機18が故障していると判定する。このようにして、PCM100は電動式過給機18が正常に作動できないことを検出することが可能である。
尚、ここで言う、「電動式過給機18が正常に作動できない」状態とは、電動式過給機18によって、ターボ過給機56の過給不足を十分に補うことができない状態のことをいう。
こうして、上記エンジン1は、その幾何学的圧縮比を12以上16以下とした、比較的低圧縮比となるように構成されており、これによってエミッション性能の向上及び燃焼効率の向上を図るようにしている。このエンジン1では、ターボ過給機56及び電動過給機18による新気量の調整によって、幾何学的圧縮比の低圧縮比化を補っている。
(電動式過給機の制御の概要)
次に、PCM100による電動式過給機18の制御について説明する。図4には、電動式過給機18の制御の態様を示す。本実施形態では、PCM100は、基本的には、エンジン本体10の運転中は電動式過給機18を常時回転させるようにしているが、図4に示すように、水温センサSW1によって検出されるエンジン冷却水の温度と、クランク角センサSW5によって検出されるエンジン1の回転速度とに基づいて、電動式過給機18の回転数(すなわち過給圧)を制御している。具体的には、低水温ないしエンジン低速の領域が最も回転数が高く、そこから、高水温又はエンジン高速となるに連れて、回転数を減少させるように制御する。
また、本実施形態では、水温が80℃以上になるか、又はターボ過給機56のコンプレッサ56aの圧力比が1.2以上になるようなエンジン回転速度の領域においては、電動式過給機18をアイドル回転状態にするとともに、吸気側バイパスバルブ58を全開にして、該電動式過給機18による過給が、実質的に行われないようにする。このようにすれば、水温が80℃以上になるか又は上記圧力比が1.2以上になるエンジン回転の領域において、電動式過給機18の回転を止めることなく、ターボ過給機56によってのみ過給を行うようにすることができる。
上記のように、電動式過給機18を常時回転させることによって、後述するように、電動式過給機18によって過給圧を上昇させる際に、電動式過給機18を一時的に停止させて、必要な場面で駆動させるようなオン−オフの制御を行うよりも、電動式過給機18(厳密には、電動式過給機18を作動させるための電動モータ18b)を効率的に作動させることができる。すなわち、電動モータ18bを停止させないことで、電動モータ18bの軸とベアリングの金属接触による境界潤滑条件を下回る事を回避でき、低温状態でモータ軸の摩耗を防止することができる。また、エンジン水温に応じて、電動式過給機18の回転数を変更することによって、後述するように、電動式過給機18による過給圧を上昇させる際に、速やかに過給圧を上昇させることができるようになる一方で、電力消費をできるだけ少なくすることが可能になる。
図5には、電動式過給機18の特性を表す性能曲線を示している。図5の上図は電動式過給機18のコンプレッサホイール18aの特性を示す性能曲線グラフであり、縦軸は電動式過給機18の圧力比(つまり、下流側の圧力に対する上流側の圧力の比)、横軸は吐出流量である。図5の上図において、曲線LLは回転限界ライン、直線SLはサージライン、直線CLはチョークラインを表している。これらのラインで囲まれた領域が電動式過給機18の運転可能領域である。この領域の中央側に位置するほど電動式過給機18の運転効率が高くなる。
電動式過給機18は、ターボ過給機56を補助すると共に、気筒30a内に導入する新気量の調整を目的として使用するため、図5の上図にメッシュで示すような、回転限界ラインから離れた領域内において、エンジン冷却水の水温とエンジン回転数とに応じて、適切な回転数でもって作動される。つまり、電動式過給機18は限界回転数から大きく離れたパーシャル状態で運転される。
図5の下図は、電動式過給機18の電動モータ18bの特性を例示しており、縦軸は電動モータ18bのトルク、横軸は電動モータ18bの回転数である。図5の下図の一点鎖線は、等消費電力となる線を示しており、図の右上になるほど消費電力が高く、左下になるほど消費電力が低い。電動式過給機18は、図5の上図におけるメッシュで示す領域内において作動されるが、このとき電動モータ18bは、図5の下図におけるメッシュで示す領域内において作動する。電動モータ18bの消費電力は比較的低くかつ、電動モータ18bの効率は比較的高い。電動モータ18bが最高トルクよりも低いトルクで作動している状態を、電動式過給機18のパーシャル状態で運転していると呼んでもよい。上述したように、電動式過給機18は、エンジン本体10の運転中は常時回転しているものの、電動式過給機18をパーシャル状態で運転することによって、消費電力を少なくすることが可能である。
尚、図4に示すアイドル回転領域においては、電動式過給機18を停止させるようにしてもよい。
(エンジンの燃焼制御)
上記PCM100によるエンジン1の基本的な制御は、主にアクセル開度に基づいて要求駆動力を決定し、これに対応する燃料の噴射量や噴射開始時期等をインジェクタ38の作動制御によって実現するものである。要求駆動力は、アクセル開度が大きいほど、またエンジン回転速度が速くなるほど、大きくなるように設定され、該要求駆動力に基づいて燃料噴射量が設定される。燃料噴射量は、要求駆動力が高くなるほど大きくなるように設定される。
ここで、エンジン1が、エンジン回転速度が低速でかつエンジン負荷が低負荷である運転領域にあるときには、気筒30a内の温度が低いため、気筒30a内における燃料の着火性及び燃焼性が低い。ターボ過給機56による過給によって、ある程度の新気を供給させることができるものの、気筒30a内の温度が低ければ、ターボ過給機56のタービン56bに与えられる排気エネルギーも低くなるため、過給不足が生じることがある。このため、本実施形態1では、ターボ過給機56に加えて、電動式過給機18により過給することによってターボ過給機56の過給不足を補い、気筒30a内に出来る限り多くの新気を導入することで、圧縮端温度を確保して、燃料の着火性及び燃焼性を向上させるようにしている。
しかしながら、上述したように、電動式過給機18が故障している場合には、電動式過給機18が正常に作動できない。また、バッテリ19の残量が少なくなって、ターボ過給機56の過給不足を電動式過給機18による過給で十分に補うことができるような電力が、電動モータ18bに供給できなくなった場合にも、電動式過給機18が正常に作動できない状態になる。このときには、新気量が不足することでスート(煤)が発生して、エミッションが悪化するおそれがある。また、未燃燃料の増加による燃費の悪化も懸念される。
そこで、本実施形態1では、エンジン回転速度が低速でかつエンジン負荷が低負荷である運転領域にあるときにおいて、電動式過給機18が正常に作動できないときには、燃料の噴射形態を工夫することで、電動式過給機18が正常に作動できないときであっても、燃費及びエミッションを向上させるようにしている。
具体的には、PCM100は、エンジン回転速度が低速でかつエンジン負荷が低負荷である運転領域にあるときには、圧縮上死点(TDC)よりも前に少なくとも1回の燃料噴射を行う前段噴射と、該前段噴射よりも後に該前段噴射よりも燃料噴射量の多いメイン噴射とを実行するようにしている。そして、電動式過給機18が正常に作動できないことが推定又は検出されたときには、図6に示すように、圧縮上死点(TDC)前の圧縮行程中において2回の前段噴射を実行し、圧縮上死点付近で、前段噴射よりも燃料噴射量の多いメイン噴射を1回実行し、さらにメイン噴射の後、プレ噴射と同等の燃料噴射量でアフタ噴射を1回実行する。以下、この噴射形態を予混合燃焼制御という。
この予混合燃焼制御で実行される2回の前段噴射のうち、相対的に噴射時期の早い1回目の燃料噴射はパイロット噴射であり、2回目の燃料噴射はプレ噴射である。圧縮上死点よりも前にパイロット噴射及びプレ噴射を行うことにより、気筒内ガスと燃料とのミキシング性が高くなって、圧縮行程中に混合気の化学反応が進行する。これにより、筒内温度が比較的低くても燃焼が可能となって、図6の熱発生履歴に示すように、圧縮上死点前に、前段噴射で噴射された燃料による前段燃焼が発生する。つまり、この予混合燃焼制御は、前段燃焼が、圧縮上死点よりも前に発生するように、前段噴射を実行するとともに、圧縮上死点又は圧縮上死点よりも前に、メイン噴射を実行する第1燃料噴射制御に相当する。
上記予混合燃焼制御による前段燃焼によって、圧縮端温度を高めることができる。これにより、メイン噴射開始時点における筒内温度を適切な温度にすることができ、メイン噴射における着火性及び燃焼性を向上させることができる。この結果、圧縮上死点付近で、安定してメイン燃焼を発生させることができるため、エンジン1の仕事量を大きくすることができ、ひいては燃費の向上を図ることができる。また、着火性が向上されることにより、スートの発生を抑制することができるとともに、メイン燃焼での熱発生の急上昇を防止することができ、NOxの発生を抑制することができる。よって、電動式過給機18が正常に作動できない場合であっても、燃費及びエミッションを出来る限り良好な状態にすることができる。
また、アフタ噴射を行うことによって、スート(煤)の発生をさらに抑制することもできる。このことについて、図8に示すφ−Tマップを参照しながら説明する。
図8に示すφ−Tマップは、燃焼温度(T)と、混合気の当量比(φ)とからなる平面において、未燃成分であるCO/HC、スート及びNOxが発生する領域を示すマップである。燃焼温度が高いとNOxの領域に入ってしまうと共に、当量比が高いとスートの領域に入ってしまう。また、燃焼温度が低すぎると、CO/HCの領域に入ってしまう。エンジン1は、新気量、高圧EGR量、及び、低圧EGR量を調整すると共に、燃料の噴射量や噴射時期等を調整することにより、φ−Tマップにおける、CO/HC、スート及びNOxが発生する領域に入らないような燃焼を実現する。
図6の熱発生履歴に示すように、アフタ噴射を行うことにより、気筒30a内の温度が次第に低下する燃焼後期において、気筒30a内の温度低下を抑制し、該気筒30aの温度を高い温度のままに維持することができる。つまり、図8のφ−Tマップにおいて、スートの発生領域に入るのを防止することができる。このように、気筒30a内の温度を高温状態に維持することにより、燃焼後期にスートの酸化を促進される。これにより、スートの発生が抑制される。
以上のように、電動式過給機18が正常に作動できないことが推定又は検出されたときに、上記予混合燃焼制御を実行することで、電動式過給機18が正常に作動できないときであっても、燃費の悪化を抑制することができるとともに、NOx及びスートの発生を抑制してエミッションの悪化を抑制することができる。
一方で、本実施形態1では、エンジン回転速度が低速でかつエンジン負荷が低負荷である運転領域にあるときにおいて、電動式過給機18が正常に作動できるときには、電動式過給機18による過給をするとともに、燃料の噴射形態を上記予混合燃焼制御とは別の噴射形態とすることで、燃費及びエミッションを向上させるようにしている。
具体的には、電動式過給機18が正常に作動できることが推定又は検出されたときには、図7に示すように、前段噴射におけるパイロット噴射を停止させかつアフタ噴射を停止させるとともに、プレ噴射及びメイン噴射の噴射時期を遅角させる。さらに、図7に示すように、メイン噴射を2回に分けて行う。以下、この噴射形態をリタード燃焼制御という。尚、2回のメイン噴射の燃料噴射量の合計値は、リタード燃焼制御での前段噴射(プレ噴射)よりも多い。尚、ここで示す燃料の噴射形態は一例であって、上記リタード燃焼制御時のプレ噴射及びメイン噴射の燃料噴射開始時期及び燃料の噴射量は、上記車両の要求駆動力に基づいて適宜変更される。
パイロット噴射を停止させかつプレ噴射を遅角させると、気筒内ガスと燃料とのミキシング性自体は低下するため、図7に示すように、圧縮上死点前では、前段燃焼は発生しなくなる。つまり、前段燃焼によって、圧縮端温度を高めることはできなくなる。しかし、電動式過給機18によって過給を行うことで、吸気密度を高くして、気筒30a内に出来る限り多くの新気を導入することによって、圧縮端温度を確保することができ、気筒30a内での燃料の着火性及び燃焼性については向上させることができる。このため、図7に示すように、前段燃焼及びメイン燃焼を圧縮上死点よりも後に発生させることができる。つまり、このリタード燃焼制御は、圧縮上死点よりも前に前段燃焼を発生させることなく、圧縮上死点よりも後にメイン燃焼が発生するように、前段噴射における燃料噴射量を、予混合燃焼制御(第1燃料噴射制御)時の前段噴射における燃料噴射量よりも少なくして、前段噴射及びメイン噴射を行う第2燃料噴射制御に相当する。
上記リタード燃焼制御によって、エンジン回転速度が低速でかつエンジン負荷が低負荷であるときにも、圧縮比が低い状態で、安定したメイン燃焼が可能となるため、燃焼温度が過剰に高くなることを防止することができ、NOxの発生を抑制することができる。また、また、電動式過給機18によって気筒30a内に新気を出来る限り多く導入することで、スートの発生も抑制することができる。この結果、エミッションを向上させることができる。一方で、上記リタード燃焼制御では、圧縮上死点よりも後、すなわち膨張行程で燃料噴射しているために、エンジン1の仕事量自体は減少する。しかしながら、パイロット噴射を停止して、前段噴射における燃料噴射量を少なくするため燃費は向上させることができる。
尚、仮に、電動式過給機18による過給によって新気量を増加させた状態で、圧縮上死点よりも前に前段燃焼を発生させるように前段噴射を行うと、メイン燃焼と同等の燃焼が圧縮行程中に発生するおそれがある。圧縮行程中にメイン燃焼と同等の燃焼が発生すると、ピストンの進行方向とは逆方向の力が該ピストンに入力されるため、ピストン32の動作を鈍くしてしまう。また、圧縮行程中にメイン燃焼と同等の燃焼が発生すると、燃焼温度が異常に高くなって大量のNOxが発生するおそれがある。これに対して、上記リタード燃焼制御では、前段燃焼及びメイン燃焼はいずれも圧縮上死点よりも後に発生するため、ピストン32の動きを鈍くするようなことはなく、NOxの発生も防止することができる。このような観点からも、電動式過給機18が正常に作動できるときには、上記リタード燃焼制御を実行することが好ましい。
したがって、エンジン回転速度が低速でかつエンジン負荷が低負荷である運転領域にあるときにおいて、電動式過給機18が正常に作動できないときには、上記予混合燃焼制御を実行する一方、電動式過給機18が正常に作動できるときには、上記リタード燃焼制御を実行することにより、電動式過給機18が正常に作動できなくなった場合であっても、燃費及びエミッションの悪化を抑制することができる。
また、上記リタード燃焼制御では、メイン噴射の燃料噴射開始時期を、上記予混合燃焼制御に対して遅角させているため、前段燃焼とメイン燃焼とが重なることが効果的に防止することがされ、前段燃焼とメイン燃焼とが重なることによる燃焼騒音の増大を防止することができる。
さらに、メイン噴射を2回に分けて行うことで、熱発生の急上昇をより効果的に抑制することができ、NOxの発生をより効果的に抑えることができる。また、熱発生の急上昇が抑えられることで、燃焼騒音についても抑えることができる。
したがって、上記リタード燃焼制御によって、燃費及びエミッションを向上させることができるだけでなく、NVH性能も向上させることができる。
上記のような、電動式過給機18が正常に作動できるか否かに基づいて、燃料の噴射態様を切り替える制御は、特に、エンジン1がアイドル運転状態であるときに行うことが好ましい。すなわち、エンジン1が、エンジン回転速度が低速でかつエンジン負荷が低負荷である運転領域にあるとともに、アイドル運転状態であるときには、特に筒内温度が上昇しにくく、燃料の着火性及び燃焼性が低くなりやすい。このため、燃料の噴射形態を調整したり、電動式過給機18による過給圧を上昇させたりすることによって、燃料の着火性及び燃焼性を向上させる必要がある。よって、アイドル運転状態において、電動式過給機が正常に実行可能であるか否かに応じて、上記予混合燃焼制御及び上記リタード燃焼制御を実行するようにすれば、電動式過給機18が正常に作動できるか否かにかかわらず、燃費及びエミッションを向上させるという効果をより適切に発揮することができる。
尚、ここで言う「アイドル運転状態」とは、アクセル開度センサSW6により検出されるアクセル開度がゼロ、つまりアクセルペダルの踏込みがなく、且つクランク角センサによって検出される、エンジン本体10の回転数が所定のアイドル回転数以下となっている状態である。よって、エンジン1の運転状態については、アクセル開度とエンジン本体10の回転数に基づいて判定される。
また、低圧EGR通路70及び高圧EGR通路80による排気ガスの還流量も、電動式過給機18が正常に作動できるか否かに応じて変更される。例えば、エンジン1が、エンジン回転速度が低速でかつエンジン負荷が低負荷である運転領域にあるときには、主に高圧EGR通路80を介して高圧EGRガスが還流されるが、電動式過給機18が正常に作動できるときには、電動式過給機18が正常に作動できないときと比べて高圧EGRガスの流量が減少されるようになっている。
次に、PCM100によるエンジン1の燃料噴射制御の処理動作を、図9のフローチャートに基づいて説明する。尚、図9に示すフローチャートは、エンジン本体1が、エンジン回転速度が低速でかつエンジン負荷が低負荷である運転領域にあるときのフローチャートである。
最初のステップS101で、各種センサからの信号を読み込み、次のステップS102で、エンジン1がアイドル運転状態であるか否かを判定する。エンジン1がアイドル運転状態であるか否かは、上述したように、アクセル開度とエンジン本体10の回転数に基づいて判定される。上記ステップS102の判定がNOのときには、ステップS112に進む一方、ステップS102の判定がYESのときには、ステップS103に進む。
次のステップS103では、エンジン1の要求駆動力(アクセル開度等に基づくに駆動力)を算出する。尚、ここでは、エンジン1はアイドル運転状態にあるため、要求駆動力としては、比較的小さな駆動力が算出される。
上記ステップS104では、上記ステップS103で算出された要求駆動力に応じて、要求過給圧を算出する。この要求過給圧は、適切な圧縮端温度を確保できるだけの吸気(新気)を気筒30a内に導入するために必要な過給圧である。
続くステップS105では、要求過給圧とターボ過給機56による過給圧との差圧を算出し、その後のステップS106では、ステップS105で算出された差圧に基づいて、電動式過給機18よって補うべき過給圧を算出する。
次のステップS107では、電動式過給機18が正常に作動可能か否かを判定する。電動式過給機18が正常に作動可能か否かは、例えば、バッテリ残量に基づいて電動モータ18bに供給される電力量によって、上記ステップS105で算出された過給圧を十分に確保可能であるか否かや、電動式過給機18自体が故障しているか否かに基づいて判定される。上記ステップS103の判定がNOのときには、上記ステップS112に進む一方、ステップS103の判定がYESのときには、ステップS108に進む。
上記ステップS108では、上記リタード燃焼制御を実行すべきと判定し、ステップS109に進んで、燃料の噴射量及び噴射開始時期を決定する。尚、ここでいう噴射開始時期とは、リタード燃焼制御における噴射開始時期である。
次のステップS110では、電動式過給機18による過給圧が、ステップS105で算出した過給圧となるように、電動式過給機18による過給圧を上昇させる。
続くステップS111では、上記ステップS109で設定した噴射量及び噴射開始時期で燃料を噴射する。ステップS111の後はリターンする。
一方で、ステップS102及びS107の判定がNOであるときに進むステップS112では、上記予混合燃焼制御を実行すべきと判定して、次のステップS113で、燃料の噴射量及び噴射開始時期を決定する。尚、ここでいう噴射開始時期とは、予混合燃焼制御における噴射開始時期である。
そして、ステップS114において、上記ステップS113で設定した噴射量及び噴射開始時期で燃料を噴射する。ステップS114の後はリターンする。
したがって、本実施形態1では、PCM100は、エンジン本体1が、エンジン回転速度が低速でかつエンジン負荷が低負荷である運転領域にあるときおいて、電動式過給機18が正常に作動できないことが推定又は検出されたときには、前段噴射(パイロット噴射及びプレ噴射)で噴射された燃料の燃焼である前段燃焼が、圧縮上死点よりも前に発生するように、前段噴射を実行するとともに、圧縮上死点又は圧縮上死点よりも前に、メイン噴射を実行する予混合燃焼制御を実行する一方、電動式過給機18が正常に作動できることが推定又は検出されたときには、圧縮上死点よりも前に前段燃焼を発生させることなく、圧縮上死点よりも後に、メイン噴射で噴射された燃料の燃焼であるメイン燃焼が発生するように、前段噴射における燃料噴射量を、予混合燃焼制御時の前段噴射における燃料噴射量よりも少なくして(パイロット噴射を停止させて)、前段噴射及びメイン噴射を行うリタード燃焼制御を実行するように構成されている。
上記の構成により、電動式過給機18による過給を行わないときには、第1燃料噴射制御を実行して、前段燃焼によって、メイン噴射開始時点における筒内温度を適切な温度にすることができ、メイン噴射によって供給される燃料の着火性及び燃焼性を向上させることができる。これにより、メイン燃焼を圧縮上死点付近で安定して発生させることができるため、エンジン本体10の仕事量を大きくすることができ、燃費の向上を図ることができる。また、着火性が向上されることにより、メイン燃焼での熱発生の急上昇を防止することができ、NOxの発生を抑制することができる。一方で、電動式過給機18による過給を行うときには、当該電動式過給機18による過給によって、出来る限り多くの新気を気筒30a内に導入することで、圧縮端温度を確保することができる。これにより、第2燃料噴射制御によって、前段噴射における燃料噴射量を少なくしたとしても、メイン噴射によって供給される燃料の着火性及び燃焼性を向上させることができる。この結果、圧縮上死点よりも後にメイン燃焼を発生させて、燃焼温度が過剰に高くなることを防止することができ、NOxの発生を抑制することができる。また、前段噴射における燃料噴射量を少なくするため燃費は向上させることができる。したがって、電動式過給機18が正常に作動できなくなった場合であっても、燃費及びエミッションの悪化を抑制することができる。
(実施形態2)
以下、本発明の実施形態2について、図面を参照しながら詳細に説明する。尚、以下の説明において実施形態1と共通の部分については、同じ符号を付して、その詳細な説明を省略する。
図1は、本実施形態2に係るエンジン201を示す。このエンジン201の構成は、基本的には、上記実施形態1のエンジン1と同様であるが、電動式過給機18の代わりに、排気エネルギーを利用しない過給機として、機械式スーパーチャージャ218が設けられている点で実施形態1とは異なる。
機械式スーパーチャージャ218は、エンジン本体10におけるクランクシャフトの回転と連動して回転する過給機である。機械式スーパーチャージャ218のコンプレッサホイール218aと、上記クランクシャフトの出力軸との間には、第1ベルト219を介して上記クランクシャフトの出力軸と連結されたプーリ220と,該プーリ220の駆動軸状に設けられた電磁クラッチ221と、該電磁クラッチ221の出力側と機械式スーパーチャージャ218の駆動軸とを連結する第2ベルト222とが設けられている。つまり、機械式スーパーチャージャ218は、電磁クラッチ218を介して上記クランクシャフトの出力軸と連結されている。尚、機械式スーパーチャージャ218の駆動軸と電磁クラッチ221の出力側とを1つのベルトで連結することができる場合には、第2ベルト222は省略することができる。
電磁クラッチ221は、上記クランクシャフトの回転を機械式スーパーチャージャ218に伝達する伝達状態と、上記クランクシャフトと機械式スーパーチャージャ218との連結を切り離して、上記クランクシャフトの回転が機械式スーパーチャージャ218に伝達されないようにする遮断状態とをとることができる。電磁クラッチ221が上記伝達状態をとるか又は上記遮断状態をとるかは、図11に示すように、運転状態に応じて、PCM100が電磁クラッチ221に出力信号を送ることによって選択される。
本実施形態2において、機械式スーパーチャージャ218は、実施形態1における電動式過給機18と同様に、ターボ過給機56の過給不足を補うために利用される。このため、基本的には、電磁クラッチ221は、排気流量が少なくかつ排気温度が低くなって(つまり、排気エネルギーが小さくなって)、ターボ過給機56による過給不足が生じ易い運転領域、すなわち、エンジン本体10が、エンジン回転速度が低速でかつエンジン負荷が低負荷である運転領域にあるときに、上記伝達状態にされる。逆に、エンジン本体10が、エンジン回転速度が高速でかつエンジン負荷が高負荷である運転領域にあるときには、排気エネギーが大きくなって、ターボ過給機56による過給不足が生じにくいため、上記遮断状態とされる。
図10に示すように、吸気通路50には、機械式スーパーチャージャ218をバイパスする吸気側バイパス通路253が設けられている。この吸気側バイパス通路253は、その上流端が、吸気通路50におけるコンプレッサ56aと機械式スーパーチャージャ218との間に接続される一方、下流端が、吸気通路50における機械式スーパーチャージャ218とスロットル弁55との間に接続されている。吸気側バイパス通路253には、吸気側バイパス通路253へ流れる吸気量を調整するための吸気側バイパス弁258が配設されている。この吸気側バイパス弁258の開度を調整することによって、機械式スーパーチャージャ218で過給される吸気量と、吸気側バイパス通路253を通る吸気量との割合を段階的に又は連続的に変更することができるようになる。
図11に示すように、エンジン201には、機械式スーパーチャージャ218のコンプレッサホイール218aの回転数を検出するスーパーチャージャ回転数センサSW209が設けられている。PCM100は、スーパーチャージャ回転数センサSW209の検出結果から機械式スーパーチャージャ218が故障しているか否か判定する。詳しくは、PCM100には、エンジン本体1の上記クランクシャフトの回転数と機械式スーパーチャージャ218のコンプレッサホイール218aの回転数との関係を表すマップ又は関係式が予め格納されており、PCM100は、上記クランクシャフトの回転数から算出されるコンプレッサホイール218aの回転数と、スーパーチャージャ回転数センサSW209によって検出されるコンプレッサホイール218aの実回転数とを比較して、機械式スーパーチャージャ218が故障しているか否かを判定する。例えば、PCM100は、上記マップ又は上記関係式を用いて、上記クランクシャフトの回転数から算出されるコンプレッサホイール218aの回転数に対して、コンプレッサホイール218aの実回転数がかなり少ない場合には、機械式スーパーチャージャ218が故障していると判定する。このようにして、PCM100は、機械式スーパーチャージャ218が正常に稼働できないことを検出することが可能である。尚、PCM100は、機械式スーパーチャージャ218が正常に稼働できないときには、電磁クラッチ221を上記遮断状態にして、機械式スーパーチャージャ218による過給を行わないようにすることで、故障した機械式スーパーチャージャ218によってエンジン1の効率が低下してしまうことを防止するようになっている。
ここで、本実施形態2でも、エンジン201が、エンジン回転速度が低速でかつエンジン負荷が低負荷である運転領域にあるときには、ターボ過給機56に加えて、機械式スーパーチャージャ218により過給することによってターボ過給機56の過給不足を補い、気筒内に出来る限り多くの新気を導入して、燃料の着火性及び燃焼性を向上させるようにすることができる。
しかしながら、上述したように、例えば、機械式スーパーチャージャ218が故障している場合には、機械式スーパーチャージャ218は行わないようにするため、機械式スーパーチャージャ218による過給は行えない。このときには、機械式スーパーチャージャ218による過給は行えなくなるため、新気量が不足することでスート(煤)が発生しやすくなって、エミッションが悪化するおそれがある。また、未燃燃料の増加による燃費の悪化も懸念される。
そこで、本実施形態2でも、上記実施形態1と同様に、エンジン回転速度が低速でかつエンジン負荷が低負荷である運転領域にあるときにおいて、機械式スーパーチャージャ218による過給をしないときには、燃料の噴射形態を工夫することで、機械式スーパーチャージャ218による過給をしないときときであっても、燃費及びエミッションを向上させるようにしている。
具体的には、PCM100は、エンジン回転速度が低速でかつエンジン負荷が低負荷である運転領域にあるときには、圧縮上死点(TDC)よりも前に少なくとも1回の燃料噴射を行う前段噴射と、該前段噴射よりも後に該前段噴射よりも燃料噴射量の多いメイン噴射とを実行するようにしている。特に、機械式スーパーチャージャ218による過給をしないときには、上記実施形態1と同様に、上記予混合燃焼制御を実行する。
上記実施形態1で述べたように、この予混合燃焼制御では、前段燃焼が、圧縮上死点よりも前に発生するように、前段噴射を実行するとともに、圧縮上死点又は圧縮上死点よりも前に、メイン噴射を実行する。そして、この予混合燃焼制御による前段燃焼によって、圧縮端温度を高めることができる。これにより、メイン噴射開始時点における筒内温度を適切な温度にすることができ、メイン噴射における着火性及び燃焼性を向上させることができる。この結果、圧縮上死点付近で安定してメイン燃焼を発生させることができるため、エンジン1の仕事量を大きくすることができ、ひいては燃費の向上を図ることができる。また、着火性が向上されることにより、スートの発生を抑制することができるとともに、メイン燃焼での熱発生の急上昇、すなわち燃焼期間が極端に短くなることを防止することができ、NOxの発生を抑制することができる。よって、機械式スーパーチャージャ218による過給をしないときであっても、燃費及びエミッションを出来る限り良好な状態にすることができる。
一方で、エンジン回転速度が低速でかつエンジン負荷が低負荷である運転領域にあるときにおいて、機械式スーパーチャージャ218による過給をするときには、上記実施形態1と同様に上記リタード燃焼制御を実行する。すなわち、圧縮上死点よりも前に前段燃焼を発生させることなく、圧縮上死点よりも後にメイン燃焼が発生するように、前段噴射における燃料噴射量を、予混合燃焼制御時の前段噴射における燃料噴射量よりも少なくして、前段噴射及びメイン噴射を行う。
具体的には、上記実施形態1と同様に、上記予混合燃焼制御の噴射形態から、前段噴射におけるパイロット噴射を停止させかつアフタ噴射を停止させるとともに、プレ噴射及びメイン噴射の噴射時期を遅角させる。さらに、図7に示すように、メイン噴射を2回に分けて行う。
上記リタード燃焼制御によって、エンジン回転速度が低速でかつエンジン負荷が低負荷であるときにも、圧縮比が低い状態で、安定したメイン燃焼が可能となるため、燃焼温度が過剰に高くなることを防止することができ、NOxの発生を抑制することができる。また、機械式スーパーチャージャ218によって出来る限り多くの新気を気筒内に導入することでスートの発生も抑制することができる。この結果、エミッションを向上させることができる。一方で、上記リタード燃焼制御では、圧縮上死点よりも後、すなわち膨張行程で燃料噴射しているために、エンジン201の仕事量自体は減少する。しかしながら、パイロット噴射を停止して、前段噴射における燃料噴射量を少なくするため燃費は向上させることができる。
したがって、エンジン回転速度が低速でかつエンジン負荷が低負荷である運転領域にあるときにおいて、機械式スーパーチャージャ218による過給をしないときには、上記予混合燃焼制御を実行する一方、機械式スーパーチャージャ218による過給をするときには、上記リタード燃焼制御を実行することにより、排気エネルギーを利用しない過給機として、電動式過給機の代わりに機械式スーパーチャージャ218を用いたとしても、機械式スーパーチャージャ218が正常に作動できなくなった場合であっても、燃費及びエミッションの悪化を抑制することができる。
また、上記リタード燃焼制御では、メイン噴射の燃料噴射開始時期を、上記予混合燃焼制御に対して遅角させているため、前段燃焼とメイン燃焼とが重なることが効果的に防止され、前段燃焼とメイン燃焼とが重なることによる燃焼騒音の増大を防止することができる。
さらに、メイン噴射を2回に分けて行うことで、熱発生の急上昇をより効果的に抑制することができ、NOxの発生をより効果的に抑えることができる。また、熱発生の急上昇が抑えられることで、燃焼騒音についても抑えることができる。
したがって、排気エネルギーを利用しない過給機として、電動式過給機の代わりに機械式スーパーチャージャ218を用いたとしても、上記リタード燃焼制御によって、燃費及びエミッションを向上させることができるだけでなく、NVH性能も向上させることができる。
尚、電動式過給機の代わりに機械式スーパーチャージャ218を用いる際の、PCM100によるエンジン201の燃料噴射制御の処理動作は、図9のフローチャートにおける、「電動式過給機」を「機械式スーパーチャージャ」に読み替えるとともに、ステップS107を機械式スーパーチャージャによる過給を行うか否かの判定に読み替えたものであり、その他のステップは実質的に同じであるため、詳細な説明は省略する。
(その他の実施形態)
本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、請求の範囲の主旨を逸脱しない範囲で代用が可能である。
例えば、上述の実施形態1では、バッテリ残量が不足しているときや電動式過給機18の故障しているときを、電動式過給機18が正常に作動できないときと判定していたが、これに限らず、電動式過給機18が正常に作動できないときとしては、他にも種々の状態を採用することができる。例えば、電動モータ18bの温度が異常に高くなった場合に、強制的に電動式過給機18の作動を停止させて、電動モータ18bの温度が低下した後、再び電動式過給機18を作動させるような制御を行う場合には、強制的に電動式過給機18の作動を停止させている期間は、電動式過給機18が正常に作動できないため、当該制御によって、強制的に電動式過給機18の作動を停止させている期間は、電動式過給機18が正常に作動できないときであると判定するようにしてもよい。尚、上述の実施形態1では、電動式過給機18はパーシャル状態で作動されるため、電動モータ18bの温度が異常に高くなることは基本的にはない。しかし、他の実施形態として、例えば、ターボ過給機56が故障した際に、電動式過給機18のみで要求過給圧を満たすべく、該電動式過給機18を作動させるような制御を行うようにしている場合には、電動式過給機18のタービンホイール18aを限界回転数程度で回転させることがあるため、電動モータ18bの温度が異常に高くなって、これにより、電動式過給機18が正常に作動できなくなることが起こり得る。
また、例えば、燃費を優先するECOモードを、車両の運転者が任意に選択できるようにした場合であって、該ECOモード中は電動式過給機18による過給圧を低く設定する、という制御を実行できるようにしている場合には、ターボ過給機56の過給不足を電動式過給機18によって十分に補うことができなくなることがある。このため、ECOモード中は、電動式過給機18が正常に作動できないときであると判定するようにしてもよい。
また、上述の実施形態では、エンジン1(201)が、エンジン回転速度が低速でかつエンジン負荷が低負荷である運転領域にあるとともに、アイドル運転状態であるときに、排気エネルギーを利用しない過給機(電動式過給機18、機械式スーパーチャージャ218)が正常に作動できるか否かに応じて、燃料の噴射形態を変更するようにしていたが、請求項4に係る発明の実施形態においては、アイドル運転状態に関する判定は省略してもよい。つまり、図9に示すフローチャートにおけるステップS102の判定を省略してもよい。
上述の実施形態は単なる例示に過ぎず、本発明の範囲を限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は請求の範囲によって定義され、請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。