JP6493505B1 - 圧縮着火式エンジンの制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】部分圧縮着火燃焼時にエンジン回転速度によらず良好な燃焼安定性を確保する。
【解決手段】本発明の制御装置は、混合気の一部を火花点火によりSI燃焼させた後に他の混合気を自着火によりCI燃焼させる部分圧縮着火燃焼が可能な圧縮着火式エンジンに適用される。この制御装置は、燃焼室にスワール流を発生させるスワール発生部と、インジェクタとスワール発生部とを制御する制御部とを備え、部分圧縮着火燃焼の実行中に、スワール流が発生させられるとともに、前段噴射と後段噴射とが実施され、且つ、後段噴射の噴射量の割合がエンジン回転速度が高いときの方が低いときよりも大きくされる。
【選択図】図10

Description

本発明は、混合気の一部を火花点火によりSI燃焼させた後に他の混合気を自着火によりCI燃焼させる部分圧縮着火燃焼を実行可能な圧縮着火式エンジンの制御装置に関する。
近年、空気と混合されたガソリン燃料を十分に圧縮された燃焼室内で自着火により燃焼させるHCCI燃焼が注目されている。HCCI燃焼は、混合気が同時多発的に燃焼する形態であるため、通常のガソリンエンジンにおいて採用されるSI燃焼(火花点火燃焼)に比べて、混合気の燃焼速度が速く、熱効率の面で非常に有利だと言われている。しかしながら、HCCI燃焼は、気温などの外部因子により混合気の燃焼開始時期(混合気が自着火する時期)が大きく変動するなどの問題があり、また、負荷が急変するような過渡運転時の制御が難しいという問題もあった。
そこで、混合気の全てを自着火により燃焼させるのではなく、混合気の一部については点火プラグを用いた火花点火により燃焼させることが提案されている。すなわち、火花点火をきっかけに混合気の一部を火炎伝播により強制的に燃焼(SI燃焼)させた後に、他の混合気を自着火により燃焼(CI燃焼)させるのである。以下では、このような燃焼のことを部分圧縮着火燃焼という。
上記部分圧縮着火燃焼に類似したコンセプトを採用したエンジンの一例として、下記特許文献1のものが知られている。この特許文献1のエンジンは、補助燃料噴射によって点火プラグ(点火栓)周りに形成された成層混合気を火花点火により火炎伝播燃焼させるとともに、当該燃焼(火炎)の作用により高温化された燃焼室に主燃料噴射を行い、この主燃料噴射により噴射された燃料を自着火により燃焼させるものである。
特開2009−108778号公報
上記特許文献1に示されるエンジンでは、点火プラグを用いた火花点火によりCI燃焼を促進できるものの、火花点火の直後に形成される火炎核の状態は燃焼室の環境によりバラつくものと考えられる。例えば、エンジン回転速度が高いときは低いときに比べて、ピストンの移動速度が速いため、火花点火後の燃焼室の急膨張により火炎核が期待通りに成長しないおそれがある。火炎核の成長が十分でなかった場合には、CI燃焼の開始時期が狙いのタイミングから大きく遅れるなどして、燃焼が不安定化することになる。
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、エンジン回転速度によらず良好な燃焼安定性を確保することが可能な圧縮着火式エンジンの制御装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するためのものとして、本発明は、燃焼室に燃料を供給するインジェクタと、インジェクタから供給された燃料と空気とが混合された混合気に点火する点火プラグとを備え、上記混合気の一部を上記点火プラグを用いた火花点火によりSI燃焼させた後に他の混合気を自着火によりCI燃焼させる部分圧縮着火燃焼が実行可能な圧縮着火式エンジンの制御装置であって、前記燃焼室にスワール流を発生させるスワール発生部と、前記インジェクタと前記スワール発生部とを制御する制御部とを備え、前記制御部は、部分圧縮着火燃焼の実行中に、前記スワール発生部によりスワール流を発生させつつ、所定の量の燃料を前記燃焼室に噴射する前段噴射と当該前段噴射の後に前記燃焼室に燃料を噴射する後段噴射とを前記インジェクタに実施させ、且つ、1燃焼サイクル中に前記燃焼室内に噴射される燃料の総量に対する前記後段噴射の噴射量の割合をエンジン回転速度が高いときの方が低いときよりも大きくする、ことを特徴とするものである(請求項1)。
本発明によれば、部分圧縮着火燃焼の実行中、エンジン回転速度が高いときは低いときに比べて1燃焼サイクル中に燃焼室内に噴射される燃料の総量に対する後段噴射の噴射量の割合が大きくされるので、エンジン回転速度が高いときに、点火時点で燃焼室内に形成される局所的な混合気の燃料濃度を高くすることができる。これにより、エンジン回転速度が高く火花点火後の燃焼室の膨張速度が速い(そのために火炎核が成長し難い)条件であっても、火炎核を生成および成長を促進してSI燃焼を安定的に進行させてその後のCI燃焼を確実に引き起こすことができ、CI燃焼の開始時期がサイクルごとに大きくバラつくような事態を回避することができる。以上により、本発明によれば、エンジン回転速度が高くても低くても、安定した部分圧縮着火燃焼を実現することができる。
前記構成において、前記制御部は、上スワール流を発生させ且つ前記後段噴射の噴射量の割合をエンジン回転速度が高い側で大きくさせる上記様態による部分圧縮着火燃焼の実行中に、エンジン回転速度が高いときは、前記前段噴射と前記後段噴射とが圧縮行程に実施されるように前記インジェクタを制御する、のが好ましい(請求項2)。
この構成によれば、エンジン回転速度が高いときに、前段噴射あるいは前段噴射と後段噴射とが吸気行程に実施される場合に比べて、より確実に燃焼室内に燃料濃度の高い混合気を形成できる。従って、エンジン回転速度が高いときに、火炎核をより確実に生成および成長させることができる。
前記構成において、前記制御部は、スワール流を発生させ且つ前記後段噴射の噴射量の割合をエンジン回転速度が高い側で大きくさせる上記様態による部分圧縮着火燃焼の実行中に、エンジン回転速度が低いときは、前記前段噴射が吸気行程に実施されて前記後段噴射が圧縮行程に実施されるように前記インジェクタを制御する、のが好ましい(請求項3)。
エンジン回転速度が低いときは、火花点火後の燃焼室の膨張が比較的緩やかであるため、火炎核が生成および成長しやすい。そのため、エンジン回転速度が低いときは、吸気行程で前段噴射を行い圧縮行程で燃焼室に供給される燃料の量を少なくしても、適切に部分圧縮着火燃焼を実現することができる。
従って、前記のように構成すれば、エンジン回転速度が低いときに、圧縮行程で実施される後段噴射によって燃焼室に局所的に燃料濃度の高い混合気を形成して部分圧縮着火燃焼を実現しつつ、吸気行程で実施される前段噴射によって燃料をより広範囲に拡散させてCI燃焼する混合気の量を多くして熱効率を高めることができる。
前記構成において、前記インジェクタは、前記燃焼室の天井中央部に配置されるとともに、周方向に離間した少なくとも第1噴孔および第2噴孔を有し、前記第1噴孔および第2噴孔からは同時に燃料が噴射され、前記スワール流は、前記燃焼室の中心軸と直交する面と非平行に流れる斜めスワール流であり、前記第1噴孔から噴射されて前記スワール流に到達した第1の燃料が、前記スワール流に沿って下流側に移動した後、前記第2噴孔から噴射されて前記スワール流に到達する第2の燃料と合流するように、前記第1噴孔および第2噴孔の位置および向きが設定されている、のが好ましい(請求項4)。
この構成によれば、スワール流に到達した複数の燃料を下流側で合流させることにより、スワール流が最終的に向かう先である燃焼室の中央部に相対的に燃料濃度の濃い(リッチな)混合気を形成することができる。これにより、燃焼室の中央部において火炎核を確実に生成および成長させることができる。
前記構成において、前記制御部は、スワール流を発生させ且つ前記後段噴射の噴射量の割合をエンジン回転速度が高い側で大きくさせる上記様態による部分圧縮着火燃焼の実行中に、1燃焼サイクル中に前記燃焼室内に噴射される燃料の総量に対する前記前段噴射の噴射量の割合が、エンジン回転速度が高いときの方が低いときよりも小さくなり、且つ、1燃焼サイクル中に前記燃焼室内に噴射される燃料の総量に対する前記後段噴射の噴射量の割合が、エンジン回転速度が高いときの方が低いときよりも大きくなるよう、前記インジェクタを制御する、のが好ましい(請求項5)。
このようにすれば、部分圧縮着火燃焼の実行中、エンジン回転速度が高いときは低いときに比べて後段噴射の噴射量の割合に加えて前段噴射のうちより遅角側で実施される第2前段噴射の噴射量の割合が大きくされる。そのため、エンジン回転速度が高いときに、より一層確実に点火時点に燃焼室内に形成される局所的な混合気の燃料濃度を高くすることができ、CI燃焼をより一層確実に引き起こすことができる。
前記構成において、前記制御部は、スワール流を発生させ且つ前記後段噴射の噴射量の割合をエンジン回転速度が高い側で大きくさせる上記様態による部分圧縮着火燃焼が実行される運転領域よりも高負荷側での部分圧縮着火燃焼の実行中に、前記スワール発生部を駆動してスワール流を発生させるとともに、所定の量の燃料を前記燃焼室に噴射する前段噴射と当該前段噴射の後に前記燃焼室に燃料を噴射する後段噴射とが実施され、且つ、1燃焼サイクル中に前記燃焼室内に噴射される燃料の総量に対する前記後段噴射の噴射量の割合が、エンジン回転速度が高いときの方が低いときよりも小さくなるように前記インジェクタを制御する、のが好ましい(請求項6)。
この構成によれば、エンジン負荷が高くエンジン回転速度が高いときに、より確実に適切なCI燃焼を実現できる。つまり、エンジン負荷が高いと燃焼室に噴射される燃料量は多くなる。そして、エンジン回転速度が高いと1クランク角あたりの時間は短くなる。そのため、仮に、エンジン負荷が高くエンジン回転速度が高いときに後段噴射の噴射量の割合を多くすると、点火時点までに燃料が十分に気化せずに煤等が増大するおそれがある。従って、前記のように構成すれば、エンジン負荷が高くエンジン回転速度が高いときに、煤等の増大を抑制して適切なCI燃焼を実現できる。
以上説明したように、本発明の圧縮着火式エンジンの制御装置によれば、エンジン回転速度によらず良好な燃焼安定性を確保することができる。
本発明の一実施形態にかかる圧縮着火式エンジンの全体構成を概略的に示すシステム図である。 エンジン本体の断面図とピストンの平面図とを併せて示した図である。 気筒およびその近傍の吸排気系の構造を示す概略平面図である。 エンジンの制御系統を示すブロック図である。 エンジンの運転領域を燃焼形態の相違により区分けしたマップ図である。 SPCCI燃焼(部分圧縮着火燃焼)時の熱発生率の波形を示すグラフである。 エンジンの各運転領域で行われる燃焼制御を概略的に説明するためのタイムチャートである。 低負荷側第1領域における噴射パターンを示したタイムチャートである。 第1運転領域におけるエンジン回転速度と噴射開始時期との関係を示したグラフである。 第1運転領域におけるエンジン回転速度と噴射割合との関係を示したグラフである。 第1運転領域におけるエンジン回転速度と噴射開始時期との関係を示したグラフである。 第1運転領域におけるエンジン回転速度と噴射割合との関係を示したグラフである。 第1運転領域において設定される目標スワール弁開度の具体例を示すマップ図である。 負荷が一定の条件下で回転速度を変化させた場合の目標スワール弁開度の変化を示すグラフである。 インジェクタから噴射された燃料(噴霧)の振る舞いをスワール流との関係で示す説明図である。 スワール流と共に移動する混合気を燃焼室の上方から見た図である。 SPCCI燃焼中に実行される制御の詳細を示すフローチャートである。 SI率の種々の定義方法を説明するための図6相当図である。
(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圧縮着火式エンジン(以下、単にエンジンという)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直噴エンジンであり、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30と、エンジン本体1から排出される排気ガスが流通する排気通路40と、排気通路40を流通する排気ガスの一部を吸気通路30に還流する外部EGR装置50を備えている。
エンジン本体1は、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を上から閉塞する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、気筒2に往復摺動可能に挿入されたピストン5とを有している。エンジン本体1は、典型的には複数の(例えば4つの)気筒を有する多気筒型のものであるが、ここでは簡略化のため、1つの気筒2のみに着目して説明を進める。
ピストン5の上方には燃焼室6が画成されており、この燃焼室6には、ガソリンを主成分とする燃料が、後述するインジェクタ15からの噴射によって供給される。そして、供給された燃料が燃焼室6で空気と混合されつつ燃焼し、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。なお、燃焼室6に噴射される燃料は、主成分としてガソリンを含有していればよく、例えばガソリンに加えてバイオエタノール等の副成分を含んでいてもよい。
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7が設けられている。クランク軸7は、ピストン5とコネクティングロッド8を介して連結され、ピストン5の往復運動(上下運動)に応じて中心軸回りに回転駆動される。
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6の容積とピストン5が下死点にあるときの燃焼室の容積との比は、後述するSPCCI燃焼(部分圧縮着火燃焼)に好適な値として、13以上30以下、好ましくは14以上18以下に設定される。より詳しくは、気筒2の幾何学的圧縮比は、オクタン価が91程度のガソリン燃料を使用するレギュラー仕様の場合に14以上17以下に設定し、オクタン価が96程度のガソリン燃料を使用するハイオク仕様の場合に15以上18以下に設定するのが好ましい。
シリンダブロック3には、クランク軸7の回転角度(クランク角)およびクランク軸7の回転速度(エンジン回転速度)を検出するクランク角センサSN1が設けられている。
シリンダヘッド4には、燃焼室6に開口する吸気ポート9および排気ポート10と、吸気ポート9を開閉する吸気弁11と、排気ポート10を開閉する排気弁12とが設けられている。なお、当実施形態のエンジンのバルブ形式は、図2に示すように、吸気2バルブ×排気2バルブの4バルブ形式である。すなわち、吸気ポート9は、第1吸気ポート9Aおよび第2吸気ポート9Bを有しており、排気ポート10は、第1排気ポート10Aおよび第2排気ポート10Bを有している。吸気弁11は、第1吸気ポート9Aおよび第2吸気ポート9Bに対しそれぞれ1つずつ設けられ、排気弁12は、第1排気ポート10Aおよび第2排気ポート10Bに対しそれぞれ1つずつ設けられている。
図3に示すように、第2吸気ポート9Bには開閉可能なスワール弁18(請求項にいう「スワール発生部」に相当)が設けられている。スワール弁18は、第2吸気ポート9Bにのみ設けられており、第1吸気ポート9Aには設けられていない。このようなスワール弁18が閉方向に駆動されると、スワール弁18が設けられていない第1吸気ポート9Aから燃焼室6に流入する吸気の割合が増大するため、気筒軸線Z(燃焼室6の中心軸)の回りを旋回する旋回流、つまりスワール流を強化することができる。逆に、スワール弁18を開方向に駆動すればスワール流を弱めることができる。なお、当実施形態の吸気ポート9はタンブル流(縦渦)を形成可能なタンブルポートである。このため、スワール弁18の閉時に形成されるスワール流は、タンブル流とミックスされた斜めスワール流となる。
吸気弁11および排気弁12は、シリンダヘッド4に配設された一対のカム軸等を含む動弁機構13,14により、クランク軸7の回転に連動して開閉駆動される。
吸気弁11用の動弁機構13には、吸気弁11の開閉時期を変更可能な吸気VVT13aが内蔵されている。同様に、排気弁12用の動弁機構14には、排気弁12の開閉時期を変更可能な排気VVT14aが内蔵されている。吸気VVT13a(排気VVT14a)は、いわゆる位相式の可変機構であり、吸気弁11(排気弁12)の開時期および閉時期を同時にかつ同量だけ変更する。これら吸気VVT13aおよび排気VVT14aの制御により、当実施形態では、吸気弁11および排気弁12の双方が排気上死点を跨いで開弁するバルブオーバーラップ期間を調整することが可能であり、また、このバルブオーバーラップ期間の調整により、燃焼室6に残留する既燃ガス(内部EGRガス)の量を調整することが可能である。
シリンダヘッド4には、燃焼室6に燃料(主にガソリン)を噴射するインジェクタ15と、インジェクタ15から燃焼室6に噴射された燃料と燃焼室6に導入された空気とが混合された混合気に点火する点火プラグ16とが設けられている。シリンダヘッド4には、さらに、燃焼室6の圧力(以下、筒内圧力ともいう)を検出する筒内圧センサSN2が設けられている。
図2に示すように、ピストン5の冠面には、その中央部を含む比較的広い領域をシリンダヘッド4とは反対側(下方)に凹陥させたキャビティ20が形成されている。キャビティ20の中央部には、相対的に上方に隆起したほぼ円錐状の隆起部20aが形成されており、この隆起部20aを挟んだ径方向の両側がそれぞれ断面お椀状の凹部とされている。言い換えると、キャビティ20は、隆起部20aを囲むように形成された平面視ドーナツ状の凹部である。また、ピストン5の冠面のうちキャビティ20よりも径方向外側の領域は、円環状の平坦面からなるスキッシュ部21とされている。
インジェクタ15は、燃焼室6の天井面の中央部に配置され、その先端部がピストン5の冠面の中央部(隆起部20a)と対向している。インジェクタ15は、先端部に複数の噴孔を有した多噴孔型のインジェクタである。具体的に、インジェクタ15は、周方向に等間隔に配置された合計10個の噴孔を有しており、各噴孔から同時かつ放射状に(斜め下方に)燃料を噴射する。図2に示すラインL1〜L10は、各噴孔から噴射された燃料の噴霧の中心線を表している。各噴霧の中心線L1〜L10と気筒軸線Zとが交差する角度をαとすると、この交差角度αは、30〜60°、好ましくは約45°に設定される。すなわち、インジェクタ15から燃料が噴射されたとき、各噴孔からの噴霧は、それぞれ気筒軸線Zと30〜60°(好ましくは45°)の角度で交差する方向に向けて同時に飛翔する。
当実施形態のようにインジェクタ15に合計10個の噴孔を等間隔に設けた場合、各噴霧の中心線L1〜L10は、気筒軸心Zを中心に36度ずつ間隔を空けて並ぶように配置される。エンジンの吸排気方向と直交しかつ気筒軸線Zと直交する線を基準線Kとすると、この基準線Kを挟んだ一方側の領域に位置する各噴霧の中心線L1〜L5と、他方側の領域に位置する各噴霧の中心線L6〜L10とは、基準線Kに対して線対称な関係となる。
点火プラグ16は、インジェクタ15に対し吸気側に幾分ずれた位置に配置されている。点火プラグ16の先端部(電極部)の位置は、キャビティ20と平面視で重複するように設定されている。
図1に示すように、吸気通路30は、吸気ポート9と連通するようにシリンダヘッド4の一側面に接続されている。吸気通路30の上流端から取り込まれた空気(新気)は、吸気通路30および吸気ポート9を通じて燃焼室6に導入される。
吸気通路30には、その上流側から順に、吸気中の異物を除去するエアクリーナ31と、吸気の流量を調整する開閉可能なスロットル弁32と、吸気を圧縮しつつ送り出す過給機33と、過給機33により圧縮された吸気を冷却するインタークーラ35と、サージタンク36とが設けられている。
吸気通路30の各部には、吸気の流量を検出するエアフローセンサSN3と、吸気の温度を検出する第1・第2吸気温センサSN4,SN6と、吸気の圧力を検出する第1・第2吸気圧センサSN5,SN7とが設けられている。エアフローセンサSN3および第1吸気温センサSN4は、吸気通路30におけるエアクリーナ31とスロットル弁32との間の部分に設けられ、当該部分を通過する吸気の流量および温度を検出する。第1吸気圧センサSN5は、吸気通路30におけるスロットル弁32と過給機33との間(後述するEGR通路51の接続口よりも下流側)の部分に設けられ、当該部分を通過する吸気の圧力を検出する。第2吸気温センサSN6は、吸気通路30における過給機33とインタークーラ35との間の部分に設けられ、当該部分を通過する吸気の温度を検出する。第2吸気圧センサSN7は、サージタンク36に設けられ、当該サージタンク36内の吸気の圧力を検出する。
過給機33は、エンジン本体1と機械的に連係された機械式の過給機(スーパーチャージャ)である。過給機33の具体的な形式は特に問わないが、例えばリショルム式、ルーツ式、または遠心式といった公知の過給機のいずれかを過給機33として用いることができる。
過給機33とエンジン本体1との間には、締結と解放を電気的に切り替えることが可能な電磁クラッチ34が介設されている。電磁クラッチ34が締結されると、エンジン本体1から過給機33に駆動力が伝達されて、過給機33による過給が行われる。一方、電磁クラッチ34が解放されると、上記駆動力の伝達が遮断されて、過給機33による過給が停止される。
吸気通路30には、過給機33をバイパスするためのバイパス通路38が設けられている。バイパス通路38は、サージタンク36と後述するEGR通路51とを互いに接続している。バイパス通路38には開閉可能なバイパス弁39が設けられている。
排気通路40は、排気ポート10と連通するようにシリンダヘッド4の他側面に接続されている。燃焼室6で生成された既燃ガスは、排気ポート10および排気通路40を通じて外部に排出される。
排気通路40には触媒コンバータ41が設けられている。触媒コンバータ41には、排気通路40を流通する排気ガス中に含まれる有害成分(HC、CO、NOx)を浄化するための三元触媒41aと、排気ガス中に含まれる粒子状物質(PM)を捕集するためのGPF(ガソリン・パティキュレート・フィルタ)41bとが内蔵されている。なお、触媒コンバータ41の下流側に、三元触媒やNOx触媒等の適宜の触媒を内蔵した別の触媒コンバータを追加してもよい。
外部EGR装置50は、排気通路40と吸気通路30とを接続するEGR通路51と、EGR通路51に設けられたEGRクーラ52およびEGR弁53とを有している。EGR通路51は、排気通路40における触媒コンバータ41よりも下流側の部分と、吸気通路30におけるスロットル弁32と過給機33との間の部分とを互いに接続している。EGRクーラ52は、EGR通路51を通じて排気通路40から吸気通路30に還流される排気ガス(外部EGRガス)を熱交換により冷却する。EGR弁53は、EGRクーラ52よりも下流側(吸気通路30に近い側)のEGR通路51に開閉可能に設けられ、EGR通路51を流通する排気ガスの流量を調整する。
EGRクーラ52には、熱交換のための媒体(冷媒)として、エンジン本体1を冷却するための冷却水が用いられる。このようなEGRクーラ52により冷却された後に吸気通路30に還流される外部EGRガスの温度は、燃焼室6から排出された直後の排気ガスの温度に比べれば大幅に低下するものの、外気温よりは高くなる。このため、外部EGRの実行時は、非実行時に比べて、圧縮行程が実質的に開始された時点(吸気弁11の閉弁時)における燃焼室6の温度である圧縮開始温度は高くなる。
EGR通路51には、EGR弁53の上流側の圧力と下流側の圧力との差を検出するための差圧センサSN8が設けられている。
(2)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ECU100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。
ECU100には各種センサによる検出信号が入力される。例えば、ECU100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、第1・第2吸気温センサSN4,SN6、第1・第2吸気圧センサSN5,SN7、および差圧センサSN8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、エンジン回転速度、筒内圧力、吸気流量、吸気温、吸気圧、EGR弁53の前後差圧等)がECU100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の開度を検出するアクセルセンサSN9が設けられており、このアクセルセンサSN9による検出信号もECU100に入力される。
ECU100は、上記各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、ECU100は、吸気VVT13a、排気VVT14a、インジェクタ15、点火プラグ16、スワール弁18、スロットル弁32、電磁クラッチ34、バイパス弁39、およびEGR弁53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。
なお、上記のようなECU100は、請求項にいう「制御部」に相当する。
(3)運転状態に応じた制御
図5は、エンジンの回転速度/負荷に応じた制御の相違を説明するためのマップ図である。本図に示すように、エンジンの運転領域は、燃焼形態の相違によって4つの運転領域A1〜A4に大別される。それぞれ第1運転領域A1、第2運転領域A2、第3運転領域A3、第4運転領域A4とすると、第4運転領域A4は、回転速度が高い高速領域であり、第1運転領域A1は、第4運転領域A4よりも低速側の領域から高負荷側の一部を除いた低・中速/低負荷の領域であり、第3運転領域A3は、回転速度が低くかつ負荷が高い低速/高負荷の領域であり、第2運転領域A2は、第1、第3、第4運転領域A1,A3,A4以外の残余の領域(言い換えると低・中速/中負荷領域と中速/高負荷域とを合わせた領域)である。以下、各運転領域で選択される燃焼形態等について順に説明する。
(3−1)第1運転領域
低速・低負荷の第1運転領域A1では、SI燃焼とCI燃焼とをミックスした部分圧縮着火燃焼(以下、これをSPCCI燃焼という)が実行される。SI燃焼とは、点火プラグ16を用いた火花点火により混合気に点火し、その点火点から周囲へと燃焼領域を拡げていく火炎伝播により混合気を強制的に燃焼させる形態のことであり、CI燃焼とは、ピストン5の圧縮により高温・高圧化された環境下で混合気を自着火により燃焼させる形態のことである。そして、これらSI燃焼とCI燃焼とをミックスしたSPCCI燃焼とは、混合気が自着火する寸前の環境下で行われる火花点火により燃焼室6内の混合気の一部をSI燃焼させ、当該SI燃焼の後に(SI燃焼に伴うさらなる高温・高圧化により)燃焼室6内の他の混合気を自着火によりCI燃焼させる、という燃焼形態のことである。なお、「SPCCI」は「Spark Controlled Compression Ignition」の略である。
図6は、SPCCI燃焼が起きたときの熱発生率(J/deg)のクランク角による変化を示した図である。
SPCCI燃焼は、SI燃焼時の熱発生よりもCI燃焼時の熱発生の方が急峻になるという性質がある。例えば、SPCCI燃焼による熱発生率の波形は、図6に示すように、SI燃焼に対応する燃焼初期の立ち上がりの傾きが、その後のCI燃焼に対応して生じる立ち上がりの傾きよりも小さくなる。言い換えると、SPCCI燃焼時の熱発生率の波形は、SI燃焼によって形成された相対的に立ち上がりの傾きが小さい第1熱発生率部と、CI燃焼によって形成された相対的に立ち上がりの傾きが大きい第2熱発生部とが、この順に連続するように形成される。また、このような熱発生率の傾向に対応して、SPCCI燃焼では、SI燃焼時に生じる燃焼室6内の圧力上昇率(dp/dθ)がCI燃焼時のそれよりも小さくなる。
SI燃焼によって、燃焼室6内の温度および圧力が高まると、これに伴い未燃混合気が自着火し、CI燃焼が開始される。図6に例示するように、この自着火のタイミング(つまりCI燃焼が開始するタイミング)で、熱発生率の波形の傾きが小から大へと変化する。すなわち、SPCCI燃焼における熱発生率の波形は、CI燃焼が開始するタイミングで現れる変曲点(図6のX)を有している。
CI燃焼の開始後は、SI燃焼とCI燃焼とが並行して行われる。CI燃焼は、SI燃焼よりも混合気の燃焼速度が速いため、熱発生率は相対的に大きくなる。ただし、CI燃焼は、圧縮上死点の後に行われるため、熱発生率の波形の傾きが過大になることはない。すなわち、圧縮上死点を過ぎるとピストン5の下降によりモータリング圧力が低下するので、このことが熱発生率の上昇を抑制する結果、CI燃焼時のdp/dθが過大になることが回避される。このように、SPCCI燃焼では、SI燃焼の後にCI燃焼が行われるという性質上、燃焼騒音の指標となるdp/dθが過大になり難く、単純なCI燃焼(全ての燃料をCI燃焼させた場合)に比べて燃焼騒音を抑制することができる。
CI燃焼の終了に伴いSPCCI燃焼も終了する。CI燃焼はSI燃焼に比べて燃焼速度が速いので、単純なSI燃焼(全ての燃料をSI燃焼させた場合)に比べて燃焼終了時期を早めることができる。言い換えると、SPCCI燃焼では、燃焼終了時期を膨張行程内において圧縮上死点に近づけることができる。これにより、SPCCI燃焼では、単純なSI燃焼に比べて燃費性能を向上させることができる。
上記のようなSPCCI燃焼の具体的形態として、第1運転領域A1では、燃焼室6内の空気(新気)と燃料との重量比である空燃比(A/F)が理論空燃比(14.7)よりも大きくなる環境(以下、これをA/Fリーン環境という)を形成しつつ混合気をSPCCI燃焼させる制御が実行される。このようなA/Fリーン環境でのSPCCI燃焼を実現するため、第1運転領域A1では、ECU100によってエンジンの各部が次のように制御される。
過給機33は、図5に示される過給ラインTの内側領域でOFF状態とされ、過給ラインTの外側領域でON状態とされる。過給機33がOFF状態とされる過給ラインTの内側領域、つまり第1運転領域A1の低速側では、電磁クラッチ34が解放されて過給機33とエンジン本体1との連結が解除されるとともに、バイパス弁39が全開とされることにより、過給機33による過給が停止される。一方、過給機33がON状態とされる過給ラインTの外側領域、つまり第1運転領域A1の高速側では、電磁クラッチ34が締結されて過給機33とエンジン本体1とが連結されることにより、過給機33による過給が行われる。このとき、第2吸気圧センサSN7により検出されるサージタンク36内の圧力(過給圧)が、運転条件(回転速度/負荷)ごとに予め定められた目標圧力に一致するように、バイパス弁39の開度が制御される。例えば、バイパス弁39の開度が大きくなるほど、バイパス通路38を通じて過給機33の上流側に逆流する吸気の流量が多くなる結果、サージタンク36に導入される吸気の圧力つまり過給圧が低くなる。バイパス弁39は、このように吸気の逆流量を調整することにより、過給圧を目標圧力に制御する。
吸気VVT13aおよび排気VVT14aは、吸気弁11および排気弁12のバルブタイミングを、両弁が排気上死点を跨いで開弁されるバルブオーバーラップ期間が形成されるようなタイミングに設定する。これにより、燃焼室6に既燃ガスを残留させる内部EGRが実現され、燃焼室6の温度が高められる。すなわち、排気上死点を過ぎるまで(吸気行程の初期まで)排気弁12が開かれることにより、排気ポート10から燃焼室6へと既燃ガスが引き戻されて、内部EGRが実現される。バルブオーバーラップ期間(より詳しくは排気弁12が吸気行程中に開弁する期間)は、燃焼室6に導入される内部EGRガスの割合である内部EGR率が低負荷側ほど大きくなるように調整される。
第1運転領域A1では、内部EGR率の目標値である目標内部EGR率は、概ね10〜50%の範囲で可変的に設定され、その値は低負荷側ほど大きくされる。なお、ここでいう内部EGR率とは、燃焼室6に残留する既燃ガス(内部EGRガス)が燃焼室6内の全ガス中に占める重量割合のことである。また、燃焼室6に残留する既燃ガスとは、排気ポート10に排出されることなく燃焼室6に残留した既燃ガスだけでなく、吸気行程中の排気弁12の開弁によって排気ポート10から燃焼室6に引き戻された既燃ガスをも含む概念である。
EGR弁53は、第1運転領域A1の大部分において開弁される。詳しくは、EGR弁53は、第1運転領域A1のうちその低速側の一部を除いた大部分の領域において開弁され、その開弁領域におけるEGR弁53の開度は、高速側の方が低速側よりも大きくされる。これにより、EGR通路51を通じて燃焼室6に還流される排気ガス(外部EGRガス)の割合である外部EGR率は、回転速度が高いほど大きくなるように調整される。
第1運転領域A1では、外部EGR率の目標値である目標外部EGR率が概ね0〜20%の範囲で可変的に設定され、その値は高速側または高負荷側ほど高くされる。なお、ここでいう外部EGR率とは、EGR通路51を通じて燃焼室6に還流される排気ガス(外部EGRガス)が燃焼室6内の全ガス中に占める重量割合のことである。
スロットル弁32は全開とされる。これにより、燃焼室6に比較的多量の空気(新気)が導入されて、燃焼室6内の空気(新気)と燃料との重量比である空燃比(A/F)が理論空燃比よりも大きい値に設定される。言い換えると、第1運転領域A1では、実空燃比を理論空燃比で割った値である空気過剰率λが1よりも大きくなるA/Fリーンな環境下でSPCCI燃焼が行われる。例えば、第1運転領域A1における空気過剰率λは、燃焼によるNOxの生成量を十分に抑制し得る値として、2以上に設定される。なお、当実施形態では、上述したとおり、第1運転領域A1において内部EGRおよび外部EGRが実行されるが、これら両EGRにより燃焼室6に導入されるEGRガス(内部EGRガスおよび外部EGRガス)の量は、上記目標空燃比(λ>2)に相当する量の空気が燃焼室6内に確保される程度に設定する必要がある。第1運転領域A1での内部EGR率および外部EGR率の各目標値は、このような要求を満たす値として予め定められている。すなわち、当実施形態では、スロットル弁32が全開の状態で燃焼室6に導入される全ガス量から、上記目標空燃比(λ>2)相当の空気量を差し引いた分のガス量が、内部EGRガスおよび外部EGRガスとして燃焼室6に導入されるように、内部EGR率および外部EGR率の各目標値が設定されている。そして、これら各EGR率の目標値に従って、バルブオーバーラップ期間およびEGR弁53の開度がそれぞれ調整されるようになっている。
スワール弁18の開度は、半開(50%)よりも低い低開度に設定される。このようにスワール弁18の開度が低減されることにより、燃焼室6に導入される吸気は、その大部分が第1吸気ポート9A(スワール弁18が設けられていない側の吸気ポート)からの吸気となり、燃焼室6内に強いスワール流が形成される。このスワール流は、吸気行程中に成長して圧縮行程の途中まで残存し、燃料の成層化を促進する。つまり、燃焼室6の中央部の燃料濃度がその外側の領域(外周部)に比べて濃くなるという濃度差が形成される。詳しくは後述する(4−2)において説明するが、第1運転領域A1では、燃焼室6の中央部の空燃比が20以上30以下に、燃焼室6の外周部の空燃比が35以上に設定される。また、スワール弁18の開度は、低速側の方が高速側よりも小さくされる。これにより、スワール流の強さは、回転速度が低いほど強くなるように調整される。
インジェクタ15は、吸気行程から圧縮行程にかけた複数回に分けて燃料を噴射する。また、点火プラグ16は、圧縮上死点の近傍で混合気に点火する。例えば、第1運転領域A1では、点火プラグ16は、圧縮上死点よりもやや進角側のタイミングで混合気に点火する。そして、この点火をきっかけにSPCCI燃焼が開始され、燃焼室6内の一部の混合気が火炎伝播により燃焼(SI燃焼)し、その後に他の混合気が自着火により燃焼(CI燃焼)する。第1運転領域A1の噴射パターンの詳細については後述する。
(3−2)第2運転領域
図7は、第2運転領域A2に含まれる運転ポイントP4、第3運転領域A3に含まれる運転ポイントP5、第4運転領域A4に含まれる運転ポイントP6での、インジェクタ15の噴射パルス、点火時期(点火プラグ16が混合気に点火する時期)および熱発生率を示した図である。噴射パルスの幅は、噴射量の大きさを表しており、噴射パルスの幅が大きいほど噴射量は大きい。
第2運転領域A2(低・中速/中負荷領域と中速/高負荷域とを合わせた領域)では、燃焼室6内の全ガスと燃料との重量比であるガス空燃比(G/F)が理論空燃比(14.7)よりも大きくかつ空燃比(A/F)が理論空燃比に略一致する環境(以下、これをG/Fリーン環境という)を形成しつつ混合気をSPCCI燃焼させる制御が実行される。具体的に、このようなG/Fリーン環境下でのSPCCI燃焼を実現するため、第2運転領域A2では、ECU100によってエンジンの各部が次のように制御される。
インジェクタ15は、1サイクル中に噴射すべき燃料の少なくとも一部を圧縮行程中に噴射する。例えば、第2運転領域A2に含まれる運転ポイントP4において、インジェクタ15は、図7のチャート(a)に示すように、圧縮行程の前半および後半の2回に分けて燃料を噴射する。
点火プラグ16は、圧縮上死点の近傍で混合気に点火する。例えば、上記運転ポイントP4において、点火プラグ16は、圧縮上死点よりもやや進角側のタイミングで混合気に点火する。そして、この点火をきっかけにSPCCI燃焼が開始され、燃焼室6内の一部の混合気が火炎伝播により燃焼(SI燃焼)し、その後に他の混合気が自着火により燃焼(CI燃焼)する。
過給機33は、過給ラインTの内側領域と重複する低負荷かつ低速側の一部においてOFF状態とされ、それ以外の領域でON状態とされる。過給機33がON状態とされて吸気が過給されているとき、バイパス弁39の開度は、サージタンク36内の圧力(過給圧)が目標圧力に一致するように制御される。
吸気VVT13aおよび排気VVT14aは、所定量のバルブオーバーラップ期間が形成されるように吸気弁11および排気弁12のバルブタイミングを設定する。ただし、第2運転領域A2では、そのほとんどの領域で過給が行われる(つまり吸気圧が高められる)ので、吸気行程中に排気弁12が開いても、排気ポート10から燃焼室6に既燃ガスが逆流すること(つまり内部EGR)は起き難くなる。これにより、第2運転領域A2での内部EGR率は、第1運転領域A1での内部EGR率よりも小さくされ、特に第2運転領域A2の高負荷側では実質的に内部EGRが停止される。
スロットル弁32は全開とされる。
EGR弁53は、燃焼室6内の空燃比(A/F)が理論空燃比(λ=1)もしくはその近傍となるように、その開度が制御される。例えば、EGR弁53は、空気過剰率λが1±0.2になるように、EGR通路51を通じて還流される排気ガス(外部EGRガス)の量を調整する。なお、理論空燃比相当の空気量は負荷が高いほど多くなるので、これに合わせて、第2運転領域A2における外部EGR率は、負荷が高いほど小さくなるように(言い換えれば負荷が低いほど高くなるように)設定される。EGR弁53の開度は、このように設定される外部EGR率の目標値に従って制御される。
スワール弁18の開度は、第1運転領域A1での開度と同程度の値か、もしくはこれよりも大きい所定の中間開度に設定される。
(3−3)第3運転領域
低速・高負荷の第3運転領域A3では、燃料の少なくとも一部を圧縮行程の後期に噴射しつつ混合気をSI燃焼させる制御が実行される。具体的に、このようなリタード噴射を伴うSI燃焼を実現するため、第3運転領域A3では、ECU100によってエンジンの各部が次のように制御される。
インジェクタ15は、1サイクル中に噴射すべき燃料の少なくとも一部を圧縮行程の後期に噴射する。例えば、第3運転領域A3に含まれる運転ポイントP5において、インジェクタ15は、図7のチャート(b)に示すように、1サイクル中に噴射すべき燃料の全てを圧縮行程の後期(圧縮上死点の直前)に噴射する。
点火プラグ16は、例えば圧縮上死点から5〜20°CA程度経過した比較的遅めのタイミングで混合気に点火する。そして、この点火をきっかけにSI燃焼が開始され、燃焼室6内の混合気の全てが火炎伝播により燃焼する。なお、第3運転領域A3での点火時期が上記のように遅角されるのは、ノッキングやプリイグニッション等の異常燃焼を防止するためである。ただし、第3運転領域A3では、圧縮行程の後期(圧縮上死点の直前)というかなり遅めのタイミングに設定されるので、点火時期が上記のように遅角されたとしても、点火後の燃焼速度(火炎伝播速度)は比較的速いものになる。すなわち、燃料噴射から点火までの期間が十分に短いことから、点火時点における燃焼室6内の流動(乱流エネルギー)が比較的強くなり、当該流動を利用して点火後の燃焼速度を速めることができる。これにより、異常燃焼を防止しつつ熱効率を高く維持することができる。
過給機33はON状態とされ、過給機33による過給が行われる。このときの過給圧は、バイパス弁39によって調整される。
スロットル弁32は全開とされる。
EGR弁53は、燃焼室6内の空燃比(A/F)が理論空燃比(λ=1)もしくはその近傍となるように、その開度が制御される。例えば、EGR弁53は、空気過剰率λが1±0.2となるように、EGR通路51を通じて還流される排気ガス(外部EGRガス)の量を調整する。
スワール弁18の開度は、半開(50%)またはその近傍値に設定される。
(3−4)第4運転領域
上記第1〜第3運転領域A1〜A3よりも高速側の第4運転領域A4では、比較的オーソドックスなSI燃焼が実行される。このSI燃焼の実現のために、第4運転領域A4では、ECU100によってエンジンの各部が次のように制御される。
インジェクタ15は、少なくとも吸気行程と重複する所定の期間にわたって噴射を噴射する。例えば、第4運転領域A4に含まれる運転ポイントP6において、インジェクタ15は、図7のチャート(c)に示すように、吸気行程から圧縮行程にかけた一連の期間にわたって燃料を噴射する。なお、運転ポイントP6は、かなり高速かつ高負荷の条件であるため、1サイクル中に噴射すべき燃料の量がそもそも多い上に、所要量の燃料を噴射するのに要するクランク角期間が長期化する。運転ポイントP5における燃料の噴射期間が既述の他の運転ポイント(P4、P5)のいずれよりも長いのはこのためである。
点火プラグ16は、圧縮上死点の近傍で混合気に点火する。例えば、上記運転ポイントP6において、点火プラグ16は、圧縮上死点よりもやや進角側のタイミングで混合気に点火する。そして、この点火をきっかけにSI燃焼が開始され、燃焼室6内の混合気の全てが火炎伝播により燃焼する。
過給機33はON状態とされ、過給機33による過給が行われる。このときの過給圧は、バイパス弁39によって調整される。
スロットル弁32は全開とされる。
EGR弁53は、燃焼室6内の空燃比(A/F)が理論空燃比もしくはこれよりもややリッチな値(λ≦1)となるように、その開度が制御される。
スワール弁18は全開とされる。これにより、第1吸気ポート9Aだけでなく第2吸気ポート9Bが完全に開放されて、エンジンの充填効率が高められる。
(4)第1運転領域での噴射パターン
次に、第1運転領域A1での燃料噴射制御の詳細について説明する。第1運転領域A1では低負荷側と高負荷側とで、エンジン回転速度に対する噴射パターンの変化の仕方が異なっている。以下では、第1運転領域A1の低負荷側の領域を低負荷側第1領域A1_aといい、第1運転領域A1のうち低負荷側第1領域A1_aよりもエンジン負荷の高い領域を高負荷側第1領域A1_bという。例えば、図5に示すように、低負荷側第1領域A1_aは、第1運転領域A1のうちエンジン負荷が予め設定された基準負荷T2以下の領域であり、高負荷側第1領域A1_bは、第1運転領域A1のうちエンジン負荷が基準負荷T2よりも高い領域である。
図8は、第1運転領域A1に含まれる運転ポイントでの、インジェクタ15の噴射パルス、点火時期および熱発生率を示した図である。噴射パルスの幅(つまり、噴射期間)は、噴射量の大きさを概ね表しており、噴射パルスの幅が大きいほど噴射量は大きい。
図8(a)は、低負荷側第1領域A1_aのうちエンジン回転速度が低い運転ポイントP1_a、および、高負荷側第1領域A1_bのうちエンジン回転速度が低い運転ポイントP1_bにおける燃料の噴射パターン等を示している。つまり、第1運転領域A1のうちエンジン回転速度が低い運転ポイントでは、エンジン負荷によらず、燃料の噴射パターンおよび点火時期は同じとされる。
図8(a)に示されるように、運転ポイントP1_a、P1_bでは、1サイクル中に、合計3回の噴射が行われる。1回目の噴射である前段噴射Q1と、2回目の噴射である中段噴射Q2とは、吸気行程の前期から中期にかけた期間に実施される。3回目の噴射である後段噴射Q3は、圧縮工程の後期に実施される。なお、本明細書において、〇〇行程の前期、中期、後期は、それぞれ〇〇行程を3つにわけたときの前期、中期、後期をいう。
図8(a)に示されるように、運転ポイントP1_a、P1_bでは、1サイクル中に噴射すべき燃料の大半が前段噴射Q1によって噴射され、残りの少量の燃料が中段噴射Q2と後段噴射Q3とによって噴射される。つまり、運転ポイントP1_a、および、運転ポイントP1_bでは、1サイクル中に噴射すべき燃料の総量に対する前段噴射Q1の噴射量の割合(以下、単に、前段噴射Q1の噴射量の割合という)は、1サイクル中に噴射すべき燃料の総量に対する中段噴射Q2の噴射量の割合(以下、単に、中段噴射Q2の噴射量の割合という)および1サイクル中に噴射すべき燃料の総量に対する後段噴射Q3の噴射量の割合(以下、単に、中段噴射Q3の噴射量の割合という)よりも大きい。例えば、前段噴射Q1の噴射量の割合は80%程度とされ、中段噴射Q2の噴射量の割合および後段噴射Q3の噴射量の割合はいずれも10%程度とされる。
前段噴射Q1によって噴射される燃料の量は、少なくとも、1サイクル中に燃焼室6に噴射される燃料の50%以上である。
これより、運転ポイントP1_a、P1_bでは、燃焼室6に燃料が噴射される時期、詳細には、燃焼室6に燃料が噴射される平均の時期である中心時期であって、1サイクル中に燃焼室6に噴射される燃料の50%の量の燃料の燃焼室6への噴射が完了する時期(以下、適宜、燃料噴射の中心時期という)は、前段噴射Q1の噴射期間(燃料が噴射されている期間)に含まれる時期となる。つまり、運転ポイントP1_a、および、運転ポイントP1_bでは、燃料噴射の中心時期は、前段噴射Q1の噴射期間に含まれる時期であって、吸気行程中の所定の時期となる。
図8(b)は、低負荷側第1領域A1_aのうちエンジン回転速度が高い運転ポイントP2における燃料の噴射パターン等を示している。
図8(b)に示されるように、運転ポイントP2では、運転ポイントP1_aと同様に、1サイクル中に合計3回の噴射が行われる。ただし、運転ポイントP2では、運転ポイントP1_aと異なり、1回目の噴射である前段噴射Q1と、2回目の噴射である中段噴射Q2と、3回目の噴射である後段噴射Q3とが、全て、圧縮行程の中期から後期にかけて実施される。つまり、運転ポイントP2では、1サイクル中に噴射すべき燃料の全てが圧縮行程に噴射される。これより、運転ポイントP2では、燃料噴射の中心時期は、圧縮行程に含まれる時期となる。
上記のように、運転ポイントP1_aでは、燃料噴射の中心時期は吸気行程に含まれる時期である。従って、運転ポイントP2の燃料噴射の中心時期は、運転ポイントP1_aの燃料噴射の中心時期よりも遅角側となる。
図8(b)に示すように、運転ポイントP2では、後段噴射Q3の噴射量が最も多くされて、前段噴射Q1の噴射量と中段噴射Q2の噴射量とは同程度とされる。例えば、後段噴射Q3の噴射量の割合は45%程度とされ、前段噴射Q1の噴射量の割合の噴射量の割合は25%程度とされ、中段噴射Q2の噴射量の割合は30%程度とされる。
上記のように、運転ポイントP1_aでは、1サイクル中に噴射すべき燃料の大半が前段噴射Q1によって噴射されており、後段噴射Q3の噴射量の割合は非常に小さい(例えば10%程度)。これに対して、運転ポイントP2では、後段噴射Q3の噴射量が最も多くされており、運転ポイントP2の後段噴射Q3の噴射量の割合は、運転ポイントP1_aの後段噴射Q3の噴射量の割合よりも大きくなっている。
図8(c)は、高負荷側第1領域A1_bのうちエンジン回転速度が高い運転ポイントP3における燃料の噴射パターン等を示している。
図8(c)に示されるように、運転ポイントP3では、同じ高負荷側第1領域A1_bであってもエンジン回転速度が低い運転ポイントP1_bのときと異なり、後段噴射Q3は実施されず、1サイクル中に、合計2回の噴射が行われる。つまり、運転ポイントP3では、前段噴射Q1と中段噴射Q2のみが実施される。
運転ポイントP3でも、運転ポイントP1_bと同様に、1回目の噴射である前段噴射Q1は、吸気行程の前期から中期にかけて実施される。一方、運転ポイントP3では、運転ポイントP1_bと異なり、2回目の噴射である中段噴射Q2は、圧縮行程の中期から後期にかけて実施される。
図8(c)に示されるように、運転ポイントP3では、1サイクル中に噴射すべき燃料の大半が前段噴射Q1によって噴射され、残りの少量の燃料が中段噴射Q2によって噴射される。つまり、運転ポイントP3では、前段噴射Q1の噴射量の割合が、中段噴射Q2の噴射量の割合および後段噴射Q3の噴射量の割合よりも大きくされる。本実施形態では、上記のように、運転ポイントP3では、後段噴射Q3は実施されず、後段噴射Q3の噴射量の割合は0%となる。前段噴射Q1の噴射量の割合と、中段噴射Q2の噴射量の割合とは、それぞれ、例えば、90%程度、10%程度とされる。
前段噴射Q1によって噴射される燃料の量は、少なくとも、1サイクル中に燃焼室6に噴射される燃料の50%以上である。これに伴い、運転ポイントP3では、燃料噴射の中心時期は、前段噴射Q1の噴射期間に含まれる時期、つまり、吸気行程に含まれる時期となる。
(低負荷側第1領域A1_aのエンジン回転速度と噴射パターンとの関係)
(噴射開始時期)
図9は、低負荷側第1領域A1_aにおける、エンジン回転速度に対する各噴射Q1、Q2、Q3の噴射開始時期(噴射が開始される時期)の変化を示した図である。図9には、上述した運転ポイントP1_a、P1_b、P2、P3も合わせて示している。
図9に示すように、低負荷側第1領域A1_aでは、全体として、前段噴射Q1の噴射開始時期は、エンジン回転速度が高いときの方が低いときよりも遅角側の時期となるように設定されている。また、低負荷側第1領域A1_aでは、エンジン回転速度が低い側では、前段噴射Q1は吸気行程に実施されて後段噴射Q3は圧縮行程に実施され、エンジン回転速度が高い側では、全ての噴射Q1、Q2、Q3が圧縮行程に実施される。
詳細には、エンジン回転速度が第1回転速度N1以下の領域では、前段噴射Q1の噴射開始時期は、エンジン回転速度によらず一定の時期であって吸気行程に含まれる時期ti_1とされる。エンジン回転速度が第1回転速度N1を超えると、前段噴射Q1の噴射開始時期は、エンジン回転速度が高くなるに従って、エンジン回転速度が第1回転速度N1のときの時期ti_1から徐々に遅角される。前段噴射Q1の噴射開始時期は、第1回転速度N1と第2回転速度N2の間のエンジン回転速度N10では、吸気下死点BDCとされる。エンジン回転速度N10を超えても前段噴射Q1の噴射開始時期は、エンジン回転速度が高くなるに従って、徐々に遅角される。エンジン回転速度が第2回転速度N2となると、前段噴射Q1の噴射開始時期は、吸気BDCよりも遅角側、つまり、圧縮行程に含まれる時期ti_2とされる。エンジン回転速度が第2回転速度N2より高い領域では、前段噴射Q1の噴射開始時期は、エンジン回転速度によらず、一定の時期であってエンジン回転速度が第2回転速度N2のときの時期ti_2とされる。
図9に示すように、低負荷側第1領域A1_aでは、中段噴射Q2の噴射開始時期は、前段噴射Q1の噴射開始時期と同様に、エンジン回転速度が高いときの方が低いときよりも遅角側の時期となるように設定されている。
詳細には、エンジン回転速度が第1回転速度N1以下の領域では、中段噴射Q2の噴射開始時期は、エンジン回転速度によらず一定の時期であって吸気行程に含まれる時期ti_3とされる。エンジン回転速度が第1回転速度N1を超えると、中段噴射Q2の噴射開始時期は、上記の時期ti_3からエンジン回転速度が高くなるに従って徐々に遅角される。エンジン回転速度が第2回転速度N2より高い領域では、中段噴射Q2の噴射開始時期は、エンジン回転速度によらず、一定の時期であってエンジン回転速度が第2回転速度N2のときの時期ti_4(エンジン回転速度が第1回転速度N1のときの上記の時期ti_3よりも遅角側の時期)とされる。中段噴射Q2の噴射開始時期も、第1回転速度N1と第2回転速度N2の間のエンジン回転速度において吸気下死点BDCとされ、エンジン回転速度が第2回転速度N2のときは、中段噴射Q2の噴射開始時期は圧縮行程に含まれる時期となる。
一方、図9に示すように、低負荷側第1領域A1_aでは、後段噴射Q3の噴射開始時期は、エンジン回転速度が高いときの方が低いときよりも遅角側の時期となるように設定されている。
詳細には、エンジン回転速度が第1回転速度N1以下の領域では、後段噴射Q3の噴射開始時期は、エンジン回転速度によらず一定の時期であって圧縮行程に含まれる時期ti_5とされる。エンジン回転速度が第1回転速度N1を超えると、後段噴射Q3の噴射開始時期は、上記の時期ti_5から、エンジン回転速度が高くなるに従って徐々に進角される。エンジン回転速度が第2回転速度N2より高い領域では、後段噴射Q3の噴射開始時期は、エンジン回転速度によらず、一定の時期であってエンジン回転速度が第2回転速度N2のときの時期ti_6(エンジン回転速度が第1回転速度N1のときの上記の時期ti_5よりも進角側の時期)とされる。
(噴射量の割合)
図10は、低負荷側第1領域A1_aにおける、各噴射Q1、Q2、Q3の噴射量の割合のエンジン回転速度に対する変化を示した図である。
図10に示すように、低負荷側第1領域A1_aでは、全体として、前段噴射Q1の噴射量の割合は、エンジン回転速度が高いときの方が低いときよりも少なくなるように設定されている。
詳細には、エンジン回転速度が第1回転速度N1以下の領域では、前段噴射Q1の噴射量の割合は、エンジン回転速度によらず一定の割合であって100%に近い割合Ri_1とされる。エンジン回転速度が第1回転速度N1を超えると、前段噴射Q1の噴射量の割合は、上記の割合Ri_1から、エンジン回転速度が高くなるに従って徐々に小さくされる。エンジン回転速度が第2回転速度N2より高い領域では、前段噴射Q1の噴射量の割合は、エンジン回転速度によらず、一定の時期であってエンジン回転速度が第2回転速度N2のときの割合Ri_2(エンジン回転速度が第1回転速度N1のときの割合Ri_1よりも小さい値)とされる。例えば、上記のように、エンジン回転速度が第1回転速度N1以下のときであって運転ポイントP1_aにおける前段噴射Q1の噴射量の割合Ri_1は80%程度とされ、エンジン回転速度が第2回転速度N2より高いときであって運転ポイントP2における前段噴射Q1の噴射量の割合Ri_2は30%程度とされる。
一方、図10に示すように、低負荷側第1領域A1_aでは、全体として、中段噴射Q2の噴射量の割合は、エンジン回転速度が高いときの方が低いときよりも多くなるように設定されている。
詳細には、エンジン回転速度が第1回転速度N1以下の領域では、中段噴射Q2の噴射量の割合は、エンジン回転速度によらず一定の割合であって0に近い値Ri_3とされる。エンジン回転速度が第1回転速度N1を超えると、中段噴射Q2の噴射量の割合は、上記の割合Ri_3から、エンジン回転速度が高くなるに従って徐々に小さくされる。エンジン回転速度が第2回転速度N2より高い領域では、中段噴射Q2の噴射量の割合は、エンジン回転速度によらず、一定の時期であってエンジン回転速度が第2回転速度N2のときの割合Ri_4(エンジン回転速度が第1回転速度N1のときの割合Ri_3よりも大きい値)とされる。例えば、上記のように、エンジン回転速度が第1回転速度N1のときであって運転ポイントP1_aにおける中段噴射Q2の噴射量の割合Ri_3は10%程度とされ、エンジン回転速度が第2回転速度N2より高いときであって運転ポイントP2における中段噴射Q2の噴射量の割合Ri_4は25%程度とされる。
図10に示すように、低負荷側第1領域A1_aでは、全体として、後段噴射Q3の噴射量の割合は、エンジン回転速度が高いときの方が低いときよりも多くなるように設定されている。
詳細には、エンジン回転速度が第1回転速度N1以下の領域では、後段噴射Q3の噴射量の割合は、エンジン回転速度によらず一定の割合であって0に近い値Ri_5とされる。エンジン回転速度が第1回転速度N1を超えると、後段噴射Q3の噴射量の割合は、上記の割合Ri_5から、エンジン回転速度が高くなるに従って徐々に小さくされる。エンジン回転速度が第2回転速度N2より高い領域では、後段噴射Q3の噴射量の割合は、エンジン回転速度によらず、一定の時期であってエンジン回転速度が第2回転速度N2のときの割合Ri_6(エンジン回転速度が第1回転速度N1のときの割合Ri_5よりも大きい値)とされる。例えば、上記のように、エンジン回転速度が第1回転速度N1のときであって運転ポイントP1_aにおける後段噴射Q3の噴射量の割合R5は10%程度とされ、エンジン回転速度が第2回転速度N2より高いときであって運転ポイントP2における後段噴射Q3の噴射量の割合Ri_6は45%程度とされる。
また、図10に示すように、低負荷側第1領域A1_aでは、第1回転速度N1と第2回転速度N2の間の中間回転速度N11よりもエンジン回転速度が低いときは前段噴射Q1の噴射量の割合が最も大きくされる一方、エンジン回転速度が中間回転速度N11より高いときは後段噴射Q3の噴射量の割合が最も大きくされる。
各噴射Q1、Q2、Q3の噴射開始時期および噴射量が上記のように制御されることで、低負荷側第1領域A1_aでは、エンジン回転速度が高いときの方が低いときよりも燃料噴射の中心時期は遅角側となる。
(高負荷側第1領域A1_bのエンジン回転速度と噴射パターンとの関係)
(噴射開始時期)
図11は、高負荷側第1領域A1_bにおける、エンジン回転速度に対する各噴射Q1、Q2、Q3の噴射開始時期の変化を示した図である。
図11に示すように、高負荷側第1領域A1_bでは、全体として、前段噴射Q1の噴射開始時期は、エンジン回転速度によらず略一定となるように設定されている。
詳細には、エンジン回転速度が第1回転速度N1以下の領域では、前段噴射Q1の噴射開始時期は、エンジン回転速度によらず一定の時期であって吸気行程に含まれる時期ti_11とされる。前段噴射Q1の噴射開始時期は、エンジン回転速度が第1回転速度N1を超えると、エンジン回転速度が高くなるに従って徐々に遅角され、エンジン回転速度が第2回転速度N2より高い領域では、エンジン回転速度が高くなるに従って徐々に進角される。そして、第2回転速度N2よりも高い第3回転速度N3を超えると、前段噴射Q1の噴射開始時期は、エンジン回転速度によらず、一定の時期ti_13とされる。このように、高負荷側第1領域A1_bでは、前段噴射Q1の噴射開始時期は、エンジン回転速度が第2回転速度N2のときに最も遅角側の時期ti_12となるように設定されている。ただし、エンジン回転速度が第1回転速度N1のときの前段噴射Q1の噴射開始時期ti_11と、第2回転速度N2のときの前段噴射Q1の噴射開始時期ti_12との差は非常に小さく(この差は、例えば、20°CA以下とされる)、エンジン回転速度が第3回転速度N3のときの前段噴射Q1の噴射開始時期ti_13と、第2回転速度N2のときの前段噴射Q1の噴射開始時期ti_12との差は非常に小さく(この差は、例えば、15°CA以下とされる)、高負荷側第1領域A1_bでは、上記のように、前段噴射Q1の噴射開始時期は、エンジン回転速度によらず略一定とされる。少なくとも、高負荷側第1領域A1_bでの前段噴射Q1の噴射開始時期のエンジン回転速度に対する変化幅は、低負荷側第1領域A1_aでの前段噴射Q1の噴射開始時期のエンジン回転速度に対する変化幅に比べて十分に小さい。なお、本実施形態では、図11に示すように、エンジン回転速度が第3回転速度N3のときの前段噴射Q1の噴射開始時期ti_13は、エンジン回転速度が第1回転速度N1以下のときの前段噴射Q1の噴射開始時期ti_11よりも、わずかに進角側となっている。
図11に示すように、高負荷側第1領域A1_bでは、全体として、中段噴射Q2の噴射開始時期は、エンジン回転速度が高いときの方が低いときよりも遅角側の時期となるように設定されている。
詳細には、エンジン回転速度が第1回転速度N1以下の領域では、中段噴射Q2の噴射開始時期は、エンジン回転速度によらず一定の時期であって吸気行程に含まれる時期ti_14とされる。エンジン回転速度が第1回転速度N1を超えると、中段噴射Q2の噴射開始時期は、エンジン回転速度が高くなるに従って上記の時期ti_14から徐々に遅角される。エンジン回転速度が第2回転速度N2より高い領域では、中段噴射Q2の噴射開始時期は、エンジン回転速度によらず、ほぼ一定の時期であってエンジン回転速度が第2回転速度N2のときの時期ti_15付近の時期(エンジン回転速度が第1回転速度N1のときの上記の時期ti_14よりも遅角側の時期)とされる。中段噴射Q2の噴射開始時期は、第1回転速度N1と第2回転速度N2の間のエンジン回転速度において吸気下死点BDCとされ、エンジン回転速度が第2回転速度N2のときは、中段噴射Q2の噴射開始時期は圧縮行程に含まれる時期となる。なお、図11に示すように、エンジン回転速度が第2回転速度N2からわずかにこれよりも高い速度までの領域では、中段噴射Q2の噴射開始時期はエンジン回転速度の増大に伴ってわずかに進角側とされる。ただし、この進角量は非常に小さく、エンジン回転速度が第2回転速度N2よりも高い領域では、中段噴射Q2の噴射開始時期はエンジン回転速度によらずほぼ一定の時期とされる。
上記のように、高負荷側第1領域A1_bでは、エンジン回転速度が高いときは後段噴射Q3が停止される。本実施形態では、エンジン回転速度が第1回転速度N1を超えると後段噴射Q3は停止される。高負荷側第1領域A1_bでは、この後段噴射Q3の噴射開始時期は、エンジン回転速度が第1回転速度N1以下の領域において、エンジン回転速度によらず一定の時期であって圧縮上死点に近い時期ti_16とされる。
(噴射量の割合)
図12は、高負荷側第1領域A1_bにおける、各噴射Q1、Q2、Q3の噴射量の割合のエンジン回転速度に対する変化を示した図である。
図12に示すように、高負荷側第1領域A1_bでは、全体として、前段噴射Q1の噴射量の割合は、エンジン回転速度が高いときの方が低いときよりも多くなるように設定されている。
詳細には、エンジン回転速度が第1回転速度N1以下の領域では、前段噴射Q1の噴射量の割合は、エンジン回転速度によらず一定の割合であって100%に近い割合Ri_11とされる。エンジン回転速度が第1回転速度N1を超えると、前段噴射Q1の噴射量の割合は、エンジン回転速度が高くなるに従って、上記の割合Ri_11から徐々に小さくされる。エンジン回転速度が第2回転速度N2より高い領域では、前段噴射Q1の噴射量の割合は、エンジン回転速度によらず、一定の時期であってエンジン回転速度が第2回転速度N2のときの割合Ri_12(エンジン回転速度が第1回転速度N1のときの割合Ri_11よりも大きく、より100%に近い値)とされる。例えば、上記のように、エンジン回転速度が第1回転速度N1以下であって運転ポイントP1_bにおける前段噴射Q1の噴射量の割合Ri_11は80%程度とされ、エンジン回転速度が第2回転速度N2より高いときであって運転ポイントP3における前段噴射Q1の噴射量の割合Ri_12は90%程度とされる。
一方、図12に示すように、高負荷側第1領域A1_bでは、中段噴射Q2の噴射量の割合は、エンジン回転速度によらず常に一定の値Ri_13とされる。そして、高負荷側第1領域A1_bでは、エンジン回転速度によらず、常に、前段噴射Q1の噴射量の割合が中段噴射Q2の噴射量の割合よりも大きい値に維持される。
また、図12に示すように、高負荷側第1領域A1_bでは、後段噴射Q3の噴射量の割合は、エンジン回転速度が高いときの方が低いときよりも小さくなるように設定されている。つまり、上記のように、高負荷側第1領域A1_bでは、エンジン回転速度が第1回転速度N1より高くなると後段噴射Q3が停止されており、エンジン回転速度が第1回転速度N1以下では後段噴射Q3の噴射量の割合は0%より大きい値(例えば、10%程度)とされ、エンジン回転速度が第1回転速度N1を超える後段噴射Q3の噴射量の割合は0%とされる。
(5)スワール制御
次に、第1運転領域A1でのスワール制御の詳細について説明する。
(5−1)スワール弁の開度設定
図13は、第1運転領域A1において設定されるスワール弁18の開度の目標値(以下、目標スワール弁開度ともいう)の具体例を示すマップ図であり、図14は、負荷が一定の条件下で(図13のラインV2に沿って)回転速度を変化させた場合の目標スワール弁開度の変化を示すグラフである。これらの図に示すように、第1運転領域A1では、目標外部EGR率が概ね20〜40%の範囲で可変的に設定され、その値は高速側または高負荷側ほど高くされる。
具体的に、目標スワール弁開度は、第1運転領域A1内における最も低速かつ低負荷の基本領域c1において一律に20%に設定され、この基本領域c1よりも回転速度または負荷が高い主要領域c2において、回転速度または負荷が高くなるにつれて漸増するように設定されている。主要領域c2では、基本領域c1に近い低速・低負荷側ほど目標スワール弁開度が20%に近くなり、基本領域c1から遠い高速・高負荷側ほど目標スワール弁開度が20%より大きくされ、最大で約40%まで増大される。例えば、基本領域c1→主要領域c2の順に横切るように(図13のラインV2に沿って)回転速度が増大した場合、目標スワール弁開度は、図14に示すように、回転速度が基本領域c1に含まれる間は20%に維持され、主要領域c2に移行した後は回転速度の増大とともに略一定の割合で増大する。言い換えると、当実施形態では、エンジン回転速度に対するスワール弁18の開度(ひいてはスワール流の強さ)の変化率が、高速側の方が低速側よりも大きくなるように設定されている。
ECU100は、第1運転領域A1での運転時、上記のとおり設定された目標スワール弁開度に従って、エンジン回転速度および負荷に応じてスワール弁18の開度を制御する。
(5−2)スワール流による作用
上記のようなスワール弁18の開度制御は、スワール流を利用して燃焼室6内の混合気分布を制御する(燃料濃度差を調整する)ために行われる。すなわち、気筒軸線Zの回りを旋回するスワール流は、比較的多くの燃料を燃焼室6の中央部に集める役割を果たすので、このスワール流の強さと燃料の噴射開始時期とを適宜調整することにより、燃焼室6の径方向に所望の燃料濃度差を付与することができる。以下では、十分に強いスワール流が形成された状態で吸気行程中に燃料が噴射された場合の燃料(噴霧)の振る舞いを示しつつ、上述したスワール流の作用について詳しく説明する。
図15は、インジェクタ15から噴射された燃料(噴霧)の振る舞いをスワール流との関係で示す説明図である。図15の左端の斜視図は、燃焼室6の容積が比較的大きい吸気行程中の所定タイミングにおける燃焼室6の状態を模式的に示している。本図において、スワール弁18は実質的に閉弁されているものとする。この場合、燃焼室6には、専ら第1吸気ポート9Aから空気が導入され、図15に矢印で示すように、気筒軸線Zの周りを旋回する強いスワール流(横渦)が形成される。このスワール流は、先にも説明したとおり、タンブル流(縦渦)と合成された斜めスワール流となる。
ここで、吸排気方向と直交する方向のうちスワール弁18が設けられる側(第2吸気ポート9Bの側)を前側、スワール弁18が設けられない側(第1吸気ポート9Aの側)を後側とする。スワール弁18の閉弁によって形成されるスワール流(つまり斜めスワール流)は、第1吸気ポート9Aから燃焼室6の排気側の上部に向かって流れた後、燃焼室6の前側部分を斜め下向きに大きく旋回しながら通過し、燃焼室6の吸気側の下部へと到達する。さらに、スワール流は、燃焼室6の後側部分を斜め上向きに大きく旋回しながら通過し、燃焼室6の排気側の上部へと戻っていく。
図15の左端の斜視図における符号Dは、燃焼室6の内部をエンジンの前後方向(吸排気方向と直交する方向)に二等分する仮想面を示しており、当該斜視図の右側に位置する(a)〜(j)の各模式図は、上記仮想面Dによって分けられた燃焼室6の前側と後側の状態をそれぞれ示している。具体的に、図15の上段の5つの図(a)〜(e)は、燃焼室6の前側を流れるスワール流の上流側部分が燃料の各噴霧に及ぼす影響を時系列でしている。また、図15の下段の5つの図(f)〜(j)は、燃焼室6の後側を流れるスワール流の下流側部分が燃料の各噴霧に及ぼす影響を時系列で示している。
図15(a)〜(j)における白抜き矢印は、燃焼室6の内部に発生した斜めスワール流の主流(勢いの強い流動の中心となる部分、以下、単にスワール流ともいう)を示している。なお、スワール流の主流は、その周囲に主流と同じ方向に向かって流れる、流れの弱い副流を伴っている。その副流によって燃料の噴霧の流れが影響される場合があるが、副流の流れ方向は主流と同じであり、主流の方が勢いが強いので、副流によって燃料の噴霧が影響を受けたとしても、最終的には主流による影響が支配的となる。そのため、後述するスワール流によって混合気分布が形成される現象は、副流によってはほとんど変化しない。
まず、燃焼室6の前側に噴射された燃料の振る舞いについて説明する。図15(a)は、インジェクタ15から燃料が噴射された直後における燃焼室6の前側の状態を示している。この燃料噴射により、燃焼室6の前側には5つの噴霧f1〜f5が同時に形成されるが、この時点ではいずれの噴霧f1〜f5もスワール流には到達していない。なお、図15において、噴霧f1〜f5は、それぞれの噴霧の中心線L1〜L5(図15(b)および図2参照)に沿った矢印として示している。同様に、後述する噴霧f6〜f10も、それぞれの噴霧の中心線L6〜L10(図15(g)および図2参照)に沿った矢印として示している。
図15(b)に示すように、上記前側の噴霧f1〜f5のうち、スワール流までの距離が最も短い噴孔から噴射された燃料の噴霧f1が、最初にスワール流に到達する。次いで、図15(c)に示すように、スワール流までの距離が2番目に短い噴孔から噴射された燃料の噴霧f2がスワール流に到達する。この噴霧f2がスワール流に到達する位置は、先に噴霧f1がスワール流に到達した位置よりも下流側となる。一方、噴霧f1はスワール流と共に下流側に移動してくる。このため、噴霧f2がスワール流に到達したとき、当該噴霧f2は、スワール流とともに移動してきた噴霧f1と合流することになる。
次いで、図15(d)に示すように、スワール流までの距離が3番目に短い噴孔から噴射された燃料の噴霧f3が、上記噴霧f2のスワール流への到達位置よりも下流側でスワール流に到達する。このとき、噴霧f3は、スワール流と共に流れてきた合流後の噴霧f1,f2と合流する。
次いで、図15(e)に示すように、スワール流までの距離が4番目に短い噴孔から噴射された燃料の噴霧f4がスワール流に到達する。図例では、この噴霧f4は、燃焼室6の下端部でスワール流に到達している。このとき、噴霧f4は、スワール流と共に流れてきた合流後の噴霧f1,f2,f3と合流する。
また、上記噴霧f4に隣接する(最も吸気側の)噴霧f5は、図15(d)に示すように、まず燃焼室6の壁面6aに到達する。壁面6aに到達した噴霧f5は、図15(d)(e)に示すように、当該壁面6aに沿って下方に移動することでスワール流に到達する。このとき、噴霧f5は、スワール流と共に流れてきた合流後の噴霧f1,f2,f3,f4と合流する。
このように、当実施形態では、スワール流が形成された燃焼室6の前側にインジェクタ15から複数の燃料(噴霧f1〜f5)が放射状に噴射されることにより、スワール流に先に到達した燃料(例えば噴霧f1)が当該スワール流に沿って下流側に移動した後、スワール流に遅れて到達した別の燃料(例えば噴霧f2)と合流するようになっている。当実施形態では、インジェクタ15から燃焼室6の前側に噴射された燃料(噴霧f1〜f5)の全量が、このメカニズムによってスワール流上で合流することになる。このことは、燃料濃度の濃いリッチな混合気の形成につながる。
次に、燃焼室6の後側に噴射された燃料の振る舞いについて説明する。下段の図15(f)は、インジェクタ15から燃料が噴射された直後における燃焼室6の後側の状態を示している。この燃料噴射により、燃焼室6の後側には5つの噴霧f6〜f10が同時に(かつ上述した前側の噴霧f1〜f5と同時に)形成されるが、この時点ではいずれの噴霧f6〜f10もスワール流には到達していない。
図15(g)に示すように、上記後側の噴霧f6〜f10のうち、スワール流までの距離が最も短い噴孔から噴射された燃料の噴霧f10が、最初にスワール流に到達する。次いで、図15(h)に示すように、スワール流までの距離が2番目に短い噴孔から噴射された燃料の噴霧f9がスワール流に到達する。この噴霧f9がスワール流に到達する位置)は、先に噴霧f10がスワール流に到達した位置よりも上流側となる。
噴霧f9がスワール流に到達したとき、先にスワール流に到達した噴霧f10は、スワール流と共に既に下流側に幾分移動している。すなわち、噴霧f10は、自身がスワール流に到達した時点からその後に噴霧f9がスワール流に到達するまでの時間を利用して、噴霧f9から遠ざかる方向に移動しており、噴霧f9とは合流しない。噴霧f9がスワール流に到達した後、この噴霧f9はスワール流と共に下流側へと移動するが、その間噴霧f10はさらに下流側へと移動しているので、いずれにせよ噴霧f9が噴霧f10と合流することはない。このように、噴霧f9と噴霧f10とは、互いに離れた状態を保持しつつスワール流に沿って移動する。
次いで、図15(i)に示すように、スワール流までの距離が3番目に短い噴孔から噴射された燃料の噴霧f8が、上記噴霧f9のスワール流への到達位置よりも上流側でスワール流に到達する。このとき、先にスワール流に到達した噴霧f9,f10はスワール流と共に下流側に移動しているので、これら噴霧f9,f10が噴霧f8と合流することはない。
このように、当実施形態では、スワール流が形成された燃焼室6の後側にインジェクタ15から複数の燃料(噴霧f8〜f10)が放射状に噴射されることにより、スワール流に先に到達する燃料(例えば噴霧f10)と後に到達する燃料(例えば噴霧f8,f9)とが合流せずに互いに分離するようになっている。当実施形態では、インジェクタ15から噴射された燃料の約30%がこのメカニズムによって拡散させられる。このことは、燃料が薄く広がった均質な混合気の形成につながる。
燃焼室6の後側に噴射された燃料(噴霧f6〜f10)のうち、互いに分離する上記噴霧f8〜f10以外の他の燃料、つまり噴霧f6,f7については、燃焼室6の前側に噴射された燃料の噴霧f1〜f5と合流する。
例えば、後側の噴霧f6〜f10のうち、スワール流までの距離が4番目に短い噴孔から噴射された燃料の噴霧f7は、図15(j)に示すように、燃焼室6の下端部にてスワール流に到達する。燃焼室6の下端部では、先に説明したメカニズムによって前側の噴霧f1〜f5が合流しているので(図15(e)参照)、噴霧f7は、これら合流後の噴霧f1〜f5と合流する。
上記噴霧f7に隣接する(最も吸気側の)噴霧f6は、図15(i)に示すように、まず燃焼室6の壁面6aに到達する。壁面6aに到達した噴霧f6は、図15(i)(j)に示すように、壁面6aに沿って下方に移動することでスワール流に到達する。このとき、噴霧f6は、上記噴霧f7および上記前側の噴霧f1〜f5と合流する。これにより、当実施形態では、インジェクタ15で噴射された燃料の約70%がスワール流上で合流するようになっている。
図15の右端の斜視図は、インジェクタ15から噴射された燃料(噴霧f1〜f10)の全てがスワール流に到達した直後における燃焼室6の状態を模式的に示している。本図に示すように、インジェクタ15から噴射された燃料の大部分(70%)がスワール流上で合流する当実施形態では、スワール流に沿って十分に燃料濃度の濃い(リッチな)混合気が形成される。このリッチな混合気は、スワール流と共に燃焼室6内を周方向に移動しながら、次第に燃焼室6の中心側に向かっていく。
図16は、スワール流と共に移動する混合気を燃焼室6の上方から見た図である。本図に示すように、燃焼室6内に形成されるスワール流は、吸気行程の進行とともに十分に成長するが、その後は空気抵抗を受けて減衰し、次第に拡散しながら燃焼室6の中心側へと移動する。
図16(a)は、燃料の噴霧f1〜f7が合流してリッチな混合気(微細ドットによる着色領域)が形成された状態を示している。図中に矢印で示すように、このリッチな混合気は、上記のように流動変化するスワール流と共に移動することにより、次第に拡散しながら燃焼室6の中心側に向かっていく。これにより、図16(b)に示すように、燃焼が開始される直前のタイミングにおいて、燃焼室6の中央部に比較的リッチな混合気が偏在させられる。
図16(c)は、互いに合流しない噴霧f8〜f10によって燃料濃度の薄い(リーンな)混合気が形成された状態を示している。図中に矢印で示すように、このリーンな混合気は、スワール流と共に移動することにより、十分に拡散しながら燃焼室6の中心側に向かっていく。これにより、図16(d)に示すように、燃焼が開始される直前のタイミングにおいて、燃焼室6の全体に拡がった比較的リーンな混合気が形成される。
図16(e)は、同図(b)(d)に示した混合気を重ね合わせた状態を示している。本図に示すように、互いに合流する噴霧f1〜f7により形成された混合気(図16(b))と、互いに拡散する噴霧f8〜f10により形成された混合気(図16(d))とが合わさることにより、燃焼室6には、中央部の方が外周部よりも燃料濃度が濃くなる成層化された混合気が形成される。すなわち、燃焼室6の中央部に相対的に燃料濃度の濃いリッチな混合気が形成されるとともに、燃焼室6の外周部に相対的に燃料濃度の薄いリーンな混合気が形成される。
以上説明したようなスワール流による作用は、吸気行程という比較的早いタイミングで燃料を噴射した場合でも、火花点火の時点(SPCCI燃焼の開始時点)での混合気をある程度成層化でき、燃焼室6の中央部に相対的にリッチな混合気を形成できることを意味する。そして、このような混合気の成層化は、スワール流が強いほど顕著になる。
例えば、第1運転領域A1内の運転ポイントP1_aでは、上述したように吸気行程中に燃料の大半が噴射されるが(図8のチャート(a)参照)、運転ポイントP1のように十分に低速かつ低負荷のポイントでは、図8に示したように、スワール弁18が最も低開度(20%)に設定されて十分に強いスワール流が形成されるので、上記のように燃料の大半を吸気行程中に噴射した場合でも、燃料分布は均一化されず、燃焼室6の中央部の方が外周部よりも燃料濃度が濃くなる。しかも、運転ポイントP1_aでは、圧縮行程の後期に追加の燃料が噴射されるので、この噴射燃料が燃焼室6の中央部に加わる結果、混合気の成層化がより顕著になる。その結果、運転ポイントP1_aでは、空燃比(A/F)が中央部で20以上30以下、外周部で35以上という、十分に成層化された混合気が形成されることになる。このような混合気の成層化は、火花点火後の火炎の成長に有利に働く。すなわち、点火プラグ16による火花点火は、燃焼室6の中央部の混合気に作用して火炎核を形成するが、上記のとおり当該中央部の空燃比が相対的にリッチであることにより、火炎核の成長が促進されて、その後の燃焼の進行が安定化する。
(6)SI率について
上述したように、当実施形態では、SI燃焼とCI燃焼とをミックスしたSPCCI燃焼が第1運転領域A1および第2運転領域A2において実行されるが、このSPCCI燃焼では、SI燃焼とCI燃焼との比率を運転条件に応じてコントロールすることが重要になる。
ここで、当実施形態では、上記比率として、SPCCI燃焼(SI燃焼およびCI燃焼)による全熱発生量に対するSI燃焼による熱発生量の割合であるSI率を用いる。図6の波形における変曲点Xは、燃焼形態がSI燃焼からCI燃焼に切り替わるときに現れる変曲点であり、この変曲点Xに対応するクランク角θciを、CI燃焼の開始時期と定義することができる。そして、このθci(CI燃焼の開始時期)よりも進角側に位置する熱発生率の波形の面積R1をSI燃焼による熱発生量とし、θciよりも遅角側に位置する熱発生率の波形の面積R2をCI燃焼による熱発生率とする。これにより、(SI燃焼による熱発生量)/(SPCCI燃焼による熱発生量)で定義される上述したSI率は、上記各面積R1,R2を用いて、R1/(R1+R2)で表すことができる。つまり、当実施形態では、SI率=R1/(R1+R2)である。
CI燃焼の場合は混合気が自着火により同時多発的に燃焼するため、火炎伝播によるSI燃焼と比べて熱発生率が高くなり易く、大きな騒音が発生し易い。このため、SPCCI燃焼におけるSI率(=R1/(R1+R2))は、総じて、負荷が高いほど大きくすることが望ましい。これは、負荷が高い場合は低い場合に比べて、燃料の噴射量が多く燃焼室6内でのトータルの熱発生量が大きいため、SI率を小さくする(つまりCI燃焼の割合を増やす)と大きな騒音が発生するからである。逆に、CI燃焼は熱効率の面では優れているため、騒音が問題にならない限り、できるだけ多くの燃料をCI燃焼させるのが好ましい。このため、SPCCI燃焼におけるSI率は、総じて、負荷が低いほど小さくする(つまりCI燃焼の割合を増やす)ことが望ましい。このような観点から、当実施形態では、負荷が高いほどSI率が大きくなるように(言い換えると負荷が低いほどSI率が小さくなるように)、目標とするSI率(目標SI率)がエンジンの運転条件ごとに予め定められている。また、これに対応して、当実施形態では、目標SI率に適合する燃焼が行われた場合のCI燃焼の開始時期である目標θciが、やはりエンジンの運転条件ごとに予め定められている。
目標SI率および目標θciを実現するには、点火時期、燃料の噴射量/噴射開始時期、およびEGR率(外部EGR率、内部EGR率)といった制御量を運転条件ごとに調整する必要がある。例えば、点火時期が進角されるほど、多くの燃料がSI燃焼により燃焼することになり、SI率が高くなる。また、燃料の噴射開始時期が進角されるほど、多くの燃料がCI燃焼により燃焼することになり、SI率が低くなる。あるいは、EGR率の増大に伴って燃焼室6の温度が高くなるほど、多くの燃料がCI燃焼により燃焼することになり、SI率が低くなる。さらに、SI率の変化はθciの変化を伴うので、これらの各制御量(点火時期、噴射開始時期、EGR率等)の変化は、θciを調整する要素となる。
上記のような傾向に基づいて、当実施形態では、点火時期、燃料の噴射量/噴射開始時期、外部EGR率、およびバルブタイミング(ひいては内部EGR率)等の各目標値が、上述した目標SI率および目標θciを実現可能な組合せになるように運転条件ごとに予め定められている。SPCCI燃焼による運転時(つまり第1・第2運転領域A1,A2での運転時)、ECU100は、これら制御量の目標値に基づいて、インジェクタ15、点火プラグ16、EGR弁53、吸・排気VVT13a,14a等を制御する。例えば、点火時期の目標値に基づいて点火プラグ16を制御するとともに、燃料の噴射量/噴射開始時期の目標値に基づいてインジェクタ15を制御する。また、燃焼室6の外部EGR率およびバルブタイミング(内部EGR率)の各目標値に基づいてEGR弁53および吸・排気VVT13a,14aを制御し、EGR通路51を通じた排気ガス(外部EGRガス)の還流量や内部EGRによる既燃ガス(内部EGRガス)の残留量を調整する。
(7)目標θciに基づいた制御
上述したように、当実施形態では、点火時期、燃料の噴射量/噴射開始時期、およびEGR率といった制御量の各目標値が、SI率およびθciがそれぞれの目標値(目標SI率および目標θci)に一致するように予め定められているが、仮に上記各制御量(点火時期等)を目標通りに制御しても、SI率およびθciが目標通りになるとは限らない。そこで、当実施形態では、燃焼サイクルごとにCI燃焼の開始時期つまりθciを特定し、特定したθciに基づいて点火時期を調整するようにしている。
図17は、SPCCI燃焼による運転時、つまり図5に示した第1運転領域A1または第2運転領域A2での運転時にECU100によって行われる制御の詳細を示すフローチャートである。このフローチャートに示す制御がスタートすると、ECU100は、ステップS1において、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、アクセルセンサSN9の検出値(アクセル開度)やエアフローセンサSN3の検出値(吸気流量)等から特定されるエンジン負荷とに基づいて、インジェクタ15からの燃料の噴射量および噴射開始時期を決定する。なお、ここで決定される燃料の噴射量/噴射開始時期は、上述した目標θciを実現するためにエンジンの運転条件ごとに予め定められた噴射量/噴射開始時期である。
次いで、ECU100は、ステップS2に移行して、吸気弁11が閉弁されたか(開→閉に切り替わったか)否かを判定する。当実施形態では、エンジンの運転条件ごとにバルブタイミングが予め定められているので、吸気弁11が閉弁されるタイミング(以下、IVCという)も運転条件ごとに予め分かっている。ECU100は、運転条件ごとに定められたIVCを過ぎたか否かをクランク角センサSN1の検出値に基づき判定し、IVCを過ぎた場合に吸気弁11が閉弁されたと判定する。
上記ステップS2でYESと判定されて吸気弁11が閉弁されたことが確認された場合、ECU100は、ステップS3に移行して、EGR率および筒内温度(燃焼室6の内部温度)を推定する。具体的に、ECU100は、吸気弁11が閉弁された時点(つまりIVC)にて筒内圧センサSN2により検出された筒内圧力と、IVC以前にエアフローセンサSN3により検出された吸気(新気)の流量と、IVC以前に差圧センサSN8により検出されたEGR弁53の前後差圧とを含む各種パラメータに基づいて、EGR率(外部EGR率および内部EGR率)を推定する。また、推定されたEGR率と、第2吸気温センサSN6による検出値とに基づいて、筒内温度を推定する。
なお、既に説明したとおり、当実施形態では、外部EGR率およびバルブタイミング(内部EGR率)の各目標値が予め定められており、これに合わせてEGR弁53の開度および吸・排気VVT13a,14aが制御される。しかしながら、実際の外部EGR率および内部EGR率は様々な事情で変動すると考えられ、このようなEGR率の変動や、それに伴う筒内温度の変動は、CI燃焼の開始時期(θci)およびSI率に影響を及ぼす。そこで、このような影響を考慮して点火時期を調整するべく、当実施形態では、上記ステップS3において、実際のEGR率および筒内温度を燃焼サイクルごとに推定するようにしている。
次いで、ECU100は、ステップS4に移行して、クランク角センサSN1の検出値に基づいて、予め定められた特定クランク角が到来したか否かを判定する。この特定クランク角は、点火プラグ16による点火時期を決定するタイミングとして予め定められたものであり、IVCから圧縮上死点までの間の適宜のタイミング(例えば圧縮上死点前60°CA程度)に定められている。
上記ステップS4でYESと判定されて特定クランク角が到来したことが確認された場合、ECU100は、ステップS5に移行して、目標θciを実現するための点火時期を決定する。
具体的に、上記ステップS5において、ECU100は、目標θciに対応して定められた点火時期の当初の目標値(以下、デフォルト点火時期という)と、上記ステップS3で求められたEGR率および筒内温度の各推定値とに基づいて、目標θciを実現するための点火時期を決定する。
上記点火時期の決定のために、当実施形態では、推定されたEGR率および筒内温度に基づいて点火時期の補正量を決定するモデル式が予め用意されている。例えば、推定されたEGR率および筒内温度がその目標値から大きくずれているほど、デフォルト点火時期から大きくずらした時期を上記点火時期として決定する必要がある。一方、上記ステップS1で説明したとおり、当実施形態では、燃料の噴射量/噴射開始時期として当初の目標値がそのまま採用されるので、これら燃料の噴射量/噴射開始時期の目標値に対するずれ量は考慮しなくてよい。そこで、当実施形態では、上記モデル式として、EGR率および筒内温度の各目標値に対するずれ量を入力要素とし、点火時期の補正量を出力要素とする演算式が予め用意されている。すなわち、EGR率および筒内温度の各目標値に対するずれ量を上記モデル式に入力すれば、θciを目標θciに一致させるために必要な点火時期の補正量(デフォルト点火時期に対する補正量)を求めることができる。上記ステップS5では、このようにモデル式により求められた補正量の分だけデフォルト点火時期から遅角または進角させた時期を、最終的な点火時期として決定する。なお、上記ステップS3で推定されたEGR率および筒内温度が目標値と同一である場合には、デフォルト点火時期がそのまま点火時期として採用されることになる。
次いで、ECU100は、ステップS6に移行して、上記ステップS5で決定された点火時期にて点火プラグ16に火花点火を行わせ、この火花点火をきっかけに混合気をSPCCI燃焼させる。
次いで、ECU100は、ステップS7に移行して、SPCCI燃焼の燃焼期間(燃焼開始から終了までの期間)と重複する所定期間に亘り検出される筒内圧力に基づいてθci(CI燃焼の開始時期)を算出するとともに、算出したθciに基づいて、上記ステップS5で用いられるモデル式を修正する。すなわち、ECU100は、上記所定期間中に筒内圧センサSN2により検出された筒内圧力の波形に基づいて、燃焼に伴う熱発生率をクランク角ごとに算出するとともに、このクランク角ごとの熱発生率のデータに基づいて、SI燃焼からCI燃焼に切り替わった時期(図6の変曲点Xに対応する時期)をθciとして特定する。そして、この特定したθciと上述した目標θciとのずれ量を算出するとともに、算出したずれ量に基づいて、点火時期(目標θciを実現するための点火時期)を決定するための上述したモデル式を修正する。このモデル式の修正は、次回以降に同様の条件下で点火時期を決定するときの精度の向上につながる。
(8)作用効果
以上説明したように、当実施形態では、A/Fリーン環境下でのSPCCI燃焼が行われる第1運転領域A1のうち低負荷側の低負荷側第1領域A1_aにおいて、後段噴射Q3の噴射量の割合をエンジン回転速度が高いときの方が低いときよりも大きくするので、エンジン回転速度によらず良好な燃焼安定性を確保できるという利点がある。
すなわち、エンジン回転速度が高いときは低いときに比べてピストン5の移動速度が速いので、火花点火後に燃焼室6が急膨張する結果、火炎核の成長が阻害され易いといえる。これに対し、上記実施形態では、低負荷側第1運転領域A1_a内の高速側において、後段噴射Q3の噴射量の割合が、低速側よりも大きくされるので、エンジン回転速度が高いときに、圧縮上死点の近傍で実施される点火時期に、燃焼室6内に形成される局所的な混合気の燃料濃度を高くすることができる。これにより、エンジン回転速度が高く火花点火後の燃焼室の膨張速度が速い(そのために火炎核が成長し難い)条件であっても、火炎核を生成および成長を促進してSI燃焼を安定的に進行させてその後のCI燃焼を確実に引き起こすことができ、CI燃焼の開始時期(θci)がサイクルごとに大きくバラつくような事態を回避することができる。以上により、上記実施形態によれば、エンジン回転速度が高くても低くても、安定した部分圧縮着火燃焼を実現することができる。
また、上記実施形態では、低負荷側第1運転領域A1_aにおいて高速側では、前段噴射Q1と後段噴射Q3とがともに圧縮行程に実施される。
そのため、前段噴射Q1あるいは前段噴射Q1と後段噴射Q3とが吸気行程に実施される場合に比べて、これら噴射Q1、Q3によって、燃焼室6の中央部により確実に燃料濃度の高い混合気を形成できる。従って、エンジン回転速度が高いときに、火炎核をより確実に生成および成長させることができる。
具体的には、上記実施形態では、スワール流によって吸気行程に噴射した燃料を燃焼室の中央部に集めることができる。しかしながら、上述したように、スワール流は吸気行程の進行とともに成長した後は空気抵抗を受けて減衰し次第に拡散していく。そのため、エンジン回転速度が高く、燃焼室6の中央部に燃料濃度の高い混合気をより確実に形成する必要(燃焼室6の中央部の混合気の燃料濃度をより高める必要)がある場合には、スワール流による前記作用だけでは不十分になるおそれがある。これに対して、上記実施形態では、低負荷側第1運転領域A1_a内の高速側において、スワール流による効果と、前段噴射Q1と後段噴射Q3とをともに圧縮行程で実施していることで圧縮上死点までに前段噴射Q1と後段噴射Q3との燃料噴霧が燃焼室6全体に拡散するのが抑制されるという効果とが相俟って、燃焼室6の中央部に燃料濃度の高い混合気をより確実に形成する(燃焼室6の中央部の混合気の燃料濃度をより高める)ことができる。
ここで、エンジン回転速度が低いときは、火花点火後の燃焼室6の膨張が比較的緩やかであるため、火炎核が生成および成長しやすい。そのため、エンジン回転速度が低いときは、吸気行程で前段噴射Q1を行い圧縮行程で燃焼室6に供給される燃料の量を少なくしても、適切にSPCCI燃焼を実現することができる。
これに対して、上記実施形態では、低負荷側第1領域A1において、エンジン回転速度が低いときは、前段噴射Q1が吸気行程に実施されて後段噴射Q3が圧縮行程に実施されるようにインジェクタ15が制御される。そのため、適切にSPCCI燃焼を実現できる。
また、上記実施形態では、第1運転領域A1での運転時に、スワール弁18の開度が比較的低い開度(20〜40%程度)まで低減された状態、つまり燃焼室6内に比較的強いスワール流が形成された状態で、燃焼室6の天井中央部に位置する多噴孔型のインジェクタ15から適宜のタイミング(噴霧がスワール流に到達するタイミング)で放射状に燃料が噴射され、それによって燃焼室6の中央部の方が外周部よりも燃料濃度が濃くなる成層化された混合気が形成されるようになっている(図15、図11参照)。このような構成によれば、燃焼室6の中央部に形成された相対的にリッチな混合気中に、点火プラグ16を用いた火花点火によって確実に火炎核を形成することができ、SI燃焼およびその後のCI燃焼を安定化させることができる。
特に、上記実施形態では、上記スワール流として、気筒軸線Zと直交する面と非平行に流れる斜めスワール流が形成されるとともに、このスワール流に先に到達した燃料(例えば噴霧f1)が当該スワール流に沿って下流側に移動した後、スワール流に遅れて到達した別の燃料(例えば噴霧f2)と合流するように、インジェクタ15の各噴孔の位置および向きが設定されている。これにより、スワール流が最終的に向かう先である燃焼室6の中央部に燃料濃度の濃い(相対的にリッチな)混合気が確実に形成されるので、上述した混合気の成層化を一層促進することができる。
また、上記実施形態では、低負荷側第1領域A1_aにおいて、前段噴射Q1の噴射量の割合が、エンジン回転速度が高いときの方が低いときよりも小さくなり、且つ、後段噴射Q3の噴射量の割合が、エンジン回転速度が高いときの方が低いときよりも大きくなるよう、インジェクタ15が制御される。
そのため、低負荷側第1領域A1_aの高速側において、より一層確実に点火時期に燃焼室6内に形成される局所的な混合気の燃料濃度を高くすることができ、CI燃焼をより一層確実に引き起こすことができる。
また、上記実施形態では、高負荷側第1領域A1_bにおいて、スワール流を発生させるとともに、後段噴射Q3の噴射量の割合が、エンジン回転速度が高いときの方が低いときよりも小さくなるようにインジェクタ15が制御される。
この構成によれば、高負荷側第1領域A1_bの高速側において、より確実に適切なCI燃焼を実現できる。つまり、エンジン負荷が高いと燃焼室に噴射される燃料量は多くなる。そして、エンジン回転速度が高いと1クランク角あたりの時間は短くなる。そのため、仮に、エンジン負荷が高くエンジン回転速度が高いときに後段噴射Q3の噴射量の割合を多くすると、点火時期までに燃料が十分に気化せずに煤等が増大するおそれがある。従って、前記のように構成すれば、エンジン負荷・エンジン回転速度が比較的高い高負荷側第1領域A1_bの高速側において、煤等の増大を抑制して適切なCI燃焼を実現できる。
また、上記実施形態では、第1運転領域A1において、燃焼室6内の空気と燃料との割合である空燃比(A/F)が理論空燃比よりも大きくなるA/Fリーン環境を形成しつつSPCCI燃焼を行わせる制御が実行されるので、この第1運転領域A1において、混合気の比熱比が大きい熱効率に有利な環境下でSPCCI燃焼を行わせることができ、エンジンの燃費性能を効果的に向上させることができる。
すなわち、オットーサイクルエンジンを仮定した場合、その理論上の熱効率は、エンジンの圧縮比と混合気の比熱比だけで決まり、圧縮比および比熱比のいずれが大きくても大きくなる。一方、比熱比は、混合気中の気体分子を構成する原子数が多いほど小さくなることが知られている。例えば、空気(新気)に主に含まれるNやO等の2原子分子よりも、EGRガスに多く含まれるCOやHO等の3原子分子の方が比熱比が小さい。このことから、上記第1運転領域A1においてA/Fリーン環境を形成し、理論空燃比相当の空気量よりも多くの空気を燃焼室6に導入した場合には、混合気中の2原子分子の割合を増大させて比熱比を大きくすることができ、それによって熱効率を向上させることができる。
また、上記実施形態では、SPCCI燃焼の実行時(第1・第2運転領域A1,A2での運転時)に、CI燃焼の開始時期であるθciがエンジンの運転条件ごとに予め定められた目標θciに一致するように、言い換えると、θciと相関するSI率(全熱発生量に対するSI燃焼による熱発生量の割合)が目標SI率に一致するように、点火プラグ16による点火時期が調整されるので、燃焼騒音が過大にならない範囲でできるだけCI燃焼の割合を増やす(つまりSI率を低くする)ことができ、SPCCI燃焼による熱効率を可及的に高めることができる。
(9)変形例
上記実施形態では、低負荷側第1領域A1_aにおいて3回の噴射を行った場合について説明したが、低負荷側第1領域A1_aにおける噴射の回数はこれに限らない。
また、高負荷側第1領域A1_bの低速側の噴射回数および高速側の噴射回数は上記(3回と2回)に限らない。例えば、高負荷側第1領域A1_bの高速側においても低速側と同様の回数の噴射(例えば、3回)を行ってもよい。ただし、前記のように、高負荷側第1領域A1_bの高速側の噴射の回数を低速側の噴射の回数よりも少なくすれば、低速側において適切な混合気を形成しつつ高速側において過度に燃料濃度の高い混合気が形成されるのを抑制できる。
また、低負荷側第1領域A1_aの低速側・高速側および高負荷側第1領域A1_bの低速側・高速側のそれぞれについて、各噴射Q1、Q2、Q3の具体的な噴射時期および噴射量の割合は前記に限らない。
上記実施形態では、エンジン本体1により機械的に駆動される過給機33を吸気通路30に設けたが、このような機械式の過給機33(スーパーチャージャ)に代えて、電気モータで駆動される電動過給機や、排気ガスのエネルギーにより駆動されるターボ過給機を設けてもよい。
上記実施形態では、円錐状の隆起部20aを囲むような平面視ドーナツ状のキャビティ20をピストン5の冠面に設けたが、キャビティ20のうち点火プラグ16と対向する部分の凹部、つまり隆起部20aよりも吸気側に位置する部分の凹部を、これとは反対側(排気側)の凹部よりも小さくなるように形成してもよい。このようにすれば、インジェクタ15から圧縮行程の後期に燃料を噴射したときに、燃料の噴霧をより迅速に点火プラグ16の電極の近傍に移動させることができる。
上記実施形態では、燃焼室6に既燃ガスを残留させる内部EGRを行う際に、排気上死点を跨いで吸・排気弁11,12の双方が開弁するバルブオーバーラップ期間が形成されるように吸・排気VVT13a,14aを制御したが、これとは逆に、排気上死点を跨いで吸・排気弁11,12の双方が閉弁するいわゆるネガティブオーバーラップ期間を形成することで内部EGRを行うことも可能である。
上記実施形態では、吸気VVT13a(排気VVT14a)として、吸気弁11(排気弁12)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を用いたが、吸気VVT13aは、吸気弁11の閉時期を固定したまま開時期のみを変更するタイプの可変機構であってもよいし、排気VVT14aは、排気弁12の開時期を固定したまま閉時期のみを変更するタイプの可変機構であってもよい。
上記実施形態では、1つの気筒2に対し設けられた2つの吸気ポート9A,9Bの一方(第2吸気ポート9B)にスワール弁18を設け、このスワール弁18の開度を増減させることによってスワール流の強度を調整するようにしたが、スワール流の強度を調整する方法はこれに限られない。例えば、第1吸気ポート9Aを開閉する吸気弁11のリフト量と、第2吸気ポート9Bを開閉する吸気弁11のリフト量とに差を持たせたり、これら2つの吸気弁11の開閉タイミングに差をもたせたりすることにより、スワール流の強度を調整することも可能である。
上記実施形態では、燃焼騒音と熱効率とがバランスする最適なSI率(目標SI率)およびこれに対応するCI燃焼の開始時期(目標θci)をエンジンの運転条件(回転速度/負荷)ごとに予め定めておき、SPCCI燃焼の実行時には、当該目標SI率および目標θciを得るために必要な点火時期(その目標値からの補正量)を、点火前の所定タイミングにおける筒内状態量(EGR率、温度等)からモデル式を用いて求めるようにしたが、点火時期に代えて、もしくは点火時期に加えて、インジェクタ15からの燃料の噴射時期を調整してもよい。あるいは燃料の噴射時期と噴射量の双方を調整してもよい。
上記実施形態では、SPCCI燃焼の実行時に、筒内圧センサSN2により検出される筒内圧力の波形に基づいてCI燃焼の開始時期(θci)を算出し、算出したθciに基づいて、点火時期を補正するための上記モデル式を修正するようにしたが、θciに代えて、もしくはθciに加えて、SI燃焼の割合であるSI率を算出し、このSI率に基づいて上記モデル式を修正するようにしてもよい。
なお、上記のように各回の燃焼のSI率を算出する場合、このSI率を算出する具体的な方法は種々考えられる。
例えば、筒内圧センサSN2による検出波形から各クランク角時点での熱発生率を算出し、算出した熱発生率のデータ(波形)に基づいて、図6に示した面積R1,R2をそれぞれ算出してもよい。この場合、既に説明したとおり、SI率=R1/(R1+R2)として算出することができるが、これに代えて、SI率=R1/R2としてもよい。
もしくは、図17に示すΔθ1、Δθ2を用いてSI率を算出してもよい。すなわち、SI燃焼のクランク角期間(変曲点Xよりも進角側のクランク角期間)をΔθ1、CI燃焼のクランク角期間(変曲点Xよりも遅角側のクランク角期間)をΔθ2としたときに、SI率=Δθ1/(Δθ1+Δθ2)、もしくはSI率=Δθ1/Δθ2としてもよい。
あるいは、SI燃焼の熱発生率のピークをΔH1、CI燃焼の熱発生率のピークをΔH2としたときに、SI率=ΔH1/(ΔH1+ΔH2)、もしくはSI率=ΔH1/ΔH2としてもよい。
1 エンジン本体
6 燃焼室
15 インジェクタ
16 点火プラグ
18 スワール弁(スワール発生部)
40 排気通路
100 ECU(制御部)

Claims (6)

  1. 燃焼室に燃料を供給するインジェクタと、インジェクタから供給された燃料と空気とが混合された混合気に点火する点火プラグとを備え、上記混合気の一部を上記点火プラグを用いた火花点火によりSI燃焼させた後に他の混合気を自着火によりCI燃焼させる部分圧縮着火燃焼が実行可能な圧縮着火式エンジンの制御装置であって、
    前記燃焼室にスワール流を発生させるスワール発生部と、
    前記インジェクタと前記スワール発生部とを制御する制御部とを備え、
    前記制御部は、部分圧縮着火燃焼の実行中に、前記スワール発生部によりスワール流を発生させつつ、所定の量の燃料を前記燃焼室に噴射する前段噴射と当該前段噴射の後に前記燃焼室に燃料を噴射する後段噴射とを前記インジェクタに実施させ、且つ、1燃焼サイクル中に前記燃焼室内に噴射される燃料の総量に対する前記後段噴射の噴射量の割合をエンジン回転速度が高いときの方が低いときよりも大きくする、ことを特徴とする圧縮着火式エンジンの制御装置。
  2. 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、
    前記制御部は、スワール流を発生させ且つ前記後段噴射の噴射量の割合をエンジン回転速度が高い側で大きくさせる上記様態による部分圧縮着火燃焼の実行中に、エンジン回転速度が高いときは、前記前段噴射と前記後段噴射とが圧縮行程に実施されるように前記インジェクタを制御する、ことを特徴とする圧縮着火式エンジンの制御装置。
  3. 請求項1または2に記載の圧縮着火式エンジンの制御装置において、
    前記制御部は、スワール流を発生させ且つ前記後段噴射の噴射量の割合をエンジン回転速度が高い側で大きくさせる上記様態による部分圧縮着火燃焼の実行中に、エンジン回転速度が低いときは、前記前段噴射が吸気行程に実施されて前記後段噴射が圧縮行程に実施されるように前記インジェクタを制御する、ことを特徴とする圧縮着火式エンジンの制御装置。
  4. 請求項1〜3のいずれかに記載の圧縮着火式エンジンの制御装置において、
    前記インジェクタは、前記燃焼室の天井中央部に配置されるとともに、周方向に離間した少なくとも第1噴孔および第2噴孔を有し、
    前記第1噴孔および第2噴孔からは同時に燃料が噴射され、
    前記スワール流は、前記燃焼室の中心軸と直交する面と非平行に流れる斜めスワール流であり、
    前記第1噴孔から噴射されて前記スワール流に到達した第1の燃料が、前記スワール流に沿って下流側に移動した後、前記第2噴孔から噴射されて前記スワール流に到達する第2の燃料と合流するように、前記第1噴孔および第2噴孔の位置および向きが設定されている、ことを特徴とする圧縮着火式エンジンの制御装置。
  5. 請求項1〜4のいずれかに記載の圧縮着火式エンジンの制御装置において、
    前記制御部は、スワール流を発生させ且つ前記後段噴射の噴射量の割合をエンジン回転速度が高い側で大きくさせる上記様態による部分圧縮着火燃焼の実行中に、1燃焼サイクル中に前記燃焼室内に噴射される燃料の総量に対する前記前段噴射の噴射量の割合が、エンジン回転速度が高いときの方が低いときよりも小さくなり、且つ、1燃焼サイクル中に前記燃焼室内に噴射される燃料の総量に対する前記後段噴射の噴射量の割合が、エンジン回転速度が高いときの方が低いときよりも大きくなるよう、前記インジェクタを制御する、ことを特徴とする圧縮着火式エンジンの制御装置。
  6. 請求項1〜5のいずれかに記載の圧縮着火式エンジンの制御装置において、
    前記制御部は、スワール流を発生させ且つ前記後段噴射の噴射量の割合をエンジン回転速度が高い側で大きくさせる上記様態による部分圧縮着火燃焼が実行される運転領域よりも高負荷側での部分圧縮着火燃焼の実行中に、前記スワール発生部を駆動してスワール流を発生させるとともに、所定の量の燃料を前記燃焼室に噴射する前段噴射と当該前段噴射の後に前記燃焼室に燃料を噴射する後段噴射とが実施され、且つ、1燃焼サイクル中に前記燃焼室内に噴射される燃料の総量に対する前記後段噴射の噴射量の割合が、エンジン回転速度が高いときの方が低いときよりも小さくなるように前記インジェクタを制御する、ことを特徴とする圧縮着火式エンジンの制御装置。
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