以下、圧縮着火式エンジンの実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明は、エンジンの一例である。図1は、エンジンの構成を例示する図である。図2は、燃焼室の構成を例示する図である。図3は、燃焼室及び吸気系の構成を例示する図である。尚、図1における吸気側は紙面左側であり、排気側は紙面右側である。図2及び図3における吸気側は紙面右側であり、排気側は紙面左側である。図4は、エンジンの制御装置の構成を例示するブロック図である。
エンジン1は、燃焼室17が吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程を繰り返すことにより運転する4ストロークエンジンである。エンジン1は、四輪の自動車に搭載される。エンジン1が運転することによって、自動車は走行する。エンジン1の燃料は、この構成例においてはガソリンである。燃料は、バイオエタノール等を含むガソリンであってもよい。エンジン1の燃料は、少なくともガソリンを含む液体燃料であれば、どのような燃料であってもよい。
(エンジンの構成)
エンジン1は、シリンダブロック12と、その上に載置されるシリンダヘッド13とを備えている。シリンダブロック12の内部に複数のシリンダ11が形成されている。図1及び図2では、一つのシリンダ11のみを示す。エンジン1は、多気筒エンジンである。
各シリンダ11内には、ピストン3が摺動自在に内挿されている。ピストン3は、コネクティングロッド14を介してクランクシャフト15に連結されている。ピストン3は、シリンダ11及びシリンダヘッド13と共に燃焼室17を区画する。尚、「燃焼室」は、ピストン3が圧縮上死点に至ったときの空間の意味に限定されない。「燃焼室」の語は広義で用いる場合がある。つまり、「燃焼室」は、ピストン3の位置に関わらず、ピストン3、シリンダ11及びシリンダヘッド13によって形成される空間を意味する場合がある。
シリンダヘッド13の下面、つまり、燃焼室17の天井面は、図2の上図に示すように、傾斜面1311と、傾斜面1312とによって構成されている。傾斜面1311は、吸気側から、後述するインジェクタ6の噴射軸心X2に向かって上り勾配となっている。傾斜面1312は、排気側から噴射軸心X2に向かって上り勾配となっている。燃焼室17の天井面は、いわゆるペントルーフ形状である。
ピストン3の上面は燃焼室17の天井面に向かって隆起している。ピストン3の上面には、キャビティ31が形成されている。キャビティ31は、ピストン3の上面から凹陥している。キャビティ31は、後述するインジェクタ6に向かい合う。
キャビティ31の中心は、シリンダ11の中心軸X1よりも排気側にずれている。キャビティ31の中心は、インジェクタ6の噴射軸心X2と一致している。キャビティ31は、凸部311を有している。凸部311は、インジェクタ6の噴射軸心X2上に設けられている。凸部311は、略円錐状である。凸部311は、キャビティ31の底部から、燃焼室17の天井面に向かって上向きに伸びている。
キャビティ31はまた、凸部311の周囲に設けられた凹陥部312を有している。凹陥部312は、凸部311の全周を囲むように設けられている。キャビティ31は、噴射軸心X2に対して対称な形状を有している。
凹陥部312の周側面は、キャビティ31の底面からキャビティ31の開口に向かって噴射軸心X2に対して傾いている。凹陥部312におけるキャビティ31の内径は、キャビティ31の底部からキャビティ31の開口に向かって次第に拡大する。
エンジン1の幾何学的圧縮比は、13以上30以下に設定されている。後述するようにエンジン1は、一部の運転領域において、SI燃焼とCI燃焼とを組み合わせたSPCCI燃焼を行う。SPCCI燃焼は、SI燃焼による発熱と圧力上昇とを利用して、CI燃焼をコントロールする。このエンジン1は、混合気の自着火のためにピストン3が圧縮上死点に至った時の燃焼室17の温度(つまり、圧縮端温度)を高くする必要がない。つまり、エンジン1は、CI燃焼を行うものの、その幾何学的圧縮比を、比較的低く設定することが可能である。幾何学的圧縮比を低くすると、冷却損失の低減、及び、機械損失の低減に有利になる。エンジン1の幾何学的圧縮比は、レギュラー仕様(燃料のオクタン価が91程度)においては、14〜17とし、ハイオク仕様(燃料のオクタン価が96程度)においては、15〜18としてもよい。
シリンダヘッド13には、シリンダ11毎に、吸気ポート18が形成されている。吸気ポート18は、図3に示すように、第1吸気ポート181及び第2吸気ポート182の、二つの吸気ポートを有している。第1吸気ポート181及び第2吸気ポート182は、クランクシャフト15の軸方向、つまり、エンジン1のフロント−リヤ方向に並んでいる。吸気ポート18は、燃焼室17に連通している。吸気ポート18は、詳細な図示は省略するが、いわゆるタンブルポートである。つまり、吸気ポート18は、燃焼室17の中にタンブル流が形成されるような形状を有している。
吸気ポート18には、吸気弁21が配設されている。吸気弁21は、燃焼室17と吸気ポート18との間を開閉する。吸気弁21は動弁機構によって、所定のタイミングで開閉する。動弁機構は、バルブタイミング及び/又はバルブリフトを可変にする可変動弁機構とすればよい。この構成例では、図4に示すように、可変動弁機構は、吸気電動S−VT(Sequential-Valve Timing)23を有している。吸気電動S−VT23は、吸気カムシャフトの回転位相を所定の角度範囲内で連続的に変更するよう構成されている。それによって、吸気弁21の開時期及び閉時期は、連続的に変化する。尚、吸気動弁機構は、電動S−VTに代えて、油圧式のS−VTを有していてもよい。
シリンダヘッド13にはまた、シリンダ11毎に、排気ポート19が形成されている。排気ポート19も、図3に示すように、第1排気ポート191及び第2排気ポート192の、二つの排気ポートを有している。第1排気ポート191及び第2排気ポート192は、エンジン1のフロント−リヤ方向に並んでいる。排気ポート19は、燃焼室17に連通している。
排気ポート19には、排気弁22が配設されている。排気弁22は、燃焼室17と排気ポート19との間を開閉する。排気弁22は動弁機構によって、所定のタイミングで開閉する。この動弁機構は、バルブタイミング及び/又はバルブリフトを可変にする可変動弁機構とすればよい。この構成例では、図4に示すように、可変動弁機構は、排気電動S−VT24を有している。排気電動S−VT24は、排気カムシャフトの回転位相を所定の角度範囲内で連続的に変更するよう構成されている。それによって、排気弁22の開時期及び閉時期は、連続的に変化する。尚、排気動弁機構は、電動S−VTに代えて、油圧式のS−VTを有していてもよい。
このエンジン1は、吸気電動S−VT23及び排気電動S−VT24によって、吸気弁21の開時期と排気弁22の閉時期とに係るオーバーラップ期間の長さを調整する。このことによって、燃焼室17の中の残留ガスを掃気する。また、オーバーラップ期間の長さを調整することによって、内部EGR(Exhaust Gas Recirculation)ガスを燃焼室17の中に導入する、又は、燃焼室17の中に閉じ込める。この構成例においては、吸気電動S−VT23及び排気電動S−VT24が、内部EGRシステムを構成している。尚、内部EGRシステムは、S−VTによって構成されるとは限らない。また、吸気電動S−VT23及び排気電動S−VT24はそれぞれ、燃焼室17の中への新気及びEGRガスの導入を調整する状態量調整部の一つである。
シリンダヘッド13には、シリンダ11毎に、インジェクタ6が取り付けられている。インジェクタ6は、燃焼室17の中に燃料を直接噴射するよう構成されている。インジェクタ6は、吸気側の傾斜面1311と排気側の傾斜面1312とが交差するペントルーフの谷部に配設されている。インジェクタ6は、図2に示すように、その噴射軸心X2がシリンダ11の中心軸X1よりも排気側に配設されている。インジェクタ6の噴射軸心X2は、中心軸X1に平行である。インジェクタ6の噴射軸心X2と、前述したようにキャビティ31の凸部311の位置とは一致している。インジェクタ6は、キャビティ31に対向している。尚、インジェクタ6の噴射軸心X2は、シリンダ11の中心軸X1と一致していてもよい。その場合も、インジェクタ6の噴射軸心X2と、キャビティ31の凸部311の位置とは一致していることが望ましい。
インジェクタ6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燃料噴射弁によって構成されている。インジェクタ6は、図2に二点鎖線で示すように、燃料噴霧が、燃焼室17の中央から放射状に広がるように燃料を噴射する。インジェクタ6は、本構成例においては、十個の噴孔を有しており、噴孔は、周方向に等角度に配置されている。噴孔の軸は、図2の上図に示すように、後述する点火プラグ25に対して、周方向に位置がずれている。つまり、点火プラグ25は、隣り合う二つの噴孔の軸に挟まれている。これにより、インジェクタ6から噴射された燃料の噴霧が、点火プラグ25に直接当たって、電極を濡らしてしまうことが回避される。
インジェクタ6には、燃料供給システム61が接続されている。燃料供給システム61は、燃料を貯留するよう構成された燃料タンク63と、燃料タンク63とインジェクタ6とを互いに連結する燃料供給路62とを備えている。燃料供給路62には、燃料ポンプ65とコモンレール64とが介設している。燃料ポンプ65は、コモンレール64に燃料を圧送する。燃料ポンプ65は、この構成例においては、クランクシャフト15によって駆動されるプランジャー式のポンプである。コモンレール64は、燃料ポンプ65から圧送された燃料を、高い燃料圧力で蓄えるよう構成されている。インジェクタ6が開弁すると、コモンレール64に蓄えられていた燃料が、インジェクタ6の噴口から燃焼室17の中に噴射される。燃料供給システム61は、30MPa以上の高い圧力の燃料を、インジェクタ6に供給することが可能に構成されている。燃料供給システム61の最高燃料圧力は、例えば120MPa程度にしてもよい。インジェクタ6に供給する燃料の圧力は、エンジン1の運転状態に応じて変更してもよい。尚、燃料供給システム61の構成は、前記の構成に限定されない。
シリンダヘッド13には、シリンダ11毎に、点火プラグ25が取り付けられている。点火プラグ25は、燃焼室17の中の混合気に強制的に点火をする。点火プラグ25は、この構成例では、シリンダ11の中心軸X1よりも吸気側に配設されている。点火プラグ25は、2つの吸気ポート18の間に位置している。点火プラグ25は、上方から下方に向かって、燃焼室17の中央に近づく方向に傾いて、シリンダヘッド13に取り付けられている。点火プラグ25の電極は、図2に示すように、燃焼室17の中に臨んでかつ、燃焼室17の天井面の付近に位置している。尚、点火プラグ25を、シリンダ11の中心軸X1よりも排気側に配置してもよい。また、点火プラグ25をシリンダ11の中心軸X1上に配置する一方、インジェクタ6を、シリンダ11の中心軸X1よりも吸気側、又は、排気側に配設してよい。
エンジン1の一側面には吸気通路40が接続されている。吸気通路40は、各シリンダ11の吸気ポート18に連通している。吸気通路40は、燃焼室17に導入するガスが流れる通路である。吸気通路40の上流端部には、新気を濾過するエアクリーナー41が配設されている。吸気通路40の下流端近傍には、サージタンク42が配設されている。サージタンク42よりも下流の吸気通路40は、シリンダ11毎に分岐する独立通路を構成している。独立通路の下流端が、各シリンダ11の吸気ポート18に接続されている。
吸気通路40におけるエアクリーナー41とサージタンク42との間には、スロットル弁43が配設されている。スロットル弁43は、弁の開度を調整することによって、燃焼室17の中への新気の導入量を調整するよう構成されている。スロットル弁43は、状態量調整部の一つである。
吸気通路40にはまた、スロットル弁43の下流に、過給機44が配設されている。過給機44は、燃焼室17に導入するガスを過給するよう構成されている。この構成例において、過給機44は、エンジン1によって駆動される機械式の過給機である。機械式の過給機44は、例えばリショルム式としてもよい。機械式の過給機44の構成はどのような構成であってもよい。機械式の過給機44は、ルーツ式、ベーン式、又は遠心式であってもよい。
過給機44とエンジン1との間には、電磁クラッチ45が介設している。電磁クラッチ45は、過給機44とエンジン1との間で、エンジン1から過給機44へ駆動力を伝達したり、駆動力の伝達を遮断したりする。後述するように、ECU10が電磁クラッチ45の遮断及び接続を切り替えることによって、過給機44はオンとオフとが切り替わる。このエンジン1は、過給機44が、燃焼室17に導入するガスを過給することと、過給機44が、燃焼室17に導入するガスを過給しないこととを切り替えることができるよう構成されている。
吸気通路40における過給機44の下流には、インタークーラー46が配設されている。インタークーラー46は、過給機44において圧縮されたガスを冷却するよう構成されている。インタークーラー46は、例えば水冷式に構成すればよい。インタークーラー46は、油冷式であってもよい。
吸気通路40には、バイパス通路47が接続されている。バイパス通路47は、過給機44及びインタークーラー46をバイパスするよう、吸気通路40における過給機44の上流部とインタークーラー46の下流部とを互いに接続する。より具体的に、バイパス通路47は、サージタンク42に接続されている。バイパス通路47には、エアバイパス弁48が配設されている。エアバイパス弁48は、バイパス通路47を流れるガスの流量を調整する。
過給機44をオフにしたとき(つまり、電磁クラッチ45を遮断したとき)には、エアバイパス弁48を全開にする。これにより、吸気通路40を流れるガスは、過給機44をバイパスして、エンジン1の燃焼室17に導入される。エンジン1は、非過給、つまり自然吸気の状態で運転する。
過給機44をオンにしたとき(つまり、電磁クラッチ45を接続したとき)には、過給機44を通過したガスの一部は、バイパス通路47を通って過給機44の上流に逆流する。エアバイパス弁48の開度を調整することによって、逆流量を調整することができるから、燃焼室17に導入するガスの過給圧を調整することができる。尚、過給時とは、サージタンク42内の圧力が大気圧を超える時をいい、非過給時とは、サージタンク42内の圧力が大気圧以下になる時をいう、と定義してもよい。
この構成例においては、過給機44とバイパス通路47とエアバイパス弁48とによって、過給システム49が構成されている。過給システム49は、状態量調整部の一つである。
エンジン1は、燃焼室17内にスワール流を発生させるスワール発生部を有している。スワール発生部は、図3に示すように、吸気通路40に取り付けられたスワールコントロール弁56である。スワールコントロール弁56は、第1吸気ポート181につながるプライマリ通路401と、第2吸気ポート182につながるセカンダリ通路402との内の、セカンダリ通路402に配設されている。スワールコントロール弁56は、セカンダリ通路の断面を絞ることができる開度調整弁である。スワールコントロール弁56の開度が小さいと、エンジン1の前後方向に並んだ第1吸気ポート181及び第2吸気ポート182の内、第1吸気ポート181から燃焼室17に流入する吸気流量が相対的に増えかつ、第2吸気ポート182から燃焼室17に流入する吸気流量が相対的に減るから、燃焼室17内のスワール流が強くなる。スワールコントロール弁56の開度が大きいと、第1吸気ポート181及び第2吸気ポート182のそれぞれから燃焼室17に流入する吸気流量が、略均等になるから、燃焼室17内のスワール流が弱くなる。スワールコントロール弁56を全開にすると、スワール流が発生しない。尚、スワール流は、白抜きの矢印で示すように、図3における反時計回り方向に周回する(図2の白抜きの矢印も参照)。
尚、スワール発生部は、吸気通路40にスワールコントロール弁56を取り付ける代わりに、又は、スワールコントロール弁56を取り付けることに加えて、二つの吸気弁21の開弁期間をずらし、一方の吸気弁21のみから燃焼室17の中に吸気を導入することができる構成を採用してもよい。二つの吸気弁21の内の一方の吸気弁21のみが開弁することによって、燃焼室17の中に吸気が不均等に導入するから、燃焼室17の中にスワール流を発生させることができる。さらに、スワール発生部は、吸気ポート18の形状を工夫することによって、燃焼室17の中にスワール流を発生させように構成してもよい。
エンジン1の他側面には、排気通路50が接続されている。排気通路50は、各シリンダ11の排気ポート19に連通している。排気通路50は、燃焼室17から排出された排気ガスが流れる通路である。排気通路50の上流部分は、詳細な図示は省略するが、シリンダ11毎に分岐する独立通路を構成している。独立通路の上流端が、各シリンダ11の排気ポート19に接続されている。
排気通路50には、複数の触媒コンバーターを有する排気ガス浄化システムが配設されている。上流の触媒コンバーターは、図示は省略するが、エンジンルーム内に配設されている。上流の触媒コンバーターは、三元触媒511と、GPF(Gasoline Particulate Filter)512とを有している。下流の触媒コンバーターは、エンジンルーム外に配設されている。下流の触媒コンバーターは、三元触媒513を有している。尚、排気ガス浄化システムは、図例の構成に限定されるものではない。例えば、GPFは省略してもよい。また、触媒コンバーターは、三元触媒を有するものに限定されない。さらに、三元触媒及びGPFの並び順は、適宜変更してもよい。
吸気通路40と排気通路50との間には、外部EGRシステムを構成するEGR通路52が接続されている。EGR通路52は、既燃ガスの一部を吸気通路40に還流させるための通路である。EGR通路52の上流端は、排気通路50における上流の触媒コンバーターと下流の触媒コンバーターとの間に接続されている。EGR通路52の下流端は、吸気通路40における過給機44の上流に接続されている。より具体的に、EGR通路52の下流端は、バイパス通路47の途中に接続されている。EGR通路52を流れるEGRガスは、バイパス通路47のエアバイパス弁48を通らずに、吸気通路40における過給機44の上流に入る。
EGR通路52には、水冷式のEGRクーラー53が配設されている。EGRクーラー53は、既燃ガスを冷却するよう構成されている。EGR通路52にはまた、EGR弁54が配設されている。EGR弁54は、EGR通路52を流れる既燃ガスの流量を調整するよう構成されている。EGR弁54の開度を調整することによって、冷却した既燃ガス、つまり外部EGRガスの還流量を調整することができる。
この構成例において、EGRシステム55は、EGR通路52及びEGR弁54を含んで構成されている外部EGRシステムと、前述した吸気電動S−VT23及び排気電動S−VT24を含んで構成されている内部EGRシステムとによって構成されている。EGR弁54はまた、状態量調整部の一つを構成している。外部EGRシステムは、EGR通路52がGPF512よりも下流に接続されていると共に、EGRクーラー53を有しているため、内部EGRシステムよりも低温の既燃ガスを、燃焼室17に供給することができる。
圧縮着火式エンジンの制御装置は、エンジン1を運転するためのECU(Engine Control Unit)10を備えている。ECU10は、周知のマイクロコンピュータをベースとするコントローラーであって、図4に示すように、プログラムを実行する中央演算処理装置(Central Processing Unit:CPU)101と、例えばRAM(Random Access Memory)やROM(Read Only Memory)により構成されてプログラム及びデータを格納するメモリ102と、電気信号の入出力をする入出力バス103と、を備えている。ECU10は、制御部の一例である。
ECU10には、図1及び図4に示すように、各種のセンサSW1〜SW16が接続されている。センサSW1〜SW16は、検知信号をECU10に出力する。センサには、以下のセンサが含まれる。
すなわち、吸気通路40におけるエアクリーナー41の下流に配置されかつ、吸気通路40を流れる新気の流量を検知するエアフローセンサSW1、及び、新気の温度を検知する第1吸気温度センサSW2、吸気通路40におけるEGR通路52の接続位置よりも下流でかつ、過給機44の上流に配置されかつ、過給機44に流入するガスの圧力を検知する第1圧力センサSW3、吸気通路40における過給機44の下流でかつ、バイパス通路47の接続位置よりも上流に配置されかつ、過給機44から流出したガスの温度を検知する第2吸気温度センサSW4、サージタンク42に取り付けられかつ、過給機44の下流のガスの圧力を検知する第2圧力センサSW5、各シリンダ11に対応してシリンダヘッド13に取り付けられかつ、各燃焼室17内の圧力を検知する指圧センサSW6、排気通路50に配置されかつ、燃焼室17から排出した排気ガスの温度を検知する排気温度センサSW7、排気通路50における上流の触媒コンバーターよりも上流に配置されかつ、排気ガス中の酸素濃度を検知するリニアO2センサSW8、上流の触媒コンバーターにおける三元触媒511の下流に配置されかつ、排気ガス中の酸素濃度を検知するラムダO2センサSW9、エンジン1に取り付けられかつ、冷却水の温度を検知する水温センサSW10、エンジン1に取り付けられかつ、クランクシャフト15の回転角を検知するクランク角センサSW11、アクセルペダル機構に取り付けられかつ、アクセルペダルの操作量に対応したアクセル開度を検知するアクセル開度センサSW12、エンジン1に取り付けられかつ、吸気カムシャフトの回転角を検知する吸気カム角センサSW13、エンジン1に取り付けられかつ、排気カムシャフトの回転角を検知する排気カム角センサSW14、EGR通路52に配置されかつ、EGR弁54の上流及び下流の差圧を検知するEGR差圧センサSW15、並びに、燃料供給システム61のコモンレール64に取り付けられかつ、インジェクタ6に供給する燃料の圧力を検知する燃圧センサSW16である。
ECU10は、これらの検知信号に基づいて、エンジン1の運転状態を判断すると共に、各デバイスの制御量を計算する。ECU100は、計算をした制御量に係る制御信号を、インジェクタ6、点火プラグ25、吸気電動S−VT23、排気電動S−VT24、燃料供給システム61、スロットル弁43、EGR弁54、過給機44の電磁クラッチ45、エアバイパス弁48、及び、スワールコントロール弁56に出力する。
例えば、ECU10は、アクセル開度センサSW12の検知信号と予め設定しているマップとに基づいて、エンジン1の目標トルクを設定すると共に、目標過給圧を決定する。そして、ECU10は、目標過給圧と、第1圧力センサSW3及び第2圧力センサSW5の検知信号から得られる過給機44の前後差圧とに基づいて、エアバイパス弁48の開度を調整することにより、過給圧が目標過給圧となるようにフィードバック制御を行う。
また、ECU10は、エンジン1の運転状態と予め設定したマップとに基づいて目標EGR率(つまり、燃焼室17の中の全ガスに対するEGRガスの比率)を設定する。そして、ECU10は、目標EGR率とアクセル開度センサSW12の検知信号に基づく吸入空気量とに基づき目標EGRガス量を決定すると共に、EGR差圧センサSW15の検知信号から得られるEGR弁54の前後差圧に基づいてEGR弁54の開度を調整することにより、燃焼室17の中に導入する外部EGRガス量が目標EGRガス量となるようにフィードバック制御を行う。
さらに、ECU10は、所定の制御条件が成立しているときに空燃比フィードバック制御を実行する。具体的にECU10は、リニアO2センサSW8、及び、ラムダO2センサSW9によって検知された排気中の酸素濃度に基づいて、混合気の空燃比が所望の値となるように、インジェクタ6の燃料噴射量を調整する。
尚、その他のECU10によるエンジン1の制御の詳細は、後述する。
(エンジンの運転領域)
図5は、温間時における、エンジン1の運転領域マップを例示している。エンジン1の運転領域マップ501、502は、負荷及び回転数によって定められており、負荷の高低及び回転数の高低に対し、五つの領域に分けられている。具体的に、五つの領域は、アイドル運転を含みかつ、低回転及び中回転の領域に広がる低負荷領域(1)−1、低負荷領域よりも負荷が高くかつ、低回転及び中回転の領域に広がる中負荷領域(1)−2、中負荷領域(1)−2よりも負荷が高い領域でかつ、全開負荷を含む高負荷領域の中回転領域(2)、高負荷領域において中回転領域(2)よりも回転数の低い低回転領域(3)、及び、低負荷領域(1)−1、中負荷領域(1)−2、高負荷中回転領域(2)、及び、高負荷低回転領域(3)よりも回転数の高い高回転領域(4)である。ここで、低回転領域、中回転領域、及び、高回転領域はそれぞれ、エンジン1の全運転領域を回転数方向に、低回転領域、中回転領域及び高回転領域の略三等分にしたときの、低回転領域、中回転領域、及び、高回転領域とすればよい。図5の例では、回転数N1未満を低回転、回転数N2以上を高回転、回転数N1以上N2未満を中回転としている。回転数N1は、例えば1200rpm程度、回転数N2は、例えば4000rpm程度としてもよい。尚、図5における二点鎖線は、エンジン1のロード−ロードライン(Road-Load Line)を示している。図5においては、理解容易のために、エンジン1の運転領域マップ501、502を二つに分けて描いている。マップ501は、各領域における混合気の状態及び燃焼形態と、過給機44の駆動領域及び非駆動領域と、を示している。マップ502は、各領域におけるスワールコントロール弁56の開度を示している。
エンジン1は、温間時においては、燃費の向上及び排出ガス性能の向上を主目的として、低負荷領域(1)−1、中負荷領域(1)−2、及び、高負荷中回転領域(2)において、圧縮自己着火による燃焼を行う。エンジン1はまた、その他の領域、具体的には、高負荷低回転領域(3)及び高回転領域(4)においては、火花点火による燃焼を行う。
(SPCCI燃焼のコンセプト)
自己着火による燃焼は、圧縮開始前の燃焼室17の中の温度がばらつくと、自己着火のタイミングが大きく変化する。そこで、エンジン1は、SI燃焼とCI燃焼とを組み合わせたSPCCI燃焼を行う。
SPCCI燃焼は、点火プラグ25が、燃焼室17の中の混合気に強制的に点火をすることによって、混合気が火炎伝播によりSI燃焼をすると共に、SI燃焼の発熱により燃焼室17の中の温度が高くなりかつ、火炎伝播により燃焼室17の中の圧力が上昇することによって、未燃混合気が自己着火によるCI燃焼をする形態である。
SI燃焼の発熱量を調整することによって、圧縮開始前の燃焼室17の中の温度のばらつきを吸収することができる。圧縮開始前の燃焼室17の中の温度がばらついていても、例えば点火タイミングの調整によってSI燃焼の開始タイミングを調整すれば、混合気を目標のタイミングで自己着火させることができる。
図7は、SPCCI燃焼における、クランク角に対する熱発生率の変化を例示する波形701を示している。所定タイミングで、点火プラグ25が混合気に点火すると(符号702参照)、火炎伝播による燃焼が開始する。SI燃焼時の熱発生は、CI燃焼時の熱発生よりも穏やかである。従って、熱発生率の波形は、傾きが相対的に小さくなる。図示はしないが、SI燃焼時の、燃焼室17の中における圧力変動(dp/dθ)も、CI燃焼時よりも穏やかになる。
SI燃焼によって、燃焼室17の中の温度及び圧力が高まると、未燃混合気が自己着火する。図7に示す熱発生率の波形701の例では、自己着火のタイミングで、波形の傾きが、小から大へと変化している。つまり、熱発生率の波形は、CI燃焼が開始するタイミングで、変曲点を有している。
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燃焼よりも熱発生が大きいため、熱発生率は相対的に大きくなる。但し、CI燃焼は、圧縮上死点後に行われるため、ピストン3が下降している。CI燃焼による、熱発生率の波形の傾きが大きくなりすぎることが回避される。CI燃焼時のdp/dθも比較的穏やかになる。
dp/dθは、燃焼騒音を表す指標として用いることができるが、前述の通りSPCCI燃焼は、dp/dθを小さくすることができるため、燃焼騒音が大きくなりすぎることを回避することが可能になる。燃焼騒音は、許容レベル以下に抑えることができる。
CI燃焼が終了することによって、SPCCI燃焼が終了する。CI燃焼は、SI燃焼に比べて、燃焼期間が短い。SPCCI燃焼は、SI燃焼よりも、燃焼終了時期が早まる。言い換えると、SPCCI燃焼は、膨張行程中の燃焼終了時期を、圧縮上死点に近づけることが可能である。SPCCI燃焼は、SI燃焼よりも、エンジン1の燃費性能の向上に有利である。
従って、SPCCI燃焼は、燃焼騒音の防止と、燃費性能の向上とを両立することができる。
SPCCI燃焼の熱発生率波形は、SI燃焼によって形成された、立ち上がりの傾きが相対的に小さい第1熱発生率部と、CI燃焼によって形成された、立ち上がりの傾きが相対的に大きい第2熱発生率部と、が、この順番に連続するように形成されている。また、SI燃焼(つまり、第1熱発生率部)の熱発生量をエンジンの運転状態に応じて変化させることで、CI燃焼(つまり、第2熱発生率部)の開始時期がエンジンの運転状態に応じて設定される目標CI燃焼開始時期となるように、燃焼制御手段(例えばEGRシステム、可変動弁機構、吸気量制御手段)を制御する。
ここで、SPCCI燃焼の特性を示すパラメータとして、SI率を定義する。SI率は、SPCCI燃焼により発生した全熱量に対し、SI燃焼により発生した熱量の割合に関係する指標と定義する。SI率は、燃焼形態の相違する二つの燃焼によって発生する熱量比率である。SI率は、SPCCI燃焼により発生した熱量に対する、SI燃焼により発生した熱量の比率としてもよい。例えば波形701においてSI率は、SI率=(SI燃焼の面積)/(SPCCI燃焼の面積)によって表すことができる。波形701においてSI燃焼によって燃焼をする燃料の割合の意味で、前記SI率を、SI燃料割合と呼んでもよい。
SI率は、SI燃焼とCI燃焼とを組み合わせたSPCCI燃焼において、SI燃焼とCI燃焼との比である。SI率が高いと、SI燃焼の割合が高く、SI率が低いと、CI燃焼の割合が高い。
尚、SI率は、前述した定義に限定されるものではない。SI率は、様々な定義が考えられる。
エンジン1は、SPCCI燃焼を行うときには、燃焼室17内に強いスワール流を発生させている。スワール比は、例えば4以上としてもよい。
ここで、スワール流の強さについて説明する。スワール流の強さは、スワール比によって表すことができる。「スワール比」は、吸気流横方向角速度をバルブリフト毎に測定して積分した値を、エンジン角速度で除した値と定義することができる。吸気流横方向角速度は、図8に示すリグ試験装置を用いた測定に基づいて求めることができる。すなわち、同図に示す装置は、基台にシリンダヘッド13を上下反転して設置して、吸気ポート18を図外の吸気供給装置に接続する一方、そのシリンダヘッド13上にシリンダ36を設置すると共に、その上端にハニカム状ロータ37を有するインパルスメータ38を接続して構成されている。インパルスメータ38の下面は、シリンダヘッド13とシリンダブロックとの合わせ面から1.75D(尚、Dはシリンダボア径)の位置に位置づけている。吸気供給に応じてシリンダ36内に生じるスワール(図8の矢印参照)によって、ハニカム状ロータ37に作用するトルクをインパルスメータ38によって計測し、それに基づいて、吸気流横方向角速度を求めることができる。
図9は、このエンジン1におけるスワールコントロール弁56の開度と、スワール比との関係を示している。図9は、スワールコントロール弁56の開度を、セカンダリ通路402の全開断面に対する開口比率によって表している。スワールコントロール弁56が全閉のときに、セカンダリ通路402の開口比率は0%となり、スワールコントロール弁56の開度が大きくなると、セカンダリ通路402の開口比率が0%よりも大きくなる。スワールコントロール弁56が全開のときに、セカンダリ通路402の開口比率は100%となる。図9に例示するように、このエンジン1は、スワールコントロール弁56を全閉にすると、スワール比は6程度になる。スワール比を4以上にするならば、スワールコントロール弁56の開度は、開口比率が0〜15%となる範囲で調整すればよい。
燃焼室17の中に強いスワール流を発生させると、SPCCI燃焼においてCI燃焼の開始までにSI燃焼を十分に行うことができる。その結果、燃焼騒音の発生を抑制することができると共に、燃焼温度が高くなりすぎることがなくてNOxの生成も抑制される。また、SPCCI燃焼が安定化する結果、サイクル間におけるトルクのばらつきを抑制することができる。
(各領域におけるエンジンの運転)
以下、図5の運転領域マップ501、502の各領域におけるエンジン1の運転について、図6に示す燃料噴射時期及び点火時期を参照しながら詳細に説明をする。図6の横軸は、クランク角である。尚、図6における符号601、602、603、604、605及び606はそれぞれ、図5の運転領域マップ501における符号601、602、603、604、605及び606によって示すエンジン1の運転状態に対応する。
(低負荷領域(1)−1)
エンジン1が低負荷領域(1)−1において運転しているときに、エンジン1は、SPCCI燃焼を行う。
図6の符号601は、エンジン1が低負荷領域(1)−1における運転状態601にて運転しているときの燃料噴射時期(符号6011、6012)及び点火時期(符号6013)、並びに、燃焼波形(つまり、クランク角に対する熱発生率の変化を示す波形、符号6014)を示している。
エンジン1の燃費性能を向上させるために、EGRシステム55は、エンジン1が低負荷領域(1)−1において運転しているときに、燃焼室17の中にEGRガスを導入する。具体的には、排気上死点付近において、吸気弁21及び排気弁22の両方を開弁するポジティブオーバーラップ期間を設けることにより、燃焼室17の中から吸気ポート18及び排気ポート19に排出した排気ガスの一部を、燃焼室17の中に再導入する。燃焼室17の中に熱い既燃ガスを導入するため、燃焼室17の中の温度を高くすることができ、SPCCI燃焼の安定化に有利になる。尚、吸気弁21及び排気弁22の両方を閉弁するネガティブオーバーラップ期間を設けようにしてもよい。
また、エンジン1が低負荷領域(1)−1において運転しているときには、燃焼室17の中には、強いスワール流が形成される。スワール流は、燃焼室17の外周部において強く、中央部において弱くなる。スワールコントロール弁56は、全閉又は閉じ側の所定の開度である。前述したように、吸気ポート18はタンブルポートであるため、燃焼室17の中には、タンブル成分とスワール成分とを有する斜めスワール流が形成される。
エンジン1が低負荷領域(1)−1において運転するときに、スワール比は4以上になる。スワール比は4以上6以下としてもよい。スワールコントロール弁56の開度は、開口比率が0〜15%となる範囲で調整すればよい。
エンジン1が低負荷領域(1)−1において運転するときに、混合気の空燃比(A/F)は、燃焼室17の全体において理論空燃比よりもリーンである。つまり、燃焼室17の全体において、混合気の空気過剰率λは1を超える。より詳細に、燃焼室17の全体において混合気のA/Fは30以上である。こうすることで、RawNOxの発生を抑制することができ、排出ガス性能を向上させることができる。
エンジン1が低負荷領域(1)−1において運転するときに、燃焼室17内の中央部と外周部との間において、混合気は成層化している。燃焼室17内の中央部は、点火プラグ25が配置されている部分であり、外周部は、中央部の周囲であって、シリンダ11のライナーに接する部分である。燃焼室17内の中央部は、スワール流が弱い部分、外周部は、スワール流が強い部分、と定義してもよい。
中央部の混合気の燃料濃度は、外周部の燃料濃度よりも濃い。具体的に、中央部の混合気のA/Fは、20以上30以下であり、外周部の混合気のA/Fは、35以上である。尚、空燃比の値は、点火時における空燃比の値であり、以下の説明においても同じである。
エンジン1が低負荷領域(1)−1において運転するときに、インジェクタ6は、圧縮行程中に燃料を複数回、燃焼室17の中に噴射する(符号6011、6012)。複数回の燃料噴射と、燃焼室17の中のスワール流とによって、前述したように、燃焼室17の中央部と外周部とにおいて、混合気を成層化する。
燃料噴射の終了後、圧縮上死点前の所定のタイミングで、点火プラグ25は、燃焼室17の中央部の混合気に点火をする(符号6013)。中央部の混合気は燃料濃度が相対的に高いため、着火性が向上すると共に、火炎伝播によるSI燃焼が安定化する。SI燃焼が安定化することによって、適切なタイミングで、CI燃焼が開始する。SPCCI燃焼において、CI燃焼のコントロール性が向上する。その結果、エンジン1が低負荷領域(1)−1において運転するときに、燃焼騒音の発生の抑制と、燃焼期間の短縮による燃費性能の向上とが両立する。
以上のように、低負荷領域(1)−1においてエンジン1は、混合気を理論空燃比よりもリーンしてSPCCI燃焼を行うため、低負荷領域(1)−1は、「SPCCIリーン領域」と呼ぶことができる。
(中負荷領域(1)−2)
エンジン1が中負荷領域(1)−2において運転しているときも、低負荷領域(1)−1と同様に、エンジン1は、SPCCI燃焼を行う。
図6の符号602は、エンジン1が中負荷領域(1)−2における運転状態602にて運転しているときの燃料噴射時期(符号6021、6022)及び点火時期(符号6023)、並びに、燃焼波形(符号6024)を示している。
EGRシステム55は、エンジン1の運転状態が中負荷領域(1)−2にあるときに、燃焼室17の中にEGRガスを導入する。具体的には、低負荷領域(1)−1と同様に、排気上死点付近において、吸気弁21及び排気弁22の両方を開弁するポジティブオーバーラップ期間を設けることにより、燃焼室17の中から吸気ポート18及び排気ポート19に排出した排気ガスの一部を、燃焼室17の中に再導入する。つまり、内部EGRガスを、燃焼室17の中に導入する。また、中負荷領域(1)−2においては、EGR通路52を通じて、EGRクーラー53によって冷却した排気ガスを、燃焼室17の中に導入する。つまり、内部EGRガスに比べて温度が低い外部EGRガスを、燃焼室17の中に導入する。中負荷領域(1)−2においては、内部EGRガス及び/又は外部EGRガスを、燃焼室17の中に導入することにより、燃焼室17の中の温度を適切になるよう調整する。
また、エンジン1が中負荷領域(1)−2において運転するときにも、低負荷領域(1)−1と同様に、燃焼室17の中には、スワール比が4以上の、強いスワール流が形成される。スワールコントロール弁56は、全閉又は閉じ側の所定の開度である。スワール流を強くすることにより、燃焼室17内の乱流エネルギが高くなるから、エンジン1が中負荷領域(1)−2において運転するときに、SI燃焼の火炎が速やかに伝播してSI燃焼が安定化する。SI燃焼が安定することによってCI燃焼のコントロール性が高まる。SPCCI燃焼におけるCI燃焼のタイミングが適正化することによって、燃焼騒音の発生を抑制することができると共に、燃費性能の向上が図られる。また、サイクル間におけるトルクのばらつきを抑制することができる。
エンジン1が中負荷領域(1)−2において運転するときに、混合気の空燃比(A/F)は、燃焼室17の全体において理論空燃比(A/F≒14.7)である。三元触媒が、燃焼室17から排出された排出ガスを浄化することによって、エンジン1の排出ガス性能は良好になる。混合気のA/Fは、三元触媒の浄化ウインドウの中に収まるようにすればよい。従って、混合気の空気過剰率λは、1.0±0.2とすればよい。エンジン1が中負荷領域(1)−2において運転するときに、燃焼室17全体のトータルG/Fは、例えば18以上50以下に設定される。こうすることで,SPCCI燃焼においてSI燃焼を十分に行うことができ、SPCCI燃焼を安定化させることができる。また、混合気のG/Fをできるだけリーンにすることによって、エンジン1の燃費性能を向上させることができる。
エンジン1が中負荷領域(1)−2において運転するときに、インジェクタ6は、吸気行程中の燃料噴射(符号6021)と、圧縮行程中の燃料噴射(符号6022)とを行う。吸気行程中に第1噴射6021を行うことによって、燃焼室17の中に燃料を略均等に分布させることができる。圧縮行程中に第2噴射6022を行うことによって、燃料の気化潜熱によって燃焼室17の中の温度を低下させることができる。第1噴射6021によって噴射した燃料を含む混合気が過早着火してしまうことを防止することができる。尚、中負荷領域(1)−2において、特に、エンジンが負荷の低い運転状態のときには、第2噴射6022は、省略することも可能である。
インジェクタ6が、第1噴射6021と第2噴射6022とを行うことによって、燃焼室17の中には、全体として、空気過剰率λが1.0±0.2になった、略均質な混合気が形成される。混合気が略均質であるため、未燃損失の低減による燃費の向上、及び、スモークの発生回避による排出ガス性能の向上を図ることができる。空気過剰率λは、好ましくは、1.0〜1.2である。
圧縮上死点の前の所定のタイミングで、点火プラグ25が混合気に点火をする(符号6023)ことによって、混合気は、火炎伝播により燃焼する。火炎伝播による燃焼の開始後、未燃混合気が自己着火して、CI燃焼する。
従って、中負荷領域(1)−2においてエンジン1は、混合気を理論空燃比にしてSPCCI燃焼を行うため、中負荷領域(1)−2は、「SPCCIλ=1領域」と呼ぶことができる。
ここで、図5に示すように、低負荷領域(1)−1の一部、及び、中負荷領域(1)−2の一部においては、過給機44がオフにされる(S/C OFF参照)。詳細には、低負荷領域(1)−1における低回転側の領域においては、過給機44がオフにされる。低負荷領域(1)−1における高回転側の領域においては、エンジン1の回転数が高くなることに対応して必要な吸気充填量を確保するために、過給機44がオンにされて、過給圧を高くする。また、中負荷領域(1)−2における低負荷低回転側の領域においては、過給機44がオフにされ、中負荷領域(1)−2における高負荷側の領域においては、燃料噴射量が増えることに対応して必要な吸気充填量を確保するために、過給機44がオンにされ、高回転側の領域においては、エンジン1の回転数が高くなることに対応して必要な吸気充填量を確保するために、過給機44がオンになる。
尚、高負荷中回転領域(2)、高負荷低回転領域(3)、及び、高回転領域(4)の各領域においては、その全域に亘って過給機44がオンになる(S/C ON参照)。
(高負荷中回転領域(2))
エンジン1が高負荷中回転領域(2)において運転しているときも、低負荷領域(1)−1及び中負荷領域(1)−2と同様に、エンジン1は、SPCCI燃焼を行う。
図6の符号603は、エンジン1が高負荷中回転領域(2)における低回転側の運転状態603にて運転しているときの燃料噴射時期(符号6031、6032)及び点火時期(符号6033)、並びに、燃焼波形(符号6034)を示している。また、符号604は、エンジン1が高負荷中回転領域(2)における高回転側の運転状態604にて運転しているときの燃料噴射時期(符号6041)及び点火時期(符号6042)、並びに、燃焼波形(符号6043)を示している。
EGRシステム55は、エンジン1の運転状態が高負荷中回転領域(2)にあるときに、燃焼室17の中にEGRガスを導入する。エンジン1は、負荷が高まるに従いEGRガスの量を減らす。全開負荷では、EGRガスをゼロにしてもよい。
また、エンジン1が高負荷中回転領域(2)において運転するときにも、低負荷領域(1)−1と同様に、燃焼室17の中には、スワール比が4以上の、強いスワール流が形成される。スワールコントロール弁56は、全閉又は閉じ側の所定の開度である。
エンジン1が高負荷中回転領域(2)において運転するときに、混合気の空燃比(A/F)は、燃焼室17の全体において理論空燃比又は理論空燃比よりもリッチである(つまり、混合気の空気過剰率λは、λ≦1)。エンジン1が高負荷中回転領域(2)において運転するときに、燃焼室17全体のトータルG/Fは、例えば18以上50以下に設定される。こうすることで,SPCCI燃焼を安定化させることができる。また、混合気のG/Fをできるだけリーンにすることによって、エンジン1の燃費性能を向上させることができる。
エンジン1が高負荷中回転領域(2)における運転状態603にて運転するときに、インジェクタ6は、吸気行程において前段噴射6031を行うと共に、圧縮行程において後段噴射6032を行う。前段噴射は、例えば吸気行程の前半に開始し、後段噴射は、例えば圧縮行程の終期に行ってもよい。吸気行程の前半は、吸気行程を前半と後半とに二等分したときの前半としてもよい。具体的に前段噴射は、例えば圧縮上死点前280°CAに、燃料噴射を開始してもよい。
前段噴射6031の噴射開始を吸気行程の前半にすると、図示は省略するが、燃料噴霧がキャビティ31の開口縁部に当たることによって、一部の燃料は、燃焼室17のスキッシュエリア171(つまり、キャビティ31の外の領域(図2参照))に入り、残りの燃料は、キャビティ31の内の領域に入る。スワール流は、燃焼室17の外周部において強く、中央部において弱くなっている。そのため、スキッシュエリア171に入った一部の燃料はスワール流に入り、キャビティ31の内の領域に入った残りの燃料は、スワール流の内側に入る。スワール流に入った燃料は、吸気行程から圧縮行程の間、スワール流の中に留まり、燃焼室17の外周部においてCI燃焼用の混合気を形成する。スワール流の内側に入った燃料も、吸気行程から圧縮行程の間、スワール流の内側に留まり、燃焼室17の中央部においてSI燃焼用の混合気を形成する。
エンジン1が高負荷中回転領域(2)において運転するときには、燃焼室17の外周部の混合気の燃料濃度が、中央部の混合気の燃料濃度よりも濃くかつ、外周部の混合気の燃料量が、中央部の混合気の燃料量よりも多くなるようにする。具体的には、点火プラグ25が配置されている中央部の混合気は、空気過剰率λが1以下であり、外周部の混合気は、空気過剰率λが1未満である。中央部の混合気の空燃比(A/F)は、例えば13以上、理論空燃比(14.7)以下としてもよい。また、外周部の混合気の空燃比は、例えば11以上、理論空燃比以下、又は11以上、12以下としてもよい。燃焼室17の外周部は、混合気中の燃料量が増えるため、燃料の気化潜熱によって温度が低下する。燃焼室17の全体の混合気の空燃比は、12.5以上、理論空燃比以下、又は12.5以上、13以下としてもよい。
圧縮行程の終期は、圧縮行程を、初期、中期及び終期に三等分したときの終期とすればよい。圧縮行程の終期に行う後段噴射6032は、例えば上死点前10°CAで燃料噴射を開始してもよい。上死点の直前で後段噴射を行うことにより、燃料の気化潜熱によって燃焼室内の温度を低下させることができる。前段噴射6031によって噴射された燃料は、圧縮行程の間に低温酸化反応が進み、上死点前において高温酸化反応に移行するようになるが、上死点の直前で後段噴射6032を行い、燃焼室内の温度を低下させることにより、低温酸化反応から高温酸化反応へ移行することを抑制することができ、過早着火が発生してしまうことを抑制することができる。尚、前段噴射の噴射量と後段噴射の噴射量との割合は、一例として、95:5としてもよい。
点火プラグ25は、圧縮上死点付近において、燃焼室17の中央部の混合気に点火をする(符号6033)。点火プラグ25は、例えば圧縮上死点以降に点火を行う。点火プラグ25は燃焼室17の中央部に配置されているため、点火プラグ25の点火によって、中央部の混合気が火炎伝播によるSI燃焼を開始する。
エンジン1が高負荷中回転領域(2)における運転状態604にて運転するときに、インジェクタ6は、吸気行程において燃料噴射を開始する(符号6041)。
吸気行程に開始する噴射6041は、前記と同様に、吸気行程の前半に燃料噴射を開始してもよい。具体的に噴射6041は、上死点前280°CAで燃料噴射を開始してもよい。噴射6041の終了は、吸気行程を超えて圧縮行程中になる場合がある。噴射6041の開始を、吸気行程の前半にすることによって、前述したように、燃焼室17の外周部においてCI燃焼用の混合気を形成すると共に、燃焼室17の中央部においてSI燃焼用の混合気を形成することができる。点火プラグ25が配置されている中央部の混合気は、前記と同様に、好ましくは空気過剰率λが1以下であり、外周部の混合気は、空気過剰率λが1以下、好ましくは1未満である。中央部の混合気の空燃比(A/F)は、例えば13以上、理論空燃比(14.7)以下としてもよい。中央部の混合気の空燃比は、理論空燃比よりもリーンであってもよい。また、外周部の混合気の空燃比は、例えば11以上、理論空燃比以下、又は11以上、12以下としてもよい。燃焼室17の全体の混合気の空燃比は、12.5以上、理論空燃比以下、又は12.5以上、13以下としてもよい。
エンジン1の回転数が高くなると、噴射6041によって噴射された燃料が反応する時間が短くなる。そのため、混合気の反応を抑制するための後段噴射を省略することができる。
点火プラグ25は、圧縮上死点付近において、燃焼室17の中央部の混合気に点火をする(符号6042)。点火プラグ25は、例えば圧縮上死点以降に点火を行う。
高負荷領域においては、燃料噴射量が多くなると共に、燃焼室17の温度も高くなるため、CI燃焼が早期に開始しやすい状況になる。言い換えると、高負荷領域においては、混合気の過早着火が発生しやすい。しかしながら、前述の通り、燃焼室17の外周部の温度が、燃料の気化潜熱によって低下しているから、混合気に火花点火をした後、CI燃焼がすぐに開始してしまうことを回避することができる。
燃焼室17の中において混合気を成層化することと、燃焼室17の中に強いスワール流を発生させることとによって、CI燃焼の開始までにSI燃焼を十分に行うことができる。その結果、燃焼騒音の発生を抑制することができると共に、燃焼温度が高くなりすぎることがなくてNOxの生成も抑制される。また、サイクル間におけるトルクのばらつきを抑制することができる。
また、外周部の温度が低いため、CI燃焼が緩やかになり、燃焼騒音の発生を抑制することができる。さらに、CI燃焼によって燃焼期間が短くなるから、高負荷領域においてトルクの向上、及び、熱効率の向上が図られる。よって、このエンジン1は、負荷が高い領域においてSPCCI燃焼を行うことにより、燃焼騒音を回避しながら、燃費性能を向上させることができる。
以上のように、高負荷中回転領域(2)においてエンジン1は、混合気を理論空燃比又は理論空燃比よりもリッチしてSPCCI燃焼を行うため、高負荷中回転領域(2)は、「SPCCIλ≦1領域」と呼ぶことができる。
(高負荷低回転領域(3))
エンジン1の回転数が低いと、クランク角が1°変化するのに要する時間が長くなる。燃焼室17に噴射した燃料の反応が進みすぎてしまって、SPCCI燃焼をしようとしても過早着火を招く恐れがある。そこで、エンジン1が高負荷中回転領域(3)において運転しているときに、エンジン1は、SPCCI燃焼ではなく、SI燃焼を行う。
図6の符号605は、エンジン1が高負荷中回転領域(3)における運転状態605にて運転しているときの燃料噴射時期(符号6051、6052)及び点火時期(符号6053)、並びに、燃焼波形(符号6054)を示している。
EGRシステム55は、エンジン1の運転状態が高負荷中回転領域(3)にあるときに、燃焼室17の中にEGRガスを導入する。エンジン1は、負荷が高まるに従いEGRガスの量を減らす。全開負荷では、EGRガスをゼロにしてもよい。
エンジン1が高負荷低回転領域(3)において運転しているときに、混合気の空燃比(A/F)は、燃焼室17の全体において理論空燃比(A/F≒14.7)である。混合気のA/Fは、三元触媒の浄化ウインドウの中に収まるようにすればよい。従って、混合気の空気過剰率λは、1.0±0.2とすればよい。混合気の空燃比を、理論空燃比にすることにより、高負荷低回転領域(3)において、燃費性能が向上する。尚、エンジン1が高負荷低回転領域(3)において運転するときに、燃焼室17の全体の混合気の燃料濃度を、空気過剰率λにおいて1以下でかつ、高負荷中回転領域(2)における空気過剰率λよりも大にしてもよい。
エンジン1が高負荷低回転領域(3)において運転するときに、インジェクタ6は、吸気行程において燃料を噴射する(符号6051)と共に、圧縮行程終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)内のタイミングで、燃焼室17内に燃料を噴射する(符号6052)。膨張行程の初期は、膨張行程を、初期、中期及び終期に三等分したときの初期とすればよい。
吸気行程中に燃料を噴射することにより(符号6051)、混合気の形成時間を十分に確保することができる。また、リタード期間内に燃料を噴射することにより(符号6052)、点火直前に、燃焼室17内のガス流動を強くすることができる。燃料圧力は、30MPa以上の高い燃料圧力に設定される。燃料圧力を高くすることによって、燃料の噴射期間及び混合気の形成期間を、それぞれ短くすることができると共に、燃焼室17内のガス流動を、より強くすることができる。燃料圧力の上限値は、一例として、120MPaとしてもよい。
点火プラグ25は、燃料の噴射後、圧縮上死点付近のタイミングで、混合気に点火を行う(符号6053)。点火プラグ25は、圧縮上死点後に点火を行ってもよい。混合気は、膨張行程においてSI燃焼をする。SI燃焼が膨張行程において開始するため、CI燃焼は開始しない。
インジェクタ6は、過早着火を回避するために、エンジン1の回転数が低くなるほど、燃料噴射の時期を遅角してもよい。リタード期間内の燃料噴射は、膨張行程において終了する場合もある。
エンジン1が高負荷低回転領域(3)において運転するときには、リタード期間内の燃料の噴射開始から点火までの時間が短い。混合気の着火性の向上及びSI燃焼の安定化のためには、燃料を速やかに点火プラグ25の付近に輸送する必要がある。
圧縮行程終期から膨張行程初期の期間において、インジェクタ6が燃料を噴射すると、ピストン3が圧縮上死点の近くに位置しているため、燃料噴霧は、新気と混ざり合いながら、キャビティ31の凸部311に沿って下向きに流れると共に、キャビティ31の底面及び周側面に沿って、燃焼室17の中央から、径方向の外方に放射状に広がって流れる。その後、混合気はキャビティ31の開口に至り、吸気側の傾斜面1311、及び、排気側の傾斜面1312に沿って、径方向の外方から、燃焼室17の中央に向かって流れる。
また、エンジン1は、高負荷低回転領域(3)において運転するときには、高負荷中回転領域(2)において運転するときよりもスワール流を弱くする。高負荷低回転領域(3)において運転するときに、スワールコントロール弁56の開度は、高負荷中回転領域(2)において運転するときよりも大きい。スワールコントロール弁56の開度は、例えば50%程度(つまり、半開)とすればよい。
図2の上図に二点鎖線で噴霧を例示するように、インジェクタ6の噴孔の軸は、点火プラグ25に対し周方向に位置がずれている。噴孔から噴射された燃料は、燃焼室17の中のスワール流によって周方向に流れる。スワール流によって、燃料を点火プラグ25の付近に速やかに輸送することができる。燃料は、点火プラグ25の付近に輸送される間に、気化することができる。
一方、スワール流が強すぎると、燃料が周方向に流されてしまい、点火プラグ25の付近から離れてしまう。そこで、エンジン1は、高負荷低回転領域(3)において運転するときには、高負荷中回転領域(2)において運転するときよりもスワール流を弱くする。これによって、点火プラグ25の付近に燃料を速やかに輸送することができるから、混合気の着火性の向上及びSI燃焼の安定化を図ることができる。
高負荷低回転領域(3)においてエンジン1は、燃料を圧縮行程終期から膨張行程初期までのリタード期間に燃料の噴射をしてSI燃焼を行うため、高負荷低回転領域(3)は、「リタード−SI領域」と呼ぶことができる。
(高回転領域(4))
エンジン1の回転数が高いと、クランク角が1°変化するのに要する時間が短くなる。そのため、例えば高負荷領域における高回転領域においては、前述したように燃焼室17内において混合気の成層化をすることが困難になる。エンジン1の回転数が高くなると、前述したSPCCI燃焼を行うことが困難になる。
そのため、エンジン1が高回転領域(4)において運転しているときには、エンジン1は、SPCCI燃焼ではなく、SI燃焼を行う。尚、高回転領域(4)は、低負荷から高負荷まで負荷方向の全域に広がっている。
図6の符号606は、エンジン1が高回転領域(4)における負荷の高い運転状態606にて運転しているときの燃料噴射時期(符号6061)及び点火時期(符号6062)、並びに、燃焼波形(符号6063)を示している。
EGRシステム55は、エンジン1の運転状態が高回転領域(4)にあるときに、燃焼室17の中にEGRガスを導入する。エンジン1は、負荷が高まるに従いEGRガスの量を減らす。全開負荷では、EGRガスをゼロにしてもよい。
エンジン1は、高回転領域(4)において運転するときには、スワールコントロール弁56を全開にする。燃焼室17内にはスワール流が発生せず、タンブル流のみが発生する。スワールコントロール弁56を全開にすることによって、高回転領域(4)において充填効率を高めることができると共に、ポンプ損失を低減することが可能になる。
エンジン1が高回転領域(4)において運転するときに、混合気の空燃比(A/F)は、基本的には、燃焼室17の全体において理論空燃比(A/F≒14.7)である。混合気の空気過剰率λは、1.0±0.2とすればよい。尚、高回転領域(4)内の全開負荷の付近においては、混合気の空気過剰率λを1未満にしてもよい。
エンジン1が高回転領域(4)において運転するときに、インジェクタ6は、吸気行程に燃料噴射を開始する。インジェクタ6は、燃料を一括で噴射する(符号6061)。吸気行程中に燃料噴射を開始することによって、燃焼室17の中に、均質又は略均質な混合気を形成することが可能になる。また、エンジン1の回転数が高いときに、燃料の気化時間をできるだけ長く確保することができるため、未燃損失の低減を図ることもできる。
点火プラグ25は、燃料の噴射終了後、圧縮上死点前の適宜のタイミングで、混合気に点火を行う(符号6062)。
従って、高回転領域(4)においてエンジン1は、燃料噴射を吸気行程に開始してSI燃焼を行うため、高回転領域(4)は、「吸気−SI領域」と呼ぶことができる。
(エンジンの制御プロセス)
図10は、ECU10が実行するエンジンの運転制御に係るフローを示している。ECU10は、各センサSW1〜SW16の検知信号に基づいて、エンジン1の運転状態を判断すると共に、燃焼室17の中の燃焼が、運転状態に応じたSI率の燃焼となるよう、燃焼室17の中の状態量の調整、噴射量の調整、噴射タイミングの調整、及び、点火タイミングの調整を行う。ECU10はまた、各センサの検知信号に基づいて、SI率の調整が必要と判断したときに、SI率の調整を行う。
ECUは先ず、ステップS1において、各センサSW1〜SW16の検知信号を読み込む。次いで、ECU10は、ステップS2において、検知信号に基づいてエンジン1の運転状態を判断すると共に、目標SI率を設定する。目標SI率は、エンジン1の運転状態に応じて定められる。
ECU10は、続くステップS3において、予め設定している燃焼モデルに基づいて、設定した目標SI率を実現するための目標筒内状態量を設定する。具体的には、燃焼室17の中の目標温度及び目標圧力、並びに、目標状態量を設定する。ECU10は、ステップS4において、目標筒内状態量を実現するために必要な、EGR弁54の開度、スロットル弁43の開度、エアバイパス弁48の開度、スワールコントロール弁56の開度、並びに、吸気電動S−VT23及び排気電動S−VT24の位相角を設定する。ECU10は、これらのデバイスの制御量を、予め設定しかつ、ECU10に記憶しているマップに基づいて設定する。ECU10は、設定した制御量に基づいて、EGR弁54、スロットル弁43、エアバイパス弁48、スワールコントロール弁56、並びに、吸気電動S−VT23及び排気電動S−VT24に制御信号を出力する。ECU10の制御信号に基づいて各デバイスが動作をすることによって、燃焼室17の中の状態量が目標状態量になる。
ECU10はさらに、設定した各デバイスの制御量に基づいて、燃焼室17の中の状態量の予測値、及び、推定値をそれぞれ算出する。状態量予測値は、吸気弁21が閉弁する前の燃焼室17の中の状態量を予測した値であり、後述するように、吸気行程における燃料の噴射量の設定に用いる。状態量推定値は、吸気弁21が閉弁した後の燃焼室17の中の状態量を推定した値であり、後述するように、圧縮行程における燃料の噴射量の設定、及び、点火タイミングの設定に用いる。状態量推定値はまた、後述するように、実際の燃焼状態との比較による状態量誤差の計算にも用いる。
ECU10は、ステップS5において、状態量予測値に基づいて、吸気行程中における燃料の噴射量を設定する。尚、吸気行程中に燃料の噴射を行わないときは、燃料の噴射量はゼロである。ステップS6において、ECU10はインジェクタ6の噴射を制御する。つまり、所定の噴射タイミングで、燃焼室17の中に燃料を噴射するよう、インジェクタ6に制御信号を出力する。
ECU10は、ステップS7において、状態量推定値と、吸気行程中の燃料の噴射結果と、に基づいて、圧縮行程中における燃料の噴射量を設定する。尚、圧縮行程中に燃料の噴射を行わないときは、燃料の噴射量はゼロである。圧縮行程中に分割噴射を行うときには、前段噴射の噴射量及び後段噴射の噴射量をそれぞれ設定する。ECU10は、ステップS8において、予め設定されているマップに基づく噴射タイミングで、燃焼室17の中に燃料を噴射するよう、インジェクタ6に制御信号を出力する。
ECU10は、ステップS9において、状態量推定値と、圧縮行程中の燃料の噴射結果と、に基づいて、点火タイミングを設定する。ECU10は、ステップS10において、設定した点火タイミングで、燃焼室17の中の混合気に点火をするよう、点火プラグ25に制御信号を出力する。
点火プラグ25が混合気に点火をすることにより、燃焼室17の中でSI燃焼又はSPCCI燃焼が行われる。ステップS11において、ECU10は、指圧センサSW6が検知した燃焼室17の中の圧力の変化を読み込み、それに基づいて、燃焼室17の中の混合気の燃焼状態を判断する。ECU10はまた、ステップS12において、燃焼状態の検出結果と、ステップS4において推定をした状態量推定値とを比較し、状態量推定値と、実際の状態量との誤差を計算する。計算した誤差は、今回以降のサイクルにおいて、ステップS4の推定に利用される。ECU10は、状態量誤差が無くなるように、スロットル弁43、EGR弁54、スワールコントロール弁56、及び/又は、エアバイパス弁48の開度、並びに、吸気電動S−VT23及び排気電動S−VT24の位相角を調整する。それによって、燃焼室17に導入される新気及びEGRガス量が調整される。
ECU10はまた、ステップS8において、状態量推定値に基づき燃焼室17の中の温度が目標温度よりも低くなると予想したときには、点火タイミングを進角することが可能になるよう、圧縮行程中の噴射タイミングを、マップに基づく噴射タイミングよりも進角させる。一方、ECU10は、ステップS8において、状態量推定値に基づき燃焼室17の中の温度が目標温度よりも高くなると予想したときには、点火タイミングを遅角することが可能になるよう、圧縮行程中の噴射タイミングを、マップに基づく噴射タイミングよりも遅角させる。
つまり、図11のP2に示すように、燃焼室17の中の温度が低いと、火花点火によってSI燃焼が開始した後、未燃混合気が自己着火するタイミングθCIが遅れてしまい、SI率が、目標のSI率(P1参照)からずれてしまう。この場合、未燃燃料の増大や、排出ガス性能の低下を招く。
そこで、燃焼室17の中の温度が目標温度よりも低くなると予想したときには、ECU10は、噴射タイミングを進角すると共に、図10のステップS10において、点火タイミングθIGを進角する。図11のP3に示すように、SI燃焼の開始が早まることによってSI燃焼により十分な熱発生が可能になるから、燃焼室17の中の温度が低いときに、未燃混合気の自己着火のタイミングθCIが遅れることを防止することができる。その結果、SI率は、目標のSI率に近づく。未燃燃料の増大や、排出ガス性能の低下が防止される。
また、図11のP4に示すように、燃焼室17の中の温度が高いと、火花点火によってSI燃焼が開始して直ぐに、未燃混合気が自己着火してしまい、SI率が、目標のSI率(P1参照)からずれてしまう。この場合、燃焼騒音が増大してしまう。
そこで、燃焼室17の中の温度が目標温度よりも高くなると予想したときには、ECU10は、噴射タイミングを遅角すると共に、図10のステップS10において、点火タイミングθIGを遅角する。図11のP5に示すように、SI燃焼の開始が遅くなるから、燃焼室17の中の温度が高いときに、未燃混合気の自己着火のタイミングθCIが早くなることを防止することができる。その結果、SI率は、目標のSI率に近づく。燃焼騒音が増大してしまうことが回避される。
噴射タイミングを調整することによって、進角又は遅角される点火タイミングにおいて、燃焼室17の中に適切な混合気を形成することができる。点火プラグ25は、確実に、混合気に点火することが可能になると共に、未燃混合気は、適切なタイミングで、自己着火することができる。
尚、図11において、実際の燃焼状態に基づいて、スロットル弁43、EGR弁54、エアバイパス弁48、スワールコントロール弁56、吸気電動S−VT23、及び排気電動S−VT24の制御を通じて燃焼室17の中の状態量を調整する点は、図10のステップS12及びステップS4において説明した通りである。
このエンジン1は、スロットル弁43、EGR弁54、エアバイパス弁48、スワールコントロール弁56、吸気電動S−VT23、及び排気電動S−VT24を含む状態量設定デバイスによって、SI率を調整する。燃焼室17の中の状態量を調整することによって、SI率の大まかな調整が可能である。それと共に、エンジン1は、燃料の噴射タイミング及び点火タイミングを調整することによって、SI率を調整する。噴射タイミング及び点火タイミングの調整によって、例えば気筒間差の補正を行ったり、自己着火タイミングの微調整を行ったりすることができる。SI率の調整を二段階に行うことによって、エンジン1は、運転状態に対応する狙いのSPCCI燃焼を正確に実現することができる。
尚、ECU10が行うエンジン1の制御は、前述した燃焼モデルに基づく制御に限定されない。
(G/Fの推定)
前述したSPCCI燃焼を行う運転領域の内、混合気の空気過剰率λを1以下にすると共に、EGRガスを燃焼室17内に導入することによって、混合気のG/Fをリーンにする領域、具体的には中負荷領域(1)−2、高負荷中回転領域(2)においては、燃焼室17内に導入するEGRガスが多すぎると、SPCCI燃焼におけるSI燃焼の火炎が伝播し難くなってしまう。
図12は、SPCCI燃焼において、混合気のG/Fと、点火時期(白丸参照)及び質量燃焼割合50%のクランク角度位置(黒三角)との関係を例示している。この図は、混合気のG/Fに対して、SPCCI燃焼が安定化する点火時期を示している。G/Fが大きくなるに従い(つまり、図12における横軸の左から右に進むに従い)、点火時期を次第に進角させれば、質量燃焼割合50%のクランク角度位置を、略一定のクランク角度位置にすることができる。つまり、SPCCI燃焼を安定化させることができる。しかしながら、G/Fが所定値aを超えると、点火時期を進角したとしても、質量燃焼割合50%のクランク角度位置は、大きく遅角してしまう。図12より、SPCCI燃焼においては、混合気のG/Fが大きくなり過ぎると、点火のタイミングを調整しても、燃焼の安定性を確保することができなくなることがわかる。
G/Fが大きくなり過ぎると、SI燃焼の火炎が伝播し難くなることに起因して、SPCCI燃焼の安定性が低下してしまうが、燃焼室17内に導入するEGRガスをできるだけ多くすることによって、エンジン1の燃費性能は向上する。
図10及び図11を参照しながら説明をしたように、エンジン1は、SPCCI燃焼における目標のSI率を設定すると共に、目標のSI率が実現するように、燃焼室17内の目標の状態量を設定する。目標の状態量には、目標のG/Fも含まれる。前述したように、混合気のG/Fを、燃焼の安定性を確保することができる限度において、できるだけ大きくしようとすれば、混合気のG/Fを精度よく推定することが必要になる。混合気の実際のG/Fを精度よく推定することができれば、図10のステップS4において、目標のG/Fと、推定したG/Fとの差に応じて、例えばEGR弁54の開度の調整を行うことにより、混合気のG/Fを目標のG/Fに近づけることができる。その結果、SPCCI燃焼の安定性を確保すると共に、エンジン1の燃費性能を向上させることができる。
図7に示すように、SPCCI燃焼は、SI燃焼とCI燃焼とを組み合わせた燃焼形態である。混合気のG/Fが変わると、SPCCI燃焼におけるCI燃焼の燃焼状態は変化する。しかしながら、CI燃焼の燃焼状態を変化させる要因は、燃焼室内のG/Fに限らない。例えば、燃焼室17内の温度が変わっても、CI燃焼の燃焼状態は変化する。また、燃焼室17内の混合気の燃料濃度のムラ等に起因して、CI燃焼の燃焼状態は変化する場合がある。従って、CI燃焼の燃焼状態に基づいてG/Fを推定しようとしても、推定精度は低くなってしまう。
これに対し、火炎伝播によるSI燃焼は、圧縮着火によるCI燃焼とは異なり、燃焼室17内の温度や、混合気の燃料濃度のムラ等の影響を受けにくい。一方で、SI燃焼は、G/Fによって燃焼状態が変わる。燃焼室17内のEGRガス量が多すぎると、SI燃焼の火炎は伝播し難くなる。
また、SPCCI燃焼において、点火による燃焼が開始してから、自己着火による燃焼が開始するまで期間は、図7に白抜きの矢印で示すように、SI燃焼のみの期間である。
そこで、エンジン1のECU10は、点火による燃焼が開始してから、自己着火による燃焼が開始するまで間の火炎伝播による燃焼を少なくとも含んだ燃焼状態に基づいて、混合気のG/Fを推定する。より具体的には、点火のタイミング702から、SPCCI燃焼における質量燃焼割合が10%となるクランク角度位置までの期間ΔCAと、目標のΔCAとのずれの量に応じて、混合気のG/Fの、目標のG/Fに対するずれ量を判断する。質量燃焼割合10%のクランク角度は、SPCCI燃焼において、CI燃焼が開始する前のタイミングに相当する。また、質量燃焼割合は、燃焼室17内の圧力を検知する指圧センサSW6の検出信号に基づいて算出することが可能である。質量燃焼割合10%のクランク角度は、指圧センサSW6の検出信号に基づいて、比較的、精度よく算出することが可能である。また、本願発明者らの検討によれば、点火のタイミング702から、SPCCI燃焼における質量燃焼割合10%のクランク角度位置までの期間ΔCAに基づいて、混合気のG/Fを精度よく推定することができる。ECU10は、EGR状態推定部の一例である。
尚、G/Fは、質量燃焼割合10%のクランク角度位置に基づいて推定することには限定されない。質量燃焼割合10%以上、50%以下の範囲における任意の質量燃焼割合のクランク角度位置に基づけば、SPCCI燃焼におけるSI燃焼の燃焼状態に基づいて、混合気のG/Fを精度よく推定することが可能である。また、点火による燃焼が開始してから、自己着火による燃焼が開始するまで間の火炎伝播による燃焼を含む燃焼状態に加えて、自己着火による燃焼が開始した後の燃焼状態を考慮して、G/Fを推定してもよい。
次に、図13のフローチャートを参照しながら、ECU10が実行する、G/Fの推定及びG/Fの調整に係る制御について説明をする。
先ず、スタート後のステップS131において、ECU10は、指圧センサSW6の信号を読み込む。ECU10は、続くステップS132において、ステップS131で読み込んだ指圧センサSW6の値と、クランク角センサSW11の値とを用いて、所定クランク角毎の筒内圧力(つまり、燃焼室17内の圧力)を算出する。
ステップS133においてECU10は、吸気下死点におけるサージタンク42内の圧力を第2圧力センサSW5から読み込み、ステップS132で算出した筒内圧力について、絶対圧補正を行う。
ステップS134においてECU10は、モータリングによる筒内圧力、つまり、ピストン3の往復動に伴う燃焼室17内の圧力変化を算出する。そして、ECU10は、ステップS133において絶対圧補正を行った筒内圧力から、ステップS134において算出したモータリングによる筒内圧力を差し引くことにより、所定クランク角期間における燃焼による筒内圧力の上昇代を算出する(ステップS135)。
ECU10はさらに、ステップS136において、ステップS135において算出した燃焼による筒内圧力の上昇代に基づいて、所定クランク角期間における熱発生量(ΔQ)を算出すると共に、熱発生量(ΔQ)を積算する(ステップS137)。
ステップS138においてECU10は、積算した熱発生量に基づいて、熱発生が最大値となるクランク角を算出し、続くステップS139において、最大値となるクランク角よりも進角側において熱発生が最小値となるクランク角を算出する。
ステップS138及びS139において算出した熱発生の最小値のクランク角と、最大値のクランク角とから、1サイクルにおけるSPCCI燃焼全体の熱発生情報が得られる。ECU10はステップS1310において、最小値から最大値までの熱発生率情報から、質量燃焼割合10%のクランク角(mfb10)を算出する。
ECU10は、ステップS1310において算出したmfb10と、点火タイミングとから、図7に示すΔCAを算出し、混合気のG/Fを推定する(ステップS1311)。G/Fが大きいと、ΔCAは長くなり、G/Fが小さいと、ΔCAは短くなる。
ECU10は、ステップS1312において、推定したG/Fと目標G/Fとの誤差を算出する。目標G/Fは、図10のステップS3において設定されている。ステップS1313において、G/Fの誤差に応じて、誤差がなくなるようにEGR量の調整を行う(図10のステップS4も参照)。
SPCCI燃焼において、質量燃焼割合10%のクランク角度位置に基づいて、混合気のG/Fを推定することにより、EGR量以外の要因によって変動するCI燃焼の影響を排除して、G/Fを推定することができる。特に、SPCCI燃焼を行うときには、燃焼室17内のスワール流を強くしているため、CI燃焼が開始するまでにSI燃焼を十分に行うことができる。その結果、点火によるSI燃焼が開始してから、自己着火によるCI燃焼が開始するまで間の火炎伝播による燃焼状態に基づいて、G/Fを、精度よく推定することができる。
そして、精度よく推定したG/Fに基づいて、燃焼室17内に導入するEGR量を調整することにより、燃焼室17内のG/Fを目標のG/Fに、正確に近づけることが可能になる。その結果、SPCCI燃焼において、燃焼安定性を確保しながら、混合気のG/Fをできるだけ高くして、エンジン1の燃費性能を高くすることができる。
(他の実施形態)
尚、ここに開示する技術は、前述した構成のエンジン1に適用することに限定されない。エンジン1の構成は、様々な構成を採用することが可能である。
例えば、エンジン1は、機械式過給機44に代えて、ターボ過給機を備えるようにしてもよい。