JP6565985B2 - Control device for compression ignition engine - Google Patents
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Description
ここに開示する技術は、圧縮着火式エンジンの制御装置に関する。 The technology disclosed herein relates to a control device for a compression ignition engine.
特許文献1には、予混合圧縮着火燃焼を行うディーゼルエンジンにおいて、外気温度又は吸気温度が低下したときに、燃焼室内に吸入される空気量を増加することによって、混合気の空燃比をリーンにすることが記載されている。これにより、予混合時における燃料と空気との酸化反応を促進して、所望の熱発生率波形を得る。
In
特許文献1に記載された技術は、軽油を燃料としたディーゼルエンジンに係る。これに対し、少なくともガソリンを含有する燃料を使用するエンジンにおいて、混合気を圧縮着火により燃焼をさせようとする試みがある。しかしながら、ガソリンを含有する燃料を使用するエンジンにおいては、圧縮開始前の燃焼室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してしまう。
The technique described in
ここに開示する技術は、圧縮着火式エンジンにおいて、圧縮着火による燃焼を安定的に行う。 The technology disclosed herein stably performs combustion by compression ignition in a compression ignition type engine.
本願発明者らは、SI(Spark Ignition)燃焼とCI(Compression Ignition)燃焼とを組み合わせる燃焼形態を考えた。SI燃焼は、燃焼室の中の混合気に強制的に点火を行うことにより開始する火炎伝播を伴う燃焼である。CI燃焼は、燃焼室の中の混合気が圧縮自己着火することにより開始する燃焼である。SI燃焼とCI燃焼とを組み合わせた燃焼形態とは、燃焼室の中の混合気に強制的に点火を行って、火炎伝播による燃焼を開始させると、SI燃焼の発熱及び火炎伝播による圧力上昇によって、燃焼室の中の未燃混合気が圧縮着火により燃焼する形態である。この燃焼形態を、以下においてはSPCCI(SPark Controlled Compression Ignition)燃焼と呼ぶ。 The inventors of the present application have considered a combustion mode combining SI (Spark Ignition) combustion and CI (Compression Ignition) combustion. SI combustion is combustion with flame propagation that starts by forcibly igniting the air-fuel mixture in the combustion chamber. CI combustion is combustion that starts when the air-fuel mixture in the combustion chamber undergoes compression self-ignition. Combustion mode combining SI combustion and CI combustion means that when combustion is forcibly ignited in the air-fuel mixture in the combustion chamber and combustion by flame propagation is started, the heat generated by SI combustion and the pressure increase due to flame propagation The unburned air-fuel mixture in the combustion chamber is burned by compression ignition. Hereinafter, this combustion mode is referred to as SPCCI (SPark Controlled Compression Ignition) combustion.
圧縮着火による燃焼は、圧縮開始前の燃焼室の中の温度がばらつくと、圧縮着火のタイミングが大きく変化する。SPCCI燃焼において、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の中の温度に応じて、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、圧縮着火のタイミングをコントロールすることができる。SPCCI燃焼は、SI燃焼によってCI燃焼をコントロールすることができる。 In the combustion by compression ignition, when the temperature in the combustion chamber before the start of compression varies, the timing of compression ignition changes greatly. In SPCCI combustion, by adjusting the calorific value of SI combustion, it is possible to absorb temperature variations in the combustion chamber before compression starts. If the start timing of SI combustion is adjusted by adjusting the ignition timing, for example, according to the temperature in the combustion chamber before the start of compression, the timing of compression ignition can be controlled. SPCCI combustion can control CI combustion by SI combustion.
火炎伝播によるSI燃焼は、圧力上昇がCI燃焼よりも緩やかであるため、SPCCI燃焼は、燃焼騒音の発生を抑制することが可能になる。また、CI燃焼は、SI燃焼よりも燃焼期間が短縮するため、SPCCI燃焼は、燃費の向上に有利になる。さらに、CI燃焼を含むSPCCI燃焼は、混合気の空燃比をリーンにしても燃焼安定性を確保することできるため、排気エミッション性能を維持しながら、エンジンの燃費性能をさらに向上することができる。 In SI combustion by flame propagation, since the pressure rise is more gradual than CI combustion, SPCCI combustion can suppress the generation of combustion noise. Further, since CI combustion has a shorter combustion period than SI combustion, SPCCI combustion is advantageous in improving fuel efficiency. Further, SPCCI combustion including CI combustion can ensure combustion stability even when the air-fuel ratio of the air-fuel mixture is lean, so that the fuel efficiency performance of the engine can be further improved while maintaining the exhaust emission performance.
SPCCI燃焼を行うと、圧縮着火による燃焼を安定的に行うことが可能になるが、本願発明者らの検討によると、SPCCI燃焼は、燃焼室に導入する吸気の温度が低いと圧縮着火による燃焼が安定化しないことが新たにわかった。CI燃焼が安定化しない結果、排気エミッション性能が低下してしまう恐れがある。 When SPCCI combustion is performed, combustion by compression ignition can be stably performed. According to the study by the inventors of the present application, SPCCI combustion is performed by compression ignition when the temperature of intake air introduced into the combustion chamber is low. Newly found that does not stabilize. As a result of CI combustion not being stabilized, exhaust emission performance may be degraded.
そこで、本願発明者らは、SPCCI燃焼を行うエンジンにおいて、燃焼室に導入する吸気の温度が低いことに起因して圧縮着火による燃焼が安定化しないときには、混合気の空燃比を理論空燃比又は略理論空燃比にすることによって、三元触媒を利用した排気ガスの浄化を行うようにした。 Accordingly, the inventors of the present invention set the air-fuel ratio of the air-fuel mixture to the stoichiometric air-fuel ratio or the air-fuel ratio when the combustion by compression ignition is not stabilized due to the low temperature of the intake air introduced into the combustion chamber in an engine that performs SPCCI combustion. The exhaust gas was purified using a three-way catalyst by setting the air to the stoichiometric air-fuel ratio.
具体的に、ここに開示する圧縮着火式エンジンは、燃焼室内の混合気が圧縮着火により燃焼するエンジンと、前記エンジンに取り付けられた燃料噴射部と、前記エンジンに取り付けられかつ、前記燃焼室の中への少なくとも新気の導入を調整する状態量調整部と、前記燃焼室内に臨んで配設された点火部と、前記エンジンの排気通路に設けられた三元触媒と、前記燃焼室に導入する吸気の温度に関連するパラメータを取得する吸気温取得部と、前記燃料噴射部、前記状態量調整部、前記点火部、及び、前記吸気温取得部に接続されかつ、前記吸気温取得部からの検知信号を受けると共に、前記燃料噴射部、前記状態量調整部、及び、前記点火部に制御信号を出力する制御部と、を備える。 Specifically, a compression ignition engine disclosed herein includes an engine in which an air-fuel mixture in a combustion chamber burns by compression ignition, a fuel injection unit attached to the engine, an engine attached to the engine, and a combustion chamber A state quantity adjusting unit for adjusting the introduction of at least fresh air into the combustion chamber, an ignition unit disposed facing the combustion chamber, a three-way catalyst provided in the exhaust passage of the engine, and the combustion chamber An intake air temperature acquisition unit that acquires parameters related to the temperature of the intake air, and the fuel injection unit, the state quantity adjustment unit, the ignition unit, and the intake air temperature acquisition unit, and from the intake air temperature acquisition unit And a control unit that outputs a control signal to the fuel injection unit, the state quantity adjustment unit, and the ignition unit.
そして、前記制御部は、点火された混合気が火炎伝播による燃焼を開始した後、未燃混合気が所定時期において圧縮着火するよう、前記点火部を所定のタイミングで点火させ、前記制御部はまた、吸気の温度が所定吸気温未満のときには、前記混合気の空燃比を、前記三元触媒の浄化ウインドウに収まるよう、略理論空燃比にする。 The control unit ignites the ignition unit at a predetermined timing so that the unburned air-fuel mixture is compressed and ignited at a predetermined timing after the ignited mixture starts combustion by flame propagation, and the control unit When the intake air temperature is lower than the predetermined intake air temperature, the air-fuel ratio of the air-fuel mixture is set to a substantially stoichiometric air-fuel ratio so that it falls within the purification window of the three-way catalyst.
ここで、「エンジン」は、燃焼室が吸気行程、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とすればよい。また、燃焼室に導入される「吸気」は、新気及び既燃ガスを含むとしてもよい。さらに、「略理論空燃比」は、理論空燃比と、理論空燃比近傍の空燃比とを含む。理論空燃比近傍の空燃比は、三元触媒の浄化ウインドウに収まることを限度とする。また、「状態量調整部」は、吸気通路に配設されたスロットル弁に限らない。例えば吸気弁のバルブタイミング及び/又はバルブリフトを調整することによって新気の導入量を調整してもよい。また、状態量調整部は、燃焼室の中へのEGRガスの量を調整することによって、新気の導入量を調整するよう構成してもよい。 Here, the “engine” may be a four-stroke engine that operates when the combustion chamber repeats an intake stroke, a compression stroke, an expansion stroke, and an exhaust stroke. The “intake” introduced into the combustion chamber may include fresh air and burned gas. Further, the “substantially stoichiometric air / fuel ratio” includes the stoichiometric air / fuel ratio and an air / fuel ratio near the stoichiometric air / fuel ratio. The air-fuel ratio in the vicinity of the theoretical air-fuel ratio is limited to be within the purification window of the three-way catalyst. Further, the “state quantity adjusting unit” is not limited to the throttle valve disposed in the intake passage. For example, the amount of fresh air introduced may be adjusted by adjusting the valve timing and / or valve lift of the intake valve. Further, the state quantity adjusting unit may be configured to adjust the amount of fresh air introduced by adjusting the amount of EGR gas into the combustion chamber.
制御部は、点火部を所定のタイミングで点火させる。点火された混合気が火炎伝播による燃焼を開始した後、未燃混合気が所定時期において圧縮着火する。圧縮開始前の燃焼室の中の温度に応じて、例えば点火タイミングを調整することにより、燃焼騒音を防止しながら、CI燃焼を行うことができる。エンジンの燃費性能を向上させることができる。 The control unit ignites the ignition unit at a predetermined timing. After the ignited mixture starts combustion by flame propagation, the unburned mixture is compressed and ignited at a predetermined time. CI combustion can be performed while preventing combustion noise, for example, by adjusting the ignition timing in accordance with the temperature in the combustion chamber before the start of compression. The fuel efficiency of the engine can be improved.
吸気の温度が所定吸気温未満のときには、CI燃焼が安定せず、排気エミッション性能が低下してしまう恐れがある。そこで、吸気の温度が所定吸気温未満のときには、制御部は、混合気の空燃比を、三元触媒の浄化ウインドウに収まるよう、理論空燃比又は略理論空燃比にする。これにより、排気通路に設けた三元触媒を利用して、燃焼室から排出された排気ガスを浄化することができるから、吸気の温度が所定吸気温未満のときに排気エミッション性能が低下してしまうことが防止される。 When the intake air temperature is lower than the predetermined intake air temperature, the CI combustion is not stable, and the exhaust emission performance may be deteriorated. Therefore, when the intake air temperature is lower than the predetermined intake air temperature, the control unit sets the air-fuel ratio of the air-fuel mixture to the stoichiometric air-fuel ratio or the substantially stoichiometric air-fuel ratio so as to be within the purification window of the three-way catalyst. As a result, the exhaust gas discharged from the combustion chamber can be purified using the three-way catalyst provided in the exhaust passage, so that the exhaust emission performance is reduced when the intake air temperature is lower than the predetermined intake air temperature. Is prevented.
前記状態量調整部は、前記燃焼室の中への新気及びEGRガスの導入を調整し、前記制御部は、吸気の温度が前記所定吸気温未満のときには、前記混合気の空燃比を略理論空燃比にすると共に、前記燃焼室にEGRガスを導入する、としてもよい。 The state quantity adjusting unit adjusts the introduction of fresh air and EGR gas into the combustion chamber, and the control unit substantially reduces the air-fuel ratio of the air-fuel mixture when the intake air temperature is lower than the predetermined intake air temperature. In addition to the theoretical air-fuel ratio, EGR gas may be introduced into the combustion chamber.
燃焼室にEGRガスを導入して混合気を希釈することにより、エンジンの燃費性能を向上させることができる。つまり、混合気の空燃比を略理論空燃比にすると共に、燃焼室にEGRガスを導入することによって、燃費性能の向上と、排気エミッション性能の維持とが両立する。 The fuel efficiency performance of the engine can be improved by introducing EGR gas into the combustion chamber and diluting the air-fuel mixture. That is, by making the air-fuel ratio of the air-fuel mixture substantially the stoichiometric air-fuel ratio and introducing EGR gas into the combustion chamber, both improvement in fuel efficiency and maintenance of exhaust emission performance are achieved.
前記制御部は、前記燃焼室の中の全ガスと燃料との重量比に関係する指標としてのG/Fを、18以上にする、としてもよい。本願発明者らの知見によると、混合気の空燃比を略理論空燃比にすると共に、G/Fを18以上にすると、圧縮着火による燃焼において、燃焼騒音が許容値を超えてしまうことを防止することができる。尚、混合気のG/Fは、例えば50以下としてもよい。本願発明者らの知見によると、混合気のG/Fが50以下であれば、SPCCI燃焼を安定して行うことができる。 The control unit may set G / F as an index related to a weight ratio of the total gas and fuel in the combustion chamber to 18 or more. According to the knowledge of the inventors of the present application, when the air-fuel ratio of the air-fuel mixture is set to a substantially stoichiometric air-fuel ratio and G / F is set to 18 or more, combustion noise is prevented from exceeding an allowable value in combustion by compression ignition. can do. Note that the G / F of the air-fuel mixture may be 50 or less, for example. According to the knowledge of the present inventors, if the G / F of the air-fuel mixture is 50 or less, SPCCI combustion can be performed stably.
前記制御部は、吸気の温度が前記所定吸気温以上のときには、前記混合気の空燃比を理論空燃比よりもリーンにする、としてもよい。 The control unit may make the air-fuel ratio of the air-fuel mixture leaner than the stoichiometric air-fuel ratio when the temperature of the intake air is equal to or higher than the predetermined intake air temperature.
吸気の温度が所定吸気温以上のときには、混合気の空燃比を理論空燃比よりもリーンにしても、SPCCI燃焼におけるCI燃焼の安定性が確保される。また、排気エミッション性能も低下しない。混合気の空燃比を理論空燃比よりもリーンにすることによって、エンジンの燃費性能の向上に、より有利になる。 When the intake air temperature is equal to or higher than the predetermined intake air temperature, the stability of CI combustion in SPCCI combustion is ensured even if the air-fuel ratio of the mixture is made leaner than the stoichiometric air-fuel ratio. Further, the exhaust emission performance does not deteriorate. By making the air-fuel ratio of the air-fuel mixture leaner than the stoichiometric air-fuel ratio, it becomes more advantageous for improving the fuel efficiency performance of the engine.
前記制御部は、前記エンジンの負荷が所定負荷以下でかつ、吸気の温度が前記所定吸気温未満のときには、前記混合気の空燃比を略理論空燃比にし、前記エンジンの負荷が前記所定負荷以下でかつ、吸気の温度が前記所定吸気温以上ときには、前記混合気の空燃比を理論空燃比よりもリーンにする、としてもよい。 The control unit sets the air-fuel ratio of the air-fuel mixture to a substantially stoichiometric air-fuel ratio when the engine load is equal to or lower than the predetermined load and the intake air temperature is lower than the predetermined intake air temperature, and the engine load is equal to or lower than the predetermined load. In addition, when the temperature of the intake air is equal to or higher than the predetermined intake air temperature, the air-fuel ratio of the air-fuel mixture may be made leaner than the stoichiometric air-fuel ratio.
エンジンの負荷が低いときに、混合気を理論空燃比よりもリーンにすることによって、エンジンの燃費性能の向上に、より有利になる。また、エンジンの負荷が低くかつ、吸気の温度が所定吸気温未満のときには、混合気の空燃比を略理論空燃比にすることによって、SPCCI燃焼において排気エミッション性能が低下してしまうことを防止することができる。 By making the air-fuel mixture leaner than the stoichiometric air-fuel ratio when the engine load is low, it becomes more advantageous for improving the fuel efficiency of the engine. Further, when the engine load is low and the intake air temperature is lower than the predetermined intake air temperature, the air-fuel ratio of the air-fuel mixture is made to be substantially the stoichiometric air-fuel ratio, thereby preventing the exhaust emission performance from being deteriorated in SPCCI combustion. be able to.
圧縮着火式エンジンの制御装置は、前記燃焼室内にスワール流を発生させるスワール発生部を備え、前記燃焼室内には、壁に沿って周回するスワール流が発生しており、前記制御部は、点火された混合気がスワール流によって前記燃焼室の壁に沿う火炎伝播を開始した後、未燃混合気が所定時期において圧縮着火するよう、前記点火部を所定のタイミングで点火させる、としてもよい。 A control device for a compression ignition engine includes a swirl generating unit that generates a swirl flow in the combustion chamber, and a swirl flow that circulates along a wall is generated in the combustion chamber. The igniting unit may be ignited at a predetermined timing so that the unburned air-fuel mixture is compressed and ignited at a predetermined timing after the mixed gas mixture has started flame propagation along the wall of the combustion chamber by a swirl flow.
スワール流は、壁面近い燃焼室内の外周部において強く、壁面から離れた燃焼室内の中央部において弱い。SPCCI燃焼の火炎は、スワール流に乗って、燃焼室内の外周部を燃焼室の壁に沿って伝播する。その後、所定のタイミングで、未燃混合気が圧縮着火し、燃焼室の外周部及び中央部においてCI燃焼をする。SPCCI燃焼時に、燃焼室内にスワール流を発生させることにより、CI燃焼の開始までにSI燃焼を十分に行うことができる。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、未燃混合気の圧縮着火が目標のタイミングで行われるようになり、SPCCI燃焼の安定性が高まる結果、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。 The swirl flow is strong at the outer periphery of the combustion chamber near the wall surface and weak at the center of the combustion chamber away from the wall surface. The flame of SPCCI combustion rides on a swirl flow and propagates along the outer wall of the combustion chamber along the wall of the combustion chamber. Thereafter, at a predetermined timing, the unburned mixture is compressed and ignited, and CI combustion is performed at the outer peripheral portion and the central portion of the combustion chamber. By generating a swirl flow in the combustion chamber during SPCCI combustion, SI combustion can be sufficiently performed before the start of CI combustion. The generation of combustion noise can be suppressed, and the combustion temperature does not become too high, and the generation of NOx is also suppressed. Further, the compression ignition of the unburned mixture is performed at the target timing, and the stability of the SPCCI combustion is increased. As a result, it is possible to suppress the variation in torque between cycles.
前記制御部は、前記スワール発生部を通じて、前記点火のタイミングにおける前記燃焼室の中の状態を、4以上のスワール比にする、としてもよい。 The control unit may set the state in the combustion chamber at the ignition timing to a swirl ratio of 4 or more through the swirl generation unit.
燃焼室内のスワール流を強くすると、前述した燃焼騒音の抑制、NOxの抑制、及び、トルクばらつきの抑制を、より確実に実現することができる。 When the swirl flow in the combustion chamber is strengthened, the above-described suppression of combustion noise, suppression of NOx, and suppression of torque variation can be more reliably realized.
前記燃焼室の壁温に関連するパラメータを取得する壁温取得部を備え、前記制御部は、前記燃焼室の壁温が所定壁温未満のとき、又は、吸気の温度が前記所定吸気温未満のときには、前記混合気の空燃比を、前記三元触媒の浄化ウインドウに収まるよう、略理論空燃比にする、としてもよい。 A wall temperature acquisition unit that acquires a parameter related to the wall temperature of the combustion chamber is provided, and the control unit is configured such that when the wall temperature of the combustion chamber is lower than a predetermined wall temperature or the temperature of the intake air is lower than the predetermined intake air temperature In this case, the air-fuel ratio of the air-fuel mixture may be substantially the stoichiometric air-fuel ratio so as to be within the purification window of the three-way catalyst.
燃焼室の壁温が低いときも、SPCCI燃焼における圧縮着火による燃焼が安定化しにくくなる。また、前述したように燃焼室内にスワール流が発生していてSPCCI燃焼の火炎が燃焼室の壁に沿って伝播する構成においては、燃焼室の壁温が低いと、SI燃焼が壁面によって冷やされるため、圧縮着火のタイミングが遅くなる。未燃混合気を目標タイミングにおいて圧縮着火させようとすると、例えば燃料量を増やすことにより、SPCCI燃焼においてSI燃焼による熱発生量を増やす必要があるが、燃料量を増やすと、排気エミッション性能が低下する恐れがある。 Even when the wall temperature of the combustion chamber is low, combustion due to compression ignition in SPCCI combustion is difficult to stabilize. Further, as described above, in the configuration in which a swirl flow is generated in the combustion chamber and the flame of SPCCI combustion propagates along the wall of the combustion chamber, the SI combustion is cooled by the wall surface when the wall temperature of the combustion chamber is low. Therefore, the timing of compression ignition is delayed. When trying to compress and ignite the unburned mixture at the target timing, it is necessary to increase the amount of heat generated by SI combustion in SPCCI combustion, for example, by increasing the amount of fuel. However, if the amount of fuel is increased, exhaust emission performance decreases. There is a fear.
そこで、SPCCI燃焼を行う際に、壁温が所定壁温未満のとき、又は、吸気温が所定吸気温未満のときには、混合気の空燃比を略理論空燃比にすることによって、三元処理倍を利用した排気ガスの浄化が可能であるから、エンジンの排気エミッション性能が低下することを防止することができる。 Therefore, when the SPCCI combustion is performed, when the wall temperature is lower than the predetermined wall temperature or when the intake air temperature is lower than the predetermined intake air temperature, the air-fuel ratio of the air-fuel mixture is set to a substantially stoichiometric air-fuel ratio, so Since the exhaust gas can be purified by using this, it is possible to prevent the exhaust emission performance of the engine from being deteriorated.
以上説明したように、前記の圧縮着火式エンジンによると、圧縮着火による燃焼を安定的に行うことができる。 As described above, according to the compression ignition type engine, combustion by compression ignition can be performed stably.
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、エンジンの冷却装置の構成を例示する図である。図5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。 Hereinafter, an embodiment of a compression ignition type engine will be described in detail based on the drawings. The following description is an example of an engine. FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of an engine. FIG. 2 is a diagram illustrating the configuration of the combustion chamber. FIG. 3 is a diagram illustrating the configuration of the combustion chamber and the intake system. In FIG. 1, the intake side is the left side of the drawing, and the exhaust side is the right side of the drawing. 2 and 3, the intake side is the right side of the drawing, and the exhaust side is the left side of the drawing. FIG. 4 is a diagram illustrating the configuration of the engine cooling device. FIG. 5 is a block diagram illustrating the configuration of the engine control device.
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。
The
(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。
(Engine configuration)
The
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。
A
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。
The lower surface of the
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。
The upper surface of the
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。
The center of the
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。
The
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。
The peripheral side surface of the recessed
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。
The geometric compression ratio of the
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。
An
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5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。
An
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。
The
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5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。
An
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。
The
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。
An
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。
Although not shown in detail, the
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。
A
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。
A
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。
An
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。
A
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。
A
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。
An electromagnetic clutch 45 is interposed between the
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。
An
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。
A
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。
When the
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。
When the
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。
In this configuration example, the
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)。
The
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6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6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。
Here, the strength of the swirl flow will be described. The strength of the swirl flow can be expressed by the swirl ratio. The “swirl ratio” can be defined as a value obtained by dividing a value obtained by measuring and integrating the intake-flow lateral angular velocity for each valve lift by the engine angular velocity. The intake flow lateral angular velocity can be obtained based on the measurement using the rig testing apparatus shown in FIG. That is, in the apparatus shown in the figure, the
図7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7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7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。
FIG. 7 shows the relationship between the degree of opening of the
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。
The swirl generating unit shifts the valve opening periods of the two
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。
An
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。
An exhaust gas purification system having a plurality of catalytic converters is disposed in the
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。
An
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。
A water-cooled
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。
In this configuration example, the
エンジン1の冷却装置71は、図4に示すように、メイン回路71Aとサブ回路71Bとを備えている。メイン回路71A及びサブ回路71Bは、互いに独立している。メイン回路71Aとサブ回路71Bとの間で、冷媒(つまり、冷却水)は相互に行き来しない。
As shown in FIG. 4, the
メイン回路71Aは、走行風を利用して冷媒を冷却するメインラジエータ72と、メインラジエータ72によって冷却された冷却水を、シリンダヘッド13及びシリンダブロック12から構成されるエンジン本体100に供給する可変容量型のウォータポンプ74と、を有している。ウォータポンプ74は、エンジン1によって駆動される。エンジン本体100に供給された冷却水は、図示は省略するが、エンジン本体100内において、燃焼室17の周囲に設けられたウォータージャケット内を流れてエンジン本体100の各部を冷却した後、エンジン本体100から排出され、メインラジエータ72に戻る。後述する水温センサSW10は、冷却水の温度を検知する。水温センサSW10によって検知された冷却水の温度は、エンジン本体100の温度として、エンジン1の各種の制御に利用される場合がある。詳細は後述するが、水温センサSW10によって検知された冷却水の温度は、燃焼室17の壁温の温度として用いられ、エンジン1の運転領域マップのレイヤ選択に利用される。
The
サブ回路71Bは、メインラジエータ72と同様に、走行風を利用して冷媒を冷却するサブラジエータ75と、サブラジエータ75によって冷却された冷媒をインタークーラー46へ供給する電動ウォータポンプ76と、を有している。インタークーラー46に供給された冷媒は、インタークーラー46を通過するガスを冷却した後に、インタークーラー46から排出され、サブラジエータ75に戻る。
Similarly to the
メイン回路71Aを流れる冷媒は、エンジン本体100の内部を通過する。サブ回路71Bを流れる冷媒は、エンジン本体100の内部を通過しない。そのため、メイン回路71Aを流れる冷媒は、サブ回路71Bを流れる冷媒よりも高温になる。尚、EGRクーラー53は、図示は省略するが、メイン回路71Aに接続されている。
The refrigerant flowing through the
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5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。
The control device for the compression ignition engine includes an ECU (Engine Control Unit) 10 for operating the
ECU10には、図1及び図5に示すように、各種のセンサSW1〜SW17が接続されている。センサSW1〜SW17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。
As shown in FIGS. 1 and 5, various sensors SW <b> 1 to SW <b> 17 are connected to the
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、及び、サージタンク42内のガスの温度、換言すると燃焼室17に導入される吸気の温度を検知する第3吸気温度センサSW17、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。
That is, the air flow sensor SW1 that is disposed downstream of the air cleaner 41 in the intake passage 40 and detects the flow rate of fresh air flowing through the intake passage 40, the first intake temperature sensor SW2 that detects the temperature of fresh air, and the intake passage 40, the first pressure sensor SW3 that is disposed downstream of the connection position of the EGR passage 52 and upstream of the supercharger 44 and detects the pressure of the gas flowing into the supercharger 44, and supercharging in the intake passage 40 The second intake air temperature sensor SW4, which is disposed downstream of the machine 44 and upstream of the connection position of the bypass passage 47 and detects the temperature of the gas flowing out from the supercharger 44, is attached to the surge tank 42, and The second pressure sensor SW5 for detecting the pressure of the gas downstream of the feeder 44 and the temperature of the gas in the surge tank 42, in other words, introduced into the combustion chamber 17 A third intake air temperature sensor SW17 for detecting the temperature of the intake air, a finger pressure sensor SW6 for detecting the pressure in each combustion chamber 17, which is attached to the cylinder head 13 corresponding to each cylinder 11, and disposed in the exhaust passage 50; An exhaust temperature sensor SW7 that detects the temperature of the exhaust gas discharged from the combustion chamber 17, a linear O 2 sensor SW8 that is arranged upstream of the upstream catalytic converter in the exhaust passage 50 and detects the oxygen concentration in the exhaust gas, A lambda O 2 sensor SW9 that is disposed downstream of the three-way catalyst 511 in the upstream catalytic converter and detects the oxygen concentration in the exhaust gas, a water temperature sensor SW10 that is attached to the engine 1 and detects the temperature of the cooling water, the engine 1 and a crank angle sensor SW11 that detects the rotation angle of the crankshaft 15 An accelerator opening sensor SW12 that is attached to the accelerator pedal mechanism and detects the accelerator opening corresponding to the amount of operation of the accelerator pedal, and an intake cam angle sensor SW13 that is attached to the engine 1 and detects the rotation angle of the intake camshaft. An exhaust cam angle sensor SW14 that is attached to the
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。
The
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。
For example, the
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。
Further, the
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。
Further, the
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。
Details of other controls of the
(エンジンの運転領域)
図8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8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8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8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。
(Engine operating range)
FIG. 8 illustrates an operation region map of the
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。
When the
(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 combustion concept)
In the combustion by self-ignition, when the temperature in the
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。
In the SPCCI combustion, the
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。
By adjusting the calorific value of the SI combustion, the temperature variation in the
SPCCI燃焼において、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。SPCCI燃焼における熱発生率の波形は、図9の符号6014、6024、6034、及び6043に例示するように、立ち上がりの傾きが相対的に小さくなる。また、燃焼室17の中における圧力変動(dp/dθ)も、SI燃焼時は、CI燃焼時よりも穏やかになる。
In SPCCI combustion, heat generation during SI combustion is milder than heat generation during CI combustion. The waveform of the heat generation rate in the SPCCI combustion has a relatively small rising slope as illustrated by
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9に示す熱発生率の波形6014、6024、6034、及び6043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。
When the temperature and pressure in the
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がモータリングによって下降している。CI燃焼による、熱発生率の波形6014、6024、6034、及び6043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。
After the start of CI combustion, SI combustion and CI combustion are performed in parallel. Since CI combustion generates more heat than SI combustion, the heat generation rate is relatively large. However, since CI combustion is performed after compression top dead center, the
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。 dp / dθ can be used as an index representing combustion noise. However, since SPCCI combustion can reduce dp / dθ as described above, it is possible to avoid excessive combustion noise. . Combustion noise can be suppressed below an acceptable level.
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。
When CI combustion ends, SPCCI combustion ends. CI combustion has a shorter combustion period than SI combustion. In SPCCI combustion, the combustion end timing is earlier than SI combustion. In other words, SPCCI combustion can bring the combustion end time during the expansion stroke closer to the compression top dead center. The SPCCI combustion is more advantageous for improving the fuel efficiency of the
このように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。 Thus, the heat generation rate waveform of SPCCI combustion has a relatively large rising slope formed by CI combustion and a first heat generation rate portion formed by SI combustion and having a relatively small rising slope. The second heat generation rate portion is formed to be continuous in this order. Moreover, the start timing of CI combustion (that is, the second heat generation rate portion) is changed by changing the heat generation amount of SI combustion (that is, the first heat generation rate portion) according to the operating state of the engine. Combustion control means (for example, EGR system, variable valve mechanism, intake air amount control means) is controlled so as to reach a target CI combustion start timing set according to the state.
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。
The
図10は、SPCCI燃焼のコンセプトを示している。燃焼室17内に強いスワール流を発生させると、図10に白抜きの矢印で示すように、燃焼室17の外周部は強いスワール流れとなる。一方、中央部のスワール流は相対的に弱くなるが、中央部と外周部との境界における速度勾配に起因する渦流によって、中央部は、乱流エネルギが高くなる。
FIG. 10 shows the concept of SPCCI combustion. When a strong swirl flow is generated in the
点火プラグ25が中央部の混合気に点火をすると、SI燃焼は高い乱流エネルギによって、燃焼速度が高くなって安定化すると共に、SI燃焼の火炎は、図10に黒矢印で示すように、燃焼室17内の強いスワール流れに乗って、周方向に伝播する。燃焼室17の中を、吸気−リヤ側部分、排気−リヤ側部分、排気−フロント側部分、及び、吸気−フロント側部分の、四つの部分に区分けすると、点火プラグ25は、吸気−排気方向については、シリンダ11の中心軸X1よりも吸気側に配置されていると共に、スワール流は、図10における反時計回り方向であるから、SI燃焼の火炎は、吸気−リヤ側部分から、排気−リヤ側部分及び排気−フロント側部分を介して、吸気−フロント側部分へと至る。SI燃焼の発熱及び火炎伝播による圧力上昇により、図10に破線の矢印で示すように、吸気−フロント側部分において未燃混合気が圧縮着火をし、燃焼室17における外周部から中央部においてCI燃焼が行われる。
When the
このSPCCI燃焼のコンセプトでは、燃焼室17の中に強いスワール流を発生させることによって、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。
In this SPCCI combustion concept, by generating a strong swirl flow in the
また、SPCCI燃焼のコンセプトは、SI燃焼の火炎が、燃焼室17の壁面に沿って周方向に伝播するため、点火プラグ25をシリンダ11の中心に配設し、燃焼室17の中心から径方向の外方に向かって火炎を伝播させる一般的なSI燃焼と比較して、高周波振動を伴うノッキングが発生し難いという利点がある。また、SPCCI燃焼は、前述したように、CI燃焼時の圧力変動が比較的穏やかであるため、ディーゼルノックの発生も抑制することができる。
Further, the concept of SPCCI combustion is that the flame of SI combustion propagates in the circumferential direction along the wall surface of the
(各領域におけるエンジンの運転)
以下、図8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9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9の横軸は、クランク角である。尚、図9における符号601、602、603、604、605及び606はそれぞれ、図8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。
(Engine operation in each area)
Hereinafter, the operation of the
(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。
(Low load area (1) -1)
When the
図9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てもよい。
In order to improve the fuel efficiency performance of the
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。
When the
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。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6以下とすればよい。スワールコントロール弁56の開度は、図7に示すように、開口比率が0〜15%となる範囲で調整すればよい。燃焼室17の中のスワール流を強くすることによって、SPCCI燃焼を適切に行うことができる。
When the
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。
When the
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。
When the
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。点火プラグ25に近い混合気のA/Fを20以上30以下にすることにより、SI燃焼の火炎伝播を可能にしつつ、SI燃焼時のRawNOxの発生を抑制することができる。また、外周部の混合気のA/Fを35以上にすることで、CI燃焼を安定して行うことができる。
The fuel concentration of the air-fuel mixture at the center is higher than the fuel concentration at the outer periphery. Specifically, the A / F of the air-fuel mixture in the central part is 20 or more and 30 or less, and the A / F of the air-fuel mixture in the outer peripheral part is 35 or more. Note that the value of the air-fuel ratio is the value of the air-fuel ratio at the time of ignition and is the same in the following description. By setting the A / F of the air-fuel mixture close to the
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、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。
When the
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。
After completion of fuel injection, the
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(つまり、SPCCIリーン)。エンジン1の燃費性能を、大幅に向上させることができる。
As described above, in the low load region (1) -1, the
(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。
(Medium load area (1) -2)
Even when the
図9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。
The
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、エンジン1が中負荷領域(1)−2において運転するときに、SPCCI燃焼を適切に行うことができる。
Further, when the
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511、513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。前述したように、燃焼室17内にEGRガスを導入しているため、燃焼室17の中の全ガスと燃料との重量比であるG/Fはリーンである。エンジン1が中負荷領域(1)−2において運転するときに、G/Fは18以上にしてもよい。こうすることで、いわゆるノッキングの発生を回避することができる。G/Fは18以上30以下において設定してもよい。また、G/Fは18以上50以下において設定してもよい。
When the
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、運転状態602は、中負荷領域(1)−2において比較的負荷の高い運転状態である。中負荷領域(1)−2において、第2噴射6022は、省略することも可能である。特に中負荷領域(1)−2において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、省略してもよい。
When the
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。
When the
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。
When the
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(つまり、SPCCIλ=1)。三元触媒511、513を利用して、燃焼室17から排出された排出ガスを浄化することができる。また、EGRガスを燃焼室17に導入して混合気を希釈化することによって、エンジン1の燃費性能が向上する。
Therefore, in the medium load region (1) -2, the
ここで、図8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。
Here, as shown in FIG. 8, the
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)。
Note that, in each of the high-load medium rotation region (2), the high-load low-rotation region (3), and the high-rotation region (4), the
(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。
(High load medium rotation range (2))
Even when the
図9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。
The
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。スワール流が強いため、SPCCI燃焼を適切に行うことができる。
Further, when the
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、G/Fは18以上にしてもよい。G/Fは18以上30以下において設定してもよい。また、G/Fは18以上50以下において設定してもよい。
When the
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。
When the
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。
If the injection start of the
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。
When the
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。
The end of the compression stroke may be the end when the compression stroke is divided into three equal parts, the initial period, the middle period, and the final period. For example, the post-injection 6032 performed at the end of the compression stroke may start fuel injection at 10 ° CA before top dead center. By performing the post-stage injection immediately before the top dead center, the temperature in the combustion chamber can be lowered by the latent heat of vaporization of the fuel. The fuel injected by the
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。
The
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)。
When the
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。
The
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。
When the rotation speed of the
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。
The
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。
In the high load region, the fuel injection amount increases and the temperature of the
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。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。
By stratifying the air-fuel mixture in the
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。
Moreover, since the temperature of the outer peripheral portion is low, CI combustion becomes moderate, and the generation of combustion noise can be suppressed. Furthermore, since the combustion period is shortened by CI combustion, torque can be improved and thermal efficiency can be improved in a high load region. Therefore, the
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(つまり、SPCCIλ≦1)。この領域においても、三元触媒511、513を利用して、燃焼室17から排出された排出ガスを浄化することができる。また、EGRガスを燃焼室17に導入して混合気を希釈化することによって、エンジン1の燃費性能が向上する。
As described above, in the high load mid-rotation region (2), the
(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。
(High load, low rotation range (3))
When the rotational speed of the
図9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。
The
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。
When the
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。
When the
By injecting fuel during the intake stroke (reference numeral 6051), it is possible to secure a sufficient time for forming the air-fuel mixture. Further, by injecting fuel within the retard period (reference numeral 6052), the gas flow in the
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。
The
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。
In order to avoid premature ignition, the
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。
When the
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、図示は省略するが、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。
When the
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。
Further, when the
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。
As illustrated by the two-dot chain line in the upper diagram of FIG. 2, the axis of the injection hole of the
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。
On the other hand, if the swirl flow is too strong, the fuel is flowed in the circumferential direction and is away from the vicinity of the
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(つまり、リタード−SI)。この領域においては、混合気の空燃比を略理論空燃比にすることによって、三元触媒511、513を利用して、燃焼室17から排出された排出ガスを浄化することができる。SI燃焼を行うことによって、異常燃焼を回避することができる。
In the high-load low-rotation region (3), the
(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。
(High rotation area (4))
When the rotational speed of the
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。
Therefore, when the
図9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。
The
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。
When the
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。
When the
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。
When the
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)。
The
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(つまり、吸気−SI)。この領域においても、混合気の空燃比を略理論空燃比にすることによって、三元触媒511、513を利用して、燃焼室17から排出された排出ガスを浄化することができる。また、SI燃焼を行うことによって、異常燃焼を回避することができる。
Therefore, in the high speed region (4), the
(運転領域マップのレイヤ構造)
図8に示すエンジン1の運転領域マップ501、502は、図11に示すように、レイヤ1、レイヤ2及びレイヤ3の三つのレイヤを重ね合わせることによって構成されている。
(Layer structure of driving area map)
As shown in FIG. 11, the operation region maps 501 and 502 of the
レイヤ1は、ベースとなるレイヤである。レイヤ1は、運転領域マップの全体に広がる。レイヤ1は、低負荷領域(1)−1、中負荷領域(1)−2、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)の全ての領域を含んでいる。
レイヤ2は、レイヤ1の上に重なるレイヤである。レイヤ2は、高回転領域(4)と、高負荷低回転領域(3)とを除く、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)を含んでいる。
レイヤ3は、レイヤ2の上に重なるレイヤである。レイヤ3は、低負荷領域(1)−1を含んでいる。
レイヤ1、レイヤ2及びレイヤ3は、燃焼室17の壁温及び吸気の温度それぞれの高低に応じて選択をする。詳細は後述するが、レイヤの選択は、レイヤ1のみを選択する場合、レイヤ1とレイヤ2とを選択する場合、及び、レイヤ1とレイヤ2とレイヤ3とを選択する場合の三通りである。図8に示すエンジン1の運転領域マップ501は、レイヤ1とレイヤ2とレイヤ3とを選択した場合に相当する。
レイヤ1とレイヤ2とレイヤ3とを選択して、これらレイヤ1、レイヤ2及びレイヤ3を重ねることによって構成される運転領域マップにおいて、低負荷領域(1)−1は、その領域において最上位のレイヤ3が有効になり、中負荷領域(1)−2及び高負荷中回転領域(2)は、それらの領域において最上位のレイヤ2が有効になり、残りの高負荷低回転領域(3)及び高回転領域(4)は、レイヤ1が有効になる。
In the driving region map configured by selecting
レイヤ1とレイヤ2とを選択して、これらレイヤ1及びレイヤ2を重ねることによって構成される運転領域マップにおいては、前記とは異なり、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)はそれぞれ、それらの領域において最上位のレイヤ2が有効になり、残りの高負荷低回転領域(3)及び高回転領域(4)は、レイヤ1が有効になる。
Unlike the above, in the operation region map configured by selecting
レイヤ1のみを選択して、このレイヤ1のみによって構成される運転領域マップにおいては、前記とは異なり、低負荷領域(1)−1、中負荷領域(1)−2、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)はそれぞれ、レイヤ1が有効になる。
Unlike the above, in the operation region map configured by selecting
レイヤ3は、SPCCI燃焼を行う。レイヤ3はまた、低負荷領域(1)−1において、燃焼室17全体の混合気の空燃比を理論空燃比よりもリーンする(つまり、λ>1)。レイヤ3は、燃焼室17の壁温が第1所定壁温(例えば80℃)以上でかつ、吸気温が第1所定吸気温(例えば50℃)以上のときに選択される。尚、燃焼室17の壁温は、例えば,水温センサSW10によって検知されるエンジン1の冷却水の温度によって代用してもよい。また、冷却水の温度や、その他の検知結果に基づいて、燃焼室17の壁温を推定してもよい。また、吸気温は、例えば、サージタンク42内の温度を検知する第3吸気温度センサSW17によって検知される。また、各種の検知結果に基づいて、燃焼室17の中に導入される吸気温を推定してもよい。
図10を参照しながら説明したように、SPCCI燃焼は、燃焼室17内に強いスワール流を発生させて行う。SI燃焼は、燃焼室17の壁に沿って火炎が伝播するため、SI燃焼の火炎伝播は、壁温の影響を受ける。壁温が低いと、SI燃焼の火炎が冷やされてしまい、圧縮着火のタイミングが遅れてしまう。
As described with reference to FIG. 10, the SPCCI combustion is performed by generating a strong swirl flow in the
図8の運転領域マップ501に示すように、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、混合気の空燃比は理論空燃比よりもリーンである。この運転状態において、燃焼室17の壁温が低いときに圧縮着火のタイミングを目標タイミングまで進めようとすると、例えばSI燃焼による発生する熱量を増やすべく、SI燃焼によって燃焼される燃料の噴射量を増やすことが考えられる。しかしながら、SI燃焼用である燃焼室17の中央部の混合気の空燃比を、前述したようにA/F=20〜30のリーン空燃比から理論空燃比に近づけると、SI燃焼の燃焼温度が高くなってRawNOxが多く発生してしまう。その一方で、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は、前述の通り、燃焼室17全体の混合気の空燃比は理論空燃比よりもリーンであるため、三元触媒511、513は、燃焼室17から排出されたRawNOxを浄化することができない。
As shown in the
また、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ため、燃焼室17の壁温の影響を受けるだけではない。SPCCI燃焼におけるCI燃焼は、壁に沿って火炎が伝播した後に、燃焼室17の外周部から中央部において行われるため、燃焼室17の中央部の温度の影響を受ける。中央部の温度が低いと、CI燃焼が不安定になってしまう。燃焼室17の中央部の温度は、燃焼室17に導入される吸気の温度に依存する。つまり、吸気温度が高いときに、燃焼室17の中央部の温度は高くなり、吸気温度が低いときに、中央部の温度は低くなる。
Further, since SPCCI combustion is a combustion mode that combines SI combustion and CI combustion, it is not only influenced by the wall temperature of the
そこで、燃焼室17の壁温が第1所定壁温以上でかつ、吸気温度が第1所定吸気温以上のときには、SPCCI燃焼を安定して行うことができるため、レイヤ3を選択する。これにより、低負荷領域(1)−1は、混合気の空燃比を理論空燃比よりもリーンにして、SPCCI燃焼を行う領域となる。エンジン1の負荷が低いときに混合気の空燃比を理論空燃比よりもリーンにすることによって、エンジン1の燃費性能を大幅に向上させることができる。
Therefore, when the wall temperature of the
レイヤ2は、SPCCI燃焼を行う。レイヤ2はまた、低負荷領域(1)−1、及び、中負荷領域(1)−2において、燃焼室17全体の混合気の空燃比を理論空燃比又は略理論空燃比にする(つまり、λ=1)。また、レイヤ2は、高負荷中回転領域(2)において、燃焼室17全体の混合気の空燃比を、理論空燃比又は理論空燃比よりもリッチにする(つまり、λ≦1)。レイヤ2は、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)のそれぞれにおいて、EGRガスを燃焼室17の中に導入する。混合気のG/Fは、18以上に設定される。レイヤ2は、燃焼室17の壁温が第2所定壁温(例えば30℃)以上でかつ、吸気温が第2所定吸気温(例えば25℃)以上のときに選択される。尚、レイヤ2は、燃焼室17の壁温が第1所定壁温以上、又は、吸気温が第1所定吸気温以上のときにも選択される。
前述したように、燃焼室17の壁温が低い、及び/又は、空気温度が低いと、混合気の空燃比を理論空燃比よりもリーンにした上で、SPCCI燃焼を安定的に行うことが困難になる。
As described above, when the wall temperature of the
また、燃焼室17の壁温が低すぎる、及び/又は、空気温度が低すぎると、SI燃焼の発熱を利用するSPCCI燃焼であっても、CI燃焼を安定的に行うことが困難になる。
Further, if the wall temperature of the
そこで、燃焼室17の壁温が第1所定壁温未満のとき又は吸気温が第1所定吸気温未満のときでかつ、燃焼室17の壁温が第2所定壁温以上及び吸気温が第2所定吸気温以上のときには、レイヤ2を選択し、レイヤ3は選択しない。レイヤ2を選択することにより、燃焼室17の壁温が第1所定壁温未満のとき又は吸気温が第1所定吸気温未満のときには、低負荷領域(1)−1において、混合気の空燃比を理論空燃比又は略理論空燃比にしたSPCCI燃焼が行われる。SPCCI燃焼を安定化することができる。また、燃焼室17の壁温が第2所定壁温以上でかつ、吸気温が第2所定吸気温以上のときに、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)のそれぞれにおいて、SPCCI燃焼を行うことにより、エンジン1の燃費性能の向上が図られる。
Therefore, when the wall temperature of the
レイヤ1は、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、高回転領域(4)において、吸気行程中に燃料噴射を開始し、火花点火によるSI燃焼を行う(つまり、吸気−SI)。また、レイヤ1は、高負荷低回転領域(3)において、燃料を、吸気行程中と、圧縮行程終期から膨張行程初期までのリタード期間内において噴射をしてSI燃焼を行う(つまり、リタード−SI)。従って、レイヤ1においては、エンジン1の運転領域の全体において、SPCCI燃焼ではなく、火花点火によるSI燃焼を行う。混合気の空燃比は、基本的には、理論空燃比又は略理論空燃比である。レイヤ1は、燃焼室17の壁温の高低、及び、吸気温の高低にかかわらず、常に選択されるレイヤである。
燃焼室17の壁温が第2所定壁温未満のとき又は吸気温が第2所定吸気温未満のときには、全ての運転領域においてSI燃焼を行うことにより、燃焼安定性を確保することができる。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、混合気の空燃比を略理論空燃比にすることによって、三元触媒511、513を利用した排気ガスの浄化が可能であるから、排気エミッション性能が低下してしまうことを防止することができる。
When the wall temperature of the
このように運転領域マップのレイヤ構造は、SPCCI燃焼の特性に基づいている。燃焼室17の壁温及び吸気温に応じて、レイヤ1、レイヤ2及びレイヤ3の選択を行うことにより、エンジン1の排気エミッション性能が低下することを回避しつつ、エンジン1の燃費性能を最大限に向上させることができる。
Thus, the layer structure of the operation region map is based on the characteristics of SPCCI combustion. By selecting the
(エンジンの制御プロセス)
次に、図12のフローチャートを参照しながら、ECU10が実行するエンジン1の運転制御について説明をする。このフローチャートは、運転領域マップのレイヤ選択に関係する。
(Engine control process)
Next, the operation control of the
先ず、スタート後のステップS1において、ECU10は、各センサSW1〜SW17の信号を読み込む。ECU10は、続くステップS2において、燃焼室17の壁温が3℃0以上でかつ、吸気温が25℃以上か否かを判断する。ステップS2の判定がYESのときには、プロセスはステップS3に進み、NOのときには、プロセスはステップS7に進む。ECU10は、ステップS7において、燃焼室17の壁温が低すぎる、又は、吸気温が低すぎるため、レイヤ1のみを選択する。従って、エンジン1は、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、高回転領域(4)の各領域において運転するときには、前記「吸気―SI」により運転すると共に、高負荷低回転領域(3)において運転するときには、前記「リタード−SI」により運転する。プロセスはその後、ステップS5に進む。
First, in step S1 after the start, the
ステップS3において、ECU10は、燃焼室17の壁温が80℃以上でかつ、吸気温が50℃以上か否かを判断する。ステップS3の判定がYESのときには、プロセスはステップS4に進み、NOのときには、プロセスはステップS8に進む。
In step S3, the
ECU10は、ステップS8において、レイヤ1とレイヤ2とを選択する。従って、エンジン1は、低負荷領域(1)−1、及び、中負荷領域(1)−2の各領域において運転するときには、前記「SPCCIλ=1」により運転すると共に、高負荷中回転領域(2)において運転するときには、前記「SPCCIλ≦1」により運転する。また、エンジン1は、高回転領域(4)において運転するときには、前記「吸気―SI」により運転すると共に、高負荷低回転領域(3)において運転するときには、前記「リタード−SI」により運転する。プロセスはその後、ステップS5に進む。
In step S8, the
ECU10は、ステップS4において、レイヤ1とレイヤ2とレイヤ3とを選択する。従って、エンジン1は、低負荷領域(1)−1において運転するときには、前記「SPCCIλ>1」により運転しかつ、中負荷領域(1)−2において運転するときには、前記「SPCCIλ=1」により運転すると共に、高負荷中回転領域(2)において運転するときには、前記「SPCCIλ≦1」により運転する。また、エンジン1は、高回転領域(4)において運転するときには、前記「吸気―SI」により運転すると共に、高負荷低回転領域(3)において運転するときには、前記「リタード−SI」により運転する。プロセスはその後、ステップS5に進む。
In step S4, the
ECU10は、ステップS5において、ステップS1において取得した各種の検知信号に基づいて、エンジン1の運転状態を判断し、続くステップS6において、ステップS4、S7、又はS8において選択したレイヤに基づく運転領域マップと、ステップS5において判断したエンジン1の運転状態と、に応じて、状態量調整(つまり、混合気のA/F、及び/又は、G/Fの調整)、燃料噴射時期の調整、及び、点火時期の調整を行い、エンジン1を運転する。
In step S5, the
従って、エンジン1の負荷が所定負荷以下となる低負荷領域(1)−1においてエンジンが運転するときには、燃焼室17の壁温が所定壁温未満、又は、吸気温が所定吸気温未満のときには、レイヤ2によって混合気の空燃比を略理論空燃比にし、燃焼室17の壁温が所定壁温以上、及び、吸気温が所定吸気温以上のときには、レイヤ3によって混合気の空燃比を理論空燃比よりもリーンにすることになる。
Therefore, when the engine is operated in the low load region (1) -1 where the load of the
尚、ここでは、壁温及び吸気温の両方を考慮して、レイヤを選択しているが、吸気温に基づいて、レイヤを選択してもよい。 Here, although the layer is selected in consideration of both the wall temperature and the intake air temperature, the layer may be selected based on the intake air temperature.
(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。
(Other embodiments)
The technique disclosed here is not limited to being applied to the
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。
For example, the
また、ここに開示する技術は、SPCCI燃焼を行うエンジンに限らず、圧縮着火燃焼を行うエンジンに広く適用することができる。 Further, the technology disclosed herein can be widely applied not only to engines that perform SPCCI combustion but also to engines that perform compression ignition combustion.
1 エンジン
10 ECU(制御部)
17 燃焼室
23 吸気電動S−VT(状態量調整部)
24 排気電動S−VT(状態量調整部)
25 点火プラグ(点火部)
43 スロットル弁(状態量調整部)
44 過給機
49 過給システム(状態量調整部)
511、513 三元触媒
55 EGRシステム(状態量調整部)
56 スワールコントロール弁(スワール発生部)
6 インジェクタ(燃料噴射部)
SW10 水温センサ(壁温取得部)
SW17 第3吸気温度センサ(吸気温取得部)
1
17
24 Exhaust electric S-VT (state quantity adjustment unit)
25 Spark plug (ignition part)
43 Throttle valve (state quantity adjustment unit)
44
511, 513 Three-
56 Swirl control valve (swirl generator)
6 Injector (fuel injection part)
SW10 Water temperature sensor (wall temperature acquisition unit)
SW17 Third intake air temperature sensor (intake air temperature acquisition unit)
Claims (8)
前記エンジンに取り付けられた燃料噴射部と、
前記エンジンに取り付けられかつ、前記燃焼室の中への少なくとも新気の導入を調整する状態量調整部と、
前記燃焼室内に臨んで配設された点火部と、
前記エンジンの排気通路に設けられた三元触媒と、
前記燃焼室に導入する吸気の温度に関連するパラメータを取得する吸気温取得部と、
前記燃料噴射部、前記状態量調整部、前記点火部、及び、前記吸気温取得部に接続されかつ、前記吸気温取得部からの検知信号を受けると共に、前記燃料噴射部、前記状態量調整部、及び、前記点火部に制御信号を出力する制御部と、を備え、
前記制御部は、吸気の温度が所定吸気温未満のときには、前記混合気の空燃比を、前記三元触媒の浄化ウインドウに収まるよう、略理論空燃比に制御しつつ、火炎伝播燃焼を開始した後に未燃混合気が自己着火燃焼するよう、前記点火部による点火時期を制御する一方、吸気の温度が前記所定吸気温以上のときには、前記状態量調整部により前記混合気の空燃比を、理論空燃比よりもリーンに制御しつつ、火炎伝播燃焼を開始した後に未燃混合気が自己着火燃焼するよう、前記点火部による点火時期を制御する圧縮着火式エンジンの制御装置。 An engine in which the air-fuel mixture in the combustion chamber burns by compression ignition;
A fuel injection part attached to the engine;
A state quantity adjusting unit which is attached to the engine and adjusts introduction of at least fresh air into the combustion chamber;
An ignition unit disposed facing the combustion chamber;
A three-way catalyst provided in the exhaust passage of the engine;
An intake air temperature acquisition unit for acquiring a parameter related to the temperature of intake air introduced into the combustion chamber;
The fuel injection unit, the state quantity adjustment unit, the ignition unit, and the intake air temperature acquisition unit, and receives a detection signal from the intake air temperature acquisition unit, and the fuel injection unit, the state quantity adjustment unit And a control unit that outputs a control signal to the ignition unit,
When the temperature of the intake air is lower than a predetermined intake air temperature , the control unit starts flame propagation combustion while controlling the air-fuel ratio of the air-fuel mixture to a substantially stoichiometric air-fuel ratio so that it falls within the purification window of the three-way catalyst . The ignition timing is controlled by the igniter so that the unburned mixture is self-ignited and combusted later. When the intake air temperature is equal to or higher than the predetermined intake air temperature, the state quantity adjusting unit determines the air-fuel ratio of the mixture. A control device for a compression ignition engine that controls ignition timing by the igniter so that an unburned mixture self-ignites after starting flame propagation combustion while controlling leaner than the air-fuel ratio .
前記状態量調整部は、前記燃焼室の中への新気及びEGRガスの導入を調整し、
前記制御部は、吸気の温度が前記所定吸気温未満のときには、前記混合気の空燃比を略理論空燃比にすると共に、前記燃焼室にEGRガスを導入する圧縮着火式エンジンの制御装置。 The control apparatus for a compression ignition engine according to claim 1,
The state quantity adjusting unit adjusts the introduction of fresh air and EGR gas into the combustion chamber,
When the intake air temperature is lower than the predetermined intake air temperature, the control unit sets the air-fuel ratio of the air-fuel mixture to a substantially stoichiometric air-fuel ratio and introduces EGR gas into the combustion chamber.
前記制御部は、前記燃焼室の中の全ガスと燃料との重量比に関係する指標としてのG/Fを、18以上にする圧縮着火式エンジンの制御装置。 The control apparatus for a compression ignition engine according to claim 2,
The control unit is a control device for a compression ignition engine in which G / F as an index relating to a weight ratio of all the gases in the combustion chamber to fuel is 18 or more.
前記制御部は、前記点火部の点火による点火時期の制御によって火炎伝播燃焼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、所定の自己着火燃焼の開始時期となるよう制御する圧縮着火式エンジンの制御装置。 The control apparatus for a compression ignition engine according to claim 1,
The control unit controls the ignition timing of the self-ignition combustion by changing a heat generation amount of the flame propagation combustion according to an operating state of the engine by controlling an ignition timing by ignition of the ignition unit. Control device for ignition engine.
前記制御部は、前記エンジンの負荷が所定負荷以下でかつ、吸気の温度が前記所定吸気温未満のときには、前記混合気の空燃比を略理論空燃比にし、前記エンジンの負荷が前記所定負荷以下でかつ、吸気の温度が前記所定吸気温以上ときには、前記混合気の空燃比を理論空燃比よりもリーンにする圧縮着火式エンジンの制御装置。 In the control device for the compression ignition engine according to any one of claims 1 to 4,
The control unit sets the air-fuel ratio of the air-fuel mixture to a substantially stoichiometric air-fuel ratio when the engine load is equal to or lower than the predetermined load and the intake air temperature is lower than the predetermined intake air temperature, and the engine load is equal to or lower than the predetermined load. In addition, when the intake air temperature is equal to or higher than the predetermined intake air temperature, the control device for the compression ignition engine that makes the air-fuel ratio of the air-fuel mixture leaner than the stoichiometric air-fuel ratio.
前記燃焼室内にスワール流を発生させるスワール発生部を備え、
前記燃焼室内には、壁に沿って周回するスワール流が発生しており、
前記制御部は、点火された混合気がスワール流によって前記燃焼室の壁に沿う火炎伝播を開始した後、未燃混合気が所定時期において圧縮着火するよう、前記点火部を所定のタイミングで点火させる圧縮着火式エンジンの制御装置。 In the control device for the compression ignition engine according to any one of claims 1 to 5,
A swirl generator for generating a swirl flow in the combustion chamber;
A swirl flow that circulates along the wall is generated in the combustion chamber,
The control unit ignites the ignition unit at a predetermined timing so that the unburned mixture is compressed and ignited at a predetermined timing after the ignited mixture starts to propagate through the wall of the combustion chamber by a swirl flow. Control device for compression ignition engine.
前記制御部は、前記スワール発生部を通じて、前記点火のタイミングにおける前記燃焼室の中の状態を、4以上のスワール比にする圧縮着火式エンジンの制御装置。 The compression ignition type engine control device according to claim 6,
The control unit is a control device for a compression ignition type engine in which the state in the combustion chamber at the timing of ignition is set to a swirl ratio of 4 or more through the swirl generation unit.
前記燃焼室の壁温に関連するパラメータを取得する壁温取得部を備え、
前記制御部は、前記燃焼室の壁温が所定壁温未満のとき、又は、吸気の温度が前記所定吸気温未満のときには、前記混合気の空燃比を、前記三元触媒の浄化ウインドウに収まるよう、略理論空燃比にする圧縮着火式エンジンの制御装置。 In the control device for a compression ignition engine according to any one of claims 1 to 7,
A wall temperature acquisition unit for acquiring a parameter related to the wall temperature of the combustion chamber;
When the wall temperature of the combustion chamber is lower than a predetermined wall temperature or when the temperature of the intake air is lower than the predetermined intake air temperature, the control unit fits the air-fuel ratio of the air-fuel mixture in the purification window of the three-way catalyst. A control device for a compression ignition engine having a substantially stoichiometric air-fuel ratio.
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