JP6601371B2 - 圧縮自己着火式エンジンの制御装置 - Google Patents
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Description
燃焼室の中において混合気を自己着火させるよう構成されたエンジンと、
前記エンジンに取り付けられかつ、前記燃焼室の中への新気及び既燃ガスの導入を調整することによって、前記燃焼室の中を所望の状態に設定するよう構成された状態量設定デバイスと、
前記エンジンに取り付けられかつ、前記燃焼室の中に燃料を噴射するよう構成されたインジェクタと、
前記燃焼室の中に臨んで配設されかつ、前記燃焼室の中の混合気に点火をするよう構成された点火プラグと、
前記状態量設定デバイス、前記インジェクタ、及び、前記点火プラグのそれぞれに接続されかつ、前記状態量設定デバイス、前記インジェクタ、及び、前記点火プラグのそれぞれに制御信号を出力することによって、前記エンジンを運転するよう構成されたコントローラーと、
前記コントローラーに接続されかつ、前記エンジンの運転状態に関するパラメータを検知すると共に、前記コントローラーに検知信号を出力するよう構成されたセンサと、を備える。
前記コントローラーは、前記燃焼室の中の混合気が燃焼するときに発生する全熱量に対し、前記火炎伝播により混合気が燃焼するときに発生する熱量の割合に関係する指標としてのSI率を、前記センサの検知信号に基づく前記エンジンの運転状態に応じて変更し、
前記コントローラーはまた、前記センサの検知信号を受けて前記SI率の調整が必要と判断したときに、前記SI率を調整する。
この構成によると、点火プラグは、コントローラーの制御信号を受けて、燃焼室の中の混合気に強制的に点火する。混合気は火炎伝播により燃焼し、その後、前記燃焼室の中の未燃混合気が自己着火により燃焼することにより、燃焼が完了する。
SICI燃焼においてSI率を高くすると、SI燃焼の割合が高くなるから、燃焼騒音の抑制に有利になる。SICI燃焼においてSI率を低くすると、CI燃焼の割合が高くなるから、燃費の向上に有利になる。
コントローラーは、SI率の調整が必要と判断したときにSI率を調整する。このことによって、燃焼室の中のSICI燃焼を、エンジンの運転状態に対応する狙いの燃焼状態にすることができる。その結果、燃焼騒音を防止しながら、SICI燃焼を行う運転領域を拡大することができる。
燃焼室の中において混合気を自己着火させるよう構成されたエンジンと、
前記エンジンに取り付けられかつ、前記燃焼室の中への新気及び既燃ガスの導入を調整することによって、前記燃焼室の中を所望の状態に設定するよう構成された状態量設定デバイスと、
前記エンジンに取り付けられかつ、前記燃焼室の中に燃料を噴射するよう構成されたインジェクタと、
前記燃焼室の中に臨んで配設されかつ、前記燃焼室の中の混合気に点火をするよう構成された点火プラグと、
前記状態量設定デバイス、前記インジェクタ、及び、前記点火プラグのそれぞれに接続されかつ、前記状態量設定デバイス、前記インジェクタ、及び、前記点火プラグのそれぞれに制御信号を出力することによって、前記エンジンを運転するよう構成されたコントローラーと、
前記コントローラーに接続されかつ、前記エンジンの運転状態に関するパラメータを検知すると共に、前記コントローラーに検知信号を出力するよう構成されたセンサと、を備え、
前記点火プラグは、点火された混合気が火炎伝播により燃焼し、その後、前記燃焼室の中の未燃混合気が自己着火により燃焼するように、前記コントローラーの制御信号を受けて、所定の点火タイミングで前記混合気に点火をし、
前記コントローラーは、前記燃焼室の中の混合気が燃焼するときに発生する全熱量に対し、前記火炎伝播により混合気が燃焼するときに発生する熱量の割合に関係する指標としてのSI率を、前記センサの検知信号に基づく前記エンジンの運転状態に応じて変更し、
前記コントローラーはまた、前記センサの検知信号を受けて前記SI率の調整が必要と判断したときに、前記SI率を調整し、
前記コントローラーは、前記エンジンの運転状態に基づいて目標のSI率を設定すると共に、前記目標のSI率の燃焼となるように、前記状態量設定デバイス、前記インジェクタ、及び、前記点火プラグのそれぞれに制御信号を出力する。
前記コントローラーは、前記指圧センサの検知信号を受けかつ、混合気の燃焼に伴う圧
力波形に基づいて、前記SI率を算出すると共に、算出した前記SI率と前記目標のSI率とがずれているときに、前記SI率を調整する。
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、1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。
図4は、エンジン1の運転領域を例示している。エンジン1の運転領域は、負荷の高低に対し、大きく3つの領域に分けられている。具体的に、3つの領域は、アイドル運転を含む低負荷領域(A)、全開負荷を含む高負荷領域(C)、及び、低負荷領域(A)と高負荷領域(C)との間の中負荷領域(B)である。エンジン1は、燃費の向上及び排出ガス性能の向上を主目的として、中負荷領域において、圧縮自己着火による燃焼を行う。以下、低負荷領域、中負荷領域、及び、高負荷領域の各領域における燃焼形態について、順に説明をする。
エンジン1の運転状態が低負荷領域にあるときには、燃料の噴射量が少ない。そのため、燃焼室17において混合気が燃焼したときに発生する熱量が少なく、燃焼室17の温度が低くなる。また、排気ガスの温度も低くなるため、後述するように内部EGRガスを燃焼室17の中に導入しても、燃焼室17の温度が、自己着火が安定して可能になる程度まで高まらない。エンジン1の運転状態が低負荷領域にあるときの燃焼形態は、点火プラグ25が燃焼室17の中の混合気に点火を行うことによって混合気を火炎伝播により燃焼させるSI(Spark Ignition)燃焼である。以下、低負荷領域における燃焼形態を、低負荷SI燃焼と呼ぶ場合がある。
エンジン1の運転状態が中負荷領域にあるときには、燃料の噴射量が多くなる。燃焼室17の温度が高くなるため、自己着火を安定して行うことが可能にある。燃費の向上及び排出ガス性能の向上を図るため、エンジン1は、中負荷領域において、CI燃焼を行う。
エンジン1の運転状態が高負荷領域にあるときには、燃料の噴射量が多い。そのため、SICI燃焼を行っても、燃焼騒音を抑制することが困難になる。また、燃焼室17の中の温度が高くなるため、CI燃焼を行おうとしても、過早着火やノッキングといった異常燃焼が生じやすい。そのため、エンジン1の運転状態が高負荷領域にあるときの燃焼形態は、SI燃焼である。以下、高負荷領域における燃焼形態を、高負荷SI燃焼と呼ぶ場合がある。
ここで、前述したSICI燃焼における、点火タイミングの変更に対する自己着火のタイミングの変化感度について説明をする。本願発明者らの検討によると、SICI燃焼において、点火タイミングの変更に対して自己着火のタイミングが変化するためには、混合気が自己着火するまでの間に、火炎伝播によるSI燃焼が安定的に行われる必要があることがわかった。
次に、前述したSICI燃焼について、さらに詳細に説明をする。図5は、SICI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を示している。圧縮上死点付近、正確には、圧縮上死点よりも前の所定タイミングで、点火プラグ25が混合気に点火すると、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。
エンジン1は、前述したように、運転状態に応じてSI燃焼とSICI燃焼とを切り替える。エンジン1はまた、エンジン1の運転状態に応じてSI率を変更する。自己着火による燃焼を行う運転領域が拡大するため、エンジン1は、燃焼騒音の発生を抑制することと、燃費の向上を図ることとが両立する。
低負荷領域(A)において、エンジン1は、低負荷SI燃焼を行う。エンジン1の運転状態が低負荷領域にあるときに、SI率は100%で一定である。
エンジン1の負荷が高くなって、運転状態が第2中負荷領域(B2)に入ると、エンジン1は、低負荷SI燃焼から非過給SICI燃焼に切り替える。SI率は、100%未満になる。エンジン1の負荷が高まるに従い燃料量が増える。第2中負荷領域の中において負荷が低いときには、燃料量の増大に従って、CI燃焼の割合を増やす。SI率は、エンジン1の負荷が高くなる従って、次第に小さくなる。SI率は、図8の例では、50%以下の所定値(最小値)にまで減少する。
エンジン1の負荷がさらに高まり、エンジン1の運転状態が第1中負荷領域(B1)に入ると、過給機44が、新気及び外部EGRガスの過給を行う。燃焼室17の中に導入する新気の量、及び、外部EGRガスの量は共に、エンジン1の負荷が高くなるに従い増える。燃焼室17の中に導入される外部EGRガスの量は、EGR率で表すと、例えば30%である。EGR率は、エンジン1の負荷の高低に関わらず一定である。従って、混合気のG/Fも、エンジン1の負荷の高低に関わらず一定である。尚、第2中負荷領域と第1中負荷領域との間で、燃焼室17の中に導入するEGRガス量は連続している。
エンジン1の負荷がさらに高まり、エンジン1の運転状態が高負荷領域(C)に入ると、エンジン1は、高負荷SI燃焼を行う。従って、高負荷領域においてSI率は、100%になる。
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。
10 ECU(コントローラー)
17 燃焼室
23 吸気電動VVT(状態量設定デバイス、可変動弁機構)
24 排気電動VVT(状態量設定デバイス、可変動弁機構)
25 点火プラグ
49 過給システム(状態量設定デバイス)
44 過給機
43 スロットル弁(状態量設定デバイス)
48 エアバイパス弁(状態量設定デバイス)
54 EGR弁(状態量設定デバイス)
55 EGRシステム(状態量設定デバイス)
6 インジェクタ
SW1 エアフローセンサ
SW2 第1吸気温度センサ
SW3 第1圧力センサ
SW4 第2吸気温度センサ
SW5 第2圧力センサ
SW6 指圧センサ
SW7 排気温度センサ
SW8 リニアO2センサ
SW9 ラムダO2センサ
SW10 水温センサ
SW11 クランク角センサ
SW12 アクセル開度センサ
SW13 吸気カム角センサ
SW14 排気カム角センサ
SW15 EGR差圧センサ
SW16 燃圧センサ
Claims (7)
- 燃焼室の中において混合気を自己着火させるよう構成されたエンジンと、
前記エンジンに取り付けられかつ、前記燃焼室の中への新気及び既燃ガスの導入を調整
することによって、前記燃焼室の中を所望の状態に設定するよう構成された状態量設定デバイスと、
前記エンジンに取り付けられかつ、前記燃焼室の中に燃料を噴射するよう構成されたインジェクタと、
前記燃焼室の中に臨んで配設されかつ、前記燃焼室の中の混合気に点火をするよう構成された点火プラグと、
前記状態量設定デバイス、前記インジェクタ、及び、前記点火プラグのそれぞれに接続されかつ、前記状態量設定デバイス、前記インジェクタ、及び、前記点火プラグのそれぞれに制御信号を出力することによって、前記エンジンを運転するよう構成されたコントローラーと、
前記コントローラーに接続されかつ、前記エンジンの運転状態に関するパラメータを検知すると共に、前記コントローラーに検知信号を出力するよう構成されたセンサと、を備え、
前記点火プラグは、点火された混合気が火炎伝播により燃焼し、その後、前記燃焼室の中の未燃混合気が自己着火により燃焼するように、前記コントローラーの制御信号を受けて、所定の点火タイミングで前記混合気に点火をし、
前記コントローラーは、前記燃焼室の中の混合気が燃焼するときに発生する全熱量に対し、前記火炎伝播により混合気が燃焼するときに発生する熱量の割合に関係する指標としてのSI率を、前記センサの検知信号に基づく前記エンジンの運転状態に応じて変更し、
前記コントローラーはまた、前記センサの検知信号を受けて前記SI率の調整が必要と判断したときに、前記SI率を調整し、
前記コントローラーは、前記エンジンの運転状態に基づいて目標のSI率を設定すると共に、前記目標のSI率の燃焼となるように、前記状態量設定デバイス、前記インジェクタ、及び、前記点火プラグのそれぞれに制御信号を出力し、
前記コントローラーは、前記センサの検知信号に基づいて前記燃焼室の中の状態量を予測すると共に、予測した状態量に基づいて、これから行う燃焼のSI率が前記目標のSI率からずれると判断したときに、前記SI率が前記目標のSI率に近づくよう、前記SI率を調整する圧縮自己着火式エンジンの制御装置。 - 請求項1に記載の圧縮自己着火式エンジンの制御装置において、
前記コントローラーは、前記SI率が前記目標のSI率に近づくよう、前記点火プラグに出力する制御信号によって前記点火タイミングを調整する圧縮自己着火式エンジンの制御装置。 - 請求項2に記載の圧縮自己着火式エンジンの制御装置において、
前記コントローラーは、前記点火タイミングの調整に対応するよう、前記インジェクタに出力する制御信号によって、燃料の噴射タイミングを調整する圧縮自己着火式エンジンの制御装置。 - 燃焼室の中において混合気を自己着火させるよう構成されたエンジンと、
前記エンジンに取り付けられかつ、前記燃焼室の中への新気及び既燃ガスの導入を調整することによって、前記燃焼室の中を所望の状態に設定するよう構成された状態量設定デバイスと、
前記エンジンに取り付けられかつ、前記燃焼室の中に燃料を噴射するよう構成されたインジェクタと、
前記燃焼室の中に臨んで配設されかつ、前記燃焼室の中の混合気に点火をするよう構成された点火プラグと、
前記状態量設定デバイス、前記インジェクタ、及び、前記点火プラグのそれぞれに接続されかつ、前記状態量設定デバイス、前記インジェクタ、及び、前記点火プラグのそれぞれに制御信号を出力することによって、前記エンジンを運転するよう構成されたコントローラーと、
前記コントローラーに接続されかつ、前記エンジンの運転状態に関するパラメータを検知すると共に、前記コントローラーに検知信号を出力するよう構成されたセンサと、を備え、
前記点火プラグは、点火された混合気が火炎伝播により燃焼し、その後、前記燃焼室の中の未燃混合気が自己着火により燃焼するように、前記コントローラーの制御信号を受けて、所定の点火タイミングで前記混合気に点火をし、
前記コントローラーは、前記燃焼室の中の混合気が燃焼するときに発生する全熱量に対し、前記火炎伝播により混合気が燃焼するときに発生する熱量の割合に関係する指標としてのSI率を、前記センサの検知信号に基づく前記エンジンの運転状態に応じて変更し、
前記コントローラーはまた、前記センサの検知信号を受けて前記SI率の調整が必要と判断したときに、前記SI率を調整し、
前記コントローラーは、前記エンジンの運転状態に基づいて目標のSI率を設定すると共に、前記目標のSI率の燃焼となるように、前記状態量設定デバイス、前記インジェクタ、及び、前記点火プラグのそれぞれに制御信号を出力し、
前記センサは、前記燃焼室の中の圧力を検知する指圧センサを含み、
前記コントローラーは、前記指圧センサの検知信号を受けかつ、混合気の燃焼に伴う圧力波形に基づいて、前記SI率を算出すると共に、算出した前記SI率と前記目標のSI率とがずれているときに、前記SI率を調整する圧縮自己着火式エンジンの制御装置。 - 請求項4に記載の圧縮自己着火式エンジンの制御装置において、
前記コントローラーは、前記SI率が調整されるよう、前記状態量設定デバイスに出力する制御信号によって前記燃焼室の中への新気及び既燃ガスの導入を調整する圧縮自己着火式エンジンの制御装置。 - 請求項1〜5のいずれか1項に記載の圧縮自己着火式エンジンの制御装置において、
前記インジェクタは、前記燃焼室の中に略均質な混合気を形成するよう、前記コントローラーの制御信号を受けて、前記点火タイミングに近いタイミングで燃料を噴射しかつ、前記点火タイミングの前に終了する後段噴射と、前記後段噴射よりも前でかつ前記点火タイミングから離れたタイミングで燃料を噴射する前段噴射とを実行する圧縮自己着火式エンジンの制御装置。 - 請求項1〜6のいずれか1項に記載の圧縮自己着火式エンジンの制御装置において、
前記コントローラーは、前記状態量設定デバイス及び前記インジェクタに制御信号を出力することによって、前記燃焼室の中の状態を、前記燃焼室の中の全ガスと燃料との質量比に関係する指標としてのG/Fが18.5以上30以下でかつ、空気過剰率λが1.0±0.2に設定する圧縮自己着火式エンジンの制御装置。
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