JP7077771B2 - 圧縮着火式エンジンの制御装置 - Google Patents
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Description
図1および図2は、本発明の制御装置が適用された圧縮着火式エンジン(以下、単にエンジンという)の好ましい実施形態を示す図である。本図に示されるエンジンは、走行用の動力源として車両に搭載された4サイクルのガソリン直噴エンジンであり、エンジン本体1と、エンジン本体1に導入される吸気が流通する吸気通路30と、エンジン本体1から排出される排気ガスが流通する排気通路40と、排気通路40を流通する排気ガスの一部を吸気通路30に還流する外部EGR装置50を備えている。
図4は、エンジンの制御系統を示すブロック図である。本図に示されるECU100は、エンジンを統括的に制御するためのマイクロプロセッサであり、周知のCPU、ROM、RAM等から構成されている。
図5は、エンジンの暖機が完了した温間時に使用される運転マップであり、エンジンの回転速度/負荷に応じた制御の相違を示す図である。なお、以下の説明において、エンジンの負荷が高い(低い)とは、エンジンの要求トルクが高い(低い)ことと等価である。
低・中速/低負荷の第1分割領域A1では、SI燃焼とCI燃焼とを組み合わせたSPCCI燃焼が実行される。SI燃焼とは、点火プラグ16から発生する火花により混合気に点火し、その点火点から周囲へと燃焼領域を拡げていく火炎伝播により混合気を強制的に燃焼させる燃焼形態のことであり、CI燃焼とは、ピストン5の圧縮により高温・高圧化された環境下で混合気を自着火により燃焼させる燃焼形態のことである。そして、これらSI燃焼とCI燃焼とを組み合わせたSPCCI燃焼とは、混合気が自着火する寸前の環境下で行われる火花点火により燃焼室6内の混合気の一部をSI燃焼させ、当該SI燃焼の後に(SI燃焼に伴うさらなる高温・高圧化により)燃焼室6内の他の混合気を自着火によりCI燃焼させる、という燃焼形態のことである。なお、「SPCCI」は「SPark Controlled Compression Ignition」の略であり、SPCCI燃焼は、請求項にいう「部分圧縮着火燃焼」に相当する。
減筒運転領域A5では、運転条件によらず常に減筒運転を実施する。ただし、減筒運転領域A5においても、インジェクタ15、点火プラグ16、スロットル弁32、過給機33、EGR弁53、スワール弁18の各制御は、第1分割領域A10と同様に実施される。例えば、減筒運転領域A5においても、各気筒の空燃比は理論空燃比よりも大きくされるとともに、インジェクタ15、点火プラグ16が図7(a)に示すように制御されてSPCCI燃焼が実行される。
第2分割領域A2では、燃焼室6内の全ガスと燃料との重量比であるガス空燃比(G/F)が理論空燃比(14.7)よりも大きくかつ空燃比(A/F)が理論空燃比に略一致する環境(以下、これをG/Fリーン環境という)を形成しつつ混合気をSPCCI燃焼させる制御が実行される。具体的に、このようなG/Fリーン環境下でのSPCCI燃焼を実現するため、第2分割領域A2では、ECU100によってエンジンの各部が次のように制御される。
第3分割領域A3では、燃焼室6内の空燃比が理論空燃比よりもややリッチ(λ≦1)になる環境下で混合気をSPCCI燃焼させる制御が実行される。具体的に、このようなリッチ環境下でのSPCCI燃焼を実現するため、第3領運転域A3では、ECU100によってエンジンの各部が次のように制御される。
第4分割領域A4では、比較的オーソドックスなSI燃焼が実行される。このSI燃焼の実現のために、第4分割領域A4では、ECU100によってエンジンの各部が次のように制御される。
次に、前述した図5の第1分割領域A1(A/Fリーン環境下でのSPCCI燃焼の実行領域)において行われる吸気弁11および排気弁12の開閉時期の詳細について説明する。
(全筒運転時)
まず、全筒運転時の吸気弁11および排気弁12の開閉時期について説明し、以下では、全筒運転時であることを前提として説明を行う。
図8は、第1分割領域A1のうちラインTtの内側の領域A11であって過給機33による過給が行われない領域(以下、適宜、無過給A/Fリーン領域という)を、吸気弁11の開閉時期の相違により区分けした運転マップである。
図12は、無過給A/Fリーン領域A11を、排気弁11の開閉時期の相違により区分けした運転マップである。図13は、無過給A/Fリーン領域において全筒運転が実施されるときの排気弁12の閉弁時期EVCの具体例を示すグラフであり、図9に対応するグラフである。図13の各ラインL11~L13は、それぞれ、各エンジン回転速度N1~N4におけるエンジン負荷と排気弁12の閉弁時期EVCとの関係を示したグラフである。
次に、減筒運転時の吸気弁11および排気弁12の開閉時期について説明する。
第1分割領域A1のうちラインTtの外側の領域A12であって過給機33による過給が行われる領域(以下、適宜、過給A/Fリーン領域という)では、吸気弁11の開弁期間と排気弁12の開弁期間とが、排気上死点を挟んでオーバーラップし、排気上死点よりも進角側の時期から遅角側の時期までの期間、吸気弁11と排気弁12とがともに開弁するように、これら弁11,12の開閉時期が設定される。このように設定されることで、燃焼室6の掃気は促進され、燃焼室6内には多量の空気が導入される。なお、過給A/Fリーン領域A12は、請求項にいう「第3運転領域」に相当する。
次に、第1分割領域A1において行われる外部EGRの詳細について説明する。
第1分割領域A1でのスワール制御の詳細について説明する。
前述したように、当実施形態では、SI燃焼とCI燃焼とを組み合わせたSPCCI燃焼が第1分割領域A1および第2分割領域A2において実行されるが、このSPCCI燃焼では、SI燃焼とCI燃焼との比率を運転条件に応じてコントロールすることが重要になる。
当実施形態では、無過給A/Fリーン領域A11を含む第1分割領域A1において、空燃比が理論空燃比よりも大きくされた状態でSPCCI燃焼が実行される。従って、燃費性能を確実に高くすることができる。
また、前記実施形態では、SPCCI燃焼による全熱発生量に対するSI燃焼による熱発生量の割合であるSI率を、図6の燃焼波形における面積R1,R2を用いて、R1/(R1+R2)と定義し、このSI率が予め定められた目標SI率に一致するように主点火の時期を調整するようにしたが、SI率を定義する方法は他にも種々考えられる。
11 吸気弁
12 排気弁
13a 吸気VVT(吸気可変機構)
14a 排気VVT(排気可変機構)
15 インジェクタ
16 点火プラグ
30 吸気通路
40 排気通路
100 ECU(燃焼制御部)
Claims (10)
- 気筒と、吸気通路および排気通路と、前記吸気通路と前記気筒とを連通する吸気ポートと、前記吸気ポートを開閉する吸気弁と、前記排気通路と前記気筒とを連通する排気ポートと、前記排気ポートを開閉する排気弁と、前記気筒に燃料を噴射するインジェクタと、前記インジェクタから噴射された燃料と空気とが混合された混合気に点火する点火プラグとを備え、前記混合気の一部を前記点火プラグを用いた火花点火によりSI燃焼させるとともにその他の混合気を自着火によりCI燃焼させる部分圧縮着火燃焼が可能な圧縮着火式エンジンを制御する装置であって、
前記吸気弁の開弁時期と閉弁時期とを変更する吸気可変機構と、
前記気筒に導入される吸気を過給する過給機と、
前記吸気可変機構、前記過給機、および前記点火プラグを含むエンジンの各部を制御する燃焼制御部とを備え、
前記燃焼制御部は、エンジンの高負荷域および高速域を除く特定領域において、前記気筒内の空気と燃料との割合である空燃比が理論空燃比よりも大きくなるA/Fリーン環境が形成されるように前記吸気可変機構を制御しつつ、前記混合気が前記部分圧縮着火燃焼により燃焼するように所定のタイミングで前記点火プラグに火花点火を行わせ、
前記特定領域の中でもエンジン負荷が低い領域を第1運転領域、前記特定領域に含まれ且つ前記第1運転領域よりもエンジン負荷が高い領域を第2運転領域、前記特定領域に含まれ且つ前記第1運転領域および前記第2運転領域よりもエンジン回転速度が高い領域を第3運転領域としたとき、前記燃焼制御部は、
前記第2運転領域での運転時、前記吸気弁の開弁時期が排気上死点よりも進角側の時期となるように前記吸気可変機構を制御し、
前記第1運転領域での運転時、エンジン回転速度が同じ条件下で、エンジン負荷が低いほど前記吸気弁の閉弁時期が吸気下死点よりも遅角側の範囲で遅角され、且つ、当該吸気弁の閉弁時期のエンジン負荷に対する変化率の絶対値が前記第2運転領域における当該変化率の絶対値よりも大きくなるように、前記吸気可変機構を制御し、
前記第3運転領域での運転時、前記過給機による過給が行われるように当該過給機を制御するとともに、前記吸気弁の開弁期間と前記排気弁の開弁期間とが排気上死点を挟んでオーバーラップするように前記吸気可変機構を制御する、ことを特徴とする圧縮着火式エンジンの制御装置。 - 請求項1に記載の圧縮着火式エンジンの制御装置において、
前記吸気可変機構は、前記吸気弁の開弁時期および閉弁時期を同時に変更する、ことを特徴とする圧縮着火式エンジンの制御装置。 - 請求項1または2に記載の圧縮着火式エンジンの制御装置において、
前記燃焼制御部は、前記第2運転領域において、前記吸気弁の開弁時期がエンジン負荷によらず排気上死点に対して最も進角した時期またはその近傍に維持されるように、前記吸気可変機構を制御する、ことを特徴とする圧縮着火式エンジンの制御装置。 - 請求項1~3のいずれか1項に記載の圧縮着火式エンジンの制御装置において、
前記排気弁の閉弁時期を変更する排気可変機構をさらに備え、
前記特定領域の中でもエンジン負荷が低い領域を第4運転領域、前記特定領域に含まれ且つ前記第4運転領域よりもエンジン負荷が高い領域を第5運転領域、前記特定領域に含まれ且つ前記第5運転領域よりもエンジン負荷が高い領域を第6運転領域としたとき、
前記燃焼制御部は、前記第4運転領域での運転時、エンジン負荷が低いほど前記排気弁の閉弁時期が排気上死点よりも遅角側の範囲で進角されるように、前記排気可変機構を制御する、ことを特徴とする圧縮着火式エンジンの制御装置。 - 請求項4に記載の圧縮着火式エンジンの制御装置において、
前記燃焼制御部は、前記第5運転領域での運転時、前記排気弁の閉弁時期がエンジン負荷によらず排気上死点よりも遅角側の略一定の時期に維持されるように、前記排気可変機構を制御する、ことを特徴とする圧縮着火式エンジンの制御装置。 - 請求項5に記載の圧縮着火式エンジンの制御装置において、
前記燃焼制御部は、前記第6運転領域での運転時、エンジン負荷が高いほど前記排気弁の閉弁時期が排気上死点よりも遅角側の範囲で進角されるように、前記排気可変機構を制御する、ことを特徴とする圧縮着火式エンジンの制御装置。 - 請求項5または6に記載の圧縮着火式エンジンの制御装置において、
前記第1運転領域および前記第2運転領域は、所定の第1基準負荷を境にエンジン負荷方向に隣接しており、
前記第4運転領域および前記第5運転領域は、所定の第2基準負荷を境にエンジン負荷方向に隣接しており、
前記第1基準負荷と前記第2基準負荷とは略同一に設定されている、ことを特徴とする圧縮着火式エンジンの制御装置。 - 請求項1~7のいずれか1項に記載の圧縮着火式エンジンの制御装置において、
前記気筒を複数備え、
前記燃焼制御部は、
前記第1運転領域の低負荷側の一部に設定された減筒領域でエンジンが運転されており且つ予め設定された減筒運転実施条件が成立すると、前記インジェクタから一部の気筒にのみ燃料を噴射させて残りの気筒への燃料噴射を停止させることで一部の気筒のみを稼働させる減筒運転を実施し、
前記減筒領域の低負荷側の領域で前記減筒運転が実施されているとき、前記吸気弁の閉弁時期がエンジン負荷によらず一定となるように、前記吸気可変機構を制御する、ことを特徴とする圧縮着火式エンジンの制御装置。 - 請求項8に記載の圧縮着火式エンジンの制御装置において、
前記燃焼制御部は、前記減筒領域の低負荷側の領域で前記減筒運転が実施されているとき、前記排気弁の閉弁時期がエンジン負荷によらず一定となるように、当該排気弁の閉弁時期を変更する排気可変機構を制御する、ことを特徴とする圧縮着火式エンジンの制御装置。 - 請求項1~9のいずれか1項に記載の圧縮着火式エンジンの制御装置において、
前記燃焼制御部は、前記特定領域よりもエンジン負荷が高く且つエンジンの最高負荷近傍の領域を除く高負荷特定領域において、前記空燃比が理論空燃比近傍となり且つ前記気筒内に既燃ガスが残留するG/Fリーン環境が形成されるように前記吸気可変機構を制御し、且つ前記過給機による過給が行われるように当該過給機を制御しつつ、前記混合気が前記部分圧縮着火燃焼により燃焼するように所定のタイミングで前記点火プラグに火花点火を行わせ、且つ、前記吸気弁の開弁期間と前記排気弁の開弁期間とが排気上死点を挟んでオーバーラップするように前記吸気可変機構を制御する、ことを特徴とする圧縮着火式エンジンの制御装置。
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