WO2018096750A1 - エンジンの制御装置 - Google Patents
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Abstract
Description
前記エンジンの幾何学的圧縮比は、13以上である、としてもよい。SPCCI燃焼は、火花点火を行うため、混合気の自己着火のために、ピストンが圧縮上死点に至ったときの燃焼室内の温度を大幅に高めなくてもよい。幾何学的圧縮比を低めに設定することにより、エンジンの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7の上図は、エンジン1の運転領域マップ701を例示している。運転領域マップ701は、負荷及び回転数によって定められている。運転領域マップ701は、負荷の高低に対し、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。運転領域マップ701において、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(つまり、エンジン1が第1負荷よりも低負荷で運転するとき)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燃焼である。これは、燃焼安定性を確実に確保することを優先するためである。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の燃焼形態は、SI燃焼である。これは、燃焼騒音を確実に回避することを優先するためである。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、SPCCI燃焼について説明をする。図8の上図は、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801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。
ここで、SPCCI燃焼を安定して行うための条件について説明する。本願発明者らの検討によると、SPCCI燃焼を適切に行うためには、混合気が自己着火するまでの間に、火炎伝播によるSI燃焼を安定化させなければならないことが新たにわかった。SI燃焼が不安定であると、CI燃焼を含めた燃焼全体が安定化しない。
エンジン1は、運転領域マップ701において、運転状態に応じてSI燃焼とSPCCI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。これにより、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SPCCI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9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。図18のグラフ1802に示すように、過給圧は、エンジン1の負荷が高くなるに従い高くなる。外部EGRシステム552は、第1中負荷領域(B1)においても、外部EGRガスの還流を継続する。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。
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11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。
図7の下図は、エンジン1の運転領域マップの別の構成例を示している。エンジン1の運転領域マップ702は、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7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。
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。
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。中負荷領域(1)-2は、運転領域マップ701における中負荷領域(B)に対応する。
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。
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、エンジン1は、SPCCI燃焼ではなく、SI燃焼を行う。高負荷低回転領域(3)は、運転領域マップ701にける第1高負荷領域(C1)に対応する。
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、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。
尚、前述したエンジン1の運転制御では、エンジン1の負荷が高くなるに従い、内部EGRガスを次第に減らし、外部EGRガスを次第に増やすとしたが、これに限らない。エンジン1の負荷が高くなるのに応じて、内部EGRガスを段階的に減らし、外部EGRガスを段階的に増やすようにしてもよい。また、エンジン1の負荷が所定負荷に至るまでは内部EGRガスの残留量及び外部EGRガスの導入量を変えずに、エンジン1の負荷が所定負荷以上となったときに、エンジン1の負荷が高くなるに連れて、内部EGRガスを連続的又は多段的に減らし、外部EGRガスを連続的又は多段的に増やすようにしてもよい。
10 ECU(コントローラー)
17 燃焼室
23 吸気電動S-VT(内部EGRシステム、新気量調整デバイス)
24 排気電動S-VT(内部EGRシステム)
25 点火プラグ
49 過給システム
44 過給機(過給システム)
43 スロットル弁(新気量調整デバイス)
48 エアバイパス弁(過給システム)
511 三元触媒(排気浄化装置)
512 GPF(排気浄化装置)
52 EGR通路(外部EGRシステム)
53 EGRクーラー(外部EGRシステム)
54 EGR弁(外部EGRシステム)
55 EGRシステム
551 内部EGRシステム
552 外部EGRシステム
6 インジェクタ
Claims (14)
- 燃焼室を有するエンジンと、
前記エンジンに取り付けられかつ、前記燃焼室の中への既燃ガスの導入を調整するように構成されたEGRシステムと、
前記燃焼室の中に臨んで配設された点火プラグと、
前記EGRシステム及び前記点火プラグのそれぞれに接続されかつ、前記EGRシステム及び前記点火プラグのそれぞれに制御信号を出力するように構成されたコントローラーと、
前記エンジンに設けられかつ、前記燃焼室の中に導入するガスを過給するように構成された過給システムと、を備え、
前記コントローラーは、前記過給システムが過給を行っているときに前記燃焼室の中へ既燃ガスを導入するよう、前記EGRシステムに制御信号を出力し、
前記点火プラグは、前記過給システムが過給を行うと共に、前記EGRシステムが既燃ガスを前記燃焼室の中に導入しているときに、前記コントローラーからの制御信号を受けて、混合気が点火により燃焼を開始した後に、未燃混合気が自己着火により燃焼するよう、所定のタイミングで前記混合気に点火を行うエンジンの制御装置。 - 請求項1に記載のエンジンの制御装置において、
前記EGRシステムは、前記燃焼室の中から排気通路に排出された既燃ガスの一部を温度低下させた後に吸気通路に還流させて前記燃焼室に導入する外部EGRシステムを有し、
前記外部EGRシステムは、前記コントローラーの制御信号を受けて、前記エンジンの負荷が高いときには、負荷が低いときよりも前記燃焼室の中に導入する既燃ガスを増やし、
前記過給システムは、前記コントローラーの制御信号を受けて過給圧を調整するよう構成されると共に、前記エンジンの負荷が高いときには、負荷が低いときよりも前記過給圧を高くするエンジンの制御装置。 - 請求項2に記載のエンジンの制御装置において、
前記過給システムは、前記コントローラーの制御信号を受けて、前記エンジンの負荷が所定負荷以下のときには過給を行わず、前記所定負荷よりも高いときには過給を行うエンジンの制御装置。 - 請求項3に記載のエンジンの制御装置において、
前記外部EGRシステムは、前記コントローラーの制御信号を受けて、前記エンジンの負荷が前記所定負荷よりも高いときには、前記エンジンの負荷が高くなるに従い、前記燃焼室に導入する既燃ガスを増やすエンジンの制御装置。 - 請求項4に記載のエンジンの制御装置において、
前記過給システムは、前記コントローラーの制御信号を受けて、前記エンジンの負荷が前記所定負荷よりも高いときには、前記エンジンの負荷が高くなるに従い、過給圧を高くするエンジンの制御装置。 - 請求項3~5のいずれか1項に記載のエンジンの制御装置において、
前記外部EGRシステムは、前記コントローラーの制御信号を受けて、前記エンジンの負荷が前記所定負荷以下のときには、前記エンジンの負荷が高くなるに従い、前記燃焼室の中に導入する既燃ガスを増やすエンジンの制御装置。 - 請求項3~6のいずれか1項に記載のエンジンの制御装置において、
前記EGRシステムは、前記燃焼室の中に既燃ガスの一部を残留させるように構成された内部EGRシステムを有し、
前記内部EGRシステムは、前記コントローラーの制御信号を受けて、前記エンジンの負荷が前記所定負荷以下のときには、前記燃焼室の中に既燃ガスの一部を残留させると共に、前記エンジンの負荷が高くなるに従い、前記燃焼室の中に残留させる既燃ガスを減らすエンジンの制御装置。 - 請求項2~7のいずれか1項に記載のエンジンの制御装置において、
前記外部EGRシステムは、前記排気通路における排気浄化装置の下流と、前記吸気通路における前記過給システムよりも上流とをつなぐEGR通路を有しているエンジンの制御装置。 - 請求項2~8のいずれか1項に記載のエンジンの制御装置において、
前記外部EGRシステムは、既燃ガスを冷却するEGRクーラーを有しているエンジンの制御装置。 - 請求項1~9のいずれか1項に記載のエンジンの制御装置において、
前記エンジンに取り付けられかつ、燃料を噴射するよう構成されたインジェクタを備え、
前記コントローラーは、前記EGRシステム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、既燃ガスを含む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50以下に設定するエンジンの制御装置。 - 請求項10に記載のエンジンの制御装置において、
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の導入を調整するように構成された新気量調整デバイスを備え、
前記コントローラーは、前記新気量調整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、前記混合気の空気過剰率λを1.0±0.2に設定するエンジンの制御装置。 - 請求項10又は11に記載のエンジンの制御装置において、
前記点火のタイミングにおける前記燃焼室の中の状態は、
温度が570K以上800K以下、及び、
圧力が400kPa以上920kPa以下、
の少なくとも一方を満足するエンジンの制御装置。 - 請求項10~12のいずれか1項に記載のエンジンの制御装置において、
前記点火のタイミングにおける前記燃焼室の中の状態は、スワール比が4以上を満足するエンジンの制御装置。 - 請求項10~13のいずれか1項に記載のエンジンの制御装置において、
前記エンジンの幾何学的圧縮比は、13以上であるエンジンの制御装置。
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