JP2020176570A - Control device for premixed compression ignition type engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃焼室に噴射された燃料を空気と混合しつつ自着火により燃焼させる予混合圧縮着火燃焼が可能なエンジンを制御する装置に関する。 The present invention relates to a device that controls an engine capable of premixed compression ignition combustion in which fuel injected into a combustion chamber is mixed with air and burned by self-ignition.
近年、空気と混合されたガソリン燃料を燃焼室内で自着火により燃焼させる予混合圧縮着火燃焼(HCCI燃焼)が注目されている。予混合圧縮着火燃焼は、混合気が同時多発的に燃焼する形態であるため、通常のガソリンエンジンにおいて採用されるSI燃焼(火花点火燃焼)に比べて、混合気の燃焼速度が速く、燃費性能(熱効率)の面で非常に有利だと言われている。 In recent years, premixed compression ignition combustion (HCCI combustion) in which gasoline fuel mixed with air is burned by self-ignition in a combustion chamber has attracted attention. Premixed compression ignition combustion is a form in which the air-fuel mixture burns at the same time, so the combustion speed of the air-fuel mixture is faster and fuel efficiency is higher than SI combustion (spark ignition combustion) used in ordinary gasoline engines. It is said to be very advantageous in terms of (thermal efficiency).
上記予混合圧縮着火燃焼の一種として、混合気の自着火による燃焼と点火プラグを用いた強制燃焼とを組み合わせた燃焼形式が提案されている。すなわち、火花点火をきっかけに混合気の一部を火炎伝播により強制的に燃焼(SI燃焼)させ、その他の混合気を自着火により燃焼(CI燃焼)させるのである。以下では、このような燃焼のことを部分圧縮着火燃焼という。 As a type of premixed compression ignition combustion, a combustion type that combines combustion by self-ignition of the air-fuel mixture and forced combustion using a spark plug has been proposed. That is, a part of the air-fuel mixture is forcibly burned by flame propagation (SI combustion) triggered by spark ignition, and the other air-fuel mixture is burned by self-ignition (CI combustion). In the following, such combustion is referred to as partial compression ignition combustion.
上記部分圧縮着火燃焼を採用したエンジンの一例として、下記特許文献1のものが知られている。具体的に、この特許文献1のエンジンでは、部分圧縮着火燃焼(同文献中ではSI−CI燃焼と称されている)の実行時に、1サイクル中の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率が、エンジン負荷(目標トルク)に応じて定まる目標値(目標SI率)に一致するように、燃焼室内のEGR率や点火プラグによる火花点火の時期等が制御される。
The following
ここで、上記特許文献1のエンジンでは、混合気の部分圧縮着火燃焼を可能とするために、幾何学的圧縮比が比較的高い値(例えば17以上20以下)に設定されている。このような高い圧縮比は、特にエンジンの高負荷域においてプリイグニッションやノッキング等の異常燃焼を誘発し易い。この点、上記特許文献1では、高負荷域での燃焼形式を部分圧縮着火燃焼からSI燃焼に切り替える、つまり混合気の全てを火花点火により強制燃焼させる燃焼形式に切り替えるようにしている。しかしながら、このようにエンジンの高負荷域において部分圧縮着火燃焼を禁止する(全ての混合気をSI燃焼させる)ようにした場合には、異常燃焼を回避することはできても、十分な燃費向上効果は得られなくなる。
Here, in the engine of
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、高負荷域での異常燃焼の抑制と燃費性能の向上とを両立することが可能な予混合圧縮着火式エンジンの制御装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a control device for a premixed compression ignition engine capable of suppressing abnormal combustion in a high load range and improving fuel efficiency. The purpose is to provide.
前記課題を解決するために、本願発明者等は、エンジンの高負荷域において異常燃焼を伴わない部分圧縮着火燃焼を可能にするために、吸気行程だけでなく圧縮行程後半にも燃料を噴射し、これによって燃焼室を冷却して異常燃焼を抑制することを検討した。一方、圧縮行程後半という遅い時期の燃料噴射(以下、後段噴射という)は、局所リッチな混合気の形成につながるので、燃料の未燃成分が増大して燃費性能が悪化することが懸念される。しかしながら、検討の結果、高負荷域での部分圧縮着火燃焼の実現のために後段噴射を実行したとしても、当該後段噴射による燃費性能の悪化代は予想よりも少なく済むこと、つまり部分圧縮着火燃焼を採用することによる燃費向上代が後段噴射による燃費悪化代を十分に補うことが分かった。このことは、部分圧縮着火燃焼(つまり混合気の一部を予混合圧縮着火燃焼させる燃焼形態)を採用した場合に限らず、混合気の全てを予混合圧縮着火燃焼させる燃焼形態を採用した場合でも同様である。 In order to solve the above problems, the inventors of the present application inject fuel not only in the intake stroke but also in the latter half of the compression stroke in order to enable partial compression ignition combustion without abnormal combustion in a high load region of the engine. It was examined to cool the combustion chamber and suppress abnormal combustion. On the other hand, fuel injection in the latter half of the compression stroke (hereinafter referred to as post-stage injection) leads to the formation of a locally rich air-fuel mixture, so there is concern that the unburned components of the fuel will increase and fuel efficiency will deteriorate. .. However, as a result of the examination, even if the post-stage injection is executed to realize the partial compression ignition combustion in the high load region, the deterioration of the fuel efficiency performance due to the post-stage injection is less than expected, that is, the partial compression ignition combustion. It was found that the fuel consumption improvement cost by adopting the above fully compensates for the fuel consumption deterioration cost due to the post-stage injection. This is not limited to the case where partial compression ignition combustion (that is, a combustion form in which a part of the air-fuel mixture is premixed, compressed, ignited and burned) is adopted, but also when a combustion form in which all of the air-fuel mixture is premixed, compressed, ignited and burned is adopted. But the same is true.
本発明は、前記のような知見に基づきなされたものである。すなわち、本発明は、燃焼室と当該燃焼室に燃料を噴射するインジェクタとを備えた予混合圧縮着火式エンジンを制御する装置であって、エンジン負荷が高い高負荷域において、圧縮行程中に燃料を噴射する後段噴射と、吸気行程または圧縮行程前半に含まれかつ後段噴射よりも早い時期に燃料を噴射する前段噴射とを前記インジェクタに実行させるとともに、噴射された燃料と空気との混合気が予混合圧縮着火燃焼により燃焼するように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、前記高負荷域における低速側の一部である低速・高負荷域での運転時に、前記後段噴射の噴射時期を圧縮行程後半に設定するとともに、回転速度が高いときの前記後段噴射の噴射時期が回転速度が低いときの前記後段噴射の噴射時期よりも遅くなり、かつ回転速度が高いときの前記後段噴射の噴射量割合が回転速度が低いときの前記後段噴射の噴射量割合よりも小さくなるように、前記インジェクタを制御する、ことを特徴とするものである(請求項1)。 The present invention has been made based on the above findings. That is, the present invention is a device for controlling a premixed compression ignition type engine including a combustion chamber and an injector for injecting fuel into the combustion chamber, and fuel during a compression stroke in a high load region where the engine load is high. The injector is made to execute the post-stage injection that injects the fuel and the pre-stage injection that is included in the first half of the intake stroke or the compression stroke and injects the fuel earlier than the post-stage injection, and the mixture of the injected fuel and air is generated. It is equipped with a combustion control unit that controls each part of the engine so that it burns by premixed compression ignition combustion, and the combustion control unit is operated in a low speed / high load region that is a part of the low speed side in the high load region. In addition to setting the injection timing of the latter stage injection to the latter half of the compression stroke, the injection timing of the latter stage injection when the rotation speed is high is later than the injection timing of the latter stage injection when the rotation speed is low, and the rotation speed is high. It is characterized in that the injector is controlled so that the injection amount ratio of the latter stage injection when the value is high is smaller than the injection amount ratio of the latter stage injection when the rotation speed is low (claim 1). ..
本発明によれば、熱発生量が多くなるエンジンの高負荷域において、吸気行程等の比較的早い時期に燃料を噴射する前段噴射に加えて、圧縮行程中に燃料を噴射する後段噴射が実行されるので、混合気が予混合圧縮着火燃焼を開始する直前(圧縮上死点の近傍)での燃焼室の温度を後段噴射の気化潜熱により低下させることができ、前記高負荷域において懸念される異常燃焼の発生を効果的に抑制することができる。 According to the present invention, in a high load region of an engine in which a large amount of heat is generated, a post-stage injection that injects fuel during a compression stroke is executed in addition to a pre-stage injection that injects fuel at a relatively early stage such as an intake stroke. Therefore, the temperature of the combustion chamber immediately before the air-fuel mixture starts premixed compression ignition combustion (near the compression top dead center) can be lowered by the latent heat of vaporization of the post-stage injection, which is a concern in the high load region. It is possible to effectively suppress the occurrence of abnormal combustion.
特に、前記高負荷域の中でも低速側に位置する低速・高負荷域では、後段噴射の噴射時期が圧縮行程後半まで遅角されるので、圧縮行程後半に生じ得る燃料の低温酸化反応を抑制することができ、混合気が過早に着火する異常燃焼であるプリイグニッションを抑制することができる。低温酸化反応とは、火炎を伴いながら高い熱エネルギーを発生させる高温酸化反応(実質的な燃焼反応)よりも前に生じる緩慢な酸化反応のことであり、燃焼室が高温になる圧縮行程の後半で生じ得ることが知られている。本願発明者等の知見によれば、この低温酸化反応は、前記低速・高負荷域のような運転条件、つまり回転速度が低くかつ負荷が高い条件下で顕著に出現し易い。しかも、低温酸化反応が顕著に出現すると、その反応熱によって燃焼室内の混合気(燃焼前の混合気)の温度が上昇するので、正規の燃焼開始時期よりも早くに混合気が自着火する現象であるプリイグニッションの発生確率が高くなる。これに対し、本発明では、低速・高負荷領域での運転時に、低温酸化反応が生じ易い環境になる圧縮行程後半まで後段噴射の噴射時期が遅角されるので、当該後段噴射の気化潜熱による冷却効果によって低温酸化反応の反応レベルを十分に低下させることができ、当該低温酸化反応に起因してプリイグニッション等の異常燃焼が誘発されるのを効果的に抑制することができる。 In particular, in the low-speed / high-load region located on the low-speed side of the high-load region, the injection timing of the post-stage injection is retarded until the latter half of the compression stroke, so that the low-temperature oxidation reaction of the fuel that may occur in the latter half of the compression stroke is suppressed. This makes it possible to suppress pre-ignition, which is abnormal combustion in which the air-fuel mixture ignites prematurely. The low-temperature oxidation reaction is a slow oxidation reaction that occurs before the high-temperature oxidation reaction (substantial combustion reaction) that generates high thermal energy with a flame, and is the latter half of the compression process in which the combustion chamber becomes hot. It is known that it can occur in. According to the findings of the inventors of the present application, this low-temperature oxidation reaction tends to remarkably appear under operating conditions such as the low-speed / high-load region, that is, under conditions of low rotation speed and high load. Moreover, when the low-temperature oxidation reaction appears remarkably, the temperature of the air-fuel mixture in the combustion chamber (the air-fuel mixture before combustion) rises due to the heat of reaction, so that the air-fuel mixture self-ignites earlier than the normal combustion start time. The probability of occurrence of pre-ignition is high. On the other hand, in the present invention, the injection timing of the latter stage injection is delayed until the latter half of the compression stroke, which creates an environment in which a low temperature oxidation reaction is likely to occur during operation in a low speed / high load region. The reaction level of the low-temperature oxidation reaction can be sufficiently lowered by the cooling effect, and it is possible to effectively suppress the induction of abnormal combustion such as preignition due to the low-temperature oxidation reaction.
しかも、低速・高負荷域での後段噴射の噴射時期および噴射量割合が、エンジン回転速度に応じて変更される、つまり回転速度が高い(低い)ときは後段噴射の噴射時期が遅く(早く)かつ噴射量割合が小さく(大きく)されるので、低温酸化反応の出現傾向に合わせた適切な時期に後段噴射を実行することができ、低速・高負荷域で懸念されるプリイグニッション等の異常燃焼を効果的に抑制することができる。 Moreover, the injection timing and injection amount ratio of the latter stage injection in the low speed / high load range are changed according to the engine rotation speed, that is, when the rotation speed is high (low), the injection timing of the latter stage injection is late (early). Moreover, since the injection amount ratio is small (large), it is possible to execute the latter stage injection at an appropriate time according to the appearance tendency of the low temperature oxidation reaction, and abnormal combustion such as pre-ignition, which is a concern in the low speed and high load range, can be performed. Can be effectively suppressed.
すなわち、本願発明者等の知見によれば、低温酸化反応はエンジン回転速度が高くなるほどその出現時期が遅くなり、かつ反応レベルも低くなる。これに対し、本発明では、低速・高負荷域内で回転速度が上昇したときには後段噴射の噴射時期が圧縮行程後半の中でもより遅い時期までシフトされるので、回転速度が高いほど出現時期が遅くなる前記低温酸化反応に合わせるように後段噴射を行うことができ、当該後段噴射によって燃焼室を冷却して低温酸化反応の出現を抑制することができる。ただし、このように回転速度の上昇に応じて後段噴射の噴射時期を遅くした場合には、当該後段噴射の終了から燃焼開始までの期間がかなり短くなるので、燃焼が開始される直前の燃焼室内に局所リッチな混合気が形成され易くなり、スモークが発生したりNOxの発生量が増大したりすることが懸念される。これに対し、本発明では、回転速度の上昇に伴う後段噴射の遅角化と併せて、後段噴射の噴射量割合を小さくする対策が採られるので、前記のような不具合(スモークの発生等)を回避してエミッション性能を良好に維持することができる。しかも、上述のとおりエンジン回転速度が高い条件では低温酸化反応の反応レベルが低下するので、回転速度の上昇に応じて後段噴射の噴射量割合を小さくする前記の対策を採ったとしても、低温酸化反応は顕在化せず、プリイグニッション等の異常燃焼は抑制される。 That is, according to the findings of the inventors of the present application, the higher the engine speed, the later the appearance time of the low temperature oxidation reaction, and the lower the reaction level. On the other hand, in the present invention, when the rotation speed increases in the low-speed / high-load range, the injection timing of the post-stage injection is shifted to a later timing in the latter half of the compression stroke, so that the higher the rotation speed, the later the appearance timing. The post-stage injection can be performed in accordance with the low-temperature oxidation reaction, and the combustion chamber can be cooled by the post-stage injection to suppress the appearance of the low-temperature oxidation reaction. However, when the injection timing of the latter stage injection is delayed according to the increase in the rotation speed in this way, the period from the end of the latter stage injection to the start of combustion becomes considerably shorter, so that the combustion chamber immediately before the start of combustion Locally rich air-fuel mixture is likely to be formed in the air, and there is a concern that smoke may be generated or the amount of NOx generated may increase. On the other hand, in the present invention, measures are taken to reduce the injection amount ratio of the post-stage injection in addition to the retarding of the post-stage injection due to the increase in the rotation speed, so that the above-mentioned problems (smoke generation, etc.) are taken. Can be avoided and the emission performance can be maintained well. Moreover, as described above, the reaction level of the low-temperature oxidation reaction decreases under the condition that the engine speed is high. Therefore, even if the above-mentioned measures for reducing the injection amount ratio of the subsequent injection according to the increase in the rotation speed are taken, the low-temperature oxidation The reaction does not become apparent, and abnormal combustion such as pre-ignition is suppressed.
さらに、圧縮行程後半の後段噴射によって、低速・高負荷域にて異常燃焼を伴わない予混合圧縮着火燃焼が可能になるので、仮に同運転領域で予混合圧縮着火燃焼を禁止した場合(通常のSI燃焼に切り替えた場合)に比べて、熱効率に優れた予混合圧縮着火燃焼の実行領域を拡大することができる。圧縮行程後半に後段噴射を実行することは、前記のとおり局所リッチな混合気の形成につながるので、燃料が未燃のまま排出される割合が増大し、燃費性能の悪化につながるおそれがある。しかしながら、本願発明者等の知見によれば、この未燃成分の増大による燃費性能の悪化代は、予混合圧縮着火燃焼を実行することによる燃費向上代によって十分に補うことができる。すなわち、低速・高負荷域にて後段噴射を実行しつつ混合気を予混合圧縮着火燃焼させる本発明によれば、特段の燃費性能の悪化を招くことなく予混合圧縮着火燃焼の実行領域を拡大することができ、エンジンの燃費性能を実質的に向上させることができる。 Furthermore, since the post-stage injection in the latter half of the compression stroke enables premixed compression ignition combustion without abnormal combustion in the low speed and high load range, if premixed compression ignition combustion is prohibited in the same operating region (normal). Compared with (when switching to SI combustion), the execution range of premixed compression ignition combustion with excellent thermal efficiency can be expanded. Executing the post-stage injection in the latter half of the compression stroke leads to the formation of a locally rich air-fuel mixture as described above, so that the proportion of fuel discharged unburned increases, which may lead to deterioration of fuel efficiency. However, according to the findings of the inventors of the present application, the deterioration of fuel efficiency due to the increase in the unburned component can be sufficiently compensated for by the improvement in fuel efficiency due to the execution of premixed compression ignition combustion. That is, according to the present invention in which the air-fuel mixture is premixed, compressed, ignited and burned while executing the post-stage injection in the low speed and high load range, the execution range of the premixed compression ignition and combustion is expanded without causing any particular deterioration in fuel efficiency. This can substantially improve the fuel efficiency of the engine.
好ましくは、前記燃焼制御部は、前記低速・高負荷域での運転時に、回転速度が高くなるほど前記後段噴射の噴射時期が遅くなりかつ噴射量割合が小さくなるように、前記インジェクタを制御する(請求項2)。 Preferably, the combustion control unit controls the injector so that the higher the rotation speed, the later the injection timing of the subsequent injection and the smaller the injection amount ratio during operation in the low speed / high load region ( Claim 2).
この構成によれば、低温酸化反応の出現時期および反応レベルを左右するエンジン回転速度の高低に応じて後段噴射の時期および噴射量割合を適切に調整することができる。 According to this configuration, the timing of the post-stage injection and the injection amount ratio can be appropriately adjusted according to the appearance timing of the low temperature oxidation reaction and the high or low engine speed that influences the reaction level.
好ましくは、前記燃焼制御部は、前記高負荷域に含まれかつ前記低速・高負荷域よりも高速側に位置する中速・高負荷域において、前記前段噴射および前記後段噴射を前記インジェクタに実行させて混合気を予混合圧縮着火燃焼により燃焼させるとともに、前記後段噴射の噴射時期を前記低速・高負荷域における最も高速側での噴射時期よりも早くする(請求項3)。 Preferably, the combustion control unit executes the pre-stage injection and the post-stage injection on the injector in the medium-speed / high-load region included in the high-load region and located on the high-speed side of the low-speed / high-load region. The air-fuel mixture is burned by premixed compression ignition combustion, and the injection timing of the subsequent injection is made earlier than the injection timing on the highest speed side in the low speed / high load region (claim 3).
この構成によれば、低温酸化反応がより出現し難くなる条件で後段噴射が無用に遅角されるのを回避でき、異常燃焼を抑制しつつ燃費性能等を良好に確保することができる。すなわち、回転速度が相対的に高い中速・高負荷域では、低温酸化反応の出現時期がより遅くなる(圧縮上死点に近づく)ものの、その反応レベルはかなり低いものとなる。また、ピストンによる混合気の圧縮開始から圧縮終了までの実時間(混合気の受熱時間)が短くなるので、混合気が過早に着火するような現象は起き難くなり、プリイグニッションの発生リスクは非常に低くなる。むしろ、中速・高負荷域では、ノッキング、つまり混合気の燃焼途中にその燃焼領域の外側に位置する未燃ガスが局所自着火により急速燃焼する異常燃焼が起き易くなる。ノッキングは、プリイグニッションに比べればエンジンに及ぼす影響は少ないといえる。前記構成では、このように低温酸化反応が弱まりかつ異常燃焼のリスクが低くなる中速・高負荷域において、後段噴射の噴射時期が早められるので、それによって後段噴射の噴射時期が低温酸化反応の出現時期よりも進角側にずれることになっても、プリイグニッションおよびノッキングが発生しない程度には低温酸化反応を抑制することができる。また、後段噴射の進角化によって混合気の局所リッチ化が軽減されるので、燃費性能およびエミッション性能に優れた燃焼を実現することができる。 According to this configuration, it is possible to prevent the post-stage injection from being unnecessarily retarded under the condition that the low temperature oxidation reaction is less likely to appear, and it is possible to secure good fuel efficiency while suppressing abnormal combustion. That is, in the medium-speed / high-load region where the rotation speed is relatively high, the appearance time of the low-temperature oxidation reaction is later (approaching the compression top dead center), but the reaction level is considerably low. In addition, since the real time (heat receiving time of the air-fuel mixture) from the start of compression of the air-fuel mixture to the end of compression by the piston is shortened, the phenomenon that the air-fuel mixture ignites prematurely is less likely to occur, and the risk of pre-ignition is reduced. Very low. Rather, in the medium-speed / high-load region, knocking, that is, abnormal combustion in which unburned gas located outside the combustion region is rapidly burned by local self-ignition during combustion of the air-fuel mixture is likely to occur. It can be said that knocking has less effect on the engine than pre-ignition. In the above configuration, the injection timing of the post-stage injection is accelerated in the medium-speed / high-load region where the low-temperature oxidation reaction is weakened and the risk of abnormal combustion is low, so that the injection timing of the post-stage injection is the low-temperature oxidation reaction. Even if it shifts to the advance side from the appearance time, the low temperature oxidation reaction can be suppressed to the extent that pre-ignition and knocking do not occur. Further, since the local enrichment of the air-fuel mixture is reduced by advancing the post-stage injection, it is possible to realize combustion having excellent fuel efficiency and emission performance.
前記構成において、より好ましくは、前記燃焼制御部は、前記中速・高負荷域での運転時に、前記後段噴射の噴射量割合を前記低速・高負荷域における最も高速側での噴射量割合よりも大きくする(請求項4)。 In the above configuration, more preferably, the combustion control unit sets the injection amount ratio of the subsequent stage injection to the injection amount ratio on the highest speed side in the low speed / high load region during operation in the medium speed / high load region. Is also increased (claim 4).
この構成によれば、前記のように後段噴射の噴射時期が早められたとしても、当該後段噴射による異常燃焼の抑制効果が極端に弱まることがなく、異常燃焼の抑制効果を十分に確保することができる。 According to this configuration, even if the injection timing of the latter stage injection is advanced as described above, the effect of suppressing abnormal combustion by the latter stage injection is not extremely weakened, and the effect of suppressing abnormal combustion is sufficiently ensured. Can be done.
前記構成において、より好ましくは、前記燃焼制御部は、前記中速・高負荷域における低速側の一部である第1中速・高負荷域での運転時に、回転速度が高くなるほど前記後段噴射の噴射時期が早くなるように前記インジェクタを制御する(請求項5)。 In the above configuration, more preferably, the combustion control unit injects the latter stage as the rotation speed increases during operation in the first medium speed / high load region, which is a part of the low speed side in the medium speed / high load region. The injector is controlled so that the injection timing of the injector is earlier (claim 5).
この構成によれば、回転速度の上昇に伴い漸減する低温酸化反応のレベルに合わせて適切に後段噴射の噴射時期を早めることができ、異常燃焼を抑制しつつ燃費性能およびエミッション性能を向上させることができる。 According to this configuration, the injection timing of the post-stage injection can be appropriately advanced according to the level of the low-temperature oxidation reaction that gradually decreases as the rotation speed increases, and the fuel efficiency performance and emission performance can be improved while suppressing abnormal combustion. Can be done.
前記構成において、より好ましくは、前記燃焼制御部は、前記中速・高負荷域における高速側の一部である第2中速・高負荷域での運転時に、回転速度に拠らず前記後段噴射の噴射時期を圧縮行程前半の所定時期に保持する(請求項6)。 In the above configuration, more preferably, the combustion control unit is operated in the second medium speed / high load region, which is a part of the high speed side in the medium speed / high load region, regardless of the rotation speed. The injection timing of the injection is held at a predetermined timing in the first half of the compression stroke (claim 6).
この構成によれば、低温酸化反応がほとんど出現しない速度域まで回転速度が上昇したのに合わせて後段噴射を十分に進角させることができ、燃費性能およびエミッション性能への悪影響を可及的に低減することができる。 According to this configuration, the post-stage injection can be sufficiently advanced in accordance with the increase in the rotational speed to a speed range in which the low-temperature oxidation reaction hardly appears, and the adverse effects on fuel efficiency and emission performance can be minimized. It can be reduced.
好ましくは、前記エンジンは、前記燃焼室に連通する吸気通路および排気通路と、排気通路に排出された排気ガスを吸気通路に還流するEGR装置とを備え、前記燃焼制御部は、前記高負荷域よりも負荷が低い中負荷域において混合気を予混合圧縮着火燃焼により燃焼させるとともに、前記EGR装置を通じて前記燃焼室に還流される排気ガスの割合である外部EGR率が前記中負荷域よりも前記高負荷域で低くなるように前記EGR装置を制御する(請求項7)。 Preferably, the engine includes an intake passage and an exhaust passage communicating with the combustion chamber, and an EGR device for returning exhaust gas discharged to the exhaust passage to the intake passage, and the combustion control unit is in the high load region. The air-fuel mixture is burned by premixed compression ignition combustion in a medium load region where the load is lower than that of the medium load region, and the external EGR ratio, which is the ratio of the exhaust gas returned to the combustion chamber through the EGR device, is higher than that in the medium load region. The EGR device is controlled so as to be low in a high load region (claim 7).
このように、エンジンの高負荷域で外部EGR率を相対的に低くするようにした場合には、高負荷域において燃焼室に十分な量の空気を導入することができ、負荷に見合った十分に高いトルクを発生させることができる。一方、高負荷域で外部EGR率が低くされると異常燃焼(プリイグニッションまたはノッキング)の発生リスクが高まるが、この異常燃焼は上述した後段噴射の効果によって十分に抑制される。すなわち、前記構成によれば、高い出力トルクを確保しつつ異常燃焼を抑制することができる。 In this way, when the external EGR ratio is set to be relatively low in the high load range of the engine, a sufficient amount of air can be introduced into the combustion chamber in the high load range, which is sufficient for the load. Can generate high torque. On the other hand, when the external EGR rate is lowered in the high load region, the risk of abnormal combustion (pre-ignition or knocking) increases, but this abnormal combustion is sufficiently suppressed by the effect of the post-stage injection described above. That is, according to the above configuration, abnormal combustion can be suppressed while ensuring high output torque.
好ましくは、前記エンジンは、前記燃焼室内の混合気に点火する点火プラグを備え、前記燃焼制御部は、前記高負荷域での運転時に、前記混合気の一部が前記点火プラグの点火点からの火炎伝播により燃焼しかつその他の混合気が自着火により燃焼する部分圧縮着火燃焼が行われるように、圧縮上死点の近傍の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る(請求項8)。 Preferably, the engine includes an ignition plug that ignites the air-fuel mixture in the combustion chamber, and the combustion control unit has a part of the air-fuel mixture from the ignition point of the ignition plug during operation in the high load region. The spark plug is spark-ignited at a predetermined timing near the compression top dead point so that partial compression ignition combustion is performed in which combustion is performed by the flame propagation of the above and other air-fuel mixture is burned by self-ignition (claim). 8).
このように、点火プラグによる火花点火をきっかけに混合気の一部を火炎伝播により燃焼させるようにした場合には、火花点火の時期に応じて混合気の着火時期を的確に調整することができ、外部環境や負荷等の変動にかかわらず安定した出力を発揮する実用性に優れたエンジンを実現することができる。 In this way, when a part of the air-fuel mixture is burned by flame propagation triggered by spark ignition by the spark plug, the ignition timing of the air-fuel mixture can be accurately adjusted according to the timing of spark ignition. , It is possible to realize an engine with excellent practicality that exhibits stable output regardless of fluctuations in the external environment and load.
以上説明したように、本発明の予混合圧縮着火式エンジンの制御装置によれば、高負荷域での異常燃焼の抑制と燃費性能の向上とを両立することができる。 As described above, according to the control device for the premixed compression ignition engine of the present invention, it is possible to suppress abnormal combustion in a high load range and improve fuel efficiency.
(1)エンジンの全体構成
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、単にエンジンともいう)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。
(1) Overall Configuration of Engine FIGS. 1 and 2 are diagrams showing a preferred embodiment of a compression ignition engine (hereinafter, also simply referred to as an engine) to which the control device of the present invention is applied. The engine shown in this figure is a 4-cycle gasoline direct injection engine mounted on a vehicle as a power source for traveling, and includes an
エンジン本体1は、気筒2が内部に形成されたシリンダブロック3と、気筒2を上から閉塞するようにシリンダブロック3の上面に取り付けられたシリンダヘッド4と、気筒2に往復摺動可能に挿入されたピストン5とを有している。エンジン本体1は、典型的には複数の(例えば4つの)気筒を有する多気筒型のものであるが、ここでは簡略化のため、1つの気筒2のみに着目して説明を進める。
The
ピストン5の上方には燃焼室6が画成されており、この燃焼室6には、ガソリンを主成分とする燃料が、後述するインジェクタ15からの噴射によって供給される。そして、供給された燃料が燃焼室6で空気と混合されつつ燃焼し、その燃焼による膨張力を受けてピストン5が上下方向に往復運動する。
A
ピストン5の下方には、エンジン本体1の出力軸であるクランク軸7が設けられている。クランク軸7は、ピストン5とコネクティングロッド8を介して連結され、ピストン5の往復運動(上下運動)に応じて中心軸回りに回転駆動される。
Below the
気筒2の幾何学的圧縮比、つまりピストン5が上死点にあるときの燃焼室6の容積とピストン5が下死点にあるときの燃焼室6の容積との比は、後述するSPCCI燃焼(部分圧縮着火燃焼)に好適な値として、14以上20以下、好ましくは16以上18以下に設定される。
The geometric compression ratio of the
シリンダブロック3には、クランク軸7の回転角度(クランク角)およびクランク軸7の回転速度(エンジン回転速度)を検出するクランク角センサSN1と、シリンダブロック3およびシリンダヘッド4の内部を流通する冷却水の温度(エンジン水温)を検出する水温センサSN2とが設けられている。
The cylinder block 3 includes a crank angle sensor SN1 that detects the rotation angle (crank angle) of the
シリンダヘッド4には、吸気通路30から供給される空気を燃焼室6に導入するための吸気ポート9と、燃焼室6で生成された排気ガスを排気通路40に導出するための排気ポート10と、吸気ポート9の燃焼室6側の開口を開閉する吸気弁11と、排気ポート10の燃焼室6側の開口を開閉する排気弁12とが設けられている。なお、当実施形態のエンジンのバルブ形式は、図2に示すように、吸気2バルブ×排気2バルブの4バルブ形式である。すなわち、当実施形態では、1つの気筒2の燃焼室6に対し吸気ポート9および排気ポート10が2つずつ開口している。また、これに対応して、吸気弁11および排気弁12が1つの気筒2につき2つずつ設けられている。
The cylinder head 4 has an
吸気弁11および排気弁12は、シリンダヘッド4に配設された一対のカム軸等を含む動弁機構により、クランク軸7の回転に連動して開閉駆動される。
The
吸気弁11用の動弁機構には、吸気弁11の開閉時期を変更可能な吸気VVT13が内蔵されている。同様に、排気弁12用の動弁機構には、排気弁12の開閉時期を変更可能な排気VVT14が内蔵されている。吸気VVT13(排気VVT14)は、いわゆる位相式の可変機構であり、吸気弁11(排気弁12)の開弁時期および閉弁時期を同時にかつ同量だけ変更する。
The valve operating mechanism for the
図3は、吸気弁11および排気弁12のリフトカーブを示す図である(INは吸気弁11のリフトカーブを、EXは排気弁12のリフトカーブをそれぞれ示している)。本図に示すように、吸気弁11および排気弁12は、排気上死点(図3中のTDC)を跨いで開弁期間が重複するように駆動されることがある。この重複期間、つまり吸気弁11および排気弁12の双方が開弁する期間は、バルブオーバーラップ期間と呼ばれる。バルブオーバーラップ期間は、上述した吸気VVT13および排気VVT14の制御により調整することが可能である。
FIG. 3 is a diagram showing lift curves of the
図3では、バルブオーバーラップ期間が比較的長く設定された場合のリフトカーブを実線の波形で示し、バルブオーバーラップ期間が比較的短く設定された場合のリフトカーブを破線の波形で示している。例えば、後述する過給機33により加圧された吸気の圧力(過給圧)が高くなる高負荷域において、実線の波形のようにバルブオーバーラップ期間が拡大された場合には、当該オーバーラップ期間の間、吸気ポート9から排気ポート10へと吹き抜ける吸気の流れが形成される結果、燃焼室6内に残留する既燃ガスの排気ポート10への排出が促進され、いわゆる掃気性能が向上する。一方、吸気の圧力が低い低負荷域においてバルブオーバーラップ期間が拡大された場合には、吸気行程の前期に未だ開放状態にある排気ポート10から燃焼室6へと既燃ガス(排気ガス)が引き戻される結果、燃焼室6に残留する排気ガスの割合である内部EGR率が高くなる。このように、吸気VVT13および排気VVT14を備えた当実施形態のエンジンでは、エンジンの高負荷域または低負荷域でのバルブオーバーラップ期間の拡大または縮小により、掃気性能や内部EGR率を調整できるようになっている。
In FIG. 3, the lift curve when the valve overlap period is set to be relatively long is shown by a solid line waveform, and the lift curve when the valve overlap period is set to be relatively short is shown by a broken line waveform. For example, in a high load region where the intake pressure (supercharging pressure) pressurized by the
図1および図2に示すように、シリンダヘッド4には、燃焼室6に燃料(ガソリン)を噴射するインジェクタ15と、インジェクタ15から燃焼室6に噴射された燃料と吸入空気とが混合された混合気に点火する点火プラグ16とが設けられている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the cylinder head 4 is a mixture of an
図2に示すように、ピストン5の冠面には、その中央部を含む比較的広い領域をシリンダヘッド4とは反対側(下方)に凹陥させたキャビティ20が形成されている。また、ピストン5の冠面におけるキャビティ20よりも径方向外側には、円環状の平坦面からなるスキッシュ部21が形成されている。
As shown in FIG. 2, the crown surface of the
インジェクタ15は、その先端部に複数の噴孔を有した多噴孔型のインジェクタであり、当該複数の噴孔から放射状に燃料を噴射することが可能である(図2中のFは各噴孔から噴射された燃料の噴霧を表している)。インジェクタ15は、その先端部がピストン5の冠面の中心部(キャビティ20の底部中央)と対向するように、燃焼室6の天井面の中心部に配置されている。
The
点火プラグ16は、インジェクタ15に対し吸気側に幾分ずれた位置に配置されている。点火プラグ16の先端部(電極部)の位置は、キャビティ20と平面視で重複するように設定されている。
The
図1に示すように、吸気通路30は、吸気ポート9と連通するようにシリンダヘッド4の一側面に接続されている。吸気通路30の上流端から取り込まれた空気(新気)は、吸気通路30および吸気ポート9を通じて燃焼室6に導入される。
As shown in FIG. 1, the
吸気通路30には、その上流側から順に、吸気中の異物を除去するエアクリーナ31と、吸気の流量を調整する開閉可能なスロットル弁32と、吸気を圧縮しつつ送り出す過給機33と、過給機33により圧縮された吸気を冷却するインタークーラ35と、サージタンク36とが設けられている。
In the
吸気通路30の各部には、吸気の流量を検出するエアフローセンサSN3と、吸気の温度を検出する吸気温センサSN4と、吸気の圧力を検出する吸気圧センサSN5とが設けられている。エアフローセンサSN3および吸気温センサSN4は、吸気通路30におけるエアクリーナ31とスロットル弁32との間の部位に設けられ、当該部位を通過する吸気の流量および温度を検出する。吸気圧センサSN5は、サージタンク36に設けられ、当該サージタンク36内の吸気の圧力を検出する。
Each part of the
過給機33は、エンジン本体1と機械的に連係された機械式の過給機(スーパーチャージャ)である。過給機33の具体的な形式は特に問わないが、例えばリショルム式、ルーツ式、または遠心式といった公知の過給機のいずれかを過給機33として用いることができる。
The
過給機33とエンジン本体1との間には、締結/解放を電気的に切り替えることが可能な電磁クラッチ34が介設されている。電磁クラッチ34が締結されると、エンジン本体1から過給機33に駆動力が伝達されて、過給機33による過給が行われる。一方、電磁クラッチ34が解放されると、上記駆動力の伝達が遮断されて、過給機33による過給が停止される。
An electromagnetic clutch 34 capable of electrically switching between engagement and release is interposed between the
吸気通路30には、過給機33をバイパスするためのバイパス通路38が設けられている。バイパス通路38は、サージタンク36と後述するEGR通路51とを互いに接続している。バイパス通路38には開閉可能なバイパス弁39が設けられている。
The
排気通路40は、排気ポート10と連通するようにシリンダヘッド4の他側面(吸気通路30とは反対側の面)に接続されている。燃焼室6で生成された既燃ガスは、排気ポート10および排気通路40を通じて外部に排出される。
The
排気通路40には触媒コンバータ41が設けられている。触媒コンバータ41には、排気通路40を流通する排気ガス中に含まれる有害成分(HC、CO、NOx)を浄化するための三元触媒41aと、排気ガス中に含まれる粒子状物質(PM)を捕集するためのGPF(ガソリン・パティキュレート・フィルタ)41bとが内蔵されている。
A
排気通路40における触媒コンバータ41よりも上流側には、排気ガス中の酸素濃度を検出するA/FセンサSN6が設けられている。
An A / F sensor SN6 for detecting the oxygen concentration in the exhaust gas is provided on the upstream side of the
外部EGR装置50は、排気通路40と吸気通路30とを接続するEGR通路51と、EGR通路51に設けられたEGRクーラ52およびEGR弁53とを有している。EGR通路51は、排気通路40における触媒コンバータ41よりも下流側の部位と、吸気通路30におけるスロットル弁32と過給機33との間の部位とを互いに接続している。EGRクーラ52は、EGR通路51を通じて排気通路40から吸気通路30に還流される排気ガス(外部EGRガス)を熱交換により冷却する。EGR弁53は、EGRクーラ52よりも下流側(吸気通路30に近い側)のEGR通路51に開閉可能に設けられ、EGR通路51を流通する排気ガスの流量を調整する。
The
(2)制御系統
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PCM100は、エンジン等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。
(2) Control system FIG. 4 is a block diagram showing an engine control system. The
PCM100には各種センサによる検出信号が入力される。例えば、PCM100は、上述したクランク角センサSN1、水温センサSN2、エアフローセンサSN3、吸気温センサSN4、吸気圧センサSN5、A/FセンサSN6と電気的に接続されており、これらのセンサによって検出された情報(つまりクランク角、エンジン回転速度、エンジン水温、吸気流量、吸気温、吸気圧、排気酸素濃度)がPCM100に逐次入力されるようになっている。
Detection signals from various sensors are input to the PCM100. For example, the PCM100 is electrically connected to the crank angle sensor SN1, the water temperature sensor SN2, the airflow sensor SN3, the intake air temperature sensor SN4, the intake pressure sensor SN5, and the A / F sensor SN6 described above, and is detected by these sensors. Information (that is, crank angle, engine rotation speed, engine water temperature, intake flow rate, intake temperature, intake pressure, exhaust oxygen concentration) is sequentially input to the
また、車両には、当該車両を運転するドライバーにより操作されるアクセルペダルの開度(以下、アクセル開度という)を検出するアクセルセンサSN7と、車両の走行速度(以下、車速という)を検出する車速センサSN8とが設けられており、これらのセンサSN7,SN8による検出信号もPCM100に逐次入力される。
Further, the vehicle has an accelerator sensor SN7 that detects the opening degree of the accelerator pedal (hereinafter referred to as the accelerator opening degree) operated by the driver who drives the vehicle, and the traveling speed of the vehicle (hereinafter referred to as the vehicle speed). A vehicle speed sensor SN8 is provided, and detection signals from these sensors SN7 and SN8 are also sequentially input to the
PCM100は、上記各センサからの入力情報に基づいて種々の判定や演算等を実行しつつエンジンの各部を制御する。すなわち、PCM100は、吸・排気VVT13,14、インジェクタ15、点火プラグ16、スロットル弁32、電磁クラッチ34、バイパス弁39、およびEGR弁53等と電気的に接続されており、上記演算等の結果に基づいてこれらの機器にそれぞれ制御用の信号を出力する。
The
具体的に、PCM100は、判定部101、燃焼制御部102、および記憶部103を機能的に有している。
Specifically, the
燃焼制御部102は、燃焼室6での混合気の燃焼を制御する制御モジュールであり、エンジンの出力トルク等がドライバーの要求に応じた適切な値となるようにエンジンの各部を制御する。判定部101は、燃焼制御部102による制御の内容を決定するのに必要な種々の判定を行うための制御モジュールである。記憶部103は、判定部101および燃焼制御部102での処理に必要な各種データを記憶するものである。
The
(3)運転状態に応じた制御
図5は、エンジンの回転速度/負荷に応じた制御の相違を説明するための運転マップである。本図に示すように、エンジンの運転領域は、燃焼形態の相違によって4つの運転領域A1〜A4に大別される。それぞれ第1運転領域A1、第2運転領域A2、第3運転領域A3、第4運転領域A4とすると、第3運転領域A3は、エンジン回転速度が第1速度N1未満となる極低速域であり、第4運転領域A4は、エンジン回転速度が第2速度N2以上となる高速域であり、第1運転領域A1は、第3・第4運転領域A3,A4以外の速度域(低・中速領域)のうち負荷が基準負荷L1以上となる低中速・高負荷の領域であり、第2運転領域A2は、第1、第3、第4運転領域A1,A3,A4以外の残余の領域(低中速・低負荷の領域)である。第1運転領域A1と第2運転領域A2との境界に位置する基準負荷L1は、過給機33が駆動される下限の負荷(過給ライン)に相当している。
(3) Control according to operating state FIG. 5 is an operation map for explaining the difference in control according to the rotation speed / load of the engine. As shown in this figure, the operating region of the engine is roughly divided into four operating regions A1 to A4 according to the difference in combustion form. Assuming that the first operating area A1, the second operating area A2, the third operating area A3, and the fourth operating area A4, respectively, the third operating area A3 is an extremely low speed region in which the engine rotation speed is less than the first speed N1. The fourth operating region A4 is a high-speed region in which the engine rotation speed is equal to or higher than the second speed N2, and the first operating region A1 is a speed region (low / medium speed) other than the third / fourth operating regions A3 and A4. Area), which is a low-medium-speed / high-load area where the load is equal to or higher than the reference load L1, and the second operating area A2 is the remaining area other than the first, third, and fourth operating areas A1, A3, and A4. (Low to medium speed / low load area). The reference load L1 located at the boundary between the first operating area A1 and the second operating area A2 corresponds to the lower limit load (supercharging line) in which the
以下、上記第1〜第4運転領域A1〜A4における燃焼制御の概要について説明する。 Hereinafter, an outline of combustion control in the first to fourth operating regions A1 to A4 will be described.
(3−1)第1運転領域
低中速かつ高負荷の第1運転領域A1では、SI燃焼とCI燃焼とを組み合わせた部分圧縮着火燃焼(以下、これをSPCCI燃焼という)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の圧縮等により十分に高温・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」の略である。
(3-1) First Operating Region In the first operating region A1 having a low medium speed and a high load, partial compression ignition combustion (hereinafter, this is referred to as SPCCI combustion) that combines SI combustion and CI combustion is executed. SI combustion is a combustion mode in which the air-fuel mixture is ignited by sparks generated from the
図6は、上記のようなSPCCI燃焼が行われた場合の燃焼波形、つまりクランク角による熱発生率(J/deg)の変化を示したグラフである。本図に示すように、SPCCI燃焼では、SI燃焼による熱発生とCI燃焼による熱発生とがこの順に連続して発生する。このとき、CI燃焼の方が燃焼速度が速いという性質上、SI燃焼時よりもCI燃焼時の方が熱発生の立ち上がりが急峻になる。このため、SPCCI燃焼における熱発生率の波形は、SI燃焼からCI燃焼に切り替わるタイミング(後述するθci)で現れる変曲点Xを有している。 FIG. 6 is a graph showing a combustion waveform when SPCCI combustion is performed as described above, that is, a change in the heat generation rate (J / deg) depending on the crank angle. As shown in this figure, in SPCCI combustion, heat generation due to SI combustion and heat generation due to CI combustion are continuously generated in this order. At this time, due to the property that the combustion speed is faster in CI combustion, the rise of heat generation becomes steeper in CI combustion than in SI combustion. Therefore, the waveform of the heat generation rate in SPCCI combustion has an inflection point X that appears at the timing of switching from SI combustion to CI combustion (θci described later).
上記のようなSPCCI燃焼の具体的形態として、第1運転領域A1では、過給機33による過給を行いつつ混合気をSPCCI燃焼させる制御が実行される。このような過給を伴ったSPCCI燃焼を実現するため、第1運転領域A1では、PCM100によってエンジンの各部が次のように制御される。
As a specific form of SPCCI combustion as described above, in the first operating region A1, control for SPCCI combustion of the air-fuel mixture is executed while supercharging by the
スロットル弁32の開度は、理論空燃比相当の空気量が吸気通路30を通じて燃焼室6に導入されるような値に調整される。すなわち、第1運転領域A1では、吸気通路30を通じて燃焼室6に導入される空気(新気)と、インジェクタ15から燃焼室6に噴射される燃料との重量比である空燃比(A/F)の目標値が、理論空燃比(14.7)の近傍、詳しくは理論空燃比もしくはこれよりもややリッチな値(例えば約12〜14)に設定される。そして、この空燃比の目標値(目標空燃比)と、A/FセンサSN6により検出される排気ガス中の酸素濃度等に基づいて、燃焼室6内の空燃比を上記目標空燃比に一致させ得るスロットル弁32の開度が決定され、この決定に従ってスロットル弁32が制御される。
The opening degree of the
過給機33はON状態とされる。すなわち、第1運転領域A1は、過給領域の下限である基準負荷L1以上の領域に属しており、過給機33による過給が必要である。そこで、第1運転領域A1では、電磁クラッチ34が締結されて過給機33とエンジン本体1とが連結されることにより、過給機33による過給が行われる。このとき、吸気圧センサSN5により検出されるサージタンク36内の圧力(過給圧)が、エンジン負荷/回転速度の条件ごとに予め定められた目標圧力に一致するように、バイパス弁39の開度が制御される。
The
ここで、SI燃焼とCI燃焼とを組み合わせた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である。そこで、当実施形態では、SPCCI燃焼(SI燃焼およびCI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率に着目し、このSI率が適正な値になるようにエンジンの各部を制御する。 Here, in SPCCI combustion that combines SI combustion and CI combustion, it is important to control the ratio of SI combustion and CI combustion according to the operating conditions. Therefore, in the present embodiment, attention is paid to the SI rate, which is the ratio of the amount of heat generated by SI combustion to the total amount of heat generated by SPCCI combustion (SI combustion and CI combustion), and the engine is adjusted so that this SI rate becomes an appropriate value. Control each part of.
上記SI率を図6を用いて説明する。図6において、燃焼形態がSI燃焼からCI燃焼に切り替わる変曲点Xに対応するクランク角θciをCI燃焼の開始時期とする。この場合、SI燃焼による熱発生量は、当該θci(CI燃焼の開始時期)よりも進角側の熱発生率の波形の面積R1に相当し、CI燃焼による熱発生量は、当該θciよりも遅角側に位置する熱発生率の波形の面積R2に相当するとみなすことができる。そして、上記SI率は、これら各面積R1,R2を用いて、R1/(R1+R2)と定義することができる。 The SI rate will be described with reference to FIG. In FIG. 6, the crank angle θci corresponding to the inflection point X at which the combustion mode switches from SI combustion to CI combustion is set as the start time of CI combustion. In this case, the amount of heat generated by SI combustion corresponds to the area R1 of the waveform of the heat generation rate on the advance side of the θci (start time of CI combustion), and the amount of heat generated by CI combustion is larger than that of the θci. It can be considered to correspond to the area R2 of the waveform of the heat generation rate located on the retard side. Then, the SI rate can be defined as R1 / (R1 + R2) by using each of these areas R1 and R2.
SPCCI燃焼が行われる第1運転領域A1では、上述したSI率およびθciが予め定められた目標値に一致するように、エンジンの各部が制御される。すなわち、第1運転領域A1では、エンジン負荷/回転速度が異なる種々の条件ごとに、SI率の目標値である目標SI率とθciの目標値である目標θciとがそれぞれ定められている。そして、インジェクタ15からの燃料の噴射量/噴射時期、点火プラグ16による火花点火の時期(点火時期)、およびEGR率(外部EGR率および内部EGR率)といった複数の制御量が、上記目標SI率および目標θciを実現可能な組合せとなるように制御される。なお、外部EGR率とは、燃焼室6内の全ガスのうち外部EGRガス(EGR通路51を通じて燃焼室6に還流される排気ガス)が占める重量割合のことであり、内部EGR率とは、燃焼室6内の全ガスのうち内部EGRガス(内部EGRにより燃焼室6に残留する既燃ガス)が占める重量割合のことである。
In the first operating region A1 where SPCCI combustion is performed, each part of the engine is controlled so that the above-mentioned SI rate and θci match a predetermined target value. That is, in the first operating region A1, the target SI rate, which is the target value of the SI rate, and the target θci, which is the target value of θci, are set for each of various conditions in which the engine load / rotational speed is different. Then, a plurality of controlled amounts such as the fuel injection amount / injection timing from the
例えば、燃料の噴射量/噴射時期は、上記目標SI率および目標θciを考慮して予め定められたマップにより決定される。また、外部EGR率および内部EGR率については、両EGR率の主な影響因子である吸・排気弁11,12の開閉タイミングと、EGR弁53の開度とが、やはり上記目標SI率および目標θciを考慮して定められたマップにより決定される。
For example, the fuel injection amount / injection timing is determined by a predetermined map in consideration of the target SI rate and the target θci. Regarding the external EGR rate and the internal EGR rate, the opening / closing timing of the intake /
一方、点火プラグ16による火花点火の時期(点火時期)は、所定のモデル式を用いた演算により、上記目標SI率および目標θciが得られるような時期に決定される。
On the other hand, the spark ignition timing (ignition timing) by the
以上のように、第1運転領域A1では、予め定められたマップとモデル式を用いた演算とを組み合わせた方法により、点火時期、燃料の噴射量/噴射時期、吸・排気弁11,12の開閉タイミング、およびEGR弁53の開度が、運転条件ごとに予め定められた適正なSI率およびθci(目標SI率および目標θci)が得られる組合せとなるように制御される。
As described above, in the first operating region A1, the ignition timing, the fuel injection amount / injection timing, and the intake /
(3−2)第2運転領域
低中速かつ低負荷の第2運転領域A2では、過給機33による過給が停止された状態(自然吸気の状態)で混合気をSPCCI燃焼させる制御が実行される。このような自然吸気下でのSPCCI燃焼を実現するため、第1運転領域A1では、PCM100によってエンジンの各部が次のように制御される。
(3-2) Second operating region In the second operating region A2 with low to medium speed and low load, control is performed to burn the air-fuel mixture with SPCCI in a state where supercharging by the
スロットル弁32の開度は、第2運転領域A2内に設定された略矩形状の境界Qの内側か外側かによって空燃比が可変となるように制御される。すなわち、第2運転領域A2における境界Qの外側領域では、燃焼室6内の混合気の空燃比(A/F)が理論空燃比(14.7)に略一致するように、スロットル弁32の開度が調整される。これに対し、第2運転領域A2における境界Qの内側領域では、空燃比が理論空燃比よりも大きい値、例えば20〜35程度になるように、スロットル弁32の開度が調整される。言い換えると、境界Qの内側領域では、理論空燃比よりも大きい空燃比を有するA/Fリーンの混合気を燃焼室6内に形成しつつ当該混合気をSPCCI燃焼させる制御が実行され、境界Qの外側領域では、理論空燃比に近いストイキ混合気を燃焼室6内に形成しつつ当該混合気をSPCCI燃焼させる制御が実行される。境界Qは、A/FリーンのSPCCI燃焼の実行領域を第2運転領域A2における低速側の一部分に限定するべく、第2運転領域A2の上限速度(第2速度N2)、上限負荷(基準負荷L1)、および下限負荷(エンジンの最低負荷)のいずれからも離れるように設定されている。
The opening degree of the
過給機33はOFF状態とされる。すなわち、電磁クラッチ34が解放されて過給機33とエンジン本体1との連結が解除されるとともに、バイパス弁39が全開とされることにより、過給機33による過給が停止される。
The
第2運転領域A2においても、上述した第1運転領域A1のときと同様に、目標SI率および目標θciが負荷/回転速度の条件ごとに定められている。燃料の噴射量/噴射時期、吸・排気弁11,12の開閉タイミング、およびEGR弁53の開度は、予め定められたマップを用いて、上記目標SI率および目標θciを実現するのに適した値となるように決定される。また、点火プラグ16による点火時期については、上記目標SI率および目標θciを実現可能な点火時期が所定のモデル式を用いた演算により決定される。
In the second operating area A2 as well, the target SI rate and the target θci are set for each load / rotation speed condition, as in the case of the first operating area A1 described above. The fuel injection amount / injection timing, the opening / closing timing of the intake /
(3−3)第3運転領域および第4運転領域
エンジン回転速度が第1速度N1よりも低い第3運転領域A1(極低速域)、およびエンジン回転速度が第2速度N2以上の第4運転領域A4(高速域)では、混合気をSI燃焼により燃焼させる制御が実行される。例えば、1サイクル中に噴射すべき燃料の全量がインジェクタ15から吸気行程中に噴射されるとともに、圧縮上死点の近傍で点火プラグ16による火花点火が実行される。そして、この火花点火をきっかけにSI燃焼が開始され、燃焼室6内の混合気の全てが火炎伝播により燃焼する。
(3-3) Third operating region and fourth operating region The third operating region A1 (extremely low speed region) in which the engine rotation speed is lower than the first speed N1, and the fourth operation in which the engine rotation speed is the second speed N2 or higher. In the region A4 (high speed region), control for burning the air-fuel mixture by SI combustion is executed. For example, the entire amount of fuel to be injected during one cycle is injected from the
(4)第1運転領域での噴射制御
次に、第1運転領域A1でのより具体的な制御例、特に運転ポイントに応じた燃料噴射パターンの相違について説明する。SPCCI燃焼の実行領域のうち比較的負荷が高い第1運転領域A1における燃料の噴射パターンは、大きく分けて、図7に示す2つの分割領域D1,D2のいずれでエンジンが運転されているかによって異なる。また、分割領域D1の中でも、低速側の分割領域D11と高速側の分割領域D12とでは、回転速度に応じた燃料噴射時期の変化の傾向が異なる。さらに、分割領域D12の中でも、低速側の分割領域D12aと高速側の分割領域D12bとでは、回転速度に応じた燃料噴射時期の変化の傾向が異なる。以下では、第1運転領域A1における分割領域D1を高負荷域、分割領域D2を中負荷域と称し、高負荷域D1における低速側の分割領域D11を低速・高負荷域、高速側の分割領域D12を中速・高負荷域と称し、中速・高負荷域D12における低速側の分割領域D12aを第1中速・高負荷域、高速側の分割領域D12bを第2中速・高負荷域と称する。図7の例では、中負荷域D2は、第1運転領域A1の下限負荷である基準負荷L1(過給ライン)からこれより高い負荷L2までの負荷域を占め、高負荷域D1(低速・高負荷域D11および中速・高負荷域D12)は、第1運転領域A1のうち負荷L2から最大負荷L3までの負荷域を占めている。また、低速・高負荷域D11と中速・高負荷域D12とは、第1境界速度Nxを境に隣接しており、第1中速・高負荷域D12aと第2中速・高負荷域D12bとは、第2境界速度Nyを境に隣接している。
(4) Injection control in the first operating region Next, a more specific control example in the first operating region A1, particularly a difference in the fuel injection pattern according to the operating point will be described. The fuel injection pattern in the first operating region A1 in which the load is relatively high in the execution region of SPCCI combustion is roughly divided and differs depending on which of the two divided regions D1 and D2 shown in FIG. 7 is operating the engine. .. Further, among the divided regions D1, the tendency of the fuel injection timing to change according to the rotation speed is different between the divided region D11 on the low speed side and the divided region D12 on the high speed side. Further, among the divided regions D12, the tendency of the fuel injection timing to change according to the rotation speed is different between the divided region D12a on the low speed side and the divided region D12b on the high speed side. In the following, the divided area D1 in the first operating area A1 is referred to as a high load area, the divided area D2 is referred to as a medium load area, and the low speed side divided area D11 in the high load area D1 is referred to as a low speed / high load area and a high speed side divided area. D12 is referred to as a medium speed / high load region, the low speed side division area D12a in the medium speed / high load region D12 is the first medium speed / high load region, and the high speed side division region D12b is the second medium speed / high load region. It is called. In the example of FIG. 7, the medium load region D2 occupies the load region from the reference load L1 (supercharging line), which is the lower limit load of the first operating region A1, to the higher load L2, and the high load region D1 (low speed, The high load region D11 and the medium speed / high load region D12) occupy the load region from the load L2 to the maximum load L3 in the first operation region A1. Further, the low speed / high load region D11 and the medium speed / high load region D12 are adjacent to each other with the first boundary speed Nx as the boundary, and the first medium speed / high load region D12a and the second medium speed / high load region are adjacent to each other. D12b is adjacent to the second boundary velocity Ny as a boundary.
図8は、第1運転領域A1での運転時に行われる具体的な制御手順を示すフローチャートである。なお、このフローチャートが適用される前提として、エンジンは準温間状態または温間状態にあるものとする。エンジンが準温間/温間状態にあることは、水温センサSN2により検出されるエンジン水温に基づき判定される。例えば、検出されたエンジン水温が70℃以上である場合に、エンジンが準温間/温間状態にあると判定されて、図8のフローチャートが適用される。 FIG. 8 is a flowchart showing a specific control procedure performed during operation in the first operation area A1. As a premise that this flowchart is applied, it is assumed that the engine is in a quasi-warm state or a warm state. Whether the engine is in a quasi-warm / warm state is determined based on the engine water temperature detected by the water temperature sensor SN2. For example, when the detected engine water temperature is 70 ° C. or higher, it is determined that the engine is in a quasi-warm / warm state, and the flowchart of FIG. 8 is applied.
このフローチャートに示す制御がスタートすると、PCM100の判定部101は、ステップS1において、エンジンの現運転ポイントが図7に示した高負荷域D1に含まれるか否かを判定する。すなわち、判定部101は、クランク角センサSN1により検出されるエンジン回転速度と、アクセルセンサSN7の検出値(アクセル開度)や車速センサSN8の検出値(車速)等から特定されるエンジン負荷とに基づいて、現時点のエンジンの運転ポイントを図7の運転マップ上で特定し、当該マップ中の高負荷域D1に現運転ポイントが含まれるか否かを判定する。
When the control shown in this flowchart starts, the
上記ステップS1でYESと判定されてエンジンの現運転ポイントが高負荷域D1に含まれることが確認された場合、PCM100の燃焼制御部102は、ステップS2に移行し、過給機33を駆動して吸気を過給する。すなわち、燃焼制御部102は、電磁クラッチ34を締結して過給機33とエンジン本体1とを連結するようにとともに、バイパス弁39の開度を調整して過給圧を制御する。
When it is determined as YES in step S1 and it is confirmed that the current operating point of the engine is included in the high load region D1, the
次いで、燃焼制御部102は、ステップS3に移行し、インジェクタ15による燃料の噴射パターンとして、図9に示す第1噴射パターンを選択する。図9(a)〜(e)は、高負荷域D1での噴射パターンを代表して、回転速度の異なる複数の運転ポイントP1〜P5(図7)における各噴射パターンを示している。本図に示すように、第1噴射パターンが選択されると、吸気行程中に1回の燃料噴射Faが実行されるとともに、圧縮行程中に1回の燃料噴射Fbが実行される。以下では、Faを前段噴射、Fbを後段噴射と称する。
Next, the
より具体的に、第1噴射パターンでは、前段噴射Faの開始時期は吸気行程の中期から後期までの範囲内に設定され、後段噴射Fbの開始時期は圧縮行程の前期から後期までの範囲内(圧縮行程の前半または後半)に設定される。詳細は後述するが、前段噴射Faおよび後段噴射Fbの各開始時期は、主にエンジン回転速度に応じて変更される(図9(a)〜(e))。言い換えると、第1噴射パターンが選択されたとき、燃焼制御部102は、吸気行程の中期または後期に前段噴射Faが、圧縮行程の前半または後半に後段噴射Fbがそれぞれ開始され、かつ各噴射Fa,Fbの開始時期がエンジン回転速度に応じて変化するように、インジェクタ15を制御する。
More specifically, in the first injection pattern, the start time of the pre-stage injection Fa is set within the range from the middle to the late stage of the intake stroke, and the start time of the post-stage injection Fb is within the range from the early stage to the late stage of the compression stroke ( It is set in the first half or the second half of the compression stroke). Although the details will be described later, the start timings of the front-stage injection Fa and the rear-stage injection Fb are mainly changed according to the engine speed (FIGS. 9 (a) to 9 (e)). In other words, when the first injection pattern is selected, the
なお、本明細書において、ある行程の前期、中期、後期(または前半、後半)とは次のことを意味するものとする。すなわち、本明細書では、吸気行程や圧縮行程等の任意の行程を2等分した場合の各期間を前から順に「前半」「後半」と定義する。このため、例えば圧縮行程の(i)前半、(ii)後半とは、それぞれ、(i)圧縮上死点前(BTDC)180〜90°CA、(ii)BTDC90〜0°CAの各範囲のことを指す。同様に、本明細書では、任意の行程を3等分した場合の各期間を前から順に「前期」「中期」「後期」と定義する。このため、例えば吸気行程の(iii)前期、(iv)中期、(v)後期とは、それぞれ、(iii)BTDC360〜300°CA、(iv)BTDC300〜240°CA、(v)BTDC240〜180°CAの各範囲のことを指す。
In this specification, the first half, middle half, and second half (or first half, second half) of a certain process shall mean the following. That is, in the present specification, each period when an arbitrary stroke such as an intake stroke or a compression stroke is divided into two equal parts is defined as "first half" and "second half" in order from the front. Therefore, for example, (i) the first half and (ii) the second half of the compression stroke are in the ranges of (i) before the compression top dead center (BTDC) 180 to 90 ° CA and (ii) BTDC 90 to 0 ° CA, respectively. Point to that. Similarly, in the present specification, each period when an arbitrary process is divided into three equal parts is defined as "early period", "middle period", and "late period" in order from the front. Therefore, for example, the (iii) early stage, (iv) middle stage, and (v) late stage of the intake stroke are (iii)
次いで、燃焼制御部102は、ステップS4に移行して、上記第1噴射パターンにおける各燃料噴射(前段噴射Faおよび後段噴射Fb)の噴射量および噴射時期を、エンジン負荷(要求トルク)および回転速度に基づき決定する。この噴射量/噴射時期の決定にはマップM1が参照される。マップM1は、第1噴射パターンにおける各噴射Fa,Fbの噴射量/噴射時期をエンジン負荷/回転速度の条件ごとに定めたものであり、記憶部103に予め格納されている。このマップM1による噴射量/噴射時期は、上記(3−1)で説明した目標SI率および目標θciを考慮して定められている。言い換えると、上記ステップS4では、第1噴射パターンにおける各噴射Fa,Fbの噴射量および噴射時期が、上記目標SI率および目標θciを実現するのに適した値となるように決定される。なお、このようにして決定される前段噴射Faおよび後段噴射Fbの噴射量/噴射時期の各詳細は、後述する(5)のとおりである。
Next, the
次に、上記ステップS1でNOと判定された場合、つまりエンジンの現運転ポイントが高負荷域D1に含まれないことが確認された場合の制御について説明する。この場合、判定部101は、ステップS5に移行して、エンジンの現運転ポイントが中負荷域D2に含まれるか否かを判定する。
Next, control will be described when NO is determined in step S1, that is, when it is confirmed that the current operating point of the engine is not included in the high load region D1. In this case, the
上記ステップS4でNOと判定されてエンジンの現運転ポイントが中負荷域D2に含まれないことが確認された場合、つまりエンジンが高負荷域D1および中負荷域D2を除く運転領域(第2、第3、第4運転領域A2,A3,A4のいずれか)で運転されていることが確認された場合、燃焼制御部102は、ステップS9に移行して、A2,A3,A4のいずれの運転領域に運転ポイントが含まれるかを確認し、その結果に応じた燃焼制御を実行する。例えば、運転ポイントが第2運転領域A2に含まれることが確認された場合、燃焼制御部102は、第1運転領域A1での運転時と同様、混合気をSPCCI燃焼により燃焼させる制御を実行する。ただし、第2運転領域A2では、第1運転領域A1のときと異なり、過給機33が停止される(電磁クラッチ34の締結が解除される)。また、運転ポイントが第3運転領域A3または第4運転領域A4に含まれることが確認された場合、燃焼制御部102は、SPCCI燃焼ではなくSI燃焼によって混合気を燃焼させる制御を実行する。
When it is determined as NO in step S4 and it is confirmed that the current operating point of the engine is not included in the medium load region D2, that is, the operating region (second,) excluding the high load region D1 and the medium load region D2 of the engine. When it is confirmed that the vehicle is being operated in any of the third and fourth operating regions A2, A3, and A4), the
一方、上記ステップS5でYESと判定されてエンジンの現運転ポイントが中負荷域D2に含まれることが確認された場合、燃焼制御部102は、ステップS6に移行し、過給機33を駆動して吸気を過給する。
On the other hand, if YES is determined in step S5 and it is confirmed that the current operating point of the engine is included in the medium load range D2, the
次いで、燃焼制御部102は、ステップS7に移行し、インジェクタ15による燃料の噴射パターンとして、図10に示す第2噴射パターンを選択する。図10は、中負荷域D2における代表的な運転ポイントP6(図7)での噴射パターンを示している。本図に示すように、第2噴射パターンが選択されると、吸気行程中に1回の燃料噴射Fcが実行される。この燃料噴射Fcの開始時期は、例えば吸気行程の前期に設定される。なお、上述した第1噴射パターン(図9)のときと異なり、圧縮行程中の燃料噴射(後段噴射Fbに相当する噴射)は実行されない。
Next, the
次いで、燃焼制御部102は、ステップS8に移行して、上記第2噴射パターンにおける燃料噴射Fcの噴射量および噴射時期を、エンジンの負荷および回転速度に基づき決定する。この噴射量/噴射時期の決定にはマップM2が参照される。マップM2は、第2噴射パターンにおける燃料噴射Fcの噴射量/噴射時期をエンジン負荷/回転速度の条件ごとに定めたものであり、記憶部103に予め格納されている。このマップM2による噴射量/噴射時期は、上述した目標SI率および目標θciを考慮して定められている。言い換えると、上記ステップS8では、第2噴射パターンにおける燃料噴射Fcの噴射量および噴射時期が、上記目標SI率および目標θciを実現するのに適した値となるように決定される。
Next, the
以上のようにして燃料の噴射パターン(噴射量/噴射時期)および噴射圧力の設定が終了すると、燃焼制御部102は、ステップS10に移行して、エンジンの負荷および回転速度に基づき吸・排気弁11,12の開閉タイミング(バルブタイミング)を決定し、決定したバルブタイミングを目標に吸・排気VVT13,14を制御する。このバルブタイミングの決定にはマップM3が参照される。マップM3は、バルブタイミングをエンジン負荷/回転速度の条件ごとに定めたものであり、記憶部103に予め格納されている。このマップM3が用いられることにより、バルブタイミングおよびオーバーラップ期間(図3)は、上記目標SI率および目標θciを実現するのに適した値に設定される。
When the fuel injection pattern (injection amount / injection timing) and injection pressure have been set as described above, the
次いで、燃焼制御部102は、ステップS11に移行して、エンジンの負荷および回転速度に基づきEGR弁53の開度(EGR開度)を決定し、決定したEGR開度を目標にEGR弁53を制御する。このEGR開度の決定にはマップM4が参照される。マップM4は、EGR開度をエンジン負荷/回転速度の条件ごとに定めたものであり、記憶部103に予め格納されている。このマップM4が用いられることにより、EGR開度は、上記目標SI率および目標θciを実現するのに適した値に設定される。
Next, the
上記ステップS11においてマップM4を通じて決定されるEGR開度は、総じて、第1運転領域A1内の高負荷側ほど低くされる。図11は、このようなEGR弁53の開度制御によって実現される外部EGR率(EGR通路51を通じて燃焼室6に還流される排気ガスの割合)のエンジン負荷に応じた変化を示すグラフである。本図に示すように、第1運転領域A1では、負荷が高くなるほど外部EGR率が減少するようにEGR弁53の開度が制御される。言い換えると、第1運転領域A1での運転時、EGR弁53の開度は、中負荷域D2(負荷L1〜L2)での外部EGR率よりも高負荷域D1(負荷L2〜L3)での外部EGR率が低くなるように制御される。
The EGR opening degree determined through the map M4 in step S11 is generally lowered toward the higher load side in the first operating region A1. FIG. 11 is a graph showing changes in the external EGR ratio (the ratio of exhaust gas recirculated to the
次いで、燃焼制御部102は、ステップS12に移行して、燃焼室6内の実際のEGR率(外部EGR率および内部EGR率)と、圧縮上死点の近傍での燃焼室6内の温度(筒内温度)とを推定する。上述したように、当実施形態では、吸・排気弁11,12の開閉タイミング(バルブタイミング)およびEGR弁53の開度(EGR開度)がマップにより定められるが、マップの設定値通りにバルブタイミングおよびEGR開度を制御しても、応答遅れなどの種々の要因によってEGR率は変動し得る。また、EGR率の変動は、外気温等の他の要因と併せて、圧縮上死点近傍での筒内温度の変動につながる。そこで、燃焼制御部102は、エアフローセンサSN3、吸気温センサSN4、および吸気圧センサSN5等の各種センサによる検出値(吸気流量、吸気温、吸気圧等)と、バルブタイミングおよびEGR開度の各設定値と、予め定められた所定のモデル式とに基づいて、吸気弁11の閉時期(IVC時点)における燃焼室6内の実際のEGR率(外部EGR率および内部EGR率)と、当該IVCの直後に到来する圧縮上死点の近傍(圧縮上死点もしくはその近傍)における筒内温度とを推定する。上記モデル式は、例えば、吸気流量、吸気温、吸気圧、バルブタイミング、EGR開度等の各パラメータの直近の履歴を入力要素とするモデル式であり、応答遅れを反映したIVC時点での実際の外部EGR率および内部EGR率と、圧縮上死点近傍における筒内温度とをそれぞれ推定できるように設定されている。
Next, the
次いで、燃焼制御部102は、ステップS13に移行して、上記ステップS12で推定されたEGR率および筒内温度に基づいて、点火プラグ16による火花点火の時期(点火時期)を決定する。具体的に、燃焼制御部102は、予め定められたモデル式を用いて、点火プラグ16による点火時期を、上述した目標SI率および目標θciが実現されるような時期に決定する。モデル式は、推定されたEGR率(外部EGR率および内部EGR率)と筒内温度とを含む複数のパラメータを入力要素とするモデル式であり、混合気をSPCCI燃焼させた場合のSI率およびθciが上記目標SI率および目標θciにできるだけ一致する点火時期を求め得るように設定されている。このモデル式によれば、点火時期は、圧縮上死点の近傍の所定のクランク角範囲内において、推定されたEGR率および筒内温度の組合せにより定まる条件が混合気が着火し易い条件であるほど遅角側の時期に算出され、逆に、混合気が着火し難い条件であるほど進角側の時期に算出される。
Next, the
次いで、燃焼制御部102は、ステップS14に移行して、インジェクタ15に燃料を噴射させるとともに、点火プラグ16に火花点火を実行させる。すなわち、燃焼制御部102は、上記ステップS3,S7のいずれかで決定された燃料の噴射パターンに従って燃料が噴射され、かつ同噴射パターンに含まれる燃料噴射(Fa,Fb,Fc等)の噴射量/噴射時期が上記ステップS4,S8のいずれかで決定された噴射量/噴射時期と一致するように、インジェクタ15を制御する。また、上記ステップS13で決定された時期に火花点火が実行されるように点火プラグ16を制御する。
Next, the
(5)前段噴射および後段噴射の噴射量/噴射時期の設定例
次に、第1運転領域A1の高負荷域D1において実行される前段噴射Faおよび後段噴射Fbの詳細な設定例について説明する。既に説明したとおり、高負荷域D1では、図9に示す第1噴射パターンが選択されることにより、吸気行程の中期または後期に前段噴射Faが開始され、かつ圧縮行程の前半または後半に後段噴射Fbが開始される。図9(a)〜(e)は、回転速度が異なる各条件での噴射パターンを示しており、それぞれ図7に示す運転ポイントP1〜P5に対応している。
(5) Example of Setting Injection Amount / Injection Timing of First Stage Injection and Second Stage Injection Next, a detailed setting example of the first stage injection Fa and the second stage injection Fb executed in the high load region D1 of the first operation region A1 will be described. As described above, in the high load region D1, by selecting the first injection pattern shown in FIG. 9, the pre-stage injection Fa is started in the middle or late stage of the intake stroke, and the post-stage injection is in the first half or the latter half of the compression stroke. Fb is started. 9 (a) to 9 (e) show the injection patterns under the conditions where the rotation speeds are different, and correspond to the operation points P1 to P5 shown in FIG. 7, respectively.
ここで、図9(a)〜(e)において燃料噴射Fa,Fbをそれぞれ表すパルス形状は、各パルス形状における最も左側(進角側)の位置が噴射開始時期を表し、各パルス形状の幅寸法(横軸方向の長さ)が噴射量を表すものとする。言い換えると、各パルス形状の幅寸法に対応するクランク角期間は、必ずしも燃料の噴射期間(インジェクタ15を開弁する期間)と一致するわけではない。すなわち、エンジン回転速度が高くなるほど同一の噴射量を得るための噴射期間は長くなるので、仮にパルス形状が噴射期間を表すものとした場合には、パルス形状の幅寸法が同一であっても噴射量が同一になるとは限らない。これに対し、図9(a)〜(e)において燃料噴射Fa,Fbを表すパルス形状は、あくまでその幅寸法によって噴射量を規定しているので、回転速度の高低に拠らず、噴射量はパルス形状の幅寸法に比例するものとして扱うことができる。
Here, in the pulse shapes representing the fuel injections Fa and Fb in FIGS. 9A to 9E, the leftmost position (advance angle side) of each pulse shape represents the injection start time, and the width of each pulse shape. The dimension (length in the horizontal axis direction) shall represent the injection amount. In other words, the crank angle period corresponding to the width dimension of each pulse shape does not necessarily coincide with the fuel injection period (the period during which the
図7に示すように、上記各噴射パターン(図9(a)〜(e))に対応する5つの運転ポイントP1〜P5のうち、低速側の3つの運転ポイントP1〜P3は、高負荷域D1の中でも低速側の領域つまり低速・高負荷域D11に属しており、高速側の2つの運転ポイントP4,P5は、高負荷域D1の中でも高速側の領域つまり中速・高負荷域D12に属している。さらに、運転ポイントP4は、中速・高負荷域D12の中でも低速側の第1中速・高負荷域D12aに属しており、運転ポイントP5は、中速・高負荷域D12の中でも高速側の第2中速・高負荷域D12bに属している。運転ポイントP1,P2,P3,P4,P5は、負荷が同一の等負荷ライン上でこの順に回転速度が高くなるように設定されている。 As shown in FIG. 7, of the five operation points P1 to P5 corresponding to each of the injection patterns (FIGS. 9A to 9E), the three operation points P1 to P3 on the low speed side are in the high load region. It belongs to the low speed side region, that is, the low speed / high load region D11 in D1, and the two operation points P4 and P5 on the high speed side are in the high speed side region, that is, the medium speed / high load region D12 in the high load region D1. belong to. Further, the operation point P4 belongs to the first medium speed / high load region D12a on the low speed side in the medium speed / high load region D12, and the operation point P5 is on the high speed side in the medium speed / high load region D12. It belongs to the second medium speed / high load range D12b. The operation points P1, P2, P3, P4, and P5 are set so that the rotation speed increases in this order on the equal load line having the same load.
例えば、低速・高負荷域D11(高負荷域D1)の下限速度である第1速度N1が1000rpm、低速・高負荷域D11と第1中速・高負荷域D12aとの境界速度である第1境界速度Nxが2000rpm、第1中速・高負荷域D12aと第2中速・高負荷域D12bとの境界速度である第2境界速度Nyが2750rpm、第2中速・高負荷域D12b(高負荷域D1)の上限速度である第2速度N2が4000rpmである場合、運転ポイントP1,P2,P3,P4,P5の回転速度は、それぞれ1100rpm、1500rpm、1750rpm、2250rpm、3000rpmとすることができる。 For example, the first speed N1 which is the lower limit speed of the low speed / high load range D11 (high load range D1) is 1000 rpm, and the first speed which is the boundary speed between the low speed / high load range D11 and the first medium speed / high load range D12a. The boundary speed Nx is 2000 rpm, the second boundary speed Ny, which is the boundary speed between the first medium speed / high load range D12a and the second medium speed / high load range D12b, is 2750 rpm, and the second medium speed / high load range D12b (high). When the second speed N2, which is the upper limit speed of the load range D1), is 4000 rpm, the rotation speeds of the operation points P1, P2, P3, P4, and P5 can be 1100 rpm, 1500 rpm, 1750 rpm, 2250 rpm, and 3000 rpm, respectively. ..
図9(a)〜(e)の噴射パターンを比較したとき、前段噴射Faの開始時期は、最も低速側の運転ポイントP1において最も遅くされ、吸気行程の後期に設定される(図9(a))。一方、他の運転ポイントP2〜P5における前段噴射Faの開始時期は大差なく、いずれも吸気行程の中期に設定される(図9(b)〜(e))。 When the injection patterns of FIGS. 9A to 9E are compared, the start timing of the pre-stage injection Fa is set to the latest at the operation point P1 on the slowest side and is set to the latter half of the intake stroke (FIG. 9A). )). On the other hand, the start timings of the pre-stage injection Fas at the other operation points P2 to P5 are not so different, and they are all set in the middle of the intake stroke (FIGS. 9 (b) to 9 (e)).
後段噴射Fbの開始時期は、低速・高負荷域D11に属する3つの運転ポイントP1〜P3においていずれも圧縮行程の後半に設定される(図9(a)〜(c))。ただし、低速・高負荷域D11の中でも高速側になるほど、つまり運転ポイントがP1→P2→P3へと移行するにつれて、後段噴射Fbの開始時期がより圧縮上死点に近い遅角側の時期へとシフトされる。一方、中速・高負荷域D12に属する運転ポイントP4,P5では、一転して後段噴射Fbの開始時期が進角され、圧縮行程の前半に設定される(図9(d)(e))。詳しくは、相対的に低速側の(第1中速・高負荷域D12aに属する)運転ポイントP4における後段噴射Fbの開始時期が圧縮行程前半の中でも比較的遅い時期に設定されるのに対し(図9(d))、相対的に高速側の(第2中速・高負荷域D12bに属する)運転ポイントP5における後段噴射Fbの開始時期が圧縮行程前半の中でも比較的早い時期(吸気下死点の近傍)に設定される。 The start timing of the post-stage injection Fb is set in the latter half of the compression stroke at all three operation points P1 to P3 belonging to the low speed / high load region D11 (FIGS. 9 (a) to 9 (c)). However, the higher the speed side in the low speed / high load range D11, that is, as the operation point shifts from P1 to P2 to P3, the start time of the post-stage injection Fb shifts to the retard side closer to the compression top dead center. Is shifted. On the other hand, at the operation points P4 and P5 belonging to the medium speed / high load range D12, the start time of the post-stage injection Fb is advanced and set in the first half of the compression stroke (FIGS. 9 (d) and 9 (e)). .. Specifically, the start time of the post-stage injection Fb at the operation point P4 on the relatively low speed side (belonging to the first medium speed / high load region D12a) is set to a relatively late time in the first half of the compression stroke ( FIG. 9 (d)), the start time of the post-stage injection Fb at the operation point P5 on the relatively high speed side (belonging to the second medium speed / high load region D12b) is relatively early in the first half of the compression stroke (death under intake). It is set to (near the point).
後段噴射Fbの噴射量割合は、低速・高負荷域D11の中でも高速側ほど(P1→P2→P3へと移行するにつれて)小さくなるように設定される。一方、中速・高負荷域D12に属する運転ポイントP4,P5における後段噴射Fbの噴射量割合は、低速・高負荷域D11の高速側に位置する運転ポイントP3に比べれば大きくされる。 The injection amount ratio of the post-stage injection Fb is set to be smaller toward the high speed side (as the transition from P1 to P2 to P3) in the low speed / high load region D11. On the other hand, the injection amount ratio of the post-stage injection Fb at the operation points P4 and P5 belonging to the medium speed / high load region D12 is larger than that of the operation point P3 located on the high speed side of the low speed / high load region D11.
図12および図13は、前段噴射Faおよび後段噴射Fbの噴射量/噴射時期の回転速度に応じた設定例をより詳しく説明するための図である。具体的に、図12は、エンジン回転速度と燃料の噴射開始時期との関係を示すグラフであり、図13は、エンジン回転速度と燃料の噴射量割合(分割比)との関係を示すグラフである。なお、各グラフに示される噴射開始時期および噴射量割合は、それぞれ、上述した運転ポイントP1〜P5(図7)を結ぶ等負荷ラインに沿って(つまり負荷を固定しつつ)回転速度のみを変化させた場合のものである。このため、各グラフにおいて噴射開始時期/噴射量割合の変化を示す折れ線の波形上には、運転ポイントP1〜P5に対応するプロットが図示されている。 12 and 13 are diagrams for explaining in more detail a setting example according to the injection amount / injection timing rotation speed of the front-stage injection Fa and the rear-stage injection Fb. Specifically, FIG. 12 is a graph showing the relationship between the engine rotation speed and the fuel injection start timing, and FIG. 13 is a graph showing the relationship between the engine rotation speed and the fuel injection amount ratio (division ratio). is there. The injection start timing and injection amount ratio shown in each graph change only the rotation speed along the equiload line connecting the above-mentioned operation points P1 to P5 (FIG. 7) (that is, while fixing the load). It is the case when it is made to. Therefore, plots corresponding to operation points P1 to P5 are shown on the waveform of the polygonal line showing the change in the injection start time / injection amount ratio in each graph.
図12に示すように、前段噴射Faの開始時期は、低速・高負荷域D11の下限速度(第1速度N1)にごく近い速度範囲において、圧縮行程の後期から中期にかけて可変的に設定され、回転速度が高くなるほど進角側にシフトされる。一方、この第1速度N1の近傍を除く他の速度範囲、つまり低速・高負荷域D11における高速側の大部分と中速・高負荷域D12に属する速度範囲とにおいては、前段噴射Faの開始時期がいずれも吸気行程の中期に設定される。具体的に、高負荷域D1(低速・高負荷域D11および中速・高負荷域D12)における前段噴射Faの開始時期は、最も低速側の条件(第1速度N1)でBTDC200°CA、最も高速側の条件(第2速度N2)でBTDC250°CA、両者の中間の速度範囲(第1境界速度Nxから第2境界速度Nyを含む速度範囲)でBTDC290°CAとされる。 As shown in FIG. 12, the start timing of the pre-stage injection Fa is variably set from the latter half to the middle of the compression stroke in a speed range very close to the lower limit speed (first speed N1) of the low speed / high load region D11. The higher the rotation speed, the more the shift is made to the advance angle side. On the other hand, in other speed ranges other than the vicinity of the first speed N1, that is, in most of the high speed side in the low speed / high load range D11 and in the speed range belonging to the medium speed / high load range D12, the start of the pre-stage injection Fa The timing is set to the middle of the intake stroke. Specifically, the start timing of the pre-stage injection Fa in the high load region D1 (low speed / high load region D11 and medium speed / high load region D12) is BTDC 200 ° CA at the lowest speed side condition (first speed N1). BTDC 250 ° CA is set under the condition on the high speed side (second speed N2), and BTDC 290 ° CA is set at an intermediate speed range between the two (speed range including the first boundary speed Nx to the second boundary speed Ny).
後段噴射Fbの開始時期は、低速・高負荷域D11に属する速度範囲(第1速度N1から第1境界速度Nxまで)において、いずれも圧縮行程の後半に設定されるとともに、回転速度が高くなるほど(Nxに近づくほど)遅角側にシフトされる。具体的に、低速・高負荷域D11における後段噴射Fbの開始時期は、最も低速側の条件(第1速度N1)でBTDC80°CA、最も高速側の条件(第1境界速度Nx)でBTDC25°CAとされる。 The start timing of the post-stage injection Fb is set in the latter half of the compression stroke in the speed range (from the first speed N1 to the first boundary speed Nx) belonging to the low speed / high load region D11, and the higher the rotation speed, the higher the rotation speed. It is shifted to the retard side (as it approaches Nx). Specifically, the start timing of the post-stage injection Fb in the low speed / high load region D11 is BTDC 80 ° CA under the condition on the slowest side (first speed N1) and BTDC 25 ° under the condition on the fastest side (first boundary speed Nx). It is said to be CA.
また、後段噴射Fbの開始時期は、中速・高負荷域D12に属する速度範囲(境界速度Nxから第2速度N2まで)において、圧縮行程の後半から前半にかけた広い範囲に亘って可変的に設定され、回転速度が高くなるほど進角側にシフトされる。詳しくは、相対的に低速側の第1中速・高負荷域D12aにおいて、後段噴射Fbの開始時期は、回転速度の上昇に応じて圧縮行程の後半から前半まで進角される。これに対し、相対的に高速側の第2中速・高負荷域D12bでは、後段噴射Fbの開始時期が吸気下死点に近い圧縮行程のごく初期に固定的に設定される。より具体的に、第1中速・高負荷域D12aにおける後段噴射Fbの開始時期は、最も低速側の条件(第1境界N速度Nx)でBTDC25°CA、最も高速側の条件(第2境界速度Ny)でBTDC170°CAとされる。また、第2中速・高負荷域D12b(第2境界速度Nyから第2速度N2までの速度域)における後段噴射Fbの開始時期は、回転速度に拠らずBTDC170°CAに設定される。言い換えると、中速・高負荷域D12での後段噴射Fbの開始時期は、少なくとも、低速・高負荷域D11における最も高速側での後段噴射Fbの開始時期(BTDC25°CA)よりは早い時期に設定される。 Further, the start timing of the post-stage injection Fb is variable over a wide range from the latter half to the first half of the compression stroke in the speed range (boundary speed Nx to the second speed N2) belonging to the medium speed / high load range D12. It is set, and as the rotation speed increases, it is shifted to the advance angle side. Specifically, in the first medium speed / high load region D12a on the relatively low speed side, the start timing of the post-stage injection Fb is advanced from the latter half to the first half of the compression stroke according to the increase in the rotation speed. On the other hand, in the second medium-speed / high-load region D12b on the relatively high-speed side, the start timing of the post-stage injection Fb is fixedly set at the very early stage of the compression stroke close to the intake bottom dead center. More specifically, the start timing of the post-stage injection Fb in the first medium speed / high load region D12a is BTDC 25 ° CA under the condition on the slowest side (first boundary N speed Nx) and the condition on the fastest side (second boundary). BTDC 170 ° CA at speed Ny). Further, the start timing of the post-stage injection Fb in the second medium speed / high load range D12b (speed range from the second boundary speed Ny to the second speed N2) is set to BTDC 170 ° CA regardless of the rotation speed. In other words, the start time of the post-stage injection Fb in the medium-speed / high-load region D12 is at least earlier than the start time of the post-stage injection Fb (BTDC 25 ° CA) on the fastest side in the low-speed / high-load range D11. Set.
なお、図12では、中速・高負荷域D12の上限速度である第2速度N2において後段噴射Fbを表す波形が途切れているが、これは、第2速度N2よりも高速側に位置する第4運転領域A4では圧縮行程中に燃料噴射(後段噴射Fbに相当する噴射)が実行されないことを表している。一方、図12では、前段噴射Faの波形と連続する二点鎖線の波形が第4運転領域A4に対応する速度域に図示されているが、この二点鎖線の波形は、第4運転領域A4において吸気行程中に実行される燃料噴射の開始時期を表している。 In FIG. 12, the waveform representing the post-stage injection Fb is interrupted at the second speed N2, which is the upper limit speed of the medium speed / high load region D12, but this is located on the higher speed side than the second speed N2. 4 In the operating region A4, it means that fuel injection (injection corresponding to the post-stage injection Fb) is not executed during the compression stroke. On the other hand, in FIG. 12, the waveform of the alternate long and short dash line continuous with the waveform of the pre-stage injection Fa is shown in the speed range corresponding to the fourth operating region A4, and the waveform of the alternate long and short dash line is shown in the fourth operating region A4. Indicates the start time of fuel injection executed during the intake stroke.
図13に示すように、後段噴射Fbの噴射量割合は、低速・高負荷域D11に属する速度範囲(第1速度N1から第1境界速度Nxまで)において、回転速度が高くなるほど(Nxに近づくほど)小さくなるように設定される。ここで、後段噴射Fbの噴射量割合とは、1サイクル中に噴射される総燃料(ここでは前段噴射Faおよび後段噴射Fbによる噴射燃料の合計)のうち後段噴射Fbによる噴射燃料が占める重量割合のことである。このため、後段噴射Fbの噴射量割合を小さくすることは、前段噴射Faの噴射量割合を大きくすることと等価である。言い換えると、低速・高負荷域D11では、回転速度が高くなるほど前段噴射Faの噴射量割合が大きくなりかつ後段噴射Fbの噴射量割合が小さくなるように噴射量が制御される。具体的に、低速・高負荷域D11において、前段噴射Faの噴射量割合は、最も低速側の条件(第1速度N1)で0.5、最も高速側の条件(第1境界速度Nx)で0.9とされる。一方、後段噴射Fbの噴射量割合は、最も低速側の条件(第1速度N1)で0.5、最も高速側の条件(第1境界速度Nx)で0.1とされる。このように、前段噴射Faおよび後段噴射Fbの各噴射量割合の変化は常に逆の関係になるので、以下では後段噴射Fbの噴射量割合について主に説明する。 As shown in FIG. 13, the injection amount ratio of the post-stage injection Fb increases as the rotation speed increases (approaches Nx) in the speed range (from the first speed N1 to the first boundary speed Nx) belonging to the low speed / high load region D11. It is set to be smaller. Here, the injection amount ratio of the post-stage injection Fb is the weight ratio of the fuel injected by the post-stage injection Fb to the total fuel injected during one cycle (here, the total of the fuel injected by the pre-stage injection Fa and the post-stage injection Fb). That is. Therefore, reducing the injection amount ratio of the post-stage injection Fb is equivalent to increasing the injection amount ratio of the front-stage injection Fa. In other words, in the low speed / high load region D11, the injection amount is controlled so that the injection amount ratio of the front stage injection Fa increases and the injection amount ratio of the rear stage injection Fb decreases as the rotation speed increases. Specifically, in the low speed / high load region D11, the injection amount ratio of the pre-stage injection Fa is 0.5 under the condition on the slowest side (first speed N1) and 0.5 under the condition on the fastest side (first boundary speed Nx). It is set to 0.9. On the other hand, the injection amount ratio of the post-stage injection Fb is 0.5 under the condition on the slowest side (first speed N1) and 0.1 under the condition on the fastest side (first boundary speed Nx). As described above, the changes in the injection amount ratios of the front-stage injection Fa and the rear-stage injection Fb always have the opposite relationship. Therefore, the injection amount ratio of the rear-stage injection Fb will be mainly described below.
後段噴射Fbの噴射量割合は、中速・高負荷域D12に属する速度範囲(境界速度Nxから第2速度N2まで)において、0.1以下の比較的小さい値に設定される。詳しくは、後段噴射Fbの噴射量割合は、相対的に低速側の第1中速・高負荷域D12aにおいて回転速度が高いほど大きくなり、かつ相対的に高速側の第2中速・高負荷域D12bにおいて一定値を保つように設定される。より具体的に、第1中速・高負荷域D12aにおける後段噴射Fbの噴射量割合は、最も低速側の条件(第1境界N速度Nx)で0.05、最も高速側の条件(第2境界速度Ny)で0.1とされる。また、第2中速・高負荷域D12bにおける後段噴射Fbの噴射量割合は、回転速度に拠らず0.1に設定される。 The injection amount ratio of the post-stage injection Fb is set to a relatively small value of 0.1 or less in the speed range (boundary speed Nx to the second speed N2) belonging to the medium speed / high load range D12. Specifically, the injection amount ratio of the post-stage injection Fb increases as the rotation speed increases in the first medium speed / high load region D12a on the relatively low speed side, and the second medium speed / high load on the relatively high speed side. It is set to maintain a constant value in the region D12b. More specifically, the injection amount ratio of the post-stage injection Fb in the first medium speed / high load region D12a is 0.05 under the condition on the lowest speed side (first boundary N speed Nx) and the condition on the highest speed side (second). The boundary velocity Ny) is 0.1. Further, the injection amount ratio of the latter stage injection Fb in the second medium speed / high load region D12b is set to 0.1 regardless of the rotation speed.
なお、上述したとおり、中速・高負荷域D12よりも高速側の第4運転領域A4では、圧縮行程中の燃料噴射(後段噴射Fbに相当する噴射)が禁止され、吸気行程中の燃料噴射のみが許可される。図13中で第4運転領域A4に対応する速度域(第2速度N2〜)において、後段噴射Fbに連続する二点鎖線の波形が縦軸0の位置に、前段噴射Faに連続する二点鎖線の波形が縦軸1の位置に図示されているのは、このことを表している。
As described above, in the fourth operating region A4 on the high speed side of the medium speed / high load region D12, fuel injection during the compression stroke (injection corresponding to the post-stage injection Fb) is prohibited, and fuel injection during the intake stroke is prohibited. Only allowed. In the speed range (second speed N2 to 2) corresponding to the fourth operating region A4 in FIG. 13, the waveform of the alternate long and short dash line continuous with the rear injection Fb is at the position of 0 on the vertical axis, and the two points continuous with the front injection Fa. The fact that the waveform of the chain line is shown at the position of the
(6)作用効果
以上説明したように、当実施形態では、SPCCI燃焼の実行領域の中でもエンジン負荷が高い第1運転領域A1の高負荷域D1での運転時に、吸気行程中に燃料を噴射する前段噴射Faと、圧縮行程中に燃料を噴射する後段噴射Fbとがインジェクタ15によって実行される。特に、高負荷域D1における低速側の一部である低速・高負荷域D11での運転時には、後段噴射Fbの噴射時期が圧縮行程後半に設定されるとともに、回転速度が高くなるほど後段噴射Fbの噴射時期が遅くなりかつ噴射量割合が小さくなるように、インジェクタ15が制御される。このような構成によれば、高負荷域D1での異常燃焼の抑制と燃費性能の向上とを両立できるという利点がある。
(6) Action and effect As described above, in the present embodiment, fuel is injected during the intake stroke during operation in the high load region D1 of the first operating region A1 where the engine load is high even in the execution region of SPCCI combustion. The first-stage injection Fa and the second-stage injection Fb that injects fuel during the compression stroke are executed by the
すなわち、上記実施形態では、熱発生量が多くなるエンジンの高負荷域D1において、吸気行程中の前段噴射Faに加えて、圧縮行程中に燃料を噴射する(詳しくは圧縮行程の前半または後半に燃料噴射を開始する)後段噴射Fbが実行されるので、混合気がSPCCI燃焼を開始する直前(圧縮上死点の近傍)での燃焼室6の温度を後段噴射Fbの気化潜熱により低下させることができ、高負荷域D1において懸念される異常燃焼の発生を効果的に抑制することができる。
That is, in the above embodiment, in the high load region D1 of the engine in which the amount of heat generated is large, fuel is injected during the compression stroke in addition to the pre-stage injection Fa during the intake stroke (specifically, in the first half or the second half of the compression stroke). Since the post-stage injection Fb (which starts fuel injection) is executed, the temperature of the
特に、高負荷域D1の中でも低速側に位置する低速・高負荷域D11では、後段噴射Fbの噴射時期(噴射開始時期)が圧縮行程後半まで遅角されるので、圧縮行程後半に生じ得る燃料の低温酸化反応を抑制することができ、混合気が過早に着火する異常燃焼であるプリイグニッションを抑制することができる。低温酸化反応とは、火炎を伴いながら高い熱エネルギーを発生させる高温酸化反応(実質的な燃焼反応)よりも前に生じる緩慢な酸化反応のことであり、燃焼室6が高温(例えば約500℃以上650℃以下)になる圧縮行程の後半で生じ得ることが知られている。本願発明者等の知見によれば、この低温酸化反応は、上記低速・高負荷域D11のような運転条件、つまり回転速度が低くかつ負荷が高い条件下で顕著に出現し易い。しかも、低温酸化反応が顕著に出現すると、その反応熱によって燃焼室6内の混合気(燃焼前の混合気)の温度が上昇するので、点火プラグ16の火花点火による正規の燃焼開始時期よりも早くに混合気が自着火する現象であるプリイグニッションの発生確率が高くなる。これに対し、上記実施形態では、低速・高負荷領域D11での運転時に、低温酸化反応が生じ易い環境になる圧縮行程後半まで後段噴射Fbの噴射時期が遅角されるので、当該後段噴射Fbの気化潜熱による冷却効果によって低温酸化反応の反応レベルを十分に低下させることができ、当該低温酸化反応に起因してプリイグニッション等の異常燃焼が誘発されるのを効果的に抑制することができる。
In particular, in the low-speed / high-load region D11 located on the low-speed side of the high-load region D1, the injection timing (injection start timing) of the post-stage injection Fb is retarded until the latter half of the compression stroke, so that fuel that can occur in the latter half of the compression stroke It is possible to suppress the low-temperature oxidation reaction of the air-fuel mixture, and it is possible to suppress pre-ignition, which is abnormal combustion in which the air-fuel mixture ignites prematurely. The low-temperature oxidation reaction is a slow oxidation reaction that occurs before the high-temperature oxidation reaction (substantial combustion reaction) that generates high thermal energy with a flame, and the
しかも、低速・高負荷域D11での後段噴射Fbの噴射時期および噴射量割合が、エンジン回転速度に応じて変更される、つまり回転速度が高くなるほど後段噴射Fbの噴射時期が遅くなりかつ噴射量割合が小さくなるように制御されるので、低温酸化反応の出現傾向に合わせた適切な時期に後段噴射Fbを実行することができ、低速・高負荷域D11で懸念されるプリイグニッション等の異常燃焼を効果的に抑制することができる。 Moreover, the injection timing and the injection amount ratio of the latter stage injection Fb in the low speed / high load range D11 are changed according to the engine rotation speed, that is, the higher the rotation speed, the later the injection timing of the latter stage injection Fb and the injection amount. Since the ratio is controlled to be small, the post-stage injection Fb can be executed at an appropriate time according to the appearance tendency of the low temperature oxidation reaction, and abnormal combustion such as pre-ignition, which is a concern in the low speed / high load range D11, can be performed. Can be effectively suppressed.
すなわち、本願発明者等の知見によれば、低温酸化反応はエンジン回転速度が高くなるほどその出現時期が遅くなり、かつ反応レベルも低くなる。これに対し、上記実施形態では、低速・高負荷域D11内で回転速度が上昇したときには後段噴射Fbの噴射時期が圧縮行程後半の中でもより遅い時期までシフトされるので、回転速度が高いほど出現時期が遅くなる上記低温酸化反応に合わせるように後段噴射Fbを行うことができ、当該後段噴射Fbによって燃焼室6を冷却して低温酸化反応の出現を抑制することができる。ただし、このように回転速度の上昇に応じて後段噴射Fbの噴射時期を遅くした場合には、当該後段噴射Fbの終了から燃焼開始(火花点火の時期)までの期間がかなり短くなるので、燃焼が開始される直前の燃焼室6内に局所リッチな混合気が形成され易くなり、スモークが発生したりNOxの発生量が増大したりすることが懸念される。これに対し、上記実施形態では、回転速度の上昇に伴う後段噴射Fbの遅角化と併せて、後段噴射Fbの噴射量割合を小さくする対策が採られるので、上記のような不具合(スモークの発生等)を回避してエミッション性能を良好に維持することができる。しかも、上述のとおりエンジン回転速度が高い条件では低温酸化反応の反応レベルが低下するので、回転速度の上昇に応じて後段噴射Fbの噴射量割合を小さくする上記の対策を採ったとしても、低温酸化反応は顕在化せず、プリイグニッション等の異常燃焼は抑制される。
That is, according to the findings of the inventors of the present application, the higher the engine speed, the later the appearance time of the low temperature oxidation reaction, and the lower the reaction level. On the other hand, in the above embodiment, when the rotation speed increases in the low-speed / high-load region D11, the injection timing of the post-stage injection Fb is shifted to a later time in the latter half of the compression stroke, so that the higher the rotation speed, the more it appears. The post-stage injection Fb can be performed so as to match the low-temperature oxidation reaction whose timing is delayed, and the
さらに、圧縮行程後半の後段噴射Fbによって、低速・高負荷域D11にて異常燃焼を伴わないSPCCI燃焼が可能になるので、仮に同運転領域D11でSPCCI燃焼を禁止した場合(通常のSI燃焼に切り替えた場合)に比べて、熱効率に優れたSPCCI燃焼の実行領域を拡大することができる。圧縮行程後半に後段噴射Fbを実行することは、上記のとおり局所リッチな混合気の形成につながるので、燃料が未燃のまま排出される割合が増大し、燃費性能の悪化につながるおそれがある。しかしながら、本願発明者等の知見によれば、この未燃成分の増大による燃費性能の悪化代は、SPCCI燃焼を実行することによる燃費向上代によって十分に補うことができる。すなわち、低速・高負荷域D11にて後段噴射Fbを実行しつつ混合気をSPCCI燃焼させる上記実施形態によれば、特段の燃費性能の悪化を招くことなくSPCCI燃焼の実行領域を拡大することができ、エンジンの燃費性能を実質的に向上させることができる。 Further, the post-stage injection Fb in the latter half of the compression stroke enables SPCCI combustion without abnormal combustion in the low speed / high load region D11. Therefore, if SPCCI combustion is prohibited in the same operating region D11 (normal SI combustion). Compared to (when switched), the execution range of SPCCI combustion, which is excellent in thermal efficiency, can be expanded. Executing the post-stage injection Fb in the latter half of the compression stroke leads to the formation of a locally rich air-fuel mixture as described above, so that the proportion of fuel discharged unburned increases, which may lead to deterioration of fuel efficiency. .. However, according to the findings of the inventors of the present application, the deterioration of fuel efficiency due to the increase in the unburned component can be sufficiently compensated for by the improvement in fuel efficiency due to the execution of SPCCI combustion. That is, according to the above embodiment in which the air-fuel mixture is SPCCI-combusted while executing the post-stage injection Fb in the low-speed / high-load region D11, the execution range of SPCCI combustion can be expanded without causing any particular deterioration in fuel efficiency. Therefore, the fuel efficiency of the engine can be substantially improved.
また、上記実施形態では、高負荷域D1における高速側の一部である中速・高負荷域D12において、前段噴射Faおよび後段噴射Fbが実行されるとともに、後段噴射Fbの噴射時期が上記低速・高負荷域D11における最も高速側での噴射時期よりも早くされるので、低温酸化反応がより出現し難くなる条件で後段噴射Fbが無用に遅角されるのを回避でき、異常燃焼を抑制しつつ燃費性能等を良好に確保することができる。すなわち、回転速度が相対的に高い中速・高負荷域D12では、低温酸化反応の出現時期がより遅くなる(圧縮上死点に近づく)ものの、その反応レベルはかなり低いものとなる。また、ピストン5による混合気の圧縮開始から圧縮終了までの実時間(混合気の受熱時間)が短くなるので、混合気が過早に着火するような現象は起き難くなり、プリイグニッションの発生リスクは非常に低くなる。むしろ、中速・高負荷域D12では、ノッキング、つまり混合気の燃焼途中にその燃焼領域の外側に位置する未燃ガスが局所自着火により急速燃焼する異常燃焼が起き易くなる。ノッキングは、プリイグニッションに比べればエンジンに及ぼす影響は少ないといえる。上記実施形態では、このように低温酸化反応が弱まりかつ異常燃焼のリスクが低くなる中速・高負荷域D12において、後段噴射Fbの噴射時期が早められるので、それによって後段噴射Fbの噴射時期が低温酸化反応の出現時期よりも進角側にずれることになっても、プリイグニッションおよびノッキングが発生しない程度には低温酸化反応を抑制することができる。また、後段噴射Fbの進角化によって混合気の局所リッチ化が軽減されるので、燃費性能およびエミッション性能に優れた燃焼を実現することができる。
Further, in the above embodiment, the front-stage injection Fa and the rear-stage injection Fb are executed in the medium-speed / high-load region D12, which is a part of the high-speed side in the high-load region D1, and the injection timing of the rear-stage injection Fb is the low speed. -Since the injection timing is earlier than the injection timing on the highest speed side in the high load region D11, it is possible to prevent the post-stage injection Fb from being unnecessarily retarded under conditions where the low temperature oxidation reaction is less likely to appear, and suppress abnormal combustion. At the same time, good fuel efficiency can be ensured. That is, in the medium-speed / high-load region D12 where the rotation speed is relatively high, the appearance time of the low-temperature oxidation reaction is later (approaching the compression top dead center), but the reaction level is considerably low. Further, since the real time (heat receiving time of the air-fuel mixture) from the start of compression of the air-fuel mixture to the end of compression by the
また、上記実施形態では、中速・高負荷域D12での後段噴射Fbの噴射量割合が、上記低速・高負荷域D11における最も高速側での噴射量割合よりも大きくされるので、上記のように後段噴射Fbの噴射時期が早められたとしても、当該後段噴射Fbによる異常燃焼の抑制効果が極端に弱まることがなく、異常燃焼の抑制効果を十分に確保することができる。 Further, in the above embodiment, the injection amount ratio of the post-stage injection Fb in the medium speed / high load region D12 is made larger than the injection amount ratio on the highest speed side in the low speed / high load region D11. Even if the injection timing of the post-stage injection Fb is advanced as described above, the effect of suppressing abnormal combustion by the post-stage injection Fb is not extremely weakened, and the effect of suppressing abnormal combustion can be sufficiently ensured.
特に、上記実施形態では、中速・高負荷域D12の中でも低速側に位置する第1中速・高負荷域D12aでの運転時に、回転速度が高くなるほど後段噴射Fbの噴射時期が早くされるので、回転速度の上昇に伴い漸減する低温酸化反応のレベルに合わせて適切に後段噴射Fbの噴射時期を早めることができ、異常燃焼を抑制しつつ燃費性能およびエミッション性能を向上させることができる。 In particular, in the above embodiment, when operating in the first medium speed / high load region D12a located on the low speed side in the medium speed / high load region D12, the higher the rotation speed, the earlier the injection timing of the post-stage injection Fb. Therefore, the injection timing of the post-stage injection Fb can be appropriately advanced according to the level of the low-temperature oxidation reaction that gradually decreases as the rotation speed increases, and the fuel efficiency performance and the emission performance can be improved while suppressing abnormal combustion.
一方、中速・高負荷域D12の中でも高速側に位置する第2中速・高負荷域D12bでは、後段噴射Fbの噴射時期が回転速度に拠らず圧縮行程の前半の所定時期(図13の例ではBTDC170°CA)に設定されるので、低温酸化反応がほとんど出現しない速度域まで回転速度が上昇したのに合わせて後段噴射Fbを十分に進角させることができ、燃費性能およびエミッション性能への悪影響を可及的に低減することができる。 On the other hand, in the second medium-speed / high-load region D12b located on the high-speed side of the medium-speed / high-load region D12, the injection timing of the post-stage injection Fb is a predetermined time in the first half of the compression stroke regardless of the rotation speed (FIG. 13). In the example of BTDC 170 ° CA), the post-stage injection Fb can be sufficiently advanced as the rotation speed rises to a speed range where low temperature oxidation reaction hardly appears, and fuel efficiency and emission performance can be achieved. The adverse effect on the body can be reduced as much as possible.
また、上記実施形態では、高負荷域D1での外部EGR率が中負荷域D2での外部EGR率よりも低くなるようにEGR弁53の開度が制御されるので(図11参照)、高負荷域D1において燃焼室6に十分な量の空気を導入することができ、負荷に見合った十分に高いトルクを発生させることができる。一方、高負荷域D1で外部EGR率が低くされると異常燃焼(プリイグニッションまたはノッキング)の発生リスクが高まるが、この異常燃焼は上述した後段噴射Fbの効果によって十分に抑制される。すなわち、上記実施形態によれば、高い出力トルクを確保しつつ異常燃焼を抑制することができる。
Further, in the above embodiment, the opening degree of the
(7)変形例
上記実施形態では、エンジンが高負荷域D1で運転されているときに、吸気行程中に1回の前段噴射Faを実行しかつ圧縮行程中に1回の後段噴射Fbを実行したが、前段噴射Faおよび後段噴射Fbをそれぞれ複数回に分けて実行することも可能である。
(7) Modification Example In the above embodiment, when the engine is operated in the high load region D1, one pre-stage injection Fa is executed during the intake stroke and one post-stage injection Fb is executed during the compression stroke. However, it is also possible to execute the front-stage injection Fa and the rear-stage injection Fb in a plurality of times.
上記実施形態では、前段噴射Faを吸気行程中に実行したが、前段噴射Faは、後段噴射Fbの開始時期よりも進角側の範囲において遅くとも圧縮行程の中央時期(BTDC90°CA)までに終了すればよい。言い換えると、前段噴射は、吸気行程または圧縮行程前半に含まれかつ後段噴射よりも早い時期に燃料を噴射する限りにおいて、適宜その噴射時期を変更することが可能である。 In the above embodiment, the pre-stage injection Fa is executed during the intake stroke, but the pre-stage injection Fa is completed by the central time of the compression stroke (BTDC 90 ° CA) at the latest in the range on the advance side from the start time of the post-stage injection Fb. do it. In other words, the injection timing of the pre-stage injection can be changed as appropriate as long as it is included in the first half of the intake stroke or the compression stroke and the fuel is injected earlier than the post-stage injection.
上記実施形態では、混合気の一部が点火プラグ16の点火点からの火炎伝播により燃焼(SI燃焼)しかつその他の混合気が自着火により燃焼(CI燃焼)する部分圧縮着火燃焼(SPCCI燃焼)を実行可能なエンジンに本発明を適用した例について説明したが、本発明が適用され得るエンジンは、混合気の少なくとも一部が予混合圧縮着火燃焼(HCCI燃焼)するエンジンであればよく、例えば燃焼室内の全ての混合気が予混合圧縮着火燃焼するエンジン(点火プラグによる火花点火が不要なエンジン)にも本発明を適用することが可能である。 In the above embodiment, a part of the air-fuel mixture is burned by flame propagation from the ignition point of the spark plug 16 (SI combustion), and the other air-fuel mixture is burned by self-ignition (CI combustion). Partial compression ignition combustion (SPCCI combustion) ) Has been described, but the engine to which the present invention can be applied may be an engine in which at least a part of the air-fuel mixture is premixed, compressed, ignited and burned (HCCI combustion). For example, the present invention can be applied to an engine in which all the air-fuel mixture in the combustion chamber is premixed, compressed, ignited and burned (an engine that does not require spark ignition by a spark plug).
6 燃焼室
15 インジェクタ
16 点火プラグ
50 EGR装置
102 燃焼制御部
D1 高負荷域
D11 低速・高負荷域
D12 中速・高負荷域
D12a 第1中速・高負荷域
D12b 第2中速・高負荷域
D2 中負荷域
Fa 前段噴射
Fb 後段噴射
6
Claims (8)
エンジン負荷が高い高負荷域において、圧縮行程中に燃料を噴射する後段噴射と、吸気行程または圧縮行程前半に含まれかつ後段噴射よりも早い時期に燃料を噴射する前段噴射とを前記インジェクタに実行させるとともに、噴射された燃料と空気との混合気が予混合圧縮着火燃焼により燃焼するように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、前記高負荷域における低速側の一部である低速・高負荷域での運転時に、前記後段噴射の噴射時期を圧縮行程後半に設定するとともに、回転速度が高いときの前記後段噴射の噴射時期が回転速度が低いときの前記後段噴射の噴射時期よりも遅くなり、かつ回転速度が高いときの前記後段噴射の噴射量割合が回転速度が低いときの前記後段噴射の噴射量割合よりも小さくなるように、前記インジェクタを制御する、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジンの制御装置。 A device that controls a premixed compression ignition engine equipped with a combustion chamber and an injector that injects fuel into the combustion chamber.
In a high load region where the engine load is high, a post-stage injection that injects fuel during the compression stroke and a pre-stage injection that is included in the intake stroke or the first half of the compression stroke and injects fuel earlier than the post-stage injection are executed in the injector. It is equipped with a combustion control unit that controls each part of the engine so that the air-fuel mixture of the injected fuel and air is burned by premixed compression ignition combustion.
The combustion control unit sets the injection timing of the post-stage injection to the latter half of the compression stroke during operation in the low speed / high load region, which is a part of the low speed side in the high load region, and when the rotation speed is high, the combustion control unit sets the injection timing to the latter half of the compression stroke. The injection timing of the latter stage injection is later than the injection timing of the latter stage injection when the rotation speed is low, and the injection amount ratio of the latter stage injection when the rotation speed is high is the injection amount of the latter stage injection when the rotation speed is low. A control device for a premixed compression ignition engine, characterized in that the injector is controlled so as to be smaller than the ratio.
前記燃焼制御部は、前記低速・高負荷域での運転時に、回転速度が高くなるほど前記後段噴射の噴射時期が遅くなりかつ噴射量割合が小さくなるように、前記インジェクタを制御する、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジンの制御装置。 In the control device for the premixed compression ignition engine according to claim 1.
The combustion control unit is characterized in that during operation in the low speed / high load region, the injector is controlled so that the higher the rotation speed, the later the injection timing of the latter stage injection and the smaller the injection amount ratio. Premixed compression ignition engine control device.
前記燃焼制御部は、前記高負荷域に含まれかつ前記低速・高負荷域よりも高速側に位置する中速・高負荷域において、前記前段噴射および前記後段噴射を前記インジェクタに実行させて混合気を予混合圧縮着火燃焼により燃焼させるとともに、前記後段噴射の噴射時期を前記低速・高負荷域における最も高速側での噴射時期よりも早くする、ことを特徴する予混合圧縮着火式エンジンの制御装置。 In the control device for the premixed compression ignition engine according to claim 1 or 2.
The combustion control unit causes the injector to execute the pre-stage injection and the post-stage injection to mix the combustion control unit in the medium-speed / high-load region included in the high-load region and located on the high-speed side of the low-speed / high-load region. Control of a premixed compression ignition type engine characterized in that the air is burned by premixed compression ignition combustion and the injection timing of the latter stage injection is earlier than the injection timing on the highest speed side in the low speed / high load region. apparatus.
前記燃焼制御部は、前記中速・高負荷域での運転時に、前記後段噴射の噴射量割合を前記低速・高負荷域における最も高速側での噴射量割合よりも大きくする、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジンの制御装置。 In the control device for the premixed compression ignition engine according to claim 3.
The combustion control unit is characterized in that, during operation in the medium speed / high load region, the injection amount ratio of the latter stage injection is made larger than the injection amount ratio on the highest speed side in the low speed / high load region. Premixed compression ignition engine control device.
前記燃焼制御部は、前記中速・高負荷域における低速側の一部である第1中速・高負荷域での運転時に、回転速度が高くなるほど前記後段噴射の噴射時期が早くなるように前記インジェクタを制御する、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジンの制御装置。 In the control device for the premixed compression ignition engine according to claim 3 or 4.
The combustion control unit is operated in the first medium speed / high load region, which is a part of the low speed side in the medium speed / high load region, so that the higher the rotation speed, the earlier the injection timing of the latter stage injection. A control device for a premixed compression ignition type engine, which controls the injector.
前記燃焼制御部は、前記中速・高負荷域における高速側の一部である第2中速・高負荷域での運転時に、回転速度に拠らず前記後段噴射の噴射時期を圧縮行程前半の所定時期に保持する、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジンの制御装置。 In the control device for the premixed compression ignition engine according to claim 5.
When operating in the second medium speed / high load region, which is a part of the high speed side in the medium speed / high load region, the combustion control unit sets the injection timing of the latter stage injection in the first half of the compression stroke regardless of the rotation speed. A control device for a premixed compression ignition engine, characterized in that it is held at a predetermined time.
前記エンジンは、前記燃焼室に連通する吸気通路および排気通路と、排気通路に排出された排気ガスを吸気通路に還流するEGR装置とを備え、
前記燃焼制御部は、前記高負荷域よりも負荷が低い中負荷域において混合気を予混合圧縮着火燃焼により燃焼させるとともに、前記EGR装置を通じて前記燃焼室に還流される排気ガスの割合である外部EGR率が前記中負荷域よりも前記高負荷域で低くなるように前記EGR装置を制御する、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジンの制御装置。 In the control device for the premixed compression ignition engine according to any one of claims 1 to 6.
The engine includes an intake passage and an exhaust passage communicating with the combustion chamber, and an EGR device for returning the exhaust gas discharged to the exhaust passage to the intake passage.
The combustion control unit burns the air-fuel mixture by premixed compression ignition combustion in a medium load region where the load is lower than the high load region, and is the ratio of exhaust gas returned to the combustion chamber through the EGR device. A control device for a premixed compression ignition engine, characterized in that the EGR device is controlled so that the EGR rate is lower in the high load range than in the medium load range.
前記エンジンは、前記燃焼室内の混合気に点火する点火プラグを備え、
前記燃焼制御部は、前記高負荷域での運転時に、前記混合気の一部が前記点火プラグの点火点からの火炎伝播により燃焼しかつその他の混合気が自着火により燃焼する部分圧縮着火燃焼が行われるように、圧縮上死点の近傍の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る、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジンの制御装置。 In the control device for the premixed compression ignition engine according to any one of claims 1 to 7.
The engine comprises a spark plug that ignites the air-fuel mixture in the combustion chamber.
In the combustion control unit, when operating in the high load region, a part of the air-fuel mixture is burned by flame propagation from the ignition point of the spark plug, and the other air-fuel mixture is burned by self-ignition. A control device for a premixed compression ignition engine, characterized in that the spark plug is spark-ignited at a predetermined timing in the vicinity of the compression top dead point so as to be performed.
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