JP2021088941A - エンジンの制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】オクタン価の異なる燃料で良好な運転を実現できるエンジンの制御装置を提供する。【解決手段】点火プラグ25の点火により、混合気の一部を火炎伝播を伴う燃焼によって燃焼させた後、残りの未燃混合気を自己着火によって燃焼させるエンジン1の制御装置である。オクタン価検出手段SW5によって検出されるオクタン価の値を入力する制御部10を備える。制御部10が、オクタン価が所定値よりも低いと判定された時に、オクタン価が所定値以上と判定された時よりも燃料の噴射量を増大させるとともに、圧縮行程で行われる燃料噴射の噴射時期を進角させる。【選択図】図1
Description
ここに開示する技術は、車両に搭載されるエンジンの制御装置に関する。
特許文献1には、部分圧縮着火燃焼、具体的にはSPCCI燃焼(詳細は後述)を行うエンジンが開示されている。そのエンジンでは、1つの燃焼サイクルで要求されるガソリンの総量を、圧縮行程で複数回に分けて噴射することで、比較的高負荷の領域で安定したSPCCI燃焼が行えるようにしている(特許文献1の図6のチャート(d)参照)。
特許文献2には、レギュラーガソリンを使用できるようにした、ハイオク仕様のエンジンが開示されている。このエンジンでは、ハイオクガソリンとレギュラーガソリンとで、適切な点火時期が異なることを利用して、ノックセンサを用いて、使用された燃料がハイオクガソリンかレギュラーガソリンかを判定する。
そして、使用された燃料がレギュラーガソリンであり、負荷の増加時であった場合には、吸気行程での一括噴射を、吸気行程及び圧縮行程の各々での2回の分割噴射に切り替える。そうすることで、点火プラグ周りは、空燃比がリッチになって燃料の気化潜熱が増加し、温度上昇が抑制される。それにより、レギュラーガソリンを使用しても、プレイグニッションの発生を抑制できるようにしている。
市販されている燃料には、レギュラーガソリン及びハイオクガソリンのように、オクタン価(ノッキングの起き難さの指標)の異なる燃料がある。レギュラーガソリンは、オクタン価が低いので(例えば約91ron)、ノッキングが起き易い。そのため、レギュラーガソリンは、ハイオクガソリンよりも性能を出し難いが、安価で燃費に優れる利点がある。一方、ハイオクガソリンは、高価であるが、オクタン価が高いので(例えば約100ron)、ノッキングが起き難い。そのため、エンジンの性能を十分に引き出すことができ、良好な走行を実現できる利点がある。
通常、給油するガソリンは、エンジンに合わせて予め指定されている。しかし、オクタン価の異なるガソリンを支障無く給油できれば、走りの良さと燃費の良さとを、好みに合わせて選択することも可能になる。
そこで、開示する技術の主たる目的は、オクタン価の異なる燃料が給油できて、良好な運転が実現できるエンジンの制御装置を提供することにある。
開示する技術は、燃焼室の中に所定の燃料を噴射するインジェクタと、前記燃料によって前記燃焼室の中に形成される混合気に点火する点火プラグとを具備し、前記点火プラグの点火により、混合気の一部を火炎伝播を伴う燃焼によって燃焼させた後、残りの未燃混合気を自己着火によって燃焼させるエンジンの制御装置に関する。
前記エンジンの制御装置は、前記燃料のオクタン価の検出が可能なオクタン価検出手段と、前記オクタン価検出手段によって検出される検出値を入力するとともに、前記点火プラグ及び前記インジェクタの各々を制御する制御部とを備える。そして、前記制御部が、検出されたオクタン価の値が所定値よりも低いと判定された低オクタン価時に、燃料の噴射量を、検出されたオクタン価の値が前記所定値以上と判定された高オクタン価時よりも増大させるとともに、圧縮行程で行われる燃料噴射の噴射時期を、低負荷よりも高負荷で進角させる圧縮行程噴射制御を実行する。
すなわち、開示する技術では、上述した部分圧縮着火燃焼、特にSPCCI燃焼を行うエンジンの制御装置を前提としている。そして、このエンジンの制御装置には、燃料のオクタン価を検出してその検出値を制御部に出力するオクタン価検出手段が備えられている。制御部は、その検出値と所定値とを比較し、燃料のオクタン価が高いか低いかを判定する。そして、その判定結果に基づいて、低オクタン価時に、燃料の噴射量を、高オクタン価時よりも増大させるとともに、圧縮行程で行われる燃料噴射の噴射時期を、低負荷よりも高負荷で進角させる圧縮行程噴射制御を実行する。
低オクタン価の燃料を、高オクタン価の燃料と同じ制御条件の下で燃焼を行うと、高負荷などの所定の運転状態では、異常燃焼を回避するために、トルクを低下させなければならないという問題がある。燃料の違いによって出力するトルクに差が生じると、走行性能が悪化する。そのため、燃料が異なっても極力同じトルクが出力できるようにしたい。
燃焼室に導入する燃料及び空気の量を増大すれば、同じようなトルクを出力することが可能になる。ところが、燃料の噴射が圧縮行程で行われる場合に、そのようにすると問題が発生することが判明した。すなわち、圧縮行程での噴射は、圧縮上死点までの時間が短い。しかも、この場合には多量の燃料を噴射する。そのため、噴射された燃料を十分にミキシングすることができない。その結果、燃料の一部が、点火時期でも気化せずにピストン等に付着し、スモークが悪化する。
それに対し、制御部は、まず、燃料のオクタン価が高いか低いかを判定し、その判定結果に基づいて、低オクタン価時に、燃料の噴射量を高オクタン価時よりも増大させる。従って、高いトルクが出力できるようになり、トルクの低下を抑制できる。そして、制御部は、圧縮行程で行われる燃料噴射の噴射時期を、進角させる。それにより、点火時期までの時間が増えるので、噴射された燃料のミキシングが促進される。その結果、スモークの悪化を抑制できる。従って、このエンジンの制御装置によれば、オクタン価の異なる燃料が給油できて、良好な運転が実現できるようになる。
前記エンジンの制御装置はまた、吸気行程及び圧縮行程の期間内で燃料噴射が複数回行われ、これら燃料噴射のうち、少なくとも最後の燃料噴射で前記圧縮行程噴射制御が実行される、としてもよい。
分割噴射が行われる場合、最後の燃料噴射が最も点火時期に近い。そのため、その噴射で噴射された燃料が、最もスモークを発生し易い。従って、少なくともその燃料噴射の噴射時期を進角させれば、スモークの悪化を効果的に抑制できる。
前記エンジンの制御装置はまた、前記燃料噴射が、前段噴射及び後段噴射の2回からなり、前記高オクタン価時は、前記前段噴射が吸気行程で行われ、前記後段噴射が圧縮行程で行われ、前記低オクタン価時は、前記前段噴射及び前記後段噴射の双方が圧縮行程で行われる、としてもよい。
前段噴射を吸気行程で行い、後段噴射を圧縮行程で行えば、前段噴射により燃料のミキシングを促進できる。後段噴射を点火時期の直前に行うことで点火プラグの周囲に火種となるリッチな混合気を形成できる。従って、混合気の成層化をより促進でき、点火時期に、高オクタン価の燃料でのSPCCI燃焼に適した混合気を形成できる。分割噴射を圧縮行程噴射のみとすることで、燃料のミキシングを抑制できる。そして、個々の噴射時期を調整することで、混合気が逆成層化、つまり点火プラグの周囲がリーンになり、ピストンの外周部分がリッチな状態となって、点火時期に、低オクタン価の燃料でのSPCCI燃焼に適した混合気を形成できる。
前記エンジンの制御装置はまた、前記低オクタン価時に、圧縮行程で行われる燃料噴射に関して、その噴射圧を、前記高オクタン価時よりも増大させるエンジン、としてもよい。
圧縮行程噴射では、ミキシング時間がほとんど確保できないので、燃料が多いと、燃料の気化が不十分になってスモークが発生し易い。燃料の噴射圧を増大すれば、燃料の気化を促進できるので、スモークの発生を抑制できる。冷却効果も高まる。逆成層化も促進できる。従って、よりいっそう適切なSPCCI燃焼が実現できる。
前記エンジンの制御装置はまた、前記低オクタン価時に前記エンジンが運転する運転領域が、前記高オクタン価時に前記エンジンが運転する運転領域と同じ領域からなるベース領域とともに、当該ベース領域を高負荷側に拡大したエンリッチ領域を有し、前記圧縮行程噴射制御が、前記エンリッチ領域で実行される、としてもよい。
すなわち、低オクタン価時でのエンジンの運転領域が、高負荷側に拡大されており、その拡大されたエンリッチ領域で、上述した圧縮行程噴射制御が実行される。従って、エンリッチ領域でエンジンを運転することで、低オクタン価時のSPCCI燃焼でも、スモークの悪化を抑制しながら高負荷に対応できる。
前記エンジンの制御装置はまた、前記エンジンが、前記燃焼室に導入するガスの圧力を高める過給機を更に具備し、前記エンリッチ領域では、前記制御部が、前記燃料の噴射量を前記ベース領域よりも増大させるとともに、前記過給機を作動させて前記燃焼室に導入する空気量を前記ベース領域よりも増大させる、としてもよい。
それにより、エンリッチ領域では、高オクタン価時のエンジンの運転に対応した燃焼条件よりも更に燃料及び空気量の双方が増大するので、低オクタン価時のSPCCI燃焼でも、高オクタン価時での全開負荷と同等のトルクが出力できる。
開示する技術を適用したエンジンの制御装置によれば、オクタン価の異なる燃料が給油できて、良好な運転が実現できるようになる。
以下、開示する技術を適用したエンジン1、及びその制御装置について、図面を参照しながら説明する。ここで説明するエンジン1、制御装置は例示である。
図1は、エンジン1を例示する図である。図2は、エンジン1の燃焼室を例示する図である。図3は、燃焼室17及び吸気通路40を例示する図である。尚、図1における吸気側は紙面左側であり、排気側は紙面右側である。図2及び図3における吸気側は紙面右側であり、排気側は紙面左側である。図4は、エンジン1の制御装置を例示するブロック図である。図5は、エンジン1の制御マップを例示する図である。
エンジン1は、燃料及び空気を含む混合気の燃焼が行われる燃焼室17を有している。燃焼室17は、吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程を繰り返す。エンジン1は、4ストロークエンジンである。エンジン1は、四輪の自動車に搭載されている。エンジン1が運転することによって自動車は走行する。
<燃料>
エンジン1の燃料の主体は、ガソリンである。エンジン1の燃料は、ガソリンのみであってもよいし、例えばバイオエタノール等の付加的な燃料及び/又は添加剤等を含むものであってもよい。
エンジン1の燃料の主体は、ガソリンである。エンジン1の燃料は、ガソリンのみであってもよいし、例えばバイオエタノール等の付加的な燃料及び/又は添加剤等を含むものであってもよい。
また、ガソリンには、オクタン価(例えば、リサーチ法オクタン価、いわゆるron)の異なる様々なタイプがあるが、エンジン1の燃料は、オクタン価の異なるガソリンであってもよい。エンジン1の燃料はまた、オクタン価の異なるガソリンが混合した状態であってもよい。
すなわち、このエンジン1では、従来のように、予め指定された燃料のみを給油する必要はない。レギュラーガソリン又はハイオクガソリンのように、オクタン価が異なるガソリンであっても、ノッキング等の異常燃焼を抑制しながら、エンジン1を安定して運転することができる。
従って、好みに応じて燃料を給油できる。例えば、高オクタン価の燃料をエンジン1に給油すれば、ノッキングが発生し難いので、エンジン1の性能を十分に引き出した状態で運転できる。それにより、自動車を、スポーツ走行等、走りを優先した仕様に調整できる。
また、低オクタン価の燃料をエンジン1に給油すれば、安価で燃費に優れた走行が行える。ただし、低オクタン価の燃料はノッキングし易いので、高オクタン価の燃料と同じ条件で制御を行うと、異常燃焼が発生して適切に運転できない場合がある。
しかも、このエンジン1は、後述するように、SI燃焼とCI燃焼とを組み合わせたSPCCI燃焼を行う。SPCCI燃焼では、高度な燃焼制御が要求される。そのため、オクタン価の異なる燃料が用いられると、燃焼が不安定になり易い。
それに対し、このエンジン1では、オクタン価の異なる燃料であっても、ノッキング等の異常燃焼を抑制しながら、エンジン1を安定して運転できるように、燃焼制御が工夫されている(詳細は後述)。尚、説明では、便宜上、オクタン価の低い燃料の例としてレギュラーガソリンを、オクタン価の高い燃料の例としてハイオクガソリンを、それぞれ用いる場合がある。
<エンジン1>
エンジン1は、シリンダブロック12と、シリンダヘッド13とを備えている。シリンダヘッド13は、シリンダブロック12の上に載置される。シリンダブロック12に、複数のシリンダ11が形成されている。エンジン1は、多気筒エンジンである。図1及び図2では、一つのシリンダ11のみを示す。
エンジン1は、シリンダブロック12と、シリンダヘッド13とを備えている。シリンダヘッド13は、シリンダブロック12の上に載置される。シリンダブロック12に、複数のシリンダ11が形成されている。エンジン1は、多気筒エンジンである。図1及び図2では、一つのシリンダ11のみを示す。
(燃焼室17)
各シリンダ11には、ピストン3が内挿されている。ピストン3は、コネクティングロッド14を介してクランクシャフト15に連結されている。ピストン3は、シリンダ11の内部を往復動する。ピストン3、シリンダ11及びシリンダヘッド13は、燃焼室17を形成する。尚、「燃焼室」は、ピストン3の位置に関わらず、ピストン3、シリンダ11及びシリンダヘッド13によって形成される空間を意味する。
各シリンダ11には、ピストン3が内挿されている。ピストン3は、コネクティングロッド14を介してクランクシャフト15に連結されている。ピストン3は、シリンダ11の内部を往復動する。ピストン3、シリンダ11及びシリンダヘッド13は、燃焼室17を形成する。尚、「燃焼室」は、ピストン3の位置に関わらず、ピストン3、シリンダ11及びシリンダヘッド13によって形成される空間を意味する。
シリンダヘッド13の下面は、燃焼室17の上部を構成する。燃焼室17の上部は、図2の下図に示すように、二つの傾斜面によって構成されている。燃焼室17は、いわゆるペントルーフ型である。
ピストン3の上面は、燃焼室17の下部を構成する。ピストン3の上面には、キャビティ31が形成されている。キャビティ31は、ピストン3の上面から凹んでいる。キャビティ31は、この構成例では、浅皿形状を有している。キャビティ31の中心は、シリンダ11の中心軸X1よりも排気側にずれている。
エンジン1の幾何学的圧縮比は、オクタン価の異なる主な燃料に対応できるように、14以上18以下(好ましくは15±1)に設定されている。後述するようにエンジン1は、一部の運転領域において、SI(Spark Ignition)燃焼とCI(Compression Ignition)燃焼とを組み合わせたSPCCI燃焼を行う。SPCCI燃焼は、SI燃焼による発熱及び/又は圧力上昇によって、CI燃焼をコントロールする。エンジン1は、圧縮着火式エンジンである。
シリンダヘッド13には、シリンダ11毎に、吸気ポート18が形成されている。吸気ポート18は、図3に示すように、第1吸気ポート181及び第2吸気ポート182を有している。吸気ポート18は、燃焼室17に連通している。吸気ポート18は、詳細な図示は省略するが、いわゆるタンブルポートである。つまり、吸気ポート18は、燃焼室17の中にタンブル流が発生するような形状を有している。
吸気ポート18には、吸気弁21が配設されている。吸気弁21は、動弁機構により、所定のタイミングで吸気ポート18を開閉する。その動弁機構は、バルブタイミング及び/又はバルブリフトを可変にする可変動弁機構としてもよい。
図4に示すように、動弁機構は、吸気電動S−VT(Sequential-Valve Timing)23を有している。吸気電動S−VT23は、吸気カムシャフトの回転位相を所定の角度範囲内で連続的に変更する。吸気弁21の開弁角は変化しない。吸気弁21の開弁角は、例えば240°CAである。尚、動弁機構は、電動S−VTに代えて、油圧式のS−VTを有してもよい。
シリンダヘッド13には、シリンダ11毎に、排気ポート19が形成されている。排気ポート19も、図3に示すように、第1排気ポート191及び第2排気ポート192を有している。排気ポート19は、燃焼室17に連通している。
排気ポート19には、排気弁22が配設されている。排気弁22は、動弁機構により、所定のタイミングで排気ポート19を開閉する。その動弁機構は、バルブタイミング及び/又はバルブリフトを可変にする可変動弁機構としてもよい。
図4に示すように、動弁機構は、排気電動S−VT24を有している。排気電動S−VT24は、排気カムシャフトの回転位相を所定の角度範囲内で連続的に変更する。排気弁22の開弁角は変化しない。排気弁22の開弁角は、例えば240°CAである。尚、動弁機構は、電動S−VTに代えて、油圧式のS−VTを有してもよい。
吸気電動S−VT23及び排気電動S−VT24は、吸気弁21と排気弁22との両方が開弁するオーバーラップ期間の長さを調節する。オーバーラップ期間の長さを調節することによって、内部EGR(Exhaust Gas Recirculation)ガス、つまり温度の高い排気ガスを燃焼室17の中に導入できる。吸気電動S−VT23及び排気電動S−VT24は、内部EGRシステムを構成する。
(インジェクタ6)
シリンダヘッド13には、シリンダ11毎に、インジェクタ6が取り付けられている。インジェクタ6は、燃焼室17の中に燃料を直接噴射する。インジェクタ6は、燃焼室17の上部の中心部に配設されている。より詳細に、インジェクタ6はペントルーフの谷部に配設されている。
シリンダヘッド13には、シリンダ11毎に、インジェクタ6が取り付けられている。インジェクタ6は、燃焼室17の中に燃料を直接噴射する。インジェクタ6は、燃焼室17の上部の中心部に配設されている。より詳細に、インジェクタ6はペントルーフの谷部に配設されている。
図2に示すように、インジェクタ6の噴射軸心X2は、シリンダ11の中心軸X1よりも排気側に位置している。インジェクタ6の噴射軸心X2は、中心軸X1に平行である。インジェクタ6の噴射軸心X2とキャビティ31の中心とは一致している。インジェクタ6は、キャビティ31に対向している。尚、インジェクタ6の噴射軸心X2は、シリンダ11の中心軸X1と一致してもよい。その構成の場合において、インジェクタ6の噴射軸心X2と、キャビティ31の中心とは一致してもよい。
インジェクタ6は、複数の噴孔を有する多噴孔型である。インジェクタ6は、図2に二点鎖線で示すように、燃焼室17の天井部の中央部から放射状にかつ、斜め下向きに、燃料を噴射する。インジェクタ6は、この構成例においては、10個の噴孔を有している。10個の噴孔は、周方向に等角度間隔に配置されている。
インジェクタ6には、燃料供給システム61が接続されている。燃料供給システム61は、燃料を貯留する燃料タンク63と、燃料供給路62とを備えている。燃料供給路62は、燃料タンク63とインジェクタ6とを互いにつないでいる。燃料供給路62には、燃料ポンプ65とコモンレール64とが介設している。
燃料ポンプ65は、コモンレール64に燃料を送る。燃料ポンプ65は、この構成例においては、クランクシャフト15によって駆動されるプランジャー式のポンプである。コモンレール64は、燃料ポンプ65から送られた燃料を蓄える。コモンレール64の中は高圧である。インジェクタ6は、コモンレール64につながっている。
インジェクタ6が開弁すると、コモンレール64の中の高圧の燃料が、インジェクタ6の噴孔から燃焼室17の中に噴射される。この構成例の燃料供給システム61は、30MPa以上の高い圧力の燃料を、インジェクタ6に供給できる。燃料供給システム61の最高圧力は、例えば200MPaとしてもよい。燃料供給システム61は、燃料の圧力を、エンジン1の運転状態に応じて変えてもよい。尚、燃料供給システム61の構成は、前記の構成に限定されない。
(点火プラグ25)
シリンダヘッド13には、シリンダ11毎に、点火プラグ25が取り付けられている。点火プラグ25は、燃焼室17の中の混合気に強制的に点火をする。点火プラグ25は、図2に示すように、シリンダ11の中心軸X1よりも吸気側に配設されている。点火プラグ25は、2つの吸気ポート18の間に位置している。点火プラグ25の電極は、燃焼室17の中に臨んでいる。尚、点火プラグ25は、シリンダ11の中心軸X1よりも排気側に配置してもよい。また、点火プラグ25は、シリンダ11の中心軸X1上に配置してもよい。
シリンダヘッド13には、シリンダ11毎に、点火プラグ25が取り付けられている。点火プラグ25は、燃焼室17の中の混合気に強制的に点火をする。点火プラグ25は、図2に示すように、シリンダ11の中心軸X1よりも吸気側に配設されている。点火プラグ25は、2つの吸気ポート18の間に位置している。点火プラグ25の電極は、燃焼室17の中に臨んでいる。尚、点火プラグ25は、シリンダ11の中心軸X1よりも排気側に配置してもよい。また、点火プラグ25は、シリンダ11の中心軸X1上に配置してもよい。
(吸気通路40)
エンジン1の一側面には吸気通路40が接続されている。吸気通路40は、各シリンダ11の吸気ポート18に連通している。燃焼室17に導入する吸気のガスは、吸気通路40の中を流れる。吸気通路40の上流端部には、エアクリーナー41が配設されている。吸気通路40の下流端の近くには、サージタンク42が配設されている。サージタンク42よりも下流の吸気通路40は、シリンダ11毎に分岐している。
エンジン1の一側面には吸気通路40が接続されている。吸気通路40は、各シリンダ11の吸気ポート18に連通している。燃焼室17に導入する吸気のガスは、吸気通路40の中を流れる。吸気通路40の上流端部には、エアクリーナー41が配設されている。吸気通路40の下流端の近くには、サージタンク42が配設されている。サージタンク42よりも下流の吸気通路40は、シリンダ11毎に分岐している。
吸気通路40におけるエアクリーナー41とサージタンク42との間には、スロットル弁43が配設されている。スロットル弁43は、弁の開度が変わることによって、燃焼室17の中への新気の導入量を調節する。
吸気通路40にはまた、スロットル弁43の下流に、過給機44が配設されている。過給機44は、燃焼室17に導入する吸気のガスの圧力を高める。この構成例において、過給機44は、エンジン1によって駆動される。過給機44は、ルーツ式、リショルム式、ベーン式、又は遠心式である。
過給機44とエンジン1との間には、電磁クラッチ45が介設している。電磁クラッチ45は、エンジン1から過給機44へ駆動力を伝達する状態と、駆動力の伝達を遮断する状態とを切り替える。後述するECU10が電磁クラッチ45に制御信号を出力することによって、過給機44はオン又はオフになる。
吸気通路40における過給機44の下流には、インタークーラー46が配設されている。インタークーラー46は、過給機44が圧縮した吸気のガスを冷却する。インタークーラー46は、水冷式又は油冷式である。
吸気通路40には、バイパス通路47が接続されている。バイパス通路47は、吸気通路40における過給機44の上流部とインタークーラー46の下流部とを互いに接続する。バイパス通路47は、過給機44及びインタークーラー46をバイパスする。バイパス通路47には、エアバイパス弁48が配設されている。エアバイパス弁48は、バイパス通路47を流れるガスの流量を調節する。
ECU10は、過給機44がオフの場合に、エアバイパス弁48を全開にする。吸気通路40を流れる吸気のガスは、過給機44及びインタークーラー46をバイパスして、エンジン1の燃焼室17に至る。エンジン1は、非過給、つまり自然吸気の状態で運転する。
過給機44がオンの場合、エンジン1は過給状態で運転する。ECU10は、過給機44がオンの場合に、エアバイパス弁48の開度を調節する。過給機44及びインタークーラー46を通過した吸気のガスの一部は、バイパス通路47を通って過給機44の上流に戻る。ECU10がエアバイパス弁48の開度を調節すると、燃焼室17に導入する吸気のガスの圧力が変わる。尚、「過給」とは、サージタンク42内の圧力が、動的に大気圧を超える状態をいい、「非過給」とは、サージタンク42内の圧力が、動的に大気圧以下になる状態をいう、と定義してもよい。
(スワールコントロール弁56)
図3に示すように、エンジン1は、燃焼室17内にスワール流を発生させるスワールコントロール弁56を有している。吸気通路40は、第1吸気ポート181につながるプライマリ通路401と、第2吸気ポート182につながるセカンダリ通路402とを有している。スワールコントロール弁56は、セカンダリ通路402に配設されている。
図3に示すように、エンジン1は、燃焼室17内にスワール流を発生させるスワールコントロール弁56を有している。吸気通路40は、第1吸気ポート181につながるプライマリ通路401と、第2吸気ポート182につながるセカンダリ通路402とを有している。スワールコントロール弁56は、セカンダリ通路402に配設されている。
スワールコントロール弁56は、セカンダリ通路402の断面を絞ることができる開度調節弁である。スワールコントロール弁56の開度が小さいと、第1吸気ポート181から燃焼室17に流入する吸気の流量が多くかつ、第2吸気ポート182から燃焼室17に流入する吸気の流量が少ないから、燃焼室17内のスワール流が強くなる。スワールコントロール弁56の開度が大きいと、第1吸気ポート181及び第2吸気ポート182のそれぞれから燃焼室17に流入する吸気の流量が、略均等になるから、燃焼室17内のスワール流が弱くなる。スワールコントロール弁56を全開にすると、スワール流は発生しない。尚、スワール流は、白抜きの矢印で示すように、図3における反時計回り方向に周回する。
前述したように、エンジン1の吸気ポート18はタンブルポートであるため、スワールコントロール弁56を閉じると、燃焼室17の中には、タンブル成分とスワール成分とを含んだ斜めスワール流が発生する。斜めスワール流は、シリンダ11の中心軸X1に対して傾いたスワール流である。斜めスワール流の傾斜角度は、中心軸X1に直交する面に対して45°程度が一般的である。斜めスワール流の傾斜角度は、30°〜60°の範囲で設定してもよい。
(排気通路50)
エンジン1の他側面には、排気通路50が接続されている。排気通路50は、各シリンダ11の排気ポート19に連通している。燃焼室17から排出された排気ガスは、排気通路50の中を流れる。排気通路50の上流部分は、詳細な図示は省略するが、シリンダ11毎に分岐している。
エンジン1の他側面には、排気通路50が接続されている。排気通路50は、各シリンダ11の排気ポート19に連通している。燃焼室17から排出された排気ガスは、排気通路50の中を流れる。排気通路50の上流部分は、詳細な図示は省略するが、シリンダ11毎に分岐している。
排気通路50には、複数の触媒コンバーターを有する排気ガス浄化システムが配設されている。これらの触媒コンバーターは、図示は省略するが、エンジンルーム内に配設されている。上流の触媒コンバーターは、三元触媒511と、GPF(Gasoline Particulate Filter)512とを有している。下流の触媒コンバーターは、三元触媒513を有している。尚、排気ガス浄化システムは、図例の構成に限定されない。例えば、GPFは省略してもよい。また、触媒コンバーターは、三元触媒を有するものに限定されない。さらに、三元触媒及びGPFの並び順は、適宜変更してもよい。
吸気通路40と排気通路50との間には、EGR通路52が接続されている。EGR通路52は、排気ガスの一部を吸気通路40に還流させる通路である。EGR通路52の上流端は、排気通路50における二つの触媒コンバーターの間に接続されている。EGR通路52の下流端は、吸気通路40における過給機44の上流部に接続されている。
EGR通路52には、水冷式のEGRクーラー53が配設されている。EGRクーラー53は、排気ガスを冷却する。EGR通路52にはまた、EGR弁54が配設されている。EGR弁54は、EGR通路52を流れる排気ガスの流量を調節する。EGR弁54は、外部EGRガス、つまり温度の低い排気ガスの還流量を調節する。EGRクーラー53及びEGR弁54は、外部EGRシステムを構成する。
(オクタン価検出手段)
エンジン1は、オクタン価検出手段を備える。オクタン価検出手段は、燃料のオクタン価を検出し、その検出値をECU10に出力する。オクタン価検出手段は、燃料のオクタン価が検出できればよく、その構成は仕様に応じて選択できる。
エンジン1は、オクタン価検出手段を備える。オクタン価検出手段は、燃料のオクタン価を検出し、その検出値をECU10に出力する。オクタン価検出手段は、燃料のオクタン価が検出できればよく、その構成は仕様に応じて選択できる。
例えば、燃料のオクタン価が検出できる所定のセンサを、燃料供給システム61に設置して、オクタン価検出手段を構成してもよい。この場合、燃料のオクタン価を静的な状態(燃焼前の燃料の状態)で、直接的に検出できる。
また、上述した特許文献2のように、ノックセンサ等を用いて、オクタン価検出手段を構成してもよい。この場合、燃料のオクタン価を動的な状態(燃料が燃焼されている状態)で、間接的に検出できる。前者よりも後者の方が、燃料のオクタン価を、適時かつ燃焼毎に判定できるので、制御の応答性に優れる。
エンジン1の場合、SPCCI燃焼を行うため、後述するように、各燃焼室17の内圧を高精度に計測できる筒内圧センサSW5が設置されている。従って、エンジン1では、これを用いてオクタン価を検出するのが好ましい。
すなわち、オクタン価は、燃焼熱の違いから判定することが可能である。オクタン価が高い燃料ほど着火し難いので、オクタン価の差に応じて燃焼熱に差が生じる。そのため、例えば、SI燃焼が開始してCI燃焼が開始するまでの間の所定の期間で発生する熱量を比較することで、燃焼に用いられた燃料のオクタン価が推定できる。
筒内圧センサSW5であれば、そのような熱量を精度高く検出できるので、動的な状態のオクタン価を精度高く判定できる。しかも、既存の装置を利用するので、新たに高価なセンサを設置する必要も無い。そこで、このエンジン1では、筒内圧センサSW5がオクタン価検出手段を構成するものとする。
<エンジンの制御装置>
エンジン1の制御装置は、ECU(Engine Control Unit)10を備える。ECU10は、制御部の一例である。
エンジン1の制御装置は、ECU(Engine Control Unit)10を備える。ECU10は、制御部の一例である。
図4に示すように、ECU10は、マイクロコンピュータ101と、メモリ102と、I/F回路103と、を備えている。マイクロコンピュータ101は、プログラムを実行する。メモリ102は、プログラム及びデータを格納する。メモリ102は、例えばRAM(Random Access Memory)やROM(Read Only Memory)である。I/F回路103は、電気信号の入出力を行う。
ECU10には、図1及び図4に示すように、各種のセンサSW1−SW11が接続されている。これらセンサSW1−SW11は、ECU10に信号を出力する。
エアフローセンサSW1は、吸気通路40におけるエアクリーナー41の下流に配置されていて、吸気通路40を流れる新気の流量を計測する。第1吸気温度センサSW2は、吸気通路40におけるエアクリーナー41の下流に配置されていて、吸気通路40を流れる新気の温度を計測する。第2吸気温度センサSW3は、サージタンク42に取り付けられていて、燃焼室17に導入される吸気のガスの温度を計測する。
吸気圧センサSW4は、サージタンク42に取り付けられていて、燃焼室17に導入される吸気のガスの圧力を計測する。筒内圧センサSW5は、シリンダ11毎に、シリンダヘッド13に取り付けられていて、各燃焼室17内の圧力を計測する。水温センサSW6は、エンジン1に取り付けられていて、冷却水の温度を計測する。クランク角センサSW7は、エンジン1に取り付けられていて、クランクシャフト15の回転角を計測する。
アクセル開度センサSW8は、アクセルペダル機構に取り付けられていて、アクセルペダルの操作量に対応したアクセル開度を計測する。吸気カム角センサSW9は、エンジン1に取り付けられていて、吸気カムシャフトの回転角を計測する。排気カム角センサSW10は、エンジン1に取り付けられていて、排気カムシャフトの回転角を計測する。燃圧センサSW11は、燃料供給システム61のコモンレール64に取り付けられていて、インジェクタ6に供給する燃料の圧力を計測する。
ECU10は、これらのセンサSW1−SW11の信号に基づいて、エンジン1の運転状態を判断する。ECU10はまた、予め定められている制御ロジックに従って、各デバイスの制御量を演算する。制御ロジックは、メモリ102に記憶されている。
ECU10は、制御量に係る電気信号を、インジェクタ6、点火プラグ25、吸気電動S−VT23、排気電動S−VT24、燃料供給システム61、スロットル弁43、EGR弁54、過給機44の電磁クラッチ45、エアバイパス弁48、及び、スワールコントロール弁56に出力する。
<SPCCI燃焼のコンセプト>
エンジン1は、燃費の向上及び排出エミッション性能の向上を主目的として、所定の運転状態にある場合に、圧縮自己着火による燃焼を行う。圧縮開始前の燃焼室17の中の温度がばらつくと、自己着火のタイミングが大きく変化する。そこで、エンジン1は、SI燃焼とCI燃焼とを組み合わせたSPCCI燃焼を行う。
エンジン1は、燃費の向上及び排出エミッション性能の向上を主目的として、所定の運転状態にある場合に、圧縮自己着火による燃焼を行う。圧縮開始前の燃焼室17の中の温度がばらつくと、自己着火のタイミングが大きく変化する。そこで、エンジン1は、SI燃焼とCI燃焼とを組み合わせたSPCCI燃焼を行う。
SPCCI燃焼は、次のような燃焼形態である。つまり、点火プラグ25が、燃焼室17の中の混合気に強制的に点火をすることによって、混合気が火炎伝播によりSI燃焼を開始する。SI燃焼の開始後、(1)SI燃焼の発熱により燃焼室17の中の温度が高くなりかつ、(2)火炎伝播により燃焼室17の中の圧力が上昇することによって、未燃混合気が自己着火によるCI燃焼をする。
SI燃焼の燃焼量を調節することによって、圧縮開始前の燃焼室17の中の温度のばらつきを吸収できる。ECU10が点火タイミングを調節することによって、SI燃焼の燃焼量が調節される。ECU10が点火タイミングを調節すれば、混合気は目標のタイミングで自己着火する。SPCCI燃焼は、SI燃焼の燃焼量がCI燃焼の開始タイミングをコントロールしている。
<エンジン1の運転領域>
図5は、エンジン1の制御マップ501、502、503を例示している。制御マップ501、502、503は、ECU10のメモリ102に記憶されている。ECU10は、制御マップ501、502、503に基づいて、エンジン1を運転する。
図5は、エンジン1の制御マップ501、502、503を例示している。制御マップ501、502、503は、ECU10のメモリ102に記憶されている。ECU10は、制御マップ501、502、503に基づいて、エンジン1を運転する。
制御マップは、第1制御マップ501、第2制御マップ502、及び、第3制御マップ503の三種類の制御マップを含んでいる。ECU10は、燃焼室17の壁温(又はエンジン水温)及び吸気の温度それぞれの高低に応じて、第1制御マップ501、第2制御マップ502、及び、第3制御マップ503の中から選択した制御マップを、エンジン1の制御に用いる。
(第1制御マップ501)
ECU10は、燃焼室17の壁温が第1壁温(例えば80℃)以上でかつ、吸気の温度が第1吸気温(例えば50℃)以上の場合、第1制御マップ501を選択する。第1制御マップ501は、エンジン1の温間時のマップである。
ECU10は、燃焼室17の壁温が第1壁温(例えば80℃)以上でかつ、吸気の温度が第1吸気温(例えば50℃)以上の場合、第1制御マップ501を選択する。第1制御マップ501は、エンジン1の温間時のマップである。
燃焼室17の壁温が第1壁温未満、第2壁温(例えば30℃)以上でかつ、吸気温が第1吸気温未満、第2吸気温(例えば25℃)以上の場合、ECU10は、第2制御マップ502を選択する。第2制御マップ502は、エンジン1の半暖機時のマップである。燃焼室17の壁温が第2壁温未満、又は、吸気温が第2吸気温未満の場合、ECU10は、第3制御マップ503を選択する。第3制御マップ503は、エンジン1の冷間時のマップである。
尚、ECU10は、燃焼室17の壁温に代えて、例えば水温センサSW6が計測するエンジン1の冷却水の温度に基づいて制御マップ501、502、503を選択してもよい。また、ECU10は、各種の計測信号に基づいて、燃焼室17の壁温を推定できる。吸気温は、第2吸気温度センサSW3によって計測される。また、ECU10は、吸気温を、各種の計測信号に基づいて推定してもよい。
各マップ501、502、503は、エンジン1の負荷及びエンジン1の回転数によって規定されている。第1制御マップ501は、領域A1、領域A2、領域A3、領域A4、及び、領域A5の五つの領域に分かれる。領域A1は、Naよりも回転数が低い領域である。エンジン1のアイドル運転は、領域A1に含まれる。領域A2は、Nbよりも回転数が高い領域である。領域A3は、回転数がNaからNbまでの領域のうち、負荷がLaよりも低い領域である。領域A4は、回転数がNaからNbまでの領域のうち、負荷がLa以上の領域である。
尚、Laは、エンジン1の最高負荷の1/2負荷としてもよい。領域A5は、領域A3内において、低負荷側の特定の領域である。領域A5は、エンジン1の全運転領域において、低回転低負荷の特定領域に相当する。尚、ここでいう「低回転」は、エンジン1の全運転領域を低回転側と高回転側とに二等分した場合の、低回転側に対応する。「低負荷」は、エンジン1の全運転領域を低負荷側と高負荷側とに二等分した場合の、低負荷側に対応する。
エンジン1の負荷及び回転数によって定まる運転状態が、領域A1内にある場合、ECU10は、SI燃焼を行うようにエンジン1を制御する。尚、混合気の空燃比は、理論空燃比又はほぼ理論空燃比である。混合気の空燃比は、三元触媒511、513の浄化ウインドウに含まれればよい。尚、空燃比は、燃焼室17の全体における平均の空燃比である。エンジン1の運転状態が、領域A2内にある場合も、ECU10は、SI燃焼を行うようにエンジン1を制御する。尚、混合気の空燃比は、理論空燃比又はほぼ理論空燃比である。
エンジン1の運転状態が、領域A3内にある場合、ECU10は、SPCCI燃焼を行うようにエンジン1を制御する。尚、混合気の空燃比は、理論空燃比又はほぼ理論空燃比である。また、エンジン1の運転状態が領域A3内にある場合、過給機44はオフである。エンジン1の運転状態が、領域A4内にある場合、ECU10は、SPCCI燃焼を行うようにエンジン1を制御する。尚、混合気の空燃比は、理論空燃比又はほぼ理論空燃比である。また、エンジン1の運転状態が領域A4内にある場合、過給機44はオンである。
エンジン1の運転状態が、領域A5内にある場合、ECU10は、SPCCI燃焼を行うようにエンジン1を制御する。尚、混合気の空燃比は、理論空燃比よりもリーンである。燃焼室17の全体における平均の空燃比は、具体的には、30以上40以下である。エンジン1の運転状態が領域A5内にある場合、過給機44はオフである。
また、エンジン1の運転状態が領域A5内にある場合、ECU10はまた、吸気弁21及び排気弁22が共に開弁するオーバーラップ期間を設ける。内部EGRガスが燃焼室17の中に導入される。これにより、燃焼室17の中の温度が高くなる。エンジン1の負荷が低い領域A5において、燃焼室17の中の温度が高いことによりSPCCI燃焼のCI燃焼が安定化する。
エンジン1の運転状態が、領域A1内にある場合、ECU10は、スワールコントロール弁56を、ほぼ全閉した状態(実質的に閉じた状態、略全閉)に制御する。0%が全閉を示し、100%が全開を示すスワールコントロール弁56の「開度」で言えば、略全閉は、例えば、0%より大きく20%より小さい程度である。エンジン1の運転状態が、領域A2内にある場合、ECU10は、スワールコントロール弁56を、ほぼ全開した状態(実質的に全開した状態、略全開)に制御する。略全開を「開度」で言えば、例えば、100%より小さく80%より大きい程度である。
そして、エンジン1の運転状態が、領域A3、領域A4、及びA5内にある場合、ECU10は、スワールコントロール弁56を、エンジン1の運転状態に応じて、略全閉から略全開の範囲で開度を調整する。それにより、燃焼室17の中に形成される斜めスワール流の強さが大小に変化する。それに伴って、燃焼室17の中に形成される混合気の分布が変化する。ECU10は、その変化を制御することで、SPCCI燃焼を安定化させる。
(第2制御マップ502)
第2制御マップ502は、領域B1、領域B2、領域B3、及び、領域B4の四つの領域に分かれる。領域B1は、Naよりも回転数が低い領域であり、第1制御マップ501の領域A1に対応する。領域B2は、Nbよりも回転数が高い領域であり、第1制御マップ501の領域A2に対応する。領域A3は、回転数がNaからNbまでの領域のうち、負荷がLaよりも低い領域であり、第1制御マップ501の領域A3に対応する。領域B4は、回転数がNaからNbまでの領域のうち、負荷がLa以上の領域であり、第1制御マップ501の領域A4に対応する。第2制御マップ502は、第1制御マップ501の領域A5に対応する領域を有していない。温度が低いとリーンな混合気のSPCCI燃焼が不安定になるためである。
第2制御マップ502は、領域B1、領域B2、領域B3、及び、領域B4の四つの領域に分かれる。領域B1は、Naよりも回転数が低い領域であり、第1制御マップ501の領域A1に対応する。領域B2は、Nbよりも回転数が高い領域であり、第1制御マップ501の領域A2に対応する。領域A3は、回転数がNaからNbまでの領域のうち、負荷がLaよりも低い領域であり、第1制御マップ501の領域A3に対応する。領域B4は、回転数がNaからNbまでの領域のうち、負荷がLa以上の領域であり、第1制御マップ501の領域A4に対応する。第2制御マップ502は、第1制御マップ501の領域A5に対応する領域を有していない。温度が低いとリーンな混合気のSPCCI燃焼が不安定になるためである。
エンジン1の運転状態が、領域B1内にある場合、ECU10は、SI燃焼を行うようにエンジン1を制御する。尚、混合気の空燃比は、理論空燃比又はほぼ理論空燃比である。エンジン1の運転状態が、領域B2内にある場合も、ECU10は、SI燃焼を行うようにエンジン1を制御する。尚、混合気の空燃比は、理論空燃比又はほぼ理論空燃比である。エンジン1の運転状態が、領域B3内にある場合、ECU10は、SPCCI燃焼を行うようにエンジン1を制御する。尚、混合気の空燃比は、理論空燃比又はほぼ理論空燃比である。また、エンジン1の運転状態が領域B3内にある場合、過給機44はオフである。エンジン1の運転状態が、領域B4内にある場合、ECU10は、SPCCI燃焼を行うようにエンジン1を制御する。尚、混合気の空燃比は、理論空燃比又はほぼ理論空燃比である。また、エンジン1の運転状態が領域B4内にある場合、過給機44はオンである。
(第3制御マップ503)
第3制御マップ503は、領域C1のみを有している。領域C1は、エンジン1の全運転領域に広がる。エンジン1の運転状態が、領域C1内にある場合、ECU10は、SI燃焼を行うように、エンジン1を制御する。尚、混合気の空燃比は、理論空燃比又はほぼ理論空燃比である。
第3制御マップ503は、領域C1のみを有している。領域C1は、エンジン1の全運転領域に広がる。エンジン1の運転状態が、領域C1内にある場合、ECU10は、SI燃焼を行うように、エンジン1を制御する。尚、混合気の空燃比は、理論空燃比又はほぼ理論空燃比である。
<オクタン価が異なる燃料への対応>
ECU10は、燃焼室17に導入される燃料のオクタン価に応じて、エンジン1の制御内容を変更する。
ECU10は、燃焼室17に導入される燃料のオクタン価に応じて、エンジン1の制御内容を変更する。
具体的には、図6に示すように、エンジン1の制御装置は、燃料のオクタン価が所定オクタン価未満であるときの燃焼制御マップ(低オクタン価マップ601)と、燃料のオクタン価が所定オクタン価以上であるときの燃焼制御マップ(高オクタン価マップ602)とを有している。
所定オクタン価は、エンジン1に給油可能な、オクタン価の異なる燃料の各々が区別可能なオクタン価(ron)である。ここでは、レギュラーガソリンとハイオクガソリンとが区別できるような値であり、例えば「96」に設定されている。
レギュラーガソリンとハイオクガソリンとでは、燃焼に適した条件は一致しない。すなわち、同じ燃焼条件でも、レギュラーガソリンとハイオクガソリンの双方を適切に燃焼できる場合がある。その一方で、レギュラーガソリンに適した燃焼条件ではハイオクガソリンを適切に燃焼できない場合や、ハイオクガソリンに適した燃焼条件ではレギュラーガソリンを適切に燃焼できない場合がある。
特に、このエンジン1では、上述したように、SPCCI燃焼を行う。SPCCI燃焼では、高度な燃焼制御が要求されるため、オクタン価の異なる燃料が用いられると、燃焼が不安定になり易い。そこで、このエンジン1では、レギュラーガソリン及びハイオクガソリンのいずれを用いた場合でも、適切にSPCCI燃焼が行えるように、低オクタン価マップ601及び高オクタン価マップ602のいずれか一方に切り換える。
低オクタン価マップ601には、主に、オクタン価が低い燃料(ここでは主にレギュラーガソリン)に適した条件が設定されている。高オクタン価マップ602には、主に、オクタン価が高い燃料(ここでは主にハイオクガソリン)に適した条件が設定されている。
低オクタン価マップ601及び高オクタン価マップ602の各々には、燃焼に関連する主な制御条件について、エンジン1の全運転領域における回転速度の高低、及びエンジン1の全運転領域における負荷の高低に対応した値が設定されている。低オクタン価マップ601及び高オクタン価マップ602は、いずれもメモリ102内に格納されている。
具体的には、低オクタン価マップ601は、燃料の噴射時期の設定に用いられる第1噴射タイミングマップ601a、スワールコントロール弁56の開度の設定に用いられる第1SCV(Swirl Control Valve)マップ601b、吸気量の制御に用いられる第1吸気S−VTマップ601c、外部EGRシステムの制御に用いられる第1外部EGRマップ601d、及び、内部EGRシステムの制御に用いられる第1内部EGRマップ601eを含む。
同様に、高オクタン価マップ602は、第2噴射タイミングマップ602a、第2SCVマップ602b、第2吸気S−VTマップ602c、第2外部EGRマップ602d、及び、第2内部EGRマップ602eを含む。
ECU10は、例えば、燃料のオクタン価が所定オクタン価未満から所定オクタン価以上になったときには、低オクタン価マップ601を、高オクタン価マップ602に切り換える。切り換えが必要な複数の条件を一括して切り換えるので、制御の簡素化が図れ、効率的である。
<オクタン価の異なる燃料で安定したSPCCI燃焼を実現するための第1の工夫>
上述したように、エンジン1では、低オクタン価マップ601及び高オクタン価マップ602のいずれか一方に切り換えて、レギュラーガソリン及びハイオクガソリンのいずれを用いた場合でも、適切に燃焼が行えるようにしている。
上述したように、エンジン1では、低オクタン価マップ601及び高オクタン価マップ602のいずれか一方に切り換えて、レギュラーガソリン及びハイオクガソリンのいずれを用いた場合でも、適切に燃焼が行えるようにしている。
しかし、レギュラーガソリンを用いて燃焼を行うと、特に発熱量が高くなる高負荷の運転領域では、ノッキング、プリイグニッション等の異常燃焼が発生し易い。更に、燃焼期間が相対的に長くなる低回転の運転領域では、低温酸化反応が促進されるので、プリイグニッションが発生し易くなる。
レギュラーガソリンを用いた場合には、これらを回避する必要があるため、ハイオクガソリンと同様に安定した燃焼を実現することが困難になる。しかも、このエンジン1では、高度な制御を要するSPCCI燃焼を行う。
すなわち、このエンジン1は、第1制御マップ501の領域A3、領域A4、及び領域A5の各領域、並びに、第2制御マップ502の領域B3及び領域B4の各領域で、SPCCI燃焼を行う。ECUは、安定したSPCCI燃焼を実現するため、これら領域のうち、少なくとも所定の高負荷かつ低回転の領域(高負荷低回転領域)では分割噴射を行う。
尚、ここでいう高負荷低回転領域は、所定負荷L1以上の高負荷かつ所定回転数N1以下の領域(例えば、図5に示すポイントP1が位置する領域)である。所定負荷L1は、エンジン1の最高負荷の1/3の負荷としてもよいし、Laと同じ1/2の負荷としてもよい。所定回転数N1は、エンジン1の最高回転数の1/3の回転数としてもよいし、1/2の回転数としてもよい。
この高負荷低回転領域では、ECU10は、1つの燃焼サイクルで要求されるガソリンの総量を、吸気行程及び圧縮行程の期間内で、複数回に分けて噴射する。より具体的には、前段噴射と後端噴射の2回の燃料噴射を行う。尚、このような分割噴射は高負荷低回転領域以外で行ってもよい。
オクタン価の高い燃料、例えばハイオクガソリンを用いる場合、ECU10は、吸気行程で前段噴射を行い、圧縮行程で後段噴射を行う。図7に、ポイントP1において、ハイオクガソリンでSPCCI燃焼を行う時における、これら燃料噴射の時期701,702、点火時期703、及び燃焼波形704を例示する。
前段噴射701は、吸気行程内の略中間の期間に行われる。その噴射開始時期、噴射終了時期ともに吸気行程内に位置している。後段噴射702は、圧縮行程内の後半の期間に行われる。その噴射開始時期、噴射終了時期ともに圧縮行程内に位置している。噴射する燃料量の比率は、前段噴射701の方が後段噴射702よりも多い。その比率は、例えば略9:1である。
このとき、ECU10は、噴射された燃料が斜めスワール流によって拡散したり集合したりすることを利用して、点火時期703に、燃焼室17の中に、所定状態の混合気が分布するように、前段噴射701の噴射時期及び/又は噴射量を制御する。ECU10はまた、点火時期703に、点火プラグ25の周囲に火種となるリッチな混合気が形成されるように、後段噴射702の噴射時期及び/又は噴射量を制御する。後段噴射702の噴射量は、火種を目的とするため少量に設定されている。燃料のほとんどが前段噴射701で噴射される。
すなわち、ECU10は、燃焼室17の周辺部分に比較的リーンで均質な混合気が分布し、燃焼室17の中央部分に比較的リッチな混合気が分布する、いわゆる成層化した混合気が形成されるように、吸気行程での前段噴射701と圧縮行程での後段噴射702とを行う。
点火時期703は、概ね圧縮上死点TDCの近傍である。点火時期703は、エンジン1の運転状態に応じて、燃焼ごとに調整される。例えばノッキング等の異常燃焼が発生し易くなれば、点火時期703は遅角(リタード)される。それにより、SI燃焼にCI燃焼が連続して発生するSPCCI燃焼が、最適なタイミングで行われる。
ところが、ハイオクガソリンに代えて、オクタン価の低い燃料、例えばレギュラーガソリンを用いる場合には、ハイオクガソリンと同じ条件で燃料噴射を行うと、SPCCI燃焼が適切に行えない。
すなわち、吸気行程での前段噴射701から点火時期703までには、比較的十分な時間がある。特に、高負荷低回転領域では尚更である。そのため、前段噴射701で噴射された燃料は、燃焼室17の中で十分にミキシングされて均質化が促進されるので、自己着火し易くなる。その結果、点火時期703を限界までリタードしても、混合気が早期に自己着火してしまい、最適なタイミングでSPCCI燃焼が行えない。
そこで、ECU10は、そのような状況の下でレギュラーガソリンを用いる場合には、ハイオクガソリンを用いる場合から、燃料の噴射時期を変更する。具体的には、図8に示すように、吸気行程で行われる燃料噴射の噴射時期を、圧縮行程に遅角させる。
より具体的には、前段噴射701(吸気行程噴射)の噴射時期を遅角させ、圧縮行程内で燃料が噴射されるように、ECU10がインジェクタ6を制御する。それにより、レギュラーガソリンを用いた場合には、前段噴射801及び後段噴射802の双方が圧縮行程で噴射され、圧縮行程噴射のみとなる。
前段噴射801は、圧縮行程内の前半から中間にわたる期間に行われる。その噴射開始時期、噴射終了時期ともに圧縮行程内に位置している。後段噴射802は、圧縮行程内の後半の期間に行われる。その噴射開始時期、噴射終了時期ともに圧縮行程内に位置している。
その結果、燃料噴射から点火時期703までの時間が短縮されるので、燃料がミキシングされ難くなる。すなわち、噴射されて燃焼室17の周辺部分に至った燃料は、移動する時間がほとんど無いので、燃焼室17の周辺部分に偏在する。それにより、ハイオクガソリンの場合と異なり、燃焼室17の周辺部分に、燃焼室17の中央部分よりもリッチな混合気が分布する、いわゆる逆成層化した混合気が形成される。
燃焼室17の中に斜めスワール流が形成されていると、その影響によって燃焼室17の周辺部分よりも中央部分の方が高温になり易い。そのため、燃焼室17の周辺部分よりも燃焼室17の中央部分で自己着火し易い傾向がある。
それに対し、レギュラーガソリンの場合には、逆成層化した混合気が形成されるので、自己着火を抑制できる。点火までの時間短縮によって低温酸化反応も進み難くなるので、プリイグニッション等、異常燃焼の発生が抑制できる。従って、レギュラーガソリンの場合であっても、適切なSPCCI燃焼が実現できる。
前段噴射701の噴射時期の遅角と共に、後段噴射702(最後の燃料噴射)の噴射時期も遅角される。それにより、後段噴射802で噴射された燃料が点火されるまでの時間は更に短縮されるので、圧縮行程中での早期の異常燃焼の発生をよりいっそう抑制できる。
これら燃料の噴射時期の変更と共に、ECU10は、前段噴射及び後段噴射の各々の燃料の噴射割合も変更する。噴射する燃料量の比率が、前段噴射の方が後段噴射よりも多い点は同じであるが、ハイオクガソリンの場合の前段噴射701及び後段噴射702に比べて、前段噴射801での噴射量は少なく、後段噴射802での噴射量は多く変更される。その比率は、例えば略6:4である。
後段噴射の噴射量を増やすことで、気化潜熱による冷却効果も得られるので、よりいっそう異常燃焼を抑制できる。尚、レギュラーガソリンの場合も、噴射する燃料の総量は、ハイオクガソリンの場合と同じである(前段噴射701及び後段噴射702の総量=前段噴射801及び後段噴射802の総量)。
更に、レギュラーガソリンを用いる場合には、ハイオクガソリンを用いる場合から、燃料の噴射圧を増大させるのが好ましい。このエンジン1では、燃料の噴射時期の変更と共に、燃料の噴射圧を増大させる制御も行う。例えば、1.5倍から2.5倍程度、増大するのが好ましい。
圧縮行程噴射では、ミキシング時間がほとんど確保できないので、燃料が多いと、燃料の気化が不十分になってスモークが発生し易い。燃料の噴射圧を増大すれば、燃料の気化を促進できるので、スモークの発生を抑制できる。冷却効果も高まる。逆成層化も促進できる。従って、よりいっそう適切なSPCCI燃焼が実現できるようになり、良好な運転が実現できる。
<オクタン価の異なる燃料で安定したSPCCI燃焼を実現するための第2の工夫>
レギュラーガソリンを用いた場合に、高負荷の運転領域でハイオクガソリンと同じ制御条件の下で燃焼を行うと、異常燃焼を回避するために、リタードが大きくなってトルクが低下するという問題がある。
レギュラーガソリンを用いた場合に、高負荷の運転領域でハイオクガソリンと同じ制御条件の下で燃焼を行うと、異常燃焼を回避するために、リタードが大きくなってトルクが低下するという問題がある。
燃料の違いによって出力するトルクに差が生じると、走行性能が悪化する。そのため、燃料が異なっても極力同じトルクが出力できるようにしたい。そこで、このエンジン1では、アクセルペダルをベタ踏みするような高負荷(いわゆる全開負荷)が要求された時に、レギュラーガソリンが用いられている場合には、ハイオクガソリンを用いた場合と同等のトルクが出力できるように、エンリッチ領域EAが別途設定されている。
図9に、温間時での、低オクタン価マップ601を用いて燃焼制御を行う時の制御マップ(改良制御マップ501N)を例示する。改良制御マップ501Nの構成は、エンリッチ領域EAが設定されている点を除けば、上述した制御マップと同じである。すなわち、改良制御マップ501Nも、第1制御マップ501と同じ構成からなる運転領域(ベース領域)を有している。
エンリッチ領域EAは、そのベース領域を更に高負荷側に拡大した領域である。エンリッチ領域EAは、ベース領域のうち、回転数の高低の全域にわたって、ベース領域での最高負荷を示す境界線に沿って設けられている。尚、高オクタン価マップ602を用いて燃焼制御を行う時には、第1制御マップ501が用いられる。従って、その制御マップには、エンリッチ領域EAは設けられていない。
エンリッチ領域EAでは、燃料の噴射量及び燃焼室に導入される空気量(新気量)が、ベース領域よりも増大される。このエンジン1では、レギュラーガソリンを用いて全開負荷のような高負荷で運転する時には、エンリッチ領域EAの下で燃焼制御を行う。そうすることで、ハイオクガソリンを用いた場合よりも燃料の噴射量は増大するが、レギュラーガソリンを用いた場合でも、ハイオクガソリンで最大負荷を出力する場合と同等のトルクが出力できる。
ところが、このエンジン1では、上述したように、適切なSPCCI燃焼を行うために、高負荷低回転領域を含む高負荷の運転領域では、前段噴射及び後段噴射の双方を圧縮行程で行う。すなわち、エンリッチ領域EAにおいても、ECU10は、図8に示したように、圧縮行程中の前段噴射801及び後段噴射802を行う。
圧縮行程での噴射は、圧縮上死点までの時間が短い。しかも、エンリッチ領域EAでは多量の燃料が噴射される。そのため、噴射された燃料を十分にミキシングすることができない。その結果、燃料の一部が、点火時期でも気化せずにピストン等に付着し、スモークが悪化するという問題が認められた。
そこで、このエンジン1では、この問題を解消するために、ECU10は、エンリッチ領域EAでは、圧縮行程での燃料噴射の噴射時期を、それよりも低負荷のベース領域よりも進角させる制御(圧縮行程噴射制御)を実行する。図10に、エンリッチ領域EA(例えば、図9に示すポイントP2)で行われる燃焼制御の一例を示す。
ポイントP2とポイントP1とでは、回転数は同じであるが、負荷はポイントP1よりもポイントP2の方が高い。ポイントP1では、図8に示したように、圧縮行程中の所定の時期で前段噴射801及び後段噴射802の双方が行われる。それに対し、ECU10が、圧縮行程噴射制御を実行することで、図10に示すように、前段噴射801及び後段噴射802の双方の噴射時期が進角される。
それにより、燃料の噴射終了時期から点火時期までの時間が増えるので、噴射された燃料のミキシングが促進される。その結果、スモークの悪化を抑制できる。尚、このとき、最も点火時期に近い、最後に行われる後段噴射802の噴射終了時期が重要である。後段噴射の最後に噴射された燃料が、最もスモークを発生し易いので、少なくとも後段噴射の噴射終了時期を進角させることで、スモークの悪化を効果的に抑制できる。
ECU10はまた、ポイントP1よりもポイントP2で、前段噴射及び後段噴射の双方の噴射量を増大させる。図示はしないが、ECU10はまた、燃料の噴射量に応じて、燃焼室に導入する空気量も増大させる。それにより、ポイントP2では、ポイントP1よりも高いトルクを出力できる。
エンジン1がポイントP1で運転する場合、ハイオクガソリンであれば要求されるトルクを出力できる。それに対し、レギュラーガソリンでは、燃焼条件の制限により要求されるトルクが出力できないおそれがある。その場合、運転に差が生じる。
それに対し、レギュラーガソリンである場合に、更にアクセルペダルが踏み込まれると、ECU10は、エンリッチ領域EAでの運転、ここではポイントP2での運転に切り換える。それにより、噴射する燃料量は増大するが、ハイオクガソリンと同等又はそれ以上のトルクを出力できる。ECU10はまた、その際、圧縮行程噴射制御を実行するので、スモークの悪化も抑制できる。従って、良好な運転が実現できる。
<オクタン価の異なる燃料での燃焼制御例>
図11に、オクタン価の異なる燃料をエンジン1に給油した時に、ECU10が行う燃焼制御の一例を示す。エンジン1に給油する燃料は、レギュラーガソリンであってもハイオクガソリンであってもよい。レギュラーガソリンにハイオクガソリンを継ぎ足すなどして、これら燃料が混合されていてもよい。
図11に、オクタン価の異なる燃料をエンジン1に給油した時に、ECU10が行う燃焼制御の一例を示す。エンジン1に給油する燃料は、レギュラーガソリンであってもハイオクガソリンであってもよい。レギュラーガソリンにハイオクガソリンを継ぎ足すなどして、これら燃料が混合されていてもよい。
ECU10は、エンジン1の運転状態を判定して、それに応じた燃焼制御を行うために、各種のセンサSW1−SW11から信号を読み込む(ステップS1)。ECU10はまた、燃料のオクタン価を検出し、その判定を行う(ステップS2)。例えば、このエンジン1には、筒内圧センサSW5が設置されているので、その計測信号に基づいて、現に燃焼されている燃料のオクタン価の値(検出値)が推定できる。混合された状態の燃料のオクタン価も検出できる。
ECU10のメモリには、予め、オクタン価の判定基準となる所定値(所定オクタン価、96ron)が格納されている。ECU10は、その所定値と検出値(検出されたオクタン価の値)とを比較する。そうすることにより、検出値が所定値よりも低いか否かを判定する(ステップS3)。
その結果、検出値が所定値よりも低いと判定した時(低オクタン価時)には(ステップS3でYes)、低オクタン価マップ601を選択する(ステップS4)。すなわち、燃焼に用いられている燃料のオクタン価が低いので、それに対応した条件により燃焼制御を行ってエンジン1を運転する(ステップS5)。
具体的には、燃料の噴射タイミングの設定には、第1噴射タイミングマップ601aが用いられ、スワールコントロール弁56の開度の設定には、第1SCVマップ601bが用いられる。吸気量及び排気量の制御には、第1S−VTマップ601cが用いられ、外部EGRシステムの制御には、第1外部EGRマップ601dが用いられ、内部EGRシステムの制御には、第1内部EGRマップ601eが用いられる。
第1噴射タイミングマップ601aには、上述したような、レギュラーガソリンに対応した、前段噴射及び後段噴射からなる燃料の噴射時期及び噴射量が設定されている。従って、ECU10は、第1噴射タイミングマップ601aに基づいて、前段噴射及び後段噴射の双方が圧縮行程で行われるように、インジェクタを制御する。
それにより、上述した高負荷低回転領域のように、異常燃焼が発生し易いために本来であればSPCCI燃焼が適切に行えない領域でも、レギュラーガソリンを用いて、適切なSPCCI燃焼を安定して実現できる。
その際、本実施形態でのECU10は、燃料の噴射圧も増大させる。従って、適切なSPCCI燃焼を、よりいっそう安定して実現できる。
一方、検出値が所定値以上と判定した時(高オクタン価時)には(ステップS3でNo)、高オクタン価マップ602を選択する(ステップS6)。すなわち、燃焼に用いられている燃料のオクタン価が高いので、それに対応した条件により燃焼制御を行ってエンジン1を運転する(ステップS7)。
具体的には、燃料の噴射タイミングの設定には、第2噴射タイミングマップ602aが用いられ、スワールコントロール弁56の開度の設定には、第2SCVマップ602bが用いられる。吸気量及び排気量の制御には、第2S−VTマップ602cが用いられ、外部EGRシステムの制御には、第2外部EGRマップ602dが用いられ、内部EGRシステムの制御には、第2内部EGRマップ602eが用いられる。
第2噴射タイミングマップ602aには、上述したような、ハイオクガソリンに対応した、前段噴射及び後段噴射からなる燃料の噴射時期及び噴射量が設定されている。従って、ECU10は、第2噴射タイミングマップ602aに基づいて、前段噴射は吸気行程で行われ、後段噴射は圧縮行程で行われるように、インジェクタを制御する。
上述した高負荷低回転領域のような異常燃焼が発生し易い領域でも、その他の領域と区別することなく、適切なSPCCI燃焼を安定して実現できる。制御条件を大幅に変更する必要がないので、円滑なエンジン1の運転を維持できる。
(圧縮行程噴射制御)
図12に、圧縮行程噴射制御の一例を示す。上述した燃焼制御において、検出値が所定値よりも低いと判定された時(低オクタン価時)には、ECU10は、エンジン1の運転領域が、エンリッチ領域EAであるか否かを判定している(ステップS10)。
図12に、圧縮行程噴射制御の一例を示す。上述した燃焼制御において、検出値が所定値よりも低いと判定された時(低オクタン価時)には、ECU10は、エンジン1の運転領域が、エンリッチ領域EAであるか否かを判定している(ステップS10)。
ECU10は、エンジンの運転領域がエンリッチ領域EAで無いと判定した場合には(ステップS10でNo)、上述したように、前段噴射及び後段噴射の双方の噴射時期を圧縮行程に保持し、また、燃料の噴射圧を増大させた状態で、燃焼制御を行う。
そして、ECU10は、エンジンの運転領域がエンリッチ領域EAであると判定した場合には(ステップS10でYes)、高オクタン価時の運転領域での最高負荷に相当するトルクが出力できるように、燃料の噴射量を増大させ、かつ、過給機を制御して燃焼室に導入する空気量を増大させる(ステップS11)。
その際、ECU10は、スモークの悪化が抑制されるように、圧縮行程噴射である前段噴射801及び後段噴射802の双方の噴射時期を、図10に示したように、進角させる(ステップS12)。尚、進角の程度は、第1噴射タイミングマップ601aに設定されている。
従って、このエンジン1の制御装置によれば、オクタン価の異なる燃料が給油でき、しかも良好な運転が実現できる。
なお、開示する技術は、上述した実施形態に限定されず、それ以外の種々の構成をも包含する。例えば、所定の燃料は、レギュラーガソリン及びハイオクガソリンに限らない。オクタン価の異なる燃料であれば適用できる。分割噴射も2回の噴射に限らない。3回以上であってもよい。
圧縮行程噴射は、そのほとんどが圧縮行程で噴射するものであればよく、噴射の開始時期が多少吸気行程に入り込んでいてもよい。この点、吸気行程噴射も同様である。噴射の終了時期が多少圧縮行程に入り込んでいてもよい。
オクタン価の検出は、上述した方法に限定されない。例えば、燃料供給システムに設置したセンサでオクタン価を検出する時などでは、検出値の逆数で判定してもよい。この場合、検出値が低い時にオクタン価が高いと判定し、検出値が高い時にオクタン価が低いと判定することになる。
1 エンジン
10 ECU(制御部)
11 シリンダ
17 燃焼室
25 点火プラグ
56 スワールコントロール弁
6 インジェクタ
SW5 筒内圧センサ(オクタン価検出手段)
10 ECU(制御部)
11 シリンダ
17 燃焼室
25 点火プラグ
56 スワールコントロール弁
6 インジェクタ
SW5 筒内圧センサ(オクタン価検出手段)
Claims (6)
- 燃焼室の中に所定の燃料を噴射するインジェクタと、前記燃料によって前記燃焼室の中に形成される混合気に点火する点火プラグとを具備し、前記点火プラグの点火により、混合気の一部を火炎伝播を伴う燃焼によって燃焼させた後、残りの未燃混合気を自己着火によって燃焼させるエンジンの制御装置であって、
前記燃料のオクタン価の検出が可能なオクタン価検出手段と、
前記オクタン価検出手段によって検出される検出値を入力するとともに、前記点火プラグ及び前記インジェクタの各々を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部が、検出されたオクタン価の値が所定値よりも低いと判定された低オクタン価時に、燃料の噴射量を、検出されたオクタン価の値が前記所定値以上と判定された高オクタン価時よりも増大させるとともに、圧縮行程で行われる燃料噴射の噴射時期を、進角させる圧縮行程噴射制御を実行するエンジンの制御装置。 - 請求項1に記載のエンジンの制御装置において、
吸気行程及び圧縮行程の期間内で燃料噴射が複数回行われ、これら燃料噴射のうち、少なくとも最後の燃料噴射で前記圧縮行程噴射制御が実行されるエンジンの制御装置。 - 請求項2に記載のエンジンの制御装置において、
前記燃料噴射が、前段噴射及び後段噴射の2回からなり、
前記高オクタン価時は、前記前段噴射が吸気行程で行われ、前記後段噴射が圧縮行程で行われ、
前記低オクタン価時は、前記前段噴射及び前記後段噴射の双方が圧縮行程で行われるエンジンの制御装置。 - 請求項1〜3のいずれか1項に記載のエンジンの制御装置において、
前記低オクタン価時に、圧縮行程で行われる燃料噴射に関して、その噴射圧を、前記高オクタン価時よりも増大させるエンジンの制御装置。 - 請求項1〜4のいずれか1項に記載のエンジンの制御装置において、
前記低オクタン価時に前記エンジンが運転する運転領域が、前記高オクタン価時に前記エンジンが運転する運転領域と同じ領域からなるベース領域とともに、当該ベース領域を高負荷側に拡大したエンリッチ領域を有し、
前記圧縮行程噴射制御が、前記エンリッチ領域で実行されるエンジンの制御装置。 - 請求項5に記載のエンジンの制御装置において、
前記エンジンが、前記燃焼室に導入するガスの圧力を高める過給機を更に具備し、
前記エンリッチ領域では、前記制御部が、前記燃料の噴射量を前記ベース領域よりも増大させるとともに、前記過給機を作動させて前記燃焼室に導入する空気量を前記ベース領域よりも増大させるエンジンの制御装置。
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