JP2023053505A - エンジンの制御方法、及び、エンジンシステム - Google Patents
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Abstract
【課題】目標とする筒内状態を精度良く形成して、過渡時における圧縮自己着火燃焼を安定させる。【解決手段】エンジン1の制御方法は、コントローラー(ECU10)が、現時点のアクセル開度に基づき、現時点に対して、所定のディレイ時間未来の特定サイクルにおける目標トルクを設定し(B1)、コントローラーが、特定サイクルにおける燃焼を、火炎伝播燃焼と、圧縮自己着火燃焼と、から事前に選択し(B2)、コントローラーが、特定サイクルにおける気筒内の状態量が選択された燃焼に対応する状態量となるよう、特定サイクルよりも前に、状態量調整デバイスへ制御信号を出力し(B3)、コントローラーが、特定サイクルにおいて吸気弁21が閉弁したタイミングでの状態量を推定し(B4)、コントローラーが、推定された状態量に対応する制御信号を、点火プラグ又はインジェクタ6へ出力する(B5)。【選択図】図15
Description
ここに開示された技術は、エンジンの制御方法、及び、エンジンシステムに関する技術分野に属する。
従来より、圧縮自己着火燃焼(以下、CI(Compression Ignition)燃焼)により、エンジンの熱効率が向上することが知られている。
例えば、特許文献1には、エンジンの一部の運転状態において、点火プラグを用いたSI(Spark Ignition)燃焼とCI燃焼とを組み合わせたSPCCI(Spark Controlled Compression Ignition)燃焼をするエンジンシステムが開示されている。このエンジンシステムは、エンジンの運転状態がSPCCI燃焼をする運転状態以外の運転状態であるときには、SI燃焼する。この特許文献1のエンジンは、エンジン負荷が変化すると、燃焼形態を切り替えるように構成されている。尚、SI燃焼において、混合気は、点火後、火炎伝播により燃焼するため、以下において、SI燃焼と、火炎伝播燃焼とは、同義とする。
ところで、CI燃焼は、筒内状態量に大きく影響される。例えばドライバがアクセルペダルを踏んだ過渡時など、筒内状態量が大きく変化するときには、目標とする筒内状態量(筒内温度、EGR率など)が適切に形成されず、着火時期が遅くなって燃焼安定性が低下したり、着火時期が早くなって燃焼騒音が増大したりするおそれがある。
ここに開示された技術は斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、目標とする筒内状態を精度良く形成して、過渡時における圧縮自己着火燃焼を安定させることにある。
前記課題を解決するために、ここに開示されたエンジンの制御方法では、
アクセル操作検出器からの検出信号を受けたコントローラーが、現時点のアクセル開度に基づき、現時点に対して、所定のディレイ時間未来の特定サイクルにおけるエンジンの目標トルクを設定し、
前記コントローラーが、前記目標トルクに応じて、前記特定サイクルにおける燃焼を、点火プラグを使って気筒内の燃料を強制点火させる火炎伝播燃焼と、前記点火プラグを使わずに前記気筒内の燃料を圧縮自己着火させる圧縮自己着火燃焼と、から事前に選択し、
前記コントローラーが、前記特定サイクルにおける前記気筒内の状態量が選択された燃焼に対応する状態量となるよう、前記特定サイクルよりも前に、状態量調整デバイスへ制御信号を出力し、
前記コントローラーが、前記特定サイクルにおいて吸気弁が閉弁したタイミングでの状態量を、前記特定サイクルにおいて計測されたセンサ信号に基づいて推定し、
前記コントローラーが、事前に選択された燃焼が前記特定サイクルにおいて実現するように、推定された前記状態量に対応する制御信号を、前記点火プラグ又はインジェクタへ出力する、という構成とした。
アクセル操作検出器からの検出信号を受けたコントローラーが、現時点のアクセル開度に基づき、現時点に対して、所定のディレイ時間未来の特定サイクルにおけるエンジンの目標トルクを設定し、
前記コントローラーが、前記目標トルクに応じて、前記特定サイクルにおける燃焼を、点火プラグを使って気筒内の燃料を強制点火させる火炎伝播燃焼と、前記点火プラグを使わずに前記気筒内の燃料を圧縮自己着火させる圧縮自己着火燃焼と、から事前に選択し、
前記コントローラーが、前記特定サイクルにおける前記気筒内の状態量が選択された燃焼に対応する状態量となるよう、前記特定サイクルよりも前に、状態量調整デバイスへ制御信号を出力し、
前記コントローラーが、前記特定サイクルにおいて吸気弁が閉弁したタイミングでの状態量を、前記特定サイクルにおいて計測されたセンサ信号に基づいて推定し、
前記コントローラーが、事前に選択された燃焼が前記特定サイクルにおいて実現するように、推定された前記状態量に対応する制御信号を、前記点火プラグ又はインジェクタへ出力する、という構成とした。
すなわち、この技術は、ドライバがアクセル操作を行うことと、アクセル操作に応答してエンジンのトルクを変化させることとの間に、所定のディレイ時間が設けられていることを利用している。アクセル操作に対する車両挙動の応答を遅らせることによって、ドライバは、アクセルを操作してから加速に備えて姿勢を正すことができ、車両の急な動きによる負担がドライバに作用することが抑制できる。これにより、加速時にドライバに違和感を与えにくくなり、ドライバビリティが向上する。
前記の制御方法において、コントローラーは、アクセル操作検出器からの検出信号を受け、現時点のアクセル開度に基づいて、エンジンの目標トルクを設定する。目標トルクは、現時点に対して、所定のディレイ時間未来の特定サイクルにおける目標トルクである。これにより、アクセル操作に対して、車両挙動が、適切な遅れを持って応答する。
特定サイクルにおける目標トルクが設定されれば、コントローラーは、その目標トルクに応じて、特定サイクルにおける燃焼を、火炎伝播燃焼と、圧縮自己着火燃焼とから事前に選択する。例えば、トルクに対応するエンジン負荷と、当該エンジン負荷に対応する燃焼形態との関係を予め設定しておいて、コントローラーは、当該関係に基づいて、特定サイクルにおける燃焼を選択してもよい。
コントローラーは、特定サイクルよりも前に、状態量調整デバイスへ制御信号を出力する。コントローラーが制御信号を出力してから、気筒内の状態量が所望の状態量へ変化するまでの応答時間は比較的長い。コントローラーが、事前に、状態量調整デバイスへ制御信号を出力することによって、特定サイクルに至った際の気筒内の状態量は、選択された燃焼に対応する状態量になっている、又は、選択された燃焼に対応する状態量に近づいている。
コントローラーは、特定サイクルにおいて計測されたセンサ信号に基づいて、当該特定サイクルにおいて吸気弁が閉弁したタイミングでの状態量を推定する。コントローラーは、特定サイクルにおける気筒内の状態量が、選択された燃焼に対応する状態量になっているか、又は、選択された燃焼に対応する状態量からずれているかを判断できる。
コントローラーは、推定された状態量に対応する制御信号を、点火プラグ又はインジェクタへ出力する。特定サイクルにおいて火炎伝播燃焼が行われる場合、点火プラグの点火タイミング、及び/又は、インジェクタの噴射タイミング又は噴射量が、気筒内の状態量に応じて調整される。このことによって、特定サイクルにおける火炎伝播燃焼が最適化される。また、特定サイクルにおいて圧縮自己着火燃焼が行われる場合、インジェクタの噴射タイミング又は噴射量が、気筒内の状態量に応じて調整される。このことによって、特定サイクルにおける圧縮自己着火燃焼が最適化される。
従って、この制御方法によると、未来のサイクルにおける目標の状態量を事前に設定することによって、コントローラーが状態量調整デバイスへ事前に制御信号を出力することができるから、特定サイクルにおける気筒内の状態量を目標の状態量にすることができる。エンジンの目標トルクが時々刻々と変化する過渡時においても、各サイクルにおける気筒内の状態量が、目標トルクに対応する目標の状態量になる。過渡時において圧縮自己着火燃焼が行われる場合も、燃焼が安定化する。
また、特定サイクルにおける気筒内の状態量が目標の状態量からずれていても、当該特定サイクルにおける、点火プラグの点火タイミング、及び/又は、インジェクタの噴射タイミング又は噴射量が、状態量に応じて調整される。この調整によって、特定サイクルにおける火炎伝播燃焼、又は、圧縮自己着火燃焼が最適化される。このこともまた、過渡時における圧縮自己着火燃焼の安定化に寄与する。
前記コントローラーは、事前の燃焼選択を、気筒毎に行う、としてもよい。
複数の気筒を有する多気筒エンジンにおいて、目標トルクが変化する過渡時には、気筒毎に目標トルクが異なる。コントローラーが、気筒毎に、燃焼を選択することによって、過渡時における各気筒の燃焼が、目標トルクに対応する。
前記コントローラーは、前記特定サイクルよりも前に、スロットル弁、可変動弁機構、及び、EGR弁のうちの少なくとも一のデバイスへ制御信号を出力する、としてもよい。
これらの状態量調整デバイスは、コントローラーからの制御信号を受けてから、目標の開度又は目標の位置まで変化するまでのデバイスの応答時間が長いと共に、これらのデバイスが目標の開度又は目標の位置まで変化した後、気筒内の状態量が目標の状態量に至るまでの応答時間が長い。コントローラーが、これらのデバイスへ、事前に制御信号を出力することによって、特定サイクルにおける状態量を、目標の状態量にする、又は、目標の状態量に近づけることができる。
前記コントローラーは、前記特定サイクルにおいて前記吸気弁が閉弁する前に、前記吸気弁が閉弁したタイミングでの状態量を推定する、としてもよい。
吸気弁が閉弁する前に状態量が推定されることによって、コントローラーは、当該状態量に対応する制御信号を、例えばインジェクタに対する制御信号を、吸気弁が閉弁する前であっても出力できる。気筒内の状態量が目標の状態量からずれていても、前述したように、燃料の噴射タイミング又は噴射量が調整されることによって、燃焼が最適化される。
前記コントローラーは、前記吸気弁が閉弁したタイミングでの前記気筒内の温度を少なくとも推定して、少なくとも前記インジェクタへ制御信号を出力する、としてもよい。
圧縮自己着火燃焼は、気筒内の温度の影響を強くうける。つまり、温度が高いと燃料は圧縮自己着火しやすく、温度が低いと燃料は圧縮自己着火しにくい。気筒内の温度に応じて、例えば圧縮行程中の、気筒内への燃料の噴射量及び/噴射タイミングが調整されると、圧縮自己着火が促進又は抑制できる。特定サイクルにおける圧縮着火燃焼が最適化される。
ここに開示する技術は、車両に搭載され、インジェクタと、点火プラグと、状態量調整デバイスとを有するエンジンを備えたエンジンシステムに係る。このエンジンシステムは、
前記車両のアクセルペダルの操作を検出するアクセル操作検出器と、
前記アクセル操作検出器からの検出信号に基づいて、前記インジェクタ、前記点火プラグ、前記状態量調整デバイスのそれぞれへ、制御信号を出力するコントローラーと、を更に備え、
前記エンジンは、前記インジェクタから気筒内に噴射された燃料を、前記点火プラグを使って強制点火させる火炎伝播燃焼と、前記インジェクタから前記気筒内に噴射された燃料を、前記点火プラグを使わずに圧縮自己着火させる圧縮自己着火燃焼と、を選択的に実行し、
前記コントローラーは、
前記アクセル操作検出器からの検出信号を受けかつ、現時点のアクセル開度に基づき、現時点に対して、所定のディレイ時間未来の特定サイクルにおけるエンジンの目標トルクを設定する処理と、
前記目標トルクに応じて、前記特定サイクルにおける燃焼を、前記火炎伝播燃焼と前記圧縮自己着火燃焼とから事前に選択する処理と、
前記特定サイクルにおける前記気筒内の状態量が前記選択された燃焼に対応する状態量となるよう、前記特定サイクルよりも前に、前記状態量調整デバイスへ制御信号を出力する処理と、
前記特定サイクルにおいて吸気弁が閉弁したタイミングでの状態量を、前記特定サイクルにおいて計測されたセンサ信号に基づいて推定する処理と、
事前に選択された燃焼が前記特定サイクルにおいて実現するように、推定された前記状態量に対応する制御信号を、前記点火プラグ又は前記インジェクタへ制御信号を出力する処理と、を実行する。
前記車両のアクセルペダルの操作を検出するアクセル操作検出器と、
前記アクセル操作検出器からの検出信号に基づいて、前記インジェクタ、前記点火プラグ、前記状態量調整デバイスのそれぞれへ、制御信号を出力するコントローラーと、を更に備え、
前記エンジンは、前記インジェクタから気筒内に噴射された燃料を、前記点火プラグを使って強制点火させる火炎伝播燃焼と、前記インジェクタから前記気筒内に噴射された燃料を、前記点火プラグを使わずに圧縮自己着火させる圧縮自己着火燃焼と、を選択的に実行し、
前記コントローラーは、
前記アクセル操作検出器からの検出信号を受けかつ、現時点のアクセル開度に基づき、現時点に対して、所定のディレイ時間未来の特定サイクルにおけるエンジンの目標トルクを設定する処理と、
前記目標トルクに応じて、前記特定サイクルにおける燃焼を、前記火炎伝播燃焼と前記圧縮自己着火燃焼とから事前に選択する処理と、
前記特定サイクルにおける前記気筒内の状態量が前記選択された燃焼に対応する状態量となるよう、前記特定サイクルよりも前に、前記状態量調整デバイスへ制御信号を出力する処理と、
前記特定サイクルにおいて吸気弁が閉弁したタイミングでの状態量を、前記特定サイクルにおいて計測されたセンサ信号に基づいて推定する処理と、
事前に選択された燃焼が前記特定サイクルにおいて実現するように、推定された前記状態量に対応する制御信号を、前記点火プラグ又は前記インジェクタへ制御信号を出力する処理と、を実行する。
この構成によると、コントローラーが、未来の特定サイクルにおける目標の状態量を事前に設定しかつ、状態量調整デバイスへ事前に制御信号を出力するから、特定サイクルにおける気筒内の状態量を目標の状態量にすることができる。過渡時における各サイクルでの気筒内の状態量が目標の状態量になるから、過渡時において圧縮自己着火燃焼が行われる場合も、燃焼が安定化する。
また、特定サイクルにおける気筒内の状態量が目標の状態量からずれていても、当該特定サイクルにおける、点火プラグの点火タイミング、及び/又は、インジェクタの噴射タイミング又は噴射量が調整されることによって、特定サイクルにおける火炎伝播燃焼、又は、圧縮自己着火燃焼が最適化される。このこともまた、過渡時における圧縮自己着火燃焼の安定化に寄与する。
以上説明したように、ここに開示された技術によると、目標とする筒内状態を精度良く形成することができるため、過渡時における圧縮自己着火燃焼を安定させることができる。
以下、エンジンの制御方法及びエンジンシステムの実施形態が、図面を参照しながら説明される。ここで説明されるエンジンシステムは例示である。
図1は、エンジンシステムを例示する図である。図2は、エンジンの燃焼室の構造を例示する図である。図1における吸気側と排気側との位置と、図2における吸気側と排気側との位置とは、入れ替わっている。図3は、エンジンのコントローラーを例示するブロック図である。
エンジンシステムEは、四輪の自動車に搭載されている。エンジンシステムEは、エンジン1と、エンジン1を制御するコントローラーとを備えている。コントローラーは、後述するECU(Engine Control Unit)10である。
エンジン1は、気筒11を有している。気筒11の中で、吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程が繰り返される。エンジン1は、4ストロークエンジンである。エンジン1が運転することによって自動車は走行する。エンジン1の燃料は、この構成例においてはガソリンである。エンジン1は、少なくとも一部の運転領域において、混合気が自着火により燃焼するよう構成してもよい。
(エンジンの構成)
エンジン1は、シリンダーブロック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、シリンダーブロック12の上に載置される。シリンダーブロック12に、複数の気筒11が形成されている。エンジン1は、4つの気筒11を有する多気筒エンジンである。一例としてエンジン1は、第1気筒、第2気筒、第3気筒及び第4気筒の4つの気筒が、一列に並んでいる。4つの気筒11は、第1気筒、第3気筒、第4気筒、第2気筒の順番に燃焼する。尚、図1では、一つの気筒11のみを示す。
エンジン1は、シリンダーブロック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、シリンダーブロック12の上に載置される。シリンダーブロック12に、複数の気筒11が形成されている。エンジン1は、4つの気筒11を有する多気筒エンジンである。一例としてエンジン1は、第1気筒、第2気筒、第3気筒及び第4気筒の4つの気筒が、一列に並んでいる。4つの気筒11は、第1気筒、第3気筒、第4気筒、第2気筒の順番に燃焼する。尚、図1では、一つの気筒11のみを示す。
各気筒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、気筒11及びシリンダヘッド13は、燃焼室17を形成する。図2に示すように、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の上面の中央部に位置している。
エンジンシステムEの幾何学的圧縮比は、理論熱効率の向上を目的として高く設定されている。具体的に、エンジンシステムEの幾何学的圧縮比は、15以上で、例えば20以下に設定されている。後述するように、このエンジンシステムEでは、一部の運転領域において、混合気が、圧縮着火燃焼する。比較的高い幾何学的圧縮比は、圧縮着火燃焼を安定化させる。
シリンダヘッド13には、気筒11毎に、吸気ポート18が形成されている。吸気ポート18は、気筒11内に連通している。
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、吸気ポート18を開閉する。吸気弁21は、ポペットバルブである。動弁機構は、吸気カムシャフトを有しかつ、吸気弁21に機械的に接続されている。動弁機構は、吸気弁21を所定のタイミングで開閉する。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である。図3に示すように、動弁機構は、吸気S-VT(Sequential-Valve Timing)231を有している。吸気S-VT231は、吸気カムシャフトの、クランクシャフト15に対する回転位相を、所定の角度範囲内で連続的に変更する。吸気弁21の開弁期間は変化しない。吸気S-VT231は、可変位相機構である。吸気S-VT231は、電動式又は油圧式である。
動弁装置はまた、吸気CVVL(Continuously Variable Valve Lift)232を有している。吸気CVVL232は、吸気弁21のリフト量を、所定の範囲内で連続的に変更できる。吸気CVVL232は、公知の様々な構成を採用できる。一例として、特開2007-85241号公報に記載されているように、吸気CVVL232は、リンク機構と、コントロールアームと、ステッピングモータとを備えて構成できる。リンク機構は、吸気弁21を駆動するためのカムを、カムシャフトの回転と連動して往復揺動運動させる。コントロールアームは、リンク機構のレバー比を可変的に設定する。リンク機構のレバー比が変わると、吸気弁21を押し下げるカムの揺動量が変わる。ステッピングモータは、コントロールアームを電気的に駆動することによってカムの揺動量を変更し、それによって、吸気弁21のリフト量を変更する。
シリンダヘッド13には、気筒11毎に、排気ポート19が形成されている。排気ポート19は、気筒11内に連通している。
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、排気ポート19を開閉する。排気弁22は、ポペットバルブである。動弁機構は、排気カムシャフトを有しかつ、排気弁22に機械的に接続されている。動弁機構は、排気弁22を所定のタイミングで開閉する。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である。図3に示すように、動弁機構は、排気S-VT241を有している。排気S-VT241は、排気カムシャフトの、クランクシャフト15に対する回転位相を、所定の角度範囲内で連続的に変更する。排気弁22の開弁期間は変化しない。排気S-VT241は、可変位相機構である。排気S-VT241は、電動式又は油圧式である。
動弁装置はまた、排気VVL(Variable Valve Lift)242を有している。排気VVL242は、図示は省略するが、排気弁22を開閉するカムを切り替え可能に構成されている。排気VVL242は、公知の様々な構成を採用できる。一例として、特開2018-168796公報に記載されているように、排気VVL242は、第1のカムと、第2のカムと、第1のカムと第2のカムとを切り替える切り替え機構と、を有している。第1のカムは、排気行程において、排気弁22を開閉するよう構成されている。第2のカムは、排気行程において、排気弁22を開閉すると共に、吸気行程において、排気弁22を再び開閉するよう構成されている。尚、第2のカムは、排気行程において、排気弁22を開けた後、排気弁22の開弁を、吸気行程まで維持するよう構成されてもよい。排気VVL242は、排気弁22を、第1のカムと第2のカムとのいずれか一方によって開閉することにより、排気弁22のリフトを変更できる。
吸気S-VT231、吸気CVVL232、排気S-VT241、及び、排気VVL242は、吸気弁21及び排気弁22の開閉を制御することによって、気筒11内への空気の導入量、及び、既燃ガスの導入量(内部EGRの量)を調節する。
シリンダヘッド13には、気筒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、気筒11の中に燃料を直接噴射する。
インジェクタ6は、気筒11の中に燃料を直接噴射する。インジェクタ6は、詳細な図示は省略するが、複数の噴口を有する多噴口型である。インジェクタ6は、図2に二点鎖線で示すように、気筒11の中央部から周辺部に向かって、放射状に広がるように燃料を噴射する。図2の下図に示すように、インジェクタ6の噴口の軸は、気筒11の中心軸Xに対して、所定の角度θを有している。尚、インジェクタ6は、図例では、周方向に等角度に配置された十個の噴口を有しているが、噴口の数、及び、配置は特に制限されない。
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、燃料を貯留するよう構成された燃料タンク63と、燃料タンク63とインジェクタ6とを互いに連結する燃料供給路62とを備えている。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に燃料を圧送する。コモンレール64は、燃料ポンプ65から圧送された燃料を、高い燃料圧力で蓄える。インジェクタ6が開弁すると、コモンレール64に蓄えられていた燃料が、インジェクタ6の噴口から気筒11の中に噴射される。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。
シリンダヘッド13には、気筒11毎に、第1点火プラグ251及び第2点火プラグ252が取り付けられている。第1点火プラグ251及び第2点火プラグ252はそれぞれ、気筒11の中の混合気に強制的に点火をする。尚、点火プラグは、一つでもよい。第1点火プラグ251は、気筒11の中心軸Xよりも吸気側に配置され、第2点火プラグ252は、中心軸Xよりも排気側に配置されている。第1点火プラグ251と第2点火プラグ252とは、対向するように配置されている。
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、各気筒11の吸気ポート18に連通している。気筒11に導入される空気は、吸気通路40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。エアクリーナー41は、空気を濾過する。吸気通路40の下流端近傍には、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、気筒11毎に分岐する独立吸気通路を構成している。独立吸気通路の下流端が、各気筒11の吸気ポート18に接続されている。
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、弁の開度を調節することによって、気筒11の中への空気の導入量を調節する。
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、各気筒11の排気ポート19に連通している。排気通路50は、気筒11から排出された排気ガスが流れる通路である。排気通路50の上流部分は、詳細な図示は省略するが、気筒11毎に分岐する独立排気通路を構成している。独立排気通路の上流端が、各気筒11の排気ポート19に接続されている。
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。上流の触媒コンバーターは、例えば三元触媒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るものではない。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に還流させるための通路である。EGR通路52の上流端は、排気通路50における上流の触媒コンバーターと下流の触媒コンバーターとの間に接続されている。EGR通路52の下流端は、吸気通路40におけるスロットル弁43とサージタンク42との間に接続されている。
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の開度が調節されると、外部EGRガスの還流量が調節される。
エンジンシステムEは、図3に示すように、エンジン1を運転するためのECU(Engine Control Unit)10を備えている。ECU10は、周知のマイクロコンピュータをベースとするコントローラーである。ECU10は、プログラムを実行する中央演算処理装置(Central Processing Unit:CPU)101と、例えばRAM(Random Access Memory)やROM(Read Only Memory)により構成されてプログラム及びデータを格納するメモリ102と、電気信号の入出力をするI/F回路103と、を備えている。ECU10は、コントローラーの一例である。
ECU10には、図1及び図3に示すように、各種のセンサSW1~SW13が電気的に接続されている。センサSW1~SW13は、信号をECU10へ出力する。センサには、以下のセンサが含まれる。
・エアフローセンサSW1:吸気通路40におけるエアクリーナー41の下流に配置されかつ、吸気通路40を流れる空気の流量を計測する。
・吸気温度センサSW2:吸気通路40におけるエアクリーナー41の下流に配置されかつ、吸気通路40を流れる空気の温度を計測する。
・吸気圧センサSW3:サージタンク42に取り付けられかつ、気筒11に導入される空気の圧力を計測する。
・筒内圧センサSW4:各気筒11に対応してシリンダヘッド13に取り付けられかつ、各気筒11内の圧力を計測する。
・水温センサSW5:エンジン1に取り付けられかつ、冷却水の温度を計測する。
・クランク角センサSW6:エンジン1に取り付けられかつ、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SW7:アクセルペダル機構に取り付けられかつ、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SW8:エンジン1に取り付けられかつ、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SW9:エンジン1に取り付けられかつ、排気カムシャフトの回転角を計測する。
・吸気カムリフトセンサSW10:エンジン1に取り付けられかつ、吸気弁21のリフト量を計測する。
・リニアO2センサSW11:排気通路50に取り付けられかつ、排気ガス中の酸素濃度を計測する。
・燃圧センサSW12:コモンレール64に取り付けられかつ、インジェクタ6を通じて気筒11内へ噴射される燃料の圧力を計測する。
・ギヤ段センサSW13:不図示のトランスミッションやシフトレバーに取り付けられ、現在のギヤ段を計測する。
・エアフローセンサSW1:吸気通路40におけるエアクリーナー41の下流に配置されかつ、吸気通路40を流れる空気の流量を計測する。
・吸気温度センサSW2:吸気通路40におけるエアクリーナー41の下流に配置されかつ、吸気通路40を流れる空気の温度を計測する。
・吸気圧センサSW3:サージタンク42に取り付けられかつ、気筒11に導入される空気の圧力を計測する。
・筒内圧センサSW4:各気筒11に対応してシリンダヘッド13に取り付けられかつ、各気筒11内の圧力を計測する。
・水温センサSW5:エンジン1に取り付けられかつ、冷却水の温度を計測する。
・クランク角センサSW6:エンジン1に取り付けられかつ、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SW7:アクセルペダル機構に取り付けられかつ、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SW8:エンジン1に取り付けられかつ、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SW9:エンジン1に取り付けられかつ、排気カムシャフトの回転角を計測する。
・吸気カムリフトセンサSW10:エンジン1に取り付けられかつ、吸気弁21のリフト量を計測する。
・リニアO2センサSW11:排気通路50に取り付けられかつ、排気ガス中の酸素濃度を計測する。
・燃圧センサSW12:コモンレール64に取り付けられかつ、インジェクタ6を通じて気筒11内へ噴射される燃料の圧力を計測する。
・ギヤ段センサSW13:不図示のトランスミッションやシフトレバーに取り付けられ、現在のギヤ段を計測する。
ECU10は、これらのセンサSW1~SW13の信号に基づいて、エンジン1の運転状態を判断すると共に、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。制御ロジックは、メモリ102に記憶しているマップを用いて、目標量及び/又は制御量を演算することを含む。
ECU100は、演算をした制御量に係る電気信号を、インジェクタ6、第1点火プラグ251、第2点火プラグ252、吸気S-VT231、吸気CVVL232、排気S-VT241、排気VVL242、燃料供給システム61、スロットル弁43、及び、EGR弁54に出力する。
(エンジンの運転制御マップ)
図4は、エンジン1の制御に係るベースマップを例示している。ベースマップは、ECU10のメモリ102に記憶されている。ベースマップは、第1ベースマップ401、及び、第2ベースマップ402を含んでいる。ECU10は、エンジン1の冷却水温の高低やギヤ段等に応じて、二種類のベースマップの中から選択したマップを、エンジン1の制御に用いる。第1ベースマップ401は、エンジン1の、いわば冷間時のベースマップである。第2ベースマップ402は、エンジン1の温間時のベースマップである。
図4は、エンジン1の制御に係るベースマップを例示している。ベースマップは、ECU10のメモリ102に記憶されている。ベースマップは、第1ベースマップ401、及び、第2ベースマップ402を含んでいる。ECU10は、エンジン1の冷却水温の高低やギヤ段等に応じて、二種類のベースマップの中から選択したマップを、エンジン1の制御に用いる。第1ベースマップ401は、エンジン1の、いわば冷間時のベースマップである。第2ベースマップ402は、エンジン1の温間時のベースマップである。
後述するように、第2ベースマップ402は、圧縮自己着火燃焼が設定されたマップである。水温が所定以上である場合、ECU10は、第2ベースマップ402を選択できる。水温が所定未満である場合、ECU10は、第2ベースマップ402を選択できない。水温が低いと、圧縮自己着火燃焼が不安定だからである。また、変速機のギヤ段が高速段である場合、ECU10は、第2ベースマップ402を選択できる。変速機のギヤ段が低速段である場合、ECU10は、第2ベースマップ402を選択できない。圧縮自己着火燃焼は、燃焼音が相対的に高いため、変速機のギヤ段が高速段であって車速が比較的高い場合に限って、圧縮自己着火燃焼が実行される。
尚、図4の上図及び下図において、縦軸は、厳密には図示平均有効圧力(IMEP:Indicated Mean Effective Pressure)であるが、図示平均有効圧力は、燃焼によるガス圧を平均化したものであって、エンジン負荷に相当するものであるため、特に問題にはならない。
第1ベースマップ401及び第2ベースマップ402は、エンジン1の負荷及び回転数によって規定されている。第1ベースマップ401は、負荷の高低及び回転数の高低に対して大別して、第1領域、第2領域、及び第3領域の三つの領域に分かれる。より詳細に、第1領域は、負荷方向については、アイドル運転を含む低負荷領域から中負荷領域までを含み、回転方向については、低回転領域から高回転領域まで全体に広がる低中負荷領域411に相当する。第2領域は、第1領域内の領域であり、負荷方向については、中負荷領域を含み、回転方向については、中回転領域である中負荷中回転領域412に相当する。第3領域は、負荷方向については、最大負荷を含む高負荷領域を含み、回転方向については、低回転領域から高回転領域までの全体に広がる高負荷領域413に相当する。
第2ベースマップ402は、負荷の高低及び回転数の高低に対して大別して、第1領域及び第2領域の二つの領域に分かれる。より詳細に、第1領域は、負荷方向については、低負荷領域を含み、回転方向については、低回転領域から中回転領域に広がる低負荷低中回転領域421に相当する。第2領域は、負荷方向については、中負荷領域を含み、回転方向については、低回転領域から中回転領域に広がる中負荷低中回転領域422に相当する。第2ベースマップ402の低負荷低中回転領域421及び中負荷低中回転領域422は共に、図4の上図に破線で示すように、第1ベースマップ401の低中負荷領域411及び中負荷中回転領域412に重なる。
ここで、低負荷領域、中負荷領域、及び、高負荷領域はそれぞれ、エンジン1の全運転領域を負荷方向に、低負荷領域、中負荷領域及び高負荷領域の略三等分にしたときの、低負荷領域、中負荷領域、及び、高負荷領域としてもよい。
また、低回転領域、中回転領域、及び、高回転領域はそれぞれ、エンジン1の全運転領域を回転数方向に、低回転領域、中回転領域及び高回転領域の略三等分にしたときの、低回転領域、中回転領域、及び、高回転領域としてもよい。
(エンジンの燃焼形態)
次に、各領域におけるエンジン1の運転について詳細に説明をする。ECU10は、エンジン1に対する要求負荷、エンジン1の回転数、冷却水の水温、及びギヤ段等に応じて、吸気弁21及び排気弁22の開閉動作、燃料の噴射タイミング、及び点火の有無を変える。まず、ECU10は、目標トルクから目標IMEP(又は要求負荷)を設定する。そして、ECU10は、目標IMEP及びエンジン1の回転数を、第1ベースマップ401又は第2ベースマップ402に当てはめ、燃焼形態を決定する。そして、決定した燃焼形態に応じて、吸気弁21及び排気弁22の開閉動作、燃料の噴射タイミング、及び点火の有無を変えることによって、気筒11内の混合気の燃焼形態を換える。
次に、各領域におけるエンジン1の運転について詳細に説明をする。ECU10は、エンジン1に対する要求負荷、エンジン1の回転数、冷却水の水温、及びギヤ段等に応じて、吸気弁21及び排気弁22の開閉動作、燃料の噴射タイミング、及び点火の有無を変える。まず、ECU10は、目標トルクから目標IMEP(又は要求負荷)を設定する。そして、ECU10は、目標IMEP及びエンジン1の回転数を、第1ベースマップ401又は第2ベースマップ402に当てはめ、燃焼形態を決定する。そして、決定した燃焼形態に応じて、吸気弁21及び排気弁22の開閉動作、燃料の噴射タイミング、及び点火の有無を変えることによって、気筒11内の混合気の燃焼形態を換える。
図4に示すように、このエンジン1は、燃焼形態を、HCCI燃焼、MPCI燃焼、SPCCI燃焼、第1SI燃焼、及び第2SI燃焼に変える。HCCI(Homogeneous Charged Compression Ignition:均質予混合圧縮着火)燃焼、及び、MPCI燃焼は、圧縮自己着火燃焼(CI燃焼)に含まれる。第1SI燃焼、及び、第2SI燃焼は、火炎伝播燃焼(SI燃焼)に含まれる。SPCCI燃焼は、部分圧縮着火燃焼に含まれ、広義には、火炎伝播燃焼(SI燃焼)に含まれる。
図5は、加速時などの過渡時における要求負荷の変化を示している。図5に示す白丸501~505は、図4の白丸501~505に対応している。ここでは、エンジン1の回転数は一定であり、水温はHCCI燃焼及びMPCI燃焼を選択可能な温度であり、ギヤ段はHCCI燃焼及びMPCI燃焼を選択可能なギヤ段であるとする。
白丸501のときは要求負荷としては、第1SI燃焼が可能な負荷である。このとき、ECU10は、第1SI燃焼を選択する。次に、白丸502のときは要求負荷としては、第1SI燃焼及びHCCI燃焼の両方が可能な負荷である。ここでは、前述の通り第2ベースマップ402が選択可能である。このときには、ECU10は、HCCI燃焼を選択する。要求負荷が高くなって白丸503のときには、ECU10は、MPCI燃焼を選択する。更に要求負荷が高くなり、白丸504になって、MPCI燃焼が選択できないときには、ECU10は、SPCCI燃焼を選択する。そして、要求負荷が白丸505のときには、ECU10は、第2SI燃焼を選択する。
尚、詳しくは後述するが、本実施形態では、ECU10は、アクセル開度センサSW7により検出されたアクセル開度に基づいて設定される目標トルクが現時点から所定のディレイ時間td未来の特定サイクルで実現されるように、現サイクルから特定サイクルまでの燃焼形態が、該目標トルクに基づいてそれぞれ設定される。
図6は、各燃焼形態に対応する、吸気弁21及び排気弁22の開閉動作、燃料の噴射タイミング、及び、点火タイミングと、混合気が燃焼することによって気筒11内で生じる熱発生率の波形と、を例示している。図6の左から右にクランク角は進行する。以下、エンジン1の温間時を例に、各燃焼形態について説明する。
(HCCI燃焼)
エンジン1の運転状態が第2ベースマップ402の第1領域、つまり、低負荷低中回転領域421にある場合に、ECU10は、気筒11内の混合気を圧縮着火燃焼させる。より具体的に、エンジン1の運転状態が低負荷低中回転領域421にある場合に、排気VVL242は、排気弁22を2回、開閉させる。つまり、排気VVL242は、第1カムと第2カムとの切り替えを行う。排気弁22は、排気行程において開弁し、吸気行程において閉弁する。排気S-VT241は排気弁22の開閉時期を所定の時期に設定する。吸気S-VT231は吸気弁21の開閉時期を、遅角させる。吸気CVVL232は吸気弁21のリフト量を小に設定する。吸気弁21の閉時期は、最も遅角している。
エンジン1の運転状態が第2ベースマップ402の第1領域、つまり、低負荷低中回転領域421にある場合に、ECU10は、気筒11内の混合気を圧縮着火燃焼させる。より具体的に、エンジン1の運転状態が低負荷低中回転領域421にある場合に、排気VVL242は、排気弁22を2回、開閉させる。つまり、排気VVL242は、第1カムと第2カムとの切り替えを行う。排気弁22は、排気行程において開弁し、吸気行程において閉弁する。排気S-VT241は排気弁22の開閉時期を所定の時期に設定する。吸気S-VT231は吸気弁21の開閉時期を、遅角させる。吸気CVVL232は吸気弁21のリフト量を小に設定する。吸気弁21の閉時期は、最も遅角している。
この吸気弁21及び排気弁22の開閉形態によって、気筒11内には、比較的少量の空気と、多量の既燃ガスとが導入される。既燃ガスは、基本的には、気筒11内に残留する内部EGRガスである。多量に気筒11内に導入した内部EGRガスは、筒内温度を高める。
インジェクタ6は、吸気行程の期間内に、気筒11内に燃料を噴射する。噴射された燃料は、吸気流動によって拡散し、気筒11内に均質な混合気が形成される。インジェクタ6は、図例に示すように、一括噴射を行ってもよい。インジェクタ6は、分割噴射を行ってもよい。HCCI燃焼では、気筒11内には、A/Fが理論空燃比よりもリーンでかつ、G/Fが理論空燃比よりもリーンな混合気が形成される。
エンジン1の運転状態が低負荷低中回転領域421にある場合に、第1点火プラグ251及び第2点火プラグ252は共に、点火を行わない。気筒11内の混合気は、圧縮上死点の付近において、圧縮着火する。エンジン1の負荷が低くて燃料量が少ないため、燃料リーンにすることで、異常燃焼を抑制しながら、圧縮着火燃焼、より正確には、HCCI燃焼が実現する。また、内部EGRガスを多量に導入して、筒内温度を高めることによって、HCCI燃焼の安定性が高まるとともに、エンジン1の熱効率も向上する。
(MPCI燃焼)
エンジン1の運転状態が第2ベースマップの第2領域、つまり、中負荷低中回転領域422にある場合に、ECU10は、気筒11内の混合気を圧縮着火燃焼させる。より具体的に、排気S-VT241は排気弁22の開閉時期を所定の時期に設定する。排気VVL242は、排気弁22を2回開閉させる。内部EGRガスが気筒11内に導入される。吸気CVVL232は吸気弁21のリフト量を、低負荷低中回転領域421のリフト量よりも大に設定する。吸気弁21の閉時期は、低負荷低中回転領域421の閉時期とほぼ同じである。吸気弁21の開時期は、低負荷低中回転領域421の開時期よりも進角する。この吸気弁21及び排気弁22の開閉形態によって、低負荷低中回転領域421と比較すると、気筒11内に導入される空気量が増え、既燃ガスの導入量は減る。
エンジン1の運転状態が第2ベースマップの第2領域、つまり、中負荷低中回転領域422にある場合に、ECU10は、気筒11内の混合気を圧縮着火燃焼させる。より具体的に、排気S-VT241は排気弁22の開閉時期を所定の時期に設定する。排気VVL242は、排気弁22を2回開閉させる。内部EGRガスが気筒11内に導入される。吸気CVVL232は吸気弁21のリフト量を、低負荷低中回転領域421のリフト量よりも大に設定する。吸気弁21の閉時期は、低負荷低中回転領域421の閉時期とほぼ同じである。吸気弁21の開時期は、低負荷低中回転領域421の開時期よりも進角する。この吸気弁21及び排気弁22の開閉形態によって、低負荷低中回転領域421と比較すると、気筒11内に導入される空気量が増え、既燃ガスの導入量は減る。
インジェクタ6は、吸気行程の期間内と、圧縮行程の期間内とのそれぞれにおいて、気筒11内に燃料を噴射する。インジェクタ6は、分割噴射を行う。MPCI燃焼でも、気筒11内には、A/Fが理論空燃比よりもリーンでかつ、G/Fが理論空燃比よりもリーンな混合気が形成される。
中負荷低中回転領域422において、ECU10は、スキッシュ噴射と、トリガー噴射との二つの噴射形態を使い分ける。スキッシュ噴射は、インジェクタ6が、吸気行程期間内と、圧縮行程の中期において燃料を噴射する噴射形態である。トリガー噴射は、インジェクタ6が、吸気行程期間内と、圧縮行程の終期において燃料を噴射する噴射形態である。尚、圧縮行程の中期及び終期とはそれぞれ、圧縮行程を初期、中期、終期に三等分した場合の、中期及び終期である。
スキッシュ噴射は、圧縮着火燃焼を緩慢にする噴射形態である。吸気行程期間内に噴射された燃料は、吸気流動によって気筒11内に拡散する。気筒11内に均質な混合気が形成される。圧縮行程の中期に噴射された燃料は、図2の下図に例示するように、キャビティ31の外の、スキッシュ領域171に到達する。スキッシュ領域171は、シリンダーライナーに近いため、元々温度が低い領域である上に、燃料の噴霧が気化する際の潜熱によって、さらに温度が低下する。気筒11内の温度が局所的に低下すると共に、気筒11内の全体において燃料が不均質になる。その結果、例えば筒内温度が高い場合に、異常燃焼の発生を抑制しつつ、混合気が所望のタイミングで圧縮着火する。スキッシュ噴射は、比較的緩慢な圧縮着火燃焼を可能にする。
スキッシュ噴射において、圧縮行程中の燃料の噴射量は、吸気行程中の燃料の噴射量よりも多い。キャビティ31の外の、広い領域に燃料が噴射されるため、燃料の量が多くてもスモークの発生が抑制できる。燃料の量が多いほど、温度は低下する。圧縮行程中の燃料の噴射量は、要求される温度低下が実現できる量に設定すればよい。
トリガー噴射は、圧縮着火燃焼を促進させる噴射形態である。吸気行程期間内に噴射された燃料は、吸気流動によって気筒11内に拡散する。気筒11内に均質な混合気が形成される。圧縮行程の終期に噴射された燃料は、図7に例示するように、気筒11内の高い圧力によって拡散しにくく、キャビティ31の中の領域に留まる。尚、キャビティ31の中の領域とは、気筒11の径方向に対して、キャビティ31の外周縁よりも径方向の内方の領域を意味する。ピストン3の頂面から凹陥するキャビティ31の内部も、キャビティ31の中の領域に含まれる。気筒11内の燃料は不均質である。また、気筒11の中央部は、シリンダーライナーから離れているため、温度が高い領域である。温度の高い領域に、燃料が濃い混合気塊が形成されるため、混合気の圧縮着火が促進される。その結果、圧縮行程噴射後に混合気が速やか圧縮着火して、圧縮着火燃焼を促進できる。トリガー噴射は、燃焼安定性を高める。
スキッシュ噴射及びトリガー噴射は共に、気筒11内の混合気を不均質にする。この点で、均質な混合気が形成されるHCCI燃焼とは異なる。スキッシュ噴射及びトリガー噴射は共に、不均質な混合気を形成することによって、圧縮着火のタイミングをコントロールできる。
この燃焼形態は、インジェクタが複数回の燃料噴射を行うため、この燃焼形態のことをMPCI(Multiple Premixed fuel injection Compression Ignition:多段予混合燃料噴射圧縮着火)燃焼と呼ぶ場合がある。
(SPCCI燃焼)
エンジン1の運転状態が第1ベースマップ401の第2領域、より詳細には中負荷中回転領域412にある場合に、ECU10は、気筒11内の混合気の一部を火炎伝播燃焼させ、残りを圧縮着火燃焼させる。より具体的に、排気S-VT241は排気弁22の開閉時期を所定の時期に設定する。排気VVL242は、排気弁22を2回開閉させる。内部EGRガスが気筒11内に導入される。吸気CVVL232は吸気弁21のリフト量を、低負荷低中回転領域421のリフト量よりも大に設定する。吸気弁21の閉時期は、低負荷領域415の閉時期とほぼ同じである。吸気弁21の開時期は、低負荷低中回転領域421の開時期よりも進角する。この吸気弁21及び排気弁22の開閉形態によって、気筒11内に導入される空気量が増え、既燃ガスの導入量は減る。
エンジン1の運転状態が第1ベースマップ401の第2領域、より詳細には中負荷中回転領域412にある場合に、ECU10は、気筒11内の混合気の一部を火炎伝播燃焼させ、残りを圧縮着火燃焼させる。より具体的に、排気S-VT241は排気弁22の開閉時期を所定の時期に設定する。排気VVL242は、排気弁22を2回開閉させる。内部EGRガスが気筒11内に導入される。吸気CVVL232は吸気弁21のリフト量を、低負荷低中回転領域421のリフト量よりも大に設定する。吸気弁21の閉時期は、低負荷領域415の閉時期とほぼ同じである。吸気弁21の開時期は、低負荷低中回転領域421の開時期よりも進角する。この吸気弁21及び排気弁22の開閉形態によって、気筒11内に導入される空気量が増え、既燃ガスの導入量は減る。
インジェクタ6は、吸気行程及び圧縮行程の期間内に、気筒11内に燃料を噴射する。インジェクタ6は、分割噴射を行う。尚、インジェクタ6は、エンジン1の運転状態が、例えば中負荷中回転領域412における高負荷の場合、圧縮行程の期間においてのみ、燃料を噴射してもよい。遅い燃料噴射は、異常燃焼の抑制に有利である。気筒11内には、A/Fが理論空燃比でかつ、G/Fが理論空燃比よりもリーンな混合気が形成される。
第1点火プラグ251及び/又は第2点火プラグ252は共に、圧縮上死点の付近において、混合気に点火する。第1点火プラグ251及び/又は第2点火プラグ252が点火した後の圧縮上死点付近において、混合気は火炎伝播燃焼を開始する。火炎伝播燃焼の発熱により気筒11の中の温度が高くなりかつ、火炎伝播により気筒11の中の圧力が上昇する。このことによって、未燃混合気が、例えば圧縮上死点後に自己着火し、圧縮着火燃焼を開始する。圧縮着火燃焼の開始後、火炎伝播燃焼と圧縮着火燃焼とは並行して進行する。熱発生率の波形は、図6に例示するように、二山になる場合がある。
火炎伝播燃焼の発熱量を調節することによって、圧縮開始前の気筒11の中の温度のばらつきを吸収することができる。ECU10が点火タイミングを調節することにより火炎伝播燃焼の発熱量を調節できる。混合気は、目標のタイミングで自己着火するようになる。SPCCI燃焼は、ECU10が、点火タイミングの調節を通じて、圧縮着火のタイミングを調節する。SPCCI燃焼形態は、点火が圧縮着火をコントロールする。
(第1SI燃焼)
エンジン1の運転状態が第1ベースマップ401の第1領域、つまり、低中負荷領域411にある場合に、ECU10は、気筒11内の混合気を火炎伝播燃焼させる。より具体的に、吸気S-VT231は吸気弁21の開閉時期を所定の時期に設定する。吸気CVVL232は吸気弁21のリフト量を所定のリフト量に設定する。吸気弁21のリフト量は、後述する排気弁22のリフト量と実質的に同じである。排気S-VT241は排気弁22の開閉時期を所定の時期に設定する。吸気弁21と排気弁22とは、吸気上死点の付近において共に開弁する。排気VVL242は、排気弁22を1回だけ開閉させる。この吸気弁21及び排気弁22の開閉形態によって、気筒11内には、空気と、既燃ガスとが導入される。既燃ガスは、基本的には、気筒11内に残留する内部EGRガスである。
エンジン1の運転状態が第1ベースマップ401の第1領域、つまり、低中負荷領域411にある場合に、ECU10は、気筒11内の混合気を火炎伝播燃焼させる。より具体的に、吸気S-VT231は吸気弁21の開閉時期を所定の時期に設定する。吸気CVVL232は吸気弁21のリフト量を所定のリフト量に設定する。吸気弁21のリフト量は、後述する排気弁22のリフト量と実質的に同じである。排気S-VT241は排気弁22の開閉時期を所定の時期に設定する。吸気弁21と排気弁22とは、吸気上死点の付近において共に開弁する。排気VVL242は、排気弁22を1回だけ開閉させる。この吸気弁21及び排気弁22の開閉形態によって、気筒11内には、空気と、既燃ガスとが導入される。既燃ガスは、基本的には、気筒11内に残留する内部EGRガスである。
インジェクタ6は、吸気行程の期間内に、気筒11内に燃料を噴射する。インジェクタ6は、図例に示すように、一括噴射を行ってもよい。気筒11内に噴射された燃料は、吸気流動によって拡散する。気筒11内の空気の、燃料に対する質量比率A/Fは、理論空燃比である。一方で、混合気のG/Fは理論空燃比よりもリーンである。
第1点火プラグ251及び第2点火プラグ252は共に、圧縮上死点の付近において、混合気に点火する。第1点火プラグ251及び第2点火プラグ252は、同時に点火をしてもよいし、タイミングをずらして点火をしてもよい。
第1点火プラグ251及び第2点火プラグ252の点火後、混合気は火炎伝播燃焼する。エンジン1は、燃焼安定性を確保しかつ失火を抑制しながら、運転できる。
(第2SI燃焼)
エンジン1の運転状態が第1ベースマップ401の第3領域、つまり、高負荷領域413にある場合に、ECU10は、気筒11内の混合気を火炎伝播燃焼させる。より具体的に、エンジン1の運転状態が高負荷領域413にある場合に、吸気S-VT231は、吸気弁21の開閉時期を所定の時期に設定する。吸気CVVL232は吸気弁21のリフト量を所定のリフト量に設定する。吸気弁21のリフト量は、後述する排気弁22のリフト量と実質的に同じである。排気S-VT241は、排気弁22の開閉時期を所定の時期に設定する。吸気弁21と排気弁22とは、吸気上死点の付近において共に開弁する。排気VVL242は、排気弁22を1回だけ開閉させる。この吸気弁21及び排気弁22の開閉形態によって、気筒11内には、比較的多量の空気と、比較的少量の既燃ガスとが導入される。既燃ガスは、基本的には、気筒11内に残留する内部EGRガスである。
エンジン1の運転状態が第1ベースマップ401の第3領域、つまり、高負荷領域413にある場合に、ECU10は、気筒11内の混合気を火炎伝播燃焼させる。より具体的に、エンジン1の運転状態が高負荷領域413にある場合に、吸気S-VT231は、吸気弁21の開閉時期を所定の時期に設定する。吸気CVVL232は吸気弁21のリフト量を所定のリフト量に設定する。吸気弁21のリフト量は、後述する排気弁22のリフト量と実質的に同じである。排気S-VT241は、排気弁22の開閉時期を所定の時期に設定する。吸気弁21と排気弁22とは、吸気上死点の付近において共に開弁する。排気VVL242は、排気弁22を1回だけ開閉させる。この吸気弁21及び排気弁22の開閉形態によって、気筒11内には、比較的多量の空気と、比較的少量の既燃ガスとが導入される。既燃ガスは、基本的には、気筒11内に残留する内部EGRガスである。
高負荷領域413は、負荷が高い領域であるため、プリイグニッション又はノッキングといった異常燃焼が生じやすい。インジェクタ6は、圧縮行程の期間内に、気筒11内に燃料を噴射する。気筒11内に燃料を噴射するタイミングを遅くして、点火直前にすることによって、異常燃焼の発生が抑制される。インジェクタ6は、図例に示すように、一括噴射を行ってもよい。気筒11内には、A/Fが理論空燃比でかつ、G/Fが理論空燃比よりもリーンな混合気が形成される。
圧縮行程期間に気筒11内に噴射された燃料は、その噴射の流動によって拡散する。混合気を急速に燃焼させて、異常燃焼の発生の抑制と、燃焼安定性の向上を図る上で、燃料の噴射圧は高い方が好ましい。高い噴射圧は、圧縮上死点付近において、圧力が高くなっている気筒11内に、強い流動を生成する。強い流動は、火炎伝播を促進する。
第1点火プラグ251及び第2点火プラグ252は共に、圧縮上死点の付近において、混合気に点火する。第1点火プラグ251及び第2点火プラグ252は、同時に点火をしてもよいし、タイミングをずらして点火をしてもよい。負荷が高い高負荷領域413において、第1点火プラグ251及び第2点火プラグ252は、遅角した燃料の噴射タイミングに対応して、圧縮上死点よりも後のタイミングで、点火を行う。第1点火プラグ251及び第2点火プラグ252の点火後、混合気は火炎伝播燃焼する。二点点火は、急速燃焼を実現する。異常燃焼が発生しやすい高負荷の運転状態において、エンジン1は、燃焼安定性を確保しかつ、異常燃焼を抑制しながら、運転できる。
(エンジンの燃焼制御)
前述のように、HCCI燃焼やMPCI燃焼は、圧縮着火燃焼であるため、燃焼が筒内状態量に大きく影響される。このため、図5で示したような、過渡時など、火炎伝播燃焼と圧縮自己着火燃焼との切り替わりに伴い、筒内状態量が大きく変化するときには、目標とする筒内状態量(筒内温度、EGR率など)が適切に形成されず、燃焼安定性が低下するおそれがある。特に、吸気系や排気系のデバイスは、応答遅れが比較的大きいため、この応答遅れが原因となり、目標とする筒内状態量を満足しないことがある。そこで、本実施形態では、アクセル開度センサSW7により検出されたアクセル開度に基づいて設定される目標トルクが、所定期間経過後に実現されるようにして、インジェクタ6、点火プラグ25、吸気側動弁装置(吸気S-VT231、吸気CVVL232)、及び排気側動弁装置(排気S-VT241、排気VVL242)を制御するようにした。
前述のように、HCCI燃焼やMPCI燃焼は、圧縮着火燃焼であるため、燃焼が筒内状態量に大きく影響される。このため、図5で示したような、過渡時など、火炎伝播燃焼と圧縮自己着火燃焼との切り替わりに伴い、筒内状態量が大きく変化するときには、目標とする筒内状態量(筒内温度、EGR率など)が適切に形成されず、燃焼安定性が低下するおそれがある。特に、吸気系や排気系のデバイスは、応答遅れが比較的大きいため、この応答遅れが原因となり、目標とする筒内状態量を満足しないことがある。そこで、本実施形態では、アクセル開度センサSW7により検出されたアクセル開度に基づいて設定される目標トルクが、所定期間経過後に実現されるようにして、インジェクタ6、点火プラグ25、吸気側動弁装置(吸気S-VT231、吸気CVVL232)、及び排気側動弁装置(排気S-VT241、排気VVL242)を制御するようにした。
図15は、エンジン1の制御に係るECU10の機能ブロックを例示している。ECU10は、目標トルク設定ブロックB1、燃焼形態設定ブロックB2、状態量制御ブロックB3、状態量推定ブロックB4、点火/噴射制御ブロックB5、及び、フィードバックブロックB6を有している。
目標トルク設定ブロックB1は、ドライバのアクセル操作に基づいて、エンジン1の目標トルクを設定するブロックである。目標トルク設定ブロックB1には、少なくとも、アクセル開度に係る信号、車速に係る信号、ギヤ段に係る信号、及び、エンジン1のトルク要求に係る各種の信号(例えば、空調用コンプレッサのオン信号等)が入力される。目標トルク設定ブロックB1は、詳細は後述するが、現時点のドライバのアクセル操作に基づいて、所定のディレイ時間未来の目標トルクを設定する。従って、目標トルク設定ブロックB1は、時間の経過と共に、現時点から所定の未来までの間の目標トルクの遷移を、随時更新する。
燃焼形態設定ブロックB2は、設定された目標トルクに基づいて、未来のサイクルにおける燃焼形態を選択すると共に、選択した各サイクルの燃焼形態に従って、目標のIMEPを設定する。燃焼形態設定ブロックB2には、少なくとも、エンジン回転数に係る信号、水温に係る信号、及びギヤ段に係る信号が入力される。これらの信号は主に、燃焼形態の選択に利用される。前述の通り、現時点から所定の未来までの間の目標トルクの遷移が設定されているため、燃焼形態設定ブロックB2は、現時点から所定の未来までの間の燃焼形態の遷移、及び、目標IMEPの遷移を設定する。
状態量制御ブロックB3は、設定された燃焼形態の遷移、及び、目標IMEPの遷移に基づいて、各気筒11の状態量の調整を行う。状態量制御ブロックB3には、少なくとも筒内圧センサSW4が計測した筒内圧に係る信号、車速に係る信号、及び、ギヤ段に係る信号が入力される。状態量制御ブロックB3は、目標IMEPの遷移に基づき、当該目標IMEPが実現される気筒11内の状態量を定めると共に、当該状態量が実現する状態量調整デバイスの制御量を定める。状態量調整デバイスには、吸気S-VT231、吸気CVVL232、排気S-VT241、排気VVL242、スロットル弁43、EGR弁54が少なくとも含まれる。状態量制御ブロックB3は、状態量の調整に時間を要することを考慮して、状態量調整デバイスに対して、制御信号の事前に出力する。前述したように、現時点から所定の未来までの間の目標トルクの遷移を設定しているため、ECU10は、ディレイ時間を利用して、制御信号を事前に出力できる。
ここで、目標トルク設定ブロックB1、燃焼形態設定ブロックB2、及び、状態量制御ブロックB3の制御は、エンジン1の全ての気筒11について共通でかつ、所定時間周期で行われる。これは、ドライバのアクセル操作は時間基準であると共に、吸気S-VT231、吸気CVVL232、排気S-VT241、及び、排気VVL242は、気筒11毎に制御ができず、全気筒11について共通のデバイスだからである。
状態量推定ブロックB4及び点火/噴射制御ブロックB5は、前述した所定のディレイ時間が経過した時点における制御を実行する。状態量推定ブロックB4及び点火/噴射制御ブロックB5は、気筒11別に、サイクル周期(つまり、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程を1サイクルとする周期)で制御を行う。
状態量推定ブロックB4は、当該気筒11の吸気弁21が閉じた時点における、気筒11内の状態量を推定する。状態量推定ブロックB4には、吸気カム角センサSW8、排気カム角センサSW9及び吸気カムリフトセンサSW10の計測信号、及び、吸気行程中に燃料噴射が行われている場合には、その燃料噴射量に係る信号が入力される。また、状態量推定ブロックB4には、エンジン回転数に係る信号が、少なくとも入力される。状態量推定ブロックB4は、これらの信号に基づいて、気筒11内の状態量を推定する。具体的に、状態量推定ブロックB4は、例えば、吸気弁21に閉弁タイミングにおける気筒11内の温度TIVC、気筒11内の酸素濃度、EGR率、燃料濃度、及び、充填効率を推定する。
状態量推定ブロックB4が状態量を推定することによって、ECU10は、燃焼形態設定ブロックB2が事前に設定した目標IMEP、及び、燃焼形態と、実際の気筒11の状態量とが対応しているか否かを判断できる。対応している場合、気筒11内において燃焼が発生することにより、目標IMEPが達成される。対応していない場合、そのままでは、目標IMEPが達成されない恐れがある。
点火/噴射制御ブロックB5は、状態量の推定後において、インジェクタ6へ、噴射制御信号を出力すると共に、第1点火プラグ251及び/又は第2点火プラグ252へ、点火制御信号を出力する。点火/噴射制御ブロックB5は、状態量推定ブロックB4が推定した状態量に基づいて、気筒11内における燃焼を推定すると共に、推定した燃焼と目標の燃焼とのズレを判断する。推定した燃焼と目標の燃焼との間にズレがない場合、点火/噴射制御ブロックB5は、インジェクタ6に、予め設定されたタイミングで、予め設定された量の燃料を、気筒11内へ噴射させると共に、予め設定されたタイミングで、第1点火プラグ251及び/又は第2点火プラグ252に、点火させる。推定した燃焼と目標の燃焼との間にズレがある場合、点火/噴射制御ブロックB5は、燃料の噴射タイミング及び/又は噴射量を調整すると共に、点火タイミングを調整する(図6の両矢印を参照)。こうすることで、目標IMEP、及び、燃焼形態と、実際の気筒11の状態量とが対応していなくても、混合気の着火タイミング(強制点火、及び、圧縮自己着火の両方を含む)が適切なタイミングになって、目標IMEPが達成できる。
フィードバックブロックB6には、筒内圧センサSW4が計測した筒内圧に係る信号、及び、リニアO2センサSW11が計測した排気ガス中の酸素濃度に係る信号が入力される。フィードバックブロックB6は、これらの計測信号に基づいて気筒11内の燃焼を判断すると共に、予定していた燃焼と、実際の燃焼とのズレを判断する。ズレがある場合、フィードバックブロックB6は、制御ブロックにフィードバック信号を出力する。制御ブロックは、具体的には、状態量制御ブロックB3、及び、点火/噴射制御ブロックB5である。フィードバック信号を受けた、状態量制御ブロックB3、及び、点火/噴射制御ブロックB5は、ズレがなくなるように、制御信号の補正を行う。
以下、各フローチャートを参照しながら、ECU10が実行する燃焼制御をさらに詳細に説明する。
図8のフローチャートは、ECU10が実行する燃焼制御のフローチャートである。
まず、ステップS1において、ECU10は、各種センサ情報を取得する。
次に、ステップS2において、ECU10は、現サイクルから所定期間経過後の特定サイクルにおける目標トルクを設定して、それに対応する目標IMEP及び燃焼形態を設定する。ECU10は、気筒11毎に燃焼形態を設定する。ステップS2の詳細な内容については後述する。
次いで、ステップS3において、ECU10は、設定した燃焼形態での燃焼により目標IMEPが満足するための筒内状態量を設定して、特定サイクルにおける筒内状態量が設定した筒内状態量となるように吸気動弁機構(吸気S-VT231、吸気CVVL232)及び排気動弁機構(排気S-VT241、排気VVL242)をそれぞれ制御する。また、設定した燃焼形態が吸気行程噴射を行う燃焼形態であるときには、ECU10は、インジェクタ6を制御する。また、ECU10は、特定サイクルにおける筒内状態量が設定した筒内状態量となるようにスロットル弁43及びEGR弁54を制御する。ステップS3の詳細な内容については後述する。
次に、ステップS4において、ECU10は、特定サイクルになったか否か判定する。ECU10は、特定サイクルになったYESのときには、ステップS5に進む。一方で、ECU10は、特定サイクルの前であるNOのときには、特定サイクルまでステップS4の判定を繰り返す。
前記ステップS5では、ECU10は、特定サイクルにおける吸気弁23の閉弁時の気筒11内の筒内状態量を推定する。ステップS5の詳細な内容については後述する。
次に、ステップS6において、ECU10は、インジェクタ6による燃料噴射及び点火プラグ25による点火の少なくとも一方を制御する。ECU10は、燃焼形態がHCCI燃焼やMPCI燃焼であるときには、点火プラグ25の制御を行わずに、インジェクタ6の制御のみを行う。ECU10は、燃焼形態がSPCCI燃焼、第1SI燃焼、及び第2SI燃焼であるときには、インジェクタ6の制御及び点火プラグ25の制御の両方を行う。ステップS6の詳細な内容については後述する。
次いで、ステップS7において、ECU10は、フィードバックを行う。特に、ECU10は、予定していた燃焼と、実際の燃焼との差異に基づいて、吸気動弁機構、排気動弁機構、第1点火プラグ251、第2点火プラグ252、及び、インジェクタ6の制御に対するフィードバックを行う。
ステップS7の後は、プロセスはリターンする。
(燃焼形態の設定)
図9は、燃焼形態を設定する際(すなわち前記ステップS2)のECU10の処理動作を示すフローチャートである。
図9は、燃焼形態を設定する際(すなわち前記ステップS2)のECU10の処理動作を示すフローチャートである。
まず、ECU10は、ステップS21において、アクセル開度センサSW7の検出結果を、第1所定時間経過後に実現させるべき、車両の目標加速度に変換する。
次に、ECU10は、ステップS22において、目標加速度から目標トルクを設定する。
次いで、ECU10は、ステップS23において、目標トルクから目標IMEPを設定する。
次に、ECU10は、ステップS24において、水温等のセンサ値と目標IMEPとから燃焼形態を設定する。
ステップS24の後は、プロセスはリターンして、前記ステップS3に移行する。
図10は、アクセル開度センサSW7の結果から目標IMEPを設定する概念を示している。図10において、横軸は時間であり、上図及び下図で時間軸は同じである。
図10に示すように、アクセルペダルが踏み込まれたときには、アクセル開度が上昇する(符号1001を参照)。このときは、ECU10は、第1所定時間t1経過後に実現すべき、車両の加速度を算出する(符号1002参照)。
この第1所定時間t1は、ドライバがアクセルペダルを踏み込んでから、車両の加速に備えて姿勢を整えるのに十分な時間に設定されている。第1所定時間t1は、例えば、200ミリ秒である。アクセル操作に対する車両挙動の応答を遅らせることによって、ドライバビリティが向上する。
次に、ECU10は、算出した加速度を実現するために、第1所定時間t1経過時から第2所定時間t2前に出力すべき、エンジン1の目標トルクを算出して、それを目標IMEPに変換する。第2所定時間t2は、エンジン1により出力された動力がトランスミッション、差動装置、ドライブシャフトなどを伝達して駆動輪に伝達されるまでの時間に相当する。第2所定時間t2は、例えば、50ミリ秒である。
この第1所定時間t1と第2所定時間t2との差分(ここでは150ミリ秒分)が前記所定のディレイ時間tdに相当する。これにより、現時点から所定のディレイ時間td経過後の特定サイクルで実現すべき目標IMEPが設定される。アクセル開度の変化は時間に対して連続し、時々刻々のアクセル開度に対応して目標IMEPが設定されるため、目標IMEPの時間変化を示す目標IMEP軌道が算出される。そして、この目標IMEP軌道と、冷却水の水温及びギヤ段等に基づいて、図4のベースマップ401、402に従って、特定サイクルにおける燃焼形態が設定される。尚、特定サイクルは、各気筒11の現在のサイクルからそれぞれ所定期間経過後の各サイクルである。つまり、各気筒11に対して特定サイクルが存在する。
ECU10は、目標IMEP、冷却水の水温、及びギヤ段等に応じて、第1ベースマップ401及び第2ベースマップ402のいずれを採用するかを決定する。ECU10は、基本的には、第1ベースマップ401を採用するようにし、所定の条件が全て満たされたときには、第2ベースマップ402を優先して採用するようにする。所定の条件は、例えば、(1)冷却水の水温が所定温度以上の温間状態である、(2)ギヤ段が所定の段数以上である、(3)目標IMEPの傾き(図5又は図10下図参照)が所定の傾き未満である、などである。
燃焼形態を設定するときに利用される、冷却水の水温やギヤ段は、現時点において検出された冷却水の水温及びギヤ段が採用される。例示したように、所定のディレイ時間tdは、1秒もないため、基本的には、ディレイ時間tdが経過するまでの間に、冷却水の水温及びギヤ段は変化しない。このため、特定サイクルでの燃焼形態を設定する際に、現時点において検出された冷却水の水温及びギヤ段を利用しても問題とならない。
また、圧縮自己着火燃焼を行う第2ベースマップ402の範囲は比較的狭い一方で、目標IMEPの傾きが所定以上であると、エンジン1の燃焼形態が、火炎伝播燃焼から圧縮自己着火燃焼へ切り替わり、その後直ぐに、圧縮自己着火燃焼から火炎伝播燃焼へ切り替わるようになる。つまり、圧縮自己着火燃焼の継続時間が、比較的短い。圧縮自己着火燃焼は、ある程度長い時間、継続して行われることによって、エンジン1の燃費性能の向上に寄与する。そこで、目標IMEPの傾きが所定の傾き以上である場合は、第2ベースマップ402を採用しないことによって、圧縮自己着火燃焼を回避する。目標IMEPの傾きが所定の傾き未満である場合は、燃費性能の向上が見込めるため、第2ベースマップ402を採用することよって、圧縮自己着火燃焼を行う。
こうして、図10の下図に示すように、ECU10は、目標IMEP軌道に、各気筒11を割り当てると共に、各気筒11の燃焼形態をそれぞれ設定する。ECU10は、サイクル毎に燃焼形態を設定するから、気筒11毎に、燃焼形態が設定される。本実施形態では、前述したように、第1気筒、第3気筒、第4気筒、第2気筒の順で燃焼するため、ECU10は、燃焼の順番を前記の順番にした上で各気筒11の燃焼形態をそれぞれ設定する。これにより、現サイクルから特定サイクルまでの間の燃焼遷移が、事前に設定される。
(吸気系及び排気系の制御)
図11は、吸気動弁機構及び排気動弁機構を制御する際(すなわち前記ステップS3)のECU10の処理動作を示すフローチャートである。
図11は、吸気動弁機構及び排気動弁機構を制御する際(すなわち前記ステップS3)のECU10の処理動作を示すフローチャートである。
まず、ステップS31において、ECU10は、現サイクルにおける筒内状態量を推定する。ECU10は、吸気弁21の閉弁時の筒内状態量を推定する。この筒内状態量は、CI燃焼の着火時期に関わる状態量であり、筒内圧、筒内温度、酸素濃度などである。ECU10は、カムシャフトの実際の動作からモデルを用いて、内部EGR率を推定する。ECU10は、内部EGR率、同じ気筒11の直前のサイクルの排気温度、及び空気の温度から、筒内温度、及び酸素濃度を推定する。ECU10はまた、吸気弁21の閉弁時に筒内圧センサSW4により筒内圧を検出する。ECU10は、気筒11毎に筒内状態量をそれぞれ推定する。
次に、ステップS32において、ECU10は、設定した目標燃焼形態、目標IMEP、及び推定した現サイクルの筒内状態量から、特定サイクルにおける目標の筒内状態量を算出して、目標筒内状態量として設定する。より具体的には、ECU10は、目標IMEPから目標の着火時期を算出する。次に、ECU10は、目標燃焼形態により目標着火時期を実現するための、特に筒内温度及び酸素濃度を気筒11毎に算出する。
次いで、ステップS33において、ECU10は、目標筒内状態量に到達するための目標内部EGR率を気筒毎に設定する。ECU10は、燃焼モデルを用いて、内部EGR率、筒内状態量、及び燃焼状態(熱発生率など)との関係を計算して、目標筒内状態量及び目標着火時期を満たすことができる目標内部EGR率を設定する。ECU10は、少なくともSI燃焼とCI燃焼と異なる燃焼モデルを用いる。ECU10は、燃焼形態毎に異なる燃焼モデルを用いてもよい。このステップS33において、現サイクルから特定サイクルまでの、気筒11内の状態量の遷移、つまり、目標内部EGR率の遷移が設定される。
次に、ステップS34において、ECU10は、目標内部EGR率に基づいて、吸気動弁機構及び排気動弁機構の目標操作量を気筒11毎に設定する。吸気動弁機構は、吸気S-VT231及び吸気CVVL232であり、排気動弁機構は、排気S-VT241及び排気VVL242である。ECU10は、吸気弁21及び排気弁22の動作と内部EGR率との関係を計算して、目標内部EGR率を満たすことができる吸気動弁機構及び排気動弁機構の目標操作量を気筒毎に設定する。
次いで、ステップS35において、ECU10は、吸気動弁機構及び排気動弁機構の目標操作軌道を設定する。吸気動弁機構及び排気動弁機構は、カムシャフトを操作するものであるため、吸気動弁機構及び排気動弁機構を操作すれば、全ての気筒の吸気弁21及び排気弁22の動作が変更される。このため、吸気動弁機構及び排気動弁機構は、細やかな制御が難しい。そこで、ECU10は、気筒11毎の吸気動弁機構及び排気動弁機構の目標操作量を出来る限り実現し、かつ吸気動弁機構及び排気動弁機構の操作が連続的になるような目標操作軌道を設定する。
目標操作軌道の設定について、具体的には、図12に示している。図12では、吸気S-VT231及び排気S-VT241の場合を示している。ECU10は、気筒毎に、吸気動弁機構及び排気動弁機構それぞれの目標操作量を時系列で並べる。次に、ECU10は、各目標操作量を1つに統合して、全ての気筒11の吸気動弁機構及び排気動弁機構の各目標操作量を時系列で並べる。そして、ECU10は、各目標操作量を達成できるような連続した軌道を算出する。ここで算出した軌道が目標操作軌道となる。
次に、ステップS36において、ECU10は、所定のタイミングで吸気動弁機構及び排気動弁機構に電気信号を出力する。状態量の調整には、状態量を調整するデバイスの応答遅れと、デバイスが応答してから、空気又はEGRガスの気筒11内への導入量が実際に変化するまでの遅れとが含まれる。ECU10は、現サイクルよりも未来のサイクルの目標筒内状態量を設定しかつ、当該目標筒内状態量を実現するための目標操作量を事前に設定する。このことにより、ECU10は、吸気動弁機構及び排気動弁機構を含む状態量調整デバイスの遅れを考慮したタイミングで、制御信号を出力できる。
より詳細に、ECU10は、デバイスモデルを用いて、電気信号に対する吸気動弁機構及び排気動弁機構の動作を推定して、該推定した動作と目標操作軌道とのずれが最小化するような指示値を示す電気信号を生成して、出力する。ステップS36の後は、プロセスはリターンして前記ステップS4に進む。
このように、電気信号を最適化することで、ECU10は、吸気動弁機構及び排気動弁機構に電気信号をそれぞれ出力するタイミングと、該電気信号により実際に吸気動弁機構及び排気動弁機構が動作するタイミングとのずれを考慮して、吸気動弁機構及び排気動弁機構に電気信号をそれぞれ出力することができる。具体的には、ECU10は、実際に吸気動弁機構及び排気動弁機構を動作させるタイミングよりも早い時期に、吸気動弁機構及び排気動弁機に電気信号をそれぞれ出力することができる。
図13は、吸気S-VT231に指示値を示す電気信号を出力したタイミングと、吸気S-VT231の目標操作軌道と、吸気S-VT231の実際の動作を示す実動作軌道とを示す。(a)は、従来の制御のように、吸気S-VT231の目標操作軌道とほぼ同じタイミングで電気信号が出力された場合を示す。図13(a)に示すように、この制御では、実動作軌道が目標操作軌道に対して遅れてしまうことが分かる。これは、吸気S-VT231に応答の遅れがあるためである。一方で、本願の制御では、電気信号が、目標操作軌道のタイミングよりも早く出力される。また、出力される制御量(つまり指示値)の傾きは、目標動作の傾きよりも大きい。これにより、吸気S-VT231に応答遅れがあったとしても、実動作軌道が目標操作軌道とほぼ一致するようになる。尚、実動作のオーバーシュートを抑制するために、制御量は、一時的に低下している。このように、目標操作軌道と実動作軌道とのタイミングがほぼ一致することで、特定サイクルにおいて、目標とする筒内状態量を精度良く形成することができる。
尚、前述のステップS3では、ECU10は、特定サイクルにおける筒内状態量を目標筒内状態量とすべく、スロットル弁43及びEGR弁54も制御する。スロットル弁43及びEGR弁54は、吸気動弁機構及び排気動弁機構と比較して応答性が高いため、実際に動作させるタイミングよりも早い時期に電気信号を出力する必要はない。
(筒内状態量の推定)
ECU10は、時間の経過によってサイクルが特定サイクルになったときには、特定サイクルにおける吸気弁21の閉弁時の筒内状態量を推定する。ECU10は、特定サイクルにおける排気弁22の閉弁後でかつ吸気弁21の閉弁前に、当該特定サイクルにおいて計測されたセンサ値に基づいて、前記筒内状態量を推定する(図6参照)。ECU10は、カムシャフトの実際の動作に基づいて、内部EGR率を推定する。ECU10は、内部EGR率、同じ気筒11の直前のサイクルの排気温度及び新気の温度から筒内温度、及び酸素濃度を推定する。ECU10はまた、吸気弁21の閉弁時に筒内圧センサSW4により筒内圧を検出する。筒内状態量の推定によって、ECU10は、特定サイクルに先だって設定した目標筒内状態量と、特定サイクルにおける筒内状態量とのズレを把握できる。
ECU10は、時間の経過によってサイクルが特定サイクルになったときには、特定サイクルにおける吸気弁21の閉弁時の筒内状態量を推定する。ECU10は、特定サイクルにおける排気弁22の閉弁後でかつ吸気弁21の閉弁前に、当該特定サイクルにおいて計測されたセンサ値に基づいて、前記筒内状態量を推定する(図6参照)。ECU10は、カムシャフトの実際の動作に基づいて、内部EGR率を推定する。ECU10は、内部EGR率、同じ気筒11の直前のサイクルの排気温度及び新気の温度から筒内温度、及び酸素濃度を推定する。ECU10はまた、吸気弁21の閉弁時に筒内圧センサSW4により筒内圧を検出する。筒内状態量の推定によって、ECU10は、特定サイクルに先だって設定した目標筒内状態量と、特定サイクルにおける筒内状態量とのズレを把握できる。
(噴射/点火制御)
ECU10は、推定された実際の筒内状態量に基づいてインジェクタ6による燃料の噴射及び第1点火プラグ251、第2点火プラグ252による点火を制御する。
ECU10は、推定された実際の筒内状態量に基づいてインジェクタ6による燃料の噴射及び第1点火プラグ251、第2点火プラグ252による点火を制御する。
図14は、吸気系を設定する際(すなわち前記ステップS6)のECU10の処理動作を示すフローチャートである。
ステップS61において、ECU10は、推定された実際の筒内状態量(吸気弁21に閉弁タイミングにおける気筒11内の温度TIVC、気筒11内の酸素濃度、EGR率、燃料濃度、及び、充填効率等)をパラメータにして、燃焼モデルにより、燃焼を推定する。ここで用いる燃焼モデルは、目標内部EGR率を設定する際に利用した燃焼モデルと同じである。
次に、ステップS62において、ECU10は、前記ステップS61で推定した燃焼と目標とする燃焼とのズレを算出する。ECU10は、例えば、熱発生率の変化のズレを算出する。この燃焼のズレは、目標筒内状態量と実際の筒内状態量とのズレに起因して発生するものであり、燃焼のズレを比較することは、目標筒内状態量と実際の筒内状態量とのズレを比較することに等しいといえる。
次いで、ステップS63において、ECU10は、前記ステップS62で算出した燃焼状態のずれを補償するように、燃料の噴射量の割合、燃料の噴射タイミング、及び点火タイミングの少なくとも1つを補正する。これらは、燃焼形態を設定した段階で一旦設定される。そして、このステップS63において、補正されて最終的な燃料の噴射量の割合、燃料の噴射タイミング、及び点火タイミングとされる。例えば、SI燃焼をさせる場合に、空気が目標よりも多く導入されて、燃焼が目標よりも急峻になると推定されたときには、第1点火プラグ251、第2点火プラグ252の点火を遅角させる。また、MPCI燃焼をさせる場合に、燃焼が目標よりも急峻になると推定されたときにはスキッシュ噴射の圧縮行程における噴射タイミングを遅角させたり、スキッシュ噴射の圧縮行程における噴射の割合を多くしたりして、燃焼を緩慢にする。尚、燃料の総噴射量は、目標IMEP及び燃焼形態が設定された時点で、目標IMEP及び燃焼形態に応じた総噴射量に設定されている。
状態量の推定が吸気弁21の閉弁前に行われるため、ECU10は、推定後に、燃料噴射の補正が可能になる。図6に例示するように、HCCI燃焼の吸気行程噴射、MPCI燃焼の吸気行程噴射はそれぞれ、状態量の推定後に行われる。ECU10は、これらの吸気行程噴射の噴射量を補正できる。
そして、ステップS64において、ECU10は、前記ステップS63の補正内容を考慮して、インジェクタ6、及び第1点火プラグ251、第2点火プラグ252に電気信号を出力する。ステップS64の後は、プロセスはリターンする。
このように、実際の筒内状態量が目標筒内状態量からずれていたとしても、インジェクタ6、及び第1点火プラグ251、第2点火プラグ252により補正することで、目標の燃焼状態とすることができる。これにより、筒内状態量が着火に大きく寄与する、HCCI燃焼やMPCI燃焼を、筒内状態量が変化する過渡時においても安定して行うことができる。
したがって、本実施形態では、
車両のアクセルペダルの操作を検出するアクセル開度センサSW7からの検出信号を受けたECU10が、現時点のアクセル開度に基づき、現時点に対して、所定のディレイ時間未来の特定サイクルにおけるエンジン1の目標トルクを設定し(目標トルク設定ブロックB1)、
ECU10が、設定した目標トルクに応じて、特定サイクルにおける燃焼を、第1点火プラグ251及び/又は第2点火プラグ252を使って気筒11内の燃料を強制点火させるSI燃焼又はSPCCI燃焼と、第1点火プラグ251及び第2点火プラグ252を使わずに気筒11内の燃料を圧縮自己着火させるHCCI燃焼又はMPCI燃焼と、から事前に選択し(燃焼形態設定ブロックB2)、
ECU10が、特定サイクルにおける気筒11内の状態量が選択された燃焼に対応する状態量となるよう、特定サイクルよりも前に、状態量調整デバイス(吸気S-VT231、吸気CVVL232、排気S-VT241、排気VVL242、スロットル弁43、EGR弁54)へ制御信号を出力し(状態量制御ブロックB3)、
ECU10が、特定サイクルにおいて吸気弁21が閉弁したタイミングでの状態量を、特定サイクルにおいて計測されたセンサ信号に基づいて推定し(状態量推定ブロックB4)、
ECU10が、事前に選択された燃焼が特定サイクルにおいて実現するように、推定された状態量に対応する制御信号を、第1点火プラグ251及び/又は第2点火プラグ252、又は、インジェクタ6へ出力する(点火/噴射制御ブロックB5)。
車両のアクセルペダルの操作を検出するアクセル開度センサSW7からの検出信号を受けたECU10が、現時点のアクセル開度に基づき、現時点に対して、所定のディレイ時間未来の特定サイクルにおけるエンジン1の目標トルクを設定し(目標トルク設定ブロックB1)、
ECU10が、設定した目標トルクに応じて、特定サイクルにおける燃焼を、第1点火プラグ251及び/又は第2点火プラグ252を使って気筒11内の燃料を強制点火させるSI燃焼又はSPCCI燃焼と、第1点火プラグ251及び第2点火プラグ252を使わずに気筒11内の燃料を圧縮自己着火させるHCCI燃焼又はMPCI燃焼と、から事前に選択し(燃焼形態設定ブロックB2)、
ECU10が、特定サイクルにおける気筒11内の状態量が選択された燃焼に対応する状態量となるよう、特定サイクルよりも前に、状態量調整デバイス(吸気S-VT231、吸気CVVL232、排気S-VT241、排気VVL242、スロットル弁43、EGR弁54)へ制御信号を出力し(状態量制御ブロックB3)、
ECU10が、特定サイクルにおいて吸気弁21が閉弁したタイミングでの状態量を、特定サイクルにおいて計測されたセンサ信号に基づいて推定し(状態量推定ブロックB4)、
ECU10が、事前に選択された燃焼が特定サイクルにおいて実現するように、推定された状態量に対応する制御信号を、第1点火プラグ251及び/又は第2点火プラグ252、又は、インジェクタ6へ出力する(点火/噴射制御ブロックB5)。
これにより、未来のサイクルにおける目標の状態量が事前に設定されるから、ECU10は、状態量調整デバイスへ事前に制御信号を出力することができる。その結果、特定サイクルにおける気筒11内の状態量を目標の状態量にすることができる。エンジン1の目標トルクが時々刻々と変化する過渡時においても、各サイクルにおける気筒11内の状態量が目標の状態量になるから、当該サイクルにおいてHCCI燃焼又はMPCI燃焼が行われる場合も、燃焼が安定化する。
また、特定サイクルにおける気筒11内の状態量が目標の状態量からずれていても、当該特定サイクルにおける、第1点火プラグ251及び/又は第2点火プラグ252の点火タイミング、及び/又は、インジェクタ6の噴射タイミング又は噴射量が、状態量に応じて調整されることによって、特定サイクルにおけるSI燃焼/SPCCI燃焼、又は、HCCI燃焼/MPCI燃焼が最適化される。このことによっても、過渡時におけるHCCI燃焼又はMPCI燃焼を安定させることができる。
また、本実施形態では、ECU10は、事前の燃焼選択を、気筒毎に行う(ステップS24、図10)。これにより、複数の気筒11を有する多気筒エンジンにおいて、気筒毎に目標トルクが変化する過渡時に、各気筒の燃焼が目標トルクに対応する。
また、本実施形態では、ECU10は、特定サイクルよりも前に、スロットル弁43、可変動弁機構(吸気S-VT231、吸気CVVL232、排気S-VT241、排気VVL242)、及び、EGR弁54のうちの少なくとも一のデバイスへ制御信号を出力する(ステップS36、図13)。これにより、応答性の悪いこれらのデバイスが、事前に動作を開始できるから、特定サイクルにおける状態量を、目標の状態量にする、又は、目標の状態量に近づけることができる。
また、本実施形態では、ECU10は、前記特定サイクルにおいて吸気弁21が閉弁する前に、吸気弁21が閉弁したタイミングでの状態量を推定する(ステップS61)。吸気弁21が閉弁する前に状態量が推定されることによって、ECU10は、当該状態量に対応する制御信号を、吸気弁21が閉弁する前であっても出力できる(ステップS64、図6)。
また、本実施形態では、ECU10は、吸気弁21が閉弁したタイミングでの気筒内の温度を少なくとも推定して、少なくともインジェクタ6へ制御信号を出力する(ステップS61、S64、図6)。少なくとも気筒11内の温度に応じて、気筒11内への燃料の噴射量及び/噴射タイミングが調整されることによって、HCCI燃焼又はMPCI燃焼が最適化される。
(その他の実施形態)
ここに開示された技術は、前述の実施形態に限られるものではなく、請求の範囲の主旨を逸脱しない範囲で代用が可能である。
ここに開示された技術は、前述の実施形態に限られるものではなく、請求の範囲の主旨を逸脱しない範囲で代用が可能である。
ここに開示する技術は、前述のエンジン1への適用に限定されず、様々な構成のエンジン1に適用可能である。
また、前述した各フローチャートにおいて、ステップの順番は限定的ではなく、ステップの順番を入れ替えたり、複数のステップを並列に実行したりしてもよい。また、一部のステップを省略したり、新たなステップを追加したりすることも可能である。
前述の実施形態は単なる例示に過ぎず、本開示の範囲を限定的に解釈してはならない。本開示の範囲は請求の範囲によって定義され、請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本開示の範囲内のものである。
ここに開示された技術は、車両に搭載され、インジェクタと、点火プラグと、状態量調整デバイスとを有するエンジンの制御方法、又は、エンジンシステムとして有用である。
1 エンジン
10 ECU(コントローラー)
11 気筒
21 吸気弁
22 排気弁
231 吸気S-VT(可変動弁機構)
232 吸気CVVL(可変動弁機構)
241 排気S-VT(可変動弁機構)
242 排気VVL(可変動弁機構)
251 第1点火プラグ
252 第2点火プラグ
43 スロットル弁
54 EGR弁
6 インジェクタ
E エンジンシステム
SW5 筒内圧センサ
SW7 アクセル開度センサ(アクセル操作検出器)
10 ECU(コントローラー)
11 気筒
21 吸気弁
22 排気弁
231 吸気S-VT(可変動弁機構)
232 吸気CVVL(可変動弁機構)
241 排気S-VT(可変動弁機構)
242 排気VVL(可変動弁機構)
251 第1点火プラグ
252 第2点火プラグ
43 スロットル弁
54 EGR弁
6 インジェクタ
E エンジンシステム
SW5 筒内圧センサ
SW7 アクセル開度センサ(アクセル操作検出器)
Claims (6)
- アクセル操作検出器からの検出信号を受けたコントローラーが、現時点のアクセル開度に基づき、現時点に対して、所定のディレイ時間未来の特定サイクルにおけるエンジンの目標トルクを設定し、
前記コントローラーが、前記目標トルクに応じて、前記特定サイクルにおける燃焼を、点火プラグを使って気筒内の燃料を強制点火させる火炎伝播燃焼と、前記点火プラグを使わずに前記気筒内の燃料を圧縮自己着火させる圧縮自己着火燃焼と、から事前に選択し、
前記コントローラーが、前記特定サイクルにおける前記気筒内の状態量が選択された燃焼に対応する状態量となるよう、前記特定サイクルよりも前に、状態量調整デバイスへ制御信号を出力し、
前記コントローラーが、前記特定サイクルにおいて吸気弁が閉弁したタイミングでの状態量を、前記特定サイクルにおいて計測されたセンサ信号に基づいて推定し、
前記コントローラーが、事前に選択された燃焼が前記特定サイクルにおいて実現するように、推定された前記状態量に対応する制御信号を、前記点火プラグ又はインジェクタへ出力する、
エンジンの制御方法。 - 請求項1に記載のエンジンの制御方法において、
前記コントローラーは、事前の燃焼選択を、前記気筒毎に行う、エンジンの制御方法。 - 請求項1又は2に記載のエンジンの制御方法において、
前記コントローラーは、前記特定サイクルよりも前に、スロットル弁、可変動弁機構、及び、EGR弁のうちの少なくとも一のデバイスへ制御信号を出力する、エンジンの制御方法。 - 請求項1~3のいずれか1項に記載のエンジンの制御方法において、
前記コントローラーは、前記特定サイクルにおいて前記吸気弁が閉弁する前に、前記吸気弁が閉弁したタイミングでの状態量を推定する、エンジンの制御方法。 - 請求項1~4のいずれか1項に記載のエンジンの制御方法において、
前記コントローラーは、前記吸気弁が閉弁したタイミングでの前記気筒内の温度を少なくとも推定して、少なくとも前記インジェクタへ制御信号を出力する、エンジンの制御方法。 - 車両に搭載され、インジェクタと、点火プラグと、状態量調整デバイスとを有するエンジンを備えたエンジンシステムであって、
前記車両のアクセルペダルの操作を検出するアクセル操作検出器と、
前記アクセル操作検出器からの検出信号に基づいて、前記インジェクタ、前記点火プラグ、前記状態量調整デバイスのそれぞれへ、制御信号を出力するコントローラーと、を更に備え、
前記エンジンは、前記インジェクタから気筒内に噴射された燃料を、前記点火プラグを使って強制点火させる火炎伝播燃焼と、前記インジェクタから前記気筒内に噴射された燃料を、前記点火プラグを使わずに圧縮自己着火させる圧縮自己着火燃焼と、を選択的に実行し、
前記コントローラーは、
前記アクセル操作検出器からの検出信号を受けかつ、現時点のアクセル開度に基づき、現時点に対して、所定のディレイ時間未来の特定サイクルにおける前記エンジンの目標トルクを設定する処理と、
前記目標トルクに応じて、前記特定サイクルにおける燃焼を、前記火炎伝播燃焼と前記圧縮自己着火燃焼とから事前に選択する処理と、
前記特定サイクルにおける前記気筒内の状態量が選択された燃焼に対応する状態量となるよう、前記特定サイクルよりも前に、前記状態量調整デバイスへ制御信号を出力する処理と、
前記特定サイクルにおいて吸気弁が閉弁したタイミングでの状態量を、前記特定サイクルにおいて計測されたセンサ信号に基づいて推定する処理と、
事前に選択された燃焼が前記特定サイクルにおいて実現するように、推定された前記状態量に対応する制御信号を、前記点火プラグ又は前記インジェクタへ制御信号を出力する処理と、を実行する、
エンジンシステム。
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