JP7043961B2 - 圧縮着火式エンジンの制御装置 - Google Patents
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Description
特に、本発明では、吸気行程中、つまり圧縮上死点から十分に進角されたタイミングで先行点火が実行されるので、先行点火によって意図せず火炎伝播が発生するのを防止しながら、噴射後の燃料を先行点火により確実に改質してCI燃焼の高速化を図ることができる。
本発明によれば、上述した発明と同様に、圧縮自己着火燃焼の燃焼速度が速くなるように燃料を改質することができ、熱効率を向上させることができる。
ここで、火炎伝播が生じる点火エネルギーの下限値(以下、単に下限エネルギーともいう)と燃料濃度との関係に関するより詳しい知見として、燃料濃度に対する当該下限エネルギーの増加率は、燃料濃度が薄い領域の方が濃い領域よりも大きくなることが分かっている。これに対し、本発明では、燃料濃度に対する先行点火のエネルギーの増加率が、燃料濃度が薄い領域の方が濃い領域よりも当該増加率が大きくなるように設定されるので、前記のような下限エネルギーの変化特性に合わせた適切なエネルギーを先行点火により付与することができ、燃料を十分に改質してCI燃焼の高速化を図ることができる。
前記先行点火の時期は、吸気行程中または圧縮行程の前期もしくは中期に設定することが好ましい(請求項8)。
この構成によれば、先行点火によって意図せず火炎伝播が発生するのを防止しながら、噴射後の燃料を先行点火により確実に改質してCI燃焼の高速化を図ることができる。
本発明の第3の局面に係る圧縮着火式エンジンの制御装置は、気筒と、気筒に燃料を噴射するインジェクタと、インジェクタから噴射された燃料と空気とが混合された混合気に点火する点火プラグとを備え、前記混合気の一部を前記点火プラグを用いた火花点火によりSI燃焼させるとともにその他の混合気を自着火によりCI燃焼させる部分圧縮着火燃焼が可能な圧縮着火式エンジンを制御する装置であって、前記気筒内に存在する燃料の濃度である燃料濃度を特定する燃料濃度特定部と、前記インジェクタによる燃料の噴射動作を制御する噴射制御部と、前記点火プラグによる点火動作を制御する点火制御部と、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の目標値である目標SI率をエンジンの運転条件に応じて設定する設定部とを備え、前記点火制御部は、前記部分圧縮着火燃焼の実行時、圧縮行程後期または膨張行程初期に火花を発生させてSI燃焼を開始させる主点火と、主点火よりも早いタイミングで火花を発生させる先行点火とを前記点火プラグに実行させるとともに、前記設定部により設定された目標SI率に基づいて前記主点火の時期を設定し、前記噴射制御部は、前記部分圧縮着火燃焼の実行時、前記先行点火よりも前の時点で前記気筒内に燃料が存在するようなタイミングで前記インジェクタに燃料を噴射させ、前記先行点火のエネルギーは、前記燃料濃度特定部により特定された燃料濃度が薄いときは濃いときに比べて大きくされる、ことを特徴とするものである(請求項3)。
本発明によれば、上述した発明と同様に、圧縮自己着火燃焼の燃焼速度が速くなるように燃料を改質することができ、熱効率を向上させることができる。
また、エンジンの運転条件に応じた目標SI率に適合する部分圧縮着火燃焼が実現されるように主点火の時期が調整されるので、例えば燃焼騒音が過大にならない範囲でできるだけCI燃焼の割合を増やす(つまりSI率を低くする)ことができる。このことは、先行点火による燃料の改質による効果(CI燃焼の高速化)と相俟って、部分圧縮着火燃焼による熱効率を可及的に高めることにつながる。
ここで、主点火よりも前に実行される先行点火は、OHラジカルを含む中間生成物を生成する(それによってCI燃焼の燃焼速度を速める)働きをするだけなので、先行点火のエネルギーや時期が変化しても、SI率は特に影響を受けない。このことは、目標SI率を達成するための主点火の時期を、先行点火のエネルギーや時期とは独立して一義的に特定できることを意味する。すなわち、前記構成によれば、十分な中間生成物が生成されるように先行点火を行いつつ、目標SI率を実現するための主点火の時期を高い精度で特定することができる。
本発明によれば、上述した発明と同様に、圧縮自己着火燃焼の燃焼速度が速くなるように燃料を改質することができ、熱効率を向上させることができる。
また、先行点火よりも前に燃料を噴射する第2噴射と、当該第2噴射よりも前に燃料を噴射する第1噴射とが実行されるので、これら第1噴射および第2噴射による燃料の噴射量/噴射時期をエンジンの運転条件に応じて設定することにより、各運転条件において適切な部分圧縮着火燃焼が実現されるように混合気の成層度合(もしくは均質度合)を調整することができる。
好ましくは、前記噴射制御部は、前記第1噴射による燃料の噴射量の方が前記第2噴射による燃料の噴射量よりも多くなるように前記インジェクタを制御する(請求項5)。
このように、噴射時期の早い第1噴射による噴射量を相対的に多くした場合には、燃料が成層化され過ぎてエミッション性能が低下するのを有効に回避することができる。
図1および図2は、本発明の制御装置が適用された圧縮着火式エンジン(以下、単にエンジンという)の好ましい実施形態を示す図である。本図に示されるエンジンは、走行用の動力源として車両に搭載された4サイクルのガソリン直噴エンジンであり、エンジン本体1と、エンジン本体1に導入される吸気が流通する吸気通路30と、エンジン本体1から排出される排気ガスが流通する排気通路40と、排気通路40を流通する排気ガスの一部を吸気通路30に還流する外部EGR装置50を備えている。
図4は、エンジンの制御系統を示すブロック図である。本図に示されるECU100は、エンジンを統括的に制御するためのマイクロプロセッサであり、周知のCPU、ROM、RAM等から構成されている。なお、ECU100は、請求項にいう「コントローラ」の一例に該当する。
図5は、エンジンの温間時に使用される運転マップであり、エンジンの回転速度/負荷に応じた制御の相違を示す図である。なお、以下の説明において、エンジンの負荷が高い(低い)とは、エンジンの要求トルクが高い(低い)ことと等価である。
低・中速/低負荷の第1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の圧縮により高温・高圧化された環境下で混合気を自着火により燃焼させる燃焼形態のことである。そして、これらSI燃焼とCI燃焼とを組み合わせたSPCCI燃焼とは、混合気が自着火する寸前の環境下で行われる火花点火により燃焼室6内の混合気の一部をSI燃焼させ、当該SI燃焼の後に(SI燃焼に伴うさらなる高温・高圧化により)燃焼室6内の他の混合気を自着火によりCI燃焼させる、という燃焼形態のことである。なお、「SPCCI」は「Spark Controlled Compression Ignition」の略である。
低・中速/高負荷の第2運転領域A2では、1回の火花点火によって混合気をSPCCI燃焼させる制御が実行される。言い換えると、第2運転領域A2では、上述した第1運転領域A1における先行点火が省略されて、主点火のみが実行される。このような1回点火によるSPCCI燃焼を実現するため、第2運転領域A2では、ECU100によってエンジンの各部が次のように制御される。
上記第1・第2運転領域A1,A2よりも高速側の第3運転領域A3では、比較的オーソドックスなSI燃焼が実行される。このSI燃焼の実現のために、第3運転領域A3では、ECU100によってエンジンの各部が次のように制御される。
次に、第1運転領域A1でのスワール制御の詳細について説明する。図9は、第1運転領域A1において設定されるスワール弁18の開度の目標値(以下、目標スワール開度ともいう)の具体例を示すマップ図であり、図10は、負荷が一定の条件下で(図9のラインVに沿って)回転速度を変化させた場合の目標スワール開度の変化を示すグラフである。これらの図に示すように、第1運転領域A1では、目標スワール開度が概ね20~40%の範囲で可変的に設定され、その値は高速側または高負荷側ほど高くされる。
上述したように、当実施形態では、SI燃焼とCI燃焼とを組み合わせたSPCCI燃焼が第1運転領域A1および第2運転領域A2において実行されるが、このSPCCI燃焼では、SI燃焼とCI燃焼との比率を運転条件に応じてコントロールすることが重要になる。
図13は、エンジンの温間時に実行される燃焼制御(主にSPCCI燃焼時の制御)の詳細を示すフローチャートである。本図に示す制御がスタートすると、ECU100の演算部101は、ステップS1において、アクセル操作状態に基づいてエンジンの要求トルクを算出する。すなわち、アクセルセンサSN11の検出値から特定されるアクセルペダルの操作量(踏込み量)と操作速度とに基づいて、エンジンから出力すべき目標トルクである要求トルクを算出する。要求トルクは、アクセルペダルの操作量および操作速度が大きいほど高く算出される。
次に、上述したステップS10において先行点火の時期およびエネルギーを決定する際の具体的な手順について説明する。図14は、上記ステップS10の制御の詳細を示すサブルーチンである。この制御がスタートすると、ECU100の演算部101は、ステップS31において、燃料の噴射時期に基づき先行点火の時期を決定する。例えば、演算部101は、上述したステップS4で決定された燃料の噴射量/噴射時期から、噴射時期が遅い第2噴射が終了する時期を特定し、この第2噴射の噴射終了時期から所定のクランク角が経過した時点を、先行点火の時期として決定する。
上述したとおり、当実施形態では、第1運転領域A1での運転時に、エネルギーの小さい先行点火とエネルギーの大きい主点火とが1サイクル中に実行される。このようなエネルギーの異なる2回の火花点火(先行点火および主点火)を点火プラグ16に実行させるため、点火プラグ16は例えば次のように制御される。
以上説明したように、当実施形態では、SPCCI燃焼が行われる第1運転領域A1において、圧縮行程後期または膨張行程初期に火花を発生させてSI燃焼を開始させる主点火と、主点火よりも早くかつ燃料の噴射よりも遅いタイミングで火花を発生させる先行点火とが実行される。このような構成によれば、燃焼速度が速く熱効率に優れたSPCCI燃焼を実現できるという利点がある。
上記実施形態では、先行点火のエネルギーの基本値である基本点火エネルギーを図15(a)(b)のベースマップを用いてエンジン負荷/回転速度から特定するとともに、特定した基本点火エネルギーを図16(a)~(c)のマップに基づく補正係数k1~k3を用いて補正し、補正後の値を最終的な先行点火のエネルギーとして決定するようにしたが、先行点火のエネルギーを決定する方法はこれに限られない。
13a 吸気VVT(温度調整デバイス)
14a 排気VVT(温度調整デバイス)
15 インジェクタ
16 点火プラグ
18 スワール弁
30 吸気通路
32 スロットル弁
40 排気通路
53 EGR弁(温度調整デバイス)
100 ECU(コントローラ)
101 演算部(設定部、点火エネルギー設定部)
102 噴射制御部
103 点火制御部(第1点火制御部、第2点火制御部)
106 EGR制御部(筒内温度調整部)
SN3 筒内圧センサ(燃料濃度関連値センサ)
Claims (16)
- 気筒と、気筒に燃料を直接噴射するインジェクタと、インジェクタから噴射された燃料と空気とが混合された混合気に点火する点火プラグとを備え、前記混合気の一部を前記点火プラグを用いた火花点火によりSI燃焼させるとともにその他の混合気を自着火によりCI燃焼させる部分圧縮着火燃焼が可能な圧縮着火式エンジンを制御する装置であって、
前記気筒内に存在する燃料の濃度である燃料濃度を特定する燃料濃度特定部と、
前記インジェクタによる燃料の噴射動作を制御する噴射制御部と、
前記点火プラグによる点火動作を制御する点火制御部とを備え、
前記点火制御部は、前記部分圧縮着火燃焼の実行時、圧縮行程後期または膨張行程初期に火花を発生させてSI燃焼を開始させる主点火と、主点火よりも早い吸気行程中のタイミングで火花を発生させる先行点火とを前記点火プラグに実行させ、
前記噴射制御部は、前記部分圧縮着火燃焼の実行時、前記先行点火よりも前の時点で前記気筒内に燃料が存在するようなタイミングで前記インジェクタに燃料を噴射させ、
前記先行点火のエネルギーは、前記燃料濃度特定部により特定された燃料濃度が薄いときは濃いときに比べて大きくされる、ことを特徴とする圧縮着火式エンジンの制御装置。 - 気筒と、気筒に燃料を噴射するインジェクタと、インジェクタから噴射された燃料と空気とが混合された混合気に点火する点火プラグとを備え、前記混合気の一部を前記点火プラグを用いた火花点火によりSI燃焼させるとともにその他の混合気を自着火によりCI燃焼させる部分圧縮着火燃焼が可能な圧縮着火式エンジンを制御する装置であって、
前記気筒内に存在する燃料の濃度である燃料濃度を特定する燃料濃度特定部と、
前記インジェクタによる燃料の噴射動作を制御する噴射制御部と、
前記点火プラグによる点火動作を制御する点火制御部とを備え、
前記点火制御部は、前記部分圧縮着火燃焼の実行時、圧縮行程後期または膨張行程初期に火花を発生させてSI燃焼を開始させる主点火と、主点火よりも早いタイミングで火花を発生させる先行点火とを前記点火プラグに実行させ、
前記噴射制御部は、前記部分圧縮着火燃焼の実行時、前記先行点火よりも前の時点で前記気筒内に燃料が存在するようなタイミングで前記インジェクタに燃料を噴射させ、
前記先行点火のエネルギーは、前記主点火のエネルギーよりも小さく、前記点火プラグから発生した火花の周囲に850K以上1140K未満の高温部が形成されかつ混合気の火炎伝播が生じないようなエネルギーに設定されるとともに、前記燃料濃度特定部により特定された燃料濃度が薄いときは濃いときに比べて大きくされ、
前記点火制御部は、前記燃料濃度が薄いほど前記先行点火のエネルギーが大きくなるように前記点火プラグを制御するとともに、前記燃料濃度に対する前記先行点火のエネルギーの増加率を、燃料濃度が薄い領域の方が濃い領域よりも当該増加率が大きくなるように設定する、ことを特徴とする圧縮着火式エンジンの制御装置。 - 気筒と、気筒に燃料を噴射するインジェクタと、インジェクタから噴射された燃料と空気とが混合された混合気に点火する点火プラグとを備え、前記混合気の一部を前記点火プラグを用いた火花点火によりSI燃焼させるとともにその他の混合気を自着火によりCI燃焼させる部分圧縮着火燃焼が可能な圧縮着火式エンジンを制御する装置であって、
前記気筒内に存在する燃料の濃度である燃料濃度を特定する燃料濃度特定部と、
前記インジェクタによる燃料の噴射動作を制御する噴射制御部と、
前記点火プラグによる点火動作を制御する点火制御部と、
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の目標値である目標SI率をエンジンの運転条件に応じて設定する設定部とを備え、
前記点火制御部は、前記部分圧縮着火燃焼の実行時、圧縮行程後期または膨張行程初期に火花を発生させてSI燃焼を開始させる主点火と、主点火よりも早いタイミングで火花を発生させる先行点火とを前記点火プラグに実行させるとともに、前記設定部により設定された目標SI率に基づいて前記主点火の時期を設定し、
前記噴射制御部は、前記部分圧縮着火燃焼の実行時、前記先行点火よりも前の時点で前記気筒内に燃料が存在するようなタイミングで前記インジェクタに燃料を噴射させ、
前記先行点火のエネルギーは、前記燃料濃度特定部により特定された燃料濃度が薄いときは濃いときに比べて大きくされる、ことを特徴とする圧縮着火式エンジンの制御装置。 - 気筒と、気筒に燃料を噴射するインジェクタと、インジェクタから噴射された燃料と空気とが混合された混合気に点火する点火プラグとを備え、前記混合気の一部を前記点火プラグを用いた火花点火によりSI燃焼させるとともにその他の混合気を自着火によりCI燃焼させる部分圧縮着火燃焼が可能な圧縮着火式エンジンを制御する装置であって、
前記気筒内に存在する燃料の濃度である燃料濃度を特定する燃料濃度特定部と、
前記インジェクタによる燃料の噴射動作を制御する噴射制御部と、
前記点火プラグによる点火動作を制御する点火制御部とを備え、
前記点火制御部は、前記部分圧縮着火燃焼の実行時、圧縮行程後期または膨張行程初期に火花を発生させてSI燃焼を開始させる主点火と、主点火よりも早いタイミングで火花を発生させる先行点火とを前記点火プラグに実行させ、
前記噴射制御部は、前記部分圧縮着火燃焼の実行時、前記先行点火よりも前の時点で前記気筒内に燃料が存在するように、前記先行点火よりも前に燃料を噴射する第2噴射と、当該第2噴射よりも前に燃料を噴射する第1噴射とを前記インジェクタに実行させ、
前記先行点火のエネルギーは、前記燃料濃度特定部により特定された燃料濃度が薄いときは濃いときに比べて大きくされる、ことを特徴とする圧縮着火式エンジンの制御装置。 - 請求項4に記載の圧縮着火式エンジンの制御装置において、
前記噴射制御部は、前記第1噴射による燃料の噴射量の方が前記第2噴射による燃料の噴射量よりも多くなるように前記インジェクタを制御する、ことを特徴とする圧縮着火式エンジンの制御装置。 - 請求項1,3~5のいずれか1項に記載の圧縮着火式エンジンの制御装置において、
前記先行点火のエネルギーは前記主点火のエネルギーよりも小さい、ことを特徴とする圧縮着火式エンジンの制御装置。 - 請求項6に記載の圧縮着火式エンジンの制御装置において、
前記先行点火のエネルギーは、前記点火プラグから発生した火花の周囲に850K以上1140K未満の高温部が形成されかつ混合気の火炎伝播が生じないようなエネルギーに設定される、ことを特徴とする圧縮着火式エンジンの制御装置。 - 請求項2~5のいずれか1項に記載の圧縮着火式エンジンの制御装置において、
前記先行点火の時期は、吸気行程中または圧縮行程の前期もしくは中期に設定される、ことを特徴とする圧縮着火式エンジンの制御装置。 - 請求項1または8に記載の圧縮着火式エンジンの制御装置において、
前記先行点火および主点火は、前記気筒ごとに、1つの点火回路を有する1つの点火プラグによって実行される、ことを特徴とする圧縮着火式エンジンの制御装置。 - 請求項1~9のいずれか1項に記載の圧縮着火式エンジンの制御装置において、
1サイクル中の前記先行点火の回数は3回以下に設定される、ことを特徴とする圧縮着火式エンジンの制御装置。 - 請求項1~10のいずれか1項に記載の圧縮着火式エンジンの制御装置において、
前記燃料濃度特定部は、前記気筒内の空気と燃料との割合である空燃比を前記燃料濃度として推定するものである、ことを特徴とする圧縮着火式エンジンの制御装置。 - 請求項11に記載の圧縮着火式エンジンの制御装置において、
前記気筒内の圧力である筒内圧力を検出する筒内圧センサをさらに備え、
前記燃料濃度特定部は、前記筒内圧センサにより検出される筒内圧力を含む複数のパラメータから特定される前記気筒内の空気の量と、前記インジェクタからの燃料の噴射量とに基づいて、前記空燃比を推定する、ことを特徴とする圧縮着火式エンジンの制御装置。 - 請求項1~12に記載の圧縮着火式エンジンの制御装置において、
前記気筒に連通する吸気ポートに設けられた開閉可能なスワール弁をさらに備え、
前記先行点火および主点火が実行される運転領域では、前記気筒内のスワール比が1.5以上になるように前記スワール弁の開度が制御される、ことを特徴とする圧縮着火式エンジンの制御装置。 - 請求項1~13のいずれか1項に記載の圧縮着火式エンジンの制御装置において、
前記点火制御部は、前記部分圧縮着火燃焼が実行される運転領域における低負荷側の一部でのみ前記先行点火および主点火を実行する、ことを特徴とする圧縮着火式エンジンの制御装置。 - 請求項1~14のいずれか1項に記載の圧縮着火式エンジンの制御装置において、
前記先行点火および主点火が実行される運転領域では、前記気筒内の空気と燃料との割合である空燃比が20超35未満となるA/Fリーン環境下で前記部分圧縮着火燃焼が実行されるか、もしくは、前記気筒内の全ガスと燃料との割合であるガス空燃比が18超50未満となりかつ前記空燃比が理論空燃比に略一致するG/Fリーン環境下で前記部分圧縮着火燃焼が実行される、ことを特徴とする圧縮着火式エンジンの制御装置。 - 気筒と、気筒に臨むよう配設されたインジェクタおよび点火プラグとを備えたエンジンを制御する装置であって、
前記気筒内に存在する燃料の濃度である燃料濃度に関連するパラメータを検出する燃料濃度関連値センサと、
前記気筒内の温度である筒内温度を調整する温度調整デバイスと、
前記インジェクタ、点火プラグ、燃料濃度関連値センサ、および温度調整デバイスと電気的に接続され、前記燃料濃度関連値センサによる検出信号を受け付けるとともに前記インジェクタ、点火プラグ、および温度調整デバイスに制御信号を出力するコントローラとを備え、
前記コントローラは、
エンジンの運転状態に応じた所定時期に前記インジェクタを駆動して燃料を噴射させる噴射制御部と、
前記インジェクタから噴射された燃料と空気との混合気が前記点火プラグによる火花点火により火炎伝播燃焼し、この火炎伝播燃焼の開始後に圧縮自己着火燃焼が起きるように前記筒内温度調整デバイスを駆動して筒内温度を調整する筒内温度調整部と、
前記インジェクタによる燃料噴射の後でかつ吸気行程中に前記点火プラグを駆動して火花点火を行わせる第1点火制御部と、
前記第1点火制御部による火花点火の後でかつ圧縮行程後期または膨張行程初期に前記点火プラグを駆動して火花点火を行わせ、当該火花点火により混合気を火炎伝播燃焼させる第2点火制御部と、
前記燃料濃度関連値センサの出力値に基づいて、前記第1点火制御部による火花点火のエネルギーを、燃料濃度が薄いときは濃いときに比べて大きくする点火エネルギー設定部とを有する、ことを特徴とする圧縮着火式エンジンの制御装置。
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