JP7077769B2 - 圧縮着火式エンジンの制御装置 - Google Patents
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Description
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。この外部EGR装置50は請求項にいう「EGR装置」に相当する。
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。
図5(a)~(c)は、エンジンの暖機の進行度合いとエンジンの回転速度/負荷と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。当実施形態では、エンジンの暖機が完了した温間時と、エンジンの暖機が途中まで進行した半暖機時と、エンジンが未暖機である冷間時との3つの段階に対応して、それぞれ異なる運転マップQ1~Q3が用意されている。以下、温間時に用いられる運転マップQ1を第1運転マップ、半暖機時に用いられる運転マップQ2を第2運転マップ、冷間時に用いられる運転マップQ3を第3運転マップと称する。
第3運転マップQ3(図5(c))に基づいて、エンジンの冷間時の燃焼制御について説明する。エンジンの冷間時は、全運転領域C1において、燃料を空気と混合しつつ混合気を後述するSI燃焼させる制御が実行される。この冷間時の制御は、一般的なガソリンエンジンの燃焼制御と同様であるので、ここではその説明を省略する。
第2運転マップQ2(図5(b))に基づいて、エンジンの半暖機時の燃焼制御について説明する。図5(b)に示すように、エンジンが半暖機状態にあるとき、エンジンの運転領域は、3つの運転領域B1~B3に大別される。それぞれ半暖機第1領域B1、半暖機第2領域B2、半暖機第3領域B3すると、半暖機第3領域B3は、回転速度が高い高速領域であり、半暖機第1領域B1は、半暖機第3領域B3よりも低速側の領域から高負荷側の一部を除いた低・中速/低負荷の領域であり、半暖機第2領域B2は、半暖機第1、第2領域B1,B2以外の残余の領域(言い換えると低・中速/高負荷の領域)である。
半暖機第1領域B1では、SI燃焼とCI燃焼とを組み合わせたSPCCI燃焼が実行される。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」の略であり、SPCCI燃焼は、請求項にいう「部分圧縮着火燃焼」に相当する。
半暖機第2領域B2では、燃焼室6内の空燃比が理論空燃比よりもややリッチになる環境下(空気過剰率λがλ≦1になる環境下)で混合気をSPCCI燃焼させる制御が実行される。このようなリッチ環境下でのSPCCI燃焼を実現するため、半暖機第2領域B2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。
半暖機第3領域B3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、半暖機第3領域B3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。
図5(a)に示すように、エンジンが温間状態にあるとき、エンジンの運転領域は、4つの運転領域A1~A4に大別される。それぞれ温間第1領域A1、温間第2領域A2、温間第3領域A3、温間第4領域A4とすると、温間第2領域A2は、半暖機第1領域B1のうちの高負荷側の領域に対応し、温間第1領域A1は、半暖機第1領域B1から温間第2領域A2を除いた領域に対応し、温間第3領域A3は、半暖機第2領域B2に対応し、温間第4領域A4は、半暖機第3領域A3に対応する。
温間第1領域A1では、燃焼によって生成されるNOxの量を少なく抑えるため且つ燃費性能を良好にするために燃焼室6内の空気(新気)と燃料との重量比である空燃比(A/F)を理論空燃比(14.7)よりも大きくしつつ、混合気をSPCCI燃焼させる制御が実行される。つまり、燃焼室6内の空気過剰率λがλ>1とされつつSPCCI燃焼が実行される。温間第1領域A1における空燃比(A/F)は、燃焼によって生成されるNOxの量が十分に小さく抑えられるように、例えば、20超35未満の範囲内で可変的に設定される。温間第1領域A1での目標空燃比は、概ね、負荷(要求トルク)が高くなるほど大きくなるように設定される。
温間第2領域A2では、半暖機第1領域B1と同様に、燃焼室6内の空燃比が理論空燃比(λ=1)に略一致する環境下で混合気をSPCCI燃焼させる制御が実行される。温間第2領域A2での制御は、基本的に上記(3-2(a))で説明した制御(半暖機第1領域B1での制御)と同様であるので、ここではその説明を省略する。
温間第3領域A3では、半暖機第2領域B2と同様に、燃焼室6内の空燃比が理論空燃比よりもややリッチ(λ≦1)になる環境下で混合気をSPCCI燃焼させる制御が実行される。温間第3運転領域A3での制御は、基本的に上記(3-2(b))で説明した制御(半暖機第2領域B2での制御)と同様であるので、ここではその説明を省略する。
温間第4領域A4では、半暖機第3領域B3と同様に、比較的オーソドックスなSI燃焼が実行される。温間第4運転領域A4での制御は、基本的に上記(3-2(c))で説明した制御(半暖機第3領域B3での制御)と同様であるので、ここではその説明を省略する。
半暖機第1領域B1(G/Fリーン環境下でのSPCCI燃焼の実行領域)において行われる吸気弁11および排気弁12の開閉時期の詳細について説明する。
図13は、半暖機第1領域B1を、吸気弁11の開閉時期の相違により区分けした運転マップである。
図17は、半暖機第1領域B1を、排気弁12の開閉時期の相違により区分けした運転マップである。
以上のように吸気弁11と排気弁12の開閉時期が設定されることに伴い、半暖機第1領域B1では、吸気弁11と排気弁12の双方が排気上死点(TDC)を跨いで開弁する。そして、半暖機第1領域B1は、この排気弁11および排気弁12の双方が排気上死点(TDC)を跨いで開弁する期間であるバルブオーバーラップ期間(以下、適宜、単にバルブオーバーラップ期間という)の相違により図20に示すように区分けされる。また、各エンジン回転速度N1~N4について、バルブオーバーラップ期間とエンジン負荷との関係は、図21に示すようになる。
図22は、横軸をエンジン負荷とし、縦軸を半暖機第1領域B1における目標外部EGR率としたグラフであって、各ラインL41,L42、L43、L44は、それぞれエンジン回転速度が第1速度N1,第2速度N2,第3速度N3,第4速度N4のときの目標外部EGR率をそれぞれ示したラインである。図23の(a)~(d)は、これらラインL41~L44を個別に示したものである。
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燃焼が半暖機第1領域B1等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。
当実施形態では、半暖機第1領域B1において、吸気弁11の開閉時期、排気弁12の開閉時期および目標外部EGR率が前記のように設定されることで、燃焼室6内に内部EGRガス、外部EGRガス、空気を適切に存在させることができ、適切なSPCCI燃焼を実現して燃費性能を高めることができる。
前記実施形態では、SPCCI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率を、図7の燃焼波形における面積R1,R2を用いて、R1/(R1+R2)と定義し、このSI率が予め定められた目標SI率に一致するように主点火の時期を調整するようにしたが、SI率を定義する方法は他にも種々考えられる。
11 吸気弁
12 排気弁
13a 吸気VVT(吸気開閉時期変更機構)
14a 排気VVT(排気開閉時期変更機構)
15 インジェクタ
16 点火プラグ
30 吸気通路
40 排気通路
100 ECU(燃焼制御部)
Claims (5)
- 気筒と、吸気通路および排気通路と、前記吸気通路と前記気筒とを連通する吸気ポートと、前記吸気ポートを開閉する吸気弁と、前記排気通路と前記気筒とを連通する排気ポートと、前記排気ポートを開閉する排気弁と、前記気筒に燃料を噴射するインジェクタと、前記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、
前記吸気弁の開弁時期と閉弁時期とを同時に変更する位相式の吸気可変機構と、
前記吸気可変機構、前記点火プラグを含む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、エンジンの高負荷域および高速域を除く特定領域での運転時、前記気筒内の空気と燃料との割合である空燃比が理論空燃比近傍となり且つ前記気筒内に既燃ガスが残留するG/Fリーン環境が形成されるように前記吸気可変機構を制御しつつ前記混合気が前記部分圧縮着火燃焼により燃焼するように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、
前記特定領域の中でもエンジン負荷が低い領域を第1運転領域、前記特定領域に含まれ且つ前記第1運転領域よりもエンジン負荷が高い領域を第2運転領域、前記特定領域に含まれ且つ前記第2運転領域よりもエンジン負荷が高い領域を第3運転領域としたとき、前記燃焼制御部は、
前記第2運転領域での運転時、前記吸気弁が排気上死点よりも進角側で開弁し前記排気弁が排気上死点よりも遅角側で閉弁し、且つ、エンジン回転速度が同じ条件下で、エンジン負荷が高いほど前記吸気弁の開弁時期が排気上死点よりも進角側の範囲で遅角されるように、前記吸気可変機構を制御し、
前記第3運転領域での運転時、前記吸気弁が排気上死点よりも進角側で開弁し前記排気弁が排気上死点よりも遅角側で閉弁し、且つ、エンジン回転速度が同じ条件下で、エンジン負荷が高いほど前記吸気弁の閉弁時期が吸気下死点よりも遅角側の範囲で進角されるように、前記吸気可変機構を制御する、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に記載の圧縮着火式エンジンの制御装置において、
前記第2運転領域および前記第3運転領域は所定の第1基準負荷を境にエンジン負荷方向に隣接しており、
前記第1基準負荷を跨ぐようにエンジン負荷が変化したときに、前記吸気弁の開弁時期が連続的に変化するように、前記第2運転領域および前記第3運転領域内での前記吸気弁の開弁時期が設定されている、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2に記載の圧縮着火式エンジンの制御装置において、
前記気筒に導入される吸気を過給する過給機と、
前記排気弁の閉弁時期を変更する排気可変機構とをさらに備え、
前記特定領域の中でもエンジン負荷が低い領域を第4運転領域、前記特定領域に含まれ且つ前記第4運転領域よりもエンジン負荷が高い領域を第5運転領域、前記特定領域に含まれ且つ前記第5運転領域よりもエンジン負荷が高い領域を第6運転領域としたとき、前記燃焼制御部は、
前記第5運転領域での運転時、前記過給機による過給が行われないように当該過給機を制御するとともに、エンジン負荷が高いほど前記排気弁の閉弁時期が排気上死点よりも遅角側の範囲で進角されるように前記排気可変機構を制御し、
前記第6運転領域での運転時、前記過給機による過給が行われるように当該過給機を制御するとともに、エンジン負荷が高いほど前記排気弁の閉弁時期が排気上死点よりも遅角側の範囲で遅角されるように、前記排気可変機構を制御する、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3に記載の圧縮着火式エンジンの制御装置において、
前記第2運転領域および前記第3運転領域は所定の第1基準負荷を境にエンジン負荷方向に隣接しており、
前記第5運転領域および前記第6運転領域は所定の第2基準負荷を境にエンジン負荷方向に隣接しており、
前記第1基準負荷と前記第2基準負荷とは、少なくとも一部のエンジン回転速度域において同一の値に設定されている、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2に記載の圧縮着火式エンジンの制御装置において、
前記気筒に導入される吸気を過給する過給機と、
前記排気弁の閉弁時期を変更する排気可変機構とをさらに備え、
前記燃焼制御部は、
前記第1運転領域および前記第2運転領域での運転時、前記過給機による過給が行われないように当該過給機を制御し、
前記特定領域に含まれ且つ前記第2運転領域よりもエンジン負荷が高い第7運転領域での運転時、前記過給機による過給が行われるように当該過給機を制御するとともに、前記吸気弁が排気上死点よりも進角側で開弁し前記排気弁が排気上死点よりも遅角側で閉弁し、且つ、前記吸気弁の開弁時期から前記排気弁の閉弁時期までの期間であるバルブオーバーラップ期間が、エンジン回転速度が同じ条件下で、エンジン負荷が高いほど長くなるように、前記吸気可変機構および前記排気可変機構を制御する、ことを特徴とする圧縮着火式エンジンの制御装置。
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