JP7167830B2 - 予混合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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
Claims (8)
- 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、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジンの制御装置。 - 請求項1に記載の予混合圧縮着火式エンジンの制御装置において、
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。 - 請求項1または2に記載の予混合圧縮着火式エンジンの制御装置において、
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。 - 請求項3に記載の予混合圧縮着火式エンジンの制御装置において、
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。 - 請求項3または4に記載の予混合圧縮着火式エンジンの制御装置において、
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。 - 請求項5に記載の予混合圧縮着火式エンジンの制御装置において、
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。 - 請求項1~6のいずれか1項に記載の予混合圧縮着火式エンジンの制御装置において、
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。 - 請求項1~7のいずれか1項に記載の予混合圧縮着火式エンジンの制御装置において、
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。
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