JP5569468B2 - Control device for spark ignition engine - Google Patents
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Description
ここに開示する技術は、火花点火式エンジンの制御装置に関する。 The technology disclosed herein relates to a control device for a spark ignition engine.
排気エミッションの向上と熱効率の向上とを両立させる技術として、リーンな混合気を圧縮着火させる圧縮着火式のガソリンエンジンが知られている。例えば特許文献1には、この圧縮着火式ガソリンエンジンにおいて圧縮着火を安定化させるために、圧縮上死点付近において強制的に点火を行う点火アシスト技術が記載されている。また、特許文献2には、圧縮行程前半までの期間に第1の燃料噴射と共に火花点火を行い、その後に第2の燃料噴射を行って、これを圧縮着火させることにより、圧縮着火時期の制御を行おうとする技術が記載されている。 A compression ignition type gasoline engine that compresses and ignites a lean air-fuel mixture is known as a technology that achieves both improved exhaust emission and improved thermal efficiency. For example, Patent Literature 1 describes an ignition assist technique in which ignition is forcibly performed near the compression top dead center in order to stabilize compression ignition in the compression ignition type gasoline engine. Further, in Patent Document 2, the spark ignition is performed together with the first fuel injection in the period up to the first half of the compression stroke, and then the second fuel injection is performed to compress and ignite this, thereby controlling the compression ignition timing. The technology to try to do is described.
圧縮着火燃焼は、前述したように、排気エミッションの向上や熱効率の向上に有利であるから、この圧縮着火燃焼を行う運転領域を拡大したいという要求がある。ところが、圧縮着火燃焼は、エンジン負荷が高くなるにつれて圧力上昇の激しい過早着火の燃焼となってしまう。そのため、燃焼騒音の増大やノッキング等の異常燃焼の発生を招くことになるから、圧縮着火燃焼を行う運転領域は低負荷側に制限され、高負荷側に拡大することは困難である。 As described above, compression ignition combustion is advantageous for improving exhaust emission and improving thermal efficiency, and therefore there is a demand for expanding the operating range in which this compression ignition combustion is performed. However, the compression ignition combustion becomes pre-ignition combustion in which the pressure rises rapidly as the engine load increases. For this reason, an increase in combustion noise and occurrence of abnormal combustion such as knocking are caused. Therefore, the operation region in which compression ignition combustion is performed is limited to the low load side, and it is difficult to expand to the high load side.
また、エンジン回転数が高くなるにつれて混合気の反応時間が不足し、圧縮着火燃焼の燃焼安定性が低下することから、圧縮着火燃焼を行う運転領域を高回転側に拡大することも困難である。 Also, as the engine speed increases, the reaction time of the air-fuel mixture becomes insufficient, and the combustion stability of compression ignition combustion decreases, so it is difficult to expand the operating region where compression ignition combustion is performed to the high rotation side. .
ここに開示する技術は、か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、圧縮着火燃焼を実行する火花点火式エンジンの制御装置において、圧縮着火燃焼を行う運転領域を拡大することにある。 The technology disclosed herein has been made in view of the above points, and an object of the technology is to expand an operation range in which compression ignition combustion is performed in a control device for a spark ignition engine that performs compression ignition combustion. There is.
この点につき、エンジン負荷が比較的高い運転領域では、例えば燃料の噴射時期を遅らせて、圧縮着火のタイミングを圧縮上死点以降に遅らせることが考えられる。これによって、圧縮着火燃焼は、モータリングにより筒内圧力が次第に低下する膨張行程中での燃焼となるから、圧力上昇率(dP/dT)を抑制して燃焼騒音の抑制に有利になる。従って、噴射時期の遅角化は、圧縮着火燃焼を行う運転領域を高負荷側に拡大する上で有効である。しかしながら、圧縮着火燃焼を遅らせすぎると燃焼安定性が低下するため、燃料の噴射時期を遅らせる方策だけで、圧縮着火燃焼を行う運転領域を大きく拡大することは難しい。 In this regard, in an operation region where the engine load is relatively high, for example, the fuel injection timing may be delayed to delay the compression ignition timing after the compression top dead center. As a result, the compression ignition combustion is combustion during the expansion stroke in which the cylinder pressure gradually decreases due to motoring, which is advantageous for suppressing combustion noise by suppressing the pressure increase rate (dP / dT). Therefore, retarding the injection timing is effective in expanding the operation region where compression ignition combustion is performed to the high load side. However, if the compression ignition combustion is delayed too much, the combustion stability is lowered. Therefore, it is difficult to greatly expand the operation region in which the compression ignition combustion is performed only by measures for delaying the fuel injection timing.
そこで、ここに開示する技術は、点火プラグの駆動による着火アシストを行うことによって圧縮着火燃焼の燃焼安定性を確保するようにした。 In view of this, the technology disclosed herein secures the combustion stability of the compression ignition combustion by performing the ignition assist by driving the ignition plug.
具体的に、ここに開示する火花点火式エンジンの制御装置は、所定の運転領域にあるときに、気筒内の混合気を圧縮着火させる圧縮着火モードで運転するよう構成されたエンジン本体と、前記気筒内に臨んで配設されかつ、当該気筒内の混合気に点火をするように構成された点火プラグと、前記気筒内に供給するための燃料を噴射するように構成された燃料噴射弁と、少なくとも、前記燃料噴射弁及び前記点火プラグを制御することによって、前記エンジン本体を運転するように構成された制御器と、前記エンジン本体の排気側と吸気側とをつなぐ通路を通じて排気ガスの一部を吸気側に還流させる外部EGR手段と、前記エンジン本体の吸気弁及び排気弁の少なくとも一方の開弁時期を制御することにより排気ガスの一部を気筒に残留させる内部EGR手段と、を備える。 Specifically, the spark ignition engine control device disclosed herein includes an engine body configured to operate in a compression ignition mode for compressing and igniting an air-fuel mixture in a cylinder when in a predetermined operation region, A spark plug arranged to face the cylinder and configured to ignite the air-fuel mixture in the cylinder; and a fuel injection valve configured to inject fuel to be supplied into the cylinder; And at least one of the exhaust gas through a passage connecting the exhaust side and the intake side of the engine body, and a controller configured to operate the engine body by controlling the fuel injection valve and the spark plug. Part of the exhaust gas remains in the cylinder by controlling the opening timing of at least one of the intake valve and the exhaust valve of the engine main body and the external EGR means for recirculating the engine part to the intake side Comprising an internal EGR means.
そうして、前記制御器は、前記圧縮着火モードにおいては、前記エンジン本体の運転状態が中負荷の中回転域にあるときには前記燃料噴射弁により全燃料を噴射した後でかつ圧縮上死点前に前記点火プラグの駆動による着火アシストを行い、それによって青炎反応を促進して、その後に圧縮着火による主燃焼が開始するようにし、前記エンジン本体の運転状態が中負荷の低回転域にあるときには前記着火アシストを行わず、前記制御器はまた、前記着火アシスト時点での前記気筒内の混合気を、当該着火アシストを実行しても火炎伝播しないリーン状態とすると共に、前記主燃焼の燃焼重心のクランク角位置が前記圧縮上死点以降となるように、前記燃料の噴射時期及び着火アシストの実行時期を設定し、前記エンジン本体の運転状態が、低負荷乃至中負荷域にあるときの低負荷側では、前記外部EGR手段及び内部EGR手段の内、内部EGR手段によって排気ガスを前記気筒に導入すると共に、前記エンジン本体の負荷が高まるほど、前記内部EGR手段による内部EGR量を少なくする。 Then, the controller, the in the compression ignition mode, later and compression top dead when in a rotation range in the medium load operating state in which injected total fuel Ri by said fuel injection valve of the engine body Ignition assist by driving the spark plug is performed before the point, thereby promoting the blue flame reaction, after which the main combustion by compression ignition starts, and the operating state of the engine body is in a low rotation range of medium load The ignition assist is not performed, and the controller also sets the air-fuel mixture in the cylinder at the time of the ignition assist to a lean state in which flame propagation does not occur even when the ignition assist is performed, and the main combustion of such crank angle position of the combustion center is the compression top dead center or later, sets the execution timing of the injection timing and the ignition assistance of the fuel, the operating state of the engine body, low On the low load side when in the load or medium load range, the exhaust gas is introduced into the cylinder by the internal EGR means out of the external EGR means and the internal EGR means, and as the load on the engine body increases, the internal The amount of internal EGR by the EGR means is reduced .
この構成によると、圧縮着火モードにおいては、前記燃料噴射弁による燃料の噴射後でかつ圧縮上死点前に、前記点火プラグの駆動による着火アシストを行う。ここで、前記気筒内の混合気を、当該着火アシストを実行しても火炎伝播しないリーン状態としておくことによって、着火アシストを行っても熱炎反応は直ちに発現しない。尚、混合気は、排気エミッションの観点からは均一であることが好ましい。この着火アシストは、後述するように、均一なリーン混合気において燃焼安定性を高める。 According to this configuration, in the compression ignition mode, ignition assist by driving the spark plug is performed after fuel injection by the fuel injection valve and before compression top dead center. Here, by setting the air-fuel mixture in the cylinder to a lean state in which flame propagation does not occur even when the ignition assist is executed, a thermal flame reaction does not immediately occur even if the ignition assist is performed. The air-fuel mixture is preferably uniform from the viewpoint of exhaust emission. As will be described later, this ignition assist improves combustion stability in a uniform lean air-fuel mixture.
着火アシストの点火時の熱プラズマによってNOやOラジカルが生成され、このNOやOラジカルは、低温酸化反応後の青炎反応を促進する。これにより、熱発生率が立ち上がって気筒内の温度を高め、気筒内の状態が熱炎反応開始温度・圧力に到達し、熱炎反応、つまり圧縮着火による主燃焼が開始する。着火アシストは、熱炎反応前の青炎反応を促進することから、着火条件、つまり気筒内の温度及び/又は圧力状態が圧縮自己着火に至る条件を緩和する、と言い換えることが可能である。 NO and O radicals are generated by the thermal plasma during ignition assist ignition, and these NO and O radicals promote the blue flame reaction after the low-temperature oxidation reaction. As a result, the heat generation rate rises to raise the temperature in the cylinder, the state in the cylinder reaches the hot flame reaction start temperature / pressure, and the hot flame reaction, that is, main combustion by compression ignition starts. Since the ignition assist promotes the blue flame reaction before the hot flame reaction, it can be rephrased as reducing the ignition condition, that is, the condition that the temperature and / or pressure state in the cylinder leads to compression self-ignition.
従って、主燃焼の燃焼重心のクランク角位置が圧縮上死点以降となるようにし、それによって燃焼安定性が低下してしまうような状態であっても、着火アシストの実行により着火条件が緩和されることで、確実に圧縮着火へと導くことが可能になる。このことは、燃焼安定性を確保しつつも、主燃焼の燃焼重心のクランク角位置を圧縮上死点以降となるようにして燃焼騒音を抑制することが可能になるから、その分、圧縮着火燃焼を実行する運転領域を拡大させることが実現する。 Therefore, even if the crank angle position of the combustion center of gravity of the main combustion is after the compression top dead center, and the combustion stability is thereby lowered, the ignition condition is relaxed by executing the ignition assist. This makes it possible to reliably lead to compression ignition. This makes it possible to suppress the combustion noise by ensuring that the crank angle position of the combustion center of gravity of the main combustion is after the compression top dead center while ensuring the combustion stability. It is possible to expand the operating range in which combustion is performed.
前記着火アシストを行う運転領域は、中負荷の中回転域であり、中負荷の低回転域にあるときには着火アシストを行わない。つまり、エンジン本体の負荷が高まり、圧縮着火燃焼が圧力上昇の激しい過早着火の燃焼となってしまうような圧縮着火モードにおける運転領域において、主燃焼の燃焼重心のクランク角位置が圧縮上死点以降となるようにして燃焼騒音を抑制しつつ、燃焼安定性を確保する上で、着火アシストは極めて有効である。ここで、「中負荷」領域は、エンジン本体の運転領域を負荷方向に、低、中、高に分割した場合の中負荷領域としてもよい。 The operation region in which the ignition assist is performed is a middle rotation region of a medium load, and the ignition assist is not performed when it is in a low rotation region of a medium load. In other words, the crank angle position of the combustion center of gravity of the main combustion is the compression top dead center in the operating region in the compression ignition mode where the load on the engine body increases and the compression ignition combustion becomes the combustion of premature ignition with a strong pressure rise. The ignition assist is extremely effective for ensuring combustion stability while suppressing combustion noise in the following manner. Here, the “medium load” region may be a medium load region when the operation region of the engine body is divided into low, medium, and high in the load direction.
また、着火アシストによる着火条件の緩和によって、エンジン回転数が高まり混合気の反応時間が不足してしまうことを補うことが可能になる。このため、着火アシストは、エンジンの中回転領域、及び、それ以上の回転数領域における燃焼安定性を確保する上でも有効である。 In addition, it is possible to compensate for the fact that the engine speed increases and the reaction time of the air-fuel mixture becomes insufficient due to the relaxation of the ignition condition by the ignition assist. For this reason, the ignition assist is also effective in ensuring combustion stability in the middle speed region of the engine and in a higher rotational speed region.
前記制御器は、前記着火アシスト時点での前記気筒内の混合気を、空気過剰率λが1.7以上、又は、G/Fが25以上にする、としてもよい。この混合気は、着火アシストの実行によっても火炎伝播しないリーン状態となり、主燃焼の燃焼安定性を高める上で有効になる。 The controller may set the air-fuel mixture in the cylinder at the ignition assist time so that the excess air ratio λ is 1.7 or more, or G / F is 25 or more. This air-fuel mixture is in a lean state in which flame propagation does not occur even when ignition assist is executed, and is effective in improving the combustion stability of main combustion.
前記制御器は、前記エンジン本体の温度が所定温度以下のときには、前記中負荷領域よりも低い負荷領域において、前記着火アシストを行う、としてもよい。 すなわち、エンジン本体の温度が所定温度以下の未暖機時には、気筒内の温度が低く圧縮着火に不利な状態となる。着火アシストは、前述の通り、着火条件を緩和して燃焼安定性の向上に有利であるから、エンジン本体の未暖機時には、中負荷領域よりも低い負荷領域においても着火アシストを実行することによって、燃焼安定性を確保することが可能になる。つまり、着火アシストの利用は、圧縮着火燃焼を行う運転条件を温度に対して拡大することも可能にする。 The controller may perform the ignition assist in a load region lower than the medium load region when the temperature of the engine body is equal to or lower than a predetermined temperature. That is, when the temperature of the engine body is not warmed up to a predetermined temperature or less, the temperature in the cylinder is low, which is disadvantageous for compression ignition. As described above, the ignition assist is advantageous for improving the combustion stability by relaxing the ignition condition. Therefore, when the engine body is not warmed up, the ignition assist is executed even in the load region lower than the medium load region. It becomes possible to ensure combustion stability. That is, the use of the ignition assist makes it possible to expand the operating conditions for performing the compression ignition combustion with respect to the temperature.
前記制御器は、前記エンジン本体の運転状態が中負荷の高回転域にあるときには、混合気の空燃比を理論空燃比に設定すると共に、前記点火プラグを駆動して火花点火燃焼により前記エンジン本体を運転する、としてもよい。The controller sets the air-fuel ratio of the air-fuel mixture to the stoichiometric air-fuel ratio when the operating state of the engine main body is in a high rotation range of a medium load, and drives the spark plug to cause the engine main body by spark ignition combustion. You may drive.
また、前記点火プラグは、複数の点火コイルを含んでおり、前記制御器は、前記エンジン本体の運転状態が中負荷の中回転域にあるときには、当該中回転域における低回転側の運転領域では、前記複数の点火コイルの内のいずれか1個の点火コイルを駆動する通常点火によって着火アシストを行うと共に、前記中回転域における高回転側の運転領域では、前記複数の点火コイルを順次駆動する連続点火によって着火アシストを行う、としてもよい。Further, the spark plug includes a plurality of ignition coils, and when the operating state of the engine body is in a middle rotation range of a medium load, the controller is configured to operate in a low rotation side operation range in the middle rotation range. The ignition assist is performed by normal ignition that drives any one of the plurality of ignition coils, and the plurality of ignition coils are sequentially driven in the high rotation side operation region in the middle rotation region. The ignition assist may be performed by continuous ignition.
以上説明したように、この火花点火式エンジンの制御装置は、圧縮着火モードにおいて、燃料噴射弁による燃料の噴射後でかつ圧縮上死点前に着火アシストを行って青炎反応を促進することにより着火条件を緩和するから、燃焼安定性を確保しつつ、主燃焼の燃焼重心のクランク角位置が圧縮上死点以降となるようにして燃焼騒音を抑制することが可能になる。その結果、圧縮着火燃焼を実行する運転領域が拡大する。 As described above, in the compression ignition mode, the control device for the spark ignition engine performs an ignition assist after the fuel injection by the fuel injection valve and before the compression top dead center to promote the blue flame reaction. Since the ignition condition is relaxed, it is possible to suppress the combustion noise by ensuring that the crank angle position of the combustion center of gravity of the main combustion is after the compression top dead center while ensuring the combustion stability. As a result, the operating range in which compression ignition combustion is performed is expanded.
以下、火花点火式ガソリンエンジンの制御装置の実施形態を図面に基づいて説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、例示である。図1,2は、エンジン(エンジン本体)1の概略構成を示す。このエンジン1は、車両に搭載されると共に、少なくともガソリンを含有する燃料が供給される火花点火式ガソリンエンジンである。エンジン1は、複数の気筒18(一つのみ図示)が設けられたシリンダブロック11と、このシリンダブロック11上に配設されたシリンダヘッド12と、シリンダブロック11の下側に配設され、潤滑油が貯溜されたオイルパン13とを有している。各気筒18内には、コンロッド142を介してクランクシャフト15と連結されているピストン14が往復動可能に嵌挿されている。ピストン14の頂面には、リエントラント形のようなキャビティ141が形成されている。キャビティ141は、ピストン14が圧縮上死点付近に位置するときには、後述する直噴インジェクタ67に相対する。シリンダヘッド12と、気筒18と、キャビティ141を有するピストン14とは、燃焼室を区画する。尚、燃焼室の形状は、図示する形状に限定されるものではない。例えばキャビティ141の形状、ピストン14の頂面形状、及び、燃焼室の天井部の形状等は、適宜変更することが可能である。
Hereinafter, an embodiment of a control device for a spark ignition gasoline engine will be described with reference to the drawings. The following description of preferred embodiments is exemplary. 1 and 2 show a schematic configuration of an engine (engine body) 1. The engine 1 is a spark ignition gasoline engine that is mounted on a vehicle and supplied with fuel containing at least gasoline. The engine 1 is provided with a
このエンジン1は、理論熱効率の向上や、後述する圧縮着火燃焼の安定化等を目的として、14以上の比較的高い幾何学的圧縮比に設定されている。尚、幾何学的圧縮比は14以上20以下程度の範囲で、適宜設定すればよい。 The engine 1 is set to a relatively high geometric compression ratio of 14 or more for the purpose of improving the theoretical thermal efficiency, stabilizing the compression ignition combustion described later, and the like. In addition, what is necessary is just to set a geometric compression ratio suitably in the range of about 14-20.
シリンダヘッド12には、気筒18毎に、吸気ポート16及び排気ポート17が形成されていると共に、これら吸気ポート16及び排気ポート17には、燃焼室側の開口を開閉する吸気弁21及び排気弁22がそれぞれ配設されている。
The
吸気弁21及び排気弁22をそれぞれ駆動する動弁系の内、排気側には、排気弁22の作動モードを通常モードと特殊モードとに切り替える、例えば油圧作動式の可変機構(図2参照。以下、VVL(Variable Valve Lift)と称する)71が設けられている。VVL71は、その構成の詳細な図示は省略するが、カム山を一つ有する第1カムとカム山を二つ有する第2カムとの、カムプロファイルの異なる2種類のカム、及び、その第1及び第2カムのいずれか一方のカムの作動状態を選択的に排気弁に伝達するロストモーション機構を含んで構成されている。第1カムの作動状態を排気弁22に伝達しているときには、排気弁22は、排気行程中において一度だけ開弁される通常モードで作動する(図5(b)(c)(d)参照)のに対し、第2カムの作動状態を排気弁22に伝達しているときには、排気弁22が、排気行程中において開弁すると共に、吸気行程中においても開弁するような、いわゆる排気の二度開きを行う特殊モードで作動する(図5(a)参照)。VVL71の通常モードと特殊モードとは、エンジンの運転状態に応じて切り替えられる。具体的に、特殊モードは、内部EGRに係る制御の際に利用される。尚、こうした通常モードと特殊モードとの切り替えを可能にする上で、排気弁22を電磁アクチュエータによって駆動する電磁駆動式の動弁系を採用してもよい。また、内部EGRの実行は、排気の二度開きのみによって実現されるのではない。例えば吸気弁21を二回開く、吸気の二度開きによって内部EGR制御を行ってもよいし、排気行程乃至吸気行程において吸気弁21及び排気弁22の双方を閉じるネガティブオーバーラップ期間を設けて既燃ガスを気筒18内に残留させる内部EGR制御を行ってもよい。
Among the valve systems that drive the
VVL71を備えた排気側の動弁系に対し、吸気側には、図2に示すように、クランクシャフト15に対する吸気カムシャフトの回転位相を変更することが可能な位相可変機構(以下、VVT(Variable Valve Timing)と称する)72と、吸気弁21のリフト量を連続的に変更することが可能なリフト量可変機構(以下、CVVL(Continuously Variable Valve Lift)と称する)73とが設けられている。VVT72は、液圧式、電磁式又は機械式の公知の構造を適宜採用すればよく、その詳細な構造についての図示は省略する。また、CVVL73も、公知の種々の構造を適宜採用することが可能であり、その詳細な構造についての図示は省略する。VVT72及びCVVL73によって、吸気弁21は、図5(a)〜(d)に示すように、その開弁タイミング及び閉弁タイミング、並びに、リフト量をそれぞれ変更することが可能である。
As shown in FIG. 2, the exhaust side valve system having the
シリンダヘッド12にはまた、気筒18毎に、気筒18内に燃料を直接噴射する直噴インジェクタ67と、吸気ポート16内に燃料を噴射するポートインジェクタ68とがそれぞれ取り付けられている。
Further, for each
直噴インジェクタ67は、その噴口が燃焼室の天井面の中央部分から、その燃焼室内に臨むように配設されている。直噴インジェクタ67は、エンジン1の運転状態に応じた噴射タイミングでかつ、エンジン1の運転状態に応じた量の燃料を、燃焼室内に直接噴射する。この例において、直噴インジェクタ67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のインジェクタである。これによって、直噴インジェクタ67は、燃料噴霧が放射状に広がるように、燃料を噴射する。ピストン14が圧縮上死点付近に位置するタイミングで、燃焼室の中央部分から放射状に広がるように噴射された燃料噴霧は、ピストン頂面に形成されたキャビティ141の壁面に沿って流動することにより、後述する点火プラグ25の周囲に到達するようになる。キャビティ141は、ピストン14が圧縮上死点付近に位置するタイミングで噴射された燃料噴霧を、その内部に収めるように形成されている、と言い換えることが可能である。この多噴口型のインジェクタ67とキャビティ141との組み合わせは、燃料の噴射後、点火プラグ25の周りに燃料噴霧が到達するまでの時間を短くすると共に、燃焼期間を短くする上で有利な構成である。尚、直噴インジェクタ67は、多噴口型のインジェクタに限定されず、外開弁タイプのインジェクタを、直噴インジェクタに採用してもよい。
The
ポートインジェクタ68は、図1に示すように、吸気ポート16乃至吸気ポート16に連通する独立通路に臨んで配置されかつ、吸気ポート16内に燃料を噴射する。ポートインジェクタ68は、一つの気筒18に対して一つ設けてもよいし、一つの気筒18に対し二つの吸気ポート16が設けられているのであれば、二つの吸気ポート16のそれぞれに設けてもよい。ポートインジェクタ68の形式は特定の形式に限定されるものではなく、種々の形式のインジェクタを、適宜採用することが可能である。
As shown in FIG. 1, the
図外の燃料タンクと直噴インジェクタ67との間は、高圧燃料供給経路によって互いに連結されている。この高圧燃料供給経路上には、高圧燃料ポンプ63とコモンレール64とを含みかつ、直噴インジェクタ67に、相対的に高い燃料圧力で燃料を供給する高圧燃料供給システム62が介設されている。高圧燃料ポンプ63は、燃料タンクからコモンレール64に燃料を圧送し、コモンレール64は圧送された燃料を、高い燃料圧力で蓄える。直噴インジェクタ67が開弁することによって、コモンレール64に蓄えられている燃料が直噴インジェクタ67の噴口から噴射される。ここで、高圧燃料ポンプ63は、図示は省略するが、プランジャー式のポンプであり、例えばクランク軸とカム軸との間のタイミングベルトに連結されることにより、エンジン1によって駆動される。このエンジン駆動のポンプを含む構成の高圧燃料供給システム62は、40MPa以上の高い燃料圧力の燃料を、直噴インジェクタ67に供給することを可能にする。直噴インジェクタ67に供給される燃料の圧力は、後述するように、エンジン1の運転状態に応じて変更される。尚、高圧燃料供給システム62は、これに限定されるものではない。
The fuel tank (not shown) and the
同様に、図外の燃料タンクとポートインジェクタ68との間は、低圧燃料供給経路によって互いに連結されている。この低圧燃料供給経路上には、ポートインジェクタ68に対し、相対的に低い燃料圧力の燃料を供給する低圧燃料供給システム66が介設されている。低圧燃料供給システム66は、詳細な図示は省略するが、電動又はエンジン駆動の低圧燃料ポンプとレギュレータとを備えており、所定圧力の燃料を、各ポートインジェクタ68に供給するように構成されている。ポートインジェクタ68は、吸気ポートに燃料を噴射するため、低圧燃料供給システム66が供給する燃料の圧力は、高圧燃料供給システム62が供給する燃料の圧力に比べて、低い圧力に設定されている。
Similarly, the fuel tank (not shown) and the
シリンダヘッド12にはまた、燃焼室内の混合気に点火する点火プラグ25が取り付けられている。点火プラグ25は、エンジン1の排気側から斜め下向きに延びるように、シリンダヘッド12内を貫通して配置されている。点火プラグ25の先端は、燃焼室の中央部分に配置された直噴インジェクタ67の先端近傍で、燃焼室内に臨んで配置されている。点火プラグ25は、図示は省略するが、この例では、複数(例えば4個)の点火コイルを含むマルチ点火コイル方式であり、複数の点火コイルの内のいずれか1個の点火コイルを駆動する通常点火、複数の点火コイルを順次駆動する連続点火、及び複数の点火コイルを同時に駆動する多重点火を切り替えることが可能に構成されている。
A
エンジン1の一側面には、各気筒18の吸気ポート16に連通するように吸気通路30が接続されている。一方、エンジン1の他側面には、各気筒18の燃焼室からの既燃ガス(排気ガス)を排出する排気通路40が接続されている。
An
吸気通路30の上流端部には、吸入空気を濾過するエアクリーナ31が配設されている。また、吸気通路30における下流端近傍には、サージタンク33が配設されている。このサージタンク33よりも下流側の吸気通路30は、各気筒18毎に分岐する独立通路とされ、これら各独立通路の下流端が各気筒18の吸気ポート16にそれぞれ接続されている。
An
吸気通路30におけるエアクリーナ31とサージタンク33との間には、空気を冷却又は加熱する、水冷式のインタークーラ/ウォーマ34と、各気筒18への吸入空気量を調節するスロットル弁36とが配設されている。吸気通路30にはまた、インタークーラ/ウォーマ34をバイパスするインタークーラバイパス通路35が接続されており、このインタークーラバイパス通路35には、当該通路35を通過する空気流量を調整するためのインタークーラバイパス弁351が配設されている。インタークーラバイパス弁351の開度調整を通じて、インタークーラバイパス通路35の通過流量とインタークーラ/ウォーマ34の通過流量との割合を調整することにより、気筒18に導入する新気の温度を調整する。
Between the
排気通路40の上流側の部分は、各気筒18毎に分岐して排気ポート17の外側端に接続された独立通路と該各独立通路が集合する集合部とを有する排気マニホールドによって構成されている。この排気通路40における排気マニホールドよりも下流側には、排気ガス中の有害成分を浄化する排気浄化装置として、直キャタリスト41とアンダーフットキャタリスト42とがそれぞれ接続されている。直キャタリスト41及びアンダーフットキャタリスト42はそれぞれ、筒状ケースと、そのケース内の流路に配置した、例えば三元触媒とを備えて構成されている。
The upstream portion of the
吸気通路30におけるサージタンク33とスロットル弁36との間の部分と、排気通路40における直キャタリスト41よりも上流側の部分とは、排気ガスの一部を吸気通路30に還流するためのEGR通路50を介して接続されている。このEGR通路50は、排気ガスをエンジン冷却水によって冷却するためのEGRクーラ52が配設された主通路51と、EGRクーラ52をバイパスするためのEGRクーラバイパス通路53と、を含んで構成されている。主通路51には、排気ガスの吸気通路30への還流量を調整するためのEGR弁511が配設され、EGRクーラバイパス通路53には、EGRクーラバイパス通路53を流通する排気ガスの流量を調整するためのEGRクーラバイパス弁531が配設されている。
A portion between the
このように構成されたエンジン1は、パワートレイン・コントロール・モジュール(以下、PCMという)10によって制御される。PCM10は、CPU、メモリ、カウンタタイマ群、インターフェース及びこれらのユニットを接続するパスを有するマイクロプロセッサで構成されている。このPCM10が制御器を構成する。
The engine 1 configured as described above is controlled by a powertrain control module (hereinafter referred to as PCM) 10. The
PCM10には、図1,2に示すように、各種のセンサSW1〜SW16の検出信号が入力される。この各種のセンサには、次のセンサが含まれる。すなわち、エアクリーナ31の下流側で、新気の流量を検出するエアフローセンサSW1及び新気の温度を検出する吸気温度センサSW2、インタークーラ/ウォーマ34の下流側に配置されかつ、インタークーラ/ウォーマ34を通過した後の新気の温度を検出する、第2吸気温度センサSW3、EGR通路50における吸気通路30との接続部近傍に配置されかつ、外部EGRガスの温度を検出するEGRガス温センサSW4、吸気ポート16に取り付けられかつ、気筒18内に流入する直前の吸気の温度を検出する吸気ポート温度センサSW5、シリンダヘッド12に取り付けられかつ、気筒18内の圧力を検出する筒内圧センサSW6、排気通路40におけるEGR通路50の接続部近傍に配置されかつ、それぞれ排気温度及び排気圧力を検出する排気温センサSW7及び排気圧センサSW8、直キャタリスト41の上流側に配置されかつ、排気中の酸素濃度を検出するリニアO2センサSW9、直キャタリスト41とアンダーフットキャタリスト42との間に配置されかつ、排気中の酸素濃度を検出するラムダO2センサSW10、エンジン冷却水の温度を検出する水温センサSW11、クランクシャフト15の回転角を検出するクランク角センサSW12、車両のアクセルペダル(図示省略)の操作量に対応したアクセル開度を検出するアクセル開度センサSW13、吸気側及び排気側のカム角センサSW14,SW15、及び、高圧燃料供給システム62のコモンレール64に取り付けられかつ、直噴インジェクタ67に供給する燃料圧力を検出する燃圧センサSW16である。
As shown in FIGS. 1 and 2, detection signals from various sensors SW <b> 1 to SW <b> 16 are input to the
PCM10は、これらの検出信号に基づいて種々の演算を行うことによってエンジン1や車両の状態を判定し、これに応じて直噴インジェクタ67、ポートインジェクタ68、点火プラグ25、吸気弁側のVVT72及びCVVL73、排気弁側のVVL71、高圧燃料供給システム62、並びに、各種の弁(スロットル弁36、インタークーラバイパス弁351、EGR弁511、及びEGRクーラバイパス弁531)のアクチュエータへ制御信号を出力する。こうしてPCM10は、エンジン1を運転する。
The
図3は、エンジン1の運転領域の一例を示している。このエンジン1は、燃費の向上や排気エミッションの向上を目的として、エンジン1の暖機後は、エンジン負荷が相対的に低い低負荷域では、点火プラグ25による点火を行わずに、圧縮自己着火によって燃焼を行う圧縮着火燃焼を行う。しかしながら、エンジン1の負荷が高くなるに従って、圧縮着火燃焼では、燃焼が急峻になりすぎてしまい、例えば燃焼騒音等の問題を引き起こすことになる。そのため、このエンジン1では、エンジン負荷が相対的に高い高負荷域では、圧縮着火燃焼を止めて、点火プラグ25を利用した火花点火燃焼に切り替える。従って、このエンジン1は、エンジン1の運転状態に応じて、圧縮着火燃焼を行うCI(Compression Ignition)モードと、火花点火燃焼を行うSI(Spark Ignition)モードとを切り替えるように構成されている。
FIG. 3 shows an example of the operation region of the engine 1. For the purpose of improving fuel efficiency and exhaust emission, the engine 1 is compressed and self-ignited without ignition by the
詳しくは後述するが、CIモードでは基本的に、例えば吸気行程乃至圧縮行程中の、比較的早いタイミングで、直噴インジェクタ67が気筒18内に燃料を噴射することにより、比較的均質なリーン混合気を形成すると共に、その混合気を圧縮上死点付近において圧縮自己着火させる。このCIモードにおける相対的に負荷の低い領域では、気筒内温度を高めて圧縮着火燃焼を安定化させる観点から、内部EGR制御が併用される。一方、CIモードにおける相対的に負荷の高い領域(中負荷領域に相当する)では、エンジン負荷の増大に伴い、気筒内温度が高まり、圧縮着火燃焼が急峻になることから、内部EGR制御を止めて、外部EGR制御に切り替える。又は、中負荷領域における負荷の低い領域では、内部EGR制御と外部EGR制御とを併用し、負荷が高まるに従い内部EGR量を少なくする。また、詳しくは後述するが、外部EGR制御を行う中負荷領域のCIモードにおいて、エンジン回転数が高まる中回転領域では、混合気の反応時間が不足することによって圧縮着火燃焼の安定性が低下することから、燃焼安定性の向上を目的として、点火プラグ25の駆動による着火アシストを併用する。そうして、エンジン回転数がさらに高まる高回転領域では、燃焼安定性の観点から、圧縮着火燃焼が困難になるため、SIモードとする(図3における一点鎖線よりも下側の領域)。
As will be described in detail later, in the CI mode, for example, a relatively homogeneous lean mixing is achieved by injecting fuel into the
これに対し、SIモードでは基本的に、例えば吸気行程乃至圧縮行程中に、直噴インジェクタ67が気筒18内に燃料を噴射することにより、均質乃至成層化した混合気を形成すると共に、圧縮上死点付近において点火を実行することによってその混合気に着火する。SIモードではまた、理論空燃比(λ=1)でエンジン1を運転する。これは、三元触媒の利用を可能にするから、エミッション性能の向上に有利になる。
In contrast, in the SI mode, basically, for example, during the intake stroke or the compression stroke, the
このエンジン1の幾何学的圧縮比は、前述の通り、14以上(例えば18)に設定されている。高い圧縮比は、圧縮端温度及び圧縮端圧力を高くするため、CIモードでは、圧縮着火燃焼の安定化に有利になる。一方で、この高圧縮比エンジン1は、高負荷域においてはSIモードに切り替えるため、エンジン負荷が高くなればなるほど、過早着火やノッキング(以下、これらを総称してノッキングという場合がある)といった異常燃焼が生じやすくなってしまうという不都合がある。 The geometric compression ratio of the engine 1 is set to 14 or more (for example, 18) as described above. Since the high compression ratio increases the compression end temperature and the compression end pressure, the CI mode is advantageous in stabilizing the compression ignition combustion. On the other hand, since the high compression ratio engine 1 is switched to the SI mode in the high load region, the higher the engine load, the faster the ignition or the knocking (hereinafter, these may be collectively referred to as knocking). There is an inconvenience that abnormal combustion tends to occur.
そこでこのエンジン1では、エンジンの運転状態が高負荷域にあるときには、燃料の噴射形態を従来とは大きく異ならせたSI燃焼を実行することによって、異常燃焼を回避するようにしている。具体的に、この燃料の噴射形態は、従来と比較して大幅に高圧化した燃料圧力でもって、圧縮行程後期から膨張行程初期にかけての大幅に遅角した期間(以下、この期間をリタード期間と呼ぶ)内で、直噴インジェクタ67によって、気筒18内に燃料噴射を実行するものである。この特徴的な燃料噴射形態を、以下においては「高圧リタード噴射」と呼ぶ。
Therefore, in this engine 1, when the operating state of the engine is in a high load range, abnormal combustion is avoided by executing SI combustion in which the fuel injection form is greatly different from the conventional one. Specifically, this fuel injection mode is a period that is significantly retarded from the latter half of the compression stroke to the early stage of the expansion stroke with a fuel pressure that is significantly higher than in the past (hereinafter, this period is referred to as the retard period). The fuel is injected into the
図4は、前述した高圧リタード噴射によるSI燃焼(実線)と、吸気行程中に燃料噴射を実行する従来のSI燃焼(破線)とにおける、熱発生率(上図)及び未燃混合気反応進行度(下図)の違いを比較する図である。図4の横軸は、クランク角である。この比較の前提として、エンジン1の運転状態は共に低速域内の高負荷域であり、噴射する燃料量は、高圧リタード噴射によるSI燃焼と従来のSI燃焼との場合で互いに同じである。 FIG. 4 shows the heat generation rate (upper figure) and the progress of the unburned mixture reaction in the SI combustion by the high pressure retarded injection (solid line) and the conventional SI combustion (broken line) in which fuel injection is performed during the intake stroke. It is a figure which compares the difference in a degree (lower figure). The horizontal axis in FIG. 4 is the crank angle. As a premise for this comparison, the operating state of the engine 1 is a high load region in the low speed region, and the amount of fuel to be injected is the same in the case of SI combustion by high pressure retarded injection and conventional SI combustion.
先ず、従来のSI燃焼では、吸気行程中に気筒18内に所定量の燃料噴射を実行する(上図の破線)。気筒18内では、その燃料の噴射後、ピストン14が圧縮上死点に至るまでの間に、比較的均質な混合気が形成される。そして、この例では、圧縮上死点以降の、白丸で示す所定タイミングで点火が実行され、それによって燃焼が開始する。燃焼の開始後は、図4の上図に破線で示すように、熱発生率のピークを経て燃焼が終了する。ここで、燃料噴射の開始から燃焼の終了までの間が未燃混合気の反応可能時間(以下、単に反応可能時間という場合がある)に相当し、図4の下図に破線で示すように、この間に未燃混合気の反応は次第に進行する。同図における点線は、未燃混合気が着火に至る反応度である、着火しきい値を示しており、従来のSI燃焼は反応可能時間が非常に長く、その間、未燃混合気の反応が進行し続けてしまうことから、点火の前後に未燃混合気の反応度が着火しきい値を超えてしまい、過早着火又はノッキングといった異常燃焼を引き起こす。
First, in the conventional SI combustion, a predetermined amount of fuel is injected into the
これに対し、高圧リタード噴射は反応可能時間の短縮を図り、そのことによって異常燃焼を回避することを目的とする。すなわち、反応可能時間は、図4にも示しているように、直噴インジェクタ67が燃料を噴射する期間((1)噴射期間)と、噴射終了後、点火プラグ25の周りに可燃混合気が形成されるまでの期間((2)混合気形成期間)と、点火によって開始された燃焼が終了するまでの期間((3)燃焼期間)と、を足し合わせた時間、つまり、(1)+(2)+(3)である。高圧リタード噴射は、噴射期間、混合気形成期間及び燃焼期間をそれぞれ短縮し、それによって、反応可能時間を短くする。
On the other hand, the high pressure retarded injection aims to shorten the reaction possible time, thereby avoiding abnormal combustion. That is, as shown in FIG. 4, the reaction possible time is the period during which the
つまり、気筒18内の乱れエネルギは、高い方が燃焼期間の短縮に有利である。前述の通り高い燃料圧力での燃料噴射は、気筒18内の乱れエネルギを高めるとしても、仮にその噴射タイミングが吸気行程中であれば、点火タイミングまでの時間が長いことや、吸気行程後の圧縮行程において気筒18内が圧縮されることに起因して乱れが減衰し、燃焼期間内における気筒内の乱れエネルギは、比較的低くなってしまう。すなわち、高い燃料圧力で気筒18内に燃料を噴射するとしても、噴射タイミングが吸気行程中である以上は、燃焼期間を、ほとんど短縮しない。
That is, a higher turbulence energy in the
これに対し、リタード期間内のタイミング、つまり、比較的遅いタイミングでかつ、高い燃料圧力で気筒内に燃料を噴射することは、気筒内の乱れの減衰を抑制しつつ、燃焼を開始することを可能にする。このことから、燃焼期間内における気筒内の乱れエネルギが高くなる。これによって、燃焼期間は短くなり、燃焼の安定化が図られる。 On the other hand, injecting fuel into the cylinder at a timing within the retard period, that is, at a relatively late timing and at high fuel pressure, starts combustion while suppressing attenuation of turbulence in the cylinder. to enable. For this reason, the turbulent energy in the cylinder during the combustion period increases. This shortens the combustion period and stabilizes combustion.
また、高い燃料圧力は、単位時間当たりに噴射される燃料量を相対的に多くする。このため、同一の燃料噴射量で比較した場合に、高い燃料圧力は、噴射期間を、低い燃料圧力のときよりも短縮する。 Moreover, a high fuel pressure relatively increases the amount of fuel injected per unit time. For this reason, when compared with the same fuel injection amount, a high fuel pressure shortens the injection period compared with a low fuel pressure.
さらに、高い燃料圧力は、気筒内に噴射する燃料噴霧の微粒化に有利になると共に、燃料噴霧の飛翔距離を、より長くする。このことから、高い燃料圧力は、混合気形成期間を短縮する。 Furthermore, the high fuel pressure is advantageous for atomizing the fuel spray injected into the cylinder, and makes the flight distance of the fuel spray longer. Thus, high fuel pressure shortens the mixture formation period.
従って、前述した噴射期間の短縮及び混合気形成期間の短縮は、燃料の噴射タイミング(より正確には、噴射開始タイミング)を、比較的遅いタイミングにすることを可能にする。つまり、高い燃料圧力は、リタード期間内における燃料噴射を可能にする。 Therefore, the shortening of the injection period and the mixture formation period described above make it possible to set the fuel injection timing (more precisely, the injection start timing) to a relatively late timing. That is, the high fuel pressure enables fuel injection within the retard period.
こうして火花点火モードにおいては、高い燃料圧力でかつ、リタード期間内に気筒内に燃料噴射を実行することによって、燃焼期間の短い急速燃焼が実現し、それによって燃焼が安定化する。 Thus, in the spark ignition mode, by performing fuel injection into the cylinder at a high fuel pressure and within the retard period, rapid combustion with a short combustion period is realized, thereby stabilizing the combustion.
このように高圧リタード噴射は、噴射期間、混合気形成期間、及び、燃焼期間をそれぞれ短縮し、その結果、図4に示すように、燃料の噴射開始タイミングSOIから燃焼終了時期θendまでの、未燃混合気の反応可能時間を、従来の吸気行程中での燃料噴射の場合と比較して大幅に短くすることを可能にする。この反応可能時間を短縮する結果、従来の低い燃料圧力での吸気行程噴射では、燃焼終了時における未燃混合気の反応進行度が、着火しきい値を超えてしまい、異常燃焼が発生してしまうところ、高圧リタード噴射は、燃焼終了時における未燃混合気の反応の進行を抑制し、異常燃焼を回避することが可能になる。 As described above, the high pressure retarded injection shortens the injection period, the mixture formation period, and the combustion period, and as a result, as shown in FIG. 4, the fuel injection start timing SOI to the combustion end timing θend are not changed. It is possible to significantly shorten the reaction time of the fuel mixture as compared with the case of fuel injection during the conventional intake stroke. As a result of shortening the reaction possible time, in the conventional intake stroke injection at a low fuel pressure, the reaction progress of the unburned mixture at the end of combustion exceeds the ignition threshold, and abnormal combustion occurs. As a result, the high-pressure retarded injection suppresses the progress of the reaction of the unburned air-fuel mixture at the end of combustion, and can avoid abnormal combustion.
次に、図5を参照しながら、エンジン1の運転状態に対応した、吸気弁21及び排気弁22の作動状態、並びに、燃料噴射タイミング及び点火タイミングの制御例について説明する。ここで、図5の(a)(b)(c)(d)はそれぞれ、(a)<(b)<(c)<(d)の順にエンジン負荷が高くなる。(a)(b)は、CIモードに対応する低、中負荷域であり、(c)は、SIモードに対応する高負荷域である。(d)は、SIモードに対応する全開負荷域である。
Next, with reference to FIG. 5, a description will be given of an operation state of the
先ず、図5(a)は、エンジン1の運転状態が低負荷域にあるときを示す。この運転領域はCIモードであるため、VVL71の制御によって、排気弁22を吸気行程中に開弁する排気の二度開きを行い(同図のEx2の実線を参照。尚、実線は排気弁22のリフトカーブを、破線は吸気弁21のリフトカーブをそれぞれ示す)、そのことによって内部EGRガスを気筒18内に導入する。内部EGRガスの導入は圧縮端温度を高め、圧縮着火燃焼を安定化させる。但し、エンジン負荷の上昇に伴い気筒18内の温度が自然と高まることから、過早着火(つまり、ノッキング)を回避する観点から、内部EGR量は低下させる。図5に例示するように、CVVL73の制御によって、吸気弁21のリフト量を調整することにより、内部EGR量を調整してもよい。尚、図5には図示しないが、スロットル弁36の開度調整によって、内部EGR量を調整してもよい。燃料噴射のタイミングは吸気行程中に設定され、直噴インジェクタ67が気筒18内に燃料を噴射することによって気筒18内に均質なリーン混合気を形成する。尚、燃料噴射量は、エンジン1の負荷に応じて設定される。
First, Fig.5 (a) shows the time of the driving | running state of the engine 1 in a low load region. Since this operation region is in the CI mode, the
尚、図5(a)においては、吸気行程中における排気弁22の開弁期間を、その吸気行程の前半に設定している例を示している。排気弁22の開弁期間は、吸気行程の後半に設定してもよい。また、開弁期間を吸気行程の前半に設定する場合は、排気上死点を挟んだ排気行程から吸気行程の前半にかけて、排気弁22を開弁したままに構成してもよい。
FIG. 5A shows an example in which the valve opening period of the
図5(b)は、エンジン1の運転状態が、同図(a)よりもエンジン負荷が高い、中負荷域にあるときを示す。この運転領域もまた、CIモードであるが、エンジン負荷が高く、気筒内温度が比較的高いことから、内部EGRガスを気筒18内に導入したのでは、気筒内温度が高くなりすぎてしまう。そこで、エンジン負荷が中負荷域にあるときには、排気弁22の二度開きを中止して内部EGRガスの導入を止め、代わりに外部EGRガスを気筒18内に導入する。燃料噴射のタイミングは、吸気行程乃至圧縮行程中の適宜のタイミングに設定される。このタイミングで、直噴インジェクタ67が気筒18内に燃料を噴射することにより、気筒18内に均質乃至成層化したリーン混合気を形成する。燃料噴射量がエンジン1の負荷に応じて設定される点は、図5(a)と同様である。尚、詳しくは後述するが、燃料の噴射タイミングを遅くすることによって、圧縮着火の開始タイミングが遅くなり、圧縮着火燃焼の燃焼重心を、圧縮上死点以降に設定することが可能になる。このことは、エンジン負荷の高まりに伴い圧力上昇の激しい過早着火の燃焼となってしまうところを、その圧力上昇を抑制して燃焼騒音の増大を回避する上で有利になる。
FIG. 5B shows a case where the operating state of the engine 1 is in an intermediate load region where the engine load is higher than that in FIG. Although this operation region is also in the CI mode, the engine load is high and the temperature in the cylinder is relatively high. Therefore, if the internal EGR gas is introduced into the
図5(c)は、エンジン1の運転状態が高負荷域にあるときを示す。この運転領域はSIモードであり、この運転領域においては、排気弁22の二度開きを中止する。また、SIモードでは、空燃比λ=1となるように充填量が調整される。充填量の調整は、スロットル弁36を全開にする一方で、VVT72及びCVVL73の制御によって、吸気弁21の閉弁タイミングを吸気下死点以降に設定する、吸気弁21の遅閉じによって行ってもよい。これは、ポンプ損失の低減に有利である。充填量の調整はまた、スロットル弁36を全開にする一方で、EGR弁511の開度調整により、気筒18内に導入する新気量と外部EGRガス量とを調整することによって行ってもよい。これは、ポンプ損失の低減と共に、冷却損失の低減にも有効である。また、外部EGRガスの導入は、異常燃焼の回避に寄与すると共に、Raw NOxの生成を抑制するという利点もある。さらに、充填量の調整として、吸気弁21の遅閉じ制御と、外部EGRの制御とを組み合わせてもよい。特に、高負荷域内における低負荷側においては、EGR率が高すぎてしまうことを抑制すべく、外部EGRを気筒18内に導入しつつ、吸気弁21の遅閉じ制御によって充填量を調整してもよい。
FIG. 5C shows a case where the operating state of the engine 1 is in a high load range. This operation region is the SI mode, and in this operation region, the opening of the
また、燃料噴射の形態は、前述した高圧リタード噴射である。従って、圧縮行程後期から膨張行程初期にかけてのリタード期間内に、高い燃料圧力でもって、直噴インジェクタ67が燃料を気筒18内に直接、噴射する。高圧リタード噴射は、一回の噴射によって構成してもよい(つまり、一括噴射)が、図5(c)に示すように、第1噴射と、その後の第2噴射との二回の噴射を、リタード期間内において行うように構成してもよい(つまり、分割噴射)。第1噴射は、相対的に長い混合気形成期間を確保することができるため、燃料の気化霧化に有利である。第1噴射によって十分な混合気形成期間が確保される分、第2噴射の噴射タイミングは、より一層遅角したタイミングに設定することが可能になる。このことは、気筒内の乱れエネルギの向上に有利になり、燃焼期間の短縮に有利になる。分割噴射を行う場合は、第2噴射の燃料噴射量を、第1噴射の燃料噴射量よりも大に設定することが好ましい。こうすることで、気筒18内の乱れエネルギが十分に高まり、燃焼期間の短縮、ひいては異常燃焼の回避に有利になる。尚、こうした分割噴射は、高負荷域内において、燃料噴射量が多くなる相対的に高負荷側でのみ行い、燃料噴射量が比較的少ない、高負荷域内の低負荷側では、一括噴射を行うようにしてもよい。また、分割回数は2回に限定されず、三回以上に設定してもよい。
The form of fuel injection is the high-pressure retarded injection described above. Therefore, the
そうして、SIモードでは、燃料噴射終了後の、圧縮上死点付近において、点火プラグ25による点火が実行される。
Thus, in the SI mode, ignition by the
図5(d)は、エンジン1の運転状態が全開負荷域にあるときを示す。この運転領域は、図5(c)と同様に、SIモードであり、排気弁22の二度開きを中止する。また、全開負荷域であるため、EGR弁511を閉弁することにより、外部EGRも中止する。
FIG. 5D shows a case where the operating state of the engine 1 is in the fully open load region. This operating region is the SI mode, as in FIG. 5C, and stops the
燃料噴射の形態は、基本的には高圧リタード噴射であり、図に示すように、第1噴射と第2噴射との、リタード期間内における、気筒18内への二回の噴射によって構成される。尚、高圧リタード噴射は、一括噴射であってもよい。また、この全開負荷域においては、吸気充填効率の向上を目的として、吸気行程中の噴射が追加される場合がある。この吸気行程噴射は、燃料噴射に伴う吸気の冷却効果によって吸気充填効率が向上し、トルクの向上に有利になる。従って、エンジン1の運転状態が全開負荷域にあるときは、吸気行程噴射と、第1及び第2噴射との三回の燃料噴射が実行される、又は、吸気行程噴射と、一括噴射との二回の燃料噴射が実行される。
The form of fuel injection is basically high-pressure retarded injection, and is constituted by two injections into the
ここで、前述の通り、直噴インジェクタ67によって気筒18内に燃料を直接噴射する高圧リタード噴射は、燃料圧力が極めて高い。そのため、そうした高い燃料圧力でもって、吸気行程中に、気筒18内に直接燃料を噴射してしまうと、気筒18内の壁面に燃料が大量に付着して、オイル希釈等の問題を引き起こす可能性がある。そこで、この吸気行程噴射は、直噴インジェクタ67ではなく、相対的に低い燃料圧力でもって燃料を噴射するポートインジェクタ68を通じて、吸気ポート16内に燃料を噴射する。こうすることで、前述したオイル希釈等の問題が回避される。
Here, as described above, the high pressure retarded injection in which the fuel is directly injected into the
そうして、図3に示すように、エンジン1の中負荷領域においては、外部EGR制御を行うCIモードとすると共に、エンジン1の負荷に応じて燃焼噴射タイミングを遅らせることにより、気筒内の圧力上昇率が高くなりすぎることを回避する。このことについて、図6、7を参照しながら説明する。先ず、図6は、圧縮着火燃焼を前提とした、エンジン負荷に対する気筒内の圧力上昇率(dP/dT)と、空気過剰率(λ)との関係を示している。これによると、エンジン負荷が高まるに従い燃料噴射量が増大するため、空気過剰率λは次第に低下する(図6の黒四角参照)。これに対し、気筒内の圧力上昇率dP/dTは、エンジン負荷が高まるに従って空気過剰率が低下、言い換えると混合気がリッチ化するに伴い、次第に高まるようになる(図6の白丸参照)。そうして、所定のエンジン負荷以上では、圧力上昇率dP/dTが許容値を超える、つまり、燃焼騒音が許容値を超えることになる。従って、この圧力上昇率dP/dTが許容値を超えるエンジン負荷以上まで、CIモードを拡大するには、圧力上昇率dP/dTを低下させる方策が必要となる。 Then, as shown in FIG. 3, in the medium load region of the engine 1, the CI mode in which external EGR control is performed and the combustion injection timing is delayed according to the load of the engine 1, thereby increasing the pressure in the cylinder. Avoid the rate of increase becoming too high. This will be described with reference to FIGS. First, FIG. 6 shows the relationship between the pressure increase rate (dP / dT) in the cylinder with respect to the engine load and the excess air rate (λ) on the premise of compression ignition combustion. According to this, since the fuel injection amount increases as the engine load increases, the excess air ratio λ gradually decreases (see the black square in FIG. 6). On the other hand, the pressure increase rate dP / dT in the cylinder gradually increases as the engine load increases, that is, as the air-fuel mixture becomes richer (see white circles in FIG. 6). Thus, at a predetermined engine load or higher, the pressure increase rate dP / dT exceeds the allowable value, that is, the combustion noise exceeds the allowable value. Therefore, in order to expand the CI mode to an engine load exceeding the allowable value of the pressure increase rate dP / dT, a measure for reducing the pressure increase rate dP / dT is required.
図7は、燃料噴射タイミングを相違させたときの、気筒内の圧力上昇率(dP/dθ)の違いを示す図である。これによると、燃料噴射タイミングが相対的に早いタイミングに設定されているときには、その分、圧縮着火の開始時期が、圧縮上死点に近づくように早まり、それに伴い燃焼速度も高まる。つまり、圧力上昇率が許容値を超えやすくなる。これに対し、燃料噴射タイミングが相対的に遅いタイミングに設定されているときには、圧縮着火の開始時期が遅くなり、圧縮上死点から離れるようになる。このため、圧縮着火燃焼は、ピストンの下降に伴い気筒内の圧力が次第に低下する膨張行程中に行われることになり、燃焼速度が低下し、圧力上昇率のピークの抑制に有利になる。さらに、圧縮着火燃焼における圧力上昇率のピーク位置が、モータリング波形における谷底のクランク角位置と対応するときには、その分、圧力上昇率の最大値も低下するようになる。尚、モータリング波形は、圧縮上死点において0となり、その後に谷底となる。こうして、燃料噴射タイミングを遅角化することは、圧力上昇率を、許容値を超えないように抑制することを可能にし、CIモードの拡大に利用することができる。 FIG. 7 is a diagram illustrating a difference in the pressure increase rate (dP / dθ) in the cylinder when the fuel injection timing is varied. According to this, when the fuel injection timing is set to a relatively early timing, the compression ignition start timing is advanced so as to approach the compression top dead center, and the combustion speed is also increased accordingly. That is, the pressure increase rate tends to exceed the allowable value. On the other hand, when the fuel injection timing is set to a relatively late timing, the start timing of the compression ignition is delayed and the compression top dead center is separated. For this reason, compression ignition combustion is performed during the expansion stroke in which the pressure in the cylinder gradually decreases as the piston descends, and the combustion speed decreases, which is advantageous for suppressing the peak of the pressure increase rate. Furthermore, when the peak position of the pressure increase rate in the compression ignition combustion corresponds to the crank angle position of the valley bottom in the motoring waveform, the maximum value of the pressure increase rate also decreases accordingly. The motoring waveform becomes 0 at the compression top dead center, and then becomes the valley bottom. Thus, retarding the fuel injection timing makes it possible to suppress the pressure increase rate so as not to exceed the allowable value, and can be used for expanding the CI mode.
また、図示は省略するが、気筒内の圧力上昇率dP/dTは、エンジン回転数に応じて上昇することになり、燃焼騒音の点で不利になるため、前記と同様に、圧縮着火燃焼(主燃焼)の燃焼重心のクランク角位置を、圧縮上死点以降となるように設定することが有効である。一方で、エンジンの回転数の上昇は、混合気の反応時間が不足するようになって、燃焼安定性の点で不利になる。そこで、このエンジン1では、図3に示すように、エンジン1の中負荷領域における中回転領域では、点火プラグ25の駆動による着火アシストを利用する。
Although illustration is omitted, the pressure increase rate dP / dT in the cylinder increases according to the engine speed, which is disadvantageous in terms of combustion noise. It is effective to set the crank angle position of the combustion center of gravity of (main combustion) so as to be after compression top dead center. On the other hand, an increase in the engine speed is disadvantageous in terms of combustion stability because the reaction time of the air-fuel mixture becomes insufficient. Therefore, in the engine 1, as shown in FIG. 3, ignition assistance by driving the
図8は、着火アシストを行ったときの圧縮着火燃焼の反応プロセスを例示している。点火プラグ25の駆動による着火アシストは、直噴インジェクタ67又はポートインジェクタ68による燃料噴射後、圧縮上死点前に実行される。燃料の噴射タイミングは、吸気行程乃至圧縮行程中の適宜のタイミングに設定される。
FIG. 8 illustrates a reaction process of compression ignition combustion when ignition assist is performed. The ignition assist by driving the
ここでの着火アシストは、点火プラグ25を有する複数の点火コイルの内の、いずれか一つのみを駆動させる通常点火である。この着火アシスト実行時の、気筒内の混合気は、点火プラグ25により点火を行っても、火炎が伝播しないようなリーン状態とすることが好ましく、具体的には、空気過剰率λが1.7以上、又は、G/Fが25以上のリーン状態であることが好ましい。また、排気エミッションの観点から均一混合気であることが望ましい。着火アシストの実行は、その点火時に発生するプラズマが極めて高温であるため、点火プラグ25の周囲ガスを昇温し、そのことにより、図9(a)に示すように、気筒内の温度・圧力の状態を、同図の破線から実線へと変更する効果を有している。
Here, the ignition assist is normal ignition that drives only one of the plurality of ignition coils having the
また、着火アシストは、図8に示すように、点火時の熱プラズマによって生成されるNOやOラジカルが、低温酸化反応後の青炎反応を促進する。これにより、熱発生率が立ち上がって気筒内の温度を高め、熱炎反応開始温度・圧力に到達し、熱炎反応、つまり圧縮着火による主燃焼が開始するようになる。このように着火アシストは、熱炎反応前の青炎反応を促進することから、図9(b)に示すように、気筒内の温度及び/又は圧力状態が圧縮自己着火に至る着火条件(着火ライン)を、同図における破線から実線へと緩和する、と言い換えることが可能である。 Further, in the ignition assist, as shown in FIG. 8, NO and O radicals generated by the thermal plasma at the time of ignition promote the blue flame reaction after the low temperature oxidation reaction. As a result, the heat generation rate rises to increase the temperature in the cylinder, reach the hot flame reaction start temperature / pressure, and start the hot flame reaction, that is, main combustion by compression ignition. Since the ignition assist promotes the blue flame reaction before the hot flame reaction as described above, as shown in FIG. 9B, the ignition condition (ignition) in which the temperature and / or pressure state in the cylinder reaches the compression self-ignition. It can be paraphrased that the line) is relaxed from the broken line to the solid line in FIG.
着火アシストは着火ラインを下げることから、エンジン1の中負荷領域の中回転領域において、図8に示すように、外部EGRの導入や燃料の噴射タイミングの調整によって、圧縮着火燃焼(主燃焼)の燃焼重心のクランク角位置が圧縮上死点以降となるようにしても、圧縮着火燃焼の燃焼安定性を確保することを可能にする。つまり、着火アシストの実行により、燃焼安定性を確保しつつ、燃焼騒音の増大を回避することが可能になり、燃焼安定性及び燃焼騒音についての制限が緩和して、CIモードを拡大させることが可能になる。 Since the ignition assist lowers the ignition line, compression ignition combustion (main combustion) is performed in the middle rotation region of the engine 1 by introducing external EGR and adjusting the fuel injection timing as shown in FIG. Even if the crank angle position of the combustion center of gravity is after the compression top dead center, it is possible to ensure the combustion stability of the compression ignition combustion. In other words, by executing the ignition assist, it becomes possible to avoid an increase in combustion noise while ensuring combustion stability, and the restrictions on combustion stability and combustion noise can be relaxed and the CI mode can be expanded. It becomes possible.
ここで、図10は、点火方法の相違に対する燃焼安定性の関係を示している。図10では、点火方法として、点火プラグ25を有する複数の点火コイルの内の、いずれか一つのみを駆動させる通常点火と、二つの点火コイルを順次駆動させる2連点火、3つの点火コイルを順次駆動させる3連点火、及び、4つの点火コイルを順次駆動させる4連点火と、を比較している。従って、放電期間は、通常点火、2連点火、3連点火、4連点火の順に長くなり、同図によると、放電期間が長くなるほど燃焼安定性が良好になる。そこで、図3に示すように、前述した、通常点火による着火アシストを利用する運転領域よりもさらに高回転側の運転領域では、より改善された燃焼安定性が得られる4連点火による着火アシストを利用する。これによって、高回転側であるため、燃焼安定性の点で不利な運転領域においても、4連点火による着火アシストによって、燃焼安定性を確保することが可能になる。その結果、CIモードの運転領域がさらに拡大することになる。
Here, FIG. 10 shows the relationship of the combustion stability to the difference in the ignition method. In FIG. 10, as an ignition method, normal ignition for driving only one of a plurality of ignition coils having an
このような着火アシストを利用したCIモード(通常点火及び4連点火を含む)は、気筒内の混合気を均質なリーン状態にすることから、NOxの低減に有利になるという利点がある。 The CI mode (including normal ignition and quadruple ignition) using such ignition assist has an advantage of being advantageous in reducing NOx because the air-fuel mixture in the cylinder is brought into a homogeneous lean state.
ここで、着火アシストのタイミングは、放電期間の終了時期が低温酸化反応の開始時期とほぼ一致するように設定することが、青炎反応の促進の上では好ましい。このため、前述した、通常点火及び4連点火といった点火方法に応じて、着火アシストの開始タイミングは変更されることになる。 Here, it is preferable to set the ignition assist timing so that the end timing of the discharge period substantially coincides with the start timing of the low-temperature oxidation reaction in terms of promoting the blue flame reaction. For this reason, the start timing of the ignition assist is changed according to the ignition methods such as the normal ignition and the four-way ignition described above.
また、着火アシストによる青炎反応の促進によって圧縮着火のタイミングが変更されることから、燃料噴射のタイミング及び/又は着火アシストのタイミングの調整によって、主燃焼(熱炎反応)の燃焼重心が圧縮上死点以降の所定のクランク角位置となるようにすればよい。 In addition, since the compression ignition timing is changed by promoting the blue flame reaction by the ignition assist, the combustion center of gravity of the main combustion (thermal flame reaction) is compressed by adjusting the fuel injection timing and / or the ignition assist timing. What is necessary is just to make it become the predetermined crank angle position after a dead center.
尚、エンジン1の中負荷領域において、4連点火による着火アシストを行う中回転領域よりもさらにエンジン回転数が高い高回転領域では、SIモードとしているが、これに代えて、点火プラグ25の周囲に相対的にリッチな混合気を形成して点火プラグ25を駆動することにより気筒内の温度・圧力を高め、その後に、気筒内の混合気を圧縮着火燃焼させるCIモードとしてもよい。尚、このCIモードは、着火アシストによって青炎反応を促進するのではないため、前述した着火アシストを利用したCIモードとは相違する。
In the medium load region of the engine 1, the SI mode is set in the high engine speed region where the engine speed is higher than that in the medium engine speed region in which the ignition assist by the four-way ignition is performed. Alternatively, a CI mixture mode may be employed in which a relatively rich air-fuel mixture is formed and the
また、図3に示すマップは、エンジン1の暖機時のマップに相当し、エンジン1の暖機時では、エンジン1の中負荷領域において、着火アシストを利用している。ここで、着火アシストは、着火ラインを下げて、圧縮着火燃焼の燃焼安定性を高める効果を有しているため、例えばエンジン1の温度が所定温度以下の未暖機時には、通常は圧縮着火燃焼を行わないものの、着火アシストを利用することによって圧縮着火燃焼を行ってもよい。エンジン1の未暖機時は特に、エンジン1の低負荷領域において、着火アシストを利用した圧縮着火燃焼を行ってもよい。 The map shown in FIG. 3 corresponds to a map when the engine 1 is warmed up. When the engine 1 is warmed up, ignition assist is used in the medium load region of the engine 1. Here, since the ignition assist has an effect of lowering the ignition line and improving the combustion stability of the compression ignition combustion, for example, when the engine 1 is not warmed up to a predetermined temperature, usually the compression ignition combustion However, the compression ignition combustion may be performed by using the ignition assist. When the engine 1 is not warmed up, compression ignition combustion using ignition assist may be performed particularly in the low load region of the engine 1.
1 エンジン(エンジン本体)
10 PCM(制御器)
18 気筒
25 点火プラグ
67 直噴インジェクタ(燃料噴射弁)
68 ポートインジェクタ(燃料噴射弁)
1 Engine (Engine body)
10 PCM (controller)
18
68 Port injector (fuel injection valve)
Claims (5)
前記気筒内に臨んで配設されかつ、当該気筒内の混合気に点火をするように構成された点火プラグと、
前記気筒内に供給するための燃料を噴射するように構成された燃料噴射弁と、
少なくとも、前記燃料噴射弁及び前記点火プラグを制御することによって、前記エンジン本体を運転するように構成された制御器と、
前記エンジン本体の排気側と吸気側とをつなぐ通路を通じて排気ガスの一部を吸気側に還流させる外部EGR手段と、
前記エンジン本体の吸気弁及び排気弁の少なくとも一方の開弁時期を制御することにより排気ガスの一部を気筒に残留させる内部EGR手段と、を備え、
前記制御器は、前記圧縮着火モードにおいては、
前記エンジン本体の運転状態が中負荷の中回転域にあるときには前記燃料噴射弁により全燃料を噴射した後でかつ圧縮上死点前に前記点火プラグの駆動による着火アシストを行い、それによって青炎反応を促進して、その後に圧縮着火による主燃焼が開始するようにし、
前記エンジン本体の運転状態が中負荷の低回転域にあるときには前記着火アシストを行わず、
前記制御器はまた、前記着火アシスト時点での前記気筒内の混合気を、当該着火アシストを実行しても火炎伝播しないリーン状態とすると共に、前記主燃焼の燃焼重心のクランク角位置が前記圧縮上死点以降となるように、前記燃料の噴射時期及び着火アシストの実行時期を設定し、
前記エンジン本体の運転状態が、低負荷乃至中負荷域にあるときの低負荷側では、前記外部EGR手段及び内部EGR手段の内、内部EGR手段によって排気ガスを前記気筒に導入すると共に、前記エンジン本体の負荷が高まるほど、前記内部EGR手段による内部EGR量を少なくする火花点火式エンジンの制御装置。 An engine body configured to operate in a compression ignition mode for compressing and igniting an air-fuel mixture in a cylinder when in a predetermined operation region;
An ignition plug disposed facing the cylinder and configured to ignite an air-fuel mixture in the cylinder;
A fuel injection valve configured to inject fuel to be supplied into the cylinder;
A controller configured to operate the engine body by controlling at least the fuel injection valve and the spark plug;
An external EGR means for recirculating a part of the exhaust gas to the intake side through a passage connecting the exhaust side and the intake side of the engine body;
Internal EGR means for causing a part of the exhaust gas to remain in the cylinder by controlling the opening timing of at least one of the intake valve and the exhaust valve of the engine body ,
In the compression ignition mode, the controller
Wherein when the operating state of the engine body is in rotation range in the medium load performs ignition assistance by the driving of the spark plug in a later and before the compression top dead center and injecting the entire fuel Ri by said fuel injection valve, whereby Promote the blue flame reaction, after which the main combustion by compression ignition starts,
When the operating state of the engine body is in a low rotation range of medium load, the ignition assist is not performed,
The controller also sets the air-fuel mixture in the cylinder at the time of the ignition assist to a lean state in which flame propagation does not occur even when the ignition assist is executed, and the crank angle position of the combustion center of gravity of the main combustion is the compression Set the fuel injection timing and ignition assist execution timing to be after the top dead center ,
On the low load side when the operating state of the engine body is in a low load to medium load range, exhaust gas is introduced into the cylinder by the internal EGR means out of the external EGR means and the internal EGR means, and the engine A control device for a spark ignition engine that reduces the amount of internal EGR by the internal EGR means as the load on the main body increases .
前記制御器は、前記着火アシスト時点での前記気筒内の混合気を、空気過剰率λが1.7以上、又は、G/Fが25以上にする火花点火式エンジンの制御装置。 The control device for a spark ignition engine according to claim 1,
The controller is a control device for a spark ignition engine that makes the air-fuel mixture in the cylinder at the ignition assist point an excess air ratio λ of 1.7 or more or a G / F of 25 or more.
前記制御器は、前記エンジン本体の温度が所定温度以下のときには、前記中負荷領域よりも低い負荷領域において、前記着火アシストを行う火花点火式エンジンの制御装置。 The control device for a spark ignition engine according to claim 1 ,
The controller is a control device for a spark ignition engine that performs the ignition assist in a load region lower than the medium load region when the temperature of the engine body is equal to or lower than a predetermined temperature.
前記制御器は、前記エンジン本体の運転状態が中負荷の高回転域にあるときには、混合気の空燃比を理論空燃比に設定すると共に、前記点火プラグを駆動して火花点火燃焼により前記エンジン本体を運転する火花点火式エンジンの制御装置。The controller sets the air-fuel ratio of the air-fuel mixture to the stoichiometric air-fuel ratio when the operating state of the engine main body is in a high rotation range of a medium load, and drives the spark plug to cause the engine main body by spark ignition combustion. A spark ignition engine control device that drives the engine.
前記点火プラグは、複数の点火コイルを含んでおり、The spark plug includes a plurality of ignition coils,
前記制御器は、前記エンジン本体の運転状態が中負荷の中回転域にあるときには、当該中回転域における低回転側の運転領域では、前記複数の点火コイルの内のいずれか1個の点火コイルを駆動する通常点火によって着火アシストを行うと共に、前記中回転域における高回転側の運転領域では、前記複数の点火コイルを順次駆動する連続点火によって着火アシストを行う火花点火式エンジンの制御装置。When the operating state of the engine main body is in the middle rotation range of the medium load, the controller controls any one of the plurality of ignition coils in the low rotation side operation range in the middle rotation range. A spark ignition engine control apparatus that performs ignition assist by normal ignition that drives the engine, and performs ignition assist by continuous ignition that sequentially drives the plurality of ignition coils in the high rotation side operation region in the middle rotation region.
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