JP5803326B2

JP5803326B2 - 過給機付リーンバーンエンジン

Info

Publication number: JP5803326B2
Application number: JP2011141448A
Authority: JP
Inventors: 周平辻田; 光則早田
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2011-06-27
Filing date: 2011-06-27
Publication date: 2015-11-04
Anticipated expiration: 2031-06-27
Also published as: JP2013007353A

Description

ここに開示する技術は、過給機付リーンバーンエンジンに関する。

例えば特許文献１には、ターボ過給機付エンジンの制御に関する技術が記載されており、この技術は、エンジンの運転状態が低速低負荷から中速中負荷の運転領域にあるときには、外部ＥＧＲ制御を行い、運転状態が低速高負荷から中速高負荷の運転領域にあるときには、掃気制御を行い、そして、高速高負荷の運転領域にあるときには、掃気制御と外部ＥＧＲ制御とを行うようにしている。これにより高速高負荷の運転領域では、気筒内の高温の残留ガスを低減した上で、冷却された外部ＥＧＲガスを気筒内に導入して、異常燃焼を抑制しながらトルクの向上及び燃費の向上が図られる。このように特許文献１のターボ過給機付エンジンでは、冷却された外部ＥＧＲガスを気筒内に導入することによって高速かつ高負荷領域におけるノッキングを回避し、そのことによりトルクの向上を可能にしている。

特開２０１０−２４９７４号公報

ところで、例えば空気燃料比Ａ／Ｆを３０以上に設定するリーンバーンエンジンは、ＲａｗＮＯｘの生成抑制と、低燃費との両立に有効である。超リーンな混合気で運転されるリーンバーンエンジンにおいて、所望のトルクを確保するためには、例えば排気エネルギによって駆動されるターボ過給機が組みあわせられる。

しかしながら、本願発明者らは、こうしたターボ過給機付リーンバーンエンジンでは、高速領域ではターボ過給機のコンプレッサ効率が低下することにより、特に高負荷領域で、超リーンな混合気を維持しようとするとエンジンのポンピングロスが増大して、高トルクの確保が難しくなる上に燃費も大幅に悪化してしまうことに気づいた。

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、高速領域におけるターボ過給機のコンプレッサ効率を向上させることによって、超リーンな混合気を維持してＲａｗＮＯｘの生成を抑制しつつ、エンジンのポンピングロスを低減させ、所望の高トルクの確保することと、燃費の向上との双方を達成する過給機付リーンバーンエンジンを実現することにある。

本願発明者らは、前述した高速かつ高負荷領域において、超リーンな混合気を維持することにより、エンジンのポンピングロスが増大し、所望の高トルクの確保が困難になり、燃費が悪化することのメカニズムを、次のように分析した。

すなわち、エンジン回転数が比較的高い高速領域において、高負荷領域ではそれに見合う高トルクを発生させるために、燃料噴射量が増大する。そのため、例えばＡ／Ｆが３０以上の超リーンな混合気を維持しようとすれば、コンプレッサから気筒に供給する圧縮空気の流量を大幅に増大しなければならないが、このような大流量での運転はコンプレッサ効率を低下させる。

一方、ターボ過給機のコンプレッサ効率が低下することは、コンプレッサ動力、ひいては、必要なタービン動力を大きくする。タービン動力を高めるには、タービン入口のガス温度を高めるか、又は、圧力を高めることになるが、前述の通り、エンジンをＡ／Ｆが３０以上の超リーンな混合気で運転しようとすれば、排気ガス温度は比較的低くなってしまう。そのため、タービン動力を高めるためにはエンジンの排圧を高めなければならないが、排圧を高めることによって、エンジンのポンピングロスが増大するため、高トルクの確保が困難になり、さらに燃費も悪化してしまう。

そこで、本願発明者らは、高速かつ高負荷領域でのコンプレッサ効率を高めるべく、ターボ過給機のコンプレッサの運転条件を変更する点に着目した。つまり、コンプレッサの通過流量が低流量側にスライドするように、外部ＥＧＲ制御を実行する。このことでコンプレッサ効率を高め、高速かつ高負荷領域において、超リーンな混合気の維持とポンピングロスの低減を両立させることにより、高トルクの確保と燃費の改善とを実現するようにした。

具体的に、ここに開示する過給機付リーンバーンエンジンは、理論空燃比よりもリーンな混合気で運転される運転領域を有するように構成されたエンジン本体と、前記エンジン本体の吸気側に配置されたコンプレッサと排気側に配置されたタービンとを含みかつ、前記エンジン本体の気筒内に導入するガスの過給を行うように構成されたターボ過給機と、前記気筒内に既燃ガスを導入するように構成されたＥＧＲ手段と、前記エンジンの運転を制御するように構成された制御器と、を備える。

前記制御器は、前記エンジン本体が少なくとも暖機後にあるときにおいて、前記エンジン本体の回転数が所定回転数を超えかつ、エンジン負荷が所定負荷よりも低い低負荷領域にあるときには、前記ターボ過給機による過給を行って作動ガス燃料比Ｇ／Ｆを３０以上、又は、空気燃料比Ａ／Ｆを３０以上に設定し、前記エンジン本体の回転数が前記所定回転数を超えかつ、前記エンジン負荷が前記所定負荷以上の高負荷領域にあるときには、前記排気側における前記タービンの上流と前記吸気側における前記コンプレッサの下流とを互いに接続する高圧ＥＧＲ通路を通じて既燃ガスを吸気側に還流させつつ、前記ターボ過給機による過給を行って前記Ｇ／Ｆを３０以上に設定し、前記エンジン本体の回転数が前記所定回転数以下でかつ、前記エンジン負荷が所定の高負荷領域にあるときには、前記ＥＧＲ手段によって前記気筒内に既燃ガスを導入しつつ、前記空気燃料比Ａ／Ｆを理論空燃比にする。

ここで、ＥＧＲ手段は、排気側におけるタービンの上流と吸気側におけるコンプレッサの下流とを互いに接続するＥＧＲ通路を通じて既燃ガスを吸気側に還流させる高圧ＥＧＲシステムを含んで構成すればよい。ＥＧＲ手段はまた、この高圧ＥＧＲシステムの他に、排気側におけるタービンの下流と吸気側におけるコンプレッサの上流とを互いに接続するＥＧＲ通路を通じて既燃ガスを吸気側に還流させる低圧ＥＧＲシステム、及び／又は、吸排気弁の作動制御を行うことにより既燃ガスを気筒内に導入する内部ＥＧＲシステムをさらに含むようにしてもよい。

この構成によると、エンジンの運転状態が高速領域にあるときにおいて、エンジン負荷が所定負荷よりも低い低負荷領域にあるときには、作動ガス燃料比Ｇ／Ｆが３０以上、又は、空気燃料比Ａ／Ｆが３０以上に設定される。つまり、ＥＧＲ手段によって既燃ガスを気筒内に導入する場合はＧ／Ｆ≧３０とすればよく、既燃ガスを気筒内に導入しない場合はＡ／Ｆ≧３０とすればよい。ここで、ＥＧＲ手段としては、高圧ＥＧＲシステム、低圧ＥＧＲシステム及び内部ＥＧＲシステムのいずれであってもよい。このように超リーンな混合気によりエンジン本体の運転を行うことにより、低負荷領域では、ＲａｗＮＯｘの生成抑制と、低燃費とが両立する。

これに対し、エンジンの運転領域が高速領域にあるときにおいて、エンジン負荷が所定負荷以上の高負荷領域にあるときには、排気側におけるタービンの上流と吸気側におけるコンプレッサの下流とを互いに接続するＥＧＲ通路を通じて既燃ガスを吸気側に還流させる。つまり、高負荷領域においては、高圧ＥＧＲシステムにより外部ＥＧＲガスを気筒内に導入する。このことにより、コンプレッサの下流に外部ＥＧＲガスが還流されて気筒内に導入されることになるから、気筒内に導入される全ガス量を同一と仮定したときに、コンプレッサの通過流量は、外部ＥＧＲガスを還流させる分だけ、それを還流させないときよりも低下する。このことは、高速領域においてコンプレッサの運転条件を低流量側に変更してコンプレッサ効率を向上させ、Ｇ／Ｆ≧３０を実現する上で要求されるタービン動力を低下させるから、タービン入口のガス圧、言い換えるとエンジンの排圧を低くすることを可能にする。つまり、高速かつ高負荷領域において、Ｇ／Ｆが３０以上の超リーンな混合気を維持してＲａｗＮＯｘの生成を抑制しつつ、エンジンのポンピングロスを低減させるから、所望の高トルク確保と燃費の向上にも有利になる。

従って、エンジン本体の運転状態が高速かつ高負荷領域にあるときに、超リーンな混合気の維持とエンジンのポンピングロス低下との両立により、所望の高トルクの確保と燃費の向上とが同時に実現する。

前記制御器は、前記エンジン負荷が全開負荷であるときにも、前記ＥＧＲ通路を通じて既燃ガスを吸気側に還流させつつ、前記Ｇ／Ｆを３０以上に設定する、としてもよい。

前述したように、コンプレッサ効率の向上により、全開負荷であるときも所望の高トルクを確保しつつ、Ｇ／Ｆを３０以上に設定することが実現する。

前記制御器は、少なくとも前記低負荷領域においては、圧縮着火燃焼を実行する、としてもよい。圧縮着火燃焼は、排気エミッションの向上と熱効率の向上とを両立することを可能にする。

以上説明したように、この過給機付リーンバーンエンジンは、高速かつ高負荷領域においては、排気側におけるタービンの上流と吸気側におけるコンプレッサの下流とを互いに接続するＥＧＲ通路を通じて既燃ガスを吸気側に還流させることによって、コンプレッサの運転条件を変更し、コンプレッサ効率を高めるようにしたから、超リーンな混合気の維持（Ｇ／Ｆ≧３０）とエンジンのポンピングロス低下との両立により、所望の高トルクの確保と燃費の向上とを同時に実現することが可能になる。

過給機付リーンバーンエンジンの構成を示す概略図である。過給機付リーンバーンエンジンの制御に係るブロック図である。エンジンの運転領域を例示する図である。コンプレッサマップの一例を示す図である。エンジン回転数とコンプレッサ効率との関係の一例を示す図である。エンジン回転数とコンプレッサ質量流量との関係の一例を示す図である。エンジン回転数と全ガス質量流量との関係の一例を示す図である。エンジン回転数とポンピングロスとの関係の一例を示す図である。

以下、過給機付リーンバーンエンジン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１９を区画する。尚、燃焼室１９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１９の天井部の形状等は、適宜変更することが可能である。

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。但し、エンジン１の幾何学的圧縮比は、この範囲に限定されるものではない。

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１９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。

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。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。

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、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。

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。

直噴インジェクタ６７は、その噴口が燃焼室１９の天井面の中央部分から、その燃焼室１９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１９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１９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。

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。

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、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。

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。尚、ここでは、直噴インジェクタ６７とポートインジェクタ６８との、２種類のインジェクタを備えているが、ポートインジェクタ６８を省略することも可能である。

シリンダヘッド１２にはまた、燃焼室１９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１９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１９内に臨んで配置されている。

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１９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。これら吸気通路３０及び排気通路４０には、詳しくは後述するが、吸入空気の過給を行うターボ過給機６１が配設されている。

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。

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、ターボ過給機６１のコンプレッサ６１１と、コンプレッサ６１１により圧縮された空気を冷却するインタークーラ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。

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、ターボ過給機６１のタービン６１２が配設されていると共に、その下流には、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。後述するように、このエンジンシステムでは、少なくとも一部の運転領域において、作動ガス燃料比Ｇ／Ｆ≧３０、又は、空気燃料比Ａ／Ｆ≧３０に設定することでＲａｗＮＯｘの生成を抑制している。このことにより、このエンジンシステムでは、ＮＯｘ浄化触媒が不要なシステムに構成されている。

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におけるタービン６１２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。吸気通路３０におけるコンプレッサ６１１よりも下流側と、排気通路４０におけるタービン６１２よりも上流側とを連通させるＥＧＲ通路５０を含むＥＧＲシステムを、以下においては高圧ＥＧＲシステムと呼ぶ場合がある。

このエンジン１はまた、高圧ＥＧＲシステムとは別に、低圧ＥＧＲシステムを備えている。低圧ＥＧＲシステムは、排気通路４０におけるアンダーフットキャタリスト４２よりも下流側部分と吸気通路３０におけるターボ過給機６１のコンプレッサ６１１よりも上流側部分とを互いに接続するＬ／Ｐ（Low Pressure）ＥＧＲ通路５４と、このＬ／ＰＥＧＲ通路５４上に介設されて、排気ガスの吸気通路３０への還流量を調整するためのＬ／ＰＥＧＲ弁５４１とを含んで構成されている。

ターボ過給機６１は、吸気通路３０に配設されたコンプレッサ６１１と、排気通路４０に配設されたタービン６１２とを有している。コンプレッサ６１１は、吸気通路３０におけるエアクリーナ３１とインタークーラ３４との間に配設されている。一方、タービン６１２は、排気通路４０における排気マニホールドと直キャタリスト４１との間に配設されている。タービン６１２が排気ガス流により回転し、このタービン６１２の回転により、タービン６１２と連結されたコンプレッサ６１１が作動する。

排気通路４０には、タービン６１２をバイパスする排気バイパス通路４３が接続されている。排気バイパス通路４３には、排気バイパス通路４３へ流れる排気量を調整するためのウエストゲートバルブ４３１が配設されている。

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。

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３４の下流側に配置されかつ、インタークーラ３４を通過した後のガスの温度を検出する、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Ｏ_２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Ｏ_２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。

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、ＥＧＲ弁５１１、及びＥＧＲクーラバイパス弁５３１、Ｌ／ＰＥＧＲ弁５４１、ウエストゲートバルブ４３１）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。

図３は、エンジン１の運転領域の一例を示している。この運転領域は、エンジン暖機後の運転領域を示しており、このエンジン１は、ＲａｗＮＯｘの生成抑制と、低燃費との両立を図るために、一部の運転領域である第１及び第２領域では、作動ガス燃料比Ｇ／Ｆが３０以上に、又は、空気燃料比Ａ／Ｆが３０以上に設定されるリーンバーンエンジンである。一方、詳しくは後述するが、低速かつ高負荷の第３領域では、空気燃料比が理論空燃比に設定される。

また、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、一部の運転領域、具体的には第１領域において、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ように構成されている。しかしながら、圧縮着火燃焼は、エンジン１の負荷が高いときには燃焼が急峻になりすぎてしまい、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第２及び第３領域では、点火プラグ２５を利用した火花点火燃焼を行う。尚、第２領域において所定負荷よりも低い領域では、圧縮着火燃焼を行ってもよい。以下においては、圧縮着火燃焼を行うモードを、ＣＩ（Compression Ignition）モードと呼び、火花点火燃焼を行うモードをＳＩ（Spark Ignition）モードと呼ぶ場合がある。

第１領域は、図３に示すように、エンジン負荷が相対的に低い領域である。正確には、エンジン回転数が所定回転数Ｎ１以下の低速側では（但し、回転数Ｎ１はエンジン１の回転数領域についての、おおよそ中間に相当する）、第１領域は、高負荷側の第３領域に相当する領域を除いた、低負荷からおおよそ中負荷にかけての領域である。但し、中速域では高負荷の領域も第１領域に含まれる。これに対し、エンジン回転数が所定回転数Ｎ１よりも高い高速側では、第１領域は、エンジン回転数が高くなるほど領域が拡大する第２領域を除く領域であって、中速域では低負荷から高負荷にかけての領域であり、高速域では低負荷に相当する領域である。第１領域は、前述したようにＣＩモードに設定される。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又はポートインジェクタ６８が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。尚、第１領域において高負荷領域ではＳＩ燃焼を行ってもよい。

ＣＩモードである第１領域内の、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。つまり、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、そのことによって内部ＥＧＲガスを気筒１８内に導入する。一方、第１領域内の、相対的に負荷の高い領域では、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、高圧ＥＧＲシステム又は低圧ＥＧＲシステムにより、相対的に低温のＥＧＲガスを気筒１８内に導入する外部ＥＧＲ制御に切り替える。尚、一部の領域、例えば中負荷の領域では、内部ＥＧＲ制御と外部ＥＧＲ制御とを併用してもよい。また、一部の領域では、内部ＥＧＲ制御及び外部ＥＧＲ制御を共に中止してもよい。

そうして、第１領域では、ターボ過給機６１による吸気の過給と共に、内部ＥＧＲ制御及び／又は外部ＥＧＲ制御の実行により、既燃ガスを気筒１８内に導入することによって、Ｇ／Ｆを３０以上に設定する。また、内部ＥＧＲ制御及び外部ＥＧＲ制御を共に中止したときには、Ａ／Ｆを３０以上に設定する。このように超リーンな混合気は、ＲａｗＮＯｘの生成を抑制する上で有効であると共に、燃費の向上にも有利になる。

第２領域は、図３に示すように、エンジン回転数がＮ１よりも高い高速側において、第１領域よりも負荷の高い領域であり、前述したように、第２領域は、エンジン回転数が高くなる程、負荷方向に拡大する。第２領域は、高速側における全開領域を含んでいる。第２領域は、負荷が相対的に高いため燃料噴射量が増大することから、Ｇ／Ｆ≧３０又はＡ／Ｆ≧３０にするには、気筒内に導入する全ガス量を増大しなければならない。

ここで、図４は、縦軸を圧縮比、横軸を流量としてコンプレッサの効率を示すコンプレッサマップの一例であり、図５は、エンジン回転数と、ターボ過給機６１のコンプレッサ効率との関係の一例を示す図であり、図６は、エンジン回転数と、コンプレッサを通過する質量流量との関係の一例を示す図であり、図７は、エンジン回転数と、気筒内に導入される全ガス質量流量との関係の一例を示す図である。これらの図において実線は、高圧ＥＧＲシステムによる外部ＥＧＲ制御を停止してＡ／Ｆ＝３０としたときの過給限界を示し、破線は、高圧ＥＧＲシステムによる外部ＥＧＲ制御を実行してＧ／Ｆ＝３０としたときの過給限界を示している。

先ず、図５によると、エンジン回転数が相対的に高回転のときには、外部ＥＧＲ制御を停止しているときの方が、外部ＥＧＲ制御を実行しているときよりもコンプレッサ効率が低下する。これは、外部ＥＧＲ制御を停止しているときにＡ／Ｆ≧３０にするには、コンプレッサ６１１を通過する流量を増大させなければならず、図４に示すように、コンプレッサ効率が悪い状態で、ターボ過給機６１を運転することになるためである。図４において、「３０００」「４０００」「５０００」は、エンジンの回転数を示しており、特に４０００〜５０００ｒｐｍ付近は、コンプレッサ効率が悪くなっている。コンプレッサ効率を向上させるには、図４に白抜きの矢印で示すように、コンプレッサ６１１の通過流量を低減することが考えられる。

この点につき、高圧ＥＧＲシステムによる外部ＥＧＲ制御を実行することは、図６に示すように、コンプレッサ６１１の下流側に既燃ガスが導入される分、特に高速側において、ＥＧＲ制御を停止しているときよりもコンプレッサ６１１の通過流量を低下させることを可能にする。このように高圧ＥＧＲシステムによる外部ＥＧＲ制御を実行してコンプレッサ６１１の運転条件を変更することによって、図４、図５に示すように、エンジン回転数が相対的に高回転のときのコンプレッサ効率を向上させることが可能になる。尚、図７に示すように、高圧ＥＧＲシステムによる外部ＥＧＲ制御を実行しているときも、外部ＥＧＲ制御を停止しているときも、気筒内に導入される全ガス質量流量は、ほぼ同じであり、いずれにおいても、Ｇ／Ｆ≧３０又はＡ／Ｆ≧３０が達成される。

尚、図５に示すように、エンジン回転数が相対的に低回転のときには、外部ＥＧＲ制御を停止しているときの方が、外部ＥＧＲ制御を実行しているときよりもコンプレッサ効率が高まる。

このように高速かつ高負荷領域である第２領域においてコンプレッサ効率を高めることは、必要なタービン動力の低減に有利になる。このことは、タービン６１２の入口圧力、言い換えるとエンジン１の排圧を下げることを可能にし、ポンピングロスを低減する。図８は、エンジン回転数と、エンジン１のポンピングロスとの関係の一例を示しており、同図においても、実線は、高圧ＥＧＲシステムによる外部ＥＧＲ制御を停止してＡ／Ｆ＝３０としたときの過給限界点のポンピングロスを示し、破線は、高圧ＥＧＲシステムによる外部ＥＧＲ制御を実行してＧ／Ｆ＝３０としたときの過給限界点のポンピングロスを示している。これによると、エンジン回転数が相対的に高回転のときにおいて、外部ＥＧＲ制御を実行しているときは、外部ＥＧＲ制御を停止しているときよりもポンピングロスが低減している。

そこで、高速かつ高負荷領域である第２領域においては、高圧ＥＧＲシステムによる外部ＥＧＲ制御の実行によりコンプレッサ効率を高めて、Ｇ／Ｆ≧３０の超リーン混合気の維持とエンジンのポンピングロスの低減とを両立させる。このことは、相対的に負荷の高い第２領域においても、ＲａｗＮＯｘの生成が抑制される上に、前述の通り、高トルクの確保及び燃費の向上に有利になる。

また、エンジン負荷が相対的に高い第２領域では、圧縮着火燃焼が急峻な燃焼になってしまう。そこで、この第２領域における、少なくとも高負荷側の領域は、第１領域とは異なり、ＳＩモードに設定される。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。尚、第２領域における、低負荷側の領域は、ＳＩモードとしてもよいし、ＣＩモードとしてもよい。

第３領域は、図３に示すように、エンジン回転数がＮ１以下の低速側において、第１領域よりも負荷の高い領域である。第３領域は低速側であるため、排気エネルギがそもそも低く、全開領域を含む第３領域において、所望の高トルクを確保しつつ、Ｇ／Ｆ≧３０及びＡ／Ｆ≧３０にするだけのターボ過給機６１の過給能力が得られない。そのため、第３領域では、空気燃料比を理論空燃比（λ＝１）に設定する。第３領域ではまた、燃焼音の制約からＳＩモードに設定すればよいが、第３領域をＣＩモードに設定してもよい。

第３領域ではさらに、ポンピングロスの低減や、過剰なエンジントルクの低減のために、高圧ＥＧＲシステム又は低圧ＥＧＲシステムによる外部ＥＧＲガスの導入を行う。外部ＥＧＲ制御の実行はまた、比較的ノッキングが発生しやすい低速かつ高負荷の第３領域において、ノッキングの回避にも有利になる。

このように、このリーンバーンエンジンでは、エンジン回転数がＮ１よりも高い高速領域において、高負荷側である第２領域では、高圧ＥＧＲシステムによる外部ＥＧＲ制御の実行により、既燃ガスを気筒１８内に導入することによって、ターボ過給機６１のコンプレッサ効率を高めるため、全開負荷を含む第２領域において、Ｇ／Ｆを３０以上に設定することを可能にしている。つまり、ＲａｗＮＯｘの生成抑制と所望の高トルクの確保とが両立する。また、コンプレッサ効率を高めることによって、エンジン１のポンピングロスが低減するから、燃費の向上にも有利になる。

尚、例えばターボ過給機６１に加えて、電動ブースト等の補助過給機を備えるようにして、ターボ過給機６１の過給限界によって理論空燃比に制限される第３領域においても、Ｇ／Ｆ≧３０又はＡ／Ｆ≧３０の超リーンな運転を行うようにしてもよい。尚、電動ブースト等の補助過給機を備える代わりに、ターボ過給機６１のシャフトに電動モータを取り付けた電動ターボ過給機を採用してもよい。

１エンジン（エンジン本体）
１０ＰＣＭ（制御器）
１８気筒
５０ＥＧＲ通路
５３１ＥＧＲ弁（ＥＧＲ手段）
６１ターボ過給機
６１１タービン
６１２コンプレッサ

Claims

理論空燃比よりもリーンな混合気で運転される運転領域を有するように構成されたエンジン本体と、
前記エンジン本体の吸気側に配置されたコンプレッサと排気側に配置されたタービンとを含みかつ、前記エンジン本体の気筒内に導入するガスの過給を行うように構成されたターボ過給機と、
前記気筒内に既燃ガスを導入するように構成されたＥＧＲ手段と、
前記エンジン本体の運転を制御するように構成された制御器と、を備え、
前記制御器は、前記エンジン本体が少なくとも暖機後にあるときにおいて、
前記エンジン本体の回転数が所定回転数を超えかつ、エンジン負荷が所定負荷よりも低い低負荷領域にあるときには、前記ターボ過給機による過給を行って作動ガス燃料比Ｇ／Ｆを３０以上、又は、空気燃料比Ａ／Ｆを３０以上に設定し、
前記エンジン本体の回転数が前記所定回転数を超えかつ、前記エンジン負荷が前記所定負荷以上の高負荷領域にあるときには、前記排気側における前記タービンの上流と前記吸気側における前記コンプレッサの下流とを互いに接続する高圧ＥＧＲ通路を通じて既燃ガスを吸気側に還流させつつ、前記ターボ過給機による過給を行って前記Ｇ／Ｆを３０以上に設定し、
前記エンジン本体の回転数が前記所定回転数以下でかつ、前記エンジン負荷が所定の高負荷領域にあるときには、前記ＥＧＲ手段によって前記気筒内に既燃ガスを導入しつつ、前記空気燃料比Ａ／Ｆを理論空燃比にする過給機付リーンバーンエンジン。
請求項１に記載の過給機付リーンバーンエンジンにおいて、
前記制御器は、前記エンジン負荷が全開負荷であるときにも、前記ＥＧＲ通路を通じて既燃ガスを吸気側に還流させつつ、前記Ｇ／Ｆを３０以上に設定する過給機付リーンバーンエンジン。
請求項１又は２に記載の過給機付リーンバーンエンジンにおいて、
前記制御器は、少なくとも前記低負荷領域においては、圧縮着火燃焼を実行する過給機付リーンバーンエンジン。