JP7435414B2 - engine system - Google Patents
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Description
ここに開示された技術は、エンジンシステムに関する技術分野に属する。 The technology disclosed herein belongs to the technical field related to engine systems.
従来より、圧縮自己着火燃焼(以下、CI(Compression Ignition)燃焼)により、エンジンの熱効率が向上することが知られている。 It has been known that compression self-ignition combustion (hereinafter referred to as CI (Compression Ignition) combustion) improves the thermal efficiency of an engine.
例えば、特許文献1には、エンジン負荷が低い場合に、CI燃焼、より正確にはHCCI(Homogeneous Charged Compression Ignition:予混合圧縮自己着火)燃焼し、エンジン負荷が高い場合に、点火プラグを用いたSI(Spark Ignition)燃焼するエンジンが記載されている。この特許文献1のエンジンは、エンジン負荷が変化すると、燃焼形態を切り替えるように構成されている。尚、SI燃焼において、混合気は、点火後、火炎伝播により燃焼するため、以下において、SI燃焼と、火炎伝播燃焼とは、同義とする。 For example, Patent Document 1 states that when the engine load is low, CI combustion, more precisely HCCI (Homogeneous Charged Compression Ignition) combustion is performed, and when the engine load is high, a spark plug is used. An engine that uses SI (Spark Ignition) combustion is described. The engine of Patent Document 1 is configured to switch the combustion mode when the engine load changes. In SI combustion, the air-fuel mixture is ignited and then burned by flame propagation, so hereinafter, SI combustion and flame propagation combustion are synonymous.
ところで、本願発明者らがCI燃焼について鋭意研究したところよると、CI燃焼の制御因子は主に、シリンダー内の混合気温度と、既燃ガスを含むシリンダー内の吸気の、燃料に対する質量比率(G/F)であり、吸気バルブが閉じたタイミングにおける筒内温度(TIVC)及びG/Fを狙いのTIVC及びG/Fにすることによって、CI燃焼の着火時期及び燃焼期間をコントロールできることがわかった。本願発明者らの研究によれば、特に、TIVCの寄与は大きく、CI燃焼が可能なTIVCと、SI燃焼が可能なTIVCとの間には、大きなギャップがあることが分かった。 By the way, the inventors of the present application have conducted extensive research on CI combustion and found that the controlling factors for CI combustion are mainly the air-fuel mixture temperature in the cylinder and the mass ratio of intake air in the cylinder containing burnt gas to fuel ( G/F), and the ignition timing and combustion period of CI combustion can be controlled by setting the in-cylinder temperature ( TIVC ) and G/F at the timing when the intake valve closes to the target T IVC and G/F. I understand. According to the research conducted by the inventors of the present application, it has been found that the contribution of TIVC is particularly large, and that there is a large gap between TIVC capable of CI combustion and TIVC capable of SI combustion.
SI燃焼が可能であるとは、SI燃焼の燃焼安定性が基準を満たしかつ、異常燃焼を抑制できることである。CI燃焼が可能であるとは、CI燃焼の燃焼安定性が基準を満たしかつ、異常燃焼を抑制できることである。この異常燃焼は、SI燃焼においては、TIVCが高いときのノッキングやプリイグニッションであり、CI燃焼においては、急峻すぎる燃焼やTIVCが低いときの失火等である。 The fact that SI combustion is possible means that the combustion stability of SI combustion satisfies standards and that abnormal combustion can be suppressed. The fact that CI combustion is possible means that the combustion stability of CI combustion satisfies standards and that abnormal combustion can be suppressed. In SI combustion, this abnormal combustion is knocking or pre-ignition when TIVC is high, and in CI combustion, it is too steep combustion or misfire when TIVC is low.
特許文献1に記載されたエンジンのように、エンジン負荷が変化することに応じて、CI燃焼からSI燃焼へ切り替える、又は、SI燃焼からCI燃焼へ切り替えるとしても、シリンダー内のTIVCを、切り替え先の燃焼形態に対応するTIVCへ瞬時に変化させることは困難である。 Even if switching from CI combustion to SI combustion, or from SI combustion to CI combustion, as in the engine described in Patent Document 1, the TIVC in the cylinder is switched. It is difficult to instantaneously change to TIVC corresponding to the previous combustion form.
また、本願発明者らの研究によれば、エンジン回転数によって、CI燃焼を可能にするTIVCが異なることが分かった。このため、エンジン負荷はCI燃焼が可能なエンジン負荷であっても、TIVCの条件が満たされていなければ、CI燃焼を適切に実行することができない。CI燃焼を適切に実行することができなければ、燃費の向上と燃焼安定性の向上とを両立させることができない。 Further, according to the research conducted by the inventors of the present application, it was found that the TIVC that enables CI combustion differs depending on the engine speed. Therefore, even if the engine load is such that CI combustion is possible, CI combustion cannot be performed appropriately unless the TIVC conditions are satisfied. If CI combustion cannot be performed appropriately, it is not possible to simultaneously improve fuel efficiency and combustion stability.
ここに開示された技術は斯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、エンジン負荷やエンジン回転数に応じて、CI燃焼を実行するエンジンシステムにおいて、燃費の向上と燃焼安定性の向上とを両立させることにある。 The technology disclosed herein was developed in view of these points, and its purpose is to improve fuel efficiency and improve combustion in an engine system that performs CI combustion depending on the engine load and engine speed. The goal is to achieve both improved stability and improved stability.
本願発明者らは、前記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、エンジン負荷はCI燃焼が可能なエンジン負荷であっても、予測される筒内温度(TIVC)に応じて、燃焼安定性が基準を満たしかつ異常燃焼を抑制できる第3の燃焼形態を見出した。 As a result of intensive research to solve the above problem, the inventors of the present application have found that even if the engine load is one that allows CI combustion, the combustion We have discovered a third combustion form that meets standards for stability and suppresses abnormal combustion.
具体的に、ここに開示する技術は、シリンダーと、前記シリンダーに往復動可能に収容されたピストンとを有するエンジンを含むエンジンシステムを対象として、前記エンジンに取り付けられかつ、前記シリンダー内へ燃料を噴射するインジェクタと、前記エンジンに取り付けられかつ、燃料と空気及び既燃ガスを含む吸気との混合気に点火する点火プラグと、吸気バルブ及び排気バルブの各々に接続されかつ、吸気充填量を調節するように前記吸気バルブ及び前記排気バルブの開閉を制御する可変動弁装置と、前記インジェクタ、前記点火プラグ、及び、前記可変動弁装置と電気的に接続されかつ、前記エンジンの要求エンジン負荷に応じて、前記インジェクタ、前記点火プラグ、及び、前記可変動弁装置の各々を制御する制御器とを備え、前記制御器は、所定エンジン回転数において要求エンジン負荷が所定エンジン負荷である場合には、前記インジェクタ及び前記点火プラグを制御して、前記シリンダー内の混合気を圧縮着火燃焼させる燃焼形態を実行可能に構成されており、さらに前記制御器は、前記吸気バルブが閉じたときの前記シリンダー内の温度である吸気閉弁時温度を推定し、前記所定エンジン負荷においてエンジン回転数が第1エンジン回転数である場合には、前記吸気閉弁時温度が第1温度以上であるときには、前記シリンダー内の混合気の全てを圧縮着火燃焼させる一方、前記吸気閉弁時温度が前記第1温度よりも低いときには、前記シリンダー内の混合気の少なくとも一部を火炎伝播燃焼させるように、前記インジェクタ及び前記点火プラグを制御し、前記所定エンジン負荷においてエンジン回転数が前記第1エンジン回転数よりも低い第2エンジン回転数である場合には、前記吸気閉弁時温度が前記第1温度よりも低い第2温度以上であるときには、前記シリンダー内の混合気の全てを圧縮着火燃焼させる一方、前記吸気閉弁時温度が前記第2温度よりも低いときには、前記シリンダー内の混合気の少なくとも一部を火炎伝播燃焼させるように、前記インジェクタ及び前記点火プラグを制御する、という構成とした。 Specifically, the technology disclosed herein targets an engine system including an engine having a cylinder and a piston reciprocably housed in the cylinder, which is attached to the engine and supplies fuel into the cylinder. An injector that injects the fuel, a spark plug that is attached to the engine and that ignites a mixture of intake air containing fuel, air, and burnt gas, and that is connected to each of the intake valve and the exhaust valve and that adjusts the intake air filling amount. a variable valve device that controls opening and closing of the intake valve and the exhaust valve; and a variable valve device that is electrically connected to the injector, the spark plug, and the variable valve device, and that is adapted to the required engine load of the engine. Accordingly, the controller includes a controller that controls each of the injector, the spark plug, and the variable valve device, and the controller is configured to: , the controller is configured to control the injector and the spark plug to perform compression ignition combustion of the air-fuel mixture in the cylinder; If the engine rotation speed is the first engine rotation speed at the predetermined engine load, and the intake valve closing temperature is equal to or higher than the first temperature, the intake valve closing temperature is estimated to be the temperature within The injector is configured to perform compression ignition combustion of all the air-fuel mixture in the cylinder, while causing at least a portion of the air-fuel mixture in the cylinder to undergo flame propagation combustion when the intake valve closing temperature is lower than the first temperature. and controlling the spark plug, and when the engine speed is a second engine speed lower than the first engine speed at the predetermined engine load, the intake valve closing temperature is lower than the first temperature. When the temperature is at least a low second temperature, all of the air-fuel mixture in the cylinder is subjected to compression ignition combustion, while when the intake valve closing temperature is lower than the second temperature, at least part of the air-fuel mixture in the cylinder is performed. The injector and the spark plug are controlled to cause flame propagation combustion.
この構成によると、要求エンジン負荷が所定エンジン負荷である場合には、シリンダー内の混合気を圧縮着火燃焼させることが可能である。これにより、エンジンの燃効率が向上して、燃費が向上する。 According to this configuration, when the required engine load is a predetermined engine load, it is possible to perform compression ignition combustion of the air-fuel mixture in the cylinder. This improves the fuel efficiency of the engine and improves fuel efficiency.
また、エンジンの運転状態が、圧縮着火燃焼が可能なエンジン回転数及びエンジン負荷であって、吸気閉弁時温度(TIVC)が第1温度以上であるときには、制御器は、シリンダー内の混合気の全てを圧縮着火燃焼(CI燃焼)させる。一方で、圧縮着火燃焼が可能なエンジン回転数及びエンジン負荷であって、吸気閉弁時温度(TIVC)が第1温度よりも低いときには、シリンダー内の混合気の少なくとも一部を火炎伝播燃焼(SI燃焼)させる。 Further, when the operating state of the engine is such that the engine speed and engine load are such that compression ignition combustion is possible, and when the intake valve closing temperature ( TIVC ) is equal to or higher than the first temperature, the controller controls the temperature of the mixture in the cylinder. All of the gas is subjected to compression ignition combustion (CI combustion). On the other hand, when the engine speed and engine load are such that compression ignition combustion is possible and the intake valve closing temperature ( TIVC ) is lower than the first temperature, at least a portion of the air-fuel mixture in the cylinder is subjected to flame propagation combustion. (SI combustion).
すなわち、TIVCが第1温度よりも低いときには、シリンダー内の混合気の全てをCI燃焼させようとしても、燃焼安定性が悪化してしまう。このため、シリンダー内の混合気の少なくとも一部をSI燃焼させる。SI燃焼であれば、TIVCが多少低くても安定して混合気を燃焼させることができる。また、SI燃焼によりシリンダー内の温度を上昇させることができるため、TIVCを早期に第1温度以上にして、シリンダー内の混合気の全てをCI燃焼させることができるようになる。 That is, when T IVC is lower than the first temperature, combustion stability deteriorates even if it is attempted to perform CI combustion of all the air-fuel mixture in the cylinder. Therefore, at least a part of the air-fuel mixture in the cylinder is subjected to SI combustion. With SI combustion, the air-fuel mixture can be stably combusted even if the TIVC is somewhat low. Further, since the temperature inside the cylinder can be increased by SI combustion, the TIVC can be raised to the first temperature or higher at an early stage, and all the air-fuel mixture in the cylinder can be subjected to CI combustion.
また、エンジン回転数が、第1エンジン回転数よりも低い第2エンジン回転数である場合には、第1温度よりも低い第2温度で、燃焼形態とを切り換える。つまり、シリンダー内の混合気の全てをCI燃焼させる燃焼形態と少なくとも一部にSI燃焼を用いる燃焼形態とを切り換えるTIVCを低くする。エンジン負荷が高ければ、一般に燃料噴射量が多く、比較的濃い混合気となるため、TIVCが低い場合であっても、CI燃焼の燃焼安定性を高くすることができる。これにより、早期にCI燃焼に切り換えることができ、燃費を向上させることができる。 Further, when the engine speed is a second engine speed that is lower than the first engine speed, the combustion mode is switched at a second temperature that is lower than the first temperature. In other words, the TIVC , which switches between a combustion mode in which all of the air-fuel mixture in the cylinder is subjected to CI combustion, and a combustion mode in which at least a portion thereof is SI combustion, is lowered. If the engine load is high, the amount of fuel injected is generally large, resulting in a relatively rich mixture, so even if the TIVC is low, the combustion stability of CI combustion can be improved. Thereby, it is possible to switch to CI combustion at an early stage, and fuel efficiency can be improved.
したがって、CI燃焼を実行するエンジンシステムにおいて、燃費の向上と燃焼安定性の向上とを両立させることができる。 Therefore, in an engine system that performs CI combustion, it is possible to improve both fuel efficiency and combustion stability.
前記エンジンシステムの一実施形態では、前記制御器は、前記所定エンジン負荷においてエンジン回転数が前記第1エンジン回転数である場合に、前記吸気閉弁時温度が前記第1温度よりも低いときには、前記前記シリンダー内の混合気の少なくとも一部が火炎伝播燃焼し、残りが圧縮着火燃焼するように、前記点火プラグを駆動する。 In one embodiment of the engine system, when the engine speed is the first engine speed at the predetermined engine load and the intake valve closing temperature is lower than the first temperature, the controller: The spark plug is driven so that at least a portion of the air-fuel mixture in the cylinder undergoes flame propagation combustion and the remainder undergoes compression ignition combustion.
この構成によると、TIVCが低い場合には、点火によるアシストを行って、圧縮着火させる燃焼形態、所謂SPCCI(Spark Controlled Compression Ignition:火花点火制御圧縮着火)燃焼を実行する。つまり、TIVCが低い場合に、一部をSI燃焼させつつも、残りはCI燃焼するため、燃焼安定性を向上させつつ燃費をより向上させることができる。 According to this configuration, when T IVC is low, ignition assist is performed to perform compression ignition combustion, so-called SPCCI (Spark Controlled Compression Ignition) combustion. In other words, when the TIVC is low, a part of the fuel is SI-combusted while the rest is CI-combusted, so that it is possible to further improve fuel efficiency while improving combustion stability.
前記エンジンシステムにおいて、前記制御器は、前記所定エンジン負荷においてエンジン回転数が前記第1エンジン回転数である場合に、前記吸気閉弁時温度が前記第1温度以上であるときの燃焼形態は、1サイクル中における燃料の噴射タイミングと噴射量とに基づく噴射重心が第1タイミングとなるように前記インジェクタを制御し、前記シリンダー内の混合気の全てが圧縮着火燃焼するように、前記点火プラグを駆動しない第1圧縮着火燃焼形態と、前記噴射重心が第1タイミングよりも遅い第2タイミングとなるように前記インジェクタを制御し、前記前記シリンダー内の混合気が全て圧縮着火するように、前記点火プラグを駆動しない第2圧縮着火燃焼形態と、を含み、前記制御器は、前記所定エンジン負荷において前記第1エンジン回転数である場合に、前記吸気閉弁時温度が前記第1温度よりも高い第3温度以上であるときには、前記第1圧縮着火燃焼形態を実行する一方、前記吸気閉弁時温度が前記第1温度以上でかつ第3温度よりも低いときには、前記第2圧縮着火燃焼形態を実行する、という構成でもよい。 In the engine system, when the engine speed is the first engine speed at the predetermined engine load, the combustion form when the intake valve closing temperature is equal to or higher than the first temperature is: The injector is controlled so that the injection center of gravity based on the fuel injection timing and injection amount during one cycle is at the first timing, and the spark plug is activated so that all the air-fuel mixture in the cylinder is subjected to compression ignition combustion. A first compression ignition combustion mode that is not driven, and controlling the injector so that the injection center of gravity is at a second timing later than the first timing, and controlling the ignition so that all the air-fuel mixture in the cylinder is compression ignited. a second compression ignition combustion mode in which the plug is not driven, and the controller is configured such that the intake valve closing temperature is higher than the first temperature when the predetermined engine load is the first engine rotation speed. When the temperature is at least the third temperature, the first compression ignition combustion mode is executed, while when the intake valve closing temperature is at least the first temperature and lower than the third temperature, the second compression ignition combustion mode is executed. It may be configured to execute.
この構成によると、エンジンの運転状態が、圧縮着火燃焼が可能なエンジン回転数及びエンジン負荷である場合に、TIVCかなり高いときには、制御器は、噴射重心が第1タイミングとなるように、インジェクタを制御する。第1タイミングは相対的に早いタイミングである。早いタイミングでシリンダー内に燃料を噴射することにより、比較的強い吸気流動によって燃料が拡散するため、シリンダー内には、燃料が均質な、又は、ほぼ均質な混合気が形成される。そして、シリンダー内の混合気は全て圧縮着火燃焼、つまり、HCCI燃焼する。TIVCが十分に高いため、HCCI燃焼の燃焼安定性が高まる。尚、噴射重心は、例えば1サイクル中に、1回、又は、複数回に分けて噴射した燃料の、クランク角に対する質量重心によって規定できる。 According to this configuration, when the operating state of the engine is such that the engine speed and engine load are such that compression ignition combustion is possible, and the T IVC is considerably high, the controller controls the injector so that the center of gravity of the injection is at the first timing. control. The first timing is a relatively early timing. By injecting fuel into the cylinder at an early timing, the fuel is diffused by a relatively strong intake flow, so that a homogeneous or almost homogeneous mixture of fuel is formed in the cylinder. All the air-fuel mixture in the cylinder undergoes compression ignition combustion, that is, HCCI combustion. Since T IVC is sufficiently high, the combustion stability of HCCI combustion is increased. Note that the injection center of gravity can be defined, for example, by the mass center of gravity of fuel injected once or in multiple times during one cycle, relative to the crank angle.
一方で、TIVCが第1温度以上ではあるが第3温度よりも低いときには、制御器は、HCCI燃焼とは異なる燃焼形態となるように、インジェクタ等を制御する。具体的には、制御器は、噴射重心が相対的に遅い第2タイミングとなるように、インジェクタを制御する。尚、インジェクタは、燃料を一括で噴射してもよいし、分割で噴射してもよい。噴射重心が相対的に遅いと、シリンダー内への燃料の供給タイミングが遅いため、燃料の噴射から着火するまでの時間が短い。このため、噴射重心が第1タイミングである場合とは異なり、シリンダー内の混合気は均質にならない。混合気が均質でないことにより、比較的濃い混合気を部分的に形成することができる。これにより、TIVCが若干低い場合であっても、シリンダー内の混合気の全てを圧縮着火燃焼させることができる。 On the other hand, when the T IVC is higher than the first temperature but lower than the third temperature, the controller controls the injector and the like so that the combustion mode is different from HCCI combustion. Specifically, the controller controls the injector so that the injection center of gravity is at the relatively late second timing. Note that the injector may inject the fuel all at once or in parts. If the injection center of gravity is relatively late, the timing of supplying fuel into the cylinder is delayed, resulting in a short time from fuel injection to ignition. Therefore, unlike the case where the injection center of gravity is at the first timing, the air-fuel mixture in the cylinder does not become homogeneous. Due to the non-homogeneous mixture, relatively rich mixtures can be partially formed. As a result, even if TIVC is slightly low, all of the air-fuel mixture in the cylinder can be subjected to compression ignition combustion.
したがって、CI燃焼を実行するエンジンシステムにおいて、燃費の向上と燃焼安定性の向上とをより効果的に両立させることができる。 Therefore, in an engine system that performs CI combustion, it is possible to more effectively improve both fuel efficiency and combustion stability.
以上説明したように、ここに開示された技術によると、エンジン負荷及びエンジン回転数に応じて、CI燃焼を実行するエンジンシステムにおいて、TICVに応じて燃焼形態を切り換えるとともに、エンジン回転数に応じて燃焼形態を切り換えるTIVCを変化させることで、燃費の向上と燃焼安定性の向上とを両立させることができる。 As explained above, according to the technology disclosed herein, in an engine system that performs CI combustion according to the engine load and engine speed, the combustion form is switched according to the TICV , and the combustion form is switched according to the engine speed. By changing the TIVC , which switches the combustion mode, it is possible to improve both fuel efficiency and combustion stability.
以下、エンジンシステムの実施形態について、図面を参照しながら説明する。ここで説明するエンジン、エンジンシステム、及び、その制御方法は例示である。 Hereinafter, embodiments of the engine system will be described with reference to the drawings. The engine, engine system, and control method thereof described here are merely examples.
図1は、エンジンシステムを例示する図である。図2は、エンジンの燃焼室の構造を例示する図である。図1における吸気側と排気側との位置と、図2における吸気側と排気側との位置とは、入れ替わっている。図3は、エンジンの制御装置を例示するブロック図である。 FIG. 1 is a diagram illustrating an engine system. FIG. 2 is a diagram illustrating the structure of a combustion chamber of an engine. The positions of the intake side and exhaust side in FIG. 1 and the positions of the intake side and exhaust side in FIG. 2 are reversed. FIG. 3 is a block diagram illustrating an engine control device.
エンジンシステムは、エンジン1を有している。エンジン1は、シリンダー11を有している。シリンダー11の中で、吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程が繰り返される。エンジン1は、4ストロークエンジンである。エンジン1は、四輪の自動車に搭載されている。エンジン1が運転することによって自動車は走行する。エンジン1の燃料は、この構成例においてはガソリンである。
The engine system includes an engine 1. The engine 1 has a
(エンジンの構成)
エンジン1は、シリンダーブロック12と、シリンダーヘッド13とを備えている。シリンダーヘッド13は、シリンダーブロック12の上に載置される。シリンダーブロック12に、複数のシリンダー11が形成されている。エンジン1は、多気筒エンジンである。図1では、一つのシリンダー11のみを示す。
(Engine configuration)
The engine 1 includes a
各シリンダー11には、ピストン3が内挿されている。ピストン3は、コネクティングロッド14を介してクランクシャフト15に連結されている。ピストン3は、シリンダー11の内部を往復動する。ピストン3、シリンダー11及びシリンダーヘッド13は、燃焼室17を形成する。
A
シリンダーヘッド13の下面、つまり、シリンダー11の天井部は、図2の下図に示すように、傾斜面1311と、傾斜面1312とによって構成されている。傾斜面1311は、後述する吸気バルブ21側の傾斜面1311であり、シリンダー11の中央部に向かって上り勾配となっている。傾斜面1312は、排気バルブ22側の傾斜面1312であり、シリンダー11の中央部に向かって上り勾配となっている。シリンダー11の天井部は、いわゆるペントルーフ型である。
The lower surface of the
ピストン3の上面には、キャビティ31が形成されている。キャビティ31は、ピストン3の上面から凹陥している。キャビティ31は、この構成例では、浅皿形状を有している。キャビティ31の中央部は、上方に隆起している。隆起部は、略円錐形状を有している。
A
エンジン1の幾何学的圧縮比は、15以上で、例えば30以下に設定されている。後述するように、このエンジン1では、一部の運転領域において、混合気が、圧縮着火燃焼する。比較的高い幾何学的圧縮比は、圧縮着火燃焼を安定化させる。 The geometric compression ratio of the engine 1 is set to be 15 or more and, for example, 30 or less. As will be described later, in this engine 1, the air-fuel mixture undergoes compression ignition combustion in some operating regions. A relatively high geometric compression ratio stabilizes compression ignition combustion.
シリンダーヘッド13には、シリンダー11毎に、吸気ポート18が形成されている。吸気ポート18は、シリンダー11内に連通している。吸気ポート18は、詳細な図示は省略するが、いわゆるタンブルポートである。つまり、吸気ポート18は、シリンダー11の中にタンブル流が発生するような形状を有している。ペントルーフ型のシリンダー11の天井部と、タンブルポートとは、シリンダー11の中にタンブル流を発生させる。
An
吸気ポート18には、吸気バルブ21が配設されている。吸気バルブ21は、吸気ポート18を開閉する。動弁装置は、吸気バルブ21に接続されている。動弁装置は、吸気バルブ21を所定のタイミングで開閉する。動弁装置は、バルブタイミング及び/又はバルブリフトを可変にする可変動弁装置である。図3に示すように、動弁装置は、吸気S-VT(Sequential-Valve Timing)231を有している。吸気S-VT231は、油圧式又は電気式である。吸気S-VT231は、吸気カムシャフトの回転位相を所定の角度範囲内で連続的に変更する。
An
動弁装置はまた、吸気CVVL(Continuously Variable Valve Lift)232を有している。吸気CVVL232は、図5に例示するように、吸気バルブ21のリフト量を、所定の範囲内で連続的に変更できる。吸気CVVL232は、公知の様々な構成を採用できる。一例として、特開2007-85241号公報に記載されているように、吸気CVVL232は、リンク機構と、コントロールアームと、ステッピングモータとを備えて構成できる。リンク機構は、吸気バルブ21を駆動するためのカムを、カムシャフトの回転と連動して往復揺動運動させる。コントロールアームは、リンク機構のレバー比を可変的に設定する。リンク機構のレバー比が変わると、吸気バルブ21を押し下げるカムの揺動量が変わる。ステッピングモータは、コントロールアームを電気的に駆動することによってカムの揺動量を変更し、それによって、吸気バルブ21のリフト量を変更する。
The valve train also includes an intake CVVL (Continuously Variable Valve Lift) 232. The intake CVVL 232 can continuously change the lift amount of the
シリンダーヘッド13には、シリンダー11毎に、排気ポート19が形成されている。排気ポート19は、シリンダー11内に連通している。
An
排気ポート19には、排気バルブ22が配設されている。排気バルブ22は、排気ポート19を開閉する。動弁装置は、排気バルブ22に接続されている。動弁装置は、排気バルブ22を所定のタイミングで開閉する。動弁装置は、バルブタイミング及び/又はバルブリフトを可変にする可変動弁装置である。図3に示すように、動弁装置は、排気S-VT241を有している。排気S-VT241は、油圧式又は電気式である。排気S-VT241は、排気カムシャフトの回転位相を所定の角度範囲内で連続的に変更する。
The
動弁装置はまた、排気VVL(Variable Valve Lift)242を有している。排気VVL242は、図示は省略するが、排気バルブ22を開閉するカムを切り替え可能に構成されている。排気CVVL242は、公知の様々な構成を採用できる。一例として、特開2018-168796公報に記載されているように、排気VVL242は、第1のカムと、第2のカムと、第1のカムと第2のカムとを切り替える切り替え機構と、を有している。第1のカムは、排気行程において、排気バルブ22を開閉するよう構成されている。第2のカムは、図5に例示するように、排気行程において、排気バルブ22を開閉すると共に、吸気行程において、排気バルブ22を再び開閉するよう構成されている。排気VVL242は、排気バルブ22を、第1のカムと第2のカムとのいずれか一方によって開閉することにより、排気バルブ22のリフトを変更できる。
The valve train also has an exhaust VVL (Variable Valve Lift) 242. Although not shown, the
吸気S-VT231、吸気CVVL232、排気S-VT241、及び、排気VVL242は、吸気バルブ21及び排気バルブ22の開閉を制御することによって、シリンダー11内への空気の導入量、及び、既燃ガスの導入量を調節する。吸気S-VT231、吸気CVVL232、排気S-VT241、及び、排気VVL242は、、吸気充填量を調節する。
The intake S-
シリンダーヘッド13には、シリンダー11毎に、インジェクタ6が取り付けられている。図2に示すように、インジェクタ6は、シリンダー11の中央部に配設されている。より詳細に、インジェクタ6は、傾斜面1311と傾斜面1312とが交差するペントルーフの谷部に配設されている。
An
インジェクタ6は、シリンダー11の中に燃料を直接噴射する。インジェクタ6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である。インジェクタ6は、図2に二点鎖線で示すように、シリンダー11の中央部から周辺部に向かって、放射状に広がるように燃料を噴射する。図2の下図に示すように、インジェクタ6の噴口の軸は、シリンダー11の中心軸Xに対して、所定の角度θを有している。尚、インジェクタ6は、図例では、周方向に等角度に配置された十個の噴口を有しているが、噴口の数、及び、配置は特に制限されない。
The
インジェクタ6には、燃料供給システム61が接続されている。燃料供給システム61は、燃料を貯留するよう構成された燃料タンク63と、燃料タンク63とインジェクタ6とを互いに連結する燃料供給路62とを備えている。燃料供給路62には、燃料ポンプ65とコモンレール64とが介設している。燃料ポンプ65は、コモンレール64に燃料を圧送する。燃料ポンプ65は、この構成例においては、クランクシャフト15によって駆動されるプランジャー式のポンプである。コモンレール64は、燃料ポンプ65から圧送された燃料を、高い燃料圧力で蓄える。インジェクタ6が開弁すると、コモンレール64に蓄えられていた燃料が、インジェクタ6の噴口からシリンダー11の中に噴射される。インジェクタ6に供給する燃料の圧力は、エンジン1の運転状態に応じて変更してもよい。尚、燃料供給システム61の構成は、前記の構成に限定されない。
A
シリンダーヘッド13には、シリンダー11毎に、第1点火プラグ251及び第2点火プラグ252が取り付けられている。第1点火プラグ251及び第2点火プラグ252はそれぞれ、シリンダー11の中の混合気に強制的に点火をする。図2に示すように、第1点火プラグ251は、二つの吸気バルブ21の間に配置され、第2点火プラグ252は、二つの排気バルブ22の間に配置されている。第1点火プラグ251の先端、及び、第2点火プラグ252の先端は、インジェクタ6を挟んだ吸気側と排気側とのそれぞれにおいて、シリンダー11の天井部の付近に位置している。尚、点火プラグは、一つでもよい。
A
エンジン1の一側面には吸気通路40が接続されている。吸気通路40は、各シリンダー11の吸気ポート18に連通している。シリンダー11に導入される空気は、吸気通路40を流れる。吸気通路40の上流端部には、エアクリーナー41が配設されている。エアクリーナー41は、空気を濾過する。吸気通路40の下流端近傍には、サージタンク42が配設されている。サージタンク42よりも下流の吸気通路40は、シリンダー11毎に分岐する独立通路を構成している。独立通路の下流端が、各シリンダー11の吸気ポート18に接続されている。
An
吸気通路40におけるエアクリーナー41とサージタンク42との間には、スロットルバルブ43が配設されている。スロットルバルブ43は、バルブの開度を調節することによって、シリンダー11の中への空気の導入量を調節できる。スロットルバルブ43は、エンジン1の運転中は、基本的には全開である。空気の導入量は、前述した可変動弁装置によって調節される。
A
エンジン1は、シリンダー11内にスワール流を発生させるスワール発生部を有している。スワール発生部は、吸気通路40に取り付けられたスワールコントロールバルブ56を有している。スワールコントロールバルブ56は、詳細な図示は省略するが、サージタンク42よりも下流において、各シリンダー11に接続されたプライマリ通路及びセカンダリ通路のうちのセカンダリ通路に配設されている。スワールコントロールバルブ56は、当該セカンダリ通路の断面を絞ることができる開度調節バルブである。スワールコントロールバルブ56の開度が小さいと、プライマリ通路からシリンダー11に流入する吸気流量が相対的に多くかつ、セカンダリ通路からシリンダー11に流入する吸気流量が相対的に少ないから、シリンダー11内のスワール流が強くなる。スワールコントロールバルブ56の開度が大きいと、プライマリ通路及びセカンダリ通路のそれぞれからシリンダー11に流入する吸気流量が、略均等になるから、シリンダー11内のスワール流が弱くなる。スワールコントロールバルブ56を全開にすると、スワール流が発生しない。
The engine 1 has a swirl generating section that generates a swirl flow within the
エンジン1の他側面には、排気通路50が接続されている。排気通路50は、各シリンダー11の排気ポート19に連通している。排気通路50は、シリンダー11から排出された排気ガスが流れる通路である。排気通路50の上流部分は、詳細な図示は省略するが、シリンダー11毎に分岐する独立通路を構成している。独立通路の上流端が、各シリンダー11の排気ポート19に接続されている。
An
排気通路50には、複数の触媒コンバーターを有する排気ガス浄化システムが配設されている。上流の触媒コンバーターは、例えば三元触媒511と、GPF(Gasoline Particulate Filter)512とを有している。下流の触媒コンバーターは、三元触媒513を有している。尚、排気ガス浄化システムは、図例の構成に限定されるものではない。例えば、GPFは省略してもよい。また、触媒コンバーターは、三元触媒を有するものに限定されない。さらに、三元触媒及びGPFの並び順は、適宜変更してもよい。
An exhaust gas purification system having a plurality of catalytic converters is disposed in the
吸気通路40と排気通路50との間には、EGR通路52が接続されている。EGR通路52は、排気ガスの一部を吸気通路40に還流させるための通路である。EGR通路52の上流端は、排気通路50における上流の触媒コンバーターと下流の触媒コンバーターとの間に接続されている。EGR通路52の下流端は、吸気通路40におけるスロットルバルブ43とサージタンク42との間に接続されている。
An
EGR通路52には、水冷式のEGRクーラー53が配設されている。EGRクーラー53は、排気ガスを冷却する。EGR通路52にはまた、EGRバルブ54が配設されている。EGRバルブ54は、EGR通路52を流れる排気ガスの流量を調節する。EGRバルブ54の開度を調節することによって、冷却した排気ガスの還流量を調節することができる。
A water-cooled
エンジン1の制御装置は、図3に示すように、エンジン1を運転するためのECU(Engine Control Unit)10を備えている。ECU10は、周知のマイクロコンピュータをベースとするコントローラーであって、プログラムを実行する中央演算処理装置(Central Processing Unit:CPU)101と、例えばRAM(Random Access Memory)やROM(Read Only Memory)により構成されてプログラム及びデータを格納するメモリ102と、電気信号の入出力をするI/F回路103と、を備えている。ECU10は、制御器の一例である。
The control device for the engine 1 includes an ECU (Engine Control Unit) 10 for operating the engine 1, as shown in FIG. The
ECU10には、図1及び図3に示すように、各種のセンサSW1~SW10が接続されている。センサSW1~SW10は、信号をECU10に出力する。センサには、以下のセンサが含まれる。
エアフローセンサSW1:吸気通路40におけるエアクリーナー41の下流に配置されかつ、吸気通路40を流れる空気の流量を計測する。
吸気温度センサSW2:吸気通路40におけるエアクリーナー41の下流に配置されかつ、吸気通路40を流れる空気の温度を計測する。
吸気圧センサSW3:サージタンク42に取り付けられかつ、シリンダー11に導入される空気の圧力を計測する。
筒内圧センサSW4:各シリンダー11に対応してシリンダーヘッド13に取り付けられかつ、各シリンダー11内の圧力を計測する。
水温センサSW5:エンジン1に取り付けられかつ、冷却水の温度を計測する。
クランク角センサSW6:エンジン1に取り付けられかつ、クランクシャフト15の回転角を計測する。
アクセル開度センサSW7:アクセルペダル機構に取り付けられかつ、アクセルペダルの操作量に対応したアクセル開度を計測する。
吸気カム角センサSW8:エンジン1に取り付けられかつ、吸気カムシャフトの回転角を計測する。
排気カム角センサSW9:エンジン1に取り付けられかつ、排気カムシャフトの回転角を計測する。
吸気カムリフトセンサSW10:エンジン1に取り付けられかつ、吸気バルブ21のリフト量を計測する。
As shown in FIGS. 1 and 3, various sensors SW1 to SW10 are connected to the
Air flow sensor SW1: disposed downstream of the
Intake air temperature sensor SW2: Disposed downstream of the
Intake pressure sensor SW3: attached to the
Cylinder pressure sensor SW4: attached to the
Water temperature sensor SW5: attached to the engine 1 and measures the temperature of the cooling water.
Crank angle sensor SW6: attached to the engine 1 and measures the rotation angle of the
Accelerator opening sensor SW7: attached to the accelerator pedal mechanism and measures the accelerator opening corresponding to the operation amount of the accelerator pedal.
Intake cam angle sensor SW8: attached to the engine 1 and measures the rotation angle of the intake camshaft.
Exhaust cam angle sensor SW9: attached to the engine 1 and measures the rotation angle of the exhaust camshaft.
Intake cam lift sensor SW10: attached to the engine 1 and measures the lift amount of the
ECU10は、これらのセンサSW1~SW10の信号に基づいて、エンジン1の運転状態を判断すると共に、予め定められている制御ロジックに従って、各デバイスの制御量を演算する。制御ロジックは、メモリ102に記憶されている。制御ロジックは、メモリ102に記憶しているマップを用いて、目標量及び/又は制御量を演算することを含む。
The
ECU100は、演算をした制御量に係る電気信号を、インジェクタ6、第1点火プラグ251、第2点火プラグ252、吸気S-VT231、吸気CVVL232、排気S-VT241、排気VVL242、燃料供給システム61、スロットルバルブ43、EGRバルブ54、及び、スワールコントロールバルブ56に出力する。
The ECU 100 sends electrical signals related to the calculated control amounts to the
(エンジンの運転制御マップ)
図4は、エンジン1の制御に係るベースマップを例示している。ベースマップは、ECU10のメモリ102に記憶されている。ベースマップは、第1ベースマップ401、及び、第2ベースマップ402を含んでいる。ECU10は、エンジン1の冷却水温の高低に応じて、二種類のベースマップの中から選択したベースマップを、エンジン1の制御に用いる。第1ベースマップ401は、エンジン1の温間時のベースマップである。第2ベースマップ402は、エンジン1の、いわば冷間時のベースマップである。
(Engine operation control map)
FIG. 4 illustrates a base map related to control of the engine 1. The base map is stored in the
第1ベースマップ401及び第2ベースマップ402は、エンジン1の負荷及び回転数によって規定されている。第1ベースマップ401は、負荷の高低及び回転数の高低に対して大別して、第1領域、第2領域、第3領域、及び、第4領域の四つの領域に分かれる。より詳細に、第1領域は、高回転領域411と、高負荷中回転領域412とを含む。高回転領域411は、低負荷から高負荷までの全体に広がる。第2領域は、高負荷低回転領域413、414に相当する。第3領域は、アイドル運転を含む低負荷領域415に相当しかつ、低回転及び中回転の領域に広がる。第4領域は、低負荷領域415よりも負荷が高くかつ、高負荷中回転領域412及び高負荷低回転領域413、414よりも負荷が低い、中負荷領域416、417である。
The
高負荷低回転領域413、414は、最大負荷を含む第1高負荷低回転領域413と、第1高負荷低回転領域413よりも負荷が高い第2高負荷低回転領域414とに分かれる。中負荷領域416、417は、第1中負荷領域416と、第1中負荷領域416よりも負荷が低い第2中負荷領域417とに分かれる。
The high load low rotation areas 413 and 414 are divided into a first high load low rotation area 413 including the maximum load and a second high load low rotation area 414 having a higher load than the first high load low rotation area 413. The
第2ベースマップ402は、第1領域、第2領域、及び、第3領域の三つの領域に分かれる。より詳細に、第1領域は、高回転領域421と、高負荷中回転領域422とを含む。第2領域は、高負荷低回転領域423、424に相当する。第3領域は、負荷方向については、アイドル運転を含む低負荷領域から中負荷領域まで広がるとともに、回転数方向については、低回転及び中回転の領域に広がる低中負荷領域425である。
The
高負荷低回転領域423、424は、相対的に負荷低い第1高負荷低回転領域423と、第1高負荷低回転領域423よりも負荷が高い領域であって、最大負荷を含む第2高負荷低回転領域424とに分かれる。 The high load low rotation areas 423 and 424 are areas with a higher load than the first high load low rotation area 423 with a relatively low load and the first high load low rotation area 423, and are a second high load area including the maximum load. It is divided into a load low rotation region 424.
第2ベースマップ402の第1領域は、第1ベースマップ401の第1領域に対応し、第2ベースマップ402の第2領域は、第1ベースマップ401の第2領域に対応し、第2ベースマップ402の第3領域は、第1ベースマップ401の第3領域及び第4領域に対応する。
A first region of the
ここで、低回転領域、中回転領域、及び、高回転領域はそれぞれ、エンジン1の全運転領域を回転数方向に、低回転領域、中回転領域及び高回転領域の略三等分にしたときの、低回転領域、中回転領域、及び、高回転領域としてもよい。 Here, the low rotation region, medium rotation region, and high rotation region are respectively defined when the entire operating region of the engine 1 is divided into approximately three equal parts in the rotation speed direction: the low rotation region, the middle rotation region, and the high rotation region. It may also be a low rotation area, a medium rotation area, and a high rotation area.
また、低負荷領域、中負荷領域、及び、高負荷領域はそれぞれ、エンジン1の全運転領域を負荷方向に、低負荷領域、中負荷領域及び高負荷領域の略三等分にしたときの、低負荷領域、中負荷領域、及び、高負荷領域としてもよい。 In addition, the low load region, medium load region, and high load region are respectively defined when the entire operating region of the engine 1 is divided into approximately three equal parts in the load direction into the low load region, the medium load region, and the high load region. It may be a low load area, a medium load area, or a high load area.
(エンジンの燃焼形態)
次に、各領域におけるエンジン1の運転について詳細に説明をする。ECU10は、エンジン1に対する要求エンジン負荷、及び、エンジン1の回転数に応じて、吸気バルブ21及び排気バルブ22の開閉動作、燃料の噴射タイミング、及び、点火の有無を変える。吸気充填量、燃料の噴射タイミング、及び、点火の有無を変えることによって、シリンダー11内の混合気の燃焼形態が変わる。このエンジン1は、燃焼形態を、均質SI燃焼、リタードSI燃焼、HCCI燃焼、SPCCI燃焼、及び、MPCI燃焼に変える。図5は、各燃焼形態に対応する、吸気バルブ21及び排気バルブ22の開閉動作、燃料の噴射タイミング、及び、点火タイミングと、混合気が燃焼することによってシリンダー11内で生じる熱発生率の波形と、を例示している。図5の左から右にクランク角は進行する。以下、エンジン1の温間時を例に、各燃焼形態について説明する。
(Engine combustion form)
Next, the operation of the engine 1 in each region will be explained in detail. The
(均質SI燃焼)
エンジン1の運転状態が第1領域、つまり、高回転領域411、又は、高負荷中回転領域412にある場合に、ECU10は、シリンダー11内の混合気を火炎伝播燃焼させる。より具体的に、吸気S-VT231は、吸気バルブ21の開閉時期を所定の時期に設定する。吸気CVVL232は、吸気バルブ21のリフト量を所定のリフト量に設定する。吸気バルブ21のリフト量は、後述する排気バルブ22のリフト量と実質的に同じである。排気S-VT241は、排気バルブ22の開閉時期を所定の時期に設定する。吸気バルブ21と排気バルブ22とは、吸気上死点の付近において共に開弁する(符号701参照)。排気VVL242は、排気バルブ22を1回だけ開閉させる。この吸気バルブ21及び排気バルブ22の開閉形態によって、シリンダー11内には、比較的多量の空気と、比較的少量の既燃ガスとが導入される。既燃ガスは、基本的には、シリンダー11内に残留する内部EGRガスである。
(Homogeneous SI combustion)
When the operating state of the engine 1 is in the first region, that is, the
インジェクタ6は、吸気行程の期間内に、シリンダー11内に燃料を噴射する(符号702参照)。インジェクタ6は、図例に示すように、一括噴射を行ってもよい。シリンダー11内に噴射された燃料は、強い吸気流動によって拡散する。シリンダー11内には、燃料濃度が均質な混合気が形成される。混合気の質量比率、つまり、既燃ガスを含むシリンダー11内の吸気の、燃料に対する質量比率G/Fは、20程度になる。尚、シリンダー11内の空気の、燃料に対する質量比率A/Fは、理論空燃比である。
The
第1点火プラグ251及び第2点火プラグ252は共に、圧縮上死点の付近において、混合気に点火する(符号703参照)。第1点火プラグ251及び第2点火プラグ252は、同時に点火をしてもよいし、タイミングをずらして点火をしてもよい。
Both the
第1点火プラグ251及び第2点火プラグ252の点火後、混合気は火炎伝播燃焼する(符号704参照)。回転数が高すぎて圧縮着火燃焼が困難な高回転領域411、及び、負荷が高すぎて圧縮着火燃焼が困難な高負荷中回転領域412において、エンジン1は、燃焼安定性を確保しかつ異常燃焼を抑制しながら、運転できる。
After the
この燃焼形態は均質な混合気を火花点火燃焼させるため、この燃焼形態のことを、均質SI燃焼と呼ぶ場合がある。 Since this combustion type causes spark ignition combustion of a homogeneous air-fuel mixture, this combustion type is sometimes referred to as homogeneous SI combustion.
(リタードSI燃焼)
エンジン1の運転状態が第2領域、つまり、第1高負荷低回転領域413、又は、第2高負荷低回転領域414にある場合に、ECU10は、シリンダー11内の混合気を火炎伝播燃焼させる。より具体的に、エンジン1の運転状態が第2高負荷低回転領域414にある場合に、吸気S-VT231は吸気バルブ21の開閉時期を所定の時期に設定する。吸気CVVL232は吸気バルブ21のリフト量を所定のリフト量に設定する。吸気バルブ21のリフト量は、後述する排気バルブ22のリフト量と実質的に同じである。排気S-VT241は排気バルブ22の開閉時期を所定の時期に設定する。吸気バルブ21と排気バルブ22とは、吸気上死点の付近において共に開弁する(符号705参照)。排気VVL242は、排気バルブ22を1回だけ開閉させる。この吸気バルブ21及び排気バルブ22の開閉形態によって、シリンダー11内には、比較的多量の空気と、比較的少量の既燃ガスとが導入される。既燃ガスは、基本的には、シリンダー11内に残留する内部EGRガスである。G/Fは、20程度である。
(Retard SI combustion)
When the operating state of the engine 1 is in the second region, that is, the first high load low speed region 413 or the second high load low speed region 414, the
エンジン1の運転状態が第1高負荷低回転領域413にある場合に、吸気S-VT231は、吸気バルブ21の開閉時期を所定の時期に設定する。吸気CVVL232は吸気バルブ21のリフト量を、第2高負荷低回転領域414の場合よりも、小さくする。吸気バルブ21の閉時期は、第1高負荷低回転領域413の場合の方が、第2高負荷低回転領域414の場合よりも進角する(符号709参照)。排気S-VT241は、排気バルブ22の開閉時期を所定の時期に設定する。吸気バルブ21と排気バルブ22とは、吸気上死点に付近において共に開弁する。排気VVL242は、排気バルブ22を1回だけ開閉する。この吸気バルブ21及び排気バルブ22の開閉形態によって、第2高負荷低回転領域414にある場合よりも、シリンダー11内に導入される空気量が減って、既燃ガス量が増える。第1高負荷低回転領域413のG/Fは、第2高負荷低回転領域414のG/Fよりもリーンであって、そのG/Fは、25程度である。
When the operating state of the engine 1 is in the first high load low rotation range 413, the intake S-
第1高負荷低回転領域413、又は、第2高負荷低回転領域414は、負荷が高くかつ回転数が低い領域であるため、プリイグニッション又はノッキングといった異常燃焼が生じやすい。インジェクタ6は、圧縮行程の期間内に、シリンダー11内に燃料を噴射する(符号706、710参照)。シリンダー11内に燃料を噴射するタイミングを遅くすることによって、異常燃焼の発生が抑制される。インジェクタ6は、図例に示すように、一括噴射を行ってもよい。
The first high load low rotation region 413 or the second high load low rotation region 414 is a region where the load is high and the rotation speed is low, so abnormal combustion such as pre-ignition or knocking is likely to occur. The
相対的に負荷が高い第2高負荷低回転領域414において、インジェクタ6は、相対的に遅いタイミングで燃料をシリンダー11内に噴射する(符号706参照)。インジェクタ6は、例えば圧縮行程の後半、又は、圧縮行程の終期に、燃料を噴射してもよい。尚、圧縮行程の後半は、圧縮行程を前半と後半とに二等分した場合の後半に相当する。圧縮行程の終期は、圧縮行程を、初期、中期、終期の三等分した場合の終期に相当する。負荷が高い第2高負荷低回転領域414において、燃料の噴射タイミングが遅いことは、異常燃焼の抑制に有利である。
In the second high-load, low-speed region 414 where the load is relatively high, the
相対的に負荷が低い 図5の四角は、インジェクタ6の噴射期間であり、四角の面積は、燃料の噴射量に相当する。スキッシュ噴射において、圧縮行程中の燃料の噴射量は、吸気行程中の燃料の噴射量よりも多い。キャビティ31の外の、広い領域に燃料が噴射されるため、燃料の量が多くてもスモークの発生が抑制できる。燃料の量が多いほど、温度は低下する。圧縮行程中の燃料の噴射量は、要求される温度低下が実現できる量に設定すればよい。
The square in FIG. 5, where the load is relatively low, is the injection period of the
圧縮行程期間にシリンダー11内に噴射された燃料は、その噴射の流動によって拡散する。混合気を急速に燃焼させて、異常燃焼の発生の抑制と、燃焼安定性の向上を図る上で、燃料の噴射圧は高い方が好ましい。高い噴射圧は、圧縮上死点付近において、圧力が高くなっているシリンダー11内に、強い流動を生成する。強い流動は、火炎伝播を促進する。
The fuel injected into the
第1点火プラグ251及び第2点火プラグ252は共に、圧縮上死点の付近において、混合気に点火する(符号707、711参照)。第1点火プラグ251及び第2点火プラグ252は、同時に点火をしてもよいし、タイミングをずらして点火をしてもよい。負荷が高い第2高負荷低回転領域414において、第1点火プラグ251及び第2点火プラグ252は、遅角した燃料の噴射タイミングに対応して、圧縮上死点よりも後のタイミングで、点火を行う。第1点火プラグ251及び第2点火プラグ252の点火後、混合気は火炎伝播燃焼する(符号708、712参照)。
Both the
回転数が低くて異常燃焼が発生しやすい運転状態において、エンジン1は、燃焼安定性を確保しかつ、異常燃焼を抑制しながら、運転できる。この燃焼形態は噴射タイミングを遅角させているため、この噴射形態のことをリタードSI燃焼と呼ぶ場合がある。 In an operating state where the rotational speed is low and abnormal combustion is likely to occur, the engine 1 can be operated while ensuring combustion stability and suppressing abnormal combustion. Since this combustion form retards the injection timing, this injection form is sometimes referred to as retard SI combustion.
(HCCI燃焼)
エンジン1の運転状態が第3領域、つまり、低負荷領域415にある場合に、ECU10は、シリンダー11内の混合気を圧縮着火燃焼させる。より具体的に、エンジン1の運転状態が低負荷領域415にある場合に、排気VVL242は、排気バルブ22を2回、開閉させる。つまり、第1領域及び第2領域と、第3領域との間において、排気VVL242は、第1カムと第2カムとの切り替えを行う。排気バルブ22は、排気行程において開閉し、吸気行程において開閉する。排気S-VT241は排気バルブ22の開閉時期を所定の時期に設定する。吸気S-VT231は、吸気バルブ21の開閉時期を、遅角させる。吸気CVVL232は、吸気バルブ21のリフト量を小に設定する。吸気バルブ21の閉時期は、最も遅角している(符号713参照)。
(HCCI combustion)
When the operating state of the engine 1 is in the third region, that is, the
この吸気バルブ21及び排気バルブ22の開閉形態によって、シリンダー11内には、比較的少量の空気と、多量の既燃ガスとが導入される。既燃ガスは、基本的には、シリンダー11内に残留する内部EGRガスである。混合気のG/Fは、40程度である。多量にシリンダー11内に導入した内部EGRガスは、筒内温度を高める。
By opening and closing the
インジェクタ6は、吸気行程の期間内に、シリンダー11内に燃料を噴射する(符号714参照)。前述したように、強い吸気流動によって燃料は拡散し、シリンダー11内に均質な混合気が形成される。インジェクタ6は、図例に示すように、一括噴射を行ってもよい。インジェクタ6は、分割噴射を行ってもよい。
The
エンジン1の運転状態が低負荷領域415にある場合に、第1点火プラグ251及び第2点火プラグ252は共に、点火を行わない。シリンダー11内の混合気は、圧縮上死点の付近において、圧縮着火する。エンジン1の負荷が低くて燃料量が少ないため、G/Fを燃料リーンにすることで、異常燃焼を抑制しながら、圧縮着火燃焼、より正確には、HCCI燃焼が実現する。また、内部EGRガスを多量に導入して、筒内温度を高めることによって、HCCI燃焼の安定性が高まるとともに、エンジン1の熱効率も向上する。このHCCI燃焼は、第1圧縮着火燃焼形態に相当する。
When the operating state of the engine 1 is in the
(SPCCI燃焼)
エンジン1の運転状態が第2領域、より詳細には第1中負荷領域416にある場合に、ECU10は、シリンダー11内の混合気の一部を火炎伝播燃焼させ、残りを圧縮着火燃焼させる。より具体的に、排気S-VT241は排気バルブ22の開閉時期を所定の時期に設定する。排気VVL242は、排気バルブ22を2回開閉させる(符号716参照)。内部EGRガスがシリンダー11内に導入される。吸気CVVL232は、吸気バルブ21のリフト量を、低負荷領域415のリフト量よりも大に設定する。吸気バルブ21の閉時期は、低負荷領域415の閉時期とほぼ同じである。吸気バルブ21の開時期は、低負荷領域415の開時期よりも進角する。この吸気バルブ21及び排気バルブ22の開閉形態によって、シリンダー11内に導入される空気量が増え、既燃ガスの導入量は減る。混合気のG/Fは、たとえば35である。
(SPCCI combustion)
When the operating state of the engine 1 is in the second region, more specifically, in the first
インジェクタ6は、圧縮行程の期間内に、シリンダー11内に燃料を噴射する(符号717参照)。インジェクタ6は、図例に示すように、一括噴射を行ってもよい。遅い燃料噴射は、リタードSI燃焼と同様に、異常燃焼の抑制に有利である。尚、インジェクタ6は、エンジン1の運転状態が、例えば第1中負荷領域416における低負荷の場合、吸気行程の期間と、圧縮行程の期間とのそれぞれにおいて、燃料を噴射してもよい。
The
第1点火プラグ251及び第2点火プラグ252は共に、圧縮上死点の付近において、混合気に点火する(符号718参照)。第1点火プラグ251及び第2点火プラグ252が点火した後の圧縮上死点付近において、混合気は火炎伝播燃焼を開始する。火炎伝播燃焼の発熱によりシリンダー11の中の温度が高くなりかつ、火炎伝播によりシリンダー11の中の圧力が上昇する。このことによって、未燃混合気が、例えば圧縮上死点後に自己着火し、圧縮着火燃焼を開始する。圧縮着火燃焼の開始後、火炎伝播燃焼と圧縮着火燃焼とは並行して進行する。熱発生率の波形は、図5に例示するように、二山になる場合がある(符号719参照)。
Both the
火炎伝播燃焼の発熱量を調節することによって、圧縮開始前のシリンダー11の中の温度のばらつきを吸収することができる。ECU10が点火タイミングを調節することにより火炎伝播燃焼の発熱量を調節できる。混合気は、目標のタイミングで自己着火するようになる。SPCCI燃焼は、ECU10が、点火タイミングの調節を通じて、圧縮着火のタイミングを調節する。この燃焼形態は、点火が圧縮着火をコントロールするため、この燃焼形態のことをSPCCI(Spark Controlled Compression Ignition:火花点火制御圧縮着火)燃焼と呼ぶ場合がある。
By adjusting the calorific value of flame propagation combustion, variations in temperature within the
(MPCI燃焼)
エンジン1の運転状態が第2中負荷領域417にある場合に、ECU10は、シリンダー11内の混合気を圧縮着火燃焼させる。より具体的に、排気S-VT241は、排気バルブ22の開閉時期を所定の時期に設定する。排気VVL242は、排気バルブ22を2回開閉させる。内部EGRガスがシリンダー11内に導入される。吸気CVVL232は、吸気バルブ21のリフト量を、第1中負荷領域416のリフト量よりも小に設定する。吸気バルブ21の閉時期は、第1中負荷領域416の閉時期とほぼ同じである。吸気バルブ21の開時期は、第1中負荷領域416の開時期よりも遅角する(符号720、724参照)。この吸気バルブ21及び排気バルブ22の開閉形態によって、シリンダー11内に導入される空気量が減り、既燃ガスの導入量は増える。G/Fは、例えば35~38 である。
(MPCI combustion)
When the operating state of the engine 1 is in the second
インジェクタ6は、吸気行程の期間内と、圧縮行程の期間内とのそれぞれにおいて、シリンダー11内に燃料を噴射する。インジェクタ6は、分割噴射を行う。第2中負荷領域417において、ECU10は、スキッシュ噴射と、トリガー噴射との二つの噴射形態を使い分ける。スキッシュ噴射は、インジェクタ6が、吸気行程期間内と、圧縮行程の中期において燃料を噴射する噴射形態である(符号721、722参照)。トリガー噴射は、インジェクタ6が、吸気行程期間内と、圧縮行程の終期において燃料を噴射する噴射形態である(符号725、726参照)。
The
スキッシュ噴射は、圧縮着火燃焼を緩慢にする噴射形態である。吸気行程期間内に噴射された燃料は、前述したように、強い吸気流動によってシリンダー11内に拡散する。シリンダー11内に均質な混合気が形成される。圧縮行程の中期に噴射された燃料は、図2の下図に例示するように、キャビティ31の外の、スキッシュ領域171に到達する。スキッシュ領域171は、シリンダーライナーに近いため、元々温度が低い領域である上に、燃料の噴霧が気化する際の潜熱によって、さらに温度が低下する。シリンダー11内の温度が局所的に低下すると共に、シリンダー11内の全体において燃料が不均質になる。その結果、例えば筒内温度が高い場合に、異常燃焼の発生を抑制しつつ、混合気が所望のタイミングで圧縮着火する。スキッシュ噴射は、比較的緩慢な圧縮着火燃焼を可能にする。
Squish injection is an injection form that slows compression ignition combustion. The fuel injected during the intake stroke is diffused into the
図5の四角は、インジェクタ6の噴射期間であり、四角の面積は、燃料の噴射量に相当する。スキッシュ噴射において、圧縮行程中の燃料の噴射量は、吸気行程中の燃料の噴射量よりも多い。キャビティ31の外の、広い領域に燃料が噴射されるため、燃料の量が多くてもスモークの発生が抑制できる。燃料の量が多いほど、温度は低下する。圧縮行程中の燃料の噴射量は、要求される温度低下が実現できる量に設定すればよい。
The squares in FIG. 5 are the injection periods of the
トリガー噴射は、圧縮着火燃焼を促進させる噴射形態である。吸気行程期間内に噴射された燃料は、前述したように、強い吸気流動によってシリンダー11内に拡散する。シリンダー11内に均質な混合気が形成される。圧縮行程の終期に噴射された燃料は、図6に例示するように、シリンダー11内の高い圧力によって拡散しにくく、キャビティ31の中の領域に留まる。尚、キャビティ31の中の領域とは、シリンダー11の径方向に対して、キャビティ31の外周縁よりも径方向の内方の領域を意味する。ピストン3の頂面から凹陥するキャビティ31の内部も、キャビティ31の中の領域に含まれる。シリンダー11内の燃料は不均質である。また、シリンダー11の中央部は、シリンダーライナーから離れているため、温度が高い領域である。温度の高い領域に、燃料が濃い混合気塊が形成されるため、混合気の圧縮着火が促進される。その結果、圧縮行程噴射後に混合気が速やか圧縮着火して、圧縮着火燃焼を促進できる。トリガー噴射は、燃焼安定性を高める。
Trigger injection is an injection form that promotes compression ignition combustion. The fuel injected during the intake stroke is diffused into the
スキッシュ噴射及びトリガー噴射は共に、シリンダー11内の混合気を不均質にする。この点で、均質な混合気が形成されるHCCI燃焼とは異なる。スキッシュ噴射及びトリガー噴射は共に、不均質な混合気を形成することによって、圧縮着火のタイミングをコントロールできる。
Both squish injection and trigger injection cause the mixture within
この燃焼形態は、インジェクタが複数回の燃料噴射を行うため、この燃焼形態のことをMPCI(Multiple Premixed fuel injection Compression Ignition:多段予混合燃料噴射圧縮着火)燃焼と呼ぶ場合がある。このMPCI燃焼は、第2圧縮着火燃焼形態に相当する。 This combustion mode is sometimes called MPCI (Multiple Premixed Fuel Injection Compression Ignition) combustion because the injector performs fuel injection multiple times. This MPCI combustion corresponds to the second compression ignition combustion mode.
尚、エンジン1の冷間時には、図4の第2ベースマップ402に示すように、温間時の第1ベースマップ401において、燃焼形態が、HCCI、MPCI、及びSPCCIであった第3領域において、均質SI燃焼、又は、SPCCI燃焼を行う。これは、エンジン1の温度が低いため、圧縮着火燃焼が不安定になるためである。エンジン1の始動後、水温が上昇するに従い、ECU10は、ベースマップを、冷間時の第2ベースマップ402から温間時の第1ベースマップ401に切り替える。ECU10は、ベースマップが切り替えられると、エンジン1の回転数及び負荷が変化しなくても、燃焼形態を、例えば均質SI燃焼からHCCI燃焼へ切り替える場合がある。
Note that when the engine 1 is cold, as shown in the
(エンジンの負荷の高低に対するエンジン制御の詳細)
ここで、図5に示す各燃焼形態のタイミングチャートにおいて、図の下側の燃焼形態はエンジン1の負荷が低い場合の燃焼形態であり、図の上側の燃焼形態はエンジンの負荷が高い場合の燃焼形態である。エンジン1の負荷が高くなると、混合気のG/Fは小さくなる。エンジン1の負荷が低くなると、シリンダー11内に導入される空気量が少なくかつ、既燃ガス量が多くなる。
(Details of engine control for high and low engine loads)
Here, in the timing chart of each combustion mode shown in FIG. 5, the combustion mode at the bottom of the figure is the combustion mode when the load of the engine 1 is low, and the combustion mode at the top of the figure is the combustion mode when the engine load is high. It is a form of combustion. As the load on the engine 1 increases, the G/F of the air-fuel mixture decreases. When the load on the engine 1 decreases, the amount of air introduced into the
次に、エンジンの負荷が変化することに対する燃料の噴射タイミングを比較する。図7の横軸はクランク角であり、クランク角は、図の左から右へ進行する。噴射重心は、1サイクル中に噴射された燃料の、クランク角に対する質量中心である。噴射重心は、1サイクル中における燃料の噴射開始タイミングと噴射量とから定まるから噴射終了タイミングまでのクランク角の中央値とする。例えば図7の符号チャート71は、4に示す一括噴射の場合の噴射タイミングsoi_1(start of injection)及び噴射期間pw_1を示している。図7の四角の左端は噴射開始のタイミング、右端は噴射終了のタイミングであり、四角における左右の長さは噴射期間に相当する。1燃焼サイクルにおける燃料の噴射圧力は一定である。そのため、噴射量は噴射期間に比例する。噴射重心を算出するに際して、噴射量は噴射期間で代用できる。
Next, the fuel injection timing will be compared as the engine load changes. The horizontal axis in FIG. 7 is the crank angle, and the crank angle progresses from left to right in the figure. The injection center of gravity is the center of mass of the fuel injected during one cycle relative to the crank angle. The injection center of gravity is determined from the fuel injection start timing and injection amount during one cycle, and is the median value of the crank angles from the time to the injection end timing. For example, the
一括噴射の場合の噴射重心ic_gは、一回の噴射期間の中央のクランク角ic_1に一致する。クランク角ic_1、つまり、噴射重心ic_gは、噴射開始のタイミングsoi_1と、噴射期間pw_1と、エンジン1の回転数Neと、から次式(1)で表すことができる。
ic_1=soi_1+(pw_1*Ne*360/60)/2=soi_1+3* pw_1*Ne ・・・(1)
図7のチャート72は、チャート71の場合よりも噴射開始のタイミングが遅角した例を示している。チャート72も一括噴射であるため、噴射重心は、式(1)で算出できる。一括噴射の場合、噴射開始のタイミングが遅角すると、噴射重心も遅角する。
In the case of batch injection, the injection gravity center ic_g corresponds to the central crank angle ic_1 of one injection period. The crank angle ic_1, that is, the injection center of gravity ic_g can be expressed by the following equation (1) from the injection start timing soi_1, the injection period pw_1, and the rotation speed Ne of the engine 1.
ic_1=soi_1+(pw_1*Ne*360/60)/2=soi_1+3* pw_1*Ne...(1)
尚、図示は省略するが、噴射開始のタイミングが同じでかつ、噴射期間が変わると、噴射重心は変わる。 Although not shown, if the injection start timing is the same and the injection period changes, the injection gravity center changes.
図7のチャート73は、分割噴射の場合を例示している。チャート73の第1噴射の、噴射タイミング及び噴射期間は、チャート71の第1噴射の噴射タイミング及び噴射期間と同じである。第2噴射の開始タイミングは、第1噴射の開始タイミングよりも遅い。
A
第1噴射及び第2噴射の2回の噴射を含む場合、噴射重心ic_gは、1サイクル中に噴射された燃料の、クランク角に対する質量中心であるから、次式で定義される。
ic_g=(pw_1*ic_1+pw_2*ic_2)/(pw_1+pw_2)・・・(2)
ic_1は、式(1)により算出できる。同様に、ic_2は、次式により算出できる。
ic_2=soi_2+(pw_2*Ne*360/60)/2=soi_2+3*pw_2*Ne ・・・(3)
式(1)、(2)、(3)から、噴射重心ic_gは、次式から算出できる。
ic_g=(pw_1*(soi_1+3*pw_1*Ne)+pw_2*(soi_2+3*pw_2*Ne))/(pw_1+pw_2)・・・(4)
図7のチャート73の噴射重心ic_gは、第1噴射に対して第2噴射が追加されることによって、チャート71の噴射重心ic_gよりも遅角している。
尚、式(4)を一般化して、1サイクル中に、インジェクタ6がn回の燃料噴射を行う場合、噴射重心ic_gは、次式から算出できる。
ic_g=
(pw_1*(soi_1+3*pw_1*Ne)+…+pw_n*(soi_n+3* pw_n*Ne))/(pw_1+…+pw_n)・・・(5)
図5に示すように、エンジン1の負荷が低い場合、混合気のG/Fは大きい(例えばG/F=40)。インジェクタ6は、吸気行程の期間に燃料を噴射する。噴射重心は進角側である。エンジン1の負荷が高くなると、混合気のG/Fが下がる(例えばG/F=35又は38)。インジェクタ6は、吸気行程の期間と圧縮行程の期間とに燃料を噴射する(符号721、722、725、726)。噴射重心は遅角する。
When two injections, the first injection and the second injection, are included, the injection center of gravity ic_g is the center of mass of the fuel injected during one cycle with respect to the crank angle, and is therefore defined by the following equation.
ic_g=(pw_1*ic_1+pw_2*ic_2)/(pw_1+pw_2)...(2)
ic_1 can be calculated using equation (1). Similarly, ic_2 can be calculated using the following formula.
ic_2=soi_2+(pw_2*Ne*360/60)/2=soi_2+3*pw_2*Ne...(3)
From equations (1), (2), and (3), the injection center of gravity ic_g can be calculated from the following equation.
ic_g=(pw_1*(soi_1+3*pw_1*Ne)+pw_2*(soi_2+3*pw_2*Ne))/(pw_1+pw_2)...(4)
The injection center of gravity ic_g of the
In addition, when formula (4) is generalized and the
ic_g=
(pw_1*(soi_1+3*pw_1*Ne)+...+pw_n*(soi_n+3* pw_n*Ne))/(pw_1+...+pw_n)...(5)
As shown in FIG. 5, when the load on the engine 1 is low, the G/F of the air-fuel mixture is large (for example, G/F=40). The
エンジン1の負荷がさらに高くなると、混合気のG/Fがさらに下がる(例えばG/F=35)。インジェクタ6は圧縮行程の期間に燃料を噴射する(符号717)。噴射重心はさらに遅角する。
When the load on the engine 1 becomes higher, the G/F of the air-fuel mixture further decreases (for example, G/F=35). The
エンジン1の負荷がさらに高くなると、混合気のG/Fがさらに下がる(例えばG/F=20又は25)。インジェクタ6は吸気行程の期間に燃料を噴射する(符号702)、又は、圧縮行程の期間に燃料を噴射する(符号706、710)。噴射重心は、進角する、又は、遅角する。
When the load on the engine 1 becomes higher, the G/F of the air-fuel mixture further decreases (for example, G/F=20 or 25). The
HCCI燃焼と均質SI燃焼とを比較する、又は、HCCI燃焼とリタードSI燃焼とを比較すると、HCCI燃焼は、混合気のG/Fが大きいのに対し、均質SI燃焼又はリタードSI燃焼は、混合気のG/Fが小さい。仮に、このエンジン1が、HCCI燃焼と、均質SI燃焼又はリタードSI燃焼とを切り替えるだけであると、エンジン1の負荷が変化して、燃焼形態を切り替える際に、混合気のG/Fを大きく変更しなければならない。ところが、吸気S-VT231、吸気CVVL232、排気S-VT241、及び、排気VVL242を含む可変動弁装置の応答性はそれほど高くない。混合気のG/Fを瞬時に変えることは困難である。
Comparing HCCI combustion and homogeneous SI combustion, or comparing HCCI combustion and retard SI combustion, HCCI combustion has a large air-fuel mixture G/F, while homogeneous SI combustion or retard SI combustion has a large mixed The G/F of Qi is small. If this engine 1 only switches between HCCI combustion and homogeneous SI combustion or retard SI combustion, the load on engine 1 will change and the G/F of the mixture will need to be increased when switching the combustion form. Must be changed. However, the responsiveness of the variable valve system including the intake S-
MPCI燃焼又はSPCCI燃焼は、混合気のG/Fが、HCCI燃焼のG/FとSI燃焼のG/Fとの中間行われる。HCCI燃焼のG/Fと、MPCI燃焼又はSPCCI燃焼のG/Fとの間のG/Fの変更、又は、SI燃焼のG/Fと、MPCI燃焼又はSPCCI燃焼のG/Fとの間のG/Fの変更は、速やかに実行できる。 In MPCI combustion or SPCCI combustion, the G/F of the mixture is intermediate between the G/F of HCCI combustion and the G/F of SI combustion. Changing the G/F between the G/F of HCCI combustion and the G/F of MPCI combustion or SPCCI combustion, or between the G/F of SI combustion and the G/F of MPCI combustion or SPCCI combustion. Changing the G/F can be performed quickly.
また、G/FがHCCI燃焼を実行可能な状態であったとしても、吸気バルブ21の閉弁時の筒内温度TIVCが低い場合、混合気の着火性が低下するため、HCCI燃焼を正常に実行することができない。この筒内温度TIVCを調整するには、内部EGRガスの量等の吸気充填量の調整が必要である。したがって、吸気S-VT231、吸気CVVL232、排気S-VT241、及び、排気VVL242を含む可変動弁装置の応答性がそれほど高くない以上は、筒内温度TIVCについても瞬時に変えることは困難である。
Furthermore, even if the G/F is in a state where HCCI combustion can be performed, if the in-cylinder temperature T IVC is low when the
詳細は後述するが、MPCI燃焼またはSPCCI燃焼は、混合気が中間のG/F及び中間の筒内温度TIVCである場合に、燃焼安定性を確保することと、異常燃焼を抑制することとを可能にする燃焼形態である。このエンジン1は、エンジンの負荷の変化に対して、混合気のG/F及び筒内温度TIVCを速やかに変化させて、SI燃焼、HCCI燃焼、MPCI燃焼、及び、SPCCI燃焼へ、燃焼形態をシームレスに切り替えることができる。その結果、エンジン1の負荷領域の全域に亘って、燃焼安定性の確保と、異常燃焼の抑制とが実現する。 Although the details will be described later, MPCI combustion or SPCCI combustion aims to ensure combustion stability and suppress abnormal combustion when the air-fuel mixture is at an intermediate G/F and an intermediate in-cylinder temperature T IVC . This is a combustion form that allows for This engine 1 quickly changes the G/F of the air-fuel mixture and the in-cylinder temperature TIVC in response to changes in engine load, and changes the combustion mode to SI combustion, HCCI combustion, MPCI combustion, and SPCCI combustion. can be switched seamlessly. As a result, combustion stability is ensured and abnormal combustion is suppressed over the entire load range of the engine 1.
尚、MPCI燃焼において、インジェクタ6は、吸気行程期間の噴射と、圧縮行程期間の噴射とを行う。また、インジェクタ6は、分割噴射に代わって、噴射重心が、HCCI燃焼時の噴射重心よりも遅角するように、燃料を一括で噴射してもよい。噴射重心が遅角すると、燃料の噴射から点火までの時間が短くなるから、シリンダー11内の混合気が均質にならなくなる。不均質な混合気は、燃焼安定性の確保と、異常燃焼の抑制とを実現する。
In MPCI combustion, the
(吸気バルブ及び排気バルブの開閉形態の変形例)
図8は、排気VVL242が、排気バルブ22を、排気行程と吸気行程とのそれぞれにおいて開弁するよう構成された例を示している。可変動弁装置の構成例は、これに限らない。この図8を参照しながら、可変動弁装置の変形例を説明する。
(Modified example of opening/closing form of intake valve and exhaust valve)
FIG. 8 shows an example in which the
図8の符号81には、前記とは異なる排気バルブ22のリフトカーブを示している。均質SIのリフトカーブ811、第2リタードSIのリフトカーブ812、及び、第1リタードSIのリフトカーブ813は、図5のリフトカーブ701、705、709とそれぞれ同じである。SPCCIのリフトカーブ814、MPCIのリフトカーブ815及びHCCIのリフトカーブ816は、図5のリフトカーブ716、720、724、713とは異なる。図8の符号81において、排気バルブ22は、排気行程で開弁し、最大リフトを超えてリフト量が次第に減少した後、閉弁をせずに、所定のリフトを維持する。排気バルブ22は閉弁しないまま、吸気上死点を超えて、吸気行程における所定のタイミングで閉じる。排気バルブ22を閉じずに、開弁した状態を維持することによって、エンジン1の損失低減に有利になる。尚、SPCCIのリフトカーブ814、MPCIのリフトカーブ815及びHCCIのリフトカーブ816のそれぞれにおいて、吸気バルブ21のリフトカーブは、図5のリフトカーブ716、720、724、713と同じである。
図8の符号82には、さらに別の排気バルブ22のリフトカーブを示している。この変形例において、可変動弁装置は、吸気CVVL232及び排気VVL242を備えていない。可変動弁装置は、吸気S-VT231及び排気S-VT241を備えている。可変動弁装置は、吸気バルブ21及び排気バルブ22の開閉時期を変えることができる。
符号82は、吸気上死点を挟んで、吸気バルブ21と排気バルブ22との両方が閉弁しているネガティブオーバーラップ期間を設けることにより、内部EGRガスを、シリンダー11内に留める。つまり、排気バルブ22を吸気上死点に到達する前に閉じる。
エンジン1の負荷が下がって、シリンダー11内に導入する既燃ガスの量を増やす場合、排気バルブ22の閉弁時期は進角する。また、シリンダー11内に導入する空気の量を減らす場合、吸気バルブ21の閉弁時期が、吸気下死点以降から離れるように遅角する。ネガティブオーバー期間は、エンジン1の負荷が低くなるに従い長くなる。
When the load on the engine 1 decreases and the amount of burned gas introduced into the
尚、図示は省略するが、可変同弁装置は、吸気上死点を挟んで、吸気バルブ21と排気バルブ22との両方が開弁しているポジティブオーバーラップ期間を設けることにより、内部EGRガスを、シリンダー11内に再導入してもよい。
Although not shown, the variable valve system provides a positive overlap period in which both the
(燃焼形態の決定)
ECU10は、前述した各種のセンサSW1~SW10の計測信号に基づいて、エンジン1の運転状態を判断する。ECU10は、判断した運転状態に応じて、吸気S-VT231、吸気CVVL232、排気S-VT241、排気VVL242を制御する。吸気S-VT231、吸気CVVL232、排気S-VT241、排気VVL242は、ECU10からの制御信号を受けて、吸気バルブ21及び排気バルブ22の開閉を制御する。それによって、シリンダー11内に対する吸気充填量が調節される。より詳細には、シリンダー11内に導入される空気量と既燃ガス量とが調節される。
(Determination of combustion form)
The
ECU10はまた、エンジン1の運転状態に応じて、燃料の噴射量、及び、噴射タイミングを調節する。インジェクタ6は、ECU10からの制御信号を受けて、指定された量の燃料を、指定されたタイミングでシリンダー11内に噴射する。
The
ECU10はさらに、エンジン1の運転状態に応じて、第1点火プラグ251及び第2点火プラグ252を制御する。第1点火プラグ251及び第2点火プラグ252は、ECU10からの制御信号を受けて、指定されたタイミングで混合気に点火する。ECU10は、第1点火プラグ251及び第2点火プラグ252に制御信号を出力しない場合もある。この場合、第1点火プラグ251及び第2点火プラグ252は、混合気に点火しない。
The
前述したように、このエンジン1は、その運転状態に応じて複数種類の燃焼形態を切り替えて運転を行う。これによって、広い運転領域の全域に亘って、燃焼安定性の確保と異常燃焼の抑制とを実現する。 As described above, the engine 1 operates by switching between a plurality of combustion modes depending on its operating state. This ensures combustion stability and suppresses abnormal combustion over a wide operating range.
図9は、それぞれの燃焼形態において、燃焼安定性の確保と異常燃焼の抑制とが可能となる、混合気のG/Fと筒内温度TIVCとの関係を例示している。筒内温度TIVCは、より正確には、吸気バルブ21が閉じたときの筒内温度である。また、図9は、エンジン1の回転数が2000rpmでかつ、IMEP(Indicated Mean Effective Pressure(図示平均有効圧力)が、約400kPaである場合の例である。
FIG. 9 illustrates the relationship between the G/F of the air-fuel mixture and the in-cylinder temperature T IVC , which makes it possible to ensure combustion stability and suppress abnormal combustion in each combustion mode. More precisely, the cylinder temperature T IVC is the cylinder temperature when the
(均質SI燃焼)
均質SI燃焼は、G/Fが相対的に小さい場合において、燃焼安定性の確保と異常燃焼の抑制とが可能である。G/Fが大きくなると、つまり、G/Fがリーンになると、混合気の燃焼期間が長くなる。点火タイミングを進角することによって燃焼期間を短くしようとしても、G/Fが大きくなりすぎると、燃焼安定性の確保できなくなる。つまり、均質SI燃焼が可能な最大のG/Fが存在する(図9の実線参照)。
(Homogeneous SI combustion)
Homogeneous SI combustion can ensure combustion stability and suppress abnormal combustion when G/F is relatively small. As G/F increases, that is, as G/F becomes leaner, the combustion period of the air-fuel mixture becomes longer. Even if an attempt is made to shorten the combustion period by advancing the ignition timing, if the G/F becomes too large, combustion stability cannot be ensured. In other words, there is a maximum G/F that allows homogeneous SI combustion (see the solid line in FIG. 9).
また、内部EGRガスの増量によって筒内温度TIVCが高温になると、燃焼の緩慢化により燃焼期間が長くなる。筒内温度TIVCがある程度の温度になるまでは、点火タイミングを進角することによって燃焼期間を短くできる。筒内温度TIVCがさらに高温になると、異常燃焼を招きやすくなる。点火タイミングを遅角することによって異常燃焼を抑制しようとしても、筒内温度TIVCが高温になりすぎると、点火タイミングが遅くなりすぎて、燃焼安定性が確保できなくなる。つまり、均質SI燃焼が可能な最高の筒内温度TIVCも存在する。 Furthermore, when the in-cylinder temperature TIVC becomes high due to an increase in the amount of internal EGR gas, the combustion period becomes longer due to slower combustion. The combustion period can be shortened by advancing the ignition timing until the cylinder temperature T IVC reaches a certain level. If the cylinder temperature TIVC becomes even higher, abnormal combustion is more likely to occur. Even if an attempt is made to suppress abnormal combustion by retarding the ignition timing, if the in-cylinder temperature TIVC becomes too high, the ignition timing becomes too late and combustion stability cannot be ensured. In other words, there is also a maximum in-cylinder temperature T IVC that allows homogeneous SI combustion.
(HCCI燃焼)
HCCI燃焼は、G/Fが相対的に大きくかつ、筒内温度TIVCが相対的に高い場合において、燃焼安定性の確保と異常燃焼の抑制とが可能である。G/Fが小さくなると、つまり、G/Fがリッチになると、圧縮着火燃焼が激しくなりすぎて、例えば燃焼騒音が許容範囲を超えてしまう。筒内温度TIVCを下げることによって、着火時期を遅らせて燃焼を緩慢化しようとしても、筒内温度TIVCが低くなり過ぎると、燃焼安定性が悪化してしまう。つまり、HCCI燃焼が可能な最小のG/Fが存在し、HCCIが可能な最低の筒内温度TIVCが存在する(図9の実線参照)。
(HCCI combustion)
HCCI combustion can ensure combustion stability and suppress abnormal combustion when G/F is relatively large and in-cylinder temperature T IVC is relatively high. When G/F becomes small, that is, when G/F becomes rich, compression ignition combustion becomes too intense and, for example, combustion noise exceeds an allowable range. Even if an attempt is made to slow combustion by delaying the ignition timing by lowering the in-cylinder temperature T IVC , if the in-cylinder temperature T IVC becomes too low, combustion stability will deteriorate. In other words, there is a minimum G/F that allows HCCI combustion, and a minimum in-cylinder temperature T IVC that allows HCCI (see the solid line in FIG. 9).
図9から明らかなように、均質SI燃焼が可能な「G/F-TIVC範囲」と、HCCI燃焼が可能な「G/F-TIVC範囲」とは、離れている。前述したように、仮にエンジン1の負荷が変化することに応じて、均質SIとHCCIとの切り替えのみを行うようにすると、その切り替えに合わせて混合気のG/F、及び、筒内温度TIVCを大きく変更しなければならない。混合気のG/F、及び、筒内温度TIVCは主に、吸気充填量の調節によって調節されるが、吸気S-VT231、吸気CVVL232、排気S-VT241、及び排気VVL242の応答遅れにより、混合気のG/F、及び、筒内温度TIVCを、燃焼形態の切り替えに対応して瞬時に変化させることは困難である。 As is clear from FIG. 9, the "G/F-T IVC range" where homogeneous SI combustion is possible and the "G/F-T IVC range" where HCCI combustion is possible are far apart. As mentioned above, if only the switching between homogeneous SI and HCCI is performed in response to changes in the load of the engine 1, the G/F of the mixture and the in-cylinder temperature T will change according to the switching. IVC has to be changed significantly. The G/F of the mixture and the cylinder temperature T IVC are mainly adjusted by adjusting the intake air charging amount, but due to the response delay of the intake S-VT231, intake CVVL232, exhaust S-VT241, and exhaust VVL242, It is difficult to instantaneously change the G/F of the air-fuel mixture and the in-cylinder temperature T IVC in response to switching the combustion mode.
(リタードSI燃焼)
前述したように、均質SI燃焼において混合気のG/Fをリーンにする、又は、筒内温度TIVCを高くすると、燃焼安定性が確保できなくなる。リタードSI燃焼では、前述したように、圧縮上死点付近、つまり、第1点火プラグ251及び第2点火プラグ252の点火前に、インジェクタ6がシリンダー11内に燃料を噴射する。点火の直前までシリンダー11内に燃料を噴射しないため、プリイグニッションを回避できる。
(Retard SI combustion)
As mentioned above, in homogeneous SI combustion, if the G/F of the mixture is made lean or if the in-cylinder temperature T IVC is made high, combustion stability cannot be ensured. In retard SI combustion, as described above, the
圧縮上死点付近における燃料の噴射によって、シリンダー11内に流動が生じ、第1点火プラグ251及び第2点火プラグ252の点火後、火炎は、その流動を利用して速やかに伝播する。こうして、急速燃焼が実現し、ノッキングを抑制しながら、燃焼安定性が確保できる。リタードSI燃焼が可能な「G/F-TIVC範囲」は、均質SI燃焼が可能な「G/F-TIVC範囲」よりも、混合気のG/Fが大きい(図9の破線参照)。リタードSI燃焼は、均質SI燃焼の運転可能範囲に対して、G/Fのリーン側に、運転可能範囲を拡大する。
Fuel injection near compression top dead center creates a flow within the
(SPCCI燃焼)
リタードSI燃焼の運転可能範囲において、混合気のG/Fをさらにリーンにする、又は、筒内温度TIVCをさらに高くすると、第1点火プラグ251及び第2点火プラグ252の点火によって火炎伝播燃焼が開始した後、ノッキングとは異なる燃焼であって、穏やかな圧縮着火燃焼が開始する。制御された圧縮着火燃焼を含むSPCCI燃焼は、リタードSI燃焼が可能な「G/F-TIVC範囲」よりも、G/Fが大きい(図9の一点鎖線参照)。SPCCI燃焼は、均質SI燃焼及びリタードSI燃焼の運転可能範囲に対して、G/Fのリーン側に、運転可能範囲を拡大する。しかしながら、SPCCI燃焼の「G/F-TIVC範囲」と、HCCI燃料の「G/F-TIVC範囲」との間には、未だ、大きなギャップが存在している。
(SPCCI combustion)
In the operational range of retard SI combustion, if the G/F of the air-fuel mixture is made leaner or the in-cylinder temperature T IVC is made higher, flame propagation combustion occurs due to the ignition of the
(MPCI燃焼)
MPCI燃焼は、HCCI燃焼の運転可能範囲に対して、G/Fのリッチ側及び筒内温度TIVCの低温側のそれぞれに、運転可能範囲を拡大する。
(MPCI combustion)
Compared to the operable range of HCCI combustion, MPCI combustion expands the operable range to the rich side of G/F and the low temperature side of in-cylinder temperature TIVC .
先ず、HCCI燃焼の運転可能範囲から混合気のG/Fをリッチにすると、圧縮着火燃焼が激しくなって異常燃焼を招く。圧縮着火燃焼を緩慢化させるために、MPCI燃焼のスキッシュ噴射は、圧縮行程の中期にシリンダー11内に燃料を噴射する。前述したように、噴射された燃料は、キャビティ31の外のスキッシュ領域171に到達して、スキッシュ領域171の燃料濃度を、局所的に高めるとともに、温度を低下させる。その結果、圧縮着火のタイミングが遅角化するとともに、燃焼が緩慢化する。スキッシュ噴射は主に、HCCI燃焼の運転可能範囲に対して、G/Fのリッチ側に、運転可能範囲を拡大する。
First, when the G/F of the air-fuel mixture is made richer than the range in which HCCI combustion can be operated, compression ignition combustion becomes intense, leading to abnormal combustion. In order to slow compression ignition combustion, squish injection in MPCI combustion injects fuel into the
次に、HCCI燃焼の運転可能範囲から筒内温度TIVCを低温にすると、圧縮着火のタイミングが遅角し、燃焼が緩慢になりすぎて燃焼安定性が低下する。圧縮着火のタイミングが進角するように、MPCI燃焼のトリガー噴射は、圧縮行程の終期にシリンダー11内に燃料を噴射する。前述したように、噴射された燃料は、キャビティ31の中において、拡散せずに、燃料濃度が高い混合気塊を形成する。その結果、燃料の噴射後、速やかに圧縮着火が開始して、周囲の均質な混合気も、速やかに自着火燃焼をする。トリガー噴射は主に、HCCI燃焼の運転可能範囲に対して、筒内温度TIVCの低温側に、運転可能な範囲を拡大する。
Next, when the in-cylinder temperature T IVC is lowered from the operable range of HCCI combustion, the timing of compression ignition is retarded, combustion becomes too slow, and combustion stability deteriorates. Trigger injection for MPCI combustion injects fuel into the
MPCI燃焼の「G/F-TIVC範囲」の一部は、SPCCI領域の「G/F-TIVC範囲」と重なっている。均質SI燃焼の「G/F-TIVC範囲」と、HCCI燃焼の「G/F-TIVC範囲」とのギャップが埋まる。 A portion of the "G/F-T IVC range" of MPCI combustion overlaps with the "G/F-T IVC range" of the SPCCI region. The gap between the "G/F-T IVC range" of homogeneous SI combustion and the "G/F-T IVC range" of HCCI combustion is filled.
ここで、MPCI燃焼の「G/F-TIVC範囲」は、スキッシュ噴射を行う領域と、トリガー噴射を行う領域とに分割される(図9に破線で示す分割線参照)。スキッシュ噴射を行う領域は、MPCI燃焼の「G/F-TIVC範囲」において、G/Fが相対的に小さくかつ、筒内温度TIVCが相対的に高い領域である。トリガー噴射を行う領域は、MPCI燃焼の「G/F-TIVC範囲」において、G/Fが相対的に大きくかつ、筒内温度TIVCが相対的に低い領域である。 Here, the "G/F-T IVC range" of MPCI combustion is divided into a region where squish injection is performed and a region where trigger injection is performed (see the dividing line shown by the broken line in FIG. 9). The region where squish injection is performed is the region where G/F is relatively small and the in-cylinder temperature T IVC is relatively high in the "G/F-T IVC range" of MPCI combustion. The region where trigger injection is performed is the region where G/F is relatively large and the in-cylinder temperature T IVC is relatively low in the "G/F-T IVC range" of MPCI combustion.
(エンジンの運転制御)
ECU10は、図4に示すベースマップに従い、エンジン1の要求負荷及び回転数に対応する燃焼形態が実現するように、混合気のG/Fと、筒内温度TIVCと、を調節する。
(engine operation control)
The
ところが、可変動弁装置の応答遅れ等に起因して、混合気のG/F、及び/又は、筒内温度TIVCがエンジン1の運転状態に対応せずに、ずれる場合がある。混合気のG/F、及び/又は、筒内温度TIVCが、目標のG/F、及び/又は、目標の筒内温度TIVCからずれていると、混合気を狙いの燃焼形態で燃焼させることができず、燃焼安定性が低下したり、異常燃焼が生じたりおそれがある。そこで、ECU10は、エンジン1の運転状態に応じて燃焼形態を仮設定し、目標のG/F、及び/又は、目標の筒内温度TIVCを定めて可変動弁装置を制御する。ECU10はまた、実際のG/F、及び/又は、実際の筒内温度TIVC、正確には予測したG/F、及び/又は、予測した筒内温度TIVCに応じて燃焼形態を切り替えて、燃料の噴射タイミング及び点火の要否を、調節する。
However, due to a delay in response of the variable valve system, etc., the G/F of the air-fuel mixture and/or the in-cylinder temperature TIVC may deviate without corresponding to the operating state of the engine 1. If the air-fuel mixture G/F and/or in-cylinder temperature T IVC deviates from the target G/F and/or target in-cylinder temperature T IVC , the air-fuel mixture will not be combusted in the targeted combustion form. This may result in decreased combustion stability or abnormal combustion. Therefore, the
図10は、エンジン1の運転制御に係る選択マップを例示している。図10は、図4の第1ベースマップ401においてHCCI燃焼を行う第3領域、つまり、低負荷領域415を拡大して示している。低負荷領域415は、エンジン1の負荷と回転数とによって規定されている。低負荷領域415内は、図10に例示するように、さらに細分化されている。図10の選択マップは、一例として、低負荷領域415が回転数に応じて3分割されているが、その分割数は、特に限定されない。尚、図示は省略するが、図4のベースマップにおける各領域について、選択マップが設定されている。
FIG. 10 illustrates a selection map related to operation control of the engine 1. FIG. 10 shows an enlarged view of the third region in which HCCI combustion is performed in the
低負荷領域415内の分割領域毎に、図9に対応する「G/F-TIVC範囲」が設定されている。「G/F-TIVC範囲」は、前述したように、混合気のG/Fと、筒内温度TIVCと、に応じて、燃焼形態を定めている。ECU10は、エンジン1の要求負荷と回転数とに応じて、図4のベースマップ従い、燃焼形態を設定(つまり、仮設定)し、吸気充填量の調節を行うとともに、図10の選択マップに従い、その要求負荷と回転数と、予測したG/Fと予測した筒内温度TIVCと、に応じて、燃焼形態を、最終的に決定する。
A “G/F-T IVC range” corresponding to FIG. 9 is set for each divided area within the
ここで、図10に例示するように、エンジン1の回転数に応じて、「G/F-TIVC範囲」は変化している。特に、図11に例示するように、TIVCは、エンジン1の要求負荷が一定のときには、エンジン1の回転数に応じて大きく変化する。 Here, as illustrated in FIG. 10, the "G/F-T IVC range" changes depending on the rotation speed of the engine 1. In particular, as illustrated in FIG. 11, when the required load of the engine 1 is constant, the T IVC changes greatly depending on the rotation speed of the engine 1.
図11は、同一の負荷における、HCCI燃焼に切換温度とエンジン1の回転数との関係を示す。要求負荷は、HCCI燃焼が可能な負荷であって、例えば、IMEPが、約300kPaである場合の例である。図11の回転数の範囲は、図4及び図10に示すHCCI燃焼が可能な要求負荷以下の値である。図11の縦軸は、MPCI燃焼とSPCCI燃焼との切換温度であり、ECU10は、この切換温度以上であればMPCI燃焼又はHCCI燃焼を実行する一方、この切換温度よりも低ければSPCCI燃焼、リタードSI燃焼、又はSI燃焼を実行する。
FIG. 11 shows the relationship between the switching temperature for HCCI combustion and the rotation speed of the engine 1 under the same load. The required load is a load that allows HCCI combustion, and is an example where IMEP is approximately 300 kPa. The rotation speed range shown in FIG. 11 is a value below the required load that allows HCCI combustion shown in FIGS. 4 and 10. The vertical axis of FIG. 11 is the switching temperature between MPCI combustion and SPCCI combustion, and the
図11の黒丸(●)はG/Fが相対的に高いときであり、黒三角(▲)はG/Fが相対的に低いときである。 The black circles (●) in FIG. 11 are when G/F is relatively high, and the black triangles (▲) are when G/F is relatively low.
図11に示すように、G/Fがいずれの値であっても、回転数が低い方が、回転数が高いときと比較して、切換温度が低いことがわかる。特に、回転数が低いほど、切換温度が低くなることがわかる。回転数が低ければ、ピストン3が圧縮上死点に至るまでの時間が長くなる。これにより、シリンダー11内の混合気が温められる時間が長くなる。このため、筒内温度TIVCが低くても、混合気を、安定して圧縮自着火させる温度、すなわち、HCCI燃焼が安定する温度にすることができる。一方で、回転数が高ければ、ピストン3が圧縮上死点に至るまでの時間が短くなるため、シリンダー11内の混合気が温められる時間が短くなる。このため、筒内温度TIVCを出来る限り高くしなければ、混合気をHCCI燃焼が安定する温度にすることができない。したがって、回転数が低いほど、切換温度を高く設定することができる。
As shown in FIG. 11, it can be seen that regardless of the value of G/F, the switching temperature is lower when the rotational speed is lower than when the rotational speed is high. In particular, it can be seen that the lower the rotation speed, the lower the switching temperature. If the rotation speed is low, the time it takes for the
尚、図11に示すように、切換温度は、G/Fにも依存しているが、回転数と比較すると僅かであるため、基本的には、回転数に応じて切換温度を設定することができる。 As shown in Fig. 11, the switching temperature also depends on the G/F, but it is small compared to the rotation speed, so basically, the switching temperature should be set according to the rotation speed. Can be done.
これらのことから、本実施形態では、ECU10は、所定の要求エンジン負荷において回転数が相対的に低い第1エンジン回転数である場合には、筒内温度TIVCが相対的に高い第1温度以上であるときには、SI燃焼を利用しない、HCCI燃焼又はMPCI燃焼を実行させる一方、筒内温度TIVCが前記第1温度よりも低いときには、SI燃焼を利用する、SPCCI燃焼、リタードSI燃焼、又はSI燃焼を実行させ、所定の要求エンジン負荷において回転数が相対的に低い第2エンジン回転数である場合には、筒内温度TIVCが相対的に低い第2温度以上であるときには、HCCI燃焼又はMPCI燃焼を実行させる一方、筒内温度TIVCが前記第2温度よりも低いときには、SPCCI燃焼、リタードSI燃焼、又はSI燃焼を実行させる。尚、所定の要求エンジン負荷は、HCCI燃焼が可能な範囲で任意に設定された要求負荷である。これにより、筒内温度TIVCが低いときには、少なくとも一部にSI燃焼を用いる燃焼形態とすることで、燃焼安定性を高くするとともに、筒内を昇温させて、HCCI燃焼やMPCI燃焼が可能な筒内温度TIVCにすることができる。したがって、燃費の向上と燃焼安定性の向上とを両立することができる。
For these reasons, in the present embodiment, the
尚、所定負荷において回転数が相対的に高い第1エンジン回転数である場合、出来る限りエンジン1の熱効率を向上させる観点から、筒内温度TIVCが前記第1温度よりも低いときには、SPCCI燃焼を実行させるようにしている。また、図9や図10に示すように、MPCI燃焼の運転可能範囲とSPCCI燃焼の運転可能範囲とが重複する部分があるが、本実施形態では、MPCI燃焼をSPCCI燃焼よりも優先して行う。 Note that when the rotation speed is a relatively high first engine rotation speed under a predetermined load, from the viewpoint of improving the thermal efficiency of the engine 1 as much as possible, when the in-cylinder temperature TIVC is lower than the first temperature, SPCCI combustion I am trying to run it. Furthermore, as shown in FIGS. 9 and 10, there is some overlap between the operable range of MPCI combustion and the operable range of SPCCI combustion, but in this embodiment, MPCI combustion is given priority over SPCCI combustion. .
また、本実施形態では、CI燃焼の燃焼安定性をより向上させる観点から、HCCI燃焼やMPCI燃焼、すなわち、シリンダー11内の混合気の全てをCI燃焼させることができる燃焼形態が可能な第1温度以上の運転可能範囲において、相対的に筒内温度TIVCが低いときにMPCI燃焼を実行し、相対的に筒内温度TIVCが高いときにHCCI燃焼を実行するようにしている。
In addition, in this embodiment, from the viewpoint of further improving the combustion stability of CI combustion, the first combustion mode is capable of HCCI combustion or MPCI combustion, that is, a combustion mode in which all the air-fuel mixture in the
尚、本実施形態では、このHCCI燃焼とMPCI燃焼との切換温度についても、回転数が低いほど低くなるようにしている。これにより、燃焼形態を、できる限り早期にHCCI燃焼に切り換えることができ、エンジン1の燃費をより向上させることができる。 In this embodiment, the switching temperature between HCCI combustion and MPCI combustion is also set to be lower as the rotation speed is lower. Thereby, the combustion mode can be switched to HCCI combustion as early as possible, and the fuel efficiency of the engine 1 can be further improved.
(フローチャート)
次に、図12及び図13を参照しながら、ECU10が実行するエンジン1の運転制御の手順を説明する。尚、エンジン負荷は、図4のマップにおいて、HCCI燃焼を実行するエンジン負荷に属している。
(flowchart)
Next, a procedure for controlling the operation of the engine 1 executed by the
先ずステップS1において、ECU10は、各種のセンサの計測信号を取得し、続くステップS2において、ECU10は、エンジン回転数Neと、アクセル開度APOとから、目標トルクTqを演算する。この目標トルクTq(又は要求負荷)は、前述したように、図4のマップにおいて、HCCI燃焼を実行するエンジン負荷に属している。
First, in step S1, the
ステップS3において、ECU10は、エンジン1の冷却水温に基づいて、図4の第1ベースマップ401、又は、第2ベースマップ402を選択するとともに、演算した目標トルクTqとエンジン1の回転数と、選択したベースマップとから、燃焼形態を仮決定する。
In step S3, the
ステップS4において、ECU10は、エンジン1の運転状態から、吸気バルブ21及び排気バルブ22それぞれの、目標のバルブタイミングVT及び目標バルブリフトVLを演算する。目標のバルブリフトVLは、吸気CVVL232が連続的に変更する吸気バルブ21のバルブリフトと、排気VVL242が切り替える排気バルブ22のカムとを含む。また、ステップS4において、ECU10は、目標の燃料噴射量Qfを演算する。
In step S4, the
ステップS5において、ECU10は、目標のバルブタイミングVT及びバルブリフトVLになるように、吸気S-VT231、吸気CVVL232、排気S-VT241、及び排気VVL242へ制御信号を出力する。
In step S5, the
ステップS6において、ECU10は、吸気カム角センサSW8、排気カム角センサSW9、及び、吸気カムリフトセンサSW10の計測信号に基づいて、吸気バルブ21の実際のバルブタイミングVT及びバルブリフトVL、並びに、排気バルブ22の実際のバルブタイミングVT及びバルブリフトVLを検出する。
In step S6, the
ステップS7において、ECU10は、実際のバルブタイミングVT及びバルブリフトVLと、空気の温度Tair、及び、エンジン1の水温Thwとに基づいて、シリンダー11内に導入される既燃ガス量(EGR量)と、空気量とを推定する。
In step S7, the
そして、ステップS8において、ECU10は、燃料噴射量Qfと、ステップS7で推定した既燃ガス量及び空気量とから、混合気のG/Fと、筒内温度TIVCとを予測する。
Then, in step S8, the
次に、ステップS9において、ECU10は、ステップS1で取得した回転数NeとステップS8で予測したG/Fとから、燃焼形態を切り換えるための筒内温度TIVC、すなわち切換温度を設定する。この切換温度は、HCCI燃焼、MPCI燃焼、SPCCI燃焼、及びSI燃焼の切換温度であり、HCCI燃焼とMPCI燃焼との切換温度、MPCI燃焼とSPCCI燃焼との切換温度、SPCCI燃焼とSI燃焼との切換温度を含んでいる。SI燃焼は、リタードSI燃焼と均質SI燃焼とを含む。
Next, in step S9, the
ステップS10では、図13に示すように、ECU10は、ステップS8で予測された筒内温度TIVCに応じた燃焼形態を決定する。
In step S10, as shown in FIG. 13, the
具体的には、ステップS101において、ECU10は、予想された筒内温度TIVCがHCCI燃焼への切換温度以上であるかを判定する。ECU10は、予想された筒内温度TIVCがHCCI燃焼への切換温度以上であるYESのときには、ステップS102に進む一方で、予想された筒内温度TIVCがHCCI燃焼への切換温度より低いNOのときには、ステップS103に進む。
Specifically, in step S101, the
前記ステップS102では、ECU10は、燃焼形態をHCCI燃焼に設定する。
In step S102, the
一方で、前記ステップS103では、ECU10は、予想された筒内温度TIVCがMPCI燃焼への切換温度以上であるかを判定する。ECU10は、予想された筒内温度TIVCがMPCI燃焼への切換温度以上であるYESのときには、ステップS104に進む一方で、予想された筒内温度TIVCがMPCI燃焼への切換温度より低いNOのときには、ステップS105に進む。
On the other hand, in step S103, the
前記ステップS104では、ECU10は、燃焼形態をMPCI燃焼に設定する。
In step S104, the
一方で、前記ステップS105では、ECU10は、予想された筒内温度TIVCがSPCCI燃焼を可能な温度であるかを判定する。ECU10は、予想された筒内温度TIVCがSPCCI燃焼を可能な温度であるYESのときには、ステップS106に進む一方で、予想された筒内温度TIVCがSPCCI燃焼を出来ない温度であるNOのときには、ステップS107に進む。
On the other hand, in step S105, the
前記ステップS106では、ECU10は、燃焼形態をSPCCI燃焼に設定する。
In step S106, the
一方、前記ステップS107では、ECU10は、燃焼形態をSI燃焼に設定する。
On the other hand, in step S107, the
図12に戻って、ステップS10において燃焼形態の選択が完了した後は、ステップS11に進んで、ECU10は、決定した燃焼形態に対応する、点火時期IGTと、噴射パターン、つまり、噴射タイミングとを決定する。
Returning to FIG. 12, after the selection of the combustion form is completed in step S10, the process proceeds to step S11, where the
そして、ステップS12において、ECU10は、インジェクタ6に制御信号を出力する。インジェクタ6は、決定された噴射パターンに従って、燃料を噴射する。ECU10はまた、点火を行う場合、第1点火プラグ251及び第2点火プラグ252へ制御信号を出力する。第1点火プラグ251及び第2点火プラグ252は、混合気に点火する。ステップS12の後は、リターンする。
Then, in step S12, the
要求負荷に応じて燃焼形態を変える場合に、可変動弁装置の応答遅れを考慮して、適切な燃焼形態を選択して、インジェクタ6が燃料を噴射するタイミングを設定できる。シリンダー11内の状態に適した燃焼形態で、混合気が燃焼するため、燃焼安定性が基準を満たしかつ、異常燃焼を抑制できる。
When changing the combustion mode according to the required load, it is possible to select an appropriate combustion mode and set the timing at which the
(まとめ)
したがって、本実施形態では、エンジンシステムは、エンジン1に取り付けられかつ、シリンダー11内へ燃料を噴射するインジェクタ6と、エンジン1に取り付けられかつ、燃料と空気及び既燃ガスを含む吸気との混合気に点火する第1及び第2点火プラグ251,252と、吸気バルブ21及び排気バルブ22の各々に接続されかつ、吸気充填量を調節するように吸気バルブ21及び排気バルブ22の開閉を制御する可変動弁装置(吸気S-VT231、吸気CVVL232、排気S-VT241、排気VVL242)と、インジェクタ6、第1及び第2点火プラグ251,252、及び、前記可変動弁装置231,232,241,242と電気的に接続されかつ、エンジン1の要求エンジン負荷に応じて、インジェクタ6、第1及び第2点火プラグ251,252、及び、前記可変動弁装置231,232,241,242の各々を制御するECU10とを備える。ECU10は、所定エンジン回転数において要求エンジン負荷が所定エンジン負荷である場合には、インジェクタ6、並びに第1及び第2点火プラグ251,252を制御して、シリンダー11内の混合気を圧縮着火燃焼させる燃焼形態を実行可能に構成されている。さらにECU10は、吸気バルブ21が閉じたときのシリンダー11内の温度である筒内温度TIVCを推定し、所定エンジン負荷においてエンジン回転数が第1エンジン回転数である場合には、筒内温度TIVCが第1温度以上であるときには、シリンダー11内の混合気の全てをCI燃焼させる一方、筒内温度TIVCが前記第1温度よりも低いときには、シリンダー11内の混合気の少なくとも一部をSI燃焼させるように、インジェクタ6、並びに第1及び第2点火プラグ251,252を制御し、前記所定エンジン負荷においてエンジン回転数が前記第1エンジン回転数よりも低い第2エンジン回転数である場合には、筒内温度TIVCが前記第1温度よりも低い第2温度以上であるときには、シリンダー11内の混合気の全てをCI燃焼させる一方、筒内温度TIVCが前記第2温度よりも低いときには、シリンダー11内の混合気の少なくとも一部をSI燃焼させるように、インジェクタ6、並びに第1及び第2点火プラグ251,252を制御する。これにより、可変動弁装置の応答遅れを考慮して、インジェクタ6が燃料を噴射するタイミングを設定できる。シリンダー11内の状態に適した燃焼形態で、混合気が燃焼するため、燃焼安定性が基準を満たしかつ、異常燃焼を抑制できる。特に、エンジン回転数が低く、混合気を温める時間が長いときには、燃焼形態を切り換える筒内温度TIVCを低くすることで、混合気を全てCI燃焼させる燃焼形態に早期に切り換えることができる。この結果、早期にエンジン1の熱効率を向上させることができ、燃費を向上させることができる。したがって、燃費の向上と燃焼安定性の向上とを両立させることができる。
(summary)
Therefore, in this embodiment, the engine system includes an
また、本実施形態では、所定エンジン負荷においてエンジン回転数が相対的に高い第1エンジン回転数である場合に、筒内温度TIVCが前記第1温度よりも低いときには、シリンダー11内の混合気がSPCCI燃焼するように、第1及び第2点火プラグ251,252を駆動する。これにより、筒内温度TIVCがかなり低い場合には、SPCCI燃焼を実行することで、筒内温度TIVCがかなり低い場合であっても、圧縮着火を行うことができる。また、SPCCI燃焼により筒内温度TIVCが上昇すれば、MPCI燃焼やHCCI燃焼に移行して、シリンダー11内の混合気の全てを圧縮着火させることができる。これにより、燃焼安定性を向上させつつ燃費をより向上させることができる。
Further, in the present embodiment, when the engine speed is a relatively high first engine speed under a predetermined engine load, when the in-cylinder temperature T IVC is lower than the first temperature, the air-fuel mixture in the
また、本実施形態では、ECU10は、所定エンジン負荷において第1エンジン回転数である場合に、相対的に低い筒内温度TIVCではMPCI燃焼を実行し、相対的に高い筒内温度TIVCではHCCI燃焼を実行する。MPCI燃焼は、筒内温度TIVCが多少低くても安定するため、このような構成とすることで、CI燃焼の燃焼安定性をより向上させることができる。
Further, in the present embodiment, when the engine speed is the first engine speed under a predetermined engine load, the
(その他の実施形態)
ここに開示された技術は、前述の実施形態に限られるものではなく、請求の範囲の主旨を逸脱しない範囲で代用が可能である。
(Other embodiments)
The technology disclosed herein is not limited to the embodiments described above, and may be substituted without departing from the spirit of the claims.
前述の実施形態では、G/Fと回転数とに基づいて燃焼形態を切り換える切換温度を設定してから、燃焼形態の選択をしていた。これに限らず、G/F、回転数、及び筒内温度TIVCを図10に示すようなマップに当てはめて、燃焼形態を決定するようにしてもよい。 In the embodiment described above, the combustion mode was selected after setting the switching temperature for switching the combustion mode based on the G/F and the rotation speed. The present invention is not limited to this, and the combustion mode may be determined by applying the G/F, rotation speed, and in-cylinder temperature T IVC to a map as shown in FIG. 10.
前述の実施形態は単なる例示に過ぎず、本開示の範囲を限定的に解釈してはならない。本開示の範囲は請求の範囲によって定義され、請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本開示の範囲内のものである。 The above-described embodiments are merely illustrative and should not be construed as limiting the scope of the present disclosure. The scope of the present disclosure is defined by the claims, and all modifications and changes that come within the range of equivalents of the claims are intended to be within the scope of the present disclosure.
ここに開示された技術は、シリンダーと、シリンダーに往復動可能に収容されたピストンとを有するエンジンを含むエンジンシステムにおいて、燃費の向上と燃焼形態の安定性とを両立させる際に有用である。 The technology disclosed herein is useful in achieving both improved fuel efficiency and stability of combustion mode in an engine system including an engine having a cylinder and a piston reciprocatably housed in the cylinder.
1 エンジン
3 ピストン
6 インジェクタ
10 ECU(制御器)
11 シリンダー
21 吸気バルブ
22 排気バルブ
31 キャビティ
231 吸気S-VT(可変動弁機構)
232 吸気CVVL(可変動弁機構)
241 排気S-VT(可変動弁機構)
242 排気VVL(可変動弁機構)
251 第1点火プラグ
252 第2点火プラグ
1
11
232 Intake CVVL (variable valve mechanism)
241 Exhaust S-VT (variable valve mechanism)
242 Exhaust VVL (variable valve mechanism)
251
Claims (3)
前記エンジンに取り付けられかつ、前記シリンダー内へ燃料を噴射するインジェクタと、
前記エンジンに取り付けられかつ、燃料と空気及び既燃ガスを含む吸気との混合気に点火する点火プラグと、
吸気バルブ及び排気バルブの各々に接続されかつ、吸気充填量を調節するように前記吸気バルブ及び前記排気バルブの開閉を制御する可変動弁装置と、
前記インジェクタ、前記点火プラグ、及び、前記可変動弁装置と電気的に接続されかつ、前記エンジンの要求エンジン負荷に応じて、前記インジェクタ、前記点火プラグ、及び、前記可変動弁装置の各々を制御する制御器とを備え、
前記制御器は、所定エンジン回転数において要求エンジン負荷が所定エンジン負荷である場合には、前記インジェクタ及び前記点火プラグを制御して、前記シリンダー内の混合気を圧縮着火燃焼させる燃焼形態を実行可能に構成されており、
さらに前記制御器は、
前記吸気バルブが閉じたときの前記シリンダー内の温度である吸気閉弁時温度を推定し、
前記所定エンジン負荷においてエンジン回転数が第1エンジン回転数である場合には、前記吸気閉弁時温度が第1温度以上であるときには、前記シリンダー内の混合気の全てを圧縮着火燃焼させる一方、前記吸気閉弁時温度が前記第1温度よりも低いときには、前記シリンダー内の混合気の少なくとも一部を火炎伝播燃焼させるように、前記インジェクタ及び前記点火プラグを制御し、
前記所定エンジン負荷においてエンジン回転数が前記第1エンジン回転数よりも低い第2エンジン回転数である場合には、前記吸気閉弁時温度が前記第1温度よりも低い第2温度以上であるときには、前記シリンダー内の混合気の全てを圧縮着火燃焼させる一方、前記吸気閉弁時温度が前記第2温度よりも低いときには、前記シリンダー内の混合気の少なくとも一部を火炎伝播燃焼させるように、前記インジェクタ及び前記点火プラグを制御する、ことを特徴とするエンジンシステム。 An engine system including an engine having a cylinder and a piston reciprocatably housed in the cylinder,
an injector attached to the engine and injecting fuel into the cylinder;
a spark plug attached to the engine and igniting a mixture of fuel, air, and intake air containing burnt gas;
a variable valve device connected to each of the intake valve and the exhaust valve and controlling the opening and closing of the intake valve and the exhaust valve so as to adjust the intake air filling amount;
electrically connected to the injector, the spark plug, and the variable valve device, and controlling each of the injector, the spark plug, and the variable valve device according to a required engine load of the engine; and a controller to
When the required engine load is a predetermined engine load at a predetermined engine speed, the controller can control the injector and the spark plug to execute a combustion mode in which the air-fuel mixture in the cylinder is subjected to compression ignition combustion. It is composed of
Furthermore, the controller includes:
Estimating an intake valve closing temperature, which is the temperature inside the cylinder when the intake valve is closed;
When the engine speed is a first engine speed under the predetermined engine load, when the intake valve closing temperature is equal to or higher than the first temperature, all the air-fuel mixture in the cylinder is subjected to compression ignition combustion; When the intake valve closing temperature is lower than the first temperature, controlling the injector and the spark plug to cause flame propagation combustion of at least a portion of the air-fuel mixture in the cylinder;
When the engine rotation speed is a second engine rotation speed lower than the first engine rotation speed at the predetermined engine load, and when the intake valve closing temperature is equal to or higher than a second temperature lower than the first temperature, , all of the air-fuel mixture in the cylinder is subjected to compression ignition combustion, while at least a portion of the air-fuel mixture in the cylinder is subjected to flame propagation combustion when the intake valve closing temperature is lower than the second temperature; An engine system that controls the injector and the spark plug.
前記制御器は、前記所定エンジン負荷においてエンジン回転数が前記第1エンジン回転数である場合に、前記吸気閉弁時温度が前記第1温度よりも低いときには、前記前記シリンダー内の混合気の少なくとも一部が火炎伝播燃焼し、残りが圧縮着火燃焼するように、前記点火プラグを駆動する、ことを特徴とするエンジンシステム。 The engine system according to claim 1,
The controller controls at least one of the air-fuel mixtures in the cylinder when the intake valve closing temperature is lower than the first temperature when the engine speed is the first engine speed at the predetermined engine load. An engine system characterized in that the spark plug is driven so that a part of the spark plug undergoes flame propagation combustion and the remainder causes compression ignition combustion.
前記制御器は、前記所定エンジン負荷においてエンジン回転数が前記第1エンジン回転数である場合に、前記吸気閉弁時温度が前記第1温度以上であるときの燃焼形態は、
1サイクル中における燃料の噴射タイミングと噴射量とに基づく噴射重心が第1タイミングとなるように前記インジェクタを制御し、前記シリンダー内の混合気の全てが圧縮着火燃焼するように、前記点火プラグを駆動しない第1圧縮着火燃焼形態と、
前記噴射重心が第1タイミングよりも遅い第2タイミングとなるように前記インジェクタを制御し、前記前記シリンダー内の混合気が全て圧縮着火するように、前記点火プラグを駆動しない第2圧縮着火燃焼形態と、
を含み、
前記制御器は、前記所定エンジン負荷において前記第1エンジン回転数である場合に、前記吸気閉弁時温度が前記第1温度よりも高い第3温度以上であるときには、前記第1圧縮着火燃焼形態を実行する一方、前記吸気閉弁時温度が前記第1温度以上でかつ第3温度よりも低いときには、前記第2圧縮着火燃焼形態を実行する、ことを特徴とするエンジンシステム。 The engine system according to claim 1 or 2,
The controller controls the combustion mode when the intake valve closing temperature is equal to or higher than the first temperature when the engine speed is the first engine speed at the predetermined engine load.
The injector is controlled so that the injection center of gravity based on the fuel injection timing and injection amount during one cycle is at the first timing, and the spark plug is activated so that all the air-fuel mixture in the cylinder is subjected to compression ignition combustion. a first compression ignition combustion mode that is not driven;
A second compression ignition combustion mode in which the injector is controlled so that the injection center of gravity is at a second timing later than the first timing, and the spark plug is not driven so that all the air-fuel mixture in the cylinder is compression ignited. and,
including;
The controller controls the first compression ignition combustion mode when the intake valve closing temperature is a third temperature higher than the first temperature when the predetermined engine load is the first engine rotation speed. The engine system is characterized in that, when the intake valve closing temperature is equal to or higher than the first temperature and lower than a third temperature, the second compression ignition combustion mode is executed.
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