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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2020-101129(P2020-101129A)
(43)【公開日】2020年7月2日
(54)【発明の名称】エンジンの燃焼制御装置
(51)【国際特許分類】
   F02D 45/00 20060101AFI20200605BHJP
   F02D 43/00 20060101ALI20200605BHJP
   F02D 41/22 20060101ALI20200605BHJP
   F02D 41/02 20060101ALI20200605BHJP
【FI】
   F02D45/00 345A
   F02D43/00 301E
   F02D43/00 301N
   F02D43/00 301J
   F02D41/22 305A
   F02D41/22 335A
   F02D41/02 301E
【審査請求】未請求
【請求項の数】7
【出願形態】OL
【全頁数】22
(21)【出願番号】特願2018-239806(P2018-239806)
(22)【出願日】2018年12月21日
(71)【出願人】
【識別番号】000003137
【氏名又は名称】マツダ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001427
【氏名又は名称】特許業務法人前田特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】増田 雄太
(72)【発明者】
【氏名】大森 秀樹
(72)【発明者】
【氏名】森本 博貴
(72)【発明者】
【氏名】津川 毅
(72)【発明者】
【氏名】氏原 健幸
【テーマコード(参考)】
3G301
3G384
【Fターム(参考)】
3G301HA01
3G301HA04
3G301HA11
3G301HA13
3G301HA19
3G301JA21
3G301LB04
3G301MA01
3G301MA11
3G301MA19
3G301MA26
3G301MA27
3G301PA01Z
3G301PA07Z
3G301PA10Z
3G301PB08Z
3G301PC01Z
3G301PD03Z
3G301PD04Z
3G301PD11Z
3G301PD15Z
3G301PE03Z
3G301PE08Z
3G301PE10Z
3G301PF03Z
3G384AA02
3G384AA06
3G384BA09
3G384BA18
3G384BA19
3G384BA27
3G384DA44
3G384FA01Z
3G384FA06Z
3G384FA08Z
3G384FA15Z
3G384FA28Z
3G384FA29Z
3G384FA40Z
3G384FA45Z
3G384FA48Z
3G384FA58Z
3G384FA61Z
3G384FA86Z
(57)【要約】
【課題】プリイグが安定して抑制できるようにする。
【解決手段】自動車に搭載されるエンジン1の燃焼制御装置である。エンジン1が第1高負荷領域(A)で運転しているときに、空燃比がリッチとなるように制御するとともに、排気ガスが還流しないように制御し、かつ、エンジン1が第2高負荷領域(B)で運転しているときに、空燃比がリーンとなるように制御するとともに、排気ガスが還流するように制御する。第2高負荷領域(B)でプリイグニッションの発生が実測または予測されたときに、排気通路50を通じて触媒511に流入する未燃燃料の量を増加させる。
【選択図】図5
【特許請求の範囲】
【請求項1】
自動車に搭載されるエンジンの燃焼制御装置であって、
前記エンジンの燃焼室の中に燃料を供給する燃料噴射弁と、
前記燃焼室に吸気ガスを導入する吸気通路と、
前記燃焼室で発生する排気ガスを導出する排気通路と、
排気ガスを浄化するために前記排気通路に設置される触媒と、
前記吸気通路と前記排気通路とに連通し、排気ガスの一部を前記吸気通路に還流させるEGR通路と、
前記EGR通路を流れる排気ガスの量を調整するEGR弁と、
前記エンジンの運転状態に応じて、前記燃料噴射弁および前記EGR弁を制御する制御装置本体と、
を備え、
前記制御装置本体が、
前記エンジンが所定の第1高負荷領域で運転しているときに、前記燃焼室の中の空燃比が理論空燃比よりもリッチな状態となるように前記燃料噴射弁を制御するとともに、排気ガスが実質的に還流しないように前記EGR弁を制御し、かつ、前記エンジンが前記第1高負荷領域よりも負荷の低い第2高負荷領域で運転しているときに、前記空燃比が理論空燃比またはリーンな状態となるように前記燃料噴射弁を制御するとともに、排気ガスが還流するように前記EGR弁を制御するエンジン制御部と、
前記第2高負荷領域でプリイグニッションの発生が実測または予測されたときに、前記排気通路に流入する未燃燃料の量を増加させるプリイグ抑制部と、
を有する、エンジンの燃焼制御装置。
【請求項2】
請求項1に記載の、エンジンの燃焼制御装置において、
前記プリイグ抑制部が、前記燃料噴射弁を制御して、少なくとも前記排気通路に導出される排気ガス中に未燃燃料が残存する状態になるまで、前記空燃比をリッチな状態にする、エンジンの燃焼制御装置。
【請求項3】
請求項2に記載の、エンジンの燃焼制御装置において、
前記プリイグ抑制部が更に、燃料の噴射時期が遅角するように前記燃料噴射弁を制御する、エンジンの燃焼制御装置。
【請求項4】
請求項2または請求項3に記載の、エンジンの燃焼制御装置において、
前記プリイグ抑制部が更に、圧縮行程で燃料を噴射するように前記燃料噴射弁を制御する、エンジンの燃焼制御装置。
【請求項5】
請求項2に記載の、エンジンの燃焼制御装置において、
前記プリイグ抑制部が更に、前期第2高負荷領域で燃料が複数回に分けて噴射される場合に、噴射時期の早い噴射よりも遅い噴射の方が、燃料の噴射割合が高くなるように前記燃料噴射弁を制御する、エンジンの燃焼制御装置。
【請求項6】
請求項1〜請求項5のいずれか1つに記載の、エンジンの燃焼制御装置において、
前記第1高負荷領域でプリイグニッションの発生が実測または予測されたときには、前記燃焼室の中に供給される空気量を減少させる、エンジンの燃焼制御装置。
【請求項7】
請求項1〜請求項6のいずれか1つに記載の、エンジンの燃焼制御装置において、
前記EGR通路が、前記触媒の下流側の部位で前記排気通路と連通している、エンジンの燃焼制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
開示する技術は、自動車に搭載されているエンジンの燃焼制御装置に関する。
【背景技術】
【0002】
エンジンの燃焼において、点火する前に燃焼が始まる異常燃焼現象(いわゆるプリイグニッション、「プリイグ」ともいう)が存在する。プリイグが発生すると、エンジンはダメージを受ける。そのため、プリイグの抑制は、エンジンの燃焼制御において重要な課題となっている。
【0003】
特に、幾何学的圧縮比の高いエンジンでは、プリイグが発生し易い。負荷の高い運転領域では尚更である。
【0004】
そのようなプリイグの抑制を目的とした技術が、特許文献1に開示されている。そこには、プリイグを抑制する1つの手段として、空燃比をリッチ化し、筒内温度(燃焼室の中の温度)を低下させることが記載されている。ただし、EGR(排気還流)を行わないエンジンを前提としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2011−226472号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
特許文献1のエンジンのように、空燃比をリッチ化して筒内温度を低下させると、燃焼が緩和される。それにより、プリイグを抑制できる。
【0007】
ところが、本発明者らは、空燃比をリッチ化しても、EGRを行うと、プリイグを抑制できない場合があることが見出した。
【0008】
具体的には、高負荷な運転領域のうち、全負荷よりも負荷の低い領域において、排気ガスの還流が行われている場合には、空燃比をリッチ化しても、プリイグが抑制できない状態が発生し得ることを見出した。
【0009】
開示する技術の主たる目的は、より安定してプリイグが抑制できる、エンジンの燃焼制御装置を実現する。
【課題を解決するための手段】
【0010】
開示する技術は、自動車に搭載されるエンジンの燃焼制御装置に関する。
【0011】
前記燃焼制御装置は、前記エンジンの燃焼室の中に燃料を供給する燃料噴射弁と、前記燃焼室に吸気ガスを導入する吸気通路と、前記燃焼室で発生する排気ガスを導出する排気通路と、排気ガスを浄化するために前記排気通路に設置される触媒と、前記吸気通路と前記排気通路とに連通し、排気ガスの一部を前記吸気通路に還流させるEGR通路と、前記EGR通路を流れる排気ガスの量を調整するEGR弁と、前記エンジンの運転状態に応じて、前記燃料噴射弁および前記EGR弁を制御する制御装置本体と、を備える。
【0012】
前記制御装置本体が、前記エンジンが所定の第1高負荷領域で運転しているときに、前記燃焼室の中の空燃比が理論空燃比よりもリッチな状態となるように前記燃料噴射弁を制御するとともに、排気ガスが実質的に還流しないように前記EGR弁を制御し、かつ、前記エンジンが前記第1高負荷領域よりも負荷の低い第2高負荷領域で運転しているときに、前記空燃比が理論空燃比またはリーンな状態となるように前記燃料噴射弁を制御するとともに、排気ガスが還流するように前記EGR弁を制御するエンジン制御部と、前記第2高負荷領域でプリイグニッションの発生が実測または予測されたときに、前記排気通路に流入する未燃燃料の量を増加させるプリイグ抑制部と、を有している。
【0013】
すなわち、この燃焼制御装置は、運転時にEGR(Exhaust Gas Recirculation)を行うエンジンを前提としている。
【0014】
そして、そのエンジンが第1高負荷領域で運転しているときには、燃焼室の中の混合気の空燃比(単に空燃比ともいう)がリッチな状態となるように制御して、EGRは行わない。対して、そのエンジンが第1高負荷領域よりも負荷の低い第2高負荷領域で運転しているときには、空燃比が理論空燃比またはリーンな状態となるように制御して、EGRを行う。
【0015】
そして、第2高負荷領域でプリイグニッションの発生が実測または予測されると、排気通路に流入する未燃燃料の量を増加させる。
【0016】
上述したように、本発明者らは、高負荷側の所定の運転領域では、空燃比をリッチ化しても、EGRを行うと、プリイグを抑制できない場合があることが見出した。しかも、そのプリイグは、全てのシリンダで、しかも同時に発生する傾向がある。
【0017】
詳細は後述するが、このようなプリイグは、還流する排気ガスがNOxを含むことで、NOx由来のOHラジカルによって燃焼(特にCI燃焼)が活性化されることが原因であると突き止めた。
【0018】
そこで、空燃比がリッチな状態であると、NOxが高度に浄化されるという触媒の特性に着目し、工夫した。すなわち、この燃焼制御装置では、そのようなプリイグが発生する所定の領域、つまり第2高負荷領域でプリイグの発生が実測または予測されると、排気通路に流入する未燃燃料の量を増加させるようにした。
【0019】
そうすることにより、高度にリッチな状態の空燃比を、確実性をもって実現できるので、触媒のNOxの高い浄化率を安定して確保できる。その結果、EGRによって排気ガスの還流を行っても、排気ガスにNOxが混入しなくなるので、プリイグの発生を抑制できる。
【0020】
具体的には、前記プリイグ抑制部が、前記燃料噴射弁を制御して、少なくとも前記排気通路に導出される排気ガス中に未燃燃料が残存する状態になるまで、前記空燃比をリッチな状態にすればよい。
【0021】
そうすれば、各シリンダの燃焼室での空燃比を、より確実に、高度にリッチな状態することができる。各シリンダ間で空燃比がばらついても影響ない。すなわち、触媒でNOxを高度に浄化できる。よりいっそうプリイグが抑制できる。
【0022】
前記燃焼制御装置はまた、前記プリイグ抑制部が更に、燃料の噴射時期が遅角するように前記燃料噴射弁を制御する、としてもよい。
【0023】
燃料の噴射時期が遅くなればそれだけ、圧縮端温度が低下する。従って、プリイグをより抑制できる。
【0024】
前記燃焼制御装置はまた、前記プリイグ抑制部が更に、圧縮行程で燃料を噴射するように前記燃料噴射弁を制御する、としてもよい。
【0025】
圧縮行程で燃料を噴射すれば、燃料の気化潜熱により、圧縮端温度を効率よく低下させることができる。従って、プリイグをよりいっそう抑制できる。
【0026】
前記燃焼制御装置はまた、前記プリイグ抑制部が更に、前期第2高負荷領域で燃料が複数回に分けて噴射される場合に、噴射時期の早い噴射よりも遅い噴射の方が、燃料の噴射割合が高くなるように前記燃料噴射弁を制御する、としてもよい。
【0027】
この場合、燃料の総量を同じにできる。トルク変動を生じることなく、圧縮端温度を効率よく低下させることができる。従って、プリイグを効率よく抑制できる。
【0028】
前記燃焼制御装置はまた、前記第1高負荷領域でプリイグニッションの発生が実測または予測されたときには、前記燃焼室の中に供給される空気量を減少させる、としてもよい。
【0029】
第1高負荷領域では、実質的にEGRは行われない。燃焼室にNOxが混入しないので、プリイグは、燃焼状態に応じて発生する。従って、プリイグの発生が実測または予測されたときには、個々のシリンダの燃焼室の中に供給する空気量を減少させて、空燃比をリッチ化する。空燃比をリッチ化すると、混合気中の燃料量が相対的に増える。燃料の気化潜熱が増加して圧縮端温度が低下するので、燃焼が緩和される。その結果、プリイグを抑制できる。
【0030】
前記燃焼制御装置はまた、前記EGR通路が、前記触媒の下流側の部位で前記排気通路と連通している、としてもよい。
【0031】
そうすれば、触媒で浄化された排気ガスが還流される。触媒の直下で連通していれば、安定して触媒で浄化された排気ガスを還流させることができる。
【発明の効果】
【0032】
開示する技術によれば、より安定してプリイグが抑制できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【0033】
図1】開示する技術を適用したエンジンの構成を例示する概略図である。
図2】燃焼室の構成を例示する図であり、上図は燃焼室の平面視相当図、下図はII−II線断面図である。
図3】ECUとその主な関連装置との関係を例示するブロック図である。
図4】SPCCI燃焼の波形を例示する図である。
図5】エンジンの燃焼制御に関するマップの一例である。
図6】エンジンの燃焼制御のパターンの例示である。パターン1およびパターン2は、異なるパターンを示している。
図7】プリイグの抑制に関連する、ECUとその主な関連装置の機能的な関係を示すブロック図である。
図8】プリイグの抑制制御の処理の流れを示すフローチャートの一例である。
図9】プリイグの抑制制御で用いる燃焼制御のパターンの例示である。パターン1’、1’’、2’は、それぞれ異なるパターンを示している。
【発明を実施するための形態】
【0034】
以下、開示する技術の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。ただし、以下の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物あるいはその用途を制限するものではない。すなわち、説明する各構成の内容は例示であり、逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【0035】
<エンジン>
図1に、開示する燃焼制御装置を適用したエンジン1を例示する。エンジン1は、燃焼室17が吸気行程、圧縮行程、膨張行程、および排気行程を繰り返すことにより運転する4ストロークのレシプロエンジンである。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。
【0036】
詳細は後述するが、エンジン1には、ECU(Engine Control Unit)10が備えられている。エンジン1の運転は、ECU10によって制御される。ECU10はまた、開示する燃焼制御装置の制御装置本体を構成する。
【0037】
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。燃料は、少なくともガソリンを含む液体燃料であればよい。燃料は、例えばバイオエタノール等を含むガソリンであってもよい。
【0038】
エンジン1は、シリンダブロック12と、その上に載置されるシリンダヘッド13とを備えている。シリンダブロック12の内部に複数のシリンダ11(気筒)が形成されている。図1では、一つのシリンダ11のみを示す。エンジン1は、多気筒エンジンである。
【0039】
各シリンダ11内には、ピストン3が摺動自在に内挿されている。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11およびシリンダヘッド13と共に燃焼室17を区画する。ピストン3の上面(表面)は、燃焼室17に臨んでいる。
【0040】
尚、「燃焼室」は広義で用いる場合がある。つまり、「燃焼室」は、ピストン3の位置に関わらず、ピストン3、シリンダ11およびシリンダヘッド13によって形成される空間を意味する場合がある。
【0041】
シリンダヘッド13の下面、つまり、燃焼室17の天井面は、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、吸気側から、後述するインジェクタ6の噴射軸心X2に向かって上り勾配となっている。傾斜面1312は、排気側から噴射軸心X2に向かって上り勾配となっている。燃焼室17の天井面は、いわゆるペントルーフ形状である。
【0042】
燃焼室17に臨むピストン3の上面は、燃焼室17の天井面に向かって隆起している。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の中心は、シリンダ11の中心軸X1よりも排気側にずれている。
【0043】
詳細は後述するが、このエンジン1は、一部の運転領域において、SI(Spark Ignition)燃焼とCI(Compression Ignition)燃焼とを組み合わせたSPCCI(SPark Controlled Compression Ignition)燃焼を行う。
【0044】
SI燃焼は、燃焼室の中の混合気に強制的に点火を行うことにより開始する火炎伝播を伴う燃焼である。CI燃焼は、燃焼室の中の混合気が圧縮着火することにより開始する燃焼である。
【0045】
SPCCI燃焼では、燃焼室の中の混合気に強制的に点火を行って、火炎伝播による燃焼を開始させる。それにより、SI燃焼の発熱及び火炎伝播による圧力上昇によって、燃焼室の中の未燃混合気がCI燃焼する。すなわち、SPCCI燃焼は、SI燃焼による発熱と圧力上昇とを利用して、CI燃焼をコントロールする。エンジン1は、圧縮着火式エンジンである。
【0046】
エンジン1の幾何学的圧縮比は、10以上30以下に設定することができる。例えば、エンジン1の幾何学的圧縮比は、一般的な火花点火式エンジンよりも高い、16以上としてもよい。しかし、このエンジン1では、SPCCI燃焼を行うので、ピストン3が圧縮上死点に至った時の燃焼室17の温度(つまり、圧縮端温度)を高くする必要がない。エンジン1は、幾何学的圧縮比を、比較的低く設定することが可能である。幾何学的圧縮比を低くすると、冷却損失の低減、および、機械損失の低減に有利になる。
【0047】
エンジン1の幾何学的圧縮比はまた、レギュラー仕様(燃料のオクタン価が91程度の低オクタン価燃料)においては、14〜17とし、ハイオク仕様(燃料のオクタン価が96程度の高オクタン価燃料)においては、15〜18としてもよい。
【0048】
シリンダヘッド13には、シリンダ11毎に、吸気ポート18が形成されている。図示は省略するが、吸気ポート18は、2つの吸気ポートを有している。これら吸気ポート18,18は、燃焼室17に連通している。吸気ポート18は、いわゆるタンブルポートである。つまり、吸気ポート18は、燃焼室17の中にタンブル流が形成されるような形状を有している。
【0049】
吸気ポート18には、吸気弁21が配設されている。吸気弁21は、燃焼室17と吸気ポート18との間を開閉する。吸気弁21は動弁機構によって、所定のタイミングで開閉する。動弁機構は、バルブタイミングおよび/またはバルブリフトを可変にする可変動弁機構とすればよい。
【0050】
このエンジン1は、その可変動弁機構として、吸気電動S−VT(Sequential-Valve Timing)23を有している(図3参照)。吸気電動S−VT23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。吸気弁21の開弁タイミングおよび閉弁タイミングは、連続的に変化する。尚、吸気動弁機構は、電動S−VTに代えて、油圧式のS−VTを有していてもよい。
【0051】
シリンダヘッド13にはまた、シリンダ11毎に、排気ポート19が形成されている。排気ポート19も、第1および第2の排気ポートを有している。これら排気ポート19,19は、燃焼室17に連通している。
【0052】
排気ポート19には、排気弁22が配設されている。排気弁22は、燃焼室17と排気ポート19との間を開閉する。排気弁22は動弁機構によって、所定のタイミングで開閉する。この動弁機構は、バルブタイミングおよび/またはバルブリフトを可変にする可変動弁機構とすればよい。
【0053】
このエンジン1では、その可変動弁機構として、排気電動S−VT24を有している(図3参照)。排気電動S−VT24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。排気弁22の開弁タイミングおよび閉弁タイミングは、連続的に変化する。尚、排気動弁機構は、電動S−VTに代えて、油圧式のS−VTを有していてもよい。
【0054】
吸気電動S−VT23および排気電動S−VT24は、吸気弁21と排気弁22との両方が開弁するオーバーラップ期間の長さを調節する。オーバーラップ期間の長さを長くすると、燃焼室17の中の残留ガスを掃気することができる。また、オーバーラップ期間の長さを調節することによって、内部EGR(Exhaust Gas Recirculation)ガスを燃焼室17の中に導入することができる。内部EGRシステムは、吸気電動S−VT23および排気電動S−VT24によって構成されている。尚、内部EGRシステムは、S−VTによって構成されるとは限らない。
【0055】
シリンダヘッド13には、シリンダ11毎に、インジェクタ6(燃料噴射弁)が取り付けられている。インジェクタ6は、燃焼室17の中に燃料を直接噴射する。図2に示すように、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。
【0056】
インジェクタ6の噴射軸心X2は、シリンダ11の中心軸X1よりも排気側に位置している。インジェクタ6の噴射軸心X2は、中心軸X1に平行である。インジェクタ6の噴射軸心X2とキャビティ31の中心とは一致している。インジェクタ6は、キャビティ31に対向している。
【0057】
尚、インジェクタ6の噴射軸心X2は、シリンダ11の中心軸X1と一致していてもよい。その構成の場合に、インジェクタ6の噴射軸心X2と、キャビティ31の中心とは一致していてもよい。
【0058】
インジェクタ6は、詳細な図示は省略するが、複数の噴孔(このエンジン1では10個)を有している。噴孔は、周方向に等角度に配置されている。従って、インジェクタ6は、図2に二点鎖線で示すように、燃料噴霧が、燃焼室17の中央から放射状に広がるように燃料を噴射する。
【0059】
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。燃料タンク63は、燃料を貯留する。燃料供給路62には、燃料ポンプ65およびコモンレール64が設置されている。
【0060】
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、例えば、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に蓄えられた燃料が、インジェクタ6から燃焼室17の中に噴射される。
【0061】
燃料供給システム61は、30MPa以上の高い圧力の燃料を、インジェクタ6に供給することが可能である。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。
【0062】
(点火プラグ25)
図1図2に示すように、シリンダヘッド13には、シリンダ11毎に、点火プラグ25が取り付けられている。点火プラグ25は、燃焼室17の中で混合気に強制的に点火をする。点火プラグ25は、シリンダ11の中心軸X1よりも吸気側に配設されている。点火プラグ25は、2つの吸気ポート18の間に位置している。
【0063】
点火プラグ25は、上方から下方に向かって、燃焼室17の中央に近づく方向に傾いて、シリンダヘッド13に取り付けられている。点火プラグ25の電極は、燃焼室17の中に臨んでかつ、燃焼室17の天井面の付近に位置している。尚、点火プラグ25を、シリンダ11の中心軸X1よりも排気側に配置してもよい。また、点火プラグ25をシリンダ11の中心軸X1上に配置してもよい。
【0064】
(吸気通路40)
図1に示すように、エンジン1の側面には吸気通路40が連結されている。吸気通路40は、各シリンダ11の吸気ポート18に連通している。吸気通路40を流れるガス(吸気ガス)が燃焼室17に導入される。
【0065】
吸気通路40の上流側の端部には、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、新気を濾過する。吸気通路40の下流側の端部には、サージタンク42が配設されている。吸気通路40におけるサージタンク42よりも下流側の部位は、シリンダ11毎に分岐し、各々が独立した通路を構成している。これら通路が、各シリンダ11の吸気ポート18に連結されている。
【0066】
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との間の部位には、開度の調節が可能なスロットル弁43が配設されている。スロットル弁43は、燃焼室17に導入する新気(空気)の量を調節する。
【0067】
吸気通路40におけるスロットル弁43の下流側の部位には、過給機44が配設されている。過給機44は、燃焼室17に導入する吸気ガスを過給する。過給機44は、エンジン1によって駆動される機械式の過給機である。機械式の過給機44は、ルーツ式、リショルム式、ベーン式、または遠心式であってもよい。
【0068】
過給機44は、電磁クラッチ45を介してエンジン1と連結されている。電磁クラッチ45は、エンジン1から過給機44への駆動力の伝達の有無を切り替える。電磁クラッチ45の切り替えは、ECU10が行う。電磁クラッチ45の切り替えにより、過給機44のオンとオフとが切り替わる。
【0069】
吸気通路40における過給機44の下流の部位には、インタークーラー46が配設されている。インタークーラー46は、過給機44が圧縮した吸気ガスを冷却する。インタークーラー46には、例えば水冷式または油冷式のクーラーが利用できる。
【0070】
吸気通路40には、バイパス通路47が連結されている。バイパス通路47は、吸気通路40における過給機44の上流側の部位と、インタークーラー46の下流側の部位とに連結されている。バイパス通路47は、過給機44およびインタークーラー46をバイパスする。バイパス通路47には、エアバイパス弁48が配設されている。エアバイパス弁48は、バイパス通路47を流れる吸気ガスの流量を調節する。
【0071】
ECU10は、過給機44をオフにしたときに、エアバイパス弁48を全開にする。吸気通路40を流れる吸気ガスは、過給機44をバイパスして、エンジン1の燃焼室17に流入する。エンジン1は、非過給、つまり自然吸気の状態で運転する。
【0072】
過給機44をオンにすると、エンジン1は過給状態で運転する。エンジン1が過給状態で運転しているときには、ECU10は、エアバイパス弁48の開度を調節する。それにより、過給機44を通過した吸気ガスの一部は、バイパス通路47を通って過給機44の上流側に逆流する。
【0073】
ECU10がエアバイパス弁48の開度を調節すると、燃焼室17に導入される吸気ガスの圧力が変わる。つまり、過給圧が変わる。尚、過給時とは、サージタンク42内の圧力が大気圧を超える時をいい、非過給時とは、サージタンク42内の圧力が大気圧以下になる時をいう、と定義してもよい。
【0074】
エンジン1は、図2に白抜きの矢印で示すように、燃焼室17の中でスワール流を発生させる。図1に示すように、吸気通路40にスワールコントロール弁56が取り付けられている。スワールコントロール弁56は、詳細な図示は省略するが、二つの吸気ポート18,18のうちの一方の吸気ポート18に配設されている。
【0075】
スワールコントロール弁56は、流路を絞ることができる開度調節弁である。開度が小さくなるとスワール流は強くなる。開度が大きくなるとスワール流は弱くなる。全開になるとスワール流は発生しない。
【0076】
(排気通路50)
エンジン1の側面(吸気通路40とは反対側の側面)には、排気通路50が連結されている。排気通路50は、各シリンダ11の排気ポート19に連通している。排気通路50は、燃焼室17で発生する排気ガスを導出する。排気通路50の上流側の部分は、詳細な図示は省略するが、シリンダ11毎に分岐している。これら独立した通路の各々が、各シリンダ11の排気ポート19に連結されている。
【0077】
排気通路50には、複数の触媒コンバーター51U,51Dを有する排気ガス浄化システムが配設されている。上流側に位置する触媒コンバーター51Uは、自動車のエンジンルーム(図示せず)の中に配設されている。図1に示すように、その触媒コンバーター51Uは、三元触媒511と、GPF(Gasoline Particulate Filter)512とを有している。
【0078】
下流側に位置する触媒コンバーター51Dは、エンジンルームの外に配設されている。その触媒コンバーター51Dは、三元触媒513を有している。三元触媒511,513は、排気ガスを浄化する。すなわち、触媒が劣化しない限り、所定の条件(所定以上の高温かつ、空燃比が略理論空燃比)を満たすことにより、排気ガスに含まれる有害成分(HC、CO、NOx)を浄化する。
【0079】
尚、GPF512は省略してもよい。また、触媒コンバーター51U,51Dは、三元触媒511,513を有するものに限定されない。さらに、三元触媒511およびGPF512の並び順は、適宜変更してもよい。
【0080】
(EGR通路52、EGR弁54)
吸気通路40と排気通路50との間には、EGR通路52が連結されている。EGR通路52は、排気ガスの一部を吸気通路40に還流させる。従って、吸気ガスは、新気だけでなく排気ガスを含む場合もある。
【0081】
EGR通路52の上流側の端部は、排気通路50における上流の触媒コンバーター51Uと下流の触媒コンバーター51Dとの間の部位に連通している。すなわち、EGR通路52は、三元触媒511の下流側の部位で排気通路50と連通している。EGR通路52の下流側の端部は、吸気通路40における過給機44の上流側の部位に連通している。EGR通路52を流れる排気ガスは、バイパス通路47のエアバイパス弁48を通らずに、吸気通路40の過給機44より上流側に入る。
【0082】
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弁54が配設されている。EGR弁54は、EGR通路52を流れる排気ガスの量を調節する。すなわち、EGR弁54により、吸気通路40に還流する冷却された排気ガス(外部EGRガス)の量が調節される。外部EGRガスの量の多少により、吸気ガスの温度の調節が可能になる。
【0083】
(ECU10)
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る。図3に示すように、ECU10は、プログラムを実行するCPU10aと、プログラムおよびデータを格納するメモリ10bと、電気信号を入出力するインターフェース10cとを備えている。メモリ10bには、制御に用いる制御ロジック(詳細は後述)やマップなどが記憶されている。
【0084】
ECU10には、図1図3に示すように、各種のセンサSW1〜SW17が接続されている。これらセンサSW1〜SW17の各々は、検出した情報を電気信号として出力し、インターフェース10cを介してECU10に入力する。これらセンサSW1〜SW17の内容を以下に示す。
【0085】
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を流れる新気の流量を検出する
第1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を流れる新気の温度を検出する
第1圧力センサSW3:吸気通路40におけるEGR通路52の連結位置よりも下流でかつ、過給機44の上流に配置されかつ、過給機44に流入するガスの圧力を検出する
第2吸気温度センサSW4:吸気通路40における過給機44の下流でかつ、バイパス通路47の連結位置よりも上流に配置されかつ、過給機44から流出したガスの温度を検出する
吸気圧センサSW5:サージタンク42に取り付けられかつ、過給機44の下流のガスの圧力を検出する
筒内圧センサSW6:各シリンダ11に対応してシリンダヘッド13に取り付けられかつ、各燃焼室17の中の圧力(筒内圧力)を検出する
排気温度センサSW7:排気通路50に配置されかつ、燃焼室17から排出した排気ガスの温度を検出する
リニアOセンサSW8:排気通路50における上流の触媒コンバーター51Uよりも上流に配置されかつ、排気ガス中の酸素濃度を検出する
ラムダOセンサSW9:上流の触媒コンバーター51Uにおける三元触媒511の下流に配置されかつ、排気ガス中の酸素濃度を検出する
水温センサSW10:エンジン1に取り付けられかつ、冷却水の温度を検出する
クランク角センサSW11:エンジン1に取り付けられかつ、クランクシャフト15の回転角を検出する
アクセル開度センサSW12: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検出する
吸気カム角センサSW13: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検出する
排気カム角センサSW14: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検出する
EGR差圧センサSW15:EGR通路52に配置されかつ、EGR弁54の上流および下流の差圧を検出する
燃圧センサSW16:燃料供給システム61のコモンレール64に取り付けられかつ、インジェクタ6に供給する燃料の圧力を検出する
第3吸気温度センサSW17:サージタンク42に取り付けられかつ、サージタンク42内のガスの温度、換言すると燃焼室17に導入される吸気ガスの温度を検出する。
【0086】
ECU10は、これらセンサSW1〜SW17から入力される、様々な検出値の電気信号(検出信号)に基づいて、エンジン1の運転状態を判断する。そして、ECU10は、マップを適宜用いながら制御ロジックに従って、各デバイスの目標量および/または制御量を演算する。
【0087】
ECU10は、演算で得た制御量に対応した電気信号を、インターフェース10cを介して、インジェクタ6、点火プラグ25、吸気電動S−VT23、排気電動S−VT24、燃料供給システム61、スロットル弁43、EGR弁54、過給機44の電磁クラッチ45、エアバイパス弁48、および、スワールコントロール弁56に出力する。それにより、ECU10は、これら機器を総合的に制御する。
【0088】
(SPCCI燃焼のコンセプト)
エンジン1は、燃費の向上および排出ガス性能の向上を主目的として、所定の運転状態のときに、圧縮自己着火による燃焼を行う。自己着火による燃焼は、圧縮開始前の燃焼室17の中の温度がばらつくと、自己着火のタイミングが大きく変化する。そこで、エンジン1は、SI燃焼とCI燃焼とを組み合わせたSPCCI燃焼を行う。
【0089】
SPCCI燃焼は、点火プラグ25が強制的に点火をすることにより、SI燃焼とCI燃焼とが生じる形態である(部分的圧縮着火燃焼)。
【0090】
SI燃焼の発熱量を調節することによって、圧縮開始前の燃焼室17の中の温度のばらつきを吸収することができる。ECU10が点火時期を調節することによって、混合気を目標のタイミングで自己着火させることができる。
【0091】
SPCCI燃焼において、SI燃焼時の熱発生は、CI燃焼時の熱発生よりも穏やかである。SPCCI燃焼における熱発生率(dQ/dθ)の波形は、図4に例示するように、立ち上がりの傾きが、CI燃焼の波形における立ち上がりの傾きよりも小さくなる。また、燃焼室17の中における圧力変動率(dp/dθ)も、SI燃焼時は、CI燃焼時よりも穏やかになる。
【0092】
SI燃焼の開始後、未燃混合気が自己着火すると、自己着火のタイミングで、熱発生率の波形の傾きが、小から大へと変化する場合がある。熱発生率の波形は、CI燃焼が開始するタイミングθciで、変曲点Xを有する場合がある。
【0093】
CI燃焼の開始後は、SI燃焼とCI燃焼とが並行して行われる。CI燃焼は、SI燃焼よりも熱発生が大きいため、熱発生率は相対的に大きくなる。しかし、CI燃焼は、圧縮上死点後に行われるため、熱発生率の波形の傾きが大きくなりすぎることが回避される。CI燃焼時の圧力変動率(dp/dθ)も、比較的穏やかになる。
【0094】
圧力変動率(dp/dθ)は、燃焼騒音を表す指標として用いることができる。SPCCI燃焼は、圧力変動率(dp/dθ)を小さくできるため、過剰な燃焼騒音を回避することが可能になる。従って、エンジン1の燃焼騒音は、許容レベル以下に抑えられる。
【0095】
CI燃焼が終了することで、SPCCI燃焼が終了する。CI燃焼は、SI燃焼に比べて、燃焼期間が短い。SPCCI燃焼は、SI燃焼よりも、燃焼終了時期が早まる。
【0096】
SPCCI燃焼の熱発生率波形は、SI燃焼によって形成された第1熱発生率部QSIと、CI燃焼によって形成された第2熱発生部QCIと、が、この順番に連続するように形成されている。
【0097】
ここで、SPCCI燃焼の特性を示すパラメータとして、SI率を定義する。SI率は、SPCCI燃焼により発生した全熱量に対し、SI燃焼により発生した熱量の割合に関係する指標と定義する。SI率は、燃焼形態の相違する二つの燃焼によって発生する熱量比率である。
【0098】
SI率が高いと、SI燃焼の割合が高く、SI率が低いと、CI燃焼の割合が高い。SPCCI燃焼におけるSI燃焼の割合が高いと、燃焼騒音の抑制に有利になる。SPCCI燃焼におけるCI燃焼の割合が高いと、エンジン1の燃費効率の向上に有利になる。
【0099】
SI率は、CI燃焼により発生した熱量に対するSI燃焼により発生した熱量の比率と定義してもよい。つまり、SPCCI燃焼において、CI燃焼が開始するクランク角をCI燃焼開始時期θciとして、図4に示す波形801において、θciよりも進角側であるSI燃焼の面積QSIと、θciを含む遅角側であるCI燃焼の面積QCIとから、SI率=QSI/QCIとしてもよい。
【0100】
(エンジン1の制御ロジック)
上述したように、ECU10は、メモリ10bに記憶している制御ロジックに従って、エンジン1を運転する。
【0101】
すなわち、ECU10は、各種センサSW1〜SW17から入力される電気信号に基づいて、エンジン1の運転状態を判断し、目標トルクを設定する。そして、ECU10は、エンジン1がその目標トルクを出力するように、燃焼室17の中の状態量、燃料の噴射量、燃料の噴射時期、および、点火時期などを調節するため、演算を行う。
【0102】
ECU10はまた、SPCCI燃焼を行うときには、SI率とθciとの二つのパラメータを用いてSPCCI燃焼をコントロールする。具体的には、ECU10は、エンジン1の運転状態に対応する目標SI率および目標θciを定める。そして、ECU10は、実際のSI率が目標SI率に一致し、かつ、実際のθciが目標θciとなるように、燃焼室17の中の温度および点火時期の調節を行う。
【0103】
ECU10は、エンジン1の負荷が低いときには、目標SI率を低く設定し、エンジン1の負荷が高いときには、目標SI率を高く設定する。エンジン1の負荷が低いときには、SPCCI燃焼におけるCI燃焼の割合を高めることによって、燃焼騒音の抑制と燃費性能の向上とが両立する。エンジン1の負荷が高いときには、SPCCI燃焼におけるSI燃焼の割合を高めることによって、燃焼騒音の抑制に有利になる。
【0104】
(エンジン1の運転領域)
図5は、エンジン1の燃焼制御に関するマップ(温間時)を例示している。マップは、上述したように、ECU10のメモリ10bに記憶されている。マップは、回転数の高低に対し、大別して2つの領域に分かれる。
【0105】
具体的には、マップは、相対的に低回転な第1領域と、相対的に高回転な第2領域とに分かれている。第1領域では、SPCCI燃焼が行われる。第2領域ではSI燃焼が行われる。このマップでは、第1領域と第2領域の境界となる回転数は、4000rpm程度に設定されている。
【0106】
第1領域および第2領域は、エンジン1の全運転領域を回転数方向に略三等分にしたときの、低回転側、高回転側、およびこれらの中間の各領域のうち、低回転側および中間の領域、および高回転側の領域としてもよい。第1領域と第2領域の境界となる回転数は、エンジン1の仕様に応じて適宜設定できる。
【0107】
第1領域の高負荷側には、第1高負荷領域(A)および第2高負荷領域(B)が設定されている。第1領域のその他の領域には、低中負荷領域(C)が設定されている。
【0108】
第1高負荷領域(A)は、全開負荷の運転状態を含む高負荷側の領域である。第1高負荷領域(A)は、第1領域における低回転側の端部から高回転側の端部に至る範囲を、第1領域の高負荷側の運転の限界を示す線(高負荷側境界線LH)に沿って延びるように設定されている。
【0109】
第2高負荷領域(B)は、第1高負荷領域(A)の下側に設定されている。第2高負荷領域(B)は、第1領域における低回転側の端部から高回転側の端部に至る範囲を、第1高負荷領域(A)の下側に沿って延びるように設定されている。第2高負荷領域(B)は、第1高負荷領域(A)よりも負荷方向に大きく(幅広く)設定されている。
【0110】
低中負荷領域(C)は、第1高負荷領域(A)における第2高負荷領域(B)よりも低負荷側に拡がる領域である。
【0111】
第1高負荷領域(A)および第2高負荷領域(B)では、高い要求トルクが出力できるように、過給が行われる。過給により、燃焼室17の中に多量の空気が供給される。通常、負荷が高いほど、多くの空気が要求される。エンジン1の運転状態に応じて、エアバイパス弁48の開度が調節される。
【0112】
低中負荷領域(C)では、エンジン1の運転状態に応じて過給が行われる。低中負荷領域(C)の低負荷側では、過給は行われない(いわゆる自然吸気)。
【0113】
(インジェクタ6の制御)
同様に、第1高負荷領域(A)および第2高負荷領域(B)では、高い要求トルクが出力できるように、燃焼室17の中に多量の燃料が供給される。そして、SPCCI燃焼が適切に行われるように、インジェクタ6が制御される。負荷が高いほど、多くの燃料が要求される。従って、通常、回転数が同じであれば、第1高負荷領域(A)の方が第2高負荷領域(B)よりも、インジェクタ6が噴射する燃料量は多く設定される。
【0114】
第1高負荷領域(A)では、空燃比(A/F)は、理論空燃比よりもリッチな状態となるように設定される(λ<1)。第1高負荷領域(A)では、燃焼室17の中に多量の空気および燃料が供給される。更に、空燃比がリッチになれば、より燃料量を多くできるので、高いトルクを出力できる。
【0115】
第2高負荷領域(B)では、空燃比は、理論空燃比またはリーンな状態となるように設定される(λ≧1)。空燃比が理論空燃比になれば、三元触媒により、排気ガスを効果的に浄化できる。空燃比がリーンになれば、燃料量を少なくできるので、燃費が向上する。
【0116】
低中負荷領域(C)も同様に、空燃比は、理論空燃比またはリーンな状態となるように設定される(λ≧1)。尚、λは空気過剰率に相当する(λ=1:理論空燃比)。
【0117】
(EGR弁54の制御)
EGR弁54は、SPCCI燃焼が適切に行われるようにその開度が制御される。すなわち、ECU10は、EGR弁54の開度を制御する、それにより、吸気ガスに還流する外部EGRガスの量が調節される。その結果、燃焼室17の中は、目標SI率および目標θciが得られる温度になる。SPCCI燃焼が適切に行える。
【0118】
エンジン1の運転領域のうち、アイドル運転など、燃焼が弱く、燃焼室17の中の温度が低い低負荷側の領域では、外部EGRガスを多く導入すると、目標SI率および目標θciが得られないおそれがある。従って、その場合は、外部EGRガスの導入量を少なくする(場合によっては、導入しない)。
【0119】
また、エンジン1の運転領域のうち、全開負荷など、要求トルクが大きい領域では、多量の空気が必要になる。従って、その分、外部EGRガスの導入量が少なくされる(場合によっては、導入しない)。
【0120】
例えば、全開負荷かそれに近い、第1高負荷領域(A)では、排気ガスが実質的に還流して外部EGRガスが導入されないように、EGR弁54の開度が制御される(略閉じた状態)。
【0121】
エンジン1では、このような限られた領域を除く、運転領域の広い範囲で外部EGRガスが導入される。第2高負荷領域(B)および低中負荷領域(C)では、排気ガスを還流するように、EGR弁54の開度が制御される。それにより、比較的多くの外部EGRガスが、燃焼室17の中に導入される。
【0122】
(燃焼制御のパターン)
図6に、エンジン1におけるSPCCI燃焼での燃焼制御のパターン(燃料噴射時期FT、点火時期IT、および燃焼時期BT)を例示する。図6におけるパターン1は、図5における点P1での燃焼制御を例示している。図6におけるパターン2は、図5における点P2での燃焼制御を例示している。
【0123】
パターン1では、吸気行程において目標とされる所定量の燃料が一括して噴射される。圧縮上死点の近傍で点火が行われる。それにより、膨張行程において、SPCCI燃焼が行われる。吸気行程で燃料を一括噴射すれば、燃料量が多くても、比較的均質な混合気を形成できる。
【0124】
パターン2では、燃料は、複数回(この例では2回)に分けて噴射される。吸気行程において目標とされる所定量の燃料の一部が噴射され、圧縮行程において残余の燃料が噴射される。圧縮上死点の近傍で点火が行われる。それにより、膨張行程において、SPCCI燃焼が行われる。
【0125】
パターン2はパターン1よりも高負荷であるから、相対的に燃料量は多い。また高回転であるから、相対的に燃焼サイクルの時間は短い。従って、燃焼条件はパターン1よりも厳しいが、分割して噴射すれば、混合気を成層化できる。それにより、着火の安定性が向上する。圧縮行程で燃料を噴射すれば、その燃焼の気化潜熱により、燃焼室17の中の混合気の温度を効率よく低下させることができる。従って、プリイグの抑制に有利となる。
【0126】
<プリイグの抑制>
上述したように、エンジン1は、CI燃焼を伴うSPCCI燃焼を行うため、その幾何学的圧縮比は、一般的な火花点火式エンジンよりも高く設定されている。従って、エンジン1が負荷の高い領域で運転する場合、プリイグが発生し易い。そのため、エンジン1では、プリイグを、より安定して抑制する必要がある。
【0127】
プリイグの抑制手段として、空燃比をリッチ化して筒内温度を低下させることが知られている。空燃比をリッチ化すると、混合気中の燃料量が相対的に増える。燃料の気化潜熱が増加して圧縮端温度が低下するので、燃焼が緩和される。その結果、プリイグを抑制できる。
【0128】
従って、このエンジン1においても、プリイグを抑制するために、空燃比をリッチな状態にする制御が用いられている。ところが、本発明者らは、EGRを行うと、空燃比をリッチな状態にしてもプリイグを抑制できない場合があることを見出した。
【0129】
具体的には、高負荷な運転領域のうち、全負荷よりも負荷の低い領域で排気ガスの還流が行われている場合には、空燃比をリッチ化しても、プリイグが十分に抑制できない状態が発生し得ることを見出した。
【0130】
本来、プリイグは、燃焼状態(燃焼室17の中の温度)に応じて発生する。そのため、複数のシリンダ11の間で、プリイグの発生には差がある。例えば、あるシリンダ11でプリイグが発生しても、その次の燃焼が行われる別のシリンダ11でプリイグが発生するとは限らない。
【0131】
それに対し、見出したプリイグの発生現象は、全てのシリンダ11で、しかも同時に発生する傾向がある。すなわち、この場合、プリイグの発生は、主として、燃焼室17の中の温度に起因するのではなく、外部EGRガスに起因することを見出した。
【0132】
外部EGRガスは、NOxを含む場合がある。混合気にNOxが混入すると、NOxに由来してOHラジカルが生成する。OHラジカルは、酸化作用が強く反応性が高い。従って、OHラジカルが混合気の中で生成すると、燃焼(特にCI燃焼)が活性化される。その結果、点火プラグ25が点火する前に燃焼が始まり、プリイグが発生する。
【0133】
EGR弁54が閉じられていて排気ガスがほとんど還流していない、第1高負荷領域(A)では、プリイグが発生したときに、空燃比をリッチ化すれば、プリイグを抑制できる。
【0134】
ところが、第2高負荷領域(B)では、外部EGRガスが燃焼室17の中に導入されているため、空燃比をリッチ化しても、プリイグを抑制できない場合がある。例えば、触媒コンバーター51Uの三元触媒511の酸素吸蔵量が上限に達するなどして、三元触媒511の機能が低下した場合、触媒コンバーター51Uでは、NOxを完全に還元できない。従って、そのような場合、触媒コンバーター51Uを通過した排気ガスは、NOxを含む。
【0135】
そのNOxを含む排気ガスが、EGR通路52を通じて還流され、外部EGRガスとして燃焼室17の中に導入される。そうなると、空燃比をリッチ化して混合気の温度を下げても、プリイグは抑制できない。全てのシリンダ11で同時にプリイグが発生してしまう。
【0136】
そこで、このエンジン1の燃焼制御装置では、このような外部EGRガスに起因して発生するプリイグも抑制できるように工夫されている。
【0137】
図7に、プリイグの抑制に関連した燃焼制御装置の機能的なブロック図を例示する。ECU10(制御装置本体)は、エンジン制御部100およびプリイグ抑制部101を有している。エンジン制御部100は、各種センサSW1〜SW17から入力される検出信号に基づいて、エンジン1が適切な運転を行うように、SPCCI燃焼およびSI燃焼を制御する。
【0138】
例えば、エンジン制御部100は、エンジン1が第1高負荷領域(A)で運転しているときには、空燃比が理論空燃比よりもリッチな状態となるようにインジェクタ6を制御する。それとともに、排気ガスが実質的に還流しないようにEGR弁54を制御する。エンジン制御部100はまた、エンジン1が第2高負荷領域(B)で運転しているときには、空燃比が理論空燃比またはリーンな状態となるようにインジェクタ6を制御する。それとともに、排気ガスが還流するようにEGR弁54を制御する。
【0139】
プリイグ抑制部101は、第1高負荷領域(A)でプリイグニッションの発生が実測または予測されたときには、エンジン制御部100と協働して、エアバイパス弁48やスロットル弁43の制御などにより、燃焼室17の中に供給される空気量を減少させる処理、すなわち空燃比をリッチ化する処理を行う。
【0140】
外部EGRガスが燃焼室17の中に導入されていないので、混合気の温度低下によってプリイグを抑制できる。
【0141】
プリイグ抑制部101はまた、第2高負荷領域(B)でプリイグニッションの発生が実測または予測されたときには、エンジン制御部100と協働してインジェクタ6を制御することにより、排気通路50に流入する未燃燃料の量を増加させる処理を行う。具体的には、インジェクタ6を制御して、排気通路50に導出される排気ガス中に未燃燃料が残存する状態(未燃ガス排出状態)になるまで、空燃比を高度にリッチな状態にする。
【0142】
外部EGRガスが燃焼室17の中に導入されているので、外部EGRガスにNOxが含まれていると、混合気の温度を下してもプリイグは抑制できない。そこで、プリイグ抑制部101は、外部EGRガスがNOxを含むことを抑制する。
【0143】
三元触媒は、空燃比が理論空燃比よりもリッチな状態であると、NOxの浄化率が高いという特性がある。従って、空燃比が確実にリッチな状態となるように、未燃ガス排出状態にする。
【0144】
そうすれば、空燃比を確実にリッチな状態することができる。その結果、三元触媒でNOxを安定して高度に浄化できる。外部EGRガスがNOxを含むことを抑制できるので、プリイグを抑制できる。混合気の温度低下による効果も得られるので、よりいっそうプリイグを抑制できる。
【0145】
尚、未燃ガス排出状態は、少なくとも外部EGRガスにNOxが混入する可能性がなくなるまで維持するのが好ましい。
【0146】
(プリイグの抑制制御の具体例)
図8に、プリイグの抑制制御の一例を示す。ECU10は、エンジン1の運転が開始されると、各種センサSW1〜SW17が出力する検出信号を読み込む(ステップS1)。
【0147】
ECU10は、エンジン1の運転中、エンジン1が第1高負荷領域(A)および第2高負荷領域(B)のいずれかで運転しているか否かを判別する(ステップS2)。そして、エンジン1が第1高負荷領域(A)および第2高負荷領域(B)のいずれかで運転していると判別した場合、ECU10は、プリイグの発生が実測または予測されたか否かを判別する(ステップS3)。
【0148】
プリイグの発生を実測または予測する方法は、仕様に応じて適宜選択できる。このエンジン1では、筒内圧センサSW6が設けられていて、燃焼状態が精度高く検知できるようになっているので、筒内圧センサSW6に基づいてプリイグの実測または予測を行う。
【0149】
例えば、燃焼モデルを利用すれば、その自着火の指標値の大小の比較により、プリイグの発生を実測または予測できる。また、燃焼モデルと燃焼の実測値とで燃焼期間の長短を比較することによっても、プリイグの発生を実測または予測できる。また、燃焼期間および所定の燃焼騒音の指標値の大小の比較によっても、プリイグの発生を実測または予測できる。
【0150】
また、三元触媒511の状態に基づいて、NOx由来のプリイグの発生を予測してもよい。例えば、リニアOセンサSW8およびラムダOセンサSW9の検出信号に基づいて、三元触媒511のNOxの浄化状態を判別する。それにより、外部EGRガスにNOxが混入する可能性を予測する。
【0151】
ECU10は、エンジン1が第1高負荷領域(A)および第2高負荷領域(B)のいずれかで運転しているときに、プリイグの発生を実測または予測しない場合には(ステップS3でNo)、外部EGRガスの導入量、空燃比、燃料噴射時期、点火時期など、SPCCI燃焼を定める条件を、エンジン1の運転状態に応じて調節する(ステップS4)。
【0152】
対して、ECU10は、エンジン1が第1高負荷領域(A)および第2高負荷領域(B)のいずれかで運転しているときに、プリイグの発生を実測または予測した場合には(ステップS3でYes)、エンジン1が第1高負荷領域(A)で運転しているか否か(第1高負荷領域(A)、第2高負荷領域(B)のどちらで運転しているか)を判別する(ステップS5)。
【0153】
エンジン1が第1高負荷領域(A)で運転している場合、ECU10は、エアバイパス弁48、スロットル弁43などを制御して、燃焼室17の中に供給される空気量を減少させる処理を行う(ステップS6)。
【0154】
エンジン1が第1高負荷領域(A)で運転していない場合、すなわちエンジン1が第2高負荷領域(B)で運転している場合(ステップS5でNo)、ECU10は、空燃比がリッチな状態か否かを判別する(ステップS7)。空燃比が十分にリッチな状態でなければ(通常はリッチな状態でない)、ECU10は、燃焼室17から排気通路に導出される排気ガス中に未燃燃料が残存する状態になるまで、空燃比を変更する(ステップS8)。
【0155】
例えば、ECU10は、エンジン1の運転状態が急変しない範囲で、EGR弁54を制御して外部EGRガスの導入量を増やす、エアバイパス弁48またはスロットル弁43を制御して空気の導入量を減らす、インジェクタ6を制御して燃料量を増やすなどの処理を行う。それにより、各シリンダ11の燃焼室17から排気通路に導出される排気ガス中に未燃燃料が残存する状態にする。
【0156】
ECU10は、更に、燃焼の噴射時期を遅角させる処理も行う(ステップS9)。具体的には、図9のパターン1’に示すように、ECU10は、インジェクタ6を制御することにより、吸気行程での燃料の噴射時期を遅角させる。
【0157】
燃料の噴射時期が遅くなればそれだけ、圧縮端温度を低下させることができる。従って、プリイグをより抑制できる。尚、図8において二点鎖線で示すように、燃料の噴射時期を遅角させる処理は、必須ではない。また、燃料の噴射時期を遅角させる処理は、空燃比の変更と同時に行ってもよいし、空燃比が変更された後に行ってもよい。
【0158】
また、図9のパターン1’’に示すように、ECU10は、圧縮行程で燃料を噴射するように、インジェクタ6を制御してもよい。圧縮行程で燃料を噴射すれば、燃料の気化潜熱により、効率よく圧縮端温度を低下させることができる。従って、プリイグをよりいっそう抑制できる。
【0159】
更に、図6に示したパターン2のように、燃料が分割して噴射される場合には、図9のパターン2’に示すように、ECU10は、噴射時期の早い噴射よりも遅い噴射の方が、燃料の噴射割合が高くなるように、インジェクタ6を制御するとよい。
【0160】
そうすれば、燃料の総量は同じであるため、トルク変動を生じることなく、効率よく圧縮端温度を低下させることができる。従って、プリイグを抑制できる。
【0161】
なお、開示する技術は、上述した実施形態に限定されず、それ以外の種々の構成をも包含する。上述した実施形態では、SPCCI燃焼を行うエンジンを例示したが、エンジンは、これに限るものではない。触媒で排気ガスを浄化しながらEGRを行うエンジンであれば適用可能である。
【0162】
プリイグが全てのシリンダで同時に発生しているか否かを判別してもよい。そうすれば、NOxに起因したプリイグを判別できる。
【符号の説明】
【0163】
1 エンジン
6 インジェクタ(燃料噴射弁)
10 ECU(制御装置本体)
17 燃焼室
25 点火プラグ
40 吸気通路
44 過給機
50 排気通路
51U 触媒コンバーター
511 三元触媒
52 EGR通路
100 エンジン制御部
101 プリイグ抑制部
SW6 筒内圧センサ
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9