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技術 エンジン及びこれを備えた車両

出願人 スズキ株式会社
発明者 吉村佳
出願日 2016年2月26日 (4年10ヶ月経過) 出願番号 2016-035002
公開日 2017年8月31日 (3年3ヶ月経過) 公開番号 2017-150419
状態 特許登録済
技術分野 機関出力の制御及び特殊形式機関の制御 内燃機関に供給する空気・燃料の電気的制御 内燃機関の複合的制御
主要キーワード 直接領域 ターボシャフト I領域 燃焼開始前 自動四輪車 ジルコニア式酸素センサ 圧力増加 HCCI運転
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2017年8月31日)のものです。
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図面 (9)

課題

筒内温度を低下させることなく、混合気を適切に自己着火させること。

解決手段

エンジン(1)は、筒内に直接燃料噴射する燃料噴射装置(11)を備え、空気と燃料を混合した混合気を筒内で圧縮して自己着火させる予混合圧縮着火式のエンジンである。エンジンでは、所定のエンジン回転数及び要求エンジン負荷に基づいて予混合圧縮着火が可能な予混合圧縮着火領域(H)において、吸気バルブ及び排気バルブが共に閉じた負のバルブオーバラップ期間(TN)に燃料を噴射する。

概要

背景

昨今のエンジンにおいては、更なる燃費向上を目的として、予混合圧縮着火式のガソリンエンジンが検討されている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1に記載のエンジンは、筒内に直接燃料噴射する直噴式のエンジンであり、点火プラグによる混合気点火(SI:SparkIgnition)と、点火プラグを用いず、予め空気と燃料を混合した混合気を圧縮して自己着火させる予混合圧縮着火(HCCI:Homogeneous Charge Compression Ignition)とが切替え可能に構成されている。

特許文献1では、比較的エンジン回転数及びエンジン負荷が小さい運転領域(HCCI領域)において予混合圧縮着火が実施され、比較的エンジン負荷が大きい運転領域(SI領域)においてSI点火が実施される。すなわち、エンジン回転数やエンジン負荷に応じてSI点火と予混合圧縮着火とが切替えられる。

概要

筒内温度を低下させることなく、混合気を適切に自己着火させること。エンジン(1)は、筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射装置(11)を備え、空気と燃料を混合した混合気を筒内で圧縮して自己着火させる予混合圧縮着火式のエンジンである。エンジンでは、所定のエンジン回転数及び要求エンジン負荷に基づいて予混合圧縮着火が可能な予混合圧縮着火領域(H)において、吸気バルブ及び排気バルブが共に閉じた負のバルブオーバラップ期間(TN)に燃料を噴射する。

目的

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、筒内温度を低下させることなく、混合気を適切に自己着火させることが可能なエンジン及びこれを備えた車両を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

筒内に直接燃料噴射する燃料噴射装置を備え、空気と燃料を混合した混合気を筒内で圧縮して自己着火させる予混合圧縮着火式のエンジンであって、所定のエンジン回転数及びエンジン負荷に基づいて予混合圧縮着火が可能な予混合圧縮着火領域において、吸気バルブ及び排気バルブが共に閉じた負のバルブオーバラップ期間に燃料を噴射することを特徴とするエンジン。

請求項2

前記予混合圧縮着火領域は、第1の予混合圧縮着火領域と、前記第1の予混合圧縮着火領域より高負荷な領域で予混合圧縮着火が可能な第2の予混合圧縮着火領域とを有し、前記第2の予混合圧縮着火領域において、吸気行程時に燃料を噴射することを特徴とする請求項1に記載のエンジン。

請求項3

前記予混合圧縮着火領域は、前記第2の予混合圧縮着火領域より高負荷な領域で予混合圧縮着火が可能な第3の予混合圧縮着火領域を更に有し、前記第3の予混合圧縮着火領域において、圧縮行程中燃焼開始前までに少なくとも2回以上燃料を噴射することを特徴とする請求項2に記載のエンジン。

請求項4

点火装置火花を用いた混合気の火花点火と予混合圧縮着火とを切替え可能に構成され、予混合圧縮着火から火花点火に切替える際に、負のバルブオーバラップ期間をゼロにすると共に、前記点火装置による火花点火を開始することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載のエンジン。

請求項5

予混合圧縮着火から火花点火に切替える際に、前記第1の予混合圧縮着火領域から火花点火に移行する場合には前記第2及び第3の予混合圧縮着火領域を経由し、前記第2の予混合圧縮着火領域から火花点火に移行する場合には前記第3の予混合圧縮着火領域を経由することを特徴とする請求項4に記載のエンジン。

請求項6

請求項1から請求項5のいずれかに記載のエンジンを備える車両。

技術分野

0001

本発明は、エンジン及びこれを備えた車両に関し、特に、予混合圧縮着火式のエンジン及びこれを備えた車両に関する。

背景技術

0002

昨今のエンジンにおいては、更なる燃費向上を目的として、予混合圧縮着火式のガソリンエンジンが検討されている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1に記載のエンジンは、筒内に直接燃料噴射する直噴式のエンジンであり、点火プラグによる混合気点火(SI:SparkIgnition)と、点火プラグを用いず、予め空気と燃料を混合した混合気を圧縮して自己着火させる予混合圧縮着火(HCCI:Homogeneous Charge Compression Ignition)とが切替え可能に構成されている。

0003

特許文献1では、比較的エンジン回転数及びエンジン負荷が小さい運転領域(HCCI領域)において予混合圧縮着火が実施され、比較的エンジン負荷が大きい運転領域(SI領域)においてSI点火が実施される。すなわち、エンジン回転数やエンジン負荷に応じてSI点火と予混合圧縮着火とが切替えられる。

先行技術

0004

特開2010−236467号公報

発明が解決しようとする課題

0005

ところで、上記した予混合圧縮着火を実現できる運転領域(燃焼領域)は限られており、予混合圧縮着火を制御するのは非常に困難である。例えば、筒内に燃料を噴射した際に筒内温度が低下する結果、混合気の自己着火に必要な温度を得られず失火してしまうことが考えられる。

0006

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、筒内温度を低下させることなく、混合気を適切に自己着火させることが可能なエンジン及びこれを備えた車両を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0007

本発明に係るエンジンは、筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射装置を備え、空気と燃料を混合した混合気を筒内で圧縮して自己着火させる予混合圧縮着火式のエンジンであって、所定のエンジン回転数及びエンジン負荷に基づいて予混合圧縮着火が可能な予混合圧縮着火領域において、吸気バルブ及び排気バルブが共に閉じた負のバルブオーバラップ期間に燃料を噴射することを特徴とする。

0008

この構成によれば、負のバルブオーバラップ期間に燃料が噴射されることで、燃焼前の筒内温度を上昇させることができる。よって、混合気の自己着火に必要な温度を確保することができ、失火させることなく、適切に混合気を自己着火させることが可能になる。

0009

また、本発明に係る上記エンジンにおいて、前記予混合圧縮着火領域は、第1の予混合圧縮着火領域と、前記第1の予混合圧縮着火領域より高負荷な領域で予混合圧縮着火が可能な第2の予混合圧縮着火領域とを有し、前記第2の予混合圧縮着火領域において、吸気行程時に燃料を噴射することが好ましい。この構成によれば、吸気行程時に燃料を噴射することで、混合気が燃焼開始するまでの間に、空気と燃料が混合するまでの時間を確保することができる。この結果、筒内で均質化された混合気を燃焼させることができ、燃焼効率の高い燃焼を行うことが可能になる。

0010

また、本発明に係る上記エンジンにおいて、前記予混合圧縮着火領域は、前記第2の予混合圧縮着火領域より高負荷な領域で予混合圧縮着火が可能な第3の予混合圧縮着火領域を更に有し、前記第3の予混合圧縮着火領域において、圧縮行程中燃焼開始前までに少なくとも2回以上燃料を噴射することが好ましい。この構成によれば、複数回に分けて燃料を噴射することで混合気にムラができる。この結果、成層燃焼を行うことができ、燃焼を緩慢化させることができる。よって、比較的エンジン負荷が高い場合であっても混合気を予混合圧縮着火が可能となり、更なる燃費の向上が実現される。また、混合気が成層燃焼されることで、混合気を全体的に効率よく燃焼させることができ、排ガス性能の低下を防止することもできる。

0011

また、本発明に係る上記エンジンは、点火装置火花を用いた混合気の火花点火と予混合圧縮着火とを切替え可能に構成され、予混合圧縮着火から火花点火に切替える際に、負のバルブオーバラップ期間をゼロにすると共に、前記点火装置による火花点火を開始することが好ましい。この構成によれば、負のバルブオーバラップ期間を無くすことにより、エンジン負荷を高めることなく急激なトルク変動を防止することができ、予混合圧縮着火から火花点火へスムーズに切替えることが可能になる。

0012

また、本発明に係る上記エンジンは、予混合圧縮着火から火花点火に切替える際に、前記第1の予混合圧縮着火領域から火花点火に移行する場合には前記第2及び第3の予混合圧縮着火領域を経由し、前記第2の予混合圧縮着火領域から火花点火に移行する場合には前記第3の予混合圧縮着火領域を経由することが好ましい。この構成によれば、エンジン負荷が段階的に大きくなることで、急激なトルク変動を防止することができ、予混合圧縮着火から火花点火へスムーズに切替えることが可能になる。

0013

また、本発明に係る車両は、上記したエンジンを備えることが好ましい。この構成によれば、上記したエンジンによる作用効果を車両で享受することができる。

発明の効果

0014

本発明によれば、負のバルブオーバラップ期間に燃料を噴射することにより、筒内温度を低下させることなく、混合気を適切に自己着火させることができる。

図面の簡単な説明

0015

本実施の形態に係るエンジンの概念図である。
本実施の形態に係るエンジンの燃焼マップを示す図である。
本実施の形態に係るエンジンにおいて、エンジン負荷に対する吸気バルブ及び排気バルブの開閉タイミングを示す図である。
本実施の形態に係るエンジンにおいて、エンジン負荷に対する燃料噴射タイミングを示すグラフである。
本実施の形態に係るエンジンの制御フローを示す図である。
本実施の形態に係るエンジンの制御フローを示す図である。
本実施の形態に係るエンジンの制御フローを示す図である。
本実施の形態に係るエンジンにおいて、エンジン負荷に対する過給圧及びEGR弁開度を示す図である。

実施例

0016

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。なお、以下においては、本発明に係るエンジンを自動四輪車に適用した例について説明するが、適用対象はこれに限定されることなく変更可能である。例えば、本発明に係るエンジンを他のタイプの車両(例えば自動二輪車)に適用してもよい。また、以下の各図では、説明の便宜上、一部の構成を省略している。

0017

図1を参照して、本実施の形態に係るエンジンの概略構成について説明する。図1は本実施の形態に係るエンジンの概念図である。なお、本実施の形態において、自動四輪車が通常備えている構成(例えばクランクセンサ等)は備えているものとし、説明は省略する。

0018

本実施の形態に係るエンジン1は、点火装置(不図示)による混合気の火花点火(SI:SparkIgnition)と、点火装置を用いず、予め空気と燃料を混合した混合気を圧縮して自己着火させる予混合圧縮着火(HCCI:Homogeneous Charge Compression Ignition)とを切替え可能に構成されている。エンジン1は、例えば、直列多気筒(本実施の形態では4気筒)のガソリンエンジンである。

0019

エンジン1は、シリンダブロック10の各気筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射装置11を備えている。各気筒内には、筒内の圧力を検知する筒内圧センサ12が設けられている。また、エンジン1には、可変バルブタイミング機構(不図示)を備えた動弁装置13が設けられている。詳細は後述するが、動弁装置13は、エンジン負荷やエンジン回転数に応じて吸気バルブ及び排気バルブ(共に不図示)の開閉タイミングを変更することにより、後述するバルブオーバラップ期間を調整する。

0020

エンジン1の吸気側には、インテークマニホールド14を介して吸気管15が接続されている。吸気管15には、上流側からスロットルバルブ16、過給機17(コンプレッサ17b)、及びインタークーラ18が設けられている。一方、エンジン1の排気側には、エキゾーストマニホールド19を介して排気管20が接続されている。排気管20には、上流側からLAFセンサ21、過給機17(タービン17a)、触媒装置22が設けられている。

0021

燃料噴射装置11は、直噴式のインジェクタで構成され、後述するECU26からの命令に応じて筒内に燃料を噴射する。筒内圧センサ12は、例えば圧電素子を備えたピエゾ式圧力センサであり、筒内の燃焼圧力に応じた電圧信号を出力する。当該電圧信号は、ECU26に出力される。スロットルバルブ16は、運転者アクセル操作に応じて開度を調整する弁体である。スロットルバルブ16の開度が調整されることで吸入空気の流量が調整される。

0022

過給機17は、排気ガスの圧力でタービン17aを回してコンプレッサ17bを駆動するターボチャージャーであり、コンプレッサ17bで吸入空気を圧縮する。具体的に過給機17は、排気管20側に設けられるタービン17aと吸気管15側に設けられるコンプレッサ17bとがターボシャフト17cによって同軸に接続されている。インタークーラ18は、過給機17で圧縮された吸入空気を冷却する。

0023

LAFセンサ21(Linear Air-fuel Ratio Sensor)は、排気ガス中の酸素濃度から空燃比を検出する。LAFセンサ21は、例えば、ジルコニア式酸素センサで構成され、酸素濃度に応じて変化する電流値から空燃比を検出する。当該空燃比は、ECU26に出力される。触媒装置22は、排気ガスを浄化するものであり、例えば、三元触媒で構成される。触媒装置22は、排気ガス内汚染物質一酸化炭素炭化水素窒素酸化物等)を無害物質二酸化炭素、水、窒素等)に変換する。

0024

また、本実施の形態に係るエンジン1には、排気ガスの一部を吸気側に戻して再燃焼させるEGRシステム(Exhaust Gas Recirculation system)が採用されている。具体的には、触媒装置22の下流側の排気管20とスロットルバルブ16の下流側の吸気管15とが配管23によって接続されている。当該配管23には、排気側から順に、排気ガスを冷却するEGRクーラ24と、排気ガスの吸入量を調整するEGRバルブ25が設けられている。

0025

また、エンジン1は、上記構成の他、エンジン1内の各種動作を統括制御するECU26を備えている。ECU26は、エンジン1内の各種処理を実行するプロセッサメモリ等により構成されている。メモリは、用途に応じてROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)等の記憶媒体で構成される。メモリには、エンジン1の各部を制御する制御プログラム等が記憶されている。

0026

特にECU26は、エンジン負荷やエンジン回転数に基づいた燃焼マップ(図2参照)をメモリに記憶している。この燃焼マップには、点火装置を用いた点火が可能な火花点火領域(後述するSI領域)と、予混合圧縮着火が可能な予混合圧縮着火領域(後述するHCCI領域)とが含まれている。詳細は後述するが、ECU26は、運転者のアクセル操作から要求されるエンジン負荷を算出し、図示しないクランクセンサから検出されるエンジン回転数と当該エンジン負荷に基づいて、上記した燃焼マップから火花点火と予混合圧縮着火とを切替えるようにエンジン1の各種動作を制御する。

0027

このように構成されるエンジン1では、運転者のアクセル操作に応じてスロットルバルブ16の開度が調整され、エアクリーナ(不図示)を経由したクリーンな吸入空気が過給機17に導入される。過給機17では吸入空気が圧縮され、吸入空気は、インタークーラ18で冷却された後に筒内へ供給される。筒内では、所定のタイミングで燃料が噴射され、吸入空気と燃料とが混合される。このとき、点火装置による火花点火、又は予混合圧縮自己着火によって混合気が燃焼される。燃焼後の排気ガスは、エキゾーストマニホールド19から排気管20及び触媒装置22を通じて外に排出される。

0028

ところで、従来より検討がなされている予混合圧縮着火式のエンジンにおいては、エンジン負荷の広範囲にわたってHCCI運転を実現するために、エンジン負荷に応じて燃料噴射のタイミングや燃料噴射の回数を変更するようにエンジンの動作が制御される。例えば、比較的エンジン負荷が低い領域においては、一段直噴により筒内に燃料を供給して混合気を自己着火させている。一方、比較的エンジン負荷が高い領域では、混合気が一気に燃焼することに起因した騒音や筒内の圧力増加がエンジンの強度に影響を与えるため、燃料を複数回にわたって噴射することで、燃焼の緩慢化を図っている。

0029

しかしながら、上記した低負荷領域では、エンジン負荷が低くなるほど筒内温度が下がるため、混合気の自己着火に必要な温度が確保されずに失火してしまうという問題がある。また、高負荷領域では、1回目に噴射された燃料が、燃焼に至るまでの間に新気と混合して均一化してしまう。このため、所望の成層度が得られず、混合気の燃焼を適切に緩慢化することが難しいという問題がある。さらに、2回目以降に噴射された燃料が十分に蒸発しないまま燃焼されることで、PM(Particulate Matter)排出量増加の要因ともなり得る。

0030

そこで、本実施の形態に係るエンジン1は、HCCI運転が可能な領域(後述する領域H)をエンジン負荷及びエンジン回転数に基づいて複数(本実施の形態では3つ)の領域H1〜H3に分割し(図2参照)、各領域H1〜H3毎に燃料の噴射タイミング噴射回数を変更するように制御している。

0031

例えば、比較的エンジン負荷の小さい領域H1では、吸気バルブ及び排気バルブが共に閉じた負のバルブオーバラップ期間TN(図3参照)に燃料を噴射する。これにより、前サイクルにおける燃焼熱に加えて筒内温度を上昇させることができる。よって、混合気の自己着火に必要な温度を確保することができ、失火させることなく、適切に混合気を自己着火させることが可能になった。

0032

また、比較的エンジン負荷の大きい領域H3では、圧縮行程中の燃焼開始前までに少なくとも2回以上燃料を噴射する。このように、複数回に分けて燃料を噴射することで混合気にムラができ、成層燃焼を行うことが可能になった。この結果、燃焼を緩慢化させることができると共に、排ガス性能の低下を防止することができる。

0033

次に、図2を参照して、本実施の形態に係るエンジンの燃焼マップについて説明する。図2は、本実施の形態に係るエンジンの燃焼マップを示す図である。

0034

図2に示すように、燃焼マップでは、横軸がエンジン回転数を表し、縦軸がエンジン負荷を表している。この燃焼マップでは、所定のエンジン回転数N(以下、単に回転数Nと記す)及びエンジン負荷L(以下、単に負荷Lと記す)を境界にして、点火装置を用いた点火が可能な火花点火領域S(SI領域、以下、単に領域Sと記す)と、予混合圧縮着火が可能な予混合圧縮着火領域H(HCCI領域、以下、単に領域Hと記す)とが設定されている。

0035

具体的には、エンジン回転数が所定の回転数N以下で且つエンジン負荷が所定の負荷L以下の領域が領域Hである。領域Hでは、点火装置を用いず、混合気を圧縮自己着火させて燃焼させる予混合圧縮着火が行われる。一方、エンジン回転数が所定の回転数Nより大きい又はエンジン負荷が所定の負荷Lより大きい領域が領域Sである。領域Sでは、点火装置を用いた通常の火花点火により、混合気の着火が行われる。これらの領域H、Sは更に細かく領域が分けられている。

0036

領域Hは、エンジン負荷ごとに3つの領域H1〜H3に分けられており、エンジン負荷の低い方から順番に、領域H1(第1HCCI領域)、領域H2(第2HCCI領域)、領域H3(第3HCCI領域)となっている。ここで、燃焼マップ上の各領域H1〜H3の境界値となるエンジン回転数及びエンジン負荷を、それぞれ回転数N1、負荷L1、L2とする。回転数N1は、所定の回転数Nより小さく設定されている。負荷L1は、所定の負荷L及び負荷L2より小さく設定されており、負荷L2は、所定の負荷Lより小さく設定されている。

0037

領域H1は、燃焼マップ上において、エンジン回転数が回転数N1以下でエンジン負荷が所定の負荷L1以下の領域を示している。この領域H1では、後述する負のバルブオーバラップ期間TN(図4参照)と吸気行程時に、燃料が噴射される。領域H2は、燃焼マップ上において、領域H1より上で、エンジン回転数が所定の回転数N以下で且つエンジン負荷が負荷L2以下の領域を示している。この領域H2では、吸気行程時に一度だけ燃料が噴射される。領域H3は、燃焼マップ上において、領域H2より高負荷で、エンジン回転数が所定の回転数N以下で且つエンジン負荷が所定の負荷L以下の領域を示している。この領域H3では、圧縮行程中の燃焼開始前までに少なくとも2回以上燃料が噴射される。

0038

領域Sは、混合気の濃度に応じて3つの領域SS、SL、SRに分けられている。領域SSは、理論空燃比に基づいた混合気の燃焼が行われるストイキSI領域である。領域SSは、エンジン負荷が所定の負荷Lより大きい領域に設定されている。領域SLは、理論空燃比より薄い濃度で混合気の燃焼が行われるリーンSI領域である。領域SLは、エンジン回転数が所定の回転数Nより大きい領域に設定されている。領域SRは、理論空燃比より濃い濃度で混合気の燃焼が行われるリッチSI領域である。領域SRは、領域SSより高負荷高回転側の領域に設定されている。

0039

本実施の形態では、この燃焼マップに基づいて、燃料の噴射タイミングや噴射回数、吸気バルブ及び排気バルブの開閉タイミング等が制御される。このように、燃焼マップを複数の領域に分割したことで、エンジンの状態に応じて適宜燃焼方式を切替えることが可能になっている。各領域における燃料の噴射タイミング等の制御については後述する。

0040

次に、図3を参照して、エンジン負荷に対する吸気バルブ及び排気バルブの開閉タイミングについて説明する。図3は、本実施の形態に係るエンジンにおいて、エンジン負荷に対する吸気バルブ及び排気バルブの開閉タイミングを示す図である。図3においては、横軸がエンジン負荷を示し、縦軸が時間を示している。また、図3の縦軸におけるBDCはクランクシャフト下死点(Bottom Dead Center)を示し、TDCはクランクシャフトの上死点(Top Dead Center)を示している。

0041

上記したように、本実施の形態では、動弁装置13(図1参照)が、エンジン負荷やエンジン回転数に応じて吸気バルブ及び排気バルブの開閉タイミングを調整するように構成されている。図3では、実線で示す部分が吸気バルブの開閉タイミングを示し、一点鎖線で示す部分が排気バルブの開閉タイミングを示している。

0042

具体的には、IVO(Intake Valve Open)が吸気バルブの開くタイミングを示し、IVC(Intake Valve Close)が吸気バルブの閉まるタイミングを示している。一方、EVO(Exhaust Valve Open)が排気バルブの開くタイミングを示し、EVC(Exhaust Valve Close)が排気バルブの閉まるタイミングを示している。

0043

特に、排気行程から吸気行程に至るTDCの前後においては、吸気バルブ及び排気バルブが共に開いた状態を示す正のバルブオーバラップ期間TP、又は、吸気バルブ及び排気バルブが共に閉じた状態を示す負のバルブオーバラップ期間TNが設定されている。なお、図3では説明の便宜上、これらのバルブオーバラップ期間TP、TNを斜線ハッチングで示している。

0044

通常、点火装置によるSI燃焼では、吸気充填効率を高めるために、上記した正のバルブオーバラップ期間を設けている。しかしながら、HCCI燃焼では、吸気バルブ及び排気バルブが共に開いてしまうと筒内温度の低下が起きてしまうため、負のバルブオーバラップ期間を設けることで筒内温度の低下を防止している。

0045

具体的に本実施の形態では、エンジン負荷に応じて各バルブオーバラップ期間TP、TNを変更するように構成されている。図3に示すように、領域H1から領域H3に向かってエンジン負荷が高くなるに従って、負のバルブオーバラップ期間TNが短くなるようにバルブタイミングが調整される。そして、領域H(領域H3)から領域Sに移行する境界部分では、負のバルブオーバラップ期間TNがゼロになる。さらにエンジン負荷が高くなると、徐々に正のバルブオーバラップ期間TPが長くなるようにバルブタイミングが調整される。

0046

次に、図4を参照して、燃焼マップの各領域における燃料の噴射タイミング等について説明する。図4は、本実施の形態に係るエンジンにおいて、エンジン負荷に対する燃料噴射タイミングを示すグラフである。なお、図4における横軸及び縦軸は、図3と同様であるため、説明を省略する。また、図4では説明の便宜上、燃料噴射を実施している時間をドットのハッチングで示している。

0047

図4に示すように、領域H1においては、負のバルブオーバラップ期間TNで一回燃料が噴射された後、吸気行程時のBDCの手前において、もう一回燃料が噴射される。このように、負のバルブオーバラップ期間TNで燃料が噴射されることにより、前サイクルの燃焼熱に加えて燃焼前の筒内温度を上昇させることができる。この結果、混合気の自己着火に必要な温度を確保することができ、失火を防止しつつ自己着火を促進することが可能になる。

0048

特に、エンジン負荷の低い領域H1は、混合気が自己着火し難い領域であり、負のオーバラップ期間TNで燃料を噴射して自己着火をし易くすることにより、全体としてHCCI運転が可能な領域Hを拡大することができる。この結果、更なる燃費の向上を実現することができる。なお、負のバルブオーバラップ期間TNにおける燃料噴射量は、次の燃焼までに噴射される燃料のうち、50%以下に調整されることが好ましい。

0049

領域H2においては、吸気行程時に一回だけ燃料が噴射される。具体的に領域H2では、エンジン負荷が高くなるにつれて燃料の噴射時間が長くなると共に、燃料の噴射タイミングが圧縮行程開始直前(IVC)に近づくように調整される。このように、領域H2では、吸気行程時に燃料を噴射することで、混合気が燃焼開始するまでの間に、空気と燃料が混合するまでの時間を確保することができる。この結果、筒内で均質化された混合気を燃焼させることができ、燃焼効率の高い燃焼を行うことが可能になる。

0050

領域H3では、圧縮行程中の燃焼開始前までに少なくとも2回以上(図4では2回)燃料が噴射される。具体的に領域H3では、エンジン負荷が高くなるにつれて、燃料の噴射タイミングが遅らされる。領域H3では、複数回に分けて燃料を噴射することで混合気にムラができる。この結果、成層燃焼を行うことができ、燃焼を緩慢化させることができる。よって、比較的エンジン負荷が高い領域H3においても、HCCI運転が可能となり、更なる燃費の向上が実現される。また、混合気が成層燃焼されることで、混合気を全体的に効率よく燃焼させることができ、排ガス性能の低下を防止することもできる。

0051

領域Sでは、IVCのタイミングの前後において、領域Hに比べて比較的長い期間で燃料噴射が実施される。また、エンジン負荷が高くなるにつれてIVCのタイミングが徐々に早まるのに合わせ、燃料噴射のタイミングが徐々に早められる。領域Sでは、燃料噴射の後に点火装置(不図示)による点火が行われる。

0052

上記のように、本実施の形態では、エンジン負荷に応じて燃料の噴射タイミングや噴射回数を調整することにより、エンジンの状態に応じて燃焼方式(領域H1〜H3、領域Hから領域S)を切替えることが可能になっている。

0053

特に、予混合圧縮着火から火花点火に切替わる際、すなわち、領域H(領域H3)から領域Sに移行する際には、負のバルブオーバラップ期間TNをゼロにすると共に、点火装置による火花点火を開始する。このように、負のバルブオーバラップ期間TNを無くすことで、エンジン負荷を高めることなく急激なトルク変動を防止することができ、予混合圧縮着火から火花点火へスムーズに切替えることが可能になる。

0054

また、領域H1から領域Sに移行する場合には、直接領域Sに移行するのではなく、領域H2、H3を経由してから領域Sに移行することが好ましい。同様に、領域H2から領域Sに移行する場合には、直接領域Sに移行するのではなく、領域H3を経由してから領域Sに移行することが好ましい。これらの場合には、エンジン負荷が段階的に大きくなると共に、負のバルブオーバラップ期間TNが段階的に短くなる。このため、上記と同様に、急激なトルク変動を防止することができ、予混合圧縮着火から火花点火へスムーズに切替えることが可能になる。

0055

次に、図5から図7を参照して、本実施の形態に係るエンジンの制御フローについて説明する。図5から図7は、本実施の形態に係るエンジンの制御フローを示す図である。具体的に、図5は火花点火か予混合圧縮着火かを選択するまでの制御フローを示し、図6は予混合圧縮着火の場合の制御フローを示し、図7は火花点火の場合の制御フローを示している。なお、以下に示す制御フローでは、特に明示が無い限り、動作(判定)の主体はECUとする。

0056

図5に示すように、制御が開始されると、先ず、要求エンジン負荷及びエンジン回転数が算出される(ステップST101)。エンジン1(図1参照)では、アクセル開度に応じて筒内に供給される吸入空気の量が調整され、筒内圧力が変化すると共に、エンジン回転数も変化する。この場合、アクセル開度から要求エンジン負荷が算出され、クランクセンサ(不図示)の出力値からエンジン回転数が算出される。

0057

次に、エンジン水温が測定され(ステップST102)、燃焼マップが読み込まれる(ステップST103)。そして、エンジン水温が閾値以上であるか、且つエンジン1の状態がHCCI領域(領域H:図2参照)に属しているか否かが判定される(ステップST104)。

0058

エンジン水温が閾値以上であり、エンジン1の状態が領域Hに属している場合(ステップST104:YES)、図6に示すように、第1HCCI領域(領域H1:図2参照)に属しているか否かが判定される(ステップST201)。領域H1に属している場合(ステップST201:YES)、負のバルブオーバラップ期間TNで燃料を噴射した後、吸気行程でもう一度燃料が噴射されて(ステップST202)、制御が終了する。

0059

領域H1に属していない場合(ステップST201:NO)、第2HCCI領域(領域H2:図2参照)に属しているか否かが判定される(ステップST203)。領域H2に属している場合(ステップST203:YES)、吸気行程で燃料が噴射されて(ステップST204)、制御が終了する。

0060

領域H2に属していない場合(ステップST203:NO)、第3HCCI領域(領域H3:図2参照)に属していると判定され、圧縮行程中の燃焼開始までに少なくとも2回燃料が噴射される(ステップST205)。そして、最後の燃料噴射が混合気の燃焼開始前までに終了したか否かが判定される(ステップST206)。

0061

最後の燃料噴射が混合気の燃焼開始前までに終了した場合(ステップST206:YES)、制御は終了する。一方、最後の燃料噴射が混合気の燃焼開始前までに終了しない場合(ステップST206:NO)、次サイクルの燃料噴射のタイミングを進角するフラグが立てられ(ステップST207)、制御が終了する。

0062

また、ステップST104において、エンジン水温が閾値より小さい、又はエンジン1の状態が領域Hに属していない場合(ステップST104:NO)、図7に示すように、触媒装置22(図1参照)又は過給機17(タービン17a:図1参照)の温度が閾値以下であるかどうかが判定される(ステップST301)。なお、触媒装置22、又はタービン17aの温度は図示しない温度計によって測定される。触媒装置22、タービン17aの温度は、ECU26に記憶させたマップデータからエンジン1の駆動状態(燃料噴射量等)に基づいて求めてもよい。

0063

触媒装置22又はタービン17aの温度が閾値以下である場合(ステップST301:YES)、排気ガス中のNOx濃度が閾値以下であるか、且つエンジン1の状態がリーンSI領域(領域SL:図2参照)に属しているか否かが判定される(ステップST302)。

0064

なお、排気ガス中のNOx濃度(NOx排出量)は、エンジン1の下流に設けたNOxセンサ(不図示)を用いて検出することができる。また、エンジン1の駆動条件に基づいて予めNOx排出量を求めてマップデータとしてECU26に記憶させ、そのマップデータを参照するように構成してもよい。

0065

排気ガス中のNOx濃度が閾値以下であり、エンジン1の状態が領域SLに属している場合(ステップST302:YES)、リーンSI領域の条件で、理論空燃比より薄い濃度の混合気を燃焼するように燃料噴射及び点火制御が実施され(ステップST303)、制御が終了する。

0066

排気ガス中のNOx濃度が閾値より大きい、又はエンジン1の状態が領域SLに属していない場合(ステップST302:NO)、エンジン1の状態がストイキSI領域(領域SS:図2参照)に属していると判定される。この場合、ストイキSI領域の条件で、理論空燃比の混合気を燃焼するように燃料噴射及び点火制御が実施され(ステップST304)、制御が終了する。

0067

また、ステップST301において、触媒装置22又はタービン17aの温度が閾値より大きい場合(ステップST301:NO)、エンジン負荷が大きいとして、エンジン1の状態がリッチSI領域(領域SR:図2参照)に属していると判定される。この場合、リッチSI領域の条件で、理論空燃比より濃い濃度で混合気を燃焼するように燃料噴射及び点火制御が実施され(ステップST305)、制御が終了する。

0068

以上のように、本実施の形態によれば、負のバルブオーバラップ期間TNに燃料が噴射されることで、燃焼前の筒内温度を上昇させることができる。よって、混合気の自己着火に必要な温度を確保することができ、失火させることなく、適切に混合気を自己着火させることが可能になる。

0069

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている大きさや形状などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。

0070

また、上記した実施の形態においては、領域H3で、圧縮行程中の燃焼開始前までに2回燃料を噴射する構成としたが、この構成に限定されない。例えば、圧縮行程中の燃焼開始前までに3回以上燃料を噴射してもよい。

0071

また、上記した実施の形態においては、筒内圧力を筒内圧センサ12で検出する構成としたが、この構成に限定されない。筒内圧力の上昇量や筒内圧力を、エンジン1の駆動状態から算出するように構成してもよい。例えば、筒内圧力の上昇量を、時間やクランク角に対する筒内圧力の変化量として算出することが考えられる。

0072

また、上記した実施の形態において、領域Hでは点火装置を用いないとしたが、この構成に限定されない。例えば、エンジン負荷が比較的小さい領域H1においては、点火装置による点火アシストを行ってもよい。

0073

また、上記した実施の形態において、領域H2、H3及び領域Sでは、過給機17による過給及びEGRの導入を行うことが可能である。図8は、本実施の形態に係るエンジンにおいて、エンジン負荷に対する過給圧及びEGR弁開度を示す図である。図8Aはエンジン負荷に対する過給圧を示し、図8Bはエンジン負荷に対するEGR弁開度を示している。図8においては横軸がエンジン負荷を示し、図8Aの縦軸が過給圧を示し、図8Bの縦軸がEGR弁開度を示している。

0074

図8Aに示すように、過給圧は、領域H1においては比較的低く、領域H2から領域H3に至るにつれて高くなっている。また、領域Sでは過給圧が高い状態で維持されている。図8Bに示すように、EGR弁開度は、領域H1においては比較的小さく、領域H2から領域H3に至るにつれて大きくなっている。また、領域Sではエンジン負荷が大きくなるにつれてEGR弁開度が小さくなっている。この場合、特に領域H3では、圧縮行程中の複数回噴射による混合気の燃焼緩慢化に加え、過給機17による過給及びEGRの導入により、更なる混合気の燃焼緩慢化を図ることが可能である。

0075

以上説明したように、本発明は、筒内温度を低下させることなく、混合気を適切に自己着火させることができるという効果を有し、特に、予混合圧縮着火式のエンジン及びこれを備えた車両に有用である。

0076

1エンジン
11燃料噴射装置
26 ECU
HHCCI領域(予混合圧縮着火領域)
H1 第1HCCI領域(第1の予混合圧縮着火領域)
H2 第2HCCI領域(第2の予混合圧縮着火領域)
H3 第3HCCI領域(第3の予混合圧縮着火領域)
S SI領域(火花点火領域)
SSストイキSI領域
SLリーンSI領域
SRリッチSI領域
TN 負のバルブオーバラップ期間
TP正のバルブオーバラップ期間

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