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図面 (18)

課題

燃焼騒音許容値以下に抑えながら、圧縮着火を伴う燃焼を行う。

解決手段

過給機付きエンジン1は、エンジン本体2と、点火部(点火プラグ25)と、燃料噴射部(インジェクタ6)と、過給機44と、制御部(ECU10)と、を備える。エンジン本体は、幾何学的圧縮比が14以上であると共に、所定負荷よりも負荷が高いときに、有効圧縮比を幾何学的圧縮比の8割以上にしかつ、点火部の点火によって混合気火炎伝播による燃焼を開始した後、未燃混合気が圧縮着火により燃焼をする。過給機は、エンジン本体の負荷が所定負荷よりも高いときに、過給を行い、制御部は、燃料噴射終了時期圧縮行程の後半になるよう燃料噴射部に制御信号を出力すると共に、圧縮上死点以降に燃焼室内の混合気に点火をするよう点火部に制御信号を出力する。

概要

背景

特許文献1には、低負荷低回転の所定領域において、燃焼室内の混合気圧縮着火により燃焼させるエンジンが開示されている。このエンジンでは、前記所定領域よりも負荷の高い領域と、前記所定領域よりも回転数の高い領域とにおいては、火花点火により混合気を燃焼させる。また、このエンジンでは、前記所定領域においても、点火プラグ圧縮上死点付近で火花点火を行うことにより、混合気の圧縮着火を促進する。

特許文献2には、高負荷領域において、燃料室内の混合気を圧縮着火により燃焼させるエンジンが開示されている。このエンジンでは、高負荷且つ高回転の領域において、圧縮着火燃焼用の混合気を形成する前段噴射後段噴射との間に、着火アシストのための少量の燃料噴射を行い、点火プラグの付近リッチな混合気を形成する。そして、点火プラグが付近のリッチな混合気に点火を行って火炎を形成することにより、前段噴射によって形成された混合気が圧縮着火すると共に、その圧縮着火と同時に行われる後段噴射によって形成された混合気も、その後に圧縮着火する。

概要

燃焼騒音許容値以下に抑えながら、圧縮着火を伴う燃焼を行う。過給機付きエンジン1は、エンジン本体2と、点火部(点火プラグ25)と、燃料噴射部(インジェクタ6)と、過給機44と、制御部(ECU10)と、を備える。エンジン本体は、幾何学的圧縮比が14以上であると共に、所定負荷よりも負荷が高いときに、有効圧縮比を幾何学的圧縮比の8割以上にしかつ、点火部の点火によって混合気が火炎伝播による燃焼を開始した後、未燃混合気が圧縮着火により燃焼をする。過給機は、エンジン本体の負荷が所定負荷よりも高いときに、過給を行い、制御部は、燃料噴射終了時期圧縮行程の後半になるよう燃料噴射部に制御信号を出力すると共に、圧縮上死点以降に燃焼室内の混合気に点火をするよう点火部に制御信号を出力する。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
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請求項1

燃焼室を有するエンジン本体と、前記燃焼室に配置された点火部と、前記燃焼室内に臨んで配置されかつ、少なくともガソリンを含む燃料噴射する燃料噴射部と、前記燃焼室に接続された吸気通路に配設された過給機と、前記点火部及び前記燃料噴射部に接続されかつ、前記点火部及び前記燃料噴射部のそれぞれに制御信号を出力する制御部と、を備え、前記エンジン本体は、幾何学的圧縮比が14以上であると共に、所定負荷よりも負荷が高いときに、有効圧縮比を前記幾何学的圧縮比の8割以上にしかつ、前記点火部の点火によって混合気火炎伝播による燃焼を開始した後、未燃混合気圧縮着火により燃焼をし、前記過給機は、前記エンジン本体の負荷が前記所定負荷よりも高いときに、前記燃焼室内に導入するガス過給を行い、前記制御部は、前記エンジン本体の負荷が前記所定負荷よりも高いときに、燃料の噴射終了時期圧縮行程の後半になるよう前記燃料噴射部に制御信号を出力すると共に、圧縮上死点以降に前記燃焼室内の混合気に点火をするよう前記点火部に制御信号を出力する過給機付きエンジン

請求項2

請求項1に記載の過給機付きエンジンにおいて、前記燃焼室に接続された排気通路と前記吸気通路とをつなぐEGR通路を有しかつ、前記制御部の制御信号を受けて、前記吸気通路にEGRガス還流する外部EGRシステムを備え、前記制御部は、前記エンジン本体の負荷が前記所定負荷よりも高いときに、前記EGRガスを前記吸気通路に還流するよう前記外部EGRシステムに制御信号を出力する過給機付きエンジン。

請求項3

請求項2に記載の過給機付きエンジンにおいて、前記EGR通路は、前記排気通路に配設された触媒装置の下流と、前記吸気通路の前記過給機の上流とをつなぎ、前記制御部は、前記エンジン本体の負荷が前記所定負荷よりも高いときに、前記燃焼室内の全ガスに対するEGRガスの割合が20%以上になるよう、前記外部EGRシステムに制御信号を出力する過給機付きエンジン。

請求項4

請求項2又は3に記載の過給機付きエンジンにおいて、前記外部EGRシステムは、前記EGR通路に配設されかつ、前記EGRガスを冷却するEGRクーラーを有している過給機付きエンジン。

請求項5

請求項1〜4のいずれか1項に記載の過給機付きエンジンにおいて、圧縮上死点における前記燃焼室内の温度である圧縮端温度推定に必要なパラメータを検知する検知部を備え、前記制御部は、前記検知部の推定信号を受けて、前記圧縮端温度が所定温度を超えるときには、圧縮上死点以降に前記燃焼室内の混合気に点火をするよう前記点火部に制御信号を出力する共に、前記圧縮端温度が所定温度以下のときには、圧縮上死点よりも前に前記燃焼室内の混合気に点火をするよう前記点火部に制御信号を出力する過給機付きエンジン。

請求項6

請求項5に記載の過給機付きエンジンにおいて、前記燃料噴射部は、前記エンジン本体の負荷が前記所定負荷よりも高いときには、吸気行程中の第1噴射と、圧縮行程中の第2噴射とを行い、前記制御部は、前記圧縮端温度が所定温度を超えるときには、前記圧縮端温度が所定温度以下のときよりも前記第1噴射の噴射量を減らしかつ、前記圧縮端温度が所定温度以下のときよりも前記第2噴射の噴射量を増やす過給機付きエンジン。

請求項7

請求項6に記載の過給機付きエンジンにおいて、前記制御部は、前記圧縮端温度が所定温度を超えるときには、前記圧縮端温度が所定温度以下のときよりも、前記第2噴射の噴射開始時期進角する過給機付きエンジン。

技術分野

0001

ここに開示する技術は、過給機付きエンジンに関する。

背景技術

0002

特許文献1には、低負荷低回転の所定領域において、燃焼室内の混合気圧縮着火により燃焼させるエンジンが開示されている。このエンジンでは、前記所定領域よりも負荷の高い領域と、前記所定領域よりも回転数の高い領域とにおいては、火花点火により混合気を燃焼させる。また、このエンジンでは、前記所定領域においても、点火プラグ圧縮上死点付近で火花点火を行うことにより、混合気の圧縮着火を促進する。

0003

特許文献2には、高負荷領域において、燃料室内の混合気を圧縮着火により燃焼させるエンジンが開示されている。このエンジンでは、高負荷且つ高回転の領域において、圧縮着火燃焼用の混合気を形成する前段噴射後段噴射との間に、着火アシストのための少量の燃料噴射を行い、点火プラグの付近リッチな混合気を形成する。そして、点火プラグが付近のリッチな混合気に点火を行って火炎を形成することにより、前段噴射によって形成された混合気が圧縮着火すると共に、その圧縮着火と同時に行われる後段噴射によって形成された混合気も、その後に圧縮着火する。

先行技術

0004

特許4082292号公報
特許5447435号公報

発明が解決しようとする課題

0005

ところで、前述した従来の圧縮着火による燃焼を行うエンジンでは、比較的大きな燃焼騒音を発する。例えば、エンジンが、全開負荷を含むような高負荷領域において運転しているときに、圧縮着火による燃焼を行おうとすると、燃焼騒音が許容値を超えてしまう場合がある。

0006

ここに開示する技術は、燃焼騒音を許容値以下に抑えながら、圧縮着火を伴う燃焼を行う。

課題を解決するための手段

0007

本願発明者らは、SI(SparkIgnition)燃焼とCI(Compression Ignition)とを組み合わせる燃焼形態を考えた。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自己着火することにより開始する燃焼である。これらSI燃焼とCI燃焼とを組み合わせた燃焼形態とは、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と、SI燃焼の発熱及び火炎伝播による圧力上昇を以て、燃焼室の中の未燃混合気が圧縮着火により燃焼する形態である。この形態を、以下においてはSPCCI(SPark Controlled Compression Ignition)燃焼と呼ぶ。

0008

圧縮着火による燃焼は、圧縮開始前の燃焼室の中の温度がばらつくと、圧縮着火のタイミングが大きく変化する。SPCCI燃焼においては、SI燃焼の発熱量を調整することによって、圧縮開始前の燃焼室の中の温度のばらつきを吸収することができる。圧縮開始前の燃焼室の中の温度に応じて、点火タイミングの調整などによりSI燃焼の開始タイミングを調整すれば、圧縮着火のタイミングをコントロールすることができる。つまり、SPCCI燃焼では、SI燃焼によってCI燃焼をコントロールすることができる。

0009

SPCCI燃焼においては、火炎伝播によるSI燃焼の圧力上昇がCI燃焼よりも緩やかであるため、燃焼騒音の発生を抑制することが可能になる。また、CI燃焼はSI燃焼よりも燃焼期間を短縮するため、SPCCI燃焼は燃費の向上に有利になる。

0010

こうしたSPCCI燃焼を行うエンジンにおいて、熱効率の向上を目的として幾何学的圧縮比が14以上となるような高圧縮比とした場合、エンジンの負荷が高いときには燃料噴射量が増えて燃焼室内の温度が高くなるから、圧縮端温度(つまり、ピストンが圧縮上死点に至ったときの燃焼室内の温度)が高くなりすぎてしまう。また、燃料噴射量が増えることに対応するために吸気過給を行うと、圧縮端温度及び圧縮端圧力がさらに高くなる。その結果、SPCCI燃焼におけるSI燃焼がほとんど行われないうちにCI燃焼が開始してしまい、燃焼騒音が増大してしまう恐れがある。

0011

そこで、ここに開示する技術は、エンジンの負荷が高いときには、SPCCI燃焼における点火時期を圧縮上死点以降に遅らせる。

0012

具体的に、ここに開示する技術は、過給機付きエンジンを対象とする。このエンジンは、燃焼室を有するエンジン本体と、前記燃焼室に配置された点火部と、前記燃焼室内に臨んで配置されかつ、少なくともガソリンを含む燃料噴射する燃料噴射部と、前記燃焼室に接続された吸気通路に配設された過給機と、前記点火部及び前記燃料噴射部に接続されかつ、前記点火部及び前記燃料噴射部のそれぞれに制御信号を出力する制御部と、を備える。

0013

そして、前記エンジン本体は、幾何学的圧縮比が14以上であると共に、所定負荷よりも負荷が高いときに、有効圧縮比を前記幾何学的圧縮比の8割以上にしかつ、前記点火部の点火によって混合気が火炎伝播による燃焼を開始した後、未燃混合気が圧縮着火により燃焼をし、前記過給機は、前記エンジン本体の負荷が前記所定負荷よりも高いときに、前記燃焼室内に導入するガスの過給を行い、前記制御部は、前記エンジン本体の負荷が前記所定負荷よりも高いときに、燃料の噴射終了時期圧縮行程の後半になるよう前記燃料噴射部に制御信号を出力すると共に、圧縮上死点以降に前記燃焼室内の混合気に点火をするよう前記点火部に制御信号を出力する。

0014

ここで、「エンジン」は、燃焼室が吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程を繰り返すことにより運転する4ストロークエンジンとすればよい。「エンジン本体の負荷が所定負荷よりも高い」とは、エンジン本体が、いわゆる高負荷領域で運転していること、としてもよい。所定負荷は、例えば燃焼圧力が900kPa以上となる負荷としてもよい。「圧縮行程の後半」は、圧縮行程の期間を前半と後半とに二等分したときの後半としてもよい。また、「燃料の噴射終了時期が圧縮行程の後半になるよう」燃料を噴射するときに、燃料の噴射開始は任意のタイミングを含む。燃料は複数回に分けて噴射をしてもよい。その場合、最後の燃料噴射の噴射終了時期が圧縮行程の後半としてもよい。

0015

前記の構成によると、エンジン本体の負荷が所定負荷よりも高いときには、点火部の点火によって混合気が火炎伝播による燃焼を開始した後、未燃混合気が圧縮着火により燃焼をする。つまり、エンジン本体はSPCCI燃焼を行う。

0016

エンジン本体の負荷が所定負荷よりも高いときに、有効圧縮比は幾何学的圧縮比の8割以上とする。つまり、エンジン本体の有効圧縮比は比較的高い圧縮比に維持されている。また、過給機は、エンジン本体の負荷が所定負荷よりも高いときに、燃焼室内に導入するガスを過給する。これにより、エンジン本体の負荷が高いときに、十分な量の新気を燃焼室内に導入することが可能になる。一方で、エンジン本体の負荷が所定負荷よりも高いときに、有効圧縮比が高くかつ、過給を行うため、圧縮端温度は高くなる。

0017

燃料噴射部は、燃料の噴射終了時期が圧縮行程の後半になるように燃料を噴射する。圧縮上死点に近いタイミングで燃焼室内に燃料を噴射するため、燃料の気化潜熱によって圧縮端温度を下げることが可能になる。

0018

そして、エンジン本体の負荷が所定負荷よりも高いときには、点火部は、圧縮上死点以降に燃焼室内の混合気に点火をする。膨張行程においてSI燃焼が開始するため、SPCCI燃焼において、SI燃焼を十分に行った後で、圧縮着火によるCI燃焼を開始することができる。その結果、燃焼騒音が増大してしまうことが防止される。

0019

この場合、膨張行程においてCI燃焼を行うことになるが、CI燃焼は、膨張行程においても燃焼期間を比較的短くすることができるから、SPCCI燃焼の燃焼重心が、圧縮上死点から大きく離れてしまうことが防止される。

0020

例えば、SPCCI燃焼ではなくSI燃焼において点火時期を膨張行程にリタードすると、膨張行程中のSI燃焼の燃焼期間が長くなってしまい、SI燃焼の燃焼重心は圧縮上死点から大きく離れてしまう。これに対し、SPCCI燃焼において点火時期を膨張行程にリタードすると、前述の通り、SPCCI燃焼の燃焼重心は圧縮上死点から大きく離れない。すなわち、エンジン本体の負荷が高いときにSPCCI燃焼における点火時期を圧縮上死点以降に遅らせることにより、エンジンの熱効率が低下してしまうことを抑制しながら、燃焼騒音を防止することができる。

0021

前記エンジンは、前記燃焼室に接続された排気通路と前記吸気通路とをつなぐEGR通路を有しかつ、前記制御部の制御信号を受けて、前記吸気通路にEGRガス還流する外部EGRシステムを備え、前記制御部は、前記エンジン本体の負荷が前記所定負荷よりも高いときに、前記EGRガスを前記吸気通路に還流するよう前記外部EGRシステムに制御信号を出力する、としてもよい。

0022

この構成によると、エンジン本体の負荷が高いときに、外部EGRシステムによってEGRガス(不活性ガス)を吸気通路に還流させて燃焼室に導入する。EGRガスを燃焼室内に導入することにより、SPCCI燃焼におけるSI燃焼が緩慢になり、燃焼騒音の抑制に有利になる。

0023

ここで、EGRガスを燃焼室内に導入すると、自然吸気の状態では、燃焼室内の酸素量が燃焼室内の全ガスに対するEGRガスの割合に応じて低下する。これに対し、前記の構成では、エンジン本体の負荷が高いときに、過給機が燃焼室に導入するガスの過給を行っているため、新気及びEGRガスの両方を十分に燃焼室に導入することができる。

0024

前記EGR通路は、前記排気通路に配設された触媒装置の下流と、前記吸気通路の前記過給機の上流とをつなぎ、前記制御部は、前記エンジン本体の負荷が前記所定負荷よりも高いときに、前記燃焼室内の全ガスに対するEGRガスの割合が20%以上になるよう、前記外部EGRシステムに制御信号を出力する、としてもよい。

0025

この構成による外部EGRシステムは、EGR通路が触媒装置の下流と過給機の上流とをつなぐため、いわゆる低圧EGRシステムを構成する。低圧EGRシステムによって燃焼室内に導入されるEGRガスは、高圧EGRシステム(つまり、EGR通路が触媒装置の上流と過給機の下流とをつなぐ構成のEGRシステム)よりも温度が低下する。燃焼室内の全ガスに対するEGRガスの割合(つまり、EGR率)が20%以上であって、比較的多量のEGRガスを燃焼室内に導入するときに、燃焼室内の温度が高くなることが抑制される。その結果、SPCCI燃焼におけるSI燃焼を緩慢にすることができ、燃焼騒音の抑制に有利になる。

0026

尚、EGR率を20%以上にするとエンジンの燃費性能が向上する一方、本願発明者らの検討によれば、EGR率は35%を超えると火炎伝播がし難くなるため、SPCCI燃焼におけるSI燃焼が急激に不安定となる。EGR率の上限は、例えば35%としてもよい。こうすることで、エンジンの燃費を好適に改善することができる。

0027

前記外部EGRシステムは、前記EGR通路に配設されかつ、前記EGRガスを冷却するEGRクーラーを有している、としてもよい。

0028

EGRクーラーによって冷却したEGRガスを燃焼室に導入することによって、燃焼室内の温度が高くなり過ぎることを抑制することができる。SPCCI燃焼を適切に行って、燃焼騒音を抑制しながら、エンジンの燃費性能の向上が図られる。

0029

前記過給機付きエンジンは、圧縮上死点における前記燃焼室内の温度である圧縮端温度の推定に必要なパラメータを検知する検知部を備え、前記制御部は、前記検知部の推定信号を受けて、前記圧縮端温度が所定温度を超えるときには、圧縮上死点以降に前記燃焼室内の混合気に点火をするよう前記点火部に制御信号を出力すると共に、前記圧縮端温度が所定温度以下のときには、圧縮上死点よりも前に前記燃焼室内の混合気に点火をするよう前記点火部に制御信号を出力する、としてもよい。

0030

こうすることで、検知したパラメータに基づき推定をした圧縮端温度が所定温度を超えるときには、前述したように、圧縮上死点以降に混合気に点火をすることにより、SPCCI燃焼において燃焼騒音が増大してしまうことを回避することができると共に、エンジンの燃費性能が低下することが防止される。

0031

一方、推定をした圧縮端温度が所定温度以下のときには、圧縮上死点よりも前に混合気に点火をすることにより、SPCCI燃焼において燃焼騒音を防止しながら、エンジンの燃費性能を向上させることができる。

0032

前記燃料噴射部は、前記エンジン本体の負荷が前記所定負荷よりも高いときには、吸気行程中の第1噴射と、圧縮行程中の第2噴射とを行い、前記制御部は、前記圧縮端温度が所定温度を超えるときには、前記圧縮端温度が所定温度以下のときよりも前記第1噴射の噴射量を減らしかつ、前記圧縮端温度が所定温度以下のときよりも前記第2噴射の噴射量を増やす、としてもよい。

0033

吸気行程中に第1噴射を行うことによって、燃焼室内に均質又は略均質な混合気を形成することができる。圧縮行程中に第2噴射を行うことによって、圧縮上死点前に、燃焼室内の温度を燃料の気化潜熱によって低下することができ、圧縮端温度が高くなり過ぎることが防止される。

0034

圧縮端温度が所定温度を超えるときには、第1噴射の噴射量を少なくする。混合気の化学反応が進みすぎてしまうことを防止することができる。また、第1噴射の噴射量を少なくした分、第2噴射の噴射量を多くする。圧縮上死点前の、気化潜熱による温度の低下が大きくなる。これらの結果、SPCCI燃焼において燃焼騒音が増大してしまうことを防止することができる。

0035

前記制御部は、前記圧縮端温度が所定温度を超えるときには、前記圧縮端温度が所定温度以下のときよりも、前記第2噴射の噴射開始時期進角する、としてもよい。

0036

つまり、圧縮行程中の第2噴射の噴射量が増えたときに、第2噴射の噴射終了時期を遅らせないことにより、噴射終了から点火までの時間を長く確保することができる。燃料の気化時間を十分に確保することができるから、未燃成分の増加や、の発生を抑制することができる。

発明の効果

0037

前記の過給機付きエンジンは、圧縮着火を伴う燃焼時に燃焼騒音の発生を抑制することができる。

図面の簡単な説明

0038

図1は、エンジンの構成を例示する図である。
図2は、燃焼室の構成を例示する図である。
図3は、燃焼室及び吸気系の構成を例示する平面図である。
図4は、エンジンの制御装置の構成を例示するブロック図である。
図5は、エンジンの運転領域マップを例示する図である。
図6は、各運転領域における燃料噴射時期及び点火時期と燃焼波形とを例示する図である。
図7の上図は、SPCCI燃焼を行う運転領域における吸気弁開弁時期を例示する図であり、図7下図は、SPCCI燃焼を行う運転領域における排気弁閉弁時期を例示する図である。
図8は、SPCCI燃焼を行う運転領域における吸気弁及び排気弁の開閉時期及びポジティブオーバーラップ期間を例示する図である。
図9は、SPCCI燃焼を行う運転領域における外部EGRによるEGR率を例示する図である。
図10は、高負荷領域における外部EGRによるEGR率と燃費との関係を示す図である。
図11は、スワール比測定のためのリグ試験装置を例示する図である。
図12は、セカンダリ通路開口比率とスワール比との関係を例示する図である。
図13は、高負荷中回転領域における燃料噴射時期及び点火時期と燃焼波形とを例示する図である。
図14Aは、エンジンの制御プロセスの一部を例示するフローチャートである。
図14Bは、エンジンの制御プロセスの一部を例示するフローチャートである。
図15は、図1とは異なるエンジンの構成を例示する図である。
図16は、図15のエンジンの運転領域マップを例示する図である。

実施例

0039

以下、過給機付きエンジンの例示的な実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。図1は、エンジン1の構成を例示する図である。図2は、燃焼室17の構成を例示する図である。この図2において、上図は燃焼室17の平面視相当図であり、下図は上図のII−II線における断面図である。図3は、燃焼室17及び吸気系の構成を例示する図である。図4は、エンジンの制御装置の構成を例示するブロック図である。なお、図1において、吸気側紙面左側であり、排気側は紙面右側である。また、図2及び図3において、吸気側は紙面左側であり、排気側は紙面左側である。

0040

エンジン1は、燃焼室17が吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程を繰り返すことにより運転する4ストロークエンジンである。エンジン1は、四輪の自動車に搭載される。自動車は、エンジン1が運転することによって走行する。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。燃料は、バイオエタノール等を含むガソリンであってもよい。エンジン1の燃料は、少なくともガソリンを含む液体燃料であれば、どのような燃料であってもよい。

0041

〈エンジンの構成〉
エンジン1は、多気筒エンジンである。このエンジン1は、図1に示すように、燃焼室17を有するエンジン本体2を備える。エンジン本体2は、シリンダブロック12と、シリンダブロック12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の内部には、複数のシリンダ11が形成されている。図1及び図2では、一つのシリンダ11のみを示す。

0042

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及びシリンダヘッド13と共に燃焼室17を区画する。ここで、「燃焼室」は、ピストン3が圧縮上死点に至ったときの空間の意味に限定されない。「燃焼室」の語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及びシリンダヘッド13によって形成される空間を意味する場合がある。

0043

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。他方、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。

0044

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、後述するインジェクタ6と向かい合う。キャビティ31の中心は、シリンダ11の中心軸X1に対して排気側にずれており、インジェクタ6の噴射軸心X2と一致している。

0045

キャビティ31は、凸部311を有している。凸部311は、インジェクタ6の噴射軸心X2上に設けられている。この凸部311は、略円錐形状とされており、キャビティ31の底部から燃焼室17の天井面に向かって上向きに延びている。キャビティ31は、インジェクタ6の噴射軸心X2に対して対称な形状を有している。

0046

キャビティ31はまた、凸部311の周囲に設けられた凹陥部312を有している。凹陥部312は、凸部311の全周を囲むように設けられている。凹陥部312の周側面は、キャビティ31の底面からキャビティ31の開口に向かって噴射軸心X2に対し傾いている。凹陥部312におけるキャビティ31の内径は、キャビティ31の底部からキャビティ31の開口に向かって次第に拡大している。

0047

なお、燃焼室17の形状は、図2に例示する形状に限定されるものではない。すなわち、キャビティ31の形状、ピストン3の上面の形状、及び燃焼室17の天井面の形状などは、適宜変更することが可能である。例えば、キャビティ31は、シリンダ11の中心軸X1に対して対称な形状にしてもよい。傾斜面1311と傾斜面1312とは、シリンダ11の中心軸X1に対して対称な形状にしてもよい。また、キャビティ31において、後述する点火プラグ25に向かい合う箇所に、凹陥部312よりも底の浅い浅底部を設けてもよい。

0048

エンジン本体2の幾何学的圧縮比は、14以上且つ30以下に設定されている。後述するように、エンジン本体2は、一部の運転領域において、SI燃焼とCI燃焼とを組み合わせたSPCCI燃焼を行う。SPCCI燃焼は、SI燃焼による発熱と圧力上昇とを利用して、CI燃焼を行う。このエンジン1では、混合気の自着火のためにピストン3が圧縮上死点に至ったときの燃焼室17の温度、つまり圧縮端温度を高くする必要がない。

0049

すなわち、エンジン1はCI燃焼を行うものの、その幾何学的圧縮比は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、冷却損失の低減及び機械損失の低減に有利になる。エンジン本体2の幾何学的圧縮比は、レギュラー仕様(燃料のオクタン価が91程度)においては14以上且つ17以下とし、ハイオク仕様(燃料のオクタン価が96程度)においては15以上且つ18以下としてもよい。

0050

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。吸気ポート18は、図3に示すように、第1吸気ポート181及び第2吸気ポート182の二つの吸気ポートを有している。第1吸気ポート181及び第2吸気ポート182は、クランクシャフト15の軸方向、つまりエンジン本体2のフロントリヤ方向に並んでいる。吸気ポート18は、燃焼室17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、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。

0051

吸気ポート18には、吸気弁21が設けられている。吸気弁21は、燃焼室17と吸気ポート18との間で吸気ポート18を開閉する。エンジン本体2には、吸気弁21の動弁機構が設けられている。吸気弁21は、その動弁機構によって所定のタイミングで開閉する。吸気弁21の動弁機構は、バルブタイミング及び/又はバルブリフト可変にする可変動弁機構とすればよい。

0052

本構成例においては、可変動弁機構は、吸気弁21の開弁角を一定としつつ吸気弁21の開閉時期を可変とする位相式の可変動弁機構であって、図4に示すように、吸気電動S−VT(Sequential-Valve Timing)23を有している。吸気電動S−VT23は、吸気カムシャフト回転位相を所定の角度範囲内で連続的に変更するように構成されている。それによって、吸気弁21の開弁時期及び閉弁時期は連続的に変化する。なお、吸気弁21の動弁機構は、電動S−VTに代えて、油圧式のS−VTを有していてもよい。

0053

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、図3に示すように、第1排気ポート191及び第2排気ポート192の二つの排気ポートを有している。第1排気ポート191及び第2排気ポート192は、エンジン本体2のフロント−リヤ方向に並んでいる。排気ポート19は、燃焼室17に連通している。

0054

排気ポート19には、排気弁22が設けられている。排気弁22は、燃焼室17と排気ポート19との間で排気ポート19を開閉する。エンジン本体2には、排気弁22の動弁機構が設けられている。排気弁22は、その動弁機構によって所定のタイミングで開閉する。排気弁22の動弁機構は、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機構とすればよい。

0055

本構成例においては、可変動弁機構は、排気弁22の開弁角を一定としつつ排気弁22の開閉時期を可変とする位相式の可変動弁機構であって、図4に示すように、排気電動S−VT24を有している。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ように構成されている。それによって、排気弁22の開弁時期及び閉弁時期は連続的に変化する。なお、排気弁22の動弁機構は、電動S−VTに代えて油圧式のS−VTを有していてもよい。

0056

エンジン1は、吸気電動S−VT23及び排気電動S−VT24によって、吸気弁21の開弁時期と排気弁22の閉弁時期とに係るオーバーラップ期間の長さを調整する。このことによって、燃焼室17の中に熱い既燃ガス閉じ込める。つまり、内部EGR(Exhaust Gas Recirculation)ガスを燃焼室17の中に導入する。また、オーバーラップ期間の長さを調整することによって、燃焼室17の中の残留ガス(既燃ガス)を掃気する。

0057

シリンダヘッド13には、シリンダ11毎に、インジェクタ6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ように構成されている。インジェクタ6は、燃料噴射部の一例である。インジェクタ6は、吸気側の傾斜面1311と排気側の傾斜面1312とが交差するペントルーフの谷部において燃焼室17内に臨んで配置されており、キャビティ31に対向している。

0058

インジェクタ6の噴射軸心X2は、図2に示すように、シリンダ11の中心軸X1に平行とされており、シリンダ11の中心軸X1よりも排気側に位置している。このインジェクタ6の噴射軸心X2とキャビティ31の凸部311の位置とは一致している。なお、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。その場合も、インジェクタ6の噴射軸心X2とキャビティ31の凸部311の位置とは一致していることが望ましい。

0059

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の燃焼噴射弁によって構成されている。インジェクタ6は、図2二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りつつ、且つ燃焼室17の天井部から斜め下向きに広がるように燃料を噴射する。

0060

本構成例においては、インジェクタ6は、十個の噴口を有している。噴口は、インジェクタ6の周方向等角度に配置されている。噴口の軸の位置は、図2の上図に示すように、後述する点火プラグ25に対してインジェクタ6の周方向にずれている。つまり、点火プラグ25は、隣り合う2つの噴口の軸に挟まれている。これにより、インジェクタ6から噴射された燃料の噴霧が、点火プラグ25に直接当たって、電極を濡らしてしまうことが回避される。

0061

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に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、燃料ポンプコモンレール64とが設けられている。燃料ポンプ65は、コモンレール64に燃料を圧送する。

0062

本構成例においては、燃料ポンプ65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ように構成されている。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の噴口から燃焼室17の中に噴射される。

0063

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に構成されている。燃料供給システム61の最高燃料圧力は、例えば120MPa程度にしてもよい。インジェクタ6に供給する燃料の圧力は、エンジン本体2の運転状態に応じて変更してもよい。なお、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。

0064

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の中の混合気に強制的に点火をする。点火プラグ25は、点火部の一例である。

0065

本構成例においては、点火プラグ25は、図2にも示すように、燃焼室17でシリンダ11の中心軸X1を挟んだ吸気側に配置されている。この点火プラグ25は、インジェクタ6に隣接しており、二つの吸気ポートの間に位置している。また、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の中に臨んでおり、且つ燃焼室17の天井面の付近に位置している。

0066

エンジン本体2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11の吸気ポート18に連通し、吸気ポート18を介して燃焼室17に通じている。吸気通路40は、燃焼室17に導入されるガスが流れる通路である。吸気通路40の上流端部には、新気を濾過するエアクリーナー41が設けられている。吸気通路40の下流端近傍には、サージタンク42が設けられている。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。独立通路の下流端は、各シリンダ11の吸気ポート18に接続されている。

0067

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、スロットル弁43が設けられている。スロットル弁43は、弁の開度を調整することによって、燃焼室17への新気の導入量を調整するように構成されている。

0068

また、吸気通路40におけるスロットル弁43の下流には過給機44が設けられている。過給機44は、燃焼室17に導入される、吸気通路40内のガスを過給するように構成されている。

0069

本構成例においては、過給機44は、エンジン本体2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、例えばリショルム式としてもよい。機械式の過給機44の構成は、どのような構成であってもよい。機械式の過給機44は、ルーツ式、ベーン式又は遠心式であってもよい。

0070

過給機44とエンジン本体2との間には、電磁クラッチ45が設けられている。電磁クラッチ45は、過給機44とエンジン本体2との間で、エンジン本体2から過給機44へ駆動力を伝達したり、駆動力の伝達を遮断したりする。過給機44は、後述するように、ECU10が電磁クラッチ45の遮断及び接続を切り替えることによって、オンオフとが切り替わる。これにより、エンジン1は、過給機44が燃焼室17に導入されるガスを過給することと、過給機44が燃焼室17に導入されるガスを過給しないこととを切り替えられるようになっている。

0071

吸気通路40における過給機44の下流には、インタークーラー46が設けられている。インタークーラー46は、過給機44において圧縮されたガスを冷却するように構成されている。インタークーラー46は、例えば水冷式に構成すればよい。また、インタークーラー46は、油冷式であってもよい。

0072

吸気通路40にはまた、バイパス通路47が接続されている。バイパス通路47は、過給機44及びインタークーラー46をバイパスするように、吸気通路40における過給機44の上流部とインタークーラー46の下流部とを互いに接続する。バイパス通路47には、エアバイパス弁48が設けられている。エアバイパス弁48は、バイパス通路47を流れるガスの流量を調整する。

0073

過給機44をオフにしたとき、つまり電磁クラッチ45を遮断したときには、エアバイパス弁48を全開にする。これにより、吸気通路40を流れるガスは、過給機44をバイパスして、つまり過給機44及びインタークーラー46を通らずに、バイパス通路47を通ってサージタンク42に流入し、その後にエンジン本体2の燃焼室17に導入される。このとき、エンジン本体2は、非過給、つまり自然吸気の状態で運転する。

0074

過給機44をオンしたとき、つまり電磁クラッチ45を接続したときには、吸気通路40を流れるガスは、過給機44及びインタークーラー46を通過した後に、サージタンク42に流入する。このとき、エアバイパス弁48が開いていると、過給機44を通過したガスの一部がサージタンク42からバイパス通路47を通って、過給機44の上流に逆流する。そうしたガスの逆流量は、エアバイパス弁48の開度に応じて変化する。吸気通路40内のガスの過給圧は、エアバイパス弁48の開度調整によって制御することができる。

0075

本構成例においては、過給機44とバイパス通路47とエアバイパス弁48とによって、吸気通路40に過給システム49が構成されている。

0076

エンジン本体2は、燃焼室17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、図3に示すように、吸気通路40に取り付けられたスワールコントロール弁56である。スワールコントロール弁56は、第1吸気ポート181につながるプライマリ通路401と第2吸気ポート182につながるセカンダリ通路402とのうちセカンダリ通路402に設けられている。

0077

スワールコントロール弁56は、セカンダリ通路402の断面を絞ることができる開度調整弁である。燃焼室17内には、このスワールコントロール弁56の開度に応じた強さのスワール流が生じる。スワール流は、矢印で示すように、図3における反時計方向周回する(図2の白抜きの矢印も参照)。

0078

スワールコントロール弁56の開度が小さいと、エンジン本体2の前後方向に並んだ第1吸気ポート181及び第2吸気ポート182のうち第1吸気ポート181から燃焼室17に流入する吸気流量が相対的に増え、且つ第2吸気ポート182から燃焼室17に流入する吸気流量が相対的に減るから、燃焼室17内のスワール流が強くなる。スワールコントロール弁56の開度が大きいと、第1吸気ポート181及び第2吸気ポート182のそれぞれから燃焼室17に流入する吸気流量が略均等になるから、燃焼室17内のスワール流が弱くなる。スワールコントロール弁56を全開にすると、スワール流は発生しない。

0079

なお、スワール発生部は、吸気通路40にスワールコントロール弁56を取り付ける代わりに、又は、スワールコントロール弁56を取り付けることに加えて、二つの吸気弁21の開弁期間をずらし、一方の吸気弁21のみから燃焼室17の中に吸気を導入することができる構成を採用してもよい。二つの吸気弁21のうちの一方の吸気弁21のみが開弁することによって、燃焼室17の中に吸気が不均等に導入されるから、燃焼室17の中にスワール流を発生させることができる。さらに、スワール発生部は、吸気ポート18の形状を工夫することによって、燃焼室17の中にスワール流を発生させるように構成してもよい。

0080

エンジン本体2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11の排気ポート19に連通し、排気ポート19を介して燃焼室17に通じている。排気通路50は、燃焼室17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11の排気ポート19に接続されている。

0081

排気通路50には、複数(図1に示す例では2つ)の触媒コンバーターを有する排気ガス浄化システムが設けられている。上流の触媒コンバーターは、図示は省略するが、エンジンルーム内に配置されている。この上流の触媒コンバーターは、三元触媒511と、GPF(Gasoline Particulate Filter)512とを有している。他方、下流の触媒コンバーターは、エンジンルーム外に配置されている。この下流の触媒コンバーターは、三元触媒513を有している。

0082

なお、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、GPF512は省略してもよい。また、触媒コンバーターは三元触媒511,513に限定されない。さらに、三元触媒511,513及びGPF512の並び順は適宜変更してもよい。

0083

吸気通路40と排気通路50との間には、外部EGRシステムを構成するEGR通路52が設けられている。EGR通路52は、既燃ガスの一部を吸気通路40に還流させるための通路であって、吸気通路40と排気通路50とを繋いでいる。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における過給機44の上流側に接続されている。外部EGRシステムは、いわゆる低圧EGRシステムである。

0084

EGR通路52には、水冷式のEGRクーラー53が設けられている。EGRクーラー53は、既燃ガスを冷却するように構成されている。EGR通路52にはまた、EGR弁54が設けられている。EGR弁54は、EGR通路52を流れる既燃ガスの流量を調整するように構成されている。冷却された既燃ガス、つまり外部EGRガス還流量は、EGR弁54の開度を変更することによって調整することができる。

0085

本構成例においては、EGRシステム55は、EGR通路52及びEGR弁54を含んで構成された外部EGRシステムと、前述した吸気電動S−VT23及び排気電動S−VT24を含んで構成された内部EGRシステムとによって構成されている。

0086

エンジン1は、エンジン本体2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ベースとするコントローラーであって、図4に示すように、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、電気信号入出力をする入出力バス103とを備えている。ECU10は、制御部の一例である。

0087

このECU10は、前記のインジェクタ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、及びスワールコントロール弁56に接続されている。ECU10にはまた、図1及び図4に示すように、各種のセンサSW1〜SW16が接続されている。センサSW1〜SW16は、検知信号をECU10に出力する。

0088

当該センサには、吸気通路40におけるエアクリーナー41の下流に配置されたエアフローセンサSW1及び第1吸気温度センサSW2と、吸気通路40におけるEGR通路52の接続位置よりも下流側で且つ過給機44の上流に配置された第1圧力センサSW3と、吸気通路40における過給機44の下流で且つバイパス通路47の接続位置よりも上流に配置された第2吸気温度センサSW4と、サージタンク42に取り付けられた第2圧力センサSW5と、各シリンダ11に対応してシリンダヘッド13に取り付けられた指圧センサSW6と、排気通路50に配置された排気温度センサSW7とが含まれる。

0089

エアフローセンサSW1は、吸気通路40を流れる新気の流量を検知する。第1吸気温度センサSW2は、吸気通路40を流れる新気の温度を検知する。第1圧力センサSW3は、過給機44に流入するガスの圧力を検知する。第2吸気温度センサSW4は、過給機44から流出したガスの温度を検知する。第2圧力センサSW5は、過給機44の下流のガスの圧力を検知する。指圧センサSW6は、各燃焼室17内の圧力を検知する。排気温度センサSW7は、燃焼室17から排出された排気ガスの温度を検知する。

0090

前記センサにはさらに、排気通路50における上流の触媒コンバーターよりも上流に配置されたリニアO2センサSW8と、上流コンバーターにおける三元触媒511の下流に配置されたラムダO2センサSW9と、エンジン本体2に取り付けられた水温センサSW10、クランク角センサSW11、吸気カム角センサSW12及び排気カム角センサSW13と、アクセルペダル機構に取り付けられたアクセル開度センサSW14と、EGR通路52に配置されたEGR差圧センサSW15と、燃料供給システム61のコモンレール64に取り付けられた燃圧センサSW16とが含まれる。

0091

リニアO2センサSW8及びラムダO2センサSW9は、それぞれ排気ガス中の酸素濃度を検知する。水温センサSW10は、冷却水の温度を検知する。クランク角センサSW11は、クランクシャフト15の回転角を検知する。吸気カム角センサSW12は、吸気カムシャフトの回転角を検知する。排気カム角センサSW13は、排気カムシャフトの回転角を検知する。アクセル開度センサSW14は、アクセル開度を検知する。EGR差圧センサSW15は、EGR弁54の上流及び下流の差圧を検知する。燃圧センサSW16は、インジェクタ6に供給される燃料の圧力を検知する。

0092

ECU10は、これらの検知信号に基づいて、エンジン本体2の運転状態を判断すると共に、各デバイスの制御量を計算する。ECU10は、計算した制御量に係る制御信号をインジェクタ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、及びスワールコントロール弁56に出力する。

0093

例えば、ECU10は、アクセル開度センサSW12の検知信号と予め設定しているマップとに基づいて、エンジン本体2の目標トルクを設定すると共に、目標過給圧を決定する。そして、ECU10は、目標過給圧と、第1圧力センサSW3及び第2圧力センサSW5の検知信号から得られる過給機44の前後差圧とに基づいて、エアバイパス弁48の開度を調整することにより、過給圧が目標過給圧となるようにフィードバック制御を行う。

0094

また、ECU10は、エンジン本体2の運転状態と予め設定したマップとに基づいて目標EGR率、つまり燃焼室17の中の全ガスに対するEGRガスの比率を設定する。そして、ECU10は、目標EGR率とアクセル開度センサSW12の検知信号に基づく吸入空気量とに基づいて目標EGRガス量を決定すると共に、EGR差圧センサSW15の検知信号から得られるEGR弁54の前後差圧に基づいてEGR弁54の開度を調整することにより、燃焼室17の中に導入される外部EGRガス量が目標EGRガス量となるようにフィードバック制御を行う。

0095

さらに、ECU10は、所定の制御条件成立しているときに空燃比フィードバック制御を実行する。具体的にECU10は、リニアO2センサSW8、及び、ラムダO2センサSW9によって検知された排気中の酸素濃度に基づいて、混合気の空燃比が所望の値となるように、インジェクタ6の燃料噴射量を調整する。

0096

尚、ECU10によるエンジン1の制御の詳細は後述する。

0097

〈エンジンの運転領域〉
図5は、エンジン1の温間時の運転領域マップ501,502を例示している。エンジン1の運転領域マップ501,502は、エンジン本体2の負荷及び回転数によって定められており、エンジン本体2の負荷の高低及び回転数の高低に対し、五つの領域に分けられている。

0098

具体的には、五つの領域は、アイドル運転を含み且つ低回転及び中回転の領域に広がる低負荷領域(1)−1と、低負荷領域よりも負荷が高く且つ低回転及び中回転の領域に広がる中負荷領域(1)−2と、中負荷領域(1)−2よりも負荷が高い領域で且つ全開負荷を含む高負荷領域の中回転領域(2)と、高負荷領域において中回転領域(2)よりも回転数の低い低回転領域(3)と、低負荷領域(1)−1、中負荷領域(1)−2、高負荷中回転領域(2)及び高負荷低回転領域(3)よりも回転数の高い高回転領域(4)である。

0099

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すればよい。図5の例では、回転数N1未満を低回転、回転数N2以上を高回転、回転数N1以上且つN2未満を中回転としている。回転数N1は例えば1200rpm程度、回転数N2は例えば4000rpm程度としてもよい。

0100

また、高負荷中回転領域(2)は、燃焼圧力が900kPa以上となる領域としてもよい。図5においては、理解を容易にするために、エンジン1の運転領域マップ501,502を二つに分けて描いている。マップ501は、各領域における混合気の状態及び燃焼形態と、過給機44の駆動領域及び非駆動領域とを示している。マップ502は、各領域におけるスワールコントロール弁56の開度を示している。なお、図5における二点鎖線は、エンジン1のロード−ロードライン(Road-Load Line)を示している。

0101

エンジン1は、燃費の向上及び排出ガス性能の向上を主目的として、低負荷領域(1)−1、中負荷領域(1)−2及び高負荷中回転領域(2)において、圧縮自己着火による燃焼を行う。エンジン1はまた、その他の領域、具体的には高負荷低回転領域(3)及び高回転領域(4)においては、火花点火による燃焼を行う。以下に、各領域におけるエンジン1の運転について、図6に示す燃料噴射時期及び点火時期、図7に示す吸気弁21の開弁時期、及び、排気弁22の閉弁時期、並びに、図9に示す外部EGRによるEGR率を参照しながら詳細に説明する。

0102

〈低負荷領域(1)−1〉
エンジン1は、エンジン本体2が低負荷領域(1)−1において運転しているときには、前述したようにCI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、低負荷領域(1)−1において、SI燃焼とCI燃焼を組み合わせたSPCCI燃焼を行う。

0103

図6の符号601は、エンジン本体2が低負荷領域(1)−1における運転状態601にて運転しているときの燃料噴射時期(符号6011,6012)及び点火時期(符号6013)並びに燃焼波形(つまり、クランク角に対する熱発生率の変化を示す波形、符号6014)それぞれの一例を示している。

0104

SPCCI燃焼では、点火プラグ25が燃焼室17の中の混合気に強制的に点火することを以て混合気が火炎伝播によりSI燃焼をすると共に、SI燃焼の発熱により燃焼室17の中の温度が高くなり、且つ火炎伝播により燃焼室17の中の圧力が上昇することを以て未燃混合気が自己着火によるCI燃焼をする。

0105

圧縮開始前の燃焼室17の中の温度のばらつきは、SI燃焼の発熱量を調整することによって吸収することができる。圧縮開始前の燃焼室17の中の温度がばらついていても、例えば点火タイミングの調整によってSI燃焼の開始タイミングを調整すれば、自己着火のタイミングをコントロールすることができる。

0106

SPCCI燃焼を行うときには、圧縮上死点(図6で右側のTDC:Top Dead Center)付近の所定のタイミングで、点火プラグ25が混合気に点火する。これによって、火炎伝播による燃焼が開始される。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。したがって、熱発生率の波形は、立ち上がりの傾きが相対的に小さくなる。図示はしないが、燃焼室17の中における圧力変動(dp/dθ)も、SI燃焼時は、CI燃焼時よりも穏やかになる。

0107

SI燃焼によって燃焼室17の中の温度及び圧力が高まると、未燃混合気が自己着火する。図6の例では、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変化している(符号6014)。つまり、熱発生率の波形は、CI燃焼が開始するタイミングで変曲点を有している。

0108

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。但し、CI燃焼は、圧縮上死点後に行われるため、ピストン3がモータリングによって下降しており、CI燃焼による、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。また、CI燃焼時の圧力変動(dp/dθ)も比較的穏やかになる。

0109

圧力変動(dp/dθ)は、燃焼騒音を表す指標として用いることができるが、SPCCI燃焼は、前述の通り圧力変動(dp/dθ)を小さくすることができるため、燃焼騒音が大きくなり過ぎることを回避することが可能になる。それにより、燃焼騒音を許容レベル以下に抑えることができる。

0110

SPCCI燃焼は、CI燃焼が終了することによって終了する。CI燃焼は、SI燃焼に比べて燃焼期間が短い。よって、SPCCI燃焼は、SI燃焼よりも燃焼終了時期が早まる。言い換えると、SPCCI燃焼は、膨張行程中の燃焼終了時期を圧縮上死点に近づけることが可能である。したがって、SPCCI燃焼は、SI燃焼よりもエンジン1の燃費性能の向上に有利である。

0111

EGRシステム55は、エンジン本体2が低負荷領域(1)−1において運転しているときには、エンジン1の燃費性能を向上させるために、燃焼室17の中にEGRガスを導入する。

0112

具体的には、排気上死点付近において、吸気弁21及び排気弁22の両方が開弁するポジティブオーバーラップ期間を設けることにより、燃焼室17の中から吸気ポート18及び排気ポート19に排出した排気ガスの一部を燃焼室17の中に引き戻して再導入する、内部EGRを行う。内部EGRを行うと、燃焼室17の中に熱い既燃ガス(内部EGRガス)が導入されるため、燃焼室17の中の温度を高くすることができ、SPCCI燃焼の安定化に有利になる。

0113

吸気弁21の開弁時期TIVOは、低負荷領域(1)−1における負荷方向全域及び回転方向の全域に亘って、クランク角に関して±5°の範囲内にある一定或いは略一定のタイミングに設定される。図7の上図に示すように、吸気弁21の開弁時期TIVOは、好ましくは一定のタイミングに固定される。例えば、吸気弁21の開弁時期TIVOは、圧縮上死点前30°CAのタイミングとされる。これにより、吸気弁21の閉弁時期も、低負荷領域(1)−1における負荷方向の全域及び回転方向の全域に亘って、クランク角に関して一定のタイミング(図8に示すTIVC)に固定される。

0114

排気弁22の閉弁時期T1EVCは、低負荷領域(1)−1における負荷方向の全域及び回転方向の全域に亘って、クランク角に関して±5°の範囲内にある一定或いは略一定のタイミングに設定される。図7の下図に示すように、排気弁22の閉弁時期T1EVCは、好ましくは一定のタイミングに固定される。例えば、排気弁22の閉弁時期T1EVCは、圧縮上死点後16.5°CAのタイミングとされる。これにより、排気弁22の開弁時期も、低負荷領域(1)−1における負荷方向の全域及び回転方向の全域に亘って、クランク角に関して一定のタイミング(図8に示すT1EVO)に固定される。

0115

こうして、吸気弁21の開弁時期TIVO及び閉弁時期TIVCと排気弁22の開弁時期T1EVO及び閉弁時期T1EVCは、図8実線で示す吸気弁21のバルブリフト曲線211と破線で示す排気弁22のバルブリフト曲線221とで表されるように、ポジティブオーバーラップ期間が所定のクランク角範囲以上となるように設定される。ポジティブオーバーラップ期間は、例えば、クランク角に関して40°以上となるように設定されていればよい。吸気弁21の開弁時期TIVO及び排気弁22の閉弁時期T1EVCについての前記の例では、ポジティブオーバーラップ期間は、圧縮上死点を含んで46.5°CAに亘る期間とされる。

0116

ここで、吸気弁21と排気弁22の開弁時期TIVO,T1EVO及び閉弁時期TIVC,T1EVCとはそれぞれ、正確な図示は省略するが、各弁のバルブリフト曲線211,221においてリフトが急峻に立ち上がる或いは立ち下がる時期であり、例えば0.3mmリフトの時点と規定される。このことは、以下の説明でも同じである。

0117

なお、低負荷領域(1)−1においては、EGR弁54を全閉とし、図9に示すように、燃焼室17の中に外部EGRガスを導入しない。

0118

過給機44は、エンジン本体2が低負荷領域(1)−1の一部において運転しているときには、オフにされる。詳細には、低負荷領域(1)−1における低回転側の領域においては、過給機44がオフにされる(S/C OFF参照)。低負荷領域(1)−1における高回転側の領域においては、エンジン本体2の回転数が高くなることに対応して必要な吸気充填量を確保するために、過給機44がオンにされて、過給圧を高くする(S/C ON参照)。

0119

過給機44がオフにされて吸気通路40内のガスが過給されていないときには、吸気通路40内の圧力が相対的に低いから、ポジティブオーバーラップ期間中には、前述したように内部EGRガス(熱い既燃ガス)が燃焼室17の中に導入されて、燃焼室17の中の温度が上がり、低負荷領域(1)−1における低回転側の領域でのSPCCI燃焼の安定化に有利になる。

0120

また、過給機44がオンにされて吸気通路40内のガスが過給されているときには、吸気通路40内の圧力が相対的に高いから、ポジティブオーバーラップ期間中には、吸気通路40内のガスがエンジン本体2の燃焼室17を通過して排気通路50に吹き抜ける。それにより、燃焼室17内に残留する既燃ガスが排気通路50に押し出されて掃気される。

0121

このように、低負荷領域(1)−1においては、過給機44のオンとオフ、つまり吸気通路40内のガスの過給と非過給との切り替えにより、低回転側では内部EGRを行う一方、高回転側では掃気を行う。

0122

また、スワールコントロール弁56は、エンジン本体2が低負荷領域(1)−1において運転しているときには、全閉又は閉じ側の所定の角度とされる。それにより、燃焼室17の中に強いスワール流が形成される。スワール流は、燃焼室17の外周部において強く、中央部において弱くなる。前述したように、吸気ポート18はタンブルポートであるため、燃焼室17の中には、タンブル成分スワール成分とを有する斜めスワール流が形成される。

0123

エンジン本体2が低負荷領域(1)−1において運転するときには、スワール比は4以上になる。ここで、スワール比を定義すると、「スワール比」は、吸気流方向角速度をバルブリフト毎に測定して積分した値を、エンジン角速度で除した値である。吸気流横方向角速度は、図11に示すリグ試験装置を用いた測定に基づいて求めることができる。

0124

図11に示す装置は、基台にシリンダヘッド13を上下反転して設置して、吸気ポート18を図外の吸気供給装置に接続する一方、そのシリンダヘッド13上にシリンダ36を設置すると共に、その上端ハニカム状ロータ37を有するインパルスメータ38を接続して構成されている。インパルスメータ38の下面は、シリンダヘッド13とシリンダブロックとの合わせ面から1.75Dの位置に位置づけられている。ここで、「D」はシリンダボア径を意味する。そして、当該装置は、吸気の供給に応じてシリンダ36内に生じるスワール流(図11の矢印参照)によってハニカム状ロータ37に作用するトルクをインパルスメータ38で計測し、それに基づいて、吸気流横方向角速度を求めることができる。

0125

図12は、エンジン1におけるスワールコントロール弁56の開度とスワール比との関係を示している。図12は、スワールコントロール弁56の開度を、セカンダリ通路402の全開断面に対する開口比率によって表している。スワールコントロール弁56が全閉のときに、セカンダリ通路402の開口比率が0%となり、スワールコントロール弁56の開度が大きくなると、セカンダリ通路402の開口比率が0%よりも大きくなる。スワールコントロール弁56が全開のときに、セカンダリ通路402の開口比率は100%となる。

0126

図12に例示するように、エンジン1は、スワールコントロール弁56を全閉にすると、スワール比は6程度になる。エンジン1が低負荷領域(1)−1において運転するときに、スワール比は4以上且つ6以下とすればよい。スワールコントロール弁56の開度は、開口比率が0%以上且つ15%以下となる範囲で調整すればよい。

0127

混合気の空燃比(A/F)は、エンジン本体2が低負荷領域(1)−1において運転するときには、燃焼室17の全体において理論空燃比よりもリーンである。つまり、燃焼室17の全体において、混合気の空気過剰率λは1を超える。より詳細には、燃焼室17の全体において混合気のA/Fは30以上である。こうすることで、RawNOxの発生を抑制することができ、排気ガス性能を向上させることができる。

0128

エンジン本体2が低負荷領域(1)−1において運転するときには、混合気は、燃焼室17の中央部と外周部との間において成層化している。燃焼室17の中央部は、点火プラグ25が配置されている部分である。燃焼室17の外周部は、中央部の周囲であって、シリンダ11のライナーに接する部分である。燃焼室17の中央部はスワール流が弱い部分であり、燃焼室17の外周部はスワール流が強い部分である、と定義してもよい。

0129

燃焼室17の中央部の混合気の燃料濃度は、燃焼室17の外周部の燃料濃度よりも濃い。具体的には、燃焼室17の中央部の混合気のA/Fは20以上且つ30以下であり、燃焼室17の外周部の混合気のA/Fは35以上である。なお、空燃比の値は、点火時における空燃比の値であり、このことは、以下の説明においても同じである。

0130

インジェクタ6は、エンジン本体2が低負荷領域(1)−1において運転するときには、圧縮行程中において燃料を複数回に分けて燃焼室17の中に噴射する(符号6011,6012)。具体的には、圧縮行程の中期と圧縮行程の終期とにそれぞれ燃料噴射を行う。ここで、圧縮行程の中期及び終期はそれぞれ、圧縮行程をクランク角度に関して初期、中期、終期に三等分したときの中期及び終期とすればよい。

0131

圧縮行程の中期に噴射された燃料は、点火時期までの間に燃焼室17の中で拡散し、燃焼室17内の中央部及び外周部の混合気を形成する。圧縮行程の終期に噴射された燃料は、点火をするまでの時間が短いため、あまり拡散せずに、スワール流によって燃焼室17内の中央部の点火プラグ25の付近に輸送され、圧縮行程の中期に噴射された燃料の一部と共に、燃焼室17内の中央部の混合気を形成する。そうして、前述したように、燃焼室17内の中央部と外周部とにおいて混合気が成層化する。

0132

燃料噴射の終了後において圧縮上死点前の所定のタイミングで、点火プラグ25は、燃焼室17の中央部の混合気に点火をする(符号6013)。このとき、燃焼室17の中央部の混合気の燃料濃度が相対的に高いため、着火性が向上すると共に、火炎伝播によるSI燃焼が安定化する。そして、SI燃焼が安定化することによって、CI燃焼が適切なタイミングで開始する。つまりは、SPCCI燃焼において、CI燃焼のコントロール性が向上する。その結果、エンジン本体2が低負荷領域(1)−1において運転するときには、燃焼騒音の発生の抑制と、燃焼期間の短縮による燃費性能の向上とが両立する。

0133

エンジン本体2が低負荷領域(1)−1において運転するときの燃料の噴射時期及び噴射回数は、エンジン1の負荷の高低に応じて変更される。

0134

具体的には、エンジン本体2の負荷が低いと、圧縮行程中の燃料噴射の回数が増えると共に、燃料噴射の完了時期が遅角する。つまり、エンジン本体2の負荷が低いときには、圧縮行程中に行う燃料噴射の分割数を増やすと共に、最後の燃料噴射の時期を遅角させる。こうすることで、エンジン本体2の負荷が低いときには、燃焼室17内に供給する燃料量が減るが、圧縮行程中に噴射した燃料の拡散が抑制される。その結果、燃焼室17の中央部に形成される、燃料濃度の相対的に高い混合気層の大きさが小さくなる。

0135

また、エンジン本体2の負荷が高いと、圧縮行程中の燃料噴射の回数を減らすと共に、噴射時期を進角する。燃料噴射の時期を進角した結果として、圧縮行程中の燃料噴射を行わないで、吸気行程中に燃料を分割噴射してもよい。エンジン本体2の負荷が高いときには吸気行程中に一括噴射を行ってもよい。こうすることで、エンジン本体2の負荷が高いときには、燃焼室17内に供給する燃料量が増えると共に、燃料が拡散しやすくなる。その結果、燃焼室17の中央部に形成される、燃料濃度の相対的に高い混合気層の大きさが大きくなる。

0136

以上のように、エンジン1は、低負荷領域(1)−1において、混合気を理論空燃比よりもリーンにしてSPCCI燃焼を行うため、低負荷領域(1)−1は、「SPCCIリーン領域」と呼ぶことができる。

0137

〈中負荷領域(1)−2〉
エンジン1は、エンジン本体2が中負荷領域(1)−2において運転しているときも、低負荷領域(1)−1と同様にSPCCI燃焼を行う。図6の符号602は、エンジン本体2が中負荷領域(1)−2における運転状態602にて運転しているときの燃料噴射時期(符号6021,6022)及び点火時期(符号6023)並びに燃焼波形(符号6024)それぞれの一例を示している。

0138

EGRシステム55は、エンジン本体2の運転状態が中負荷領域(1)−2にあるときにも、燃焼室17の中にEGRガスを導入する。

0139

具体的には、中負荷領域(1)−2においては、低負荷領域(1)−1と同様に、排気上死点付近において、吸気弁21及び排気弁22の両方を開弁するポジティブオーバーラップ期間を設けることにより、燃焼室17の中から吸気ポート18及び排気ポート19に排出した排気ガスの一部を燃焼室17の中に引き戻して再導入する、内部EGRを行う。つまり、内部EGRガスを燃焼室17の中に導入する。

0140

吸気弁21の開弁時期TIVOは、低負荷領域(1)−1と同様に、中負荷領域(1)−2における負荷方向の全域及び回転方向の全域に亘って、クランク角に関して±5°の範囲内にある一定或いは略一定のタイミングに設定され、好ましくは一定のタイミングに固定される。本例では、図7の上図に示すように、吸気弁21の開弁時期TIVOは、低負荷領域(1)−1と同じ一定のタイミング、例えば圧縮上死点前30°CAのタイミングに固定される。

0141

また、排気弁22の閉弁時期T1EVCも、中負荷領域(1)−2における負荷方向の全域及び回転方向の全域に亘って、低負荷領域(1)−1と同様に、クランク角に関して±5°の範囲内にある一定或いは略一定のタイミングに設定され、好ましくは一定のタイミングに固定される。本例では、図7の下図に示すように、排気弁22の閉弁時期T1EVCは、低負荷領域(1)−1と同じ一定のタイミング、例えば圧縮上死点後16.5°CAのタイミングに固定される。

0142

こうして、吸気弁21の開弁時期TIVO及び閉弁時期TEVCと排気弁22の開弁時期T1EVO及び閉弁時期T1EVCとは、図11に実線で示す吸気弁21のバルブリフト曲線211と破線で示す排気弁22のバルブリフト曲線221とで表されるように、ポジティブオーバーラップ期間が、低負荷領域(1)−1と同じ所定のクランク角範囲(40°CA)以上となるように、例えば圧縮上死点を含んで46.5°CAに亘る期間に設定される。

0143

過給機44は、エンジン本体2が中負荷領域(1)−2の一部において運転しているときには、オフにされる。詳細には、中負荷領域(1)−2における低負荷低回転側の領域では、過給機44がオフにされる(S/C OFF参照)。中負荷領域(1)−2における高負荷側の領域では、燃料噴射量が増えることに対応して必要な吸気充填量を確保するために過給機44がオンにされて、過給圧を高くする。中負荷領域(1)−2における高回転側の領域では、エンジン1の回転数が高くなることに対応して必要な吸気充填量を確保するために、過給機44がオンにされて、過給圧を高くする。

0144

過給機44がオフにされて吸気通路40内のガスが過給されていないときには、吸気通路40内の圧力が相対的に低いから、ポジティブオーバーラップ期間中には、前述したように内部EGRガス(熱い既燃ガス)が燃焼室17の中に導入されて、燃焼室17の中の温度が上がり、中負荷領域(1)−2における低負荷低回転側の領域でのSPCCI燃焼の安定化に有利になる。

0145

また、過給機44がオンにされて吸気通路40内のガスが過給されているときには、吸気通路40内の圧力が相対的に高いから、ポジティブオーバーラップ期間中には、前述したように、燃焼室17の中の残留ガス(熱い既燃ガス)が掃気される。

0146

また、中負荷領域(1)−2においては、EGR通路52を通じてEGRクーラー53によって冷却した排気ガスを燃焼室17の中に導入する、外部EGRを行う。つまり、内部EGRガスに比べて温度が低い外部EGRガスを燃焼室17の中に導入する。外部EGRによるEGR率、つまり燃焼室17に導入される全ガスに対する外部EGRガスの割合(つまりEGR率)は、図9に示すように20%以上で適宜調整される。エンジン本体2の負荷が高くなるに従い、EGR率は高くなる。中負荷領域(1)−2においては、内部EGRガス及び外部EGRガスのうちの少なくとも一方を、燃焼室17の中に導入することにより、燃焼室17の中の温度を適切になるよう調整する。

0147

また、スワールコントロール弁56は、エンジン本体2が中負荷領域(1)−2において運転するときにも、低負荷領域(1)−1と同様に全閉又は閉じ側の所定の角度とする。そのことで、燃焼室17の中には、スワール比が4以上の強いスワール流が形成される。スワール流を強くすると、燃焼室17内の乱流エネルギーが高くなるから、SI燃焼の火炎が速やかに伝播してSI燃焼が安定化する。そして、SI燃焼が安定化することによって、CI燃焼のコントロール性が高まる。これにより、SPCCI燃焼におけるCI燃焼のタイミングを適正化することができる。その結果、燃焼騒音の発生を抑制することができると共に、燃費性能の向上を図れる。また、サイクル間におけるトルクのばらつきを抑制することができる。

0148

混合気の空燃比(A/F)は、エンジン本体2が中負荷領域(1)−2において運転するときには、燃焼室17の全体において理論空燃比(A/F=14.7)とされる。理論空燃比であれば、三元触媒が燃焼室17から排出された排気ガスを浄化することによって、エンジン1の排気ガス性能が良好になる。混合気のA/Fは、三元触媒の浄化ウインドウの中に納まるようにすればよい。したがって、混合気の空気過剰率λは、1.0±0.2とすればよい。

0149

インジェクタ6は、エンジン本体2が中負荷領域(1)−2において運転するときには、吸気行程と圧縮行程とに分けて燃焼を燃焼室17の中に噴射する(符号6021,6022)。具体的には、吸気行程の中期から終期にかけての期間に燃料を噴射する第1噴射6021と、圧縮行程の後半に燃料を噴射する第2噴射6022とを行う。ここで、吸気行程の中期及び終期はそれぞれ、吸気行程をクランク角度に関して初期、中期、終期に三等分したときの中期及び終期とすればよい。また、圧縮行程の前半及び後半はそれぞれ、圧縮行程をクランク角度に関して前半と後半とに二等分したときの前半及び後半とすればよい。

0150

第1噴射6021により噴射された燃料は、点火時期から離れたタイミングで噴射されており、その噴射時にはピストン3が上死点から離れているため、キャビティ31の外の領域に形成されたスキッシュエリア171にも到達し、燃焼室17の中に略均等に分布して混合気を形成する。第2噴射6022により噴射された燃料は、ピストン3が圧縮上死点に近いタイミングで噴射されるため、キャビティ31の中に入り、キャビティ31の内の領域において混合気を形成する。

0151

第2噴射6022によってキャビティ31の中に燃料を噴射することに伴い、キャビティ31の内の領域においてガスの流動が発生する。燃焼室17の中の乱流エネルギーは、点火タイミングまでの時間が長いと、圧縮行程の進行に伴って減衰してしまう。ところが、第2噴射6022のタイミングは第1噴射6021よりも点火タイミングに近いため、点火プラグ25は、キャビティ31の中の乱流エネルギーが高い状態のまま、キャビティ31の内の領域の混合気に点火することができる。これにより、SI燃焼の燃焼速度が高まる。SI燃焼の燃焼速度が高まると、SI燃焼が安定化するから、SI燃焼によるCI燃焼のコントロール性が高まる。

0152

また、圧縮行程の後半において第2噴射6022を行うことにより、中負荷領域(1)−2において負荷が高いときに、燃焼室17内の温度を燃料の気化潜熱により低下させて過早着火ノッキングなどの異常燃焼の誘発を防止することができる。さらに、第2噴射6022により噴射された燃料を火炎伝播により安定的に燃焼させることができる。第1噴射6021の噴射量と第2噴射6022の噴射量との割合は一例として、95:5としてもよい。なお、中負荷領域(1)−2において、エンジン本体2が負荷の低い運転状態にあるときには、第2噴射6022は省略してもよい。

0153

燃焼室17の中には、インジェクタ6が第1噴射6021と第2噴射6022を行うことにより、全体として空気過剰率λが1.0±0.2になった略均質な混合気が形成される。混合気が略均質であるため、未燃損失の低減による燃費の向上と、スモーク(煤)の発生回避による排気ガス性能の向上とを図ることができる。このときの空気過剰率λは、好ましくは、1.0以上且つ1.2以下である。

0154

混合気は、圧縮上死点の前の所定のタイミングで点火プラグ25が混合気に点火をする(符号6023)ことを以て、火炎伝播により燃焼する。そして、火炎伝播による燃焼の開始後、未燃混合気が自己着火して、CI燃焼する。第2噴射6022によって噴射された燃料は、主にSI燃焼する。第1噴射6021によって噴射された燃料は、主にCI燃焼する。

0155

以上のように、エンジン1は、中負荷領域(1)−2において、混合気を理論空燃比にしてSPCCI燃焼を行うため、中負荷領域(1)−2は、「SPCCIλ=1領域」と呼ぶことができる。

0156

〈高負荷中回転領域(2)〉
エンジン1は、エンジン本体2が高負荷中回転領域(2)において運転しているときも、低負荷領域(1)−1及び中負荷領域(1)−2と同様にSPCCI燃焼を行う。

0157

エンジン1は、高負荷中回転領域(2)においてSPCCI燃焼を行うときに、エンジン本体2の有効圧縮比を、幾何学的圧縮比の8割以上になるよう、吸気弁21の閉弁時期を調整する。

0158

図6の符号603は、エンジン本体2が高負荷中回転領域(2)において、低回転側の運転状態603にて運転しているときの燃料噴射時期(符号6031,6032)及び点火時期(符号6033)並びに燃焼波形(符号6034)それぞれの一例を示している。尚、運転状態603は、図5に示すように、エンジン本体2の負荷の高低方向に幅を有している。また、図6の符号604は、エンジン本体2が高負荷中回転領域(2)において、高回転側の運転領域604にて運転しているときの燃料噴射時期(符号6041)及び点火時期(符号6042)並びに燃焼波形(符号6043)それぞれの一例を示している。

0159

EGRシステム55は、エンジン本体2が高負荷中回転領域(2)において運転するときにも、燃焼室17の中にEGRガスを導入する。

0160

具体的には、高負荷中回転領域(2)においても、EGR通路52を通じてEGRクーラー53によって冷却した排気ガスを燃焼室17の中に導入する、外部EGRを行う。外部EGRによるEGR率は、図9に示すように20%以上の範囲で適宜調整される。EGR率は、中負荷領域(1)−2と高負荷中回転領域(2)とにおいて、エンジン本体2の負荷が高くなるに従って、連続的に高くなる。高負荷中回転領域(2)においては、EGRクーラー53によって冷却した外部EGRガスを燃焼室17の中に導入することにより、燃焼室17の中の温度を適切になるよう調整すると共に、混合気の過早着火やノッキングなどの異常燃焼の誘発を防止することができる。

0161

図10は、外部EGRによるEGR率と燃費との関係を示している。図10に示すように、エンジン本体2が高負荷領域の運転状態にあるときには、EGR率が25%になるまでは、EGR率を大きくするほどエンジン1の燃費改善が見込める。EGR率が25%から35%の間は、高い燃費性能を維持することができる。一方、EGR率が35%を超えると、火炎伝播がし難くなってSI燃焼が急激に不安定となるから、エンジン1の燃費改善は殆ど期待できなくなる。これらのことから、外部EGRによるEGR率は、35%以下の範囲で調整することが低燃費化を図る上で好ましい。

0162

高負荷中回転領域(2)において、エンジン本体2の負荷が全開負荷に近づくと、燃料量が増えることに対応させるため、燃焼室17内に導入する新気量を増やさなければならない。そこで、高負荷中回転領域(2)においてエンジン本体2の負荷が全開負荷に近づくと、図9に例示するように、外部EGRによるEGR率を低下させる。高負荷中回転領域(2)において、外部EGRによるEGR率は、所定負荷に至るまではエンジン本体2の負荷が高くなるに従い、次第に高くなる一方、所定負荷を超えると、エンジン本体2の負荷が高くなるに従い、EGR率は次第に低くなる。尚、図9の例では、エンジン本体2の負荷が全開負荷のとき(つまり、図9の右端に相当)にも、EGR率はゼロにならない。

0163

また、高負荷中回転領域(2)においても、低負荷領域(1)−1及び中負荷領域(1)−2と同様に、排気上死点付近において、吸気弁21及び排気弁22の両方を開弁するポジティブオーバーラップ期間を設ける。

0164

吸気弁21の開弁時期TIVOは、高負荷中回転領域(2)における負荷方向の全域及び回転方向の全域に亘って、低負荷領域(1)−1及び中負荷領域(1)−2と同様に、クランク角に関して±5°の範囲内にある一定或いは略一定のタイミングに設定される。本例では、図7の上図に示すように、吸気弁21の開弁時期TIVOは、低負荷領域(1)−1と同じ一定のタイミング、例えば圧縮上死点前30°CAのタイミングに固定される。

0165

排気弁22の閉弁時期T2EVCは、高負荷中回転領域(2)における負荷方向の全域及び回転方向の全域に亘って、低負荷領域(1)−1及び中負荷領域(1)−2と同様に、クランク角に関して±5°の範囲内にある一定或いは略一定のタイミングに設定される。本例では、図7の下図に示すように、排気弁22の閉弁時期T2EVCは、低負荷領域(1)−1よりも遅角した一定のタイミング、例えば圧縮上死点後30°CAのタイミングに固定される。

0166

こうして、吸気弁21の開弁時期TIVO及び閉弁時期TEVCと排気弁22の開弁時期T2EVO及び閉弁時期T2EVCは、図8に実線で示す吸気弁21のバルブリフト曲線211と実線で示す排気弁22のバルブリフト曲線222とで表されるように、ポジティブオーバーラップ期間が低負荷領域(1)−1及び中負荷領域(1)−2よりも大きな所定のクランク角範囲(40°CA)以上となるように設定される。吸気弁21の開弁時期及び排気弁22の閉弁時期についての前記の例では、ポジティブオーバーラップ期間は、圧縮上死点を含んで60°CAに亘る期間とされる。

0167

そして、このようなオーバーラップ期間に係る吸気弁21の閉弁時期TIVCの設定によれば、高負荷中回転領域(2)において、エンジン本体2の有効圧縮比を、幾何学的圧縮比の8割以上にすることができる。つまり、エンジン本体2の幾何学的圧縮比が14であれば、高負荷中回転領域(2)におけるエンジン本体2の有効圧縮比は、14×0.8=11.2以上であり、エンジン本体2の幾何学的圧縮比が16であれば、高負荷中回転領域(2)におけるエンジン本体2の有効圧縮比は、16×0.8=12.8以上であり、エンジン本体2の幾何学的圧縮比が18であれば、高負荷中回転領域(2)におけるエンジン本体2の有効圧縮比は、18×0.8=14.4以上である。

0168

過給機44は、エンジン本体2が高負荷中回転領域(2)において運転しているときにも、その全域に亘りオンにされて、過給圧を高くする(S/C ON参照)。そのことで、ポジティブオーバーラップ期間中においては、燃焼室17の中の残留ガス(既燃ガス)が掃気される。

0169

スワールコントロール弁56は、エンジン本体2が高負荷中回転領域(2)において運転するときにも、低負荷領域(1)−1と同様に全閉又は閉じ側の所定の開度とする。そのことで、燃焼室17の中には、スワール比4以上の強いスワール流が形成される。

0170

混合気の空燃比(A/F)は、エンジン本体2が高負荷中回転領域(2)において運転するときには、燃焼室17の全体において理論空燃比又は理論空燃比よりもリッチである(つまり、混合気の空気過剰率λは、λ≦1)。

0171

インジェクタ6は、エンジン本体2が高負荷中回転領域(2)における運転状態603にて運転するときには、吸気行程と圧縮行程とに分けて燃料を燃焼室17の中に噴射する(符号6031,6032)。具体的には、吸気行程の中期から後期にかけての期間に燃料を噴射する第1噴射6031と、圧縮行程の終期に燃料を噴射する第2噴射6032とを行う。なお、第1噴射6031は、吸気行程の前半に燃料噴射を開始してもよい。例えば、第1噴射6031は、圧縮上死点前280°CAに燃料噴射を開始してもよい。また、第2噴射6032は、圧縮行程の後半であれば圧縮行程の中期に行ってもよい。

0172

第1噴射6031を吸気行程の前半に開始すると、燃料噴霧がキャビティ31の開口縁部に当たることによって、一部の燃料は、燃焼室17のスキッシュエリア171、つまりキャビティ31の外の領域(図2参照)に入り、残りの燃料は、キャビティ31の内の領域に入る。このとき、スワール流は、燃焼室17の外周部において強く、燃焼室17の中央部において弱くなっている。

0173

そのため、キャビティ31の内の領域に入った燃料は、スワール流の内側に入る。スワール流に入った燃料は、吸気行程から圧縮行程の間、スワール流の中に留まり、燃焼室17の外周部においてCI燃焼用の混合気を形成する。スワール流の内側に入った燃料も、吸気行程から圧縮行程の間、スワール流の内側に留まり、燃焼室17の中央部においてSI燃焼用の混合気を形成する。

0174

エンジン本体2が高負荷中回転領域(2)において運転するときには、第1噴射6031及び第2噴射6032によって、燃焼室17における外周部の混合気の燃料濃度が中央部の混合気の燃料濃度よりも濃く、且つ燃焼室17における外周部の混合気の燃料量が中央部の混合気の燃料量よりも多くなるようにする。そのために、第1噴射6031の噴射量は、第2噴射6032の噴射量よりも多くすればよい。

0175

具体的には、燃焼室17における中央部の混合気の空気過剰率λは、好ましくは1以下であり、燃焼室17における外周部の混合気の空気過剰率λは、1以下、好ましくは1未満である。燃焼室17における中央部の混合気の空燃比(A/F)は、例えば13以上且つ理論空燃比(14.7)以下としてもよい。燃焼室17における中央部の混合気の空燃比は、理論空燃比よりもリーンであってもよい。

0176

また、燃焼室17における外周部の混合気の空燃比は、例えば11以上且つ理論空燃比以下であってもよく、好ましくは11以上且つ12以下としてもよい。燃焼室17の外周部の空気過剰率λを1未満にすると、外周部は混合気中の燃料量が増えるため、燃料の気化潜熱によって温度が低下する。燃焼室17の全体の混合気の空燃比は、12.5以上且つ理論空燃比以下であってもよく、好ましくは12.5以上且つ13以下としてもよい。

0177

第2噴射6032は、例えば圧縮上死点前10°CAで燃料噴射を開始してもよい。圧縮上死点の直前で第2噴射6032を行うことにより、燃料の気化潜熱によって燃焼室17内の温度を低下させることができる。第1噴射6031によって噴射された燃料は、圧縮行程の間に低温酸化反応が進み、圧縮上死点前において高温酸化反応移行するようになるが、圧縮上死点の直前で第2噴射6032を行い、燃焼室17内の温度を低下させることにより、低温酸化反応から高温酸化反応へ移行することを抑制することができ、過早着火やノッキングなどの異常燃焼が発生してしまうことを抑制することができる。なお、第1噴射6031の噴射量と第2噴射6032の噴射量との割合は、一例として、95:5としてもよい。

0178

点火プラグ25は、圧縮上死点付近において、燃焼室17内の混合気に点火をする(符号6033)。点火プラグ25は燃焼室17の中央部に配置されているため、点火プラグ25の点火によって、中央部の混合気が火炎伝播によるSI燃焼を開始する。第2噴射6032を行うことによって、点火プラグ25付近の混合気の燃料濃度が高くなっているから、SPCCI燃焼において、点火プラグ25の点火後に、安定して火炎を伝播させることができる。

0179

インジェクタ6は、エンジン本体2が高負荷中回転領域(2)における運転領域604にて運転するときには、吸気行程において燃料噴射を開始する(符号6041)。エンジン本体2の回転数が高くなると、燃料噴射6041によって噴射された燃料が化学反応する時間が短くなる。そのため、混合気の反応を抑制するための第2噴射を省略することができる。

0180

具体的には、燃料噴射6041は、圧縮上死点前280°CAに燃料の噴射を開始してもよい。燃料噴射6041の終了は、吸気行程を超えて圧縮行程中になる場合がある。燃料噴射6041の開始を吸気行程の前半にすることによって、前述したように、燃焼室17の外周部においてCI燃焼用の混合気が形成されると共に、燃焼室17の中央部においてSI燃焼用の混合気が形成される。

0181

前記と同様に、燃焼室17における中央部の混合気の空気過剰率λは、好ましくは1以下であり、燃焼室17における外周部の混合気の空気過剰率λは、1以下、好ましくは1未満である。燃焼室17における中央部の混合気の空燃比(A/F)は、例えば13以上且つ理論空燃比(14.7)以下としてもよい。燃焼室17における中央部の混合気の空燃比は、理論空燃比よりもリーンであってもよい。

0182

また、燃焼室17における外周部の混合気の空燃比は、例えば11以上且つ理論空燃比以下であってもよく、好ましくは11以上且つ12以下としてもよい。燃焼室17の全体の混合気の空燃比は、12.5以上且つ理論空燃比以下であってもよく、好ましくは12.5以上且つ13以下としてもよい。

0183

点火プラグ25は、圧縮上死点付近において当該上死点以降に、燃焼室17内の混合気に点火をする(符号6042)。点火プラグ25は燃焼室17の中央部に配置されているため、点火プラグ25の点火によって、中央部の混合気が火炎伝播によるSI燃焼を開始する。

0184

高負荷中回転領域(2)においては、燃料噴射量が多くなると共に、燃焼室17の温度も高くなるため、CI燃焼が早期に開始しやすい状況になる。言い換えると、高負荷中回転領域(2)においては、混合気の過早着火やノッキングなどの異常燃焼が発生しやすい。しかしながら、前述したように、燃焼室17の外周部の温度が燃料の気化潜熱によって低下するから、混合気に火花点火をした後、CI燃焼がすぐに開始してしまうことを回避することができる。

0185

高負荷中回転領域(2)におけるSPCCI燃焼では、燃焼室17の中において混合気を成層化することと、燃焼室17の中に強いスワール流を発生させることとによって、CI燃焼の開始までにSI燃焼を十分に行うことができる。その結果、燃焼騒音の発生を抑制することができると共に、燃焼温度が高くなり過ぎることがなくてNOxの生成も抑制される。また、サイクル間におけるトルクのばらつきを抑制することができる。

0186

また、燃焼室17の外周部の温度が低いことも、CI燃焼を緩やかにするので、燃焼騒音の発生を抑制するのに有利になる。さらに、CI燃焼によって燃焼期間が短くなるから、高負荷中回転領域(2)においてトルクの向上及び熱効率の向上が図れる。よって、エンジン1では、負荷が高い領域においてSPCCI燃焼を行うことにより、燃焼騒音を回避しながら燃費性能を向上させることができる。

0187

以上のように、エンジン1は、高負荷中回転領域(2)において、混合気を理論空燃比又は理論空燃比よりもリッチにしてSPCCI燃焼を行うため、高負荷中回転領域(2)は、「SPCCIλ≦1領域」と呼ぶことができる。

0188

〈高負荷低回転領域(3)〉
エンジン本体2の回転数が低いと、クランク角が1°変化するのに要する時間が長くなる。高負荷低回転領域(3)においては、高負荷中回転領域(2)と同様に、例えば吸気行程や圧縮行程の前半に、燃焼室17内に燃料を噴射すると、燃料の反応が進み過ぎてしまって過早着火などの異常燃焼を招くおそれがある。そのため、エンジン1は、エンジン本体2が高負荷低回転領域(3)において運転しているときには、SPCCI燃焼ではなく、SI燃焼を行う。

0189

図6の符号605は、エンジン本体2が高負荷低回転領域(3)における運転状態605にて運転しているときの燃料噴射時期(符号6051,6052)及び点火時期(符号6053)並びに燃焼波形(符号6054)それぞれの一例を示している。

0190

エンジン本体2の運転状態が高負荷低回転領域(3)にあるときには、EGRシステム55は、燃焼室17の中にEGRガスを導入する。エンジン1は、エンジン本体2の負荷が高まるに従いEGRガスの量を減らす。

0191

過給機44は、エンジン本体2が高負荷低回転領域(3)において運転しているときにも、その全域に亘りオンにされて、過給圧を高くする(S/C ON参照)。そのことで、ポジティブオーバーラップ期間を設けているときには、燃焼室17内の残留ガスが掃気される。

0192

混合気の空燃比(A/F)は、エンジン本体2が高負荷低回転領域(3)において運転しているときには、燃焼室17の全体において理論空燃比(A/F=14.7)とされる。混合気のA/Fは、三元触媒の浄化ウインドウの中に収まるようにすればよい。したがって、混合気の空気過剰率λは1.0±0.2とすればよい。このように混合気の空燃比を理論空燃比にすることにより、高負荷低回転領域(3)において燃費性能が向上する。

0193

なお、エンジン本体2が高負荷低回転領域(3)において運転しているときには、燃焼室17の全体の混合気の燃料濃度を、空気過剰率λにおいて1以下であり、且つ高負荷中回転領域(2)における空気過剰率λ以上、好ましくは高負荷中回転領域(2)における空気過剰率λよりも大にしてもよい。

0194

インジェクタ6は、エンジン本体2が高負荷低回転領域(3)において運転するときには、吸気行程と圧縮上死点付近前後の期間とに分けて燃料を燃焼室17の中に噴射する(符号6051,6052)。具体的には、吸気行程の中期から終期にかけての期間に燃料を噴射する第1噴射6051と、圧縮行程の終期から膨張行程の初期までの期間(以下、この期間をリタード期間と呼ぶ)に燃料を噴射する第2噴射6052とを行う。ここで、膨張行程の初期は、膨張行程を初期、中期及び終期に三等分したときの初期とすればよい。

0195

第1噴射6051によって吸気行程中に燃料を噴射することにより、混合気の形成時間を十分に確保することができる。また、第2噴射6052によってリタード期間内に燃料を噴射することにより、点火直前に、燃焼室17内のガス流動を強くすることができる。燃料圧力は、例えば30MPa以上の高い燃料圧力に設定される。燃料圧力を高くすれば、燃料の噴射期間及び混合気の形成期間をそれぞれ短くすることができると共に、燃焼室17内のガス流動をより強くすることができる。燃料圧力の上限値は、一例として120MPaとしてもよい。

0196

点火プラグ25は、燃料の噴射後において圧縮上死点付近のタイミングで、混合気に点火を行う(符号6053)。点火プラグ25は、例えば圧縮上死点後に点火を行ってもよい。そうすることで、混合気は、膨張行程においてSI燃焼する。このようにSI燃焼が膨張行程において開始するため、CI燃焼は開始しない。

0197

インジェクタ6は、過早着火を回避するために、エンジン1の回転数が低くなるほど燃料噴射の時期を遅角してもよい。燃料噴射は、そうした噴射時期の遅角化により、膨張行程において終了する場合もある。よって、エンジン1が高負荷低回転領域(3)において運転するときには、燃料の噴射開始から点火までの時間が短い。このため、混合気の着火性の向上及びSI燃焼の安定化のためには、点火プラグ25の付近に速やかに燃料を輸送する必要がある。そうした燃料の速やかな輸送の実現には燃焼室17の形状が寄与する。

0198

リタード期間において、インジェクタ6が燃料を噴射すると、ピストン3が圧縮上死点の近くに位置しているため、燃料噴霧は、新気と混ざり合いながら混合気を形成し、キャビティ31の凸部311に沿って下向きに流れると共に、キャビティ31の底面及び周側面に沿って燃焼室17の中央から径方向における外方に放射状に広がって流れる。その後、混合気は、キャビティ31の開口に至り、吸気側の傾斜面1311及び排気側の傾斜面1312に沿って径方向における外方から燃焼室17の中央に向かって流れる。このように、リタード期間内において噴射された燃料は、混合気として点火プラグ25の付近に速やかに輸送される。

0199

また、エンジン1は、エンジン本体2が高負荷低回転領域(3)において運転するときには、スワールコントロール弁56の開度を高負荷中回転領域(2)において運転するときよりも大きくする。このときのスワールコントロール弁56の開度は、例えば50%程度(つまり、半開)とすればよい。それにより、高負荷中回転領域(2)において運転するときよりもスワール流を弱くする。

0200

図2の上図に示すように、インジェクタ6の噴口の軸は、点火プラグ25に対し周方向に位置がずれている。噴口から噴射された燃料は、燃焼室17の中のスワール流によって燃焼室17の周方向に流れる。このとき、スワール流によって、燃料を点火プラグ25の付近に速やかに輸送することができる。燃料は、点火プラグ25の付近に輸送される間に気化することができる。

0201

一方、スワール流が強すぎると、燃料が周方向に流されて点火プラグ25の付近から離れてしまい、点火プラグ25の付近に燃料を速やかに輸送することができなくなる。そこで、エンジン1は、高負荷低回転領域(3)において運転するときには、高負荷中回転領域(2)において運転するときよりもスワール流を弱くする。これによって、点火プラグ25の付近に燃料を速やかに輸送することができるから、混合気の着火性の向上及びSI燃焼の安定化を図ることができる。

0202

以上のように、エンジン1は、高負荷低回転領域(3)において、圧縮行程の終期から膨張行程の初期までのリタード期間に燃料を噴射してSI燃焼を行うため、高負荷低回転領域(3)は「リタード−SI領域」と呼ぶことができる。

0203

〈高回転領域(4)〉
エンジン1の回転数が高いと、クランク角が1°変化するのに要する時間が短くなる。そのため、例えば高負荷領域の高回転領域においては、前述したように分割噴射を行うことにより、燃焼室17内に混合気の成層化をすることが困難になる。そのため、エンジン1は、エンジン本体2が高回転領域(4)において運転しているときには、SPCCI燃焼ではなく、SI燃焼を行う。なお、高回転領域(4)は、低負荷から高負荷までの負荷方向における全域に広がっている。

0204

図6の符号606は、エンジン本体2が高回転領域(4)における運転状態606にて運転しているときの燃料噴射時期(符号6061)及び点火時期(符号6062)並びに燃焼波形(符号6063)それぞれの一例を示している。

0205

EGRシステム55は、エンジン本体2の運転状態が高回転領域(4)にあるときには、燃焼室17の中にEGRガスを導入する。エンジン1は、エンジン本体2の負荷が高まるに従ってEGRガスの量を減らす。

0206

過給機44は、エンジン本体2が高負荷低回転領域(3)において運転しているときにも、その全域に亘りオンにされて、過給圧を高くする(S/C ON参照)。そのことで、ポジティブオーバーラップ期間を設けているときには、燃焼室17内の残留ガスが掃気される。

0207

エンジン1は、エンジン本体2が高回転領域(4)において運転するときには、スワールコントロール弁56を全開にする。それにより、燃焼室17内にはスワール流が発生せず、タンブル流のみが発生する。このようにスワールコントロール弁56を全開にすることによって、高回転領域(4)において充填効率を高めることができると共に、ポンプ損失を低減することが可能になる。

0208

混合気の空燃比(A/F)は、エンジン1が高回転領域(4)において運転するときには、基本的に、燃焼室17の全体において理論空燃比(A/F=14.7)とされる。混合気の空気過剰率λは1.0±0.2とすればよい。なお、高回転領域(4)内の全負荷を含む高負荷領域においては、混合気の空気過剰率λを1未満にしてもよい。

0209

インジェクタ6は、エンジン本体2が高回転領域(4)において運転しているときには、吸気行程に燃料噴射を開始する。このとき、インジェクタ6は、燃料を一括で噴射する(符号6061)。なお、運転状態605では、エンジン本体2の負荷が高いため、燃料噴射量が多い。燃料の噴射期間は、燃料の噴射量に応じて変化する。このように吸気行程中に燃料噴射を開始することによって、燃焼室17の中に均質又は略均質な混合気を形成することが可能になる。また、エンジン本体2の回転数が高いときに、燃料の気化時間をできるだけ長く確保することができるため、未燃損失の低減及び煤の発生の抑制を図ることもできる。

0210

点火プラグ25は、燃料の噴射終了後において圧縮上死点前の適宜のタイミングで、混合気に点火を行う(符号6062)。

0211

以上のように、エンジン1は、高回転領域(4)において、燃料噴射を吸気行程に開始してSI燃焼を行うため、高回転領域(4)は、「吸気−SI領域」と呼ぶことができる。

0212

〈高負荷中回転領域(2)におけるエンジンの制御プロセス〉
前述したように、高負荷中回転領域(2)は、エンジン本体2の負荷が所定負荷(例えば、燃焼圧力が900kPa)以上の領域であって、SPCCI燃焼を行う領域である。高負荷中回転領域(2)においては、有効圧縮比が幾何学的圧縮比の8割以上に設定されると共に、過給機44による過給も行われる。そのため、高負荷中回転領域(2)においては、圧縮端温度が高くなる。

0213

高負荷中回転領域(2)においては、EGRクーラー53によって冷却した外部EGRガスを、燃焼室17内に、比較的多量に導入することによって、SPCCI燃焼におけるSI燃焼を緩慢にしている。しかしながら、例えば高負荷中回転領域(2)内において負荷が高くなったり、燃焼室17内に導入される吸気の温度が高くなったりする等の原因によって、燃焼室17の圧縮端温度が高くなり過ぎると、EGR率が高くても、SPCCI燃焼において、SI燃焼がほとんど行われないうちにCI燃焼が開始してしまい、燃焼騒音が増大してしまう恐れがある。

0214

そこで、このエンジン1は、高負荷中回転領域(2)において、圧縮端温度に応じて、点火タイミングを調整する。ここでは、高負荷中回転領域(2)における符号603で示す運転状態(つまり、運転状態603は負荷の高低方向に幅を有している)を例に、噴射タイミング及び点火タイミングの調整について説明をする。高負荷中回転領域(2)においても、エンジン1の回転数が低いときの方が、燃料の噴射開始から点火までの時間が長くなって混合気の化学反応が進みやすいため、燃焼騒音が増大しやすい。

0215

具体的にこの制御は、圧縮端温度が予め設定した所定温度を超えないと予想されるときには、図13の上図に符号603で示すように、吸気行程中の第1噴射6031と、圧縮行程中の第2噴射6032とを行う。そして、圧縮上死点よりも前のタイミングで、点火プラグ25は、混合気に点火をする(符号6033)。尚、図13の上図は、図6の符号603の燃料噴射(符号6031,6032)、点火(符号6033)、及び、燃焼波形(符号6034)と同じである。

0216

これに対し、圧縮端温度が予め設定した所定温度を超えると予想されるときには、図13の下図に符号603’に示すように、吸気行程中の第1噴射6031’と、圧縮行程中の第2噴射6032’とを行う。但し、第1噴射6031’の噴射量は、第1噴射6031の噴射量よりも少ない一方、第2噴射6032’の噴射量は、第1噴射6031’の噴射量を少なくする分、第2噴射6032の噴射量よりも多い。また、第1噴射6031’の噴射開始タイミングは、第1噴射6031と同じとし、第1噴射6031’の噴射終了タイミングは、噴射量が少ない分、第1噴射6031よりも早くなる。一方、第2噴射6032’の噴射終了タイミングは、第2噴射6032と同じとし、第2噴射6032’の噴射開始タイミングは、噴射量が多い分、第2噴射6032よりも早くなる。第2噴射6032’の噴射終了タイミングは、圧縮行程の後半、又は、圧縮行程の終期になる。

0217

吸気行程中の第1噴射6031’の噴射量を少なくすることによって、点火までの間に混合気の化学反応が進み過ぎてしまうことを抑制することができる。また、圧縮行程中の第2噴射6032’の噴射量を多くすることによって、圧縮上死点の直前において、燃料の気化潜熱により燃焼室17内の温度を下げることができる。第2噴射6032’の噴射量を多くするものの、第2噴射6032’の噴射終了タイミングは遅くしないため、第2噴射6032’の燃料が混合気を形成する時間を確保することができる。未燃成分の増加や、煤の発生を抑制することができる。

0218

そして、圧縮端温度が予め設定した所定温度を超えると予想されるときには、点火時期を、圧縮上死点以降にリタードする(符号6033’)。

0219

燃料の気化潜熱によって圧縮端温度を下げることと、SPCCI燃焼におけるSI燃焼を膨張行程において開始させることとによって、SI燃焼を十分に行った後で、圧縮着火によるCI燃焼を開始することができる。SPCCI燃焼において燃焼騒音が増大してしまうことを防止することができる。

0220

この場合、膨張行程においてCI燃焼を行うことになるが、CI燃焼は、膨張行程においても燃焼期間を比較的短くすることができるから、SPCCI燃焼の燃焼重心が、圧縮上死点から大きく離れてしまうことが防止される。SI燃焼において点火時期を膨張行程にリタードすると、膨張行程中のSI燃焼の燃焼期間が長くなってしまうため、エンジンの熱効率が大きく低下するが、SPCCI燃焼は、点火時期を膨張行程にリタードしても、エンジン1の熱効率が低下してしまうことを防止することができる。

0221

次に、図14A及び図14Bに示すフローチャートを参照しながら、ECU10が実行するエンジン1の運転制御について説明をする。図14A及び図14Bのフローチャートは、図5に示すエンジン1の運転領域の全体におけるエンジン1の運転制御に係り、前述した高負荷中回転領域(2)における点火タイミングを調整する制御を含む。

0222

まず、フローがスタートした後のステップS1において、ECU10は、各種センサSW1〜SW16の信号を読み込む。ECU10は、続くステップS2において、運転者による加速要求があるか否かを判断する。ステップS2において加速要求がないときには、制御プロセスは、ステップS3に進み、加速要求があるときには、制御プロセスは、ステップS6に進む。

0223

ステップS3において、ECU10は、エンジン1がSPCCI燃焼を行う領域で運転するか否かを判定する。ステップS3の判定がYESのときには、制御プロセスはステップS4に進む。また、このステップS3の判定がNOのときには、制御プロセスはステップS17(図14B参照)に進む。

0224

ECU10は、ステップS4において、外部EGR率は所定以上であるか否かを判定する。つまり、EGRガスが十分に燃焼室17内に導入されているか否かを判定する。ステップS4の判定がNOのときには、制御プロセスはステップS5に進む。また、ステップS4の判定がYESのときには、制御プロセスはステップS9(図14B参照)に進む。

0225

ECU10は、ステップS5において、燃焼室17内の圧縮端温度は所定温度を超えるか否かを判定する。圧縮端温度は、ステップS1において読み込んだ各種センサの信号値に基づきECU10が推定する。ステップS5の判定がYESのときには、制御プロセスはステップS13(図14B参照)に進む。ステップS5の判定がNOのときには、制御プロセスはステップS9に進む。

0226

加速要求によりエンジン1の運転状態は遷移する。ステップS6において、ECU10は、遷移先の運転状態は、SPCCI燃焼を行う領域であるか否かを判定する。ステップS6の判定がYESのときには、制御プロセスはステップS7に移行する。ステップS6の判定がNOのときには、制御プロセスはステップS17に進む。

0227

ステップS7において、ECU10は、遷移先のエンジン1の運転状態において、外部EGR率は所定以上であるか否かを判定する。ステップS7の判定がNOのときには、制御プロセスはステップS8に進む。また、ステップS7の判定がYESのときには、制御プロセスはステップS9に進む。

0228

ステップS8において、ECU10は、遷移先のエンジン1の運転状態において、燃焼室17内の圧縮端温度は所定温度を超えるか否かを判定する。ステップS8の判定がYESのときには、制御プロセスはステップS13(図14B参照)に進む。ステップS8の判定がNOのときには、制御プロセスはステップS9に進む。

0229

図14BのフローにおけるステップS9〜ステップS12は、圧縮端温度が所定温度を超えないため、又は、外部EGRが十分に燃焼室17内に導入されているため、SPCCI燃焼において燃焼騒音を防止することができる場合に相当する。先ずステップS9で、ECU10は、燃料の噴射量及び燃料噴射時期を設定する。複数回の噴射を行う場合は、各々の噴射量及び噴射時期を設定する。続くステップS10で、ECU10は、点火時期を圧縮上死点前の所定時期に設定する。そして、ステップS11で、ECU10は、ステップS9で設定した噴射量及び噴射時期に従って、インジェクタ6に燃料噴射を実行させる。続くステップS12で、ECU10は、ステップS10で設定した時期に従って、点火プラグ25に点火を実行させる。これにより、エンジン1が高負荷中回転領域(2)における運転状態603で運転しているときには、図13の符号603に例示するように、第1噴射6031と第2噴射6032とが行われると共に、圧縮上死点前に点火6033が行われて、混合気がSPCCI燃焼する(符号6034参照)。

0230

これに対し、ステップS13〜ステップS16は、圧縮端温度が所定温度を超えるため、又は、外部EGRが十分に燃焼室17内に導入されていないため、SPCCI燃焼において燃焼騒音が大きくなる恐れがある場合に相当する。先ずステップS13で、ECU10は、燃料の噴射量及び燃料噴射時期を設定する。複数回の噴射を行う場合は、各々の噴射量及び噴射時期を設定する。続くステップS14で、ECU10は、ステップS10とは異なり、点火時期を圧縮上死点以降の所定時期に設定する。そして、ステップS15で、ECU10は、ステップS13で設定した噴射量及び噴射時期に従って、インジェクタ6に燃料噴射を実行させる。続くステップS16で、ECU10は、ステップS14で設定した時期に従って、点火プラグ25に点火を実行させる。これにより、エンジン1が高負荷中回転領域(2)における運転状態603で運転しているときには、図13の符号603’に例示するように、第1噴射6031’と第2噴射6032’とが行われると共に、圧縮上死点以降に点火6033’が行われて、混合気がSPCCI燃焼する(符号6034’参照)。その結果、SPCCI燃焼におけるSI燃焼が十分に行われるようになり、SPCCI燃焼の燃焼騒音を防止することができる。

0231

また、ステップS17〜ステップS20は、エンジン1がSI燃焼を行う場合に相当する。先ずステップS17で、ECU10は、燃料の噴射量及び燃料噴射時期を設定する。複数回の噴射を行う場合は、各々の噴射量及び噴射時期を設定する。続くステップS18で、ECU10は、点火時期を所定時期に設定する。高負荷低回転領域(3)においては、点火時期は圧縮上死点以降に設定される。高回転領域(4)においては、点火時期は圧縮上死点前に設定される。そして、ステップS19で、ECU10は、ステップS17で設定した噴射量及び噴射時期に従って、インジェクタ6に燃料噴射を実行させる。続くステップS20で、ECU10は、ステップS18で設定した時期に従って、点火プラグ25に点火を実行させる。

0232

尚、図14A及び図14Bに示すフローチャートにおいては、外部EGR率と圧縮端温度とに応じて、点火時期の調整を行っているが、エンジン1の負荷の高低に応じて点火時期の調整を行うようにしてもよい。例えば図5の運転領域マップ501の高負荷中回転領域(2)において、一点鎖線で示すように、負荷が低い運転状態603aのときには、圧縮端温度も低いため、図13の上図に符号603aで示すように、点火時期を、圧縮上死点前に設定する(符号6033)。これに対し、負荷が高い運転状態603bのときには、圧縮端温度が高いため、図13の下図に符号603bで示すように、点火時期を、圧縮上死点以降に設定する(符号6033’)。点火時期をリタードすることによって、前述したように、SPCCI燃焼において燃焼騒音が増大してしまうことを防止することができる。

0233

なお、ここに開示する技術は、前述した構成のエンジン1に適用することに限定されない。エンジンの構成は、様々な構成を採用することが可能である。

0234

図15は、変形例に係るエンジン100の構成を示している。エンジン100は、機械式過給機44に代えて、ターボ過給機70を備えている。

0235

ターボ過給機70は、吸気通路40に配置されたコンプレッサ71と、排気通路50に配置されたタービン72とを備えている。タービン72は、排気通路50に流れる排気ガスによって回転する。コンプレッサ71は、タービン72の回転駆動によって回転し、燃焼室17に導入される吸気通路40内のガスを過給する。

0236

排気通路50には、排気バイパス通路73が設けられている。排気バイパス通路73は、タービン72をバイパスするように、排気通路50におけるタービン72の上流部と下流部とを互いに接続する。排気バイパス通路73には、ウェイストゲート弁74が設けられている。ウェイストゲート弁74は、排気バイパス通路73を流れる排気ガスの流量を調整する。

0237

本構成例においては、ターボ過給機70とバイパス通路47とエアバイパス弁48と排気バイパス通路73とウェイストゲート弁74とによって、吸気通路40及び排気通路50に過給システム49が構成されている。

0238

エンジン1は、エアバイパス弁48及びウェイストゲート弁74の開閉状態を切り替えることによって、ターボ過給機70が燃焼室17内に導入されるガスを過給することと、ターボ過給機70が燃焼室17内に導入されるガスを過給しないこととを切り替えるようになっている。

0239

燃焼室17内に導入されるガスを過給しないときには、ウェイストゲート弁74を開く。これにより、排気通路50を流れる排気ガスは、タービン72をバイパスして、つまりタービン72を通らずに、排気バイパス通路73を通って触媒コンバーターに流れる。そうすると、タービン72は排気ガスの流れを受けないため、ターボ過給機70は駆動しない。このとき、エアバイパス弁48は全開とする。これにより、吸気通路40を流れるガスは、コンプレッサ71及びインタークーラー46を通らずに、バイパス通路47を通ってサージタンク42に流入する。

0240

燃焼室17内に導入されるガスを過給するときには、ウェイストゲート弁74を全開よりも閉じる。これにより、排気通路50を流れる排気ガスの少なくとも一部は、タービン72を通過して触媒コンバーターに流れる。そうすると、タービン72が排気ガスを受けて回転し、ターボ過給機70が駆動する。ターボ過給機70が駆動すると、吸気通路40内のガスがコンプレッサ71の回転により過給される。このとき、エアバイパス弁48が開いていると、コンプレッサ71を通過したガスの一部がサージタンク42からバイパス通路47を通って、コンプレッサ71の上流に逆流する。吸気通路40内のガスの過給圧は、前記の機械式過給機を用いる場合と同様に、エアバイパス弁48の開度調整によって制御することができる。

0241

こうしたターボ過給機70による吸気通路40内のガスの過給と非過給とは、例えば、図16に示すマップ503に従って切り替えられるようになっていればよい。すなわち、低負荷領域(1)−1においてはターボ過給機70による過給は行わず(T/C OFF参照)、中負荷領域(1)−2と、高負荷中回転領域(2)と、高負荷低回転領域(3)と、高回転領域(4)とにおいては、ターボ過給機70による過給を行う(T/C ON参照)ようにしてもよい。低負荷領域(1)−1においては、トルク要求が低いため、過給の必要性が低い上に、混合気を理論空燃比よりもリーンにするため、排気ガスの温度が低くなる。三元触媒511、513を活性温度に維持するために、ウェイストゲート弁74を開いてタービン72をバイパスすることにより、タービン72における放熱を回避して、高温の排気ガスを三元触媒511、513に供給することができる。

0242

ターボ過給機70を備えたエンジン100においても、図14A及び図14Bに示すフローチャートに従って、燃料の噴射量及び噴射時期、並びに、点火時期をそれぞれ設定すればよい。エンジン100においても、エンジン100の負荷が高いときに、SPCCI燃焼における燃焼騒音を防止することができる。

0243

また、ここに開示する技術は、吸気弁21のバルブタイミングの位相を変更する吸気電動S−VT23を用いる以外にも、吸気弁21のリフト量を変更する可変動弁機構を用いたり、吸気弁21の開弁角を変更する可変動弁機構を用いたりすることによっても、実現することができる。

0244

1、100エンジン
2 エンジン本体
6インジェクタ(燃料噴射部)
10 ECU(制御部)
17燃焼室
25点火プラグ(点火部)
44過給機
49過給システム
52EGR通路(外部EGRシステム)
53EGRクーラー(外部EGRシステム)
54EGR弁(外部EGRシステム)
70 ターボ過給機

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