JP5962585B2 - 内燃機関の熱発生率波形作成装置および燃焼状態診断装置 - Google Patents
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Description
前記の目的を達成するために講じられた本発明の解決原理は、波形構成要素を変化させる要因を「酸素密度」とし、気筒内における「酸素密度」を求める時期を規定することで、この「酸素密度」に応じて変化する波形構成要素を高い精度で求め、これにより理想熱発生率波形の適正化が図れるようにしている。
具体的に、本発明は、燃料噴射弁から気筒内に噴射された燃料の燃焼を行う内燃機関における前記燃料の反応の熱発生率波形を作成する装置を対象とする。この熱発生率波形作成装置に対し、前記燃料の反応開始時期、反応速度および反応量を利用して燃料の反応の理想熱発生率波形を作成するに際し、前記燃料の反応開始時期、反応速度および反応量のうち少なくとも一つを、予め設定された所定タイミングにおける前記気筒内の「酸素密度」に基づいて規定する構成としている。
図1は本実施形態に係るディーゼルエンジン1(以下、単にエンジンという)およびその制御系統の概略構成図である。
エンジン1の各部位には各種センサが取り付けられている。例えば、前記エアフローメータ43は吸入空気量に応じた検出信号を出力する。レール圧センサ41はコモンレール22内に蓄えられている燃料の圧力に応じた検出信号を出力する。スロットル開度センサ42は吸気絞り弁62の開度に応じた検出信号を出力する。吸気圧センサ48は吸入空気圧力に応じた検出信号を出力する。吸気温センサ49は吸入空気の温度に応じた検出信号を出力する。
ECU100は、図示しないCPU、ROM、RAM等からなるマイクロコンピュータと入出力回路とを備えている。図3に示すように、ECU100の入力回路には、クランクポジションセンサ40、前記レール圧センサ41、スロットル開度センサ42、エアフローメータ43、A/Fセンサ44a,44b、排気温センサ45a,45b、水温センサ46、アクセル開度センサ47、吸気圧センサ48、吸気温センサ49、筒内圧センサ4A、外気温センサ4B、および、外気圧センサ4Cなどが接続されている。
次に、本実施形態に係るエンジン1における燃焼室3内での燃焼形態の概略について説明する。
次に、前記インジェクタ23から噴射された燃料の気筒内における形態について説明する。
Xie=(Aie−ACO)/(ACI−ACO) …(2)
そして、この場合のキャビティ内燃料分配率の代表値f(X)としては、以下の式(3)によって算出される。
ここで、f(Xis)はタイミングAisにおけるキャビティ内燃料分配率であり図中のYisに相当する。また、f(Xie)はタイミングAieにおけるキャビティ内燃料分配率であり図中のYieに相当する。
この式(4)における「i」は対象とする期間1〜5に対応する値である。
キャビティ内領域総燃料分配率=ΔAinj(2)×f(X(2))+ΔAinj(3)
+ΔAinj(4)×f(X(4)) …(5)
これにより、燃料噴射期間の全体を対象としたキャビティ内領域の総燃料分配率が算出されることになる。
次に、本実施形態の特徴である熱発生率波形の作成(理想熱発生率波形の作成)、燃焼状態診断(気筒内での燃料の各反応形態の診断)、および、その診断結果に応じて実行される制御パラメータの補正について説明する。
前記理想熱発生率波形の作成について説明する。まず、理想熱発生率波形の作成の概略について説明する。なお、以下では前記キャビティ内領域およびキャビティ外領域のうち燃料噴射が行われた領域を「対象領域」と呼ぶこととする(一方の領域に燃料噴射が行われた場合には、この一方の領域が対象領域に該当し、両領域に燃料噴射が行われた場合には、この両領域が対象領域に該当することになる)。
なお、前記理想熱発生率波形モデル(三角形モデル)の作成の詳細については後述する。
次に、前記理想熱発生率波形の作成の第1手順である反応領域の分割について具体的に説明する。
前記キャビティ外噴射遅角限界(図8(a))よりも進角側で燃料噴射が行われた場合や、キャビティ外噴射進角限界(図8(b))よりも遅角側で燃料噴射が行われた場合には、噴射燃料の略全量がキャビティ外領域に向けて噴射されることになり、この燃料の略全量はキャビティ外領域に存在し、キャビティ内領域には殆ど噴霧が存在しないことになる。このため、インジェクタ23から筒内に噴射された燃料量がそのままキャビティ外領域に存在する燃料量となる。
前記キャビティ外領域およびキャビティ内領域それぞれの温度(燃料噴射実行時の各領域の温度)を求めるための手法としては、吸気温度、ピストン位置(吸入ガスの圧縮度合い)、前記パイロット噴射等による対象領域の予熱状態等をパラメータとし、予め実験やシミュレーションによって、これらパラメータとキャビティ外領域およびキャビティ内領域それぞれの温度との関係を求めてマップ化し、このマップを前記ROMに記憶させている。つまり、吸気温度、ピストン位置、各領域の予熱状態等のパラメータを前記マップに当て嵌めることでキャビティ外領域およびキャビティ内領域それぞれの温度が個別に求められるようになっている。また、キャビティ内領域の温度を求める際に、前記キャビティ内領域総燃料分配率を利用してもよい。具体的には、圧縮比に基づいて算出される圧縮ガス温度と、キャビティ内領域総燃料分配率から得られた燃料量と燃料の単位質量当たりの発生熱量との積で得られる温度上昇分との和をキャビティ内領域の温度として求めるものである。キャビティ外領域の温度も同様に求めることが可能である。
酸素密度は、EGRの実施の有無や、EGR量や、走行している道路の標高などに応じて変動するものである。そして、この酸素密度が変化すると、燃料の各反応における反応開始時期、反応速度および反応量に影響を及ぼす。つまり、上述したように、酸素密度が低くなるほど、反応開始時期は遅角側に移行し、反応速度は低くなり(反応が緩慢になり)、反応量が低下することになる。特に、燃料の各反応のうち低温酸化反応、熱分解反応、高温酸化反応については、その影響が現れる。本実施形態では、前記キャビティ内領域およびキャビティ外領域それぞれに対して酸素密度を個別に求めるようにしている。なお、キャビティ内領域およびキャビティ外領域それぞれの酸素密度を同一として扱うようにしてもよい。
ここで、筒内酸素残存量は、前記キャビティ内領域およびキャビティ外領域それぞれに対して個別に算出される。例えば、キャビティ外領域に向けてのパイロット噴射が実行されたことで、このキャビティ外領域内の酸素が消費された場合には、キャビティ外領域の酸素残存量が減少することになるため、各領域それぞれに対して筒内酸素残存量を個別に算出する。
一般にディーゼルエンジンの燃焼は過給リーンバーンであって、ピストン13が圧縮上死点に達する前に噴射された燃料(例えばパイロット噴射での燃料)の量は比較的少量となっている(一般的には10mm3以下となっている)。このため、ピストン13が圧縮上死点に達した時点(行程容積=圧縮端容積となった時点)における気筒内の酸素は過剰に存在しており、この時点で消費されている酸素量の総酸素量(気筒内の総酸素量)に対する割合は比較的小さく、この消費されている酸素量が酸素密度に与える影響度合いは小さい。このため、式(8)では、酸素消費前の筒内酸素量(前記外気温度、外気圧力、吸入空気量などに基づいて算出される酸素量)を利用することで酸素密度の算出手法を簡素化(消費されている酸素量を考慮しないことで簡素化)している。
エンジン1の排気量が固定であれば、酸素密度および酸素過剰率は共に酸素量の大小を比較する指標となる。このため、酸素過剰率を酸素密度の代用として採用することが可能である。
次に、前記理想熱発生率波形の作成の第2手順である燃料の反応形態の分離について説明する。
気化反応は、前記インジェクタ23から噴射された燃料が対象領域内の熱を受けて気化するものである。この反応は、一般的には対象領域内ガス温度が500K以上となっている環境下に燃料が晒された状態で、燃料噴霧の拡散がある程度進んだ際に開始する噴霧律速の反応となっている。
なお、この気化反応は吸熱反応であるため、この反応量(発生熱量)としては負の値となる。また、この気化反応は、反応に要する酸素量が僅かであるため、酸素密度の影響を殆ど受けないものとなっている。
低温酸化反応は、ディーゼルエンジン1の燃料である軽油中に含まれる低温酸化反応成分(n−セタン(C16H34)等の直鎖単結合組成の燃料等)が燃焼する反応である。この低温酸化反応成分は、対象領域内温度が比較的低い場合であっても着火が可能な成分であって、このn−セタン等の量が多いほど(高セタン燃料であるほど)対象領域内での低温酸化反応が進み易く着火遅れが抑制されることになる。具体的に、n−セタン等の低温酸化反応成分は、一般的には、対象領域内温度が約750Kに達した時点で燃焼(低温酸化反応)を開始する。なお、n−セタン等以外の燃料成分(高温酸化反応成分)は対象領域内温度が約900Kに達するまで燃焼(高温酸化反応)を開始しない。
熱分解反応は、燃料成分の熱分解を行う反応であって、一般に、その反応温度は約800Kとなっている。
予混合燃焼による高温酸化反応の反応温度は、一般に約900Kとなっている。つまり、対象領域内温度が900Kに達したことで燃焼を開始する反応が、この予混合燃焼による高温酸化反応である。
つまり、インジェクタ23から噴射された燃料の全量がキャビティ内領域に噴射されたことでキャビティ内領域総燃料分配率が「1」となっている場合には、基準反応速度勾配に基づいて反応速度が算出される。これに対し、インジェクタ23から噴射された燃料がキャビティ内領域とキャビティ外領域とに噴き分けられている場合には、キャビティ内領域総燃料分配率によって基準反応速度勾配に対する補正を行って得られた反応速度勾配に基づいて反応速度が算出されることになる。
拡散燃焼による高温酸化反応の反応温度は、一般に約1000Kとなっている。つまり、温度が1000K以上となっている対象領域内に向けて噴射された燃料が、噴射後、直ちに燃焼を開始する反応が、この拡散燃焼による高温酸化反応である。
Grd=GrdB×(基準エンジン回転速度/実エンジン回転速度)2
×(d/基準d)×(N/基準N) …(13)
GrdB:基準反応速度、Grd:反応速度、d:インジェクタ23の噴孔径、N:インジェクタ23の噴孔数、A,B:実験等により求められた定数
なお、前記式(13)は、インジェクタ23の基準噴孔径に対する実噴孔径の比、および、インジェクタ23の基準噴孔数に対する実噴孔数の比が乗算されていることにより、一般化された式となっている。また、この式(13)は、回転速度補正係数が乗算されていることで、エンジン回転速度に応じて補正された反応速度が求められるものとなっている。
前述したように酸素密度は燃料の各反応における反応開始時期、反応速度および反応量に影響を及ぼす。つまり、酸素密度が低くなるほど、反応開始時期は遅角側に移行し、反応速度は低くなり(反応が緩慢になり)、反応量が低下することになる。
前述したように酸素密度が低くなるほど反応開始時期は遅角側に移行する。この場合の反応開始時期は以下の式(14)によって算出される。
ここで、基準温度到達時期は、一般に、低温酸化反応では約750K、熱分解反応では約800K、予混合燃焼による高温酸化反応では約900K、拡散燃焼による高温酸化反応では約1000Kそれぞれの温度に到達する時期(クランク角度位置)となっている。
ここで、X=(酸素密度−1.0)/3、KLT=10[°CA]、a=−12、m=2.0である。なお、前記酸素密度としては「1.0mg/cc」〜「4.0mg/cc」の値が適用され、Xは「0」以上の値となる。
前述したように酸素密度が低くなるほど反応速度は低くなる。つまり、反応速度勾配が小さくなる。この場合の反応速度勾配は以下の式(16)によって算出される。
ここで、基準反応速度勾配は、低温酸化反応では約40[J/CA2/mm3]、熱分解反応では約−0.2[J/CA2/mm3]となっている。NEは前記酸素密度の算出タイミングにおけるエンジン回転速度である。この式(16)では、基準回転速度を2000rpmに設定して前記酸素密度の算出タイミングにおける反応速度勾配を求めるもとのなっている。
ここで、X=(酸素密度−0.5)である。なお、前記酸素密度としては「0.5mg/cc」〜「1.5mg/cc」の値が適用され、Xは「0」以上の値となる。
ここで、X=(酸素密度−1.0)/1.5である。なお、前記酸素密度としては「1.0mg/cc」〜「2.5mg/cc」の値が適用され、Xは「0」以上の値となる。
前述したように酸素密度が低くなるほど反応量は低下する。この場合の反応量効率は以下の式(19)によって算出される。
ここで、酸素密度補正係数は、酸素密度の影響による反応量効率の補正量である。この酸素密度と酸素密度補正係数との関係は、予め実験やシミュレーションによって求められて作成された酸素密度補正係数マップが前記ROMに記憶されており、この酸素密度補正係数マップから酸素密度補正係数が抽出される。この酸素密度補正係数マップは、前述した勾配補正係数マップと同様の傾向を表すものとなる。つまり、酸素密度の変化に対する酸素密度補正係数の変化をWiebe関数によって表すものとなる。
次に、前記キャビティ内領域およびキャビティ外領域それぞれにおいて分離された各反応形態それぞれに対する理想熱発生率波形モデルの作成について説明する。
反応速度は、前記反応速度勾配に基づいて設定され、理想熱発生率波形モデルを二等辺三角形に近似させた場合、熱発生率が上昇する期間での反応速度と、熱発生率が下降する期間での反応速度とでは、それらの絶対値は一致している。
各反応における反応量効率[J/mm3]は燃焼期間を適正化すれば定数(例えば高温酸化反応の場合は30J/mm3)と見なすことができる。このため、発生熱量としては、この反応量効率に燃料噴射量(前記有効噴射量)を乗算したものとなる。
以上の三角形の勾配(反応速度)および三角形の面積(発生熱量)から三角形の底辺の長さに相当する燃焼期間が求められる。
これより、B=A/αとなる。
よって、A=SQRT[2S/{(1+1/α)G}]となる。
L=A+B=A(1+1/α)
=(1+1/α)×SQRT[2S/{(1+1/α)G}]
理想熱発生率波形モデルが二等辺三角形の場合にはα=1であり、
L=2×SQRT(S/G)=2×SQRT(30×Fq/G)となる。
このようにして、噴射量(噴射量指令値:発生熱量に相関のある値)と勾配(反応速度)が与えられれば燃焼期間が確定されることになる。
以上のようにして理想熱発生率波形モデルを作成した後、この理想熱発生率波形モデルを周知のフィルタ処理(例えばWiebeフィルタによる処理)によって円滑化することにより、理想熱発生率波形を作成する。以下、具体的に説明する。
前記理想熱発生率波形と比較される実熱発生率波形は、前記筒内圧センサ4Aによって検出される筒内圧力の変化に応じて作成される。つまり、気筒内での熱発生率と筒内圧力との間には相関がある(熱発生率が高いほど筒内圧力は高くなる)ので、この筒内圧センサ4Aによって検出される筒内圧力から実熱発生率波形を作成することができる。この検出した筒内圧力から実熱発生率波形を作成する処理については公知であるため、ここでの説明は省略する。
燃焼状態の診断(反応形態の診断)としては、前記理想熱発生率波形に対する実熱発生率波形の乖離の大きさに基づいて行われる。例えば、その乖離が予め設定された閾値(本発明でいう異常判定乖離量)以上となっている反応形態が存在している場合には、その反応形態に異常が生じていると診断することになる。例えば熱発生率の偏差が10[J/°CA]以上となっている反応形態が存在する場合や、理想熱発生率波形に対する実熱発生率波形のクランク角度の偏差(進角側または遅角側の偏差)が3°CA以上となっている反応形態が存在する場合には、その反応形態に異常が生じていると診断する。これら値はこれに限定されるものではなく、実験やシミュレーションによって適宜設定される。
前記理想熱発生率波形と実熱発生率波形との比較による燃焼状態の診断において、上述した如く理想熱発生率波形に対する実熱発生率波形の乖離が予め設定された閾値を超える反応形態が存在する場合、その反応形態に異常が生じていると診断され、この乖離を小さくするようにエンジン1の制御パラメータが補正されることになる。
以上説明した実施形態は、自動車に搭載された直列4気筒ディーゼルエンジン1に本発明を適用した場合について説明した。本発明は、自動車用に限らず、その他の用途に使用されるエンジンにも適用可能である。また、気筒数やエンジン形式(直列型エンジン、V型エンジン、水平対向型エンジン等の別)についても特に限定されるものではない。また、本発明は軽油を燃料とするディーゼルエンジンに限らず、ガソリンやその他の燃料を使用するエンジンに対しても適用が可能である。
12 シリンダボア
13 ピストン
13b キャビティ
23 インジェクタ(燃料噴射弁)
3 燃焼室
4A 筒内圧センサ
100 ECU
I,I' 気化反応の理想熱発生率波形モデル
II,II' 低温酸化反応の理想熱発生率波形モデル
III,III' 熱分解反応の理想熱発生率波形モデル
IV,IV' 予混合燃焼による高温酸化反応の理想熱発生率波形モデル
V,V' 拡散燃焼による高温酸化反応の理想熱発生率波形モデル
Claims (18)
- 燃料噴射弁から気筒内に噴射された燃料の燃焼を行う内燃機関における前記燃料の反応の熱発生率波形を作成する装置であって、
前記燃料の反応開始時期、反応速度および反応量を利用して燃料の反応の理想熱発生率波形を作成するに際し、前記燃料の反応開始時期、反応速度および反応量のうち少なくとも一つを、予め設定された所定タイミングにおける前記気筒内の「酸素密度」に基づいて規定する構成となっていることを特徴とする内燃機関の熱発生率波形作成装置。 - 請求項1記載の内燃機関の熱発生率波形作成装置において、
前記気筒内の「酸素密度」が低いほど燃料の反応開始時期を遅角側にして前記理想熱発生率波形を作成する構成となっていることを特徴とする内燃機関の熱発生率波形作成装置。 - 請求項1または2記載の内燃機関の熱発生率波形作成装置において、
前記気筒内の「酸素密度」が低いほど燃料の反応速度を低くして前記理想熱発生率波形を作成する構成となっていることを特徴とする内燃機関の熱発生率波形作成装置。 - 請求項1、2または3記載の内燃機関の熱発生率波形作成装置において、
前記気筒内の「酸素密度」が低いほど燃料の反応量を少なくして前記理想熱発生率波形を作成する構成となっていることを特徴とする内燃機関の熱発生率波形作成装置。 - 請求項1〜4のうち何れか一つに記載の内燃機関の熱発生率波形作成装置において、
前記燃料の反応として少なくとも低温酸化反応、熱分解反応、高温酸化反応を有しており、
前記燃料の各反応に対する「酸素密度」の影響度を反応毎に異ならせて前記理想熱発生率波形を作成する構成となっていることを特徴とする内燃機関の熱発生率波形作成装置。 - 請求項5記載の内燃機関の熱発生率波形作成装置において、
前記気筒内の「酸素密度」の低下量に対する燃料の反応開始時期の遅角量の割合を、低温酸化反応、熱分解反応、高温酸化反応の順で大きくすることを特徴とする内燃機関の熱発生率波形作成装置。 - 請求項2記載の内燃機関の熱発生率波形作成装置において、
前記燃料の反応として少なくとも低温酸化反応、熱分解反応、予混合燃焼による高温酸化反応、拡散燃焼による高温酸化反応を有しており、
前記各反応のうち低温酸化反応および熱分解反応に対して、前記気筒内の「酸素密度」が低いほど燃料の反応開始時期を遅角側にして前記理想熱発生率波形を作成する構成となっていることを特徴とする内燃機関の熱発生率波形作成装置。 - 請求項3記載の内燃機関の熱発生率波形作成装置において、
前記燃料の反応として少なくとも低温酸化反応、熱分解反応、予混合燃焼による高温酸化反応、拡散燃焼による高温酸化反応を有しており、
前記各反応のうち低温酸化反応、熱分解反応および予混合燃焼による高温酸化反応に対して、前記気筒内の「酸素密度」が低いほど燃料の反応速度を低くして前記理想熱発生率波形を作成する構成となっていることを特徴とする内燃機関の熱発生率波形作成装置。 - 請求項4記載の内燃機関の熱発生率波形作成装置において、
前記燃料の反応として少なくとも低温酸化反応、熱分解反応、予混合燃焼による高温酸化反応、拡散燃焼による高温酸化反応を有しており、
前記各反応のうち予混合燃焼による高温酸化反応および拡散燃焼による高温酸化反応に対して、前記気筒内の「酸素密度」が低いほど燃料の反応量を少なくして前記理想熱発生率波形を作成する構成となっていることを特徴とする内燃機関の熱発生率波形作成装置。 - 請求項1〜9のうち何れか一つに記載の内燃機関の熱発生率波形作成装置において、
前記所定タイミングは、ピストンが圧縮上死点に達したタイミングから進角側および遅角側にそれぞれ所定クランク角度だけ変位させた範囲内において設定されていることを特徴とする内燃機関の熱発生率波形作成装置。 - 請求項10記載の内燃機関の熱発生率波形作成装置において、
前記範囲は、前記燃料の複数の反応それぞれに対する「酸素密度」の影響度、または、前記燃料の反応開始時期、反応速度および反応量に対する「酸素密度」の影響度を考慮して、各反応毎、または、各前記燃料の反応開始時期、反応速度および反応量それぞれに対して異なる範囲に設定され、この範囲内の所定タイミングで前記気筒内の「酸素密度」を求める構成となっていることを特徴とする内燃機関の熱発生率波形作成装置。 - 請求項1〜9のうち何れか一つに記載の内燃機関の熱発生率波形作成装置において、
前記所定タイミングは、ピストンが圧縮上死点に達したタイミングに設定されていることを特徴とする内燃機関の熱発生率波形作成装置。 - 請求項1〜12のうち何れか一つに記載の内燃機関の熱発生率波形作成装置において、
前記気筒内を、ピストンに設けられたキャビティの内部領域とキャビティの外部領域とに分割し、
前記「酸素密度」に基づいて前記燃料の反応開始時期、反応速度および反応量のうち少なくとも一つを規定することにより前記キャビティの内部領域およびキャビティの外部領域それぞれにおける燃料の反応の理想熱発生率波形を作成する構成となっていることを特徴とする内燃機関の熱発生率波形作成装置。 - 請求項13記載の内燃機関の熱発生率波形作成装置において、
前記理想熱発生率波形が求められた各領域それぞれの理想熱発生率波形を合成することによって気筒内全体を対象とする理想熱発生率波形を作成する構成となっていることを特徴とする内燃機関の熱発生率波形作成装置。 - 請求項1〜14のうち何れか一つに記載の内燃機関の熱発生率波形作成装置において、
前記理想熱発生率波形は、前記燃料の各反応の開始時期を基点として、反応速度を斜辺の勾配、反応量を面積、反応期間を底辺の長さとする三角形で成る理想熱発生率波形モデルを作成し、各反応の理想熱発生率波形モデルをフィルタ処理によって円滑化することで作成されることを特徴とする内燃機関の熱発生率波形作成装置。 - 請求項1〜15のうち何れか一つに記載の内燃機関の熱発生率波形作成装置によって求められた理想熱発生率波形と、気筒内で実際に燃料が反応した際の実熱発生率波形とを比較し、理想熱発生率波形に対する実熱発生率波形の乖離が所定量以上となっている場合に、燃料の反応に異常が生じていると診断する構成となっていることを特徴とする内燃機関の燃焼状態診断装置。
- 請求項16記載の内燃機関の燃焼状態診断装置において、
前記理想熱発生率波形に対する実熱発生率波形の乖離が所定の異常判定乖離量以上となっている反応が存在しており、その反応に異常が生じていると診断された際において、理想熱発生率波形に対する実熱発生率波形の乖離が所定の補正可能乖離量以下である場合には、内燃機関の制御パラメータの補正を行って前記乖離を前記異常判定乖離量未満にする制御を行う一方、理想熱発生率波形に対する実熱発生率波形の乖離が前記補正可能乖離量を超えている場合には、内燃機関に故障が生じていると診断することを特徴とする内燃機関の燃焼状態診断装置。 - 請求項16または17記載の内燃機関の燃焼状態診断装置において、
車両に実装または実験装置に搭載されていることを特徴とする内燃機関の燃焼状態診断装置。
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