JP2005180185A - ディーゼルエンジンの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ディーゼルエンジンにおいて、指示燃料噴射量に対する実燃料噴射量の乖離を減少させ、精度良く料噴射量を補正する。
【解決手段】ディーゼルエンジンの運転状態に応じて決定される指示燃料噴射量を算出し、排気温度を検出し（Ｓ２）、吸入空気量を検出し（Ｓ４）、排気温度及び吸入空気量を用いて実際に噴射された燃料の実燃料噴射量を算出し（Ｓ５）、ディーゼルエンジンの運転状態に応じて決定される指示燃料噴射量と実燃料噴射量との偏差に応じて指示燃料噴射量を補正する（Ｓ１０）。
【選択図】図３

Description

本発明は、ディーゼルエンジンの制御装置に関する。

ディーゼルエンジンの燃料噴射装置は、運転者の要求する駆動力をアクセルペダル開度から読みとり、そのときのエンジン運転状態を勘案し、最適なパラメータでそれぞれのデバイスを制御する。この時、ほとんどの重要なパラメータはエンジン回転数と燃料噴射量で定義されるが、運転者の要求する燃料噴射量（運転状態に応じて決まる燃料噴射量であり、以下、指示燃料噴射量と記す）はシステムの仮想的な指示値に他ならない。この指示燃料噴射量に対して、実際にシリンダ内に供給される燃料噴射量（以下、実燃料噴射量と記す）は、製造時の公差やインジェクタの劣化などにより、同一でない場合があり得る。運転者の要求は駆動力であり、車両の抵抗が安定している限り、上記指示燃料噴射量は同一となるが、指示燃料噴射量に対する実燃料噴射量が当初の狙いから外れることにより、意図しないパラメータ設定を制御値に使用する可能性が起こり得る。

特に、近年のインジェクタは、燃料噴射圧力の高圧化に伴ってインジェクタのニードル着座部が摩耗しやすい傾向にあり、コモンレール式の燃料噴射装置では、ニードル上下の圧力バランスで駆動するいう作動原理上、指示燃料噴射量が同一であっても、実燃料噴射量が増加する要因となる。この傾向は、新車製造時から慣らし運転終了までの間で特に顕著であるが、この結果、例えばＥＧＲガスの流量は増量側にシフトし、ＮＯｘが減少し、ＰＭや黒煙が増加するというトレードオフバランスの変化が経時的に発生する。また、機関の最高出力点で運転している条件では、燃料流量が増加することにより、排気ガス温度が上昇し、排気マニホールドやターボチャージャ等の熱破損を招いたり、最高燃焼圧力（Ｐｍａｘ）が上限を超え、エンジン本体系構造部品に悪影響を及ぼす虞がある。

燃料噴射量特性の変化に伴う性能変化や機能問題を避けるために、インジェクタが劣化していない初期の状態で流量の上限をより厳しく制限したり、また、排気性能のシフトを考慮し、マージンを大きくしたりする等の対策が要求される。これらの対策は目標を上方修正することに等しく、コストアップを免れない。

こうした問題点を解決するために、特許文献１には、機関がアイドル運転条件にあるときに、目標とするアイドル回転数と実際のアイドル回転数を比較し、両者が同一となるように燃料噴射量を補正する技術が開示されている。
特開２００２−３０９６２号公報

しかしながら、特許文献１のように燃料噴射量を補正する場合、アイドル回転数での燃料噴射量は相対的に少ないため、上述した最高出力点における燃料噴射量の補正は、制御しようとする流量差が大きくなり精度よく補正することができないという問題がある。

また、コモンレール式燃料噴射装置の場合、インジェクタの噴射量特性はレール圧（燃料噴射圧力）をパラメータとし通電時間と燃料噴射量の関係で定義されるが、レール圧はアイドル時の設定以外は考慮されない結果、様々な運転条件に応じて変化するレール圧毎のきめ細やかな燃料噴射量の補正制御を行えないという問題がある。

本発明に係るディーゼルエンジンの制御装置は、排気温度及び吸入空気量を用いて実際に噴射された燃料の噴射量を算出する実燃料噴射量算出手段を有し、指示燃料噴射量と実燃料噴射量との偏差に応じて指示燃料噴射量を補正することを特徴としている。

本発明によれば、排気ガス温度と吸入空気量から推定された実燃料噴射量から指示燃料噴射量が補正されるので、指示燃料噴射量に対する実燃料噴射量の乖離を減少させることができる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１及び図２は、本発明におけるシステム構成の概略を示す説明図であり、図２は主として排気系のシステム構成を示している。

空気取入口１から取り入れられた空気は、エアクリーナ２に導入されている。エアクリーナ２で清浄された空気は、エアフローメータ３、インタークーラ４、吸気スロットル５、吸気マニホールド６を経て、ディーゼルエンジン７の各気筒に供給されている。一方、ディーゼルエンジン７から排出された排気ガスは、排気マニホールド８を経て、図２に示す酸化触媒９及びＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）１０を通った後、車外に排出されている。

このディーゼルエンジン７は、ターボチャージャ１１によって予圧された空気が気筒内に導入されている。ターボチャージャ１１は、排気ガスによって回転駆動するタービン１２と、このタービン１２と同軸上に連結され、タービン１２と同期回転するブロア１３と、から大略構成されている。タービン１２は排気系内における排気マニホールド６下流に位置し、ブロア１３は吸気系内におけるエアフローメータ３とインタークーラ４との間に位置している。

エアフローメータ３で検出された吸入空気量Ｑａｉｒは、コントロールユニット１４に入力されている。このコントロールユニット１４には、エンジン回転数を検出するエンジン回転数センサ１５、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ１６、ディーゼルエンジン７の冷却水温を検出する水温センサ１７、車両速度を検出する車速センサ１８、吸気スロトッル５の下流に位置し吸入空気の温度を検出する吸気温度センサ１９、吸気スロトッル５の下流に位置し吸入空気の圧力を検出する吸気圧力センサ２４、排気温度を検出する排気温度センサ２０、大気圧を検出する大気圧センサ２６からの信号が入力されている。

排気温度センサ２０は、ターボチャージャ１１のタービン１２の下流側、すなわちタービン入口の排気温度を検出している。この排気温度センサ２０は、想定される最も高い排気ガス温度においても高い分解能を有すると共に、高い排気温度にさらされるために耐久性にも優れるものである。

酸化触媒９は、ターボチャージャ１１のタービン１２よりも下流に位置するものであって、この酸化触媒９よりも下流側にＤＰＦ１０が位置している。酸化触媒９の排気入口近傍には、コントロールユニット１４に信号を出力する酸化触媒入口温度センサ２５が配設されている。ＤＰＦ１０の排気入口近傍及び排気出口近傍には、コントロールユニット１４に信号を出力するＤＰＦ入口温度センサ２１、ＤＰＦ出口温度２２センサがそれぞれ配設されている。尚、２３は、ＤＰＦ１０前後での排気系内の差圧を検出する差圧センサであって、この差圧センサ２３もコントロールユニット１４に信号を出力している。

コントロールユニット１４は、アクセル開度等のエンジン運転状態、すなわち入力された情報に基づいて指示燃料噴射量を算出しており、この指示燃料噴射量に従って、コモンレール式燃料噴射システム２３から燃料がディーゼルエンジン７の気筒内に噴射されている。

次に、上述したシステム構成で実施される制御を図３のフローチャートを用いて説明する。

図３に示す制御の流れは、指示燃料噴射量を補正する指示燃料噴射量補正値に関するものであって、ステップ（以下、単にＳと表記する）１では、エンジン回転数センサ１５で検出されたエンジン回転数を読み込む。

Ｓ２では、排気温度センサ２０で検出された排気温度を読み込む。

Ｓ３では、空気過剰率算出マップを参照し、空気過剰率λを算出する。図４は空気過剰率算出マップの特性例を示す。この空気過剰率算出マップは、Ｓ１及びＳ２で読み込まれたエンジン回転数と排気温度から排気ガス中の現在の空気過剰率λを算出するものであって、エンジン回転数が高いほど空気過剰率λは小さくなり、また、排気温度が高いほど空気過剰率λは小さくなっている。

Ｓ４では、エアフローメータ３で検出された吸入空気量Ｑａｉｒを読み込む。

第１サブルーチンからなるＳ５では、空気過剰率λと吸入空気量Ｑａｉｒから実際に噴射された燃料噴射量、すなわち実燃料噴射量を算出する。第１サブルーチンについては後述する。

Ｓ６では、アクセル開度等の運転者要求、すなわちディーゼルエンジンの運転状態に応じて決定される指示燃料噴射量と実燃料噴射量との差を算出する。ここで指示燃料噴射量と実燃料噴射量との差は、文字通り指示燃料噴射量から実燃料噴射量を減じた値を意味するものである。尚、指示燃料噴射量と実燃料噴射量との差は、インジェクタの製造時の公差や使用過程での劣化等により生じるものである。

Ｓ７では、指示燃料噴射量と実燃料噴射量との差が予め設定された規定値を超えているか否かを判定する。指示燃料噴射量と実燃料噴射量との差が上記規定値を超えている場合にはＳ８へ進み、超えていない場合は今回のルーチンを終了する。

第２サブルーチンからなるＳ８では、指示燃料噴射量を補正する指示燃料噴射量補正値の学習条件が成立しているか否かを判定する。

Ｓ９では、Ｓ８の判定結果を基に、指示燃料噴射量を補正する指示燃料噴射量補正値の学習条件が成立している場合にはＳ９へ進み、学習条件が不成立の場合には今回のルーチンを終了する。

Ｓ１０では、Ｓ６で算出された指示燃料噴射量と実燃料噴射量との差を指示燃料噴射量補正値として学習する。指示燃料噴射量補正値は、本実施形態のように、コモンレール式燃料噴射システム２３で燃料を噴射している場合には、レール圧によって選別されて記憶される。指示燃料噴射量補正値は、一次的にコントロールユニット１４内の一次記憶装置（ＲＡＭ）に蓄えられ、イグニッションＯＦＦ後に不揮発性メモリー（ＥＥＰＲＯＭ）内に転送され、次回の運転時に備えられる。ここで学習された補正値は、レール圧毎の噴射量シフト量であるので、次回機関を始動した後に、不揮発性メモリーから読み出された値が、運転者からの要求燃料噴射量、すなわち指示燃料噴射量に加算（ないしは減算）されて最適な指示燃料噴射量となるように補正される。

図５に、上述した第１サブルーティン内の制御の流れを示す。

Ｓ２１では、吸入空気量と燃料噴射量の質量比であるＡ／Ｆを、エアフローメータ３で検出された吸入空気量Ｑａｉｒを用いずに、Ｓ３で算出された空気過剰率λを用い、下記の式（１）から算出する。

（数１）
Ａ／Ｆ＝λ×１４．７ …（１）
ここで、式（１）中の定数１４．７は、λ＝１となる理論当量比（燃料と空気中の酸素が余すところ無く酸化反応を起こす割合）の際のＡ／Ｆである。尚、この１４．７なる値は燃料によって異なるため、仕向地によって最適に調整された値をシステム（コントロールユニット１４）に予め登録し、仕向地毎に最適の値が用いられるようになっている。

Ｓ２２では、Ｓ２１で算出されたＡ／ＦとＳ４で読み込まれた吸入空気量Ｑａｉｒを用い、実燃料噴射量を算出する。実燃料噴射量は、吸入空気量ＱａｉｒをＡ／Ｆで除すことで算出される。

図６に、上述した第２サブルーティン内の制御の流れを示す。

Ｓ３１では、水温センサ１７で検出された冷却水温度を読み込む。

Ｓ３２では、Ｓ３１で読み込まれた冷却水温度が予め設定された既定値を超えているか否かを判定し、超えている場合にはＳ３３に進み、超えていない場合にはＳ３９へ進む。Ｓ３９では学習条件が不成立であると判定する。ここで、冷却水温が規定値以下の場合に学習条件を不成立とするのは、暖機途上では、ディーゼルエンジン７内部のフリクションが高く、上述した図４に示したような空気過剰率算出マップが安定して再現されない。すなわち上述した空気過剰率算出マップで示された排気温度及びエンジン回転数と空気過剰率λとの相関関係が再現されない可能性があるためである。

Ｓ３３では、吸気温度センサ１９で検出された吸入空気温度を読み込む。

Ｓ３４では、Ｓ３３で読み込まれた吸入空気温度が予め設定された規定範囲にあるか否かを判定し、規定範囲にある場合にはＳ３５に進み、規定範囲にない場合にはＳ３９へ進む。詳述すれば、吸入空気温度が、予め設定された第１しきい値より大きく、予め設定された第２しきい値未満の小さい値であれば、Ｓ３５へ進む。これは吸入空気温度によって排気温度に対する空気過剰率λの関係がある程度影響を受けるため、学習条件が成立する吸入空気温度を常温域に限定する必要があるからである。ここで、Ｓ３４における規定範囲とは、常温域にほかならず、この常温域とは、通常２５℃±２℃前後である。

Ｓ３５では、車速センサ１８で検出された車速を読み込む。

Ｓ３６では、Ｓ３５で読み込まれた車速が予め設定された既定値以上であるか否かを判定し、既定値以上であればＳ３７へ進み、既定値未満であればＳ３９へ進む。これは、車速が低いとエンジンルーム内の空冷が不十分となるために、排気温度に対する空気過剰率λの関係にばらつきを与える虞があるためである。

Ｓ３７では、Ｓ３６で読み込まれた車速に対してある程度の変動範囲を加味して考慮した値が一定時間維持されたかどうかを判定し、一定時間維持されている場合にはＳ３８に進み、学習条件が成立していると判定し、一定時間維持されていない場合にはＳ３９へ進む。これは、過渡条件においては、排気管の熱慣性によって、排気ガスの温度が影響を受けるため、一定時間経過した後の排気ガス温度が安定した状態で学習条件を成立と判定することが精度向上に役立つためである。

上述したような実施形態においては、排気ガス温度と吸入空気量から推定された実燃料噴射量から指示燃料噴射量が補正されるので、指示燃料噴射量に対する実燃料噴射量の乖離が減少し、スモーク排出が初期から変化しなくなると共に、タービン入口温度が変化しないようにすることができる。また排気性能のトレードオフ上の変化（ＮＯｘに対するＰＭ、スモーク、ＨＣなど）を最小限に抑制することができる。さらに、スモーク排出の変化、タービン入口温度の変化、排気性能のトレードオフ上の変化、を考慮した初期のマージンが圧縮できるため、初期の性能向上を図ることができる。また、この性能向上分を材料の変更などに振り分けることでコスト低減も可能となる。

また、ディーゼルエンジン７の高出力化の傾向に伴って、最高出力を制限する条件としてタービン入口温度をセンサで計測している場合には、新規にセンサを追加することなく排気ガス温度の精密計測が可能であるため、コスト的にも有利である。

尚、図３のＳ２においては、排気ガスの温度として排気温度センサ２０の検出値を用いずに、ＤＰＦ入口温度センサ２１の検出値を排気ガス温度とし用いることも可能である。より厳しい排気ガス規制に適合するために、ＤＰＦを排気系に具備するものでは、ＤＰＦに堆積したＰＭを酸化燃焼させるため、再生動作時にＤＰＦ入口部分の温度管理が必須となるため、このＤＰＦ入口部分の温度管理用の温度センサを用いれば、新規にセンサを追加することなく排気ガス温度の精密計測が可能であるため、コスト的にも有利である。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。この第２実施形態は、エアフローメータを用いない場合の例であり、上述した第１実施形態のシステム構成から、エアフローメータ３を外した構成を前提とするものである。すなわち、吸入空気量Ｑａｉｒを吸気圧力センサ２４及び吸気温度センサ１９からの検出値に基づいて算出するものある。従って、この第２実施形態で実施される制御は、上述した第１実施形態で実施される制御と比較すると、上述した図３のＳ４のみが異なっている。すなわち、図７に示すフローチャートに示すように、吸入空気量Ｑａｉｒを吸入空気の圧力と温度を用いて算出する。

Ｓ４１では、吸気圧力センサ２４で検出された吸入空気圧力を読み込む。

Ｓ４２では、吸気温度センサ１９で検出された吸入空気温度を読み込む。

Ｓ４３では、大気圧センサ２６で検出された大気圧を読み込む。

Ｓ４４では、吸入空気量算出マップを参照し、吸入空気量を算出する。図８は、吸入空気量算出マップの特性例を示す。この空気量算出マップは、Ｓ４１及びＳ４２で読み込まれた吸入空気圧力と吸入空気温度から吸入空気量を算出するものであって、吸入空気圧力が大きいほど吸入空気量は多くなり、吸入空気温度が高いほど吸入空気量は多くなっている。

Ｓ４５では、Ｓ４４で算出された吸入空気量をエンジン回転数に応じて補正する。すなわち、図９に示すエンジン回転補正係数算出マップを用い、エンジン回転数センサ１５の検出値からエンジン回転補正係数を算出し、このエンジン回転補正係数をＳ４４で算出された吸入空気量に乗ずることで補正する。

Ｓ４６では、Ｓ４５で補正された吸入空気量を大気圧に応じてさらに補正する。すなわち、図１０に示す大気圧補正係算出マップを用い、Ｓ４３で読み込まれた大気圧から大気圧補正係数を算出し、この大気圧補正係数をＳ４５で補正された吸入空気量に乗ずることで補正する。尚、このＳ４６で補正されたものが吸入空気量Ｑａｉｒとなる。

上記実施形態から把握し得る本発明の技術的思想について、その効果とともに列記する。

（１） ディーゼルエンジンの運転状態に応じて決定される指示燃料噴射量を算出する指示燃料噴射量算出手段と、排気温度を検出する排気温度検出手段と、吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、を備えたディーゼルエンジンの制御装置において、排気温度及び吸入空気量を用いて実際に噴射された燃料の噴射量を算出する実燃料噴射量算出手段を有し、指示燃料噴射量と実燃料噴射量との偏差に応じて指示燃料噴射量を補正する。これによって、排気ガス温度と吸入空気量から推定された実燃料噴射量から指示燃料噴射量が補正されるので、指示燃料噴射量に対する実燃料噴射量の乖離を減少させることができる。

（２） 上記（１）に記載のディーゼルエンジンの制御装置は、排気ガスによってタービンを回転させ、このタービンと同軸上のブロアの回転により過給を行うターボチャージャを有するものであって、排気温度検出手段は、タービン入口における排気温度を検出している。これによって、ディーゼルエンジンの高出力化の傾向に伴って、最高出力を制限する条件としてタービン入口温度をセンサで計測しているような場合には、新規にセンサを追加することなく排気ガス温度の精密計測が可能であるため、コスト的にも有利となる。

（３） 上記（１）に記載のディーゼルエンジンの制御装置は、排気微粒子の捕集除去を行うＤＰＦを排気系に有すものであって、排気温度検出手段は、ＤＰＦ入口における排気温度を検出している。これによって、より厳しい排気ガス規制に適合するために、ＤＰＦを排気系に具備するものでは、ＤＰＦに堆積したＰＭを酸化燃焼させるため、再生動作時にＤＰＦ入口部分の温度管理が必須となり、このＤＰＦ入口部分の温度管理用の温度センサを用いれば、新規にセンサを追加することなく排気ガス温度の精密計測が可能であるため、コスト的にも有利となる。

（４） 上記（１）〜（３）のいずれかに記載のディーゼルエンジンの制御装置は、より具体的には、吸入空気量検出手段としてエアフローメータを有する。

（５） 上記（１）〜（３）のいずれかに記載のディーゼルエンジンの制御装置は、より具体的には、吸入空気の温度を検出する吸入空気温度検出手段と、吸入空気の圧力を検出する吸入空気圧力検出手段とを有し、吸入空気量検出手段は、吸入空気の温度及び圧力を用いて吸入空気量を検出している。

本発明に係るディーゼルエンジンの制御装置のシステム構成の概略を示す説明図。 本発明に係るディーゼルエンジンの制御装置のシステム構成の概略を示す説明図。 本発明の第１実施形態における制御の流れを示すフローチャート。 空気過剰率算出マップの特性例を示す説明図。 図３における第１サブルーチンの制御の流れを示すフローチャート。 図３における第２サブルーチンの制御の流れを示すフローチャート。 本発明の第２実施形態において吸入空気量を算出するための制御の流れを示すフローチャート。 吸入空気量算出マップの特性例を示す説明図。 エンジン回転補正係数算出マップの特性例を示す説明図。 大気圧補正係算出マップの特性例を示す説明図。

符号の説明

３…エアフローメータ
７…ディーゼルエンジン
９…酸化触媒
１０…ＤＰＦ
１１…ターボチャージャ
１２タービン
１４…コントロールユニット
２０…排気温度センサ

Claims (5)

1. ディーゼルエンジンの運転状態に応じて決定される指示燃料噴射量を算出する指示燃料噴射量算出手段と、排気温度を検出する排気温度検出手段と、吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、を備えたディーゼルエンジンの制御装置において、
   排気温度及び吸入空気量を用いて実際に噴射された燃料の噴射量を算出する実燃料噴射量算出手段を有し、
   指示燃料噴射量と実燃料噴射量との偏差に応じて指示燃料噴射量を補正することを特徴とするディーゼルエンジンの制御装置。
2. 排気ガスによってタービンを回転させ、このタービンと同軸上のブロアの回転により過給を行うターボチャージャを有するものであって、排気温度検出手段は、タービン入口における排気温度を検出していることを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジンの制御装置。
3. 排気微粒子の捕集除去を行うＤＰＦを排気系に有すものであって、排気温度検出手段は、ＤＰＦ入口における排気温度を検出していることを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジンの制御装置。
4. 吸入空気量検出手段としてエアフローメータを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のディーゼルエンジンの制御装置。
5. 吸入空気の温度を検出する吸入空気温度検出手段と、吸入空気の圧力を検出する吸入空気圧力検出手段とを有し、吸入空気量検出手段は、吸入空気の温度及び圧力を用いて吸入空気量を検出していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のディーゼルエンジンの制御装置。

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