JP2005240722A

JP2005240722A - ディーゼル機関の制御装置

Info

Publication number: JP2005240722A
Application number: JP2004053471A
Authority: JP
Inventors: Asami Takaku; 麻美高久
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-02-27
Filing date: 2004-02-27
Publication date: 2005-09-08

Abstract

【課題】着火遅れ期間と、着火開始から燃焼ピークまでの期間または燃焼期間から燃焼状態を正確に把握し、これに基づいて燃焼状態を最適に制御する。
【解決手段】筒内圧力を検出するセンサ３６と、クランク角を検出するセンサ３３とを備え、エンジンコントローラ３１は、これら筒内圧力とクランク角に基づいて燃料の着火遅れ期間と、着火後に燃焼ピークに達するまでの期間また燃焼が終了するまで燃焼期間を算出し、これら着火遅れ期間と、燃焼ピークまでの期間または燃焼期間とに基づいて燃焼に影響を及ぼす要素である、燃料噴射時期や排気還流量などを補正制御する。
【選択図】図１

Description

本発明はディーゼル機関の燃焼状態を把握して燃焼を制御する制御装置に関する。

内燃機関の燃焼特性は燃料性状に依存して変化し、そこで、特許文献１にあるように、内燃機関の筒内のピーク燃焼圧と燃焼速度によって燃料性状を検出するようにしたものがある。燃焼特性を正確に把握できれば、これに応じて燃料噴射時期などを最適なタイミングに補正することで、熱効率の改善などが可能となる。
特開昭６２−２８２２６５号公報

しかしながら、ディーゼル機関は圧縮着火であり、ディーゼル燃料は単一成分ではないため、ピーク燃焼圧と燃焼速度からだけでは、燃料の性状ひいては燃焼特性を正確に把握できない。

また、筒内に噴射する燃料のセタン価に依存して燃焼特性が変化するが、セタン価は噴射された燃料の着火遅れ期間には相関があるものの、熱効率に大きな影響を及ぼす、その後の燃焼特性、つまり着火後の燃焼の立ち上がりが急速に行われるか、あるいは緩慢に行なわれるかなどはセタン価だけでは把握できない。したっがて燃料のセタン価のみからでは、燃料の燃焼特性を正確に判断することはできない。

本発明は、着火遅れ期間と、着火開始から燃焼ピークまでの期間または燃焼期間から燃焼状態を正確に把握し、これに基づいて燃焼状態を最適に制御することを可能とした内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

本発明のディーゼル機関は、筒内圧力を検出する手段と、クランク角を検出する手段と、前記筒内圧力とクランク角に基づいて燃料の着火遅れ期間と、着火後に燃焼ピークに達するまでの期間また燃焼が終了するまで燃焼期間を算出する手段と、これら着火遅れ期間と、燃焼ピークまでの期間または燃焼期間とに基づいて燃焼に影響を及ぼす要素を補正制御する燃焼補正手段とを備える。

燃料中に難燃成分であるナフテンやアロマなどの環状の炭化水素が含まれていて、これらの含有状態により燃焼特性に大きな影響を受ける。難燃成分が多く存在すると、着火遅れ期間が延び、また着火後の燃焼の立ち上がりも緩慢となる。本発明では、着火遅れ期間と、着火から燃焼ピークまでの期間または燃焼が終了するまでの燃焼期間を検出することにより、これら難燃成分の割合を判断し、これに応じて、例えば燃料噴射時期や排気還流量など、燃焼に影響を及ぼす要素を補正することにより、その燃料性状にあって最適な燃焼状態を実現可能とし、運転性や熱効率の改善を図ることができる。

本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１には本発明をディーゼル機関に適用した一実施形態を示す。

１はディーゼルエンジンで、排気通路２と吸気通路３のコレクタ部３ａとを結ぶＥＧＲ通路４に、ステップモータ５により駆動されるＥＧＲ弁６を備えている。ステップモータ５は、エンジンコントローラ３１からの制御信号により駆動されるもので、これによって運転条件に応じた所定のＥＧＲ率を得るようにしている。

エンジン１にはコモンレール式の燃料噴射装置１０を備える。この燃料噴射装置１０は、主に燃料タンク（図示しない）、サプライポンプ１４、コモンレール（蓄圧室）１６、気筒毎に設けられるノズル１７からなり、サプライポンプ１４により加圧された燃料は蓄圧室１６にいったん蓄えられ、この蓄圧室１６の高圧燃料が各気筒に設けたノズル１７へと分配される。

ノズル１７（燃料噴射弁）は、電磁的に駆動される針弁を備え、ソレノイドがＯＦＦ時には、針弁が着座状態にあるが、ソレノイドＯＮ状態になると針弁が上昇してノズル先端の噴孔より燃料が噴射される。ソレノイドのＯＦＦからＯＮへの切換により燃料の噴射開始時期が、またＯＮ時間により燃料噴射量が調整され、蓄圧室１６の圧力が同じであればＯＮ時間が長くなるほど燃料噴射量が多くなる。また、必要量の燃料を初期噴射とメイン噴射とに分けて行うパイロット噴射方式の燃料噴射とすることもできる。

ＥＧＲ通路４の開口部下流の排気通路２に、排気の熱エネルギーを回転エネルギーに変換するタービン２２と吸気を圧縮するコンプレッサ２３とを同軸で連結した可変容量ターボ過給機２１を備える。タービン２２のスクロール入口に、図示しないがアクチュエータにより駆動される可変ノズルが設けられ、エンジンコントローラ３１により、可変ノズルは低回転速度域から所定の過給圧が得られるように、低回転速度側ではタービン２２に導入される排気の流速を高めるノズル開度に、高回転速度側では排気を抵抗なくタービン２２に導入させノズル開度（全開状態）に制御する。

コレクタ３ａ入口には、図示しないアクチュエータにより駆動される吸気絞弁８が設けられている。

アクセル開度を検出するアクセルセンサ３２、エンジン回転速度とクランク角度を検出するセンサ３３、エンジン冷却水温度を検出する水温センサ３４、吸入空気量を検出するエアフローメータ３５からの信号が入力されるエンジンコントローラ３１では、これらの信号に基づいて運転状態に応じて最適な目標ＥＧＲ率と目標過給圧とが得られるようにＥＧＲ制御と過給圧制御を協調して行う。

排気通路２には排気中のパティキュレートを捕集するフィルタ４１が設置される。フィルタ４１のパティキュレートの堆積量が所定値に達すると、排気温度を上昇させてフィルタ４１に堆積しているパティキュレートを燃焼除去して再生するため、空燃比をリーン空燃比から理論空燃比やリッチ空燃比へと切換える。

フィルタ４１の上流側にはＨＣトラップ触媒４２を備える。このＨＣトラップ触媒４２は排気の低温時にＨＣをトラップしておき、排気が所定温度以上になるとこのトラップしていたＨＣを脱離して放出しつつ排気中の酸素を用いて酸化して浄化する機能を有するものである。なお、触媒活性後は通常の酸化触媒として機能する。

ところで、前記エンジンコントローラ３１はディーゼルエンジン１に供給れさる燃料性状に起因する燃焼状態を検出し、これに基づいて最適な燃焼が実現できるように、燃焼に影響を及ぼす諸要素、例えば、燃料噴射時期や排気還流量などを補正制御する。

燃料中には、ナフテン、アロマなど環状の炭化水素が含まれており、これらいわゆる難燃成分が多くなるほど燃焼特性が悪化する。難燃成分が増えると、着火遅れ期間が延びるだけでなく、着火後の燃焼の立ち上がりも緩慢となる傾向がある。この難燃成分の含有割合は、ディーゼルエンジン１に給油された燃料に依存して変化し、予め正確に求めておくことは非常に難しい。燃料噴射時期や排気還流量などは、予め設定された制御特性に応じて制御されるが、燃料に含まれる難燃成分が異なれば、これら燃料噴射時期や排気還流量の特性が最適値からずれ、熱効率も悪化するおそれがある。

エンジンコントローラ３１は、エンジン筒内圧を検出する圧力センサ３６からの信号と前記クランク角度を検出するセンサ３３からの信号とに基づき、演算によりディーゼルエンジン１に供給された燃料の着火遅れ期間と、着火後に筒内燃焼圧がピークに達するまでの期間または燃焼が終了するまでの燃焼期間とを求め、これに応じて（難燃成分に応じて）燃焼を補正制御、すなわち燃料噴射時期や排気還流量などを補正制御するのである。

以下、図２のフローチャートを参照して制御内容を説明する。なお、これらのルーチンは所定の短時間毎に繰り返し実行される。

図２において、ステップＳ１でエンジン筒内圧信号ｐ、クランク角度信号θ、さらには燃料噴射量信号Ｑなど読み込む。ステップＳ２ではこれらの１回微分値、あるいは２回微分値に基づいて、ｄｐ／ｄθ、ｄ²ｐ／ｄ²θ、ｄＱ／ｄθなどをそれぞれ算出する。

図３はこれらの特性をグラフで示すものであり、（ａ）は筒内燃焼圧力波形図であり、（ｂ）は筒内圧を１回微分したｄｐ／ｄθの波形図、（ｃ）は同じく２回微分したｄ²ｐ／ｄ²θの波形図、（ｄ）はＱを微分して求めた熱発生率の波形図である。

なお、着火遅れ期間（Delay）は、図３（ｂ）（ｃ）の１回微分値または２回微分値から算出でき、また燃焼圧がピークに達するまでの期間（ΔPeak）は、図３（ｃ）の２回微分値から算出でき、さらに燃焼期間（CP）は図３（ｂ）の１回微分値から算出できる。あるいは図３（ｄ）の熱発生率の大きさから算出することができる。

次いで、ステップＳ３では着火遅れ期間Delayと、燃焼開始からピークまでの期間ΔPeak、または燃焼期間CPを上記のとおり算出する。

ステップＳ４では、算出した着火遅れ期間Delayと、燃焼ピークまでの期間ΔPeakとに基づいて、図４のマップを参照して燃料の難燃成分の割合を検索する。難燃成分と燃焼の関係は図５にも燃焼状態との相関があり、例えば、着火遅れ期間Delayと、燃焼ピークまでの期間ΔPeakが共に大きくなるほど難燃成分の割合が高いものと判断できる。これらの相関については、本発明者が実験により初めて確認したものであり、難燃成分の割合が高いほど燃焼しにくい条件となり、難燃成分の割合が低いほど燃焼しやすい条件となることが分かった。

ステップＳ５では難燃成分の割合が所定の標準値（標準難燃成分割合の燃料に相当）よりも高いかどうかの判定を行い、もし低ければ特に燃焼補正を行わずにルーチンを終了するが、高いときにはステップＳ６に進んで難燃成分の割合に基づいて燃焼補正のための補正値を算出する。

ここでは、図６から図１０にも示すように、例えば、難燃成分割合に応じて、難燃成分割合が標準値よりも高くなるほど燃料噴射時期を進角側に補正する進角補正値（図６）を算出し、同じく、燃料噴射をパイロット噴射方式とする場合には、難燃成分割合が高くなるほど初期噴射（パイロット噴射）とメイン噴射の間隔ΔＩＴを狭くする補正値（図７）、あるいは難燃成分割合が高いほど初期噴射の噴射量を増やす補正値（図８）を算出する。さらに、図９のように、排気還流率（ＥＧＲ率）を難燃成分割合が高くなるほど減少させるような補正値、あるいは図１０のように、排気還流を行う領域を、難燃成分割合が高くなるほど狭くするような補正値を算出する。なお、排気還流領域を狭くするとは、ディーゼルエンジン１では通常部分負荷、低中回転域で排気還流を行うが、このうち、例えば負荷のより小さい範囲に制限することで、排気還流が行われる領域を狭めることを意味する。

そしてステップＳ７では、これら補正値に基づいて、燃料噴射時期や排気還流量の補正を実行し、これにより燃料性状に応じて最適な燃焼特性を維持することを可能とする。

このようにして本実施形態によれば、燃料中に含まれる難燃成分に応じて、例えば、難燃成分が標準状態よりも多く含まれるときは、それだけ燃焼しづらくなるので、燃焼に影響を及ぼす要素を燃焼条件が良好となる方向に補正する、具体的には、燃料噴射時期を進角させることにより、あるいはパイロット噴射方式ならば、初期噴射とメイン噴射のとの噴射間隔を狭め、または、同時に初期噴射の割合を多くすることで、燃焼特性の悪化を防ぐことができ、あるいは吸気中に還流される排気の排気還流率を減少させたり、排気還流を行う領域を狭くしたりすることで、燃焼の悪化を阻止することができる。

また、このようにして、燃料中に含まれる難燃成分に応じて燃焼を補正し、そのときの難燃成分の含有状態に応じて最適な燃焼特性に維持することで、燃料性状の違いによるパティキュレート、スモークの排出量の増大を抑制し、またＮＯｘの悪化を阻止できる。

また、難燃成分の割合が標準状態よりも高いときに燃焼の補正を行い、それ以下のときはとくに補正しないので、燃焼補正は必要に応じて的確に行える。

なお、上記において、燃焼開始からピークまでの期間ΔPeakを用いる代わりに、燃焼器間CPを用いて、難燃成分割合を算出し、これに応じて図６〜図１０の補正値を算出しても同じような効果を得られることが確認されている。

次に他の実施形態を図１１のフローチャートを参照して説明する。

ステップＳ１１〜ステップＳ１３までは、図２のステップＳ１〜ステップＳ３までと同じであり、ステップＳ１４では難燃成分割合を求める代わりに、着火遅れ期間Delayと着火開始から燃焼ピークまでの期間ΔPeak、または燃焼開始から終了までの燃焼期間CPに基づいて、図１２〜図１６に示すような、マップを参照して各補正値を直接算出する。

図１２は着火遅れ期間Delayと燃焼のピークまでの期間ΔPeakとに基づいて燃料噴射時期の進角値の補正値を求める。例えば、着火遅れ期間Delayと、燃焼ピークまでの期間ΔPeakが共に大きいときほど燃焼が悪化するので、これらに応じて燃料噴射時期を進角させるような補正値が算出される。なお、図中の数値は進角のレベルを示すもので、標準状態に対してプラスは進角、マイナスは遅角を表す。

図１３はパイロット噴射方式の場合の、初期噴射とメイン噴射との噴射間隔であり、着火遅れ期間Delayとピークまでの期間ΔPeakが大きくなるほど噴射間隔を狭め、また図１４は同じく初期噴射量の補正値で、同じく初期噴射量を増加させる補正値となる。

図１５は排気還流率の補正特性であり、着火遅れ期間Delayと燃焼ピークまでの期間ΔPeakが共に大きくなるほど排気還流率は減少させ、さらに図１６は排気還流領域の補正特性であり、同じく排気還流領域を減少、すなわち狭くするような補正値となる。なお、図中の数値については、それぞれ補正のレベルを示すもので、ブラスは標準状態よりも減少させ、マイナスは増加させることを意味する。

そして、ステップＳ１５ではこれら検索した補正値に基づいて、燃料噴射時期や排気還流量の補正制御を実行する。

この実施形態では、燃料に含まれる難燃成分を算出する代わりに、着火遅れ期間Delayと着火開始後の燃焼ピークまでの期間ΔPeakとに基づいて、直接的に燃焼に影響を及ぼす要素である燃料噴射時期や排気還流量の補正値を算出するので、それだけ演算動作が簡略化できる。

なお、燃焼ピークまでの期間ΔPeakに代えて、着火開始してから終了するまでの燃焼期間CPを用いて、前記各種の補正値を同じように算出することもできる。

本発明の制御装置は、ディーゼル機関などに適用できる。

本発明の一実施形態を示す概略構成図である。同じくその制御内容を示すフローチャートである。（ａ）〜（ｄ）は燃焼波形の説明図である。難燃成分の割合の特性図である。燃焼条件の特性図である。燃料噴射時期の補正特性図である。燃料噴射間隔の補正特性図である。パイロット噴射量の補正特性図である。排気還流率の補正特性図である。排気還流領域の補正特性図である。他の実施形態の制御内容を示すフローチャートである。燃料噴射時期の補正特性図である。燃料噴射間隔の補正特性図である。パイロット噴射量の補正特性図である。排気還流率の補正特性図である。排気還流領域の補正特性図である。

符号の説明

１エンジン
２排気通路
３１エンジンコントローラ
３３クランク角センサ
３６筒内圧力センサ

Claims

ディーゼル機関において、
筒内圧力を検出する手段と、
クランク角を検出する手段と、
前記筒内圧力とクランク角に基づいて燃料の着火遅れ期間と、着火後に燃焼ピークに達するまでの期間また燃焼が終了するまで燃焼期間を算出する手段と、
これら着火遅れ期間と、燃焼ピークまでの期間または燃焼期間とに基づいて燃焼に影響を及ぼす要素を補正制御する燃焼補正手段と
を備えることを特徴とするディーゼル機関の制御装置。
前記着火遅れ期間、燃焼ピークに達するまでの期間または燃焼期間は、前記筒内圧力の１回微分値または２回微分値から算出する請求項１に記載のディーゼル機関の制御装置。
前記着火遅れ期間と、燃焼ピークまでの期間または燃焼期間とが共に大きくなるほど燃焼条件がよくないものとして、前記各要素を燃焼条件が良好となる方向に補正する請求項１または２に記載のディーゼル機関の制御装置。
前記各要素とは、燃料噴射時期、初期噴射から主噴射までの噴射間隔、初期噴射量、排気還流量、排気還流領域のいずれか一つを含む請求項１〜３のいずれか一つに記載のディーゼル機関の制御装置。
前記燃焼条件が良好となる方向への補正とは、それぞれ燃料噴射時期は進角、噴射間隔は縮小、初期噴射量は増量、排気還流量は減少、排気還流領域は減少させる方向への補正である請求項４に記載のディーゼル機関の制御装置。
前記燃焼補正手段は、前記着火遅れ期間と、燃焼ピークまでの期間または燃焼期間とが共に大きくなるほど、燃料中の難燃成分の割合が高いと判断し、難燃成分が標準値以上のときに前記各要素を補正制御する請求項１または２に記載のディーゼル機関の制御装置。
前記燃焼補正手段は、前記難燃成分の割合が高くなるほど、前記各要素を燃焼条件が良好となる方向に補正する請求項６に記載のディーゼル機関の制御装置。