JP2005273513A - 内燃機関の混合気着火時期推定装置、及び内燃機関の制御装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 この混合気着火時期推定装置は、圧縮開始時(CAin)における筒内ガスの状態量(圧縮開始時筒内ガスの熱エネルギー)と、圧縮行程における圧縮による筒内ガスの状態量の変化量(微小ピストン仕事)と、PCCI燃焼時において自着火(熱炎)に先立って発生する冷炎による発熱量(冷炎発熱量ΔQlto)と、に基づいて、PCCI燃焼用の予混合気の温度(即ち、筒内温度Tg)をクランク角度CAに対応する形で推定していき、筒内温度Tgが所定の自着火開始温度Tigに達した時点を同予混合気のPCCI燃焼に係わる自着火開始時期(CAig)として推定する。従って、冷炎発熱量ΔQltoが考慮されるから、PCCI燃焼に係わる自着火開始時期を精度良く推定することができる。
【選択図】 図3
Description
次に、上記のように構成された内燃機関の混合気着火時期推定装置を含む制御装置(以下、「本装置」と云うこともある。)による混合気着火時期の推定方法について説明する。図2は、或る一つの気筒のシリンダ内(筒内)に吸気マニホールド31からガスが吸入され、燃焼室内に吸入されたガスが排気マニホールド41へ排出される様子を模式的に示した図である。
以下、本装置によるPCCI燃焼時における予混合気の自着火開始時期の具体的推定方法について図3を参照しながら説明する。図3は、圧縮行程(及び、膨張行程)における筒内温度Tg及び燃焼室内における熱発生率(dQ/dCA。単位時間あたりの熱発生量)の変化の一例を示した図である。
Tg=Q / (M・Cp) ・・・(2)
筒内ガス質量Mは、PCCI燃焼用燃料の噴射前の段階(即ち、第1モード)では、圧縮開始時点で燃焼室内に密閉された圧縮開始時筒内ガス質量M0に維持され、同燃料噴射後の段階(即ち、第2,第3モード)では、同圧縮開始時筒内ガス質量M0にPCCI燃焼用燃料噴射量qpcci(=qfin)の燃料の質量「qpcci・ρf」を加えた値(M0+qpcci・ρf)に維持される。ここで、ρfは燃料密度である。圧縮開始時筒内ガス質量M0は、圧縮開始時の筒内ガスについての気体の状態方程式に基づく下記(3)式に従って求めることができる。
次に、筒内ガスの定圧比熱Cpの求め方について説明する。一般に、筒内ガスの比熱比κ=Cp/Cv
なる関係、及び、Cp=Cv+R なる関係から Cv を消去することで、筒内ガスの定圧比熱Cpと、筒内ガスの比熱比κとの関係は下記(6)式にて表すことができる。Cvは筒内ガスの定容比熱である。
Cp=funcCp(RO2in,RO2exb,Tg,0) ・・・(8)
次に、筒内ガスの熱エネルギーQについて説明する。先ず、圧縮開始時点での筒内ガスの熱エネルギーQinは、「Qin=M0・Cp・Tin」なる関係から求めることができる。ここにおける筒内ガスの定圧比熱Cpは第1モードにおける比熱であるから、上記(8)式に従って求められる値である。
ΔQqpcci=(qpcci・ρf)・Cf・Tcr ・・・(18)
先に述べたように、PCCI燃焼での予混合気の自着火開始時期においては、ノイズ大、或いは失火発生等の事態が発生することのない前記PCCI制御可能範囲が存在する。係るPCCI制御可能範囲は、主として、エンジン回転速度NE、PCCI燃焼用燃料噴射量qpcci、及び予混合気の当量比φにより変化する。
本装置は、上記当量比φと自着火開始時クランク角度CAigとの関係が、PCCI制御可能領域に対応する場合、今回の作動サイクルにおいて前記PCCI燃焼用燃料噴射開始時(CAqpcci)が到来した時点で前記要求燃料噴射量qfinの全量の燃料(=qpcci)をPCCI燃焼用指令最終燃料噴射量qfinpcciとして実際に噴射する。
qfindiff=qfin・(1−Ratioqpcci) …(22)
次に、上記のように構成された内燃機関の混合気着火時期推定装置を含んだ制御装置の実際の作動について説明する。
<燃料噴射量等の計算>
CPU61は、図8にフローチャートにより示した燃料噴射量等の計算を行うためのルーチンを所定時間の経過毎に、且つ気筒毎に繰り返し実行するようになっている。従って、所定のタイミングになると、CPU61はステップ800から処理を開始し、ステップ805に進んで、今回の要求燃料噴射量qfinの計算時期(具体的には、圧縮下死点近傍)が到来したか否かを判定し、「No」と判定する場合、ステップ895に直ちに進んで本ルーチンを一旦終了する。
また、CPU61は、図14〜図18に一連のフローチャートにより示したPCCI燃焼時における自着火開始時期の計算等を行うためのルーチンを所定時間の経過毎に、且つ気筒毎に繰り返し実行するようになっている。従って、所定のタイミングになると、CPU61はステップ1400から処理を開始し、ステップ1405に進んで、今回の吸気弁Vinの閉弁時期(吸気弁Vinが開状態から閉状態に変化する時期。上記圧縮下死点近傍よりも後の時期。)が到来したか否かを判定し、「No」と判定する場合、ステップ1495に直ちに進んで本ルーチンを一旦終了する。
更に、CPU61は、図19にフローチャートにより示した燃料噴射制御を行うためのルーチンを所定時間の経過毎に、且つ気筒毎に繰り返し実行するようになっている。従って、所定のタイミングになると、CPU61はステップ1900から処理を開始し、ステップ1905に進んで、クランクポジションセンサ74により検出される実クランク角度CAactが先のステップ815にて決定されているPCCI燃焼用燃料噴射時クランク角度CAqpcciに一致したか否かを判定する。
次に、上記実施形態の第1変形例に係る内燃機関の混合気着火時期推定装置を含んだ制御装置について説明する。この第1変形例は、冷炎開始時期(CAcool)における予混合気の燃料濃度の不均一度を更に考慮して、筒内温度Tg(従って、自着火開始時クランク角度CAig)の推定を行うとともに、同不均一度を更に考慮して、上記推定した自着火開始時クランク角度CAigがPCCI制御可能範囲内にあるか否かの判定(従って、燃料噴射形態の選択)を実行するものである。
次に、上記実施形態の第2変形例に係る内燃機関の混合気着火時期推定装置を含んだ制御装置について説明する。この第2変形例は、更に、冷炎発熱量ΔQltoの学習を実行するものである。
次に、上記実施形態の第3変形例に係る内燃機関の混合気着火時期推定装置を含んだ制御装置について説明する。この第3変形例も、上記第2変形例と同様に、冷炎発熱量ΔQltoの学習を実行するものである。
次に、上記実施形態の第4変形例に係る内燃機関の混合気着火時期推定装置を含んだ制御装置について説明する。この第4変形例は、PCCI燃焼用に噴射された燃料が冷炎開始時期(CAcool)において燃焼室の内壁面に付着する量を更に考慮して、冷炎発熱量ΔQltoの推定を行うものである。
次に、上記実施形態の第5変形例に係る内燃機関の混合気着火時期推定装置を含んだ制御装置について説明する。この第5変形例は、冷炎開始時期(CAcool)において予混合気が燃焼室の内壁面近傍まで分散する程度を更に考慮して、冷炎発熱量ΔQltoの推定を行うものである。
次に、上記実施形態の第6変形例に係る内燃機関の混合気着火時期推定装置を含んだ制御装置について説明する。この第6変形例は、推定された自着火開始時クランク角度CAigがPCCI制御可能領域内にあると判定されなかった場合において、燃料噴射圧力Pcrの補正を行うものである。
次に、上記実施形態の第7変形例に係る内燃機関の混合気着火時期推定装置を含んだ制御装置について説明する。この第7変形例は、推定された自着火開始時クランク角度CAigがPCCI制御可能領域内にあると判定されなかった場合において、筒内温度Tgを強制的に増減せしめるものである。
次に、上記実施形態の第8変形例に係る内燃機関の混合気着火時期推定装置を含んだ制御装置について説明する。この第8変形例は、PCCI燃焼に関わる予混合気の自着火開始時期(CAig)を推定するための筒内温度Tgを簡易的に算出するものである。
Claims (15)
- 圧縮上死点近傍で燃焼室内に噴射される拡散燃焼用の燃料とは異なる同圧縮上死点近傍よりも早期に同燃焼室内に噴射される予混合圧縮着火燃焼用の燃料と、前記燃焼室内のガスである筒内ガスと、が混ざり合って予め形成された予混合気が圧縮により自着火開始する時期を推定する予混合気自着火開始時期推定手段を備える内燃機関の混合気着火時期推定装置であって、
前記筒内ガスが圧縮開始される時点での同筒内ガスの状態量を取得する圧縮開始時筒内ガス状態量取得手段と、
前記筒内ガスの圧縮による同筒内ガスの状態量の変化量を推定する圧縮起因筒内ガス状態量変化量推定手段と、
前記予混合気の自着火に先立って発生する冷炎の発熱量に相当する値である冷炎発熱量相当値を推定する冷炎発熱量推定手段と、を備え、
前記予混合気自着火開始時期推定手段は、
少なくとも前記取得された圧縮開始時筒内ガス状態量と、前記推定された圧縮起因筒内ガス状態量変化量と、前記推定された冷炎発熱量相当値と、に基づいて前記予混合気自着火開始時期を推定するように構成された内燃機関の混合気着火時期推定装置。 - 請求項1に記載の内燃機関の混合気着火時期推定装置において、
前記冷炎発熱量推定手段は、
少なくとも前記予混合圧縮着火燃焼用の燃料の噴射量と、前記燃料の性状と、前記燃焼室内に吸入される吸気中の酸素濃度と、前記筒内ガスの密度と、に基づいて前記冷炎発熱量相当値を推定するように構成された内燃機関の混合気着火時期推定装置。 - 請求項1又は請求項2に記載の内燃機関の混合気着火時期推定装置において、
前記予混合気自着火開始時期推定手段は、
少なくとも前記取得された圧縮開始時筒内ガス状態量と、前記推定された圧縮起因筒内ガス状態量変化量と、前記推定された冷炎発熱量相当値と、に基づいて前記予混合気の温度を推定する予混合気温度推定手段を備えるとともに、
前記推定された予混合気の温度が所定の温度に達した時期を前記予混合気自着火開始時期として推定するように構成された内燃機関の混合気着火時期推定装置。 - 請求項1乃至請求項3の何れか一項に記載の内燃機関の混合気着火時期推定装置であって、
前記予混合圧縮着火燃焼用に前記燃焼室内に噴射される燃料が前記冷炎の開始時期において同燃焼室の内壁面に付着する量を推定する付着量推定手段を更に備え、
前記冷炎発熱量推定手段は、前記推定された付着量を考慮して前記冷炎発熱量相当値を推定するように構成された内燃機関の混合気着火時期推定装置。 - 請求項1乃至請求項3の何れか一項に記載の内燃機関の混合気着火時期推定装置であって、
前記予混合圧縮着火燃焼用に前記燃焼室内に噴射される燃料の噴射開始時期から前記冷炎の開始時期までの経過時間に基づいて、前記予混合気が前記冷炎の開始時期において同燃焼室の内壁面近傍まで分散する程度を表す値を推定する分散度推定手段を更に備え、
前記冷炎発熱量推定手段は、前記推定された分散する程度を表す値を考慮して前記冷炎発熱量相当値を推定するように構成された内燃機関の混合気着火時期推定装置。 - 請求項3に記載の内燃機関の混合気着火時期推定装置であって、
前記冷炎の開始時期における前記予混合気の不均一度を表す値を推定する不均一度推定手段を更に備え、
前記予混合気温度手段手段は、前記予混合気の不均一度を表す値を考慮して前記予混合気の温度を推定するように構成された内燃機関の混合気着火時期推定装置。 - 請求項1乃至請求項6の何れか一項に記載の内燃機関の混合気着火時期推定装置において、
前記予混合気自着火開始時期推定手段は、前記筒内ガスが圧縮開始された後であって前記予混合圧縮着火燃焼用の燃料の噴射開始時期より前の所定の時点にて前記予混合気自着火開始時期の推定を完了するように構成された内燃機関の混合気着火時期推定装置。 - 内燃機関の運転状態量と、同内燃機関を予混合圧縮着火燃焼に適した状態にするための予混合気の自着火開始時期の範囲との関係を規定するためのデータを記憶するデータ記憶手段と、
内燃機関の運転状態量を取得する運転状態量取得手段と、
請求項7に記載の内燃機関の混合気着火時期推定装置により推定された今回の作動サイクルにおける前記予混合気自着火開始時期が、前記取得された内燃機関の運転状態量と前記データとに基づいて得られた前記予混合気の自着火開始時期の範囲内にあるか否かを判定する判定手段と、
前記判定手段による判定結果に基づいて、前記今回の作動サイクルにおける燃料噴射形態を制御する燃料噴射形態制御手段と、
を備えた内燃機関の制御装置。 - 請求項8に記載の内燃機関の制御装置であって、
前記内燃機関が過渡運転状態にあるとき、燃焼室内に吸入される吸気中の酸素濃度、及び前記燃焼室内のガス量のうち少なくとも一つに応じて前記データを補正するデータ補正手段を更に備えた内燃機関の制御装置。 - 請求項8又は請求項9に記載の内燃機関の制御装置において、
前記燃料噴射形態制御手段は、
前記推定された今回の作動サイクルにおける前記予混合気自着火開始時期が前記得られた予混合気の自着火開始時期の範囲内にある場合、前記運転状態量に応じて決定される要求燃料噴射量の全量の燃料を予混合圧縮着火燃焼用として圧縮上死点近傍よりも早期に燃焼室内に噴射し、
前記推定された今回の作動サイクルにおける前記予混合気自着火開始時期が前記得られた予混合気の自着火開始時期の範囲から遅い方向に外れている場合、前記要求燃料噴射量の全量の燃料を拡散燃焼用として前記圧縮上死点近傍にて前記燃焼室内に噴射し、
前記推定された今回の作動サイクルにおける前記予混合気自着火開始時期が前記得られた予混合気の自着火開始時期の範囲から早い方向に外れている場合、前記要求燃料噴射量のうちの所定量の燃料を前記予混合圧縮着火燃焼用として前記圧縮上死点近傍よりも早期に前記燃焼室内に噴射するとともに、同要求燃料噴射量のうち残りの量の燃料を前記拡散燃焼用として同圧縮上死点近傍にて同燃焼室内に噴射するように構成された内燃機関の制御装置。 - 請求項10に記載の内燃機関の制御装置において、
前記燃料噴射形態制御手段は、
前記推定された今回の作動サイクルにおける前記予混合気自着火開始時期が前記得られた予混合気の自着火開始時期の範囲から早い方向に外れている場合において前記予混合圧縮着火燃焼用として噴射される燃料の前記所定量を、同推定された今回の作動サイクルにおける前記予混合気自着火開始時期を同得られた予混合気の自着火開始時期の範囲内とするために必要な同予混合圧縮着火燃焼用の燃料噴射量に設定するように構成された内燃機関の制御装置。 - 請求項8乃至請求項11の何れか一項に記載の内燃機関の制御装置であって、
前記冷炎の開始時期における前記予混合気の不均一度を表す値を推定する不均一度推定手段を更に備え、
前記判定手段は、前記予混合気の不均一度を表す値を考慮して前記判定を行うように構成された内燃機関の制御装置。 - 請求項8又は請求項9に記載の内燃機関の制御装置であって、
前記燃料噴射形態制御手段は、
前記推定された今回の作動サイクルにおける前記予混合気自着火開始時期が前記得られた予混合気の自着火開始時期の範囲内にある場合、前記運転状態量に応じて決定される要求燃料噴射量の全量の燃料を予混合圧縮着火燃焼用として、圧縮上死点近傍よりも早期の同運転状態量に応じて決定される所定の噴射開始時期から燃焼室内に噴射し、
前記推定された今回の作動サイクルにおける前記予混合気自着火開始時期が前記得られた予混合気の自着火開始時期の範囲から外れている場合、同今回の作動サイクルにおける実際の予混合気自着火開始時期を同得られた予混合気の自着火開始時期の範囲内とするために前記所定の噴射開始時期を補正するとともに、前記運転状態量に応じて決定される要求燃料噴射量の全量の燃料を予混合圧縮着火燃焼用として、前記補正された噴射開始時期から前記燃焼室内に噴射するように構成された内燃機関の制御装置。 - 請求項8又は請求項9に記載の内燃機関の制御装置であって、
前記燃料噴射形態制御手段は、
前記推定された今回の作動サイクルにおける前記予混合気自着火開始時期が前記得られた予混合気の自着火開始時期の範囲内にある場合、前記運転状態量に応じて決定される要求燃料噴射量の全量の燃料を予混合圧縮着火燃焼用として、同運転状態量に応じて決定される所定の噴射圧力をもって圧縮上死点近傍よりも早期に燃焼室内に噴射し、
前記推定された今回の作動サイクルにおける前記予混合気自着火開始時期が前記得られた予混合気の自着火開始時期の範囲から外れている場合、同今回の作動サイクルにおける実際の予混合気自着火開始時期を同得られた予混合気の自着火開始時期の範囲内とするために前記所定の噴射圧力を補正するとともに、前記運転状態量に応じて決定される要求燃料噴射量の全量の燃料を予混合圧縮着火燃焼用として、前記補正された所定の噴射圧力をもって前記圧縮上死点近傍よりも早期に前記燃焼室内に噴射するように構成された内燃機関の制御装置。 - 請求項8又は請求項9に記載の内燃機関の制御装置であって、
前記燃料噴射形態制御手段に代えて、
前記推定された今回の作動サイクルにおける前記予混合気自着火開始時期が前記得られた予混合気の自着火開始時期の範囲から外れている場合に、前記今回の作動サイクルにおける実際の予混合気自着火開始時期を同得られた予混合気の自着火開始時期の範囲内とするために同今回の作動サイクルにおける前記予混合気の温度を所定量だけ増減せしめる予混合気温度調整手段を備えた内燃機関の制御装置。
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