JP2006009600A - 内燃機関の燃料噴射制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料噴射時期の制御を適切に行い、燃焼騒音を抑制しつつ、燃費を向上させることができる内燃機関の燃料噴射制御装置を提供する。
【解決手段】 検出される筒内圧ＰＣＹＬから、その変化率が最大となる最大筒内圧変化率ＤＰＭＡＸが算出されるとともに、機関運転状態に応じて最大筒内圧変化率ＤＰＭＡＸの目標値である目標最大変化率ＤＰＭＡＸＣＭＤが算出される。最大筒内圧変化率ＤＰＭＡＸと、目標最大変化率ＤＰＭＡＸＣＭＤの偏差ΔＤＰが「０」となるように補正値ＣＡＦＢが算出される。補正値ＣＡＦＢを、基本噴射時期ＣＡＭに加算することにより、補正噴射時期ＣＡＣＲが算出される。補正噴射時期ＣＡＣＲを適用することにより、燃焼騒音が抑制される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、内燃機関の燃料噴射制御装置に関し、特に内燃機関の燃焼室内の燃焼圧力（筒内圧）を検出し、該検出した燃焼圧力に応じて燃料噴射時期を制御するものに関する。

内燃機関の燃焼室内の燃焼圧力を検出し、該検出した燃焼圧力に応じて燃料噴射時期を制御する燃料噴射制御装置は、例えば特許文献１に示されている。特許文献１に示された装置では、燃焼圧力の変化率が最大（極大）となるクランク角（最大変化率クランク角）が制御パラメータとして採用され、検出される最大変化率クランク角が、目標値と一致するように燃料噴射時期が制御される。

特開２００４−１００５６６号公報

内燃機関、特にディーゼル機関においては、燃焼騒音が比較的大きいため、燃費特性や出力特性を向上させることだけでなく、燃焼騒音を抑制することも重要である。上記従来の装置は、燃焼圧力の変化率が最大となる最大変化率クランク角を目標値と一致させる制御を行うが、燃焼圧力の最大変化率を抑制するものではないため、燃焼騒音の抑制という点で改善の余地があった。

本発明はこの点に着目してなされたものであり、燃料噴射時期の制御を適切に行い、燃焼騒音を抑制しつつ、燃費を向上させることができる内燃機関の燃料噴射制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、内燃機関（１）の燃焼室に設けられ、該燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射手段（６）による燃料噴射を制御する、内燃機関の燃料噴射制御装置において、前記燃焼室内の圧力（ＰＣＹＬ）を検出する燃焼圧検出手段（２）と、該燃焼圧検出手段（２）により検出される燃焼圧力（ＰＣＹＬ）の変化率の最大値（ＤＰＭＡＸ）を算出する最大変化率算出手段と、該最大変化率算出手段により算出される最大値（ＤＰＭＡＸ）が、前記機関の運転状態に応じて設定される目標最大燃焼圧変化率（ＤＰＭＡＸＣＭＤ）と一致するように、前記燃料噴射手段（２）による燃料噴射時期（ＣＡＩＮＪ）をフィードバック制御する燃料噴射時期フィードバック制御手段とを有することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置において、前記機関の運転状態に応じて最大進角値（ＣＡＢＴ）を設定し、前記燃料噴射時期（ＣＡＩＮＪを前記最大進角値（ＣＡＢＴ）以下に制限する制限手段をさらに備えることを特徴とする。
また目標最大燃焼圧変化率（ＤＰＭＡＸＣＭＤ）は、車速（ＶＰ）に応じて補正することが望ましい。

請求項１に記載の発明によれば、検出される燃焼圧力の変化率の最大値が算出され、その最大値が、機関の運転状態に応じて設定される目標最大燃焼圧変化率と一致するように、燃料噴射時期がフィードバック制御される。したがって、目標最大燃焼圧変化率を適切に設定することにより、燃焼騒音を抑制しつつ、燃費を向上させることができる。例えば、目標最大燃焼圧変化率を燃焼騒音が所定閾値以下となるように設定しておき、検出される燃焼圧力変化率の最大値が、目標最大燃焼圧変化率より小さいときは、燃料噴射時期を進角させることにより、燃費を向上させることができる。

請求項２に記載の発明によれば、機関の運転状態に応じて最大進角値が設定され、燃料噴射時期が最大進角値以下に制限される。最大進角値を、機関出力が最大となるように設定することにより、機関の効率の低下を防止することができる。

以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明の一実施形態にかかる内燃機関の燃料噴射制御装置の構成を示す図である。４気筒のディーゼル機関（以下「エンジン」という）１の各気筒には、筒内圧（燃焼圧力）ＰＣＹＬを検出する筒内圧センサ２が設けられている。本実施形態では、筒内圧センサ２は、各気筒に設けられるグロープラグと一体に構成されている。筒内圧センサ２の検出信号は、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）４に供給される。またエンジン１には、クランク軸（図示せず）の回転角度を検出するクランク角度位置センサ３が設けられている。クランク角度位置センサ３は、クランク角１度毎にパルスを発生し、そのパルス信号はＥＣＵ４に供給される。クランク角度位置センサ３は、さらに特定気筒の所定クランク角度位置で気筒識別パルスを生成して、ＥＣＵ４に供給する。

ＥＣＵ４には、エンジン１により駆動される車両のアクセルペダルの操作量ＡＰを検出するアクセルセンサ７、及びエンジン１により駆動される車両の走行速度（車速）ＶＰを検出する車速センサ８が接続されており、これらセンサの検出信号がＥＣＵ４に供給される。
ＥＣＵ４は、エンジン１の各気筒の燃焼室に設けられた燃料噴射弁６の制御信号を駆動回路５に供給する。駆動回路５は、燃料噴射弁６に接続されており、ＥＣＵ４から供給される制御信号に応じた駆動信号を、燃料噴射弁６に供給する。これにより、ＥＣＵ４から出力される制御信号に応じた燃料噴射時期において、前記制御信号に応じた燃料噴射量だけ燃料が、各気筒の燃焼室内に噴射される。

ＥＣＵ４は、チャージアンプ部１０と、Ａ／Ｄ変換部１１と、パルス生成部１３と、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１４と、ＣＰＵ１４で実行されるプログラムを格納するＲＯＭ（Read Only Memory）１５と、ＣＰＵ１４が演算結果などを格納するＲＡＭ（Random Access Memory）１６と、入力回路１７とを備えている。筒内圧センサ２の検出信号は、チャージアンプ部１０に入力される。チャージアンプ部１０は、入力される信号を積分しつつ増幅する。チャージアンプ部１０により積分・増幅された信号は、Ａ／Ｄ変換部１１に入力される。また、クランク角度位置センサ３から出力されるパルス信号は、パルス生成部１３に入力される。

Ａ／Ｄ変換部１１は、バッファ１２を備えており、チャージアンプ部１０から入力される筒内圧検出信号をディジタル値ＰＣＹＬに変換し、バッファ１２に格納する。より具体的には、Ａ／Ｄ変換部１１には、パルス生成部１３から、クランク角１度周期のパルス信号（以下「１度パルス」という）ＰＬＳ１が供給されており、この１度パルスＰＬＳ１の周期で筒内圧検出信号をサンプリングし、ディジタル値に変換してバッファ１２に格納する。

一方、ＣＰＵ１４には、パルス生成部１３から、クランク角６度周期のパルス信号ＰＬＳ６が供給されており、ＣＰＵ１４はこの６度パルスＰＬＳ６の周期でバッファ１２に格納されたディジタル値を読み出す処理を行う。すなわち、本実施形態では、Ａ／Ｄ変換部１１からＣＰＵ１４に対して割り込み要求を行うのではなく、ＣＰＵ１４が６度パルスＰＬＳ６の周期で読出処理を行う。
入力回路１７は、アクセルセンサ７及び車速センサ８の検出信号をディジタル値に変換し、ＣＰＵ１４に供給する。

図２は、ＣＰＵ１４の演算処理により実現される燃料噴射時期算出モジュールを機能ブロック図として示したものである。この燃料噴射時期算出モジュールは、基本噴射時期算出部２１と、最大変化率算出部２２と、目標最大変化率算出部２３と、最適噴射時期算出部２４と、減算部２５と、ＰＩＤ制御部２６と、加算部２７と、上限リミット処理部２８と、下限リミット処理部２９と、切換部３０と、補正値算出部３１と、加算部３２とを備えている。

基本噴射時期算出部２１は、エンジン回転数ＮＥ及びエンジン１の要求トルクＴＲＱに応じて、基本噴射時期マップを検索し、基本噴射時期ＣＡＭを算出する。エンジン回転数ＮＥは、パルス生成部１３から入力される６度パルスに基づいて算出され、要求トルクＴＲＱは、アクセルペダル操作量ＡＰに基づいて算出される。基本噴射時期マップは、エンジン１の燃焼騒音を抑制するために、エンジン１の出力トルクが最大となる最適噴射時期より遅角側の値に設定されている。すなわち、基本噴射時期マップは、エンジン１の定常運転状態中（エンジン回転数ＮＥ及び要求トルクＴＲＱが一定の運転状態）において計測されたデータに基づいて設定されており、検出される筒内圧ＰＣＹＬの、クランク角ＣＡに対する変化率ＤＰ（＝ｄＰＣＹＬ／ｄＣＡ）が、所定変化率ＤＰＳＴ（例えば０．３２ＭＰａ／ｄｅｇ）以下となるように設定されている。

最大変化率算出部２２は、検出される筒内圧の変化率ＤＰの最大値ＤＰＭＡＸ（以下「最大筒内圧変化率ＤＰＭＡＸ」という）を算出する。目標最大変化率算出部２３は、エンジン回転数ＮＥ及び要求トルクＴＲＱに応じて、目標最大変化率マップを検索し、最大筒内圧変化率ＤＰＭＡＸの目標値である目標最大変化率ＤＰＭＡＸＣＭＤを算出する。目標最大変化率マップは、エンジン１の燃焼騒音が、市場における商品性を考慮して設定された所定閾値以下となる最大の変化率が設定されている。この最大変化率マップを用いることにより、エンジン１が過渡運転状態にあるか、定常運転状態にあるかに拘わらず、燃焼騒音を問題とならないレベルに抑制しつつ、最大限の効率を得ることが可能となる。

補正値算出部３１は、車速ＶＰに応じて図３に示すＤＰＡＤＤテーブルを検索し、補正値ＤＰＡＤＤを算出する。ＤＰＡＤＤテーブルは、大まかには車速ＶＰが高くなるほど、補正値ＤＰＡＤＤが増加するように設定されている。加算部３２は、目標最大変化率算出部２３から出力される目標最大変化率ＤＰＭＡＸＣＭＤを下記式の右辺に適用し、目標最大変化率ＤＰＭＡＸＣＭＤを補正する。
ＤＰＭＡＸＣＭＤ＝ＤＰＭＡＸＣＭＤ＋ＤＰＡＤＤ
この補正は、車速ＶＰが高くなるほど、車両走行音が大きくなってエンジンの燃焼騒音が気にならなくなることを考慮したものであり、高車速の領域では、補正値ＤＰＡＤＤを加算することにより、燃費を向上させることができる。

減算部２５は、最大筒内圧変化率ＤＰＭＡＸから目標最大変化率ＤＰＭＡＸＣＭＤを減算することにより、偏差ΔＤＰを算出する。ＰＩＤ制御部２６は、偏差ΔＤＰを「０」とするように、ＰＩＤ（比例積分微分）制御により、燃料噴射時期の補正値ＣＡＦＢを算出する。すなわち、偏差ΔＤＰが正の値であるとき（ＤＰＭＡＸ＞ＤＰＭＡＸＣＭＤ）は、補正値ＣＡＦＢを減少させ、逆に偏差ΔＤＰが負の値であるとき（ＤＰＭＡＸ＜ＤＰＭＡＸＣＭＤ）は、補正値ＣＡＦＢを増加させる。補正値ＣＡＦＢは正の値（燃料噴射時期を進角させる値）として算出される。

加算部２７は、基本噴射時期ＣＡＭに補正値ＣＡＦＢを加算することにより、補正噴射時期ＣＡＣＲを算出する。
最適噴射時期算出部２４は、エンジン回転数ＮＥ及び要求トルクＴＲＱに応じて、最適噴射時期マップを検索し、最適噴射時期ＣＡＢＴを算出する。最適噴射時期マップは、対応するエンジン運転状態において、エンジン１の出力トルクが最大となるように（基本噴射時期マップより進角側の値に）設定されている。

上限リミット処理部２８は、補正噴射時期ＣＡＣＲと、最適噴射時期ＣＡＢＴとを比較し、ＣＡＣＲ≦ＣＡＢＴであるときは、そのまま補正噴射時期ＣＡＣＲを出力する一方、ＣＡＣＲ＞ＣＡＢＴであるときは、補正噴射時期ＣＡＣＲを最適噴射時期ＣＡＢＴに設定して出力する。すなわち、補正噴射時期ＣＡＣＲは、最適噴射時期ＣＡＢＴを上限値として、リミット処理がなされる。したがって、噴射時期が最適噴射時期ＣＡＢＴより進角されることがなく、最大筒内圧変化率ＤＰＭＡＸを目標最大変化率ＤＰＭＡＸＣＭＤの近傍に維持しつつ、エンジン１の効率の低下を防止することができる。

下限リミット処理部２９は、基本噴射時期ＣＡＭと、上限リミット処理された補正噴射時期ＣＡＣＲとを比較し、ＣＡＣＲ≧ＣＡＭであるときは、そのまま補正噴射時期ＣＡＣＲを出力する一方、ＣＡＣＲ＜ＣＡＢＴであるときは、補正噴射時期ＣＡＣＲを基本噴射時期ＣＡＭに設定して出力する。すなわち、基本噴射時期ＣＡＭを下限値として、補正噴射時期ＣＡＣＲの下限リミット処理を行う。これにより、補正噴射時期ＣＡＣＲは、基本噴射時期ＣＡＭより遅角されないように制御される。

切換部３０は、エンジン１の運転状態に応じて基本噴射時期ＣＡＭまたは補正噴射時期ＣＡＣＲを選択し、燃料噴射時期ＣＡＩＮＪとして出力する。具体的には、例えば、全負荷運転状態やアイドリング運転状態などのように、最大筒内圧変化率ＤＰＭＡＸのフィードバック制御を実行しても、あまり効果が得られない特定運転状態では、基本噴射時期ＣＡＭが選択され、それ以外の運転状態において補正噴射時期ＣＡＣＲが選択される。

なお、燃料噴射弁６の燃料噴射量（燃料噴射時間）は、図示しない燃料噴射量算出モジュールにより、エンジン回転数ＮＥ及び要求トルクＴＲＱに応じて算出される。

上述した最大筒内圧変化率ＤＰＭＡＸを、目標最大変化率ＤＰＭＡＸＣＭＤに一致させる燃料噴射時期のフィードバック制御は、気筒毎に行われる。したがって、燃焼騒音の気筒毎のばらつきを低減することができる。

以上のように本実施形態では、検出した筒内圧ＰＣＹＬから算出される最大筒内圧変化率ＤＰＭＡＸが、燃焼騒音を所定閾値以下とする目標最大変化率ＤＰＭＡＸＣＭＤと一致するように、燃料噴射時期ＣＡＩＮＪが制御されるので、燃焼騒音が問題とならないような範囲で、エンジンの効率を最大化することができる。また、エンジンを構成する部品（例えばターボチャージャの部品）の特性ばらつきや特性の経時変化があっても、燃焼騒音を常に所定閾値以下に抑制することができる。

本実施形態では、筒内圧センサ２が燃焼圧検出手段に相当し、燃料噴射弁６が燃料噴射手段に相当する。またＥＣＵ４が、最大変化率算出手段、燃料噴射時期フィードバック制御手段、及び制限手段を構成する。具体的には、図２の最大変化率算出部２２が最大変化率算出手段に相当し、目標最大変化率算出部２３、減算部２５、ＰＩＤ制御部２６、加算部２７が、燃料噴射時期フィードバック制御手段に相当し、上限リミット処理部２８が制限手段に相当する。

なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上述した実施形態では、すべての気筒の筒内圧を検出し、最大筒内圧変化率ＤＰＭＡＸを目標最大変化率ＤＰＭＡＸＣＭＤに一致させる制御を気筒毎に行うようにしたが、筒内圧センサを特定の１つの気筒にのみ設け、その筒内圧センサにより検出される筒内圧に基づいて全気筒の燃料噴射時期のフィードバック制御を行うようにしてもよい。

また上述した実施形態では、４気筒のディーゼル内燃機関の例を示したが、これに限るものではなく、気筒数の異なるディーゼル内燃機関、あるいは、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進機用エンジンなどの制御にも適用が可能である。

本発明の一実施形態にかかる内燃機関の燃料噴射制御装置の構成を示す図である。 燃料噴射時期制御モジュールの構成を示すブロック図である。 車速（ＶＰ）に応じた補正値（ＤＰＡＤＤ）を算出するためのテーブルを示す図である。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 筒内圧センサ（燃焼圧検出手段）
４ 電子制御ユニット（最大変化率算出手段、燃料噴射時期フィードバック制御手段、制限手段）
６ 燃料噴射弁（燃料噴射手段）

Claims (2)

1. 内燃機関の燃焼室に設けられ、該燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射手段による燃料噴射を制御する、内燃機関の燃料噴射制御装置において、
   前記燃焼室内の圧力を検出する燃焼圧検出手段と、
   該燃焼圧検出手段により検出される燃焼圧力の変化率の最大値を算出する最大変化率算出手段と、
   該最大変化率算出手段により算出される最大値が、前記機関の運転状態に応じて設定される目標最大燃焼圧変化率と一致するように、前記燃料噴射手段による燃料噴射時期をフィードバック制御する燃料噴射時期フィードバック制御手段とを有することを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
2. 前記機関の運転状態に応じて最大進角値を設定し、前記燃料噴射時期を前記最大進角値以下に制限する制限手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。

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