JP2009287479A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃焼室に供給される新気と還流排気の混合ガスの温度を正確に推定し、推定した温度に基づいて燃料噴射制御を適切に行い、燃焼騒音を抑制することができる内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】 吸入される新気の流量及び温度、並びに還流される排気の温度を検出するとともに、還流排気の流量を算出する。新気の流量及び温度並びに還流排気の流量及び温度に基づいて、新気と還流排気の混合ガスの温度ＴＩＮを推定する（Ｓ１２）。混合ガス温度ＴＩＮに応じて補正係数ＫＴＩＮＱＰ，ＫＴＩＮＣＡＰ，及びＫＴＩＮＣＡＭを算出し（Ｓ１３）、これらの補正係数ＫＴＩＮＱＰ，ＫＴＩＮＣＡＰ，及びＫＴＩＮＣＡＭを用いて、パイロット噴射量ＱＰ、パイロット噴射時期ＣＡＰ、及び主噴射時期ＣＡＭを制御する（Ｓ１７，Ｓ１８）。
【選択図】 図２

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関し、特に排気還流装置を備え、燃焼室内に直接燃料を噴射する内燃機関の燃料噴射制御を行うものに関する。

特許文献１は、燃焼室内に噴射された燃料の燃焼室内壁への付着を抑制するための燃料噴射制御手法を開示する。例えば機関の吸気温度を検出し、検出した吸気温度に応じて燃料噴射の継続時間を短縮させる手法が示されている。

特開２００３−２８６８７９号公報

排気還流装置を備えた機関において、上記吸気温度に応じた制御を適切に行うためには、吸気温度センサを排気還流通路と吸気通路との接続点より下流側に設けて、新気と還流排気の混合ガスの温度を検出可能とする必要がある。しかしながら、新気と還流排気の混合ガスの温度を適切に検出するためには、温度センサの取り付け箇所が限定されるにもかかわらず、取り付け可能なスペースが狭いという課題がある。

また排気還流を行う場合には、還流排気流量の変化により燃焼室に供給される新気と還流排気の混合ガスの温度が変化し、燃焼騒音を増加させることがある。したがって、燃焼騒音を適切なレベルに抑制するためには、燃焼室に供給される混合ガス温度に応じた燃料噴射制御を行う必要がある。

本発明はこの点に着目してなされたものであり、燃焼室に供給される新気と還流排気の混合ガスの温度を正確に推定し、推定した温度に基づいて燃料噴射制御を適切に行い、燃焼騒音を抑制することができる内燃機関の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、内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射手段（１６）と、該燃料噴射手段を制御する燃料噴射制御手段と、前記機関の排気の一部を前記燃焼室に還流する排気還流手段（６，７）とを備える内燃機関の制御装置において、前記機関に吸入される新気の流量である吸入空気流量（ＭＡＩＲ）を検出する吸入空気流量検出手段（２１）と、前記機関に吸入される新気の温度である吸入空気温度（ＴＡＩＲ）を検出する吸入空気温度検出手段（２２）と、前記排気還流手段により還流される排気の温度（ＴＥＧＲ）を検出する還流排気温度検出手段（２３）と、前記排気還流手段により還流される排気の流量（ＭＥＧＲ）を算出する還流排気流量算出手段と、前記吸入空気流量（ＭＡＩＲ）、吸入空気温度（ＴＡＩＲ）、還流排気温度（ＴＥＧＲ）、及び還流排気流量（ＭＥＧＲ）に基づいて、前記燃焼室に供給される新気と還流排気の混合ガスの温度（ＴＩＮ）を推定する混合ガス温度推定手段とを備え、前記燃料噴射制御手段は、推定された混合ガス温度（ＴＩＮ）に基づいて燃料噴射量（ＱＰ）及び燃料噴射時期（ＣＡＰ，ＣＡＭ）の少なくとも一方を制御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制御装置において、前記燃料噴射制御手段は、主燃料噴射の前にパイロット噴射を実行するように前記燃料噴射手段を制御し、前記混合ガス温度（ＴＩＮ）に基づいてパイロット噴射の燃料噴射量（ＱＰ）及び燃料噴射時期（ＣＡＰ）の少なくとも一方を制御することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置において、前記混合ガス温度推定手段は、下記式により前記混合ガス温度（ＴＩＮ）を算出することを特徴とする：
ＴＩＮ＝（ＴＥＧＲ×ＭＥＧＲ＋ＴＡＩＲ×ＭＡＩＲ）／（ＭＥＧＲ＋ＭＡＩＲ）
ここで、ＴＩＮは前記混合ガス温度、ＭＥＧＲは前記還流排気流量、ＴＡＩＲは前記吸入空気温度、ＭＡＩＲは前記吸入空気流量である。

請求項４に記載の発明は、請求項１から３の何れか１項に記載の内燃機関の制御装置において、前記燃料噴射制御手段は、前記混合ガス温度（ＴＩＮ）及び前記機関の負荷（ＴＲＱ，ＮＥ）に応じて燃料噴射量（ＱＰ）及び燃料噴射時期（ＣＡＰ，ＣＡＭ）の少なくとも一方を制御することを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、機関に吸入される新気の流量である吸入空気流量、機関に吸入される新気の温度である吸入空気温度、及び還流される排気の温度が検出されるとともに、還流される排気の流量が算出される。そして、吸入空気流量、吸入空気温度、還流排気温度、及び還流排気流量に基づいて、燃焼室に供給される新気と還流排気の混合ガスの温度が推定され、推定された混合ガス温度に基づいて燃料噴射量及び燃料噴射時期の少なくとも一方が制御される。吸入空気流量、吸入空気温度、還流排気温度、及び還流排気流量が既知であれば、混合ガス温度は比較的正確に推定することができる。したがって、新気と還流排気の混合ガス温度を検出するセンサを設ける必要がなく、燃焼室に供給される混合ガス温度に基づく燃料噴射制御を適切に行うことができ、燃焼騒音を適正なレベルに抑制することが可能となる。

請求項２に記載の発明によれば、主燃料噴射の前にパイロット噴射が実行され、混合ガス温度に基づいてパイロット噴射の燃料噴射量及び燃料噴射時期の少なくとも一方が制御される。パイロット噴射の燃料噴射量及び／または燃料噴射時期を混合ガス温度に応じて制御することにより、還流排気の流量及び温度の影響を受けやすい燃焼騒音を効果的に抑制することができる。

請求項３に記載の発明によれば、上記算出式を用いて混合ガス温度が推定され、簡便な演算により比較的に正確な推定温度を得ることができる。

請求項４に記載の発明によれば、混合ガス温度及び機関負荷に応じて燃料噴射量及び燃料噴射時期の少なくとも一方が制御される。混合ガス温度に加えて機関負荷を考慮することにより、機関負荷の変化に拘わらず適切な制御を行うことができる。

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及びその制御装置の構成を示す図である。内燃機関（以下単に「エンジン」という）１は、燃焼室内に燃料を直接噴射するディーゼルエンジンであり、各気筒に燃料噴射弁１６が設けられている。燃料噴射弁１６は、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）２０に電気的に接続されており、燃料噴射弁１６の開弁時間及び開弁時期は、ＥＣＵ２０により制御される。

エンジン１は、吸気管２、排気管４、排気還流通路６、及び過給機８を備えている。排気還流通路６は、吸気管２と排気管４の間に設けられており、排気還流通路６には、排気還流量を制御するための排気還流制御弁（以下「ＥＧＲ弁」という）７が設けられている。ＥＧＲ弁７の弁開度はＥＣＵ２０により制御される。

過給機８は、排気の運動エネルギにより駆動されるタービン１０と、タービン１０により回転駆動され、吸気の圧縮を行うコンプレッサ９とを備えている。タービン１０は、複数の可変ベーン（図示せず）を備えており、可変ベーンの開度を変化させることにより、タービン回転数（回転速度）を変更できるように構成されている。タービン１０のベーン開度は、ＥＣＵ２０により電磁的に制御される。

排気管４には、排気を浄化する触媒コンバータ１１及びディーゼルパティキュレートフィルタ（以下「ＤＰＦ」という）１２が設けられている。触媒コンバータ１１は、排気中に含まれる炭化水素及び一酸化炭素の酸化を促進するための酸化触媒を内蔵する。ＤＰＦ１２は、排気がフィルタ壁の微細な孔を通過する際、排気中の炭素（Ｃ）を主成分とするパティキュレート（粒子状物質）であるスート（ｓｏｏｔ）を、フィルタ壁の表面及びフィルタ壁中の孔に堆積させることによって捕集する。

吸気管２のコンプレッサ９の上流側にはエンジン１に吸入される新気の流量（以下「吸入空気流量」という）ＭＡＩＲを検出する吸入空気流量センサ２１、及び新気の温度（以下「吸入空気温度」という）ＴＡＩＲを検出する吸入空気温度センサ２２が設けられている。吸入空気流量センサ２１及び吸入空気温度センサ２２は一体に構成されていることが望ましい。排気還流通路６には還流排気の温度ＴＥＧＲを検出する還流排気温度センサ２３が設けられている。さらにエンジン１のクランク軸の回転角度を検出するクランク角度位置センサ２４、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（以下「アクセルペダル操作量」という）ＡＰを検出するアクセルセンサ２５が設けられている。これらのセンサの検出信号は、ＥＣＵ２０に供給される。エンジン１の回転数ＮＥは、クランク角度位置センサ２４の出力から算出され、エンジンの要求トルクＴＲＱは、アクセルペダル操作量ＡＰに応じて算出され、アクセルペダル操作量ＡＰが増加するほど増加するように設定される。

ＥＣＵ２０は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定レベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路、中央演算処理ユニット（以下「ＣＰＵ」という）、ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路、燃料噴射弁１６、ＥＧＲ弁７に制御信号を供給する出力回路から構成される。

図２は、燃料噴射弁１６による燃料噴射の制御を行う処理のフローチャートである。この処理は、ＥＣＵ２０のＣＰＵでエンジン１の回転に同期して実行される。燃料噴射は、主噴射及び主噴射に先行して行われるパイロット噴射に分割して実行される。主噴射及びパイロット噴射における燃料噴射量をそれぞれ「主噴射量」及び「パイロット噴射量」といい、主噴射及びパイロット噴射の開始時期を、「主噴射時期」及び「パイロット噴射時期」という。燃料噴射時期は、圧縮上死点を基準とした進角量で定義される。

ステップＳ１１では、還流排気流量ＭＥＧＲを算出する。具体的には、先ずエンジン回転数ＮＥ及び要求トルクＴＲＱに応じて予め設定されているＭＣＹＬＩＮマップを検索し、エンジン１の燃焼室内に流入するガス流量（新気と還流排気の混合ガスの流量、以下「流入ガス流量」という））ＭＣＹＬＩＮを算出する。そして、流入ガス流量ＭＣＹＬＩＮから検出吸入空気流量（新気流量）ＭＡＩＲを減算することにより、還流排気流量ＭＥＧＲを算出する。

ステップＳ１２では、検出した吸入空気流量ＭＡＩＲ、吸入空気温度ＴＡＩＲ、及び還流排気温度ＴＥＧＲ、並びにステップＳ１１で算出した還流排気流量ＭＥＧＲを下記式（１）に適用し、エンジン１に吸入される新気と還流排気の混合ガスの温度ＴＩＮを算出する。
ＴＩＮ＝（ＴＥＧＲ×ＭＥＧＲ＋ＴＡＩＲ×ＭＡＩＲ）／（ＭＥＧＲ＋ＭＡＩＲ）
（１）

ステップＳ１３では、混合ガス温度ＴＩＮに応じて図３（ａ）〜（ｃ）に示すＫＴＩＮＱＰテーブル、ＫＴＩＮＣＡＰテーブル、及びＫＴＩＮＣＡＭテーブルを検索し、第１〜第３混合ガス温度補正係数ＫＴＩＮＱＰ、ＫＴＩＮＣＡＰ、及びＫＴＩＮＣＡＭを算出する。第１混合ガス温度補正係数ＫＴＩＮＱＰはパイロット噴射量の補正係数であり、第２混合ガス温度補正係数ＫＴＩＮＣＡＰはパイロット噴射時期の補正係数であり、第３混合ガス温度補正係数ＫＴＩＮＣＡＭは主噴射時期の補正係数である。

ＫＴＩＮＱＰテーブルは、混合ガス温度ＴＩＮが高くなるほど第１混合ガス温度補正係数ＫＴＩＮＱＰが減少するように設定されている。またＫＴＩＮＣＡＰテーブル及びＫＴＩＮＣＡＭテーブルは、混合ガス温度ＴＩＮが高くなるほど第２混合ガス温度補正係数ＫＴＩＮＣＡＰ及び第３混合ガス温度補正係数ＫＴＩＮＣＡＭが増加するように設定されている。図３に示すＴＩＲは、例えば７０℃に設定される基準温度であり、基準温度ＴＩＲにおいて各補正係数は「１．０」に設定される。ＫＴＩＮＱＰテーブルは、例えば混合ガス温度ＴＩＮが基準温度ＴＩＲから２０度低下するとパイロット噴射量が０．６ｍｇ程度増加するように設定され、ＫＴＩＮＣＡＰテーブル及びＫＴＩＮＣＡＭテーブルは、混合ガス温度ＴＩＮが基準温度ＴＩＲから２０度低下するとパイロット噴射時期及び主噴射時期が１度程度減少（遅角）するように設定される。

ステップＳ１４では、エンジン回転数ＮＥ及び要求トルクＴＲＱに応じて第１〜第３負荷補正係数ＫＬＱＰ，ＫＬＣＡＰ，及びＫＬＣＡＭを算出する。第１負荷補正係数ＫＬＱＰはパイロット噴射量の補正係数であり、第２負荷補正係数ＫＬＣＡＰはパイロット噴射時期の補正係数であり、第３負荷補正係数ＫＬＣＡＭは主噴射時期の補正係数である。

ステップＳ１５では、エンジン回転数ＮＥ及び要求トルクＴＲＱに応じて基本噴射量ＱＭＡＰ及び基本主噴射時期ＣＡＭＭＡＰを算出する。基本噴射量ＱＭＡＰは、エンジン回転数ＮＥが増加するほど増加し、かつ要求トルクＴＲＱが増加するほど増加するように設定される。ステップＳ１６では、エンジン回転数ＮＥ及びエンジンの要求トルクＴＲＱに応じて基本パイロット噴射量ＱＰＭＡＰ及び基本パイロット噴射時期ＣＡＰＭＡＰを算出する。

ステップＳ１７では、下記式（２）に基本パイロット噴射量ＱＰＭＡＰ、第１混合ガス温度補正係数ＫＴＩＮＱＰ及び第１負荷補正係数ＫＬＱＰを適用して、パイロット噴射量ＱＰを算出するとともに、下記式（３）に基本パイロット噴射時期ＣＡＰＭＡＰ、第２混合ガス温度補正係数ＫＴＩＮＣＡＰ及び第２負荷補正係数ＫＬＣＡＰを適用して、パイロット噴射時期ＣＡＰを算出する。
ＱＰ＝ＱＰＭＡＰ×ＫＴＩＮＱＰ×ＫＬＱＰ （２）
ＣＡＰ＝ＣＡＰＭＡＰ×ＫＴＩＮＣＡＰ×ＫＬＣＡＰ （３）

ステップＳ１８では、下記式（４）に基本噴射量ＱＭＡＰ及びパイロット噴射量ＱＰを適用して、主噴射量ＱＭを算出するとともに、下記式（５）に基本主噴射時期ＣＡＭＭＡＰ、第３混合ガス温度補正係数ＫＴＩＮＣＡＭ及び第３負荷補正係数ＫＬＣＡＭを適用して、主噴射時期ＣＡＭを算出する。
ＱＭ＝ＱＭＡＰ−ＱＰ （４）
ＣＡＭ＝ＣＡＭＭＡＰ×ＫＴＩＮＣＡＭ×ＫＬＣＡＭ （５）

図２の処理により算出されるパイロット噴射量ＱＰ及びパイロット噴射時期ＣＡＰに応じてパイロット噴射が実行され、主噴射量ＱＭ及び主噴射時期ＣＡＭに応じて主噴射が実行される。

以上のように本実施形態では、吸入空気流量ＭＡＩＲ、吸入空気温度ＴＡＩＲ、還流排気温度ＴＥＧＲ、及び還流排気流量ＭＥＧＲを式（１）に適用して、燃焼室に供給される新気と還流排気の混合ガスの温度ＴＩＮが推定され、推定された混合ガス温度ＴＩＮに基づいてパイロット噴射量ＱＰ、パイロット噴射時期ＣＡＰ及び主噴射時期ＣＡＭが制御される。吸入空気流量ＭＡＩＲ、吸入空気温度ＴＡＩＲ、還流排気温度ＴＥＧＲ、及び還流排気流量ＭＥＧＲを式（１）に適用することにより、混合ガス温度ＴＩＮを簡便な演算で比較的正確に推定することができる。したがって、混合ガス温度ＴＩＮを検出するセンサを設ける必要がなく、新気と還流排気の混合ガス、すなわち燃焼室に供給されるガスの温度に基づく燃料噴射制御を適切に行うことができる。

特に燃焼騒音は、還流排気流量の変化による混合ガス温度ＴＩＮの変化の影響を受けやすいので、混合ガス温度ＴＩＮに応じたパイロット噴射量ＱＰ及びパイロット噴射時期ＣＡＰの制御を行うことにより、燃焼騒音を効果的に抑制することができる。

さらに機関の負荷、すなわちエンジン回転数ＮＥ及び要求トルクＴＲＱに応じて補正を行うことにより、負荷の変化に拘わらず適切な制御を行うことができる。

本実施形態では、燃料噴射弁１６が燃料噴射手段に相当し、排気還流通路６及びＥＧＲ弁７が排気還流手段に相当し、吸入空気流量センサ２１、吸入空気温度センサ２２、及び還流排気温度センサ２３が、それぞれ吸入空気流量検出手段、吸入空気温度検出手段、及び還流排気温度検出手段に相当する。またＥＣＵ５が燃料噴射制御手段、還流排気流量算出手段、及び混合ガス温度推定手段を構成する。具体的には、図２のステップＳ１１が還流排気流量算出手段に相当し、ステップＳ１２が混合ガス温度推定手段に相当し、ステップＳ１３〜Ｓ１８が燃料噴射制御手段に相当する。

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、パイロット噴射量ＱＰ及びパイロット噴射時期ＣＡＰの算出に、混合ガス温度ＴＩＮに応じた補正係数ＫＴＩＮＱＰ及びＫＴＩＮＣＡＰを適用したが、パイロット噴射量ＱＰまたはパイロット噴射時期ＣＡＰの何れか一方のみの算出に適用するようにしてもよい。なお、上述した実施形態では、主噴射時期ＣＡＭの算出にも混合ガス温度ＴＩＮに応じた補正係数を適用したが、主噴射時期ＣＡＭについては混合ガス温度ＴＩＮに応じた補正係数を適用しなくてもよい。

また本発明は、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及びその制御装置の構成を示す図である。 燃料噴射制御を行う処理のフローチャートである。 図２の処理で参照されるテーブルを示す図である。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 吸気管
６ 排気還流通路（排気還流手段）
７ 排気還流制御弁（排気還流手段）
１６ 燃料噴射弁（燃料噴射手段）
２０ 電子制御ユニット（燃料噴射制御手段、還流排気流量算出手段、混合ガス温度推定手段）
２１ 吸入空気流量センサ（吸入空気流量検出手段）
２２ 吸入空気温度センサ（吸入空気温度検出手段）
２３ 還流排気温度センサ（還流排気温度検出手段）

Claims (4)

1. 内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射手段と、該燃料噴射手段を制御する燃料噴射制御手段と、前記機関の排気の一部を前記燃焼室に還流する排気還流手段とを備える内燃機関の制御装置において、
   前記機関に吸入される新気の流量である吸入空気流量を検出する吸入空気流量検出手段と、
   前記機関に吸入される新気の温度である吸入空気温度を検出する吸入空気温度検出手段と、
   前記排気還流手段により還流される排気の温度を検出する還流排気温度検出手段と、
   前記排気還流手段により還流される排気の流量を算出する還流排気流量算出手段と、
   前記吸入空気流量、吸入空気温度、還流排気温度、及び還流排気流量に基づいて、前記燃焼室に供給される新気と還流排気の混合ガスの温度を推定する混合ガス温度推定手段とを備え、
   前記燃料噴射制御手段は、推定された混合ガス温度に基づいて燃料噴射量及び燃料噴射時期の少なくとも一方を制御することを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記燃料噴射制御手段は、主燃料噴射の前にパイロット噴射を実行するように前記燃料噴射手段を制御し、前記混合ガス温度に基づいてパイロット噴射の燃料噴射量及び燃料噴射時期の少なくとも一方を制御することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記混合ガス温度推定手段は、下記式により前記混合ガス温度を算出することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置：
   ＴＩＮ＝（ＴＥＧＲ×ＭＥＧＲ＋ＴＡＩＲ×ＭＡＩＲ）／（ＭＥＧＲ＋ＭＡＩＲ）
   ここで、ＴＩＮは前記混合ガス温度、ＭＥＧＲは前記還流排気流量、ＴＡＩＲは前記吸入空気温度、ＭＡＩＲは前記吸入空気流量である。
4. 前記燃料噴射制御手段は、前記混合ガス温度及び前記機関の負荷に応じて燃料噴射量及び燃料噴射時期の少なくとも一方を制御することを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。

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