JP2010007529A - 圧縮自着火式内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、気筒内に筒内圧センサを設けることなく、使用している燃料の着火性を的確に推定し、機関制御に反映するものである。
【解決手段】本発明は、筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射手段と、筒内から排出される排ガスの温度を検出する温度検出手段と、所定の運転状態において検出される排ガスの温度と使用されている燃料の着火性の関係を記憶した記憶手段と、前記所定の運転状態において検出される排ガスの温度と前記関係に基づいて燃料の着火性を推定する着火性推定手段と、推定された着火性に応じて機関を制御する機関制御手段と、を備えることを特徴とする圧縮自着火式内燃機関である。
【選択図】図４

Description

本発明は、燃料の着火性を推定し、その推定した着火性に基づいて機関制御をおこなう圧縮自着火式内燃機関に関する。

内燃機関の運転に用いられる燃料は、セタン価によって着火性が異なる。燃料の着火性が異なると、着火時期にズレが生じるため、着火性に応じた内燃機関の制御を行うことが必要となる。

特開２００７−１８７１４８号公報には、機関運転状態において、燃料のセタン価を推定する内燃機関の制御装置が記載されている。より具体的には、この装置は気筒内に筒内圧センサを設け、筒内の単位時間当たりの圧力変化から着火時期を検出し、その着火時期に基づいてセタン価を推定している。この装置によれば、的確にセタン価を検出することで、上記問題を解決することができる。

特開２００７−１８７１４８号公報 特開２００５−３４４５５７号公報

しかし、気筒内に筒内圧センサを設けることは、スペースが限られるため、設計上の困難を招くことがある。

本発明は、この点に鑑みてなされたものであり、気筒内に筒内圧センサを設けることなく、使用している燃料の着火性を的確に推定し、機関制御に反映するものである。

請求項１の発明は、筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射手段と、筒内から排出される排ガスの温度を検出する温度検出手段と、所定の運転状態において検出される排ガスの温度と使用されている燃料の着火性の関係を記憶した記憶手段と、前記所定の運転状態において検出される排ガスの温度と前記関係に基づいて燃料の着火性を推定する着火性推定手段と、推定された着火性に応じて機関を制御する機関制御手段と、を備えることを特徴とする圧縮自着火式内燃機関である。

請求項２の発明は、前記所定の運転状態は、アイドル運転状態であることを特徴とする請求項１に記載の圧縮自着火式内燃機関である。

請求項３の発明は、燃料の噴射時期を制御する噴射時期制御手段を更に備え、前記所定の運転状態は、燃料噴射時期を圧縮上死点よりも遅角側の所定時期に制御した運転状態であることを特徴とする請求項１または２にいずれか記載の圧縮自着火式内燃機関である。

請求項４の発明は、排ガスの一部を筒内へ還流する還流手段と、前記還流手段により筒内へ還流する還流量を制御する還流量制御手段を更に備え、前記還流量制御手段は、予め定められた第１規則に従って還流量を制御する第１規則制御手段と、前記第１規則よりも還流量が多く設定される第２規則に従って還流量を制御する第２規則制御手段とを備え、前記所定の運転状態は、還流量を第２規則に従った所定還流量に制御した運転状態であることを特徴とする請求項１乃至３にいずれか記載の圧縮自着火式内燃機関である。

請求項５の発明は、前記温度検出手段は、排気通路の内燃機関近傍に設けられていることを特徴とする請求項１乃至４にいずれか記載の圧縮自着火式内燃機関である。

請求項１の発明によれば、気筒内に筒内圧センサを設けることなく燃料の着火性を推定することができる。

請求項２の発明によれば、アイドル運転時は燃料の着火性の違いによる排ガス温度の差が生じやすいので、より高い精度で着火性の推定を行うことができる。

請求項３の発明によれば、燃料噴射時期を圧縮上死点よりも遅角側の所定時期にすることで、燃料の着火性の違いによる排ガス温度の差が生じやすくなるので、より高い精度で着火性の推定を行うことができる。

請求項４の発明によれば、還流量が多いほど、燃料の着火性の違いによる排ガス温度の差が生じやすくなるため、より高い精度で着火性の推定を行うことができる。

請求項５の発明によれば、温度検出手段が内燃機関の近くに配置されているので、筒内から排出された排ガスの温度をより正確に検出することができる。

以下に、本発明の実施形態を述べる。

［内燃機関の構成］
図１は圧縮自着火式内燃機関の全体図について示したものである。
機関本体１１には、吸気通路１２と、排気通路１３が繋がっている。また、吸気通路１２と排気通路１３には、通路の途中に過給機１４が設けられている。

機関本体１１の各気筒１５には、筒内に直接燃料を噴射する電磁式燃料噴射弁１６が備えられている。電磁式燃料噴射弁１６の開閉制御を行うことで、燃料の噴射時期及び燃料噴射量を制御することができる。電磁式燃料噴射弁１６で噴射する燃料は燃料タンク１７から供給される。燃料タンク１７の給油口には、給油口の開閉を検出する給油センサ１８が備えられている。

また、内燃機関には、吸気通路１２と排気通路１３を繋ぐ還流通路１９が備えられている。還流通路１９を介して、筒内から排出された排ガスの一部を吸気通路１２へ還流することができる。還流通路１９には還流弁２０が設けられており、還流弁２０の開度を制御することによって還流量を制御することができる。

排気通路１３の排気マニホールドには温度センサ２１が備えられている。温度センサ２１により筒内から排出された排ガスの温度を検出することができる。

内燃機関の制御は、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）２２によって行われる。ＥＣＵ２２には温度センサ２１、アクセル開度センサ２３、クランク角センサ２４、エンジン水温センサ２５、吸気量センサ２６、給油センサ１８それぞれから出力された信号が入力する。入力された信号に基づいて、ＥＣＵ２２で所定のプログラムに従った演算処理がなされる。そして、演算処理に基づいて得られた信号を、吸気通路１２に設けられた吸気弁２８、還流弁２０、電磁式燃料噴射弁１６に出力する。この出力信号に基づいて内燃機関の制御が行われる。

［燃料の着火性］
内燃機関に用いられる燃料は、セタン価によって着火性が異なる。セタン価が高い燃料、つまり着火性が高い燃料を用いると、筒内に燃料を噴射してから着火するまでの時間が短くなる。よって、筒内に噴射した燃料が空気と十分に混合し切る前に着火する場合がある。これにより、機関出力の低下やスモークの発生を招くことがある。

それに対し、セタン価が低い燃料、つまり着火性が低い燃料を用いると、筒内に燃料を噴射してから着火するまでの時間が長くなる。よって、燃料が完全に燃焼し切る前に排気ガスが筒内から排出されてしまうことがある。これにより、機関出力の低下や失火、未燃燃料の排出が生じやすくなる。

以上の理由から、燃料の着火性に応じて機関制御を行う必要がある。

［着火性の推定方法］
図２、３を参照して、筒内から排出される排ガスの温度に基づく燃料の着火性の推定方法について述べる。

図２は、機関運転中の筒内の圧力変化について示したものである。図２中の実線で示されるのは、セタン価が高い燃料を用いて機関を運転させた場合の筒内圧変化であり、破線で示されるのは、セタン価の低い燃料を用いて機関を運転させた場合の筒内圧変化である。実線と破線では、燃料のセタン価以外の運転条件（例えば、燃料噴射量、燃料噴射時期、エンジン回転数など）は同じものとする。また、太線矢印は、筒内に燃料を噴射する時期を示したものである。

実線及び破線の双方において、燃料噴射後に筒内圧が急増している。この筒内圧の急増は、噴射した燃料の燃焼によるものである。それぞれ圧力の急増が開始している点で、噴射した燃料が着火している。

燃料の着火時期を比較すると、セタン価が高い燃料は、セタン価が低い燃料に比べて燃料が早期に着火していることがわかる。燃料が早期に着火した分、セタン価が高い燃料の場合、燃焼も早期に終了してしまう。なお、一般に燃料の燃焼が早期に終了すると排ガス温度が低くなることが知られている。
したがって、燃料のセタン価が高いと、筒内から排出される排ガス温度は低くなる。

これに対し、燃料のセタン価が低い場合は、セタン価が高い燃料に比べて噴射した燃料の着火が遅い。よって、その分燃料の燃焼の終了も遅くなるため、筒内から排出される排ガスの温度は、セタン価が高い燃料に比べて高くなる。

図３は、所定運転状態での燃料のセタン価ＦＣＮＴｅｘと筒内から排出される排ガスの温度Ｔｅｘとの関係について示したマップであり、以下のように作成されたものである。
まず、マップ作成における運転条件(燃料噴射時期、還流量、エンジン回転数など)を決める。そして、セタン価が既知の燃料を用いて上記運転条件の下で内燃機関を運転し、その時の排ガスの温度を検出する。
次に、上記とは異なるセタン価の燃料に入れ替え、上記運転条件と同じ運転条件の下で運転し、排ガスの温度を検出する。
これを繰り返し、燃料のセタン価と排ガスの温度との関係を図３のマップのようにまとめる。上記運転条件を固定して、セタン価のみを変化させることにより、セタン価の違いに応じた排ガスの温度を求めることができる。

なお、燃料のセタン価の推定は、ＥＣＵ２２に記憶させた上記図３のマップを用いることにより行う。
まず、内燃機関を、上記マップ作成時と同じ条件に制御し、その時の排ガスの温度を検出する。運転条件が作成時と同じであれば、図３のマップの関係性が成り立つ。よって、マップより、検出した排ガスの温度に対応した燃料のセタン価が、機関に用いられている燃料であると推定することができる。

［具体的処理１］
以下、図４のフローチャートに沿って、燃料の着火性の推定の具体的処理について述べる。
まずＳ１０１において、ＥＣＵ２２で、エンジン回転数、燃料噴射量、エンジン水温などの機関の運転状態を読み込む。

そしてＳ１０２に進み、燃料の給油が行われたか否かを判断する。燃料の給油後は、新たな燃料が給油されることにより、セタン価の変動が生じる。よって、給油した燃料のセタン価に応じた機関制御を行うため、本実施形態では、燃料給油が行われたと判断した時にセタン価の推定を行うこととしている。
なお、給油直後の運転で筒内に噴射される燃料は、配管に残った給油前の燃料である可能性があるため、給油したと判断してから所定時間の運転後に燃料の着火性の推定を行うことがより好ましい。
燃料の給油は燃料タンク１７の給油口に設けられた給油センサ１８の信号に基づいて判断する。給油センサ１８の信号から、前回の着火性推定時から今回の着火性推定までに給油口が開いたと判断された場合には、新たな燃料が給油されたとみなしてＳ１０３へ進む。給油口が閉じたままであると判断された場合には、燃料の給油がされていないものとみなしてフローチャートを終了する。

Ｓ１０３では、Ｓ１０１で検出したデータに基づいて機関がアイドル運転か否かを判断する。上記図３のマップ作成時の運転条件は、アイドル運転とする。本実施形態では、本ステップで、内燃機関の運転状態がマップ作成時と同じアイドル運転であると判断したときに、燃料の推定を行う。運転条件が同じなので、マップで示される燃料のセタン価と排ガスの温度との関係性が成立し、燃料のセタン価を推定することが可能となるためである。

また、燃料のセタン価の推定を行う時の条件としてアイドル運転を挙げているのは、以下の理由によるものである。
機関が高負荷の時には、低負荷の時に比べて筒内の温度が高くなる。よって、セタン価の低い燃料を噴射したとしても、燃料の噴射後すぐに着火してしまい、セタン価が高い燃料を用いた時との着火時期の差が生じない場合がある。この場合、着火性の違いによる排ガス温度の差が生じず、正確な着火性の推定を行うことができない。
本実施形態では、機関が安定して筒内の温度が低いアイドル運転時にセタン価を推定することにより、精度の高い推定を行うことが可能となる。
Ｓ１０３でアイドル運転状態であると判断した場合にはＳ１０４へ進み、アイドル運転状態でないと判断した場合は、フローチャートを終了する。

Ｓ１０４では、燃料の噴射時期ＩｎｊＴｍを圧縮上死点よりも遅角側の所定噴射時期ＩｎｊＴ１に設定する。この所定噴射時期ＩｎｊＴ１は、ＥＣＵ２２に記憶させた、燃料のセタン価と排ガスの温度との関係を示すマップの作成時の噴射時期と同じ時期であるものとする。その理由は、運転状態がマップ作成時と異なると、燃料のセタン価と排ガスの温度との対応関係が成り立たなくなり、推定を行うことができないためである。
なお、噴射時期を圧縮上死点よりも遅角側にするのは、以下の理由によるものである。
ピストンが圧縮上死点近傍にあるときは、筒内は高温かつ高圧の状態にあるため、燃料のセタン価が低くても燃料噴射後すぐに着火してしまい、セタン価が高い燃料を用いた時との着火時期の差が生じない場合がある。この場合、着火性の違いによる排ガスの温度の差が生じず、正確な着火性の推定を行うことができない。
また、圧縮上死点よりも進角側で燃料を噴射する場合、噴射した燃料の燃焼終了から排ガスが筒内から排出されるまでに時間がかかるため、排ガスの温度差が生じづらくなる。
よって上記問題を鑑み、精度の高い推定を行うため、燃料の噴射時期を上記時期としている。
なお、燃料の噴射時期を、圧縮上死点よりも所定時期以上遅角側に設定すると、筒内の温度・圧力の低下により燃料が着火しない場合が想定される。よって、燃料の噴射は、少なくとも燃料の着火が起こる上記所定時期より進角側に設定しなければならない。
Ｓ１０４で、燃料の噴射時期ＩｎｊＴｍを圧縮上死点よりも遅角側の所定噴射時期ＩｎｊＴ１に設定したら、Ｓ１０５へ進む。

Ｓ１０５では、還流量ＥＧＲＲを通常の運転状態（燃料の着火性の推定を行わない運転状態）よりも多めの所定還流量ＥＧＲ１に設定する。つまり、本実施形態では、燃料の着火性の推定を行わない運転状態では、還流量制御は予め定められた第１規則に従って行われる。それに対して、燃料の着火性の推定を行うときには、上記第１規則よりも還流量が多く設定される第２規則にしたがって還流量の制御が行われる。
この所定還流量ＥＧＲ１は、ＥＣＵ２２に記憶させた、燃料のセタン価と排ガスの温度との関係を示すマップの作成時の還流量と同じ値であるものとする。理由は、Ｓ１０４で述べた理由と同様、運転状態がマップ作成時と異なると、燃料のセタン価と排ガスの温度との対応関係が成り立たなくなり、推定を行うことができなくなるためである。

還流量を通常の運転状態よりも多くしているのは、以下の理由によるものである。
内燃機関の運転で還流を行う場合、還流量が多いほど新規に筒内に流入してくる空気の量は減少するため、筒内の酸素濃度は低くなる。筒内の酸素濃度が低いと、噴射した燃料が着火しづらくなり、着火性の違いによる着火時期の差が生じやすくなる。
したがって、燃料の着火性の違いによる排ガスの温度差がより明確になり、精度の高い着火性の推定を行うことができるため、上記通常状態より多めの還流量に設定している。
Ｓ１０５で、還流量ＥＧＲＲを所定還流量ＥＧＲ１に設定したら、Ｓ１０６へ進む。

Ｓ１０６では、筒内から排出される排ガスの温度を温度センサ２１で検出する。排ガスの温度を検出したら、Ｓ１０７に進む。

Ｓ１０７では、温度センサ２１で検出した排ガスの温度に基づいて燃料のセタン価を推定する。ＥＣＵ２２に予め記憶させた、上記運転状態での燃料のセタン価ＦＣＮＴｅｘと筒内から排出される排ガスの温度Ｔｅｘとの関係をについて示したマップに、検出した排ガス温度を当てはめることでセタン価を推定する。

Ｓ１０８では、Ｓ１０７で推定した燃料のセタン価ＦＣＮＴｅｘをＥＣＵ２２に読み込ませる。

Ｓ１０９では、Ｓ１０８で読み込んだセタン価ＦＣＮＴｅｘを機関の制御に反映させる。機関の制御は、燃料の噴射時期、燃料噴射量などを燃料のセタン価に応じて補正することにより行う。
例えば、燃料のセタン価が低い場合は、燃料の着火時期が遅角化してしまうため、所望の着火時期となるように燃料の噴射時期を進角化させることで着火時期のズレを防ぐことができる。また、燃料のセタン価が高い場合は、燃料の着火時期が早期に着火してしまい所望の機関出力が得られないので、燃料噴射量をその分増加することにより機関出力の低下を防ぐことができる。

［具体的処理２］
図４のフローチャートでは、ある所定運転状態での燃料のセタン価と着火性の関係を示すマップをＥＣＵ２２記憶させておき、そのマップ作成時と同じ運転状態を再現することによって、燃料の着火性の推定を行っている。
これに対し、図５のフローチャートは、様々な運転状態ごとの燃料のセタン価と着火性の関係を示すマップをＥＣＵ２２に予め記憶させておくことにより、運転状態の再現を図ることなく燃料の着火性の推定を行うものである。

図５のフローチャートは、図４のフローチャートのＳ１０４とＳ１０５のステップを削除し、Ｓ１０７で行っているセタン価の推定方法をＳ２０７による方法に置き換えたものである。なお、前述のとおり、図４の場合とは異なり、ＥＣＵ２２は、様々な運転状態ごとのマップを記憶しているものとする。

図５のＳ２０７では、ＥＣＵ２２に記憶された複数のマップの中から、Ｓ１０１で読み込んだ機関の運転状態と同一の運転状態で作成されたマップを選択する。そして、選択したマップと、検出した排ガスの温度に基づいて、燃料のセタン価ＦＣＮＴｅｘを推定する。これにより、運転状態を再現することなく、より簡易なセタン価の推定をすることが可能となっている。

図５に示すフローチャートは、上記点以外は図４に示すフローチャートと同様であるため、他の説明に関しては省略する。

以上が本発明における実施形態を示したものである。
上述した実施形態では、温度センサ２１は排気通路１３の排気マニホールドに設けられているが排気通路に設けられていればよく、これに限られるわけではない。
なお、温度センサを設けるのであれば、排気通路の過給機１４より上流に設けることがより好ましい。排ガスの熱エネルギーが過給機１４で運動エネルギーとして消費され、その分が排ガス温度を検出する際の誤差となることを考慮したものである。

また、燃料を給油したか否かを判断するのに給油口に給油センサ１８を設け、その信号により判断しているが、燃料タンク内の燃料の液面高さを検出する液面センサを用いてもよいものとする。前回の燃料の着火性の推定から今回の推定までに所定以上液面の上昇が検出された場合に燃料が給油されたものとみなし、上記検出がされなかった場合は給油がされなかったものと判断する。

圧縮自着火式内燃機関の全体図を示す図である。 機関運転中の筒内の圧力変化を示す図である。 所定運転状態での燃料のセタン価と筒内から排出される排ガスの温度の関係を示す図である。 本発明を実施するにあたり実行されるフローチャートである。 本発明を実施するにあたり実行されるフローチャートである。

符号の説明

１１ 機関本体
１５ 気筒
１６ 電磁式燃料噴射弁
１７ 燃料タンク
１８ 給油センサ
１９ 還流通路
２０ 還流弁
２１ 温度センサ

Claims (5)

1. 筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射手段と、
   筒内から排出される排ガスの温度を検出する温度検出手段と、
   所定の運転状態において検出される排ガスの温度と使用されている燃料の着火性の関係を記憶した記憶手段と、
   前記所定の運転状態において検出される排ガスの温度と前記関係に基づいて燃料の着火性を推定する着火性推定手段と、
   推定された着火性に応じて機関を制御する機関制御手段と、
   を備えることを特徴とする圧縮自着火式内燃機関。
2. 前記所定の運転状態は、アイドル運転状態であることを特徴とする請求項１に記載の圧縮自着火式内燃機関。
3. 燃料の噴射時期を制御する噴射時期制御手段を更に備え、
   前記所定の運転状態は、燃料噴射時期を圧縮上死点よりも遅角側の所定時期に制御した運転状態であることを特徴とする請求項１または２にいずれか記載の圧縮自着火式内燃機関。
4. 排ガスの一部を筒内へ還流する還流手段と、
   前記還流手段により筒内へ還流する還流量を制御する還流量制御手段を更に備え、
   前記還流量制御手段は、予め定められた第１規則に従って還流量を制御する第１規則制御手段と、
   前記第１規則よりも還流量が多く設定される第２規則に従って還流量を制御する第２規則制御手段を備え、
   前記所定の運転状態は、還流量を第２規則に従った所定還流量に制御した運転状態であることを特徴とする請求項１乃至３にいずれか記載の圧縮自着火式内燃機関。
5. 前記温度検出手段は、排気通路の内燃機関近傍に設けられていることを特徴とする請求項１乃至４にいずれか記載の圧縮自着火式内燃機関。

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