JP2010112225A - ディーゼルエンジンの燃焼制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】最小限の演算回数で比熱比の修正を行うことができる上、修正した比熱比に基づく燃焼制御を行うことで、燃費の改善や、排ガス性能及び制御安定性を向上させることのできるディーゼルエンジンの燃焼制御装置を提供すること。
【解決手段】ＥＣＵ(42)が、最新の比熱比κを読み出し、実熱発生量Hを算出して、当該実熱発生量Hを算出し(S1〜S2)、当該実熱発生量Hが燃料噴射量に応じた発熱量に対して所定値以上差がある場合には、比熱比κを修正し、燃焼に対応する期間に絞って燃焼履歴の再演算を行って(S6〜S9)、適正な比熱比κで燃焼制御を行う(S4〜S5)。
【選択図】図２

Description

本発明は、ディーゼルエンジンの燃焼制御装置に係り、詳しくは比熱比を修正して行う燃焼制御技術に関する。

近年、エンジンの燃焼室に筒内圧センサを設けて筒内圧を検出し、その筒内圧から算出される燃焼状態に基づいて、エンジンの運転状態を制御している。
例えば、エンジンの燃焼制御としてポリトロープ指数を比熱比とした断熱変化のポリトロープ式に基づき、筒内圧センサにより検出される筒内圧、筒内容積、比熱比から熱発生率を求め、さらに当該熱発生率の積算から燃焼割合を算出している。

そして、所定の基準クランク角度で基準燃焼割合となるように、基準クランク角度と基準燃焼割合とのうち少なくとも一方を較正するエンジン（内燃機関）の制御装置がある（特許文献１参照）。
特開２００６−２２０１３９号公報

しかしながら、エンジンの燃焼室内に吸入される吸気成分は一定ではなく、外部の環境の変化や運転状態に応じて変動し、それに伴い比熱比の値も変動する。特にディーゼルエンジンではＥＧＲ（exhaust gas recirculation：排気循環）ガスを大量に導入することで、比熱比は大きく変動する。
したがって、上記特許文献１に開示された技術のような燃焼制御では、比熱比に変動が生じた場合に正確な燃焼割合が算出されず、適正な燃焼制御を行うことができないという問題がある。

ただし、エンジンの運転条件によって時々刻々と変動する比熱比を逐一算出していくのは、演算負荷が膨大となり、次回の燃焼までに適正な値を設定できなくなるおそれがある。
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、最小限の演算回数で比熱比の修正を行うことができる上、修正した比熱比に基づく燃焼制御を行うことで、燃費の改善や、排ガス性能及び制御安定性を向上させることのできるディーゼルエンジンの燃焼制御装置を提供することにある。

上記した目的を達成するために、請求項１のディーゼルエンジンの燃焼制御装置では、ディーゼルエンジンの筒内圧力を検出する筒内圧検出手段と、前記筒内圧検出手段により検出される筒内圧、筒内容積、及び筒内の比熱比から、筒内の熱発生量を算出する熱発生量算出手段と、前記熱発生量算出手段により算出される熱発生量が、燃料噴射量に応じた発熱量に対して所定量以上の差がある場合に、前記比熱比を修正し、該修正した比熱比及び燃焼期間対応する範囲の筒内圧に基づき熱発生量を再演算する比熱比修正手段と、前記比熱比修正手段により修正された比熱比を用いて燃焼制御を行う燃焼制御手段とを備えることを特徴としている。

請求項２のディーゼルエンジンの燃焼制御装置では、請求項１において、前記ディーゼルエンジンは、多気筒であり、前記熱発生量算出手段は、前記比熱比として、直前に燃焼行程であった気筒に用いた比熱比の値を用いることを特徴としている。
請求項３のディーゼルエンジンの燃焼制御装置では、請求項１または２において、前記燃焼制御手段は、前記比熱比修正手段により修正された比熱比を用いて算出された前記熱発生量から燃焼割合を算出し、所定の燃焼割合が所定のクランク角度となるように燃料噴射時期を制御することを特徴としている。

上記手段を用いる本発明の請求項１のディーゼルエンジンの燃焼制御装置によれば、筒内圧検出手段により検出される筒内圧、筒内容積、及び筒内の比熱比から熱発生量を算出し、当該熱発生量が燃料噴射量に応じた発熱量と所定量以上差がある場合には、前記比熱比を修正し、修正した比熱比と燃焼期間に対応する範囲の筒内圧とに基づき熱発生量を再演算して燃焼制御を行う。

つまり、熱発生量が燃料噴射量に応じた発熱量と所定量以上差がある場合には、比熱比の値が不適正であると判断し、比熱比κを修正することで、適正な燃焼制御を行うことができる。
そして、比熱比の修正を行う場合において、燃焼期間に対応したクランク角度範囲に絞って燃焼履歴を再演算するため、無駄な演算を省いた最小限の演算回数で実行することができる。これにより、比熱比が不適正であったときには最小限の演算処理で適正な比熱比κを算出することができる。

さらに、この適正な比熱比を用いた燃焼制御を行うことで、適正な燃焼制御を行うことができ、燃費の改善、排ガス性能及び制御安定性を向上させることができる。
請求項２のディーゼルエンジンの燃焼制御装置によれば、ディーゼルエンジンは多気筒であり、熱発生量算出手段は、直前に燃焼行程であった気筒に用いた比熱比の値を用いて熱発生量を算出する。

つまり、比熱比修正手段により比熱比が適正であるか否かの判定を行う際に、まずは直前に燃焼行程であった気筒の燃焼制御で用いた最新の比熱比が用いられることとなる。
このように最新の比熱比を用いることで、熱発生量と燃料噴射量に応じた発熱量との差が大きくなることは少なく、比熱比修正の演算回数を低減することができる。
請求項３のディーゼルエンジンの燃焼制御装置によれば、燃焼制御手段は、比熱比修正手段により修正された比熱比を用いて算出された熱発生量から燃焼割合を算出し、所定の燃焼割合が所定のクランク角度となるように燃料噴射時期を制御する。

これにより、ディーゼルエンジンにおいて、適正な燃焼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に基づき説明する。
図１を参照すると本発明に係るディーゼルエンジンの燃焼制御装置の概略構成図が示されている。以下、同図に基づき説明する。
図１に示すエンジン１は、図示しないコモンレールに蓄圧された高圧燃料を各気筒２内に直接噴射する４気筒コモンレール式ディーゼルエンジンである。なお、図１には４気筒のうちの１つの気筒の断面が示されている。

エンジン１は、複数の気筒２が形成されたシリンダブロック４の上部に、シリンダヘッド６が載置されて構成されている。
各気筒２には上下摺動可能にピストン８が設けられおり、当該ピストン８の頂面と気筒２の内壁、及びシリンダヘッド６下面に囲まれて燃焼室１０が形成されている。
シリンダヘッド６には、燃焼室１０内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁１２、及び当該燃焼室１０内の圧力、即ち筒内圧を検出する筒内圧センサ１４（筒内圧検出手段）が、それぞれ燃焼室１０内に臨むように設けられている。

また、シリンダヘッド６には、燃焼室１０と連通しエンジン１の幅方向一側に延びた吸気ポート１６及び燃焼室１０と連通しエンジン１の幅方向他側に延びた排気ポート１８が形成されている。さらに、当該シリンダヘッド６には、吸気ポート１６及び排気ポート１８に対応して、当該各ポート１６、１８と燃焼室１０との連通及び遮断を行う吸気バルブ２０及び排気バルブ２２がそれぞれ設けられている。なお、当該吸気ポート１６及び排気ポート１８は１気筒につきそれぞれ２箇所設けられており、それに対応して吸気バルブ２０及び排気バルブ２２はそれぞれ２本設けられている。

そして、エンジン１の幅方向一側には、吸気ポート１６と連通する吸気管２４が接続されている。
当該吸気管２４には、吸気上流側に図示しないエアクリーナが設けられており、その吸気下流側にはエンジン１に吸気量を検出するエアフローセンサ２６が設けられている。また、当該吸気管２４には、エアフローセンサ２６より吸気下流側に、吸気を加圧するターボチャージャ２８のコンプレッサ２８ａ、加圧された吸気を冷却するインタークーラ３０、吸気量を調整するスロットルバルブ３２が順に設けられている。

一方、エンジン１の幅方向他側には排気ポート１８と連通する排気管３４が接続されている。
当該排気管３４には、上記ターボチャージャ２８のコンプレッサ２８ａと回転軸が連結され排気流により回転するタービン２８ｂが設けられている。
また、当該排気管３４の排気上流側部分と、吸気管２４の吸気下流側部分とは、ＥＧＲ通路３６を介して連通されており、排気を吸気系に還流可能に構成されている。当該ＥＧＲ通路３６には、ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ３８及び吸気系へ還流させるＥＧＲガス量を調整するＥＧＲバルブ４０が設けられている。

また、当該エンジン１を搭載した車両には、エンジン１の運転制御等をはじめとして総合的な制御を行うための制御装置としてＥＣＵ４２（熱発生量算出手段、比熱比修正手段、燃焼制御手段）が設けられている。当該ＥＣＵ４２は、ＣＰＵ、メモリ、タイマカウンタなどから構成され、様々な制御量の演算を行うとともに、その制御量に基づき各種デバイスの制御を行っている。

例えば、ＥＣＵ４２の入力側には、上記筒内圧センサ１４、エアフローセンサ２６、エンジン１のクランク角を検出するクランク角センサ４４等の各種センサ類が接続されている。また、ＥＣＵ４２の出力側には各気筒の燃料噴射弁１２、スロットルバルブ３２、ＥＧＲバルブ４０などの各種デバイス類が接続されている。
そして、ＥＣＵ４２は、上記各種センサ類から取得される情報に基づき各気筒における燃焼制御を行う。

当該実施形態における燃焼制御では、筒内圧センサ１４により検出される筒内圧情報から熱発生率を算出して、さらに当該熱発生率を積算した熱発生量を算出する。さらに、当該熱発生量から燃焼割合（ＭＦＢ:Mass Fraction of Burnt fuel）を算出し、所定の燃焼割合が所定のクランク角となるように燃料噴射時期をフィードバック制御するものである。

詳しくは、エンジン１の燃焼サイクルでは、下記式（１）に示すポリトロープ式から、筒内圧Ｐと、筒内容積Ｖをポリトロープ指数ｎで累乗した値との積が一定となる。さらに、エンジン１の燃焼サイクルを断熱変化とみなすと、ポリトロープ指数ｎは筒内の比熱比κに置き換えられる。
ＰＶ^ｎ＝ＰＶ^κ＝一定・・・（１）
そして、燃焼室１０内で発生する熱発生量Ｑの単位クランク角当たりの発生熱量である熱発生率ｄＱ／ｄθは、下記式（２）に示すように、筒内圧Ｐ、筒内容積Ｖ、比熱比κ、から算出される。

つまり、当該熱発生率ｄＱ／ｄθを積算（積分）することで、熱発生量が算出される。
そして、燃焼終了時の熱発生量、即ち熱発生量の最大値を１００％として、クランク角に応じた熱発生量の割合が燃焼割合として求められる。
ＥＣＵ４２は、クランク角に応じた筒内圧を記憶することで、筒内圧から算出される熱発生量や燃焼割合等の熱発生履歴を保持し、次回の燃焼において所定の燃焼割合（例えばＭＦＢ５０％）が所定のクランク角（例えばＡＴＤＣ１０°）となるように、燃料噴射時期を進角または遅角させるフィードバック制御を行う。

ここで、上記式（１）や式（２）で用いる比熱比κは、燃焼に伴う気体の変化により値が変動するものであるが演算の簡略化等のため、燃焼に伴う値の変動については一定値として取り扱うこととしている。
一方、当該比熱比κは、たとえ燃料噴射量が同一であってもＥＧＲガスの還流量の変化や車両周囲の環境の変化等に伴う吸気中のＥＧＲ率、Ｏ_２濃度、空気過剰率等の吸気状態の変化によっても変動する。特に燃焼による既燃ガスの増加により燃焼前後でも大きく変動するが、一定値として取り扱っているため、本来着火前で熱発生量が０であるにもかかわらず、熱発生量があるように計算されてしまい、正確な燃焼割合が算出されなくなる場合がある。

これに対して、ＥＣＵ４２は当該比熱比κの値が不適正と判定した場合には、比熱比κの修正制御を行った上で燃焼割合を算出するものである。
以下、本発明に係るディーゼルエンジンの燃焼制御装置による燃焼制御について説明する。
図２には本発明に係るディーゼルエンジンの燃焼制御装置による燃焼制御ルーチンがフローチャートにより示されており、図３にはクランク角度に応じた熱発生量のタイムチャートが示されている。以下、図３を参照しつつ、図２のフローチャートに沿って説明する。

ＥＣＵ４２は、図２のステップＳ１に示すように、まず当該制御における比熱比κの初期値として最新の比熱比κを読み出す。当該最新の比熱比κとは、制御対象の気筒に対して直前に燃焼行程であった気筒の燃焼制御で用いた比熱比κであり、ＥＣＵ４２に記憶されている燃焼履歴から読み出す。
ステップＳ２では、上記ステップＳ１と同様に燃焼履歴から、制御御対象の気筒に対して直前に燃焼行程であった気筒の着火時期を読み出す。ここで着火時期とは、例えば、燃料噴射時期に着火遅れ期間を加えた時期とする。

さらにステップＳ３では、制御御対象の気筒に対して直前に燃焼行程であった気筒の燃焼終了時期を読み出す。当該燃焼終了時期は熱発生率（ｄＱ／ｄθ）が０となるクランク角度であり、これは熱発生量が最大値に達したクランク角度となる。
続くステップＳ４では、最新の実熱発生量Ｈを算出する。当該実熱発生量Ｈは、図３に示すように、直前に燃焼行程であった気筒の燃焼における燃焼終了時期の熱発生量である最大熱発生量Ｈ_１から、着火時期における熱発生量Ｈ_０を差し引いた分の熱発生量である。つまり、実熱発生量Ｈは、燃焼と関係なく算出されるオフセット分の熱発生量を除いた実際の燃焼により生じた熱発生量となる。

ステップＳ５では、上記ステップＳ４で算出した実熱発生量Ｈと、噴射した燃料量及び燃料（軽油）の発熱量の積、即ち燃料噴射量に応じた発熱量との差の絶対値が、所定値未満であるか否かを判別する。当該判別結果が真（Ｙｅｓ）である場合には、比熱比κの値は適正であると判断して、ステップＳ６に進む。
ステップＳ６では、直前に燃焼行程であった気筒の燃焼履歴から所定の燃焼割合となる所定のクランク角度（ＭＦＢ角度）を出力する。

さらにステップＳ７では、制御対象の気筒において、所定の燃焼割合が所定のクランク角となるように燃料噴射時期を調整し、当該ルーチンを抜ける。
一方、上記ステップＳ５の判別結果が偽（Ｎｏ）である場合、即ち実熱発生量Ｈと燃料噴射量に応じた発熱量との間に所定値以上の差がある場合には、ステップＳ６に進む。
ステップＳ８では、比熱比κを修正する。当該比熱比κの修正は、実熱発生量Ｈが燃料噴射量に応じた発熱量に近づくよう、例えば、この時点における比熱比κの値に所定値Δκを加えた値を修正後の比熱比κとする等、比熱比κを一定量増減することで行う。

ステップＳ９では、着火時期から燃焼終了までの期間で燃焼履歴を再演算する。詳しくは、修正後の比熱比κと、ＥＣＵ４２に記憶されている着火時期から燃焼終了時期までのクランク角度範囲に対応する筒内圧情報を用いて、熱発生量を算出しなおす。つまり、実際の燃焼に対応する期間に絞って燃焼履歴を再演算する。
ステップＳ１０では、ステップＳ９で再演算した燃焼履歴に基づき、比熱比κ修正後の実熱発生量Ｈを算出する。当該実熱発生量Ｈは、上記ステップＳ４と同様に、再演算した着火時期から燃焼終了時期の熱発生量であり、当該燃焼終了時期における熱発生量Ｈ１から着火時期における熱発生量Ｈ０を差し引いて算出する。

そして、ステップＳ５に戻り、ステップＳ１０で算出した実熱発生量Ｈが燃料噴射量に応じた発熱量と等しいか否かを判別する。判別結果が偽（Ｎｏ）であれば、比熱比κが適正な値に収束するまで、ステップＳ８からＳ１０を繰り返す。一方、判別結果が真（Ｙｅｓ）となったら、ステップＳ６、Ｓ７と進み、修正した比熱比κに基づく燃焼制御を行う。

以上のように、ＥＣＵ４２は最新の比熱比κの値が適正である場合には、そのままの比熱比κで燃焼制御を行い、比熱比κの値が不適正である場合には、比熱比κを修正することで、適正な燃焼制御を行うことができる。
当該比熱比κが適正であるか否かの判定では、直前に燃焼行程であった気筒の燃焼制御で用いた最新の比熱比κを用いていることで、熱発生量と燃料噴射量に応じた発熱量との差が大きくなることは少なく、比熱比κ修正の演算回数を低減することができる。

そして、比熱比κの修正を行う場合においても、燃焼期間に対応したクランク角度範囲に絞って燃焼履歴を再演算するため、無駄な演算を省いた最小限の演算回数で実行することができる。
これにより、比熱比κが不適正であったときにも最小限の演算処理で適正な比熱比κを算出することができる。

そして、この適正な比熱比κを用いた燃焼制御を行うことで、適正な燃焼制御を行うことができ、燃費の改善、排ガス性能及び制御安定性を向上させることができる。
以上のことから、本発明に係るディーゼルエンジンの燃焼制御装置では、最小限の演算回数で比熱比の修正を行うことができる上、修正した比熱比に基づく燃焼制御を行うことで、燃費の改善や、排ガス性能及び制御安定性を向上させることができる。

以上で本発明に係るディーゼルエンジンの燃焼制御装置の実施形態についての説明を終えるが、実施形態は上記実施形態に限られるものではない。
例えば、上記実施形態では、エンジン１は４気筒コモンレール式ディーゼルエンジンだが、当該構成のエンジンに限るものではなく、他の構成のディーゼルエンジンであっても構わない。

また、上記実施形態では、燃焼制御のステップＳ２において、着火時期を読み出しており、当該着火時期は燃料噴射時期に着火遅れ期間を加えた時期としているが、着火時期の読み出しはこれに限られるものではなく、例えば着火時期が短い場合や演算をさらに簡略化させる場合等には燃料噴射時期をそのまま着火時期としてもよいし、または他の手法で検出しても構わない。

また、上記実施形態では、燃焼制御のステップＳ５において、ステップＳ４で算出した実熱発生量Ｈが、燃料噴射量と当該燃料の発熱量との積との差が所定値以下であるか否かを判別しているが、これは実熱発生量Ｈが、燃料噴射量と当該燃料の発熱量との積とが一致しているか否かという判別にしても構わない。
さらに、上記実施形態では、燃焼制御のステップＳ５において、所定の燃焼割合が所定のクランク角となるように燃料噴射時期を調整しているが、当該燃焼制御の手法は燃料噴射時期の調整に限られるものではなく、例えば、ＥＧＲバルブ制御によるＥＧＲガス還流量の調整やスロットルバルブ制御による吸気量の調整によって行っても構わない。

本発明に係るディーゼルエンジンの燃焼制御装置の概略構成図である。 本発明に係るディーゼルエンジンの燃焼制御装置による燃焼制御ルーチンを示すフローチャートである。 クランク角度に応じた熱発生量を示すタイムチャートである。

符号の説明

１ エンジン
２ 気筒
１２ 燃料噴射弁
１４ 筒内圧センサ（筒内圧検出手段）
３６ ＥＧＲ通路
４２ ＥＣＵ（熱発生量算出手段、比熱比修正手段、燃焼制御手段）
４４ クランク角センサ

Claims (3)

1. ディーゼルエンジンの筒内圧力を検出する筒内圧検出手段と、
   前記筒内圧検出手段により検出される筒内圧、筒内容積、及び筒内の比熱比から、筒内の熱発生量を算出する熱発生量算出手段と、
   前記熱発生量算出手段により算出される熱発生量が、燃料噴射量に応じた発熱量に対して所定量以上の差がある場合に、前記比熱比を修正し、該修正した比熱比及び燃焼期間に対応する範囲の筒内圧に基づき熱発生量を再演算する比熱比修正手段と、
   前記比熱比修正手段により修正された比熱比を用いて燃焼制御を行う燃焼制御手段と、
   を備えることを特徴とするディーゼルエンジンの燃焼制御装置。
2. 前記ディーゼルエンジンは、多気筒であり、
   前記熱発生量算出手段は、前記比熱比として、直前に燃焼行程であった気筒に用いた比熱比の値を用いることを特徴とする請求項１記載のディーゼルエンジンの燃焼制御装置。
3. 前記燃焼制御手段は、前記比熱比修正手段により修正された比熱比を用いて算出された前記熱発生量から燃焼割合を算出し、所定の燃焼割合が所定のクランク角度となるように燃料噴射時期を制御することを特徴とする請求項１または２のいずれか記載のディーゼルエンジンの燃焼制御装置。

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