JP2010144527A - 内燃機関の燃料噴射制御装置及び制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の燃料噴射制御を最適化する。
【解決手段】内燃機関１の燃料噴射制御装置において、コントロールユニット３０がセンサ３２，４０，４１，４２，４４の出力から燃料の着火時期、着火遅れ期間、燃料のセタン価などの燃料の燃焼条件と、熱発生率のピーク値とを計算する。コントロールユニット３０は燃料の燃焼条件と熱発生率のピーク値とに基づき燃料の質を判定する。判定した燃料の質に基づき燃料噴射制御を行なうことで、燃料噴射制御を最適化する。
【選択図】図２

Description

この発明は、内燃機関のエミッションや始動性を改善するための燃料噴射制御の最適化に関する。

ディーゼルエンジンのエミッションや始動性の改善のために、特許文献１による従来技術は燃料噴射時期と着火時期から着火遅れ期間を計算し、着火遅れ期間に基づき燃料のセタン価を計算し、セタン価に基づき燃料噴射時期を制御する装置を開示している。
特開平２００６−０１６９９４号公報

セタン価のみでは燃料性状を十分に把握することはできない。燃料のセタン価が同一であっても、蒸発性によって内燃機関の運転騒音に違いが生じ、燃料の蒸発性が高いと運転騒音も高くなる。

例えば、予混合割合の増加により内燃機関の燃焼騒音が増加することがある。

その原因として、燃料のセタン価が低いこと、及び燃料の蒸発性が高いことが考えられる。燃料の蒸発性が高いというのは、燃料が軽質であることを意味する。原因がセタン価と蒸発性のいずれであるのかによって、燃焼騒音を抑制するための好ましい燃料噴射制御方法にも違いが生じる。

この発明は、従来技術の以上の問題点に着目してなされたもので、燃料が軽質か重質かを判別することで、燃料噴射制御を最適化することを目的とする。

以上の目的を達成するために、この発明は、内燃機関の燃料噴射制御装置において、燃料の燃焼条件を検出する手段と、熱発生率のピーク値を検出する手段と、燃料の燃焼条件と熱発生率のピーク値とに基づき燃料の質を判定する判定手段と、燃料の燃焼条件と燃料の質とに基づき燃料噴射を制御する制御手段とを備えている。

この発明はまた、内燃機関の燃料噴射制御方法において、燃料の燃焼条件を検出し、熱発生率のピーク値を検出し、燃料の燃焼条件と熱発生率のピーク値とに基づき燃料の質を判定し、燃料の燃焼条件と燃料の質とに基づき燃料噴射を制御している。

この発明によれば、燃料の質を判定し、燃料の燃焼条件と燃料の質とに基づき燃料噴射制御を行なうので、燃料の蒸発性を考慮した最適の燃料制御が行なえる。

以下に図面を参照してこの発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１はこの発明による燃料噴射制御装置の概略構成図である。図２は燃料噴射制御装置が備えるコントロールユニット３０が実行する燃料性状判定ルーチンを示すフローチャートである。図３は図２に類似するが、この発明の第２の実施形態を示す。図４は図２に類似するが、この発明の第３の実施形態を示す。図５は図２に類似するが、この発明の第４の実施形態を示す。図６は燃料性状判定ルーチンの実行結果に基づくパイロット噴射量の補正内容を説明するダイアグラムである。図７はコントロールユニットが燃料性状判定ルーチンの実行結果に基づくコモンレール１４のレール圧の補正内容を説明するダイアグラムである。図８は燃料の性状と燃料のセタン価に基づくパイロット噴射量の補正内容を説明するダイアグラムである。図９は燃料の性状と燃料のセタン価に基づくコモンレールのレール圧の補正内容を説明するダイアグラムである。図１０は熱発生率のピーク値と燃料性状との関係を示すダイアグラムである。図１１は熱発生率のピーク値を説明するダイアグラムである。図１２は燃料の性状の判定に適した、圧縮上死点における筒内平均温度の領域を説明するダイアグラムである。

図１を参照すると、車両用の４気筒水冷式の内燃機関１は吸気通路２から各気筒に吸入した空気に燃料噴射ノズル１５が燃料を噴射することで気筒内に混合気を生成する。内燃機関１は気筒内に収装されたピストンの往復運動によって混合気を圧縮し、圧縮に伴う温度上昇により混合気に着火して燃焼させる。燃焼ガスは排気通路３を介して排出される。内燃機関１は各気筒において吸気、圧縮、膨張、排気の各行程を順番に繰り返す、４ーストロークサイクルエンジンで構成される。

吸気通路２には吸気を濾過するエアクリーナ２ａと、吸気を過給するコンプレッサ２ｂと、吸気流量を調整する吸気スロットル６が設けられる。吸気通路２は吸気コレクタ２ｃを介して各気筒に接続される。

排気通路３にはコンプレッサ２ｂを駆動する排気タービン３ｂと、排気中のパティキュレートをトラップするディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）１６が設けられる。また、排気タービン３ｂの上流の排気通路上流部３ａに、排気の一部を吸気コレクタ２ｃに還流する排気還流（ＥＧＲ）通路４が接続される。

ＥＧＲ通路４には還流する排気を冷却する水冷クーラ１７と、排気還流（ＥＧＲ）流量を調整する排気還流（ＥＧＲ）弁５が設けられる。

燃料噴射ノズル１５は燃料噴射装置１０の一部をなす。燃料噴射装置１０は内燃機関１のクランク軸により駆動される高圧燃料ポンプ１１と、高圧燃料ポンプ１１が吐出した高圧燃料を一時的に貯留するコモンレール１４とを備える。高圧燃料ポンプ１１は燃料吸込口１３から吸い込んだ燃料タンクの燃料を加圧して吐出する。吐出された高圧燃料は燃料配管１２を介してコモンレール１４に供給される。燃料噴射ノズル１５はコモンレール１４に接続され、入力されるパルス幅変調信号に応じて開くことでコモンレール１４に貯留された燃料を気筒内に噴射する。

燃料噴射ノズル１５の燃料噴射タイミングと燃料噴射量、吸気スロットル６の開度、及びＥＧＲ弁５の開度はコントロールユニット３０からの信号により制御される。コントロールユニット３０が計算手段と制御手段を構成する。

コントロールユニット３０は中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたプログラム可能なマイクロコンピュータで構成される。コントローラを複数のマイクロコンピュータで構成することも可能である。

コントロールユニット３０には、燃料噴射ノズル１５の制御のために、吸気通路２の吸入空気流量Ｑａｉｒを検出するエアフローメータ７、内燃機関１のクランク角θと回転速度Ｎｅを検出するクランク角センサ３２、車両が備えるアクセルペダルの踏み込み量を運転負荷Ｑとして検出するアクセルペダル踏み込み量センサ４０、筒内圧力Ｐを検出する筒内圧力センサ４１、内燃機関１の吸入ガス温度Ｔｇを検出する温度センサ４２、及び排気管流流量ＥＧＲｇａｓを検出する流量センサ４４がそれぞれ信号回路を介してコントロールユニット３０に接続される。

コンロールユニット３０は以上の入力信号に基づき以下に説明するプロセスで、燃料の質、すなわち燃料が軽質か重質かを判定し、判定結果に応じた燃料噴射制御を行なう。燃料噴射制御の対象は、燃料噴射ノズル１５のパイロット噴射量とたはコモンレール１４のレール圧力である。

コントロールユニット３０はこの制御のために図２に示す燃料性状判定ルーチンを実行する。このルーチンは内燃機関１の運転ごとに実行される。

ステップＳ１でコントロールユニット３０は、筒内圧力センサ４１が検出した筒内圧Ｐと、クランク角センサ３２が検出したクランク角θと、アクセルペダル踏み込み量センサ４０が検出した運転負荷Ｑとを読み込む。

ステップＳ２でコントロールユニット３０は、圧縮上死点の筒内平均温度を筒内圧力Ｐ、クランク角θから求まるガス体積Ｖ、運転負荷Ｑ、及び吸入空気流量Ｑａｉｒから状態方程式を使って演算する。

ステップＳ３でコントロールユニット３０は、圧縮上死点における筒内平均温度が所定の温度領域内かどうかを判定する。所定の温度領域は図１２に示すように圧縮上死点における筒内温度が６００Ｋ−１０００Ｋの範囲である。

圧縮上死点における筒内平均温度が所定の温度領域にない場合には、コントロールユニット３０は、ステップＳ１からＳ３のプロセスを繰り返す。

圧縮上死点における筒内平均温度が所定の温度領域にある場合には、コントロールユニット３０は、ステップＳ４で着火時期または着火遅れ期間と、熱発生率のピーク値とを計算する。

着火時期または着火遅れ期間と、熱発生率のピーク値，及び圧縮上死点における筒内平均温度は筒内圧力Ｐから得られる指圧線図から演算することができる。

次のステップＳ５でコントロールユニット３０は、ステップＳ４の計算結果を用いて、着火時期に対して熱発生率のピーク値が高いかどうかを判定する。このために、様々な着火時期における熱発生率のピーク値のしきい値をあらかじめ設定しておき、ステップＳ４で計算された熱発生率のピーク値が、図１１に示すように、同じ着火時期における熱発生率のピーク値のしきい値より大きいかどうかを判定する。

着火時期の代わりに着火遅れ期間をパラメータとすることも可能である。すなわち着火遅れ期間に対して熱発生率のピーク値が高いかどうかを判定する。様々な着火遅れ期間における熱発生率のピーク値のしきい値をあらかじめ設定しておき、ステップＳ４で計算された熱発生率のピーク値が、同じ着火遅れ期間における熱発生率のピーク値のしきい値をより大きいかどうかを判定する。

ステップＳ５で熱発生率のピーク値がしきい値より大きい場合には、コントロールユニット３０はステップＳ６で燃料は軽質であると判定し、対応するフラグをセットしてルーチンを終了する。

ステップＳ５で熱発生率のピーク値がしきい値を超えない場合には、コントロールユニット３０はステップＳ７で燃料は重質であると判定し、対応するフラグをセットしてルーチンを終了する。

図１０を参照すると、熱発生率のピーク値が大きいほど燃料は軽質である。ステップＳ５ではこの関係に着目し、熱発生率のピーク値をしきい値と比較するこで，燃料の軽重質を判定している。

このようにして得られた燃料の質の判定結果は、コントロールユニット３０が別ルーチンで実行する内燃機関１の燃料噴射制御に用いられる。

具体的には、図６に示すように、着火時期が遅いか着火遅れ期間が長く、燃料が重質であるほど、燃料の着火性が低いので、着火性を補うためにパイロット噴射量を増量補正する。

また、図７に示すように、着火時期が早いか着火遅れ期間が短く、燃料が軽質であるほど、燃料の蒸発性が高いので、過剰な蒸発を抑制して、燃料への着火性を高め、燃焼騒音を低減するために、コモンレール１４のレール圧力を低めに補正する。

次に図３を参照して、燃料性状判定ルーチンに関するこの発明の第２の実施形態を説明する。このルーチンは図２のルーチンのステップＳ５に変えてステップＳ５Ａを設けている。その他のステップは図２のルーチンと同一である。

ステップＳ５Ａでコントロールユニット３０は、熱発生率のピーク値に対して着火時期が早いかどうかを判定する。この判定のために、様々な熱発生率のピーク値における着火時期のしきい値を予め設定しておき、ステップＳ５Ａでは、ステップＳ４で計算した着火時期が同じ熱発生率のピーク値について設定された着火時期のしきい値より早いかどうか、を判定する。

着火時期の代わりに着火遅れ期間をパラメータとすることも可能である。すなわち、熱発生率のピーク値が同一の場合に、着火遅れ期間が短いかどうかを判定する。さまざまな熱発生率のピーク値における着火遅れ期間のしきい値を予め設定しておき、ステップＳ５Ａでは、ステップＳ４で計算した着火遅れ期間が、同じ熱発生率のピーク値における着火遅れ期間のしきい値より短いかどうか、を判定する。

ステップＳ５Ａの判定が肯定的な場合には、コントロールユニット３０はステップＳ６で燃料は軽質であると判定し、対応するフラグをセットしてルーチンを終了する。

ステップＳ５Ａの判定が否定的な場合には、コントロールユニット３０はステップＳ７で燃料は重質であると判定し、対応するフラグをセットしてルーチンを終了する。

次に図４を参照して、燃料性状判定ルーチンに関するこの発明の第３の実施形態を説明する。このルーチンは図２のルーチンのステップＳ４とＳ５に変えてステップＳ４ＢとステップＳ５Ｂを設けている。その他のステップは図２のルーチンと同一である。

ステップＳ４Ｂでコントロールユニット３０は、燃料のセタン価と熱発生率のピーク値を検出する。燃料のセタン価は燃料の比重から計算可能である。セタン価の具体的な計算方法は特開２００４−２３９２２９号により公知であるので、ここでは説明を省略する。

次のステップＳ５Ｂでコントロールユニット３０は、燃料のセタン価に対して熱発生率のピーク値が高いどうかを判定する。この判定のために、様々なセタン価における熱発生率のピーク値のしきい値をあらかじめ設定しておき、ステップＳ４Ｂで計算された熱発生率のピーク値が、同一のセタン価における熱発生率のピーク値のしきい値より高いかどうかを判定する。

ステップＳ５Ｂの判定が肯定的な場合には、コントロールユニット３０はステップＳ６で燃料は軽質であると判定し、対応するフラグをセットしてルーチンを終了する。

ステップＳ５Ｂの判定が否定的な場合には、コントロールユニット３０はステップＳ７で燃料は重質であると判定し、対応するフラグをセットしてルーチンを終了する。

次に図５を参照して、燃料性状判定ルーチンに関するこの発明の第４の実施形態を説明する。このルーチンは図４のルーチンのステップＳ５Ｂに変えてステップＳ５Ｃを設けている。その他のステップは図４のルーチンと同一である。

ステップＳ５Ｃでコントロールユニット３０は、熱発生率のピーク値に対して燃料のセタン価が高いかどうかを判定する。この判定のために、様々な熱発生率のピーク値におけるセタン価のしきい値をあらかじめ設定しておき、ステップＳ４Ｂで計算された燃料のセタン価が、同一の熱発生率のピーク値におけるセタン価のしきい値より高いかどうかを判定する。

ステップＳ５Ｃの判定が行程的な場合には、コントロールユニット３０はステップＳ６で燃料は軽質であると判定し、対応するフラグをセットしてルーチンを終了する。

ステップＳ５Ｂの判定が否定的な場合には、コントロールユニット３０はステップＳ７で燃料は重質であると判定し、対応するフラグをセットしてルーチンを終了する。

図４と図５の燃料性状判定ルーチンにより得られた燃料の質の判定結果は、コントロールユニット３０が別ルーチンで実行する内燃機関１の燃料噴射制御に用いられる。

具体的には、図８に示すように、セタン価が低く、燃料が重質であるほど、燃料の着火性が低いので、着火性を補うためにパイロット噴射量を増量補正する。

また、図９に示すように、セタン価が高く、燃料が軽質であるほど、燃料の蒸発性が高いので、過剰な蒸発を抑制して、燃料への着火性を高め、燃焼騒音を低減するために、コモンレール１４のレール圧力を低めに補正する。

このように、燃料の軽重質を判定し、判定結果に応じて燃料噴射制御を行なうことで、燃料噴射制御を最適化することができる。

以上の各実施形態において、コントロールユニット３０、クランク角センサ３１、アクセルペダル踏込み量センサ４０、筒内圧力センサ４１、温度センサ４２、及び流量センサ４４が燃料の燃焼条件を検出する手段と熱発生率のピーク値を検出する手段とを構成する。コントロールユニット３０が燃料の質を判定する判定手段と制御手段とを構成する。

以上、この発明をいくつかの特定の実施形態を通じて説明して来たが、この発明は上記の各実施形態に限定されるものではない。当業者にとっては、特許請求の範囲に記載された技術範囲でこれらの実施形態にさまざまな修正あるいは変更を加えることが可能である。

この発明の第１の実施形態による燃料噴射制御装置の概略構成図である。 燃料噴射制御装置が備えるコントロールユニットが実行する燃料性状判定ルーチンを示すフローチャートである。 この発明の第２の実施形態による燃料性状判定ルーチンを示すフローチャートである。 この発明の第３の実施形態による燃料性状判定ルーチンを示すフローチャートである。 この発明の第４の実施形態による燃料性状判定ルーチンを示すフローチャートである。 燃料の性状と着火時期（着火遅れ期間）に基づくパイロット噴射量の補正内容を説明するダイアグラムである。 燃料の性状と着火時期（着火遅れ期間）に基づくコモンレールのレール圧の補正内容を説明するダイアグラムである。 燃料の性状と燃料のセタン価に基づくパイロット噴射量の補正内容を説明するダイアグラムである。 燃料の性状と燃料のセタン価に基づくコモンレールのレール圧の補正内容を説明するダイアグラムである。 熱発生率のピーク値と燃料の性状との関係を示すダイアグラムである。 熱発生率のピーク値を説明するダイアグラムである。 燃料の性状の判定に適した、圧縮上死点における筒内平均温度の領域を説明するダイアグラムである。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 吸気通路
３ 排気通路
４ 排気還流（ＥＧＲ）通路
６ 吸気スロットル
７ エアフローメータ
１５ 燃料噴射ノズル
２０ 可変圧縮比機構
３０ コントロールユニット
３２ クランク角センサ
４０ アクセルペダル踏み込み量センサ
４１ 筒内圧力センサ
４２ 温度センサ
４４ 流量センサ

Claims (12)

1. 内燃機関の燃料噴射制御装置において、
   燃料の燃焼条件を検出する手段と、熱発生率のピーク値を検出する手段と、燃料の燃焼条件と熱発生率のピーク値とに基づき燃料の質を判定する判定手段と、燃料の燃焼条件と燃料の質とに基づき燃料噴射を制御する制御手段とを備える、ことを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
2. 筒内平均温度を検出する手段をさらに備え、判定手段は筒内平均温度が所定温度領域にない場合には、燃料の質を判定しないように構成される、ことを特徴とする請求項１の内燃機関の燃料噴射制御装置。
3. 所定領域領域は、圧縮上死点の筒内平均温度が６００Ｋから１０００Ｋとなる領域である、ことを特徴とする請求項２の内燃機関の燃料噴射制御装置。
4. 燃料の燃焼条件は、燃料の着火時期または着火遅れ期間である、ことを特徴とする請求項１から３のいずれかの内燃機関の燃料噴射制御装置。
5. 判定手段は、検出された熱発生率のピーク値が同一の着火時期または着火遅れ期間における熱発生率のピーク値のしきい値より高い場合に、燃料が軽質であると判定するようにさらに構成される、ことを特徴とする請求項４の内燃機関の燃料噴射制御装置。
6. 判定手段は、検出された着火時期が同一の熱発生率のピーク値における着火時期より早いか、検出された着火遅れ期間が同一の熱発生率のピーク値における着火遅れ期間のしきい値より短い場合に、燃料が軽質であると判定するようにさらに構成される、ことを特徴とする請求項４の内燃機関の燃料噴射制御装置。
7. 燃料の燃焼条件は、燃料のセタン価である、ことを特徴とする請求項１から３のいずれかの内燃機関の燃料噴射制御装置。
8. 判定手段は、検出された熱発生率のピーク値が同一のセタン価における熱発生率のピーク値のしきい値より高い場合に、燃料が軽質であると判定するようにさらに構成される、ことを特徴とする請求項７の内燃機関の燃料噴射制御装置。
9. 判定手段は、検出されたセタン価が同一の熱発生率のピーク値におけるセタン価のしきい値より高い場合に、燃料が軽質であると判定するようにさらに構成される、ことを特徴とする請求項７の内燃機関の燃料噴射制御装置。
10. 内燃機関は燃料噴射ノズルと、燃料噴射ノズルに加圧燃料を供給するコモンレールとを備え、制御手段は燃料の燃焼条件と燃料の質とに基づきコモンレールのレール圧とパイロット噴射量とを制御するようにさらに構成される、ことを特徴とする請求項１から９のいずれかの内燃機関の燃料噴射制御装置。
11. 制御手段は、着火時期が遅いか着火遅れ期間が長く、燃料が重質であるほどパイロット噴射量を増量し、着火時期が早いか着火遅れ期間が短く、燃料が軽質であるほどコモンレールのレール圧を減圧するようにさらに構成される、ことを特徴とする請求項１０の内燃機関の燃料噴射制御装置。
12. 内燃機関の燃料噴射制御方法において、
    燃料の燃焼条件を検出し、熱発生率のピーク値を検出し、燃料の燃焼条件と熱発生率のピーク値とに基づき燃料の質を判定し、燃料の燃焼条件と燃料の質とに基づき燃料噴射を制御する、ことを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御方法。

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