JP2010174738A - ディーゼル機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】機関の個体差による実際の着火時期および予備噴射量のばらつきを抑制する。
【解決手段】クランク角θ毎の筒内圧Ｐθからサイクル中の最大燃焼圧Ｐmax_rおよび燃焼圧最大変化率ｄＰmax_rを求め（Ｓ２〜４）、それぞれの目標値との誤差を比Ｒ_ＰmaxおよびＲ_ｄＰmaxとして求める（Ｓ５）。これらの比が所定値ε（例えば５％）以上１から離れていれば、２つの比に基づいて、燃料噴射時期ＩＴについての必要な補正量ΔＩＴと予備噴射量PreＱについての必要な補正係数ｋPreＱを求め、マップ値を学習補正する（Ｓ６〜１０）。これにより、最大燃焼圧および燃焼圧最大変化率は目標値に近づく。これらのパラメータは、実際の予備噴射量および実際の着火時期の双方に相関しているので、２変数の連立方程式と同様に、両パラメータが同時に各々の目標値に合致している状態では、実際の予備噴射量および実際の着火時期の各々が基準値に揃う。
【選択図】図３

Description

この発明は、主燃料噴射に先だって予備噴射（プレ噴射ないしパイロット噴射とも呼ぶ）を行うディーゼル機関において、実際の着火時期と実際の予備噴射量とを適正に制御するようにしたディーゼル機関の制御装置に関する。

ディーゼル機関における急激な燃焼を抑制するために、主燃料噴射に先だって予備噴射を行うことが一般に知られているが、この予備噴射の際の燃料量つまり予備噴射量は、主燃料噴射に比べて相対的に少量であることから、個体差によるばらつきの影響が大きく、結果として、着火時期や予混合燃焼と拡散燃焼との割合が変動し、排気性能の悪化を来すことがある。

一方、筒内圧センサ等を用いて内燃機関の実際の燃焼状態を検出し、基本的な制御に種々の補正を加えることで、内燃機関の個体差等に対応する手法が従来から知られている。特許文献１は、予混合気に火花点火を行うガソリン機関に関するものであり、燃焼サイクル毎の最大燃焼圧、図示平均有効圧あるいは最大燃焼圧を発生するクランク角を検出し、これらのパラメータの変動が小さくなるように、燃料供給量および点火時期の少なくとも一方を補正することが開示されている。
特開平２−１９６３６号公報

特許文献１に示されている最大燃焼圧やこの最大燃焼圧となるクランク角といったパラメータは、ディーゼル機関では、噴射時期のほかに予備噴射量にも影響を大きく受け、例えば所望の着火時期を得るために最大燃焼圧等によって燃料噴射時期をフィードバック制御しようとしても、実際の予備噴射量が個体差等により不確定である限りは、これによって一義的に燃料噴射時期等を補正することはできない。

そこで、この発明は、最大燃焼圧や燃焼圧の最大変化率などのような実際の着火時期と実際の予備噴射量との双方に相関する少なくとも２つのパラメータを用いることで、燃料噴射時期と予備噴射量とを同時に補正し、着火時期と予備噴射量との双方を所望の特性に得るようにしたものである。

すなわち、この発明に係るディーゼル機関の制御装置は、筒内圧センサを備えたディーゼル機関において、実際の着火時期と予備噴射量との双方に相関するとともに筒内圧変化から抽出できる複数のパラメータの中で、少なくとも２つのパラメータを用い、これらのパラメータが各々の目標値となるように、燃料噴射時期および上記予備噴射量の双方を補正することを特徴としている。

例えば、最大燃焼圧、着火遅れ期間、燃焼圧の最大変化率、等のパラメータは、筒内圧センサを利用して検出される筒内圧変化から抽出つまり求めることができるが、これらのパラメータは、実際の着火時期（圧力上昇を伴う主燃焼の着火時期）と実際の予備噴射量との双方に相関し、例えば着火時期のばらつきによってある一つのパラメータの値が変動し、予備噴射量のばらつきによっても同じパラメータの値が変動する。従って、少なくとも２つのパラメータを用いることで、一種の連立方程式の原理でもって、燃料噴射時期および予備噴射量にそれぞれ必要な補正が確定する。

この発明によれば、ディーゼル機関において互いに相関する着火時期および予備噴射量を、個体差によるばらつきを排除して、より適切な特性に維持することができ、例えば、排気性能の向上を図れる。

以下、この発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、この発明に係るディーゼル機関全体の構成を示している。このディーゼル機関１は、燃料噴射手段として、いわゆるコモンレール式燃料噴射装置を備えているものであって、図示せぬ高圧燃料ポンプによって所定圧力に加圧された燃料は、コモンレール（蓄圧室）６に導入され、該コモンレール６を介して、各気筒の燃料噴射ノズル５に供給されている。上記燃料噴射ノズル５は、コントロールユニット８からの制御信号によって開閉制御されるものであり、その噴射期間によって燃料噴射量が制御される。なお、上記コモンレール６の燃料圧力もコントロールユニット８からの制御信号によって可変的に制御され、燃料噴射量は、燃料圧力と噴射期間とによって定まる。

また、このディーゼル機関１は、排気還流装置を備えている。すなわち、排気通路１０と吸気通路９との間にＥＧＲ通路１１が設けられ、ここに排気還流制御弁１２が介装されている。この排気還流制御弁１２は、例えばパルスモータをアクチュエータとするものであり、その開度が、コントロールユニット８が出力する駆動信号によって制御される。なお、上記排気通路１０の下流側には、排気中のＮＯｘを処理するＮＯｘ触媒１６が介装されている。また、上記吸気通路９には、新気の流量を制限する吸気絞り弁１５が設けられているとともに、その上流側に、吸入空気量を検出するエアフロメータ３が配置されている。

上記ディーゼル機関１は、公知のセンサ類として、冷却水温を検出する水温センサ２、クランク角を検出するクランク角センサ４、運転者により操作されるアクセル開度を検出するアクセル開度センサ１３、燃料温度を検出する燃温センサ１４などを備え、これらの検出信号もコントロールユニット８に入力されている。そして、筒内圧を検出するために、各気筒毎に公知の筒内圧センサ１７が設けられている。

従って、上記筒内圧センサ１７により検出される筒内圧の変化から、実際の着火時期と実際の予備噴射量との双方に相関するいくつかのパラメータ、例えば、最大燃焼圧、着火遅れ期間、燃焼圧の最大変化率、などを抽出することが可能であるが、この実施例では、その中で、最大燃焼圧（Ｐmax）と、燃焼圧の最大変化率（ｄＰ/ｄθmax）と、の２つのパラメータを用いて、燃料噴射時期と予備噴射量とを補正する。なお、この実施例では、予備噴射と主噴射とは一定の間隔（クランク角）を保った互いに一体のものとなっており、燃料噴射時期の補正により双方が同時に遅進するが、予備噴射の噴射時期のみ、あるいは主噴射の噴射時期のみを補正するように構成することも可能である。

図２は、ＮＯｘ低減のために燃焼時期を比較的遅らせた状態での筒内圧変化の一例を示しており、図示するように、筒内圧のピークとして最大燃焼圧（Ｐmax）が得られ、また着火後の筒内圧の急激な立ち上がりにより燃焼圧の最大変化率（ｄＰ/ｄθmax）が得られるが、実際の予備噴射量の割合が多いと、燃焼が比較的緩慢となるため、破線に示すように、最大燃焼圧（Ｐmax）が低下し、かつ燃焼圧の最大変化率（ｄＰ/ｄθmax）も小さくなる。逆に実際の予備噴射量の割合が少ないと、主噴射によるより多くの燃料が一気に燃焼に至るため、最大燃焼圧（Ｐmax）および燃焼圧の最大変化率（ｄＰ/ｄθmax）が高くなる。また、実際の着火時期によっても最大燃焼圧（Ｐmax）および燃焼圧の最大変化率（ｄＰ/ｄθmax）は変化し、例えば実際の着火時期が遅くなると、予混合したより多くの燃料が一気に燃焼に至るため、最大燃焼圧（Ｐmax）および燃焼圧の最大変化率（ｄＰ/ｄθmax）が高くなる。勿論、実際の予備噴射量のばらつきによって実際の着火時期も変動する。なお、図２における最初の圧力上昇は、モータリングによるものである。

このように、最大燃焼圧（Ｐmax）および燃焼圧の最大変化率（ｄＰ/ｄθmax）は、実際の予備噴射量および実際の着火時期の双方に相関しているので、仮に、ある運転条件の下で、いずれか一方のパラメータ（例えば最大燃焼圧（Ｐmax））が基準値（目標値）に合致していても、実際の予備噴射量および実際の着火時期が基準値（目標の予備噴射量および目標の着火時期）に合致しているとは限らない。しかし、２変数の連立方程式と同様に、２つのパラメータつまり最大燃焼圧（Ｐmax）および燃焼圧の最大変化率（ｄＰ/ｄθmax）が同時に各々の基準値（目標値）に合致している状態では、実際の予備噴射量および実際の着火時期の各々が基準値（目標の予備噴射量および目標の着火時期）に合致している、と言える。

従って、本実施例では、図３のフローチャートに示す処理により、最大燃焼圧（Ｐmax）および燃焼圧の最大変化率（ｄＰ/ｄθmax）が同時に各々の目標値に合致するようにして、実際の予備噴射量および実際の着火時期の各々が個体差によるばらつきなく基準値（目標の予備噴射量および目標の着火時期）に揃うようにしているのである。

ここで、ディーゼル機関においては、上記の最大燃焼圧、着火遅れ期間、燃焼圧の最大変化率、などのパラメータは、さらに、排気還流量の影響を大きく受ける。上記排気還流装置における排気還流率が既知であっても、個体差等によるばらつきのある実際の排気還流量は、一般に直接に測定することが困難であるので、本実施例では、排気還流が行われない非ＥＧＲ領域において上記パラメータに基づく処理を行っている。

以下、図３のフローチャートに従って説明すると、まず、ステップ１で機関運転条件が非ＥＧＲ領域であるか否かを判定し、非ＥＧＲ領域でのみステップ２以降へ進む。ステップ２でクランク角θ毎の筒内圧Ｐθを読み込み、ステップ３でサイクル中の最大燃焼圧Ｐmax_rを算出し、ステップ４でサイクル中の燃焼圧最大変化率ｄＰmax_rを算出する。なお、添字「r」は実測値を意味し、「t」は目標値を意味する。

そして、ステップ５で、最大燃焼圧Ｐmaxおよび燃焼圧最大変化率ｄＰmaxの各々について、実測値と目標値との比Ｒ_ＰmaxおよびＲ_ｄＰmaxを求める。つまり、「Ｒ_Ｐmax＝Ｐmax_r／Ｐmax_t」、「Ｒ_ｄＰmax＝ｄＰmax_r／ｄＰmax_t」とする。ここで、各々の目標値Ｐmax_tおよびｄＰmax_tは、機関運転条件つまり機関回転数と負荷（例えば噴射量）とに対応して予め設定されており、例えば、最大燃焼圧の目標値Ｐmax_tは、図４に示すような特性の制御マップから求められ、燃焼圧最大変化率の目標値ｄＰmax_tは、図５に示すような特性の制御マップから求められる。

なお、本発明においては、実測値と目標値との乖離を示すために、両者の差分を求める方法を用いることも可能であるが、本実施例のように、両者の比を求めた方が、運転点による影響が小さくなり、より精度の高いものとなる。

次に、ステップ６で、これらの比Ｒ_ＰmaxおよびＲ_ｄＰmaxが「１」に十分に近似しているか否かを判定する。具体的には、これらの比から「１」を引いた値の絶対値が、所定値ε（例えば０．０５つまり５％）より小さいか否かを判定する。従って、実測値と目標値との誤差が例えば５％未満であれば、これを無視し、特に補正は行わない。なお、閾値となるεの値は、５％に限られず適宜に設定できることは言うまでもない。

いずれか一方でも５％以上の誤差がある場合には、ステップ７へ進み、２つの比Ｒ_ＰmaxおよびＲ_ｄＰmaxに基づいて、燃料噴射時期ＩＴについての必要な補正量ΔＩＴを求める。具体的には、図６に示すような特性の制御マップを用いて補正量ΔＩＴを求める。なお、図中の破線は各々の比が「１」である線であり、その交点（２つの比がいずれも１）では、補正量ΔＩＴは０であって、図の左上側へは進角側、右下側へは遅角側への補正となる。

同様に、ステップ８では、２つの比Ｒ_ＰmaxおよびＲ_ｄＰmaxに基づいて、予備噴射量PreＱについての必要な補正係数ｋPreＱを求める。具体的には、図７に示すような特性の制御マップを用いて補正量係数ｋPreＱを求める。なお、図中の破線は各々の比が「１」である線であり、その交点（２つの比がいずれも１）では、補正係数ｋPreＱは１であって、図の左下側へは減少方向の補正係数、右上側へは増加方向の補正係数となる。

これらの図６、図７の制御マップは、図８に示すような燃料噴射時期ＩＴと予備噴射量PreＱと各パラメータ（最大燃焼圧（Ｐmax）および燃焼圧の最大変化率（ｄＰ/ｄθmax））との相関関係に基づいて導き出されたものである。図８は、縦軸を予備噴射量PreＱ、横軸を燃料噴射時期ＩＴとし、これらに対する最大燃焼圧（Ｐmax）の特性を破線で、燃焼圧の最大変化率（ｄＰ/ｄθmax）の特性を実線で、それぞれ示してある。この図８に示すように、予備噴射量PreＱおよび噴射時期ＩＴを変化させると、最大燃焼圧（Ｐmax）および燃焼圧の最大変化率（ｄＰ/ｄθmax）が単調な特性でもって変化するので、図６、図７の制御マップは、各々の補正により最大燃焼圧Ｐmax_rおよび燃焼圧最大変化率ｄＰmax_rが目標値に近づくように設定されている。

そして、ステップ９において、そのときの運転条件に対して設定されている燃料噴射時期ＩＴのマップ値ＩＴに補正量ΔＩＴを加えて、学習補正する。同様に、ステップ１０において、そのときの運転条件に対して設定されている予備噴射量PreＱの値に補正係数ｋPreＱを乗じて、学習補正する。これにより、次サイクルでは、補正された燃料噴射時期ＩＴおよび予備噴射量PreＱが用いられ、最大燃焼圧Ｐmax_rおよび燃焼圧最大変化率ｄＰmax_rが目標値に近づくこととなる。従って、結果として、実際の着火時期および実際の予備噴射量ひいては予混合燃焼と拡散燃焼との割合が、それぞれ所望の値に維持されることになり、例えば、機関の個体差による特性のばらつきを縮小して、排気性能の悪化を回避できる。

なお、上記実施例では、補正に際して、噴射時期ＩＴについては補正量ΔＩＴを加算し、予備噴射量PreＱについては補正係数ｋPreＱを乗算するようにしているが、本発明はこれらに限定されるものではなく、補正量の加算、補正係数の乗算、のいずれによっても補正を行うことができる。

次にステップ１１では、上記のように予備噴射量PreＱについて求めた補正係数ｋPreＱの平均値ｋPreＱavを例えば加重平均などの処理により求め、ステップ１２において、この平均の補正係数ｋPreＱavを用いて、ＥＧＲ領域内における各運転点の予備噴射量PreＱの値を補正する。具体的には、ステップ１０と同様に、平均の補正係数ｋPreＱavを乗じて補正を行う。実際の予備噴射量のばらつきは、主に、燃料噴射ノズル５の個体差に起因するものであり、その片寄りの傾向は、運転点によらずに概ね一定であるので、非ＥＧＲ領域において求めた補正係数ｋPreＱを用いてＥＧＲ領域でも同様の補正を行うことで、ＥＧＲ領域での予備噴射量PreＱの精度もより向上する。図９は、ディーゼル機関におけるＥＧＲ領域と非ＥＧＲ領域の一例を示しており、低速低負荷側の所定の領域で排気還流が行われる。

なお、上記実施例では、排気還流の影響を考慮して非ＥＧＲ領域でのみ実際のパラメータに基づく補正を行っているが、実際の排気還流量を何らかの手段により精度よく特定できる場合には、例えば目標値Ｐmax_tおよびｄＰmax_tを排気還流量に応じて補正するなどの手法により、ＥＧＲ領域においても実際のパラメータに基づく補正を実行することが可能である。

また、上記実施例では、補正の基礎となるパラメータとして、最大燃焼圧（Ｐmax）および燃焼圧の最大変化率（ｄＰ/ｄθmax）を用いたが、前述したように、着火遅れ期間等の他のパラメータを利用することもでき、さらには、３つ以上のパラメータを用いて補正を行うこともできる。この場合は、多次元の相関関係から必要な補正量を求めることになるが、最も簡単な手法は、いずれか一つのパラメータについての実測値と目標値との誤差（比ないし差分）に基づいて補正係数を設定し、図６、図７のように制御マップから求めた値をこの補正係数により補正すればよい。

この発明に係るディーゼル機関のシステム構成を示す説明図。 筒内圧の変化の例を示す特性図。 この実施例における処理を示すフローチャート。 最大燃焼圧Ｐmaxの目標値のマップの特性を示す特性図。 燃焼圧最大変化率ｄＰmaxの目標値のマップの特性を示す特性図。 補正量ΔＩＴの制御マップの特性を示す特性図。 補正係数ｋPreＱの制御マップの特性を示す特性図。 燃料噴射時期ＩＴと予備噴射量PreＱと最大燃焼圧および燃焼圧最大変化率との相関関係を示す特性図。 ＥＧＲ領域および非ＥＧＲ領域の一例を示す特性図。

１…ディーゼル機関
５…燃料噴射ノズル
８…コントロールユニット
１２…排気還流制御弁
１７…筒内圧センサ

Claims (7)

1. 筒内圧センサを備えたディーゼル機関において、実際の着火時期と予備噴射量との双方に相関するとともに筒内圧変化から抽出できる複数のパラメータの中で、少なくとも２つのパラメータを用い、これらのパラメータが各々の目標値となるように、燃料噴射時期および上記予備噴射量の双方を補正することを特徴とするディーゼル機関の制御装置。
2. 上記パラメータは、最大燃焼圧、着火遅れ期間、燃焼圧の最大変化率、の中の少なくとも２つであることを特徴とする請求項１に記載のディーゼル機関の制御装置。
3. 各々のパラメータの目標値が、機関運転条件毎に予め設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載のディーゼル機関の制御装置。
4. 少なくとも２つのパラメータに相関する多次元のマップとして、燃料噴射時期および上記予備噴射量の各々の補正量ないし補正係数が設定されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のディーゼル機関の制御装置。
5. 非ＥＧＲ領域において上記の燃料噴射時期および予備噴射量の補正を行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のディーゼル機関の制御装置。
6. 非ＥＧＲ領域において求めた補正量ないし補正係数を用いてＥＧＲ領域における予備噴射量の補正を行うことを特徴とする請求項５に記載のディーゼル機関の制御装置。
7. 筒内圧センサと、
   この筒内圧センサが検出する筒内圧変化に基づき、実際の着火時期と予備噴射量との双方に相関する第１パラメータおよび第２パラメータを算出する手段と、
   運転条件に対応した所定の第１パラメータ目標値と実際の第１パラメータとの比を求める手段と、
   運転条件に対応した所定の第２パラメータ目標値と実際の第２パラメータとの比を求める手段と、
   これらの２つの比に対応して燃料噴射時期の補正量ないし補正係数を割り当てた３次元の第１制御マップと、
   同じくこれらの２つの比に対応して予備噴射量の補正量ないし補正係数を割り当てた３次元の第２制御マップと、
   上記第１制御マップから求めた補正量ないし補正係数を用いて燃料噴射時期を補正する手段と、
   上記第２制御マップから求めた補正量ないし補正係数を用いて予備噴射量を補正する手段と、
   を備えてなるディーゼル機関の制御装置。

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