JP2010190119A - ディーゼルエンジンの燃焼制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料のセタン価等の外乱要因や機関負荷によらず、安定した燃焼状態を維持できる制御装置を提供することを目的とする。
【解決手段】運転状態を検出する運転状態検出手段１５、２０、２１と、運転状態に基づいて設定する基準着火遅れ期間に対する実際の着火遅れ期間の長短を判定する判定手段２５と、判定の結果に基づいて、実際の着火遅れ期間を基準着火遅れ期間に近づけるように、燃焼制御パラメータを補正する補正手段２５と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ディーゼルエンジンの制御装置に関し、特に、燃料のセタン価や機関運転状態によらず、燃焼状態を好適に保つための制御装置に関する。

ディーゼルエンジンは、ガソリンエンジンに比べて、燃料性状や運転状態による着火遅れ期間のバラツキが生じやすい。着火遅れ期間にバラツキが生じると、エンジン本来の性能を発揮することができないばかりか、環境性能の悪化をも招くことになる。

そこで、特許文献１では、予め筒内圧によるエンジン加振力と燃料のセタン価との相関マップを作成しておき、そのマップに応じてセタン価を検出して、燃料噴射時期等の制御を行う技術事項が開示されている。具体的には、燃料のセタン価が基準セタン価よりも低い場合には、噴射時期を一端進角し、その後遅角するものである。

特開２００４−３４００２６号公報

しかしながら、特許文献１の技術手段では、検出したセタン価に応じてエンジンの運転制御を一律に変更しているので、機関負荷によっては、出力性能や排気性能がかえって悪化する場合がある。これは、燃焼特性は燃料のセタン価や機関負荷によって変化するにもかかわらず、セタン価のみに基づいて一律に制御を変更しているので、運転状態によっては燃焼が悪化する場合があるからである。また、燃料のセタン価が低い場合には、噴射時期を多少ずらしても、燃焼は安定しないという問題もある。

そこで、本発明では燃料のセタン価等の外乱要因や機関負荷によらず、安定した燃焼状態を維持できる制御装置を提供することを目的とする。

本発明のディーゼルエンジンの燃焼制御装置は、運転状態を検出する運転状態検出手段と、運転状態に基づいて設定する基準着火遅れ期間に対する実際の着火遅れ期間の長短を判定する判定手段と、判定の結果に基づいて、実際の着火遅れ期間を基準着火遅れ期間に近づけるように、燃焼制御パラメータを補正する補正手段と、を備える。

本発明によれば、外乱要因によって着火遅れ期間が基準となる着火遅れ期間からずれた場合でも、基準となる着火遅れ期間に近づけるよう補正するので、安定した燃焼状態を維持することができる。

本実施形態を適用するシステムの構成図である。 燃料噴射の制御ルーチンを表すフローチャートである。 エンジン負荷と燃焼の急峻性との関係を示す図である。 中・高負荷時における燃焼の急峻性と外的要因との関係を示す図である。 低負荷時における燃焼の急峻性と外的要因との関係を示す図である。 燃焼の急峻性の定義を説明するための図である（その１）。 燃焼の急峻性の定義を説明するための図である（その２）。

以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本実施形態の構成を表す概略図である。１はエンジン、２は吸気通路、３はターボチャージャ、４はインタークーラ、５は吸気コレクタ、６は吸気絞り弁、８は燃料噴射ポンプ、９はコモンレール、１０は燃料噴射弁、１２は排気通路、１３はＮＯｘトラップ触媒、１４はディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）、１１は排気還流通路（ＥＧＲ通路）、１９は排気還流弁（ＥＧＲ弁）、２５はエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）である。

エンジン１の各気筒には燃料噴射弁１０が備えられ、エンジン１に駆動される燃料噴射ポンプ８によって高圧化された燃料が、コモンレール９を介して燃料噴射弁１０から各気筒の燃焼室内に直接噴射される。すなわち、燃料噴射ポンプ８、コモンレール９及び燃料噴射弁１０によってコモンレール式燃料噴射装置が構成される。

吸気通路２には、吸気を圧縮するためのターボチャージャ３のコンプレッサ３ａ、圧縮により高温となった吸気を冷却するためのインタークーラ４、エンジン１に流入する吸気量を調節するための吸気絞り弁６が、上流側からこの順番で配置されており、吸気絞り弁６を通過した吸気は吸気コレクタ５で分配されて各気筒に流入する。

排気通路１２にはターボチャージャ３のタービン３ｂ、ＮＯｘ触媒１３、ＤＰＦ１４が上流側からこの順番で配置されている、また、排気の一部を排気通路１２のタービン３ｂより上流側から吸気コレクタ５に還流させるＥＧＲ通路１１が設けられ、ＥＧＲ通路１１には、排気還流量（ＥＧＲ量）を調節するＥＧＲ弁１９が設けられる。

ターボチャージャ３は、吸気通路２に配置されるコンプレッサ３ａと排気通路１２に配置されるタービン３ｂとがシャフトを介して接続されている。

ＮＯｘトラップ触媒１３は、排気空燃比が理論空燃比よりもリーンのときに、排気中のＮＯｘをトラップし、排気空燃比が理論空燃比よりもリッチのときに、トラップしているＮＯｘを脱離、浄化する触媒である。また、ＮＯｘトラップ触媒１３は、酸化触媒（Ｐｔ等の貴金属）を担持しており、排気中のＨＣ、ＣＯを酸化させる機能を有する。

ＤＰＦ１４は、排気中の微粒子（ＰＭ：Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ）を捕集するトラップ機能を有する。また、ＤＰＦ１４も酸化金属を担持しており、排気中のＨＣ、ＣＯを酸化させる機能を有する。

なお、ＮＯｘトラップ触媒１３とＤＰＦ１４の配置を逆にして、ＤＰＦ１４を上流側、ＮＯｘトラップ触媒１３を下流側に配置することも可能である。また、ＤＰＦ１４とＮＯｘトラップ触媒１３とを一体に構成することも可能である。

ＥＣＵ２５は、エンジン１の各種制御を行うものであり、そのために各種センサからの検出信号が入力される。各種センサとしては、エンジン回転速度を検出するクランク角センサ２０、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ２１、ＮＯｘトラップ触媒１３の温度を検出する触媒温度センサ２２、ＤＰＦ１４の入口側で排気圧力を検出する排気圧力センサ１７、ＤＰＦ１４の温度を検出するＤＰＦ温度センサ２３、ＤＰＦ１４出口側で排気空燃比を検出する空燃比センサ１６、コモンレール９の燃料圧力を検出する燃料圧力センサ２４、燃料温度を検出する燃料温度センサ２７、吸気圧力を検出する吸気圧力センサ２６、吸気コレクタ５で吸気音度を検出する吸気音度センサ２８が設けられている。

ＥＣＵ２５は上記各種センサからの検出信号に基づいて、燃料噴射量及び燃料噴射時期を制御するための燃料噴射弁１０への燃料噴射指令信号、吸気絞り弁６への開度指令信号、ＥＧＲ弁１９への開度指令信号等を出力する。また、ＥＣＵ２５は、ＮＯｘトラップ触媒１３及びＤＰＦ１４の再生処理のための制御も行う。

上記のような構成において、燃焼室内に流入した燃料は、吸気通路２を介して燃焼室内に流入した空気と混合気を形成し、圧縮着火により燃焼し、排気通路１２に排出される。排出された排気の一部はＥＧＲガスとして吸気コレクタ５に還流され、残りの排気はタービン３ｂを回転駆動させ、これによりコンプレッサ３ａも回転して、吸気を過給する。

そして、上記の燃焼により得られたエネルギーは変速機７を介して図示しない車輪に伝達される。

次に、燃料噴射制御について、図２を参照して説明する。

図２はＥＣＵ２５が実行する燃料噴射の制御ルーチンを表すフローチャートである。本制御ルーチンは一定周期毎、例えば１０ｍｓｅｃごとに実行する。

ステップＳ１０１では、運転状態を読み込む。具体的には、筒内圧センサ１５、クランク角センサ２０、アクセル開度センサ２１等の各種センサの検出値、及びＥＣＵ２５から燃焼噴射弁１０に出力される燃料噴射信号等を読み込む。なお、燃焼噴射信号は、運転状態に基づいて算出したものである。

ステップＳ１０２では、筒内圧センサ１５の検出値に基づいて、燃焼の急峻性Ｐ’ｍａｘを算出する。ここでは、図６に示すような筒内圧センサ１５で検出したエンジン１の筒内圧波形を、クランク角で１回微分したときの最大値を燃焼の急峻性とする。なお、図７に示すように筒内圧波形を１回微分したときの最大値までの変化率（微分値がゼロから最大値までのクランク角）を用いてもよい。

ここで、燃焼の急峻性について図３〜図５を参照して説明する。図３はエンジン１の負荷と燃焼の急峻性Ｐ’ｍａｘとの関係を示す図である。図４はエンジン１の中・高負荷域における、セタン価、吸入空気温度、エンジン１の温度又は圧縮比等といった外的要因に対する燃焼の急峻性Ｐ’ｍａｘの特性を示すマップデータの一例を示す図であり、図５はエンジン１の低負荷域における、外的要因に対する燃焼の急峻性Ｐ’ｍａｘの特性を示すマップデータの一例を示す図である。

図３に示すように、燃焼の急峻性Ｐ’ｍａｘはエンジン１の負荷が高まるのに比例して大きくなるが、後述するようにエンジン負荷が低負荷域と中・高負荷域とでは、外的要因による変化の方向が異なる。なお、ここでいう外的要因とは、燃焼環境のパラメータである燃焼環境パラメータ、例えば燃料のセタン価、吸入空気温度、エンジン温度、圧縮比等である。燃料のセタン価は、公知のセンサやセンシング技術を用いて求めることができる。また、圧縮比は、例えば可変バルブタイミング機構を備える場合には、バルブタイミングに基づいて求めることができる。

まず、運転条件が所定の負荷よりも低い場合は、外的要因（例えばセタン価）が高くなったときに、燃焼の急峻性が高くなる。これに対し、運転条件が所定の負荷よりも高い場合は、燃料のセタン価が高くなると燃焼の急峻性が低くなる、または所定値から変化しない。

フローチャートの説明に戻る。ステップＳ１０３では、エンジン１の負荷が低負荷であるか、中・高負荷であるかの判定を行う。中・高負荷の場合はステップＳ１０４に進み、低負荷の場合はステップＳ１０８に進む。なお、判定に用いる負荷は、ステップＳ１０１で読み込んだクランク角センサ２０、アクセル開度センサ２１等の検出値に基づいて算出する。

ステップＳ１０４では、燃焼の急峻性の基準値Ｐｔａを、予め作成してＥＣＵ２５に記憶しておいた中・高負荷時用のテーブルを検索することで求める。中・高負荷時用のテーブルは、例えば図４に示すように縦軸に燃焼の急峻性、横軸に外的要因をとる。基準値Ｐｔａは、実線で表わすように、外的要因が高くなるほど基準値Ｐｔａが徐々に小さくなっている。

ステップＳ１０５では、ステップＳ１０２で求めた燃焼の急峻性Ｐ’ｍａｘとステップＳ１０４で検索した燃焼の急峻性の基準値Ｐｔａを比較する。

ステップＳ１０５では、ステップＳ１０２で算出した燃焼の急峻性Ｐ’ｍａｘと、ステップＳ１０４で検索した基準値Ｐｔａとの比較を行う。

ここで燃焼の急峻性Ｐ’ｍａｘが基準値Ｐｔａより高い場合、つまり図４において実線よりも上側の領域である場合には、着火遅れ期間が所定の着火遅れ期間よりも長期化しているといえる。これについては、次のように説明できる。

所定の負荷よりも高い中・高負荷領域では、噴射初期の燃料が予混合してなる予混合燃焼（燃焼の前半）と、燃料が拡散的に燃焼する拡散燃焼(燃焼の後半)とが行われる。そして、着火遅れ期間が長くなって予混合が進んだ場合、つまり予混合割合が高くなった場合には、多くの予混合気が一気に燃えるため、急峻な燃焼になり易くなる。このことから、中・高負荷域において燃焼が急峻な場合には、着火遅れ期間が長くなっていると推定できる。

上記ステップＳ１０５の比較の結果、燃焼の急峻性Ｐ’ｍａｘが基準値Ｐｔａより大きい場合にはステップＳ１０６に進み、燃焼の急峻性Ｐ’ｍａｘが基準値Ｐｔａより小さい場合にはステップＳ１０７に進み、それぞれ着火遅れ期間の長期化を所定の着火遅れ期間に制御するように、次のように燃料噴射因子の制御を行う。

ステップＳ１０６では、パイロット噴射量を増量する。これにより、予混合が進んだときと同様の状況になり、予混合燃焼がより早期に開始されるので、燃焼圧の急峻な増大を防止し、燃焼騒音等のノイズを低減することができる。

ステップＳ１０７では、主噴射時期をリタードさせ、または噴射圧を低下させる。これにより予混合が遅れて、予混合燃焼の開始が遅れるので、燃焼騒音等が悪化することなく、燃料消費率とＨＣ排出量を低減することができる。

ステップＳ１０８では、燃焼の急峻性の基準値Ｐｔａを、予め作成してＥＣＵ２５に記憶しておいた低負荷時用のテーブルを検索することで求める。低負荷時用のテーブルは、例えば図５に示すように、縦軸に燃焼の急峻性、横軸に外的要因をとる。基準値Ｐｔａは、実線で表わすように、外的要因が高くなるほど基準値Ｐｔａが徐々に大きくなっている。

ステップＳ１０９では、ステップＳ１０２で算出した燃焼の急峻性Ｐ’ｍａｘと、ステップＳ１０８で検索した基準値Ｐｔａとの比較を行う。

ここで、燃焼の急峻性Ｐ’ｍａｘが基準値Ｐｔａより低い場合、つまり図５において実線よりも下側の領域である場合には、着火遅れ期間が所定の着火遅れ期間よりも短期化しているといえる。これについては、次のように説明できる。

低負荷領域では、１サイクル当たりに噴射する燃料量のすべてを噴射した後で燃焼が行われ、着火時期における混合気が所定濃度より濃くなったり、予混合気化したときの筒内圧が高過ぎたりした場合に、着火遅れ期間が短くなって、急峻な燃焼になり易い。このことから、低負荷域において燃焼が急峻な場合には、着火遅れ期間が短くなっていると推定できる。

上記ステップＳ１０９の比較の結果、燃焼の急峻性Ｐ’ｍａｘが基準値Ｐｔａより大きい場合はステップＳ１１０に進み、燃焼の急峻性Ｐ’ｍａｘが基準値Ｐｔａより小さい場合はステップＳ１１１に進み、それぞれ着火遅れ期間の短期化を所定の着火遅れ期間に制御するように、次のように燃料噴射因子の制御を行う。

ステップＳ１１０では、主噴射時期をリタードする。これにより、混合気が薄すぎて燃焼時期が遅れていたものが、上死点近傍でより濃い混合気になるので、燃焼時期が早まる。その結果、ＨＣ排出量、燃料消費率を低下させることなく、燃焼騒音等のノイズを低減することができる。

ステップＳ１１１では、パイロット噴射量を増量し、噴射圧を高める。これにより、着火時期における混合気濃度が所定濃度より濃くなったり、予混合化した時点における筒内圧が過剰に上昇したりすることを防止して、スモーク発生量を低減することができる。

ところで、着火遅れ期間を、筒内圧の立ち上がり、つまり燃焼開始時期に基づいて求めようとすると、わずかな筒内圧上昇も見逃さずに検知しなければならないので、高精度の検出性能を有するセンサが必要となり、コストが増大してしまう。一方、コストを抑えるために低精度のセンサを用いると、燃焼開始時期の検出精度が低下して、制御性が低下してしまう。このように、コストと燃焼開始時期の検出精度の両方を満足することが難しい。これに対して、本実施形態のように燃焼の急峻性から着火遅れ期間を求めるようにすれば、センサに要求される検出精度は、筒内圧の立ち上がりに基づいて求める場合に比べて低くて済む。したがって、コストと燃焼開始時期の検出精度の両方を満足することができる。

以上により本実施形態では、次のような効果を得ることができる。

（１）基準となる着火遅れ期間に対する実際の着火遅れ期間の長短を判定し、判定の結果に基づいて、実際の着火遅れ期間を基準となる着火遅れ期間に近づけるように、燃焼制御パラメータを補正するので、外的要因によって着火遅れ期間がずれても、安定した燃焼を維持することができる。その結果、着火遅れ期間が短すぎる場合のスモークの発生や、着火遅れ期間が長すぎる場合のＨＣ排出量の悪化を抑制することができる。

（２）基準となる着火遅れ期間に対する実際の着火遅れ期間の長短を、機関負荷と燃焼の急峻性とに基づいて判定するので、高精度の筒内圧センサを用いることによるコスト増大を回避しつつ、燃焼開始時期を精度よく検出することができる。

（３）基準となる着火遅れ期間である場合の燃焼の急峻性である基準値Ｐｔａを算出して、この基準値Ｐｔａと実際の急峻性Ｐ’ｍａｘとを比較し、機関負荷が高い場合には、急峻性Ｐ’ｍａｘの方が小さいときには着火遅れ期間が短く、急峻性Ｐ’ｍａｘの方が大きいときには着火遅れ期間が長いと判定し、機関負荷が低い場合には、急峻性Ｐ’ｍａｘの方が小さいときには着火遅れ期間が長く、急峻性Ｐ’ｍａｘの方が大きいときには着火遅れ期間が短いと判定するので、着火遅れ期間の長短を、運転状態に応じて適切に判定することができる。

（４）急峻性Ｐ’ｍａｘを、筒内圧センサ１５の検出値の、１回微分の最大値とするので、筒内圧センサ１５のように一般的なエンジンに用いられているセンサで着火遅れ期間の検知を行うことができる。

（５）機関負荷が高く着火遅れ期間が短い場合に、パイロット噴射量を増量するので（図２のＳ１０６）、予混合燃焼の開始時期が早まり、燃焼騒音を低減することができる。

（６）機関負荷が高く着火遅れ期間が長い場合に、主噴射の噴射時期をリタードさせる、または噴射圧を低下させるので（図２のＳ１０７）、予混合燃焼の開始が遅れる。これにより、燃焼騒音を悪化させることなく、燃料消費率とＨＣ排出量を改善することができる。

（７）機関負荷が低く着火遅れ期間が長い場合に、主噴射の噴射時期をリタードさせるので（図２のＳ１１０）、上死点近傍での混合気濃度が高まり、燃焼時期が早まる。これにより、燃料消費率及びＨＣ排出量の低下を招くことなく、燃焼騒音を低下させることができる。

（８）機関負荷が低く着火遅れ期間が短い場合に、主噴射前のパイロット噴射量を増量する、または噴射圧を上昇させるので、着火時期における混合気濃度及び予混合化した時点での筒内圧力の適正化を図ることができる。これによりスモーク性能の悪化を回避することができる。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。

１ エンジン
２ 吸気通路
３ ターボチャージャ
４ インタークーラ
５ 吸気コレクタ
６ 吸気絞り弁
７ 変速機
８ 燃料噴射ポンプ
９ コモンレール
１０ 燃料噴射弁
１１ 排気還流通路（ＥＧＲ通路）
１２ 排気通路
１３ ＮＯｘトラップ触媒
１４ ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）
１５ 筒内圧センサ
１６ 空燃比センサ
１７ 排気圧力センサ
１８ 水温センサ
１９ 排気還流弁（ＥＧＲ弁）
２０ クランク角センサ
２１ アクセル開度センサ
２２ 触媒温度センサ
２３ ＤＰＦ温度センサ
２４ 燃料圧力センサ
２５ エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）
２６ 吸気圧力センサ
２７ 燃料温度センサ
２８ 吸気温度センサ

Claims (9)

1. 運転状態を検出する運転状態検出手段と、
   前記運転状態に基づいて設定する基準着火遅れ期間に対する実際の着火遅れ期間の長短を判定する判定手段と、
   前記判定の結果に基づいて、前記実際の着火遅れ期間を前記基準着火遅れ期間に近づけるように、燃焼制御パラメータを補正する補正手段と、
   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. 燃焼の急峻性を検出する急峻性検出手段を備え、
   前記判定手段は、前記基準着火遅れ期間に対する実際の着火遅れ期間の長短を、機関負荷と燃焼の急峻性とに基づいて判定することを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジンの燃焼制御装置。
3. 前記判定手段は、前記基準着火遅れ期間である場合の燃焼の急峻性である基準急峻性を算出して、この基準急峻性と実際の急峻性とを比較し、機関負荷が高い場合には、実際の急峻性の方が小さいときには着火遅れ期間が短く、実際の急峻性の方が大きいときには着火遅れ期間が長いと判定し、機関負荷が低い場合には、実際の急峻性の方が小さいときには着火遅れ期間が長く、実際の急峻性の方が大きいときには着火遅れ期間が短いと判定することを特徴とする請求項２に記載のディーゼルエンジンの燃焼制御装置。
4. 前記運転状態検出手段として筒内圧センサを備え、
   前記判定手段は、前記実際の燃焼の急峻性を、筒内圧センサ検出値の１回微分の最大値で判定することを特徴とする請求項２または３に記載のディーゼルエンジンの燃焼制御装置。
5. 前記基準急峻性は、燃焼環境のパラメータである燃焼環境パラメータに応じて定まり、前記燃焼環境パラメータが変化した場合の特性が、機関負荷が高いときと低いときで逆の傾向になっていることを特徴とする請求項２から４のいずれか一つに記載のディーゼルエンジンの燃焼制御装置。
6. 前記補正手段は、機関負荷が高く着火遅れ期間が短い場合に、主噴射前のパイロット噴射量を増量することを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載のディーゼルエンジンの燃焼制御装置。
7. 前記補正手段は、機関負荷が高く着火遅れ期間が長い場合に、主噴射の噴射時期をリタードさせる、または噴射圧を低下させることを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載のディーゼルエンジンの燃焼制御装置。
8. 前記補正手段は、機関負荷が低く着火遅れ期間が長い場合に、主噴射の噴射時期をリタードさせることを特徴とする請求項１から７のいずれか一つに記載のディーゼルエンジンの燃焼制御装置。
9. 前記補正手段は、機関負荷が低く着火遅れ期間が短い場合に、主噴射前のパイロット噴射量を増量する、または噴射圧を上昇させることを特徴とする請求項１から８のいずれか一つに記載のディーゼルエンジンの燃焼制御装置。

Images