JP2010270634A

JP2010270634A - 圧縮着火内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP2010270634A
Application number: JP2009121624A
Authority: JP
Inventors: Kentaro Nishida; 健太郎西田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-05-20
Filing date: 2009-05-20
Publication date: 2010-12-02

Abstract

【課題】過給機及び外部ＥＧＲ装置を備えた圧縮着火内燃機関を、使用されている燃料のセタン価の違いに起因する不具合が生じないように、十分かつ適切に制御できる圧縮着火内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】圧縮着火内燃機関の制御装置を、反応速度定数を用いて、使用されている燃料のセタン価の違いに起因する不具合が生じないように圧縮着火内燃機関を制御する（ステップＳ１０１、Ｓ１０４、Ｓ１０５）装置として構成（プログラミング）しておく。
【選択図】図２

Description

本発明は、過給機及び外部ＥＧＲ装置を備えた圧縮着火内燃機関を制御する圧縮着火内燃機関の制御装置に関する。

圧縮着火内燃機関は、燃料のセタン価に応じた制御が必要なものである。そのため、燃料のセタン価に応じた制御を可能とするための様々な技術（例えば、特許文献１〜３参照。）が開発されているのであるが、燃料のセタン価に応じた、十分かつ適切な制御が可能な技術は未だ開発されていないのが現状である。

特開２００８−３０９１５９号公報特開２００８−０９５６７５号公報特開２０００−２５７４６７号公報特開２００３−１９３８８９号公報特開２００８−１４８２３６号公報特開２００４−２３９１４１号公報特開２００４−３３２６５３号公報

そこで、本発明の課題は、過給機及び外部ＥＧＲ装置を備えた圧縮着火内燃機関を、使用されている燃料のセタン価の違いに起因する不具合が生じないように、十分かつ適切に制御できる圧縮着火内燃機関の制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の、過給機及び外部ＥＧＲ装置を備えた圧縮着火内燃機関の制御装置は、燃焼重心の算出結果に基づき前記圧縮着火内燃機関に使用されている燃料のセタン価を推定し、推定したセタン価に基づき前記燃料の燃焼反応の活性化エネルギーを特定する活性化エネルギー特定手段と、前記圧縮着火内燃機関の過給圧及びＥＧＲ率と前記活性化エネルギー特定手段により特定された活性化エネルギーとを用いて前記燃焼反応のその時点における反応速度定数を算出する反応速度定数算出手段と、操作者の操作内容に基づき、前記反応速度定数の目標値である目標反応速度定数を特定する目標反応速度定数特定手段と、前記目標反応速度定数特定手段により特定された前記目標反応速度定数と等しい反応速度定数が前記反応速度定数算出手段により算出されることになるように、前記圧縮着火内燃機関の過給圧及び／又はＥＧＲ率を調整する調整手段とを備える。

すなわち、本発明の“圧縮着火内燃機関の制御装置”（以下、単に、制御装置とも表記する）は、『反応速度定数』という定量的な指標を用いて、使用されている燃料のセタン価の違いに起因する不具合が生じないように圧縮着火内燃機関を制御する（“前記圧縮着火内燃機関の過給圧及び／又はＥＧＲ率を調整する”）構成を有している。そして、定量的な指標（反応速度定数）を用いれば、過給圧及び／又はＥＧＲ率の調整量を的確に制御できるのであるから、この制御装置を用いておけば、過給機及び外部ＥＧＲ装置を備えた圧縮着火内燃機関を、使用されている燃料のセタン価の違いに起因する不具合が生じないように、十分かつ適切に制御できることになる。

なお、本発明の制御装置を実現するに際して、反応速度定数算出手段を、過給圧、ＥＧＲ率及び活性化エネルギーのみを変数として反応速度定数を算出する手段としておく必要はなく、目標反応速度定数特定手段を、操作者の操作内容のみに基づき目標反応速度定数を特定する手段としておく必要もない。換言すれば、反応速度定数算出手段として、例えば、過給圧、ＥＧＲ率、活性化エネルギー及び着火時筒内温度を変数として反応速度定数を算出する手段を採用しておくことも出来る。また、目標反応速度定数特定手段として、操作者の操作内容（例えば、アクセル開度）と機関回転数とに基づき目標反応速度定数を特定する手段を採用しておくことが出来る。

調整手段は、過給圧のみを制御する手段であっても、ＥＧＲ率のみを制御する手段であっても、状況に応じて、制御対象を変更する手段であっても良い。また、調整手段は、その動作の結果として、“前記目標反応速度定数特定手段により特定された前記目標反応速度定数と等しい反応速度定数が前記反応速度定数算出手段により算出されることになるように”できるものでありさえすれば良いので、調整手段として、例えば、過給圧やＥＧＲ率決定用のマップを書き換えてしまう手段を採用しておくことも出来る。

本発明によれば、過給機及び外部ＥＧＲ装置を備えた圧縮着火内燃機関を、使用されている燃料のセタン価の違いに起因する不具合が生じないように、十分かつ適切に制御できる圧縮着火内燃機関の制御装置を提供することが出来る。

本発明の一実施形態に係る制御装置が用いられた内燃機関システムの構成図である。実施形態に係る制御装置が周期的に実行する制御処理の流れ図である。実施形態に係る制御装置が実行する気筒間バラツキ補正処理の流れ図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

まず、図１を用いて、本発明の一実施形態に係る圧縮着火内燃機関の制御装置１（以下、単に、制御装置１と表記する）の概要を説明する。

図から明らかなように、制御装置１は、可変ノズル過給機２０、ＥＧＲ装置３０等を備えた内燃機関１０を制御するための装置である。

内燃機関１０は、４つの気筒１１を有する圧縮着火内燃機関（ディーゼルエンジン）である。圧縮着火内燃機関１０の各気筒１１には、気筒１１内の圧力を計測するための筒内圧センサ３１、図示せぬ燃料噴射弁、吸気弁、排気弁などが取り付けられている。

また、内燃機関１０には、機関回転数を検出するためのクランクポジションセンサ３４や、冷却水の温度を検出するための水温センサが取り付けられている。

内燃機関１０には、各気筒１１の燃焼室と吸気ポートを介して連通する吸気マニホールド１２、及び、各気筒１１の燃焼室と排気ポートを介して連通する排気マニホールド１７が接続されている。

吸気マニホールド１２には、吸気温を測定するための吸気温センサ３２、過給圧を測定
するための過給圧センサ３３が、取り付けられている。また、吸気マニホールド１２の、各吸気ポートとの接続部分には、各気筒１１の過給圧を個別に補正するための補正バルブ１３が設けられている。

吸気マニホールド１２には、空気を吸気マニホールド１２に導入するための吸気通路１４が接続されている。

この吸気通路１４の上流側には、塵や埃を空気（吸気）から除去するためのエアクリーナ１５が設けられている。また、吸気通路１４のエアクリーナ１５よりも下流側の部分には、可変ノズル過給機２０のコンプレッサハウジング２０ａと、当該コンプレッサハウジング２０ａを通過したガスを冷却するためのインタークーラ１６とが設けられている。

吸気通路１４のインタークーラ１６よりも下流側の部分には、吸気通路１４内を流通する吸気の流量を調節可能な第１吸気絞り弁２４が設けられている。また、吸気通路１４の、エアクリーナ１５、コンプレッサハウジング２０ａ間の部分には、吸気の流量を測定するためのエアフローメータ３５、吸気の流量を調節可能な第２吸気絞り弁２２が設けられている。

排気マニホールド１７には、可変ノズル過給機２０のタービンハウジング２０ｂを介して、排気通路１８が接続されている。この排気通路１８の途中には、排気中のＰＭ（Particulate Matter：粒子状物質）を捕集するためのフィルタ１９が設けられている。また、排気通路１８のフィルタ１９よりも下流の部分には、排気通路１８内を流通する排気の流量を調節可能な排気絞り弁２６が設けられている。

排気マニホールド１７と吸気マニホールド１２との間には、排気マニホールド１７を通過する排気の一部（以下、“ＥＧＲガス”と表記する。）を吸気マニホールド１２に戻すためのＥＧＲ装置３０（外部ＥＧＲ装置）が設けられている。このＥＧＲ装置３０は、図示してあるように、排気マニホールド１７と吸気マニホールド１２とを連通するＥＧＲ通路３０ａと、ＥＧＲガスの流量を調節するためのＥＧＲ弁３０ｂと、ＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ３０ｃとから構成されたものとなっている。

次に、本実施形態に係る制御装置１の構成及び動作を説明する。

制御装置１は、上記した各種センサの出力、アクセル開度センサ２９の出力等に基づき、内燃機関１０の各部（燃料噴射弁等）、可変ノズル過給機２０、ＥＧＲ装置３０等を統合的に制御する電子制御ユニット（ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなるユニット）である。なお、アクセル開度センサ２９とは、操縦者によるアクセルペダルの踏み込みの程度を示す値（以下、アクセル開度と表記する）を出力するセンサのことである。

この制御装置１内には、内燃機関１０の回転数、負荷及び燃焼重心から、使用されている燃料のセタン価を特定できるセタン価マップと、各種セタン価の燃料について、その燃料の燃焼反応の活性化エネルギーを記憶した活性化エネルギーマップとが設定されている。また、制御装置１内には、内燃機関１０の運転状態（本実施形態では、回転数及び負荷）から、目標反応速度定数を特定できる目標反応速度定数マップ（詳細は後述）も設定されている。

また、制御装置１は、以下の機能を有するように、構成（プログラミング）されている。

制御装置１は、『前回の活性化エネルギー算出処理の実行時刻から所定時間以上の時間
が経過しており、かつ、内燃機関１０を定常運転している』という条件が満たされた場合には、活性化エネルギー算出処理を開始する。そして、活性化エネルギー算出処理を開始した制御装置１は、まず、筒内圧センサ３１の出力に基づき燃焼重心を算出する。次いで、制御装置１は、算出した燃焼重心と、その時点における回転数及び負荷とに応じたセタン価を、上記したセタン価マップから読み出す処理と、読み出しセタン価に応じた活性化エネルギーを上記した活性化エネルギーマップから読み出す処理とを行う。

その後、制御装置１は、読み出した活性化エネルギーを、反応速度定数の算出に使用する活性化エネルギー（図２のステップＳ１０４におけるＥ；詳細は後述）として内部に記憶してから、活性化エネルギー算出処理を終了する。

また、制御装置１は、周期的に（クランクシャフトの回転と同期的に）、図２に示した手順の制御処理を実行する。

すなわち、或るタイミングとなったため、この制御処理を開始した制御装置１は、まず、アクセル開度と内燃機関１０の回転数とに基づき、目標過給率、目標ＥＧＲ率、目標燃料噴射量等と、目標反応速度定数とを算出する処理（ステップＳ１０１）を行う。より具体的には、このステップＳ１０１にて、制御装置１は、既存のＥＣＵ（圧縮着火内燃機関用のもの）と同様の手順で目標過給率、目標ＥＧＲ率等を算出した上で、上記した目標反応速度定数マップから、現状に対応する目標反応速度定数Ｋ_Ｔを読み出す処理を行う。

次いで、制御装置１は、目標過給率、目標ＥＧＲ率に、それぞれ、過給圧補正量、ＥＧＲ率補正量を加算する処理（ステップＳ１０２）を行う。なお、過給圧補正量、ＥＧＲ率補正量とは、後述するステップＳ１０５の処理で値が変更される、制御装置１内のメモリ上に記憶されている情報のことである。

ステップＳ１０２の処理を終えた制御装置１は、各種パラメータ（ＥＧＲ率、過給率等）が、目標値（目標過給率、目標ＥＧＲ率等）になるように、ＥＧＲ装置３０（ＥＧＲ弁３０ｂ）等を制御する（ステップＳ１０３）。

その後、制御装置１は、吸入ガス量、筒内圧及び吸気温度から着火時筒内温度Ｔを求めた上で、“Ｋ＝Ｐｂ・ＥＧＲ率・ｅｘｐ（−Ｅ／ＲＴ）”〔Ｐｂは、過給圧、Ｒは、ガス定数〕という反応速度定数算出式により、反応速度定数Ｋを算出する処理（ステップＳ１０４）を行う。上記した目標反応速度定数マップは、各種運転状態において、この反応速度定数算出式により算出されるべき反応速度定数の値を、各種実験を行うことにより用意したものとなっている。

ステップＳ１０４の処理を終えた制御装置１は、算出した反応速度定数Ｋが、ステップＳ１０１の処理で求めた目標反応速度定数Ｋ_Ｔと一致するように、メモリ上の過給圧補正量、ＥＧＲ率補正量の値を変更する処理（ステップＳ１０５）を行う。

このステップＳ１０５の処理は、基本的には、過給圧・ＥＧＲ率の値が、その時点における値の“Ｋ_Ｔ／Ｋ”倍の値となるように、各補正量を変更する処理である。ただし、ステップＳ１０５の処理は、過給圧、ＥＧＲ率の変更による、着火時筒内温度Ｔの変化量（上記反応速度定数算出式中のｅｘｐ（−Ｅ／ＲＴ）の値の変化分）を考慮して、新たな過給圧補正量、ＥＧＲ率補正量を決定する処理となっている。また、ステップＳ１０５の処理は、内燃機関１０の運転状態（本実施形態では、回転数、負荷）によっては、過給圧補正量、ＥＧＲ率補正量のいずれか一方の値を“０”とする場合もある処理となっている。さらに、ステップＳ１０５の処理は、当然のことではあるが、Ｋ_Ｔ＝Ｋが成立している場合には、各補正量の値を変更しない処理となっている。

また、本実施形態に係る制御装置１は、図３に示した手順の気筒間バラツキ補正処理を、上記した制御処理と並行した形で実行する機能も有している。

すなわち、制御装置１は、各筒内圧センサ３１の出力に基づき各気筒１１の燃焼重心位置を算出し、算出した燃焼重心位置が予め定められている目標燃焼重心位置と異なる気筒１１の有無をチェックする機能（ステップＳ２０１）を有している。

そして、制御装置１は、燃焼重心位置が目標燃焼重心位置より遅角側になっている気筒１１を見出した場合（ステップＳ２０１；ＹＥＳ、Ｓ２０２；ＹＥＳ）には、当該気筒１１に関する補正バルブ１３を、燃焼重心位置の差に応じた量（図では、規定量）だけ開く（ステップＳ２０４）装置となっている。また、制御装置１は、燃焼重心位置が目標燃焼重心位置より進角側になっている気筒１１を見出した場合（ステップＳ２０１；ＹＥＳ、Ｓ２０２；ＮＯ）には、当該気筒１１に関する補正バルブ１３を、燃焼重心位置の差に応じた量だけ閉じる（ステップＳ２０３）装置となっている。

以上、説明したように、本実施形態に係る制御装置１は、『反応速度定数』という定量的な指標を用いて、使用されている燃料のセタン価の違いに起因する不具合が生じないように、内燃機関１０の過給圧及び／又はＥＧＲ率を調整する構成を有している。そして、定量的な指標（反応速度定数）を用いれば、過給圧及び／又はＥＧＲ率の調整量を的確に制御できるのであるから、この制御装置１を用いておけば、過給機及び外部ＥＧＲ装置を備えた圧縮着火内燃機関を、使用されている燃料のセタン価の違いに起因する不具合が生じないように、十分かつ適切に制御できることになる。

《変形形態》
上記した制御装置１については、各種の変形を行うことが出来る。例えば、制御装置１を、上記したものとは異なる内容の反応速度定数算出式により反応速度定数を算出する装置や、同じ反応速度定数算出式により反応速度定数を算出するが、Ｔとして固定値を使用する装置に変形することが出来る。また、ステップＳ１０４、Ｓ１０５の処理が、実際に機能するのは、燃料が、セタン価が異なるものに変わった直後である。従って、制御装置１を、ステップＳ１０４、Ｓ１０５の処理を、制御処理の実行毎に行わない装置（例えば、ステップＳ１０４、Ｓ１０５の処理を、活性化エネルギー算出処理により活性化エネルギーの値が変更された直後にしか行わない装置）に変形することも出来る。

また、吸気温度を独立して制御できる場合（例えば、ＥＧＲクーラをバイパスできるＥＧＲ装置が用いられている場合）には、ステップＳ１０５にて、反応速度定数算出式中のＴ値を変えることを目的とした吸気温度の調整も行われるようにしておくことが出来る。

１・・・制御装置
１０・・・内燃機関
１１・・・気筒
１２・・・吸気マニホールド
１３・・・補正バルブ
１４・・・吸気通路
１５・・・エアクリーナ
１６・・・インタークーラ
１７・・・排気マニホールド
１８・・・排気通路
１９・・・フィルタ
２０・・・可変ノズル過給機
２０ａ・・・コンプレッサハウジング
２０ｂ・・・タービンハウジング
２２・・・第２吸気絞り弁
２４・・・第１吸気絞り弁
２９・・・アクセル開度センサ
３０・・・ＥＧＲ装置
３０ａ・・・ＥＧＲ通路
３０ｂ・・・ＥＧＲ弁
３０ｃ・・・ＥＧＲクーラ
３１・・・筒内圧センサ
３２・・・吸気温センサ
３３・・・過給圧センサ
３４・・・クランクポジションセンサ
３５・・・エアフローメータ

Claims

過給機及び外部ＥＧＲ装置を備えた圧縮着火内燃機関の制御装置であって、
燃焼重心の算出結果に基づき前記圧縮着火内燃機関に使用されている燃料のセタン価を推定し、推定したセタン価に基づき前記燃料の燃焼反応の活性化エネルギーを特定する活性化エネルギー特定手段と、
前記圧縮着火内燃機関の過給圧及びＥＧＲ率と前記活性化エネルギー特定手段により特定された活性化エネルギーとを用いて前記燃焼反応のその時点における反応速度定数を算出する反応速度定数算出手段と、
操作者の操作内容に基づき、前記反応速度定数の目標値である目標反応速度定数を特定する目標反応速度定数特定手段と、
前記目標反応速度定数特定手段により特定された前記目標反応速度定数と等しい反応速度定数が前記反応速度定数算出手段により算出されることになるように、前記圧縮着火内燃機関の過給圧及び／又はＥＧＲ率を調整する調整手段と
を備えることを特徴とする圧縮着火内燃機関の制御装置。