JP2011524492A - 内燃機関用の燃料品質依存式噴射タイミング制御 - Google Patents

Abstract

直接燃料噴射式の自動車用内燃機関（１）を制御する方法が記載され、本方法は、所定条件下で第１燃料品質パラメータ確定手続きを用いて燃料品質パラメータ（Ｆ）が確定される燃料適合部と、内燃機関（１）での噴射開始（ＳＯＩ）の閉ループ制御における目標値（αＴ）として、燃料品質パラメータ（Ｆ）から導出された燃料燃焼特性パラメータ（ＭＦＢ５０）の値を使用する制御部とを含み、閉ループ制御は、第１燃料品質パラメータ確定手続きとは異なる第２燃料品質パラメータ確定手続きを用いて、燃料燃焼特性パラメータ（ＭＦＢ５０）の実際値（αＡ）を確定する。

Description

本発明は、直接燃料噴射式の自動車用内燃機関（エンジン）を制御する方法および装置に関する。

内燃機関の性能は、エンジンが燃焼する燃料の品質によって決まることは言うまでもない。特にこれは、直噴内燃機関、たとえば直噴ディーゼルエンジンに当てはまる。こうしたエンジンでは、燃焼室内に入ったガスが圧縮された後に、燃料が直接燃焼室に噴射されることにより着火する。すなわち、燃焼室内で混合気生成が行なわれる。

ディーゼルエンジンの場合、１つの周知の燃料品質パラメータはセタン価である。セタン価は、圧縮着火段階における燃料の燃焼品質の測定単位である。セタン価は、燃料の着火遅れ、すなわち燃料の燃焼室への噴射開始（ＳＯＩ）と燃料の燃焼（すなわち着火）開始（ＳＯＣ）との間の時間に関係する。セタン価が高い燃料で作動しているディーゼルエンジンほど、セタン価が低い燃料の場合より短い着火遅れ時間を示す。したがって、セタン価が高い燃料ほど着火遅れ時間が短く、燃料燃焼工程の時間を長くとることができる。このため、セタン価に関する問題は、ディーゼルエンジンの高速化に関して極めて重要になった。

したがってエンジンの望ましくない動作を回避するために最新技術で知られているのは、特に直噴内燃機関に対し燃料品質パラメータを確定し、それに従って、低品質燃料が検出された場合には、エンジン作動時に可能となる負荷および速度の範囲を制限することである。最も知られている手法、すなわち国際公開第２００５／００５８１３Ａ１号パンフレットおよび同第２００５／１１９０３４Ａ１号パンフレットから既知である手法は、エンジンの燃料カットオフ状態において少量の燃料を噴射し、それによって発生する熱に対する測度をエンジンの挙動を注意深く評価することによって導出することにより燃料品質を検出する。この最新技術は、燃料のセタン価を確定することを目的としている。

セタン価は、特定の燃料で動作しているエンジンに対して許容される動作範囲を制限するために有用であり得るが、許容速度および速度範囲について制約されず、特定の運転条件に制約されない、より精密な制御への改善が必要とされている。この必要性は、エンジンの排ガス中の汚染物質の低減に関連して非常に重要であり、その低減は、エンジン開発においてますます切迫した課題となっている。

したがって本発明は、直接燃料噴射式内燃機関の最適な動作を、燃料品質とほぼ無関係に保証するという課題に取り組む。

この課題を解決するために、本発明は、直接燃料噴射式の自動車用内燃機関を制御する方法を提供し、本方法は、内燃機関が所定動作条件を示した時に、第１燃料品質パラメータ確定手続きを用いて燃料品質パラメータが確定される燃料適合部と、内燃機関での噴射開始の閉ループ制御における目標値として、燃料品質パラメータの値、または燃料品質パラメータから導出された燃料燃焼特性パラメータの値を使用する制御部と、を含み、閉ループ制御は、第１燃料品質パラメータ確定手続きとは異なる第２燃料品質パラメータ確定手続きを用いて、燃料品質パラメータの実際値、または燃料品質パラメータから導出された燃料燃焼特性パラメータの実際値を確定する。

本発明は、変化する燃料品質に対処するために二部に分かれた方法を用いる。第一部は、燃料品質を示す目標値を確定する。第二部は、内燃機関を、その動作パラメータが目標値に一致するように制御する。この方法では、第一部が、第二部での制御に使用されるものとは異なる手続きにより燃料品質および目標値を確定することが重要である。

目標値についての１つの好適なパラメータは、燃焼室に噴射される燃料質量の半分が変化したクランク角の時点である。言うまでもなく、このクランク角の時点は、絶対クランク角値において多気筒エンジンのシリンダ毎に別個のものである。しかしながら、相対的に、たとえば４ストロークエンジンの４つのストロークまたはサイクルに言及する時、噴射された燃料質量の半分が燃焼したクランク角の時点は、多気筒エンジンのすべてのシリンダで同じである。文字通り、燃焼室内に噴射された燃料質量の半分が燃焼したクランク角の時点を、ＭＦＢ５０（燃焼燃料質量＝５０％）と呼ぶ。当然ながら、それは既知のパラメータであるが、現状の技術では、このパラメータを燃料品質に関連付けておらず、特に、噴射開始を制御する時にＭＦＢ５０を考慮していなかった。

ＭＦＢ５０は、当業者には既知であるように、燃焼フィードバック信号から確定することができる。概してＭＦＢ５０は、燃焼室内の圧力および圧力勾配、燃焼室の容積および容積の一次導関数、空気／燃料混合気組成および吸気温度の関数である。本発明の一実施形態では、これらパラメータは第２手続きで使用し、第１手続きでは、燃料品質パラメータがＭＦＢ５０を確定する基礎を形成する。後者の手続きにより、エンジンのテストベンチでの作動に得ることができるマップであって、かつ燃料品質パラメータならびにエンジン速度および負荷の関数としてＭＦＢ５０を格納するマップを使用することが可能となる。

本方法で採用する燃料品質パラメータを、現状の技術から既知である任意の方法によって確定することができる。特に、燃料カットオフ段階中に、噴射開始（ＳＯＩ）と燃焼開始（ＳＯＣ）との間に発生する着火遅れを求める、国際公開第２００５／１１９０３４Ａ１号パンフレットから既知である方法を使用することができる。燃焼開始を、特に、燃焼室内の圧力センサを使用することによって判定することができる。しかしながら、燃焼を検出する他の手法、すなわちエンジンに設けられるノックセンサ等を使用することも同様に可能である。

本発明の手法は、エンジンの一定動作段階中に、燃料品質を極めて正確に確定することができるという事実から有利性が生じる。そして、燃料品質と、ＭＦＢ５０または燃焼に関連するかまたはそこから導出される他の任意のパラメータとの間の関係により、正確に確定された燃料品質から目標値を取得することを可能にし、かつ、燃料噴射を制御する際、特にＳＯＩを制御する際に、この目標値を使用することとが可能になる。燃料品質は、ＭＦＢ５０のようにエンジン動作のすべての段階の間において、求めることができないため、こうした制御を可能にしない。

上述したように、ＭＦＢ５０は通常、多気筒エンジンのすべてのシリンダに対して同一である。したがって、多気筒エンジンのすべてのシリンダに対してＭＦＢ５０の共通の値を使用することが有利である。

この手法により、特に、多気筒エンジンのシリンダのうちの１つに対してのみＭＦＢ５０を確定することができる。これには、たとえば、１つのシリンダにのみ圧力センサを備えればよく、したがって、すべてのシリンダに圧力センサを備えることが回避され、その結果コストが削減される。

通常、燃料タンクに貯蔵された燃料に対して発生する、燃料品質の変動は、ごくわずかである。したがって、本発明の有利な実施形態は、燃料補給の後にのみＭＦＢ５０の更新された値を確定する。燃料貯蔵庫内に新たな燃料が投入されることにより、燃料品質が大幅に変化する可能性があるためである。

これより本発明を、例として添付図面を参照しながらさらに説明する。

自動車用気筒型内燃機関の細分化したブロック図である。 図１によるエンジンの動作を制御するために使用される方法の第一部のフローチャートである。 本方法の第二部のブロック図である。

以下、本発明による内燃機関の直接燃料噴射を制御する方法の所定の実施形態について、図面を参照して説明する。以下の説明は、本発明が例として車両を駆動するディーゼルエンジンに適用される場合に関するものである。

図１は、この実施形態による内燃機関とその吸気系および排気系との基本構造を概略的に示す。内燃機関１はシリンダ２を有し、そこにはその内部で摺動可能なピストン３が設けられている。ピストン３の上方には、シリンダ２の上部で燃焼室４が形成されている。吸気ポート５および排気ポート６が開口されている。吸気ポート５は吸気通路７に接続され、排気ポート６は排気通路８に接続されている。吸気通路７には、通常オットータイプエンジンではスロットルバルブ２１が設けられる場合もある。大部分のディーゼルエンジンにはスロットルバルブ２１はない。

燃焼室４に連結する吸気ポート５および排気ポート６は、それぞれ吸気バルブ９および排気バルブ１０によって開閉される。燃焼室４の最上部に、燃料を燃焼室４に噴射する燃料噴射装置１１が設けられている。噴射装置は、加圧燃料を貯蔵する燃料レール（図示せず）と接続されている。

吸気通路７には、吸気通路７を流れる吸気の量を示す電気信号を出力するエアフローメータ１２と、吸気通路７を流れる吸気の温度を示す電気信号を出力する吸気温センサ１３とが設けられている。さらに、内燃機関１には、燃焼室４内部の圧力を示す電気信号を出力する筒内圧センサ１４と、内燃機関１のウォータージャケット内の冷却水の温度を示す電気信号を出力する水温センサ１５と、コネクティングロッドによってピストン３と連結されるクランクシャフトの回転角度（以下、クランク角）を示す電気信号を出力するクランクシャフトポジションセンサ１６と、燃料レールに設けられ燃料噴射装置１１に供給される燃料の温度を示す電気信号を出力する燃料温度センサ１７と、が備えられている。

上述した構造を有する内燃機関１では、内燃機関１、特に燃料の噴射を制御するＥＣＵ２０が設けられている。ＥＣＵ２０は、特に、このエンジンが自動車に取り付けられている場合、運転手の要求に従って、内燃機関１の動作を制御するユニットである。ＥＣＵ２０は、電気配線を介して、エアフローメータ１２、吸気温センサ１３、筒内圧センサ１４、水温センサ１５、クランクポジションセンサ１６、アクセル位置を示す電気信号を出力するアクセルポジションセンサ１８、大気圧を示す電気信号を出力する大気圧センサ１９等のさまざまなセンサに接続されている。ＥＣＵ２０は、さまざまなセンサから出力信号を受け取る。

クランクシャフトポジションセンサ１６は、クランクシャフトが一定量、たとえば１０度回転するごとに信号を出力するように構成されている。ＥＣＵ２０はまた、燃料噴射装置１１及び（存在する場合）スロットルバルブ２１にも接続されており、これらの要素は、ＥＣＵ２０によって制御される。

たとえば、燃料噴射装置１１による燃料噴射は、アクセルポジションセンサ１８の出力値から導出される内燃機関１への負荷要求に従って行われる。

したがって、ＥＣＵ２０は、燃料噴射装置１１を制御する噴射パラメータを確定する。燃料噴射装置１１を制御するために必要な１つのパラメータは、噴射開始、すなわち、シリンダ４内への燃料の噴射が開始されるべき適切な時点、すなわち噴射装置１１が燃料を燃料レールからシリンダ４に供給するように開放すべき適切な時点である。別の重要なパラメータは、噴射時間（the length of injection)であり、それは、燃料レール内の燃料圧力と関係しつつ、燃焼室４に供給される燃料の量を決定するものである。

しかしながら、燃焼室４内に噴射される燃料は、瞬時に燃焼を開始しない。噴射開始ＳＯＩと燃焼開始ＳＯＣとの間に幾分かの着火遅れＤＯＩがある。この遅れは多くのパラメータによって決まる。それらのうちの１つは、特にディーゼルエンジンでは燃料品質である。セタン価が低い燃料ほど、セタン価が高い燃料より着火遅れＤＯＩが大きくなる。

燃料品質におけるあらゆる変動を補償するために、ＥＣＵ２０は、噴射開始を指示する制御値を確定する時にＩＣＯ品質を示すパラメータを考慮する。

それを行う時、ＥＣＵ２０は、二つに分かれた部分を含む方法を実行する。第一部は燃料適合部であり、燃料品質パラメータから導出されるパラメータの目標値、すなわち噴射される燃料質量の半分が変化する、すなわち燃焼する、クランク角の時点を確定する。このパラメータは、通常、ＭＢＦ５０（燃焼燃料量＝５０％）として略される。

本明細書の上記概要部分ですでに説明したように、ＭＢＦ５０は、燃焼サイクルに対し相対的に定義され得るクランク角であり、すなわち、多気筒エンジンのすべてのシリンダ２に適用される。

第一部において、ＥＣＵ２０は、燃料品質を確定する方法を実行する。ＥＣＵ２０には、それぞれのプログラムまたはルーチンが事前に格納されており、それは指定された時間間隔で実行される。別法として、このルーチンを、たとえば、内燃機関が指定された回数回転する度に、車両が指定された距離を走行する度に、または最も好ましくは燃料補給時に実行してもよい。

ここで、図２を参照して、ＥＣＵ２０が実行する方法の第一部について説明する。本方法の開始後、最初に、エンジンのタンクに燃料が補給されたか否かを検査する。本方法は、燃料補給が検出された場合にのみ先に進む。その時初めて、燃料品質は著しく変化した可能性がある。というのも、貯蔵されている燃料の変動は無視できるほどわずかだからである。

次のステップにおいて、ＥＣＵ２０は、エンジンの燃焼室４内の圧力に関するデータを収集する。燃料品質がすべてのシリンダに等しく影響するため、ＥＣＵ２０は、１つのシリンダ、すなわちシリンダ２に対してのみデータを収集すればよい。

エンジンの動作中に設定された噴射開始ＳＯＩに関するデータも含む収集データから、着火遅れＤＯＩ、すなわち噴射開始ＳＯＩと燃焼開始ＳＯＣとの差を計算する。この計算に必要な燃焼開始を、既知の方法、たとえば仏国特許出願公開第２８８８８８０号または独国特許出願公開第１０２００６００１２７号から既知であるような圧力信号に基づく方法によって検出することができる。ＳＯＩおよびＳＯＣの値は、双方とも、クランクポジションセンサ１６からのエンジンのクランク角信号に関連する。圧力信号の代りに、ＳＯＣとＳＯＩとの間で発生する遅れＤＯＩを導出するのを可能にする他のいかなる燃焼フィードバック信号を使用してもよい。

次のステップにおいて、燃料を識別し、ＤＯＩの関数である燃料品質パラメータＦを確定する。この確定を、ＤＯＩの関数として燃料品質パラメータＦを有するそれぞれのマップにアドレッシング（addressing）することによって行うことができる。

そして、この燃料品質パラメータＦを入力として使用することにより、ＭＦＢ５０の目標値αＴを確定する。この確定では、さらに、エンジン動作パラメータ、特にエンジン速度およびエンジン負荷の実際値を考慮する。好都合には、ＥＣＵ２０は、事前に格納された特性またはマップを使用し、それは、燃料品質パラメータＦならびにエンジン速度および負荷の関数としてＭＢＦ５０を定義する目標値αＴを与える。

ＭＢＦ５０についてのこの新たな値αＴを格納して、ＥＣＵ２０が実行する方法の第二部において目標値として使用する。第一部は、図２の方法による燃料適合部であり、この部分は、第１手続きを用いてＭＦＢ５０の目標値を確定し、第二部であるＳＯＩ補正で使用されるＭＦＢ５０の目標値をもたらす。この目標値を、エンジン速度および負荷の関数として定義することができ、それは、エンジンの最適な動作中に達成されるべき値を表す。

この第二部を、図３においてブロック図の形態で表す。

このブロック図は、本方法の第二部が、エンジンの噴射開始ＳＯＩ、またはエンジン１の動作に対してＥＣＵ２０が確定したこの噴射開始ＳＯＩの値についての補正パラメータを制御する、閉ループ制御であることを示す。したがって、本方法の第二部は、当業者には既知であるように他の方法で確定されたＳＯＩの基本値を補正するＳＯＩ補正を実行する。

図３によれば、コントローラ２２は、エンジン１において噴射装置１１のタイミングを制御するために使用される、ＳＯＩの設定値に対して作用する。コントローラ２２に、本方法の第一部、すなわち燃料適合部によってＭＢＦ５０に対して取得された目標値αＴと、エンジンの動作中にＭＢＦ５０に対して確定された実際値αＡとの差が入力される。値αＴを、記憶装置から検索する。常に最新の値を使用するように注意する。

制御は、エンジン１の動作がＭＦＢ５０の値αＴを確実に実現する。これによって他の理由で回避されるべきＳＯＩ値となる場合、エンジン制御の分野で、たとえば運動量に基づく制御システムで既知であるように、適切な制限関数が有効になる。

エンジン１の動作中に筒内圧センサ１４によってシリンダ圧力を測定することから、実際値αＡを確定する。当業者には既知であるアルゴリズムを使用して、シリンダ圧力からＭＢＦ５０の実際値αＡを確定する。これらの既知の関係に従って、ＭＢＦ５０は、燃焼室内の圧力および圧力勾配、燃焼室４の空気／燃料の容積および一次導関数、混合気組成ならびに温度センサ１３によって得られる吸気温度に依存する。

コントローラ２２は、エンジン１の標準動作中に検出されるＭＢＦ５０の実際値が、本方法の燃料適合部中に確定されたＭＢＦ５０の目標値αＴと一致するように、ＳＯＩを補正する。目標値が速度および負荷の関数として定義される場合、当然ながらこれらの値が考慮される。

本手法は、ＭＢＦ５０が、特に噴射装置１１を制御するために使用されるＳＯＩの関数であるという事実を好都合に利用している。最初に燃焼遅れから確定される設定点または目標値αＴを用いて、ＳＯＩ補正により、エンジンが、実際に存在する燃料品質に対して最適である最適なＳＯＩ値で動作することが確実になる。したがって、本方法は、単にエンジンの動作中に一度検出された燃料品質を考慮するということをはるかに超えるものである。

Claims (10)

1. 直接燃料噴射式の自動車用内燃機関（１）を制御する方法であって、
   前記内燃機関が所定の動作条件を示した時に、第１燃料品質パラメータ確定手続きを用いて燃料品質パラメータ（Ｆ）が確定される燃料適合部と、
   前記内燃機関（１）での噴射開始（ＳＯＩ）の閉ループ制御における目標値（αＴ）として、前記燃料品質パラメータ（Ｆ）の値、または前記燃料品質パラメータ（Ｆ）から導出された燃料燃焼特性パラメータの値を使用する制御部と、
   を含み、
   前記閉ループ制御が、前記第１燃料品質パラメータ確定手続きとは異なる第２燃料品質パラメータ確定手続きを用いて、前記燃料品質パラメータ（Ｆ）、または前記燃料品質パラメータ（Ｆ）から導出された前記燃料燃焼特性パラメータの実際値（αＡ）を確定する、方法。
2. 前記燃料品質パラメータ（Ｆ）から導出された前記燃料燃焼特性パラメータが、燃焼室に噴射された燃料質量の半分が変換されたクランク角の時点（ＭＦＢ５０）である、請求項１に記載の方法。
3. 前記制御部が、前記目標値（αＴ）と前記実際値（αＡ）との偏差を表す誤差値を計算し、前記閉ループが、前記誤差値を最小限にするように前記噴射開始（ＳＯＩ）を制御する、請求項２に記載の方法。
4. 前記噴射開始（ＳＯＩ）と燃焼開始（ＳＯＣ）との間に発生する着火遅れ（ＤＯＩ）が、前記第１燃料品質パラメータ確定手続きによって、前記燃料品質パラメータ（Ｆ）を確定するために使用される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 燃料適合部が前記目標値（αＴ）を記憶装置（２０）に格納し、
   前記制御部が、前記記憶装置（２０）から前記格納された目標値（αＴ）を検索して、前記第１燃料品質パラメータ確定手続きに必要な所定動作条件が満たされていない時点であっても閉ループ制御を行う、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記内燃機関が多気筒エンジン（１）であり、
   前記目標値および前記実際値が、前記エンジン（１）の全シリンダよりも少ないシリンダに対して確定され、全シリンダに対して燃料噴射を制御するために使用される、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記実際値（αＡ）が、前記シリンダのうち一つのシリンダに対してのみ確定される、請求項６に記載の方法。
8. 前記第１燃料品質パラメータ確定手続きおよび前記第２燃料品質パラメータ確定手続きが、前記燃焼室（４）内の圧力を示す圧力信号を使用する、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記第１燃料品質パラメータ確定手続きを開始するための前記所定動作条件が、内燃機関の燃料タンクが補給されたことを含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
10. 直接燃料噴射式の自動車用内燃機関（１）を制御する装置であって、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法を実行するように構成されたコントローラ（２０）を備える装置。

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