JP2012132411A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、内燃機関の制御装置に関し、複数種類の燃料が使用される場合においても拡散燃焼を確実に成立させることを目的とする。
【解決手段】本発明の内燃機関の制御装置は、複数種類の燃料を使用可能であり、筒内に噴射した燃料を拡散燃焼させる内燃機関を制御する装置であって、使用される燃料の着火性指標を検出または推定する燃料性状取得手段と、燃料性状取得手段により取得された着火性指標に基づいて、使用される燃料の気化潜熱を算出する気化潜熱算出手段と、気化潜熱算出手段により算出された気化潜熱に基づいて燃料噴射量を決定する燃料噴射量決定手段と、を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

特開２００７−５６７８３号公報には、冬期に低セタン価燃料を使用するディーゼル機関の運転状態を制御するディーゼル機関の制御装置において、外気温が低い場合には、低セタン価燃料が使用されていると判断して、メイン噴射時期を進角側に変更する補正またはパイロット噴射量を増量する補正のいずれか一方の補正を実行する技術が開示されている。

特開２００７−５６７８３号公報 特開２００８−１０６７０６号公報

従来、拡散燃焼を行う内燃機関（ディーゼル機関）の燃料としては、軽油が一般に用いられている。これに対し、近年、地球環境問題や資源問題等の観点から、内燃機関に対し代替燃料を使用する必要が生じている。これに伴い、拡散燃焼を行う内燃機関においても、多種多様な燃料に対応可能な内燃機関の開発が望まれている。しかしながら、上記従来の技術は、市販される燃料の特性が季節によって多少変化することを想定しているだけであり、種類の異なる燃料の使用までは想定していない。

拡散燃焼を行うためには、燃料を自着火させる必要がある。このため、従来、拡散燃焼を行う内燃機関では、特性の異なる複数種類の燃料に対応することが困難である。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、複数種類の燃料が使用される場合においても拡散燃焼を確実に成立させることのできる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の制御装置であって、
複数種類の燃料を使用可能であり、筒内に噴射した燃料を拡散燃焼させる内燃機関を制御する装置であって、
使用される燃料の着火性指標を検出または推定する燃料性状取得手段と、
前記燃料性状取得手段により取得された着火性指標に基づいて、使用される燃料の気化潜熱を算出する気化潜熱算出手段と、
前記気化潜熱算出手段により算出された気化潜熱に基づいて燃料噴射量を決定する燃料噴射量決定手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
筒内に、メイン噴射に先立ってパイロット噴射を行うパイロット噴射手段を備え、
前記燃料噴射量決定手段は、前記パイロット噴射の噴射量を決定することを特徴とする。

また、第３の発明は、第２の発明において、
前記燃料噴射量決定手段は、所定の基準燃料１００％の燃料が使用されるとした場合に前記パイロット噴射で発生する熱量と、前記気化潜熱とに基づいて、前記パイロット噴射の噴射量を決定することを特徴とする。

また、第４の発明は、第３の発明において、
前記基準燃料が軽油であることを特徴とする。

また、第５の発明は、第１乃至第４の発明の何れかにおいて、
燃料中の水分量を検出または推定する水分量取得手段を備え、
前記燃料噴射量決定手段は、前記水分量取得手段により取得された水分量に基づいて、燃料噴射量を補正する手段を含むことを特徴とする。

また、第６の発明は、第１または第２の発明において、
前記内燃機関の排気ガスを吸気系に再循環させる排気ガス再循環を行う排気ガス再循環装置と、
再循環する排気ガスの割合を取得する排気ガス再循環割合取得手段と、
を備え、
前記燃料噴射量決定手段は、所定の燃料特性指標に基づいて燃料噴射量を増量補正する増量手段を含み、
前記増量手段は、前記排気ガス再循環割合取得手段により取得された排気ガス再循環割合が高い場合には、該排気ガス再循環割合が低い場合に比して、増量幅を大きくすることを特徴とする。

また、第７の発明は、第６の発明において、
前記所定の燃料特性指標は、自着火温度、気化潜熱、比熱、低位発熱量のうちの少なくとも一つであることを特徴とする。

また、第８の発明は、第１または第２の発明において、
前記内燃機関の排気ガスを吸気系に再循環させる排気ガス再循環を行う排気ガス再循環装置と、
再循環する排気ガスの割合を取得する排気ガス再循環割合取得手段と、
前記排気ガス再循環割合取得手段により取得された排気ガス再循環割合に基づいて、圧縮前の筒内のガスの比熱比を算出する比熱比算出手段と、
前記比熱比算出手段により算出された比熱比に基づいて、前記筒内のガスが断熱圧縮された場合の圧縮端での温度を算出する圧縮端温度算出手段と、
を備え、
前記燃料噴射量決定手段は、前記気化潜熱算出手段により算出された気化潜熱と、前記圧縮端温度算出手段により算出された温度とに基づいて、燃料噴射量を決定することを特徴とする。

また、第９の発明は、第８の発明において、
前記排気ガス再循環装置は、前記内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化装置に流入する前の排気ガスを再循環させる第１の装置と、前記排気浄化装置を通過した後の排気ガスを再循環させる第２の装置とを含み、
前記比熱比算出手段は、前記第２の装置のみにより排気ガス再循環が行われている場合または前記第２の装置による排気ガス再循環量が前記第１の装置による排気ガス再循環量より多い場合には、前記第１の装置のみにより排気ガス再循環が行われている場合または前記第１の装置による排気ガス再循環量が前記第２の装置による排気ガス再循環量より多い場合と比べて、比熱比の算出値を小さくする方向に補正することを特徴とする。

第１の発明によれば、燃料の気化潜熱に基づいて燃料噴射量を決定することができるので、気化潜熱の異なる異種の燃料が使用される場合においても、燃料を確実に着火させることができ、良好な拡散燃焼を成立させることができる。

第２の発明によれば、燃料の気化潜熱に基づいてパイロット噴射の噴射量を決定することにより、気化潜熱の異なる異種の燃料が使用される場合においても、メイン噴射開始時の筒内温度を十分に上昇させることができる。このため、メイン噴射の燃料を確実に着火させることができ、良好な拡散燃焼を成立させることができる。

第３の発明によれば、所定の基準燃料が使用される場合のパイロット噴射量の適合値を用いて、異種の燃料を使用する場合のパイロット噴射量を高精度に算出することができる。

第４の発明によれば、軽油が使用される場合のパイロット噴射量の適合値を用いて、異種の燃料を使用する場合のパイロット噴射量を高精度に算出することができる。

第５の発明によれば、燃料中に水分が含有される場合においても、拡散燃焼を確実に成立させることができる。

第６の発明によれば、着火性が低く、排気ガス再循環（ＥＧＲ）の影響を受け易い燃料が使用されている場合においても、拡散燃焼を確実に成立させることができる。

第７の発明によれば、着火性が低く、排気ガス再循環（ＥＧＲ）の影響を受け易い燃料が使用されている場合においても、拡散燃焼を確実に成立させることができる。

第８の発明によれば、着火性が低く、排気ガス再循環（ＥＧＲ）の影響を受け易い燃料が使用されている場合においても、拡散燃焼を確実に成立させることができる。

第９の発明によれば、排気浄化装置に流入する前の排気ガスを再循環させる第１のＥＧＲ装置と、排気浄化装置を通過した後の排気ガスを再循環させる第２のＥＧＲ装置とを備えたシステムにおいても、圧縮前の筒内ガスの比熱比を高精度に推定することができる。このため、そのようなシステムにおいて、着火性が低く、排気ガス再循環（ＥＧＲ）の影響を受け易い燃料が使用されている場合であっても、拡散燃焼を確実に成立させることができる。

本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。 燃料インジェクタに対する駆動信号を示す図である。 本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。 軽油１００％の場合のパイロット噴射量を算出するためのマップである。 燃料の着火性指標（セタン価）と気化潜熱と低位発熱量と密度との関係を示すマップである。 本発明の実施の形態２において実行されるルーチンのフローチャートである。 燃料の着火性指標（セタン価）と気化潜熱と低位発熱量と密度との関係を示すマップである。 本発明の実施の形態３においてパイロット噴射量の増量補正項を算出するためのマップである。 本発明の実施の形態３において実行されるルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態４において実行されるルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態４におけるＥＧＲ率のマップである。 圧縮前の筒内ガスの比熱比κとＥＧＲ率との関係を示すマップである。 実用自発火温度と燃料の組成との関係を示すマップである。 パイロット噴射の正味発熱量と、筒内温度の上昇幅との関係を示すマップである。 圧縮前の筒内ガスの比熱比κとＥＧＲ率との関係を示すマップである。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。図１に示すシステムは、複数種類の燃料を使用可能であり、筒内に噴射した燃料を拡散燃焼させる内燃機関（圧縮着火式内燃機関）１０を備えている。この内燃機関１０は、車両等の動力源として好ましく用いられる。内燃機関１０の気筒数および気筒配置は特に限定されるものではなく、図１中には一つの気筒の断面が示されている。本実施形態の内燃機関１０は、燃料として、軽油、ガソリン、エタノール、およびこれらの混合物を使用可能であるが、本発明では、これらの燃料に限定されず、他の各種燃料を使用可能なものであってもよい。

内燃機関１０の気筒には、ピストン１１と、吸気弁１２と、排気弁１３と、筒内に直接に燃料を噴射する燃料インジェクタ１４と、グロープラグ１５とが設けられている。燃料インジェクタ１４は、コモンレール１６に接続されている。燃料タンク１７内の燃料は、高圧ポンプ１８により加圧されてコモンレール１６に送られる。コモンレール１６内に貯留された高圧の燃料が、各気筒の燃料インジェクタ１４へ供給される。

燃料タンク１７から高圧ポンプ１８への燃料経路の途中には、燃料性状センサ１９が設けられている。本実施形態の燃料性状センサ１９は、燃料の着火性の指標（例えばセタン価）を検出可能になっている。本実施形態では、この燃料性状センサ１９によって燃料の着火性指標を検出するものとするが、本発明では、他のセンサ（例えば筒内圧センサ）の検出結果を用いた推定によって燃料の着火性指標を求めるようにしてもよい。燃料の着火性指標を推定によって求める方法は公知であるため、説明を省略する。

また、内燃機関１０の気筒には、吸気通路２０と排気通路２１とがそれぞれ筒内に連通可能に接続されている。吸気通路２０は、ターボチャージャ２２のコンプレッサ２３に接続されている。排気通路２１は、ターボチャージャ２２のタービン２４に接続されている。タービン２４には、可変ノズルベーン２５が設けられている。内燃機関１０の排気ガスがタービン２４を通ってタービン２４を駆動し、タービン２４がコンプレッサ２３を駆動する。エアクリーナ２６を通って吸気通路２７に吸入された空気は、コンプレッサ２３により圧縮されて、吸気通路２０に流入する。そして、吸気通路２０の途中に設けられたインタークーラ２８によって冷却された上で、気筒内に吸入される。吸気通路２７には、吸入空気量を検出するエアフローメータ２９が設置されている。吸気通路２０には、吸入空気量を制御するための電子制御式のスロットル弁３０と、吸気管圧力を検出する吸気管圧力センサ３１と、筒内に流入する空気の温度を検出する吸気温度センサ３２とが設置されている。

タービン２４の下流側の排気通路３３の途中には、排気ガスを浄化する排気浄化装置３４が設置されている。排気浄化装置３４は、例えば、酸化触媒、パティキュレートフィルタ、ＮＯｘ触媒、またはこれらの組み合わせなどで構成される。

本実施形態の内燃機関１０は、排気ガスを吸気系に再循環させる排気ガス再循環（ＥＧＲ：Exhaust Gas Recirculation）を行うことのできるＥＧＲ装置を備えている。このＥＧＲ装置は、排気通路２１と吸気通路２０とを接続するＥＧＲ通路３５と、このＥＧＲ通路３５の途中に設けられたＥＧＲクーラ３６およびＥＧＲ弁３７とを備えている。ＥＧＲクーラ３６は、再循環する排気ガス（以下、「ＥＧＲガス」と称する）を冷却する。ＥＧＲ弁３７は、ＥＧＲ量を制御するための電子制御式の弁である。

本実施形態のシステムは、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０とを備えている。ＥＣＵ５０には、上述した各種のセンサのほかに、内燃機関１０のクランク軸３８の回転角度を検出するクランク角センサ３９と、車両の運転席のアクセルペダル位置（以下、「アクセル開度」と称する）を検出するアクセルポジションセンサ４０とがそれぞれ電気的に接続されている。また、ＥＣＵ５０には、上述した各種のアクチュエータが電気的に接続されている。なお、燃料インジェクタ１４は、電子駆動ユニット４１を介してＥＣＵ５０に接続されている。ＥＣＵ５０は、各センサの出力に基づき、所定のプログラムに従って各アクチュエータを作動させることにより、内燃機関１０の運転を制御する。

燃料インジェクタ１４からは、１サイクル中に複数回、燃料を筒内に噴射することができる。図２は、燃料インジェクタ１４に対する駆動信号を示す図である。図２に示すように、内燃機関１０では、燃料インジェクタ１４からの燃料噴射として、メイン噴射のほかに、それに先立つパイロット噴射を行うことができる。図２に示すように、パイロット噴射は、複数回実施することもできる。以下の説明では、パイロット噴射で噴射される燃料の量を「パイロット噴射量」と称する。なお、内燃機関１０では、パイロット噴射およびメイン噴射以外の燃料噴射を更に行ってもよい。例えば、メイン噴射より後に、アフター噴射、ポスト噴射などを実施してもよい。

一般に、パイロット噴射を行うことにより、メイン噴射の前にパイロット噴射された燃料の燃焼によって筒内温度を上昇させることができるので、メイン噴射された燃料の拡散燃焼を良好に行わせることができる。しかしながら、ガソリンやエタノールが燃料として用いられる場合には、軽油の場合と同量のパイロット噴射を行っても、メイン噴射の拡散燃焼を良好に行わせることが困難である。これは、ガソリンやエタノールの着火性が軽油と比べて低いことだけでなく、ガソリンやエタノールの気化潜熱が軽油より大きいことが主な原因である。すなわち、ガソリンやエタノールが燃料として用いられる場合には、パイロット噴射された燃料が気化する際に吸収する熱量が大きいために筒内温度が十分に上昇せず、その結果、メイン噴射の良好な拡散燃焼が妨げられる。

上記の事項に鑑みて、本実施形態では、燃料性状センサ１９によって検出される着火性指標に基づいて燃料の気化潜熱を算出し、その気化潜熱に基づいてパイロット噴射量を決定することとした。これにより、気化潜熱の大きいガソリンやエタノールが燃料として使用される場合であっても、メイン噴射開始時の筒内温度を十分に高くすることができ、メイン噴射の良好な拡散燃焼を成立させることができる。

図３は、上記の機能を実現するために本実施形態においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。なお、本ルーチンは、所定時間毎に繰り返し実行されるものとする。なお、本ルーチンは、クランク角に同期してサイクル毎に実行される。

図３に示すルーチンによれば、まず、クランク角センサ３９により検出される機関回転速度Neと、アクセルポジションセンサ４０により検出されるアクセル開度とが取得される（ステップ１００）。続いて、アクセル開度に基づいて機関負荷qfinが算出される（ステップ１０２）。続いて、軽油１００％の燃料が使用されるとした場合のパイロット噴射量q_D_pl[mm³]が算出される（ステップ１０４）。図４は、軽油１００％の場合のパイロット噴射量q_D_plを算出するためのマップである。図４に示すマップでは、内燃機関１０の運転領域が機関回転速度と機関負荷とに応じて複数の領域に区画され、各区画毎にパイロット噴射量が定められている。図４に示すマップでは、機関負荷が高い領域ではパイロット噴射量が多く、機関負荷が低い領域ではパイロット噴射量が少なくなるように定められている。上記ステップ１０４では、上記ステップ１００および１０２で取得された機関回転速度Neおよび機関負荷qfinと、図４に示すマップとに基づいて軽油１００％の場合のパイロット噴射量q_D_plが算出される。

次いで、要求パイロット発熱量Q_pl[J]が次式により算出される（ステップ１０６）。
Q_pl＝（LHV_D/10³−LV_D）＊q_D_pl/10³＊d_D ・・・（１）
上記（１）式中、LHV_Dは軽油の低位発熱量[MJ/kg]、LV_D[kJ/kg]は軽油の気化潜熱、d_Dは軽油の密度[g/cc]である。上記（１）式が示すように、要求パイロット発熱量Q_plは、軽油１００％の場合のパイロット噴射量q_D_plの燃料の燃焼によって発生する熱量から当該燃料の気化潜熱を差し引いたものである。すなわち、要求パイロット発熱量Q_plは、軽油１００％の場合のパイロット噴射によって筒内のガスに与えられる正味の熱量の値に相当する。

続いて、内燃機関１０に対して現在使用されている燃料（以下、「現燃料」と称する）の着火性指標CNが取得される（ステップ１０８）。前述したように、本実施形態では、着火性指標CN（以下ではセタン価とする）は、燃料性状センサ１９により検出される。

次いで、上記ステップ１０８で取得された着火性指標CNに基づいて、現燃料の気化潜熱LV[kJ/kg]、低位発熱量LHV[MJ/kg]、および密度d[g/cc]がそれぞれ算出される（ステップ１１０，１１２，１１４）。図５は、燃料の着火性指標（セタン価）と気化潜熱と低位発熱量と密度との関係を示すマップである。図５の横軸は、燃料の組成を表しており、左端が軽油１００％、中央がガソリン１００％、右端がエタノール１００％であり、左端と中央の間は軽油とガソリンの混合比率、中央と右端の間はガソリンとエタノールの混合比率を表している。図５に示す関係は、軽油、ガソリン、およびエタノールの物性値により定まる。ＥＣＵ５０には、図５に示すようなマップが予め記憶されている。ステップ１１０，１１２，１１４では、このマップと上記ステップ１０８で取得された現燃料の着火性指標CNとを照合することに、現燃料の気化潜熱LV、低位発熱量LHV、および密度dがそれぞれ算出される。例えば、着火性指標CNが図５中に示す値であった場合には、気化潜熱LV、低位発熱量LHV、および密度dがそれぞれ図５中に示す値として算出される。この例の場合、現燃料は軽油とガソリンとの混合物である。

上記のようにして取得された現燃料の気化潜熱LV、低位発熱量LHV、および密度dに基づいて、要求パイロット発熱量Q_plを満足するために必要な現燃料のパイロット噴射量q_pl[mm³]が次式により算出される（ステップ１１８）。
q_pl＝Q_pl/（LHV/10³−LV）/d＊10³ ・・・（２）
そして、その算出されたパイロット噴射量q_plに基づき、パイロット噴射制御が実行される（ステップ１２０）。

以上説明した本実施形態の制御によれば、使用される燃料の種類にかかわらず、パイロット噴射による発熱量を軽油１００％の場合と同等に制御することができる。このため、メイン噴射が行われるときの筒内温度を十分に高くすることができるので、使用される燃料の種類にかかわらず、良好な拡散燃焼を成立させることができる。また、燃料タンク１７に異種の燃料が給油され、燃料の性状（組成）が連続的に変化したような場合であっても、それに対応してパイロット噴射量を精度良く制御することができる。このため、そのような場合においても、パイロット噴射による燃焼制御を良好に行うことができ、燃焼騒音、ＮＯｘ、スモークなどの悪化を回避することができる。

なお、パイロット噴射を複数回行う場合には、各回のパイロット噴射量を上記と同様に算出して制御すればよい。また、本実施形態では、パイロット噴射による発熱量が軽油１００％の場合と同等になるように制御しているが、現燃料の着火性指標CNなどに応じて、パイロット噴射による発熱量が軽油１００％の場合より多くなるように制御してもよい。

また、上述した実施の形態１においては、燃料性状センサ１９が前記第１の発明における「燃料性状取得手段」に、要求パイロット発熱量Q_plが前記第３の発明における「熱量」に、それぞれに相当している。また、ＥＣＵ５０が、上記ステップ１１０の処理を実行することにより前記第１の発明における「気化潜熱算出手段」が、上記ステップ１１６の処理を実行することにより前記第１の発明における「燃料噴射量決定手段」が、それぞれ実現されている。

実施の形態２．
次に、図６および図７を参照して、本発明の実施の形態２について説明するが、上述した実施の形態１との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を簡略化または省略する。

エタノールを含有する燃料が使用される場合、エタノールは吸湿性が高いため、燃料中に水分が存在する場合がある。水は、気化潜熱が非常に大きく、密度も大きい。このため、燃料中に水分が存在する場合に、水分の存在を考慮しないでパイロット噴射量を決定した場合には、パイロット噴射による発熱量が低下して、メイン噴射の拡散燃焼を良好に行うことができない可能性がある。この点を改善するため、本実施形態では、燃料中に水分に基づいて、パイロット噴射量を補正することとした。

本実施形態のシステム構成は、図１に示す実施の形態１とほぼ同様であるので、図示は省略する。ただし、本実施形態において、燃料性状センサ１９には、着火性指標CNを検出するセンサのほかに、燃料中のエタノールの割合を検出可能なアルコールセンサと、燃料中の水分の割合を検出可能な水分センサとが更に含まれているものとする。ただし、本発明では、燃料中のエタノールや水分の割合をセンサにより直接に検出するのではなく、推定によって求めるようにしてもよい。

図６は、上記の機能を実現するために本実施形態においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。なお、図６において、図３に示すルーチンのステップと同一のステップには、同一の符号を付してその説明を省略または簡略化する。図６のルーチンは、図３のルーチンと比べ、ステップ１０６，１０８の間にステップ１２０，１２２，１２４が挿入されていること以外は同じである。

本実施形態では、ステップ１０６で要求パイロット発熱量Q_plが算出された後、燃料性状センサ１９内のアルコールセンサおよび水分センサにより、現燃料中のエタノールの質量割合Ｘ_Eおよび水の質量割合Ｘ_Wがそれぞれ測定される（ステップ１２０，１２２）。そして、その測定されたエタノール質量割合Ｘ_Eおよび水質量割合Ｘ_Wの値に基づいて、燃料の着火性指標（セタン価）と気化潜熱と低位発熱量と密度との関係を示すマップが補正される（ステップ１２４）。図７は、その補正方法を説明するための図であり、図５と同様のマップである。図７のマップにおいて、破線は補正前の曲線を示し、実線は補正後の曲線を示している。図７に示すように、上記ステップ１２４では、次のように補正される。着火性指標（セタン価）のマップは、右端の位置の値が（Ａ＊Ｘ_E）/（Ｘ_E＋Ｘ_W）となるように補正される。ただし、Ａは補正前のエタノール１００％のセタン価である。気化潜熱のマップは、右端の位置の値が（Ｂ＊Ｘ_E＋Ｃ＊Ｘ_w）/（Ｘ_E＋Ｘ_W）となるように補正される。ただし、Ｂは補正前のエタノール１００％の気化潜熱であり、Ｃは水の気化潜熱である。低位発熱量のマップは、右端の位置の値が（Ｄ＊Ｘ_E）/（Ｘ_E＋Ｘ_W）となるように補正される。ただし、Ｄは補正前のエタノール１００％の低位発熱量である。密度は、右端の位置の値が（Ｅ＊Ｘ_E＋Ｆ＊Ｘ_w）/（Ｘ_E＋Ｘ_W）となるように補正される。ただし、Ｅは補正前のエタノール１００％の密度であり、Ｆは水の密度である。

上記のようにしてマップが補正された後は、実施の形態１と同様の処理が実行される。すなわち、燃料性状センサ１９により取得された着火性指標CNと、図７に示す補正後のマップとに基づいて、現燃料の気化潜熱LV、低位発熱量LHV、および密度dがそれぞれ算出される（ステップ１０８，１１０，１１２，１１４）。それらの値と要求パイロット発熱量Q_plの値とに基づいて、前述した（２）式に基づいて現燃料のパイロット噴射量q_plが算出され（ステップ１１８）、パイロット噴射制御が実行される（ステップ１２０）。

以上説明した実施の形態２によれば、燃料に水分が含まれる場合には、図７に示すマップが補正されることにより、パイロット噴射量が補正される。このため、水分を含んだエタノールが燃料タンク１７に給油された場合であっても、パイロット噴射による発熱量の低下を防止することができる。このため、メイン噴射が行われるときの筒内温度を十分に高くすることができるので、良好な拡散燃焼を成立させることができる。

上述した実施の形態２においては、燃料性状センサ１９が前記第５の発明における「水分量取得手段」に相当している。また、ＥＣＵ５０が、上記ステップ１２０〜１２４の処理を実行することにより前記第５の発明における「補正する手段」が実現されている。

実施の形態３．
次に、図８および図９を参照して、本発明の実施の形態３について説明するが、上述した実施の形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を簡略化または省略する。

軽油やこれに類する燃料が使用されている場合には、吸気へのＥＧＲの導入によって着火性や燃焼安定性が影響を受ける感度はそれほど大きくない。このため、軽油やこれに類する燃料が使用されている場合には、ＥＧＲ量に応じてパイロット噴射量を厳密に制御する必要性は小さい。これに対し、軽油に比べて着火性の低い燃料が用いられる場合には、ＥＧＲ量が多くなるほど、メイン噴射の着火のし易さや燃焼安定性が損なわれ易く、ＥＧＲに対する感度が大きい。すなわち、パイロット噴射量が不足すると、失火し易くなる。しかしながら、パイロット噴射量が過大になると、燃焼騒音やＮＯｘが増大する。このため、特にガソリンやエタノールを含む燃料が用いられる場合には、ＥＧＲ量に応じてパイロット噴射量をより高精度に制御することが望まれる。

上記の事項に鑑みて、本実施形態では、次のような制御を行うこととした。本実施形態では、軽油１００％の燃料が用いられる場合であってＥＧＲ率（排気ガス再循環割合）がゼロとした場合のパイロット噴射量をq_D_plとし、このパイロット噴射量q_D_plに四つの増量補正項Δqpl_1，Δqpl_2，Δqpl_3，およびΔqpl_4を加算した値を現燃料のパイロット噴射量q_plとしてパイロット噴射制御を実行する。図８は、増量補正項Δqpl_1，Δqpl_2，Δqpl_3，およびΔqpl_4を算出するためのマップである。

増量補正項Δqpl_1は、現燃料の自着火温度が高いほど、大きい値とされる。自着火温度は、エタノール、ガソリン、軽油の順に高く、現燃料の組成によって自着火温度が変化する。現燃料の自着火温度が高いほど、増量補正項Δqpl_1によってパイロット噴射量が増量されるので、失火を抑制することができる。

増量補正項Δqpl_2は、現燃料の気化潜熱が高いほど、大きい値とされる。気化潜熱は、エタノール、ガソリン、軽油の順に大きく、現燃料の組成によって気化潜熱が変化する。現燃料の気化潜熱が大きいほど、増量補正項Δqpl_2によってパイロット噴射量が増量されるので、失火を抑制することができる。

増量補正項Δqpl_3は、現燃料の比熱が高いほど、大きい値とされる。比熱は、エタノール、ガソリン、軽油の順に大きく、現燃料の組成によって比熱が変化する。比熱が大きいほど、パイロット噴射された燃料の温度が沸点に到達するまでに吸収する熱量（顕熱）が大きくなるので、筒内温度が上昇しにくくなり、メイン噴射の燃料が着火しにくくなる。この点に鑑み、現燃料の比熱が大きいほど、増量補正項Δqpl_3によってパイロット噴射量を増量することにより、失火を抑制することができる。

増量補正項Δqpl_4は、現燃料の低位発熱量が小さいほど、大きい値とされる。低位発熱量は、軽油とガソリンではほぼ同じであり、エタノールはそれより小さい。このため、現燃料がガソリンとエタノールの混合物である場合には、その組成によって低位発熱量が変化する。現燃料の低位発熱量が大きいほど、増量補正項Δqpl_4によってパイロット噴射量が増量されるので、失火を抑制することができる。

図８に示すように、増量補正項Δqpl_1，Δqpl_2，Δqpl_3，Δqpl_4の値は、現燃料の組成に基づいて定められるとともに、ＥＧＲ率が高くなるほど、大きくされる。このようにして増量補正項Δqpl_1，Δqpl_2，Δqpl_3，Δqpl_4を定めることにより、軽油より着火性の低いガソリンやエタノールを含む燃料が使用されている場合であっても、失火を確実に防止することができるとともに、燃焼騒音やＮＯｘの増大を抑制することができる。

図９は、上記の機能を実現するために本実施形態においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。図９に示すルーチンによれば、まず、機関回転速度Neおよびアクセル開度が取得される（ステップ２００）。続いて、アクセル開度に基づいて機関負荷qfinが算出される（ステップ２０２）。次いで、図４に示すマップに基づいて、軽油１００％の場合のパイロット噴射量q_D_plが算出される（ステップ２０４）。

続いて、ＥＧＲ率が推定される（ステップ２０６）。ＥＧＲ率は公知の方法により推定することができる。本実施形態の場合には、吸気マニホールド内の二酸化炭素濃度を計測すること、またはＥＧＲ弁３７の開度などに基づいて、ＥＧＲ率を推定することができる。

次いで、燃料性状センサ１９により検出される現燃料の着火性指標CN（セタン価）が取得される（ステップ２０８）。更に、燃料性状センサ１９内のアルコールセンサにより、現燃料中のエタノールの質量割合が測定される（ステップ２１０）。そして、取得された着火性指標CNおよびエタノール質量割合に基づいて、現燃料の組成が推定される（ステップ２１２）。このステップ２１２では、図５の最上段のマップと同様のマップに基づいて、現燃料の組成を推定することができる。

続いて、上記のようにして推定されたＥＧＲ率および現燃料の組成と、図８に示すマップとに基づいて、増量補正項Δqpl_1，Δqpl_2，Δqpl_3，Δqpl_4の値がそれぞれ算出される（ステップ２１４）。そして、それらの値をステップ２０４で算出されたパイロット噴射量q_D_plに加算することにより、現燃料のパイロット噴射量q_plが算出される。すなわち、次式に基づいて現燃料のパイロット噴射量q_plが算出される（ステップ２１６）。
q_pl＝q_D_pl＋（Δqpl_1＋Δqpl_2＋Δqpl_3＋Δqpl_4） ・・・（３）
そして、その算出されたパイロット噴射量q_plに基づき、パイロット噴射制御が実行される（ステップ２１８）。

以上説明した本実施形態の制御によれば、使用される燃料の種類にかかわらず、良好な拡散燃焼を成立させることができ、実施の形態１と同様の効果が得られる。更に、本実施形態によれば、軽油より着火性が低く、ＥＧＲの影響を受け易いガソリンやエタノールを含む燃料が使用されている場合であっても、ＥＧＲ量に応じてパイロット噴射量が適切な値となるように高精度に制御することができる。このため、失火を確実に防止することができるとともに、燃焼騒音やＮＯｘの増大を抑制することができる。

上述した実施の形態３においては、ＥＣＵ５０が、上記ステップ２０６の処理を実行することにより前記第６の発明における「排気ガス再循環割合取得手段」が、上記ステップ２０８〜２１６の処理を実行することにより前記第６の発明における「増量手段」が、それぞれ実現されている。

実施の形態４．
次に、図１０乃至図１４を参照して、本発明の実施の形態４について説明するが、上述した実施の形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を簡略化または省略する。

図１０は、本実施形態においてパイロット噴射を行うためにＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。図１０に示すルーチンによれば、まず、機関回転速度Neおよびアクセル開度が取得される（ステップ３００）。続いて、アクセル開度に基づいて機関負荷qfinが算出される（ステップ３０２）。次いで、圧縮開始前の筒内のガスの温度（以下、「圧縮開始前温度」と称する）T1が取得される（ステップ３０６）。本実施形態では、吸気温度センサ３２の検出値に基づいて圧縮開始前温度T1を求めることができる。

続いて、圧縮開始前のシリンダ容積V1が算出される（ステップ３０６）。圧縮開始前シリンダ容積V1は、吸気弁１２が閉じた時点でのシリンダ容積である。吸気弁１２の開弁特性を可変とする可変動弁機構（図示せず）が内燃機関１０に設けられている場合には、吸気弁閉じ時期（ＩＶＣ）に基づいて内燃機関１０の諸元の幾何学的関係から圧縮開始前シリンダ容積V1を算出することができる。また、機械圧縮比可変機構（図示せず）が内燃機関１０に設けられている場合には、その機械圧縮比の値を更に用いることによって圧縮開始前シリンダ容積V1を算出することができる。

次いで、ＥＧＲ率が推定される（ステップ３０８）。図１１は、ＥＧＲ率のマップである。図１１に示すマップでは、内燃機関１０の運転領域が機関回転速度と機関負荷とに応じて複数の領域に区画され、各区画毎にＥＧＲ率が定められている。具体的には、機関負荷が高い領域ではＥＧＲ率が低く、機関負荷が低い領域ではＥＧＲ率が高くなるように定められている。本実施形態において、ＥＣＵ５０は、図１１に示すマップに基づいてＥＧＲ率を制御する。したがって、このステップ３０８では、ステップ３００，３０２で取得された機関回転速度Neおよび機関負荷qfinを図１１のマップと照合することにより、ＥＧＲ率を求めることができる。

続いて、上記ステップ３０８で求められたＥＧＲ率に基づいて、圧縮前の筒内のガス（すなわち、空気とＥＧＲガスとの混合物）の比熱比κが推定される（ステップ３１０）。図１２は、圧縮前の筒内ガスの比熱比κとＥＧＲ率との関係を示すマップである。ＥＧＲ率が高いほど、圧縮前の筒内ガスの二酸化炭素濃度は高くなる。二酸化炭素は比熱比が小さいため、図１２に示すように、ＥＧＲ率が高いほど圧縮前の筒内ガスの比熱比κは小さくなる。このステップ３１０では、図１２のマップに基づいて、比熱比κが算出される。

次いで、上記比熱比κの筒内ガスが圧縮端（圧縮上死点）まで断熱圧縮されたとした場合の温度（以下、「圧縮端温度」と称する）T2が、上記の処理で取得された圧縮開始前温度T1、圧縮開始前シリンダ容積V1、および比熱比κに基づき、次式に従って算出される（ステップ３１２）。
T2＝T1＊（V1/V2）^κ-1 ・・・（４）
ただし、上記（４）式中、V2は、圧縮端でのシリンダ容積（燃焼室容積）である。V2の値はＥＣＵ５０に予め記憶されている。なお、機械圧縮比可変機構が内燃機関１０に設けられている場合には、機械圧縮比に応じてV2が定まるので、機械圧縮比の値を用いることによって圧縮端シリンダ容積V2を算出することができる。

続いて、燃料性状センサ１９により現燃料の着火性指標CNが取得される（ステップ３１４）。そして、その着火性指標CNと図５に示すマップとに基づいて、現燃料の気化潜熱LV、低位発熱量LHV、および密度dがそれぞれ算出される（ステップ３１６，３１８，３２０）。これらの処理は実施の形態１と同様である。

更に、上記着火性指標CNに基づいて、現燃料の実用自発火温度が推定される（ステップ３２２）。実用自発火温度とは、内燃機関１０の実際の運転においてメイン噴射のみで自発火する最低の温度を予め実験等により燃料の組成毎に求めた値である。この実用自発火温度は、燃料自身の自発火温度にほぼ比例する。図１３は、実用自発火温度と燃料の組成との関係を示すマップである。図１３のマップの横軸は、図５のマップの横軸と対応している。このステップ３２２では、上記着火性指標CNと図１３のマップとに基づいて、現燃料の実用自発火温度Tautoを算出することができる。

圧縮上死点での筒内温度（≒メイン噴射開始時の筒内温度）が上記実用自発火温度Tauto以上になれば、メイン噴射の燃料の拡散燃焼を確実に成立させることができる。そのためには、上記実用自発火温度Tautoと上記圧縮端温度T2との温度差の分をパイロット噴射の熱量によって上昇させればよい。そこで、パイロット噴射に要求される温度上昇幅Tpl_reqを次式により定義し、算出する（ステップ３２４）。
Tpl_req＝Tauto−T2 ・・・（５）

次いで、上記ステップ３２４で算出された要求温度上昇幅Tpl_reqを達成するために必要なパイロット噴射の正味発熱量QE_reqが算出される（ステップ３２６）。図１４は、パイロット噴射の正味発熱量と、筒内温度の上昇幅との関係を示すマップである。この関係は熱力学的に導出することができる。このステップ３２６では、要求温度上昇幅Tpl_reqを図１４のマップに照合することにより、要求されるパイロット噴射の正味発熱量QE_reqが算出される。

続いて、これまでの処理で取得された、現燃料の気化潜熱LV、低位発熱量LHV、および密度dと、要求されるパイロット噴射の正味発熱量QE_reqとに基づいて、現燃料の要求パイロット噴射量qpl_reqが次式により算出される（ステップ３２８）。
qpl_req＝QE_req/（LHV/10³−LV）/d＊10³ ・・・（６）
そして、その算出された要求パイロット噴射量qpl_reqに基づき、パイロット噴射制御が実行される（ステップ３３０）。

以上説明した本実施形態の制御によれば、使用される燃料の種類にかかわらず、良好な拡散燃焼を成立させることができ、実施の形態１と同様の効果が得られる。特に、本実施形態によれば、ＥＧＲ率に基づいて算出した圧縮前の筒内ガスの比熱比κを用いて圧縮端温度T2を算出し、現燃料の実用自発火温度Tautoに足りない分の温度上昇幅Tpl_reqをパイロット噴射によって補完することができるように要求パイロット噴射量qpl_reqを算出する。このため、メイン噴射時の筒内温度を確実に燃料の実用自発火温度Tauto以上にすることができる。よって、軽油より着火性が低く、ＥＧＲの影響を受け易いガソリンやエタノールを含む燃料が使用されている場合であっても、ＥＧＲ量に応じてパイロット噴射量が適切な値となるように高精度に制御することができる。このため、失火を確実に防止することができる。また、パイロット噴射量を必要以上に多くすることがないので、燃焼騒音やＮＯｘの増大を抑制することができる。更に、本実施形態では、前述した実施の形態３のような補正値（Δqpl_1〜Δqpl_4）の適合を行う必要がなく、内燃機関１０の諸元等の情報を用意するだけでよいので、制御系を高精度かつ容易に構築することができる。

なお、上述した例では、パイロット噴射された燃料の顕熱を考慮しなかったが、顕熱を考慮に入れてパイロット噴射量を算出してもよい。また、前述した実施の形態２のように、燃料中に水分が含まれる場合を考慮してパイロット噴射量を算出してもよい。

実施の形態５．
次に、図１５を参照して、本発明の実施の形態５について説明するが、上述した実施の形態４との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を簡略化または省略する。

本実施形態のシステム構成は、図示は省略するが、図１に示す実施の形態１の構成が備えるＥＧＲ装置（以下、「高圧ＥＧＲ装置」と称する）に加えて、第２のＥＧＲ装置（以下、「低圧ＥＧＲ装置」と称する）を更に備えているものとする。低圧ＥＧＲ装置は、排気浄化装置３４の下流側の排気通路３３とコンプレッサ２３の上流側の吸気通路２７とを接続する低圧ＥＧＲ通路と、この低圧ＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲ弁とを含み、排気浄化装置３４を通過した後の排気ガスをコンプレッサ２３の上流側に還流させることができるように構成されている。ＥＣＵ５０は、内燃機関１０の運転状態に応じて、高圧ＥＧＲ装置によるＥＧＲ（以下、「高圧ＥＧＲ」と称する）を行うか、低圧ＥＧＲ装置によるＥＧＲ（以下、「低圧ＥＧＲ」と称する）を行うかを制御する。また、高圧ＥＧＲと低圧ＥＧＲとの移行時などには、高圧ＥＧＲと低圧ＥＧＲとの両方を行うようにしてもよい。

図１５は、圧縮前の筒内ガスの比熱比κとＥＧＲ率との関係を示すマップである。図１５中、破線は高圧ＥＧＲの場合を示し、実線は低圧ＥＧＲの場合を示している。この図に示すように、低圧ＥＧＲの場合には、高圧ＥＧＲの場合と比べて、比熱比κは小さくなる。これは、次の理由による。高圧ＥＧＲ装置による高圧ＥＧＲガスは、タービン２４の上流側の排気ガスであり、排気浄化装置３４に入る前の排気ガスである。これに対し、低圧ＥＧＲ装置による低圧ＥＧＲガスは、排気浄化装置３４を通過した後の排気ガスである。排気浄化装置３４では、排気ガス中のＣＯや煤が酸化されて二酸化炭素となる。よって、低圧ＥＧＲガス中の二酸化炭素濃度は、高圧ＥＧＲガス中の二酸化炭素濃度より高い。このため、低圧ＥＧＲの場合には、高圧ＥＧＲの場合と比べ、圧縮前の筒内ガス中において、比熱比の小さい二酸化炭素の濃度が高くなる。その結果、圧縮前の筒内ガスの比熱比κも小さくなる。

本実施形態は、前述した実施の形態４と比べ、図１０のステップ３１０で比熱比κを算出する方法が異なること以外は同じである。本実施形態では、上記の事項に鑑み、高圧ＥＧＲ装置と低圧ＥＧＲ装置との双方を備えたシステムにおいて、比熱比κを高い精度で推定するために、低圧ＥＧＲのみが行われている場合（または低圧ＥＧＲ量が高圧ＥＧＲ量より多い場合）には、同じＥＧＲ率で高圧ＥＧＲのみが行われている場合（または高圧ＥＧＲ量が低圧ＥＧＲ量より多い場合）と比べて、比熱比κを小さい値として算出する。具体的には、図１５に示すマップに基づいて比熱比κを算出する。なお、低圧ＥＧＲと高圧ＥＧＲとの双方が行われている場合には、低圧ＥＧＲの場合の比熱比と高圧ＥＧＲの場合の比熱比とを低圧ＥＧＲ量と高圧ＥＧＲ量との割合で重みを付けて平均すればよい。

本実施形態は、上述した点以外については、実施の形態４と同じであるので、説明を省略する。本実施形態によれば、高圧ＥＧＲ装置と低圧ＥＧＲ装置との２系統のＥＧＲ装置が設けられている場合であっても、圧縮前の筒内ガスの比熱比κを精度良く推定することができるので、実施の形態４のような制御を正確に実行することができる。

また、上述した実施の形態４および５においては、制御精度を更に高めるために、次のような制御を行うようにしてもよい。
（１）ＥＧＲガスはＥＧＲ通路を通って筒内に還流するので、過渡運転時にＥＧＲ率が変化した場合、圧縮前の筒内ガスに占めるＥＧＲガスの割合が実際に変化するまでには時間遅れが生ずる。そこで、ＥＧＲ率に基づいて圧縮前の筒内ガスの比熱比κを算出するに際し、この時間遅れを考慮する。この制御は、１次遅れ系により実現することができ、時定数は内燃機関１０の運転状態に応じて設定すればよい。また、低圧ＥＧＲは、高圧ＥＧＲと比べ、ＥＧＲガスが通る経路が長く、時間遅れがより長くなる。このため、低圧ＥＧＲの実行時は、高圧ＥＧＲの実行時と比べ、上記の時定数は大きい値に設定する。このような制御を行うことにより、過渡運転時のＥＧＲに対してもより高精度な制御が可能となる。
（２）可変動弁機構や機械圧縮比可変機構が内燃機関１０に設けられている場合において、圧縮開始前シリンダ容積V1を算出するに際し、可変動弁機構や機械圧縮比可変機構の作動遅れを考慮する。これにより、過渡運転時に吸気弁閉じ時期や機械圧縮比が変化する場合においても、高精度な制御が可能となる。

１０ 内燃機関
１１ ピストン
１２ 吸気弁
１３ 排気弁
１４ 燃料インジェクタ
１６ コモンレール
１７ 燃料タンク
１８ 高圧ポンプ
１９ 燃料性状センサ
２０ 吸気通路
２１ 排気通路
２２ ターボチャージャ
２３ コンプレッサ
２４ タービン
２７ 吸気通路
３０ スロットル弁
３１ 吸気管圧力センサ
３２ 吸気温度センサ
３３ 排気通路
３４ 排気浄化装置
３５ ＥＧＲ通路
３７ ＥＧＲ弁
３８ クランク軸
５０ ＥＣＵ

Claims (9)

1. 複数種類の燃料を使用可能であり、筒内に噴射した燃料を拡散燃焼させる内燃機関を制御する装置であって、
   使用される燃料の着火性指標を検出または推定する燃料性状取得手段と、
   前記燃料性状取得手段により取得された着火性指標に基づいて、使用される燃料の気化潜熱を算出する気化潜熱算出手段と、
   前記気化潜熱算出手段により算出された気化潜熱に基づいて燃料噴射量を決定する燃料噴射量決定手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 筒内に、メイン噴射に先立ってパイロット噴射を行うパイロット噴射手段を備え、
   前記燃料噴射量決定手段は、前記パイロット噴射の噴射量を決定することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記燃料噴射量決定手段は、所定の基準燃料１００％の燃料が使用されるとした場合に前記パイロット噴射で発生する熱量と、前記気化潜熱とに基づいて、前記パイロット噴射の噴射量を決定することを特徴とする請求項２記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記基準燃料が軽油であることを特徴とする請求項３記載の内燃機関の制御装置。
5. 燃料中の水分量を検出または推定する水分量取得手段を備え、
   前記燃料噴射量決定手段は、前記水分量取得手段により取得された水分量に基づいて、燃料噴射量を補正する手段を含むことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の内燃機関の制御装置。
6. 前記内燃機関の排気ガスを吸気系に再循環させる排気ガス再循環を行う排気ガス再循環装置と、
   再循環する排気ガスの割合を取得する排気ガス再循環割合取得手段と、
   を備え、
   前記燃料噴射量決定手段は、所定の燃料特性指標に基づいて燃料噴射量を増量補正する増量手段を含み、
   前記増量手段は、前記排気ガス再循環割合取得手段により取得された排気ガス再循環割合が高い場合には、該排気ガス再循環割合が低い場合に比して、増量幅を大きくすることを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の制御装置。
7. 前記所定の燃料特性指標は、自着火温度、気化潜熱、比熱、低位発熱量のうちの少なくとも一つであることを特徴とする請求項６記載の内燃機関の制御装置。
8. 前記内燃機関の排気ガスを吸気系に再循環させる排気ガス再循環を行う排気ガス再循環装置と、
   再循環する排気ガスの割合を取得する排気ガス再循環割合取得手段と、
   前記排気ガス再循環割合取得手段により取得された排気ガス再循環割合に基づいて、圧縮前の筒内のガスの比熱比を算出する比熱比算出手段と、
   前記比熱比算出手段により算出された比熱比に基づいて、前記筒内のガスが断熱圧縮された場合の圧縮端での温度を算出する圧縮端温度算出手段と、
   を備え、
   前記燃料噴射量決定手段は、前記気化潜熱算出手段により算出された気化潜熱と、前記圧縮端温度算出手段により算出された温度とに基づいて、燃料噴射量を決定することを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の制御装置。
9. 前記排気ガス再循環装置は、前記内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化装置に流入する前の排気ガスを再循環させる第１の装置と、前記排気浄化装置を通過した後の排気ガスを再循環させる第２の装置とを含み、
   前記比熱比算出手段は、前記第２の装置のみにより排気ガス再循環が行われている場合または前記第２の装置による排気ガス再循環量が前記第１の装置による排気ガス再循環量より多い場合には、前記第１の装置のみにより排気ガス再循環が行われている場合または前記第１の装置による排気ガス再循環量が前記第２の装置による排気ガス再循環量より多い場合と比べて、比熱比の算出値を小さくする方向に補正することを特徴とする請求項８記載の内燃機関の制御装置。

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