JP2015001156A - Device for creating waveform of heat generation rate of internal combustion engine, and combustion state diagnosing device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ディーゼルエンジン等の内燃機関の熱発生率波形を作成する熱発生率波形作成装置、及び、その作成された熱発生率波形を利用して実際の燃焼状態を診断する内燃機関の燃焼状態診断装置に関する。 The present invention relates to a heat generation rate waveform generating device that generates a heat generation rate waveform of an internal combustion engine such as a diesel engine, and combustion of an internal combustion engine that diagnoses an actual combustion state using the generated heat generation rate waveform The present invention relates to a state diagnosis apparatus.
従来、自動車用エンジン等として使用されるディーゼルエンジン(以下、単に「エンジン」という場合もある)では燃焼状態を評価している。この燃焼状態の評価手法として具体的には、燃焼室内での熱発生率(クランクシャフトの単位回転角度当たりの熱発生量)の変化である熱発生率波形を用い、その波形が理想的な波形となっているか否かを判断することで燃焼室内での燃焼状態を評価している(例えば、特許文献1参照)。また、熱発生率波形を構成する反応形態(燃焼形態)としては、気化反応、低温酸化反応、熱分解反応、高温酸化反応などがあり、その各反応それぞれに対して熱発生率波形を求め、その熱発生率波形を用いて各反応形態の燃焼状態を診断している。 Conventionally, the combustion state of a diesel engine (hereinafter, simply referred to as “engine”) used as an automobile engine or the like is evaluated. Specifically, this combustion state evaluation method uses a heat generation rate waveform that is a change in the heat generation rate (heat generation amount per unit rotation angle of the crankshaft) in the combustion chamber, and the waveform is an ideal waveform. The combustion state in the combustion chamber is evaluated by judging whether or not (see, for example, Patent Document 1). In addition, as the reaction form (combustion form) constituting the heat release rate waveform, there are a vaporization reaction, a low temperature oxidation reaction, a thermal decomposition reaction, a high temperature oxidation reaction, etc. The combustion state of each reaction form is diagnosed using the heat release rate waveform.
上記した各反応の反応開始時期は温度によって管理することが可能であるが、温度管理だけでは十分な精度が得られない場合がある。この点について本発明の発明者が検討したところ、予混合燃焼による高温酸化反応の反応開始時期については、その前に発生する熱分解反応の進行度合の影響を受けることを見出した。そして、予混合燃焼による高温酸化反応の熱発生率波形の作成精度をよりいっそう高めるには、反応開始時期を高い精度で把握しておく必要があることに着目し、本発明を発明するに至った。 Although the reaction start timing of each reaction described above can be controlled by temperature, sufficient accuracy may not be obtained only by temperature control. The inventor of the present invention examined this point, and found that the reaction start timing of the high-temperature oxidation reaction by premixed combustion is affected by the degree of progress of the thermal decomposition reaction occurring before that. Then, in order to further increase the accuracy of creating the heat release rate waveform of the high-temperature oxidation reaction by premixed combustion, it is necessary to grasp the reaction start timing with high accuracy, leading to the invention of the present invention. It was.
すなわち、本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、予混合燃焼による高温酸化反応の熱発生率波形をよりいっそう高い精度で作成することが可能な内燃機関の熱発生率波形作成装置及び燃焼状態診断装置を提供することにある。 That is, the present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is an internal combustion engine capable of creating a heat generation rate waveform of a high-temperature oxidation reaction by premixed combustion with higher accuracy. An object of the present invention is to provide a heat generation rate waveform generation apparatus and a combustion state diagnosis apparatus.
−発明の解決原理−
前記の目的を達成するために講じられた本発明の解決原理は、予混合燃焼による高温酸化反応の理想熱発生率波形を作成するに際し、当該予混合燃焼による高温酸化反応の前に発生する熱分解反応の進行度合の影響を考慮することで、予混合燃焼による高温酸化反応の熱発生率波形を高い精度で作成できるようにする。
-Solution principle of the invention-
The solution principle of the present invention taken in order to achieve the above object is that the heat generated before the high temperature oxidation reaction by the premixed combustion is generated when the ideal heat generation rate waveform of the high temperature oxidation reaction by the premixed combustion is created. By taking into account the influence of the progress of the decomposition reaction, the heat release rate waveform of the high temperature oxidation reaction by premixed combustion can be created with high accuracy.
−解決手段−
具体的に、本発明は、燃料噴射弁から気筒内に噴射された燃料の燃焼を行う内燃機関における燃料の反応の熱発生率波形を作成する熱発生率波形作成装置を前提としている。このような熱発生率波形作成装置において、前記燃料噴射弁から噴射された燃料の反応のうち、予混合燃焼による高温酸化反応の理想熱発生率波形を作成するに際し、当該予混合燃焼による高温酸化反応の前に発生する熱分解反応の進行度合に応じて反応開始時期を設定して当該予混合燃焼による高温酸化反応の理想熱発生率波形を作成することを特徴としている。より具体的には、筒内ガス温度が予混合燃焼による高温酸化反応の基準反応開始温度以上の温度領域で気筒内に燃料が噴射された場合に、前記熱分解反応の進行度合に応じて当該進行度合が小さいほど予混合燃焼による高温酸化反応の反応開始時期を遅角側に設定することを特徴としている。
-Solution-
Specifically, the present invention is premised on a heat generation rate waveform generation device that generates a heat generation rate waveform of a fuel reaction in an internal combustion engine that burns fuel injected into a cylinder from a fuel injection valve. In such a heat generation rate waveform creation device, among the reactions of the fuel injected from the fuel injection valve, when creating an ideal heat generation rate waveform of a high temperature oxidation reaction by premixed combustion, high temperature oxidation by the premixed combustion is performed. It is characterized in that the reaction start time is set according to the progress degree of the thermal decomposition reaction that occurs before the reaction, and an ideal heat generation rate waveform of the high-temperature oxidation reaction by the premixed combustion is created. More specifically, when fuel is injected into the cylinder in a temperature range where the in-cylinder gas temperature is equal to or higher than the reference reaction start temperature of the high-temperature oxidation reaction by premixed combustion, the fuel decomposition is performed according to the degree of progress of the pyrolysis reaction. As the degree of progress is smaller, the reaction start timing of the high temperature oxidation reaction by premixed combustion is set to the retard side.
本発明において、前記熱分解反応の進行度合(熱分解達成率)は、燃料噴射開始時の筒内ガス温度に基づいて求めることができる。 In the present invention, the degree of progress of the pyrolysis reaction (pyrolysis achievement rate) can be determined based on the in-cylinder gas temperature at the start of fuel injection.
本発明にあっては、予混合燃焼による高温酸化反応の反応開始時期については、その前に発生する熱分解反応の進行度合の影響を受けるという点に着目し、上記した構成、つまり、予混合燃焼による高温酸化反応の理想熱発生率波形を作成するに際し、当該予混合燃焼による高温酸化反応の前に発生する熱分解反応の進行度合に応じて反応開始時期を設定するという構成を採用している。このような構成により、予混合燃焼による高温酸化反応の反応開始時期を正確に規定することが可能となり、予混合燃焼による高温酸化反応の理想熱発生率波形を高い精度で作成することができる。 In the present invention, focusing on the fact that the reaction start timing of the high-temperature oxidation reaction by premixed combustion is affected by the progress of the thermal decomposition reaction that occurs before that, the above-described configuration, that is, premixing When creating the ideal heat release rate waveform of the high temperature oxidation reaction by combustion, adopt a configuration that sets the reaction start time according to the degree of progress of the thermal decomposition reaction that occurs before the high temperature oxidation reaction by the premixed combustion Yes. With such a configuration, it is possible to accurately define the reaction start timing of the high temperature oxidation reaction by premixed combustion, and an ideal heat generation rate waveform of the high temperature oxidation reaction by premixed combustion can be created with high accuracy.
ここで、本発明でいう「理想熱発生率波形」とは、指令噴射量に応じた燃料噴射量、指令噴射圧力に応じた燃料噴射圧力、指令噴射期間に応じた燃料噴射期間が確保された状態であって、燃焼効率が十分に高い場合を想定した理論上得られるべき熱発生率波形のことである。 Here, the “ideal heat generation rate waveform” in the present invention means that the fuel injection amount according to the command injection amount, the fuel injection pressure according to the command injection pressure, and the fuel injection period according to the command injection period are secured. This is the state of the heat release rate waveform that should be obtained theoretically assuming that the combustion efficiency is sufficiently high.
また、本発明でいう「理想熱発生率波形の作成」は、実際に理想熱発生率波形を描くものには限定されず、例えば理想熱発生率波形の作成が可能な程度まで、クランクシャフトの単位回転角度毎の熱発生量が規定された状態となっていることも含まれる概念である。 Further, the “creation of an ideal heat generation rate waveform” in the present invention is not limited to the one that actually draws an ideal heat generation rate waveform. It is a concept that includes a state in which the heat generation amount for each unit rotation angle is defined.
本発明の熱発生率波形作成装置において、予混合燃焼による高温酸化反応の理想熱発生率波形の作成に加えて、気化反応、低温酸化反応、熱分解反応、及び、拡散燃焼による高温酸化反応等の各反応の理想熱発生率波形を作成するようにしてもよい。このように、気化反応、低温酸化反応、熱分解反応、予混合燃焼による高温酸化反応、拡散燃焼による高温酸化反応それぞれに対して理想熱発生率波形を求めておくことで、個々の反応形態を個別に規定することが可能である。例えば、後述する燃焼状態の診断に利用する場合には、この理想熱発生率波形と実熱発生率波形とを比較することにより、いずれの反応において異常が生じているかを判別することが可能になる。特に、気化反応や熱分解反応は吸熱反応であるが(熱分解反応が発熱反応である場合もある)、この吸熱反応に対しても、その反応速度、反応量、反応期間に異常が生じていないか否かを診断することが可能であり、診断精度の向上を図ることができる。 In the heat generation rate waveform creation device of the present invention, in addition to creating an ideal heat generation rate waveform of a high temperature oxidation reaction by premixed combustion, a vaporization reaction, a low temperature oxidation reaction, a thermal decomposition reaction, a high temperature oxidation reaction by diffusion combustion, etc. An ideal heat generation rate waveform of each reaction may be created. In this way, by obtaining ideal heat release rate waveforms for vaporization reaction, low-temperature oxidation reaction, thermal decomposition reaction, high-temperature oxidation reaction by premixed combustion, and high-temperature oxidation reaction by diffusion combustion, each reaction form can be determined. It can be defined individually. For example, when used for diagnosis of a combustion state to be described later, it is possible to determine in which reaction an abnormality has occurred by comparing the ideal heat generation rate waveform and the actual heat generation rate waveform. Become. In particular, the vaporization reaction and the thermal decomposition reaction are endothermic reactions (the thermal decomposition reaction may be an exothermic reaction), but there are abnormalities in the reaction rate, reaction amount, and reaction period for this endothermic reaction. It is possible to diagnose whether or not there is any, and it is possible to improve the diagnostic accuracy.
なお、前記各反応それぞれに対して求められた理想熱発生率波形の利用形態としては、燃焼状態の診断だけでなく、内燃機関の設計や制御パラメータの適合値の取得等も挙げられる。 Note that the utilization form of the ideal heat release rate waveform obtained for each of the reactions includes not only the diagnosis of the combustion state but also the design of the internal combustion engine and the acquisition of the appropriate value of the control parameter.
また、前記予混合燃焼による高温酸化反応を含む各反応の理想熱発生率波形の作成手順としては、反応の開始時期を基点として、反応速度を斜辺の勾配、反応量を面積、反応期間を底辺の長さとする三角形で成る理想熱発生率波形モデルを作成し、各反応の理想熱発生率波形モデルをフィルタ処理によって円滑化することで作成される。 In addition, as a procedure for creating an ideal heat release rate waveform of each reaction including the high-temperature oxidation reaction by the premixed combustion, the reaction rate is the slope of the hypotenuse, the reaction amount is the area, and the reaction period is the base, based on the start time of the reaction. An ideal heat release rate waveform model consisting of triangles with a length of is created, and the ideal heat release rate waveform model of each reaction is made smooth by filtering.
このように三角形に近似させた熱発生率波形モデルを作成し、この熱発生率波形モデルを利用して理想熱発生率波形を作成することにより、その作成のための演算処理の簡素化を図ることができ、ECU等の演算手段への負荷の軽減を図ることができる。 By creating a heat release rate waveform model that approximates a triangle in this way and creating an ideal heat release rate waveform using this heat release rate waveform model, the calculation process for the creation is simplified. It is possible to reduce the load on the calculation means such as the ECU.
前述した内燃機関の熱発生率波形作成装置によって求められた理想熱発生率波形を利用して燃焼状態を診断する装置として具体的には以下の構成が挙げられる。つまり、前記理想熱発生率波形と、気筒内で実際に燃料が反応した際の実熱発生率波形とを比較し、理想熱発生率波形に対する実熱発生率波形の乖離が所定量以上となっている場合に、燃料の反応に異常が生じていると診断する構成とするものである。 Specific examples of the apparatus for diagnosing the combustion state using the ideal heat generation rate waveform obtained by the above-described heat generation rate waveform generating apparatus for an internal combustion engine include the following configuration. That is, the ideal heat generation rate waveform is compared with the actual heat generation rate waveform when the fuel actually reacts in the cylinder, and the deviation of the actual heat generation rate waveform from the ideal heat generation rate waveform becomes a predetermined amount or more. In this case, it is configured to diagnose that an abnormality has occurred in the fuel reaction.
より具体的には、前記理想熱発生率波形と、気筒内で実際に燃料が反応した際の実熱発生率波形とを比較し、理想熱発生率波形に対する実熱発生率波形の乖離が所定量以上となっている反応が存在する場合に、その反応に異常が生じていると診断する構成とするものである。 More specifically, the ideal heat generation rate waveform is compared with the actual heat generation rate waveform when the fuel actually reacts in the cylinder, and the deviation of the actual heat generation rate waveform from the ideal heat generation rate waveform is determined. When there is a reaction that is more than a fixed amount, it is configured to diagnose that an abnormality has occurred in the reaction.
ここでいう「反応の異常」とは、内燃機関の運転に支障をきたす程度の反応異常(機器の故障など)に限らず、内燃機関の制御パラメータの補正(または学習)が可能な(例えば排気エミッションや燃焼音を規制の範囲内に抑えるための補正が可能である)程度に、熱発生率波形に乖離が生じている場合も含むものである。 The “reaction abnormality” here is not limited to a reaction abnormality (such as equipment failure) that hinders the operation of the internal combustion engine, but can correct (or learn) the control parameters of the internal combustion engine (for example, exhaust gas). This includes the case where there is a deviation in the heat generation rate waveform to the extent that it is possible to correct emissions and combustion noise within the limits of regulation.
この特定事項により、燃料の複数の反応(反応形態)において、実熱発生率波形が理想熱発生率波形から所定量以上乖離している場合には、その反応に異常が生じていると診断することになる。つまり、燃料の各反応それぞれは、特性(反応開始温度や反応速度等)が互いに異なっているため、それぞれの理想的な特性と、実際に得られた(実測された)実熱発生率波形の特性とを比較することにより、異常が生じている反応の特定を高い精度で行うことができる。このため、診断精度の向上を図ることができる。そして、異常であると診断された反応形態に対して改善策(例えば、内燃機関の制御パラメータの補正)を講じることにより、異常であると診断された反応形態に適した制御パラメータを選択し、その制御パラメータを補正することができる。このため、内燃機関の制御性を大幅に改善することができる。 With this specific matter, when the actual heat generation rate waveform deviates from the ideal heat generation rate waveform by a predetermined amount or more in a plurality of fuel reactions (reaction forms), it is diagnosed that the reaction is abnormal. It will be. In other words, each reaction of the fuel has different characteristics (reaction start temperature, reaction rate, etc.), so that each ideal characteristic and the actually obtained (actually measured) actual heat generation rate waveform By comparing with the characteristics, it is possible to identify the reaction in which an abnormality has occurred with high accuracy. For this reason, improvement of diagnostic accuracy can be aimed at. Then, by taking improvement measures (for example, correction of control parameters of the internal combustion engine) for the reaction form diagnosed as abnormal, a control parameter suitable for the reaction form diagnosed as abnormal is selected, The control parameter can be corrected. For this reason, the controllability of the internal combustion engine can be greatly improved.
前記反応に異常が生じていると診断された場合の具体的な動作としては以下のものが挙げられる。つまり、前記理想熱発生率波形に対する実熱発生率波形の乖離が所定の異常判定乖離量以上となっている反応が存在しており、その反応に異常が生じていると診断された際において、理想熱発生率波形に対する実熱発生率波形の乖離が所定の補正可能乖離量以下である場合には、内燃機関の制御パラメータの補正を行って前記乖離を前記異常判定乖離量未満にする制御を行う一方、理想熱発生率波形に対する実熱発生率波形の乖離が前記補正可能乖離量を超えている場合には、内燃機関に故障が生じていると診断する構成となっている。 Specific operations when it is diagnosed that an abnormality has occurred in the reaction include the following. That is, when there is a reaction in which the deviation of the actual heat generation rate waveform with respect to the ideal heat generation rate waveform is equal to or greater than a predetermined abnormality determination deviation amount, and when it is diagnosed that the reaction is abnormal, When the deviation of the actual heat generation rate waveform from the ideal heat generation rate waveform is equal to or less than a predetermined correctable deviation amount, the control parameter of the internal combustion engine is corrected so that the deviation is less than the abnormality determination deviation amount. On the other hand, when the deviation of the actual heat generation rate waveform from the ideal heat generation rate waveform exceeds the correctable deviation amount, the internal combustion engine is diagnosed as having a failure.
このように、反応に異常が生じていると診断された場合において、その異常が解消可能であるか否かを、前記理想熱発生率波形に対する実熱発生率波形の乖離量に基づいて判断するようにしている。このため、制御パラメータの補正によって正常な反応状態が得られる状態と、部品交換などのメンテナンスが必要な状態とを正確に判別することが可能となる。 In this way, when it is diagnosed that an abnormality has occurred in the reaction, whether or not the abnormality can be resolved is determined based on the deviation amount of the actual heat generation rate waveform from the ideal heat generation rate waveform. I am doing so. For this reason, it is possible to accurately discriminate between a state in which a normal reaction state is obtained by correcting the control parameter and a state in which maintenance such as component replacement is required.
なお、内燃機関の制御パラメータの補正を行って前記乖離を前記異常判定乖離量未満にする制御を行う場合の制御パラメータとしては、気筒内の酸素量や燃料量が挙げられる。気筒内の酸素量は酸素密度によって決定され、EGR率や吸気の過給率等によって調整が可能である。また、気筒内の燃料量は燃料密度によって決定され、燃料噴射時期や燃料噴射圧力や燃料噴射量によって調整が可能である。 In addition, as the control parameter when the control parameter of the internal combustion engine is corrected so that the deviation is less than the abnormality determination deviation amount, an oxygen amount and a fuel amount in the cylinder are exemplified. The amount of oxygen in the cylinder is determined by the oxygen density and can be adjusted by the EGR rate, the intake air supercharging rate, and the like. The amount of fuel in the cylinder is determined by the fuel density and can be adjusted by the fuel injection timing, the fuel injection pressure, and the fuel injection amount.
一方、内燃機関に故障が生じていると診断する場合の一例としては、実熱発生率波形の乖離が補正可能乖離量を超えている場合であり、この場合には、内燃機関の制御パラメータの補正量が所定のガード値を超えることになるので、これによって内燃機関に故障が生じていると診断することが可能である。具体的には、筒内ガス温度、酸素密度、燃料密度それぞれに下限値を予め設定しておき、これら筒内ガス温度、酸素密度、燃料密度のいずれかがその下限値を下回っている場合には、内燃機関の制御パラメータの補正量が所定のガード値を超えるとして、内燃機関に故障が生じていると診断することになる。 On the other hand, an example of diagnosing that a failure has occurred in the internal combustion engine is a case where the deviation of the actual heat generation rate waveform exceeds the correctable deviation amount. In this case, the control parameter of the internal combustion engine Since the correction amount exceeds a predetermined guard value, it is possible to diagnose that a failure has occurred in the internal combustion engine. Specifically, when a lower limit is set in advance for each of the in-cylinder gas temperature, oxygen density, and fuel density, and any of these in-cylinder gas temperature, oxygen density, or fuel density is below the lower limit value. If the control parameter correction amount of the internal combustion engine exceeds a predetermined guard value, it is diagnosed that the internal combustion engine has failed.
ここで、前記内燃機関の熱発生率波形作成装置の使用形態としては、具体的には、車両への実装または実験装置への搭載が挙げられる。 Here, the usage pattern of the heat generation rate waveform generating device for the internal combustion engine specifically includes mounting on a vehicle or mounting on an experimental device.
また、前記内燃機関の燃焼状態診断装置の使用形態としても、車両への実装または実験装置への搭載が挙げられる。 Further, the usage state of the combustion state diagnostic device for the internal combustion engine includes mounting on a vehicle or mounting on an experimental device.
本発明によれば、予混合燃焼による高温酸化反応の理想熱発生率波形を作成するに際し、当該予混合燃焼による高温酸化反応の前に発生する熱分解反応の進行度合に応じて反応開始時期を設定しているので、予混合燃焼による高温酸化反応の反応開始時期を正確に規定することができる。これによって予混合燃焼による高温酸化反応の理想熱発生率波形をよりいっそう高い精度で作成することができる。また、この理想熱発生率波形を利用して燃焼状態の診断を行うようにした場合には、診断の精度を高めることができる。 According to the present invention, when creating an ideal heat generation rate waveform of a high temperature oxidation reaction by premixed combustion, the reaction start timing is set according to the progress degree of the thermal decomposition reaction that occurs before the high temperature oxidation reaction by the premixed combustion. Since it is set, the reaction start time of the high temperature oxidation reaction by the premixed combustion can be accurately defined. As a result, an ideal heat generation rate waveform of the high-temperature oxidation reaction by premixed combustion can be created with higher accuracy. Further, when the combustion state is diagnosed using this ideal heat generation rate waveform, the accuracy of the diagnosis can be increased.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。本実施形態では、車両に搭載されたコモンレール式筒内直噴型多気筒(例えば直列4気筒)ディーゼルエンジン(圧縮自着火式内燃機関)に、本発明の燃焼状態診断装置(熱発生率波形作成装置も含む)を搭載した場合について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the present embodiment, the combustion state diagnosis apparatus (heat generation rate waveform generation) of the present invention is applied to a common rail in-cylinder direct injection multi-cylinder (for example, in-line 4-cylinder) diesel engine (compression self-ignition internal combustion engine) mounted on a vehicle. A case where a device is also mounted will be described.
−エンジンの構成−
図1は本実施形態に係るディーゼルエンジン1(以下、単に「エンジン1」という)及びその制御系統の概略構成図である。
-Engine configuration-
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a diesel engine 1 (hereinafter simply referred to as “
図1に示すように、本実施形態に係るエンジン1は、燃料供給系2、燃焼室3、吸気系6、排気系7等を主要部とするディーゼルエンジンシステムとして構成されている。
As shown in FIG. 1, the
燃料供給系2は、サプライポンプ21、コモンレール22、インジェクタ(燃料噴射弁)23、機関燃料通路27等を備えている。
The
サプライポンプ21は、燃料タンクから汲み上げた燃料を高圧にした後、機関燃料通路27を介してコモンレール22に供給する。コモンレール22は、高圧燃料を所定圧力に保持(蓄圧)する蓄圧室としての機能を有し、この蓄圧した燃料を各インジェクタ23・・23に分配する。インジェクタ23は、内部に圧電素子(ピエゾ素子)を備えたピエゾインジェクタである。
The
吸気系6は、シリンダヘッド15(図2参照)に形成された吸気ポート15aに接続される吸気マニホールド63を備え、この吸気マニホールド63に吸気管64が接続されている。また、この吸気系6には、上流側から順にエアクリーナ65、エアフローメータ43、吸気絞り弁(ディーゼルスロットル)62が配設されている。
The
排気系7は、シリンダヘッド15に形成された排気ポート71に接続される排気マニホールド72を備え、この排気マニホールド72に対して、排気管73が接続されている。また、この排気系7には排気浄化ユニット77が配設されている。この排気浄化ユニット77には、NOx吸蔵還元型触媒としてのNSR(NOx Storage Reduction)触媒75及びDPF(Diesel Paticulate Filter)76が備えられている。
The
図2に示すように、シリンダブロック11には、各気筒(4気筒)毎にシリンダボア12が形成されており、各シリンダボア12の内部にはピストン13が上下方向に摺動可能に収容されている。
As shown in FIG. 2, the
ピストン13の頂面13aの上側には前記燃焼室3が形成されている。つまり、この燃焼室3は、シリンダブロック11の上部に取り付けられたシリンダヘッド15の下面と、シリンダボア12の内壁面と、ピストン13の頂面13aとにより区画形成されている。そして、ピストン13の頂面13aの略中央部には、キャビティ(凹陥部)13bが凹設されており、このキャビティ13bも燃焼室3の一部を構成している。
The
このキャビティ13bの形状としては、その中央部分(シリンダ中心線P上)では凹陥寸法が小さく、外周側に向かうに従って凹陥寸法が大きくなっている。
As the shape of the
前記ピストン13は、コネクティングロッド18によってエンジン出力軸であるクランクシャフトに連結されている。また、燃焼室3に向けてグロープラグ19が配設されている。このグロープラグ19の通電はECU100によって制御される。
The
前記シリンダヘッド15には、吸気ポート15aを開閉する吸気バルブ16及び排気ポート71を開閉する排気バルブ17が配設されている。
The
さらに、図1に示す如く、このエンジン1には、過給機(ターボチャージャ)5が設けられている。このターボチャージャ5は、タービンシャフト51を介して連結されたタービンホイール52及びコンプレッサホイール53を備えている。本実施形態におけるターボチャージャ5は、可変ノズル式ターボチャージャであって、タービンホイール52側に可変ノズルベーン機構(図示省略)が設けられている。
Further, as shown in FIG. 1, the
前記吸気管64には、ターボチャージャ5での過給によって昇温した吸入空気を強制冷却するためのインタークーラ61が設けられている。
The
また、エンジン1には、排気の一部を吸気系6に適宜還流させる排気還流通路(EGR通路)8が設けられている。また、このEGR通路8にはEGRバルブ81とEGRクーラ82とが設けられている。
Further, the
−センサ類−
エンジン1の各部位には、各種センサが取り付けられており、それぞれの部位の環境条件や、エンジン1の運転状態に関する信号を出力する。
-Sensors-
Various sensors are attached to each part of the
例えば、前記エアフローメータ43は、吸気系6内の吸気絞り弁62上流において吸入空気の流量(吸入空気量)に応じた検出信号を出力する。レール圧センサ41はコモンレール22内に蓄えられている燃料の圧力に応じた検出信号を出力する。スロットル開度センサ42は吸気絞り弁62の開度を検出する。吸気圧センサ48は、吸気マニホールド63に配置され、吸入空気圧力に応じた検出信号を出力する。吸気温センサ49は、吸気マニホールド63に配置され、吸入空気の温度に応じた検出信号を出力する。A/F(空燃比)センサ44a,44bは、NSR触媒75の上流側及び下流側にそれぞれ配設され、排気中の酸素濃度に応じて連続的に変化する検出信号を出力する。
For example, the
−ECU−
ECU100は、図示しないCPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)等からなるマイクロコンピュータと、入力回路及び出力回路とを備えている。
-ECU-
The
図3に示すように、ECU100の入力回路には、上記レール圧センサ41、スロットル開度センサ42、エアフローメータ43、A/Fセンサ44a,44b、排気温センサ45a,45b、吸気圧センサ48、吸気温センサ49が接続されている。さらに、入力回路には、エンジン1の冷却水温に応じた検出信号を出力する水温センサ46、アクセルペダルの踏み込み量に応じた検出信号を出力するアクセル開度センサ47、エンジン1の出力軸(クランクシャフト)が一定角度回転する毎に検出信号(パルス)を出力するクランクポジションセンサ40、気筒内(燃焼室3)内の圧力を検出する筒内圧センサ(CPS(Combustion Pressure Sensor))4A、外気温センサ4B、及び、外気圧センサ4Cなどが接続されている。
As shown in FIG. 3, the input circuit of the
一方、ECU100の出力回路には、上記サプライポンプ21、インジェクタ23、吸気絞り弁62、EGRバルブ81、及び、上記ターボチャージャ5の可変ノズルベーン機構(可変ノズルベーンの開度を調整するアクチュエータ)54などが接続されている。
On the other hand, the output circuit of the
そして、ECU100は、前記した各種センサからの出力、その出力値を利用する演算式により求められた演算値、または、前記ROMに記憶された各種マップに基づいて、エンジン1の各種制御を実行する。
Then, the
例えば、ECU100は、インジェクタ23の燃料噴射制御として、パイロット噴射(副噴射)とメイン噴射(主噴射)とを実行する。これらパイロット噴射及びメイン噴射の機能は周知であるため、ここでの説明は省略する。
For example, the
燃料噴射を実行する際の燃料噴射圧は、コモンレール22の内圧により決定される。このコモンレール内圧として、一般に、コモンレール22からインジェクタ23へ供給される燃料圧力の目標値、すなわち目標レール圧は、エンジン負荷(機関負荷)が高くなるほど、及び、エンジン回転速度(機関回転速度)が高くなるほど高いものとされる。
The fuel injection pressure when executing the fuel injection is determined by the internal pressure of the
なお、上述したパイロット噴射及びメイン噴射の他に、アフタ噴射やポスト噴射が必要に応じて行われる。これら噴射の機能も周知であるため、ここでの説明は省略する。 In addition to the pilot injection and the main injection described above, after injection and post injection are performed as necessary. Since the function of these injections is also well-known, explanation here is omitted.
また、ECU100は、エンジン1の運転状態に応じてEGRバルブ81の開度を制御し、吸気マニホールド63に向けての排気還流量(EGR量)を調整する。
Further, the
−燃焼形態の概略説明−
次に、本実施形態に係るエンジン1における燃焼室3内での燃焼形態の概略について説明する。
-Outline of combustion mode-
Next, the outline of the combustion mode in the
図4に示すように、気筒内に吸入されるガスには、吸気管64から吸入された新気と、EGR通路8から吸入されるEGRガスとが含まれる。
As shown in FIG. 4, the gas sucked into the cylinder includes fresh air sucked from the
このようにして気筒内に吸入された新気及びEGRガスは、吸気行程において開弁している吸気バルブ16を介し、ピストン13(図4では図示省略)の下降に伴って気筒内に吸入されて筒内ガスとなる。この筒内ガスは、エンジン1の運転状態に応じて決定されるバルブ閉弁時にて吸気バルブ16が閉弁することにより気筒内(燃焼室3内)に密閉され(筒内ガスの閉じ込め状態)、その後の圧縮行程においてピストン13の上昇に伴って圧縮される。そして、ピストン13が圧縮上死点近傍に達すると、上述したECU100による噴射量制御によって所定時間だけインジェクタ23が開弁されることで燃料を燃焼室3内に直接噴射する(パイロット噴射やメイン噴射を実行する)。
The fresh air and EGR gas sucked into the cylinder in this way are sucked into the cylinder as the piston 13 (not shown in FIG. 4) descends via the
−熱発生率波形−
図5に熱発生率波形及び燃料噴射率波形の一例を示す。この図5に示すように、エンジン1の気筒内(燃焼室3内)に噴射された燃料の各反応形態(燃焼形態)は、気化反応、低温酸化反応、熱分解反応、高温酸化反応に分離することができる。これら燃焼形態は、気化反応、低温酸化反応、熱分解反応、高温酸化反応の順で発生する。なお、図5は、1回の燃料噴射(パイロット噴射)が行われた場合の各反応形態における熱発生率波形を示す図である。各反応形態の詳細については後述する。
-Heat release rate waveform-
FIG. 5 shows an example of the heat release rate waveform and the fuel injection rate waveform. As shown in FIG. 5, each reaction form (combustion form) of the fuel injected into the cylinder (combustion chamber 3) of the
−筒内環境パラメータの算出−
後述する燃焼状態診断に利用される理想熱発生率波形を作成する際には、燃料の反応開始時期、反応速度、反応量を規定する必要がある。そして、これら波形構成要素(反応開始時期、反応速度、反応量)を規定するためには、気筒内における酸素密度、燃料密度、及び、筒内ガス温度を求めておく必要がある。
−Calculation of in-cylinder environmental parameters−
When creating an ideal heat release rate waveform used for the combustion state diagnosis described later, it is necessary to define the fuel reaction start timing, reaction rate, and reaction amount. And in order to prescribe | regulate these waveform components (reaction start time, reaction rate, reaction amount), it is necessary to obtain | require the oxygen density in a cylinder, a fuel density, and in-cylinder gas temperature.
以下、これら筒内環境パラメータ(酸素密度、燃料密度、筒内ガス温度)の算出手法について説明する。 Hereinafter, a method for calculating these in-cylinder environmental parameters (oxygen density, fuel density, in-cylinder gas temperature) will be described.
(酸素密度)
酸素密度は、燃料に対する酸素供給能力(時間的な酸素供給能力)を表す指標であり、EGRの実施の有無や、EGR量(気筒内の残留ガス量(いわゆる内部EGR量)も含む)や、走行している道路の標高などに応じて変動するものである。そして、この酸素密度が変化すると、燃料の各反応における反応開始時期、反応速度及び反応量に影響を及ぼす。つまり、酸素密度が低くなるほど、反応開始時期は遅角側に移行し、反応速度は低くなり(反応が緩慢になり)、反応量が低下することになる。特に、燃料の各反応のうち低温酸化反応、熱分解反応、高温酸化反応については、その影響が現れる。
(Oxygen density)
The oxygen density is an index representing the oxygen supply capacity (temporal oxygen supply capacity) for the fuel, whether or not EGR is performed, the EGR amount (including the residual gas amount in the cylinder (so-called internal EGR amount)), It fluctuates according to the altitude of the road that is running. And if this oxygen density changes, it will affect the reaction start time, reaction rate, and reaction amount in each reaction of fuel. That is, the lower the oxygen density, the more the reaction start timing shifts to the retarded side, the reaction rate becomes lower (the reaction becomes slower), and the reaction amount decreases. In particular, the effects of low-temperature oxidation reaction, thermal decomposition reaction, and high-temperature oxidation reaction among fuel reactions appear.
仮に、燃料の多段噴射(例えばパイロット噴射とメイン噴射)が行われた場合であっても、予熱のための燃料噴射(パイロット噴射)で噴射された燃料の燃焼による酸素消費量は気筒内全体の酸素量に比べて微少である。このため、ここでは、気筒内空間を構成するキャビティ内の空間(以下、キャビティ内領域という)及びキャビティ外の空間(以下、キャビティ外領域という)それぞれの酸素密度が互いに略同一であると仮定し(例えばキャビティ外領域のみで燃焼が行われた場合であっても略同一であると仮定し)、気筒内全体を対象として酸素密度を求めるようにした場合について説明する。 Even if fuel multi-stage injection (for example, pilot injection and main injection) is performed, the amount of oxygen consumed by combustion of fuel injected by fuel injection for preheating (pilot injection) is It is very small compared to the amount of oxygen. For this reason, it is assumed here that the oxygen densities of the space in the cavity (hereinafter referred to as the cavity area) and the space outside the cavity (hereinafter referred to as the cavity area) constituting the cylinder space are substantially the same. (For example, even when combustion is performed only in the region outside the cavity, it is assumed that they are substantially the same.) A case will be described in which the oxygen density is obtained for the entire cylinder.
気筒内全体を対象とする酸素密度ρo2は以下の式(1)または式(2)によって求められる。 The oxygen density ρo 2 for the entire cylinder is obtained by the following equation (1) or (2).
酸素密度ρo2=吸気中の酸素量/隙間容積 ・・・(1)
酸素密度ρo2=吸気中の酸素量/反応開始時の行程容積 ・・・(2)
ここで、吸気中の酸素量(質量)は、エアフローメータ43によって検出された吸入空気量、外気温センサ4Bによって検出された外気温度、外気圧センサ4Cによって検出された外気圧力等から算出できる。また、隙間容積の一例としては、ピストン13が圧縮上死点に達した時点の行程容積(圧縮端容積)が挙げられる。これによれば、隙間容積を固定値として扱えるため、酸素密度ρo2の算出が簡素化でき、また、その信頼性も高まることになる。式(1)で使用される隙間容積はこれに限定されるものではない。
Oxygen density ρo 2 = Oxygen amount in intake air / clearance volume (1)
Oxygen density ρo 2 = Oxygen amount in intake / stroke volume at start of reaction (2)
Here, the oxygen amount (mass) in the intake air can be calculated from the intake air amount detected by the
なお、前記式(2)によって酸素密度ρo2を算出する場合、燃料の各反応(気化反応、低温酸化反応、熱分解反応、予混合燃焼による高温酸化反応、拡散燃焼による高温酸化反応)それぞれにおける反応開始時期、反応速度、反応量は、その反応時における酸素密度ρo2に応じて変化する。このため、各反応それぞれにおける反応開始時期、反応速度、反応量を求めるためには、その反応時における酸素密度ρo2を個別に特定しておく必要がある。 When the oxygen density ρo 2 is calculated by the above equation (2), in each fuel reaction (vaporization reaction, low temperature oxidation reaction, thermal decomposition reaction, high temperature oxidation reaction by premixed combustion, high temperature oxidation reaction by diffusion combustion) The reaction start time, reaction rate, and reaction amount vary depending on the oxygen density ρo 2 at the time of the reaction. For this reason, in order to obtain the reaction start time, reaction rate, and reaction amount in each reaction, it is necessary to individually specify the oxygen density ρo 2 at the time of the reaction.
本実施形態では、燃料の各反応それぞれに対応した酸素密度ρo2の算出タイミングを設定しておき、このタイミングにおける行程容積を利用して、各反応それぞれに対応した酸素密度ρo2を個別に特定できるようにしている。 In this embodiment, the calculation timing of the oxygen density ρo 2 corresponding to each reaction of the fuel is set, and the oxygen density ρo 2 corresponding to each reaction is specified individually using the stroke volume at this timing. I can do it.
なお、予め設定された所定タイミングにおける酸素密度ρo2を求めておき、この酸素密度ρo2から逆算することで、各反応開始時における酸素密度ρo2を個別に特定できるようにしてもよい。 Note that the oxygen density ρo 2 at a predetermined timing set in advance may be obtained, and the oxygen density ρo 2 at the start of each reaction may be individually specified by calculating backward from the oxygen density ρo 2 .
酸素密度ρo2を算出するに当たって前記式(1)または式(2)のうち、いずれを採用するかは、演算処理の簡素化や酸素密度ρo2の信頼性の高さなどを考慮して適宜選択される。 In calculating the oxygen density ρo 2, which one of the formula (1) and the formula (2) is adopted is appropriately determined in consideration of simplification of arithmetic processing, high reliability of the oxygen density ρo 2 , and the like. Selected.
(燃料密度)
次に、気筒内における燃料密度を求めるための手法について説明する。
(Fuel density)
Next, a method for obtaining the fuel density in the cylinder will be described.
ここでは、理解を容易にするために、キャビティ内領域及びキャビティ外領域それぞれの燃料密度が互いに略同一であると仮定して説明する。 Here, in order to facilitate understanding, description will be made on the assumption that the fuel densities in the cavity inner region and the outer cavity region are substantially the same.
燃料密度ρfuelは、以下の式(3)または式(4)によって算出される。 The fuel density ρfuel is calculated by the following formula (3) or formula (4).
燃料密度ρfuel=燃料噴射量/反応開始時の行程容積 ・・・(3)
燃料密度ρfuel=燃料噴射量/燃料噴射開始時の行程容積 ・・・(4)
ここで、燃料噴射量はインジェクタ23から噴射された燃料量(例えばメイン噴射での燃料量)である。この燃料噴射量は、レール圧センサ41によって検出された燃料噴射圧力及びインジェクタ23の開弁期間(指令噴射期間)から算出できる。また、反応開始時の行程容積は、筒内ガス温度が後述する反応温度に達した時点での筒内容積(キャビティ内領域の容積とキャビティ外領域の容積との和)である。この筒内ガス温度と筒内容積との関係は、外気温センサ4Bによって検出された外気温度、圧縮比、気筒内の予熱量(パイロット噴射等による予熱量)等をパラメータとし、予め実験やシミュレーションによって規定されている。燃料の各反応それぞれにおける反応開始時期、反応速度、反応量は、その反応時における燃料密度ρfuelに応じて変化する。このため、各反応それぞれにおける反応開始時期、反応速度、反応量を求めるためには、その反応時における燃料密度ρfuelを個別に特定しておく必要がある。
Fuel density ρfuel = fuel injection amount / stroke volume at the start of reaction (3)
Fuel density ρfuel = fuel injection amount / stroke volume at the start of fuel injection (4)
Here, the fuel injection amount is a fuel amount injected from the injector 23 (for example, a fuel amount in main injection). This fuel injection amount can be calculated from the fuel injection pressure detected by the
本実施形態では、燃料の各反応それぞれに対応した燃料密度ρfuelの算出タイミングを設定しておき、このタイミングにおける行程容積を利用して、各反応それぞれに対応した燃料密度ρfuelを個別に特定できるようにしている。 In the present embodiment, the calculation timing of the fuel density ρfuel corresponding to each reaction of fuel is set, and the fuel density ρfuel corresponding to each reaction can be individually specified using the stroke volume at this timing. I have to.
なお、予め設定された所定タイミングにおける燃料密度ρfuelを求めておき、この燃料密度ρfuelから逆算することで、各反応時における燃料密度ρfuelを個別に特定できるようにしてもよい。また、燃料噴射開始時の行程容積は、インジェクタ23からの燃料噴射が開始された時点(ECU100から燃料噴射指令信号が発信された時点)での筒内容積である。筒内容積はクランク角度位置に応じて決定されるため、インジェクタ23からの燃料噴射が開始された時点でのクランク角度位置に基づいて筒内容積を求めることができる。
Alternatively, the fuel density ρfuel at a predetermined timing set in advance may be obtained, and the fuel density ρfuel at the time of each reaction may be individually specified by calculating backward from the fuel density ρfuel. The stroke volume at the start of fuel injection is the in-cylinder volume at the time when fuel injection from the
さらに、ピストン13が圧縮上死点(TDC)に達した時点を燃料密度ρfuelの算出タイミングに設定すれば、気筒内の容積は予め決定されるため、行程容積が容易に特定される。このため、燃料密度ρfuelの算出が簡素化でき、また、その信頼性も高まる。
Furthermore, if the time point when the
燃料密度ρfuelを算出するに当たって、前記式(3)または式(4)のうち、いずれを採用するかは、演算処理の簡素化や燃料密度ρfuelの信頼性の高さなどを考慮して適宜選択される。 In calculating the fuel density ρfuel, which one of the above formulas (3) and (4) is to be adopted is selected as appropriate in consideration of the simplification of arithmetic processing and the high reliability of the fuel density ρfuel. Is done.
(筒内ガス温度)
筒内ガス温度を求めるための手法としては、吸気温度、ピストン位置(吸入ガスの圧縮度合)、パイロット噴射等による予熱状態等をパラメータとし、予め実験やシミュレーションによって、これらパラメータと筒内ガス温度との関係を求めてマップ化し、このマップをECU100のROMに記憶させている。つまり、吸気温度、ピストン位置、予熱状態等のパラメータを前記マップに当て嵌めることで筒内ガス温度が求められるようになっている。
(In-cylinder gas temperature)
As a method for obtaining the in-cylinder gas temperature, parameters such as the intake air temperature, the piston position (compression degree of the intake gas), the preheating state by pilot injection, etc. are used as parameters. These maps are obtained and mapped, and this map is stored in the ROM of the
また、熱エネルギ方程式Q=mcTから筒内ガス温度を算出するようにしてもよい。ここで、Qは気筒内への投入熱エネルギ、mは気筒内のガスの質量、cはガスの比熱、Tは筒内ガス温度である。 Further, the in-cylinder gas temperature may be calculated from the thermal energy equation Q = mcT. Here, Q is the heat energy input into the cylinder, m is the mass of the gas in the cylinder, c is the specific heat of the gas, and T is the in-cylinder gas temperature.
−熱発生率波形の作成、燃焼状態診断、及び、制御パラメータの補正−
次に、本実施形態の特徴である熱発生率波形の作成(理想熱発生率波形の作成)、燃焼状態診断(気筒内での燃料の各反応形態の診断)、及び、その診断結果に応じて実行される制御パラメータの補正について説明する。
-Creation of heat release rate waveform, combustion state diagnosis, and control parameter correction-
Next, creation of a heat release rate waveform (creation of an ideal heat release rate waveform), which is a feature of this embodiment, combustion state diagnosis (diagnosis of each reaction mode of fuel in a cylinder), and the diagnosis result The control parameter correction executed in this way will be described.
この熱発生率波形の作成、燃焼状態診断、及び、制御パラメータの補正では、図6に示すように、(1)理想熱発生率波形の作成、及び、(2)実熱発生率波形の作成、が行われた後、(3)理想熱発生率波形と実熱発生率波形との比較による燃焼状態診断が行われる。そして、(4)この燃焼状態診断の結果に応じたエンジン1の制御パラメータの補正が行われることになる。これら(1)〜(4)の各動作を行うための構成の全てが車両に搭載(実装)されていてもよいし、(1)の動作のみが実験室等によって行われ、その結果(作成された理想熱発生率波形)がECU100のROMに記憶され、(2)〜(4)の各動作を行うための構成が車両に搭載された構成となっていてもよい。なお、(1)〜(4)の動作(処理)または(2)〜(4)の動作(処理)は1サイクルごとに実行してもよいし、所定の複数サイクル毎に実行するようにしてもよい。
In the creation of the heat generation rate waveform, the combustion state diagnosis, and the control parameter correction, as shown in FIG. 6, (1) creation of an ideal heat generation rate waveform and (2) creation of an actual heat generation rate waveform (3) The combustion state diagnosis is performed by comparing the ideal heat generation rate waveform and the actual heat generation rate waveform. (4) The control parameters of the
また、上記(1)理想熱発生率波形の作成にあっては、(1−A)燃料の反応形態の分離、(1−B)分離された各反応形態それぞれに対する理想熱発生率波形モデルの作成、(1−C)理想熱発生率波形モデルのフィルタリング(フィルタ処理)による理想熱発生率波形の作成が順に行われる。 Further, in the creation of the (1) ideal heat release rate waveform, (1-A) separation of fuel reaction forms, (1-B) ideal heat release rate waveform models for the separated reaction forms, respectively. Creation of an ideal heat release rate waveform by filtering (filter processing) of (1-C) ideal heat release rate waveform model is sequentially performed.
以下、各動作について具体的に説明する。 Each operation will be specifically described below.
(1)理想熱発生率波形の作成
上記理想熱発生率波形の作成について説明する。まず、理想熱発生率波形の作成の概略について説明する。
(1) Creation of ideal heat release rate waveform The creation of the ideal heat release rate waveform will be described. First, an outline of creating an ideal heat generation rate waveform will be described.
前記インジェクタ23から気筒内に噴射された燃料の反応(化学反応等)の律速条件としては、筒内ガス温度、気筒内の酸素量(気筒内の酸素密度に相関がある値)、気筒内の燃料量(気筒内の燃料密度に相関がある値)、気筒内での燃料の分布が挙げられる。これらのうち、制御自由度の低い順としては、気筒内の温度(筒内ガス温度)、気筒内の酸素量、気筒内の燃料量、気筒内での燃料の分布の順である。
As the rate-limiting conditions for the reaction (chemical reaction, etc.) of the fuel injected into the cylinder from the
つまり、筒内ガス温度は、燃料が反応する前段階にあっては、吸入空気温度とエンジン1の圧縮比とによって略決定されることになり、制御の自由度は最も低い。また、この筒内ガス温度は、先行して燃料噴射が行われた場合(例えば予熱のための燃料噴射が行われた場合)に、その燃料の燃焼による予熱量によっても変動する。
That is, the in-cylinder gas temperature is substantially determined by the intake air temperature and the compression ratio of the
また、気筒内の酸素量は、前記吸気絞り弁62の開度や、前記EGRバルブ81の開度によって調整できるため、筒内ガス温度に比べて制御自由度は高い。また、この気筒内の酸素量は、ターボチャージャ5による過給率によっても変動する。
Further, since the amount of oxygen in the cylinder can be adjusted by the opening of the
さらに、気筒内の酸素量は、先行して燃料噴射(予熱のための燃料噴射等)が行われた場合に、その燃料の燃焼による酸素消費量によっても変動する。また、気筒内の燃料量は、前記サプライポンプ21による燃料噴射圧力(コモンレール圧力)の制御や前記インジェクタ23からの燃料の多段噴射それぞれの噴射期間の制御によって調整できるため、気筒内の酸素量に比べて制御自由度は高い。また、気筒内での燃料分布も、前記燃料噴射圧力の制御や前記燃料の多段噴射それぞれの噴射期間の制御によって調整が可能であることから制御自由度は高いものである。
Further, the amount of oxygen in the cylinder also varies depending on the amount of oxygen consumed by combustion of the fuel when fuel injection (fuel injection for preheating or the like) is performed in advance. Further, the amount of fuel in the cylinder can be adjusted by controlling the fuel injection pressure (common rail pressure) by the
そして、本実施形態では、前記制御自由度の低い順に、燃料の反応状態を決定する条件の優先順位を高く設定している。なお、ここでは、気筒内の温度(筒内ガス温度)、気筒内の酸素量及び気筒内の燃料量の量的条件を、気筒内での燃料の分布よりも優先順位の高いものとしている。つまり、筒内ガス温度を機軸として燃料の各反応の開始タイミング(反応開始時期)を決定するものとしている。すなわち、筒内ガス温度(圧縮ガス温度)から基準温度到達角度(各反応形態それぞれの反応開始タイミングにおけるクランク角度位置)を確定する。なお、本実施形態では、各反応の開始時期を決定するに当たっては、酸素密度に応じて開始時期を補正するようにしている。詳しくは後述する。 And in this embodiment, the priority of the conditions which determine the reaction state of a fuel is set high in order with the said low degree of freedom of control. Here, the quantitative conditions of the temperature in the cylinder (in-cylinder gas temperature), the amount of oxygen in the cylinder, and the amount of fuel in the cylinder are given higher priority than the fuel distribution in the cylinder. That is, the start timing (reaction start timing) of each reaction of the fuel is determined using the in-cylinder gas temperature as an axis. That is, the reference temperature arrival angle (crank angle position at the reaction start timing of each reaction mode) is determined from the in-cylinder gas temperature (compressed gas temperature). In the present embodiment, when determining the start time of each reaction, the start time is corrected according to the oxygen density. Details will be described later.
酸素密度は、燃料に対する酸素供給能力を表す指標であり、酸素供給不足が発生している場合には、燃焼の律速条件となる。また、前記燃料密度は、未燃焼領域に対する反応熱供給能力を表す指標であり、燃料供給不足が発生している場合には、燃焼の律速条件となる。 The oxygen density is an index representing the oxygen supply capability for the fuel, and becomes a rate-limiting condition for combustion when oxygen supply shortage occurs. The fuel density is an index representing the reaction heat supply capacity for the unburned region, and is a rate-limiting condition for combustion when fuel supply is insufficient.
そして、この反応開始時期を基点として、反応速度、反応量、反応期間をそれぞれ求めて各反応形態毎に理想熱発生率波形モデルを作成するようにしている。つまり、気筒内に噴射された燃料の複数の反応形態それぞれの反応速度、反応量、反応期間を気筒内環境(反応開始時期を決定する気筒内ガス温度等)及び燃料組成(反応に寄与する燃料量及び燃料密度を含む)に応じて算出して、各反応それぞれにおける理想熱発生率波形モデルを作成するようにしている。 Then, using this reaction start time as a base point, the reaction rate, the reaction amount, and the reaction period are obtained, and an ideal heat release rate waveform model is created for each reaction mode. That is, the reaction speed, the reaction amount, and the reaction period of each of the plurality of reaction forms of the fuel injected into the cylinder are defined as the in-cylinder environment (cylinder gas temperature that determines the reaction start timing) and the fuel composition (the fuel that contributes to the reaction). The ideal heat release rate waveform model for each reaction is created.
理想熱発生率波形モデルの作成動作として、具体的には、前記反応開始時期における筒内ガス温度(基準温度)及び燃料組成等に対応した基準反応速度効率[J/CA2/mm3]と、基準反応量効率[J/mm3]とを各反応形態毎に確定し、燃焼場に対する酸素供給能力(酸素密度)から前記基準反応速度効率及び基準反応量効率を修正し、これら修正された効率と燃料量とから反応速度及び反応量を確定する。また、反応速度に対しては、後述するエンジン回転速度に応じた補正を行う。なお、前記「反応速度効率」は「反応速度勾配係数」とも呼ばれ、また、前記「反応量効率」は「燃焼効率」とも呼ばれる。 As an operation for creating the ideal heat release rate waveform model, specifically, the reference reaction rate efficiency [J / CA 2 / mm 3 ] corresponding to the in-cylinder gas temperature (reference temperature), the fuel composition, and the like at the reaction start time and The reference reaction amount efficiency [J / mm 3 ] is determined for each reaction form, and the reference reaction rate efficiency and the reference reaction amount efficiency are corrected based on the oxygen supply capacity (oxygen density) to the combustion field. The reaction rate and reaction amount are determined from the efficiency and the fuel amount. Further, the reaction speed is corrected according to the engine speed described later. The “reaction rate efficiency” is also referred to as “reaction rate gradient coefficient”, and the “reaction amount efficiency” is also referred to as “combustion efficiency”.
そして、前記反応開始時期、反応速度及び反応量から後述する理想熱発生率波形モデル(三角形モデル)を作成し、これにより、反応期間を確定する。この反応期間としては以下の式(5)により求められる。 Then, an ideal heat release rate waveform model (triangle model) described later is created from the reaction start timing, reaction rate, and reaction amount, thereby determining the reaction period. This reaction period is determined by the following equation (5).
反応期間=2×(反応量/反応速度)1/2 ・・・(5)
なお、前記理想熱発生率波形モデル(三角形モデル)の作成の詳細については、後述する。
Reaction period = 2 × (reaction amount / reaction rate) 1/2 (5)
Details of creation of the ideal heat release rate waveform model (triangle model) will be described later.
(1−A)燃料の反応形態の分離
次に、前記理想熱発生率波形の作成の第1手順である燃料の反応形態の分離について説明する。
(1-A) Separation of Fuel Reaction Form Next, separation of fuel reaction form, which is the first procedure for creating the ideal heat release rate waveform, will be described.
前記インジェクタ23から燃料噴射が行われた場合、気筒内においては、気化反応、低温酸化反応、熱分解反応、高温酸化反応が筒内環境に応じて行われる。さらに、高温酸化反応は、予混合燃焼による高温酸化反応と拡散燃焼による高温酸化反応とに分離できる。以下、各反応形態について説明する。
When fuel is injected from the
(a)気化反応
気化反応は、前記インジェクタ23から噴射された燃料が気筒内の熱を受けて気化するものである。この反応は、一般的には気筒内ガス温度が500K以上となっている環境下に燃料が晒された状態で、燃料噴霧の拡散がある程度進んだ際に開始する噴霧律速の反応となっている。
(A) Vaporization reaction In the vaporization reaction, the fuel injected from the
ディーゼルエンジン1で使用されている軽油の沸点は、一般には453K〜623Kであって、気筒内に燃料噴射が行われる実用域(例えば前記パイロット噴射が行われる時期)はBTDC(圧縮上死点前)40°CAである。このタイミングにおける気筒内ガス温度は一般には550K〜600K程度まで上昇しているため(寒冷地以外)、この気化反応においては、温度律速条件を考慮する必要はない。
The boiling point of light oil used in the
そして、この気化反応における前記基準反応量効率としては、例えば−1.14[J/mm3]となっている。 The reference reaction amount efficiency in this vaporization reaction is, for example, −1.14 [J / mm 3 ].
また、この気化反応における有効噴射量(気化反応に寄与する燃料量)としては、燃料噴射量から壁面付着量及び未燃浮遊燃料量(噴霧塊の外周囲に存在して反応に寄与しない燃料)を減算した量である。以下、これら燃料量を未燃燃料量という。これら未燃燃料量は、噴射量(燃料の貫徹力に相関がある)と噴射時期(気筒内圧力に相関がある)に応じて実験的に求めることが可能である。 In addition, the effective injection amount in this vaporization reaction (the amount of fuel that contributes to the vaporization reaction) is determined from the fuel injection amount to the amount of wall surface adhesion and the amount of unburned floating fuel (the fuel that exists outside the spray lump and does not contribute to the reaction) Is the amount obtained by subtracting. Hereinafter, these fuel amounts are referred to as unburned fuel amounts. These unburned fuel amounts can be obtained experimentally according to the injection amount (which has a correlation with fuel penetration force) and the injection timing (which has a correlation with cylinder pressure).
そして、前記気化反応における反応量としては、以下の式(6)により求められる。 And as reaction amount in the said vaporization reaction, it calculates | requires by the following formula | equation (6).
気化反応における反応量=−1.14×有効噴射量 ・・・(6)
なお、この気化反応は吸熱反応であるため、この反応量(発生熱量)としては負の値となる。また、この気化反応は、反応に要する酸素量が僅かであるため、酸素密度の影響を殆ど受けないものとなっている。
Reaction amount in vaporization reaction = −1.14 × effective injection amount (6)
Since this vaporization reaction is an endothermic reaction, the reaction amount (generated heat amount) is a negative value. This vaporization reaction is hardly affected by the oxygen density because the amount of oxygen required for the reaction is small.
(b)低温酸化反応
低温酸化反応は、ディーゼルエンジン1の燃料である軽油中に含まれる低温酸化反応成分(n−セタン(C16H34)等の直鎖単結合組成の燃料等)が燃焼する反応である。この低温酸化反応成分は、筒内ガス温度が比較的低い場合であっても着火が可能な成分であって、このn−セタン等の量が多いほど(高セタン燃料であるほど)気筒内での低温酸化反応が進み易く着火遅れが抑制されることになる。具体的に、n−セタン等の低温酸化反応成分は、筒内ガス温度が約750Kに達した時点で燃焼(低温酸化反応)を開始する。なお、n−セタン等以外の燃料成分(高温酸化反応成分)は気筒内ガス温度が約900Kに達するまで燃焼(高温酸化反応)を開始しない。
(B) Low-temperature oxidation reaction In the low-temperature oxidation reaction, a low-temperature oxidation reaction component (such as a fuel having a linear single bond composition such as n-cetane (C 16 H 34 )) contained in the diesel oil that is the fuel of the
そして、この低温酸化反応における前記基準反応速度効率としては、例えば0.294[J/CA2/mm3]となっている。また、基準反応量効率としては、例えば5.0[J/mm3]となっている。 The standard reaction rate efficiency in this low-temperature oxidation reaction is, for example, 0.294 [J / CA 2 / mm 3 ]. The standard reaction amount efficiency is, for example, 5.0 [J / mm 3 ].
また、この低温酸化反応の反応速度及び反応量は、前記基準反応速度効率及び基準反応量効率に基づいて算出される(例えば有効噴射量を乗算することで算出される)。さらに、前記低温酸化反応の反応速度を算出するに当たっては、前記基準反応速度効率に有効噴射量を乗算した値(基準反応速度)に対してエンジン回転速度に応じた係数(回転速度補正係数=(基準回転速度/実回転速度)2)が乗算される。なお、この回転速度補正係数を求めるための基準回転速度としては任意の回転速度(例えば2000rpm)が設定可能である。これにより、ガス組成等が変化しても反応速度を時間に依存した値として求めることができる。 The reaction rate and reaction amount of the low-temperature oxidation reaction are calculated based on the reference reaction rate efficiency and the reference reaction amount efficiency (for example, calculated by multiplying the effective injection amount). Further, in calculating the reaction rate of the low temperature oxidation reaction, a coefficient (rotational speed correction coefficient = (rotational speed correction coefficient) = (reference reaction speed) obtained by multiplying the reference reaction speed efficiency by the effective injection amount (reference reaction speed). The reference rotation speed / actual rotation speed) 2 ) is multiplied. An arbitrary rotation speed (for example, 2000 rpm) can be set as the reference rotation speed for obtaining the rotation speed correction coefficient. Thereby, even if a gas composition etc. change, reaction rate can be calculated | required as a value depending on time.
なお、回転速度補正係数は、図7に示す回転速度補正係数マップから求められるものであってもよい。この図7に示す回転速度補正係数マップは、基準回転速度を2000rpmに設定したものである。エンジン1の実回転速度が基準回転速度(2000rpm)以上である領域では、「(基準回転速度/実回転速度)2」に応じた値(図中に一点鎖線で示すエンジン回転速度に応じた値)として回転速度補正係数が求められる。これに対し、エンジン1の実回転速度が基準回転速度(2000rpm)未満である領域では、「(基準回転速度/実回転速度)2」に応じた値に対して所定割合だけ補正(低い側に補正)された値が回転速度補正係数として求められる(基準回転速度未満である領域の実線を参照)。この場合の補正割合は実験やシミュレーションによって求められている。
The rotation speed correction coefficient may be obtained from the rotation speed correction coefficient map shown in FIG. The rotation speed correction coefficient map shown in FIG. 7 is obtained by setting the reference rotation speed to 2000 rpm. In a region where the actual rotational speed of the
前記基準回転速度は、上述した値には限定されず、エンジン1の使用頻度が最も高い回転速度域に設定することが好ましい。
The reference rotation speed is not limited to the above-described value, and is preferably set to a rotation speed range where the
なお、この低温酸化反応は発熱反応であるため、この反応量(発生熱量)としては正の値となる。 Since this low-temperature oxidation reaction is an exothermic reaction, the reaction amount (generated heat amount) is a positive value.
(c)熱分解反応
熱分解反応は、燃料成分の熱分解(炭素鎖の鎖結合の切断)を行う反応であって、その反応温度は例えば約800Kとなっている。
(C) Thermal decomposition reaction The thermal decomposition reaction is a reaction that performs thermal decomposition (breakage of chain bonds of carbon chains) of a fuel component, and the reaction temperature is about 800K, for example.
また、この熱分解反応における前記基準反応速度効率としては、例えば0.384[J/CA2/mm3]となっている。また、基準反応量効率としては、例えば5.0[J/mm3]となっている。 The reference reaction rate efficiency in this thermal decomposition reaction is, for example, 0.384 [J / CA 2 / mm 3 ]. The standard reaction amount efficiency is, for example, 5.0 [J / mm 3 ].
また、この熱分解反応の反応速度及び反応量も、前記基準反応速度効率及び基準反応量効率に基づいて算出される(例えば前記有効噴射量を乗算することで算出される)。さらに、前記熱分解反応の反応速度を算出するに当たっても、前記基準反応速度効率に有効噴射量を乗算した値(基準反応速度)に対してエンジン回転速度に応じた前記回転速度補正係数が乗算される。 Further, the reaction rate and reaction amount of the thermal decomposition reaction are also calculated based on the reference reaction rate efficiency and the reference reaction amount efficiency (for example, calculated by multiplying the effective injection amount). Further, even when calculating the reaction rate of the thermal decomposition reaction, the value obtained by multiplying the reference reaction rate efficiency by the effective injection amount (reference reaction rate) is multiplied by the rotation speed correction coefficient corresponding to the engine rotation speed. The
ここで、熱分解反応の状態を表すパラメータとして熱分解反応の進行度合(熱分解達成率)[%]がある。この熱分解反応の進行度合は、気筒内に噴射された燃料成分の全体に対して、熱分解(炭素鎖の鎖結合の切断)が完了した燃料成分の量を示す値(熱分解量/全燃料成分量(全炭素量)[%])であって、例えば、熱分解反応の反応期間(詳細は後述する)の1/2に到達した時点の熱分解反応の進行度合を50%とする。 Here, as a parameter representing the state of the thermal decomposition reaction, there is a degree of progress of the thermal decomposition reaction (thermal decomposition achievement rate) [%]. The degree of progress of this thermal decomposition reaction is a value (the amount of thermal decomposition / the total amount of fuel component) that has undergone thermal decomposition (cutting of chain bonds of carbon chains) with respect to the entire fuel component injected into the cylinder. Fuel component amount (total carbon amount) [%]), for example, the degree of progress of the pyrolysis reaction when reaching half of the reaction period of the pyrolysis reaction (details will be described later) is 50% .
なお、本実施形態では、この熱分解反応を吸熱反応として扱うものとする。つまり、反応量(発生熱量)が負の値であるものとする。 In the present embodiment, this thermal decomposition reaction is treated as an endothermic reaction. That is, the reaction amount (generated heat amount) is a negative value.
(d)予混合燃焼による高温酸化反応
予混合燃焼による高温酸化反応の反応温度は例えば約900Kとなっている。つまり、筒内ガス温度が900Kに達したことで燃焼を開始する反応が、この予混合燃焼による高温酸化反応である。
(D) High-temperature oxidation reaction by premixed combustion The reaction temperature of the high-temperature oxidation reaction by premixed combustion is, for example, about 900K. That is, the reaction that starts combustion when the in-cylinder gas temperature reaches 900 K is a high-temperature oxidation reaction by this premixed combustion.
また、この予混合燃焼による高温酸化反応における前記基準反応速度効率としては、例えば4.3[J/CA2/mm3]となっている。また、基準反応量効率としては、例えば30.0[J/mm3]となっている。 The reference reaction rate efficiency in the high temperature oxidation reaction by the premixed combustion is, for example, 4.3 [J / CA 2 / mm 3 ]. The standard reaction amount efficiency is, for example, 30.0 [J / mm 3 ].
また、この予混合燃焼による高温酸化反応の反応速度及び反応量も、前記基準反応速度効率及び基準反応量効率に基づいて算出される(例えば有効噴射量を乗算することで算出される)。さらに、前記予混合燃焼による高温酸化反応の反応速度を算出するに当たっても、前記基準反応速度効率に有効噴射量を乗算した値(基準反応速度)に対してエンジン回転速度に応じた前記回転速度補正係数が乗算される。 Further, the reaction rate and reaction amount of the high-temperature oxidation reaction by this premixed combustion are also calculated based on the reference reaction rate efficiency and the reference reaction amount efficiency (for example, calculated by multiplying the effective injection amount). Further, even when calculating the reaction rate of the high temperature oxidation reaction by the premixed combustion, the rotation speed correction according to the engine rotation speed with respect to the value obtained by multiplying the reference reaction speed efficiency by the effective injection amount (reference reaction speed). The coefficient is multiplied.
ここで、上述の如く、予混合燃焼による高温酸化反応にあっては、その前に発生する熱分解反応の進行度合の影響を受ける。その熱分解反応の進行度合が熱分解達成基準値(例えば50%)に到達しておれば、基準反応開始温度(900K)で予混合燃焼による高温酸化反応が開始可能となる。一方、熱分解反応の進行度合が熱分解達成基準値に到達していない場合(例えば進行度合が50%よりも小さい場合)は、その進行度合に応じて予混合燃焼による高温酸化反応の反応開始温度が基準反応開始温度(900K)よりも高温側に移行する(反応開始時期が遅角側に遅延する)。 Here, as described above, in the high temperature oxidation reaction by the premixed combustion, it is influenced by the progress degree of the thermal decomposition reaction that occurs before that. If the degree of progress of the pyrolysis reaction has reached a pyrolysis achievement reference value (for example, 50%), a high-temperature oxidation reaction by premixed combustion can be started at the reference reaction start temperature (900 K). On the other hand, when the degree of progress of the pyrolysis reaction does not reach the reference value for achieving pyrolysis (for example, when the degree of progress is less than 50%), the reaction of the high-temperature oxidation reaction by premixed combustion starts according to the degree of progress. The temperature shifts to a higher temperature side than the reference reaction start temperature (900K) (the reaction start timing is delayed to the retard side).
なお、この予混合燃焼による高温酸化反応は発熱反応であるため、この反応量(発生熱量)としては正の値となる。 Since the high temperature oxidation reaction by this premixed combustion is an exothermic reaction, the reaction amount (generated heat amount) is a positive value.
(e)拡散燃焼による高温酸化反応
拡散燃焼による高温酸化反応の反応温度は例えば約1000Kとなっている。つまり、温度が1000K以上となっている筒内に向けて噴射された燃料が、噴射後、直ちに燃焼を開始する反応が、この拡散燃焼による高温酸化反応である。
(E) High temperature oxidation reaction by diffusion combustion The reaction temperature of the high temperature oxidation reaction by diffusion combustion is about 1000K, for example. In other words, the reaction in which the fuel injected toward the cylinder having a temperature of 1000 K or more starts combustion immediately after the injection is a high temperature oxidation reaction by this diffusion combustion.
また、この拡散燃焼による高温酸化反応における反応速度は、コモンレール圧力に応じて変化し、以下の式(7)及び式(8)から求められる。 Moreover, the reaction rate in the high temperature oxidation reaction by this diffusion combustion changes according to the common rail pressure, and is obtained from the following equations (7) and (8).
GrdB=A×コモンレール圧力+B ・・・(7)
Grd=GrdB×(基準エンジン回転速度/実エンジン回転速度)2
×(d/基準d)×(N/基準N) ・・・(8)
GrdB:基準反応速度、Grd:反応速度、d:インジェクタ23の噴孔径、N:インジェクタ23の噴孔数、A,B:実験等により求められた定数
なお、前記式(8)は、インジェクタ23の基準噴孔径に対する実噴孔径の比、及び、インジェクタ23の基準噴孔数に対する実噴孔数の比が乗算されていることにより、一般化された式となっている。また、この式(8)は、回転速度補正係数が乗算されていることで、エンジン回転速度に応じて補正された反応速度が求められるものとなっている。
GrdB = A × common rail pressure + B (7)
Grd = GrdB × (reference engine speed / actual engine speed) 2
X (d / reference d) x (N / reference N) (8)
GrdB: reference reaction rate, Grd: reaction rate, d: nozzle hole diameter of the
また、この拡散燃焼による高温酸化反応の基準反応量効率としては、例えば30.0[J/mm3]となっており、この拡散燃焼による高温酸化反応の反応量も、前記基準反応量効率に基づいて算出される(例えば有効噴射量を乗算することで算出される)。 The standard reaction amount efficiency of the high temperature oxidation reaction by diffusion combustion is, for example, 30.0 [J / mm 3 ], and the reaction amount of the high temperature oxidation reaction by diffusion combustion is also equal to the reference reaction amount efficiency. Calculated based on (e.g., calculated by multiplying the effective injection amount).
なお、この拡散燃焼による高温酸化反応も発熱反応であるため、この反応量(発生熱量)としては正の値となる。 Since the high temperature oxidation reaction by diffusion combustion is also an exothermic reaction, the reaction amount (generated heat amount) is a positive value.
以上のようにして燃料の反応形態を分離することができる。 As described above, the reaction form of the fuel can be separated.
(1−B)分離された各反応形態それぞれに対する理想熱発生率波形モデルの作成
次に、前記分離された各反応形態それぞれに対する理想熱発生率波形モデルの作成について説明する。
(1-B) Creation of Ideal Heat Release Rate Waveform Model for Each Separated Reaction Form Next, creation of ideal heat release rate waveform models for each separated reaction form will be described.
上述の如く反応形態を分離したことにより、それぞれの反応形態における理想熱発生率波形モデルが作成可能となる。つまり、気化反応、低温酸化反応、熱分解反応、予混合燃焼による高温酸化反応、拡散燃焼による高温酸化反応それぞれに対して、理想熱発生率波形モデルが作成可能となる。 By separating the reaction forms as described above, it is possible to create an ideal heat release rate waveform model in each reaction form. That is, an ideal heat release rate waveform model can be created for each of a vaporization reaction, a low temperature oxidation reaction, a thermal decomposition reaction, a high temperature oxidation reaction by premixed combustion, and a high temperature oxidation reaction by diffusion combustion.
本実施形態では、各反応それぞれに対し、理想熱発生率波形モデルを二等辺三角形に近似させるものとしている。つまり、上述した反応開始温度(反応開始時期)を基点として、反応速度を二等辺三角形の斜辺の勾配とし、反応量を二等辺三角形の面積とし、反応期間を二等辺三角形の底辺の長さとする理想熱発生率波形モデルを作成する。 In this embodiment, the ideal heat release rate waveform model is approximated to an isosceles triangle for each reaction. That is, with the reaction start temperature (reaction start time) as a base point, the reaction rate is the slope of the hypotenuse of the isosceles triangle, the reaction amount is the area of the isosceles triangle, and the reaction period is the length of the base of the isosceles triangle. Create an ideal heat release rate waveform model.
以下、理想熱発生率波形モデルの作成について具体的に説明する。 Hereinafter, the creation of the ideal heat release rate waveform model will be specifically described.
(a)反応開始時期
(気化反応)
上述したように、ディーゼルエンジン1で使用されている軽油の沸点は453K〜623Kであるので、筒内ガス温度が623Kに到達する時期のクランク角度位置[°CA]を気化反応の反応開始時期とする。なお、燃料が噴射される温度場(筒内ガス温度)が623K以上である場合は、気化反応の反応開始時期は燃料噴射開始時期と同じタイミングとする(気化反応の反応開始時期=燃料噴射開始時期)。また、上述したように、気化反応は酸素密度の影響を殆ど受けないので、気化反応の反応開始時期については酸素密度による補正は行わない。
(A) Reaction start time (vaporization reaction)
As described above, since the boiling point of light oil used in the
(熱分解反応・低温酸化反応・高温酸化反応)
上述したように、熱分解反応、低温酸化反応、予混合燃焼による高温酸化反応、拡散燃焼による高温酸化反応は、酸素密度の影響を受け、その酸素密度が低くなるほど反応開始時期は遅角側に移行するので、その各反応の反応開始温度つまり反応開始時期については酸素密度を用いて補正を行う。この場合の各反応の反応開始時期は以下の式(9)によって算出することができる。
(Pyrolysis reaction, low temperature oxidation reaction, high temperature oxidation reaction)
As described above, the thermal decomposition reaction, the low temperature oxidation reaction, the high temperature oxidation reaction by premixed combustion, and the high temperature oxidation reaction by diffusion combustion are affected by the oxygen density, and the reaction start timing is delayed as the oxygen density decreases. Therefore, the reaction start temperature of each reaction, that is, the reaction start timing is corrected using the oxygen density. The reaction start timing of each reaction in this case can be calculated by the following equation (9).
反応開始時期=基準温度到達時期+酸素密度低下補正遅角量 ・・・(9)
ここで、上記式(9)の基準温度到達時期について説明すると、上述したように、低温酸化反応の反応開始温度は約750Kであるので、筒内ガス温度が750K(基準反応開始温度)に到達する時期のクランク角度位置[°CA]を低温酸化反応の基準温度到達時期とする。熱分解反応の反応開始温度は約800Kであるので、筒内ガス温度が800K(基準反応開始温度)に到達する時期のクランク角度位置[°CA]を熱分解反応の基準温度到達時期とする。予混合燃焼による高温酸化反応の反応開始温度は約900Kであるので、筒内ガス温度が900K(基準反応開始温度)に到達する時期のクランク角度位置[°CA]を予混合燃焼による高温酸化反応の基準温度到達時期とする。拡散燃焼による高温酸化反応の反応開始温度は約1000Kであるので、筒内ガス温度が1000K(基準反応開始温度)に到達する時期のクランク角度位置[°CA]を拡散燃焼による高温酸化反応の基準温度到達時期とする。
Reaction start time = reference temperature arrival time + oxygen density decrease correction retardation amount (9)
Here, the reference temperature arrival time of the above formula (9) will be described. As described above, the reaction start temperature of the low-temperature oxidation reaction is about 750 K, so the in-cylinder gas temperature reaches 750 K (reference reaction start temperature). The crank angle position [° CA] of the timing to perform is set as the reference temperature reaching timing of the low temperature oxidation reaction. Since the reaction start temperature of the thermal decomposition reaction is about 800K, the crank angle position [° CA] when the in-cylinder gas temperature reaches 800K (reference reaction start temperature) is set as the reference temperature arrival time of the pyrolysis reaction. Since the reaction start temperature of the high temperature oxidation reaction by premix combustion is about 900K, the crank angle position [° CA] when the in-cylinder gas temperature reaches 900K (reference reaction start temperature) is set to the high temperature oxidation reaction by premix combustion. The reference temperature is reached. Since the reaction start temperature of the high temperature oxidation reaction by diffusion combustion is about 1000 K, the crank angle position [° CA] when the in-cylinder gas temperature reaches 1000 K (reference reaction start temperature) is used as a reference for the high temperature oxidation reaction by diffusion combustion. Time to reach temperature.
また、上記式(9)の酸素密度低下補正遅角量は、酸素密度の影響による反応開始時期の補正量である。この酸素密度と酸素密度低下補正遅角量との関係は、予め実験やシミュレーションによって求められて作成された補正遅角量マップがECU100のROMに記憶されており、この補正遅角量マップから酸素密度低下補正遅角量が抽出される。
In addition, the oxygen density decrease correction retardation amount in the above formula (9) is a correction amount of the reaction start timing due to the influence of the oxygen density. The relationship between the oxygen density and the oxygen concentration decrease correction retardation amount is stored in the ROM of the
図8は、ある反応(例えば予混合燃焼による高温酸化反応)を対象とした補正遅角量マップの一例を示している。他の反応(低温酸化反応、熱分解反応、及び、拡散燃焼による高温酸化反応)についても同様のマップがECU100のROMに記憶されている。
FIG. 8 shows an example of a corrected retardation amount map for a certain reaction (for example, a high temperature oxidation reaction by premixed combustion). Similar maps are stored in the ROM of the
この補正遅角量マップは、酸素密度の変化に対する反応開始時期の遅角量(酸素密度低下補正遅角量)の変化をWiebe関数によって簡易化したものである。 This correction retardation amount map is obtained by simplifying the change in the retardation amount of the reaction start timing (oxygen density decrease correction retardation amount) with respect to the change in oxygen density by the Wiebe function.
図8に示すものにあっては酸素密度がρ1〜ρ2まで変化する場合に、酸素密度がρ1である場合の遅角量をCA1とし、酸素密度がρ2である場合の遅角量を「0」とするようにWiebe関数の形状パラメータであるa項及びm項が設定されている。 In the case shown in FIG. 8, when the oxygen density changes from ρ1 to ρ2, the retardation amount when the oxygen density is ρ1 is CA1, and the retardation amount when the oxygen density is ρ2 is “0”. The terms a and m, which are the shape parameters of the Wiebe function, are set.
なお、図8に示す補正遅角量マップは、酸素密度の変化に対する酸素密度低下補正遅角量の変化をWiebe関数によって表したものであるが、これに限らず、酸素密度の変化に対する酸素密度低下補正遅角量の変化を一次関数で表した補正遅角量マップを利用するようにしてもよい。 The correction retardation amount map shown in FIG. 8 represents the change in the oxygen density decrease correction retardation amount with respect to the change in oxygen density by the Wiebe function, but is not limited thereto, and the oxygen density with respect to the change in oxygen density. You may make it utilize the correction | amendment retardation amount map which represented the change of the fall correction | amendment retardation amount by the linear function.
また、噴霧分布の影響(例えば燃料噴射圧力の変化に起因する噴霧分布の影響)による反応開始時期の遅角量を考慮する場合には、この噴霧分布の変化に対する反応開始時期の遅角量の変化を規定する補正遅角量マップを予め作成しておき、この補正遅角量マップに従って反応開始時期の遅角量を求めるようにする。 In addition, when considering the amount of retardation of the reaction start time due to the influence of the spray distribution (for example, the influence of the spray distribution resulting from the change in the fuel injection pressure), A corrected retardation amount map that prescribes the change is created in advance, and the retardation amount of the reaction start time is obtained according to this corrected retardation amount map.
(予混合燃焼による高温酸化反応の基準温度到達時期補正)
まず、上述したように、各反応の反応開始時期は温度によって管理することが可能である。つまり、筒内ガス温度により各反応の反応開始時期は独立的現象として管理可能であるが、予混合燃焼による高温酸化反応については、その前に発生する熱分解反応の進行度合の影響を受ける。このような点に着目し、本実施形態では、予混合燃焼による高温酸化反応の反応開始時期(基準温度到達時期)については熱分解反応の進行度合に応じて可変に設定することで、その反応開始時期を精度良く規定できるようにする。その処理の例について以下に説明する。
(Correcting the arrival time of the reference temperature for high temperature oxidation reaction by premixed combustion)
First, as described above, the reaction start timing of each reaction can be controlled by temperature. That is, the reaction start timing of each reaction can be managed as an independent phenomenon depending on the in-cylinder gas temperature, but the high-temperature oxidation reaction by premixed combustion is affected by the progress of the thermal decomposition reaction that occurs before that. Focusing on these points, in this embodiment, the reaction start time (reference temperature arrival time) of the high-temperature oxidation reaction by premixed combustion is variably set according to the degree of progress of the thermal decomposition reaction. Make it possible to accurately define the start time. An example of the processing will be described below.
[ST1]予混合燃焼による高温酸化反応の前に発生する熱分解反応の進行度合[%]を、燃料噴射開始時の筒内ガス温度に基づいて算出する。具体的には、上記した算出方法にて燃料噴射開始時の筒内ガス温度を算出し、その算出した燃料噴射開始時の筒内ガス温度に基づいて、図9のマップを参照して熱分解反応の進行度合[%]を求める。 [ST1] The progress degree [%] of the thermal decomposition reaction that occurs before the high-temperature oxidation reaction by premixed combustion is calculated based on the in-cylinder gas temperature at the start of fuel injection. Specifically, the in-cylinder gas temperature at the start of fuel injection is calculated by the above-described calculation method, and thermal decomposition is performed with reference to the map of FIG. 9 based on the calculated in-cylinder gas temperature at the start of fuel injection. Determine the degree of progress [%] of the reaction.
図9の進行度合マップは、筒内ガス温度が900K以上の温度領域で気筒内に燃料が噴射された場合、その燃料噴射開始時の筒内ガス温度が900K(基準反応開始温度)に対して高温側であるほど、熱分解反応の進行度合が小さくなるという点に着目して、燃料噴射開始時の筒内ガス温度をパラメータとして熱分解反応の進行度合[%]の変化をWiebe関数によって簡易化したものである。 The progress degree map of FIG. 9 shows that when the fuel is injected into the cylinder in the temperature region where the in-cylinder gas temperature is 900K or higher, the in-cylinder gas temperature at the start of the fuel injection is 900K (reference reaction start temperature). Focusing on the fact that the higher the temperature, the smaller the progress of the pyrolysis reaction, and the change in the progress of the pyrolysis reaction [%] is simplified by the Wiebe function using the in-cylinder gas temperature at the start of fuel injection as a parameter. It has become.
具体的には、図9に示す進行度合マップにあっては、燃料噴射開始時の筒内ガス温度が900K〜1000Kまで変化する場合に、燃料噴射開始時の筒内ガス温度が900Kである場合の進行度合を50%とし、筒内ガス温度が1000Kである場合の進行度合を「0」とするようにWiebe関数の形状パラメータであるa項及びm項が設定されている。この図9の進行度合マップはECU100のROMに記憶されている。
Specifically, in the progress degree map shown in FIG. 9, when the in-cylinder gas temperature at the start of fuel injection changes from 900K to 1000K, the in-cylinder gas temperature at the start of fuel injection is 900K. The a term and m term, which are the shape parameters of the Wiebe function, are set so that the degree of progress is 50% and the degree of progress when the in-cylinder gas temperature is 1000 K is “0”. The progress degree map of FIG. 9 is stored in the ROM of the
なお、図9に示す進行度合マップでは、予混合燃焼による高温酸化反応が900K(基準反応開始温度)で開始する場合の熱分解進行度合の基準値(代表値:KPYR)を50%としているが、これに限られることなく、その基準値については50%以外の値を適用してもよい。 In the progress degree map shown in FIG. 9, the reference value (typical value: KPYR) of the degree of thermal decomposition when the high-temperature oxidation reaction by premixed combustion starts at 900 K (reference reaction start temperature) is 50%. Without being limited thereto, a value other than 50% may be applied to the reference value.
また、このような熱分解反応の進行度合マップを用いない場合、以下の式(10)からも熱分解反応の進行度合を求めることができる。 Moreover, when not using the progress degree map of such a thermal decomposition reaction, the progress degree of a thermal decomposition reaction can be calculated | required also from the following formula | equation (10).
進行度合=KPYR×exp(a×Xm+1) ・・・(10)
ここで、X=(燃料噴射開始時の筒内ガス温度[K]−900[K])/100[K]≧0、KPYR=50[%]a=−8.06、m=2.54である。なお、このような式(10)を用いる場合も、代表値(基準値)であるKPYRについては50%以外の値を適用してもよい。
Degree of progression = KPYR × exp (a × X m + 1 ) (10)
Here, X = (in-cylinder gas temperature at the start of fuel injection [K] −900 [K]) / 100 [K] ≧ 0, KPYR = 50 [%] a = −8.06, m = 2.54 It is. In addition, also when using such Formula (10), you may apply values other than 50% about KPYR which is a representative value (reference value).
[ST2]上記[ST1]の処理で求めた熱分解反応の進行度合[%]を用いて図10のマップを参照して、熱分解進行度合変化補正遅角量[°CA]を算出する。その算出した熱分解進行度合変化補正遅角量[°CA]を用いて、下記の式(11)によって、基準温度到達時期を補正する。 [ST2] Using the degree of progress [%] of the thermal decomposition reaction obtained in the process of [ST1], the thermal decomposition progress degree change correction retardation amount [° CA] is calculated with reference to the map of FIG. Using the calculated pyrolysis progress degree change correction retardation amount [° CA], the reference temperature arrival time is corrected by the following equation (11).
補正後の基準温度到達時期=基準温度到達時期+熱分解進行度合変化補正遅角量 ・・(11)
そして、その算出した補正後の基準温度到達時期を用いて、上記式(9)によって、予混合燃焼による高温酸化反応の反応開始時期[°CA]を算出する[反応開始時期=(基準温度到達時期+熱分解進行度合変化補正遅角量)+酸素密度低下補正遅角量]。このようにして算出した予混合燃焼による高温酸化反応の反応開始時期[°CA]を、後述する理想熱発生率波形の作成処理に用いる。なお、燃料噴射開始時の筒内ガス温度が予混合燃焼による高温酸化反応の基準反応開始温度(900K)よりも低温側であり、熱分解反応の進行度合が50%以上である場合は、筒内ガス温度が900Kに到達する時期のクランク角度位置を、予混合燃焼による高温酸化反応の反応開始時期[°CA]とする。
Reference temperature arrival time after correction = reference temperature arrival time + thermal decomposition progress degree change correction retardation amount (11)
Then, using the calculated reference temperature arrival time after correction, the reaction start time [° CA] of the high temperature oxidation reaction by premixed combustion is calculated by the above equation (9) [reaction start time = (reference temperature reached). Timing + pyrolysis progress change correction retardation amount) + oxygen density decrease correction retardation amount]. The reaction start timing [° CA] of the high-temperature oxidation reaction by the premixed combustion calculated in this way is used for an ideal heat generation rate waveform creation process to be described later. When the in-cylinder gas temperature at the start of fuel injection is lower than the reference reaction start temperature (900K) of the high-temperature oxidation reaction by premixed combustion, and the degree of progress of the thermal decomposition reaction is 50% or more, The crank angle position at which the internal gas temperature reaches 900K is defined as the reaction start timing [° CA] of the high temperature oxidation reaction by premixed combustion.
なお、以上のようにして算出した予混合燃焼による高温酸化反応の反応開始時期[°CA]について、基準エンジン回転速度(例えば、1000rpm)を用いて補正しておいてもよい。具体的には、上記算出処理にて得られた予混合燃焼による高温酸化反応の反応開始時期[°CA]にエンジン回転速度比(基準エンジン回転速度/実エンジン回転速度NE)を乗算することにより、予混合燃焼による高温酸化反応の反応開始時期[°CA]の回転速度補正を行う。 Note that the reaction start timing [° CA] of the high-temperature oxidation reaction by premixed combustion calculated as described above may be corrected using a reference engine rotation speed (for example, 1000 rpm). Specifically, by multiplying the reaction start timing [° CA] of the high-temperature oxidation reaction by the premixed combustion obtained in the above calculation process by the engine speed ratio (reference engine speed / actual engine speed NE). Then, the rotational speed of the reaction start time [° CA] of the high temperature oxidation reaction by the premixed combustion is corrected.
ここで、図10に示す補正遅角量マップは、熱分解反応の進行度合が50%である場合を基準(代表値)とし、その基準進行度合よりも実際の熱分解反応の進行度合が小さいほど、予混合燃焼による高温酸化反応の反応開始温度に到達する基準温度到達時期が遅延する(予混合燃焼による高温酸化反応の反応開始時期が遅角側に変化する)という点に着目し、熱分解反応の進行度合[%]をパラメータとして熱分解進行度合変化補正遅角量[°CA]の変化をWiebe関数によって簡易化したものである。 Here, the corrected retardation amount map shown in FIG. 10 is based on the case where the degree of progress of the thermal decomposition reaction is 50% (representative value), and the actual degree of progress of the thermal decomposition reaction is smaller than the reference degree of progress. Focusing on the fact that the reference temperature arrival time to reach the reaction start temperature of the high temperature oxidation reaction by premix combustion is delayed (the reaction start time of the high temperature oxidation reaction by premix combustion changes to the retard side) The change in the thermal decomposition progress degree change correction retardation amount [° CA] is simplified by the Wiebe function using the progress degree [%] of the decomposition reaction as a parameter.
具体的には、図10に示す補正遅角量マップにあっては、熱分解反応の進行度合が50%〜0%まで変化する場合に、熱分解反応の進行度合が50%である場合の遅角量を「0」とし、熱分解反応の進行度合が0%である場合の遅角量をCA2とするようにWiebe関数の形状パラメータであるa項及びm項が設定されている。この図10の補正遅角量マップはECU100のROMに記憶されている。
Specifically, in the corrected retardation amount map shown in FIG. 10, when the degree of progress of the pyrolysis reaction changes from 50% to 0%, the degree of progress of the pyrolysis reaction is 50%. The terms a and m, which are the shape parameters of the Wiebe function, are set so that the amount of retardation is “0” and the amount of retardation when the degree of progress of the thermal decomposition reaction is 0% is CA2. The corrected retardation amount map of FIG. 10 is stored in the ROM of the
図10に示す補正遅角量マップにあっては、熱分解反応の進行度合[%]が小さいほど遅角量が大きな値になるように設定されている。つまり、この図10の補正遅角量マップから算出した遅角量を用いて補正を行うことによって得られる、予混合燃焼による高温酸化反応の反応開始時期は、熱分解反応の進行度合が小さいほど遅角側の値となる。 In the corrected retard amount map shown in FIG. 10, the retard amount is set to a larger value as the progress degree [%] of the thermal decomposition reaction is smaller. That is, the reaction start timing of the high-temperature oxidation reaction by premixed combustion obtained by performing correction using the retardation amount calculated from the corrected retardation amount map of FIG. 10 is smaller as the progress degree of the thermal decomposition reaction is smaller. The value is on the retard side.
なお、図10に示す補正遅角量マップは、熱分解反応の進行度合の変化に対する熱分解進行度合変化補正遅角量の変化をWiebe関数によって表したものであるが、これに限らず、熱分解反応の進行度合の変化に対する補正遅角量の変化を一次関数で表した補正遅角量マップを利用するようにしてもよい。また、図10に示すような補正遅角量マップは実験やシミュレーション等によって作成しておいてもよい。 The correction retardation amount map shown in FIG. 10 represents the change in the thermal decomposition progress degree change correction retardation amount with respect to the change in the progress degree of the thermal decomposition reaction by the Wiebe function. You may make it utilize the correction | amendment retardation amount map which represented the change of the correction | amendment retardation amount with respect to the change of the progress degree of decomposition reaction by the linear function. Further, a correction retardation amount map as shown in FIG. 10 may be created by experiments, simulations, or the like.
以上のように、本実施形態によれば、予混合燃焼による高温酸化反応の基準反応開始温度(900K)以上の温度領域で気筒内に燃料が噴射された場合(900Kまでに燃料が噴射されていない場合)、予混合燃焼による高温酸化反応の前に発生する熱分解反応の進行度合に応じて当該進行度合が小さいほど反応開始時期を遅角側に設定しているので、予混合燃焼による高温酸化反応の反応開始時期を正確に求めることができる。これにより、後述する理想熱発生率波形を高い精度で作成することができる。 As described above, according to the present embodiment, when the fuel is injected into the cylinder in the temperature range equal to or higher than the reference reaction start temperature (900K) of the high temperature oxidation reaction by the premixed combustion (the fuel has been injected by 900K). If not, the reaction start time is set to the retarded side as the progress degree of the thermal decomposition reaction that occurs before the high temperature oxidation reaction by the premix combustion is smaller. The reaction start time of the oxidation reaction can be accurately determined. Thereby, the ideal heat release rate waveform mentioned later can be created with high accuracy.
なお、この補正処理の例では、熱分解反応の進行度合に基づいて基準温度到達時期を補正しているが、これに限られることなく、上記式(9)によって算出した予混合燃焼による高温酸化反応の反応開始時期を補正するようにしてもよい。具体的には、式(9)によって算出した予混合燃焼による高温酸化反応の反応開始時期(酸素密度補正後の反応開始時期)を、熱分解反応の進行度合に基づいて算出した熱分解進行度合変化補正遅角量を用いて補正(酸素密度補正後の反応開始時期+熱分解進行度合変化補正遅角量)するようにしてもよい。 In this correction processing example, the reference temperature arrival time is corrected based on the degree of progress of the thermal decomposition reaction. However, the present invention is not limited to this, and high-temperature oxidation by premixed combustion calculated by the above equation (9) is not limited thereto. You may make it correct | amend the reaction start time of reaction. Specifically, the pyrolysis progress degree calculated based on the progress degree of the pyrolysis reaction is calculated based on the start stage of the high temperature oxidation reaction by the premixed combustion calculated by the equation (9) (the reaction start time after the oxygen density correction). Correction may be performed using the change correction retardation amount (reaction start time after oxygen density correction + pyrolysis progress degree change correction retardation amount).
また、以上の補正処理では、熱分解反応の進行度合から補正遅角量を求めて予混合燃焼による高温酸化反応の反応開始時期を設定しているが、これに限られることなく、熱分解反応の進行度合に基づいて予混合燃焼による高温酸化反応の反応開始時期を直接算出するマップ(計算式)等を実験やシミュレーション等によって作成しておき、そのマップ等を用いて熱分解反応の進行度合に応じて、その進行度合が小さいほど予混合燃焼による高温酸化反応の反応開始時期を遅角側に設定するようにしてもよい。 In the above correction processing, the correction delay amount is obtained from the degree of progress of the thermal decomposition reaction, and the reaction start time of the high temperature oxidation reaction by the premixed combustion is set. However, the present invention is not limited to this. A map (calculation formula) that directly calculates the reaction start timing of the high-temperature oxidation reaction by premixed combustion based on the degree of progress of pre-combustion is created by experiments and simulations, etc., and the degree of progress of the pyrolysis reaction using that map etc. Accordingly, the reaction start timing of the high-temperature oxidation reaction by premixed combustion may be set to the retard side as the progress degree is smaller.
(b)反応速度(勾配)
反応速度は、前記基準反応速度効率に基づいて設定され、理想熱発生率波形モデルを二等辺三角形に近似させた場合、熱発生率が上昇する期間での上昇勾配と、熱発生率が下降する期間での下降勾配とでは、それらの絶対値は一致している。
(B) Reaction rate (gradient)
The reaction rate is set based on the reference reaction rate efficiency. When the ideal heat generation rate waveform model is approximated to an isosceles triangle, the rising rate during the period in which the heat generation rate increases and the heat generation rate decrease. Their absolute values are consistent with the descending slope of the period.
なお、前記熱発生率が上昇する期間での反応速度に対して、熱発生率が下降する期間での反応速度が低い場合(理想熱発生率波形モデルが不等辺三角形である場合)には、前記上昇勾配に所定値α(<1)を乗算することで下降勾配が求められることになる。 In addition, when the reaction rate in the period in which the heat generation rate decreases is lower than the reaction rate in the period in which the heat generation rate increases (when the ideal heat generation rate waveform model is an inequilateral triangle), The descending gradient is obtained by multiplying the ascending gradient by a predetermined value α (<1).
前記拡散燃焼による高温酸化反応での理想熱発生率波形モデルにあっては、反応速度は噴射率波形勾配に比例し、燃料噴射圧(コモンレール内圧)が一定であれば反応速度も一定である。また、他の反応(例えば予混合燃焼による高温酸化反応)での理想熱発生率波形モデルにあっては、反応速度は燃料噴射量に比例することになる。 In the ideal heat release rate waveform model in the high temperature oxidation reaction by diffusion combustion, the reaction rate is proportional to the injection rate waveform gradient, and the reaction rate is constant if the fuel injection pressure (common rail internal pressure) is constant. In the ideal heat release rate waveform model in other reactions (for example, high temperature oxidation reaction by premixed combustion), the reaction speed is proportional to the fuel injection amount.
なお、反応速度については、上記した酸素密度や燃料密度を用いて補正しておいてもよい。 The reaction rate may be corrected using the oxygen density or fuel density described above.
(c)発生熱量(面積)
各反応における熱効率[J/mm3]は燃焼期間を適正化すれば定数(例えば高温酸化反応の場合は30J/mm3)と見なすことができる。このため、発生熱量としては、この熱効率に燃料噴射量(前記有効噴射量)を乗算したものとなる。
(C) Generated heat (area)
The thermal efficiency [J / mm 3 ] in each reaction can be regarded as a constant (for example, 30 J / mm 3 in the case of a high temperature oxidation reaction) if the combustion period is optimized. For this reason, the generated heat amount is obtained by multiplying the thermal efficiency by the fuel injection amount (the effective injection amount).
ただし、前記低温酸化反応については高温酸化反応との和で完結し、拡散燃焼による高温酸化反応では単独で完結することになる。 However, the low-temperature oxidation reaction is completed together with the high-temperature oxidation reaction, and the high-temperature oxidation reaction by diffusion combustion is completed alone.
このようにして求められた発生熱量が理想熱発生率波形モデルである三角形の面積に相当することになる。なお、発生熱量については酸素密度を用いて補正しておいてもよい。 The amount of heat generated in this way corresponds to the area of a triangle that is an ideal heat generation rate waveform model. The amount of generated heat may be corrected using the oxygen density.
(d)燃焼期間(底辺)
以上の三角形の勾配(反応速度)及び三角形の面積(発生熱量)から三角形の底辺の長さに相当する燃焼期間が求められる。
(D) Combustion period (base)
The combustion period corresponding to the length of the base of the triangle is obtained from the gradient of the triangle (reaction rate) and the area of the triangle (heat generation amount).
図11に示すように、三角形の面積(発生熱量に相当)をS、底辺の長さ(燃焼期間に相当)をL、高さ(熱発生率ピーク時点での熱発生率に相当)をH、燃焼開始時点から熱発生率ピーク時点までの期間をA、熱発生率ピーク時点から燃焼終了時点までの期間をB(理想熱発生率波形モデルが二等辺三角形の場合にはB=A)、上昇勾配(熱発生率が上昇する期間での反応速度に相当)をG、この上昇勾配に対する下降勾配(熱発生率が下降する期間での反応速度に相当)の比をα(≦1)とした場合、以下の関係が成り立つ。なお、図11(a)は理想熱発生率波形モデルが二等辺三角形の場合を、図11(b)は理想熱発生率波形モデルが不等辺三角形の場合をそれぞれ示している。 As shown in FIG. 11, the triangular area (corresponding to the amount of generated heat) is S, the base length (corresponding to the combustion period) is L, and the height (corresponding to the heat generation rate at the peak of the heat generation rate) is H. , A is the period from the start of combustion to the peak of the heat generation rate, and B is the period from the peak of the heat generation rate to the end of combustion (B = A when the ideal heat generation rate waveform model is an isosceles triangle), G is the ascending gradient (corresponding to the reaction rate during the period when the heat generation rate increases), and α (≦ 1) is the ratio of the descending gradient (corresponding to the reaction rate during the period when the heat generation rate decreases) to this ascending gradient. In this case, the following relationship holds. FIG. 11A shows a case where the ideal heat generation rate waveform model is an isosceles triangle, and FIG. 11B shows a case where the ideal heat generation rate waveform model is an unequal triangle.
H=A×G=B×α×G
これより、B=A/αとなる。
H = A × G = B × α × G
From this, B = A / α.
S=A2×G/2+A×G×B/2=(1+1/α)×A2×G/2
よって、A=SQRT[2S/{(1+1/α)G}]となる。
S = A 2 × G / 2 + A × G × B / 2 = (1 + 1 / α) × A 2 × G / 2
Therefore, A = SQRT [2S / {(1 + 1 / α) G}].
従って、底辺の長さLは、
L=A+B=A(1+1/α)
=(1+1/α)×SQRT[2S/{(1+1/α)G}]
理想熱発生率波形モデルが二等辺三角形の場合にはα=1であり、
L=2×SQRT(S/G)=2×SQRT(30×Fq/G)となる。
Therefore, the base length L is
L = A + B = A (1 + 1 / α)
= (1 + 1 / α) × SQRT [2S / {(1 + 1 / α) G}]
When the ideal heat release rate waveform model is an isosceles triangle, α = 1.
L = 2 × SQRT (S / G) = 2 × SQRT (30 × Fq / G).
(Fqは燃料噴射量(有効噴射量)であり、上述した如く燃料1mm3当たりの発生熱量を30Jとした場合には「30×Fq」が三角形の面積Sとなる)
このようにして、噴射量(噴射量指令値:発生熱量に相関のある値)と勾配(反応速度)が与えられれば燃焼期間が確定されることになる。
(Fq is the fuel injection amount (effective injection amount). As described above, when the heat generation amount per 1 mm 3 of fuel is 30 J, “30 × Fq” is the triangular area S)
In this way, the combustion period is determined when the injection amount (injection amount command value: a value correlated with the generated heat amount) and the gradient (reaction rate) are given.
以下、理想熱発生率波形モデルを三角形(特に二等辺三角形)に近似できる理由について説明する。図12(a)は、インジェクタ23から燃料噴射が行われた場合における経過時間と1つの反応形態における気筒内への燃料供給量(その反応形態で使用される燃料の量)との関係を示している。また、この図12(a)では、その燃料供給量が得られる燃料噴射期間を10個の期間に区分している。つまり、その燃料噴射期間を、互いに燃料供給量が等しい10個の期間に区分しており、それぞれに第1期間から第10期間の期間番号を付している。つまり、第1期間での燃料噴射が終了した後、燃料噴射が途切れることなく第2期間での燃料噴射が開始され、第2期間での燃料噴射が終了した後、燃料噴射が途切れることなく第3期間での燃料噴射が開始されるといった噴射形態で第10期間の終了時点まで燃料噴射が継続されることになる。
Hereinafter, the reason why the ideal heat generation rate waveform model can be approximated to a triangle (especially an isosceles triangle) will be described. FIG. 12A shows the relationship between the elapsed time when fuel is injected from the
また、図12(b)は前記各期間で噴射された燃料の反応量(この図12(b)に示すものは発熱反応における発熱量)を示している。この図12(b)に示すように、第1期間での燃料噴射が開始され、第2期間での燃料噴射が開始されるまでの間(図12(b)における期間t1)は、第1期間で噴射された燃料の反応のみが行われている。そして、第2期間での燃料噴射が開始され、第3期間での燃料噴射が開始されるまでの間(図12(b)における期間t2)は、第1期間で噴射された燃料の反応及び第2期間で噴射された燃料の反応がともに行われている。このようにして、新たな噴射期間を迎える度に、燃料の総反応量としては次第に増加していく(新たに噴射が開始された期間の燃料分だけ総反応量が増加していく)。この増加期間が、前記理想熱発生率波形モデルの正側の勾配の期間(反応のピーク位置よりも進角側の期間)に相当する。 FIG. 12B shows the reaction amount of the fuel injected in each period (the one shown in FIG. 12B is the exothermic amount in the exothermic reaction). As shown in FIG. 12B, fuel injection in the first period is started and fuel injection in the second period is started (period t1 in FIG. 12B). Only the reaction of the fuel injected in the period takes place. Then, during the period from the start of fuel injection in the second period to the start of fuel injection in the third period (period t2 in FIG. 12B), the reaction of the fuel injected in the first period and The reaction of the fuel injected in the second period is performed together. In this way, every time a new injection period is reached, the total reaction amount of fuel gradually increases (the total reaction amount increases by the amount of fuel in the period during which new injection is started). This increase period corresponds to the positive gradient period (advanced period relative to the peak position of the reaction) of the ideal heat release rate waveform model.
その後、第1期間で噴射された燃料の反応が終了する。この時点(図12(b)におけるタイミングT1)では、第2期間以降で噴射された燃料の反応は終了しておらず、第2期間から第10期間で噴射された燃料の反応が継続している。そして、第2期間で噴射された燃料の反応が終了すると(図12(b)におけるタイミングT2)、第3期間以降で噴射された燃料の反応は終了していないため、第3期間から第10期間で噴射された燃料の反応が継続することになる。このようにして、各期間で噴射された燃料の反応が順次終了していくことにより、燃料の総反応量としては次第に減少していく(反応が終了した燃料分だけ総反応量が減少していく)。この減少期間(図12(b)において反応量を破線で示している期間)が、前記理想熱発生率波形モデルの負側の勾配の期間(反応のピーク位置よりも遅角側の期間)に相当する。 Thereafter, the reaction of the fuel injected in the first period ends. At this time (timing T1 in FIG. 12B), the reaction of the fuel injected in the second period and thereafter is not completed, and the reaction of the fuel injected in the second period to the tenth period continues. Yes. When the reaction of the fuel injected in the second period is completed (timing T2 in FIG. 12B), the reaction of the fuel injected in the third period and thereafter is not completed. The reaction of the fuel injected in the period will continue. In this way, the reaction of the fuel injected in each period ends in sequence, so that the total reaction amount of the fuel gradually decreases (the total reaction amount decreases by the amount of fuel for which the reaction has ended). Go). This decrease period (a period in which the reaction amount is indicated by a broken line in FIG. 12B) is a period of a negative gradient of the ideal heat release rate waveform model (a period on the retard side from the peak position of the reaction). Equivalent to.
以上のような形態で燃料の反応が行われるため、理想熱発生率波形モデルは三角形(二等辺三角形)として近似できることになる。 Since the fuel reaction is performed in the above-described manner, the ideal heat generation rate waveform model can be approximated as a triangle (isosceles triangle).
以上が、燃料の各反応形態に対する理想熱発生率波形モデルの作成手順である。 The above is the procedure for creating the ideal heat release rate waveform model for each reaction mode of fuel.
(1−D)理想熱発生率波形モデルのフィルタリングによる理想熱発生率波形の作成
以上のようにして理想熱発生率波形モデルを作成した後、この理想熱発生率波形モデルを周知のフィルタ処理(例えばWiebeフィルタによる処理)によって円滑化することにより、理想熱発生率波形を作成する。以下、具体的に説明する。
(1-D) Creation of ideal heat release rate waveform by filtering of ideal heat release rate waveform model After creating an ideal heat release rate waveform model as described above, this ideal heat release rate waveform model is subjected to well-known filter processing ( For example, an ideal heat generation rate waveform is created by performing smoothing by processing using a Wiebe filter. This will be specifically described below.
図13は、1回の燃料噴射が行われた場合の理想熱発生率波形モデル(各反応に対応した二等辺三角形)を示している。この図13では、本発明の理解を容易にするために、1回の燃料噴射によって気化反応、低温酸化反応、熱分解反応、各高温酸化反応が順次行われた場合の理想熱発生率波形モデル(各反応に対応した二等辺三角形)を示している。具体的に、図中のIは気化反応の理想熱発生率波形モデル、IIは低温酸化反応の理想熱発生率波形モデル、IIIは熱分解反応(吸熱となる熱分解反応)の理想熱発生率波形モデル、IVは予混合燃焼による高温酸化反応の理想熱発生率波形モデルである。Vは拡散燃焼による高温酸化反応の理想熱発生率波形モデルである。 FIG. 13 shows an ideal heat generation rate waveform model (an isosceles triangle corresponding to each reaction) when one fuel injection is performed. In FIG. 13, in order to facilitate understanding of the present invention, an ideal heat generation rate waveform model when a vaporization reaction, a low temperature oxidation reaction, a thermal decomposition reaction, and each high temperature oxidation reaction are sequentially performed by one fuel injection. (Isosceles triangles corresponding to each reaction) are shown. Specifically, I in the figure is an ideal heat release rate waveform model of a vaporization reaction, II is an ideal heat release rate waveform model of a low-temperature oxidation reaction, and III is an ideal heat release rate of a thermal decomposition reaction (a thermal decomposition reaction that is endothermic). A waveform model IV is an ideal heat release rate waveform model of a high temperature oxidation reaction by premixed combustion. V is an ideal heat release rate waveform model of the high temperature oxidation reaction by diffusion combustion.
また、図14は、この理想熱発生率波形モデルをフィルタ処理によって円滑化したことで得られた理想熱発生率波形を示している。このように、各反応(気化反応、低温酸化反応、熱分解反応、各高温酸化反応)それぞれに応じた理想熱発生率波形モデル(二等辺三角形)がフィルタ処理によって円滑化されて理想熱発生率波形が作成されることになる。 FIG. 14 shows an ideal heat generation rate waveform obtained by smoothing the ideal heat generation rate waveform model by filtering. In this way, the ideal heat release rate waveform model (isosceles triangle) corresponding to each reaction (vaporization reaction, low temperature oxidation reaction, thermal decomposition reaction, each high temperature oxidation reaction) is smoothed by the filter processing, and the ideal heat release rate A waveform will be created.
なお、実際のエンジン1では、メイン噴射以外にパイロット噴射やアフタ噴射等が行われる。このため、これらパイロット噴射やアフタ噴射に対しても、前述の場合と同様に気筒内における理想熱発生率波形モデルを作成し、これをフィルタ処理によって円滑化することにより理想熱発生率波形が作成される。
In the
そして、前記メイン噴射における筒内全体を対象とした理想熱発生率波形と、これら理想熱発生率波形(パイロット噴射やアフタ噴射を対象とする理想熱発生率波形)とを合成することによって1サイクルを対象とした理想熱発生率波形が作成されることになる。 Then, an ideal heat generation rate waveform for the entire cylinder in the main injection and these ideal heat generation rate waveforms (ideal heat generation rate waveforms for pilot injection and after injection) are combined for one cycle. An ideal heat generation rate waveform for the target is created.
また、メイン噴射を複数回に分割して実行(分割メイン噴射)した場合にあっても、各メイン噴射それぞれにおける理想熱発生率波形同士を合成することによって1サイクルを対象とした理想熱発生率波形が作成されることになる。 Even when the main injection is divided into a plurality of times and executed (divided main injection), the ideal heat generation rate for one cycle is obtained by synthesizing the ideal heat generation rate waveforms in each main injection. A waveform will be created.
このように複数回の噴射が実行される場合に、それぞれの理想熱発生率波形を合成するに当たっては、前段(進角側)で燃料が噴射されるタイミングでの筒内ガス温度と、その後に(遅角側で)燃料が噴射されるタイミングでの筒内ガス温度とが互いに異なっていることを考慮する必要がある。 When multiple injections are performed in this way, in order to synthesize each ideal heat generation rate waveform, in-cylinder gas temperature at the timing of fuel injection at the preceding stage (advance side), and thereafter It is necessary to consider that the in-cylinder gas temperature at the timing of fuel injection (on the retard side) is different from each other.
具体的には、エンジンの定常運転状態において、進角側で燃料が噴射されるタイミングにおいて前記予熱等が行われていない場合には、外部から吸入される新気、気筒内の残留ガス及びEGRガス等のガスがピストン13の移動に伴って温度上昇したことによる圧縮ガス温度を基点として反応が開始される。なお、エンジンの始動時やフューエルカットからの燃料噴射復帰時等にあっては、外部から吸入される新気がピストン13の移動に伴って温度上昇したことによる圧縮ガス温度を基点として反応が開始されることになる。
Specifically, in the steady operation state of the engine, when the preheating or the like is not performed at the timing of fuel injection on the advance side, fresh air sucked from the outside, residual gas in the cylinder, and EGR The reaction is started based on the compressed gas temperature resulting from the temperature rise of the gas such as gas as the
一方、その遅角側で燃料が噴射される場合には、前記圧縮ガス温度に対して、既燃ガス(進角側で噴射された燃料の燃焼ガス)の温度等が加算されて温度上昇した温度場に対して燃料が噴射されることになるため、既燃ガスによる温度上昇がない場合に比べて反応開始時期が進角側に移行することになる。このことを考慮し、進角側で噴射された燃料の反応による理想熱発生率波形、及び、遅角側で噴射された燃料の反応による理想熱発生率波形それぞれを前述した温度変化を考慮して求める。つまり、各噴射における各反応の開始時点等を温度管理によって規定する。これにより、各噴射における各反応の開始時点を適切に求めることが可能になる。その結果、反応の開始順序や反応同士が並行される期間等を適正に規定することが可能になり、各噴射に応じて作成された理想熱発生率波形を合成することによる理想熱発生率波形を高い精度で作成することが可能になる。 On the other hand, when the fuel is injected at the retarded angle side, the temperature rises by adding the temperature of burned gas (combustion gas of fuel injected at the advanced angle side) to the compressed gas temperature. Since the fuel is injected with respect to the temperature field, the reaction start timing shifts to the advance side as compared with the case where there is no temperature increase due to the burned gas. Considering this, the ideal heat generation rate waveform due to the reaction of fuel injected on the advance side and the ideal heat generation rate waveform due to the reaction of fuel injected on the retard side are considered the temperature changes described above. Ask. That is, the start time of each reaction in each injection is defined by temperature management. Thereby, it is possible to appropriately obtain the start time of each reaction in each injection. As a result, it is possible to properly define the reaction start order, the period in which the reactions are paralleled, etc., and the ideal heat generation rate waveform by synthesizing the ideal heat generation rate waveform created for each injection Can be created with high accuracy.
(2)実熱発生率波形の作成
前記理想熱発生率波形と比較される実熱発生率波形は、前記筒内圧センサ4Aによって検出される筒内圧力の変化に応じて作成される。つまり、気筒内での熱発生率と筒内圧力との間には相関がある(熱発生率が高いほど筒内圧力は高くなる)ので、この筒内圧センサ4Aによって検出される筒内圧力から実熱発生率波形を作成することができる。この検出した筒内圧力から実熱発生率波形を作成する処理については公知であるため、ここでの説明は省略する。
(2) Creation of actual heat generation rate waveform The actual heat generation rate waveform to be compared with the ideal heat generation rate waveform is generated according to a change in the in-cylinder pressure detected by the in-
(3)理想熱発生率波形と実熱発生率波形との比較による燃焼状態の診断
燃焼状態の診断(反応形態の診断)としては、前記理想熱発生率波形に対する実熱発生率波形の乖離の大きさに基づいて行われる。例えば、その乖離が予め設定された閾値(本発明でいう異常判定乖離量)以上となっている反応形態が存在している場合には、その反応形態に異常が生じていると診断することになる。例えば熱発生率の偏差が10[J/°CA]以上となっている反応形態が存在する場合や、理想熱発生率波形に対する実熱発生率波形のクランク角度側への偏差(進角側または遅角側の偏差)が3°CA以上となっている反応形態が存在する場合には、その反応形態に異常が生じていると診断する。これら値はこれに限定されるものではなく、実験やシミュレーションによって適宜設定される。
(3) Diagnosis of combustion state by comparing ideal heat generation rate waveform and actual heat generation rate waveform As a diagnosis of combustion state (diagnosis of reaction mode), the deviation of the actual heat generation rate waveform from the ideal heat generation rate waveform Done based on size. For example, when there is a reaction form in which the divergence is equal to or greater than a preset threshold value (abnormality judgment divergence amount in the present invention), it is diagnosed that the reaction form is abnormal. Become. For example, when there is a reaction form in which the deviation of the heat generation rate is 10 [J / ° CA] or more, or the deviation of the actual heat generation rate waveform to the crank angle side (advance side or When there is a reaction form in which the delay angle deviation is 3 ° CA or more, it is diagnosed that the reaction form is abnormal. These values are not limited to this, and are set as appropriate through experiments and simulations.
例えば、図14に示した理想熱発生率波形が作成された場合を例に挙げて説明すると、図15に破線で示す実熱発生率波形のように、実線で示した理想熱発生率波形(図14で示した波形)に対して各高温酸化反応(予混合燃焼による高温酸化反応及び拡散燃焼による高温酸化反応)における実熱発生率波形が遅角側にずれており、その偏差が閾値を超えている場合には、各高温酸化反応に異常が生じている、つまり、各高温酸化反応の反応開始時期に異常が生じていると診断することになる。 For example, the case where the ideal heat generation rate waveform shown in FIG. 14 is created will be described as an example. Like the actual heat generation rate waveform shown by a broken line in FIG. The actual heat generation rate waveform in each high-temperature oxidation reaction (high-temperature oxidation reaction by premixed combustion and high-temperature oxidation reaction by diffusion combustion) is shifted to the retard side with respect to the waveform shown in FIG. If it exceeds, it is diagnosed that an abnormality has occurred in each high-temperature oxidation reaction, that is, an abnormality has occurred in the reaction start timing of each high-temperature oxidation reaction.
また、図15に一点鎖線で示す実熱発生率波形のように、実線で示した理想熱発生率波形に対して各高温酸化反応における熱発生率波形のピーク値が高く、その偏差が閾値を超えている場合には、各高温酸化反応に異常が生じている、つまり、各高温酸化反応での反応量に異常が生じていると診断することになる。また、このような診断は、高温酸化反応に限らず、前記気化反応、低温酸化反応、熱分解反応それぞれに対しても同様に行われる。 In addition, as shown in the actual heat generation rate waveform indicated by the alternate long and short dash line in FIG. 15, the peak value of the heat generation rate waveform in each high-temperature oxidation reaction is higher than the ideal heat generation rate waveform indicated by the solid line, and the deviation exceeds the threshold value. If it exceeds, it is diagnosed that an abnormality has occurred in each high-temperature oxidation reaction, that is, an abnormality has occurred in the reaction amount in each high-temperature oxidation reaction. Such diagnosis is not limited to the high temperature oxidation reaction, but is similarly performed for the vaporization reaction, the low temperature oxidation reaction, and the thermal decomposition reaction.
なお、前記反応形態に異常が生じているか否かを診断するためのパラメータとしては、上述した反応時期の偏差(着火遅れ等)や、熱発生率波形のピーク値の偏差に限らず、反応速度の偏差、反応期間の偏差、ピーク位相等も挙げられる。 The parameters for diagnosing whether or not an abnormality has occurred in the reaction form are not limited to the above-described reaction time deviation (ignition delay, etc.) or the peak value deviation of the heat release rate waveform, but the reaction rate. Deviation, reaction period deviation, peak phase, and the like.
(4)診断結果に応じたエンジン1の制御パラメータの補正
前記理想熱発生率波形と実熱発生率波形との比較による燃焼状態の診断において、上述した如く理想熱発生率波形に対する実熱発生率波形の乖離が予め設定された閾値を超える反応形態が存在する場合、その反応形態に異常が生じていると診断され、この乖離を小さくするようにエンジン1の制御パラメータが補正されることになる。
(4) Correction of control parameter of
例えば、実熱発生率波形が、図15に破線で示したものである場合には、燃料の着火遅れが生じており、酸素不足であると判断して、前記インタークーラ61による吸気の冷却能力を高めるようにしたり、EGRバルブ81の開度を小さくしてEGRガス量を減量したり、吸気の過給率を上昇させたりすることで酸素不足を解消する。
For example, when the actual heat generation rate waveform is shown by a broken line in FIG. 15, it is determined that fuel ignition delay has occurred and oxygen is insufficient, and the intake air cooling capacity by the
また、実熱発生率波形が、図15に一点鎖線で示したものである場合には、燃料の反応量が大きすぎると判断して、燃料噴射量の減量補正や、EGRガスの増量補正等を行う。 Further, when the actual heat generation rate waveform is shown by a one-dot chain line in FIG. 15, it is determined that the reaction amount of the fuel is too large, and the fuel injection amount reduction correction, the EGR gas increase correction, etc. I do.
その他の補正動作として、実熱発生率波形における反応開始時期が理想熱発生率波形に対して遅角側に位置している場合には、吸気の過給率を上昇させたり、気筒内に対するパイロット噴射による予熱量を増量させる等の補正を行うことも挙げられる。 As other corrective action, when the reaction start time in the actual heat generation rate waveform is on the retard side with respect to the ideal heat generation rate waveform, the intake supercharging rate is increased or the pilot in the cylinder is piloted. It is also possible to make corrections such as increasing the amount of preheating by injection.
また、実熱発生率波形を理想熱発生率波形に近付けるための制御パラメータとしては、上述したもの以外に、燃料噴射時期、気筒内のガス組成、吸入空気量(ガス量)、各種の学習値(燃料噴射量や燃料噴射時期の学習値など)であってもよい。例えば、気筒内の酸素密度に過不足が生じている場合、学習値としては、EGRガスの補正や吸気の過給率の補正を行うように学習する。また、気筒内の燃料密度に過不足が生じている場合、学習値としては、燃料噴射時期や、燃料噴射圧力や、燃料噴射量の補正を行うように学習する。 Control parameters for bringing the actual heat generation rate waveform closer to the ideal heat generation rate waveform are not limited to those described above, but include fuel injection timing, gas composition in the cylinder, intake air amount (gas amount), and various learning values. (A learned value of the fuel injection amount or fuel injection timing) may be used. For example, when the oxygen density in the cylinder is excessive or insufficient, learning is performed so as to correct the EGR gas or the intake supercharging rate as the learning value. Further, when the fuel density in the cylinder is excessive or insufficient, learning is performed such that the fuel injection timing, the fuel injection pressure, and the fuel injection amount are corrected as the learning value.
このような制御パラメータの補正は、この制御パラメータの補正によって実熱発生率波形を理想熱発生率波形に略一致させることが可能な場合に実行される。具体的には、理想熱発生率波形に対する実熱発生率波形の乖離量が所定の補正可能乖離量以下である場合に実行される。この補正可能乖離量としては、実験またはシミュレーションによって予め設定されている。そして、理想熱発生率波形に対する実熱発生率波形の乖離量が前記補正可能乖離量を超えている場合には、制御パラメータの補正量が所定のガード値を超えることになるので、これによってエンジン1を構成している機器の一部に故障が生じていると診断する。具体的には、筒内ガス温度、酸素密度、燃料密度それぞれの下限値を予め設定しておき、これら筒内ガス温度、酸素密度、燃料密度のいずれかがその下限値を下回っている場合には、エンジン1の制御パラメータの補正量が所定のガード値を超えるとして、エンジン1に故障が生じていると診断することになる。
Such correction of the control parameter is executed when the actual heat generation rate waveform can be substantially matched with the ideal heat generation rate waveform by the correction of the control parameter. Specifically, it is executed when the deviation amount of the actual heat generation rate waveform with respect to the ideal heat generation rate waveform is equal to or less than a predetermined correctable deviation amount. This correctable deviation amount is set in advance by experiment or simulation. When the deviation amount of the actual heat generation rate waveform with respect to the ideal heat generation rate waveform exceeds the correctable deviation amount, the correction amount of the control parameter exceeds the predetermined guard value. Diagnose that a failure has occurred in a part of the devices constituting the
この場合、前記制御パラメータの補正を行うことなく、例えば、車室内のメータパネル上のMIL(警告灯)を点灯させて運転者に警告を促すとともに、前記ECU100に備えられたダイアグノーシスに異常情報が書き込まれることになる。
In this case, without correcting the control parameter, for example, the MIL (warning lamp) on the meter panel in the passenger compartment is turned on to urge the driver to give a warning, and abnormality information is provided to the diagnosis provided in the
以上説明したように、本実施形態によれば、予混合燃焼による高温酸化反応の理想熱発生率波形を作成するに際し、当該予混合燃焼による高温酸化反応の前に発生する熱分解反応の進行度合に応じて反応開始時期を設定しているので、予混合燃焼による高温酸化反応の反応開始時期を正確に規定することができる。これによって予混合燃焼による高温酸化反応の理想熱発生率波形を高い精度で作成することができる。 As described above, according to the present embodiment, when the ideal heat generation rate waveform of the high temperature oxidation reaction by the premixed combustion is created, the progress degree of the thermal decomposition reaction that occurs before the high temperature oxidation reaction by the premixed combustion is performed. Since the reaction start time is set according to the above, the reaction start time of the high temperature oxidation reaction by the premixed combustion can be accurately defined. As a result, an ideal heat generation rate waveform of a high-temperature oxidation reaction by premixed combustion can be created with high accuracy.
そして、本実施形態では、このような予混合燃焼による高温酸化反応の理想熱発生率波形、及び、気化反応、低温酸化反応、熱分解反応、拡散燃焼による高温酸化反応それぞれの理想熱発生率波形を合成して気筒内全体を対象とする理想熱発生率波形を作成し、この理想熱発生率波形を利用して燃焼状態の診断を行っている。このため、燃料の複数の反応形態それぞれに対し、実熱発生率波形が理想熱発生率波形から所定量以上乖離している場合には、その反応形態に異常が生じていると診断することができる。つまり、各反応形態を個別に扱い、それぞれについて異常の有無を診断することができる。このため、異常が生じている反応形態の特定を高い精度で行うことができ、診断精度の向上を図ることができる。 And in this embodiment, the ideal heat generation rate waveform of the high temperature oxidation reaction by such premixed combustion, and the ideal heat generation rate waveform of each of the high temperature oxidation reaction by vaporization reaction, low temperature oxidation reaction, thermal decomposition reaction, and diffusion combustion Is used to create an ideal heat release rate waveform for the entire cylinder, and the combustion state is diagnosed using this ideal heat release rate waveform. For this reason, when the actual heat generation rate waveform deviates from the ideal heat generation rate waveform by a predetermined amount or more for each of the plurality of fuel reaction forms, it is possible to diagnose that the reaction form is abnormal. it can. That is, each reaction form can be handled individually and the presence or absence of abnormality can be diagnosed for each. For this reason, it is possible to specify the reaction form in which an abnormality has occurred with high accuracy, and to improve the diagnostic accuracy.
そして、異常であると診断された反応形態に対して改善策(制御パラメータの補正)を講じることで(乖離が所定の補正可能乖離量以下である場合)、その反応形態の反応状態を適正化するための最適な制御パラメータを補正することが可能になり、効果的な補正動作が行える。これにより、燃料の各反応全体を理想的な反応に近付ける(各反応の実熱発生率波形を理想熱発生率波形に近付ける)ことが可能になって、エンジン1の制御性を大幅に改善することができる。
And by taking improvement measures (correction of control parameters) for the reaction form diagnosed as abnormal (when the divergence is equal to or less than a predetermined correctable deviation amount), the reaction state of the reaction form is optimized. Therefore, it is possible to correct the optimal control parameter for performing the correction, and an effective correction operation can be performed. As a result, it becomes possible to bring the entire reaction of the fuel closer to the ideal reaction (the actual heat generation rate waveform of each reaction approaches the ideal heat generation rate waveform), and the controllability of the
また、反応に異常が生じていると診断された場合において、その異常が解消可能であるか否かを、前記理想熱発生率波形に対する実熱発生率波形の乖離量に基づいて判断するようにしているため、制御パラメータの補正によって正常な反応状態が得られる状態と、部品交換などのメンテナンスが必要な状態とを正確に判別することが可能になる。 Further, when it is diagnosed that an abnormality has occurred in the reaction, whether or not the abnormality can be resolved is determined based on a deviation amount of the actual heat generation rate waveform from the ideal heat generation rate waveform. Therefore, it is possible to accurately determine a state in which a normal reaction state is obtained by correcting the control parameter and a state in which maintenance such as component replacement is necessary.
−他の実施形態−
以上説明した実施形態は、自動車に搭載された直列4気筒ディーゼルエンジン1に本発明を適用した場合について説明した。本発明は、自動車用に限らず、その他の用途に使用されるエンジンにも適用可能である。また、気筒数やエンジン形式(直列型エンジン、V型エンジン、水平対向型エンジン等の別)についても特に限定されるものではない。
-Other embodiments-
In the embodiment described above, the case where the present invention is applied to the in-line four-
また、前記実施形態では、本発明に係る燃焼状態診断装置を車載のECU100のROMに格納(車両に実装)し、エンジン1の運転状態において燃焼状態の診断を行うようにしていた。本発明はこれに限らず、実験装置(エンジンベンチ試験器)に前記燃焼状態診断装置を備えさせ、エンジン1の設計段階において、この実験装置上でエンジン1を試験運転させる際に燃焼状態の診断を行って、制御パラメータの適正値を取得するといった使用形態に適用することも可能である。
In the above embodiment, the combustion state diagnosis apparatus according to the present invention is stored in the ROM of the in-vehicle ECU 100 (mounted on the vehicle), and the combustion state is diagnosed in the operating state of the
また、前記実施形態は、キャビティ外領域及びキャビティ内領域の酸素密度及び燃料密度が略同一であると仮定して気筒内全体を対象とする理想熱発生率波形モデルを作成し、この理想熱発生率波形モデルをフィルタ処理することによって理想熱発生率波形を作成していた。本発明は、これに限らず、キャビティ外領域及びキャビティ内領域の酸素密度及び燃料密度のうち少なくとも一方が異なっていると仮定して各領域それぞれについて理想熱発生率波形モデルを作成し、この理想熱発生率波形モデルをフィルタ処理すると共に各理想熱発生率波形を合成することによって気筒内全体を対象とする理想熱発生率波形を作成するようにしてもよい。 In the above embodiment, an ideal heat generation rate waveform model for the entire cylinder is created on the assumption that the oxygen density and the fuel density in the outer cavity region and the inner cavity region are substantially the same. The ideal heat release rate waveform was created by filtering the rate waveform model. The present invention is not limited to this, and it is assumed that at least one of the oxygen density and the fuel density in the region outside the cavity and the region in the cavity is different, and an ideal heat release rate waveform model is created for each region. An ideal heat generation rate waveform for the entire cylinder may be created by filtering the heat generation rate waveform model and synthesizing each ideal heat generation rate waveform.
また、前記実施形態では、通電期間においてのみ全開の開弁状態となることにより燃料噴射率を変更するピエゾインジェクタ23を適用したエンジン1について説明したが、本発明は、可変噴射率インジェクタを適用したエンジンへの適用も可能である。
Further, in the above-described embodiment, the
本発明は、自動車に搭載されるディーゼルエンジン等において、燃料の各反応の熱発生率波形の作成及び各反応の診断に適用可能である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be applied to creation of a heat release rate waveform of each reaction of fuel and diagnosis of each reaction in a diesel engine or the like mounted on an automobile.
1 エンジン(内燃機関)
12 シリンダボア
13 ピストン
23 インジェクタ(燃料噴射弁)
3 燃焼室
40 クランクポジションセンサ
49 吸気温センサ
4A 筒内圧センサ
100 ECU
I 気化反応の理想熱発生率波形モデル
II 低温酸化反応の理想熱発生率波形モデル
III 熱分解反応の理想熱発生率波形モデル
IV 予混合燃焼による高温酸化反応の理想熱発生率波形モデル
V 拡散燃焼による高温酸化反応の理想熱発生率波形モデル
1 engine (internal combustion engine)
12 Cylinder bore 13
3
I Ideal heat release rate waveform model of vaporization reaction II Ideal heat release rate waveform model of low temperature oxidation reaction III Ideal heat release rate waveform model of pyrolysis reaction IV Ideal heat release rate waveform model of high temperature oxidation reaction by premixed combustion V Diffusion combustion Model of ideal heat release rate for high temperature oxidation reaction
Claims (10)
前記燃料噴射弁から噴射された燃料の反応のうち、予混合燃焼による高温酸化反応の理想熱発生率波形を作成するに際し、当該予混合燃焼による高温酸化反応の前に発生する熱分解反応の進行度合に応じて反応開始時期を設定して当該予混合燃焼による高温酸化反応の理想熱発生率波形を作成する構成となっていることを特徴とする内燃機関の熱発生率波形作成装置。 An apparatus for creating a heat release rate waveform of the fuel reaction in an internal combustion engine that burns fuel injected into a cylinder from a fuel injection valve,
Among the reactions of fuel injected from the fuel injection valve, when creating an ideal heat generation rate waveform of a high temperature oxidation reaction by premixed combustion, the progress of a thermal decomposition reaction that occurs before the high temperature oxidation reaction by the premixed combustion An apparatus for creating a heat release rate waveform of an internal combustion engine, characterized in that a reaction start time is set according to the degree and an ideal heat release rate waveform of a high temperature oxidation reaction by the premixed combustion is created.
筒内ガス温度が予混合燃焼による高温酸化反応の基準反応開始温度以上の温度領域で前記気筒内に燃料が噴射された場合に、前記熱分解反応の進行度合に応じて当該進行度合が小さいほど予混合燃焼による高温酸化反応の反応開始時期を遅角側に設定することを特徴とする内燃機関の熱発生率波形作成装置。 In the internal combustion engine heat release rate waveform creation device according to claim 1,
When fuel is injected into the cylinder in a temperature range where the in-cylinder gas temperature is equal to or higher than the reference reaction start temperature of the high-temperature oxidation reaction by premixed combustion, the degree of progress is smaller according to the degree of progress of the thermal decomposition reaction. An apparatus for generating a heat release rate waveform of an internal combustion engine, characterized in that a reaction start time of a high-temperature oxidation reaction by premixed combustion is set to a retard side.
前記熱分解反応の進行度合は、燃料噴射開始時の筒内ガス温度に基づいて求めることを特徴とする内燃機関の熱発生率波形作成装置。 In the internal combustion engine heat release rate waveform creation device according to claim 1 or 2,
The progress rate of the thermal decomposition reaction is obtained based on the in-cylinder gas temperature at the start of fuel injection.
気化反応、低温酸化反応、前記熱分解反応、前記予混合燃焼による高温酸化反応、及び、拡散燃焼による高温酸化反応の各反応の理想熱発生率波形を作成することを特徴とする内燃機関の熱発生率波形作成装置。 In the internal combustion engine heat release rate waveform creation device according to any one of claims 1 to 3,
A heat of an internal combustion engine characterized by creating ideal heat generation rate waveforms for each of a vaporization reaction, a low temperature oxidation reaction, the thermal decomposition reaction, a high temperature oxidation reaction by the premixed combustion, and a high temperature oxidation reaction by diffusion combustion Incidence waveform creation device.
前記理想熱発生率波形は、前記反応開始時期を基点として、反応速度を斜辺の勾配、反応量を面積、反応期間を底辺の長さとする三角形で成る理想熱発生率波形モデルを作成し、その理想熱発生率波形モデルをフィルタ処理によって円滑化することで作成されることを特徴とする内燃機関の熱発生率波形作成装置。 In the internal combustion engine heat release rate waveform creation device according to any one of claims 1 to 4,
The ideal heat release rate waveform is created by creating an ideal heat release rate waveform model consisting of triangles with the reaction rate as the base point, the reaction rate as the slope of the hypotenuse, the reaction amount as the area, and the reaction period as the base length. An apparatus for creating a heat release rate waveform of an internal combustion engine, wherein the heat release rate waveform model is created by smoothing an ideal heat release rate waveform model by filtering.
前記実熱発生率波形は、筒内圧センサによって検出される気筒内圧力に基づいて得られたものであることを特徴とする内燃機関の燃焼状態診断装置。 The combustion state diagnosis apparatus for an internal combustion engine according to claim 6,
The combustion state diagnosis apparatus for an internal combustion engine, wherein the actual heat generation rate waveform is obtained based on an in-cylinder pressure detected by an in-cylinder pressure sensor.
前記理想熱発生率波形に対する実熱発生率波形の乖離が所定の異常判定乖離量以上となっており、燃料の反応に異常が生じていると診断された際に、前記理想熱発生率波形に対する実熱発生率波形の乖離が所定の補正可能乖離量以下である場合には、内燃機関の制御パラメータの補正を行って前記乖離を前記異常判定乖離量未満にする制御を行う一方、前記理想熱発生率波形に対する実熱発生率波形の乖離が前記補正可能乖離量を超えている場合には内燃機関に故障が生じていると診断することを特徴とする内燃機関の燃焼状態診断装置。 The combustion state diagnosis apparatus for an internal combustion engine according to claim 6 or 7,
When the divergence of the actual heat generation rate waveform with respect to the ideal heat generation rate waveform is equal to or greater than a predetermined abnormality determination divergence amount, and it is diagnosed that an abnormality has occurred in the fuel reaction, When the deviation of the actual heat generation rate waveform is equal to or less than a predetermined correctable deviation, the control parameter of the internal combustion engine is corrected to control the deviation to be less than the abnormality determination deviation, while the ideal heat A combustion state diagnosis apparatus for an internal combustion engine that diagnoses that a failure has occurred in the internal combustion engine when the deviation of the actual heat generation rate waveform from the generation rate waveform exceeds the correctable deviation amount.
車両に実装または実験装置に搭載されていることを特徴とする内燃機関の熱発生率波形作成装置。 In the internal combustion engine heat release rate waveform creation device according to any one of claims 1 to 5,
An apparatus for creating a heat release rate waveform of an internal combustion engine, which is mounted on a vehicle or mounted on an experimental device.
車両に実装または実験装置に搭載されていることを特徴とする内燃機関の燃焼状態診断装置。 The combustion state diagnosis apparatus for an internal combustion engine according to any one of claims 6 to 8,
A combustion state diagnostic device for an internal combustion engine, which is mounted on a vehicle or mounted on an experimental device.
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