JP2015510564A - 自動車車両パワートレーンの内燃エンジンの燃焼室における混合気の混合比を推定するシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

自動車車両パワートレーンの内燃機関（１）の燃焼室内の混合気の混合比の推定システムであって、エンジンの新気吸入回路（３）に可燃性追加気体を噴射する手段（４３）と、エンジンの新気吸入回路（３）および排気回路（４）でそれぞれ追加気体の濃度を測定する手段（３６、４４）と、吸入回路における追加気体の濃度測定値と排気回路における追加気体の濃度測定値との比を決定する決定手段（４６）と、決定した比に基づいてエンジンの燃焼室における混合気の混合比を推定する推定手段（４７）とを備えるシステム。

Description

本発明は、自動車車両パワートレーンの内燃エンジン、特に２ストロークエンジンの燃焼室における混合気の混合比の推定に関する。

直噴式２ストローク、４ストローク、どのようなタイプのエンジンであっても、１回の燃焼サイクル中に含まれる段階の数、すなわち吸入、排気、圧縮および膨張に関しては同じである。しかし、２ストロークエンジンの燃焼サイクルは、２ストロークエンジンのクランクシャフトが２回転でなく１回転するという点で、４ストロークエンジンの燃焼サイクルとは異なっている。そのため、２ストロークエンジンの場合、吸入および排気を行うための時間幅が狭まる。また、２ストロークエンジンの場合、吸入段階と排気段階とは確実にオーバーラップしており、このオーバーラップはクロスともいい、掃気現象が現れる。

掃気現象は、エンジン内に吸入された気体の一部が、燃焼することのないまま、シリンダの燃焼室をショートカットして排気回路に直接流れ込むことをいう。つまり、エンジン内に吸入された新気のすべてが燃焼室内に閉じ込められるわけではないということである。４ストロークエンジンでは、吸入段階と排気段階の間でクロスする部分は少ないにしても、掃気現象は４ストロークエンジンでも起こる。とりわけ、吸入段階の間に排気弁を再開放する戦略を取る場合などに吸入弁と排気弁が同時に開放されるタイミングを有する４ストロークエンジンの場合には、掃気が大きくなる可能性がある。

燃焼室内に実際に閉じ込められる空気の量もわからず、残留気体（ＩＧＲと記す）の量もわからずでは、エンジンを精密に制御すること（たとえば、運転者の操作に応えるための適切な調節を決めること）は困難である。効率、特にエンジンの燃料消費量を最適化することや、燃焼室内の空気と残留気体の混合物の条件に大きく依存する汚染排出レベルを抑制することもまた難しい。

一方で、汚染排出物は掃気現象に由来する空気量によって希釈される。そのため、従来のような混合比センサの使用にはこの希釈による誤差が生じる。とりわけ、エンジンの排気側における混合気の混合比測定値は、エンジンの燃焼室内の混合気の混合比に対応するものではない。エンジンの燃焼室内の混合気の混合比は当業者には周知のパラメータで、一般的にはエンジンによって吸入される新気の量に対する燃料の量の比、すなわち、シリンダの燃焼室内に吸入される新気の量に対する燃料の量の比に当たる。

燃焼室内に実際に閉じ込められる新気の量および残留気体の量を測定することは非常に難しく、なぜなら、それには燃焼室内の気体のサンプリングを行うことが必要となりうるためであり、それは量産エンジンに対して企図できることではない。

そのため、所望のレベルのエンジントルクを得るためや、すす、窒素酸化物、炭化水素および一酸化炭素による汚染に関する基準に対応するために噴射すべき燃料の量を決定することは難しい。

実際、汚染排出は、燃焼室内の熱力学的条件に大きく依存する。たとえば、すすに関しては、混合比が一定の閾値を超えたところからすすのレベルはきわめて急速に増大するようになるため、エンジンの燃焼室内の混合気の混合比を制御することが最も重要である。特に、エンジンの動作点に対して燃料の量が多すぎる、燃焼室に閉じ込められる空気質量が少なすぎる、さらには、残留気体量が多すぎるといった場合には、すすのレベルが非常に高くなるおそれがある。

また、窒素酸化物の排出に関しては、残留気体の割合の影響がきわめて大きいため、その割合が精度よく決定されないということは、この種の汚染排出を最小化するためのエンジン制御を非常に困難にする。

そこで、特に、燃料消費量や汚染排出物の放出を最適化しながら自動車車両のエンジンを制御できるようにすることを目的として、燃焼サイクル当初のエンジンの燃焼室における混合気の混合比を推定するためのシステムおよび方法を提案する。

また、燃焼サイクル当初の残留気体の量を推定するための手段も提案する。

本発明の一態様によれば、自動車車両パワートレーンの内燃エンジンの燃焼室における混合気の混合比の推定システムが提案される。

このシステムは、エンジンの新気吸入回路内に可燃性追加気体を噴射する手段と、エンジンの新気吸入回路および排気回路でそれぞれ追加気体の濃度を測定する手段と、吸入回路における追加気体の濃度測定値と排気回路における追加気体の濃度測定値との比を決定する決定手段と、決定した比に基づいてエンジンの燃焼室における混合気の混合比を推定する推定手段とを備える。

このシステムは簡単に実現することが可能で、２ストロークまたは４ストロークのあらゆるタイプのエンジンに特に適している。

エンジンは複数のシリンダを備えることができ、推定手段はさらに、決定した比に基づいてそれらシリンダ内の残留気体の流量を推定するように、かつ推定した残留気体の流量からエンジンの燃焼室内における混合気の混合比を推定するように構成される。

エンジンの汚染排出をより精密に抑制することができるように、残留気体の量を推定する手段を提供する。

追加気体は、５個未満の炭素を含む炭素鎖を有する炭化水素であることができ、追加気体は好ましくはメタンである。

パワートレーンは、新気吸入回路に接続された排気の一部再循環回路を備えることができる。

内燃エンジンは２ストローク式であることができる。

推定手段はさらに、決定した比をエンジン回転数、新気流量、エンジンの噴射燃料流量および再循環排気流量と関連づけたマッピングを生成するように構成することができる。

本発明の別の態様によれば、自動車車両パワートレーンの内燃エンジンの燃焼室における混合気の混合比の推定方法が提案される。

この方法は、エンジンの新気吸入回路における可燃性追加気体の噴射と、エンジンの新気吸入回路における追加気体の濃度測定値と排気回路における追加気体の濃度測定値との比の決定と、決定した比に基づくエンジンの燃焼室における混合気の混合比の推定とを含む。

エンジンは複数のシリンダを備えることができ、本方法は、決定した比に基づくそれらシリンダ内の残留気体の流量の中間推定を含み、エンジンの燃焼室内の混合気の混合比の推定ステップは、残留気体流量の推定値に基づく該混合比の推定を含む。

パワートレーンは、新気吸入回路に接続された排気の一部再循環回路を備えることができ、その場合、本方法は、決定した比をエンジン回転数、新気流量、エンジン内の噴射燃料流量および再循環排気流量と関連づけたマッピングの作成をさらに含むことができる。

本発明のその他の目的、特徴および利点は、添付の図面を参照しながら、もっぱら非限定的な例としてのみ示す以下の説明を読むことで明らかとなるであろう。

内燃エンジンの掃気現象の概略図である。 本発明によるエンジンの燃焼室における混合気の混合比の推定方法の一実施形態の主要ステップの概略図である。 本発明による内燃エンジンの燃焼室における混合気の混合比の推定システムの一実施形態の概略図である。

図１に、自動車車両の内燃エンジン１の掃気現象を概略的に示した。エンジン１は、４ストロークであっても、好ましくは２ストロークであっても、ディーゼル、ガソリンまたはその他のいかなる燃料のものであってもよい。また、エンジン１は自動車、船舶、自動二輪車に装備することができる。

エンジン１は複数のシリンダを備えるが、ここでは、簡略化のため、１つのシリンダの燃焼室２を示した。燃焼室２は、一方で、排気の一部と混合される場合もある新気を燃焼室２内に噴射するための吸入マニホールド３に、他方で、排気マニホールド４に接続される。

エンジン１はまた、排気マニホールド４と吸入マニホールド３の間に差し込まれた排気の一部再循環回路５を備えることもできる。

図１には、掃気現象の際に吸入マニホールド３から排気マニホールド４へ直接通り抜ける気体の循環をもっぱら概略的に図示したショートカット循環（参照番号６）も示した。

さらに、排気段階で燃焼室２内に閉じ込められたままとなる排気の一部（残留気体と呼ぶ）の内部再循環をもっぱら概略的に図示した内部再循環（参照番号７）も示した。

エンジン１は、ここでは斜線で表したある量の燃料を、場合によっては、吸入マニホールド３に吸入される新気とは別の空気であって、斜線なしで示したある量の空気とあわせて、噴射回路９を通して燃焼室２内に噴射する噴射装置８をさらに備える。

一般に、図１の矢印は流体の循環方向を表し、燃料の噴射を表した部分を除く斜線部分は燃焼気体の循環を表しており、斜線のない部分は新気の循環する部分を表している。

そのほか、燃焼室２における気体の燃焼（参照番号１０）も示した。

燃焼サイクルにおけるエンジン１内の気体の質量流量を表すため、図１に以下のデータを転写した。
− Ｑａｉｒ（単位ｋｇ／ｈ）：燃焼室２に吸入される新気の質量流量、
− Ｑｅｎｆ（単位ｋｇ／ｈ）：燃焼室２に吸入される気体の質量流量、
− Ｑｂａｌ（単位ｋｇ／ｈ）：エンジン１を掃気する気体の質量流量、
− Ｑａｉｒ＿ｂａｌ（単位ｋｇ／ｈ）：エンジン１を掃気する新気の質量流量、すなわち、気体吸入段階で排気マニホールド４に直接通り抜ける新気の量、
− Ｑａｉｒ＿ｅｎｆ（単位ｋｇ／ｈ）：燃焼室２に閉じ込められる新気の質量流量、
− Ｑｅｇｒ（単位ｋｇ／ｈ）：再循環される排気の質量流量（新気および既燃気体）、
− Ｑｅｇｒ＿ｂａｌ（単位ｋｇ／ｈ）：エンジン１を掃気する再循環排気の質量流量、
− Ｑｅｇｒ＿ｅｎｆ（単位ｋｇ／ｈ）：燃焼室２内に閉じ込められる再循環排気の質量流量、
− Ｑａｉｒ＿ｅｇｒ＿ｅｎｆ（単位ｋｇ／ｈ）：燃焼室２内に閉じ込められる再循環排気に含まれる新気の質量流量、
− Ｑｆｕｅｌ（単位ｋｇ／ｈ）：燃焼室２に吸入される燃料の質量流量、
− Ｑａｉｒ＿ｆｕｅｌ（単位ｋｇ／ｈ）：燃焼室２に燃料とともに噴射される空気の質量流量、
− Ｑｉｇｒ（単位ｋｇ／ｈ）：残留気体の質量流量、すなわち、排気段階で燃焼室２内に残る気体（新気および既燃気体）の量、
− Ｑａｉｒ＿ｉｇｒ（単位ｋｇ／ｈ）：残留気体中に含まれる新気の質量流量、
− Ｑｅｃｈ（単位ｋｇ／ｈ）：排気の質量流量、
− Ｑａｉｒ＿ｅｃｈ（単位ｋｇ／ｈ）：排気に含まれる新気の質量流量、
− Ｑｅｃｈ’’’（単位ｋｇ／ｈ）：排気の一部再循環５前の排気の質量流量、
− Ｑｅｃｈ’’（単位ｋｇ／ｈ）：排気の一部再循環５前およびショートカット循環６前の排気の質量流量、
− Ｑｅｃｈ’（単位ｋｇ／ｈ）：内部再循環７前の排気の質量流量。

上に説明したデータに基づいて、以下の式を得る。
Ｑａｉｒ＝Ｑａｉｒ＿ｂａｌ＋Ｑａｉｒ＿ｅｎｆ （式１）
Ｑｅｇｒ＝Ｑｅｇｒ＿ｂａｌ＋Ｑｅｇｒ＿ｅｎｆ （式２）
Ｑｅｎｆ＝Ｑａｉｒ＿ｅｎｆ＋Ｑｅｇｒ＿ｅｎｆ （式３）
Ｑｂａｌ＝Ｑａｉｒ＿ｂａｌ＋Ｑｅｇｒ＿ｂａｌ （式４）

図２に、図１に示す内燃エンジン１の燃焼室における混合気の混合比の推定方法の主要ステップを概略的に示した。

第１のステップＳ１では、吸入マニホールド３内に可燃性追加気体を噴射する。噴射は、エンジン１の十分に上流側で、たとえば排気の一部再循環回路５と吸入マニホールド３の接続部の上流側で行い、可燃性追加気体と新気の均一な混合が保証されるようにする。すると、掃気段階で、追加気体の質量の一部分は燃焼室２内に閉じ込められ、追加気体の別の部分は排気マニホールド４に抜ける。新気と追加気体との混合が均一であることにより、追加気体のそれぞれの部分の質量比は、燃焼室２に閉じ込められる新気と、掃気されて排気マニホールド４に抜ける新気の質量比に等しくなる。可燃性追加気体は、エタン、プロパンまたはブタンであることができ、好ましくはメタンＣＨ_４である。追加気体は、閉じ込められた部分が燃焼時に燃えるように適合された可燃物である。

第２のステップＳ２では、可燃性追加気体の濃度をエンジンの吸入側％ＧＣａｄｍと排気側％ＧＣｅｃｈで測定し、濃度の比ＲＣ＝％ＧＣａｄｍ／％ＧＣｅｃｈを計算するＳ３。計算した濃度比ＲＣに基づいて、閉じ込められる空気の比ＴＡを次式（５）によって決定するＳ４。

ただし、
− ％ＧＣａｄｍは、吸入マニホールド３内の可燃性追加気体の濃度であり、
− ％ＧＣｅｃｈは、排気マニホールド４内の可燃性追加気体の濃度である。

一部の噴射システムでは、燃料の流量Ｑｆｕｅｌに量Ｑａｉｒ＿ｆｕｅｌの空気が追加されることが留意されよう。また別のシステムでは、噴射される空気の質量流量Ｑａｉｒ＿ｆｕｅｌはゼロである。

閉じ込められる空気の比ＴＡは、燃焼室に閉じ込められる空気の質量を燃焼室２内に吸入される新気の質量で割った商に相当する。閉じ込められる空気の比ＴＡはまた、エンジン回転数、新気流量Ｑａｉｒの測定値、エンジンに噴射された燃料の流量Ｑｆｕｅｌの測定値、燃料とともに噴射された空気の流量Ｑａｉｒ＿ｆｕｅｌの測定値、および再循環排気の流量Ｑｅｇｒの測定値と関連づけてマッピングすることができる。その後、その比ＴＡのマッピングは、車両の動作時にその他のエンジン制御パラメータを決定するために利用することができる。

とりわけ、再循環排ガスの質量流量Ｑｅｇｒは、エンジン１の吸入側および排気側の二酸化炭素濃度％ＣＯ２の測定値から次式（６）を用いて計算することができる。

ただし、
− ％ＣＯ２ａｄｍ：吸入マニホールド３内の二酸化炭素濃度、
− ％ＣＯ２ｅｃｈ：排気マニホールド４内の二酸化炭素濃度、
− ％ＣＯ２ａｔｍ：通常の温度および気圧条件のもとでの大気中の二酸化炭素濃度である。

５番目のステップＳ５では、ステップＳ４で決定した閉じ込められる空気の比ＴＡに基づいて次式（７）を用いて残留気体の質量流量Ｑｉｇｒを推定する。

ただし、
− Ｑａｉｒ＿ｅｎｆ＝ＴＡ・Ｑａｉｒ （式８）、
− Ｑｅｇｒ＿ｅｎｆ＝ＴＡ・Ｑｅｇｒ （式９）、
− ｃｐ_ａｄｍ（ｋＪ／（ｋｇ−Ｋ））：吸気の熱容量、
− ｎ：エンジン１のシリンダ数、
− Ｎ（ｒｐｍ）：エンジン回転数、
− Ｐ_ＲＦＡ：吸入弁または吸入ダクトのポートが閉鎖される瞬間の燃焼室２の圧力、
− Ｖ_ＲＦＡ：吸入弁または吸入ダクトのポートが閉鎖される瞬間の燃焼室２の容積、
− ｒ＝２８７Ｊ／（ｋｇ−Ｋ）：理想気体の定数、
− ｃｐ_ｅｃｈ（ｋＪ／（ｋｇ−Ｋ））：排気の熱容量、

− Ｑｅｃｈ’’＝Ｑｆｕｅｌ＋Ｑａｉｒ＿ｆｕｅｌ＋ＴＡ・（Ｑａｉｒ＋Ｑｅｇｒ） （式１４）、
− Ｑｅｃｈ’’’＝Ｑｅｃｈ＋Ｑｅｇｒ （式１５）、
− Ｔ２（Ｋ）：エンジンの吸入温度、
− Ｔ３（Ｋ）：エンジンの排気温度、
− Ｔ４（Ｋ）：冷却後にリサイクルされる排気の温度。

温度Ｔ２からＴ４は温度センサによって測定される。

残留気体の質量流量Ｑｉｇｒの推定後、式（１６）によって残留気体割合Ｔｉｇｒを計算することができる。

次いで、エンジンの燃焼室内の混合気の混合比Ｒｍｏｔを次式（１７）によって推定する。

ただし、
− ＰＣＯ＝１４．７：燃料の燃焼用空気量、

− Ｑａｉｒ＿ｅｃｈ＝Ｑｅｃｈ−Ｑｆｕｅｌ・（１＋ＰＣＯ・ＦＭＢ） （式１９）、
− ＦＭＢ：既燃質量分率、すなわち燃焼効率、

である。

図３に、図１に示す内燃エンジン１の燃焼室における混合気の混合比Ｒｍｏｔの推定システム２０を模式的に示した。推定システム２０はさらに、前述の推定方法を実施するように構成される。

内燃エンジン１は複数のシリンダを備えているが、簡略化のため、１つのシリンダ２１だけが示されており、その中で、ピストン２２をクランクシャフト２４につなぐコンロッド２３を介して、ピストン２２が移動する。エンジン１の燃焼室２は該シリンダ２１、該ピストン２２およびシリンダヘッド２５によって画定される。第１の実施形態によれば、シリンダヘッド２５は、燃焼室２を吸入マニホールド３および排気マニホールド４とそれぞれつなぐことができる少なくとも２つの弁２６、２７を備えている。第２の実施形態によれば、シリンダヘッド２５は弁を備えておらず、その代わりに、燃焼室２を吸入マニホールド３につなぐ吸入ポートまたは吸入ダクトと、燃焼室２を排気マニホールド４につなぐ排気ポートまたは排気ダクトとを備える。この第２の実施形態は、当業者には周知の動作を持つ２ストロークエンジンであって、特に燃焼段階および減圧段階に吸入ポートおよび排気ポートを閉じることを可能にする一方、吸入段階および排気段階にはポートと燃焼室２との連通を可能にするピストン２２の動きを持つ２ストロークエンジンには特に適している。

排気の一部再循環回路５は、ＥＧＲ弁と呼ぶ弁２８と、気体冷却装置２９と、流量Ｑｅｇｒを測定するための流量計３０とを備える。流量Ｑｅｇｒの測定値は接続３１によって電子制御ユニットＵＣＥに向けて伝送される。

推定システム１はそのほか、吸入側における二酸化炭素の質量濃度％ＣＯ２ａｄｍと、排気側における二酸化炭素の質量濃度％ＣＯ２ｅｃｈとをそれぞれ測定し、その情報をそれぞれの接続３４、３５を通してＵＣＥに伝送するためのセンサ３２、３３を備える。

システムは、吸入マニホールド３内の可燃性追加気体の濃度％ＧＣａｄｍを測定し、それを接続３７によってＵＣＥに伝送するセンサ３６を備える。

排気マニホールド４の下流側に位置する流量計３８は、排気流量Ｑｅｃｈを測定し、その測定値を接続ｍ１によってＵＣＥに伝送する。

吸入マニホールド３の上流側に位置する流量計３９は、新気流量Ｑａｉｒを測定し、その測定値を接続４０によってＵＣＥに伝送する。燃料噴射器８と連係させた流量計４１は、燃料流量Ｑｆｕｅｌを測定し、その測定値を接続４２によってＵＣＥに伝送する。

噴射器４３は、エンジンの新気吸入回路内に可燃性追加気体を噴射する。噴射器４３は吸入マニホールド３の上流側、たとえば流量計３９と吸入マニホールド３の間に位置する。可燃性追加気体噴射器４３と連係させた流量計４４は追加気体の流量を測定し、その測定値を接続４５によってＵＣＥに伝送して、ＵＣＥが吸入マニホールド３内の可燃性追加気体の濃度％ＧＣａｄｍを計算できるようにする。

ＵＣＥは、センサ３６から供給される測定値と流量計４４から供給される測定値に基づいて濃度比ＲＣ＝％ＧＣａｄｍ／％ＧＣｅｃｈを決定するように構成された決定手段４６を備える。ＵＣＥはまた、濃度比ＲＣに基づいて流量Ｑｉｇｒを推定するため、さらに流量Ｑｉｇｒに基づいてエンジンの燃焼室内の混合気の混合比Ｒｍｏｔを推定するための推定手段４７を備える。

ここに説明してきた方法およびシステムは、燃料消費量および汚染排出レベルが最適化されるように内燃エンジンを制御することを可能にするものである。とりわけ、エンジンの燃焼室内の混合気の混合比Ｒｍｏｔおよび流量Ｑｉｇｒの推定は流量と温度の測定値だけに基づいて行われる。閉じ込められる空気の比ＴＡのマッピングおよび直前の推定結果は、汚染放出およびエンジンの燃料消費量を抑えることを目的とした過給や噴射などのエンジンパラメータの調整を可能にするものである。

Claims (8)

1. 自動車車両パワートレーンの内燃エンジン（１）の燃焼室における混合気の混合比の推定システムであって、エンジンの新気吸入回路（３）内に可燃性追加気体を噴射する手段（４３）と、エンジンの新気吸入回路（３）および排気回路（４）でそれぞれ追加気体の濃度を測定する手段（３６、４４）と、吸入回路における追加気体の濃度測定値と排気回路における追加気体の濃度測定値との比の決定手段（４６）と、決定した比に基づくエンジンの燃焼室における混合気の混合比の推定手段（４７）とを備えることを特徴とするシステム。
2. エンジン（１）が複数のシリンダを備えており、推定手段（４７）がさらに、決定した比に基づいてシリンダにおける残留気体の流量を推定するように、かつ推定した残留気体の流量からエンジンの燃焼室内における混合気の混合比を推定するように構成される、請求項１に記載のシステム。
3. パワートレーンが、新気吸入回路（３）に接続された排気の一部再循環回路（５）を備える、請求項１または２に記載のシステム。
4. 内燃エンジン（１）が２ストローク式である、請求項１から３のいずれか一項に記載のシステム。
5. 推定手段（４７）が、決定した比を新気流量、エンジンの燃料噴射流量および再循環排気流量と関連づけたマッピングを作るように構成される、請求項３または４に記載のシステム。
6. 自動車車両パワートレーンの内燃エンジンの燃焼室における混合気の混合比の推定方法であって、エンジンの新気吸入回路における可燃性追加気体の噴射（Ｓ１）と、エンジンの新気吸入回路における追加気体の濃度測定値と排気回路における追加気体の濃度測定値との比の決定（Ｓ３）と、決定した比に基づくエンジンの燃焼室における混合気の混合比の推定（Ｓ６）とを含むことを特徴とする方法。
7. エンジンが複数のシリンダを備えており、方法が、決定した比に基づくシリンダにおける残留気体流量の中間推定（Ｓ５）を含み、エンジンの燃焼室内の混合気の混合比の推定ステップ（Ｓ６）が、推定した残留気体流量に基づく混合比の推定を含む、請求項６に記載の方法。
8. パワートレーンが新気吸入回路に接続された排気の一部再循環回路を備えており、方法が、決定した比をエンジン回転数、新気流量、エンジンの噴射燃料流量および再循環排気流量と関連づけたマッピングの作成をさらに含む、請求項６または７に記載の方法。

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