JP2016183566A

JP2016183566A - 内燃機関の制御装置

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Publication number: JP2016183566A
Application number: JP2015063033A
Authority: JP
Inventors: 橋詰　剛; Takeshi Hashizume; 剛橋詰; 小野　智幸; Tomoyuki Ono; 智幸小野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-03-25
Filing date: 2015-03-25
Publication date: 2016-10-20

Abstract

【課題】燃焼室への凝縮水の流入を適正に検出することができる内燃機関の制御装置を提供する。【解決手段】内燃機関の燃焼室に設けられる筒内圧センサと、筒内圧センサの出力を燃焼時に発生する加振力の波形に変換する燃焼波形取得手段と、燃焼室の共鳴周波数における加振力の測定値を波形に基づいて算出する加振力測定値算出手段と、燃焼室の共鳴周波数における加振力の基準値を内燃機関の運転状態に基づいて算出する加振力基準値算出手段と、加振力の測定値が加振力の基準値よりも小さい場合には、燃焼室に凝縮水が流入したと判定する凝縮水流入判定手段と、を備えることを特徴とする。【選択図】図１０

Description

この発明は、内燃機関の制御装置に関する。

従来、排気の一部（以下、ＥＧＲガスという。）を吸気通路に還流して燃焼を緩慢にし、燃焼温度を下げることによりＮＯｘの低減を図るようにした排気再循環装置（以下、ＥＧＲ装置という。）を備えた内燃機関が知られている。一般的なＥＧＲ装置は、ＥＧＲガスを吸気通路に導通させるためのＥＧＲ通路と、そのＥＧＲ通路に設けられるＥＧＲクーラ、ＥＧＲバルブなどを有する。ＥＧＲクーラは、ＥＧＲガスを冷却して燃焼室に供給するＥＧＲガス量を増加させるために設けられている。

ところで、ＥＧＲ装置を備えた内燃機関において、ＥＧＲクーラでＥＧＲガスを冷却する際、ＥＧＲガスに含まれている水蒸気が凝縮し、ＥＧＲクーラの管壁で凝縮水が発生することがある。この凝縮水が燃焼室内に流入し、燃焼時に燃焼室において蒸発すると、その潜熱によって燃焼室の温度が低下する。この結果、燃焼における着火が不安定になることがある。

特許文献１には、ＥＧＲ装置を備えたディーゼル機関において、グロープラグの抵抗値の変化からＥＧＲ通路の凝縮水の有無を検出する制御が開示されている。この制御によってＥＧＲ通路の凝縮水を検出した場合に、ＥＧＲガス量を減量することで、凝縮水の発生を抑制することができる。

特開２００１−１３２５５４号公報特開２０１１−２５６８３３号公報特開２００９−０２４６８５号公報特開２０１２−２２５３０３号公報

しかしながら、特許文献１の制御は、ＥＧＲ通路の凝縮水の有無を検出する制御であり、実際に燃焼室に流入する凝縮水の有無を検出する制御ではない。よって、ＥＧＲガス量の減量が過剰になり、ＮＯｘを低減できなくなるおそれがある。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、燃焼室への凝縮水の流入を適正に検出することができる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の制御装置であって、
内燃機関の燃焼室に設けられる筒内圧センサと、
前記筒内圧センサの出力を燃焼時に発生する加振力の波形に変換する燃焼波形取得手段と、
前記燃焼室の共鳴周波数における加振力の測定値を前記波形に基づいて算出する加振力測定値算出手段と、
前記燃焼室の共鳴周波数における加振力の基準値を前記内燃機関の運転状態に基づいて算出する加振力基準値算出手段と、
前記加振力の測定値が前記加振力の基準値よりも小さい場合には、前記燃焼室に凝縮水が流入したと判定する凝縮水流入判定手段と、
を備えることを特徴とする。

第１の発明によれば、高い精度で燃焼室への凝縮水の流入を判定できる。

加振力の波形を表す図である。燃焼における加振力の波形を表す図である。加振力によって凝縮水の燃焼室への流入を判定するモデルについて表した図である。共鳴周波数における基準加振力Ｐ_ｔｒｇを決定するためのマップが表されている図である。水蒸気分圧（ｋＰａ）を算出するモデルを表した図である。算出された基準比熱比と実際の比熱比との差、及び、水蒸気分圧ｋＰａとの関係を示すモデルを表している。燃焼室への凝縮水の流入量が基準値を超えたか否かを判定するモデルについて説明するための図である。燃焼室への凝縮水の流入量について判定するモデルについて説明するための図である。実施の形態１のＥＣＵにおいて実行される共鳴周波数推定フローを表す図である。実施の形態１のＥＣＵにおいて実行される凝縮水流入判定フローを表す図である。

実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
実施の形態１のシステムは、ＥＧＲ装置を備えたディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという。）を備える。ＥＧＲ装置は、排気の一部をＥＧＲガスとして燃焼室に還流する装置である。ＥＧＲ装置は、排気通路と吸気通路とを連通するＥＧＲ通路、ＥＧＲガス量を調節するＥＧＲバルブ、そしてＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラを含む装置である。

エンジンには、エンジンの運転状態を把握するために各種センサが取り付けられている。各種センサには、エンジンの燃焼室における圧力（以下、筒内圧という。）に応じた信号を出力する筒内圧センサ、エンジン回転速度に応じた信号を出力するクランク角センサなどのセンサが含まれている。

実施の形態１のシステムは、エンジンの運転状態を制御するＥＣＵ(Electronic Control Unit)を備えている。上記の各種センサは、ＥＣＵの入力側に接続されている。ＥＣＵは、各種センサからの出力に基づいて、エンジンの運転状態を示すパラメータを算出する。ＥＣＵは、筒内圧センサの出力に基づいて、筒内圧を算出する。ＥＣＵは、クランク角センサの出力に基づいて、エンジン回転速度を算出する。また、ＥＣＵの出力側には、ＥＧＲバルブ、燃料噴射弁などの各種アクチュエータが接続されている。ＥＣＵは、ＥＧＲバルブに信号を出力することで、ＥＧＲバルブの開度を調節する。ＥＣＵは、燃料噴射弁に信号を出力して、燃料噴射量を調節する。

ところで、エンジンにおいて、吸気通路やＥＧＲ通路を通過する気体に含まれる水蒸気が凝縮して、凝縮水が発生することがある。凝縮水は、ＥＧＲクーラにおいて排気が冷却された際に、吸気通路に設けられるインタークーラにおいて吸気が冷却された際に、または、ＥＧＲ通路と吸気通路との接続部においてＥＧＲガスが冷たい新気と合流した際に発生する。

発生した凝縮水が燃焼室に流入した場合、その凝縮水が燃焼室で燃焼によって蒸発する。そして、凝縮水が蒸発した際の潜熱により、筒内温度が下がる。この結果、着火が不安定になり、燃焼変動、エンジン振動、失火、白煙（ＨＣ）の発生の原因となることがある。また、凝縮水が燃焼室に溜まることにより、燃焼室容積が小さくなることで、実圧縮比が上がる。この結果、筒内圧が過大となり、燃焼室が密閉された状態でクランキングできなくなる液封、または、燃焼室に流入した凝縮水がピストンの往復を妨げてコンロッドなどに損傷を与えるウォーターハンマーが発生することがある。また、凝縮水は、排気中の硫酸及び硝酸を含んでいるため、腐食性がある。このため、燃焼室に凝縮水が流入すると、燃料噴射弁やピストンなどの燃焼室の構成部品を腐食させるため、エンジン各部の信頼性を低下させる可能性がある。

そこで、実施の形態１では、凝縮水の燃焼室への流入を判定する「凝縮水流入判定制御」が実行される。凝縮水流入判定制御では、凝縮水が流入したか否かを、凝縮水が燃焼室に流入した際の燃焼における加振力（以下、単に加振力という。）の変化を指標とする。以下、加振力の変化について、図１及び図２を参照して説明する。

［凝縮水流入判定制御］
図１は、加振力の波形を表す図である。図１において、縦軸は加振力（ｄＢ）を、横軸は周波数（Ｈｚ）を示している。図１に示す波形は、筒内圧センサの出力をフーリエ変換することで得られるものである。図１には、実線で示す波形と破線で示す波形との２種類の波形が示されている。実線で示す波形は、破線で示す波形よりも、比熱比（κ）が相対的に低い場合における波形である。図１の矢印が示すように、比熱比が低くなると、高周波帯域における加振力の波形のピークが低くなる。

ここで、燃焼室へ凝縮水が流入すると、その凝縮水が蒸発する際に発生する水蒸気の影響によって、比熱比が下がる。これは、水（Ｈ_２Ｏ）は３原子分子であり、酸素（Ｏ_２）や窒素（Ｎ_２）などの２原子分子に比べて比熱が大きく、比熱比の分母である定容比熱が大きくなるためである。このため、燃焼室に凝縮水が流入して比熱比が低くなった場合には、加振力のピークが低くなる。

図２は、燃焼における加振力の波形を表す図である。図２には、図１と同様に、筒内圧センサの出力をフーリエ変換して得ることができる波形が２種類示されている。実線で示す波形は、破線で示す波形よりも、比熱比（κ）が低い場合における波形である。図２が示すように、比熱比が低くなると、燃焼室の共鳴周波数における加振力が下がることがわかる。共鳴周波数とは、燃焼室内で共鳴が引き起こされる周波数である。共鳴周波数における加振力について、実際の加振力と予め設定されている通常時の加振力とを比較することで、凝縮水の流入の指標として用いることができる。以下、この指標を利用した、燃焼室への凝縮水の流入について判定するためのマップについて、図３乃至図７を参照して説明する。

図３は、加振力によって凝縮水の燃焼室への流入を判定するモデルについて表した図である。図３の縦軸は加振力（ｄＢ）を、横軸は周波数（ｋＨｚ）を示している。図３のＰ_ｒで示すプロットは、共鳴周波数における加振力の測定値Ｐ_ｒである。測定値Ｐ_ｒは、筒内圧センサの出力をフーリエ変換して得られた加振力の波形において、燃焼室の共鳴周波数における加振力の値である。また、図３の実線は、基準加振力Ｐ_ｔｒｇを示している。基準加振力Ｐ_ｔｒｇとは、比熱比が低いか否かを判定するために設定される加振力の基準値である。図４は、共鳴周波数における基準加振力Ｐ_ｔｒｇを決定するためのマップが表されている図である。図４に示すように、基準加振力Ｐ_ｔｒｇは、燃料噴射量及びエンジン回転速度から決定される。つまり、基準加振力Ｐ_ｔｒｇは、運転状態に基づいて算出される。

また、図３の測定値Ｐ_ｒは、実線で示す基準加振力Ｐ_ｔｒｇより低い値となっている。このように、測定値Ｐ_ｒが基準加振力Ｐ_ｔｒｇよりも低い場合には、燃焼室に凝縮水が流入して、比熱比が通常の運転状態よりも低くなったと判定される。

図５は、水蒸気分圧（ｋＰａ）を算出するモデルを表した図である。図５は、基準加振力Ｐ_ｔｒｇと測定値Ｐ_ｒとの差、及び、基準比熱比と実際の比熱比との差の関係を示すモデルを表している。図５のモデルが示すように、基準加振力Ｐ_ｔｒｇと測定値Ｐ_ｒとの差を求めることによって、基準比熱比と実際の比熱比との差を取得することができる。

図６は、算出された基準比熱比と実際の比熱比との差、及び、水蒸気分圧ｋＰａとの関係を示すモデルを表している。図６のモデルが示すように、図５のモデルで取得した基準比熱比と実際の比熱比との差から水蒸気分圧ｋＰａを取得することができる。そして、水蒸気分圧ｋＰａから燃焼室の水分量を算出することができる。そして、燃焼室の水分量から、燃焼室への凝縮水の流入量を算出することができる。

図７は、燃焼室への凝縮水の流入量が基準値を超えたか否かを判定するモデルについて説明するための図である。図７には、実線で凝縮水の流入量の算出値Ｗ_ｉｎが、破線で凝縮水の流入量の基準値Ｗ_ｔｒｇが示されている。凝縮水の流入量の算出値Ｗ_ｉｎが凝縮水の流入量の基準値Ｗ_ｔｒｇを超えた場合には、凝縮水の燃焼室への流入量が増加したため、着火が不安定であると判定する。

図８は、燃焼室への凝縮水の流入量について判定するモデルについて説明するための図である。図８において、縦軸は基準比熱比と実際の比熱比との差であり、横軸は基準加振力Ｐ_ｔｒｇと加振力の測定値Ｐ_ｒとの差を示している。図８において、実線は凝縮水の流入量の算出値Ｗ_ｉｎが、破線で凝縮水の流入量の基準値Ｗ_ｔｒｇが示されている。凝縮水の流入量の算出値Ｗ_ｉｎが凝縮水の流入量の基準値Ｗ_ｔｒｇを超えた場合には、燃焼室への凝縮水の流入量が過大であると判定される。

以下、実施の形態１のＥＣＵで実行される、凝縮水流入判定制御の具体的な処理について、図９、図１０を参照して説明する。

［共鳴周波数推定フロー］
図９は、実施の形態１のＥＣＵにおいて実行される共鳴周波数推定フローを表す図である。ＥＣＵは、本フローを記憶するためのメモリーを有している。ＥＣＵは、記憶した本フローを実行するためのプロセッサを有している。

まず、ＥＣＵは、筒内圧Ｐｃを計測する（Ｓ１００）。

次に、ＥＣＵは、吸入空気量Ｇａを計測する（Ｓ１０２）。

次に、ＥＣＵは、熱発生率を算出する（Ｓ１０４）。ＥＣＵは、熱発生率を運転条件毎に算出する。熱発生率を算出することで、次ステップ（Ｓ１０６）において用いる燃焼温度を正確に推定することができる。ＥＣＵは、下記式（１）を用いて、熱発生率を算出する。ここで、κは比熱比であり、Ｐは筒内圧であり、Ｖは筒内容積である。

次に、ＥＣＵは、共鳴周波数ｆｃを推定する（Ｓ１０６）。共鳴周波数ｆｃは、音速と燃焼室径から算出される。ＥＣＵは、下記式（２）を用いて、音速（ｃ）を算出する。ここで、κは比熱比であり、Ｒは気体定数であり、Ｔは燃焼温度であり、Ｍは気体の平均分子量である。ＥＣＵは、算出した音速と燃焼室径とに基づいて、共鳴周波数ｆｃを推定する。その後、本フローは終了する。

［凝縮水流入判定フロー］
図１０は、実施の形態１のＥＣＵにおいて実行される凝縮水流入判定フローを表す図である。

まず、ＥＣＵは、筒内圧Ｐｃを計測する（Ｓ２００）。

次に、ＥＣＵは、フーリエ変換（ＦＦＴ）を実行する（Ｓ２０２）。ＥＣＵは、筒内圧をフーリエ変換することで、図１で説明した加振力の波形を取得する。

次に、ＥＣＵは、共鳴周波数ｆｃの加振力（測定値Ｐ_ｒ）を算出する（Ｓ２０４）。共鳴周波数ｆｃは、図８で説明した共鳴周波数推定フローによって算出された共鳴周波数ｆｃが用いられる。

次に、ＥＣＵは、基準加振力Ｐ_ｔｒｇを算出する（Ｓ２０６）。基準加振力Ｐ_ｔｒｇは、図４で説明したマップから算出される。

次に、ＥＣＵは、測定値Ｐ_ｒが基準加振力Ｐ_ｔｒｇより小さいか否かを判定する（Ｓ２０８）。測定値Ｐ_ｒが基準加振力Ｐ_ｔｒｇ以上であると判定された場合、本フローの始点に戻る。

一方、ＥＣＵは、測定値Ｐ_ｒが基準加振力Ｐ_ｔｒｇより小さいと判定した場合、凝縮水が燃焼室に流入したと判定し、凝縮水の流入量の算出値Ｗ_ｉｎが算出される（Ｓ２１０）。ＥＣＵは、凝縮水の流入量の算出値Ｗ_ｉｎを、図５及び図６で説明したモデルを用いて算出する。

次に、ＥＣＵは、凝縮水の流入量の算出値Ｗ_ｉｎが凝縮水の流入量の基準値Ｗ_ｔｒｇよりも大きいか否かを判定する（Ｓ２１２）。ＥＣＵは、凝縮水の流入量の算出値Ｗ_ｉｎが凝縮水の流入量の基準値Ｗ_ｔｒｇ以下であると判定した場合には、本フローの始点に戻る。

一方、ＥＣＵは、凝縮水の流入量の算出値Ｗ_ｉｎが凝縮水の流入量の基準値Ｗ_ｔｒｇよりも大きいと判定した場合、ＥＧＲクーラバイパスに切り替える（Ｓ２１４）。ＥＧＲクーラバイパスに切り替えることで、ＥＧＲクーラにＥＧＲガスを通過させることなく燃焼室に供給できる。このため、ＥＧＲクーラにおいて凝縮水が発生することを抑制することができる。その後、本フローは終了する。

実施の形態１の凝縮水流入判定制御では、高い精度で燃焼室への凝縮水の流入を判定できる。このため、燃焼室への凝縮水の流入を確実に検知し、ＥＧＲガスの供給を減量または禁止することができる。この結果、エンジンの保護、燃焼安定性を確保することができる。

また、実施の形態１において、筒内圧センサの出力に基づいて加振力を算出したが、これに限るものではない。例えば、加速度センサの出力に基づいて加振力を算出することとしてもよい。または、エンジン放射音を測定するマイクロフォンを用いてもよい。

また、実施の形態１において、加振力の波形を筒内圧センサの出力をフーリエ変換することで得たが、これに限るものではない。例えば、ウェーブレット変換によって加振力の波形を得ることとしてもよい。

また、実施の形態１において、共鳴周波数の算出は、図９の制御フローを用いたが、これに限るものではない。例えば、エンジンの燃焼室径から予め設定した範囲（例えば５ｋＨｚ〜７ｋＨｚ）のピーク値を使用してもよい。

なお、ＥＧＲ遅れによる比熱比の変化と凝縮水による比熱比の変化を切り分けるために、図９及び図１０で説明した制御フローを定常時のみ実施することとしてもよい。

なお、実施の形態１では、ディーゼルエンジンを例として説明したが、これに限るものではない。例えば、ガソリンエンジンについても本制御は適用できるものとする。

Claims

内燃機関の燃焼室に設けられる筒内圧センサと、
前記筒内圧センサの出力を燃焼時に発生する加振力の波形に変換する燃焼波形取得手段と、
前記燃焼室の共鳴周波数における加振力の測定値を前記波形に基づいて算出する加振力測定値算出手段と、
前記燃焼室の共鳴周波数における加振力の基準値を前記内燃機関の運転状態に基づいて算出する加振力基準値算出手段と、
前記加振力の測定値が前記加振力の基準値よりも小さい場合には、前記燃焼室に凝縮水が流入したと判定する凝縮水流入判定手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。