JP2017155638A

JP2017155638A - 内燃機関の制御装置

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Publication number: JP2017155638A
Application number: JP2016039079A
Authority: JP
Inventors: 幸俊青山; Yukitoshi Aoyama; 宏石杉山; Koseki Sugiyama
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-03-01
Filing date: 2016-03-01
Publication date: 2017-09-07
Anticipated expiration: 2036-03-01
Also published as: JP6519500B2

Abstract

【課題】この発明は、内燃機関の制御装置に関し、着火遅れの大小によらずに熱発生率の傾きを適切に推定でき、これにより、熱発生率の傾きの実値をより精度良く目標値に近づける制御を行えるようにすることを目的とする。【解決手段】燃料の平均噴射率、および着火遅れ期間に基づいて熱発生率の第１の傾きを算出する手段を備える。気筒内の酸素密度、前記気筒内の燃料密度、筒内圧および筒内温度に基づいて熱発生率の第２の傾きを算出する手段を備える。前記第１の傾きおよび前記第２の傾きのうちの何れか小さい方の値を熱発生率の傾きの推定値として、熱発生率の傾きの目標値と前記推定値との偏差に基づいて燃料噴射圧を制御する手段を備える。【選択図】図２

Description

この発明は、内燃機関の制御装置に関する。

例えば、特許文献１には、ディーゼルエンジンの熱発生率波形作成装置が開示されている。この装置では、熱発生率が上昇もしくは下降する期間での反応速度に相当する熱発生率の勾配（傾き）が次のように算出される。すなわち、拡散燃焼による高温酸化反応に関しては、当該傾きは燃料の噴射率（より具体的には、噴射率波形勾配）に基づいて算出される。また、予混合燃焼による高温酸化反応に関しては、当該傾きは燃料噴射量に基づいて算出される。

特開２０１５−０３１１９２号公報特開２００５−３２０８７２号公報

熱発生率の傾きを律速する現象は、着火遅れの大小に応じて異なるものとなる。より具体的には、着火遅れが小さい場合には、熱発生率の傾きは燃料に律速され、一方、着火遅れが大きい場合には、熱発生率の傾きは化学反応速度に律速される。この点を考慮することで、着火遅れの大小によらずに熱発生率の傾きをより適切に推定でき、そのうえで、推定した傾きをより精度良く目標値に近づける制御を行えるようになると考えられる。

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、着火遅れの大小によらずに熱発生率の傾きを適切に推定でき、これにより、熱発生率の傾きの実値をより精度良く目標値に近づける制御を行えるようにした内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

本発明に係る内燃機関の制御装置は、気筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁を備える内燃機関を制御する。前記制御装置は、燃料の平均噴射率、および着火遅れ期間に基づいて熱発生率の第１の傾きを算出する手段を備える。また、前記制御装置は、前記気筒内の酸素密度、前記気筒内の燃料密度、筒内圧および筒内温度に基づいて熱発生率の第２の傾きを算出する手段を備える。さらに、前記制御装置は、前記第１の傾きおよび前記第２の傾きのうちの何れか小さい方の値を熱発生率の傾きの推定値として、熱発生率の傾きの目標値と前記推定値との偏差に基づいて燃料噴射圧を制御する手段を備える。

本発明によれば、燃料の平均噴射率、および着火遅れ期間に基づいて熱発生率の第１の傾きが算出される。第１の傾きによれば、着火遅れが小さい場合（すなわち、熱発生率の傾きが燃料に律速される場合）における熱発生率の傾きを適切に算出することができる。また、本発明によれば、気筒内の酸素密度、気筒内の燃料密度、筒内圧および筒内温度に基づいて熱発生率の第２の傾きが算出される。第２の傾きによれば、着火遅れが大きい場合（すなわち、熱発生率の傾きが化学反応速度に律速される場合）における熱発生率の傾きを適切に算出することができる。そのうえで、本発明によれば、第１の傾きおよび第２の傾きのうちの何れか小さい方の値が熱発生率の傾きの最終的な推定値として選択される。このように、これらの２つの値のうちの小さい方の値を選択することで、着火遅れの大小によらずに傾きを適切に推定することが可能となる。そして、熱発生率の傾きの目標値と上記推定値との偏差に基づいて燃料噴射弁の噴射圧を制御することにより、熱発生率の傾きの実値をより精度良く目標値に近づける制御を行えるようになる。

本発明の実施の形態に係る制御装置が内燃機関１０のために実行する制御の構成を説明するための図である。本発明の実施の形態の特徴的な熱発生率の傾きＳの算出手法を説明するための図である。本発明の実施の形態において実行されるメインルーチンを示すフローチャートである。熱発生率の傾きＳの算出処理のサブルーチンを示すフローチャートである。

図１は、本発明の実施の形態に係る制御装置が内燃機関１０のために実行する制御の構成を説明するための図である。

（ハードウェア構成）
本制御装置１２が適用される内燃機関１０は、ディーゼルエンジンである。内燃機関１０は、気筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁１４を備えている。また、内燃機関１０は、燃料噴射弁１４に供給される燃料の供給圧（コモンレール圧）、すなわち、燃料噴射圧を制御するための制御弁１６を備えている。

制御装置１２には、燃料噴射弁１４および制御弁１６などの内燃機関１０が備える各種アクチュエータが電気的に接続されている。また、制御装置１２には、エンジン回転速度、燃料噴射圧、筒内圧、吸気温度、吸気圧、および吸入空気量などの内燃機関１０の運転に関する各種パラメータを取得するためのセンサが電気的に接続されている。

（熱発生率傾き制御）
制御装置１２が実行するエンジン制御には、図１に表された熱発生率傾き制御が含まれている。この熱発生率傾き制御では、後述の傾きＳの推定値をその目標値に近づけるために、燃料噴射圧が制御される。熱発生率傾き制御では、燃料噴射圧（コモンレール圧）の基本値である基本噴射圧が算出される。基本噴射圧は、エンジン回転速度と燃料噴射量（燃料噴射弁１４に対する指示値）と基本噴射圧との関係を予め定めたマップを参照して算出される。

また、制御装置１２は、熱発生率傾き制御に関するフィードフォワード制御部（Ｆ／Ｆ制御部）１２ａを備えている。Ｆ／Ｆ制御部１２ａでは、熱発生率傾き算出モデルを利用して、熱発生率の傾きＳが算出される。そのうえで、Ｆ／Ｆ制御部１２ａでは、算出された傾きＳとその目標値との偏差が算出される。そして、この偏差を解消するために、算出された偏差に応じた噴射圧補正量（Ｆ／Ｆ補正項）が算出される。次いで、算出された噴射圧補正量を上記の基本噴射圧に足し合わせることによって、制御弁１６に指示される最終噴射圧が算出される。

（熱発生率の傾きＳの算出）
熱発生率の傾きＳを律速する現象は、燃料噴射時期から燃焼開始までの遅れに相当する着火遅れの大小に応じて異なるものとなる。このため、着火遅れが大きい場合とこれが小さい場合のそれぞれにおいて傾きＳを精度良く算出するためには、以下に説明するように、それぞれの場合に適した算出式が必要とされる。

着火遅れが小さい場合には、熱発生率の傾きは燃料に律速される。この場合の熱発生率の傾きＳ１（Ｊ／μｓｅｃ^２）の算出式としては、燃料の平均噴射率と着火遅れ期間（μｓｅｃ）とをパラメータとして含む次の（１）式が適している。

ただし、上記（１）式において、Ａは、熱発生率の傾きの基本値であり、より具体的には、単位噴射率および単位着火遅れ期間当たりの熱発生率の傾きである。平均噴射率は、メイン噴射による燃料噴射量をメイン噴射による燃料噴射期間で除して得られる値である。

一方、着火遅れが大きい場合には、熱発生率の傾きは化学反応速度に律速される。この場合の熱発生率の傾きＳ２（Ｊ／μｓｅｃ^２）の算出式としては、気筒内の酸素密度（ｏｘｙｇｅｎ）、気筒内の燃料密度（ｆｕｅｌ）、筒内圧Ｐおよび筒内温度Ｔをパラメータとして含む次の（２）式が適している。

ただし、上記（２）式において、Ｂは、分子の単位時間の衝突回数である衝突頻度に相当する衝突頻度係数である。Ｄは燃料噴霧の粒径である。Ｅは活性化エネルギである。Ｒは気体定数である。Ｎｅはエンジン回転速度である。ａ〜ｅはモデル定数である。

図２は、本実施形態の特徴的な熱発生率の傾きＳの算出手法を説明するための図である。なお、図２において、同じ種類のプロット点は、同一エンジン運転条件（エンジン回転速度および燃料噴射量）でのデータを示しており、同じ種類のプロット点の分布は、着火遅れ期間（酸素密度）の変化によるものである。

図２（Ａ）は、熱発生率の傾きＳの実測値と着火遅れ期間との関係を表している。一方、図２（Ｂ）中に表された直線は、それぞれ、上記（１）式に従って算出された傾きＳ１のプロット点の近似直線であり、図２（Ｃ）中に表された直線は、それぞれ、上記（２）式に従って算出された傾きＳ２のプロット点の近似直線である。そして、図２（Ｄ）は、図２（Ｂ）および図２（Ｃ）に示す傾きＳ１および傾きＳ２の算出結果を組み合わせて表示した図に相当する。

図２（Ｄ）中の同じ種類のプロット点に関する傾きＳ１およびＳ２の近似直線に着目すると分かるように、着火遅れ期間が短い側では、傾きＳ１の方が傾きＳ２と比べて、実測値に近い傾きＳの推定値が得られることが分かる。一方、着火遅れ期間が長い側では、傾きＳ１よりも傾きＳ２の方が、実測値により近い傾きＳの推定値が得られることが分かる。しかしながら、運転中に今回の燃焼サイクルが着火遅れの小さい燃焼サイクルであったかあるいは着火遅れの大きい燃焼サイクルであったかを判断すること（すなわち、傾きＳが燃料に律速される状況であるかあるいは化学反応速度に律速される状況であるかを判断すること）は困難である。

そこで、本実施形態では、上述の２種類の傾きＳ１と傾きＳ２とを常時（燃焼サイクル毎に）算出することとした。そのうえで、傾きＳ１と傾きＳ２のうちの何れか小さい方の値を、最終的に熱発生率傾き制御に用いる傾きＳの推定値として利用することとした。

（実施の形態１における具体的な処理）
図３は、本実施形態において実行されるメインルーチンを示すフローチャートである。なお、本ルーチンは、燃焼サイクル毎に繰り返し実行されるものとする。

図３に示すメインルーチンでは、まず、エンジン回転速度と燃料噴射量とに基づいて基本噴射圧が算出される（ステップ１００）。次いで、熱発生率の傾きの目標値が算出される（ステップ１０２）。この目標値は、例えば、固定値であってもよいし、あるいは、エンジン運転条件（例えば、エンジン回転速度と燃料噴射量）に応じた値であってもよい。

次に、熱発生率の傾きＳの算出処理が実行される（ステップ１０４）。図４は、熱発生率の傾きＳの算出処理のサブルーチンを示すフローチャートである。図４に示すサブルーチンでは、まず、今回の燃焼サイクルで行われた燃料噴射についての噴射率（平均噴射率）が取得される（ステップ２００）。平均噴射率は、既述したように、メイン噴射による燃料噴射量（指示値）をメイン噴射による燃料噴射期間（指示値）で除することで算出することができる。

次に、気筒内の各種状態量（筒内圧Ｐ、筒内温度Ｔ、酸素密度および燃料密度）が取得される（ステップ２０２）。筒内圧Ｐは、メイン噴射時期での値であり、例えば、筒内圧センサを用いて取得することができる。筒内温度Ｔは、メイン噴射時期での値であり、例えば、気体の状態方程式を用いて算出することができる。酸素密度は、例えば、筒内ガス量、ＥＧＲ率、および筒内容積等に基づいて算出することができる。燃料密度は、例えば、燃料噴射量および燃料噴射圧等に基づいて算出することができる。

次に、今回の燃焼サイクルの着火遅れ期間が取得される（ステップ２０４）。着火遅れ期間は、例えば、酸素濃度、燃料密度、筒内圧Ｐおよび筒内温度Ｔ等に基づいて算出することができる。

次に、上記（１）式（燃料律速式）を利用して熱発生率の傾きＳ１が算出される（ステップ２０６）。（１）式中の基本熱発生率傾きＡは、例えば、図示省略するマップを参照してエンジン運転条件（例えば、エンジン回転速度と燃料噴射量）に応じた値として算出することができる。（１）式中の平均噴射率および着火遅れ期間は、ステップ２００および２０４の取得値がそれぞれ用いられる。

次に、上記（２）式（化学反応速度律速式）を利用して熱発生率の傾きＳ２が算出される（ステップ２０８）。（２）式中の衝突頻度係数Ｂは、例えば、図示省略するマップを参照してエンジン運転条件に応じた値として算出することができる。噴霧粒径Ｄは、例えば、噴射圧、噴孔数および噴孔径等に応じた値として算出することができる。活性化エネルギＥは、例えば、既知の値として定数で与えることができる。エンジン回転速度Ｎｅは、クランク角センサを用いて算出することができる。筒内ガスの気体定数Ｒは既知の値である。モデル定数ａ〜ｅは事前に決定された値である。

次に、ステップ２０６にて算出された傾きＳ１と、ステップ２０８にて算出された傾きＳ２のうちの何れか小さい方の値が最終的な傾きＳの推定値として算出される（ステップ２１０）。

図３に示すメインルーチンでは、ステップ１０４において傾きＳの推定値が算出された後に、算出された推定値と傾きの目標値との偏差（より具体的には、傾きＳの推定値から目標値を引いて得られる値）が算出される（ステップ１０６）。

次に、噴射圧補正量（Ｆ／Ｆ項）が算出される（ステップ１０８）。噴射圧補正量は、ステップ１０６にて算出された偏差に所定のゲインを乗じて得られる値である。噴射圧補正量は、上記偏差が正の値である場合（傾きＳの推定値が目標値よりも大きい場合）には、上記偏差が大きいほど燃料噴射圧が低くなるように算出される。一方、上記偏差が負の値である場合（傾きＳの推定値が目標値よりも小さい場合）には、上記偏差が負側で大きいほど燃料噴射圧が高くなるように算出される。

次に、最終噴射圧が算出される（ステップ１１０）。最終噴射圧は、ステップ１００にて算出された基本噴射圧に、ステップ１０８にて噴射圧補正量を足し合わせることによって算出される。その結果、燃料噴射圧（燃料噴射弁１４に供給される燃料の供給圧）が最終噴射圧となるように制御弁１６が制御される。

以上説明した図３および図４に示すルーチンによれば、各燃焼サイクルにおいて、着火遅れが小さい場合に適した傾きＳ１と着火遅れが大きい場合に適した傾きＳ２とが算出され、これらの２つの値のうちの最小値が最終的な傾きＳ（推定値）として算出される。既述したように、熱発生率の傾きＳは、気筒内に噴射された燃料もしくは筒内状態から決定される化学反応速度の何れかに律速される。このため、上記最小値を選択することで、着火遅れの大小によらずに傾きＳを適切に（高精度に）推定することが可能となる。また、本手法によれば、そのような傾きＳの推定値を制御装置に実装可能な演算量で算出できるようになる。そして、この推定値の利用により、燃料噴射圧の補正の精度を向上させられるので、内燃機関１０の失火、トルク低下、および燃焼騒音悪化のそれぞれを抑制できるようになる。

１０内燃機関
１２制御装置
１２ａフィードフォワード制御部（Ｆ／Ｆ制御部）
１４燃料噴射弁
１６制御弁

Claims

気筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁を備える内燃機関を制御する制御装置であって、
燃料の平均噴射率、および着火遅れ期間に基づいて熱発生率の第１の傾きを算出する手段と、
前記気筒内の酸素密度、前記気筒内の燃料密度、筒内圧および筒内温度に基づいて熱発生率の第２の傾きを算出する手段と、
前記第１の傾きおよび前記第２の傾きのうちの何れか小さい方の値を熱発生率の傾きの推定値として、熱発生率の傾きの目標値と前記推定値との偏差に基づいて燃料噴射圧を制御する手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。