JP2017172541A - Control device of internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は内燃機関の制御装置に関する。 The present invention relates to a control device for an internal combustion engine.
特許文献1には、従来の内燃機関の制御装置として、気筒内の燃焼領域における当量比φが任意の当量比で均質であると仮定して気筒内の最高筒内温度を算出し、当該最高筒内温度に基づいて気筒内から排出される排気中のNOx量(以下「NOx排出量」という。)を推定するものが開示されている。
In
ここで前述した従来の内燃機関の制御装置は、気筒内で拡散燃焼を実施することを前提とし、気筒内の燃焼領域における当量比φが1であると仮定して気筒内の最高筒内温度を算出していた。しかしながら、気筒内で予混合気を圧縮自着火燃焼させる場合は、気筒内の燃焼領域における当量比が1よりも小さくなると共に、機関運転状態に応じて気筒内の燃焼領域における当量比も大きく変化する。そのため、前述した従来の内燃機関の制御装置では、気筒内で予混合気を圧縮自着火燃焼させる場合のNOx排出量の推定精度が悪化するおそれがある。 The above-described conventional control device for an internal combustion engine is based on the assumption that diffusion combustion is performed in the cylinder, and assuming that the equivalent ratio φ in the combustion region in the cylinder is 1, the maximum in-cylinder temperature in the cylinder. Was calculated. However, when the premixed gas is subjected to compression auto-ignition combustion in the cylinder, the equivalence ratio in the combustion region in the cylinder is smaller than 1, and the equivalence ratio in the combustion region in the cylinder changes greatly according to the engine operating state. To do. Therefore, in the above-described conventional control device for an internal combustion engine, there is a possibility that the estimation accuracy of the NOx emission amount when the premixed gas is subjected to compression self-ignition combustion in the cylinder is deteriorated.
本発明はこのような問題点に着目してなされたものであり、気筒内で予混合気を圧縮自着火燃焼させる場合であっても、NOx排出量を精度良く推定できるようにすることを目的とする。 The present invention has been made paying attention to such problems, and it is an object of the present invention to make it possible to accurately estimate the NOx emission amount even when the premixed gas is subjected to compression self-ignition combustion in a cylinder. And
上記課題を解決するために、本発明のある態様によれば、機関本体と、機関本体の気筒の筒内圧力を検出するための筒内圧力検出センサと、を備え、気筒内で予混合気を圧縮自着火燃焼させることが可能な内燃機関を制御するための内燃機関の制御装置が、気筒内の燃焼領域における当量比を所定当量比としたときの当該気筒内の1サイクル中における最高筒内温度に基づいて、当該気筒から排出されるNOx排出量を算出するNOx排出量算出部と、機関運転状態に基づいて、気筒内の燃焼領域における当量比を予め決められた基準当量比としたときの基準図示平均有効圧力を算出する基準図示平均有効圧力算出部と、筒内圧力に基づいて、図示平均有効圧力を算出する図示平均有効圧力算出部と、を備える。そしてNOx濃度算出部は、所定当量比を基準当量比として最高筒内温度を算出すると共に、当該最高筒内温度に基づいて算出されたNOx排出量を、図示平均有効圧力が基準図示平均有効圧力よりも高くなるほど少なくするか、又は所定当量比を、図示平均有効圧力が基準図示平均有効圧力よりも高くなるほど基準当量比よりも小さい当量比として最高筒内温度を算出し、当該最高筒内温度に基づいてNOx排出量を算出するように構成される。 In order to solve the above-described problems, according to an aspect of the present invention, an engine body and a cylinder pressure detection sensor for detecting the cylinder pressure of a cylinder of the engine body are provided, and the premixed gas is detected in the cylinder. When the internal combustion engine control device for controlling the internal combustion engine capable of performing compression auto-ignition combustion of the cylinder has the equivalent ratio in the combustion region in the cylinder as a predetermined equivalent ratio, the highest cylinder in one cycle in the cylinder Based on the internal temperature, the NOx emission amount calculation unit for calculating the NOx emission amount discharged from the cylinder, and based on the engine operating state, the equivalence ratio in the combustion region in the cylinder is set to a predetermined reference equivalence ratio. A reference indicated mean effective pressure calculating unit that calculates a reference indicated mean effective pressure, and an indicated mean effective pressure calculating unit that calculates the indicated mean effective pressure based on the in-cylinder pressure. The NOx concentration calculating unit calculates the maximum in-cylinder temperature using the predetermined equivalent ratio as the reference equivalent ratio, and the indicated average effective pressure is the reference indicated average effective pressure based on the NOx emission amount calculated based on the maximum in-cylinder temperature. The maximum in-cylinder temperature is calculated as an equivalent ratio smaller than the reference equivalent ratio as the indicated equivalent effective ratio becomes higher than the reference indicated average effective pressure. Based on the above, the NOx emission amount is calculated.
本発明のこの態様によれば、気筒内で予混合気を圧縮自着火燃焼させる場合であっても、NOx排出量を精度良く推定できる。 According to this aspect of the present invention, the NOx emission amount can be accurately estimated even when the premixed gas is subjected to compression self-ignition combustion in the cylinder.
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following description, the same reference numerals are assigned to similar components.
(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態による内燃機関100及び内燃機関100を制御する電子制御ユニット200の概略構成図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an
内燃機関100は、複数の気筒10を備える機関本体1と、燃料供給装置2と、吸気装置3と、排気装置4と、吸気動弁装置5と、排気動弁装置6と、を備える。
The
本実施形態による内燃機関は、各気筒10内で予混合気(均質予混合気又は成層予混合気)を圧縮自着火燃焼させる予混合圧縮自着火燃焼と、各気筒10内で圧縮空気に燃料を噴射して当該燃料を空気と混合させながら燃焼させる拡散燃焼と、を選択的に実施して機関本体1の運転を行うことできるように構成される。以下、内燃機関の各構成部品の詳細について説明する。
The internal combustion engine according to the present embodiment includes premixed compression self-ignition combustion in which premixed gas (homogeneous premixed gas or stratified premixed gas) is compressed and ignited in each
機関本体1は、各気筒10内で燃料を燃焼させて、例えば車両などを駆動するための動力を発生させる。機関本体1には、気筒毎に一対の吸気弁50と一対の排気弁60とが設けられる。また機関本体1には、各気筒10の筒内圧力を検出するための筒内圧力センサ210が、気筒毎に1つ設けられる。
The
燃料供給装置2は、電子制御式の燃料噴射弁20と、デリバリパイプ21と、サプライポンプ22と、燃料タンク23と、を備える。
The
燃料噴射弁20は、各気筒10の燃焼室に臨むように各気筒10に1つ設けられる。燃料噴射弁20の開弁時間(噴射量)及び開弁時期(噴射時期)は電子制御ユニット200からの制御信号によって変更され、燃料噴射弁20が開弁されると燃料噴射弁20から気筒10内に直接燃料が噴射される。
One
デリバリパイプ21は、圧送パイプ24を介して燃料タンク23に接続される。圧送パイプ24の途中には、燃料タンク23に貯蔵された燃料を加圧してデリバリパイプ21に供給するためのサプライポンプ22が設けられる。デリバリパイプ21は、サプライポンプ22から圧送されてきた高圧燃料を一時的に貯蔵する。燃料噴射弁20が開弁されると、デリバリパイプ21に貯蔵された高圧燃料が燃料噴射弁20から気筒内に直接噴射される。デリバリパイプ21には、デリバリパイプ21内の燃料圧力、すなわち燃料噴射弁20から気筒内に噴射される燃料の圧力(噴射圧)を検出するための燃圧センサ211が設けられる。
The
サプライポンプ22は、吐出量を変更することができるように構成されており、サプライポンプ22の吐出量は、電子制御ユニット200からの制御信号によって変更される。サプライポンプ22の吐出量を制御することで、デリバリパイプ21内の燃料圧力、すなわち燃料噴射弁20の噴射圧が制御される。
The
吸気装置3は、各気筒10内に吸気を導くための装置であって、各気筒10内に吸入される吸気の状態(吸気圧、吸気温、EGR(Exhaust Gas Recirculation)ガス量)を変更することができるように構成されている。吸気装置3は、吸気通路30と、吸気マニホールド31と、EGR通路32と、を備える。
The intake device 3 is a device for guiding intake air into each
吸気通路30は、一端がエアクリーナ34に接続され、他端が吸気マニホールド31の吸気コレクタ31aに接続される。吸気通路30には、上流から順にエアフローメータ212、排気ターボチャージャ7のコンプレッサ71、インタークーラ35及びスロットル弁36が設けられる。
One end of the
エアフローメータ212は、吸気通路30内を流れて最終的に各気筒10内に吸入される空気の流量(以下「筒内吸入空気量」という。)を検出する。
The
コンプレッサ71は、コンプレッサハウジング71aと、コンプレッサハウジング71a内に配置されたコンプレッサホイール71bと、を備える。コンプレッサホイール71bは、同軸上に取り付けられた排気ターボチャージャ7のタービンホイール72bによって回転駆動され、コンプレッサハウジング71a内に流入してきた吸気を圧縮して吐出する。排気ターボチャージャ7のタービン72には、タービンホイール72bの回転速度を制御するための可変ノズル72cが設けられており、可変ノズル72cによってタービンホイール72bの回転速度が制御されることで、コンプレッサハウジング71a内から吐出される吸気の圧力(過給圧)が制御される。
The
インタークーラ35は、コンプレッサ71によって圧縮されて高温になった吸気を、例えば走行風や冷却水などによって冷却するための熱交換器である。
The
スロットル弁36は、吸気通路30の通路断面積を変化させることで、吸気マニホールド31に導入する吸気量を調整する。スロットル弁36は、スロットルアクチュエータ36aによって開閉駆動され、スロットルセンサ213によってその開度(スロットル開度)が検出される。
The
吸気マニホールド31は、機関本体1に接続されており、吸気通路30から流入してきた吸気を機関本体1に形成された吸気ポートを介して各気筒10に均等に分配する。吸気マニホールド31の吸気コレクタ31aには、各気筒10内に吸入される吸気の圧力(吸気圧)を検出するための吸気圧センサ214と、各気筒10内に吸入される吸気の温度(吸気温)を検出するための吸気温センサ215と、が設けられる。
The
EGR通路32は、排気マニホールド41と吸気マニホールド31の吸気コレクタ31aを連通し、各気筒10から排出された排気の一部を圧力差によって吸気コレクタ31aに戻すための通路である。以下、EGR通路32に流入した排気のことを「EGRガス」という。EGRガスを吸気コレクタ31a、ひいては各気筒10に還流させることで、燃焼温度を低減させて窒素酸化物(NOx)の排出を抑えることができる。EGR通路32には、上流から順にEGRクーラ37と、EGR弁38と、が設けられる。
The
EGRクーラ37は、EGRガスを、例えば走行風や冷却水などによって冷却するための熱交換器である。
The
EGR弁38は、連続的又は段階的に開度を調整することができる電磁弁であり、その開度は電子制御ユニット200によって制御される。EGR弁38の開度を制御することで、吸気コレクタ31aに還流させるEGRガスの流量が調節される。
The
排気装置4は、各気筒10内から排気を排出するための装置であって、排気マニホールド41と、排気通路42と、を備える。
The
排気マニホールド41は、機関本体1に接続されており、各気筒10から排出された排気を纏めて排気通路42に導入する。
The exhaust manifold 41 is connected to the
排気通路42には、上流から順に排気ターボチャージャ7のタービン72と、排気後処理装置43と、が設けられる。
The
タービン72は、タービンハウジング72aと、タービンハウジング72a内に配置されたタービンホイール72bと、を備える。タービンホイール72bは、タービンハウジング72a内に流入してきた排気のエネルギによって回転駆動され、同軸上に取り付けられたコンプレッサホイール71bを駆動する。
The
タービンホイール72bの外側には、前述した可変ノズル72cが設けられている。可変ノズル72cは絞り弁として機能し、可変ノズル72cのノズル開度(弁開度)は電子制御ユニット200によって制御される。可変ノズル72cのノズル開度を変化させることでタービンホイール72bを駆動する排気の流速をタービンハウジング72a内で変化させることができる。すなわち、可変ノズル72cのノズル開度を変化させることで、タービンホイール72bの回転速度を変化させて過給圧を変化させることができる。具体的には、可変ノズル72cのノズル開度を小さくする(可変ノズル72cを絞る)と、排気の流速が上がってタービンホイール72bの回転速度が増大し、過給圧が増大する。
The
排気後処理装置43は、排気を浄化した上で外気に排出するための装置であって、有害物質を浄化する各種の排気浄化触媒や有害物質を捕集するフィルタなどを備える。
The
吸気動弁装置5は、各気筒10の吸気弁50を開閉駆動するための装置であって、機関本体1に設けられる。本実施形態による吸気動弁装置5は、各気筒10の吸気弁50を吸気行程中に開弁させることができるように構成される。本実施形態ではこのような吸気動弁装置5として、電子制御ユニット200によって制御される電磁アクチュエータを採用し、各気筒10の吸気弁50を電磁アクチュエータによって開閉駆動することで、吸気弁50の開閉時期やリフト量を任意の時期及びリフト量に制御している。
The intake
排気動弁装置6は、各気筒10の排気弁60を開閉駆動するための装置であって、機関本体1に設けられる。本実施形態による排気動弁装置6は、各気筒10の排気弁60を排気行程中に開弁させると共に、必要に応じて吸気行程中にも開弁させることができるように構成される。本実施形態ではこのような排気動弁装置6として、電子制御ユニット200によって制御される電磁アクチュエータを採用し、各気筒10の排気弁60を電磁アクチュエータによって開閉駆動することで、排気弁60の開閉時期やリフト量を任意の時期及びリフト量に制御している。
The exhaust valve device 6 is a device for opening and closing the
なお、吸気動弁装置5及び排気動弁装置6としては、電磁アクチュエータに限らず、例えば油圧等によってカムプロフィールを変更することで吸気弁50及び排気弁60の開閉時期やリフト量を変更する動弁装置を採用することもできる。
The
電子制御ユニット200は、デジタルコンピュータから構成され、双方性バス201によって互いに接続されたROM(リードオンリメモリ)202、RAM(ランダムアクセスメモリ)203、CPU(マイクロプロセッサ)204、入力ポート205及び出力ポート206を備える。
The
入力ポート205には、前述した燃圧センサ211、エアフローメータ212、スロットルセンサ213、吸気圧センサ214、吸気温センサ215などの出力信号が、対応する各AD変換器207を介して入力される。また、入力ポート205には、アクセルペダル221の踏み込み量(以下「アクセル踏込量」という。)に比例した出力電圧を発生する負荷センサ217の出力電圧が、対応するAD変換器207を介して入力される。さらに入力ポート205には、機関回転速度を算出するための信号として、機関本体1のクランクシャフトが例えば15°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ218の出力信号が入力される。このように入力ポート205には、内燃機関100を制御するために必要な各種センサの出力信号が入力される。
Output signals from the above-described
出力ポート206は、対応する駆動回路208を介して、吸気動弁装置5の各電磁アクチュエータ、排気動弁装置6の各電磁アクチュエータ、燃料噴射弁20、サプライポンプ22、スロットルアクチュエータ36a、EGR弁38及び可変ノズル72cなどに接続される。
The
電子制御ユニット200は、入力ポート205に入力された各種センサの出力信号に基づいて、各制御部品を制御するための制御信号を出力ポート206から出力して内燃機関100を制御する。以下、電子制御ユニット200が実施する内燃機関100の制御について説明する。
The
電子制御ユニット200は、機関運転状態(機関回転速度及び機関負荷)に基づいて、機関本体1の運転モードを予混合圧縮自着火燃焼モード、又は拡散燃焼モードのいずれかに切り替える。
The
具体的には電子制御ユニット200は、図2に示すように、機関運転状態が低回転低負荷側の第1運転領域内にあれば、運転モードを予混合圧縮自着火燃焼モードに切り替える。また電子制御ユニット200は、機関運転状態が高回転高負荷側の第2運転領域内にあれば、運転モードを拡散燃焼モードに切り替える。そして電子制御ユニット200は、各運転モードに応じた燃焼制御を実施する。
Specifically, as shown in FIG. 2, the
電子制御ユニット200は、運転モードが予混合圧縮自着火燃焼モードのときには、基本的に気筒10内に理論空燃比よりもリーンな空燃比(例えば30〜40程度)の予混合気(均質混合気又は成層混合気)を形成し、その予混合気を圧縮自着火燃焼させて機関本体1の運転を行う。
When the operation mode is the premixed compression auto-ignition combustion mode, the
また電子制御ユニット200は、運転モードが拡散燃焼モードのときには、気筒10内で高温高圧となった圧縮空気に燃料を噴射し、当該燃料を空気と混合させながら燃焼させる拡散燃焼を実施して機関本体1の運転を行う。
In addition, when the operation mode is the diffusion combustion mode, the
ところで、各気筒10から排出される排気中のNOx量(NOx排出量)を精度良く推定できれば、NOxセンサを用いることなく、例えば排気浄化触媒としてNOx吸蔵還元触媒やNOx選択還元触媒を使用している場合に、推定したNOx排出量に基づいて、NOxを還元するために必要な量の還元剤を各触媒に正確に添加することができる。そのため、コストの増加を抑制しつつ、外気に排出されるNOx量を所望の排出量以下に制御できるので排気エミッションの悪化を抑制できる。
By the way, if the NOx amount (NOx emission amount) in the exhaust discharged from each
各気筒10から排出されるNOx排出量は、各気筒10の1サイクル中における最高筒内温度(燃焼ガスの温度)と相関があり、最高筒内温度が高い場合と比べて低いときのほうが、少なくなる。
The NOx emission amount discharged from each
そのため従来から、気筒10の1サイクル中における最高筒内温度を算出し、当該最高筒内温度に基づいて気筒10から排出されるNOx排出量を推定することが行われている。この場合、気筒10内の1サイクル中における最高筒内温度を算出する必要があり、気筒10内で拡散燃焼を実施した場合の最高筒内温度を算出する方法が公知である。具体的には、気筒10内を2つの領域、すなわち、燃焼が行われている領域(以下「燃焼領域」という。)と燃焼が行われていない領域(以下「未燃領域」という。)とに分けて考え、燃焼領域における当量比(局所当量比)φが任意の当量比で均質であると仮定して気筒10内の最高筒内温度を算出する方法が公知である。
Therefore, conventionally, the maximum in-cylinder temperature in one cycle of the
ここで、気筒10内で拡散燃焼を実施する場合であれば、気筒10内全体で考えれば希薄なものの、燃焼領域における当量比φは概ね1と仮定することができる。そのため、公知の方法で気筒10内の最高筒内温度を精度良く算出することができる。
Here, if diffusion combustion is performed in the
しかしながら、気筒10内で予混合圧縮自着火燃焼を実施する場合は、気筒10内に拡散した燃料が多点で同時期に自着火を起こすために、気筒10内の燃焼領域における当量比が1よりも小さくなる。また、機関運転状態に応じて気筒10内の燃焼領域における当量比も大きく変化する。そのため、公知の方法では気筒10内の最高筒内温度を精度良く算出することができず、結果としてNOx排出量の推定精度が悪化する。具体的には、気筒10内で予混合圧縮自着火燃焼を実施する場合は、気筒10内の燃焼領域における当量比が1よりも小さくなって燃焼が希薄化するため、拡散燃焼を実施した場合よりも燃焼ガスの燃焼温度が低下する。そのため、公知の方法で算出した最高筒内温度は、実際の最高筒内温度よりも高くなる傾向にあり、結果として推定されたNOx排出量が実際のNOx排出量よりも多くなる傾向にある。
However, when premixed compression self-ignition combustion is performed in the
このように、NOx排出量の推定値が実際のNOx排出量よりも多くなると、例えば排気浄化触媒としてNOx吸蔵還元触媒やNOx選択還元触媒を使用して、推定したNOx排出量に基づいて還元剤の添加量を制御している場合には、還元剤の添加量が過剰になる。その結果、余剰な還元剤が外気に排出されるために排気エミッションが悪化することになる。 Thus, when the estimated value of the NOx emission amount becomes larger than the actual NOx emission amount, for example, a NOx storage reduction catalyst or a NOx selective reduction catalyst is used as the exhaust purification catalyst, and the reducing agent is based on the estimated NOx emission amount. When the amount of addition is controlled, the amount of addition of the reducing agent becomes excessive. As a result, exhaust emission is deteriorated because excess reducing agent is discharged to the outside air.
ここで、気筒10内の燃焼領域における当量比φが小さくなるほど、燃焼ガスの燃焼温度が低下して燃焼領域の比熱比κが増加するので、機関熱効率が増加する。そして、気筒10内で予混合圧縮自着火燃焼を実施した場合は、前述した通り燃焼領域における当量比φが1よりも小さくなるので、拡散燃焼を実施した場合よりも機関熱効率が増加する。
Here, as the equivalence ratio φ in the combustion region in the
したがって、拡散燃焼を実施した場合の機関熱効率、すなわち気筒10内の燃焼領域における当量比φを1と仮定したときの機関熱効率を基準として、この基準となる機関熱効率よりも予混合圧縮自着火燃焼を実施した場合の実際の機関熱効率がどの程度大きいかを判断すれば、気筒10内の燃焼領域における当量比φがどの程度1よりも小さくなっているかを判断することができる。すなわち、基準となる機関熱効率よりも実際の機関熱効率がどの程度大きいかを判断すれば、気筒10内の燃焼領域における実際の当量比(以下「実当量比」という。)φrを推定できると共に、燃焼ガスの燃焼温度がどの程度低下して、その結果としてNOx排出量がどの程度減少するのかを判断することができる。
Therefore, based on the engine thermal efficiency when diffusion combustion is performed, that is, the engine thermal efficiency when the equivalence ratio φ in the combustion region in the
よって、基準となる機関熱効率よりも実際の機関熱効率がどの程度大きいかを判断すれば、前述した公知の方法で算出したNOx排出量を、その判断結果に基づいて補正することができ、実際のNOx排出量を精度良く算出することができる。 Therefore, if it is determined how much the actual engine thermal efficiency is higher than the standard engine thermal efficiency, the NOx emission amount calculated by the known method described above can be corrected based on the determination result, and the actual The NOx emission amount can be calculated with high accuracy.
そこで本実施形態では、機関熱効率を表す指標の1つである図示平均有効圧力を筒内圧力に基づいて算出し、これを基準となる基準平均有効圧力と比較することで、前述した公知の方法で算出したNOx排出量を、その比較結果に基づいて補正することとした。以下、この本実施形態によるNOx排出量推定制御について説明する。
Therefore, in the present embodiment, the known average method described above is calculated by calculating the indicated mean effective pressure, which is one of the indexes representing the engine thermal efficiency, based on the in-cylinder pressure, and comparing it with the reference average effective pressure as a reference. The NOx emission amount calculated in
図3は、本実施形態によるNOx排出量推定制御について説明するフローチャートである。電子制御ユニット200は、本ルーチンを所定の演算周期で繰り返し実施する。
FIG. 3 is a flowchart illustrating the NOx emission amount estimation control according to the present embodiment. The
ステップS1において、電子制御ユニット200は、クランク角センサ218の出力信号に基づいて算出された機関回転速度と、負荷センサ217によって検出された機関負荷と、を読み込み、機関運転状態を検出する。
In step S1, the
ステップS2において、電子制御ユニット200は、予めROM202に記憶されたIMEP算出マップを参照し、機関運転状態に基づいて基準図示平均有効圧力IMEPtを算出する。IMEP算出マップは、気筒10内の燃焼領域における当量比φを予め決められた基準当量比φtとしたときに、当該気筒10で発生するはずの図示平均有効圧力(すなわち基準図示平均有効圧力IMEPt)を、機関運転状態毎に予め実験等によって求めてマップ化したものである。本実施形態では、基準当量比φtを1としている。
In step S2, the
ステップS3において、電子制御ユニット200は、筒内圧力センサによって検出された筒内圧力Pに基づいて、燃焼が行われた気筒10の実際の図示平均有効圧力(以下「実図示有効平均圧力」という)IMEPgを算出する。
In step S <b> 3, the
具体的には、まず電子制御ユニット200は、圧縮行程中の筒内圧力Pの変化(指圧)に基づいて、下記の式(1)から圧縮行程中の図示仕事IWcを算出すると共に、膨張行程中の筒内圧力Pの変化に基づいて、下記の式(2)から膨張行程中の図示仕事IWeを算出する。なお、Pθiはクランク角θiでの筒内圧力であり、Pθi+1はクランク角θi+1での筒内圧力である。Vθiはクランク角θiでの筒内容積であり、Vθi+1はクランク角θi+1での筒内容積である。
次に電子制御ユニット200は、圧縮行程中の図示仕事IWc、膨張行程中の図示仕事IWe、及び筒内容積Vに基づいて、下記の式(3)から実図示有効平均圧力IMEPgを算出する。
ステップS4からステップS9において、電子制御ユニット200は、前述した公知の方法で最高筒内温度を算出する。以下、各ステップの具体的な処理内容について説明する。
In step S4 to step S9, the
ステップS4において、電子制御ユニット200は、予めROMに記憶されたマップ等を参照し、エアフローメータ212によって検出された筒内吸入空気量と、機関運転状態に応じて予め設定されているEGR率とに基づいて、筒内ガス量Gcと、筒内酸素濃度O2inと、を算出する。
In step S4, the
ステップS5において、電子制御ユニット200は、吸気行程中の任意のクランク角θにおける筒内圧力Pθ及び筒内容積Vθと、筒内ガス量Gcと、ガス定数Rとに基づいて、下記の気体の状態方程式(4)から筒内平均温度Tcを算出する。
ステップS6において、電子制御ユニット200は、燃焼領域のガス量(以下「燃焼ガス量(既燃ガス量)」という。)Gbを算出する。具体的には、まず電子制御ユニット200は、熱力学の第1法則に基づいた下記の式(5)からクランク角θごとの熱発生率(dQ/dθ)を算出し、この熱発生率を下記の式(6)の通り積分することで熱発生量Qを算出する。なお、式(5)のκは比熱比である。
In step S6, the
次に電子制御ユニット200は、算出した熱発生量Qに基づいて、下記の式(7)から燃焼ガス量Gbを算出する。ここで熱発生量Qは、気筒10内で燃料が燃焼することによって生じたものである。そして単位量の燃料が燃焼したときの単位発熱量Huは燃料の物性値であり、既知の値である。したがって、熱発生量Qを単位発熱量Huで除することで気筒10内の燃料量を算出することができる。そのため、下記の式(7)によって燃焼ガス量Gbを算出することができる。なお、式(7)の21は、空気中の酸素濃度である。またAFRは、使用燃料に応じた理論空燃比である。このように本実施形態ではAFRを理論空燃比としているため、式(7)によって算出される燃焼ガス量Gbは、気筒10内の燃焼領域における当量比φが1であると仮定したときの燃焼ガス量となる。
ステップS7において、電子制御ユニット200は、未燃領域のガス温度(以下「未燃ガス温度」という。)Tuを算出する。具体的には電子制御ユニット200は、気筒10内が断熱変化(等エントロピー変化)すると仮定して、下記の式(8)から未燃ガス温度Tuを算出する。なお、式(8)のPθivcは、吸気弁閉時期θivcにおける筒内圧力であり、吸気弁閉時期θivcに筒内圧力センサによって検出された筒内圧力を用いることができる。またTθivcは、吸気弁閉時期θivcにおける筒内温度であり、筒内圧力Pθivcと、吸気弁閉時期θivcにおける筒内容積Vθivcと、筒内ガス量Gcと、ガス定数Rとに基づいて、気体の状態方程式によって算出したものを用いることができる。
ステップS8において、電子制御ユニット200は、燃焼領域のガス温度(以下「燃焼ガス温度」という。)Tbを算出する。具体的には電子制御ユニット200は、未燃領域及び燃焼領域の内部エネルギの和が、筒内平均温度Tcに基づいて得られる筒内全体の内部エネルギの和に等しいと仮定して、下記の(9)式から燃焼ガス温度Tbを算出する。
ステップS9において、電子制御ユニット200は、1サイクル中における燃焼ガス温度Tbの最大値を最高筒内温度Tbmaxとする。
In step S9, the
ステップS10において、電子制御ユニット200は、予めROM202に記憶された図4に示すテーブルを参照し、最高筒内温度Tbmaxに基づいて、NOx排出量を算出する。
In step S10, the
ステップS11からステップS12において、電子制御ユニット200は、実図示有効平均圧力IMEPgが基準図示平均有効圧力IMEPtよりも高くなるほど、ステップS10で算出されたNOx排出量を少なくする補正を実施する。以下、各ステップの具体的な処理内容について説明する。
In step S11 to step S12, the
ステップS11において、電子制御ユニット200は、予めROM202に記憶された図5のテーブルを参照し、実図示有効平均圧力IMEPgから基準図示平均有効圧力IMEPtを減じた差分値Xに基づいて、NOx補正量を算出する。図5に示すように、NOx補正量は、差分値Xが大きくなるほど多くなる。これは、実図示有効平均圧力IMEPgが基準図示平均有効圧力IMEPtよりも高くなるほど、気筒10内の燃焼領域における実際の当量比(以下「実当量比」という。)φrが基準当量比φtよりも小さくなっていると判断でき、当量比φの低下量に応じてNOx排出量も減少していると判断できるためである。
In step S11, the
ステップS12において、電子制御ユニット200は、ステップS10で算出したNOx排出量を、NOx補正量に基づいて補正する。具体的には電子制御ユニット200は、ステップS10で算出したNOx排出量からNOx補正量を減じる補正を実施して、最終的なNOx排出量を算出する。
In step S12, the
以上説明した本実施形態によれば、機関本体1と、機関本体1の気筒10の筒内圧力を検出するための筒内圧力センサ210と、を備え、気筒10内で予混合気を圧縮自着火燃焼させることが可能な内燃機関100を制御するための電子制御ユニット200(制御装置)が、気筒10内の燃焼領域における当量比を所定当量比としたときの当該気筒10内の1サイクル中における最高筒内温度に基づいて、当該気筒10から排出されるNOx排出量を算出するNOx排出量算出部と、機関運転状態に基づいて、気筒10内の燃焼領域における当量比を予め決められた基準当量比としたときの基準図示平均有効圧力IMEPtを算出する基準図示平均有効圧力算出部と、筒内圧力に基づいて、実図示平均有効圧力IMEPgを算出する図示平均有効圧力算出部と、を備える。そしてNOx排出量算出部は、所定当量比を基準当量比として最高筒内温度を算出すると共に、当該最高筒内温度に基づいて算出されたNOx排出量を、実図示平均有効圧力IMEPgが基準図示平均有効圧力IMEPtよりも高くなるほど少なくするように構成されている。
According to the present embodiment described above, the
気筒10内の燃焼領域における実当量比φrは、実図示平均有効圧力IMEPgが基準図示平均有効圧力IMEPtよりも高くなるほど基準当量比φtよりも小さくなる。そのため、実際の最高筒内温度も、実図示平均有効圧力IMEPgが基準図示平均有効圧力IMEPtよりも高くなるほど、気筒10内の燃焼領域における当量比を基準当量比としたときの最高筒内温度よりも低くなる。したがって本実施形態のように、気筒10内の燃焼領域における当量比を基準当量比としたときの最高筒内温度に基づいて算出されたNOx排出量を、実図示平均有効圧力IMEPgが基準図示平均有効圧力IMEPtよりも高くなるほど少なくすることで、実当量比φrに応じたNOx排出量を算出することができる。よって本実施形態によれば、気筒10内で予混合気を圧縮自着火燃焼させる場合であっても、NOx排出量を精度良く推定することができる。
The actual equivalent ratio φr in the combustion region in the
(第2実施形態)
次に本発明の第2実施形態について説明する。本実施形態は、NOx補正量の算出方法が第1実施形態と相違する。以下、この相違点を中心に説明する。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. This embodiment is different from the first embodiment in the method of calculating the NOx correction amount. Hereinafter, this difference will be mainly described.
前述した第1実施形態では、実図示有効平均圧力IMEPgと基準図示平均有効圧力IMEPtとから直接的にNOx補正量を算出していたが、本実施形態ではそれらから間接的にNOx補正量を算出する。具体的には、本実施形態では、実図示有効平均圧力IMEPgと、基準図示平均有効圧力IMEPtと、に基づいて、まず気筒10内の燃焼領域における実当量比φrを算出する。そして、この実当量比φに基づいて、NOx補正量を算出する。
In the first embodiment described above, the NOx correction amount is calculated directly from the actual indicated effective average pressure IMEPg and the reference indicated average effective pressure IMEPt. However, in the present embodiment, the NOx correction amount is indirectly calculated therefrom. To do. Specifically, in the present embodiment, the actual equivalent ratio φr in the combustion region in the
このように実当量比φrを算出することで、例えばマップ等を参照して機関運転状態に応じた気筒10内の燃焼領域における目標当量比を算出できるようにしておけば、実当量比φrが目標当量比となるように、例えば燃料噴射圧などをフィードバック制御することができる。これにより、実当量比φrが目標当量比から外れている場合には、素早く実当量比φrが目標当量比に制御することができる。以下、この本実施形態によるNOx排出量推定制御について説明する。
By calculating the actual equivalent ratio φr in this way, for example, if the target equivalent ratio in the combustion region in the
図6は、本実施形態によるNOx排出量推定制御について説明するフローチャートである。電子制御ユニット200は、本ルーチンを所定の演算周期で繰り返し実施する。
FIG. 6 is a flowchart illustrating the NOx emission amount estimation control according to this embodiment. The
ステップS1からステップS10、ステップS12の処理内容は、前述した第1実施形態と同様なので、ここでは説明を省略する。 Since the processing contents from step S1 to step S10 and step S12 are the same as those in the first embodiment described above, description thereof is omitted here.
ステップS21において、電子制御ユニット200は、予め実験等によって作成されてROM202に記憶された図7のマップを参照し、実図示有効平均圧力IMEPgと、基準図示平均有効圧力IMEPtと、に基づいて、気筒10内の燃焼領域における実当量比φrを算出する。
In step S21, the
図7のマップに示すように、実図示有効平均圧力IMEPgと、基準図示平均有効圧力IMEPtと、が一致しているとき、すなわち実図示有効平均圧力IMEPgから基準図示平均有効圧力IMEPtを減じた差分値Xがゼロのときは、実当量比φrが基準当量比φt(=1)となる。そして、実図示有効平均圧力IMEPgが基準図示平均有効圧力IMEPtよりも高くなるほど、すなわち、差分値Xが大きくなるほど、実当量比φrが基準当量比φtよりも小さくなる。 As shown in the map of FIG. 7, when the actual indicated effective average pressure IMEPg and the reference indicated average effective pressure IMEPt coincide, that is, the difference obtained by subtracting the reference indicated average effective pressure IMEPt from the actual indicated effective average pressure IMEPg. When the value X is zero, the actual equivalent ratio φr becomes the reference equivalent ratio φt (= 1). As the actual illustrated effective average pressure IMEPg becomes higher than the reference illustrated average effective pressure IMEPt, that is, as the difference value X increases, the actual equivalent ratio φr becomes smaller than the reference equivalent ratio φt.
ステップS22において、図8のテーブルを参照し、実当量比φrに基づいて、NOx補正量を算出する。図8に示すように、NOx補正量は、実当量比φrが小さくなるほど多くなる。 In step S22, the NOx correction amount is calculated based on the actual equivalent ratio φr with reference to the table of FIG. As shown in FIG. 8, the NOx correction amount increases as the actual equivalent ratio φr decreases.
このように本実施形態においても、実図示有効平均圧力IMEPgが基準図示平均有効圧力IMEPtよりも大きくなるほど、ステップS10で算出されたNOx排出量を少なくする補正が実施される。そのため、本実施形態においても、第1実施形態と同様の効果が得られる。 As described above, also in the present embodiment, the correction for reducing the NOx emission amount calculated in step S10 is performed as the actual illustrated effective average pressure IMEPg becomes larger than the reference illustrated average effective pressure IMEPt. Therefore, also in this embodiment, the same effect as the first embodiment can be obtained.
また本実施形態によれば、実当量比φrが目標当量比から外れている場合には、素早く実当量比φrが目標当量比に制御することができる。そのため、実当量比φrが目標当量比から外れたまま機関本体の運転が行われ、燃費や排気エミッションが悪化するのを抑制できる。 Further, according to this embodiment, when the actual equivalent ratio φr deviates from the target equivalent ratio, the actual equivalent ratio φr can be quickly controlled to the target equivalent ratio. Therefore, the engine body is operated while the actual equivalent ratio φr deviates from the target equivalent ratio, and deterioration of fuel consumption and exhaust emission can be suppressed.
(第3実施形態)
次に本発明の第3実施形態について説明する。本実施形態は、気筒10内の燃焼領域における当量比を実当量比φrとしたときの当該気筒内の1サイクル中における最高筒内温度を算出し、当該最高筒内温度に基づいてNOx排出量を直接精度良く推定する点で、第1実施形態と相違する。以下、この相違点を中心に説明する。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, the maximum in-cylinder temperature in one cycle in the cylinder is calculated when the equivalent ratio in the combustion region in the
図9は、本実施形態によるNOx排出量推定制御について説明するフローチャートである。電子制御ユニット200は、本ルーチンを所定の演算周期で繰り返し実施する。
FIG. 9 is a flowchart illustrating the NOx emission amount estimation control according to this embodiment. The
ステップS1からステップS5、及びステップS7からステップS10の処理内容は、第1実施形態と同様なので、ここでは説明を省略する。 Since the processing contents from step S1 to step S5 and from step S7 to step S10 are the same as those in the first embodiment, description thereof is omitted here.
ステップS31において、電子制御ユニット200は、前述した図7のマップを参照し、実図示有効平均圧力IMEPgと、基準図示平均有効圧力IMEPtと、に基づいて、気筒10内の燃焼領域における実当量比φrを算出する。前述したように、実図示有効平均圧力IMEPgが基準図示平均有効圧力IMEPtよりも高くなるほど、実当量比φrは基準当量比φt(=1)よりも小さくなる。
In step S31, the
ステップS32において、電子制御ユニット200は、前述した式(5)及び式(6)から熱発生量Qを算出する。そして電子制御ユニット200は、算出した熱発生量Qに基づいて、本実施形態では下記の式(7’)から燃焼ガス量Gbを算出する。
式(7’)に示すように本実施形態では、使用燃料に応じた理論空燃比AFRを、ステップS31で算出した実当量比φrで除算して実際の空燃比とする。これにより、式(7’)によって算出される燃焼ガス量Gbは、気筒10内の燃焼領域における当量比φを実当量比φrとしたときの燃焼ガス量となる。
As shown in Expression (7 '), in this embodiment, the theoretical air-fuel ratio AFR corresponding to the fuel used is divided by the actual equivalent ratio φr calculated in step S31 to obtain the actual air-fuel ratio. Thereby, the combustion gas amount Gb calculated by the equation (7 ′) is the combustion gas amount when the equivalent ratio φ in the combustion region in the
そのため、ステップS8において、この燃焼ガス量Gbを用いて前述した式(9)によって算出される燃焼ガス温度Tbも、気筒10内の燃焼領域における当量比φを実当量比φrとしたときの燃焼ガス温度となる。したがって、ステップS9で算出される最高筒内温度Tbmaxも、気筒10内の燃焼領域における当量比φを実当量比φrとしたときの最高筒内温度となる。
Therefore, in step S8, the combustion gas temperature Tb calculated by the above equation (9) using this combustion gas amount Gb is also the combustion when the equivalent ratio φ in the combustion region in the
このように本実施形態では、実図示有効平均圧力IMEPgが基準図示平均有効圧力IMEPtよりも高くなるほど実当量比φrが基準当量比φt(=1)よりも小さくなることを利用して、気筒10内の燃焼領域における当量比を、図示平均有効圧力が基準図示平均有効圧力IMEPtよりも高くなるほど、基準当量比φtよりも小さい当量比として最高筒内温度を算出する。そのため本実施形態では、予混合圧縮自着火燃焼を実施した場合においても、機関運転状態に応じた当量比φの変化に併せて、最高筒内温度Tbmaxを精度良く推定できる。そのため、ステップS10において、ステップS9で算出した最高筒内温度Tbmaxから、NOx排出量を直接精度良く算出することができる。
Thus, in the present embodiment, the
以上説明した本実施形態によれば、機関本体と、機関本体の気筒10の筒内圧力を検出するための筒内圧力センサと、を備え、気筒10内で予混合気を圧縮自着火燃焼させることが可能な内燃機関を制御するための電子制御ユニット200(制御装置)が、気筒10内の燃焼領域における当量比を所定当量比としたときの当該気筒10内の1サイクル中における最高筒内温度に基づいて、当該気筒10から排出されるNOx排出量を算出するNOx排出量算出部と、筒内圧力に基づいて、実図示平均有効圧力IMEPgを算出する図示平均有効圧力算出部と、機関運転状態に基づいて、気筒10内の燃焼領域における当量比を予め決められた基準当量比としたときの基準図示平均有効圧力IMEPtを算出する基準図示平均有効圧力算出部と、を備える、そしてNOx濃度算出部は、所定当量比を、実図示平均有効圧力IMEPgが基準図示平均有効圧力IMEPtよりも大きくなるほど基準当量比よりも小さい当量比として最高筒内温度を算出し、当該最高筒内温度に基づいてNOx排出量を算出するように構成される。
According to the present embodiment described above, the engine main body and the in-cylinder pressure sensor for detecting the in-cylinder pressure of the
このように構成しても、第1実施形態と同様に、実当量比φrに応じたNOx排出量を算出することができる。よって,気筒10内で予混合気を圧縮自着火燃焼させる場合であっても、NOx排出量を精度良く推定することができる。
Even if comprised in this way, the NOx discharge | emission amount according to real equivalent ratio (phi) r is computable like 1st Embodiment. Therefore, even when the premixed gas is subjected to compression self-ignition combustion in the
また本実施形態によれば、前述した図5や図8のようなNOx補正量を算出するためのテーブルが不要となり、算出した最高筒内温度TbmaxからNOx排出量を直接精度良く推定することができる。そのため、テーブルの作成等にかかる工数を削減できる。 Further, according to the present embodiment, the table for calculating the NOx correction amount as described above with reference to FIGS. 5 and 8 becomes unnecessary, and the NOx emission amount can be estimated directly and accurately from the calculated maximum in-cylinder temperature Tbmax. it can. Therefore, it is possible to reduce the man-hours required for creating the table.
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。 The embodiment of the present invention has been described above. However, the above embodiment only shows a part of application examples of the present invention, and the technical scope of the present invention is limited to the specific configuration of the above embodiment. Absent.
例えば上記の各実施形態における内燃機関100は、第1運転領域で予混合圧縮自着火燃焼を実施し、第2運転領域で拡散燃焼を実施して機関本体の運転を行うことができるように構成されていた。しかしながら、少なくとも一部の運転領域において、予混合圧縮自着火燃焼を実施して機関本体の運転を行うことができるように構成された内燃機関において、上記の各実施形態で説明したNOx排出量推定制御を行うようにしても良い。
For example, the
1 機関本体
10 気筒
100 内燃機関
200 電子制御ユニット(制御装置)
210 筒内圧力センサ
1
210 In-cylinder pressure sensor
Claims (1)
前記機関本体の気筒の筒内圧力を検出するための筒内圧力センサと、
を備え、
前記気筒内で予混合気を圧縮自着火燃焼させることが可能な内燃機関を制御するための内燃機関の制御装置であって、
前記気筒内の燃焼領域における当量比を所定当量比としたときの当該気筒内の1サイクル中における最高筒内温度に基づいて、当該気筒から排出されるNOx排出量を算出するNOx排出量算出部と、
機関運転状態に基づいて、前記気筒内の燃焼領域における当量比を予め決められた基準当量比としたときの基準図示平均有効圧力を算出する基準図示平均有効圧力算出部と、
前記筒内圧力に基づいて、図示平均有効圧力を算出する図示平均有効圧力算出部と、
を備え、
前記NOx排出量算出部は、
前記所定当量比を前記基準当量比として前記最高筒内温度を算出すると共に、当該最高筒内温度に基づいて算出された前記NOx排出量を、前記図示平均有効圧力が前記基準図示平均有効圧力よりも高くなるほど少なくするか、又は
前記所定当量比を、前記図示平均有効圧力が前記基準図示平均有効圧力よりも高くなるほど前記基準当量比よりも小さい当量比として前記最高筒内温度を算出し、当該最高筒内温度に基づいて前記NOx排出量を算出するように構成される、
内燃機関の制御装置。 The engine body,
An in-cylinder pressure sensor for detecting an in-cylinder pressure of a cylinder of the engine body;
With
A control device for an internal combustion engine for controlling an internal combustion engine capable of performing compression auto-ignition combustion of a premixed gas in the cylinder,
A NOx emission amount calculation unit that calculates the NOx emission amount discharged from the cylinder based on the maximum in-cylinder temperature in one cycle in the cylinder when the equivalent ratio in the combustion region in the cylinder is a predetermined equivalent ratio. When,
A reference indicated mean effective pressure calculating unit that calculates a reference indicated mean effective pressure when the equivalence ratio in the combustion region in the cylinder is set to a predetermined reference equivalent ratio based on the engine operating state;
Based on the in-cylinder pressure, an indicated mean effective pressure calculating unit that calculates an indicated mean effective pressure;
With
The NOx emission amount calculation unit
The maximum in-cylinder temperature is calculated using the predetermined equivalent ratio as the reference equivalent ratio, and the NOx emission amount calculated based on the maximum in-cylinder temperature is calculated from the reference indicated average effective pressure. The maximum equivalent in-cylinder temperature is calculated as an equivalent ratio that is smaller than the reference equivalent ratio as the indicated average effective pressure is higher than the reference indicated average effective pressure. Configured to calculate the NOx emission based on a maximum in-cylinder temperature;
Control device for internal combustion engine.
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