JP2018048591A - 内燃機関のピストン温度状態監視システム及び内燃機関のピストン温度監視方法 - Google Patents

内燃機関のピストン温度状態監視システム及び内燃機関のピストン温度監視方法 Download PDF

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Abstract

【課題】内燃機関の運転中にピストンが熱的なダメージを受けるような高温状態にどの程度なったかというピストン温度の履歴の適切な管理ができる内燃機関のピストン温度状態監視システム及び内燃機関のピストン温度監視方法を提供することにある。【解決手段】カウント出力システムＭ１３が、ピストン温度抑制制御の回数をカウントする際に、最大制限温度Ｔｍａｘとピストン温度Ｔｐの差である温度差ΔＴと、最大制限温度Ｔｍａｘと制御開始温度Ｔｃの差であるマージン幅ΔＴｍとの比μが、予め設定又は算出されるカウント閾値比μｃ以下である場合にカウント信号Ｃｓを出力する。【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関のピストンが高温になった時の頻度を適切に把握できる内燃機関のピストン温度状態監視システム及び内燃機関のピストン温度監視方法に関する。
車両に備わるディーゼルエンジン等の内燃機関では、燃料を燃焼させることでピストンを往復運動させて、回転力を得ている。このピストンは繰り返し高温の燃焼ガスに曝されるため、ピストンに大きな熱負荷が繰り返し加わることになる。そのため、ピストンの耐久性に大きな影響を及ぼすようなピストンの過剰な昇温は要注意であり、ピストン温度が上昇し過ぎないように燃料噴射時期を変化させている。
例えば、筒内直接噴射火花点火式内燃機関ではあるが、ピストン温度が温度閾値以下の場合にインジェクタによる燃料噴射時期を吸気下死点近傍に設定し、ピストン温度が温度閾値よりも高いときはインジェクタによる燃料噴射時期を吸気上死点近傍に設定する内燃機関の制御システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００９−１０３１０６号公報
ところで、ピストンは内燃機関の運転中に繰り返し高温に曝されるため、ピストンの耐久性の低下を推定する場合には、ピストン温度の過剰な昇温を回避するだけでなく、ピストンが熱的なダメージを受けるような高温状態にどの位なったかというピストン温度の履歴の適切な管理が重要な課題となってきている。
本発明の目的は、内燃機関の運転中にピストンが熱的なダメージを受けるような高温状態にどの程度なったかというピストン温度の履歴の適切な管理ができる内燃機関のピストン温度状態監視システム及び内燃機関のピストン温度監視方法を提供することにある。
上記の目的を達成するための本発明の内燃機関のピストン温度状態監視システムは、 内燃機関のピストンが予め設定又は算出した監視用設定温度以上になった頻度を監視する内燃機関のピストン温度状態監視システムにおいて、ピストン温度算出システムとピストン温度抑制制御システムとカウント出力システムとを備え、前記ピストン温度算出システムがピストン温度を計測又は推定し、前記ピストン温度抑制制御システムが前記ピストン温度を入力して、このピストン温度が予め設定された最大制限温度と、この最大制限温度よりも低い値であり、かつ、予め設定又は時々刻々に算出される制御開始温度とに基づいて、前記ピストン温度が前記制御開始温度以上のときにシリンダ内への燃料噴射を制御してピストン温度の上昇を抑えるピストン温度抑制制御を行い、前記カウント出力システムが、前記ピストン温度抑制制御の回数をカウントする際に、前記最大制限温度と前記ピストン温度の差である温度差と、前記最大制限温度と前記制御開始温度の差であるマージン幅との比が、予め設定又は算出されるカウント閾値比以下である場合にカウント信号を出力するように構成される。
また、上記の目的を達成するための本発明の内燃機関のピストン温度状態監視方法は、内燃機関のピストンが予め設定又は算出した監視用設定温度以上になった頻度を監視する内燃機関のピストン温度状態監視方法において、ピストン温度算出システムでピストン温度を計測又は推定し、ピストン温度抑制制御システムで、前記ピストン温度を入力して、このピストン温度が予め設定された最大制限温度と、この最大制限温度よりも低い値であり、かつ、予め設定又は時々刻々に算出される制御開始温度とに基づいて、前記ピストン温度が前記制御開始温度以上のときにシリンダ内への燃料噴射を制御してピストン温度の上昇を抑えるピストン温度抑制制御を行い、カウント出力システムで、前記ピストン温度抑制制御の回数をカウントする際に、前記最大制限温度と前記ピストン温度の差である温度差と、前記最大制限温度と前記制御開始温度の差であるマージン幅との比が、予め設定又は算出されるカウント閾値比以下である場合にカウント信号を出力する方法である。
本発明のピストン温度状態監視システム及び内燃機関のピストン温度監視方法によれば、内燃機関の運転中にピストンが熱的なダメージを受けるような高温状態にどの程度なったかというピストン温度の履歴の適切な管理ができる。
内燃機関のピストン温度状態監視システムの構成を示す図である。 内燃機関のピストン温度状態監視システムにおける演算を示す図である。 内燃機関のピストン温度状態監視方法の制御フローの一例を示す図である。
以下、本発明に係る実施形態の内燃機関のピストン温度状態監視システム及び内燃機関のピストン温度監視方法について、図面を参照しながら説明する。
本発明の内燃機関のピストン温度状態監視システムは、内燃機関のピストンが予め設定又は算出した監視用設定温度以上になった頻度を監視するシステムであり、図１及び図２に示すように、内燃機関のピストン温度状態監視システムＭ１０は、ピストン温度算出システムＭ１１とピストン温度抑制制御システムＭ１２とカウント出力システムＭ１３とを備えて構成される。
そして、このピストン温度算出システムＭ１１は、ピストン温度Ｔｐを計測又は推定するシステムである。このピストン温度Ｔｐは、ピストンの温度を直接計測してもよく、予め設定したマップデータを参照してエンジン回転数や燃料噴射量に基づいて推定してもよく、他の実験統計モデルに基づいて推定してもよい。ここでは周知の技術を適用してピストン温度Ｔｐを求められれば良い。
また、図２に示すように、ピストン温度抑制制御システムＭ１２は、ピストン温度算出システムＭ１１で算出されたピストン温度Ｔｐを入力して、このピストン温度Ｔｐが予め設定された最大制限温度Ｔｍａｘと、この最大制限温度Ｔｍａｘよりも低い値であり、かつ、予め設定又は時々刻々に算出される制御開始温度Ｔｃとに基づいて、ピストン温度Ｔｐが制御開始温度Ｔｃ以上のときにシリンダ内への燃料噴射、特に燃料噴射時期を制御してピストン温度Ｔｐの上昇を抑えるピストン温度抑制制御を行う。
この最大制限温度Ｔｍａｘは実験等により予め設定されている値である。また、制御開始温度Ｔｃも、実験等により予め設定されている値を採用してもよいが、最大制限温度Ｔｍａｘよりも予め設定された所定温度ΔＴｓだけ低い温度としたり、エンジン回転数や燃料噴射量などによって時々刻々で算出される値としたりしてもよい。つまり、エンジン回転数や燃料噴射量の影響を受ける値としてもよい。例えば、エンジンの運転状態を表すエンジン回転数や燃料噴射量に対して、予め実験等により設定されているマップデータなどを参照して算出してもよい。
そして、ピストン温度抑制制御は、ピストン温度抑制制御システムＭ１２により、主に燃料噴射時期を制御する。つまり、ピストンが高温になるにつれて、気筒内での燃焼反応により発生する熱量によりピストンが過剰に昇温され、ピストンの耐久性の劣化量が大きくなる虞がある。そのため、ピストン温度Ｔｐが高温である場合は、燃料の噴射開始時期制御値Ｓｃを通常の標準噴射開始時期Ｓｎより遅延させて、気筒内の燃焼状態を変化させて気筒内の燃焼温度を低下させることで、ピストンの過剰な昇温を抑制する。
このピストン温度抑制制御の一例について説明すると、例えば、ピストン温度Ｔｐが制御開始温度Ｔｃ以下である場合は、噴射開始時期制御値Ｓｃを標準噴射開始時期Ｓｎに設定し、ピストン温度Ｔｐが最大制限温度Ｔｍａｘ以上である場合は、噴射開始時期制御値Ｓｃを最大遅延噴射開始時期Ｓｍａｘに設定する。また、ピストン温度Ｔｐが制御開始温度Ｔｃより大きく、かつ、最大制限温度Ｔｍａｘ未満である場合は、噴射開始時期制御値Ｓｃを最大遅延噴射開始時期Ｓｍａｘと標準噴射開始時期Ｓｎの間で線形近似して得られる噴射開始時期Ｓｋに設定する。なお、このピストン温度抑制制御についても、周知の技術を適用してピストン温度Ｔｐの過剰な昇温を抑えることができれば良い。
そして、本発明の中心となるカウント出力システムは、ピストン温度抑制制御の実行回数をカウントする際に、最大制限温度Ｔｍａｘとピストン温度Ｔｐの差である温度差ΔＴ（＝Ｔｍａｘ−Ｔｐ）と、最大制限温度Ｔｍａｘと制御開始温度Ｔｃの差であるマージン幅ΔＴｍ（＝Ｔａｍａｘ−Ｔｃ）との比（μ＝ΔＴ／ΔＴｍ）が、予め設定又は算出されるカウント閾値比μｃ以下である場合にカウント信号Ｃｓを出力するように構成される。
つまり、ピストン温度Ｔｐが制御開始温度Ｔｃ以下のときは、「μ≧１」となり、ピストン温度Ｔｐが制御開始温度Ｔｃより大きく最大制限温度Ｔｍａｘ未満のときは、「１＞μ＞０」となり、ピストン温度Ｔｐが最大制限温度Ｔｍａｘ以上のときは、「０≧μ」となる。
このカウント閾値比μｃは、０．０より大きく１．０より小さい値、例えば、０．３以上０．７以下、より好ましくは０．４以上０．６以下の範囲内の値に設定されるが、実験等により、ピストン温度抑制制御が確実に行われるタイミングでカウント信号Ｃｓを送信することができる最適な値に設定することが好ましい。
このカウント閾値比μｃを「１」にした場合は、ピストン温度抑制制御が開始されるタイミングでのカウントとなり、ピストン温度抑制制御の効果でピストン温度Ｔｐがすぐに制御開始温度Ｔｃより小さくなったような比較的ダメージの少ない場合もカウント信号Ｃｓを出してしまうことになる。
また、このカウント閾値比μｃを「０」にした場合は、ピストン温度Ｔｐが最大制限温度Ｔｍａｘに達するタイミングでのカウントとなり、ピストン温度抑制制御を開始しても、ピストン温度抑制制御の効果でピストン温度Ｔｐが最大制限温度Ｔｍａｘより小さくなって、ピストン温度Ｔｐが最大制限温度Ｔｍａｘ以上にならない場合はカウント信号Ｃｓが出されず、比較的ダメージが大きい場合でもカウント信号Ｃｓが出ないことになる。
これらに対して、適切なカウント閾値比μｃ、例えば「μｃ＝０．５」を用いることで、ピストン温度抑制制御が実行されている最中でのカウントとなり、ピストン温度Ｔｐが比較的な大きな温度範囲に到達してダメージを受けている場合のみにおいて、カウント信号Ｃｓを出力するので、これにより、ピストンがダメージを受けるような高温状態の頻度を適切に送信できる。
また、カウント出力システムＭ１３は、カウント信号Ｃｓを出力する際に、カウント信号Ｃｓを出力した後は、比μの値がカウント閾値比μｃ以下であっても、予め設定された若しくは算出されるカウント待機期間ｔｏを経過するまで次のカウント信号Ｃｓの出力をしないように構成される。このカウント待機期間ｔｏは、予め実験等により一定値に設定する。例えば、２００秒以上４００秒以下、好ましくは、２５０秒以上３５０秒以下程度に設定される。しかし、このカウント待機期間ｔｏをエンジン回転数と燃料噴射量によって変化させてもよい。例えば、エンジンの運転状態が高負荷時はピストン温度が高くなり易いので、カウント待機期間ｔｏを比較的短くし、また、エンジンの運転状態が低負荷時はピストン温度が高くなり難いので、カウント待機期間ｔｏを比較的長くする。
この場合に、ピストン温度抑制制御の制御期間はエンジン運転状態によって異なるので、このカウント待機時間ｔｏを、エンジン運転状態を示すエンジン回転数と燃料噴射量に基づいて設定することで、より適切なカウント待機期間ｔｏとすることができる。
この構成により、一度カウント信号Ｃｓを送った後は、カウント待機期間ｔｏの間はカウント信号Ｃｓを送らないことにして、連続して何度も信号を送らないようにする。これにより、ピストン温度抑制制御を行ったとの通知であるカウント信号Ｃｓを、より適切な頻度で送信することができるようになる。つまり、連続してカウント信号Ｃｓを出力するとダメージが分からなくなるので、離散して見ることにし、ピストン温度抑制制御の出入りを１回のカウントとする。
さらに、カウント出力システムＭ１３は、カウント信号Ｃｓを出力するときにエンジン回転数と燃料噴射量、さらには、内燃機関を搭載した車両の走行時の環境データ（大気温、車速、冷却水温等）等をカウント信号Ｃｓに加えて出力することが好ましい。これにより、どのような状況で、内燃機関の運転中にピストンが熱的なダメージを受けるような高温状態になって、ピストン温度抑制制御が行われるのか、設計者や技術者がより詳細に把握できるようになり、この情報を基に市場での内燃機関のピストン絡みの不具合や故障の原因を追究することができるようになる。
このカウント信号Ｃｓの受け手としては、車内の全体を監視するシステム、つまり、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）等のコントローラからの情報をデータ蓄積する情報処理システムや統合データ蓄積システム、さらには、車外の情報データセンターへの通報も考えられる。
次に、本発明の実施の形態の内燃機関のピストン温度状態監視方法について説明する。この内燃機関のピストン温度状態監視方法は、内燃機関のピストンが予め設定又は算出した監視用設定温度以上になった頻度を監視する内燃機関のピストン温度状態監視方法である。
この内燃機関のピストン温度状態監視方法は、図３に示すような制御フローで行われる。この図３の制御フローは、内燃機関が運転を開始すると、上級の制御フローから呼ばれて、実施され、内燃機関が運転を停止すると、割り込みにより制御が中断されて上級の制御フローに戻り、上級の制御フローと共に終了する制御フローとして示してある。
この図３の制御フローがスタートすると、ステップＳ１１で、最大制限温度Ｔｍａｘなどを入力し、それと共に、カウント後経過時間ｔをリセットしてゼロにする。このカウント後経過時間ｔはこの制御フローの制御の間はカウントを継続され、ステップＳ３４でリセットされてはカウントを継続される。次のステップＳ１２で、エンジン運転状態を表すエンジン回転数と燃料噴射量を入力する。次のステップＳ１３で、ピストン温度Ｔｐと制御開始温度Ｔｃとカウント待機期間ｔｏとを算出する。
次のステップＳ１４で、ピストン温度Ｔｐが制御開始温度Ｔｃ以上であるか否かを判定する。このステップＳ１４の判定で、ピストン温度Ｔｐが制御開始温度Ｔｃ以上でない場合は（ＮＯ）、ステップＳ１２に戻る。また、このステップＳ１４の判定で、ピストン温度Ｔｐが制御開始温度Ｔｃ以上である場合は（ＹＥＳ）、ステップＳ２１とステップＳ３１に行く。このステップＳ２１では、ピストン温度抑制制御を行い、ピストン温度抑制制御が終了したら、ステップＳ１２に戻る。
一方、ステップＳ３１は、ステップＳ１４で分岐して、ステップＳ２１と並行して、最大制限温度Ｔｍａｘとピストン温度Ｔｐの差である温度差ΔＴと、最大制限温度Ｔｍａｘと制御開始温度Ｔｃの差であるマージン幅ΔＴｍとの比μを算出する。
次のステップＳ３２で、この比μが、カウント閾値比μｃ以下であるか否かを判定する。このステップＳ３２の判定で、比μがカウント閾値比μｃ以下でない場合は（ＮＯ）ステップＳ１２に戻る。このステップＳ３２の判定で、比μがカウント閾値比μｃ以下である場合は（ＹＥＳ）ステップＳ３３に行く。
このステップＳ３３では、カウント後経過時間ｔが、カウント待機時間ｔｏ以上であるか否かを判定する。このステップＳ３３の判定で、カウント後経過時間ｔが、カウント待機時間ｔｏ以上でない場合は（ＮＯ）ステップＳ１２に戻る。このステップＳ３３の判定で、カウント後経過時間ｔが、カウント待機時間ｔｏ以上である場合は（ＹＥＳ）ステップＳ３４に行く。このステップＳ３４では、カウント信号Ｃｓを出力する。それと共に、カウント後経過時間ｔをリセットしてゼロにする。その後、ステップＳ１２に戻る。これにより、比μがカウント閾値比μｃより大きい場合と、比μがカウント閾値比μｃ以下であっても、前回のカウント信号Ｃｓの出力からカウント待機時間ｔｏを経過しない場合には、カウント信号Ｃｓの出力を行わない。
これにより、ステップＳ１２から各系路を選択しながら繰り返して実施され、必要に応じて、ピストン温度抑制制御やカウント信号Ｃｓの出力を行う。そして、内燃機関が運転を停止すると、割り込みにより制御が中断されて上級の制御フローに戻り、上級の制御フローと共に終了する。
これにより、以下の方法を実施できる。つまり、この内燃機関のピストン温度状態監視方法において、ピストン温度算出システムＭ１１でピストン温度Ｔｐを計測又は推定する。次に、ピストン温度抑制制御システムＭ１２で、ピストン温度Ｔｐを入力して、このピストン温度Ｔｐが予め設定された最大制限温度Ｔｍａｘと、最大制限温度Ｔｍａｘよりも低い値であり、かつ、予め設定又は時々刻々に算出される制御開始温度Ｔｃとに基づいて、ピストン温度Ｔｐが制御開始温度Ｔｃ以上のときにシリンダ内への燃料噴射を制御してピストン温度の上昇を抑えるピストン温度抑制制御を行う。また、カウント出力システムＭ１３で、ピストン温度抑制制御の回数をカウントする際に、最大制限温度Ｔｍａｘとピストン温度Ｔｐの差である温度差ΔＴと、最大制限温度Ｔｍａｘと制御開始温度Ｔｃの差であるマージン幅ΔＴｍとの比μが、予め設定又は算出されるカウント閾値比μｃ以下である場合にカウント信号Ｃｓを出力する。
従って、上記の実施の形態のピストン温度状態監視システム及び内燃機関のピストン温度監視方法によれば、ダメージを受けるような高温状態でカウント信号Ｃｓを適切に送信でき、内燃機関の運転中にピストンが熱的なダメージを受けるような高温状態にどの程度なったかというピストン温度の履歴の適切な管理ができる。
また、どのような状況でピストン温度抑制制御が行われるのかを、設計者や技術者が把握できるようになり、この情報をもとに市場でのピストン絡みの不具合や故障の原因を追究することができるようになる
Ｃｓ カウント信号
Ｍ１０ 内燃機関のピストン温度状態監視システム
Ｍ１１ ピストン温度算出システム
Ｍ１２ ピストン温度抑制制御システム
Ｍ１３ カウント出力システム
Ｔｃ 制御開始温度
Ｔｐ ピストン温度
Ｔｍａｘ 最大制限温度
ｔ カウント信号の出力後の経過時間
ｔｏ カウント待機時間
μ 比
μｃ カウント閾値比
ΔＴ 温度差
ΔＴｍ マージン幅

Claims (5)

  1. 内燃機関のピストンが予め設定又は算出した監視用設定温度以上になった頻度を監視する内燃機関のピストン温度状態監視システムにおいて、
    ピストン温度算出システムとピストン温度抑制制御システムとカウント出力システムとを備え、
    前記ピストン温度算出システムがピストン温度を計測又は推定し、
    前記ピストン温度抑制制御システムが前記ピストン温度を入力して、このピストン温度が予め設定された最大制限温度と、この最大制限温度よりも低い値であり、かつ、予め設定又は時々刻々に算出される制御開始温度とに基づいて、前記ピストン温度が前記制御開始温度以上のときにシリンダ内への燃料噴射を制御してピストン温度の上昇を抑えるピストン温度抑制制御を行い、
    前記カウント出力システムが、前記ピストン温度抑制制御の回数をカウントする際に、前記最大制限温度と前記ピストン温度の差である温度差と、前記最大制限温度と前記制御開始温度の差であるマージン幅との比が、予め設定又は算出されるカウント閾値比以下である場合にカウント信号を出力することを特徴とするピストン温度状態監視システム。
  2. 前記カウント出力システムが、カウント信号を出力する際に、カウント信号を出力した後は、予め設定された若しくは算出されるカウント待機期間を経過するまで次のカウント信号の出力をしないことを特徴とする請求項１に記載のピストン温度状態監視システム。
  3. 前記カウント出力システムが、前記カウント待機期間をエンジン回転数と燃料噴射量に基づいて設定することを特徴とする請求項２に記載のピストン温度状態監視システム。
  4. 前記カウント出力システムが、カウント信号を出力するときにエンジン回転数と燃料噴射量をカウントの時系列に加えて出力することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のピストン温度状態監視システム。
  5. 内燃機関のピストンが予め設定又は算出した監視用設定温度以上になった頻度を監視する内燃機関のピストン温度状態監視方法において、
    ピストン温度算出システムでピストン温度を計測又は推定し、
    ピストン温度抑制制御システムで、前記ピストン温度を入力して、このピストン温度が予め設定された最大制限温度と、この最大制限温度よりも低い値であり、かつ、予め設定又は時々刻々に算出される制御開始温度とに基づいて、前記ピストン温度が前記制御開始温度以上のときにシリンダ内への燃料噴射を制御してピストン温度の上昇を抑えるピストン温度抑制制御を行い、
    カウント出力システムで、前記ピストン温度抑制制御の回数をカウントする際に、前記最大制限温度と前記ピストン温度の差である温度差と、前記最大制限温度と前記制御開始温度の差であるマージン幅との比が、予め設定又は算出されるカウント閾値比以下である場合にカウント信号を出力することを特徴とするピストン温度状態監視方法。
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