JP2018100623A - 内燃機関の燃料噴射装置及びプレ噴射制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】効率的なプレ噴射制御を行って、メイン燃焼状態を速やかに目標状態とすることができる内燃機関の燃料噴射装置及びプレ噴射制御方法を提供すること。【解決手段】燃焼Ｆ／Ｂ制御部４１は、メイン燃焼における筒内圧ｐの圧力上昇率（ｄｐ／ｄθ）が所望の目標値となるように、インジェクター３３のプレ噴射の噴射量と噴射タイミングをフィードバック制御する。また、燃焼Ｆ／Ｂ制御部４１は、筒内圧ｐから算出したトルクに基づいて運転領域を判別する。さらに、燃焼Ｆ／Ｂ制御部４１は、判別した運転領域に応じて、インジェクター３３のプレ噴射の噴射量と噴射タイミングの調整割合（つまりどちらを優先的に調整するか）を変化させつつ、フィードバック制御を行う。【選択図】図２

Description

本発明は、少なくともプレ噴射及びメイン噴射を含むマルチ噴射を行う内燃機関の燃料噴射装置及びプレ噴射制御方法に関する。

ディーゼルエンジンにおける燃焼音を低減する技術として、マルチ噴射がある（例えば、特許文献参照１、２参照）。マルチ噴射においては、メイン噴射の前にプレ噴射を行って微量の燃料を燃やす予備的な燃焼を行うことにより、メイン燃焼時の急激な筒内圧力の上昇を抑制し、これにより燃焼音や振動を低減することができる。

特開２００７−１８７１４９号公報 特開２０１１−００７２０３号公報

ところで、燃料噴射装置においては、インジェクターの劣化によって燃料噴射量が変化することがある。内燃機関の燃料噴射装置においては、一般に、燃焼状態に基づいて燃料噴射の量及びタイミングをフィードバック制御する構成が採用されており、これによりインジェクターが劣化した場合でもメイン燃焼状態を所望の状態に維持することができる。具体的には、燃料噴射装置は、メイン燃焼時の筒内圧の上昇率（いわゆるｄｐ／ｄθ）を検出し、このピーク値が大きくなり過ぎないように、プレ噴射をフィードバック制御することで燃焼音を抑制する。

しかし、プレ噴射のフィードバック制御は、メイン噴射のフィードバック制御よりも複雑であり、どのようにプレ噴射を制御すれば、メイン燃焼における圧力上昇率を速やかに目標値にもっていくことができるかについては十分に検討されているとは言えなかった。

具体的に説明する。実際上、メイン噴射を用いて出力トルク及び燃焼重心を制御する際には、噴射量でトルクを制御し、噴射タイミングで燃焼重心を制御するような、それぞれ１対１の制御系とすれば、比較的容易に制御系を構築できる。

これに対して、プレ噴射のフィードバック制御においては、メイン燃焼時の圧力上昇率（ｄｐ／ｄθ）が目標値となるように、プレ噴射タイミングとプレ噴射量の両方を調整する。従って、一つの目標値に対して、プレ噴射タイミングとプレ噴射量の二つの操作量を組み合わせて制御する必要があるので、制御が複雑となる。

本発明の目的は、効率的なプレ噴射制御を行って、メイン燃焼状態を速やかに目標状態とすることができる内燃機関の燃料噴射装置及びプレ噴射制御方法を提供することである。

本発明の内燃機関の燃料噴射装置の一つの態様は、
少なくともプレ噴射及びメイン噴射を含むマルチ噴射を行う内燃機関の燃料噴射装置であって、
気筒に燃料を噴射するインジェクターと、
前記インジェクターの噴射を制御する噴射制御部と、
を備え、
前記噴射制御部は、
前記インジェクターの噴射量及び噴射タイミングをフィードバック制御するとともに、運転領域に応じて、前記インジェクターのプレ噴射の噴射量と噴射タイミングの調整割合を変化させる。

本発明のプレ噴射制御方法の一つの態様は、
インジェクターのプレ噴射を制御するプレ噴射制御方法であって、
メイン燃焼における気筒の筒内圧の圧力上昇率が所望の目標値となるように、前記インジェクターのプレ噴射の噴射量と噴射タイミングをフィードバック制御するフィードバック制御ステップと、
トルクに基づいて、前記気筒の運転領域を判別する運転領域判別ステップと、
を含み、
前記フィードバック制御ステップでは、前記運転領域判別ステップで判別した運転領域に応じて、前記インジェクターのプレ噴射の噴射量と噴射タイミングの調整割合を変化させつつ、前記フィードバック制御を行う。

本発明によれば、運転領域に応じて、インジェクターのプレ噴射の噴射量と噴射タイミングの調整割合（つまりどちらを優先的に調整するか）を変化させたことにより、効率的なプレ噴射制御を行うことができ、メイン燃焼状態を速やかに目標状態とすることができる。

本発明の実施の形態に内燃機関の概略構成図 燃焼Ｆ／Ｂ制御部の動作例の説明に供する図 運転領域の説明に供する図 実施の形態のプレ噴射制御を示すフローチャート

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る内燃機関の概略構成図である。図１に示すように、内燃機関１は、エアクリーナ１１と、ターボチャージャ１２と、インタークーラ１３と、気筒（燃焼室）１４と、クランク角度センサ２１と、筒内圧センサ２２と、吸気通路３１と、排気通路３２と、インジェクター３３と、ＥＣＵ（Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）４０と、を有している。内燃機関１は、インテークスロットルやＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）等を有するが、図１では図示を省略している。

ターボチャージャ１２は、排気通路３２内を流れる排気の力によって回転するタービン１２ａと、タービン１２ａとともに回転して吸気通路３１内の空気を気筒１４に送り出すコンプレッサ１２ｂとを有している。エアクリーナ１１から吸気通路３１内に導入された空気は、コンプレッサ１２ｂによって加圧され、インタークーラ１３を介し、気筒１４に送り込まれる。

クランク角度センサ２１は、気筒１４に設けられたクランクのクランク角度θを検出する。クランク角度センサ２１は、検出したクランク角度θをＥＣＵ４０に出力する。ＥＣＵ４０は、クランク角度θを用いて気筒１４の回転数を算出することができる。

筒内圧センサ２２は、気筒１４の筒内圧ｐを検出する。筒内圧センサ２２は、検出した気筒１４の筒内圧ｐをＥＣＵ４０に出力する。

ＥＣＵ４０は、内燃機関１の全体を制御するとともに、気筒１４の運転状態を制御する。ＥＣＵ４０は、図１に示すように、燃焼Ｆ／Ｂ（Ｆ／Ｂ：ｆｅｅｄｂａｃｋ）制御部４１と、記憶部４２と、を有している。なお、実際には、ＥＣＵ４０は、フィードバック制御以外にもフィードフォワード制御などの他の制御を行うための構成も有しているが、ここでは説明を簡単にするために、本発明のプレ噴射の制御に関わる構成のみを説明する。

燃焼Ｆ／Ｂ制御部４１は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）によってその機能が実現される。記憶部４２は、例えば、メモリによってその機能が実現される。記憶部４２には、ＣＰＵが実行するプログラムや各種データが記憶される。

図２は、燃焼Ｆ／Ｂ制御部４１の動作例を説明する図である。図２には、図１に示した気筒１４と、燃焼Ｆ／Ｂ制御部４１と、が示してあり、その他は省略している。

図２に示すように、燃焼Ｆ／Ｂ制御部４１は、燃焼重心算出部４１ａと、トルク算出部４１ｂと、圧力上昇率算出部４１ｃと、運転領域判別部４１ｄと、噴射制御部４１ｅと、を有する。燃焼重心算出部４１ａは、例えばクランク角度θと圧力上昇率ｄｐ／ｄθとを用いて、燃料重心を算出する。トルク算出部４１ｂは、例えば筒内圧ｐとクランク角度θとを用いて、トルクを算出する。圧力上昇率算出部４１ｃは、筒内圧ｐとクランク角度θとを用いて、圧力上昇率ｄｐ／ｄθを算出する。なお、燃料重心、トルク、圧力上昇率の算出については、上述の方法に限らず、既知の様々な方法を適用し得る。

噴射制御部４１ｅは、メイン噴射時には、燃焼重心とトルクを目標に近づけるように、インジェクター３３の噴射タイミングと噴射量を制御する。

一方、噴射制御部４１ｅは、プレ噴射時には、メイン燃焼の圧力上昇率が所望の目標値となるようにプレ噴射の噴射量及び噴射タイミングを制御する。具体的には、圧力上昇率が大きくなり過ぎないように、プレ噴射の噴射量及び噴射タイミングを制御する。

ここで、本発明の発明者らは、メイン燃焼の圧力上昇率を変化させるためには、プレ噴射のタイミングよりも噴射量を変化させた方が効果的な場合と、プレ噴射の噴射量よりもタイミングを変化させた方が効果的な場合とがあり、プレ噴射の噴射量及び噴射タイミングのどちらを変化させた方が効率的であるかは、運転領域によって異なることを見出した。

具体的には、実験により、図３における７つの運転状態Ｆ１〜Ｆ７においてプレ噴射の噴射量及び噴射タイミングを変化させ、そのときのメイン燃焼の圧力上昇率（ｄｐ／ｄθ）を調べた。その結果、運転状態Ｆ１、Ｆ２のようにトルクが大きい運転領域ＡＲ１では、圧力上昇率を変化させるためには、プレ噴射量よりもプレ噴射タイミングを変化させるのが効率的である（つまり圧力上昇率への影響はプレ噴射量よりもプレ噴射タイミングの方が大きい）ことが分かった。一方、運転状態Ｆ４、Ｆ５、Ｆ６のようにトルクが小さい運転領域ＡＲ２では、圧力上昇率を変化させるためには、プレ噴射タイミングよりもプレ噴射量を変化させるのが効率的である（つまり圧力上昇率への影響はプレ噴射タイミングよりもプレ噴射量の方が大きい）ことが分かった。なお、運転状態Ｆ３のようにトルクが大きくても回転数が高い運転領域ＡＲ３や、運転状態Ｆ７のようにトルクが中間的な運転領域ＡＲ４では、圧力上昇率への影響度はプレ噴射量及びプレ噴射タイミングのいずれか一方が特に大きいわけではないことが分かった。

このような考察から、本実施の形態では、運転領域判別部４１ｄを設け、運転領域に応じて、噴射制御部４１ｅでのプレ噴射の噴射量と噴射タイミングの調整割合（つまりどちらを優先的に調整するか）を変化させるようにした。これにより、効率的にメイン燃焼の圧力上昇率を目標値に近づけることができる。例えば、運転領域ＡＲ１では、プレ噴射量を固定としつつ圧力上昇率が目標値となるようにプレ噴射タイミングを調整する。運転領域ＡＲ２では、プレ噴射タイミングを固定としつつ圧力上昇率が目標値となるようにプレ噴射量を調整する。運転領域ＡＲ３、ＡＲ４では、圧力上昇率が目標値となるようにプレ噴射量及びプレ噴射タイミングの両方を調整する。

なお、実際上、本実施の形態においては、筒内圧ｐに基づいてトルクを算出し、算出したトルクに応じて運転領域を判別して、その運転領域に応じてプレ噴射の噴射量と噴射タイミングの調整割合（つまりどちらを優先的に調整するか）を変化させるようになっている。

図４は、本実施の形態の燃焼Ｆ／Ｂ制御部４１によるプレ噴射制御を示すフローチャートである。

燃焼Ｆ／Ｂ制御部４１は、ステップＳ１において運転領域判別部４１ｄによってトルクが閾値Ａ１より大きいか否か判断し、大きい場合にはステップＳ２に移る。ステップＳ２では、運転領域判別部４１ｄによって回転数Ｒが閾値Ｂ１より小さいか否か判断し、小さい場合にはステップＳ３に移る。燃焼Ｆ／Ｂ制御部４１は、ステップＳ３において噴射制御部４１ｅによってプレ噴射タイミングを調整する。つまり、ステップＳ１及びステップＳ２の両方で肯定結果が得られたということは運転領域判別部４１ｄによって運転状態が運転領域ＡＲ１であると判別されたことを意味するので、ステップＳ３において噴射制御部４１ｅによってプレ噴射タイミングを優先的に調整して圧力上昇率を目標値に制御する。例えばプレ噴射量は固定として、プレ噴射タイミングのみを調整する。

これに対して、燃焼Ｆ／Ｂ制御部４１は、ステップＳ１において運転領域判別部４１ｄによって否定結果が得た場合にはステップＳ４に移る。ステップＳ４では、運転領域判別部４１ｄによってトルクが閾値Ａ２よりも小さいか否か判断し、小さい場合にはステップＳ５に移る。燃焼Ｆ／Ｂ制御部４１は、ステップＳ５において噴射制御部４１ｅによってプレ噴射量を調整する。つまり、ステップＳ４で肯定結果が得られたということは運転領域判別部４１ｄによって運転状態が運転領域ＡＲ２にあると判別されたことを意味するので、ステップＳ５において噴射制御部４１ｅによってプレ噴射量を優先的に調整して圧力上昇率を目標値に制御する。例えばプレ噴射タイミングは固定として、プレ噴射量のみを調整する。

また、燃焼Ｆ／Ｂ制御部４１は、ステップＳ２において運転領域判別部４１ｄによって否定結果を得た場合、又は、ステップＳ４において運転領域判別部４１ｄによって否定結果を得た場合には、ステップＳ６に移る。燃焼Ｆ／Ｂ制御部４１は、ステップＳ６において噴射制御部４１ｅによってプレ噴射量及びプレ噴射タイミングの両方を調整する。つまり、ステップＳ６に移ったということは、運転領域判別部４１ｄによって運転状態が運転領域ＡＲ３又はＡＲ４であると判別されたことを意味するので、燃焼Ｆ／Ｂ制御部４１は、ステップＳ６において噴射制御部４１ｅによってプレ噴射量及びプレ噴射タイミングの両方を調整して圧力上昇率を目標値に制御する。

以上説明したように、本実施の形態によれば、内燃機関１の出力トルクに基づいて運転領域を判別し、判別した運転領域に応じてインジェクター３３のプレ噴射の噴射量と噴射タイミングの調整割合（つまりどちらを優先的に調整するか）を変化させつつ、フィードバック制御を行うようにしたことにより、メイン燃焼の圧力上昇率を効率的に目標値に制御することができる。この結果、燃焼音を小さくするための制御（つまりメイン燃焼の圧力上昇率のピーク値を下げて急激な燃焼を小さくすることにより音を小さくするための制御）を速やかに行うことができるようになる。

なお、上述の実施の形態では、運転領域を判別するにあたって、筒内圧ｐに基づいて算出したトルクを用いた場合について述べたが、これに限らず、例えばトルクセンサーが搭載されている場合には、トルクセンサーによって検出されたトルクに基づいて運転領域を判別してもよい。

また、上述の実施の形態では、図３に示したように運転領域を領域分けしたが、勿論、各領域の大きさ等は内燃機関やインジェクター３３の性能などに応じて適宜変更すべきものであり、図３は一例にすぎない。

また、上述の実施の形態では、本発明をｄｐ／ｄθを目標値としてプレ噴射を制御する場合に用いたが、例えばｄ^２ｐ／ｄθ^２を目標値としてプレ噴射を制御する場合に用いてもよい。要は、メイン燃焼の急激な燃焼を小さくするために、プレ噴射をフィードバック制御する場合に広く適用可能である。

上述の実施の形態は、本発明を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその要旨、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

本発明は、特にプレ噴射をフィードバック制御する場合に好適である。

１ 内燃機関
１４ 気筒（燃焼室）
２１ クランク角度センサ
２２ 筒内圧センサ
３１ 吸気通路
３２ 排気通路
３３ インジェクター
４０ ＥＣＵ
４１ 燃焼Ｆ／Ｂ制御部
４１ａ 燃焼重心算出部
４１ｂ トルク算出部
４１ｃ 圧力上昇率算出部
４１ｄ 運転領域判別部
４１ｅ 噴射制御部
４２ 記憶部

Claims (5)

1. 少なくともプレ噴射及びメイン噴射を含むマルチ噴射を行う内燃機関の燃料噴射装置であって、
   気筒に燃料を噴射するインジェクターと、
   前記インジェクターの噴射を制御する噴射制御部と、
   を備え、
   前記噴射制御部は、
   前記インジェクターの噴射量及び噴射タイミングをフィードバック制御するとともに、運転領域に応じて、前記インジェクターのプレ噴射の噴射量と噴射タイミングの調整割合を変化させる、
   内燃機関の燃料噴射装置。
2. 前記噴射制御部は、
   トルクに基づいて前記運転領域を判別するとともに、
   前記トルクが第１の閾値よりも大きい場合にはプレ噴射量よりもプレ噴射タイミングを優先して調整し、前記トルクが第２の閾値（ただし第２の閾値≦第１の閾値）よりも小さい場合にはプレ噴射タイミングよりもプレ噴射量を優先して調整する、
   請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射装置。
3. 前記噴射制御部は、
   トルク及び回転数に基づいて前記運転領域を判別するとともに、
   前記トルクが第１の閾値よりも大きくかつ前記回転数が第３の閾値よりも小さい場合にはプレ噴射量よりもプレ噴射タイミングを優先して調整する、
   請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射装置。
4. 前記噴射制御部は、前記気筒の圧力上昇率が所定範囲に収まるように、前記プレ噴射量及び前記プレ噴射タイミングを調整する、
   請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の内燃機関の燃料噴射装置。
5. インジェクターのプレ噴射を制御するプレ噴射制御方法であって、
   メイン燃焼における気筒の筒内圧の圧力上昇率が所望の目標値となるように、前記インジェクターのプレ噴射の噴射量と噴射タイミングをフィードバック制御するフィードバック制御ステップと、
   トルクに基づいて、前記気筒の運転領域を判別する運転領域判別ステップと、
   を含み、
   前記フィードバック制御ステップでは、前記運転領域判別ステップで判別した運転領域に応じて、前記インジェクターのプレ噴射の噴射量と噴射タイミングの調整割合を変化させつつ、前記フィードバック制御を行う、
   プレ噴射制御方法。

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