JP4784488B2 - 内燃機関の燃料性状検出装置、燃料性状検出方法。 - Google Patents

内燃機関の燃料性状検出装置、燃料性状検出方法。 Download PDF

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Description

本発明は、内燃機関の燃料性状を検出する燃料性状検出装置に関する。
最近、エンジンにより高い燃料経済性、運転性が要求される傾向があり、かかる観点からマイクロコンピュータ等を利用して燃料供給量をより精密に制御することが行われる。このような制御では、内燃機関の使用燃料の性状、即ち、燃料性状も入力情報として重要な位置を占めることがある。
特許文献1に記載の技術では、燃焼圧力の検出値から燃焼速度を算出し、燃料性状を判別している。特許文献2に記載の技術では、過渡運転状態における燃焼状態パラメータの応答速度により燃料性状を判別している。
特公平7−50098号公報 特公平7−119667号公報
しかしながら、上記に記載の技術では、燃焼状態パラメータの応答速度により燃料性状を検出するため、過渡走行時にしか検出できない。そのため、例えば、ハイウェイ走行時などの定常走行時においては、燃料消費量が多いにもかかわらず燃料性状検出モードに入らないため、予測している燃料性状と実際の燃料性状が異なる可能性が高くなる。
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、過渡走行時だけでなく、定常走行時も燃料性状の検出が可能となる内燃機関の燃料性状検出装置を提供する。
本発明の1つの観点では、内燃機関の燃料性状検出装置は、内燃機関の筒内圧履歴を算出する筒内圧履歴算出手段と、内燃機関の筒内体積履歴を算出する筒内体積履歴算出手段と、前記筒内圧履歴と前記筒内体積履歴とを基に燃焼速度履歴を算出する燃焼速度履歴算出手段と、前記燃焼速度履歴算出手段が算出した前記燃焼速度履歴に基づいて、燃焼開始から燃焼速度履歴が始めて上昇し始めるタイミングにおける前記燃焼速度履歴の値を層流燃焼速度として算出する層流燃焼速度算出手段と、予め求めた複数の燃料種と層流燃焼速度との関係を示すマップに基づいて、前記層流燃焼速度算出手段が算出した前記層流燃焼速度を基に燃料性状を算出する燃料性状算出手段と、を備える。
上記の内燃機関の燃料性状検出装置は、筒内圧履歴算出手段と、筒内体積履歴算出手段と、燃焼速度履歴算出手段と、層流燃焼速度算出手段と、燃料性状算出手段と、を備える。前記筒内圧履歴算出手段は、例えば、筒内圧センサを用いて、又は、計算により筒内圧履歴を算出する。前記筒内体積履歴算出手段は、具体的には、クランク角履歴、及び、筒内体積波形を基に筒内体積履歴を算出する。前記燃焼速度履歴算出手段は、前記筒内圧履歴と前記筒内体積履歴とを基に燃焼速度履歴を算出する。前記層流燃焼速度算出手段は、前記燃焼速度履歴を基に層流燃焼速度を算出する。具体的には、層流燃焼速度算出手段は、燃焼速度履歴算出手段が算出した燃焼速度履歴に基づいて、燃焼開始から燃焼速度履歴が始めて上昇し始めるタイミングにおける燃焼速度履歴の値を、層流燃焼速度として算出する。前記燃料性状算出手段は、前記層流燃焼速度を基に燃料性状を算出する。具体的には、燃料性状算出手段は、予め求めた複数の燃料種と層流燃焼速度との関係を示すマップを参照して、層流燃焼速度算出手段が算出した層流燃焼速度に対応する燃料性状を求める。このようにすることで、内燃機関の燃料性状検出装置は、過渡走行時だけでなく、定常走行時も燃料性状の検出が可能となる。
上記の内燃機関の燃料性状検出装置の他の一態様は、前記筒内圧履歴と前記筒内体積履歴とを基に層流燃焼時圧力を算出する層流燃焼時圧力算出手段と、前記層流燃焼時圧力と筒内ガス質量とを基に未燃ガス温度を算出する未燃ガス温度算出手段と、前記筒内ガス質量と新気ガス質量とを基に残留ガス割合を算出する残留ガス割合算出手段と、標準状態時におけるガス温度、筒内圧及び残留ガス割合と、前記層流燃焼速度算出手段が算出した前記層流燃焼速度と、前記層流燃焼時圧力算出手段が算出した前記層流燃焼時圧力と、前記未燃ガス温度算出手段が算出した前記未燃ガス温度と、前記残留ガス割合算出手段が算出した前記残留ガス割合と、を基に標準状態時における層流燃焼速度を求める標準状態時層流燃焼速度算出手段と、を更に備え、前記燃料性状算出手段は、前記標準状態時における層流燃焼速度を基に燃料性状を算出する。このようにすることで、内燃機関の燃料性状検出装置は、運転状態が変化した場合であっても、燃料性状を検出することができる。
上記の内燃機関の燃料性状検出装置の他の一態様は、前記筒内圧履歴を基に空燃比を算出する空燃比算出手段と、を更に備え、前記燃料性状算出手段は、予め求めた、燃料混合比と空燃比と標準状態時における層流燃焼速度との関係を示すマップに基づいて、前記標準状態時層流燃焼速度算出手段が求めた前記標準状態時における層流燃焼速度及び前記空燃比算出手段が算出した前記空燃比から燃料混合比を求めて、当該燃料混合比から燃料性状を算出する。このようにすることで、内燃機関の燃料性状検出装置は、空燃比の影響を考慮した燃料性状を検出することができる。
上記の内燃機関の燃料性状検出装置の他の一態様は、前記筒内圧履歴算出手段は、クランク角速度と、機械損失によるトルクと、慣性質量によるトルクと、クランクシャフトの慣性モーメントと、を基に筒内圧によるトルクを求め、当該筒内圧によるトルク及び筒内体積波形を基に前記筒内圧履歴を算出する。このようにすることで、内燃機関の燃料性状検出装置は、筒内圧センサを用いずに、筒内圧履歴を算出することができる。
本発明の他の観点では、内燃機関の燃料性状検出方法は、内燃機関の筒内圧履歴を算出する筒内圧履歴算出工程と、内燃機関の筒内体積履歴を算出する筒内体積履歴算出工程と、前記筒内圧履歴と前記筒内体積履歴とを基に燃焼速度履歴を算出する燃焼速度履歴算出工程と、前記燃焼速度履歴算出工程が算出した前記燃焼速度履歴に基づいて、燃焼開始から燃焼速度履歴が始めて上昇し始めるタイミングにおける前記燃焼速度履歴の値を層流燃焼速度として算出する層流燃焼速度算出工程と、予め求めた複数の燃料種と層流燃焼速度との関係を示すマップに基づいて、前記層流燃焼速度算出工程が算出した前記層流燃焼速度を基に燃料性状を算出する燃焼性状算出工程と、を備える。この方法によっても、過渡走行時だけでなく、定常走行時も燃料性状の検出が可能となる。
以下、図面を参照して本発明の好適な実施の形態について説明する。
[全体構成]
まず、本発明の実施形態に係る内燃機関の構成について説明する。
図1は、各実施形態に係る内燃機関の燃料性状検出装置が適用された内燃機関1の構成を示す概略図である。なお、図1では、実線矢印がガスの流れを示し、破線矢印が信号の入出力を示している。
内燃機関1は、主に、エアフロメータ2と、吸気通路3と、スロットルバルブ4と、燃料噴射弁5と、気筒(シリンダ)6aと、吸気弁7と、排気弁8と、排気通路9と、点火プラグ10と、筒内圧センサ11と、クランク角センサ12と、を有する。内燃機関1は、例えばガソリンエンジンやディーゼルエンジンとして構成される。なお、図1においては、説明の便宜上、1つの気筒6aのみを示しているが、実際には内燃機関1は複数の気筒6aを有する。
吸気通路3には外部から導入された空気(新気)が通過し、スロットルバルブ4は吸気通路3を通過する空気の流量を調整する。吸気通路3を通過した空気は、気筒6aの燃焼室6bに供給される。また、燃焼室6bには、燃料噴射弁5によって噴射された燃料が供給される。燃焼室6b内では、点火プラグ10の点火により着火されることによって、供給された空気と燃料との混合気が燃焼される。この場合、燃焼によってピストン6cが往復運動し、この往復運動がコンロッド6dを介してクランク軸(不図示)に伝達され、クランク軸が回転する。また、内燃機関1には排気通路9が接続されており、燃焼によって
生じた排気は排気通路9から排出される。
更に、内燃機関1の燃焼室6bには、吸気弁7と排気弁8が設けられている。吸気弁7は、開閉することによって、吸気通路3と燃焼室6bとの導通/遮断を制御する。また、排気弁8は、開閉することによって、排気通路9と燃焼室6bとの導通/遮断を制御する。
エアフロメータ2は、吸気通路3を通過する新気の量(新気ガス質量)を検出するセンサである。筒内圧センサ11は、気筒6a内の圧力(筒内圧)を検出するセンサである。例えば、筒内圧センサ11は、点火プラグ10の座金として装着されるリング状の圧電素子から構成され、点火プラグ10の締め付け荷重に対する相対圧として筒内圧を検出する。また、筒内圧センサ11は、複数の気筒6aごとに設けられ、各気筒6aの筒内圧を検出する。
クランク角センサ12は、各気筒6aに設けられ、各気筒6aにおけるクランク角を検出する。具体的には、クランク角センサ12は、単位クランク角毎の他に角度信号と、所定ピストン位置毎の基準角度信号とを、それぞれ出力する。
演算処理部20は、図示しないCPU、ROM、RAM、A/D変換器及び入出力インターフェースなどを含んで構成されている。演算処理部20は、前述した各種センサから検出信号を取得し、これに基づいて演算処理を行う。演算処理部20は、例えばECU(Engine Control Unit)などに組み込むことができる。以下に述べる各実施形態では、演算処理部20は、前述した各種センサから取得された検出信号に基づいて、内燃機関1における燃料性状を算出する。従って、演算処理部20は、本発明に係る内燃機関の燃料性状検出装置として機能する。
[第1実施形態]
まず、本発明の第1実施形態について図2に示すフローチャートを用いて説明する。図2は、本発明の第1実施形態に係る燃料性状を算出する方法を示すフローチャートである。なお、以下の説明において、tは時刻を示している。
演算処理部20は、筒内圧センサ11より供給された信号を基に筒内圧履歴P(t)を取得する(ステップS101)。従って、演算処理部20は、本発明における筒内圧履歴算出手段として機能する。
演算処理部20は、クランク角センサ12より供給された信号を基にクランク角履歴θ(t)を取得する(ステップS102)。演算処理部20は、設計値を基に筒内体積波形V(θ)を算出する(ステップS103)。演算処理部20は、クランク角履歴θ(t)と筒内体積波形V(θ)を基に筒内体積履歴V(t)を算出する(ステップS104)。従って、演算処理部20は、本発明における筒内体積履歴算出手段として機能する。
また、演算処理部20は、複数の燃料種iについての層流燃焼速度S(i)を実験などで検出しておき、マップとして記録しておく(ステップS105)。燃料種iとは、例えば、ガソリンやエタノールなどの燃料の種類を示し、具体的には、炭素(C)、水素(H)、酸素(O)の組成比によって決まる燃料の種類を示す。従って、燃料種iの種類の数は、例えば、燃料の分子式C(l、m、nは整数)のl、m、nの組み合わせ可能な数となる。
演算処理部20は、筒内圧履歴P(t)と筒内体積履歴V(t)を基に、熱力学第1法則を用いて、熱発生率履歴dQ(t)/dtを算出する(ステップS106)。具体的には、熱発生率履歴dQ(t)/dtは以下の式(1)で表される。ここで、Rは気体定数を示し、Cvは定積比熱を示す。
Figure 0004784488
ステップS107において、演算処理部20は、熱発生率履歴dQ(t)/dtを基に1サイクル当たりの総熱発生量Qを算出する。具体的には、1サイクル当たりの総熱発生量Qは以下の式(2)で表される。
Figure 0004784488
ステップS108において、演算処理部20は、熱発生率履歴dQ(t)/dtと1サイクル当たりの総熱発生量Qtを基に、燃焼割合履歴x(t)を算出する。具体的には、燃焼割合履歴x(t)は以下の式(3)で表される。
Figure 0004784488
ステップS109において、演算処理部20は、筒内体積V(t)と燃焼割合履歴x(t)を基に、燃焼体積履歴V(t)を算出する。具体的には、燃焼体積履歴V(t)は以下の式(4)で表される。
Figure 0004784488
ステップS110において、演算処理部20は、燃焼体積履歴V(t)を基に既燃部半径履歴r(t)を算出する。具体的には、既燃部半径履歴r(t)は以下の式(5)で表される。なお、式(5)では、燃焼初期における既燃部半径履歴を求めることとしているため、既燃部の形状は球と仮定されている。
Figure 0004784488
ステップS111において、演算処理部20は、既燃部半径r(t)を基に履歴燃焼速度履歴S(t)を算出する。具体的には、燃焼速度履歴S(t)は以下の式(6)で表される。従って、演算処理部20は、本発明における燃焼速度履歴算出手段として機能する。
Figure 0004784488
演算処理部20は、燃焼速度履歴S(t)を基に層流燃焼終了時刻tl,eを算出する(ステップS112)。具体的には、層流燃焼終了時刻tl,eは以下の式(7)で表される。以下の式(7)は、S(t)の二回微分が0となるときの時刻tの最小値を層流燃焼終了時刻tl,eとすることを表している。なお、ここで、tsaは燃焼開始時刻を示している。
Figure 0004784488
図3は、燃焼速度履歴S(t)と時刻tの関係を示すグラフである。本発明では、燃焼開始から燃焼速度履歴S(t)が始めて上昇し始めるタイミングまでの期間を層流燃焼期間であると仮定している。そのため、式(7)に示すように、グラフ30の変曲点、即ち、S(t)の二回微分が0となるときの時刻tの最小値tl,eを層流燃焼終了時刻としている。
ステップS113において、演算処理部20は、以下の式(8)に示すように、燃焼速度履歴S(t)に層流燃焼時刻たる時刻t=tl,eを代入することで層流燃焼速度Sを算出する。従って、演算処理部20は、本発明における層流燃焼速度算出手段として機能する。
Figure 0004784488
演算処理部20は、ステップS105で算出したマップより、式(8)で算出された層流燃焼速度Sの値に近い層流燃焼速度S(i)に対応する燃料種iを求めることで、内燃機関1の燃料性状を求める(ステップS114)。従って、演算処理部20は、本発明における燃料性状算出手段として機能する。
以上に述べたように、本発明の第1実施形態に係る内燃機関の燃料性状検出装置は、内燃機関の筒内圧履歴を算出する筒内圧履歴算出手段と、内燃機関の筒内体積履歴を算出する筒内体積履歴算出手段と、当該筒内圧履歴と当該筒内体積履歴とを基に燃焼速度履歴を算出する燃焼速度履歴算出手段と、当該燃焼速度履歴を基に層流燃焼速度を算出する層流燃焼速度算出手段と、当該層流燃焼速度を基に燃料性状を算出する燃料性状算出手段と、を備える。このようにすることで、内燃機関の燃料性状検出装置は、過渡走行時だけでなく、定常走行時も燃料性状の検出が可能となる。
[第2実施形態]
次に、本発明の第2実施形態について述べる。燃焼速度は、圧力、温度、残留ガス割合に対して依存性があるため、運転条件が変化すると層流燃焼速度Sも変化してしまう。上述の第1実施形態に係る内燃機関の燃料性状検出装置では、運転状態の変化に対応して燃料性状を検出するのは困難である。そこで、本発明の第2実施形態に係る内燃機関の燃料性状検出装置では、運転条件が変化した場合であっても、燃料性状を検出可能とすることを目的とする。図4は、本発明の第2実施形態に係る燃料性状を算出する方法を示すフローチャートである。
図4に示すフローチャートにおいて、ステップS201〜S205に示す筒内圧履歴の取得から層流燃焼速度の算出までの演算処理部20の動作は、第1実施形態の図2のフローチャートにおけるステップS101〜S113に示す演算処理部20の動作と同様である。また、第2実施形態においても、演算処理部20は、第1実施形態の図2のフローチャートにおけるステップS105における動作と同様に、複数の燃料種についての層流燃焼速度について算出しておき、マップとして記録しておく(ステップS206)。
ステップS207において、演算処理部20は、以下の式(9)に示すように、層流燃焼終了時刻tl,eを筒内圧履歴P(t)に代入することで、層流燃焼時圧力Pを算出する。従って、演算処理部20は、層流燃焼時圧力算出手段としても機能する。
Figure 0004784488
また、演算処理部20は、筒内ガス質量Mを算出する(ステップS208)。筒内ガス質量Mは、例えば、ガス温度、筒内体積、筒内圧を夫々、T、V、Pとすると、状態方程式を用いて、M=P・V/(R・T)と求められる。
演算処理部20は、新気ガス質量Mを算出すると共に(ステップS209)、残留ガス質量Mを算出する(ステップS210)。具体的には、演算処理部20は、エアフロメータ2より供給される信号を基に新気ガス質量Mを算出する。また、演算処理部20は、筒内ガス質量Mから新気ガス質量Mを引くことで残留ガス質量Mを算出する。
ステップS211において、演算処理部20は、層流燃焼時圧力Pと筒内ガス質量Mを基に、層流燃焼時における未燃ガス温度Tl,uを算出する。従って、演算処理部20は、本発明における未燃ガス温度算出手段として機能する。具体的には、層流燃焼時における未燃ガス温度Tl,uは、状態方程式を用いて、以下の式(10)で表される。ここで、式(10)では、内燃機関1は点火直後であるとしているため、未燃ガス温度Tl,uをガス温度T(t)に等しいと仮定している。
Figure 0004784488
ステップS212において、演算処理部20は、筒内ガス質量M及び残留ガス質量Mを基に、残留ガス割合rを算出する。従って、演算処理部20は、残留ガス割合算出手段として機能する。具体的には、残留ガス割合rは以下の式(11)で表される。
Figure 0004784488
ステップS213において、演算処理部20は、標準状態時における層流燃焼速度Sl,0を算出する。層流燃焼速度は、一般的には以下の式(12a)で表される。ここで、式(12a)におけるa、b、c、dは、文献値等から与えられる値である。
Figure 0004784488
従って、標準状態時における層流燃焼速度Sl,0は、標準状態時における、ガス温度、筒内圧、残留ガス割合を夫々、T、P、re,0とすると以下の式(12)で表される。
Figure 0004784488
演算処理部20は、式(12)を用いて、標準状態時における層流燃焼速度Sl,0を算出した後、ステップS206で算出したマップより、算出された標準状態時における層流燃焼速度Sl,0の値に近い層流燃焼速度S(i)に対応する燃料種iを求めることで、内燃機関1の燃料性状を求める(ステップS214)。従って、演算処理部20は、本発明における標準状態時層流燃焼速度算出手段として機能する。
以上に述べたように、本発明の第2実施形態に係る内燃機関の燃料性状検出装置は、第1実施形態に係る内燃機関の燃料性状検出装置に加えて、筒内圧履歴と筒内体積履歴とを基に層流燃焼時圧力を算出する層流燃焼時圧力算出手段と、層流燃焼時圧力と筒内ガス質量とを基に未燃ガス温度を算出する未燃ガス温度算出手段と、当該筒内ガス質量と新気ガス質量を基に残留ガス割合を算出する残留ガス割合算出手段と、当該層流燃焼速度と、当該層流燃焼時圧力と、当該未燃ガス温度と、当該残留ガス割合と、を基に標準状態時における層流燃焼速度を求める標準状態時層流燃焼速度算出手段と、を更に備え、燃料性状算出手段は、前記標準状態時における層流燃焼速度を基に燃料性状を算出する。このようにすることで、第2実施形態に係る内燃機関の燃料性状検出装置は、運転状態が変化しても燃料性状を検出することができる。
[第3実施形態]
次に、本発明の第3実施形態について述べる。燃焼速度は空燃比に対して依存性がある。また、燃料が徐変する場合には、燃焼速度も徐変する。そのため、上記の第2実施形態に係る内燃機関の燃料性状検出装置では、標準状態時における層流燃焼速度Sl,0を導出することは難しい。そこで、本発明の第3実施形態に係る内燃機関の燃料性状検出装置では、空燃比の影響を考慮して燃料性状を検出することを目的とする。図5は、本発明の第3実施形態に係る燃料性状を算出する方法を示すフローチャートである。
ステップS301〜S302に示す筒内圧履歴の取得から標準状態時における層流燃焼速度の算出までの演算処理部20の動作は、第2実施形態に係る燃焼性状を算出する方法を示す図4のフローチャートにおけるステップS201〜S213に示す筒内圧履歴の取得から標準状態時における層流燃焼速度の算出までの演算処理部20の動作と同様である。
演算処理部20は、筒内圧に基づいて、内燃機関1内で燃焼が開始されてから当該燃焼が実質的に完了するまでの燃焼時間を算出し、当該燃焼時間を基に内燃機関1内における空燃比A/Fを算出する(ステップS303)。従って、演算処理部20は、本発明における空燃比算出手段として機能する。
演算処理部20は、燃料混合比xと空燃比A/Fとに対する標準状態時における層流燃焼速度Sl,0の値をマップとして予め求めておく。図6は、燃料混合比xと空燃比A/Fとに対する標準状態時における層流燃焼速度Sl,0の値を示すグラフである。ここで、燃料が燃料Aと燃料Bとがx1:x2の割合で混合したものである場合には、燃料A:燃料B=x1:x2=x1:1−x1と表すことができる。従って、燃料混合比x=(x1、x2)=(x1、1−x1)と表すことができるので、燃料混合比xの要素数は1となる。この場合には、図6のグラフ31に示すように、3次元マップとなる。なお、燃料が、燃料Aと燃料Bと燃料Cとがx1:x2:x3の割合で混合したものである場合には、燃料A:燃料B:燃料C=x1:x2:1−x1−x2と表すことができる。従って、この場合には、燃料混合比xの要素数は2となるので、この場合には、燃料混合比xと空燃比A/Fとに対する標準状態時における層流燃焼速度Sl,0を示すグラフは、4次元マップとなる。
ステップS304において、演算処理部20は、標準状態時における層流燃焼速度Sl,0と空燃比A/Fとに対応する燃料混合比xを、図6に示したマップより求めることで、内燃機関1における燃料性状を求める(ステップS304)。
以上に述べたように、本発明の第3実施形態に係る内燃機関の燃料性状検出装置は、第2実施形態に係る内燃機関の燃料性状検出装置に加えて、筒内圧履歴を基に空燃比を算出する空燃比算出手段と、を更に備え、燃料性状算出手段は、標準状態時における層流燃焼速度と前記空燃比とを基に燃料性状を算出する。このようにすることで、第3実施形態に係る内燃機関の燃料性状検出装置は、空燃比の影響を考慮した燃料性状を検出することができる。また、上述したように、燃料混合比の要素数に応じた次元のマップを用いることで、複数の燃料が混合している場合でも、燃料混合比を含めた燃料性状を検出することができる。
[第4実施形態]
上述の各実施形態では、筒内圧センサ11より筒内圧履歴P(t)を取得している。しかし、筒内圧センサ11を内燃機関1に設置することは、コスト面及び耐久面で問題が生じるため、筒内圧センサ11を内燃機関1に設置しないで済ませるのが理想である。そこで、本発明の第4実施形態に係る内燃機関の燃料性状検出装置では、筒内圧センサ11を用いずに、筒内圧履歴P(t)を算出することを目的とする。図7は、本発明の第4実施形態に係る燃料性状を算出する方法を示すフローチャートである。また、図8(a)は、機械損失によるトルクTを示すグラフであり、図8(b)は、慣性質量によるトルクTである。
演算処理部20は、クランク角センサ12よりクランク角履歴θ(t)を取得した後(ステップS401)、クランク角履歴θ(t)を基にクランク角速度ω(t)を算出する(ステップS402)。具体的には、クランク角速度ω(t)は以下の式(13)で表される。
Figure 0004784488
演算処理部20は、エンジン回転数NE及び負荷率KLを取得する(ステップS403)。演算処理部20は、エンジン回転数NE及び負荷率KLを基に、機械損失によるトルクTを算出すると共に(ステップS404)、慣性質量によるトルクTを算出する(ステップS405)。機械損失によるトルクTは、図8(a)のグラフ32に示すようにエンジン回転数NE及び負荷率KLに対するグラフとなっており、慣性質量によるトルクTは、図8(b)のグラフ33に示すようにエンジン回転数NEに対するグラフとなっている。従って、演算処理部20は、具体的には、予め、図8(a)、(b)のグラフに示す関係を計算式又はマップとして保持しておき、当該計算式又は当該マップを基に、エンジン回転数NE及び負荷率KLに対する機械損失によるトルクTの大きさ、及び、エンジン回転数NEに対する慣性質量によるトルクTの大きさを算出する。
演算処理部20は、設計値より、クランクシャフトの慣性モーメントJを算出すると共に(ステップS406)、筒内体積波形V(θ)も算出する(ステップS407)。
ステップS408において、演算処理部20は、クランク角速度ω(t)、機械損失によるトルクT、慣性質量によるトルクT、クランクシャフトの慣性モーメントJを基に、筒内圧によるトルクT(t)を算出する。具体的には、筒内圧によるトルクT(t)は以下の式(14)で表される。
Figure 0004784488
ステップS409において、演算処理部20は、筒内圧によるトルクT(t)、筒内体積波形V(θ)を基に、筒内圧履歴P(t)を算出する。具体的には、筒内圧履歴P(t)は以下の式(15)で表される。
Figure 0004784488
なお、上記の式(15)は、以下の様にして証明することができる。
まず、筒内圧によるトルクT(t)は、クランクに係る力F(t)、クランク半径Rを用いて以下の式(16)で表される。
Figure 0004784488
また、クランクに係る力F(t)がクランク角θの単位角dθ当たりになす仕事dW(t)は以下の式(17)で表される。
Figure 0004784488
更に、仕事dW(t)は、熱力学の第1法則より、筒内圧履歴P(t)及び筒内体積波形V(θ)を用いて以下の式(18)で表される。
Figure 0004784488
上記の式(16)〜(18)より以下の式(19)が導き出される。
Figure 0004784488
上記の式(19)より、上記の式(15)が導き出される。
演算処理部20は、筒内圧履歴P(t)を基に、第3実施形態で述べたのと同様の方法を用いて、標準状態時における層流燃焼速度Sl,0、及び、空燃比A/Fを算出した後、標準状態時における層流燃焼速度Sl,0と空燃比A/Fとに対応する燃料混合比xを、例えば、第3実施形態における図6に示したマップより求めることで、内燃機関1における燃料性状を求める(ステップS410)。なお、第1実施形態及び第2実施形態においても、上述の方法を用いることで、筒内圧履歴を算出することができるのは言うまでもない。
以上に述べたように、本発明の第4実施形態に係る内燃機関の燃料性状検出装置では、筒内圧履歴算出手段は、クランク角速度と、機械損失によるトルクと、慣性質量によるトルクと、クランクシャフトの慣性モーメントと、を基に筒内圧履歴を算出する。このようにすることで、第4実施形態に係る内燃機関の燃料性状検出装置は、筒内圧センサを用いずに、筒内圧履歴を算出することができる。
本発明の各実施形態に係る燃料性状検出装置が適用された内燃機関の模式図である。 第1実施形態に係る燃料性状を算出する方法を示すフローチャートである。 燃焼速度履歴と時刻の関係を示すグラフである。 第2実施形態に係る燃料性状を算出する方法を示すフローチャートである。 第3実施形態に係る燃料性状を算出する方法を示すフローチャートである。 燃料混合比と空燃比とに対する標準状態時における層流燃焼速度の値を示すグラフ。 第4実施形態に係る燃料性状を算出する方法を示すフローチャートである。 機械損失によるトルク、及び、慣性質量によるトルクを示すグラフである。
符号の説明
1 内燃機関
2 エアフロメータ
3 吸気通路
4 スロットルバルブ
6a 気筒
7 吸気弁
8 排気弁
9 吸気通路
11 筒内圧センサ
12 クランク角センサ
20 演算処理部

Claims (5)

  1. 内燃機関の筒内圧履歴を算出する筒内圧履歴算出手段と、
    内燃機関の筒内体積履歴を算出する筒内体積履歴算出手段と、
    前記筒内圧履歴と前記筒内体積履歴とを基に燃焼速度履歴を算出する燃焼速度履歴算出手段と、
    前記燃焼速度履歴算出手段が算出した前記燃焼速度履歴に基づいて、燃焼開始から燃焼速度履歴が始めて上昇し始めるタイミングにおける前記燃焼速度履歴の値を層流燃焼速度として算出する層流燃焼速度算出手段と、
    予め求めた複数の燃料種と層流燃焼速度との関係を示すマップに基づいて、前記層流燃焼速度算出手段が算出した前記層流燃焼速度を基に燃料性状を算出する燃料性状算出手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の燃料性状検出装置。
  2. 前記筒内圧履歴と前記筒内体積履歴とを基に層流燃焼時圧力を算出する層流燃焼時圧力算出手段と、
    前記層流燃焼時圧力と筒内ガス質量とを基に未燃ガス温度を算出する未燃ガス温度算出手段と、
    前記筒内ガス質量と新気ガス質量とを基に残留ガス割合を算出する残留ガス割合算出手段と、
    標準状態時におけるガス温度、筒内圧及び残留ガス割合と、前記層流燃焼速度算出手段が算出した前記層流燃焼速度と、前記層流燃焼時圧力算出手段が算出した前記層流燃焼時圧力と、前記未燃ガス温度算出手段が算出した前記未燃ガス温度と、前記残留ガス割合算出手段が算出した前記残留ガス割合と、を基に標準状態時における層流燃焼速度を求める標準状態時層流燃焼速度算出手段と、を更に備え、
    前記燃料性状算出手段は、前記標準状態時における層流燃焼速度を基に燃料性状を算出することを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の燃料性状検出装置。
  3. 前記筒内圧履歴を基に空燃比を算出する空燃比算出手段と、を更に備え、
    前記燃料性状算出手段は、予め求めた、燃料混合比と空燃比と標準状態時における層流燃焼速度との関係を示すマップに基づいて、前記標準状態時層流燃焼速度算出手段が求めた前記標準状態時における層流燃焼速度及び前記空燃比算出手段が算出した前記空燃比から燃料混合比を求めて、当該燃料混合比から燃料性状を算出することを特徴とする請求項2に記載の内燃機関の燃料性状検出装置。
  4. 前記筒内圧履歴算出手段は、クランク角速度と、機械損失によるトルクと、慣性質量によるトルクと、クランクシャフトの慣性モーメントと、を基に筒内圧によるトルクを求め、当該筒内圧によるトルク及び筒内体積波形を基に前記筒内圧履歴を算出することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の内燃機関の燃料性状検出装置。
  5. 内燃機関の筒内圧履歴を算出する筒内圧履歴算出工程と、
    内燃機関の筒内体積履歴を算出する筒内体積履歴算出工程と、
    前記筒内圧履歴と前記筒内体積履歴とを基に燃焼速度履歴を算出する燃焼速度履歴算出工程と、
    前記燃焼速度履歴算出工程が算出した前記燃焼速度履歴に基づいて、燃焼開始から燃焼速度履歴が始めて上昇し始めるタイミングにおける前記燃焼速度履歴の値を層流燃焼速度として算出する層流燃焼速度算出工程と、
    予め求めた複数の燃料種と層流燃焼速度との関係を示すマップに基づいて、前記層流燃焼速度算出工程が算出した前記層流燃焼速度を基に燃料性状を算出する燃焼性状算出工程と、を備えることを特徴とする内燃機関の燃料性状検出方法。
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