JP5098690B2 - 燃焼状態検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃焼状態検出装置に関し、特に内燃機関の燃焼質量割合から内燃機関の燃焼状態を検出する燃焼状態検出装置に関する。

内燃機関、特にディーゼルエンジンの場合、エミッション抑制、ドラビリや燃費の改善、振動や騒音の低減の観点から燃焼室の燃焼状態を検出する必要がある。このような燃焼状態検出装置として、燃焼質量割合から燃焼状態を検出することが提案されている。この場合、クランク角度によって変化する熱発生率を積分して熱発生量を算出し、熱発生率の積分値が総熱発生量の例えば５０％あるいは９０％に達する点を燃焼質量割合として求めることにより、内燃機関の燃焼状態を検出する。熱発生率は、例えば燃焼室の圧力変化などに基づいて算出される（特許文献１、２）。特許文献１、２の場合、例えば圧力センサで検出した燃焼室の圧力は、圧力センサから電気信号として出力される。
特許第２８３０３０５号明細書 特開２００２−２４２７５０号公報

しかしながら、このようなセンサから出力される電気信号はノイズを含んでいる。ところで、燃焼室における燃焼状態は、所定のクランク角度の範囲で燃焼室における発熱量の変化に基づいて検出される。そのため、センサから出力される電気信号のノイズが大きくなると、熱発生率を積分する範囲によって算出する熱発生量にばらつきが生じるという問題がある。また、電気信号に含まれるノイズを除去するために電気信号に対しフィルタリング処理を施すと、センサから出力される電気信号の全体が歪んでしまう。その結果、所望の燃焼質量割合の正確な検出が困難になるという問題がある。

そこで、本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ノイズの影響を低減しつつ熱発生量を算出し、燃焼質量割合の検出精度が向上する燃焼状態検出装置を提供することにある。

請求項１記載の発明では、ノイズ除去手段は、熱発生率が設定クランク角度の範囲内で最も遅角側で熱発生率が最大となって遅角側で最初に下限熱発生率を下回ると、熱発生率算出手段で筒内圧と燃焼室の容積に基づいて算出した熱発生率の高周波成分をフィルタリングして、熱発生率に含まれるノイズを除去する。最も遅角側で熱発生率が最大となった以降、すなわち燃焼の後半において、熱発生率に重畳するノイズが大きくなると、熱発生率の積算によって算出する熱発生量は設定クランク角度の範囲によって誤差が大きくなる。そこで、燃焼の後半において熱発生率が最初に下限熱発生率を下回ると、熱発生率に含まれるノイズを除去している。これにより、熱発生量は設定クランク角度の範囲に関わらず収束し、熱発生率の積算によって算出される熱発生量は誤差が低減される。また、燃焼の後半において熱発生率に含まれるノイズを除去することにより、熱発生率全体および熱発生量の波形全体の歪みは小さくなる。したがって、熱発生率に含まれるノイズの影響を低減しつつ熱発生量を算出することができ、燃焼質量割合の検出精度を向上することができる。

請求項２記載の発明では、下限熱発生率は内燃機関の運転条件に応じて設定されている。例えば内燃機関の負荷が大きいとき、燃焼室における圧力の変化および熱発生率が大きいため、ノイズの影響は受けにくい。一方、内燃機関の負荷が小さいとき、燃焼室における圧力の変化および熱発生率は小さいため、ノイズの影響を受けやすくなる。内燃機関の負荷に応じて下限熱発生率を設定することにより、ノイズの影響の低減と波形の歪みの低減とが両立される。したがって、燃焼質量割合の検出精度を向上することができる。

以下、本発明による燃焼状態検出装置の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１に示すように、燃焼状態検出装置１０は、内燃機関１１の燃焼状態を検出する。内燃機関１１は、例えばディーゼルエンジンやガソリンエンジンなどのピストンエンジンが適用される。内燃機関１１は、複数の燃焼室１２を備えている。燃焼室１２は、シリンダブロック１３と図示しないピストンとの間に形成される。燃焼状態検出装置１０は、制御部１４、クランク角度検出部１５、熱発生率検出部１６、燃焼質量割合算出部１７、ノイズ除去部１８および下限値設定部１９を備えている。

制御部１４は、内燃機関１１のＥＣＵ（Engine Control Unit）などによって構成され、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭなどからなるマイクロコンピュータを有している。制御部１４は、ＲＯＭまたは図示しない記憶装置に記憶されているコンピュータプログラムにしたがって燃焼状態検出装置１０や内燃機関１１などの各部を制御する。クランク角度検出部１５は、内燃機関１１のクランクシャフト２１の回転角度すなわちクランク角度を検出する。クランク角度検出部１５は、クランクシャフト２１の回転角度を検出する角度センサ２２に接続している。クランク角度検出部１５は、角度センサ２２から出力された電気信号に基づいてクランクシャフト２１の回転角度を検出する。

制御部１４は、回転数センサ２３およびアクセルセンサ２４に接続している。回転数センサ２３は、内燃機関１１のクランクシャフト２１の回転数を検出する。なお、回転数センサ２３は、角度センサ２２と共用してもよい。回転数センサ２３は、検出したクランクシャフト２１の回転数を電気信号として制御部１４へ出力する。アクセルセンサ２４は、図示しないアクセルペダルの踏み込み量を検出する。アクセルセンサ２４は、検出したアクセルペダルの踏み込み量を電気信号として制御部１４へ出力する。制御部１４は、回転数センサ２３およびアクセルセンサ２４から出力された電気信号から内燃機関１１の運転条件を検出する。

熱発生率算出部１６は、内燃機関１１の各燃焼室１２における燃料の燃焼によって発生した熱発生率を筒内圧から算出する。熱発生率は、クランクシャフト２１の単位回転角度当たりの熱発生量である。したがって、熱発生率の単位は、「Ｊ／ｄｅｇ」で示される。内燃機関１１の各燃焼室１２には、それぞれ圧力センサ２５が設けられている。圧力センサ２５は、燃焼室１２における圧力を検出する筒内圧力検出手段である。圧力センサ２５は、検出した燃焼室１２の圧力を電気信号として制御部１４へ出力する。熱発生率算出部１６は、圧力センサ２５から出力された電気信号に基づいて熱発生率を算出する。制御部１４は、クランクシャフト２１が所定の角度回転するごとに、圧力センサ２５から燃焼室１２の圧力を取得する。制御部１４は、各燃焼室１２の圧力センサ２５から燃焼室１２ごとに圧力を取得する。

熱発生率算出部１６は、例えば以下の式（１）に基づいて圧力センサ２５で取得した燃焼室１２の圧力Ｐから熱発生率ｄＱ（Ｊ／ｄｅｇ）を算出する。なお、下記の式（１）は圧力センサ２５で算出した圧力Ｐから熱発生率ｄＱを算出する式の一例である。式（１）において、Ｐは圧力センサ２５で検出した筒内圧（ｋＰａ）である。また、Ｖは燃焼室１２の容積（ｍ^３）であり、θはクランク角度（ｄｅｇ）であり、κは比熱比（−）である。

熱発生率算出部１６は、クランクシャフト２１の回転角度と圧力センサ２５で検出した圧力とから燃焼室１２の熱変化率を検出する。検出された熱変化率は、図２（Ａ）に示すようにクランク角度に応じて変化する。

燃焼質量割合算出部１７は、熱発生量および燃焼質量割合を算出する。燃焼質量割合算出部１７は、上述の熱発生率算出部１６で算出した燃焼室１２の熱変化率から熱発生量を算出する。熱発生率算出部１６で算出した熱発生率は、クランクシャフト２１の単位回転角度あたりの熱発生量である。燃焼質量割合算出部１７は、熱発生率を積分することにより、燃焼室１２における熱発生量を算出する。算出された熱発生量は、図２（Ｂ）に示すようにクランク角度に応じて変化する。

また、燃焼質量割合算出部１７は、燃焼質量割合を算出する。燃焼質量割合算出部１７は、クランクシャフト２１の所定の回転角度範囲で設定された設定クランク角度の範囲内で熱発生率を積分することにより、燃焼室１２における総熱発生量Ｑｔを算出する。燃焼質量割合算出部１７は、図２（Ａ）に示すようにクランクシャフト２１の回転角度が予め設定された積分開始角θ１から積分終了角θ２の範囲で総熱発生量Ｑｔを算出する。燃焼質量割合算出部１７は、この総熱発生量Ｑｔを１００％としたとき、θ１から積算した熱発生量が５０％に達したクランク角度を燃焼５０％点とする燃焼質量割合として算出する。燃焼質量割合は、燃焼５０％点に限らず、内燃機関１１の制御に応じて任意の点を設定することができる。ノイズ除去部１８は、熱発生率算出部１６で算出する熱発生率に含まれるノイズを除去する。

下限値設定部１９は、ノイズ除去部１８によって熱発生率に含まれるノイズの除去を開始する熱発生率の閾値を熱発生率下限値として設定する。制御部１４は、回転数センサ２３で検出した内燃機関１１の回転数およびアクセルセンサ２４で検出したアクセルペダルの開度に基づいて内燃機関１１の運転条件を検出する。そして、制御部１４は、検出した内燃機関１１の運転条件に基づいて、熱発生率下限値を設定する。

次に、上記の構成による燃焼状態検出装置１０の作動について説明する。
制御部１４は、内燃機関１１のクランクシャフト２１の回転角度が検出開始角θ０になると、所定の回転角ごとに圧力センサ２５から燃焼室１２の圧力を取得する。検出開始角θ０は、例えば図示しないピストンの下死点（ＢＤＣ）に設定されている。熱発生率算出部１６は、圧力センサ２５から取得した燃焼室１２の圧力から燃焼室１２の熱発生率を算出する。算出した燃焼室１２の熱発生率は、図２（Ａ）に示すようにクランク角度に応じて変化する波形として得られる。この熱発生率が最大となるときのクランク角度を、ピーク角θｍとする。クランク角度がピーク角θｍを超えると、熱発生率は徐々に減少する。

ところで、図２（Ａ）に示すように、熱発生率は、真の値を示す太破線の真値に対し、燃焼室１２の圧力に基づいて熱発生率算出部１６で算出した太実線で示す算出値に誤差が生じる。この誤差は、圧力センサ２５から出力される電気信号に含まれるノイズに起因する。そのため、熱発生率算出部１６で算出した算出値は、真値を挟んで上下に誤差を含んでいる。そして、この誤差は、燃焼室１２の容積に応じて大きさが変化し、上死点（ＴＤＣ）位置から離れるほど大きな値となる。本実施形態の場合、燃焼の後半とは、クランクシャフト２１の回転角がピーク角θｍを超えた後を意味している。特に、この燃焼の後半では、ピーク角θｍからのクランクシャフト２１の回転角が大きくなるにつれて、ピストンの下降にともない燃焼室１２の容積は増大するため、熱発生率算出値の誤差は増大する。

このように熱発生率の算出値において誤差が大きくなると、熱発生率に基づいて算出する熱発生量についても図２（Ｂ）に示すように誤差が大きくなる。特に、熱発生率の算出値の誤差が大きな燃焼の後半では、算出した熱発生量の誤差も増大する。そのため、積分終了角θ２の設定位置によって、燃焼質量割合算出部１７で算出する総熱発生量が変化し、この総熱発生量を基礎に算出する燃焼５０％点に対応するクランク角度の値も誤差が大きくなる。その結果、内燃機関１１の燃焼状態の検出精度が低下する。

一方、熱発生率に含まれるノイズの影響を低減するために、ノイズ除去部１８でノイズを低減することも考えられる。この場合、検出開始角θ０から全域にわたりノイズを除去、すなわちフィルタリングすると、図２（Ａ）の細破線で示すように熱発生率算出部１６で検出した熱発生率の波形は全体として歪みや遅れが生じてしまう。その結果、燃焼質量割合算出部１７において熱発生率を積分した熱発生量も、真値からの差が拡大する。

そこで、本実施形態の場合、ノイズ除去部１８は、図２（Ａ）に示すように熱発生率算出部１６で算出した熱発生率が最大となるピーク角θｍを超えた後であって、その熱発生率が熱発生率下限値ｈを下回ると、細実線で示すように熱発生率に含まれるノイズである高周波成分をフィルタリングする。熱発生率が熱発生率下限値ｈ以上であれば、熱発生率の値も大きいため、熱発生率算出部１６で算出した熱発生率はノイズの影響を受けにくい。一方、熱発生率が熱発生率下限値ｈを下回ると、熱発生率の値も小さくなるため、熱発生率算出部１６で検出した熱発生率はノイズの影響を受けやすくなる。熱発生率が熱発生率下限値ｈを下回ってからノイズ除去部１８でノイズを除去することにより、積分開始角θ１からピーク角θｍを超えるまでノイズ除去による熱発生率の波形の歪みや遅れの影響を受けることなく、ノイズの大きな領域においてもノイズの影響が低減される。なお、図２（Ｂ）における線種は、図２（Ａ）における線種に対応している。

下限値設定部１９は、内燃機関１１の回転数およびアクセルペダルの開度から検出した内燃機関１１の運転条件に基づいて熱発生率下限値ｈを設定する。例えば内燃機関１１の負荷が大きいとき、内燃機関１１に噴射される燃料の量は多くなる。そのため、燃焼室１２における熱発生率も増大する。一方、内燃機関１１の負荷が小さいとき、内燃機関１１に噴射される燃料の量は少なくなる。そのため、燃焼室１２における熱発生率も低下する。このように、下限値設定部１９は、熱発生率下限値ｈを内燃機関１１の運転条件に基づいて設定している。熱発生率下限値ｈは、内燃機関１１の運転条件（内燃機関１１の回転数、燃料の噴射量）に対する関数として設定される。下限値設定部１９は、例えば制御部１４のＲＯＭなどに、内燃機関１１の運転条件に応じた熱発生率下限値ｈのマップを有している。下限値設定部１９は、検出した内燃機関１１の運転条件に基づいて、対応する熱発生率下限値ｈをマップから取得する。

以上説明したように、本発明の一実施形態では、熱発生率算出部１６で算出した燃焼室１２における熱発生率が最大となって最初に熱発生率下限値ｈを下回ると、ノイズ除去部１８は熱発生率に含まれるノイズすなわち圧力センサ２５から出力される電気信号に含まれるノイズを除去する。これにより、熱発生率算出部１６で算出する燃焼室１２における熱発生率、および燃焼質量割合算出部１７で熱発生率を積分することにより算出する熱発生量は、燃焼の後半すなわち熱発生率がピークとなった以降における誤差が低減される。したがって、内燃機関１１の燃焼質量割合の検出精度を向上することができる。

また、本発明の一実施形態では、ノイズ除去部１８でノイズの除去を開始する熱発生率下限値ｈを内燃機関１１の運転条件（回転数、噴射量）に応じて設定している。したがって、内燃機関１１の運転条件に応じて燃焼質量割合の検出精度、および燃焼状態の検出精度を向上することができる。
以上説明した本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。

本発明の一実施形態による燃焼状態検出装置の構成を示す概略図 （Ａ）はクランク角度と熱発生率との関係を示す概略図であり、（Ｂ）はクランク角度と熱発生量との関係を示す概略図

符号の説明

図面中、１０は燃焼状態検出装置、１１は内燃機関、１２は燃焼室、１５はクランク角度検出部（クランク角度検出手段）、１６は熱発生率検出部（熱発生率算出手段）、１７は燃焼質量割合算出部（燃焼質量割合算出手段）、１８はノイズ除去部（ノイズ除去手段）、２２は角度センサ（クランク角度検出手段）、２５は圧力センサ（筒内圧検出手段）を示す。

Claims (2)

1. 内燃機関の各燃焼室における燃焼状態を検出する燃焼状態検出装置であって、
   前記内燃機関のクランク角度を検出するクランク角度検出手段と、
   クランク角度によって変化する前記燃焼室の筒内圧を検出する筒内圧検出手段と、
   前記筒内圧と前記燃焼室の容積に基づいて前記燃焼室における熱発生率を算出する熱発生率算出手段と、
   前記熱発生率算出手段で算出した熱発生率が、予め設定されたクランク角度の範囲内で最も遅角側において最大の熱発生率となったときよりも遅角側で最初に予め設定された下限熱発生率を下回ると、前記熱発生率算出手段で前記筒内圧と前記燃焼室の容積に基づいて算出した熱発生率の高周波成分をフィルタリングして、前記熱発生率算出手段で算出した熱発生率に含まれるノイズを除去するノイズ除去手段と、
   前記設定クランク角度の範囲内で熱発生率を積算した熱発生量から、燃焼質量割合を算出する燃焼質量割合算出手段と、
   を備えることを特徴とする燃焼状態検出装置。
2. 前記下限熱発生率は、前記内燃機関の運転条件に応じて設定されていることを特徴とする請求項１記載の燃焼状態検出装置。

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