JP5168336B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関の制御装置にかかり、特に内燃機関に使用される燃料の性状を判定するための技術に関するものである。
従来から、燃料性状(例えばセタン価)の違いにより内燃機関の燃焼具合が相違することが知られており、システムとして想定されている燃料性状と実際の燃料性状との差異が大きい場合、内燃機関の燃焼が不安定となり、排気エミッションの悪化や燃費悪化を招くおそれがある。
そこで、燃料性状を検出するための技術として、筒内圧センサを使って内燃機関の燃焼状態、具体的には着火時期を検出し、その着火時期に基づいて燃料性状を検出することが知られている(例えば特許文献1参照)。また、減速無噴射時に、燃料性状検出用の燃料噴射(性状検出噴射)として微小噴射を行い、その性状検出噴射により生じる内燃機関の回転変動量に基づいて燃料性状を検出する技術が知られている(例えば特許文献2参照)。
特開2006−16994号公報 特開2009−180174号公報
しかしながら、特許文献1の技術は、燃料のセタン価を算出する上で指標となる着火遅れのずれが、燃焼性状に起因するものか、その以外の要因に起因するものかが明らかでなく、燃料のセタン価を正しく求めることができないと考えられる。例えば、内燃機関の運転中にEGRが実施される場合にはそれが外乱となり、燃料性状の違いによる着火時期のずれを正しく把握することが困難になる。
また、特許文献2の技術は、車両減速中に限って燃料性状を判定するものであるため、判定頻度が低くなると考えられる。なお、判定精度を確保するにはデータサンプリングやデータの平均化等が必要であり、車両減速中に判定処理が完了せず、途中で中断されることも懸念される。ここで、減速中以外に、性状検出噴射を実施して燃料性状判定を実施することも考えられるが、ドライバビリティの悪化が生じることが懸念される。
本発明は、ドライバビリティの悪化を抑制しつつ、燃料性状の判定を好適に実施することができる内燃機関の制御装置を提供することを主たる目的とするものである。
以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について説明する。
本発明の内燃機関の制御装置は、多気筒内燃機関の各気筒に燃料噴射手段から燃料を噴射供給する燃料噴射システムに適用され、前記内燃機関の運転状態に基づいて前記燃料噴射手段の燃料噴射態様を設定し、該設定した燃料噴射態様に基づいて各気筒の燃料噴射制御を実施するものである。そして、第1の発明では、前記内燃機関の気筒ごとに、燃焼により変動する回転速度を算出する回転速度算出手段と、前記内燃機関の燃焼運転中において、前記内燃機関の全気筒のうち一部の気筒である操作気筒の前記燃料噴射態様を、操作気筒以外の非操作気筒の燃料噴射態様に対して操作する噴射態様操作手段と、前記噴射態様操作手段により燃料噴射態様が操作される場合に、前記操作気筒について前記回転速度算出手段により算出された回転速度と、前記非操作気筒について前記回転速度算出手段により算出された回転速度とに基づいて燃料性状を判定する燃料性状判定手段と、を備えることを特徴とする。
要するに、内燃機関の燃料として、セタン価が相違する燃料やアルコール濃度が相違する燃料(アルコール混合燃料)等を使用すると、都度の使用燃料に応じて内燃機関での燃焼状態が変わり、それに起因して、各気筒において燃焼により変動する回転速度に差異が生じる。そこで本発明では、燃料噴射手段による燃料噴射態様を操作することで積極的に燃焼状態を変化させ、その燃料噴射態様の操作時における回転速度の変化に基づいて燃料性状を判定する。なお、各気筒において燃焼により変動する回転速度は、内燃機関の所定回転角度の回転に要する時間から算出されるとよく、これは瞬時回転速度とも称される。
かかる場合、操作気筒(燃料噴射態様が操作された気筒)と非操作気筒(燃料噴射態様が操作されていない気筒)とのそれぞれの回転速度に基づいて燃料性状が判定されるため、燃料噴射態様が操作されていない気筒の回転速度を基準にしつつ、燃料噴射態様が操作されたことによる回転速度の変化から燃料性状を判定できる。このとき、操作気筒と非操作気筒とでは同一条件下で、すなわちEGR等の外乱を含む環境要因を同一にした条件下で回転速度情報が取得されるため、回転速度の変化が燃料性状に起因するものであるとの判断が可能になる。
また特に、燃料噴射態様が操作されるのは、内燃機関の全気筒のうち一部の気筒に限られるため、内燃機関の気筒ごとについて見れば特定気筒で回転速度変化が生じるとしても、内燃機関について見ればその運転状態自体に影響が出にくくなっていると言える。したがって、燃料噴射態様を強制的に操作して燃料性状の判定を行いながらも、内燃機関の運転状態が過剰に変動することを抑制できる。以上により、ドライバビリティの悪化を抑制しつつ、燃料性状の判定を好適に実施できることとなる。
なお、燃焼により変動する回転速度に基づいて燃料性状を判定する構成として、同回転速度から気筒ごとのトルクを推定し、そのトルクに基づいて燃料性状を判定する手法を用いることも可能である。また、燃料噴射態様を操作する手法としては、燃料噴射手段(インジェクタ)の燃料噴射時期を変更するものや、燃料噴射量を変更するもの、多段噴射の噴射パターンを変更するものなどが含まれる。
第2の発明では、前記燃料性状判定手段は、前記燃料噴射態様の操作時における前記操作気筒の前記回転速度又は該回転速度から算出した気筒別トルクと、前記非操作気筒の前記回転速度又は該回転速度から算出した気筒別トルクとを比較する第1比較手段と、前記燃料噴射態様の操作前における前記操作気筒の前記回転速度又は該回転速度から算出した気筒別トルクと、前記非操作気筒の前記回転速度又は該回転速度から算出した気筒別トルクとを比較する第2比較手段と、を有し、前記第1比較手段の比較結果と前記第2比較手段の比較結果とに基づいて燃料性状を判定する。
上記構成によれば、燃料噴射態様の操作時における操作気筒と非操作気筒との比較だけでなく、燃料噴射態様の操作前における操作気筒と非操作気筒との比較が行われ、それらの比較結果から燃料性状が判定される。そのため、各気筒の個体差に起因する気筒間誤差を解消した上で燃料性状を判定できる。つまり、気筒ごとに個体差が存在している場合、その個体差による影響は、燃料噴射態様の操作時及び操作前のそれぞれで生じる。この点、上記構成では、燃料噴射態様の操作前後の回転速度又は気筒別トルクが対比されるため、気筒間の個体差による影響を排除できる。したがって、燃料性状の判定精度を高めることができる。
第3の発明では、前記内燃機関の各気筒について前記回転速度算出手段により算出した回転速度又は該回転速度から算出した気筒別トルクのばらつきの範囲を示す散布度を算出する手段を備え、前記噴射態様操作手段は、前記散布度が最小となる気筒を前記操作気筒として設定する手段を有し、その操作気筒について前記燃料噴射態様を操作する。
多気筒内燃機関の各気筒では、気筒間の個体差に起因して、燃焼サイクルごとに生じる回転速度や気筒別トルクのばらつきが気筒ごとに大小相違する。この前提によれば、全気筒のうち回転速度や気筒別トルクの散布度が最小となる気筒、すなわち回転速度や気筒別トルクのばらつきの範囲が最も狭い気筒は、燃料噴射態様を操作した時に生じる回転速度の変化が、燃料性状に起因するものである可能性が高いと言える。したがって、第3の発明の構成によれば、燃料性状を高精度で判定することができる。
散布度を表すものとして、データの平均値との差(偏差)の二乗を平均しその平方根をとった標準偏差や、平方根をとる前の値である分散(標準偏差の二乗)を用いることができる。
第4の発明では、前記噴射態様操作手段は、前記内燃機関の動力伝達軸のねじれ振動の振幅が最小となる気筒を前記操作気筒として設定する手段を有し、その操作気筒について前記燃料噴射態様を操作する。
多気筒内燃機関では、動力伝達軸のねじれ振動の振幅が気筒ごとに相違する場合があり、そのねじれ振動の振幅が大きい気筒ほど、その捩れ振動に起因して機関運転中に回転変動が生じ易くなると考えられる。この前提によれば、全気筒のうち動力伝達軸のねじれ振動の振幅が最小となる気筒は、燃料噴射態様を操作した時に生じる回転速度の変化が、燃料性状に起因するものである可能性が高いと言える。したがって、第4の発明の構成によれば、燃料性状を高精度で判定することができる。
第5の発明では、前記噴射態様操作手段は、前記回転速度に基づいて算出した気筒別トルクが最大となる気筒を前記操作気筒として設定する手段を有し、その操作気筒について前記燃料噴射態様を操作する。
気筒間の個体差により気筒ごとに発生トルク(気筒別トルク)が相違する場合において、気筒別トルクが最大となる気筒は、燃料噴射態様を操作した場合において燃料性状の違いによる回転速度の変化が最も顕著になると考えられる。したがって、第5の発明の構成によれば、燃料性状を高精度で判定することができる。
第6の発明では、前記内燃機関の運転状態が所定の安定状態に維持されていることを判定する運転状態判定手段を備え、前記燃料性状判定手段は、前記安定状態の下で前記回転速度算出手段により算出した所定サンプリング数の回転速度に基づいて燃料性状を判定するものであり、前記噴射態様操作手段は、前記操作気筒となる気筒数を可変に設定するものであり、前記内燃機関が所定の高回転状態である場合に、前記操作気筒として複数個の気筒を設定する。
内燃機関の運転状態の変動を抑制する観点(ドライバビリティを維持する観点)からすれば、燃料噴射態様を操作する気筒は少ない方が望ましく、1つの気筒で燃料噴射態様が操作されればよい。その反面、燃料噴射態様を操作する気筒数が複数あれば、燃料性状を判定するために必要となる所定数のデータサンプリングを短期間で実施できる。
ここで、燃料性状の判定に要するデータが内燃機関の運転状態が安定している期間でサンプリングされる場合、データサンプリングの途中で内燃機関の運転状態が変わると、その時点でデータサンプリングが中止され、データサンプリングのやり直しが強いられる。つまり、燃料性状の判定が中断されてしまう。この点、本発明では、内燃機関が所定の高回転状態である場合において、操作気筒として複数個の気筒が設定されるためにデータサンプリングの期間を短縮でき、燃料性状の判定が途中で中断されるといった不都合を抑制できる。内燃機関がある程度以上の回転速度で回転している高回転状態であれば、内燃機関において回転の慣性力が大きくなるため、操作気筒数を増やしても回転変動が生じにくく、その回転変動に起因してドライバビリティの悪化が生じるといった不都合も回避できる。
第7の発明では、前記燃料性状判定手段は、燃焼順序が連続する2気筒が前記操作気筒として設定される場合において、それら2つの操作気筒のうち燃焼順序が後になる気筒の前記回転速度を前記操作気筒の回転速度とし、その操作気筒の回転速度を用いて燃料性状を判定する。
つまり、燃焼順序が連続する2気筒で燃料噴射態様が操作された場合、そのうち1気筒目よりも2気筒目の方が燃焼性状に関する感度が高いと考えられる。したがって、上記構成によれば、燃料性状の判定精度を高めることが可能となる。
コモンレール式燃料噴射システムの概要を示す構成図。 エンジン回転速度の変化とトルク相当値の変化とを示すタイムチャート。 NE割込み処理を示すフローチャート。 燃料性状判定処理を示すフローチャート。 セタン価の違いによる性状判定パラメータCNpmの分布を示す図。 燃料性状判定処理を示すフローチャート。
以下、本発明を具体化した一実施の形態を図面に従って説明する。本実施の形態は、車両用の多気筒ディーゼルエンジンのコモンレール式燃料噴射システムとして本発明を具体化しており、その詳細な構成を以下に説明する。図1は、コモンレール式燃料噴射システムの概要を示す構成図である。
図1において、4気筒ディーゼルエンジン(以下、エンジンという)10には気筒ごとに電磁式インジェクタ11が配設され、これらインジェクタ11は各気筒共通のコモンレール(蓄圧配管)12に接続されている。コモンレール12には燃料供給ポンプとしての高圧ポンプ13が接続され、高圧ポンプ13の駆動に伴い噴射圧相当の高圧燃料がコモンレール12に連続的に蓄圧される。高圧ポンプ13は、エンジン10の回転に伴い駆動され、エンジン回転に同期して燃料の吸入及び吐出が繰り返し行われる。高圧ポンプ13には、その燃料吸入部に電磁駆動式の吸入調量弁(SCV)13aが設けられており、フィードポンプ14によって燃料タンク15から汲み上げられた低圧燃料は吸入調量弁13aを介して当該ポンプ13の燃料室に吸入される。
コモンレール12には圧力センサ16が設けられており、この圧力センサ16によりコモンレール12内の燃圧(コモンレール圧)が検出される。図示は省略するが、コモンレール12には電磁駆動式(又は機械式)の減圧弁が設けられており、コモンレール圧が過剰に上昇した場合にはこの減圧弁が開放されて減圧が行われるようになっている。
また、エンジン10のクランク軸17付近には、該クランク軸17の回転速度を検出するための回転速度センサ18が設けられている。回転速度センサ18は、例えば、クランク軸17に一体に設けられたタイミングロータの歯の通過を検出する電磁ピックアップ式センサであり、該センサ18の検出信号を波形整形することによりパルス状の回転速度信号(NEパルス)が生成されるようになっている。本実施の形態では、NEパルスの角度間隔(パルス立ち上がりエッジ間の角度)が6°CAであり、6°CA周期で回転速度の検出が可能となっている。
ECU20は、CPU、ROM、RAM、EEPROM等からなる周知のマイクロコンピュータを備えた電子制御ユニットであり、ROM内に記憶されている制御プログラムにより各種制御を実施する。ECU20には、圧力センサ16や回転速度センサ18の検出信号の他、アクセル開度センサや車速センサなどの各種センサから検出信号が逐次入力される。そして、ECU20は、エンジン回転速度やアクセル開度等のエンジン運転情報に基づいて、燃料噴射態様として燃料噴射量及び噴射時期を決定し、それに応じた噴射制御信号をインジェクタ11に出力する。本実施形態では、各気筒での1燃焼サイクルにつき複数回に分けて燃料を噴射する多段噴射を実施することとしており、多段噴射の形態として、メイン噴射と、それに先立つパイロット噴射と、メイン噴射後のアフタ噴射、ポスト噴射とが適宜実施される。こうした燃料噴射制御により、各気筒においてインジェクタ11から燃焼室への燃料噴射が制御される。
また、ECU20は、都度のエンジン運転状態に基づいて燃圧をフィードバック制御する。具体的には、エンジン運転状態に基づいてコモンレール12の目標燃圧を算出し、圧力センサ16にて検出されたコモンレール圧が目標燃圧となるように吸入調量弁13aの通電制御を実施する。
ところで、エンジン10では、各気筒での燃焼によりエンジン回転速度NEが変動し、燃焼サイクル内の各行程に応じて回転速度の上昇と回転速度の降下とが繰り返される。すなわち図2(a)に示すように、4気筒エンジンの場合、各気筒の燃焼順序は第1気筒(#1)→第3気筒(#3)→第4気筒(#4)→第2気筒(#2)であり、180°CAごとに燃料噴射が行われてその燃料が燃焼に供される。このとき、1気筒ずつの燃焼周期(180°CA周期)で見ると、燃焼に伴いクランク軸に回転力が付与されてエンジン回転速度NEが上昇するとともに、その後クランク軸等に作用する負荷によりエンジン回転速度NEが降下する。なお、図2(a)に示すエンジン回転速度NEは、エンジン10のクランク軸が所定角度(本実施形態では6°CA)回転する度にその回転に要した時間から算出される回転速度であり、瞬時回転速度とも称されるものである。
本実施形態では、各気筒の燃焼サイクルにおけるエンジン回転速度NEの変化に着目し、その回転速度変化に基づいて気筒ごとにトルクを推定する。具体的には、フィルタ手段としてのBPF(帯域フィルタ)によりエンジン回転速度NEの回転変動成分のみを抽出し、それを瞬時トルクNEfltとして算出する。このとき、回転速度センサ18の検出信号(NEパルス)により算出されるエンジン回転速度NEにはノイズや検出誤差による要因が含まれており、実際の回転速度に対して回転速度の検出値がばらつくが、BPFにより高周波成分と低周波成分とが除去され、瞬時トルクNEfltはそれらばらつきの要因が解消されたもととなる。この瞬時トルクNEflt(i)は、例えば以下の式(1)により表される。
Figure 0005168336
式(1)において、NE(i)は回転速度の今回サンプリング値、NE(i−1)、NE(i−2)は回転速度の前回、前々回のサンプリング値、NEflt(i−1)、NEflt(i−2)は瞬時トルクの前回、前々回の値である。k1〜k5は定数である。
上記式(1)は、次の式(2)に表す伝達関数G(s)を離散化したものである。なお、ζは減衰係数、ωは応答周波数である。
Figure 0005168336
本実施形態では特に、応答周波数ωをエンジン10の燃焼周波数としており、上記の式(1)ではω=燃焼周波数としたことに基づいて定数k1〜k5が設定されている。燃焼周波数は単位角度ごとの燃焼頻度を表した角度周波数であり、4気筒エンジンの場合には燃焼周期(燃焼角度周期)が180°CAであり、その燃焼周期の逆数により燃焼周波数が決定される。
そして、気筒ごとの瞬時トルクNEfltを、各気筒のTDC後所定区間において積分し、その区間積分の結果から気筒ごとのトルク(以下、気筒別トルクNEtrq#1〜NEtrq#4という)を算出する。瞬時トルクNEfltを区間積分する範囲は、燃焼に伴う瞬時回転変化(トルク変化)を高感度に算出できる範囲であるとよく、本実施形態では、各気筒のTDC〜ATDC90°CAの範囲を区間積分範囲としている。ただし、区間積分範囲はこれ以外に設定されてもよく、例えば各気筒のTDC〜ATDC180°CAの範囲を区間積分範囲としてもよい。区間積分範囲を気筒ごとに複数設定しておくことも可能である。なお以下の記載では、気筒番号を#iと表し、気筒別トルクNEtrq#1〜NEtrq#4を気筒別トルクNEtrq#iとも表記する。
また、本実施形態では、気筒別トルクNEtrq#iに基づいて燃料性状を判定することとしている。特にエンジン10の燃焼運転中においてエンジン10の全気筒のうち一部の気筒を操作気筒とし、その操作気筒の燃料噴射態様を、それ以外の非操作気筒の燃料噴射態様(エンジン運転状態に基づいて設定される燃料噴射態様)に対して操作するとともに、燃料噴射態様が操作される場合に、操作気筒の気筒別トルクNEtrq#iと、非操作気筒の気筒別トルクNEtrq#iとに基づいて燃料性状を判定する。以下、その詳細を説明する。
図3は、NEパルスの立ち上がりエッジごとに実行されるNE割込み処理を示すフローチャートである。
図3において、ステップS11では、今回のNE割込みの時刻と前回のNE割込みの時刻とからパルス間隔(6°CAのエンジン回転に要した時間)を算出するとともに、そのパルス間隔の逆数の換算によりエンジン回転速度NE(瞬時回転速度)を算出する。
その後、ステップS12では、気筒ごとにエンジン回転速度NEのBPF処理を実施するとともに、所定区間での積分処理により気筒別トルクNEtrq#iを算出する。このとき、所定サンプリング数のエンジン回転速度NEにより気筒別トルクNEtrq#iが算出されることとなる。かかる処理がエンジン10の燃焼運転中において常時実施されることにより、気筒別トルクNEtrq#iが逐次算出され、気筒別トルクNEtrq#iが履歴値としてメモリ(RAM等)に記憶保持される。
その後、ステップS13では、今回算出した気筒の気筒別トルクNEtrq#iと、全気筒の気筒別トルクNEtrq#iの平均値との比により、気筒別トルクNEtrq#iの気筒間差データとして気筒間ばらつき量UE#iを算出する。具体的には、次の式(3)を用いて気筒間ばらつき量UE#iを算出する。
Figure 0005168336
式(3)において、分母項は、720°CA内における4気筒分の気筒別トルクNEtrq#iの平均値である。この気筒間ばらつき量UE#iについても、算出の都度、履歴値としてメモリ(RAM等)に記憶保持される。
その後、ステップS14では、気筒ごとの気筒別トルクNEtrq#iのばらつきの範囲を示す標準偏差(以下、気筒別標準偏差σ1〜σ4という)を算出する。具体的には、気筒ごとに所定区間(例えば30サイクルの区間)での気筒別トルクNEtrq#iの移動平均値を算出するとともに、その所定区間において気筒別トルクNEtrq#iと移動平均値との差(偏差)の二乗を平均しその平方根をとることで、気筒別標準偏差σ1〜σ4を算出する。
なお、気筒別トルクNEtrq#iの散布度(ばらつきの程度)を表すものとして、気筒別トルクNEtrq#iの標準偏差に代えて、その標準偏差の平方根をとる前の値である気筒別トルクNEtrq#iの分散(標準偏差の二乗)を用いることも可能である。
図4は、燃料性状判定処理を示すフローチャートであり、本処理はECU20により所定周期で繰り返し実行される。
図4において、ステップS21では、燃料性状判定が未完了であるか否かを判定する。本実施形態では、燃料性状をイグニッションスイッチのオン後に1回ずつ判定することとしており、燃料性状判定が未完了であれば後続のステップS22に進む。なお、燃料給油の都度(例えば給油キャップが開閉される都度)、燃料性状を判定する構成であってもよい。また、給油後には燃料配管等の残存燃料との混合に時間がかかることを考慮して、給油後において複数回の燃料性状判定を実施する構成であってもよい。
その後、ステップS22では、燃料性状判定を実行するための実行条件が成立しているか否かを判定する。本実施形態では、エンジン運転状態(エンジン回転状態、噴射量など)や環境条件(エンジン水温、吸気温など)が、所望の条件範囲内であるか確認する。エンジン運転状態に関して言えば、エンジン回転変動量が所定以下であり、かつ燃料噴射量の変動量が所定以下である場合に、エンジン安定状態であるとみなされて実行条件が成立していると判定される。なお、エンジン10が過度に高回転な状態にあると、エンジン回転の慣性力が大きくなることで気筒間の発生トルクの差が小さくなる。そこで、燃料性状判定の実行条件として、エンジン回転速度の上限値(例えば4000rpm)が定められていてもよい。
その後、ステップS23では、燃料噴射態様の操作開始前であるか否かを判定する。このとき、ステップS22の実行条件成立直後であれば、ステップS23がYESとなり、ステップS24に進む。ステップS24では、全気筒について気筒別トルクNEtrq#iに関する気筒別標準偏差σ1〜σ4を取得する。続くステップS25では、全気筒の気筒別標準偏差σ1〜σ4に基づいて、燃料噴射態様を操作する対象となる操作気筒を設定する。具体的には、全気筒のうち気筒別標準偏差σ1〜σ4が最小となる気筒を操作気筒として設定する。なお、気筒別標準偏差σ1〜σ4が「回転速度から算出した気筒別トルクの散布度」に相当する。
その後、ステップS26では、ステップS25で操作気筒として設定された気筒について燃料噴射態様を操作する。本実施形態では、燃料噴射態様の操作処理として、インジェクタ11によるメイン噴射時期を遅角側に変更することとしている。この場合、パイロット噴射とメイン噴射との噴射間隔を固定したまま、メイン噴射時期を遅角側に変更するとよい。例えば、操作気筒が第1気筒(#1)である場合、非操作気筒である第2〜第4気筒(#2〜#4)については、都度のエンジン運転状態(エンジン回転状態や負荷等)に基づいて燃料噴射時期を設定する。また、第1気筒については、第2〜第4気筒の燃料噴射時期に対して遅角側に変更した燃料噴射時期を設定する。メイン噴射時期を遅角側に変更することに代えて、進角側に変更する構成であってもよい。
その後、ステップS27では、操作気筒について噴射態様操作時に(すなわち、今現在の噴射時期遅角状態で)算出された気筒別トルクNEtrq#iの気筒間ばらつき量UEaと、同じく操作気筒について噴射態様操作前に算出されメモリに記憶済みの気筒別トルクNEtrq#iの気筒間ばらつき量UEbとを取得する。これらの気筒間ばらつき量は、上述した図3のステップS13における算出値である。この場合、噴射態様操作前の気筒間ばらつき量UEbは、今回の噴射態様操作時と同じエンジン運転状態で算出されたものであるのが望ましい。
なお、気筒間ばらつき量UEa,UEbはそれぞれ、操作気筒の気筒別トルクNEtrq#iと非操作気筒の気筒別トルクNEtrq#iとを比較した結果に相当する。ステップS27では、燃料噴射態様の操作時及び操作前について、操作気筒の気筒別トルクNEtrq#iと非操作気筒の気筒別トルクNEtrq#iとの比較結果がそれぞれ取得されることとなる。
ステップS28では、次の式(4)を用い、噴射態様操作時の気筒間ばらつき量UEaと、噴射態様操作前の気筒間ばらつき量UEbとにより性状判定パラメータCNpmを算出する。
Figure 0005168336
その後、ステップS29〜S31では、性状判定パラメータCNpmに基づいて燃料性状を判定する。このとき、セタン価が高い燃料であれば、燃料噴射態様の変更(メイン噴射時期の遅角)による気筒別トルクNEtrq#iの変化はほとんど無く、操作気筒と非操作気筒とで気筒別トルクNEtrq#iの差は小さいと考えられる。これに対し、セタン価が低い燃料であれば、燃料噴射態様の変更(メイン噴射時期の遅角)による気筒別トルクNEtrq#iの変化が生じ、操作気筒と非操作気筒とで気筒別トルクNEtrq#iの差が大きくなると考えられる。本実施形態では、こうした事象に基づいて判定値TH1を定めておき、性状判定パラメータCNpmと判定値TH1との比較により燃料性状を判定する。
図5は、セタン価の違いによる性状判定パラメータCNpmの分布を示す図であり、(a)は、セタン価が高低異なる2種類の燃料について性状判定パラメータCNpmの分布を示している。図5(a)に示すように、セタン価が高い場合とセタン価が低い場合とでは、性状判定パラメータCNpmの分布範囲がそれぞれ同じ範囲になる傾向にあり、それらの分布範囲の間にセタン価判定のしきい値として判定値TH1が設定されている。これにより、判定値TH1を基準にして、高セタン価の燃料と低セタン価の燃料とを区別して判定できる。高セタン価の燃料では、CNpm≒1となるため、判定値TH1は1未満の値で定められている(例えばTH1=0.9)。
なお、燃料噴射態様を操作した場合、その操作に伴う気筒別トルクNEtrq#iの変化量はエンジン回転状態に応じて相違し、高回転であるほど小さくなる。ゆえに、気筒別トルクNEtrqの変化量に基づいて燃料性状を判定する場合には、その判定しきい値を低回転と高回転とで相違させることが考えられる。この点、本実施形態では、性状判定パラメータCNpmを、操作気筒の気筒別トルクNEtrq#iと全気筒の気筒別トルクNEtrq#iの平均値との比からなる気筒間ばらつき量UE#iにより算出する構成としている(上述の式(3)、式(4)参照)。そのため、性状判定パラメータCNpmは、エンジン回転状態の影響が排除されたものとなり、エンジン回転状態が低回転、高回転のいずれであるかにかわらず、図5(a)に示すように判定値TH1を一定値で定めることができる。
燃料性状判定の処理について具体的には、ステップS29では、性状判定パラメータCNpmが判定値TH1以上であるか否かを判定する。そして、性状判定パラメータCNpm≧TH1であれば、今現在の燃料が高セタン価の燃料であると判定し、性状判定パラメータCNpm<TH1であれば、今現在の燃料が低セタン価の燃料であると判定する。
セタン価判定のしきい値は、使用が想定される燃料の種類に応じて、言い換えれば、判定したいセタン価レベル(燃料性状レベル)に応じて定められるとよい。図5(b)は、セタン価が高低異なる3種類の燃料(セタン価高、セタン価中、セタン価低の燃料)を想定し、それら3種類の燃料について性状判定パラメータCNpmの分布を示す図であり、セタン価判定のしきい値として判定値TH2,TH3が定められている。かかる場合、CNpm≧TH2であれば、高セタン価の燃料であり、TH3≦CNpm<TH2であれば、中セタン価の燃料であり、CNpm<TH3であれば、低セタン価の燃料であると判定される。
燃焼性状の判定後には、好適なる燃焼状態を維持できるよう、燃料性状の判定結果に基づいてエンジン制御等が実施されるとよい。例えば、低セタン価の燃料が使用されていると判定された場合に、
(1)メイン噴射時期を進角側に変更する、
(2)パイロット噴射量を増量する、
(3)パイロット噴射段数を切り替える、
(4)EGR量を変更する、
といった各処理のいずれか又はそれらの組み合わせが実施されるとよい。これにより、低セタン価の燃料が使用されていることに起因して燃焼が緩慢になっているとしても、燃焼状態の改善を図ることができる。
以上詳述した本実施形態によれば、以下の優れた効果が得られる。
エンジン10の燃焼運転中において、全気筒のうち一部の気筒である操作気筒の燃料噴射態様を操作し、その操作気筒の気筒別トルクNEtrq#iと、非操作気筒の気筒別トルクNEtrq#iとに基づいて燃料性状を判定する構成とした。この場合、燃料噴射態様が操作されていない非操作気筒の気筒別トルクNEtrq#i(詳しくは、全気筒の気筒別トルクNEtrq#iの平均値)を基準にしつつ、燃料噴射態様が操作されたことによる操作気筒の気筒別トルクNEtrq#iの変化から燃料性状を判定できる。このとき、操作気筒と非操作気筒とでは同一条件下で、すなわちEGR等の外乱を含む環境要因を同一にした条件下で回転速度情報(エンジン回転速度NE)が取得されるため、回転速度の変化が燃料性状に起因するものであるとの判断が可能になる。
また特に、燃料噴射態様が操作されるのは、エンジン10の全気筒のうち一部の気筒に限られるため、気筒ごとについて見れば特定気筒で回転速度変化が生じるとしても、エンジン10について見ればその運転状態自体に影響が出にくくなっていると言える。したがって、燃料噴射態様を強制的に操作して燃料性状の判定を行いながらも、エンジン10の運転状態が過剰に変動することを抑制できる。以上により、車両走行中にあってもドライバビリティの悪化を抑制でき、しかも燃料性状の判定を好適に実施できることとなる。また、排気エミッションへの影響も最小限に抑えられることとなる。
燃料噴射態様の操作時及び操作前における操作気筒の気筒別トルクNEtrq#iと非操作気筒の気筒別トルクNEtrq#iとから算出された各気筒間ばらつき量UEa,UEbに基づいて性状判定パラメータCNpmを算出し、その性状判定パラメータCNpmに基づいて燃料性状を判定する構成とした。これにより、燃料噴射態様の操作時における操作気筒と非操作気筒との比較だけでなく、燃料噴射態様の操作前における操作気筒と非操作気筒との比較が行われ、それらの比較結果から燃料性状が判定される。そのため、各気筒の個体差に起因する気筒間誤差を解消した上で燃料性状を判定できる。つまり、燃料噴射態様の操作前後の気筒別トルクNEtrq#iが対比されるため、気筒間の個体差による影響を排除できる。したがって、燃料性状の判定精度を高めることができる。
気筒別トルクNEtrq#iのばらつきの範囲を示す気筒別標準偏差σ1〜σ4を算出し、その気筒別標準偏差σ1〜σ4が最小となる気筒を操作気筒として設定した。この場合、全気筒のうち気筒別標準偏差σ1〜σ4が最小となる気筒は、燃料噴射態様を操作した時に生じる回転速度の変化が、燃料性状に起因するものである可能性が高いと言える。したがって、上記のとおり操作気筒を設定することにより、燃料性状を高精度で判定することができる。
(他の実施形態)
本発明は上記実施形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施されてもよい。
・上記実施形態では、操作気筒の設定に際し、全気筒のうち気筒別トルクNEtrq#iに関する気筒別標準偏差σ1〜σ4が最小となる気筒を操作気筒として設定したが(図4のステップS25)、これを変更してもよい。
例えば、操作気筒の設定パラメータとして、気筒ごとのエンジン回転速度NEのばらつきの範囲を示す標準偏差を採用する。この場合、各気筒の燃焼サイクルで所定回転位置(例えばTDC直後位置)におけるエンジン回転速度NE(瞬時回転速度)を取得し、そのエンジン回転速度NEの分布のばらつきにより気筒別の標準偏差を算出する。より具体的には、所定区間(例えば30サイクル分の区間)において気筒ごとに所定回転位置でのエンジン回転速度NEの移動平均値を算出するとともに、その所定区間においてエンジン回転速度NEと移動平均値との差(偏差)の二乗を平均しその平方根をとることで、気筒別の標準偏差を算出する。そして、その気筒別の標準偏差が最小となる気筒を操作気筒として設定する。
その他、エンジン回転速度NEのBPF処理により算出される瞬時トルクNEfltについて、気筒ごとの瞬時トルクNEfltのばらつきの範囲を示す標準偏差を算出し、その気筒別の標準偏差が最小となる気筒を操作気筒として設定する構成としてもよい。このとき、気筒ごとに瞬時トルクNEfltの最大値をサンプリングし、その瞬時トルク最大値について標準偏差が算出されるとよい。
また、エンジン10のクランク軸(動力伝達軸)のねじれ振動の振幅が最小となる気筒を操作気筒として設定する構成としてもよい。クランク軸のねじれ振動の振幅はエンジン個々の特性として定まるものであるため、気筒ごとのねじれ振動情報をECU20内のメモリにあらかじめ記憶しておき、そのねじれ振動情報に基づいて操作気筒を設定するとよい。この場合、ねじれ振動の振幅が最小となる気筒は、燃料噴射態様を操作した時に生じる回転速度の変化が、燃料性状に起因するものである可能性が高いと言える。したがって、本構成によれば、燃料性状を高精度で判定することができる。
さらに、燃料噴射態様の操作前に算出した気筒別トルクNEtrq#iに基づいて、その気筒別トルクNEtrq#iが最大となる気筒を操作気筒として設定する構成としてもよい。気筒間の個体差等により気筒ごとに気筒別トルクNEtrq#iが相違する場合において、その気筒別トルクが最大となる気筒は、燃料噴射態様を操作した場合において燃料性状の違いによる回転速度の変化が最も顕著になると考えられる。したがって、本構成によれば、燃料性状を高精度で判定することができる。
・操作気筒となる気筒数を可変設定できる構成とし、さらにエンジン10が所定の高回転状態である場合に、操作気筒として複数個の気筒を設定するようにしてもよい。具体的には、図6に示すフローチャートに従い操作気筒を設定する。図6は、図4の燃料性状判定処理の一部を変更したものであり、同様の処理については同じステップ番号が付されている。
図6では、ステップS21〜S23において燃料性状判定が未完了であること、燃料性状判定を実行するための実行条件が成立していること、燃料噴射態様の操作開始前であることがそれぞれ判定された場合に、ステップS41に進む。なお、ステップS22では、既述のとおりエンジン回転変動量が所定以下であり、かつ燃料噴射量の変動量が所定以下である場合に、エンジン安定状態であるとみなされて実行条件が成立していると判定される。
ステップS41では、今現在、エンジン10が所定の高回転状態にあるか否かを判定する。所定の高回転状態とは、例えばエンジン回転速度(ここでは瞬時回転速度のなまし値)が2000rpm以上である状態を言う。そして、ステップS41がNOであれば、ステップS42に進み、操作気筒として全気筒のうち1気筒を設定する。また、ステップS41がYESであれば、ステップS43に進み、操作気筒として全気筒のうち複数気筒(2気筒)を設定する。ここで、操作気筒の設定は、既述のとおり気筒別標準偏差σ1〜σ4に基づいて実施されるとよい(図4のステップS24,S25参照)。このとき、気筒別標準偏差σ1〜σ4が小さい順に2つの気筒を操作気筒として設定する。又は、燃焼順序が連続する2気筒を操作気筒とする構成とし、気筒別標準偏差σ1〜σ4が最小となる気筒とその直前気筒(又は直後気筒)とを操作気筒として設定する構成でもよい。
そして、操作気筒の設定後において、その操作気筒について燃料噴射態様を操作する(ステップS26)。また、操作気筒の気筒別トルクNEtrq#iと、その他の気筒の気筒別トルクNEtrq#iとに基づいて、燃料性状の判定を実施する(ステップS27〜S31)。このとき、操作気筒の気筒別トルクNEtrq#iとして、2気筒分の気筒別トルクの平均値が算出され、その上で上記の式(3)、式(4)により性状判定パラメータCNpmが算出されるとよい。
上記のとおり操作気筒の数が可変設定される構成によれば、エンジン10が所定の高回転状態である場合において操作気筒として複数個の気筒が設定されるためにNEデータのサンプリングを短期間に完了でき、燃料性状の判定が途中で中断されるといった不都合を抑制できる。エンジン10がある程度以上の回転速度で回転している高回転状態であれば、エンジン10において回転の慣性力が大きくなるため、操作気筒数を増やしても回転変動が生じにくく、その回転変動に起因してドライバビリティの悪化が生じるといった不都合も回避できる。
・6気筒エンジン、8気筒エンジンでは、全気筒のうち2気筒を操作気筒として設定しても、半分よりも多い気筒が非操作気筒となる。このように、操作気筒数<非操作気筒数となる場合に、操作気筒として複数気筒(2気筒等)を設定することを許容する構成としてもよい。
・燃焼順序が連続する2気筒を操作気筒とする場合において、2つの操作気筒のうち燃焼順序が後になる気筒の気筒別トルクNEtrq#iを「操作気筒の気筒別トルクNEtrq#i」として取り扱い、その上で上記の式(3)、式(4)により性状判定パラメータCNpmを算出する構成としてもよい。つまり、燃焼順序が連続する2気筒で燃料噴射態様が操作された場合、そのうち1気筒目よりも2気筒目の方が燃焼性状に関する感度が高いと考えられる。したがって、上記構成によれば、燃料性状の判定精度を高めることが可能となる。
・上記実施形態では、操作気筒の気筒別トルクNEtrq#iと全気筒の気筒別トルクNEtrq#iの平均値との比により気筒間差データとしての気筒間ばらつき量(UE#i)を算出する構成としたが、これに代えて、操作気筒の気筒別トルクNEtrq#iと全気筒の気筒別トルクNEtrq#iの平均値との差(=|操作気筒の気筒別トルク−気筒別トルク平均値|)により気筒間ばらつき量を算出する構成としてもよい。また、操作気筒の気筒別トルクと全気筒の気筒別トルクの平均値とを対比して気筒間ばらつき量を算出する構成に代えて、操作気筒の気筒別トルクと全ての非操作気筒の気筒別トルクの平均値とを対比して気筒間ばらつき量を算出する構成としてもよい。
・燃料噴射態様の操作を以下のように実施することも可能である。例えば、パイロット噴射量を変更(減量)する、又はパイロット噴射段数を変更するといった構成でもよい。パイロット噴射分の燃焼はメイン噴射分の燃焼に大きく影響を与える。この場合、パイロット噴射量を操作することで、パイロット噴射分の燃焼具合が変化するが、この変化自体も燃焼性状によって異なる。そのため、パイロット噴射のパターンを変更することでの燃料性状判定が可能となる。
・燃料噴射態様を複数異なる形態(噴射パターン)で操作するとともに、各噴射態様でそれぞれ性状判定パラメータCNpmを算出し、それら各噴射態様での性状判定パラメータCNpmを用いて燃料性状を判定する構成としてもよい。具体的には、メイン噴射時期を操作することで性状判定パラメータCNpm1を算出するとともに、他方パイロット噴射量を操作することで性状判定パラメータCNpm2を算出し、それらCNpm1,CNpm2に基づいて燃料性状を判定する。例えば、「CNpm1+CNpm2」に基づいて燃料性状を判定する。この場合、複数の燃料噴射態様での操作時においてそれぞれで回転速度の変化が生じていることに基づいて燃料性状を判定でき、その判定精度を高めることができる。
各性状判定パラメータCNpm1,CNpm2について個々に重み付けを行い、その上で燃料性状を判定する構成としてもよい。重み付けは、燃料噴射態様の操作内容について燃料性状による違いが出やすいか否かといった要素により決定されるとよい。例えば、重み係数をka,kbとする場合、「ka・CNpm1+kb・CNpm2」に基づいて燃料性状を判定する。
・燃料噴射態様の操作時の気筒間差データ(気筒間ばらつき量UEa)と、操作前の気筒間差データ(気筒間ばらつき量UEb)とにより性状判定パラメータCNpmを算出する構成に代えて、燃料噴射態様の操作時の気筒間差データ(気筒間ばらつき量UEa)を性状判定パラメータCNpmとする構成でもよい。この場合、燃料噴射態様の操作時の気筒間差データ(気筒間ばらつき量UEa)からなる性状判定パラメータCNpmと燃料性状の判定値とを比較することで、燃料セタン価等を判定する。
・燃料噴射態様の操作前において、ECU20が、全気筒の気筒別トルクNEtrq#iの平均値と各気筒の気筒別トルクNEtrq#iとにより気筒間差データ(気筒間ばらつき量UE)を算出するとともに、その気筒間差データを都度のエンジン運転状態(NEレベルや負荷)と対応づけてメモリに記憶させる構成とする。そして、ECU20が、燃料噴射態様を操作する際に、メモリに記憶されている気筒間差データの中から、噴射態様操作時のエンジン運転状態と同じ運転状態の気筒間差データを読み出し、それを用いて性状判定パラメータCNpmを算出する。これにより、操作気筒について操作時の気筒間差データ(気筒間ばらつき量UEa)と、操作前の気筒間差データ(気筒間ばらつき量UEb)とを同一運転状態のもの同士で比較できる。この場合、操作気筒となる気筒があらかじめ分かっていれば、燃料噴射態様の操作前において、その該当気筒について全気筒平均値との気筒間差データを算出し、その気筒間差データを都度のエンジン運転状態と対応づけてメモリに記憶させる構成とすればよい。ただし、操作時の気筒間ばらつき量UEaと、操作前の気筒間ばらつき量UEbとを同一運転状態のもの同士で比較することは必須ではなく、異なる運転状態のもの同士で比較することも可能である。
・上記実施形態では、気筒別トルクNEtrq#iに基づいて気筒間ばらつき量UEを算出し、そのUEに基づいて燃料性状を判定する構成としたが、これを変更し、気筒ごとのエンジン回転速度NE(瞬時回転速度)に基づいて気筒間ばらつき量UEを算出し、そのUEに基づいて燃料性状を判定する構成としてもよい。この場合、気筒ごとに所定回転位置(例えばTDC直後)でのエンジン回転速度NEをサンプリングし、操作気筒のエンジン回転速度NEと非操作気筒のエンジン回転速度NE(例えば全気筒のNE平均値)との比により気筒間差データとしての気筒間ばらつき量UEを算出し、その操作気筒の気筒間ばらつき量UEに基づいて燃料性状を判定する。これ以外に、瞬時トルクNEfltに基づいて燃料性状を判定する構成としてもよい。
・燃料性状として、アルコール混合燃料のアルコール濃度を判定するものであってもよい。また、本発明が適用されるエンジンはディーゼルエンジンに限定されず、ガソリンエンジンについても適用可能である。
10…エンジン(多気筒内燃機関)、11…インジェクタ(燃料噴射手段)、17…クランク軸(動力伝達軸)、20…ECU(回転速度算出手段、噴射態様操作手段、燃料性状判定手段、第1比較手段、第2比較手段)。

Claims (6)

  1. 多気筒内燃機関の各気筒に燃料噴射手段から燃料を噴射供給する燃料噴射システムに適用され、前記内燃機関の運転状態に基づいて前記燃料噴射手段の燃料噴射態様を設定し、該設定した燃料噴射態様に基づいて各気筒の燃料噴射制御を実施する内燃機関の制御装置であって、
    前記内燃機関の気筒ごとに、燃焼により変動する回転速度を算出する回転速度算出手段と、
    前記内燃機関の燃焼運転中において、前記内燃機関の全気筒のうち一部の気筒である操作気筒の前記燃料噴射態様を、操作気筒以外の非操作気筒の燃料噴射態様に対して操作する噴射態様操作手段と、
    前記噴射態様操作手段により燃料噴射態様が操作される場合に、前記操作気筒について前記回転速度算出手段により算出された回転速度と、前記非操作気筒について前記回転速度算出手段により算出された回転速度とに基づいて燃料性状を判定する燃料性状判定手段と、
    前記内燃機関の運転状態が所定の安定状態に維持されていることを判定する運転状態判定手段と、
    を備え、
    前記燃料性状判定手段は、前記安定状態の下で前記回転速度算出手段により算出した所定サンプリング数の回転速度に基づいて燃料性状を判定するものであり、
    前記噴射態様操作手段は、前記操作気筒となる気筒数を可変に設定するものであり、前記内燃機関が所定の高回転状態である場合に、前記操作気筒として複数個の気筒を設定することを特徴とする内燃機関の制御装置。
  2. 前記燃料性状判定手段は、
    前記燃料噴射態様の操作時における前記操作気筒の前記回転速度又は該回転速度から算出した気筒別トルクと、前記非操作気筒の前記回転速度又は該回転速度から算出した気筒別トルクとを比較する第1比較手段と、
    前記燃料噴射態様の操作前における前記操作気筒の前記回転速度又は該回転速度から算出した気筒別トルクと、前記非操作気筒の前記回転速度又は該回転速度から算出した気筒別トルクとを比較する第2比較手段と、を有し、
    前記第1比較手段の比較結果と前記第2比較手段の比較結果とに基づいて燃料性状を判定する請求項1に記載の内燃機関の制御装置。
  3. 前記内燃機関の各気筒について前記回転速度算出手段により算出した回転速度又は該回転速度から算出した気筒別トルクのばらつきの範囲を示す散布度を算出する手段を備え、
    前記噴射態様操作手段は、前記散布度が最小となる気筒を前記操作気筒として設定する手段を有し、その操作気筒について前記燃料噴射態様を操作する請求項1又は2に記載の内燃機関の制御装置。
  4. 前記噴射態様操作手段は、前記内燃機関の動力伝達軸のねじれ振動の振幅が最小となる気筒を前記操作気筒として設定する手段を有し、その操作気筒について前記燃料噴射態様を操作する請求項1又は2に記載の内燃機関の制御装置。
  5. 前記噴射態様操作手段は、前記回転速度に基づいて算出した気筒別トルクが最大となる気筒を前記操作気筒として設定する手段を有し、その操作気筒について前記燃料噴射態様を操作する請求項1又は2に記載の内燃機関の制御装置。
  6. 前記燃料性状判定手段は、燃焼順序が連続する2気筒が前記操作気筒として設定される場合において、それら2つの操作気筒のうち燃焼順序が後になる気筒の前記回転速度を前記操作気筒の回転速度とし、その操作気筒の回転速度を用いて燃料性状を判定する請求項1乃至5のいずれか1項に記載の内燃機関の制御装置。
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