JP5182157B2 - ディーゼルエンジンの制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、ディーゼルエンジンにおける実着火時期の推定ないし検出を行うディーゼルエンジンの制御装置に関する。

ディーゼルエンジンにおける着火時期は、基本的には、燃料噴射時期によって制御されるが、実際の着火時期は直接には検出されず、実際の着火時期が所望の着火時期に正しく合致しているか否かは一般に不明である。ディーゼルエンジンにおける着火時期は、排気中のＮＯｘ排出量や燃料消費率に影響し、実際の着火時期を所望の着火時期に制御することが、トレードオフの関係にあるＮＯｘ排出量と燃料消費率とを両立させる上で重要である。

特許文献１には、ディーゼルエンジンのシリンダブロックに振動センサ（いわゆるノックセンサ）を取り付け、その振幅があるレベルになったときに、単純に、着火時期と判定するようにした技術が開示されている。

特開平９−１４４５８３号公報

しかし、実際には、着火燃焼による振動成分以外に多数の振動が存在し、着火燃焼による振動のみを完全に分離することはできず、かつ燃焼サイクル毎のばらつきも大きいため、上記従来の方法では、着火時期を正確に判定することができない。

本発明に係るディーゼルエンジンの制御装置は、燃焼室を構成するエンジン本体に取り付けられた加速度センサを含み、振動加速度を出力する加速度検出手段と、この振動加速度の振幅に相当する値（絶対値）を、少なくとも着火時期より前の所定の積算開始時期から積算していく積算手段と、この積算手段による積算値と所定の着火時期判定レベルとを比較する比較手段と、上記積算値が上記着火時期判定レベルに到達した到達時期に基づいて、実着火時期を判定する実着火時期判定手段と、を有することを特徴とする。

すなわち、本発明の基本原理は、少なくとも着火時期より前の適切な積算開始時期から、その振動加速度の振幅に相当する絶対値を順次積算していく。この積算値は、単調増加となり、また着火燃焼による振動以外の振動成分も含むものであるが、着火燃焼に至って、燃焼による振動成分が加わると、積算値の増加が相対的に大きくなっていく。そして、本発明者らの研究によれば、この積算値がある閾値すなわち着火時期判定レベルに達した到達時期に、所定の燃焼状態に達したものとみなすことができ、この到達時期は、他の振動成分に影響されずに、実際の実着火時期と正しく相関したものとなる。

この発明によれば、ディーゼルエンジンにおける燃焼成分以外の種々の振動成分に影響されずに、実着火時期を精度よく推定ないし検出することができる。

本発明の一実施例に係る制御装置が適用されるディーゼルエンジンの構成説明図。 着火時期検出のための処理の流れを示すフローチャート。 サンプリング期間の一例を示す説明図。 積算される振動加速度の周波数範囲の一例を示す説明図。 異なる噴射時期（Ａ）〜（Ｄ）における筒内圧及び振動加速度の変化を示す説明図。 第１制御マップの特性を示す特性図。 ３つの異なる噴射時期における積算値及び検出値を示す説明図。 ３つの異なる運転条件（Ａ）〜（Ｃ）における検出値と実着火時期との関係を示す説明図。 噴射時期の補正の処理の流れを示すフローチャート。 第２制御マップの特性を示す特性図。 第３制御マップの特性を示す特性図。 目標噴射時期マップの特性を示す特性図。 燃焼期間マップの特性を示す特性図。 パイロット噴射量に対する白煙等の変化を示す説明図。 圧力上昇率マップの特性を示す特性図。

図１は、この発明が適用されるディーゼルエンジン１の全体的構成を示している。このディーゼルエンジン１は、コモンレール式の燃料噴射装置を備えたもので、各気筒の燃焼室２の上部中央に燃料噴射ノズル３を有し、サプライポンプ４により加圧された燃料が蓄圧室（コモンレール）５に蓄えられたあとに各気筒の燃料噴射ノズル３に分配され、各燃料噴射ノズル３の開閉に応じてそれぞれ噴射される。上記蓄圧室５には、燃料圧力（レール圧）を検出するための燃料圧力センサ６が設けられている。

また、このディーゼルエンジン１は、排気タービン１２とコンプレッサ１３とを同軸状に備えたターボ過給機１１を有している。コンプレッサ１３から燃焼室２に至る吸気通路１４には、インタークーラ１５が介装されている。燃焼室２から排気タービン１２に至る排気通路１６と上記吸気通路１４との間には、ＥＧＲ通路１７が設けられており、このＥＧＲ通路１７には、ＥＧＲクーラ１８およびＥＧＲ制御弁１９が介装されている。吸気通路１４のコンプレッサ１３よりも上流側には、エアクリーナ２１およびエアフロメータ２２を備えている。

そして、エンジン本体の一部であるシリンダブロック２５の側壁に、加速度センサとしてシリンダブロック２５の振動に応答する公知のノックセンサ２６が取り付けられている（加速度検出手段）。このノックセンサ２６は、各気筒毎に設けても良いが、この実施例では、各気筒の振動を検知し得る適宜な位置を選択してシリンダブロック２５に１つのノックセンサ２６を設けている。このノックセンサ２６の検出信号は、コントロールユニット３０に入力され、これに基づいて、後述するように、燃料噴射ノズル３からの燃料噴射時期が遅進補正される。

排気タービン１２の下流側の排気通路１６には、排気ガスを浄化する触媒として、上流側より順に、酸化触媒２７と、排気中のＮＯｘを吸着及び脱離・浄化するＮＯｘ浄化触媒２８と、排気中の排気微粒子（ＰＭ）をトラップし、堆積したＰＭを燃焼などの方法により定期的に除去すなわち再生する排気後処理装置としての微粒子捕捉フィルタすなわちＤＰＦ２９と、が設けられている。

制御部としてのコントロールユニット３０には、上述のノックセンサ２６やエアフロメータ２２の検出信号のほかに、クランクシャフトのクランク角（エンジン回転速度）を検出するクランク角センサ３１，過給圧を検出する過給圧センサ３２，排気通路における酸化触媒２７の上流側の酸素濃度を検出する第１酸素センサ３３、排気通路におけるＮＯｘ浄化触媒２８とＤＰＦ２９との間の酸素温度を検出する第２酸素センサ３４、ＤＰＦ２９の入口温度を検出する入口温度センサ３５、ＤＰＦ２９の出口温度を検出する出口温度センサ３６、ＤＰＦ２９の前後の差圧を検出するＤＰＦ差圧センサ３７の他、冷却水温を検出する水温センサ，アクセルペダルの踏込量を検出するアクセル開度センサ，吸気温度を検出する吸気温度センサ等のセンサ類の検出信号が入力されている。コントロールユニット３０は、これらの検出信号に基づいて、燃料噴射ノズル３の他、吸気通路１４の絞り量を調整する吸気絞り弁３８や、ターボ過給機１１の可変ノズルの開度を調整する圧力制御弁３９等へ制御信号を出力し、その動作を制御する。

図２は、上記コントロールユニット３０において実行される実着火時期検出のための処理の流れを示すフローチャートである。本ルーチンはごく短い所定の演算間隔（例えば、所定のクランク角毎あるいは所定時間）毎に繰り返し実行される。

先ずステップＳ１では、クランク角センサ３１より検出されるクランク角等の各種信号が読み込まれる。ステップＳ２では、クランク角が各気筒の燃焼サイクルにおける所定のサンプリング期間Δθｓｍｐ（図３参照）内にあるかを判定する。サンプリング期間Δθｓｍｐになければ、ステップＳ１０において、後述する積算値を０に初期化する。

このサンプリング期間Δθｓｍｐは、図３に示すように、少なくとも着火時期を含み、、燃焼圧の発生区間を抽出するように、その開始時期つまり積分開始時期θｓから例えば５０°ＣＡ程度の期間とされる。また、サンプリング期間をエンジン運転条件に応じて可変としても良く、例えば、圧力上昇率ｄＰ／ｄθの立ち上がりと熱発生の立ち上がりとを検出・推定し、無制御燃焼期間から後燃期間までの期間としてもよい。なお、主燃料噴射に加えてプレ噴射やアフター噴射を行う場合には、その振動の影響を回避するために、これらの噴射期間と重複しないようにサンプリング期間を設定することが望ましい。積分開始時期θｓは、少なくとも着火時期よりも前であって、後述するように主燃料噴射開始時期以降に設定される。

サンプリング期間内であれば、ステップＳ３へ進み、ノックセンサ２６が出力するノック信号すなわち振動加速度を読み込み、ステップＳ４で、バンドパスフィルタ処理（あるいは、ハイパスフィルタ処理）を行って、明らかにノイズど考えられる周波数帯域を除いた所定周波数範囲ΔＦｒｑの信号のみを抽出する（フィルタ手段）。この所定周波数範囲ΔＦｒｑは、図４に示すように、燃焼による振動を抽出するように、５ｋＨｚ〜１０ｋＨｚ、あるいは５ｋＨｚ〜２０ｋＨｚ程度の範囲に設定される。２〜４ｋＨｚ付近の範囲は、一般に、燃焼期間に重複して発生する燃料噴射ノズル３の駆動に伴う振動成分を多く含み、少なくともこれを排除することが望ましい。

そして、ステップＳ５において、この振動加速度の振幅に相当する値（絶対値）を、所定のサンプリング周期毎に積算して、その積算値を更新する（積算手段）。サンプリング周期（演算間隔）は、例えば１°ＣＡの単位クランク角であり、あるいは、１／（３６０／０．２５×Ｎｅ／６０）×１０^６［μｓ］等に設定される。なお、絶対値の積算として、この実施例では、正負に反転する振動加速度の二乗値を順次積算している。

ステップＳ６では、そのときのエンジン運転条件つまり負荷（トルク，燃料噴射量）やエンジン回転速度，燃圧等に基づいて、着火時期判定レベルＳ＿ＳＬを設定する。すなわち、図８に示すように着火時期判定レベルＳ＿ＳＬはエンジン回転速度等に応じて可変とされる。ステップＳ７では、各クランク角毎の積算値Ｓθを上記の着火時期判定レベルＳ＿ＳＬと比較する（比較手段）。

積算値Ｓθが着火時期判定レベルＳ＿ＳＬに到達していなければ、本ルーチンを終了する。一方、積算値Ｓθが着火時期判定レベルＳ＿ＳＬに到達すると、ステップＳ８，Ｓ９へ進み、この積算値Ｓθが着火時期判定レベルＳ＿ＳＬに到達した到達時期に基づいて、実着火時期ｒＴ＿ｉｇｎを算出する（実着火時期判定手段）。具体的には、積算開始時期から到達時期までの経過時間を算出し（Ｓ８）、この経過時間をクランク角に変換して、実着火時期ｒＴ＿ｉｇｎ（クランク角）を求める。

なお、上記の例では、実時間ベースで処理を行っているが、サンプリング等を含めた一連の処理をクランク角ベースで行うこともでき、この場合は、上記ステップＳ９の実時間からクランク角への変換処理を省略し、到達時期（クランク角）から直接的に実着火時期ｒＴ＿ｉｇｎ（クランク角）を求めることができる。

図５は異なる噴射時期（Ａ）〜（Ｄ）における筒内圧及びノックセンサ２６から出力される振動加速度の変化を示す特性図である。噴射時期（主燃料噴射開始時期）が遅角するほど、着火燃焼による筒内圧上昇領域α１及び振動増加領域α２も遅角していく。従って、上記の積算開始時期θｓは、主燃料噴射開始時期に応じて設定され、主燃料噴射開始時期以降、より具体的には、シリンダブロック等の振動伝達系による応答遅れを考慮した所定の伝達遅れ期間θｎだけ主燃料噴射開始時期ＭＩＴよりも遅角させた時期（ＭＩＴ＋θｎ）に設定される。より具体的には、上記の伝達遅れ期間θｎは、図６に示す第１制御マップＭＡＰ１を参照して、エンジン回転速度及び燃料噴射量に応じて設定される。同図に示すように、伝達遅れ期間θｎは、エンジン回転速度が高くなるほど大きく、また、燃料噴射量が多くなるほど大きく設定される。これによって、燃料噴射による着火燃焼以外のノイズ成分を精度良く除去することができる。

また、図５に示すように、燃料噴射開始時期が上死点より遅角していくほど、振動加速度の強度（振幅）も小さくなっていく。従って、好ましくは上記のステップＳ６において、燃料噴射開始時期が上死点より遅角するほど、着火時期判定レベルＳ＿ＳＬを小さくする。

図７は、主燃料噴射開始時期ＭＩＴ（ＡＴＤＣ）が異なる場合の積算値（積分値）の変化及び検出値に対する実着火時期のばらつき・誤差を示している。『検出値』は、上述した積算値が着火時期判定レベルＳ＿ＳＬに到達した到達時期におけるクランク角（ＡＴＤＣ）である。実着火時期は、この検出値に基づいて設定され、この例では検出値より約１５°進角した時期となっている。この図７に示すように、検出値（到達時期でのクランク角）に対する実着火時期のばらつきは、主燃料噴射開始時期にかかわらず、±０．７°ＣＡ程度の少ない範囲に抑えられ、燃料噴射による燃焼以外のノイズ振動の影響を排除して、実着火時期を精度よく求めることができる。

図８は、排気代表点が異なる３つの運転条件（Ａ）〜（Ｃ）における、検出値と実着火時期との関係を示している。同図に示すように、エンジン運転条件が異なる場合であっても、到達時期のクランク角すなわち検出値に対する実着火時期の誤差は、±１．２°ＣＡ以下の少ない範囲に抑えられる。このようにエンジン運転条件にかかわらず精度よく実着火時期を求めることができる。

このようにして求められた実着火時期ｒＴ＿ｉｇｎは、ディーゼルエンジン１における種々の制御に利用することができるが、図９は、一例として、実着火時期ｒＴ＿ｉｇｎを用いた噴射時期ＩＴの補正についてのフローチャートを示している。ここでは、まずステップＳ１１において、そのときのエンジン運転条件つまり負荷（トルク）とエンジン回転速度とに基づいて、図１０に示す第２制御マップ（ＭＡＰ２）を参照して、目標着火時期ｔＴ＿ｉｇｎを算出・設定する（目標着火時期設定手段）。この第２制御マップは、各運転点毎に望ましい着火時期を割り付けたものであり、基本的には、エンジン運転条件（負荷およびエンジン回転速度）に対して目標噴射時期ＩＴを割り付けた図１２に示す目標噴射時期マップに類似した特性となる。

次に、ステップＳ１２において、この目標噴射時期ｔＴ＿ｉｇｎと推定した実着火時期ｒＴ＿ｉｇｎとの差ΔＴ（＝ｒＴ＿ｉｇｎ−ｔＴ＿ｉｇｎ）を求める。そして、ステップＳ１３において、図１１に示す第３制御マップ（ＭＡＰ３）を参照して、差ΔＴに対応する噴射時期補正量ＩＴ＿ＦＢを求める。つまり、噴射時期と着火時期とは「１対１」の関係にはなく、例えば噴射時期を１°ＣＡ変化させても着火時期が１°ＣＡ変化する訳ではなく、しかも両者の相関関係は運転条件によって異なるものとなるので、これらを考慮して、実着火時期ｒＴ＿ｉｇｎを目標噴射時期ｔＴ＿ｉｇｎに近づけるために必要な補正量ＩＴ＿ＦＢが第３制御マップとして割り付けられている。この第３制御マップに基づいて求められた補正量ＩＴ＿ＦＢは、ステップＳ１４において、そのときの噴射時期ＩＴに加えられる（燃料噴射時期補正手段）。なお、この補正量ＩＴ＿ＦＢは、必要に応じ、各運転点毎の補正量として学習・保存するようにしてもよい。

ところで、上記のサンプリング期間は、例えば積分開始時期から５０°ＣＡに設定されるが、必ずしも固定的な範囲でなくてもよく、エンジンの運転条件、特に、燃料噴射量Ｑｆ、レール圧Ｐｆ、噴射時期ＩＴ等を考慮して、可変的に設定するように構成することもできる。例えば、燃焼期間θｂｒｎは、レール圧Ｐｆと燃料噴射量Ｑｆとに相関し、例えば図１３に示すような特性の燃焼期間マップを参照して算出することが可能である。

サンプリング期間の開始時期θｓを、θｎを所定の伝達遅れ期間として、「θｓ＝ＩＴ＋θｎ」とし、終了時期θｆを、「θｆ＝ＩＴ＋θｎ＋θｂｒｎ」として可変的に設定すれば、燃焼期間のみを含む最小のサンプリング期間を与えることができる。これは、例えば、前後にプレ噴射やアフター噴射が行われるような場合に、その影響を避ける上で有利となる。

図１４は、パイロット噴射量に対する白煙の発生率（％）、燃焼室内の（最大）圧力上昇率ｄＰ／ｄθ、及び実着火時期Ｔｉｇｎと主燃料噴射終了時期Ｔｉｎｊ＿ｅｎｄとの差の変化を示す特性図である。主燃料噴射終了時期Ｔｉｎｊ＿ｅｎｄは、例えば噴射開始時期に噴射期間を加算することで求められ、この噴射期間は、主燃料噴射量の目標値とレール圧とにより求められる。

低水温下、特にアイドル等の低負荷時では、着火前に燃料と混合させることで燃焼音の低減を図るために、主燃料噴射よりも前にパイロット噴射が行われる。この低水温・低負荷域での白煙の発生率は、図１４（Ａ）に示すように、基本的にはパイロット噴射量ＰｉｌｏｔＱに依存しており、パイロット噴射量が多くなりすぎたり少なすぎると白煙が増加する。従って、低水温下のアイドル等の低負荷時には、基本的には、白煙の発生率が低くなるようにパイロット噴射量が所定の範囲ΔＱに制限される。

ところで、白煙の発生率を抑えるためには、燃焼室内の圧力上昇率ｄＰ／ｄθや、実着火時期Ｔｉｇｎから主燃料噴射終了時期Ｔｉｎｊ＿ｅｎｄまでの期間（Ｔｉｇｎ−Ｔｉｎｊ＿ｅｎｄ）を所定値以内に抑えることが有効である。ここで、パイロット噴射量ＰｉｌｏｔＱが変化すると、壁流の影響により、主燃焼の着火時期や拡散燃焼割合がほぼ同じであっても、燃焼室内の圧力上昇率ｄＰ／ｄθは大きく変化する。具体的には図１４（Ｂ）に示すように、パイロット噴射量ＰｉｌｏｔＱが多くなるほど、壁流となって主燃焼において燃焼する割合が増えるために、圧力上昇率ｄＰ／ｄθは大きくなる。一方、上記の期間（Ｔｉｇｎ−Ｔｉｎｊ＿ｅｎｄ）は、パイロット噴射量ＰｉｌｏｔＱに対する感度が低く、上記の範囲Ｑ内でのパイロット噴射量ＰｉｌｏｔＱの変化に対してほとんど変化しない。そこで、圧力上昇率ｄＰ／ｄθがある所定値以内になるようにパイロット噴射量ＰｉｌｏｔＱを所定の範囲ΔＱ内で補正する（パイロット噴射量補正手段）。例えば圧力上昇率ｄＰ／ｄθが所定値を超える場合には、この圧力上昇率ｄＰ／ｄθを低下させるように、パイロット噴射量ＰｉｌｏｔＱを低下側へ補正する。これによって、低水温下のアイドルを含む低負荷域における白煙の発生を効果的に抑制することができる。

上記の圧力上昇率ｄＰ／ｄθは、例えば燃焼室内の圧力を直接的に検出する筒内圧センサを用いて直接的に検出される。あるいは、このような高価な筒内圧センサを用いることなく、図１５に示す制御マップを参照して、総積算値と燃料噴射量とに基づいて圧力上昇率ｄＰ／ｄθを推定することも可能である。同図に示すように、圧力上昇率ｄＰ／ｄθは、総積算値が大きくなるほど大きく、噴射量が多くなるほど大きい値となる。総積算値は、サンプル期間における所定周波数範囲の加速度の振幅の二乗値の積算値であって、燃焼強度に相当する。この総積算値の算出に用いられる所定周波数範囲としては、上記の積算値θｓと同じ周波数範囲（５−１０ｋＨｚ、５−２０ｋＨｚ）のものを用いても良いが、燃焼強度をより正確に抽出し得るように、好ましくは、より狭い周波数範囲、例えば８ｋＨｚ〜１０ｋＨｚの範囲とされる。

このように本実施例では、既存のディーゼルエンジンでのノッキングの検知に一般的に用いられる複数の気筒に共用のノックセンサ２６が出力する振動加速度を利用し、明らかにノイズと考えられる周波数帯域を除いた上で、その振動加速度の振幅の二乗値（絶対値）を適宜な積算開始時期より積算していく。積算開始時期を着火時期前で、かつシリンダブロック２５の振動伝達遅れを考慮した主燃料噴射時期以降の適切な時期に設定することで、着火燃焼による振動以外のノイズを排除し、着火燃焼に起因する振動加速度の積算値を精度よく求めることができる。そして、この積算値が所定の着火時期判定レベルに達する到達時期（クランク角）に基づいて、各気筒毎の実着火時期を、燃焼成分以外の種々の振動成分に影響されずに、精度よく求めることができる。

１…ディーゼルエンジン
２…燃焼室
３…燃料噴射ノズル
２５…シリンダブロック（エンジン本体）
２６…ノックセンサ（加速度センサ）
３０…コントロールユニット
３１…クランク角センサ

Claims (8)

1. 燃焼室を構成するエンジン本体に取り付けられた加速度センサを含み、振動加速度を出力する加速度検出手段と、
   この振動加速度の振幅に相当する値を、少なくとも着火時期より前の所定の積算開始時期から積算していく積算手段と、
   この積算手段による積算値と所定の着火時期判定レベルとを比較する比較手段と、
   上記積算値が上記着火時期判定レベルに到達した到達時期に基づいて、実着火時期を判定する実着火時期判定手段と、
   を有することを特徴とするディーゼルエンジンの制御装置。
2. 所定周波数範囲の上記振動加速度を抽出するフィルタ手段を有し、
   上記積算手段は、上記所定周波数範囲の振動加速度の二乗値を積算することを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジンの制御装置。
3. 上記積算開始時期が、主燃料噴射開始時期に基づいて設定されることを特徴とする請求項１又は２に記載のディーゼルエンジンの制御装置。
4. 上記積算開始時期が、少なくとも上記主燃料噴射開始時期以降となるように、この主燃料噴射開始時期に対して所定の伝達遅れ期間だけ遅れた時期に設定されることを特徴とする請求項１又は２に記載のディーゼルエンジンの制御装置。
5. 上記着火時期判定レベルは、エンジンの運転条件に応じて設定されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のディーゼルエンジンの制御装置。
6. 目標着火時期をエンジン運転条件に応じて設定する目標着火時期設定手段を有し、
   この目標着火時期と実着火時期との比較に基づいて、実着火時期が目標着火時期に近づくように燃料噴射時期を補正する燃料噴射時期補正手段と、
   を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のディーゼルエンジンの制御装置。
7. 燃焼室内の圧力上昇率に基づいて、主燃料噴射の前に行うパイロット噴射のパイロット噴射量を補正するパイロット噴射量補正手段を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のディーゼルエンジンの制御装置。
8. 所定周波数範囲の振動加速度の振幅に相当する値を、少なくとも着火時期を含む所定のサンプリング期間の間、積算することにより総積算値を算出し、この総積算値と燃料噴射量とに基づいて上記圧力上昇率を算出することを特徴とする請求項７に記載のディーゼルエンジンの制御装置。

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