JP5195530B2 - 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。

この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、所定周波数範囲の振動加速度を出力する加速度検出手段と、
この所定周波数範囲の振動加速度の絶対値を、少なくとも着火時期を含む所定サンプリング期間の間、積算していく積算手段と、
上記サンプリング期間の中の所定の基準時期における積算値に、所定の閾値割合を乗じて、着火時期判定レベルを求める着火時期判定レベル算出手段と、
この着火時期判定レベルと上記積算値とを比較して、上記積算値が着火時期判定レベルを越えたときを実着火時期とする実着火時期判定手段と、
を備えている。

あるいは、請求項９のように、
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、所定周波数範囲の振動加速度を出力する加速度検出手段と、
この所定周波数範囲の振動加速度の絶対値を、少なくとも着火時期を含む所定サンプリング期間の間、単位クランク角毎ないし単位時間毎に積算して積算値データを生成していく積算手段と、
上記サンプリング期間の中の所定の基準時期における積算値の値を用いて、同じサンプリング期間中の積算値データを正規化する正規化手段と、
この正規化した積算値データを所定の閾値と比較して、この閾値を越えたときを実着火時期とする実着火時期判定手段と、
を備えている。

すなわち、本発明の基本原理は、明らかにノイズと考えられる周波数帯域を除いた所定周波数範囲の振動成分に着目し、適宜な時期、例えば上死点から、その振動加速度の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に達したときに、実質的な着火時期とみなすことができ、他の振動成分に影響されずに、実際の着火時期と正しく相関したものとなる。

ここで、本発明では、特に、この閾値を絶対値として与えるのではなく、「閾値割合」として取り扱い、サンプリング期間の中の所定の基準時期における実際の積算値にこの閾値割合を乗じることで、着火時期判定レベルとしている。これにより、燃焼サイクル毎のばらつきの影響がさらに小さくなる。

例えば、図１は、あるディーゼルエンジンにおいて、ＴＤＣ〜ＡＴＤＣ５５°の間における上記の加速度積算値の実験値を示したものであり、ここでは、３０回（つまり３０燃焼サイクル）の実験値を重ねて示している。このように、燃焼サイクル毎の積算値のばらつきは比較的大きいが、これは、主に、燃焼による振動以外のノイズによるものであり、例えば、閾値（図のＳＬ）を絶対値として固定的に与えると、図１から明らかなように、着火時期と判定する時期が比較的広い範囲にばらついてしまう。

図２は、この図１を模式的に示したものであり、３つの燃焼サイクルＣ１，Ｃ２，Ｃ３で代表させているが、積算値の傾きに着目すると、傾きが異なる３つの区間Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３が存在する。ここで、最も傾きの大きな区間Ｌ２のみが燃焼期間に相当し、前後の区間Ｌ１，Ｌ３は、燃焼成分以外のノイズによる積算値の増加である。そして、各サイクルＣ１，Ｃ２，Ｃ３の区間Ｌ１，Ｌ３の傾きが燃焼サイクル毎に異なることから明らかなように、このような燃焼サイクル毎のばらつきは、主に、燃焼サイクル毎のノイズの大小により生じ、ノイズが大であると思われるサイクル（Ｃ１）は、燃焼区間Ｌ２中の積算値の増加の傾きも大であり、ノイズが小であると思われるサイクル（Ｃ３）は、燃焼区間Ｌ２中の積算値の増加の傾きも小となる。

従って、一定の基準時期、例えばサンプリング期間の終了時期（例えばＡＴＤＣ５５°）、のときの最終的な積算値Ｓｆ１，Ｓｆ２，Ｓｆ３を「１００％」とし、これに対し、一定割合（つまり閾値割合）となる積算値の値を着火時期判定レベル（例えば図のＳＬ１，ＳＬ２，ＳＬ３）として設定すれば、燃焼サイクル毎のノイズの変化に影響されずに、着火時期をより正しく判定することができる。なお、上記基準時期としては、区間Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３の中で適宜な時期を選択でき、必ずしもサンプリング期間の終了時期でなくてもよい。但し、サンプリング期間の終了時期における積算値には、サンプリング期間全体のノイズが反映しているので、これを基準とすることが、適切な着火時期判定レベルの設定の上では一般に有利となる。

一方、上記の事項は、換言すれば、一定の基準時期、例えばサンプリング期間の終了時期（例えばＡＴＤＣ５５°）、のときの積算値Ｓｆ１，Ｓｆ２，Ｓｆ３を基準として、積算値Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３全体を正規化することと技術的に変わりがない。つまり、一定の基準時期の積算値（例えばＳｆ１，Ｓｆ２，Ｓｆ３）が互いに合致するように正規化すれば、図２では３本の異なる線で示されている燃焼サイクルＣ１，Ｃ２，Ｃ３の３つの特性が、ほぼ１つの特性に収束する。従って、このような正規化した積算値データに対しては、ある一つの閾値を用いて着火時期判定が可能となる。

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、着火時期を精度よく推定ないし検出することができる。特に、燃焼サイクル毎のノイズの変化による影響を排除でき、より高い精度を得ることができる。

３０回の燃焼サイクルについての加速度積算値の実験値を示す特性図。 図１を３つの燃焼サイクルに代表させて模式的に示した特性図。 この発明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。 フローチャート中の符号を説明するための説明図。 噴射時期の補正の処理の流れを示すフローチャート。 第１制御マップの特性を示す特性図。 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。

図３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、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。このノックセンサ２６は、各気筒毎に設けても良いが、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を設けるようにしてもよい。このノックセンサ２６の検出信号は、図示せぬコントロールユニットに入力され、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。

図４は、上記コントロールユニットにおいて実行される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。

まずステップ１では、各燃焼サイクルにおいて、図５に示すように、所定のサンプリング期間（開始クランク角θｓから終了クランク角θｆまで）の間、ノックセンサ２６が出力する振動加速度を読み込み、ステップ２で、ハイパスフィルタ処理を行って、所定周波数範囲の信号のみを抽出する。

上記のサンプリング期間（θｓ〜θｆ）は、おおよその着火時期を含むように、また望ましくは上述した３つの区間Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３を有するように設定され、例えば上述したＴＤＣ〜ＡＴＤＣ５５°程度でよい。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。

また、上記所定周波数範囲としては、例えば５ｋＨｚ〜１０ｋＨｚ程度に設定される。２〜４ｋＨｚ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３において、この振動加速度の絶対値を、単位クランク角、例えば１°ＣＡ毎に積算していき、これらの値Ｓθを積算値データとして一時的に保存する。なお、絶対値の積算として、正負に反転する振動加速度の二乗値を順次積算するようにしてもよい。

一方、ステップ４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７に示す第１制御マップ（ＭＡＰ１）を参照して、閾値割合R_ignを決定する。そして、ステップ５において、上記のサンプリング期間の終了時期θｆにおける積算値Ｓｆに、上記の閾値割合R_ignを乗じて、着火時期判定レベルS_SL（図５参照）を算出する。なお、この着火時期判定レベルS_SLの算出は、サンプリング期間が終了した直後つまり最後の積算値Ｓｆが得られた直後に行われる。

ステップ６では、保存しておいた各クランク角毎の積算値データＳθを上記の着火時期判定レベルS_SLと順次比較し、積算値Ｓθが着火時期判定レベルS_SLを越えたときのクランク角θを実着火時期rT_ignとみなす。

このように、着火時期判定レベルS_SLとして、最終の積算値Ｓｆを１００％とした閾値割合R_ignでもって判定を行うことにより、前述したように、燃焼サイクル毎のばらつきが抑制され、高精度な判定が行える。特に、この実施例では、ある一つの燃焼サイクルにおいて得られた最終の積算値Ｓｆに基づく着火時期判定レベルS_SLが、同じ燃焼サイクルの着火時期判定に利用される。これにより、燃焼サイクル毎のノイズの変化によるばらつきの影響がより小さくなる。

なお、上記の例では、クランク角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実時間ベースで行うこともでき、この場合は、最後に、サンプリング開始から着火時期までの経過時間をクランク角に変換すればよい。

上記のようにして推定した実着火時期時期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６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１１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８に示す第２制御マップ（ＭＡＰ２）を参照して、目標着火時期tT_ignを算出する。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１０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１２において、この目標着火時期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１３において、図９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１４において、そのときの噴射時期ＩＴに加えられる。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としては、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１１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。従って、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。

なお、着火時期判定レベルや正規化の基準となる基準時期としては、前述したように必ずしもサンプリング期間の終了時期θｆでなくてもよく、比較的早い時期に設定することもできる。例えば、着火時期よりも前に基準時期を設定すれば、積算値データを必ずしも保存する必要はなく、リアルタイムに積算値と順次比較していくことも可能である。

１…ディーゼルエンジン
３…燃料噴射ノズル
２６…ノックセンサ

Claims (9)

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、所定周波数範囲の振動加速度を出力する加速度検出手段と、
   この所定周波数範囲の振動加速度の出力値を、少なくとも着火時期を含む所定サンプリング期間の間、積算していく積算手段と、
   上記サンプリング期間の中の所定の基準時期における積算値に、所定の閾値割合を乗じて、着火時期判定レベルを求める着火時期判定レベル算出手段と、
   この着火時期判定レベルと上記積算値とを比較して、上記積算値が着火時期判定レベルを越えたときを実着火時期とする実着火時期判定手段と、
   を備えてなるディーゼルエンジンの制御装置。
2. 上記の基準時期は、上記サンプリング期間の終了時期であ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. 上記積算手段により単位クランク角毎に求めた積算値データを上記終了時期まで保存し、この積算値データに基づいて着火時期判定を行うことを特徴とする請求項２に記載のディーゼルエンジンの制御装置。
4. 上記閾値割合が、エンジンの負荷と回転速度とに基づいて設定されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のディーゼルエンジンの制御装置。
5. 上記サンプリング期間が、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. 主噴射に加えて行われるプレ噴射あるいはアフター噴射の期間と重複しないように上記サンプリング期間が設定され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. 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と、
   この目標着火時期と実着火時期との比較に基づき、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噴射時期補正手段と、
   をさらに備え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. ある燃焼サイクルの基準時期における積算値に基づく着火時期判定レベルを用いて、同じ燃焼サイクルの実着火時期の判定を行うことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のディーゼルエンジンの制御装置。
9. 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、所定周波数範囲の振動加速度を出力する加速度検出手段と、
   この所定周波数範囲の振動加速度の出力値を、少なくとも着火時期を含む所定サンプリング期間の間、単位クランク角毎ないし単位時間毎に積算して積算値データを生成していく積算手段と、
   上記サンプリング期間の中の所定の基準時期における積算値の値を用いて、同じサンプリング期間中の積算値データを正規化する正規化手段と、
   この正規化した積算値データを所定の閾値と比較して、この閾値を越えたときを実着火時期とする実着火時期判定手段と、
   を備えてなるディーゼルエンジンの制御装置。

Images