JP5212194B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃焼室内の燃焼の着火時期と燃焼期間とを検出して燃焼制御に反映させる内燃機関の制御装置に関する。

特許文献１には、異常燃焼時に現れる低周波成分の振動が大きくなることを用いて、低周波のフィルタリング処理後の振動センサの電圧値により異常燃焼が発生しているかを判別する技術が開示されている。

特開２００１−５９４４９号公報

しかしながら、この特許文献１においては、異常燃焼の発生自体を検出することはできるものの、その要因を絞り込むには至らないという問題がある。

そこで、本発明は、加速度検出手段で検出される振動加速度のうち第１の所定周波数範囲の振動加速度の振幅に相当する第１振幅相当値を所定の着火時期判定レベルと比較することで着火時期を検出すると共に、前記加速度検出手段で検出される振動加速度のうち前記第１の所定周波数範囲よりも高周波側の第２の所定周波数範囲の振動加速度の振幅に相当する第２振幅相当値を所定の燃焼期間判定レベルと比較することで燃焼期間を検出することを特徴としている。これによって、着火時期と燃焼期間の双方を精度よく検出することができる。

本発明によれば、着火時期が同じであっても、燃焼期間の違いからＥＧＲ、燃料のセタン価、コモンレールのレール圧等による燃焼の影響を判別可能となり、燃焼制御の精度を向上させることができる。

本発明に係る内燃機関の制御装置が適用されるディーゼルエンジンの全体的構成を模式的に示した説明図。 ２つの異なる燃焼における積分値とクランク角との相関を示した説明図。 ２つの異なる燃焼における燃焼重心とクランク角との相関を示した説明図。 振動モードと各振動モードの固有振動数とを示す説明図。 筒内温度とクランク角との相関を示す説明図。 着火時期を検出する際に用いる信号の周波数と、燃焼期間を検出する際に用いる信号の周波数とを示した説明図。 ２つの異なる燃焼における２つの周波数範囲の積分値とクランク角との相関を示す説明図。 燃焼期間と積分値との相関を示す説明図。 第１の処理によって得られたノックセンサ２６の検出値と、第２の処理によって得られたノックセンサ２６の検出値と、を併せて示した説明図。 燃焼状態の制御のための処理の流れを示すフローチャート。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

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。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。排気タービン１２は、容量調整手段としての可変ノズル２４を備えた容量可変型の構成となっている。すなわち、可変ノズル２４の開度を小さくした状態では、低速域のような排気流量の少ない条件に適した小容量の特性となり、可変ノズル２４の開度を大きくした状態では、高速域のような排気流量の多い条件に適した大容量の特性となる。

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及び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及びエアフロメータ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、加速度センサであり加速度検出手段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、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、内燃機関の燃焼状態が制御される。

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空燃比検出手段としての第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２４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。

ノックセンサ２６の検出値を用いて着火時期を検出する場合、図２に示すように、ノックセンサ２６の検出値の積分値が所定のスライスレベルに達した時点をもって着火時期とすることができる。

ノックセンサ２６により検知された信号は、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、明らかにノイズと考えられる周波数帯域を除いた所定周波数範囲、すなわち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む２〜４ｋＨｚ付近の範囲を除く範囲、例えば５ｋＨｚ〜１０ｋＨｚ、あるいは５ｋＨｚ〜２０ｋＨｚ程度の範囲の信号のみを抽出する。

しかしながら、２〜４ｋＨｚ付近の範囲を除く範囲の信号のみを単に抽出したノックセンサ２６の検出値を用いて積分値を算出する場合、図２及び図３に示すように、着火時期の検出は可能であるが、燃焼期間については精度良く検出することができず、ＥＧＲ、燃料のセタン価、プレ噴射、吸気温等の変化に起因した燃焼の変化を捉えられていなかった。つまり、着火時期が同時であっても燃焼重心が異なる（燃焼期間が異なる）燃焼を精度よく区別することはできなかった。

図２おいて実線で示される燃焼と破線で示される燃焼とは、ＥＧＲ以外の各種条件（セタン価、燃料噴射時期等）は同一であるが、実線で示されるの燃焼は破線で示される燃焼よりもＥＧＲが多くなっている。

図３は、燃焼重心とクランク角との相関を示した説明図であって、図３における実線は、図２おいて実線で示された燃焼の燃焼重心（燃焼期間）を示し、図３における破線は、図２おいて破線で示された燃焼の燃焼重心（燃焼期間）を示している。

ここで、ノックセンサ２６で検出される信号の周波数は、次式（１）によって計算される。

Ｆ＝（Ｃ／πＢ）ρｍｎ …（１）
尚、式（１）中のＦは周波数、Ｃが音速、Ｂはボア径、ρｍｎは振動モードで定まる係数（後述の図４を参照）である。尚、音速Ｃは、燃料噴射時期、主燃料噴射に先だって少量の燃料を噴射して火種を作るプレ噴射の噴射量（プレ噴射量）、ＥＧＲ等に応じて決定される筒内温度に基づいて決定される。また、図４に示すように、振動モードで定まる係数ρｍｎは、ρ１０（ｍｏｄｅ１，１）の場合、ρ１０＝１．１８４であり、ρ２０（ｍｏｄｅ２，０）の場合、ρ２０＝３．０５４である。また、各振動モード毎に、その固有振動数は異なる値となっている。図４における固有振動数は、温度を４００Ｋとした場合の一例を示すものである。つまり、筒内温度に応じて、燃焼室内での燃焼に伴い発生する振動信号の周波数は変化することになる。

図５、図６に示すように、着火時期となる温度域と、燃焼中の温度域とは異なるため、着火時期を検出する際に用いる信号の周波数と、燃焼期間を検出する際に用いる信号の周波数とを区別すれば、着火時期と燃焼期間を精度よく検出することが可能となる。

つまり、燃焼室内における着火時期の温度と、燃焼中の温度とは大きく異なるため、着火時期のタイミングで強く表れる振動モードと、燃焼中のタイミングで強く表れる振動モードと、が異なることを利用し、ノックセンサ２６の検出値に対して２種類のバンドパスフィルタ処理を行うことで、着火時期と燃焼期間を精度よく検出する。尚、温度が高い領域で強く表れる振動モードは、エンジンによって異なるため、実験適合で予め各エンジン毎に、燃焼中の温度域で強く表れる振動モードを求めておく。

本実施形態においては、ノックセンサ２６で検出された信号に対して、第１の所定周波数範囲に相当する５ｋＨｚ〜７ｋＨｚ程度の範囲の信号のみを抽出する第１の処理と、第２の所定周波数範囲に相当する８ｋＨｚ〜９ｋＨｚ程度の範囲の信号のみを抽出する第２の処理と、を行う。

そして、図７、図８に示すように、第１の処理によって得られた検出値の積分値（第１積分値）が所定の着火時期判定レベルに達したときをもって着火時期と判定し、第２の処理によって得られた検出値の積分値（第２積分値）から燃焼期間を検出する。

図７中の特性線Ａと特性線Ｃとは同一の燃焼において得られた検出値の積分値であり、特性線Ａは第１の処理よって、特性線Ｃは第２の処理によってそれぞれ得られたものである。また、図７中の特性線Ｂと特性線Ｄとは同一の燃焼において得られた検出値の積分値であり、特性線Ｂは第１の処理よって、特性線Ｄは第２の処理によってそれぞれ得られたものである。尚、特性線Ａ、Ｃの燃焼と特性線Ｂ、Ｄの燃焼とは、ＥＧＲ以外の各種条件（セタン価、燃料噴射時期等）は同一であるが、特性線Ｂ、Ｄの燃焼は、特性線Ａ、Ｃの燃焼よりもＥＧＲが多くなっている。

図９は、第１の処理によって得られたノックセンサ２６の検出値と、第２の処理によって得られたノックセンサ２６の検出値と、を併せて示した説明図である。図９に示すように、第１の処理によって得られる信号の信号レベルが強く出る時期と、第２の処理によって得られる信号の信号レベルが強く出る時期とが、明確に判別できるため着火時期と燃焼期間とを精度良く判別可能となる。

図１０は、コントロールユニット３０において実行される燃焼状態の制御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。

ステップ（以下、単にＳと記す）１では、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等の各種信号が読み込まれる。

Ｓ２では、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、５ｋＨｚ〜７ｋＨｚ程度の範囲の信号のみを抽出し、抽出された信号の絶対値に積分処理を施して、第１振幅相当値に相当する第１積分値を算出する。

Ｓ３では、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、８ｋＨｚ〜９ｋＨｚ程度の範囲の信号のみを抽出し、抽出された信号の絶対値に積分処理を施して、第２振幅相当値に相当する第２積分値を算出する。

Ｓ４では、Ｓ３で得られた第２積分値より燃焼期間を推定し、推定された燃焼期間が目標燃焼期間よりも長いか否かを判定し、長い場合にはＳ５へ進み、そうでない場合はＳ１２へ進む。第２積分値が運転状態に応じて設定された所定値よりも小さくなった場合に、燃焼期間の終了時期と判定し、燃焼期間を推定する。詳述すると、第２積分値が小さくなるほど燃焼期間は長いと判定され、第２積分値が大きくなるほど燃焼期間は短いと判定される。目標燃焼期間は、例えば、エンジン運転条件（負荷及びエンジン回転速度）に対して目標燃焼期間を割り付けた目標燃焼期間算出マップ（図示せず）を用いて算出される。

Ｓ５では、着火時期が目標着火時期よりも早いか否かを判定し、早い場合にはＳ６へ進み、そうでない場合にはＳ７へ進む。着火時期の判定は、Ｓ２で得られた第１積分値が所定の着火時期判定レベルに達したときをもって着火時期と判定する。目標着火時期は、例えば、エンジン運転条件（負荷及びエンジン回転速度）に対して目標着火時期を割り付けた目標着火時期算出マップ（図示せず）を用いて算出される。

Ｓ６では、プレ噴射による熱発生量が大きくなっているために燃焼期間が長くなり、着火時期が早くなっているものと判定して、プレ噴射による燃料噴射量（ＰｒｅＱ）を現時点の値よりも減少させる。

Ｓ７では、着火時期が目標着火時期と変わらないか否かを判定し、変わらない場合にはＳ８へ進み、そうでない場合にはＳ９へ進む。ここで、着火時期が目標着火時期に対して±１ｄｅｇの範囲内であれば、着火時期が目標着火時期と変わらないと判定する。

Ｓ８では、ＥＧＲ量が多いために拡散燃焼割合大となって燃焼期間が長くなっているものと判定し、ＥＧＲ量を現時点の値よりも減少させる。

Ｓ９では、第２積分値を用いて失火レベルか否かを判定し、失火レベルと判定されるとＳ１０へ進み、そうでない場合にはＳ１１へ進む。尚、このＳ９における失火レベル判定は、予め失火する条件のときの第２積分値の値を実験的に求めておき、この実験的に求めておいた第２積分値とＳ２で算出した第２積分値とを比較することで判定する。

Ｓ１０では、プレ噴射による燃料噴射量（ＰｒｅＱ）が少なく、ＥＧＲ量が多いために拡散燃焼割合大となって燃焼期間が長くなり、着火時期が遅くなっているものと判定し、プレ噴射による燃料噴射量（ＰｒｅＱ）を現時点の値よりも増量すると共に、ＥＧＲ量を現時点の値よりも減少させる。

Ｓ１１では、燃料噴射開始時期が遅角しているために燃焼期間が長くなり、着火時期が遅くなっているものと判定し、燃料噴射時期を現時点よりも進角させる。

Ｓ１２では、第２積分値より推定された燃焼期間が目標燃焼期間よりも短いか否かを判定し、短い場合にはＳ１３へ進み、そうでない場合は今回のルーチンを終了する。

Ｓ１３では、着火時期が目標着火時期と変わらないか否かを判定し、変わらない場合にはＳ１４へ進み、そうでない場合にはＳ１７へ進む。

Ｓ１４では、レール圧が目標レール圧よりも高いか否かを判定し、高い場合にはＳ１５へ進み、そうでない場合にはＳ１６へ進む。目標レール圧は、例えば、エンジン運転条件（負荷及びエンジン回転速度）に対して目標レール圧を割り付けた目標レール圧算出マップ（図示せず）を用いて算出される。

Ｓ１５では、レール圧が高いために燃焼期間が短くなっているものと判定し、レール圧を現時点よりも減少させる。

Ｓ１６では、高Ｂｏｏｓｔで、ＥＧＲ量の少ないために燃焼期間が短くなっているものと判定し、ＥＧＲ量を現時点よりも増加させるように、ＥＧＲ制御弁１９及び可変ノズル２４の開度を制御する。

Ｓ１７では、着火時期が目標着火時期よりも早いか否かを判定し、早い場合にはＳ１８へ進み、そうでない場合にはＳ１９へ進む。

Ｓ１８では、燃料噴射開始時期が進角しているために燃焼期間が短くなり、着火時期が早くなっているものと判定し、燃料噴射時期を現時点よりも遅角させる。

Ｓ１９では、プレ噴射による熱発生量が小さいために、燃焼期間が短くなり、着火時期が遅くなっているものと判定して、プレ噴射による燃料噴射量（ＰｒｅＱ）を現時点の値よりも増加させる。

表１は、上述した図１０に示す制御内容をまとめたものであり、着火時期と燃焼期間に応じて、どのような理由で何を制御するのかを表にしたものである。

以上説明してきたように、上述した実施形態においては、着火時期が同じであっても、燃焼期間の違いからＥＧＲ、燃料のセタン価、コモンレールのレール圧等による燃焼の影響を判別可能となり、燃焼制御の精度を向上させることができる。

尚、上述した実施形態においては、第２の処理によって得られた検出値の積分値（第２積分値）から燃焼期間を検出しているが、第２の処理によって得られた検出値の最大値の強度、すなわち瞬時値の最大値から燃焼期間を検出するようにしてもよい。これは、第２の処理によって得られる検出値の積分値と、第２の処理によって得られる瞬時値の最大値は、いずれも同じ燃焼に起因した値であり、当然相関関係があるためである。

上述した実施形態から把握し得る本発明の技術的思想について、その効果とともに列記する。

（１） 燃焼室を構成するエンジン本体に取り付けられ、燃焼室内での燃焼に伴い発生する振動加速度を出力する加速度検出手段と、前記加速度検出手段で検出される振動加速度のうち第１の所定周波数範囲の振動加速度の振幅に相当する第１振幅相当値を算出する第１振幅相当値算出手段と、前記加速度検出手段で検出される振動加速度のうち前記第１の所定周波数範囲よりも高周波側の第２の所定周波数範囲の振動加速度の振幅に相当する第２振幅相当値を算出する第２振幅相当値算出手段と、前記第１振幅相当値を所定の着火時期判定レベルと比較することで着火時期を検出する着火時期検出手段と、前記第２振幅相当値を所定の燃焼期間判定レベルと比較することで燃焼期間を検出する燃焼期間検出手段と、を有し、検出された着火時期と燃焼期間に応じて内燃機関の燃焼状態を制御する。これによって、着火時期が同じであっても、燃焼期間の違いからＥＧＲ、燃料のセタン価、コモンレールのレール圧等による燃焼の影響を判別可能となり、燃焼制御の精度を向上させることができる。

（２） 前記（１）に記載の内燃機関の制御装置おいて、前記第２の所定周波数範囲は、具体的には、燃焼後の筒内温度の共鳴周波数に応じて設定されている。

（３） 前記（１）または（２）に記載の内燃機関の制御装置において、前記第１振幅相当値は、具体的には、前記加速度検出手段で検出される振動加速度のうち前記第１の所定周波数範囲の振動加速度の積分値であり、前記第２振幅相当値は、具体的には、前記加速度検出手段で検出される振動加速度のうち前記第２の所定周波数範囲の振動加速度の積分値である。

（４） 前記（１）または（２）に記載の内燃機関の制御装置において、前記第１振幅相当値は、具体的には、前記加速度検出手段で検出される振動加速度のうち前記第１の所定周波数範囲の振動加速度の積分値であり、前記第２振幅相当値は、具体的には、前記加速度検出手段で検出される振動加速度のうち前記第２の所定周波数範囲の振動加速度の瞬時時の最大値である。

（５） 前記（１）〜（４）のいずれかに記載の内燃機関の制御装置は、具体的には、前記着火時期検出手段で検出された着火時期を用いた内燃機関の燃焼状態の補正制御と、前記燃焼期間検出手段で検出された燃焼期間を用いた内燃機関の燃焼状態の補正制御とを、並行して実施する。

（６） 前記（１）〜（４）のいずれかに記載の内燃機関の制御装置は、具体的には、前記着火時期検出手段で検出された着火時期を用いた内燃機関の燃焼状態の補正制御が終了してから、前記燃焼期間検出手段で検出された燃焼期間を用いた内燃機関の燃焼状態の補正制御を実施する。

１…ディーゼルエンジン
２…燃焼室
３…燃料噴射ノズル
２６…ノックセンサ
３０…コントロールユニット

Claims (6)

1. 燃焼室を構成するエンジン本体に取り付けられ、燃焼室内での燃焼に伴い発生する振動加速度を出力する加速度検出手段と、
   前記加速度検出手段で検出される振動加速度のうち第１の所定周波数範囲の振動加速度の振幅に相当する第１振幅相当値を算出する第１振幅相当値算出手段と、
   前記加速度検出手段で検出される振動加速度のうち前記第１の所定周波数範囲よりも高周波側の第２の所定周波数範囲の振動加速度の振幅に相当する第２振幅相当値を算出する第２振幅相当値算出手段と、
   前記第１振幅相当値を所定の着火時期判定レベルと比較することで着火時期を検出する着火時期検出手段と、
   前記第２振幅相当値を所定の燃焼期間判定レベルと比較することで燃焼期間を検出する燃焼期間検出手段と、を有し、検出された着火時期と燃焼期間に応じて内燃機関の燃焼状態を制御することを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記第２の所定周波数範囲は、燃焼後の筒内温度の共鳴周波数に応じて設定されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記第１振幅相当値は、前記加速度検出手段で検出される振動加速度のうち前記第１の所定周波数範囲の振動加速度の積分値であり、
   前記第２振幅相当値は、前記加速度検出手段で検出される振動加速度のうち前記第２の所定周波数範囲の振動加速度の積分値であることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記第１振幅相当値は、前記加速度検出手段で検出される振動加速度のうち前記第１の所定周波数範囲の振動加速度の積分値であり、
   前記第２振幅相当値は、前記加速度検出手段で検出される振動加速度のうち前記第２の所定周波数範囲の振動加速度の瞬時時の最大値であることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記着火時期検出手段で検出された着火時期を用いた内燃機関の燃焼状態の補正制御と、前記燃焼期間検出手段で検出された燃焼期間を用いた内燃機関の燃焼状態の補正制御とを、並行して実施することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
6. 前記着火時期検出手段で検出された着火時期を用いた内燃機関の燃焼状態の補正制御が終了してから、前記燃焼期間検出手段で検出された燃焼期間を用いた内燃機関の燃焼状態の補正制御を実施することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。

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