JP5218624B2

JP5218624B2 - ディーゼルエンジンにおける燃料のセタン価判別装置

Info

Publication number: JP5218624B2
Application number: JP2011238896A
Authority: JP
Inventors: 宏通安田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-10-31
Filing date: 2011-10-31
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2027-09-12
Also published as: JP2012021535A

Description

本発明は、ディーゼルエンジンにおける燃料のセタン価判別装置に関する。

ガソリンエンジンと同様にディーゼルエンジンにおいても多様化する燃料への最適な対応が必須となっている。セタン価を検出して最適な燃料噴射時期制御を実行することは、エミッションの低減、ドライバビリティの向上等の面で重要である。

セタン価(Cetane number)は、ディーゼルエンジン内でのディーゼルノックの起こりにくさ(耐ノック性・アンチノック性)を示す数値であり、自己着火性を表す指標であり、着火遅れと相関がある。セタン価が高いほど自己着火しやすく、ノックが起こりにくい。

上記のセタン価を判別する技術は、種々提案されている（例えば、特許文献１−３等参照）。

実公平３−４５１８号公報

特開昭６２−２８２２６５号公報

特開２００４−３４００２６号公報

ところで、通常の運転領域においては、すなわち、通常の燃料噴射量においてはセタン価による燃焼特性は、ほとんど反映されないため、通常の運転領域においてセタン価を精度良く判別するのは容易ではない。

また、セタン価を判別する方法として、例えば、熱発生率ｄＱ／ｄθにしきい値を設けて着火時期を判別する方法も考えられが、微分処理等が必要で、処理が複雑であり、また、ノイズが含まれやすい等の問題がある。

本発明は、上記の事情に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、燃焼室へ噴射される燃料のセタン価を簡易かつ精度良く判別可能なディーゼルエンジンにおける燃料のセタン価判別装置を提供する。

本発明に係るディーゼルエンジンのセタン価判別装置の第1の観点は、燃料カット中に微量燃料を燃焼室内に噴射させ、その際に検出される筒内圧力に基づいてセタン価を判別するセタン価判別手段を有する、ことを特徴とする。

この構成によれば、例えば、坂道走行などにおいて燃料の噴射をカットする燃料カット中、ドライバが気づかない程度、あるいはトルクにほとんど影響を与えない程度の微量燃料を燃焼室に噴射する。一方、燃料噴射量と着火時期検出誤差
との間には相関があり、微量燃料とすることで着火時期をより精度良く検出でき、正確なセタン価の判別ができる。

上記構成において、前記セタン価判別手段は、検出した筒内圧力から算出されるクランク角度に対する筒内の燃焼割合に基づいて前記セタン価を判別する、構成を採用できる。

この構成によれば、クランク角度に対する筒内の燃焼割合に基づいてセタン価を判別することにより、より簡易にセタン価を判別することができる。

本発明に係るディーゼルエンジンのセタン価判別装置の第２の観点は、燃焼室内で検出した筒内圧力から算出されるクランク角度に対する筒内の燃焼割合に基づいて前記セタン価を判別するセタン価判別手段を有し、前記セタン価判別手段は、所定のクランク角度である、燃焼開始点、セタン価を判別すべき燃焼中間点及び燃焼終了点の３点における筒内圧力から前記燃焼割合を算出し、当該燃焼割合に基づいてセタン価を判別する、ことを特徴とする。

この構成によれば、３点のみの筒内圧力からセタン価を判別することができ、処理が飛躍的に簡略化される。

本発明によれば、燃焼室へ噴射される燃料のセタン価を簡易かつ精度良く判別可能なディーゼルエンジンにおける燃料のセタン価判別装置が得られる。

本発明の一実施形態に係るセタン価判別装置が適用されたディーゼルエンジンの構成図である。ＥＣＵによるセタン価判別処理の一例を示すフローチャートである。燃料噴射量と着火時期検出誤差との関係を示すグラフである。セタン価とＭＦＢの相関を示すグラフである。セタン価と着火時期の相関を示すグラフである。ＥＣＵによるセタン価判別処理の他の例を示すフローチャートである。セタン価の判別方法を説明するためのグラフである。セタン価指数とＭＦＢとの相関を示すグラフである。

以下、本発明の最良の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。

本発明の一実施形態に係るセタン価判別装置が適用されたディーゼルエンジンの構成図である。

エンジン１０は、燃料である軽油を燃料噴射弁１１から圧縮状態にある燃焼室１２内に直接噴射することにより、自然着火させる型式のものである。

燃焼室１２にそれぞれ臨む吸気ポート１３および排気ポート１４が形成されたシリンダヘッド１５には、吸気ポート１３を開閉する吸気弁１６および排気ポート１４を開閉する排気弁１７を含む動弁機構１８と、これら吸気弁１６および排気弁１７に挟まれるように燃焼室１２の上端中央に臨む燃料噴射弁１１とが組み込まれている。

吸気ポート１３に連通するようにシリンダヘッド１５に連結されて吸気ポート１３と共に吸気通路１９を画成する吸気管２０の上流端側には、大気中に含まれる塵埃などを除去して吸気通路１９に導くためのエアクリーナ２１が設けられている。吸気弁１６と吸気管２０の途中に形成されたサージタンク２２との間の吸気管２０の途中には、吸気弁１６の開閉時期に応じた所定のタイミングにてアクチュエータ２３により吸気通路１９を開閉し得る吸気制御弁２４が組み込まれている。エンジン１０が気筒当たり複数の吸気ポート１３をそれぞれ有する場合、吸気制御弁２４を各吸気ポート１３毎に独立して設け、各吸気ポート１３を個別に開閉することも可能であるが、個々の気筒を単位として吸気制御弁２４を開閉するようにしてもよい。これら吸気制御弁２４およびそのアクチュエータ２３は
、吸気弁１６の開閉時期に応じて所望の時期に正確に吸気制御弁２４が開閉するように、極めて制御応答性の高いものである。

排気ポート１４に連通するようにシリンダヘッド１５に連結されて排気ポート１４と共に排気通路２６を画成する排気管２７の途中には、燃焼室１２内での混合気の燃焼により生成する有害物質を無害化する触媒２８が組み込まれている。

従って、エアクリーナ２１を通って吸気管２０から燃焼室１２内に供給される吸気は、燃料噴射弁１１から燃焼室１２内に噴射される燃料と混合気を形成し、ピストン２９の圧縮上死点近傍にて自然着火して燃焼し、これによって生成する排気ガスが触媒２８を通って排気管２７から大気中に排出される。

エンジン１０およびこのエンジン１０が搭載される車両の運転状態を把握してＥＣＵ２５が燃料噴射弁１１からの燃料の噴射量および噴射時期，吸気制御弁２４の作動を制御するため、以下に記すような各種センサ類を具えている。すなわち、運転者によって操作されるアクセルペダル３０の踏み込み量を検出してこれをＥＣＵ２５に出力するアクセル開度センサ３１を具えている。また、吸気制御弁２４よりも下流側の吸気管２０の部分には、吸気通路１９内の吸気温Ｔ_Sおよび吸気圧を検出してこれらをＥＣＵ２５にそれぞれ出力する吸気温センサ３２および吸気圧センサ３３が取り付けられている。

さらに、燃焼室１２内の筒内圧力を検出するための筒内圧センサ４０が設けられている。

さらに、ピストン２９が往復動するシリンダブロック３４には、連接棒３５を介してピストン２９が連結されるクランク軸３６の回転位置、つまりクランク角位相を検出してこれをＥＣＵ２５に出力するクランク角センサ３７が取り付けられている。このクランク角センサ３７からクランク角度を取得する。

ＥＣＵ２５は、これらアクセル開度センサ３１、吸気温センサ３２、吸気圧センサ３３、クランク角センサ３７、筒内圧センサ４０などからの検出信号に基づき、予め設定されたプログラムに従って円滑なエンジン１０の運転がなされるように、燃料噴射弁１１およびアクチュエータ２３などの作動を制御するようになっている。

次に、ＥＣＵ２５によるセタン価判別処理の一例について図２ないし図５を参照して説明する。ここで、図２はＥＣＵによるセタン価判別処理の一例を示すフローチャート、図３は燃料噴射量と着火時期検出誤差との関係を示すグラフ、図４はセタン価とＭＦＢの相関を示すグラフ、及び図５はセタン価と着火時期の相関を示すグラフである。

先ず、ＥＣＵ２５は、図２に示すように、例えば、坂道走行時等に燃料噴射弁１１からの燃料の噴射がカットされると（ステップＳ１）、燃焼室１２内に微量の燃料を噴射する（ステップＳ２）。微量燃料とは、ドライバが気づかない程度、あるいはトルクにほとんど影響を与えない程度の燃料である。また、着火時期検出誤差は、実際の着火時期と後述する筒内圧Ｐと燃焼室体積Ｖと比熱比κから計算されるΔＰＶ^κに基づいて検出される着火時期との差である。ここで、燃料噴射量と着火時期検出誤差とは、例えば、図３に示すような相関がある。このような相関は、経験的に得られるものである。すなわち、燃料噴射量が多いほど、着火時期を検出した際の検出誤差が大きいことわかる。このため、着火時期の検出精度を目標精度範囲内に確保するために、燃料噴射量を微量とする。

次いで、筒内圧センサ４０により筒内圧Ｐを取得する（ステップＳ３）。これと同時に、クランク角センサ３７から得られるクランク角度θに基づいて燃焼室１２の体積Ｖを取得し、さらに、比熱比κを取得し、筒内圧Ｐと燃焼室体積Ｖと比熱比κを用いて、ＰＶ^κを計算する（ステップＳ４）。このＰＶ^κは、熱発生量Ｑに略比例するパラメータである。また、ＰＶ^κは、例えば、クランク角度θの1度毎に計算される。

次いで、計算されたＰＶ^κを用いて、クランク角度θに対する筒内の燃焼割合ＭＦＢ（θ）を算出する。ＭＦＢは、例えば、燃焼開始点を−４°、セタン価を判別すべき燃焼中間点をθ、燃焼終了点を３０°とすると、次式（１）で表される。

次いで、算出したＭＦＢ（θ）を図４に示すように、判定閾値（例えば、３０％）と比較し（ステップＳ６）、ＭＦＢ（θ）が判定閾値を越えた際のクランク角度θ_CNを取得する（ステップＳ７）。尚、図４に示すように、セタン価とＭＦＢとは相関を有しており、セタン価は小さくなるほど、クランク角度θ_CNは大きくなる。

次いで、エンジンの冷却水の水温を読み込む（ステップＳ８）。
ここで、セタン価指数ＣＮとＭＦＢ（θ）が判定閾値（例えば、３０％）を越える際のクランク角度θ_CNとの間には、図５に示すような相関関係がある。この相関関係がエンジンの冷却水の水温に応じてマッピングされており、このマップからステップ７で取得したクランク角度θ_CNに対応するセタン価指数を判定する（ステップＳ９）。

そして、判別したセタン価に応じて、最適な燃料噴射時期となるように、噴射時期制御に切り替える（ステップＳ１０）。

以上のように、本実施形態によれば、セタン価の判別にこれと相関を有するＭＦＢを用いることで、ＭＦＢの計算には微分等の複雑な処理が含まれないので、計算結果が精度が高く、高いＳ／Ｎ比が得られる。

次に、ＥＣＵ２５によるセタン価判別処理の他の例について図６ないし図８を参照して説明する。ここで、図６はＥＣＵによるセタン価判別処理の他の例を示すフローチャート、図７はセタン価の判別方法を説明するためのグラフ、及び、図８はセタン価指数とＭＦＢとの相関を示すグラフである。

燃料噴射量と着火時期検出誤差との関係を示すグラフ、図４はセタン価とＭＦＢの相関を示すグラフ、及び図５はセタン価と着火時期の相関を示すグラフである。

先ず、ＥＣＵ２５は、図６に示すように、例えば、坂道走行時等に燃料噴射弁１１からの燃料の噴射がカットされると（ステップＳ１１）、燃焼室１２内に微量の燃料を噴射する（ステップＳ１２）。微量燃料とは、上記したように、ドライバが気づかない程度、あるいはトルクにほとんど影響を与えない程度の燃料である。

次いで、筒内圧センサ４０により筒内圧Ｐを取得する（ステップＳ１３）。これと同時に、クランク角センサ３７から得られるクランク角度θに基づいて燃焼室１２の体積Ｖを取得し、さらに、比熱比κを取得し、筒内圧Ｐと燃焼室体積Ｖと比熱比κを用いて、ＰＶ^κを計算する（ステップＳ１４）。このとき、ＰＶ^κは、図７に示すように、燃焼開始点θ_start、セタン価を判別すべき燃焼中間点θ_CN（例えば、８°）及び燃焼終了点θ_ENDの３点を計算する。

ここで、図７からわかるように、燃焼中間点θ_CNは、判定閾値となっている。

次いで、計算された３つのＰＶ^κ（θ_start）、ＰＶ^κ（θ_CN）、ＰＶ^κ（θ_END）を用いて、セタン価を判別すべき燃焼中間点のクランク角度θ_CNに対する筒内の燃焼割合ＭＦＢ（θ_CN）を次式（２）により算出する。

次いで、冷却水の水温を読み込みこむ（ステップＳ１６）。
ここで、セタン価指数ＣＮと判定閾値θ_CNとＭＦＢ（θ_CN）との間には、図８に示すような相関関係があり（尚、この関係は冷却水の水温によって異なる）、この相関関係があらかじめマッピングされている。このマップからステップ１５で取得したＭＦＢ（θ_CN）に対応するセタン価指数を判定する（ステップＳ１７）。

そして、判別したセタン価に応じて、最適な燃料噴射時期となるように、噴射時期制御に切り替える（ステップＳ１８）。

以上のように、本実施形態によれば、３つのＰＶ^κ（θ_start）、ＰＶ^κ（θ_CN）、ＰＶ^κ（θ_END）を用いて、ＭＦＢ（θ_CN）を求め、このＭＦＢ（θ_CN）からセタン価を直接的に判断するので、さらに処理負担が軽減され、高精度なセタン価判別が可能となる。

尚、上記実施形態では、検出した筒内圧力からＭＦＢを算出してセタン価を判別する場合について説明したが、検出した筒内圧力からセタン価を判別することができれば、他の方法を用いることも可能である。

１０…エンジン
１１…燃料噴射弁
１２…燃焼室
１３…吸気ポート
１４…排気ポート
１５…シリンダヘッド
１６…吸気弁
１７…排気弁
１８…動弁機構
１９…吸気通路
２０…吸気管
２４…吸気制御弁
２５…ＥＣＵ（セタン価判別手段）
３０…アクセルペダル
３１…アクセル開度センサ
３２…吸気温センサ
３３…吸気圧センサ
４０…筒内圧センサ
Ｐ…筒内圧力
Ｖ…燃焼室体積
κ…比熱比

Claims

燃焼室内で検出した筒内圧力から算出されるクランク角度θに対する筒内の燃焼割合ＭＦＢ(θ）に基づいて前記セタン価を判別するセタン価判別手段を有し、
前記セタン価判別手段は、所定のクランク角度である、燃焼開始点、セタン価を判別すべき燃焼中間点及び燃焼終了点の３点における筒内圧力から前記燃焼割合を算出し、当該燃焼割合に基づいてセタン価を判別し、
前記クランク角度θに対する燃焼割合ＭＦＢ(θ）は、筒内圧Ｐと燃焼室の体積Ｖと比熱比κとを用いて計算されるパラメータＰＶ ^κ のクランク角度θ、燃焼開始点θsおよび燃焼終了点θeにおける値ＰＶ ^κ （θ）、ＰＶ ^κ （θs）およびＰＶ ^κ （θe）を用いて、次式（１）により算出され、
前記セタン価判別手段は、算出された前記燃焼割合ＭＦＢ(θ）と所定の判定閾値との比較により、当該所定の判定閾値を越えた際のクランク角（θ _CN ）を取得し、このクランク角（θ _CN ）に対応するセタン価指数を判定する、ことを特徴とするディーゼルエンジンのセタン価判別装置。
ＭＦＢ(θ）＝（ＰＶ^κ（θ）−ＰＶ^κ（θs））／（ＰＶ^κ（θe）−ＰＶ^κ（θs））（１）