JP5233753B2 - 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拡散燃焼割合ないし予混合度と着火時期とを適切に維持するようにした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レベルや燃料消費率に大きく影響し、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レベル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、仮に、着火時期のみを目標着火時期に近づけるように噴射時期をフィードバック制御したとしても、ディーゼルエンジンでは、そのときの拡散燃焼割合（総燃料噴射量の中で拡散燃焼の形態で燃焼する燃料の割合）が異なると、排気中のＮＯｘやスモークを改善することができない。むしろ、噴射時期の補正に伴い拡散燃焼割合が変化する結果、ＮＯｘやスモークの悪化を招来してしまう。

この発明に係るディーゼルエンジンの制御装置は、主燃料噴射に先だってプレ噴射を行うディーゼルエンジンに適用される。特に、主燃料噴射開始後の実着火時期を検出し、この実着火時期までの燃料噴射量と総燃料噴射量とから実拡散燃焼割合を算出する手段を備え、この実着火時期および実拡散燃焼割合が目標着火時期および目標拡散燃焼割合に近づくように、燃料噴射時期およびプレ噴射量の双方を補正する。

この発明によれば、実際の着火時期の検出に加え、実拡散燃焼割合を利用して、燃料噴射時期およびプレ噴射量の双方を補正することで、燃料消費率ならびに排気中のＮＯｘやスモークを目標の特性に沿った良好なものとすることができる。

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。 加速度積算値の特性を模式的に示した特性図。 第１の特性（ケース１）と第２の特性（ケース２）の運転領域を示す特性図。 第１の特性の場合の（ａ）熱発生率と（ｂ）補正の態様とを示す説明図。 第２の特性の場合の（ａ）熱発生率と（ｂ）補正の態様とを示す説明図。 燃料噴射時期とプレ噴射量と拡散燃焼割合との相関を示す特性図。 燃料噴射時期とプレ噴射量と予混合度との相関を示す特性図。 燃料噴射時期とプレ噴射量と着火遅れとの相関を示す特性図。 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。 拡散燃焼割合の算出の処理の流れを示すフローチャート。 噴射時期およびプレ噴射量の補正の処理の流れを示すフローチャート。 スライスレベルのマップの特性を示す特性図。 目標着火時期のマップの特性を示す特性図。 目標噴射時期の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、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、かつプレ噴射量が増減補正される。

この実施例では、主燃料噴射に先だってプレ噴射（パイロット噴射ともいう）が行われ、基本的に、着火遅れにより主燃料噴射の噴射期間（実際の噴射期間）の途中で着火に至り、以後の噴射燃料は、拡散燃焼の形態で燃焼する。本明細書では、便宜上、この基本的なパターンを「第１の特性」あるいは「ケース１」と呼ぶこととする。一実施例では、図３に図示するように、中負荷以上の領域で、この「第１の特性」となる。この「第１の特性」においては、総燃料噴射量の中で拡散燃焼の形態で燃焼する燃料の割合つまり「拡散燃焼割合」は、主燃料噴射の総噴射期間と、着火時期から噴射終了時期までの期間と、の比によって近似的に求めることができる。

これに対し、図３に「ケース２」として示す低負荷側の領域では、着火遅れ期間が主燃料噴射の噴射期間（実際の噴射期間）よりも長くなり、実質的に全ての燃料が予混合燃焼の形態で燃焼する。本明細書では、便宜上、このパターンを「第２の特性」あるいは「ケース２」と呼ぶこととする。そして、この場合は、上記の「拡散燃焼割合」は０であるから、主燃料噴射終了時期から上記実着火時期までの期間を「予混合度」と定義し、「拡散燃焼割合」に代えて予混合の進行の度合いを示すパラメータとする。

図４は、前者の第１の特性（ケース１）の場合の熱発生率と補正（噴射時期ＩＴあるいはプレ噴射量PreＱの補正）との関係をまとめて示した説明図であり、図（ａ）は、熱発生率に着目し、図（ｂ）は、拡散燃焼割合と着火時期とに着目して、目標の特性と、この目標から外れたある一例の特性（補正前の特性として示す）と、噴射時期ＩＴのみを補正した特性と、プレ噴射量PreQのみを補正した特性と、の４つを対比して示している。また、図（ａ）には、基本的な主燃料噴射期間Ｆ１と、これを補正した場合の噴射期間Ｆ２と、PreQの増加に伴って減少した主燃料噴射期間Ｆ３と、を併せて示してある。図（ａ）に示すように、目標の特性の着火時期に対し実際の特性の着火時期が遅れている場合、熱発生の時期やそのパターンが目標から外れてしまうが、例えば、噴射時期ＩＴのみを進角補正してＦ２のようにすると、熱発生率のパターンは必ずしも目標の特性には一致せず、また拡散燃焼割合が減少してしまう。これに対し、プレ噴射量PreQのみを増加補正すると、拡散燃焼割合の減少を回避できても、熱発生率のパターンが大きく変化してしまう。

図（ｂ）は、これを模式的に示した図であり、着火時期を横軸、拡散燃焼割合を縦軸として、補正前の特性が点１０１にあるとすると、噴射時期ＩＴの補正のみでは点１０２となり、プレ噴射量PreQの補正のみでは点１０３となり、目標の特性１０４を得ることができない。目標の特性１０４とするためには、噴射時期ＩＴおよびプレ噴射量PreQの双方の補正が必要である。

図５は、上述した第２の特性（ケース２）の場合について同様に熱発生率と補正との関係をまとめて示したものであり、図（ｂ）に模式的に示すように、補正前の特性が点２０１にあるとすると、噴射時期ＩＴの補正のみでは点２０２となり、プレ噴射量PreQの補正のみでは点２０３となり、目標の特性２０４を得ることができない。目標の特性２０４とするためには、噴射時期ＩＴおよびプレ噴射量PreQの双方の補正が必要である。

なお、着火時期は排気組成のほかに燃料消費率に大きく影響し、これを目標着火時期に維持することで、良好な燃料消費率を得られる。拡散燃焼割合および予混合度は、トレードオフの関係にあるＮＯｘとスモークに影響し、これを目標の特性に維持することで、ＮＯｘとスモークを良好なレベルに維持できる。

図６は、燃料噴射時期ＩＴとプレ噴射量PreQとに対する拡散燃焼割合の特性を示している。図７は、燃料噴射時期ＩＴとプレ噴射量PreQとに対する予混合度の特性を示している。さらに図８は、燃料噴射時期ＩＴとプレ噴射量PreQとに対する着火遅れの特性を示している。

次に、図９〜図１１のフローチャートに基づいて、上記実施例における制御について説明する。なお、ここでは、上記の第１の特性の運転領域にあるものとして拡散燃焼割合を目標のパラメータとして説明するが、第２の特性の運転領域においては、予混合度を目標のパラメータとして全く同様に実施することが可能である。

図９は、上記の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、所定のサンプリング期間の間、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は、おおよその着火時期を含むように設定され、例えば図２に示すＴＤＣ〜ＡＴＤＣ５５°程度でよい。なお、上記のプレ噴射の影響を回避するために、このプレ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、積分つまり順次積算していく。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。

ステップ４では、この順次算出される積算値を所定の着火時期判定レベルＳＬと比較し、積算値が着火時期判定レベル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。

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。

この実着火時期検出の基本原理は、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と、この積算値は、図２に模式的に示すように、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。

図２は、実験値の特性を模式的に示したものであるが、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が存在し、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。

上記着火時期判定レベルＳＬは、例えば図１２に例示するような所定の特性を有する制御マップを参照して、そのときのエンジン運転条件つまり負荷（トルク）とエンジン回転数とに基づいて決定される。

次に、図１０は、拡散燃焼割合の算出処理のフローチャートであり、ステップ１１で、そのときの指示噴射量とレール圧とから、実際の噴射期間を算出する。なお、これは、燃料噴射ノズル３に与えられる駆動パルス信号の算出に用いられる関係式とは異なる特性を有している。

そして、ステップ１２で、上記の実着火時期と、ステップ１１で求めた噴射期間と、噴射開始時期と、から、実際の拡散燃焼割合（rR_df）を求める。ここで、噴射開始時期としては、燃料噴射ノズル３の実際の開弁に伴う既知の周波数の振動を上記ノックセンサ２６の信号に基づいて検出し、これを実際の噴射開始時期とみなすことが望ましいが、燃料噴射ノズル３に与える駆動パルス信号の開始時期に適宜な遅れ時間（いわゆる無効時間）を加えて、噴射開始時期とみなすようにしてもよい。また、この実施例では、拡散燃焼割合を、総噴射期間と拡散燃焼期間（着火時期から噴射終了時期までの期間）との単なる期間の比として単純化して求めている。

次に、図１１は、燃料噴射時期ＩＴとプレ噴射量PreQの補正処理のフローチャートを示している。

ステップ２１では、上記のようにして検出した実着火時期rT_ignと目標着火時期tT_ignとの差ΔＴを求める。目標着火時期tT_ignは、そのときのエンジン運転条件つまり負荷（トルク）とエンジン回転数とに基づいて、図１３に例示するような特性の制御マップを参照して算出される。この制御マップは、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数）に対して目標噴射時期ＩＴを割り付けた図１４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２２において、上記ステップ１２において求めた実拡散燃焼割合rR_dfと目標拡散燃焼割合tR_dfとの差ΔＲを求める。目標拡散燃焼割合tR_dfは、やはりそのときのエンジン運転条件つまり負荷（トルク）とエンジン回転数とに基づいて、例えば図示しない制御マップを用いて決定される。

次に、ステップ２３では、これらの２つの差ΔTおよびΔＲの正負に基づいて、図１１の右側に付記する領域Ａ〜Ｄの判定を行う。そして、ステップ２４で、微小な補正量αをそのときの燃料噴射時期ＩＴに加算して燃料噴射時期ＩＴを補正するとともに、微小な補正量βをそのときのプレ噴射量PreQに加算してプレ噴射量PreQを補正する。これらの補正量α，βの正負は、上記の領域Ａ〜Ｄによって決定される。

すなわち、領域Ａは、実着火時期rT_ignが目標着火時期tT_ignよりも遅角側にあり、かつ実拡散燃焼割合rR_dfが目標拡散燃焼割合tR_dfよりも多い条件であり、補正量αは進角側（例えば正）、補正量βは負となる。領域Ｂは、実着火時期rT_ignが目標着火時期tT_ignよりも遅角側にあり、かつ実拡散燃焼割合rR_dfが目標拡散燃焼割合tR_dfよりも少ない条件であり、補正量αは進角側（例えば正）、補正量βは正となる。領域Ｃは、実着火時期rT_ignが目標着火時期tT_ignよりも進角側にあり、かつ実拡散燃焼割合rR_dfが目標拡散燃焼割合tR_dfよりも少ない条件であり、補正量αは遅角側（例えば負）、補正量βは正となる。領域Ｄは、実着火時期rT_ignが目標着火時期tT_ignよりも進角側にあり、かつ実拡散燃焼割合rR_dfが目標拡散燃焼割合tR_dfよりも多い条件であり、補正量αは遅角側（例えば負）、補正量βは負となる。

なお、補正量α，βを一定値とせずに、差ΔTおよびΔRの絶対値の大きさに応じて補正量α，βの大きさを変えてもよい。

ステップ２５では、２つの差ΔTおよびΔRの各々の絶対値が、所定の許容範囲εの中にあるか否か判定しており、これらが同時に許容範囲ε内となるまでステップ２３，２４を繰り返す。

なお、前述したように、目標のパラメータとして拡散燃焼割合に代えて予混合度を用いても全く同様に処理を行うことができる。

また上記実施例では、ノックセンサ２６を用いて実着火時期の検出を行っているが、これに代えて、筒内圧センサを用いて実着火時期の検出を行うことも可能である。

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 (6)

1. 主燃料噴射に先だってプレ噴射を行うディーゼルエンジンにおいて、
   上記主燃料噴射開始後の実着火時期を検出する手段と、
   この実着火時期までの燃料噴射量と総燃料噴射量とから実拡散燃焼割合を算出する手段と、
   この実着火時期および実拡散燃焼割合が目標着火時期および目標拡散燃焼割合に近づくように、燃料噴射時期およびプレ噴射量の双方を補正する手段と、
   を備えることを特徴とするディーゼルエンジンの制御装置。
2. 上記の実着火時期の検出は、エンジン本体に取り付けられた加速度センサが検出した所定周波数範囲の振動加速度の絶対値を積算し、この積算値が所定の着火時期判定レベルを越えたときを実着火時期と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. 上記の実着火時期の検出は、筒内圧センサによって検出される筒内圧の変化に基づいて行う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。
4. 主燃料噴射の実際の開始時期を、エンジン本体の振動に基づいて検出す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. 主燃料噴射の噴射終了時期を、上記開始時期と、指示燃料噴射量と、レール圧と、から算出することを特徴とする請求項４に記載のディーゼルエンジンの制御装置。
6. 主燃料噴射に先だってプレ噴射を行うディーゼルエンジンにおいて、
   上記主燃料噴射終了時期より遅れた実着火時期を検出する手段と、
   上記主燃料噴射終了時期から上記実着火時期までの期間として予混合度を求める手段と、
   この実着火時期および予混合度が目標着火時期および目標予混合度に近づくように、燃料噴射時期およびプレ噴射量の双方を補正する手段と、
   を備えることを特徴とするディーゼルエンジンの制御装置。

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