JP5289426B2 - ディーゼルエンジンの燃焼制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、エンジン制御の分野に関し、特に、ディーゼルエンジンの燃焼制御に関する。

ディーゼルエンジンの動作は、空気と燃焼したガスと燃料との混合ガスの自己着火に基づいている。エンジンサイクルは、いくつかの段階に分割することができる（図１）。

吸気（ＡＤＭ）時には、吸気弁（Ｓ_ADM）によって、空気と燃焼したガスとの混合ガスが燃焼室（ＣＨＢ）内に吸入される。空気はエンジンの外側の環境から取り込まれる。燃焼したガスは、排気マニフォールド（ＥＣＨ）から取り込まれ、吸気マニフォールドに送り返される（排気ガス再循環 ＥＧＲ）。このガス混合物は燃焼室（ＣＨＢ）を満たし、前の燃焼から燃焼室内に残留している、燃焼したガスと混合する（内部ＥＧＲ）。

吸気弁が閉じ（ＩＶＣ：吸気弁閉止）、ピストン（ＰＩＳ）がガスを圧縮する。

燃料噴射装置（ＩＮＪ）が正確な質量の燃料を噴射する。短い自己着火遅延期間の後、空気と燃焼したガスと燃料との混合ガスが着火して、ピストンを後方に押す超過圧力を発生する。

一旦ピストンが再び下に戻ると、排気弁（Ｓ_ECH）が開き、ガス混合物が排気マニフォールドを通して排出される。排気弁が閉じた後、ガスの一部はシリンダ内に残留する（内部ＥＧＲ）。排気マニフォールドを通して排出されたガスは２つに分けられる。一部は、吸気部に向けて再循環され（ＥＧＲ）、残りは（排気部を通して）エンジン外に排出される。

エンジン制御の目的は、騒音と汚染物質の排出とを最小にしながら、運転者から要求されたトルクを提供することである。さまざまなガスと燃料の量の制御は、できるだけ細かく調整しなければならない。

ディーゼルエンジンの燃焼開始を制御する目的で、エンジン内に取り付けられている検出器によって燃焼媒体を特定できる方法が公知である。最も正確な手段は圧力検出器である。そのような方法は、例えば、非特許文献１に記載されている。

J. Bengtsson、P. Strandh、R. Johansson、P. Tunestal、及びB. Johansson著、「一様な充填圧縮点火（ＨＣＣＩ）エンジンの動力学の制御(Control of Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) Engine Dynamics）」、Proceeding of the 2004 American Control Conference、ボストン、６月３０日〜７月２日、２００４年

しかし、このような検出器はコストが相当高いために、標準的なエンジンに使用することは考えられない。さらに、このような検出器は一般的に、比較的速いドリフトを生じやすい。

静的な各動作点（エンジン回転数及びトルク）において理想的な戦略(strategie)を引き出すように、複数の量とタイミングとが各動作点において最適化される公知の方法もある。すなわち、主要な２つのデータセット、すなわち、Ｘ_air＝（Ｍ_air，Ｍ_gb）で表される燃焼室内の必要空気質量Ｍ_airと燃焼したガスの質量Ｍ_gbのセット、及びＸ_fuel＝（Ｍ_f，θ_f）で表される燃料の質量Ｍ_fと燃料噴射時のクランク角度θ_fのセットについて、最適な値を得るために、テストベンチでの校正が実施される。

しかし、これらの戦略は過渡段階では不十分である。実際には、ある動作点から他の動作点への過渡段階（乗り物の速度または路面形状の変化）では、エンジン制御は、エンジン内の様々なアクチュエータを管理して、ノイズ、汚染物質の排出、及び消費を最小化しながら、所望のトルクを保証する。つまり、これは初期点でのパラメータ値から最終点でのパラメータ値への変化として表現される。

ここで、エンジンには２つの時間尺度がある。速い方の尺度（５０Ｈｚ）は、燃焼現象全体（１エンジンサイクル）に相当する。この尺度上では、噴射の戦略（Ｘ_fuel）を変更し、燃焼を制御することができる。これが燃料ループである（（ｂ）を参照。）。遅い方の尺度（１Ｈｚ）はエンジンマニフォールド（吸気、排気、燃焼ガス再循環）内のガスの動力学に相当する。この空気ループ（Ｘ_air）の戦略は、すぐに変更することができない（（ａ）を参照。）。

そのため、現在の方法を使用すると、制御される変数（Ｘ_air，Ｘ_fuel）は、この動力学の違いのために、それらの設定値に同時に到達しない。パラメータの一部はその最終設定値にすぐに到達するが、それ以外のパラメータは、依然としてその初期設定値にあり、エンジンはより多くの汚染排出物またはノイズを発生し、エンジンが停止してしまうことさえある。

従って、本発明の目的は、過渡段階においてディーゼルエンジンの燃焼開始を制御する方法に関する。

この目的は、本発明の方法によれば、これら２つの動的ループを独立して制御することによって達成される。すなわち、この目的は、より遅いループ（空気ループ）を独立して制御し、より遅いループと整合するように速いループ（燃料ループ）の動力学を適応させることによって達成される。

本発明の他の目的は、本発明の方法を適用可能なディーゼルエンジンに関する。

本発明は、ガス状燃焼剤の燃焼室内への吸入に関連する物理パラメータの設定値と、燃料を燃焼室内に噴射すべきクランク角度の設定値θ^ref _injとを、燃焼を最適化するように求めるステップと、エンジン制御装置が、物理パラメータが設定値に一致するようにアクチュエータを制御するステップと、を有するディーゼルエンジンの燃焼制御方法に関する。本方法はまた、物理パラメータが物理パラメータの設定値に到達する前に、物理パラメータの実際の値と物理パラメータの設定値との差を考慮して、設定値θ^ref _injを修正するステップと、エンジン制御装置が、燃焼を最適に維持するように、クランク角度が修正された設定値θ^ref _injに一致したときに燃焼室内への燃料噴射を制御するステップと、を有している。

本発明によれば、修正量ｄθ_injは、物理パラメータの実際の値を求めるステップと、実際の値と設定値との差ｄＰ，ｄＴ，ｄＸを計算するステップと、ノック積分を１次線形化することによって定められる線形化係数α_P，α_T，α_Xを計算するステップと、以下の式を適用して修正量ｄθ_injを計算するステップと、を適用して求めることができる。

物理パラメータは、弁閉止時における少なくとも以下のパラメータ、すなわち燃焼室内の圧力（Ｐ_IVC）、燃焼室内の温度（Ｔ_IVC）、または燃焼室内の燃焼したガス質量と全ガス質量との比（Ｘ_IVC）から選択可能である。

設定値は、エンジンテストベンチで設定された設定値マップによって、従来のように求めることができる。

最後に、本発明はまた、少なくとも１つの燃焼室と、燃料を燃焼室内に噴射する燃料噴射装置と、燃焼室内にガス状燃焼剤を吸入する少なくとも１つの吸気パイプと、アクチュエータを制御可能なエンジン制御装置と、ガス状燃焼剤の燃焼室内への吸入に関連する物理パラメータとして適用される設定値（Ｐ^ref，Ｔ^ref，Ｘ^ref）と、燃料を燃焼室内に噴射すべきクランク角度の設定値θ^ref _injと、を求める手段と、を有するディーゼルエンジンに関する。エンジンは、物理パラメータが物理パラメータの設定値に到達する前に、物理パラメータの実際の値と物理パラメータの設定値（Ｐ^ref，Ｔ^ref，Ｘ^ref）との差を考慮して、設定値θ^ref _injを修正する手段を有し、エンジン制御装置は、燃焼を最適に維持するように、クランク角度が修正された設定値θ^ref _injに一致したときに燃焼室内に燃料を噴射するように燃料噴射装置を制御可能である。

本発明の方法とエンジンのその他の特徴と利点は、添付の図面を参照して、非限定的な例として示す以降の実施形態の説明を読むことで明らかになろう。

ディーゼルエンジンの燃焼サイクルのさまざまな行程を示す図である。 燃焼噴射角度の修正量ｄθ_injの計算の概要を示す図である。

本発明の方法は、ディーゼルエンジンの燃焼を静的段階だけでなく過渡段階でも制御することができる。本方法は、空気ループ（遅いループ）と燃料ループ（速いループ）とを別個に独立して制御し、空気ループと整合するように燃料ループの動力学を適合させることを有している。従って、本方法は、（運転者のトルク要求を通して）要求されている燃焼特性を維持するようにＸ_fuelを適合させることができる。これによって、要求されたトルクを運転者に保証しながら、排気とノイズへの影響が抑えられる。

本方法によれば、ディーゼルエンジンの燃焼は４つの段階で制御される。

１−さまざまな物理パラメータに対する設定値の決定
ある動作点から他の動作点への過渡段階（乗り物の速度または路面形状の変化）では、エンジン制御は、エンジン内の様々なアクチュエータを管理して、ノイズ、汚染物質の排出、及び燃料消費を最小にしながら、所望のトルクを保証する。つまり、これは、初期点でのパラメータＸ_air及びＸ_fuelの値から最終点でのパラメータ値への変化として表現される。

最終値は、燃焼を最適化するように、つまりノイズを最小にしながら排出物と燃料消費とを最小にするように燃料の最大量を燃焼させるように定められる。燃焼を最適化するこれらの最終値は設定値と呼ばれる。エンジン制御は、これらの設定値を実現することを意図されている。

空気ループの調整上重要で、Ｘ_airの設定値の設定を可能にする物理パラメータは以下の通りである。
Ｐ_IVC：弁閉止時の、燃焼室内の圧力。クランク角度θに依存する。
Ｔ_IVC：弁閉止時の、燃焼室内の温度。クランク角度θに依存する。
Ｘ_IVC：弁閉止時の、燃焼室内の燃焼したガス質量と全ガス質量との比（０と１の間のパラメータ）。クランク角度θに依存する。

これら３つのパラメータの値は連続的に求められる。そのため、計測対象のシリンダ内と吸気マニフォールド内とで、組成（Ｘ）及び圧力（Ｐ）は同じであると仮定する。Ｒを理想気体定数（Ｒ＝２８７）、Ｍ_IVCを流量計によって計測されるシリンダに吸入される質量としたときに、理想気体の法則Ｔ_IVC＝Ｐ_IVC・Ｖ_IVC／ＲＭ_IVCによって、Ｔ_IVCを予測する。ガス状燃焼剤のエンジンの燃焼室内への吸入に関連するこれら３つの物理パラメータについて、設定値をそれぞれＰ^ref，Ｔ^ref，Ｘ^refと表す。

これらの設定値は、エンジンテストベンチで作成された設定値マップから得られる。つまり、これらのパラメータの設定値は、テストベンチでマッピングされた最適点（これらのパラメータが到達しなければならない値）によって与えられる。これらの設定値は、燃焼を最適にするように定められる。

本発明によれば、燃料ループを適合させるための重要な燃料戦略のパラメータは、θ_injで表される燃料噴射時のクランク角度である。その設定値はθ^ref _injと表される。この値は、エンジンテストベンチでマッピングされた最適点によっても与えられる。この値は、設定値Ｐ^ref，Ｔ^ref，Ｘ^refに対応している。

２−空気ループ制御（遅いループ）
一旦、設定値Ｐ^ref，Ｔ^ref，Ｘ^refが定まると、エンジン制御装置は、物理パラメータＰ_IVC，Ｔ_IVC，Ｘ_IVCの値がこれらの設定値（Ｐ^ref，Ｔ^ref，Ｘ^ref）に一致するように、アクチュエータを制御する。

理想的には、３つのパラメータＰ_IVC，Ｔ_IVC，Ｘ_IVCはすぐにそれらの設定値Ｐ^ref，Ｔ^ref，Ｘ^refに到達する。実際には、空気ループが遅いため、過渡段階の間を通して、これらのパラメータに、設定値と実際の値との間の誤差が生じる。そこで、燃料ループをこれらのパラメータの誤差に適応させる。その目的で、噴射角度の設定値θ^ref _injを適合させる。

３−噴射角度θ ^ref _inj の設定値の修正
上述の物理パラメータがそれらの設定値に到達する前に設定値θ^ref _injを適合させるため、弁閉止時にこれらのパラメータの実際の値（Ｐ_IVC，Ｔ_IVC，Ｘ_IVC）と設定値（Ｐ^ref，Ｔ^ref，Ｘ^ref）との差を考慮する。ここでは、以下の表記を用いる。

そして、燃焼開始角度θ_SOCが同じになるように、新しい修正された噴射角度θ^cor _inj＝θ^ref _inj＋ｄθ_injを求める。この角度は、Ｐ^ref，Ｔ^ref，Ｘ^refによって定められる。そして、ｄθ_injは以下のように求められる。すなわち、誤差が存在しない場合、つまりすべてのパラメータがその基準値に到達しており、（ｄＰ，ｄＴ，ｄＸ）＝（０，０，０）である場合には、動作点の位置に正確に存在しており、ｄθ_inj＝０となるように求められる。パラメータが、それらの設定値に到達していない場合、つまり（ｄＰ，ｄＴ，ｄＸ）≠（０，０，０）である場合には、同じ燃焼開始角度θ_SOCが得られるように、角度修正量ｄθ_inj≠０が導入されるように求められる。

次に、燃焼系のモデル化を行う。そのために、まず最初に、「ノック積分」モデルを使用する。このモデルは、「K. Swan、M. Shahbakhti、及びC. R. Koch、「ＨＣＣＩエンジンの修正ノック積分法を使用した燃焼開始の予測（Predicting Start of Combustion Using a modified Knock Integral Method for an HCCI Engine）」、Proc. of SAE Conference、２００６年」に記述されている。

このモデルでは、燃料噴射の直後に燃焼開始は生じない。ノック積分の形態でモデル化される自己着火遅延期間が存在している。ノック積分によって、パラメータＰ，Ｔ，Ｘ，θ_injの値から燃焼開始角度θ_socを求めることができる。

Ａ，Ｃ₁，Ｃ₂，ｎ，Ｔ_Aは校正対象の固定された物理パラメータである。

次に、燃焼開始前には、ガス混合物は断熱圧縮された状態であるとする。従って、Ｐ（θ）とＴ（θ）が分かれば、Ｐ_IVC，Ｔ_IVC，及び燃焼室の容積Ｖ（θ）が分かり、後者は完全に既知となる。さらに、燃焼したガスの比は、燃焼のない圧縮行程を通して変化せず、Ｘ（θ）＝Ｘ_IVCである。従って、ノック積分は以下の積分に帰着することができる。

ここでｆは、付録で定義される完全に既知の関数である。

最後に、ノック積分を１次線形化することによって、入力する修正量ｄθ_injを表すことができる（ここで、以下の摂動を仮定する：ｄθ_inj＜＜θ_inj、ｄＰ＜＜Ｐ^ref、ｄＴ＜＜Ｔ^ref、及びｄＸ＜＜Ｘ^ref）。

線形化係数α_p，α_T，α_xは、同じ燃焼開始噴射角度を維持するようにθ_injに加えられる修正に対する、３つの誤差ｄＰ，ｄＴ，ｄＸの影響を表している。それらの式は、付録で与えられる。

モデルのパラメータ（Ａ，Ｃ₁，Ｃ₂，ｎ，Ｔ_A）を校正するために、エンジンテストベンチで実験を実施した。実験中に、マッピングから得られた設定値データで計算される燃焼開始を求めた。次に、選択されたモデルによって燃焼開始を予測する。次に、パラメータＡ，Ｃ₁，Ｃ₂，ｎ，Ｔ_Aを変えて、設定値データで計算された燃焼開始とモデルを用いて予測した燃焼開始との間の良好な相関を得た。

このような校正から得られたパラメータセットの例を以下の表に示す。

図２は燃焼噴射角度の修正量ｄθ_injの計算の概要を示している。Ｐ_IVC，Ｔ_IVC，Ｘ_IVCの実際の値を予測し（ＥＳＴ−ＡＣＴ）、設定値Ｐ^ref，Ｔ^ref，Ｘ^ref，θ^ref _injを定めた後（ＤＥＴ−ＣＯＮＳ）、差分ｄＰ，ｄＴ，ｄＸを計算する（ＣＡＬ−ＤＩＦ）。その後、線形化係数α_P，α_T，α_Xを計算する（ＣＡＬ−ＣＯＥＦＦ）。最後に、選択した燃焼モデル（仮定されたノック積分）に従って、修正量ｄθ_injを計算する（ＣＡＬ−ＣＯＲ）。

４−燃料ループの適用（速いループ）
エンジン制御装置は、燃焼を最適に維持するように、修正された設定値θ^ref _injにクランク角度が一致したときに、燃焼室内の燃料噴射装置を駆動する。

前回の修正量を噴射角度に適用することによって、燃焼開始角度は一定の値に確実に維持される。空気ループは誤差ｄＰ，ｄＴ，ｄＸを徐々にゼロに近づけ、安定化した静的段階で修正はなくなる。

本方法の利点の１つは、空気ループの誤差を、すべてが完全に既知（関数ｆ、設定値Ｐ^ref，Ｔ^ref，Ｘ^ref）であるために完全に計算が可能であるパラメータ（α_P，α_T，α_X）を介して、燃料制御に適用される修正に直接関連付けることである。

本発明の方法はディーゼルエンジンに適用することができる。そして、本発明の他の目的は、本方法を適用可能なディーゼルエンジンに関連している。このディーゼルエンジンは、少なくとも１つの燃焼室と、燃料を燃焼室内に噴射する燃料噴射装置と、燃焼室内にガス状燃焼剤を吸入する少なくとも１つの吸気パイプと、アクチュエータを制御可能なエンジン制御装置と、ガス状燃焼剤の燃焼室内への吸入に関連する物理パラメータとして適用される設定値（Ｐ^ref，Ｔ^ref，Ｘ^ref）と、燃料を燃焼室内に噴射すべきクランク角度の設定値θ^ref _injと、を求める手段と、を有している。

エンジンはまた、物理パラメータが物理パラメータの設定値に到達する前に、物理パラメータの実際の値と物理パラメータの設定値（Ｐ^ref，Ｔ^ref，Ｘ^ref）との差を考慮して、設定値θ^ref _injを修正する手段を有し、エンジン制御装置は、燃焼を最適に維持するように、クランク角度が修正された設定値θ^ref _injに一致したときに燃焼室内に燃料を噴射するように燃料噴射装置を制御可能である。

付記
関数ｆの表現
関数ｆは、以下の仮定を行ったときにノック積分に現れる。
−燃焼開始前に、ガス状混合物は理想気体であり、断熱圧縮を受けている。

−燃焼したガスの比は、燃焼のない圧縮行程を通して変化しない。

これより、以下のノック積分が得られる。

従って、以下の一般式が得られる。

線形化係数（α _P ，α _T ，α _X ）の式
以下の式において、パラメータα_P，α_T，α_Xは、同じ燃焼開始噴射角度を維持するようにθ_injに加えられる修正に対する、３つの誤差ｄＰ，ｄＴ，ｄＸの影響を表している。

これらの式は以下のようになる。

Claims (4)

1. ガス状燃焼剤の燃焼室内への吸入に関連する物理パラメータの設定値と、燃料を前記燃焼室内に噴射すべきクランク角度の設定値θ^ｒｅｆ _ｉｎｊとを、燃焼を最適化するように求めるステップと、エンジン制御装置が、前記物理パラメータが前記設定値に一致するようにアクチュエータを制御するステップと、を有する、燃焼したガスが再循環されるディーゼルエンジンの燃焼制御方法であって、
   前記物理パラメータは、弁閉止時における少なくとも以下のパラメータ、すなわち前記燃焼室内の圧力（Ｐ _ＩＶＣ ）、前記燃焼室内の温度（Ｔ _ＩＶＣ ）、および前記燃焼室内の燃焼したガス質量と全ガス質量との比（Ｘ _ＩＶＣ ）であり、
   前記物理パラメータが該物理パラメータの設定値に到達する前に、前記物理パラメータの実際の値と前記物理パラメータの前記設定値との差を考慮して、前記設定値θ^ｒｅｆ _ｉｎｊを修正するステップと、
   前記エンジン制御装置が、燃焼を最適に維持するように、クランク角度が修正された前記設定値θ^ｒｅｆ _ｉｎｊに一致したときに前記燃焼室内への燃料噴射を制御するステップと、を有することを特徴とする方法。
2. 前記設定値の修正量ｄθ_ｉｎｊは、
   前記物理パラメータの前記実際の値を求めるステップと、
   前記実際の値と前記設定値との差ｄＰ，ｄＴ，ｄＸを計算するステップと、
   ノック積分を１次線形化することによって定められる線形化係数α_Ｐ，α_Ｔ，α_Ｘを計算するステップと、
   以下の式を適用して前記修正量ｄθ_ｉｎｊを計算するステップと、
   

   

   を適用して求められる、請求項１に記載の制御方法。
3. 前記設定値は、エンジンテストベンチで設定された設定値マップによって求められる、請求項１または２に記載の制御方法。
4. 少なくとも１つの燃焼室と、
   燃料を前記燃焼室内に噴射する燃料噴射装置と、
   燃焼室内にガス状燃焼剤を吸入する少なくとも１つの吸気パイプと、
   アクチュエータを制御可能なエンジン制御装置と、
   ガス状燃焼剤の前記燃焼室内への吸入に関連する物理パラメータが弁閉止時における少なくとも以下のパラメータ、すなわち前記燃焼室内の圧力（Ｐ _ＩＶＣ ）、前記燃焼室内の温度（Ｔ _ＩＶＣ ）、および前記燃焼室内の燃焼したガス質量と全ガス質量との比（Ｘ _ＩＶＣ ）であって、前記物理パラメータとして適用される設定値（Ｐ^ｒｅｆ，Ｔ^ｒｅｆ，Ｘ^ｒｅｆ）と、燃料を前記燃焼室内に噴射すべきクランク角度の設定値θ^ｒｅｆ _ｉｎｊと、を求める手段と、
   を有する、燃焼したガスが再循環されるディーゼルエンジンにおいて、
   前記物理パラメータが該物理パラメータの設定値に到達する前に、前記物理パラメータの実際の値と前記物理パラメータの前記設定値（Ｐ^ｒｅｆ，Ｔ^ｒｅｆ，Ｘ^ｒｅｆ）との差を考慮して、前記設定値θ^ｒｅｆ _ｉｎｊを修正する手段を有し、前記エンジン制御装置は、燃焼を最適に維持するように、クランク角度が修正された前記設定値θ^ｒｅｆ _ｉｎｊに一致したときに前記燃焼室内に燃料を噴射するように前記燃料噴射装置を制御可能であることを特徴とする、ディーゼルエンジン。

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