JP5322839B2 - 燃焼タイミング制御を利用して圧縮点火エンジンの燃焼を制御する方法 - 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つまりＣＡＩ（Controlled Auto-Ignition：制御自己着火）エンジンのような圧縮点火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、燃焼気体および燃料の混合気の自己着火に基づいている。エンジンサイクルは、以下のように、いくつかの段階に分けられる（図１参照）。

吸気時において、吸気弁によって空気と燃焼気体との混合気が燃焼室内に導入される段階。空気はエンジンの外側から取り込まれる。燃焼気体は、排気マニフォールドから取り込まれ、吸気マニフォールドに送り返される（排気ガス再循環：ＥＧＲ）。この混合気は燃焼室を満たし、前回の燃焼から燃焼室内に残留している燃焼気体と混合する（内部ＥＧＲ）。

吸気弁が閉じ（ＩＶＣ：Intake Valve Closing）、ピストンが気体を圧縮する段階。

燃料噴射装置が所定量の燃料を噴射する段階。短い自己着火遅延期間の経過後、空気、燃焼気体および燃料の混合気が点火されて、ピストンを後方に駆動させる過圧が生じる。

ピストンが再び下に駆動されて、排気弁が開き、混合気が排気マニフォールドを通って排出される段階。排気弁が閉じた後、気体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って排出された気体は２つの部分に分けられる。一部は吸気部に向けて再循環されるが（ＥＧＲ）、残りは（排気部を通って）エンジンの外に排出される。

このようなエンジン制御の一目的は、騒音および汚染物質の排出を低減しつつ、運転者が要求するトルクを供給することである。そのため、さまざまな気体と燃料との割合の制御は、できるだけ細かく調整されなければならない。

圧縮点火エンジンの燃焼の制御を実行するため、エンジンに搭載された検出器によって燃焼媒体を測定する公知の方法がある。高精度な手段は、燃焼室内の圧力検出器を利用したものである。このような方法は、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 and B.Johansson,「Control of Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCl) Engine Dynamics（一様な充填圧縮点火（ＨＣＣＩ）エンジンの動力学の制御）」Proceeding of the 2004 American Control Conference, Boston, ６月３０日〜７月２日, ２００４年 K. Swan、M. Shahbakhti and C. R. Koch, "Predicting Start of Combustion Using a modified Knock Integral Method for an HCCI Engine（ＨＣＣＩエンジン用の修正ノック積分法を使用した燃焼の開始の予測）", Proc. Of SAE Conference, ２００６年 F. G. Chmela and G. C. Orthaber, "Rate of Heat Release Prediction for Direct Injection Diesel Engines Based on Purely Mixing Controlled Combustion（純粋な混合制御燃焼に基づく直噴ディーゼルエンジンの熱放出率の予測）", Proc. Of SAE Conference, １９９９年

しかし、検出器の相当なコストのために、標準的な乗り物において、上記のような検出器は使用されない。さらに、それらの検出器は、一般的に比較的速くドリフトする。

各静的な動作ポイント（速度およびトルク）において理想的な条件で実施されるように、気体と燃料との割合およびタイミングが各動作ポイントにおいて最適化される方法もある。このために、以下の主な２つのデータの組について最適な値を得るために、テストベンチでの測定が実施される。
・Ｘ_air＝（Ｍ_air，Ｍ_gb）で表される、燃焼室内で必要な空気の質量Ｍ_airと燃焼気体の質量Ｍ_gbとの組。
・Ｘ_fuel＝（Ｍ_f，θ_f）で表される、燃料が噴射されるときの、燃料の質量Ｍ_fとクランク角度θ_fとの組。

しかし、これらの条件は、過渡的状態では不十分である。実際には、ある動作ポイントから別の動作ポイントへの過渡的状態（乗り物の速度の変化または道路の形状の変化）において、エンジン制御は、雑音、汚染物質の排出および消費量を最小化しつつ所望のトルクを保証するように、エンジン内に存在する様々なアクチュエータを管理するべきである。これは、初期動作ポイントでのパラメータの値から最終動作ポイントでのパラメータの値への変化に置き換えられる（数１参照）。

ここで、エンジンには２つの時間のスケールがある。速い方のスケール（例えば５０Ｈｚ）は、燃焼現象全体（１エンジン周期）に相当している。このスケールで、燃焼を制御するために噴射条件（Ｘ_fuel）を変更することができる。これは燃料サイクルである（数１（ｂ）参照）。遅い方のスケール（例えば１Ｈｚ）は、エンジンマニフォールド内の気体の動力学（吸気、排気、燃焼ガス再循環）に相当している。この空気サイクル（Ｘ_air）の条件を、より速く変化させることはできない（数１（ａ）参照）。

そのため、上記の方法では、この動力学の差異のために、制御される変数（Ｘ_air、Ｘ_fuel）は同時にはそれらの設定値に達しない。したがって、トルク発生、消費量、汚染物質および雑音に関する目的は、静的状態では達成される（２つの動的サイクルがそれらの基準値において安定化する）。一方、過渡的状態において予防措置が取られなければ、一部のパラメータはほぼ瞬時に最終的な設定値に達するが、残りのパラメータは初めの設定値のままになり、エンジンが多くの汚染物質や雑音を生じさせ、場合によっては停止することがある。

さらに、シリンダ圧力の検出器が無い場合、上記の公知の方法では、過渡的状態において燃焼のタイミングを制御することができない。これは、図２および図３に示されているように、過渡的条件下においてエンジンの十分に適切な動作が保証されない。

本発明の目的は、従来技術の課題を解決し、特に過渡的条件下で圧縮点火エンジンの燃焼を制御する方法に関する。本方法は、一方では２つの動的サイクルを別個に制御することによって、他方ではクランク角度ＣＡ_yの制御により噴射角度の基準値を修正することによって、これを達成する。

本発明は、気体状酸化物の燃焼室内への吸入に関連する複数の物理パラメータの設定値と、燃料が燃焼室内に噴射されるときのクランク角度の設定値（θ_inj）_refとを、燃焼を最適化するように求めるステップを有し、エンジン制御システムは物理パラメータがその設定値に等しくなるようにアクチュエータを制御する、圧縮点火エンジンの燃焼を制御する方法である。本方法は、
ｙパーセントの燃料が燃焼中に消費されたときのクランク角度ＣＡ_yが、最適化された燃焼のための、クランク角度の基準値に等しくなるように、設定値（θ_inj）_refに対する修正値ｄθ_injを計算することによって、物理パラメータがそれらの設定値に達する前に設定値（θ_inj）_refを修正するステップと、
最適な燃焼を維持するように、クランク角度が修正された設定値（θ_inj）_refに等しくなったときに、エンジン制御システムが燃焼室内への燃料噴射を制御するステップと、を有する。

一実施態様によれば、修正値ｄθ_injは、複数の物理パラメータの実際の値と複数の物理パラメータの設定値との差分を考慮することと、自己着火現象をモデル化する第１のモデルおよびクランク角度ＣＡ_yの関数としてエネルギー放出をモデル化する第２のモデルを含む燃焼モデルを用いてクランク角度ＣＡ_yを制御することとによって求められる。それから、修正値ｄθ_injは、
物理パラメータの実際の値を求めるステップと、
物理パラメータの、実際の値と複数の設定値との差分を計算するステップと、
第１のモデルを線形化することによって第１の線形係数を計算するステップと、
第２のモデルを線形化し、クランク角度ＣＡ_yがその基準値に等しいことを考慮して第２の線形係数を計算するステップと、
係数が第１および第２の線形係数から定められる、複数の差分の線形結合によって、修正値ｄθ_injを計算するステップと、
によって求められる。

本態様によれば、複数の物理パラメータは、弁が閉じるときの、少なくとも以下のパラメータ、つまり燃焼室内の圧力（Ｐ_IVC）、燃焼室内の温度（Ｔ_IVC）、燃焼室内の燃焼気体の質量と全気体の質量との比（Ｘ_IVC）およびシリンダ内の気体の全質量（Ｍ_IVC）から選択可能である。

圧縮点火エンジンの燃焼サイクルのさまざまな段階を示す図である。 ３つの燃焼制御状況、つまり（安定化した状態で実施された）最適制御状況と、ＣＡ_y制御なしの過渡的状態での制御状況と、ＣＡ_y制御を有する過渡的状態での好適な制御状況とにおいて、クランク角度の関数として燃焼経過を示す図である。 図２に示された３つの状況に対して、クランク角度θの関数として３つのエネルギー放出曲線Ｑを示すグラフである。 燃焼噴射角度の修正値ｄθ_injの計算スキームを示す図である。

本発明の方法は、静的状態だけでなく過渡的状態においても圧縮点火エンジンの燃焼の進行を制御することを可能にする。本方法は、空気サイクル（遅いサイクル）および燃料サイクル（速いサイクル）における別個の独立した制御と、空気サイクルに整合するように燃料サイクルの動力学を適合させることと、を含んでいる。このようにして、本方法は、（運転者によるトルクの要求を通じて）要求され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。したがって、要求されたトルクが保証されるとともに、排気および雑音に対する影響が制限される。

本方法によれば、圧縮点火エンジンの燃焼の制御は、以下の４つの段階で実施される。

１−さまざまな物理パラメータに対する設定値の決定
ある動作ポイントから別の動作ポイントへの過渡的状態（乗り物の速度の変化または道路の形状の変化）の間では、エンジン制御は、雑音、汚染物質の排出および燃料消費を最小にしつつ所望のトルクを保証するように、エンジン内に存在する様々なアクチュエータを管理する。したがって、過渡的状態とは、初期動作ポイントでのパラメータＸ_airおよびＸ_fuelの値から最終動作ポイントでのパラメータの値への変化に置き換えられる（数２参照）。

これらの最終値（最終動作ポイントでのパラメータの値）は、燃焼を最適化、つまり雑音を最小にしつつ排出および消費を最小にするように最大の燃料を燃焼させるように定められる。ここで、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させている。

そのために知る必要があり、空気サイクルによって調整される重要な物理パラメータは、燃焼室内の気体の、圧力、温度および化学成分である。これらのパラメータは、それらの設定値に即座に達することが理想である。現実には、空気サイクルは遅いため、過渡的状態において、これらのパラメータＸ_airの、設定値と実際の値との間に誤差が生じる。その結果、シリンダ内に供給される気体の熱力学パラメータ（質量、圧力、温度および燃焼気体の割合）は、それらの設定値とは異なる。燃料サイクルは、以下のパラメータに対する誤差に合わせて制御される。
・Ｐ：燃焼室内の圧力。クランク角度θに依存する。
・Ｔ：燃焼室内の温度。クランク角度θに依存する。
・Ｘ：燃焼室内の、燃焼気体の質量と全気体の質量との割合（０〜１の範囲をとるパラメータ）。この割合は、サイクルを通して変化せず、そのため、吸気弁が閉じるときの燃焼気体の割合と等しい。
・Ｍ：シリンダ内に取り込まれている気体（空気および燃焼気体）の全質量。質量は保存されるので、このパラメータは一定である。

本方法においては、弁が閉じるとき（ＩＶＣ）のこれらのパラメータの値を区別する。
・Ｐ_IVC：弁が閉じるときの燃焼室内の圧力。
・Ｔ_IVC：弁が閉じるときの燃焼室内の温度。
・Ｘ_IVC：弁が閉じるときの燃焼室内の、燃焼気体の質量と全気体の質量との割合。
・Ｍ_IVC：シリンダ内の気体（空気および燃焼気体）の全質量。

これらの４つのパラメータの値は連続的に求められる。そのため、弁が閉じるとき（ＩＶＣ）のシリンダ内の気体の成分（Ｘ_IVC）および圧力（Ｐ_IVC）は、（検出器や推定器による）計測が可能な、吸気マニフォールド内の値と同じと仮定する。

Ｔ_IVCは、理想気体の状態方程式、

によって推定される。ここで、Ｒは理想気体定数（Ｒ＝２８７[JK^-1kg^-1]）であり、Ｍ_IVCは、流量計によって計測される、シリンダによって吸入された質量である。エンジンの燃焼室内への気体状酸化物の吸気に関連する上記の４つの物理パラメータに対して、設定値はそれぞれＰ_ref、Ｔ_ref、Ｘ_refおよびＭ_refと表される。

これらの設定値は、エンジンのテストベンチによって作成された設定値マップから得られる。これらのパラメータの設定値は、テストベンチにおいてマッピングされた最適な点（これらのパラメータが達するべき値）によって与えられる。これらの設定値は、燃焼を最適化するように定められる。

これらのパラメータの基準値（設定値）は、テストベンチにおいてマッピングされた最適な点（これらのパラメータが達するべき値）によって与えられる。
・Ｐ_refは弁が閉じるときの燃焼室内の基準圧力である（最適な基準点について得られる）。
・Ｔ_refは弁が閉じるときの燃焼室内の基準温度である（最適な基準点について得られる）。
・Ｘ_refは弁が閉じるときの、燃焼室内の燃焼気体の質量と全気体の質量との割合の基準値である（最適な基準点について得られる）。
・Ｍ_refはシリンダ内に入れられている気体の質量の基準値である（最適な基準点について得られる）。

これらのパラメータは、理想気体の状態方程式（ＰＶ＝ＭＲＴ）によって関連付けられている。簡単にするために、この方程式を直接説明はしないが、本方法に影響するものではない。

本発明によれば、燃料サイクルを適合させるために重要な燃料条件パラメータは、燃料が噴射されるときのクランク角度（噴射角度）であり、θ_injで表される。その設定値は、（θ_inj）_refと表される。この値も、エンジンのテストベンチにおいてマッピングされた最適な点によって得られる。この設定値は、設定値Ｐ_ref、Ｔ_ref、Ｘ_refおよびＭ_refに対応している。

２−空気サイクル制御（遅いサイクル）
一旦、設定値Ｐ_ref、Ｔ_ref、Ｘ_refおよびＭ_refが定まると、エンジン制御システムは、物理パラメータＰ_IVC、Ｔ_IVC、Ｘ_IVCおよびＭ_IVCの値がこれらの設定値（Ｐ_ref、Ｔ_ref、Ｘ_refおよびＭ_ref）に等しくなるように、アクチュエータを制御する。

４つのパラメータＰ_IVC、Ｔ_IVC、Ｘ_IVCおよびＭ_IVCが即座にそれらの設定値Ｐ_ref、Ｔ_ref，Ｘ_refおよびＭ_refに達することが理想的である。実際には、空気サイクルが遅いため、過渡的状態を通じて、これらのパラメータの、設定値と実際の値との間に誤差が生じる。そのために、噴射角度の設定値（θ_inj）_refを適合させる。

３−噴射角度の設定値（θ _inj ） _ref の修正
もし、空気サイクルの制御が完璧であれば、４つのパラメータＰ_IVC、Ｔ_IVC、Ｘ_IVCおよびＭ_IVCは即座にそれらの基準値Ｐ_ref、Ｔ_ref，Ｘ_ref、およびＭ_refに達するであろう。実際には、空気サイクルを望むほど速くできない。そのため、過渡的状態では、パラメータＰ_IVC、Ｔ_IVC、Ｘ_IVCおよびＭ_IVCはそれらの基準値とは異なる。そのため、弁が閉じるとき、シリンダの状態は、噴射条件がマッピングされている基準状態とは異なっている。

したがって、できるだけ基準となる燃焼に近い燃焼を維持するように燃料噴射角度を修正し、そのために、弁が閉じるときのこれらのパラメータの誤差（ｄＰ＝Ｐ_IVC−Ｐ_ref）、（ｄＴ＝Ｔ_IVC−Ｔ_ref）、（ｄＭ＝Ｍ_IVC−Ｍ_ref）および（ｄＸ＝Ｘ_IVC−Ｘ_ref）を考慮しなければならない。

本発明によれば、燃焼によってｙ％の燃料が消費されているときのクランク角度ＣＡ_yを制御することによって、燃焼タイミングが制御される。したがって、以降の説明では、ｙは０以上１００以下の任意の実数値をとる（ｙ＝０は燃焼開始制御時に相当する）。

これにより、角度ＣＡ_yがその基準値となるように（ｄＣＡ_y＝ＣＡ_y−（ＣＡ_y）_ref＝０）、新しく修正された噴射角度（θ_inj）_ref＋ｄθ_injを求める。そのため、以下のようにｄθ_injを求める（各状況については図２および図３を参照）。

誤差がない、つまりすべてのパラメータがそれらの基準値に達している場合（（ｄＰ，ｄＴ，ｄＭ，ｄＸ）＝（０，０，０，０））、正確に基準となる動作ポイントにあるため、ｄθ_inj＝０（状況（１））である。

パラメータがそれらの基準値に達していない場合（（ｄＰ，ｄＴ，ｄＭ，ｄＸ）≠（０，０，０，０））、自己着火遅延期間の長さおよび燃焼速度は、基準燃焼におけるときと同一ではない。したがって、燃焼過程全体の位相がずれており、角度ＣＡ_yはその基準値に達していない（状況（２））。

誤差（ｄＰ，ｄＴ，ｄＭ，ｄＸ）≠（０，０，０，０）を相殺するため、位相ＣＡ_yが同じになるように、噴射角度の角度補正値ｄθ_inj≠０を導入する。角度ＣＡ_yの補正は、燃焼開始角度をずらすことにもつながる。これにより、燃焼開始角度は、（θ_inj）_ref＋ｄθ_injとなる（状況（３））
図２は、上記の３つの状況において燃焼の経過を示している。各状況において、横軸はクランク角度θを示している。これらの横軸上には、噴射角度の設定値（θ_inj）_ref、燃焼角度の設定値（θ_soc）_ref、角度ＣＡ_y、燃焼角度の有効値（θ_soc）および噴射角度の有効値（θ_inj）が存在する。また、自動着火遅延は、（θ_inj）_refと（θ_soc）_refとの間の領域であって、燃焼は（θ_soc）_refから生じる。

図３は、前述した３つの状況（図２参照）において、クランク角度θの関数としてのエネルギー放出曲線Ｑを示している。

次に、燃焼系のモデル化を実施する。本発明によれば、このモデル化は、２つのモデルを有している。第１のモデルは自己着火現象をモデル化したものであり、第２のモデルはエネルギー放出をモデル化したものである。

ある特定の実施例によれば、以下に示すモデルを使用することができる。

［自己着火モデル］
始めに、「ノック積分（knock integral）」モデルを利用する。このモデルは非特許文献２に記述されている。

本明細書で提供された噴射角度コントローラ分析方法は、非特許文献２におけるＳｗａｎ等によるものと同じ積分の形式を有する任意の自己着火遅延モデルに適用可能であるということが重要である。

このモデルによれば、燃焼は、燃料噴射の直後には開始しない。ノック積分の形式でモデル化された自己着火遅延期間が存在する。ノック積分によって、パラメータＰ、Ｔ、Ｘおよびθ_injの値から燃焼開始角度θ_socを求めることができる（数４参照）。

ここで、

である。

Ａ、Ｃ₁、Ｃ₂、ｎおよびＴ_Aは、目盛を調整する固定された物理パラメータである。

Ｎ_eはエンジンの回転数である。一般に、エンジンの回転数は一定と考えられている（この仮定は、回転数の変動が、対象とする他のパラメータの変動よりもはるかに遅いことから妥当である）。

θはクランク角度である。

また、燃焼が始まる前、混合気は断熱圧縮された状態にあると考えられる。したがって、Ｐ（θ）およびＴ（θ）の情報をＰ_IVCおよびＴ_IVCの情報および燃焼室の体積Ｖ（θ）の情報に換算することが可能であり、燃焼室の体積の情報は既知である。さらに、燃焼気体の割合は、燃焼していない圧縮段階を通じて変化せず、Ｘ（θ）＝Ｘ_IVCとなる。したがって、ノック積分は、以下の積分に変換される。

ここで、ｆは下記付録３で定義される既知関数である。

［エネルギー放出モデル］
角度ＣＡ_yを介して、燃焼の開始だけではなく、燃焼の進行全体を制御するように、エネルギー放出モデルを考慮する必要がある。

Ｃｈｅｍｅｌａ等によるディーゼルエネルギー放出モデル（非特許文献３）を使用することができる。このモデルでは、ディーゼル燃焼に関するエネルギー放出が下記の微分方程式の形式で与えられる。

ここで、
Ｍ_fは噴射された燃料の全質量であり、
Ｑ_LHVは燃料内で利用可能な質量エネルギーであり、
Ｑは燃焼によって放出されるエネルギーであり、
Ｖ_cyl（θ）はシリンダの容積であり、
ｋ（θ）はシリンダ内の乱流運動エネルギー密度であり、下記付録４で与えられた微分方程式に合致しており、
Ｃ_modeおよびＣ_rateは定数であり、
Ｎ_eはエンジンの回転数である。

燃焼室内の再循環燃焼気体の存在を考慮するために、このモデルを修正する。そのため、以下のように、燃焼前に存在した燃焼気体の割合Ｘ_IVCの関数からなる項を追加する。

ここで、ｈは既知の微分可能な関数である。

本分析方法は、関数ｈの形に依らないことに注意することが重要である。通常用いられる関数は、ｈ（Ｘ_IVC）＝（１−Ｘ_IVC）βである。ここで、βは定数である。

表１に、数８におけるパラメータの設定例が示されている。

以下のことを考慮する。

燃焼開始前に、燃料質量の全体が噴射される。したがって、微分方程式（数８）におけるパラメータＭ_fは、噴射された燃料の全質量に等しい定数となる。

また、クランク角度θ、質量Ｍ_IVC，Ｍ_fおよび燃料噴射角度θ_injの関数として、下記数９のような乱流運動エネルギー密度の式が得られる（下記付録４を参照）。

ここで、Ｃ_dissは定数であり、ｋ₀（Ｍ_f，Ｎ_e）は（噴射システムの技術的特徴によって与えられる）燃料流量プロフィールの形状によって設定される既知の関数である。

これらの考慮により、上記の数８を、反応によって消費される燃料質量の割合（ｘ∈[０、１]）と角度ＣＡ_yとを関連づける式、

に変換することができる（下記付録５を参照）。

［噴射角度の設定値（θ_inj）_refに対する修正値の予測］
修正値の計算は、上記の２つのモデル（自己着火モデルおよびエネルギー放出モデル）に適用される２つの同一の段階において実施される。これらのモデルは、差分ｄＰ、ｄＴ、ｄＭ、ｄＸ、ｄθ_injおよびｄθ_socを導入することによって、それらの基準値の周りのＰ_IVC、Ｔ_IVC、Ｍ_IVC、Ｘ_IVC、θ_injおよびθ_socにおいて線形化される。したがって、空気サイクルの誤差ｄＰ、ｄＴ、ｄＭ、ｄＸに応じてｄθ_injを求めることができる２つの方程式が得られる。

［第１の段階］
ノック積分を線形化することによって、修正値ｄθ_injが燃焼開始角度の差分ｄθ_socに関連付けられる（次のような小さい摂動、ｄθ_inj＜＜θ_inj、ｄＰ＜＜Ｐ_ref、ｄＴ＜＜Ｔ_refおよびｄＸ＜＜Ｘ_refを仮定する）。

値（Ｐ_ref，Ｔ_ref，Ｘ_ref，（θ_inj）_ref，（θ_soc）_ref）の付近で線形化された（Ｐ_IVC、Ｔ_IVC、Ｘ_IVC、θ_inj，θ_soc）に関する方程式として自己着火遅延方程式、

を考慮する。すると、以下のような関係式が得られる。

線形係数α_inj、α_p、α_Tおよびα_xは、燃焼開始のずれｄθ_socに対して、それぞれ、誤差ｄＰ、ｄＴ、ｄＸおよびｄθ_injの影響を表している。これらの線形係数の表式は下記付録１で与えられる。

［第２段階］
同様に、上記の数１０を、（Ｍ_IVC、Ｘ_IVC、θ_inj、θ_soc）における陰関数と考える。方程式は、（Ｐ_ref、Ｔ_ref、Ｍ_ref、Ｘ_ref、（θ_inj）_ref、（θ_soc）_ref）の付近で線形化されており、それによって差分（ｄＭ，ｄＸ，ｄθ_inj，ｄθ_soc）を導入が可能である（したがって以下の小さい摂動を仮定する。ｄθ_inj＜＜θ_inj、ｄＰｉ＜＜Ｐ_ref、ｄＴ＜＜Ｔ_ref、ｄＸ＜＜Ｘ_refおよびｄθ_soc＜＜θ_soc）。その結果、以下の関係式が得られる。

本発明によれば、噴射角度は、角度ＣＡ_yの制御によって修正される。このことは、（ｄＣＡ_y＝ＣＡ_y−（ＣＡ_y）_ref＝０）という条件（角度ＣＡ_yがその基準値となる条件）に置き換えられる。

そして、以下の関係式が用いられる。

線形係数β_inj、β_M、β_X、β_socは、燃焼中に同じ角度ＣＡ_yを維持するための、誤差ｄＭ、ｄＸの影響およびずれｄθ_soc、ｄθ_injの影響を表している。これらの表式は、下記の付録２で与えられる。これらの表式は、角度ＣＡ_yの基準値、つまり（ＣＡ_y）_refに関連している。この値を求めるには、マッピングを用いるか、基準値Ｐ_ref、Ｔ_ref、Ｍ_ref、Ｘ_refおよび（θ_inj）_refが用いられた自己着火モデルおよびエネルギー放出モデルを使用するかのいずれかによって可能である。自己着火モデルによって、（θ_soc）_refを得ることが可能であり、自己着火モデルによって（ＣＡ_y）_refを求めることができる。

上記の数１２および数１４によって、以下の関係式が得られる。

ここで、各係数は下記式で表わされる。

４−燃料サイクルの適用（速いサイクル）
エンジン制御システムは、最適な燃焼を維持するように、クランク角度が修正された設定値（θ_inj）_ref＋ｄθ_injに等しくなったときに、燃焼室内の燃料噴射システムを駆動する。

本方法の１つの重要な点は、空気サイクルの誤差が、既知であり、計算可能な複数のパラメータ（κ_P，κ_T，κ_X，κ_M）を介して、燃料サイクルに適用される修正値に直接関連付けられることである（関数ｆ、ｋと、基準値Ｐ_ref、Ｔ_ref、Ｘ_refおよびＭ_refと、特定数の既知の定数と、にのみ依存している）。

前回の噴射における修正値を噴射角度に適用することによって、角度ＣＡ_yがその基準値になることを保証することができる（線形係数β_inj，β_M，β_X，β_socの選択）。

空気サイクルは、少しずつ、誤差ｄＰ，ｄＴ，ｄＭおよびｄＸをゼロに近づけていき、安定化した静的状態で修正値は零となる。制御方法が図４に模式的に示されている。この図は、燃焼噴射角度の修正値ｄθ_injの計算スキームを示している。Ｐ_IVC、Ｔ_IVC、Ｍ_IVCおよびＸ_IVCの実際の値を推測し、設定値Ｐ_ref、Ｔ_ref、Ｘ_ref、Ｍ_refおよび（θ_inj）_refを定めた後、差分ｄＰ、ｄＴ、ｄＭおよびｄＸを計算する。それから、選択した２つの燃焼モデルに従って、線形係数κ_P，κ_T，κ_X，κ_Mを計算する。最後に、修正値ｄθ_injを、

によって計算する。

［付録１］線形係数の表式：（α_inj，α_p，α_T，α_x）
以下の式が得られる。

ここで、各線形係数は、

となる。

［付録２］線形係数の表式：（β_inj，β_M，β_X，β_soc）
以下の式が得られる。

ここで、各線形係数は、

となる。

［付録３］ノック積分
燃焼は、燃料噴射の直後には開始しない。ノック積分の形式でモデル化された自己着火遅延期間が存在する。下式で表わされるノック積分は、噴射角度と燃焼開始角度との関係を暗示している。

ここで、

であり、θはクランク角度であり、Ａ、Ｃ₁、Ｃ₂、ｎおよびＴ_Aは、モデルの、固定された既知のパラメータであり、Ｎ_eはエンジンの回転数である。

数２３におけるパラメータの設定例が表２に記載されている。

混合気が理想気体であり、断熱圧縮することを考慮すると、燃焼開始前において以下の関係が得られる。

ここで、下記式、

は、既知の体積関数であり、
Ｖ_IFCは弁が閉じるときの燃焼室の体積であり、
Ｖ（θ）はクランク角度の関数としての燃焼室の体積であり、
γ（Ｘ）は断熱圧縮のパラメータであり、化学成分Ｘに依存しており、
Ｘは化学成分を表し、シリンダ内では変化せず、吸気弁が閉じたときの成分に等しい（Ｘ＝Ｘ_IVC）。

なお、数式中の「ｃｓｔｅ」は、定数であることを示している。

これにより、最終的に以下の一般式が得られる。

ここで、

である。

［付録４］乱流運動エネルギー密度の計算
一般的に、直噴ディーゼル燃焼では、乱流運動エネルギーは主に燃料噴射による（９５％程度）と考えられる。したがって、乱流エネルギー密度ｋの変化は、以下のような微分方程式によって定まる。

ここで、
Ｃ_D（Ｎ_e）はエンジンの回転数に依存する関数であり（そのため一定と考えられる）、
Ｃ_turbは定数であり、
Ｄ_carbは瞬間的な燃料流量であり、（燃料流量の期間およびプロフィールを定める）噴射された質量に依存する。さらに、噴射が時間的にずれると、このプロフィールもずれる。そのため燃料流量は、現在の時刻（クランク角度θ）と噴射時刻（クランク角度θ_inj）との間のインターバルおよびＭ_fにのみ依存し、次のような式で与えられる。

上式におけるパラメータの設定例が表３に記載されている。

上記の一次微分方程式は定数変化法によって積分され、下記式が導かれる。

ここで、

である。

数３１における積分は、噴射期間のみにおいて零ではない被積分関数を有している（それ以外では燃料流量は零である）。噴射時間をΔθ_injと表す場合、以下が得られる。

燃焼中における、乱流運動エネルギー密度ｋの表式について考える（ｋはエネルギー放出の表式にのみ現れる）。ここで、噴射は、燃焼が開始するときに完了すると仮定している。これにより、下記数式

が得られる。

したがって、燃焼中に、ｋ₀は、燃料の噴射のされかた（Ｄ_carbのプロフィール）に依存するが、θ_injまたはθには直接依存しない。これにより、下記式

が得られる。ここで、

となる。

［付録５］エネルギー放出
燃焼中に、以下の法則に従ってエネルギーが放出される。

上式におけるパラメータの設定例が表４に記載されている。

消費された燃料質量の割合をｘで表すと、放出されたエネルギーＱ、燃料に含まれている全化学エネルギーＭ_fＱ_LHVおよびｘを関連付ける以下のような通常の関係が得られる。

最後に、数３７の式を数３６の式に代入することによって、以下の関係式が得られる。

ＣＡ_yはｙ％の燃料が消費されているときのクランク角度である。したがって、ｘ＝ｙ／１００に相当する。数３８の方程式の両辺を別個に積分して、以下の数式のような、ＣＡ_yと燃焼開始θ_socとの関係が得られる。

Claims (3)

1. 気体状酸化剤の燃焼室内への吸入に関連する複数の物理パラメータの設定値と、燃料が前記燃焼室内に噴射されるときのクランク角度の設定値（θ_ｉｎｊ）_ｒｅｆとを、燃焼を最適化するように求めるステップを有し、エンジン制御システムは前記物理パラメータが前記物理パラメータの設定値に等しくなるようにアクチュエータを制御する、圧縮点火エンジンの燃焼を制御する方法において、
   ｙパーセントの燃料が燃焼中に消費されたときのクランク角度ＣＡ_ｙが、最適化された燃焼のための、クランク角度の基準値に等しくなるように、前記設定値（θ_ｉｎｊ）_ｒｅｆに対する修正値ｄθ_ｉｎｊを計算することによって、前記物理パラメータが前記物理パラメータの設定値に達する前に前記設定値（θ_ｉｎｊ）_ｒｅｆを修正するステップと、
   最適な燃焼を維持するように、前記クランク角度が、修正された設定値（θ_ｉｎｊ）_ｒｅｆに等しくなったときに、前記エンジン制御システムが前記燃焼室内への燃料噴射を制御するステップと、を有し、
   前記修正値ｄθ _ｉｎｊ は、
   前記複数の物理パラメータの、実際の値と設定値との間の差分を考慮することと、
   自己着火現象をモデル化する第１のモデルと、クランク角度ＣＡ _ｙ の関数としてエネルギー放出をモデル化する第２のモデルと、を含む燃焼モデルを用いて、前記クランク角度ＣＡ _ｙ を制御することと、
   によって求められることを特徴とする方法。
2. 前記修正値ｄθ_ｉｎｊは、
   前記複数の物理パラメータの実際の値を求めるステップと、
   前記複数の物理パラメータの、実際の値と設定値との間の複数の差分を計算するステップと、
   前記第１のモデルを線形化して第１の線形係数を計算するステップと、
   前記第２のモデルを線形化することと、クランク角度ＣＡ_ｙが該クランク角度の基準値に等しいことを考慮して、第２の線形係数を計算するステップと、
   係数が前記第１および第２の線形係数から定められる、前記複数の差分の線形結合によって、前記修正値ｄθ_ｉｎｊを計算するステップと、
   を利用して求められる、請求項１に記載の方法。
3. 前記複数の物理パラメータは、弁が閉じたときの、少なくとも前記燃焼室内の圧力（Ｐ_ＩＶＣ）、前記燃焼室内の温度（Ｔ_ＩＶＣ）、前記燃焼室内の、燃焼気体の質量と全気体の質量との比（Ｘ_ＩＶＣ）およびシリンダ内の気体の全質量（Ｍ_ＩＶＣ）から選択可能である、請求項１または２に記載の方法。

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