JP5585670B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

従来、燃料噴射弁から燃料が噴射されてから燃料が着火するまでの時間である着火遅れ時間を算出する技術が知られている。例えば特許文献１には、基本燃料噴射時期において燃料が噴射された場合の着火遅れ時間を基本燃料噴射時期における筒内温度および筒内圧力に基づいて算出する技術が開示されている。

特開２００８−１０１５９１号公報

ところで、着火遅れ時間は燃料のセタン価に応じて変化すると考えられるが、特許文献１に係る技術では、着火遅れ時間の算出に用いられるパラメータにセタン価が用いられていないため、セタン価に応じた着火遅れ時間を精度よく算出できるとは必ずしもいえなかった。

本発明は、セタン価に応じた着火遅れ時間を精度よく算出することができる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

本発明に係る内燃機関の制御装置は、燃料のセタン価に基づいて、内燃機関の気筒内における燃料の着火に必要なエネルギである着火エネルギを算出する着火エネルギ算出部と、燃料が前記気筒内に噴射されてから前記気筒内に付与された熱エネルギを積算した値である筒内エネルギの積算値を算出する筒内エネルギ積算値算出部と、燃料が前記気筒内に噴射されてから前記筒内エネルギの積算値が前記着火エネルギ以上になるまでに要する時間を、着火遅れ時間として算出する着火遅れ時間算出部と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る内燃機関の制御装置によれば、燃料が気筒内に噴射されてから筒内エネルギの積算値がセタン価に基づいて算出された着火エネルギ以上になるまでに要する時間を着火遅れ時間として算出することができる。それにより、セタン価に応じた着火遅れ時間を精度よく算出することができる。

上記構成は、前記着火遅れ時間算出部によって算出された前記着火遅れ時間に基づいて、燃料の噴射時期を制御する制御部を備えていてもよい。

この構成によれば、セタン価に応じた着火遅れ時間に基づいて燃料の噴射時期を制御することができる。それにより、内燃機関の燃料として当初想定していたセタン価とは異なるセタン価の燃料が用いられた場合であっても、燃費やエミッション等の燃焼状態が悪化することを抑制することができる。

本発明によれば、セタン価に応じた着火遅れ時間を精度よく算出することができる内燃機関の制御装置を提供することができる。

図１は制御装置が適用される内燃機関の一例を示す模式図である。 図２は制御装置が着火遅れ時間算出制御を実行する際のフローチャートの一例を示す図である。 図３（ａ）は着火エネルギをセタン価に関連付けて規定したマップの一例を示す模式図である。図３（ｂ）は着火遅れ時間の算出手法を視覚的に説明するための模式図である。

以下、本発明を実施するための形態を説明する。

本発明の実施例に係る内燃機関の制御装置（以下、制御装置１００と称する）について説明する。まず、制御装置１００が適用される内燃機関の構成の一例について説明し、次いで制御装置１００の詳細について説明する。図１は、制御装置１００が適用される内燃機関５の一例を示す模式図である。図１に示す内燃機関５は車両に搭載されている。本実施例においては内燃機関５の一例として、圧縮着火式内燃機関、具体的にはディーゼル機関を用いる。内燃機関５は、機関本体１０と、吸気通路２０と、排気通路２１と、スロットル２２と、燃料噴射弁３０と、コモンレール４０と、ポンプ４１と、ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）通路５０と、ＥＧＲバルブ５１と、過給機６０と、インタークーラ７０と、エアフロセンサ８０と、温度センサ８１と、筒内圧センサ８２と、燃料性状センサ８３と、制御装置１００とを備えている。

機関本体１０は、気筒１１が形成されたシリンダブロックと、シリンダブロックの上部に配置されたシリンダヘッドと、気筒１１に配置されたピストンとを有している。本実施例において、気筒１１の数は複数（具体的には４つ）である。吸気通路２０は下流側が分岐して各々の気筒１１に接続している。吸気通路２０のうち上流側の端部からは新気が流入する。排気通路２１は上流側が分岐して各々の気筒１１に接続している。スロットル２２は吸気通路２０に配置されている。スロットル２２は制御装置１００からの指示を受けて開閉することで、気筒１１に導入される空気量を調整する。

燃料噴射弁３０、コモンレール４０およびポンプ４１は、配管によって連通されている。車両に搭載された燃料タンク４２に貯留された燃料（本実施例では燃料として軽油を用いる）は、ポンプ４１によって圧送されてコモンレール４０に供給され、コモンレール４０において高圧になった後に燃料噴射弁３０に供給される。本実施例に係る燃料噴射弁３０は、各々の気筒１１に燃料を直接噴射するように機関本体１０に複数配置されている。

ＥＧＲ通路５０は、気筒１１から排出された排気の一部を気筒１１に再循環させる通路である。これ以降、気筒１１に導入される排気をＥＧＲガスと称する場合がある。本実施例に係るＥＧＲ通路５０は、吸気通路２０の通路途中と排気通路２１の通路途中とを接続している。ＥＧＲバルブ５１はＥＧＲ通路５０に配置されている。ＥＧＲバルブ５１は、制御装置１００からの指示を受けて開閉することでＥＧＲガスの量を調整している。

過給機６０は内燃機関５に吸入される空気を圧縮する装置である。過給機６０は、排気通路２１に配置されたタービン６１と、吸気通路２０に配置されたコンプレッサ６２とを備えている。タービン６１およびコンプレッサ６２は連結部材によって連結されている。タービン６１が排気通路２１を通過する排気からの力を受けて回転した場合、タービン６１に連結されたコンプレッサ６２も回転する。コンプレッサ６２が回転することで、吸気通路２０の空気は圧縮される。それにより、気筒１１に流入する空気は過給される。インタークーラ７０は、吸気通路２０のコンプレッサ６２よりも下流側且つスロットル２２よりも上流側に配置されている。インタークーラ７０には冷媒が導入される。インタークーラ７０は、インタークーラ７０に導入された冷媒によって吸気通路２０の空気を冷却している。なお、インタークーラ７０に導入される冷媒の流量は制御装置１００が制御している。

エアフロセンサ８０は吸気通路２０の空気量（ｇ／ｓ）を検出するセンサである。エアフロセンサ８０は検出結果を制御装置１００に伝える。なお本実施例に係るエアフロセンサ８０は、吸気通路２０のコンプレッサ６２よりも上流側に配置されているが、エアフロセンサ８０の配置箇所はこれに限定されるものではない。温度センサ８１は吸気通路２０の空気の温度を検出するセンサである。温度センサ８１は検出結果を制御装置１００に伝える。本実施例に係る温度センサ８１は吸気通路２０のスロットル２２よりも下流側の部位に配置されているが、温度センサ８１の配置箇所はこれに限定されるものではない。筒内圧センサ８２は、気筒１１内の圧力である筒内圧を検出するセンサである。筒内圧センサ８２は検出結果を制御装置１００に伝える。本実施例に係る筒内圧センサ８２は機関本体１０に配置されている。燃料性状センサ８３は燃料の性状を検出するセンサである。燃料性状センサ８３は検出結果を制御装置１００に伝える。本実施例に係る燃料性状センサ８３は燃料タンク４２に配置されて、燃料タンク４２の燃料の性状を検出しているが、燃料性状センサ８３の配置箇所はこれに限定されるものではない。なお内燃機関５は、これらのセンサ以外にも、クランクポジションセンサ等、種々のセンサを備えている。

制御装置１００は内燃機関５を制御する装置である。本実施例に係る制御装置１００は、内燃機関５のスロットル２２、燃料噴射弁３０、ポンプ４１、ＥＧＲバルブ５１およびインタークーラ７０を制御している。また制御装置１００は、燃料の着火遅れ時間を算出し、算出された着火遅れ時間に基づいて燃料の噴射時期を制御する（以下、この制御処理を着火遅れ時間算出制御と称する）。本実施例においては、制御装置１００の一例として、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）１０１、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）１０２およびＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）１０３を備える電子制御装置（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ：ＥＣＵ）を用いる。なお、後述する各フローチャートの各ステップはＣＰＵ１０１が実行する。またＲＯＭ１０２およびＲＡＭ１０３は、ＣＰＵ１０１の動作に必要な情報を記憶する記憶部としての機能を有している。

続いて制御装置１００の着火遅れ時間算出制御の詳細についてフローチャートを用いて説明する。図２は、制御装置１００が着火遅れ時間算出制御を実行する際のフローチャートの一例を示す図である。制御装置１００は、図２のフローチャートを所定周期で繰り返し実行する。まず制御装置１００は、燃料のセタン価（ＣＮ）を取得する（ステップＳ１０）。ここで、セタン価とは、着火性を示す指標をいい、その値が大きくなるほど燃料は着火し易くなり、その値が小さくなるほど燃料は着火し難くなる。本実施例に係る制御装置１００は、燃料性状センサ８３の検出結果に基づいてセタン価を取得する。なお燃料性状センサ８３の検出結果からセタン価を取得する具体的な手法は、公知の手法を適用することができるため、詳細な説明は省略する。

なお制御装置１００によるセタン価の具体的な取得手法は、上述した手法に限定されるものではない。他の例を挙げると、セタン価が低いほど内燃機関５に失火が生じ易い傾向があるため、セタン価が低いほど所定期間中の失火の回数（つまり失火の頻度）は多くなる。そこで制御装置１００は、所定期間中の失火の回数を公知の手法を用いて検出し、この検出結果に基づいてセタン価を取得することもできる。

ステップＳ１０の後に制御装置１００は、ステップＳ１０で取得したセタン価に基づいて着火エネルギ（Ｅｉ）を算出する（ステップＳ２０）。着火エネルギとは、気筒１１内における燃料の着火（具体的には圧縮着火）に必要なエネルギをいい、より詳しくは、燃料噴射弁３０から燃料が気筒１１内に噴射されてから噴射された燃料が着火するまでの期間における気筒１１内の空気に付与されることが必要な熱エネルギをいう。

具体的には本実施例に係るステップＳ２０は次のように実行される。図３（ａ）は、着火エネルギをセタン価に関連付けて規定したマップの一例を示す模式図である。図３（ａ）に図示されている曲線は着火エネルギ（Ｅｉ）を示しており、セタン価（ＣＮ）が高くなるほど低い値を採る。すなわち図３（ａ）のマップは、セタン価が高くなるほど着火エネルギが低くなるように着火エネルギをセタン価に関連付けて規定したマップとなっている。図３（ａ）のマップは実験、シミュレーション等によって予め求めておき、記憶部に記憶させておく。ステップＳ２０において制御装置１００は、ステップＳ１０で取得されたセタン価に対応した着火エネルギを図３（ａ）のマップから抽出し、抽出された着火エネルギを記憶部に一時的に記憶することで、セタン価に基づいて着火エネルギを取得している。図３（ａ）のマップの使用例を挙げると、例えばステップＳ１０で取得されたセタン価がＡの場合、制御装置１００は着火エネルギとしてＢの値を取得する。なお、ステップＳ２０に係る着火エネルギの具体的な取得手法は、このようなマップに基づいて取得する手法に限定されるものではなく、例えば制御装置１００は、所定の演算式に基づいて着火エネルギを算出することもできる。

ステップＳ２０の後に制御装置１００は、筒内エネルギの積算値である筒内エネルギ積算値（Ｅａ）を算出する（ステップＳ３０）。筒内エネルギ積算値とは、燃料が気筒１１内に噴射されてからの気筒１１内（つまり筒内）に付与されたエネルギ（つまり筒内エネルギ）の積算値をいう。理解を容易にするために別の表現でこれを説明すると、筒内エネルギ積算値とは、気筒１１内への燃料噴射開始時点からの筒内に付与されたエネルギ（筒内エネルギ）の積算値をいい、より具体的には、気筒１１内への燃料噴射開始時点を積算の起算点として、気筒１１内の空気、燃料および混合気（燃料＋空気）に付与された熱エネルギを積算したものをいう。

ステップＳ３０の具体的な実行手法は、筒内エネルギ積算値を算出できるものであれば特に限定されるものではないが、本実施例に係る制御装置１００は一例として次の手法によって筒内エネルギ積算値を算出する。具体的には本実施例に係る制御装置１００は、筒内圧（気筒１１内の圧力）と筒内温度（気筒１１内の温度）とに基づいて筒内エネルギ積算値を算出する。より具体的には制御装置１００は、以下に示す数１（これはＬｉｖｅｎｇｏｏｄ−Ｗｕの式として知られている）に基づいて筒内エネルギ積算値（Ｅａ）を算出する。数１に係るＬｉｖｅｎｇｏｏｄ−Ｗｕの式は、筒内エネルギ積算値を筒内圧および筒内温度に基づいて算出する演算式であり、制御装置１００の記憶部が予め記憶しておく。

数１において、τ０は燃料が気筒１１内に噴射された時間であり、これは燃料噴射弁３０が燃料を噴射した時間である。なお、これは後述するが、本実施例に係る制御装置１００は、ステップＳ４０で着火が生じたと判定されるまでステップＳ３０を実行する。そのため、本実施例においてτ１は、ステップＳ４０で着火が生じたと判定された時間となる。したがって、本実施例に係る筒内エネルギ積算値（Ｅａ）は、燃料が気筒１１内に噴射されてから着火が生じたと判定されるまでの間の筒内エネルギの積算値ということもできる。

また数１において、Ｐは筒内圧であり、Ｔは筒内温度である。本実施例に係る制御装置１００は、筒内圧を筒内圧センサ８２の検出結果に基づいて取得する。但し筒内圧の具体的な取得手法はこれに限定されるものではなく、例えば制御装置１００は、筒内圧を筒内圧と相関を有する指標に基づいて取得してもよい。また本実施例に係る制御装置１００は、筒内温度を、筒内温度と相関を有する指標に基づいて取得する。この指標の一例として、制御装置１００は吸気通路２０の空気の温度（空気温）および内燃機関５の負荷を用いている。なお空気温が高いほど筒内温度は高くなり、負荷が高いほど筒内温度も高くなる。この場合、制御装置１００の記憶部には、筒内温度が空気温および負荷（本実施例では負荷の一例として回転数を用いる）に関連付けて規定されたマップが記憶されている。制御装置１００は、温度センサ８１の検出結果に基づいて吸気通路２０の空気温を取得し、クランクポジションセンサの検出結果に基づいて内燃機関５の回転数を取得する。制御装置１００は、取得された空気温および回転数に基づいて記憶部のマップから筒内温度を抽出し、抽出された筒内温度を数１の筒内温度（Ｔ）として用いる。

但し制御装置１００による筒内温度の取得手法は上記手法に限定されるものではない。他の例を挙げると、例えば筒内圧と筒内温度とは相関を有しているため、制御装置１００は、筒内圧センサ８２の検出した筒内圧に基づいて筒内温度を取得することもできる。また、仮に内燃機関５が筒内温度を直接検出できる温度センサを備えている場合、制御装置１００はこの温度センサの検出結果に基づいて筒内温度を取得することもできる。

また数１において、ａ、ｂおよびｎは所定の定数である。本実施例においては、数１のａ、ｂおよびｎとして、所定のセタン価を有する燃料に対応するａ、ｂおよびｎの値を用いる。具体的には本実施例では、所定のセタン価の一例として、燃料の一般的なセタン価である５３を用いる。そしてセタン価が５３の燃料が用いられた場合に数１を満たすようなａ、ｂおよびｎを予め求めておき、このａ、ｂおよびｎの値を数１のａ、ｂおよびｎとして用いる。このように本実施例に係る制御装置１００は、数１のａ、ｂおよびｎとして、セタン価に応じて異なる値を用いるのではなく、所定のセタン価（具体的には燃料の一般的なセタン価である５３）の燃料に対応するａ、ｂおよびｎの値（定数）を用いている。

ステップＳ３０の後に制御装置１００は、ステップＳ３０で取得された筒内エネルギ積算値（Ｅａ）がステップＳ２０で取得された着火エネルギ（Ｅｉ）以上であるか否かを判定する（ステップＳ４０）。また制御装置１００は、筒内エネルギ積算値（Ｅａ）が着火エネルギ（Ｅｉ）以上であると判定した場合（Ｙｅｓの場合）、気筒１１内の燃料が着火した（すなわち、着火が生じた）と判定する。制御装置１００は、筒内エネルギ積算値（Ｅａ）が着火エネルギ（Ｅｉ）以上であると判定しなかった場合（Ｎｏの場合）、着火が生じなかったと判定する。また制御装置１００はステップＳ４０でＮｏと判定した場合、ステップＳ３０を実行し、次いでステップＳ４０を実行する。その結果、本実施例に係る制御装置１００は、ステップＳ４０でＹｅｓと判定されるまで、ステップＳ３０に係る数１の演算を繰り返し実行する。

ステップＳ４０でＹｅｓと判定された場合、制御装置１００は着火遅れ時間を算出する（ステップＳ５０）。本実施例に係る制御装置１００は、燃料噴射弁３０から燃料が気筒１１内に噴射されてから、ステップＳ３０で取得された筒内エネルギ積算値（Ｅａ）がステップＳ２０で取得された着火エネルギ（Ｅｉ）以上になるまでに要する時間を着火遅れ時間として算出する。具体的には本実施例に係る制御装置１００は、燃料噴射弁３０から燃料が噴射されてからステップＳ４０の判定処理がＹｅｓと判定されるまでに要する時間を取得し、この取得された時間を着火遅れ時間として取得する。

ステップＳ５０を図を用いて説明すると次のようになる。図３（ｂ）は着火遅れ時間の算出手法を視覚的に説明するための模式図である。図３（ｂ）の縦軸は筒内エネルギ積算値（Ｅａ）を示し、横軸は噴射開始からの経過時間を示している。図３（ｂ）に図示されている斜めの直線は、筒内エネルギ積算値の時間変化を示す直線であり、横軸で右に行く程上昇している。ここで、噴射開始からの経過時間がＣになった時点において筒内エネルギ積算値（Ｅａ）が着火エネルギ（Ｅｉ）以上になったとする。この場合、時間ＣにおいてステップＳ４０がＹｅｓと判定され且つ着火が生じたと判定されることになる。この場合、制御装置１００はステップＳ５０において、時間Ｃを着火遅れ時間として算出することになる。

図２を参照して、ステップＳ５０の後に制御装置１００は、ステップＳ５０で算出された着火遅れ時間に基づいて燃料の噴射時期を制御する（ステップＳ６０）。具体的には制御装置１００は、ステップＳ５０で算出された着火遅れ時間に応じて、燃費やエミッション等の内燃機関５の燃焼状態を示す指標が適切な値となるように燃料の噴射時期を補正している。より具体的には、制御装置１００の記憶部には基準となる着火遅れ時間（以下、基準着火遅れ時間と称する）が予め記憶されている。ステップＳ６０において制御装置１００は、ステップＳ５０で算出された着火遅れ時間と基準着火遅れ時間との差が大きいほど（つまりステップＳ５０で算出された着火遅れ時間が予め設定された基準着火遅れ時間よりも長いほど）、燃料の噴射時期を早い時期に変更している。但しステップＳ６０の具体的な制御内容は、ステップＳ５０で算出された着火遅れ時間に応じて燃費やエミッション等が適正化できるものであれば、これに限定されるものではない。ステップＳ６０の後に制御装置１００は、フローチャートの実行を終了する。

なおステップＳ１０を実行する制御装置１００のＣＰＵ１０１は、内燃機関５に使用される燃料のセタン価を取得するセタン価取得部としての機能を有している。ステップＳ２０を実行するＣＰＵ１０１は、セタン価に基づいて着火エネルギを算出する着火エネルギ算出部としての機能を有している。ステップＳ３０を実行するＣＰＵ１０１は、筒内エネルギ積算値を算出する筒内エネルギ積算値算出部としての機能を有している。ステップＳ４０を実行するＣＰＵ１０１は、筒内エネルギ積算値算出部によって算出された筒内エネルギ積算値が着火エネルギ算出部によって算出された着火エネルギ以上であるか否かを判定する判定部としての機能を有するとともに、この判定結果に基づいて着火が生じたか否かを判定する着火判定部としての機能も有している。ステップＳ５０を実行するＣＰＵ１０１は、燃料が気筒１１内に噴射されてから筒内エネルギ積算値が着火エネルギ以上になるまでに要する時間を着火遅れ時間として算出する着火遅れ時間算出部としての機能を有している。ステップＳ６０を実行するＣＰＵ１０１は、着火遅れ時間算出部によって算出された着火遅れ時間に基づいて燃料の噴射時期を制御する制御部としての機能を有している。

以上説明したように、本実施例に係る制御装置１００によれば、燃料が気筒１１内に噴射されてから筒内エネルギ積算値がセタン価に基づいて算出された着火エネルギ以上になるまでに要する時間を着火遅れ時間として算出することができる。それにより、セタン価に応じた着火遅れ時間を精度よく算出することができる。

なお、燃料の着火遅れ時間は、例えば内燃機関５に使用されている燃料の粘性等の物理特性および燃料の組成割合等の化学組成を分析器を用いて分析し、この分析結果に基づいて算出することも可能ではある。しかしながら、車両にこのような分析器を搭載して、燃料を給油する毎に分析器によって着火遅れ時間を算出することは容易とはいえない。これに対して本実施例に係る制御装置１００によれば、電子制御装置（ＥＣＵ）によってセタン価に応じた着火遅れ時間を算出できることから、内燃機関５および車両への搭載性は良好である。このように本実施例に係る制御装置１００は、内燃機関５または車両に搭載されたオンボード（すなわちＥＣＵ）によって着火遅れ時間を容易に算出することができる点において産業上の利用可能性が高いといえる。

また本実施例に係る制御装置１００によれば、着火遅れ時間算出部によって算出された着火遅れ時間に基づいて燃料の噴射時期を制御している（ステップＳ６０）ことから、セタン価に応じた着火遅れ時間に基づいて燃料の噴射時期を制御することができる。それにより、内燃機関５の燃料として当初想定していたセタン価とは異なるセタン価の燃料が用いられた場合であっても、燃費やエミッション等の燃焼状態が悪化することを抑制することができる。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

５ 内燃機関
１０ 機関本体
１１ 気筒
２０ 吸気通路
２１ 排気通路
２２ スロットル
３０ 燃料噴射弁
４０ コモンレール
５０ ＥＧＲ通路
５１ ＥＧＲバルブ
６０ 過給機
７０ インタークーラ
１００ 制御装置

Claims (2)

1. 燃料のセタン価に基づいて、内燃機関の気筒内における燃料の着火に必要なエネルギである着火エネルギを算出する着火エネルギ算出部と、
   燃料が前記気筒内に噴射されてから前記気筒内に付与された熱エネルギを積算した値である筒内エネルギの積算値を算出する筒内エネルギ積算値算出部と、
   燃料が前記気筒内に噴射されてから前記筒内エネルギの積算値が前記着火エネルギ以上になるまでに要する時間を、着火遅れ時間として算出する着火遅れ時間算出部と、を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記着火遅れ時間算出部によって算出された前記着火遅れ時間に基づいて、燃料の噴射時期を制御する制御部を備える請求項１記載の内燃機関の制御装置。

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