JP5853891B2 - 内燃機関の熱発生率波形作成装置および燃焼状態診断装置 - Google Patents
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Description
前記の目的を達成するために講じられた本発明の解決原理は、気筒内に噴射された燃料の各反応(例えば、気化反応、低温酸化反応、熱分解反応、予混合燃焼による高温酸化反応、拡散燃焼による高温酸化反応、後燃え反応等)それぞれ、または、複数の反応の合成に対し、Wiebe関数のパラメータを予め個別に割り当てておき、これによって、実熱発生率波形に対するフィッティングを行うといった従来の手法を必要とすることなしに(実熱発生率波形の存在を必要とすることなしに)、理想熱発生率波形が求められるようにしている。
具体的に、本発明は、燃料噴射弁から気筒内に噴射された燃料の自着火による燃焼を行う圧縮自着火式内燃機関における前記燃焼の熱発生率波形を作成する装置を対象とする。この熱発生率波形作成装置に対し、前記気筒内に噴射された燃料の反応として、予混合燃焼による高温酸化反応、拡散燃焼による高温酸化反応、および、後燃え反応を含み、前記予混合燃焼による高温酸化反応の開始時点から終了時点までの基準反応期間を単一反応期間とする一方、前記拡散燃焼による高温酸化反応の開始時点から前記後燃え反応の終了時点までの基準反応期間を複合反応期間とし、前記筒内温度が前記各基準反応期間それぞれに対応する反応の反応温度に達した時点を前記各基準反応期間それぞれの反応開始時期とし、その反応開始時期を基点として、気筒内環境および燃料組成に応じて反応速度、反応量、反応期間の長さをそれぞれ求め、各基準反応期間それぞれに対して、下記の式(1)のWiebe関数またはこれと等価な式におけるパラメータaおよびmを予め設定しておく。
X=θ/θp
(F:基準反応期間における反応割合、θ:反応開始後の経過クランク角度、θp:基準反応期間に対応するクランク角度期間)
各基準反応期間毎に、その反応の前記開始時期、前記反応量および前記反応期間の長さと、その基準反応期間に対応する前記パラメータaおよびmが予め設定された前記Wiebe関数またはこれと等価な式とによって前記各基準反応期間それぞれにおける理想熱発生率波形を作成するようになっており、前記単一反応期間に対して設定されているパラメータmと、前記複合反応期間に対して設定されているパラメータmとが互いに異なる値となっている。
この特定事項により、燃料の複数の反応(反応形態)それぞれにおいて、予めパラメータaおよびmが設定されたWiebe関数またはこれと等価な式により理想熱発生率波形が作成されることになる。つまり、少なくとも一つの反応が行われる期間である各基準反応期間それぞれを個別に扱って理想熱発生率波形を作成することになる。このため、理想熱発生率波形を高い精度で作成することができるばかりでなく、予めパラメータaおよびmが設定されていることにより、熱発生率波形の実測値が存在していなくても理想熱発生率波形を作成することが可能となり(例えば反応開始時期および反応量の条件を与えるのみで理想熱発生率波形を作成することが可能となり)、理想熱発生率波形の作成に要する工数が大幅に削減できることになる。
まず、本実施形態に係るディーゼルエンジン(以下、単にエンジンという)の概略構成について説明する。図1は本実施形態に係るエンジン1およびその制御系統の概略構成図である。また、図2は、ディーゼルエンジン1の燃焼室3およびその周辺部を示す断面図である。
エンジン1の各部位には、各種センサが取り付けられており、それぞれの部位の環境条件や、エンジン1の運転状態に関する信号を出力する。
ECU100は、図示しないCPU、ROM、RAM等からなるマイクロコンピュータと入出力回路とを備えている。図3に示すように、ECU100の入力回路には、前記レール圧センサ41、スロットル開度センサ42、エアフローメータ43、A/Fセンサ44a,44b、排気温センサ45a,45b、吸気圧センサ48、吸気温センサ49が接続されている。さらに、入力回路には、エンジン1の冷却水温に応じた検出信号を出力する水温センサ46、アクセルペダルの踏み込み量に応じた検出信号を出力するアクセル開度センサ47、エンジン1の出力軸(クランクシャフト)が一定角度回転する毎に検出信号(パルス)を出力するクランクポジションセンサ40、および、筒内圧力を検出する筒内圧センサ(CPS(Combustion Pressure Sensor))4Aなどが接続されている。
次に、本実施形態の特徴である理想熱発生率波形の作成、および、この作成された理想熱発生率波形を利用した燃焼状態診断(気筒内での燃料の各反応形態の診断)の結果に基づいて実行される制御パラメータの補正について説明する。
前記理想熱発生率波形の作成について説明する。まず、理想熱発生率波形の作成の概略について説明する。
なお、前記理想熱発生率波形モデルの作成の詳細については後述する。
次に、前記理想熱発生率波形の作成の第1手順である燃料の反応形態の分離について説明する。
気化反応は、前記インジェクタ23から噴射された燃料が気筒内の熱を受けて気化するものである。この反応は、一般的には筒内ガス温度が500K以上となっている環境下に燃料が晒された状態で、燃料噴霧の拡散がある程度進んだ際に開始する噴霧律速の反応となっている。
なお、この気化反応は吸熱反応であるため、この反応量(発生熱量)としては負の値となる。
低温酸化反応は、ディーゼルエンジン1の燃料である軽油中に含まれる低温酸化反応成分(n−セタン(C16H34)等の直鎖単結合組成の燃料等)が燃焼する反応である。この低温酸化反応成分は、筒内温度が比較的低い場合であっても着火が可能な成分であって、このn−セタン等の量が多いほど(高セタン燃料であるほど)気筒内での低温酸化反応が進み易く着火遅れが抑制されることになる。具体的に、n−セタン等の低温酸化反応成分は、筒内温度が約750Kに達した時点で燃焼(低温酸化反応)を開始する。なお、n−セタン等以外の燃料成分(高温酸化反応成分)は筒内温度が約900Kに達するまで燃焼(高温酸化反応)を開始しない。
熱分解反応は、燃料成分の熱分解を行う反応であって、その反応温度は例えば約800Kとなっている。
予混合燃焼による高温酸化反応の反応温度は例えば約900Kとなっている。つまり、筒内温度が900Kに達したことで燃焼を開始する反応が、この予混合燃焼による高温酸化反応である。
拡散燃焼による高温酸化反応の反応温度は例えば約1000Kとなっている。つまり、筒内温度が1000K以上となっている筒内に向けて噴射された燃料が、噴射後、直ちに燃焼を開始する反応が、この拡散燃焼による高温酸化反応である。
Grd=GrdB×(基準エンジン回転速度/実エンジン回転速度)2
×(d/基準d)×(N/基準N) …(6)
GrdB:基準反応速度、Grd:反応速度、d:インジェクタ23の噴孔径、N:インジェクタ23の噴孔数、A,B:実験等により求められた定数
なお、前記式(6)は、インジェクタ23の基準噴孔径に対する実噴孔径の比、および、インジェクタ23の基準噴孔数に対する実噴孔数の比が乗算されていることにより、一般化された式となっている。また、この式(6)は、回転速度補正係数が乗算されていることで、エンジン回転速度に応じて補正された反応速度が求められるものとなっている。
また、燃料噴射量が比較的多い運転領域にあっては、前記拡散燃焼による高温酸化反応の反応期間に一部が重畳するように後燃え反応が行われる。
次に、前記分離された各反応形態それぞれに対する反応開始時期、反応量、反応期間の算出について説明する。これらの算出は上述した如く理想熱発生率波形モデルが利用される。
反応速度は、前記基準反応速度効率に基づいて設定され、理想熱発生率波形モデルを二等辺三角形に近似させた場合、熱発生率が上昇する期間での上昇勾配と、熱発生率が下降する期間での下降勾配とでは、それらの絶対値は一致している。
各反応における熱効率[J/mm3]は燃焼期間を適正化すれば定数(例えば高温酸化反応の場合は30J/mm3)と見なすことができる。このため、発生熱量としては、この熱効率に燃料噴射量(前記有効噴射量)を乗算したものとなる。
以上の三角形の勾配(反応速度)および三角形の面積(発生熱量)から三角形の底辺の長さに相当する燃焼期間が求められる。
これより、B=A/αとなる。
よって、A=SQRT[2S/{(1+1/α)G}]となる。
L=A+B=A(1+1/α)
=(1+1/α)×SQRT[2S/{(1+1/α)G}]
理想熱発生率波形モデルが二等辺三角形の場合にはα=1であり、
L=2×SQRT(S/G)=2×SQRT(30×Fq/G)となる。
このようにして、噴射量(噴射量指令値:発生熱量に相関のある値)と勾配(反応速度)が与えられれば燃焼期間が確定されることになる。
以上のようにして反応開始時期、反応量、反応期間を算出した後、これらの値とWiebe関数とによって理想熱発生率波形を作成する。以下、一つの反応が行われる基準反応期間(本発明でいう単一反応期間)に対してWiebe関数による理想熱発生率波形を作成する場合について説明する。
X=θ/θp
また、Wiebe関数と等価な式としては、このWiebe関数を微分(例えば上記Xで微分)することにより得られる熱発生率を表す下記の式(2)が挙げられる。
ここで、Fは基準反応期間における反応割合、θは反応開始後の経過クランク角度、θpは基準反応期間に対応するクランク角度期間、a,mは関数パラメータである。
Astartは反応開始時期のクランク角度位置、Aendは反応終了時期のクランク角度位置である。
また、反応量(発生熱量)Qへの変換式としては以下の式(9)が挙げられる。
Kqは熱効率[J/mm3](例えば高温酸化反応の場合は30J/mm3)である。
これら波形を比較した場合、実際には、理想熱発生率波形の反応開始時期は理想熱発生率波形モデルの反応開始時期に対して進角側にずれており、理想熱発生率波形の反応終了時期は理想熱発生率波形モデルの反応終了時期に対して遅角側にずれている。このため、反応開始時期および反応終了時期にあっては、図12に示す領域Q1およびQ2だけ理想熱発生率波形の反応量は理想熱発生率波形モデルの反応量よりも大きくなっている。これに対し、熱発生率波形のピーク位置周辺にあっては、理想熱発生率波形における反応量は、理想熱発生率波形モデルの反応量に対してピーク位置の進角側にあっては図12に示す領域Q1’だけ小さくなっており、ピーク位置の遅角側にあっては図12に示す領域Q2’だけ小さくなっている。そして、領域Q1’の面積は前記領域Q1の面積と略一致しており、領域Q2’の面積は前記領域Q2の面積と略一致している。従って、理想熱発生率波形における反応量は、理想熱発生率波形モデルの反応量と略一致することになり、この理想熱発生率波形における反応量は適正に得られていることになる。
前記理想熱発生率波形と比較される実熱発生率波形は、前記筒内圧センサ4Aによって検出される筒内圧力の変化に応じて作成される。つまり、気筒内での熱発生率と筒内圧力との間には相関がある(熱発生率が高いほど筒内圧力は高くなる)ので、この筒内圧センサ4Aによって検出される筒内圧力から実熱発生率波形を作成することができる。この検出した筒内圧力から実熱発生率波形を作成する処理については公知であるため、ここでの説明は省略する。
燃焼状態の診断(反応形態の診断)としては、前記理想熱発生率波形に対する実熱発生率波形の乖離の大きさに基づいて行われる。例えば、その乖離が予め設定された閾値(本発明でいう異常判定乖離量)以上となっている反応形態が存在している場合には、その反応形態に異常が生じていると診断することになる。例えば熱発生率の偏差が10[J/°CA]以上となっている反応形態が存在する場合や、理想熱発生率波形に対する実熱発生率波形のクランク角度側への偏差(進角側または遅角側の偏差)が3°CA以上となっている反応形態が存在する場合には、その反応形態に異常が生じていると診断する。これら値はこれに限定されるものではなく、実験やシミュレーションによって適宜設定される。
前記理想熱発生率波形と実熱発生率波形との比較による燃焼状態の診断において、上述した如く理想熱発生率波形に対する実熱発生率波形の乖離が予め設定された閾値を超える反応形態が存在する場合、その反応形態に異常が生じていると診断され、この乖離を小さくするようにエンジン1の制御パラメータが補正されることになる。
以上説明した実施形態は、自動車に搭載される直列4気筒ディーゼルエンジン1に本発明を適用した場合について説明した。本発明は、自動車用に限らず、その他の用途に使用されるエンジンにも適用可能である。また、気筒数やエンジン形式(直列型エンジン、V型エンジン、水平対向型エンジン等の別)についても特に限定されるものではない。
12 シリンダボア
23 インジェクタ(燃料噴射弁)
3 燃焼室
4A 筒内圧センサ
100 ECU
I 気化反応の理想熱発生率波形モデル
II 低温酸化反応の理想熱発生率波形モデル
III 熱分解反応の理想熱発生率波形モデル
IV 予混合燃焼による高温酸化反応の理想熱発生率波形モデル
V 拡散燃焼による高温酸化反応の理想熱発生率波形モデル
VI 後燃えの理想熱発生率波形モデル
a,m Wiebe関数のパラメータ
Claims (7)
- 燃料噴射弁から気筒内に噴射された燃料の自着火による燃焼を行う圧縮自着火式内燃機関における前記燃焼の熱発生率波形を作成する装置であって、
前記気筒内に噴射された燃料の反応として、予混合燃焼による高温酸化反応、拡散燃焼による高温酸化反応、および、後燃え反応を含み、
前記予混合燃焼による高温酸化反応の開始時点から終了時点までの基準反応期間を単一反応期間とする一方、前記拡散燃焼による高温酸化反応の開始時点から前記後燃え反応の終了時点までの基準反応期間を複合反応期間とし、
前記筒内温度が前記各基準反応期間それぞれに対応する反応の反応温度に達した時点を前記各基準反応期間それぞれの反応開始時期とし、その反応開始時期を基点として、気筒内環境および燃料組成に応じて反応速度、反応量、反応期間の長さをそれぞれ求め、
各基準反応期間それぞれに対して、下記の式(1)のWiebe関数またはこれと等価な式におけるパラメータaおよびmが予め設定されており、
F=1−exp(−a・Xm+1) …(1)
X=θ/θp
(F:基準反応期間における反応割合、θ:反応開始後の経過クランク角度、θp:基準反応期間に対応するクランク角度期間)
各基準反応期間毎に、その反応の前記開始時期、前記反応量および前記反応期間の長さと、その基準反応期間に対応する前記パラメータaおよびmが予め設定された前記Wiebe関数またはこれと等価な式とによって前記各基準反応期間それぞれにおける理想熱発生率波形を作成するようになっており、
前記単一反応期間に対して設定されているパラメータmと、前記複合反応期間に対して設定されているパラメータmとが互いに異なる値となっていることを特徴とする内燃機関の熱発生率波形作成装置。 - 請求項1記載の内燃機関の熱発生率波形作成装置において、
前記パラメータaは、基準反応期間に対応するクランク角度期間に対する反応開始後の経過クランク角度の比Xが「1」となる値に予め設定されていることを特徴とする内燃機関の熱発生率波形作成装置。 - 請求項1または2記載の内燃機関の熱発生率波形作成装置によって作成された各基準反応期間それぞれにおける理想熱発生率波形と、気筒内で実際に燃料が反応した際の実熱発生率波形とを比較し、前記理想熱発生率波形に対する実熱発生率波形の乖離が所定量以上となっている反応が存在する場合には、その反応に異常が生じていると診断する構成となっていることを特徴とする内燃機関の燃焼状態診断装置。
- 請求項3記載の内燃機関の燃焼状態診断装置において、
前記実熱発生率波形は、筒内圧センサによって検出される気筒内圧力に基づいて得られたものであることを特徴とする内燃機関の燃焼状態診断装置。 - 請求項3または4記載の内燃機関の燃焼状態診断装置において、
前記理想熱発生率波形に対する実熱発生率波形の乖離が所定の異常判定乖離量以上となっている反応が存在しており、その反応に異常が生じていると診断された際において、理想熱発生率波形に対する実熱発生率波形の乖離が所定の補正可能乖離量以下である場合には、内燃機関の制御パラメータの補正を行って前記乖離を前記異常判定乖離量未満にする制御を行う一方、理想熱発生率波形に対する実熱発生率波形の乖離が前記補正可能乖離量を超えている場合には、内燃機関に故障が生じていると診断することを特徴とする内燃機関の燃焼状態診断装置。 - 請求項1または2記載の内燃機関の熱発生率波形作成装置において、
車両に実装または実験装置に搭載されていることを特徴とする内燃機関の熱発生率波形作成装置。 - 請求項3、4または5記載の内燃機関の燃焼状態診断装置において、
車両に実装または実験装置に搭載されていることを特徴とする内燃機関の燃焼状態診断装置。
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