JP5964877B2 - 筒内圧センサの制御装置 - Google Patents

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Description

この発明は、グロープラグ一体型の筒内圧センサの制御装置に関する。
従来、内燃機関の燃焼室内の圧力を検出する筒内圧センサの受圧部を、発熱体を内蔵するグロープラグのヒータで構成したグロープラグ一体型の筒内圧センサが公知である。このような筒内圧センサに関し、例えば特許文献1には、内燃機関が所定の運転状態にある場合に当該内燃機関のシリンダヘッドと受圧部の間に堆積するデポジットの量を推定し、推定した堆積量に基づいて発熱体への通電を行う装置が開示されている。この装置では、燃焼室内での熱発生量、筒内圧センサの信号波形や、ヒータの表面温度に基づいて、当該堆積量を推定している。
シリンダヘッドと受圧部の間に堆積するデポジット量が多くなると、受圧部の摺動抵抗が生じて筒内圧センサの検出精度が低下するという問題がある。この点、上記装置によれば、推定した堆積量に基づいて発熱体への通電を行うことができる。従って、シリンダヘッドと受圧部の間にデポジットが堆積したとしても、推定した堆積量に基づいて適切な時期にヒータの温度を上昇させてこれを分解除去できる。
特開2009−222031号公報
ところで、発熱体への通電は電力消費を伴うものである。故に、堆積したデポジットの分解除去が目的といえども、発熱体への通電が頻繁に行われることは望ましくない。この点、上記特許文献1においては、燃焼室内での熱発生量、筒内圧センサの信号波形等を代用してデポジットの堆積量を間接的に推定しており、その推定精度は必ずしも高くない。従って、発熱体への不必要な通電が行われる可能性がある。
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものである。即ち、燃焼室内に堆積したデポジットの分解除去を目的とする発熱体への通電を行うグロープラグ一体型の筒内圧センサの制御装置において、デポジットの堆積量を高精度に推定することを目的とする。
第1の発明は、内燃機関の燃焼室内の圧力を検出する筒内圧センサの受圧部が発熱体を内蔵するヒータで構成されたグロープラグ一体型の筒内圧センサと、
前記燃焼室内におけるデポジットの堆積量が所定量以上の場合、堆積したデポジットを分解除去する目的で前記発熱体に対する通電を行う通電実行手段と、
前記燃焼室での燃焼により発生する煤量および未燃燃料量を前記内燃機関のサイクル毎に算出し、当該煤量および未燃燃料量の総質量に占める煤の割合が未燃燃料の割合以下となるように前記煤量を調整して前記堆積量を推定する堆積量推定手段と、
を備えることを特徴とする。
また、第の発明は、第の発明において、
前記通電実行手段は、堆積したデポジット中の未燃燃料を分解除去する目的で前記発熱体に対する通電を行うものであり、
前記通電実行手段は、前記発熱体に対する通電の際に前記発熱体に投入する通電エネルギ量を設定するエネルギ量設定手段を備え、
前記エネルギ量設定手段は、調整した煤量に基づいて算出された前記煤の割合が低いときには同割合が高いときよりも前記通電エネルギ量を増加させることを特徴とする。
本発明者らの知見によれば、デポジットの形成には煤と未燃燃料の共存が前提であるものの、煤よりも未燃燃料の方がデポジットの形成に大きく寄与することが明らかとなった。第1の発明は、この知見に基づくものである。第1の発明によれば、燃焼室で発生する煤量および未燃燃料量を内燃機関のサイクル毎に算出し、算出した煤量および未燃燃料量の総質量に占める煤の割合が未燃燃料の割合以下となるように煤量を調整してデポジットの堆積量を直接的に推定することができる。従って、発熱体への通電を最適な時期に行うことが可能となる。即ち、堆積したデポジットの分解除去に伴う電力消費を最小限に抑えることが可能となる。
煤量および未燃燃料量の総質量に占める煤の割合が未燃燃料の割合以下となるように煤量を調整した場合には、当該総質量に占める未燃燃料の割合が相対的に高くなることがある。当該未燃燃料の割合が高くなれば、未燃燃料を分解するために多くのエネルギを要する。この点、第の発明によれば、当該煤の割合が低いときには同割合が高いときよりも発熱体に投入する通電エネルギ量を増加させることができる。従って、当該未燃燃料の割合が高くなったとしても、未燃燃料を確実に分解できる。
実施の形態1のシステム構成を模式的に示す図である。 CPS22の先端部とその周辺部分を示す図である。 CPSの感度(出力)変化率の推移を示した図である。 実施の形態1において、ECU30により実行される通電制御ルーチンを示すフローチャートである。 デポジットに含まれる成分の割合を示した図である。 分解加熱制御の実行期間と割合RSOOTの関係を示した図である。 実施の形態において、ECU30により実行される通電制御ルーチンを示すフローチャートである。
実施の形態1.
以下、図1乃至図4を参照しながら、本発明の実施の形態1について説明する。
[システム構成の説明]
図1は、本発明の実施の形態1のシステム構成を模式的に示す図である。図1に示すように、本実施形態のシステムは、車両等に搭載される内燃機関としてのディーゼルエンジン10を備えている。ディーゼルエンジン10のシリンダ12には、シリンダ12内を摺動するピストン14が設けられている。シリンダ12の上方には、シリンダヘッド16が配置されている。シリンダ12のボア壁面、ピストン14の頂面およびシリンダヘッド16の底面により燃焼室18が画定される。
シリンダヘッド16には、燃料である軽油を燃焼室18内に直接噴射するインジェクタ20が取り付けられている。本実施形態のディーゼルエンジン10は、インジェクタ20から噴射された燃料を圧縮状態にある燃焼室18内において自然着火させる圧縮点火式の多気筒エンジンである。但し、ディーゼルエンジン10は単気筒のエンジンであっても構わない。シリンダヘッド16には、筒内圧センサ(以下「CPS」ともいう。)22も取り付けられている。インジェクタ20およびCPS22は、燃焼室18毎に取り付けられている。
また、本実施形態のシステムは、ECU(Electronic Control Unit)30を備えている。ECU30の入力側には、CPS22の他、ディーゼルエンジン10の制御に必要な各種センサ(例えば、エンジン回転数を検出するクランク角センサ、吸入空気量を検出するエアフロメータ、エンジン水温を検出する温度センサ等)が電気的に接続されている。他方、ECU30の出力側には、インジェクタ20等の各種アクチュエータが電気的に接続されている。ECU30は、各種センサからの入力情報に基づいて所定のプログラムを実行し、各種アクチュエータ等を作動させることにより、後述する始動時制御、分解加熱制御の他、ディーゼルエンジン10の運転に関する種々の制御を実行する。
[CPS22の説明]
図2は、CPS22の先端部とその周辺部分を示す図である。図2に示すように、CPS22は、受圧部となるロッド形状のヒータ24とセンシング部26とを備え、シリンダヘッド16に形成されたグローホール(ネジ孔)28に挿入されている。ヒータ24は、その先端側が燃焼室18に突出しており、その基端側がシリンダヘッド16に固定されている。センシング部26は、中軸(図示しない)を介してヒータ24に電気的に接続され、尚且つ、ECU30に電気的に接続されている。
CPS22は、グロープラグ一体型の筒内圧センサである。ヒータ24は、その軸方向(図2の矢印方向)に移動可能に構成されている。ヒータ24が燃焼室18内の圧力(以下「筒内圧」ともいう。)を受けると、その圧力に応じてヒータ24の軸方向に移動する。センシング部26は、ヒータ24および中軸の変位量を検出するように構成されている。センシング部26には、例えば、当該変位量に応じた電気を発生する圧電素子または当該変位量を歪み量として測定する歪みゲージが使用される。センシング部26で検出した変位量は筒内圧に相当するものであり、ECU30に送信される。
CPS22がグロープラグとして機能するのは、ヒータ24の先端部に内蔵された発熱体(図示しない)に通電を行った場合である。発熱体に通電を行うとヒータ24が加熱(グロー加熱)され、これによりヒータ24の周囲の温度が上昇する。発熱体に対する通電制御の一つに、始動時制御がある。エンジン始動時においては、エンジン水温が低く燃焼室18内の温度も低いので、燃焼室18内の空気を圧縮しても着火温度まで到達しない場合がある。これを回避する目的で行う制御が始動時制御である。始動時制御では、ヒータ24の温度が着火上必要な温度域(少なくとも1000℃以上)となるように、発熱体への通電量が制御される。
[実施の形態1の特徴]
燃焼室18内で軽油が燃焼すると、未燃燃料(以下「未燃HC」ともいう。)や煤が発生する場合がある。発生した未燃HCや煤は、通常、燃焼室18から排出される。しかし、その内の一部が燃焼室18に残留し、燃焼室18の内壁に付着することがある。また、発生した未燃HCや煤がグローホール28の内周壁に付着する場合もある。これは、燃焼室18とグローホール28が連通している構造に起因している。付着した未燃HCや煤は、デポジットに変化して堆積する場合がある。
特に、グローホール28の内周壁にデポジットが堆積すると、受圧部としてのヒータ24の摺動に抵抗が生じ、圧力センサとしてのCPS22の検出精度が低下する。そこで、本実施の形態においては、始動時制御とは別に、グローホール28の内周壁に堆積したデポジットを分解除去する目的で分解加熱制御を行う。分解加熱制御では、ヒータ24の周囲の温度が第1温度域である500〜700℃以上(但し、ヒータ24の温度は1000℃未満とされる)となるように、発熱体への通電量が制御される。
分解加熱制御は、グローホール28の内周壁に堆積するデポジット量(以下「堆積量MDEP」ともいう。)が閾値以上となった場合に行われる。堆積量MDEPは、本発明者らにより得られた知見に基づいて推定される。この知見について、図3を参照しながら説明する。図3は、CPSの感度(出力)変化率の推移を示した図である。本図は、CPSを搭載したエンジンにおいて、定常運転と、未燃HCおよびスモークを発生させる運転とを交互に繰り返す耐久試験を行った結果に基づいて作成したものである。この耐久試験では、発生させる未燃HCとスモークの濃度を変更した。図3(a)がスモーク濃度1.0FSNでの結果に、同図(b)が未燃HC濃度1100ppm,スモーク濃度0.1FSNでの結果に、同図(c)が未燃HC濃度1100ppm,スモーク濃度1.0FSNでの結果に、それぞれ対応している
図3(a)に示すように、スモークのみを発生させた場合のセンサ感度は、初期値(サイクル数が0回のときのセンサ感度)から殆ど変化していない。一方、図3(b),(c)に示すように、スモークと未燃HCの両者を発生させると、センサ感度が初期値以下となる回数が増加する。これらの結果から、スモークのみではデポジットが形成されず、未燃HCがスモークと共存することでデポジットが形成されることが分かる。本発明者らは、スモークの構成粒子(つまり、煤)が未燃HCと共存すると、この煤を核としてデポジットの前駆体に相当する物質が形成されると予測している。また、図3(b),(c)を比較すると、未燃HCの濃度条件が同じ場合は、スモーク濃度が高くなるほどセンサ感度の低下度合いが大きくなる。この結果から、スモークと未燃HCの共存が前提であるものの、デポジットの形成には未燃HCが大きく寄与することが分かる
上記知見に基づく堆積量MDEPの推定は、具体的に、次のように行われる。先ず、燃焼室18内で発生した煤量mSOOTと未燃HC量mHCをエンジンのサイクル毎に算出する。続いて、算出した煤量mSOOTおよび未燃HC量mHCを、前回サイクルまでに算出した煤量mSOOTおよび未燃HC量mHCに加算して積算量MSOOTおよび積算量MHCを算出する。次に、算出した積算量M SOOT と積算量M HC を足し合せた総質量M TOTAL に占める積算量M SOOT の割合R SOOT が50%以下となるように積算量M SOOT を調整して堆積量M DEP を求める。このような割合R SOOT としたのは、図3で説明したように、デポジットの形成に未燃HCが大きく寄与するからである。積算量M SOOT の調整は、一定時間おきに行われる。なお、積算量M SOOT の調整に用いる演算式、マップ等は予めECU30内に記憶されているものとする。また、積算量M SOOT の調整を行う時間間隔についても、予めECU30内に記憶されているものとする
上記知見は、デポジットの主成分である未燃HCと煤を実際に燃焼室で発生させる耐久試験の結果に基づき得られたものである。そのため、上記知見に基づいて求めた堆積量MDEPは、グローホール28の内周壁に堆積するデポジット量を的確に表していると言える。よって、本実施の形態によれば、分解加熱制御を最適な時期に行うことが可能となる。即ち、分解加熱制御の実行による電力消費を最小限に抑えることができる。
[具体的処理]
次に、図4を参照しながら、上述した機能を実現するための具体的な処理について説明する。図4は、実施の形態1において、ECU30により実行される通電制御ルーチンを示すフローチャートである。なお、図4に示すルーチンは、ディーゼルエンジン10の始動直後から定期的に繰り返して実行されるものとする。
図4に示すルーチンにおいては、先ず、燃焼室18内で発生した煤量mSOOTと未燃HC量mHCが算出される(ステップS10)。煤量mSOOTと未燃HC量mHCは、ECU30内に記憶された演算式またはマップと、燃焼室18内の燃焼状態(またはディーゼルエンジン10の運転状態)に基づいてサイクル毎に算出される。
続いて、積算量MSOOTおよび積算量MHCが算出される(ステップS12)。具体的に、ステップS10において算出された煤量mSOOTおよび未燃HC量mHCが、前回ルーチンにおいて算出された積算量MSOOTおよび積算量MHCに加算される。なお、算出した積算量MSOOTおよび積算量MHCは、次回ルーチンでの算出用としてECU30内に記録される。
続いて、煤量mSOOTおよび未燃HC量mHCの算出開始後の経過時間が、所定の時間間隔の整数倍と一致するか否かが判定される(ステップS14)。この経過時間としては、例えば、後述するステップS24の処理後の経過時間が挙げられる。また、所定の時間間隔は、ECU30内に記憶された値が用いられる。経過時間が所定の時間間隔の整数倍と一致しない場合は、本ルーチンが終了される。経過時間が所定の時間間隔の整数倍と一致する場合は、積算量MSOOTまたは積算量MHCの質量調整を行う必要があると判断できるので、ステップS16に進む。
ステップS16においては、堆積量MDEPが算出される。具体的には、先ず、ステップS12において求められた積算量MSOOTと積算量MHCが比較される。続いて、算出した積算量M SOOT と積算量M HC を足し合せた総質量M TOTAL に占める積算量M SOOT の割合R SOOT が50%以下となるように積算量M SOOT が調整され、堆積量M DEP が算出される。
続いて、堆積量MDEPが閾値以上か否かが判定される(ステップS18)。本ステップで用いられる閾値は、ヒータ24の加熱能力やCPS22のセンサ機能に影響を及ぼさない堆積量として予め設定されECU30内に記憶されているものとする。堆積量MDEPが閾値未満の場合には、分解加熱制御を行う必要はないと判断できるので、本ルーチンが終了される。堆積量MDEPが閾値以上の場合は、ステップS20に進む。
ステップS20においては、始動時制御の実行中であるか否かが判定される。始動時制御は、グロープラグとしてのCPS22の本来の用途である。従って、始動時制御が実行されていると判定された場合は、始動時制御を優先するべく、本ルーチンが終了される。一方、始動時制御が実行中ではないと判定された場合は、分解加熱制御を実行する(ステップS22)。分解加熱制御は所定時間に亘って行われ、その後、ECU30内に記録しておいた積算量MSOOTおよび積算量MHCがリセットされ(ステップS24)、本ルーチンが終了される。
以上、図4に示したルーチンによれば、グローホール28の内周壁に堆積するデポジット量を高精度に推定できる。従って、分解加熱制御を最適な時期に行うことができる。即ち、分解加熱制御の実行による電力消費を最小限に抑えることができる。
ところで、上記実施の形態1においては、燃焼室18内で発生した煤量mSOOTと未燃HC量mHCを別々に算出した。しかし、例えば未燃HC量mHCのみを算出し、算出したHC量mHCに燃焼室18内の燃焼状態(またはディーゼルエンジン10の運転状態)に応じた係数を乗じた値を煤量mSOOTとしてもよい。このように、煤量mSOOTと未燃HC量mHCの算出手法は、各種の変形が可能である。本変形例は、後述する実施の形態においても同様に適用が可能である。
また、上記実施の形態1においては、積算量MSOOTと積算量MHCの比較を一定時間おきに行った。しかし、積算量MSOOTおよび積算量MHCを算出した直後に、この積算量MSOOTおよび積算量MHCを比較して質量調整を行ってもよい。つまり、図4のステップS14をスキップしてもよい。本変形例は、後述する実施の形態においても同様に適用が可能である。
なお、上記実施の形態1においては、図4のステップS10〜S16の処理を実行することにより上記第1の発明の「堆積量推定手段」が、同図のステップS18〜S22の処理を実行することにより同発明の「通電実行手段」が、それぞれ実現されている。
実施の形態
次に、本発明の実施の形態について図乃至図7を参照しながら説明する。なお、本実施の形態では、上記実施の形態で説明した堆積量MDEPの推定を前提とするので、重複する説明については省略しまたは簡略化する。
[実施の形態の特徴]
図5は、デポジットに含まれる成分の割合を示した図である。本図は、堆積初期のデポジットに対するTG−DTA(示差熱−熱重量測定)測定の結果を基に作成したものである。図5に示すように、室温から200℃までの減量分が水および軽質燃料に相当し、200℃〜350℃の減量分が重質燃料およびエンジンオイルのベースオイルに相当する。また、500℃から700℃までの減量分が、炭素状物質に相当する。また、残りの温度域、即ち、350℃から500℃までの減量分が、燃料やベースオイルの酸化物に相当する。この図から分かるように、デポジットを分解すると室温から500℃の温度域において未燃HC由来の成分が分解する。また、図で既に説明したように、燃焼室内に煤のみが存在する場合はデポジットが形成されず、煤が未燃HCと共存した場合に当該煤を核としてデポジットの前駆体に相当する物質が形成される。そのため、分解加熱制御を行ってヒータ24の周囲の温度を第2温度域である室温から500℃までの温度域にまで上昇すれば、グローホール28の内周壁に堆積したデポジット中の未燃HCを分解し、当該デポジットの核を構成していた煤を当該内周壁から剥離できる。
ところで、上記実施の形態においては、積算量MSOOTと積算量MHCを足し合せた総質量MTOTALに占める積算量MSOOTの割合RSOOTが50%以下となるように積算量MSOOTを調整した。そのため、調整後の割合RSOOTは、0%<RSOOT≦50%のあらゆる値を取り得ることになる。逆を言えば、調整後の総質量MTOTALに占める積算量MHCの割合RHCは、50%≦RHC<100%のあらゆる値を取り得ることになる。
割合RHCの値が高くなれば、デポジット中の未燃HC由来の成分を分解し難くなる。そのため、デポジット中の未燃HCを分解するためには、割合RHCの値が高くなるほど、分解加熱制御の際により多くのエネルギを供給する必要がある。そこで、本実施形態においては、分解加熱制御の実行期間(発熱体に対する通電時間)を割合RSOOTに応じて変更する。図6は、分解加熱制御の実行期間と割合RSOOTの関係を示した図である。図6に示すように、割合RSOOTが高くなるほど実行期間を短くする。つまり、割合RHCが高くなるほど実行期間を長くする。これにより、未燃HC由来の成分を確実に分解できるので、グローホール28の内周壁に堆積したデポジットを除去できる。なお、図6の関係は予めマップ化されてECU30内に記憶されているものとする。
[具体的処理]
次に、図7を参照しながら、上述した機能を実現するための具体的な処理について説明する。図7は、実施の形態において、ECU30により実行される通電制御ルーチンを示すフローチャートである。なお、図7に示すルーチンは、ディーゼルエンジン10の始動直後から定期的に繰り返して実行されるものとする。
図7に示すルーチンにおいては、先ず、ステップS30,S32,S34の処理が実行される。ステップS30〜S34の処理は、図4のステップS10〜S14の処理と同一である。
ステップS34に続いて、堆積量MDEPが算出される(ステップS36)。具体的には、ステップS32において算出された積算量MSOOTと積算量MHCが加算されて総質量MTOTALが算出され、次いで、総質量MTOTALに占める積算量MSOOTの割合RSOOTが50%以下となるように積算量MSOOTを調整され、堆積量MDEPが算出される。
続いて、堆積量MDEPが閾値以上か否かが判定される(ステップS38)。ステップS38の処理は、図4のステップS18の処理と同一である。堆積量MDEPが閾値以上の場合は、ステップS40に進む。
ステップS40においては、分解加熱制御の実行期間が決定される。当該実行期間は、図6の関係に基づくマップと、ステップS36において算出された積算量MSOOTの質量割合とに基づいて決定される。その後、ステップS42,S44,S46の処理が実行される。ステップS42〜S46の処理は、図4のステップS20〜S24の処理と同一である。
以上、図7に示したルーチンによれば、総質量MTOTALに占める積算量MSOOTの割合RSOOTが高くなるほど分解加熱制御の実行期間が短い時間とされる。つまり、総質量MTOTALに占める積算量MHCの割合RHCが高くなるほど分解加熱制御を長い時間に亘って実行できる。従って、割合RHCが高い場合においても、デポジット中の未燃HC由来の成分を確実に分解できる。
ところで、上記実施の形態においては、分解加熱制御の実行期間を割合RSOOTに応じて変更したが、実行期間の代わりに分解加熱制御の際の目標温度を割合RSOOTに応じて変更してもよい。このように、分解加熱制御の際に発熱体に投入する通電エネルギ量を変更する態様であれば、本実施の形態の変形例として適用が可能である。但し、分解加熱制御はヒータ24の周囲の温度を第2温度域まで上昇させる制御であることから、当該目標温度は第2温度域において変更する必要がある。
また、上記実施の形態においては、分解加熱制御の実行期間を割合RSOOTに反比例させたが、当該実行期間の設定手法はこれに限られない。例えば、割合RSOOTが所定値よりも多い場合には当該実行期間を第1の期間に設定し、割合RSOOTが所定値よりも少ない場合には当該実行期間を第1期間よりも長い第2期間に設定してもよい。
なお、上記実施の形態においては、図7のステップS40の処理を実行することにより上記第の発明の「エネルギ量設定手段」が実現されている。
10 ディーゼルエンジン
12 シリンダ
14 ピストン
16 シリンダヘッド
18 燃焼室
20 インジェクタ
22 筒内圧センサ(CPS)
24 ヒータ
26 センシング部
28 グローホール
30 ECU

Claims (2)

  1. 内燃機関の燃焼室内の圧力を検出する筒内圧センサの受圧部が発熱体を内蔵するヒータで構成されたグロープラグ一体型の筒内圧センサの制御装置であって、
    前記燃焼室内におけるデポジットの堆積量が所定量以上の場合、堆積したデポジットを分解除去する目的で前記発熱体に対する通電を行う通電実行手段と、
    前記燃焼室での燃焼により発生する煤量および未燃燃料量を前記内燃機関のサイクル毎に算出し、当該煤量および未燃燃料量の総質量に占める煤の割合が未燃燃料の割合以下となるように前記煤量を調整して前記堆積量を推定する堆積量推定手段と、
    を備えることを特徴とする筒内圧センサの制御装置。
  2. 前記通電実行手段は、堆積したデポジット中の未燃燃料を分解除去する目的で前記発熱体に対する通電を行うものであり、
    前記通電実行手段は、前記発熱体に対する通電の際に前記発熱体に投入する通電エネルギ量を設定するエネルギ量設定手段を備え、
    前記エネルギ量設定手段は、調整した煤量に基づいて算出された前記煤の割合が低いときには同割合が高いときよりも前記通電エネルギ量を増加させることを特徴とする請求項に記載の筒内圧センサの制御装置。
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