JP6354478B2 - 燃焼制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、直噴圧縮着火式内燃機関の気筒内における燃焼を制御する技術に関する。

ディーゼル機関では、燃費、燃焼音、排気エミッションの改善のため、運転状態に応じて燃焼状態（熱発生率）を適正に制御する必要である。
この種の技術の一つとして、燃料供給量から見込まれる理想的な発生熱量と、その燃焼により実際に発生した燃焼率から求めた実発生熱量とから燃焼率を算出し、その燃焼率に基づいて噴射時期等を制御する技術が知られている（特許文献１参照）。

特開２００８−１６９７１７号公報

ところで、ディーゼル機関の適正な燃焼状態では、燃料の噴射タイミングから、ある着火遅れを持って燃焼が完結する。この場合、燃料噴射率の時間変化を表す波形（以下「噴射率波形」という）と、熱発生率の時間変化を表す波形（以下「熱発生率波形」という）とは相似したものとなる。これに対して、不適正な燃焼状態では、噴射された燃料は、ある上記着火遅れ後も燃焼が継続する。この場合、熱発生率波形は、燃料噴射率波形と比較して、立ち上がりおよび立ち下がりが緩やかになり、時間的に大きな広がりを持ったものとなる。

しかしながら、従来方式では、燃焼の結果である燃焼率を制御しているに過ぎず、燃焼の過程（熱発生率の時間変化）までを制御しているわけではないため、必ずしも適正な燃焼状態に制御することができないという問題があった。

本発明は、こうした問題に鑑みてなされたものであり、気筒内を適正な燃焼状態に制御する技術を提供することを目的とする。

本発明の燃焼制御装置は、噴射率波形取得手段と、熱発生率算出手段と、相違度算出手段と、制御手段とを備える。噴射率波形取得手段は、運転状態に応じて設定される燃料噴射率の時間変化を表した噴射率波形を取得する。熱発生率算出手段は、噴射率波形取得手段で取得された燃料噴射率波形に従った燃料噴射時に検出される気筒内の圧力から熱発生率を算出する。相違度算出手段は、燃料噴射率の積算値の時間変化を表す波形の傾きと、熱発生率の積算値の時間変化を表す波形の傾きとの相違度を求める。制御手段は、相違度算出手段にて算出された相違度が予め設定された許容範囲内となるように燃焼を制御する。

このような構成によれば、熱発生率波形が噴射率波形に近づくように制御することができ、その結果、気筒内を適正な燃焼状態とすることができる。また、熱発生率波形が噴射率波形に応じて変化するため、噴射率波形を適宜変化させることにより、適正な燃焼状態を保ちつつ、熱発生率の形状を任意に制御することもできる。

なお、特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

エンジン制御システムの構成を示すブロック図である。 燃焼状態制御の処理内容を表すフローチャートである。 適正な燃焼状態と不適正な燃焼状態の各場合について、噴射率波形，熱発生率波形および両者の積分波形を、時間軸（クランク角度軸）を調整して示したグラフである。 噴射率Ｆと熱発生率Ｈとの比（Ｆ／Ｈ）の時間変化を例示したグラフである。 噴射信号を分割した場合の各波形を例示したグラフである。

以下に本発明が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
［構成］
本実施形態は、車両に搭載されたコモンレール式筒内直噴多気筒（本実施形態では４気筒）ディーゼルエンジンを制御対象とするエンジン制御システム１に本発明を適用した場合について説明する。

エンジン制御システム１は、図１に示すように、ディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）２、燃料供給系３、吸排気系４、電子制御装置（ＥＣＵ）５を備える。
［エンジン］
エンジン２は、四つのシリンダ（気筒）を備える。各シリンダには、それぞれピストンが収容されている。各ピストンは、共通の出力軸としてのクランク軸２１に接続されている。そして、シリンダ内の燃焼室での燃料燃焼により各ピストンが往復運動し、その往復運動に伴ってクランク軸２１が回転する。

なお、クランク軸２１には、ＮＥパルサ２２が取り付けられている。また、ＮＥパルサ２２と対向する位置にクランク角センサ２３が設けられている。クランク角センサ２３は、クランク軸２１の回転角度を表すクランク角信号をＥＣＵ５に対して出力する。また、シリンダの少なくとも一つには筒内圧センサ２４が設けられている。筒内圧センサ２４は、燃焼室の圧力を表す筒内圧信号をＥＣＵ５に対して出力する。

［燃料供給系］
燃料供給系３は、サプライポンプ３１、コモンレール３２、インジェクタ３３を備える。サプライポンプ３１は、燃料タンク（図示せず）から燃料を汲み上げ、この汲み上げた燃料を高圧にしてコモンレール３２に供給する。コモンレール３２は、供給された高圧燃料を所定圧力に保持（蓄圧）し、その蓄圧した燃料を各気筒に設けられたインジェクタ３３に分配する。インジェクタ３３は、ＥＣＵ５からの指示に従って開弁することにより、シリンダの燃焼室内に燃料を噴射する。なお、サプライポンプ３１は、ＥＣＵ５からの指令に従ってコモンレール３２内の圧力、ひいてはインジェクタ３３による燃料噴射圧を調整する。

［吸排気系］
吸排気系４は、吸気マニホールド４１、排気マニホールド４２、エアクリーナ４３、ターボチャージャー４４、インタークーラー４５、スロットルバルブ４６、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）４７を備える。

吸気マニホールド４１は、各シリンダの吸気ポートに接続されると共に、吸気通路を構成する吸気管が接続されている。排気マニホールド４２は、各シリンダの排気ポートに接続されると共に排気通路を構成する排気管に接続されている。エアクリーナ４３は、大気中に含まれる粉塵等を分離して供給するフィルタである。ターボチャージャー４４は、排気ガスを利用してタービンを高速回転させ、その回転力で吸気経路に設けられた圧縮機を駆動することにより吸気を圧縮する。また、ターボチャージャー４４は、ＥＣＵ５からの指令により、排気通路の通路面積を変化させることでタービンへの排気ガスの流量を制御し、これによって吸気圧を制御するように構成されている。インタークーラー４５は、ターボチャージャー４４の圧縮により温度の上がった吸気を冷却する熱交換器である。スロットルバルブ４６は、エンジン２の負荷状況等に応じて吸気通路を流れる空気の流量を制御するバルブである。ＥＲＧ４７は、吸気マニホールド４１と排気マニホールド４２を接続するＥＧＲライン４７１とＥＧＲライン４７１を開閉するＥＧＲバルブ４７２とで構成され、排気ガスの一部をエンジンの吸気に戻して混合気の酸素濃度を下げることで、混合気の燃焼温度を低くし、有害なＮＯｘの排出量を少なくする装置である。

このように構成された吸排気系４では、エアクリーナ４３を介して取り込まれた吸気は、ターボチャージャーで圧縮され、インタークーラー４５で放熱されたあと、スロットルバルブで流量を調整され、吸気マニホールド４１を介してエンジン２の各シリンダに均等に供給される。また、エンジン２の各シリンダから排出される排気ガスは、排気マニホールド４２で一つにまとめられ、ターボチャージャー４４を介して排出される。また、排気ガスの一部は、ＥＧＲ４７を介して吸気マニホールド４１に還流する。

［ＥＣＵ］
ＥＣＵ５は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等で構成された周知のマイクロコンピュータからなる。ＥＣＵ５は、各種センサからの検出結果に従って、エンジン２を最適な運転状態に制御するために、サプライポンプ３１，インジェクタ３３，ターボチャージャー４４等の動作を制御する。

エンジン２の制御に必要なエンジンの運転状態を検出するセンサとして、上述した筒内圧センサ２４、ＮＥセンサ２３以外に、図示を省略するが、吸気圧を検出する吸気圧センサ、コモンレールの圧力（ひいては燃料の噴射圧力）を検出するコモンレール圧センサ、アクセル開度を検出するアクセルセンサ、排気中の酸素濃度を検出するＯ_２センサ、エンジン２の冷却水の水温を検出する水温センサ等がある。

ＥＣＵ５は、各種センサでの検出結果から推定されるエンジン運転状態に基づいてインジェクタ３３の噴射時期および噴射量を制御するため噴射信号を生成する噴射制御、および気筒内での燃焼状態を制御する燃焼状態制御を実行する。ＥＣＵ５のＲＯＭには、これらの制御を実行するためのプログラムや各種データが記憶されている。各種データには、少なくとも、噴射信号（噴射率の時間変化）の波形と噴射量との関係を表す噴射量特性マップが、噴射圧（すなわちコモンレール圧）毎に記憶されている。また、各種センサによる検出結果は、ＥＣＵ５を構成するＲＡＭの所定領域に記憶されており、周期的に記憶内容が更新される。

［噴射制御］
噴射制御は、エンジン運転状態に応じて要求燃料噴射量および要求噴射圧、要求噴射時期を設定する。そして、要求噴射圧となるようにサプライポンプを制御すると共に、要求燃料噴射量および要求噴射圧力から、上記噴射量特性マップを用いて噴射信号の波形（以下「噴射率波形」という）を決定し、その決定した噴射率波形の噴射信号を、要求噴射時期に従って出力する。なお、このような噴射制御の処理内容は周知のものであるため、その詳細については説明を省略する。

［燃焼状態制御］
以下では、燃焼制御の処理内容について、図２に示すフローチャートに沿って説明する。

ＥＣＵ５は、本処理を、燃焼サイクル毎に繰り返し実行する。
本処理が開始されると、ＥＣＵ５は、まず、Ｓ１１０にて、噴射制御において決定された噴射率波形を取得する。続くＳ１２０では、噴射制御により設定された要求噴射時期まで待機し、要求噴射時期（即ち燃料噴射開始タイミング）になって燃料噴射が開始されると（Ｓ１２０：ＹＥＳ）、Ｓ１３０にて筒内圧センサ２４により検出された筒内圧を取得する。

続くＳ１４０では、燃焼による筒内圧の上昇（立ち上がり）が検出されたか否かを判断する。筒内圧の上昇が検出されない場合（Ｓ１４０：ＮＯ）はＳ１３０に戻る。一方、筒内圧の上昇（即ち圧力上昇開始タイミング）が検出された場合（Ｓ１４０：ＹＥＳ）は、Ｓ１５０にて噴射開始から筒内圧の立ち上がりまでの遅延時間を記憶する。

続くＳ１６０では、Ｓ１３０または後述するＳ２００にて取得した筒内圧に基づき、（１）式に従って熱発生率Ｈを算出する。但し、Ｖは気筒内容積、Ｐは筒内圧、κは比熱比を意味する。

Ｈ＝（Ｖ・ｄＰ＋κ・Ｐ・ｄＶ）／（κ−１） （１）
続くＳ１７０では、Ｓ１１０で取得した噴射率波形と、Ｓ１５０にて記憶した遅延時間とに基づき、遅延時間前の噴射率Ｆを取得する。

続くＳ１８０では、Ｓ１６０で求めた熱発生率Ｈに対するＳ１７０で取得した噴射率Ｆの比（Ｆ／Ｈ）が予め設定された閾値α（α＞１）より大きいか否かを判断する。但し、噴射率Ｆおよび熱発生率Ｈは、燃料噴射開始タイミングおよび圧力昇開始タイミングを起点とし、気筒内の圧力が上昇を開始してから上昇前の大きさに戻るまでに要する期間の長さを積算期間としたときの積算値が互いに等しくなるように正規化されている。従って、Ｆ／Ｈは、１に近いほど、熱発生率の積算値の時間変化を表す波形が、噴射率の積算値の時間変化を表す波形と類似している（相違度が低い）ことを意味し、１から外れるほど、両波形は類似していない（相違度が高い）ことを意味する。

Ｆ／Ｈ≦αの場合（Ｓ１８０：ＮＯ）、燃焼状態は適正であるものとして、Ｓ１９０に進み、噴射処理による燃料噴射が終了しているか否かを判断する。燃料噴射が終了していれば（Ｓ１９０：ＹＥＳ）そのまま本処理を終了し、燃料噴射が終了していなければ（Ｓ１９０：ＮＯ）、Ｓ２００にて、先のＳ１３０と同様に筒内圧を取得してＳ１６０に戻る。

Ｆ／Ｈ＞αの場合（Ｓ１８０：ＹＥＳ）、燃焼状態は適正ではないものとして、Ｓ２１０に進み、噴射制御においてエンジン運転状態に応じて設定されるコモンレール圧を、予め設定された所定値（例えば５ＭＰａ）だけ増加させて本処理を終了する。

なお、コモンレール圧を増加させることにより、インジェクタ３３による燃料噴射圧が増加する。その結果、空気の取り込み量が増加し、燃焼室内は、燃焼に適した空燃比が高い（リーン）の状態となる。

［動作］
図３は、適正な燃焼状態となる運転状態Ａおよび不適正な燃焼状態となる運転状態Ｂについて、噴射率波形と熱発生率波形、および両者の各積分波形を、燃料噴射タイミングと圧力上昇タイミングとが一致するようにクランク角度（時間軸）を調整して示したものである。また、図４は、噴射率Ｆと熱発生率Ｈとの比（Ｆ／Ｈ）の変化をグラフに示したものである。

図３に示すように、適正な燃焼状態の場合は、積算波形の傾きの差が小さく、不適正な燃焼状態の場合は、積算波形の傾きの差が大きくなる。積算波形の傾きとは、要するに噴射率波形および熱発生率波形そのもののことであり、この両者の値を比較する（ここではＦ／Ｈを閾値と比較する）ことによって、燃焼状態を判断できることがわかる。そして、図４に示すように、適正な燃焼状態では、Ｆ／Ｈは、閾値αを超えることなく１に近い値を維持し、不適正な燃焼状態では、Ｆ／Ｈは時間が経過するほど大きな値となり、ある時点で閾値αを超えてしまう。この場合、燃料噴射圧を増加させることによって燃焼状態が改善され、Ｆ／Ｈ≦αとなるように制御することができる。

［効果］
以上説明したように、本実施形態によれば、熱発生率波形が、噴射率波形に近づくように制御することができ、その結果、気筒内を適正な燃焼状態とすることができる。更に、本実施形態によれば、熱発生率波形が噴射率波形に応じて変化するため、噴射率波形を適宜変化させることにより、適正な燃焼状態が保ちつつ、熱発生率の形状を任意に制御することもできる。

［他の実施形態］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得る。

（１）上記実施形態では、燃焼状態が適正ではない（Ｆ／Ｈ＞αである）と判断した場合、コモンレール圧（燃料噴射圧）を増加させているが、これに限定されるものではない。例えば、ターボチャージャー４４を制御して吸気圧を増加させるようにしてもよい。

また、図５に示すように、噴射信号のパルス波形を複数に分割してもよい。つまり、噴射率の波形に対する熱発生率の波形のずれが大きくなる前に噴射を一次停止することにより、波形のずれがリセットされるため、噴射全体をみれば、波形のずれを抑制することができる。この場合、分割したパルスの間隔は、インジェクタ等の特性によって決まる最小インターバルとすることが望ましい。

（２）上記実施形態では、燃焼状態の判定に、噴射率Ｆと熱発生率Ｈの比（Ｆ／Ｈ）を用いているが、例えば両者の差（Ｆ−Ｈ）を用いて判定してもよい。この場合、Ｆ−Ｈが０に近いほど両波形が類似している（相違度が低い）ことを意味し、０から外れるほど両波形は類似していない（相違度が高い）ことを意味する。
（３）上記実施形態における一つの構成要素が有する機能を複数の構成要素に分散させたり、複数の構成要素が有する機能を一つの構成要素に統合させたりしてもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、同様の機能を有する公知の構成に置き換えてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加または置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載した文言のみによって特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本発明の実施形態である。

（４）本発明は、上述した燃焼状態制御を実行するＥＣＵ５（燃焼制御装置）の他、当該燃焼制御装置を構成要素とするシステム、当該燃焼制御装置としてコンピュータを機能させるためのプログラム、このプログラムを記録した媒体、燃焼制御方法など、種々の形態で実現することもできる。

１…エンジン制御システム ２…エンジン ３…燃料供給系 ４…吸排気系 ２１…クランク軸 ２２…ＮＥパルサ ２３…クランク角センサ ２４…筒内圧センサ ３１…サプライポンプ ３２…コモンレール ３３…インジェクタ ４１…吸気マニホールド ４２…排気マニホールド ４３…エアクリーナ ４４…ターボチャージャー ４５…インタークーラー ４６…スロットルバルブ ４７…ＥＧＲ ４７１…ＥＧＲライン ４７２…ＥＧＲバルブ

Claims (5)

1. 直噴圧縮着火式内燃機関の気筒内における燃焼を制御する燃焼制御装置において、
   運転状態に応じて設定される燃料噴射率の時間変化を表した噴射率波形を取得する噴射率波形取得手段（５：Ｓ１１０）と、
   前記噴射率波形取得手段で取得された噴射率波形に従った燃料噴射時に検出される気筒内の圧力から熱発生率を算出する熱発生率算出手段（５：Ｓ１６０）と、
   前記燃料噴射率の積算値の時間変化を表す波形の傾きと、前記熱発生率の積算値の時間変化を表す波形の傾きとの相違度を求める相違度算出手段（５：Ｓ１７０〜Ｓ１８０）と、
   前記相違度算出手段にて算出された相違度が予め設定された許容範囲内となるように燃焼を制御する制御手段（５：Ｓ２１０）と、
   を備え、
   前記燃料噴射率および前記熱発生率は、燃料噴射開始タイミング及び前記気筒内の圧力が上昇を開始するタイミングを起点とし、前記気筒内の圧力が上昇を開始してから上昇前の大きさに戻るまでに要する期間の長さを積算期間としたときの積算値が互いに等しくなるように正規化されていることを特徴とする燃焼制御装置。
2. 前記相違度算出手段は、前記相違度として、燃料噴射開始タイミングから圧力上昇開始タイミングまでの遅延を相殺したタイミングで求めた前記燃料噴射率と前記熱発生率との比または差を、前記相違度として用いることを特徴とする請求項１に記載の燃焼制御装置。
3. 前記制御手段は、前記相違度が前記許容範囲を超える場合に、燃料の噴射圧を増加させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃焼制御装置。
4. 前記制御手段は、前記相違度が前記許容範囲を超える場合に、吸気圧を増加させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃焼制御装置。
5. 前記制御手段は、前記相違度が前記許容範囲を超える場合に、燃料噴射を分割して実行することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃焼制御装置。

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