JP6536222B2 - In-cylinder pressure estimation method and in-cylinder pressure control method based thereon - Google Patents
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Description
本発明は、内燃機関の筒内圧力を推定し、これに基づいて、燃料噴射時期を制御して最大許容筒内圧力以下にするための筒内圧力推定方法及びそれに基づく筒内圧力制御方法に関するものである。 The present invention relates to an in-cylinder pressure estimation method and an in-cylinder pressure control method based on the in-cylinder pressure estimation method for estimating the in-cylinder pressure of an internal combustion engine and controlling the fuel injection timing below the maximum allowable in-cylinder pressure. It is a thing.
内燃機関を最大許容筒内圧力以下で運転するためには、筒内圧力をリアルタイムで求めることが重要である。 In order to operate the internal combustion engine at or below the maximum allowable in-cylinder pressure, it is important to determine the in-cylinder pressure in real time.
内燃機関の筒内圧力を、センサで直接検出するには、センサの耐久性等の面から困難であるため、演算によって筒内圧力を求めることがなされている。 Since it is difficult to directly detect the in-cylinder pressure of an internal combustion engine by a sensor from the viewpoint of the durability of the sensor, etc., the in-cylinder pressure is obtained by calculation.
筒内圧力は、ブースト圧力と圧縮比から求まるコンプレッション分筒内圧力と、燃焼によって変化する燃焼分筒内圧力に分けられる。 The in-cylinder pressure is divided into a compression in-cylinder pressure obtained from a boost pressure and a compression ratio, and a combustion in-cylinder pressure that changes due to combustion.
コンプレッション分筒内圧力(PmaxComp)は、ブースト圧力と圧縮比とポリトロープ指数(κ)から演算により求めることができる。 The compression in-cylinder pressure (PmaxComp) can be calculated by the boost pressure, the compression ratio, and the polytropic index (κ).
また燃焼分筒内圧力は、エンジン回転速度に対して全負荷燃料噴射量で運転したときの実際の筒内圧力を測定し、測定した筒内圧力からコンプレッション分筒内圧力を引くことで全負荷燃料噴射量時の燃焼分筒内圧力(PmaxFire)が求められる。 The combustion pressure in the cylinder is the actual pressure in the cylinder when operating at full load fuel injection amount against the engine rotational speed, and the pressure in the cylinder is subtracted from the pressure in the cylinder to measure the total load. The pressure (PmaxFire) in the combustion divided cylinder at the time of fuel injection is determined.
リアルタイムでの燃焼分筒内圧力は、リアルタイムエンジン回転速度に対する全負荷時燃料噴射量とリアルタイムでの燃料噴射量の比を求め、この比を全負荷燃料噴射量でのPmaxFireに乗算することで、すなわち、全負荷燃料噴射量と各燃焼噴射量との比に燃焼分筒内圧力が、比例するとして計算していた。 The pressure in the combustion segment in real time is obtained by calculating the ratio of the full load fuel injection amount to the real time engine injection speed and the fuel injection amount in real time, and multiplying this ratio by PmaxFire at the full load fuel injection amount. That is, it has been calculated that the pressure in the combustion divided cylinder is proportional to the ratio between the full load fuel injection amount and each combustion injection amount.
ところが、燃焼分筒内圧力は、燃料噴射量が一定量以上では比例せず、燃料噴射量が、一定量を超えるとサチレーション(飽和)していることが分かった。 However, it has been found that the pressure in the combustion chamber is not proportional when the fuel injection amount exceeds a certain amount, and that the fuel injection amount is saturated (saturated) when the fuel injection amount exceeds a certain amount.
このため、従来においては、全負荷時の燃料噴射量付近では、燃焼分筒内圧力は、実際の圧力に対して低く推定されるため、筒内圧力を的確に管理できない。 For this reason, in the related art, since the pressure in the combustion divided cylinder is estimated to be lower than the actual pressure near the fuel injection amount at full load, the in-cylinder pressure can not be accurately managed.
そこで、このサチレーションを考慮して、筒内圧力の正確な推定を行うことが望まれる。 Therefore, it is desirable to accurately estimate the in-cylinder pressure in consideration of the saturation.
一方筒内圧力は、燃料噴射時期(SOI:start of injection)、燃料噴射圧力、吸気温度、プレ噴射量でも変化するため、筒内圧力の推定を的確に行うには、それらも考慮する必要がある。しかし筒内圧力推定の最終目的は、内燃機関がある運転状態で運転されているときにリアルタイムで筒内圧力を推定し、その推定した筒内圧力が、内燃機関の最大許容筒内圧力以下になるように制御することにある。 On the other hand, the in-cylinder pressure changes with the fuel injection timing (SOI: start of injection), the fuel injection pressure, the intake air temperature, and the pre-injection amount. Therefore, in order to accurately estimate the in-cylinder pressure, it is necessary to consider them is there. However, the final purpose of in-cylinder pressure estimation is to estimate the in-cylinder pressure in real time when the internal combustion engine is operating in a certain operating condition, and the estimated in-cylinder pressure is less than the maximum allowable in-cylinder pressure of the internal combustion engine. To be controlled.
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、コンプレッション分と燃焼分の筒内圧力を推定し、その推定した筒内圧力と最大許容筒内圧力とのマージンから燃料噴射時期を的確に制御できる筒内圧力推定方法及びそれに基づく筒内圧力制御方法を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to solve the above problems, estimate cylinder pressure for compression and combustion, and accurately control fuel injection timing from the estimated margin of cylinder pressure and maximum allowable cylinder pressure. An in-cylinder pressure estimation method and an in-cylinder pressure control method based thereon are provided.
上記目的を達成するために本発明は、全負荷運転実験で、エンジン回転速度に対する全負荷筒内圧力マップを作成すると共に全負荷までの燃料噴射量に基づいた燃焼分の燃焼分圧力補正マップを作成し、前記全負荷筒内圧力マップからリアルタイムエンジン回転速度での全負荷時の燃焼分の圧力を求めると共に燃焼分圧力補正マップからリアルタイムエンジン回転速度での燃料噴射量を基に、前記全負荷時の燃焼分の圧力を補正して燃焼分の圧力とし、この燃焼分の圧力と、リアルタイムエンジン回転速度におけるコンプレッション分の圧力とを加算してリアルタイムエンジン回転速度での筒内圧力を求めることを特徴とする筒内圧力推定方法である。 In order to achieve the above object, the present invention creates a full load in-cylinder pressure map with respect to engine rotational speed in a full load operation experiment and a combustion component pressure correction map for combustion based on the fuel injection amount to full load. Based on the fuel injection amount at real-time engine rotational speed, the pressure for combustion at full load at real-time engine rotational speed is determined from the full-load in-cylinder pressure map and calculated from the fuel injection amount at real-time engine rotational speed The pressure of the combustion component is corrected to obtain the pressure of the combustion component, and the pressure of the combustion component and the pressure of the compression component at the real time engine rotational speed are added to obtain the in-cylinder pressure at the real time engine rotational speed. It is an in-cylinder pressure estimation method characterized by the above.
燃焼分圧力補正マップは、メイン噴射の燃料噴射量に対する燃焼分の圧力の変化と、プレ噴射の燃料噴射量に対する燃焼分の圧力の変化を示すマップからなり、前記実測筒内圧力マップからリアルタイムのエンジン回転速度で求めた全負荷燃焼分の圧力を、前記燃焼分圧力補正マップから、リアルタイムのエンジン回転速度でのメイン噴射とプレ噴射に基づく燃料噴射量を基に補正するのが好ましい。 The combustion pressure correction map comprises a map showing a change in pressure for combustion with respect to the fuel injection amount of the main injection and a change in pressure for combustion with respect to the fuel injection amount for the preinjection, and the real time It is preferable to correct the pressure of the full load combustion obtained by the engine rotational speed based on the fuel injection amount based on the main injection and the pre-injection at the engine rotational speed in real time from the combustion pressure correction map.
また本発明は、上記筒内圧力推定方法で求めた筒内圧力に対して内燃機関の最大許容筒内圧力までの圧力マージンを求め、他方、内燃機関を全負荷運転したときの各エンジン回転速度に対する燃料噴射時期のマップを作成し、燃料噴射時期のマップからリアルタイムのエンジン回転速度での全負荷時の燃料噴射時期を求め、この全負荷時の燃料噴射時期を前記圧力マージンを基に、最大許容筒内圧力以下で、燃料噴射時期を最適制御することを特徴とする筒内圧力制御方法である。 Further, according to the present invention, a pressure margin up to the maximum allowable in-cylinder pressure of the internal combustion engine is determined with respect to the in-cylinder pressure obtained by the above-mentioned in-cylinder pressure estimation method, while each engine rotational speed when the internal combustion engine is operated at full load The fuel injection timing map for the fuel injection timing is calculated from the fuel injection timing map, and the fuel injection timing at full load with the engine rotation speed in real time is determined, and the fuel injection timing at full load is maximum based on the pressure margin. The in-cylinder pressure control method is characterized in that the fuel injection timing is optimally controlled below the allowable in-cylinder pressure.
本発明は、全負荷運転実験結果を基に、燃焼分の筒内圧力を求める際に、全負荷までの燃料噴射量の変化による燃焼分の筒内圧力変化を考慮して燃焼分の筒内圧力を求めることで筒内圧力推定が的確なものとなり、また求めた筒内圧力で、内燃機関の最大許容筒内圧力を超えないように燃料噴射時期を最適制御することができるという優れた効果を発揮する。 The present invention, when determining the in-cylinder pressure for combustion based on the full-load operation test results, takes into consideration the in-cylinder pressure change for combustion due to the change in the fuel injection amount up to the full load. By obtaining the pressure, the in-cylinder pressure estimation becomes accurate, and the fuel injection timing can be optimally controlled so that the maximum allowable in-cylinder pressure of the internal combustion engine is not exceeded by the obtained in-cylinder pressure. Demonstrate.
以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。 Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail based on the attached drawings.
先ず、図1により内燃機関の筒内圧力について説明する。 First, the cylinder pressure of the internal combustion engine will be described with reference to FIG.
筒内圧力(Pmax)は、ピストンによるコンプレッションによる圧力(PmaxComp)と、噴射された燃料の燃焼による燃焼分の圧力(PmaxFire)の総和で決定される。 The in-cylinder pressure (Pmax) is determined by the sum of the pressure (PmaxComp) by compression by the piston and the pressure (PmaxFire) of the combustion component of the injected fuel.
ここで、圧力(PmaxComp)は、図2のPV線図にポリトロープ変化(PVκ=const)で示したようになり、吸入空気の圧力(ブースト圧力)をMAPとすると、
PmaxComp=MAP・εκ
ε:圧縮比
κ:ポリトロープ指数
で求めることができる。
Here, the pressure (PmaxComp) will become as shown in polytropic change in the PV diagram of FIG. 2 (PV kappa = const), the pressure of the intake air (boost pressure) and MAP,
PmaxComp = MAP · ε κ
ε: Compression ratio κ: Polytrope index can be obtained.
燃焼分は、内燃機関を運転したときの実験結果から導く。 The combustion component is derived from experimental results when the internal combustion engine is operated.
さて、図3は、エンジン回転速度(リアルタイム)10から全負荷時筒内圧力中の燃焼分圧力11と全負荷時のコンプレッション分圧力12を求める計算手法を示したものである。
FIG. 3 shows a calculation method for obtaining the
図3において、13は、実験で求めたエンジン回転速度に対する実測筒内圧力(Pmax)マップで、14は、エンジン回転速度に対する測定時のブースト圧力(MAP)のマップである。
In FIG. 3,
実測筒内圧力(Pmax)マップ13は、エンジン回転速度を固定し、アクセル全開(全負荷)で行う実験(全負荷試験)の結果を基に作成される。全負荷試験は、通常のエンジン制御指令値で行うが、プレ噴射が使用されている場合には、その指令値を0mm3/stに変更して行う。
The measured in-cylinder pressure (Pmax)
リアルタイムエンジン回転速度10における筒内圧力は、リアルタイムエンジン回転速度10を、実測筒内圧力(Pmax)マップ13に入力することで、そのエンジン回転速度におけるPmaxが求まり、またブースト圧力(MAP)のマップ14からそのエンジン回転速度におけるMAPが求められる。
As for the in-cylinder pressure at real-time engine
また、コンプレッション分の筒内圧力は、圧縮比(ε)15とポリトロープ指数16を演算器17に入力して求めた係数に、ブースト圧力(MAP)のマップ14から求めたMAPを演算器18に入力して乗算することで、全負荷時のコンプレッション分圧力12が求められる。
Further, the pressure in the cylinder corresponding to the compression is obtained by inputting the compression ratio (ε) 15 and the
これにより、実測筒内圧力(Pmax)マップ13から求めたエンジン回転速度における筒内圧力に対して演算器19で、コンプレッション分圧力12を減じれば、全負荷時の筒内圧力中の燃焼分圧力11が求められる。
Thereby, if the pressure for compression 12 is reduced by the
また、リアルタイムでのMAP20の値を演算器21に入力し、演算器17で求めた係数を演算器21に入力して乗算することで、Pmaxリアルタイムコンプレッション分圧力22が求められる。
Further, the value of
この図3で求めた、燃焼分圧力11は、EGR開度、燃料噴射時期(SOI)、燃料噴射圧力(TRP)等が全負荷試験時のものであるため、リアルタイムで求める燃焼分の圧力とは異なる。
The
Pmaxの燃焼分圧力11は、全負荷試験時の燃料噴射量、燃料温度・密度、燃料噴射圧力(コモンレール圧力)、吸気温度、EGR開度等における値であり、リアルタイムでの筒内圧力を推定するためには、これらパラメータの変化による補正が必要である。
The combustion
そこで、これらパラメータの変化分による補正の計算手法を図4〜図8により説明する。 Therefore, the calculation method of the correction based on the change of these parameters will be described with reference to FIGS.
先ず燃料噴射量が、一定量を超えるとサチレーションしたときの燃焼分筒内圧力の補正を説明する。 First, correction of the pressure in the combustion divided cylinder when the fuel injection amount is saturated when it exceeds a predetermined amount will be described.
図4は、燃料噴射量(mm3/st)に対する燃焼分筒内圧力PmaxFire(kPa)の関係を示したものである。 FIG. 4 shows the relationship between the pressure in the combustion divided cylinder PmaxFire (kPa) and the fuel injection amount (mm 3 / st).
燃料噴射量の変化による燃焼分筒内圧力(PmaxFire)の変化を測定する実験は、各エンジン回転速度の制御指令値を燃料噴射量方向で固定し、同一エンジン回転速度でSOI(燃料噴射時期)、TRP(コモンレール圧力)、Qpre(プレ噴射量)、EGR(EGRバルブ開度)、VGT開度(可変容量ターボのターボノズル開度)が変化しないようにして実験を行い測定した筒内圧力からコンプレッション分の筒内圧力を減算して求める。 In the experiment to measure the change in the pressure in the combustion division (PmaxFire) due to the change of the fuel injection amount, the control command value of each engine rotational speed is fixed in the fuel injection amount direction, and the SOI (fuel injection timing) at the same engine rotational speed TRP (common rail pressure), Qpre (pre-injection amount), EGR (EGR valve opening), and VGT opening (variable-capacity turbo turbo nozzle opening) so as not to change Calculated by subtracting the in-cylinder pressure for compression.
すなわち、実験結果から、アルゴリズム中の計算式とこれまでの適合値を使用して筒内圧力中の燃焼分(PmaxFire)を分離する。 That is, from the experimental results, the combustion component (PmaxFire) in the in-cylinder pressure is separated using the calculation formula in the algorithm and the previous compatible value.
ここで、燃料噴射量(x軸)、PmaxFire(y軸)を作図をすると図4のようなグラフとなる。 Here, when the fuel injection amount (x axis) and PmaxFire (y axis) are plotted, a graph as shown in FIG. 4 is obtained.
このグラフより、全負荷燃料噴射量での燃焼分筒内圧力(PmaxFire)を1とした場合の各燃料噴射量時の係数をエンジン回転速度(rpm)の違いで適切にキャリブレーションし、燃焼分圧力の燃料噴射量による補正マップ30(図6)とする。 From this graph, the coefficients at the time of each fuel injection amount when the pressure (PmaxFire) in the combustion split cylinder at full load fuel injection amount is 1 are properly calibrated with the difference in engine rotational speed (rpm) The correction map 30 (FIG. 6) based on the fuel injection amount of pressure is used.
図5はプレ噴射量による筒内圧力(PmaxFirePre)変化のマップ40を示している。
FIG. 5 shows a
このプレ噴射による筒内圧力変化は、プレ噴射とメイン噴射のインターバルやメイン噴射のタイミングでも変化するが、大きな要因ではないので、プレ噴射量(preQ)に比例してPmaxFirePreが上昇する燃焼分圧力補正マップ40とする。
The pressure change in the cylinder due to this pre-injection also changes at the interval between the pre-injection and the main injection, or at the timing of the main injection, but this is not a major factor, so the combustion pressure at which PmaxFirePre rises in proportion to the pre-injection amount (preQ) The
図6は、全負荷試験時の燃焼分筒内圧力11に対して、リアルタイムの燃焼分筒内圧力の割合ratio(割合)Q31を求める計算手法を示したものである。
FIG. 6 shows a calculation method for determining the ratio ratio (ratio) Q31 of the pressure in the combustion segment in real time to the
図6において、30は、図4で説明した燃焼分圧力の燃料噴射量による補正マップである。
In FIG. 6,
この燃焼分圧力の燃料噴射量による補正マップ30にリアルタイムのエンジン回転速度10と燃料温度34により補正が行われた燃料噴射量を入力することで、リアルタイムの燃焼分筒内圧力の割合ratioQ31が求まる。
By inputting the fuel injection amount corrected by the engine
燃料噴射量は、リアルタイムでは、燃料温度による影響を補正する必要がある。 The fuel injection amount needs to correct the influence of the fuel temperature in real time.
そこで、リアルタイムエンジン回転速度10での燃料噴射量32を演算器33に入力し、また燃料温度34を演算器35に入力し、この演算器35に標準燃料温度(全負荷試験時の燃料温度)36を入力して偏差を求め、これを演算器37に入力すると共に燃料密度変化率38を乗じ、演算器39で、「1」を加えて、演算器33に入力することで、燃料温度による影響を補正する。
Therefore, the
図7は、エンジン回転速度(リアルタイム)10とその時の燃料噴射圧力42から、Pmaxの燃料噴射圧力(コモンレール圧力)による変化分43を求める計算手法を示したものである。エンジン回転速度(リアルタイム)10を、燃料噴射圧力の変化が燃焼分圧力に与える影響をエンジン回転について示したマップ47に入力し、その出力を演算器48に入力する。
FIG. 7 shows a calculation method for obtaining a
エンジン回転速度(リアルタイム)10を、全負荷試験時のエンジン回転速度に対する燃料噴射圧力マップ45に入力することで、そのエンジン回転速度での実験時の燃料噴射圧力が求められ、この値が演算器46に入力される。 By inputting the engine rotational speed (real time) 10 into the fuel injection pressure map 45 for the engine rotational speed at the full load test, the fuel injection pressure at the time of the experiment at the engine rotational speed is determined. It is input to 46.
他方、エンジン回転速度(リアルタイム)10での燃料噴射圧力(コモンレール圧力)42が演算器46に入力され、演算器46にて燃料噴射圧力の差が計算される。この値が、演算器48に入力さる。演算器46から入力された差とマップ47から入力された値が、演算器48にて積算されて、Pmaxの燃料噴射圧力による変化分43が求められる。
On the other hand, the fuel injection pressure (common rail pressure) 42 at the engine rotational speed (real time) 10 is input to the
図8は、エンジン回転速度(リアルタイム)10から、Pmaxの吸気温度による変化分51を求める計算手法を示したものである。
FIG. 8 shows a calculation method for obtaining a
エンジン回転速度(リアルタイム)10が、全負荷試験時のエンジン回転速度に対する吸気温度マップ52に入力されて全負荷試験時の吸気温度が求められ、この温度が演算器55に入力される。他方、エンジン回転速度における吸気温度50が演算器55に入力されて、演算器55で全負荷試験時とリアルタイムの吸気温度の差が求められると共に吸気温度の変化が燃焼分筒内圧力に与える影響マップ53に入力され、これによりPmaxの吸気温度による変化分51が求められる。
The engine rotational speed (real time) 10 is input to the intake
以上、図3で求めたエンジン回転速度(リアルタイム)10における全負荷試験時のPmaxの燃焼分圧力11を基に、図4〜図8でのパラメータの変化分を考慮して、筒内圧力を推定する計算手順を図9により説明する。
As described above, based on the
全負荷時のPmaxの燃焼分圧力11が演算器60に入力され、燃料噴射圧力による変化分43に基づいて、Pmaxが補正されて演算器61に入力され、演算器61にて、Pmaxの吸気温度による変化分51が補正され、演算器62にて、燃料噴射量と燃料温度・密度によるratioQ31で、燃焼分圧力が補正され、演算器64にて、Pmaxプレ噴射分マップ40によるプレ噴射分燃焼圧力で補正される。この補正した燃焼分の圧力が演算器66に入力され、演算器66で、Pmaxリアルタイムでのコンプレッション分22の圧力が加算されることで、リアルタイム推定筒内圧力67が求められる。
The
次に、この推定した筒内圧力を演算器68に入力し、演算器68で、Pmax制限(内燃機関の最大許容筒内圧力)69との差である圧力裕度としてのPmaxマージン70を求める。
Next, the estimated in-cylinder pressure is input to the
ここで、リアルタイム推定筒内圧力67は、燃料噴射時期(SOI)を考慮していない、全負荷試験時の燃料噴射時期(SOI)での値であり、全負荷試験時のSOIはエンジン回転速度により最適に設定されている。
Here, the real-time estimated in-
そこで、Pmaxマージン70を求め、Pmax制限(内燃機関の最大許容筒内圧力)69以下で、Pmaxマージン70を基にして、最適なSOIを設定することで、筒内圧力が制限値を超えない範囲に最適制御することができる。
Therefore, the
これを図10により説明する。 This will be described with reference to FIG.
エンジン回転速度(リアルタイム)10が、エンジン回転速度に対する実測Pmax測定時のSOIマップ71に入力されて、SOIが求められて演算器73に入力される。またエンジン回転速度(リアルタイム)10は、SOIの変化が筒内圧力に与える影響のマップ72に入力され、この出力が演算器74に入力される。
The engine rotational speed (real time) 10 is input to the
この演算器74には、図9で求めたPmaxマージン70の圧力Bが入力され、演算器74で、B/Aを演算することで、Pmaxマージンに対するSOIの操作量が求められ、これを演算器73で演算して、全負荷試験時のSOIを補正することで、SOIリミット75を求めることができる。
The pressure B of the
このSOIリミット75に基づいて、燃料噴射時期を、内燃機関の最大許容筒内圧力を超えない範囲に制御して筒内圧力を制御することが可能となる。 Based on the SOI limit 75, it is possible to control the in-cylinder pressure by controlling the fuel injection timing to a range not exceeding the maximum allowable in-cylinder pressure of the internal combustion engine.
10 リアルタイムエンジン回転速度
11 全負荷時の筒内圧力における燃焼分の圧力
13 全負荷筒内圧力マップ
30 燃焼分圧力の燃料噴射量による補正マップ
67 リアルタイム推定筒内圧力
10 Real-time
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