JP6536223B2

JP6536223B2 - 筒内圧力推定方法及びそれに基づく筒内圧力制御方法

Info

Publication number: JP6536223B2
Application number: JP2015131400A
Authority: JP
Inventors: 信夫青木
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2015-06-30
Filing date: 2015-06-30
Publication date: 2019-07-03
Anticipated expiration: 2035-06-30
Also published as: JP2017014968A

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。

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。

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。

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。

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。

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。

リアルタイムの燃焼分筒内圧力は、リアルタイムの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料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。

特開平０９−２２８８９９号公報特開２０１１−１５３５５０号公報特開２０１２−０８２７６６号公報特開平０５−２２２９９８号公報

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。

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。

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。

しかし、筒内圧力は、ＥＧＲ量でも変化するため、このＥＧＲ量も考慮して筒内圧力を推定する必要がある。

また、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。

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。

上記目的を達成するために本発明は、エンジン回転速度に対する燃焼分の圧力変化を実験で求めると共に、その実験結果からリアルタイムエンジン回転速度での燃焼分の圧力を求め、他方その実験でＥＧＲ開度を変えたときの燃焼分のＥＧＲ圧力変化マップを作成し、ＥＧＲ圧力変化マップからリアルタイムエンジン回転速度でのＥＧＲ開度を基に燃焼分のＥＧＲによる変化分を求めて前記燃焼分の圧力を補正し、そのＥＧＲ開度で補正した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。

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を求めるのが好ましい。

ＥＧＲ圧力変化マップは、全負荷運転実験で、エンジン回転速度毎にＥＧＲ開度を変えたときの筒内圧力変化が記憶され、リアルタイムエンジン回転速度とＥＧＲ開度をＥＧＲ圧力変化マップに入力することで、そのリアルタイムエンジン回転速度におけるＥＧＲによる変化分が求められるのが好ましい。

また本発明は、上記の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。

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、ＥＧＲ開度を考慮して燃焼分の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。

本発明において、コンプレッション分の圧力と燃焼分の圧力を加えた筒内圧力変化を示す図である。本発明において、コンプレッション分のポリトロープ変化を示すＰＶ線図である。本発明において、各エンジン回転速度で、内燃機関を全負荷運転したときの燃焼分とコンプレッション分の筒内圧力及び、リアルタイムのコンプレッション分の筒内圧力を求める計算手法を示す図である。本発明において、ＥＧＲ開度で、燃焼分の筒内圧力の変化を求める計算手法を示す図である。本発明において、内燃機関の筒内圧力を実測試験したときの全負荷噴射量までの燃料噴射量に対する燃焼分の圧力変化を求めた図である。本発明において、プレ噴射量による燃焼分の圧力を求める計算手法を示す図である。本発明において、リアルタイムのエンジン回転速度と、リアルタイムの燃料噴射量を用い、実測全負荷時筒内圧力の燃焼分に対しての現在の燃焼分の割合（ｒａｔｉｏＱ）を求める計算手法を示す図である。リアルタイムの燃料噴射量に対し、燃料温度による補正計算を行う手法も示している。本発明において、燃料噴射圧力（コモンレール圧力）で、燃焼分の筒内圧力の変化分を求める計算手法を示す図である。本発明において、吸気温度で、燃焼分の筒内圧力の変化分を求める計算手法を示す図である。図３〜図９で求めた筒内圧力とその変化分を基に計算した筒内圧力推定値に対して最大許容筒内圧力（Ｐｍａｘ制限）までのマージン（Ｐmaxマージン）を求めるフローを示す図である。図１０で求めたＰmaxマージンを基に燃料噴射時期（ＳＯＩ）のリミットを求める計算手法を示す図である。

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。

先ず、図１により内燃機関の筒内圧力について説明する。

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。

ここで、圧力（ＰmaxComp）は、図２のＰＶ線図にポリトロープ変化（ＰＶ^κ＝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・ε^κ
ε：圧縮比
κ：ポリトロープ指数
で求めることができる。

燃焼分は、内燃機関を運転したときの実験結果から導く。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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９により説明する。

さて、図４は、ＥＧＲ圧力変化マップ５６を用いてリアルタイムエンジン回転速度１０におけるＥＧＲ開度５７を基にしてＰmaxのＥＧＲによる変化分５８を求める計算手法を示したものである。

先の全負荷試験ではＥＧＲバルブ開度は特に指定せず、エンジン回転速度に対する筒内圧力を求めたが、このＥＧＲバルブ開度による筒内圧力変化マップ５６は、全負荷試験時にエンジン回転速度毎にＥＧＲバルブ開度を変えて筒内圧力を測定し、ＥＧＲ開度に対する筒内圧力変化（ΔｋＰａ）を測定し３次元マップ化したものである。

リアルタイムエンジン回転速度１０とＥＧＲバルブ開度５７が、ＥＧＲバルブ開度による筒内圧力変化マップ５６に入力されると、その入力を基にＥＧＲによる変化分５８が求められる。

次に、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。

図５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。

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。

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。

ここで、燃料噴射量（ｘ軸）、ＰmaxFire（ｙ軸）を作図をすると図５のようなグラフとなる。

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７）とする。

図６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。

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。

図７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。

図７において、３０は、図５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。

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。

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。

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。

図８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。

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。

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に入力される。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。

図９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。

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。

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９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１０により説明する。

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プレ噴射量分マップ４０によるプレ噴射分燃焼圧力で補正され、演算器６５にてＥＧＲによる変化分５８が補正される。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。

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。

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。

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。

これを図１１により説明する。

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。

この演算器７４には、図１０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。

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。

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
５６ＥＧＲバルブ開度による筒内圧力変化のマップ
６７リアルタイム推定筒内圧力

Claims

エンジン回転速度に対する燃焼分の圧力変化を実験で求めると共に、その実験結果からリアルタイムエンジン回転速度での燃焼分の圧力を求め、他方その実験でＥＧＲ開度を変えたときの燃焼分のＥＧＲ圧力変化マップを作成し、ＥＧＲ圧力変化マップからリアルタイムエンジン回転速度でのＥＧＲ開度を基に燃焼分のＥＧＲによる変化分を求めて前記燃焼分の圧力を補正し、そのＥＧＲ開度で補正した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。
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を求める請求項１記載の筒内圧力推定方法。
ＥＧＲ圧力変化マップは、全負荷運転実験で、エンジン回転速度毎にＥＧＲ開度を変えたときの筒内圧力変化が記憶され、リアルタイムエンジン回転速度とＥＧＲ開度をＥＧＲ圧力変化マップに入力することで、そのリアルタイムエンジン回転速度におけるＥＧＲによる変化分が求められる請求項２記載の筒内圧力推定方法。
請求項１〜３のいずれかに記載の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補正して、筒内圧力が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を特徴とする筒内圧力制御方法。