JP6787056B2 - 内燃機関の燃料噴射制御システム及び内燃機関の燃料噴射制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の燃料噴射制御システム及び内燃機関の燃料噴射制御方法に関する。

車両に備わるディーゼルエンジン等の内燃機関では、気筒（シリンダ）の内部にピストンを収納している。そして、気筒とピストンとシリンダヘッドの間に形成される空間である燃焼室内において、燃料を燃焼させることで、内燃機関に車両走行用の動力を発生させている。

このピストンは、シリンダ内の圧力変動に伴う力学的な負荷、及び、上記の燃焼反応に伴う熱的な負荷を繰り返し受けることになるため、耐久性が徐々に低下していく。特に、ピストンが過昇温されて高温に曝されたときに、ピストンの耐久性は大きく低下する。

ここで、筒内直接噴射火花点火式機関の制御システムが、燃焼室に吸入される空気でタンブルが形成される燃焼室内において、タンブルを強化する方向に燃料を噴射する筒内噴射用のインジェクタを備えて、ピストン温度が温度閾値以下の場合に、インジェクタによる燃焼噴射時期を吸気下死点近傍に設定し、ピストン温度が温度閾値より高い場合に、インジェクタによる燃料噴射時期を吸気上死点近傍に設定する内燃機関の制御システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−１０３１０６号公報

ところで、上記の内燃機関の制御システムでは、温度閾値に応じて設定された２パターンの燃料噴射タイミングの何れかに燃料噴射タイミングを切り替えるだけであるので、燃料噴射タイミングをピストンの温度に応じた最適なタイミングに設定することはできない。すなわち、燃料噴射タイミングを最適なタイミングに設定することで、ピストンの過昇温の抑制効果を向上させる余地が残っていた。

本発明の目的は、ピストンの過昇温を抑制できると共に、燃料の噴射開始時期の変化を穏やかにしてピストンの急激な温度変化を抑制できて、ピストン及びその周辺に配置された気筒内部品の寿命を向上させることができる内燃機関の燃料噴射制御システム及び内燃機関の燃料噴射制御方法を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明の内燃機関の燃料噴射制御システムは、内燃機関の気筒内への燃料の噴射開始時期を制御する制御装置を備えた内燃機関の燃料噴射制御システムにおいて、前記制御装置は、前記気筒内のピストンの温度であるピストン温度と、前記内燃機関の運転状態と、予め設定された前記ピストンの温度の最大制限温度と、この最大制限温度よりも低い値で前記ピストン温度が前記運転状態で燃料の噴射開始時期を標準噴射開始時期よりも遅延させる必要のある温度であることを判定可能に予め設定された閾値温度とが入力されると、前記最大制限温度から前記ピストン温度を減算して求めた第１温度差を前記最大制限温度から前記閾値温度を減算して求めた第２温度差で除算して「０」以上、「１」以下の値となる重み付け係数を算出する重み付け係数算出手段と、前記重み付け係数算出手段が算出した前記重み付け係数と前記運転状態での標準噴射開始時期と前記運転状態で前記ピストン温度が前記最大制限温度になると予測される最大遅延噴射開始時期とが入力されると、前記標準噴射開始時期に前記重み付け係数を乗算した値と前記最大遅延噴射開始時期に「１」から前記重み付け係数を減算した値を乗算した値を加算した値を、前記内燃機関の圧縮行程時における燃料の噴射開始時期制御値に設定する遅延噴射開始時期算出手段と、を有し、設定した前記噴射開始時期制御値で前記気筒内への燃料の噴射を開始する制御を行うように構成されている。

また、上記の目的を達成するための本発明の内燃機関の燃料噴射制御方法は、内燃機関の気筒内への燃料の噴射開始時期を制御する制御装置を備えた内燃機関の燃料噴射制御方法において、前記制御装置に、前記気筒内のピストンの温度であるピストン温度と、前記内燃機関の運転状態と、予め設定された前記ピストンの温度の最大制限温度と、この最大制限温度よりも低い値で前記ピストン温度が前記運転状態で燃料の噴射開始時期を標準噴射開始時期よりも遅延させる必要のある温度であることを判定可能に予め設定された閾値温度とが入力されると、前記制御装置は、前記最大制限温度から前記ピストン温度を減算して求めた第１温度差を前記最大制限温度から前記閾値温度を減算して求めた第２温度差で除算して「０」以上、「１」以下の値となる重み付け係数を算出し、次いで、前記運転状態での標準噴射開始時期に前記重み付け係数を乗算した値と前記運転状態で前記ピストン温度が前記最大制限温度になると予測される最大遅延噴射開始時期に「１」から前記重み付け係数を減算した値を乗算した値を加算した値を、前記内燃機関の圧縮行程時における燃料の噴射開始時期制御値に設定し、次いで、設定したこの噴射開始時期制御値で前記気筒内への燃料の噴射を開始する制御を行うことを特徴とする方法である。

本発明の内燃機関の燃料噴射制御システム及び内燃機関の燃料噴射制御方法によれば、ピストン温度を基に燃料の噴射開始時期を適切なタイミングに設定することで、ピストンの過昇温を抑制できると共に、噴射開始時期の変化を穏やかにして急激なトルク変化を抑制できるため、運転性を損なわずにピストン及びその周辺に配置された気筒内部品の寿命を向上させることができる。

重み付け係数の算出方法を示す図である。 重み付け係数を用いての遅延噴射開始時期の算出方法を示す図である。 本発明の内燃機関の燃料噴射制御方法の制御フローを示す図である。

以下、本発明に係る実施形態の内燃機関の燃料噴射制御システム及び内燃機関の燃料噴射制御方法について、図面を参照しながら説明する。

本発明の対象となる内燃機関の燃料噴射制御システムは、エンジン（内燃機関）の気筒（シリンダ）内への燃料の噴射開始時期や噴射量等を、エンジンの運転状態に基づいて設定及び制御するシステムである。このシステムを制御するために制御装置が備えられる。この制御装置は、内燃機関の気筒内への燃料の噴射開始時期を制御する。

本発明の内燃機関の燃料噴射制御システムでは、気筒内のピストンの温度Ｔｅを推定し、この推定されたピストン温度Ｔｅに基づいて気筒内への燃料の噴射開始時期ＳＯＩを制御する。このピストン温度Ｔｅの推定方法については、直接測定したり、エンジン運転状態と予め設定されたマップデータなどから推定したりする方法があるが、ここでは、ピストン温度Ｔｅの推定方法は特に限定する必要がなく、この周知の方法を採用してもよいので、ここでは説明を省略する。

ピストンが高温になるにつれて、気筒内での燃焼反応により発生する熱量によりピストンが過昇温され、ピストンの耐久性の劣化量が大きくなる虞がある。そのため、ピストン温度Ｔｅが高温である場合は、燃料の噴射開始時期ＳＯＩを通常の標準噴射開始時期ＳＯＩｎより遅延させて、気筒内の燃焼状態を変化させて気筒内の燃焼温度を低下させることで、ピストンの過昇温を抑制する。なお、この噴射開始時期ＳＯＩは、ピストンが圧縮上死点に到達する時点を基にして、この時点からの進角量をクランク角度の表現で設定される。

本発明においては、制御装置は、噴射開始時期制御値ＳＯＩｃを設定する際に、予め設定された気筒内のピストン温度Ｔｅに対する最大制限温度Ｔｍａｘと、この最大制限温度Ｔｍａｘよりも低い値である閾値温度Ｔｆとを入力する。この閾値温度Ｔｆは、最大制限温度Ｔｍａｘよりも予め設定された所定温度ΔＴｓだけ低い温度とするが、この閾値温度Ｔｆをエンジンの運転状態に合わせて変化させてもよい。例えば、エンジンの運転状態を表すエンジン回転数や燃料噴射量に対して、予め実験等により設定されているマップデータなどを参照して算出してもよい。

また、予め設定されたデータに基づいて、噴射開始時期制御値ＳＯＩｃの設定時のエンジン運転状態に対して標準噴射開始時期ＳＯＩｎを算出する。この通常の噴射開始時期である標準噴射開始時期ＳＯＩｎは、エンジンの運転状態を表すエンジン回転数や燃料噴射量に対して、予め実験等により設定されているマップデータなどを参照して算出される噴射開始時期であり、通常は、ピストン温度Ｔｅを考慮せずに、発生トルクや燃料消費量、ＮＯｘやＰＭ（粒子状物質）の発生量を考慮して設定されている。

そして、ピストン温度Ｔｅが最大制限温度Ｔｍａｘとなる最大遅延噴射開始時期ＳＯＩｍａｘとを設定時のエンジン運転状態に対して算出する。この最大遅延噴射開始時期ＳＯＩｍａｘの算出は、エンジン運転状態に追従して、噴射開始時期ＳＯＩを入力として、ピストンの推定温度を算出するピストン推定温度算出システム及びピストン推定温度算出方法において、ピストン温度推定を最大制限温度Ｔｍａｘとして、そのときにおけるエンジン運転状態などのデータをそのままにして、噴射開始時期ＳＯＩを逆算することで得られる値であり、この逆算で得られる噴射開始時期ＳＯＩを最大遅延噴射開始時期ＳＯＩｍａｘとする。なお、最大遅延噴射開始時期ＳＯＩｍａｘは、その設定のエンジン運転状態において、ピストン温度Ｔｅが最大制限温度Ｔｍａｘとなるときの噴射開始時期ＳＯＩに対応するものであればよく、本発明では、その算出方法に限定される必要はない。

そして、ピストン温度Ｔｅが閾値温度Ｔｆ以下のときには標準噴射開始時期ＳＯＩｎを噴射開始時期制御値ＳＯＩｃとする。また、ピストン温度Ｔｅが閾値温度Ｔｆより大きく、かつ、最大制限温度Ｔｍａｘ未満であるときに、ピストン温度Ｔｅと最大制限温度Ｔｍａｘと閾値温度Ｔｆとに基づいて重み付け係数ｋを算出して、この算出した重み付け係数ｋと最大遅延噴射開始時期ＳＯＩｍａｘと標準噴射開始時期ＳＯＩｎとに基づいて算出される遅延噴射開始時期ＳＯＩｋを噴射開始時期制御値ＳＯＩｃとする。さらに、ピストン温度Ｔｅが最大制限温度Ｔｍａｘ以上であるときに、最大遅延噴射開始時期ＳＯＩｍａｘを噴射開始時期制御値ＳＯＩｃとする。このようにして設定された噴射開始時期制御値ＳＯＩｃで気筒内への燃料の噴射を開始する制御を行う。

以上をまとめると、ピストン温度Ｔｅが閾値温度Ｔｆ以下である場合は、噴射開始時期制御値ＳＯＩｃを標準噴射開始時期ＳＯＩｎに設定し、ピストン温度Ｔｅが最大制限温度Ｔｍａｘ以上である場合は、噴射開始時期制御値ＳＯＩｃを最大遅延噴射開始時期ＳＯＩｍａｘに設定する。また、ピストン温度Ｔｅが閾値温度Ｔｆより大きく、かつ、最大制限温度Ｔｍａｘ未満である場合は、噴射開始時期制御値ＳＯＩｃを最大遅延噴射開始時期ＳＯＩｍａｘと標準噴射開始時期ＳＯＩｎの間の重み付き係数ｋを用いて算出した噴射開始時期ＳＯＩｋに設定する。

重み付け係数ｋの算出及び設定方法について、図１を参照しながら説明する。図１に示すように、まず、重み付け係数算出手段Ｍ１０で、ピストン温度Ｔｅ、最大制限温度Ｔｍａｘ、閾値温度Ｔｆを入力して、最大制限温度Ｔｍａｘからピストン温度Ｔｅを減算して、ピストン温度Ｔｅから最大制限温度Ｔｍａｘまでのマージンである第１温度差ΔＴａ（＝Ｔｍａｘ−Ｔｅ）を算出するとともに、最大制限温度Ｔｍａｘから閾値温度Ｔｆを減算して、マージン幅である第２温度差ΔＴｂ（＝Ｔｍａｘ−Ｔｆ）を算出する。次に、第１温度差ΔＴａを第２温度差ΔＴｂで除算して、重み付け係数ｋ（＝ΔＴａ／ΔＴｂ）を算出する。

この重み付け係数ｋは、ピストン温度Ｔｅが閾値温度Ｔｆより大きく、かつ、最大制限温度Ｔｍａｘ未満である場合は、第１温度差ΔＴａ及び第２温度差ΔＴｂがともに正の値となり、第２温度差ΔＴｂが第１温度差ΔＴａより大きい値となるため、０より大きく１未満の値となる。

図２に示すように、遅延噴射開始時期算出手段Ｍ２０により、遅延噴射開始時期ＳＯＩｋは、重み付け係数ｋ、標準噴射開始時期ＳＯＩｎ、最大遅延噴射開始時期ＳＯＩｍａｘの各値を入力して、ＳＯＩｋ＝ｋ×（ＳＯＩｎ）＋（１−ｋ）×（ＳＯＩｍａｘ）の式で算出される。

ここで、ピストン温度Ｔｅが閾値温度Ｔｆであるときには、重み付け係数ｋが１になるので、ＳＯＩｋの算出式にｋ＝１を代入すると、遅延噴射開始時期ＳＯＩｋは標準噴射開始時期ＳＯＩｎとなる。また、ピストン温度Ｔｅが最大制限温度Ｔｍａｘであるときに、重み付け係数ｋが０になり、遅延噴射開始時期ＳＯＩｋの算出式にｋ＝０を代入すると、遅延噴射開始時期ＳＯＩｋは最大遅延噴射開始時期ＳＯＩｍａｘとなる。

そして、ピストン温度Ｔｅが閾値温度Ｔｆ以下であるときは重み付け係数ｋを１とし、ピストン温度Ｔｅが最大制限温度Ｔｍａｘ以上であるときは重み付け係数ｋを０とすることで、遅延噴射開始時期ＳＯＩｋを算出するための式は、ピストン温度Ｔｅが閾値温度Ｔｆ以下である場合や最大制限温度Ｔｍａｘ以上である場合にも適用可能な式となる。

つまり、重み付け係数ｋの設定を上記の設定にすることにより、図１に示す重み付け係数算出手段Ｍ１０と図２に示す遅延噴射開始時期算出手段Ｍ２０により、ピストン温度Ｔｅに対応させて、標準噴射開始時期ＳＯＩｎと遅延噴射開始時期ＳＯＩｋと最大遅延噴射開始時期ＳＯＩｍａｘを選択して、噴射開始時期制御値ＳＯＩｃとし、この噴射開始時期制御値ＳＯＩｃで、燃料噴射を制御する。

次に、本発明の内燃機関の燃料噴射制御方法について、図３に示す制御フローを基に説明する。図３の制御フローは、エンジンの運転中に予め設定した制御時間を経過する度に上級の制御フローより呼ばれてスタートする制御フローとして示している。

図３の制御フローがスタートすると、ステップＳ１０にて、ピストン温度Ｔｅ、最大制限温度Ｔｍａｘ、閾値温度Ｔｆを入力する。ピストン温度Ｔｅの推定方法については、特に限定しないので、実際に温度を測定して得られる温度や、予め実験等により設定されたマップデータなどを参照して算出する方法などの周知の方法を用いることができるので、ここでは説明を省略する。ステップＳ１０の制御を実施後、ステップＳ２０に進む。

ステップＳ２０にて、ステップＳ１０で入力ピストン温度Ｔｅが閾値温度Ｔｆより大きいか否かを判定する。ピストン温度Ｔｅが閾値温度Ｔｆより大きい場合（ＹＥＳ）は、ステップＳ３０に進む。ピストン温度Ｔｅが閾値温度Ｔｆ以下である場合（ＮＯ）は、ステップＳ７０に進み、ステップＳ７０にて、標準噴射開始時期ＳＯＩｎを噴射開始時期制御値ＳＯＩｃとし、ステップＳ８０に進む。

ステップＳ２０からステップＳ３０に進んだ場合は、ステップＳ３０にて、ピストン温度Ｔｅが最大制限温度Ｔｍａｘ未満であるか否かを判定する。ピストン温度Ｔｅが最大制限温度Ｔｍａｘ未満である場合（ＹＥＳ）は、ステップＳ４０に進み、ステップＳ４０にて、重み付け係数ｋを算出し、次のステップＳ５０で、遅延噴射開始時期ＳＯＩｋを算出し、この遅延噴射開始時期ＳＯＩｋを噴射開始時期制御値ＳＯＩｃとし、ステップＳ８０に進む。

ステップＳ３０にて、ピストン温度Ｔｅが最大制限温度Ｔｍａｘ以上である場合（ＮＯ）は、ステップＳ６０に進み、ステップＳ６０にて、最大遅延噴射開始時期ＳＯＩｍａｘを噴射開始時期制御値ＳＯＩｃとし、ステップＳ８０に進む。

そして、ステップＳ５０、Ｓ６０、Ｓ７０のいずれかを経由してのステップＳ８０にて、ステップＳ８０の直前のステップ（Ｓ５０、Ｓ６０、Ｓ７０）で設定した噴射開始時期制御値ＳＯＩｃで燃料噴射を実施する。ステップＳ８０の制御を実施後、リターンに進んで、本制御フローを終了する。

以上より、本発明の内燃機関の燃料噴射制御システムを基にした、本発明の内燃機関の燃料噴射制御方法は、内燃機関の気筒内への燃料の噴射開始時期ＳＯＩを制御する制御装置を備えた内燃機関の燃料噴射制御方法である。この方法において、上記の図３の制御フローに従った制御により、以下の演算と制御を行うことができる。

先ず、燃料の噴射開始時期制御値ＳＯＩｃを設定する際に、予め設定された気筒内のピストン温度Ｔｅに対する最大制限温度Ｔｍａｘと、この最大制限温度Ｔｍａｘよりも低い値である閾値温度Ｔｆとを入力する。それと共に、予め設定されたデータに基づいてエンジン運転状態に対して標準噴射開始時期ＳＯＩｎを算出し、ピストン温度Ｔｅが最大制限温度Ｔｍａｘとなる最大遅延噴射開始時期ＳＯＩｍａｘをエンジン運転状態に対して算出する。

そして、ピストン温度Ｔｅが閾値温度Ｔｆ以下のときには標準噴射開始時期ＳＯＩｎを噴射開始時期制御値ＳＯＩｃとする。また、ピストン温度Ｔｅが閾値温度Ｔｆより大きく、かつ、最大制限温度Ｔｍａｘ未満であるときに、ピストン温度Ｔｅと最大制限温度Ｔｍａｘと閾値温度Ｔｆとに基づいて重み付け係数ｋを算出して、この算出した重み付け係数ｋと最大遅延噴射開始時期ＳＯＩｍａｘと標準噴射開始時期ＳＯＩｎとに基づいて算出される遅延噴射開始時期ＳＯＩｋを噴射開始時期制御値ＳＯＩｃとする。さらに、ピストン温度Ｔｅが最大制限温度Ｔｍａｘ以上であるときに、最大遅延噴射開始時期ＳＯＩｍａｘを噴射開始時期制御値ＳＯＩｃとする。この噴射開始時期制御値ＳＯＩｃで気筒内への燃料の噴射を開始する制御を行う。

本発明の内燃機関の燃料噴射制御システム及び内燃機関の燃料噴射制御方法によれば、ピストン温度Ｔｅが閾値温度Ｔｆ以上となり、ピストン温度Ｔｅの過昇温を防止するために燃料の噴射開始時期ＳＯＩを通常の標準噴射開始時期ＳＯＩｎより遅らせる必要が生じたときには、最大遅延燃料噴射開始時期ＳＯＩｍａｘに対応するピストン温度Ｔｅの最大制限温度Ｔｍａｘと閾値温度Ｔｆとピストン温度Ｔｅとから重み付け係数ｋを算出し、この重み付け係数ｋを用いて、ピストン温度Ｔｅに対応する遅延噴射開始時期ＳＯＩｋを算出して噴射開始時期制御値ＳＯＩｃとするので、噴射開始時期制御値ＳＯＩｃが緩やかに変化し、ピストンの過昇温を抑制することができるともに、急激なトルク変化を抑制することができる。その結果、運転性を損なわずにピストン及びその周辺に配置された気筒内部品の寿命を向上させることができる。

ｋ 重み付け係数
Ｍ１０ 重み付け係数算出手段
Ｍ２０ 遅延噴射開始時期算出手段
Ｔｅ ピストン温度
Ｔｍａｘ 最大制限温度
Ｔｆ 閾値温度
ＳＯＩ 噴射開始時期
ＳＯＩｋ 遅延噴射開始時期
ＳＯＩｍａｘ 最大遅延噴射開始時期
ＳＯＩｎ 標準噴射開始時期

Claims (2)

1. 内燃機関の気筒内への燃料の噴射開始時期を制御する制御装置を備えた内燃機関の燃料噴射制御システムにおいて、
   前記制御装置は、
   前記気筒内のピストンの温度であるピストン温度と、前記内燃機関の運転状態と、予め設定された前記ピストンの温度の最大制限温度と、この最大制限温度よりも低い値で前記ピストン温度が前記運転状態で燃料の噴射開始時期を標準噴射開始時期よりも遅延させる必要のある温度であることを判定可能に予め設定された閾値温度とが入力されると、前記最大制限温度から前記ピストン温度を減算して求めた第１温度差を前記最大制限温度から前記閾値温度を減算して求めた第２温度差で除算して「０」以上、「１」以下の値となる重み付け係数を算出する重み付け係数算出手段と、
   前記重み付け係数算出手段が算出した前記重み付け係数と前記運転状態での標準噴射開始時期と前記運転状態で前記ピストン温度が前記最大制限温度になると予測される最大遅延噴射開始時期とが入力されると、前記標準噴射開始時期に前記重み付け係数を乗算した値と前記最大遅延噴射開始時期に「１」から前記重み付け係数を減算した値を乗算した値を加算した値を、前記内燃機関の圧縮行程時における燃料の噴射開始時期制御値に設定する遅延噴射開始時期算出手段と、を有し、
   設定した前記噴射開始時期制御値で前記気筒内への燃料の噴射を開始する制御を行うように構成されている内燃機関の燃料噴射制御システム。
2. 内燃機関の気筒内への燃料の噴射開始時期を制御する制御装置を備えた内燃機関の燃料噴射制御方法において、
   前記制御装置に、前記気筒内のピストンの温度であるピストン温度と、前記内燃機関の運転状態と、予め設定された前記ピストンの温度の最大制限温度と、この最大制限温度よりも低い値で前記ピストン温度が前記運転状態で燃料の噴射開始時期を標準噴射開始時期よりも遅延させる必要のある温度であることを判定可能に予め設定された閾値温度とが入力されると、
   前記制御装置は、前記最大制限温度から前記ピストン温度を減算して求めた第１温度差を前記最大制限温度から前記閾値温度を減算して求めた第２温度差で除算して「０」以上、「１」以下の値となる重み付け係数を算出し、
   次いで、前記運転状態での標準噴射開始時期に前記重み付け係数を乗算した値と前記運転状態で前記ピストン温度が前記最大制限温度になると予測される最大遅延噴射開始時期に「１」から前記重み付け係数を減算した値を乗算した値を加算した値を、前記内燃機関の圧縮行程時における燃料の噴射開始時期制御値に設定し、
   次いで、設定したこの噴射開始時期制御値で前記気筒内への燃料の噴射を開始する制御を行うことを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御方法。

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