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

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 Download PDF

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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
    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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