JPH0151665B2

JPH0151665B2 -

Info

Publication number: JPH0151665B2
Application number: JP56077533A
Authority: JP
Inventors: Hatsuo Nagaishi; Kenji Okamura
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1981-05-22
Filing date: 1981-05-22
Publication date: 1989-11-06
Also published as: JPS57193740A

Description

【発明の詳細な説明】この発明は、内燃機関の燃焼を制御する装置
で、特にNOxの低減技術に関するものである。

一般に、排気中の有害成分であるNOx（窒素酸
化物）は、混合気の燃焼温度が高くなるほど多量
に発生する傾向があるため、点火時期を遅らせた
り、排気の一部を吸気中に還流するようにして燃
焼温度を相対的に下げれば、NOxの低減に効果
的なことが知られている。

ところで、このような制御をする場合、燃焼室
内の温度を実際に測定してNOxの発生しやすい
状態を正確に把握することが困難なので、従来で
は各々の運転条件に応じて点火時期、空燃比、排
気還流（EGR）量等を、予め設定した最適な値
となるようにコントロールし、これによりNOx
の発生を未然に抑制することが行なわれている
（例えば、ECCSL条エンジン1979技術解説書日
産自動車株式会社発行）。

これは、いわゆるマイクロコンピユータによる
デイジタル制御方式として知られるもので、実験
等により求められた各運転条件下における最適な
点火時期、空燃比、EGR量等を予めマツプ（テ
ーブル）に記憶しておき、これらを刻々変動する
運転条件、例えば機関回転数、吸入空気量、冷却
水温等に応じてテーブルルツクアツプしてフオー
ドバツク制御するものである。

さらには、近年燃焼状態を直接監視すべく、又
応答性のすぐれた半導体、水晶圧力変換器が汎用
品として市場に出回るようになつたことから、圧
縮前のシリンダ内圧とその時の吸気温度とを検出
し、これらの検出値と燃焼時の最大圧力との関係
から最高燃焼温度を演算し、その結果により
NOxの発生量を間接的に演算して、その演算値
が所定値を越えそうな状態になれば、予め記憶し
ている制御量に基づき、空燃比を調整したり、
EGR量を増やすようにしてNOxの低減を図るシ
ステムが注目されている。

しかしながら、このようにシリンダの吸気温度
が圧縮前のシリンダ内圧等から燃焼温度を演算し
てNOxを制御するシステムにあつては、どうし
ても演算される燃焼温度の誤差が大きくなつてし
まい、NOxの発生を十分に抑制できないばかり
か、燃焼状態を最適に維持することが難しくな
り、かえつてNOxの排出量が増加したり、運転
性の悪化や燃費の悪化を招くという問題があつ
た。

すなわち、燃焼温度を演算するために圧縮前の
シリンダ内圧や燃焼時の圧力を正確に測定しよう
としても、このような低圧（約0.2Kg／cm²abs）か
ら高圧（最大数＋Kg／cm²）まで測定する圧力検出
器（圧力センサ）では、特に低圧域での測定値の
信頼性を非常に欠いたものとなりやすいのが実状
である。このため燃焼温度の演算結果に大きな誤
差要因を与えることになつていたのである。

本発明は、このような従来の問題点を解消する
ことを目的としている。

このために本発明では、シリンダに流入する吸
気の温度を検出する手段と、シリンダ内圧を検出
する手段と、クランク角を検出する手段とを設
け、吸気温度と、所定のクランク角における圧縮
行程終了付近のシリンダ内圧並びに燃焼中のシリ
ンダ内圧とを検出し、これらの検出信号に基づい
て燃焼最高温度を演算すると共に、その演算値に
応じて排気還流量、空燃比、点火時期のうち少な
くともひとつを制御するようにした制御装置を備
える。

上記構成においては、シリンダ内の燃焼最高温
度が、シリンダに流入する吸気の温度と、高レベ
ルのシリンダ内圧とに基づいて算出される。従つ
て、測定範囲の広い高価な圧力センサを用いるこ
となく、精度の高い燃焼制御を行うことが可能で
ある。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明す
る。

第１図は本発明の一実施例を示す図である。ま
ず構成を説明すると、図示されないエアクリーナ
から導入された吸気は、吸気通路２に介装された
絞弁３を介してシリンダ１へと流入し、燃料はシ
リンダ１近傍の吸気通路２に設置された燃料噴射
弁４からシリンダ１に向けて噴射されるが、絞弁
３下流の吸気通路２の途中には、シリンダ１に流
入する吸気の温度を検出する手段としての温度セ
ンサ５が設けられ、その検出信号は常に後述の制
御装置６に入力される。

シリンダ１内の圧力を検出する手段としての圧
力センサ７は、配電器８を介して点火コイル９に
接続された点火栓１０と並ぶようにしてシリンダ
１壁内に設置され、前記温度センサ５と同様、検
出信号を制御装置６に入力する。

そして、この圧力センサ７からの検出信号をク
ランク角に対応させて、圧縮あるいは燃焼行程時
の所定クランク角におけるシリンダ１内圧を検出
するために、クランク角を検出する手段としての
クランク角センサ１１が設けられる。

このクランク角センサ１１は、点火栓１０の配
電器８と同軸上に取付けられたインダクタの磁束
変化を検出することにより、通常の点火時期制御
のための各気筒基準点と、1゜おき等の細分点のほ
かに、気筒判別が可能なサイクル基準点を発言す
るようになつており、やはりその信号を制御装置
６に入力している。

一方、NOxを低減する手段として、排気の一
部を吸気中に還流するようにECR（排気還流）装
置１２が設けられ、排気通路１３と絞弁３下流の
吸気通路２を連通して排気還流通路１４が形成さ
れる。

この排気還流通路１４の途中には、絞弁３近傍
の作動負圧と大気圧とを作動圧源として、該通路
１４の開口面積を調整する排気還流バルブ１５が
設置されるが、このバルブ１５に導入される作動
負圧は負圧制御弁１６の開弁時間割合（デユーテ
イ）に応じて調圧される。

負圧制御弁１６の開弁時間割合は、制御装置６
から与えられる駆動パルス信号の巾によつて決定
され、これによりEGR量がコントロールされる。

ただし、本実施例においては、燃料の噴射時期
が噴射量ならびに点火時期等も、運転状態に応じ
て制御装置６によりコントロールされるが、
NOxを低減するものとしては、EGRのみを行な
うことに限定している。（なお、４Ａは燃料噴射
弁４の駆動装置である。）次に、前記各センサからの検出信号が入力され
る制御装置６は、これらの信号に基づいて燃焼温
度を演算すると共に、その結果から判断して
EGRを最適にコントロールするのであるが、具
体的には、前記信号のサンプル入力処理ならびに
各アクチユエータ（この場合、時にEGR用の負
圧制御弁１６）の動作信号を出力するＩ／Ｏポー
ト部１７と、各運転条件に応じた最適な制御値が
記憶されているROM１８と、Ｉ／Ｏポート部１
７から入力されたデータをもとに燃焼温度を演算
し、その結果に応じてROM１８のメモリーの中
から最適値を選び出し、Ｉ／Ｏポート部１７を通
じて各アクチユエータに制御指令を出すMPU（マ
ルチ・プロセシング・ユニツト）１９とから構成
されている。（ただし、データ書き込み用の
RAMはMPU１９に組み込まれている。）このＩ／Ｏポート部１７の機能的な構成は、各
入出力データの切換え機能のほかに、サンプル
AD変換部１７Ａ、サンプル時期を演算するサン
プル命令部１７Ｂ、各種の動作信号を出力する制
御パルス発生部１７Ｃ等に細分化される。

具体的には、このＩ／Ｏポート部１７のサンプ
ルAD変換部１７Ａ（Ａ−Ｄコンバータ、マルチ
プレクサを内蔵する）に前記吸気温度センサ５と
シリンダ内の圧力センサ７からの検出信号が入力
され、サンプル命令部１７Ｂに入つたクランク角
センサ１１からの信号によつて、その吸気温度や
所定のクランク角におけるシリンダ内圧力の検出
値がAD変換され、燃焼温度を演痕算するための
２進デイジタルデータとしてMPU１９にバスラ
インを介して送られるのである。なおこのMPU
１９は図示しないクロツク発生回路によるクロツ
ク信号を受けて動作する。

この場合、燃焼温度を演算するためのシリンダ
内圧力としては、圧縮行程終了付近の圧力と、燃
焼時の最大圧力（または最大値付近の圧力）とが
用いられ、圧縮行程終了付近のシリンダ内圧は、
燃焼前のクランク角θ₁（BTDC30゜）における検出
出値が入力データとしてピツクアツプされる。

この検出値は、クランク角に対してシリンダ内
の圧力波形を示した第２図のイの圧力P_Aであり、
圧縮前の圧力Po（例えばBTDC180゜）と比較して
相当大きなレベル（数十倍以上）となつているた
め、データとしての信頼性は高く、誤差は小さ
い。

（第２図中、ロはクランク角と燃焼室の容積Ｖ
との関係を、ハはクランク角とシリンダ内のガス
温度との関係を示したグラフであり、ニは所定の
クランク角時においてそれまでに燃焼した混合ガ
スの全混合ガスに対する割合、所謂燃焼質量割合
（マスバーント）を示したグラフである。）一方、燃焼時のシリンダ内の最大の圧力Pmax
は、運転状態によつて変わり特定されることはな
いので、この場合にはピストン上死点後15゜〜60゜
のクランク角の間において、数点から数十点の圧
力Pnを検出している。

このようにして、各データがMPU１９に入力
され、燃焼温度を演算するのであるが、本実施例
では演算を簡素化するため、以下のような式を用
いて算出される。

まず、吸気温度をTiとすると、圧縮前（ほぼ、
燃焼室容積Ｖが最大値Voを与えるBDC付近）ク
ランク角度θ₀におけるシリンダ内の実際のガス温
度Toは、残留ガスの影響を考慮して実験的に次
式 To≒K₁Ti＋K₃ （K₁、K₃＝定数） (1) より求められる。この式中K₃はきわめて小さい
値のため実際上無視しうる。

次に、圧縮行程終了付近のクランク角θ_Aに（例
としてBTDC。以下これを基準クランク角と称
す。）おけるシリンダ内ガス温度T_Aは、そのガス
がポリトロープ変化するものとして、前記T₀と
燃焼室の容積Vo、V_Aから T_A≒To（Vo／V_A）n^*−１ (2) となり、これに(1)式を代入して T_A≒K₁・Ti（Vo／V_A）n^*−１ (3) が得られる。ただしn^*はポリトロープ指数で実
験的には約1.25という値が得られている。尚、上
記基準クランク角θ_Aはアイドル運転から高速高負
荷運転に至るまでの全運転領域において満足ゆく
精度で燃焼温度を演算するためには、θ_Aの範囲と
してBTDC60゜θ_ABTDC20゜が望ましいことも
確かめられた。

この(3)式より得られるT_Aと、圧縮行程終了付
近の所定クランク角θ_Aにおけるシリンダ内圧力
P_Aと、燃焼圧力Pn（クランク角θn）とによつて燃
焼温度Tnが求められるのであり、その状態式は Tn≒K₂・T_APnVn／P_AV_A ＝K₂・K₁・Ti・（Vo／V_A）^n*-1・PnVn／P_AV_A (4) になる。

(4)式のK₂は、燃焼が進むにつれて変化する既
燃混合ガス量（所謂マスバーント）を考慮した補
正定数（通常は標準燃料組成としてC¹H^2.405を考
えると約0.93〜１であることが確かめられてい
る）であり燃焼途中の燃焼ガスの見かけのガス定
数と燃焼前すなわち圧縮行程中のガス定数との比
を示す。またVo／V_A＝１定とするとＣ＝K₂・K₁（Vo／V_A）^n*-1／V_A (5) とおきかえて、(4)式を整理すると Tn≒Ｃ・Ti・Pn・Vn／P_A (6) の演算式が求められる。

この(6)式により基準クランク角θ₁における燃焼
室内圧力P₁、燃焼途中の燃焼室内圧力Ｐ及び燃
焼室容積Ｖとから、各クランク角における燃焼温
度Tnが算出されるのであるが、この場合、数点
から数十点の燃焼圧力最大値付近の各クランク角
における圧力Pnが演算のためにインプツトされ、
算出された各燃焼温度Tnの中から、燃焼最高温
度Tmaxが求められるわけである。

また、前記Vnは、シリンダ内の最高圧力Pnに
おける燃焼室の容積であつて、クランク角の関数
であるので、その値を予めMPU１９に内蔵され
たROM１８に記憶しておき、演算のたびに検索
するようにしている。

上記の演算式で補正係数K₂を0.96〜１の範囲で
変えて計算した結果を第３図に示す。

これによれば、マスバーントを正確に補正して
計算した場合の燃焼温度Ta（ほぼ実際の温度に近
い）に比較して、K₂＝１（圧縮中のガス量を基準
としてもの）では誤差が大きくなるが、K₂＝0.97
を用いて計算すれば十分な精度で実際の最高燃焼
温度に近い値が得られる。またK₂＝0.96（燃焼後
のガス量を基準としたもの）も比較的誤差は小さ
いことが実験により確認されている。

なお、燃焼室からの熱の逃げや、吸気弁の閉時
期等も誤差の原因となるが、これらは運転条件に
関連して定性的なものであるため、予め考慮して
マツプ化しておくことにより演算を補正するよう
にすればそれほど問題ではない。

また、バルブクリアランスによつて吸気弁の閉
じる位置が運転状態の変化に伴い変動することが
あるが、このような場合にさらに演算精度を上げ
ようとすれば、閉弁時期を例えば振動センサある
いはシリンダ内の圧力検出信号に乗る振動ノイズ
等から検知するようにして、これに応じて前記(6)
式のＣを補正すべく、ＣマツプをROMに書き込
むようにすることもできる。

以上のようにして、燃焼最高温度Tmaxが得ら
れたら、制御装置６は、その温度に基づいて、最
適な制御値を選び出し、EGR量をコントロール
するのである。

即ち、燃焼温度が、エンジンの各運転条件に応
じた所定のレベルより高いか低いかによつて、
EGR用の負圧制御弁１６に与えるパルス信号巾
を変え、該弁１６を駆動制御するのであり、例え
ば温度が所定値より高いときには、負圧制御弁１
６の開弁時間割合を小さくしてEGR量を増やす
ようにしている。

このように、常に燃焼温度が所定のレベルに保
たれるようにフイードバツク制御するのである。

したがつて、吸気温度、大気圧、湿度等の雰囲
気の状態が変化したとしても、燃焼状態が悪化す
ることはなく、常に最適な状態に維持され、運転
性や燃費が著しく改善される。

しかも、演算された燃焼温度の信頼性が高いた
め、EGRを最適にコントロールすることができ、
例えば第４図（最高燃焼温度TmaxとNOxの発
生量との関係を表わしている）に示すように微少
な温度の違いによつてNOxの発生量が著しく異
なる範囲にあつても、NOxの発生を十分にかつ
正確に抑制することができるのである。以上の信
号処理手順をフローチヤートにて第５図に示す。
尚、本図においてθ_A＝BTDC30゜θ₁＝ATDC0゜Δθ
＝5゜とする。

なお、本実施例においては燃焼最高温度Tmax
を求めるために、適当なクランク角範囲におい
て、数点から数十点（第５図においては10点）の
シリンダ内圧力をサンプルするようになつている
が、シリンダ内の燃焼時期（第２図のニのマスバ
ーント時期）を知ることができれば、前記Ｔ（ま
たはＰ）がごく限られたクランク角の範囲で現わ
れることは容易に想定され、その範囲は例えばマ
スバーントの60〜90％の間であり、クランク角に
なおすと5゜〜20゜であることが確認されている。
したがつて、燃焼時期を検出すれば、シリンダ内
圧力のサンプル数を減らすことが可能であり、ま
たこの場合サンプル間隔はクランク角5゜位で精度
上、十分である。

第６図は、本発明の他の実施例であり、NOx
を低減するために、空燃比を制御するようにして
もので、ほとんどEGRを必要としない希薄混合
気エンジン（リーンコンバツシヨン）の場合に適
用される。

通常、燃料噴射弁４からの噴射量は、空気流量
センサ２０とクランク角センサ１１からの信号に
基づき、最適な空燃比となるようにコントロール
されるが、この場合も前記実施例と同様にして燃
焼温度を演算し、その温度に応じて噴射量がフイ
ードバツク制御される。

つまり、燃焼温度の演算結果が所定値より大き
いときには、リーン側になるように燃料噴射弁４
に与えるパルス信号の巾を小さくし、逆に小さい
ときにはリツチ側になるようにして燃焼温度を常
に最適値に制御するのである。

なお、NOxを低減する手段として、EGRのほ
かに点火時期の制御を行なうことも可能である。

以上、説明した通り、本発明によれば、シリン
ダに流入する吸気温度と、クランク角に対応して
圧縮行程終了付近の高レベルのシリンダ内圧力と
燃焼時の最大のシリンダ内圧とを検出し、これら
の検出信号に基づき燃焼の最高温度を演算すると
共に、この最高温度に応じて、EGRが空燃比等
をフイードバツク制御するようにしたので、特に
測定範囲の広い高価なセンサ類を使わなくてもシ
リンダ内の燃焼温度を正確の把握することが可能
となつて燃焼状態を常に最適に保つことができ、
NOxの発生が十分に抑制される一方、運転性が
燃費の向上を図ることができるという効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す概略構成図、第
２図はクランク角に対するシリンダ内圧と、燃焼
室容積と、シリンダ内ガス温度との関係を示すグ
ラフ、第３図はクランク角に対する燃焼温度の演
算結果を示すグラフ、第４図は燃焼最高温度Ｔと
NOxの発生量との関係を示すグラフ、第５図は
本発明の第１実施例の信号処理手順を示すフロー
チヤート、第６図は本発明の他の実施例を示す概
略構成図である。１…シリンダ、２…吸気通路、３…絞弁、４…
燃料噴射弁、５…吸気温度センサ、６…制御装
置、７…圧力センサ、１１…クランク角センサ、
１２…EGR装置、１３…排気通路、１４…排気
還流通路、１５…排気還流バルブ、１６…負圧制
御弁、１７…Ｉ／Ｏポート部、１８…ROM、１
９…MPU、２０…空気流通センサ。

Claims

【特許請求の範囲】

１シリンダに流入する吸気の温度を検出する手
段と、シリンダ内圧を検出する手段と、クランク
角を検出する手段とを設け、吸気温度と、所定の
クランク角における圧縮行程終了付近のシリンダ
内圧並びに燃焼中のシリンダ内圧とを検出し、こ
れらの検出信号に基づいて燃焼最高温度を演算す
ると共に、その演算値に応じて排気還流量、空燃
比、点火時期のうち少なくともひとつを制御する
ようにした制御装置を備えたことを特徴とする内
燃機関の燃焼制御装置。