JPWO2013061418A1 - 内燃機関の燃料性状判定装置 - Google Patents

Abstract

ディーゼルエンジンの圧縮行程において、ｎ−セタン等の燃焼期間とｎ−セタン等以外の成分の燃焼期間とが分離する燃料噴射タイミングでインジェクタから気筒内に微小燃料噴射量の噴射を行う。分離された燃焼期間のうち進角側の期間で発生したトルク相当量を、気筒ガス温度が低温酸化反応開始温度に達した時点から高温酸化反応開始温度に達した時点までの期間で積算して求め、このトルク相当量をセタン価判定マップに当て嵌め、このセタン価判定マップから燃料のセタン価を抽出する。

Description

本発明は、ディーゼルエンジンに代表される圧縮自着火式の内燃機関の燃料性状判定装置に係る。特に、本発明は、燃料性状判定精度の向上を図るための対策に関する。

従来から周知のように、自動車用エンジン等として使用されるディーゼルエンジンでは、排気エミッションの改善、要求エンジントルクの確保、燃料消費率の改善等を実現することが要求されている。これら要求に応えるための手段の一つとして、気筒内における燃料の燃焼状態を適正化することが挙げられる。そして、この燃焼状態を適正化するためには、燃料性状に応じて燃料噴射タイミングや燃料噴射量等の制御パラメータの制御値を適切に設定する必要がある。

ディーゼルエンジンの燃料として使用される軽油（以下「燃料」と呼ぶ場合もある）における燃料性状としてはセタン価が挙げられ、このセタン価によって燃料の着火性が左右される。

燃料中に含まれるセタン（ｎ−セタン（Ｃ₁₆Ｈ₃₄）等の低温酸化反応が可能な直鎖の分子構造；以下では、低温酸化反応成分を「ｎ−セタン等」と呼ぶ場合もある）は、筒内圧力が比較的低い場合や筒内温度が比較的低い場合であっても着火が可能な成分であって、このセタン量が多いほど気筒内での低温酸化反応が進み易く着火遅れが抑制されることになる。つまり、セタン価が高い燃料ほど着火性が良好であり、予混合燃焼の着火遅れが小さくなる。逆に、セタン価が低い燃料では、着火性が悪く、予混合燃焼の着火遅れが大きくなる。

このため、上記要求に応えるためには、使用されている燃料のセタン価を高い精度で判定し、その判定されたセタン価に応じて上記制御パラメータ（燃料噴射タイミングや燃料噴射量等の燃料噴射形態）を制御することが必要となる。

燃料のセタン価を判定する手法として、下記の特許文献１及び特許文献２が提案されている。

特許文献１には、燃料を微小噴射量で噴射した場合の燃焼率に基づいてセタン価を判定することが開示されている。具体的には、燃料噴射後の所定サンプリング期間における燃焼率（＝燃焼燃料量／燃料噴射量）に基づいてセタン価を特定するようにしている。

また、特許文献２には、エンジンの排気温度と運転状態（エンジン負荷）とに応じて燃料のセタン価を判定することが開示されている。具体的には、セタン価が低いほど燃料の着火遅れ期間が長くなり、それに伴って未燃燃料が増加して排気温度が低くなる傾向があることに鑑み、排気温度が低いほど燃料のセタン価が低いと判定するようにしている。

特開２００９−１７４３２２号公報 特開２０１０−１２７２５７号公報

しかしながら、従来のセタン価判定方法では、セタン価の判定精度が十分に得られておらず、その判定されたセタン価に応じて設定される制御パラメータの制御値としても適切な値とはなっていないのが実状であった。

例えば、上記特許文献１には、パイロット噴射の実行時にセタン価判定を行うことが開示されており、パイロット噴射で噴射された燃料の燃焼が開始してからメイン噴射で噴射された燃料の燃焼が開始するまでの期間をサンプリング期間として設定している。これでは、メイン噴射の噴射タイミングに応じてサンプリング期間が大きく変化することになり、それに応じて、このサンプリング期間における燃焼室内の温度（筒内温度）の変化状態も大きく変化することになる。このため、必ずしも上記燃焼率（＝燃焼燃料量／燃料噴射量）が燃料のセタン価を反映した値とはならず（メイン噴射の噴射タイミングが遅角された場合にはｎ−セタン等の低温酸化反応成分以外の成分がメイン燃焼の開始前に燃焼してしまってサンプリング期間における燃焼率が大きく変化してしまう（セタン価に応じた燃焼率とはならない）ことになり）、セタン価の誤判定を招く可能性の高いものであった。

また、エンジンの排気温度は、燃料のセタン価だけでなく、その他のパラメータ（ＥＧＲ率や外気温度等）によっても大きく変化するため、上記特許文献２に開示されているセタン価判定方法においてもセタン価の誤判定を招く可能性の高いものであった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃料性状（セタン価）の判定精度の向上を図ることが可能な内燃機関の燃料性状判定装置を提供することにある。

−発明の概要−
上記の目的を達成するために講じられた本発明の概要は、気筒内に噴射された燃料が燃焼する場合に、セタン価の指標となる成分（例えばｎ−セタン等）の燃焼期間と、それ以外の成分の燃焼期間とが分離可能であることを利用し、前者の燃焼期間におけるトルク相当量（例えば、規定量の燃料が噴射された場合に前者の燃焼期間において発生するトルク）から燃料のセタン価を判定するようにしている。

−解決手段−
具体的に、本発明は、燃料噴射弁から気筒内に向けて噴射された燃料の自着火による燃焼を行う圧縮自着火式の内燃機関に使用されている燃料の性状を判定する燃料性状判定装置を前提とする。この燃料性状判定装置に対し、規定量の１回の燃料噴射を行った際の燃料の燃焼によって生じるトルクの発生期間が２つの期間に分離された状態において、進角側の燃焼期間におけるトルク相当量に基づいて燃料のセタン価を判定する構成としている。具体的には、上記トルク相当量が大きいほど、燃料のセタン価が高いと判定するようにしている。

この特定事項により、燃料（軽油）が気筒内に噴射された場合、この燃料に含まれているｎ−セタン等の低温酸化反応成分は、気筒内のガス温度が燃料の低温酸化反応開始温度に達した時点から燃焼を開始する。そして、気筒内のガス温度が燃料の高温酸化反応開始温度に達する前に燃料噴射弁から気筒内への燃料噴射が終了した場合には、この燃料に含まれているｎ−セタン等の低温酸化反応成分の全てまたは大部分が、気筒内のガス温度が高温酸化反応開始温度に達するまでに燃焼を終了する。つまり、この気筒内のガス温度が高温酸化反応開始温度に達するまでの期間（上記進角側の燃焼期間）は、燃料中のｎ−セタン等の低温酸化反応成分のみが燃焼し、ｎ−セタン等以外の成分の燃焼は未だ開始されていないことになる。このため、この期間中における燃料の燃焼により発生するトルク相当量は、燃料のセタン価との相関が高い値として求まることになり、このトルク相当量から燃料のセタン価を判定することが可能である。このようにして高い精度でセタン価を判定することが可能となる。

また、上記トルク相当量の積算期間として具体的には、その積算開始時期を、気筒内のガス温度が燃料の低温酸化反応開始温度に達した時点とし、上記トルク相当量の積算終了時期を、気筒内のガス温度が燃料の高温酸化反応開始温度に達した時点としている。

これにより、トルク相当量を高い精度で算出することができ、セタン価の判定精度をいっそう高めることができる。

また、上記セタン価を判定する動作は、少なくとも、燃料噴射弁からの噴射燃料量の学習制御が完了していることを条件として実行するようにしている。

これにより、セタン価判定動作の実行時における燃料噴射量を高い精度で規定量に設定することができ、セタン価の判定精度を高めることができる。尚、噴射燃料量の学習制御としては、周知の微小燃料噴射量学習制御（内燃機関の無負荷時に微小量の燃料噴射を行った際に、エンジン運転状態の変化量が、規定する変化量に一致しているか否かによって燃料噴射量にズレが生じていないかを学習する制御）等が挙げられる。

また、上記セタン価を判定する動作は、内燃機関の無負荷時に燃料噴射を行うことで実行するようにしている。

これによれば、車両の走行性能に影響を与えることのないタイミングでの燃料噴射によるセタン価の判定が可能であり、このセタン価判定動作によってドライバビリティが悪化するといったことがなくなる。

本発明では、２つの期間に分離されたトルク発生期間のうちの進角側の燃焼期間におけるトルク相当量に基づいて燃料のセタン価を判定するようにしている。これにより、ｎ−セタン等のみの燃焼によるトルク相当量に基づいてセタン価を判定することが可能となり、セタン価判定精度の向上を図ることが可能となる。

図１は、実施形態に係るエンジン及びその制御系統の概略構成を示す図である。 図２は、ディーゼルエンジンの燃焼室及びその周辺部を示す断面図である。 図３は、ＥＣＵ等の制御系の構成を示すブロック図である。 図４は、セタン価判定動作及びエンジン制御動作の手順を示すフローチャート図である。 図５は、セタン価判定マップの一例を示す図である。 図６は、微小燃料噴射実行時における熱発生率、筒内ガス温度、トルク相当量発生率、燃料噴射率それぞれの変化を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。本実施形態は、自動車に搭載されたコモンレール式筒内直噴型多気筒（例えば直列４気筒）ディーゼルエンジン（圧縮自着火式内燃機関）に本発明を適用した場合について説明する。

−エンジンの構成−
先ず、本実施形態に係るディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）の概略構成について説明する。図１は本実施形態に係るエンジン１及びその制御系統の概略構成図である。また、図２は、ディーゼルエンジンの燃焼室３及びその周辺部を示す断面図である。

図１に示すように、本実施形態に係るエンジン１は、燃料供給系２、燃焼室３、吸気系６、排気系７等を主要部とするディーゼルエンジンシステムとして構成されている。

燃料供給系２は、サプライポンプ２１、コモンレール２２、インジェクタ（燃料噴射弁）２３、機関燃料通路２７等を備えて構成されている。

上記サプライポンプ２１は、燃料タンクから燃料を汲み上げ、この汲み上げた燃料を高圧にした後、機関燃料通路２７を介してコモンレール２２に供給する。コモンレール２２は、高圧燃料を所定圧力に保持（蓄圧）する蓄圧室としての機能を有し、この蓄圧した燃料を各インジェクタ２３，２３，…に分配する。インジェクタ２３は、その内部に圧電素子（ピエゾ素子）を備え、適宜開弁して燃焼室３内に燃料を噴射供給するピエゾインジェクタにより構成されている。

吸気系６は、シリンダヘッド１５（図２参照）に形成された吸気ポート１５ａに接続される吸気マニホールド６３を備え、この吸気マニホールド６３に、吸気通路を構成する吸気管６４が接続されている。また、この吸気通路には、上流側から順にエアクリーナ６５、エアフローメータ４３、スロットルバルブ（吸気絞り弁）６２が配設されている。上記エアフローメータ４３は、エアクリーナ６５を介して吸気通路に流入される空気量に応じた電気信号を出力する。

排気系７は、シリンダヘッド１５に形成された排気ポート７１に接続される排気マニホールド７２を備え、この排気マニホールド７２に対して、排気通路を構成する排気管７３が接続されている。また、この排気通路には排気浄化装置７７が配設されている。この排気浄化装置７７には、触媒（ＮＯｘ吸蔵触媒または酸化触媒）及びＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ）が備えられている。また、排気浄化装置７７としてはＤＰＮＲ触媒（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｔｉｃｕｌａｔｅ−ＮＯｘ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ触媒）が採用されていてもよい。

ここで、ディーゼルエンジンの燃焼室３及びその周辺部の構成について、図２を用いて説明する。この図２に示すように、エンジン本体の一部を構成するシリンダブロック１１には、各気筒（４気筒）毎に円筒状のシリンダボア１２が形成されており、各シリンダボア１２の内部にはピストン１３が上下方向に摺動可能に収容されている。

ピストン１３の頂面１３ａの上側には上記燃焼室３が形成されている。つまり、この燃焼室３は、シリンダブロック１１の上部に取り付けられたシリンダヘッド１５の下面と、シリンダボア１２の内壁面と、ピストン１３の頂面１３ａとにより区画形成されている。そして、ピストン１３の頂面１３ａの略中央部には、キャビティ（凹陥部）１３ｂが凹設されており、このキャビティ１３ｂも燃焼室３の一部を構成している。

上記ピストン１３は、コネクティングロッド１８によってエンジン出力軸であるクランクシャフトに連結されている。これにより、シリンダボア１２内でのピストン１３の往復移動がコネクティングロッド１８を介してクランクシャフトに伝達され、このクランクシャフトが回転することでエンジン出力が得られるようになっている。また、燃焼室３に向けてグロープラグ１９が配設されている。このグロープラグ１９は、エンジン１の始動直前に電流が流されることにより赤熱し、これに燃料噴霧の一部が吹きつけられることで着火・燃焼が促進される始動補助装置として機能する。

上記シリンダヘッド１５には、上記吸気ポート１５ａ及び上記排気ポート７１がそれぞれ形成されていると共に、吸気ポート１５ａを開閉する吸気バルブ１６及び排気ポート７１を開閉する排気バルブ１７が配設されている。また、シリンダヘッド１５には、燃焼室３の内部へ直接的に燃料を噴射する上記インジェクタ２３が取り付けられている。このインジェクタ２３は、シリンダ中心線Ｐに沿う起立姿勢で燃焼室３の略中央上部に配設されており、上記コモンレール２２から導入される燃料を燃焼室３に向けて所定のタイミングで噴射する。

更に、図１に示す如く、このエンジン１には、過給機（ターボチャージャ）５が設けられている。このターボチャージャ５は、タービンシャフト５１を介して連結されたタービンホイール５２及びコンプレッサホイール５３を備えている。コンプレッサホイール５３は吸気管６４内部に臨んで配置され、タービンホイール５２は排気管７３内部に臨んで配置されている。このためターボチャージャ５は、タービンホイール５２が受ける排気流（排気圧）を利用してコンプレッサホイール５３を回転させ、吸気圧を高めるといった所謂過給動作を行うようになっている。本実施形態におけるターボチャージャ５は、可変ノズル式ターボチャージャであって、タービンホイール５２側に可変ノズルベーン機構（図示省略）が設けられており、この可変ノズルベーン機構の開度を調整することにより、エンジン１の過給圧を調整することができる。

吸気系６の吸気管６４には、ターボチャージャ５での過給によって昇温した吸入空気を強制冷却するためのインタークーラ６１が設けられている。

また、エンジン１には、吸気系６と排気系７とを接続する排気還流通路（ＥＧＲ通路）８が設けられている。このＥＧＲ通路８は、排気の一部を適宜吸気系６に還流させて燃焼室３へ再度供給することにより燃焼温度を低下させ、これによってＮＯｘ発生量を低減させるものである。また、このＥＧＲ通路８には、電子制御によって無段階に開閉され、同通路を流れる排気流量を自在に調整することができるＥＧＲバルブ８１と、ＥＧＲ通路８を通過（還流）する排気を冷却するためのＥＧＲクーラ８２とが設けられている。これらＥＧＲ通路８、ＥＧＲバルブ８１、ＥＧＲクーラ８２等によってＥＧＲ装置（排気還流装置）が構成されている。

−センサ類−
エンジン１の各部位には、各種センサが取り付けられており、それぞれの部位の環境条件や、エンジン１の運転状態に関する信号を出力する。

例えば、上記エアフローメータ４３は、吸気系６内のスロットルバルブ６２上流において吸入空気の流量（吸入空気量）に応じた検出信号を出力する。吸気温センサ４９は、吸気マニホールド６３に配置され、吸入空気の温度に応じた検出信号を出力する。吸気圧センサ４８は、吸気マニホールド６３に配置され、吸入空気圧力に応じた検出信号を出力する。Ａ／Ｆ（空燃比）センサ４４は、排気系７の排気浄化装置７７の下流において排気中の酸素濃度に応じて連続的に変化する検出信号を出力する。排気温センサ４５は、同じく排気系７の排気浄化装置７７の下流において排気ガスの温度（排気温度）に応じた検出信号を出力する。レール圧センサ４１はコモンレール２２内に蓄えられている燃料の圧力に応じた検出信号を出力する。スロットル開度センサ４２はスロットルバルブ６２の開度を検出する。

−ＥＣＵ−
ＥＣＵ１００は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなるマイクロコンピュータと入出力回路とを備えている。図３に示すように、ＥＣＵ１００の入力回路には、上記レール圧センサ４１、スロットル開度センサ４２、エアフローメータ４３、Ａ／Ｆセンサ４４、排気温センサ４５、吸気圧センサ４８、吸気温センサ４９が接続されている。さらに、入力回路には、エンジン１の冷却水温に応じた検出信号を出力する水温センサ４６、アクセルペダルの踏み込み量に応じた検出信号を出力するアクセル開度センサ４７、エンジン１の出力軸（クランクシャフト）が一定角度回転する毎に検出信号（パルス）を出力するクランクポジションセンサ４０などが接続されている。

一方、ＥＣＵ１００の出力回路には、上記サプライポンプ２１、インジェクタ２３、スロットルバルブ６２、ＥＧＲバルブ８１、及び、上記ターボチャージャ５の可変ノズルベーン機構（可変ノズルベーンの開度を調整するアクチュエータ）５４が接続されている。

そして、ＥＣＵ１００は、上記した各種センサからの出力、その出力値を利用する演算式により求められた演算値、または、上記ＲＯＭに記憶された各種マップに基づいて、エンジン１の各種制御を実行する。

例えば、ＥＣＵ１００は、インジェクタ２３の燃料噴射制御として、パイロット噴射（副噴射）とメイン噴射（主噴射）とを実行する。

上記パイロット噴射は、インジェクタ２３からのメイン噴射に先立ち、予め少量の燃料を噴射する動作である。また、このパイロット噴射は、メイン噴射による燃料の着火遅れを抑制し、安定した拡散燃焼に導くための噴射動作であって、副噴射とも呼ばれる。

上記メイン噴射は、エンジン１のトルク発生のための噴射動作（トルク発生用燃料の供給動作）である。このメイン噴射での噴射量は、基本的には、エンジン回転数、アクセル操作量、冷却水温度、吸気温度等の運転状態に応じ、要求トルクが得られるように決定される。例えば、エンジン回転数（クランクポジションセンサ４０の検出値に基づいて算出されるエンジン回転数）が高いほど、また、アクセル操作量（アクセル開度センサ４７により検出されるアクセルペダルの踏み込み量）が大きいほど（アクセル開度が大きいほど）エンジン１のトルク要求値としては高く得られ、それに応じてメイン噴射での燃料噴射量としても多く設定されることになる。

具体的な燃料噴射形態の一例としては、ピストン１３が圧縮上死点に達する前に上記パイロット噴射（インジェクタ２３に形成された複数の噴孔からの燃料噴射）が実行され、燃料噴射が一旦停止された後、所定のインターバルを経て、ピストン１３が圧縮上死点近傍に達した時点で上記メイン噴射が実行されることになる。これにより燃料が自己着火によって燃焼し、この燃焼により発生したエネルギは、ピストン１３を下死点に向かって押し下げるための運動エネルギ（エンジン出力となるエネルギ）、燃焼室３内を温度上昇させる熱エネルギ、シリンダブロック１１やシリンダヘッド１５を経て外部（例えば冷却水）に放熱される熱エネルギとなる。

尚、上述したパイロット噴射及びメイン噴射の他に、アフタ噴射やポスト噴射が必要に応じて行われる。これらの噴射の機能は周知であるため、ここでの説明は省略する。

また、ＥＣＵ１００は、エンジン１の運転状態に応じてＥＧＲバルブ８１の開度を制御し、吸気マニホールド６３に向けての排気還流量（ＥＧＲ量）を調整する。このＥＧＲ量は、予め実験やシミュレーション等によって作成されて上記ＲＯＭに記憶されたＥＧＲマップに従って設定される。このＥＧＲマップは、エンジン回転数及びエンジン負荷をパラメータとしてＥＧＲ量（ＥＧＲ率）を決定するためのマップである。

燃料噴射を実行する際の燃料噴射圧は、コモンレール２２の内圧により決定される。このコモンレール内圧として、一般に、コモンレール２２からインジェクタ２３へ供給される燃料圧力の目標値、即ち目標レール圧は、エンジン負荷（機関負荷）が高くなるほど、及び、エンジン回転数（機関回転数）が高くなるほど高いものとされる。この目標レール圧は例えば上記ＲＯＭに記憶された燃圧設定マップに従って設定される。尚、本実施形態では、エンジン負荷等に応じて燃料圧力が３０ＭＰａ〜２００ＭＰａの間で調整されるようになっている。

また、ＥＣＵ１００はエンジン運転状態に基づいて燃料噴射量及び燃料噴射形態を決定する。具体的には、ＥＣＵ１００は、クランクポジションセンサ４０の検出値に基づいてエンジン回転速度を算出するとともに、アクセル開度センサ４７の検出値に基づいてアクセルペダルの踏み込み量（アクセル開度）を求め、このエンジン回転速度及びアクセル開度に基づいて総燃料噴射量（パイロット噴射での噴射量とメイン噴射での噴射量との和）を決定する。

−微小燃料噴射量学習制御−
本実施形態に係るエンジン１は、インジェクタ２３からの燃料噴射量のずれを補正するための微小燃料噴射量学習制御（微小噴射制御または微小Ｑ制御とも呼ばれる）が実行される。以下、この微小燃料噴射量学習制御の概略について説明する。

この微小燃料噴射量学習制御は、例えばインジェクタ２３の経時的な燃料噴射量の変化（噴射特性の変化）に応じた学習値を取得するための制御である。つまり、目標とする微小燃料噴射量（微小燃料噴射量の指示値：目標燃料噴射量）と実際の微小燃料噴射量（実燃料噴射量）との間にずれを生じさせることのない学習値を取得するための制御である。

この微小燃料噴射量学習制御は、自動車の走行中であってエンジン無負荷時に行われる。具体的には、インジェクタ２３への指令噴射量が零となる無噴射時（例えば走行中にアクセル開度が「０」となったときなど）にパイロット噴射量と同等の極少量の燃料を特定の気筒（ピストン１３が圧縮上死点付近にある気筒）に向けて単発噴射を実行し、この単発噴射に伴うエンジン回転数の変化量など（エンジン運転状態の変化量）を認識する。そして、正確に所定量の単発噴射が実行された場合のエンジン運転状態の変化量データと、実際に単発噴射を行った場合のエンジン運転状態の変化量とを比較し、そのずれ量に応じてパイロット噴射量設定マップ（パイロット噴射量とインジェクタ２３への通電時間（開弁時間）との関係が気筒別（インジェクタ別）にそれぞれ記憶されたマップ）の学習値を補正していく。このような動作を上記パイロット噴射量設定マップ上の各コモンレール圧毎に且つ各気筒毎に実行していき、全ての気筒に対してコモンレール圧に関わりなく適正なパイロット噴射量でパイロット噴射が行えるようにしている。

この微小燃料噴射量学習制御が実行される際の気筒内への燃料噴射形態としては、圧縮行程にある気筒のピストン１３の位置が圧縮上死点（ＴＤＣ）に達した時点でパイロット噴射量と同等の極少量（例えば２．０ｍｍ³）の燃料を噴射する。このタイミングで燃料を噴射する理由は、筒内温度が最も高くなる時点（筒内の空気が最も圧縮された時点）で燃料噴射を行うことで、その燃料の略全量を短期間で燃焼させるためである。

−セタン価判定動作−
次に、本実施形態の特徴とする動作であるセタン価判定動作について説明する。

このセタン価判定動作は、エンジン１が現在使用している燃料（軽油）、つまり、燃料タンクに貯留されている燃料のセタン価を判定し、そのセタン価に応じたエンジン制御に役立てるためのものである。

先ず、このセタン価判定動作の概略について述べる。ディーゼルエンジン１の燃料である軽油中には、低温酸化反応成分（ｎ−セタン（Ｃ₁₆Ｈ₃₄）等の直鎖単結合組成の燃料等）が含まれている。このｎ−セタン等は、筒内温度が比較的低い場合であっても着火が可能な成分であって、このｎ−セタン等の量が多いほど（高セタン燃料であるほど）気筒内での低温酸化反応が進み易く着火遅れが抑制されることになる。具体的に、ｎ−セタン等は、筒内温度が所定温度（例えば７５０Ｋ；低温酸化反応開始温度）に達した時点で燃焼を開始する。一方、ｎ−セタン等以外の燃料成分は筒内温度が上記ｎ−セタン等の燃焼開始温度よりも高い所定温度（例えば９００Ｋ；高温酸化反応開始温度）に達するまで燃焼を開始しない。

このため、インジェクタ２３から噴射された燃料の全てが燃焼したと仮定した場合に発生するトルクを「総トルク」とし、ｎ−セタン等の燃焼によって発生したトルクを「ｎ−セタン燃焼トルク」とした場合に、総トルクに対するｎ−セタン燃焼トルクの割合（以下、「トルク割合」と呼ぶ）がセタン価に相関のある値として求められることになる。

本実施形態のセタン価判定動作では、予め設定された規定量（例えば２．０ｍｍ³）の燃料噴射を行った場合における上記トルク割合からセタン価を判定するようにしている。このため、このトルク割合とｎ−セタン等の燃焼により発生するトルクとは一義的な関係にあることになる。つまり、規定量の燃料噴射を行った場合におけるｎ−セタン等の燃焼によるトルク相当量がセタン価を反映した値となる。このため、以下の説明では、セタン価の判定指標としてトルク相当量を用いた場合について説明する。

上記トルク相当量を高い精度で求めるためには、ｎ−セタン等の燃焼期間を、ｎ−セタン等以外の成分の燃焼期間から分離して、ｎ−セタン等の燃焼期間での発生トルクを正確に計測する必要がある。本実施形態では、このｎ−セタン等の燃焼期間とｎ−セタン等以外の燃料成分の燃焼期間とを分離するために、燃料噴射タイミングが予め規定されている。

具体的には、予め実験やシミュレーションによって、エンジン回転数毎に、ｎ−セタン等の燃焼期間と、ｎ−セタン等以外の燃料成分の燃焼期間とを分離可能とする燃料噴射タイミング（燃料の噴射を開始するクランク角度）を求めておき、それをマップ化して上記ＲＯＭに記憶させておく。このマップ（以下、「燃料噴射タイミングマップ」と呼ぶ）は、例えば実験やシミュレーションによって筒内圧力を検出可能にしておき、燃焼時における筒内圧力の変化から熱発生率を求めることでｎ−セタン等の燃焼期間とｎ−セタン等以外の燃料成分の燃焼期間とをモニタし、これら期間が分離する（ｎ−セタン等の燃焼により発生する熱発生率の波形とｎ−セタン等以外の燃料成分の燃焼により発生する熱発生率の波形との間に熱発生率が「０」となる期間が存在する）燃料噴射タイミングをエンジン回転数毎に求めることで作成されている。このエンジン回転数と燃料噴射タイミングとの関係としては、エンジン回転数が高いほど燃料噴射タイミングとしては進角側に設定されることになる。また、この燃料噴射タイミングマップによって規定される燃料噴射タイミングとしては、燃料の過拡散による着火性の悪化を防止するために、進角側への制限が与えられている。つまり、この燃料噴射タイミングマップによって規定される燃料噴射タイミングとしては、燃料噴射タイミングを進角させていった場合に、ｎ−セタン等の燃焼期間とｎ−セタン等以外の燃料成分の燃焼期間とが部分的に重なっている状態から分離された状態となったタイミング（ｎ−セタン等の燃焼期間とｎ−セタン等以外の燃料成分の燃焼期間とが分離可能な燃料噴射タイミングのうち最も遅角側のタイミング）であることが好ましい。

そして、実機（車両に搭載されたエンジン１）におけるセタン価判定動作の実行時には、この燃料噴射タイミングマップから、現在のエンジン回転数に応じた燃料噴射タイミングを抽出し、そのタイミングで燃料噴射を実行する。これにより、ｎ−セタン等の燃焼期間とｎ−セタン等以外の燃料成分の燃焼期間とを分離させた状態として、後述するセタン価判定動作を実行することになる。

また、上記燃料噴射タイミングマップから読み出された燃料噴射タイミングに対応して、トルクの積算動作を終了するタイミングとなるトルク積算終了角度（トルク積算を終了するクランク角度）が予め実験やシミュレーションによって設定されている。このトルク積算終了角度は、ｎ−セタン等の燃焼終了タイミングまたはｎ−セタン等以外の成分の燃焼開始タイミングを規定するものである。つまり、インジェクタ２３から噴射された燃料のｎ−セタン等の燃焼によって発生したトルクのみを積算するように、このトルク積算終了角度が予め規定されている。

以下、セタン価判定動作について具体的に説明する。図４は、本実施形態におけるセタン価判定動作及びエンジン制御動作の手順を示すフローチャート図である。この動作は、車両の走行距離が所定距離（例えば５００ｋｍ）に達する毎に実行される。または、燃料タンクへの給油が行われた後の車両走行時に実行される。

先ず、ステップＳＴ１において、セタン価判定動作の実行条件が成立したか否かが判定される。例えば以下の各条件が共に成立した場合にセタン価判定動作の実行条件が成立したと判定する。

（ａ）上記微小燃料噴射量学習制御が完了していること、
（ｂ）圧縮行程にある気筒のピストン位置が上記燃料噴射タイミングマップから求められた燃料噴射タイミングになったこと、
上記微小燃料噴射量学習制御が完了していることを条件とするのは、セタン価判定動作実行時の燃料噴射量（例えば２．０ｍｍ³）を適切に得るためである。また、圧縮行程にある気筒のピストン位置が上記燃料噴射タイミングマップから求められた燃料噴射タイミングになったことを条件とするのは、上述した如くｎ−セタン等の燃焼期間とｎ−セタン等以外の燃料成分の燃焼期間とを分離させるためである。尚、これら条件は、これに限定されるものではなく適宜設定可能である。

上記セタン価判定動作の実行条件が成立しておらずステップＳＴ１でＮＯ判定された場合、つまり、微小燃料噴射量学習制御が完了しておらず、燃料噴射量の精度が十分に得られていない可能性がある場合等にあっては、セタン価判定動作を実行せずリターンされる。

上記セタン価判定動作の実行条件が成立しており、ステップＳＴ１でＹＥＳ判定された場合には、ステップＳＴ２に移り、インジェクタ２３からの燃料噴射を開始する。ここで噴射される燃料量は、上記微小燃料噴射量学習制御での燃料噴射量と同等（例えば２．０ｍｍ³）に設定される。つまり、上記微小燃料噴射量学習制御ではピストン１３が圧縮上死点（ＴＤＣ）に達した際に燃料の微小噴射が行われるのに対し、このセタン価判定動作ではピストン１３が圧縮上死点前の所定位置（上記燃料噴射タイミングマップから求められた燃料噴射タイミングになった位置）に達した時点で微小噴射が行われる。尚、上述した如くセタン価判定動作の実行条件として、微小燃料噴射量学習制御が完了していることが挙げられているため、ここでの微小噴射は、噴射量学習制御（燃料噴射量のずれを補正するための制御）のものではなく、セタン価判定に特化された微小噴射となっている。

この燃料の微小噴射が開始された後、ステップＳＴ３に移り、この燃料噴射に伴って発生するトルクの積算が開始される。このトルクの積算動作としては、クランクポジションセンサ４０の検出値に基づいて算出されるエンジン回転数に基づいて算出されるトルク値の積算を後述するトルク積算の終了タイミング（後述するステップＳＴ５）まで継続するようになっている。また、このトルクの積算を開始するタイミングとしては、筒内温度が上記低温酸化反応開始温度に達した時点である。この筒内温度の認識は、上記吸気温センサ４９により検出される吸気温度、吸気バルブ１６の閉弁タイミング、エンジン１の圧縮比、クランクシャフトの回転角度位置等に基づいて算出が可能である。このようにして筒内温度の認識を行うことにより、筒内圧センサを不要にすることができる。

その後、ステップＳＴ４に移り、クランク角度が上記トルク積算終了角度に達したか否かを判定する。クランク角度がトルク積算終了角度に達しておらず、ステップＳＴ４でＮＯ判定された場合には、未だｎ−セタン等の燃焼期間中であるとして、トルクの積算を継続し、クランク角度がトルク積算終了角度に達するのを待つ。

クランク角度がトルク積算終了角度に達し、ステップＳＴ４でＹＥＳ判定された場合には、ステップＳＴ５に移り、トルクの積算を終了する。

以上のようにしてトルクの積算を終了すると、ステップＳＴ６に移り、上記トルク相当量の算出を行う。つまり、上記トルクの積算値をトルク相当量として算出する。

そして、ステップＳＴ７では、このトルク相当量からセタン価を判定する。このセタン価の判定にはセタン価判定マップが利用される。図５はセタン価判定マップの一例を示す図である。このセタン価判定マップは、上記トルク相当量と燃料セタン価との相関を規定するものであって、予め実験やシミュレーションによって作成され、上記ＲＯＭに記憶されている。このセタン価判定マップでは、トルク相当量が図中のａ以上ｂ未満である場合には燃料のセタン価をＡ（例えば４０）と判定し、トルク相当量が図中のｂ以上ｃ未満である場合には燃料のセタン価をＢ（例えば４２）と判定し、トルク相当量が図中のｃ以上ｄ未満である場合には燃料のセタン価をＣ（例えば４４）と判定し、トルク相当量が図中のｄ以上ｅ未満である場合には燃料のセタン価をＤ（例えば４８）と判定し、トルク相当量が図中のｅ以上ｆ未満である場合には燃料のセタン価をＥ（例えば５２）と判定するようになっている。このように、セタン価判定マップでは、トルク相当量が大きいほどセタン価も大きいものとして判定される。

このセタン価判定マップを利用してセタン価を判定した後、ステップＳＴ８に移り、この判定されたセタン価に応じて、インジェクタ２３から噴射される燃料の噴射タイミングや噴射量等の制御パラメータの制御値を調整するエンジン制御が実行される。例えば、判定されたセタン価が比較的低い場合には、そのセタン価が低いほど、燃料噴射タイミング（例えば上記パイロット噴射の噴射タイミング）を進角側に補正し、セタン価が低いことで着火遅れが大きくなっても着火時期が適切に得られるようにする。また、セタン価が低いほど、燃料噴射量（例えば上記パイロット噴射での噴射量）を増量補正し、セタン価が低いことで単位燃料当たりの発生熱量が小さい場合であっても筒内予熱に十分な熱量が得られるようにする。その他、セタン価が低いほど燃料噴射圧を低く設定して燃焼場でのｎ−セタン等の密度を高めたり、ＥＧＲ率を低くして燃焼温度を高めるようにするといった制御を実行するようにしてもよい。

図６は、微小燃料噴射実行時における熱発生率、筒内ガス温度、トルク相当量発生率、燃料噴射率それぞれの変化を示す図である。この場合、ｎ−セタン等の燃焼期間の開始時点（図中のタイミングＴ１）からｎ−セタン等以外の燃料成分の燃焼期間の開始時点（図中のタイミングＴ２）までの間でトルクが積算され、このタイミングＴ１からタイミングＴ２の期間中に積算されたトルク（図６におけるトルク相当量発生率Ａの面積に相当）が上記トルク相当量として取得され、上記セタン価判定マップを利用してセタン価が判定されることになる。

以上説明したように本実施形態では、上記トルク相当量からセタン価を求めるようにしている。上述した如く、ｎ−セタン等の燃焼期間とｎ−セタン等以外の成分の燃焼期間とは分離しているため、上記トルク相当量を、燃料のセタン価との相関が高い値として求めることが可能となり、このトルク相当量から燃料のセタン価を正確に判定することが可能となって、セタン価判定精度の向上を図ることができる。

−他の実施形態−
以上説明した実施形態は、自動車に搭載される直列４気筒ディーゼルエンジンに本発明を適用した場合について説明した。本発明は、自動車用に限らず、その他の用途に使用されるエンジンにも適用可能である。また、気筒数やエンジン形式（直列型エンジン、Ｖ型エンジン、水平対向型エンジン等の別）についても特に限定されるものではない。

また、上記実施形態では、エンジン無負荷時に微小燃料噴射を行うことで燃料のセタン価を判定するようにしていた。本発明はこれに限らず、上記パイロット噴射の実行に伴って発生するエネルギ量から燃料のセタン価を判定するようにしたり、パイロット噴射を伴わないメイン噴射（単発メイン噴射）の実行に伴って発生するエネルギ量から燃料のセタン価を判定するようにしてもよい。この場合、燃料噴射量は規定量とはならないため、総燃料噴射量に対するトルク発生量が上記トルク相当量に対応することになる。つまり、総燃料噴射量の全量が燃焼した場合に発生するトルクに対して、ｎ−セタン等の燃焼期間で発生したトルクの割合が、上記トルク相当量に対応した値として求められ、この値からセタン価を求めることになる。このため、これらの噴射の実行に伴ってセタン価を判定する場合にも、ｎ−セタン等の燃焼期間とｎ−セタン等以外の成分の燃焼期間とが分離するように燃料噴射タイミングを設定することが必要となる。

また、上記実施形態では、微小燃料噴射量学習制御が完了していることをセタン価判定動作の実行条件としていた。本発明はこれに限らず、燃料噴射量が適正であることの検査として、他の検査（例えばインジェクタ２３内部に設けた燃料流量センサによる検査）が完了していることをセタン価判定動作の実行条件としてもよい。

また、上記実施形態では、通電期間においてのみ全開の開弁状態となることにより燃料噴射率を変更するピエゾインジェクタ２３を適用したエンジン１について説明したが、本発明は、可変噴射率インジェクタを適用したエンジンへの適用も可能である。

本発明は、自動車に搭載されるコモンレール式筒内直噴型多気筒ディーゼルエンジンにおいて、使用している燃料のセタン価の判定に適用可能である。

１ エンジン（内燃機関）
１２ シリンダボア
１３ ピストン
２３ インジェクタ（燃料噴射弁）
３ 燃焼室
１００ ＥＣＵ

Claims (5)

1. 燃料噴射弁から気筒内に向けて噴射された燃料の自着火による燃焼を行う圧縮自着火式の内燃機関に使用されている燃料の性状を判定する燃料性状判定装置において、
   規制量の１回の燃料噴射を行った際の燃料の燃焼によって生じるトルクの発生期間が２つの期間に分離された状態において、進角側の燃焼期間におけるトルク相当量に基づいて燃料のセタン価を判定する構成とされていることを特徴とする内燃機関の燃料性状判定装置。
2. 請求項１記載の内燃機関の燃料性状判定装置において、
   上記トルク相当量が大きいほど、燃料のセタン価が高いと判定するよう構成されていることを特徴とする内燃機関の燃料性状判定装置。
3. 請求項１または２記載の内燃機関の燃料性状判定装置において、
   上記進角側の燃焼期間におけるトルク相当量の積算開始時期は、気筒内のガス温度が燃料の低温酸化反応開始温度に達した時点とされ、上記トルク相当量の積算終了時期は、気筒内のガス温度が燃料の高温酸化反応開始温度に達した時点とされていることを特徴とする内燃機関の燃料性状判定装置。
4. 請求項１、２または３記載の内燃機関の燃料性状判定装置において、
   上記セタン価を判定する動作は、少なくとも、燃料噴射弁からの噴射燃料量の学習制御が完了していることを条件として実行される構成とされていることを特徴とする内燃機関の燃料性状判定装置。
5. 請求項１〜４のうち何れか一つに記載の内燃機関の燃料性状判定装置において、
   セタン価を判定する動作は、内燃機関の無負荷時に燃料噴射を行うことで実行される構成とされていることを特徴とする内燃機関の燃料性状判定装置。

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