WO2013061418A1 - 内燃機関の燃料性状判定装置 - Google Patents

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昌宏 南
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel property determination device for a compression ignition type internal combustion engine represented by a diesel engine.
  • the present invention relates to measures for improving the fuel property determination accuracy.
  • diesel engines used as automobile engines and the like are required to improve exhaust emissions, secure required engine torque, improve fuel consumption rate, and the like.
  • One means for meeting these requirements is to optimize the combustion state of the fuel in the cylinder. In order to optimize the combustion state, it is necessary to appropriately set control values of control parameters such as fuel injection timing and fuel injection amount in accordance with the fuel properties.
  • a fuel property in light oil (hereinafter sometimes referred to as “fuel”) used as a fuel for a diesel engine includes a cetane number, and the ignitability of the fuel depends on the cetane number.
  • Cetane contained in fuel (linear molecular structure capable of low-temperature oxidation reaction such as n-cetane (C 16 H 34 ); hereinafter, the low-temperature oxidation reaction component may be referred to as “n-cetane etc.”) Is a component that can be ignited even when the in-cylinder pressure is relatively low or the in-cylinder temperature is relatively low.
  • the larger the amount of cetane the easier the low-temperature oxidation reaction in the cylinder proceeds, and the ignition delay. Will be suppressed. That is, the higher the cetane number, the better the ignitability and the smaller the ignition delay of premixed combustion. Conversely, a fuel with a low cetane number has poor ignitability and a large ignition delay in premixed combustion.
  • the cetane number of the fuel used is determined with high accuracy, and the control parameters (fuel injection such as fuel injection timing and fuel injection amount) are determined according to the determined cetane number. It is necessary to control the form).
  • Patent Document 1 and Patent Document 2 have been proposed as methods for determining the cetane number of fuel.
  • Patent Document 2 discloses that the cetane number of fuel is determined according to the exhaust temperature of the engine and the operating state (engine load). Specifically, in view of the fact that the lower the cetane number, the longer the ignition delay period of the fuel becomes, and accordingly there is a tendency that the unburned fuel increases and the exhaust temperature decreases, so the lower the exhaust temperature, the lower the cetane number of the fuel. Is determined to be low.
  • the determination accuracy of the cetane number is not sufficiently obtained, and the control value of the control parameter set according to the determined cetane number is an appropriate value. There was no actual situation.
  • Patent Document 1 discloses that cetane number determination is performed at the time of execution of pilot injection, and combustion of fuel injected by main injection starts after combustion of fuel injected by pilot injection starts. The period until the start is set as the sampling period. In this case, the sampling period changes greatly according to the injection timing of the main injection, and accordingly, the change state of the temperature in the combustion chamber (cylinder temperature) during this sampling period also changes greatly.
  • the cetane number determination method disclosed in the above-mentioned Patent Document 2 is also used. It was highly likely to cause a misjudgment of the price.
  • the present invention has been made in view of this point, and an object of the present invention is to provide a fuel property determination device for an internal combustion engine capable of improving the accuracy of determination of fuel property (cetane number). It is in.
  • the outline of the present invention taken in order to achieve the above object is that the combustion period of a component (for example, n-cetane, etc.) serving as an index of cetane number when the fuel injected into the cylinder burns,
  • a component for example, n-cetane, etc.
  • cetane number is judged.
  • the present invention relates to a fuel property determination device for determining the property of fuel used in a compression self-ignition internal combustion engine that performs combustion by self-ignition of fuel injected from a fuel injection valve into a cylinder.
  • a fuel property determination device for determining the property of fuel used in a compression self-ignition internal combustion engine that performs combustion by self-ignition of fuel injected from a fuel injection valve into a cylinder.
  • the equivalent of torque in the advanced combustion period The cetane number of the fuel is determined based on the amount. Specifically, it is determined that the greater the torque equivalent amount, the higher the cetane number of the fuel.
  • the low-temperature oxidation reaction component such as n-cetane contained in the fuel is such that the gas temperature in the cylinder becomes the low-temperature oxidation reaction start temperature of the fuel. Combustion starts when it reaches. If the fuel injection from the fuel injection valve to the cylinder ends before the gas temperature in the cylinder reaches the high temperature oxidation reaction start temperature of the fuel, low-temperature oxidation of n-cetane or the like contained in the fuel is performed. All or most of the reaction components end combustion until the gas temperature in the cylinder reaches the high temperature oxidation reaction start temperature.
  • the torque equivalent amount generated by the combustion of the fuel during this period is obtained as a value highly correlated with the cetane number of the fuel, and the cetane number of the fuel can be determined from this torque equivalent amount. is there. In this way, the cetane number can be determined with high accuracy.
  • the integration start timing is the time when the gas temperature in the cylinder reaches the low temperature oxidation reaction start temperature of the fuel
  • the integration end timing of the torque equivalent amount is The time when the gas temperature in the cylinder reaches the high temperature oxidation reaction start temperature of the fuel.
  • the torque equivalent amount can be calculated with high accuracy, and the determination accuracy of the cetane number can be further increased.
  • the operation for determining the cetane number is performed on the condition that at least learning control of the amount of fuel injected from the fuel injection valve is completed.
  • the fuel injection amount at the time of execution of the cetane number determination operation can be set to a specified amount with high accuracy, and the cetane number determination accuracy can be increased.
  • the well-known minute fuel injection amount learning control when the minute amount of fuel injection is performed when the internal combustion engine is not loaded, the amount of change in the engine operating state is changed to the specified amount of change. Control for learning whether or not there is a deviation in the fuel injection amount depending on whether or not they match.
  • the operation for determining the cetane number is performed by injecting fuel when the internal combustion engine is unloaded.
  • the cetane number of the fuel is determined based on the torque equivalent amount in the combustion period on the advance side of the torque generation periods separated into two periods.
  • the cetane number can be determined based on the torque equivalent amount due to combustion of only n-cetane and the like, and the cetane number determination accuracy can be improved.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a schematic configuration of an engine and a control system thereof according to the embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing a combustion chamber of a diesel engine and its peripheral part.
  • FIG. 3 is a block diagram showing a configuration of a control system such as an ECU.
  • FIG. 4 is a flowchart showing the procedure of the cetane number determination operation and the engine control operation.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a cetane number determination map.
  • FIG. 6 is a diagram showing changes in the heat generation rate, the in-cylinder gas temperature, the torque equivalent amount generation rate, and the fuel injection rate when the minute fuel injection is executed.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an engine 1 and its control system according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is sectional drawing which shows the combustion chamber 3 of a diesel engine, and its peripheral part.
  • the engine 1 is configured as a diesel engine system having a fuel supply system 2, a combustion chamber 3, an intake system 6, an exhaust system 7 and the like as main parts.
  • the fuel supply system 2 includes a supply pump 21, a common rail 22, an injector (fuel injection valve) 23, an engine fuel passage 27, and the like.
  • the supply pump 21 pumps fuel from the fuel tank, makes the pumped fuel high pressure, and supplies it to the common rail 22 via the engine fuel passage 27.
  • the common rail 22 has a function as a pressure accumulation chamber that holds (accumulates) high pressure fuel at a predetermined pressure, and distributes the accumulated fuel to the injectors 23, 23,.
  • the injector 23 includes a piezoelectric element (piezo element) therein, and is configured by a piezo injector that is appropriately opened to supply fuel into the combustion chamber 3.
  • the intake system 6 includes an intake manifold 63 connected to an intake port 15a formed in the cylinder head 15 (see FIG. 2), and an intake pipe 64 constituting an intake passage is connected to the intake manifold 63. Further, an air cleaner 65, an air flow meter 43, and a throttle valve (intake throttle valve) 62 are arranged in this intake passage in order from the upstream side.
  • the air flow meter 43 outputs an electrical signal corresponding to the amount of air flowing into the intake passage via the air cleaner 65.
  • the exhaust system 7 includes an exhaust manifold 72 connected to an exhaust port 71 formed in the cylinder head 15, and an exhaust pipe 73 constituting an exhaust passage is connected to the exhaust manifold 72.
  • An exhaust purification device 77 is disposed in the exhaust passage.
  • the exhaust gas purification device 77 includes a catalyst (NOx storage catalyst or oxidation catalyst) and a DPF (Diesel Particle Filter). Further, as the exhaust purification device 77, a DPNR catalyst (Diesel Particle-NOx Reduction catalyst) may be employed.
  • a cylinder block 11 constituting a part of the engine body is formed with a cylindrical cylinder bore 12 for each cylinder (four cylinders), and a piston 13 is formed inside each cylinder bore 12. Is accommodated so as to be slidable in the vertical direction.
  • the combustion chamber 3 is formed above the top surface 13 a of the piston 13. That is, the combustion chamber 3 is defined by the lower surface of the cylinder head 15 attached to the upper portion of the cylinder block 11, the inner wall surface of the cylinder bore 12, and the top surface 13 a of the piston 13. A cavity (concave portion) 13 b is formed in a substantially central portion of the top surface 13 a of the piston 13, and this cavity 13 b also constitutes a part of the combustion chamber 3.
  • the piston 13 is connected to a crankshaft that is an engine output shaft by a connecting rod 18.
  • a connecting rod 18 As a result, the reciprocating movement of the piston 13 in the cylinder bore 12 is transmitted to the crankshaft via the connecting rod 18, and the engine output is obtained by rotating the crankshaft.
  • a glow plug 19 is disposed toward the combustion chamber 3.
  • the glow plug 19 functions as a start-up assisting device that is heated red when an electric current is applied immediately before the engine 1 is started and a part of the fuel spray is blown onto the glow plug 19 to promote ignition and combustion.
  • the cylinder head 15 is formed with the intake port 15a and the exhaust port 71, respectively, and an intake valve 16 for opening and closing the intake port 15a and an exhaust valve 17 for opening and closing the exhaust port 71 are disposed.
  • the cylinder head 15 is provided with the injector 23 that directly injects fuel into the combustion chamber 3.
  • the injector 23 is disposed at a substantially upper center of the combustion chamber 3 in a standing posture along the cylinder center line P, and injects fuel introduced from the common rail 22 toward the combustion chamber 3 at a predetermined timing.
  • the engine 1 is provided with a supercharger (turbocharger) 5.
  • the turbocharger 5 includes a turbine wheel 52 and a compressor wheel 53 that are connected via a turbine shaft 51.
  • the compressor wheel 53 is disposed facing the intake pipe 64, and the turbine wheel 52 is disposed facing the exhaust pipe 73.
  • the turbocharger 5 performs a so-called supercharging operation in which the compressor wheel 53 is rotated using the exhaust flow (exhaust pressure) received by the turbine wheel 52 to increase the intake pressure.
  • the turbocharger 5 in the present embodiment is a variable nozzle type turbocharger, and a variable nozzle vane mechanism (not shown) is provided on the turbine wheel 52 side. By adjusting the opening of the variable nozzle vane mechanism, the engine 1 supercharging pressure can be adjusted.
  • the intake pipe 64 of the intake system 6 is provided with an intercooler 61 for forcibly cooling the intake air whose temperature has been raised by supercharging in the turbocharger 5.
  • the engine 1 is provided with an exhaust gas recirculation passage (EGR passage) 8 that connects the intake system 6 and the exhaust system 7.
  • the EGR passage 8 is configured to reduce the combustion temperature by recirculating a part of the exhaust gas to the intake system 6 and supplying it again to the combustion chamber 3, thereby reducing the amount of NOx generated.
  • the EGR passage 8 is opened and closed steplessly by electronic control, and the exhaust gas passing through the EGR passage 8 (recirculating) is cooled by an EGR valve 81 that can freely adjust the exhaust flow rate flowing through the passage.
  • An EGR cooler 82 is provided.
  • the EGR passage 8, the EGR valve 81, the EGR cooler 82, and the like constitute an EGR device (exhaust gas recirculation device).
  • the air flow meter 43 outputs a detection signal corresponding to the flow rate (intake air amount) of the intake air upstream of the throttle valve 62 in the intake system 6.
  • the intake air temperature sensor 49 is disposed in the intake manifold 63 and outputs a detection signal corresponding to the temperature of the intake air.
  • the intake pressure sensor 48 is disposed in the intake manifold 63 and outputs a detection signal corresponding to the intake air pressure.
  • the A / F (air-fuel ratio) sensor 44 outputs a detection signal that continuously changes in accordance with the oxygen concentration in the exhaust downstream of the exhaust purification device 77 of the exhaust system 7.
  • the exhaust temperature sensor 45 outputs a detection signal corresponding to the temperature of exhaust gas (exhaust temperature) downstream of the exhaust purification device 77 of the exhaust system 7.
  • the rail pressure sensor 41 outputs a detection signal corresponding to the fuel pressure stored in the common rail 22.
  • the throttle opening sensor 42 detects the opening of the throttle valve 62.
  • the ECU 100 includes a microcomputer including a CPU, a ROM, a RAM, and the like (not shown) and an input / output circuit.
  • the input circuit of the ECU 100 includes the rail pressure sensor 41, the throttle opening sensor 42, the air flow meter 43, the A / F sensor 44, the exhaust temperature sensor 45, the intake pressure sensor 48, and the intake temperature sensor 49. Is connected.
  • the input circuit includes a water temperature sensor 46 that outputs a detection signal corresponding to the cooling water temperature of the engine 1, an accelerator opening sensor 47 that outputs a detection signal corresponding to the depression amount of the accelerator pedal, and an output shaft (crank) of the engine 1.
  • a crank position sensor 40 that outputs a detection signal (pulse) each time the shaft rotates a certain angle is connected.
  • the supply circuit 21, the injector 23, the throttle valve 62, the EGR valve 81, and the variable nozzle vane mechanism (actuator for adjusting the opening degree of the variable nozzle vane) 54 of the turbocharger 5 are connected to the output circuit of the ECU 100. ing.
  • the ECU 100 executes various controls of the engine 1 based on outputs from the various sensors described above, calculated values obtained by arithmetic expressions using the output values, or various maps stored in the ROM. .
  • the ECU 100 executes pilot injection (sub-injection) and main injection (main injection) as the fuel injection control of the injector 23.
  • the pilot injection is an operation for injecting a small amount of fuel in advance prior to the main injection from the injector 23.
  • the pilot injection is an injection operation for suppressing the ignition delay of fuel due to the main injection and leading to stable diffusion combustion, and is also referred to as sub-injection.
  • the main injection is an injection operation (torque generation fuel supply operation) for generating torque of the engine 1.
  • the injection amount in the main injection is basically determined so as to obtain the required torque according to the operation state such as the engine speed, the accelerator operation amount, the coolant temperature, the intake air temperature, and the like. For example, the higher the engine speed (the engine speed calculated based on the detection value of the crank position sensor 40), the larger the accelerator operation amount (the accelerator pedal depression amount detected by the accelerator opening sensor 47). As the accelerator opening becomes larger, the required torque value of the engine 1 is higher, and accordingly, the fuel injection amount in the main injection is also set higher.
  • the pilot injection fuel injection from a plurality of injection holes formed in the injector 23
  • the fuel injection is temporarily stopped.
  • the main injection is executed when the piston 13 reaches the vicinity of the compression top dead center after a predetermined interval.
  • the fuel is combusted by self-ignition, and energy generated by this combustion is kinetic energy for pushing the piston 13 toward the bottom dead center (energy serving as engine output), and heat energy for raising the temperature in the combustion chamber 3.
  • the heat energy is radiated to the outside (for example, cooling water) through the cylinder block 11 and the cylinder head 15.
  • the ECU 100 controls the opening degree of the EGR valve 81 according to the operating state of the engine 1 and adjusts the exhaust gas recirculation amount (EGR amount) toward the intake manifold 63.
  • This EGR amount is set in accordance with an EGR map that is created in advance by experiments, simulations, or the like and stored in the ROM.
  • This EGR map is a map for determining the EGR amount (EGR rate) using the engine speed and the engine load as parameters.
  • the fuel injection pressure when executing fuel injection is determined by the internal pressure of the common rail 22.
  • the target value of the fuel pressure supplied from the common rail 22 to the injector 23, that is, the target rail pressure increases as the engine load (engine load) increases and the engine speed (engine speed) increases. It will be expensive.
  • This target rail pressure is set according to a fuel pressure setting map stored in the ROM, for example. In this embodiment, the fuel pressure is adjusted between 30 MPa and 200 MPa according to the engine load and the like.
  • the ECU 100 determines the fuel injection amount and the fuel injection form based on the engine operating state. Specifically, the ECU 100 calculates the engine rotation speed based on the detection value of the crank position sensor 40, obtains the amount of depression of the accelerator pedal (accelerator opening) based on the detection value of the accelerator opening sensor 47, The total fuel injection amount (the sum of the injection amount in pilot injection and the injection amount in main injection) is determined based on the engine speed and the accelerator opening.
  • the engine 1 executes minute fuel injection amount learning control (also referred to as minute injection control or minute Q control) for correcting a deviation in fuel injection amount from the injector 23.
  • minute fuel injection amount learning control also referred to as minute injection control or minute Q control
  • an outline of the minute fuel injection amount learning control will be described.
  • This minute fuel injection amount learning control is a control for acquiring a learning value according to, for example, a change in fuel injection amount with time (change in injection characteristics) of the injector 23. That is, a learning value that does not cause a deviation between the target minute fuel injection amount (indicated value of the minute fuel injection amount: target fuel injection amount) and the actual minute fuel injection amount (actual fuel injection amount) is obtained. This is the control to acquire.
  • This fine fuel injection amount learning control is performed when the vehicle is running and the engine is not loaded. Specifically, a very small amount of fuel equivalent to the pilot injection amount is specified when there is no injection when the command injection amount to the injector 23 becomes zero (for example, when the accelerator opening becomes “0” during traveling). , And the amount of change in the engine speed (amount of change in the engine operating state) associated with this single injection is recognized.
  • the change amount data of the engine operation state when the single injection of a predetermined amount is executed accurately is compared with the change amount of the engine operation state when the single injection is actually performed, and according to the deviation amount
  • the learning value of the pilot injection amount setting map (the map in which the relationship between the pilot injection amount and the energization time (valve opening time) to the injector 23 is stored for each cylinder (each injector)) is corrected.
  • Such an operation is performed for each common rail pressure and each cylinder on the pilot injection amount setting map so that pilot injection can be performed with an appropriate pilot injection amount for all cylinders regardless of the common rail pressure. I have to.
  • the pilot injection amount and the piston injection amount when the position of the piston 13 of the cylinder in the compression stroke reaches the compression top dead center (TDC) are used.
  • An equivalent very small amount of fuel (for example, 2.0 mm 3 ) is injected.
  • the reason for injecting fuel at this timing is that fuel is injected at the time when the in-cylinder temperature becomes the highest (at the time when the air in the cylinder is compressed most), so that almost the entire amount of fuel is burned in a short period of time. It is.
  • This cetane number determination operation is to determine the cetane number of the fuel (light oil) currently used by the engine 1, that is, the fuel stored in the fuel tank, and to assist in engine control according to the cetane number. It is.
  • the light oil that is the fuel of the diesel engine 1 contains a low-temperature oxidation reaction component (such as a fuel having a linear single bond composition such as n-cetane (C 16 H 34 )).
  • a low-temperature oxidation reaction component such as a fuel having a linear single bond composition such as n-cetane (C 16 H 34 )
  • the n-cetane and the like are components that can be ignited even when the in-cylinder temperature is relatively low.
  • n-cetane or the like starts combustion when the in-cylinder temperature reaches a predetermined temperature (for example, 750 K; low temperature oxidation reaction start temperature).
  • the fuel components other than n-cetane do not start combustion until the in-cylinder temperature reaches a predetermined temperature (for example, 900 K; high temperature oxidation reaction start temperature) higher than the combustion start temperature such as n-cetane.
  • a predetermined temperature for example, 900 K; high temperature oxidation reaction start temperature
  • total torque the torque generated when it is assumed that all of the fuel injected from the injector 23 has burned
  • n-cetane combustion torque the torque generated by combustion of n-cetane or the like
  • total torque ratio the ratio of n-cetane combustion torque to the total torque
  • the cetane number is determined from the torque ratio when fuel is injected in a predetermined amount (for example, 2.0 mm 3 ). For this reason, this torque ratio and the torque generated by the combustion of n-cetane and the like are uniquely related. That is, when a specified amount of fuel is injected, the torque equivalent amount due to combustion of n-cetane or the like becomes a value reflecting the cetane number. For this reason, in the following description, the case where the torque equivalent amount is used as the cetane number determination index will be described.
  • the combustion period of n-cetane, etc. is separated from the combustion period of components other than n-cetane, etc., and the generated torque in the combustion period of n-cetane, etc. is accurately determined. Need to be measured.
  • the fuel injection timing is defined in advance.
  • fuel injection timing (fuel injection timing) that enables separation of the combustion period of n-cetane and the like and the combustion period of fuel components other than n-cetane and the like at each engine speed by experiments and simulations in advance. (Crank angle for starting) is determined, and is mapped and stored in the ROM.
  • This map (hereinafter referred to as a “fuel injection timing map”) is made possible by detecting the in-cylinder pressure by, for example, experiments or simulations, and determining the heat generation rate from the change in the in-cylinder pressure during combustion. And the combustion period of fuel components other than n-cetane, etc.
  • the waveform of the heat generation rate generated by the combustion of n-cetane and the fuel components other than n-cetane etc. There is a period in which the heat generation rate is “0” between the waveform of the heat generation rate generated by the combustion of the fuel
  • the fuel injection timing is determined for each engine speed. As the relationship between the engine speed and the fuel injection timing, the higher the engine speed, the more the fuel injection timing is set to the advance side. Further, the fuel injection timing defined by the fuel injection timing map is limited to the advance side in order to prevent deterioration of ignitability due to overdiffusion of fuel.
  • the fuel injection timing defined by this fuel injection timing map includes the combustion period of n-cetane and the like and the combustion period of fuel components other than n-cetane and the like when the fuel injection timing is advanced. Is the most retarded of the fuel injection timings that can separate the combustion period of n-cetane and the like and the combustion period of fuel components other than n-cetane, etc. Side timing).
  • the fuel injection timing corresponding to the current engine speed is extracted from the fuel injection timing map, and the fuel injection is executed at that timing. To do.
  • the cetane number determination operation described later is executed in a state in which the combustion period of n-cetane or the like is separated from the combustion period of fuel components other than n-cetane or the like.
  • a torque integration end angle (crank angle at which torque integration is ended), which is a timing to end the torque integration operation, is set in advance through experiments and simulations.
  • This torque integration end angle defines the combustion end timing of n-cetane or the like, or the combustion start timing of components other than n-cetane or the like. That is, the torque integration end angle is defined in advance so that only the torque generated by the combustion of n-cetane or the like of the fuel injected from the injector 23 is integrated.
  • FIG. 4 is a flowchart showing the procedure of the cetane number determination operation and the engine control operation in the present embodiment. This operation is executed every time the travel distance of the vehicle reaches a predetermined distance (for example, 500 km). Alternatively, it is executed when the vehicle travels after the fuel tank is refueled.
  • a predetermined distance for example, 500 km.
  • step ST1 it is determined whether or not an execution condition for the cetane number determination operation is satisfied. For example, when the following conditions are both satisfied, it is determined that the execution condition for the cetane number determination operation is satisfied.
  • the minute fuel injection amount learning control is completed
  • the piston position of the cylinder in the compression stroke has reached the fuel injection timing determined from the fuel injection timing map
  • the reason that the minute fuel injection amount learning control is completed is to appropriately obtain the fuel injection amount (for example, 2.0 mm 3 ) at the time of executing the cetane number determination operation.
  • the condition that the piston position of the cylinder in the compression stroke has reached the fuel injection timing obtained from the fuel injection timing map is that the combustion period such as n-cetane and the like other than n-cetane as described above. This is to separate the combustion period of the fuel component.
  • step ST1 When the execution condition of the cetane number determination operation is not satisfied and NO is determined in step ST1, that is, the minute fuel injection amount learning control is not completed and the accuracy of the fuel injection amount is not sufficiently obtained. If there is a possibility, the process returns without executing the cetane number determination operation.
  • step ST2 fuel injection from the injector 23 is started.
  • the amount of fuel injected here is set to be equivalent to the fuel injection amount in the minute fuel injection amount learning control (for example, 2.0 mm 3 ). That is, in the minute fuel injection amount learning control, the fuel is injected when the piston 13 reaches the compression top dead center (TDC), whereas in the cetane number determination operation, the piston 13 is moved before the compression top dead center.
  • the minute injection is performed when the predetermined position (the position at which the fuel injection timing obtained from the fuel injection timing map is reached) is reached.
  • the minute injection is the injection amount learning control (the difference in fuel injection amount). Is a fine injection specialized for cetane number determination.
  • step ST3 the integration of torque generated with the fuel injection is started.
  • the integration of the torque value calculated based on the engine speed calculated based on the detected value of the crank position sensor 40 is continued until the torque integration end timing (step ST5 described later). It is supposed to be.
  • the timing for starting the integration of the torque is when the in-cylinder temperature reaches the low temperature oxidation reaction start temperature.
  • the in-cylinder temperature can be recognized based on the intake air temperature detected by the intake air temperature sensor 49, the closing timing of the intake valve 16, the compression ratio of the engine 1, the rotational angle position of the crankshaft, and the like. By recognizing the in-cylinder temperature in this manner, the in-cylinder pressure sensor can be eliminated.
  • step ST4 it is determined whether or not the crank angle has reached the torque integration end angle. If the crank angle has not reached the torque integration end angle and the determination in step ST4 is NO, it is determined that the combustion period of n-cetane or the like is still in progress, and torque integration is continued, and the crank angle ends. Wait for the angle to reach.
  • step ST4 If the crank angle reaches the torque integration end angle and a YES determination is made in step ST4, the process proceeds to step ST5 and the torque integration is ended.
  • step ST6 the torque equivalent amount is calculated. That is, the integrated value of the torque is calculated as a torque equivalent amount.
  • step ST7 the cetane number is determined from the torque equivalent amount.
  • a cetane number determination map is used for the determination of the cetane number.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of a cetane number determination map.
  • the cetane number determination map defines the correlation between the torque equivalent amount and the fuel cetane number, and is created in advance by experiments and simulations and stored in the ROM.
  • the fuel cetane number is determined as A (for example, 40), and the torque equivalent amount is not less than b and less than c in the drawing.
  • the cetane number of the fuel is determined as B (for example 42), and when the torque equivalent amount is not less than c and less than d in the figure, the cetane number of the fuel is determined as C (for example 44) and the torque equivalent amount is determined. Is d or more and less than e in the figure, the cetane number of the fuel is determined to be D (for example, 48), and when the torque equivalent amount is e or more and less than f in the figure, the cetane number of the fuel is E ( For example, 52) is determined. Thus, in the cetane number determination map, it is determined that the larger the torque equivalent amount, the larger the cetane number.
  • step ST8 After determining the cetane number using this cetane number determination map, the process proceeds to step ST8, and in accordance with the determined cetane number, control of control parameters such as the injection timing and injection amount of the fuel injected from the injector 23 Engine control for adjusting the value is executed. For example, when the determined cetane number is relatively low, the lower the cetane number, the fuel injection timing (for example, the injection timing of the pilot injection) is corrected to the advance side, and the ignition delay is caused by the low cetane number. Make sure that the ignition timing is properly obtained even when the value of increases.
  • the lower the cetane number the more the fuel injection amount (for example, the injection amount in the above-described pilot injection) is corrected, and even if the generated heat amount per unit fuel is small due to the low cetane number, it is sufficient Make sure that you get the right amount of heat.
  • the lower the cetane number the lower the fuel injection pressure is set to increase the density of n-cetane, etc. in the combustion field, or the EGR rate is decreased to increase the combustion temperature. Also good.
  • FIG. 6 is a graph showing changes in the heat generation rate, the in-cylinder gas temperature, the torque equivalent amount generation rate, and the fuel injection rate during execution of the minute fuel injection.
  • torque is integrated from the start point of the combustion period of n-cetane or the like (timing T1 in the figure) to the start point of the combustion period of fuel components other than n-cetane or the like (timing T2 in the figure).
  • the torque accumulated during the period from the timing T1 to the timing T2 (corresponding to the area of the torque equivalent amount occurrence rate A in FIG. 6) is acquired as the torque equivalent amount, and the cetane number is determined using the cetane number determination map. Will be determined.
  • the cetane number is obtained from the torque equivalent amount.
  • the torque equivalent amount can be obtained as a value highly correlated with the cetane number of the fuel.
  • the cetane number of the fuel is determined by performing minute fuel injection when the engine is not loaded.
  • the present invention is not limited to this, and the cetane number of the fuel is determined from the amount of energy generated with the execution of the pilot injection, or generated with the execution of the main injection without the pilot injection (single main injection).
  • the cetane number of the fuel may be determined from the amount of energy to be used. In this case, since the fuel injection amount is not a specified amount, the torque generation amount with respect to the total fuel injection amount corresponds to the torque equivalent amount.
  • the ratio of the torque generated during the combustion period such as n-cetane to the torque generated when the total fuel injection amount burns is obtained as a value corresponding to the torque equivalent amount, and from this value The cetane number will be calculated. For this reason, even when determining the cetane number with the execution of these injections, the fuel injection timing is set so that the combustion period of n-cetane or the like and the combustion period of components other than n-cetane or the like are separated. It will be necessary.
  • the execution condition of the cetane number determination operation is that the minute fuel injection amount learning control is completed.
  • the present invention is not limited to this, and the cetane number determination operation is performed to confirm that another inspection (for example, an inspection by a fuel flow sensor provided in the injector 23) is completed as an inspection that the fuel injection amount is appropriate. It is good also as conditions.
  • the engine 1 to which the piezo injector 23 that changes the fuel injection rate by being in a fully opened valve state only during the energization period is described.
  • the present invention applies a variable injection rate injector.
  • Application to engines is also possible.
  • the present invention is applicable to the determination of the cetane number of a fuel used in a common rail in-cylinder direct injection multi-cylinder diesel engine mounted on an automobile.

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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

内燃機関の燃料性状判定装置
　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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