JP2005180220A - 内燃機関の燃焼温度推定方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 この方法は、燃料噴射開始時期が到来する毎に、筒内ガスの状態が断熱変化することを原則的に利用して着火時における燃焼前の筒内ガス温度(着火時圧縮筒内ガス温度Tpump)を推定し、燃料の燃焼による発熱量を吸気中のガス成分の濃度比率から求められる燃焼に関与する燃焼後の筒内ガスのモル数及び定圧比熱の積で除することで燃焼による筒内ガスの温度上昇量(燃焼起因温度上昇量ΔTburn)を推定し、筒内の燃焼速度に影響を与える因子である燃料噴射圧力及びエンジン回転速度に基づいて同燃焼速度の増大による筒内ガスの温度上昇量(燃焼速度起因温度上昇量ΔTb_velo)を推定する。そして、Tflame=Tpump+ΔTburn+ΔTb_veloなる式にて最高燃焼温度Tflameを推定する。
【選択図】 図11
Description
次に、上記のように構成された内燃機関の制御装置(以下、「本装置」と云うこともある。)による本発明の実施形態に係る燃焼温度推定方法の概要について説明する。図2は、機関10の或る一つの気筒の筒内に吸気マニホールド31からガス(即ち、吸気)が吸入され、筒内に吸入されたガス(筒内ガス)が燃焼後に排気マニホールド41へ排出される様子を模式的に示した図である。
着火時圧縮筒内ガス温度Tpumpを取得するため、先ず、圧縮行程、及び膨張行程において筒内ガスと外部との熱交換がないと仮定するものとする。そうすると、係る筒内ガスの状態は断熱変化するから、筒内ガス温度Taは、図3に実線にて示すように、クランク角度CA(ATDC)に応じて変化し、着火時の筒内ガス温度(即ち、着火時圧縮筒内ガス温度Tpump)は、断熱変化を表す一般的な式である下記(2)式に従って求めることができる。
燃焼による筒内ガスの温度上昇量である燃焼起因温度上昇量ΔTburnを取得するため、噴射された燃料の1molあたりの燃焼について考える。そうすると、燃焼起因温度上昇量ΔTburnは、下記(3)式にて表すことができる。
[CO2]air・Gm と、筒内に吸入されたEGRガス中のCO2質量 [CO2]egr・Gegr
の和」の質量割合として、下記(9)式に従って求めることができる。
[CO2]air・Gm と、筒内に吸入されたEGRガス中のCO2質量 [CO2]egr・Gegr
と、燃焼により発生したCO2質量の和」の質量割合である。
molのCO2が発生するから、燃料(CmHn)の分子量をMfuel、CO2の分子量をMCO2(=44)とすると、質量Mfuelの燃料の燃焼により質量(m・MCO2)のCO2が発生することになる。従って、KCO2は、
m・(MCO2/Mfuel) として求めることができる。以上より、EGRガス中のCO2濃度[CO2]egrは下記(10)式に従って求めることができ、下記(10)式を整理すると下記(11)式が得られる。
molのH2Oが発生するから、燃料(CmHn)の分子量をMfuel、H2Oの分子量をMH2O(=18)とすると、質量Mfuelの燃料の燃焼により質量{(n/2)・MH2O}のH2Oが発生することになる。従って、KH2Oは、
(n/2)・(MH2O/Mfuel) として求めることができる。
と表すことができる。従って、吸気O2濃度[O2]inは、上記(9)〜(12)式における[CO2]を[O2]に書き換え、且つ、KCO2を「−KO2」に書き換えることで求めることができる。即ち、吸気O2濃度[O2]inは、下記(15)式に従って表すことができる。
として求めることができる。
[O2]in:[CO2]in:[H2O]in:[N2]in を得ることができる。そして、この4つの成分の吸気中の質量濃度の比率は、筒内に吸入された筒内ガス(より具体的には、上記燃料領域(B領域)に存在するガス)中の同4つの成分の質量濃度の比率として維持されると仮定する。
(m+n/4)MO2:αMCO2:βMH2O:γMN2 と表すことができる。以上のことから、下記(18)式が成立する。
筒内ガス温度Taが、着火時における温度(即ち、着火時圧縮筒内ガス温度Tpump)から上記燃焼起因温度上昇量ΔTburnだけ上昇して温度(Tpump+ΔTburn)となるまで(即ち、着火時から筒内ガス温度Taが最高燃焼温度Tflameに到達するまで)には所定の時間(以下、「最高温度到達時間」と称呼する。)が必要である。他方、着火時が圧縮上死点に対応する時期よりも後の時点(即ち、膨張行程に対応する時点)である場合、時間経過に伴なって筒内容積Vaの増大に起因して筒内ガス温度Taが低下していく(燃焼による筒内ガス温度Taの上昇が抑制される)。
次に、本装置が実施する、上記推定された最高燃焼温度Tflameを使用したNOx発生量推定方法の概要について説明していく。このNOx発生量推定方法では、燃料噴射気筒について上記最終燃料噴射時期finjfinが到来する毎に、その直後の爆発(膨張)行程において上記B領域において燃焼により発生する実NOx発生量NOxactが推定されていく。
上記NOx発生量推定方法を実施する本装置は、一作動サイクルあたりの目標NOx発生量NOxtを、上記燃料噴射量qfinとエンジン回転速度NEとに基づいて逐次計算する。そして、本装置は、前回推定された実NOx発生量NOxactが目標NOx発生量NOxtに一致するように、最終燃料噴射開始時期finjfin、及びEGR制御弁52の開度をフィードバック制御する。
上記(25)式に従って燃焼発生NOx率RNOx_burnを演算するためには、「べき乗」の演算、及び「掛け算」の演算が必要となる。しかしながら、一般に、マイクロコンピュータを使用して「べき乗」の演算を実行すると計算負荷が増大し、同マイクロコンピュータを使用して「掛け算」の演算を実行すると計算精度が低下する傾向がある。よって、「べき乗」の演算、及び「掛け算」の演算を避けるため、本装置(CPU61)は、実際には、上記(25)式において両辺の自然対数をとることで得られる下記(26)式を利用して、テーブル検索と「足し算」の演算のみで燃焼発生NOx率RNOx_burnを計算する。
次に、上記のように構成された内燃機関の制御装置の実際の作動について説明する。
<燃料噴射量等の制御>
CPU61は、図5にフローチャートにより示した燃料噴射量等の制御を行うためのルーチンを所定時間の経過毎に繰り返し実行するようになっている。従って、所定のタイミングになると、CPU61はステップ500から処理を開始し、ステップ505に進んでアクセル開度Accp、エンジン回転速度NE、及び図6に示したテーブル(マップ)Mapqfinから(指令)燃料噴射量qfinを求める。テーブルMapqfinは、アクセル開度Accp及びエンジン回転速度NEと燃料噴射量qfinとの関係を規定するテーブルであり、ROM62内に格納されている。
また、CPU61は、図11にフローチャートにより示した最高燃焼温度Tflameの計算を行うためのルーチンを所定時間の経過毎に繰り返し実行するようになっている。従って、所定のタイミングになると、CPU61はステップ1100から処理を開始し、ステップ1105に進んで現時点がATDC-180°に一致しているか否かを判定する。
また、CPU61は、図15にフローチャートにより示した実NOx発生量NOxactの計算を行うためのルーチンを所定時間の経過毎に繰り返し実行するようになっている。従って、所定のタイミングになると、CPU61はステップ1500から処理を開始し、ステップ1505に進んで燃料噴射開始時期(即ち、上記最終燃料噴射時期finjfin)が到来したか否かを判定し、「No」と判定する場合、ステップ1595に直ちに進んで本ルーチンを一旦終了する。
Claims (5)
- 内燃機関の筒内における燃焼温度を推定する内燃機関の燃焼温度推定方法であって、
少なくとも前記筒内に存在する筒内ガスが同筒内で圧縮されることを利用して、着火時における燃焼前の筒内ガス温度である着火時圧縮筒内ガス温度を推定し、
少なくとも前記筒内に吸入されるガスの組成と、噴射された燃料の燃焼による発熱量とに基づいて、燃焼による前記筒内ガスの温度上昇量である燃焼起因温度上昇量を推定し、
前記筒内の燃焼速度に影響を与える因子に基づいて同燃焼速度の増大による前記筒内ガスの温度上昇量である燃焼速度起因温度上昇量を推定するとともに、
前記着火時圧縮筒内ガス温度に、前記燃焼起因温度上昇量と前記燃焼速度起因温度上昇量とを加えた値を前記筒内における燃焼温度として推定する内燃機関の燃焼温度推定方法。 - 請求項1に記載の内燃機関の燃焼温度推定方法において、
前記筒内に吸入されるガスの温度と、同吸入されるガスの組成と、前記燃焼前の筒内ガス温度を上昇せしめる因子に基づいて推定される前記着火時圧縮筒内ガス温度の上昇量と、
に基づいて同着火時圧縮筒内ガス温度を推定する内燃機関の燃焼温度推定方法。 - 請求項2に記載の内燃機関の燃焼温度推定方法において、
前記燃焼前の筒内ガス温度を上昇せしめる因子としての、前記燃料の噴射に先立ってパイロット噴射が行われる場合における同パイロット噴射された燃料の燃焼による発熱量、及びグロープラグへの通電が行われる場合における同通電による発熱量のうち少なくとも1つ、
に基づいて前記着火時圧縮筒内ガス温度の上昇量を推定する内燃機関の燃焼温度推定方法。 - 請求項1乃至請求項3の何れか一項に記載の内燃機関の燃焼温度推定方法において、
前記着火時が圧縮上死点に対応する時期よりも前である場合、同着火時が同圧縮上死点に対応する時期と一致するものと仮定して、前記着火時圧縮筒内ガス温度を推定する内燃機関の燃焼温度推定方法。 - 請求項1乃至請求項4の何れか一項に記載の内燃機関の燃焼温度推定方法において、
前記筒内の燃焼速度に影響を与える因子としての、前記燃料の噴射圧力、前記機関の回転速度、前記筒内に吸入されるガスのスワール比、前記機関に過給機が配設されている場合における同過給機による過給圧、及び前記筒内に吸入されるガス中の酸素濃度のうち少なくとも1つ、
に基づいて前記燃焼速度起因温度上昇量を推定する内燃機関の燃焼温度推定方法。
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