JP2006046217A - 内燃機関の燃料噴射制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 主燃料噴射に先立ってパイロット燃料噴射を実施する内燃機関の燃料噴射制御装置において、十分に燃焼騒音を低減可能とすることである。
【解決手段】 筒内圧力に基づき算出される筒内圧力変化量の第一ピーク値及び第二ピーク値と、第一ピーク値が発生する第一時期及び第二ピーク値が発生する第二時期とが、燃焼騒音を十分に低減するように機関運転状態毎に予め定められたそれぞれの目標値と比較され（ステップ１０４，１０６，１０８，１１０）、それぞれの目標値に対する偏差の少なくとも一つが設定値より大きい時には、パイロット燃料噴射及び主燃料噴射の燃料噴射量の合計は変化させることなく、パイロット燃料噴射又は主燃料噴射の燃料噴射時期（ステップ１０７，１０９）、パイロット燃料噴射及び主燃料噴射の燃料噴射圧力（ステップ１１１）、及び、パイロット燃料噴射の燃料噴射量（ステップ１０５）の少なくとも一つを変化させる。
【選択図】 図７

Description

本発明は、内燃機関の燃料噴射制御装置に関する。

ディーゼルエンジンにおいて、一般的に、主燃料噴射に先立ってパイロット燃料噴射を実施して燃焼騒音を低減している。しかしながら、さらに燃焼騒音を低減するために、パイロット燃料噴射に起因する燃焼と主燃料噴射に起因する燃料との間のインターバルを制御し、パイロット燃料噴射による燃焼圧力波と主燃料噴射による燃焼圧力波とを干渉させて筒内圧力の高周波成分を低下させることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−４７９７５号公報 特開２０００−２７７４３号公報 特開平８−３３４０４９号公報 特開平８−２４６９３５号公報 特開２０００−５４８８９号公報 特開平１１−１４８４１０号公報

前述の技術によって、確かに、機関出力にそれほど貢献しない筒内圧力の高周波成分を低下させて燃焼騒音を低減することができる。しかしながら、これだけでは燃焼騒音を十分に低減することはできない。

従って、本発明の目的は、主燃料噴射に先立ってパイロット燃料噴射を実施する内燃機関の燃料噴射制御装置において、機関出力を低下させることなく、十分に燃焼騒音を低減可能とすることである。

本発明による請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置は、主燃料噴射に先立ってパイロット燃料噴射を実施する内燃機関の燃料噴射制御装置において、筒内圧力を検出する筒内圧力検出手段と、前記筒内圧力検出手段により検出された筒内圧力に基づき、前記パイロット燃料噴射に起因する筒内圧力変化量の第一ピーク値及び前記主燃料噴射に起因する筒内圧力変化量の第二ピーク値を算出するピーク値算出手段とを具備し、前記ピーク値算出手段により算出された前記第一ピーク値及び前記第二ピーク値と、前記第一ピーク値が発生する第一時期及び前記第二ピーク値が発生する第二時期とが、燃焼騒音を十分に低減するように機関運転状態毎に予め定められた前記第一ピーク値、前記第二ピーク値、前記第一時期、及び前記第二時期のそれぞれの目標値と比較され、前記第一ピーク値、前記第二ピーク値、前記第一時期、及び前記第二時期のそれぞれの前記目標値に対する偏差の少なくとも一つが設定値より大きい時には、前記偏差を前記設定値より小さくするように、前記パイロット燃料噴射及び前記主燃料噴射の燃料噴射量の合計は変化させることなく、前記パイロット燃料噴射又は前記主燃料噴射の燃料噴射時期、前記パイロット燃料噴射及び前記主燃料噴射の燃料噴射圧力、及び、前記パイロット燃料噴射の燃料噴射量の少なくとも一つを変化させることを特徴とする。

また、本発明による請求項２に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置は、請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置において、前記第一時期及び前記第二時期のそれぞれの前記目標値は、前記パイロット燃料噴射に起因する燃焼圧力波と前記主燃料噴射に起因する燃焼圧力波とを互いに干渉させて筒内圧力の特性周波数成分を低減させるように設定されることを特徴とする。

本発明による請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置によれば、ピーク値算出手段は、筒内圧力検出手段により検出された筒内圧力に基づき、パイロット燃料噴射に起因する筒内圧力変化量の第一ピーク値及び主燃料噴射に起因する筒内圧力変化量の第二ピーク値を算出し、これら第一ピーク値及び第二ピーク値と、第一ピーク値が発生する第一時期及び第二ピーク値が発生する第二時期とが、燃焼騒音を十分に低減するように機関運転状態毎に予め定められた第一ピーク値、第二ピーク値、第一時期、及び第二時期のそれぞれの目標値と比較され、第一ピーク値、第二ピーク値、第一時期、及び第二時期のそれぞれの目標値に対する偏差の少なくとも一つが設定値より大きい時には、偏差を設定値より小さくするように、パイロット燃料噴射及び主燃料噴射の燃料噴射量の合計を変化させることなく、パイロット燃料噴射又は主燃料噴射の燃料噴射時期、パイロット燃料噴射及び主燃料噴射の燃料噴射圧力、及び、パイロット燃料噴射の燃料噴射量の少なくとも一つを変化させるようになっており、それにより、実際の第一ピーク値、第二ピーク値、第一時期、及び第二時期は、それぞれの目標値近傍とされて燃焼騒音を十分に低減することができ、この時においてパイロット燃料噴射及び主燃料噴射の燃料噴射量の合計は維持されるために機関出力が低下することはない。

また、本発明による請求項２に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置によれば、請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置において、第一時期及び第二時期のそれぞれの目標値は、パイロット燃料噴射に起因する燃焼圧力波と主燃料噴射に起因する燃焼圧力波とを互いに干渉させて筒内圧力の特性周波数成分を低減させるように設定されており、実際の第一ピーク値、第二ピーク値、第一時期、及び第二時期が、こうして設定されたそれぞれの目標値近傍とされれば、燃焼騒音が十分に低減された理想的な燃焼を実現することができる。

図１は本発明による燃料噴射制御装置が取り付けられる内燃機関を示す概略図である。同図において、１はディーゼルエンジン本体であり、２は各気筒内へ燃料を噴射するための燃料噴射弁である。各燃料噴射弁２は、共通のコモンレール３に接続され、所望圧力に制御されたコモンレール３内の燃料を気筒内へ噴射するようになっている。４は一つの気筒に配置された圧力センサである。５は各燃料噴射弁２による燃料噴射を制御するための制御装置であり、圧力センサ４や、機関運転状態を決定するための回転センサ（図示せず）及びアクセルペダルストロークセンサ（図示せず）等が接続されている。

燃料噴射弁２は、機関運転状態に対して必要な燃料量の一部をパイロット燃料噴射として先に噴射し、残りを主燃料噴射として後に噴射し、必要燃料量が一度に噴射されて一気に燃焼する場合に比較して燃焼騒音を低減させている。また、こうして主燃料噴射に先立ってパイロット燃料噴射を実施すると、パイロット燃料噴射に起因して気筒内に発生する燃焼圧力波と主燃料噴射に起因して気筒内に発生する燃焼圧力波とを互いに干渉させて機関出力にそれほど貢献しない筒内圧力の高周波成分を低減させることができ、それによっても燃焼騒音を低減することができる。

パイロット燃料噴射及び主燃料噴射に起因する燃焼によって筒内圧力は変化し、この筒内圧力の変化において、単位クランク角度に対する筒内圧力変化量（以下、単に筒内圧力変化量と称する）は図２に実線で示すように変化する。この筒内圧力変化量の変化において、第一時期ｔ１には、パイロット燃料噴射に起因する燃焼圧力波によって第一ピークが発生し、第二時期ｔ２には、主燃料噴射に起因する燃焼圧力波によって第二ピークが発生する。前述のように、筒内圧力の高周波成分を低減させるためには、第一時期ｔ１及び第二時期ｔ２の間の所望インターバルが実現されるようにすることが必要である。

また、こうして第一時期ｔ１及び第二時期ｔ２の間に、二つの燃焼圧力波を互いに干渉させて筒内圧力の高周波成分を低減させる所望インターバルが実現されても、第一ピーク又は第二ピークの値自身が大き過ぎれば大きな騒音が発生し、十分に燃焼騒音を低減することはできない。それにより、本実施形態では、パイロット燃料噴射に起因する燃焼圧力波と主燃料噴射に起因する燃焼圧力波とが互いに干渉して筒内圧の特定周波数成分（例えば、高周波成分）が低減されると共に、パイロット燃料噴射に起因する筒内圧力変化量の第一ピーク値及び主燃料噴射に起因する筒内圧力変化量の第二ピーク値がそれほど高くない低騒音の理想的な燃焼を実現させることを意図している。

具体的には、機関回転数及び機関負荷により定まる機関運転状態毎に、理想的な燃焼を実現して、この時の第一ピーク値と、第二ピーク値と、第一ピーク値が発生する第一時期と、第二ピーク値が発生する第二時期（第一時期と第二時期との差が二つの燃焼のインターバルとなる）とをそれぞれの目標値として予め設定し、実際の燃焼における第一ピーク値、第二ピーク値、第一時期、及び第二時期がそれぞれの目標値に対して小さな偏差しか有さないようにするのである。

ここで、圧力センサ４により検出される筒内圧力の変化に基づき単純に算出される実際の筒内圧力変化量の変化は、図２に点線で示すクランキングのような未燃焼時の筒内圧力変化量の変化を含むものであるために、この未燃焼時の筒内圧力変化量を除いたものを第一ピーク値Ｍ１及び第二ピーク値Ｍ２とすることが好ましい。第一時期ｔ１及び第二時期ｔ２は任意の基準からのクランク角度としている。

第一ピーク値Ｍ１、第二ピーク値Ｍ２、第一時期ｔ１、及び第二時期ｔ２を使用した回帰分析の結果として、これらを使用する騒音計算値は、図３に示すように、実際の燃焼騒音に対して高い相関を有しており、これら四つが燃焼騒音を決定するパラメータであることが理解される。

ところで、パイロット燃料噴射に起因する筒内圧力変化量の第一ピーク値Ｍ１は、図４に示すように、パイロット燃料噴射量Ｑ１を多くするほど大きくなり、燃料噴射圧力Ｐを高くするほど大きくなる。また、主燃料噴射に起因する筒内圧力変化量の第二ピーク値Ｍ２は、図５に示すように、主燃料噴射の燃料噴射時期Ｔ２を進角するほど大きくなり、燃料噴射圧力Ｐを高くするほど大きくなる。また、第一時期ｔ１及び第二時期ｔ２は、図６に示すように、それぞれ、パイロット燃料噴射の燃料噴射時期Ｔ１を進角するほど進角され、主燃料噴射の燃料噴射時期Ｔ２を進角するほど進角される。

前述した制御装置５は、低騒音の理想的な燃焼を実現するために、図７に示すフローチャートに従って燃料噴射の各制御を実施する。先ず、ステップ１０１において、機関定常時であるか否かが判断される。この判断が否定される時にはそのまま終了する。一方、機関定常時には、ステップ１０２へ進み、現在の機関運転状態における第一ピーク値、第二ピーク値、第一時期、及び第二時期のそれぞれの目標値Ｍ１’、Ｍ２’、ｔ１’、及びｔ２’を予め設定されているマップ等から読み込む。

次いで、ステップ１０３において、圧力センサ４により検出される現在の燃焼における筒内圧力変化に基づき、先ずは筒内圧力変化量を算出し、次いで、現在の機関回転数に対応する未燃焼時の筒内圧力変化量を使用して、実際の第一ピーク値Ｍ１及び第二ピーク値Ｍ２を算出し、次いで、第一ピーク値Ｍ１を発生する第一時期ｔ１及び第二ピーク値Ｍ２を発生する第二時期ｔ２を算出する。

ステップ１０４では、実際の第一ピーク値Ｍ１とその目標値Ｍ１’との偏差が設定値ａより小さいか否かが判断され、この判断が肯定される時には、実際の第一ピーク値Ｍ１はその目標値Ｍ１’の近傍にあり、そのままステップ１０６へ進む。しかしながら、ステップ１０４における判断が否定される時には、実際の第一ピーク値Ｍ１はその目標値Ｍ１’の近傍にはなく、ステップ１０５においてパイロット燃料噴射の燃料噴射量Ｑ１を制御してステップ１０６へ進む。具体的には、実際の第一ピーク値Ｍ１がその目標値Ｍ１’より大きければ偏差に応じて燃料噴射量Ｑ１を減少させ、実際の第一ピーク値Ｍ１がその目標値Ｍ１’より小さければ偏差に応じて燃料噴射量Ｑ１を増加させる。

ステップ１０６では、実際の第一時期ｔ１とその目標値ｔ１’との偏差が設定値ｂより小さいか否かが判断され、この判断が肯定される時には、実際の第一時期ｔ１はその目標値ｔ１’の近傍にあり、そのままステップ１０８へ進む。しかしながら、ステップ１０６における判断が否定される時には、実際の第一時期ｔ１はその目標値ｔ１’の近傍にはなく、ステップ１０７においてパイロット燃料噴射の燃料噴射時期Ｔ１を制御してステップ１０８へ進む。具体的には、実際の第一時期ｔ１がその目標値ｔ１’より進角側であれば偏差に応じて燃料噴射時期Ｔ１を遅角させ、実際の第一時期ｔ１がその目標値ｔ１’より遅角側であれば偏差に応じて燃料噴射時期Ｔ１を進角させる。

ステップ１０８では、実際の第二時期ｔ２とその目標値ｔ２’との偏差が設定値ｃより小さいか否かが判断され、この判断が肯定される時には、実際の第二時期ｔ２はその目標値ｔ２’の近傍にあり、そのままステップ１１０へ進む。しかしながら、ステップ１０８における判断が否定される時には、実際の第二時期ｔ２はその目標値ｔ２’の近傍にはなく、ステップ１０９において主燃料噴射の燃料噴射時期Ｔ２を制御してステップ１１０へ進む。具体的には、実際の第二時期ｔ２がその目標値ｔ２’より進角側であれば偏差に応じて燃料噴射時期Ｔ２を遅角させ、実際の第二時期ｔ２がその目標値ｔ２’より遅角側であれば偏差に応じて燃料噴射時期Ｔ２を進角させる。

ステップ１１０では、実際の第二ピーク値Ｍ２とその目標値Ｍ２’との偏差が設定値ｄより小さいか否かが判断され、この判断が肯定される時には、実際の第二ピーク値Ｍ２はその目標値Ｍ２’の近傍にあり、そのままステップ１１２へ進む。しかしながら、ステップ１１０における判断が否定される時には、実際の第二ピーク値Ｍ２はその目標値Ｍ２’の近傍にはなく、ステップ１１１において燃料噴射圧力Ｐを制御してステップ１１２へ進む。主燃料噴射の燃料噴射量Ｑ２は、ステップ１０５において制御されたパイロット燃料噴射の燃料噴射量Ｑ１が、増加されれば減少され、また、減少されれば増加され、パイロット燃料噴射及び主燃料噴射の燃料噴射量の合計Ｑ１＋Ｑ２は、機関運転状態の必要量に維持される。こうして、パイロット燃料噴射の燃料噴射量Ｑ１の変化に伴って主燃料噴射の燃料噴射量Ｑ２が増量されれば実際の第二ピーク値Ｍ２を大きくさせ、また、主燃料噴射の燃料噴射量Ｑ２が減量されれば実際の第二ピーク値Ｍ２を小さくさせる。また、第二ピーク値Ｍ２は、図５（Ａ）に示すように主燃料噴射の燃料噴射時期Ｔ２によっても変化する。こうして、ステップ１１１において燃料噴射圧力Ｐを制御する際には、ステップ１０５におけるパイロット燃料噴射の燃料噴射量の制御及びステップ１０９における主燃料噴射の燃料噴射時期の制御が考慮されることが好ましい。それにより、実際の第二ピーク値Ｍ２がその目標値Ｍ２’より大きくても燃料噴射圧力Ｐを下げるとは限らず高めることもあり、実際の第二ピーク値Ｍ２がその目標値Ｍ２’より小さくても燃料噴射圧力Ｐを高めるとは限らず下げることもある。

こうして、実際の第一ピーク値Ｍ１、第二ピーク値Ｍ２、第一時期ｔ１、及び第二時期ｔ２のそれぞれの目標値に対する偏差の少なくとも一つが設定値より大きい時には、偏差を設定値より小さくするように燃料噴射が制御されて実際の燃焼を実施する。次いで、ステップ１１２において、依然として機関定常時であるか否かが判断され、この判断が否定される時にはそのまま終了するが、肯定される時には、ステップ１０３へ戻り、再び検出された筒内圧力変化に基づき、実際の第一ピーク値Ｍ１、第二ピーク値Ｍ２、第一時期ｔ１、及び第二時期ｔ２が算出され、前述したステップ１０４以降の処理が実施される。

前回のステップ１１１において燃料噴射圧力Ｐが制御されれば、パイロット燃料噴射の燃料噴射圧力も同様に変化するために、ステップ１０４の判断が再び否定されることもある。しかしながら、このような制御を繰り返すうちにステップ１０４、ステップ１０６、ステップ１０８、及びステップ１１０の判断が全て肯定されるようになり、パイロット燃料噴射及び主燃料噴射の燃料噴射量Ｑ１及びＱ２、燃料噴射時期Ｔ１及びＴ２、及び燃料噴射圧力Ｐが現在の定常機関運転状態に対して固定されて、実際の第一ピーク値Ｍ１、第二ピーク値Ｍ２、第一時期ｔ１、及び第二時期ｔ２は、それぞれの目標値の近傍となり、燃焼騒音が十分に低減された理想的な燃焼を実現することができる。

本実施形態において、圧力センサ４を一つの気筒にだけ配置してコストアップを最小限としたが、圧力センサが複数の気筒に配置されていれば、これら複数の気筒において燃料噴射の各制御を異ならせることができ、現在の定常機関運転状態において、実際の第一ピーク値Ｍ１、第二ピーク値Ｍ２、第一時期ｔ１、及び第二時期ｔ２の全てをそれぞれの目標値の近傍にするパイロット燃料噴射及び主燃料噴射の燃料噴射量Ｑ１及びＱ２、燃料噴射時期Ｔ１及びＴ２、及び燃料噴射圧力Ｐを早期に収束させることができる。

本発明による燃料噴射制御装置が取り付けられる内燃機関を示す概略図である。 クランク角度に対する筒内圧力変化量の変化を示すグラフである。 第一ピーク値、第二ピーク値、第一時期、及び第二時期と燃焼騒音との相関を回帰分析した結果である。 （Ａ）は第一ピーク値Ｍ１とパイロット燃料噴射の燃料噴射量Ｑ１との関係を示すグラフであり、（Ｂ）は第一ピーク値Ｍ１とパイロット燃料噴射の燃料噴射圧力Ｐとの関係を示すグラフである。 （Ａ）は第二ピーク値Ｍ２と主燃料噴射の燃料噴射時期Ｔ２との関係を示すグラフであり、（Ｂ）は第二ピーク値Ｍ２と主燃料噴射の燃料噴射圧力Ｐとの関係を示すグラフである。 （Ａ）は第一時期ｔ１とパイロット燃料噴射の燃料噴射時期Ｔ１との関係を示すグラフであり、（Ｂ）は第二時期ｔ２と主燃料噴射の燃料噴射時期Ｔ２との関係を示すグラフである。 燃料噴射の各制御を実施するためのフローチャートである。

符号の説明

１ ディーゼルエンジン本体
２ 燃料噴射弁
３ 圧力センサ
５ 制御装置

Claims (2)

1. 主燃料噴射に先立ってパイロット燃料噴射を実施する内燃機関の燃料噴射制御装置において、筒内圧力を検出する筒内圧力検出手段と、前記筒内圧力検出手段により検出された筒内圧力に基づき、前記パイロット燃料噴射に起因する筒内圧力変化量の第一ピーク値及び前記主燃料噴射に起因する筒内圧力変化量の第二ピーク値を算出するピーク値算出手段とを具備し、前記ピーク値算出手段により算出された前記第一ピーク値及び前記第二ピーク値と、前記第一ピーク値が発生する第一時期及び前記第二ピーク値が発生する第二時期とが、燃焼騒音を十分に低減するように機関運転状態毎に予め定められた前記第一ピーク値、前記第二ピーク値、前記第一時期、及び前記第二時期のそれぞれの目標値と比較され、前記第一ピーク値、前記第二ピーク値、前記第一時期、及び前記第二時期のそれぞれの前記目標値に対する偏差の少なくとも一つが設定値より大きい時には、前記偏差を前記設定値より小さくするように、前記パイロット燃料噴射及び前記主燃料噴射の燃料噴射量の合計は変化させることなく、前記パイロット燃料噴射又は前記主燃料噴射の燃料噴射時期、前記パイロット燃料噴射及び前記主燃料噴射の燃料噴射圧力、及び、前記パイロット燃料噴射の燃料噴射量の少なくとも一つを変化させることを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
2. 前記第一時期及び前記第二時期のそれぞれの前記目標値は、前記パイロット燃料噴射に起因する燃焼圧力波と前記主燃料噴射に起因する燃焼圧力波とを互いに干渉させて筒内圧力の特性周波数成分を低減させるように設定されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
   

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