JP2006226188A - ディーゼルエンジンの燃料性状検出装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】使用燃料のセタン価を実用的で精度良く検出し得る装置を提供する。
【解決手段】主噴射と、この主噴射に先行するパイロット噴射とに分割して燃焼室内への噴射が可能な可変燃料噴射手段(10)と、前記パイロット噴射燃料の燃焼によって生じる燃焼状態をパイロット燃焼状態として検出するパイロット燃焼状態検出手段(30)と、この検出したパイロット燃焼状態に基づいて使用燃料のセタン価を検出するセタン価検出手段(30)とを備える。
【選択図】 図1
【解決手段】主噴射と、この主噴射に先行するパイロット噴射とに分割して燃焼室内への噴射が可能な可変燃料噴射手段(10)と、前記パイロット噴射燃料の燃焼によって生じる燃焼状態をパイロット燃焼状態として検出するパイロット燃焼状態検出手段(30)と、この検出したパイロット燃焼状態に基づいて使用燃料のセタン価を検出するセタン価検出手段(30)とを備える。
【選択図】 図1
Description
この発明は、ディーゼルエンジンに使用されている燃料の性状、特にセタン価の検出に関するものである。
セタン価センサによりディーゼルエンジン用燃料のセタン価を検出するようにしたものがある(特許文献1参照)。
実公平3−45181号公報
ところで、上記特許文献1のセタン価検出方法は、ディーゼルエンジン用燃料である軽油の粘度と、セタン価との間に比例関係があり、軽油の粘度が高いほどセタン価も高くなることを前提とするものである。
しかしながら、これについて、本発明者らが実施した研究では、特許文献1とは異なる結果が出ている。すなわち、図15に示すように、軽油の粘度とセタン価との相関は低く、しかも反比例の関係であり、軽油の粘度が高いほどセタン価は低くなる傾向を有している。従って、軽油の粘度とセタン価との関係が比例関係であるか逆比例関係であるかということは別にしても、軽油の粘度を検出することではセタン価を精度良く検出することはできないことが判明した。
また、特許文献1の技術では、軽油の粘度測定手段として、燃料タンク内に、錘に作用する重力により落下する振り子を設けるとともに、軽油の粘度により左右される振り子の落下時間を計測する機構を設け、その落下時間から軽油の粘度を求めている。そして、検出した粘度に対して、そのときの燃料温度に基づく補正を加えて、セタン価を決定する構成となっている。このように、特許文献1の技術では、燃料の粘度測定のために複雑な機構が必要であり、燃料タンクの設計上の制約や生産性の悪化などが伴う。しかも、車両が傾けば燃料タンク内の粘度測定機構自体のフリクションが変化することが想定され、このような理由からも正確な粘度測定は困難である。
そこで本発明は、このような実情に鑑み、実際に使用している燃料のセタン価を実用的で精度良く検出し得る装置を提供することを目的とする。
本発明は、主噴射と、この主噴射に先行するパイロット噴射とに分割して燃焼室内への噴射が可能な可変燃料噴射手段を備え、前記パイロット噴射燃料の燃焼によって生じる燃焼状態をパイロット燃焼状態として検出し、この検出したパイロット燃焼状態に基づいて使用燃料のセタン価を検出するように構成する。
本発明は、圧縮温度がほぼ最高近くに達している上死点前でパイロット噴射を行い、かつそのパイロット噴射により予混合状態で燃焼が行われる場合に、燃料のセタン価が、そのパイロット噴射燃料の燃焼開始時期またはパイロット噴射燃料による燃焼のピーク位置(つまりパイロット噴射燃料による燃焼の最大値やパイロット噴射燃料による燃焼の最大値を採るクランク角位置)との相関関係が非常に高いことを初めて見出したことからなされたものである。ここで、パイロット噴射燃料の燃焼開始時期またはパイロット噴射燃料による燃焼のピーク位置は、パイロット燃焼状態を表す指標である。
すなわち、本発明によれば、主噴射と、この主噴射に先行するパイロット噴射とに分割して燃焼室内への噴射が可能な可変燃料噴射手段を備え、パイロット噴射燃料の燃焼によって生じる燃焼状態をパイロット燃焼状態として検出し、この検出したパイロット燃焼状態に基づいて使用燃料のセタン価を検出するので、粘度測定機構のような大がかりな装置を必要とすることなく簡素な構成で使用燃料のセタン価を正確に検出できる。
以下、この発明の好ましい実施形態を図面に基づいて説明する。
図1は、本発明の燃料性状検出装置を備えたディーゼルエンジン(以下、単に「エンジン」ともいう。)1の概略構成図である。
図1において、エンジン本体より排気通路3の上流側部分を構成する排気出口通路3aに出た排気は過給機のタービン3bを通過して、そのタービン下流に配置されている排気後処理装置(例えば酸化触媒、NOx触媒)を内部に収容したケーシング20へと流れる。
排気の一部を還流するため、吸気通路2の吸気コレクタ2cと排気出口通路3aとを連通するEGR通路4と、このEGR通路4の流路面積を連続的に制御可能なEGR弁5とからなるEGR装置(排気還流装置)が設けられている。
吸気通路2には上流位置にエアクリーナ2aが、その下流に過給機のコンプレッサ2bが配置されている。
このコンプレッサ2bと吸気コレクタ2cとの間にはアクチュエータ(例えばステッピングモータ式)によって開閉駆動される吸気絞り弁6が介装されている。この吸気絞り弁6は上記のEGR弁5と共にEGR量(EGR率)の制御に用いられる。
エンジン1の各気筒には燃焼室内圧力を検出する圧力センサ7(燃焼室内圧力検出手段)を備える。この圧力センサ7としては燃焼室内に臨むタイプのものや座金形状のノッキングセンサタイプのものを用いることができる。
エンジン1の燃料供給装置は、ディーゼル用燃料である軽油を蓄える燃料タンク60と、この燃料タンク60内の燃料をエンジン1の燃料噴射装置10(可変燃料噴射手段)へと供給するための燃料供給通路16と、エンジン1の燃料噴射装置10からのリターン燃料(スピル燃料)を燃料タンク60に戻すための燃料戻り通路19とを備えている。
上記の燃料噴射装置10は、公知のコモンレール式燃料噴射装置であって、サプライポンプ11と、コモンレール(蓄圧室)14と、気筒毎に設けられた燃料噴射弁15とから大略構成され、サプライポンプ11により加圧された燃料が燃料供給通路12を介してコモンレール14にいったん蓄えられたあと、コモンレール14内の高圧燃料が各気筒の燃料噴射弁15に分配される。
上記のコモンレール14には、コモンレール14内の燃料の圧力および温度を検出するために、圧力センサ34および温度センサ35が設けられている。また、コモンレール14内の燃料圧力を制御するために、サプライポンプ11からの吐出燃料の一部が、一方向弁18を具備したオーバーフロー通路17を介して燃料供給通路16に戻されるようになっている。詳しくは、オーバーフロー通路17の流路面積を変える圧力制御弁13が設けられており、この圧力制御弁13がエンジンコントロールユニット30からのデューティ信号に応じてオーバーフロー通路17の流路面積を変化させる。これにより、サプライポンプ11からコモンレール14への実質的な燃料吐出量が調整され、コモンレール14内の燃料圧力が制御される。
燃料噴射弁15は、エンジンコントロールユニット30からのON−OFF信号によって開閉される電子式の噴射弁であって、ON信号によって燃料を燃焼室に噴射し、OFF信号によって噴射を停止する。そして、燃料噴射弁15へ印加されるON信号の期間が長いほど燃料噴射量が多くなり、またコモンレール14の燃料圧力が高いほど燃料噴射量が多くなる。
また、エンジン1の適宜位置には、エンジン1の温度を代表するものとして、冷却水温を検出する水温センサ31が取り付けられている。
エンジンコントロールユニット30には、圧力センサ7からの燃焼室内圧力CPの信号、水温センサ31からの冷却水温Twの信号、クランク角度検出用クランク角センサ32からのクランク角度(エンジン回転数Neの基礎となる)の信号、気筒判別用クランク角センサ33からの気筒判別信号Cyl、圧力センサ34からのコモンレール圧力(コモンレール14の燃料圧力)PCRの信号、燃料温度センサ35からの燃料温度TFの信号、アクセル開度センサ36からのアクセル開度(アクセルペダルの踏み込み量のこと)L(エンジン負荷相当)の信号がそれぞれ入力されている。
さて、コントローラ30では、上記の信号に基づいて燃料噴射制御、EGR制御、コモンレール圧力制御などを行う。ここで、燃料噴射制御としては、主噴射燃料による燃焼の状態を改善するなどのため、圧縮温度がほぼ最高近くに達している上死点前の時期に、主噴射に先立って小量の燃料を噴射する、いわゆるパイロット噴射を行っている。これらの制御に必要となるマップの値、例えばパイロット噴射量、主噴射開始時期、コモンレールの圧力目標値(目標基準圧力PCR0)の各マップ値は後述する基準セタン価燃料に対して適合している。
市場に流通しているディーゼルエンジンに使用される燃料である軽油は、その組成や性状が原油の産地や精製メーカーによって一様でなく、特に難燃性で蒸発性が低いベンゼン環構造を持つ芳香族炭化水素、あるいはナフテン成分の量が多い場合には燃料のセタン価は低くなり、この逆の場合には燃料のセタン価は高くなることが良く知られている。
このように、市場で市販されている燃料のセタン価は常に一定でないため、基準セタン価と異なる燃料が給油されることがあり、このときには安定したエンジンの運転が望めないことから、給油された燃料のセタン価を検出し、その検出したセタン価で上記のマップ値を補正し、補正後のマップ値を燃料噴射制御、EGR制御、コモンレール圧力制御の各制御に用いる必要がある。こうした観点からすれば、燃料のセタン価をいかに精度良く検出するかが肝要となる。
このため、本発明者らが実験を行ってみたところ、上記のパイロット噴射燃料による燃焼は予混合状態燃焼となるのであるが、このパイロット噴射燃料による燃焼状態と、燃料のセタン価との間に強い相関関係があることを本発明者らが初めて見出した。
これについて図2を参照して説明すると、図2上段はパイロット噴射燃料の噴射開始時期P start、主噴射燃料の噴射開始時期M start、パイロット噴射期間P period、主噴射期間M period及びパイロット噴射開始時期と主噴射開始時期の間隔DITを、また図2下段はそのときの燃焼室内圧力から計算によって求めた、パイロット噴射燃料の燃焼による熱発生率(このパイロット噴射燃料の燃焼による熱発生率を、以下単に「パイロット熱発生率」という。)dQ/dθの特性を示している。なお、横軸は圧縮上死点より進角側に計測したクランク角[deg BTDC]であるので、圧縮上死点より進角側にずれるほど正の値で大きくなり、圧縮上死点より遅角側にずれるほど負の値で大きくなっている。
図2下段のように、基準セタン価、高セタン価および低セタン価の燃料をそれぞれ同一の噴射パターン(つまり図2上段のパターン)でエンジンに供給したとき、基準セタン価燃料に対して高セタン価燃料は着火性が良く、低セタン価燃料は着火性が劣ることになる。ここで、基準セタン価燃料とは、セタン価が基準セタン価(標準セタン価)の燃料をいう。基準セタン価としては例えば55を選択している。これに対して、高セタン価燃料とは、セタン価が基準セタン価より高い燃料を、また低セタン価燃料とは、セタン価が基準セタン価より低い燃料をいう。
こうしたセタン価の違いにより、図示のように基準セタン価燃料についてのパイロット熱発生率の最大値(ピーク)をPQ max std(図では「dQ max std」)、高セタン価燃料についてのパイロット熱発生率の最大値をPQ max high(図では「dQ max high」)、低セタン価燃料についてのパイロット熱発生率の最大値をPQ max low(図では「dQ max low」)とし、また、基準セタン価燃料についてのパイロット熱発生率の最大時期(最大値を示す時期)をPIT std、高セタン価燃料についてのパイロット熱発生率の最大時期をPIT high、低セタン価燃料についてのパイロット熱発生率の最大時期をPIT lowとすると、高セタン価燃料でのパイロット熱発生率の最大値PQmax highは、基準セタン価燃料でのパイロット熱発生率の最大値PQmax stdよりも高く、かつ高セタン価燃料でのパイロット熱発生率の最大時期PIT highは、基準セタン価燃料でのパイロット熱発生率の最大時期PIT stdより早まっている。これは、高セタン価燃料ではパイロット噴射燃料が主噴射燃料の噴射開始前に燃焼する割合が基準セタン価燃料より相対的に多いためであり、この作用として高セタン価燃料についての主噴射燃料の燃焼による熱発生率の最大値は、基準セタン価燃料についての主噴射燃料の燃焼による熱発生の最大値より低くなっている。
この逆に、低セタン価燃料ではパイロット噴射燃料が主噴射燃料の噴射開始前に燃焼しきれない割合が基準セタン価燃料より相対的に大きくなるため、低セタン価燃料についてのパイロット熱発生率の最大値PQmax lowは、基準セタン価燃料についてのパイロット熱発生率の最大値PQmax stdより低下し、かつ低セタン価燃料についてのパイロット熱発生率の最大時期PIT lowが、基準セタン価燃料についてのパイロット熱発生率の最大時期PIT stdより遅れている。
また、低セタン価燃料では主噴射燃料の燃焼開始も基準セタン価燃料より遅れるため、主噴射燃料が燃焼開始するときの予混合燃焼割合が基準セタン価燃料より相対的に増加する。この作用として主噴射燃料の燃焼による熱発生率の最大値が基準セタン価燃料より高くなり、これによって基準セタン価燃料に比べて燃焼騒音の増大、NOx、HC等の増加を招いてしまうのである。
なお、パイロット熱発生率最大時期に代えて、パイロット熱発生率の上昇開始時期を用いることができる。
図2下段に示したパイロット熱発生率dQ/dθの特性は、本発明者が実験により初めて見出したものであり、この実験結果に基づけば使用燃料のセタン価を実用的に精度良く検出できることがわかる。すなわち、基準セタン価燃料についてのパイロット熱発生率の最大値PQ max stdや基準セタン価燃料についてのパイロット熱発生率の最大時期PIT stdは予め知り得るので、これをメモリに記憶させておく一方、実際の使用燃料についてパイロット熱発生率最大値を検出し、これと基準セタン価燃料についてのパイロット熱発生率最大値PQ max stdとを比較し、実際の使用燃料のパイロット熱発生率最大値が基準セタン価燃料のパイロット熱発生率最大値PQ max stdより大きいときに使用燃料は高セタン価燃料であると、この逆に、実際の使用燃料のパイロット熱発生率最大値が基準セタン価燃料のパイロット熱発生率最大値PQ max stdより小さいときに使用燃料は低セタン価燃料であると検出(判定)できる。
あるいは、実際の使用燃料についてパイロット熱発生率最大時期を検出し、これと基準セタン価燃料のパイロット熱発生率最大時期PIT stdを比較し、実際の使用燃料のパイロット熱発生率最大時期が基準セタン価燃料のパイロット熱発生率最大時期PIT stdより早いときに使用燃料は高セタン価燃料であると、この逆に、実際の使用燃料のパイロット熱発生率最大時期が基準セタン価燃料のパイロット熱発生率最大時期PIT stdより遅いときに使用燃料は低セタン価燃料であると検出(判定)できる。
ここで、セタン価を検出するためのパラメータはパイロット熱発生率dQ/dθに限定されるものでない。例えば、パイロット熱発生率dQ/dθに代えて、図3下段に示したパイロット噴射燃料の燃焼による燃焼室内圧力微分値dP/dθ[kPa/deg]、図4下段に示したパイロット噴射燃料の燃焼による燃焼室内圧力2回微分値dP2/dθ2[kPa/deg2]を用いることができる。
図3下段、図4下段から分かるように、パイロット噴射燃料の燃焼による燃焼室内圧力微分値dP/dθあるいはパイロット噴射燃料の燃焼による燃焼室内圧力2回微分値dP2/dθ2の各特性はパイロット熱発生率dQ/dθの特性よりもより鋭角的であって、パイロット噴射燃料による燃焼の寄与の高さもよく分かる。したがって、排気エミッションだけでなく燃焼騒音も重視する場合にはこれらの指標(パイロット噴射燃料の燃焼による燃焼室内圧力微分値やパイロット噴射燃料の燃焼による燃焼室内圧力2回微分値)を用いて燃焼制御するのが望ましい。
また、これらの指標はクランク角度検出用クランク角センサ32の信号、気筒判別用クランク角センサ33の信号、圧力センサ7の信号に基づいて計算によって求めてもよく、またはハイパスフィルター等を用いて電気的に求めることも可能である。
次に、上記エンジンコントロールユニット30によって実行される本発明のセタン価検出を含む制御の内容を以下のフローチャートに基づいて説明する。
図5は、ディーゼルエンジン1全体の制御に関する基本制御ルーチンで、一定時間毎(例えば1msec毎や10msec毎)に繰り返し実行する。
ステップ100では、水温センサ31により検出される冷却水温Tw、クランク角度検出用クランク角センサ32により検出されるエンジン回転速度Ne、気筒判別用クランク角センサ33により検出される気筒判別信号Cyl、圧力センサ34により検出されるコモンレール圧力PCR、圧力センサ7により検出される燃焼室内圧力CP、温度センサ35により検出される燃料温度TF、アクセル開度センサ35により検出されるアクセル開度Lをそれぞれ読み込む。
ここでは、エンジン負荷としてアクセル開度Lを用いているが、エンジン回転速度とアクセル開度に基づいて算出される燃料噴射量をエンジン負荷として用いてもかまわない。
ステップ200ではコモンレール圧力の制御を行う。本発明では、コモンレール圧力の制御そのものは要部でないので、簡単に説明する。すなわち、コモンレール圧力制御は、エンジン回転速度Neと負荷Lとをパラメータとして、コントロールユニット30のROMに予め記憶されている所定のマップを検索することによりコモンレール14の目標基準圧力PCR0を求め、圧力センサ34により検出される実際のコモンレール圧力(噴射圧力)PCRがこの目標基準圧力PCR0と一致するように圧力制御弁13を介してオーバーフロー通路17の流路面積をフィードバック制御する。
ステップ300では、燃料性状(セタン価)を検出する。この検出については図6のフローにより説明する。
図6(図5のステップ300のサブルーチン)においてステップ310では使用燃料のセタン価を検出済みであるか否かをみる。例えば、セタン価検出済みフラグ(エンジンの始動時にゼロに初期設定)を用意しておき、このセタン価検出済みフラグ=0であればまだ使用燃料のセタン価を検出していないと判断しステップ320に進んでセタン価検出条件の判定を行う。このセタン価検出条件の判定については図7のフローにより説明する。
図7(図6のステップ320のサブルーチン)において、ステップ321、322では水温センサ31により検出される冷却水温Twと所定温度を比較し、またエンジン回転速度と負荷Lとから定まる運転条件が所定の運転領域にあるか否かをみる。冷却水温Twが所定温度未満(つまりエンジンの暖機完了前)のとき、または冷却水温Twが所定温度以上でも運転条件が所定の運転領域にないときには、セタン価検出条件が成立していないと判断して、セタン価の検出を行うことなく図5のステップ400へと進む。
一方、冷却水温Twが所定温度以上(つまりエンジンの暖機完了後)でかつ運転条件が所定の運転領域にあるときには、セタン価検出条件が成立していると判断し、ステップ323に進みEGRを停止しているか否かをみる。EGRを停止しているか否かはEGR弁5に対してエンジンコントロールユニット30より出されている信号から判定できる。
EGRを停止していれば(EGR弁5を全閉とする信号が出ている)、ステップ325に進んでパイロット噴射量を増加させた後に図6のステップ330に進む。また、EGRを停止していない(EGR弁5を開く信号が出ている)ときにはステップ324でEGRを停止した(EGR弁5を全閉とする信号を出して強制的にEGR弁5を全閉状態とした)後にステップ325の操作を実行し、図6のステップ330に進む。
このようにパイロット噴射量を増加するのは、セタン価の検出はパイロット噴射燃料による燃焼状態に基づくものであり、EGR中のようにEGRガスを導入して燃焼温度を低下させてNOxの発生を抑制している状態では、パイロット噴射燃料による燃焼状態が悪化し、セタン価の検出を精度よく行うことができないので、これを避けるためである。
図6に戻り、ステップ330では、エンジン回転数Neと負荷Lとからエンジンコントロールユニット30のROMに予め記憶されている所定のマップを検索することにより、基準セタン価燃料のパイロット熱発生率最大時期PIT0を求める。このPIT0の単位は、例えば圧縮上死点を基準として進角側に採ったクランク角[deg BTDC]とする。
ステップ340では、圧力センサ7により検出される燃焼室内圧力CPに基づいて使用燃料のパイロット熱発生率dQ/dθ[J/deg]を計算する。このパイロット熱発生率dQ/dθの計算方法は主噴射燃料による燃焼による熱発生率の計算方法と同じでよい。主噴射燃料による燃焼による熱発生率の計算方法は公知である。
ステップ350では、この計算されたパイロット熱発生率dQ/dθに基づいて使用燃料のパイロット熱発生率最大時期PITを求める。このPITの単位も、圧縮上死点を基準として進角側に採ったクランク角[deg BTDC]とする。
ステップ360では、この使用燃料のパイロット熱発生率最大時期PITを基準セタン価燃料のパイロット熱発生率最大時期PIT0で除して、つまり次式によりパイロット熱発生率最大時期係数KPIT[無名数]を算出する。
KPIT=PIT/PIT0…(1)
ステップ370ではこのパイロット熱発生率最大時期係数KPITから図8を内容とするテーブルを検索することにより、使用燃料のセタン価C numberを算出する。図8に示すように、パイロット熱発生率最大時期係数KPITが1のとき、つまり使用燃料のパイロット熱発生率最大時期PITと基準セタン価燃料のパイロット熱発生率最大時期PIT0とが一致するとき、使用燃料のセタン価C numberは基準セタン価(つまり55)に等しい。パイロット熱発生率最大時期係数KPITが1より大きくなるにつれて使用燃料のセタン価C numberは基準セタン価より大きくなり、この逆にパイロット熱発生率最大時期係数KPITが1より小さくなるほど使用燃料のセタン価C numberは基準セタン価より小さくなる。
ステップ370ではこのパイロット熱発生率最大時期係数KPITから図8を内容とするテーブルを検索することにより、使用燃料のセタン価C numberを算出する。図8に示すように、パイロット熱発生率最大時期係数KPITが1のとき、つまり使用燃料のパイロット熱発生率最大時期PITと基準セタン価燃料のパイロット熱発生率最大時期PIT0とが一致するとき、使用燃料のセタン価C numberは基準セタン価(つまり55)に等しい。パイロット熱発生率最大時期係数KPITが1より大きくなるにつれて使用燃料のセタン価C numberは基準セタン価より大きくなり、この逆にパイロット熱発生率最大時期係数KPITが1より小さくなるほど使用燃料のセタン価C numberは基準セタン価より小さくなる。
ここで、パイロット熱発生率最大時期係数KPITが1より大きいとき、つまり使用燃料のパイロット熱発生率最大時期PITが基準セタン価燃料のパイロット熱発生率最大時期PIT0より大きいときに使用燃料のセタン価C numberを基準セタン価より大きくするのは、図2下段で前述したように、このときの使用燃料のセタン価は基準セタン価より高いためである。この逆に、パイロット熱発生率最大時期係数KPITが1より小さいとき、つまり使用燃料のパイロット熱発生率最大時期PITが基準セタン価燃料のパイロット熱発生率最大時期PIT0より小さいときに使用燃料のセタン価C numberを基準セタン価より小さくするのは、図2下段で前述したように、このときの使用燃料のセタン価C numberは基準セタン価より小さいためである。図8の特性は実際には適合により定める。
このようにして使用燃料のセタン価C numberを検出したら、この値はEEPROMなどの不揮発性メモリに記憶する。また、使用燃料のセタン価を検出済みとなるので、上記のセタン価検出済みフラグ=1とする。このセタン価検出済みフラグ=1になると、次回以降図6においてステップ310よりステップ320へと進むことができず、直ちに図5のステップ400に進むことになる。つまり、使用燃料のセタン価の検出は1回限りである。
実施形態ではエンジンの始動時にセタン価検出済みフラグ=0としてエンジンの始動毎に使用燃料のセタン価を検出するようにしているが、これに限られるものでない。例えば、給油が行われない限り使用燃料のセタン価が変化することはあり得ないので、エンジンの始動時に給油があったか否かを判定し、給油があったときにだけ使用燃料のセタン価の検出を改めて行わせるためセタン価検出済みフラグ=0とし、給油されなかったときにはセタン価検出済みフラグ=1として、不揮発性メモリに記憶されているセタン価を読み出して用いるようにすればよい。
このようにして使用燃料のセタン価の検出を終了したら図5に戻り、ステップ400でエンジン排気制御を行なって今回の処理を終了する。このエンジン排気制御については図9のフローにより説明する。
図9(図5のステップ400のサブルーチン)では、予め定められたエンジン排気性能が得られるように、エンジン1の運転領域およびエンジン温度(例えば冷却水温Tw)に基づいて、燃料噴射制御、EGR制御および排気後処理制御を行う。これら3つの制御そのものは本発明の要部でないので、先に3つの各制御を簡単に説明し、その後に上述のようにして検出されたセタン価による補正に言及する。
まずステップ410では、燃料噴射制御を行う。例えばエンジン回転速度Neと負荷Lをパラメータとして、パイロット噴射量Q pilot、主噴射量Q main、パイロット噴射期間P period、主噴射期間M period、主噴射開始時期M start、パイロット噴射開始時期P start、パイロット噴射間隔DIT等を、エンジンコントロールユニット30のROMに予め記憶されている所定のマップを検索することによりそれぞれ求める。そして、パイロット噴射量Q pilot、主噴射量Q mainが供給されるように、クランク角度検出用クランク角センサ32のクランク角度信号および気筒判別用クランク角センサ33の気筒判別信号Cylに基づいて、パイロット噴射開始時期P startよりパイロット噴射期間P periodのあいだ、主噴射開始時期M startより主噴射期間M periodのあいだ、それぞれ噴射すべき気筒の燃料噴射弁15を開弁駆動する(図2上段参照)。これによって、パイロット噴射と主噴射とを行う。
EGR制御については、まずEGRが必要か否かをみる。具体的には、エンジン回転速度Neと主噴射量Q mainとをパラメータとして設定された所定のEGR領域内にそのときのNeとQ mainとから定まる運転条件があるか否かを判定する。つまり、運転頻度が高くかつ比較的空気過剰率が大きいためEGRを実行してNOxを低減しても他の排気成分や燃費が悪化しない常用運転領域(EGR領域)であるか、あるいはEGRを行うとスモークやPM(排気微粒子)排出量の増加あるいは出力低下が生じる領域(EGR領域外)であるかを判定する。
そして、NeとQ mainとから定まる運転条件がEGR領域にあれば、適切なEGRを実行するための目標EGRデータ(EGR弁5と吸気絞り弁6の駆動信号)を、例えばエンジン回転速度Neと主噴射量Q mainをパラメータとしてエンジンコントロールユニット30のROMに予め記憶されている所定のマップを検索することにより求め、この目標EGRデータが得られるようにEGR弁5の開度を制御しかつ吸気絞り弁6を閉じる側に制御する。また、冷却水温Twが低いときには、EGR量を減量補正する。一方、運転条件がEGR領域の外にあれば、EGRを停止するためもしくは停止保持するためEGR弁5を全閉としかつ吸気絞り弁6を全開とする。
排気後処理制御については、例えば、流入する排気の空燃比がリーンであるときにNOxを吸着(トラップ)し、流入する排気の空燃比がリッチや理論空燃比であるときにNOxを脱離すると共にその脱離されてくるNOxを排気中のHC、COを還元剤として用いて還元浄化する、いわゆるNOxトラップ触媒を上記のケーシング20の中に介装した構成とし、リーン運転中にはこの運転状態で多く発生するNOxをNOxトラップ触媒に吸着させておき、NOxトラップ触媒への吸着量が多くなってNOxトラップ触媒の再生時期になったときには、吸気絞りの強化(吸気絞り弁6の開度小)、EGRの強化あるいはポスト噴射(主噴射後に行われる小量の燃料噴射のこと)を単独もしくは組み合わせて実行し、エンジンからの排気の空燃比をリッチにすることで、NOxトラップ触媒の再生を行う。
これで3つの各制御の概説を終了し、次に使用燃料のセタン価を用いた補正を説明すると、上記のパイロット噴射量Q pilot及び主噴射開始時期M startは、全て基準セタン価燃料に対して適合している。従って、使用燃料のセタン価が基準セタン価より外れると、これらのマップ値(マップデータ)が不適切となるので、ここでは、上記のパイロット噴射量Q pilot及び主噴射開始時期M startを使用燃料のセタン価C numberにより補正する。すなわち、使用燃料のセタン価C numberから図10を内容とするテーブルを検索することにより、パイロット噴射量補正係数K PLTQを求め、これを上記のパイロット噴射量Q pilot(マップ値)に乗算した値を改めてパイロット噴射量Q pilotとする。図10に示したようにパイロット噴射量補正係数K PLTQは、使用燃料のセタン価C numberが基準セタン価より大きいとき(つまり高セタン価燃料の使用時)に1.0より小さくなり、使用燃料のセタン価C numberが基準セタン価より小さいとき(つまり低セタン価燃料の使用時)に1.0より大きくなる値である。
また、使用燃料のセタン価C numberから図11を内容とするテーブルを検索することにより、主噴射開始時期補正量を求め、これを上記の主噴射開始時期M start(マップ値)に加算した値を改めて主噴射開始時期M startとする。図11に示したように主噴射開始時期補正量は、使用燃料のセタン価C numberが基準セタン価より大きいとき(つまり高セタン価燃料の使用時)に正の、使用燃料のセタン価C numberが基準セタン価より小さいとき(つまり低セタン価燃料の使用時)に負の値である。ここで、主噴射開始時期は圧縮上死点を基準に進角側に採った値である。このため、主噴射開始時期から正の値を減じると主噴射開始時期は遅角され、この逆に主噴射開始時期から負の値を減じると主噴射開始時期は進角される。
このように、低セタン価燃料の使用時にパイロット噴射量を増量するのは、次の理由からである。すなわち、低セタン価燃料では、パイロット熱発生率最大時期が基準セタン価燃料のときより小さくなるので、この場合には、パイロット噴射量Q pilotを増加させて、パイロット噴射燃料の着火性並びに主噴射燃料の着火性を向上させ、主噴射の着火遅れ期間を短縮化して燃焼状態を改善し、未燃焼のHC排出増加や燃焼騒音の増加を抑制するためである。
同様にして、低セタン価燃料の使用時に主噴射開始時期を進角するのも同様の理由からである。すなわち、低セタン価燃料では、パイロット熱発生率最大時期が基準セタン価燃料のときより小さくなるので、この場合には、主噴射開始時期を進角させて、主噴射燃料の着火性を向上させ、主噴射の着火遅れ期間を短縮化して燃焼状態を改善し、未燃焼のHC排出増加や燃焼騒音の増加を抑制するためである。
さらに、コモンレール14の上記目標基準圧力PCR0も基準セタン価燃料に対して適合した値であるので、この目標基準圧力PCR0を使用燃料のセタン価により補正する。
すなわち、使用燃料のセタン価C numberから図12を内容とするテーブルを検索することにより、コモンレール圧力補正係数を求め、これを上記の目標基準圧力PCR0(マップ値)に乗算した値を目標圧力PCR1として求め、実際のコモンレール圧力がこの目標圧力PCR1と一致するようにコモンレール圧力をフィードバック制御する。図12に示したようにコモンレール圧力補正係数は、使用燃料のセタン価C numberが基準セタン価より大きいとき(つまり高セタン価燃料の使用時)に1.0より大きくなり、この逆に使用燃料のセタン価C numberが基準セタン価より小さいとき(つまり低セタン価燃料の使用時)に1.0より小さくなる値である。
このように、低セタン価燃料の使用時に目標基準圧力PCR0を低下させるのは、次の理由からである。すなわち、低セタン価燃料では、パイロット熱発生率最大時期が基準セタン価燃料のときより小さくなるので、この場合には、目標基準圧力PCR0を低下させて燃料噴射弁15から燃料を低圧噴射させ、燃料噴射弁15からの噴霧の拡散を抑制して燃焼室内に濃い混合気塊の形成を助長して、着火性を向上させるためである。
ここで、本実施形態の作用を説明する。
本実施形態(請求項1に記載の発明)は、圧縮温度がほぼ最高近くに達している上死点前でパイロット噴射を行い、かつそのパイロット噴射により予混合状態で燃焼が行われる場合に、燃料のセタン価が、そのパイロット噴射燃料による燃焼のピーク位置(またはパイロット噴射燃料の燃焼開始時期)との相関関係が非常に高いことを初めて見出したことからなされたものである。ここで、パイロット噴射燃料による燃焼のピーク位置(またはパイロット噴射燃料の燃焼開始時期)は、パイロット燃焼状態を表す指標である。
すなわち、本実施形態(請求項2に記載の発明)によれば、主噴射と、この主噴射に先行するパイロット噴射とに分割して燃焼室内への噴射が可能な燃料噴射装置10(可変燃料噴射手段)を備え、パイロット熱発生率最大時期PITをパイロット燃焼状態として検出し、この検出したパイロット熱発生率最大時期PITに基づいて使用燃料のセタン価C numberを検出するので(図6のステップ330〜370)、粘度測定機構のような大がかりな装置を必要とすることなく簡素な構成で使用燃料のセタン価を正確に検出できる。
エンジンの暖機完了前には暖機完了後よりパイロット噴射燃料による燃焼状態が悪化してセタン価の検出に誤差が生じかねないのであるが、本実施形態ではセタン価を検出する際に冷却水温Twが所定温度以上であることを条件としている(図7のステップ321参照)。すなわち、本実施形態(請求項8に記載の発明)によれば、使用燃料のセタン価を検出する条件がエンジンの暖機完了後であるので、セタン価の検出に誤差が生じることがない。
運転条件が所定の運転領域を外れるときには、パイロット噴射燃料による燃焼状態が悪化してセタン価の検出に誤差が生じかねないのであるが、本実施形態ではセタン価を検出する際にエンジンの運転条件が所定の領域にあることを条件としている(図7のステップ322参照)。すなわち、本実施形態(請求項9に記載の発明)によれば、使用燃料のセタン価を検出する条件が、運転条件が所定の運転領域にあるときであるので、セタン価の検出に誤差が生じることがない。
運転条件がEGR領域にあるときには、パイロット噴射燃料による燃焼状態が悪化してセタン価の検出に誤差が生じかねないのであるが、本実施形態ではセタン価を検出する際にEGRが停止されていることを条件としている(図7のステップ323参照)。すなわち、本実施形態(請求項10に記載の発明)によれば、使用燃料のセタン価を検出する条件が、運転条件がEGR領域にないことであるので、セタン価の検出に誤差が生じることがない。
本実施形態(請求項11に記載の発明)によれば、運転条件がEGR領域にあるときにはEGR装置を強制的に非作動にした状態で使用燃料のセタン価を検出するので、セタン価の検出機会を増やすことができる。
本実施形態(請求項12に記載の発明)によれば、使用燃料のセタン価を検出するときにパイロット噴射燃料を増量するので(図7のステップ325参照)、パイロット噴射燃料を増量しないときよりもセタン価の検出を精度よく行うことができる。
図13は第2実施形態の燃料性状の検出を説明するためのフローチャートで、第1実施形態の図6と置き換わるものである。図6と同一部分には同一のステップ番号をつけている。
図6と相違する部分はステップ510、520、530、540である。図6と相違する部分を主に説明すると、ステップ510ではエンジン回転速度Neと負荷Lとからエンジンコントロールユニット30のROMに予め記憶されている所定のマップを検索することにより、基準セタン価燃料のパイロット熱発生率最大値PQ max0[J/deg]を求める。
ステップ520では、計算されたパイロット熱発生率dQ/dθから使用燃料のパイロット熱発生率最大値PQ max[J/deg]を求める。
ステップ530では、この使用燃料のパイロット熱発生率最大値PQ maxを基準セタン価燃料のパイロット熱発生率最大値PQ max0で除して、つまり次式によりパイロット熱発生率最大値係数KPQ[無名数]を算出する。
KPQ=PQ max/PQ max0…(2)
ステップ540ではこのパイロット熱発生率最大値係数KPQから図14を内容とするテーブルを検索することにより、使用燃料のセタン価C numberを算出する。図14に示すように、パイロット熱発生率最大値係数KPQが1のとき、つまり使用燃料のパイロット熱発生率最大値PQ maxと基準セタン価燃料のパイロット熱発生率最大値PQ max0とが一致するとき、使用燃料のセタン価C numberは基準セタン価(つまり55)に等しい。パイロット熱発生率最大値係数KPQが1より大きくなるにつれて使用燃料のセタン価C numberは基準セタン価より大きくなり、この逆にパイロット熱発生率最大値係数KPQが1より小さくなるほど使用燃料のセタン価C numberは基準セタン価より小さくなる。
ステップ540ではこのパイロット熱発生率最大値係数KPQから図14を内容とするテーブルを検索することにより、使用燃料のセタン価C numberを算出する。図14に示すように、パイロット熱発生率最大値係数KPQが1のとき、つまり使用燃料のパイロット熱発生率最大値PQ maxと基準セタン価燃料のパイロット熱発生率最大値PQ max0とが一致するとき、使用燃料のセタン価C numberは基準セタン価(つまり55)に等しい。パイロット熱発生率最大値係数KPQが1より大きくなるにつれて使用燃料のセタン価C numberは基準セタン価より大きくなり、この逆にパイロット熱発生率最大値係数KPQが1より小さくなるほど使用燃料のセタン価C numberは基準セタン価より小さくなる。
ここで、パイロット熱発生率最大値係数KPQが1より大きいとき、つまり使用燃料のパイロット熱発生率最大値PQ maxが基準セタン価燃料のパイロット熱発生率最大値PQ max0より大きいときに使用燃料のセタン価C numberを基準セタン価より大きくするのは、図2下段で前述したように、このときの使用燃料のセタン価は基準セタン価より高いためである。この逆に、パイロット熱発生率最大値係数KPQが1より小さいとき、つまり使用燃料のパイロット熱発生率最大値PQ maxが基準セタン価燃料のパイロット熱発生率最大値PQ max0より小さいときに使用燃料のセタン価C numberを基準セタン価より小さくするのは、図2下段で前述したように、このときの使用燃料のセタン価C numberは基準セタン価より小さいためである。図14の特性は実際には適合により定める。
第2実施形態でも、第1実施形態と同様の作用効果を奏する。すなわち、本実施形態(請求項5に記載の発明)によれば、主噴射と、この主噴射に先行するパイロット噴射とに分割して燃焼室内への噴射が可能な燃料噴射装置10(可変燃料噴射手段)を備え、パイロット熱発生率最大値PQ maxをパイロット燃焼状態として検出し、この検出したパイロット熱発生率最大値PQ maxに基づいて使用燃料のセタン価C numberを検出するので(図13のステップ510、340、520、530、540)、粘度測定機構のような大がかりな装置を必要とすることなく簡素な構成で使用燃料のセタン価を正確に検出できる。
実施形態では、パイロット熱発生率dQ/dθに基づいて、パイロット熱発生率最大時期PITを検出(算出)し、この検出されたパイロット熱発生率最大時期PITをパイロット燃焼状態とする場合で説明したが、パイロット熱発生率PITに基づいて、パイロット噴射燃料の燃焼開始時期を算出し、この算出されたパイロット噴射燃料の燃焼開始時期をパイロット燃焼状態とするようにしてもかまわない(請求項2に記載の発明)。
また、パイロット噴射燃料の燃焼による燃焼室内圧力微分値dP/dθやパイロット噴射燃料の燃焼による燃焼室内圧力2回微分値dP2/dθ2に基づいて、パイロット噴射燃料の燃焼による燃焼室内圧力微分値dP/dθやパイロット噴射燃料の燃焼による燃焼室内圧力2回微分値dP2/dθ2が最大となる時期を算出し、この算出されたパイロット噴射燃料の燃焼による燃焼室内圧力微分値dP/dθやパイロット噴射燃料の燃焼による燃焼室内圧力2回微分値dP2/dθ2が最大となる時期をパイロット燃焼状態とするようにしてもかまわないし、パイロット噴射燃料の燃焼による燃焼室内圧力微分値dP/dθやパイロット噴射燃料の燃焼による燃焼室内圧力2回微分値dP2/dθ2に基づいて、パイロット噴射燃料の燃焼開始時期を算出し、この算出されたパイロット噴射燃料の燃焼開始時期をパイロット燃焼状態とするようにしてもかまわない(請求項3、4に記載の発明)。
さらに、パイロット噴射燃料の燃焼による燃焼室内圧力微分値dP/dθやパイロット噴射燃料の燃焼による燃焼室内圧力2回微分値dP2/dθ2に基づいて、パイロット噴射燃料の燃焼による燃焼室内圧力微分値やパイロット噴射燃料の燃焼による燃焼室内圧力2回微分値dP2/dθ2が最大となる値を算出し、この算出されたパイロット噴射燃料の燃焼による燃焼室内圧力微分値dP/dθやパイロット噴射燃料の燃焼による燃焼室内圧力2回微分値dP2/dθ2が最大となる値をパイロット燃焼状態とするようにしてもかまわない(請求項6、7に記載の発明)。
請求項1に記載のパイロット燃焼状態検出手段の機能は図6のステップ340、350により、セタン価検出手段の機能は図6のステップ360、370によりそれぞれ果たされている。
1 エンジン本体
7 圧力センサ(燃焼室内圧力検出手段)
10 燃料噴射装置(可変燃料噴射手段
15 燃料噴射弁
30 エンジンコントロールユニット
7 圧力センサ(燃焼室内圧力検出手段)
10 燃料噴射装置(可変燃料噴射手段
15 燃料噴射弁
30 エンジンコントロールユニット
Claims (12)
- 主噴射と、この主噴射に先行するパイロット噴射とに分割して燃焼室内への噴射が可能な可変燃料噴射手段と、
前記パイロット噴射燃料の燃焼によって生じる燃焼状態をパイロット燃焼状態として検出するパイロット燃焼状態検出手段と、
この検出したパイロット燃焼状態に基づいて使用燃料のセタン価を検出するセタン価検出手段と
を備えることを特徴とするディーゼルエンジンの燃料性状検出装置。 - 前記パイロット燃焼状態検出手段は、
燃焼室内の圧力を検出する燃焼室内圧力検出手段と、
この検出された燃焼室内圧力に基づいて、燃焼室内におけるパイロット噴射燃料の燃焼による熱発生率を計算する熱発生率計算手段と、
この計算されたパイロット噴射燃料の燃焼による熱発生率に基づいて、パイロット噴射燃料の燃焼開始時期またはパイロット噴射燃料の燃焼による熱発生率が最大となる時期を算出する算出手段と、
この算出されたパイロット噴射燃料の燃焼開始時期またはパイロット噴射燃料の燃焼による熱発生率が最大となる時期を前記パイロット燃焼状態とする手段と
を備えることを特徴とする請求項1に記載のディーゼルエンジンの燃料性状検出装置。 - 前記パイロット燃焼状態検出手段は、
燃焼室内の圧力を検出する燃焼室内圧力検出手段と、
この検出された燃焼室内圧力に基づいて、パイロット噴射燃料の燃焼による燃焼室内圧力微分値を計算する微分値計算手段と、
この計算されたパイロット噴射燃料の燃焼による燃焼室内圧力微分値に基づいて、パイロット噴射燃料の燃焼開始時期またはパイロット噴射燃料の燃焼による燃焼室内圧力微分値が最大となる時期を算出する算出手段と、
この算出されたパイロット噴射燃料の燃焼開始時期またはパイロット噴射燃料の燃焼による燃焼室内圧力微分値が最大となる時期を前記パイロット燃焼状態とする手段と
を備えることを特徴とする請求項1に記載のディーゼルエンジンの燃料性状検出装置。 - 前記パイロット燃焼状態検出手段は、
燃焼室内の圧力を検出する燃焼室内圧力検出手段と、
この検出された燃焼室内圧力に基づいて、パイロット噴射燃料の燃焼による燃焼室内圧力2回微分値を計算する2回微分値計算手段と、
この計算されたパイロット噴射燃料の燃焼による燃焼室内圧力2回微分値に基づいて、パイロット噴射燃料の燃焼開始時期またはパイロット噴射燃料の燃焼による燃焼室内圧力2回微分値が最大となる時期を算出する算出手段と、
この算出されたパイロット噴射燃料の燃焼開始時期またはパイロット噴射燃料の燃焼による燃焼室内圧力2回微分値が最大となる時期を前記パイロット燃焼状態とする手段と
を備えることを特徴とする請求項1に記載のディーゼルエンジンの燃料性状検出装置。 - 前記パイロット燃焼状態検出手段は、
燃焼室内の圧力を検出する燃焼室内圧力検出手段と、
この検出された燃焼室内圧力に基づいて、燃焼室内におけるパイロット噴射燃料の燃焼による熱発生率を計算する熱発生率計算手段と、
この計算されたパイロット噴射燃料の燃焼による熱発生率に基づいて、パイロット噴射燃料の燃焼による熱発生率が最大となる値を算出する算出手段と、
この算出されたパイロット噴射燃料の燃焼による熱発生率が最大となる値を前記パイロット燃焼状態とする手段と
を備えることを特徴とする請求項1に記載のディーゼルエンジンの燃料性状検出装置。 - 前記パイロット燃焼状態検出手段は、
燃焼室内の圧力を検出する燃焼室内圧力検出手段と、
この検出された燃焼室内圧力に基づいて、パイロット噴射燃料の燃焼による燃焼室内圧力微分値を計算する微分値計算手段と、
この計算されたパイロット噴射燃料の燃焼による燃焼室内圧力微分値に基づいて、パイロット噴射燃料の燃焼による燃焼室内圧力微分値が最大となる値を
算出する算出手段と、
この算出されたパイロット噴射燃料の燃焼による燃焼室内圧力微分値が最大となる値を前記パイロット燃焼状態とする手段と
を備えることを特徴とする請求項1に記載のディーゼルエンジンの燃料性状検出装置。 - 前記パイロット燃焼状態検出手段は、
燃焼室内の圧力を検出する燃焼室内圧力検出手段と、
この検出された燃焼室内圧力に基づいて、パイロット噴射燃料の燃焼による燃焼室内圧力2回微分値を計算する2回微分値計算手段と、
この計算されたパイロット噴射燃料の燃焼による燃焼室内圧力2回微分値に基づいて、パイロット噴射燃料の燃焼による燃焼室内圧力2回微分値が最大となる値を算出する算出手段と、
この算出されたパイロット噴射燃料の燃焼による燃焼室内圧力2回微分値が最大となる値を前記パイロット燃焼状態とする手段と
を備えることを特徴とする請求項1に記載のディーゼルエンジンの燃料性状検出装置。 - 前記使用燃料のセタン価を検出する条件はエンジンの暖機完了後であることを特徴とする請求項1から7までのいずれか一つに記載のディーゼルエンジンの燃料性状検出装置。
- 前記使用燃料のセタン価を検出する条件は運転条件が所定の運転領域にあるときであることを特徴とする請求項1から7までのいずれか一つに記載のディーゼルエンジンの燃料性状検出装置。
- EGR装置を備え、運転条件が所定のEGR領域にあるときEGR装置を作動させる場合に、
前記使用燃料のセタン価を検出する条件は運転条件がEGR領域にないことであることを特徴とする請求項1から7までのいずれか一つに記載のディーゼルエンジンの燃料性状検出装置。 - 運転条件がEGR領域にあるときに前記EGR装置を強制的に非作動にした状態で前記使用燃料のセタン価を検出することを特徴とする請求項10に記載のディーゼルエンジンの燃料性状検出装置。
- 前記使用燃料のセタン価を検出するときにパイロット噴射燃料を増量することを特徴とする請求項1から7までのいずれか一つに記載のディーゼルエンジンの燃料性状検出装置。
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