JP2007231898A - エンジン使用燃料のセタン価検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ディーゼルエンジン等で使用する燃料のセタン価を高精度に検出する。
【解決手段】エンジンの燃焼室内圧力Ｐや燃料噴射量（発熱量Ｑ）などから、加振力、圧力変化率ｄＰ／ｄθ；θはクランク角θ、圧力変化率の微分値ｄ^２Ｐ／ｄθ^２、発熱量変化率ｄＱ／ｄθのピーク値のいずれかを燃焼の急激性として検出し、セタン価が増大するほど燃焼の急激性が低下する第１の運転条件（中・高負荷）で得られた各値に基づいて、セタン価を検出し、該検出値が所定値以上のときは、セタン価が増大するほど燃焼の急激性が増加する第２の運転条件で求めた燃焼の急激性とセタン価との相関データに基づいて、前記第２の運転条件（アイドル・低負荷）で得られた各値に基づいて、セタン価を検出する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ディーゼルエンジン等で使用する燃料のセタン価を、精度良く検出する技術に関する。

従来のセタン価を検出する技術として、特許文献１には、予め、燃料のセタン価を加振力との相関マップをもとめ、そのマップに応じてセタン価を検出することが開示されている。
特開２００４―３４００２６号公報

上記特許文献１では、運転状態全域でセタン価と加振力の相関関係は同一と説明されているが、実際はアイドル時のような低負荷条件と中・高負荷条件では、燃料のセタン価と加振力の相関関係は異なり、検出する運転条件によっては、セタン価が正しく検出できない。
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、運転条件に応じたセタン価と燃焼状態との相関に基づいて、セタン価を高精度に検出することができるディーゼルエンジンのセタン価検出装置を提供することを目的とする。

このため本発明は、
エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段と、
エンジンの燃焼状態に関連するパラメータの値を検出する燃焼状態パラメータ値検出手段と、
前記検出した燃焼状態パラメータの検出値に基づいて、燃焼の急激性を検出する燃焼状態検出手段と、
前記検出された燃焼の急激性と、エンジンが使用する燃料のセタン価の相関において、
予め、セタン価が増大するほど燃焼の急激性が低下する第1の運転条件で求めた燃焼状態とセタン価との相関データに基づいて、前記第１の運転条件と同一の運転条件で検出した燃焼の急激性からセタン価を算出する構成とした。

かかる構成によれば、第１の運転条件（中・高負荷条件）での、セタン価と燃焼急激性との相関データからセタン価を求めることで、アイドルのような低負荷運転条件において、燃焼不安定になりやすい低セタン価燃料のセタン価も精度良く検出することができる。

以下、図面に基づき、本発明の実施形態を説明する。
図１には本発明をディーゼルエンジンに適用した一実施形態を示す。
ディーゼルエンジン１は、排気通路２と吸気通路３のコレクタ部３ａとを結ぶＥＧＲ通路４に、ステップモータ５により駆動されるＥＧＲ弁６を備えている。ステップモータ５は、エンジンコントローラ３０からの制御信号により駆動されるもので、これによって運転条件に応じた所定のＥＧＲ率を得るようにしている。

エンジン１にはコモンレール式の燃料噴射装置を備える。この燃料噴射装置は、燃料タンク（図示しない）、サプライポンプ１４、コモンレール（蓄圧室）１６、気筒毎に設けられる燃料噴射ノズル１７を備えて構成され、サプライポンプ１４により加圧された燃料はコモンレール１６内にいったん蓄えられ、このコモンレール１６内の高圧燃料が各気筒に設けた燃料噴射ノズル１７へ分配される。

燃料噴射ノズル１７は、電磁的に駆動される針弁を備え、ソレノイドがＯＦＦ時には、針弁が着座状態にあるが、ソレノイドＯＮ状態になると針弁が上昇してノズル先端の噴孔より燃料が噴射される。ソレノイドのＯＦＦからＯＮへの切換により燃料の噴射開始時期が、またＯＮ時間により燃料噴射量が調整され、コモンレール１６の圧力が同じであればＯＮ時間が長くなるほど燃料噴射量が多くなる。また、必要量の燃料を初期噴射とメイン噴射とに分けて行うパイロット噴射方式の燃料噴射とすることもできる。

ＥＧＲ通路４の開口部下流の排気通路２に、排気の熱エネルギを回転エネルギに変換するタービン２２と吸気を圧縮するコンプレッサ２３とを同軸で連結した可変容量ターボ過給機２１を備える。タービン２２のスクロール入口に、図示しないがアクチュエータにより駆動される可変ノズルが設けられ、エンジンコントローラ３０により、可変ノズルは低回転速度域から所定の過給圧が得られるように、低回転速度側ではタービン２２に導入される排気の流速を高めるノズル開度に、高回転速度側では排気を抵抗なくタービン２２に導入させノズル開度（全開状態）に制御する。

コレクタ３ａ入口には、図示しないアクチュエータにより駆動される吸気絞弁８が設けられている。
燃焼室内圧力Ｐを検出する筒内圧センサ３１、アクセル開度を検出するアクセルセンサ３２、エンジン回転速度とクランク角度を検出するクランク角センサ３３、エンジン冷却水温度を検出する水温センサ３４、吸入空気量を検出するエアフローメータ３５からの信号が入力されるエンジンコントローラ３０では、これらの信号に基づいて運転状態に応じて最適な目標ＥＧＲ率と目標過給圧とが得られるようにＥＧＲ制御と過給圧制御を協調して行う。

排気通路２には排気中のパティキュレートを捕集するＤＰＦ（ディーゼルパーティキュレートフィルタ）４１が設置される。ＤＰＦ４１のパティキュレートの堆積量が所定値に達すると、排気温度を上昇させてＤＰＦ４１に堆積しているパティキュレートを燃焼除去して再生するため、空燃比をリーン空燃比から理論空燃比やリッチ空燃比へ切り換える。
ＤＰＦ４１の上流側にはＨＣトラップ触媒４２を備える。このＨＣトラップ触媒４２は排気の低温時にＨＣ（未燃燃料）をトラップしておき、排気が所定温度以上になるとこのトラップしていたＨＣを脱離して放出しつつ排気中の酸素を用いて酸化して浄化する機能を有するものである。なお、触媒活性後は通常の酸化触媒として機能する。

次に、第１の実施形態における燃料のセタン価の検出を、図２のフローチャートに従って説明する。
ステップＳ１０１では、エンジンの燃焼室内圧力Ｐ、クランク角度信号θ、燃料噴射量信号Ｑなどの検出値を入力する。
ステップＳ１０２では、ステップＳ１０１で検出した各値に基づいて、燃焼室内圧力Ｐに相関する加振力、圧力変化率ｄＰ／ｄθ、圧力変化率の微分値ｄ^２Ｐ／ｄθ^２、発熱量変化率ｄＱ／ｄθ（Ｑは発熱量で燃料噴射量で代表）などの値を、燃焼の急激性を表す値として算出し、これらのピーク値を検出する。

図３〜図６は、これらの特性を表す図であり、図３が加振力、図４が燃焼室内圧力Ｐを１回微分したｄＰ／ｄθの波形、図５が燃焼室内圧力Ｐを２回微分したｄ^２Ｐ／ｄθ^２、図６が発熱量（燃料噴射量）Ｑを微分して求めたｄＱ／ｄθのピーク値である。なお、加振力でセタン価の検出を行う場合は、加振力センサを設けて加振力を検出する構成としてもよい。

ステップＳ１０３では、ステップＳ１０２で求めたそれぞれのピーク値から、予め求めてある燃焼の急激性（加振力、圧力変化率ｄＰ／ｄθ、圧力変化率の微分値ｄ^２Ｐ／ｄθ^２、発熱量変化率ｄＱ／ｄθのいずれかのピーク値）とセタン価の相関データを示す図７のマップに基づいて、燃料のセタン価を検出する。なお、この相関データ特性は、図９に示してある第１の運転条件（中・高負荷条件）で得られた特性であり、燃焼の急激性が高くなるほど、セタン価は減少する。

ステップＳ１０４では、ステップＳ１０３で検出したセタン価が所定値よりも高いかどうかを判定する。ここで、このセタン価の所定値とは約５５のことである。検出されたセタン価が５５以上であれば、ステップＳ１０５に進み、検出されたセタン価が５５以下であれば、セタン価検出を終了する。
ステップＳ１０５では、図９に示してある第２の運転条件（アイドル・低負荷条件）で予め得られている燃焼の急激性とセタン価の相関データを示す図８のマップに基づいて、燃料のセタン価を検出する。なお、この相関データ特性は、第１の運転条件（中・高負荷条件）の場合とは逆に、燃焼の急激性が高くなるほど、セタン価は増加する。ここで、セタン価の検出は終了である。

なお、図２のフローでは、第１の運転条件（中・高負荷）と第２の運転条件（アイドル・低負荷）とを判別するステップを設けていないが、これは、初めに第１の運転条件で運転されていると仮定して算出したセタン価が高すぎるときは、第２の運転条件で運転されていると判断して第２の運転条件でのセタン価での算出に切り換えるようにしたものであり、演算効率を高めるようにしたものである。ただし、初めから運転条件を判別し、運転条件に応じてセタン価を算出する構成としてもよい。

以上示した第１の実施形態では、燃焼室内圧力を燃焼状態のパラメータとして検出し、この検出値から算出した加振力、圧力変化率ｄＰ／ｄθ、圧力変化率の微分値ｄ^２Ｐ／ｄθ^２、発熱量変化率ｄＱ／ｄθ等のピーク値を燃焼の急激性として用いたが、同様に算出した加振力、圧力変化率ｄＰ／ｄθ、圧力変化率の微分値ｄ^２Ｐ／ｄθ^２、発熱量変化率ｄＱ／ｄθ等の変化率を燃焼の急激性として用いることができる。ここで、前記各値の変化率は、燃焼を開始してから各値のピーク値に達するまでの時間として定義し、この時間が短いほど燃焼の急激性が高いことを示す。

上記変化率を燃焼の急激性として用いた第２の実施形態における燃料のセタン価検出のフローを、図１０に示す。
第１の実施形態の図２と異なるところだけを説明すると、ステップＳ２０２で、図１１〜図１４に示される加振力、圧力変化率ｄＰ／ｄθ、圧力変化率の微分値ｄ^２Ｐ／ｄθ^２、発熱量変化率ｄＱ／ｄθ等の変化率（燃焼開始から各値のピーク値に達するまでの時間）を燃焼の急激性として算出し、ステップＳ２０３、ステップＳ２０５で、前記各値の変化率に基づいて、それぞれ第１の運転条件、第２の運転条件での特性に応じてセタン価を算出するものである。

以上示した第１、第２の実施形態では、燃焼の急激性を検出するための、燃焼状態パラメータとして燃焼室内圧力を用いたが、エンジン回転速度の検出値から回転速度変動率を算出し、該回転速度変動率を燃焼の急激性として用いることもできる。
上記エンジンの回転速度変動率を燃焼の急激性として用いた第３の実施形態における燃料のセタン価検出のフローを、図１５に示す。

同じく図２と異なるところだけを説明すると、ステップＳ３０１では、エンジンの運転状態として、エンジン回転速度Ｎｅと負荷（燃料噴射量等）Ｔを検出し、ステップＳ３０２では、エンジン回転速度Ｎｅの変動率ΔＮｅを燃焼の急激性として検出（算出）する。
具体的には、図１６に示すように、所定のセタン価を有する燃料を使用して運転した場合の回転速度変動特性Ａにおける変動ピーク値ΔＮｅmax０と、現在の回転速度変動特性Ｂにおける変動ピーク値ΔＮｅmaxrとの偏差（＝ΔＮｅmaxr−ΔＮｅmax０）で定義した回転速度変動率ΔＤＮｅを燃焼の急激性として算出する。

そして、ステップＳ３０３で、前記回転速度変動率ΔＤＮｅを燃焼の急激性として、図１７に示した第１の運転条件（中・高負荷）でのマップの特性データからセタン価を算出する。
また、ステップＳ３０５では、同じく回転速度変動率ΔＤＮｅを燃焼の急激性として、図１８に示した第２の運転条件（アイドル・低負荷）でのマップの特性データからセタン価を算出する。

さらに、エンジン回転速度Ｎｅの変動率に代えて、エンジントルクの変動率を、燃焼の急激性を検出するための、燃焼状態パラメータとして用いることもできる。
上記エンジンのトルク変動率を燃焼の急激性として用いた第４の実施形態における燃料のセタン価検出のフローを、図１９に示す。
同じく図２と異なるところだけを説明すると、ステップＳ４０１では、エンジンの運転状態として、回転速度、負荷の他、エンジントルクＴｅを含むエンジン運転状態を検出する。

ここで検出するエンジントルクは、トルク変動率を求めるためのパラメータとする必要があり、燃料噴射量など平滑化されたエンジントルクを表すパラメータでは、トルク変動率を求めることができない。
具体的には、図１に鎖線で示すように、エンジン出力軸等のひずみを検出するひずみ計測計（ひずみゲージなど）５１を設け、該ひずみ計測計５１によって、エンジン出力軸のひずみに応じたエンジントルクを高精度に検出することができる。

ステップＳ４０２では、エンジントルクＴｅの変動率ΔＴｅを燃焼の急激性として検出（算出）する。
具体的には、図２０に示すように、所定のセタン価を有する燃料を使用して運転した場合のトルク変動特性Ｃにおける変動ピーク値ΔＴｅmax０と、現在のトルク変動特性Ｄにおける変動ピーク値ΔＴｅmaxrとの偏差（＝ΔＴｅmaxr−ΔＴｅmax０）で定義したトルク変動率ΔＤＴｅを燃焼の急激性として算出する。

そして、ステップＳ４０３で、前記トルク変動率ΔＤＴｅを燃焼の急激性として、図１７に示した第１の運転条件（中・高負荷）でのマップの特性データからセタン価を算出する。
また、ステップＳ４０５では、同じくトルク変動率ΔＴＮｅを燃焼の急激性として、図１８に示した第２の運転条件（アイドル・低負荷）でのマップの特性データからセタン価を算出する。

以上の実施形態に示したように、本発明によれば、第１の運転条件（中・高負荷条件）でのセタン価と燃焼急激性との相関関係データからセタン価を求めることで、アイドルのような低負荷条件において、燃焼不安定になりやすい低セタン価燃料のセタン価も精度良く検出できる。
また、上記各実施形態によれば、第１と第２の運転条件両方のセタン価と燃焼急激性との相関関係データのマップを用いることで、中・高負荷条件だとセタン価の差がでにくい高セタン価燃料のセタン価も精度良く検出できる。

また、第１、第２の実施形態のように、燃焼の急激性を求めるため検出する燃焼状態パラメータを燃焼室内圧力とした構成によれば、筒内圧センサなど、どのエンジンにも使用されているセンサでセタン価を検出することができる。
また、第３の実施形態のように、燃焼の急激性として、回転速度の変動率を用いることことで、クランク角センサ等のどのエンジンにも使用されている回転速度センサを用いて、精度良くセタン価を検出することができる。

また、第４の実施形態のように、燃焼の急激性として、エンジントルクの変動率を用いることで、ひずみ測定計（ひずみゲージetc）のような、直接的なアウトプットができる検出計で検出するため、精度良くセタン価を検出することができる。

本発明をディーゼル機関に適用した各実施形態に共通のシステム構成図。 第１の実施形態における燃料のセタン価を検出するルーチンを示すフローチャート。 第１の実施形態で使用する加振力のピーク値を示す図。 第１の実施形態で使用する燃焼室内圧力の１回微分値のピーク値を示す図。 第１の実施形態で使用する燃焼室内圧力の２回微分値のピーク値を示す図。 第１の実施形態で使用する発熱量変化率のピーク値を示す図。 第１、第２の実施形態で使用する第１の運転条件でのセタン価と燃焼急激性の関係を示す図。 第１、第２の実施形態で使用する第２の運転条件でのセタン価と燃焼急激性の関係を示す図。 各実施形態に共通する第１の運転条件と第２の運転条件を示す図。 第２の実施形態における燃料のセタン価を検出するルーチンを示すフローチャート。 第１の実施形態で使用する加振力の変化率を示す図。 第１の実施形態で使用する燃焼室内圧力の１回微分値の変化率を示す図。 第１の実施形態で使用する燃焼室内圧力の２回微分値の変化率を示す図。 第１の実施形態で使用する発熱量の変化率を示す図。 第３の実施形態における燃料のセタン価を検出するルーチンを示すフローチャート。 第３の実施形態で使用するエンジン回転速度の変動率を示す図。 第３、第４の実施形態で使用する第１の運転条件でのセタン価と燃焼急激性の関係を示す図。 第３、第４の実施形態で使用する第２の運転条件でのセタン価と燃焼急激性の関係を示す図。 第４の実施形態における燃料のセタン価を検出するルーチンを示すフローチャート。 第４の実施形態で使用するエンジントルクの変動率を示す図。

符号の説明

１ エンジン
１ エンジン
１ エンジン
１７ 燃料噴射ノズル
３０ エンジンコントローラ
３１ 筒内圧センサ
３２ アクセルセンサ
３３ クランク角センサ
４１ ＤＰＦ
４２ ＨＣトラップ触媒
５１ ひずみ計測計

Claims (13)

1. エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段と、
   エンジンの燃焼状態に関連するパラメータの値を検出する燃焼状態パラメータ値検出手段と、
   前記検出した燃焼状態パラメータの検出値に基づいて、燃焼の急激性を検出する燃焼急激性検出手段と、
   前記検出された燃焼の急激性と、エンジンが使用する燃料のセタン価の相関において、
   予め、セタン価が増大するほど燃焼の急激性が低下する第１の運転条件で求めた燃焼状態とセタン価との相関データに基づいて、前記第１の運転条件と同一の運転条件で検出した燃焼の急激性からセタン価を算出することを特徴とするエンジン使用燃料のセタン価検出装置。
2. 前記相関データから得られた燃料のセタン価が所定値よりも大きいときは、前記算出された燃焼状態とセタン価の相関において、予め、セタン価が増大するほど燃焼の急激性が増加する第２の運転条件で求めた燃焼の急激性とセタン価との相関データに基づいて、前記第２の運転条件と同一の運転条件で検出した燃焼の急激性からセタン価を算出することを特徴とする請求項１に記載のエンジン使用燃料のセタン価検出装置。
3. 前記検出される燃焼状態パラメータは、燃焼室内圧力Ｐであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のエンジン使用燃料のセタン価検出装置。
4. 前記燃焼室内圧力Ｐから算出される加振力、圧力変化率ｄＰ／ｄθ；θはクランク角θ、圧力変化率の微分値ｄ^２Ｐ／ｄθ^２、発熱量変化率ｄＱ／ｄθ；Ｑは発熱量のいずれか１つを、燃焼の急激性として用いることを特徴とする請求項３に記載のエンジン使用燃料のセタン価検出装置。
5. 前記燃焼の急激性は、前記加振力、ｄＰ／ｄθ、ｄ^２Ｐ／ｄθ^２、ｄＱ／ｄθ等のピーク値であることを特徴とする請求項４に記載のエンジン使用燃料のセタン価検出装置。
6. 前記燃焼の急激性は、燃焼室内圧力から算出した加振力、ｄＰ／ｄθ、ｄ^２Ｐ／ｄθ^２、ｄＱ／ｄθ等のピーク値が大きいほど増大し、ピーク高さが低いほど減少することを特徴とする請求項５に記載のエンジン使用燃料のセタン価検出装置。
7. 前記燃焼の急激性は、燃焼開始時期から燃焼室内圧力がピーク値に達するまでの時間であることを特徴とする請求項３に記載のエンジン使用燃料のセタン価検出装置。
8. 前記燃焼の急激性は、燃焼開始から燃焼室内圧力がピーク値に達するまでの時間が早いほど増大し、燃焼開始から燃焼室内圧力がピーク値に達するまでの時間が遅いほど減少することを特徴とする請求項７に記載のエンジン使用燃料のセタン価検出装置。
9. 前記検出される燃焼状態パラメータは、エンジン回転速度であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のエンジン使用燃料のセタン価検出装置。
10. 前記エンジン回転速度の変動率を算出し、該エンジン回転速度の変動率を燃焼の急激性として用いることを特徴とする請求項９に記載のエンジン使用燃料のセタン価検出装置。
11. 前記検出される燃焼状態パラメータは、エンジントルクであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のエンジン使用燃料のセタン価検出装置。
12. 前記エンジントルクの変動率を算出し、該エンジントルクの変動率を燃焼の急激性として用いることを特徴とする請求項１１に記載のエンジン使用燃料のセタン価検出装置。
13. 前記エンジントルクを、ひずみ測定計によって検出することを特徴とする請求項１１または請求項１２に記載のエンジン使用燃料のセタン価検出装置。

Images