JP2008196409A - 内燃機関の燃焼制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の燃焼制御装置において、燃料性状をより正確に求める。
【解決手段】内燃機関の燃焼状態と関連するパラメータを該内燃機関が失火する方向に変化させる燃焼状態変更手段と、内燃機関の回転変動を検出する回転変動検出手段と、燃焼状態変更手段により前記内燃機関の燃焼状態が変化するときのパラメータの値と内燃機関の回転変動とに基づいて、該内燃機関の燃料性状を推定する燃料性状推定手段と、を具備する。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の燃焼制御装置に関する。

ディーゼルエンジンの燃料の着火性を表す尺度としてセタン価が用いられている。このセタン価は、給油の度に変わることがある。

ここで、燃料のセタン価等の燃料性状に応じて燃料噴射圧力、燃料噴射量、或いは燃料噴射時期等を制御する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００５−４８７０３号公報 特開２００５−３２０８７２号公報 特開２００４−２３９２３０号公報 特開２００６−１６９９４号公報 特開２００４−３４００２６号公報

このようにセタン価等の燃料性状に応じて内燃機関を制御するためには、燃料性状をより正確に求める必要がある。

本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、内燃機関の燃焼制御装置において、燃料性状をより正確に求めることができる技術を提供することを目的とする。

上記課題を達成するために本発明による内燃機関の燃焼制御装置は、
内燃機関の燃焼状態と関連するパラメータを該内燃機関が失火する方向に変化させる燃焼状態変更手段と、
前記内燃機関の回転変動を検出する回転変動検出手段と、
前記燃焼状態変更手段により前記内燃機関の燃焼状態が変化するときの前記パラメータの値と前記内燃機関の回転変動とに基づいて、該内燃機関の燃料性状を推定する燃料性状推定手段と、
を具備することを特徴とする。

ここで、燃焼状態変更手段は、内燃機関が失火する方向、すなわち燃焼状態が悪化する方向にパラメータを変化させる。ここで、失火とは、混合気に着火しなかった場合、混合気に着火した後で火炎伝播が行われずに消炎した場合、または火炎伝播が行われたが混合気が多く残った状態で火炎が消えた場合を含むことができる。また、気筒内に供給された混合気のうち許容される割合以上の混合気が燃焼しないまま残留している場合に失火しているとしてもよい。さらに、燃焼状態が悪化している場合に失火しているとしてもよい。

内燃機関の燃焼状態と関連するパラメータとは、該パラメータを変更したり、該パラメータが変化したりすることで内燃機関の燃焼状態が変化する値であり、例えば気筒内のガス量、燃料噴射量、燃料噴射時期、または圧縮行程時の気筒内温度である。また、これらの値と相関関係にある例えばスロットル開度、吸気弁若しくは排気弁の開閉時期をパラメータとしても良い。

そして、より失火し易い方向に前記パラメータを変えることにより、内燃機関の失火を誘発することができる。そして、失火まではしなくても燃焼状態が悪化すると、内燃機関から発生するトルクが減少するため、該内燃機関の回転変動が大きくなる。ここで、内燃機関の燃焼状態は燃料性状によって変わるため、燃料性状により回転変動の大きさが変わる。すなわち、内燃機関の回転変動と燃料性状とには相関があるため、前記パラメータの値と、回転変動の大きさと、燃料性状との関係を予め求めておけば、該パラメータと回転変動とを求めることにより燃料性状を得ることができる。なお、内燃機関で実際に失火したときの回転変動に基づいて燃料性状を推定しても良く、また、失火に至る前の回転変動に基づいて燃料性状を推定しても良い。

本発明においては、前記内燃機関の吸気弁若しくは排気弁の開弁時期若しくは閉弁時期を変更可能な可変バルブタイミング機構をさらに備え、前記燃焼状態変更手段は前記吸気弁若しくは排気弁の開弁時期若しくは閉弁時期を徐々に失火する方向に変化させ、前記燃料性状推定手段は前記内燃機関の回転変動と吸気弁若しくは排気弁の開弁時期若しくは閉弁時期とに基づいて燃料性状を推定することができる。

ここで、吸気弁若しくは排気弁の開弁時期若しくは閉弁時期を変更することにより、気筒内の空気量や実圧縮比が変化する。そして、気筒内の空気量が少なくなったり実圧縮比が低下したりする方向に吸気弁若しくは排気弁の開閉時期を変更することにより、内燃機関を失火させることができる。そして、吸気弁若しくは排気弁の開弁時期若しくは閉弁時期をパラメータとし、該パラメータと回転変動と燃料性状との関係を予め求めておけば、該パラメータと回転変動とに基づいて燃料性状を得ることができる。

本発明においては、前記内燃機関の吸気通路の断面積を変更可能なスロットルをさらに備え、前記燃焼状態変更手段は前記スロットルの開度を徐々に小さくし、前記燃料性状推定手段は前記内燃機関の回転変動とスロットルの開度とに基づいて燃料性状を推定することができる。

ここで、スロットルの開度を小さくすると、吸気量が少なくなったりポンプ損失が大きくなったりするため、内燃機関を失火させることができる。そして、スロットルの開度をパラメータとし、該パラメータと回転変動と燃料性状との関係を予め求めておけば、該パラメータと回転変動とに基づいて燃料性状を得ることができる。なお、スロットルの開度を小さくすることにより吸気負圧が大きくなるが、この吸気負圧をパラメータとしても良い。

本発明においては、前記内燃機関の気筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁をさらに備え、前記燃焼状態変更手段は前記燃料噴射弁からの燃料噴射時期を徐々に遅角させ、前記燃料性状推定手段は前記内燃機関の回転変動と燃料噴射時期とに基づいて燃料性状を推定することができる。

ピストンが圧縮上死点を過ぎても燃料が噴射されないと、その後ピストンが下降するため気筒内のガス温度が低下する。そして、燃料噴射時期が遅くなるほど、気筒内のガス温度が低くなっているために失火し易くなる。そして、燃料噴射時期の遅角量をパラメータとし、該パラメータと回転変動と燃料性状との関係を予め求めておけば、該パラメータと回転変動とに基づいて燃料性状を得ることができる。

本発明においては、前記燃焼状態変更手段は、前記内燃機関のアイドル運転時において該内燃機関の燃焼状態と関連するパラメータを失火する方向に変化させることができる。

つまり内燃機関のアイドル運転時には機関回転数が低く且つ機関回転数が略一定となる
ため、回転変動を検出し易い。そのため、アイドル運転時に回転変動を検出することにより、燃料性状をより正確に求めることができる。

本発明においては、前記内燃機関の燃料を貯留する燃料タンクをさらに備え、前記燃焼状態変更手段は前記燃料タンクに給油が行なわれたときに前記内燃機関の燃焼状態と関連するパラメータを失火する方向に変化させることができる。

つまり、燃料タンクに異なる性状の燃料が追加されると、タンク内の燃料の性状が変化する。このときに燃料性状を求めることにより、その後の内燃機関の燃焼制御の適正化を図ることができる。ここで、給油されたときとは、燃料タンク内の燃料が増加したとき、または燃料タンクに備わる給油口が開かれたときとしても良い。

本発明に係る内燃機関の燃焼制御装置によれば、燃料性状をより正確に求めることができる。

以下、本発明に係る内燃機関の燃焼制御装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。

図１は、本実施例に係る内燃機関の燃焼制御装置を適用する内燃機関１とその吸気系との概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、水冷式の４サイクル・ディーゼルエンジンである。

内燃機関１には、吸気通路２が接続されている。この吸気通路２の途中には、スロットル３が設けられている。このスロットル３は、電動アクチュエータにより開閉される。

内燃機関１には、該内燃機関１の気筒内に燃料を供給する燃料噴射弁４が備えられている。

さらに、内燃機関１には吸気弁５が備えられ、該吸気弁５の開閉動作は吸気側カムシャフト６によって行われる。吸気側カムシャフト６には吸気側プーリ７が取り付けられている。更に、吸気側カムシャフト６と吸気側プーリ７との相対的な回転位相を変更可能とする可変バルブタイミング機構（以下、「ＶＶＴ」という）８が設けられている。このＶＶＴ８は、後述するＥＣＵ１０からの指令に従って吸気側カムシャフト６と吸気側プーリ７との相対的な回転位相を制御する。

そして、吸気側プーリ７の回転駆動は、クランクシャフト９の駆動力によって行われる。これにより吸気側カムシャフト６が回転駆動されて、吸気弁５の開閉動作が行われる。

以上述べたように構成された内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニットであるＥＣＵ１０が併設されている。このＥＣＵ１０は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態を制御するユニットである。

また、ＥＣＵ１０には、上記センサの他、運転者がアクセルペダル１１を踏み込んだ量に応じた電気信号を出力するアクセル開度センサ１２、及びクランクシャフト９の回転数を検出するクランクポジションセンサ１３が電気配線を介して接続され、これら各種センサの出力信号がＥＣＵ１０に入力されるようになっている。そして、アクセル開度センサ１２により機関負荷が検出され、クランクポジションセンサ１３により機関回転数及びク
ランクシャフト９の角速度が検出される。

一方、ＥＣＵ１０には、スロットル３、燃料噴射弁４、及びＶＶＴ８が電気配線を介して接続され、該ＥＣＵ１０によりこれらの機器が制御される。

ここで、内燃機関１の燃焼状態が悪化すると、機関発生トルクが低下するために、内燃機関１の回転変動が大きくなる。そして、内燃機関１の回転変動が閾値よりも大きくなった場合には、失火していると判定することができる。ここで、例えばクランクシャフト９の角速度の最大値と最低値との差の２乗が小さくなるほど、内燃機関１の回転変動が大きいとしても良い。

そして、本実施例においては、内燃機関１のアイドル運転時にＶＶＴ８で吸気弁５の開閉時期を遅角させて実圧縮比を低下させる。ここで、ピストン１５が吸気弁の閉弁位置から上死点までを移動する距離に気筒断面積を乗じた値を以下「実行程容積」または「実排気量」と称する。また、隙間容積と実行程容積とを加えたものを隙間容積で除した値を以下「実圧縮比」と称する。実圧縮比が低下されると、圧縮行程における温度上昇が小さくなるために内燃機関１で失火し易くなる。

そこで、本実施例では、内燃機関１のアイドル運転時に実圧縮比を徐々に低下させたときの内燃機関１の回転変動に基づいて、燃料性状（例えばセタン価）を推定する。つまり、燃料のセタン価と、内燃機関１の回転変動とには相関関係があるため、内燃機関１の回転変動の大きさに基づいて燃料のセタン価を推定する。例えば吸気弁５の開弁時期を上死点よりも後とする。

アイドル運転時に行なうのは、内燃機関１の回転数が低く且つ回転数が略一定となっていることから、内燃機関１の回転変動が検出し易いことによる。また、セタン価が急変するのは給油後のため、例えば燃料タンクに備えられる給油口の蓋が開けられたり、燃料の残量を検出するためのセンサにより得られる燃料量が増加したりした場合には、給油が行われたとしてセタン価の推定を行なう。

ここで、図２はＶＶＴ８の遅角量と、内燃機関１の回転変動と、セタン価との関係を示した図である。ＶＶＴ８の遅角量とは、内燃機関の回転数及び負荷に基づいて設定される吸気弁８の開閉時期からどれだけ遅れているのかを示す値であり、クランク角度で表される。ＶＶＴ８の遅角量が大きくなるほど実圧縮比が小さくなるため、内燃機関１の燃焼状態が悪化して回転変動が大きくなる。つまり、ＶＶＴ８の遅角量が大きいにもかかわらず回転変動が小さいときには、セタン価の高い燃料（例えばセタン価５０以上）を用いていると判断することができる。一方、ＶＶＴ８の遅角量が小さいにもかかわらず回転変動が大きいときには、セタン価の低い燃料（例えばセタン価４０未満）を用いていると判断することができる。

このように図２の関係を予め実験等により求めてマップ化しておき、該マップにＶＶＴ８の遅角量及び回転変動を代入することでセタン価を得ることができる。

なお、本実施例では吸気弁５の開閉時期を変更することにより実圧縮比を低下させているが、吸気弁５の開弁時期と閉弁時期とを別々に変更可能であれば、何れか一方のみを変更することにより実圧縮比を低下しても良い。また、排気弁１６の開弁時期または閉弁時期の少なくとも一方を変更可能であれば、該排気弁１６の開弁時期または閉弁時期の少なくとも一方を変更することにより実圧縮比を低下しても良い。

さらに、本実施例では、回転変動に基づいてセタン価を推定しているが、これに代えて
内燃機関１の気筒内の圧力を測定することにより燃焼状態を検出し、該燃焼状態に基づいてセタン価を推定しても良い。また、内燃機関１が失火するＶＶＴ８の遅角量と燃料のセタン価との関係を予め実験等により求めておき、内燃機関１が実際に失火したときのＶＶＴ８の遅角量に基づいて燃料のセタン価を求めても良い。

なお、推定されたセタン価が許容値未満の場合には、運転者に警告するように例えばランプを点灯させても良い。この場合、同時に燃焼状態を向上させる対策を施しても良い。例えば、グロープラグへ通電して気筒内のガス温度を上昇させる。また、インタークーラを備えている場合に、該インタークーラを迂回する通路も併せて備えておき、吸気がインタークーラを迂回するようにして吸気の温度を上昇させる。さらに排気絞り弁を備えている場合には、排気絞り弁を閉じ側へ動かすことにより、内燃機関１の負荷を増加させたり、内部ＥＧＲガスを増加させたりすることで気筒内の温度を上昇させる。また、ＶＶＴ８により吸気弁５の開弁時期を遅角させることにより、吸気の勢いを増加させたり吸気の圧力を増加させたりする。さらにＶＶＴ８により吸気弁５の閉弁時期を進角させることにより、圧縮端温度を上昇させる。また、サーモスタットが開弁する温度を調節してより高温で開弁するようにすれば、気筒内の温度を上昇させることができる。さらに、内燃機関１に備わる発電機の発電量を増加させることにより内燃機関１の負荷を増加させると気筒内の温度が上昇する。これらの少なくとも１つを行なうことにより、燃焼状態を改善することができる。

また、推定されたセタン価は内燃機関１の停止後もＥＣＵ１０に記憶させておき、次回の内燃機関１の作動時に燃焼状態を改善するべく例えば燃料噴射時期を補正する。

以上説明したように本実施例によれば、ＶＶＴ８により吸気弁５の開閉時期を遅らせたときの内燃機関１の回転変動の大きさに基づいて、燃料性状を推定することができる。そのため、推定された燃料性状に応じて内燃機関１を制御することができる。

なお、本実施例ではＶＶＴ８により吸気弁５の開閉時期を遅角させるＥＣＵ１０が、本発明における燃焼状態変更手段に相当する。また、本実施例ではクランクシャフト９の角速度の変化に基づいて内燃機関１の回転変動を検出するＥＣＵ１０が、本発明における回転変動検出手段に相当する。さらに、本実施例ではＶＶＴ８の遅角量と、内燃機関１の回転変動と、に基づいて燃料のセタン価を推定するＥＣＵ１０が、本発明における燃料性状推定手段に相当する。

本実施例においては、内燃機関１のアイドル運転時においてスロットル３の開度を徐々に小さくしていき、そのときのスロットル３よりも下流の負圧（以下、吸気負圧という。）に基づいて燃料性状（例えばセタン価）を推定する。ここで、吸気負圧が大きくなると、圧縮行程時の気筒内の温度上昇が小さくなるため、燃焼状態が悪化して失火し易くなる。つまり、実施例１では、ＶＶＴ８により回転変動を大きくしてセタン価を推定しているが、本実施例では、スロットル３の開度を小さくすることにより回転変動を大きくしてセタン価を推定する。吸気負圧は、スロットル３よりも下流の吸気通路２に取り付けた圧力センサ１７により検出する。

ここで、図３は吸気負圧と、内燃機関１の回転変動と、セタン価との関係を示した図である。スロットル３を閉じるほど吸気負圧が大きくなるため、内燃機関１の燃焼状態が悪化して回転変動が大きくなる。つまり、吸気負圧が大きいにもかかわらず回転変動が小さいときには、セタン価の高い燃料（例えばセタン価５０以上）を用いていると判断することができる。一方、吸気負圧が小さいにもかかわらず回転変動が大きいときには、セタン価の低い燃料（例えばセタン価４０未満）を用いていると判断することができる。

このように図３の関係を予め実験等により求めてマップ化しておき、該マップに吸気負圧及び回転変動を代入することでセタン価を得ることができる。

なお、吸気負圧の代わりに、スロットル３の開度を用いても良い。すなわち、スロットル開度と、内燃機関１の回転変動と、セタン価との関係を予め実験等により求めてマップ化し、該マップにスロットル３の開度と回転変動とを代入してセタン価を得ても良い。

以上説明したように本実施例によれば、スロットル３を閉じたときの内燃機関１の回転変動の大きさに基づいて、燃料性状を推定することができる。そのため、推定された燃料性状に応じて内燃機関１を制御することができる。

なお、本実施例ではスロットル３の開度を小さくするＥＣＵ１０が、本発明における燃焼状態変更手段に相当する。また、本実施例ではスロットル３の開度と、内燃機関１の回転変動と、に基づいて燃料のセタン価を推定するＥＣＵ１０が、本発明における燃料性状推定手段に相当する。

本実施例においては、燃料噴射弁４からの燃料噴射時期を変更することにより内燃機関１の回転変動を増大させつつ燃料のセタン価を推定する。ここで、膨張行程では気筒内の温度が低下するため、燃料噴射時期の遅角量が大きくなると、燃焼状態が悪化して失火し易くなる。つまり、実施例１では、ＶＶＴ８により回転変動を大きくしてセタン価を推定しているが、本実施例では、燃料噴射の時期を遅くすることにより回転変動を大きくしてセタン価を推定する。

ここで、図４は燃料噴射時期の遅角量と、内燃機関１の回転変動と、セタン価との関係を示した図である。燃料噴射時期の遅角量とは、内燃機関の回転数及び負荷に基づいて設定される燃料噴射弁４の燃料噴射時期からどれだけ遅れているのかを示す値であり、クランク角度で表される。燃料噴射時期の遅角量を大きくするほど、内燃機関１の燃焼状態が悪化して回転変動が大きくなる。つまり、燃料噴射時期の遅角量が大きいにもかかわらず回転変動が小さいときには、セタン価の高い燃料（例えばセタン価５０以上）を用いていると判断することができる。一方、燃料噴射時期の遅角量が小さいにもかかわらず回転変動が大きいときには、セタン価の低い燃料（例えばセタン価４０未満）を用いていると判断することができる。

このように図４の関係を予め実験等により求めてマップ化しておき、該マップに燃料噴射時期の遅角量及び回転変動を代入することでセタン価を得ることができる。

なお、内燃機関１が複数の気筒を備えている場合には、前記燃料噴射時期の遅角は何れか１気筒のみで行なってもよい。こうすることで、内燃機関１の振動を抑制することができる。

以上説明したように本実施例によれば、燃料噴射弁４からの燃料噴射時期を遅らせたときの内燃機関１の回転変動の大きさに基づいて、燃料性状を推定することができる。そのため、推定された燃料性状に応じて内燃機関１を制御することができる。

なお、本実施例では燃料噴射時期を遅角させるＥＣＵ１０が、本発明における燃焼状態変更手段に相当する。また、本実施例では燃料噴射時期の遅角量と、内燃機関１の回転変動と、に基づいて燃料のセタン価を推定するＥＣＵ１０が、本発明における燃料性状推定手段に相当する。

実施例に係る内燃機関の燃焼制御装置を適用する内燃機関とその吸気系との概略構成を示す図である。 ＶＶＴの遅角量と、内燃機関の回転変動と、セタン価との関係を示した図である。 吸気負圧と、内燃機関の回転変動と、セタン価との関係を示した図である。 燃料噴射時期の遅角量と、内燃機関の回転変動と、セタン価との関係を示した図である。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 吸気通路
３ スロットル
４ 燃料噴射弁
５ 吸気弁
６ 吸気側カムシャフト
７ 吸気側プーリ
８ 可変バルブタイミング機構（ＶＶＴ）
９ クランクシャフト
１０ ＥＣＵ
１１ アクセルペダル
１２ アクセル開度センサ
１３ クランクポジションセンサ
１５ ピストン
１６ 排気弁
１７ 圧力センサ

Claims (6)

1. 内燃機関の燃焼状態と関連するパラメータを該内燃機関が失火する方向に変化させる燃焼状態変更手段と、
   前記内燃機関の回転変動を検出する回転変動検出手段と、
   前記燃焼状態変更手段により前記内燃機関の燃焼状態が変化するときの前記パラメータの値と前記内燃機関の回転変動とに基づいて、該内燃機関の燃料性状を推定する燃料性状推定手段と、
   を具備することを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。
2. 前記内燃機関の吸気弁若しくは排気弁の開弁時期若しくは閉弁時期を変更可能な可変バルブタイミング機構をさらに備え、前記燃焼状態変更手段は前記吸気弁若しくは排気弁の開弁時期若しくは閉弁時期を徐々に失火する方向に変化させ、前記燃料性状推定手段は前記内燃機関の回転変動と吸気弁若しくは排気弁の開弁時期若しくは閉弁時期とに基づいて燃料性状を推定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
3. 前記内燃機関の吸気通路の断面積を変更可能なスロットルをさらに備え、前記燃焼状態変更手段は前記スロットルの開度を徐々に小さくし、前記燃料性状推定手段は前記内燃機関の回転変動とスロットルの開度とに基づいて燃料性状を推定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
4. 前記内燃機関の気筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁をさらに備え、前記燃焼状態変更手段は前記燃料噴射弁からの燃料噴射時期を徐々に遅角させ、前記燃料性状推定手段は前記内燃機関の回転変動と燃料噴射時期とに基づいて燃料性状を推定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
5. 前記燃焼状態変更手段は、前記内燃機関のアイドル運転時において該内燃機関の燃焼状態と関連するパラメータを失火する方向に変化させることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の内燃機関の燃焼制御装置。
6. 前記内燃機関の燃料を貯留する燃料タンクをさらに備え、前記燃焼状態変更手段は前記燃料タンクに給油が行なわれたときに前記内燃機関の燃焼状態と関連するパラメータを失火する方向に変化させることを特徴とする請求項１から５の何れかに記載の内燃機関の燃焼制御装置。

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