JP2015031192A - 内燃機関の熱発生率波形作成装置および燃焼状態診断装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】燃料噴射弁から気筒内に噴射された燃料の反応のうち、低温酸化反応、熱分解反応、および予混合燃焼による高温酸化反応の少なくとも一つについて、該反応の基準反応開始温度以上の温度場で燃料が噴射された場合は、所定の遅れ期間の経過後に反応開始時期を設定して、該反応の理想熱発生率波形を作成する。このような処理により各反応の開始時期を正確に規定することが可能となり、理想熱発生率波形を高い精度で作成することができる。また、この理想熱発生率波形を利用して燃焼状態の診断を行うようにした場合には、診断の精度を高めることができる。
【選択図】図8
Description
図1は本実施形態に係るディーゼルエンジン1(以下、単に「エンジン1」という)およびその制御系統の概略構成図である。
に収容されている。
エンジン1の各部位には、各種センサが取り付けられており、それぞれの部位の環境条件や、エンジン1の運転状態に関する信号を出力する。
ECU100は、図示しないCPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)等からなるマイクロコンピュータと、入力回路および出力回路とを備えている。
次に、本実施形態に係るエンジン1における燃焼室3内での燃焼形態の概略について説明する。
前記のように、エンジン1の気筒内(燃焼室3内)に噴射された燃料の反応(燃焼)は、気化反応、低温酸化反応、熱分解反応、高温酸化反応(予混合燃焼および拡散燃焼)に分離することができる。各反応形態の詳細については後述するが、本実施形態では、前記の各反応に分離して理想熱発生率波形を作成し、この作成された理想熱発生率波形を利用して、燃焼状態の診断(気筒内での燃料の各反応形態の診断)を行う。そして、その診断結果に応じて制御パラメータの補正を実行する。以下、具体的に説明する。
前記理想熱発生率波形の作成について説明する。まず、理想熱発生率波形の作成の概略について説明する。
なお、前記理想熱発生率波形モデル(三角形モデル)の作成の詳細については、後述する。
次に、前記理想熱発生率波形の作成の第1の手順である燃料の反応形態の分離について説明し、こうして分離した各反応の開始時期に対する温度場の影響についても併せて説明する。
気化反応は、前記インジェクタ23から噴射された燃料が気筒内の熱を受けて気化するものであって、他の反応とは独立した反応である。ディーゼルエンジン1で使用されている軽油の沸点は、一般には453K(180℃)〜623K(350℃)である。また、気化反応における反応量効率としては、例えば1.14[J/mm3]となっている。
低温酸化反応は、ディーゼルエンジンの燃料である軽油中に含まれる低温酸化反応成分(n−セタン(C16H34)等の直鎖単結合組成の燃料等)が燃焼する反応である。低温酸化反応は、直鎖炭化水素の端部の水素引き抜き・酸素付加で生じる反応であり、炭素鎖分解ではないため、熱分解反応とは独立した反応である。
熱分解反応は、燃料成分である炭化水素分子の炭素鎖が切断される反応であって、その基準反応開始温度は基本的には約800Kとみなしてよい。この熱分解反応における基準反応速度効率としては、例えば0.384[J/CA2/mm3]となっている。また、反応量効率としては、例えば5.0[J/mm3]となっている。
予混合燃焼による高温酸化反応の反応開始温度は、基本的には約900Kとみなしてよい。つまり、筒内ガス温度が900Kに達したことで燃焼を開始する反応が予混合燃焼である。但し、この反応は、熱分解した炭素鎖の酸化反応であるため、前述したように熱分解反応がある程度(例えば50%)以上、進行した後に初めて、予混合燃焼が開始されると考えられる。また、予混合燃焼が開始された後も並行して熱分解反応が進行すると考えられる。
拡散燃焼による高温酸化反応の基準反応開始温度は約1000Kとみなしてよい。つまり、筒内温度が1000K以上となっている筒内に向けて噴射された燃料が、噴射後に遅れなく燃焼を開始する反応が拡散燃焼である。この反応における基準反応効率としては、予混合燃焼の場合と同様に軽油の単位体積当たりの発熱量に基づいて、例えば30.0[J/mm3]となっている。
ここで、本実施形態の特徴部分であるが、前述した低温酸化反応、熱分解反応および予混合燃焼による高温酸化反応については、その反応開始時期が燃料噴射の際の温度場によって変動することが分かった。以下、この点について説明する。
まず、低温酸化反応や熱分解反応の開始時期を補正する処理について説明する。これらの反応については、基準反応開始温度以上の気筒内に噴射された燃料中の炭化水素や酸素の分子が、所要の活性化エネルギを取得するまでの遅れ時間が経過した時点を、反応開始時期として設定する。以下では低温酸化反応について具体的に説明するが、熱分解反応についても同様である。
ここで、ΔTは、筒内ガス温度T[K]と噴射燃料の温度との差分であり、燃料の気化反応による吸熱分を考慮しても、筒内ガス温度に比べて低温の噴射燃料の温度は概ね一定とみなしてよいから、ΔTは筒内ガス温度Tとすればよい。αは、気筒内環境や燃料組成等によって決まる熱エネルギ伝導係数であって、予め実験やシミュレーションによって適合した値を用いる。
次に、低温酸化反応の開始時期の設定処理の具体例について説明する。以下の処理は、筒内ガス温度が基準反応開始温度750K以上の温度場(最高値は1000K)で燃料が噴射された場合の、低温酸化反応の反応開始時期の設定にかかる処理で、例えばECU100において実行される。
なお、エンジン回転速度(回転数)NE[rpm]は、クランクポジションセンサ40の出力信号から算出する。また、以上のようにして算出した低温酸化反応の反応開始時期[°CA]について、基準エンジン回転速度(例えば、1000rpm)や酸素密度に基づく補正を行ってもよい。
次に、予混合燃焼による高温酸化反応の開始時期を補正する処理について説明する。前述したように予混合燃焼による高温酸化反応は、熱分解反応によって炭化水素分子の炭素鎖が或る程度、切断されてから開始されるので、基準反応開始温度以上の気筒内に燃料が噴射された場合の遅れ期間は、熱分解反応の進行度合いに応じて変化するものとする。
次に、前記予混合燃焼による高温酸化反応の開始時期の補正について具体例を説明する。この処理は、筒内ガス温度が基準反応開始温度(900K)以上の温度場(最高値は1000K)で燃料が噴射された場合のものであって、例えばECU100において実行される。
次に、上述の如く分離された各反応形態それぞれに対する理想熱発生率波形モデルの作成について、詳細に説明する。前述したように反応形態を分離したことにより、それぞれの反応形態における理想熱発生率波形モデルが作成可能となる。つまり、気化反応、低温酸化反応、熱分解反応、予混合燃焼および拡散燃焼(高温酸化反応)のそれぞれに対して、理想熱発生率波形モデルが作成可能となる。
・気化反応
上述したように、燃料が噴射される温度場(筒内ガス温度)が623K以上である場合は、気化反応の反応開始時期は燃料噴射開始時期と同じタイミングとする(気化反応の反応開始時期=燃料噴射開始時期)。なお、623Kよりも低い側の温度場で燃料を噴射した場合は燃料噴射開始時期に対して気化開始時期が遅角側にずれるので、623Kよりも低い側の温度場をも対象とする場合には、その遅延分を考慮して気化反応の反応開始時期を決定すればよい。
低温酸化反応の反応開始時期については、基準反応開始温度である750K未満の温度場で気筒内に燃料が噴射された場合、筒内ガス温度が上昇して750Kに達した時点のクランク角度[°CA]を低温酸化反応の反応開始時期とする。一方、750K以上の温度場で気筒内に燃料が噴射された場合は、前記[ST11],[ST12]の処理によって、反応開始時期を設定する。つまり、燃料噴射の際の筒内ガス温度に応じて変化する反応遅れ期間が経過した時点のクランク角度[°CA]を、低温酸化反応の反応開始時期とする。
熱分解反応についても、基準反応開始温度である800K未満の温度場で気筒内に燃料が噴射された場合は、筒内ガス温度が上昇して800Kに達した時点のクランク角度[°CA]を反応開始時期とする。また、800K以上の温度場で気筒内に燃料が噴射された場合は、前述の低温酸化反応と同様に所定の反応遅れ期間が経過した時点のクランク角度[°CA]を熱分解反応の反応開始時期とする。なお、熱分解反応の反応開始時期を求める際の筒内ガス温度については、気化反応および低温酸化反応の反応熱量に相当する分の温度を加減することが好ましい。
予混合燃焼による高温酸化反応については、基準反応開始温度である900K未満の温度場で気筒内に燃料が噴射された場合、筒内ガス温度が上昇して900Kに達した時点のクランク角度[°CA]を反応開始時期とする。一方、900K以上の温度場で気筒内に燃料が噴射された場合は、前記[ST21],[ST22]の処理によって、反応開始時期を設定する。
高温酸化反応(拡散燃焼)については、上述したように反応温度は約1000Kであり、反応開始の遅れは実質、ないものと見なす。よって、筒内ガス温度が約1000Kに到達した時点のクランク角度[°CA]を高温酸化反応の反応開始時期とする。
まず、反応速度は、前記基準反応速度効率に基づいて設定され、理想熱発生率波形モデルを二等辺三角形に近似させた場合、熱発生率が上昇する期間での上昇勾配と、熱発生率が下降する期間での下降勾配とでは、それらの絶対値は一致している。
各反応における熱効率[J/mm3]は燃焼期間を適正化すれば定数(例えば高温酸化反応の場合は30J/mm3)と見なすことができる。このため、発生熱量としては、この熱効率に燃料噴射量(前記有効噴射量)を乗算したものとなる。
以上の三角形の勾配(反応速度)および三角形の面積(発生熱量)から三角形の底辺の長さに相当する反応期間が求められる。
これより、B=A/αとなる。
よって、A=SQRT[2S/{(1+1/α)G}]となる。
L=A+B=A(1+1/α)
=(1+1/α)×SQRT[2S/{(1+1/α)G}]
理想熱発生率波形モデルが二等辺三角形の場合にはα=1であり、
L=2×SQRT(S/G)=2×SQRT(30×Fq/G)となる。
このようにして、噴射量(噴射量指令値:発生熱量に相関のある値)と勾配(反応速度)が与えられれば反応期間が確定されることになる。
以上のようにして理想熱発生率波形モデルを作成した後、この理想熱発生率波形モデルを周知のフィルタ処理(例えばWiebeフィルタによる処理)によって円滑化することにより、理想熱発生率波形を作成する。以下、具体的に説明する。
前記理想熱発生率波形と比較される実熱発生率波形は、前記筒内圧センサ4Aによって検出される筒内圧力の変化に応じて作成される。つまり、気筒内での熱発生率と筒内圧力との間には相関がある(熱発生率が高いほど筒内圧力は高くなる)ので、この筒内圧センサ4Aによって検出される筒内圧力から実熱発生率波形を作成することができる。この検出した筒内圧力から実熱発生率波形を作成する処理については公知であるため、ここでの説明は省略する。
燃焼状態の診断(反応形態の診断)としては、前記理想熱発生率波形に対する実熱発生率波形の乖離の大きさに基づいて行われる。例えば、その乖離が予め設定された閾値(本発明でいう異常判定乖離量)以上となっている反応形態が存在している場合には、その反応形態に異常が生じていると診断することになる。例えば熱発生率の偏差が10[J/°CA]以上となっている反応形態が存在する場合や、理想熱発生率波形に対する実熱発生率波形のクランク角度側への偏差(進角側または遅角側の偏差)が3°CA以上となって
いる反応形態が存在する場合には、その反応形態に異常が生じていると診断する。これら値はこれに限定されるものではなく、実験やシミュレーションによって適宜設定される。
前記理想熱発生率波形と実熱発生率波形との比較による燃焼状態の診断において、上述した如く理想熱発生率波形に対する実熱発生率波形の乖離が予め設定された閾値を超える反応形態が存在する場合、その反応形態に異常が生じていると診断され、この乖離を小さくするようにエンジン1の制御パラメータが補正されることになる。
になるので、これによってエンジン1を構成している機器の一部に故障が生じていると診断する。具体的には、筒内ガス温度、酸素密度、燃料密度それぞれの下限値を予め設定しておき、これら筒内ガス温度、酸素密度、燃料密度の何れかがその下限値を下回っている場合には、エンジン1の制御パラメータの補正量が所定のガード値を超えるとして、エンジン1に故障が生じていると診断することになる。
以上説明した実施形態は、自動車に搭載された直列4気筒ディーゼルエンジン1に本発明を適用した場合について説明した。本発明は、自動車用に限らず、その他の用途に使用されるエンジンにも適用可能である。また、気筒数やエンジン形式(直列型エンジン、V型エンジン、水平対向型エンジン等の別)についても特に限定されるものではない。
12 シリンダボア(気筒)
23 インジェクタ(燃料噴射弁)
3 気筒内の燃焼室
4A 筒内圧センサ
100 ECU
I 気化反応の理想熱発生率波形モデル
II 低温酸化反応の理想熱発生率波形モデル
III 熱分解反応の理想熱発生率波形モデル
IV 予混合燃焼による高温酸化反応の理想熱発生率波形モデル
V 拡散燃焼による高温酸化反応の理想熱発生率波形モデル
Claims (11)
- 燃料噴射弁から気筒内に噴射された燃料の燃焼を行う内燃機関における燃料の反応の熱発生率波形を作成する装置であって、
前記燃料噴射弁から噴射された燃料の反応のうち、低温酸化反応、熱分解反応、および予混合燃焼による高温酸化反応の少なくとも一つについて、当該反応の基準反応開始温度以上の温度場で燃料が噴射された場合は、所定の遅れ期間の経過後に反応開始時期を設定して当該反応の理想熱発生率波形を作成する構成となっていることを特徴とする内燃機関の熱発生率波形作成装置。 - 請求項1に記載の内燃機関の熱発生率波形作成装置において、
前記低温酸化反応および熱分解反応の少なくとも一方について、燃料噴射の際の温度場が高温側であるほど、前記遅れ期間を短く設定する構成となっていることを特徴とする内燃機関の熱発生率波形作成装置。 - 請求項1または2のいずれかに記載の内燃機関の熱発生率波形作成装置において、
前記予混合燃焼による高温酸化反応については、前記熱分解反応の進行度合いに応じて前記遅れ期間を設定する構成となっていることを特徴とする内燃機関の熱発生率波形作成装置。 - 請求項1〜3のいずれか一つに記載の内燃機関の熱発生率波形作成装置において、
前記燃料噴射弁から噴射された燃料の反応のうち、拡散燃焼による高温酸化反応については、当該反応の基準反応開始温度以上の温度場で燃料が噴射された場合でも、遅れ期間なしに反応開始するとみなして当該反応の理想熱発生率波形を作成する構成となっていることを特徴とする内燃機関の熱発生率波形作成装置。 - 請求項1〜4のいずれか一つに記載の内燃機関の熱発生率波形作成装置において、
前記燃料の反応として気化反応、低温酸化反応、熱分解反応、予混合燃焼による高温酸化反応、および拡散燃焼による高温酸化反応のそれぞれの反応の理想熱発生率波形を作成することを特徴とする内燃機関の熱発生率波形作成装置。 - 請求項1〜5のいずれか一つに記載の内燃機関の熱発生率波形作成装置において、
前記理想熱発生率波形は、前記反応開始時期を基点として、反応速度を斜辺の勾配、反応量を面積、反応期間を底辺の長さとする三角形で成る理想熱発生率波形モデルを作成し、その理想熱発生率波形モデルをフィルタ処理によって円滑化することで作成されることを特徴とする内燃機関の熱発生率波形作成装置。 - 請求項1〜6のいずれか一つに記載の内燃機関の熱発生率波形作成装置によって作成された理想熱発生率波形と、気筒内で実際に燃料が反応した際の実熱発生率波形とを比較し、理想熱発生率波形に対する実熱発生率波形の乖離が所定量以上となっている場合には、燃料の反応に異常が生じていると診断する構成とされていることを特徴とする内燃機関の燃焼状態診断装置。
- 請求項7記載の内燃機関の燃焼状態診断装置において、
前記実熱発生率波形は、筒内圧センサによって検出される気筒内圧力に基づいて得られたものであることを特徴とする内燃機関の燃焼状態診断装置。 - 請求項7または8のいずれかに記載の内燃機関の燃焼状態診断装置において、
前記理想熱発生率波形に対する実熱発生率波形の乖離が所定の異常判定乖離量以上となっており、当該反応に異常が生じていると診断された際に、前記理想熱発生率波形に対する実熱発生率波形の乖離が所定の補正可能乖離量以下である場合には、内燃機関の制御パラメータの補正を行って前記乖離を前記異常判定乖離量未満にする制御を行う一方、理想熱発生率波形に対する実熱発生率波形の乖離が前記補正可能乖離量を超えている場合には内燃機関に故障が生じていると診断することを特徴とする内燃機関の燃焼状態診断装置。 - 請求項1〜6のいずれか一つに記載の内燃機関の熱発生率波形作成装置において、
車両に実装または実験装置に搭載されていることを特徴とする内燃機関の熱発生率波形作成装置。 - 請求項7〜9のいずれか一つに記載の内燃機関の燃焼状態診断装置において、
車両に実装または実験装置に搭載されていることを特徴とする内燃機関の燃焼状態診断装置。
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