JP2016160921A - 内燃機関の燃焼制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】筒内圧センサからの測定値を用いずに燃料の噴射開始タイミングを制御する内燃機関の燃焼制御装置を提供する。【解決手段】クランク角を検出するエンジン回転数センサ４４と、検出されたクランク角が予め定められた噴射開始角に到達したタイミングで、インジェクタ１１からの筒内への燃料噴射を開始させる噴射制御部９０（タイミング判定部９２）と、目標燃焼重心と実燃焼重心の差分値から噴射開始タイミングの補正量を取得するタイミング補正量取得部８０と、入力されたタイミング補正量に基づき、指示値として入力された実噴射開始タイミングを補正する噴射制御部９０（噴射開始タイミング演算部９１）を備える。【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等の内燃機関では燃費を向上させるため、燃焼重心を制御することが行われている。例えば、筒内圧センサによる気筒内の圧力から今のサイクルでの燃焼重心を算出し、得られた燃焼重心の値と燃焼重心に関する目標値との差分、及び算出された熱発生率の最大傾きの値と目標値との差分とに応じて、次サイクルのパイロット噴射における燃料噴射量や噴射圧を補正する技術が提案されている（例えば特許文献１を参照）。

また、筒内圧センサにより測定された筒内圧変化等に基づいて燃焼重心角度を実測し、また目標燃料圧力から燃焼重心角度を求め、両者の比較から燃焼が適切か否かの判定を行う技術も提案されている（例えば特許文献２を参照）。

また、筒内圧センサにより測定された筒内圧と回転数センサからのクランク角とに基づいて、筒内圧の波形の重心を燃焼重心として予測燃焼重心を算出し、目標燃焼重心のマップをもとに燃焼重心補正係数を決定する技術も提案されている（例えば特許文献３を参照）。

特開２０１３−１６００８０号公報 特開２０１１−２０２６２９号公報 特開２０１１−１５７８９２号公報

前述した従来技術は何れも、筒内圧センサによって測定された筒内圧を用いて燃焼重心を求め、燃料の噴射開始タイミングを制御している。ここで、構成の簡素化という課題を考慮すれば、筒内圧センサを省略することが望ましい。また、筒内圧センサを備えていても、筒内圧センサの検出信号を用いずに燃料の噴射開始タイミングを制御できれば、断線やノイズによって検出信号に異常が発生しても対応が可能になる等の利点がある。

開示の燃焼制御装置は、筒内圧センサからの測定値を用いずに燃料の噴射開始タイミングを制御することを目的とする。

開示の内燃機関の燃焼制御装置は、クランク角を検出するクランク角検出手段と、検出されたクランク角が予め定められた噴射開始角に到達したタイミングで、インジェクタからの筒内への燃料噴射を開始させる噴射制御手段と、目標燃焼重心と実燃焼重心の差分値から噴射開始角の補正量を取得する補正量取得手段と、前記噴射開始角の補正量に基づいて前記噴射開始角を補正する補正手段とを備える。

開示の燃焼制御装置によれば、筒内圧センサからの測定値を用いずに燃料の噴射開始タイミングを制御できる。

本実施形態に係るディーゼルエンジンの吸排気系の一例を示す概略構成図である。 本実施形態に係るＥＣＵの機能ブロック図である。 目標燃焼重心取得部による目標燃焼重心取得処理を説明するブロック図である。 実燃焼重心取得部による実燃焼重心取得処理を説明するブロック図である。 タイミング補正量取得部による噴射タイミングの補正量の取得処理を説明するブロック図である。 燃焼重心の差分値（△ＣＯＣ）と燃料噴射開始タイミングの補正量（△ＳＯＩ）の線形関係を説明するグラフである。 噴射制御部による燃料噴射制御を説明するブロック図である。 本実施形態の制御と比較例の制御を比較する図である。

以下、添付図面に基づいて、本発明の一実施形態に係る内燃機関の燃焼制御装置を説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称及び機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

図１は、本実施形態に係るディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）１０の吸排気系の一例を示す概略構成図である。

図１に示すように、エンジン１０の各気筒には、各気筒内に直接噴射するインジェクタ１１がそれぞれ設けられている。インジェクタ１１はコモンレール１２と連通されており、ＥＣＵ５０からの噴射指示に基づきコモンレール１２に畜圧された高圧燃料を気筒内に噴射する。気筒内には、ピストン１３が往復移動可能に配置されており、クランク１４によってピストン１３の往復運動がクランクシャフト１４Ａの回転運動に変換されている。

エンジン１０の吸気マニホールド１０Ａには新気を導入する吸気通路１５が接続されている。この吸気通路１５には、吸気上流側から順に、エアクリーナ１６、過給機１７のコンプレッサ１７Ａ、インタークーラ１８が設けられている。排気マニホールド１０Ｂには排気を外部に導出する排気通路１９が接続されている。排気通路１９には、排気上流側から順に過給機１７のタービン１７Ｂ、排気浄化装置３０等が設けられている。

ＥＧＲ装置２０は、排気マニホールド１０Ｂと吸気マニホールド１０Ａとを接続するＥＧＲ通路２１と、ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ２２と、ＥＧＲ量（排気還流量）を調整するＥＧＲバルブ２３とを備えている。排気浄化装置３０は、ケース３０Ａ内に排気上流側から順に、ＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ吸蔵還元型触媒３１、ＰＭ（粒子状物質）を捕集するフィルタ３２を配置して構成されている。

エンジン１０の各部位には各種センサが取り付けられている。これらのセンサは、ＥＣＵ５０と共に、本発明の燃焼制御装置の一例である。

例えば、コモンレール１２には、コモンレール１２に蓄えられている燃料の圧力（レール圧）に応じた検出信号を出力するレール圧センサ４１が取り付けられている。吸気マニホールド１０Ａには、ブースト圧（過給圧）を検出するブースト圧センサ４２が取り付けられている。エアクリーナ１６には、吸入空気量を検出する吸入空気量センサ４３が設けられている。

エンジン１０にはエンジンの回転数を検出するエンジン回転数センサ４４が取り付けられている。エンジン回転数センサ４４は、円板１４Ｂの外周に形成された歯車状凹凸を読み取り、クランク１４（クランクシャフト１４Ａ）が所定角度する毎にレベルが変化する検出信号を出力する。従って、エンジン回転数センサ４４は、クランク角を検出するクランク角検出手段の一例である。アクセル開度センサ４５は、アクセルペダル（不図示）の操作量に応じた検出信号、言い換えれば燃料噴射量を示す検出信号を出力する。

ＥＣＵ５０は、エンジン１０等の各種制御を行うもので、公知のＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、入力ポート、出力ポート等を備えて構成されている。これら各種制御を行うため、ＥＣＵ５０にはセンサ類４１〜４５のセンサ値が入力される。

また、ＥＣＵ５０は、前述の各種センサと共に、内燃機関の一例であるエンジン１０の燃焼制御装置に相当する。このため、図２に示すように、ＥＣＵ５０は、目標燃焼重心取得部６０と、実燃焼重心取得部７０と、タイミング補正量取得部８０と、噴射制御部９０とを一部の機能要素として有する。これら各機能要素は、一体のハードウェアであるＥＣＵ５０に含まれるものとして説明するが、これらのいずれか一部を別体のハードウェアに設けることもできる。

ここで、燃焼重心（ＣＯＣ）について説明する。燃焼重心とは、気筒内（燃焼室内）に噴射された燃料が気筒内で燃焼する際に、その全ての燃料の燃焼が完了する完全燃焼状態を燃焼度合い「１００％」とした場合において、燃焼度合いが「５０％」に達したときをいう。そして、目標燃焼重心（ＣＯＣ_{_base}）とは、制御上目標とされる燃焼重心であり、エンジンの回転数と燃料噴射量（アクセル開度）の組み合わせに対応して定められる。一方、実燃焼重心（ＣＯＣ_{_act}）とは、エンジン１０における実際の燃焼重心である。この実燃焼重心に関し、本実施形態では後述するように、レール圧、吸気酸素濃度、ブースト圧、及び燃料噴射開始タイミング（ＳＯＩ）を参照し、実燃焼重心取得部７０での多項式演算によって取得している。

図３に示すように、目標燃焼重心取得部６０は、燃焼重心マップ６１を有する。この燃焼重心マップ６１は、エンジン回転数Ｎｅ及びアクセル開度Ｑ（エンジン１０の燃料噴射量）に基づいて参照されるマップであって、これらエンジン回転数Ｎｅとアクセル開度Ｑとに対応した目標燃焼重心が予め実験等に基づいて設定されている。従って、目標燃焼重心取得部６０では、エンジン回転数Ｎｅ及びアクセル開度Ｑが燃焼重心マップ６１への入力信号となり、燃焼重心マップ６１からは目標燃焼重心が読み取られ、実燃焼重心取得部７０やタイミング補正量取得部８０に出力される。

図４に示すように、実燃焼重心取得部７０は、レール圧補正量マップ７１、吸入酸素濃度補正量マップ７２、ブースト圧補正量マップ７３、目標ブースト圧マップ７４、噴射タイミングマップ７５、及び実燃焼重心演算部７６を有する。

レール圧補正量マップ７１は、エンジン回転数Ｎｅ及びアクセル開度Ｑに基づいて参照されるマップであって、これらエンジン回転数Ｎｅとアクセル開度Ｑとに対応したレール圧の補正量が予め実験等に基づいて設定されている。従って、エンジン回転数Ｎｅ及びアクセル開度Ｑが入力されると、レール圧補正量マップ７１は対応するレール圧補正量を実燃焼重心演算部７６に出力する。

吸入酸素濃度補正量マップ７２は、エンジン回転数Ｎｅ及びアクセル開度Ｑに基づいて参照されるマップであって、これらエンジン回転数Ｎｅとアクセル開度Ｑとに対応した吸入酸素濃度の補正量が予め実験等に基づいて設定されている。従って、エンジン回転数Ｎｅ及びアクセル開度Ｑが入力されると、吸入酸素濃度補正量マップ７２は対応する吸入酸素濃度補正量を実燃焼重心演算部７６に出力する。

ブースト圧補正量マップ７３は、エンジン回転数Ｎｅ及びアクセル開度Ｑに基づいて参照されるマップであって、これらエンジン回転数Ｎｅとアクセル開度Ｑとに対応したブースト圧の補正量が予め実験等に基づいて設定されている。従って、エンジン回転数Ｎｅ及びアクセル開度Ｑが入力されると、ブースト圧補正量マップ７３は対応するブースト圧補正量を実燃焼重心演算部７６に出力する。

目標ブースト圧マップ７４は、エンジン回転数Ｎｅ及びアクセル開度Ｑに基づいて参照されるマップであって、これらエンジン回転数Ｎｅとアクセル開度Ｑとに対応したブースト圧の目標値が予め実験等に基づいて設定されている。従って、エンジン回転数Ｎｅ及びアクセル開度Ｑが入力されると、目標ブースト圧マップ７４は対応する目標ブースト圧を実燃焼重心演算部７６に出力する。

噴射タイミングマップ７５は、エンジン回転数Ｎｅ及びアクセル開度Ｑに基づいて参照されるマップであって、これらエンジン回転数Ｎｅとアクセル開度Ｑとに対応した噴射タイミングの目標値が予め実験等に基づいて設定されている。この目標値は、燃焼重心の算出用に調整されたものである。従って、エンジン回転数Ｎｅ及びアクセル開度Ｑが入力されると、噴射タイミングマップ７５は対応する目標噴射タイミングを実燃焼重心演算部７６に出力する。

実燃焼重心演算部７６は、各センサ４１〜４５から入力された検出信号、各マップ７１〜７５から入力された補正量や目標値、及びその他の入力信号に基づき、実燃焼重心を演算する。すなわち、実燃焼重心演算部７６は、前述の各マップ７１〜７５から入力された補正量や目標値、目標燃焼重心取得部６０から入力された目標燃焼重心、レール圧センサ４１から入力されたレール圧、別途取得されたレール圧目標値、吸気酸素濃度、吸気酸素目標値、及び実噴射開始タイミングに基づき、多項式での近似演算を行い、実燃焼重心を取得する。取得された実燃焼重心は、タイミング補正量取得部８０に出力される。

なお、吸気酸素濃度は、ＥＧＲ合流後における吸気酸素濃度であり、ＥＧＲバルブ２３の開度や吸入空気量センサ４３の検出信号などに基づいて演算される。また、実噴射開始タイミングは、燃料の噴射開始タイミングに相当するクランク角の情報であり、実験等によって予め定められている。この実噴射開始タイミングは、指示値として実燃焼重心取得部７０に入力されており、噴射開始タイミングの基準となる。このため、実噴射開始タイミングは、噴射タイミングマップ７５から入力される目標噴射タイミングとは異なっている。

図５に示すように、タイミング補正量取得部８０は、補正量演算部８１を有する。補正量演算部８１は、目標燃焼重心（ＣＯＣ_{_base}）と実燃焼重心（ＣＯＣ_{_act}）の差分値（△ＣＯＣ）から噴射開始角の補正量（△ＳＯＩ）を取得する。前述したように、燃料の噴射開始タイミングはクランク角で定められるので、噴射開始角の補正量は噴射開始タイミングの補正量に相当する。従って、タイミング補正量取得部８０は、本発明の補正量取得手段の一例である。

図６に示すように、両燃焼重心の差分値△ＣＯＣと噴射開始角の補正量△ＳＯＩとは線形の関係にある。この図６には、（１）△ＣＯＣ＝−α×△ＳＯＩ、（２）△ＣＯＣ＝−β×△ＳＯＩの２つの例を示している。（１）の例では−１／α×△ＣＯＣの演算をすることで、噴射開始角の補正量△ＳＯＩが求められる。同様に、（２）の例では−１／β×△ＣＯＣの演算をすることで、噴射開始角の補正量△ＳＯＩが求められる。なお、図６には２つの例を示したが、どのような運転条件であっても線形の関係になることが実験によって確認されている。

補正量演算部８１によって演算された噴射開始角の補正量は、タイミング補正量として噴射制御部９０に出力される。

図７に示すように、噴射制御部９０は、噴射開始タイミング演算部９１と、タイミング判定部９２とを有する。

噴射開始タイミング演算部９１は、本発明の補正手段の一例であり、タイミング補正量取得部８０（補正量演算部８１）から入力されたタイミング補正量に基づき、指示値として入力された実噴射開始タイミングを補正する。

仮に、実噴射開始タイミングがクランク角でＡ度、タイミング補正量がクランク角で−Ｂ度であった場合、噴射開始タイミング演算部９１は、（Ａ−Ｂ）度を補正後の噴射開始タイミングとして取得する。同様に、実噴射開始タイミングがクランク角でＡ度、タイミング補正量がクランク角で＋Ｃ度であった場合、噴射開始タイミング演算部９１は、（Ａ＋Ｃ）度を補正後の噴射開始タイミングとして取得する。

タイミング判定部９２は、本発明の噴射制御手段の一例であり、噴射開始タイミング演算部９１から入力された補正後の噴射開始タイミングで、インジェクタ１１からの気筒内への燃料噴射を開始させる。すなわち、タイミング判定部９２は、エンジン回転数センサ４４から入力された検出信号に基づきクランク角を判定し、このクランク角が補正後の噴射開始タイミングに相当するクランク角に到達したら、インジェクタ１１からの気筒内への燃料噴射を開始させる。

図８は、本実施形態のＥＣＵ５０による制御と比較例の制御とを比較する図であり、時刻ｔ_１から時刻ｔ_２までエンジン１０のトルク（Ｔｏｒｑｕｅ）を増大させた際の燃料消費率（ＢＳＦＣ）、すす発生量（Ｓｏｏｔ）、ＮＯｘ発生量を示している。

図中実線は、本実施形態による制御を示しており、空気過剰率（Ｌａｍｂｄａ）の変動期間（ｔ_１−ｔ_３）に亘って燃焼重心（ＣＯＣ）が一定になるように、燃料の噴射開始タイミング（ＳＯＩ）が補正されている。図中破線は、比較例の制御を示しており、空気過剰率の変動期間に亘って一定の噴射開始タイミングで燃料が噴射されている。

本実施形態の制御を行うことで、空気過剰率の変動期間に亘って、ＮＯｘの発生量をほぼ同等に維持しつつ、燃料消費率とすす発生量を大幅に低減できることが理解できる。

そして、本実施形態では、クランク角を検出するエンジン回転数センサ４４と、検出されたクランク角が予め定められた噴射開始角に到達したタイミングで、インジェクタ１１からの筒内への燃料噴射を開始させるタイミング判定部９２と、目標燃焼重心（ＣＯＣ_{_base}）と実燃焼重心（ＣＯＣ_{_act}）の差分値（△ＣＯＣ）から噴射開始タイミングの補正量（△ＳＯＩ：噴射開始角の補正量）を取得するタイミング補正量取得部８０と、入力されたタイミング補正量に基づき、指示値として入力された実噴射開始タイミング（噴射開始角）を補正する噴射開始タイミング演算部９１を備えるので、筒内圧センサからの測定値を用いずに燃料の噴射開始タイミングを制御できる。これにより、筒内圧センサを省略できるし、筒内圧センサを備えていても、筒内圧センサからの検出信号を用いることなく、燃料の噴射開始タイミングを制御できる。

また、タイミング補正量取得部８０は、目標燃焼重心と実燃焼重心の差分値に定数（−１／α，−１／β）が乗算された値を噴射開始タイミングの補正量として取得しているので、処理を簡素化できて高速処理に適する。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。

１０…エンジン，１０Ａ…吸気マニホールド，１０Ｂ…排気マニホールド，１１…インジェクタ，１２…コモンレール，１３…ピストン，１４…クランク，１４Ａ…クランクシャフト，１４Ｂ…円板，１５…吸気通路，１６…エアクリーナ，１７…過給機，１７Ａ…コンプレッサ，１７Ｂ…タービン，１８…インタークーラ，１９…排気通路，２０…ＥＧＲ装置，２１…ＥＧＲ通路，２２…ＥＧＲクーラ，２３…ＥＧＲバルブ，３０…排気浄化装置，３０Ａ…ケース，３１…ＮＯｘ吸蔵還元型触媒，３２…フィルタ，４１…レール圧センサ，４２…ブースト圧センサ，４３…吸入空気量センサ，４４…エンジン回転数センサ，４５…アクセル開度センサ，５０…ＥＣＵ，６０…目標燃焼重心取得部，６１…燃焼重心マップ，７０…実燃焼重心取得部，７１…レール圧補正量マップ，７２…吸入酸素濃度補正量マップ，７３…ブースト圧補正量マップ，７４…目標ブースト圧マップ，７５…噴射タイミングマップ，７６…実燃焼重心演算部，８０…タイミング補正量取得部，８１…補正量演算部，９０…噴射制御部，９１…噴射開始タイミング演算部，９２…タイミング判定部

Claims (2)

1. クランク角を検出するクランク角検出手段と、
   検出されたクランク角が予め定められた噴射開始角に到達したタイミングで、インジェクタからの筒内への燃料噴射を開始させる噴射制御手段と、
   目標燃焼重心と実燃焼重心の差分値から噴射開始角の補正量を取得する補正量取得手段と、
   前記噴射開始角の補正量に基づいて前記噴射開始角を補正する補正手段とを備える、
   内燃機関の燃焼制御装置。
2. 前記補正量取得手段は、前記目標燃焼重心と前記実燃焼重心の差分値に定数が乗算された値を、前記噴射開始角の補正量として取得する、
   請求項１に記載の内燃機関の燃焼制御装置。

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