JP4191197B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は内燃機関の制御装置に関し、特に使用中の燃料の燃料性状（セタン価）を推定する機能を有するものに関する。

特許文献１には、予混合燃焼を行う圧縮着火内燃機関の制御装置が示されている。この装置によれば、予混合燃焼中に燃料の実着火時期を検出し、予め設定された標準燃料着火時期との差である着火時期誤差及び該着火時期誤差のばらつきに応じて、使用中の燃料の性状が判定される。

特開２００５−１７１８１８号公報

上記従来手法によって、燃料性状を判定する場合、機関温度がある程度安定化していないと、検出される実着火時期が変動して判定精度が低下する。機関の冷間始動直後においては、機関温度が上昇して機関冷却水温が通常の目標温度に達して安定化するまでに３０分程度の時間を要するため、燃料性状判定を実行できない。そのため、例えば給油直後などにおいて燃料性状判定を実行するまでの時間が長くなって、燃料性状に適した燃料噴射制御を行うことができず、一時的に燃焼状態が不安定化したり、粒子状物質の排出量が増加する可能性があった。

本発明はこの点に着目してなされたものであり、機関の冷間始動直後において迅速に燃料性状判定を実行することができる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射手段（６）を備える内燃機関の制御装置において、前記機関の温度を代表する温度パラメータ（ＴＷ）の値を目標温度（ＴＷＯＢＪ）と一致させるように、前記機関の温度を制御する温度制御手段と、前記燃料噴射手段（６）により噴射された燃料の着火時期（ＣＡＦＭ）を検出する着火時期検出手段と、検出される着火時期（ＣＡＦＭ）に応じて使用中の燃料のセタン価（ＣＥＴ）を推定するセタン価推定手段とを備え、前記セタン価推定手段は、前記温度パラメータ（ＴＷ）の値が所定温度（ＴＷＴＨ）以下であるときは、前記目標温度（ＴＷＯＢＪ）を変更することを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、機関の温度を代表する温度パラメータの値が目標温度と一致させるように、機関の温度が制御されるとともに、燃料噴射手段により噴射された燃料の着火時期が検出され、検出された着火時期に応じて使用中の燃料のセタン価が推定される一方、温度パラメータの値が所定温度以下であるときは、温度パラメータの目標温度が変更される。機関の冷間始動時は、目標温度が高いほど、温度パラメータの値がその目標温度で安定するまでに要する温度安定化時間が長くなる。したがって、目標温度がより低い値に変更することにより、温度安定化時間を短縮し、セタン価推定をより迅速に行うことができる。その結果、一時的な燃焼状態の不安定化、あるいは粒子状物質排出量の増加を防止することができる。

以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１、図２及び図３は本発明の一実施形態にかかる内燃機関と、その制御装置の構成を示す図である。以下これらの図を合わせて参照して説明する。内燃機関（以下「エンジン」という）１は、シリンダ内に燃料を直接噴射するディーゼルエンジンであり、各気筒に燃料噴射弁６が設けられている。燃料噴射弁６は、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）４に電気的に接続されており、燃料噴射弁６の開弁時期及び開弁時間は、ＥＣＵ４により制御される。

エンジン１は、吸気管７，排気管８、及びターボチャージャ９を備えている。ターボチャージャ９は、排気の運動エネルギにより回転駆動されるタービンと、タービンとシャフトを介して連結されたコンプレッサとを備えている。ターボチャージャ９は、エンジン１に吸入される空気の加圧（圧縮）を行う。

吸気管７のコンプレッサ下流側にはインタークーラ２１が設けられ、さらにインタークーラ２１の下流側には、スロットル弁２２が設けられている。スロットル弁２２は、アクチュエータ２３により開閉駆動可能に構成されており、アクチュエータ２３はＥＣＵ４に接続されている。ＥＣＵ４は、アクチュエータ２３を介して、スロットル弁２２の開度制御を行う。

排気管８と吸気管７との間には、排気ガスを吸気管７に還流する排気還流通路２５が設けられている。排気還流通路２５には、排気還流量を制御するための排気還流弁（以下［ＥＧＲ弁」という）２６が設けられている。ＥＧＲ弁２６は、ソレノイドを有する電磁弁であり、その弁開度はＥＣＵ４により制御される。ＥＧＲ弁２６には、その弁開度（弁リフト量）ＬＡＣＴを検出するリフトセンサ２７が設けられており、その検出信号はＥＣＵ４に供給される。排気還流通路２５及びＥＧＲ弁２６より、排気還流機構が構成される。

吸気管７には、吸入空気量ＧＡを検出する吸入空気量センサ３１、コンプレッサの下流側の吸気圧（過給圧）ＰＢを検出する過給圧センサ３２、及び吸気圧ＰＩを検出する吸気圧センサ３３が設けられ、排気管８には排気温ＴＥを検出する排気温センサ３４が設けられている。これらのセンサ３１〜３４は、ＥＣＵ４と接続されており、センサ３１〜３４の検出信号は、ＥＣＵ４に供給される。

排気管８の、タービンの下流側には、排気ガス中に含まれる炭化水素などの酸化を促進する触媒コンバータ２８と、粒子状物質（主としてすすからなる）を捕集する粒子状物質フィルタ２９とが設けられている。
エンジン１の各気筒には、筒内圧（燃焼圧力）を検出する筒内圧センサ２が設けられている。本実施形態では、筒内圧センサ２は、各気筒に設けられるグロープラグと一体に構成されている。筒内圧センサ２の検出信号は、ＥＣＵ４に供給される。なお、筒内圧センサ２の検出信号は、実際には、筒内圧ＰＣＹＬのクランク角度（時間）に対する微分信号に相当するものであり、筒内圧ＰＣＹＬは、筒内圧センサ出力を積分することにより得られる。

またエンジン１には、クランク軸（図示せず）の回転角度を検出するクランク角度位置センサ３が設けられている。クランク角度位置センサ３は、クランク角１度毎にパルスを発生し、そのパルス信号はＥＣＵ４に供給される。クランク角度位置センサ３は、さらに特定気筒の所定クランク角度位置で気筒識別パルスを生成して、ＥＣＵ４に供給する。

ＥＣＵ４には、エンジン１により駆動される車両のアクセルペダルの操作量ＡＰを検出するアクセルセンサ３５、エンジン１の冷却水温ＴＷを検出する冷却水温センサ３６、エンジン１の潤滑油の温度ＴＯＩＬを検出する油温センサ３７、排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサ（図示せず）、及びエンジン１の吸気温ＴＡを検出する吸気温センサ（図示せず）がなど接続されており、これらのセンサの検出信号がＥＣＵ４に供給される。

エンジン１本体の冷却水通路（図示せず）は、冷却水通路４２及び４３により、ラジエータ４１に接続されており、水ポンプ（図示せず）によりエンジン本体とラジエータ４１との間で冷却水が循環するように構成されている。冷却水通路４３の途中には冷却水温に応じて通路４３を開閉するサーモスタット４４が設けられている。サーモスタット４４は、バイメタルを用いた温度感応型開閉弁であり、冷却水温が低いエンジン始動時は閉弁して冷却水がエンジン１とラジエータ４１との間を循環しないようにする一方、冷却水温が上昇すると開弁して冷却水を循環させ、冷却水温を低下させるように動作する。ラジエータ４１の近傍にはラジエータファン４５が設けられており、ラジエータファン４５の動作はＥＣＵ４により制御される。具体的には、検出されるエンジン冷却水温ＴＷが目標水温ＴＯＢＪと一致するように、ラジエータファン４５のモータに印加する電圧ＶＲＦＭが制御される。ラジエータ４１、冷却水通路４２、４３、サーモスタット４４、エンジン本体に設けられた冷却水通路、水ポンプなどによってエンジン１の冷却系が構成される。

ＥＣＵ４は、エンジン１の各気筒の燃焼室に設けられた燃料噴射弁６の制御信号を駆動回路５に供給する。駆動回路５は、燃料噴射弁６に接続されており、ＥＣＵ４から供給される制御信号に応じた駆動信号を、燃料噴射弁６に供給する。これにより、ＥＣＵ４から出力される制御信号に応じた燃料噴射時期において、前記制御信号に応じた燃料噴射量だけ燃料が、各気筒の燃焼室内に噴射される。ＥＣＵ４は、通常は１つの気筒についてパイロット噴射及び主噴射を実行する。

ＥＣＵ４は、増幅器１０と、Ａ／Ｄ変換部１１と、パルス生成部１３と、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１４と、ＣＰＵ１４で実行されるプログラムを格納するＲＯＭ（Read Only Memory）１５と、ＣＰＵ１４が演算結果などを格納するＲＡＭ（Random Access Memory）１６と、入力回路１７と、出力回路１８とを備えている。筒内圧センサ２の検出信号は、増幅器１０に入力される。増幅器１０は、入力される信号を増幅する。増幅器１０により増幅された信号は、Ａ／Ｄ変換部１１に入力される。また、クランク角度位置センサ３から出力されるパルス信号は、パルス生成部１３に入力される。

Ａ／Ｄ変換部１１は、バッファ１２を備えており、増幅器１０から入力される筒内圧センサ出力をディジタル値（以下「圧力変化率」という）ｄｐ／ｄθに変換し、バッファ１２に格納する。より具体的には、Ａ／Ｄ変換部１１には、パルス生成部１３から、クランク角１度周期のパルス信号（以下「１度パルス」という）ＰＬＳ１が供給されており、この１度パルスＰＬＳ１の周期で筒内圧センサ出力をサンプリングし、ディジタル値に変換してバッファ１２に格納する。

一方、ＣＰＵ１４には、パルス生成部１３から、クランク角６度周期のパルス信号ＰＬＳ６が供給されており、ＣＰＵ１４はこの６度パルスＰＬＳ６の周期でバッファ１２に格納されたディジタル値を読み出す処理を行う。すなわち、本実施形態では、Ａ／Ｄ変換部１１からＣＰＵ１４に対して割り込み要求を行うのではなく、ＣＰＵ１４が６度パルスＰＬＳ６の周期で読出処理を行う。

入力回路１７は、各種センサの検出信号をディジタル値に変換し、ＣＰＵ１４に供給する。なお、エンジン回転数ＮＥは、６度パルスＰＬＳの周期から算出される。またエンジン１の要求トルクＴＲＱは、アクセルペダル操作量ＡＰに応じて算出される。

ＣＰＵ１４は、エンジン運転状態に応じてスロットル弁２２、ＥＧＲ弁２６などを制御する制御信号を、出力回路１８を介して出力する。さらにＣＰＵ１４は、以下に説明するようにラジエータファン４５の駆動制御を行うとともに、使用中の燃料のセタン価を推定する処理を実行し、推定したセタン価に応じた燃料噴射制御を行う。

図４は、ＣＰＵ１４によるラジエータファン制御の手順を示すフローチャートである。この処理は例えば所定時間毎に実行される。
ステップＳ１では、下記式（１）により、検出されるエンジン冷却水温ＴＷと、目標水温ＴＷＯＢＪとの温度偏差ＤＴＷを算出する。
ＤＴＷ＝ＴＷＯＢＪ−ＴＷ （１）

目標水温ＴＷＯＢＪは、通常は第１所定水温ＴＷＯＢＪ１（例えば９５℃）に設定されるが、後述するセタン価推定をエンジン１の冷間始動直後に実行するときは、第２所定水温ＴＷＯＢＪ２（例えば８５℃）に変更される。

ステップＳ２では、温度偏差ＤＴＷが「０」となるように、ＰＩ（比例積分）制御により、ラジエータファン４５の駆動電圧ＶＲＦＭが算出される。
したがって、ラジエータファン４５は、温度偏差ＤＴＷが「０」となるように、回転駆動される。その結果エンジン１の温度が、目標水温ＴＷＯＢＪに対応する目標温度に制御される。

図５は、エンジン１の冷間始動直後のエンジン冷却水温ＴＷの推移を示す図であり、目標水温ＴＷＯＢＪが第１所定水温ＴＷＯＢＪ１であるときは、実線で示すように推移し、目標水温ＴＷＯＢＪが第２所定水温ＴＷＯＢＪ２であるときは、破線で示すように推移する。なお、ＴＷＴＨＯＰＮは、サーモスタット４４が開く開弁温度であり、例えば８０℃程度に設定される。サーモスタット４４が開いた直後は、エンジン冷却水温ＴＷが開弁温度ＴＷＴＨＯＰＮより若干高い温度にしばらく留まる。

目標水温ＴＷＯＢＪが第１所定水温ＴＷＯＢＪ１であるときは、エンジン冷却水温ＴＷが第１所定水温ＴＷＯＢＪ１に達するのは、始動時点から約３０分経過した時刻ｔ３であるが、目標水温ＴＷＯＢＪが第２所定水温ＴＷＯＢＪ２であるときは、始動時点から約２０分経過した時刻ｔ２にエンジン冷却水温ＴＷが目標水温ＴＷＯＢＪに達し、その目標水温ＴＷＯＢＪ近傍の温度に維持される。すなわち、目標水温ＴＷＯＢＪを下げることにより、エンジン冷却水温ＴＷ、ひいてはエンジン温度を早期に安定化することができる。

図６は、ＣＰＵ１４によるセタン価推定処理の手順を示すフローチャートである。ステップＳ１１では、エンジン１がアイドル状態にあるか否かを判別し、その答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、セタン価推定を安定して実行するための所定実行条件が成立するか否かを判別する。この所定実行条件は、例えば排気温ＴＥが所定温度ＴＥ０（例えば約９０℃）以上であり、かつエンジン１の暖機状態を示す冷却水温ＴＷまたは油温ＴＯＩＬが所定温度ＴＷＵＰ（例えば８０℃）以上であるとき成立する。

ステップＳ１１またはＳ１２の答が否定（ＮＯ）であるときは、目標水温ＴＷを第１所定水温ＴＷＯＢＪ１に設定し（ステップＳ１３）、セタン価推定を行うことなく直ちに本処理を終了する。ステップＳ１２で所定実行条件が成立するときは、エンジン冷却水温ＴＷが所定閾値ＴＷＴＨ（例えば９０℃）より高いか否かを判別する（ステップＳ１４）。この答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、直ちにステップＳ１６に進む。一方、ステップＳ１４でＴＷ≦ＴＷＴＨであるときは、目標水温ＴＷを第２所定水温ＴＷＯＢＪ２に設定し（ステップＳ１５）、ステップＳ１６に進む。

ステップＳ１６では、エンジン冷却水温ＴＷが目標水温ＴＷＯＢＪから許容偏差ΔＴＷ（例えば２度）を減算した温度以上であるか否かを判別する。その答が否定（ＮＯ）であるときは、エンジン冷却水温ＴＷ（エンジン温度）がまだ安定化していないと判定して、直ちに本処理を終了する。

ステップＳ１６で、ＴＷ≧（ＴＷＯＢＪ−ΔＴＷ）であるときは、セタン価推定を実行すべくステップＳ１７に進み、パイロット噴射を停止し、シングル噴射とする。すなわち、１気筒１サイクル当たりの燃料噴射回数ＮＩＮＪを１回とする。さらに主噴射時期を通常より進角方向に変更する（ステップＳ１８）。このように燃料噴射をシングル噴射として、燃料噴射時期を通常より進角させることにより、予混合燃焼が行われ、セタン価の違いによる着火時期の差を検出し易くすることができる。

ステップＳ１９では、エンジン回転数ＮＥ及び要求トルクＴＲＱに応じてＣＡＦＭＭマップ（図示せず）を検索し、基準着火時期ＣＡＦＭＭを算出する。ＣＡＦＭＭマップは、例えば平均的なセタン価（例えば４６）の燃料を基準として設定されている。ステップＳ２０では、基準着火時期ＣＡＦＭＭから実着火時期ＣＡＦＭを減算することにより、着火遅れ角ＤＣＡを算出する。

図７は、実着火時期ＣＡＦＭを算出（検出）する着火時期算出モジュールの構成を示すブロック図である。着火時期算出モジュールの機能は、ＣＰＵ１４による演算処理により実現される。着火時期算出モジュールは、バンドパスフィルタ部７１と、位相遅れ補正部７２と、着火時期判定部７３とからなる。バンドパスフィルタ部７１には、筒内圧センサ２から出力される圧力変化率ｄｐ／ｄθが入力される。図８に示す波形Ｗ１が入力波形を示し、波形Ｗ２が出力波形を示す。バンドパスフィルタ部７１では、位相遅れが発生するため、位相遅れ補正部７２では、この遅れを補正する。

着火時期判定部７３は、燃料噴射に対応して、圧力変化率ｄｐ／ｄθがピーク値を示すクランク角度位置を実着火時期ＣＡＦＭとを判定する。具体的には、図９（ｂ）に示すように、位相遅れ補正部７２から出力される圧力変化率ｄｐ／ｄθが検出閾値ＤＰＰを超えたクランク角を、実着火時期ＣＡＦＭと判定する。

図９（ａ）には、クランク角ＣＡＩＭから開始される噴射パルスＩＮＪＭが示されており、同図（ｂ）には実着火時期ＣＡＦＭを検出する角度範囲ＲＤＥＴ（例えば１０度）が示されている。このように、検出角度範囲ＲＤＥＴを比較的狭い範囲に限定することにより、ＣＰＵ１４の演算負荷を増大させることなく、着火時期を正確に判定することができる。

図６に戻り、ステップＳ２０では、着火遅れ角ＤＣＡをエンジン回転数ＮＥを用いて、着火遅れ時間ＴＤＦＭに変換し、着火遅れ時間ＴＤＦＭに応じて図１０に示すＣＥＴテーブルを検索し、セタン価ＣＥＴを算出する。

図６の処理によれば、アイドル運転状態において、所定実行条件が成立するときは、燃料噴射がシングル噴射に変更されるとともに、燃料噴射時期が進角方向に変更されるので、アイドル運転状態においてもセタン価の推定が可能となり、使用中の燃料のセタン価を迅速かつ正確に判定することができる。

さらにエンジン冷却水温ＴＷが所定閾値ＴＷＴＨ以下であって、エンジン１の冷間始動直後であるときは、目標水温ＴＷＯＢＪを第２所定水温ＴＷＯＢＪ２に変更するようにしたので、図５に示すようにエンジン冷却水温ＴＷが、目標水温ＴＷＯＢＪに達し、安定化するまでの時間（温度安定化時間）を短縮し、セタン価推定をより迅速に行うことができる。その結果、燃焼状態の不安定化、あるいは粒子状物質排出量の増加を防止することができる。

燃料噴射を主噴射のみ（シングル噴射）とし、かつ噴射時期を進角させることにより、セタン価の違いによる着火時期の差がより顕著となり、セタン価ＣＥＴの算出精度を向上させることができる。
またシングル噴射を行う場合、複数回の噴射を行う場合に比べて排気中の炭化水素（ＨＣ）量が増加する傾向があり、ＥＧＲ弁２６の固着や触媒コンバータ２８の詰まりなどが起きやすくなるが、図６の処理において、排気温ＴＥが所定温度ＴＥ０以上であることを所定実行条件に含めることにより、そのような不具合を回避することができる。

本実施形態では、燃料噴射弁６が燃料噴射手段に相当し、冷却水温センサ３６、ラジエータ４１，ラジエータファン４５などからなるエンジン冷却系及びＥＣＵ４が温度制御手段を構成し、筒内圧センサ２及びＥＣＵ４が着火時期検出手段を構成し、ＥＣＵ４がセタン価推定手段を構成する。具体的には、図４の処理が温度制御手段の一部に相当し、図６の処理がセタン価推定手段に相当する。

（変形例１）
図１１は、上述した図６の処理の変形例を示すフローチャートである。この処理では、ステップＳ１８とＳ１９の間にステップＳ３１が追加されており、ステップＳ３１では、他の運転パラメータの変更を行う。具体的には、下記１）〜３）の処理のいずれか１つ、いずれか２つまたは３つ全部を実行する：
１）アイドル運転状態における目標エンジン回転数を例えば１００ｒｐｍ程度低下させる、
２）スロットル弁２２を閉弁方向に制御し、吸入空気量を減少させる、
３）ＥＧＲ弁２６を閉弁する。

これらの運転パラメータに変更により、セタン価の違いによる実着火時期ＣＡＦＭの差が大きくなり、セタン価の推定精度を向上させることができる。
上記２）の処理を実行するときは、検出される吸入空気量ＧＡが所望の値となるようにスロットル弁２２を閉弁するか、あるいはスロットル弁開度ＴＨを検出し、検出したスロットル弁開度が所定開度となるようにスロットル弁２２を閉弁する。

吸入空気量ＧＡを減少させることにより、着火時期の差を増加させることができる。またＥＧＲ弁２６を閉弁し、排気還流を停止することにより、空燃比の誤差によるセタン価推定精度の低下が回避され、推定精度を向上させることができる。

（変形例２）
ステップＳ１２における所定実行条件に、給油直後であることを追加するようにしてもよい。すなわち、給油直後でなければ、セタン価推定を実行せず、給油直後においてのみセタン価推定を実行するようにしてもよい。給油直後であることは、燃料メータの増加、またはフィラーキャップの開閉、及びエンジンスイッチのオフからオンへの変化に基づいて判定される。

なお、排気温ＴＥ，冷却水温ＴＷまたは油温ＴＯＩＬの条件を上記所定実行条件から除き、給油直後であることのみを所定実行条件としてもよい。

（変形例３）
スロットル弁２２を備えていないエンジンの場合には、変形例１におけるスロットル弁２２による吸入空気量の減量を行うことができないので、ステップＳ３１では、下記１）、２）のいずれか一方または両方を実行する：
１）アイドル運転状態における目標エンジン回転数を例えば１００ｒｐｍ程度低下させる、
２）ＥＧＲ弁２６を開弁方向に制御し、吸入空気量ＧＡを減少させる。

（変形例４）
上述した実施形態では、実着火時期ＣＡＦＭは、筒内圧センサ２により検出される圧力変化率ｄｐ／ｄθが検出閾値ＤＰＰを超えた時点として検出するようにしたが、これに限るものではなく、熱発生率の５０％位置を着火時期として判定するようにしてもよい。

さらに本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進機用エンジンなどの制御にも適用が可能である。

本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。 図１に示す内燃機関の冷却系の構成を示す図である。 図１に示す制御装置の一部の構成をより具体的に示す図である。 内燃機関の温度制御を行う処理のフローチャートである。 内燃機関の冷間始動直後における機関冷却水温（ＴＷ）の推移を示すタイムチャートである。 使用中の燃料のセタン価を推定する処理の手順を示すフローチャートである。 着火時期算出モジュールの構成を示すブロック図である。 筒内圧センサ出力のバンドパスフィルタ処理を説明するためのタイムチャートである。 着火時期の検出手法を説明するためのタイムチャートである。 着火遅れ時間（ＴＤＦＭ）からセタン価（ＣＥＴ）を算出するためのテーブルを示す図である。 図６に示す処理の変形例を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 筒内圧センサ（着火時期検出手段）
４ 電子制御ユニット（温度制御手段、着火時期検出手段、セタン価推定手段）
６ 燃料噴射弁（燃料噴射手段）
３６ 冷却水温センサ（温度制御手段）
４１ ラジエータ（温度制御手段）
４２，４３ 冷却水通路（温度制御手段）
４４ サーモスタット（温度制御手段）
４５ ラジエータファン（温度制御手段）

Claims (1)

1. 内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射手段を備える内燃機関の制御装置において、
   前記機関の温度を代表する温度パラメータの値を目標温度と一致させるように、前記機関の温度を制御する温度制御手段と、
   前記燃料噴射手段により噴射された燃料の着火時期を検出する着火時期検出手段と、
   検出される着火時期に応じて使用中の燃料のセタン価を推定するセタン価推定手段とを備え、
   前記セタン価推定手段は、前記温度パラメータの値が所定温度以下であるときは、前記目標温度を変更することを特徴とする内燃機関の制御装置。

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