JP5979126B2 - 機関制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、EGR装置を有する内燃機関に適用され、前記機関における燃料の燃焼状態を制御する機関制御装置に関する。
一般に、ディーゼルエンジン等の内燃機関(以下、「機関」とも称呼される。)の運転時、混合気の燃焼によって生じるエネルギーの全てがクランクシャフトを回転させる仕事に変換されることはなく、損失が必然的に発生する。この損失には、機関本体及び冷却水の温度上昇に転換される冷却損失、排ガスによって大気中に放出される排気損失、吸気及び排気のときに発生するポンプ損失、及び、機械抵抗損失等がある。このうち、冷却損失及び排気損失は、損失全体に対して大きな割合を占める。従って、機関の燃料消費率を改善させるためには冷却損失及び排気損失を減少させることが有効である。
しかし、一般に、冷却損失と排気損失とはトレードオフの関係にあって、冷却損失と排気損失とを同時に低減することは困難な場合が多い。例えば、機関が過給機を備えている場合、過給圧を上げるに従い排ガスに含まれるエネルギーが有効に利用されるので、排気損失が低下する。ところが、実質的な圧縮率の向上によって燃焼温度が上昇するので、冷却損失が増加し、場合によってはこれら損失の合計量が増加してしまうことがある。
損失の合計量を低下させるため、機関に供給(噴射)される燃料の燃焼状態(以下、単に「機関の燃焼状態」とも称呼される。)を制御する制御装置は、上記の過給圧に加え、燃料噴射量及び噴射時期、並びに、EGRガスの量等の燃焼状態を変更する各種パラメータを機関の運転状態(回転速度及び出力等)に応じて最適に制御する必要がある。前記燃焼状態を変更するパラメータ(即ち、前記燃焼状態に影響を及ぼすパラメータ)は、単に「燃焼パラメータ」とも称呼される。しかし、複数の燃焼パラメータが各運転状態において最適な値となるように予め実験等によって求めておくことは困難であり、これらを決定するためには膨大な実験を行なう必要がある。そのため、燃焼パラメータを体系的に決定する手法が開発されてきた。
例えば、従来の内燃機関の燃焼制御装置の一つ(以下、「従来装置」とも称呼される。)は、「燃焼行程中に発生する総熱量のうち、その半分の熱量が発生した時点のクランク角度(以下、「燃焼重心角度」とも称呼される。)」を算出する。更に、従来装置は、その燃焼重心角度と所定の基準値とが乖離している場合、燃料噴射時期を補正することによって、或いは、EGR率(EGRガスの量)を調整して燃焼室内(気筒内)の酸素濃度を調節することによって、燃焼重心角度を基準値と一致させている(例えば、特許文献1を参照。)。
特開2011−202629号公報
ところで、例えばディーゼル機関においては、1つのサイクルの燃焼に対して燃料を複数回噴射する多段噴射が行われる場合がある。より具体的に述べると、ディーゼル機関においては、主噴射(メイン噴射)に先立ちパイロット噴射が行われる場合がある。この場合のクランク角度と熱発生率(単位クランク角度あたりに燃焼により発生する熱の量)との関係は、例えば、図17(A)の曲線CL1により示された波形により表される。この波形は以下「燃焼波形」とも称呼する。図17の(A)に示された波形は、クランク角度θ1にて開始されるパイロット噴射により極大値Lpをとり、クランク角度θ2にて開始される主噴射により極大値Lmをとっている。
更に、図17(B)は、クランク角度と、「曲線CL1により示される燃焼によって発生した熱量の積算値の、総発生熱量に対する比率(発熱量比率)」と、の関係を示している。図17(B)に示したように、前述した燃焼重心角度(発熱量比率が50%となるクランク角度)はクランク角度θ3である。
これに対し、図18(A)に曲線CL2により示したように、パイロット噴射の開始時期のみをクランク角度θ1からクランク角度θ0へとΔθだけ進角側に移動させた場合、パイロット噴射の燃料の燃焼によって発熱が始まるクランク角度(発熱開始角度)はΔθだけ進角側に移動する。しかし、図17(A)及び図18(A)に示した燃焼においては、燃焼重心角度は主噴射の燃料の燃焼が開始された後(クランク角度θ2以後)であるから、曲線CL2に示される燃焼の発熱量比率を示した図18(B)から理解されるように、燃焼重心角度はクランク角度θ3のままであり、変化しない。即ち、パイロット噴射時期が進角側に移動することによって燃焼波形が変化しても、燃焼重心角度が変化しない場合がある。換言すれば、燃焼重心角度は必ずしも各サイクルの燃焼の態様を正確に反映する指標とはいえない。
実際に、発明者は、燃焼重心角度と、「燃料消費率が最も低くなる燃焼重心角度(最良燃費点)における燃料消費率に対する任意の燃焼重心角度の燃料消費率の比である燃費悪化率」との関係を、種々の機関回転速度に対して測定した。その測定結果を図19に示す。図19の曲線Hb1乃至曲線Hb3は、それぞれ低回転速度且つ低負荷、中回転速度且つ中負荷、及び、高回転速度且つ高負荷の場合の測定結果である。図19から理解されるように、発明者は、機関回転速度及び負荷が相違すると、燃費悪化率が最小となる燃焼重心角度も相違するとの知見を得た。換言すると、燃焼重心角度が一定の基準値に一致するように燃焼状態が制御されたとしても、機関回転速度及び負荷が相違すれば燃費悪化率が最小にならないことが判明した。
そこで、発明者は、燃焼状態を表す指標値として、従来の燃焼重心角度の代わりに「熱発生率重心位置」に着目した。この熱発生率重心位置は、以下に述べるように種々の手法により定義される。熱発生率重心位置はクランク角度で表される。
(定義1)前記熱発生率重心位置は、各サイクルにおけるクランク角度を一つの軸に設定し且つ熱発生率を前記一つの軸に直交する他の軸に設定したグラフに対して前記熱発生率が描かれた波形と、前記一つの軸と、により囲まれる領域の幾何学的重心に対応するクランク角度である。
(定義2)前記熱発生率重心位置は、特定クランク角度よりも進角側の任意のクランク角度と同特定クランク角度とのクランク角度差分と、同任意のクランク角度における熱発生率と、の積をクランク角度について積分して得られる値と、
前記特定クランク角度よりも遅角側の任意のクランク角度と同特定クランク角度とのクランク角度差分と、同任意のクランク角度における熱発生率と、の積をクランク角度について積分して得られる値と、
が等しくなるときの前記特定クランク角度である。
換言すれば、前記熱発生率重心位置Gcは、各サイクルにおいて、前記燃料の燃焼が始まるクランク角度をCAsにて表し、前記燃焼が終わるクランク角度をCAeにて表し、任意のクランク角度をθにて表し、且つ、前記クランク角度θにおける熱発生率をdQ(θ)にて表すとき、下式(1)が成立するときのクランク角度である。ここで、クランク角度θは、圧縮上死点後の角度で表され、クランク角度が圧縮上死点よりも進角側にあるとき、クランク角度θは負の値となる。
Figure 0005979126
(定義3)上記式(1)を整理すると下式(2)が得られる。よって、定義2について別の言い方をすると、前記熱発生率重心位置Gcは、各サイクルにおける任意のクランク角度から特定クランク角度を減じて得られる値と、前記任意のクランク角度における熱発生率と、の積に対応した値を、前記クランク角度について積分して得られる値が「0」となる前記特定クランク角度である。
Figure 0005979126
(定義4)前記熱発生率重心位置は、各サイクルにおいて、前記燃料の燃焼が始まるクランク角度をCAsにて表し、前記燃焼が終わるクランク角度をCAeにて表し、任意のクランク角度をθにて表し、かつ、前記クランク角度θにおける熱発生率をdQ(θ)にて表すとき、下式:
Figure 0005979126
に基づく演算により取得される値Gcである。
(定義5)上記の定義4は以下のように捉えることも可能である。即ち、前記熱発生率重心位置は、任意のクランク角度と燃焼開始クランク角度との差と、同任意のクランク角度における熱発生率と、の積をクランク角度について積分して得られる値を、クランク角度に対する熱発生率の波形によって画定される領域の面積で割って得られる値に、同燃焼開始クランク角度を加えた値である。
この熱発生率重心位置は、例えば、図1(A)に示した例においては曲線C1とクランク角度を示す横軸とに囲まれた領域A1の幾何学的重心Gに対応するクランク角度θ3である。加えて、図1(B)に示したように、パイロット噴射の開始時期がクランク角度θ1からΔθpだけ進角側へ移動されてクランク角度θ0に設定されると、熱発生率重心位置Gcは、それに伴ってクランク角度Δθgだけ進角側へと移動してクランク角度θ3’となる。このように、熱発生率重心位置は、従来の燃焼状態の指標値である燃焼重心角度に比較して、パイロット噴射による熱発生をも含めた燃焼状態をより正確に反映する指標であるといえる。
熱発生率重心位置を進角側又は遅角側に移動させるための手段(即ち、前記燃焼パラメータ)は種々存在する。例えば、以下の動作の少なくとも一つを実行することによって熱発生率重心位置を進角させることができる。
(1a)主噴射の時期を進角側に移動させる動作
(2a)燃料噴射圧を増加させる動作
(3a)パイロット噴射の1回の噴射量を増加させる動作
(4a)パイロット噴射により気筒に供給される燃料の燃焼により発生する熱に基づいて定まる同パイロット噴射についての熱発生率重心位置を進角側へ移動させる動作
(5a)過給圧を増加させる動作
(6a)EGRガスの量(EGR率)を低下させる動作
一方、以下の動作の少なくとも一つを実行することによって熱発生率重心位置を遅角させることができる。
(1b)主噴射の時期を遅角側に移動させる動作
(2b)燃料噴射圧を低下させる動作
(3b)パイロット噴射の1回の噴射量を低下させる動作
(4b)前記パイロット噴射についての熱発生率重心位置を遅角側へ移動させる動作
(5b)過給圧を低下させる動作
(6b)EGRガスの量を増加させる動作
更に、発明者は、「熱発生率重心位置と燃費悪化率との関係」を種々の「機関の負荷(要求トルク)及び機関回転速度」の組合せについて測定した。その結果を図2に示す。図2の曲線Gc1乃至曲線Gc3は、それぞれ低回転速度且つ低負荷、中回転速度且つ中負荷、及び、高回転速度且つ高負荷の場合の測定結果である。図2から理解されるように、機関回転速度及び機関の負荷が相違した場合であっても、燃費悪化率が最小となる熱発生率重心位置は特定(一定)のクランク角度θa(図2の例においては圧縮上死点後7°)であった。換言すると、図17に示した燃焼重心角度とは異なり、熱発生率重心位置がクランク角度θaの近傍にある限り、機関の負荷及び/又は機関回転速度が変化しても燃費悪化率は最小値に近い略一定の値となることが判明した。
これらから、発明者は、熱発生率重心位置は燃焼状態を良好に示す指標値であり、従って、熱発生率重心位置を機関の負荷(及び/又は機関回転速度)に依らず所定の一定値(例えば、上記クランク角度θa近傍の基準クランク角度)に維持することにより機関の燃焼状態を特定の状態に維持でき且つ燃費(燃料消費率)を改善できるとの知見を得た。そこで、発明者は、熱発生率重心位置を、機関の負荷(及び/又は機関回転速度)に依らず一定のクランク角度(基準クランク角度)に維持する機関制御装置を検討している。ところが、機関がEGR装置を備える場合に熱発生率重心位置を一定クランク角度に維持する制御(以下、「熱発生率重心位置制御」又は「重心位置制御」と称呼する。)を行うと、燃焼騒音が大きくなる場合があることが判明した。以下、その理由について説明する。
周知なように、EGR装置は、排ガスの一部をEGRガスとして気筒に還流させることによって、燃料が燃焼するときの気筒内の最大温度を低下させ、以て、排ガス中のNOx濃度を低下させる装置である。
ところが、EGRが実行されると、EGRガスの存在によって気筒内の酸素濃度が低下するので、燃料が噴射されてから着火するまでの時間が、EGRガスが存在しない場合と比較して長くなり得る。燃料が噴射されてから着火するまでの時間を「着火遅れ」とも称呼する。即ち、気筒内にEGRガスが存在することによって着火遅れが長くなり得る。
更に、着火遅れは、燃料噴射量が少ないほど長くなり得る。例えば、機関の負荷が低いとき、負荷が高いときと比較して気筒内に噴射される燃料の量は少なくなるので着火遅れが長くなり得る。一方、機関の回転速度が低いとき、回転速度が高いときと比較して気筒内に吸入される空気の量が少なくなるので着火遅れが長くなり得る。加えて、機関が過給機を備えていても、機関の負荷が低いとき又は機関の回転速度が低いときは過給機のタービン及びコンプレッサの回転速度が低いので、負荷が高いとき又は回転速度が高いときと比較して着火遅れが長くなり得る。即ち、気筒内にEGRガスが存在し、加えて、機関の運転状態が低負荷又は低回転速度であるとき、着火遅れが長くなる可能性が高くなる。
着火遅れが短ければ、燃料噴射弁から噴射される燃料は速やかに着火して燃焼を開始する。その後更に燃料噴射弁から噴射される燃料は、既に燃焼を開始している燃料を着火源として順次燃焼を開始する。
これに対し、着火遅れが長いと、燃料噴射弁から噴射される燃料は、直ぐには着火せずに気筒内に拡散して空気と混ざり合う。その後、着火が発生したとき、既に空気と混ざり合っていた燃料は一気に燃焼する。その結果、気筒内の圧力(即ち、筒内圧)が急激に上昇するので、燃焼騒音が増加する。
より具体的に述べると、燃焼騒音の音量は、単位時間あたりの筒内圧の増加量に相関を有する。着火遅れが長くなれば、気筒内の燃料が一気に燃焼することによって筒内圧が急激に上昇するので、燃焼が開始するときの単位時間あたりの筒内圧の上昇量が大きくなる。その結果、着火遅れが短い場合と比較して燃焼騒音が大きくなる。
このように、EGR装置を有する機関に対し重心位置制御を行うと、特に、機関の負荷又は機関回転速度が低い場合に燃焼騒音が比較的大きくなり、例えば、機関が車両に搭載された場合、その車両の運転者がその騒音を不快に感じるという問題がある。
そこで、本発明の目的の一つは、EGR装置を有する機関の制御装置であって、重心位置制御による燃費の改善と燃焼騒音の低減とを実現することができる制御装置を提供することである。
上記目的を達成するための本発明の内燃機関の機関制御装置(以下、「本発明装置」とも称呼する。)は、EGR装置を有する内燃機関に適用される。更に、本発明装置は、前記機関の燃焼状態を制御する燃焼パラメータを設定する制御部を備える。
更に、前記制御部は、
前記機関が所定の運転状態領域にあるとき、前記燃焼状態を表す熱発生率重心位置が一定の基準クランク角度に等しくなるように前記燃焼パラメータを設定する重心位置制御を実行する。
加えて、前記制御部は、
前記EGR装置によるEGRの実行中であり、且つ、前記機関の負荷が所定の負荷閾値より低い又は前記機関の回転速度が所定の回転速度閾値よりも低い、という特定条件が成立する場合、特定制御を前記重心位置制御に代えて実行する。
ここで、前記特定制御は、前記特定条件が成立する場合における任意の運転状態での「単位時間あたりの気筒内圧力の増加量(即ち、筒内圧力増加率)」の最大値が同任意の運転状態にて前記重心位置制御を実行した場合の同気筒内圧力の増加量の最大値よりも低くなるように前記燃焼パラメータを設定する制御である。
本発明装置によれば、前述した特定条件が成立したとき、即ち、重心位置制御を行うと燃焼騒音が過大になる恐れがあるとき、筒内圧力増加率の最大値が低下させられる。その結果、特定条件が成立しない場合には重心位置制御によって燃費を改善することができ、且つ、特定条件成立が成立している場合には燃焼騒音を抑制することができる。
本発明装置の一態様において、
前記制御部は、前記気筒内に噴射された燃料が着火して燃焼を開始するのに要する時間(即ち、燃料の噴射時からその噴射された燃料が燃焼を開始するまでの時間である、着火遅れ)を短縮させる制御を前記特定制御として実行する。
この態様によれば、着火遅れが過度に長くならないので、着火開始時までに気筒内に拡散する燃焼の量を少なくすることができる。従って、着火開始時の気筒内圧力の急激な上昇を抑えることができるから、燃焼騒音を抑制することができる。
より具体的には、
前記機関は過給機を備え、
前記態様における前記制御部は、前記燃焼パラメータの一つである過給圧を増加させる制御を前記特定制御として実行する。
この態様によれば、過給圧が増加することによって、気筒内に流入する酸素の量が増加する。酸素量の増加によって気筒内の燃料が着火し易くなるので、着火遅れの増加が抑えられる。更に、過給圧が増加することによって、気筒内の圧力が上昇する。圧力の上昇によって、気筒内の温度が上昇するので、気筒内に噴射された燃焼の霧化及び気化が促進される。その結果、噴射された燃料は速やかに燃焼を開始する。そのため、着火遅れの増加が抑えられる。
本発明装置の別の態様において、
前記制御部は、主噴射の直前に実行されるパイロット噴射(具体的には、同パイロット噴射の噴射終了時期)から同主噴射(具体的には、同主噴射の噴射開始時期)までの時間を延長させる制御を前記特定制御として実行する。
この態様によれば、「パイロット噴射による燃料の燃焼によって発生する単位時間あたりの熱の量(パイロット噴射熱発生率)」が大きい期間において「主噴射による燃料の燃焼によって発生する単位時間あたりの熱の量(メイン噴射熱発生率)」が大きくなる状態が発生することを回避することができる。換言すると、パイロット噴射熱発生率とメイン噴射熱発生率との和が大きくなる期間が発生することを回避することができる。その結果、気筒内の圧力の急激な上昇を抑えることができる。
加えて、パイロット噴射によって噴射された燃料の燃焼によって、気筒内の温度が上昇してから、主噴射が開始されるので、主噴射によって噴射された燃料は速やかに燃焼を開始する。よって、主噴射によって噴射された燃料が燃焼する際の筒内圧力増加率の最大値を低下させることが可能となる。
より具体的には、
前記態様における前記制御部は、
前記燃焼パラメータの一つである前記パイロット噴射の噴射時期(同パイロット噴射の噴射終了時期)を進角させる制御、及び、
前記燃焼パラメータの一つである前記主噴射の噴射時期(同主噴射の噴射開始時期)を遅角させる制御、
の少なくとも一方を前記特定制御として実行する。
この態様によれば、パイロット噴射の噴射終了時期から主噴射の噴射開始時期までの間の時間を確実に延長させることができる。
本発明装置の別の態様において、
前記制御部は、主噴射によって噴射された燃料の燃焼開始時点での燃焼室容積増加率を大きくさせる制御を前記特定制御として実行する。
具体的には、ピストンは、圧縮行程にて上昇し、圧縮上死点に達した後、下降を開始する。ピストンの位置が圧縮上死点から圧縮上死点後90°CAに達するまでの間、ピストンの下降速度は上昇する。この間、気筒内の燃焼室容積の単位時間あたりの増加量(燃焼室容積増加率)は大きくなる。燃焼が発生するときの燃焼室容積増加率が大きいほど、燃焼によって発生した気筒内の圧力の上昇が燃焼室容積増加によって抑制される。従って、上記態様によれば、主燃焼によって噴射された燃料が燃焼する際の筒内圧力増加率の最大値を低下させることができる。
より具体的には、前記態様における前記制御部は、
前記燃焼パラメータの一つである前記主噴射の噴射時期を遅角させる制御を前記特定制御として実行する。
この態様によれば、主噴射により噴射された燃料が燃焼を開始する時点が、燃焼室容積増加率が大きい時点となるように容易に制御することができる。
本発明装置の別の態様において、
前記制御部は、主噴射によって噴射される燃料の燃焼速度を低下させる制御を前記特定制御として実行する。
この態様によれば、燃焼速度が低下することによって、熱発生率が低下する。その結果、気筒内の圧力の急激な上昇が抑えられ、以て、筒内圧力増加率の最大値を低下させることが可能となる。
より具体的には、前記態様における前記制御部は、
前記燃焼パラメータの一つである前記燃料の噴射圧力(即ち、燃料噴射圧)を低下させる制御を前記特定制御として実行する。
この態様によれば、燃料噴射圧の低下に伴って噴射される燃料の粒径が大きくなる。燃料の粒径が大きいほど燃料が霧化及び気化するのに要する時間が長くなるので、燃料の燃焼速度を低下させることが可能となる。
なお、本発明は、上記内燃機関の機関制御装置を搭載する車両にも係り、更に、上記内燃機関の機関制御装置にて使用される方法にも及ぶ。
熱発生率重心位置を説明するためのグラフである。 回転速度及び負荷の組合せ毎の熱発生率重心位置と燃費悪化率との関係を示したグラフである。 本発明の第1実施形態に係る制御装置(第1装置)が適用される内燃機関の概略構成図である。 機関の運転状態毎の燃焼騒音を示したグラフである。 機関の回転速度が高い場合の、種々の負荷に関する、筒内圧力のクランク角度に対する変化を示したグラフである。 機関の回転速度が低い場合の、種々の負荷に関する、筒内圧力のクランク角度に対する変化を示したグラフである。 第1装置が騒音増加防止制御を実行した場合と同制御を実行しない場合におけるクランク角度と筒内圧力との関係を示したグラフである。 第1装置が実行する燃焼パラメータ設定処理を示したフローチャートである。 本発明の第2実施形態に係る制御装置(第2装置)が騒音増加防止制御を実行した場合と同制御を実行しない場合におけるクランク角度と筒内圧力との関係を示したグラフである。 第2装置が実行する燃焼パラメータ設定処理を示したフローチャートである。 本発明の第3実施形態に係る制御装置(第3装置)が騒音増加防止制御を実行した場合と同制御を実行しない場合におけるクランク角度と筒内圧力との関係を示したグラフである。 第3装置が実行する燃焼パラメータ設定処理を示したフローチャートである。 本発明の第4実施形態に係る制御装置(第4装置)が騒音増加防止制御を実行した場合と同制御を実行しない場合におけるクランク角度と筒内圧力との関係を示したグラフである。 第4装置が実行する燃焼パラメータ設定処理を示したフローチャートである。 本発明の第5実施形態に係る制御装置(第5装置)が騒音増加防止制御を実行した場合と同制御を実行しない場合におけるクランク角度と筒内圧力との関係を示したグラフである。 第5装置が実行する燃焼パラメータ設定処理を示したフローチャートである。 燃焼重心角度を説明するためのグラフである。 燃焼状態が変化したときの燃焼重心角度を説明するためのグラフである。 回転速度及び負荷の組合せ毎の燃焼重心角度と燃費悪化率との関係を表したグラフである。
以下、図面を参照しながら本発明の各実施形態に係る機関制御装置について説明する。
<第1実施形態>
本発明の第1実施形態に係る機関制御装置(以下、「第1装置」とも称呼する。)は、図3に示した機関10に適用される。機関10は、多気筒(4気筒)ディーゼル機関である。機関10は、図示しない車両に搭載されている。
機関10は、機関本体部20、燃料供給システム30、吸気システム40、排気システム50及びEGRシステム(EGR装置)60を含んでいる。
機関本体部20は、シリンダブロック、シリンダヘッド及びクランクケース等を含む機関本体21を含んでいる。機関本体21には、4つの気筒(燃焼室)22が形成されている。各気筒22の上部には燃料噴射弁(インジェクタ)23が配設されている。燃料噴射弁23は、後述するECU(電子制御ユニット)70の指示に応答して開弁し、気筒22内に燃料を直接噴射するようになっている。
燃料供給システム30は、燃料加圧ポンプ(サプライポンプ)31、燃料送出管32及び蓄圧室(コモンレール)33を含んでいる。燃料加圧ポンプ31の吐出口は燃料送出管32に接続されている。燃料送出管32は、蓄圧室33に接続されている。蓄圧室33は、燃料噴射弁23に接続されている。
燃料加圧ポンプ31は、図示しない燃料タンクに貯留されている燃料を汲み上げた後に加圧し、その加圧された高圧燃料を燃料送出管32を通じて蓄圧室33へ供給するようになっている。燃料加圧ポンプ31は、機関10の図示しないクランクシャフトに連動する駆動軸によって作動する。燃料加圧ポンプ31は、ECU70の指示に応答し、蓄圧室33内の燃料の圧力(即ち、燃料の噴射圧力である燃料噴射圧(レール圧)Fp)を調整できるようになっている。
吸気システム40は、インテークマニホールド41、吸気管42、エアクリーナ43、過給機44のコンプレッサ44a、インタークーラ45、スロットル弁46及びスロットル弁アクチュエータ47を含んでいる。
インテークマニホールド41は、各気筒22に接続された枝部と、枝部が集合した集合部と、を含む。吸気管42は、インテークマニホールド41の集合部に接続されている。インテークマニホールド41及び吸気管42は、吸気通路を構成している。吸気管42には、吸入空気の流れの上流から下流に向け、エアクリーナ43、コンプレッサ44a、インタークーラ45及びスロットル弁46が配設されている。スロットル弁アクチュエータ47は、ECU70の指示に応答してスロットル弁46の開度を変更するようになっている。
インタークーラ45は、吸気温度を低下させるようになっている。インタークーラ45は、図示しないバイパス通路及びバイパス通路に介装されたバイパスバルブを備える。更に、インタークーラ45は、図示しない冷却機との間で通流する冷却水(冷媒)量を調整できるようになっている。
排気システム50は、エキゾーストマニホールド51、排気管52、過給機44のタービン44b及び排ガス浄化触媒53を含んでいる。
エキゾーストマニホールド51は、各気筒22に接続された枝部と、枝部が集合した集合部と、を含む。排気管52は、エキゾーストマニホールド51の集合部に接続されている。エキゾーストマニホールド51及び排気管52は、排気通路を構成している。排気管52には、燃焼ガスの流れの上流から下流に向け、タービン44b及び排ガス浄化触媒53が配設されている。
過給機44は、周知の可変容量型過給機であり、そのタービン44bには図示しない複数のノズルベーン(可変ノズル)が設けられている。更に、過給機44のタービン44bは、図示しない「タービン44bのバイパス通路、及び、そのバイパス通路に設けられたバイパスバルブ」を備えている。ノズルベーン及びバイパスバルブは、エンジンECU70の指示に応じて開度が変更され、その結果、過給圧Tpが変更(制御)されるようになっている。即ち、本明細書において「過給機44を制御する」とは、ノズルベーンの角度及び/又はバイパスバルブの開度を変更することによって過給圧Tpを変更することを意味する。
EGRシステム60は、排気還流管61、EGR制御弁62及びEGRクーラー63を含んでいる。排気還流管61は、排気通路(エキゾーストマニホールド51)であってタービン44bよりも上流位置と、吸気通路(インテークマニホールド41)であってスロットル弁46よりも下流位置と、を連通している。排気還流管61は、EGRガス通路を構成している。
EGR制御弁62は排気還流管61に配設されている。EGR制御弁62は、ECU70からの指示に応答してEGRガス通路の通路断面積を変更することにより、排気通路から吸気通路へと再循環される排ガス量(EGRガス量)を変更するようになっている。EGRクーラー63は排気還流管61に介装され、排気還流管61を通過するEGRガスの温度を低下させるようになっている。
ECU70は、CPU75、CPU75が実行するプログラム及びマップ等を保持するROM76並びにデータを一時的に記憶するRAM77を含んでいる。ECU70は、以下に述べるセンサ類と接続されていて、これらのセンサからの信号を受信(入力)するようになっている。更に、ECU70は、各種アクチュエータに指示(駆動)信号を送出するようになっている。
ECU70は、スロットル弁開度センサ81、エアフローメータ82、吸気管圧力センサ83、燃料圧力センサ84、筒内圧センサ85、クランク角度センサ86、EGR制御弁開度センサ87及び水温センサ88と接続されている。ECU70はまた、アクセル開度センサ91及び速度センサ92と接続されている。
スロットル弁開度センサ81はスロットル弁46の開度を検出し、スロットル弁開度TAを表す信号を出力する。エアフローメータ82は吸気通路内を通過する吸入空気(EGRガスを含まない新気)の質量流量(吸入空気量)を測定し、その吸入空気量Gaを表す信号を出力する。吸気管圧力センサ83は機関10の気筒内(燃焼室内)22に吸入されるガスの圧力Pmを表す信号を出力する。燃料圧力センサ84は蓄圧室33内の燃料の圧力を検出し、燃料圧力Epを表す信号を出力する。筒内圧センサ85は、各気筒22に対応するように配設されている。筒内圧センサ85は、対応する気筒内の圧力(即ち、筒内圧)を検出し、筒内圧Pcを表す信号を出力する。
クランク角度センサ86は機関10の図示しないクランクシャフトの回転位置(即ち、クランク角度θ)に応じた信号を出力する。ECU70は、このクランク角度センサ86及び図示しないカムポジションセンサからの信号に基づいて、所定の気筒の圧縮上死点を基準とした機関10のクランク角度(絶対クランク角度)θを取得する。更に、ECU70は、クランク角度センサ86からの信号に基づいて、機関回転速度NEを取得する。EGR制御弁開度センサ87はEGR制御弁62の開弁率(開度)Erを表す信号を出力する。水温センサ88は冷却水温度THWを表す信号を出力する。
アクセル開度センサ91は、機関10が搭載された車両の図示しないアクセルペダルの開度Apを表す信号を出力する。速度センサ92は、機関10が搭載された車両の走行速度Vsを表す信号を出力する。
<重心位置制御>
次に、第1装置の作動について説明する。第1装置は、前述した(定義1)乃至(定義5)の何れかによって規定される熱発生率重心位置Gcが所定の目標熱発生率重心位置(基準クランク角度であり、以下、単に、「目標重心位置」とも称呼する。)Gc*と一致するように燃焼制御を行なう(即ち、燃焼パラメータを設定する。)。本明細書において、係る制御は「重心位置制御」と称呼される。目標重心位置Gc*は、機関10の燃料消費率が最少となるクランク角度(又は、その近傍のクランク角度)に設定されている。なお、熱発生率重心位置Gcは、燃焼波形が同じであれば、前述した(定義1)乃至(定義5)の何れによっても同じクランク角度になる。
第1装置においては、熱発生率重心位置Gcが目標重心位置Gc*と一致するように機関の個々の運転状態(回転速度NE及び機関の負荷KL等)に対して燃焼パラメータが予め定められ且つROM76に記憶されている。第1装置は、実際の機関10の運転状態に応じてROM76から燃焼パラメータを読み出し、その燃焼パラメータを使用する制御(即ち、フィードフォワード制御)によって熱発生率重心位置Gcを目標重心位置Gc*に一致させる。
<重心位置制御中の燃焼騒音>
次に、重心位置制御が実行されている場合の機関10から発生する燃焼騒音について説明する。発明者は、重心位置制御を行っている場合であってEGR実行中(即ち、開弁率Er>0のとき)の機関10の燃焼騒音を測定した。その結果を図4に示す。
図4は、EGR実行中の運転状態(回転速度NEと負荷KLとの組み合わせ)毎の燃焼騒音を、音量が等しくなる各運転状態を結んだ折れ線(等高線)V1乃至14によって表している。折れ線V1が、最も燃焼騒音が小さい運転状態を表している。折れ線V2、折れ線V3となるに従い騒音が大きくなり、折れ線V14が最も騒音が大きい運転状態を表している。図4から理解されるように、概ね、回転速度NE及び/又は負荷KLが高くなるほど燃焼騒音が大きくなっている。しかし、領域S4で囲まれた部分から理解されるように、回転速度NE及び負荷KLが比較的低いにもかかわらず、燃焼騒音が相対的に大きくなっている箇所が存在している。
例えば、直線L4上の運転状態P1、P2及びP3に着目したとき、運転状態P2における燃焼騒音は、運転状態P1における燃焼騒音よりも大きい一方、運転状態P3における燃焼騒音は、運転状態P2における燃焼騒音よりも小さくなっている。そのため、機関10の運転状態がP1から運転状態P2を経て運転状態P3へ移行するとき、燃焼騒音は一旦大きくなり、その後、小さくなる。換言すれば、機関10が搭載された車両が低回転速度且つ低負荷の状態から加速するとき、燃焼騒音が一旦大きくなり、その後、小さくなる現象が起こり得る。この車両の運転者は、この燃焼騒音の変化を不自然で且つ不快に感じる可能性が高い。
発明者は、更に、重心位置制御を行っている場合であってEGR実行中の、筒内圧Pcのクランク角度θに対する変化(即ち、筒内圧波形)を、回転速度NE及び負荷KLの種々の組み合わせに関して測定した。これらの測定結果のうち、回転速度NEが2400回転/分の場合の測定結果を図5に示す。図5に示された曲線Cf1乃至Cf6は、機関10の負荷KL毎のクランク角度θに対する筒内圧Pcの変化を表している。曲線Cf1が最も負荷KLが低い場合を表している。曲線Cf2、曲線Cf3となるに従い負荷KLが高くなり、曲線Cf6が最も負荷KLが高い場合を表している。
本実施例では、主噴射の進角側の時期にパイロット噴射が2回実行され、その後、主噴射が実行されている。図5の領域S5に囲まれた部分から理解されるように、パイロット噴射によって噴射された燃料の燃焼によって筒内圧Pcが上昇した後、一旦筒内圧Pcが下がる前に、主噴射によって噴射された燃料が着火して筒内圧Pcが更に上昇している。
一方、回転速度NEが1400回転/分の場合の測定結果を図6に示す。図6に示された曲線Cs1乃至Cs6は、機関10の負荷KL毎のクランク角度θに対する筒内圧Pcの変化を表している。曲線Cs1が最も負荷KLが低い場合を表している。曲線Cs2、曲線Cs3となるに従い負荷KLが高くなり、曲線Cs6が最も負荷KLが高い場合を表している。曲線Cs1及び曲線Cs2の領域S6で囲まれた部分では、筒内圧波形の傾きが急峻になっている。
ところで、回転速度NEが一定であれば、単位時間あたりのクランク角度θの変化量も一定であるので、図5及び図6の筒内圧波形の正の傾きが大きいほど(即ち、「単位クランク角度あたり」の筒内圧Pcの増加量が大きいほど)「単位時間あたり」の筒内圧Pcの増加量が大きいことを表している。燃焼騒音の音量は「単位時間あたりの筒内圧Pcの増加量(筒内圧力増加率)」に相関を有するので、筒内圧波形の正の傾きが大きいほど燃焼騒音が増加する。即ち、図6の領域S6で囲まれた部分では、燃焼騒音の増加が発生している。
発明者は、この騒音増加の原因につき検討した。その結果、発明者は、EGR実行中であって、EGR量が比較的多く、且つ、回転速度NE又は負荷KLが比較的低いとき、着火遅れが増大しているために騒音が増加するとの知見を得た。より具体的に述べると、着火遅れが増大すると、燃料噴射弁23によって噴射された燃料が速やかに燃焼を開始せず気筒22内に拡散する。その後、燃料が着火したとき、既に拡散していた燃料が一気に燃焼を開始することによって筒内圧Pcが急激に上昇する。その結果、燃焼騒音の増加が発生すると考えられる。
そこで、発明者は、着火遅れが増大する原因について更に検討した。その検討結果は次のとおりである。
(1)EGR実行中、気筒22内に排気還流管61を経たEGRガスが流入することによって、気筒22内の酸素濃度が低下する。従って、着火遅れが増大する。
(2)加えて、回転速度NEが低ければ、回転速度NEが高いときと比較して気筒22内に吸入される空気の量(質量流量)が少なくなる。従って、着火遅れが増大する。
(3)負荷KLが低ければ、負荷KLが高いときと比較して燃料噴射弁23によって気筒22内に噴射される燃料の量が少なくなる。従って、着火遅れが増大する。
なお、本明細書において、係る着火遅れが増大する虞がある条件は「特定条件」と称呼される。即ち、特定条件は、「EGR実行中であって且つ回転速度NE又は負荷KLが比較的低いとき」に成立する条件である。
<特定制御>
以上の知見に基づき、第1装置は、騒音増加を防止するため、特定条件が成立する場合、重心位置制御に代えて、特定制御(騒音増加防止制御)を実行する。より具体的に述べると、燃焼騒音が増加する虞のあるとき、第1装置は過給圧Tpを、重心位置制御の実行中よりも所定量だけ上昇させる。過給圧Tpの上昇によって、気筒22内に吸入される空気(酸素)の量が増加し且つ気筒22内の温度が上昇するので、燃料噴射弁23によって噴射された燃料が着火し易くなり、以て、着火遅れの増大が抑制される。
図7は、重心位置制御の実行中に燃焼騒音増加が発生している場合と、騒音増加防止制御によって燃焼騒音増加が抑制されている場合と、の筒内圧波形を示している。図7の曲線Lp1は、図6の曲線Cs2と同一の筒内圧波形であって、着火遅れの増大に起因する燃焼騒音増加が発生している場合のクランク角度θに対する筒内圧Pcの変化を表している。一方、曲線Ls1は、第1装置が騒音増加防止制御を行った場合のクランク角度θに対する筒内圧Pcの変化を表している。
加えて、図7の筒内圧波形の下に、燃料噴射弁23による燃料噴射が長方形R1乃至R3によって表されている。本例では、1サイクルに対して、2回のパイロット噴射、及び、主噴射が行われている。長方形R1乃至R3は、それぞれ第1パイロット噴射、第2パイロット噴射及び主噴射に相当する。長方形R1乃至R3のそれぞれは、燃料噴射の噴射開始時期(各長方形の左辺の位置、例えば長方形R3が示す主噴射の燃料噴射時期である主燃料噴射時期CAinj1)、燃料噴射時間(各長方形の横の長さ、例えば長方形R3の燃料噴射時間Du1)及び燃料噴射圧Fp(各長方形の縦の長さ、例えば長方形R3の燃料噴射圧Fp1)を表している。
曲線Lp1の領域S7で囲まれた部分に示されるように、クランク角度θが主燃料噴射時期CAinjとなったときに主噴射が行われた後、筒内圧Pcが急激に上昇している。その際、単位時間あたりの筒内圧Pcの増加量(即ち、筒内圧力増加率)の最大値がθp1となっている。これに対し、曲線Ls1に示されるように、燃焼騒音防止制御によって過給圧Tpが上昇した結果、気筒22内の酸素量が増加し且つ気筒22内の温度が上昇するので、曲線Lp1と比較してより早期に主噴射によって噴射された燃料の燃焼が発生し、それに伴って筒内圧Pcの上昇が発生している。
即ち、騒音増加防止制御によって、同制御を行わなかった場合と比較して着火遅れ時間が短縮されている。その結果、主燃焼発生時の筒内圧Pcの上昇は、騒音増加防止制御が行われなかった場合と比較して緩やかになるので、単位時間あたりの筒内圧Pcの増加量の最大値θs1は、θp1よりも小さな値になっている(即ち、θp1>θs1)。そのため、燃焼騒音の増加が抑制される。
<燃焼パラメータ設定処理>
次に、ECU70のCPU75(以下、単に「CPU」とも称呼する。)が実行する、気筒22内の燃焼状態を制御するための処理(燃焼パラメータ設定処理)について、図8のフローチャートを参照しながら説明する。本処理において、CPUは、熱発生率重心位置Gcが目標重心位置Gc*と一致するように燃焼パラメータを設定する。即ち、CPUは、重心位置制御を実行する。しかし、燃焼騒音が増加する虞のあるとき(即ち、特定条件が成立したとき)、CPUは、上述した通り、過給圧Tpを上昇させる。即ち、この場合、CPUは騒音増加防止制御を実行する。特定条件は、EGR実行中(即ち、開弁率Er>0)であり、且つ、回転速度NEが回転速度閾値NEthより低い又は負荷KLが負荷閾値KLthより低いとき成立する。
いま、特定条件が成立していないと仮定する。即ち、(a)EGRが実行中でない(即ち、開弁率Er=0)、又は、(b)回転速度NEが回転速度閾値NEth以上且つ負荷KLが負荷閾値KLth以上、のうちの少なくとも一方が成立していると仮定する。この場合、燃焼騒音増加が発生する虞はない。
機関10の運転時、CPUは所定の時間が経過する毎にステップ800から処理を開始してステップ805に進む。ステップ805にてCPUは、アクセル開度Ap及び走行速度Vsに基づいて機関要求出力Prを決定する。より具体的に述べると、CPUは、アクセル開度Apが大きいほど機関要求出力Prが大きくなるように設定し、走行速度Vsが高いほど機関要求出力Prが大きくなるように設定する。
次に、CPUはステップ810に進み、機関10が機関要求出力Prを発生させるために必要となる要求噴射量tauを決定する。より具体的に述べると、CPUは、機関要求出力Prが大きいほど要求噴射量tauが大きくなるように設定する。
次に、CPUはステップ815に進み、要求噴射量tauの内、パイロット噴射にて噴射する燃料の比率(パイロット噴射率)α(0≦α<1)を決定する。即ち、CPUは、パイロット噴射にて0.5×α×tauにより算出される量の燃料を2回噴射し、主噴射にて(1−α)×tauにより算出される量の燃料を噴射する。比率αは冷却水温度THW及び回転速度NE等に基づいて決定される。
次に、CPUはステップ820に進み、燃料噴射圧Fpを決定する。より具体的に述べると、CPUは、機関要求出力Prが大きいほど燃料噴射圧Fpが大きくなるように設定する。
次に、CPUはステップ825に進み、過給圧Tpを決定する。より具体的に述べると、CPUは、機関要求出力Prが大きいほど過給圧Tpが大きくなるように設定する。
次に、CPUは、ステップ830に進み、EGR制御弁62の開弁率Erを回転速度NE及び負荷KLに基づいて決定する。次に、CPUは、ステップ835に進み、パイロットインターバルPintを決定する。
次に、CPUは、ステップ840に進み、主燃料噴射時期CAinjを決定する。より具体的に述べると、「機関要求出力Pr、要求噴射量tau、パイロット噴射率α、燃料噴射圧Fp、過給圧Tp、EGR開弁率Er、及び、パイロットインターバルPint」に対応する主燃料噴射時期CAinjは、熱発生率重心位置Gcが目標重心位置Gc*と一致するように実験等により予め定められ、マップ形式にてROM76に保存されている。即ち、CPUは、このマップを参照することによって「機関10が要求出力Prに等しい出力を発生し」且つ「熱発生率重心位置Gcが目標重心位置Gc*と等しくなる」ように、主燃料噴射時期CAinjを決定する。
なお、実際の燃料噴射弁23による燃料噴射は、図示しないルーチンにより実行される。それにより、各気筒22のクランク角度θが主燃料噴射時期CAinjよりも、パイロットインターバルPintと所定量Pb(固定値)とを加えた値だけ進角側(即ち、θ=CAinj−Pint−Pb)となったとき第1パイロット噴射が開始される。その後、クランク角度θが所定量Pbだけ遅角側(即ち、θ=CAinj−Pint)となったとき第2パイロット噴射が開始され、次いで、クランク角度θが主燃料噴射時期CAinjとなったとき(即ち、θ=CAinj)主噴射が開始される。
次に、CPUはステップ845に進み、特定条件が成立しているか否かを判定する。前述の仮定によれば、特定条件は成立していないので、CPUは、ステップ845にて「No」と判定してステップ895に進んで本ルーチンを一旦終了する。この結果、重心位置制御が実行される。
なお、CPUは、図示しないルーチンによって、本ルーチンにて設定された各燃焼パラメータに基づいて各種アクチュエータを制御する。例えば、CPUは、燃料圧力センサ84の出力信号に基づいて、蓄圧室33内の圧力Epが燃料噴射圧Fpに対応した値となるように、燃料加圧ポンプ31を制御する。加えて、CPUは、吸気管圧力センサ83の出力信号に基づいて、インテークマニホールド41内の圧力Pmが過給圧Tpに対応した値となるように、過給機44を制御する。更に、CPUは、EGR制御弁開度センサ87の出力信号に基づいて、EGR制御弁62を、その開弁率がErとなるように、制御する。
次に、特定条件が成立していると仮定する。即ち、(a’)EGRが実行中であって(即ち、開弁率Er>0)、及び、(b’)回転速度NEが回転速度閾値NEthより低い又は負荷KLが負荷閾値KLthより低い、の両方の条件が成立していると仮定する。この場合、燃焼騒音増加が発生する虞がある。この仮定により、上記の場合と異なり、ステップ845にてCPUは「Yes」と判定してステップ850に進む。
ステップ850にてCPUは、過給圧Tpをステップ825にて決定された過給圧TpをよりもΔTpだけ大きい値に設定する。即ち、過給圧Tpは、特定条件が成立していない場合と比較してΔTpだけ高くなる。次に、CPUは、ステップ895に進んで本ルーチンを一旦終了する。この結果、特定制御が実行される。
以上、説明したように第1実施形態に係る第1装置は、
EGR装置(EGRシステム60)を有する内燃機関(10)に適用され、同機関の燃焼状態を制御する燃焼パラメータを設定する制御部を備えた機関制御装置(ECU70)である。
更に、前記制御部は、
前記機関が所定の運転状態領域にあるとき、前記燃焼状態を表す熱発生率重心位置が一定の基準クランク角度(目標重心位置Gc*)に等しくなるように前記燃焼パラメータを設定する重心位置制御を実行し(図8のステップ810乃至ステップ840)、
前記EGR装置によるEGRの実行中であり、且つ、前記機関の負荷が所定の負荷閾値より低い又は前記機関の回転速度が所定の回転速度閾値よりも低い、という特定条件が成立する場合(図8のステップ845での「Yes」との判定を参照)、任意の運転状態での単位時間あたりの気筒内圧力の増加量の最大値が同任意の運転状態にて前記重心位置制御を実行した場合の同気筒内圧力の増加量の最大値よりも低くなるように前記燃焼パラメータを設定する(図8のステップ850)、特定制御(騒音増加防止制御)を前記重心位置制御に代えて実行するように構成されている。
更に、前記制御部は、前記気筒内に噴射された燃料が着火して燃焼を開始するのに要する時間を短縮させる制御(図8のステップ850)を前記特定制御として実行する。
更に、前記機関(10)は過給機(44)を備え、
前記制御部は、前記燃焼パラメータの一つである過給圧を増加させる制御(図8のステップ850)を前記特定制御として実行する。
従って、第1装置は、燃料噴射弁23から気筒22内に噴射された燃料の着火遅れの増大を抑えることによって、燃焼騒音の増加が抑えることができる。
<第2実施形態>
次に、本発明の第2実施形態に係る内燃機関の制御装置(以下、「第2装置」とも称呼される。)について説明する。第1装置は、騒音増加防止制御として、過給圧Tpを増大させる制御を実行していた。これに対し、第2装置は、騒音増加防止制御として、主噴射の直前に実行されるパイロット噴射から同主噴射までの時間を延長する制御を実行する点のみにおいて第1装置と相違する。以下、この相違点を中心に説明する。
第2装置のECU71が騒音増加防止制御を行ったときのクランク角度θに対する筒内圧Pcの変化を、図9を用いて説明する。図9は、図7と同様に、クランク角度θに対する筒内圧Pcの変化を筒内圧波形によって表している。曲線Ls2は、ECU71が騒音増加防止制御を行った場合の筒内圧波形である。
燃焼騒音増加の虞があるとき(即ち、特定条件が成立したとき)、第2装置は、主燃料噴射の直前に実行されるパイロット噴射の噴射終了時期から主燃料噴射の開始時期までの期間を延長させる制御を騒音増加防止制御(特定制御)として実行するために、パイロットインターバルPintを「重心位置制御実行時のインターバルPint1に対して7°CA延長したインターバルPint2」に設定する。パイロットインターバルPintは、図9に示したPint1及びPint2に対応する期間であり、主燃料噴射の直前に実行されるパイロット噴射の開始時期から主燃料噴射の開始時期までの期間である。第2装置は、このパイロットインターバルPintの延長に対応するように、主燃料噴射時期CAinjを「重心位置制御実行時の時期CAinj1よりも7°CA遅角させた時期CAinj2」に設定する。
一方、第2装置は、要求噴射量tau及び燃料噴射圧Fpを、重心位置制御を実行する場合と騒音増加防止制御を実行する場合とで変更しない。そのため、パイロット噴射時間及び主噴射時間はいずれも変化しない。よって、パイロットインターバルPintが延長された結果、主燃料噴射の直前に実行されるパイロット噴射の終了時期から主燃料噴射の開始時期までの期間tが延長される。
その結果、「パイロット噴射による燃料の燃焼によって発生する単位時間あたりの熱の量」が大きい期間が経過してから「主噴射による燃料の燃焼によって発生する単位時間あたりの熱の量」が大きくなる期間が発生する。従って、これらの熱量の和が非常に大きくなる期間が発生しない。加えて、パイロット噴射によって噴射された燃料の燃焼によって、気筒22内の温度が上昇してから、主噴射が開始されるので、主噴射によって噴射された燃料は速やかに燃焼を開始する。以上から、筒内圧Pcの急激な上昇が抑えられる。
曲線Lp1から理解されるように、第2装置が騒音増加防止制御を実行しない場合(即ち、第2装置が重心位置制御を実行する場合)、筒内圧Pcは、主噴射が開始されてから着火遅れに相当する時間が経過したとき、急速に上昇している。これに対し、曲線Ls2から理解されるように、第2装置が騒音増加防止制御を実行する場合、主噴射によって噴射された燃料は速やかに燃焼を開始し、それに伴う筒内圧Pcの上昇は曲線Lp1と比較して穏やかになっている。筒内圧Pcの急激な上昇が抑えられた結果、筒内圧力増加率の最大値θs2は、θp1よりも小さな値になっている(即ち、θp1>θs2)。
次に、ECU71のCPU75(以下、単に「CPU」とも称呼する。)が実行する、燃焼パラメータ設定処理について、図10のフローチャートを参照しながら説明する。図10のフローチャートのステップであって図8に示したステップと同様の処理が実行されるステップには、図8と同一のステップ符号が付されている。CPUは、所定の時間が経過する毎にステップ1000から処理を開始し、ステップ805乃至ステップ840の処理を行って、ステップ845へと進む。
CPUは、ステップ845にて「Yes」と判定したとき(即ち、特定条件が成立したとき)、ステップ1050に進む。この場合、燃焼騒音増加が発生する虞がある。
ステップ1050にてCPUは、パイロットインターバルPintをステップ835にて決定されたパイロットインターバルPintをよりもΔPintだけ大きい値に設定する。この結果、パイロットインターバルPintはΔPintだけ長くなる。CPUは更に、主燃料噴射時期CAinjをステップ840にて決定された主燃料噴射時期CAinjよりもΔCAinjだけ大きい値に設定する。この結果、主燃料噴射時期CAinjはΔCAinjだけ遅角する。次にCPUはステップ1095に進んで本ルーチンを一旦終了する。この結果、特定制御が実行される。
一方、CPUは、ステップ845にて「No」と判定したとき(即ち、特定条件が成立しなかったとき)、ステップ1095に直接進む。この結果、重心位置制御が実行される。
以上、説明したように第2装置の制御部(ECU71)は、主噴射の直前に実行されるパイロット噴射から同主噴射までの時間を延長させる制御(図10のステップ1050)を前記特定制御として実行するように構成されている。
更に、前記制御部は、前記燃焼パラメータの一つである前記主噴射の噴射時期を遅角させる制御(図10のステップ1050における主燃料噴射時期CAinjの遅角)を前記特定制御として実行する。
なお、前記制御部は、前記燃焼パラメータの一つである前記パイロット噴射の噴射時期を進角させる制御を前記特定制御として実行しても良い。或いは、前記制御部は、前記燃焼パラメータの一つである前記パイロット噴射の噴射時期を進角させる制御、及び、前記燃焼パラメータの一つである前記主噴射の噴射時期を遅角させる制御の両方を前記特定制御として実行しても良い。
第2装置によれば、主噴射の直前に実行されるパイロット噴射(パイロット噴射の噴射終了時期)から同主噴射(主噴射の噴射開始時期)までの時間を延長させることによって、燃焼騒音を抑制することができる。
<第3実施形態>
次に、本発明の第3実施形態に係る内燃機関の制御装置(以下、「第3装置」とも称呼される。)について説明する。第2装置は、騒音増加防止制御として、パイロットインターバルPintを大きくする制御を実行していた。これに対し、第3装置は、騒音増加防止制御として、パイロットインターバルPintを変更せず、主燃料噴射時期CAinjを遅角する制御を実行する点のみにおいて第2装置と相違する。以下、この相違点を中心に説明する。
第3装置のECU72が騒音増加防止制御を行ったときのクランク角度θに対する筒内圧Pcの変化を、図11を用いて説明する。図11は、図7と同様に、クランク角度θに対する筒内圧Pcの変化を筒内圧波形によって表している。曲線Ls3は、ECU72が騒音増加防止制御を行った場合の筒内圧波形である。
騒音増加防止制御によって主噴射時期が遅角される場合、騒音増加防止制御が行われない場合と比較して、主噴射が行われるときのピストンがより降下している。ピストンが降下するとは、ピストン位置が下死点により近づくことを意味する。従って、第3装置によれば、気筒22内の燃焼室容積が大きくなったタイミングにて主噴射が行われる。更に、騒音増加防止制御が行われる場合も行われない場合も、ピストンの位置が圧縮上死点から圧縮上死点後90°CAに達するまでの間に主噴射が実行されるので、騒音増加防止制御が行われる場合の方が主噴射実行時点の燃焼室容積増加率が大きくなっている。
その結果、曲線Ls3に示されるように、曲線Lp1と比較して主噴射によって噴射された燃料の燃焼開始時の筒内圧Pcの上昇が緩やかになる。そのため、筒内圧力増加率の最大値θs3は、θp1よりも小さな値になっている(即ち、θp1>θs3)。
次に、ECU72のCPU75(以下、単に「CPU」とも称呼する。)が実行する、燃焼パラメータ設定処理について、図12のフローチャートを参照しながら説明する。図12のフローチャートのステップであって図8に示したステップと同様の処理が実行されるステップには、図8と同一のステップ符号が付されている。CPUは、所定の時間が経過する毎にステップ1200から処理を開始し、ステップ805乃至ステップ840の処理を行って、ステップ845へと進む。
CPUは、ステップ845にて「Yes」と判定したとき(即ち、特定条件が成立したとき)、ステップ1250に進む。この場合、燃焼騒音増加が発生する虞がある。
ステップ1250にてCPUは、主燃料噴射時期CAinjをステップ840にて決定された主燃料噴射時期CAinjよりもΔCAinjだけ大きい値に設定する。この結果、主噴射及びパイロット噴射は共に、ΔCAinjだけ遅角させられる。次にCPUはステップ1295に進んで本ルーチンを一旦終了する。この結果、特定制御が実行される。
一方、CPUは、ステップ845にて「No」と判定したとき(即ち、特定条件が成立しなかったとき)、ステップ1295に直接進む。この結果、重心位置制御が実行される。
以上、説明したように第3実施形態に係る第3装置の制御部(ECU72)は、主噴射によって噴射された燃料の燃焼開始時点での燃焼室容積増加率を大きくさせる制御(図12のステップ1250)を前記特定制御として、実行するように構成されている。
更に、前記制御部は、前記燃焼パラメータの一つである前記主噴射の噴射時期を遅角させる制御(図12のステップ1250)を前記特定制御として実行する。
第3装置によれば、主噴射によって噴射された燃料の燃焼開始時点での燃焼室容積増加率が大きくなるので、燃焼騒音を抑制することができる。
<第4実施形態>
次に、本発明の第4実施形態に係る内燃機関の制御装置(以下、「第4装置」とも称呼される。)について説明する。第1装置は、騒音増加防止制御として、過給圧Tpを増大させる制御を実行していた。これに対し、第4装置は、騒音増加防止制御として、燃料噴射圧Fpを小さくする制御を実行する点のみにおいて第1装置と相違する。以下、この相違点を中心に説明する。
第4装置のECU73が騒音増加防止制御を行ったときのクランク角度θに対する筒内圧Pcの変化を、図13を用いて説明する。図13は、図7と同様に、クランク角度θに対する筒内圧Pcの変化を筒内圧波形によって表している。曲線Ls4は、ECU73が騒音増加防止制御を行った場合の筒内圧波形である。
本例では、騒音増加防止制御によって燃料噴射圧がFp1からFp4に低下している(即ち、Fp1>Fp4)。一方、第4装置は、要求噴射量tauを、重心位置制御を実行する場合と騒音増加防止制御を実行する場合とで変更しない。そのため、第4装置は、騒音増加防止制御を行わない場合と比較して、燃料噴射時間をDu1からDu4へと長くする(即ち、Du1<Du4)。
燃料噴射圧Fpが低下した結果、燃料噴射弁23から噴射された燃料の粒径が大きくなるので、燃焼速度が低下する。そのため、曲線Ls4に示されるように、主燃焼発生時の筒内圧Pcの上昇は、騒音増加防止制御が行われなかった場合と比較して緩やかになるので、筒内圧力増加率の最大値θs4は、θp1よりも小さな値になっている(即ち、θp1>θs4)。
次に、ECU73のCPU75(以下、単に「CPU」とも称呼する。)が実行する、燃焼パラメータ設定処理について、図14のフローチャートを参照しながら説明する。図14のフローチャートのステップであって図8に示したステップと同様の処理が実行されるステップには、図8と同一のステップ符号が付されている。CPUは、所定の時間が経過する毎にステップ1400から処理を開始し、ステップ805乃至ステップ840の処理を行って、ステップ845へと進む。
CPUは、ステップ845にて「Yes」と判定したとき(即ち、特定条件が成立したとき)、ステップ1450に進む。この場合、燃焼騒音増加が発生する虞がある。
ステップ1450にてCPUは、燃料噴射圧Fpをステップ820にて決定された燃料噴射圧FpよりΔFpだけ小さい値に設定する。この結果、燃料噴射圧は、ΔFpだけ小さくなる。次にCPUはステップ1495に進んで本ルーチンを一旦終了する。この結果、特定制御が実行される。
一方、CPUは、ステップ845にて「No」と判定したとき(即ち、特定条件が成立しなかったとき)、ステップ1495に直接進む。この結果、重心位置制御が実行される。
以上、説明したように第4実施形態に係る第4装置の前記制御部(ECU74)は、主噴射によって噴射される燃料の燃焼速度を低下させる制御(図14のステップ1450)を前記特定制御として実行するように構成されている。
更に、前記制御部は、前記燃焼パラメータの一つである前記燃料の噴射圧力を低下させる制御(図14のステップ1450)を前記特定制御として実行する。
第4装置によれば、主噴射によって噴射される燃料の燃焼速度が低下するので、燃焼騒音を抑制することができる。
<第5実施形態>
次に、本発明の第5実施形態に係る内燃機関の制御装置(以下、「第5装置」とも称呼される。)について説明する。第4装置は、騒音増加防止制御を行う場合に熱発生率重心位置Gcを目標重心位置Gc*に維持させていなかった。これに対し、第5装置は、騒音増加防止制御を行う場合にも熱発生率重心位置Gcを目標重心位置Gc*に維持させるように燃焼パラメータを設定する。
より具体的に述べると、第5装置は、第4装置と同様に燃料噴射圧Fpを小さくするのみでなく、主燃料噴射時期CAinjを進角させる制御を実行する点のみにおいて第4装置と相違する。これにより、第5装置は、熱発生率重心位置Gcを目標重心位置Gc*に維持しながら騒音増加防止制御を実行する。以下、この相違点を中心に説明する。
第5装置のECU74が騒音増加防止制御を行ったときのクランク角度θに対する筒内圧Pcの変化を、図15を用いて説明する。図15は、図7と同様に、クランク角度θに対する筒内圧Pcの変化を筒内圧波形によって表している。曲線Ls5は、ECU74が騒音増加防止制御を行った場合の筒内圧波形である。
本例では、騒音増加防止制御によって燃料噴射圧FpがFp1からFp5に低下している(即ち、Fp1>Fp5)。本例では更に、騒音増加防止制御によって主燃料噴射時期CAinjがCAinj1からCAinj5に進角している(即ち、CAinj1>CAinj5)。
燃料噴射圧Fpが低下した結果、燃料噴射弁34から噴射された燃料の粒径が大きくなるので、燃焼速度が低下する。そのため、熱発生率重心位置Gcは目標重心位置Gc*よりも遅角する。そこで、熱発生率重心位置Gcを目標重心位置Gc*に維持させるため、ECU74は、主燃料噴射時期をCAinj1からCAinj5に進角させる。
燃料噴射圧Fpが低下しているので、主燃焼発生時の筒内圧Pcの上昇は、騒音増加防止制御が行われなかった場合と比較して緩やかになる。従って、筒内圧力増加率の最大値θs5は、θp1よりも小さな値になっている(即ち、θp1>θs5)。
次に、ECU74のCPU75(以下、単に「CPU」とも称呼する。)が実行する、燃焼パラメータ設定処理について、図16のフローチャートを参照しながら説明する。図16のフローチャートのステップであって図8に示したステップと同様の処理が実行されるステップには、図8と同一のステップ符号が付されている。CPUは、所定の時間が経過する毎にステップ1600から処理を開始し、ステップ805乃至ステップ840の処理を行って、ステップ845へと進む。
CPUは、ステップ845にて「Yes」と判定したとき(即ち、特定条件が成立したとき)、ステップ1650に進む。この場合、燃焼騒音増加が発生する虞がある。

ステップ1650にてCPUは、燃料噴射圧Fpをステップ820にて決定された燃料噴射圧FpよりΔFpだけ小さい値に設定する。その結果、燃料噴射圧Fpは、ΔFpだけ小さくなる。CPUは更に、主燃料噴射時期CAinjをステップ840にて決定された主燃料噴射時期CAinjよりもΔCAinjだけ小さい値に設定する。その結果、主燃料噴射時期CAinjはΔCAinjだけ進角する。次にCPUはステップ1695に進んで本ルーチンを一旦終了する。この結果、特定制御が実行される。
これら補正値ΔFp及びΔCAinjは、補正後の燃料噴射圧Fp及び主燃料噴射時期CAinjによって気筒22内の燃焼が制御されたときに熱発生率重心位置Gcが目標重心位置Gc*と一致するように、ΔFp及びΔCAinjが予め実験等によって定められマップ形式にてROM76に保存されている。
一方、CPUは、ステップ845にて「No」と判定したとき(即ち、特定条件が成立しなかったとき)、ステップ1695に直接進む。この結果、重心位置制御が実行される。
以上、説明したように第5装置によれば、熱発生率重心位置Gcを目標重心位置Gc*に維持したまま、燃焼騒音を抑制することができる。
以上、本発明に係る内燃機関の機関制御装置の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。例えば、本発明は、駆動用に内燃機関のみを備える車両はもとより、内燃機関と電動機との両方を備えるハイブリッド車両に搭載される内燃機関の機関制御装置にも及ぶ。
或いは、各実施形態に係るECUは、開弁率Er、回転速度NE及び負荷KLの値に基づいて騒音増加防止制御を実行するか否かを判定していた。しかし、各ECUは筒内圧センサ85によって計測された単位時間あたりの筒内圧Pcの変化量に基づいて騒音増加防止制御を実行するか否かを判定しても良い。
加えて、各実施形態に係るECUは、開弁率Er>0であるとき燃焼騒音増加が発生する虞があると判定していた。しかし、各ECUは、開弁率Erが所定の閾値を超えたとき、燃焼騒音増加が発生する虞があると判定しても良い。
或いは、各実施形態に係るECUは、EGR実行中であって、回転速度NEが回転速度閾値NEthより低い「或いは」負荷KLが負荷閾値KLthより低いとき特定条件が成立すると判定していた。しかし各ECUは、EGR実行中であって、回転速度NEが回転速度閾値NEthより低く「且つ」負荷KLが負荷閾値KLthより低いとき特定条件が成立すると判定しても良い。
加えて、各実施形態に係るECUは、熱発生率重心位置Gcを目標重心位置Gc*と一致させるため、ROM76に保存されたマップを参照して主燃料噴射時期CAinj及びパイロットインターバルPint等の燃焼パラメータを決定していた。即ち、各ECUはフィードフォワード制御を行っていた。しかし、各ECUは、筒内圧センサ85によって計測された筒内圧Pcに基づいて算出された実際の熱発生率重心位置Gcが目標重心位置Gc*と一致するように前述した燃焼パラメータについてのフィードバック制御を行っても良い。或いは、各ECUは、前述した燃焼パラメータについてのフィードフォワード制御及びフィードバック制御の両方を行っても良い。
或いは、各実施形態に係るECUは、あらゆる負荷KLにおいて熱発生率重心位置Gcが目標重心位置Gc*と一致するように燃焼制御を行っていた。しかし、各ECUは、負荷KL及び回転速度NEが特定の範囲にある場合にのみ、この燃焼制御を行っても良い。即ち、この燃焼制御が行われる運転状態領域は、所定の範囲に限定されていても良い。
加えて、各実施形態に係るECUは、2回のパイロット噴射、及び、主噴射を行っていた。しかし、各ECUは、これらの噴射に加えてアフター噴射及び/又はポスト噴射を行っても良い。更に、パイロット噴射の回数は、2回と異なる回数(即ち、1回又は3回以上)であっても良く、或いは、パイロット噴射は割愛されても良い。
或いは、各実施形態に係る機関10は、タービン44bの上流側排気通路(エキゾーストマニホールド51)とスロットル弁46の下流側吸気通路(インテークマニホールド41)とを連通するEGRシステム60(高圧EGR装置)を備えていた。しかし、機関10は、タービン44bの下流側排気通路(排気管52)とコンプレッサ44aの上流側吸気通路(吸気管42)とを連通する低圧EGR装置を更に備えても良い。加えて、機関10は、高圧EGR装置を備えず、低圧EGR装置のみを備えても良い。
10…内燃機関、23…燃料噴射弁、31…燃料加圧ポンプ、44…過給機、61…排気還流管、62…EGR制御弁、70…ECU。

Claims (6)

  1. EGR装置を有する内燃機関に適用され、同機関の燃焼状態を制御する燃焼パラメータを設定する制御部を備えた機関制御装置において、
    前記制御部は、
    前記機関が所定の運転状態領域にあるとき、前記燃焼状態を表す熱発生率重心位置が一定の基準クランク角度に等しくなるように前記燃焼パラメータを設定する重心位置制御を実行し、
    EGR実行中であり、且つ、前記機関の負荷が所定の負荷閾値より低い又は前記機関の回転速度が所定の回転速度閾値よりも低い場合、単位時間あたりの気筒内圧力の増加量の最大値が前記重心位置制御を実行した場合の同気筒内圧力の増加量の最大値よりも低くなるように前記燃焼パラメータを設定する特定制御を前記重心位置制御に代えて実行する機関制御装置。
  2. 請求項1に記載の機関制御装置において、
    前記機関は過給機を備え、
    前記制御部は、前記燃焼パラメータの一つである過給圧を増加させる制御を前記特定制御として実行する機関制御装置。
  3. 請求項1に記載の機関制御装置において、
    前記制御部は、主噴射の直前に実行されるパイロット噴射から同主噴射までの時間を延長させる制御を前記特定制御として実行する機関制御装置。
  4. 請求項3に記載の機関制御装置において、
    前記制御部は、前記燃焼パラメータの一つである前記パイロット噴射の噴射時期を進角させる制御、及び、前記燃焼パラメータの一つである前記主噴射の噴射時期を遅角させる制御、の少なくとも一方を前記特定制御として実行する機関制御装置。
  5. 請求項1に記載の機関制御装置において、
    前記制御部は、前記燃焼パラメータの一つである主噴射の噴射時期を遅角させる制御を前記特定制御として実行する機関制御装置。
  6. 請求項1に記載の機関制御装置において、
    前記制御部は、前記燃焼パラメータの一つである燃料の噴射圧力を低下させる制御を前記特定制御として実行する機関制御装置。
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