JP6424747B2

JP6424747B2 - ディーゼル機関の制御装置

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Publication number: JP6424747B2
Application number: JP2015118128A
Authority: JP
Inventors: 篤紀岡林
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2015-06-11
Filing date: 2015-06-11
Publication date: 2018-11-21
Anticipated expiration: 2035-06-11
Also published as: US20160363080A1; DE102016110516B4; DE102016110516A1; JP2017002825A; US10072598B2

Description

本発明は、ディーゼル機関を制御する制御装置に関するものである。

市場で扱われているディーゼル機関用の燃料は性状範囲が非常に広く、性状ばらつきに応じて燃焼状態が大きく変化する。そのため、燃料の性状ばらつきに起因して噴射期間や燃焼期間に大きな影響が及び、例えば排気のエミッション悪化や失火を招くなど燃焼状態の安定化を損ねるおそれがあった。

そこで、パイロット噴射により噴射された燃料の燃焼状態に基づいて、燃料のセタン価を検出する技術が知られている（特許文献１参照）。

特開２００６−２２６１８８号公報

しかしながら、燃料のセタン価を検出したとしても、セタン価に応じた燃焼制御を実行するだけでは、燃焼状態の悪化等の不都合を抑制することができない場合がある。例えば、燃料組成のばらつきが生じていることに起因して、ディーゼル機関の筒内における燃焼領域が燃焼室の壁面近傍に集中することによる冷却損失や、すす等のエミッションの増加を抑制できないおそれがある。

本発明は上記事情を鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、燃料組成にばらつきが生じる場合にも適正なる燃焼制御を実現することができるディーゼル機関の制御装置を提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について説明する。

本発明のディーゼル機関の制御装置は、燃焼室（１１ｂ）内に燃料を噴射する燃料噴射弁（１７）を備えるディーゼル機関（１０）を制御する制御装置（４０）であって、前記燃料の性状を示す複数の性状パラメータを取得するパラメータ取得手段と、前記複数の性状パラメータと前記燃料における複数の分子構造量との相関を定義した相関データを用い、前記複数の性状パラメータの取得値に基づいて前記複数の分子構造量を算出する構造量算出手段と、前記構造量算出手段により算出した前記複数の分子構造量に基づいて、前記ディーゼル機関の燃焼状態を示す燃焼パラメータを算出する燃焼状態算出手段と、前記燃焼パラメータに基づいて、前記燃料噴射弁から前記燃焼室に噴射される燃料の燃焼に関する燃焼制御を実施する制御手段と、を備えることを特徴とする。

本発明者は、燃料の特定の性状パラメータが、燃料組成に含まれる各分子構造の物理量に相関があること、各性状パラメータについては、性状パラメータの種別ごとに分子構造に対する感度が異なることに着目した。つまり、燃料においては、分子構造が異なると分子間の結合力などが相違し、かつ複数種の分子構造が含まれるため、分子構造量に依存して性状パラメータの値が変化する。またこれに加えて、燃料の分子構造に応じて燃焼性（着火性）や発生熱量が相違することから、燃料組成の分子構造量と燃焼状態とには相関があることに着目した。

この点、上記構成では、複数の性状パラメータと燃料における複数の分子構造量との相関を定義した相関データを用い、複数の性状パラメータの取得値に基づいて複数の分子構造量を算出するとともに、その分子構造量に基づいて、ディーゼル機関の燃焼状態を示す燃焼パラメータを算出し、さらにその燃焼パラメータに基づいて燃焼制御を実施することとした。この場合、相関データでは、燃料の性状パラメータと分子構造量とが複数対複数の関係で関連付けられており、所望とする分子構造量を簡易にかつ高精度に算出できる。以上により、燃料組成にばらつきが生じる場合にも、そのばらつきに応じた適正な燃焼制御を実施することができる。

ディーゼル機関及びその周辺構成を示す模式図。燃焼制御の処理手順を示すフローチャート。

以下、車両用のディーゼル機関を制御する制御装置を具現化した実施形態について説明する。なお、以下の実施形態において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付しており、同一符号の部分についてはその説明を援用する。

まず、図１を参照して、ディーゼル機関であるエンジン１０の概要について説明する。エンジン１０は、例えば直列４気筒ディーゼル機関であり、同図では１つの気筒（シリンダ）のみを示している。同図に示すように、エンジン１０は、シリンダブロック１１、ピストン１２、シリンダヘッド１３、吸気通路１４、排気通路１５、吸気弁１６、インジェクタ１７、排気弁１８、ＶＶＴ２１、ＥＧＲ装置２６等を備えている。

シリンダブロック１１には、４つのシリンダ１１ａが形成されている。各シリンダ１１ａには、それぞれピストン１２が往復動可能に収容されている。シリンダブロック１１には、シリンダヘッド１３が組み付けられている。ピストン１２の上面にはキャビティ（凹部）が形成されており、そのキャビティにより燃焼室１１ｂが形成されている。

吸気通路１４は、吸気マニホールド及びシリンダヘッド１３内の通路として形成されており、各シリンダ１１ａに接続されている。エンジン１０のクランクシャフト（図示略）の回転により、カムシャフト１９Ａ，１９Ｂが回転する。カムシャフト１９Ａの回転に基づいて各吸気弁１６が駆動され、各吸気弁１６の駆動に応じて燃焼室１１ｂ内に吸気が流入する。ＶＶＴ２１（可変バルブタイミング装置）は、クランクシャフトとカムシャフト１９Ａとの回転位相を調整することで、吸気弁１６の開閉タイミングを可変とする。

排気通路１５は、排気マニホールド及びシリンダヘッド１３内の通路として形成されており、各シリンダ１１ａに接続されている。カムシャフト１９Ｂの回転に基づいて各排気弁１８が駆動され、各排気弁１８の駆動に応じて燃焼室１１ｂから排気が排出される。

コモンレール２０（蓄圧容器）は燃料を蓄圧状態で保持する。燃料は、図示しない燃料ポンプにより高圧状態に加圧されてコモンレール２０に圧送される。インジェクタ１７（燃料噴射弁）は、コモンレール２０内に蓄圧状態で保持された燃料を、燃焼室１１ｂ内に噴射する。インジェクタ１７は、ノズルニードルに閉弁方向に圧力を加える制御室の燃料圧力を制御することにより、開弁期間を制御する公知の電磁駆動式又はピエゾ駆動式の弁である。電磁駆動式又はピエゾ駆動式のアクチュエータへの通電時間により開弁期間が制御され、インジェクタ１７の開弁期間が長くなるほど、噴射される噴射量は多くなる。

ＥＧＲ装置２６（排気再循環装置）は、ＥＧＲ通路２７及びＥＧＲバルブ２８を備えている。ＥＧＲ通路２７は、排気通路１５と吸気通路１４とを接続している。ＥＧＲ通路２７には、ＥＧＲ通路２７を開閉するＥＧＲバルブ２８が設けられている。ＥＧＲ装置２６は、ＥＧＲバルブ２８の開度に応じて、排気通路１５内の排気の一部を吸気通路１４内に導入する。

エンジン１０の吸気行程において吸気通路１４を通じてシリンダ１１ａ内に空気が吸入され、圧縮行程においてピストン１２により空気が圧縮される。圧縮上死点付近でインジェクタ１７によりシリンダ１１ａ内（燃焼室１１ｂ内）に燃料が噴射され、燃焼行程において噴射された燃料が自着火して燃焼される。排気行程においてシリンダ１１ａ内の排気が、排気通路１５を通じて排出される。排気通路１５内の排気の一部は、ＥＧＲ装置２６により吸気通路１４内の吸気に導入される。

エンジン１０には、筒内圧センサ３１が設けられている。筒内圧センサ３１は、シリンダ１１ａ内の圧力（筒内圧）を検出する。筒内圧センサ３１は、全てのシリンダ１１ａに設置されている必要はなく、少なくとも１つのシリンダ１１ａに設定されていればよい。エンジン１０の燃料タンク（図示略）には、燃料密度センサ３２、動粘度センサ３３及び燃料量センサ３４が設けられている。燃料密度センサ３２は、インジェクタ１７に供給される燃料の密度を検出する。燃料密度センサ３２は、例えば固有振動周期測定法に基づいて燃料の密度を検出する。動粘度センサ３３は、例えば細管粘度計や、細線加熱法に基づく動粘度計であり、燃料タンク内の燃料の動粘度を検出する。燃料量センサ３４は、燃料タンク内の燃料の量を検出する。なお、燃料密度センサ３２及び動粘度センサ３３は、ヒータを備えており、ヒータにより所定温度に燃料を加熱した状態で燃料の密度及び動粘度をそれぞれ検出する。

ＥＣＵ（Electric Control Unit）４０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏ、記憶装置４１等を備える周知のマイクロコンピュータであり、エンジン１０を制御する制御装置に相当する。ＥＣＵ４０は、クランク角センサ、冷却水温センサ、アクセル開度センサ、筒内圧センサ３１、燃料密度センサ３２、動粘度センサ３３、燃料量センサ３４等の各種センサの検出値に基づいて、インジェクタ１７、ＶＶＴ２１、ＥＧＲ装置２６等を制御する。詳しくは、標準的な性状の燃料を想定して燃料の燃焼状態が最適となるように、エンジン１０の運転状態に応じてインジェクタ１７、ＶＶＴ２１、及びＥＧＲ装置２６の制御状態があらかじめ適合されている。ＥＣＵ４０は、各種センサの検出値に基づいて、適合された制御状態（通常燃焼制御）となるように各装置を制御する。

また、ＥＣＵ４０は、ＲＯＭに記憶されている各種プログラムをＣＰＵが実施することにより、パラメータ取得手段、構造量算出手段、燃焼状態算出手段、制御手段の各機能を実現する。

ここで、本発明者は、燃料の特定の性状パラメータが、燃料組成に含まれる各分子構造の物理量に相関があること、各性状パラメータについては、性状パラメータの種別ごとに分子構造に対する感度が異なることに着目した。つまり、燃料において分子構造が異なると分子間の結合力などが相違する。また、燃料には複数種の分子構造が含まれ、その混合割合もまちまちである。この場合、分子構造ごとに性状パラメータに寄与する感度が異なると考えられるため、分子構造量に依存して性状パラメータの値が変化する。

そこで本発明者は、性状パラメータと分子構造とについて、下記の式（１）よりなる相関式を構築した。式（１）は、複数の性状パラメータに対する複数の分子構造量の依存度を示す感度係数を用い、複数の分子構造量に感度係数を反映することで複数の性状パラメータを導出する性状算出モデルの演算式である。

式（１）において、ａは、各性状パラメータを推定する上での分子構造ごとの感度（関与度合）を示す感度係数であり、性状パラメータと分子構造との相関関係に応じて実数（ただし、０をとってもよい）として定められている。なお、感度係数ａは、適合等に基づいて定められているとよい。

また、式（１）に基づいて分子構造量について逆行列で表すと、次の式（２）となる。

式（２）において、ｂは、感度係数ａから求めた換算値である。

式（２）において、性状パラメータの値を入力することで、燃料組成に含まれる分子構造量の算出が可能となる。このとき、複数の分子構造のうち算出対象となる分子構造を特定しておき、その分子構造量の算出に必要な性状パラメータの換算値ｂのみを有効にすることも可能である。例えば、分子構造量の算出に不要な性状パラメータについては、それに相応する換算値ｂを０にしておくとよい。換算値ｂは、性状パラメータごとの重み付け量でもある。上記式（２）は、式（１）の性状算出モデルを逆モデルで表したパラメータ演算式である。

燃料の動粘度、密度は、車両に搭載された動粘度センサ３３、燃料密度センサ３２により計測可能な情報であり、自動車等の車両の使用に際して必要に応じて動粘度及び密度を取得（把握）することが可能となっている。また、低位発熱量は、燃料の動粘度及び密度と相関があることから、その相関を示すマップや演算式を用いることで、動粘度及び密度に基づいて算出することが可能である。

さらに、Ｃ／Ｈは、燃料の炭素量と水素量との比（例えば炭素数と水素数との比）である。Ｃ／Ｈは、低位発熱量と相関があることから、その相関を示すマップや演算式を用いることで、低位発熱量に基づいてＣ／Ｈを算出することが可能である。その他、性状パラメータとして、セタン価や、蒸留性状に関するパラメータ（Ｔ９０、Ｔ５０等）を用いることも可能である。

また、燃料の分子構造に応じて燃焼性（着火性）や発生熱量が相違することから、燃料組成の分子構造量と燃焼状態とには相関がある。ゆえに本実施形態では、分子構造量に基づいて燃焼状態を表す燃焼パラメータを求めることとしている。具体的には、燃焼パラメータとして、すす量、着火遅れ等を算出することが可能となる。

例えば、すす量の算出に関して言えば、上記（２）式を用いてナフテン類量と芳香族類量とを算出し、そのナフテン類量と芳香族類量とからすす量を算出することが可能である。

次に、エンジン１０の燃焼制御の処理手順について、図２のフローチャートを参照して説明する。本処理手順は、ＥＣＵ４０が所定の周期で繰り返し実施する。なお、図２において、分子構造量の算出に関する処理、及び分子構造量に基づいて燃焼パラメータを推定する処理は、給油が行われた直後であること、エンジン運転状態、車両走行状態が安定していること等を条件にして実施されるとよい。

まず、ステップＳ１１では、燃料性状に関する各種パラメータを取得する。具体的には、燃料の動粘度、密度、Ｃ／Ｈ、低位発熱量等のうち、算出対象である分子構造量の推定に必要な性状パラメータを取得する。その後、ステップＳ１２では、上記式（２）を用いて分子構造量を算出する。

その後、ステップＳ１３では、ステップＳ１２で算出した分子構造量に基づいて、燃焼パラメータを算出する。ここでは燃焼パラメータとしてすす量を算出することとしている。

その後、ステップＳ１４では、すす量が所定の判定値Ｋ１以上であるか否かを判定する。判定値Ｋ１は、エンジン１０のすす排出量として許容される許容値に基づき定められている。そして、すす量が判定値Ｋ１未満であれば、ステップＳ１５に進み、通常適合による燃焼制御を実施する。具体的には、都度のエンジン運転状態に基づいて、あらかじめ適合された制御状態となるように、インジェクタ１７による燃料の噴射量、ＶＶＴ２１による吸気弁１６の開閉タイミング、及びＥＧＲ装置２６によるＥＧＲ弁の開度（ＥＧＲ量）を制御する。以上で本処理を終了する。

また、すす量が判定値Ｋ１以上であれば、ステップＳ１６に進み、通常適合による燃焼制御から燃料の燃焼に伴い排出されるすすの量を抑制するすす抑制制御に切り替える。すす抑制制御としては、燃料が燃焼される際における燃焼状態を改善すべく新気量（燃焼室内の酸素量）を増加させる処理や、噴射圧を増加させる処理を実施する。具体的には、新気量を増加させる処理として、通常燃焼制御と比較して、ＥＧＲ装置２６によるＥＧＲバルブ２８の開度を減少させる処理、ＶＶＴ２１により吸気圧を増加させる処理を実施する。また、噴射圧を増加させる処理として、燃料ポンプによりコモンレール２０内の燃料圧力を増加させる処理を実施する。また、すす抑制制御として、インジェクタ１７による燃料のメイン噴射の後に燃料を噴射させるアフター噴射を実施してもよい。これら各処理は少なくともいずれか１つが実施されればよい。すす抑制制御は、燃焼制御が次に切り替えられるまで継続する。

以上説明した実施形態によれば以下の効果を奏する。

上記構成では、複数の性状パラメータと複数の分子構造量との相関を定義した相関データ（相関式）を用い、複数の性状パラメータの取得値に基づいて複数の分子構造量を算出するとともに、その分子構造量に基づいて、エンジン１０の燃焼状態を示す燃焼パラメータを算出し、さらにその燃焼パラメータに基づいて燃焼制御を実施することとした。この場合、相関データでは、燃料の性状パラメータと分子構造量とが複数対複数の関係で関連付けられており、所望とする分子構造量を簡易にかつ高精度に算出できる。以上により、燃料組成にばらつきが生じる場合にも、そのばらつきに応じた適正な燃焼制御を実施することができる。

複数の性状パラメータに対する複数の分子構造量の依存度を示す感度係数を考慮してパラメータ演算式としての相関式（上記式（２））を構築し、その相関式を用いて、複数の性状パラメータの取得値に基づいて複数の分子構造量を算出する構成とした。これにより、燃料の分子構造量を精度よく算出でき、ひいては燃焼制御の適正化を図ることができる。

分子構造量の算出に関して、少なくとも燃料の動粘度と密度とを含む複数の性状パラメータを用いる構成にしたため、燃焼パラメータを算出する上で有効な分子構造量の算出が可能となり、ひいてはエミッション抑制や燃費向上を実現できる。

燃焼パラメータとして、エンジン１０から排出されるすす量を算出し、そのすす量が過多である場合にすす抑制制御を実施する構成にした。これにより、すす量過多である高スモーク燃料を使用する場合にも、それを把握した上で適正な燃焼制御を実施できる。

（他の実施形態）
上記実施形態を例えば次のように変更してもよい。

・算出対象となる燃焼パラメータがいずれであるかを特定するとともに、特定された燃焼パラメータに応じて、相関データの感度係数又は感度係数の換算値の設定を行う構成にしてもよい。例えば、図２の燃焼制御処理では、ステップＳ１３において、複数の燃焼パラメータのうち今回の燃焼パラメータがすす量であることを特定する。そして、すす量の算出に必要な分子構造量を特定するとともに、その分子構造量の算出に必要な性状パラメータに関する換算値ｂを０又は所定値に適宜設定する。

要するに、算出対象となる燃焼パラメータがいずれであるかに応じて、その燃焼パラメータの算出に必要となる分子構造量が相違する。またこの場合、いずれの分子構造量を算出するかに応じて、性状パラメータに関する感度係数の値が相違する。この点を考慮して、相関式の換算値ｂの設定を行うことにより、分子構造量の算出及び燃焼制御を適正に実施することができる。

・動粘度の算出は、動粘度センサ３３による検出値に基づくものに限らない。例えば、コモンレール２０からインジェクタ１７の噴射孔までの燃料通路内の燃料圧力を圧力センサで検出して、検出した燃料圧力の時間変化を示す圧力波形を取得する。そして、取得した圧力波形を形成する圧力波の速度を算出し、圧力波の速度に基づいて燃料の密度を算出し、密度に基づいて燃料の動粘度を算出してもよい（詳しくは、特開２０１４−１４８９０６号公報参照）。また、同様に、コモンレール２０内の圧力を圧力センサで検出し、検出したコモンレール２０内の圧力波形を解析して、動粘度を算出してもよい。動粘度の算出は、いずれかの公知の手法を用いればよい。燃料密度の算出についても同様に、センサ検出値に基づくものに限らず、公知のいずれかの手法を用いればよい。

・燃料の性状パラメータとして、燃料の温度条件や圧力条件といった環境条件を相違させることで複数の性状パラメータを取得する構成としてもよい。例えば、燃料密度センサ３２及び動粘度センサ３３がヒータを具備している構成では、ヒータの加熱条件を変えることで燃料の温度条件を変更し、各温度条件において燃料の密度及び動粘度をそれぞれ検出する。この場合、温度条件の異なる燃料の密度及び動粘度をそれぞれ性状パラメータとしてモデル演算式（上記式（１）、（２）参照）を構築しておき、そのモデル演算式を用いて燃料の分子構造量を算出する。

図２においては、ステップＳ１１で温度条件の異なるものを含む複数の性状パラメータを取得し、ステップＳ１２でその性状パラメータに基づいて分子構造量を算出する。燃料組成に含まれる各分子構造は個々に温度特性を有するものがあり、複数の温度条件で密度や動粘度を取得することで、各分子構造の温度特性を加味して分子構造量の算出が可能となる。

燃料密度センサ３２や動粘度センサ３３といった燃料性状センサを、燃料温度や燃料圧力が相違する複数箇所に設けることで、温度条件や圧力条件の異なる複数の性状パラメータを取得する構成としてもよい。この場合、燃料性状センサを燃料タンク以外の異なる場所にそれぞれ設けるとよい。例えば、燃料性状センサを、燃料フィードポンプから高圧ポンプに圧送される通路上、コモンレール内部、減圧弁から燃料タンクに燃料がリターンされる通路にそれぞれ設ける。これにより、異なる温度条件及び圧力条件で密度や動粘度を取得でき、その取得された密度や動粘度を用いて分子構造量を算出することが可能となる。

圧力条件のみを相違させて複数の性状パラメータを想定しておき、その性状パラメータを取得する構成であってもよい。例えば、低圧燃料部と高圧燃料部とを有する燃料ポンプにおいて低圧燃料部と高圧燃料部とにそれぞれ燃料密度センサ３２や動粘度センサ３３を設ける構成とする。

１０…エンジン（ディーゼル機関）、１１ｂ…燃焼室、１７…インジェクタ（燃料噴射弁）、４０…ＥＣＵ（パラメータ取得手段、構造量算出手段、燃焼状態算出手段、制御手段）。

Claims

燃焼室（１１ｂ）内に燃料を噴射する燃料噴射弁（１７）を備えるディーゼル機関（１０）を制御する制御装置（４０）であって、
前記燃料の性状を示す複数の性状パラメータを取得するパラメータ取得手段と、
前記複数の性状パラメータと、燃料組成に含まれる複数の分子構造の各々の量を示す複数の分子構造量との相関を定義した相関データを用い、前記複数の性状パラメータの取得値に基づいて前記複数の分子構造量を算出する構造量算出手段と、
前記構造量算出手段により算出した前記複数の分子構造量に基づいて、前記ディーゼル機関の燃焼状態を示す燃焼パラメータを算出する燃焼状態算出手段と、
前記燃焼パラメータに基づいて、前記燃料噴射弁から前記燃焼室に噴射される燃料の燃焼に関する燃焼制御を実施する制御手段と、
を備え、
前記相関データは、前記複数の性状パラメータに対する前記複数の分子構造量の依存度を示す感度係数を用い、前記複数の分子構造量に前記感度係数を反映することで前記複数の性状パラメータを導出する性状算出モデルに基づき構築されたものであって、前記性状算出モデルの逆モデルで表したパラメータ演算式であり、
前記構造量算出手段は、前記パラメータ演算式により、前記複数の性状パラメータの取得値に基づいて前記複数の分子構造量を算出することを特徴とするディーゼル機関の制御装置。
前記燃焼状態算出手段により算出対象となる燃焼パラメータを特定し、その燃焼パラメータに応じて、前記相関データの感度係数又は感度係数の換算値の設定を行う設定手段を備える請求項１に記載のディーゼル機関の制御装置。
前記パラメータ取得手段は、前記複数の性状パラメータとして、少なくとも燃料の動粘度と密度とを取得し、
前記構造量算出手段は、少なくとも燃料の動粘度と密度とを含む複数の性状パラメータと前記複数の分子構造量との相関を定義した相関データを用いて、前記複数の分子構造量を算出する請求項１又は２に記載のディーゼル機関の制御装置。
前記パラメータ取得手段は、前記複数の性状パラメータとして、燃料の温度条件及び圧力条件の少なくともいずれかを相違させた性状パラメータを取得し、
前記構造量算出手段は、前記温度条件及び前記圧力条件の少なくともいずれかを相違させた性状パラメータを含む複数の性状パラメータと、前記複数の分子構造量との相関を定義した相関データを用いて、前記複数の分子構造量を算出する請求項１乃至３のいずれか１項に記載のディーゼル機関の制御装置。