WO2017099064A1 - 燃料噴射制御装置 - Google Patents
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Definitions
- the present disclosure relates to a fuel injection control device that controls fuel injection into a combustion chamber of an internal combustion engine by a fuel injection valve having a variable injection rate waveform.
- Diesel engines ignite fuel by compression in the cylinder, so the compression ratio is higher than in gasoline engines, and the in-cylinder pressure generated by combustion is also higher. In order to increase the output, it is necessary to increase the amount of combustion per cycle, which further increases the in-cylinder pressure.
- the fuel injection amount is controlled so as not to exceed an allowable maximum in-cylinder pressure.
- the gas density is calculated from the supply manifold pressure and temperature, and the maximum in-cylinder pressure is estimated from the relationship between the gas density and the maximum in-cylinder pressure.
- the fuel injection amount exceeds the estimated maximum in-cylinder pressure, the fuel injection amount is reduced to reduce the in-cylinder pressure.
- the fuel injection control described in Patent Document 1 merely controls the fuel injection amount so as not to exceed the maximum in-cylinder pressure, and cannot increase the in-cylinder pressure to increase the output. Further, since the maximum in-cylinder pressure that the engine can tolerate is determined from the strength of the engine itself, it is necessary to increase the engine strength in order to increase the maximum in-cylinder pressure. However, there is a problem that the weight of the engine itself increases due to the strength increase and the manufacturing cost increases.
- the present disclosure has been made in view of the above-described problems, and an object thereof is to provide a fuel injection control device capable of improving the output while suppressing the in-cylinder pressure to be equal to or less than the maximum in-cylinder pressure.
- one aspect of the present disclosure includes an ignition acquisition unit that acquires the degree of ignition delay in a cylinder, and any one of a plurality of injection rate waveforms according to an output request to the internal combustion engine.
- a control unit that controls fuel injection using two injection rate waveforms, and a plurality of injection rate waveforms includes a constant pressure injection rate waveform for controlling the in-cylinder pressure in the combustion chamber to be equal to or less than the maximum in-cylinder pressure.
- the injection is performed in two stages, the first stage injection and the second stage injection, and includes a constant pressure injection rate waveform in which the rate of change in the injection rate in the first stage injection is larger than the ratio of the change in the second stage injection.
- the injection rate waveform has a portion in which the injection rate increases from the start of the preceding injection and reaches the maximum injection rate, and a portion in which the injection rate decreases from the maximum injection rate. Injection rate is greater than 0,
- the control unit has a portion where the injection rate increases from the beginning and reaches the maximum injection rate, and a portion where the injection rate decreases from the maximum injection rate, the control unit, the degree of ignition delay acquired by the ignition acquisition unit is smaller than the threshold, And when the output request
- the degree of ignition delay when the degree of ignition delay is smaller than the threshold value and the output request to the internal combustion engine is high output, control is performed so that the injection is performed with an isobaric injection rate waveform.
- the degree of ignition delay is small, it is easy to burn, so heat generation can be made to follow the injection rate.
- the degree of ignition delay is large, it is difficult to burn, and heat generation does not follow the injection rate. Therefore, even if the injection rate is controlled, heat generation cannot be controlled.
- the in-cylinder pressure since it is controlled by the isobaric injection rate waveform when it is easy to burn, the in-cylinder pressure can be controlled with high accuracy.
- the output request to the internal combustion engine is high output, it is necessary to increase the in-cylinder pressure. Therefore, in the case of a high output demand, the in-cylinder pressure is controlled to be close to the maximum in-cylinder pressure while making the in-cylinder pressure below the maximum in-cylinder pressure using the isobaric injection rate waveform.
- the isobaric injection rate waveform is an injection rate waveform for controlling the in-cylinder pressure in the combustion chamber to be equal to or less than the maximum in-cylinder pressure.
- the isobaric injection rate waveform is an injection rate waveform in which injection is performed in two stages, upstream injection and downstream injection, and the rate of change in the injection rate increase in upstream injection is greater than the rate of change in downstream injection.
- the first-half injection with a large rate of change causes the injection rate to rise rapidly to the maximum injection rate, and the in-cylinder pressure is increased to the maximum in-cylinder pressure in a short time. Thereafter, the in-cylinder pressure can be prevented from exceeding the maximum in-cylinder pressure by lowering the injection rate from the maximum injection rate. Furthermore, since the injection rate is greater than 0 at the start of the post-stage injection, it is possible to prevent the in-cylinder pressure from being lowered by excessively lowering the injection rate. In addition, it is possible to prevent the in-cylinder pressure from being increased or decreased excessively by the gradual increase in the rate of change of the injection rate in the subsequent injection. The injection rate is maintained at the maximum injection rate in order to reach a predetermined injection amount, and then the injection rate is lowered from the maximum injection rate.
- the in-cylinder pressure can be controlled to be close to the maximum in-cylinder pressure below the maximum in-cylinder pressure without exceeding the maximum in-cylinder pressure. Therefore, it is possible to satisfy a high output requirement without increasing the strength of the internal combustion engine.
- the drawing It is a figure which shows the outline
- the fuel injection control device is applied to a multi-cylinder diesel engine equipped with a common rail fuel injection device.
- the engine 10 shown in FIG. 1 is mounted on a vehicle as an in-vehicle main engine, and is a four-cycle engine including intake, compression, expansion, and exhaust strokes.
- an air flow meter 12 that detects an intake air amount
- an intercooler 13 that cools intake air supercharged by a turbocharger 16
- a throttle valve device in order from the upstream side. 14 is provided.
- the throttle valve device 14 adjusts the opening degree of the throttle valve 14a by an actuator such as a DC motor.
- a combustion chamber 10 a of each cylinder of the engine 10 is connected to the downstream side of the throttle valve device 14 in the intake passage 11 via a surge tank 15.
- the combustion chamber 10 a is partitioned by a cylinder 10 b and a piston 17 of the engine 10.
- the engine 10 is provided with a fuel injection valve 18 having a tip projecting into the combustion chamber 10a.
- High pressure fuel specifically light oil, is supplied to the fuel injection valve 18 from a common rail 19 serving as a pressure accumulator. Fuel is pumped from the fuel pump 20 to the common rail 19. In FIG. 1, only one cylinder is shown.
- the fuel injection valve 18 includes a needle 39 that is a valve body, and a body 41 in which a plurality of circular injection holes 40 for injecting fuel are formed at the tip, and the needle 39 is accommodated therein. I have. Between the inner surface of the body 41 and the outer surface of the needle 39, an annular fuel passage 42 extending in the axial direction of the body 41 and through which the fuel supplied from the common rail 19 passes is formed. A seating surface 41 a on which the tip of the needle 39 is seated is formed on the inner surface of the tip of the body 41. In this configuration, when the needle 39 is seated on the seating surface 41a, the fuel passage 42 and the injection hole 40 are blocked, and fuel injection is stopped.
- the fuel passage 42 and the injection hole 40 are communicated with each other by separating the needle 39 from the seating surface 41a by energization operation.
- the fuel in the fuel passage 42 is directly injected and supplied from the nozzle hole 40 to the combustion chamber 10a.
- the fuel injection valve 18 is configured to be able to variably control the injection rate waveform.
- the injection rate waveform is a waveform showing a change in the injection rate over time.
- the fuel injection valve 18 is configured to freely control the lift amount of the needle 39 so as to variably control the injection rate waveform.
- the fuel injection valve 18 is configured such that the injection rate waveform can be changed by speed control of the needle 39 that opens and closes the injection hole 40.
- the fuel injection valve 18 adjusts the area of the fuel passage 42 by an actuator 43 having a piezo element to inject fuel.
- the fuel injection valve 18 can change the fuel injection rate waveform.
- the fuel injection rate in the main injection can be varied over time.
- the actuator 43 of the fuel injection valve 18 includes, for example, a piezo stack.
- the piezo stack is a stacked body in which layers called PZT (PbZrTiO 3) and thin electrode layers are alternately stacked, and expands and contracts by applying a voltage due to the reverse piezoelectric effect which is a characteristic of the piezo element.
- the actuator 43 controls the position of the needle 39 using the displacement of the piezo stack.
- the needle 39 when no voltage is applied to the piezo stack, the needle 39 is in a closed state and fuel injection is not performed.
- a voltage is applied to the piezo stack, the piezo stack expands, and with the expansion as a motive power, the needle 39 is pushed up and fuel injection is started.
- the voltage applied to the piezo stack is turned off, it discharges and the piezo stack contracts. As a result, the needle 39 is pushed down to stop fuel injection.
- the voltage supplied to the actuator 43 By controlling the voltage supplied to the actuator 43, the amount of expansion of the piezo stack can be controlled. Therefore, by controlling the voltage, the valve opening speed of the needle 39 can be adjusted in a plurality of stages, so that the injection seal can be freely controlled.
- the intake port and the exhaust port of each cylinder of the engine 10 are opened and closed by the intake valve 21 and the exhaust valve 22, respectively.
- the intake air cooled by the intercooler 13 by opening the intake valve 21 and the external EGR gas are introduced into the combustion chamber 10a.
- the fuel injection valve 18 into the combustion chamber 10a with intake air or the like introduced the fuel self-ignites due to compression of the combustion chamber 10a, and energy is generated by combustion. This energy is taken out as rotational energy of the crankshaft 23 of the engine 10 via the piston 17.
- the gas used for combustion is discharged as exhaust into the exhaust passage 24 by opening the exhaust valve 22.
- a crank angle sensor 25 that detects the rotation angle of the crankshaft 23 is provided in the vicinity of the crankshaft 23.
- the vehicle is provided with a turbocharger 16.
- the turbocharger 16 includes an intake air compressor 16a provided in the intake passage 11, an exhaust turbine 16b provided in the exhaust passage 24, and a rotating shaft 16c that connects these. Specifically, the exhaust turbine 16b is rotated by the energy of the exhaust gas flowing through the exhaust passage 24, and the rotational energy is transmitted to the intake compressor 16a via the rotary shaft 16c, and the intake air is compressed by the intake compressor 16a. That is, the intake air is supercharged by the turbocharger 16.
- the turbocharger 16 can adjust the supercharging pressure of intake air by an energization operation.
- a purification device 26 for purifying exhaust gas is provided on the downstream side of the turbocharger 16.
- a part of the exhaust discharged to the exhaust passage 24 is returned to the intake passage 11 via the EGR passage 27.
- the upstream side of the exhaust turbine 16 b in the exhaust passage 24 is connected to the surge tank 15 via the EGR passage 27.
- An EGR valve device 28 is provided in the EGR passage 27.
- the EGR valve device 28 adjusts the opening degree of the EGR valve 28a by an actuator such as a DC motor.
- a part of the exhaust discharged to the exhaust passage 24 is cooled by the EGR cooler 29 and then supplied to the surge tank 15 as external EGR gas.
- the ECU30 which is an electronic control apparatus which makes an engine system a control object runs the program memorize
- the ECU includes at least one arithmetic processing unit (CPU) and a storage medium that stores programs and data.
- the ECU is realized, for example, by a microcomputer having a storage medium readable by a computer (hereinafter also referred to as “microcomputer”).
- the storage medium is a non-transitional physical storage medium that stores a computer-readable program and data in a non-temporary manner.
- the memory is realized by a semiconductor memory or a magnetic disk.
- the ECU 30 includes an intake pressure sensor 31, an intake temperature sensor 32, an exhaust temperature sensor 33, an in-cylinder pressure sensor 34, an oxygen concentration sensor 38, a fuel pressure sensor 35, a water temperature sensor 36, an accelerator sensor 37, an air flow meter 12, and a crank angle sensor 25.
- the detected value is input.
- the intake pressure sensor 31 detects the gas pressure in the surge tank 15 as the intake pressure.
- the intake air temperature sensor 32 detects the gas temperature in the surge tank 15 as intake sound.
- the exhaust temperature sensor 33 detects the temperature of the exhaust discharged from the combustion chamber 10a as exhaust sound.
- the in-cylinder pressure sensor 34 detects the pressure in the combustion chamber 10a as the in-cylinder pressure.
- the oxygen concentration sensor 38 is attached to the intake passage 11 and detects the oxygen concentration in the intake air.
- the intake air to be detected is a mixture of fresh air and EGR gas.
- the fuel pressure sensor 35 detects the fuel pressure in the common rail 19.
- the water temperature sensor 36 detects the cooling water temperature of the engine 10.
- the crank angle sensor 25 detects the engine speed that is the rotational speed of the crankshaft 23 that is rotationally driven by the piston 17 and that is the rotational speed of the crankshaft 23 per unit time.
- the accelerator sensor 37 detects the accelerator operation amount of the accelerator operation member of the driver, and specifically detects the depression amount of the accelerator pedal.
- the ECU 30 includes a fuel injection control of the fuel injection valve 18, a drive control of the fuel pump 20, a drive control of the EGR valve device 28, and a supercharging pressure control by the turbocharger 16 based on detection values of various sensors. Combustion control is performed. With these controls, the combustion state in the engine 10 included in the combustion system is controlled to a desired state. Therefore, the ECU 30 functions as a control unit that controls the injection rate.
- the injection mode there are two injection modes, a normal combustion mode and an isobaric combustion mode, and switching control for switching the injection mode under a predetermined condition is performed.
- the combustion mode is used in the same meaning as the injection rate waveform.
- the normal injection mode the advance angle is indicated by a broken line, and the advance angle is indicated by a solid line.
- the injection rate waveform is rectangular as shown in FIG.
- the maximum in-cylinder pressure may not exceed the maximum in-cylinder pressure before advance.
- injection control cannot be performed in the normal injection mode after advance.
- the isobaric combustion mode is an isobaric injection rate waveform, and is an injection rate waveform for controlling the in-cylinder pressure in the combustion chamber 10a to be equal to or lower than the maximum in-cylinder pressure.
- the in-cylinder pressure is not more than the maximum in-cylinder pressure, and the in-cylinder pressure is maintained for a longer time within a predetermined range that is not more than the maximum in-cylinder pressure.
- the injection rate waveform is injected into two stages of the front injection and the rear injection, and the rate of change in the injection rate in the front injection is higher than the rate of change in the rear injection. large.
- the isobaric combustion mode has a front-stage injection that rises quickly to the maximum injection rate and a post-stage injection that rises slowly to the maximum injection rate.
- the injection rate waveform of the pre-stage injection consists of the part where the injection rate increases from the start of the pre-stage injection and reaches the maximum injection rate, the part that maintains the maximum injection rate for a predetermined time after reaching the maximum injection rate, and the maximum injection rate A descending portion.
- the injection rate at the start of the subsequent injection is greater than zero.
- the injection rate waveform of the post-injection includes a portion where the injection rate increases from the start of the post-injection and reaches the maximum injection rate, a portion that maintains the maximum injection rate for a predetermined period after reaching the maximum injection rate, and a maximum injection And a portion descending from the rate.
- the change in the in-cylinder pressure during the isobaric combustion mode is maintained at the maximum in-cylinder pressure for a predetermined period after reaching the maximum in-cylinder pressure without exceeding the maximum in-cylinder pressure.
- the constant pressure combustion mode may have a longer period during which the in-cylinder pressure is higher than the normal combustion mode before advancement. Recognize. In the normal combustion mode after advance, the maximum in-cylinder pressure is exceeded and cannot be used in actual injection control. Therefore, in the isobaric combustion mode, the output can be increased more than in the normal combustion mode before and after advance.
- the switching control shown in FIG. 9 is control that is repeatedly performed when the internal combustion engine is driven.
- step S11 the operating condition is acquired, and the process proceeds to step S12.
- the operating conditions are, for example, the engine speed Ne, the accelerator opening ⁇ ac, and the intake pressure Pim.
- the ECU 30 acquires the accelerator opening degree ⁇ ac from the accelerator sensor 37, acquires the engine speed Ne from the crank angle sensor 25, and acquires the intake pressure Pim that is the in-cylinder pressure from the in-cylinder pressure sensor 34.
- the intake pressure Pim has a correlation with the degree of ignition delay in the cylinder. Therefore, the ECU 30 functions as an ignition acquisition unit that acquires the degree of ignition delay in the cylinder.
- the ECU 30 functions as an intake pressure acquisition unit that acquires the intake pressure Pim.
- step S12 it is determined whether or not there is a high output request from the acquired operating condition. If it is a high output request, the process proceeds to step S13, and if it is not a high output request, the process proceeds to step S16. Whether it is a high output request is determined by whether it is an output request higher than a predetermined output. Whether or not the request is a high output is determined from, for example, the engine speed Ne and the accelerator opening ⁇ ac. When the required injection amount is obtained from the accelerator opening ⁇ ac and the calculated injection amount exceeds the threshold indicated by the broken line in FIG.
- step S13 it is determined whether or not the intake pressure Pim is greater than or equal to a predetermined intake pressure determination threshold value ⁇ . If the intake pressure determination threshold value ⁇ is greater than or equal to the intake pressure determination threshold value ⁇ , the process proceeds to step S14. Control goes to step S16.
- the intake pressure determination threshold value ⁇ is determined so that the ignition delay becomes smaller than a predetermined time as shown in FIG. If the ignition delay becomes longer, the maximum in-cylinder pressure Pmax may be exceeded at the time of initial combustion. Therefore, when the intake pressure is such that heat generation follows the injection rate, the process proceeds to step S14.
- step S14 the target injection pressure and timing are set from the engine speed Ne, the accelerator opening ⁇ ac, and the intake pressure Pim, and the process proceeds to step S15.
- step S15 since it is a high output request and the intake pressure Pim is equal to or higher than the intake pressure determination threshold value ⁇ , the isobaric injection mode is set, and the process proceeds to step S17.
- step S16 since it is not a high output request or the intake pressure Pim is not equal to or higher than the intake pressure determination threshold value ⁇ , the normal combustion mode is set, and the process proceeds to step S17.
- step S17 injection is performed in the set injection mode, and this flow is terminated.
- the isobaric combustion mode is set. Therefore, the high output requirement can be satisfied by the high output in the isobaric combustion mode.
- the normal combustion mode is set. Thus, the isobaric combustion mode is performed at a necessary timing, and the normal combustion mode is performed when it is not necessary.
- variable injection rate is realized by the speed control of the needle 39.
- speed control is performed on the needle 39 in this manner, cavitation is likely to occur in the nozzle hole 40, and erosion, also called erosion, occurs in the nozzle hole 40 along with the collapse of the cavitation, which may cause excessive injection. Therefore, in order to detect an abnormality in the nozzle hole 40, the monitoring control shown in FIG. 10 is repeatedly performed when the internal combustion engine is driven.
- step S21 the injection amount at the time of injection according to a predetermined injection instruction is acquired, and the process proceeds to step S22.
- the injection amount is an injection amount when being injected into the cylinder from the injection hole 40 in a predetermined injection period, injection pressure, and injection rate waveform.
- the ECU 30 detects the fluctuation amount of the engine speed Ne when the fuel is injected according to a predetermined injection instruction, for example.
- the ECU 30 calculates engine torque from the fluctuation amount of the engine speed, and calculates the injection amount from the engine torque.
- ECU30 may acquire the injection quantity from the injection quantity sensor which detects injection quantity, for example. Therefore, the ECU 30 functions as an injection amount acquisition unit that acquires the injection amount.
- step S22 it is determined whether or not the injection amount has suddenly increased. If the injection amount has suddenly increased, the process proceeds to step S23. If the injection amount has not suddenly increased, this flow is terminated.
- the case of sudden increase is, for example, a value that exceeds the fluctuation range of the injection amount due to secular change, and the injection amount is increased from the previous injection amount.
- step S24 assuming that an abnormality has occurred in the nozzle hole 40, control is performed so as to prohibit the isobaric combustion mode, and the process proceeds to step S25.
- the normal combustion mode is set instead of the isobaric combustion mode even if the process proceeds to step S15 in FIG. If the constant pressure combustion mode is already set, the normal combustion mode is set.
- step S25 assuming that an abnormality has occurred in the nozzle hole 40, the output is limited and this flow is terminated.
- the control is performed so that the output is not a high output as required, but a predetermined limit output or less.
- the monitoring control the increase in the injection amount under the same injection instruction condition is monitored, and when the sudden increase in the injection amount is confirmed, the implementation of the isobaric combustion mode is prohibited and the output is limited. .
- the fuel injection control device has the constant pressure combustion mode when the intake pressure Pim is equal to or higher than the predetermined intake pressure determination threshold value ⁇ and the output request to the engine 10 is a high output. It is controlled to inject at.
- the intake pressure Pim is higher than the intake pressure determination threshold value ⁇
- the degree of ignition delay is small, and heat generation can be made to follow the injection rate.
- the degree of ignition delay is large and heat generation cannot be made to follow the injection rate, heat generation cannot be controlled with high accuracy even if the injection rate is controlled with high accuracy.
- the in-cylinder pressure can be controlled with high accuracy by the isobaric combustion mode.
- the in-cylinder pressure can be made close to the maximum in-cylinder pressure while keeping the in-cylinder pressure below the maximum in-cylinder pressure Pmax.
- the isobaric combustion mode is an injection rate waveform for controlling the in-cylinder pressure in the combustion chamber 10a to be equal to or less than the maximum in-cylinder pressure Pmax.
- the isobaric combustion mode is an injection rate waveform in which injection is performed in two stages, upstream injection and downstream injection, and the rate of change in the injection rate increase in upstream injection is greater than the rate of change in downstream injection.
- the first half injection with a large change rate causes the injection rate to rapidly increase to the maximum injection rate, and the in-cylinder pressure is increased to the maximum in-cylinder pressure Pmax in a short time. Thereafter, the in-cylinder pressure can be prevented from exceeding the maximum in-cylinder pressure Pmax by lowering the injection rate from the maximum injection rate. Furthermore, since the injection rate is greater than 0 at the start of the post-stage injection, it is possible to prevent the in-cylinder pressure from being lowered by excessively lowering the injection rate. In addition, it is possible to prevent the in-cylinder pressure from being increased or decreased excessively by the gradual increase in the rate of change of the injection rate in the subsequent injection. The injection rate is maintained at the maximum injection rate in order to reach a predetermined injection amount, and then the injection rate is lowered from the maximum injection rate.
- the in-cylinder pressure can be controlled to be close to the maximum in-cylinder pressure Pmax that is equal to or less than the maximum in-cylinder pressure Pmax without exceeding the maximum in-cylinder pressure Pmax. This ensures maximum work. Therefore, the high output requirement can be satisfied without increasing the strength of the engine 10.
- the isobaric combustion mode is effective in order to maximize the output performance in the engine 10 in which the maximum in-cylinder pressure Pmax is determined.
- the injection rate waveform is set so that the target in-cylinder pressure profile preset in the engine 10 matches the actual in-cylinder pressure profile.
- the target in-cylinder pressure profile is a profile that can maintain the maximum in-cylinder pressure at the maximum in-cylinder pressure Pmax and has a large output.
- the injection rate waveform is determined so as to obtain such a target in-cylinder pressure profile.
- pre-stage injection and post-stage injection are performed, but the injection rate is greater than 0 at the start of the post-stage injection.
- the injection rate at the start of the subsequent stage is larger than 0 as in the present embodiment, the influence of the throttle generated when the valve is closed can be reduced to prevent the smoke from getting worse.
- the injection rate at the time of subsequent disclosure is preferably such that the flow area of the throttle generated when the needle 39 is opened is larger than the flow area of the nozzle hole 40.
- the injection in the isobaric combustion mode is prohibited, and the injection is controlled in the normal combustion mode that is another injection rate waveform. Yes. Accordingly, when the injection amount changes suddenly and an abnormality occurs in the nozzle hole 40, it is possible to prevent the isobaric combustion mode from being performed. When an abnormality occurs in the nozzle hole 40, when the isobaric combustion mode is performed, the time during which the maximum in-cylinder pressure is reached is long, so that the influence on the injection amount due to the abnormality in the nozzle hole 40 may be increased.
- the normal combustion mode in which the in-cylinder pressure is lower than the isobaric combustion mode it is possible to suppress the influence caused by the abnormality of the nozzle hole 40. Further, when an abnormality occurs in the nozzle hole 40, the user may be notified that the abnormality has occurred.
- the intake pressure Pim when the intake pressure Pim is equal to or higher than the intake pressure determination threshold value ⁇ and the output request to the engine 10 is a high output, control is performed so that the injection is performed in the isobaric combustion mode.
- the intake pressure Pim is equal to or higher than the intake pressure determination threshold value ⁇
- the ignition delay is small and combustion is easy.
- heat generation can follow the injection rate waveform.
- the isobaric combustion mode when the isobaric combustion mode is performed, the actual in-cylinder pressure profile can be brought close to the target in-cylinder pressure profile.
- FIG. 13 a second embodiment will be described using FIG. 13 and FIG.
- the present embodiment is characterized in that not the intake pressure Pim but the oxygen concentration O2im is used to determine the inflammability in the cylinder.
- the injection mode switching control of this embodiment will be described.
- the switching control shown in FIG. 13 is control that is repeatedly performed when the internal combustion engine is driven.
- step S31 as in step S11, the operating conditions are acquired, and the process proceeds to step S32.
- the operating conditions include the oxygen concentration O2im. Therefore, the ECU 30 functions as an oxygen concentration acquisition unit that acquires the oxygen concentration of the intake air.
- step S32 similarly to step S12, it is determined whether or not a high output request is made based on the obtained operating condition. If the request is a high output request, the process proceeds to step S33, and if not, the process proceeds to step S36. .
- step S33 it is determined whether or not the oxygen concentration O2im is equal to or greater than a predetermined oxygen concentration determination threshold ⁇ . If the oxygen concentration determination threshold ⁇ is equal to or greater than step S34, the process proceeds to step S34. Control goes to step S36.
- the oxygen concentration determination threshold value ⁇ is determined so that the ignition delay becomes smaller than a predetermined time as shown in FIG.
- step S34 similarly to step S14, the target injection pressure and timing are set from the engine speed Ne, the accelerator opening ⁇ ac, and the intake pressure Pim, and the process proceeds to step S35.
- step S35 since it is a high output request and the oxygen concentration O2im is equal to or higher than the oxygen concentration determination threshold value ⁇ , the isobaric injection mode is set, and the process proceeds to step S37.
- step S36 it is not a high output request or the oxygen concentration O2im is not equal to or higher than the oxygen concentration determination threshold value ⁇ , so the normal combustion mode is set, and the process proceeds to step S37.
- step S37 as in step S17, injection is performed in the set injection mode, and this flow ends.
- the isobaric combustion mode in the case of a high output demand, a condition where the oxygen concentration is high, the ignition delay is small, and combustion is easy, the isobaric combustion mode is set.
- the high output requirement can be satisfied by the high output in the isobaric combustion mode.
- the normal combustion mode is set.
- the isobaric combustion mode is performed at a necessary timing, and the normal combustion mode is performed when it is not necessary.
- the oxygen concentration of the intake air is acquired by the oxygen concentration sensor 38, but is not limited to the oxygen concentration sensor 38, and the oxygen concentration is estimated from a correlated numerical value, for example, an EGR rate. Also good.
- the oxygen concentration O2im is used to determine the ignition delay, but without determining only the oxygen concentration O2im, the degree of ignition delay is acquired by both the intake pressure Pim and the oxygen concentration O2im, You may judge the flammability. This makes it possible to determine the easiness of burning with higher accuracy.
- injection rate waveforms are switched.
- the present invention is not limited to two injection rate waveforms, and three or more injection rate waveforms may be switched.
- the control is not limited to switching between the isobaric combustion mode and the normal combustion mode, but may be control switching between the isobaric combustion mode and another injection mode.
- Other injection modes include, for example, an injection rate waveform having a boot shape, a ⁇ shape, a trapezoidal shape, and a staircase shape.
- the actuator 43 of the fuel injection valve 18 uses a piezoelectric element, but is not limited to such a configuration. Any configuration capable of adjusting the valve opening speed may be used. For example, a configuration may be adopted in which a plurality of pressure chambers having different pressures are provided and the valve opening speed is adjusted by switching these chambers.
- the combustion is likely to occur when the degree of the ignition delay is smaller than the threshold value.
- the intake pressure Pim and the oxygen concentration O2im it is not limited to the intake pressure Pim and the oxygen concentration O2im.
- the EGR rate may be used, or may be determined using other values.
- the functions realized by the ECU 30 may be realized by hardware and software different from those described above, or a combination thereof.
- the ECU 30 may realize each functional block such as a control unit that performs injection control by one processor.
- the ECU 30 may communicate with, for example, another control device, and the other control device may execute part or all of the processing.
- the ECU 30 is realized by an electronic circuit, it can be realized by a digital circuit including a large number of logic circuits or an analog circuit.
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Abstract
複数の噴射率波形には、燃焼室(10a)内の筒内圧が最大筒内圧以下となるように制御するための等圧噴射率波形であって、前段噴射と後段噴射との2段階に噴射し、前段噴射における噴射率の上昇の変化の割合が後段噴射における変化の割合よりも大きい等圧噴射率波形が含まれ、前段噴射の噴射率波形は、前段噴射の開始から噴射率が上昇して最大噴射率に到達する部分と、最大噴射率から下降する部分とを有し、後段噴射の噴射率波形は、後段噴射の開始時点の噴射率が0よりも大きく、後段噴射の開始から噴射率が上昇して最大噴射率に到達する部分と、最大噴射率から下降する部分とを有し、制御部(30)は、着火取得部(30)によって取得された着火遅れの度合いが閾値よりも小さく、かつ内燃機関(10)への出力要求が所定の出力よりも高い高出力要求である場合には、等圧噴射率波形で噴射するように制御する。
Description
本出願は、2015年12月10日に出願された日本特許出願番号2015-241503号に基づくもので、ここにその記載内容を援用する。
本開示は、噴射率波形が可変の燃料噴射弁による内燃機関の燃焼室内への燃料噴射を制御する燃料噴射制御装置に関する。
ディーゼルエンジンは、気筒内の圧縮により燃料を自着火させるため、ガソリンエンジンに比べて圧縮比が高く、燃焼により発生する筒内圧も高くなる。高出力化を狙うためには、1サイクルあたりの燃焼量を増やす必要があり、これによりさらに筒内圧は上昇する。
特許文献1では、許容される最大筒内圧を越えないように燃料噴射量を制御している。具体的には、まず給気マニホールド圧力と温度とからガス密度を算出し、ガス密度と最大筒内圧の関係から最大筒内圧を推定する。そして推定した最大筒内圧を超える燃料噴射量の場合には、筒内圧を下げるために燃料噴射量を低減している。
特許文献1に記載の燃料噴射制御では、最大筒内圧を超えないように燃料噴射量を制御しているだけであり、筒内圧を上昇させて高出力化することができない。またエンジン自体の強度からエンジンが許容できる最高筒内圧が決まっているので、最大筒内圧を上昇させるためにはエンジンの強度アップが必要である。しかし強度アップによるエンジン自体の重量増および製造コストが上昇するという問題がある。
本開示は前述の問題点を鑑みてなされたものであり、筒内圧を最大筒内圧以下に抑制しつつ、出力を向上することができる燃料噴射制御装置を提供することを目的とする。
前述の目的を達成するために、本開示の1つの態様は、気筒内の着火遅れの度合いを取得する着火取得部と、内燃機関への出力要求に従って、複数の噴射率波形のうちいずれか1つの噴射率波形を用いて燃料噴射を制御する制御部と、を備え、複数の噴射率波形には、燃焼室内の筒内圧が最大筒内圧以下となるように制御するための等圧噴射率波形であって、前段噴射と後段噴射との2段階に噴射し、前段噴射における噴射率の上昇の変化の割合が後段噴射における変化の割合よりも大きい等圧噴射率波形が含まれ、前段噴射の噴射率波形は、前段噴射の開始から噴射率が上昇して最大噴射率に到達する部分と、最大噴射率から下降する部分とを有し、後段噴射の噴射率波形は、後段噴射の開始時点の噴射率が0よりも大きく、後段噴射の開始から噴射率が上昇して最大噴射率に到達する部分と、最大噴射率から下降する部分とを有し、制御部は、着火取得部によって取得された着火遅れの度合いが閾値よりも小さく、かつ内燃機関への出力要求が高出力である場合には、等圧噴射率波形で噴射するように制御する燃料噴射制御装置である。
このような本態様に従えば、着火遅れの度合いが閾値よりも小さく、かつ内燃機関への出力要求が高出力である場合には、等圧噴射率波形で噴射するように制御される。着火遅れの度合いが小さい場合は、燃え易い状態であるので、噴射率に対して熱発生を追従させることができる。逆に、着火遅れの度合いが大きい場合は、燃え難い状態であるので、噴射率に対して熱発生が追従しないので、噴射率を制御しても熱発生を制御することができない。本態様では、燃え易いときに等圧噴射率波形によって制御するので、高精度に筒内圧を制御することができる。また内燃機関への出力要求が高出力である場合には、筒内圧を高くする必要がある。そこで高出力要求の場合には、等圧噴射率波形を用いて、筒内圧を最大筒内圧以下にしつつ、最大筒内圧に近づけた筒内圧に制御する。
このように等圧噴射率波形は、燃焼室内の筒内圧が最大筒内圧以下となるように制御するための噴射率波形である。等圧噴射率波形は、前段噴射と後段噴射との2段階に噴射し、前段噴射における噴射率の上昇の変化の割合が後段噴射における変化の割合よりも大きい噴射率波形である。
変化の割合の大きい前半噴射によって、噴射率を最大噴射率まで急上昇させて、筒内圧を最大筒内圧まで短時間で上昇させる。その後、最大噴射率から噴射率を下降させることで、筒内圧が最大筒内圧を超えてしまうことを防ぐことができる。さらに後段噴射の開始時点は、噴射率が0よりも大きいので、噴射率を下降させすぎて、筒内圧が低くなるのを防ぐことができる。また後段噴射で、噴射率を変化の割合が小さいゆるやかな上昇によって、筒内圧が上がりすぎることも下がりすぎることをも抑制することができる。そして所定の噴射量に達するために噴射率を最大噴射率に維持し、その後、噴射率を最大噴射率から下降させる。
このような等圧噴射率波形によって、筒内圧が最大筒内圧を超えることなく、最大筒内圧以下の最大筒内圧に近づけた状態に制御することができる。したがって内燃機関の強度アップすることなく、高出力要求を満たすことができる。
本開示についての上記目的およびその他の目的、特徴や利点は、添付の図面を参照しながら下記の詳細な記述により、より明確になる。その図面は、
第1実施形態のエンジンの概要を示す図である。
第1実施形態のニードルの動作を説明する図である。
第1実施形態の通常燃焼モードの筒内圧を示すグラフである。
第1実施形態の通常燃焼モードの噴射率を示すグラフである。
第1実施形態の等圧燃焼モードの筒内圧を示すグラフである。
第1実施形態の等圧燃焼モードの噴射率を示すグラフである。
第1実施形態の2つの燃焼モードの筒内圧を示すグラフである。
第1実施形態の2つ燃焼モードの噴射率を示すグラフである。
第1実施形態の切替制御を示すフローチャートである。
第1実施形態のエンジン回転数と噴射量との関係を示すグラフである。
第1実施形態の吸気圧と着火遅れとの関係を示すグラフである。
第1実施形態の監視制御を示すフローチャート
第2実施形態の切替制御を示すフローチャートである。
第2実施形態の酸素濃度と着火遅れとの関係を示すグラフである。
以下、図面を参照しながら実施するための形態を、複数の形態を用いて説明する。各実施形態で先行する実施形態で説明している事項に対応している部分には同一の参照符を付すか、または先行の参照符号に一文字追加し、重複する説明を略する場合がある。また各実施形態にて構成の一部を説明している場合、構成の他の部分は、先行して説明している実施形態と同様とする。各実施形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施形態同士を部分的に組合せることも可能である。
(第1実施形態)
第1実施形態に関して、図1~図12を用いて説明する。本実施形態では、燃料噴射制御装置をコモンレール式燃料噴射装置が備えられる多気筒ディーゼルエンジンに適用している。
第1実施形態に関して、図1~図12を用いて説明する。本実施形態では、燃料噴射制御装置をコモンレール式燃料噴射装置が備えられる多気筒ディーゼルエンジンに適用している。
本実施形態において、図1に示すエンジン10は、車載主機として車両に搭載されており、吸気、圧縮、膨張及び排気行程からなる4サイクルエンジンである。内燃機関であるエンジン10の吸気通路11には、上流側から順に、吸入される空気量を検出するエアフローメータ12、ターボチャージャ16によって過給された吸気を冷却するインタークーラ13、およびスロットルバルブ装置14が設けられている。スロットルバルブ装置14は、DCモータ等のアクチュエータにより、スロットルバルブ14aの開度を調節する。
吸気通路11においてスロットルバルブ装置14の下流側には、サージタンク15を介してエンジン10の各気筒の燃焼室10aが接続されている。燃焼室10aは、エンジン10のシリンダ10bおよびピストン17にて区画されている。エンジン10には、燃焼室10a内に先端部が突出した燃料噴射弁18が設けられている。燃料噴射弁18には、蓄圧容器としてのコモンレール19から高圧の燃料、具体的には軽油が供給される。コモンレール19には、燃料ポンプ20から燃料が圧送される。なお、図1では、1つの気筒のみを示している。
燃料噴射弁18は、図2に示すように、弁体であるニードル39と、燃料を噴射する円形の噴孔40が先端部に複数形成され、内部にニードル39が収容されるボディ41とを備えている。ボディ41の内面とニードル39の外面との間には、ボディ41の軸方向に延びてかつコモンレール19から供給された燃料が通過する環状の燃料通路42が形成されている。ボディ41の先端部の内面には、ニードル39の先端部が着座する着座面41aが形成されている。この構成において、ニードル39を着座面41aに着座させることにより、燃料通路42と噴孔40との間が遮断され、燃料噴射が停止される。一方、通電操作によってニードル39を着座面41aから離座させることにより、燃料通路42と噴孔40との間が連通される。その結果、燃料通路42の燃料は、噴孔40から燃焼室10aへと直接噴射供給される。
燃料噴射弁18は、噴射率波形を可変に制御できる構成とされている。噴射率波形とは、噴射率の時間経過における変化を示した波形である。本実施形態において、燃料噴射弁18は、噴射率波形を可変に制御すべく、ニードル39のリフト量を自在に制御できる構成とされている。換言すると、燃料噴射弁18は、噴孔40を開閉するニードル39の速度制御によって噴射率波形が変更できるように構成されている。たとえば燃料噴射弁18は、ピエゾ素子を有するアクチュエータ43により、燃料通路42の面積を調節して燃料の噴射を行う。これによって燃料噴射弁18は、燃料の噴射率波形を変更可能であり、例えばメイン噴射における噴射率を時間経過につれて異ならせることができる。
燃料噴射弁18のアクチュエータ43は、たとえばピエゾスタックを含んで構成される。ピエゾスタックは、たとえばPZT(PbZrTiO3)と呼ばれる層と薄い電極層が交互に積まれた積層体で、ピエゾ素子の特性である逆圧電効果により電圧を印加することで伸び縮みする。アクチュエータ43は、ピエゾスタックの変位を用いて、ニードル39の位置を制御する。
たとえばピエゾスタックに電圧が印加されていない状態では、ニードル39は閉じた状態であり、燃料噴射は行われない。そしてピエゾスタックに電圧を印加すると、ピエゾスタックは膨張して、膨張を動力として、ニードル39が押し上げられ燃料噴射が開始される。ピエゾスタックに印加されている電圧をオフにすると、放電して、ピエゾスタックは収縮する。これによってニードル39が押し下げられ燃料噴射が停止する。アクチュエータ43に供給する電圧を制御することによって、ピエゾスタックの膨張量を制御することができる。したがって電圧を制御することによって、ニードル39の開弁速度を複数の段階にわたって調整することができるので、噴射シールを自在に制御できる。
エンジン10の各気筒の吸気ポートおよび排気ポートのそれぞれは、吸気バルブ21および排気バルブ22のそれぞれにより開閉される。ここでは、吸気バルブ21の開弁によってインタークーラ13で冷却された吸気、および外部EGRガスが燃焼室10aに導入される。吸気等が導入された状態で燃料噴射弁18から燃焼室10aに燃料が噴射されると、燃焼室10aの圧縮によって燃料が自己着火し、燃焼によってエネルギが発生する。このエネルギは、ピストン17を介して、エンジン10のクランク軸23の回転エネルギとして取り出される。燃焼に供されたガスは、排気バルブ22の開弁によって、排気通路24に排気として排出される。なお、クランク軸23付近には、クランク軸23の回転角度を検出するクランク角度センサ25が設けられている。
車両には、ターボチャージャ16が設けられている。ターボチャージャ16は、吸気通路11に設けられた吸気コンプレッサ16aと、排気通路24に設けられた排気タービン16bと、これらを連結する回転軸16cとを備えている。詳しくは、排気通路24を流れる排気のエネルギによって排気タービン16bが回転し、その回転エネルギが回転軸16cを介して吸気コンプレッサ16aに伝達され、吸気コンプレッサ16aによって吸気が圧縮される。すなわち、ターボチャージャ16によって吸気が過給される。なお本実施形態では、ターボチャージャ16として、通電操作によって吸気の過給圧を調節可能なものを想定している。
排気通路24のうちターボチャージャ16の下流側には、排気を浄化する浄化装置26が設けられている。また排気通路24に排出された排気の一部は、EGR通路27を介して吸気通路11に還流される。詳しくは、排気通路24のうち排気タービン16bの上流側は、EGR通路27を介してサージタンク15に接続されている。EGR通路27には、EGRバルブ装置28が設けられている。EGRバルブ装置28は、DCモータ等のアクチュエータにより、EGRバルブ28aの開度を調節する。EGRバルブ28aの開度に応じて、排気通路24に排出された排気の一部が、EGRクーラ29によって冷却された後に外部EGRガスとしてサージタンク15に供給される。
エンジンシステムを制御対象とする電子制御装置であるECU30は、記憶媒体に記憶されているプログラムを実行し、各部を制御する。ECUは、少なくともひとつの演算処理装置(CPU)と、プログラムとデータとを記憶する記憶媒体とを有する。ECUは、たとえばコンピュータによって読み取り可能な記憶媒体を備えるマイクロコンピュータ(以下、「マイコン」ということがある)によって実現される。記憶媒体は、コンピュータによって読み取り可能なプログラムおよびデータを非一時的に格納する非遷移的実体的記憶媒体である。メモリは、半導体メモリまたは磁気ディスクなどによって実現される。
ECU30には、吸気圧センサ31、吸気温センサ32、排気温センサ33、筒内圧センサ34、酸素濃度センサ38、燃圧センサ35、水温センサ36、アクセルセンサ37、エアフローメータ12、およびクランク角度センサ25の検出値が入力される。吸気圧センサ31は、吸気圧としてサージタンク15内のガス圧力を検出する。吸気温センサ32は、吸気音としてサージタンク15内のガス温度を検出する。排気温センサ33は、排気音として燃焼室10aから排出された排気の温度を検出する。筒内圧センサ34は、筒内圧として燃焼室10a内の圧力を検出する。酸素濃度センサ38は、吸気通路11に取り付けられ、吸気中の酸素濃度を検出する。検出対象となる吸気は、新気とEGRガスが混合したものである。燃圧センサ35は、コモンレール19内の燃料圧力を検出する。水温センサ36は、エンジン10の冷却水温を検出する。クランク角度センサ25は、ピストン17により回転駆動するクランク軸23の回転速度であって、単位時間あたりのクランク軸23の回転数であるエンジン回転数を検出する。アクセルセンサ37は、ドライバのアクセル操作部材のアクセル操作量を検出し、具体的にはアクセルペダルの踏み込み量を検出する。
ECU30は、各種センサの検出値に基づいて、燃料噴射弁18の燃料噴射制御、燃料ポンプ20の駆動制御、EGRバルブ装置28の駆動制御、およびターボチャージャ16による過給圧制御を含むエンジン10の燃焼制御を行う。これらの制御により、燃焼システムが備えるエンジン10での燃焼状態は、所望の状態に制御される。したがってECU30は、噴射率を制御する制御部として機能する。
次に、噴射モードに関して、図3~図8を用いて説明する。本実施形態では、2つの噴射モードである通常燃焼モードと等圧燃焼モードとを有し、所定の条件で噴射モードを切り替える切替制御を行っている。燃焼モードは、噴射率波形と同じ意味で用いている。図3および図4では、通常噴射モードとして、進角を破線で示し、進角後を実線で示している。通常噴射モードでは、噴射率波形は図4に示すように、長方形状である。このような通常噴射モードの場合は、進角前は最大の筒内圧が最大筒内圧を超えていないことがある。しかし進角させると最大の筒内圧は、最大筒内圧を超えているので、進角後の通常噴射モードで噴射制御することができない。
等圧燃焼モードは、等圧噴射率波形であって、燃焼室10a内の筒内圧が最大筒内圧以下となるように制御するための噴射率波形である。また等圧燃焼モードを実施した場合は、筒内圧が最大筒内圧以下であって、最大筒内圧以下の所定範囲内により長い時間にわたって筒内圧が維持される。等圧燃焼モードでは、噴射率波形が図6に示すように、前段噴射と後段噴射との2段階に噴射し、前段噴射における噴射率の上昇の変化の割合が後段噴射における変化の割合よりも大きい。換言すると、等圧燃焼モードは、最大噴射率までの立上りが速い前段噴射と、最大噴射率までの立上りが遅い後段噴射とを有する。
前段噴射の噴射率波形は、前段噴射の開始から噴射率が上昇して最大噴射率に到達する部分と、最大噴射率に到達後に所定時間にわたって最大噴射率で維持する部分と、最大噴射率から下降する部分とを有する。
後段噴射の噴射率波形は、後段噴射の開始時点の噴射率が0よりも大きい。また後段噴射の噴射率波形は、後段噴射の開始から噴射率が上昇して最大噴射率に到達する部分と、最大噴射率に到達後は所定期間にわたって最大噴射率を維持する部分と、最大噴射率から下降する部分とを有する。前段噴射と後段噴射とを比較すると、最大噴射率で維持されている時間が後段噴射の方が長い。
そして等圧燃焼モードのときの筒内圧の変化は、図5に示すように、最大筒内圧を超えることなく、最大筒内圧に達した後は、所定期間にわたって最大筒内圧で維持されている。通常燃焼モードと等圧燃焼モードとを比較した場合、図7および図8に示すように、等圧燃焼モードの方が、進角前の通常燃焼モードよりも筒内圧が高い期間が長いことがわかる。進角後の通常燃焼モードでは、最大筒内圧を超えているので、実際の噴射制御で用いることができない。したがって等圧燃焼モードは、進角前および進角後の通常燃焼モードよりも出力上昇を実現することができる。
次に、噴射モードの切替制御に関して、図9~図11を用いて説明する。図9に示す切替制御は、内燃機関が駆動しているときに繰り返し実施される制御である。
ステップS11では、運転条件を取得し、ステップS12に移る。運転条件は、たとえばエンジン回転数Ne、アクセル開度θacおよび吸気圧Pimである。ECU30は、アクセルセンサ37からアクセル開度θacを取得し、クランク角度センサ25からエンジン回転数Neを取得し、筒内圧センサ34から筒内圧である吸気圧Pimを取得する。吸気圧Pimは、気筒内の着火遅れの度合いと相関関係にある。したがってECU30は、気筒内の着火遅れの度合いを取得する着火取得部として機能する。またECU30は、吸気圧Pimを取得する吸気圧取得部として機能する。
ステップS12では、取得した運転条件から高出力要求か否かを判断し、高出力要求である場合には、ステップS13に移り、高出力要求でない場合は、ステップS16に移る。高出力要求か否かは、所定の出力よりも高い出力要求であるか否かで判断する。高出力要求であるか否かは、たとえばエンジン回転数Neとアクセル開度θacから判断される。アクセル開度θacから要求される噴射量が求められ、求められた噴射量が図10にて破線で示す閾値を超える場合には、高出力要求と判断する。
ステップS13では、吸気圧Pimが所定の吸気圧判定閾値α以上か否かを判断し、吸気圧判定閾値α以上の場合には、ステップS14に移り、吸気圧判定閾値α以上でない場合には、ステップS16に移る。吸気圧判定閾値αは、図11に示すように着火遅れが所定の時間よりも小さくなるように決定される。着火遅れが長くなると、初期燃焼時に最大筒内圧Pmaxを超えてしまう恐れがあるため、噴射率に対して、熱発生が追従するような吸気圧の場合に、ステップS14に移る。
ステップS14では、エンジン回転数Ne、アクセル開度θacおよび吸気圧Pimから目標噴射圧およびタイミングを設定し、ステップS15に移る。ステップS15では、高出力要求であり、吸気圧Pimが吸気圧判定閾値α以上であるので、等圧噴射モードに設定し、ステップS17に移る。ステップS16では、高出力要求ではないか、吸気圧Pimが吸気圧判定閾値α以上でないので、通常燃焼モードに設定し、ステップS17に移る。ステップS17では、設定された噴射モードで噴射を実行し、本フローを終了する。
このように高出力要求であり、着火遅れが少なく燃え易い条件の場合には、等圧燃焼モードに設定される。したがって高出力要求を等圧燃焼モードによる高出力によって満足することができる。逆に、高出力要求でないか、着火遅れが多く燃え難い条件の場合には、通常燃焼モードに設定される。これによって必要なタイミングで等圧燃焼モードが実施され、必要でない場合には通常燃焼モードが実施される。
本実施形態では、可変噴射率をニードル39の速度制御によって実現している。このようにニードル39に対して速度制御を実施すると、噴孔40にキャビテーションが発生しやすく、キャビテーションの崩壊とともに噴孔40に壊食とも呼ばれるエロージョンが発生し、過剰噴射するおそれがある。そこで、噴孔40の異常を検出するため図10に示す監視制御を内燃機関が駆動しているときに繰り返し実施している。
ステップS21では、所定の噴射指示によって噴射した際の噴射量を取得し、ステップS22に移る。噴射量は、所定の噴射期間、噴射圧力および噴射率波形で噴孔40から気筒内に噴出されたときの噴射量である。ECU30は、たとえば所定の噴射指示によって噴射したとき、エンジン回転数Neの変動量を検出する。そしてECU30は、エンジン回転数の変動量からエンジントルクを算出し、エンジントルクから噴射量を算出する。またECU30は、たとえば噴射量を検出する噴射量センサから噴射量を取得してもよい。したがってECU30は、噴射量を取得する噴射量取得部として機能する。
ステップS22では、噴射量が急に増加したか否かを判断し、噴射量が急に増えた場合には、ステップS23に移り、急に増えていない場合には、本フローを終了する。急に増えた場合とは、たとえば経年変化による噴射量の変動範囲を超えた値であって、噴射量が前回の噴射量よりも増えている場合である。
ステップS24では、噴孔40に異常が発生しているとして、等圧燃焼モードを禁止するように制御し、ステップS25に移る。等圧燃焼モードが禁止されると、図9にてステップS15に移っても等圧燃焼モードに設定されずに通常燃焼モードに設定される。また既に等圧燃焼モードに設定されている場合には、通常燃焼モードに設定される。
ステップS25では、噴孔40に異常が発生しているとして、出力制限を実施し、本フローを終了する。出力制限が実施されると、通常燃焼モードにおいて高出力の要求があった場合でも、要求通りに高出力とせずに、所定の制限出力以下となるように制御する。
このように監視制御では、同一の噴射指示条件における噴射量の増加をモニタしており、急激な噴射量増大を確認した場合には、等圧燃焼モードの実施を禁止するとともに、出力制限を行う。
以上説明したように本実施形態の燃料噴射制御装置は、吸気圧Pimが所定の吸気圧判定閾値α以上であり、かつエンジン10への出力要求が高出力である場合には、等圧燃焼モードで噴射するように制御される。吸気圧Pimが吸気圧判定閾値αよりも高い場合には、着火遅れの度合いが小さく、噴射率に対して熱発生を追従させることができる。逆に、着火遅れの度合いが大きく、噴射率に対して熱発生を追従させることができない場合には、噴射率を高精度に制御しても、熱発生を高精度に制御することができない。本実施形態では、燃え易い場合に等圧燃焼モードを実施するので、等圧燃焼モードによって高精度に筒内圧を制御することができる。またエンジン10への出力要求が所定の出力要求よりも高い高出力要求である場合には、筒内圧を高くする必要がある。そこで等圧燃焼モードにて噴射することによって、筒内圧を最大筒内圧Pmax以下にしつつ、最大筒内圧に近づけた筒内圧とすることができる。
このように等圧燃焼モードは、燃焼室10a内の筒内圧が最大筒内圧Pmax以下となるように制御するための噴射率波形である。等圧燃焼モードは、前段噴射と後段噴射との2段階に噴射し、前段噴射における噴射率の上昇の変化の割合が後段噴射における変化の割合よりも大きい噴射率波形である。
変化の割合の大きい前半噴射によって、噴射率を最大噴射率まで急上昇させて、筒内圧を最大筒内圧Pmaxまで短時間で上昇させる。その後、最大噴射率から噴射率を下降させることで、筒内圧が最大筒内圧Pmaxを超えてしまうことを防ぐことができる。さらに後段噴射の開始時点は、噴射率が0よりも大きいので、噴射率を下降させすぎて、筒内圧が低くなるのを防ぐことができる。また後段噴射で、噴射率を変化の割合が小さいゆるやかな上昇によって、筒内圧が上がりすぎることも下がりすぎることをも抑制することができる。そして所定の噴射量に達するために噴射率を最大噴射率に維持し、その後、噴射率を最大噴射率から下降させる。
このような等圧燃焼モードによって、筒内圧が最大筒内圧Pmaxを超えることなく、最大筒内圧Pmax以下の最大筒内圧Pmaxに近づけた状態に制御することができる。これによって最大限仕事を確保することができる。したがってエンジン10の強度アップすることなく、高出力要求を満たすことができる。
このように等圧燃焼モードは、最大筒内圧Pmaxが決まっているエンジン10において、出力性能を最大限引き出すために有効である。このような等圧燃焼モードは、エンジン10に予め設定された目標筒内圧プロフィールと実筒内圧プロフィールとが合うように噴射率波形が設定されている。目標筒内圧プロフィールは、筒内圧を最大限、最大筒内圧Pmaxに維持でき、出力が大きいプロフィールである。このような目標筒内圧プロフィールとなるように、噴射率波形が決定されている。
また等圧燃焼モードは、前段噴射と後段噴射とを実施するが、後段噴射の開始時点では噴射率は0よりも大きい。単純なマルチ噴射であると、閉弁時に発生する絞りの影響による粗悪噴霧が発生する。しかしながら本実施形態のように後段開始時点の噴射率は0よりも大きいので閉弁時に発生する絞りの影響を少なくして、スモークが悪化することを防ぐことができる。後段開示時点の噴射率は、好ましくはニードル39開弁時に発生する絞りの流路面積が噴孔40の流路面積よりも大きいことが好ましい。
また本実施形態では、噴射量が所定の噴射量以上である場合には、等圧燃焼モードでの噴射を禁止して、他の噴射率波形である通常燃焼モードで噴射するように制御している。これによって噴射量が急変して、噴孔40に異常が発生した場合に、等圧燃焼モードが実施されることを防ぐことができる。噴孔40に異常が発生した場合に、等圧燃焼モードが実施されると最大筒内圧となる時間が長いので、噴孔40の異常による噴射量への影響が大きくなるおそれがある。そこで等圧燃焼モードよりも筒内圧が低い通常燃焼モードを実施することによって、噴孔40の異常に起因した影響を抑制することができる。また噴孔40に異常が発生した場合には、異常が発生したことをユーザに報知するように構成してもよい。
さらに本実施形態では、吸気圧Pimが吸気圧判定閾値α以上であり、エンジン10への出力要求が高出力である場合には、等圧燃焼モードで噴射するように制御している。吸気圧Pimが吸気圧判定閾値α以上の場合は、着火遅れが少なく燃え易い状態である。燃え易い場合は、噴射率波形に熱発生を追従させることができる。これによって等圧燃焼モードを実施した場合に、実筒内圧プロフィールを目標筒内圧プロフィールに近づけることができる。
(第2実施形態)
次に、第2実施形態に関して、図13および図14を用いて説明する。本実施形態では、筒内の燃え易さの判定に吸気圧Pimでなく、酸素濃度O2imを用いている点に特徴を有する。本実施形態の噴射モードの切替制御に関して説明する。図13に示す切替制御は、内燃機関が駆動しているときに繰り返し実施される制御である。
次に、第2実施形態に関して、図13および図14を用いて説明する。本実施形態では、筒内の燃え易さの判定に吸気圧Pimでなく、酸素濃度O2imを用いている点に特徴を有する。本実施形態の噴射モードの切替制御に関して説明する。図13に示す切替制御は、内燃機関が駆動しているときに繰り返し実施される制御である。
ステップS31では、ステップS11と同様に、運転条件を取得し、ステップS32に移る。運転条件には、酸素濃度O2imも含まれる。したがってECU30は、吸気の酸素濃度を取得する酸素濃度取得部として機能する。ステップS32では、ステップS12と同様に、取得した運転条件から高出力要求か否かを判断し、高出力要求である場合には、ステップS33に移り、高出力要求でない場合は、ステップS36に移る。
ステップS33では、酸素濃度O2imが所定の酸素濃度判定閾値β以上か否かを判断し、酸素濃度判定閾値β以上の場合には、ステップS34に移り、酸素濃度判定閾値β以上でない場合には、ステップS36に移る。酸素濃度判定閾値βは、図14に示すように着火遅れが所定の時間よりも小さくなるように決定される。
ステップS34では、ステップS14と同様に、エンジン回転数Ne、アクセル開度θacおよび吸気圧Pimから目標噴射圧およびタイミングを設定し、ステップS35に移る。ステップS35では、高出力要求であり、酸素濃度O2imが酸素濃度判定閾値β以上であるので、等圧噴射モードに設定し、ステップS37に移る。ステップS36では、高出力要求ではないか、酸素濃度O2imが酸素濃度判定閾値β以上でないので、通常燃焼モードに設定し、ステップS37に移る。ステップS37では、ステップS17と同様に、設定された噴射モードで噴射を実行し、本フローを終了する。
このように本実施形では、高出力要求であり、酸素濃度が高く着火遅れが少なく燃え易い条件の場合には、等圧燃焼モードに設定される。これによって前述の第1実施形態と同様に、高出力要求を等圧燃焼モードによる高出力によって満足することができる。逆に、高出力要求でないか、酸素濃度が低く着火遅れが多く燃え難い条件の場合には、通常燃焼モードに設定される。これによって必要なタイミングで等圧燃焼モードが実施され、必要でない場合には通常燃焼モードが実施される。
本実施形態では、吸気の酸素濃度は、酸素濃度センサ38によって取得しているが、酸素濃度センサ38に限るものではなく、酸素濃度を相関のある数値、たとえばEGR率から酸素濃度を推定してもよい。
本実施形態では、着火遅れの判断に、酸素濃度O2imを用いているが、酸素濃度O2imだけで判断せずに、吸気圧Pimと酸素濃度O2imとの両方で着火遅れの度合いを取得して、燃え易さを判断してもよい。これによってより高精度に燃え易さを判断することができる。
以上、実施形態について説明したが、本開示は前述した実施形態に何ら制限されることなく、本開示の主旨を逸脱しない範囲において種々変形して実施することが可能である。
前述の実施形態の構造は、あくまで例示であって、本開示の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本開示の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むものである。上記実施形態の変形例について述べる。
前述の第1実施形態では、2つの噴射率波形を切り替えているが、2つの噴射率波形に限るものではなく、3つ以上の噴射率波形を切り替えてもよい。また等圧燃焼モードと通常燃焼モードとを切り替える制御に限るものではなく、等圧燃焼モードと他の噴射モードとを切り替える制御でもよい。他の噴射モードは、たとえば噴射率波形がブーツ状、Δ状、台形状および階段状などがある。
前述の第1実施形態では、燃料噴射弁18のアクチュエータ43は、ピエゾ素子が用いられているが、このような構成に限るものではない。開弁速度を調整可能な構成であればよい。たとえば複数の圧力が異なる圧力室を備え、これらを切り替えて開弁速度を調整する構成であってもよい。
また前述の各実施形態では、吸気圧Pimおよび酸素濃度O2imなど着火遅れと相関関係にある検出値を用いて、着火遅れの度合いが閾値よりも小さい場合には、燃え易い場合と判断しているが、吸気圧Pimおよび酸素濃度O2imに限るものではない。EGR率を用いてもよいし、他の値を用いて判断してもよい。
前述の第1実施形態において、ECU30によって実現されていた機能は、前述のものとは異なるハードウェアおよびソフトウェア、またはこれらの組み合わせによって実現してもよい。ECU30は、たとえば噴射制御する制御部など各機能ブロックをそれぞれ1つのプロセッサによって実現してもよい。ECU30は、たとえば他の制御装置と通信し、他の制御装置が処理の一部または全部を実行してもよい。ECU30が電子回路によって実現される場合、それは多数の論理回路を含むデジタル回路、またはアナログ回路によって実現することができる。
本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。
Claims (4)
- 噴射率波形が可変に構成される燃料噴射弁(18)から、内燃機関(10)の燃焼室(10a)内への燃料の噴射を制御する燃料噴射制御装置であって、
気筒内の着火遅れの度合いを取得する着火取得部(30)と、
前記内燃機関への出力要求に従って、複数の前記噴射率波形のうちいずれか1つの前記噴射率波形を用いて燃料噴射を制御する制御部(30)と、を備え、
複数の前記噴射率波形には、前記燃焼室内の筒内圧が最大筒内圧以下となるように制御するための等圧噴射率波形であって、前段噴射と後段噴射との2段階に噴射し、前記前段噴射における噴射率の上昇の変化の割合が前記後段噴射における前記変化の割合よりも大きい等圧噴射率波形が含まれ、
前記前段噴射の前記噴射率波形は、前記前段噴射の開始から噴射率が上昇して最大噴射率に到達する部分と、前記最大噴射率から下降する部分とを有し、
前記後段噴射の前記噴射率波形は、前記後段噴射の開始時点の噴射率が0よりも大きく、前記後段噴射の開始から噴射率が上昇して前記最大噴射率に到達する部分と、前記最大噴射率から下降する部分とを有し、
前記制御部は、前記着火取得部によって取得された着火遅れの度合いが閾値よりも小さく、かつ前記内燃機関への出力要求が所定の出力よりも高い高出力要求である場合には、前記等圧噴射率波形で噴射するように制御する燃料噴射制御装置。 - 前記燃料噴射弁は、噴孔を開閉する弁体の速度制御によって前記噴射率波形が変更できるように構成され、
噴射量を取得する噴射量取得部(30)をさらに含み、
前記制御部は、前記噴射量取得部によって取得された噴射量が所定の噴射量以上である場合には、前記等圧噴射率波形での噴射を禁止して、他の前記噴射率波形で噴射するように制御する請求項1に記載の燃料噴射制御装置。 - 前記着火取得部は、吸気圧を取得する吸気圧取得部(30)であり、
前記制御部は、前記吸気圧取得部によって取得された吸気圧が所定の吸気圧以上であり、前記内燃機関への出力要求が前記高出力要求である場合には、前記等圧噴射率波形で噴射するように制御する請求項1または2に記載の燃料噴射制御装置。 - 前記着火取得部は、吸気の酸素濃度を取得する酸素濃度取得部(30)であり、
前記制御部は、前記酸素濃度取得部によって取得された酸素濃度が所定の酸素濃度以上であり、前記内燃機関への出力要求が前記高出力要求である場合には、前記等圧噴射率波形で噴射するように制御する請求項1または2に記載の燃料噴射制御装置。
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