JP5287298B2 - ディーゼル機関の制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、実際の着火時期と実際のＥＧＲ量とを適正に制御するようにしたディーゼル機関の制御装置に関する。

例えば筒内圧センサ等を用いて内燃機関の実際の燃焼状態を検出し、基本的な制御に種々の補正を加えることで、内燃機関の個体差等に対応する手法が従来から知られている。特許文献１は、予混合気に火花点火を行うガソリン機関に関するものであり、燃焼サイクル毎の最大燃焼圧、図示平均有効圧あるいは最大燃焼圧を発生するクランク角を検出し、これらのパラメータの変動が小さくなるように、燃料供給量および点火時期の少なくとも一方を補正することが開示されている。
特開平２−１９６３６号公報

ディーゼル機関においては、よく知られているように、ＮＯｘ低減のために広い運転領域でいわゆる外部排気還流が行われ、筒内に比較的多量の排気ガスが導入されるが、ディーゼル機関におけるＮＯｘとスモークはトレードオフの関係にあり、個体差により実際の排気ガス量（ＥＧＲ量）がばらつくと、排気中のＮＯｘが増加したり、スモークが急激に悪化したりしてしまう。この実際のＥＧＲ量を直接に検出することは困難であり、例えば、エアフロメータが検出する新気量や排気還流制御弁の開度などから推定する手法が採られるが、一般に精度が低く、必ずしも適正なＥＧＲ量を得ることができない。

また、特許文献１に示されている最大燃焼圧やこの最大燃焼圧となるクランク角といったパラメータは、ディーゼル機関では、ＥＧＲ量に大きく影響される。従って、例えば所望の着火時期を得るために最大燃焼圧等によって燃料噴射時期をフィードバック制御しようとしても、ＥＧＲ量が個体差等により不確定である限りは、これによって一義的に燃料噴射時期等を補正することはできない。

そこで、この発明は、最大燃焼圧や燃焼圧の最大変化率などのような実際の着火時期と筒内のＥＧＲ量との双方に相関する少なくとも２つのパラメータを用いることで、燃料噴射時期とＥＧＲ量とを同時に補正し、着火時期とＥＧＲ量との双方を所望の特性に得るようにしたものである。

すなわち、この発明に係るディーゼル機関の制御装置は、筒内圧センサを備えたディーゼル機関において、実際の着火時期と筒内のＥＧＲ量との双方に相関するとともに筒内圧変化から抽出できる複数のパラメータの中で、少なくとも２つのパラメータを用い、これらのパラメータが同時に各々の目標値となるように、燃料噴射時期および上記ＥＧＲ量の双方を補正するディーゼル機関の制御装置であって、
上記パラメータは、最大燃焼圧、着火遅れ期間、燃焼圧の最大変化率、燃焼圧の変化率が最大となるクランク角、燃焼期間、の中の少なくとも２つであり、
各々のパラメータの目標値が、機関運転条件毎に予め設定されており、
燃料噴射時期の補正量ないし補正係数が設定されたマップと、ＥＧＲ量の補正量ないし補正係数が設定されたマップと、を有し、
これらのマップは、各パラメータの目標値と実測値との乖離を表す複数の入力値に対して補正量ないし補正係数を割り当てた多次元のマップからなる、ことを特徴としている。

例えば、最大燃焼圧、着火遅れ期間、燃焼圧の最大変化率、燃焼圧の変化率が最大となるクランク角、燃焼期間、等のパラメータは、筒内圧センサを利用して検出される筒内圧変化から抽出つまり求めることができるが、これらのパラメータは、実際の着火時期と筒内のＥＧＲ量（これは外部排気還流および内部排気還流の双方を含む筒内の総排気ガス量である）との双方に相関し、例えば着火時期のばらつきによってある一つのパラメータの値が変動し、ＥＧＲ量のばらつきによっても同じパラメータの値が変動する。従って、少なくとも２つのパラメータを用いることで、一種の連立方程式の原理でもって、燃料噴射時期およびＥＧＲ量にそれぞれ必要な補正が確定する。

この発明によれば、ディーゼル機関において互いに相関する着火時期およびＥＧＲ量を、個体差によるばらつきを排除して、より適切な特性に維持することができ、例えば、トレードオフの関係にあるＮＯｘおよびスモークを確実に低減することができる。

以下、この発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、この発明に係るディーゼル機関全体の構成を示している。このディーゼル機関１は、燃料噴射手段として、いわゆるコモンレール式燃料噴射装置を備えているものであって、図示せぬ高圧燃料ポンプによって所定圧力に加圧された燃料は、コモンレール（蓄圧室）６に導入され、該コモンレール６を介して、各気筒の燃料噴射ノズル５に供給されている。上記燃料噴射ノズル５は、コントロールユニット８からの制御信号によって開閉制御されるものであり、その噴射期間によって燃料噴射量が制御される。なお、上記コモンレール６の燃料圧力もコントロールユニット８からの制御信号によって可変的に制御され、燃料噴射量は、燃料圧力と噴射期間とによって定まる。

また、このディーゼル機関１は、外部排気還流装置を備えている。すなわち、排気通路１０と吸気通路９との間にＥＧＲ通路１１が設けられ、ここに排気還流制御弁１２が介装されている。この排気還流制御弁１２は、例えばパルスモータをアクチュエータとするものであり、その開度が、コントロールユニット８が出力する駆動信号によって制御される。なお、上記排気通路１０の下流側には、排気中のＮＯｘを処理するＮＯｘ触媒１６が介装されている。また、上記吸気通路９には、新気の流量を制限する吸気絞り弁１５が設けられているとともに、その上流側に、吸入空気量を検出するエアフロメータ３が配置されている。

上記ディーゼル機関１は、公知のセンサ類として、冷却水温を検出する水温センサ２、クランク角を検出するクランク角センサ４、運転者により操作されるアクセル開度を検出するアクセル開度センサ１３、燃料温度を検出する燃温センサ１４などを備え、これらの検出信号もコントロールユニット８に入力されている。そして、筒内圧を検出するために、各気筒毎に公知の筒内圧センサ１７が設けられている。

従って、上記筒内圧センサ１７により検出される筒内圧の変化から、実際の着火時期と筒内のＥＧＲ量との双方に相関するいくつかのパラメータ、例えば、最大燃焼圧、着火遅れ期間、燃焼圧の最大変化率、燃焼圧の変化率が最大となるクランク角、燃焼期間、などを抽出することが可能であるが、この実施例では、その中で、最大燃焼圧（Ｐmax）と、燃焼圧の最大変化率（ｄＰ/ｄθmax）と、の２つのパラメータを用いて、燃料噴射時期とＥＧＲ量（例えば排気還流制御弁１２の開度）とを補正する。

図２は、ＮＯｘ低減のために燃焼時期を比較的遅らせた状態での筒内圧変化の一例を示しており、図示するように、筒内圧のピークとして最大燃焼圧（Ｐmax）が得られ、また着火後の筒内圧の急激な立ち上がりにより燃焼圧の最大変化率（ｄＰ/ｄθmax）が得られるが、例えばＥＧＲ量が増えると、燃焼が緩慢となるため、破線に示すように、最大燃焼圧（Ｐmax）が低下し、かつ燃焼圧の最大変化率（ｄＰ/ｄθmax）も小さくなる。また図示していないが、実際の着火時期によっても最大燃焼圧（Ｐmax）および燃焼圧の最大変化率（ｄＰ/ｄθmax）は変化し、例えば実際の着火時期が遅くなると、予混合したより多くの燃料が一気に燃焼に至るため、最大燃焼圧（Ｐmax）および燃焼圧の最大変化率（ｄＰ/ｄθmax）が高くなる。なお、図２における最初の圧力上昇は、モータリングによるものである。

このように、最大燃焼圧（Ｐmax）および燃焼圧の最大変化率（ｄＰ/ｄθmax）は、実際のＥＧＲ量および実際の着火時期の双方に相関しているので、仮に、ある運転条件の下で、いずれか一方のパラメータ（例えば最大燃焼圧（Ｐmax））が基準値（目標値）に合致していても、実際のＥＧＲ量および実際の着火時期が基準値（目標のＥＧＲ量および目標の着火時期）に合致しているとは限らない。しかし、２変数の連立方程式と同様に、２つのパラメータつまり最大燃焼圧（Ｐmax）および燃焼圧の最大変化率（ｄＰ/ｄθmax）が同時に各々の基準値（目標値）に合致している状態では、実際のＥＧＲ量および実際の着火時期の各々が基準値（目標のＥＧＲ量および目標の着火時期）に合致している、と言える。

従って、本実施例では、図３のフローチャートに示す処理により、最大燃焼圧（Ｐmax）および燃焼圧の最大変化率（ｄＰ/ｄθmax）が同時に各々の目標値に合致するようにして、実際のＥＧＲ量および実際の着火時期の各々が個体差によるばらつきなく基準値（目標のＥＧＲ量および目標の着火時期）に揃うようにしているのである。

以下、図３のフローチャートに従って説明すると、まず、ステップ１でクランク角θ毎の筒内圧Ｐθを読み込み、ステップ２でサイクル中の最大燃焼圧Ｐmax_rを算出し、ステップ３でサイクル中の燃焼圧最大変化率ｄＰmax_rを算出する。なお、添字「r」は実測値を意味し、「t」は目標値を意味する。

そして、ステップ４で、最大燃焼圧Ｐmaxおよび燃焼圧最大変化率ｄＰmaxの各々について、実測値と目標値との比Ｒ_ＰmaxおよびＲ_ｄＰmaxを求める。つまり、「Ｒ_Ｐmax＝Ｐmax_r／Ｐmax_t」、「Ｒ_ｄＰmax＝ｄＰmax_r／ｄＰmax_t」とする。ここで、各々の目標値Ｐmax_tおよびｄＰmax_tは、機関運転条件つまり機関回転数と負荷（例えば噴射量）とに対応して予め設定されており、例えば、最大燃焼圧の目標値Ｐmax_tは、図４に示すような特性の制御マップから求められ、燃焼圧最大変化率の目標値ｄＰmax_tは、図５に示すような特性の制御マップから求められる。

なお、本発明においては、実測値と目標値との乖離を示すために、両者の差分を求める方法を用いることも可能であるが、本実施例のように、両者の比を求めた方が、運転点による影響が小さくなり、より精度の高いものとなる。

次に、ステップ５で、これらの比Ｒ_ＰmaxおよびＲ_ｄＰmaxが「１」に十分に近似しているか否かを判定する。具体的には、これらの比から「１」を引いた値の絶対値が、所定値ε（例えば０．０５つまり５％）より小さいか否かを判定する。従って、実測値と目標値との誤差が例えば５％未満であれば、これを無視し、特に補正は行わない。なお、閾値となるεの値は、５％に限られず適宜に設定できることは言うまでもない。

いずれか一方でも５％以上の誤差がある場合には、ステップ６へ進み、２つの比Ｒ_ＰmaxおよびＲ_ｄＰmaxに基づいて、燃料噴射時期ＩＴについての必要な補正量ΔＩＴを求める。具体的には、図６に示すような特性の制御マップを用いて補正量ΔＩＴを求める。なお、図中の破線は各々の比が「１」である線であり、その交点（２つの比がいずれも１）では、補正量ΔＩＴは０であって、図の左上側へは進角側、右下側へは遅角側への補正となる。

同様に、ステップ７では、２つの比Ｒ_ＰmaxおよびＲ_ｄＰmaxに基づいて、排気還流制御弁１２の開度ＥＧＲについての必要な補正量ΔＥＧＲを求める。具体的には、図７に示すような特性の制御マップを用いて補正量ΔＥＧＲを求める。なお、図中の破線は各々の比が「１」である線であり、その交点（２つの比がいずれも１）では、補正量ΔＥＧＲは０であって、図の左下側へは負の補正量、右上側へは正の補正量となる。

これらの図６、図７の制御マップは、図８に示すような燃料噴射時期ＩＴとＥＧＲ量（ここでは排気還流率を用いている）と各パラメータ（最大燃焼圧（Ｐmax）および燃焼圧の最大変化率（ｄＰ/ｄθmax））との相関関係に基づいて導き出されたものである。図８は、縦軸を排気還流率、横軸を噴射時期（より詳しくはメイン噴射の噴射時期）ＩＴとし、これらに対する最大燃焼圧（Ｐmax）の特性を実線で、燃焼圧の最大変化率（ｄＰ/ｄθmax）の特性を破線で、それぞれ示してある。この図８に示すように、排気還流率および噴射時期ＩＴを変化させると、最大燃焼圧（Ｐmax）および燃焼圧の最大変化率（ｄＰ/ｄθmax）が単調な特性でもって変化するので、図６、図７の制御マップは、各々の補正により最大燃焼圧Ｐmax_rおよび燃焼圧最大変化率ｄＰmax_rが目標値に近づくように設定されている。

そして、ステップ８において、そのときの運転条件に対して設定されている燃料噴射時期ＩＴのマップ値ＩＴに補正量ΔＩＴを加えて、学習補正する。同様に、ステップ９において、そのときの運転条件に対して設定されている排気還流制御弁１２の目標開度のマップ値ＥＧＲに補正量ΔＥＧＲを加えて、学習補正する。これにより、次サイクルでは、補正された燃料噴射時期ＩＴおよび排気還流制御弁開度ＥＧＲが用いられ、最大燃焼圧Ｐmax_rおよび燃焼圧最大変化率ｄＰmax_rが目標値に近づくこととなる。従って、結果として、実際の着火時期および実際の筒内のＥＧＲ量が、それぞれ所望の値に維持されることになり、例えば、機関の個体差による特性のばらつきを縮小して、ＮＯｘおよびスモークの低減を達成できる。

なお、上記実施例では、補正に際して、補正量ΔＩＴ、ΔＥＧＲを加算するようにしているが、補正係数を求め、これを乗算することにより補正を行うことも可能である。

また、可変動弁機構を用いて例えばバルブオーバラップの可変制御によりいわゆる内部排気還流を可変制御する技術が知られているが、外部排気還流に代えて、あるいは外部排気還流に加えて、この内部排気還流の可変制御により所望のＥＧＲ量を維持するように本発明を適用することもできる。

また、上記実施例では、補正の基礎となるパラメータとして、最大燃焼圧（Ｐmax）および燃焼圧の最大変化率（ｄＰ/ｄθmax）を用いたが、前述したように、着火遅れ期間、燃焼圧の変化率が最大となるクランク角、燃焼期間、等の他のパラメータを利用することもでき、さらには、３つ以上のパラメータを用いて補正を行うこともできる。この場合は、多次元の相関関係から必要な補正量を求めることになるが、最も簡単な手法は、いずれか一つのパラメータについての実測値と目標値との誤差（比ないし差分）に基づいて補正係数を設定し、図６、図７のように制御マップから求めた値をこの補正係数により補正すればよい。

この発明に係るディーゼル機関のシステム構成を示す説明図。 筒内圧の変化の例を示す特性図。 この実施例における処理を示すフローチャート。 最大燃焼圧Ｐmaxの目標値のマップの特性を示す特性図。 燃焼圧最大変化率ｄＰmaxの目標値のマップの特性を示す特性図。 補正量ΔＩＴの制御マップの特性を示す特性図。 補正量ΔＥＧＲの制御マップの特性を示す特性図。 燃料噴射時期ＩＴと排気還流率と最大燃焼圧および燃焼圧最大変化率との相関関係を示す特性図。

１…ディーゼル機関
５…燃料噴射ノズル
８…コントロールユニット
１２…排気還流制御弁
１７…筒内圧センサ

Claims (2)

1. 筒内圧センサを備えたディーゼル機関において、実際の着火時期と筒内のＥＧＲ量との双方に相関するとともに筒内圧変化から抽出できる複数のパラメータの中で、少なくとも２つのパラメータを用い、これらのパラメータが同時に各々の目標値となるように、燃料噴射時期および上記ＥＧＲ量の双方を補正するディーゼル機関の制御装置であって、
   上記パラメータは、最大燃焼圧、着火遅れ期間、燃焼圧の最大変化率、燃焼圧の変化率が最大となるクランク角、燃焼期間、の中の少なくとも２つであり、
   各々のパラメータの目標値が、機関運転条件毎に予め設定されており、
   燃料噴射時期の補正量ないし補正係数が設定されたマップと、ＥＧＲ量の補正量ないし補正係数が設定されたマップと、を有し、
   これらのマップは、各パラメータの目標値と実測値との乖離を表す複数の入力値に対して補正量ないし補正係数を割り当てた多次元のマップからなる、ことを特徴とするディーゼル機関の制御装置。
2. 筒内圧センサと、
   この筒内圧センサが検出する筒内圧変化に基づき、実際の着火時期と筒内のＥＧＲ量との双方に相関する第１パラメータおよび第２パラメータを算出する手段と、
   運転条件に対応した所定の第１パラメータ目標値と実際の第１パラメータとの比を求める手段と、
   運転条件に対応した所定の第２パラメータ目標値と実際の第２パラメータとの比を求める手段と、
   これらの２つの比に対応して燃料噴射時期の補正量ないし補正係数を割り当てた３次元の第１制御マップと、
   同じくこれらの２つの比に対応してＥＧＲ量の補正量ないし補正係数を割り当てた３次元の第２制御マップと、
   上記第１制御マップから求めた補正量ないし補正係数を用いて燃料噴射時期を補正する手段と、
   上記第２制御マップから求めた補正量ないし補正係数を用いてＥＧＲ量を補正する手段と、
   を備えてなり、
   上記第１，第２パラメータは、最大燃焼圧、着火遅れ期間、燃焼圧の最大変化率、燃焼圧の変化率が最大となるクランク角、燃焼期間、の中の２つであり、
   これら２つの第１，第２パラメータが同時に各々の目標値に合致するように補正を行うディーゼル機関の制御装置。

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