JP2010071126A - 直接噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】運転安定性を損なうことなくデポジットの付着を推測することが可能な直接噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置を提供すること。
【解決手段】筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁１５を備えた直接噴射式内燃機関１の燃料噴射制御装置３０であって、運転状態に基づいて、燃料噴射弁１５に付着するデポジット付着量を推測するデポジット付着量推測手段（ステップＳ１）と、デポジット量推測手段（ステップＳ１）により推測されたデポジット付着量の増減履歴に基づいて、燃料噴射弁１５に堆積したデポジット堆積量を推測するデポジット堆積量推測手段（ステップＳ２）と、を備えたことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、直接噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置に関する。

筒内に直接燃料を噴射する直接噴射式内燃機関が知られている。この直接噴射式内燃機関では、燃料噴射弁等にデポジット（燃料・潤滑油の燃え残った煤）が付着することにより内燃機関の効率の低下や排気ガスの悪化を招いてしまう問題があった。そのため、このような問題を防ぐために、デポジットの付着を検出して除去することが求められている。

従来の筒内直接噴射式内燃機関では、燃焼状態が最も安定した運転状態（所定の燃焼条件）における内燃機関の出力変動に基づいて燃料噴射弁等へのデポジットの付着を推測している（特許文献１参照）。
特開２００４−２２５５６０号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術では、デポジットの付着の検出に伴い運転安定性を変動させるという問題があった。これは、特許文献１に開示された技術では、燃焼状態が不安定となる運転条件に変更してデポジットの付着を推測するためである。

本発明は、このような技術的課題を鑑みてなされたもので、運転安定性を損なうことなくデポジットの付着を推測することが可能な直接噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置を提供することを目的とする。

本発明は、筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備えた直接噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置であって、運転状態に基づいて、前記燃料噴射弁に付着するデポジット付着量を推測するデポジット付着量推測手段と、前記デポジット量推測手段により推測されたデポジット付着量の増減履歴に基づいて、前記燃料噴射弁に堆積したデポジット堆積量を推測するデポジット堆積量推測手段と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、運転履歴に基づいてデポジットの付着を推測しているため、運転安定性を損なうことなく精度よくデポジットの付着を判定できる。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

（システムの全体構成）
図１は、本発明の一実施形態に係るディーゼルエンジンを示す概略構成図である。図１に示すディーゼルエンジン４０は、エンジン本体１、エンジン用コントロールユニット３０等により構成され、自動車等の車両に搭載される。

エンジン本体１は、筒（「シリンダ」、「燃焼室」と同義）内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁１５を備えた直接噴射式内燃機関である。

図１において、過給機２１のコンプレッサ２ｂは吸気通路２に介装されており、排気タービン３ｂにより駆動されて圧縮空気をエンジン本体１に供給する。排気タービン３ｂは排気通路３に介装されており、エンジン本体１からの排気により回転してコンプレッサ２ｂを駆動する。

吸気通路２には、上流側から下流側に向かってエアクリーナー２ａ、エアフローメータ７、コンプレッサ２ｂ、吸気絞り弁６、吸気管２ｃが介装されている。

排気通路３には、上流側から下流側に向かって排気管３ａ、排気タービン３ｂ、ケーシング２０が介装されている。

また、排気通路３には、排気管３ａから分岐して吸気通路２に接続するＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）通路４が設けられ、このＥＧＲ通路４にはＥＧＲ弁５が介装されている。ＥＧＲ弁５は、例えばステップモータを用いた電子制御式のものであり、その開度に応じて吸気通路２の吸気管２ｃに還流する排気の量、すなわち、エンジン本体１に吸入される排気再循環量（以下、「ＥＧＲ量」とする）を制御する。

排気通路３の下流側に配置されたケーシング２０は、例えば酸化触媒、ＮＯｘ触媒を内部に介装した排気浄化装置である。ケーシング２０の入り口部には空燃比センサ３７が設けられている。空燃比センサ３７は、例えば酸素イオン伝導性固体電解質を用いて排気中の酸素濃度を検出し、酸素濃度から空燃比を求める。

本実施形態におけるエンジン本体１の燃料供給系は、燃料タンク６０、燃料タンク６０内の燃料をエンジン本体１の燃料噴射装置１０に供給するための燃料供給通路１６、燃料噴射装置１０からのリターン燃料（スピル燃料）を燃料タンク６０に戻すための燃料戻り通路１９により構成される。

燃料噴射装置１０は、サプライポンプ１１、コモンレール１４及び燃料噴射弁１５からなる公知のコモンレール式の燃料噴射装置である。

サプライポンプ１１は、燃料供給通路１６を介して燃料タンク６０から供給された燃料を加圧する。コモンレール１４は、サプライポンプ１１により加圧された高圧燃料を燃料供給通路１２を介して受け取り、これを一時的に蓄える。コモンレール１４に蓄えられた高圧燃料は、気筒毎に設けられた燃料噴射弁１５に分配される。

また、サプライポンプ１１内の燃料の一部は一方向弁１８が設けられたオーバーフロー通路１７を介して燃料供給通路１６に戻される。具体的には、エンジン用コントロールユニット３０がコモンレール１４に設けられた圧力センサ３４、温度センサ３５で検出された信号に応じて圧力制御弁１３にデューティ信号を送信し、圧力制御弁１３にオーバーフロー通路１７の流路面積を変えさせる。これによりサプライポンプ１１内の燃料の一部は燃料供給通路１６に戻され、コモンレール１４の圧力は制御される。

燃料噴射弁１５は、エンジン用コントロールユニット３０から受信したエンジン回転に同期するＯＮ−ＯＦＦ信号によってシリンダ内に開口する燃料噴射口を開閉する電子式の噴射弁である。ＯＮ信号を受信すると燃料を燃焼室に噴射し、ＯＦＦ信号を受信すると噴射を停止する。ＯＮ信号を受信する時間が長いほど、且つ、コモンレール１４の燃料圧力が高いほど燃料噴射量は多くなる。なお、この燃料噴射弁１５にデポジットが付着すると、エンジン本体１の効率の低下又は排気ガスの悪化の問題がある。そこで、本実施形態におけるディーゼルエンジン４０では、この燃料噴射弁１５へのデポジットの付着を精度よく判定し、デポジットの付着に応じて燃料噴射量を補正する。

エンジン用コントロールユニット３０は、ＣＰＵおよびその周辺装置からなるマイクロコンピュータにより構成されたコントロールユニットである。本実施形態におけるエンジン用コントロールユニット３０は、エンジン本体１の燃料噴射に係る各種制御を行う燃料噴射制御装置である。

エンジン用コントロールユニット３０は、吸入空気量を検出するエアフローメータ７の信号（Ｑａ）、水温を検出する水温センサ３１の信号（Ｔｗ）、クランク角センサ３２の信号（エンジン回転速度とクランク角度検出Ｎｅ）、クランク角センサ３３からの信号（気筒判別信号Ｃｙｌ）、コモンレール圧力を検出する圧力センサ３４の信号（ＰＣＲ）、燃料温度を検出する温度センサ３５の信号（ＴＦ）、アクセル開度（負荷）センサ３６の信号（アクセルペダルの踏み込み量、すなわち負荷に比例した出力Ｌを発生）、空燃比センサ３７の信号（Ｏ２）を入力し、入力した各種信号に基づいてエンジン本体１の燃料噴射に係る各種制御を行う。各種制御とは、運転状態に応じて例えば燃料噴射圧力、燃料噴射量、燃料噴射時期を設定して燃料噴射弁１５を駆動したり、吸気絞り弁６、ＥＧＲ弁５等の開度制御をしたりする制御である。

（エンジン用コントロールユニットの制御ロジック）
図２は、本発明の一実施形態に係るエンジン用コントロールユニット３０の制御ロジックを示すフローチャートである。エンジン用コントロールユニット３０は、エンジン用コントロールユニット３０が起動している間は図２に示される制御ロジックを繰り返す。

まず、ステップＳ１において、エンジン用コントロールユニット３０は、運転状態に基づいてデポジット付着量を推測する（Ｓ１）。ステップＳ１では、運転状態に基づいて燃料噴射弁１５に付着するデポジット付着量（前回ステップＳ１の処理を行ってから当回のステップＳ１の処理を行うまでの間のデポジットの増減量）を推測する。ステップＳ１の具体的な内容は図４、５を用いて後述する。

続いてステップＳ２へ進み、エンジン用コントロールユニット３０は、デポジット堆積量を推測する（Ｓ２）。ステップＳ２では、ステップＳ１により推測されるデポジット付着量を順次積算する等によりデポジット付着量の増減履歴に基づいて、燃料噴射弁１５に堆積したデポジット堆積量（燃料噴射弁１５に堆積したデポジットの絶対量）を推測する。

続いてステップＳ３へ進み、エンジン用コントロールユニット３０は、ステップＳ２により推測されたデポジット堆積量に基づき噴射量を補正する（Ｓ３）。ステップＳ３では、目標燃料噴射量とデポジット堆積量に応じて変動する実際の燃料噴射量との差を推定し、推定された噴射量差に応じて噴射量を補正する。具体的には、デポジット堆積量が所定量以上の場合に燃料噴射期間を長くしたり燃料噴射圧力を大きくしたりする等、燃料噴射期間及び燃料噴射圧力のうちの少なくとも一つを補正する。

以上に示される動作により、エンジン用コントロールユニット３０は、運転状態に基づいてデポジット付着量を推測し（ステップＳ１）、推測したデポジット付着量に基づいてデポジット堆積量を推測し（ステップＳ２）、推測したデポジット堆積量に基づいて噴射量を補正する（ステップＳ３）。

ステップＳ１の処理において、エンジン用コントロールユニット３０は運転状態に基づいてデポジット付着量を推測している。これは、運転状態とデポジット付着量との間に以下のような関係があるためである。

図３は、運転状態とデポジット付着量との関係を説明する図である。運転状態が例えば図３の領域Ａにある場合には、デポジット付着量がプラスの値になる。これは、ＥＧＲ量が多いため煤生成量が多い、かつ、筒内温度が中程度の高さの領域Ａでは、デポジットは付着して増加する傾向にあるためである。一方、運転状態が例えば図３の領域Ｂにある場合には、デポジット付着量がマイナスの値になる。これは、ＥＧＲ量がないため煤生成量が少ない、かつ、筒内温度が高い領域Ｂでは、デポジットは除去されて減少する傾向にあるためである。このように、デポジット付着量は運転状態に応じて増減する。

そこで、エンジン用コントロールユニット３０は、ステップＳ１を繰り返すことにより車両走行中の各運転状態におけるデポジット付着量の増減履歴を監視する。さらに、ステップＳ２によりデポジット堆積量を推測している。すなわち、運転条件を変更することなく運転履歴に基づいてデポジットの付着を推測している。そのため、運転安定性を損なうことなく精度よくデポジットの付着を判定できる。

また、ステップＳ３の処理において、エンジン用コントロールユニット３０はデポジット堆積量に応じて変動する噴射量を補正している。そのため、運転性能を維持することができる。

（ステップＳ１の具体例１）
図４は、図２のステップＳ１の具体例１を説明する図である。図４では、燃料噴射量、燃料噴射圧力、筒内酸素濃度、ＥＧＲ率、筒内温度、排気ガス温度の各々とデポジット付着量の関係を示している。

図４（Ａ）に示すように、デポジット付着量は、燃料噴射量が中程度の量のときに極大値をとり、燃料噴射量が少なくなるに従って徐々に０近傍に収束し、及び、燃料噴射量が多くなるに従って減小する傾向がある。また、図４（Ｂ）に示すように、デポジット付着量は、燃料噴射圧力が中程度の大きさのときに極大値をとり、燃料噴射圧力が低くなるに従って徐々に所定量に収束し、及び、燃料噴射圧力が高くなるに従って減小する傾向がある。さらに、図４（Ｃ）に示すように、デポジット付着量は、筒内酸素濃度（ＥＧＲ率）が低から高（ＥＧＲ率の場合は高から低）に向かうに従って、所定量から筒内酸素濃度（ＥＧＲ率）が中程度のときに減少したあと０近傍の値をとる傾向がある。また、図４（Ｄ）に示すように、デポジット付着量は、筒内温度（排気ガス温度）が中程度のときに極大値をとり、筒内温度（排気ガス温度）が低くなるに従って徐々に０近傍に収束し、及び、筒内温度（排気ガス温度）が高くなるに従って減少する傾向がある。

具体例１に係るエンジン用コントロールユニット３０は、ステップＳ１では、運転状態、すなわち燃料噴射量、燃料噴射圧力、筒内酸素濃度、ＥＧＲ率、筒内温度及び排気ガス温度のうちの少なくとも一つに基づいて、デポジット付着量を推測する。すなわち、各センサから入力した入力信号に基づいて燃料噴射量、燃料噴射圧力、筒内酸素濃度、ＥＧＲ率、筒内温度及び排気ガス温度のうちの少なくとも一つを検出し、検出した要素の測定値に対応する図４のデポジット付着量の値をデポジット付着量として推測する。なお、ステップＳ１の後のステップＳ２及びＳ３の処理は、前述と同様である。

以上のように、具体例１に係るエンジン用コントロールユニット３０は、燃料噴射量、燃料噴射圧力、筒内酸素濃度、ＥＧＲ率、筒内温度及び排気ガス温度のうちの少なくとも一つの信号に基づいてデポジット付着量を推測する。

燃料噴射量、燃料噴射圧力、筒内酸素濃度、ＥＧＲ率、筒内温度及び排気ガス温度はいずれも直接モニター可能な要素である。エンジン用コントロールユニット３０は、このような直接モニター可能な要素を用いることで簡易かつ迅速にデポジット付着量を推測することができる。また、このように直接モニター可能な要素毎にデポジット付着量を推測することで、デポジット付着量の推測の精度を向上させることができる。

なお、具体例１では、燃料噴射量等の要素とデポジット付着量との関係を用いたが、エンジン回転速度、空燃比等のその他の要素とデポジット付着量との関係を用いてもよい。

（ステップＳ１の具体例２）
図５は、図２のステップＳ１の具体例２を説明する図である。図５では、正味平均有効圧及びエンジン回転速度（機関回転速度）とデポジット付着量との関係を示している。

図５に示すように、デポジット付着量は、正味平均有効圧及びエンジン回転速度が中程度の量のときに極大値（図５では＋６）をとり、正味平均有効圧及びエンジン回転速度が共に大きくなる又は小さくなるに従って減少する傾向がある。

具体例２に係るエンジン用コントロールユニット３０は、ステップＳ１では、運転状態に応じて変化する正味平均有効圧及びエンジン回転速度に基づいてデポジット付着量を推測する。すなわち、各センサから入力した入力信号に基づいて正味平均有効圧及びエンジン回転速度を検出し、検出した各々の要素の測定値に対応する図５のマップ上の値をデポジット付着量として推測する。なお、マップ上に値が示されていない部分の値は、前後の値に基づいて補間する等して求めればよい。また、ステップＳ１の後のステップＳ２及びＳ３の処理は、前述と同様である。

以上のように、具体例２に係るエンジン用コントロールユニット３０は、正味平均有効圧及びエンジン回転速度を用いてデポジット付着量を推測する。

図５のようなエンジン出力特性とデポジット付着量との関係を示すマップを予め用意することで、エンジン出力特性に応じてデポジット付着量を推測することができる。また、運転状態に応じて変化する要素の組み合わせ（本具体例２では、エンジン回転速度及び正味平均有効圧）に基づいてデポジット付着量を推測するため、推測の精度を向上させることができる。なお、具体例２では、正味平均有効圧を用いたが、簡易的にはアクセル開度等で代用してもよい。

以上、具体例１及び具体例２を用いてデポジット付着量の推測方法について説明したが、図４及び５は各要素とデポジット付着量との関係の一例を示しており、これらの関係はエンジン本体１の仕様（例えば燃料噴射ノズル噴孔数、ノズル噴孔径、圧縮比）やエンジン本体１が搭載される車両に応じて設定されてよい。

（まとめ）
本実施形態によれば、エンジン用コントロールユニット３０は、運転条件を変更することなく運転履歴に基づいてデポジットの付着を推測している。そのため、運転安定性を損なうことなく精度よくデポジットの付着を判定できる。

また、本実施形態によれば、エンジン用コントロールユニット３０は、デポジット堆積量に応じて変動する噴射量を補正するため、運転性能を維持することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一つを示したものであり、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

例えば、上記説明においては、本発明をディーゼルエンジンに適用した場合を例示して説明したが、筒内に直接燃料を噴射するガソリンエンジンに適用してもよい。

また、上記説明においては、燃料噴射弁１５に付着するデポジット付着量及び堆積したデポジット堆積量を推測したが、燃料噴射弁１５を燃料噴射ノズル、燃料噴射ノズルの噴孔と言い換えてもよい。

また、上記具体例２の説明においては、図５に示す正味平均有効圧及びエンジン回転速度とデポジット付着量との関係を示すマップを用いたが、縦軸を正味平均有効圧に代えてエンジン負荷にする等その他の要素とデポジット付着量との関係を示すマップを用いてもよい。

本発明の一実施形態に係るディーゼルエンジンを示す概略構成図である。 本発明の一実施形態に係るエンジン用コントロールユニット３０の制御ロジックを示すフローチャートである。 運転状態とデポジット付着量との関係を説明する図である。 図２のステップＳ１の具体例１を説明する図である。 図２のステップＳ１の具体例２を説明する図である。

符号の説明

１ エンジン本体（直接噴射式内燃機関）
１５ 燃料噴射弁
３０ エンジン用コントロールユニット（燃料噴射制御装置）
ステップＳ１ デポジット付着量推測手段
ステップＳ２ デポジット堆積量推測手段
ステップＳ３ 噴射量補正手段

Claims (6)

1. 筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備えた直接噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置であって、
   運転状態に基づいて、前記燃料噴射弁に付着するデポジット付着量を推測するデポジット付着量推測手段と、
   前記デポジット量推測手段により推測されたデポジット付着量の増減履歴に基づいて、前記燃料噴射弁に堆積したデポジット堆積量を推測するデポジット堆積量推測手段と、
   を備えたことを特徴とする直接噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置。
2. 前記デポジット付着量推測手段は、燃料噴射量、燃料噴射圧力、筒内酸素濃度、筒内温度及び排気ガス温度のうちの少なくとも一つに基づいて、前記デポジット付着量を推測することを特徴とする請求項１に記載の直接噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置。
3. 前記デポジット付着量推測手段は、正味平均有効圧及び機関回転速度に基づいて、前記デポジット付着量を推測することを特徴とする請求項１に記載の直接噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置。
4. 前記デポジット堆積量推測手段は、前記デポジット付着量推測手段で推測されたデポジット付着量を順次積算して、前記デポジット堆積量を推測することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の直接噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置。
5. 前記デポジット堆積量推測手段により推測されたデポジット堆積量に基づいて、目標燃料噴射量と実際の燃料噴射量との差を推定し、推定された噴射量差に応じて噴射量を補正する噴射量補正手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の直接噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置。
6. 前記噴射量補正手段は、燃料噴射期間及び燃料噴射圧力のうちの少なくとも一つを補正することを特徴とする請求項５に記載の直接噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置。