JP4244866B2 - ディーゼルエンジンのオイル希釈検出装置及び制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ディーゼルエンジンのオイル希釈検出装置及びこれを含んで構成されるディーゼルエンジンの制御装置に関する。詳細には、ブローバイガスを筒内に還流させるディーゼルエンジンにおいて、燃料によるオイルの希釈を検出するとともに、このオイルの希釈に起因する、運転者が意図しない加速を回避するための技術に関する。

従来、未燃燃料の大気への放出を抑制するため、燃焼室からピストンリング等を通過して漏れ出したブローバイガスをオイルセパレータに導入し、このオイルセパレータでオイルを液化させ、液化したオイルをオイルパンに戻す一方、未燃燃料が残るブローバイガスを筒内に還流させ、再燃焼させるディーゼルエンジンが知られている。
また、ノッキングセンサを備え、このセンサの出力により燃料の噴射後における筒内の状態を監視するディーゼルエンジンが知られている（特許文献１）。
特表平１０−５１００２８号公報（図２）

近年、燃焼の最適化及び排気処理上の要求に応じ、エンジンの出力形成のためのメイン噴射前又は後に補助的な噴射を行うことで、１サイクル当たりに燃料を複数回に分けて噴射するディーゼルエンジンが開発されている。この補助的な噴射として一般的なものに、メイン噴射前に初期燃焼の改善を目的として行われるパイロット噴射や、メイン噴射後に排気温度の上昇を目的として行われるポスト噴射等がある。これらの噴射は、燃焼素質上最適な時期から前又は後にずらした時期に行われる。このため、噴射された燃料がシリンダの壁面に付着し易い傾向にあり、壁面に付着した燃料がオイルに混入し、オイルを希釈するという問題がある。

燃料によるオイルの希釈が過度に進行すると、燃料を多く含むオイルがエンジン内を循環することになるため、ブローバイガスに含まれる未燃燃料が増大する。また、オイルパン内の油面が混入した燃料の分だけ上昇することで、ブローバイガスにより持ち去られるオイルが増大する。ディーゼルエンジンでは、未燃燃料を多く含むブローバイガスが筒内に還流されることで、インジェクタによる燃料の噴射前に未燃燃料による燃焼が発生し、エミッションを悪化させたり、ノッキングを生じさせるおそれがある。

前掲特許文献１に開示される一般的なディーゼルエンジンでは、ノッキングセンサが設けられ、このセンサにより燃料の噴射後における筒内の状態が監視される。しかしながら、このディーゼルエンジンでは、燃料の噴射前における筒内の状態は、監視対象とされていない。勿論、前掲特許文献１には、燃料によるオイルの希釈を検出するための構成は、開示されていない。

本発明は、ブローバイガスを筒内に還流させるディーゼルエンジンにおいて、燃料によるオイルの希釈を検出するとともに、このオイルの希釈に起因するエミッションの悪化及びノッキングの発生を回避することを目的とする。

本発明は、ディーゼルエンジンのオイル希釈検出装置及び制御装置を提供する。本発明に係るディーゼルエンジンのオイル希釈検出装置は、燃料を供給するためのインジェクタを含んで構成され、ブローバイガスを筒内に還流させるディーゼルエンジンにおいて、燃料によるオイルの希釈を検出するものである。単位クランク角当たりの回転所要時間又はこれに相関するエンジンの運転パラメータを検出するとともに、検出した回転所要時間又は運転パラメータをもとに、インジェクタによる燃料の噴射前に燃焼が行われたか否かを判定し、この噴射前の燃焼が行われたと判定したときに、燃料によるオイルの希釈を検出する。また、本発明に係るディーゼルエンジンの制御装置は、このようなオイル希釈検出装置を含んで構成され、燃料によるオイルの希釈が検出されたときに、エンジンの出力形成を抑制するための制御を行う。

本発明によれば、ブローバイガスを筒内に還流させるディーゼルエンジンにおいて、単位クランク角当たりの回転所要時間等に基づいて燃料の噴射前における燃焼を検出することで、燃料によるオイルの希釈を簡易に検出することができる。また、このオイルの希釈を検出したときに、エンジンの出力形成を抑制する制御を行うことで、この希釈に起因するエミッションの悪化等を回避することができる。

以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係るディーゼルエンジン（以下、単に「エンジン」という。）１の構成を示している。本実施形態では、エンジン１として直噴型のものを採用している。
エンジン１において、吸気通路１０１の導入部には、図示しないエアクリーナが取り付けられており、このエアクリーナにより吸入空気中の粉塵等が除去される。吸気通路１０１には、スロットル弁１０２が設置されており、スロットル弁１０２を開閉させて、吸気通路１０１の開口面積を拡縮させることで、吸入空気量が制御される。スロットル弁１０２は、コントロールユニット５の指令によりアクチュエータ１０２ａが作動することで、開閉する。アクチュエータ１０２ａによりスロットル弁１０２が閉駆動されることで、吸入空気量が減少する。シリンダヘッド１０４には、燃焼室の上部略中央に臨ませて、燃料供給用のインジェクタ１０３が設置されている。燃料供給系には、コモンレールによるものが採用されている。インジェクタ１０３は、気筒毎に設置されており、コントロールユニット５の指令により作動する。

本実施形態では、インジェクタ１０３による燃料の噴射が、１サイクル当たりに複数回に分けて行われる。すなわち、本実施形態では、エンジン１に対して１サイクル当たりに供給される燃料が、出力形成のために圧縮上死点付近で行われるメイン噴射と、メイン噴射よりも進角させて行われるパイロット噴射と、メイン噴射よりも遅角させて行われるポスト噴射とに分けて噴射される。メイン噴射では、エンジン１の運転状態（たとえば、アクセル開度ＡＰＯ及びエンジン回転数ＮＥ）に応じた量の燃料が噴射される。パイロット噴射では、初期燃焼の改善を目的として、微量の燃料が噴射される。ポスト噴射では、排気処理上の要求に応じた量の燃料が噴射される。なお、メイン噴射以外に行われる補助的な噴射として、パイロット噴射及びポスト噴射のほか、メイン噴射後の着火遅れを短縮するためのプレ噴射や、メイン噴射後にパティキュレートを再燃焼させるためのアフター噴射が行われてもよい。

燃焼後、排気は、排気通路１０５に排出される。排気通路１０５には、図示しないディーゼルパティキュレートフィルタが設置されている。このディーゼルパティキュレートフィルタには、多孔質のフィルタエレメントが内蔵されており、このフィルタエレメントにより排気中のパティキュレートが捕集及び除去される。フィルタエレメントに所定の量を超える量のパティキュレートが堆積したときは、ポスト噴射により排気温度を上昇させ、堆積しているパティキュレートを燃焼させることで、ディーゼルパティキュレートフィルタを再生させる。

また、エンジン１には、クランクケース内に漏れ出したブローバイガスを筒内に還流させるための装置が構成されている。この装置は、シリンダヘッド１０４に取り付けられたＰＣＶ弁２０１と、ブローバイガスからオイルを液化して分離するオイルセパレータ２０２とを含んで構成される。ＰＣＶ弁２０１とオイルセパレータ２０２とが第１のブローバイガス通路２０３により、オイルセパレータ２０２とオイルパン１０６とがオイル戻し通路２０４により、オイルセパレータ２０２と吸気通路１０１（ここでは、スロットル弁１０２の下流に設置されたサージタンク）とが第２のブローバイガス通路２０５により接続されている。このため、クランクケース内のブローバイガスは、ＰＣＶ弁２０１により規制される流量で第１のブローバイガス通路２０３に吸入され、オイルセパレータ２０２によりオイルが分離される。分離された液体のオイルは、オイル戻し通路２０４を介してオイルパン１０６に戻される。分離後のブローバイガスは、第２のブローバイガス通路２０５を介して吸気通路１０１に吸入され、燃焼により処理される。本実施形態では、クランクケース内と、スロットル弁１０２よりも上流の吸気通路１０１とが空気導入通路２０６により連通されており、ブローバイガスの処理に際し、吸気通路１０１から空気が導入され、クランクケース内が掃気される。

エンジン１には、アクセル開度ＡＰＯを検出するアクセルセンサ３０１、単位クランク角位置及び基準クランク角位置を検出するクランク角センサ３０２、及び冷却水温度Ｔｗを検出する水温センサ３０３等、各種の運転状態検出用のセンサが設置されている。これらのセンサの出力は、コントロールユニット５に入力される。コントロールユニット５は、入力した各種の信号をもとに、インジェクタ１０３に対する通常の制御を行う。また、コントロールユニット５は、スロットル弁１０２に対し、オイル希釈時における後述する制御を行う。

本実施形態において、第１の検出手段、判定手段、第２の検出手段、制御手段、第３の検出手段及び禁止手段としての機能は、コントロールユニット５により実現される。すなわち、コントロールユニット５は、本実施形態に係るオイル希釈検出装置としての機能を備えるとともに、通常時において、エンジン１に対してアクセル開度ＡＰＯ等に応じた出力を生じさせる一方、燃料によるオイルの希釈を検出したときは、エンジン１の出力形成を抑制するための制御を行う。本実施形態では、メイン噴射以外にパイロット噴射及びポスト噴射を行うこととしている。これらの補助的な噴射は、燃焼素質上最適な時期から前又は後にずらして行われるため、噴射された燃料が壁面に付着し易い傾向にある。付着した燃料は、オイルに混入し、これを希釈させる。

図２は、コントロールユニット５により実行されるオイル希釈検出ルーチンのフローチャートである。このルーチンは、所定の時間毎に実行される。
Ｓ１０１では、クランク角センサ３０２の出力を読み込む。ここでは、単位クランク角（たとえば、１０°）毎に出力される単位クランク角位置検出信号を読み込む。
Ｓ１０２では、噴射開始時期ＩＴｓｔを読み込む。本実施形態では、パイロット噴射、メイン噴射及びポスト噴射の３回に分けて燃料を噴射することとしているが、このように燃料が複数回に分けて噴射される場合は、噴射開始時期ＩＴｓｔとして、最先の噴射（ここでは、パイロット噴射）の開始時期を読み込む。

Ｓ１０３では、検出領域を設定する。この検出領域は、燃料によるオイルの希釈を検出するための監視期間である。本実施形態では、検出領域をクランク角に関して設定することとし、圧縮行程の開始時（すなわち、クランク角で圧縮上死点前１８０°の時期）から噴射開始時期ＩＴｓｔまでの期間を設定する。
Ｓ１０４では、現在のクランク角位置が検出領域にあるか否かを判定する。検出領域にあるときは、Ｓ１０５へ進み、検出領域にないときは、このルーチンをリターンする。

Ｓ１０５では、クランク角センサ３０２の出力パルスの発生周期（以下「パルス幅」という。）Ｗを算出する（図５）。
Ｓ１０６では、現在の運転状態における通常のパルス幅（以下「基本パルス幅」という。）Ｗｂａｓｅを読み込む。この基本パルス幅Ｗｂａｓｅは、図３に示すテーブルから読み込む。このテーブルにおいて、基本パルス幅Ｗｂａｓｅは、エンジン回転数ＮＥに対応させて、高回転時ほど小さな値に設定されている。なお、エンジン回転数ＮＥは、別に実行されるエンジン回転数検出ルーチンにおいて、クランク角センサ３０２の出力をもとに、１サイクル当たりの平均回転数として検出される。

Ｓ１０７では、パルス幅Ｗと基本パルス幅Ｗｂａｓｅとの差（＝Ｗ−Ｗｂａｓｅ）が所定の希釈判定値ＳＬよりも大きいか否か、すなわち、パルス幅Ｗが希釈判定値ＳＬを上限として定められる許容範囲を超えて延長されたか否かを判定する。希釈判定値ＳＬは、図４に示すテーブルから読み込む。このテーブルにおいて、希釈判定値ＳＬは、エンジン回転数ＮＥ及び燃料噴射量Ｑｆ（ここでは、メイン噴射による噴射量）に応じて設定され、高回転及び低負荷時ほど小さな値に設定されている。差Ｗ−Ｗｂａｓｅが希釈判定値ＳＬよりも大きいときは、Ｓ１０８へ進み、希釈判定値ＳＬ以下であるときは、このルーチンをリターンする。

Ｓ１０８では、燃料の噴射前に本来の燃焼ではない燃焼が発生したものと判断して、燃料によるオイルの希釈を検出するとともに、警告灯等を作動させ、運転者に対してオイルの交換時期を認識させる。
Ｓ１０９では、アクセル開度変化量（「負荷変化量」に相当する。）Ｄを算出する。アクセル開度変化量Ｄは、アクセルセンサ３０１により今回に検出されたアクセル開度ＡＰＯ_nと、このセンサ３０１により前回に検出されたアクセル開度ＡＰＯ_n-1との差（ＡＰＯ_n−ＡＰＯ_n-1）として算出する。

Ｓ１１０では、アクセル開度変化量Ｄが所定の閾値Ｄａｃｃｌ以下であるか否かを判定する。閾値Ｄａｃｃｌ以下であるときは、Ｓ１１１へ進み、閾値Ｄａｃｃｌよりも大きいときは、このルーチンをリターンする。このＳ１１０は、後述する出力抑制のための制御が加速時に行われることにより運転性が損なわれるのを防止するためのものである。
Ｓ１１１では、スロットル弁１０２を閉駆動させ、エンジン１の出力形成を抑制する。

図５は、圧縮上死点ＴＤＣ前後の期間における筒内圧力Ｐｃ、クランクシャフトの角速度Ｖａｎｇｌ及びクランク角センサ３０２の出力パルスを、通常時（ａ）とオイル希釈時（ｂ）とで概念的に示している。
通常時において、出力パルスの発生周期、すなわち、パルス幅Ｗは、ピストンの上昇による筒内圧力Ｐｃの上昇に伴い徐々に延長される。燃料の噴射後、燃焼による筒内圧力Ｐｃの急激な上昇に伴い短縮され、その後の筒内圧力Ｐｃの減少に伴い次第に延長される。このため、角速度Ｖａｎｇｌは、燃料の噴射前に徐々に減少し、燃焼により急激に増大した後、次第に減少するサイクルを繰り返す。これに対し、オイル希釈時では、圧縮行程のうち燃料の噴射前の時期ＣＡ１にブローバイガス中の燃料が燃焼することで、順回転方向とは逆向きのトルクが発生し、回転を遅らせる。これによりパルス幅Ｗが延長され、角速度Ｖａｎｇｌが急速に減少する。本実施形態では、燃料の噴射前における燃焼をパルス幅Ｗの通常値からのずれにより検出し、この噴射前の燃焼がオイルの希釈に起因するものであるとして、この燃焼の検出によりオイルの希釈を検出することとしている。

本実施形態に関し、図２に示すフローチャートのＳ１０１及び１０５が第１の検出手段を、Ｓ１０２〜１０４，１０６及び１０７が判定手段を、Ｓ１０８が第２の検出手段を構成する。また、同フローチャートのＳ１１１が制御手段を、Ｓ１０９が第３の検出手段を、Ｓ１１０が禁止手段を構成する。
本実施形態によれば、次のような効果を得ることができる。

第１に、ブローバイガスを筒内に還流させるエンジン１において、パルス幅Ｗのずれにより燃料の噴射前における燃焼を検出し、この燃焼の検出により燃料によるオイルの希釈を検出することとした。このため、燃料によるオイルの希釈を簡易に検出することができる。
第２に、燃料によるオイルの希釈を検出したときに、エンジンの出力形成を抑制する制御を行うことで、ブローバイガス中の燃料の燃焼が本来の燃焼時にまで継続するか又はこの燃焼が本来の燃焼を過剰に活発化させることで、エミッションを悪化させたり、ノッキングを生じさせるのを回避することができる。

第３に、アクセル開度変化量Ｄを算出し、燃料によるオイルの希釈を検出したときに、加速時にない（アクセル開度変化量Ｄが閾値Ｄａｃｃｌ以下である。）ことを条件に出力抑制のための制御を行うことで、加速時に出力が抑制され、運転性が損なわれるのを回避することができる。
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態に係るディーゼルエンジン１は、第１の実施形態のもの（図１）と同様に構成することができ、第１の検出手段及び判定手段等、本発明の各手段としての機能は、第１の実施形態のものと同様にコントロールユニット５により実現される。

図６は、本実施形態に係るオイル希釈検出ルーチンのフローチャートである。このルーチンも、コントロールユニット５により所定の時間毎に実行される。このフローチャートでは、第１の実施形態のもの（図２）と同様な処理が行われるステップには、同じ符号を付している。
Ｓ１０１〜１０４でクランク角センサ３０２の出力を読み込み、現在のクランク角位置が検出領域にあると判定された場合は、Ｓ２０１以降の処理が行われる。

Ｓ２０１では、クランク角センサ３０２の出力パルスの発生周期を検出するとともに、検出した発生周期をもとに、クランクシャフトの角速度Ｖａｎｇｌを算出する。
Ｓ２０２では、今回に算出した角速度Ｖａｎｇｌ_nから前回に算出した角速度Ｖａｎｇｌ_n-1を減算し、出力パルスの１発生周期当たりの回転変化率δ（＝Ｖａｎｇｌ_n−Ｖａｎｇｌ_n-1）を算出する。

Ｓ２０３では、回転変化率δが所定の希釈判定値δ１よりも小さいか否かを判定する。希釈判定値δ１は、図７に示すテーブルから読み込む。このテーブルにおいて、希釈判定値δ１は、負の値として、かつエンジン回転数ＮＥ及び燃料噴射量Ｑｆに応じて設定され、高回転及び低負荷時ほどその絶対値が小さな値に設定されている。回転変化率δが希釈判定値δ１よりも小さいときは、Ｓ１０８へ進み、希釈判定値δ１以上であるときは、このルーチンをリターンする。

Ｓ１０８以降では、オイルの希釈の検出及び警告が行われるとともに、加速時にないことを条件に、スロットル弁１０２の閉駆動によりエンジン１の出力形成を抑制する。
本実施形態に関し、図６に示すフローチャートのＳ１０１，２０１及び２０２が第１の検出手段を、Ｓ２０３が判定手段を、Ｓ１０８が第２の検出手段を構成する。また、同フローチャートのＳ１１１が制御手段を、Ｓ１０９が第３の検出手段を、Ｓ１１０が禁止手段を構成する。

本実施形態によっても、第１の実施形態と同様な効果を得ることができる。すなわち、回転変化率δに基づいて燃料によるオイルの希釈を簡易に検出するとともに、このオイルの希釈を検出したときは、出力抑制のための制御を行うことで、エミッションの悪化等を回避することができる。また、加速時にないことを出力抑制の条件としたことで、運転性を確保することができる。

なお、以上では、本来の燃焼前における燃焼（燃料によるオイルの希釈に起因する。）を検出するため、「単位クランク角当たりの回転所要時間」としてのクランク角センサ３０２の出力発生周期Ｗ、又は「相関する運転パラメータ」としての回転変化率δを検出することとした。しかしながら、本発明では、後者の運転パラメータとして、筒内圧力を採用することとしてもよい。すなわち、筒内圧力を検出する圧力センサ又は燃焼振動に感応するノッキングセンサを設け、このセンサの出力をもとに、インジェクタによる燃料の噴射前の燃焼を検出したときは、燃料によるオイルの希釈を検出し、警告灯等を作動させるとともに、この検出結果をエンジンの制御に反映させる。

また、以上では、燃料によるオイルの希釈を検出したときに、スロットル弁１０２を閉駆動させ、吸入空気量を減少させることによりエンジンの出力形成を抑制することとしたが、このスロット弁１０２による方法に代え、インジェクタ１０３による燃料の噴射を停止させることとしてもよい。

本発明の第１の実施形態に係るディーゼルエンジンの構成 同上実施形態に係るオイル希釈検出ルーチンのフローチャート 基本パルス幅のテーブル パルス幅に関する希釈判定値のテーブル 通常時及びオイル希釈時における圧縮上死点前後の筒内圧力、クランクシャフトの角速度及びクランク角センサの出力パルス 本発明の第２の実施形態に係るオイル希釈検出ルーチンのフローチャート 回転変化率に関する希釈判定値のテーブル

符号の説明

１…ディーゼルエンジン、１０１…吸気通路、１０２…スロットル弁、１０３…インジェクタ、１０４…シリンダヘッド、１０５…排気通路、１０６…オイルパン、２０１…ＰＣＶ弁、２０２…オイルセパレータ、２０３…第１のブローバイガス通路、２０４…オイル戻し通路、２０５…第２のブローバイガス通路、３０１…アクセルセンサ、３０２…クランク角センサ、３０３…水温センサ、５…コントロールユニット。

Claims (7)

1. 燃料を供給するためのインジェクタを含んで構成され、かつブローバイガスを筒内に還流させるディーゼルエンジンにおける、燃料によるオイルの希釈を検出するディーゼルエンジンのオイル希釈検出装置であって、
   単位クランク角当たりの回転所要時間又はこれに相関するエンジンの運転パラメータを検出する第１の検出手段と、
   この手段により検出された回転所要時間又は運転パラメータをもとに、前記インジェクタによる燃料の噴射前に燃焼が行われたか否かを判定する判定手段と、
   この手段により前記噴射前の燃焼が行われたと判定されたときに、燃料によるオイルの希釈を検出する第２の検出手段と、を含んで構成されるディーゼルエンジンのオイル希釈検出装置。
2. 前記インジェクタにより、出力形成のために行われる第１の噴射と、この第１の噴射前又は後に行われる第２の噴射とを含む複数回の噴射により１サイクル当たりの燃料が供給されるディーゼルエンジンに設けられ、
   前記判定手段は、この複数回の噴射のうち最先のものよりも前に燃焼が行われたか否かを判定する請求項１に記載のディーゼルエンジンのオイル希釈検出装置。
3. 前記判定手段は、圧縮行程のうち前記インジェクタによる燃料の噴射前の期間に燃焼が行われたか否かを判定する請求項１又は２に記載のディーゼルエンジンのオイル希釈検出装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載のオイル希釈検出装置と、
   この装置により燃料によるオイルの希釈が検出されたときに、エンジンの出力形成を抑制するための制御を行う制御手段と、を含んで構成されるディーゼルエンジンの制御装置。
5. 吸入空気量を閉駆動により減少させるスロットル弁を含んで構成されるディーゼルエンジンに設けられ、
   前記制御手段は、燃料によるオイルの希釈が検出されたときに、このスロットル弁を閉駆動させる請求項４に記載のディーゼルエンジンの制御装置。
6. 前記制御手段は、燃料によるオイルの希釈が検出されたときに、前記インジェクタによる燃料の供給を実質的に停止させる請求項４に記載のディーゼルエンジンの制御装置。
7. エンジンに対する要求負荷の単位時間当たりの変化量を検出する第３の検出手段と、
   この手段により検出された負荷変化量が所定の値よりも大きいときに、前記制御手段による出力抑制のための制御を禁止する禁止手段と、を更に含んで構成される請求項４〜６のいずれかに記載のディーゼルエンジンの制御装置。

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