JP6354482B2 - ディーゼル機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ディーゼル機関での燃料の燃焼制御を実行する制御装置に関する。

市場で扱われているディーゼル機関用の燃料は、その性状のばらつきが非常に大きい。このため、燃料の性状に応じて燃焼状態が大きく変化し、排気エミッションの悪化や失火等が起こるおそれがある。

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ものがある（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、排気エミッションの悪化を抑制することができない場合がある。例えば、燃料に含まれる芳香族成分や側鎖成分が相対的に多い場合には、燃料が燃焼しにくくなり、排出されるすす（ｓｏｏｔ）の量が増加することに、本願発明者は着目した。

本発明は、こうした課題を解決するためになされたものであり、その主たる目的は、燃料の性状に応じた燃焼制御を実行することにより、排気エミッションの悪化を抑制することの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。

本発明は、上記課題を解決するために、以下の手段を採用した。

本発明は、ディーゼル機関での燃料の燃焼制御を実行する制御装置であって、前記燃料の動粘度を検出する動粘度検出手段と、前記動粘度検出手段により検出された前記動粘度が、第１判定値よりも低い場合及び前記第１判定値よりも高く設定された第２判定値よりも高い場合に、前記燃焼制御を所定性状の燃料を想定して設定された所定制御から、前記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切替手段と、を備えることを特徴とする。

燃料に含まれる分子の直鎖が短くなって炭素数が少なくなると、側鎖成分が相対的に多くなって水素数が相対的に少なくなり、燃料が燃焼しにくくなる。燃料に含まれる分子の炭素数が少ないほど、燃料の動粘度は低くなる傾向がある。また、燃料に含まれる多環の芳香族成分が多くなると、燃料が燃焼しにくくなる。燃料に含まれる多環の芳香族成分が多いほど、燃料の動粘度は高くなる傾向がある。

この点、上記構成によれば、動粘度検出手段により燃料の動粘度が検出される。そして、検出された動粘度が、第１判定値よりも低い場合及び第１判定値よりも高く設定された第２判定値よりも高い場合に、燃料の燃焼制御が、所定性状の燃料を想定して設定された所定制御から、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られる。このため、燃料が燃焼しにくくなる場合に、燃料の燃焼制御を所定制御からすす抑制制御に切り替えることができ、排気エミッションの悪化を抑制することができる。

ディーゼル機関及びその周辺構成を示す模式図。 燃料密度、セタン価、及び動粘度に対する燃料の分布を示す分布図。 第１実施形態の燃焼制御の処理手順を示すフローチャート。 参考実施形態の燃焼制御の処理手順を示すフローチャート。

（第１実施形態）
以下、第１実施形態について図面を参照して説明する。本実施形態は、車両用のディーゼル機関に適用され、燃料噴射弁により噴射された燃料の燃焼を制御する制御装置として具体化している。

はじめに、図１を参照して、ディーゼル機関１０の概要について説明する。ディーゼル機関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、ディーゼル機関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。シリンダ１１ａ、ピストン１２、及びシリンダヘッド１３によって、燃焼室が形成されている。

シリンダブロック１１には、吸気通路１４が接続されている。吸気通路１４は、吸気マニホールド及びシリンダヘッド１３内のヘッド内通路１４ａを介して、各シリンダ１１ａに接続されている。ディーゼル機関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が回転させられる。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により各ヘッド内通路１４ａが開閉される。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。

シリンダブロック１１には、排気通路１５が接続されている。排気通路１５は、排気マニホールド及びシリンダヘッド１３内のヘッド内通路１５ａを介して、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により各ヘッド内通路１５ａが開閉される。

燃料ポンプ（図示略）により、コモンレール２０へ燃料が圧送される。コモンレール２０（蓄圧容器）は燃料を蓄圧状態で保持する。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、シリンダ１１ａ内に噴射する。

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内の吸気に導入する。

ディーゼル機関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。

ディーゼル機関１０には、筒内圧センサ３１及び燃料密度センサ３２が設けられている。筒内圧センサ３１は、シリンダ１１ａ内の圧力を検出する。燃料密度センサ３２は、インジェクタ１７へ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。ディーゼル機関１０の燃料タンク（図示略）には、動粘度センサ３３及び燃料量センサ３４が設けられている。動粘度センサ３３（動粘度検出手段）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、記憶装置、入出力インターフェース等を備える周知のマイクロコンピュータである。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、予め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、ディーゼル機関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（所定制御）となるように各装置を制御する。ＥＣＵ４０は、インジェクタ１７により、パイロット噴射及びメイン噴射を実行させる。なお、インジェクタ１７、ＥＧＲ装置２６、及びＥＣＵ４０により、ディーゼル機関１０での燃料の燃焼制御を実行する制御装置が構成されている。

図２は、燃料密度、セタン価、及び動粘度に対する燃料の分布を示す分布図である。燃料に含まれる分子の直鎖が短くなって炭素数が少なくなると、側鎖成分が相対的に多くなって水素数が相対的に少なくなり、燃料が燃焼しにくくなる。燃料に含まれる分子の炭素数が少ないほど、燃料の動粘度は低くなる傾向がある。また、燃料に含まれる多環の芳香族成分が多くなると、燃料が燃焼しにくくなる。燃料に含まれる多環の芳香族成分が多いほど、燃料の動粘度は高くなる傾向がある。このため、燃料の動粘度が第１判定値よりも低い領域（低動粘度領域）、及び燃料の動粘度が第２判定値よりも高い領域（高動粘度領域）において、燃料の燃焼に伴い排出されるすすの量が増加することに本願発明者は着目した。

ここで、同図に示すように、燃料の密度に対して、密度が小さいほど動粘度は低くなり、密度が大きいほど動粘度は高くなる傾向がある。また、燃料のセタン価に対して、セタン価が低いほど動粘度は低くなり、セタン価が高いほど動粘度は高くなる傾向がある。このため、燃料の密度及びセタン価を軸とするマップにおいて、矢印で示すように、同図の左下ほど動粘度が低くなり、同図の右上ほど動粘度が高くなる。図２のマップは、市場で扱われている燃料について、燃料密度、セタン価、及び動粘度の関係を予め実験等により求めたものである。

本実施形態では、動粘度センサ３３により検出された動粘度が、第１判定値よりも低い場合及び第１判定値よりも高く設定された第２判定値よりも高い場合に、燃焼制御を通常適合による燃焼制御（所定制御）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。図３は、燃焼制御の処理手順を示すフローチャートである。この一連の処理は、ＥＣＵ４０により、所定の周期（例えばインジェクタ１７による１噴射毎）で繰り返し実行される。

まず、燃料の性状を検出する条件が成立しているか否か判定する（Ｓ１１）。具体的には、燃料量センサ３４により検出された燃料量に基づいて給油が行われたか否か判定し、給油が行われたと判定した場合に燃料の性状を検出する条件が成立していると判定する。なお、Ｓ１１では、燃料量センサ３４により検出された燃料量が増加した場合に、給油が行われたと１回だけ判定する。

Ｓ１１の判定において、燃料の性状を検出する条件が成立していないと判定した場合（Ｓ１１：ＮＯ）、この一連の処理を一旦終了する（ＥＮＤ）。一方、Ｓ１１の判定において、燃料の性状を検出する条件が成立していると判定した場合（Ｓ１１：ＹＥＳ）、動粘度センサ３３により、燃料タンク内の燃料の動粘度を検出させる（Ｓ１２）。

続いて、検出された動粘度が第１判定値よりも小さいか否か判定する（Ｓ１３）。第１判定値は、標準的な性状の燃料（所定性状の燃料）の動粘度よりも低い動粘度であって、燃料の燃焼に伴い排出されるすすの量が所定量よりも多くなる動粘度に設定されている。

Ｓ１３の判定において、検出された動粘度が第１判定値よりも小さいと判定した場合（Ｓ１３：ＹＥＳ）、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（Ｓ１４）。すす抑制制御としては、燃料が燃焼される際に用いられる酸素を増加させる制御を採用する。具体的には、通常適合による燃焼制御と比較して、ＥＧＲ装置２６によりＥＧＲバルブ２８の開度を減少させる、燃料ポンプによりコモンレール２０内の燃料圧力（インジェクタ１７による燃料の噴射圧）を上昇させる、ＶＶＴ２１により吸気圧を上昇させる、の少なくとも１つを実行する。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行ってもよい。

続いて、燃料の失火を抑制する失火抑制制御を実行する（Ｓ１５）。失火抑制制御としては、通常適合による燃焼制御と比較して、インジェクタ１７による燃料のパイロット噴射での噴射量を増加させる、ディーゼル機関１０の圧縮行程においてパイロット噴射の時期を遅角させる、の少なくとも１つを実行する。その後、この一連の処理を一旦終了する（ＥＮＤ）。なお、Ｓ１４のすす抑制制御及びＳ１５の失火抑制制御は、燃焼制御が次に切り替えられるまで継続する。

一方、Ｓ１３の判定において、検出された動粘度が第１判定値よりも小さくないと判定した場合（Ｓ１３：ＮＯ）、検出された動粘度が第２判定値よりも大きいか否か判定する（Ｓ１６）。第２判定値は、標準的な性状の燃料の動粘度よりも高い動粘度であって、燃料の燃焼に伴い排出されるすすの量が所定量よりも多くなる動粘度に設定されている。

Ｓ１６の判定において、検出された動粘度が第２判定値よりも大きいと判定した場合（Ｓ１６：ＹＥＳ）、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（Ｓ１７）。このＳ１７の処理は、上記Ｓ１４の処理と同一である。その後、この一連の処理を一旦終了する（ＥＮＤ）。なお、Ｓ１７のすす抑制制御は、燃焼制御が次に切り替えられるまで継続する。

一方、Ｓ１６の判定において、検出された動粘度が第２判定値よりも大きくないと判定した場合（Ｓ１６：ＮＯ）、通常適合された燃焼制御を実行する（Ｓ１８）。具体的には、各種センサの検出値に基づいて、予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。その後、この一連の処理を一旦終了する（ＥＮＤ）。なお、上記において、Ｓ１２〜Ｓ１７の処理が切替手段としての処理に相当する。

以上詳述した本実施形態は、以下の利点を有する。

・動粘度センサ３３により燃料の動粘度が検出される。そして、検出された動粘度が、第１判定値よりも低い場合及び第１判定値よりも高く設定された第２判定値よりも高い場合に、燃料の燃焼制御が、標準的な性状の燃料（所定性状の燃料）を想定して設定された通常適合による燃焼制御（所定制御）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られる。このため、燃料が燃焼しにくくなる場合に、燃料の燃焼制御を所定制御からすす抑制制御に切り替えることができ、排気エミッションの悪化を抑制することができる。

・標準的な性状の燃料の動粘度よりも低い動粘度であって燃料の燃焼に伴い排出されるすすの量が所定量よりも多くなる動粘度（第１判定値）よりも、検出された動粘度が低い場合に、すす抑制制御に切り替えられる。このため、すすの排出量が増加し易い動粘度の低い燃料において、すすの排出量を抑制することができる。

・標準的な性状の燃料の動粘度よりも高い動粘度であって燃料の燃焼に伴い排出されるすすの量が所定量よりも多くなる動粘度（第２判定値）よりも、検出された動粘度が高い場合に、すす抑制制御に切り替えられる。このため、すすの排出量が増加し易い動粘度の高い燃料において、すすの排出量を抑制することができる。

・ディーゼル機関１０の通常時の燃焼制御（所定制御）は、標準的な性状の燃料を想定して燃焼状態が最適となるように設定されている。そして、燃料の性状がすすを排出し易い性状である場合に、燃料の燃焼制御が所定制御からすす抑制制御に切り替えられるため、排気エミッションの悪化を抑制することができる。

・例えば密度一定の場合で燃料の動粘度が低いほど、燃料のセタン価が低くなる傾向がある。燃料のセタン価が低い場合は、燃料の着火性が悪くなるため、燃料の失火が生じ易くなる。この点、動粘度センサ３３により検出された動粘度が第１判定値よりも低い場合に、すす抑制制御と共に、燃料の失火を抑制する失火抑制制御が実行される。したがって、すすの排出量を抑制するとともに、失火の発生を抑制することができる。

・失火抑制制御は、燃料のパイロット噴射による噴射量を増加させる制御を含むため、パイロット噴射により噴射される燃料の燃焼を安定させることができ、燃料の失火を抑制することができる。

・失火抑制制御は、ディーゼル機関１０の圧縮行程においてパイロット噴射の時期を遅角させる制御を含むため、燃焼室内の圧力及び温度がより上昇した時点でパイロット噴射を行うことができる。このため、パイロット噴射により噴射される燃料の燃焼を安定させることができ、燃料の失火を抑制することができる。

・すす抑制制御は、燃料が燃焼される際に用いられる酸素を増加させる制御を含むため、燃料の燃焼を促進させることができ、すすの排出量を抑制することができる。

・すす抑制制御は、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含むため、メイン噴射により発生したすすをアフター噴射により燃焼させることができ、すすの排出量を抑制することができる。

（参考実施形態）
動粘度センサ３３により検出された動粘度と、別の方法により推定された動粘度とに差が生じる場合がある。図２の高動粘度領域付近において検出された動粘度が推定された動粘度よりも高い場合は、推定されるすすの排出量よりも実際のすすの排出量が多くなるおそれがある。そこで、参考実施形態では、動粘度センサ３３とは別に燃料の動粘度を推定し、推定された動粘度よりも所定値高く第２判定値を設定する。以下、参考実施形態について、第１実施形態との相違点を中心に説明する。

図４は、燃焼制御の処理手順を示すフローチャートである。この一連の処理は、ＥＣＵ４０により、所定の周期（例えばインジェクタ１７による１噴射毎）で繰り返し実行される。

Ｓ２１〜Ｓ２５の処理は、図３のＳ１１〜Ｓ１５の処理と同一である。そして、Ｓ２３の判定において、検出された動粘度が第１判定値よりも小さくないと判定した場合（Ｓ２３：ＮＯ）、燃料密度センサ３２により、燃料タンク内の燃料の密度を検出させる（Ｓ２６）。

続いて、燃料のセタン価を検出する（Ｓ２７）。セタン価の検出方法としては、上述した特許文献１に記載された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セタン価を検出する方法等、公知の方法を用いればよい。

続いて、検出された燃料の密度とセタン価とに基づいて、燃料の動粘度を推定する（Ｓ２８）。詳しくは、図２の燃料密度、セタン価、及び動粘度の関係を示すマップを用いて、検出された燃料の密度とセタン価とに対応する燃料の動粘度を推定する。

続いて、推定された燃料の動粘度に基づいて第２判定値を設定する（Ｓ２９）。詳しくは、推定された動粘度に所定値を加算することで、推定された動粘度よりも所定値高く第２判定値を設定する。なお、推定された動粘度に係数をかけることで、推定された動粘度よりも所定値高く第２判定値を設定してもよい。

続くＳ３０〜Ｓ３２の処理は、図３のＳ１６〜Ｓ１８の処理と同一である。そして、この一連の処理を一旦終了する（ＥＮＤ）。なお、上記において、Ｓ２６の処理が密度検出手段としての処理に相当し、Ｓ２７の処理がセタン価検出手段としての処理に相当し、Ｓ２６〜Ｓ２８の処理が動粘度推定手段としての処理に相当し、Ｓ２２〜Ｓ３１の処理が切替手段としての処理に相当する。

以上詳述した本実施形態は、以下の利点を有する。ここでは、第１実施形態と異なる利点のみを述べる。

・動粘度センサ３３により推定された動粘度よりも所定値高く第２判定値が設定される。このため、推定されるすすの排出量よりも実際のすすの排出量が多くなるおそれがある場合に、すすの排出量を抑制することができる。さらに、第２判定値を柔軟に設定することができるため、すすの排出量が特に多くなる場合に限らず、すすの排出量が想定よりも若干多くなる場合等にもすすの排出量を抑制することができる。

なお、上記参考実施形態を以下のように変更して実施することもできる。

・図２の低動粘度領域付近において検出された動粘度が推定された動粘度よりも低い場合は、推定されるすすの排出量よりも実際のすすの排出量が多くなるおそれがある。そこで、推定された動粘度よりも所定値低く第１判定値を設定し、図３のＳ１３〜Ｓ１５の処理を行ってもよい。こうした構成によれば、推定されるすすの排出量よりも実際のすすの排出量が多くなるおそれがある場合に、すすの排出量を抑制することができる。さらに、第１判定値を柔軟に設定することができるため、すすの排出量が特に多くなる場合に限らず、すすの排出量が想定よりも若干多くなる場合等にもすすの排出量を抑制することができる。

また、上記各実施形態を以下のように変更して実施することもできる。

・図３，４の燃焼制御において、Ｓ１５，Ｓ２５の失火抑制制御を省略することもできる。その場合であっても、燃料が燃焼しにくくなる場合に、燃料の燃焼制御を所定制御からすす抑制制御に切り替えることができ、排気エミッションの悪化を抑制することができる。

・ディーゼル機関１０を所定期間運転した場合や、車両を所定距離走行させた場合等に、燃料の性状を検出する条件が成立していると判定してもよい。

１０…ディーゼル機関、１７…インジェクタ、２６…ＥＧＲ装置、３３…動粘度センサ、４０…ＥＣＵ。

Claims (9)

1. ディーゼル機関（１０）での燃料の燃焼制御を実行する制御装置であって、
   前記燃料の動粘度を検出する動粘度検出手段（３３）と、
   前記動粘度検出手段により検出された前記動粘度が、第１判定値よりも低い場合及び前記第１判定値よりも高く設定された第２判定値よりも高い場合に、前記燃焼制御を所定性状の燃料を想定して設定された所定制御から、前記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切替手段（１７，２６，４０）と、
   を備えることを特徴とするディーゼル機関の制御装置。
2. 前記第１判定値は、前記所定性状の燃料の動粘度よりも低い動粘度であって、前記燃料の燃焼に伴い排出されるすすの量が所定量よりも多くなる動粘度である請求項１に記載のディーゼル機関の制御装置。
3. 前記第２判定値は、前記所定性状の燃料の動粘度よりも高い動粘度であって、前記燃料の燃焼に伴い排出されるすすの量が所定量よりも多くなる動粘度である請求項１又は２に記載のディーゼル機関の制御装置。
4. 前記所定制御は、標準的な性状の燃料を想定して燃焼状態が最適となるように設定された燃焼制御である請求項１〜３のいずれか１項に記載のディーゼル機関の制御装置。
5. 前記切替手段（１７，４０）は、前記動粘度検出手段により検出された前記動粘度が前記第１判定値よりも低い場合に、前記すす抑制制御と共に、前記燃料の失火を抑制する失火抑制制御を実行する請求項１〜４のいずれか１項に記載のディーゼル機関の制御装置。
6. 前記失火抑制制御は、前記燃料のパイロット噴射による噴射量を増加させる制御を含む請求項５に記載のディーゼル機関の制御装置。
7. 前記失火抑制制御は、前記機関の圧縮行程においてパイロット噴射の時期を遅角させる制御を含む請求項５又は６に記載のディーゼル機関の制御装置。
8. 前記すす抑制制御は、前記燃料が燃焼される際に用いられる酸素を増加させる制御を含む請求項１〜７のいずれか１項に記載のディーゼル機関の制御装置。
9. 前記すす抑制制御は、前記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含む請求項１〜８のいずれか１項に記載のディーゼル機関の制御装置。