(57)【要約】【課題】燃料の噴射タイミングを求める際の処理負荷を軽減する。【解決手段】エンジン１の制御装置１００は、エンジン１のシリンダー１０内のクランク角に対応した筒内圧力を取得する圧力取得部１２１と、シリンダー１０のクランク角に対応した筒内容積を取得する容積取得部１２２と、筒内圧力及び筒内容積で規定されるシリンダー１０内で燃焼されるガスの内部エネルギーをクランク角で微分した際に、筒内圧力のクランク角に対する圧力変化率が０となる特定クランク角を取得する特定クランク角取得部１２３と、特定クランク角に基づいて、シリンダー１０内への燃料の噴射タイミングを制御する噴射制御部１２４とを備える。【選択図】図２
2017141687.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の筒内のクランク角に対応した筒内圧力を取得する圧力取得部と、
前記筒内のクランク角に対応した筒内容積を取得する容積取得部と、
前記筒内圧力及び前記筒内容積で規定される前記筒内で燃焼されるガスの内部エネルギーを前記クランク角で微分した際に、前記筒内圧力の前記クランク角に対する圧力変化率が０となる特定クランク角を取得する特定クランク角取得部と、
前記特定クランク角に基づいて、前記筒内への燃料の噴射タイミングを制御する噴射制御部と、
を備える、内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記特定クランク角取得部は、所定範囲の前記クランク角の前記圧力変化率を順次サーチする際に値が０となる圧力変化率をサーチすると、その後のサーチを停止して、前記特定クランク角を取得する、
請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項３】
前記特定クランク角取得部は、前記内部エネルギーを前記クランク角で微分した際に導出される、前記筒内容積の前記クランク角に対する容積変化率を含む第１項と前記圧力変化率を含む第２項とのうちの、前記第２項を用いて前記特定クランク角を取得する、
請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項４】
前記噴射制御部は、前記噴射タイミングとして前記特定クランク角から所定角度ずれたタイミングで、前記燃料を噴射させる、
請求項１から３のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項５】
内燃機関の筒内のクランク角に対応した筒内圧力を取得するステップと、
前記筒内のクランク角に対応した筒内容積を取得するステップと、
前記筒内圧力及び前記筒内容積で規定される前記筒内で燃焼されるガスの内部エネルギーを前記クランク角で微分した際に、前記筒内圧力の前記クランク角に対する圧力変化率が０となる特定クランク角を取得するステップと、
前記特定クランク角に基づいて、前記筒内への燃料の噴射タイミングを制御するステップと、
を有する、内燃機関の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、筒内への燃料の噴射を制御する内燃機関の制御装置及び内燃機関の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両に搭載されるエンジン等の内燃機関においては、筒内への燃料の噴射タイミングや噴射量が制御されている。
従来、エンジンの筒内の単位クランク角当たりの熱発生量（以下、熱発生率とも呼ぶ）に基づいて、次回の燃料の噴射を制御する方式が採用されている。具体的には、熱発生率の積分値が１／２となるクランク角を求めて、次回の燃料の噴射タイミングを決定している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２０１４／０１００２２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記の方式では、熱発生率が５０％となるクランク角を求めるために、所定期間内の熱発生率を積分した積分値を計算した後に、積分値の１／２の値を計算する必要がある。かかる場合には、制御装置の処理負荷が大きくなってしまい、次回の燃料の噴射タイミングの制御に間に合わない恐れがある。
【０００５】
そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、燃料の噴射タイミングを求める際の処理負荷を軽減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の態様においては、内燃機関の筒内のクランク角に対応した筒内圧力を取得する圧力取得部と、前記筒内のクランク角に対応した筒内容積を取得する容積取得部と、前記筒内圧力及び前記筒内容積で規定される前記筒内で燃焼されるガスの内部エネルギーを前記クランク角で微分した際に、前記筒内圧力の前記クランク角に対する圧力変化率が０となる特定クランク角を取得する特定クランク角取得部と、前記特定クランク角に基づいて、前記筒内への燃料の噴射タイミングを制御する噴射制御部と、を備える、内燃機関の制御装置を提供する。
かかる内燃機関の制御装置によれば、圧力変化率が０となるクランク角を特定することで、次回の燃料の噴射タイミングを設定できる。これにより、例えば前述したような熱発生率を積分する方法に比べて、処理負荷を軽減でき、早期に適切な噴射タイミングを設定できる。
【０００７】
また、前記特定クランク角取得部は、所定範囲の前記クランク角の前記圧力変化率を順次サーチする際に値が０となる圧力変化率をサーチすると、その後のサーチを停止して、前記特定クランク角を取得することとしてもよい。
【０００８】
また、前記特定クランク角取得部は、前記内部エネルギーを前記クランク角で微分した際に導出される、前記筒内容積の前記クランク角に対する容積変化率を含む第１項と前記圧力変化率を含む第２項とのうちの、前記第２項を用いて前記特定クランク角を取得することとしてもよい。
【０００９】
また、前記噴射制御部は、前記噴射タイミングとして前記特定クランク角から所定角度ずれたタイミングで、前記燃料を噴射させることとしてもよい。
【００１０】
本発明の第２の態様においては、内燃機関の筒内のクランク角に対応した筒内圧力を取得するステップと、前記筒内のクランク角に対応した筒内容積を取得するステップと、前記筒内圧力及び前記筒内容積で規定される前記筒内で燃焼されるガスの内部エネルギーを前記クランク角で微分した際に、前記筒内圧力の前記クランク角に対する圧力変化率が０となる特定クランク角を取得するステップと、前記特定クランク角に基づいて、前記筒内への燃料の噴射タイミングを制御するステップと、を有する、内燃機関の制御方法を提供する。
かかる内燃機関の制御方法によれば、圧力変化率が０となるクランク角を特定することで、次回の燃料の噴射タイミングを設定できる。この結果、処理負荷を軽減でき、早期に適切な噴射タイミングを設定できる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、燃料の噴射タイミングを求める際の処理負荷を軽減できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一の実施形態に係るエンジン１の内部構成の一部を示す模式図である。
【図２】制御装置１００の詳細構成を示すブロック図である。
【図３】熱発生率ROHR、eq.A、eq.B1及びeq.B2の関係を示すグラフである。
【図４】eq.B2と筒内圧力との関係を説明するためのグラフである。
【図５】eq.B2と筒内圧力との関係を説明するためのグラフである。
【図６】特定クランク角の取得処理の一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
＜内燃機関の構成＞
図１を参照しながら、本発明の一の実施形態に係る内燃機関であるエンジン１の内部構成について説明する。
【００１４】
図１は、一の実施形態に係るエンジン１の内部構成の一部を示す模式図である。エンジン１は、ここではトラック等の車両に搭載されているディーゼルエンジンである。エンジン１は、吸入行程、圧縮行程、燃焼・膨張行程、排気行程から成るサイクルを繰り返す。図１に示すように、エンジン１は、シリンダー１０と、ピストン２０と、吸気弁３０と、排気弁４０と、インジェクタ５０と、圧力センサ６０とを有する。
【００１５】
シリンダー１０は、内部でピストン２０が往復する筒である。シリンダー１０内には、燃料と空気との混合気（ガス）が燃焼する燃焼室１２が形成されている。なお、エンジン１は、シリンダー１０を複数有する多気筒エンジンである。
【００１６】
ピストン２０は、シリンダー１０内で上下に往復運動する。ピストン２０は、コンロッド２２を介して、ピストン２０の往復運動を回転運動に変換するクランク軸（不図示）に連結されている。なお、シリンダー１０の燃焼室１２の圧力（以下、筒内圧力とも呼ぶ）や容積（以下、筒内容積とも呼ぶ）は、クランク軸のクランク角に応じて変動する。
【００１７】
吸気弁３０及び排気弁４０は、開閉可能な弁である。吸気弁３０は、開放時に、吸気管３２からの空気（吸気）をシリンダー１０内に導入させる。排気弁４０は、開放時に、シリンダー１０内の燃焼後のガスを排気管４２へ排出させる。
【００１８】
インジェクタ５０は、所定の噴射タイミングで、シリンダー１０の燃焼室１２内の圧縮空気中に燃料を所定の噴射量だけ噴射する。燃料が圧縮空気中に直噴されることで、燃焼・膨張が発生してピストン２０を押し下げる。
【００１９】
圧力センサ６０は、シリンダー１０内の筒内圧力を検出する。圧力センサ６０は、ここではシリンダー１０のシリンダーブロックに取り付けられている。例えば、圧力センサ６０は、筒内圧力に応じて変位するプッシュロッドを有しており、プッシュロッドの変位量に応じて筒内圧力を検出する。
【００２０】
吸気弁３０、排気弁４０、インジェクタ５０及び圧力センサ６０は、エンジン１の動作を制御する制御装置１００によって制御されている。例えば、制御装置１００は、インジェクタ５０による燃料の噴射タイミングや噴射量を制御する。詳細は後述するが、本実施形態に係る制御装置１００は、シリンダー１０内のガスの内部エネルギーをクランク角で微分した式を用いて、燃料の噴射タイミングを制御する。
【００２１】
＜制御装置の詳細構成＞
図２を参照しながら、エンジン１の制御装置１００の詳細構成の一例について説明する。
図２は、制御装置１００の詳細構成を示すブロック図である。図２に示すように、制御装置１００は、記憶部１１０と、制御部１２０とを有する。
【００２２】
記憶部１１０は、例えばＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）を含む。記憶部１１０は、制御部１２０が実行するためのプラグラムや各種データを記憶する。例えば、記憶部１１０は、シリンダー１０のクランク角に対応する筒内圧力や筒内容積を記憶する。
【００２３】
制御部１２０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）である。制御部１２０は、記憶部１１０に記憶されたプログラムを実行することにより、エンジン１の動作を制御する。制御部１２０は、圧力取得部１２１と、容積取得部１２２と、特定クランク角取得部１２３と、噴射制御部１２４として機能する。
【００２４】
圧力取得部１２１は、エンジン１のシリンダー１０内のクランク角に対応した筒内圧力（燃焼室１２の圧力）を取得する。例えば、圧力取得部１２１は、圧力センサ６０が検出した筒内圧力と、クランク角センサ７０が検出したクランク角とを対応づけて取得する。なお、クランク角センサ７０は、クランク軸の回転角度を検出する。
【００２５】
容積取得部１２２は、シリンダー１０内のクランク角に対応した筒内容積（燃焼室１２の容積）を取得する。例えば、容積取得部１２２は、クランク角センサ７０が検出したクランク角、コンロッド２２の長さ、クランク半径等を用いて、筒内容積を求める。
【００２６】
特定クランク角取得部１２３は、シリンダー１０内で燃焼されるガスの内部エネルギーを用いて、燃料の噴射に適した特定クランク角を取得する。ガスの内部エネルギーは、圧力取得部１２１が取得した筒内圧力と、容積取得部１２２が取得した筒内容積とによって規定される。そして、特定クランク角取得部１２３が取得する特定クランク角は、内部エネルギーをクランク角で微分した際に、筒内圧力のクランク角に対する圧力変化率が０となるクランク角である。
【００２７】
以下では、内部エネルギーから特定クランク角を取得するまでの流れについて説明する。
熱力学第１法則によれば、燃焼室１２内のガスの熱量の変化（ｄｑ）は、内部エネルギーの変化（ｄｕ）と外部への仕事（ｄｗ）との和であり、下記の式（１）のように規定される。
2017141687.tif 000003
【００２８】
また、式（１）の定容比熱Ｃｖは、下記の式（２）のように規定される。
2017141687.tif 000004
【００２９】
式（２）を式（１）の右辺第１項に代入すると、下記の式（３）が導かれる。
2017141687.tif 000005
【００３０】
そして、式（３）を式（１）に代入すると、下記の式（４）が導かれる。
2017141687.tif 000006
【００３１】
ところで、「ｐＶ＝ｍＲＴ」より、下記の式（５）が導かれる。
2017141687.tif 000007
【００３２】
そして、式（５）を式（４）に代入すると、下記の式（６）が導かれる。
2017141687.tif 000008
【００３３】
次に、式（６）をクランク角θで微分すると、熱発生率を示す下記の式（７）となる。
2017141687.tif 000009
【００３４】
ところで、上記の式（６）の右辺第１項を部分分数で表示すると、式（６）は下記の式（８）となる。
2017141687.tif 000010
【００３５】
式（８）を整理すると、下記の式（９）となる。
2017141687.tif 000011
【００３６】
式（１）と式（９）を対比すると、内部エネルギーの変化ｄｕは、式（１０）のように規定される。すなわち、内部エネルギーの変化ｄｕは、２つの項で規定される。
2017141687.tif 000012
【００３７】
また、式（９）をクランク角θで微分すると、熱発生率を示す下記の式（１１）が導かれる。
2017141687.tif 000013
【００３８】
以下では、式（１２）〜（１４）に示すように、式（１１）の右辺第１項をeq.Aとし、右辺第２項をeq.B1とし、右辺第３項をeq.B2とする。なお、eq.B1とeq.B2を比較すると分かるように、eq.B1は、筒内容積Ｖのクランク角θに対する容積変化率（ｄＶ／ｄθ）を含む式であり、eq.B2は、筒内圧力ｐのクランク角θに対する圧力変化率（ｄｐ／ｄθ）を含む式である。
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【００３９】
図３は、熱発生率ROHR、eq.A、eq.B1及びeq.B2の関係を示すグラフである。図３のグラフを見ると分かるように、熱発生率ROHRは、eq.Aとeq.B1とeq.B2の和になっている。そして、eq.B1とeq.B2のうちのeq.B1が対称的な曲線を示すのに対して、eq.B2は非対称的な曲線を示している。また、eq.B2は、クランク角θ１の時に０となっている。
【００４０】
本実施形態では、特定クランク角取得部１２３は、特定クランク角として、eq.B2が０となるクランク角（図３で示すクランク角θ１）を取得する。具体的には、特定クランク角取得部１２３は、eq.B2において圧力変化率（ｄｐ/ｄθ）が０となるクランク角θ１を求めている。
【００４１】
上記のeq.B1とeq.B2は、式（１０）と式（１１）を対比すると分かるように、内部エネルギーをクランク角θで微分したものに相当する。そして、特定クランク角取得部１２３は、微分した際に導出されるeq.B1（第１項）とeq.B2（第２項）のうちの、圧力変化率を含むeq.B2を用いて特定クランク角を取得している。かかる場合には、特定クランク角を取得する上でeq.B1を求めなくてもよいので、処理負荷を低減できる。
【００４２】
エンジン１においては、圧力変化率（ｄｐ/ｄθ）が０となる際に、筒内圧力が図４に示すように最大値となる。
図４は、eq.B2と筒内圧力との関係を説明するためのグラフである。図４に示すように、eq.B2が０となるクランク角θ１において、筒内圧力は最大値Pmaxとなっている。このため、圧力変化率（ｄｐ/ｄθ）が０となるクランク角を特定できれば、筒内圧力の最大値Pmaxを容易に取得することができる。
【００４３】
特定クランク角取得部１２３は、所定範囲（例えば、図３の−９０から９０の範囲）のクランク角に対する圧力変化率を順次サーチする際に値が０となる圧力変化率をサーチすると、その後のサーチを停止して、特定クランク角を取得する。これにより、クランク角の全ての範囲に亘ってサーチする必要がなくなり、処理時間を短縮できる。
【００４４】
図２に戻り、噴射制御部１２４は、インジェクタ５０による燃焼室１２への燃料の噴射タイミングや噴射量を制御する。本実施形態では、噴射制御部１２４は、特定クランク角取得部１２３が取得した特定クランク角に基づいて、燃焼室１２への燃料の噴射タイミングを制御する。噴射制御部１２４は、噴射タイミングとして特定クランク角から所定角度ずれたタイミングで、燃料を噴射させる。ここで、所定角度は、予め設定されており、燃焼の噴射に適するように特定クランク角からずらす角度である。かかる場合には、特定クランク角を取得することで、次回の適切な噴射タイミングを求められるので、適した噴射タイミングで燃料を噴射できる。
【００４５】
なお、特定クランク角を求める方法として、上記の式（７）で示される熱発生率をクランク角の全範囲に亘って積分した積分値を取得した後に、積分値が１／２となるクランク角を特定クランク角として取得する方法がある。しかし、この方法の場合には、積分を行うため、制御装置の処理負荷が大きくなってしまう。
これに対して、本実施形態の場合には、eq.B2の値をサーチする途中で０となるクランク角を特定すれば済むので、処理負荷が低減すると共に、早期に特定クランク角を取得できる。
【００４６】
上記では、eq.B2の値が０となるクランク角が１つであることとして説明したが、eq.B2の値が０となるクランク角が複数あってもよい。
図５は、eq.B2と筒内圧力との関係を説明するためのグラフである。図５では、eq.B2の値が０となるクランク角は、クランク角θ２、θ３、θ４の３つである。かかる場合には、筒内圧力が最大となるクランクθ４を特定クランク角として採用する。なお、本実施形態で取得される特定クランク角は、積分をして求められるクランク角とほぼ同じ値を示す。
【００４７】
＜特定クランク角の取得処理＞
図６を参照しながら、特定クランク角の取得処理の流れについて説明する。特定クランク角の取得処理は、制御装置１００の制御部１２０が記憶部１１０に記憶されたプログラムを実行することで実現される。
【００４８】
図６は、特定クランク角の取得処理の一例を示すフローチャートである。
まず、制御部１２０の特定クランク角取得部１２３は、圧力取得部１２１が取得した筒内圧力と、容積取得部１２２が取得した筒内容積とに基づいて、上述した内部エネルギーを微分した際に導出されるeq.B2を順次求める（ステップS１０２）。
【００４９】
次に、特定クランク角取得部１２３は、eq.B2（具体的には、圧力変化率）が０となるクランク角をサーチする（ステップＳ１０４）。そして、特定クランク角取得部１２３は、サーチ中にeq.B2が０となったと判断した場合には（ステップＳ１０６：Ｙｅｓ）、サーチを停止し、eq.B2が０となったクランク角を特定クランク角として取得する（ステップＳ１０８）。
【００５０】
次に、噴射制御部１２４は、特定クランク角に基づいて、次回の燃料の噴射タイミングを設定する（ステップＳ１１０）。そして、噴射制御部１２４は、次回の燃料の噴射の際に、設定した噴射タイミングにて燃料を噴射させる。
【００５１】
＜本実施形態における効果＞
上述した本実施形態の制御装置１００は、シリンダー１０内の内部エネルギーをクランク角で微分した際に規定されるeq.B2の圧力変化率が０となる特定クランク角を取得し、取得した特定クランク角に基づいてシリンダー１０内への燃料の噴射タイミングを制御する。
かかる場合には、圧力変化率が０となるクランク角を特定することで、次回の燃料の噴射タイミングを設定できる。これにより、例えば前述したような熱発生率を積分する方式に比べて、処理負荷を軽減でき、早期に適切な噴射タイミングを設定できる。
【００５２】
なお、上記では、エンジン１は、燃焼室１２に燃料を直噴するディーゼルエンジンであることとしたが、これに限定されない。例えば、エンジン１は、吸気管３２に燃料を噴射するガソリンエンジンであってもよい。
また、上記では、エンジン１がトラック等の車両に搭載されていることとしたが、これに限定されない。例えば、エンジン１は、発電機、建設機械、船舶等に搭載されていてもよい。
【００５３】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。そのような変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【符号の説明】
【００５４】
１    エンジン
１０    シリンダー
１００    制御装置
１２１    圧力取得部
１２２    容積取得部
１２３    特定クランク角取得部
１２４    噴射制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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