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JP5327026B2 - 内燃機関の燃料性状判定装置 - Google Patents

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Description

この発明は、内燃機関の燃料性状判定装置に関する。
従来、例えば特許文献1には、圧縮着火式ディーゼル機関の制御方法が開示されている。この従来の制御方法では、所定の運転条件において、圧電素子を有する加振力検知手段により筒内圧によるエンジン加振力を検知するようにしている。そして、予め同一運転条件で作成した加振力とセタン価との相関データに基づいて、検知した加振力に対応するセタン価を判別するようにしている。
特開2004−340026号公報 特開2009−68406号公報 特開2004−308440号公報
圧縮着火式内燃機関の燃焼には、上述した従来の制御方法において判別されるセタン価に加え、燃料の蒸留性状などの蒸発性指標値が大きな影響を与える。従って、セタン価と蒸発性指標値とを同時に判定できるようになっていることが望ましい。しかしながら、上記従来の手法は、セタン価とともに蒸発性指標値を同時に判定できるものではない。また、火花点火式内燃機関の場合においても、同様に、オクタン価と蒸発性指標値とを同時に判定できるようになっていることが望ましい。
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、圧縮着火式または火花点火式の内燃機関において、セタン価またはオクタン価と、燃料の蒸発性指標値とを同時に精度よく判定することのできる内燃機関の燃料性状判定装置を提供することを目的とする。
第1の発明は、内燃機関の燃料性状判定装置であって、
圧縮着火式内燃機関の燃焼室内に供給された燃料と空気との混合度合いを変化させる第1運転パラメータを変更する第1パラメータ変更手段と、
混合気の燃焼温度を変化させる第2運転パラメータを変更する第2パラメータ変更手段と、
前記第2運転パラメータが固定された条件下で前記第1運転パラメータを変更した際に、燃焼温度が最大値を示す時期を判定する判定手段と、
前記第2運転パラメータが所定の第1設定値に固定された条件下で、燃焼温度が最大値を示していると前記判定手段によって判定された時期における前記第1運転パラメータを第1記録値として記録する第1記録手段と、
前記第2運転パラメータが所定の第2設定値に固定された条件下で、燃焼温度が最大値を示していると前記判定手段によって判定された時期における前記第1運転パラメータを第2記録値として記録する第2記録手段と、
前記第1記録値と前記第2記録値とに基づいて、燃料のセタン価および蒸発性指標値を判定する燃料性状判定手段と、
を備えることを特徴とする。
第2の発明は、内燃機関の燃料性状判定装置であって、
火花点火式内燃機関の燃焼室内に供給された燃料と空気との混合度合いを変化させる第1運転パラメータを変更する第1パラメータ変更手段と、
燃料と空気との混合気の燃焼温度を変化させる第2運転パラメータを変更する第2パラメータ変更手段と、
前記第2運転パラメータが固定された条件下で前記第1運転パラメータを変更した際に、燃焼温度が最大値を示す時期を判定する判定手段と、
前記第2運転パラメータが所定の第1設定値に固定された条件下で、燃焼温度が最大値を示していると前記判定手段によって判定された時期における前記第1運転パラメータを第1記録値として記録する第1記録手段と、
前記第2運転パラメータが所定の第2設定値に固定された条件下で、燃焼温度が最大値を示していると前記判定手段によって判定された時期における前記第1運転パラメータを第2記録値として記録する第2記録手段と、
前記第1記録値と前記第2記録値とに基づいて、燃料のオクタン価および蒸発性指標値を判定する燃料性状判定手段と、
を備えることを特徴とする。
また、第3の発明は、第1または第2の発明において、
前記第1運転パラメータは、燃料噴射圧力および機関冷却水温度の何れか1つであることを特徴とする。
また、第4の発明は、第1乃至第3の発明の何れかにおいて、
前記第2運転パラメータは、燃料噴射時期、吸入空気量、および圧縮比の何れか1つであることを特徴とする。
また、第5の発明は、第1乃至第4の発明の何れかにおいて、
前記判定手段は、排気通路を流れる排気ガス中のNOx濃度を検出するNOx濃度検出手段を含み、
前記判定手段は、前記第2運転パラメータが固定された条件下で前記第1運転パラメータを変更した際に、排気ガス中のNOx濃度が最大値を示す時期が、燃焼温度が最大値を示す時期であると判定することを特徴とする。
また、第6の発明は、第1の発明において、
前記第1運転パラメータは、燃料噴射圧力であり、
前記第2運転パラメータは、燃料噴射時期であり、
前記判定手段は、排気通路を流れる排気ガス中のNOx濃度を検出するNOx濃度検出手段を含み、
前記判定手段は、燃料噴射時期が固定された条件下で燃料噴射圧力を変更した際に、排気ガス中のNOx濃度が最大値を示す時期が、燃焼温度が最大値を示す時期であると判定するものであり、
前記第1記録手段は、燃料噴射時期が前記第1設定値に固定された条件下で、燃焼温度が最大値を示していると前記判定手段によって判定された時期における燃料噴射圧力を前記第1記録値として記録し、
前記第2記録手段は、燃料噴射時期が前記第2設定値に固定された条件下で、燃焼温度が最大値を示していると前記判定手段によって判定された時期における燃料噴射圧力を前記第2記録値として記録することを特徴とする。
また、第7の発明は、第2の発明において、
前記第1運転パラメータは、燃料噴射圧力であり、
前記第2運転パラメータは、点火時期であり、
前記判定手段は、排気通路を流れる排気ガス中のNOx濃度を検出するNOx濃度検出手段を含み、
前記判定手段は、点火時期が固定された条件下で燃料噴射圧力を変更した際に、排気ガス中のNOx濃度が最大値を示す時期が、燃焼温度が最大値を示す時期であると判定するものであり、
前記第1記録手段は、点火時期が前記第1設定値に固定された条件下で、燃焼温度が最大値を示していると前記判定手段によって判定された時期における燃料噴射圧力を前記第1記録値として記録し、
前記第2記録手段は、点火時期が前記第2設定値に固定された条件下で、燃焼温度が最大値を示していると前記判定手段によって判定された時期における燃料噴射圧力を前記第2記録値として記録することを特徴とする。
燃料のセタン価と蒸発性指標値が変わると、混合気の燃焼温度を変化させる第2運転パラメータ(例えば、燃料噴射時期)が固定された条件下で燃料と空気との混合度合いを変化させる第1運転パラメータ(例えば、燃料噴射圧力)を変更した際に、燃焼温度が最大値を示す時期が変化する。従って、燃焼温度が最大値を示す時期での第1運転パラメータの値は、現在の使用燃料のセタン価と蒸発性指標値を反映させた値となる。第1の発明によれば、第1設定値および第2設定値という少なくとも2水準の第2運転パラメータの設定時において、燃焼温度が最大値を示す時期での第1運転パラメータが第1記録値および第2記録値としてそれぞれ記録される。本発明によれば、このような第1記録値および第2記録値に基づいて燃料性状が判定されることにより、燃料のセタン価と蒸発性指標値とを同時に精度よく判定することが可能となる。
燃料のオクタン価と蒸発性指標値が変わると、混合気の燃焼温度を変化させる第2運転パラメータ(例えば、点火時期)が固定された条件下で燃料と空気との混合度合いを変化させる第1運転パラメータ(例えば、燃料噴射圧力)を変更した際に、燃焼温度が最大値を示す時期が変化する。従って、燃焼温度が最大値を示す時期での第1運転パラメータの値は、現在の使用燃料のオクタン価と蒸発性指標値を反映させた値となる。第2の発明によれば、第1設定値および第2設定値という少なくとも2水準の第2運転パラメータの設定時において、燃焼温度が最大値を示す時期での第1運転パラメータが第1記録値および第2記録値としてそれぞれ記録される。本発明によれば、このような第1記録値および第2記録値に基づいて燃料性状が判定されることにより、燃料のオクタン価と蒸発性指標値とを同時に精度よく判定することが可能となる。
第3の発明によれば、上記第1運転パラメータを適切に設定することができる。
第4の発明によれば、上記第2運転パラメータを適切に設定することができる。
第5の発明によれば、燃焼温度と相関のあるNOx濃度に基づいて、燃焼温度が最大値を示す時期を判定することができる。
燃料のセタン価と蒸発性指標値が変わると、燃料噴射時期が固定された条件下で燃料噴射圧力を変更した際に、NOx濃度が最大値を示す時期が変化する。従って、NOx濃度が最大値を示す時期での燃料噴射圧力の値は、現在の使用燃料のセタン価と蒸発性指標値を反映させた値となる。第6の発明によれば、第1設定値および第2設定値という少なくとも2水準の燃料噴射時期の設定時において、NOx濃度が最大値を示す時期での燃料噴射圧力が第1記録値および第2記録値としてそれぞれ記録される。本発明によれば、このような第1記録値および第2記録値に基づいて燃料性状が判定されることにより、燃料のセタン価と蒸発性指標値とを同時に精度よく判定することが可能となる。
燃料のオクタン価と蒸発性指標値が変わると、点火時期が固定された条件下で燃料噴射圧力を変更した際に、NOx濃度が最大値を示す時期が変化する。従って、NOx濃度が最大値を示す時期での燃料噴射圧力の値は、現在の使用燃料のオクタン価と蒸発性指標値を反映させた値となる。第7の発明によれば、第1設定値および第2設定値という少なくとも2水準の点火時期の設定時において、NOx濃度が最大値を示す時期での燃料噴射圧力が第1記録値および第2記録値としてそれぞれ記録される。本発明によれば、このような第1記録値および第2記録値に基づいて燃料性状が判定されることにより、燃料のオクタン価と蒸発性指標値とを同時に精度よく判定することが可能となる。
本発明の実施の形態1のシステム構成を説明するための図である。 燃焼温度と空気過剰率λとの関係を表した図である。 燃料性状毎にNOx濃度と燃料噴射圧力Pcrとの関係を表した図である。 燃焼温度と燃料噴射時期との関係を表した図である。 2水準の燃料噴射時期において、NOx濃度と燃料噴射圧力との関係を比較するための図である。 第1NOxピーク噴射圧力Pcr1と第2NOxピーク噴射圧力Pcrとの関係で、セタン価CNおよび蒸留性状T90をそれぞれ定めた判定基礎情報の傾向を示す図である。 本発明の実施の形態1において実行されるルーチンのフローチャートである。 図7に示すルーチン中で参照されるマップの一例を示す図である。 本発明の実施の形態2のシステム構成を説明するための図である。 2水準の点火時期において、NOx濃度と燃料噴射圧力との関係を比較するための図である。 第1NOxピーク噴射圧力Pcr1と第2NOxピーク噴射圧力Pcrとの関係で、オクタン価および蒸留性状T90をそれぞれ定めた判定基礎情報の傾向を示す図である。 本発明の実施の形態2において実行されるルーチンのフローチャートである。
実施の形態1.
[システム構成の説明]
図1は、本発明の実施の形態1のシステム構成を説明するための図である。図1に示すシステムは、内燃機関10を備えている。内燃機関10は、4サイクルのディーゼルエンジン(圧縮着火式内燃機関)である。内燃機関10の各気筒には、燃料を筒内に直接噴射する燃料噴射弁12が設置されている。各気筒の燃料噴射弁12は、共通のコモンレール14に接続されている。図示しない燃料タンク内の燃料は、サプライポンプ16によって所定の燃圧まで加圧されて、コモンレール14内に蓄えられ、コモンレール14から各燃料噴射弁12に供給される。このようなコモンレール14を備える燃料噴射システムによれば、燃料噴射圧力および燃料噴射時期をそれぞれ自在に可変することができる。
内燃機関10の吸気通路18の入口付近には、エアクリーナ20が設けられている。エアクリーナ20を通って吸入された空気は、ターボ過給機22のコンプレッサで圧縮された後、インタークーラ24で冷却される。インタークーラ24を通過した吸入空気は、吸気マニホールド26により、各気筒の吸気ポートに分配される。
インタークーラ24と吸気マニホールド26との間には、吸気絞り弁28が設置されている。また、エアクリーナ20の下流近傍には、吸入空気量を検出するエアフローメータ30が設置されている。更に、吸気絞り弁28の下流側には、吸気圧力(過給圧)を検出する吸気圧力センサ32が設置されている。
内燃機関10の排気通路34は、排気マニホールド36により枝分かれして、各気筒の排気ポートに接続されている。また、排気通路34には、ターボ過給機22のタービンが配置されている。排気通路34におけるターボ過給機22の下流側には、排気ガスを浄化するための排気浄化装置38が設けられている。また、排気通路34における排気浄化装置38の上流側の部位には、当該部位を流れる排気ガス中のNOx濃度を検出するNOx濃度センサ40が設置されている。
また、図1に示すシステムは、各気筒の吸気弁(図示省略)の開弁特性を変更可能とする吸気可変動弁機構42を備えている。より具体的には、ここでは、吸気可変動弁機構42は、油圧もしくはモータを用いて吸気カム(図示省略)の位相を変更することにより吸気弁の開閉時期を変更できる機能(位相可変機能)を具備する機構であるものとする。更に、吸気可変動弁機構42は、吸気カム軸の回転位置(進角量)を検知するための吸気カム角センサ44を備えている。
また、本実施形態のシステムは、ECU(Electronic Control Unit)50を備えている。ECU50には、上述したセンサに加え、クランク軸の回転角度(クランク角度)および回転速度(エンジン回転数)を検出するためのクランク角センサ52、および、機関冷却水温度を検出するための水温センサ54等の内燃機関10の運転状態を検出するための各種のセンサが接続されている。また、ECU50には、上述した各種アクチュエータに加え、内燃機関10の運転状態を制御するための各種のアクチュエータが接続されている。ECU50は、それらのセンサ信号や情報に基づき、所定のプログラムに従って各アクチュエータを駆動させることにより、内燃機関10の運転状態を制御する。
[実施の形態1における燃料性状判定手法]
内燃機関において、燃料性状は、燃焼や触媒に大きな影響を与える。また、合成燃料やバイオ燃料等の使用が拡大すると、使用される燃料のセタン価や蒸留性状(燃料の蒸発し易さを表す蒸発性指標値)が広範囲となる。その結果、燃料の性状を正確に判定することが益々重要になってくる。そこで、本実施形態では、圧縮着火式内燃機関において予混合的な燃焼が行われる際の燃料の蒸発および燃焼が、燃料の蒸留性状およびセタン価の影響を受け易いことを利用して、燃料の蒸留性状およびセタン価を同時に判定する手法について説明を行う。
図2は、燃焼温度と空気過剰率λとの関係を表した図である。
図2に示すように、燃焼温度は、燃焼時の燃料と空気の混合度合い(空気過剰率λ)に応じて変化する。より具体的には、燃焼温度は、空気過剰率λが1付近の値である時に最も高くなり、空気過剰率λが1よりも高くなったり低くなったりすると、燃焼温度が低下する。
図3は、燃料性状毎にNOx濃度と燃料噴射圧力Pcrとの関係を表した図である。
内燃機関10の筒内から排出される排気ガス中のNOx濃度(NOx排出量)は、燃焼温度によって大きな影響を受ける。燃料噴射圧力(以下、「噴射圧力」と略する)Pcrを高めると、噴射される燃料の微粒化が進み、燃料と空気との混合が促進される。その結果、燃焼温度が高くなり、NOx濃度が増加する。圧縮着火式の内燃機関10では、筒内に噴射された燃料は、空気と混ざりながら燃えていく。このため、筒内に噴射された燃料と空気との混合気を局所的に捉えると、筒内には、空気過剰率λがかなり低い(混合気がかなり薄い)部位からかなり高い(混合気がかなり濃い)部位まで、様々な空気過剰率λを示す部位が存在する。
燃焼温度は、筒内において空気過剰率λが1付近となる部位の割合が最も多い時に最も高くなり、NOx濃度についても最も高くなる。このようにNOx濃度が最も高くなるときの値よりも噴射圧力Pcrを更に高くすると、空気過剰率λが1よりも高くなる(混合気が希薄となる)部位の割合が増えてくる。その結果、燃焼温度が低下し、NOx濃度が減少する。従って、NOx濃度には、噴射圧力Pcrの変化に対して、図3に示すようなピーク値(最大値)が存在するようになる。
また、NOx濃度(燃焼温度)と噴射圧力Pcrとの関係は、燃料性状(蒸留性状とセタン価)に応じて異なるものとなる。より具体的には、燃料のセタン価CNが高いと、燃料の着火性が良くなるので、着火遅れ期間が短くなる。着火遅れ期間が短くなることは、噴射された燃料の着火が開始されるまでの間に燃料と空気が混ざるための時間が短くなることを意味する。このため、NOx濃度(燃焼温度)が低下する程度にまで筒内における希薄な部位の割合を増やすためには、より高い噴射圧力Pcrが必要となる。従って、図3に示すように、セタン価CNが高い燃料の方が、NOx濃度(燃焼温度)がピーク値を示す噴射圧力Pcrが高くなっている。また、燃料の蒸留性状が良いと、燃料の霧化が良くなり、燃料と空気の混合が促進される。このため、噴射圧力Pcrが低くても、良好な燃焼が得られ、燃焼温度が高くなる。従って、図3に示すように、蒸留性状が良い(T90(90%留出温度)が低い燃料の方が、NOx濃度(燃焼温度)がピーク値を示す噴射圧力Pcrが低くなっている。
図3に示すように、噴射された燃料の性状が変わると、噴射圧力Pcrが同じ値であっても、筒内の局所的な空気過剰率λが異なるため、基本的には、燃焼温度が変化し、NOx濃度が変化することとなる。ところが、図3中に太い実線で示された波形(CN=40、T90=350℃)と破線で示された波形(CN=50、T90=300℃)とを比較して判るように、セタン価CNが50であってT90が350℃である燃料(図3中に細い実線で示された波形が対応)に対して、セタン価CNのみが低い燃料であっても、T90のみが低い燃料(軽質な燃料)であっても、空気過剰率λが希薄な部位の割合の増加により、NOx濃度がピーク値を示す噴射圧力Pcrが同じとなる場合が存在する。従って、NOx濃度がピーク値を示す噴射圧力Pcrを一点取得するだけでは、セタン価と蒸留性状とを同時に精度よく判定することが難しい場合が生ずる。
図4は、燃焼温度と燃料噴射時期との関係を表した図である。
図4に示すように、燃焼温度は、燃料噴射時期(以下、「噴射時期」と略する)が圧縮上死点よりもやや進角側である時に最も高くなり、それよりも進角側若しくは遅角側では、燃焼温度が低くなる。このように、噴射時期を変えると、燃焼温度を変化させることができる。
図5は、2水準の燃料噴射時期において、NOx濃度と燃料噴射圧力との関係を比較するための図である。より具体的には、図5(A)は、噴射時期InjTが第1噴射時期InjT1(=10°CA BTDC)である場合の図であり、図5(B)は、噴射時期InjTが第1噴射時期InjT1よりも進角側の第2噴射時期InjT2(=20°CA BTDC)である場合の図である。また、ここでは、第1噴射時期InjT1においてNOx濃度がピーク値を示す噴射圧力PcrをNOxピーク噴射圧力Pcr1とし、第2噴射時期InjT2においてNOx濃度がピーク値を示す噴射圧力PcrをNOxピーク噴射圧力Pcr2とする。
図5(A)、(B)に示すように、噴射時期InjTを異ならせると、性状の異なる各燃料におけるピーク噴射圧力Pcr1a、Pcr2a等が変化する。また、噴射時期InjTを異ならせると、性状の異なる燃料間のNOxピーク噴射圧力Pcr1、Pcr2等の相対的な差が変化する(例えば、Pcr1bとPcr1cとの相対的な差に対して、Pcr2bとPcr2cとの相対的な差が変化する)。従って、2水準の噴射時期InjT1、InjT2において、2つのNOxピーク噴射圧力Pcr1、Pcr2を取得することで、NOxピーク噴射圧力Pcr1等の変化に対してセタン価と蒸留性状が及ぼす影響を区別して、精度良く両者を同時に判定することができるようになる。
図6は、第1NOxピーク噴射圧力Pcr1と第2NOxピーク噴射圧力Pcrとの関係で、セタン価CNおよび蒸留性状T90をそれぞれ定めた判定基礎情報の傾向を示す図である。
上記図5(A)、(B)に示す関係を、横軸を第1NOxピーク噴射圧力Pcr1とし、縦軸を第2NOxピーク噴射圧力Pcrとしてまとめると、図6に示す関係を得ることができる。図6に示す判定基礎情報では、第2NOxピーク噴射圧力Pcr2が固定された状態で第1NOxピーク噴射圧力Pcr1が高くなるほど、セタン価CNが高くなり、T90下での蒸留温度が低くなるように設定されている。また、第1NOxピーク噴射圧力Pcr1が固定された状態で第2NOxピーク噴射圧力Pcr2が高くなるほど、セタン価CNが低くなり、T90下での蒸留温度が高くなるように設定されている。
本実施形態では、図6に示すような情報、すなわち、第1NOxピーク噴射圧力Pcr1と第2NOxピーク噴射圧力Pcrとの関係で、セタン価CNおよび蒸留性状T90をそれぞれ定めた判定基礎情報をマップ化し、ECU50に予め記憶しておくようにした。そして、実機上において、所定の2水準の噴射時期において第1NOxピーク噴射圧力Pcr1と第2NOxピーク噴射圧力Pcrとをそれぞれ算出したうえで、上記判定基礎情報を参照して、現在の使用燃料のセタン価および蒸留性状を同時に判定(検出)するようにした。
図7は、上記の機能を実現するために、本実施の形態1においてECU50が実行するルーチンを示すフローチャートである。
図7に示すルーチンでは、先ず、現在のエンジン運転条件(例えば、エンジン回転数、燃料噴射量、および機関冷却水温度)が検出される(ステップ100)。次いで、噴射時期InjTが第1噴射時期InjT1に設定されるとともに、噴射圧力Pcrが所定のベース圧力PcrBに設定される(ステップ102)。
次に、上記ステップ102において設定された条件下での筒内からのNOx濃度が検出され、NOx1として記憶される(ステップ104)。次いで、噴射圧力(コモンレール圧力)Pcrが現在の噴射圧力Pcr(初回は上記ベース圧力PcrB)から所定量αだけ増やされる(ステップ106)。
次に、上記ステップ106において高められた噴射圧力Pcr下でのNOx濃度が上記ステップ104において記憶された値NOx1よりも低くなったか否かが判別される(ステップ108)。その結果、本判定が不成立である場合には、本判定が成立するまで、上記ステップ104および106の処理が繰り返し実行される。
一方、上記ステップ108における判定が成立した場合、つまり、噴射時期InjTが第1噴射時期InjT1に固定された条件下で噴射圧力Pcrを変更した際にNOx濃度がピーク値(最大値)を示す時期が到来したと判定された場合には、現在の噴射圧力Pcrが第1NOxピーク噴射圧力Pcr1として記録される(ステップ110)。
次に、噴射時期InjTが第1噴射時期InjT1よりも進角側の第2噴射時期InjT2に設定されるとともに、噴射圧力Pcrが所定のベース圧力PcrBに設定される(ステップ112)。
次に、上記ステップ112において設定された条件下での筒内からのNOx濃度が検出され、NOx2として記憶される(ステップ114)。次いで、噴射圧力(コモンレール圧力)Pcrが現在の噴射圧力Pcr(初回は上記ベース圧力PcrB)から所定量αだけ増やされる(ステップ116)。
次に、上記ステップ116において高められた噴射圧力Pcr下でのNOx濃度が上記ステップ114において算出された値NOx2よりも低くなったか否かが判別される(ステップ118)。その結果、本判定が不成立である場合には、本判定が成立するまで、上記ステップ114および116の処理が繰り返し実行される。
一方、上記ステップ118における判定が成立した場合、つまり、噴射時期InjTが第2噴射時期InjT2に固定された条件下で噴射圧力Pcrを変更した際にNOx濃度がピーク値(最大値)を示す時期が到来したと判定された場合には、現在の噴射圧力Pcrが第2NOxピーク噴射圧力Pcr2として記録される(ステップ120)。
次に、上記のように記録された第1NOxピーク噴射圧力Pcr1と第1NOxピーク噴射圧力Pcr2とに基づいて、現在の使用燃料の蒸留性状(T90)とセタン価CNが算出される(ステップ122)。ECU50は、燃料性状を判定するための判定基礎情報として、NOxピーク噴射圧力Pcr1、Pcr2との関係でT90およびセタン価CNをそれぞれ定めたマップを記憶している。図8(A)、(B)は、そのようなマップの一例であり、これらのマップには上記図6に示す関係が反映されている。すなわち、図8(A)に示すように、T90は、第1NOxピーク噴射圧力Pcr1が固定された状態で第2NOxピーク噴射圧力Pcr2が高くなるにつれて大きくなり、第2NOxピーク噴射圧力Pcr2が固定された状態で第1NOxピーク噴射圧力Pcr1が高くなるにつれて小さくなるように設定されている。また、図8(B)に示すように、セタン価CNについては、第1NOxピーク噴射圧力Pcr1が固定された状態で第2NOxピーク噴射圧力Pcr2が高くなるにつれて小さくなり、第2NOxピーク噴射圧力Pcr2が固定された状態で第1NOxピーク噴射圧力Pcr1が高くなるにつれて大きくなるように設定されている。尚、図8に示すようなマップに代え、上記図6に示す関係を所定の関係式として規定しておき、そのような関係式を参照して、蒸留性状(T90)とセタン価CNを算出するようにしてもよい。
次に、上記ステップ122において算出された燃料の蒸留性状(T90)とセタン価CNが、エンジン制御に反映される(ステップ124)。
燃料のセタン価と蒸発性指標値が変わると、燃料噴射時期InjTが固定された条件下で燃料噴射圧力Pcrを変更した際に、NOx濃度が最大値を示す時期が変化する。従って、NOxピーク噴射圧力Pcr1等は、現在の使用燃料のセタン価と蒸発性指標値を反映させた値となる。以上説明した図7に示すルーチンによれば、所定の2水準の噴射時期InjT1、InjT2において第1NOxピーク噴射圧力Pcr1と第2NOxピーク噴射圧力Pcrとをそれぞれ算出したうえで、上記判定基礎情報を参照して、現在の使用燃料のセタン価および蒸留性状の判定(検出)が行われる。既述したように、セタン価のみが低い燃料であっても、T90のみが低い燃料(軽質な燃料)であっても、空気過剰率λが希薄な部位の割合の増加により、NOxピーク噴射圧力Pcr1等が同じとなる場合が存在する。このため、NOxピーク噴射圧力Pcr1等を一点取得するだけでは、セタン価と蒸留性状とを同時に判定することが難しい場合がある。これに対し、本実施形態の手法によれば、上記ルーチンの一連の処理を一度実行するだけで、セタン価と蒸留性状とを同時かつ高精度に判定することが可能となる。
燃料の性状(セタン価や蒸留性状)が異なると、燃焼温度が最大値を示す噴射圧力Pcrが変化するようになる。上記ルーチンによれば、内燃機関10に既存のNOx濃度センサ40の出力を利用して、燃焼温度と相関のあるNOx濃度に基づいて燃焼温度が最大値を示す時期を判定することができる。
また、上記ルーチンによれば、セタン価と蒸留性状の同時判定を可能とするために判定時に2水準で切り換える運転パラメータを燃料噴射時期としたことで、燃焼温度を瞬時に切り換えることが可能となる。これにより、性状判定に要する時間を短くすることができるので、内燃機関10の運転状態があまり変化しない間に、2水準に運転パラメータを切り換えて性状判定を行えるようになる。この点においても、精度の良い判定を可能とすることができる。
ところで、上述した実施の形態1においては、圧縮着火式の内燃機関10の燃焼室内に供給された燃料と空気との混合度合いを変化させる第1運転パラメータとして、燃料噴射圧力Pcrを用いるようにしている。しかしながら、本発明における第1運転パラメータは、燃料噴射圧力に限らず、例えば、機関冷却水温度であってもよい。
また、上述した実施の形態1においては、混合気の燃焼温度を変化させる第2運転パラメータとして、燃料噴射時期InjTを用いるようにしている。しかしながら、本発明における第2運転パラメータは、燃料噴射時期に限らず、例えば、吸入空気量若しくは圧縮比であってもよい。吸入空気量や圧縮比が変わると、圧縮端温度が変化し、燃焼温度(および着火遅れ期間)が変化する。尚、吸入空気量は、例えば、吸気可変動弁機構42を用いて吸気弁の閉じ時期を変えることにより変更することができる。また、圧縮比は、圧縮比を可変とする可変圧縮比機構(図示省略)によって変更することができる。
また、上述した実施の形態1においては、蒸発性指標値として、蒸留性状(T90)を用いるようにしている。しかしながら、本発明における蒸発性指標値は、このような蒸留性状に限らず、例えば、燃料の動粘度であってもよい。燃料の動粘度が低くなると、燃料が微粒化し易くなるので、燃料の蒸発性が良くなる。このため、動粘度を蒸発性指標値として用いてもよい。
また、上述した実施の形態1においては、2水準の噴射時期InjT1、InjT2において2つのNOxピーク噴射圧力Pcr1、Pcr2を取得したうえで、セタン価と蒸留性状を同時に判定するようにしている。しかしながら、本発明の思想はこれに限定されるものではなく、3水準以上の第1運転パラメータにおいて3つ以上の記録値(例えば、NOxピーク噴射圧力)を取得したうえで、セタン価と蒸留性状とを同時に判定するようにしてもよい。上記水準を増やすことで、より判定精度を高めることができる。
尚、上述した実施の形態1においては、ECU50が、上記ステップ106または116の処理を実行することにより前記第1の発明における「第1パラメータ変更手段」が、上記ステップ102または112の処理を実行することにより前記第1の発明における「第2パラメータ変更手段」が、上記ステップ108または118の処理を実行することにより前記第1の発明における「判定手段」が、上記ステップ110の処理を実行することにより前記第1の発明における「第1記録手段」が、上記ステップ120の処理を実行することにより前記第1の発明における「第2記録手段」が、上記ステップ122の処理を実行することにより前記第1の発明における「燃料性状判定手段」が、それぞれ実現されている。
また、ECU50が上記ステップ104または114の処理を実行することにより、前記第5または第6の発明における「NOx濃度検出手段」が実現されている。
実施の形態2.
次に、図9乃至図12を参照して、本発明の実施の形態2について説明する。
[システム構成の説明]
図9は、本発明の実施の形態2のシステム構成を説明するための図である。尚、図9において、上記図1に示す構成要素と同一の要素については、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。
図9に示すシステムは、内燃機関60を備えている。内燃機関60は、4サイクルのガソリンエンジン(火花点火式内燃機関)である。内燃機関60の各筒内には、ピストン62が設けられている。内燃機関60の各筒内には、ピストン62の頂部側に燃焼室64が形成されている。燃焼室64には、吸気通路66および排気通路68が連通している。
吸気通路66におけるエアフローメータ30の下流には、スロットルバルブ70が設けられている。スロットルバルブ70は、アクセル開度と独立してスロットル開度を制御することのできる電子制御式スロットルバルブである。スロットルバルブ70の近傍には、スロットル開度を検出するスロットルセンサ72が配置されている。
内燃機関60が備えるシリンダヘッドには、燃焼室64内(筒内)に燃料を直接噴射するための燃料噴射弁74が設けられている。燃料噴射弁74には、図示省略する燃料ポンプによって高圧の燃料が圧送される。また、内燃機関60が備えるシリンダヘッドには、燃焼室64の頂部から燃焼室64内に突出するように点火プラグ76が取り付けられている。
図9に示すシステムにおいても、吸気弁78を開閉駆動するための吸気可変動弁機構42が備えられている。また、排気通路68における触媒80の上流側の部位には、NOx濃度センサ40が配置されている。
図9に示すシステムは、ECU(Electronic Control Unit)90を備えている。ECU90の入力には、上述したセンサ等の内燃機関60の運転状態を検出するための各種のセンサが接続されている。また、ECU90の出力には、上述した各種のアクチュエータが接続されている。ECU90は、それらのセンサ出力に基づいて、内燃機関60の運転状態を制御する。
[実施の形態2における燃料性状判定手法]
図10は、2水準の点火時期において、NOx濃度と燃料噴射圧力との関係を比較するための図である。より具体的には、図10(A)は、点火時期IgTが第1点火時期IgT1(=20°CA BTDC)である場合の図であり、図10(B)は、点火時期IgTが第1点火時期IgT1よりも遅角側の第2点火時期IgT2(=10°CA BTDC)である場合の図である。また、本実施形態では、第1点火時期IgT1においてNOx濃度がピーク値を示す噴射圧力PcrをNOxピーク噴射圧力Pcr1とし、第2点火時期IgT2においてNOx濃度がピーク値を示す噴射圧力PcrをNOxピーク噴射圧力Pcr2としている。
火花点火式の内燃機関60において燃料性状としてオクタン価と蒸留性状とを考える場合においても、図10(A)、(B)に示すように、NOx濃度と噴射圧力Pcrとの関係は、燃料性状(蒸留性状とオクタン価)に応じて異なるものとなる。より具体的には、燃料のオクタン価が高い方が燃焼しにくいので、NOx濃度(燃焼温度)がピーク値を示す噴射圧力Pcrが低くなる。また、筒内に燃料を直接噴射する方式の場合には、吸気ポートに燃料を噴射する方式と比べ、筒内において燃料と空気の混合が不均一となり易く、蒸留性状の良い(蒸発し易い)燃料の方が、筒内における燃料と空気の混合が均一になる。従って、希薄燃焼運転が行われている場合には、蒸留性状が良い(T90(90%留出温度)が低い燃料の方が、NOx濃度(燃焼温度)がピーク値を示す噴射圧力Pcrが低くなる。
また、図10(A)、(B)に示すように、点火時期IgTを異ならせると、性状の異なる各燃料におけるピーク噴射圧力Pcr1a、Pcr2a等が変化する。また、点火時期IgTを異ならせると、性状の異なる燃料間のNOxピーク噴射圧力Pcr1、Pcr2等の相対的な差が変化する(例えば、Pcr1bとPcr1cとの相対的な差に対して、Pcr2bとPcr2cとの相対的な差が変化する)。従って、2水準の点火時期IgT1、IgT2において、2つのNOxピーク噴射圧力Pcr1、Pcr2を取得することで、NOxピーク噴射圧力Pcr1等の変化に対してオクタン価と蒸留性状が及ぼす影響を区別して、精度良く両者を同時に判定することができるようになる。
図11は、第1NOxピーク噴射圧力Pcr1と第2NOxピーク噴射圧力Pcrとの関係で、オクタン価および蒸留性状T90をそれぞれ定めた判定基礎情報の傾向を示す図である。
図10(A)、(B)に示す関係を、横軸を第1NOxピーク噴射圧力Pcr1とし、縦軸を第2NOxピーク噴射圧力Pcrとしてまとめると、図11に示す関係を得ることができる。図11に示す判定基礎情報では、第2NOxピーク噴射圧力Pcr2が固定された状態で第1NOxピーク噴射圧力Pcr1が高くなるほど、オクタン価が低くなり、T90下での蒸留温度が低くなるように設定されている。また、第1NOxピーク噴射圧力Pcr1が固定された状態で第2NOxピーク噴射圧力Pcr2が高くなるほど、オクタン価が高くなり、T90下での蒸留温度が高くなるように設定されている。
本実施形態の燃料性状判定手法は、図10(A)、(B)に示す2水準の点火時期IgT1、IgT2において第1NOxピーク噴射圧力Pcr1と第2NOxピーク噴射圧力Pcrとをそれぞれ算出したうえで、図11に示す判定基礎情報を参照して、現在の使用燃料のオクタン価および蒸留性状を同時に判定(検出)するものである。
図12は、上記の機能を実現するために、本実施の形態2においてECU90が実行するルーチンを示すフローチャートである。尚、図12において、実施の形態1における図7に示すステップと同一のステップについては、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。
図12に示すルーチンでは、現在のエンジン運転条件が検出された後に(ステップ100)、点火時期IgTが第1点火時期IgT1に設定されるとともに、噴射圧力Pcrが所定のベース圧力PcrBに設定される(ステップ200)。次いで、上記ステップ200において設定された条件下での筒内からのNOx濃度が検出され、NOx1として記憶されたうえで(ステップ104)、噴射圧力Pcrが現在の噴射圧力Pcr(初回は上記ベース圧力PcrB)から所定量αだけ増やされる(ステップ202)。
本ルーチンでは、ステップ110において第1NOxピーク噴射圧力Pcr1が記録された後には、点火時期IgTが第1点火時期IgT1よりも遅角側の第2点火時期IgT2に設定されるとともに、噴射圧力Pcrが所定のベース圧力PcrBに設定される(ステップ204)。次いで、上記ステップ204において設定された条件下での筒内からのNOx濃度が検出され、NOx2として記憶されたうえで(ステップ114)、噴射圧力Pcrが現在の噴射圧力Pcr(初回は上記ベース圧力PcrB)から所定量αだけ増やされる(ステップ206)。
また、本ルーチンでは、ステップ120において第2NOxピーク噴射圧力Pcr2が記録された後には、上記のように記録された第1NOxピーク噴射圧力Pcr1と第1NOxピーク噴射圧力Pcr2とに基づいて、現在の使用燃料の蒸留性状(T90)とオクタン価が算出される(ステップ208)。ECU90は、燃料性状を判定するための判定基礎情報として、NOxピーク噴射圧力Pcr1、Pcr2との関係でT90およびオクタン価をそれぞれ定めたマップを記憶している。ここでは、そのようなマップの図示を省略するが、当該マップの傾向は、上記図11に示す関係の通りである。
以上説明した図12に示すルーチンによれば、所定の2水準の点火時期において第1NOxピーク噴射圧力Pcr1と第2NOxピーク噴射圧力Pcrとをそれぞれ算出したうえで、上記判定基礎情報を参照して、現在の使用燃料のオクタン価および蒸留性状の判定(検出)が行われる。これにより、本発明における燃料性状判定手法を火花点火式の内燃機関60に対して適用した場合においても、上記ルーチンの一連の処理を一度実行するだけで、オクタン価と蒸留性状とを同時かつ高精度に判定することが可能となる。
ところで、上述した実施の形態2においては、火花点火式の内燃機関60の燃焼室64内に供給された燃料と空気との混合度合いを変化させる第1運転パラメータとして、燃料噴射圧力Pcrを用いるようにしている。しかしながら、火花点火式の内燃機関に対して適用される本発明における第1運転パラメータについても、燃料噴射圧力に限らず、例えば、機関冷却水温度であってもよい。
また、上述した実施の形態2においては、混合気の燃焼温度を変化させる第2運転パラメータとして、点火時期IgTを用いるようにしている。しかしながら、火花点火式の内燃機関に対して適用される本発明における第2運転パラメータについても、点火時期に限らず、例えば、吸入空気量若しくは圧縮比であってもよい。尚、吸入空気量は、例えば、吸気可変動弁機構42を用いて吸気弁の閉じ時期を変えることにより変更することができ、更には、スロットルバルブ70の開度を変えることにより変更することもできる。また、圧縮比は、圧縮比を可変とする可変圧縮比機構によって変更することができる。
また、上述した実施の形態2においては、蒸発性指標値として、蒸留性状(T90)を用いるようにしている。しかしながら、火花点火式の内燃機関に対して適用される本発明における蒸発性指標値についても、このような蒸留性状に限らず、例えば、燃料の動粘度であってもよい。また、火花点火式の内燃機関に対して適用される本発明においても、3水準以上の第1運転パラメータにおいて3つ以上の記録値(例えば、NOxピーク噴射圧力)を取得したうえで、オクタン価と蒸留性状とを同時に判定するようにしてもよい。
尚、上述した実施の形態2においては、ECU90が、上記ステップ202または206の処理を実行することにより前記第2の発明における「第1パラメータ変更手段」が、上記ステップ200または204の処理を実行することにより前記第2の発明における「第2パラメータ変更手段」が、上記ステップ108または118の処理を実行することにより前記第2の発明における「判定手段」が、上記ステップ110の処理を実行することにより前記第2の発明における「第1記録手段」が、上記ステップ120の処理を実行することにより前記第2の発明における「第2記録手段」が、上記ステップ208の処理を実行することにより前記第2の発明における「燃料性状判定手段」が、それぞれ実現されている。
また、ECU90が上記ステップ104または114の処理を実行することにより、前記第5または第7の発明における「NOx濃度検出手段」が実現されている。
10、60 内燃機関
12、74 燃料噴射弁
14 コモンレール
16 サプライポンプ
18、66 吸気通路
34、68 排気通路
38 排気浄化装置
40 NOx濃度センサ
42 吸気可変動弁機構
50、90 ECU(Electronic Control Unit)
52 クランク角センサ
54 水温センサ
64 燃焼室
70 スロットルバルブ
76 点火プラグ
78 吸気弁

Claims (7)

  1. 圧縮着火式内燃機関の燃焼室内に供給された燃料と空気との混合度合いを変化させる第1運転パラメータを変更する第1パラメータ変更手段と、
    混合気の燃焼温度を変化させる第2運転パラメータを変更する第2パラメータ変更手段と、
    前記第2運転パラメータが固定された条件下で前記第1運転パラメータを変更した際に、燃焼温度が最大値を示す時期を判定する判定手段と、
    前記第2運転パラメータが所定の第1設定値に固定された条件下で、燃焼温度が最大値を示していると前記判定手段によって判定された時期における前記第1運転パラメータを第1記録値として記録する第1記録手段と、
    前記第2運転パラメータが所定の第2設定値に固定された条件下で、燃焼温度が最大値を示していると前記判定手段によって判定された時期における前記第1運転パラメータを第2記録値として記録する第2記録手段と、
    前記第1記録値と前記第2記録値とに基づいて、燃料のセタン価および蒸発性指標値を判定する燃料性状判定手段と、
    を備えることを特徴とする内燃機関の燃料性状判定装置。
  2. 火花点火式内燃機関の燃焼室内に供給された燃料と空気との混合度合いを変化させる第1運転パラメータを変更する第1パラメータ変更手段と、
    燃料と空気との混合気の燃焼温度を変化させる第2運転パラメータを変更する第2パラメータ変更手段と、
    前記第2運転パラメータが固定された条件下で前記第1運転パラメータを変更した際に、燃焼温度が最大値を示す時期を判定する判定手段と、
    前記第2運転パラメータが所定の第1設定値に固定された条件下で、燃焼温度が最大値を示していると前記判定手段によって判定された時期における前記第1運転パラメータを第1記録値として記録する第1記録手段と、
    前記第2運転パラメータが所定の第2設定値に固定された条件下で、燃焼温度が最大値を示していると前記判定手段によって判定された時期における前記第1運転パラメータを第2記録値として記録する第2記録手段と、
    前記第1記録値と前記第2記録値とに基づいて、燃料のオクタン価および蒸発性指標値を判定する燃料性状判定手段と、
    を備えることを特徴とする内燃機関の燃料性状判定装置。
  3. 前記第1運転パラメータは、燃料噴射圧力および機関冷却水温度の何れか1つであることを特徴とする請求項1または2記載の内燃機関の燃料性状判定装置。
  4. 前記第2運転パラメータは、燃料噴射時期、吸入空気量、および圧縮比の何れか1つであることを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項記載の内燃機関の燃料性状判定装置。
  5. 前記判定手段は、排気通路を流れる排気ガス中のNOx濃度を検出するNOx濃度検出手段を含み、
    前記判定手段は、前記第2運転パラメータが固定された条件下で前記第1運転パラメータを変更した際に、排気ガス中のNOx濃度が最大値を示す時期が、燃焼温度が最大値を示す時期であると判定することを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項記載の内燃機関の燃料性状判定装置。
  6. 前記第1運転パラメータは、燃料噴射圧力であり、
    前記第2運転パラメータは、燃料噴射時期であり、
    前記判定手段は、排気通路を流れる排気ガス中のNOx濃度を検出するNOx濃度検出手段を含み、
    前記判定手段は、燃料噴射時期が固定された条件下で燃料噴射圧力を変更した際に、排気ガス中のNOx濃度が最大値を示す時期が、燃焼温度が最大値を示す時期であると判定するものであり、
    前記第1記録手段は、燃料噴射時期が前記第1設定値に固定された条件下で、燃焼温度が最大値を示していると前記判定手段によって判定された時期における燃料噴射圧力を前記第1記録値として記録し、
    前記第2記録手段は、燃料噴射時期が前記第2設定値に固定された条件下で、燃焼温度が最大値を示していると前記判定手段によって判定された時期における燃料噴射圧力を前記第2記録値として記録することを特徴とする請求項1記載の内燃機関の燃料性状判定装置。
  7. 前記第1運転パラメータは、燃料噴射圧力であり、
    前記第2運転パラメータは、点火時期であり、
    前記判定手段は、排気通路を流れる排気ガス中のNOx濃度を検出するNOx濃度検出手段を含み、
    前記判定手段は、点火時期が固定された条件下で燃料噴射圧力を変更した際に、排気ガス中のNOx濃度が最大値を示す時期が、燃焼温度が最大値を示す時期であると判定するものであり、
    前記第1記録手段は、点火時期が前記第1設定値に固定された条件下で、燃焼温度が最大値を示していると前記判定手段によって判定された時期における燃料噴射圧力を前記第1記録値として記録し、
    前記第2記録手段は、点火時期が前記第2設定値に固定された条件下で、燃焼温度が最大値を示していると前記判定手段によって判定された時期における燃料噴射圧力を前記第2記録値として記録することを特徴とする請求項2記載の内燃機関の燃料性状判定装置。
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