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特許7198093内燃機関の制御装置、内燃機関システム、および、内燃機関システムの制御方法
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-12-20
(45)【発行日】2022-12-28
(54)【発明の名称】内燃機関の制御装置、内燃機関システム、および、内燃機関システムの制御方法
(51)【国際特許分類】
   F02D 45/00 20060101AFI20221221BHJP
【FI】
F02D45/00 368Z
F02D45/00 358
【請求項の数】 3
(21)【出願番号】P 2019009334
(22)【出願日】2019-01-23
(65)【公開番号】P2020118075
(43)【公開日】2020-08-06
【審査請求日】2021-10-14
(73)【特許権者】
【識別番号】000003218
【氏名又は名称】株式会社豊田自動織機
(73)【特許権者】
【識別番号】000003207
【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001195
【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】桜井 翔
(72)【発明者】
【氏名】深澤 俊晴
(72)【発明者】
【氏名】河合 健二
(72)【発明者】
【氏名】梅原 努
【審査官】櫻田 正紀
(56)【参考文献】
【文献】特開2010-203342(JP,A)
【文献】特開2013-029076(JP,A)
【文献】特開2014-084835(JP,A)
【文献】特開2011-179320(JP,A)
【文献】特開2007-263035(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
F02D 45/00
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数の気筒を有する内燃機関の本体に取付けられ、前記気筒内での燃料の燃焼に起因する前記内燃機関の振動加速度を検出する複数の加速度センサと、
前記加速度センサによって検出された振動加速度を用いて燃料の着火時期を特定する制御部とを備え、
前記複数の加速度センサは、前記複数の気筒のうちの所定気筒に対して、各加速度センサで検出される前記所定気筒内での燃料の燃焼に起因する振動加速度の減衰の特徴がそれぞれ異なるように、前記内燃機関の本体への取付けが調整されており、
前記制御部は、
前記複数の気筒のうちの前記所定気筒について、燃焼形態に応じて燃焼の中心周波数を含む特定周波数帯を特定するとともに、前記複数の加速度センサの中から、特定した特定周波数帯において振動加速度の減衰が少ない少なくとも1つの前記加速度センサを特定し、
特定された少なくとも1つの前記加速度センサによって検出された振動加速度を用いて前記所定気筒の着火時期を特定
前記複数の加速度センサは、前記内燃機関の本体への取付部の形状を異ならせることで、振動加速度の減衰の特徴を異ならせている、内燃機関の制御装置。
【請求項2】
複数の気筒を有する内燃機関と、
前記内燃機関の本体に取付けられ、前記気筒内での燃料の燃焼に起因する前記内燃機関の振動加速度を検出する複数の加速度センサと、
前記加速度センサによって検出された振動加速度を用いて燃料の着火時期を特定する制御部とを備え、
前記複数の加速度センサは、前記複数の気筒のうちの所定気筒に対して、各加速度センサで検出される前記所定気筒内での燃料の燃焼に起因する振動加速度の減衰の特徴がそれぞれ異なるように、前記内燃機関の本体への取付けが調整されており、
前記制御部は、
前記複数の気筒のうちの前記所定気筒について、燃焼形態に応じて燃焼の中心周波数を含む特定周波数帯を特定するとともに、前記複数の加速度センサの中から、特定した特定周波数帯において振動加速度の減衰が少ない少なくとも1つの前記加速度センサを特定し、
特定された少なくとも1つの前記加速度センサによって検出された振動加速度を用いて前記所定気筒の着火時期を特定
前記複数の加速度センサは、前記内燃機関の本体への取付部の形状を異ならせることで、振動加速度の減衰の特徴を異ならせている、内燃機関システム。
【請求項3】
内燃機関システムの制御方法であって、
前記内燃機関システムは、
複数の気筒を有する内燃機関と、
前記内燃機関の本体に取付けられ、前記気筒内での燃料の燃焼に起因する前記内燃機関の振動加速度を検出する複数の加速度センサと、
前記加速度センサによって検出された振動加速度を用いて燃料の着火時期を特定する制御部とを備え、
前記複数の加速度センサは、前記複数の気筒のうちの所定気筒に対して、各加速度センサで検出される前記所定気筒内での燃料の燃焼に起因する振動加速度の減衰の特徴がそれぞれ異なるように、前記内燃機関の本体への取付けが調整されており、
前記制御方法は、前記制御部が、
前記複数の気筒のうちの前記所定気筒について、燃焼形態に応じて燃焼の中心周波数を含む特定周波数帯を特定するとともに、前記複数の加速度センサの中から、特定した特定周波数帯において加速度の減衰が少ない少なくとも1つの前記加速度センサを特定するステップと、
特定された少なくとも1つの前記加速度センサによって検出された加速度を用いて前記所定気筒の着火時期を特定するステップとを含
前記複数の加速度センサは、前記内燃機関の本体への取付部の形状を異ならせることで、振動加速度の減衰の特徴を異ならせている、内燃機関システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この開示は、内燃機関の制御装置、内燃機関システム、および、内燃機関システムの制御方法に関し、特に、内燃機関の振動加速度を検出する加速度センサによって検出された気筒内の燃焼に起因する振動加速度を用いて、燃料の着火時期を特定するのに適した内燃機関の制御装置、内燃機関システム、および、内燃機関システムの制御方法に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、内燃機関のシリンダブロックに振動加速度を検出する加速度センサを取付け、その加速度センサで検出された振動加速度をある特定の区間で積分した積分値が着火時期判定レベルを超えたときのクランク角を実着火時期と判定する内燃機関の制御装置が知られている(たとえば、特許文献1参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開2010-203342号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
特許文献1のように、特定の気筒に対して1つの加速度センサでその気筒の燃焼に起因する振動加速度を検出する構成では、加速度センサで検出される振動加速度の値が燃焼の加振力が持つ周波数特性および加速度センサを取付ける部位の構造減衰特性の影響を受けるため、内燃機関の燃焼形態が変化するような場合に正確な検出ができないという虞がある。
【0005】
たとえば、燃焼形態(燃焼モード)が、通常の燃焼モードから燃焼期間の長い燃焼モードに変更されると、燃焼の中心周波数が低周波数側にずれる。このとき、通常の燃焼モードで最適化された加速度センサを用いて内燃機関の燃焼に起因する振動加速度を検出しようとすると、構造減衰の影響が大きく出て、加速度センサによって検出される振動加速度の値が非常に小さくなってしまう。
【0006】
また、燃焼形態が通常の燃焼モードから燃焼期間の短くなる燃焼モードに変更されると、燃焼の中心周波数が高周波数側にずれる。このとき、通常の燃焼モードで最適化された加速度センサを用いて内燃機関の燃焼に起因する振動加速度を検出しようとすると、構造減衰の影響が非常に小さくなり、振動加速度を過大に計測してしまう可能性がある。
【0007】
このように、内燃機関に取付けられた加速度センサにより検出される振動加速度は、加速度センサの取付状態によって決まる構造減衰の影響を受けるので、燃焼形態の変化により燃焼の周波数特性が変化した場合に、加速度センサにより得られる信号が小さくなったり過大になったりする。このため、加速度センサにより得られる振動加速度の検出値として十分な精度を得られず、着火時期の判定に誤差が生じるといった問題があった。
【0008】
この開示は、上述の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、燃焼形態が変化しても着火時期の特定に誤差が生じ難くすることが可能な内燃機関の制御装置、内燃機関システム、および、内燃機関システムの制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0009】
この開示による内燃機関の制御装置は、複数の気筒を有する内燃機関の本体に取付けられ、気筒内での燃料の燃焼に起因する内燃機関の振動加速度を検出する複数の加速度センサと、加速度センサによって検出された振動加速度を用いて燃料の着火時期を特定する制御部とを備える。複数の加速度センサは、複数の気筒のうちの所定気筒に対して、各加速度センサで検出される所定気筒内での燃料の燃焼に起因する振動加速度の減衰の特徴がそれぞれ異なるように、内燃機関の本体への取付けが調整されている。制御部は、複数の気筒のうちの所定気筒について、燃焼形態に応じて燃焼の中心周波数を含む特定周波数帯を特定するとともに、複数の加速度センサの中から、特定した特定周波数帯において振動加速度の減衰が少ない少なくとも1つの加速度センサを特定し、特定された少なくとも1つの加速度センサによって検出された振動加速度を用いて所定気筒の着火時期を特定する。
【0010】
好ましくは、複数の加速度センサは、内燃機関の本体への取付部の形状を異ならせることで、振動加速度の減衰の特徴を異ならせている。
【0011】
この開示の他の局面による内燃機関システムは、複数の気筒を有する内燃機関と、内燃機関の本体に取付けられ、気筒内での燃料の燃焼に起因する内燃機関の振動加速度を検出する複数の加速度センサと、加速度センサによって検出された振動加速度を用いて燃料の着火時期を特定する制御部とを備える。複数の加速度センサは、複数の気筒のうちの所定気筒に対して、各加速度センサで検出される所定気筒内での燃料の燃焼に起因する振動加速度の減衰の特徴がそれぞれ異なるように、内燃機関の本体への取付けが調整されている。制御部は、複数の気筒のうちの所定気筒について燃焼形態に応じて燃焼の中心周波数を含む特定周波数帯を特定するとともに、複数の加速度センサの中から、特定した特定周波数帯において振動加速度の減衰が少ない少なくとも1つの加速度センサを特定し、特定された少なくとも1つの加速度センサによって検出された振動加速度を用いて所定気筒の着火時期を特定する。
【0012】
好ましくは、複数の加速度センサは、内燃機関の本体への取付部の形状を異ならせることで、振動加速度の減衰の特徴を異ならせている。
【0013】
この開示のさらに他の局面による内燃機関システムの制御方法における、内燃機関システムは、複数の気筒を有する内燃機関と、内燃機関の本体に取付けられ、気筒内での燃料の燃焼に起因する内燃機関の振動加速度を検出する複数の加速度センサと、加速度センサによって検出された振動加速度を用いて燃料の着火時期を特定する制御部とを備える。複数の加速度センサは、複数の気筒のうちの所定気筒に対して、各加速度センサで検出される所定気筒内での燃料の燃焼に起因する振動加速度の減衰の特徴がそれぞれ異なるように、内燃機関の本体への取付けが調整されている。制御方法は、制御部が、複数の気筒のうちの所定気筒について、燃焼形態に応じて燃焼の中心周波数を含む特定周波数帯を特定するとともに、複数の加速度センサの中から、特定した特定周波数帯において加速度の減衰が少ない少なくとも1つの加速度センサを特定するステップと、特定された少なくとも1つの加速度センサによって検出された加速度を用いて所定気筒の着火時期を特定するステップとを含む。
【発明の効果】
【0014】
この開示に従えば、燃焼形態が変化しても着火時期の特定に誤差が生じ難くすることが可能な内燃機関システムの設計方法、内燃機関システム、および、内燃機関システムの制御方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
図1】この実施の形態におけるエンジンの周辺の概略構成を示す図である。
図2】この実施の形態における加速度センサの取付設計の流れを示すフローチャートである。
図3】加速度センサの取付方法を説明するための図である。
図4】シリンダブロックに取り付けられたある加速度センサで検出される燃料の燃焼に起因するエンジンの振動加速度の、周波数ごとの減衰特性の違いを説明する図である。
図5】筒内圧センサによる燃焼加振力と加速度センサによる加速度値との関係を示す図である。
図6】燃料の燃焼に起因するエンジンの燃焼加振力の周波数ごとの違いを説明するための図である。
図7】燃焼形態ごとのクランク角と熱発生率との関係を説明するための図である。
図8】この実施の形態における着火時期補正処理の流れを示すフローチャートである。
図9】特定した周波数帯において、振動加速度の構造減衰による影響が少ない加速度センサを特定する方法を説明する図である。
図10】特定周波数帯の振動加速度の時間変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0016】
以下、図面を参照しつつ、この開示の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号が付されている。それらの名称および機能も同じである。したがってそれらについての詳細な説明は繰返されない。
【0017】
図1は、この実施の形態におけるエンジンシステムの概略構成を示す図である。図1を参照して、このエンジンシステムは、エンジン10と、エンジン10に空気を供給する吸気経路30と、エンジン10からの排気を排出する排気経路40と、エンジン10を制御する電子制御装置(Electronic Control Unit、以下「ECU」という)100と、エンジン10の振動の加速度を検出する加速度センサ110A,110B,110C(以下、これらを代表して「加速度センサ110」ともいう)とを含む。エンジンシステムは、たとえば、車両に搭載される。
【0018】
この実施形態では、エンジン10をディーゼルエンジンとして説明するが、エンジンの種類はこれに限られず、エンジン10は、ガソリンエンジンであってもよい。エンジン10の各気筒11には、燃料噴射弁20が設けられる。燃焼室12は、気筒11の内部を上下に往復運動するピストンと、気筒11の上部を密閉するシリンダヘッドと、気筒11とで形成される。燃焼室12へは、吸気経路30から空気が供給される。各燃料噴射弁20には、燃料ポンプによって燃料タンクからの燃料が供給されている。各燃料噴射弁20は、ECU100からの制御信号によって作動(開弁)し、燃焼室12の空気に燃料を噴射する。排気経路40へは、燃焼室12から排気が排出される。
【0019】
エンジン10は、4ストローク機関であり、吸入行程、圧縮行程、膨張(燃焼)行程および排気行程を1サイクルとして動作する。吸入行程においては、気筒11内のピストンが慣性により下死点まで下がることにより、吸気経路30から燃焼室12に空気が吸込まれる。圧縮行程においては、ピストンが慣性により上死点まで上がることにより、燃焼室12の空気が圧縮されることで加熱される。膨張行程においては、燃焼室12の高温高圧の空気に燃料噴射弁20から燃料が噴射されることにより、燃料が自己発火することで、膨張した燃焼ガスによりピストンが下死点まで押下げられる。排気行程においては、ピストンが慣性により上死点まで上がることにより、燃焼室12の燃焼ガスが排気として燃焼室12から排気経路40へ排出される。エンジン10は、ピストンの上下運動を回転運動に変換して外部に動力を出力する。
【0020】
加速度センサ110A,110B,110Cは、燃焼室12での燃料の燃焼等によるエンジン10の振動の加速度を検出し、検出結果をECU100に出力する。加速度センサ110A,110B,110Cは、エンジン10のシリンダブロックの異なる位置に取付けられる。なお、加速度センサ110の数は、この開示では、3つであることとするが、これに限定されず、複数であればよい。
【0021】
ECU100は、CPU(Central Processing Unit)101と、メモリ102と、各種信号を入出力するための入出力ポートとを含んで構成される。メモリ102は、ROM(Read Only Memory)とRAM(Random Access Memory)とを含む。ECU100においては、CPU101が、各センサ(たとえば加速度センサ110)および機器からの信号、ならびに、メモリ102のROMに格納されたプログラムなどに基づいて、RAMをワークメモリとして各機器の制御を行なう。なお、各種制御については、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア(電子回路)により処理することも可能である。
【0022】
従来、加速度センサ110で検出された加速度をある特定の区間で積分して、積分値が着火時期判定レベルを超えたときを燃料の着火時期と判定するものがあった。このようなエンジン10では、加速度センサ110により検出される加速度は、構造減衰の影響を受けるので、燃焼の周波数特性が変化した場合、加速度センサ110のセンシング可能範囲が小さくなったり、加速度センサ110により得られる信号が小さくなったりする上に、加速度センサ110により得られる加速度の検出値として十分な精度を得られないため、特に燃焼形態が変化する場合、着火時期の判定に誤差が生じるといった問題があった。
【0023】
そこで、この実施の形態においては、エンジンシステムの設計方法は、複数の気筒11のうちの所定気筒での燃料の燃焼に起因する振動加速度の減衰の特徴がそれぞれ異なるように、複数の加速度センサ110A,110B,110Cのエンジン10の本体への取付方法を調整するステップを含むようにする。ECU100は、所定気筒について燃焼形態に応じて燃焼の中心周波数を含む特定周波数帯を特定するとともに、複数の加速度センサ110A,100B、110Cの中から、特定した特定周波数帯において振動加速度の減衰が少ない少なくとも1つの加速度センサを特定し、特定された少なくとも1つの加速度センサによって検出された振動加速度を用いて所定気筒の着火時期を特定する。これにより、燃焼形態が変化しても着火時期の判定に誤差が生じ難くすることができる。
【0024】
図2は、この実施の形態における加速度センサの取付設計の流れを示すフローチャートである。図2を参照して、まず、複数の加速度センサ110A,110B,110Cのエンジン10のシリンダブロックへの取付位置を決定する(ステップS101)。複数の加速度センサ110A,110B,110Cの取付位置は、異なる位置となるように決定する。
【0025】
次に、決定した取付位置に標準方法で複数の加速度センサ110を取付けるように設計する(ステップS102)。
【0026】
図3は、加速度センサの取付方法を説明するための図である。図3(A)は、標準方法での加速度センサ110の取付を説明するための図である。図3(A)を参照して、この実施の形態においては、加速度センサ110の取付の標準方法は、エンジン10のシリンダブロックに、台座112および加速度センサ110を、長さLのボルト111Aで締結する方法である。標準方法は他の方法であってもよい。
【0027】
図2に戻って、次に、エンジンシステムの実機またはシミュレーションで、所定の様々な運転条件でエンジン10を運転状態とし、所定の気筒11(たとえば、エンジン10のタイミングチェーンまたはタイミングベルトから最も遠い気筒11)内の燃焼室12の圧力を検出する筒内圧力センサで得られる燃焼加振力、および、複数の加速度センサ110A,110B、110Cで得られる振動加速度を記録する(ステップS103)。筒内圧センサは、エンジン10の開発の過程において燃焼状態を計測するために気筒11に設けられる。所定の気筒11は、他の気筒11であってもよい。
【0028】
そして、記録された燃焼加振力および振動加速度を用いて、振動加速度の減衰の少ない周波数帯が、複数の加速度センサ110A,110B,110Cのそれぞれで異なるか否かを判断する(ステップS104)。
【0029】
図4は、シリンダブロックに取り付けられたある加速度センサで検出される燃料の燃焼に起因するエンジン10の振動加速度の、周波数ごとの減衰特性の違いを説明する図である。エンジン10の気筒11内の燃焼室12で燃料が燃焼すると、その燃焼に起因する振動が発生する。この振動は、エンジン10のシリンダブロックなどの構造体を伝播していく過程で減衰されて、加速度センサによって振動加速度として検出される。ところが、この構造体による振動の減衰特性(周波数帯ごとの構造減衰の影響)は、センサの取り付け位置や取り付け状態などによって異なる。このため、加速度センサで燃焼に起因する振動加速度を精度よく検出するためには、検出したい周波数帯で構造減衰の影響が小さくなるように加速度センサの取り付け状態を調整するか、検出したい周波数帯における構造減衰の影響が小さい加速度センサを選択する必要がある。たとえば、図4に示される構造減衰特性を有する加速度センサでは、低周波の領域における構造減衰が大きく、高周波の領域における構造減衰が小さいので、高周波の領域においては構造減衰の影響をさほど受けずに燃焼に起因する振動加速度を検出することができる。逆に低周波の領域においては、構造減衰の影響を大きく受けるため、検出値が非常に小さくなって、その加速度の変化を正確に検出できないという虞がある。
【0030】
図5は、筒内圧センサによる燃焼加振力と加速度センサによる加速度センサ値との関係を示す図である。図5を参照して、燃焼加振力と加速度センサ値との関係は、ほぼ一次関数的である。従来のように、シリンダブロックに1つだけ加速度センサを取付ける場合には、燃焼形態が燃焼形態Aから燃焼形態Bに変更されると、加速度センサの検出値は構造減衰の影響を受けるので、同じ燃焼加振力でも加速度センサの検出値が異なってしまうこととなる。すなわち、シリンダブロックに取付けられる加速度センサが1つである従来の方法では、燃焼形態が変更されるエンジンにおいて、加速度センサの検出値から着火時期を特定することが難しい。
【0031】
図6は、燃料の燃焼に起因するエンジン10の燃焼加振力の周波数ごとの違いを説明するための図である。図6を参照して、エンジン10においては、気筒11内の燃焼室12での燃料の燃焼に起因する燃焼加振力が発生する。燃焼加振力は、筒内圧センサで検出できる。筒内圧センサで検出された燃焼加振力の時間変化をフーリエ変換すると、図6で示すように、周波数成分ごとの燃焼加振力の大きさが得られる。周波数成分ごとの燃焼加振力の大きさは、燃焼形態により異なる。燃焼形態Aと比較して燃焼形態Bでは、比較的低い周波数帯Cで燃焼加振力が小さく、比較的高い周波数帯Dで燃焼加振力が大きい。
【0032】
図7は、燃焼形態ごとのクランク角と熱発生率との関係を説明するための図である。図7を参照して、図7(A)で示されるように1サイクルでの燃焼期間が長い燃焼形態である場合、熱発生率の変化が、比較的、緩やかであるため、低周波数帯の燃焼加振力が大きくなる。図7(B)で示されるように1サイクルでの燃焼期間が短い燃焼形態である場合、熱発生率の変化が、比較的、急峻であるため、高周波数帯の燃焼加振力が大きくなる。このような要因で、燃焼形態によって周波数成分ごとの燃焼加振力の大きさが異なるようになる。
【0033】
図2に戻って、振動加速度の減衰の少ない周波数帯が複数の加速度センサ110A,110B,110Cで異なる(ステップS104でYES)と判断した場合、加速度センサの取付設計を終了する。
【0034】
一方、振動加速度の減衰の少ない周波数帯が複数の加速度センサ110A,110B,110Cで異ならない(ステップS104でNO)と判断した場合、取付方法を調整する加速度センサ110を選択する(ステップS106)。たとえば、振動加速度の減衰の少ない周波数帯が似たような加速度センサ110が複数ある場合、そのうちの1つを調整する加速度センサとして選択する。
【0035】
次に、選択した加速度センサ110の取付方法を、狙いの周波数帯の減衰が改善される方向で調整する(ステップS107)。狙いの周波数帯は、たとえば、選択した加速度センサ110以外のいずれの加速度センサ110とも振動加速度の減衰の少ない周波数帯が異なる周波数帯とする。
【0036】
図3を再び参照して、図3(B)で示すように、台座112を溶接の肉盛り113で埋めて、台座の形状を変更して、加速度センサ110を取付けるボルト111Bの長さを、図3(A)のボルト111Aよりも長くした場合、全周波数帯の振動加速度の構造減衰が大きくなる。逆に、取付用のボルトを短くした場合、全周波数帯の振動加速度の構造減衰が大きくなる。また、ボルトの太さを細くすると、全周波数帯の振動加速度の構造減衰が小さくなり、太くすると、全周波数帯の振動加速度の構造減衰が大きくなる。また、台座の形状によっても、全周波数帯の振動加速度の構造減衰が異なる。これらの変更を組合わせて、狙いの周波数帯の減衰が改善される方向で調整する。
【0037】
図2に戻って、ステップS107の後、振動加速度の減衰の少ない周波数帯が、すべての加速度センサのそれぞれで異なるようになるまで、ステップS103からステップS107までを繰返す。
【0038】
図8は、この実施の形態における着火時期補正処理の流れを示すフローチャートである。この着火時期補正処理は、ECU100によって、メイン処理から所定の制御周期ごとに呼出されて実行される。図8を参照して、ECU100のCPU101は、複数の加速度センサ110A,110B、110Cから加速度値を取得し(ステップS111)、取得した加速度値を時系列順にメモリ102のRAMに記憶させる(ステップS102)。
【0039】
CPU101は、着火時期を特定するタイミングであるか否かを判断する(ステップS113)。着火時期を特定するタイミングは、この実施形態においては、所定距離(たとえば5000km、10000kmなど)の走行ごとであるが、これに限定されず、他のタイミングであっても良い。たとえば、エンジンの性能の向上させるため、または、エンジンの寿命を延ばすために、燃料の成分の変動が激しい状況など頻繁に着火時期を確認した方がよい場合には、着火時期を特定するタイミングは、給油ごとであってもよいし、着火時期制御処理がメイン処理から呼出される所定の制御周期ごとであってもよい。
【0040】
着火時期を特定するタイミングでない(ステップS113でNO)と判断した場合、CPU101は、実行する処理をこの着火時期特定処理の呼出元のメイン処理に戻す。一方、着火時期を特定するタイミングである(ステップS113でYES)と判断した場合、CPU101は、現在の燃焼形態を取得し、その燃焼形態における燃焼期間から、所定の気筒11内での燃料の燃焼に起因する振動加速度以外の過大な振動加速度の周波数を極力含まず、振動加速度が適度に大きい燃焼の中心周波数を含む特定周波数帯を特定する(ステップS114)。燃焼の中心周波数は、燃焼形態および燃焼期間ごとに、実験またはシミュレーションで予め特定しておく。また、所定の気筒11内での燃料の燃焼に起因する振動加速度以外の過大な振動加速度の周波数も、実験またはシミュレーションで予め特定しておく。
【0041】
図7で示したように、燃焼形態によって、熱発生率の変化が異なるため、燃焼加振力の周波数成分の特徴が異なる。図5で示したように、燃焼加振力と振動加速度には一次関数的な関係がある。このため、燃焼形態によって、振動加速度の周波数成分の特徴が異なるようになる。
【0042】
たとえば、図7(A)で示したような燃焼期間が比較的長い燃焼形態Aである場合、図6で示したように、比較的低い周波数帯Cの燃焼加振力が大きくなり、比較的低い周波数帯Cの振動加速度が大きくなる。このことから、燃焼期間が比較的長い燃焼形態Aである場合、所定の気筒11内での燃料の燃焼に起因する振動加速度以外の過大な振動加速度の周波数を極力含まず、振動加速度が適度に大きい燃焼の中心周波数を含む特定周波数帯として周波数帯Cを特定する。
【0043】
また、図7(B)で示したような燃焼期間が比較的短い燃焼形態Bである場合、図6で示したように、比較的高い周波数帯Dの燃焼加振力が大きくなり、比較的高い周波数帯Dの振動加速度が大きくなる。このことから、燃焼期間が比較的短い燃焼形態Bである場合、所定の気筒11内での燃料の燃焼に起因する振動加速度以外の過大な振動加速度の周波数を極力含まず、振動加速度が適度に大きい燃焼の中心周波数を含む特定周波数帯として周波数帯Dを特定する。
【0044】
図8に戻って、次に、CPU101は、ステップS114で特定した特定周波数帯の減衰が少ない加速度センサ110を特定する(ステップS115)。この実施の形態においては、特定周波数帯の減衰が少ない加速度センサ110として、特定周波数帯の減衰が最も少ない加速度センサ110を特定する。
【0045】
図9は、ステップS114で特定した周波数帯において、振動加速度の構造減衰による影響が少ない加速度センサを特定する方法を説明する図である。加速度センサ110で検出された振動加速度の時間変化をフーリエ変換すると、周波数成分ごとの振動加速度の大きさが得られるが、図6に示すように、燃焼形態により燃焼加振力の周波数特性が異なるため、その燃焼形態にあわせて最適な加速度センサを選択する必要がある。このため、図9で示すように周波数帯を予め複数に分割し、分割したそれぞれの周波数帯にN=1~Nまでの番号を付ける。そして、図2で説明したように設計時に、加速度センサごとに構造減衰の少ない周波数帯の番号を特定しておく。たとえば、燃焼形態Aと比較して燃焼形態Bでは、比較的低い周波数帯Cで燃焼加振力が小さくなり、比較的高い周波数帯Dで燃焼加振力が大きくなる。燃焼形態Bの振動加速度を加速度センサで取得する場合には、図9で示すように、周波数帯Dに対応するN=3の周波数帯とN=4の周波数帯との2つの周波数帯で構造減衰が少ない加速度センサを選択する。
【0046】
図8に戻って、CPU101は、特定した加速度センサ110の加速度値の時間変化をメモリ102から読出し、読出した加速度値の時間変化をフーリエ変換することで、加速度値の周波数分布を算出する(ステップS116)。
【0047】
次に、CPU101は、算出した加速度値の周波数分布のうち特定周波数帯の振動加速度を逆フーリエ変換することで、振動加速度の時間変化を算出する(ステップS117)。これにより、構造減衰で弱められた周波数帯の振動加速度の影響を除外した振動加速度の時間変化を得ることができる。
【0048】
次いで、CPU101は、算出した振動加速度の時間変化から着火時期を特定する(ステップS118)。
【0049】
図10は、特定周波数帯の振動加速度の時間変化を示す図である。図10を参照して、振動加速度の時間変化のグラフにおいて、振幅が判定閾値を上回った点の直前のゼロクロス点の時点を、着火時期として特定することができる。
【0050】
図8に戻って、CPU101は、特定した着火時期を用いて、燃料の噴射の制御に用いる噴射時期を補正する(ステップS119)。たとえば、着火時期が想定されている時期より、所定時間、早い場合は、噴射時期を、所定時間、早まらせる。逆に、着火時期が想定されている時期より、所定時間、遅い場合は、噴射時期を、所定時間、遅らせる。その後、CPU101は、実行する処理をこの着火時期特定処理の呼出元のメイン処理に戻す。
【0051】
[変形例]
(1) 前述した実施の形態においては、図3で示したように、加速度センサ110が1本のボルトでシリンダブロックに締結されるようにした。しかし、これに限定されず、加速度センサ110が、エンジン10のシリンダブロックなどのいずれかの部分に取付けられるのであれば、他の方法で取付けられるようにしてもよい。加速度センサ110が複数本のネジで固定されるようにしてもよい。
【0052】
(2) 前述した実施の形態においては、加速度センサ110の取付方法を、溶接の肉盛り113、台座112およびボルト111A,111Bの大きさおよび形状などを変更することで、加速度センサ110で検出されるエンジン10の振動加速度の構造減衰を調整するようにした。しかし、構造減衰を調整する方法は、これに限定されず、他の方法であってもよく、たとえば、シリンダブロックなどのエンジンの部品の形状または重量を変更する方法であってもよい。
【0053】
(3) 前述した実施の形態においては、図2で示したように、振動加速度の減衰の特徴として振動加速度の減衰(量)の少ない周波数帯が異なるように、加速度センサの取付方法を設計するようにした。しかし、振動加速度の減衰の特徴は、これに限定されず、たとえば、振動加速度の減衰率の少ない周波数帯であってもよい。
【0054】
(4) 前述した実施の形態においては、図8のステップS117で示したように、振動加速度が大きい特定周波数帯の振動加速度をフーリエ逆変換して、振動加速度の時間変化を算出するようにした。しかし、これに限定されず、全周波数帯の振動加速度をフーリエ逆変換して、振動加速度の時間変化を算出するようにしてもよい。
【0055】
(5) 前述した実施の形態においては、図8で示したように、特定された着火時期を用いて、噴射時期を補正するようにした。しかし、これに限定されず、特定された着火時期は他の目的で用いられるようにしてもよく、たとえば、故障判定に用いるようにしてもよい。この場合、たとえば、特定された着火時期と、想定されている着火時期との誤差が所定値以上であれば故障と判定するようにしてもよい。
【0056】
(6) 前述した実施の形態を、エンジン10等の内燃機関のECU100等の制御装置の開示または制御装置による制御方法の開示として捉えることができる。また、このような内燃機関と制御装置とを含む内燃機関システムの開示として捉えることができる。また、内燃機関システムの設計方法の開示として捉えることができる。
【0057】
[効果]
(1-1) 図1で示したように、エンジンシステムの設計方法における、エンジンシステムは、複数の気筒11を有するエンジン10と、エンジン10の本体に取付けられ、気筒11内での燃料の燃焼に起因するエンジン10の振動加速度を検出する複数の加速度センサ110A,110B,110Cと、加速度センサ110によって検出された振動加速度を用いて燃料の着火時期を特定するECU100とを備える。図8で示したように、ECU100は、複数の気筒のうちの所定の気筒11について燃焼形態に応じて燃焼の中心周波数を含む特定周波数帯を特定するとともに、複数の加速度センサ110A,100B、110Cの中から、特定した特定周波数帯において振動加速度の減衰が少ない少なくとも1つの加速度センサ110を特定し、特定された少なくとも1つの加速度センサ110によって検出された振動加速度を用いて所定の気筒11の着火時期を特定する。図2で示したように、設計方法は、所定の気筒11での燃料の燃焼に起因する振動加速度の減衰の特徴がそれぞれ異なるように、複数の加速度センサ110A,110B,110Cのエンジン10の本体への取付けを調整するステップを含む。
【0058】
これにより、燃焼形態が変化しても着火時期の特定に誤差が生じ難くすることが可能なエンジンシステムの設計方法を提供できる。
【0059】
(1-2) 図3で示したように、複数の加速度センサ110A,110B,110Cの取付けを調整するステップは、複数の加速度センサ110A,110B,110Cのエンジン10の本体への取付部の形状を異ならせることで、振動加速度の減衰の特徴が異なるように、複数の加速度センサ110A,110B,110Cの取付けを調整するステップを含む。これにより、加速度センサ110A,110B,110Cの取付方法を適切に調整することができる。
【0060】
(2-1) 図1で示したように、エンジンシステムは、複数の気筒11を有するエンジン10と、エンジン10の本体に取付けられ、気筒11内での燃料の燃焼に起因するエンジン10の振動加速度を検出する複数の加速度センサ110A,110B,110Cと、加速度センサ110A,110B,110Cによって検出された振動加速度を用いて燃料の着火時期を特定するECU100とを備える。図2で示したように、複数の加速度センサ110A,110B,110Cは、複数の気筒11のうちの所定の気筒11に対して、各加速度センサ110A,110B、110Cで検出される所定の気筒11内での燃料の燃焼に起因する振動加速度の減衰の特徴がそれぞれ異なるように、エンジン10の本体への取付けが調整されている。図8で示したように、ECU100は、複数の気筒のうちの所定の気筒11について燃焼形態に応じて燃焼の中心周波数を含む特定周波数帯を特定するとともに、複数の加速度センサ110A,110B,110Cの中から、特定した特定周波数帯において振動加速度の減衰が少ない少なくとも1つの加速度センサ110を特定し、特定された少なくとも1つの加速度センサによって検出された振動加速度を用いて所定の気筒11の着火時期を特定する。
【0061】
これにより、燃焼形態が変化しても着火時期の特定に誤差が生じ難くすることが可能なエンジンシステムを提供できる。
【0062】
(2-2) 図2で示したように、複数の加速度センサ110A,110B,110Cのエンジン10の本体への取付部の形状を異ならせることで、振動加速度の減衰の特徴を異ならせている。これにより、加速度センサ110A,110B,110Cのエンジン10への取付けを適切に調整することができる。
【0063】
今回開示された各実施の形態は、適宜組合わせて実施することも予定されている。そして、今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【0064】
10 エンジン、11 気筒、12 燃焼室、20 燃料噴射弁、30 吸気経路、40 排気経路、100 ECU、110,110A,110B,110C 加速度センサ、101 CPU、102 メモリ、111A,111B ボルト、112 台座、113 肉盛り。
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9
図10