JP2001516421A - 内燃機関のシリンダ内に過給器を用いて供給される空気量を決定するための装置 - Google Patents
内燃機関のシリンダ内に過給器を用いて供給される空気量を決定するための装置Info
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Abstract
(57)【要約】
内燃機関のシリンダ内に過給器を用いて供給される空気量を、回転数、吸気管内の通過空気流量、スロットルバルブ位置調整値及び温度に依存して決定するための装置において、少なくとも、以下の物理的連関:−内燃機関の排気方程式、−吸気管内の充填率のバランス方程式、−スロットルバルブの流量方程式、−スロットルバルブと過給器との間の容積内でのバランス方程式を、空気量を決定する際に利用することを特徴とする装置。
Description
【発明の詳細な説明】
内燃機関のシリンダ内に過給器を用いて供給される空気量を決定するための装置
従来技術
本発明は、ドイツ連邦共和国特許公開第3238190号公報に基づいている
。この発明は、”Elektronisches System zum St
euern bzw.Regeln von Betriebskenngro
essen einer Brennkraftmaschine(内燃機関の
駆動特性量の制御乃至調整用の電子システム)”に関する。詳細には、回転数及
び吸気管内の通過空気流量(Luftdurchsatz)に基づいて、排気管
内に調整されるべき圧力を決定し、乃至、反対に、回転数及び圧力に基づいて、
通過空気流量を決定することに関する。そこに記載されている技術思想では、内
燃機関を最適制御するために、吸気管内で経過する物理的な連関が所期の目的で
使用されている。
この公知システムは、負荷の加わった内燃機関では用いることができない。と
言うのは、負荷の加わった内燃機関では、負荷過程に基づいて、付加的な物理条
件を考慮する必要があるからである。
従って、本発明の課題は、内燃機関のシリンダ内に
過給器を用いて供給される空気量を、過給器を用いて駆動される内燃機関での物
理的な過程を包括的に考慮して、回転数、吸気管内の通過空気流量、スロットル
バルブ調整値及び温度の様な量に依存して決定する装置を提供することにある。
この課題は、本発明によると、少なくとも、以下の物理的連関:
−内燃機関の排気方程式、
−吸気管内の充填率のバランス方程式、
−スロットルバルブの流量方程式、
−スロットルバルブと過給器との間の容積内でのバランス方程式
を、空気量を決定する際に利用することにより解決される。
この本発明の装置を用いると、物理的に正確又は少なくとも近似的に、内燃機
関の吸気管内に過給器を用いて流入する状態を検出し、後続して、この状態に燃
料量決定を適合させるようにすることができる。
本発明の別の利点は、従属請求項、並びに、以下説明する本発明の実施例によ
り分かる。
図面
本発明の実施例について、図示の実施例を用いて以下詳述する。
図1には、過給器付の内燃機関の概観図が図示されており、図2には、スロッ
トルバルブ角度、スロット
ルバルブの前側の吸気温度、ホットフィルム式空気質量センサ(エアマスセンサ
)(Heissfilmluftmassmesser(HFM))を介しての
流量、並びに、回転数用の定格化された量に基づいて、行程(rl)毎の相対的
な充填率(Fuellung)を決定するためのブロック図が図示されており、
図3には、スロットルバルブを介しての質量流量の算出に関してのブロック図が
図示されている。
実施例の説明
図1には、過給器付内燃機関の入口側を、概観した図が示されている。流れ方
向から見て、吸気管は、ホットフィルム式空気質量センサ10(HFM)、過給
器乃至過給機11、スロットルバルブ12並びに内燃機関14の入口弁13を有
している。本発明を理解するために、更に、過給器11とスロットルバルブ間の
容積16、並びに、スロットルバルブと入口弁13との間の容積17が重要であ
る。内燃機関自体は、シリンダ毎に1つのピストン18を有しており、このピス
トンの深い位置は、行程容積19を特徴付ける。
図1を考察することによって明らかになるように、吸気管内の状態を特徴付け
るのは、
−内燃機関の排気の方程式(入口弁13を通過する空気流)、
−スロットルバルブと入口弁との間の吸気管内の充填率のバランス方程式、並び
に
−過給器11とスロットルバルブ12との間の容積16内のバランス方程式
を介してである。
その際、各式の基になっているのは、2−質量−メモリ−モデルであり、その
際、2つの質量−メモリによって、スロットルバルブの前後の容積(16,17
)が送出される。
式には、定格化値を使用すると、目的に適っていることが分かる。
個別的には、スロットルバルブ12の前側の容積16内の質量容積ml、並び
に、スロットルバルブの後の容積17内の容積msを推測すること、この両質量
容積を、スロットルバルブの前後の両圧力に換算すること、及び、この両圧力に
基づいて質量流量を特定し、この質量流量により、質量容積を再度実際に形成す
ることが重要である。その際、出力データを用いて反復処理して個別に算出され
る。
算出ステップの詳細については、図2及び3に示されている。
図2には、行程(rl)毎の相対充填率を特定するためのブロック図が示され
ており、その際、スロットルバルブ角度の定格化量、スロットルバルブの前側の
吸気の温度、ホットフィルム式空気質量センサ10(HFM)を介しての質量流
量並びに回転数に基づいて特定される。20で、スロットルバルブ通過流量算出
用ブロックが示されており、このブロックは、スロットルバルブを介して流れる
流量の式をシンボル表示するものである。このブロックの各入力量は、吸気管圧
psのモデル化された量、スロットルバルブの、そのストッパーに対する測定角
度のモデル化された量(wdkba)、スロットルバルブの前側の吸気の測定温
度に関する、定格化されたファクタに対する測定角度のモデル化された量ftv
dk、並びに、回転数(n)である。出力側には、スロットルバルブを介しての
行程毎の相対空気質量(rlroh)が得られる。その出力側の後ろには、差形
成部21が続き、その後ろには、積分器22が続き、その際、差形成部21及び
積分器22は、吸気管内の圧力用のバランス方程式を表す。積分器22の出力側
からは、信号psが出力され、この信号は、ブロック20によっても、特性曲線
部23によっても、入力量として使用される。特性曲線部23により、この特性
曲線を、信号psと行程rl毎の相対充填率proと関連させて、燃焼室の排気
方程式が表わされる。出力信号rlは、補足的に差形成部21に帰還される。
スロットルバルブの前側の容積内のバランス方程式は、差形成部25を用いて
、後続の積分器26と一緒に実現される。差形成部25の付加的な入力量は、H
FMを介しての相対充填率の信号rlhfmであり、その際、この信号は、割算
ブロック27で形成され、
割算ブロックの入力量は、HFM信号(質量流量HFM、mshfm)、並びに
、ファクタKUMSRL(Konstante fuer Umrechnun
g von Massestrom in relative Luftfue
llung im Brennraum(質量流量を、燃焼室内の相対空気充填
率に換算するための定数))で乗算された回転数信号nを形成する。積分器26
の出力量は、信号pvdk(スロットルバルブの前側の圧力)を示し、ブロック
20の相応の入力量を形成する。
図2のブロック20の構成は、図3に示されている。
量wdkba用の入力側30には、弁特性曲線部31が続き、弁特性曲線部は
、定格化された角度信号wdkbaに基づいて、スロットルバルブについて定格
化された質量流量msndkに関する信号を形成する。この定格化は、殊に、空
気温度273°ケルビン、並びに、スロットルバルブの前側の圧力1013hP
aの場合に妥当する。弁特性曲線部31には、別の入力信号ftvdkが入力さ
れている乗算部32が後続しており、信号fpvdkが供給されている乗算部3
3、並びに、特性曲線部35の出力信号が供給されている乗算部34が後続して
おり、乗算部34の入力量は、モデル化された圧力ps並びにモデル化された圧
力pvdkとの割算結果である(ブロック36)。乗
算部33の第2の入力信号は、標準圧力1013hPaによって割算された入力
量pvdkの割算の結果としての信号fpvdkである(ブロック37)。乗算
部34の出力信号msdk(スロットルバルブを介しての質量流量)は、後続の
ブロック38で、回転数nとファクタKUMSRLとの積で割算される。割算結
果は、スロットルバルブを介しての相対充填率値としての信号rlrohを示す
。
物理的な条件に基づいて、定常作動では、rlhfm=rlroh=rlであ
り、即ち、HFMによって測定された空気質量流量は、スロットルバルブを介し
ての質量流量及び燃焼室内の質量流量に相応する。非定常の場合には、個別の空
気質量メモリをシミュレートする積分器が作動する。
以下、式を用いて詳細に説明する:
−内燃機関の排気方程式
一般式:
ma_Punkt=(ps−pirg)*n*(VH/2)/(R*Ts)
但し、
ma_Punkt=燃焼室によって排気された空気質量流量
ps=吸気管圧
pirg=残留気体によって燃焼室内に惹起された部分圧
n=回転数
VH=エンジン行程容積
Ts=吸気管内の気体温度
回転数nによって割算しての、質量流量ma_Punktから、燃焼室内の空気
質量maへの換算:
ma=燃焼室内空気質量
=ma_Punkt/n
=(ps−pirg)*(VH/2)/(R*ts)
制御装置に対しては、定格化された量で作動される:
燃焼室内の定格空気質量
m_norm=(Pn*VH/2)/(R*Tn)
燃焼室内の相対空気充填率としてのrlの定義:
rl=ma/m_norm
=(ps−pirg)*Tn/(Pn*Ts)
定格条件下:Tn=273K,Pn=1013hPa但し、
fupsrl=燃焼室内の相対空気充填率での吸気管内の圧力の換算用のファク
タ
=Tn/(pn*Ts)
排気方程式は、制御装置−量で与えられる:
rl=(ps−pirg)*fupsrl
−吸気管内の充填率のバランス方程式
(容積17)
一般的には(後続の積分器22を用いて加算部21によって構成される):
d(ms)/dt=mdk_Punkt−ma_Punkt
定格化された制御量
d(ms/m_norm)/dt=(mdk_Punkt−ma_Punkt)
/m_norm
及び
rl_Punkt=ma_Punkt/m/norm
及び
rlroh_Punkt=mdk_Punkt/m_norm
を用いて、
d(ms/m_norm)/dt=rlroh_Punkt−rl_Punkt
が成立する。
吸気管内の空気質量msと吸気管圧psとの関係を提供する気体方程式は、
ps*Vs=ms*R*Ts
msについて解くと、以下の通りとなる。
ms=(ps*Vs)/(R*Ts)
定格質量に関しては、
((ps*Vs)/(R*Ts))*((R*Tn)/(Pn*VH/2))
=(ps*Vs*Tn)/(Pn*V
H/2*Ts)
が得られる。
定格化されたバランス方程式に代入すると、
d*((ps*Vs*Tn)/(Pn*VH/2*Ts))/dt=
(rlroh_Punkt−rl_Punkt)
となる。
この式から:
d*ps/dt=
(rlroh_Punkt−rl_Punkt)*((VH/2*Ts*Pn)
/(Vs*Tn))
となる。
rl_Punkt=rl*n
及び
rlroh_Punkt=rlroh*n
とを用いて、
d*ps/dt=((VH/2*Ts*Pn*n)/(Vs*Tn))*(rl
roh−rl)
が得られる。
結局、代入により、
KIS=吸気管モデル用の積分定数
=(VH/2*Ts*Pn*n)/(Vs*Tn)
差形式での制御装置−方程式
d*ps/dt=KIS*(rlroh−rl)
及び、積分形式
ps=KIS*インテグラル((rlroh−rl)*dt
−スロットルバルブ用の流量方程式
(ブロック20、図3の個別要素)
一般式:
msdk(wdkba)=
pvdk*(1/(R*Tndk))**(1/2)*Adk(wdkba)
*my*Xi(Ps/pvdk)*k
但し、
msdk:スロットルバルブを介しての質量重量
wdkba:ストッパーに関するスロットルバルブ角度
pvdk:スロットルバルブの前側の圧力
Tvdk:スロットルバルブの前側の温度
Adk:スロットルバルブの孔横断面積
my:摩擦係数
Xi:流出量特性曲線
スロットルバルブは、スロットルバルブ角度に依存して定格条件下で測定される
:
msndk(wdkba)=
pn*(1/(R*Tn))**(1/2)*Adk(wdk)*my*Xi(
Psn/pvdk)*k
両式の商msdk(wdkba)/msndk(wd
kba)は、以下の代入により得られ、
fpvdk=pvdk/Pn
ftvdk=(Tn/Tvdk)**(1/2)
KLAF=Xi(ps/pl)/Xi(psn/pl)
psn=スロットルバルブの後ろ側の定格圧力
依存性:
msdk(wdkba)=msndk(wdkba)*ftvdk*fpvdk
*KLAF
従って、図3の割算部38の出力側の値rlroh、
rlroh=msdk/(n*KUMSRL)
が得られ、
但し、
KUMSRL=換算定数
−スロットルバルブと過給器との間の容積体16内のバランス方程式
(図3の加算部25と積分部26)
一般式:
d(ml)/dt=mhfm_Punkt−mdk_Punkt
定格化された制御量を用いると、
d(ml/m_norm)/dt=(mhfm_Punkt−mdk_Punk
t)/m_norm
が成立する。
rlhfm_Punkt=mhfm_Punkt/norm
及び、
rlroh_Punkt=mdk_Punkt/m_norm
と設定すると、以下となる:
d(ml/m_norm)/dt=rlhfm_Punkt−rlroh_Pu
nkt
チャージ容積体内の空気質量mlとチャージ圧力plとの関連は、気体方程式
により供給される。
即ち、
pl*V1=ml*R*Tl
mlについて解くと、
ml=(pl*Vl)/(R*Tl)
となる。
定格質量に関して、
ml/m_norm=
((pl*Vl)/(R*Tl))*((R*Tn)/(Pn*VH/2))
=(pl*Vl*tn)/(Pn*VH/2*Tl)
定格化されたバランス方程式に代入すると、
d(ml/m_norm)/dt=rlroh_Punkt−rl_Punkt
及び、d(pl)について解くと、
d(pl)/dt=
(rlroh_Punkt−rl_Punkt)/(VH/2*Tl*Pn)/
(Vl*Tn)
となる。
rlhfm_Punkt=rlhfm*n
及び
rlroh_Punkt=rlroh*n
並びに、代入式
KIL=チャージ容量の積分定数
=(VH/2*Tl*Pn*n)/(Vl*Tn)
を用いると、差形式での制御装置−方程式が得られ、即ち、
d(pl)/dt=KIL*(rlhfm−rlroh)
及び、積分形式
pl=KIL*インテグラル(rlhfm−rlroh)*dt
【手続補正書】特許法第184条の8第1項
【提出日】平成11年4月1日(1999.4.1)
【補正内容】
明細書
内燃機関のシリンダ内に過給器を用いて供給される空気量を決定するための装置
従来技術
本発明は、ドイツ連邦共和国特許公開第3238190号公報に基づいている
。この発明は、”Elektronisches System zum St
euern bzw.Regeln von Betriebskenngro
essen einer Brennkraftmaschine(内燃機関の
駆動特性量の制御乃至調整用の電子システム)”に関する。詳細には、回転数及
び吸気管内の通過空気流量(Luftdurchsatz)に基づいて、排気管
内に調整されるべき圧力を決定し、乃至、反対に、回転数及び圧力に基づいて、
通過空気流量を決定することに関する。そこに記載されている技術思想では、内
燃機関を最適制御するために、吸気管内で経過する物理的な連関が所期の目的で
使用されている。
更に、本発明は、世界知的所有権機関特許第96/32579号に基づいてい
る。そこでは、内燃機関のシリンダ内に供給される空気をモデルを用いて決定す
るための方法が記載されている。そのために、物理的なモデルが構成されており
、つまり、モデルにより、
過給器なしの内燃機関の吸気系内の状態が記述され、その際、モデルの入力量と
して、スロットルバルブの開度、周囲環境圧力及び弁位置調整を示すパラメータ
が利用されている。付加的に、そこでは、実際に求めた、内燃機関のシリンダ内
に供給された空気の値が、事後の値を予測するために使用されている。
この公知システムは、負荷の加わった内燃機関では即座に用いることができな
い。と言うのは、負荷の加わった内燃機関では、負荷過程に基づいて、付加的な
物理条件を考慮する必要があるからである。
従って、本発明の課題は、内燃機関のシリンダ内に過給器を用いて供給される
空気量を、過給器を用いて駆動される内燃機関での物理的な過程を包括的に考慮
して、回転数、吸気管内の通過空気流量、スロットル
請求の範囲
1. 内燃機関のシリンダ内に過給器を用いて供給される空気量を、少なくとも
、回転数、吸気管内の通過空気流量、スロットルバルブ位置調整値及び温度に依
存して決定するための方法において、その際、少なくとも、以下の物理的連関:
−行程毎の相対充填率rlと吸気管圧psとの間の関連を示すための、内燃機
関の排気方程式、
−吸気管圧ps、スロットルバルブを通過する、行程毎の相対空気質量rlr
oh及び行程毎の相対充填率rl間の関連を示すための、吸気管内の充填率のバ
ランス方程式、
−スロットルバルブを介しての行程毎の相対空気質量rlroh、スロットル
バルブを介しての質量流量及び回転数n間の関連を示すための、スロットルバル
ブの流量方程式、
−チャージ圧pl乃至スロットルバルブの前側の圧力pvdk、内燃機関内に
流入する空気質量rlhfm及びスロットルバルブを介しての相対空気質量rl
roh間の関連を示すための、スロットルバルブと過給器との間の容積内でのバ
ランス方程式
を、空気量を決定する際に利用し、更に、各方程式に対して、定格条件に関連
する値を利用することを特徴とする装置。
2. 各方程式は、2−質量−メモリ−モデルに基づいており、第1の質量は、
スロットルバルブ(12)の前側の容積内の空気質量によって形成され、第2の
質量は、スロットルバルブ(12)の後側の容積体内の空気質量によって形成さ
れる請求の範囲1記載の方法。
3. 出力データを受け取ることにより、反復処理で、個々の算出を行う請求の
範囲1〜3迄の何れか1記載の方法。
4. スロットルバルブ流量の算出の範囲内で、スロットルバルブ(20)の流
量方程式を用いて、モデル化された2つの圧力値を使用し、前記圧力値は、スロ
ットルバルブ(25,26)の前側の容積体内のバランス方程式及び吸気管容積
(17,21,22)内のバランス方程式から得る請求の範囲1〜3迄の何れか
1記載の方法。
─────────────────────────────────────────────────────
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(81)指定国 EP(AT,BE,CH,DE,
DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,IT,L
U,MC,NL,PT,SE),JP,US
(72)発明者 ニコラウス ベンニンガー
ドイツ連邦共和国 D―71665 ファイヒ
ンゲン ランパッハシュトラーセ 25
(72)発明者 ヴェルナー ヘス
ドイツ連邦共和国 D―70499 シユツツ
ガルト ツォルンドルファー シュトラー
セ 23
(72)発明者 ホン ジャン
ドイツ連邦共和国 D―93057 レーゲン
スブルク ブランドルベルガー シュトラ
ーセ 138
(72)発明者 ゲオルク マレブライン
ドイツ連邦共和国 D―78224 ジンゲン
クニービスシュトラーセ 19
(72)発明者 ハーラルト フォン ホフマン
ドイツ連邦共和国 D―38106 ブラウン
シュヴァイク シュヴェリンシュトラーセ
4
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1. 内燃機関のシリンダ内に過給器を用いて供給される空気量を、回転数、吸 気管内の通過空気流量、スロットルバルブ位置調整値及び温度に依存して決定す るための装置において、 少なくとも、以下の物理的連関: −内燃機関の排気方程式、 −吸気管内の充填率のバランス方程式、 −スロットルバルブの流量方程式、 −スロットルバルブと過給器との間の容積内でのバランス方程式 を、空気量を決定する際に利用することを特徴とする装置。 2. 各方程式は、2−質量−メモリ−モデルに基づいている(スロットルバル ブ12の前後の容積体内の質量)請求の範囲1記載の装置。 3. 各方程式に、定格化値が使用される請求の範囲1記載の装置。 4. 出力データを受け取ることにより、反復処理で、個々の算出を行う請求の 範囲1〜3迄の何れか1記載の装置。 5. スロットルバルブ流量の算出の範囲内で(スロットルバルブ流量方程式、 20)、モデル化された2つの圧力値が使用されており、前記圧力値は、ス ロットルバルブ(25,26)の前側の容積体内のバランス方程式及び吸気管容 積(17,21,22)内のバランス方程式から得られる請求の範囲1〜4迄の 何れか1記載の装置。
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