JP2004156598A - 最適な全開スロットル空燃比制御 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 本発明のこの特徴は、イオン化信号を用いて、エンジンが全開スロットル(WOT)で作動する際に燃焼混合気の空燃比(AFR)を最適化する方法及び装置を含む。本発明のこの特徴は、空燃比AFRインデックスCAFRと空燃比AFRとの間の関係を用いて、空燃比AFRをオンラインで最適化する。好ましい実施形態において、リアルタイム制御戦略は、空燃比AFRの勾配パラメータに基づいて、エンジンの空燃比AFRを調整する。
【選択図】 図11
Description
本出願は、2002年11月1日に出願された米国特許仮出願番号60/423,163号及び2003年5月2日に出願された米国特許仮出願番号60/467,660号に基づく優先権を主張するものであり、これらの出願の開示全体を本出願の開示の一部とみなし、引用によりここに組み入れる。
本発明は、イオン化検知回路からエンジンの燃焼室内のイオン化信号を検知する。ここで説明されるシステム及び関連したサブシステムは、検知されたイオン化信号を用いて、以下の実施形態に開示された他の特徴に加えて、点火パラメータを監視し、診断し、エンジンの性能を改善し、シリンダIDを検知し、空燃比を制御し、スパーク遅延タイミングを制御し、最良トルク・タイミングを得る最小タイミングを制御し、排出ガス再循環を制御する。明らかにするために、イオン化信号を用いて、エンジンが本発明による全開スロットルで作動する際に燃焼混合気の空燃比を最適化する方法及び装置に関する詳細の多くが、この詳細な説明のセクションDにおいて説明される。
開イオン化回路又は短絡イオン化回路を検知するために、バイアス電圧(105)が、点火及び燃焼イベントから遥かに遠い点で(例えば、上死点後180度)サンプリングされる。サンプリングされたバイアス電圧が所定のしきい値(0.5ボルトのような)より下である場合には、開イオン化回路又は接地への短絡故障を検知することができ198(図6)、バイアス電圧がしきい値より大きい(例えば、4.5ボルト)場合には、バッテリに短絡されたイオン化回路を示すことができる199(図6)。次に、点火システムの状態を診断するために、開回路又は短絡回路の情報を用いることができる(図6及び図7を参照)。
最初に、この特徴の部品及び構成について、回路10は、内燃機関の燃焼室内に配置された点火コイル12と、点火すなわちスパーク・プラグ14とを含む。点火コイル12は、1次巻線16と2次巻線18とを含む。点火プラグ14は、2次巻線18の第1端部と地電位との間に直列に電気接続される。2次巻線18の第2端部への電気接続については、以下に更に説明される。1次巻線16の第1端部は、バッテリ20の正極に電気接続される。1次巻線16の第2端部は、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ(IGBT)又は他の型のトランジスタ、或いはスイッチ22の集電端子、及び第1の抵抗器の第1端部に電気接続される。IGBT22のベース端子は、示されていない動力伝達系制御モジュール(PCM)から、図8においてVINと表記された制御信号を受け取る。制御信号VINは、IGBT22の作動を断続的にゲート制御する。第2の抵抗器25は、IGBT22のエミッタ端子と接地との間に直列に電気接続される。第1の抵抗器24の第2端部は、第1のダイオード26の陽極に電気接続される。
更に、本発明の特徴はまた、イオン化フィードバック1000を用いる閉ループ式低温起動遅延スパーク制御、イオン化フィードバック1430、1490、1495を用いる閉ループ式MBTタイミング制御、閉ループ式個々のシリンダA/F比平衡化1300、最適な全開スロットル空燃比制御1900、及びスパーク・プラグ・イオン化信号を用いる排出ガス制御1600のような制御特徴も含む。
理論混合比の混合気から大きく離れた空燃比AFRを感知しようとする場合には、酸素センサ(濃混合比又は希薄混合比のスイッチ信号のいずれかを提供する)があまり役に立たないので、エンジンが全開スロットルWOT状態で作動するとき、既存の技術は、開ループ式制御戦略及び広範な較正作業を用いる。閉ループにおいて全開スロットルWOT状態で空燃比AFRを制御するために、効率的な燃焼条件を検知できるセンサが必要とされる。
CAFR=(V谷+V第2のピーク)/2(式1)
V谷+V第2のピークは、図17にプロットされる。これは、λ=0.9のあたりで最大に達する。
PAFR=(CAFR(H)−CAFR(L))/ΔAFR(式2)
と定めることができる。
ここで、空燃比AFRインデックスCAFR(H)は、空燃比AFRがΔAFRを加えることにより摂動された際に得られる最大空燃比A/F比インデックスに対応し、CAFR(L)は、空燃比AFRがΔAFRを引くことにより摂動された際に得られる最小空燃比AFRインデックスに対応する。エンジンが全開スロットルを用いて3000rpmで作動するときに、公称λが0.925であり、ΔAFRが0.05に等しい典型的な場合については、CAFR(H)が1.85であり、CAFR(L)が1.95となる。空燃比AFRインデックスCAFRは、空燃比AFRの凸関数であるので(図16及び図17の両方を参照)、PAFRについて3つ比の勾配が考えられる(図19を参照)。すなわち、
PAFR>0:WOTにおける最適なAFRに対するエンジン全体の空燃比AFRが濃混合比である。
PAFR=0:エンジン全体の空燃比AFRが、最良トルクのために最適化される。
PAFR<0:WOTにおける最適なAFRに対するエンジン全体の空燃比AFRが希薄混合比である。
Δλ所望(k+1)=Δλ所望(k)+α*PAFR(式3)
を用いて更新される。
ここで、α>0は、リアルタイムの最適化アルゴリズムについての較正可能な定数である。この場合、PAFRが0より大きい(空燃比AFRが濃混合比である)場合には、所望の燃料油量を減少させてエンジンの平均A/F比を増加させ、これにより空気の割合を増加させることによって、正の修正(αPAFR>0)が所望の平均過剰空気修正要因(Δλ所望)に加えられる。PAFRが0より小さい(空燃比AFRが希薄混合比である)場合には、負の修正(αPAFR<0)を加え、所望の平均過剰空気修正要因Δλを減少させ、これにより所望の燃料油量が増加され、空気の割合が減少される。PAFRが0に等しい場合には、調整を必要としない。
イオン電流フィードバック1010を用いる閉ループ式遅延スパーク制御は、エラー・利得生成装置1100、比例・積分(PI)制御処理ブロック1200、初期設定値スパーク・タイミング・プロセッサ1210、及び適応学習装置1220を含む、4つの主なコンポーネント又は機能から成る(図23を参照)。これらは、詳細な説明と共に以下に列挙される。
STテーブル(新しい)=STテーブル(古い)+β*(ST現在−ST初期設定値)
を用いてSTテーブル(新しい)と置き換えられる1226。
ここで、βは、0.02の典型的な値を有する較正可能な正の係数である。安全及び他の理由のために適応アルゴリズムの能力を制限するために、初期設定値較正からのSTテーブル(新しい)1226の最大許容変化を、較正可能なクランク度より大きくすることはできない。計算されたSTテーブル(新しい)1226の変化が限界を超えた場合には、境界値がSTテーブル(新しい)1226として用いられる。
これまで、従来技術に現れるMBTタイミング制御戦略は、大部分は火炎ピーク後検知に基づくものである。通常、火炎ピーク後検知は、ピーク圧力位置と並ぶ。MBTタイミングは、ピーク圧力位置が、上死点後(ATDC)15°あたりのときに生じることが認められた。イオン化信号の第2のピークが、ATDC15°あたりでピークに達するまで、スパーク・タイミングを進角又は遅延させることによって、MBTタイミングが見出されると考えられる。
好ましい実施形態において、本発明は、図27のケース1からケース3までに示される、最大火炎加速位置163、燃焼50%位置165、及び第2のピーク位置166の組み合わせであるMBTタイミング推定基準を用いる。
LMBT=(L163+(L165−L燃焼50%)+(L166−LPCP))/3 (式4)
である。ここで、LMBTは推定されたMBTタイミング位置であり、L163は最大火炎加速位置であり、L165は最大放熱位置であり、L燃焼50%は、エンジンがMBTタイミングで作動する際の圧力信号の燃焼50%位置であり、L166は第2のピーク位置であり、LPCPは、エンジンがMBTタイミングで作動する際のピーク・シリンダ圧力位置である。典型的には、L燃焼50%は、ATDC8°から10°まであたりにあり、LPCPは、ATDC15°から17°まであたりにある。L燃焼50パーセント及びLPCPについてのMBTタイミングが、エンジンの作動条件の関数として変化するので、好ましい実施形態において、異なる作動条件について所望のMBTタイミングを計算する際に、L燃焼50パーセント及びLPCPの値を含む参照テーブルを用いることができる。
LMBT=L163 (式5)
になる。
ここで、LMBTは推定されたMBTタイミング位置である。
ケース3の場合は、位置L165及びL166が利用可能である。MBTタイミングの計算は、L165及びL166の両方を利用し、次のように推定タイミング位置を計算する。
LMBT=((L165−L燃焼50%)+(L166−LPCP))/2 (式6)
ケース1と同様に、L燃焼50%及びLPCPの両方を一定値となるように選択することができ(すなわち、それぞれ(8°から10°まで)及び(15°から17°まで))、或いは参照テーブルの出力を用いて、エンジンの作動条件による変化を反映させることができる。参照テーブル113は、メモリ111に格納することができる。RAM、ROMのような何らかの形態のメモリ、又は磁気テープのようなアナログ記憶装置でさえ用いることができる。プロセッサ、マイクロプロセッサ、コントローラ、エンジン制御ユニット、又は多数の処理又は制御手段122のいずれかによって、参照テーブル内のデータにアクセスすることができる。
LMBT=(L163+(L165−L燃焼50%)+(L166−LPCP))/3
を実行することによって、MBTタイミングを計算する(1820)。イオン化信号100がケース2に適合する場合には(1825)、位置L163を計算する(1827)。次に、ソフトウェア107は、式5、LMBT=L163を実行することによって、MBTタイミングを計算する(1830)。イオン化信号100がケース3に適合する場合には(1835)、位置L165及びL166を計算する(1837)。次に、ソフトウェア107は、式6、
LMBT=((L165−L燃焼50%)+(L166−LPCP))/2
を実行することによって、MBTタイミングを計算する(1840)。
個々のシリンダの不着火情報1410は、部分燃焼1412及び不着火フラグ1414から成る。また、イオン電流100又はシリンダ内の圧力信号から、部分燃焼1412及び不着火フラグ1414の両方を得ることもできる。
LMBT-平均=1/nΣLMBT(i) (式7)
を用いて計算することができる1320。ここで、nはシリンダの数であり、LMBT(i)は、1からnまで合計される。
次に、不平衡エラーが計算される1330。以下の式:
LMBTエラー(i)=LMBT(i)−LMBT-平均、I=1、2、・・・、n (式8)
に示されるように、個々のシリンダの不平衡により生じたMBTタイミング係数のエラー、すなわちMBTタイミング係数エラーLMBTエラー(i)は、MBTタイミング係数の平均LMBT平均からMBTタイミング基準LMBT(i)を引くことによって計算される1330。
ERRMBT(k+1)=K1 *[ERRMBT(k)+LMBTエラー(k)] (式9)
を用いて、個々のシリンダについてのMBTタイミング・エラー、すなわちMBTタイミング係数積分エラー、ERRMBT(k+1)を計算することができる1340。
ここで、kは、k番目のエンジン・サイクルを表す時間ステップインデックスであり、LMBTエラー(k)は、k番目のエンジン・サイクルにおけるステップbから得られたエラー・ベクトルであり、K1は、0.001の典型的な値を有する積分利得係数であり、これを本発明の閉ループ式制御方法のための較正係数として用いることができる。
FT粗=ERRMBT+FTFDD (式10)
を参照1350。
FTリスケール(k)=(n*FT粗(k))/(ΣFT粗(k)) (式11)1360。
ここで、インデックスkはk番目のシリンダを表し、nはシリンダの数であり、FT粗(k)は、1からnまで合計される。つまり、リスケールされたトリム係数FTリスケールは、粗燃料トリム係数FT粗にエンジン161におけるシリンダの数を掛け、次に、この合計をエンジンにおける各々のシリンダについて全ての粗燃料トリム係数FT粗の合計で割ることによって計算される1360。
ERRMBT(k+1)=[FT最終(k+1)−FTFFD(k+1)]/K1 (式12)
を参照1366。
個々のシリンダのエラー積分器ERRMBT(K+1)のこのリセットは、オーバーフロー及び典型的な積分器のリワインド問題を防止するように働く。
FTM新しい(k)=FTM古い(k)+ERRMBT(k)
によって、新しいメッシュ点の値FTMを更新する。
ここで、kはエンジンのサイクル数であり、FTM新しい及びFTM古いの両方が、更新された新しいメッシュ点の値を表す。この目的は、全てのシリンダについてA/F比がバランスされたとき、フィードフォワード出力が最終の燃料トリム係数をもたらすことである。
FUEL最終(i)140=FUELCMD *FT最終(i)、i=1、2、・・、n(式13)
に示されるように、個々のシリンダの各々についての最終燃料供給(FUEL最終)コマンドが、命令された燃料供給又は燃料供給コマンド(FUELCMD)に対応するシリンダの最終燃料トリム係数FT最終を掛けることによって計算される1380。
ECU121は、イオン化検知回路10からイオン化信号100を受け取る。ECU121は、メモリ111に格納された命令107を実行し、各々のシリンダについて所望の空燃比AFRを判断する。次に、ECU121は、所望の燃料コマンド975を、エンジン161に配置された燃料噴射器151のような、ある形態の燃料制御機構に出力する。
このコントローラの新規な特徴は、組み合わせられた出力(フィードフォワード出力及びPI出力)が飽和した場合に、積分値がリセットされることである。この状況が生じた場合には、PI積分値は、組み合わせられた出力が飽和値(以下を参照)と等しくなり、オーバーフロー及びリワインドを回避するような値に設定される。
P(i)*(V(i)/V(I+1))1.3−P(i)の間の差によって見出すことができ、圧力が等エントロピー圧縮又は膨張を受けると仮定する。これらの2つのクランク角間の燃焼から生じた圧力差は、
P(i+1)−P(i)*(V(i)/V(I+1))1.3
である。この差は、体積V(i)において更に評価される。点火以来如何なる体積の変化もない場合の正味圧力を知りたい場合には、あたかも燃焼が定積燃焼で行われるものとして、再び着火点における体積と差を比較する。次に2つのクランク角の間の正味圧力の変化は、
dP(i)=(P(i+1)−P(i)*(V(i)/V(i+1))1.3)*V(i)/Vig
である。
P正味(i)=P正味(i−1)+dP(i)となり、
ここで、Pは圧力であり、Vは体積であり、Vigは着火点における室の体積である。全体の燃焼プロセスについて正味圧力が見出される。第1及び第2の導関数を、正味圧力の速度及び加速度として扱うことができ、これらを燃焼プロセスの速度及び加速度として示すように用いることもできる(図53に示される)。一旦空燃比及びEGR率が求められると、燃焼プロセスのピーク速度及びピーク加速度は、スパーク・タイミングと共にあまり変化しない。全体の燃焼プロセスは、レースに参加する距離ランナのようである。どこで最大加速を達成し、どこでピーク速度に達するかが、最終結果がどれだけ良いかを求める。周知のように、上死点(TDC)前に生成された仕事は、移動するピストンと戦い、熱を生成するのに費やされる。しかしながら、火炎を更に発達させることは、必要なステップである。有用な仕事はTDC後に行われる。図52及び図53から、燃焼プロセスが比較的早いステップにおいて最大加速点に達することが分かり、これは、初期の火炎形成がこの点で終了することを示す。TDC前に最大加速点に達した場合には、急速な燃焼期間の一部がTDC前に費やされる。TDC後に最大加速点に達した場合には、最大加速点直後の急速な燃焼期間が、低い燃焼効率をもたらす大きなシリンダ体積において生じる。従って、最も有用な仕事を最も効率的に生じさせ得るまさに上死点において急速燃焼期間を開始するのは妥当である。言い換えれば、最大加速点が上死点と並ぶ点にスパーク・タイミングが進角される場合には、燃焼プロセスから最も有用な仕事を得ることができ、MBTタイミングを達成することができる。
様々なエンジン作動条件において行われた試験により、TDCに位置する最大加速点が、MBTタイミングを達成する場所であることも分かった。この規則は、PFI(ポート燃料噴射)エンジン、天然ガスエンジン、及びシリンダにおいて1回だけ燃料噴射をするGDI(直噴式ガソリン・エンジン)のような、一つのピーク放熱曲線を有する燃焼プロセスにあてはまる。
12:点火コイル
28:コンデンサ
100:イオン化信号
135:エンジン速度
161:エンジン
162:第1のピーク
166:第2のピーク
1060:エンジン負荷
1352:参照テーブル
Claims (3)
- イオン化信号を用いて、エンジンが全開スロットルで作動する際に燃焼混合気の空燃比を最適化する方法であって、
前記イオン化信号の第2のピーク及び谷を最大にするステップを含む、
ことを特徴とする方法。 - エンジンが全開スロットルで作動する際に燃焼混合気の空燃比を最適化する方法であって、摂動を加えることによって空燃比を調整するステップを含む、
ことを特徴とする方法。 - 摂動を加えることによって空燃比を調整する前記ステップが、勾配率に基づいて前記空燃比を調整するステップを更に含む、
請求項2に記載の方法。
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