JP2004506122A - 内燃機関の運転変数の制御方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガソリン直接噴射式内燃機関の各運転方式に対して、制御の迅速性および安定性に関して、この運転方式にそれぞれ適合された最適制御良度を達成する、内燃機関の運転変数の制御方法および装置を提供する。
【解決手段】運転が少なくとも２つの運転方式の間で切り換えられ、この場合、運転変数に対する目標値と実際値との間の偏差の関数として、少なくとも１つの可変パラメータに基づいて少なくとも１つの制御出力信号が形成され、この制御出力信号により、制御されるべき運転変数が調節される、内燃機関の運転変数の制御方法および装置において、内燃機関の運転方式（成層燃焼運転、均質燃焼運転、均質リーン燃焼運転）が切り換わったときに、少なくとも１つのパラメータの切換が行われる。

Description

【０００１】
従来の技術
本発明は、内燃機関の運転変数の制御方法および装置に関するものである。
【０００２】
最新の車両の内燃機関用制御装置においては、内燃機関および／または車両の運転変数を設定目標値に制御する制御装置が種々使用される。このような制御装置に対する１つの例は、内燃機関のアイドリングにおける回転速度を設定目標値に制御するアイドル回転速度制御装置である。他の例は、内燃機関内を通過する空気流量、排気ガス組成、トルク等を制御する制御装置である。即ち、ドイツ特許公開第３０３９４３５号（米国特許第４４４１４７１号）は、制御特性を改善するために、制御装置の少なくとも１つのパラメータを可変に形成するように設計されているアイドル回転速度制御装置を示す。開示されている実施態様においては、制御装置の比例部分が制御偏差の値の関数として適合される。
【０００３】
ガソリン直接噴射式内燃機関においては、実際運転方式に応じてそれぞれ、即ち例えば成層燃焼運転において、均質リーン燃焼運転において、または均質燃焼運転において、機関の動特性が異なっている。既知の制御装置は、制御対象の動特性のこのような変化に適合されていない。
【０００４】
本発明の利点
運転方式の関数である少なくとも１つの制御パラメータを使用することにより、制御装置の、制御対象への改善された適合、および制御装置の、制御対象の特に動特性における変化への改善された適合が達成される。
【０００５】
したがって、ガソリン直接噴射式内燃機関の各運転方式に対して、制御の迅速性および安定性に関して、この運転方式にそれぞれ適合された最適制御良度が達成される。
【０００６】
その他の利点が実施態様に関する以下の説明ないし従属請求項から明らかである。
【０００７】
以下に本発明を図面に示す実施態様により詳細に説明する。
【０００８】
実施態様の説明
図１は内燃機関を制御する電子式の制御ユニット１０を示し、電子式の制御ユニット１０は、図示されていない計算ユニットを有し、計算ユニット内で少なくとも１つの運転変数の制御が実行される。好ましい実施態様においては、この制御はアイドル回転速度制御である。他の実施態様においては、空気流量制御、負荷制御、トルク制御、排気ガス組成制御、走行速度制御等であってもよく、この場合、対応する目標値および実際値並びに操作信号が使用されている。図１に目標値形成段１２が示され、目標値形成段１２は、入力ライン１４−１８を介して制御ユニット１０に供給された少なくとも１つの運転変数の関数として、制御されるべき運転変数に対する目標値Ｓｏｌｌを形成する。アイドル回転速度制御装置の好ましい実施態様においては、目標値形成に使用される変数は、機関温度、例えば空調装置のような補助消費機器の運転状態等である。さらに、制御ユニット１０に、入力ライン２０を介して、制御されるべき運転変数の実際値を示す信号が供給される。目標値および実際値は比較段２２において相互に比較される。目標値と実際値との間の偏差は、制御偏差Δとして制御装置２４および２５に供給される。これらの制御装置２４および２５の少なくとも１つは、少なくとも１つの可変パラメータを有している。好ましい実施態様においては、これらの制御装置の少なくとも１つは、比例部分、微分部分、および積分部分からなり、この場合、実施態様に応じてそれぞれ、これらの部分の各々または１つまたは複数の部分のみが、運転変数の関数としてのみでなく、切換の意味で内燃機関の運転方式の関数として可変である。
【０００９】
実行される制御方式に基づき、制御装置２４は、制御偏差Δの関数として少なくとも１つの出力信号τ１を形成し、出力信号τ１は、それによって内燃機関の急速なトルク変化を発生させる、内燃機関の少なくとも１つの制御変数を調節する。これらの制御変数は点火角および／または燃料供給量であり、この場合、均質燃焼運転においては点火角の調節が行われ、それ以外においてはそれにより燃料供給量の調節が行われる。第２の制御装置２５は、同様に制御偏差Δの関数として、実行される制御方式（好ましくは、ＰＤ構成）に基づいて少なくとも１つの他の出力信号τ２を形成し、出力信号τ２は、トルクの比較的緩やかな調節を行わせる少なくとも１つの制御変数を調節する。内燃機関の場合、この制御変数は空気供給量を示すので、操作信号τ２は、内燃機関への空気供給量を調節する調節要素、例えば絞り弁を操作する。図示の例においては、制御装置２４ないし制御装置２５の各々の部分は制御出力信号を形成し、これらの制御出力信号は合わされて（例えば、加算されて）出力信号τ１ないしτ２を形成する。
【００１０】
制御装置２４の種々の部分および／または制御装置２５の種々の部分は、パラメータ、例えば増幅係数を有し、パラメータの値は設計に応じてそれぞれ同様に可変であり、即ち少なくとも２つの値または特性曲線の間で切換可能である。
【００１１】
アイドリング制御の好ましい実施態様においては、一般に、比例部分、積分部分および微分部分を有する制御装置が使用される。内燃機関が理論混合物で運転される均質燃焼運転の運転方式においては、少なくとも比例部分および微分部分の両方が実行される。一方の制御装置は点火角を調節するために使用され、他方の制御装置は、充填量（空気供給量）を調節するために使用される。成層燃焼運転または均質リーン燃焼運転においては、機関トルクの調節は燃料供給量を介してのみ可能であり、それとは逆に空気供給量を介しては可能ではない。したがって、これらの運転方式においては、内燃機関の動特性は均質燃焼運転における動特性とは区別される。シリンダの上死点に関するトルク決定係合の時点は、これらの運転方式において異なっている。したがって、制御対象の他の死点が得られる。さらに、燃料供給量の変化により、大きなトルク変化が、均質燃焼運転においてよりも本質的に急速に実行可能である。
【００１２】
制御装置２４および／または２５の少なくとも１つのパラメータは、運転方式信号の関数として、異なる値（個別の値または特性曲線）の間で切り換えられる。運転方式信号は、実際の運転方式に応じてそれぞれ段３０内で発生され、且つライン３２ないし３４を介して、切換のためにそれぞれの制御装置に供給される。このとき、パラメータ値は、制御装置の、変化する制御対象動特性への最適適合を考慮している。このかぎりにおいて、アイドリング制御装置は、運転方式の関数であるパラメータ・セットを使用して、より良好に制御対象動特性に適合される。運転方式の関数としてパラメータ値を切り換えるほかに、ある実施態様においては、すべてのパラメータがさらに制御偏差の関数である。
【００１３】
内燃機関の運転方式が均質燃焼運転から他の運転方式に切り換わった場合、空気部分を示す制御装置２５は、例えばその制御出力信号またはそのパラメータ値が値０にセットされることにより遮断される。さらに、切換信号により、制御装置２４の制御パラメータ値、この好ましい実施態様においては、比例部分、積分部分、および微分部分の制御パラメータ値が、新たな運転方式に対して適合された値にセットされる。運転方式として、特に成層燃焼運転および均質リーン燃焼運転が考慮されるべきである。同様のことが、成層燃焼運転と均質リーン燃焼運転との間の切換においても行われる。この場合もまた、制御装置２４内でパラメータ値の切換が行われる。緩速係合に対する制御装置２５は遮断されたままである。均質リーン燃焼運転ないし成層燃焼運転から均質燃焼運転に切り換わった場合、制御装置２４内で同様にパラメータ値の切換が行われ、一方、対応の作動信号が存在した場合、均質燃焼運転において、緩速部分に対する制御装置２５が作動される。好ましい実施態様においては、制御装置２５の作動ないし遮断は、その出力信号を値０にセットすることにより行われる。このとき、この設計においては、制御装置それ自体は他の運転方式においても継続して作動し、ただ単にその出力信号が外部に作用しないだけである。
【００１４】
上記の方法の好ましい実施態様が図２のフロー図により示され、このフロー図は制御ユニット１０における計算ユニットのプログラムを示している。フロー図は制御装置２４および２５の特定の形態を示す。
【００１５】
制御装置に、実際値および目標値（実際回転速度および目標回転速度）の間の偏差として制御偏差Δが供給される。急速係合経路に対する制御装置２４内に、積分段１００、増幅段１０２並びに微分段１０４が設けられ、一方、好ましい実施態様においては、緩速経路に対する制御装置２５内に、増幅段１０６並びに微分段１０８が設けられている。他の実施態様においては制御装置の他の形態が使用されるので、図示の制御方式はそれぞれ、１つの好ましい実施態様を示しているにすぎない。内燃機関の運転方式の関数としてパラメータ値を切り換える上記の方法は、他の制御装置の構成においても同様な利点を有して使用される。
【００１６】
図２に示されているアイドリング制御装置は、運転方式の関数としてのパラメータ・セットにより、より良好に制御対象の動特性に適合される。制御偏差Δは、機関実際回転速度Ｉｓｔから目標回転速度Ｓｏｌｌを減算することにより計算されることが好ましい。積分段１００の出力信号ｄｍｌｌｒｉは、積分段１００における制御偏差Δの時間積分および増幅段１１０におけるそれに続く増幅（乗算）により形成される。増幅段１１０において、積分段出力信号は、実際の運転方式に応じてそれぞれ異なる値をとるパラメータＫＩと乗算される。パラメータ値を選択するために切換手段１１２が設けられ、切換手段１１２は、ライン３２を介して供給された運転方式信号ｂｄｅｍｏｄの関数として切り換えられる。信号ｂｄｅｍｏｄは内燃機関の実際運転方式に関する情報を含む。前記乗算は、成層燃焼運転においては係数ＫＩｓｃｈと行われ、均質リーン燃焼運転においては係数ＫＩｈｍｍと行われ、均質燃焼運転においては係数ＫＩｈｏｍと行われる。これらの係数は、特に、それぞれの運転方式における制御対象の動特性に適合されている。この場合、成層燃焼運転においては、一般に、均質燃焼運転においてよりも小さい値が設定されていることは明らかである。これは同様に制御装置２４の他の部分に対しても適用される。上記の値は、設計に応じてそれぞれ、固定値または特性曲線から、運転変数の関数として設定された値である。
【００１７】
好ましい実施態様においては、積分部分のほかに比例部分が設けられている。比例部分の出力信号ｄｍｌｌｒｐは、増幅段１０２において、制御偏差Δと比例増幅係数ＫＰとの結合（乗算）により形成される。この係数もまた運転方式に応じてそれぞれ異なる値を有している。この選択は、切換手段１１４により運転方式信号ｂｄｅｍｏｄに基づいて行われる。この場合もまた、成層燃焼運転においては１つまたは複数の第１のパラメータ値ＫＰｓｃｈが選択され、均質リーン燃焼運転においては１つまたは複数の第２の値ＫＰｈｍｍが選択され、均質燃焼運転においては第３の値ＫＰｈｏｍが選択される。
【００１８】
制御装置２４の微分部分は、微分段１０４における制御偏差Δの時間微分およびそれに続く増幅段１１６における微分結果の結合（乗算）により行われる。ここでは、微分段１０４の結果と、実際の運転方式に応じてそれぞれ異なる値をとる設定パラメータＫＤとの結合が行われる。この場合もまた、この選択は、切換手段１１８により、上記の運転方式信号ｂｄｅｍｏｄの関数として行われる。即ち、乗算のために、成層燃焼運転においてはパラメータ値ＫＤｓｃｈが供給され、均質リーン燃焼運転においては値ＫＤｈｍｍが供給され、均質燃焼運転においては値ＫＤｈｏｍが供給される。出力信号ｄｍｌｌｒｄは、加算段１２０において比例部分の出力信号ｄｍｌｌｒｐと結合されて、制御出力信号ｄｍｌｌｒが形成される。それに続く加算段１２２において、この制御出力信号に積分部分の出力信号ｄｍｌｌｒｉが加算される。加算段１２２の出力信号は操作信号τ１を形成し、操作信号τ１により、均質燃焼運転においては点火角の調節が行われ、成層燃焼運転および均質リーン燃焼運転の運転方式においては燃料噴射量の調節が行われる。図示の係合可能性により内燃機関のトルクの急速な変化が可能とされるので、操作信号τ１はいわゆる急速経路に作用する。
【００１９】
制御装置２５は、上記のように緩速経路、即ち空気供給量への係合を操作する。この経路は、均質燃焼運転においてはトルクを調節するためにのみ使用され、一方、成層燃焼運転または均質リーン燃焼運転のようなリーン燃焼運転方式においては、内燃機関の絞りを開放することにより、燃料消費量の節約という利点が得られる。したがって切換手段１２４が設けられ、均質燃焼運転の運転方式が投入されたとき、切換手段１２４は図示の位置からその第２の位置に切り換えられ、これにより制御装置２５を外部に対して作用可能にさせる。対応の切換信号はライン３４を介して供給される。その他のすべての運転方式においては切換手段１２４は図示の位置をとるので、制御装置２５の出力信号τ２として、値０が存在する。制御装置２５の制御出力信号ｄｍｌｌｒｌないしτ２の形成は、増幅段１０６において、制御偏差Δと均質燃焼運転に対する係数ＫＰＬｈｏｍとの乗算により行われる。それに対応して、制御偏差Δが微分段１０８において微分され、その後に乗算段１２６において係数ＫＤＬｈｏｍと乗算される。比例部分および微分部分の出力信号は結合段１２８において集められて制御出力信号ｄｍｌｌｒｌが形成され、制御出力信号ｄｍｌｌｒｌは、加算段１３０において積分部分１００、１１０の出力信号ｄｍｌｌｒｉと加算される。結合段１３０の出力信号は制御装置２５の出力信号τ２を形成し、出力信号τ２は上記のように均質燃焼運転の運転方式においてのみ外部に作用する。
【００２０】
個々の運転方式に対する個々のパラメータ値はそれぞれの制御対象の具体的な要求に適合される。本発明は、たいていの場合、成層燃焼運転においてはその他の運転方式においてよりも小さい値が設定されるべきであることを示している。
【００２１】
他の実施態様においては、図２に示されている制御装置の具体的な形態の代わりに他の制御方式が使用され、例えば実施態様に応じてそれぞれ、微分部分が省略されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、アイドル回転速度制御装置の例で、内燃機関の運転変数に対する制御装置の全体回路図を示す。
【図２】図２は、少なくとも１つのパラメータが実際の運転方式の関数として変化される制御装置の好ましい実施態様を表わすフロー図を示す。

Claims (10)

1. 運転が少なくとも２つの運転方式の間で切り換えられ、この場合、運転変数に対する目標値と実際値との間の偏差の関数として、少なくとも１つの可変パラメータに基づいて少なくとも１つの制御出力信号が形成され、この制御出力信号により、制御されるべき運転変数が調節される、内燃機関の運転変数の制御方法において、
   内燃機関の運転方式が切り換わったときに、前記少なくとも１つのパラメータの切換が行われること、
   を特徴とする内燃機関の運転変数の制御方法。
2. 前記内燃機関が、成層燃焼運転、均質リーン燃焼運転、および絞りを有する均質燃焼運転の運転方式間で切換が行われるガソリン直接噴射式内燃機関であることを特徴とする請求項１に記載の制御方法。
3. 前記制御出力信号が、均質燃焼運転の運転方式においては点火角を調節し、絞られていない運転方式においては燃料供給量を調節することを特徴とする請求項１または２に記載の制御方法。
4. 制御が、積分部分および／または比例部分および／または微分部分を含むことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の制御方法。
5. 実際の運転方式を表わす信号の関数として、少なくとも１つのパラメータの値が、特定の運転方式における制御対象特性に適合されている値に切り換えられることを特徴とする請求項４に記載の制御方法。
6. 絞られた運転における前記制御出力信号が内燃機関への空気供給量を調節し、この場合、この制御出力信号は、内燃機関の絞られた運転以外においては作用しないように切り換えられることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の制御方法。
7. 前記少なくとも１つのパラメータがさらに、制御偏差の関数であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の制御方法。
8. 前記少なくとも１つのパラメータの値が、運転方式の関数である固定値、または運転方式に基づいて選択された特性曲線から形成された、運転変数の関数である値であることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の制御方法。
9. 制御が、アイドル回転速度制御または走行速度制御であることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の制御方法。
10. 運転が少なくとも２つの運転方式の間で切り換えられ、運転変数に対する目標値と実際値との間の偏差の関数として、少なくとも１つの可変パラメータに基づいて制御出力信号を形成する制御装置を有し、この場合、この制御出力信号が運転変数を調節する、内燃機関の運転変数の制御装置において、
    実際の運転方式を表わす信号を受け取り、この信号の関数として、少なくとも１つのパラメータの値の切換を行うこと、
    をさらに特徴とする内燃機関の運転変数の制御装置。