JP2004507651A - 内燃機関での圧縮比を制御する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、過給式内燃機関での圧縮比εを制御する方法である。この内燃機関には制御装置が設けられている。ここでは最高の圧縮温度Ｔ_{２，　ｍａｘ}が検出され、前置制御（３０）の枠内で効率が最適な圧縮比ε_ｏｐｔが検出される。以下で示されるステップが実行される。
前置制御（３０）で求められた圧縮比εから、これに相応するノッキング限界（５）を求める。特性マップη＝ｆ（ε， ＺＷ）内の効率特性に基づいて、圧縮比γのさらなる適合化（３１）または圧縮比εの変化の取消を行う。駆動点に依存して学習された、εおよび点火角に対する値をエンジン制御部がアクセスすることのできる特性マップ内に記憶する。

Description

【０００１】
技術分野
過給式（ａｕｆｇｅｌａｄｅｎｅ）ガソリン内燃機関は可変の圧縮システムによって駆動される。εであらわされる圧縮比は、８〜１４の範囲で変化される。この目的は、ガソリン内燃機関の個々のシリンダを、下方の部分負荷領域では利用可能な最大の圧縮で駆動させ、全負荷に近い駆動領域では、そこで明確にあらわれるノッキング傾向を制限するために利用可能な最小の圧縮で駆動させることである。
【０００２】
従来技術
オットーエンジンで可変の圧縮を実現する機械的な解決方法は、ＤＥ１９８４４２００Ａ１から公知である。ここで提案された、往復ピストン内燃機関またはピストンコンプレッサの可変の圧縮に対するクランク駆動部は、コンロッド用アイベアリング（Ｐｌｅｕｅｌａｕｇｅｎｌａｇｅｒ）の位置が設定できるコンロッドから成る。コンロッド長、すなわちコンロッド用アイベアリングの軸とピストンピン用アイベアリングの軸との間の間隔は、２つまたはそれ以上の液圧室によって変えられる。さらにこれらの液圧室は異なってしかし増補されるように（ｅｒｇａｅｎｚｅｎｄｅｎ Ｍａｓｓｅｎ）構成されて、クランクシャフトおよび調整ピストン内を通って圧縮設定また場合によっては潤滑に用いられる孔によって、潤滑油が与えられる。ここで対になった室の２つの液圧室のうちの１つは基本的に戻しばね（Ｒｕｅｃｋｓｔｅｌｌｆｅｄｅｒ）によって置き換えられる。上述の液圧室の間には、双方向に作動する調整ピストンが収容されており、この調整ピストンは自身の側でコンロッド用アイベアリングを収容する。
【０００３】
ＤＥ１９７０３９４８Ｃ１から、往復ピストン内燃機関の圧縮を変える別の装置が公知である。往復ピストン内燃機関での圧縮を変えるこの装置は、エンジンハウジングに固定的に支持されたクランクシャフトと、クランクシャフトのクランクに支持されたコンロッドと、コンロッドに支持されて、エンジンハウジングに設けられたシリンダ内で往復運動するピストンを有する。さらに偏心ブッシュを有する。この偏心ブッシュはクランクにかみ合わされた自身の内円筒面と、この内円筒面に対して偏心し、コンロッドにはめ合わされた外円筒面を有する。このブッシュをコンロッドに対して回転させることによって、コンロッドの有効長さを変化させることができる。ここでこの偏心ブッシュには少なくとも２つのロック凹所が形成されている。ここでコンロッドにロック部材が連結される。このロック部材のブッシュの一方のロック凹所の方向への運動、およびブッシュの他方のロック凹所への他方向への運動が影響を与える。ここでブッシュの一方のロックされた回転位置が最小のコンロッド有効長に、そして他方のロックされた回転位置は最大のコンロッド有効長にほぼ対応する。
【０００４】
過給式オットーエンジンの場合、オットーエンジンの圧縮比は駆動特性へ決定的な影響を与える。高負荷を有するオットーエンジンの駆動時に、圧縮比を降下させることは、エンジンのノッキング傾向を制圧する一般的な手段である。圧縮比の設定が高すぎる場合、全負荷駆動はノッキング制限され、点火角は遅角方向に調整されなければならない。点火角の遅角調整は結果として効率の損害となり、これは再び到達可能な全負荷平均圧力を制限する。点火角の遅角調整と結びつく遅い燃焼フェーズ位置は排気ガス温度を高くする。排気ガス温度を下げる（これは構成部分に関して必要である）ために同じように、混合気の激しい濃度増加（Ｇｍｉｓｃｈａｎｒｅｉｃｈｅｒｕｎｇ）が必要である。しかしこれは付加的な燃費の損失につながる。
【０００５】
発明の説明
本発明によって提案された解決方法は次のような経過で行われる。すなわちまずはじめに前置制御の枠内で圧縮を段階的に変化させ、その後に圧縮比εのこのような変化から新たに生じているノッキング限界を求める。過給式内燃機関のエンジン制御部内には効率η、点火角ＺＷ並びに圧縮比ε間の関係が特性マップまたは特性曲線関係としてファイルされ、これらにアクセスすることが可能である。
【０００６】
効率ηの知識において、前置制御によって検出された各圧縮比εに対して、最高許容圧縮終了温度Ｔ_{２，　ｍａｘ}から結果として生じてノッキング限界を求めることができる。ここで各圧縮比εに対して既知である効率から、さらなる適応した圧縮変化が必要であるか否か、または圧縮比変化が取消（ｚｕｒｕｅｃｋｇｅｎｏｍｍｅｎ）されなければならないか否かが判断される。
【０００７】
このような解決方法によって、過給式内燃機関の全駆動パラメータを考慮した圧縮比εの制御が、吸入空気温度、内燃機関の温度にも使用されている燃料のオクタン価（スーパーまたはノーマルガソリン）にも依存して行われる。パラメータである点火角（ＺＷ）および圧縮比εが効率最適化される。ここで特に、生じている異なるポリトロープ関係式（Ｐｏｌｙｔｒｏｐｅｎｂｅｚｉｅｈｕｎｇ）内のガス温度が考慮される。このガス温度はノッキング特性に非常に強い影響を及ぼし、顕著な効率ポテンシャルを与える。圧縮終了温度Ｔ_{２， ｍａｘ}によって、実際に存在している熱力学的な比が過給式内燃機関のノッキング限界での効率に関連して、最適に形成される。
【０００８】
エンジン制御部内に排気ガス温度調整部が設けられている場合、圧縮終了温度に対する検出された温度値Ｔ_{２，　ｍａｘ}を、より低い圧縮比εが生じるように補正することができる。Ｔ_{２，　ｍａｘ}に対する制限から生じたより低い圧縮比εは点火角に関連し、より早く生じるノッキング限界、従ってより低い排気ガス温度につながる。
【０００９】
図面
以下で図に基づいて本発明をより詳細に説明する。
【００１０】
図１には、効率η、点火角ＺＷおよび圧縮比ε間の特性曲線−関係が示されており、
図２には、圧縮比εの全負荷駆動特性への影響が示されており、
図３には、前置制御部並びに適合部の枠内での、エンジン制御部内での圧縮比変化の経過が示されている。
【００１１】
実施形態
図１には効率η、点火角ＺＷおよび圧縮比ε間の特性曲線関係が示されている。参照番号２は点火角軸を示す。図１には、それぞれ異なった圧縮比εに対する３つの特性曲線の特性曲線経過が示されている。参照番号３は最高圧縮比ε_ｍａｘの特性を示す。
【００１２】
最高圧縮比ε_ｍａｘを示す曲線経過３の特性で生じているノッキング限界は参照番号５で識別される。従って圧縮比がε_ｍａｘである内燃機関の駆動点は、図１のダイアグラムで参照番号６で示されている値である。これは駆動点Ａに相応する。圧縮比ε_ｍａｘで内燃機関が駆動されているときには、内燃機関は自身の最適な効率ηで駆動されるのではない。なぜならノッキング限界５に早く達してしまうので、これは得られないのである。
【００１３】
図１に破線で示されて参照番号７で示された曲線経過に相応して内燃機関の圧縮比εを後退させた場合、ノッキング限界５は、文字Ｂで示された最適な駆動点４の前に位置する。曲線経過特性７に相応する圧縮比εで駆動される内燃機関は、ノッキング限界５が原因で比較的低い駆動点６で駆動されなければならない内燃機関が駆動される駆動点Ａと比較してより高い効率ηで駆動点Ｂにおいて駆動される。
【００１４】
最後に図１の図面には別の曲線経過８が示されている。これは内燃機関の最低圧縮比ε_ｍｉｎの特性を示している。このような最低圧縮比ε_ｍｉｎに対してノッキング限界は重要ではないので、この内燃機関は最適な駆動点４で、曲線経過８の頂点に相応して駆動される。このように駆動される内燃機関（その圧縮比はε_ｍｉｎである）の効率は、効率から観ると駆動点ＡおよびＢで得られる内燃機関の効率ηをかなり下回る。
【００１５】
図２から、過給式内燃機関の全負荷駆動特性に与える圧縮比εの影響が読みとれる。
【００１６】
図２に示されたダイアグラムには、全負荷平均圧力１０の特性が、過給式内燃機関のシリンダの上死点に関し、点火角を横軸にして示されている。参照番号１１によって３つの異なる全負荷平均圧力の特性が示されている。これらはそれぞれ異なる過給圧に対している。参照番号１２で２ｂａｒを下回って生じている過給圧Ｐ_Ｌ，１での全負荷平均圧力の特性が示されている。参照番号１５、１６、１７および１８は上昇していく順でそれぞれ異なった圧縮比を示している。参照番号５によって、種々の圧縮比１５、１６、１７および１８に対する、図２のダイアグラム内でそれぞれ生じるノッキング限界が示される。
【００１７】
参照番号１３で、２ｂａｒを上回る過給圧ｐｌ２に対して生じている全負荷平均圧力特性が示されている。ここで同じように、４つの異なる選択された圧縮比εが設定される。これらは全負荷平均圧力１２を示したものと相似して、参照番号１５、１６，１７および１８で示されている。
【００１８】
生じている全負荷平均圧力の特性１３の上方には、さらに上昇した過給圧Ｐ_Ｌ，　３に対する全負荷平均圧力の特性ｐが示されている。これはＰ_Ｌ，　２で示された選択された過給圧よりもさらに高い位置にある。
【００１９】
相対して位置する全負荷平均圧力特性１２、１３、１４（これらは一定の回転数および一定の空気比の下で測定されている）から、圧縮比εの設定が高すぎると（これは例えば参照番号１７および１８で示されている）、過給式内燃機関の全負荷駆動はノッキング限界によって制限されてしまうことが分かる。従って措置として点火角が遅角方向に調整されて（ｚｕｒｕｅｃｋｇｅｎｏｍｍｅｎ）、上死点に達する前に点火される。しかしこのことは結果として効率を損なわせる。これは同じように到達可能な全負荷平均圧力を制限する。進角方向の点火によって生じた遅い燃焼フェーズ位置によって排気ガス温度は高くなる。これは再び、構成部分を保護する理由で必要である、混合気の濃度増加による排気ガス温度降下を必要とする。混合気の増加は再び燃費損失につながる。なぜなら温度を制限するために、混合気処理（Ｇｅｍｉｓｃｈａｕｆｂｅｒｅｉｔｕｎｇ）時により多くの燃料を使用しなければならないからである。
【００２０】
図３には、圧縮比εを変化させるためにエンジン制御部によって行われるべきステップがより詳細に示されている。ここでエンジン制御部は、前置制御部３０および適合部３１に分けられる。
【００２１】
エンジン制御部のタスクは目下の情報である負荷（Ｍ）、回転数（ｎ）、吸入空気温度ないしブーストエア温度、エンジン温度並びにノッキングの影響の受けやすさに基づいて、パラメータである圧縮比εおよび点火角ＺＷを効率に関して最適に設定することである。さらにエンジン制御の枠内で、使用されている燃料のオクタン価（スーパーガソリンまたはノーマルガソリン）によって設定されるノッキング限界を求めることも当てはまる。
【００２２】
エンジン制御部に対するフローチャート１９の前置制御部３０内で、２つの調整量である圧縮比εおよび点火角ＺＷが計算される。これらは適合部（Ａｄａｐｔｉｏｎ）３１によって、燃料の影響を考慮するノッキング調整部と関連して最適化される。
【００２３】
エンジン制御部内では吸気終了（Ｅｉｎｌａｓｓｅｎｄｅ）時の燃焼室内のブーストエアの温度Ｔ_１が簡単なモデル計算によってエンジン温度、吸入空気温度および生じている空気流（Ｌｕｆｔｍａｓｓｅｎｓｔｒｏｍ）の関数として検出される。圧縮比εから、圧縮終了温度Ｔ_２をポリトロープ関係式に従って次のように求めることができる。
【００２４】
Ｔ_２＝Ｔ_１・ε（κ−１）
図３のフローチャート１９内では、２０で吸気終了時の温度Ｔ_１が求められる。このような圧縮終了温度Ｔ_２は、使用されている燃料のオクタン価とともに本質的にエンジンのノッキング限界を定め、最適な圧縮の計算によく適する。これはエネルゲティクな末端ガス状態に次に訪れ、燃焼中の末端ガスの自動着火温度に基づく状態量を示す。エンジン制御部内では、最高許容圧縮終了温度に対する限界値Ｔ_{２，　ｍａｘ}が、負荷（Ｍ）／回転数（ｎ）に依存する特性マップの形でファイルされる。このような特性マップから、内燃機関のノッキング限界５での効率εに関する実際に生じている熱力学的な比が分かる。ポリトロープ関係式から生じた温度Ｔ_２が、最高許容圧縮温度Ｔ_{２，　ｍａｘ}より低い場合（フローチャート１９内の参照番号２１）、ここから周辺条件Ｔ_２≦Ｔ_{２， ｍａｘ}下での最大限に可能な、すなわち効率に関して最適な圧縮が以下の関係式に従って求められる：
【００２５】
【数２】

【００２６】
ここでκはポリトロープ指数である。
【００２７】
【外１】

【００２８】
択一的にエンジン制御部内に排気ガス温度調整部を設けることもできる。この排気ガス温度調整部は、最高排気ガス温度を上回った場合に限界値Ｔ_{２，　ｍａｘ}を、より低い圧縮εが生じるように補正することができる。より低い圧縮εが生じると、点火角に関してより早いノッキング限界が得られる。進角方向（ｆｒｕｅｈｅｒｅｒ）の点火角を生じさせる。進角方向の点火角によって排気ガス温度はより低くなる。これによって、過給式内燃機関の全駆動条件下での空気過剰率を有する理論空気比の維持に対する要求が考慮される（λ＝１）。
【００２９】
最適な圧縮比ε_ｏｐｔを求めた後に、図３のフローチャート１９内の２３で、属する点火角ＺＷが負荷（Ｍ）、回転数（ｎ）および最適な圧縮ε_ｏｐｔの関数として計算される。これに加えて択一的に、異なる圧縮値εの複数の負荷／回転数−点火角特性マップが補間されてもよい。
【００３０】
属する点火角（ＺＷ）を求めた後に、これおよびポリトロープ関係式から計算され、一定のポリトロープ指数κ＝１． ３を前提として求められた最適な圧縮比ε_ｏｐｔが、エンジン制御部によって内燃機関での調整量として設定される。
【００３１】
ここまで示した計算はエンジン制御の前置制御３０内で行われる。この前置制御には以下でより詳細に説明される適合化作業３１が続く。
【００３２】
内燃機関の安定的な駆動点に達した後、適合条件２５、すなわち過給式内燃機関での負荷／および回転数の近似的な一定維持（ａｎｎａｅｈｅｒｎｄｅ Ｋｏｎｓｔａｎｔｈａｌｔｅｎ）がほぼ満たされているか否かが検査される。
【００３３】
これが否定されると２５． １を介して、２０で圧縮開始時の混合気温度Ｔ_１を計算するためにフローチャート１９にリターンする。
【００３４】
それに対して、これが肯定されると適合化段２５からの適合化段２６への分岐が２５． ２を介して行われる。ここでは圧縮比εの別の適応した変化に関して決定される。２５． ２を介した圧縮比εの適応した変化後に、生じている効率ηが、点火角（ＺＷ）ないしはここで生じているノッキング限界５の関数として２６で再計算される。２５． ２での圧縮比εの変化の後での、点火角を考慮した効率および生じている新たなノッキング限界は、過給式内燃機関の新たに生じている動作点の安定後に生じる。この計算ルーチン２６の後には、２７での効率ηの問い合わせが続く。効率ηが上昇している場合、分岐２８を介して２５． ２での圧縮比εの相応の上昇のために戻り分岐し、ルーチン２５． ２、２６、２７のさらなる通過で、過給式内燃機関のさらなる効率上昇がもたらされる。
【００３５】
これに対して、より低い効率が設定された場合、２９に分岐する。ここでは２５． ２での圧縮比εの変化の取消（Ｒｕｅｃｋｎａｈｍｅ）が始められる。さらに参照番号２０でのフローチャート１９の開始に圧縮開始時の混合気温度Ｔ１を計算するために戻り分岐される。
【００３６】
本発明によって提案された解決方法によって、吸入空気温度並びにエンジン温度のような異なる外部条件を考慮することができる。同じように異なる燃料の質も考慮される。これはそのオクタン価に関連して、生じるノッキング限界５に影響を完全に及ぼすであろう。本発明によって提案された方法は、ノッキング調整の圧縮比εの影響下で可変の圧縮を結びつけ、それに依存して点火角の調整を行う。圧縮比εを変化させるために、強い影響をノッキング特性に及ぼす異なる温度が用いられ、効率比ηの著しい改善が設定される。部分負荷領域では、過給式内燃機関は本発明で提案された解決方法によって使用可能な最高の圧縮比εで駆動され、全負荷領域ではノッキング傾向を制限するために、圧縮比εが相応に後退される。
【図面の簡単な説明】
【図１】
効率η、点火角ＺＷおよび圧縮比ε間の特性曲線−関係をあらわす図である。
【図２】
圧縮比εの全負荷駆動特性への影響があらわす図である。
【図３】
前置制御部並びに適合部の枠内での、エンジン制御部内での圧縮比変化の経過をあらわす図である。
【符号の説明】
１　効率特性η
２　点火角
３　最高圧縮比ε_ｍａｘ
４　最適な駆動点
５　ノッキング限界
６　最高圧縮比ε_ｍａｘでの駆動点
７　低減された圧縮比
８　最低圧縮比ε_ｍｉｎの特性
９　点火時期特性
１０　全負荷平均圧力
１１　全負荷平均圧力特性
１２　Ｐ_Ｌ，　１での全負荷平均圧力
１３　Ｐ_Ｌ，　２での全負荷平均圧力
１４　Ｐ_Ｌ，　３での全負荷平均圧力
１５　圧縮比１
１６　圧縮比２
１７　圧縮比３
１８　圧縮比４
１９　エンジン制御モトロニックに対するフローチャート
２０　混合気温度Ｔ_１の計算
２１　Ｔ_{２，　ｍａｘ}の計算
２２　特性マップＴ_{２，　ｍａｘ}ｆ（Ｔ_１，κ）からのε_ｏｐｔの計算
２３　点火角＝ｆ（ε_ｏｐｔ，Ｍ，ｎ）の計算
２４　計算された値の設定
２５　適合化段
２５． １　リターン
２５． ２　圧縮制御の変動変化（Ｆｒｅｉｇａｂｅａｅｎｄｅｒｕｎｇ）
２６　点火角ＺＷの計算
２７　問い合わせη
２８　圧縮変化への分岐
２９　圧縮変化の取消ないし補償
３０　前置制御部分
３１　適合化部分

Claims (10)

1. 制御ユニットを有する過給式内燃機関での圧縮比εを制御する方法であって、
   ここで最高の圧縮終了温度Ｔ_{２，　ｍａｘ}から前置制御（３０）の枠内で効率に関して最適な圧縮比ε_ｏｐｔを検出し、
   前記前置制御（３０）内で検出された圧縮比εから新たなノッキング限界（５）を検出するステップと、
   特性マップη＝ｆ（ε， ＺＷ）内の効率特性に依存して前記圧縮比（ε）の適合化（３１）または圧縮変化の取消を行うステップと、
   駆動点に依存して学習された、εおよびＺＷに対する値を特性マップ内に持続的に記憶するステップとを実行する、
   ことを特徴とする、内燃機関での圧縮比を制御する方法。
2. 前記圧縮終了温度Ｔ_２≦Ｔ_{２，ｍａｘ}および燃料のオクタン価から前記ノッキング限界（５）を検出する、請求項１記載の方法。
3. 前記前置制御の枠内で周辺条件Ｔ_２＜Ｔ_{２， ｍａｘ}の下で、圧縮比γとしては、関係式
   

   

   から最適な圧縮比ε_ｏｐｔを求める、請求項１記載の方法。
4. 前記前置制御（３０）内で、それぞれ検出された最適な圧縮比ε_ｏｐｔに相応する点火角（ＺＷ）を、負荷（Ｍ）、回転数（ｎ）および圧縮比ε_ｏｐｔの関数として求める、請求項１から３に記載の方法。
5. 前記前置制御（３０）内で前記点火角（ＺＷ）を求めるために異なる圧縮比εに対する、複数の負荷／回転数−点火角特性マップを補間する、請求項４記載の方法。
6. 適合条件（２５）が、負荷モーメント（１１）および回転数ｎの近似的な一定維持によって与えられる、請求項１記載の方法。
7. 混合気体積を適合させることによって前記圧縮比εの変化を行った後、点火角効率を新たなノッキング限界（５）を考慮して計算する、請求項１記載の方法。
8. 過給式内燃機関の新たな動作点が安定した後、ｆ（ε_ｏｐｔ， ＺＷ）として、生じている効率ηの検出を行う、請求項１記載の方法。
9. 過給式内燃機関の生じている効率ηに依存して、前記圧縮比εのより高い値への適合化（３１）または前記圧縮比εの変化の取消を行う、請求項８記載の方法。
10. λ＝１の空気比を設定する時および維持するときに、より低い圧縮比εが生じるように限界値Ｔ_{２， ｍａｘ}を定める、請求項２記載の方法。