JP2004534174A - 内燃機関の運転方法およびその制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気ガス管内に配置されたラムダセンサを用いて、内燃機関における噴射量のシリンダ別の調整が可能な、内燃機関の運転方法を提供する。
【解決手段】内燃機関における噴射量のシリンダ別の調整が可能な、内燃機関の運転方法、また該方法を実施することのできる内燃機関において、エンジン制御装置（１５）によって前もって設定されたシリンダ（３）毎の噴射量の直交テストプランに従って行われる狙いを定めた変化が空気過剰率ラムダに対して与える効果が分析され、最適燃焼に関してシリンダ毎に調整可能な噴射量の修正値の決定のための回帰多項式を作成する。
【選択図】図１

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料を内燃機関のシリンダへ噴射することができ、個々のシリンダへ噴射される燃料量を調整することができ、且つ内燃機関の排気ガス管内のラムダ値を求めることができる、内燃機関、特に自動車の内燃機関の運転方法に関している。更に、本発明はこの方法の実施するのに適した内燃機関に関している。
【背景技術】
【０００２】
調整された三元触媒を用いて排気ガスの触媒による後処理の際に有害物質を最少化するためには、空気／燃料混合気が定められた質量比を持っていなければならない、ということが知られている。この比は、いわゆる空気過剰率ラムダによって示され、また排気ガス管内にあるラムダセンサによって測定することができる。
【０００３】
既知の方法は、ラムダセンサの測定値を、内燃機関の運転の間に個々のシリンダの噴射量をラムダ値に応じて調節する制御回路へ送り込む。
しかしながら、排気管内にある個々のラムダセンサの場合、この制御の基礎となっているのは個々のシリンダを通じて求められたラムダ値しかない。
【０００４】
噴射量が同じ或いは噴射量のための制御装置の設定値が同じであるにも係わらず、構成部品の許容差や老化作用の故に生じる個々のシリンダの中での混合気の違いは、測定されず、またシリンダ別の噴射量の量定に関しても考慮されない。
【０００５】
改良された方法は、排気ガス管を貫流する排気ガスとそのラムダ値を、個々のシリンダに対して時間的に配分することを考えている。原理的に云えば、これによって個々のラムダセンサを用いて噴射量のシリンダ別の制御が可能であるが、測定精度は、排気ガス管内の時間的に直接連続する異なるシリンダの排気ガス量の混合作用と過流によって損なわれる。
【０００６】
個々のシリンダにラムダセンサを割り当てるという解決策は、技術的に非常にコストが掛かってしまう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、本発明の課題は、排気ガス管内に配置されたラムダセンサを用いて、内燃機関における噴射量のシリンダ別の調整方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この課題は、請求項１に記載の内燃機関における噴射量のシリンダ別調整のための方法によって、並びに請求項１１に記載の内燃機関によって解決される。
請求項１に記載の方法は、排気ガス管内で測定され、全てのシリンダにわたって平均された空気過剰率に対する、個々のシリンダに割り当てられた噴射量の影響を求めるために、統計的テストプランに由来する方法を用いている。
【０００９】
その際、制御装置によって前もって設定されている噴射量が、直交テストプランに従ってステップ状に少しずつシリンダ別に変化される。テストプランの各ステップの後に、噴射量の変化の結果として生じた排気ガス管内のラムダ値が求められ、テストプランの終了後に、求められたこれ等の値を用いて個々のシリンダについて噴射量のための修正値が求められる。
【００１０】
これ等の修正値は、次の噴射過程の際に噴射量の調整のためにシリンダ別に利用されるので、各シリンダ内では常に最適な空気／燃料混合気が調整される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に基づく方法の重要な利点は、唯一のラムダセンサしか使用しないのに内燃機関の全てのシリンダのために最適な噴射量を求めることができるという点にある。
この利点は、ラムダ値の数学的モデル化によって達成される。そのために、従属変数ラムダのための多項式を用いて、ラムダの値に対する複数の独立変数の影響が決定される。
【００１２】
それ等の独立変数は各々のシリンダに個別的に割当てられる噴射量に対応しているので、数学的モデルはラムダを個々のシリンダの噴射量の関数としてもたらし、その際、多項式の係数はシリンダの噴射量の影響の重み付けを示している。
【００１３】
これ等の係数は、例えば直交テストプランの枠組みの中で決定された値から求めることができる。これ等の係数を、見積もりによって或いは妥当性についての考察によって確定することもまた可能である。
【００１４】
数式のために選択された多項式の次数に応じて、複数のシリンダの噴射量の間の相互作用を求めることも可能である。
この様にして得られた、ラムダに関する数学的モデルは、ラムダについて前もって設定されている基準値、例えば、ラムダ＝１ と、得られる方程式の解とを用いて、指定された基準値が調整される、個々のシリンダのための噴射量の計算を可能にする。
【００１５】
上記のモデルを用いて計算された噴射量は一般に、制御装置によって前もって与えられている噴射量からずれている。この差は、本質的に、様々な燃焼条件並びに弁制御装置の中或いは個々のシリンダの弁の下での許容差に係わっており、また噴射量の調整のための修正値を形成している。
【００１６】
もう一つの重要な利点は、はるかに大きな許容差を有する噴射弁を使用することができるということにある。
従来の噴射システムでは、噴射弁のスループット許容差に対する要求は非常に高く、このことが弁の製造の際の不良品の量を多くさせていた。
【００１７】
本発明に基づく調整方法は、幾つかの噴射弁のスループット特性が大きく異なっている場合でも、個々のシリンダの噴射量をしかるべく調整することができ、これによって排気ガス後処理のために最適なラムダ値を調整することができる。
【００１８】
これによって、先に提案された方法は、コスト的に有利なより大きな許容差を有する噴射弁を使用し、ラムダ値に対するその許容差の影響を本発明に基づく方法によって除去することによって、同時に排出ガスの特性の改善をしながら、対応する噴射システムの製造コストを削減するためにも適している。
【００１９】
更に、本発明に基づく調整方法は、内燃機関の或いは内燃機関を調節している制御装置の全運転時間にわたって実施しなくても良いという利点を有している。これによって、制御装置のプロセッサ手段のサイクル時間が節約され、制御装置を他の用途に利用することができる。
【００２０】
本発明に基づく方法の一つの有利な拡張例は、求められた修正値を制御装置に格納しておき、この修正値を次の車両スタート時に呼出すということから成り立っている。これによって、例えば車両のメンテナンスの際等のように、規則的な時間間隔で、新しい調整を行い、新しく求められた修正値をその後の車両運転のために利用できるようにすることが可能となる。
【００２１】
走行運転中に周期的に修正値を求めることもまた考えることが可能であり、これによって、このシステムは、例えばノズルの汚れのような、噴射弁の特性の短期的な変化に対して反応し、噴射量をシリンダ別に新しい状況に適合させることができる。
【００２２】
特に有効なのは、既に製造者の元で、自動車の仕上げの直後に調整を実施することである。
本発明に基づく方法のもう一つの実施態様は、ラムダ値を、０．７＜ラムダ＜４ の間隔で、連続的に測定するブロードバンドラムダセンサを使用することを特徴としている。
【００２３】
本発明に基づく方法の特別に有利なもう一つの拡張例は、いわゆる電圧ジャンプセンサ、特性曲線がジャンプするラムダセンサの使用を考えている。コスト的に有利なこのタイプのセンサを使用する場合には、噴射量の変化の結果としてのラムダ値の変化は、間接的に、例えば、ラムダコントローラの制御偏差から確定されなければならない。何故なら、電圧ジャンプセンサは、ラムダ＝１ のときに、特性曲線のジャンプを示すだけであり、即ち、ブロードバンドラムダセンサの場合とは異なり、ラムダの値を連続的に測定することができないからである。
【００２４】
本発明に基づく方法のもう一つのバリアントは、直交テストプランの基礎となっている回帰多項式の次数を、ラムダに応じて選択するということを考えている。小さい次数の回帰多項式を用いた調整過程の後で、ラムダの望ましい値が十分正確に調整されない場合には、この実施態様の場合には、調整方法の精度を改善するために、より大きな次数の回帰多項式を選択することができる。
【００２５】
本発明に基づく方法を、内燃機関の、特に自動車の内燃機関の制御装置のために備えられているコンピュータプログラムの形で実現することは特別な意味を有する。その際、このコンピュータプログラムは、マイクロプロセッサで走らせることができ、且つ本発明に基づく方法を実施するのに適している。それ故、この場合には、本発明はコンピュータプログラムによって実現され、従ってこのコンピュータプログラムは。その実施のためにコンピュータプログラムが適している当該の方法と同じように本発明を表している。このコンピュータプログラムは、電気的な記憶媒体に、例えばフラッシュメモリー或いは読み取り専用メモリー（ＲＯＭ）に格納することができる。
【００２６】
本発明のその他のメルクマール、適用可能性、及び利点は、図示されている、本発明の実施例についての以下の説明から明らかとなる。その際、記載されて或いは説明されている全てのメルクマールは、特許請求項におけるそれ等の要約の仕方或いはその背後関係とは係わり無く、並びに明細書或いは図面におけるそれ等の表現或いは描写とは係わり無く、それ自体として或いは任意の組み合わせとして本発明の対象を構成している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
図１には自動車の内燃機関１が示されており、この内燃機関では、ピストン２がシリンダ３の中で往復運動することができる。シリンダ３は燃焼室４を有し、該燃焼室は、特にピストン２、吸気弁５、及び排気弁６によって仕切られている。吸気弁５によって吸気管７が接続され、また排気弁７によって排気ガス管８が接続されている。
【００２８】
吸気弁５と排気弁６の領域において、噴射弁９と点火プラグ１０が燃焼室４の中へ突き出している。噴射弁９を吸気管７の中に配置することも可能である。
噴射弁９を通して燃料を燃焼室４内へ噴射することができる。点火プラグ１０を用いて燃焼室４内の燃料を点火することができる。
【００２９】
吸気管７内には回転式のスロットルバルブ１１が取り付けられており、該スロットルバルブを通して吸気管７内に空気が供給される。供給される空気の量は、スロットルバルブ１１の角度位置に依存している。個々のシリンダ３の排気ガス接続短管は、触媒１２の手前で合流して排気ガス管８を形成し、この中にラムダセンサ１３が取り付けられている。触媒１２は燃料の燃焼によって生じる排気ガスの浄化に役立ち、またラムダセンサ１３は排気ガス管８内の空気／燃料比を測定する。
【００３０】
内燃機関１の運転の際には、燃料が個々のシリンダ３の噴射弁９を通して対応する燃焼室４内へ噴射される。点火プラグ１０によって燃焼室３内に燃焼が生成され、これによって、ピストン２が往復運動をさせられる。この運動は、図示されていないクランクシャフトへ伝えられ、該クランクシャフトにトルクを加える。
【００３１】
制御装置１５には、センサ類を用いて測定された内燃機関１の運転パラメータを表している入力信号１６が送り込まれる。例えば、制御装置１５には、エアマスセンサ、回転数センサ、及びラムダセンサ１３が接続されている。更に、制御装置１５には、ドライバーによって操作されるアクセルペダルの位置、従ってドライバーによって求められているトルクを示す信号を発生する、アクセルペダルセンサが接続されている。制御装置１５は、アクチュエータ或いは調節器を介して内燃機関１の挙動に影響を与えることのできる出力信号１７を発生する。例えば、制御装置１５は、噴射弁９、点火プラグ１０、及びスロットルバルブ１１等と接続されており、それ等の制御のために必要な信号を発生する。
【００３２】
制御装置１５は特に、内燃機関１の運転パラメータを調整し及び／又は制御するように考えられている。例えば、噴射弁９によって燃焼室４内へ噴射される燃料量は、制御装置１５によって、特に燃料消費を少なくし及び／又は有害物質の発生を少なくするという観点から調整され及び／又は制御される。この目的のために、制御装置１５はマイクロプロセッサを備えており、該マイクロプロセッサは、記憶媒体、特にフラッシュメモリーに、上述の調整及び／又は制御を実行するのに適したコンピュータプログラムを格納している。
【００３３】
図２には、内燃機関において噴射量のシリンダ別調整のための本発明に基づく方法の一つの好ましい実施態様の流れ図が示されており、該流れ図は、３つのプロセスステップａ、ｂ、ｃを有している。
【００３４】
図２のプロセスステップａは、直交テストプランの処理を含んでいるが、該テストプランの最初の４ステップａ１からａ４までが、例として図３の表に示されている。
このテストプラン全体は、Ｎ個のステップ（図示されていない）を有し、且つ、例として選択された４気筒の内燃機関１に対応して、４つの影響値Ｚ１からＺ４までを含んでおり、これ等の影響値は、それぞれ対応する出力パラメータ Ｌ＿ａｉ（ｉ＝１、……、Ｎ）に対して作用する。
【００３５】
影響値Ｚｋ（ｋ＝１、……、４）は、シリンダｋの噴射量、即ちテストプランの枠組みの中でシリンダｋに配分される燃料量を意味している。
出力パラメータＬ＿ａｉは、十分に長い時間にわたって平均化された、排気ガス管８内のラムダセンサ１３によって測定された、直交テストプランのステップｉ（ｉ＝１、…、Ｎ）のラムダ値に対応している。
【００３６】
直交テストプランの目的は、可能な限り少ないステップで、排気ガス管８内のラムダ値と個々のシリンダ３の噴射量との間の分析的関係を調べることである。
そのために、二次回帰関数が、ラムダを噴射量の関数としてモデル化する多項式を用いて作られる。
【００３７】
４つのシリンダの噴射量の関数としての排気ガス管８内のラムダ値に関する二次回帰多項式の一部が以下に示されるが、その際に、分かり易くするために高次の項については係数Ｚ１を含んでいる項だけしか示されていない。
【００３８】
【数１】

【００３９】
未知の係数 ｂｉ（ｉ＝０、…、Ｎ）、ｂｉｊ（ｉ、ｊ＝１、…、Ｎ）、及び ｂｉｉ（ｉ＝１、…、Ｎ） を確定することができるためには、テストプランの Ｎ＋１ ステップが実行されなければならない。
【００４０】
ステップａｉは、４つのシリンダ３のための噴射量が図３に示されているパターンＺ１、Ｚ２、Ｚ３、Ｚ４に従って変化させることから成り立っている。その後で、この変化の結果として調整されるラムダ値Ｌ＿ａｉが求められる。
【００４１】
噴射量の変化は、‘＋’或いは‘−’によって象徴的に示されており、その際、‘＋’は対応するシリンダ３の噴射量の、例えば４％の増加を、また‘−’は同じ値だけの減少を表している。噴射量のこの変化に対する出力値としては、それぞれ内燃機関１の通常運転のために制御装置１５によって前もって設定されている値が用いられるものとする。
【００４２】
例えば、図３のステップａ１では、最初の３つのシリンダは９６％の噴射量しか受け取らないのに対して、第４のシリンダは１０４％の噴射量を受け取る。対応するラムダ値 Ｌ＿ａ１は、例えば、１．０３となるということが求められる。この値は、次の式から与えられる。
【００４３】
【数２】

【００４４】
分かり易くするために、次数 Ｚ・Ｚ の項は、被加数 Ｏ（Ｚ・Ｚ） にまとめられている。
上述の種類の Ｎ＋１ の方程式をもたらすテストステップのステップ数 Ｎ＋１ を十分に大きくすれば、回帰多項式の係数ｂｉ、ｂｉｊ、ｂｉｉを求めることができる。
【００４５】
通常は、幾つかの係数、特に高次の項の係数を無視することができるので、これによって計算の手間が節約される、即ち、係数を求めるために必ずしもＮ個のテストステップのすべてを実行しなければならないという訳ではない。
【００４６】
回帰多項式の係数ラムダ（Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３、Ｚ４）が分かれば、本発明に基づく調整方法の図２のプロセスステップｂで、個々のシリンダ３の噴射量のための修正値を求めることができる。この修正値は、式ラムダ （Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３、Ｚ４）＝１ の解として求められた噴射量と、制御装置１５によって前もって設定されている噴射量との差に等しい。
【００４７】
図２のプロセスステップｃでは、修正値を利用して各々のシリンダ３について制御装置１５によって前もって設定されている噴射量の調整が行われる。
この調整によって、コスト的に有利な、はるかに大きな許容差を有する噴射弁の使用が可能となる。何故なら、噴射弁の特性のずれが非常に大きい場合でもその時々の噴射量の修正値を通じて調整することができるからである。
【００４８】
調整の精度もまた、より高次の回帰多項式を選択することによって、更に引き上げることができる。さらに、回帰多項式の次数の選択は、ラムダコントローラの制御特性に応じて行われる。
【００４９】
ラムダ値の測定は、ラムダ＝０．７ から ラムダ＝４ までの間でラムダ値の連続的測定が可能な、ブロードバンドラムダセンサ１３を用いて行われる。
ラムダ値の測定はまた、特性曲線が ラムダ＝１ でジャンプをする、電圧ジャンプセンサを用いて行うこともできる。このセンサは、ラムダ値の連続的測定はできず、ラムダ≦０ から ラムダ＞０ へ、及びその反対方向への移行の測定だけが可能である。
【００５０】
そのような電圧ジャンプセンサでラムダを測定するためには、噴射量が、例えばいわゆる希薄運転の際の最初のラムダ値（ラムダ＞１）からはじめて、次のラムダジャンプが生じるまで、即ち、ラムダ＞１ から ラムダ＜１ の交替が行われるまで、高められなければならない。
【００５１】
そのために必要な噴射量の引き上げが最初のラムダ値のための尺度となる。
本発明に基づく調整方法の図２のプロセスステップｂで定められた修正値は、制御装置１５に記憶され、自動車のスタートの際に呼び出されて、噴射量の修正のために利用することができる。
【００５２】
それ等の修正値は、例えば、制御装置１５で運転パラメータの記憶のためにしばしば用いられる、ＥＥＰＲＯＭメモリに格納することができる。
この調整方法の最初の実施は、自動車の製造直後に行うことができる。また、噴射システムの短期的な変化を調整の際に考慮することができるようにするために、この調整方法を走行運転中に或いはメンテナンスの際に周期的に実施することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明に基づく内燃機関の一つの実施例の概略ブロック図を示す。
【図２】本発明に基づく方法の一つの好ましい実施態様の流れ図を示す。
【図３】４つの影響パラメータを有する直交テストプランの一部を示す。

Claims (11)

1. 燃料が内燃機関（１）のシリンダ（３）へ噴射され、その際、個々のシリンダ（３）内へ噴射される燃料量が調整され、且つ内燃機関の排気管（８）内のラムダ値が求められる、内燃機関（１）、特に自動車の内燃機関の運転方法において、
   ａ）制御装置（１５）によって前もって設定されている噴射量が直交テストプランに従って、個々のシリンダ（３）について変化され、且つ直交テストプランの個々のステップの後で、排気ガスのラムダ値が求められること、
   ｂ）直交テストプランの終了後、求められたラムダ値から、個々のシリンダ（３）の噴射量のための修正値が確定されること、及び
   ｃ）修正値が、制御装置（１５）によって前もって設定されている噴射量の調整のために使用されること、
   を特徴とする内燃機関の運転方法。
2. 修正値が、制御装置（１５）に格納され、自動車のスタート時に呼び出され、且つ内燃機関（１）の運転のために利用されることを特徴とする請求項１に記載の運転方法。
3. 修正値が、自動車の製造の直後に求められることを特徴とする請求項１または２に記載の運転方法。
4. 修正値が、走行運転中に周期的に求められる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運転方法。
5. ブロードバンドラムダセンサ（１３）が使用されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の運転方法。
6. 電圧ジャンプセンサ（１３）が使用さ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運転方法。
7. 直交テストプランの基礎となっている回帰多項式の次数が、ラムダ値に応じて選択され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運転方法。
8. 内燃機関（１）、特に自動車の内燃機関の制御装置（１５）のためのコンピュータプログラムにおいて、請求項１ないし７のいずれかに記載の運転方法を実施するのに適していることを特徴とするコンピュータプログラム。
9. フラッシュ或いは読出し専用メモリー（ＲＯＭ）のような電気的な記憶媒体に格納されていることを特徴とする請求項８に記載のコンピュータプログラム。
10. 燃料を内燃機関（１）のシリンダ（３）へ噴射可能であり、個々のシリンダ（３）へ噴射される燃料量を調整可能であり、且つ内燃機関（１）の排気ガス管（８）内のラムダ値を求めることが可能である、内燃機関（１）、特に自動車の内燃機関の制御装置において、
    制御装置（１５）によって、前もって設定されている噴射量を直交テストプランに従って変化させることができること、直交テストプランの個々のステップの後で、排気ガスのラムダ値を求めることができること、直交テストプランの終了後、求められたラムダ値から個々のシリンダ（３）の噴射量のための修正値を確定することができること、及び修正値を、制御装置（１５）によって前もって設定されている噴射量の調整のために、援用することができること、
    を特徴とする内燃機関の制御装置。
11. 燃料を内燃機関（１）のシリンダ（３）へ噴射可能であり、個々のシリンダ（３）へ噴射される燃料量を調整可能であり、且つ内燃機関（１）の排気ガス管（８）内のラムダ値を求めることが可能である、内燃機関（１）、特に自動車の内燃機関において、
    制御装置（１５）によって、前もって設定されている噴射量を直交テストプランに従って変化させることができること、直交テストプランの個々のステップの後で、排気ガスのラムダ値を求めることができること、直交テストプランの終了後、求められたラムダ値から個々のシリンダ（３）の噴射量のための修正値を確定することができること、及び修正値を、制御装置（１５）によって前もって設定されている噴射量の調整のために、援用することができること、
    を特徴とする内燃機関（１）。

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