JP2005534863A - 燃料量をトルクに変換する方法 - Google Patents

Abstract

内燃機関で燃料量（ＭＦ）をトルク（ＴＱ）に変換する方法において、変換の前に瞬時の動作点で、内燃機関の作用効率（Ｈ）を実際トルク（ＴＱ）と実際燃料量（ＭＦ）の比として検出し、求める目標トルクを前記作用効率（Ｈ）と目標燃料量（ＭＦ）とから検出する。

Description

本発明は、内燃機関において目標燃料量を目標トルクに変換する方法に関する。

内燃機関ではますますトルクに基づく（トルクベースの）制御構造が使用されている。このような制御構造は、内燃機関に課せられる出力要求全体をトルク要求の形態で処理し、このトルク要求を動作点に依存して適切に全体トルクに結合し、そこから燃料量に対する値を形成する。そしてこの燃料量が内燃機関に、要求された動作を遂行するため、すなわちトルク要求を満たすために供給される。燃料量は例えばディーゼル内燃機関の場合は、噴射装置によって内燃機関の燃焼室に噴射されるべき燃料量である。

このようなトルクベースの制御構造は、内燃機関への出力要求についてのさらなる機能性を簡単に組み込みことができるという利点を有する。例えば内燃機関をエアコン装置の動作に適合すべき場合、単にエアコン装置により課せられるトルク要求を付加的に、トルクベースの制御構造での全体トルク形成の際に考慮すればよい。従って前記の制御構造は、制御システムを所与の内燃機関モデルに適合する際に大きなフレキシビリティを提供する。

これが当てはまるのは、トルクベースの制御構造の末端に存在する全体トルクを燃料供給に対するパラメータ、とりわけ噴射システムを制御するためのパラメータに変換することは内燃機関固有のものだからである。ここではそれぞれの動作点に対するトルク要求から最適の燃料量を検出する特性マップを使用するのが普通である。なぜなら、このパラメータはこれまで噴射システムにおいて変化すべきただ１つのパラメータだったからである。ここで使用される特性マップはそれが中央の関数であるのでメイン特性マップとも称される。

圧力リザーバから供給され、十分に自由に制御することのできるインジェクタを使用する噴射装置の登場と共に、噴射量だけでなく、個別の燃焼過程に対してほぼ自由に選択可能な噴射過程の変化も使用することができるようになった。しかし大きな自由度を有するこのような噴射システムを制御するためにはこれまでのメイン特性マップでは十分ではなく、複雑に結合された特性マップセットが使用される。

要求される全体トルクを燃料量に変換することがますます複雑になることから相応して、燃料量をトルクに変換することもますます困難になるという問題が生じる。前記の形式の方法で要求されるこのような変換は、燃料量限界値、例えば噴射システムにより吐出することのできる最大燃料量を目標トルクに変換し、これを通常のトルクベースの制御構造で考慮することができるようにする場合に必要となる。動作時にしばしばトルクに変換しなければならない燃料量限界値に対する例は、現代のディーゼル内燃機関に対する標準であるスモーク制限機能で見られる。このような機能は動作パラメータに依存して最大燃料量を出力する。この最大燃料量は、不所望のスモーク形成を回避するため越えてはならない。このような機能をトルクベースの制御構造に組み込むためには、目標燃料量を目標トルクに変換しなければならない。

従来技術ではこのことは、メイン特性マップに対して反転された特性マップによって行われている。前記のようにメイン特性マップの複雑性がますます増大すると共に、このような反転にも大きなコストがかかり、また制限されたものとなる。

従って本発明の課題は、冒頭に述べた形式の方法を改善し、燃料量のトルクへの変換を計算コストを節約して行い、とりわけ反転メイン特性マップが必要ないようにすることである。

この課題は本発明により、変換前に瞬時の時点で、内燃機関の作用効率を実際トルクと実際燃料量との比として検出し、目標トルクを前記作用効率と目標燃料量とから検出することにより解決される。

本発明のコンセプトでは、トルクベースの制御構造で行われるトルクの燃料量への変換を反転形態で実行するのではなく、その代わりに内燃機関の作用効率の検出を用いる。ここで作用効率とはトルクと燃料量との比であると理解されたい。すなわち内燃機関から出力される出力を考慮しない。瞬時の動作点で存在するこの作用効率に基づいて、燃料量をトルクに簡単に変換することができ、特性マップに基づく変換を参照する必要がない。このことによりこのような特性マップに対するメモリスペースが低減される。同時に変換時間ないしこれに属する計算コストが減少する。

最も簡単な場合作用効率は、最後の噴射時点で出力されたトルクを、このときに内燃機関に供給された燃料量により割算することで計算できる。この計算方法は、これまで存在した作用効率から次の計算時点での作用効率を推定する形で作用効率を外挿すると簡素化できる。もちろん任意の外挿方法が本発明に適する。従って目標トルクを検出するのに作用効率の外挿を使用すると有利である。外挿は通常、線形外挿であると特に簡単に実行できる。

線形外挿は、これが外挿関数の経過中で、すなわち効率曲線の経過中で、曲線の線形近似の有効領域内で移動する場合に良好な結果を提供する。すなわち外挿は、作用効率が線形経過から比較的僅かしか変化しない領域にわたってのみ実行することができる。

しかし内燃機関の作用効率は供給される燃料量に依存して（および動作温度等の別の動作パラメータに依存して）変化するから、最後に噴射で供給された燃料量から大きく異なる燃料量を変換しなければならない場合もあり、このような場合ではこの簡単な計算方法ではエラーのある値が生じてしまう。通常内燃機関で作用効率は、少ない燃料質量から中程度の燃料質量に向かって上昇し、それから再び下降する。内燃機関が少量の燃料で駆動されているときに、高い燃料質量に対するトルクが計算されるとすると、前記の計算スキームでは許容できない誤差が発生することがある。

このような場合に対しては、作用効率を検出するために、トルクと燃料量との最大比を燃料量の関数として指示する作用効率曲線を使用すると有利である。このような曲線によって、目標燃料量に対する目標トルクの正確な検出が可能である。これは例えば、作用効率を瞬時の燃料質量について計算し、これに適合する作用効率曲線を選択することにより行われる。適切な作用効率曲線の選択により、燃料質量以外の内燃機関のパラメータも考慮される。これは例えば内燃機関の回転数、動作温度、充填装置（ターボラーダー）の位置、吸気温度、周囲空気温度、燃料品質等である。

適切な作用効率曲線を選択する代わりに、所定の標準駆動条件を前提とする標準作用効率曲線により処理することもできる。この簡素化により、燃料量をトルクに変換するためのメモリスペースがさらに減少される。

この簡素変形実施例での変換精度を向上させるため、さらに付加的に瞬時の動作点で、実際トルクと実際燃料量との比を（標準駆動条件に当てはまる）作用効率曲線により指示される作用効率と比較し、この比較結果に依存して作用効率曲線を変形することができる。これにより目標トルクの検出が変形された作用効率曲線によって行われる。このアプローチは、所望の目標燃料量についての目標トルクの検出が非常に正確であるという利点と、ただ１つの作用効率曲線をメモリに維持すればよいという利点とを組み合わせるものである。

この変形の際には多種多様の操作を作用効率曲線で実行することができる。これは例えば燃料質量に依存する係数による乗算である。特に簡単で驚くほど精確であるのは、比較の際に計算された作用効率と指示された作用効率との差を形成し、変形の際の作用効率曲線をちょうどこの差だけシフトするのである。ここで基礎となる前提は、標準駆動条件から偏差する動作パラメータは実質的に作用効率曲線をシフトさせることである。この前提は通常の適用に対して適していることが判明した。

前記の外挿アプローチと作用効率曲線の使用との組合せでは、実際燃料量が変換すべき目標燃料量から僅かしか異ならない場合、常に外挿が使用される。差が所定の閾値を越えれば、外挿ではエラーが生じるので、作用効率曲線が使用される。この組合せは高い精度を以て計算コストを簡素化して節約する。従って本発明の方法の改善形態では、実際燃料量と目標燃料量との差が所定の閾値以下のときは目標トルクの検出のために外挿が実行され、それ以外の場合は目標トルクの検出のために（変形された）作用効率曲線が形成され、使用される。

頻繁に目標燃料量を目標トルクに変換しなければならない適用事例はすでに述べたようにディーゼル機関のスモーク制限機能の場合である。そこでは本発明の方法が特に有利に使用される。従って目標燃料量が、内燃機関の所定のスモーク特性により定められた、動作点に依存する最大燃料量であると有利であり、この燃料量を上回ると動作点では許容できないスモークが内燃機関により形成されることとなる。

本発明を以下、図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、目標燃料量を目標トルクに変換するトルクベースの制御構造に対するブロック回路図である。
図２は、図１の変換の択一的実施例である。
図３は、目標燃料量を目標トルクに変換する際に使用されるトルク曲線図である。
図４は、目標燃料量を目標トルクに変換するための作用効率の外挿経過である。

図１にはブロック回路図として、内燃機関に供給すべき燃料量を検出するためのトルクベースの制御構造が示されている。ここでトルクベースの制御構造１は種々の入力量から燃料質量ＭＦを検出し、これはディーゼル機関の噴射装置に対するパラメータである。ここではトルクベースの制御構造１は燃料質量ＭＦの値を指示するだけでなく、この燃料質量をどのように所定の噴射経過により出力すべきか、すなわち燃料質量ＭＦを予噴射、主噴射、後噴射にどのように分配すべきかを指示する。

トルクベースの制御構造１はコアエレメントとしてトルク計算ユニット２を有する。この計算ユニットは種々異なる入力量から全体トルクＴＱを計算し、この全体トルクが内燃機関に要求される。トルク計算ユニット２の入力量は実質的にトルク要求を含み、このトルク要求はトルク計算ユニット２に同様に入力される動作パラメータＰに依存して適切に結合される。このようなトルク計算ユニット２の構造および機能は当業者には公知である。

トルク計算ユニット２から出力されたトルクＴＱに対する値はメイン特性マップ３で、燃料質量ＭＦに対する値、並びに噴射経過を制御するための上記パラメータに変換される。トルクベースの制御構造１が内燃機関モデルに適用される場合、メイン特性マップ３を相応に適合すればよい。なぜならここでは、内燃機関モデルの機関的条件だけが調整されるからである。

トルク計算ユニット２は入力側で種々のトルク要求を処理する。これはとりわけアクセルペダルセンサ４から発するトルク要求ＴＱ−ＤＲＶであり、これは内燃機関の装備された車両の運転者により要求されたトルクである。さらにトルク計算ユニット２は外部トルク要求５を考慮する。これは図１のブロック回路図にはトルク要求ＴＱ−ＥＸＴの形でトルク計算ユニット２に入力される。このような外部トルク要求５は例えば外部の負荷消費、例えばエアコン装置である。速度制御装置も外部トルク要求５に対する例である。

トルクベースの制御構造１のコンセプトは、トルク計算ユニット２にはもっぱらトルク要求だけが供給されるということである。しかしトルク要求を指示するのではなく、燃料質量限界値を指示する個々の機能も存在する。これは例えばスモーク制限ユニット６またはトルク制限ユニット７である。これらは燃料質量に対して２つの値を出力し、これらの値を（瞬時の動作点で）排ガス技術的にまたは機関条件的に上回ってはならない。これらのユニットから出力される燃料質量限界値ＭＦ−ＳＭとＭＦ−ＴＱを単純にトルク計算ユニット２に供給することはできない。なぜなら、燃料質量に対するこれらの値を処理できないからである。従って必然的に、これらの燃料質量限界値をトルク限界値に変換しなければならない。この変換のために、図１のトルクベースの制御構造では作用効率計算モジュール８が設けられている。この作用効率計算モジュールは、メイン特性マップ３から出力された燃料質量ＭＦに対する値、およびトルク計算ユニット２から出力された、トルクＴＱに対する値を受け取る。作用効率計算モジュール８は後で説明するようにして、これら２つの値、すなわちトルクＴＱと燃料質量ＭＦを作用効率Ｈに変換する。この作用効率は乗算器９での単純な乗算により、燃料質量限界値ＭＦ−ＳＭないしＭＦ−ＴＱを相応のトルク限界値ＴＱ−ＳＭないしＴＱ−ＭＡＸに変換することができる。これらはトルク計算ユニットに供給することができ、スモーク制限ユニット６とトルク制限ユニット７の機能をトルクベースの制御構造１で簡単に考慮することができる。スモーク制限ユニット６とトルク制限ユニット７は図１のブロック回路図では燃料質量値を出力する機能に対する例として示されている。

図２は、作用効率計算モジュール８の可能な実現例をブロック回路図として詳細に示す。このモジュールはまず、乗算器１０でトルクＴＱと燃料質量ＭＦの比を計算し、これを作用効率Ｈとして出力する。続いて遅延素子１１で計算クロックだけ遅延される。その結果、遅延素子１の出力側には１つ前の計算クロックでの作用効率が存在する。これは図２には括弧書き（ｎ−１）により示されている。

この作用効率Ｈにより乗算器９では、燃料質量限界値ＭＦ−ＳＭとＭＦ−ＴＱの形態の目標燃料量がトルク限界値ＴＱ−ＳＭとＴＱ−ＭＡＸの形態の目標トルク値に変換される。図２のブロック回路図で基礎となる、作用効率計算モジュール８の実現コンセプトは、先行の計算サイクルからの作用効率を、目標燃料質量を目標トルクに変換するために使用することである。

しかし作用効率計算モジュール８は上記以外の手段で実現することもでき、図３に示すような作用効率曲線１２に基づくことができる。図３の作用効率曲線１２は、トルクＴＱと燃料質量ＭＦとの比を燃料質量ＭＦ上に示すものであり、最大作用効率Ｈを指示する。この作用効率には内燃機関がそれぞれの燃料質量の下で到達することができる。作用効率Ｈはもちろん内燃機関の動作パラメータ（内燃機関の動作温度が重要な影響量である）にも依存するから、作用効率曲線１２は所定の標準動作パラメータに対してだけ当てはまるものである。この動作パラメータを外れると、作用効率は同じ燃料質量の下では通常は低下する。しかし標準動作パラメータから偏差する動作条件の所定の領域に対しては作用効率が上昇することも考えられる。

作用効率計算モジュールが時点（１）で、作用効率を検出するために燃料質量ＭＦ（１）に対する値を受け取ると、まず瞬時のトルクＴＱ（１）において存在する作用効率Ｈ（ＭＦ（１））＝ＴＱ（１）／ＭＦ（１）が作用効率曲線１２上にあるか否かを検査する。そのために作用効率計算モジュール８は、燃料質量ＭＦ（１）についての作用効率Ｈを曲線１２から求め、計算した値と比較する。生じた差は作用効率曲線１２をシフト１３し、変形された作用効率曲線１４を形成するのに使用される。

このようにして得られ、シフト１３だけ移動された作用効率曲線１４によって、燃料質量値ＭＦ−ＳＭ（１）についての作用効率を簡単に求めることができる。この燃料質量値ＭＦ−ＳＭ（１）はスモーク制限ユニット６により瞬時の動作点に対して出力された値である。図３は、シフト１３に基づいてここで得られた作用効率Ｈ（ＭＦ−ＳＭ（１））が元の作用効率曲線１２により得られるであろうものから偏差していることを明瞭に示している。作用効率曲線１２を変形するのと択一的に、変形されない作用効率曲線１２が燃料質量限界値ＭＦ−ＳＭ（１）について指示する作用効率Ｈにシフト１３を直接適用することもできる。

このようにして求められた作用効率８は乗算器９で所望のトルク限界値ＴＱ−ＳＭを検出するために使用される。同様の方法が、トルク制限ユニット７から出力される燃料質量限界値ＭＦ−ＴＱに対しても適用される。

図３に示したアプローチは作用効率計算モジュール８で作用効率曲線１２を使用するが、このことはとりわけトルクベースの制御構造１が内燃機関に対して実行する瞬時の時点ＭＦ（１）での燃料質量が燃料質量限界値ＭＦ−ＳＭないしＭＦ−ＴＱから大きく偏差する場合に有利である。このような場合には、この燃料質量限界値において瞬時の動作点と同じ作用効率が当てはまると仮定することは、トルク限界値の検出の際に許容できない誤差を引き起こすからである。

燃料質量ＭＦ（１）に対する瞬時値と燃料質量限界値との差が僅かであれば、とりわけ所定の閾値以下であれば、作用効率計算モジュール８は作用効率曲線１２に基づくのではなく、その代わりに外挿を使用することができる。この場合、瞬時の時点で燃料質量ＭＦ（１）と瞬時トルクＴＱ（１）から作用効率Ｈ（ＭＦ（１））が検出される。後続の計算クロック（２）で同じことを次に存在する燃料質量ＭＦ（２）とトルクＴＱ（２）に対して行う。ここで得られた作用効率（作用効率Ｈ（ＭＦ（２））が存在する）と燃料質量の変化は、図４に外挿直線１５により示された外挿に使用される。従って瞬時の燃料質量ＭＦに対する値と瞬時の燃料質量限界値（例えばＭＦ−ＳＭ）との間隔が所定の閾値より小さいことに基づいて、図４に破線で示したような作用効率曲線１２の線形近似が可能である。外挿によって外挿直線１５上で燃料質量限界値（例えばＭＦ−ＳＭ（２））について存在する作用効率Ｈが得られる。この作用効率は次に作用効率計算モジュール８から出力され、乗算器９で使用される。

図１は、目標燃料量を目標トルクに変換するトルクベースの制御構造に対するブロック回路図である。 図２は、図１の変換の択一的実施例である。 図３は、目標燃料量を目標トルクに変換する際に使用されるトルク曲線図である。 図４は、目標燃料量を目標トルクに変換するための作用効率の外挿経過である。

Claims (7)

1. 内燃機関で目標燃料量を目標トルクに変換する方法において、
   変換の前に瞬時の動作点で、内燃機関の作用効率を実際トルクと実際燃料量の比として検出し、
   目標トルクを前記作用効率と目標燃料量とから検出する、ことを特徴とする方法。
2. 目標トルクを検出するために作用効率の外挿を使用する、請求項１記載の方法。
3. 作用効率を検出するために、トルクと燃料量との最大比を燃料量の関数として示す作用効率曲線を使用する、請求項１記載の方法。
4. 瞬時の動作点で実際トルクと実際燃料量との比を計算し、
   該比を作用効率曲線により指示された作用効率と比較し、
   比較結果に依存して作用効率曲線を変形し、
   目標トルクの検出を変形された作用効率曲線によって行う、請求項３記載の方法。
5. 比較の際に、計算された作用効率と指示された作用効率との差を形成し、
   変形の際に作用効率曲線を当該差だけシフトする、請求項４記載の方法。
6. 目標トルクを検出するために、実際燃料量と目標燃料量との差が所定の閾値以下である場合に外挿を実行し、
   それ以外の場合は目標トルクの検出に変形された作用効率曲線を形成し、これを使用する、請求項２および４、または２または４記載の方法。
7. 目標燃料量は、内燃機関の所定のスモーク特性により定められた、動作点に依存する最大燃料量である、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。

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