JP2006522889A - 内燃機関の制御方法 - Google Patents

Abstract

本発明による方法では、吸入された空気質量を確実に求めるため、シリンダから流出した残留ガスを考慮する。こうするため、吸入された空気質量の吸気圧に対する依存性が３つの領域に下位分割される。これらの領域のうち中間の領域は、吸入された空気質量の吸気圧に対する非線形の依存関係としてモデル化される。

Description

本発明は、少なくとも１つのシリンダを有する吸気系統と、排ガス系統と、該シリンダに配属された吸気弁および排気弁とを有する内燃機関の制御方法に関する。

内燃機関では、吸気弁の開口時に、残留ガスが吸気系統へ逆流する。したがって、シリンダに充填するためのフレッシュエアは、ある程度の割合の残留ガスを含んでおり、フレッシュエア質量を計算する際にこの残留ガスの割合を考慮しなければならない。

ＤＥ１９８４４０８５Ｃ１から、内燃機関を排ガス圧に依存して制御するための方法が公知である。この方法は、吸気系統内の吸気管圧とシリンダへの空気質量流とを、モデルを使用して計算するステップを含んでいる。バルブオーバラップ時の中間的な排ガス圧に対しては補正係数が設けられ、この補正係数はバルブラップの重心角度に依存する。

ＥＰ１０３００４２Ａ２からは、ノンスロットル型の内燃機関にてシリンダ充填を検出するための方法が公知である。この方法では、上死点の前に吸気ダクト内へ逆流された残留ガスが、吸気過程後に初めて再び吸入されることが考慮される。いわゆる生長モデルを前提とする場合、上死点前に存在する吸気弁面積が２倍になり、最大バルブ開口面積から差し引かれる。

本発明の課題は、内燃機関の次のような制御方法を提供することである。すなわち、フレッシュエア質量を検出する際に、特にバルブオーバラップ時に、吸気系統内へ逆流する残留ガスを簡単な手段によって確実に考慮する制御方法を提供することである。

本発明では、前記課題は請求項１に記載された特徴を有する方法によって解決される。有利な構成は、従属請求項に記載されている。

本発明の方法では、吸気管絶対圧に対して２つの臨界値が設けられている。これらの２つの重要な値では、モデルで計算および記録されたフレッシュエア質量が依存関係で変化する。比較的小さな第１の臨界値を下回る場合、記録されたフレッシュエア質量は、吸気管圧に比例するとして検出される。吸気管圧が高いほど、記録されたフレッシュエア質量は大きくなる。第２の吸気管圧の臨界値を上回る場合、記録されたフレッシュエア質量は再び、吸気管圧に対して比例することが前提とされる。さらにこの領域では、この比例関係から得られたフレッシュエア質量に、一定の値が加算される。この比例係数は、ここでは等しいかまたは異なる。臨界値間の過渡領域では、記録されたフレッシュエア質量は非線形として、吸気管圧に依存してモデル化される。本発明の方法では、記録されたフレッシュエアの吸気管圧に対する依存性は２つの線形の部分に下位分割され、これらの２つの線形の部分の間には、非線形の経過が設けられている。

有利な構成では、流入する空気流質量は中間領域では、吸気管圧および排気ガス逆圧から得られた商に依存して求められる。この依存関係の基礎となっているのは、流入するフレッシュエアと流出する残留ガスは吸気弁において、スロットル位置と同様の特性を有し、それによって流量が実質的に圧力の商に依存するという考察である。この商に依存する値は有利には、回転数およびバルブオーバラップに依存する係数によって乗算される。

さらに過渡領域に関しては、非線形の経過をバルブオーバラップおよび機関回転数に依存して決定することが有利であると判明した。

本発明による方法の有利な発展形態では、流入する空気質量と吸気管圧との間の比例係数は、吸気弁の閉鎖時のクランクシャフトの回転数および／または位置に依存するように構成されている。線形領域間の移行をモデル化するためには、本発明による方法の発展形態では、第１の定数および第２の定数を設けることが特に有利であることが判明した。両定数は回転数に依存し、第１の定数はバルブオーバラップに対する値に依存し、第２の定数は吸気弁の閉鎖時のクランクシャフトの位置に依存する。

本発明による方法の有利な発展形態では付加的に、シリンダへ流入するフレッシュエア質量を求めるために、吸気管内の流速に依存する圧力損失が考慮される。空気質量に対するこの補正項の基礎となっているのは、大きな流速で吸気管を通流する空気質量が受ける圧力損失は、流速の２乗に増加するという考察である。この関係は、理想的な液体に対してベルヌーイの数式によって表される。

本発明を変更するためには、流速に依存する圧力損失を、制御装置に格納された１つまたは複数の変数に依存して考慮することが有利であると判明した。ここでは有利には、スワールフラップのジオメトリ、管抵抗、位置、バルブストローク等が考慮される。

以下で本発明による方法を、有利な実施例で詳細に説明する。

図面
図１ 内燃機関の概略図である。

図２ シリンダに流入する空気質量を吸気管圧に依存して経過する様子を示している。

図３ 本発明による方法のブロック回路図である。

図１は内燃機関１０を示しており、この内燃機関１０は、たとえばシリンダを有する。もちろん本発明の方法は、１つより多くのシリンダを有する内燃機関でも使用することができる。吸気系統１２を介して、フレッシュエアが吸入される。このフレッシュエアから、温度センサ１４を介して温度が検出される。流入する空気質量は、たとえば空気質量センサ１６によって測定される。空気質量センサの代わりに、圧力センサを負荷センサとして設けることもできる。この圧力センサは、スロットルフラップと吸気弁との間に位置づけされる。スロットルフラップ１８によって、吸入系統への空気質量流が制御される。調整を改善するため、センサ２０によってスロットルフラップの角度位置が測定される。

吸気弁２２を介して、フレッシュエアはシリンダ内室２４へ流入する。

シリンダ２６は概略的に示されており、コネクティングロッド３０を有するピストン２８を有する。このコネクティングロッド３０によって、クランクシャフト３２が駆動される。クランクシャフト３２の回転数は、回転数センサ３４によって検出される。

燃料噴射は、これらの図面では詳細に図示されていない。噴射された燃料は、点火装置３６を介して点火される。点火後、残留ガスが吸気弁３８を介して排ガス系統４０へ排出される。排ガス系統ではラムダセンサ４２が、排ガスに含まれている酸素含有量を測定する。

内燃機関は機関制御部４４によって制御される。機関制御部４４には入力量として、回転数、スロットルフラップ角度、酸素含有量、および吸入されたフレッシュエアの周辺温度が印加される。さらに、吸入されたフレッシュエアの測定された値も印加される。

図２は、シリンダへ流入する空気質量流に対するモデル設定が、吸気管内の圧力に依存して示されている。吸気管内の圧力が第１の臨界圧力Ｐ１より小さい場合、吸入された空気質量流は吸気圧に対して比例するとしてモデル化される。セットされたゼロ点が軸に沿っていると考えると、シリンダ内の空気質量流は、ある程度の最小吸気圧から初めて開始することが見て取れる。

第２の臨界圧力Ｐ２を上回ると、吸入された空気質量は再び、吸気圧に対して比例的であるとして検出される。ここでは、空気質量流を追跡する直線は、本来の直線に対して絶対値ＯＦＦ２だけずれている。これらの直線は必ずしも平行である必要はなく、異なる傾斜を有することもできる。圧力Ｐ１と圧力Ｐ２との間の過渡領域には非線形の特性が現れ、この非線形の特性はＰＳＩ機能の形態で、吸気圧対排ガス圧の商に依存する。オフセットＯＦＦ２の値は、回転数と、バルブオーバラップＶＯと、吸気管絶対圧および排ガス圧からの商とに依存する。

シリンダ内室２４へ流入する空気質量に対する従来の計算と異なり、本発明の方法では、オーバラップのフェーズ中に逆流する残留ガスが質量平衡状態にあることを考慮する。吸気弁の開口時に逆流するこの割合に関しては、バルブ制御時間、および吸気圧と排ガス逆圧との間の比が重要である。この排ガス逆圧はこの時点では、燃焼室圧にほぼ相応する。またここでは、これらの条件が存在する時間も重要である。

図３は、本発明による方法のブロック回路図である。このブロック回路図を詳細に説明する前に、該ブロック回路図の基礎となっている物理的なモデルを説明しなければならない。

シリンダ内の質量流は一般的には、回転数、吸気系統Ｐ_ｉｍ内の圧力、吸気弁ＥＳの閉鎖時のカムシャフト位置、および排気弁ＡＳの閉鎖時のカムシャフト位置の関数である。この複雑な依存関係を、内燃機関の制御に適するようにパラメータ化するためには、以下の定式化が特に有利であることが判明した。

この定式化では、回転数Ｎと、測定量として吸気管絶対圧Ｐ_ｉｍおよび排ガス逆圧Ｐ_ｅｘとが測定量として使用されるか、または機関制御部によってモデル値として計算される。ＶＯはバルブオーバラップを示しており、カムシャフト位置が測定されるか、またはモデルで計算される。

この定式化では、個々の値は特性マップに格納されており、ｄｍ_{ｃｙｌ，０}／ｄｔおよびＰ_ｉｍの後続の計算のために使用される。特性曲線の経過は、内燃機関に対して網羅的な測定法（Rastervermessung）によって検出されるか、または所定の運転点を目的に沿って選択することにより、たとえば実験計画法（ＤＯＥ（Design of Experiments））により検出される。

傾斜η_ｓ（Ｎ，ＥＳ）と一定のη_０１（Ｎ，ＶＯ）およびη_０２（Ｎ，ＡＳ）とを計算する際、基本的には、低い吸気管絶対圧から中程度の吸気管絶対圧までが考慮される。シリンダ内の空気質量流のこの優勢な成分から、次のものが成り立つ。

低い吸気管絶対圧では、排ガス逆圧に対する差は最大であるため、この条件下では最大量の残留ガスが吸気ダクト内へ逆流される。したがってその結果として、負荷変化の終了まで、燃焼室に到達するフレッシュエアは少なくなる。

総体的に吸気ダクトへ逆流される質量に与える影響が著しいのは、バルブ制御時間および圧力比の他に、使用される時間でもある。したがって、この作用が低い回転数で何故特に顕著であるかということも説明できる。

傾斜およびずれに対する既知の係数によって、吸入されたフレッシュエアを、第１の臨界量Ｐ１まで良好に計算することができる。吸気管圧が上昇すると、実際に機関によって吸入されたフレッシュエアと、計算されたフレッシュエア負荷に対する上記の線形の依存関係との間のずれがますます拡大する。この原因は、吸気管絶対圧が上昇すると、吸入管と排ガス系統との間の圧力差が低減することにある。このずれは、以下の記述によって考慮される：

これらの値を検出するためには、シリンダへ流入する空気質量流が測定され、上昇した吸気管絶対圧に対する適合が行われる。

特性曲線が一度検出され、制御部に格納されると、吸気圧およびシリンダ内の空気質量流が計算される。図３に示されたように、制御部４６のモジュール４８で定数η_０１（Ｎ，ＶＯ）およびη_０２（Ｎ，ＥＣ）が求められる。さらに、傾斜η_ｓ（Ｎ，ＩＣ）も計算される。ここでは、ＩＣは吸気弁の閉鎖時の角度位置を示しており、ＥＣは排気弁の閉鎖時の角度位置を示しており、ＶＯ６６はバルブオーバラップを示している。吸気弁および排気弁を閉鎖するための角度位置、および角度オーバラップＶＯ６６は、制御モジュール４８へ入力量５０として印加される。さらに、吸気系統からのガス温度５２も印加される。周辺圧力ｐ_ａｍｂ５４もまた、回転数５６と同様に考慮される。直前のステップで求められた、流入する空気質量５８および吸気領域６０内の圧力の値もまた、モジュール４８に印加される。非線形の過渡領域を検出するため、セクション６２において、吸気系統内の圧力と排気系統内の圧力との商に依存する項が求められる。ここでは入力量として、排気系統内の圧力６４および先行のステップのモデルによって計算された吸気系統内の圧力６０が印加される。同様に、先行のステップで計算されたシリンダ内の質量流の値５８もまた、ユニット６２に印加される。

ブロック６８では、前記のようにして求められた量から、シリンダ内の空気質量流に対する新たな値と、吸気系統内の圧力に対する新たな値とが計算される。ここでは付加的に、セグメント７０に対する時間が考慮される。この時間は、先行のステップ７２にて計算される。さらに、排ガス逆流が発生した場合には、排ガス逆流に由来する質量流ｄｍ_ＥＧＲ／ｄｔ７４も考慮される。スロットルフラップ角度７６を使用して、吸気系統における縮小された断面積７８が求められ、流速が大きい場合には直ちに、速度に依存する流動損失が考慮される。吸気系統内のガス密度を求めるためには、これに吸入系統内のガス温度８０も印加される。

内燃機関の概略図である。

シリンダに流入する空気質量を吸入管圧に依存して経過する様子を示している。

本発明による方法のブロック回路図である。

Claims (9)

1. 内燃機関の制御方法であって、
   吸気系統と、少なくとも１つのシリンダと、排ガス系統（４０）と、該シリンダ（２６）に配属された吸気弁（３２）および排気弁（３８）とが設けられている形式の方法において、
   計算する際、シリンダに流入するフレッシュエア質量（ＭＡＦ）は、吸気管圧（ＭＡＰ）の第１の臨界値（Ｐ１）までは吸気管圧に対して比例しており、吸気管圧（ＭＡＰ）の第２の臨界値（Ｐ２）からは、空気質量定数（ＯＦＦ２）が加算された吸気管圧に対して比例しており、吸気管圧の前記２つの臨界値間の過渡領域では、非線形に経過することを特徴とする制御方法。
2. 前記過渡領域では、流入する空気質量を付加的に、吸気管圧と排ガス逆圧との商に依存して検出する、請求項１記載の制御方法。
3. 前記商に依存する値を、回転数（５６）とバルブオーバラップ（６６）とに依存する係数によって乗算する、請求項２記載の制御方法。
4. 前記過渡領域では、流入する空気質量をバルブオーバラップと機関回転数とに依存して検出する、請求項１から３までのいずれか１項記載の制御方法。
5. 流入するフレッシュエア質量と吸気管圧との間の比例係数は、吸気弁（ＥＳ）の閉鎖時のクランクシャフトの回転数および／または位置に依存する、請求項１から４までのいずれか１項記載の制御方法。
6. 空気質量定数は、回転数（Ｎ）とバルブオーバラップ（ＶＯ）の値とに依存する値を有する第１の定数（η_０１）を有している、請求項１から５までのいずれか１項記載の制御方法。
7. 空気質量定数は、排気弁（ＡＳ）の閉鎖時のクランクシャフトの回転数（Ｎ）および位置に依存する値を有する第２の定数（η_０２）を有している、請求項６記載の制御方法。
8. シリンダに流入するフレッシュエア質量（ＭＡＦ）に関して付加的に、吸気管内の流速に依存する圧力損失を考慮する、請求項１から７までのいずれか１項記載の制御方法。
9. 前記流速に依存する圧力損失を、制御装置内に格納された１つまたは複数の変数に依存して求める、請求項８記載の制御方法。

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