JP2008014312A - 内燃機関の運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の回転規則性および内燃機関のエミッション特性を改善する内燃機関の運転方法を提供する。
【解決手段】空気充填量および燃料量がそれぞれシリンダごとに調節可能である内燃機関（１０）の運転方法において、第１のステップ（４６）において、少なくともほとんど絞りなしの給気状態で、個々のシリンダ（１４）内の燃料／空気混合物が少なくともほぼ同じであるように、燃料量がシリンダごとに調節され、第２のステップ（５２）において、個々のシリンダ（１４）が少なくともほぼ同じトルクを提供するように、空気充填量がシリンダごとに調節される。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の運転方法に関するものである。本発明の対象は、さらに、コンピュータ・プログラム、電子記憶媒体並びに制御装置である。

ドイツ特許公開第１０３３９２５１号から、内燃機関のリーン運転においてシリンダの均等化が既知であり、また内燃機関の均質燃焼運転においてシリンダごとのλ制御が実行される方法が既知である。シリンダの均等化においては、シリンダごとの回転不規則性を示す信号に基づく個々のシリンダのトルク・シェアの均等化が特に重要である。これは、例えば、個々のシリンダに割り当てられているクランク軸またはカム軸のセグメント時間から決定される。回転不規則性信号によりシリンダごとの補正変数が形成され、この補正変数によりシリンダの噴射弁が操作される。このようにして、シリンダごとのトルク・シェアが、それぞれの燃料噴射量を介して均等化可能である。シリンダの均等化は、通常低回転速度範囲内および低トルク範囲内に存在する成層燃焼運転の間に実行される。

上記の均質燃焼運転においては、シリンダの均等化機能は受動的である。この運転状態においては、前記の個別シリンダλ制御は、全てのシリンダがほぼ同じλ値を有する排気ガスを提供するように、即ち全てのシリンダ内において燃料／空気混合物が少なくともほぼ同じであるように、シリンダごとの噴射弁に対して噴射時間が決定されることにより実行される。このような方法が、ドイツ特許公開第１９８２８２７９号およびドイツ特許公開第３８００１７６号にも記載されている。

内燃機関の回転規則性並びに内燃機関のエミッション特性が改善可能な、冒頭記載のタイプの方法を提供することが本発明の課題である。

本発明によれば、空気充填量および燃料量がそれぞれシリンダごとに調節可能である内燃機関の運転方法において、第１のステップにおいて、少なくともほとんど絞りなしの給気状態で、個々のシリンダ内の燃料／空気混合物が少なくともほぼ同じであるように、燃料量がシリンダごとに調節され、第２のステップにおいて、個々のシリンダが少なくともほぼ同じトルクを提供するように、空気充填量がシリンダごとに調節される。

さらに、本発明の重要な特徴が、以下の説明に記載され且つ図面に示され、この場合、これらの特徴は、全く異なる組み合わせにおいてもまた、これに関して個々に明示的に示されることなく、本発明に対して本質的なものである。

本発明の方法により、シリンダごとの充填誤差および燃料誤差が補償される。これは、特に、通常のカム軸制御チャージ交換弁が電磁操作または油圧操作チャージ交換弁により置き換えられた内燃機関において役割を果たす。しかしながら、このようなチャージ交換弁は公差に基づく規則的な不正確性を有し、この不正確性によりシリンダごとの充填誤差を導くことがある。この結果シリンダごとの混合物誤差が発生し、このことから、同様に、個々のシリンダ内の燃焼において異なるトルクが発生されることになる。これに、製作公差または摩耗に基づく噴射弁の配量誤差が加算される。

本発明の方法により一方で混合物組成が改善され、内燃機関の規則的な回転が可能となる。本方法の第１のステップの安定した結果において、および第２のステップの安定した結果において、このときシリンダごとの補正変数が存在し、この補正変数がそれぞれの空気誤差および／または燃料誤差を正しく表わしている。本発明による方法は、この場合、定期的に、例えば修理工場において実行されても、または内燃機関の正常運転においてほとんど絞りなしの給気状態で、即ちできるだけ広く開放された絞り弁において実行されてもよい。

第２のステップにおいて燃料／空気混合物が好ましくない状態で変化されないように、第１のステップにおいて得られた第１の補正変数が第２のステップにおいて得られた第２の補正変数に比例して変化されることが提案される。

第２のステップにおける空気充填量のシリンダごとの調節のために、特に、シリンダごとの吸気弁装置の開放時間および／または閉鎖時間のシリンダごとの変化が好ましい。
第１のステップにおける燃料／空気混合物の均等化が、例えばドイツ特許公開第３８００１７６号から既知のように、「個別シリンダλ制御」により実行されることが好ましく、したがって、このドイツ特許公開の開示は本発明の開示の対象とされることもまた明らかである。このような個別シリンダλ制御により、シリンダごとの燃料噴射装置の噴射時間が、全てのシリンダがほぼ同じλ値を有する排気ガスを提供するように簡単に決定可能である。

これと同様に、第２のステップにおけるシリンダごとの空気充填量の調節が、シリンダごとの回転規則性の評価によって得られる第２の補正変数の使用を含むことが提案される。「シリンダの均等化」としてもまた知られるこの方法は、例えばシリンダごとの回転不規則性信号の評価を含み、この回転不規則性信号は、例えばクランク軸のセグメント時間から得られ、このセグメント時間はそれぞれのシリンダに割り当てられている。このような方法は、例えばドイツ特許公開第１９８２８２７９号から既知であり、このドイツ特許公開は、同様にその全体が本発明の開示の対象とされるものである。

このようなシリンダの均等化は、正確な空気充填量でシリンダにフィードバックされるので、第２のステップにおいて得られた第２の補正変数が、充填量測定の信号から得られた変数により検定可能である。これにより、トルクは全体として調節されないままである。

本発明による方法の精度を改善するために、これが反復して実行されてもよく、また得られた第１の補正変数および／または第２の補正変数がこのとき実行された方法の数で平均されてもよい。

しかしながら、内燃機関の回転規則性およびエミッションの改善のほかに、この方法は内燃機関の構成要素の診断にも使用可能である。即ち、第１のステップにおいて得られた第１の補正変数および／または第２のステップにおいて得られた第２の補正変数が、チャージ交換弁、例えば電磁操作または油圧操作されているチャージ交換弁および／または燃料噴射装置の診断のために使用可能である。このようにして、内燃機関の運転における信頼性が向上される。

以下に本発明の特に好ましい実施例を図面により詳細に説明する。

図１において、内燃機関は全体として符号１０を有している。内燃機関１０は、車両を駆動するために使用されるが、図１には車両は示されていない。
内燃機関はエンジン・ブロック１２を含み、この実施例において、エンジン・ブロック１２は、４つのシリンダ１４ａ−１４ｄを有している。ここで、構成部品において指数ａ−ｄが記載されていないとき、対応する説明が全ての構成要素ａ−ｄに対して適用されることを予め指摘しておく。

各シリンダ１４は燃焼室１６を備え、燃焼室１６内に直接、燃料噴射装置１８により燃料が噴射される。フレッシュ・エアが吸気弁２０および吸気管２２を介して燃焼室１６内に到達する。吸気管２２内に絞り弁２４が配置されている。燃焼室１６内に存在する燃料／空気混合物は点火プラグ２６により点火される。燃焼排気ガスは、燃焼室１６から排気弁２８を介して排気管３０内に排出され、排気管３０内に触媒装置３２が配置されている。

内燃機関１０の運転において、クランク軸３４が回転される。しかしながら、図１に示されている内燃機関１０はカム軸を備えていない。その代わりに、吸気弁２０および排気弁２８は電磁操作され、即ちそれらはクランク軸３４の位置とは独立に開閉可能である。代替態様として、吸気弁２０および排気弁２８は、例えば油圧で操作されてもよい。さらに、ここではシリンダ１４ごとに１つの吸気弁２０および１つの排気弁２８のみが示され且つ記載されているが、充填損失を低減させるためにシリンダ１４ごとに複数の吸気弁２０および排気弁２８が設けられていてもよいと理解される。さらに、吸気弁２０のみが自由に操作可能であるが、排気弁２８はカム軸を介して操作されていることも考えられる。

内燃機関１０の運転は、制御装置３６により制御される。このために、制御装置３６は、種々のセンサから、例えば吸気管２２内において絞り弁２４の上流側に配置されているＨＦＭセンサ（充填量測定センサ）３８から信号を受け取る。さらに、制御装置３６にクランク軸センサ４０から信号が提供され、クランク軸センサ４０は、クランク軸３４の角度位置および回転速度を時間的に細かく測定する。触媒装置３２の上流側のλセンサ４２は信号を提供し、この信号は燃焼において燃焼室１６内に存在する燃料／空気混合物のシリンダごとの決定を可能にする。制御装置３６により、特に絞り弁２４、点火プラグ２６、燃料噴射装置１８、吸気弁２０および排気弁２８ないしはそれらの電磁操作装置が操作される。

図１に示されている内燃機関１０は、絞り弁２４が広く開放されて運転されることが好ましい。特定の運転状態においてのみ、例えば排気ガス再循環が実行されるべきとき、またはタンク通気を支援するためにのみ、吸い込まれる空気は絞られる。シリンダ１４の燃焼室１６内における希望の空気充填量は、それぞれの吸気弁２０の、自由に選択可能な開放の開始および同様に自由に選択可能な閉鎖の開始によって決定される。燃焼室１６内の燃料／空気混合物は一般に均質であるが、リーン運転方式もまた設定可能である。ここで、以下の説明は、燃料がシリンダの燃焼室内に直接噴射されず、燃料がインジェクタを介して内燃機関の吸気管内に噴射されて燃焼室内に到達するような内燃機関に対しても適用されることを指摘しておく。以下に記載の方法に対して、燃料のみならずフレッシュ・エアもまたシリンダの燃焼室にそれぞれ個々に配量可能であることのみが重要である。

ここで上記の方法を、図２を参照しながら詳細に説明する。ステップ４４においてスタートしたのち、ステップ４６において、絞り弁２４が広く開放され、したがってほとんど絞りのない給気状態で、第１のステップにおいて燃料噴射装置１８から個々のシリンダ１４の燃焼室１６内に噴射された燃料量が、シリンダごとに、個々のシリンダ１４内の燃料／空気混合物が少なくともほぼ等しくなるように調節される（均等化）。このために、周知の個別シリンダλ制御が使用され、個別シリンダλ制御において、λセンサ４２の信号がシリンダごとに評価される。この場合、制御装置３６により、ｉ＝ａ．．．ｄを有する各シリンダ１４に対して決定された、対応する第１の補正変数Ｋ_{ＥＺＬＲ＿ｉ}は、燃料噴射量を補正するためにのみ使用される。これにより、目標燃料量をそれ自身誤差なく噴射するこのような燃料噴射装置１８ａ−ｄもまた設定されるが、本来このことはあまり問題ではなく、この第１のステップの終了時に、ある安定化過程後に、ステップ４６に対応して個々のシリンダ１４のλ値がほぼ等しくなることのみが重要である。

この個別シリンダλ制御の安定化は、ステップ４８においてモニタリングされる。少なくとも近似的に一定の第１の補正変数Ｋ_{ＥＺＬＲ＿ｉ}を有する安定化状態が特定されないかぎり、ステップ４６の手前への戻りが行われる。他の場合、次にステップ５０において、ミスファイヤ検出が作動化されているかどうかが検査される。ステップ５０における回答が否定（Ｎ）の場合、ステップ５０手前への戻りが行われ、肯定（Ｙ）の場合、本方法はステップ５２に移行される。同様に、従来技術から既知であるこのようなミスファイヤ検出において、クランク軸センサ４０の信号が時間的に細かく評価される。この評価において、個々のシリンダ１４内における燃焼に関して、クランク軸３４の回転速度および回転加速度が測定される。これにより、シリンダ１４の作業行程の間の燃焼において発生されるトルクを表わす変数が決定可能である。

ステップ５２において、吸気弁２０の開放時間および閉鎖時間が調節され、これにより、個々のシリンダ１４が少なくともほぼ同じトルクを提供するまで、シリンダ１４の燃焼室１６内に到達する空気充填量がシリンダごとに調節される。ここで、このために決定された第２の補正変数Ｋ_{ＺＧＳＴ＿ｉ}は、ＨＦＭセンサ３８の信号から得られた変数で検定され、これにより、内燃機関１０から発生された全トルクは等しいままとなる。ステップ５２における本方法のこの第２のステップにおいて、さらに、ステップ４６において決定された第１の補正変数Ｋ_{ＥＺＬＲ＿ｉ}は、充填量変化ないしは第２の補正変数Ｋ_{ＺＧＳＴ＿ｉ}に比例して同様に変化され、これにより、燃料／空気混合物の組成、即ち最終的にλ値が、できるだけ不変のままであり且つ第１のステップにおいて実行されたλ値の最適化は失われることはない。ステップ５２において実行されたシリンダの均等化が安定化したとき直ちに、即ち第２の補正変数Ｋ_{ＺＧＳＴ＿ｉ}がほぼ定常になったとき直ちに、本方法はステップ５４において終了される。

ステップ４６における個別シリンダλ制御およびステップ５２におけるシリンダの均等化がそれぞれ安定化したとき、各シリンダ１４ａ−１４ｄに対してシリンダごとに補正変数Ｋ_{ＺＧＳＴ＿ｉ}およびＫ_{ＥＺＬＲ＿ｉ}が存在し、補正変数Ｋ_{ＺＧＳＴ＿ｉ}およびＫ_{ＥＺＬＲ＿ｉ}はそれぞれ、吸気弁２０ｉ（ｉ＝ａ．．．ｄ）の異なる特性に基づく空気誤差および燃料噴射装置１８ｉ（ｉ＝ａ．．．ｄ）の異なる特性に基づく燃料誤差を正しく表わしている。決定された補正変数Ｋ_{ＥＺＬＲ＿ｉ}およびＫ_{ＺＧＳＴ＿ｉ}は、次に、内燃機関１０の他の運転において、燃料噴射装置１８および吸気弁２０の正常な操作に使用可能であり、これにより、それぞれの燃焼室１６内への燃料噴射ないしは噴射燃料の点火の精度および個々の燃焼室１６内への対応するフレッシュ・エアの配量精度が改善される。図２に示されている方法は、精度を改善するために、できるだけ反復して、例えば定期的に実行されるべきものである。この場合、第１のステップ４６においておよび第２のステップ５２において得られた補正変数Ｋ_{ＥＺＬＲ＿ｉ}およびＫ_{ＺＧＳＴ＿ｉ}は、実行された方法の数で平均される。

さらに、決定された補正変数Ｋ_{ＥＺＬＲ＿ｉ}およびＫ_{ＺＧＳＴ＿ｉ}は、吸気弁２０および燃料噴射装置１８の診断にも使用可能である。例えば、補正変数Ｋ_{ＥＺＬＲ＿ｉ}およびＫ_{ＺＧＳＴ＿ｉ}がそれぞれの限界値を超えたとき、エラー・メモリ内への記録が行われてもよく、この記録は、次の整備において呼出し可能であり且つ対応する燃料噴射装置１８または対応する吸気弁２０の摩耗に関する指針を提供する。

内燃機関の略示図である。 図１の内燃機関の運転方法を示す流れ図である。

符号の説明

１０ 内燃機関
１２ エンジン・ブロック
１４ａ−１４ｄ シリンダ
１６ａ−１６ｄ 燃焼室
１８ａ−１８ｄ 燃料噴射装置
２０ａ−２０ｄ 吸気弁（チャージ交換弁）
２２ 吸気管
２４ 絞り弁
２６ａ−２６ｄ 点火プラグ
２８ａ−２８ｄ 排気弁
３０ 排気管
３２ 触媒装置
３４ クランク軸
３６ 制御装置
３８ 充填量測定センサ（ＨＦＭセンサ）
４０ クランク軸センサ
４２ λセンサ
Ｋ_{ＥＺＬＲ＿ｉ} 第１の補正変数
Ｋ_{ＺＧＳＴ＿ｉ} 第２の補正変数

Claims (11)

1. 空気充填量および燃料量がそれぞれシリンダごとに調節可能である内燃機関（１０）の運転方法において、
   第１のステップ（４６）において、少なくともほとんど絞りなしの給気状態で、個々のシリンダ（１４）内の燃料／空気混合物が少なくともほぼ同じであるように、燃料量がシリンダごとに調節されること、および
   第２のステップ（５２）において、個々のシリンダ（１４）が少なくともほぼ同じトルクを提供するように、空気充填量がシリンダごとに調節されること、
   を特徴とする内燃機関の運転方法。
2. 第１のステップ（４６）において得られた第１の補正変数（Ｋ_{ＥＺＬＲ＿ｉ}）が、第２のステップ（５２）において得られた第２の補正変数（Ｋ_{ＺＧＳＴ＿ｉ}）に比例して変化されることを特徴とする請求項１に記載の運転方法。
3. 第２のステップ（５２）において、空気充填量が、シリンダごとの吸気弁（２０）の開放時間および閉鎖時間の少なくともいずれかの時間のシリンダごとの変化によって調節さ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. 第１のステップ（４６）における燃料／空気混合物の均等化が、個別シリンダλ制御により実行さ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. 第２のステップ（５２）におけるシリンダごとの空気充填量の調節が、シリンダごとの回転不規則性の評価によって得られる第２の補正変数（Ｋ_{ＺＧＳＴ＿ｉ}）の使用を含む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. 第２のステップ（５２）において得られた第２の補正変数（Ｋ_{ＺＧＳＴ＿ｉ}）が、充填量測定手段（３８）の信号から得られた変数により検定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. 反復して実行され、且つ得られた第１の補正変数（Ｋ_{ＥＺＬＲ＿ｉ}）および第２の補正変数（Ｋ_{ＺＧＳＴ＿ｉ}）の少なくともいずれかが平均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. 第１のステップ（４６）において得られた第１の補正変数（Ｋ_{ＥＺＬＲ＿ｉ}）および第２のステップ（５２）において得られた第２の補正変数（Ｋ_{ＺＧＳＴ＿ｉ}）の少なくともいずれかが、チャージ交換弁（２０）および燃料噴射装置（１８）の少なくともいずれかの診断のために使用され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運転方法。
9. 請求項１ないし８のいずれかに記載の運転方法において使用するためにプログラミングされていることを特徴とするコンピュータ・プログラム。
10. 請求項１ないし８のいずれかに記載の運転方法において使用するためのコンピュータ・プログラムが記憶されていることを特徴とする内燃機関（１０）の制御装置（３６）のための電気記憶媒体。
11. 請求項１ないし８のいずれかに記載の運転方法において使用するためにプログラミングされていることを特徴とする内燃機関（１０）のための制御装置（３６）。

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