JP2008075650A - 内燃機関の運転方法及び制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関が不測のスタート要求の際にもできる限り迅速に再スタートできるようにする、内燃機関の運転方法及びその制御装置を提供する
【解決手段】停止要求に基づいて内燃機関の停止段階が導入される内燃機関の運転方法において、この停止段階の中で噴射パラメータ及び点火パラメータが測定される。
【選択図】図２

Description

本発明は、停止要求に基づいて内燃機関の停止段階が導入される内燃機関の運転方法及びその制御装置に関する。

代表的なスタート／ストップ運転では、停止要求が出されると一定の時間間隔の後全てのシリンダ内での噴射の停止を経て機関が停止される。前もって選ばれたアイドリング回転数に応じて、内燃機関（エンジンとも呼ばれる）は、最終的な静止に至るまでなお何回かの点火無しの作動行程を行なう。スタート／ストップ運転では、内燃機関の始動は、ピストンが適当な位置にあれば、ダイレクトに燃料の噴射と点火だけによって行われ、或いはスターターの支援によって行われる。

例えば、ＤＥ ３１ １７ １４４ Ａ１ から電動式のスターター無しで働く、内燃機関の始動のための方法が知られている。それによると、内燃機関が静止している時に、ピストンが作動段階にある一つ又は複数のシリンダの燃焼室の中へ、燃焼のために必要な量の燃料が噴射されて点火される。これによって、対応するピストンが作動位置に達するや否や、ピストンが次の作動行程を行うシリンダ或いは燃焼室の中にそれぞれ燃料が噴射されて点火される。この様にすることによって、内燃機関は電気的なスターターや必然的にそれに接続される構成部品無しに製造することができる。更に内燃機関のバッテリーの寸法を小さくすることができる。何故なら、バッテリーは最早スターターやそれに伴う電気的構成部品のために電気エネルギーを供給しなくても良くなるからである。

しかしながら、エンジン停止の間に、あらためてスタート要求が、例えば発進したいというドライバーの要求、ロータリーへの進入、信号機の急な切り換え等によって出された場合には、上記の代表的なスタート／ストップ機能によれば、エンジンはそれでも先ず静止するまで手順を進められ、静止した後にあらためて新規の始動が行われる。そのために望まれた再始動は明らかに遅延され、ドライバーはいらいらしたり或いは交通が妨げられたりする。

本発明の課題は、内燃機関が不測のスタート要求の際にもできる限り迅速に再スタートできるようにする、内燃機関の運転方法及びその制御装置を提供することである。

本発明によれば、停止要求に基づいて内燃機関の停止段階が導入される内燃機関の運転方法において、この停止段階の中で噴射パラメータ及び点火パラメータが測定される。

それに対して、本発明に基づく方法は、停止要求の後で内燃機関の停止段階が導入され、この停止段階の中でも、とりわけ内燃機関の更なる運転及び／又はスタートを可能にする噴射パラメータ及び点火パラメータが測定されるという利点を持っている。その様にして求められた諸パラメータを用いて、スタートの要求がある場合には内燃機関を既に停止段階の中ででも、内燃機関を静止させる必要無しに、有利なやり方で更に作動を続行させ或いはあらためてスタートさせることが可能となる。

更に、本発明によれば、内燃機関の運転のための同じ様に有利な制御装置では、演算手段が停止段階の中で噴射パラメータ及び点火パラメータを測定する。
更に、本発明の有利な拡張及び改良が可能となる。

別の実施態様では、噴射パラメータ及び点火パラメータが、シンクロラスターとは独立に測定される。このことは、パラメータの測定を、必ずしもシンクロラスターと結合されている必要が無い上に、シンクロラスターの中で実行される演算アルゴリズムから独立可能な独立演算アルゴリズムによって、行うことができるという利点を持っている。

更に停止段階の中で、例えば噴射パラメータ及び点火パラメータを明確にシリンダ及び作動行程に割り当てることができるようにするために、クランクシャフトの角度位置を測定することが有利である。

更に、停止段階の間にスタート要求が出された場合には、先ず対応するパラメータを計算したり或いは内燃機関が停止するまで待つこと無しに、有利な手法で内燃機関のスタート或いは継続運転を導入することができるようにするために、測定されている噴射パラメータ及び点火パラメータを遡って利用するということが考えられている。

更に、別の実施態様では、停止段階の中でクランクシャフトの角度位置、好ましくは内燃機関のパラメータに基づいて、シリンダの中で上死点を通って通過するクランクシャフトの回転が期待されるか否かを測定することが有利である。かくして、この情報に基づいて、ダイレクトスタートを開始させることができるか否かを決定することができる。例えば、その様な通過が期待されない場合には、スタートは、好ましくはスターター支援としてのスタート補助装置を用いて行うべきであろう。上死点を通る通過が期待される場合には、好ましくはダイレクトスタートが、それ故スターター支援無しで、適当な燃料噴射及び燃料点火によって導入される。

この方法のその他のメルクマール、適用可能性、及び利点は図面に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。

噴射信号及び点火信号の計算は、通常のエンジン運転の間に通常、いわゆる“シンクロラスター”の中で角度に基づいて行われる。即ち、本質的にクランクシャフトセンサホイール上の参照マークの検知に応じて、シリンダ充填に応じた必要な燃料量が計算されて噴射弁に対して送り出される。例えばスターター支援されたダイレクトスタートのスタート／ストップ運転の際に迅速な再スタートを行うためには、エンジンが不測のスタート要求の際にもできる限り迅速に再スタートできるようにするために、エンジン停止の間にも一定で且つコントロールされた噴射と点火の出力が是非とも必要である。これが本発明の目的であり、更に進んだアルゴリズムの中で特別にエンジンの停止の間の噴射と点火の計算と出力が制御される。

本発明によれば、例えばスタート／ストップ運転の際の停止要求の後で、シンクロラスターの中の噴射と点火のための計算アルゴリズムの代わりとして或いはそのアルゴリズムと並行して、エンジン停止の間の噴射信号及び点火信号の計算のための停止計算アルゴリズムが計算される。その最古の停止計算アルゴリズムは角度ベースででも或いは又時間ベースでも行うことができ、しかもシンクロラスターとは結合されていない。噴射パルス及び点火パルスの出力は、その中では何時でも又互いに独立に行うことができる。このアルゴリズムはそのために自律的に計算を行い、又シンクロラスターの中の通常の計算アルゴリズムの計算値を利用することもできる。

その中ではエンジン停止の中で停止要求が出された場合には、絶対角度センサ或いは方向検知機能付きの回転数センサの信号に基づいてエンジンの最終的静止までのクランクシャフト角度或いは又時間（例えば、歯時間Zahnzeit, = tooth time）の別立ての計算が行われる。同時に、好ましくはシリンダカウンタと点火上死点の計算が開始される。時間によるクランクシャフト角度の変化からエンジン静止までの回転数信号と角加速度も計算される。

本発明に基づく方法の基本思想は、様々な運転パラメータ及び／又はセンサ信号（例えば、スロットルバルブ角度、吸気管圧力、弁制御時間、エアマス、エンジン温度、等）、或いは又モデル化された値（インテーク弁の上の温度、空気密度等）及び瞬間回転数に基づいて、個々のシリンダ毎にエンジンの最終的静止までの個々の作動行程についてシリンダ充填と噴射量とが予測的に計算されて、場合によっては出されることのあり得るスタート命令に備えて中間メモリ（ＲＡＭ等の物理的メモリ、神経細胞網、等）に準備されるというものである。

記憶された値は更に、同じシリンダがあらためて吸気行程を行う時には、場合によっては更新されることもある。充填の計算は、例えばエアマス計の信号、実際の吸気管圧力及び／又はスロットルバルブ角度及び／又は弁制御時間、インテークエア温度又はエンジン温度、燃料タンクエア抜き、及び例えばクランクシャフト角度による行程容積の変化から次の式に基づいて行われる。

ここで、
λ_ｌ＝ｌ／ｒ（＝コンロッド長さ／クランクシャフト半径）
Ｖ_ｈ＝行程容積
ε＝圧縮比
ψ＝クランクシャフト角度
とする。

追加として或るモデルではガス交換の際の流入及び流出する新気と残留ガスのダイナミクス、並びにその他のモデルパラメータ或いはエンジンパラメータが考慮される。その様にして計算された充填は次いでシンクロラスターの中の計算アルゴリズムによって計算された充填と比較され、場合によっては噴射量の計算の中で修正が行われる。

不測のスタート要求の際にはエンジン停止の間では、エンジンをできる限り迅速に再び必要な作動ポイントまで加速させるために、噴射量のための記憶されていた値が遡って利用され、次の可能なシリンダのために出力される。計算された噴射量の出力は燃料レール／燃料蓄圧器内の圧力、回転数及びその他の運転パラメータに応じて時間ベースででも角度ベースででも行うことができる。

吸気管内噴射式のエンジンの場合には燃料マスは給気弁が閉じられている時に或いは吸気行程と同期させて吸気管内へ噴射することができる。燃料マスはそのために追加として分割されることもできる。直噴式のエンジンの場合には燃料量は吸気行程の中で或いは又圧縮行程の中でも噴射されることができる。噴射の時点はダイレクト噴射式のエンジンの場合には点火上死点の通過後にすることもできる。この場合でも、燃料量はそれぞれ分割することができる。何れのケースでも噴射は混合気の形成を改善するために多段式噴射として行うこともできる。

点火はどちらのエンジンバリアントの場合でもそれぞれのシリンダの点火上死点の通過の前或いは又後でも行うことができる。とりわけ点火は角度又は時間ベースで或いは可変点火エネルギーを用いた多段式点火として行われることができる。

追加として多段式噴射／多段式点火の場合の個別噴射／個別点火は異なる長さとし、異なる時間間隔／角度間隔で行われることができる。
コントロールされ且つ一定の噴射パルス及び点火パルスの出力のために、停止演算アルゴリズムは、例えばクランクシャフトの回転数及び加速度に基づいて、エンジンが実際に未だ点火上死点を通る次の通過によって完全な圧縮行程又は吸入行程を行っているか否かを確認する。その間にドライバーによってスタート要求が出されると、クランクシャフト角度及び好ましくはシリンダカウンタに基づいて、次に圧縮行程或いは吸入行程に入るシリンダが特定される。次いで、特定されたシリンダの中で噴射と点火が行われ、その際にアルゴリズムが噴射量に関する記憶値を遡って利用し、例えば回転数やその他のエンジンパラメータに応じて噴射の時点、時間的長さ（シングル噴射或いは多段式噴射；及び／又は上死点の前又は後）及び点火角度を出力する。

噴射及び点火の出力はその際、例えば良好な燃焼と少ない有害物質の排出及びエンジンの迅速な立ち上がり（作動準備完了状態への迅速な到達）という観点から最適な混合気形成が達成されるように設定される。要求され又エンジンによって生成されるトルクの制御は特別に総トルクの調整のための機能の中で行われることができる。

シリンダ数が4より多いエンジン（ｎ＞４）の場合には、同様にして圧縮行程又は吸気行程にある複数のシリンダが特定され、それに応じてアルゴリズムがそれ等のシリンダに対しても実施される。

本発明に基づく方法が一定の回転数閾値或いは角加速度に関する閾値の割り込みに基づいてエンジンが作動停止段階にあり、最早上死点を越えて作動行程（点火上死点）に到達しないということを検知し、且つこの時に不足のスタート要求が出された場合には、スタート支援による通常のダイレクトスタート運転へ切り換えられる。即ち、直ちにスターターが投入され、圧縮行程或いは吸入行程でシリンダ内へ噴射される。次いで燃料／空気混合気がスターターによって圧縮され、点火される。その他のエンジン立ち上がりはスターター支援による通常のダイレクトスタートの際と同じように行われる。

シリンダ数が4より多いエンジン（ｎ＞４）の場合には、同様にして圧縮行程又は吸気行程にある複数のシリンダが特定され、それに応じて、上記の方法がそれ等のシリンダに対しても実施される。追加として、直接噴射式のエンジンの場合には、スターターによる圧縮は圧縮段階の中で更に作動行程の中で燃焼トルクによって支援されることもある。直接噴射式のエンジンの場合には、そのために作動停止段階の中で作動行程の中でも噴射され、理想的なケースではスターターの回転開始と同時に点火される。スタータートルクと燃焼トルクとの組合せによって更に迅速なエンジン立ち上がりが達成される。

図１には、本発明に基づく方法の一つの可能な実施態様が、例としてブロック回路図に基づいて示されている。停止要求１０が出された後、次のステップ２０で、いわゆる停止アルゴリズムがスタート或いは初期化され、内燃機関の運転パラメータ−（例えば、センサデータ或いは又モデル化された値）に基づいて、停止段階にある内燃機関のスタートのためのパラメータが求められ或いは計算される。例えば、ステップ２０では、充填、噴射量、点火角度、噴射時点、クランクシャフト角度、シリンダカウンタ等が確定され、又測定されることができる。次のステップ３０では、それ等のパラメータが記憶される。

ステップ４０では、スタート要求があるか否かがチェックされる。スタート要求がある場合（ｙｅｓ）には、ステップ９０で、ステップ３０で記憶された再スタートのためのパラメータが出力され、ステップ１９０で停止段階でのスタートが行われる。

スタート要求が無い場合（ｎｏ）には、ステップ５０で、内燃機関が既にいわゆる停止段階にあるか否かがチェックされる。即ち、内燃機関のピストンが作動行程いわゆる点火上死点の中で上死点をなお通過するか否かがチェックされる。内燃機関が既に停止段階にあれば（ｙｅｓ）、ステップ６０で停止段階のスタートのための問い合わせループを離れて、通常のスタート或いは場合によってはダイレクトスタートのための準備へ切り換えられる。

停止段階に無い場合（ｎｏ）には、再びステップ２０へ分岐されて停止段階でのスタートのためのパラメータがあらためて計算され、記憶されたパラメータがステップ３０で更新され或いは上書きされる。このループは、ステップ４０でスタート要求が検知されるか或いは内燃機関の回転数が、ステップ５０で停止段階が検知され又ステップ６０で通常のスタート或いは場合によってはダイレクトスタートの準備のために切り換えられる程引き下げられるまで、繰り返される。

停止段階の検知、或いは、クランクシャフト回転が作動行程の中の上死点の通過が期待されるか否かの検知は、ステップ５０で好ましくはクランクシャフトの角度位置に基づいて、又内燃機関のパラメータから求められる。ここで、パラメータとしては、とりわけエンジン回転数、クランクシャフトの角加速度が考慮される。その他のパラメータとしては、一つ又は複数のシリンダのガススプリングトルクが考慮されることがあり、その際には更に例えばセンサを通じて、クランクシャフトの上のトルクが測定されるか或いは求められることがある。

図２は、内燃機関の運転のための本発明に基づく制御装置１が示されているが、この制御装置１は、内燃機関の運転及び／又はスタートのためのパラメータの測定のための演算手段４１０と、内燃機関の信号、センサ信号、パラメータ、ドライバーの意思等の測定のための測定手段４２０と、演算手段４１０によって求められた運転パラメータの記憶のためのメモリ手段４４０と、制御装置１、演算手段４１０、記憶されている及び／又は測定されたパラメータの既定値に基づいて内燃機関５００を制御するコントロール手段４３０を備えている。

好ましくは、制御装置１は、停止要求１０がある時に内燃機関５００の停止段階を導入する。この停止段階は、例えば燃料供給及び点火の中断によって導入されることができる。停止要求の後の内燃機関の運転パラメータの更なる変更及び適応も考えることができる。

停止段階の中で内燃機関のクランクシャフト角度が測定手段４２０を介して更に測定され、演算手段４１０によって好ましくは噴射パラメータ及び点火パラメータが計算され或いは求められ、これ等のパラメータは、場合によっては求められる停止段階の中でのスタートのためにメモリ手段４００に準備される。スタート要求があると、コントロール手段４３０が直ちにこの記憶されているパラメータを遡って利用し、内燃機関／クランクシャフトの静止を待つ必要無しに、内燃機関のスタートがこれ等のパラメータを考慮して導入される。

噴射パラメータ及び点火パラメータに加えて、その他の、とりわけスタートのために役立つパラメータ（例えば、エンジン温度、吸気管圧力等）が用意されることもある。
それ故、要約すれば本発明では本質的に、例えばスタート／ストップ運転の際の停止要求の後で、シンクロラスターの中の噴射及び点火のための演算アルゴリズムの代わりとして或いはそれと並行して、エンジン停止段階の間の噴射信号及び点火信号の計算のための停止演算アルゴリズムが計算される。この停止演算アルゴリズムは、その際角度ベースででも或いは時間ベースででも実行されることができ、シンクロラスターに結び付けられてはいない。更に、この停止演算アルゴリズムは自律的に計算を行うけれども、シンクロラスターの中で通常の演算アルゴリズムの計算値を遡って利用することもできる。

更に、あるモデルでは、ガス交換の際の流入／流出する新気と残留排気ガスのダイナミクス、並びにその他のモデルエンジンパラメータが考慮される。その様にして計算された充填は、次いでシンクロラスターの中の演算アルゴリズムによって計算された充填と比較され、場合によっては噴射量の計算の中で修正が行われる。ダイナミクス或いはガスダイナミクスのその様なモデルでは、ガス交換弁の運動によって引き起こされるガス流或いは吸気管内の振動が考慮されることが好ましい。

そのために、直接噴射式のエンジンの場合には、停止段階の中で作動行程の中でも噴射され又理想的なケースではスターターの回転と同時に点火が行われる。スタータートルクと燃焼トルクとの組合せによって更に迅速なエンジンの立ち上げが達成される。

本発明に基づく方法のブロック図である。 本発明に基づく方法の実施のための装置を示す。

符号の説明

１…制御装置
４１０…演算手段
４２０…測定手段
４３０…コントロール手段
４４０…メモリ手段、
５００…内燃機関

Claims (10)

1. 停止要求に基づいて内燃機関の停止段階が導入される内燃機関の運転方法において、
   この停止段階の中で噴射パラメータ及び点火パラメータが測定されることを特徴とする内燃機関の運転方法。
2. 噴射パラメータ及び点火パラメータの測定が、シンクロラスターとは独立に行われることを特徴とする請求項１に記載の運転方法。
3. 停止段階の中で、クランクシャフトの角度位置が測定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. 測定された噴射パラメータ及び点火パラメータが、その後に出される始動要求のために準備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. 停止段階の間に始動要求があった場合には、既に準備されていた噴射パラメータ及び点火パラメータが遡って利用されることを特徴とする請求項４に記載の運転方法。
6. 噴射パラメータ及び点火パラメータの測定或いは修正の際に、モデル、ガス交換の際に流入及び流出する新気と残留ガスのダイナミクス、並びにその他のモデルパラメータ或いはエンジンパラメータが考慮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. クランクシャフトの角度位置及び内燃機関の諸パラメータに基づいて、いずれかのシリンダ内で作動行程の中での上死点の通過に伴ってクランクシャフトの回転が期待されるか否かが測定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. 作動行程の中での上死点の通過に伴ってクランクシャフトの回転が期待される場合にはダイレクトスタートが行われ、上死点の通過が期待されない場合にはスターターの支援による始動が行われることを特徴とする請求項７に記載の運転方法。
9. 一つの圧縮行程及び作動行程の少なくともいずれかの中で、噴射が複数の噴射に分割して行われるか、及び点火が複数の点火に分割して行われるかの少なくともいずれかであることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の運転方法。
10. 内燃機関の運転及び始動の少なくともいずれかのためのパラメータを測定するための演算手段（４１０）を有し、その際、制御装置（１）が、停止要求がある場合には停止段階を導入する、請求項１ないし９のいずれかに記載の運転方法を実施するための内燃機関（５００）の運転制御装置（１）において、
    演算手段（４１０）が、停止段階の中で噴射パラメータ及び点火パラメータを測定することを特徴とする内燃機関の運転制御装置。

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