JP2008525696A - 内燃機関を運転するための方法 - Google Patents

Abstract

内燃機関の運転では、燃焼室内の充填空気量（ｒｌ）が吸気通路内の圧力（ｐｓ）を考慮して算出される。前記充填空気量（ｒｌ）を、入力値としてクランクシャフトの回転数（ｎｍｏｔ）と、周辺圧力（ｐｕ）に対する吸気通路（２２）内の圧力（ｐｓ）の比とを有するモデル（Ａ）に基づき算出することを提案する。

Description

背景技術
本発明は、内燃機関を運転するための方法であって、燃焼室内の充填空気量を、吸気通路内の圧力を考慮して算出する。更に本発明は、コンピュータプログラム、内燃機関の制御及び／又は調整装置のための電気的なメモリ媒体、並びに内燃機関の制御及び／又は調整装置に関する。

冒頭で述べた形式の方法は、市場から公知である。多くの内燃機関において、吸気通路内の圧力は圧力センサにより測定される。リニアな関係を介して、測定された圧力から内燃機関の燃焼室への充填空気量が算出される。この充填空気量の知識は、とりわけ内燃機関の燃焼室に燃料を正しく調量するための空気ガイドシステムにおいて重要である。燃料の正しい調量もやはり、燃料消費及び内燃機関のエミッション特性に影響を及ぼす。これに関連する全般的なことは、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９７５６９１９号明細書を参照されたい。

更に、カムシャフトオーバラップを有する４サイクル内燃機関が公知である。このような内燃機関では、排出サイクルと吸気サイクルとの間の上死点の範囲内で、燃焼室の排気弁と吸気弁とが、クランクシャフトのある程度の範囲について同時に開かれていてよい。これにより、内部排気ガス再循環を実現することができ、この内部排気ガス再循環により、とりわけ窒素酸化物エミッションの減少を達成することができる。但し、大きなカムシャフトオーバラップを有するこのようなシステムでは、燃焼室内の充填空気量の算出が、従来複雑又は不正確であるということが判った。

従って本発明の課題は、冒頭で述べた形式の方法を改良して、大きなカムシャフトオーバラップを有するシステムでも、吸気通路内を支配する圧力に基づいて、できるだけ正確な充填空気量を規定することのできる方法を提供することである。

この課題は、冒頭で述べた形式の方法において、入力値としてクランクシャフトの回転数と、周辺圧力に対する吸気通路内の圧力の比とを有するモデルに基づいて、充填空気量を算出することにより解決される。更に前記課題は、所定のコンピュータプログラム、電気的なメモリ媒体、内燃機関の制御及び／又は調整装置において相応に解決される。

発明の利点
本発明により、大きなカムシャフトオーバラップを有するシステムでは、１燃焼室内の充填空気と、吸気通路内を支配する空気圧との間には、非直線的な関係が成り立つということが認識された。更に、この非直線的な関係はほぼ、吸気通路内を支配する空気圧と、周辺圧力との比の関数であるということが認識された。従って、本発明による方法では前記の比を付加的に、燃焼室内に存在する充填空気量を算出するために使用する。従って、この充填空気量は大きなカムシャフトオーバラップを有するシステムにおいても高精度で規定可能であり、このこともやはり、とりわけ内燃機関が空気案内式で作動する場合に、燃焼室内の所望の燃料・空気混合物の精密な調整を可能にする。つまり、本発明の手段により、燃費と内燃機関のエミッション特性の両方が改善される。

本発明による方法の有利な改良は、モデルが入力値として付加的に、燃焼室内に存在する空気の温度を有しているという点において優れている。これにより、空気密度の変化に基づくエラーが回避されるか、又は少なくとも減少されて、充填空気量の算出における精度が更に改善される。

このための改良では、燃焼室内に存在する空気の温度が、吸気通路内の空気の検出温度に等しいということが前提とされる。これにより、充填空気量の算出における精度が著しく低下されること無く、計算手間が減少される。

これに対して択一的に、燃焼室内に存在する空気の温度を、入力値として吸気通路内の空気の検出温度と、内燃機関の少なくとも１つの別の検出温度、特に冷却水温度、排気温度及び／又はシリンダヘッド温度を有するモデルに基づき算出することもできる。この方法バリエーションは、付加的なセンサを必要とすること無く精度を高める。

更に、周辺圧力を、吸気通路内で検出された圧力と、モデル化された吸気通路内の圧力との差に基づいて算出することが可能である。このようにして、周辺圧力を検出するための別個のセンサを省くことができ、このことはコストを節約する。

この場合、周辺圧力の算出における精度は、算出が、スロットルバルブの開放又は同等の値が所定の限界値に達し且つ／又は超過した場合にしか実施されないことにより高められる。このことは、周辺圧力が極めてゆっくりとしか変化しないので、連続的な算出は不要であるという認識に基づいている。但し、スロットルバルブが比較的大幅に又は完全に開放されている場合、周辺圧力は前記の差に関する積分法により、比較的高精度で算出可能である。

このための改良においてもやはり、吸気通路内のモデル化された圧力を、入力値として吸気通路に流入する空気質量と、吸気通路から燃焼室に流入する空気質量との差を有するモデルに基づいて算出することができる。この簡単な数量バランス（Mengenbilanz）によって、吸気通路内の圧力を極めて簡単に且つ高精度でモデル化することができるので、場合によっては相応の圧力センサを省くことができる。

この場合もやはり、吸気通路から燃焼室に流入する空気質量を、入力値としてスロットルバルブの位置を有するモデルに基づき算出することができる。スロットルバルブの位置は、汎用の制御式スロットルバルブの場合はいずれにしろ検出されるので、これにより付加的なコストが生じることはない。

燃焼室に流入する空気質量を算出する際に、スロットルバルブにおける製作誤差及び／又は摩耗現象を考慮できるようにするためには、適当なモデルが付加的に、吸気通路内のモデル化された圧力と検出された圧力との間の差から求められるスロットルバルブ特性線の修正値を有していると有利である。このことも、燃焼室に到達する空気質量を規定する際の精度を上げるために役立つ。この場合、前記修正値は有利には、スロットルバルブ開放又は同等の値が所定の限界値よりも小であり且つ／又はこの限界値に達した場合にのみ算出される。

上で説明した方法は、複数のモデルの内の少なくとも１つが特性線及び／又は特性フィールドを有していると、特に小さなメモリスペース、最小限のセンサ手間及び少ない計算時間を以て実現され得る。

実施例の説明
以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。

図１には符号１０で内燃機関全体が示されている。この内燃機関は複数のシリンダを有しているが、図１では見やすくするために１本のシリンダだけを符号１２で示している。対応する燃焼室には符号１４を付してある。この燃焼室１４には燃料が、燃料システム１８に接続された燃料インジェクタ１６を介して直接に噴射される。空気は燃焼室１４に、吸気弁２０及びスロットルバルブ２４の配置された吸気通路２２を介して流入する。前記スロットルバルブ２４は作動モータ２６によって調節され、当該スロットルバルブ２４の目下の位置はスロットルバルブセンサ２８により検出される。吸気通路２２内を支配する空気圧は圧力センサ３０により検出され、対応する温度は、圧力センサ３０と組み合わされた温度センサ３２によって検出される。圧力センサ３０は、スロットルバルブ２４の下流側に設けられており且つ吸気弁２０の手前の圧力を測定する。以下で更に詳しく説明するように、吸気弁２０が閉じると、吸気通路２２と燃焼室１４との間の圧力は等しくなる。従って、この場合は吸気通路２２内の圧力を用いて、燃焼室１４内の充填空気量を算出することができる。

燃焼室１４内に存在する燃料・空気混合物は、点火システム３６に接続された点火プラグ３４によって点火される。高温の燃焼排気が燃焼室１４から排気弁３８と排気管４０とを介して導出される。

図１に示した内燃機関１０は自動車（図示せず）に組み込まれている。この自動車の運転者の出力要求は、アクセルペダル４２の作動によって表現される。内燃機関１０のクランクシャフト４４の回転数は、回転数センサ４６により検出される。内燃機関１０の運転は、制御兼調整装置４８によって制御若しくは調整される。この制御兼調整装置４８は、センサ２８，３０，３２，４２，４６の入力信号を受信し且つとりわけ作動装置２６、インジェクタ１６及び点火システム３６を制御する。

図１に示した内燃機関１０は、４サイクル原理に従って運転される。この場合、吸気弁２０及び排気弁３８の弁オーバラップが可能である。このことは、排出サイクルと吸気サイクルとの間の上死点の範囲において、同時に両方の弁２０，３８が開放されていてよいということを意味している。これにより、内部排ガス再循環が実現され得る。内燃機関１０を運転するためには、燃焼室１４内の充填空気量がどれくらいであるのかを、できるだけ正確に検出することができるということが重要である。このためには、制御兼調整装置４８のメモリに、以下で図２〜図６に関して詳しく説明する方法の制御に役立つコンピュータプログラムがメモリされている。

図２には、部分方法Aを用いて内燃機関１０の燃焼室１４内に存在する充填空気量を得る方法が示されている。これによると、特性フィールド５０に回転数センサ４６により準備された回転数ｎｍｏｔ及び圧力比ｆｐが供給される。この圧力比ｆｐはブロック５２において、圧力センサ３０により準備された吸気通路２２内の圧力ｐｓを周辺圧力ｐｕで割ることによって得られる。前記周辺圧力ｐｕの準備は、以下で詳しく説明する。特性フィールド５０は所定の値ｒｌ′を供給する。密度修正の枠内で、符号５４のところで前記値ｒｌ′に係数ｆｐｕが乗じられる。この係数ｆｐｕは、ブロック５６において１．０１３ｈＰａの基準圧力による周辺圧力ｐｕの除算により得られる。

これと同様に、符号５８のところでは係数ｆｔｂで以て乗算が行われ、この係数ｆｔｂは、符号６０のところで２７３Ｋの基準温度による温度Ｔｂｒの除算により得られる。この温度Ｔｂｒは、吸気弁２０が閉じている時点での燃焼室１４内のガス温度である。最も簡単なケースでは、前記温度Ｔｂｒは簡単に、温度センサ３２によって検出された温度と同一視する。但し択一的に、温度Ｔｂｒは例えば冷却水温度、排気温度及び／又はシリンダヘッド温度等の別の検出温度を考慮して得ることもできる。

図２で入力値として使用される周辺圧力ｐｕは、本実施例では測定されるのではなくモデル化される（図３、方法Ｂ参照）。図３からは、符号６２のところでまず最初に、圧力センサ３０によって検出された吸気通路２２内の圧力ｐｓと、モデル化された圧力ｐｓｍｏｄとの間の差が形成されるということが判る。モデル化された圧力ｐｓｍｏｄの準備は、以下で更に詳しく説明する。符号６２のところで形成される差圧ｄｐは、第１の限界値スイッチ６４を介して第１の積分器６６に供給可能であり、この第１の積分器６６が周辺圧力ｐｕを学習する。差圧ｄｐは、第２の限界値スイッチ６８を介して第２の積分器７０に供給可能であり、この第２の積分器７０はオフセットｏｆｍｓｎｄｋを学習することができる。両限界値スイッチ６４，６８の位置は、空気質量流量ｍｓｄｋに関連しており、この空気質量流量ｍｓｄｋはスロットルバルブ２４を介して流出し且つやはりスロットルバルブ２４の位置に関連している。ｍｓｄｋ値が限界値Ｓよりも小であるか又は限界値Ｓに等しい場合は、差圧ｄｐが第２の積分器７０に供給される。これに対してｍｓｄｋ値が限界値Ｓよりも大である場合は、差圧ｄｐが第１の積分器６６に供給される。

図４には、図３に示した差圧ｄｐを得るために必要とされる、吸気通路２２内のモデル化された圧力ｐｓｍｏｄを得る方法（方法Ｃ）が示されている。符号７２のところで、吸気通路２２に流入する空気質量ｒｌｄｋｒｏｈと、吸気通路２２から燃焼室１４に流入する空気質量ｒｌｄｋとの差が形成される。空気質量ｒｌｄｋｒｏｈの規定は、以下で更に詳しく説明する。ｒｌｄｋ値は、既に上で図２に関連して説明した方法に基づいて得られる。この場合、図２において除数５２には、検出された圧力ｐｓの代わりに、時間的に先行するステップにおいてモデル化された圧力ｐｓｍｏｄがアドレス指定される。符号７２のところの差ｄｒｌには、符号７４のところでシリンダ１２の行程容積Ｖｈ及び基準密度ρ０が乗じられる。これにより、相対的な値ｄｒｌから、符号７６のところで合計される絶対的な質量が得られる。この結果に、符号７８のところでガス定数Ｒ及び既に上で説明した温度Ｔｂｒが乗じられ、吸気通路２２の容積Ｖｓで割られる。この結果が吸気通路２２内のモデル化された圧力ｐｓｍｏｄである。

図４に示した差分形成器７２のアドレス指定に必要な値ｒｌｄｋｒｏｈを得るための方法を説明する（図５、方法Ｄを参照）。特性フィールド８０には、一方ではスロットルバルブセンサ２８によって検出される所定の角度ｗｄｋｂａがアドレス指定される。当該特性フィールド８０は、他方では係数ｒｐｍｏｄがアドレス指定される。この係数ｒｐｍｏｄは除数８２において得られ、この除数８２にもやはり、吸気通路２２内のモデル化された圧力ｐｓｍｏｄと周辺圧力ｐｕとがアドレス指定されている。スロットルバルブ位置ｗｄｋｂａは開放横断面の基準であり、圧力比ｒｐｍｏｄは流れ速度の基準である。

特性フィールド８０の出力は符号８４のところで、既に図３に関連して説明した方法Ｂに基づき規定されたスロットルバルブ２４の位置に関するオフセットｏｆｍｓｎｄｋと結合される。但し、これにより得られる出力値は、空気の基準密度にしか該当しない。目下の空気密度における流量ｒｌｒｏｈｄｋは、符号８６，８８のところで既に図２から公知の係数ｆｐｕ及び係数ｆｔｕを乗じることにより得られる。この係数ｆｔｕは、２７３Ｋの基準温度及び温度Ｔｖｄｋの商の根から得られる。この温度Ｔｖｄｋもやはり、スロットルバルブ２４の上流側の温度であり、このスロットルバルブ２４の上流側の温度は、簡略的に温度センサ３２により検出された温度と同一視することができる。

図２〜図５に関連して説明した個々の方法Ａ〜Ｄの結合は、全体的に図６から明らかである。燃焼室１４内に存在する充填空気量ｒｌは、最終的に入力値ｎｍｏｔ（回転数センサ４６）、ｐｓ（圧力センサ３０）、ｗｄｋｂａ（スロットルバルブセンサ２８）及びＴｖｄｋ（温度センサ３２）によってのみ得られる。この場合、特に方法ブロックＡにおいて吸気通路２２内を支配する圧力ｐｓと、周辺圧力ｐｕとの間の比を考慮することにより、大きなカムシャフトオーバラップ若しくは弁オーバラップを有するシステムでも、充填空気量ｒｌの確実な算出が可能になる。

このための物理的な基礎は、弁オーバラップに際して排気管４０からの排ガスが、燃焼室１４を通って吸気通路２２内へ逆流することにある。この逆流速度は、吸気通路２２内の圧力と排気管４０内の圧力との比、並びに弁オーバラップ時間に関連している。このことは、方法ブロックＡにおける特性フィールド５０により考慮される。これは、排気管４０内の圧力が周辺圧力に近似していてよいということを前提としている。弁オーバラップ時間もやはり、回転数ｎｍｏｔ及び圧力ｐｓに関連している。

内燃機関の概略図である。 充填空気量を算出するための方法のフローチャートを示した図である。 周辺圧力及びスロットルバルブ特性線のずれを算出するための方法のフローチャートを示した図である。 図１に示した内燃機関の吸気通路内のモデル化された圧力を算出するための方法のフローチャートを示した図である。 吸気通路から燃焼室に流入する空気質量を算出するための方法のフローチャートを示した図である。 図２〜図５に示した方法の協働を表すフローチャートを示した図である。

Claims (14)

1. 内燃機関（１０）を運転するための方法であって、燃焼室（１４）内の充填空気量（ｒｌ）を、吸気通路（２２）内の圧力（ｐｓ）を考慮して算出する形式のものにおいて、
   入力値としてクランクシャフト（４４）の回転数（ｎｍｏｔ）及び周辺圧力（ｐｕ）に対する吸気通路（２２）内の圧力（ｐｓ）の比を有するモデル（Ａ）に基づき、充填空気量（ｒｌ）を算出することを特徴とする、内燃機関を運転するための方法。
2. モデル（Ａ）が、入力値として付加的に燃焼室（１４）内に存在する空気の温度（Ｔｂｒ）を有している、請求項１記載の方法。
3. 燃焼室（１４）内に存在する空気の温度（Ｔｂｒ）が、吸気通路（２２）内で検出された空気温度に等しいということを前提とする、請求項２記載の方法。
4. 燃焼室内に存在する空気の温度を、入力値として吸気通路内で検出された空気温度及び内燃機関の少なくとも１つの別の検出温度、特に冷却水温度、排気温度及び／又はシリンダヘッド温度を有するモデルに基づき算出する、請求項２記載の方法。
5. 周辺圧力（ｐｕ）を、入力値として吸気通路（２２）内で検出された圧力（ｐｓ）と、吸気通路（２２）内のモデル化された圧力（ｐｓｍｏｄ）との間の差（ｄｐ）を有するモデル（Ｂ）に基づき算出する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. スロットルバルブ開放又は同等の値（ｍｓｄｋ）が所定の限界値（Ｓ）に達し且つ／又は超過した場合にのみ、周辺圧力（ｐｕ）を算出する、請求項５記載の方法。
7. 吸気通路（２２）内のモデル化された圧力（ｐｓｍｏｄ）を、入力値として吸気通路（２２）に流入する空気質量（ｒｌｄｋ）と、吸気通路（２２）から燃焼室（１４）に流入する空気質量（ｒｌｄｋｒｏｈ）との間の差（ｄｒｌ）を有するモデル（Ｃ）に基づき算出する、請求項５又は６記載の方法。
8. 吸気通路（２２）から燃焼室（１４）に流入する空気質量（ｒｌｄｋｒｏｈ）を、入力値としてスロットルバルブ（２４）の位置（ｗｄｋｂａ）を有するモデル（Ｄ）に基づき算出する、請求項７記載の方法。
9. モデル（Ｄ）が付加的に、吸気通路（２２）内のモデル化された圧力（ｐｓｍｏｄ）と、吸気通路（２２）内で検出された圧力（ｐｓ）との間の差（ｄｐ）から求められるスロットルバルブ特性線の修正値（ｏｆｍｓｎｄｋ）を有している、請求項８記載の方法。
10. スロットルバルブ開放又は同等の値（ｍｓｄｋ）が、所定の限界値（Ｓ）よりも小であり且つ／又は該限界値に達した場合にのみ、修正値（ｏｆｍｓｎｄｋ）を算出する、請求項９記載の方法。
11. 少なくとも１つのモデル（Ａ，Ｄ）が特性線及び／又は特性フィールド（５０，８０）を有している、請求項１から１０までのいずれか１項記載の方法。
12. 請求項１から１１までのいずれか１項記載の方法で用いるためにプログラムされていることを特徴とする、コンピュータプログラム。
13. 請求項１から１１までのいずれか１項記載の方法で用いるためのコンピュータプログラムがメモリされていることを特徴とする、内燃機関（１０）の制御兼調整装置（４８）のための電気的なメモリ媒体。
14. 請求項１から１１までのいずれか１項記載の方法で用いるためにプログラムされていることを特徴とする、内燃機関（１０）のための制御兼調整装置。

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