JP2013083260A - 吸気マニフォールド内の燃焼気体質量分率の予測から燃焼エンジンを制御する方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】新鮮な空気の流量または燃焼気体の流量の計測が、新鮮な空気と燃焼気体とが混合する混合空間から上流で行われる。混合空間の燃焼気体質量分率が、計測値またはこの空間内の混合動力学のモデルから予測される。空間と吸気マニフォールドとの間の搬送遅延が予測される。吸気マニフォールドにおける燃焼気体の質量分率が実時間で減少する。最後に、吸気マニフォールドにおいて、燃焼気体質量分率から燃焼が制御される。
【選択図】図3
Description
新鮮な空気と燃焼気体が混合する混合空間の上流で気体、新鮮な空気、または燃焼気体の流量に対する計測を実施するステップと、
計測値と混合空間内の混合動力学のモデルとから混合空間内に存在している燃焼気体の質量分率を予測するステップと、
混合空間から吸気マニフォールドまでの搬送遅延を予測するステップと、
混合空間内に存在している燃焼気体の質量分率の予測値と搬送遅延の予測値から吸気マニフォールド内の燃焼気体質量分率を実時間で予測するステップと、
吸気マニフォールド内の燃焼気体質量分率から燃焼を制御するステップと、を含む。
説明において、上流と下流という用語は空気ループ10内の流れの方向に対して定められている。さらに、使用される主な表記は以下のとおりである。
−t:時間。
−x:吸気回路内の点。
−Patm、Tatm:大気の圧力と温度。それらは一定と見なすことができる。
−Tam:EGR弁の入口の位置での上流の温度。この温度は、燃焼気体再循環回路内に配置されている交換器(クーラー)4’を通過することによってもたらされる。
−Vbp:新鮮な空気と燃焼気体との混合空間であり、EGR弁の下流。新鮮な空気の送達ラインと燃焼気体の送達ラインとの交差部分のラインによって占められる容積であって、この空間はターボチャージャー7の圧縮器まで延びている。この空間は、図1のハッチングされた区間12に該当している。
−Vadm:吸気マニフォールドの容積。
−Padm、Tadm:吸気マニフォールド内の圧力と温度。従来、吸気温度は一定であると見なされる。実際、マニフォールドの上流に配置されている交換器はそのような調整を行うように寸法が設定されている。
−Φadm、Φech:吸気弁8と排気弁9の弁アクチュエータの位置。これらの変数は基準位置に対する位相差を定量化している。
−Ne:エンジンの回転数。
−BGR:吸気マニフォールド3の位置の空気混合気(新鮮な空気と燃焼気体)内の燃焼気体質量分率。吸気弁8が閉じたときにシリンダ内に存在している燃焼気体の質量を条件付ける。
−BGRbp:EGR弁から下流の容積12の位置の空気混合気(新鮮な空気と燃焼気体)内の燃焼気体質量分率。
−Dgb(t):EGR弁6を通して供給される燃焼気体の質量流量。
−Dair(t):吸気ライン入口の新鮮な空気の質量流量。この量は、計装に依存して、エアフローメータ5’によって計測される。
−Dasp:空気混合気(新鮮な空気と燃焼気体)で充填されるシリンダの質量流量。
−Dthr:ターボチャージャー7の圧縮器の上流の空気混合気(新鮮な空気と燃焼気体)の質量流量。
−τ:新鮮な空気と燃焼気体との混合の時間と吸気マニフォールド3内への送達との間の気体搬送遅延。
−S:EGR弁の有効表面積。この量は、EGR弁を通して流れることができる流体の表面積を特徴付けており、対象のEGR弁の特徴マップを介してEGR弁の開口に関連している。
−Pam:EGR弁の入口の位置での上流の圧力。
−Pav:EGR弁の出口の位置での下流の圧力。
−ΔP:EGR弁の上流と下流との間の圧力差:ΔP=Pam−Pav。この量は、計装に依存して、EGR弁の計装5を使用して計測できる。
−P、T:現在の、つまり点xで時間tでの圧力と温度。
−ν:吸気回路内の空気混合気(新鮮な空気と燃焼気体)の正確な速度。
−Lcana:対象としている吸気回路ラインの長さ。
−A:対象としている吸気回路ラインの有効断面積。
−ρ:気体混合気の密度。
−r:本明細書に関連するすべての気体については同じ値で288J/kg/Kである比気体定数(排気気体と空気)。
−γ:気体の比熱比。気体は理想的だと仮定され、この比は、関連する全ての気体について同一の定数であって値が1.4である。
i.気体混合空間内に存在している燃焼気体質量分率の予測。
第1のステップは、吸気回路内の(新鮮な空気と燃焼気体の)混合区間の上流での気体質量流量(新鮮な空気または燃焼気体)に対する計測の実施することからなる。混合空間は、EGR弁の下流の容積に該当している。これは新鮮な空気の送達ラインと燃焼気体の送達ラインとの交差部分のラインの容積であって、この容積はターボチャージャー7の圧縮器まで延びている。この容積は、図1のハッチングされた区間12に該当している。
燃焼気体再循環回路(EGR回路)は、タービンの下流の排気部分の位置で燃焼気体を引き込んで圧縮器の上流の吸気部分内に再噴射する。吸気ライン内に再噴射される燃焼気体の量は、吸気ラインとEGR再循環回路との結合部分の位置で、したがってEGR回路の下流に配置されている弁によって制御される。このアクチュエータ(EGR弁)は吸気マニフォールドから空間的に遠く、以降の変化する搬送遅延は、EGR弁の下流の混合空間の位置での燃焼気体質量分率と吸気マニフォールドの位置での燃焼気体質量分率との間の吸気ライン上で発生する。この混合空間は、新鮮な空気の送達ラインと燃焼気体の送達ラインとの交差部分のラインの容積であって、この容積はターボチャージャー7の圧縮器まで延びている。この容積は、図1のハッチングされた区間12に該当している。
−混合空間内の混合動力学
吸気マニフォールド内の燃焼気体の組成の予測を提供するために、混合空間内の燃焼気体の組成をまず予測する。そのため方程式E1を解きたい。
−r:本明細書に関連する全ての気体については同じで値が288J/kg/Kである比気体定数(排気気体と空気)。
−Tam:EGR弁6入口の位置での上流の温度。この温度は、燃焼気体再循環回路内に配置されている交換器(クーラー)4’を通過することによってもたらされる。
−Patm:大気圧力。これは、1次の定数と見なすことができる。
−Vbp:混合空間。これは製造者のデータ。
−Dair(t):吸気ライン入口の新鮮な空気の質量流量。
−Dgb(t):EGR弁を通して供給される燃焼気体の質量流量。
−式A:シリンダ内の燃焼気体の質量。
−式B:シリンダの排気部分での燃焼気体の質量。
−Vivc:吸気弁8閉じるとき(ivc)のシリンダの容積。この容積は吸気弁アクチュエータの位置Φadmとエンジンの寸法との関数である。
−Vevc:排気弁9が閉じるとき(evc)シリンダの容積。この容積は排気弁アクチュエータの位置Φechとエンジンの寸法との関数である。
−OF:オーバーラップ因子。これは、吸気と排気の弁アクチュエータの両位置Φadm、Φechの関数である。これは以下の関係式によって求められる。
−AadmおよびAech:吸気と排気の弁の両開口面積であり、エンジンパラメータ。
−θ:クランク角度。
−θivo:吸気弁が開いたとき(ivo)のクランク角度。この角度は吸気弁アクチュエータの位置Φadmの関数である。
−θevc:排気弁が閉じたとき(evc)のクランク角度。この角度は排気弁アクチュエータの位置Φechの関数である。
−θiv=θev:両方の弁が同じ開口面積を有しているときのクランク角度。
混合空間の位置の燃焼気体質量分率から吸気マニフォールドの位置での燃焼気体質量分率の予測値を求めるために、混合空間から吸気マニフォールドへ移動する距離による純粋な遅延がBGRbpの予測値に適用される。
−第1の区間はEGR弁とターボチャージャー7の圧縮器との間に位置している。この区間の熱動力学的条件は大気条件に相当している。
−第2の区間はターボチャージャー7の圧縮器からインタークーラー4まで延びている。この区間の圧力と温度とは一様であると見なされる。圧力と温度は、専用の検出器によって計測される。
−対象としている最後の区間は、インタークーラー4と空気バタフライ13との間に位置している。インタークーラーは、大幅に温度を低下させるように寸法が設定されており、温度は一様であってマニフォールド内で計測された温度と等しいと見なされる。圧力も一様であって、インタークーラーの上流の第2の区間の圧力と等しいと見なされる。
それから、吸気マニフォールド内の気体の組成の予測によって燃焼を制御することができる。したがって、点火進角またはシリンダ2内に進入する気体の組成を制御することができる。
燃焼エンジンにおいて、空気/ガソリンの混合気の燃焼は、火花の後に通常始まる。火炎前面が伝搬し、混合気の一部がシリンダの壁とピストンの上端に吹き付けられる。圧力と温度の上昇は、壁に吹き付けられていた燃料が自然着火点に到達して、数カ所で着火するほど高くなる。この現象は「エンジンノック」と呼ばれる。したがって、エンジンノックは火花点火エンジンにおいて、なによりもまず異常な燃焼現象であって、エンジンからの金属性のノイズによって外部からでもわかる。エンジンノックは燃焼室内での衝撃波の出現に起因する。
−関数fは静的なマップ
−AaAは点火しなければならないクランク角度
−Mairは空気質量(新鮮な空気と燃焼気体)
−Neはエンジン回転数。
したがって、これによって、シリンダ内の燃焼気体の組成を制御することができる。そのため、以下のステップが開始される。
−吸気マニフォールド3内の燃焼気体分率設定値BGRspを選択するステップと、
−ステップ1と2に従って、吸気マニフォールドの位置の混合気内に存在している燃焼気体質量分率BGR(t)を予測するステップと、
−BGR(t)とBGRspとの差を最小化できるように、EGR弁6の開口設定値Ospを計算するステップと、
−EGR弁6をEGR弁6の開口設定値の関数として制御するステップと、である。
2 シリンダ
3 吸気マニフォールド
4、4’ クーラー(交換器)
5 圧力検出器
5’ エアフローメータ
6 EGR弁
7 ターボチャージャー
12 混合空間
Claims (9)
- 少なくとも1つのシリンダ(2)と、吸気マニフォールド(3)を有する吸気回路と、EGR弁(6)を有する燃焼気体再循環回路と、を有する燃焼エンジン(1)の燃焼を制御する方法であって、
新鮮な空気と燃焼気体が混合する混合空間Vbpの上流で、気体、新鮮な空気、または燃焼気体の流量に対する計測を実施するステップと、
前記計測値と前記混合空間内の混合動力学のモデルとから前記混合空間内に存在している燃焼気体の質量分率BGRbpを予測するステップと、
前記混合空間から前記吸気マニフォールドまでの搬送遅延を予測するステップと、
前記混合空間内に存在している前記燃焼気体の質量分率の予測値と前記搬送遅延の予測値とから前記吸気マニフォールド内の燃焼気体質量分率BGR(t)を実時間で予測するステップと、
前記吸気マニフォールド内の前記燃焼気体質量分率BGR(t)から燃焼を制御するステップと、を含むことを特徴とする方法。 - 前記混合空間内の前記混合動力学の前記モデルは、大気圧と、前記EGR弁の上流の温度と、前記空間Vbpと、前記EGR弁を通して供給される燃焼気体の質量流量Dgb(t)と、前記吸気回路の入口での新鮮な空気の質量流量Dair(t)との関数である、請求項1に記載の方法。
- 層流の法則を各吸気回路区間内の熱動力学状態が均一になるように定められている複数の吸気回路区間にわたって反復して解くことによって純粋な遅延τが計算される、請求項1または2に記載の方法。
- 熱動力学条件が大気条件に相当している第1の区間、気体の搬送中に圧力と温度が上昇する第2の区間、および温度が低下しており前記吸気回路の残りの区間からなる第3の区間の3つの区間が定められている、請求項3に記載の方法。
- 前記計測値は、吸気ライン入口での前記新鮮な空気の質量流量の計測値である、請求項1から4のいずれか1項に記載の方法。
- 前記計測値は、前記EGR弁の位置の圧力差ΔPの計測値であって、前記空間内の前記燃焼気体質量分率BGRbpは、前記圧力差ΔPと前記EGR弁の位置で適用される正確な圧力低下の関係とから予測される、請求項1から5のいずれか1項に記載の方法。
- 燃焼の制御は、比例項を前記吸気マニフォールド内の前記燃焼気体質量分率BGR(t)に加算することによる点火進角制御によって達成される、請求項1から6のいずれか1項に記載の方法。
- 前記燃焼の制御は、BGR(t)と前記吸気マニフォールド(3)内の燃焼気体分率の設定値BGRspとの差を最小にするように前記EGR弁の制御によって前記シリンダ内に含まれている空気質量を制御することで達成される、請求項1から6のいずれか1項に記載の方法。
- 少なくとも1つのシリンダ(2)と、吸気マニフォールド(3)と、EGR弁(6)を有する燃焼気体再循環回路と、を有し、前記EGR弁(6)の位置に圧力検出器(5)が設けられるか、または吸気ラインの開始位置にエアフローメータ(5’)が設けられた燃焼エンジン(1)であって、請求項1から8のいずれか1項に記載の制御方法を適用するのに適している制御手段も有することを特徴とする、エンジン。
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