JP2013516571A - 内燃機関のリアクタ内におけるｈｃｃｉ燃焼を制御する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は内燃機関のリアクタ内における燃料のＨＣＣＩ燃焼を制御する方法に関する。多変数制御を使用し、現在の制御サイクルｋの操作量変更Δｕ_kを少なくとも先行する制御サイクルｋ−１の制御偏差Δｘ_k-1と操作量変更Δｕ_k-1とに基づいて求める。

Description

本発明は内燃機関のリアクタ内における燃料のＨＣＣＩ燃焼を制御する方法に関する。

先行技術
内燃機関においては様々な燃焼方式が知られている。本願で提案する発明は基本的にガソリンエンジン向けのいわゆるＨＣＣＩ燃焼方式（Homogeneous Charge Compression Ignition：予混合圧縮自己着火燃焼、ガソリンＨＣＣＩまたはControlled Auto Ignition ＣＡＩとも呼ばれる）の開ループ制御および閉ループ制御に関する。ＨＣＣＩは、（エンジンのスロットル開放と熱力学的に好適な燃焼とによって）未処理の窒素酸化物を著しく排出せずに（三元触媒は希薄燃焼モードでは窒素を還元する作用を持たない）自動車の燃料消費を大幅に１０〜１５％も低減することを目的とした希薄燃焼方式であり、したがって排ガスの後処理のための追加コストも不要である。

ガソリンエンジンのガソリン燃料および圧縮比は自己着火（ノッキング）をできるだけ阻止するよう構成されているので、ＨＣＣＩ燃焼方式に必要な熱エネルギーは別の方法によって用意する必要がある。これは例えば内部の高温残留ガスの滞留もしくは再吸入、または新鮮空気の加熱によって実施することができる。ここでは排気滞留ないし排気再循環による方法を基礎とする。

ＨＣＣＩ燃焼方式を実施するためには内燃機関の多数の機能が必要であり、とりわけ直接噴射、（部分的）可変バルブ機構（例えば位相調整が可能であること、および２点リフト調整）、ならびに燃焼からのフィードバック（例えば燃焼室圧力、固体伝播音、イオン流、高解像の回転数信号等）が必要である。

これに関連して内燃機関の制御が重要なアスペクトであり、ＨＣＣＩ燃焼の静的開ループ制御および静的閉ループ制御のため、ならびに動的開ループ制御および動的閉ループ制御（負荷切替および動作方式の切替）のために、内燃機関の制御を特別な機能だけ拡張しなければならない。静的開ループ制御および静的閉ループ制御の課題は、動作点の維持／調整、シリンダの均等化、ならびに環境影響の補償にある。動的開ループ制御および動的閉ループ制御の課題は、負荷切替をできるだけ迅速にし、この際にノッキング燃焼も不連続燃焼も許容しないことにある。

ＨＣＣＩ燃焼方式は、上述した燃費利点を達成すると同時に有害物質の排出も許容できる程度に抑えるために、燃焼自体および吸気管内の空気システム状態の閉ループ制御と開ループ制御の間での注意深い調整を必要とする。制御量（例えば、スロットルバルブ、ＥＧＲバルブ、噴射タイミングおよび噴射量、吸気弁および排気弁のバルブ調整（例えば閉弁角度と開弁角度）等）の適当な値は、いわゆる実地試験の際に求められる。

しかし、ここで問題なのは、定常的なＨＣＣＩエンジンモードにおいて既に燃焼は環境条件、燃料品質ないし燃料組成、動作履歴（高負荷／低負荷）等に関して非常に敏感であることである。さらに、シリンダごとに異なる外乱および境界効果（不均一なＥＧＲ分布、外／内シリンダの壁温度の違い）が生じる。また、制御特性マップにデータを入れることも難しい。というのも、最適値は短期的（例えば燃料品質）にも長期的（例えば部品の経年劣化）にも変動を受けるからである。

動的なＨＣＣＩ動作（例えば負荷切替）では、準最適な動作局面が短期的に生じる。なぜならば、調整干渉はハードウェアに起因してそれぞれ異なる遅延特性に従っているからである。したがって、空気システムの状態は吸気管の動特性に従い、位相調整器はむだ時間の影響を受け、速度が制限されている。その一方で、噴射システムはサイクルごとに補正することができるため、最も速い調整干渉を提供する。

これらの問題に対処することが望ましい。

発明の概要
本発明によれば、請求項１に記載の特徴を備える方法が提案される。本発明の別の有利な実施形態は従属請求項の対象である。

本発明の核心は、サイクルからサイクルへの結合を考慮した、ＨＣＣＩモードの開ループ制御ないし閉ループ制御の基本的アイデアに関している。とりわけ、多変数システムが経験的に求められたモデルに基づいて環境条件、燃料品質、動作履歴等に依存せずに燃焼を調節する動作点制御器の変型、燃焼指標に関してのシリンダの原理的な不均一性を補償するシリンダ補償制御器、長期的な変動効果に依存して制御特性マップを適合させる適応の構想、及び異なる調整器動特性を考慮した動特性補償が説明される。

発明の利点
本発明は、先行技術において生じる上記の問題を少なくとも減少させる可能性を提供する。サイクル結合された多変数制御を実現することにより、定常的なＨＣＣＩエンジンモードにおいて燃焼への干渉が低減される。シリンダごとに異なる外乱及び強化効果が考慮される。制御特性マップのデータ入力が簡略化される。動的なＨＣＣＩモードにおいて、最適以下の動作局面の発生が短期化される。

以下ではまず、本発明の基礎となる多変数制御を説明する。

ＨＣＣＩ燃焼方式における状態変化に関して、有利にはシステム雑音を無視して次の関係を仮定する。

ここで、ｘは制御量（例えば燃焼指標及び／又は空気システムの状態）のベクトルを表し、ｕは操作量のベクトルを表し、Ａはシステム行列を表し、Ｂ₁及びＢ₂は入力行列を表し、ｋは時間ステップ又はサイクルを表している。Δは（状態ｘの）目標値までの差又は（操作量ｕの）事前制御値までの差を表している。事前制御が存在しない場合、Δｕは操作量自身を表す。

最初の項Ａ・Δｘ_k-1は、従来のガソリンエンジン又はディーゼルエンジンの燃焼とは対照的にＨＣＣＩ燃焼方式において現れるサイクル間結合を記述する。さらに、現在のサイクルｋの状態変化Δｘ_kは、現在のサイクル及び前サイクルにおける入力変数の変化に依存することが認識された。このことは、有利な実施形態において、行列Ｂ₁及びＢ₂によって記述される。

シリンダ不均一性に対する調整干渉の小さい、安定した動作点における定常的動作では、有利なことに過渡状態は無視することができる。つまり、第ｋサイクルの制御偏差は平均して第（ｋ−１）サイクルの（測定された）制御偏差によって良く近似することができると仮定される。このことから次のことが導かれる。

したがって、Δｘ_k＝０を要求する（サイクルｋにおける制御偏差をゼロとする）ならば、第ｋサイクルに必要な操作量の変更Δｕ_kは直接、第（ｋ−１）サイクルの制御偏差Δｘ_k-1と干渉Δｕ_k-1とから計算できる。このことから

が得られる。ここで、ｘ_REFは目標値を表しており、ｘ_k-1は表している。

このことから、Ｂ₁が逆行列を持つならば、必要な操作量の変更Δｕ_kは直接

と求められる。ここで、（ｘ_REF−ｘ_k-1）＝Δｘ_k-1である。
多変数制御（ｘ：ＩＭＥＰ：図示平均有効圧力、λ：空気過剰率、ＭＦＢ５０：燃焼重心位置、ｕ：ｑ：噴射量、ＥＶＣ：排気弁の閉弁角度、ＥＧＲ：吸気管における排気再循環率、ＳＯＩ：噴射角度）の１つの例として、本方法を例示的に説明し、１つの例として具体化する。この場合、式［３］から

となる。ここで、行列の成分としての０は、各指標が各操作量に全く又は無視できる程度にしか依存しないことを示している。

求解に必要な計算コストは、シリンダ均等化のためのシリンダ個別の干渉を動作点を調整するための大域的な干渉から切り離せば、有利なことに低減することができる。有利な実施形態では、［３］に基づいて２階の方程式系が提案される。

動作点を制御するための大域的な干渉は下式によって記述される。

ここで、それぞれｋ及びｋ−１に関して、

である。

オーバーラインの付いた変数は複数のシリンダにわたる平均値を表している。代替的に、例えば燃焼位置にそのつど最後のシリンダ（ＭＦＢ５０_k ^max）又は最初のシリンダ（ＭＦＢ５０_k ^max）を使用してもよい。

シリンダ不均一性に対するシリンダ個別の干渉は下式によって記述される。

ここで、平均値又は最大値もしくは最小値が新しい基準を表している。

このように、上の実施形態では、４×４の依存関係を３×３の依存関係と２×２の依存関係とで置き換えることができる。これにより、独立した制御量が４つあることによる計算コスト（方程式系は各シリンダについて計算しなければならない）と高い適用コストを低減することができる。

以上に示された方法は基本的にいわゆる定常ＨＣＣＩモードに関している。操作量動特性を考慮すると有利である。この場合、（例えば負荷切替局面における）動的なＨＣＣＩモードへの適用可能性を改善するために、動的補償が導入される。

この動的補償について、式［１］に比べて幾らか単純化された以下の表現を用いて説明する。

ここで、ｘは個々の制御量（個々の燃焼指標、例えばＭＦＢ５０）を表し、ｕ₁、ｕ₂は２つの操作量（例えばＥＶＣとＳＯＩ）の値を表し、ａ、ｂはそれぞれの感度を表している。上記ｕ₁（例えばＥＶＣ）が既知の動特性に服している場合、つまり、操作量ｕ₁の指令された値と現在値との間に差がある場合、この差は（その瞬間に有効であると）仮定された操作量ｕ₂への干渉によって補償することができる。そのために、好適には、動特性を記述するため、測定データに基づいたモデルが存在する。

式［５］と既に上で述べた要求Δｘ_k＝０とから、以下の補正値が得られる。

有利な実施形態では、閉ループ制御に基づいて事前制御特性マップの適応が行われる。したがって、動作点に依存する事前制御値を、それぞれの動作点において長期的に生じる制御器の操作量補正の積分要素の分だけ変化させることが可能である。好適には、この変化は記憶される。それ以降、例えば噴射器の経年劣化作用に起因する長期的な変化は既に事前制御において考慮することができるので、制御器は短期的な環境影響と燃料影響等だけを補償するだけでよい。これは特に、制御器が燃焼サイクルの数サイクル分の整定時間しか有さない動的な動作において有利である。同様に、例えばセンサ故障時のように、状況によってはもはや全く閉ループ制御が可能でない非常時においても、有利である。

本発明の計算ユニット、例えば自動車の制御装置は、特にプログラム技術的に本発明の方法を実行するように構成されている。

ソフトウェアの形態で本発明を実現することも、とりわけ、実行する制御装置がいずれにせよ既に存在しており、別のタスクにも使用される場合には、有利である。なぜならば、非常に低コストだからである。コンピュータプログラムを準備するのに適したデータ担体はとりわけディスケット、ハードディスク、フラッシュメモリ、ＥＥＰＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ等々である。また、コンピュータネットワークを介してプログラムをダウンロードすることも可能である。

本発明の別の態様によれば、多変数制御の代わりに、ＨＣＣＩ方式に対してＳＩＳＯ制御を行ってもよい。

適用コストを下げるために、つまり、特に感度に関連する測定コストを下げるために、分離構造を選択してもよい。つまり、正確に１つの燃焼指標／空気システム状態の閉ループ制御には正確に１つの操作量を使用し、この操作量の他の指標／空気システム状態への相互影響は無視する。

これは、実際上、そのつどの増幅係数を適切に選択することによって閉ループ制御器の動特性を適切に制限するだけで十分であることが判明している。また、ＨＣＣＩ燃焼方式の全適用範囲を複数のサブモードに分割し、これらのモードをそれぞれ特性マップないし特性マップ範囲に割り当てるようにしてもよい。

３つのＨＣＣＩ範囲を定義することが考えられる。なお、これら３つのＨＣＣＩ範囲は以下ではＨＣＣＩ１、ＨＣＣＩ２およびＨＣＣＩ３と呼ばれる。

下負荷範囲はＨＣＣＩ１と呼ばれる。ここでは、自己着火のための熱エネルギーを発生させるために、中間圧縮における部分燃焼により残留ガスが補助的に加熱される。

外部残留ガスのない希薄燃焼によって特徴付けられる中負荷範囲は、ＨＣＣＩ２と呼ばれる。

上負荷範囲はＨＣＣＩ３と呼ばれる。ここでは、高温の内部残留ガスが低温の外部残留ガスに置き換えられる。これは燃焼室温度を低下させる。さらに、三元触媒が窒素を低減できるように、Ａ＝１に設定される。点火補助を設けてもよい。

これら３つの範囲は有利には以下に示すように閉ループ制御することができる。

本発明のさらなる利点および実施形態は以下の説明および添付の図面から明らかになる。

これまで述べてきた特徴ならびに以下でさらに説明する特徴は、それぞれ記載した組み合わせだけでなく、別の組み合わせでもあるいは単独でも、本発明の範囲を逸脱することなく利用できるのは自明である。

本発明を実施形態に基づいて図面に概略的に示し、以下図面を参照して詳細に説明する。

制御装置を備えた内燃機関の概略図を示す。 本発明の第１の有利な実施形態による多変数補償機能を概略的に示す。 本発明の第２の有利な実施形態による多変数補償機能を概略的に示す。 操作量の動特性を概略的に示す。

発明の実施形態
図１には、内燃機関１が示されており、ピストン２はシリンダ３内で上下に可動である。シリンダ３はリアクタないし燃焼室４を備えており、燃焼室４には弁５ａおよび５ｂを介して吸気管６ないし排気管７が接続されている。弁５ａ、５ｂは可調整の弁駆動部を備えており、吸気弁５ａは信号ＩＶＯによって、排気弁５ｂは信号ＥＶＣによって駆動可能である。吸気管６には空気質量センサ１０が設けられており、排気管７にはラムダセンサ１１が設けられている。吸気管と排気管との間には、信号ＥＧＲによって駆動可能な排気再循環弁１３を有する排気再循環部が存在している。

排気ガスを再吸入するために、吸気弁５ａを早期に開くことにより排気ガスの一部を吸気管６に再流入させるように、吸気弁５ａの駆動制御を行ってよい。

特に有利な解決方法である排気滞留のために、排気弁５ｂを早期に閉じることにより排気ガスの一部が滞留するように、排気弁５ｂの駆動を行ってよい。吸気弁５ａは、滞留した排気ガスが吸気管６に流出するのを阻止するために、遅れて開弁される。

さらに、燃焼室４には、信号ｑおよびＳＯＩによって駆動制御可能な噴射弁８と駆動性可能な点火プラグ９とが接続されている。ＨＣＣＩ燃焼方式の場合、点火プラグは燃焼室内で燃料／空気混合気を点火するために用いられるのではない。その代わりに自己着火が実施される。点火プラグはその他の動作方式のために設けられている。燃焼室はさらに、燃焼室圧力を測定するための燃焼室圧力センサ１５を有している。

空気質量センサ１０は吸気管６に供給される新鮮空気の空気質量を測定し、これに応じて信号ＬＭを形成する。ラムダセンサ１１は排気管７内の排気ガスの酸素含有量を測定し、それに応じて信号λを形成する。さらに、有利には、測定された燃焼室圧力から図示平均有効圧力ＩＭＥＰと燃焼重心位置ＭＦＢ５０と最大圧力勾配ｄｐｍａｘとが計算される。代替的に、指標ＩＭＥＰおよびＭＦＢ５０を、分解能の高い回転数信号からまたはイオン流センサの測定信号から求めてもよい。

吸気管６内には絞り弁１２が配置されており、この絞り弁１２の回転位置は信号ＤＫによって調整することができる。ラムダセンサ１１には、例えば三元触媒等の触媒を含む排気デバイス（図示しない）が後置接続されている。内燃機関１の排気ガスを滞留させるＨＣＣＩ燃焼方式では、絞り弁１２は希薄混合気を生成するために望ましい供給空気質量に依存して開弁される。燃料は、排気弁および吸気弁を早期に開き遅くに閉じることによって引き起こされる中間圧縮中に負荷切換ＯＴ（上死点）近辺で、噴射弁８から燃焼室４内に噴射される。燃料は燃焼室内の高温によって急速に気化し、これによって燃焼室４内で非常に良く混合される。後続の吸気行程では、新鮮な空気が燃焼室４内に吸入される。その後、圧縮行程中に、温度上昇によって自己着火するまで燃料／空気混合気は圧縮される。着火した燃料の膨脹によってピストン２が駆動される。駆動されたピストンによってクランクシャフト１４が回転運動を行い、この回転運動によって最終的に自動車の車輪が駆動される。

もちろん、内燃機関は、同じクランクシャフトおよび同じ排気管に割り当てられ１つの排気マニホルドを形成する複数のシリンダを有していてよい。

とりわけＨＣＣＩ方式を制御するために、制御装置１６が設けられている。この目的のために制御装置１６にはマイクロプロセッサが設けられており、記憶媒体、とりわけリードオンリーメモリ（ＲＯＭ）には、内燃機関１の開ループ制御および／または閉ループ制御の全部を実施するのに適したプログラムが格納されている。制御装置（ＥＣＵ）１６は、本発明の方法を実施するよう構成されている。

制御装置１６には、センサを用いて測定された内燃機関の動作特性量を表す入力信号が印加される。例えば、制御装置１６は空気質量センサ１０、ラムダセンサ１１等と接続されている。さらに、制御装置１６はとりわけアクセルペダルセンサ（図示せず）と接続されている。制御装置１６は出力信号を形成し、この出力信号はアクチュエータを介して、望ましい開ループ制御および／または閉ループ制御に応じて内燃機関１の動作状態に影響を与えることができる。例えば制御装置１６は噴射弁８、弁５ａ，５ｂ、点火プラグ９、絞り弁１２と接続されており、これらを制御するのに必要な信号を形成する。

図２ａには、本発明の第１の有利な実施形態による多変数補償機能が参照符号２００によって示されている。多変数補償機能２００は第ｋサイクルの操作量変更Δｕ_kを求めるために使用される。そのために、第ｋ−１サイクルの制御偏差Δｘ_k-1が乗算素子２１０に供給され、乗算素子２１０が第１入力行列の負の逆行列−Ｂ₁ ^-1との乗算を行う。その結果は加算素子２２０に供給される。加算素子２２０にはさらに、乗算素子２３０を介して第ｋ−１サイクルの操作量変更Δｕ_k-1が供給される。乗算素子２３０は第１入力行列の負の逆行列−Ｂ₁ ^-1と並んで第２入力行列Ｂ₂も含んでいる。あるサイクルから次のサイクルへの操作量変更Δｕのフィードバックは、操作量変更Δｕ_k-1を用意する遅延素子である素子２４０を介して行われる。

多変数補償機能２５０の第２の有利な実施形態は、図２ｂに基づいて説明される。回路略図２５０は基本的には回路略図２００と同じであるが、上側の回路ブランチを変更した、すなわち素子２１０を２１０’に変え、素子２４５を挿入したという点でのみ回路略図２００と異なっている。

制御偏差Δｘ_k-1は通常かなりの雑音成分を有しているので、より実際的な形態２５０では、雑音は積分器２４５を介して平滑化される。さらに、素子２１０’は実地的に求められるべき増幅係数Ｋ（０＜Ｋ＜１）を備えている。感度は、すなわち、操作量が変化したときの燃焼指標の変化は、動作点に依存して実験により求めることができる。

図３では、操作量動特性がグラフ３００に概略的に示されている。本発明の有利な実施形態では、第２操作量への干渉によって第１操作量の動特性を補償することによって、操作量動特性を考慮するようにしてもよい。グラフ３００では、横軸３０１の時間ｔに対して縦軸３０２の操作量ｕが示されている。グラフ中で、操作量の目標値は３１０で、目標値から生じる実際値は３２０で示されている。グラフから分かるように、時点ｔ₀において指令された信号は後の時点ｔ₁において漸く実現される。有利には、指令された値と現在の値との間のこの差は第２操作量への干渉によって補償される。

Claims (12)

1. 内燃機関（１）のリアクタ（４）内における燃料のＨＣＣＩ燃焼を制御する方法において、
   多変数制御を使用し、
   現在の制御サイクルｋの操作量変更Δｕ_kを少なくとも先行する制御サイクルｋ−１の制御偏差Δｘ_k-1と操作量変更Δｕ_k-1とに基づいて求める
   ことを特徴とする方法。
2. 現在の制御サイクルｋの操作量変更Δｕ_kを、第１入力行列Ｂ₁と第２入力行列Ｂ₂とに基づき２つの項−Ｂ₁ ^-1・Δｘ_k-1および−Ｂ₁ ^-1・Ｂ₂・Δｕ_k-1を用いて、有利にはΔｕ_k∝−Ｂ₁ ^-1・Δｘ_k-1−Ｂ₁ ^-1・Ｂ₂・Δｕ_k-1に従って求める、請求項１に記載の方法。
3. 図示平均有効圧力ＩＭＥＰ、空気過剰率λ、燃焼重心位置ＭＦＢ５０および／または最大圧力勾配ｄｐｍａｘの制御偏差Δｘを取得する、有利には上記値のみの制御偏差Δｘを取得する、請求項１または２に記載の方法。
4. 噴射量ｑ、排気弁（５ｂ）の閉弁角度ＥＶＣ、吸気管（６）における排気再循環率ＥＧＲおよび／または噴射角度ＳＯＩの操作量変更Δｕを出力する、有利には上記値のみの操作量変更Δｕを出力する、請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記第１入力行列Ｂ₁と前記第２入力行列Ｂ₂は行列成分として前記制御量を前記操作量で偏微分したものを含む、請求項２、３および４のいずれか１項に記載の方法。
6. 行列成分は前記操作量が前記制御量に対して影響を及ぼさない位置では零である、請求項５に記載の方法。
7. シリンダ均等化のためのシリンダ個別の干渉を動作点の調整のための大域的な干渉から切り離す、請求項１から６のいずれか１項に記載の方法。
8. 動作点の調整のために、図示平均有効圧力ＩＭＥＰ、空気過剰率λおよび／または燃焼重心位置ＭＦＢ５０の制御偏差Δｘを取得し、シリンダ均等化のために、図示平均有効圧力ＩＭＥＰおよび／または燃焼重心位置ＭＦＢ５０の制御偏差Δｘを取得する、有利には上記各値のみの制御偏差Δｘを取得する、請求項７に記載の方法。
9. 動作点の調整のために、噴射量ｑ、排気弁（５ｂ）の閉弁角度ＥＶＣおよび／または吸気管（６）における排気再循環率ＥＧＲの操作量変更Δｕを出力し、シリンダ均等化のために、噴射量ｑおよび／または噴射角度ＳＯＩの操作量変更Δｕを出力する、有利には上記各値のみの操作量変更Δｕを出力する、請求項７または８に記載の方法。
10. 操作量動特性を考慮し、第１操作量の指令された値（３１０）と現在の値（３２０）との間の差を第２操作量への干渉によって補償する、請求項１から９のいずれか１項に記載の方法。
11. 事前制御特性マップの適応調整を行い、動作点に依存する事前制御値を各動作点において長期的に生じる操作量変更Δｕの積分要素の分だけ変化させる、請求項１から１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 請求項１から１１のいずれか１項記載の方法を実施するよう構成された計算ユニット。

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