JP2013519040A - 内燃機関の吸気管内の空気システム状態を制御するための方法 - Google Patents

内燃機関の吸気管内の空気システム状態を制御するための方法 Download PDF

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Abstract

内燃機関の吸気管内の少なくとも一つの空気システム状態を制御するための方法において、前記少なくとも一つの空気システム状態に影響を与える少なくとも一つの制御量がアクチュエータによって予め設定され、制御時に前記アクチュエータの少なくとも一つの制御量制限が考慮される、ことを特徴とする方法。

Description

本発明は、内燃機関の吸気管内の空気システム状態を制御するための方法に関する。
先行技術
内燃機関においては種々異なる燃焼方式が知られている。本願で提案する発明は、実質的に、いわゆるガソリンエンジン用の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又はControlled Auto Ignition CAIとも称される)の開ループ制御及び閉ループ制御に関する。HCCIは、(スロットルバルブを全開することにより、及び、熱力学的に優れた燃焼により)著しい窒素酸化物を排出することなく自動車の燃費を10%から15%格段に低減すること、及び、排気ガスの後処理のための付加的なコストを甘受する必要をも無くすことを目的とした希薄燃焼方式を意味する。
ガソリンエンジンのガソリン燃料及び圧縮比は自己着火(ノック)をできるだけ阻止するように構成されているので、HCCI燃焼方式に必要な熱エネルギは別の方法によって用意する必要がある。これは、例えば、内部の高温の残留ガスを抑留若しくは逆吸入すること、又は、新気を加熱することによって実施することができる。
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、特に、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、及び、2点リフト調整)、並びに、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、高分解の回転数信号等)が必要である。
これに関連して内燃機関の制御が重要な観点であり、HCCI燃焼の安定状態での開ループ制御及び安定状態での閉ループ制御のため、並びに、動的開ループ制御及び動的閉ループ制御(負荷切替及び動作方式の切替)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。安定状態での開ループ制御及び安定状態での閉ループ制御の課題は、動作点の維持/調整、シリンダ間での均等化、及び、環境影響の保障にある。動的開ループ制御及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完全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制するために、吸気管内の空気システム状態と燃焼自体の閉ループ制御および開ループ制御との間での注意深い調整を必要とする。
相応の制御方法は、本出願人が本願と同日付にて提出した出願「内燃機関のリアクタにおけるHCCI燃焼の制御方法(Verfahren zum Regeln einer HCCI-Verbrennung in einem Reaktor einer Brennkraftmaschine)」に記載しており、本願ではこの記載内容が全面的に参照されて開示されているものと見なす。上記出願に記載するHCCI燃焼のための制御方法は、本発明の起点として利用することができ、本発明を最適化するための基礎とすることができる。特に、動的なHCCI動作(例えば負荷切替)では、最適条件から外れた動作行程が短時間発生する。なぜなら調整介入は、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。これは特に、空気システム状態が吸気管力学に従っていること、及び、位相調整器が無駄時間の影響を受けておりレート制限されていることに起因する。
同様の問題は、例えばHCCI燃焼方式からSI燃焼方式(spark ignition:火花点火)への切替及びその逆方向の切替等、燃焼方式を切り替える際にも存在する。相応の切替方法は、本出願人が本願と同日付にて提出した出願「内燃機関のリアクタにおけるHCCI燃焼とSI燃焼との間の切替方法(Verfahren zum Umschalten zwischen einer HCCI-Verbrennung und einer SI-Verbrennung in einem Reaktor einer Brennkraftmaschine)」に記載しており、本願ではこの記載内容が全面的に参照されて開示されているものと見なす。上記出願に記載する切替方法は、本発明の起点として利用することができ、本発明を最適化するための基礎とすることができる。即ち、HCCIからSIへの移行時には、一方では、理想的には排気行程内で内部の残留ガスをできるだけ迅速に排気する必要があるが、他方では、残留ガスの排出によって空になった燃焼室空間に新気が充填される場合に、空気燃料混合気が希薄化し過ぎるのを阻止する必要がある。
従って、内燃機関のリアクタにおいて不完全燃焼又はノッキング燃焼ができるだけ生じないように吸気管内の空気システム状態を制御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。
発明の利点
本発明は、例えば吸気管内の空気システム状態に関するHCCI燃焼方式の感度が高いために、システムの全体力学が、空気システム状態の時間的に最適な開ループ制御及び閉ループ制御に決定的に依存しているという認識に実質的に基づいている。ここで、本発明は、例えばモデルベースの数式を使用し、この数式において制御量制限が考慮される。従って、本発明は、安定状態で算出された燃費利点を得るために重要な寄与を果たし、燃焼自体の相応の開ループ制御及び閉ループ制御と組み合わせて、ノッキング燃焼又は不完全燃焼をもたらすことなく最大トルクを保証する。
有利には少なくとも一つの制御量制限は、アクチュエータによる時間単位ごとの制御量の最大限及び/又は最小限に適用可能な変化、及び/又は、アクチュエータによる制御量の最大限及び/又は最小限に適用可能な値を含む。例えば、バルブは最大限取り得る限界状態を有し、バルブ移動力も所定の慣性を受ける。その後において、制御命令は、直接には伝播しない。アクチュエータの実際の動作を考慮することによって制御を改善することができる。
有利には、考慮された制御量制限に基づいて、少なくとも一つの空気システム状態の最大限及び/又は最小限に可能な変化率が算出される。算出された少なくとも一つの空気システム状態の最大限及び/又は最小限に可能な変化率に基づいて、有利な実施形態においては、アクチュエータのための少なくとも一つの制御量を算出することができる。このようにして、アクチュエータの実際の動作に非常に近似した制御量乃至制御量の推移が算出される。
本発明の有利な実施形態によれば、HCCI燃焼方式の制御が実施される。相応の制御方法は、本出願人が本願と同日付にて提出した出願「内燃機関のリアクタにおけるHCCI燃焼の制御方法(Verfahren zum Regeln einer HCCI-Verbrennung in einem Reaktor einer Brennkraftmaschine)」に記載しており、本願ではこの記載内容が全面的に参照されて開示されているものと見なす。本発明はHCCI燃焼方式に制限されているわけではなく、吸気管内の残留ガス率の急激な乃至迅速な変化が必要とされている総ての燃焼方式を対象とし得るということに言及しておく。これには、例えば、スプレーガイデッドの成層燃焼方式が当てはまる。
同様に有利な本発明の実施形態によれば、HCCI燃焼方式からSI燃焼方式への切替が実施される。相応の切替方法は、本出願人が本願と同日付にて提出した出願「内燃機関のリアクタにおけるHCCI燃焼とSI燃焼との間の切替方法(Verfahren zum Umschalten zwischen einer HCCI-Verbrennung und einer SI-Verbrennung in einem Reaktor einer Brennkraftmaschine)」に記載しており、本願ではこの記載内容が全面的に参照されて開示されているものと見なす。ここでも本発明がHCCI−SI切替過程に制限されていないということに言及しておく。むしろ本発明は、吸気管内の残留ガス率の急激な乃至迅速な変化を必要とする総ての動作点変化において使用することができる。
本発明による計算ユニット、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具現化することも有利である。なぜならこのことは、実行する制御装置が他のタスクのためにも使用されており、いずれにせよ既存であるので、特に低コストだからである。適当なデータ担体は、特にフレキシブルディスク、ハードディスク、フラッシュメモリ、EEPROM、CD−ROM、DVD等である。コンピュータネットワーク(インターネット、イントラネット等)を介したプログラムのダウンロードも可能である。
HCCIに関する中心的な観点は、空気システム量p22(吸気管圧力)及びr22EG(吸気管内の残留ガス率)の時間的に最適な誘導である。このことは安定状態でのHCCI方式において既に有効であるが、特に動作方式を切り替える場合、例えばSI燃焼方式からHCCI燃焼方式に切り替える場合、及び、負荷要求が変化する(動的動作)場合に、特に有効である。制御量として少なくともスロットルバルブの(相対的な)開度、及び、EGRバルブの(相対的な)開度が使用される。以下、本発明の方法をこれらの制御量について基本的な例を挙げて説明する。しかしながら、本発明はこれらの実施例に制限されるものではない。
吸気管は、以下の微分方程式及び代数方程式によって表すものとする:
Figure 2013519040
ここで、pは圧力、Tは温度、mはガス質量、rは(残留ガス質量対全体質量の)比率、dH/dtはエンタルピー流、添え数字22及び3は吸気管体積及び排気ガス体積を表す。cp及びcvは圧力乃至体積が一定である場合の比熱容量を表し、κはポリトロープ指数、Rは気体定数を表す。
さらに、スロットルバルブ及びEGRバルブは、絞り方程式(Drosselgleichung)を用いて表される:
Figure 2013519040
ここで、dm/dtはスロットルバルブを通過する質量流量であり、dH/dtは対応するエンタルピー流であり、PSIは流れ関数である。流れ関数は、スロットルバルブの前と後の圧力比pi及びポリトロープ指数κに依存している。
有効面積Aeffは可変であり、実用に応じて開度パーセンテージ値(THROp乃至EGRvOp)に依存して算出され、目的に応じて特性曲線に記される。
有利な実施形態においては、方程式(1)は、方程式(7)を使用して、EGRバルブを通過する目下のエンタルピー流及び内燃機関における目下のエンタルピー流が既知であることを仮定して、スロットルバルブを通過するdm/t_Thr、即ち、質量流量に応じて解かれる:
Figure 2013519040
吸気管圧力の所期の変化dp/dt_22_desは、制御差(p22_des−p22_act)から、サンプリング時間ステップで割ることにより得られる。このサンプリング時間ステップは、基本的に最小有効時間間隔に相当し、即ち、内燃機関の場合には1回の燃焼に相当する(4シリンダ:180°クランクシャフト)。なぜなら、吸気行程に基づいて生じる振動を一緒に制御することは望ましくないからである。
ここでさらに、スロットルバルブ及びEGRバルブが制御量制限を受けるということを考慮すべきである(最小0%、最大100%)。このことは、EGRバルブを通過するエンタルピー流/質量流量、及び、内燃機関におけるエンタルピー流/質量流量が既知とされている場合、方程式(1)による所期の変化の動的なレート制限によって実施される(100%の場合にはdH/dt_THR_maxであり、0%の場合にはdH/dt_THR_min=0である):
Figure 2013519040
このようにして得られた変化率は時間最適性を保証する。
EGRバルブを通過する流れに対しても同様に以下のように判明している:
Figure 2013519040
ここでもdr/dt_22EG_desは、動的なレート制限により以下の最小値及び最大値によって制限される:
Figure 2013519040
最後に方程式(6)及び逆関数のAeff(Op)特性曲線が使用され、このようにして算出された目標質量流量から、スロットルバルブ及びEGRバルブに対する指令すべき開度パーセンテージ値が算出される。
二つの制御装置はSISO制御装置として簡単に構成することができ、即ち、これらの制御装置の結合は無視される。結合は例えば二つの制御装置を一つの計算時間ステップだけ遅らせて互いに接続することによって考慮することができ、これで充分であることが実施において判明している。
本発明の方法の上述した構成は、関係する総ての質量流量、質量、温度及び圧力を高精度で時間遅延無く測定できること、又は、相応の値を空気システム及び燃焼のオンラインで同時進行するモデルから得ることを前提としている。このモデル自体は、利用可能な測定値と周期的に調整されている。
別の有利な実施形態によれば、吸気管内のEGR率の安定状態での評価に関連した制御が提案される。このためには以下の測定量が存在しなければならない:即ち、p1(スロットルバルブの前)、p22、p3、T1及びTEGR(EGR冷却装置の後方の排気ガス温度)である。方程式(2)から、吸気管内のEGR率に対して安定状態の場合(ガス質量に変化が無い)には以下のことが判明している:
Figure 2013519040
尚、EGRバルブ及びスロットルバルブを通過する質量流量は、これらの測定量から方程式(6)を用いて算出される。排気ガス体積r3(HCCIは希薄燃焼方式であるのでr3は基本的に1よりも小さい)のEGR率は、制御から既知である内燃機関内の燃料質量流量dm/dt_Fuel、及び、スロットルバルブを通過するガス質量流量を用いて算出される:
Figure 2013519040
尚、AFRは、理論空燃比を表す(−14.5)。
スロットルバルブ及びEGRバルブに対する開度パーセンテージ値の算出は、所期のEGR率r22EG_des及び境界条件を予め設定しておくことによって実施される。境界条件は、吸気管内の全体質量流量が、ある算出ステップから次の算出ステップまで(k−1からk)一定であることを要求するものとする:
Figure 2013519040
吸気管圧力(方程式(1)、dp/dt_22=0)も一定にすることができ、dm/dt_ges(k)に対する択一的な式が得られ、そうすると計算は同一となる。
所期のEGR率を用いて、k回目のステップにおけるEGR質量流量乃至スロットルバルブ質量流量に対して以下が得られる:
Figure 2013519040
最後にここでも方程式(6)、質量流量、及び、逆関数のAeff(Op)特性曲線が使用され、このようにして算出された目標質量流量から、スロットルバルブ及びEGRバルブに対する制御すべき開度パーセンテージ値が算出される。
本発明のさらなる利点及び実施形態は、以下の説明及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及び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することが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。
図1は、制御装置を備える内燃機関の概略図を示す。 図2は、本発明の有利な実施形態による吸気管圧力の推移、EGR率の推移、スロットルバルブ及びEGRバルブに対する開度パーセンテージ値の推移、燃焼室圧力の推移、制御時の燃焼室のガス質量の推移を示す。
発明の実施形態
図1には、内燃機関1が図示されており、内燃機関1ではピストン2がシリンダ3内で上下に移動可能となっている。シリンダ3にはリアクタ乃至燃焼室4が設けられており、燃焼室4にはバルブ5a及び5bを介して吸気管6乃至排気管7が接続されている。バルブ5a、5bには調整可能なバルブ機構が設けられており、バルブ5a、5bは制御装置16によって制御可能である。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6は、外部の排気ガス再循環のための排気ガス再循環バルブ13を介して排気管7と接続されている。
排気ガスを吸い戻すために、吸気バルブ5aを早期に開放することによって排気の一部が吸気管6に逆流するよう、吸気バルブ5aを制御することができる。
特に有利な解決方法である排気ガスの抑留のために、排気バルブ5bを早期に閉鎖することによって排気の一部が抑留されるよう、排気バルブ5bを制御することができる。吸気バルブ5aは、抑留された排気ガスが吸気管6に流出するのを阻止するために、遅れて開放される。
燃焼室4にはさらに、制御可能な噴射バルブ8と制御可能な点火プラグ9とが接続されている。HCCI燃焼方式の場合には、燃焼室で燃料/空気混合気を点火するために点火プラグは用いられない。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を有する。
空気質量センサ10は吸気管6に供給される新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、これに応じて信号λを形成する。さらに、吸気管圧力p22及び残留ガス率r22EGが検出されて、制御装置16に供給される。この検出は、例えば測定を含むことができる。同じくこの検出は、特に、制御装置16自体でのモデルベースの計算を含むこともできる。
吸気管6にはスロットルバルブ12が収納されており、該スロットルバルブ12の回転位置は信号DKによって調整することができる。排気ガス再循環バルブ13は、信号EGRによって制御可能である。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の排気ガスを抑留するHCCI燃焼方式では、スロットルバルブ12は、希薄混合気を生成するために所期の供給空気質量に依存して開放される。排気バルブ及び吸気バルブを早期に開放及び遅くに閉鎖することによって引き起こされる中間圧縮中に、ガス交換サイクルの移行OTの間近(上死点)で、燃料が噴射バルブ8から燃焼室4に噴射される。燃焼室内の高温は燃料の迅速な気化をもたらし、これによって燃焼室4にて混合気が非常に良好に形成される。後続の吸気行程では、新気が燃焼室4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/空気混合気が圧縮される。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が回転運動され、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。
内燃機関が複数のシリンダを有しており、これらのシリンダが同一のクランクシャフト及び同一の排気管に割り当てられており、一つの排気マニホールドを形成しているということは自明である。
特に、空気システム状態を制御するために、制御装置16が設けられている。この目的のために制御機器16にはマイクロプロセッサが設けられており、記憶媒体、特にリードオンリーメモリ(ROM)には、内燃機関1の全体的な開ループ制御及び/又は閉ループ制御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に構成されている。
制御機器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ている。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、特に走行ペダルセンサ(図示しない)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、所期の開ループ制御及び/又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、噴射バルブ8、バルブ5a,5b、点火プラグ9、スロットルバルブ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2に基づいて、空気システム状態制御の基本的なストラテジを説明する。図2においては、それぞれ横軸602に秒で示される時間tに対して、線図200では縦軸201に吸気管圧力p22がバールでプロットされており、線図300では縦軸301に吸気管内の排気ガス成分r22EGがプロットされており、線図400では縦軸401に排気ガス再循環バルブEGRの位置が0(閉鎖)から1(全開)でプロットされており、線図500では縦軸501に内燃機関ないしリアクタの圧力pCylがバールでプロットされており、線図600では縦軸601にガス質量mCylがグラムでプロットされている。
制御量制限を考慮しない場合の所期の圧力経過が210で示されている。制御量制限を考慮した場合の所期の圧力経過は211で示されており、実際に生じる圧力経過は212で示されている。相応して、制御量制限を考慮しない場合の所期の残留ガス成分の推移が310で示されている。制御量制限を考慮した場合の所期の残留ガス成分の推移は311で示されており、実際に生じる残留ガス成分の推移は312で示されている。
制御量制限を考慮することにより所期の推移が実際の推移に良好に近似することが見て取れる。
排気ガス再循環バルブの位置の推移が410で示されており、スロットルバルブの位置の推移が411で示されている。シリンダ内の燃焼室圧力の推移が510で示されており、ガスの全体質量の推移が610で示されており、排気ガス質量の推移は611で示されており、空気質量の推移は612で示されており、燃料質量の推移は613で示されている。

Claims (12)

  1. 内燃機関(1)の吸気管(6)内の少なくとも一つの空気システム状態を制御するための方法において、
    前記少なくとも一つの空気システム状態に影響を与える少なくとも一つの制御量(DK;EGR)がアクチュエータ(12;13)によって予め設定され、
    制御時に前記アクチュエータの少なくとも一つの制御量制限が考慮される、
    ことを特徴とする方法。
  2. 前記少なくとも一つの制御量制限は、前記アクチュエータ(12;13)による時間単位ごとの前記制御量(DK;EGR)の最大限及び/又は最小限に適用可能な変化を含む、
    ことを特徴とする請求項1記載の方法。
  3. 前記少なくとも一つの制御量制限は、前記アクチュエータ(12;13)による前記制御量(DK;EGR)の最大限及び/又は最小限に適用可能な値を含む、
    ことを特徴とする請求項1又は2記載の方法。
  4. 考慮された前記制御量制限に基づいて、前記少なくとも一つの空気システム状態の最大限及び/又は最小限に可能な変化率を算出する、
    ことを特徴とする請求項1から3のいずれか一項記載の方法。
  5. 算出された前記少なくとも一つの空気システム状態の前記最大限及び/又は最小限に可能な変化率に基づいて、前記アクチュエータ(12;13)のための少なくとも一つの制御量(DK;EGR)を算出する、
    ことを特徴とする請求項4記載の方法。
  6. 空気システム状態として、吸気管圧力(p22)及び/又は吸気管(6)内の残留ガス率(r22EG)が制御される、
    ことを特徴とする請求項1から5のいずれか一項記載の方法。
  7. 前記制御量は、スロットルバルブ(12)の開度(DK)、及び/又は、排気ガス再循環バルブ(13)の開度(EGR)、及び/又は、吸気バルブ(5a)の開角及び/又は閉角を含む、
    ことを特徴とする請求項1から6のいずれか一項記載の方法。
  8. 前記排気ガス再循環バルブ(13)を通過する目下のエンタルピー流及び前記リアクタ(4)内の目下のエンタルピー流が考慮される、
    ことを特徴とする請求項7記載の方法。
  9. 前記吸気管(6)内の排気ガス再循環率の安定状態での評価が考慮される、
    ことを特徴とする請求項7又は8記載の方法。
  10. 前記吸気管内の残留ガス率の急激な変化を必要とする燃焼方式、例えばHCCI燃焼方式、が制御される、
    ことを特徴とする請求項1から9のいずれか一項記載の方法。
  11. 前記吸気管内の残留ガス率が急激に変化する動作点変化、例えばHCCI燃焼方式からSI燃焼方式への切替、が実施される、
    ことを特徴とする請求項1から10のいずれか一項記載の方法。
  12. 請求項1から11のいずれか一項記載の方法を実施するように構成された計算ユニット。
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