JP2015105654A - 内燃機関シリンダ内の充填量の制御方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】目標充填量の設定におけるカム軸位相調節を備えた内燃機関の充填量の精度良い充填量制御方法を提供する。
【解決手段】内燃機関内への空気質量供給量を調節するための調節変数（Λ_{Ｆｕｅｒｅｇ}）を得るために、圧力差データ（Δｐ_ＳＲ）に基づいて充填量制御を実行するステップと、および所定の時定数に対して予測された吸込特性曲線において目標充填量（ｒｌｓｏｌ）を達成するために必要な吸気管圧力に対応する予測吸気管圧力（ｐ_{ｓｒｐｒｅ ｐ}）と、実際吸気管圧力（ｐ_ＳＲ）との間の差として、該圧力差データ（Δｐ_ＳＲ）を決定するステップと、を含む、カム軸位相調節を備えた内燃機関（２）の充填量の充填量制御方法に関するものである。
【選択図】図２

Description

本発明は、シリンダ内の空気充填量の設定を介してその運転状態が調節可能な内燃機関、特にオットー・エンジンに関するものである。

今日のエンジン制御においては、内燃機関シリンダ内の空気充填量は、しばしば、絞り弁の位置を介して調節される。これは、基本的に、絞り弁を通過する質量流量は、吸気管圧力の安定化後において、シリンダ内に流入するフレッシュ・エア質量に対応することから出発される。

通常、充填量制御は、目標充填量を達成させるために定常的に必要な質量流量を、絞り弁のみにおいて調節することが行われる。全体システムの構成に依存する吸気管時定数において、吸気管圧力は希望の目標値を達成し、ないしはこの吸気管圧力目標値に依存するシリンダ充填量は対応する充填量目標値を達成する。吸気管時定数は、吸気管容積、吸気管温度およびエンジン吸込特性曲線の関数であり且つ状態方程式から計算により決定可能である。

内燃機関シリンダ内の空気充填量を制御する充填量制御器は、吸気管圧力目標値ないしはシリンダ充填量目標値を達成するまでの時間を、これが最小になるように調節することを意図する。しかしながら、絞り弁における質量流量をシリンダ充填量に対する尺度とする従来の充填量制御器の基本原理は、吸気弁の閉鎖時における、シリンダ充填量に対する決定的な変数即ち吸気管圧力が考慮されないままであるので、不正確である。即ち、絞り弁における質量流量を定常目標値の上方または下方に適切に調節するとき、吸気管圧力の上昇または下降、したがって充填量の上昇ないしは下降が加速可能である。このために、圧力上昇が行われるべき時間に対する微分状態方程式が形成され、この場合、瞬間吸込値が目標吸込値に対応し且つ瞬間残留ガス成分が目標残留ガス成分に対応するという簡単化が仮定される。

しかしながら、カム軸位相調節が内燃機関の吸込特性曲線に大きな影響を与えるエンジンにおいては、このような簡単化は許容されない。即ち、簡単化方法においては、例えば一定充填量要求においてカム軸が調節された場合、吸込特性が変化し、したがって充填量が変化する。しかしながら、従来の考え方においては、充填量制御器は、空気充填量が目標充填量から偏差を有したときにはじめて、充填量制御器が係合可能なように形成されている。

本発明により、請求項１に記載の内燃機関シリンダ内の空気充填量の充填量制御方法並びに従属請求項に記載の装置、エンジン・システムおよびコンピュータ・プログラム製品が提供されている。

その他の形態が従属請求項に記載されている。
第１の観点により、目標充填量の設定におけるカム軸位相調節を備えた内燃機関の充填量の充填量制御方法において、次のステップ、即ち
内燃機関内への空気質量供給量を調節するための調節変数を得るために、圧力差データに基づいて充填量制御を実行するステップと、
所定の時定数に対して予測された吸込特性曲線において目標充填量を達成するために必要な吸気管圧力に対応する予測吸気管圧力と、実際吸気管圧力との間の差として、該圧力差データを決定するステップと、を含む、カム軸位相調節を備えた内燃機関の充填量の充填量制御方法が提供されている。

内燃機関用充填量制御器は、一般に、入力変数として、目標吸気管圧力と実際吸気管圧力との間の差を介して圧力差データを受け取り、且つ特に、所定の目標充填量の関数として、調節を与える対応調節変数を発生する。カム軸位相調節器の調節が行われた場合、従来は、目標吸気管圧力はカム軸位相調節器の到達目標位置から決定され、このことは、カム軸位相調節において充填量制御器を著しく過剰制御に導くことがある。

上記方法の考え方は、充填量制御器に入力変数として圧力差データを利用することにあり、圧力差データは、例えば、希望の時定数に対して予測された吸込特性曲線において得られる、目標充填量を達成するために必要な吸気管圧力と、実際吸気管圧力との間の差のような差を与える。このために、各制御サイクルに対して予測吸込特性曲線および予測残留ガス成分を決定することが必要であり、この場合、充填量制御器の制御到達時間に対応する時定数に対して予測が実行可能である。この予測は、所定の時間後のカム軸位相調節器の予測位置の関数として予測吸込特性曲線を決定することを目的とする。

これにより、カム軸位相調節においてもまた満足させる充填量制御を利用した充填量制御方法が提供される。
カム軸位相調節に基づいて変化する吸込特性に依存して充填量制御の入力変数のみが修正されるように充填量制御を修正することにより、カム軸位相調節を有する内燃機関においてもまた、充填量制御器を利用することが簡単に可能となる。

さらに、圧力差データが圧力差として決定されるように実行可能である。
予測吸込特性曲線の少なくとも１つの勾配が、特にカム軸調節速度を考慮して所定の時定数により決定されたサイクル時間の間の変化として決定された予測カム軸位相調節に基づいて調整されるように実行可能である。

一実施形態により、吸込特性曲線の勾配が、予測カム軸位相調節および実際カム軸位相調節における、内燃機関シリンダ吸気弁の閉鎖時点の燃焼室容積の比に基づいて決定可能である。

残留ガス成分が、予測カム軸位相調節に基づく予測吸込特性曲線のオフセットとして調整され、この場合、予測残留ガス成分（残留ガス成分の圧力により与えられる）が、実際カム軸位相調節および予測カム軸位相調節において、内燃機関シリンダ吸気弁の閉鎖時点に決定されるように実行可能である。

さらに、予測吸気管圧力が予測吸込特性曲線および所定の目標充填量から決定可能である。
他の一観点により、目標充填量の設定におけるカム軸位相調節を備えた内燃機関の充填量の充填量制御装置において、この場合、該装置が、
内燃機関内への空気質量供給量を調節するための調節変数を得るために、圧力差データに基づいて充填量制御を実行するように、および
所定の時定数に対して予測された吸込特性曲線において目標充填量を達成するために必要な吸気管圧力に対応する予測吸気管圧力と、実際吸気管圧力との間の差として、該圧力差データを決定するように、形成されている、カム軸位相調節を備えた内燃機関の充填量の充填量制御装置が提供されている。

他の一観点により、コンピュータ・プログラムが計算装置特に上記装置上で実行されるとき、上記方法を実行するプログラム・コードを含むコンピュータ・プログラム製品が提供されている。

以下に本発明の好ましい実施形態が添付図面により詳細に説明される。

図１は、内燃機関を有するエンジン・システムの概略図を示す。 図２は、図１のエンジン・システム内における充填量制御の実行を説明するための機能線図を示す。 図３は、２つの負荷切換における状態変数の経過を表わすための時間経過線図を示す。

図１は、図示の実施例においては４つの複数シリンダ３を有する内燃機関２、特にオットー・エンジンを備えたエンジン・システム１の概略図を示す。シリンダ３は吸気弁４を有し、吸気弁４を介して、内燃機関のそれぞれのシリンダの作業行程に対応して、給気系６の吸気管セクション５からシリンダ３内へ、周期的に空気を供給可能である。

吸気弁４はカム軸７と結合され、カム軸７は内燃機関２のクランク軸８により駆動される。カム軸７の回転により吸気弁が操作され、これにより、吸気弁は、リフト曲線に対応して、クランク軸８のクランク軸角の関数として開閉される。

さらに、カム軸位相調節ユニット１０が設けられ、カム軸位相調節ユニット１０により、クランク軸８の回転角位置に関して、即ち、シリンダ３内におけるピストンのそれぞれの位相位置の関数として操作されて、吸気弁４の開閉時期、即ち吸気弁４の位相位置を調節することが可能である。

カム軸位相調節は、運転中におけるオットー・エンジンの弁操作の操作時期を変化させるための方法を示す。この場合、当該弁の（クランク軸角に関する）リフト曲線の長さは変化されず、クランク軸角に関するリフト曲線の位相位置のみが調整される。吸気弁および排気弁の開閉時期の調整は、それぞれの負荷特性に依存して、内燃機関の効率上昇を可能にする。この効率上昇は、出力利得およびトルク利得として、または燃料の節約として現われる。

吸気弁４を通過してシリンダ３内に流入する全空気は、吸気管セクション５を介して利用可能である。吸気弁４を通過してシリンダ３内に流入する空気量は充填量ｒｌと呼ばれ且つこの空気量は、吸気弁４の閉鎖時点における吸気管セクション５内の実際吸気管圧力ｐ_ＳＲにより適切に決定される。実際吸気管圧力ｐ_ＳＲは吸気管圧力センサ１１により測定されても、または吸気管圧力モデルを用いて他のシステム変数に基づいてモデル化されてもよい。

吸気管圧力ｐ_ＳＲを調節するために、給気系６内に絞り弁１２が配置され、絞り弁１２の位置特に絞り弁１２の角度位置ＤＷが、給気系６内の流動抵抗を決定可能であり、これにより、吸気管圧力ｐ_ＳＲを適切に調節可能である。

制御ユニット１５が設けられ、制御ユニット１５は、絞り弁、カム軸位相調節器１０、燃料を噴射するための噴射弁等、のような調節伝送器の調節により内燃機関２の運転を制御する。

制御ユニット１５内において、負荷設定Ｖに依存してシリンダ３に対する目標充填量ｒｌｓｏｌを設定する充填量制御が実行され、この目標充填量ｒｌｓｏｌは充填量制御によりできるだけ急速に達成されるべきものである。

通常の充填量制御器に対して、次式
ｐ_ＳＲ・Ｖ＝ｍ・Ｒ・Ｔ
（ｄｐ_ＳＲ／ｄｔ）・Ｖ＝（ｄｍ／ｄｔ）・Ｒ・Ｔ
が成立し、ここで、次式
ｄｍ／ｄｔ＝ｆ（ｍｓｄｋ，ｐ_ＳＲ，ｐｂｒｉｎｔ，ｆｕｐｓｒｌ，ｕｍｓｒｌ）
を代入することにより、次式
（ｄｐ_ＳＲ／ｄｔ）（Ｖ／（Ｒ・Ｔ））＝ｆ（ｍｓｄｋ，ｐ_ＳＲ，ｐｂｒｉｎｔ，ｆｕｐｓｒｌ，ｕｍｓｒｌ）
が得られ、ここで、ｐ_ＳＲは吸気管圧力を、Ｖは吸気管容積を、Ｒは気体定数を、Ｔは吸気管内の空気温度を、ｍは空気質量を、ｄｍ／ｄｔは空気質量流量を、ｍｓｄｋは絞り弁１２を介しての空気質量流量を、ｐｂｒｉｎｔはシリンダ３内の残留ガス圧力を、ｆｕｐｓｒｌは内燃機関２の吸込特性曲線の勾配を、ｆｕｐｓｒｌｓは内燃機関２の吸込特性曲線の勾配の目標値を、ｐｂｒｉｎｔｓはシリンダ３内の残留ガス圧力の目標値を、およびｕｍｓｒｌｎは所定の換算係数を与える。

充填量制御の係合は絞り弁１２の調節に基づくものであり、この場合、絞り弁１２に対する調節角Λ_{Ｆｕｅｒｅｇ}は、次式
Λ_{Ｆｕｅｒｅｇ}＝（ｒｌｓｏｌ−ｒｌ）・ｇ（Ｖ，Ｒ，Ｔ，ｆｕｐｓｒｌ，ｕｍｓｒｌｎ，ｐ_ＳＲ）
のように得られ、ここで、ｒｌｓｏｌは充填量目標値を、ｒｌは充填量を、Λ_{Ｆｕｅｒｅｇ}は充填量制御の調節変数としての絞り弁１２の調節角を、およびｇ（）は変換関数を与える。

しかしながら、カム軸位相調節は内燃機関２の吸込特性曲線に大きな影響を与えるので、充填量制御の基礎を単に目標吸気管圧力ｐ_{ＳＲｓｏｌ}と実際吸気管圧力ｐ_ＳＲとの間の差に置くだけでは不正確である。充填量制御器は、一定充填量要求において、カム軸７の位相角を調節したとき、実際充填量ｒｌが目標充填量ｒｌｓｏｌから偏差を有したときにはじめて係合するであろうが、この偏差は、充填量制御器によって阻止されるべきものである。きわめて緩慢に調節するカム軸７ないしは調節しないカム軸７においては、充填量制御器はきわめて早く且つきわめて強く応答するであろうが、このことは、充填量の過大制御または過小制御を導くことになるであろう。したがって、カム軸位相調節が吸込特性曲線に大きな影響を与える内燃機関においては、カム軸７の位相位置の目標値に基づいて吸込特性を考慮するとき、上記の簡単化は許容されない。

上記の簡単化を無視した場合、実際充填量ｒｌの目標充填量ｒｌｓｏｌからの偏差は回避可能である。
変化する吸込特性曲線を考慮して充填量制御器を操作させるためには、通常の充填量制御器の目標吸気管圧力と実際吸気管圧力との間の圧力差に対する圧力差データの代わりに、調整された圧力差データが使用されなければならない。

以下に、図２の機能線図を参照して、充填量制御が詳細に説明される。
目標吸気管圧力ｐ_{ＳＲｓｏｌ}は、次式
ｐ_{ＳＲｓｏｌ}＝ｒｌｓｏｌ／ｆｕｐｓｒｌｓ＋ｐｂｒｉｎｔｓ
により計算される。しかしながら、上記の式は調節のために必要な、実際制御時間の変化を考慮していないので、ｐｂｒｉｎｔｓおよびｆｕｐｓｒｌｓは新しい目標制御時間に対するエンジン吸込特性曲線を表わすことが意図される。

このために、時間範囲に対して、充填量制御器２１の制御時間、即ち充填量制御器２１の時定数に対応する吸込特性曲線が予測されなければならない。このために、この時点においてカム軸７がいずれの位置にあるかを予測することが必要である。

予測カム軸位相調節はカム軸調節ユニット２２内において決定され、且つ実際カム軸位相位置（カム軸角）ｗｎｗおよびカム軸調節速度ｖｗｎｗと予測時間範囲Δｔとの積に関するそれ自身既知の所定の運動方程式から決定され、ここで、ｗｎｗｐｒｅｄは予測カム軸位相調節に、ｗｎｗはカム軸位相調節に、ｖｗｎｗはカム軸位相調節速度に対応する。

この場合、カム軸７がその機械的ストッパを超えては調節不可能なように考慮されなければならない。カム軸調節速度ｖｗｎｗの決定は、通常のように、計算サイクル当たりの実際カム軸角の変化ｗｎｗ_ｎｅｗ−ｗｎｗ_ｏｌｄから実行可能である。

カム軸位相調節の測定にノイズがある場合、得られた速度が、例えば低域フィルタによってフィルタリングされてもよい。フィルタリングは、さらに、実際カム軸調節速度が大きい場合にはより小さいフィルタ係合が行われるように、ほぼ一定の運転時にはより大きいフィルタ係合が行われるように形成されていてもよい。

カム軸７が静止位置から調節される場合、目標値の出力とカム軸７の実際運動との間にむだ時間が得られる。カム軸７が運動したにもかかわらず、上記のカム軸調節速度の決定方法が０の調節速度を得た場合には、むだ時間の間は、カム軸モデルにより、カム軸７の調節速度がモデル化されるべきである。

吸込特性曲線調整ブロック２３内における予測吸込特性曲線の計算のために、原理的に、予測カム軸位相調節に対して新たに充填量を計算することが可能である。しかしながら、予測時間範囲Δｔは比較的長い（典型的には５０ないし５００ミリ秒）ので、概略計算で十分である。例えば線形として仮定されたエンジン吸込特性曲線の勾配ｆｕｐｓｒｌは、吸気弁４の閉鎖時点における、実際カム軸位相調節ｗｎｗと予測カム軸位相調節ｗｎｗｐｒｅｄとの間のシリンダ容積の比で変化する。
ｆｕｐｓｒｌｐｒｅｄ＝ｈ（ｆｕｐｓｒｌ，ＦＶＢＲ（ｗｎｗｐｒｅｄ），ＦＶＢＲ（ｗｎｗ））
ここで、ＦＶＢＲは特定のカム軸位相調節ｗｎｗｐｒｅｄ、ｗｎｗにおける燃焼室容積に、ｈ（）は所定の計算規則に、およびｆｕｐｓｒｌｐｒｅｄは予測吸込特性曲線の勾配に対応する。

残留分圧ではなく残留ガス含有量がほぼ一定のままであると仮定して、予測残留ガス分圧ｐｂｒｉｎｔｐｒｅｄもまた計算可能である。
ｐｂｒｉｎｔｐｒｅｄ＝ｊ（ｐｂｒｉｎｔ，ＦＶＢＲ（ｗｎｗｐｒｅｄ），ＦＶＢＲ（ｗｎｗ））
ここで、ｊ（）は所定の計算規則である。

予測目標吸気管圧力は、このとき、吸気管圧力調整ブロック２４内において、吸込特性曲線に基づいて得られる。
ｐ_{ｓｒｐｒｅｄ}＝ｋ（ｒｌｓｏｌ，ｆｕｐｓｒｌｐｒｅｄ，ｐｂｒｉｎｔｐｒｅｄ）
ここで、ｋ（）は所定の吸込特性曲線関数である。

予測空気充填量ｒｌｐｒｅｄは、予測実際吸気管圧力ｐ_{ｓｒｐｒｅｄ}および予測吸込特性曲線から計算される。時間範囲は、この場合、予測空気充填量ｒｌｐｒｅｄの計算開始と吸気弁４の閉鎖時点との間の間隔である。この時間範囲に対して、再びカム軸調節速度を用いて、予測カム軸角が計算される。

これから、各計算時点に対して、調節変数Λ_{Ｆｕｅｒｅｇ}が、次式
Λ_{Ｆｕｅｒｅｇ}＝ｒ（τ，Δｐ_ＳＲ，Ｖ，Ｒ・Ｔ，ｒｌｐｒｅｄ，ｕｍｓｒｌｎ）
ここで
Δｐ_ＳＲ＝ｐ_{ｓｒｐｒｅｄ}−ｐ_ＳＲ
のように決定され、ここで、ｒ（）は所定の調節変数関数に対応する。圧力差データΔｐ_ＳＲは、差要素２５内において差計算ｐ_{ｓｒｐｒｅｄ}−ｐ_ＳＲにより決定可能である。

全体システムを同調させるために、圧力に基づく充填量制御器にもかかわらず、カム軸７の調節が絞り弁１２よりも強く充填量を変化させ、最も急速な場合にそれに応答可能なときには、カム軸７の目標値をフィルタリングする必要がある場合がある。

図３に、２つの負荷切換における、状態変数の時間経過を示した時間経過線図が示されている。空気充填量ｒｌ、吸気管圧力ｐ_ＳＲ、カム軸位置ｗｎｗ、充填量制御器の調節変数Λ_{Ｆｕｅｒｅｇ}および絞り弁角ＤＷが時間ｔに関して示されている。

Claims (10)

1. 目標充填量（ｒｌｓｏｌ）の設定におけるカム軸位相調節を備えた内燃機関（２）の充填量（ｒｌ）の充填量制御方法において、次のステップ、即ち
   内燃機関（２）内への空気質量供給量を調節するための調節変数（Λ_{Ｆｕｅｒｅｇ}）を得るために、圧力差データ（Δｐ_ＳＲ）に基づいて充填量制御を実行するステップと、
   所定の時定数（τ）に対して予測された吸込特性曲線において目標充填量（ｒｌｓｏｌ）を達成するために必要な吸気管圧力に対応する予測吸気管圧力（ｐ_{ｓｒｐｒｅｄ}）と、実際吸気管圧力（ｐ_ＳＲ）との間の差として、該圧力差データ（Δｐ_ＳＲ）を決定するステップと、を含む、カム軸位相調節を備えた内燃機関（２）の充填量（ｒｌ）の充填量制御方法。
2. 予測圧力差データ（Δｐ_ＳＲ）が圧力差として決定される、請求項１に記載の方法。
3. 吸込特性曲線の少なくとも１つの勾配（ｆｕｐｓｒｌ）が、特にカム軸調節速度（ｖｗｎｗ）を考慮して所定の時定数により決定されたサイクル時間の間の変化として決定された予測カム軸位相調節に基づいて調整される、請求項１または２に記載の方法。
4. 吸込特性曲線の勾配（ｆｕｐｓｒｌｐｒｅｄ）が、予測カム軸位相調節および実際カム軸位相調節における、内燃機関（２）のシリンダ（３）の吸気弁（４）の閉鎖時点の燃焼室容積の比に基づいて決定される、請求項３に記載の方法。
5. 残留ガス成分が、予測カム軸位相調節に基づいて予測吸込特性曲線のオフセットとして調整され、この場合、予測残留ガス成分が、実際カム軸位相調節および予測カム軸位相調節において、内燃機関（２）シリンダ（３）吸気弁（４）の閉鎖時点に決定される、請求項３または４に記載の方法。
6. 予測吸気管圧力（ｐ_{ｓｒｐｒｅｄ}）が予測吸込特性曲線および所定の目標充填量（ｒｌｓｏｌ）から決定される、請求項１ないし５のいずれかに記載の方法。
7. 目標充填量（ｒｌｓｏｌ）の設定におけるカム軸位相調節を備えた内燃機関（２）の充填量の充填量制御装置において、この場合、該装置が、
   内燃機関内への空気質量供給量を調節するための調節変数（Λ_{Ｆｕｅｒｅｇ}）を得るために、圧力差データ（Δｐ_ＳＲ）に基づいて充填量制御を実行するように、および
   所定の時定数に対して予測された吸込特性曲線において目標充填量（ｒｌｓｏｌ）を達成するために必要な吸気管圧力に対応する予測吸気管圧力（ｐ_{ｓｒｐｒｅｄ}）と、実際吸気管圧力（ｐ_ＳＲ）との間の差として、該圧力差データ（Δｐ_ＳＲ）を決定するように、形成されている、カム軸位相調節を備えた内燃機関（２）の充填量（ｒｌ）の充填量制御装置。
8. コンピュータ・プログラムがコンピュータまたは請求項７に記載の装置上で実行されるとき、請求項１ないし６のいずれかに記載の全ての方法ステップを実行するためのプログラム・コード手段を有するコンピュータ・プログラム。
9. 請求項８に記載のコンピュータ・プログラムが記憶されている電子記憶媒体。
10. 請求項９に記載の電子記憶媒体を有する電子制御装置。

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