JP2016023645A - 調整装置を備えた内燃機関 - Google Patents

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Abstract

【課題】ＮＯＸ排気物に関する標的値を維持し、好適な過渡的挙動を行う内燃機関の提供。【解決手段】調整装置（Ｃ）を備えた内燃機関（１）であって、調整装置によって調節が可能な燃焼空気比（λ）の空気−燃料混合物が内燃機関内で燃焼するものであり、調整装置（Ｃ）は、ラムダ値（λ）の調節を介して内燃機関（１）の基準動力出力（Ｐｄｇ）に内燃機関（１）の実動力出力（Ｐｇ）を適応させるように適応されている動力出力調整回路と、給気圧基準値（ｐｄｉｍ）が内燃機関のそれぞれの基準動力出力（Ｐｄｇ）のために設定できるように、給気圧によってＮＯｘ排気物の別パラメータとして給気圧に影響を及ぼすアクチュエータを稼動させるために、関数的相関性（２）を介して適応されているＮＯｘ排気物調整回路と、を有している。【選択図】図２

Description

本発明は調整装置を備えた内燃機関に関する。
ＥＰ０２５９３８２Ｂ１で知られる調整策においては、給気圧基準値が内燃機関の測定された実際の動力出力（実動力出力）に基づいて創出され、ラムダ値（燃料に対する空気の比）が、基準値と実際値との比較によって第１調整回路（給気圧調整手段）によって、実際の給気圧が給気圧基準値に対応し、その給気圧基準値において、ＮＯｘ排気物に関して所定の標的値が存在するように調節される。ＮＯｘ排気物が直接的には知られないため、給気圧が補助的調整パラメータとして利用される。関数的相関性は一連の曲線形態であり、そこでは所定のＮＯｘ値のそれぞれの曲線が、実動力出力と給気圧基準値との間の関係を特定する。従って、この点において、給気圧調整手段は実際にはＮＯｘ排気物に関する排気物制御回路（ＮＯｘ排気物制御回路）である。
ラムダ値の調節はガス計測装置に影響を及ぼすことによって実行される。ラムダ値の変動はそれ自体、内燃機関の動力出力を変動させるため、第２の調整回路（出力調整回路）によって補償されなければならない。動力調整回路における補償効果は、給気圧に直接的な影響を及ぼすアクチュエータ（スロットルフラップ（弁）およびコンプレッサバイパス）によって提供される。よって給気圧はラムダ値によって間接的に調整される。その調整策はＬＥＡＮＯＸ（登録商標）法として知られている。
従って、エンジンの吸入弁の上流側において支配的であり、比較的に容易に測定できる給気圧と動力出力との間の関数的相関性が活用される。
その目的で、給気圧測定手段の出力は第１の調整回路の実際値入力部に接続される。ＥＰ０２５９３８２Ｂ１の第１の調整回路（給気圧調整手段）には、動力出力測定手段によって提供される動力出力測定信号から給気圧の動力出力に依拠する基準値を確定させるプログラミング可能な装置が設置される。
そのような構成において、給気圧の調整は、空気とガスの混合物内の燃焼空気比（ラムダ）の調整を通じて間接的に実行され、例えば、（一定のエンジン動力出力を必要とする状況においては）混合物の希薄化（ラムダの増大化）は給気弁の上流側の給気圧を増加させる。しかし、例えば、ＮＯｘ排気物の標的値を維持しつつ、安定性の問題や有害な過渡的挙動（要求されるスロースタート）などの様々な不都合が、動力出力調整を給気圧の調整（直接的ＮＯｘ排気物調整の代用）と連動させることで発生する。
ＥＰ０２５９３８２Ｂ１
本発明の目的は、ＮＯｘ排気物に関する標的値を維持しつつ、前述の不都合を回避することができ、特には好適な過渡的挙動を有する調整装置を備えた内燃機関の提供である。
その目的は請求項１記載の調整装置を備えた内燃機関によって達成される。有利な形態は従属請求項において定義されている。
本発明は、ＮＯｘ排気物調整を給気圧の補助パラメータの手段によって実行させるが、動力出力調整はラムダ値によって実行させる。
本発明によれば、その目的のために、動力出力調整回路が、ラムダ値の調節を介して内燃機関の実動力出力を内燃機関の基準動力出力に適応させるように適応され、ＮＯｘ排気物調整回路が、内燃機関のそれぞれの基準動力出力のために標的給気圧を設定できるよう、ＮＯｘ排気物のための代用パラメータとして給気圧に影響を及ぼすアクチュエータを給気圧によって稼動させるように、基準動力出力と給気圧との間のそれ自体は知られた関数的相関性によって適応される。
よって、従来技術とは異なり、本発明では、給気圧は、給気圧に影響を及ぼすよう、対応するアクチュエータに対して直接的に、すなわち動力出力調整を関与させずに作用する給気圧調整手段によって設定される。ＮＯｘ排気物調整回路は、内燃機関のそれぞれの基準動力出力に対して標的給気圧が設定されるよう、給気圧に影響を及ぼすためにアクチュエータを稼動させる。給気圧に影響を及ぼすためのそのようなアクチュエータの例は、例えば、コンプレッサバイパス弁、スロットルフラップ、可変式コンプレッサ配列、廃棄物ゲート、および可変式タービン配列である。従って、給気圧に影響を及ぼすためのアクチュエータの稼動は動力出力調整回路では影響を受けないが、ＮＯｘ排気物調整回路で直接的に影響を受け、基準動力出力にのみ対応し、実動力出力には対応しない。従って調整回路に関して、ＮＯｘ排気物調整と動力出力調整との結合（カップリング）は存在しないが、内燃機関内の不可避的な物理的関係を介してのみ結合は存在する。
好適には、ＮＯｘ排気物調整回路は、実際の給気圧を給気圧基準値に適応可能にする給気圧調整手段を有しており、給気圧調整手段は第１コンパレータと第１ＰＩＤ調整手段の形態、またはモデルベース調整手段の形態である。
動力出力調整回路は、燃焼ガス質量流ｕｇａｓに影響を及ぼすアクチュエータ（好適にはポート噴射弁またはガスミキサのガス計測装置）を稼動可能にする第１調整手段を有するようにすることができ、この調整手段は第２コンパレータおよび第２ＰＩＤ調整手段を有するか、モデルベース調整手段の形態である。
好適には、動力出力調整回路には、追加的に、基準動力出力が入力として供給でき、燃焼ガスが不在であれば内燃機関の選択シリンダには燃焼が発生しないよう、燃焼ガス質量流のために第１調整手段を稼動させるように適応するスキップファイア（ｓｋｉｐ ｆｉｒｅ、省発火）調整モジュールが存在する。
さらに別な好適実施形態では、動力出力調整回路内の第１調整手段は、別な実際のパラメータが調整手段にその入力として供給できるように適応されており、その調整手段は、実際のパラメータの限定値に到達されたとき、ラムダ値の制御パラメータのさらなる変更が、その別な実際のパラメータに関係するラムダ値の制御パラメータを実際のパラメータにさらに悪影響を及ぼす方向には発生させないように制限する。悪影響とは、例えば、内燃機関の排気側の既に高い排気ガス温度でさらに濃縮（下降ラムダ値）するか、あるいは、内燃機関のシリンダの不点火（ミスファイア）信号の存在下での希薄効果（上昇ラムダ値）のことである。
動力出力調整回路およびＮＯｘ排気物調整回路の上流側には、ユーザによる基準動力出力の非定常的な急激予設定を基準動力出力のため定常的なトラジェクトリ（軌道）へと変換するように適応されたトラジェクトリジェネレータ（ｔｒａｇｅｃｔｏｒｙ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）が設置される。
好適には、そのトラジェクトリジェネレータは、実動力出力を入力として追加的に受領し、定常的機能に従った基準動力出力の瞬間値と実動力出力との間の偏差をモニターして、過剰に大きな偏差の場合には、基準動力出力の定常的なトラジェクトリを実動力出力を超える所定値に制限するように適応されている。
基準動力出力、実動力出力、および実給気圧を同時的に取得し、それらをデッドタイムＤにより将来的に予測される形態で再出力させるように適応されたデッドタイム補償装置が提供できる。デッドタイムＤは、好適モデルの手段によって稼働中に連続的に予測されるか、あるいは、まずは試験により決定される。
好適には、デッドタイム補償装置の出力を入力として取得し、その出力に応じてラムダ値のための基準値を出力するように適応されているさらに別な調整手段が提供される。
本発明の別な利点と詳細は図２から図７に示す様々な実施例を通じて説明する。
図１はＥＰ０２５９３８２Ｂ１による従来技術を図示する。 （なし）
特定の論理ユニットは物理的構成要素の形態である必要はなく、内燃機関の調整装置の回路の形態で具現化できる。
図１は、ＥＰ０２５９３８２Ｂ１による従来技術を示す。図は燃焼ガス質量流ｕｇａｓが供給される内燃機関１を概略的に図示する。燃焼ガス質量流ｕｇａｓは、好適なアクチュエータ（例えば、ポート噴射弁またはガスミキサのガス計測装置）を稼動する調整手段５によって影響を受けることができる。
図１の上側で示す調整回路はＮＯｘ排気物調整回路である。この場合、ＮＯｘ排気物調整回路は、要素番号２、３、４および５で表わされる構造ユニットまたは論理関係、並びにそれぞれの入力パラメータおよび出力パラメータを含んでいる。それは好適形態（例えば、ルックアップ表または関数の形態）で、曲線形態の所定のＮＯｘ値のための給気圧基準値ｐｄ ｉｍ（関数的相関性２の出力としてのもの）と実動力出力Ｐｇ（関数的相関性２の入力としてのもの）との間の関数的相関性２を含む。コンパレータ３は、給気圧基準値ｐｄ ｉｍと実給気圧ｐｉｍとの間の基準−実際の比較を実行する。偏差ｐｄ ｉｍ−ｐｉｍはＰＩＤ調整手段４に送られる。それは燃焼ガス質量流ｕｇａｓに影響を及ぼすアクチュエータを稼動させる調整手段５のための入力として機能するラムダ値の基準値λｄを出力する。調整手段５は開ループ制御手段の形態であってもよい。すなわち、標的パラメータλｄのフィードバックの介在はない。
図１の下側に示す回路は動力出力調整回路である。それは、基準動力出力Ｐｄ ｇと実際の動力出力Ｐｇの間で別なコンパレータ７で決定される偏差Ｐｄ ｇ−Ｐｇが入力として供給される別なＰＩＤ調整手段６を含む。ＰＩＤ調整手段６は、まずは実給気圧ｐｉｍに影響を及ぼし、さらに実動力出力Ｐｇに影響を及ぼすそれらアクチュエータ（例えば、コンプレッサバイパス弁またはスロットルフラップ弁）へ、実給気圧ｐｉｍに影響を及ぼすための好適な制御信号ｕｐを出力として発生させ、それによって、ＮＯｘ排気物調整回路と動力出力調整回路との間に前述の強力な結合を与える。
図２は本発明の第１実施例を図示しており、そこでは図１と同じ記号または番号が同じ構成要素または論理手法を表わしている。
図１と比較して、内燃機関１の実動力出力Ｐｇの代わりにＮＯｘ排気物調整回路が、関数的相関性２の入力として内燃機関１の基準動力出力Ｐｄ ｇに関与していることが第１の相違として認識できる。従って、この場合には、それは、曲線の形態で所定のＮＯｘ値のための給気圧基準値ｐｄ ｉｍ（関数的相関性２の出力）と基準動力出力Ｐｄ ｇ（関数的相関性２の入力）との間の関係を示す。
ＮＯｘ排気物調整回路においては、給気圧基準値ｐｄ ｉｍは給気圧調整手段８に入力として送られる。その給気圧調整手段８は図１で示すようにコンパレータ３とＰＩＤ調整手段４の形態で構わない。しかしながら、モデルベースの調整手段の形態のデザインが好適であり、これは現在時点で優勢な実給気圧ｐｉｍに加えて、入力としての給気圧基準値ｐｄ ｉｍも必要とする。図１とは異なり、給気圧調整手段８の出力は制御信号ｕｐの形態で、実給気圧ｐｉｍに影響を及ぼすそれらアクチュエータ（例えば、コンプレッサバイパス弁またはスロットルフラップ弁）に使用される。それら制御信号ｕｐは図１ではＰＩＤ調整手段６の出力であり、よって動力出力調整回路である。図２でのそれら制御信号ｕｐはＮＯｘ排気物調整回路の一部であるため、図１のＮＯｘ排気物調整回路と動力出力調整回路との間の強力なカップリングは本発明では発生しない。
図２の動力出力調整回路の図１のものと比べた相違は、燃焼ガス質量流ｕｇａｓに影響を及ぼすアクチュエータ（例えば、ポート噴射弁またはガスミキサのガス計測装置）を稼動する調整手段５が、動力出力調整回路に設置されることのみである。コンパレータ７とＰＩＤ調整手段６の配置の代わりに、モデルベースの調整手段を利用することも可能であろう。
最も単純な実施形態では関数的相関性２は単純曲線として上述の形態で発生する。ＥＰ０２５９３８２Ｂ１に基づく明細書から知られるように、関数的相関性２は点火タイミング、給気口温度、等々に関する補正の採用によって補正できる。
本発明の様々な利点を纏めると以下のごとくである：
荷重変動に関する加速された適応制御が可能であること（基準出力Ｐｄ ｇの変動に対する内燃機関１の実動力出力Ｐｇの加速された適応）；
荷重変動によって、ＮＯｘの標的排気物値が実質的に早められて達成できること；
関数的相関性２にさらに容易に従うことができるため、荷重の変動中にＮＯｘの排気物値は所望値にさらに十分に接近した状態に残ること。
図３は本発明の第２実施例を図示する。図２と比較して、動力出力調整回路は、基準動力出力Ｐｄ ｇが入力として供給されるスキップファイア調整モジュール９を追加的に有する。スキップファイア調整モジュール９の出力は、燃焼ガスが存在しなければ内燃機関１の選択されたシリンダ内では燃焼が発生しないように燃焼ガス質量流ｕｇａｓを制御する調整手段５に送られる。それは負荷変動への急速な適合を可能にする。それは、ポート噴出内燃機関に有利である。
図４は本発明の第３実施例を図示する。図２と比較して、この図には、動力出力調整回路内でのＰＩＤ調整手段６の入力としての別な実際のパラメータｙ（内燃機関１の排気側あるいは提供が可能な排気ガス後処理ユニット（非図示）の給気側の排気ガス温度、及び／又は内燃機関１のシリンダのノッキングまたは不発火信号、及び／又はオイル温度、及び／又は冷却水温度、及び／又はシリンダの上流側の供給空気温度）のフィードバックが追加的に関与する。それらは、実際のパラメータの制限値に到達すると、実際のパラメータにさらに悪影響を及ぼす方向に制御パラメータλｄのさらなる変動がないように制御パラメータλｄを制限する。悪影響とは、例えば、内燃機関１の排出側の既に高くなっている排気ガス温度にて、さらなる高濃度化（低ラムダ値）となるか、または内燃機関１のシリンダの不発火信号が発生するときの希薄効果（高ラムダ値）のことである。従って、さらなる実際のパラメータｙのフィードバックは安全ループを表わし、それによって、内燃機関１のために許容できる制限内にのみ制御パラメータλｄの影響が発生する。
図５は本発明の第４実施例を図示する。ここでは図２と比較してトラジェクトリジェネレータ１０が関数的相関性２の上流側に配置されている。それはユーザによって基準動力出力Ｐｄ ｇのための定常的なトラジェクトリ内へ基準動力出力Ｐｄ，ｓｔｅｐ ｇの非定常的な急激予設定を変換する。基準動力出力Ｐｄ ｇの現在的に優勢である値から始めて、基準動力出力Ｐｄ ｇに関する所望最終値で、それらの値をリンク（連結）する定常関数が、例えば、（好適には線状）傾斜の形態または多項式の形態、等々で選択される。さらに、実際の動力出力Ｐｇは入力としてトラジェクトリジェネレータ１０に供給できる。このようにして、過剰偏差の場合には基準動力出力Ｐｄ ｇの定常関数が実動力出力Ｐｇを超える所定値に制限されるように、定常関数に従った基準動力出力Ｐｄ ｇの瞬間値と実動力出力Ｐｇとの間の偏差をモニタリングすることが可能である。この場合には、例えば、冷却内燃機関１において該当する。
図６は、図２と比較してデッドタイム補償装置１１が利用されている本発明の第５実施例を図示する。それは、特に混合給気式内燃機関１のために有利である。デッドタイム補償装置１１への入力は基準動力出力Ｐｄ ｇ、実動力出力Ｐｇおよび実給気圧ｐｉｍである。時間ｔでの入力信号Ｐｄ ｇ（ｔ）、Ｐｇ（ｔ）、ｐｉｍ（ｔ）は、デッドタイムＤ（実動力出力Ｐｇ内の内燃機関１の燃焼ガス質量流の変動と、対応する反応との間の時間）によって将来時間ｔ＋Ｄに予測されるＰｄ ｇ（ｔ＋Ｄ）、Ｐｇ（ｔ＋Ｄ）、ｐｉｍ（ｔ＋Ｄ）の形態の出力として再び出力される。その出力は、入力に応じてラムダ値λｄのために基準値を出力する調整手段１２の入力として作用する。予測は、それらパラメータの動的挙動を表わす微分方程式の積分によってモデルベースの形態にて、それ自体は知られている方法で実行される。それら微分方程式は当該技術分野の専門家には良く知られている。
図７は上述実施例のすべての方策が共に提供されている本発明の実施例を図示する。当然ながら、個別の方策を排除することは可能である。開ループ制御／閉ループ制御に必要な構成ユニットと論理的関係は、調整装置Ｃにおいて全実施例のために組み合わされている。ここで使用される用語“調整手段”とは必ずしも物理的ユニットを意味せず、例えば、回路、メモリ、等々によって実行できる所定の機能を意味することもできる。
使用用語リスト
１ 内燃機関
２ 関数的相関性
３ 第１コンパレータ
４ 第１ＰＩＤ調整手段
５ 第１調整手段
６ 第２ＰＩＤ調整手段
７ 第２コンパレータ
８ 給気圧調整手段
９ 省発火調整モジュール
１０ トラジェクトリジェネレータ
１１ デッドタイム補償装置
１２ 別調整装置
λｄ 基準ラムダ値（燃焼空気比の基準値）
λ ラムダ値（燃焼空気比）
Ｐｄ ｇ 基準動力出力
Ｐｇ 実動力出力
Ｐｄ，ｓｔｅｐ ｇ 基準出力の急激予設定
ｐｉｍ 実給気圧
ｐｄ ｉｍ 給気圧基準値
ｔ 時間
Ｃ 調整装置
Ｄ デッドタイム
ｕｇａｓ 燃焼ガス質量流
ｕｐ 実給気圧（ｐｉｍ）に影響を及ぼす開ループ制御信号
ｙ 内燃機関１及び／又は下流接続ユニットの実際のパラメータ
図１はＥＰ０２５９３８２Ｂ１による従来技術を図示する。 図２は本発明の第１実施例を図示する。 図３は本発明の第２実施例を図示する。 図４は本発明の第３実施例を図示する。 図５は本発明の第４実施例を図示する。 図６は本発明の第５実施例を図示する。 図７は上述実施例のすべての方策が共に提供されている本発明の実施例を図 示する。

Claims (9)

  1. 調整装置（Ｃ）を備えた内燃機関（１）であって、
    該調整装置によって調節が可能な燃焼空気比（λ）の空気−燃料混合物が前記内燃機関内で燃焼するものであり、該調整装置（Ｃ）は、
    ラムダ値（λ）の調節を介して前記内燃機関（１）の基準動力出力（Ｐｄ ｇ）に前記内燃機関（１）の実動力出力（Ｐｇ）を適応させるように適応されている動力出力調整回路と、
    給気圧基準値（ｐｄ ｉｍ）が前記内燃機関のそれぞれの基準動力出力（Ｐｄ ｇ）のために設定できるように、給気圧によってＮＯｘ排気物の別パラメータとして給気圧に影響を及ぼすアクチュエータを稼動させるために、関数的相関性（２）を介して適応されているＮＯｘ排気物調整回路と、
    を有していることを特徴とする内燃機関。
  2. 前記ＮＯｘ排気物調整回路は、実給気圧（ｐｉｍ）を給気圧基準値（ｐｄ ｉｍ）に適応させることができる給気圧調整手段（８）を有しており、該給気圧調整手段（８）はコンパレータ（３）とＰＩＤ調整手段（４）との形態であるか、または、モデルベース調整手段の形態である、
    請求項１記載の内燃機関（１）。
  3. 前記動力出力回路は調整手段（５）を有しており、該調整手段によって、燃焼ガス質量流（ｕｇａｓ）に影響を及ぼすアクチュエータ、好適にはポート噴射弁またはガスミキサのガス計測装置、が稼動可能であり、前記調整手段（５）は、コンパレータ（７）とＰＩＤ調整手段（６）との形態であるか、または、モデルベース調整手段の形態である、
    請求項１または２記載の内燃機関（１）。
  4. 前記動力出力調整回路にはスキップファイア調整モジュール（９）がさらに提供されており、該スキップファイア調整モジュールには基準動力出力（Ｐｄ ｇ）が入力として供給でき、該スキップファイア調整モジュールは、燃焼ガスが存在しなければ内燃機関の選択されたシリンダ内では燃焼が発生しないように、前記燃焼ガス質量流（ｕｇａｓ）のための前記調整手段（５）を稼動するように適応されている、
    請求項１から３のいずれか１項に記載の内燃機関（１）。
  5. 前記動力出力調整回路内の前記調整手段（５）は、別な実際のパラメータ（ｙ）が該調整手段（５）にその入力として供給できるように適応されており、該調整手段（５）は、別な実際のパラメータ（ｙ）に関係する制御パラメータ基準ラムダ値（λｄ）を制限しており、よって、実際のパラメータの制限値に到達したときには、実際のパラメータ（ｙ）にさらなる悪影響を及ぼす方向では基準ラムダ値（λｄ）にさらなる変動が発生しない、
    請求項１から４のいずれか１項に記載の内燃機関（１）。
  6. 前記動力出力調整回路と前記ＮＯｘ排気物調整回路との上流側には、ユーザによって基準動力出力（Ｐｄ，ｓｔｅｐ ｇ）の非定常的な急激予設定を基準動力出力（Ｐｄ ｇ）のために定常的な軌道に変換するように適応されたトラジェクトリジェネレータ（１０）が設置されている、
    請求項１から５のいずれか１項に記載の内燃機関（１）。
  7. 前記トラジェクトリジェネレータ（１０）は、実動力出力（Ｐｇ）を入力として追加的に受領し、定常関数に従った基準動力出力（Ｐｄ ｇ）の瞬間値と実動力出力（Ｐｇ）との偏差をモニターするように適応されており、過剰に大きな偏差が存在する場合には、基準動力出力（Ｐｄ ｇ）の定常的なトラジェクトリは、実動力出力（Ｐｇ）を超える所定の値に制限される、
    請求項６記載の内燃機関（１）。
  8. 設定可能なデッドタイム（Ｄ）が供給でき、時間（ｔ）における基準動力出力（Ｐｄ ｇ（ｔ））、実動力出力（Ｐｇ（ｔ））および実給気圧（Ｐｉｍ（ｔ））を取得し、予測されたＰｄ ｇ（ｔ＋Ｄ）、Ｐｇ（ｔ＋Ｄ）およびｐｉｍ（ｔ＋Ｄ）の形態で出力としてそれらを将来のｔ＋Ｄに出力するように適応されているデッドタイム補償装置（１１）が利用される、
    請求項１から６のいずれか１項に記載の内燃機関（１）。
  9. 前記デッドタイム補償装置（１１）の出力を入力として取得し、該入力に応じて基準ラムダ値（λｄ）を出力するように適応された別な調整手段（１２）が利用される、
    請求項８記載の内燃機関（１）。
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