JP3803375B2 - 内燃機関の燃料調量制御方法 - Google Patents

Description

従来の技術
本発明は、請求項１の上位概念に記載の内燃機関の燃料調量制御方法に関する。
ドイツ連邦共和国特許出願第４１１５２１１号明細書によれば、内燃機関における燃料調量のための電子制御システムが知られている。この公知のシステムの場合、基本噴射量信号が、加速時および減速時に調量される燃料量の整合を行う過渡補償信号と結合される。過渡補償信号を求める際には、殊に壁膜量信号と一連の補正信号が考慮される。
本発明の基礎とする課題は、公知のシステムをさらに改善することにある。その際にたとえば所望の空気／燃料比が、内燃機関のできるかぎり多くの動作状態においてできるだけ精確に保持されるよう構成する。
発明の利点
本発明の有する利点は、内燃機関のダイナミックな動作において最適な燃料調量が可能になることである。
このことは、吸気管へ向かう熱流ないしは吸気管からの熱流を表す１つまたは複数の信号を考慮することにより達成される。
従来の方法では、燃料調量のためのパラメータ設定にあたり、たとえば周囲温度が高い／低い、または高い車両速度／中庸な車両速度／停止状態、のような種々の動作状態の間で妥協点を見い出さなければならなかった。壁膜特性に対するこれらの影響量を考慮することで、上述のような各状態に関し非定常動作において最適な燃料／空気混合物を得ることができる。
図面
次に、図面に示された実施例に基づき本発明について説明する。
図１は、燃料調量制御のための主要なコンポーネントを備えた内燃機関の概略図である。
図２は、本発明による方法により燃料調量が制御される様子を示すブロック回路図である。
図３は、図２に示したブロックの変形図である。
図４は、本発明による方法のフローチャートである。
図１には、内燃機関１００および燃料調量を制御ないし調整するための主要なコンポーネントが略示されている。この場合、吸気管１０２を介して内燃機関１００へ空気／燃料混合物が供給され、排気ガスが排気管１０４から送出される。吸気管１０２には吸入空気の流れる方向で見て、空気量測定器または空気質量測定器１０６たとえば加熱フィルム形空気質量測定器、吸入空気温度捕捉用の温度センサ１０８、スロットルバルブ１１０およびそれに設けられいてスロットルバルブ１１０の開放角度を捕捉するセンサ１１１、吸気管１０２中の圧力を捕捉する圧力センサ１１２、ならびに少なくとも１つの噴射ノズル１１４が取り付けられている。一般に、空気量測定器または空気質量測定器１０６と圧力センサ１１２はいずれか一方が設けられる。排気管１０４には酸素センサ１１６が取り付けられている。内燃機関１００には、回転数センサ１１８と、内燃機関の温度を捕捉するセンサ１１９が取り付けられている。内燃機関１００は、複数のシリンダ内の空気／燃料混合物を点火させるための点火プラグを有しており、たとえば４つの点火プラグ１２０を有している。さらに図１には、車両速度を捕捉するセンサ１２２と電気モータ１２４も示されており、このモータによってエンジンルーム内に配置されたファンが駆動される。
既述の各センサの出力信号は中央制御装置１２６へ伝送される。詳細には以下の信号が用いられる。すなわち、空気量測定器または空気質量測定器１０６の信号ｍ、吸入空気温度を捕捉する温度センサ１０８の信号ＴＡｎ、スロットルバルブ１１０の開放角度を捕捉するセンサ１１１の信号α、スロットルバルブ１１０の下流側における圧力センサ１１２の信号ＰＳ、酸素センサ１１６の信号λ、回転数センサ１１８の信号ｎ、内燃機関１００の温度を捕捉するセンサ１１９の信号ＴＭｏｔ、ならびに車両速度を捕捉するセンサ１２２の信号ｖである。制御装置１２６はこれらのセンサ信号を評価して噴射ノズル１１４と点火プラグ１２０を制御する。さらに制御装置１２６は電気モータ１２４も制御する。
本発明による方法を実施するための装置は通常、制御装置１２６内に統合されている。本発明による方法を用いることで、燃料調量にあたり実際に調量される燃料量に対し吸気管１０２の壁温が及ぼす影響を考慮することができる。本発明による方法によれば、噴射バルブ１１４の下流側における壁温を捕捉するセンサは不要である。そのようなセンサの代わりに、（要求される精度に応じて）壁温に対する１つまたは複数の影響量が考慮される。それらの影響量を基礎として補正信号ｆＴＷないしｋＴＷが形成される。補正信号ｆＴＷないしｋＴＷは過渡補償信号ＵＫに作用を及ぼすものであって、この過渡補償信号自体は基本噴射信号ｔｐに作用を及ぼす。過渡補償信号ＵＫは、加速時には調量される燃料量が増やされ減速時には調量される燃料量が減らされる特性をもっている。
本発明によれば補正信号ｆＴＷないしｋＴＷを対応する影響量からじかに求めることもできるし、あるいは中間量ＴＷを介して求めることもでき、この中間量は吸気管１０２の壁温を表すものであり影響量から得られる。この場合、影響量として、燃料気化に起因する熱流ＱＫ、吸気管１０２中を流れる空気と吸気管１０２の壁との間における熱流ＱＡｎ、エンジンブロックと吸気管１０２の壁との間の熱流ＱＭｏｔ、ならびに吸気管１０２の外壁を流れ去る周囲空気と吸気管１０２の壁との間の熱流ＱＵが考慮される。吸気管１０２の壁温のための中間量ＴＷと影響量ＱＫ，ＱＡｎ，ＱＭｏｔ，ＱＵとの間の関係は、以下の微分方程式により表せる：
cW*mW*dTW/dt=QK+QAn+QMot+QU
ここでｃＷは比熱を、ｍＷは吸気管１０２の壁の質量を表す。影響量ＱＫ，ＱＡｎ，ＱＭｏｔおよびＱＵは、動作特性量と物質パラメータから求められる。
燃料気化に起因する熱流ＱＫは次式に従って求められる：
QK=−qKE*hK*x
ここでｑＫＥは時間あたりに調量される燃料量を表す。この量は制御装置１２６により設定され、したがって既知のものである。ｈＫは燃料の固有気化熱を表し、これは物質定数であって既知である。ｘは吸気管１０２の壁に蓄積される燃料量つまり噴射燃料全体のうち管壁に堆積する燃料の割合を示すものであって、物理的な量ｘの割合で管壁に堆積したこの燃料は続いて気化により吸気管１０２の壁を冷却する。この量ｘは、回転数ｎと吸気管１０２における圧力ＰＳとに依存して特性マップ内に格納されている。
吸気管１０２中を流れる空気と吸気管１０２の壁との間の熱流ＱＡｎは、次式に従って求められる：
QAn=αN(m)*(TAn−TW)
ここでαＮ（ｍ）は、流れ去る空気と吸気管１０２の壁との間の熱伝達係数を空気質量流ｍの関数として表すものである。
エンジンブロックと吸気管１０２の壁との間の熱流ＱＭｏｔは、次式に従って求められる：
QMot=αMot*(TMot−TW)
ここでαＭｏｔは、エンジンブロックと吸気管１０２の壁との間の熱伝達係数を表し、これは物質定数である。
吸気管１０２の外面を流れ去る周囲空気と吸気管１０２の壁との間の熱流ＱＵは、流れ去る周囲空気の空気質量流量と、周囲空気と吸気管１０２の壁との温度差に依存する。空気質量流量は、車両速度に関する信号ｖおよび選択的にエンジンルーム内のファンを駆動する電気モータ１２４の動作状態に関する信号とに基づき求めることができる。この場合、周囲空気の温度は、図１には示されていない周囲温度センサあるいは吸気温度用のセンサ１０８により求めることができる。
先に挙げた微分方程式は、吸気管１０２の壁温の時間導関数を相応の微分商で置き換えることにより解くことができ、つまり式ｄＴＷ／ｄｔが式（ＴＷＮｅｕ−ＴＷＡｌｔ）／ｄｔで置き換えられる。ＴＷＮｅｕにより変形されて次式が得られる：
TWNeu=TWAlt+(dt/cW*mW))*(QK+QAn+QMot+QU)
壁温に関するそのつどの目下の値を求める際、はじめに壁温に対する初期値ＴＷｓｔａｒｔがまえもって与えられ、次に、先行の値ＴＷＡｌｔが目下の値ＴＷＮｅｕが反復的に求められる。図４のフローチャートにはこれについての詳細が示されており、図４を説明するときにそれについて説明する。
図２には、本発明による方法により燃料調量の制御される様子が示されている。この場合、ブロック２００のそれぞれ１つの入力側へ、内燃機関１００の負荷信号Ｌと回転数に関する信号ｎとが供給される。負荷信号Ｌは、周知のように信号ｍ，ＰＳまたはαのうちの１つに基づき求めることができる。ブロック２００の出力側から基本噴射信号ｔｐが送出される。内燃機関の負荷と回転数に関する信号Ｌおよびｎから基本噴射信号ｔｐを求めることは、従来技術において公知である。ブロック２００の出力側は、結合点２０２の第１の入力側と接続されている。結合点２０２の第２の入力側は、結合点２０４の出力側と接続されている。結合点２０４の第１の入力側は、過渡補償のためのブロック２０６の出力側と接続されている。結合点２０４の第２の入力側はブロック２０８の出力側と接続されており、このブロックによって本発明が実行される。ブロック２０８には通常、一連の入力信号が供給される。その際、個々にいずれの信号が用いられるかは、入力量ＱＫ，ＱＡｎ，ＱＭｏｔ，ＱＵのいずれを考慮しようとするのかに依存する。ここではすべての入力信号を表す代わりに、ブロック２０８へ向けられた２重線の矢印が示されている。
過渡補償のためのブロック２０６の両方の入力側へは、内燃機関１００の負荷および回転数に関する信号Ｌおよびｎが加わる。ブロック２０６はそれらの信号から、基本噴射信号ｔｐを制御するための過渡補償信号ＵＫを求め、その信号ＵＫを出力側から送出する。信号ＵＫは結合点２０４において、ブロック２０８から送出される補正信号ｆＴＷと結合される。結合点２０４における結合により形成された信号は、結合点２０２において基本噴射信号ｔｐと結合されて、噴射信号ｔｅが形成される。そしてこの噴射信号ｔｅはブロック２１０へ供給され、そこにおいて必要に応じてさらに別の補正が行われ、たとえば内燃機関１００の温度に関する信号ＴＭｏｔまたは酸素センサ１１６の信号λに依存して補正が行われ、最終的に噴射ノズル１１４を制御するための信号が形成される。
図２に示されているように本発明による方法によれば、信号ＵＫつまりは基本噴射信号ｔｐを制御する補正信号ｆＴＷを形成することができ、換言すれば、この補正信号ｆＴＷにより結局は燃料調量が制御される。ブロック２０６により信号ＵＫを求めることはすでに知られている。相応の方法は、たとえばドイツ連邦共和国特許出願第４１１５２１１号明細書に記載されている。
図２に示されているブロック回路図は、本発明による方法により形成された補正信号ｆＴＷによってどのようにして燃料調量を制御できるかについての多くの可能な構成のうちの１つに係わるものである。図３にはこれに代わる可能な可能性が示されている。
図３には、図２に示したブロック回路図の変形実施例が示されている。図３の場合、本発明による方法により形成された補正信号ｋＴＷにより信号ＵＫを制御する様子が示されている。信号ＵＫのその後の処理は図２のものと同様にして行われ、それについては図３には詳細には示されていない。しかしこの場合、図２に示した結合点２０４が省かれている。図３によれば、図２によるブロック２０６の代わりに、ブロック３００と３０２およびそれらのブロックの間に接続された結合点３０４が配置されている。ブロック３００は、このブロックの両方の入力側へ供給される内燃機関１００の負荷および回転数に関する信号Ｌとｎから、吸気管１０２中の燃料壁膜の変化に関する信号を求める。このようにして形成された信号は結合点３０４において、本発明による方法によりブロック２０８で形成された補正信号ｋＴＷと結合される。補正信号ｋＴＷは、過渡補償信号ＵＫに対し先に述べた補正信号ｆＴＷと結局は同じ作用をもつものであり、つまり両方の事例とも同じようにして燃料調量が制御される。しかしながら、補正信号ｆＴＷとｋＴＷはそれぞれ異なるかたちで信号ＵＫに作用するので、補正信号自体は一般には同じものではない。
結合点３０４から生じた信号はブロック３０２の入力側へ供給され、このブロックはドイツ連邦共和国特許出願第４１１５２１１号明細書から公知の手法に従って信号ＵＫを形成する。
図４には本発明による方法のフローチャートが示されている。最初のステップ４００において、信号ＴＷＡｌｔが初期値ＴＷＳｔａｒｔにセットされる。続くステップ４０２において、この方法に必要とされる入力量すべてが読み込まれる。ステップ４０２にはステップ４０４が続いている。このステップ４０４において、実施例に応じて影響量ＱＫ，ＱＡｎ，ＱＭｏｔ，ＱＵのうち１つまたは複数が求められる。この場合、個々の熱流に関して先に挙げた式が用いられる。さらにステップ４０４にはステップ４０４が続いており、このステップにおいて目下の壁温に関する信号ＴＷＮｅｕが既述の式に従って求められる。実施例に応じてこの式には、個々の熱流を表す影響量ＱＫ，ＱＡｎ，ＱＭｏｔ，ＱＵのうちの１つまたは複数が含まれる。ステップ４０６にはステップ４０８が続き、このステップにおいて先行の壁温に関する信号ＴＷＡｌｔが目下の壁温の値ＴＷＮｅｕにセットされる。さらにステップ４０８にはステップ４１０が続く。ステップ４１０において目下の壁温に関する信号ＴＷＮｅｕから、燃料調量を制御するための補正信号ｆＴＷないしｋＴＷが求められる。この場合、補正信号ｆＴＷないしｋＴＷはたとえば特性曲線から信号ＴＷに依存して読み出される。そしてステップ４１０でフローチャートの流れが終了し、新たにステップ４０２から始められる。

Claims (7)

1. 燃料調量を制御するために補正信号（ｆＴＷ，ｋＴＷ）が形成され、該補正信号（ｆＴＷ，ｋＴＷ）の形成にあたり、吸気管（１０２）の壁温を表す信号（ＴＷ）が求められる、
   内燃機関（１００）の燃料調量制御方法において、
   吸気管（１０２）中の燃料気化による熱流に関連する信号（ＱＫ）と、吸気管（１０２）中を流れる空気と吸気管（１０２）の壁との間における熱流に関連する信号（ＱＡｎ）と、エンジンブロックと吸気管（１０２）の壁との間の熱流に関連する信号（ＱＭｏｔ）と、エンジンルーム中を流れる空気と吸気管（１０２）の壁との間の熱流に関連する信号（Ｑｕ）の和に比例する壁温の時間上の変化に対する微分商から、前記壁温を求めることを特徴とする、
   内燃機関の燃料調量制御方法。
2. 前記補正信号（ｆＴＷ）により、加速濃厚化または減速希薄化のための信号（ＵＫ）を制御する、請求項１記載の方法。
3. 前記補正信号（ｋＴＷ）により、吸気管中の燃料壁膜に関連し加速濃厚化または減速希薄化のための前記信号（ＵＫ）を求めるために形成される信号を制御する、請求項１または２記載の方法。
4. 吸気管（１０２）中の燃料気化による熱流に関連する前記信号（ＱＫ）を、時間ごとに調量される燃料量に関する信号（ｑＫＥ）と、吸気管（１０２）の壁に堆積する燃料量に関する信号（ｘ）に基づき求める、請求項１から３のいずれか１項記載の方法。
5. 吸気管（１０２）中を流れる空気と吸気管（１０２）の壁との間の熱流に関連する前記信号（ＱＡｎ）を、吸気管（１０２）中の空気質量流量に関する信号（ｍ）および、吸気温度に関する信号（ＴＡｎ）と吸気管（１０２）の壁温に関する信号（ＴＷ）との差に基づき求める、請求項１から４のいずれか１項記載の方法。
6. エンジンブロックと吸気管（１０２）の壁との間の熱流に関連する前記信号（ＱＭｏｔ）を、内燃機関（１００）の温度に関する信号（ＴＭｏｔ）と吸気管（１０２）の壁温に関する信号（ＴＷ）との差に基づき求める、請求項１から５のいずれか１項記載の方法。
7. エンジンルーム中を流れる空気と吸気管（１０２）の壁との間の熱流に関連する前記信号（ＱＵ）を、車両速度に関する信号（ｖ）、周囲温度または吸気温度に関する信号（ＴＡｎ）、および選択的にエンジンルーム内のファンの動作状態に関する信号に基づき求める、請求項１から６のいずれか１項記載の方法。

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