JP3866766B2 - 内燃機関のトルク制御方法 - Google Patents

Description

従来の技術
本発明は独立請求項の上位概念に記載の内燃機関のトルク制御方法および装置に関するものである。
このような方法ないしこのような装置はドイツ特許第３４３９９２７号（米国特許第４５９２３２０号）から既知である。ここでは、アイドリング充填制御の例において、たとえば空調装置、変速機、ファン、クラッチ等のような負荷の投入のとき、回転速度変化を補償する手段が提案されている。この手段は、アイドリング充填制御器の前制御からなり、この場合、負荷を投入するとき、内燃機関への空気供給量は制御器とは無関係に増大される。このとき、制御が終了した状態における制御器出力信号に基づき、空気供給量の増大係数が適合される。この原理においては、空気供給量の変化による内燃機関のトルクないし回転速度への影響は時間的に遅れて発生するので、既知の方法ないし既知の装置は、ある使用例においては不満足な結果を示している。この使用例においては、負荷の変化は、増大されるトルク変化によりトルクないし回転速度の比較的大きい変化または変動を発生し、この変化または変動は乗心地および走行性に影響を与えることがある。
したがって、負荷の変化により必要な内燃機関のトルク変化が、遅れなく行われる手段を提供することが本発明の課題である。
この課題は独立請求項の特徴項に記載の特徴により解決される。
発明の利点
本発明による方法は、エンジン負荷が変化するときの乗心地および内燃機関の運転性を改善する。この場合、エンジントルクは、負荷の変化により必要なトルク変化に遅れなく追従する。
本発明による方法は、アイドリング制御に使用するときにとくに有利である。アイドリング運転状態ないしアイドリングに近い運転状態においては、内燃機関により発生されるトルクに対し負荷変化がきわめて著しく影響を与えるので、この運転状態においては、本発明の方法により乗心地ならびに制御の迅速性が著しく改善される。
本発明の方法により、内燃機関の各運転点において与えられるトルク余裕は、各運転点に対する状態が形成された後においてその値が等しくなるので、各運転点における制御がそれに応じて負荷変化に迅速に応答することはとくに有利である。
その他の利点が以下の実施態様の説明ならびに従属請求項から明らかである。
図面
以下に本発明を図面に示す実施態様により詳細に説明する。ここで、図１は内燃機関のトルク制御装置の全体ブロック回路図であり、図２に本発明による方法が時間線図により示されている。最後に、図３は本発明をコンピュータプログラムとして実行するための指針を流れ図により与えている。
実施態様の説明
図１に制御ユニット１０が示され、制御ユニット１０は、出力ライン１２を介して、電気的に操作可能な設定要素１４、とくに絞り弁により内燃機関への空気供給量を調節する。さらに、制御ユニット１０は内燃機関の点火時期を調節するための少なくとも１つの出力ライン１６を有している。入力ライン１８および２６は、制御ユニット１０を、内燃機関の回転速度を測定するための測定装置２０およびエンジン負荷（空気質量供給量、空気容積供給量、吸気管圧力、燃焼室圧力、これらの値から得られる比およびエンジン回転速度等）を測定するための測定装置２８と結合している。好ましい実施態様においては、制御ユニット１０は少なくとも１つのマイクロコンピュータを含み、本発明による方法に関するマイクロコンピュータの実質的なプログラム部分が図１に示すブロック回路図によりわかりやすく示されている。入力ライン１８は２つの特性曲線群２２および２４に供給され、特性曲線群２２および２４には、第２のラインとして、エンジン負荷を測定するための測定装置２８から入力ライン２６が供給される。特性曲線群２２の出力ライン３０は第１の計算ブロック３２および第２の計算ブロック３４に通じている。第１の計算ブロック３２には、特性曲線ないし特性曲線群、表または記憶位置３８から他の入力ライン３６が供給される。ブロック３８には、場合により入力ライン４０ないし４２が供給され、入力ライン４０ないし４２は図示されていない測定装置から内燃機関および／または車両の運転変数を供給する。計算ブロック３２の出力ライン４４は結合位置４６に通じ、結合位置４６の出力ライン４８は制御器５０に供給されている。制御器５０にはさらに、ライン２６からの少なくとも１つのライン５２ならびに場合によりエンジン回転速度のための他のライン５３が供給される。制御器５０の出力ラインは制御ユニット１０の出力ライン１２を示している。計算ブロック３４にはライン５４が供給され、ライン５４は計算ブロック５６から出ており、計算ブロック５６にはライン５８ないし６０を介して内燃機関および／または車両の運転変数が供給される。計算ブロック３４の出力ライン６２は、一方で結合位置４６に通じ、他方で結合位置６４に通じている。結合位置６４にはさらに、特性曲線群２４からライン６６が供給される。結合位置６４の出力ラインは制御ユニット１０の出力ライン１６を示している。
本発明の基本的な考え方は、点火角および内燃機関への空気供給量の制御により内燃機関の運転点が設定され、この運転点において、点火角の調節によりトルク上昇およびトルク低下の方向への迅速なトルク変化が可能であり、これにより負荷が変化したときに内燃機関のトルクが遅れなく設定値に追従することである。
実質的に回転速度および負荷により決定される内燃機関の各運転状態に対して、所定のエンジントルクＭｉｓｏｌｌが設定され、このとき所定のトルク余裕Ｍｉｒｅｓが発生するように点火角が調節されるという付属条件を有している。これは、点火角の調節によりエンジントルクが両方向に少なくともトルク余裕Ｍｉｒｅｓの値だけ変化可能であることを意味している。
内燃機関のすべての負荷／回転速度点に対して、トルクと点火角との間の関係に対し、次の抛物線Ｐ
Ｍｉ／Ｍｉｏｐｔ＝Ｐ（ＺＷＯＵＴ−ＺＷＯＰＴ） （１）
ないしその逆関数
ＺＷＯＵＴ−ＺＷＯＰＴ＝ｉｎｖＰ（Ｍｉ／Ｍｉｏｐｔ） （２）
が成立する。ここで、
Ｐ（ｘ）＝ａ＊ｘ²＋ｂ＊ｘ＋ｃ ｘ＝ＺＷＯＵＴ−ＺＷＯＰＴ （３）
である。（ＺＷＯＰＴ＝最小燃料消費量を得るための最適点火角、ＺＷＯＵＴ＝出力点火角、Ｍｉ＝出力トルク、Ｍｉｏｐｔ＝最適点火角に設定したときの出力トルク）
内燃機関を制御するために、特性曲線群２４から、回転速度および負荷の関数として設定すべき点火角ＺＷＯＰＴが読み取られる。この場合、特性曲線群２４は、読み取られた点火角ができるだけ高い効率で内燃機関を運転するように、すなわちできるだけ少ない燃料消費量でできるだけ大きいトルク出力で内燃機関を運転するように与えられている。所定の特性曲線群２２においても同様に、回転速度および負荷から、設定された最適点火角において内燃機関により出力される、ないしは燃焼により発生されるトルクＭｉｏｐｔが決定される。この特性曲線群もあらかじめ与えられ、この場合、個々のパラメータは各内燃機関タイプに対して実験により決定される。計算ブロック５６において、ライン５８ないし６０を介して供給される運転変数の関数として、内燃機関により出力ないし発生すべきトルクに対する目標値が与えられる。運転変数はたとえば、ドライバにより操作される操作要素の操作度、駆動滑り制御のような他の制御装置の調節変数、ならびにアイドリング制御を使用する好ましい実施態様においてはアイドリング回転速度制御器の調節変数である。この計算ブロック５６は、既知のように、運転変数から求められた目標回転速度ならびに実際回転速度から、設定すべきトルク値を決定する。この場合、トルクに対する所定値は通信系統を介して他の制御ユニットから供給されてもよい。好ましい実施態様においては、アイドリングの範囲ないしアイドリングに近い範囲以外においては、最適点火角における内燃機関への空気供給量および／または燃料供給量の調節により、トルクは、目標トルクと実際トルクとを比較して実際トルクを目標値に接近させる方向に調節される。この方法は、図を見やすくするために、図１には示されていない。
アイドリングないしアイドリングに近い範囲においては、たとえば空調圧縮機、自動変速機等のような外部負荷を投入することによりエンジン負荷が変化した場合、またはたとえばサーボステアリングのような連続的に負荷が変化する場合、アイドリング回転速度が一定に保持されているときまたは変化しているときに負荷変化を補償するために、内燃機関から発生されるトルクが変化される。この場合、とくにトルク上昇調節を行うとき、効率の高い運転となるように内燃機関を上記のように調節することはむずかしいことがわかっている。なぜならば、この場合、負荷を補償するためにまたは回転速度を変化させるために必要なトルク変化は、もっぱら空気供給量の変化により行われるからである。すなわち、トルク上昇調節は、点火角の最適設定により行うことが不可能であるからである。この結果、空気供給量における遅れのために、トルク上昇もまた遅延される。
このような制御装置において燃料消費量をできるだけ少なくしようとする有利性を達成し、しかも負荷変化によりトルク設定値を変化させるときに遅れのないトルク追従を補償するために、少なくともアイドリングにおいて、アイドリングに近い範囲において、ないしアイドリング制御を作動させたときにおいて、余裕トルク値Ｍｉｒｅｓが設定される。この余裕トルク値は、できるだけ大きなトルク余裕と燃料消費量へのできるだけ小さい影響との間の妥協を考慮した固定値として設定されるか、またはエンジン回転速度、走行速度、エンジンの負荷状態、エンジン温度等のような運転変数の関数として、所定の特性曲線または特性曲線群から決定されている。この場合一般に、トルク余裕に対して、エンジン回転速度ないし車両速度が大きいときには小さいトルク余裕値が選択され、負荷が大きくかつエンジン温度が低いときは比較的大きいトルク余裕値が選択される。
内燃機関の少なくともある運転範囲においても同様に、本発明によりトルク余裕が設定され、このトルク余裕は空気供給量および点火角の共通設定により形成される。負荷が変化したとき、必要なトルク変化は所定のトルク余裕の範囲内で点火角の調節により迅速に行われる。
このために、計算ブロック３２において、ライン３６を介して供給されるトルク余裕Ｍｉｒｅｓおよびライン３０を介して供給されるトルク値Ｍｉｏｐｔに基づいて、数式（２）を用いて信号値Ａが計算される。
Ａ＝ｉｎｖＰ（１−Ｍｉｒｅｓ／Ｍｉｏｐｔ） （４）
この値は、内燃機関のそれぞれの運転点に対する、最適点火角ＺＷＯＰＴと出力点火角ＺＷＯＵＴとの間の目標間隔を示し、この目標間隔において所定のトルク余裕Ｍｉｒｅｓが設定される。
計算ブロック３４において、ライン３０を介して供給されるトルク値Ｍｉｏｐｔおよびライン５４を介して供給されるトルク目標値Ｍｉｓｏｌｌとから、同様に数式（２）を用いて値Ｂを形成する。
Ｂ＝ｉｎｖＰ（Ｍｉｓｏｌｌ／Ｍｉｏｐｔ） （５）
この値は、内燃機関のそれぞれの運転点に対する、希望のトルクＭｉｓｏｌｌを設定するための最適点火角ＺＷＯＰＴに対する必要な間隔を示している。
一定の負荷すなわち一定のトルク設定を有する運転においては、出力点火角ＺＷＯＵＴは、結合位置６４において最適点火角ＺＷＯＰＴ（ライン６６）と値Ｂ（ライン６２）との加算により決定される。同様に、結合位置４６の出力ラインには、値Ｂから値Ａを減算することにより、トルク余裕およびトルク設定値を設定するための内燃機関への空気供給量を調節すべき値が得られる。この値は制御器５０に供給され、制御器５０は制御回路の範囲内で、所定の制御方式に従ってまたは前制御の範囲内でライン１２を介して、絞り弁１４を設定することにより内燃機関への空気供給量を調節する。この場合、有利な実施態様においては、制御変数として、測定装置２８により測定された負荷値ないしこの値の回転速度との比が使用される。
与えられた点火角において必要なトルク余裕が存在する定常状態においては、値ＡおよびＢは等しくなっている。この定常運転状態においては、空気供給量の調節は必要ではない。
内燃機関の実際の運転点において、設定されたトルク余裕が所定のトルク余裕より大きい場合、値Ｂは値Ａより小さい。このとき制御器５０の入力値が負であるために、制御器５０は空気供給量を低減し、エンジンを負荷のより小さい運転点に移行させる。特性曲線群２２および２４を介してのフィードバックにより、この負荷変化は点火角の設定において考慮されるので、このとき空気供給量の低下の結果として、値ＡおよびＢが等しくなるまでトルクを上昇させる進み点火角が出力される。
トルク余裕が所定の値より小さい場合、値Ｂは値Ａより大きい。制御器５０への入力信号が正であることにより、制御器５０は内燃機関を負荷のより高い運転点に移行させ、すなわち制御器５０は空気供給量を増加する。このときフィードバックにより点火角は遅れ方向に制御され、すなわち値ＡおよびＢが等しくなるまでトルクを低減する方向に制御される。
要約すると、図１に示す制御装置を用いて点火角および空気供給量を調節することにより、負荷変化のない運転点において常に所定のトルク余裕が設定され、一方それに応じて点火角は特性曲線群点火角（特性曲線群２４、ＺＷＯＰＴ）よりも遅れた値に設定される、ということができる。
内燃機関の負荷が変化した場合、トルク所定値Ｍｉｓｏｌｌが変化する。所定値の変化が設定されたトルク余裕より小さい場合、計算ブロック３４、値Ｂおよび結合位置６４を介して、出力される点火角は、エンジントルクの要求される変化が直ちに遅れなく調節されるように設定される。その後トルクが変化されることなく一定に保持された場合、上記のようにトルク余裕を調節することにより新しい負荷点へ自動的に制御される。
必要なトルク変化が、存在するトルク余裕より大きい場合、計算ブロック３４は点火角を特性曲線群２４の角度へ直ちに制御することを開始する。このとき内燃機関の実際トルクはステップ状に遅れなく特性曲線群２２の値に導かれる。しかしながら、これによってもトルクの所定値にはまだ達していない。この結果、計算ブロック３２により、計算ブロック３２で得られた値Ａにより、ならびに値Ｂにより、空気供給量の変化が行われる。これらの変化は、エンジンしたがって回転速度を希望の値に調節する。制御過程が終了した後にトルク値が目標値に対応した場合、上記のように所定のトルク余裕が点火角および空気の制御により設定される。
負の負荷変化が存在する場合、すなわち目標値がそのときのトルク値より小さい場合、直ちに点火角が遅らされ、それに伴ってエンジンの負荷が低減し、これにより所定のトルク余裕が新しい運転点に対して新たに設定されることになる。
本発明による方法の作動が、図２の時間線図によりわかりやすく示されている。ここで、図２ａに目標トルク値Ｍｉｓｏｌｌが、図２ｂに実際トルク値Ｍｉｉｓｔが、図２ｃに空気供給量に対する値ＱＬが、および図２ｄに出力点火角ＺＷＯＵＴが、時間線図で示されている。
時点Ｔ０までは目標トルク値が一定であると仮定する。このとき内燃機関は、空気供給量ＱＬおよび点火角ＺＷＯＵＴの所定の設定のもとで運転され、この場合所定のトルク余裕Ｍｉｒｅｓが点火角により設定される。時点Ｔ０において、ある負荷の投入により、設定されたトルク余裕より値の小さい目標トルクのステップ変化が発生したとする。これにより、時点Ｔ０において出力点火角のステップ状変化が行われ、点火角は、時点Ｔ０においてトルク値が遅れなく目標値に追従するように決定される。時点Ｔ０の後、点火角のリセットおよび空気供給量の上昇制御により、トルク余裕が再び形成される。
時点Ｔ１において、他の負荷の投入により、設定されたトルク余裕より大きい目標トルクのステップ変化が行われたと仮定する。これにより、時点Ｔ１において点火角のＺＷＯＰＴへのステップ状変化が行われ、それに応じて実際エンジントルクが変化する。トルク余裕は目標値のステップ変化を補償するために十分ではないので、時点Ｔ１の後、アイドリング制御機能により、空気供給量したがって実際トルクの上昇変化が行われる。時点Ｔ２において目標トルクのステップ変化が補償されたと仮定し、これにより時点Ｔ２の後は、時点Ｔ０の後の過程に対応する必要なトルク余裕が、点火角および空気量の制御により設定される。
好ましい実施態様においては、本発明による方法は、マイクロコンピュータのプログラムの一部として実行される。本発明による方法を実行するためのプログラムに関する指針が図３に示されている。
所定の時点においてプログラム部分がスタートした後、第１のステップ１００において、場合により運転変数の関数である、トルク余裕Ｍｉｒｅｓおよびトルク目標値Ｍｉｓｏｌｌに対する値が読み込まれる。その後ステップ１０２において、所定の特性曲線群に基づき、エンジン回転速度ｎｍｏｔおよびエンジン負荷ｔ_Lから決定される実際の運転点の関数として、最適点火角ＺＷＯＰＴならびにこのとき設定されたエンジントルクＭｉｏｐｔが決定される。それに続くステップ１０４において、値Ｂが上記の数式（５）から計算され、およびそれに続くステップ１０６において、値Ａが上記の数式（４）から計算される。それに続くステップ１０８において、制御器内で、空気供給量変化ｄｑが信号ＢとＡとの間の差の関数として計算される。それに続くステップ１１０において、出力点火角ＺＷＯＵＴが最適点火角ＺＷＯＰＴと値Ｂとの和として計算される。それに続くステップ１１２において、空気量制御値ｄｑならびに点火角値ＺＷＯＵＴが出力される。その後プログラム部分が終了され、所定の時点において反復される。
要約すると、本発明による方法の範囲内において、内燃機関は少なくともアイドリングおよび／またはアイドリングに近い範囲において、常にある運転点において運転され、一方点火角により所定のトルク余裕が存在するということができる。必要に応じて、この余裕は、正のトルクとして遅れなく、対応する点火角のステップ変化により利用することができる。さらに、角負荷点に対し内燃機関の設定が自動的に行われ、これにより、ある状態に移行した場合に、そのときの運転点とは無関係に、後の負荷のステップ変化のために同じトルク余裕が常に存在している。

Claims (10)

1. 少なくとも空気供給量および点火角を設定する制御ユニットを有する内燃機関のトルク制御方法において、
   点火角により所定のトルク余裕が設定されるように空気供給量および点火角が設定されること、
   内燃機関ができるだけ高い効率で運転される最適点火角と、所定のトルク余裕を設定するために出力されるべき点火角との間の目標間隔が決定されること、
   希望のトルクを設定するために、最適点火角に対して必要とされる間隔が決定されること、
   最適点火角と必要とされる間隔とを加算することによって出力されるべき点火角が決定されること、
   目標間隔と必要とされる間隔とが相互に一致するように、所定のトルク余裕とトルク設定値を調節するために、制御器によって、目標間隔と必要とされる間隔との差の関数として、空気供給量の調節が実行されること、
   を特徴とする内燃機関のトルク制御方法。
2. トルク余裕の設定が、少なくともアイドリングおよびアイドリングに近い範囲のいずれかにおいて行われることを特徴とする請求項1の方法。
3. 所定のトルク余裕が存在するように使用点火角およびそのときの最適点火角が修正されることを特徴とする請求項1の方法。
4. 内燃機関により出力されるトルクに対する目標値が与えられ、この目標値が空気供給量および点火角の調節により設定されることを特徴とする請求項1の方法。
5. 負荷変化により目標値が変化したとき、点火角の即時変化により目標値の変化が補償され、その後空気供給量および点火角の制御により所定のトルク余裕が再び設定されることを特徴とする請求項4の方法。
6. 所定のトルク余裕の値が、内燃機関により出力されるトルクの、最適点火角の設定により得られる各運転状態における最適トルク値からの偏差に対応することを特徴とする請求項1の方法。
7. トルク余裕が一定値として与えられるかまたは運転変数の関数であることを特徴とする請求項1の方法。
8. 所定のトルク余裕を形成するための点火角および空気供給量の設定が、点火角の最適点火角からの偏差ならびに実際トルクの最適トルクからの偏差の間の放物線状の関係に基づいて計算されることを特徴とする請求項1の方法。
9. 出力トルクの変化が、実質的に遅れなく、所定のトルク余裕の範囲内で点火角設定の変化により行われることを特徴とする請求項1の方法。
10. 少なくとも空気供給量および点火角を設定する制御ユニットを有する内燃機関のトルク制御装置において、
    制御ユニットが、点火角により所定のトルク余裕が設定されるように空気供給量および点火角を設定すること、
    内燃機関ができるだけ高い効率で運転される最適点火角と、所定のトルク余裕を設定するために出力されるべき点火角との間の目標間隔を決定する手段（３２）を有すること、
    希望のトルクを設定するために、最適点火角に対して必要とされる間隔を決定する手段（３４）を有すること、
    最適点火角と必要とされる間隔とを加算することによって出力されるべき点火角を決定する加算手段（６４）を有すること、
    目標間隔と必要とされる間隔とが相互に一致するように、所定のトルク余裕とトルク設定値を調節するために、目標間隔と必要とされる間隔との差の関数として、空気供給量の調節を実行する制御器（５０）を有すること、
    を特徴とする内燃機関のトルク制御装置。

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