JP3999613B2 - 内燃機関の制御方法および制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気ガス後処理システムにおける第１のコンポーネントの流れ抵抗を表す第１の量を第１の測定量と体積流量に基づき求める形式の、内燃機関の制御方法および制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
排気を改善するため、車両たとえばディーゼルエンジンを備えた車両は粒子フィルタを装備している。通常、この種の排気ガス後処理システムを制御するために、および／またはこの種の排気ガス後処理システムの状態を監視するために、排気ガス後処理システムもしくはたとえば粒子フィルタなどのような個々のコンポーネントの流れ抵抗を表す量が測定される。粒子フィルタにおけるフィルタ処理のコントロールおよび再生の監視は圧力センサによって行われる。その理由は、フィルタにおける圧力差によってフィルタ内に収集される煤の質量を推定できるからである。さらにフィルタにおいて測定すべき圧力差は排気ガス体積流にも依存する。
【０００３】
排気ガス再循環の行われる最新の乗用車エンジンには一般に空気質量センサが設けられており、その測定信号を排気ガス体積流測定にも利用できる。このセンサを省略すべき場合、あるいは排気ガス質量センサの設けられていないシステムの場合、排気ガス体積流の測定を簡単に行うことはできない。なぜならばその量はそのままダイレクトには測定できないからであり、あるいはそのために莫大なコストがかかってしまうからである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、空気質量センサの設けられていない排気ガス後処理システムの精確な制御および／または調整を実現することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明によればこの課題は、粒子フィルタの負荷状態を表す量として粒子フィルタの流れ抵抗を用い、当該流れ抵抗を、粒子フィルタにおける圧力差と粒子フィルタを通って流れる体積流量とに基づいて求め、さらに、マフラーにおける圧力差を求める形式の方法において、前記体積流量を、マフラーにおける圧力差とマフラーの流れ抵抗とから求め、当該体積流量に基づいて粒子フィルタの負荷状態を求め、前記マフラーの流れ抵抗は、内燃機関の少なくとも１つの動作量（回転数、負荷、噴射量）に依存して定められることにより解決される。
【０００６】
【発明の実施の形態】
内燃機関を制御する方法および装置の場合、排気ガス後処理システムにおける第１のコンポーネントの流れ抵抗を表す第１の量を第１の測定量と体積流量から求め、その際、体積流量を排気ガスシステムにおける第２のコンポーネントの流れ抵抗を表す第２の量に基づき求めることにより、空気質量センサを用いることなく内燃機関たとえば排気ガス後処理システムの精確な制御および／または調整が実現される。
【０００７】
内燃機関を制御するための１つの有利な実施形態によれば、使用される第１の量はたとえば粒子フィルタの負荷状態を表し、この第１の量を粒子フィルタにおける圧力差と排気ガス体積流に基づき求め、その際、排気ガス体積流を排気ガス後処理システムの別のコンポーネントにおける圧力差と既知のおよび／または容易に求めることのできる第２の量とに基づきを求め、この場合、第２の量は第１のコンポーネントにおける第１の量に対応する。
【０００８】
１つの有利な実施形態によれば、体積流量（ＶＳ）として排気ガス体積流が用いられる。択一的に、排気ガス体積流を表す他の量を用いることもできる。
【０００９】
格別有利であるのは、第２のコンポーネントの入口側と出口側との間の圧力差を表す第２の測定量と、第２のコンポーネントの流れ抵抗を表す第２の量とに基づき、体積流量を求めることである。これらの量を捕捉するためには通常、新たなセンサは不要である。たとえば第２の量は特性マップに格納可能な一定の値である。この場合、内燃機関の動作状態および／または周囲条件に依存して値を格納しておくと、きわめて精確な制御を行えるようになる。
【００１０】
格別有利な実施形態によれば第２のコンポーネントは消音器もしくはマフラーである。択一的に排気ガストレイン中の他のコンポーネントも使用することができる。コンポーネントを使用する前提条件とは、そのコンポーネントに同じ排気ガス質量流が貫流すること、および流れ抵抗またはそれに相応する値が既知であるかまたは容易に求められることである。
【００１１】
有利には第１の測定量は第１のコンポーネントの入口側と出口側の間の圧力差および／またはこの圧力差を表す量である。さらに有利には第２の測定量は第２のコンポーネントの入口側と出口側の間の圧力差であり、および／またはこの圧力差を表す量である。
【００１２】
また、第１のコンポーネントの流れ抵抗を表す量を第１の測定量と体積流量とに基づき求めると格別有利である。
【００１３】
従属請求項には本発明の有利な実施形態が示されている。
【００１４】
次に、図面を参照しながら本発明の実施例について詳しく説明する。
【００１５】
【実施例】
図１には、内燃機関における排気ガス後処理システムの基本的な部材が描かれている。内燃機関には参照符号１００が示されている。内燃機関１００には吸気導管１０５を介して外気が供給される。内燃機関１００の排気ガスは排気ガス導管１１０を介して周囲に出される。排気ガス導管１１０には排気ガス後処理システム１１５が配置されている。これはたとえば触媒および／または粒子フィルタとすることができる。さらに様々な有害物質のための複数の触媒を設けてもよいし、または少なくとも１つの触媒と粒子フィルタの組み合わせを設けてもよい。排気ガス後処理システム１１５の後方すなわち下流には通常、消音器ないしはマフラー１２０が配置されている。
【００１６】
さらに制御ユニット１７０が設けられており、これには少なくとも１つのエンジン制御ユニット１７５と排気ガス処理制御ユニット１７２が含まれている。エンジン制御ユニット１７５は燃料調量システム１８０に制御信号を供給する。排気ガス後処理制御ユニット１７２は、エンジン制御ユニット１７５と、１つの実施形態では排気ガス導管において排気ガス後処理システムの手前すなわち上流側または排気ガス後処理システム内に配置された調整部材１８５とに制御信号を送出する。
【００１７】
さらに、排気ガス後処理制御ユニットとエンジン制御ユニットに信号を供給する様々なセンサを設けることができる。したがって少なくとも第１のセンサ１９４が設けられており、このセンサは周囲空気の圧力ＰＵを表す信号を供給する。第２のセンサ１７７は、燃料調量システム１８０の状態を表す信号を供給する。センサ１８２ａおよび１８２ｂは、排気ガス後処理システムより手前すなわち上流側の排気ガスの状態を表す信号を供給する。センサ１９２ａおよび１９２ｂは、排気ガス後処理システムより下流でありマフラー１２０よりも上流の排気ガスの状態を表す信号を供給する。
【００１８】
有利には、温度値ＴＶおよび／またはＴＮを測定するセンサ１８２ａと１９２ａ、および／または圧力値ＰＶおよび／またはＰＮを測定するセンサ１８２ｂおよび１９２ｂが用いられる。さらに、排気ガスおよび／または外気の化学的組成を表すセンサを使用することもできる。この場合、たとえばラムダセンサ、ＮＯＸセンサまたはＨＣセンサなどが用いられる。
【００１９】
センサ１８２ａ，１８２ｂ，１９２ａ，１９２ｂ，１９４の出力信号は有利には排気ガス後処理制御ユニット１７２に供給される。センサ１７７の出力信号は有利にはエンジン制御ユニット１７５に供給される。さらに図示されていない別のセンサを設けることができ、このセンサはドライバの要求あるいは周囲状態またはエンジン動作状態について表す信号を供給する。
【００２０】
図示されている実施形態の場合、吸気導管１０５内にコンプレッサ１０６が配置されており、排気導管１１０内にタービン１０８が配置されている。タービン１０８は貫流する排気ガスにより駆動され、図示されていないシャフトを介してコンプレッサ１０６を駆動する。適切なコントローラによって、コンプレッサの圧縮する空気量を制御することができる。
【００２１】
さらに導管１１０は排気ガス帰還導管１０２を介して吸気導管１０５と接続されている。排気ガス帰還導管１０２内には排気ガス帰還バルブ１０４が配置されており、これはやはり制御ユニット１７５によって制御可能である。
【００２２】
図示されている実施形態の場合、排気ガス帰還も可制御の排気ガスターボチャージャも設けられているが、本発明によれば排気ガス帰還だけでもよく、可制御の排気ガスターボチャージャだけでもよい。
【００２３】
また、エンジン制御ユニットと排気ガス後処理制御ユニットが構造的に１つのユニットを成すようにすると格別に有利である。しかしながら空間的に互いに分離された２つの制御ユニットとして構築してもよい。
【００２４】
次に本発明の動作について、たとえば直接噴射式内燃機関において使用される粒子フィルタの例に基づき説明する。とはいうものの本発明はこのような用途に限定されるものではなく、排気ガス後処理システムを備えた他の内燃機関においても使用することができる。たとえば、触媒と粒子フィルタの組み合わせられている排気ガス後処理システムを使用することができる。また、触媒しか備えていないシステムにおいても使用できる。
【００２５】
エンジン制御ユニット１７５は到来したセンサ信号に基づき、燃料調量システム１８０に供給するための制御信号を計算する。ついで燃料調量システム１８０は対応する燃料量を内燃機関１００に配分する。燃焼時、排気ガス中に粒子の発生する可能性がある。これは排気ガス後処理システム１１５において粒子フィルタによって受け取られる。動作中、粒子フィルタ１１５にしかるべき量の粒子が集まる。これによって粒子フィルタおよび／または内燃機関の機能が損なわれる。したがって特定の間隔で、あるいは粒子フィルタが特定の負荷状態もしくはチャージ状態に達したときに、再生プロセスが開始される。この再生プロセスを特別モードと呼ぶ場合もある。
【００２６】
この負荷状態はたとえば様々なセンサ信号に基づき検出される。つまり粒子フィルタの流入側と流出側との圧力差を測定することができるし、あるいは種々の温度および／または種々の圧力値に基づき負荷状態を判定することができる。また、負荷状態の計算またはシミュレーションのためにさらに別の量を利用してもよい。たとえば DE 199 06 287 から相応のやり方が知られている。
【００２７】
粒子フィルタが特定の負荷状態に達したことを排気ガス後処理ユニットが識別すると、再生プロセスが開始される。粒子フィルタの再生のため様々なやり方を利用できる。つまり特定の材料が調整部材１８５を介して排気ガスへ供給されるように構成することができ、その場合、この特定の材料により排気ガス後処理システム１１５内でしかるべき反応が引き起こされる。
【００２８】
通常、負荷状態は様々な量に基づき求められる。この場合、閾値との比較により様々な状態が識別され、識別された負荷状態に依存して再生プロセスが開始される。負荷状態を表す量として、有利には粒子フィルタの流れ抵抗が用いられる。流れ抵抗は基本的に、粒子フィルタにおける圧力差と粒子フィルタを通って流れる体積流とに基づき決定される。
【００２９】
内燃機関が空気流測定器を有していないならば、粒子フィルタを通って流れる体積流を簡単に求めることはできない。この場合、以下で説明するやり方によって排気ガス体積流の測定つまりは粒子フィルタの精確な負荷状態と再生の監視を、たとえばトラックエンジンなどのように空気質量測定器を備えていない内燃機関においても行うことができる。
【００３０】
本発明によれば排気ガスシステムはディーゼル粒子フィルタの下流側において、マフラー１２０における圧力降下を測定する目的で絶対圧力センサを有している。マフラーの既知の流れ抵抗に基づきマフラーを流れる排気ガス質量流を求めることができる。マフラーにも粒子フィルタにも同じ排気ガス体積流が貫流するので、粒子フィルタにおける圧力差とそのようにして求められた排気ガス体積流とから粒子フィルタの流れ抵抗が求められる。
【００３１】
したがって本発明によれば、第１のステップ２００でマフラーの流入側と流出側の圧力差ＤＰ２が測定される。このために圧力差センサを用いることもできるし、あるいはマフラーの上流側の圧力ＰＮを測定する絶対圧力センサ１９２ｂとマフラー下流側の圧力ＰＵを測定する第２の絶対圧力センサ１９４が用いられる。マフラー下流側の圧力は通常は大気圧ＰＵであり、これはすでに他の目的で制御ユニットにより測定され評価されるものである。
【００３２】
第２のステップ２１０においてマフラーの流れ抵抗Ｗ２が測定される。１つの簡単な実施形態の場合、固定的な値がメモリから読み出される。格別有利な実施形態によれば、この値Ｗ２はたとえばエンジン回転数Ｎや負荷あるいは負荷を表す量たとえば噴射量などのような様々な動作パラメータに基づき求められる。
【００３３】
次のステップ２２０において流れ抵抗Ｗ２と圧力差ＤＰ２とから、
ＶＳ＝ＤＰ２／Ｗ２
に従いマフラーにおける排気ガス体積流ＶＳが求められる。
【００３４】
次のステップ２３０において粒子フィルタにおける圧力差ＤＰ１が相応にステップ２００のようにして求められ、つまり圧力差センサあるいは２つの絶対圧力センサ１８２ｂと１９２ｂを用いることができる。
【００３５】
ついで後続のステップ２４０において粒子フィルタの流れ抵抗Ｗ１が、
Ｗ１＝ＤＰ１／ＶＳ
に従い圧力差ＤＰ１と体積流ＶＳとから求められる。粒子フィルタの流れ抵抗Ｗ１は粒子フィルタの制御および／または監視のために用いられる。
【００３６】
他の制御および／または診断目的たとえば排気ガスシステムおよび／または排気ガス帰還レート制御のために体積流量ＶＳが用いられると、殊に有利である。
【００３７】
図２に示されている実施例の場合、実施形態に依存して一定のまたは動作状態たとえば回転数や噴射燃料量に依存するマフラー流れ抵抗Ｗ２が採用される。付加的に温度センサを用いることで精度を高めることができる。
【００３８】
図３に描かれている実施形態の場合、排気ガス体積流ＶＳは貫流する管によるマフラーのシミュレーションによって模擬的に形成される。ここで体積流ＶＳについて種々の係数Ｆ１，Ｆ２，ＤＰ２′により式
ＶＳ＝Ｆ１*Ｆ２*ＤＰ２′
が成り立つ。係数Ｆ１は１つまたは複数の温度に依存する特性量であり、これは有利には排気ガスの温度に依存して特性マップに格納されている。係数Ｆ２は基本的にマフラーの幾何学的特性量であり、これは実験的に求めることができる。係数ＤＰ２′は基本的にマフラーにおける圧力差により決まる値である。
【００３９】
図３の実施形態が図２の実施形態と基本的に異なるのは、ステップ２１０と２２０がステップ３００によって置き換えられている点である。ステップ３００において排気ガス体積流ＶＳは上述の式を用いて求められる。その際、値Ｆ１とＦ２によりマフラーの流れ抵抗が表される。図２の実施形態とは異なり流れ抵抗がじかに求められるのではなく、排気ガス体積流が有利には複数の係数Ｆ１，Ｆ２，ＤＰ２′の乗算により形成される。
【００４０】
図４ａおよび図４ｂには両方の実施形態がブロック図として描かれている。図４ａに示されている実施形態の場合には２つのセンサが設けられており、これらのセンサはマフラーの上流側の圧力と下流側の圧力を求める。これらを圧力差センサと置き換えることもできる。第１の信号設定手段３０１はマフラー上流側の圧力ＰＶを表す信号ＰＶを供給し、第２の信号設定手段３０２はマフラー下流側の圧力を表す信号ＰＮを供給する。さらに第３の信号設定手段３０３は噴射すべき燃料量ＱＫを表す量ＱＫを供給し、第４の信号設定手段３０４は内燃機関の回転数に関する信号を供給する。
【００４１】
第１，第２および第４の信号設定手段はセンサであり、第３の信号設定手段は有利には制御装置であり、この制御装置において噴射すべき燃料量は内部的な量として存在している。択一的に他の量を内部的に制御装置内で他の動作特性量から形成してもよい。さらに別の動作特性量を考慮することもできる。
【００４２】
噴射すべき燃料量ＱＫと回転数に関する信号は特性マップ３１０に供給され、特性マップ３１０の出力側にはマフラーの流れ抵抗Ｗ２が生じる。出力信号ＰＶとＰＮは減算器３１５に供給され、減算器３１５は出力量としてマフラーにおける圧力差ＤＰ２を送出する。両方の値ＤＰ２とＷ２は除算器３２０へ導かれ、除算器３２０の出力側に排気ガス体積流ＶＳが生じる。
【００４３】
つまり特性マップ３１０には、様々な動作特性量に依存してマフラーの流れ抵抗が格納されている。したがってセンサにより測定される圧力差とマフラーの流れ抵抗Ｗ２とをもとにして、除算により排気ガス体積流が計算される。
【００４４】
図４ｂの実施形態の場合には第１および第２の信号設定手段のほかに、一定値Ｆ２を与える第５の信号設定手段３０５と、温度信号Ｔを供給する第６の信号設定手段３０６が設けられている。第１の信号設定手段と第２の信号設定手段の出力信号ＰＶおよびＰＮは減算器３１５へ供給され、減算器３１５は出力量としてマフラーにおける圧力差ＤＰ２を送出する。減算器３１５の出力信号は特性マップ３４０に到達し、そこにおいて圧力差に依存する量ＤＰ２′が生じる。第６の信号設定手段３０６の出力信号Ｔは、温度と排気ガス体積流の物理的な量との関係が格納されている特性マップ３３０を介して結合点３５０へ到達する。２つの特性マップの出力信号は結合点３５０において乗算により結合される。結合点３５０の出力信号は結合点３６０へ到達し、その結合点の第２の入力側には第５の信号設定手段３０５の出力信号Ｆ２が加わる。
【００４５】
基本的にこのブロック図は上述の式をシミュレートしている。体積流ＶＳは第１の係数Ｆ１、第２の係数Ｆ２およびマフラーにおける圧力差に依存する量ＤＰ′に基づき乗算により計算される。係数Ｆ１により１つまたは複数の温度に依存する特性量が考慮され、これは有利には特性マップおよび／または１つまたは複数の特性曲線として排気ガス温度に依存して格納されている。係数Ｆ２は基本的にマフラーの幾何学的特性量であり、これは実質的に一定である。
【００４６】
きわめて重要であるのは、これらがプログラムコード手段を用いるコンピュータプログラムとして、およびプログラムコード手段を用いるコンピュータプログラム製品として実現されることである。本発明によるコンピュータプログラムは、本発明による方法におけるすべてのステップを実行するためにプログラムコード手段を有しており、その場合、プログラムはコンピュータにおいて、たとえば自動車内燃機関用制御装置において実行される。つまりこの事例では本発明は制御装置に格納されているプログラムによって実現され、プログラムの設けられているこの制御装置もプログラムの実行に適した方法のように本発明を成すものである。本発明によるコンピュータプログラム製品はプログラムコード手段を有しており、これはコンピュータで読み出し可能なデータ担体に格納されていて、その目的はこのプログラム製品をコンピュータにおいて、たとえば自動車内燃機関用制御装置において実行すれば本発明による方法が実施されるようにすることである。つまりこの事例では本発明はデータ担体により実現されるので、プログラム製品つまりデータ担体をたとえば自動車などの内燃機関用の制御装置に組み込めば、本発明による方法を実施することができる。データ担体もしくはコンピュータプログラム製品としてたとえば電気的な記憶媒体を使用することができ、その例として挙げられるのはリード・オンリー・メモリ（ＲＯＭ）、ＥＰＲＯＭまたは電気的な持続的記憶媒体たとえばＣＤ−ＲＯＭやＤＶＤなどである。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は内燃機関を制御するシステムのブロック回路図である。
【図２】図２は本発明の動作を示すフローチャートである。
【図３】図３は別の実施形態を示すフローチャートである。
【図４】図４は本発明による装置のブロック図である。
【符号の説明】
１００ 内燃機関
１０２ 排気ガス帰還導管
１０４ 排気ガス帰還弁
１０５ 吸気導管
１０６ コンプレッサ
１０８ タービン
１１０ 排気ガス導管
１１５ 排気ガス後処理システム
１２０ マフラー
１７０ 制御ユニット
１７２ 排気ガス後処理制御ユニット
１７５ エンジン制御ユニット
１８０ 燃料調量システム

Claims (7)

1. 粒子フィルタ（１１５）の負荷状態を検出する方法であって、
   当該負荷状態を表す量として前記粒子フィルタ（１１５）の流れ抵抗（Ｗ１）を用い、
   当該流れ抵抗（Ｗ１）を、粒子フィルタ（１１５）における圧力差（ＤＰ１）と粒子フィルタ（１１５）を通って流れる体積流量（ＶＳ）とに基づいて求め、
   さらに、マフラー（１２０）における圧力差（ＤＰ２）を求める形式の方法において、
   前記体積流量（ＶＳ）を、マフラー（１２０）における圧力差（ＤＰ２）とマフラー（１２０）の流れ抵抗（Ｗ２）とから求め、
   当該体積流量（ＶＳ）に基づいて粒子フィルタの負荷状態を求め、前記マフラー（１２０）の流れ抵抗（Ｗ２）は、内燃機関（１００）の少なくとも１つの動作量（回転数、負荷、噴射量）に依存して定められる、ことを特徴とする、粒子フィルタの負荷状態を検出する方法。
2. 前記マフラー（１２０）の流れ抵抗（Ｗ２）は温度に依存して定められる、請求項１記載の方法。
3. 前記マフラー（１２０）における圧力差（ＤＰ２）を、マフラー（１２）上流で測定された圧力（ＰＮ）と大気圧（ＰＵ）から求める、請求項１記載の方法。
4. 粒子フィルタ（１１５）の負荷状態を検出する装置であって、
   当該装置は制御装置（１７０、１７２、１７５）を有しており、
   当該制御装置には、前記粒子フィルタ（１１５）上流に配置されている圧力センサ（１８２ｂ）の信号（ＰＶ）と、前記粒子フィルタ（１１５）下流かつマフラー（１２０）上流に配置されている圧力センサ（１９２ｂ）の信号（ＰＮ）と、大気圧（ＰＵ）とが供給され、
   前記制御装置は、粒子フィルタ（１１５）における圧力差（ＤＰ１）と前記マフラー（１２０）における圧力差（ＤＰ２）を求め、
   前記制御装置内の特性マップには、内燃機関（１００）の少なくとも１つの動作量（回転数、負荷、噴射量）に依存してマフラー（１２０）の流れ抵抗（Ｗ２）が格納されており、
   前記制御装置は、前記粒子フィルタ（１１５）の負荷状態を表す量である粒子フィルタ（１１５）の流れ抵抗（Ｗ１）を、粒子フィルタ（１１５）における圧力差（ＤＰ１）と粒子フィルタ（１１５）を通って流れる体積流量（ＶＳ）とに基づいて求め、当該体積流量（ＶＳ）をマフラー（１２０）における圧力差（ＤＰ２）とマフラー（１２０）の流れ抵抗（Ｗ２）から求める、ことを特徴とする、粒子フィルタの負荷状態を検出する装置。
5. 前記マフラー（１２０）における圧力差（ＤＰ２）が、マフラー（１２０）上流に配置された圧力センサ（１９２ｂ）の信号（ＰＮ）と大気圧（ＰＵ）から求められる、請求項４記載の装置。
6. プログラムを、コンピュータとして設けられている、内燃機関（１００）用の制御装置（１７０、１７２、１７５）で実行したときに請求項１から３のいずれか１項記載のステップを実施するための、プログラムコード手段を備えたコンピュータプログラム。
7. プログラム製品を、コンピュータとして設けられている、内燃機関（１００）用の制御装置（１７０、１７２、１７５）で実行したときに請求項１から３のいずれか１項記載のステップを実施するための、コンピュータで読み取り可能なデータ担体に格納されているプログラムコード手段を備えたコンピュータプログラム製品。

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