JP4223946B2 - 多気筒内燃機関の個別シリンダ内の燃空比の決定方法 - Google Patents

Description

【０００１】
発明の属する技術分野
本発明は、複数シリンダの排気ガスが共通の排気管系内で混合する、前記複数シリンダを有する内燃機関の個別シリンダ内の燃空比（個別シリンダのλ値）を、その取付位置が共通の排気管系内にある排気ガス・センサの信号から、排気ガス・センサの取付位置における排気ガスの均等混合に対する反転可能モデルにより決定する方法に関するものである。
【０００２】
従来の技術
このような方法がＳＡＥ Ｐａｐｅｒ ９４０３７６から既知である。
反転モデルにより評価された１つの排気ガス・センサの信号から個別シリンダのλ値を決定するとき、試験台実験において、個別シリンダ内のλの、モデル結果と実際値との間に良好な一致が示された。しかしながら、１つの基準センサを有するエンジンに適用されたモデルを同じタイプの他のエンジンに適用したとき、モデル化λ値と測定λ値との間に比較的大きな偏差が示された。この場合、誤差の帰属もまた特定された。即ち、モデルは確かに適切なλ値を提供するが、λ値を誤ったシリンダに割り当てていた。
【０００３】
発明が解決しようとする課題
この背景から、種々のシリンダの排気ガスが合流する排気系内位置の下流側に配置されている排気ガス・センサの信号から個別シリンダのλ値を決定する改善された方法を提供することが本発明の課題である。
【０００４】
課題を解決するための手段
この課題は、冒頭記載のタイプの方法において、個別シリンダのλ値を、反転モデルにより評価される１つの排気ガス・センサの信号から決定するときに、その取付位置における排気ガス・センサの回転角度位置が考慮されることにより解決される。
【０００５】
この手段は、未知のセンサ取付角度の影響を制御装置機能により補償可能にすることが有利である。これにより、通常必要となるような、機械装置によるセンサ取付角度の特定が不必要となる。これは、排気ガス・センサのみでなく、排気ガス・センサが組み込まれる排気系のコスト的に有利な製作を可能にする。
【０００６】
他の手段は、内燃機関の少なくとも１つのシリンダが、一時的に、その他のシリンダの燃料／空気混合物組成から所定の値だけ異なる燃料／空気混合物組成で運転されること、この偏差に対する排気ガス・センサの応答が決定され、且つ同じ状況において、その取付位置におけるその回転角度位置が既知の排気ガス・センサにより記録された少なくとも１つの記憶応答と比較されること、およびモデルにより形成された評価値によって所定の偏差が再現されるように、センサ信号の後処理が影響されることを意図している。
【０００７】
この手段は、未知のセンサ角度を決定するための簡単に実行可能なテスト機能の利点を提供する。
他の手段は、前記偏差に対する排気ガス・センサの応答が複数の記憶応答と比較され、この記憶応答は排気ガス・センサの既知のそれぞれ他の回転角度位置とともに、その他は同じ状況で記録されること、排気ガス・センサの信号に最も近似する記憶応答が選択されること、および、選択応答に一致されたモデルで以後評価値が形成されることによりセンサ信号の後処理が影響されること、を意図している。
【０００８】
この手段は、モデルをセンサ取付角度にきわめて正確に適合させるという利点を提供する。
他の手段は、信号モデルの入力信号が排気ガス・センサの位相ずれ信号に対応することおよび、排気ガス・センサの応答が所定の記憶応答に対応するまで、位相ずれ量が変化されることにより、センサ信号の後処理が影響されることを意図している。
【０００９】
この手段は、これが信号処理経路内ではモデルの複雑な計算よりもある程度有効なので、特に僅かな記憶場所および計算容量を必要とするにすぎない。
他の手段は、各シリンダの各点火上死点に対してそれぞれ１つの走査値が存在するように、回転速度に同期して排気ガス・センサの信号が走査されることおよび、排気ガス・センサの応答が所定の記憶応答に対応するまで、点火上死点に対する走査時点の相対位置が変化されることにより、センサ信号の後処理が影響されることを意図している。
【００１０】
この場合もまた、この手段は、これが信号処理経路内ではモデルの複雑な計算よりもある程度有効なので、特に僅かな記憶場所および計算容量を必要とするにすぎないことが理解される。
【００１１】
実施例の説明
以下に本発明の実施態様を図面により説明する。
図１における符号１は、４つのシリンダ２、３、４および５を有する内燃機関を表わす。シリンダには、吸気管６から空気または燃料／空気混合物が供給される。シリンダにより吸い込まれる空気量は、空気量調節要素７、例えば絞り弁により制御される。代替態様として、シリンダ内に流入する空気量は、可変弁制御により制御されてもよい。空気流量計８は、内燃機関により吸い込まれる空気の量を測定する。内燃機関の回転速度ｎは、回転速度センサ９により測定される。燃空比を測定するために排気ガス・センサ１０が使用され、排気ガス・センサ１０は、排気系１１内において、排気ガス流れの方向に見て、個別シリンダの排気ガスが全排気ガス流れに合流する点の下流側にある。制御装置は、内燃機関の測定運転パラメータから少なくとも測定空気量、および回転速度から個別シリンダの空気充填量に対する尺度を計算し、さらにシリンダごとの噴射弁１３、１４、１５および１６を操作する噴射パルス幅ｔｉを形成する。噴射弁は、燃料を、例えばシリンダの吸気弁の手前で噴射しても、またはシリンダの燃焼室内に直接噴射してもよい。排気ガス・センサの信号により燃料供給量が検査され且つ場合により制御装置１２により補正される。
【００１２】
排気ガス・センサの取付位置においては既にシリンダの排気ガスの均等混合が開始している。したがって、センサ取付位置における排気ガスの組成は、個別シリンダのλ値の関数である。説明を簡単にするために、個別シリンダのλ値は次のように構成されてもよい。排気ガス・センサの信号は個別シリンダ内の点火時点に同期して走査される。時点ｔにおいて、センサ取付位置における排気ガス組成は、例えば大部分は最終燃焼の排気ガスの組成により決定され且つそれぞれ多少の部分はその前の燃焼の排気ガス組成により決定される。したがって、時点ｔにおいて、各シリンダは所定の重みｃをつけて排気ガス組成に影響を与える。言い換えると、センサ取付位置において測定されたλ値は、重み係数ｃにより重みづけされた個別シリンダのλ実際値の和として表わすことができる。
【００１３】
したがって、Ｎ個のシリンダを有する内燃機関に対しては、点火に同期した走査においてＮ個の測定λ値が得られ、Ｎ個の測定λ値は、Ｎ行およびＮ列の重み係数マトリックスｃｉｊを介してＮ個のλ実際値に割り当てることができる。
【００１４】
試験台測定により重み係数を決定することができる。したがって、決定された重み係数は、センサ信号のそれぞれＮ個の走査値から個別シリンダのλ値に対するλ評価値がそれから逆方向に決定されるモデルのいわゆるパラメータを示す。したがって、逆方向は反転モデルに対応する。
【００１５】
これに関する詳細並びにこれと組み合わされた個別シリンダのλ制御の詳細は上記のＳＡＥ Ｐａｐｅｒに記載されている。
排気ガス・センサは通常排気系内に組み込まれ（ねじ込まれ）、したがって機械的に排気ガス系に締め付けられている。複数対の、構造が同じ排気ガス・センサおよび構造が同じ排気系が、相互に組み込まれている場合、十分に高い締付力が発生する回転角度位置は対ごとに異なっている。
【００１６】
本発明者は、上記のように決定されたλ評価値におけるばらつきが排気ガス・センサの回転角度位置と相関を有していることを見いだした。おそらく、排気ガス・センサ構造に回転対称性がないことがこのばらつきの原因であろう。即ち、例えば排気ガス・センサのガス感知部分は薄板形状であり、したがって回転対称ではない。さらに、排気ガス・センサのガス感知範囲は通常保護管により包囲され、保護管はガス流入開口を有している。開口およびガス感知部分の回転位置に応じてそれぞれ、おそらく、シリンダからの排気ガスの排出と排出ガス・センサのガス感知部分への到着の間に経過する時間に遅れが出てくるであろう。センサの加熱の非対称性もまた、おそらく回転対称ガス感知センサ部分の場合においても、非対称温度分布がガス感知部分の部分範囲の機能を助成し、これにより排気ガス・センサの回転角度位置が構造部分対ごとに変動する原因となることがある。
【００１７】
図２は、この関係を、ねじ込み軸に垂直な平面による排気ガス・センサ１０の略断面図により表わしている。符号２０はガス感知部分２１を支持する担体構造を示す。符号２２は保護管を示し、保護管はガス感知部分を包囲し且つ排気ガスのための開口２３を有している。矢印２４は排気ガスの流れ方向を表わし、また矢印２５は、ガス感知部分が排気ガス・センサの流れ方向に対してねじれている角度αを示す。
【００１８】
図３はλ実際値を評価するモデルに対する入力信号の形成を表わしている。信号３．１はカウンタ値を表わし、カウンタ値は、例えば圧縮行程後のシリンダ上死点（点火上死点）においてそれぞれ増加され、且つ内燃機関の作業サイクル後に、即ち内燃機関が全シリンダの点火上死点を１回経過したときに、それぞれ０にセットされる。信号３．２は、それに同期して振動する排気ガス・センサ信号を示す。この特定の線図は、例えば、１つのシリンダが、他のシリンダの燃料／空気混合物組成とは異なる燃料／空気混合物組成で運転されたときに得られる。このシリンダ内の混合物が、例えば他のシリンダの混合物よりリッチである場合、信号３．２に示すように、排気ガス・センサの信号内に作業サイクルごとに１つのリッチ・パルスが現われる。排気ガス・センサの信号は所定の間隔でシリンダの個別点火上死点において走査されるので、内燃機関の作業サイクルごとにＮ個の走査値が得られ、この場合、Ｎはシリンダ数を示す。センサのねじれは排気ガス・センサ信号を変化させ、例えば位相ずれを発生させることがわかった。線３．３は、このように位相がずれた排気ガス・センサ信号を示す。図から、所定の時点において走査された信号３．２および３．３の値が著しく異なっていることがわかる。この差が矢印ｄ１−ｄ４により表わされている。これは、この著しく異なる走査値の後処理は、同じモデルをさらに補正することなく、個別シリンダのλ実際値に対する評価値を形成し、この評価値は排気ガス・センサの取付角度の関数であるので好ましくないことを表わしている。図４はこの関数関係を排除または少なくとも低減させる本発明による方法の実施態様の流れ図を示す。
【００１９】
このために、図４．１において、個別シリンダのλ実際値間の差が形成される。このために、例えば一時的なテスト機能運転の範囲内で１つのシリンダがリッチで運転され且つその他のシリンダがリーンで運転される。それに平行して、テスト機能運転の間に、排気ガス・センサ信号が、図３に関して説明した方法で走査される。排気ガス・センサ応答のこの測定がステップ４．２により表わされる。ステップ４．３において、測定センサ応答と種々の記憶センサ応答との比較が行われ、記憶センサ応答の各々は、既知のセンサ取付角度で記録されたものである。比較基準として、例えば、図３における矢印ｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ４の長さの和に対応する走査値間の間隔値の和が使用されてもよい。ステップ４．４において、測定センサ応答に最も近似する値を有する記憶センサ応答が特定される。これは、上記の和の最小値を有する記憶センサ応答であってもよい。この記憶センサ応答は所定の既知のセンサ取付角度に関連するので、本方法のこの段階において、センサ取付角度に関する情報が得られる。走査値の近似は、それまで未知であったセンサ取付角度が、上記のように特定された記憶センサ取付角度に対応するものと解釈される。本発明の一実施態様においては、制御装置８内に、種々のモデルないしモデル・パラメータのセット（例えば、マトリックス要素ｃｉｊ）が記憶されている。ステップ４．５において、特定されたセンサ取付角度に関連のモデルが選択される。ステップ４．６は選択されたモデルによる、走査されたセンサ信号値のさらにその後の処理を表わす。
【００２０】
上記のステップ４．３−４．６の代わりに、測定センサ応答と個々の記憶センサ応答との比較が行われてもよい。この場合、記憶応答と測定応答との間の位相ずれが形成されることにより、および信号モデルの入力信号が排気ガス・センサの位相ずれ信号に対応することにより、センサ信号の後処理が影響されてもよい。例えば、排気ガス・センサの応答が所定の記憶応答に対応するまで、モデルの入力信号の最初に任意に仮定された位相ずれが変化されることにより、位相ずれの量を決定することができる。
【００２１】
他の代替態様として、各シリンダの各点火上死点に対してそれぞれ１つの走査値が存在するように回転速度に同期して排気ガス・センサの信号が走査されることにより、および排気ガス・センサの応答が所定の記憶応答に対応するまで、点火上死点に対する走査時点の相対位置が変化されることにより、センサ信号の後処理が影響されてもよい。
【００２２】
この代替態様は、種々のセンサ取付角度に関連する種々のセンサ応答が使用される上記の実施態様と組み合わされてもよい。適用費用および記憶場所の必要性の理由から、この方法の角度の解像度は制限されている。例として、モデルが４つの異なるセンサ取付角度、例えば９０°、１８０°、２７０°および３６０°に対して適用されると仮定する。このとき、第１のステップにおいて、実際のセンサ取付角度に最も近い記憶角度を割り当てることができる。このとき、残存偏差は、位相ずれの方法を介して、または走査時点を変化させる方法を介して補償することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明が適用される技術的周辺図を示す。
【図２】 図２は、ねじ込み軸に垂直な平面による排気ガス・センサ１０の略断面図を示す。
【図３】 図３は、λ実際値を評価するための入力信号の形成を表わす。
【図４】 図４は、本発明による実施態様の流れ図を示す。

Claims (3)

1. 複数シリンダの排気ガスを共通の排気管系内で混合する内燃機関の個別シリンダ内の燃空比（個別シリンダのλ）を、共通の排気管系内に取付位置があり回転非対称の構造をもつ排気ガス・センサの信号から、排気ガス・センサの取付位置における排気ガスの均等混合に対する反転可能モデルにより決定する、多気筒内燃機関の個別シリンダ内の燃空比の決定方法において、
   内燃機関の少なくとも１つのシリンダが、その他のシリンダの燃料／空気混合物組成と所定の偏差をもつ燃料／空気混合物組成で、一時的に運転されるステップと、
   前記偏差に対する排気ガス・センサの応答が決定されるステップと、
   前記排気ガス・センサを前記取付位置でそれぞれ異なる取付回転角度で設置したときの応答を記録した複数の記憶応答のなかから、前記決定された応答に最も近似するものを選択することにより、前記排気ガス・センサの取付回転角度を求めるステップと、
   前記排気ガス・センサを前記取付位置でそれぞれ異なる取付回転角度で設置したモデルのなかから、前記取付回転角度に対応する反転可能モデルを選択するステップと、
   前記選択された反転可能モデルにより、前記排気ガス・センサの信号から前記個別シリンダのλを求めるステップと、
   前記シリンダのλによって前記所定の偏差が再現されるように、センサ信号の後処理を調整するステップと
   を備えた多気筒内燃機関の個別シリンダ内の燃空比の決定方法。
2. 前記反転可能モデルの入力信号が排気ガス・センサの位相ずれ信号に対応すること、および排気ガス・センサの応答が所定の記憶応答に対応するまで、位相ずれ量が変化されることにより、排気ガス・センサの信号の後処理が調整されることを特徴とする請求項１に記載の決定方法。
3. 各シリンダの各点火上死点に対してそれぞれ１つの走査値が存在するように、回転速度に同期して排気ガス・センサの信号が走査されること、および、排気ガス・センサの応答が所定の記憶応答に対応するまで、走査時点の相対位置が変化されることにより、排気ガス・センサの信号の後処理が調整されることを特徴とする請求項１に記載の決定方法。

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