JP4369621B2 - 内燃機関の運転及び監視方法並びに装置 - Google Patents

Description

【０００１】
従来技術
本発明は、内燃機関の運転及び監視方法並びに装置に関する。
【０００２】
ＤＥ―Ａ―１９５３６０３８（米国特許第５６９２４７２号）から、トルクをベースとした従来からの内燃機関の制御の監視が知られている。そこでは少なくともアクセル・ペダルの位置に基づいて最大許容トルク或いは最大許容出力が求められる。更に、内燃機関の実際のトルク或いは実際の出力が機関回転数、点火角調整、及び負荷（空気量、等）に従って計算される。監視のために最大許容値が、計算された実際値と比較される。実際値が最大許容値を超えると、エラー反応処置が導入される。このエラー反応処置は、実際値が再び最大許容値よりも小さくなるまで、出力を制限すること、例えば内燃機関への燃料供給を遮断すること、から成り立っている。
【０００３】
この監視方法は、全運転領域において内燃機関の制御の信頼性があり且つ満足できる監視をもたらす。しかしながら、この方法は内燃機関に供給された適切な空気量をベースとしている。少なくとも或る運転状態の下で希薄な空気／燃料混合気で運転される内燃機関の場合には、適切な空気量から求められたトルク或いは求められた出力は実際の値に対応せず、従って上述の監視は条件付きでしか利用することが出来ない。
【０００４】
このことは、特に直接噴射式の内燃機関に対して当てはまる。何故なら、この機関において、成層運転の際に捕捉される空気量と調整された点火角は、実際のトルクの計算のために十分ではないからである。ここでは、測定の出来ない噴射された燃料量が、全てのリーンバーン・エンジンの場合と同様、トルクに対して大きな影響を与えるが、この影響は現在の技術水準では考慮することが出来ない。特に、燃料量は、高過ぎるレール圧或いは閉じるのが遅過ぎる噴射弁などの悪影響によって高くなり過ぎることがあり、その結果、高過ぎるトルクが発生して、内燃機関の望ましくない運転状態が生じることがある。
【０００５】
本発明の課題は、少なくとも幾つかの運転状態の下で希薄な空気／燃料混合気で運転される内燃機関の制御の監視のための処置を提供することである。
【０００６】
上記の課題は、特許請求の範囲の特徴記載部分のメルクマールによって解決される。
【０００７】
直接噴射式ガソリン・エンジンの制御のための一つのやり方がＤＥ―Ａ―１９６３１９８６から知られている。この内燃機関は本質的に二つの異なる運転状態、即ち成層運転と均質運転で制御される。均質運転において、燃料は吸入過程の間に噴射されて内燃機関は絞られ、成層運転において、燃料は圧縮過程で噴射されて内燃機関は絞られずに運転される。
【０００８】
均質運転では、少なくともアクセル・ペダルの位置から目標トルクが定められ、この目標トルク値が噴射されるべき燃料量へ変換される。更にこの燃料量に基づいて、排気ガスの組成のために設定された目標値を調整する意味で、内燃機関への空気供給の調整のための目標絞り弁角度が定められる。絞り弁角度の調整は、内燃機関が絞られないで、即ち絞り弁を開いたまま運転される成層運転には当てはまらない。均質運転が少なくとも比較的高い負荷領域内で行われるのに対して、成層運転は比較的低い負荷領域内或いは部分負荷領域内で見られる。制御システムの機能監視のための処置は上述の刊行物の中には記載されていない。
【０００９】
発明の利点
本発明に基づく解決法は、少なくとも幾つかの運転状態で希薄な空気／燃料混合気で運転される内燃機関の制御の効果的且つ満足できる監視を可能にする。
【００１０】
特別な利点は、ガソリン直接噴射による内燃機関の制御機能の監視の際に明らかになる。
【００１１】
希薄混合気を用いる内燃機関の運転の際に、アクセル・ペダルの位置に応じて最大許容回転数を導き出し、その回転数を超えると内燃機関への空気供給を制限するというやり方はとりわけ有利である。この空気供給の制限は、主として絞り弁を閉じることによって行われる。
【００１２】
アクセル・ペダルが解放された時だけ、即ちアクセル・ペダルがアイドリング位置にある時だけ最大回転数が前もって与えられ、それを超えると空気供給が制限されるというやり方はとりわけ有利である。これによって、少なくとも特に危険な運転状態が正確且つ確実なエラー検知によって防止され、その結果、この運転状態の下で誰にとっても望ましくない運転状況は発生しない。
【００１３】
これによって、燃料が遮断されている時に、例えば密閉されていない噴射弁によって更に点火可能な混合気が入って来たとしても、トルク或いは出力が許容されない程高くなってしまうことは無い。有利なやり方によれば、外気の供給は、例え噴射が行われても、化学量論的な混合気の組成の下では、車に許容されない反応をもたらすようなトルクを発生しないように調整される。
【００１４】
上述の解決策に対する補足或いは代替策として、化学量論的な運転或いは濃厚運転へ切り替えることが特別に有利であり、この場合には、現在の技術水準から知られている監視方法の採用が考えられる。有利なやり方によれば、上記の切り替えはアクセル・ペダルが解放されている時に行われる。ここでも又、供給された外気量が、ドライバの操作と回転数に応じた絞り弁の制御によって、アイドリング・トルクを生み出すように調整されれば有利である。その際、実際に計算されたトルク或いは実際に計算された出力を超えていると、このエラーが検知され、それに対する対策が講じられる。
【００１５】
特に有利なやり方では、アクセル・ペダルが解放されている時に、最大回転数が監視のために用いられて外気量が制限され、その際に或いは同時に、ＳＣ燃料供給が遮断されるか或いは特別な運転状態の下で、例えば触媒が高温となったために或いは例えば１速では起こり得ない快適さの理由から回転数の上方で遮断されたりした時に、化学量論的な運転が導入される。どちらの場合も、求められた空気供給量に基づく既知の監視方法の採用が考えられる。
【００１６】
実施例の説明
図１には制御ユニット１０が示されており、この制御ユニットは、要素として、少なくとも一つの入力回路１２、少なくとも一つのマイクロコンピュータ１４、一つの出力回路１６、及びこれ等の要素を結んでいる通信システム１８を含んでいる。入力回路１２には入力結線が接続され、この結線を通じて対応する測定装置からの信号、即ち、運転パラメータを示しているか或いは運転パラメータを導き出すことが出来る信号が供給される。後に説明されるこの発明に基づく解決策に関連して述べれば、図１には入力結線２０が示されており、この入力結線は、制御ユニットを、アクセル・ペダルの操作角度βを示す値を検出する測定装置２２と接続している。更に、測定装置２６から出る入力結線２４が備えられており、この結線を介して機関回転数Ｎｍｏｔを示す値が送られる。更に、入力結線２８は、制御ユニット１０を測定装置３０に接続しており、この測定装置３０は、送り込まれた空気量ｈｍｆを示す信号を送り出す。入力結線３２は、測定装置３４から、駆動系における実際の伝達率（ギア比）ｉｇｅｓに対応する値を送り込む。更に、入力結線３６から４０までが備えられており、これ等の結線は、測定装置４２ないし４６から運転パラメータを示す信号をもたらす。内燃機関の制御の際に用いられるこれ等の運転パラメータの例としては、温度、絞り弁角度、等がある。内燃機関の制御のために図１に示されている実施例では、出力回路１６から、出力結線４８ないし５２が、噴射弁５４の制御のために、また出力結線５６が電動調整式の絞り弁５８の制御のために出ている。その隣には、少なくとも、点火を制御するための図中には示されていない結線が備えられている。
【００１７】
アクセル・ペダルの操作角βをベースとして、燃料供給及び空気供給が、前もって設定されている空燃比の基準に従って制御される。この空燃比は、希薄であることが出来るし或いは運転状況に応じて濃厚から殆んど化学量論的な或いは希薄な調整の間で変化することが出来る。
【００１８】
冒頭で述べられた現在の技術水準によるガソリン直接噴射による機関制御の際は、操作角βに基づいてトルク目標値が形成され、この目標値が噴射されるべき燃料量に変換される。換算は、例えば機関回転数とその時々の運転形態を考慮しながら行われる。均質運転と成層運転との間の切り替えは、例えば内燃機関の負荷状態に応じて行われる。そこで内燃機関は、例えば比較的高い負荷の下では均質運転で、低い負荷の下ではアイドリング運転でも、また部分負荷の下では成層運転で、運転されるであろう。均質運転では、計算された燃料量に応じて内燃機関の実際の運転状態を考慮しながら目標絞り弁角度が計算され、この角度に従って電動調整式の絞り弁が、またこれと共に内燃機関への空気供給が、調整される。その際には、設定された空燃比の目標値が考慮される。成層運転では、内燃機関は絞り弁を絞られずに、即ち希薄な混合気組成を用いて作動する。絞り弁の調整は行われない。二つの運転状態の間での切り替え方策は、例えば冒頭の部分で述べられた現在の技術水準から知られている。
【００１９】
図１に示されている制御ユニットは、実施例によれば、それぞれ希薄混合気で運転される吸入管燃料噴射式機関の制御のために、或いはガソリン直接噴射式機関の制御のために用いられる。
【００２０】
希薄混合気での運転では、冒頭の部分で述べられた、内燃機関の制御機能を監視するための比較の満足し得る機能は保証されない。それでもなお、この制御のコンセプトでも制御機能の満足の出来る監視が可能となるようにするために、少なくとも一つの定められた運転状態の下で、化学量論的なまたはほぼ化学量論的な、或いは濃厚な空燃比または制限された外気供給による運転モードの中の一つの運転のみが許されるようにすることが考慮される。これによって、冒頭の部分で述べられたトルク或いは出力の監視を、この運転モードの下で満足の出来るように行うことが可能となる。
【００２１】
少なくとも一つの運転状態とは、アクセル・ペダルが殆んど解放されている運転状態、特にアクセル・ペダルの位置が設定された閾値を下回り且つ機関回転数がリミット値を超えている運転状態である。この場合には、上に述べられた運転モードの中の少なくとも一つだけが許される。上記で述べたように、これによって、冒頭の部分で述べられたトルク或いは出力の監視を、この運転モードの下で満足の出来るように行うことが可能となる。例えばトルクの監視によって、偏差、即ち実際値が最大許容値を超える状態が検知されると、エラー処置が導入される。回転数がリミット値を下回っておりおよび／またはアクセル・ペダルの位置が閾値を上回っていると、希薄空燃比による運転が許される。トルクの比較による監視は行われない。
【００２２】
特定の運転状態の下で機関回転数が閾値（例えば、１５００ｒｐｍ）を上回っていると、燃料供給が遮断される（推進力遮断）。同時に、即ち特定の運転状態の下で機関回転数が閾値（例えば、１５００ｒｐｍ）を上回っている状態において制限された外気供給による運転が行われるの際には、例えばエラー状態の結果として、推進力遮断の代わりに、外気量或いは外気質量に対して化学量論的な燃料量或いは燃料質量が噴射された場合にアイドリング・トルクの範囲内の機関トルクを発生するように絞り弁従って外気供給を調整する。例えば、絞り弁位置は、対応する回転数に依存する特性曲線を通じて調整される。
【００２３】
このことは、内燃機関が化学量論的な又はほぼ化学量論的な空燃比で或いは濃厚な空燃比で運転される時にも、該当する。これは、特に、推進力遮断が例えば排気ガスに係わる理由から許されず、従って燃料が噴射されるというケースに該当する。ここでもまた、外気量又は外気質量、従って燃料量又は燃料質量は、アイドリング・トルクの範囲内にあるトルク値が発生されるように制限される。回転数が閾値を下回っていると、アイドリング調整装置がトルクの制御を引き受ける。
【００２４】
化学量論的な又はほぼ化学量論的な空燃比での運転、或いは濃厚な空燃比による又は制限された外気供給による運転の際には、測定された、外気量又は外気質量を示している信号から計算された比較値をベースする既知のトルク比較或いは出力比較が行われる。この比較値が最大許容値を超えると、電動制御式の絞り弁への供給電流が遮断され、および／または燃料供給が停止される。
【００２５】
内燃機関がガソリン直接噴射によって運転されると、成層運転の下ではエラー検知のために最初の実施例では、アクセル・ペダルがアイドリング位置にあるかどうか、即ち完全に解放されているかどうかがチェックされる。この運転状態の時には、最大機関回転数、例えば１５００ｒｐｍが前もって与えられる。実際の回転数がこの最大回転数を上回ると、機関回転数が再び最大回転数の下方へ落ちるまで、内燃機関への燃料供給が遮断される。従って、高くなったレール圧がマイナスに作用することが無く、この運転過程での望ましくない運転状況が効果的に回避される。補足的な実施例において、最大回転数は、アイドリングの運転状態の下でだけ、即ちアクセル・ペダルが解放されている時だけ与えられているのではなく、全てのアクセル・ペダル位置で与えられている。この場合には、特性曲線が与えられており、最大回転数は、アクセル・ペダルの操作角度に応じて、この特性曲線から読み取られる。実際の回転数が操作角度に依存する最大回転数を超えると、燃料供給は、先に説明されたように遮断される。
【００２６】
代替として、成層運転の際の少なくとも一つの運転状態において、少なくとも、アクセル・ペダルがアイドリング位置にある時に、化学量論的な運転に切り替えられる（λ＝１）。この運転状態の下ではこの切り替えの際に、冒頭の部分で述べられた現在の技術水準から知られているトルクの比較が実施される。起こり得べきエラー状態が検知され、この運転状態の下での望ましくない運転状況が効果的に回避されるように、燃料質量は考慮されてはならない。トルクの監視の代わりに、これに対応する内燃機関の出力の監視が行われる。
【００２７】
更に、これら二つの処置は組み合わせることが出来る。その際、成層運転の場合には先ず最大回転数の比較が行われる。設定された機関回転数の上方で燃料の遮断が行われない運転状態、例えば、機関回転数が高温の触媒のために超えられなければならないか、或いは、例えば１速の時のように快適さの理由から燃料の遮断が行われない運転状態の下では、λ＝１の運転へ切り替えられる。この特殊な運転状況において、上述のトルク比較或いは出力比較は、エラー監視のために用いられる。
【００２８】
これによって、ガソリン直接噴射による内燃機関の満足できる監視という結果が得られ、その際、均質運転の下では現在の技術水準から知られているトルクの監視或いは出力の監視が行われる。
【００２９】
ガソリン直接噴射による内燃機関のための一つの好ましい実施例が、図２の流れ図に基づいてコンピュータ・プログラムとして略示されている。対応するプログラムは、本発明の解決策を吸入管インジェクタに適用する際に生じる。
【００３０】
このプログラムは、所定の時間間隔でスタートされる。最初のステップ１００において、必要な運転パラメータ、例えば操作角度β、機関回転数Ｎｍｏｔ、ギア比ｉｇｅｓ、及び場合によっては触媒温度Ｔｋａｔ、が読み込まれる。これに続くステップ１０２では、操作角度をリミット値と比較することによって、アクセル・ペダルがアイドリング位置（ＬＬ）にあるかどうかが判定される。アクセル・ペダルがアイドリング位置に無い場合に、このプログラムは終了され、次の時点で実行される。
【００３１】
アクセル・ペダルがアイドリング位置にある場合には、ステップ１０４に従って、アクセル・ペダルがアイドリング位置にある時のために設定されている最大回転数の上方で燃料の遮断が行われないかどうかがチェックされる。このことは、例えば、ギア比および／または触媒温度に基づいて調べられる。触媒温度が高くおよび／またはギア比が１速になっていることを示唆している場合、遮断は行われない。この場合には、ステップ１０６に従って、化学量論的な運転（λ＝１の運転）へ切り替えられるか或いは既に導入されていた化学量論的な運転が続行される。更に、少なくともアイドリング範囲を上回る機関回転数の場合、外気の供給は、絞り弁を制御するという方法で制限される。これによって、絞り弁の調整が、またこれと共にアイドリング・トルクへ導く外気供給の調整が、確実に行われる。これが障害によって行われない場合、或いは化学量論的な運転が導入されないか或いは不完全にしか導入されなかった場合には、以下に説明されるように、エラーが検知される。ほぼ化学量論的な調整の代わりに、混合気の濃厚な調整が行われることも出来る。続いてステップ１０８では、既に知られているように、アクセル・ペダルの操作角度に基づいて、また場合によっては、更にその他の運転パラメータに基づいて、許容トルクＭｚｕｌと、空気質量及びその他の運転パラメータに基づいて、実際のトルクＭｉｓｔが決定される。次のステップ１１０では、この実際のトルクが最大許容トルクと比較される。この実際のトルクが最大許容トルクを超えている場合には、ステップ１１２によってエラー反応が導入され、例えば燃料供給が遮断されおよび／または電動制御式の絞り弁への電流が遮断される。次いで、この絞り弁は、リセット装置によって弁の静止位置へ戻される。実際のトルクが最大許容トルクを超えていなければ、プログラムはステップ１１２の後のように終了され、次の時点で改めて実行される。
【００３２】
ステップ１０４で、リミット回転数の上方で燃料供給の遮断が行われることになった場合には、ステップ１１４で、実際の機関回転数Ｎｍｏｔが、設定されているリミット値ＮＯと比較される。機関回転数がこのリミット値を超えている場合には、ステップ１１６によって燃料供給が遮断される。更に、上に説明されたように、外気供給が制限される。その後、このプログラムは、ステップ１０４における「Ｎ」（Ｎｏ）の答えの場合と同じように終了されるか、或いはステップ１１０によって受け継がれる。
【００３３】
別の実施例では、ステップ１０６において、λ＝１の運転ではなく、予め設定された別のラムダ値による運転が行われ、その際に、実際のトルクの計算に１からのラムダ値の偏差が考慮される。
【００３４】
燃料質量が吸入過程の間に噴射される均質運転の下では、機能形態が既に知られているように、トルク比較或いは出力比較の中でチェックされるので、図２に示されているプログラムは、成層運転の時だけ、即ち圧縮過程における噴射の時だけ、実行される。
【００３５】
図２に説明されている実施例が、例示的な運転状況に基づいて図３の時間図を用いて説明されている。図３ａは、時間軸の上での操作角度βの変化、図３ｂは、機関回転数Ｎｍｏｔ或いは機関回転数のリミット値ＮＯの変化、図３ｃは、最大許容トルクＭｚｕｌ並びに実際のトルクＭｉｓｔの変化を示している。図３ｄには、燃料供給を遮断する運転状態が時間軸の上に２値信号を用いて示されている。
【００３６】
最初に、アクセル・ペダルが操作されているものとする。時点Ｔ₀（図３ａ参照）まで、ドライバはペダルを解放しており、従って、時点Ｔ₀から図に示されている運転状態の残りの時間については、アクセル・ペダルがアイドリング位置にある。内燃機関は成層運転で運転されている。図３ｂには、機関回転数Ｎｍｏｔ（実線）がドライバの操作（図３ａ参照）に応じてどのように変化するかが示されている。時点Ｔ₀では、アイドリング回転数に到達している。リミット回転数ＮＯ（破線）は、予め設定されている。時点Ｔ₁では、エンジン回転数がリミット値を超え（図３ｂ参照）、時点Ｔ₂では、機関回転数がリミット値を再び下回わる。従って、図３ｄに示されているように、時点Ｔ₁とＴ₂との間で燃料供給が遮断される。図３ｃには、最大許容トルク（破線）と実際のトルク（実線）の変化が示されている。時点Ｔ₀以前では、実際のトルクと最大許容トルクは、大体においてドライバの操作角βに対応して変化している。時点Ｔ₀からは、アイドリング状態のために前もって最大許容トルクが与えられている。時点Ｔ₁とＴ₂で、機関回転数の経過に基づいてチェックが行われる。時点Ｔ₂の後で、化学量論的な運転へ切り替えられる。このことは、この場合には監視がトルク信号に基づいて行われるということを意味している。従って、実際のトルクが時点Ｔ₃で最大許容トルクを超え、またこれが時点Ｔ₄で最大許容トルクを下回った場合には、時点Ｔ₃とＴ₄の間で、燃料供給が遮断される（図３ｄ参照）。理解し易くするために、機関回転数の経過と実際のトルクの経過は、互いにはっきりと分離して描かれている。従って、第２の運転過程で、機関回転数がリミット値を超えても、燃料供給は遮断されず、単に、時点Ｔ₃で、実際のトルクが最大許容トルクを超えるだけである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、内燃機関の制御のための制御ユニットを示す。
【図２】 図２は、本発明による解決策の実施例を、ガソリン直接噴射による内燃機関の好ましい実施例における流れ図として示す。
【図３】 図３ａないし図３ｄは、本発明による解決策の動作様態を、時間図に基づいて示す。

Claims (7)

1. 少なくとも一つの運転状態において希薄な空燃比で運転される内燃機関を運転及び監視する装置であって、
   アクセル・ペダルの作動の程度を表す第１の量（β）及び機関回転数（Ｎｍｏｔ）を表す第２の量を検出する手段と、
   前記内燃機関を希薄な空燃比で且つ前記第１の量（β）に少なくとも依存して運転させる手段を含む制御装置と、
   前記内燃機関が希薄な空燃比を有する運転状態にあるとき、
   （ａ）ほぼ化学量論的空燃比での運転、
   （ｂ）濃厚な空燃比での運転、及び
   （ｃ）制限された空気供給
   のうちの少なくとも１つへ前記内燃機関の運転を切り換える手段と、
   前記内燃機関のトルク又は出力の最大許容値を前記第１の量（β）に少なくとも依存して決定する手段と、
   前記トルク又は出力の実際値を検出する手段と、
   前記実際値が前記最大許容値を超えたとき故障対応処理を開始する手段とを備え、
   前記内燃機関の運転を切り換えるための条件が、アクセル・ペダルの操作角度と機関回転数とに応じて決定され、特に、アクセル・ペダルの操作角度が所定の閾値の下方の、特にアイドリング位置近くにある際に、機関回転数が所定の閾値の上方にある時に存在することを特徴とする装置。
2. 少なくとも一つの運転状態において希薄な空燃比で運転される内燃機関を運転及び監視する方法であって、
   アクセル・ペダルの作動の程度を表す第１の量（β）及び機関回転数（Ｎｍｏｔ）を表す第２の量を検出するステップと、
   前記内燃機関を希薄な空燃比で且つ前記第１の量（β）に少なくとも依存して運転するステップと、
   前記内燃機関が希薄な空燃比を有する運転状態にあるとき、
   （ａ）ほぼ化学量論的空燃比での運転、
   （ｂ）濃厚な空燃比での運転、及び
   （ｃ）制限された空気供給
   のうちの少なくとも１つへ前記内燃機関の運転を切り換えるステップと、
   前記内燃機関のトルク又は出力の最大許容値を前記第１の量（β）に少なくとも依存して決定するステップと、
   前記トルク又は出力の実際値を検出するステップと、
   前記実際値が前記最大許容値を超えたとき故障対応処理を開始するステップとを備え、
   前記内燃機関の運転を切り換えるための条件が、アクセル・ペダルの操作角度と機関回転数とに応じて決定され、特に、アクセル・ペダルの操作角度が所定の閾値の下方の、特にアイドリング位置近くにある際に、機関回転数が所定の閾値の上方にある時に存在することを特徴とする方法。
3. 近似の化学量論的な或いは濃厚な空燃比による運転の際に、空気供給が、アイドリング状態での機関トルク或いは機関出力が生じるように調整されることを特徴とする請求項２の方法。
4. 制限された空気供給及びカットオフされた燃料供給による運転の際に、空気供給に対してほぼ化学量論的な燃料量が噴射されると、空気供給が、アイドリング状態での機関トルク或いは機関出力が生じるように調整されることを特徴とする請求項２の方法。
5. 前記内燃機関の運転を切り換え後に、最大許容トルク或いは最大許容出力が計算され、この値が比較値と比較され、前記比較値が前記許容値を超えるときに、エラーが検知されることを特徴とする請求項２ないし４のいずれかの方法。
6. 前記比較値が、実際の空気供給を示す少なくとも一つの信号から計算されることを特徴とする請求項５の方法。
7. エラーが検知された場合に、電動操作式の絞り弁への電流の供給が遮断され、および／または燃料供給が停止されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかの方法。

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