JP4482260B2 - 多気筒内燃機関における個別シリンダ毎の制御量の差の決定方法及び装置 - Google Patents

Description

【０００１】
発明の技術分野
本発明は、多気筒（多数シリンダ）内燃機関における個別シリンダ毎の制御量の差の決定方法及び装置に関する。
【０００２】
従来技術
現代の内燃機関に対しては、例えば作動安定性や有害物質排出の削減に関して、常により高い要求が出されている。それ等の要求は、内燃機関の全ての負荷状態の下で満たされるべきであり、その際、様々な負荷状態が、本質的に、実際の運転状況から内燃機関によって生成されるトルクの減少或いは増加を求める要求を考慮しながら発生される。内燃機関のための制御装置の主要な課題は、内燃機関によって生成されるトルクを調節することであり、そのために制御装置の様々な部分システムにおいて、トルクに影響を与えるパラメータが制御される。
【０００３】
現代のエンジン制御の一つの中心的な制御パラメータは、部分システムの“充填量制御装置”において影響を受ける、いわゆる充填量である。本明細書の中では“充填量（Ｆｕｅｌｌｕｎｇ）”という概念は、本質的に、燃焼のために利用に供される未使用酸素の質量を意味している。充填量はまた、空気充填量（Ｌｕｆｔｆｕｅｌｌｕｎｇ）とも呼ばれる。充填量の制御と並んで、混合気組成、それ故、燃料／空気混合気の中の燃料濃縮率の正確な制御が必要である。燃料／空気混合比は、周知のように、充填量を決定する、供給空気量と完全な燃焼のために必要な理論的空気量との間の比率を示す空気過剰率（空燃比）λによって特徴付けられる。その際、λ＝１が、最適な、残留物の無い燃焼という観点から理想値に対応しているのに対して、λ＜１は、空気欠乏或いは過濃混合気に対応し、また、λ＞１は、空気過剰或いは希薄混合気に対応している。制御装置における混合気生成の部分システムでは、充填量に対応する燃料質量が計算され、該燃料質量から、必要な噴射時間と最適な噴射時点とが定められる。最後に、燃焼プロセスに基づいて時間的に適切な混合気の発火が行われる。
【０００４】
個別シリンダ毎の燃料配分装置を備えた内燃機関の場合、特に個別シリンダの燃焼室内への燃料の直接噴射装置を備えた内燃機関の場合に、最適なエンジン制御を行うために、既に様々な提案がなされている。例えば、特に、燃料直接噴射装置を備えたオットーサイクル機関の場合に、噴射弁の製造の際の製造許容差により、運転時の個別シリンダ毎の混合気差をもたらし、この混合気差が、エンジンの総トルクに対する個別シリンダの異なるトルク寄与という形で認識される用になる。このことが不安定なエンジン作動をもたらすことがある。この問題は、個別シリンダ毎のトルク寄与の均一化或いは調整によって解決することができる。その際、適当な措置によって作動不安定性に対する個別シリンダの個々の寄与が決定され、またシリンダに固有の噴射時間が調節されて、これにより個別シリンダ毎のトルク寄与が、個別シリンダ毎の作動不安定性の値が共通の基準値に近づくように調整される。このようなエンジン制御の一つの例が、ＥＰ０１４０９６５Ｂ１公報に記載されている。もう一つの例が、ＤＥ１９８２８２７９公報に開示されている。
【０００５】
また既に、エンジン制御を有害物質排出の最適化を考慮して改良することも提案されている。このためには、例えば、ＳＡＥ ９８０４１５、２７頁以下の、Ｎ．Ｋｉｓｈｉほかの論文、“Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ Ｈｉｇｈ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｌ４ Ｅｎｇｉｎｅ ＵＬＥＶ Ｓｙｓｔｅｍ（高性能Ｌ４エンジンＵＬＥＶシステムの開発）”には、個別的に各々のシリンダについて、有害物質が最適化された燃焼を可能にするために、個別シリンダの空気過剰率の値λを、それぞれ同じ最適の値に調節するために有効な、個別シリンダ毎のλ調節について論じられている。
【０００６】
発明の利点
多気筒内燃機関における個別シリンダ毎の制御量の差を決定するための本発明に基づく方法並びに本発明に基づく装置は、個別シリンダ毎の充填量の差が決定されるということによって特徴付けられる。これによって、本発明は、内燃機関の燃焼及び運転の決定に本質的に関与する主導的なパラメータ、即ち他のシリンダの充填量と比べた個別シリンダの充填量に対する介入を可能にする。本発明によって得られた、個別シリンダ毎の充填量の差を検出し或いは決定する可能性は、他の個別シリンダ毎の、充填量によって本質的に影響を受けるエンジンパラメータの計算の際に充填量の差を考慮すること、並びに、場合によっては、個別シリンダ毎の充填量の差の調整のために該充填量の差を修正することを可能にする。従来は、燃料配分差だけ修正されるのに過ぎなかった。
【０００７】
本発明はまた、個別シリンダ同士の間に発生したトルクの差が、本質的に充填量についての個別シリンダ毎の差に由来するものであるか、或いは周知の様に、充填量の他に対応する燃料配分にも依存している空気過剰率λについての個別シリンダ毎の差に由来するものであるか、ということについての確実な判別をも可能にする。
【０００８】
個別シリンダ毎の充填量の差の決定の結果は、例えば点火角度を最適化するために利用することができ、その際、点火角度という概念は、基準点、例えばシリンダの燃焼行程におけるシリンダのピストンの上死点に対する点火時点の角度位置を意味している。これによって、従来のノックコントロールと比較して改良を達成することができる。内燃機関に、個別シリンダ毎の空気配分の制御の可能性、例えば個別シリンダ毎のスロットルバルブ、が備えられていさえすれば、本発明に基づいて求められた個別シリンダ毎の充填量の差は、直接そのスロットルバルブの制御のために、またこれによってシリンダ充填量の調整のために利用することができる。このことは、特に、構造上の制約、例えば個別シリンダのための吸入管の異なる寸法を決定することによって、個別シリンダ毎の大きな充填量の差を発生し得る、非対称的エンジンジオメトリーの場合に有利である。しかしながら、個別シリンダ毎の充填量の差は、噴射時点を最適化するために利用することもできる。
【０００９】
一つの好ましい拡張例では、個別シリンダ毎の充填量の差の決定が、変数として、個別シリンダ毎の空気過剰率λと個別シリンダ毎のトルク寄与とを含んでいる方程式に基づいて行われる。これによって、決定された個別シリンダ毎の充填量の差の弁別に個々のシリンダ充填量の測定を放棄することが可能となり、その結果、対応するセンサ類の組み込みが不要となる。それどころか、個別シリンダ毎のトルク測定或いは決定のための、並びに個別シリンダ毎の空気過剰率の測定或いは決定のための適当な装置が備えられ、且つ対応する信号がそれ等の装置と適切に組み合わされれば、それで十分なのである。個別シリンダ毎の充填量の差のこの簡単な計算は、特に、以下のような知見に基づいている。即ち、一つのシリンダによって生成されるトルクに対して、本質的に次の二つの動作パラメータ、即ち一方は、上述の充填量、即ち燃焼のための利用に供される酸素質量、他方は、λ値によって示される混合気組成（この中には燃焼酸素質量の他に供給燃料質量も入る）が指針となる。点火角度に対するトルクの依存性という、場合によって与えられる、比較的小さな依存性は、この一次近似の際には考慮されていない。この依存性によってもたらされる寄与は、特に、内燃機関の成層運転の際には無視することが可能である。
【００１０】
一つの好ましい拡張例は、適当な調整コントロールによって、個別シリンダ毎の空気過剰率の調整が行なわれるということ、更に個別シリンダ毎のトルクの差が直接測定或いは間接的導出によって決定されるということ、並びに個別シリンダ毎のトルクの差から個別シリンダ毎の充填量の差が導出されるということ、によって特徴付けられる。その際、全てのシリンダのλ値が等しい時に、場合によっては存在する個別シリンダのトルク出力の差は、対応するシリンダの充填量の差に起因している。特に、個別シリンダ毎のトルクと個別シリンダ毎の充填量との間の正比例関係が仮定される。最少有害物質排出の観点からは、個別シリンダ毎のλ制御は、λ＝１を目指して行われることが目的にかなっている。
【００１１】
この変形例のために必要な個別シリンダ毎のトルクの差の決定は、あらゆる適当な方法で、例えば、総トルクに対する個別シリンダのトルク寄与或いは該寄与と直接関連しているパラメータを適当なセンサを用いて測定することによって行うことができる。例えば、適当な燃焼室圧力センサ或いはトルクセンサが備えられることがある。個別シリンダ毎のトルクの差の決定が内燃機関の作動安定性の評価に基づいて行なわれれば、上述の様なセンサを用いるコストの掛かる測定を放棄することができる。このためには、この目的のために適当なあらゆる方法或いは装置、例えば、ＥＰ１４００６５公報に記載されているシリンダ調整のための方法（この方法では、クランクシャフト或いはカムシャフトの回転運動の時間的変化の評価のために、セグメント時間が測定され、また該セグメント時間からエンジンの作動安定性に関する尺度が形成される。）を用いることができる。この方法の一つの拡張例が、ＤＥ１９８２８２７９公報に開示されている。また、いずれにせよ、場合によって存在している燃焼ミスファイアを検出するために、制御のために用意される作動安定性の値を利用することも可能である。燃焼ミスファイアの検出のための作動安定性の値の形成は、例えば、ＤＥ１９６１０２１５公報から知られている。該刊行物の作動安定性の値の形成と個別シリンダ毎のトルク寄与の導出に関わるメルクマールは、明らかにこの明細書に引用される。
【００１２】
例えば、シリンダ固有の噴射時間のしかるべき制御によって、個別シリンダ毎のトルク寄与を調整すること、またそれに基づいてλ値の個別シリンダ毎の差を決定することもあり得る。先に述べられたλ値の調整の可能性による制御の場合には、対応する個別シリンダ毎のλ値はいずれにせよ制御の入力値として存在している。代わりとして或いは追加として、特別な測定装置、例えば個別的ラムダセンサを、個別的λ値の測定のために用意することができる。この場合に、（個々のシリンダのトルク寄与が本質的に等しい時に）個別シリンダ毎の空気過剰率の差から、個別シリンダ毎の充填量の差を導出することができる。この導出は、少なくとも一次近似では、（空気過剰率λに含まれている）供給燃料質量が当該シリンダの生成するトルクに正比例している、という仮定に基づいている。
【００１３】
これ等の並びにその他のメルクマールは、説明からだけで無く請求項及び図面からも知られる。本発明の一つの実施例が図面に示されており、該実施例が以下に詳しく説明される。
【００１４】
実施例の説明
図１に基づいて説明される、個別シリンダ毎の充填量の差を決定するための方法は、適当なソフトウェア／ハードウェアの形態で、例えばガソリン直接噴射式のオットーサイクル機関等の内燃機関のための電子式エンジン制御装置に装備される。この制御装置は、他の諸機能のほかに、内燃機関の作動安定性の値に基づいて個別シリンダ毎のトルクのシリンダ調整を行なうように構成されている。その際、適当な措置によってエンジンの作動安定性に対する個々のシリンダの個別的寄与が決定され、またシリンダ固有の噴射時間並びにこれによって、個別シリンダ毎のトルク寄与が、個別シリンダ毎の作動安定性の値が一つの共通の基準値に近づくように、調節される。このようなエンジン制御の一つの例が、ＥＰ０１４００６５Ｂ１公報に記載されている。もう一つの例が、ＤＥ１９８２８２７９公報に開示されている。個別シリンダ毎のトルク寄与の調整に関するこれ等の刊行物の開示に対する関連が明示される。
【００１５】
トルク寄与に関するシリンダ調整のための制御の際には、総トルクに対する個々のシリンダの実際の個別シリンダ毎の角加速度の寄与を表す作動安定性信号が形成される。この個別シリンダ毎の角加速度の寄与は、クランクシャフト或いはカムシャフトの回転運動の時間的変化を、いわゆるセグメント時間によって評価することによって測定される。セグメント時間とは、その間にクランクシャフト或いはカムシャフトが特定のシリンダに割当てられている前もって定められた角度領域を動く時間をいう。エンジンが均一に回転すればする程、個々のシリンダのセグメント時間同士の間の差は小さくなる。このセグメント時間からエンジンの作動安定性に関する尺度が形成される。適当な評価によって、個別シリンダ毎の噴射量或いは噴射時間は、個別シリンダ毎のトルク寄与が互いに調整され、好ましくはそれ等のトルク寄与が等しくなるまで、調節される。本発明の理解のためには、このような制御において、特に、個別シリンダ毎のトルク寄与或いはそれ等のトルク寄与同士の関係を表す信号も生成されるということを知ることが重要である。それ故、そのような制御は、個別シリンダ毎のトルク寄与の導出の可能性をももたらす。
【００１６】
上記の制御はまた、個別シリンダ毎の空気過剰率λを、一つの共通の値、好ましくはλ＝１、に調節することを可能にするシリンダ調整制御をも含んでいる。この個別シリンダ毎のラムダ制御は、本質的に内燃機関の排気ガスの改善に役立つ。この制御は、燃料噴射に関する修正によって、個別シリンダ毎のλ値が一つの共通の値に調節されるように働くことができる。個別シリンダ毎のラムダ制御は、上記の刊行物“Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ Ｈｉｇｈ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｌ４ Ｅｎｇｉｎｅ ＵＬＥＶ Ｓｙｓｔｅｍ（高性能Ｌ４エンジンＵＬＥＶシステムの開発）”で述べられているように、内燃機関の回転数変動の評価によって、個別シリンダ毎の混合気組成の差を表示するために働くことができる。それ故、このためにも、作動安定性の値は、例えばセグメント時間によって形成することができる。
【００１７】
このような制御装置を備えた内燃機関では、本発明の方法は、例えば次のように実施することができる（図１参照）。与えられた出力時点で個別シリンダ毎のラムダ制御はアクティブとなっている。最初のステップＳ１で、個別シリンダ毎のラムダ制御が、全てのシリンダの中の空気過剰率λが本質的に等しく調整されるように効果的に働いているか否かが確認される。このために、例えば個別シリンダ毎のラムダセンサによって、個々のシリンダの空気過剰率を測定することができる。個別シリンダ毎のラムダ制御が未だ、個別シリンダ毎のラムダ値が前もって設定可能な狭い領域内で互いに等しくなるように調整される程十分に立ち上げられていない場合には、好ましくは、前もって定められた時間間隔の後で、改めて、個別シリンダ毎のラムダ制御が立ち上げられているか否かについての再チェックが行われる（ステップ２）。
【００１８】
個別シリンダ毎のラムダ制御が立ち上げられている場合には、ステップ３で、個々のシリンダの個別シリンダ毎のトルク寄与が決定される。この決定は、例えば適当なトルクセンサを用いた個別シリンダ毎のトルクの測定、及び／又は適当なセンサによる個別シリンダ毎の燃焼室圧力の測定を含むことができ、その際には、個々の燃焼室圧力からシリンダを介してトルク寄与を導き出すことができる。このような測定とそれに対応するセンサ類は、内燃機関の制御が冒頭に述べられた種類の個別シリンダ毎のトルク寄与に関するシリンダ調整制御装置を備えていれば、不要とすることができる。この場合には、いずれにせよ、個別シリンダ毎のトルク寄与を表す信号がこの制御装置の入力信号として存在しており、個別シリンダ毎のトルクの決定のために利用することができる。前述の全ての実施例では、ステップＳ３の終わりに、個別シリンダ毎のトルク寄与についての値、或いは少なくとも個別シリンダのトルク寄与相互間の相対的関係或いは差についての値があるという状態がもたらされる。
【００１９】
これ等の値はステップＳ４のための入力パラメータとして用いられ、ステップＳ４では、個別シリンダの様々なトルク寄与から個別シリンダ毎の充填量の差が導出される。この導出は、決定された様々なトルクが本質的に専ら充填量の差に、即ち燃焼可能な酸素の含有率の差に起因しているという仮定に基づいている。換言すれば、シリンダのトルクとシリンダの中に存在している充填物との間の正比例関係が仮定されている。それ故、全てのシリンダの中のλ値が本質的に等しい時には、場合によって存在する個別シリンダのトルク出力の差は、対応するシリンダの充填量の差がその原因となっているということが仮定されている。この仮定に従って、ステップＳ４の出力端で、個別シリンダ毎の充填量の差の値が制御のために得られる。これ等の値は、制御装置において、個別シリンダ毎の、充填量によって影響されるエンジンパラメータ、例えば適正な点火調節及び／又は噴射時間調節の計算の際に考慮することができる。
【００２０】
個別シリンダ毎のラムダ制御の可能性も、個別シリンダ毎のトルク制御の可能性も備えているエンジン制御の場合には、これ等の制御は、純粋な充填量の差に関しては同時にアクティブにされる必要は無いということが注意されるべきである、何故なら、さもないとこれ等の二つのプロセスは互いに反対方向に制御を行うことがあるからである。このことについては、以下の例で説明する。シリンダ１は、他のシリンダと比べて高い充填量を有しているものとする。個別シリンダ毎のラムダ制御は、空気過剰率を、λ＝１の値に調節するために、更にシリンダ１の噴射量を高めるであろう。高められた充填量はまた、結果として高いトルク出力をもたらす。これに応じてトルク寄与に関するシリンダ調整制御がトルクを低下させるために、シリンダ１の噴射量を減少させる。従って、このような状況の下では、トルクについてのシリンダ調整制御装置は、噴射量の制御のためには利用されず、単に個別シリンダ毎のトルク寄与の測定或いは導出のために利用されるということが注意されるべきである。それ故、トルクの調整制御の介入は行われない。
【００２１】
これに対して、純粋な噴射量の差の場合には両方の調整方法を並行して実行することができる。何故なら、どちらの方法も同じ方向に修正を行うからである。この場合にもまた、個別シリンダ毎のラムダ制御だけが実行されることが好ましい。全てのシリンダにわたって本質的に充填量が等しく且つ個別シリンダ毎のラムダ制御が立ち上げられている場合には、個別シリンダ毎のトルクも本質的に等しいということが仮定されている。
【００２２】
本発明により可能となった個別シリンダ毎の充填量の差の決定によって、個別シリンダ毎の充填量の差を内燃機関のための様々な制御パラメータの最適化の際に考慮することが可能となる。そこで、例えば、個々のシリンダの点火角度及び／又は噴射時点を今や個別シリンダ毎に修正することが可能となる。このことは、点火角度及び／又は噴射時点があらかじめ最適な領域内に制御されるということを意味し得る。これによって、より多くのトルクが発生され、その際、場合によっては存在しているノックコントロールの作動もより少なくて済むことになる。吸気弁及び／又は排気弁の個別シリンダ毎の充填量の差に依存した完全可変制御もまた可能である。これによって、本発明は、場合によっては弁ストローク及び／又は弁制御時間のはるかに自由な個別シリンダ毎の調節のために利用することができる。これによって、各々の個々の弁に弁自身の、例えばエンジン制御装置によって制御することのできる電気機械式の駆動装置を配置することを実現することが出来る。この場合にはまた、決定された充填量の差を弁の個別シリンダ毎の制御によって修正することも可能であろう。この修正は、例えば、エンジンの非対称性のために最大の充填量を示しているシリンダが幾分低い充填量を与えられ、その結果、全てのシリンダが本質的に等しいトルク分担分を送り出すことができる。これによって、エンジンのより良い作動安定性がもたらされる。充填量の同様の修正はまた、個別スロットルバルブ、即ちシリンダ一つ当り一つのスロットルバルブを使用した場合にも可能であろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 個別シリンダ毎の充填量の差を決定するために、本発明に基づく方法の一つの好ましい実施例を示す概略の流れ図である。

Claims (10)

1. 多気筒内燃機関における個別シリンダ毎の制御量の差の決定方法において、
   個別シリンダ毎の充填量の差を方程式に基づいて決定し、
   該方程式が、変数として、個別シリンダ毎の空気過剰率と個別シリンダ毎のトルク寄与とを含んでいることを特徴とする決定方法。
2. 各々のシリンダについて、λ＝１の値が調節されるような、個別シリンダ毎の空気過剰率を調整するステップと、 個別シリンダ毎のトルクの差を決定するステップと、 個別シリンダ毎のトルクの差と個別シリンダ毎の充填量の差との間の比例関係を仮定して、個別シリンダ毎のトルクの差から個別シリンダ毎の充填量の差を導くステップと、を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 個別シリンダ毎のトルクの差を決定するために、個別シリンダ毎の発生トルクの個別シリンダ毎の測定、及び／又は個別シリンダ毎の燃焼室圧力の測定が行われることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 個別シリンダ毎のトルクの差の決定が、間接的に内燃機関の作動安定性の評価に基づいて行われることを特徴とする請求項２に記載の方法。
5. 個別シリンダ毎のトルク寄与を調整するステップと、 個別シリンダ毎の空気過剰率を決定するステップと、 望ましくは、個別シリンダ毎の空気過剰率の差と個別シリンダ毎の充填量の差との間の比例関係を仮定して、個別シリンダ毎の空気過剰率の差から個別シリンダ毎の充填量の差を導くステップと、を特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の方法。
6. 個別シリンダ毎の空気過剰率の差を決定するために、個別シリンダ毎の空気過剰率を個別シリンダ毎に測定することを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 個別シリンダ毎の空気過剰率を決定するために、制御装置の入力信号が、個別シリンダ毎の空気過剰率の調整のために利用されることを特徴とする請求項４又は５に記載の方法。
8. 多気筒内燃機関における個別シリンダ毎の制御量の差の決定装置において、
   個別シリンダ毎の充填量の差を方程式によって決定するための手段を備え、
   該方程式が、変数として、個別シリンダ毎の空気過剰率と個別シリンダ毎のトルク寄与とを含んでいることを特徴とする決定装置。
9. 各々のシリンダについて、λ＝１の値が調節されるような、個別シリンダ毎の空気過剰率を調整するための手段と、 調整された空気過剰率の下で、個別シリンダ毎のトルクの差を決定するための手段と、 個別シリンダ毎のトルクの差と個別シリンダ毎の充填量の差との間の比例関係を仮定して、個別シリンダ毎のトルクの差から個別シリンダ毎の充填量の差を導くための手段と、を備えたことを特徴とする請求項８に記載の装置。
10. 個別シリンダ毎のトルク寄与を調整するための手段と、
    調整されたトルク寄与の下で、個別シリンダ毎の空気過剰率の差を決定するための手段と、 望ましくは、個別シリンダ毎の空気過剰率の差と個別シリンダ毎の充填量の差との間の比例関係を仮定して、個別シリンダ毎の空気過剰率の差から個別シリンダ毎の充填量の差を導くための手段と、を備えたことを特徴とする請求項８又は９に記載の装置。

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