JP4488446B2 - 内燃機関たとえば自動車の内燃機関の作動方法 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関たとえば自動車の内燃機関の作動方法に関する。この場合、圧縮時相中の第１の動作モードまたは吸気時相中の第２の動作モードにおいて、燃料が燃焼室へダイレクトに噴射され、両方の動作モードにおいて燃焼室へ噴射される燃料量は、たとえば内燃機関から送出されるべき算出された目標トルクに依存して、制御および／または調整される。さらに本発明は、圧縮時相中の第１の動作モードまたは吸気時相中の第２の動作モードにおいて燃料を燃焼室にダイレクトに噴射可能にする噴射弁と、両方の動作モードにおいて燃焼室に噴射される燃料量を、たとえば内燃機関から送出されるべき算出された目標トルクに依存して制御および／または調整する制御装置を備えた内燃機関、たとえば自動車のための内燃機関に関する。
内燃機関の燃焼室に燃料をダイレクトに噴射するこの種のシステムは、一般に知られている。この場合、第１の動作モードとしてのいわゆる成層燃焼モードと第２の動作モードとしてのいわゆる均質燃焼モードとが区別される。成層燃焼モードは負荷が比較的小さいときに用いられる一方、均質燃焼モードは内燃機関に加わる負荷が比較的大きいときに用いられる。成層燃焼モードにおいて、燃料は内燃機関の圧縮時相中に燃焼室へ噴射され、しかもこの場合、燃焼室において点火プラグのすぐ周囲に噴射される。したがって、燃焼室内において燃料の均等な分布はもはや生じ得ない。成層燃焼モードの利点は、加わっている比較的小さい内燃機関の負荷に対しごく僅かな燃料量で対処できることである。しかし負荷が大きくなると、成層燃焼モードでは対処しきれなくなる。そのように負荷が大きくなったときのために設けられている均質燃焼モードによれば、内燃機関の吸気時相中に燃料が噴射され、その結果、燃焼室内で燃料の渦が生じ、つまりは燃料の分散を自然と行えるようになる。この点では均質燃焼モードは、慣用の方式のように燃料が吸気管に噴射される内燃機関の動作形態にほぼ対応する。
両方の動作モードすなわち成層燃焼モードと均質燃焼モードにおいて噴射すべき燃料量は、燃料の節約や排気ガス低減などを顧慮した最適な値となるよう、多数の入力量に依存して制御および／または調整される。その際、このような制御および／または調整はたとえば、制御装置により計算される目標トルクに依存して行われる。この目標トルクは内燃機関全体で送出されるべきトルクを表しており、つまり内燃機関が発生させるべきトルクを表している。そしてこの目標トルクは、殊にドライバの望むトルクと場合によってはエアコン等その他のトルク要求とが合わせられたものである。この場合、ドライバの望むトルクは、ドライバの操作するアクセルペダルの位置から導出される。
さて、上述の入力量からこのような目標トルクを計算する際にエラーの発生する可能性がある。ここでエラーとして、センサおよび／または制御装置等の故障が考えられる。殊に制御装置におけるソフトウェアエラーの発生する可能性があり、これはそのようなエラーがまれにしか発生しないことから、これまではっきりと見分けられなかった。
したがって本発明の課題は、目標トルク計算におけるエラーを検出することのできる方法を提供することにある。
本発明によればこの課題は、冒頭で述べた形式の方法または内燃機関において、内燃機関により送出される実際トルクと許容トルクとを求め、実際トルクを許容トルクと比較することにより解決される。
つまり、求められた送出実際トルクと求められた許容トルクとの比較が行われる。この場合、実際トルクは、そして許容トルクも、場合によっては誤って計算されるかもしれない目標トルクとは無関係である。この理由から、目標トルクのエラーが上述の比較動作に影響を及ぼす可能性はない。この比較結果に応じて、目標トルクが誤ったものであるか否かの判定が下される。
したがって本発明による方法によって、制御装置により計算された目標トルクを調べたり監視したりすることができるようになる。比較によって確認できることは、目標トルクが制御装置によって正しく計算されたのか、あるいは誤って計算されてしまったのか、ということである。このような検査によって、そしてこれによって実現できる目標トルク計算時のエラー識別によって、誤った結果から引き起こされる内燃機関燃焼室への誤った燃料噴射を回避できる。とりもなおさずこのことは、燃料の節約や排気ガスの低減につながるし、さらに内燃機関の動作を全体的に向上させることにもなる。
殊に好適であるのは、実際トルクが許容トルクよりも大きいときに特別機能を開始させることである。つまり許容トルクは、実際トルク自体が超えてはならない最大値を表している。それに反して実際トルクがこの最大値よりも大きくなれば、特別機能によってたとえばエラー処理ルーチン等をスタートさせる。そのようなエラー処理ルーチン等によって、制御装置はたとえばパラメータなどを適切に補正してエラーを除去しようと試み、あるいはドライバまたは整備員に対しエラーに気づかせるようにする。
本発明の１つの有利な実施形態によれば、実際トルクは燃焼した燃料量から求められる。このようにすれば、実際トルクをきわめて精確に算出できる。その際、燃焼した燃料量はたとえば噴射弁を制御する信号から導出できるし、あるいは内燃機関のその他の動作パラメータによって求めることができる。
本発明の別の有利な実施形態によれば、実際トルクは燃焼した酸素量から求められる。このようにすることでも、実際トルクをきわめて精確に計算可能である。この場合、計算された燃焼酸素量から、それに従って燃焼した燃料量を推定でき、ひいては実際トルクも推定できる。
本発明の１つの有利な実施形態によれば燃焼酸素量は、供給された外気つまり吸入空気と排気ガス中に残存する酸素とから求められる。たとえばこの場合、供給された吸入空気の酸素含有量と排気ガス中に残存する酸素量との差が形成される。これは簡単でありながらきわめて精確かつ効果的に、燃焼酸素量つまりは内燃機関の実際トルクを計算する手法である。
殊に好適であるのは、吸入空気を空気量センサで測定し、排気ガス中に残存する酸素をラムダセンサで測定することである。空気量センサとラムダセンサは通常、他の目的で内燃機関に既存のものであり、したがってそのかぎりでは本発明による目標トルクの検査や監視にいかなる付加的な部品も不要となる。
本発明のさらに別の有利な実施形態によれば、燃焼酸素量を求めるにあたり排気ガスの帰還が考慮される。つまりここで考慮されるのは、帰還によって燃焼室へ導かれた排気ガスは燃焼室へそのまま導かれた外気よりも少ない酸素含有量を有しており、排気ガスが帰還されることで供給される吸入空気の成分が少なくなる点である。このことによってやはり、供給された吸入空気を測定する空気量センサの許容誤差もほとんど問題にならない、という利点が得られる。
さらに本発明の有利な実施形態によれば許容トルクは、たとえばドライバにより要求されたトルクおよび／または内燃機関の回転数から求められる。これは、簡単でありながら精確かつ効率的な許容トルクの計算手法である。たとえばこのようにすれば、内燃機関による送出された実際値がこの最大値を超えたときに制御装置の計算した目標値のエラーであることが指摘されるよう、ドライバの望むトルクに依存して最大値を算出できる。
殊に好適であるのは、要求されたトルクをアクセルペダルセンサにより測定し、回転数を回転数センサにより測定することである。アクセルペダルセンサや回転数センサは通常、他の目的で内燃機関に既存のものであり、したがってそのかぎりでは本発明による目標トルクの検査または監視のためにいかなる付加的な部品も不要である。
ここで非常に重要なことは、内燃機関たとえば自動車の内燃機関の制御装置のために設けられた電気的記憶媒体として、本発明による方法がインプリメントされることである。その際、この電気的記憶媒体には、計算装置たとえばマイクロプロセッサ上で実行可能であり本発明による方法の実施に適したプログラムが格納されている。つまりこの場合、本発明は電気的記憶媒体に格納されたプログラムにより実現され、したがってプログラムを格納した記憶媒体も（このプログラムにより適切に実施される）方法同様、本発明を成すものである。
図面に描かれた本発明の実施例についての以下の記載には、本発明のその他の特徴や実施形態ならびに利点が示されている。その際、説明したり描いたりするすべての構成はそれ自体で、あるいは任意の組み合わせとして本発明の目的対象を成すものである。
図１は、本発明による自動車の内燃機関の実施例に関するブロック図である。
図２は、図１に描かれた本発明による内燃機関作動方法の実施例のブロック図である。
図１には内燃機関１が示されており、この場合、ピストン２はシリンダ３内で往復運動可能である。シリンダ３には燃焼室４が設けられており、そこに弁５を介して吸気管６と排気管７がつながっている。さらに燃焼室４には、信号ＴＩにより制御可能な噴射弁８と点火プラグ９が配置されている。吸気管７は、排気ガス帰還路１０と信号ＡＧＲにより制御可能な排気ガス帰還弁１１を介して、吸気管６とつながっている。
吸気管６には空気量センサ１２が設けられており、排気管７にはラムダセンサ１３が設けられている。この場合、空気量センサは吸気管６へ供給される外気つまり吸入空気の空気質量流を測定し、それに依存して信号ＬＭを発生する。また、ラムダセンサ１３は排気管７中の排気ガスの酸素含有量を測定し、それに依存して信号λを発生する。
内燃機関１の第１の動作モードすなわち成層燃焼モードにおいて、ピストン２により引き起こされる圧縮時相中、噴射弁８から燃焼室４へ燃料が噴射され、これは場所については点火プラグ９のすぐ周囲において、時間的にはピストン２の上死点直前に行われる。このとき、点火プラグ９により燃料が発火し、その結果、発火した燃料の膨張によりピストン２は続く動作時相において駆動される。
内燃機関１の第２の動作モードすなわち均質燃焼モードにおいて、ピストン２により引き起こされる吸気時相中、噴射弁８から燃焼室４へ燃料が噴射される。同時に吸気される空気によって噴射された燃料が渦巻き、それによって燃焼室４内に実質的に均等に燃料が分散する。その後、燃料と空気の混合物が圧縮時相中に圧縮され、このことで点火プラグ９により発火が生じるようになる。そして発火した燃料の膨張により、ピストン２が駆動される。
均質燃焼モード時と同様、成層燃焼モード時も、駆動されたピストンによってクランクシャフト１４が旋回させられ、クランクシャフト１４を介して自動車の車輪が動かされる。クランクシャフト１４のところには回転数センサ１５が配置されており、これはクランクシャフト１４の回転に依存して信号Ｎを発生させる。
成層燃焼モード時および均質燃焼モード時に噴射弁８から燃焼室４へ噴射される燃料量はたとえば燃料消費および／または排気ガス発生が僅かになるよう、制御装置１６により制御および／または調整される。この目的で制御装置１６にはマイクロプロセッサが設けられており、これは記憶媒体たとえばＲＯＭ内に、上述のような制御および／または調整の実行に適したプログラムが格納されている。
制御装置１６には、各センサにより測定された内燃機関の動作量を表す入力信号が加えられる。たとえば制御装置１６は、空気量センサ１２、ラムダセンサ１３、回転数センサ１５と接続されている。さらに制御装置はアクセルペダルセンサ１７と接続されており、このセンサは、ドライバにより操作されたアクセスペダルの位置を表す信号ＦＰを発生する。そしてこの制御装置１６は出力信号を発生し、この信号によりアクチュエータを介して、望ましい制御および／または調整に従って内燃機関の動作に影響を与えることができる。さらにたとえば制御装置１６は噴射弁８、点火プラグ９、排気ガス帰還弁１１と接続されていて、それらの制御に必要な信号を発生する。
たとえば燃焼室４内に噴射される燃料量の制御および／または調整は、制御装置１６により両方の動作モードにおいてたとえば目標トルクＭ_sollに依存して実行される。その際、この目標トルクは、内燃機関１が送出すべきつまり発生すべきトルクを表す。送出すべき目標トルクは制御装置１６により、ドライバの要求するトルクと内燃機関１のその他のトルク要求とに依存して計算される。ドライバにより要求されるトルクは、アクセルペダルセンサ１７の位置によって生じるものであり、たとえばエアコン等によるその他のトルク要求は、内燃機関１の回転数Ｎのそれ相応の変化から導出できる。
制御装置１６により実行される制御および／または調整によって、実際に送出される実際トルクＭ_istが計算された送出すべき目標トルクＭ_sollを追従するようになる。それゆえ実質的に、実際トルクＭ_istは目標トルクＭ_sollと一致することになる。
さて、送出すべき目標トルクを制御装置により既述のように計算する際、エラーの発生する可能性がある。図２には、この種のエラーを識別することのできる方法が描かれている。この方法は制御装置１６によって実行される。この場合、この方法をたとえば規則的に所定のタイムインターバルで開始させることができるし、および／または内燃機関１を始動させるたびに、および／または内燃機関１の動作中に特定の事象が発生したときに、開始させることができる。
ブロック１８において制御装置１６により、アクセルペダル位置の信号ＦＰと内燃機関１の回転数Ｎから許容トルクｚＭが求められる。この許容トルクｚＭは、ドライバのトルク要求と内燃機関１の他のすべてのトルク要求が考慮されるよう、制御装置１６により計算される。さらに許容トルクｚＭの計算にあたりデルタ値を入れることも可能であり、この値はトルク要求全体に加えられ、場合によっては生じる各センサの許容誤差等によって考慮される。
ブロック１９において制御装置１６により、空気量センサ１２の信号ＬＭとラムダセンサ１３の信号λから燃焼した燃料量ｖＫが計算され、次にブロック２０においてその値から実際トルクＭ_istが制御装置１６により計算される。
つまりこの場合、燃焼した燃料量ｖＫは制御装置１６により、燃焼酸素量について計算される。燃焼酸素量は制御装置１６によりブロック１９において、吸気管６へ供給された吸入空気と排気ガス中に残存しつまり燃焼しなかった酸素とから計算される。吸気管６へ供給される吸入空気中の酸素含有量は空気量センサ１２により測定され、したがって制御装置１６により信号ＬＭについて考慮することができる。排気ガス中に残存する酸素の含有量はラムダセンサにおり測定され、したがって制御装置１６により信号λについて考慮することができる。
信号ＬＭと信号λから、燃焼した燃料量ｖＫについて制御装置１６はブロック１９において次式に従って計算する：

ここで
ｖＫ ＝燃焼した燃料量
ｍＬ ＝信号ＬＭによる空気量
ｍＡＧＲ＝帰還された排気ガス量
ｋ ＝空燃比λ＝１のとき１４．８
この式における第１の被加数は、信号ＬＭによる測定された空気量ｍＬと、排気ガスにおける酸素濃度の関数である信号λから計算される。この計算は、内燃機関１の定常動作に係わるものである。
また、第２の被加数は、帰還される排気ガス中の酸素の蓄積容量を表している。ここでλ’は、先行する燃焼における空燃比である。さらにこの場合、ｍＡＧＲは目標値である。この目標値に設定できないときにはエラーが発生し、対応するエラー応答が行われる。同様にｍＡＧＲを測定によって導出することもでき、たとえば吸気管６中の圧力とそこにおける空気流から、あるいはスロットル弁と排気ガス帰還弁１１の開度比率から導出することもできる。第２の被加数は、内燃機関１の非定常動作に係わるものである。
このようにして算出された燃焼した燃料量ｖＫから、次に制御装置１６はブロック２０において、内燃機関１の送出された実際トルクＭ_istを導出する。この実際トルクＭ_istは、燃焼した燃料量ｖＫに実質的に比例している。実際トルクＭ_istは、摩擦損失を含めて内燃機関１により形成された実際のトルクである。実際トルクＭ_istを、制御装置１６のその他の計算に利用することもできる。
ブロック２１において制御装置１６は許容トルクｚＭを、実際に内燃機関１により送出された実際トルクＭ_istと比較し、この比較結果に応じて信号Ｆを発生する。実際トルクＭ_istが許容トルクｚＭよりも小さければ、信号Ｆはたとえば”０”となり、他方、これとは逆の場合すなわち実際トルクＭ_istが許容トルクｚＭよりも大きければ、信号Ｆは”１”になる。
実際トルクＭ_istが許容トルクｚＭより小さい場合、このことは、制御装置１６により計算された送出すべき目標トルクＭ_soll（制御装置１６により実行された制御および／または調整によって直前に実際に送出された実際トルクＭ_istはこの目標トルクに依存している）は、少なくとも妥当な値の範囲にあることを意味している。そのことから制御装置１６は、目標トルクの計算は少なくとも基本的には誤っていないと推定できる。この場合、制御装置１６によってもいかなる介入措置もとられない。
しかし実際トルクＭ_istが許容トルクｚＭよりも大きい場合、このことは、制御装置１６により最初に計算された送出すべき目標トルクが大きすぎ、つまりエラーのあることを意味している。このようなエラーが生じた結果、制御装置１６により実行される制御または調整によって、実際に送出された実際トルクＭ_istも過度に大きくなり、それゆえ許容トルクｚＭを超えることになる。このようなエラーは、制御装置１６により信号Ｆ＝１として識別される。
それに応じて制御装置１６は特別機能たとえばエラー処理ルーチンを開始させる。このようなエラー処理ルーチンによってたとえば、実際に送出される実際トルクＭ_istに影響を与える内燃機関１のパラメータが、実際トルクＭ_istが低くなるよう制御装置１６により変えられる。また、エラー処理ルーチンにより、自動車のドライバに対しそれ相応のエラー表示による通知が行われるように構成することもできる。さらにエラー処理ルーチンにより、それ相応にメモリに記録を採るように構成することもでき、この場合、自動車の修理や保守にあたり整備員がその記録を読み出し、そのことでエラーに気づかせるようにすることができる。
さらに、アクセルペダルの位置に依存して最小許容トルクを求めることもできる。実際トルクＭ_istがこの最小許容トルクよりも小さければ、そのことからやはりエラーを推定することができ、対応する措置を導入することができる。

Claims (9)

1. 圧縮時相中の第１の動作モードまたは吸気時相中の第２の動作モードにおいて燃料が燃焼室（４）へダイレクトに噴射され、
   前記の両方の動作モードにおいて燃焼室（４）へ噴射される燃料量は、内燃機関により送出されるべき計算された目標トルクに依存して制御および／または調整される、
   内燃機関（１）の作動方法において、
   内燃機関（１）により送出される実際トルク（Ｍ_ist）と許容トルク（ｚＭ）を求め（１８または１９，２０）、前記実際トルク（Ｍ _ist ）を燃焼した酸素量から求め、
   送出された実際トルク（Ｍ _ist ）と許容トルク（ｚＭ）の算出は、送出された目標トルクの計算とは無関係であり、
   前記計算された目標トルクを検査するために前記実際トルク（Ｍ_ist）を許容トルク（ｚＭ）と比較し（２１）、
   前記実際トルク（Ｍ_ist）が前記許容トルク（ｚＭ）よりも大きければ、前記計算された目標トルクが誤っていると検出してエラー処理ルーチンを開始させ、前記実際トルク（Ｍ _ist ）が低くなるよう制御するか、または、ドライバに対しエラーを表示をするか、またはエラーをメモリに記録することを特徴とする、
   内燃機関の作動方法。
2. 前記燃焼した酸素量を、供給された吸入空気と排気ガス中に残存する酸素から求める、請求項１記載の方法。
3. 吸入空気を空気量センサ（１２）により測定し、排気ガス中に残存する酸素をラムダセンサ（１３）により測定する、請求項２記載の方法。
4. 前記燃焼した酸素量の算出にあたり排気ガスの帰還を考慮する、請求項１〜３のいずれか１項記載の方法。
5. 前記許容トルク（ｚＭ）をドライバにより要求されるトルクおよび内燃機関（１）の回転数（Ｎ）から求める、請求項１〜４のいずれか１項記載の方法。
6. 要求されたトルクをアクセルペダルセンサ（１７）により測定し、回転数を回転数センサ（１５）により測定する、請求項５記載の方法。
7. 噴射弁（８）が設けられており、該噴射弁により圧縮時相中の第１の動作モードまたは吸気時相中の第２の動作モードにおいて燃料が燃焼室（４）へダイレクトに噴射され、
   制御装置（１６）が設けられており、該制御装置により、両方の動作モードにおいて燃焼室（４）へ噴射される燃料量が、内燃機関により送出されるべき計算された目標トルクに依存して、制御および／または調整される形式の、
   内燃機関（１）において、
   前記制御装置（１６）により、内燃機関（１）から送出される実際トルク（Ｍ_ist）と許容トルク（ｚＭ）が求められ、前記実際トルク（Ｍ _ist ）は燃焼した酸素量から求められ、送出された実際トルク（Ｍ _ist ）と許容トルク（ｚＭ）の算出は、送出された目標トルクの計算とは無関係であり、前記計算された目標トルクを検査するために前記実際トルク（Ｍ_ist）と前記許容トルク（ｚＭ）とが比較され、前記実際トルク（Ｍ_ist）が前記許容トルク（ｚＭ）よりも大きければ、計算された目標トルクが誤っていると検出されてエラー処理ルーチンが開始され、前記実際トルク（Ｍ _ist ）が低くなるよう制御されるか、または、ドライバに対しエラーが表示されるか、またはエラーがメモリに記録されることを特徴とする内燃機関。
8. 吸気管（６）に空気量センサ（１２）が設けられており、排気管（７）にラムダセンサ（１３）が設けられている、請求項７記載の内燃機関。
9. アクセルペダルセンサ（１７）と、内燃機関（１）の回転数（Ｎ）を測定するための回転数センサ（１５）が設けられている、請求項７または８記載の内燃機関。

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