JP4612445B2 - 内燃機関の制御方法 - Google Patents

Description

従来技術
本発明は、クランクシャフトを有する内燃機関の制御方法であって、センサの角度パルスからパルス時間を形成し、当該パルス時間は内燃機関のクランクシャフトの時間単位毎の回転に対する尺度であり、クランクシャフトの所定の目標角で、点火プラグの点火および燃料の噴射によって燃焼を行い、前記点火前の点火コイルの充電および噴射はそれぞれ所定の持続時間を必要とし、前記充電および噴射をそれぞれ目標角前に開始時点で開始し、前記充電の持続時間および目標角に対する噴射の時間的オフセットおよびパルス時間を考慮することによって、前記開始時点を計算する、内燃機関の制御方法に関する。

クランクシャフトの回転が角度パルスによって示される内燃機関が既に公知である。この角度パルスの時間間隔および噴射ないし点火コイルの充電に必要な時間から、各角度パルスで次のことが検査される。すなわち内燃機関の回転数を目の前にして、点火時点までにまだ残っている、点火コイルの充電ないし噴射に対する時間が充分であるか否かが検査される。これに相応してその後、この角度パルスに時間的に関連して点火コイルの充電ないしは噴射が開始される。クランクシャフトの回転数の動的特性、従って角度パルスの時間間隔の変化が原因で、噴射の計算時点と点火コイルの充電の計算時間が偶然ではなく一致する場合に、このような計算には異なるパラメータが使用される。従ってこのような２つのプロセス、すなわち点火および噴射の時間的結合は常に良好でない。

発明の利点
これに対して、充電および噴射の開始時点の計算に対して同じパルス時間を使用することを特徴とする本発明の方法によって、プロセス点火とプロセス噴射の時間的な結合が格段に改善されるという利点が供される。これは殊に、スプレーガイド燃焼方法が用いられている直接噴射式ガソリンエンジンの場合に有利である。

使用されているパルス時間は、殊に容易に直接的にその前にある角度パルスによって求められる。択一的に、平均化されたパルス時間が使用されてもよい。これは殊に回転数が高い場合に有利である。２つのプロセス噴射と点火のうちのどちらがはじめに開始されるかに応じて、２つのプロセス間の時間的オフセット（Zeitversatz）を有する相応の時間カウンタがロードされる、または２つのプロセスに対して、プロセス間の時間的オフセットにおいて異なる時間カウンタがロードされる。従って、簡単な措置によって２つのプロセス間の固定的な時間的結合が保証される。

殊に容易には、個々のプロセスに対する相応の時間が同じように時間カウンタによってコントロールされる。回転数が高い場合は、噴射に対するパラメータが知られる前に点火コイルの充電が開始される。統一されたパルス時間を使用することによって、ここでも２つのプロセスの時間的な結合が改善される。この場合には、他の角度パルスでのプロセス噴射に対する時間カウンタが、プロセス点火に対する時間カウンタとして開始される。

本発明の課題は、噴射と点火の良好な時間的結合を保証する内燃機関制御方法を提供することである。

上述の課題は、充電および噴射の前記開始時点の計算に対して同じパルス時間を使用することを特徴とする、内燃機関の制御方法によって解決される。

図面
本発明の実施例を図示し、以下でより詳細に説明する。

図１には、以降の発明を理解するのに必要である範囲で、非常に概略的に内燃機関が示されている。図１にはシリンダ１と、シリンダ内に配置されたピストン２が示されている。シリンダ１およびピストン２によって燃焼室が構成されている。この燃焼室内にはここには図示されていない弁によって空気が供給される。噴射弁３によって、燃料スプレー４が燃焼室内に噴射される。これによって、燃焼室内に存在する空気と結合して、燃料と空気から成る可燃性の混合気が形成される。この混合気はその後、点火プラグ５の点火スパークによって点火される。燃焼によって圧力上昇が生じる。この圧力上昇は、ピストン２の運動によって運動エネルギーに変えられる。ここで概略的に示された構成は実質的に、既に公知の燃料直接噴射式ガソリンエンジンに相当する。

ピストン２は、図示されていない連接棒によってクランクシャフトと結合されている。クランクシャフトによって、ピストンの上昇運動および下降運動が回転運動に変えられる。マーク７を有する発信器ホイール６はクランクシャフトと結合されている。ここで結合されているものとして、クランクシャフトと固定的な関係にある他のシャフト（例えばカムシャフト）が意図されてもよい。例えば、歯車状発信器ホイール６の歯として構成され得るマーク７がセンサ８を通過すると、センサ８内で信号パルスが生じる。この信号パルスは線路９を介して制御装置１０に供給される。このようにして制御装置１０は、クランクシャフトの回転に関する情報（すなわちピストン２がシリンダ１内でどのように運動しているかに関する情報）を得る。ここで重要なのは例えば、上死点（すなわちピストン２の運動の反転点）を正確に知ることおよびこれが負荷交番上死点または点火上死点であるか否の情報である。なぜならこれらの時点の近傍で有利には、燃焼室内での点火がトリガされるからである。このような情報および内燃機関の所望の作動状態に基づいて、制御装置１０は噴射弁３ないし点火プラグ５に対する駆動制御信号を計算する。この駆動制御信号は制御線路１１を介してこれらのコンポーネントに供給される。この様な方法およびこれらの全てのコンポーネントは、当業者にガソリン直接噴射式オットーエンジンとして既知であるものに相当する。

図２には、時間線１９およびセンサ８の相当する針状の信号パルス２０が示されている。歯車状に構成された発信器ホイールでは、このようなパルスは相応の矩形パルスとして構成されている。例えばそれぞれ、この矩形パルスの立ち上がりエッジが評価される。さらに点火コイルの充電に対する時間期間２１および噴射に対する別の時間期間２２が示されている。

点火スパークに対するエネルギーは、本実施例では点火コイルの充電によって供給される。ここで電流は点火コイルを通じて導かれる。これによって磁界が点火コイル内に形成される。点火コイルの一次側を通る電流が中断されると、蓄積された磁気エネルギーが点火コイルの二次側上でのみ流出し、これによって二次側に高電圧パルスが発生される。図２では、点火コイルの充電は時点１０４で終了している。すなわちこの時点で点火がトリガされる。この時点１０４は、内燃機関のクランクシャフトの所定の固定された角度位置に相当する。ここで、どの時点で点火（または相応に噴射）がトリガされたかを計算するのに問題なのは、点火コイルの充電に対する充電持続時間（すなわち持続時間２１）も、噴射に対する持続時間２２も、固定的に事前に定められた持続時間であるということである。従って点火時点１０４と噴射との間の定められた時間的な関係に達するために、点火部の充電の持続時間の開始時に次のことに関する情報がなければならない。すなわち噴射の開始時点と、点火部の充電の持続時間の終点での角度位置との間で、噴射時間内の所定の時間が経過したか否かに関する情報である。しかしこれは少なくとも下方の回転数領域においては回転数の大きな動的特性が原因で不可能である。

開始時点１０２の計算は、パルス時間、すなわち２つの角度マーク７の間の時間間隔によって行われる。燃焼の目標角度の角度情報はパルス時間によって時間に換算される。ここから生じる点火時点から点火コイルに対する充電時間が導出され、ひいては点火コイルの充電に対する開始時点１０２が得られる。相応の開始時間が生じると、点火コイルの充電が開始される。開始時点計算は、角度パルスによって喚起される。開始時点計算によって、角度の観察から純粋な時間測定に切り換えられる。点火コイルに対する充電時間を下回ってはいけないので、これは必要であり、下回ると点火エラーが生じてしまう。開始角１０２の後に内燃機関の回転数が著しく変化すると、角度パルス間の間隔が変化し、これによって時点１０４での点火はもはや所望の点火角では行われなくなってしまう。しかしこのようなエラーは甘受されなければならない。なぜなら、点火時点のずれは、点火スパークに対するエネルギーが不足が原因で点火が行われないことよりも格段に重要でないからである。

同じように、噴射が開始される開始時点１０３に対する計算が行われる。所望の噴射量および噴射システム内の圧力に基づいて、噴射に必要な持続時間が定められる。さらに噴射が、クランクシャフトの定められた目標角で、特定の時間的オフセットを加えて行われる。このようにして必要な噴射時間、目標角度、時間的オフセットおよびパルス時間から、噴射が行われるべき開始時間が計算される。しかし開始時点１０２および１０３は異なるので、ここで回転数が動的に動いたときに点火と噴射の間にずれが生じる恐れがある。これは一方では次のことによって生じる。すなわちパルス時間（角度パルス間の間隔）が変化し、これによって異なるパルス時間が計算に対して使用されることによって生じる。さらに当然ながら開始時点も、個々の角度パルス間の間隔が変化することによってずれる。別のエラーの原因は、パルス時間内に潜む、クランクシャフト発信器ホイールの角度許容誤差である。例えば点火の開始時点の計算が許容誤差を有するパルス時間で行われ、噴射の開始時点の計算が、点火の開始時点の計算に使用されたのと逆の符号を有する許容誤差を有するパルス時間で行われた場合、目標角度と噴射の間の所定の時間的オフセットの大きな差が生じてしまう。

従って本発明では２つの措置が提案されている。

第１の措置は、この場合により遅くに位置する開始時点１０３の計算に対しても、第１の開始時点１０２に対する開始時点計算に使用されたのと同じパルス時間を使用することである。パルス時間は、開始時点１０２の領域で求められる。これは次のことを意味する。すなわち、より遅くに始まるプロセス（ここでは噴射）の計算に対して、より早く始まるプロセス（ここでは点火）の計算に対するものと同じパラメータを使用することを意味する。これは、はじめに噴射が開始されて、その後に点火が開始される逆の場合にも当てはまる。さらに、より早くに位置するプロセスが開始された時点（ここでは点火に対する開始時点）から、より遅くに位置するプロセス（ここでは噴射）の開始に対しても時間計算に切り換えられる。すなわち、開始角度１０２より前の所定の領域における開始時点計算に対して、今、点火コイルの充電が開始されたことが確かめられるだけでなく、同時に、点火コイルの充電開始と噴射開始の間の時間的オフセットを示す持続時間も計算される。この時間的オフセットは点火コイルの充電時間２１から点火角１０４に到達するまでの噴射時間２２の割合部分を引くことで計算される。点火の開始時点１０２の計算時および時間的オフセットの計算時には、同じパルス時間が使用される。開始時点計算によって、第１の時間カウンタがアクティブにされる。この時間カウンタはスタートイベント１０２をトリガさせる。開始時点１０２ではその後、同じ時間カウンタによって持続時間２１が測定され、これが時点１０４まで経過した後に点火スパークがトリガされる。さらに開始時点計算によって別の時間カウンタがアクテティブにされる。この時間カウンタは、開始時間計算前の最後の角度パルスから、開始時間計算前の最後の角度パルスと１０２の間隔と、開始時点１０２と１０３の間の間隔の合計を示し、これが経過したときに噴射が開始される。この場合、噴射の持続時間は相応に別の時間カウンタによってコントロールされる。

パルス時間の計算に対して、種々異なる方法が使用可能である。１つの方法は、それぞれ第１のプロセス（ここでは点火コイルの充電開始）のスタート前の最後のパルス時間を使用することである。しかしさらに、開始時点１０２の前の測定された複数のパルス時間を使用することも可能である。これらは、平均化されたパルス時間の形式で、または補間されたパルス時間の形式で使用される。パルス時間が平均化される場合には、容易に複数の順次連続するパルス時間が平均化される。このような手法は、発信器ホイール６上の個々のマーク７間の製造許容誤差を補償するのに殊に有利である。補間によって、これまでのダイナミック傾向を考慮するパルス時間が形成される。すなわち実質的に、点火に対する所望の目標角でおそらく存在するであろうパルス時間に相当するパルス時間が使用される。しかしこのような計算方法は非常に手間がかかる。しかし本発明では、２つのプロセスに対して同じパルス時間を使用することが重要である。

図３には、噴射の開始が点火コイルの充電の開始の前に位置する場合の状況が示されている。再び時間線１９が示されており、相応に静的な作動状態に対する角度パルス２０が示されている。点火角１０４は開始時間計算のために、開始時点１０２の前の定められた角度領域に位置する角度パルスで時点に換算される。ここから、点火角に達するまでの噴射時間の割合部分（１０２と１０４の間隔）が導出される。このようにして得られた開始時点１０２は、噴射の開始時点である。ここで開始時間計算によって、第１のカウンタがアクティブにされる。このカウンタは、スタートイベント１０２をトリガし、開始時点１０２付近で噴射の持続時間２２に対する時間カウンタがセットされる。さらに開始時間計算によってカウンタがセットされる。このカウンタは、開始時間計算前の最後の角度パルスから、開始時点計算前の最後の角度パルスと１０２の間の間隔と、開始時点１０２と第２のプロセス（点火コイルの充電）が開始される開始時点１０３の間の時間オフセットとの合計を含む。このようなカウンタの経過に伴って、開始時点１０３で第２のプロセスが開始される。すなわち、点火コイルの充電が開始される。その後時点１０４では、点火コイルの充電過程が終了することによって点火が行われる。

第１のプロセスの開始時に既に第２のプロセスの計算に対するパラメータが固定される、ないしは第１のプロセスの開始が第２のプロセスのパラメータから定められる、ここに示された手法の特別な利点は、いわゆるスプレーガイド燃焼方法が使用されている直噴式ガソリンエンジンで特に明らかである。このようなスプレーガイド燃焼方法では、噴射弁３の噴射スプレー４は噴射中にまたはその終了の時間的に近いところで点火部５によって点火される。しかし混合気の点火は、噴射と点火が相互に正確に同期している場合にのみ行われる。噴射が点火スパークに対して過度に遅く行われた場合には、細かい霧状またはガソリン蒸気状の噴射された燃料は点火プラグに達せず、点火は行われない。噴射が過度に早く行われた場合にも同じことが言える。なぜなら、この場合には、相応の燃料霧または燃料蒸気が既に点火プラグを通過してしまっているからである。従って、このような燃焼方法では、点火と噴射が時間的に強固に相互に結合されるのは特に有利である。なぜなら、そのようにしてのみ、常に燃料の点火が保証されるからである。これは提案された方法によって、殊に容易に実現される。

内燃機関の回転数が高い場合には特別なケースが生じる。クランクシャフト角度に関連して、点火コイルの充電に必要な時間に対して非常に大きな角度領域が必要になる。しかし噴射に対するパラメータ、殊に噴射量は点火コイルの充電が既に開始されている時点ではじめて供給される。このような状況は図４に示されている。再び時間線１９と時間線内に示された角度パルス２０が記載されている。図２および図３と比較して線１９の時間縮尺が格段に広がっている。すなわち時間ブロック２１および２２は、図２および図３に示されたような縮尺が正しいブロックではない。開始角度１０２で点火コイルの充電が開始される。ここでも再び、時間カウンタがセットされる。この時間カウンタの経過によって、時点１０４で点火が行われる。しかし噴射に対するパラメータは、時点１０１ではじめて既知になる。これも有利である。なぜならこのようなパラメータは、不必要に早く求められるべきではないからである。ここで良好な時間的結合を持続時間２１と持続時間２２の間で得るために、持続時間２２の開始の計算に対して、持続時間２１の開始の計算に対するのと同じパルス時間が使用される。従って依然として、比較的良好な時間的結合が2つの異なるプロセス、すなわち噴射と点火の間で得られる。噴射１０３の開始角度の計算は、２つの異なる手法によって可能である。

第１の手法では時点１０１で、すなわち噴射の計算に対する必要なパラメータが存在するできるだけ早い時点で、持続時間２１の計算に使用されたパルス時間によって、別のタイマーがセットされる。このタイマーは時点１０１と開始時点１０３の間の時間間隔を定める。従ってこれらの２つの時点の間に生じる動的特性、すなわちパルス時間の変化は重要ではない。択一的に、角度パルスを観察することによって、噴射に対する開始時点１０３を開始角度前の決められた領域において定めることができる。このような手法は、個々の場合には容易である。しかし第１の手法は次のような利点を有している。すなわち時点１０１と１０３との間の動的特性の差がもはや噴射のさらなるずれにつながらないという利点である。

回転数が高い場合に、点火の開始に対するパラメータと比べて噴射パラメータを遅く知ることは次のことによっても理由づけられる。即ち回転数が高い場合には、いわゆる点火オーバーラップが生じることによって理由づけられる。このような点火オーバーラップでは複数のシリンダを有する内燃機関では点火コイルの充電が特定のシリンダに対して既に開始されている。このシリンダに関する角同期計算マークがまだこれからであるのにもかかわらず開始されている。この場合には、点火に対するパラメータは先行するシリンダの角同期計算マークで計算される。これに対して噴射に対するパラメータの計算は常にシリンダに割当てられた計算マークで行われる。しかし、本発明による方法、殊に２つの計算に対して統一されたパルス時間を使用することによって、このような動作状態の場合にこれら２つの異なるプロセスの良好な時間的調整が得られる。従って殊に、スプレーガイド式内燃機関ではこのような手法は非常に有利である。なぜなら、点火と噴射が時間的に順々に調整されて、行われなければならないからである。

内燃機関の概略図。 噴射および点火に対する、種々異なる時間経過。 噴射および点火に対する、種々異なる時間経過。 噴射および点火に対する、種々異なる時間経過。

符号の説明

１ シリンダ，２ ピストン，３ 噴射弁，４ 燃料スプレー，５ 点火プラグ，６ 発信器ホイール，７ マーク，８ センサ，９ 線路，１０ 制御装置，１１ 制御線路，１９ 時間線， ２０ 信号パルス，２１ 時間期間，２２ 時間期間，１０２ 開始時点，１０３ 開始時点，１０４ 開始時点

Claims (8)

1. クランクシャフトを有する内燃機関の制御方法であって、
   センサ（８）の角度パルスからパルス時間を形成し、
   当該パルス時間は内燃機関のクランクシャフトの時間単位毎の回転に対する尺度であり、
   点火プラグ（５）の点火および燃料（４）の噴射によってクランクシャフトの所定の目標角（１０４）で燃焼を行い、
   前記点火前の点火コイルの充電および噴射に必要な所定の持続時間（２１，２２）を定め、
   前記点火コイルの充電および噴射をそれぞれ前記点火の目標角（１０４）前に開始時点（１０２，１０３）で開始し、
   前記点火コイルの充電の持続時間および前記点火の目標角（１０４）に対する前記噴射の時間的オフセットおよび前記パルス時間を考慮することによって、前記開始時点（１０２，１０３）を計算する形式の方法において、
   前記点火コイルの充電および噴射の前記開始時点（１０２，１０３）の計算に対して同じパルス時間を使用する、
   ことを特徴とする、内燃機関の制御方法。
2. どちらの開始時点がより早く行われるかに応じて、前記パルス時間を、点火コイルの充電の開始時点または噴射の開始時点の前の最後の２つの角度パルスから求める、請求項１記載の方法。
3. どちらの開始時点がより早く行われるかに応じて、前記パルス時間を、点火コイルの充電の開始時点または噴射の開始時点の前の多数の角度パルス（２０）にわたる平均時間として求める、請求項１記載の方法。
4. 所定の同期角度（１０１）で前記目標角前に前記開始時点の計算に必要な情報を供給し、
   前記点火コイルの充電の開始時点および前記噴射の開始時点は前記同期角度の後に位置し、
   前記点火コイルの充電の開始時点が前記噴射の開始時点より前に位置する場合、前記点火コイルの充電の開始時点と噴射の開始時点の間の時間遅延を求め、前記点火コイルの充電の開始時点から当該時間遅延が経過すると前記噴射を開始し、
   前記点火コイルの充電の開始時点が前記噴射の開始角の後に位置する場合、前記噴射の開始時点と前記点火コイルの充電の開始時点の間の時間遅延を求め、前記噴射の開始時点から当該時間遅延が経過すると前記点火コイルの充電を開始する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. クランクシャフトの回転が所定の差を加えて開始時点に近づいたか否かを各角度パルスで検査し、
   そうである場合には時間カウンタをアクティブにし、
   当該時間カウンタは前記点火コイルの充電、前記噴射および相応の時間遅延に対する持続時間を含む、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 所定の同期角度で噴射の目標角前に、噴射の開始時点の計算に必要な情報を供給し、
   点火コイルの充電の開始時点は前記同期角度の前に位置し、点火コイルの充電の開始時点および噴射の開始時点を、前記同期角度の前に計算されていたパルス時間に基づいて計算する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
7. 前記同期角度の後で、角度パルスが続く場合、前記パルス時間および前記噴射に対する目標角度によって、噴射の開始時点までの時間オフセットを計算し、
   当該時間オフセットを有する時間カウンタをアクティブにし、当該時間カウンタが経過した後に噴射を開始する、請求項６記載の方法。
8. 前記同期角度の後に各角度パルスで、クランクシャフトの回転が所定の差を加えて噴射の開始時点に近づいたか否かを検査し、
   そうである場合には噴射に対する持続時間を有する時間カウンタをアクティブにする、請求項６記載の方法。

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