JP4971439B2 - 内燃機関の作動方法 - Google Patents

Description

本発明は請求項１の上位概念による内燃機関の作動方法に関している。

独国特許出願公開第１９５２７２１８号明細書からは量補償制御が公知である。この明細書ではクランクシャフトの回転の不均一性から、つまり１つの作動サイクル中のシリンダー個別の回転加速度の尺度から、個々のシリンダー内へ噴射される燃料量の不均一性が推論されている。ここでは次のような考察が基礎とされている。すなわち燃焼室内での燃焼過程において放出された熱量がシリンダー内の混合ガスの爆発のもとで機械的な動作に置き換えられ、クランクシャフトの回転を加速させているということである。この場合に理想的なことは１つのエンジンにおける全てのシリンダーのトルク寄与度が等しくなることである。しかしながらこのようなことは現実には当てはまらない。そしてこれらのトルク寄与度における差はクランクシャフトの加速度に差を生じさせ、これは回転数センサによって検出される。異なるトルク寄与度は多くの作動状況の場合、異なった噴射量によって引き起こされ、冒頭に述べたような量補償制御においてシリンダー個別の噴射量補正によって補償され得る。

独国特許出願公開第１０２００４０４６０８３号明細書からは、ガイドシリンダーに１つのセンサが設けられ、このセンサを用いて、当該ガイドシリンダーに対する燃焼過程を特徴付けるパラメータが得られる方法が公知である。ここでは補償機能を用いることによって他のシリンダーが当該ガイドシリンダーに適応化されている。この方法はとりわけ次のような燃焼方式に有利である。すなわち大きな点火遅れが伴う、例えばいわゆる部分的均質化の伴った燃焼方式である。

発明の開示
ここにおいて本発明の課題は、冒頭に述べたような形式の方法において、多大なコストを伴うことなく、内燃機関の安定した、燃費並びに排ガス排出量の最適化された運転状態ができるだけ多くの作動状態のもとで行われるように改善を行うことである。

技術的解決手段
前記課題は、請求項１の特徴部分に記載された本発明による方法によって解決される。本発明の有利な改善例や従属請求項に記載されている。特にそれらの従属請求項においてはさらなる解決手段とも称する。その他の本発明にとって重要な特徴は以下の明細書と図面に開示されている。なおこの場合においてこれらの特徴は全く異なる組み合わせにおいても本発明の本質として成り立ち、たとえそれに関する詳細な示唆がなかったとしてもそのことに代わりがないことを述べておく。

有利な作用
本発明によれば特にディーゼル内燃機関において、クランクシャフトの回転運動を特徴付ける回転量の差分及び／又は変動が作動状態に応じて様々な原因を有し得ることが識別された。ここでこの回転量の"差分"とういう概念のもとでは、１つのシリンダーと他のシリンダーにおける（クランクシャフト）回転量に違いが生じること、つまり"局所的"に異なることを理解されたい。それに対して同じシリンダーにおける回転量は時間的に見て変化を生じることも理解されたい。この場合通常はここでの回転量とはシリンダー個別に、１つの作動サイクル中の複数の時点に対して検出されたクランクシャフトの回転加速度及び／又はシリンダー個別に１つの作動サイクルに対して検出されたクランクシャフトの回転数である。

さらに本発明によれば、少なくとも１つの作動状態において回転量の差分及び／又は変動が実質的に燃焼位置に依存していることが識別された。この燃焼位置の尺度としては燃焼開始信号や熱変換の中心位置（これはクランク角度で表される）などさまざまに利用される。そのような作動状態においては燃焼位置が次のように最適化されてもよい。すなわち前述したような差分及び／又は変動が低減されるように最適化されてもよい。このことは内燃機関の運転において快適性を改善し、内燃機関からの有害物質の排出や燃費を最適化させる。回転量の差分及び／又は変動が実質的に燃焼位置に依存する典型的な作動状態は、部分的な均質化の伴う混合気形成を伴った作動モード及び／又は排ガス後処理装置のための再生作動モードである。このことは以下でのべるような考察に基づいている。

特にディーゼル内燃機関においては、燃費、排気ガスの放出、ノイズ、走行快適性に関する要求が常に高まっており、これを充足するために、自動車にいわゆる"部分均質化"燃焼方式が組み込まれている場合には、高い排ガス再循環レートを特徴付けるべく改善が施される。それ故そのような燃焼方式を"部分均質化"方式と称する。なぜなら通常の燃焼方式とは異なってシリンダー充填物の強化された混合と均質化が存在するからである。そのようないわゆる"非通常"燃焼方式を伴う内燃機関の運転は全回転数領域並びに全負荷量域において可能となるわけではないが、しかしながら有害物質排出に係わる領域は比較的長くなる。

高い排ガス再循環レートは、遅すぎる燃焼を誘因するような値まで点火遅延を拡大しかねない。その上さらに不所望な条件のもとでは失火が出現する。シリンダー充填物の周期的な変動と燃焼プロセスの周期的な変動は、当該"非通常"燃焼方式においては、通常燃焼方式においてよりも著しく強く識別され得る。そのような変動の原因の１つは移行する経過である。例えば負荷変動や回転数変動などである。もう一つは内燃機関の個々のシリンダー間に存在する違いである。たとえば圧縮比、温度、吸気系の寸法などである。これらの個々のシリンダー間の違いは、高い排ガス再循環レートを伴う作動時の高められた感度に基づいてそのような周期的な変動に作用し、点火遅れや燃焼位置に対して著しい影響を及ぼす。

幸いなことに本発明の方法によれば、燃料噴射時点及び／又は新気量及び／又は排ガス再循環レートの適応化によって、点火遅れとそれに伴う燃焼位置を制御することが可能となり、さらに前記した回転量の差分及び／又は変動を低減させることも可能となる。このことは従来技術とは異なってガイドシリンダーにおける圧力測定や固体音信号の複雑な評価なしで可能である。これにより本発明による方法の適用のもとでかかるコストは安くなる。また熱特性曲線（ｈｅａｔ ｃｕｒｖｅ）の計算のためのコストも省かれる。その代わりに本発明ではいずれにせよ存在する回転量が相応に評価されるだけである。

特に有利には、まず最初に第１のステップにおける初期作動状態においては回転量の差分又は変動が実質的には燃焼位置に依存せず、噴射された燃料量は量補償制御の趣旨でシリンダー個別に差分又は変動の低減のために適応化される。このことは次のような考察に基づいている。すなわち内燃機関の通常作動モードにおいては燃焼位置の差や変動量が無視できることに基づいている。そのような初期作動状態では回転量の差分はとりわけ噴射質量の差に由来する。そのためそのような作動モードではまず最初にインジェクタ許容偏差に基づいて所要の量補償制御が実施される。そしてさらにその後の前述したような作動状態において燃焼位置が少なくとも間接的に最適化される。その際回転量の差分及び／又は変動は実質的に燃焼位置に依存し、事前に量補償制御によって求められた補正値がそのまま用いられる。このようにして完全に同形でかつ排出量ないし燃料の最適な作動が可能となる。

この場合は、シリンダー個別の回転量に基づいて、シリンダー個別の燃焼位置若しくはシリンダー個別のトルクが絶対値として求められる。これにより内燃機関の開ループ／閉ループ制御に利用できる付加情報が得られる。

また有利には、絶対値に対する基準量として通常のトルク、ガイドシリンダー内のシリンダー圧力から導出されたトルク、ラムダ値及び空気充填量から求められたトルク、あるいは回転量から求められたトルクが利用される。

燃料噴射時点の適応化及び／又は新気量の適応化及び／又は排ガス再循環レートの適応化は次のことによって行われてもよい。すなわち、シリンダー個別の燃焼位置又はシリンダー個別のトルクが目標値に追従するようにして行われてもよい。このことはプログラミング技術によって簡単に実現可能である。

その際燃焼位置は時間的及び／又は局所的平均値に設定され、例えばシリンダー個別の実際値回転量とシリンダーを介して平均化された実際値回転量の間の差分が直接制御器に供給される。

図面の簡単な説明
以下では本発明の有利な実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。この場合、
図１は、複数のシリンダーを備えた内燃機関を概略的に示した図であり、
図２は、図１による内燃機関の回転数センサの時間的に高精細な信号が時間軸に亘ってプロットされているダイヤグラムであり、
図３は、図１による内燃機関の作動方法を説明するためのフローチャートであり、
図４は、図１による内燃機関の作動方法を説明するためのさらなるフローチャートであり
図５は、図１による内燃機関の作動方法を説明するためのさらなるフローチャートである。

実施例の説明
図１には内燃機関が全体として符号１０で表されている。この内燃機関１０はここでは全部で４つのシリンダー１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄを含んでいる。これらのシリンダーは、燃焼室１４ａ〜１４ｄを備えており、これらの燃焼室１４ａ〜１４内へは新気が吸気管１８と吸気バルブ１６ａ〜１６ｄを介して吸入される。燃料は燃焼室１４ａ〜１４ｄ内へインジェクタ２０ａ〜２０ｄによって噴射される。これらのインジェクタ２０ａ〜２０ｄは共通の燃料高圧蓄圧器２２（これは"レール"とも称される）に接続されている。

燃焼後の排気ガスは燃焼室１４ａ〜１４ｄから排気バルブ２４ａ〜２４ｄを介して排気管２６内へ排出され、排ガス後処理装置２８へ導かれる。内燃機関１０の作動中はクランクシャフト３０は回転され、その回転数ないし回転速度と、回転加速度、すなわち回転量とがクランクシャフトセンサ３２によって時間的に非常に高い分解能で検出される。

吸気管１８を介して燃焼室１４ａ〜１４ｄへ通流する新気はＨＦＭセンサ３４によって検出される。さらに内燃機関１０には燃焼室圧力センサ３６が設けられており、この燃焼室圧力センサ３６は燃焼室１４ｄ内の圧力を検出している。その関係からこれに相応するシリンダー１２ｄは"ガイドシリンダー"となる。排ガス後処理装置２８の全歩にはλセンサ３７が設けられている。内燃機関１０は排ガス再循環機構を伴って作動している。それに対して図には示されていない排ガス再循環バルブが設けられていてもよいし（外的な排ガス再循環機構）、相応するバルブ開放時間によって内的な排ガス再循環機構が作動するものであってもよい。

内燃機関１０の作動は、開ループ／閉ループ制御装置３８によって開ループ／閉ループ制御されている。この制御装置はとりわけクランクシャフトセンサ３２、ＨＦＭセンサ３４及び燃焼室圧力センサ３６からの信号を受取っている。また前記開ループ／閉ループ制御装置３８によってとりわけインジェクタ２０が駆動制御されている。なおここではこのインジェクタの個所においてはインデックスａ〜ｄの付された構成要素として特に明記していなくても、相応の実施例全般においてａ〜ｄの付された構成要素と同じ意味であることを述べておく。

図２には、クランクシャフトセンサ３２の時間的に高分解能の信号ｎ（これは回転数ないし回転速度である）が時間軸ｔに亘って表されている。この図では"大域的"に見て安定した回転数ｎのもとでも"微視的"な回転数ｎ、つまり時間的に見て非常に高精細若しくは高分解能に観察される回転数ｎは周期的に変化している様子がみとめられる。このことは個々のシリンダー１２における個々の燃焼に基づいており、それらはそれぞれ短時間的なクランクシャフト３０の回転加速度に結び付けられる。つまり図２からはこのような回転加速度と、最大回転数ないしは最小回転数が各シリンダー１２毎に変化しているだけでなく、作動サイクル毎にも（図２では符号４０ａと４０ｂで表されている）変化している様子が認められる。例えばここでは一点鎖線の勾配ライン４２ｃによって表されているシリンダー１２ｃの加速度が、シリンダー１２ｄに相当する加速度４２ｄよりも少ないことがみてとれる。またシリンダー１２ｄの作動サイクル４０ａにおける加速度４２ｄは、同じシリンダー１２ｄの作動サイクル４０ｂにおける加速度よりも少ない。ある１つのシリンダーから別のシリンダーへの回転加速度の変化はここでは"差分"として取り扱う。また同じシリンダー１２の回転加速度のある作業サイクル４０から別の作業サイクル４０への変化はここでは"変動"として取り扱う。

図１に示されている内燃機関１０は様々な作動状態で作動され得る。第１の作動状態は"通常"の作動方式であり、ここでは最大で３０％の比較的僅かな排ガス再循環レートが存在する。他の作動状態は"非通常"の作動形式を含んでおり、そこでは３５％以上の比較的高い排ガス再循環レートが存在する。そのように高い再循環レートはいわゆる"部分均質"モードに結び付き、そこではシリンダー充填物の比較的強い混合と均質化が存在し、比較的大きな点火遅れが伴う（この点火遅れとは、燃料の噴射時点から燃料の点火時点までの経過時間を意味する）。

通常の作動形式では個々のシリンダー１２間の回転数ないしトルク差がとりわけ個々のインジェクタ２０の許容偏差に由来し、特に個々のインジェクタ２０の許容偏差によって生じる。それに対していわゆる燃焼位置のシリンダー個別のトルクに対する変動（ないし揺らぎ幅）の影響は、通常の作動モードにおいてはなおざりにされている。ここでいう燃焼位置とは、燃料燃焼期間中の全熱量の所定の割合（通常は５０％）が変換されるクランク角度と理解されたい。

それ故に内燃機関１０の通常の作動モードでは通常の"特性量補償制御"が用いられる。そのような特性量補償制御によれば、各インジェクタ２０ａ〜２０ｄ毎の噴射された燃料質量が次のように適応化される。すなわち可及的に同形の回転数経過ないしトルク経過が達成されるように適応化される。これに対しては各インジェクタ２０ａ〜２０ｄ毎に相応の燃料補正量が定められて適用される。この"学習過程"は作動点に依存し、連続的に行われる。それにより、内燃機関１０の寿命期間に亘って生じた変化が補償調整される。この場合インジェクタ２０ａ〜２０ｄにおける変化の他にも、シリンダー１２ａ〜１２ｄにおいて様々な変化が例えば漏れや摩耗などの形態で出現し得る。

非通常作動モードにおいては、個々のシリンダー１２ａ〜１２ｄ間の回転数ないし回転加速度ないしトルクの、差分や変動は、噴射質量の差のみでなく１つの作動サイクルからそれに後続する作動サイクルまでの変動にも由来している。様々なトルク絶対値から、噴射された燃料質量における差分を推論することは、この作動モードにおいてはもはや直接的には不可能である。但し場合によって生じ得るインジェクタの誤った噴射量が作動モードに依存しないことは想定し得る。それ故にこの作動モードにおいても通常の作動モードにおいて求められた燃料補正量がそのまま変更なしで用いられる。

それの代わりに、非通常作動モードにおいて燃料質量の補正後に残った回転加速度ないし回転数の差分及び変動は実質的に燃焼位置の差分ないし変動に由来する。燃焼位置も特に燃料噴射時点と（これは通常はクランク角度によって表される）、吸気管１８及び吸気バルブ１６ａ〜１６ｄを介して供給される新気量と、排ガス再循環レートとに依存している。それ故にこれらの作動量の適応化によれば、非通常作動モードにおいて、クランクシャフト３０の回転加速度の差分及び変動に対する影響の低減がみこまれる。

図１の内燃機関１０の作動のための一般的な方法は図３に示されている。これに従ってまずブロック４４において通常作動モードが量補償制御の目的で燃料補正量を適応化する。それによりこの作動モードでは可及的に同形の回転数信号経過が得られる。ブロック４６では当該補正値が使用され、それに続くブロック４８では作動サイクル毎の各シリンダー１２ａ〜ｄのトルク寄与度が求められる。例えばこれはクランクシャフト３０から検出された、シリンダー個別の回転加速度や作動サイクル個別の回転加速度から求められてもよい。ブロック５０では通常作動モードにおいて引き続き作業が続けられるか、若しくは非通常作動モードにおいて、つまり例えば部分均質モードでの燃焼方法などに入れ替わる。作動モードが非通常作動モードに切り替ると、ブロック５２においてシリンダー個別の燃料噴射時期の最適化、シリンダー個別の供給新気量の最適化、又はシリンダー個別の排ガス再循環レートの最適化によって回転数信号（経過）の所望の同形性がもたらされる。つまり最終的には少なくとも間接的な燃焼位置の制御によってもたらされる。相応の補正値は再びブロック４６において使用され継続される。

燃焼位置制御のための非常に簡単な方法は図４に示されている。この方法では燃焼位置が直接的に求められるわけではない。その代わりに測定されたシリンダー個別の回転加速度ｄｎ／ｄｔ＿ｉｓｔが平均値形成器５４に供給され、この平均値形成器は時間的かつ局所的平均値を形成する。これは所望の回転加速度に等しく、つまり目標値ｄｎ／ｄｔ＿ｓｏｌｌが設定される。ブロック５６ではこの目標値ｄｎ／ｄｔ＿ｓｏｌｌとシリンダー個別の実際値ｄｎ／ｄｔ＿ｉｓｔの間の差分が形成され、この差分が制御器５８に供給される。この制御器からは調整量として補正値ＡＢ＿ｋｏｒｒが得られる。この補正値ＡＢ＿ｋｏｒｒはブロック６２においてそれぞれのインジェクタ２０ａ〜２０ｄに対する駆動制御開始信号ＡＢ＿Ｓｔに加算される。この駆動制御開始信号ＡＢ＿Ｓｔはブロック６４において現下の作動点、例えば現下の回転数ｎや現下のトルクＭＤに基づいて求められる。この図４に示されている方法は基本的には"補償制御"の原理に相応する。というのもこの方法は最終的に全てのシリンダー１２ａ〜１２ｄの燃焼位置を同等に扱うからである。これは次のような考察を基礎としている。すなわち目標回転加速度ｄｎ／ｄｔ＿ｓｏｌｌからの実際の回転加速度ｄｎ／ｄｔ＿ｉｓｔの偏差がシリンダー個別の燃焼位置の、平均値からの偏差に等しいということである。

しかしながら絶対的な燃焼位置（以下では絶対燃焼位置とも称する）を求めることも可能である。これに対しては以下で図５を参照して説明するように基準点として基準トルクが利用される。この基準トルクとは、目標トルクからのシリンダー個別の偏差の和がゼロに等しいとみなされるとき、つまりエンジン全般の実際値トルクが目標値トルクと一致する時、のそのつどの作動点に対する適用値である。但し "全般的な" 絶対値エンジントルクは計算によって、例えば燃焼室圧力センサ３６からの信号に基づく測定圧力から導き出されるトルクの算出によって、あるいはクランクシャフトセンサ３２によって検出されたクランクシャフト回転速度と回転加速度に基づいて、あるいはラムダセンサ３７とＨＦＭセンサ３４からの信号とインジェクタ２０ａ〜２０ｄから実際に噴射された燃料質量の換算とによって算出されてもよい。

図５に示されている方法によれば、クランクシャフトセンサ３２の信号が、すなわち例えば回転加速度ｄｎ／ｄｔ＿ｉｓｔが実際値計算ブロック６６に入力され、該実際値計算ブロック６６は、前述したような方式で求められたトルクＭに基づいて正確な燃焼位置ＶＬ＿ｉｓｔを求める。ブロック６８では回転数ｎと現下の負荷（トルク）ＭＤに基づいて目標値燃焼位置ＶＬ＿ｓｏｌｌが求められる。ブロック５６（ここ及び以下でも図４との機能の類似した領域には同じ符号が付される）では、実際値燃焼位置ＶＬ＿ｉｓｔと目標値燃焼位置ＶＬ＿ｓｏｌｌの間の差分が形成され、制御器５８に入力され、この制御器５８は補正値ＡＢ＿ｋｏｒｒを出力する。

ブロック６６と６８においては、正確な燃焼位置ＶＬの算出の代わりに、実際値トルクと目標値トルクを算出して相応の差分を制御器５８において補正値ＡＢ＿ｋｏｒｒに処理することも考えられる。

前述した非通常作動モードにおける燃焼位置の制御と通常作動モードにおける量補償制御は、トルクの絶対的制御に論理結合させてもよい。この制御ではそのつどの作動点毎に内燃機関１０全体の目標値トルクが設定され、さらに実際値トルクが算出され、差分が制御器に供給される。ここでの制御器は例えば燃料量、新気量、排ガス質量、過給圧などの変更によって差分が調整される。

前述した説明からは、通常の作動モードにおける量補償制御の経過において学習された補正量がそれぞれ別の非通常作動モードに対して伝送されることが特に有利であることがみてとれる。

複数のシリンダーを備えた内燃機関を概略的に示した図 図１による内燃機関の回転数センサの時間的に高分解能の信号が時間軸に亘ってプロットされているダイヤグラム 図１による内燃機関の作動方法を説明するためのフローチャート 図１による内燃機関の作動方法を説明するためのさらなるフローチャート 図１による内燃機関の作動方法を説明するためのさらなるフローチャート

Claims (9)

1. 内燃機関（１０）の作動方法であって、
   クランクシャフト（３０）の回転運動を特徴付ける少なくとも１つの回転量（ｎ，ｄｎ／ｄｔ）をシリンダー個別に検出する形式の方法において、
   回転量（ｎ，ｄｎ／ｄｔ）の差分及び／又は変動が燃焼位置（ＶＬ）に依存していない初期作動状態における第１のステップにおいては、噴射される燃料量が、シリンダー個別に前記差分及び／又は変動の低減のために適応化制御（５３）され、
   回転量（ｎ，ｄｎ／ｄｔ）の差分及び／又は変動が燃焼位置（ＶＬ）に依存している第２の作動状態における第２のステップにおいては、燃料噴射時点（ＡＢ＿Ｓｔ）及び／又は新気量及び／又は排ガス再循環レートが、シリンダー個別に前記差分及び／又は変動の低減のために適応化制御（５２）されるようにしたことを特徴とする方法。
2. 前記第２の作動状態には、非通常作動モード、特に部分的均質化の伴う作動モード及び／又は排ガス後処理装置（２８）のための再循環作動モードが含まれている、請求項１記載の方法。
3. シリンダー個別の回転量（ｎ，ｄｎ／ｄｔ）に基づいてシリンダー個別の燃焼位置（ＶＬ）又はシリンダー個別のトルクが絶対値として求められる、請求項１または２記載の方法。
4. 前記回転量（ｎ，ｄｎ／ｄｔ）の絶対値の基準量としてトルク（Ｍ）、特にガイドシリンダー（１２ｄ）におけるシリンダー圧力から導出されたトルク、ラムダ値及び空気充填量から求められたトルク、又は回転量（ｎ，ｄｎ／ｄｔ）から求められたトルクが利用される、請求項３記載の方法。
5. シリンダー個別の燃焼位置又はシリンダー個別のトルクが目標値（ｄｎ／ｄｔ＿ｓｏｌｌ）に追従するように制御される、請求項２から４いずれか１項記載の方法。
6. 燃焼位置（ＶＬ）が時間的及び／又は局所的平均値に対して設定される、請求項３から５いずれか１項記載の方法。
7. 燃焼位置（ＶＬ）の設定に対してシリンダー個別の実際値回転量（ｄｎ／ｄｔ＿ｉｓｔ）と、シリンダー（１２）に関して平均化された実際値回転量（ｄｎ／ｄｔ＿ｓｏｌｌ）が直接制御器（５８）に供給される、請求項６記載の方法。
8. 請求項１から７いずれか１項記載の方法に使用すべくプログラミングされていることを特徴とするコンピュータプログラム。
9. 請求項１から７いずれか１項記載の方法に使用すべくプログラミングされていることを特徴とする内燃機関（１０）のための開ループ／閉ループ制御装置（３８）。

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