JP5165361B2 - 過給運転における内燃機関過給装置の制御方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関用過給装置の制御方法および装置に関するものである。

内燃機関の運転のために、シリンダ内に燃料が噴射され且つ対応空気質量流量が供給される。いわゆるシリンダ空気充填量を示すシリンダ内への空気質量流量は、それぞれのエンジン状態に適合されている。例えばドライバから要求されたトルクによりシリンダ目標空気充填量が決定され、この場合、絞り弁制御によりエンジン内への空気質量流量が制御され、および実際空気充填量が目標空気充填量にできるだけ良好に追従することが保証される。このとき、絞り弁は、希望の質量流量がエンジン内に流動可能なように設定されなければならないのみならず、絞り弁とエンジンとの間の空間容積いわゆる吸気管容積ができるだけ急速に充填ないしは空にされなければならないので、即ち希望の吸気管圧力が形成ないしは解消されなければならないので、この絞り弁による空気充填量の制御はむずかしくなる。

吸気管の容積があるために、要求目標空気充填量は直接実際空気充填量即ちエンジン内への実際質量流量に対応しなくなる。通常、この特性はいわゆる充填制御器によって考慮され、充填制御器は、実際空気充填量ができるだけ常に同じ動特性で形成されることを保証する。これにより、絞り弁によって制御されるエンジンの場合、再現可能なエンジン特性および急速なエンジン応答が達成される。

過給エンジン、即ち例えば排気ガス・ターボチャージャ、圧縮機のような過給装置または類似の過給装置を有する内燃機関においては、空気充填量は、各運転状況において、絞り弁により設定可能ではない。絞り弁運転においては、絞り弁手前の給気配管内圧力が希望の目標空気充填量に対応する圧力より大きくなるように行われ、この場合、絞り弁は、吸気管内に充填制御器により必要とされている空気充填量（圧力）を設定するために、給気配管内の（供給空気質量流量により形成される）圧力が絞り可能となる設定範囲内において作動される。しかしながら、このために、絞り弁後方の吸気管内に設定されるべき圧力よりも十分に高い圧力（給気圧力）が絞り弁手前に常に供給されることが保証されなければならず、これにより、燃料消費量は上昇される。

要求空気充填量がより高い過給運転においては、供給圧力制御が空気充填量を供給可能であり、この場合、絞り弁は完全に開放されているか、または僅かに絞られているにすぎない。このために、対応する高い目標空気充填量においては、充填制御が目標供給圧力を計算し、この目標供給圧力は、このとき同様に、（過給装置の）供給圧力制御により設定される。古典的な供給圧力制御は、例えば予制御および特性曲線群ベースＰＩ（Ｄ）制御器から構成されている。予制御は通常定常的に作動され、および過給装置とエンジンとの間に特定の容積を有する吸気管が存在することを考慮していない。特性曲線群ベース制御器内には、装置の固有動特性（即ちこの空間を表わす物理特性）と制御パラメータとの間の直接の関係は存在しない。したがって、特性曲線群は、そのままでは、過給範囲内における所定の充填動特性が設定されるようには使用可能ではない。

したがって、燃料消費量を上昇させることなく、シリンダ内への空気充填量の再現可能設定がそれにより可能な、内燃機関の過給運転において予め設定されるべき空気質量流量の設定方法および装置を提供することが本発明の課題である。

この課題は、請求項１の内燃機関の過給運転において予め設定されるべき空気質量流量の設定方法並びに請求項に記載の対応装置により解決される。
本発明のその他の有利な形態が従属請求項に記載されている。

一形態により、過給運転において予め設定されるべき空気質量流量の設定方法が提供されている。過給運転において、吸気管内に作用している圧力が、設定可能な供給空気質量流量のみにより且つ絞り弁制御を介することなく設定される。要求トルクがシリンダ内への空気質量流量に対応し、この空気質量流量が吸気管内圧力によって設定可能である。 シリンダ内への空気質量流量を設定するために、吸気管内圧力が、設定可能な充填動特性により、制御によって設定される。

運転点の関数としての過給装置の制御とは異なり、本発明により、設定可能な空気充填動特性がそれにより達成可能な空気充填制御が行われる。エンジンが過給運転で運転されるときの要求トルクにおいて、即ち充填制御がもはや絞り弁を介してではなくもっぱら過給装置を介して行われる内燃機関の運転範囲内において、定常的に必要とされる質量流量よりも高い、即ち実際に目標空気質量流量として内燃機関から要求される質量流量よりも高い、充填動特性により設定される質量流量が過給装置を介して要求されることによって充填動特性が得られる。この結果、シリンダ内への実際空気質量流量を設定するために必要な吸気管内圧力は、従来の制御における場合よりも急速に達成可能となる。さらに、これにより、所定の吸気管内圧力を達成させる動特性を再現可能にすることができ、したがって、各エンジン状態においてエンジンの同じ応答特性が達成可能である。

さらに、吸気管内圧力が、供給空気質量流量の設定によって設定可能である。所定の動特性が装置の固有動特性より急速である場合、シリンダ内への空気質量流量を上昇させるために、例えば過給装置を介して供給される空気質量流量が、特定の時間区間の間、シリンダ内への目標空気質量流量に対して、物理特性および要求動特性の関数として適切に上昇され、およびシリンダ内への空気質量流量を低下させるために、供給空気質量流量が、特定の時間区間の間、シリンダ内への目標空気質量流量に対して低下可能である。

前記特定の時間区間が、吸気管内圧力を、シリンダ内への空気質量流量が要求トルクに対応する圧力に設定する時間区間に対応可能であることが好ましい。
供給空気質量流量が過給装置から供給され、過給装置は供給空気質量流量を操作／制御によって供給可能である。

供給空気質量流量が、充填動特性により、決定された時定数を用いて設定可能であることが好ましい。
一実施形態により、要求トルクに対応する空気質量流量がしきい値を超えたとき、内燃機関の過給運転が行われ、およびそれ以外のとき、シリンダ内への空気質量流量の制御を絞り弁位置の設定により行う絞り弁運転が行われる。

他の形態により、過給運転において予め設定されるべき空気質量流量の設定エンジン装置が提供されている。エンジン装置は、内燃機関シリンダ内への空気質量流量を決定する、吸気管内に作用している圧力を設定するために、設定可能な吸気管内への空気質量流量を供給するための過給装置を含む。制御ユニットを用いて、吸気管内圧力が設定可能な充填動特性によって制御されることにより、要求トルクの関数としてシリンダ内への空気質量流量が設定される。

さらに、エンジン装置は、制御ユニットにより、過給運転において、ほぼ完全に開放される絞り弁を有していてもよい。
吸気管内圧力を供給空気質量流量の設定により設定するように、シリンダ内への空気質量流量を上昇させるために、供給空気質量流量を、特定の時間区間の間、シリンダ内への空気質量流量に対して希望の充填動特性の関数として上昇させるように、シリンダ内への空気質量流量を低下させるために、供給空気質量流量を、特定の時間区間の間、シリンダ内への供給空気質量流量に対して低下させるように、制御ユニットが形成されていることが好ましい。

以下に好ましい実施形態を添付図面により詳細に説明する。

図１および２は内燃機関１の２つの運転方式の略図を示す。内燃機関１は一列のシリンダ２を有し、図を見やすくするために、そのうちの１つのシリンダ２のみが示されている。シリンダ２に、吸気弁３を介して空気質量流量が供給され、空気質量流量はシリンダ２内に流入可能であり、これにより、シリンダ２内に空気充填量を設定する。シリンダ２内に流入する空気質量流量は、吸気弁３手前の吸気管４内に特定の圧力が形成ないしは解消されることにより吸気管４を介して供給され、これにより、シリンダ２内への希望の空気質量流量を形成可能である。

内燃機関は、２つの運転方式即ち絞り弁運転および過給運転において運転可能である。図１に示されているような絞り弁運転において、吸気管４内圧力は、絞り弁手前に配置されている給気配管６内のより高い圧力を希望の吸気管４内圧力に低下させる絞り弁５位置を介して設定される。給気配管６内圧力は、例えば圧縮機、排気ガス・ターボチャージャ等のような過給装置７から供給される。絞り弁運転において、過給装置７は、特定の一定給気配管６内圧力ないしは空気質量流量を、または回転速度またはその他の運転パラメータの関数としての給気配管６内圧力ないしは空気質量流量を給気配管６内に供給するように操作される。このいわゆる給気圧力は、シリンダ２内への空気質量流量を設定するために、絞り弁５により対応する希望吸気管圧力に低下される。

シリンダ２内に流入する空気質量流量が（特定のしきい値より大きい）特定の値に到達した場合、吸気管圧力と最大供給給気圧力との間の圧力差は小さくなる。このとき、吸気管圧力はもはや十分な精度で絞り弁５を介して設定可能ではない。この場合、過給エンジン装置においては、吸気管圧力ないしはそれ以上の各吸気管圧力上昇を、完全に過給装置７を介して供給することが可能である。このために、図２に示されているような過給運転においては、絞り弁は完全にまたはほぼ完全に開放され、および過給装置７に、吸気管４内に流入する質量流量に対応する操作変数が供給される。したがって、定常の場合、過給装置７は、吸気弁３を介してシリンダ２内にも流入すべき空気質量流量を供給する。

ここで、通常、シリンダ２内への希望空気充填量が変化した場合、過給装置７は過給運転において対応値に設定され、これにより、過給装置７は、（要求トルクにより決定された）目標空気充填量に基づいてシリンダ内にも流入すべき空気質量流量を供給する。しかしながら、このような方法は吸気管４容積を考慮してなく、吸気管４容積は、対応する目標空気充填量値のために必要な吸気管圧力ないしはシリンダ２内への空気質量流量が得られる前に、吸気管４において必要な変化されるべき圧力に基づいて、はじめに追加の空気質量流量が充填ないしは空にされなければならない。

ここで、吸気管４内圧力を、シリンダ２内への目標空気質量流量の供給のために必要な圧力に（固有動特性よりも）急速に設定するために（上昇／低下させるために）、過給運転において過給装置７から供給されるべき空気質量流量を、少なくとも短時間、目標空気充填量を形成するためにシリンダ２内に流入すべき必要な目標空気質量流量に関して適合させること（上昇／低下させること）が行われる。これにより、過給運転においてシリンダ２内の再現可能な空気充填量変化特性を可能にするために、必要な吸気管４内圧力をより急速に得ること、ないしは吸気管４内圧力を特定の設定充填動特性により設定することが達成されることになる。

希望の充填動特性による吸気管４内供給圧力の形成は、次式のように表わすことができる。

ここで、Ｖは容積に、Ｔは温度に、Ｒは理想気体定数に、ｐは吸気管内圧力（吸気管圧力＝給気圧力）に、ｍｓ_Ａは過給装置７から供給される質量流量に、およびｍｓ_Ｍはシリンダ２内に流入する質量流量に対応する。目標給気圧力のステップ状変化に対して、次に、目標値のステップ状変化後に、

を用いて、

の給気圧力誤差動特性が得られ、ここで、ｐ_Ｓは目標給気圧力を、およびＴ_Ｓは希望充填動特性の時定数を示す。充填動特性は、例えば目標値と実際値との間のステップ状変化後における誤差がそれにより解消される経過、即ち実際値が目標値にそれにより追従可能な動特性を決定する。時定数Ｔ_Ｓは希望の動特性を設定するために、原理的に自由に選択可能である。しかしながら、小さすぎる時定数を許容しない、全体装置の物理的限界が注意されるべきである。

式（２）により、過給装置７から吸気管４容積（ないしは吸気管４および給気配管６の全容積）内に供給されるべき質量流量ｍｓ_Ａはシリンダ２内に流入する実際空気質量流量ｍｓ_Ｍより大きく、これにより、シリンダ２内への目標空気質量流量に対して必要な特定の吸気管４内供給圧力がより急速に達成可能であることが得られる。

図３に、要求目標トルク、それから得られる目標空気充填量、目標給気圧力ｐ_Ｓおよび実際給気圧力ｐ_Ｉ、過給装置７を介して供給される質量流量ｍｓ_Ａとシリンダ２内への空気質量流量ｍｓ_Ｍとの間の差から得られる差質量流量Ｍ_Ｒ、および過給装置７から供給される空気質量流量ｍｓ_Ａの時間線図が示されている。

トルクのステップ状変化が要求されたとき、目標空気充填量も同様にステップ状に上昇し且つ吸気管４内の必要目標給気圧力ｐ_Ｓもまた同様に上昇することがわかる。給気圧力は物理的な理由からステップ状に上昇可能ではないので、有限勾配を有する給気圧力上昇が得られる。給気圧力が設定されるように、所定の動特性に従って吸気管４内給気圧力を形成するために、過給装置７が制御ユニット８により操作され、これにより、充填動特性に対応して、同じ時点においてシリンダ２内に流入すべき質量流量ｍｓ_Ｍより大きい質量流量ｍｓ_Ａを供給することができる。これが図３の最下線図に定性的にのみ示されている。

図示の制御方式において、供給されるべき空気質量流量ｍｓ_Ａに対する値が求められ、この値は過給装置７に目標値として供給される。通常、供給される質量流量ｍｓ_Ａは、階層的に給気圧力制御の下位に位置する制御により設定される。例えば、図４に示されているような装置において、過給装置７が再循環配管１１を有する圧縮機１０として形成され、再循環配管１１内に圧縮機制御弁１２が存在する場合、圧縮機制御弁１２位置は、過給装置から供給されるべき質量流量の関数としての操作変数に変換可能である。

上記の式（２）により、このような装置において同様に、

が得られ、ここで、ｍｓ_ＫＲＫは圧縮機制御弁１２により導かれた空気質量流量に、およびｍｓ_ＫＰｒは圧縮機１０から供給された空気質量流量に対応する。
一般に、過給装置を有する内燃機関において、トルク要求が小さいときは、絞り弁を絞って、吸気管から吸気弁を通過してシリンダ内に空気が入る。一方、トルク要求が大きくなると、絞り弁前の給気圧力を高くして吸気管内圧力を上げてシリンダ内へ空気を供給する。このように吸気管内圧力を制御して、空気充填量を制御している。しかしながら、実際の内燃機関では、絞り弁とエンジンとの間に吸気管容積が存在する。このため、トルク変化要求があったときは、過給装置により供給される空気質量流量ｍｓ_Ａと、シリンダ内への空気質量流量ｍｓ_Ｍとの間に差があり、従来の制御（予制御と特性曲線群によるＰＩＤ制御）では、これが考慮されていなかった。そのために、過給装置からの供給圧力を高くし、また、絞り弁を絞り可能にして運転するために、燃料消費量が多くなるという問題点があった。これに対して、本実施例では、上記したように、例えば、吸気管容積を考慮して、吸気管内圧力が設定可能な充填動特性により制御設定され、給気圧力は、特定の時間区間（時定数）の間、充填動特性の関数として上昇又は低下され、要求トルクが低いときは絞り弁運転で、要求トルクが高いときは絞り弁開放の過給運転が行われる。

絞り弁運転におけるエンジン装置の略図である。 過給運転におけるエンジン装置の略図である。 目標空気充填量、供給圧力、過給装置から供給される空気質量流量およびシリンダに供給される空気質量流量を示した時間線図である。 供給される空気質量流量が圧縮機制御弁により制御される、圧縮機を有するエンジン装置の略図である。

符号の説明

１ 内燃機関
２ シリンダ
３ 吸気弁
４ 吸気管
５ 絞り弁
６ 給気配管
７ 過給装置
８ 制御ユニット
１０ 圧縮機
１１ 再循環配管
１２ 圧縮機制御弁
Ｍ_Ｒ 差質量流量
ｍｓ_Ａ 過給装置により供給される空気質量流量
ｍｓ_Ｍ シリンダ内への空気質量流量
ｐ 給気圧力
ｐ_Ｓ 目標給気圧力
ｐ_Ｉ 実際給気圧力
Ｔ_Ｓ 時定数
ｔ 時間

Claims (5)

1. 過給運転において、吸気管（４）内に作用している圧力が、設定可能な供給空気質量流量のみによって設定され、
   要求トルクがシリンダ（２）内への空気質量流量に対応し、この空気質量流量が吸気管（４）内圧力によって設定可能である、
   過給運転において予め設定されるべき空気質量流量の設定方法において、
   シリンダ（２）内への空気質量流量を設定するために、吸気管（４）内圧力が、吸気管容積を用いて設定可能な充填動特性により、制御によって設定され、
   吸気管（４）内圧力が、供給空気質量流量の設定によって設定され、
   シリンダ（２）内への空気質量流量を上昇させるために、供給空気質量流量が、特定の時間区間の間、シリンダ（２）内への空気質量流量に対して、所定の充填動特性の関数として上昇され、およびシリンダ（２）内への空気質量流量を低下させるために、供給空気質量流量が、特定の時間区間の間、シリンダ（２）内への空気質量流量に対して、所定の充填動特性の関数として低下され、
   供給空気質量流量が過給装置（７）から供給され、過給装置（７）は供給空気質量流量を操作／制御によって供給し、
   供給空気質量流量が、充填動特性により、決定された時定数を用いて設定されることを特徴とする、過給運転において予め設定されるべき空気質量流量の設定方法。
2. 請求項１に記載の方法において、
   前記特定の時間区間が、吸気管（４）内圧力を、シリンダ（２）内への空気質量流量が要求トルクに対応する圧力に設定するために必要となる時間区間に対応することを特徴とする方法。
3. 請求項１または２に記載の方法において、
   要求トルクに対応する空気質量流量がしきい値を超えたとき、内燃機関の過給運転が行われ、およびそれ以外のとき、シリンダ（２）内への空気質量流量の制御を絞り弁位置の設定により行う絞り弁運転が行われることを特徴とする方法。
4. 内燃機関シリンダ（２）内への空気質量流量を決定する、吸気管（４）内に作用している圧力を設定するために、設定可能な吸気管（４）内への空気質量流量を供給するための過給装置（７）を有する内燃機関の過給運転において予め設定されるべき空気質量流量の設定エンジン装置において、
   吸気管（４）内圧力が、吸気管容積を用いて設定可能な充填動特性によって制御されることにより、要求トルクの関数としてシリンダ（２）内への空気質量流量を設定するように形成されている制御ユニット（８）を備え、
   吸気管（４）内圧力を供給空気質量流量の設定により設定するように、
   シリンダ（２）内への空気質量流量を上昇させるために、供給空気質量流量を、特定の時間区間の間、シリンダ（２）内への空気質量流量に対して、所定の充填動特性の関数として上昇させるように、
   シリンダ（２）内への空気質量流量を低下させるために、供給空気質量流量を、特定の時間区間の間、シリンダ（２）内への供給空気質量流量に対して、所定の充填動特性の関数として低下させるように、
   制御ユニット（８）が形成されており、
   供給空気質量流量が過給装置（７）から供給され、過給装置（７）は供給空気質量流量を操作／制御によって供給し、
   供給空気質量流量が、充填動特性により、決定された時定数を用いて設定されることを特徴とする、過給運転において予め設定されるべき空気質量流量の設定エンジン装置。
5. 請求項４のエンジン装置において、
   制御ユニット（８）が、過給運転において、絞り弁（５）をほぼ完全に開放する、絞り弁（５）を有するエンジン装置。

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