JP5294527B2 - 内燃機関の動作のための方法、コンピュータプログラム及び開ループ及び／又は閉ループ制御装置 - Google Patents

Description

従来技術
本発明は、とりわけ自動車の内燃機関の動作のための方法に関し、この方法では、圧力を加えられた燃料が少なくとも１つの噴射弁を介して供給され、噴射される燃料量は噴射時間によって制御される。

このような方法は市場では周知である。このような方法は機械的に例えば自動車のアクセルペダルに接続されていないスロットルバルブを有するような内燃機関において使用される。この自動車はガソリン直接噴射（ＢＤＥ）の原理により作動し、この原理では高い圧力を有する燃料が内燃機関の燃焼室に直接噴射される。この場合、噴射は噴射弁を介して行われ、この噴射弁は開ループ及び/又は閉ループ制御機器によってこの噴射弁が所定の時間開くように制御される。よって、燃料室に噴射される燃料量は周知の方法では噴射時間によって決定乃至は制御される。

ガソリン直接噴射の基礎は燃料を高い圧力の下で噴射弁に導く燃料システムである。この燃料システムにおけるエラーのために目標圧力領域からの実際燃料圧力の偏差が生じる場合、これは、噴射弁のそれ自体は正確な開弁持続時間にもかかわらず噴射される燃料量が本来要求された燃料量に相応しないことを生じさせてしまう。

この理由から周知の方法では噴射持続時間が燃料圧力に依存して補正される。しかし、補正された噴射持続時間は噴射のために使用できる最大の時間窓よりも長くなることがある。この場合には、噴射の中断が行われる。これは、要求された空気燃料混合気に相応しない燃焼室の空気燃料混合気をもたらす。このような空気燃料混合気は例えば大きく希薄化され、このことは内燃機関の失火にまで至るトルクの降下をもたらしうる。さらに、このように動作された内燃機関のエミッション特性が損なわれる。

上記の問題はとりわけ高い回転数及び相応に要求された大きい噴射すべき燃料量において発生する。従って、周知の方法では目標圧力領域からの燃料圧力の偏差において内燃機関の可能な最大回転数が制限される。しかし、これは、内燃機関の動作における著しい快適性損失をとりわけ自動車の内燃機関の動作との関連においてもたらす。なぜなら、内燃機関の大きな動作領域がもはや自由に使用できないからである。さらに、例えば排気ガスタービン又は触媒コンバータの保護のために必要な、混合気の相応の濃厚化による温度低下がもはや不可能になってしまいかねない。

従って、本発明の課題は冒頭に挙げたタイプの方法を改善し、内燃機関が燃料システムにおけるエラーの場合でも比較的高い快適性で動作され、内燃機関及びそのコンポーネントのできるだけ長い寿命が保証されるようにすることである。

上記課題は冒頭に挙げた方法において実際燃料圧力に依存する内燃機関の最大許容トルクが決定されることによって解決される。

本発明の利点
本発明によって内燃機関の燃料システムにおけるエラーの場合でも内燃機関の損傷を恐れる必要なしにこの内燃機関が高い回転数で動作され得ることが識別された。すなわち、燃料システムのエラーの際の内燃機関の起こりうる損傷の原因は高い回転数ではなく、誤って噴射される燃料量による燃焼室の誤った空気燃料混合気である。この誤った空気燃料混合気の影響は内燃機関の高い実際トルクにおいてとりわけ明瞭である。

内燃機関の最大トルクの制限によって内燃機関の回転数領域全体を利用することが可能となる。よって、本発明では内燃機関は非常に高い回転数でもこの回転数領域において僅かな燃料量が噴射されさえすれば動作できる。これは相対的に見て小さいトルクが内燃機関によって供給されなければならない場合にあてはまる。

自動車の場合にはこのような状況は例えば下り道走行、とりわけトレーラーを有する自動車の動作の場合に生じる。

本発明の有利な実施形態は従属請求項に記載されている。

第１の実施形態では、最大許容トルクが燃焼室の最大空気充填量の制限から得られる。燃焼室の空気充填量は通常の内燃機関では簡単に調整できる値である。スロットルバルブが機械的にアクセルペダルに接続されてはいない内燃機関（いわゆるＥＧＡＳ）では空気充填量は簡単にスロットルバルブの相応の制御によって調整され得る。事前圧縮（ターボチャージャ）を有する内燃機関の場合には通常換気弁を制御し、この換気弁によってチャージ圧力、すなわち最終的には燃焼室の空気充填量が調整される。

この方法の目的は燃料システムにおけるエラーの場合でも燃焼室の所定の燃料空気混合気を調整することである。これは例えば最大空気充填量を噴射可能な最大燃料量に基づいて決定することによって可能となる。この最大空気充填量からは最大許容トルクが得られる。

この噴射可能な最大燃料量は有利には瞬時の回転数、可能な最大噴射時間及び使用される燃料圧力から決定される。噴射可能な最大燃料量のこのような決定はとりわけ燃料システムにおけるエラーがあまりにも小さい圧力に存する場合に与えられる。このようなあまりにも小さい圧力は例えばエラーのある燃料ポンプにおいて生じ得る。

目標圧力領域より下にある燃料システムの圧力によって噴射可能な最大燃料量は低下する。なぜなら、噴射弁の開弁持続時間、すなわち噴射時間の間に噴射弁から比較的少ない燃料量しか噴射されないからである。所定の回転数における可能な最大の噴射時間は、内燃機関の可能な最大の回転数及びこの回転数における弁及び/又は内燃機関固有の可能な最大の噴射時間から得られる（これは一般的にはできるだけ早期の噴射開始及び点火時点に依存する）。

しかし、燃料システムにおけるエラーがあまりにも高すぎる燃料圧力に存する場合もありうる。このようなあまりにも高すぎる圧力は例えば燃料システムに存在する圧力制御弁が故障している場合に生じる。あまりにも高すぎる燃料圧力において噴射弁の確実な開弁を可能にするためには、噴射弁の保持電流を増大しなければならない。しかし、増大された保持電流は噴射弁の制御機器における損失電力の著しい上昇をもたらし得る。これは結果的にこの制御機器の熱負荷をも伴う。これに対して、本発明の方法の実施形態では、噴射可能な最大燃料量を瞬時の回転数、噴射弁の保持電流及び燃料圧力から決定することによって対処する。

内燃機関の最大トルクの制限によって内燃機関の動作特性が場合によっては著しく影響を受けてしまうかもしれないので、本発明の方法の実施形態では次のことが提案される。すなわち、偏差が識別された場合にはエラー通報が行われる。自動車の場合にはこのようなエラー通報によって運転手は内燃機関のノーマルなトルクを使用できないことを知る。従って、この運転手は自分の走行方法を内燃機関の変化した特性に適合させることができる。

本発明はまたコンピュータにおいて実行される場合に上記の方法の実施に適しているコンピュータプログラムに関する。とりわけ有利にはこのコンピュータプログラムはメモリ、とりわけフラッシュメモリに格納される。

最後に本発明はさらにとりわけ自動車の内燃機関の動作のための開ループ及び/又は閉ループ制御装置に関し、この開ループ及び/又は閉ループ制御装置では、圧力を加えられた燃料が少なくとも１つの噴射弁を介して供給され、噴射される燃料量が噴射時間によって制御される。

目標圧力領域からの燃料圧力の偏差の場合にユーザに最大の快適性を内燃機関の動作において提供するために、本発明では次のことが提案される。すなわち、開ループ及び/又は閉ループ制御装置が実際燃料圧力に依存する内燃機関の最大許容トルクを決定する。本発明の開ループ及び/又は閉ループ制御装置の利点に関しては、上記の実施形態を参照のこと。

図面
次に本発明の実施例を添付した図面を参照しながら詳しく説明する。

図面において図１は内燃機関のブロック線図を示し、
図２は図１の内燃機関の動作のための方法の第１の実施例のフローチャートを示し、
図３は図１の内燃機関の動作のための方法の第２の実施例のフローチャートを示し、
図４は図１の内燃機関の動作のための方法の第３の実施例のフローチャートを示す。

実施例の記述
図１には内燃機関が全体として参照符号１０で示されている。この内燃機関は燃焼室１２を有し、この燃焼室１２に燃焼空気が吸気管１４を介して供給される。排気ガスは排気ガス管１６を介して燃焼室１２から排出される。吸気管にはスロットルバルブ１７が設けられ、このスロットルバルブ１７の角度位置は吸気管１４に対して相対的にサーボモータ１９によって調整される。

燃料は燃焼室１２に高圧噴射弁１８を介して到達し、この高圧噴射弁１８は燃料を直接この燃焼室１２に噴射する。この実施例ではただ１つの高圧噴射弁１８が示されているが、当然、複数の弁を設けることもできる。

高圧噴射弁１８は燃料蓄積導管２０によって供給され、この燃料蓄積導管２０にこの高圧噴射弁１８は連絡導管２２を介して接続されている。燃料蓄積導管２０は通常は「レール」と呼ばれる。この燃料蓄積導管２０における燃料は通常は非常に高い圧力の下にあり、この非常に高い圧力は高圧燃料ポンプ２４によってもたらされる。これは入力側で燃料タンク２６に接続されている。燃料蓄積導管２０における圧力の調整のために圧力制御弁２８が設けられており、この圧力制御弁２８は燃料蓄積導管２０と燃料タンク２６との間に中間接続されている。

燃料室１２に生じる燃料空気混合気は点火プラグ３０によって点火され、この点火プラグ３０は点火システム３２によって給電される。

内燃機関１０はさらに開ループ及び閉ループ制御機器３４を有し、この開ループ及び閉ループ制御機器３４は入力側でまず圧力センサ３６に接続されており、この圧力センサ３６は燃料蓄積導管２０における圧力を検出する。よって、圧力制御弁２８、圧力センサ３６及び開ループ及び閉ループ制御機器３４は燃料蓄積導管２０における圧力に対する閉じた閉ループ回路を形成する。さらにこの開ループ及び閉ループ制御機器３４は位置センサ３８から信号を受け取り、この位置センサ３８はアクセルペダル４０の角度位置を測定する。最後に開ループ及び閉ループ制御機器３４はさらに回転数センサ４２に接続されており、この回転数センサ４２はクランクシャフト４４の回転数を検出する。

出力側で開ループ及び閉ループ制御機器３４によってスロットルバルブ１７のサーボモータ１９、点火装置３２、高圧噴射弁１８及び圧力制御弁２８が制御される。

ノーマル動作において位置センサ３８によって伝送されるアクセルペダル４０の角度位置に相応する出力要求が開ループ及び閉ループ制御機器３４によってスロットルバルブ１７のサーボモータ１９及び高圧噴射弁１８に対する相応の制御信号に変換される。故障した高圧燃料ポンプ２４のために燃料蓄積導管２０における圧力があまりにも低すぎる場合、高圧噴射弁の噴射持続時間が補正される（すなわち増大される）。しかし、一方で最大噴射持続時間は吸入サイクルの開始時点によって及び他方で点火時点によって制限されているので、比較的少ない燃料が高圧噴射弁１８を介して内燃機関１０の燃焼室１２に到達する状況が存在しうる。この場合、コンピュータプログラムとして開ループ及び閉ループ制御機器３４のここには図示されていないメモリに格納されている方法によって処理される。この方法は次のように実行される（図２参照）。

スタートブロック４６の後でブロック４８において高圧噴射弁１８の可能な最大噴射時間ｔｉｍｘｔｈが決定される。所定の回転数における可能な最大噴射時間ｔｉｍｘｔｈはファクタＦ（ブロック５０）を回転数センサ４２から伝達されるクランクシャフト４４の回転数ｎｍｏｔ（ブロック５２）によって除算することから得られる。このファクタＦは内燃機関１０の可能な最大回転数をこの最大回転数における高圧噴射弁１８のできるだけ長い噴射時間と乗算することから決定される。

通常の内燃機関１０では可能な最大回転数は例えばほぼ６０００回転/分である。最大回転数におけるできるだけ長い噴射時間はせいぜい相応の吸入サイクルの長さプラス圧縮サイクルの所定の部分に相応し、６０００回転/分の回転数の場合にはこれは５ミリ秒より若干大きい。

ブロック５４において瞬時の回転数ｎｍｏｔにおける可能な最大噴射時間ｔｉｍｘｔｈから圧力センサ３６によって供給される燃料蓄積導管２０における瞬時の圧力ｐｒを考慮して噴射可能な最大燃料量ｒｋｍｘｔｈが決定される。これからブロック５６において燃焼室１２における空気燃料混合気の所望の組成を考慮して相応の空気充填量ｒｌｍａｘｔｈが決定される。燃焼室１２における燃料空気混合気の所望の組成は通常はラムダ値によって示される（ブロック５８）。

噴射可能な最大燃料量ｒｋｍｘｔｈ及び相応の空気充填量ｒｌｍａｘｔｈは次に特性マップＭＩＭＸＴＨに供給され（ブロック６０）、この特性マップの出力量は、所望の混合気組成及び噴射可能な最大燃料量を顧慮した内燃機関１０の最大許容トルクｍｉｍｘｔｈである（ブロック６２）。その他に次のことを指摘しておく。すなわち、目標燃料圧力より明らかに小さい燃料圧力の場合には更なるトルク低減が必要となる。なぜなら、混合気形成が正確に機能しないからである。これは回転数に依存するファクタ（ここでは示されていない）によって考慮され得る。

内燃機関１０の最大許容トルクｍｉｍｘｔｈはいわゆる運転手所望トルクｍｉｆａｂと比較される。この運転手所望トルクｍｉｆａｂはブロック６４においてアクセルペダル４０の位置センサ３８の信号から得られる。ブロック６６において最小値形成が行われ、この最小値形成はブロック６８において出力量として内燃機関１０の目標トルクｍｉを発生させる。この方法はブロック７０において終了する。

燃料蓄積導管２０の圧力ｐｒに基づく最大許容トルクｍｉｍｘｔｈが運転手所望トルクｍｉｆａｂより小さいならば、トルクｍｉｍｘｔｈが目標トルクとして出力される。さもなければ、運転手所望トルクｍｉｆａｂが目標トルクとして使用される。このようにして目標圧力領域より小さい燃料蓄積導管２０における圧力ｐｒの場合でも燃焼室１２の空気燃料混合気の所望の組成が調整されることが保証される。この場合内燃機関１０の高い回転数も可能である。

回転トルクの制限は有利には開ループ及び閉ループ制御機器３４によるスロットルバルブ１７のサーボモータ１９の相応の制御によって行われる。この相応の制御によって燃焼室１２における空気充填量がブロック５６において決定される可能な最大空気充填量ｒｌｍａｘｔｈに調整され、この空気充填量ｒｌｍａｘｔｈにおいて所望のラムダ値に相応する燃焼室１２の空気燃料混合気が生じる。図２に図示された方法は有利には圧力センサ３６によって検出される燃料圧力ｐｒが燃料蓄積導管２０の圧力に対する許容領域より小さい場合にだけ活性化される。

図３には燃料蓄積導管２０における誤った圧力ｐｒに対して反応するための方法の第２の実施例が記載されている。図２の機能ブロックと機能的に等価な機能ブロックは図３において同一の参照符号を有し、もう一度詳しく説明はしない。

図３に図示された方法は燃料蓄積導管２０における圧力ｐｒが例えばエラーのある圧力制御弁２８のために許容領域より大きい場合に対して考えられている。この場合でも高圧噴射弁１８の確実な開弁を可能にするために、高圧噴射弁１８の保持電流が増大されなければならない。しかし、これは開ループ及び閉ループ制御機器３４における損失電力の上昇をもたらしてしまう。これに対して高圧噴射弁１８の可能な最大噴射時間の低減乃至は内燃機関１０の最大許容トルクの低減によって対処する。これは詳細には次のように行われる。

ブロック７２において圧力センサ３６により検出された燃料蓄積導管２０の圧力ｐｒがリードオンリーメモリ７４に格納された限界値Ｇと比較される。圧力ｐｒが限界値Ｇを上回るならば、ブロック７６において保持電流ｉｈが増分ｄｉｈだけ増大され、エラー通報８０が送出される。こうして大きな燃料圧力ｐｒにおいても噴射弁１８の確実な開弁が保証されることが確実となる。圧力ｐｒが許容領域にある場合、すなわち限界値Ｇより小さい場合、ブロック７２における限界値検査への戻りジャンプが行われる。この戻りジャンプは場合によっては所定のタイミングレートで行われる。

続いてブロック７８において回転数センサ４２から供給される回転数ｎｍｏｔを使用して高圧噴射弁１８の可能な最大噴射時間ｔｉｍｘｔｈが決定される。この噴射時間は必ずノーマルな燃料圧力における噴射時間よりも短い。

この可能な最大噴射時間ｔｉｍｘｔｈに依存してブロック５４において噴射可能な最大燃料量ｒｋｍｘｔｈが決定される。図３に図示された方法の後続の経過は図２の方法に相応し、ここではもう説明しない。この方法の最後にいずれにせよ目標トルクｍｉが得られ、この目標トルクｍｉは２つのトルクｍｉｍｘｔｈとｍｉｆａｂのうちの小さい方に相応する。トルクｍｉｍｘｔｈは最大許容噴射持続時間ｔｉｍｘｔｈに基づいて制限されたトルクである。

こうして、燃料蓄積導管２０におけるあまりにも高すぎる圧力ｐｒの場合でも、内燃機関１０の損傷を恐れる必要なしに、回転数制限なしで済む内燃機関１０の快適な動作が可能であることが保証される。回転数領域全体が使用されるにもかかわらず、とりわけ同時に生じるトルク降下を有する失火を恐れる必要がない。内燃機関１０を有する自動車の運転手はさらにブロック８０におけるエラー通報によって使用可能な最大トルクの低下を指摘され、よってこの運転手は自分の走行方法を低減された駆動出力に適合させることができる。

図４には可能な最大トルクを内燃機関の瞬時の状況に適合させる更に別の方法が図示されている。図４に図示された方法の基礎は、燃料圧力の低下の際には噴射される燃料量は同じ噴射持続時間において低下するという考え方である。この場合、最大回転数及び最大濃厚化による全負荷の際に要求された量がかろうじて内燃機関の燃焼室に噴射されるように弁が設計されていると仮定する。この場合、低下した燃料圧力における可能なトルクはちょうどこの低下した圧力のために噴射量が変化する分だけ低減されなければならない。パーセント表示の変化は目標圧力に対する実際圧力の根を１００％で乗算することから得られる。

比較的小さい回転数の際に燃料圧力が低下する場合には噴射時間が延長される。それゆえ、低下した燃料圧力が必ずしもトルク低減をもたらさざるおえないわけではない。回転数に依存するファクタを介してトルク低減も相応に撤回される。

詳しくはこの方法は次のように作動する。実際燃料圧力ｐｒｉｓｔ（ブロック８２）が圧力センサ３６から供給される。ブロック８４においてこれが燃料目標圧力ｐｒｓｏｌｌ（ブロック８６）によって除算され、これから得られる比ｐｒｑｕｏｔ（ブロック８８）は特性曲線ＫＬＭＢＨＤＳＱＲ（ブロック９０）に供給される。この特性曲線ＫＬＭＢＨＤＳＱＲは根形成器であり、この根形成器から噴射量乃至は最大トルクの上述のパーセント表示の低下が得られる。

ブロック９０における特性曲線の出力側で値が得られ、この値は瞬時の回転数ｎｍｏｔが供給される特性曲線ＫＬＭＢＨＤＮ（ブロック９４）から出力されるファクタと乗算される。従って、この回転数補正された結果は最小値選択（ブロック９５）に送られ、そこで最大値１００％と比較される。この結果はトルクｍｉｔｉｂｇｒ（ブロック９６）であり、このトルクｍｉｔｉｂｇｒは図２乃至は図３の場合のように運転手所望トルクとの最小値選択（それらのブロック６６）に供給される。

このようにして付加的に直接低減された燃料圧力ならびに回転数が可能な最大トルクの形成の際に考慮される。

内燃機関のブロック線図を示す。 図１の内燃機関の動作のための方法の第１の実施例のフローチャートを示す。 図１の内燃機関の動作のための方法の第２の実施例のフローチャートを示す。 図１の内燃機関の動作のための方法の第３の実施例のフローチャートを示す。

１０ 内燃機関
１２ 燃焼室
１４ 吸気管
１６ 排気ガス管
１７ スロットルバルブ
１８ 高圧噴射弁
１９ サーボモータ
２０ 燃料蓄積導管
２２ 連絡導管
２４ 高圧燃料ポンプ
２６ 燃料タンク
３０ 点火プラグ
３２ 点火システム
３４ 開ループ及び閉ループ制御機器
３６ 圧力センサ
３８ 位置センサ
４０ アクセルペダル
４２ 回転数センサ
４４ クランクシャフト
Ｇ 限界値

Claims (10)

1. 内燃機関（１０）の動作方法であって
   前記内燃機関（１０）は、昇圧された燃料を該内燃機関（１０）の燃焼室（１２）へ供給するための少なくとも１つの噴射弁（１８）を含む燃料システムを備えており、
   前記少なくとも１つの噴射弁（１８）の噴射量は、該少なくとも１つの噴射弁（１８）の噴射時間によって制御され、
   前記燃料システム内の瞬時の燃料圧力（ｐｒ）が許容領域から偏差する場合、前記燃料システムの瞬時の燃料圧力（ｐｒ）に依存して前記少なくとも１つの噴射弁（１８）の噴射可能な最大燃料量（ｒｋｍｘｔｈ）を決定し、
   前記内燃機関（１０）によって生成されるトルクを、前記噴射可能な最大燃料量（ｒｋｍｘｔｈ）に依存する最大許容トルク（ｍｉｍｘｔｈ）に制限し、
   前記最大許容トルク（ｍｉｍｘｔｈ）はさらに、燃焼室（１２）の最大空気充填量（ｒｌｍａｘｔｈ）も使用して得られ、
   前記最大許容トルク（ｍｉｍｘｔｈ）は運転手所望トルク（ｍｉｆａｂ）と比較され、前記運転手所望トルク（ｍｉｆａｂ）が前記最大許容トルク（ｍｉｍｘｔｈ）より大きいときには、前記最大許容トルク（ｍｉｍｘｔｈ）が目標トルクとして使用されることを特徴とする、内燃機関（１０）の動作方法。
   
2. 前記最大許容トルク（ｍｉｔｉｂｇｒ）はさらに、前記内燃機関の瞬時の回転数（ｎｍｏｔ）も使用して得られることを特徴とする、請求項１記載の動作方法。
   
3. 前記最大空気充填量（ｒｌｍａｘｔｈ）は噴射可能な最大燃料量（ｒｋｍｘｔｈ）に基づいて決定されることを特徴とする、請求項１または２記載の動作方法。
   
4. 前記噴射可能な最大燃料量（ｒｋｍｘｔｈ）は瞬時の回転数（ｎｍｏｔ）、可能な最大噴射時間（ｔｉｍｘｔｈ）及び前記瞬時の燃料圧力（ｐｒ）から決定されることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の動作方法。
   
5. 前記噴射可能な最大燃料量（ｒｋｍｘｔｈ）は瞬時の回転数（ｎｍｏｔ）、前記噴射弁（１８）の保持電流（ｉｈ）及び前記瞬時の燃料圧力（ｐｒ）から決定されることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の動作方法。
   
6. 前記偏差が識別された場合にはエラー通報（８０）が行われることを特徴とする、請求項１〜５のうちの１項記載の動作方法。
   
7. 前記瞬時の燃料圧力（ｐｒｉｓｔ）が低下した場合には前記最大許容トルク（ｍｉｔｉｂｇｒ）はノーマルなトルクに対してちょうど低下した圧力により噴射量が変化する分だけ低減されることを特徴とする、請求項１〜６のうちの１項記載の動作方法。
   
8. 請求項１〜７のうちの１項記載の動作方法を実施するために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. メモリに格納されていることを特徴とする、請求項８記載のコンピュータプログラム。
   
10. 内燃機関（１０）の動作のための開ループ及び／又は閉ループ制御装置において、
    メモリを有しており、該メモリに、請求項８または９記載のコンピュータプログラムが格納されていることを特徴とする、内燃機関（１０）の動作のための開ループ及び／又は閉ループ制御装置。

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