JP5784013B2 - 内燃機関の動作方法および装置 - Google Patents

Description

従来技術
本発明は、請求項１の上位概念に記載された、内燃機関の動作方法に関する。本発明の構成要件はさらに、コンピュータプログラム、電気的な記憶媒体並びに開ループ制御装置および／または閉ループ制御装置に関する。

例えば、噴射弁から直接的に各燃焼室内にガソリンが噴射される内燃機関が市場から知られている。このような噴射弁は、バルブニードルを有している。これは例えば、電磁式操作装置によって操作される。燃料の最適な噴射量を正確な量に計算するための異なる方法が知られている。ここでは殊に、噴射弁に対する駆動制御情報、例えば駆動制御開始、駆動制御持続時間および／または駆動制御終了が求められる。これらの情報が正確になるほど、開ループ制御装置および／または閉ループ制御装置によって調量がより正確に制御される。ここではさらに、バルブニードルの開放および閉鎖時の遅延時間も考慮されるべきである。

本発明の開示内容
本発明の課題は、冒頭に記載した形式の方法を改良し、噴射弁を介した燃料噴射をさらに最適化することである。

上述の課題は本発明と相応に、請求項１記載の方法によって解決される。別の解決方法は、添付した特許請求範囲に記載されており、コンピュータプログラム、電気的な記録媒体並びに開ループ制御装置および／または閉ループ制御装置に関する。本発明の有利な発展形態は従属請求項に記載されている。さらに本発明にとって重要な特徴を以下の明細書および図面に示す。これらの特徴は、単独でも、明示されていない異なる組み合わせでも、本発明にとって重要である。

本発明の方法によって、噴射弁の開放遅延時間が求められる。ここでは、開放遅延時間に差をもたらす、個々の、相違する、バルブ素子、弁座、場合によっては磁石アンカーの不正確さが考慮される。電磁式操作装置によって操作される噴射弁の基本的な構造は、本発明の方法にとって重要ではない。すなわち、バルブ素子が固定的に磁石コアと接続されていても、またはこれが弁素子に対して、ある程度の軸の遊びを有している磁石アンカーを有していてもよい。

弁開放持続時間は、開放遅延時間を引いた駆動制御持続時間と、（駆動制御持続時間終了後の）閉鎖時間とから成る。すなわち純粋に数学的には：
弁開放持続時間＝駆動制御持続時間−開放遅延時間＋閉鎖時間 （１）
である。

本発明による方法の基となる考えは、バルブ素子のストローク運動がちょうど可能ではなくなった、またはぎりぎり不可能であり、これによって弁が閉鎖されたままである、駆動制御持続時間を求めることである。これによって、弁開放持続時間および閉鎖時間が無くなる。この場合には、上述の式を変換することによって、式は純粋に数学的に減り、：
開放遅延時間＝駆動制御持続時間 （２）
となる。

すなわち、この場合には、求められた駆動制御持続時間が、開放遅延時間に相当する。これは、走行動作の間、実際の駆動制御持続時間に依存せずに、最も簡単な場合には、一定とみなされる。

噴射弁の閉鎖は、異なる既知の方法、例えばセンサによって、および／または電気パラメータまたは電磁パラメータの分析によって、容易に求められる。このうちの幾つかは、噴射弁を開ループ制御するおよび閉ループ制御するために元から組み込まれている。従ってこれは付加的なコスト要因にならない。

噴射弁の閉鎖がちょうど確認できなくなるまで駆動制御持続時間が徐々に短くされ、または、噴射弁の閉鎖が確認可能になるまで駆動制御持続時間が徐々に長くされ、噴射弁に対する開放遅延時間が、駆動制御開始から最後のないしは最初の閉鎖までの時間から求められる場合に、本発明の方法は特に有効である。

ここで算出時間を短くするために、この方法の第１のステップにおいて、比較的大きい時間的な変化をクリチカルな点の近傍において生じさせ、次に小さいステップにおいて、バルブ素子のストローク運動および閉鎖運動がちょうど再び識別される、ないしはちょうど識別されない駆動制御持続時間に近似させる。ここで、次のことが考慮される。すなわち弁素子の最小開放時には、閉鎖が診断されず、これによって診断された駆動制御持続時間が正確な値とは異なってしまう、ということが考慮される。このために例えば、開ループ制御装置および／または閉ループ制御装置において、駆動制御持続時間の求められた値が経験に基づいて、例えば検査分野または試験分野から見付けられた整合値によって相応に修正される。クリチカルな駆動制御持続時間の両面から近似し、次に求められた２つの値から、所定のアルゴリズムに従って（例えば平均値の形成によって）、正確なクリチカルな駆動制御持続時間を形成することも可能である。

本発明の方法では、電気的な動作量は、電磁式操作装置のマグネットコイルの電圧の時間的な微分（勾配）であり、この勾配の極小値から、噴射弁の閉鎖が推測される。噴射弁の弁座内に弁素子が当接することによって、電磁式操作装置の低減していく電圧が、弁素子の運動変化によって生じる、相互誘導の変化によって影響される。従って、鞍に類似した電圧経過特性が生じる。ここでこの経過特性の偏向点は、弁素子の当接点に相応する。弁素子の当接を確実に知るためには、電圧経過特性の時間的な微分（勾配）が有利である。なぜなら、鞍に類似した経過特性がこの場合には、容易に診断されるべき極小値に変換されるからである。ここでは駆動制御持続時間の終了後に、最初に生じた極小値のみが観察されるべきである。なぜなら例えば、弁素子またはアンカーの衝突によって、後に別の極小値が形成され得るからである。択一的または付加的に、関数の第２の微分時に、弁素子の当接を識別することが可能である。これは弁素子の閉鎖時に零位置を有している。電圧経過特性の微分の実施は、開ループ制御装置および／または閉ループ制御装置において、容易に、かつ低コストで可能である。

開放時間遅延に関して、常に、確実な値を得るために、および噴射弁のドリフトないしは磨耗によって生じる劣化を識別するために、内燃機関の動作中に、この方法が（例えばそれぞれ、特定の動作時間の後で、または特定数の動作周期の後で）繰り返し実行される。

この方法が、多段噴射を備えた内燃機関の動作中に実行されるのも有利である。ここでこの場合には、駆動制御持続時間はある個別噴射時にのみ変えられ、少なくとも１つの別の個別噴射の駆動制御持続時間の変化によって、実質的に、トルクおよび／または排ガスに影響を与えずに補償される。すなわちこの方法は、内燃機関の動作を妨害しない。

この方法はさらに、より遅い点火角による内燃機関の慣性走行動作時に実行される。これは次の利点を有している。すなわち、例えば燃料圧力を、開放遅延時間の圧力依存性の特定の必要に応じて自由に変えることができる、という利点を有している。噴射時間はここで、噴射弁が確実に開放しない状態から、最初の開放まで徐々に長くされる。これによって排気ガスへの悪影響が最小になる。駆動制御により遅い点火角が割り当てられると、噴射された燃料の燃焼は、実質的にトルクに影響を与えずに行われる。この手段も、内燃機関の通常動作がこの方法によって妨害されないために用いられる。

正確な開放遅延時間を知ることによって、これを、噴射弁の開ループ制御および／または閉ループ制御時に、考慮することが可能になる。これによって、燃料調量および燃料噴射の全体的な開ループ制御および／または閉ループ制御がさらに良くなる（これに関しては式（１）を参照）。１つの噴射弁から別の噴射弁への噴射量の開ループ制御は、内燃機関の全ての噴射弁に対する開放遅延時間が求められる場合、低減される。これによって燃料が節約され、内燃機関の動作の比較緩和が生じる。

さらに、この方法を異なる燃料圧力に対して行い、方法の結果から、特性マップを形成することを提案する。これは例えば、閉ループ制御されたないしは開ループ制御された、燃料噴射弁の動作に対して使用される。

以下に、本願発明の実施形態を、図面を参照してより詳細に説明する。

複数の噴射弁を備えた内燃機関の概略図 図１に示された噴射弁の概略図 図２に示された噴射弁の駆動制御電流と、時間にわたった噴射弁のストロークへの作用とが記載されている２つのダイヤグラム 駆動制御電流と、ストロークと、コイル電圧の微分とが時間にわたって示されている３つのダイヤグラム（内燃機関の通常動作中） 図３に比べて駆動制御が短くされている、図３に類似した３つのダイヤグラム 図４に比べて駆動制御がさらに短くされている、図４に類似した３つのダイヤグラム 図１の内燃機関の動作方法のフローチャート

図１において内燃機関には全体として、参照番号１０が付与されている。これはタンク１２を含んでおり、搬送システム１４はこのタンクから、燃料をコモンレール１６内に搬送する。コモンレールには複数の噴射弁１８ａ〜１８ｄが接続されている。これらの噴射弁は、燃料を直接的に、自身に割り当てられている燃焼空間２０ａ〜２０ｄ内に噴射する。内燃機関１０の動作は、開ループ制御および閉ループ制御装置２２によって開ループ制御ないしは閉ループ制御される。これは殊に、噴射弁１８ａ〜１８ｄも駆動制御する。

図２には、例として、噴射弁１８ａが非常に詳細に図示されている。これは、電磁式操作装置２４、同様に電磁コイル２６およびバルブニードル２８上のマグネットアンカー３０とを含んでいる。マグネットアンカー３０はここで、バルブニードル２８と固定的に接続されている。しかし、マグネットアンカー３０とバルブニードル２８との間に、ある程度の軸遊びが存在していてもよい。

噴射弁１８ａは、基本的に以下のように動作する：噴射弁１８ａは図２では、閉鎖された状態で示されている。すなわち、バルブニードル２８は弁座３２に当接している。電磁
コイル２６には、マグネットアンカー３０を操作するために、開ループ制御および閉ループ制御装置２２の開ループ制御部および最終段を介して、電圧（駆動制御電圧）が印加される。これはコイル２６に流され、相応の強さおよび持続時間のもとで、バルブニードル２８を、弁座３２から持ち上げる。

図３は、噴射弁１８ａのこのような駆動制御の基本図（模範的な例として）と、噴射弁１８の開放時間への作用を時間にわたって示している。図３は、２つのダイヤグラムから成る。ここで上方のダイヤグラムは、駆動制御電流Ｉの時間的な流れを示しており、下方のダイヤグラムは、これによって生じる噴射弁１８ａのストロークＨを示している。

上方のダイヤグラムにおける駆動制御電流Ｉの経過特性は、まずは急峻な上昇を示しており（参照番号４０を参照）、これはある程度の時間空間にわたって一定に保持され、その後ほぼ半分に低下する（参照番号４２を参照）。このような電流レベルは、駆動制御持続時間ｔ_ｉの終了まで保持される。駆動制御持続時間ｔ_ｉの終了では、電流Ｉがスイッチオフされる（参照番号４４を参照）。

下方のダイヤグラムでは、噴射弁１８ａのバルブニードル２８が、駆動制御開始後に、ある程度の開放遅延時間ｔ_１１の後に初めて持ち上げられることが読み取れる（参照番号４６を参照）。バルブニードル２８が自身の最大ストロークに達すると、これらのレベルを保つために、より少なく駆動制御電流Ｉで足りるようになる。駆動制御電流Ｉがスイッチオフされると、バルブニードル２８は再び弁座３２内に沈む。しかしこれは同じように、遅延を伴う（参照番号４８を参照）。駆動制御電流Ｉのスイッチオフから完全な閉鎖までの時間間隔は、バルブニードル２８の閉鎖時間ｔ_ａｂとして定められる。全体的な弁開放持続時間はＴ_ｏｐとして示される。すなわち純粋に数学的に、
Ｔ_ｏｐ＝ｔ_ｉ−ｔ_１１＋ｔ_ａｂ
が有効である。

図４〜６は、駆動制御持続時間ｔ_ｉの長さが異なる場合の、噴射弁１８の操作時の３つのケースを示している。各図は、３つのダイヤグラムを示している。上方のダイヤグラムは駆動制御電流Ｉの経過特性を示しており、中央のダイヤグラムはバルブストロークＨの経過特性を示しており、下方のダイヤグラムはマグネットコイル２６での、駆動制御の終了後に消える電圧Ｕ_Ｍのコイル電圧の時間的な第１の微分（時間的な勾配）の経過特性を示している。

図４は例えば、通常動作時に行われるケースを示している。バルブニードル２８の駆動制御電流ＩおよびストロークＨは、既知の、上述した流れに相応する。下方のダイヤグラムから、電圧Ｕ_Ｍの第１の微分の経過特性が極小値５０を有していることが読み取れる。この極小値は、弁座３２内にバルブニードル２８が当接する時点を示している。極小値５０は、マグネットコイル２６での電圧経過の変化によって生じる。これは、バルブニードル２８が当接する時点で、鞍に類似した経過を有する。これは、バルブニードル２８の当接時の運動変化、ひいてはマグネットコイル２６内の相互誘導の関連する変化によって生じる。

図５は、駆動制御持続時間ｔ_ｉが若干短くされた場合のケースを示している。駆動制御持続時間ｔ_ｉを短くすることによって、バルブニードル２８は最大ストロークにもはや達しない。従って、弁開放持続時間Ｔ_ｏｐも短くなる。弁座３２内にバルブニードル２６が当接することによって、電圧Ｕ_Ｍの第１の微分の経過特性は再び、極小値５０を有する。

図６では、駆動制御持続時間ｔ_ｉがさらに短くされている。詳細には、バルブニードル２６がもはや弁座３２から持ち上げられないほどに、短くされている。従って、電圧Ｕ_Ｍの第１の微分の経過特性は極小値を有さない。弁開放持続時間Ｔ_ｏｐおよび閉鎖時間ｔ_ａｂは存在しない。すなわち、数学的に０である。

弁開放持続時間Ｔ_ｏｐを定める上述の式において、この２つの零値をセットすると、バルブニードル２８がちょうど持ち上げられなくなる程度に駆動制御持続時間ｔ_ｉが短い場合には、式の変化後に
駆動制御持続時間ｔ_ｉ＝開放遅延時間ｔ_１１
となる。

すなわち、駆動制御持続時間を連続的に短くする原理によって、開放遅延時間ｔ_１１が特定される。開放遅延時間ｔ_１１を正確に知ることによって、噴射弁１８ａ〜１８ｄの開ループ制御および閉ループ制御が実現され、これによって全体的な噴射方法が改善される。

図７には、開放遅延時間ｔ_１１を求める、可能な方法が示されている：
開始点は、開ループ制御および閉ループ制御装置２２によって設定される駆動制御持続時間ｔ_ｉによる通常の走行動作である（参照番号１００）。その後、開ループ制御および閉ループ制御装置２２はステップ１１０において、内燃機関１０の外部条件が、内燃機関１０の走行動作を妨害することなく、少なくとも１つの噴射弁１８に対する駆動制御持続時間ｔ_ｉを短くすることを許容するか否かを検査する。これは例えば、慣性走行動作の場合であろう。これが可能である場合には、ステップ１２０において、選択された噴射弁１８に対して駆動制御持続時間ｔ_ｉが低減される。これと同時に、割り当てられたマグネットコイル２６に対する電圧経過特性Ｕ_Ｍの第１の微分が形成される。極小値５０が第１の微分の経過特性において識別されると（参照番号１３０）、駆動制御持続時間ｔ_ｉがさらに低減される（ステップ１２０へと飛ぶ）。極小値が識別されなくなると、クリチカルな駆動制御持続時間ｔ_ｉに達する。この場合には、ステップ１４０において、開放遅延時間ｔ_１１が駆動制御開始と駆動制御終了との差から計算される。場合によっては、さらなる修正ファクターが入力される。ステップ１５０では、測定された噴射弁１８が開ループ制御および閉ループ制御装置内で示され、次の測定周期では、別の噴射弁１８が選択される。

Claims (9)

1. 電磁式操作装置（２４）を有している少なくとも１つの噴射弁（１８）によって燃料が少なくとも１つの燃焼室（２０）に達する、内燃機関（１０）の動作方法であって、前記方法は、
   前記噴射弁（１８）の弁部材（２８）の閉鎖を表す、前記噴射弁（１８）の電気的動作量を、当該噴射弁（１８）の異なる駆動制御持続時間に対して分析するステップと、
   前記噴射弁（１８）の閉鎖がちょうど確認できなくなるまで前記駆動制御持続時間（ｔ_ｉ）を徐々に短くするステップ、または、前記噴射弁（１８）の閉鎖がちょうどはじめて確認できるまで前記駆動制御持続時間（ｔ_ｉ）を徐々に長くするステップと、
   前記弁部材（２８）の閉鎖がちょうど確認できなくなった際、または、前記弁部材（２８）の閉鎖がちょうどはじめて検出できた際の駆動制御持続時間（ｔ_ｉ）を求めるステップと、
   前記求めた駆動制御持続時間（ｔ_ｉ）を、前記噴射弁（１８）の開放遅延時間（ｔ_１１）として求めるステップと、
   を含み、
   前記電気的動作量は、前記電磁式操作装置（２４）のコイル（２６）の電圧の時間的な勾配であり、前記勾配の極小値から、前記噴射弁（１８）の閉鎖を推測する、
   ことを特徴とする内燃機関の動作方法。
2. 前記内燃機関（１０）の動作中、前記方法を繰り返す、
   請求項１記載の方法。
3. 前記方法は、遅い点火角による前記内燃機関（１０）の慣性走行動作時に実行される、
   請求項２記載の方法。
4. 前記開放遅延時間（ｔ_１１）を、前記弁部材（２８）の運動が最後ないしは最初に確認されたときの駆動制御持続時間（ｔ_ｉ）と同一にする、
   請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 前記内燃機関（１０）が複数の噴射弁（１８）を有している場合には、前記開放遅延時間（ｔ_１１）を全ての噴射弁（１８）に対して求める、
   請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 前記方法を、異なる燃料圧力に対して実行し、当該実行結果から特性マップを形成する、
   請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 請求項１から６までのいずれか１項記載の方法の各ステップを実行するよう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。
8. 請求項１から６までのいずれか１項記載の方法の各ステップを実行するため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）の開ループ制御および／または閉ループ制御装置（２２）用の電気記憶媒体。
9. 請求項１から６までのいずれか１項記載の方法の各ステップを実行するようにプログラミングされている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）用の開ループ制御および／または閉ループ制御装置（２２）。

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