JP6426735B2 - 内燃機関の運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数のシリンダを有する内燃機関を運転するための方法、すなわち、内燃機関の少なくともいくつかのシリンダ、好ましくは全てのシリンダにおいて、シリンダを個別に燃焼制御するための方法に関する。

内燃機関が満たさなければならないエミッション境界値はますます厳しくなっている。このようなエミッション境界値を満たすための可能性は、制御によって内燃機関の運転を最適化することにある。その際、基本的に、内燃機関において各シリンダを個別に制御することがすでに知られている。

例えば特許文献１は、内燃機関、特に自己着火式内燃機関の運転方法を開示しており、当該方法においては、個別のシリンダについて、付属の燃焼室内の燃焼の経過をそれぞれ特徴付ける、少なくとも１つのパラメータが算定され、この、少なくとも１つの、燃焼経過を特徴付けるパラメータに応じて、制御は、シリンダ個別の燃料噴射パラメータの影響を受ける。その際、シリンダではシリンダ圧力の測定が行われ、このシリンダ圧力の測定に応じて、各シリンダ内の燃焼を特徴付けるパラメータが算定される。このようにして算定された燃焼現在値は、対応する燃焼目標値と比較され、シリンダに関する操作変数としての制御偏差に応じて、シリンダ個別の燃料噴射パラメータに影響が与えられる。

特許文献１が提案するように、燃焼現在値を例えば測定されたシリンダ圧力から計算する場合、内燃機関のシリンダ内の燃焼は、限られた範囲でのみ、エミッション境界値を順守するために最適化され得る。これは特に、例えばシリンダ圧力から、燃料噴射ノズルの摩耗又は噴射特性の変化を逆に推論することができないことによる。

独国特許出願公開第１０２００５０５８８２０号明細書

従って、本発明の課題は、内燃機関のシリンダの個別の制御を改善することができるような、内燃機関の新しい運転方法を提供することにある。

本課題は、請求項１に記載の内燃機関を運転するための方法によって解決される。

本発明によると、内燃機関の、シリンダ個別の燃焼制御が行われるシリンダそれぞれの排ガスに対する少なくとも１つの排ガスセンサを用いて、シリンダそれぞれに関して、個別に少なくとも１つの燃焼現在値が測定技術に基づいて検出され、それぞれ測定技術に基づいて検出された燃焼現在値は、燃焼目標値と比較され、シリンダ個別の燃焼制御が行われるシリンダのそれぞれに関して、燃焼目標値と燃焼現在値との間における少なくとも１つのシリンダ個別の制御偏差が算定され、シリンダ個別の燃焼制御が行われるシリンダそれぞれに関して、シリンダ個別の１つ又はそれぞれの制御偏差に基づいて、少なくとも１つのシリンダ個別の操作変数が決定され、当該操作変数に基づいて、シリンダそれぞれが作動又は動作し、それによって、燃焼現在値それぞれは、燃焼目標値それぞれと制御偏差それぞれの最小化とに近づけられる。

本発明によって、シリンダ個別の燃焼制御が行われるべきシリンダに関して、シリンダそれぞれについて、個別に少なくとも１つの燃焼現在値を測定技術に基づいて検出することが提案される。本発明によると、燃焼現在値は、その他の測定量から算定されるのではなく、各シリンダに関して、個別に測定技術に基づいて検出される。このように測定された、シリンダそれぞれのシリンダ個別の燃焼現在値は、対応する燃焼目標値と比較され、シリンダ個別に制御偏差が決定され、このシリンダ個別の制御偏差に基づいて、シリンダそれぞれに関して、シリンダ個別の操作変数が決定されるので、燃焼現在値を、シリンダそれぞれの燃焼目標値に近づけることが可能である。それによって、内燃機関の運転を、従来のシリンダ個別の制御に対して明らかに改善することができる。特に、制御を通じて、燃料噴射ノズルの摩耗又は噴射挙動の変化を補償することが可能である。

本発明の第１の有利なさらなる構成によると、シリンダ個別に燃焼制御が行われるシリンダそれぞれに関して、１つ又は各燃焼現在値が、少なくとも１つのシリンダ個別の排ガスセンサを用いて測定技術に基づいて検出され、シリンダそれぞれの排ガスセンサそれぞれでは、燃焼現在値がそれぞれ、専らシリンダ個別のクランクシャフト角度範囲において検出され、シリンダ個別の燃焼現在値の検出に際しては、その他のシリンダによって放出される排ガスとの相互作用が最小化される。本発明の第２の代替的な有利なさらなる構成によると、シリンダ個別に燃焼制御が行われる複数のシリンダに関して、１つ又は各燃焼現在値が、共通の排ガスセンサを用いて測定技術に基づいて検出され、複数のシリンダの共通の排ガスセンサには、常に専ら１つのシリンダの排ガスが供給され、シリンダ個別の燃焼現在値の検出に際しては、その他のシリンダによって放出される排ガスとの相互作用が最小化される。

本発明の第１の有利なさらなる構成も、本発明の第２の代替的な有利なさらなる構成も、シリンダ個別の燃焼現在値の正確な測定技術に基づく決定を可能にする。すなわち、シリンダの排ガスに対して行われる燃焼現在値の測定技術に基づく検出が、その他のシリンダによって放出される排ガスとの相互作用によって阻害される危険性は無い。

好ましくは、シリンダの燃焼目標値は、内燃機関の動作点に依存する。動作点に依存する燃焼目標値の利用が好ましい。なぜなら、様々な動作点に関して、内燃機関のそれぞれ最適な運転が、シリンダ個別の燃焼制御を通じて保証され得るからである。

本発明の別の有利なさらなる構成によると、シリンダ個別の燃焼制御が行われるシリンダそれぞれに関する燃焼現在値として、ＮＯｘ現在値が、ＮＯｘセンサとして構成された排ガスセンサを用いて検出される。付加的又は代替的に、シリンダ個別の燃焼制御が行われるシリンダそれぞれに関する燃焼現在値として、燃料空気比又は残留酸素含有量が、ラムダセンサとして構成された排ガスセンサを用いて検出される。シリンダ個別の燃焼現在値の測定技術に基づく検出が、ＮＯｘセンサ又はラムダセンサを用いて行われることが好ましい。

本発明の好ましいさらなる構成は、下位請求項及び以下の説明から明らかになる。本発明の実施例について、これに限定されることなく、図面を用いて詳細に説明する。示されているのは以下の図である。

複数のシリンダ及び排ガスターボチャージャを有する内燃機関を明確化するために概略的に示した図である。 複数のシリンダ及び排ガスターボチャージャを有するさらなる内燃機関を、本発明に係る方法を明確化するために概略的に示した図である。

本発明は、内燃機関を運転するための方法、すなわち、内燃機関のシリンダにおいて、シリンダを個別に燃焼制御するための方法に関する。

図１は、複数のシリンダ１１を有する内燃機関１０を極めて概略的に示している。図１では、シリンダ１１が６つ存在し、シリンダ１１は２つのグループに分けられているが、これは純粋に例示的なものである。内燃機関１０のシリンダ１１には、過給空気導管１２から過給空気が供給され、図１の実施例では、当該過給空気は、排ガスターボチャージャ１４の圧縮機１３内で圧縮される。このために必要なエネルギーは、排ガスターボチャージャのタービン１５内で、内燃機関１０のシリンダ１１から放出される排ガスが膨張することによって得られる。排ガスターボチャージャ１４のタービン１５には、シリンダ１１から放出された排ガスが、排ガス導管１６を通じて供給され得る。

本発明では、内燃機関１０において、シリンダ個別の燃焼制御を確立することが提案される。このために、シリンダ個別の燃焼制御が行われるべきシリンダ１１それぞれの排ガスに対する少なくとも１つの排ガスセンサ１７を用いて、シリンダ１１それぞれに関して、個別に少なくとも１つの燃焼現在値が測定技術に基づいて検出される。シリンダ１１それぞれの測定技術に基づいて検出される燃焼現在値はそれぞれ、対応する燃焼目標値と比較され、それによって、シリンダ個別の燃焼制御が行われるべきシリンダそれぞれに関して、燃焼目標値と測定技術に基づいて検出された燃焼現在値との間におけるシリンダ個別の制御偏差が算定される。

シリンダ個別の制御偏差に基づいて、シリンダ個別の燃焼制御が行われるべきシリンダそれぞれに関して、シリンダ個別の操作変数が決定され、当該操作変数に基づいて、シリンダ１１それぞれが作動又は動作し、それによって、燃焼現在値それぞれは、制御偏差それぞれを最小化して、燃焼目標値それぞれに近づけられる。

図１によると、内燃機関１０のシリンダ１１それぞれには、排ガスセンサ１７が個別に配設されている。シリンダ個別の排ガスセンサ１７はそれぞれ、排ガスの流れる方向に見て、シリンダ１１それぞれの下流、かつ、シリンダ個別の排ガス放出管１９と排ガス導管１６との合流地点１８の上流に配置されている。排ガスセンサ１７が、シリンダ１１の燃焼室内に突出していても良い。

シリンダ個別の排ガスセンサ１７それぞれの領域では、シリンダ１１それぞれの排気に関して、個別のシリンダで測定技術に基づく検出が行われ、シリンダ１１それぞれに関して、少なくとも１つのシリンダ個別の燃焼現在値が算定される。その際、シリンダ１１それぞれの排ガスセンサ１７それぞれにおいて、燃焼現在値がそれぞれ、専ら個別のシリンダのクランクシャフト角度範囲において検出され、それによって、シリンダ個別の燃焼現在値の検出の際に、その他のシリンダから放出される排ガスとの相互作用が最小化されること、又は、排気弁のオーバーラップに応じて完全に回避されることが規定されている。各シリンダ１１の排気弁は、様々なクランクシャフト角度範囲において開口し、シリンダ１１それぞれからの排ガスは、様々なクランクシャフト角度範囲に排出されるので、シリンダ個別の燃焼現在値の検出に際して、その他のシリンダの排ガスが当該現在値の検出を阻害することが回避され得る。

図１によると、シリンダ個別の排ガスセンサ１７を通じて誘導される排ガスは、排ガスの流れる方向に見て、タービン１５の下流において、排ガス導管１６内に誘導される。

図２は、代替的な態様を示しており、当該態様においては、シリンダ個別の燃焼制御が行われるシリンダ１１に関してシリンダ個別の燃焼現在値を算定するために、共通の排ガスセンサ１７が存在している。排ガスセンサ１７は、それぞれシリンダ個別の排ガス放出管１９と連結され、その間には弁２０が接続されており、共通の排ガスセンサ１７には、常に専ら１つのシリンダ１１の排ガスが供給される。その際、弁２０の作動は、やはりシリンダ個別のクランクシャフト角度範囲に依存しており、シリンダ１１それぞれの排気弁が排ガスを放出する場合、シリンダ１１に配設された弁２０の開口によって、シリンダ１１それぞれの排ガスが、共通の排ガスセンサ１７に供給される。図２の実施例においても、共通の排ガスセンサ１７を通じて誘導された排ガスは、排ガスターボチャージャ１４のタービン１５の下流において、排ガス導管１６内に誘導される。

現在値の検出に際しては、図１及び図２の変型例において、シリンダ１１から排ガスセンサ１７への排ガスの所要時間が考慮され得る。

それぞれ燃焼現在値のシリンダ個別の算定に用いられる、図１に係るシリンダ個別の排ガスセンサ１７又は図２に係る共通の排ガスセンサ１７は、ＮＯｘセンサ及び／又はラムダセンサであり得る。

図１において排ガスセンサ１７としてＮＯｘセンサが用いられ、図２において共通の排ガスセンサとしてＮＯｘセンサが用いられる場合、シリンダ個別の制御偏差として、ＮＯｘ目標値とシリンダ個別の測定技術に基づいて検出されたＮＯｘ現在値との差が算定される。

当該制御偏差がゼロよりも大きい場合、すなわち、ＮＯｘ目標値がＮＯｘ現在値より大きい場合には、好ましくは、シリンダ１１それぞれに関する操作変数として、シリンダそれぞれの噴射圧力を増大させ、かつ／又は、シリンダ１１への噴射開始を遅らせ、かつ／又は、シリンダ１１それぞれの点火タイミングを遅らせ、かつ／又は、シリンダ１１それぞれへのパイロット噴射を停止させ、かつ／又は、シリンダ１１それぞれへのポスト噴射を実施する。これに対して、ＮＯｘ目標値と測定技術に基づいて検出されたＮＯｘ現在値との間のシリンダ個別の制御偏差がゼロよりも小さい場合、すなわち、ＮＯｘ現在値がＮＯｘ目標値よりも大きい場合には、シリンダ個別の操作変数として、シリンダ１１それぞれの噴射圧力を低下させ、かつ／又は、シリンダ１１それぞれへの噴射開始を早め、かつ／又は、シリンダ１１それぞれの点火タイミングを早め、かつ／又は、シリンダ１１それぞれへのパイロット噴射を実施し、かつ／又は、シリンダ１１それぞれへのポスト噴射を停止させる。操作変数の選択は、内燃機関１０それぞれの型に依存する。特に、自己着火式内燃機関１０が運転されるのか、又は、外部点火式内燃機関１０が運転されるのかによる。

図１における排ガスセンサ１７として、又は、図２における共通の排ガスセンサ１７として、ラムダセンサが用いられる場合、シリンダ個別の燃焼現在値として、好ましくは燃料空気比又は残留酸素含有量が算定される。シリンダ個別の燃料空気比の目標値と現在値との間のシリンダ個別の制御偏差がゼロよりも大きい場合には、操作変数として、好ましくはシリンダ１１それぞれへの燃料噴射量を増大させ、かつ／又は、シリンダ１１それぞれへの過給空気の供給の絞りを減少させる。これに対して、燃料空気比の目標値と現在値との間のシリンダ個別の制御偏差がゼロよりも小さい場合には、シリンダ個別の操作変数として、好ましくはシリンダ１１それぞれへの燃料噴射量を減少させ、かつ／又は、シリンダ１１それぞれへの過給空気の供給の絞りを増大させる。

燃焼現在値の測定技術に基づく検出に際して、燃焼現在値の最新の測定値を用いることか、測定間隔を通じて検出された燃焼現在値の測定値から、平均値若しくは最大値若しくは時間積分を算定し、この値をシリンダ個別の燃焼現在値として用いることかが可能である。同様に、測定間隔内で、転換点をシリンダ個別の燃焼現在値として用いることも可能である。

比較的高速の内燃機関では、燃焼現在値として平均値を用いることが好ましい。比較的低速の内燃機関では、燃焼現在値として最大値又は時間積分又は転換点を用いることが好ましい。

本発明の別の有利なさらなる構成によると、内燃機関１０のシリンダ１１に関する燃焼目標値として、内燃機関１０の動作点に依存する燃焼目標値が用いられることが規定されている。

従って、内燃機関１０の全負荷運転及び部分負荷運転のために、内燃機関１０のシリンダ１１に関して様々な燃焼目標値を準備することが可能である。内燃機関１０の様々な動作点に関して、内燃機関１０の最適な運転が保証され、それによって、排ガスエミッション境界値が順守される。

燃焼目標値は、シリンダ個別の燃焼目標値又は内燃機関１０の全てのシリンダ１１に関して同一である目標値でもあり得る。

各シリンダ１１に関して、複数の燃焼現在値を算定することも可能であり、当該燃焼現在値は対応する燃焼目標値と比較され、それに応じて少なくとも１つのシリンダ個別の操作変数が決定され、当該操作変数に基づいて、シリンダ１１それぞれが動作する。その際、ＮＯｘ現在値は、残留酸素含有量又は燃料空気比の現在値と組み合わせて算定され、対応する目標値と比較される。この関連において、ＮＯｘセンサ及びラムダセンサは、非破壊では分離不可能なユニットを形成し得る。

１０ 内燃機関
１１ シリンダ
１２ 過給空気導管
１３ 圧縮機
１４ 排ガスターボチャージャ
１５ タービン
１６ 排ガス導管
１７ 排ガスセンサ
１８ 合流地点
１９ 排ガス放出管
２０ 弁

Claims (7)

1. 複数のシリンダを有する内燃機関を運転するための方法、すなわち、シリンダを個別に燃焼制御するための方法であって、
   前記内燃機関の、シリンダ個別の燃焼制御が行われるシリンダそれぞれの排ガスに対する少なくとも１つの排ガスセンサを用いて、前記シリンダそれぞれに関して、個別に少なくとも１つの燃焼現在値が測定技術に基づいて検出され、それぞれ測定技術に基づいて検出された前記燃焼現在値は、燃焼目標値と比較され、それによって、シリンダ個別の燃焼制御が行われる前記シリンダのそれぞれに関して、前記燃焼目標値と前記燃焼現在値との間における少なくとも１つのシリンダ個別の制御偏差が算定され、
   シリンダ個別の燃焼制御が行われるシリンダそれぞれに関して、シリンダ個別の１つ又はそれぞれの前記制御偏差に基づいて、少なくとも１つのシリンダ個別の操作変数が決定され、前記操作変数に基づいて、前記シリンダそれぞれが動作し、それによって、前記燃焼現在値それぞれは、前記燃焼目標値それぞれと前記制御偏差それぞれの最小化とに近づけられ、
   シリンダ個別の燃焼制御が行われる複数のシリンダに関して、１つ又はそれぞれの前記燃焼現在値が、共通の排ガスセンサを用いて、測定技術に基づいて検出され、
   複数のシリンダの前記共通の排ガスセンサには、常に専ら１つのシリンダの排ガスが供給され、それによって、シリンダ個別の燃焼現在値の検出に際して、他のシリンダから放出される排ガスとの相互作用が最小化され、
   前記シリンダの燃焼目標値が、前記内燃機関の動作点に依存し、
   シリンダ個別の燃焼制御が行われるシリンダそれぞれに関する燃焼現在値として、ＮＯｘ現在値が、ＮＯｘセンサとして構成された排ガスセンサを用いて検出される方法。
2. シリンダ個別の燃焼制御が行われるシリンダそれぞれに対する前記内燃機関の動作点に応じて、シリンダ個別の燃焼目標値が設定されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. ＮＯｘ目標値とＮＯｘ現在値との間のシリンダ個別の制御偏差がゼロよりも大きい場合には、操作変数として、前記シリンダそれぞれの噴射圧力を増大させ、かつ／又は、前記シリンダそれぞれへの噴射開始を遅らせ、かつ／又は、前記シリンダそれぞれの点火タイミングを遅らせ、かつ／又は、前記シリンダそれぞれへのパイロット噴射を停止させ、かつ／又は、前記シリンダそれぞれへのポスト噴射を実施し、
   前記ＮＯｘ目標値と前記ＮＯｘ現在値との間のシリンダ個別の制御偏差がゼロよりも小さい場合には、操作変数として、前記シリンダそれぞれの噴射圧力を低下させ、かつ／又は、前記シリンダそれぞれへの噴射開始を早め、かつ／又は、前記シリンダそれぞれの点火タイミングを早め、かつ／又は、前記シリンダそれぞれへのパイロット噴射を実施し、かつ／又は、前記シリンダそれぞれへのポスト噴射を停止させることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. シリンダ個別の燃焼制御が行われるシリンダそれぞれに関する燃焼現在値として、燃料空気比又は残留酸素含有量が、ラムダセンサとして構成された排ガスセンサを用いて検出されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記燃料空気比の目標値と現在値との間のシリンダ個別の制御偏差がゼロよりも大きい場合には、操作変数として、前記シリンダへの燃料噴射量を増大させ、かつ／又は、過給空気の供給の絞りを減少させ、前記燃料空気比の前記目標値と前記現在値との間のシリンダ個別の制御偏差がゼロよりも小さい場合には、操作変数として、前記シリンダへの燃料噴射量を減少させ、かつ／又は、過給空気の供給の絞りを増大させることを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 燃焼現在値として、前記燃焼現在値の最新の測定値が用いられることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 燃焼現在値として、測定間隔を通じて検出された測定値から、平均値又は最大値又は時間積分又は転換点が用いられることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。

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