JP6830485B2 - 自動車両内燃機関のシリンダの燃焼室内に封入される質量を推定する方法 - Google Patents

Description

本発明の技術分野は、内燃機関管理である。

汚染制御基準によって、自動車両製造者は、特には、汚染物質排出物、特に窒素酸化物ＮＯｘを推定および制御するために、軽油機関およびガソリン機関での燃焼の質をより良好に制御するための新しい戦略を開発することを余儀なくされている。

ＮＯｘを推定するための１つの解決策は、所定の車両についてふさわしい標準品である、シリンダ圧力センサを使用することである。このセンサを使用すると、シリンダ内の圧力を、あらゆる時点で知ることが可能である。残念ながら、窒素酸化物ＮＯｘの形成は、シリンダ内の温度による、次数１の関数として変動する。気体混合物の温度（Ｔ）は、シリンダ圧力（Ｐ）、および、シリンダ内に封入される質量（ｍ）が知られるならば、完全気体の状態方程式（Ｐ＊Ｖ＝ｍ＊ｒ＊Ｔ）を適用することにより、第１近似まで決定され得る。体積（Ｖ）は、クランク軸角度の幾何学的関数であり、Ｒは、完全気体定数である。

今は、燃焼室内に封入される質量に対するセンサは存在しない。

この封入される質量は従来では、充填マップを使用して推定されるが、これらのマップは、汚染物質排出物を推定することの目的に対して十分には正確でない。

さらには、排気ラインに適合させられ得る、汚染物質排出物センサ、特に、窒素酸化物ＮＯｘのセンサが存在する。しかしながら、そのようなセンサのコストは、この解決策が経済的に現実的ではないということを意味するものである。

さらには、文書ＷＯ２００９０４７４１２およびＦ２９４５３２０で説明されているように、シリンダ圧力Ｐｃｙｌセンサを伴う窒素酸化物ＮＯｘ推定器を使用することにより、ただし、封入される質量を推定することなく、窒素酸化物排出物を推定することが可能である。

あるいは、さらには、シリンダ圧力センサを伴うバージョンより高価でない、シリンダ圧力Ｐｃｙｌセンサを伴わないＮＯｘ推定器を使用することが可能である。そのような推定器は、例えば、文書ＷＯ２０１５／０５９０３４で説明されている。

しかしながら、両方の実例では、排出される窒素酸化物ＮＯｘの推定値は、今日の汚染制御基準を満たすのに十分には、確固たるもの、および正確ではない。

それゆえに、温度、および、窒素酸化物ＮＯｘの生み出される量を決定するように、シリンダ圧力を測定することにより、シリンダ内に封入される質量を決定するための方法に対する必要性が存在する。

本発明の主題は、自動車両内燃機関のシリンダの燃焼室内に封入される質量を推定するための方法であって、自動車両内燃機関は、シリンダ内の圧力を測定するための手段、参照位置に対してのクランク軸角度を測定するための手段、および燃焼室冷却材の温度を測定するための手段を備える。方法は、機関の回転速度がクランク軸角度の測定値から決定されるステップと、機関負荷が決定されるステップとを含む。

方法はさらには、以下のステップを含む。シリンダの弁が全閉されるとき、および、燃料の最初の噴射の前に、
シリンダの体積が、クランク軸角度の関数として決定されるステップと、
壁での熱損失に関連付けられる較正パラメータが、機関の回転速度の関数であるマップの関数として決定されるステップと、
シリンダ内のモデリングされる温度が、燃焼室内の圧力および温度の非線形無次元モデルを使用して、シリンダ圧力の測定値、シリンダ内の気体に対する比気体定数、シリンダ内の気体の一定体積での比熱、燃焼室の体積、および、壁での熱損失に関連付けられる較正パラメータの関数として決定されるステップと、
シリンダ内に封入される質量が決定されるステップ。

非線形無次元モデルを求解するために、スライディングオブザーバが使用されうる。

壁での熱損失に関連付けられる較正パラメータのマップは、Ｗｏｓｃｈｎｉの相関を適用することにより、壁での熱損失の測定値の、シリンダ温度の測定値の、および、シリンダ冷却材温度の関数として、テストベッド上であらかじめ決定されうる。

シリンダ内に封入される質量は、シリンダ内のモデリングされる温度、シリンダ圧力の測定値、シリンダの体積、および、シリンダに収容される気体に対する比気体定数の関数として決定されうる。

さらに、本発明の趣意、特徴、および利点は、単に非制限的な例ということで与えられる、後に続く説明を読むことから明らかになるであろう。

燃焼室内に封入される質量を推定するための方法は、燃焼室内の圧力および温度の動態を説明する０Ｄモデルに基づく。式の、後に続く系が、このモデルを例解する。

ここで、
ｐ_ｃｙｌ：燃焼室内の圧力、
Ｔ_ｃｙｌ：燃焼室内の温度、
ｒ：シリンダ内の気体に対する比気体定数、
ｃ_ｖ：一定体積での比熱容量、
Ｖ：燃焼室の体積（クランク軸角度：シータの関数である幾何学的パラメータ）、

：吸気に関連付けられるエンタルピーの変化のレート、

：排気に関連付けられるエンタルピーの変化のレート、

：燃焼に関連付けられるエンタルピーの変化のレート、
ｍ_ｃｙｌ：燃焼室内の質量、および、
δＱ_ｐａｒ：壁損失である。

封入される質量は、シリンダに、後に続く式により説明される完全気体法則を適用することにより、式（１）および（２）から推定され得る。

それゆえに、封入される質量を推定することの問題は、式２での温度Ｔ_ｃｙｌを、ｐ_ｃｙｌの測定値から推定することの問題であると表現され得る。確認されうるように、式１および式２の系は、観測レベルで管理するのが困難な、きわめて複雑な系である。この理由で、機関の所定の段階のみが、温度を、推定することをより容易にするために考慮される。

それゆえに、後に続く想定が適用される。
・弁が全閉される間の時間の区間のみが、考慮に入れられる。
・質量は、弁の全閉と、燃料の最初の噴射との間に推定される。

これらの想定によって、エンタルピーの変化のレートに関連付けられる項を無視することが可能になり、そのことにより、温度を推定することの問題が、著しく単純化されることが可能となる。

それゆえに、式１および式２は、後に続くように再度定式化され得る。

並行して、壁損失δＱ_ｐａｒは、次式により与えられるＷｏｓｃｈｎｉの近似を使用してモデリングされる。
δＱ_ｐａｒ（ｔ）＝Ａ_ｗｗｐ_ｃｙｌ（ｔ）（ｋ_１Ｔ_ｃｙｌ（ｔ）−ｋ_０Ｔ_ｗ） （式６）
ここで、
Ａ_ｗ：伝熱面積、
ｗ：ｒａｄ／ｓでの機関の回転速度、
Ｔ_ｗ：壁温度、
ｋ_０およびｋ_１：較正パラメータである。

壁温度Ｔ_ｗは、冷却材温度と実質的に等しいと考えられるということに注目されたい。

Ｗｏｓｃｈｎｉの相関は、文献から知られている。式６により与えられる壁損失δＱ_ｐａｒを、式４および式５に代入することにより、後に続く系を得る。

確認され得るように、式７および式８の系は、それでもなお、非線形性およびパラメトリック変動が原因で、求解するにはかなり複雑である。

それゆえに、提案は、燃焼室内の温度を推定するために、スライディングモード観測戦略（非線形戦略）を使用することであり、その戦略によって、封入される質量を推定することが可能になる。

そのことを行うために、燃焼室内の温度を推定するために後に続くようなスライディングモードオブザーバ（文献から知られている技法）が使用される。

上式で、

であり、

：燃焼室内の圧力に対する推定される値、

：燃焼室内の温度の推定される値、ならびに、
λ_１およびλ_２：オブザーバパラメータであり、
モデリングされる温度

は、後に続くように規定される。

後に続く条件が設定される。

式１３の条件が満たされるならば、温度の推定値についての誤差が、ゼロに向かって漸近的に収束し、このことによって、封入される質量が推定されることが可能となるということが論証され得る。

パラメータλ_１およびλ_２は、式１３の条件が充足される度に、オブザーバの収束のレートを調節するように較正され得る。

燃焼室内に封入される質量を推定するための方法は、後に続くステップを含む。

第１のステップ１の間、シリンダ圧力ｐ_ｃｙｌ測定値、機関角度シータ、および、冷却材温度Ｔ_ｗが決定される。

第２のステップの間、壁での熱損失に対するパラメータｋ_０およびｋ_１が、機関回転速度の関数としての、壁での熱損失のマップの関数として決定される。マップは、式６から、パラメータｋ_０およびｋ_１の較正により決定される。

第４のステップ４の間、シリンダ内のモデリングされる温度

は、シリンダ内の測定される圧力ｐ_ｃｙｌの、パラメータｋ_０およびｋ_１の、壁での熱損失の、ならびに、シリンダに関係のある構造パラメータの関数である、シリンダ内の圧力および温度の０Ｄモデルを使用して決定される。そのことを行うために、式７および式８が適用される。

第５のステップ５の間、シリンダ内に封入される質量は、式３を適用することにより、シリンダ内のモデリングされる温度

の、シリンダ内の圧力ｐ_ｃｙｌの測定値の、機関角度シータの関数としてのシリンダの体積Ｖ（ｔ）の、および、シリンダ内の気体に対する比気体定数ｒの関数として決定される。

この方策では、シリンダ内に封入される質量は、開ループで、すなわち、燃焼室内の圧力ｐ_ｃｙｌの測定値についての、燃焼室内の温度Ｔ_ｃｙｌのモデルの何らのループバックすることもなく推定される。そのことは、燃焼室内の温度の、およびそれゆえに、封入される質量の発散のおそれを生むので、代替案として、オブザーバパラメータλ_１およびλ_２に依存的なスライディングオブザーバを使用することにより、質量ｍ_ｃｙｌの推定値をより確固たるものにすることが可能である。式９および式８が次いで、式７および式８の代わりに適用される。パラメータλ_１およびλ_２は、オブザーバの収束のレートを調節するような方策で決定される。収束のより高いレートはオブザーバの安定性を妨げるので、パラメータの選択は、収束の速度と、安定性との間の折り合いの結果である。

Claims (4)

1. シリンダ内圧力を測定するための手段、参照位置に対してのクランク軸角度を測定するための手段、および燃焼室冷却材の温度を測定するための手段が備えられた自動車両の内燃機関について、当該内燃機関のシリンダの燃焼室内に封入される質量を推定するための方法であって、
   前記内燃機関の回転速度を前記クランク軸角度の測定値から決定するステップと、
   前記内燃機関の負荷を決定するステップと
   を含み、更に、
   前記シリンダの弁が全閉されて燃料の最初の噴射の前に、
   前記シリンダの体積を、前記クランク軸角度の関数として決定するステップと、
   壁での熱損失に関する較正パラメータを、前記内燃機関の回転速度の関数であるマップの関数として決定するステップと、
   前記シリンダ内のモデリングされる温度を、前記燃焼室内の圧力および温度の非線形無次元モデルを使用して、前記シリンダ内圧力の測定値、シリンダ内の気体に対する比気体定数、前記シリンダ内の気体の一定体積での比熱、前記燃焼室の体積、および前記壁での熱損失に関する較正パラメータの関数として決定するステップと、
   前記シリンダ内に封入される質量に対する推定値を、前記シリンダ内のモデリングされる温度、および前記シリンダ内圧力の測定値の関数として決定するステップと
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記非線形無次元モデルを求解するために、スライディングオブザーバが使用される、請求項１に記載の方法。
3. 前記壁での熱損失に関する較正パラメータのマップは、Ｗｏｓｃｈｎｉの相関を適用することにより、前記壁での熱損失の測定値、シリンダ温度の測定値、およびシリンダ冷却材温度の関数として、テストベッド上であらかじめ決定される、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記シリンダ内に封入される質量は、前記シリンダ内のモデリングされる温度、前記シリンダ内圧力の測定値、前記シリンダの体積、および、前記シリンダに収容される気体に対する比気体定数の関数として決定される、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。