JPH0663478B2 - 多シリンダ内熱機関の作動特性量の制御および／または調整方法および装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、内燃機関の効率を最適化するための調整スト
レテイジーないし戦略によつて多シリンダ内燃機関の作
動特性量を制御および／または調整する方法およびその
方法を実施するための装置に関する。

従来の技術 この形式の装置は、ドイツ連邦共和国特許公開第294197
7号公報ないし対応する米国特許出願第434297号明細書
（米国特許第4489690号明細書）に記載されている。

内燃機関の発生するトルクないし固有の燃料消費量を最
適化するために、調量される燃料量を変化するための試
験信号発生器および最適化すべき量を検出するためのセ
ンサが使用されかつトルク信号から出発して内燃機関の
負荷領域に応じた出力最大値ないし最小固有燃料消費量
が求められる。

発明が解決しようとする問題点 この形式の装置は、実際の作動において申し分ないもの
と実証されてはいるが、例えば厳しくなつている排ガス
の規制および内燃機関のガソリン消費を低く抑えるとい
う要請を考慮した場合一層の開発および改良の余地があ
る。

例えば、内燃機関の個別シリンダは正常作動時において
種々異なつた空気燃料比によつて作動することが実験結
果として認められている。このことの原因として挙げら
れるのはとくに、種々異なつた吸気管ガイド並びに完全
に同一ではない噴射弁である。

したがつて本発明の課題は、内燃機関のおのおのの個別
シリンダに精確に、当該の動作点に対して効率の点で最
適に動作するために必要とする制御量を調量して供給す
ることである。

発明の効果 本発明の重要な利点として次のことが挙げられる。すな
わち噴射弁並びに個別シリンダの充てん度の許容偏差が
比較的大きいにも拘わらず、申し分のない排ガス値を維
持してしかも内燃機関の燃料消費量が低減される。さら
に、本発明によればおのおののシリンダに対して、当該
シリンダがその効率の点で最適のところで動作するλ値
が調整設定されることが有利であると認められている。
したがつて機関は所与の機関構造および所与の作動条件
に対して理論的に最小の燃料消費量の領域において作動
することができる。

本発明の別の利点は、以下の図面に基づく実施例の説明
から、本発明の実施態様項との関連において明らかであ
る。

実施例 次に本発明を図示の実施例につき図面を用いて詳細に説
明する。

シリンダ固有に作用しない、内燃機関の作動特性量を最
適化するための装置についてはこれ以上詳しく説明しな
い。というのはそれら装置の動作は例えばドイツ連邦共
和国特許第2847021号公報（UK-特許出願第2034930A号明
細書）、SAEペーパ720254（SAE-Paper）または米国特許
第4064846号明細書に詳しく説明されているからであ
る。一般にこの方法の基礎となつているのは、内燃機関
の入力量が例えば周期的に変化する極大値調整に基いて
いる。内燃機関の、この周期的な変動に対する反応は、
内燃機関の出力量、例えばトルクを介して監視される。
この監視結果に相応して、内燃機関の入力量は、出力量
の変動が最小値に低下するまでの間調整される。しかし
すべての公知の方法において、通例内燃機関のおのおの
の個別シリンダにおいて別の作動混合気が使用されるこ
とは考慮されていない。個別シリンダに対する作動混合
気の変動は、例えば種々異なつた充てん量または種々異
なつた噴射量が原因で生じる。

２シリンダ内燃機関の例に基いて本発明の要点を詳しく
説明したい。第１図ａにおいてこの目的のために、２つ
のシリンダに対して異なつていると仮定した、個別シリ
ンダのトルクの経過Ｍ_１およびＭ_２が、絞り弁位置αに
依存して、ひいては吸込まれた空気量に依存して図示さ
れている。問題点の数量的処理を簡単にするために任意
に、トルクの放物線の経過が次の式 Ｍ_１＝−（α−Ｔ_１＋３）^２＋Ｔ_１−２ Ｍ_２＝−（α−Ｔ_２＋１）^２＋Ｔ_２−２ にしたがつて選ばれた。上記式においてαは絞り弁の位
置ないし吸気量であり、Ｔ_１,T_２は個別シリンダの噴射
時間である。

わかり易くするために他のすべての図において、個別ト
ルクの和としての総計和トルクではなくて、シリンダ数
によつて割算された和トルクが図示されている。噴射時
間はパラメータとしてこれら曲線に関係している。個別
シリンダのドルクの経過の固有の選択によつて、シリン
ダ１がシリンダ２より大きい充てん量を有することがシ
ミユレートされている。このことは、第１シリンダのト
ルク経過の同じ噴射時間Ｔ_１＝Ｔ_２＝７〔W.E.〕 が、第２シリンダの場合のα＝６〔W.E.〕に比べて絞り
弁位置α＝４〔W.E.〕において既にその最大トルク値に
達することから明らかである。個別シリンダのこの異な
つた充てん量に基いて、絞り弁位置α＝５〔W.E.〕にお
いてシリンダ数で除算した和トルク（１／２ΣＭ）は、
個別シリンダトルクの値に達することができない。とこ
ろで個別シリンダトルク経過ないしシリンダ固有の効率
を最適化するために、本発明によれば、一定の吸気量に
おいて内燃機関の２つのシリンダに対する噴射量を、す
べてのシリンダの和噴射時間ないし和噴射量が一定に保
持されるように反対方向にウオブリング制御（Wobbel）
することが提案される。噴射時間に対するウオブリング
制御信号の位相位置と、内燃機関のトルク発生器の信号
との比較により、内燃機関の最大トルクを得るためにシ
リンダ固有の噴射時間が発生される。位相比較の結果に
基いて、シリンダ固有の噴射量が反対方向に、噴射時間
のウオブリング制御に基いてトルク変動が最小値をとる
までの間変化される。この方法の重要な境界条件は、内
燃機関の作動点が平均の排ガス組成と同様に維持される
ように、個別噴射時間の和を一定に保持することにあ
る。第１図ｂ）にはこの種のシリンダ固有の最適化過程
の結果が図示されている。同じ絞り弁位置αにおいてシ
リンダ２より高い充てん度を有するシリンダ１に、最適
化方法にしたがつて、噴射時間Ｔ_１＝８〔W.E.〕に相応
した比較的高い燃料量が供給され、一方シリンダ２には
噴射時間Ｔ_２＝６〔W.E.〕が適用される。それ故に噴射
時間の和、したがつて供給される燃料量は不変状態に維
持され、一方シリンダに関連した全トルク（１／２Σ
Ｍ）は４〔W.E.〕から５〔W.E.〕へ25％だけ上昇した。
したがつてこのことは、内燃機関の効率が25％だけ上昇
したことを意味する。第１図ｃ）にはこの関係を明らか
にするために、シリンダの重み付けされた和トルクの経
過が噴射時間Ｔ_１の関数として図示されている。パラメ
ータとして絞り弁位置αが用いられ、その際αはこの場
合５〔W.E.〕をとる。噴射時間Ｔ_２は噴射時間Ｔ_１およ
びＴ_２の和が定数を形成すべきである（この場合定数＝
14）という条件に関して和トルク関数に含まれている。
第１図ｃ）から次のことがわかる。つまり２シリンダの
内燃機関は、噴射時間Ｔ_１が、絞り弁位置α＝５〔W.
E.〕であつて14〔W.E.〕の全噴射時間Ｔ_１およびＴ_２に
おいて値８〔W.E.〕をとるとき、最適なトルクを発生し
かつしたがつて最大効率点において作動される。ところ
でこの過程はおのおのの絞り弁位置に対して繰り返され
る。

第２図について、４シリンダ内燃機関に対する方法を説
明したい。第２図ａ）において第１図ａ）と類似して、
個別シリンダのトルク曲線並びにシリンダに関連付けら
れた全トルク経過が図示されている。その際シリンダ1,
2および３は同じ充てん度を有しかつ相応に同じトルク
経過Ｍ_１，_２，_３も有することを前提とした。これに対
してシリンダ４は僅かな充てん効率によつて動作し、そ
の結果比較的大きな絞り弁位置αないし空気量において
漸くトルク最大値に達する。任意に仮定された個別シリ
ンダトルク経過は次の式を満足するものとする： Ｍ_１，_２，_３＝−（α−Ｔ_１＋３）^２＋Ｔ_１−２ Ｍ_４＝−（α−Ｔ_４＋１）^２＋Ｔ_４−２ たヾしＴ_１＝Ｔ_２＝Ｔ_３＝Ｔ_４＝７ である。

ところで最適化過程は、まずシリンダ１および２に対す
る噴射時間ないし量（Ｔ_１＋Ｔ_２）がシリンダ３および
４に対する噴射時間（Ｔ_３＋Ｔ_４）とは反対方向にヴオ
ブリング制御されるように経過する。この場合も、４つ
すべての噴射時間の和が不変にとゞまるべきであるとい
う境界条件が守られる。内燃機関のトルクないし回転数
に対する出力信号の位相考察との関連における噴射量の
ヴオブリング制御は、（Ｔ_１＋Ｔ_２）並びに（Ｔ_３＋Ｔ
_４）の平均値の必要な移動の方向を、最大トルクが生じ
る、すなわちトルク変調が零になるように、定めるため
に用いられる。噴射量Ｔ_１,T_２およびＴ_３,T_４の求めら
れた比の値がまず記憶される。ところで既述の過程は、
２つの別のシリンダ群またはシリンダに対して同じ方法
で繰返される。シリンダないしシリンダ群の交互の組合
せおよび最適化過程の繰返しによつて、内燃機関の当該
の作動点に対して数ステツプの後絶対トルク最大値ない
し絶対最小燃料消費率が調整設定される。その結果は例
えば学習する特性領域に固定することができる。したが
つてシリンダ群ないし個別シリンダの交代が必要であ
る。その理由は、おのおのの個別最適化過程によつて２
つの燃料噴射量の比しか確定することができないからで
ある。４シリンダ内燃機関の場合、４つの未知数、すな
わち４つの噴射時間を求めなければならない。したがつ
て最適化過程を３回繰返すことが必要であり、その結果
種々異なつたシリンダないしシリンダ群に対する３つの
異なつた噴射時間比が得られる。４番目の条件として、
すべての噴射時間の和が一定の値をとらなければならな
いということが用いられる。４つの未知数、すなわちお
のおのの個別シリンダに対する４つ噴射時間を決めるた
めに４つの式（３つの噴射時間比、和Ti＝一定）が使用
され、その結果個別シリンダ噴射時間の計算は難なく行
なうことができる。その都度の特別の場合において、変
数間の結合がある、すなわち４つの互いに独立した変数
が取り扱われているのではないことが明らかであれば、
シリンダ固有の噴射時間の二者択一的選択の検出がなさ
れる。そうすれば既述の最適化過程の数回の繰り返しの
際同じ結果が生じる。結合される同一化系を達成するた
めのこの形式の反復方法はそれ自体よく知られており、
当業者であれば本発明をたゞちに反復法でも実施するこ
とができる。

第２図ｂ）において、最適化過程の結果、すなわち絞り
弁位置α＝4.5〔W.E.〕に対する噴射時間Ｔ_１＝Ｔ_２＝
Ｔ_３＝7.5〔W.E.〕およびＴ_４＝5.5〔W.E.〕が図示され
ている。この例においてもシリンダ当り平均の全トルク
の約20％の上昇が生じる。第２図ｃ）において第１図
ｃ）と類似して、シリンダ当りの平均全トルクの、所定
の絞り弁位置α＝4.5〔W.E.〕に対する噴射時間Ｔ_１へ
の依存性が図示されている。噴射時間Ｔ_２,T_３およびＴ
_４は、条件Ｔ_１＝Ｔ_２＝Ｔ_３および を介して含まれている。この曲線の極大値は、噴射時間
Ｔ_１＝7.5〔W.E.〕にあり、その結果第２図ｂ）の最適
の噴射時間値が予測通りに確認される。

こゝでは考慮しなかつたシリンダ数を有する内燃機関に
対しても個別方法ステツプを類似に適用することがで
き、その際ステツプの数および反対方向にヴオブリング
されるシリンダないしシリンダ群の交代のみが変化す
る。

第３図は、これまで説明してきた最適化方法を実施する
ための装置の回路構成を示す。マイクロコンピユータ50
において構成要素CPU51、RAM52、ROM53、タイマー54、
第１の入出力ユニツト55および第２の入出力ユニツト56
がアドレスおよびデータバス57を介して相互接続されて
いる。マイクロコンピユータ50におけるプログラムシー
ケンスを時間制御するために、一方において直接CPU51
に接続されており、他方において分周器59を介してタイ
マー54に接続されている発振器58が用いられる。第１の
入出力ユニツト55には処理回路60,61および62を介して
例えば排気ガスセンサ63、回転数発生器64並びに基準マ
ーク発生器65の信号が供給される。別の入力量としてバ
ツテリー電圧66、絞り弁位置67、冷却水温度68並びにト
ルク発生器69の出力信号が設けられている。内燃機関の
トルクが直接回転数から取り出される場合、トルクを検
出するための回転数発生器64を使用することもできる。

これら入力量は対応配属された処理回路70,71,72および
73を介してマルチプレクサ74とAD変換器75とから成る直
列回路に接続されている。マルチプレクサ74およびAD変
換器75の機能は例えばナシヨナル・セミコンダクタ（Na
tional Semiconductor）のモジユール0809によつて実現
することができる。マルチプレクサ74の制御は、第１の
入出力ユニツト55から出発して線76を介して行なわれ
る。第２入出力ユニツト56は出力段77を介して内燃機関
の噴射弁78を制御する。本発明の方法の適用にとつて
は、燃料がシリンダ当り１つの噴射弁を有する噴射装置
を介して供給されるかまたは内燃機関の吸気管路に唯一
の噴射弁が設けられている噴射装置が扱われているかど
うかは重要でない。

既述の装置の動作は勿論、マイクロコンピユータのプロ
グラミングに大部分は依存する。ドイツ連邦共和国特許
出願第3403394.7号明細書において既にまさに、予備制
御、極大値調整および特性領域学習方法が行なわれる、
内燃機関における燃料調量に対するプログラムシーケン
スが詳細に記載されている。したがつて以下第４図に基
いて、シリンダ固有の最適化に対して典型的な方法ステ
ツプについてのみブロツク線図を用いて説明する。点火
の投入後主プログラムにおいて作動パラメータに依存す
る噴射量ないし噴射時間が計算されるかもしくは特性領
域から読み出され、その際まず内燃機関のおのおののシ
リンダｎに対すして同じ噴射時間Tin_０が前提となつて
いる。さらに主プログラムにおいて点火時点およびその
他の量が計算される。燃料調量ないし効率のシリンダ固
有の最適化がサブプログラムTinを用いて行なわれる。
まず、内燃機関の例えばシリンダ１および３の噴射時間
Ti_{１ ０},Ti_{３ ０}が反対方向に値△Tiだけヴオブリングさ
れる。トルク変化ないし回転数変化と例えばシリンダ１
のヴオブリング信号との間の位相比較後、個別シリンダ
噴射時間が比較の結果に相応して、和噴射時間が一定で
あるという境界条件を守つておいて変化される。引続い
て、噴射時間のヴオブリングによつて生じるトルクない
し回転数変化が近似的に値零をとるかないし所定の下方
の閾値を下回つているかどうかの問合せが行なわれる。
この場合、第１シリンダおよび第３シリンダに対する噴
射時間の比が記憶される。トルク変化がさらに前以つて
決められた閾値を上回つていれば、シリンダ固有の噴射
時間は新しい位相比較後相応に変形される。シリンダ固
有の噴射時間の変化の際境界条件として常に、噴射時
間、この場合は例えばTi_１およびTi_３の和が一定の値を
とるように考慮される。

次のステツプにおいて、例えばシリンダ２および４の噴
射時間がサブプログラムTinにしたがつて最適化されか
つ噴射時間が比としてメモリに格納される。個別シリン
ダないし個別シリンダ群、この実施例においてはシリン
ダ１および４または２および３の第３の組合せの別の最
適化後、シリンダ固有の噴射時間を計算するのに十分な
情報が存在する。“反復ステツプ”として点線で示され
た接続線によつて、最適化がシリンダ固有の噴射時間の
反復近似のためにこゝで示されているよりはひんぱんに
実施することができるということを示している。理想的
な場合ｎ個のシリンダの内燃機関の場合種々異なつたシ
リンダないしシリンダ群に対して（ｎ−１）回の最適化
方法が必要である。このことは、４シリンダの内燃機関
に対する短い例に基いて、次のリストから明らかであ
る： 1.最適化:Ti_１／Ti_３＝定数１ 2.最適化:Ti_２／Ti_４＝定数２ 3.最適化:Ti_１／Ti_４＝定数３ （３番目の最適化は、選択的に噴射時間Ti_２,Ti_３によ
つで実施することもできる）。

Ti_１＋Ti_２＋Ti_３＋Ti_４＝定数４ このようにして４つの未知の個別シリンダ噴射時間に対
して３つの最適化方法および和条件に基いて、４つの無
関係な式が使用可能になり、それらは難なく解かれる。

最適化過程の期間中内燃機関の作動条件が近似的に一定
の値を有することを保証するために、それ自体公知の適
当な問合せ装置が設けられている。この問合せ装置は、
変化が著しく大きい場合、最適化過程を遮断するかない
し新たにスタートせしめる。

第５図には、噴射時間Ti_１,Ti_３の最適化方法の例に基
いたヴオブリング信号および所属のトルクないし回転数
信号が図示されている。前以つて決められた、例えば作
動パラメータに依存する持続時間τに対して、噴射時間
Ti_１が値△Ｔだけ高められかつ噴射時間Ti_３が値△Ｔだ
け短縮される。このように修正された噴射時間に対する
内燃機関の反応は、トルクの上昇またはトルクの低下と
して表わされる。シリンダ１の噴射時間の延長がトルク
上昇（同相）を来たすかまたはトルク低下（逆相）を来
たすかに応じて、和噴射時間（Ti_１＋Ti_３）を一定にす
るという境界条件に基いて噴射時かTi_１（Ti_３）が延長
される（短縮される）かないし短縮される（延長され
る）。第１の持続時間τの経過後最適化過程は、噴射時
間が△Ｔだけ短縮されかつ噴射時間Ti_３が△Ｔだけ延長
されるように引続き進行する。相応に、内燃機関のトル
ク変化の位相も変化する。噴射時間のヴオブリング信号
とその結果として生じるトルクないし回転数変化との間
の位相位置を評価するために、有利にはドイツ連邦共和
国特許出願第P3403304.7号明細書に記載されているよう
に、デジタルフイルタが使用される。

これまで説明してきた使用例はいつも個別シリンダで噴
射が行なわれる内燃機関に係わつてきたが、第６図を用
いて簡単に、唯一の中央噴射弁を有する内燃機関に本発
明を使用した場合について説明する。第６図の線図に
は、点火時点、入口弁の開放時間および中央の噴射弁に
対する噴射パルスがクランク軸の角度に関して図示され
ている。その際シリンダ１ないし４に対する点火順序1-
3-4-2と仮定した。その際噴射過程は、それぞれのシリ
ンダに１つの噴射パルスを対応させることができるか、
ないし噴射パルス毎に供給される燃料量が大部分唯一の
シリンダに達するように、同期されなければならない。

例において第１噴射パルスは、このパルスが遅延時間の
経過後（噴射弁→入口弁）第４シリンダの入口弁の開放
時点に精確にこの弁に到着するように選択された時点に
おいて発生される。相応に第２噴射パルスは第２シリン
ダにおいて現われる。実際には、噴射弁から入口弁への
遅延時間を考慮するために、噴射持続時間の開始を作動
パラメータに依存してシフトする必要があると認められ
ている。その際２回転当り所定の全噴射量において、個
別シリンダに対応する噴射量を変えることができる。こ
の場合も２つのシリンダまたはシリンダ群に所属の噴射
パルスが反対方向にヴオブリングされかつ平均して反対
方向に、既述のように最大トルクが生じるように変化さ
れる。

提案されたシリンダ最適化は、内燃機関のどんな作動点
においても、勿論beminないしPmax作動点においても適
用される。上位の調整回路によつて、例えばλセンサを
使用してすべてのシリンダを介して平均化される空気過
剰率を、場合によつて、作動パラメータに依存して前以
つて決めることができる所定の値に調整していくことも
可能である。それから引続いて上述のように、この作動
点に対する個別シリンダ最適化を用いて内燃機関の効率
の最大値が検出される。特別重要なのは、将来の排気ガ
ス規制を考慮した場合λ＝１における作動点である。そ
の際上位の調整回路は、それ自体公知のように（λ＝
１）センサを用いて平均空気過剰率を値λ＝１に保持す
る。そこで個別シリンダ最適化を用いて、おのおののシ
リンダに対して精確に、当該のシリンダがその効率の最
大点において動作するλ値が調整設定される。最適化を
行なわない場合シリンダ毎のλ値の偏差△αは△α〜0.
1にくる可能性があるので、最適化によれば非常に僅か
な変動幅を考慮することができる。

シリンダ毎のλ値の変動幅が僅かであれば、触媒の設計
の際有利になる。というのは今日の触媒は変動幅がある
ために、内燃機関の複数の燃焼サイクルにわたつて平均
化するために、嵩張つて構成されるからである。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は、本発明の方法を説明するために
内燃機関のシリンダの任意に仮定したトルク経過を示す
線図であり、第３図は本発明の最適化方法を実施するた
めの装置のブロツク回路図であり、第４図は、第３図の
実施例の動作を説明するためのフローチヤートを示す図
であり、第５図は、数個の重要な信号量を時間的に表わ
す線図であり、第６図は本発明の方法を、唯一の噴射弁
しか有していない多シリンダ内燃機関に適用する例を説
明するための時間に関する線図である。 50……マイクロコンピユータ、58……クロツク発生器、
59……分周器、63……排気ガスセンサ、64……回転数発
生器、69……トルク発生器、

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内燃機関のシリンダ群に対する調量すべき
   燃料量を変化する、内燃機関の効率を最適化するための
   多シリンダ内燃機関の作動特性量の調整方法において、 ａ）内燃機関の、それぞれ少なくとも１つのシリンダを
   有する少なくとも２つのシリンダ群に対する調量すべき
   燃料量を制御するための時間に依存する信号を発生し、
   かつシリンダの平均空気／燃料比を少なくとも近似的に
   一定に保持して、前記調量すべき燃料量をシリンダ群固
   有に変化する第１ステップと、 ｂ）内燃機関のトルクまたは回転数のような内燃機関の
   出力量を検出し、該出力量を前記調量すべき燃料量の時
   間的な変化によって変化する第２ステップと、 ｃ）内燃機関の効率を最適化するために、少なくとも１
   つのシリンダ群に対する調量すべき燃料量を、該燃料量
   の時間的な変化によって惹き起こされる、前記検出され
   た出力量の変化が極大値をとるように変化する第３ステ
   ップ とを有することを特徴とする多シリンダ内燃機関の作動
   特性量の調整方法。
2. 【請求項２】内燃機関の効率を最適化するためのマイク
   ロコンピュータ（50）を有し、該マイクロコンピュータ
   は、それぞれ、内燃機関の少なくとも１つのシリンダを
   有する少なくとも２つのシリンダ群に対する調量すべき
   燃料量を制御するための時間に依存した信号を発生し、
   かつこれにより、シリンダの平均空気／燃料比を少なく
   とも近似的に一定に保持して、調量すべき燃料量をシリ
   ンダ群に特有な値に変化する第１手段を有し、 調量すべき燃料量の前記時間的な変化によって変化す
   る、内燃機関のトルクまたは回転数のような内燃機関の
   出力量を検出する第２手段（64,69）を備え、かつ 前記マイクロコンピュータはさらに、前記内燃機関の効
   率を最適化するために、少なくとも１つのシリンダ群に
   対する調量すべき燃料量を、該燃料量の時間的な変化に
   よって惹き起こされる、前記検出された出力量の変化が
   極大値をとるように変化する第３の手段を有する ことを特徴とする多シリンダ内燃機関の作動特性量の調
   整装置。