JPH08502113A - 可変バルブタイミング機能を有する内燃機関のための空気充填量算出方法 - Google Patents

可変バルブタイミング機能を有する内燃機関のための空気充填量算出方法

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JPH08502113A JP7505489A JP50548995A JPH08502113A JP H08502113 A JPH08502113 A JP H08502113A JP 7505489 A JP7505489 A JP 7505489A JP 50548995 A JP50548995 A JP 50548995A JP H08502113 A JPH08502113 A JP H08502113A
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Abstract

(57)【要約】 本発明は、可変バルブタイミング機能ないし調整可能な吸気および/または排気カムシャフトを有する内燃機関での気筒の空気充填量を、とくに非定常動作でダイナミックに正確に計算するための方法に関する。そのためにバルブタイミング制御の変動の影響が気筒の充填ガスにおける新鮮空気率の計算の際に考慮される。

Description

【発明の詳細な説明】 可変バルブタイミング機能を有する内燃機関のための空気充填量算出方法 従来の技術 本発明は、可変バルブタイミング機能、ないし例えば非定常動作において調整 可能な吸気および/または排気カムシャフトを有する内燃機関での気筒の空気充 填量をダイナミックにかつ正確に算出する方法に関する。 ドイツ連邦共和国特許出願公開第3247916号公報(米国特許第4856 465号)から、内燃機関の制御時間を、カムシャフトのねじりによりカムシャ フト駆動部に対して相対的に動作パラメータに依存して変化されることが公知で ある。動作パラメータとしては、内燃機関の回転数N、および噴射制御のため計 算器でいずれにしろ求められる負荷信号T1=K・Q/Nが使用される。この負 荷信号は内燃機関の1行程で正規化された空気量に相応する。 従来の負荷検出方法では、吸気管に流入する空気量Q(例えばホットワイヤ空 気質量計)を測定するか、またはスロットルバルブ開口度を回転数または吸気管 圧Psと関連して負荷に対する尺度として使用する。 空気質量測定の場合は、気筒に実際に流入する空気 質量を吸気管に対する空気質量勘定によって求めることができる。吸気管に含ま れる空気質量Msの気筒吸気行程中の変化dMsに対しては、 dMs=Mdk − Mz (1) があてはまる。ここでMdkは、吸気行程中にスロットルバルブを通って流入し た空気質量であり、Mzは気筒によって吸気された空気質量である。 気筒の行程容積有効部分ηがほぼ新鮮ガスによって満たされると仮定すれば、 Mzは近似的に吸気管容積Vsと有効行程容積Vh/Z・ηとの比によって表す ことができる。 Mz=(Ms・Vh・η)/(Z・Vs) (2) ここでZは気筒数、Vhは機関の排気量である。パラメータηは容積効率と称す ることができる。ηが実質的に変化しなければ、気筒の空気充填量変化dMzに 対しては次式があてはまる。 dMz=dMs・{(Vh*η)/(Z *Vs)} (3) スロットルバルブを通って流入する空気質量Mdkは、測定された空気流量Q mと空気行程の持続時間を用いて、 Mdk=Qm*dT (4) として表すことができる。持続時間dTは機関回転数Nと気筒数Zから得られる 。 dT=2/(N*Z) (5) これにより気筒の空気充填量の変化dMzに対して 次式が得られる。 dMz={(Vh*η)/(Z*Vs)}*Qm*{2/(N*Z)−Mz} (6) 式(6)から気筒の空気充填量を検出するための漸化式が導出される。 dMz=Mz(k)−Mz(k−1) (7) したがって、 Mz(k)=Mz(k−1)+{(Vh*η)/(Z*Vs)}*{Qm*2 /(N*Z)−Mz(k−1)} (8) しかし可変バルブタイミング機能を有する内燃機関では、この計算過程によっ て最適の結果を得ることが場合によりできない。例えばバルブオーバーラップ、 すなわち吸気弁と排気弁が同時に開放している時間が変化すれば、バルブオーバ ーラップの間に排気マニホールドから吸気管に逆流する排気ガス質量も変化する 。この排気ガスは気筒内の新鮮ガスの割合を圧迫し、そのため容積効率ηを大き く変化させる。そのため式(8)を導出するための前提が崩れてしまう。したが って従来の方法は非定常動作での気筒の空気充填量を正確に検出することができ ず、このためとくに非定常動作での空燃比に過度に大きな変動が生じてしまう。 吸気管の空気圧Psを測定する場合は、気筒の空気充填量を簡単な直線式を用 いて算出することができる。 Mz=K*(Ps−PsO) (9) 負荷検出の別の例として、スロットルバルブ開口度と回転数とから負荷信号を 形成することがあげられる。 しかし可変バルブタイミング機能を有する機関では、式(9)の係数Kとオフセ ットPsOがカムシャフトの位置と回転数に大きく依存する。したがってこの方 法でも十分に正確な結果を得ることができない。 本発明の課題は、バルブタイミング可変制御の負荷検出に及す影響を考慮した 方法を提供することである。 本発明はこの課題を、バルブタイミング制御の影響を、内燃機関の作動容積( 気筒)へ充填されるガスにおける新鮮ガスの割合の計算に含めることにより解決 する。 より詳細には、作動容積のガス充填の交換を制御により動作パラメータに依存 して行うことのできる内燃機関において、内燃機関に吸気管を介して流入する新 鮮ガス量に対する尺度となるパラメータを検出し、作動容積のガス充填における 新鮮ガスの割合の検出の際に、内燃機関に吸気管を介して流入する新鮮ガス量に 対する尺度の他に、制御操作を表す少なくとも1つのパラメータを考慮する。 制御操作を表すパラメータとして、バルブオーバーラップ、すなわち個々の作 動容積(気筒)の吸気弁と排気弁が同時に開放している角度領域がある。 付加的に、クランクシャフトの基準角度ないし内燃機関のピストンの死点に相 応する角度に対するこの角度領域の相対位置を制御操作を表すパラメータとして 考慮することができる。 弁を操作するためカム形状を制御変化させたり、個別に電子的に制御され液圧 的に操作される弁において実現される可変のバルブリフト曲線の場合には、少な くとも1つのバルブリフト曲線の経過および/または変化が制御操作に対する特 徴的パラメータとして考えられる。 一般的には制御操作の影響は、内燃機関の吸気および排気領域への作動容積の それぞれ小さな開放度(この開放度はバルブオーバーラップの間に作用する)を バルブオーバーラップの持続時間にわたって積分することにより検出する。 カムシャフトを調整できる場合は、制御操作は吸気排気カムシャフトの位置か ら形成することができる。この位置は適切なセンサにより検出することができ、 また推定値としてカムシャフト位置に対するモデルを用いて計算することができ る。制御時間に対する実際値を知ることによって吸気管圧測定を行う制御装置で は、吸気管圧から空気充填量を検出するための計算式(9)のパラメータを相応 に変化することができる。 空気質量センサを有する装置の場合、まず吸気管圧に対する推定値が検出され る。吸気管圧検出装置によって既知となった吸気管圧と制御時間および回転数の 実際値との関係を用いて、気筒の空気充填量を算出することができる。これによ りバルブタイミング制御の変化の影響を表すことができる。さらに吸気管圧を中 間パラメータとして計算することにより、装置を測定された吸気管圧との比較に より補償するという簡単な手段が得られる。このことは特殊な内燃機関形式の燃 料調量装置に適用する場合に有利である。 図1は、調整可能なカムシャフトと、本発明の噴射時間の計算のための制御装 置を有する内燃機関の概略図である。 図2は、吸気管圧、カムシャフト位置および気筒の空気充填量との関係を測定 結果に基づいて示す線図である。 図3aは、吸気弁と排気弁のバルブリフト曲線を示す線図であり、測定された カムシャフト位置とバルブオーバーラップを示している。 図3bは、バルブオーバーラップと、吸気管圧測定部を有する装置に対して空 気充填量計算に必要なパラメータを検出するためのフローチャート図である。 図4aと図4bは、吸気管圧測定部を有する装置での空気充填量計算のための プログラムチャート図である。 図5aは、空気質量ヤンサの信号を検出するためのフローチャート図である。 図5bは、測定された空気質量流から空気充填量を計算するためのプログラム チャート図である。 図6aは、カムシャフト位置が切替えられた調整位置にあるときのカムシャフ ト位置の基本時間経過を表 す線図である。 図6bは、カムシャフトセンサがない場合のカムシャフト位置に対する推定値 を検出するためのプログラムチャート図である。 図1は、内燃機関と噴射時間を計算するための制御装置を示す。吸気管116 に流入する空気質量は空気質量ヤンサ114(ホットワイヤセンサまたはホット フィルムセンサ)により検出され、制御装置107に供給される。スロットルバ ルブ101の位置はセンサ102により測定される。さらに吸気管には空気温度 に対するセンサ111並びに場合により圧力センサ103がある。圧力センサは 吸気管圧測定部を有する装置の場合に空気質量センサ104と置換される。 制御装置107により計算された噴射すべき燃料量は噴射弁106を介して機 関に供給される。 空気燃料混合気は吸気弁112を介して気筒113に達する。排気ガスは排気 弁112aを介して排気ガス装置に排出される。空気燃料混合比の尺度である排 気ガスの残留酸素濃度は酸素センサ110を介して検出される。 吸気弁と排気弁の開放時点および閉鎖時点は所属の吸気カムシャフト108並 びに排気カムシャフト108aを介して検出される。調整装置109および10 9aを用いて、カムシャフトの位置、ひいてはピストン上死点に対する吸気弁お よび排気弁の相対的開放時 点および閉鎖時点が制御される。吸気カムシャフトおよび排気カムシャフトの位 置はセンサ115および115aにより測定される。さらに装置は、回転数並び にクランクシャフト位置を検出するためのセンサ104と冷却水温度を検出する ための温度ヤンサ105を有する。 図2は測定結果に基づき、気筒の吸気充填量と吸気管圧との関係を示す。ここ で空気充填量は所属の噴射持続時間によって表されている。この噴射持続時間は 、理想空燃比を得るために必要な時間である。空気充填量と吸気管圧の関係は1 800r.p.mの機関回転数において、2つの異なるカムシャフト位置につい て測定された。曲線1はクランクシャフトで14゜のバルブオーバーラップに相 応する。曲線2はこれよりも格段に大きなバルブオーバーラップ(クランクシャ フトで44゜)で測定された。すなわち吸気弁と排気弁は、曲線1よりも格段に 大きな時間の間、同時に開放している。したがって第2の測定では、オーバーラ ップフェーズの間に、格段に多くの排気ガスが吸気管に逆流し、相応の量の新鮮 ガスを押し出す。したがって測定2では、吸気管圧が同じであれば吸気充填量が 測定1の場合よりも小さい。 しかし両方の場合とも、空気充填量は吸気管圧から直線式(9)によって求め られる。 Mz=K*(Ps−PsO) (9) ここで増幅係数KとオフセットPsOはカムシャフト位置および回転数に比例す る。 図3aと図3bはカムシャフト位置を検出するための方法を表す。図3aは吸 気弁と排気弁のバルブリフト曲線を表す。センサ115は吸気弁の開口角度We oを点火−OTから測定して検出する。センサ115aは排気弁の閉鎖時点Wa sを送出する。これも同様に点火−OTから測定する。 残留ガス成分およびひいては空気充填量に対する影響については、すでに説明 したようにとくにバルブオーバーラップが重要である。すなわち、吸気弁と排気 弁の両方が開放している領域の長さWuが重要である。したがって2つのカムシ ャフト位置WeoとWasの代りに、単にバルブオーバーラップWuを空気充填 量の計算に使用するだけで十分である。 図3bのフローチャートはバルブオーバーラップと空気充填量の計算に必要な パラメータの検出のためのプログラムを表す。このプログラムは十分に高速の時 間ラスタ(例えば100ms毎)でスタートとされる。 ステップ301と302では、センサ115と115aの信号が評価され、カ ムシャフト位置WeoとWasが制御装置−RAMにファイルされる。 ステップ303では、バルブオーバーラップがWasとWeoの差として計算 される。カムシャフト位置からバルブオーバーラップが得られなければ、すなわ ち吸気弁と排気弁が同時に開放しないときは、問い合せ304でWuに対して負 の値が生じる。この場合はステップ305でバルブオーバーラップが0にセット される。 引き続き、回転数センサ104を介して測定された機関回転数Nが読み出され る(ステップ306)。空気充填量を式(9)にしたがって計算するために、オ フセットPsOと比例係数Kが回転数とバルブオーバーラップに依存して必要と なる。これらはステップ307と308で計算され、後で行う負荷計算のために 制御装置−RAMに準備される。PsOとKの値は種々異なるバルブオーバーラ ップおよび回転数毎に制御装置−ROMのテーブルにファイルされている。Ps OとKの瞬時値の検出はこれらのテーブルから取出されたパラメータの補間によ って行われる。 図4aと図4bのフローチャートは、吸気管の空気圧の検出と、引き続く空気 充填量の計算を示す。図4aのプログラムは1点火毎に所定のクランクシャフト 位置、例えば常に点火−OTの前の180゜でスタートされる。ステップ401 では、圧力センサ103の吸気管圧が読み出され、制御装置−RAMのRAMセ ルPs1に記憶される。 図4bのプログラムも同様に1点火毎に一度、しかし比較的に後のクランクシ ャフト位置(例えば点火−OTの前90゜)で呼び出される。まずブロック40 2でもう一度吸気管圧が読み出され、RAMセルPs2にファイルされる。引き 続き、ステップ401と402で読み出された吸気管圧値の平均値が形成される (ステップ403)。この平均値形成により、気筒の吸気行程によって生じる吸 気管圧の典型的な脈動が抑圧される。 ステップ404では、圧力平均値から気筒の空気充填量が式(9)にしたがっ て求められる。ここではステップ307と308で求められた比例係数Kとオフ セットPsOに対する値が使用される。 図5aと図5bは、空気量測定センサの装備された装置に対する方法ステップ を示す。 このような装置に対しては、まず吸気管圧を吸気管に流入する測定された空気 質量から計算しなければならない。次にこの吸気管圧から、圧力測定を行う装置 の場合のように、気筒の空気充填量を求める。 吸気管に存在する新鮮空気質量Msの気筒吸気行程中の変化dMsに対しては 次の等式が成り立つ。 dMs=Mdk−Mz (10) ここでもMzは気筒により吸入された新鮮空気質量であり、Mdkは同じ時間に スロットルバルブを通って流入した空気質量である。次式が理想ガスに対してあ てはまる。 Ps*Vs=Ms*R*Ts (11) ここでPsは吸気管圧、Vsは吸気管容積、Rは空気 に対するガス定数、Tsは吸気管内の空気温度である。 これにより、吸気行程中の空気圧の変化dPsに対しては次のようになる。 dPs=Ps(k)−Ps(k−1) =dMs*(R*Ts/Vs) (12) ここでPs(k)とPs(k−1)は、2つの順次連続する計算ステップk−1 とkで求められた吸気管圧の値であり、この計算は気筒の吸気行程毎に一度実行 される。 Ps(k)の解と等式(10)の代入により、吸気管の空気質量は次のように なる。 Ps(k)=Ps(k−1)+(R*Ts/Vs)*(Mdk−Mz) (13) 気筒により吸入される空気質量に対しては、吸気管圧測定を行う装置に対して すでに既知の式(9)を代入することができる。 スロットルバルブを通って流入する空気質量Mdkは、センサ114により測 定された空気質量Qmの平均値Qmmから計算することができる。 Mdk=Qmm*dT (14) ここで計算ステップ幅dTに対しては dT=2/(N*Z) (15) が適用される。 ここでNは機関回転数、Zは気筒数である。ここでは 計算は吸気行程毎に一度だけ実行されることが前提となっている。 これにより、吸気管圧と空気充填量の計算のための漸化式が得られる。 Ps(k)=Ps(k−1)+(R*Ts)/Vs*{Qmm*(2/N*Z )−Mz(k−1)} (16) 並びに Mz(k)=K*{Ps(k)−PsO} (17) 漸化式(16)と(17)の空気充填量を計算するためのプログラムへの置換 は、図5aと5bに示されている。 図5aのフローチャートは非常に頻繁に実行されなければならない。このフロ ーチャートではブロック501でまず機関が回転しているか否か検査される。機 関が回転していれば、ステップ502で空気質量流Qmの値が空気測定ヤンサ1 14により読み出される。ステップ503と504で、読み出された空気質量値 Qm並びにプログラム実行の数が加算される。これはここから別のプログラムで 空気質量流の平均値Qmmを計算するためである。 フローチャート5bは吸気管圧およびそこから気筒の空気充填量を検出するた めのプログラムを示す。このプログラムは吸気行程で一度、例えば常に点火OT の前90゜でスタートされる。 ステップ505で再び、機関が回転しているか否か検査される。機関が回転し ていれば、ステップ506で空気質量流の平均値Qmmが検出される。引き続き 、プログラム実行カウンタおよび合計値Qmsumはステップ507と508で 0にリセットされる。これにより図5aのプログラムは次の吸気行程中に平均値 を検出することができる。 ステップ509と510では、瞬時の回転数Nと吸気管内の空気温度Tsがセ ンサ104と111により読み出される。 次にステップ511と512では、先行するプログラム経過からの吸気管圧P saltと空気充填量Mzaltに基づき、上で導出した漸化式(16)と(1 7)に従って吸気管圧および空気充填量に対する瞬時値PsneuとMzneu が検出される。そのためにはステップ512で比例定数KとオフセットPsOが 必要である。これら2つのパラメータは図3bのプログラムによってバルブオー バーラップおよび回転数から検出されなければならない。 ステップ513では、吸気管圧および空気充填量の値がRAMセルPsalt およびMzaltに後続のプログラム実行のために記憶される。 機関のスタート時には、RAMセルQmsum、PsaltおよびMzalt 並びにプログラムのプログラム実行に対する数が図5aに従って適切な始動値に セットされる。ステップ505での問い合わせで機関が回転していないことが検 出されると、ステップ514で空気質量の合計値Msumおよびプログラム実行 カウンタが0にセットされる。機関が停止している限り、吸気管内は大気圧とな る。したがって吸気管圧Psaltに対する始動値として大気圧に対する推定値 (例えば950mb)が使用される。気筒の空気充填量に対する所属の始動値と して、大気圧に相応する最大値Mzmaxが使用される。 選択的実施例: しばしば、吸気カムシャフトと排気カムシャフトの両方の調整が省略される。 この場合は、図3aと3bによるバルブオーバーラップの計算の際に可変カムシ ャフトの位置をセンサにより検出し、読み出された(調整されないカムシャフト の)センサ信号の代わりに図3bによる計算に定数を使用すればよい。 カムシャフトが連続的に調整されない構成もある。この構成では、機械的スト ッパにより設定された2つの位置間を往復切り替えされる。ここでは、コストの 理由からカムシャフト位置用のセンサ(115ないし115a)が省略される。 この場合は、カムシャフトの位置をモデルにより推定しなければならない。図6 aは、調整装置108aに出力された目標値WasollをWasminからW asmaxに切り替える際の排気カムシャフト位置の時間経過を示す。近似的 には、実際値経過をシミュレートするのに、1次のローパスフィルタモデルで十 分である。 図6bは所属のプログラムを示す。このプログラムは例えば、10msごとに 実行される。ステップ601で、2つの目標値のうちのどちらがカムシャフト調 整装置108aに出力されるかが検出される。下側目標値Wasminがアクテ ィブであればステップ602で、瞬時のカムシャフト位置Wasneuが先行す るプログラム経過で検出された値Wasaltから、1次のデジタルローパスフ ィルタを用いて計算される。 Wasneu=Wasalt+(Wasmin−Wasalt) *(dT/Tnw) (18) ここでdTは2つのプログラム経過間の時間、Tnwは図6aの時間経過から求 めることのできるカムシャフト変化の時定数である。これに対し、ステップ60 1で上側目標値Wasmaxがアクティブであることが検出されると、カムシャ フト位置の計算がブロック603で行われる。この場合は上側目標値Wasma xがWasminの代わりに使用される。 ステップ604では、カムシャフト位置の瞬時値がメモリヤルWasaltに 後の計算ステップのためにファイルされる。 このようにして検出された排気カムシャフト位置Wasneuは次に、図3b のプログラムで、センサ1 08aにより読み出された値の代わりに使用することができる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI F02M 25/07 550 E 8508−3G

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.内燃機関の作動容積の充填ガスにおける新鮮空気率の計算方法であって、 作動容積のガス充填が動作パラメータに依存して制御操作される形式のもの において、 作動容積の充填ガスにおける新鮮空気率の検出の際に、吸気管圧と、制御操 作を表す少なくとも1つのパラメータを考慮することを特徴とする方法。 2.吸気管圧を測定する請求の範囲第1項記載の方法。 3.吸気管圧を、吸気管に流入およびこれから流出する新鮮空気質量流の勘定を 用いて計算し、 ここで流出する新鮮空気質量流は、作動容積の充填ガスの新鮮空気率に相応 する請求の範囲第1項記載の方法。 4.制御操作を表すパラメータとして、バルブオーバーラップ、すなわち 個々の作動容積の吸気弁と排気弁とが同時に開放している角度領域を使用する 請求の範囲第1項から第3項までのいずれか1項記載の方法。 5.制御操作の影響に対するパラメータとして、内燃機関の吸気領域または排気 領域までの作動容積のそれぞれ比較的な小さな方の、バルブオーバーラップの間 に作用する開口度を、バルブオーバーラップの持続時間にわたって積分して検出 する請求の範囲第 1項から第3項までのいずれか1項記載の方法。 6.付加的に前記角度領域の、クランクシャフトの基準角または内燃機関のピス トンの死点に相応する角度に対する相対的位置を制御操作を表すパラメータとし て使用する請求の範囲第4項記載の方法。 7.吸気管に流入する空気質量流を空気質量計によって検出する請求の範囲第3 項記載の方法。 8.空気質量流をスロットルバルブの開口角度および内燃機関の回転数から検出 する請求の範囲第3項記載の方法。
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