JPH1077877A - 直接噴射式ガソリン内燃機関用の制御装置 - Google Patents

直接噴射式ガソリン内燃機関用の制御装置

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JPH1077877A
JPH1077877A JP9213259A JP21325997A JPH1077877A JP H1077877 A JPH1077877 A JP H1077877A JP 9213259 A JP9213259 A JP 9213259A JP 21325997 A JP21325997 A JP 21325997A JP H1077877 A JPH1077877 A JP H1077877A
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ハルトムート・バオアー
Nikolaus Dr Benninger
ニコラウス・ベニンガー
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ウーヴェ・マイエンベルク
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 直接噴射式ガソリン内燃機関における成層運
転と均質運転との間の切換において、簡単に、乗り心地
よく、また多数の変数を用いて実行可能な切換方式を形
成可能な、運転方式間の切換過程の適切な制御手段を提
供する。 【解決手段】 少なくとも１つの運転変数の関数として
燃料噴射運転を成層運転または均質運転間で切り換え、
さらに内燃機関への空気供給量を設定するための設定要
素を調節する電子式制御ユニットを備えた直接噴射式ガ
ソリン内燃機関用制御装置において、これらの運転方式
間で切り換えるとき、切換の前後において内燃機関のト
ルクがほぼ同じであるように設定要素が明示的に、とく
にステップ状に調節される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は直接噴射式ガソリン
内燃機関用の制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】ドイツ特許公開第４３３２１７１号は
「外部点火および直接噴射式４サイクル内燃機関の運転
方法および装置」を開示している。その明細書の図２に
おいて、内燃機関の全運転領域が回転速度および負荷に
応じて種々の領域に分割されかつ実際の運転領域ごとに
吸気行程中または圧縮行程中のいずれかで燃料が噴射さ
れる。吸気行程中に噴射される場合、点火までに利用可
能な時間に基づきならびに噴射された燃料の吸気流れ内
のスワール（渦状流れ）に基づき、きわめて均質な燃料
分配が発生し（均質運転）、一方圧縮行程における噴射
の場合、成層給気が発生する（成層運転）。この既知の
装置においては、電子式制御装置が個々の運転特性およ
び所定の基準に基づいて均質運転と成層運転との間の切
換を行い、さらに噴射値を決定する。
【０００３】ドイツ特許公開第４２３９７１１号は車両
の制御方法および装置に関するものである。そのうちの
１つがエンジン制御装置である種々の部分装置間にイン
タフェースが形成され、車両を制御するためにこのイン
タフェースを介してトルクに基づく情報を交換すること
ができる。
【０００４】１９９６年５月８日付で出願されたドイツ
特許出願第１９６１８３８５．５号において内燃機関へ
の空気供給量を調節するための制御装置が既知であり、
この制御装置においては、内燃機関のトルクまたは出力
に対する目標値が少なくともドライバの希望に基づいて
設定され、空気供給量を調節する設定装置に対する目標
値に変換され、ここで変換するとき、設定装置により調
節不可能な追加の運転手段流量を調節するための補正係
数、吸気管内の圧力特性および温度特性を示す補正係
数、の双方またはそのいずれかが考慮される。トルク目
標値ないし出力目標値から回転速度を考慮してシリンダ
充填量に対する目標値が形成され、このシリンダ充填量
に対する目標値から、シリンダに流入する空気質量流量
に対する空気質量流量目標値が形成される。さらに、空
気質量流量制御器または充填量制御器が設けられ、空気
質量流量制御器または充填量制御器が、目標質量流量ま
たは目標充填値から対応する実際値に基づいて補正値を
形成し、この補正値が前記の目標値に作用され、これに
より吸気管入口における目標空気質量流量が形成され
る。設定装置における目標空気質量流量を形成するため
に、吸気管入口における目標空気質量流量が、漏れ空気
またはタンク通気弁からの空気質量流量のような追加の
空気質量流量により補正される。設定装置におけるこの
目標空気質量流量が、絞り弁の前後の圧力比、絞り弁手
前の圧力、および絞り弁手前の空気温度、またはそのい
ずれかを考慮して目標容積流量に換算される。目標容積
流量から、所定の特性曲線により、設定装置に対する目
標角度が導かれる。
【０００５】１９９６年３月２７日付で出願されたドイ
ツ特許出願第１９６１２１５０．７号において、運転特
性値用センサと、信号処理ユニットと、少なくとも燃料
供給量、燃料圧力、空気質量流量および点火に対する設
定装置と、さらに内燃機関の運転領域ごとに成層運転ま
たは均質運転における燃料噴射の運転可能性等を備えた
直接噴射式ガソリン内燃機関用制御装置が記載されてい
る。この場合、目標トルク値は燃料流量に対する値に変
換される。この値から空気質量流量に対する値が決定さ
れる。燃料流量の関数として、成層運転または均質運転
ごとの噴射時間値が設定され、また空気質量流量の関数
として絞り弁位置が設定される。エンジントルクを燃料
質量流量値に変換するとき、少なくとも回転速度ならび
にそれぞれに支配する運転（成層運転、均質運転）の関
数である内燃機関の効率信号が参照される。この場合、
効率はトルク／回転速度特性曲線群からそれぞれの運転
方式（成層／均質）の関数として得られる。
【０００６】直接噴射式ガソリンエンジンはまず基本的
にリーン燃焼エンジンであり、とくにほとんど絞りのな
い運転により、ないし絞り弁における損失がないことに
より、動力消費の面で利点が得られる。燃焼ないしエミ
ッションを同時に制御するときの消費動力を最適化する
ために、また十分な出力を発生させるために、３つの運
転状態を与えることができる。
【０００７】１．燃料を遅れて噴射することにより給気
成層を形成するきわめてリーンな運転、 ２．均質な空気燃料混合物を用いた比較的リーンな運
転、 ３．絞りを与えた量論運転。
【０００８】しかしながら、（トルクが空燃比の関数で
あることから）切換時点においてドライバの意に反した
トルク変化が発生するので、エミッションの理由からで
きるだけ迅速に行わなければならないこれらの運転状態
間の切換は、加速ペダルとトルクとの間の関係により問
題が発生することになる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】簡単に、乗り心地よ
く、また多数の変数を用いて実行可能な切換方式を形成
可能な、運転方式間の切換過程の適切な制御手段を提供
することが本発明の課題である。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明による装置は成層
運転と均質運転との間の切換を制御する。
【００１１】本発明の直接噴射式ガソリン内燃機関用の
制御装置は、少なくとも１つの運転変数の関数として燃
料噴射運転を成層運転または均質運転間で切り換え、さ
らに内燃機関への空気供給量を設定するための設定要素
を調節する電子式制御ユニットを備えており、これらの
運転方式間で切り換えるとき、切換の前後において内燃
機関のトルクがほぼ同じであるように設定要素が明示的
に、とくにステップ状に調節される。
【００１２】
【発明の実施の形態】図１は直接噴射式ガソリンエンジ
ン用コモンレール装置の装置配置を示す。燃焼室内に直
接突出する噴射弁１０は操作ラインを介して電子式制御
装置（エンジン制御装置）１１により制御される。燃料
は対応する配管を介してマニホルド１２から噴射弁１０
に供給され、マニホルド内には調節可能な可変圧力がか
かっている。この圧力はセンサ１３により測定され、電
子式制御装置１１に供給され、この電子式制御装置によ
り圧力制御弁１４を介して調節される。マニホルド１２
内の圧力は高圧ポンプ１５により発生される。燃料は制
御装置１１により制御可能な電動式燃料ポンプ１６によ
りマニホルド１２に供給される。電気操作式絞り弁は図
示されていないが、絞り弁は制御装置１１により操作さ
れかつ内燃機関の吸気管内に配置されている。制御装置
１１は、噴射時間、絞り弁位置、マニホルド内圧力およ
び点火角を、冒頭記載の従来技術から概して既知のよう
に、種々のセンサを介して求められる運転変数により調
節する。
【００１３】本発明により、冒頭記載の問題点は、電動
式絞り弁の使用により、およびこれにより与えられる加
速ペダルと絞り弁との間の結合の遮断により、（空燃比
の変化によりもたらされる）トルク変化を対応する充填
変化を介して補償することを可能にすることにより解決
されることは重要である。説明を簡単にするために、以
下においてはリーン成層運転から量論均質運転への直接
切換が考慮される（図２参照）。
【００１４】図２は成層運転と均質運転との間の切換を
示す。この場合、所定の目標トルク値まではエンジンは
ほとんど絞られないで（絞り弁位置はたとえば９０°に
一定）、燃料の遅れ噴射による成層給気を用いてきわめ
てリーンな状態で運転される。次に、絞りを行いかつ実
質的に均質な空気／燃料混合物による量論運転へ（また
はほぼ均質な混合物によるリーン運転へ）切り換えられ
る。
【００１５】成層運転においては、重要でないシリンダ
の空気充填量はトルクおよび調節された空燃比に対して
もっぱら所定のしきい値以上に保持されなければならな
いが、量論運転においては、吸い込まれた空気質量流量
の関数として燃料を供給することが必要である。過渡状
態においては、トルクの急変を回避するために、絞り弁
は、原則としてドライバにより与えられた、成層運転時
に調節されたトルクを、量論運転時においても形成する
値に調節される。電動操作式絞り弁を介して充填量を変
化させることによってλの急変に基づくトルク変化を補
償することにより、一方でエミッションに関して好まし
くない空燃比λに対する値の範囲が回避され、他方で全
体目標トルク範囲（ドライバの希望範囲）を介しての加
速ペダルとトルクとの間の定常関係が得られる。
【００１６】図３は図２において要求される関係に対す
る機能図を構造図として示す。好ましい実施態様におい
ては、個々のブロックはマイクロコンピュータのプログ
ラムを示し、これらのプログラムを実行したときにそこ
に記載の機能が与えられる。冒頭記載の従来技術と同様
に供給される、少なくともドライバの希望の関数である
目標トルク値ｍｉ ｓｏｌｌは、「目標トルクの燃料へ
の換算」ブロック３０に供給されるばかりでなく、「成
層運転と均質運転との間の切換の決定」ブロック３１に
も供給される。この場合、トルクの燃料質量流量ｒｋ’
への換算は回転速度ｎｍｏｔおよび対応する効率（成層
運転／均質運転）を考慮して行われる。切換は追加の２
進信号ｂ ｓｃｈ ｄｋの関数として行われ、この２進
信号ｂ ｓｃｈ ｄｋは運転方式間の切換信号を示してい
る。これは、目標トルクの関数として（しきい値を超え
たとき）、負荷／回転速度特性曲線群の関数として、お
よび／またはたとえばタンク通気、排気ガス戻し、触媒
の要求（リーン触媒、ＮＯＸ触媒、三方触媒）等のよう
な機能の関数として調節される。たとえば、目標トルク
が所定のしきい値を超えたとき、すなわちドライバが高
いトルク設定を希望したとき、均質運転に切り換えられ
る。燃料質量流量ないし目標トルクから、「均質運転に
対する目標空気質量流量の計算」ブロック３２におい
て、空燃比λに対する目標値ｌａｍ ｓｏｌｌを考慮し
て目標空気質量流量ｍｐ ｓｏｌｌが求められる。この
場合、目標値ｌａｍ ｓｏｌｌは燃料質量流量値ｒｋ’
と乗算すべき係数を示し、したがって燃料質量流量が与
えられたときに空気供給量を調節することにより（均質
運転において得られる）空燃比の目標値が得られよう。
さらに、燃料質量流量を空気質量流量へ換算する定数が
考慮されることは当然である。目標空気質量流量値ｍｐ
ｓｏｌｌは「目標絞り弁角度値の計算」ブロック３３
に供給され、この「目標絞り弁角度値の計算」ブロック
３３は図４に詳細に示され、かつ切換信号ｂ ｓｃｈ
ｄｋを考慮して絞り弁位置に対する目標値ｗｄｋ ｓｏ
ｌｌを求める。次に、この目標値はたとえば位置制御回
路の範囲内で制御される。
【００１７】目標トルクおよび回転速度から求められた
燃料質量流量（相対燃料質量流量ｒｋ′）は冒頭記載の
従来技術と同様にトルク／回転速度特性曲線群から出発
して両方の運転方式の間の定常効率差を既に含んでいる
ことは好ましい。この燃料質量流量は補正位置３４（た
とえば乗算段）において「均質運転に対する燃料補正」
ブロック３５からの補正値を用いて補正される（ｒ
ｋ）。この補正値は切換信号ｂ ｓｃｈ ｄｋおよび成
層運転から均質運転への切換時点からの時間ないし作業
サイクル数の関数として形成される。部分モジュールの
「均質運転に対する燃料補正」ブロック３５は非定常過
程において（とくにここに記載のような切換の場合にお
いても）発生する吸気管内の既知の充填および放出過程
を考慮する。切換信号ｂ ｓｃｈ ｄｋは、混合物供給
方式と関数関係を有する他の機能モジュール（たとえば
点火、λ制御、タンク通気等）により利用されてもよ
い。これは冒頭記載の従来技術における点火に対して示
されている。ここでは、点火角は運転方式ごとに変化さ
れ、この場合均質運転において通常の方式が使用され、
一方成層運転においては点火角は計算された噴射終端と
同調される。
【００１８】図４は、図３の「目標絞り弁角度値の計
算」ブロック３３に対する構造図を示す。
【００１９】２進切換信号ｂ ｓｃｈ ｄｋ（図３参
照）の関数として、絞り弁角度は、成層運転における値
（たとえば９０°の全開）と均質運転における空気質量
流量の関数値ｗｄｋ ｈｏｍとの間で切り換えられる。
この値ｗｄｋ−ｈｏｍは特性曲線群４０から目標空気質
量流量ｍｐ ｓｏｌｌ（図３参照）および回転速度ｎｍ
ｏｔの関数として求められる。この特性曲線群４０にお
けるエラーは、「空気質量流量制御」ブロック４１の設
定信号により補償される。「空気質量流量制御」ブロッ
ク４１は目標空気質量流量と実際空気質量流量との間の
差の関数として目標空気質量流量に対する補正信号ｆ
ｍｂ ｓｏｌｌを形成する。次に、この補正信号は好ま
しくは乗算段４２により目標値ｍｐ ｓｏｌｌに作用さ
れる。さらに、冒頭記載の従来技術に記載のように、タ
ンク通気機能、漏れ空気、吸気管内の圧力および温度状
態等の影響のような他の要因を考慮してもよい。適用目
的のために、均質運転においては目標値ｗｄｋ ｈｏｍ
に対応しまた成層運転においてはエンジンがほとんど絞
られていない好ましくはたとえば９０°の固定値に対応
する目標絞り弁角度値ｗｄｋ ｓｏｌｌが、固定値ｗｄ
ｋ ａｐｐに切り換えられてもよい。これは適用目的の
ために供給可能な切換信号ｂ ｗｄｋ ａｐｐの関数と
して行われる。
【００２０】図５は典型的な信号時間線図を示す。この
場合、エンジンはまず成層運転で運転されている。所定
の時点において、均質運転に切り換えられる（図５ａ参
照）。それまで９０°であった絞り弁角度は急激に低減
される（図５ｂ参照）。しかしながら、吸気管圧力は徐
々に低下する（図５ｃ参照）。回転速度線図は切換の範
囲においてほぼ一定であり、この場合、均質運転への過
渡過程中燃料補正が考慮されて著しい改善が達成可能で
ある（図５ｄおよび図５ｅ参照）。
【００２１】上記の実施態様においては、絞られていな
い運転から量論混合物を有する運転への切換が記載され
ている。他の実施態様においては、成層運転による運転
から、ほぼ均質な混合物のかなりリーンな運転による運
転へ切り換えられる。この場合、同じような方法が使用
されるが、このとき目標空気質量流量を形成するとき目
標値ｌａｍ ｓｏｌｌを考慮することにより絞り弁は希
望の状態となるように自動的に調節される。
【００２２】さらに他の実施態様においては、成層運転
において、絞り弁角度が９０°ではなく場合により運転
変数の関数である他の値が設定される。この値は原則と
して、エンジンがほとんど絞られないで運転されるよう
に選択される。
【００２３】同じような関係は、逆の場合すなわち均質
運転から成層運転へ切り換えるときにおいても得られ
る。
【００２４】他の実施態様においては、目標トルク値の
ほかに内燃機関の出力に対する目標値もまた与えられ
る。
【００２５】
【発明の効果】実質的なトルクの急変なしに成層運転と
均質運転との間の切換が行われることはとくに有利であ
る。これにより乗り心地が改善される。
【００２６】実質的に絞り弁角度に対する目標値を調節
することにより切換が行われ、これにより絞り弁調節の
ための既存の構造に本発明の方法を適用できることはと
くに有利である。
【００２７】成層運転における排気ガス温度は均質運転
における排気ガス温度より低い。したがって、場合によ
っては三方触媒の運転温度が低くなることがある。切換
により、選択された運転状態における排気ガス温度を上
昇させることが可能である。したがって、切換を変化さ
せることにより、三方触媒を再び運転温度に上昇させる
ことができる。
【００２８】最適な切換は乗り心地を悪くさせることな
くＮＯＸ触媒の使用を可能にする。ＮＯＸ蓄積触媒をク
リーニングするために、所定のλ（好ましくは１より小
さいλ）を用いた均質運転が必要である。
【００２９】均質運転において実行することが好ましい
タンク通気を作動させるために、成層運転に対して適切
な負荷状態においていつでも問題なく切換が可能である
ことがこの切換の他の利点である。
【図面の簡単な説明】
【図１】直接噴射式ガソリンエンジン用コモンレール装
置の装置配置を示す。
【図２】好ましい実施態様における空燃比および絞り弁
位置の目標トルク値に対する線図を示す。
【図３】好ましい実施態様における成層運転と均質運転
との間の切換における基本的な方法を示すブロック回路
図である。
【図４】絞り弁角度の調節を行うためのブロック回路図
である。
【図５】本発明による方法を使用するときの関係信号の
時間線図である。
【符号の説明】
１０：噴射弁 １１：電子式（エンジン）制御装置 １２：マニホルド １３：圧力センサ １４：圧力制御弁 １５：高圧ポンプ １６：電動式燃料ポンプ １７：フイルタ ３０：「目標トルクの燃料への換算」ブロック ３１：「成層運転と均質運転との間の切換の決定」ブロ
ック ３２：「均質運転における目標空気質量流量の計算」ブ
ロック ３３：「目標絞り弁角度値の計算」ブロック ３４：乗算段 ３５：「均質運転に対する燃料補正」ブロック ４０：特性曲線群 ４１：「空気質量流量制御」ブロック ４２：乗算段 ｂ ｓｃｈ ｄｋ ２進切換信号（成層／均質運転） ｂ ｗｄｋ ａｐｐ 適用目的のための切換信号 ｆ ｍｐ ｓｏｌｌ 目標空気質量流量補正信号 ｌａｍ ｓｏｌｌ 目標λ値 ｍｉ ｓｏｌｌ 目標トルク値 ｍｐ ｓｏｌｌ 目標空気質量流量 ｎｍｏｔ エンジン回転速度 ｒｋ 補正された相対燃料質量流量 ｒｋ′ 相対燃料質量流量 ｗｄｋ ａｐｐ 適用目的のための固定絞り弁角度値 ｗｄｋ ｈｏｍ 均質運転における目標絞り弁角度値 ｗｄｋ ｓｏｌｌ 目標絞り弁角度値
───────────────────────────────────────────────────── 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 技術表示箇所 Ｆ０２Ｄ 43/00 ３０１ Ｆ０２Ｄ 43/00 ３０１Ｈ ３０１Ｋ (72)発明者 ニコラウス・ベニンガー ドイツ連邦共和国 71665 ヴァイヒンゲ ン，ランパフシュトラーセ 25 (72)発明者 ウーヴェ・マイエンベルク ドイツ連邦共和国 70180 シュトゥット ガルト，ファルベンヘンネンシュトラーセ ９

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 少なくとも１つの運転変数の関数として
    燃料噴射運転を成層運転または均質運転間で切り換え、
    さらに内燃機関への空気供給量を設定するための設定要
    素を調節する電子式制御ユニットを備えた直接噴射式ガ
    ソリン内燃機関用の制御装置であって、 これらの運転方式間で切り換えるとき、切換の前後にお
    いて内燃機関のトルクがほぼ同じであるように、前記設
    定要素が明示的に、とくにステップ状に調節される直接
    噴射式ガソリン内燃機関用の制御装置。
  2. 【請求項２】 前記設定要素が電気操作式絞り弁である
    ことを特徴とする請求項１の制御装置。
  3. 【請求項３】 前記切換のために前記設定要素に対する
    目標値が明示的に調節されることを特徴とする請求項１
    または２の制御装置。
  4. 【請求項４】 前記切換のとき、前記設定要素が成層運
    転中のある値から、ドライバの希望から導かれた目標値
    に調節されることを特徴とする請求項１ないし３のいず
    れかの制御装置。
  5. 【請求項５】 少なくともドライバの希望から、目標ト
    ルク値ｍｉ ｓｏｌｌが形成されることを特徴とする請
    求項１ないし４のいずれかの制御装置。
  6. 【請求項６】 目標トルク値ｍｉ ｓｏｌｌから噴射す
    べき燃料質量流量に対する値が形成され、この燃料質量
    流量から希望の空燃比を考慮して空気質量流量に対する
    値が形成されることを特徴とする請求項５の制御装置。
  7. 【請求項７】 目標トルク値ｍｉ ｓｏｌｌから噴射す
    べき燃料質量流量に対する値が形成され、前記目標トル
    クから回転速度および希望の空燃比を考慮して空気質量
    流量に対する値が形成されることを特徴とする請求項５
    の制御装置。
  8. 【請求項８】 前記空気質量流量に対する目標値から均
    質運転における絞り弁角度に対する目標値が形成される
    ことを特徴とする請求項２ないし７のいずれかの制御装
    置。
  9. 【請求項９】 前記成層運転においてエンジンがほとん
    ど絞られることなく運転されることを特徴とする請求項
    １ないし８のいずれかの制御装置。
  10. 【請求項１０】 前記成層運転において絞り弁が所定の
    角度たとえば９０°を有することを特徴とする請求項２
    ないし９のいずれかの制御装置。
  11. 【請求項１１】 前記均質運転において噴射すべき燃料
    容積流量および点火角、またはそのいずれかが、効率差
    および吸気管の放出および充填過程、またはそのいずれ
    かを考慮して補正されることを特徴とする請求項１ない
    し１０のいずれかの制御装置。
  12. 【請求項１２】 前記切換が目標トルクの関数として行
    われることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか
    の制御装置。
  13. 【請求項１３】 前記成層運転から前記均質運転への切
    換過程中のより高いトルク補償が、たとえば三方触媒の
    加熱のような排気ガス温度の上昇に利用されることを特
    徴とする請求項１ないし１２のいずれかの制御装置。
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