JP2006161812A - 内燃機関の運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼室内に存在する混合物ができるだけ正確に設定可能なように、シリンダの燃焼室内においてそれぞれ作用しているガス圧力（シリンダごとのガス圧力）が決定または測定される、内燃機関の運転方法を改良する。
【解決手段】内燃機関の運転方法において、シリンダの燃焼室内においてそれぞれ作用しているガス圧力（ｐ）（シリンダごとのガス圧力）が決定または測定される。シリンダごとのガス圧力（ｐ）に基づいてシリンダごとのガス質量（ｍ_Ｌ）が決定される（４８）ことが提案される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、第１に、シリンダの燃焼室内においてそれぞれ作用しているガス圧力（シリンダごとのガス圧力）が決定または測定される、内燃機関の運転方法に関するものである。本発明は、また、コンピュータ・プログラム、電気記憶媒体、内燃機関用操作／制御装置並びに内燃機関にも関するものである。

冒頭記載のタイプの方法がドイツ特許公開第１０２４０４９２号から既知である。ここでは、特に個々のシリンダの燃焼室内において作用しているガス圧力を測定する圧力センサ信号を使用する量均等化制御および回転規則性制御が開示されている。この手段の背景は、燃料配量において量に誤差があるとき、回転不規則性が発生することがあることである。

量均等化制御ないし回転規則性制御により、例えばディーゼル・エンジンの運転中に発生する噴射量誤差、即ちトルク差したがって不規則エンジン回転速度を形成する前記噴射量誤差が制御により排除可能であり、ディーゼル内燃機関において知られている、低回転速度範囲における不快な乗り心地が本質的に改善可能である。シリンダごとのガス圧力を測定するための圧力センサが、ドイツ特許公開第１９７４９８１４号から既知である。

最新の内燃機関においては、排気ガス特性値に対してさらにますますより高い要求が設定されている。さらに、例えば均質ディーゼル燃焼のような、より新しい燃焼方法が考案されている。それらに関連する要求を満たすことを可能にするために、シリンダごとに作動する制御および／または操作が使用されるべきである。

燃焼室内に存在する混合物ができるだけ正確に設定可能なように、冒頭記載のタイプの方法を改良することが本発明の課題である。

この課題は、冒頭記載のタイプの方法において、シリンダごとのガス圧力に基づいてシリンダごとのガス質量が決定されることにより解決される。コンピュータ・プログラム、電気記憶媒体、操作／制御装置および冒頭記載のタイプの内燃機関において、設定課題はそれに対応して解決される。

本発明による方法は、「シリンダ充填」とも呼ばれる、シリンダ内に個々に存在するガス質量を、内燃機関の制御および／または操作のために使用可能な変数として提供することを可能にする。しかしながら、シリンダごとの実際ガス質量がわかっている場合、各シリンダに対する混合物は、それぞれ高い精度で設定可能である。これは、内燃機関のエミッション特性の改善、並びに最終的に例えば内燃機関の燃料消費量がそれにより低減可能な特殊燃焼方法の形成を可能にする。

本発明の有利な変更態様が従属請求項に記載されている。
はじめに、複数のシリンダを有する内燃機関において、第１の比較変数がシリンダごとのガス質量から決定され、シリンダごとのガス質量とは独立に決定された第２の比較変数と比較されることが提案される。このような比較変数は例えば空気質量流量であり、空気質量流量はシリンダごとのガス質量から内燃機関の回転速度により形成される。本発明によって行われる比較により、シリンダごとのガス質量の決定における精度を高め、または第２の比較変数の精度を高めることが可能である。

さらに、変更態様において、第２の比較変数が空気質量センサの信号から決定されることが提案される。このような空気質量センサは通常の全ての内燃機関において存在し且つ第１の比較変数に対して冗長な、きわめて正確な第２の比較変数の提供を可能にする。この場合、空気質量センサの信号が動的に補正されることにより、さらに精度を高めることが可能である。場合により存在する給気冷却装置および吸気管のアキュームレータ効果が考慮されることが、これに属している。第２の比較変数を形成するために、空気質量センサの信号は、場合により存在する排気ガス再循環が閉じられているときにのみ使用可能であることがわかる。

比較の関数として、内燃機関の運転または影響変数がそれにより決定されるモデルが補正されても、または運転または影響変数が直接補正されてもよい。このような運転または影響変数は、例えば、シリンダの燃焼室内部のモデル化ガス温度であってもよい。これは内燃機関の操作ないし制御における精度を高める。

このような補正の具体化は、例えば、第１の比較変数と第２の比較変数との間の差がＰＩ制御器内に供給され、ＰＩ制御器は運転または影響変数を決定するためのモデル（モニタ構造）を補正するか、または運転または影響変数を直接補正することであってもよい。このような補正はソフトウェアにより簡単に実行可能である。

さらに、吸気温度がセンサにより測定されるとき、少なくともシリンダの吸気弁が閉鎖する時点に対して、測定温度からシリンダごとのガス質量の温度（シリンダごとの温度）が決定されるとき、シリンダごとのガス質量を計算するために、シリンダごとの温度がシリンダごとの圧力と共に使用されるとき、それは特に好ましい。吸気温度を測定するためのこのようなセンサは多くの内燃機関において既に存在しているので、これにより追加コストが発生することはない。適切なモデルにより、この温度から、圧縮の開始直前の時点に対してシリンダの燃焼室内に存在する空気質量の温度が決定可能である。ここで、一般的に既知である理想気体に対する式により、シリンダごとのガス質量が簡単に計算可能である。

この場合、シリンダごとのガス質量の決定における精度は、シリンダごとの温度の決定において、ガスと内燃機関の壁との間の熱交換が考慮されることにより高められる。例えば、さらに、吸気管内、吸気管壁と流入ガスとの間、並びに吸気弁と流入ガスとの間の熱交換がこれに属している。これらの熱伝達を評価するために、同様に通常わかっているシリンダ・ヘッド温度または内燃機関の冷却水温度が使用されてもよい。

シリンダごとのガス質量の決定における精度は、さらに、シリンダごとの温度の決定において、シリンダの燃焼室内に存在する残留ガスが考慮されることにより高められる。このような残留ガスは、内部排気ガス再循環においてシリンダ内に存在することがあり、流入フレッシュ・エアとの対応混合により、シリンダの燃焼室内に存在するガス質量の全く特定の温度を形成することがあるからである。

さらに、シリンダごとのガス質量がシリンダの圧縮行程の間に複数回決定され且つこれから平均値が形成されるとき、それは特に有利である。これは、同様にシリンダごとのガス質量の決定における精度を高めることになる。しかしながら、この場合、圧縮の増加と共に燃焼室内に閉じ込められているガスと燃焼室壁との間の熱交換の影響がより大きくなることに注意すべきである。適切なモデルによりこれが考慮可能である。

この場合、ガス質量の決定は、計算において、次の境界条件、即ち、（ａ）１つの噴射弁ないし複数の噴射弁の閉鎖後においては燃焼室は閉じた系であり、吸気弁および／または排気弁および／またはピストン・シールの非気密性は無視されること、（ｂ）燃料の噴射が行われないこと、および（ｃ）当該燃焼室内において燃焼が行われないこと、が基礎とされたときに特に簡単である。これらの境界条件は、シリンダ内に存在するガス質量の解析計算のための範囲を、１つの吸気弁ないし複数の吸気弁の閉鎖時点と燃焼の開始との間の圧縮行程に限定する。

例えば計算時間を節約するために、燃焼室内に閉じ込められたガスと燃焼室壁との間の熱交換の考慮が省略されるべき場合、シリンダごとのガス質量が、およそ、吸気弁の閉鎖時点と上死点手前５０°のクランク角度との間のみにおいて決定されるとき、それは有利である。この運転範囲内においては、圧力はまだ小さいので、熱交換の省略が結果にそれほど影響を与えることはない。

本発明による方法の特に有利な変更態様は、シリンダごとのガス質量からシリンダごとのλ値が計算され、この計算λ値が、λセンサにより測定されたシリンダごとの、および／またはシリンダ全体で平均されたλ値と比較されることを特徴とする。この場合、λ値のみならず他の等価変数もまた使用されてもよいことは明らかである。このような比較により、運転または影響変数を決定するためのモデル（モニタ構造）が補正されても、または運転または影響変数が直接補正されてもよい。最後に、これにより同様に、内燃機関の操作ないし制御における精度が改善可能である。

以下に本発明の好ましい実施態様を添付図面により詳細に説明する。

図１において、内燃機関は全体として符号１０を有している。内燃機関１０は、全体として、それぞれ燃焼室１４ａ−１４ｄを有する４つのシリンダ１２ａ−１２ｄを含む。燃焼空気は吸気弁１６ａ−１６ｄを介して燃焼室１４ａ−１４ｄ内に到達し、吸気弁１６ａ−１６ｄに吸気ベンド（曲管）（符号なし）が接続され、吸気ベンドは吸気管１８内に集合している。吸気管１８内に絞り弁２０が配置され、絞り弁２０により、燃焼室１４ａ−１４ｄ内に到達する空気流量が設定可能である。

燃焼室１４ａ−１４ｄから、燃焼排気ガスは、排気弁２２ａ−２２ｄを介して排気ベンド（符号なし）内に、および最終的に排気管２４内に排出される。排気管２４内に、例えば粒子フィルタまたは酸化触媒である排気ガス後処理装置２６が配置されている。燃料はそれぞれ噴射ノズル２８ａ−２８ｄを介して燃焼室１４ａ−１４ｄ内に到達し、噴射ノズル２８ａ−２８ｄは燃料を直接それぞれの燃焼室１４ａ−１４ｄ内に噴射する。噴射ノズル２８ａ−２８ｄは燃料システム３０に接続されている。

内燃機関１０の運転は、操作／制御装置３２により、操作ないし制御される。特に、絞り弁２０並びに噴射ノズル２８ａ−２８ｄが操作される。このために操作／制御装置３２は種々のセンサから信号を受け取る。吸気管１８内を流れる空気質量の質量流量を測定する空気質量センサ３４（ＨＦＭセンサ）、並びに吸気管１８内を流れる吸気の温度を測定する温度センサ３６がこれらのセンサに属している。他の温度センサ３８は内燃機関１０のシリンダ・ヘッド温度を測定し、回転速度センサ４０は図１には示されていない内燃機関１０のクランク軸の回転速度を測定する。各燃焼室１４ａ−１４ｄにはさらに固有の圧力センサ４２ａ−４２ｄが配置され、圧力センサ４２ａ−４２ｄはそれぞれの燃焼室１４ａ−１４ｄ内において作用しているガス圧力を測定する。排気管２４内に配置されているλセンサ４４は、λ値即ち燃料／空気混合物の組成の決定を行う。

図示されていない実施例においては、出力制御のために絞り弁が利用されず、その代わりに異なる燃料量が噴射される。これは特にディーゼル・エンジンとしての内燃機関の実施形態に対して適用される。ディーゼル・エンジンにおいては排気ガス再循環率がフレッシュ・エア質量を介して間接的に制御される。排気ガス再循環を制御するためには、まず第１に排気ガス再循環弁が使用される。例えばＮＯｘ触媒の再生のための特定の運転モードにおいては、絞り弁によって絞られることにより排気ガス再循環率もまた上昇可能である。さらに、内燃機関がターボチャージャを備えていてもよい。この場合には、ターボチャージャのタービン下流側にλセンサが配置されるであろう。

図２に、図１の内燃機関１０の第１の運転方法が略図で示されている。まず第１に、ブロック４６において燃焼室１４ａ−１４ｄ内に存在するガス質量の温度Ｔ_ＥＳ＿ｉ（ｉ＝ａ−ｄ）が、それぞれの吸気弁１６ａ−１６ｄが閉鎖する各時点に対して決定される。このために、ブロック４６内に、温度センサ３６から提供される吸気温度ｔ_ａｎｓ、および温度センサ３８を介して内燃機関１０のシリンダ・ヘッドの温度ｔ_ｍｏｔが供給される。ブロック４６において、前記温度Ｔ_ＥＳ＿ｉが適切なモデルにより計算される。モデルは、吸気と、一方の吸気管１８並びに他方の吸気弁１６ａ−１６ｄとの間の熱交換を考慮し、場合によっては、燃焼室１４ａ−１４ｄ内に存在する残留ガスの温度もまた考慮する。場合により、さらに、温度Ｔ_ＥＳ＿ｉ（ｉ＝ａ−ｄ）のモデル化において、他のセンサの信号が考慮されてもよい。

次に、温度Ｔ_ＥＳ＿ｉはブロック４８内に供給される。ブロック４８は、圧力センサ４２ａ−４２ｄから実際圧力値ｐ_ａ−ｐ_ｄもまた受け取る。燃焼室１４ａ−１４ｄが閉じた系を形成し、燃料が噴射されず且つ燃焼も行われないという仮定のもとで、ブロック４８において、理想気体の法則に基づき、温度Ｔ_ＥＳ＿ｉおよびシリンダごとのガス圧力ｐ_ｉ（ｉ＝ａ−ｄ）から、それぞれの燃焼室１４ａ−１４ｄ内に閉じ込められているガス質量ｍ_Ｌ＿ｉ（ｉ＝ａ−ｄ）が計算可能である。

この場合、この計算は、該当燃焼室１４ａ−１４ｄの吸気弁１６ａ−１６ｄが閉鎖する時点において実行されるのみならず、対応噴射ノズル２８ａ−２８ｄから燃料が燃焼室１４ａ−１４ｄ内に噴射される時点までのそれぞれのシリンダ１２ａ−１２ｄの圧縮行程の間に継続して反復される。複数回の計算において得られた、閉じ込められているガス質量に対する値ｍ_Ｌ＿ｉは、各燃焼室１４ａ−１４ｄに対してそれぞれ平均される。

この場合、精度を高めるために計算に対して使用される温度もまた適合され、この適合において、温度Ｔ_ＥＳ＿ｉから出発して、閉じ込められているガス質量の圧縮および圧力の増加と共に増大する、閉じ込められているガスとそれぞれの燃焼室１４ａ−１４ｄの壁との間の熱交換を考慮して、閉じ込められ且つ圧縮されるガスのそれぞれの実際温度が計算される。

さらに、図示されていない実施例においては、比較的簡単なモデルが使用され、このモデルにおいては、閉じ込められているガスと燃焼室１４ａ−１４ｄの境界を形成する壁との間の増大する熱交換が考慮されない。それにもかかわらず良好な結果を得るために、閉じ込められているガス質量ｍ_Ｌ＿ｉの計算が、対応吸気弁１６ａ−１６ｄの閉鎖時点から対応シリンダ１２ａ−１２ｄのピストンの上死点手前約５０°のクランク角度までにわたる、それぞれのシリンダ１２ａ−１２ｄの運転範囲に限定される。

計算空気質量ｍ_Ｌ＿ｉ（ｉ＝ａ−ｄ）は一方でブロック５０内に、他方でブロック５２内に供給される。ブロック５０において、目標空気質量ｍ_{Ｌ＿ｓｏｌｌ}に対するそれぞれの差が計算され、この差は次にブロック５４において、対応する補正のために使用される。ブロック５２内に、それぞれの燃焼室１４ａ−１４ｄ内に対応噴射ノズル２８ａ−２８ｄから噴射された燃料質量ｍ_Ｋ＿ｉ（ｉ＝ａ−ｄ）もまた供給される。既知の理論係数を考慮して、燃料質量ｍ_Ｋ＿ｉおよび空気質量ｍ_Ｌ＿ｉからシリンダごとのλ値λ_ｉ（ｉ＝ａ−ｄ）が決定可能である。シリンダごとのこのλ値λ_ｉは、次に比較ブロック５６において、λセンサ４４により測定されたλ値λ_４４と比較可能である。

図１の内燃機関の他の運転方法を図３が示している。この場合、既に図１および２に関して説明されてきた要素および範囲と同じ機能を有するこのような要素および範囲は同じ符号を有している。これらに関しては再度詳細には説明しない。

図３に示されている方法においては、ブロック５８においてシリンダごとのガス質量ｍ_Ｌ＿ｉが平均され、および平均値から、回転速度センサ４０から提供されたクランク軸の回転速度ｎにより空気質量流量ｄｍ／ｄｔが計算される。以下の説明から明らかなように、空気質量流量ｄｍ／ｄｔは第１の比較変数である。同時に、ブロック６０において、ＨＦＭセンサ３４の信号から、吸気管１８、吸気ベンド等の物理的モデルにより、同様に空気質量流量（ｄｍ／ｄｔ）_３４が計算される。この空気質量流量（ｄｍ／ｄｔ）_３４は第２の比較変数である。この場合、ブロック６０において、例えば吸気管１８のアキュームレータ効果を考慮するために、ＨＦＭセンサ３４の信号の動的補正もまた行われる。ここで、ブロック６２において、両方の比較変数ｄｍ／ｄｔおよび（ｄｍ／ｄｔ）_３４の間の差が形成され、且つこの差がＰＩ制御器６４内に供給される。このＰＩ制御器６４により、それにより温度Ｔ_ＥＳ＿ｉが計算される、ブロック４６内の計算モデルが、モニタ構造の意味において補正される。

内燃機関の略系統図である。 図１の内燃機関の運転方法の流れ図である。 図１の内燃機関の他の運転方法の流れ図である。

符号の説明

１０ 内燃機関
１２、１２ａ−１２ｄ シリンダ
１４、１４ａ−１４ｄ 燃焼室
１６、１６ａ−１６ｄ 吸気弁
１８ 吸気管
２０ 絞り弁
２２ａ−２２ｄ 排気弁
２４ 排気管
２６ 排気ガス後処理装置
２８ａ−２８ｄ 噴射ノズル
３０ 燃焼システム
３２ 操作／制御装置
３４ 空気質量センサ（ＨＦＭセンサ）
３６、３８ 温度センサ
４０ 回転速度センサ
４２ａ−４２ｄ 圧力センサ
４４ λセンサ
４６、４８、５０、５２、５４、５６、５８、６０、６２ ブロック
６４ ＰＩ制御器
ｄｍ／ｄｔ、（ｄｍ／ｄｔ）_３４ 空気質量流量（比較変数）
ｍ_Ｋ＿ｉ（ｉ＝ａ−ｄ） 噴射燃料質量
ｍ_Ｌ、ｍ_Ｌ＿ｉ（ｉ＝ａ−ｄ） ガス質量（空気質量）
ｍ_{Ｌ＿ｓｏｌｌ} 目標空気質量
ｐ、ｐ_ｉ（ｉ＝ａ−ｄ） ガス圧力
Ｔ_ＥＳ、Ｔ_ＥＳ＿ｉ（ｉ＝ａ−ｄ） ガス質量温度（運転または影響変数）
ｔ_ａｎｓ 吸気温度
ｔ_ｍｏｔ シリンダ・ヘッド温度
λ、λ_４４、λ_ｉ（ｉ＝ａ−ｄ） λ値

Claims (16)

1. シリンダ（１２）の燃焼室（１４）内においてそれぞれ作用しているガス圧力（ｐ）（シリンダごとのガス圧力）が決定または測定される、内燃機関（１０）の運転方法において、
   シリンダごとのガス圧力（ｐ）に基づいてシリンダごとのガス質量（ｍ_Ｌ）が決定される（４８）ことを特徴とする内燃機関の運転方法。
2. 複数のシリンダ（１２）を有する内燃機関（１０）において、第１の比較変数（ｄｍ／ｄｔ）がシリンダごとのガス質量（ｍ_Ｌ）から決定され、およびシリンダごとのガス質量（ｍ_Ｌ）とは独立に決定された第２の比較変数（（ｄｍ／ｄｔ）_３４）と比較される（６２）ことを特徴とする請求項１の方法。
3. 第２の比較変数（（ｄｍ／ｄｔ）_３４）が空気質量センサ（３４）の信号から決定される（６０）ことを特徴とする請求項２の方法。
4. 空気質量センサ（３４）の信号が動的に補正されている（６０）ことを特徴とする請求項３の方法。
5. 比較の関数として、内燃機関（１０）の運転または影響変数（Ｔ_ＥＳ）がそれにより決定されるモデル（４６）が補正されるか、または運転または影響変数（Ｔ_ＥＳ）が直接補正されることを特徴とする請求項２ないし４のいずれかの方法。
6. 第１の比較変数（ｄｍ／ｄｔ）と第２の比較変数（（ｄｍ／ｄｔ）_３４）との間の差（６２）がＰＩ制御器（６４）内に供給され、ＰＩ制御器（６４）は運転または影響変数（Ｔ_ＥＳ）を決定するためのモデル（４６）（モニタ構造）を補正するか、または運転または影響変数（Ｔ_ＥＳ）を直接補正することを特徴とする請求項５の方法。
7. 吸気温度（ｔ_ａｎｓ）がセンサ（３６）により測定されることと、
   少なくともシリンダ（１２）の吸気弁（１６）が閉鎖する時点に対して、測定温度（ｔ_ａｎｓ）からシリンダごとのガス質量（ｍ_Ｌ）の温度（Ｔ_ＥＳ）（シリンダごとの温度）が決定される（４６）ことと、
   シリンダごとのガス質量（ｍ_Ｌ）を計算するために、シリンダごとの温度（Ｔ_ＥＳ）がシリンダごとの圧力（ｐ）と共に使用される（４８）ことと、
   を特徴とする請求項１ないし６のいずれかの方法。
8. シリンダごとの温度（Ｔ_ＥＳ）の決定において、ガスと内燃機関（１０）の壁との間の熱交換が考慮される（４６）ことを特徴とする請求項７の方法。
9. シリンダごとの温度（Ｔ_ＥＳ）の決定において、シリンダ（１２）の燃焼室（１４）内に存在する残留ガスが考慮される（４６）ことを特徴とする請求項７または８のいずれかの方法。
10. シリンダごとのガス質量（ｍ_Ｌ）がシリンダ（１２）の圧縮行程の間に複数回決定され且つこれから平均値が形成されることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかの方法。
11. シリンダごとのガス質量（ｍ_Ｌ）が、およそ、吸気弁の閉鎖時点と上死点手前の５０°のクランク角度との間のみにおいて決定されることを特徴とする請求項１０の方法。
12. シリンダごとのガス質量（ｍ_Ｌ）からシリンダごとのλ値（λ）が計算され、この計算λ値（λ）が、λセンサ（４４）により測定されたシリンダごとの、および／またはシリンダ全体で平均されたλ値と比較されることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれかの方法。
13. 請求項１ないし１２のいずれかの方法において使用するためにプログラミングされていることを特徴とするコンピュータ・プログラム。
14. 請求項１ないし１２のいずれかの方法において使用するためのコンピュータ・プログラムがそれに記憶されていることを特徴とする内燃機関（１０）の操作／制御装置（３２）用電気記憶媒体。
15. 請求項１ないし１２のいずれかの方法において使用するためにプログラミングされていることを特徴とする内燃機関（１０）用操作／制御装置（３２）。
16. 請求項１ないし１２のいずれかの方法において使用するためにプログラミングされている操作／制御装置（３２）を有する特に自動車用の内燃機関（１０）。

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