JP2009513864A - 内燃機関の運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の通常運転の際にも、噴射弁の噴射特性をテストすることを可能にする運転方法を提供する。
【解決手段】燃料が少なくとも一つの噴射弁（１８）を通して少なくとも一つの燃焼室（１２）へ送り込まれる、内燃機関（１０）の運転方法は、（ａ）全体の噴射（Ｑｔｏｔ）を、ベース噴射（Ｂ）と少なくとも一つの測定噴射（Ｍ）へ分割するステップと、（ｂ）測定噴射（Ｍ）の噴射時間長さ（ｔｉＭ_ｎ）を連続的に短縮（４６）し、全体の噴射量（Ｑｔｏｔ）が同じままに留まっているような、ベース噴射（Ｂ）の噴射時間長さ（ｔｉＢ_ｎ）に引き伸ばすステップ（４６）と、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料が少なくとも一つの噴射弁を通して少なくとも一つの燃焼室へ送り込まれ又噴射弁の特性曲線が適合される、内燃機関の運転方法に関する。本発明は更に、内燃機関のためのコンピュータプログラム、電気的記憶媒体、並びに制御装置に関する。

市場から、吸気管内へのガソリンの噴射装置並びにその時々の燃焼室内へのガソリンの直接噴射装置を備えた内燃機関が知られている。その際、ガソリンの噴射は少なくとも一つの噴射弁によって行われる。噴射弁は広い量領域をカバーしなければならない。弁の量領域は、一般にアイドリングポイントから、或いは最少量が定められるエンジンキーオン時の惰走運転から、最大量が定められる高い回転数の下でのフル負荷まで及んでいる。

噴射弁によって噴射される燃料量は、理想的には噴射弁の開弁時間と直線的に相関している。しかしながら非常に大きな直線領域は、噴射弁の製造コストが比較的高くなるということを意味している。この製造コストは、直線性からの望ましくないずれが特に少量領域内で小さく保持されなければならなくなればなる程、高くなる。正にこの領域内では個々の噴射弁相互間のばらつきが比較的大きくなり、このことが一般的に有効で且つ個々の弁別でない修正を困難にしている。

内燃機関の個々の燃焼室内への異なる燃料量の噴射を防止し或いは少なくとも制限するために、市場で知られている方法の場合には、最小噴射時間長さが下に向かって制限される。噴射弁の特性曲線を実際の状況に適合させるという適合も可能である。ガソリン直接噴射式の内燃機関の場合には、例えば成層運転のアイドリングの際の運転の静粛性がその様な適合のために援用されることがある。吸気管内噴射式の内燃機関の場合には、いわゆる“個別シリンダラムダ制御”が用いられることがある。第一の方法が極めて特定の内燃機関の場合にしか適用できないのに対して、第二の方法は比較的制限された運転ポイントを前提としている。

本発明の課題は、内燃機関の通常運転の際にも、噴射弁の噴射特性をテストすることを可能にする方法を提供することである。

この課題は、請求項１に基づく方法によって解決される。本発明に基づくその他の解決策の可能性は特許請求の範囲に示されている。本発明の有利な拡張例は、諸従属請求項に述べられている。

本発明に基づく方法の場合には、噴射弁のテストは内燃機関のユーザーには全く或いはほとんど気が疲れない。何故なら、全体の噴射量はテストの少なくとも一部の間少なくとも本質的にコンスタントであり、又それによってトルクも運転の静粛性も変わらないままであるからである。従って、テストは頻繁に実施されることができ、このことが全体として内燃機関の機能の信頼性を高める。

第一の拡張例では、測定噴射の噴射時間長さの漸進的短縮によって引き起こされた目標混合気の特徴を示しているパラメータからの実混合気の特徴を示しているパラメータのずれが測定され、且つ前記のずれ或いは噴射弁の特性曲線が適合され或いは修正されるということが提案される。これによって、個別噴射弁の場合に、適合された特性曲線に基づいて測定される、目標燃料量からの実際に噴射された実燃料量のずれが許されない程大きくなる、少量領域で噴射された燃料量が信頼性をもって測定される。この方法は、吸気管噴射式の内燃機関に対しても、燃料直接噴射式の内燃機関に対しても、同じ様に適している。従って、最短噴射時間長さの一般的な制限は最早必要ではなくなる。これによって、信頼性があり且つ精確な燃料の計量を行うことが少量領域でも容易となり、このことが、例えばアイドリングの下での運転の静粛性を改善させ、また有害物質の排出を低減させる。追加のセンサ装置或いは特殊なコンポーネント、例えば特別に作られたマニホルド等は必要ではない。

ベース噴射と各々の測定噴射の噴射時間長さは、この方法のスタート時には弁特性曲線の領域内にあり、その場合には個別的ばらつきは僅かな影響しか持たないと考えることができる。実燃料／空気混合気が目標燃料／空気混合気からずれているか否かの測定は、例えばラムダゾンデによって用意されたラムダ値の監視によって行うことができる。しかしながら、実際に燃焼室へ送り込まれた燃料量を求めることのできるその他の方法も用いることができる。

ずれをエラー噴射量の形で定量化し且つ噴射弁の特性曲線をそれに応じて適合するという、本発明に基づく方法の拡張例は、とりわけ有利である。この様にすることによって、燃料を高い精度で噴射することのできる噴射弁の作動領域を最少量領域の中まで拡張することができる。何故なら、個々の弁の個別的ばらつきが特性曲線の適合によって補正されるからである。本発明に基づく方法によれば、噴射弁の製造の際のコストを削減することができる。何故なら、特性曲線の直線性が、何れにせよ作動の中で行われる適合によって、最早それ程大きな重要性を持たなくなるからである。噴射弁の制御のために必要な最終段もより簡単に設計することができる。このこと全てが直接、製造コストの削減となって現れる。

噴射弁の特性曲線の適合はとりわけ、測定噴射の漸進的な噴射時間長さの短縮を伴うこの方法の反復実施の際に可能となる。エラー噴射量だけのベース噴射量の適合は、本発明に基づく方法の実施の際に、目標混合気からの実混合気のより大きなずれが避けられるので、本発明に基づく方法の実施の間に、例え生じたとしても、僅かな不安定回転しか発生しないという利点を持っている。本発明に基づく方法の実施の間における排気ガス特性も、この様にすることによって、許容可能な領域内に留まる。このことは、エラー噴射量が更に、実混合気の特徴を示しているパラメータの目標混合気の特徴を示しているパラメータから限界値未満しかずれていない様に適合されると、益々そうなる。

本発明に基づく方法の時間長さを制限するために、測定噴射の時間長さが少なくとも下側の限界値に到達した時に、この方法を終了することができる。全体の噴射が同じ長さの、複数の測定噴射を含んでいると、解像度（Auflosung）を更に引き上げることができる。

適合の範囲を噴射弁の診断のために利用されると、特別に有利である。これには、実際の弁の特性曲線が適合された弁の特性曲線から大きくずれている時には、噴射弁の上でのエラーが原因となっていることがあるという考え方がベースとなっている。このエラーとしては例えば、噴射弁のアクチュエータに属している磁気コイルの巻線層の短絡を考えることができる。噴射弁の非常に短い噴射時間長さでもその様な短絡によってとりわけ大きく変化される。

以下に本発明に基づく発明の好ましい実施例が付属の図面に基づいて詳しく説明される。

図１では、内燃機関に全体として参照符号１０が付けられている。この内燃機関は、複数の燃焼室と共に複数のシリンダが含まれているが、そのうち図１には一つのシリンダだけが参照符号１２で示されている。吸気弁１４を介してシリンダ（燃焼室）１２は吸気管１６と接続されている。ここに示されている実施例ではこの吸気管１６へ燃料が噴射弁１８を通して噴射される。しかしながら後に説明される機能原理と方法は、燃料直接噴射式の、例えばガソリン直接噴射式の内燃機関の場合にも応用可能である。吸気管１６には更にスロットルバルブ２０が配置されている。吸気管１６の中を流れるエアマスは、この実施例の場合エアマスセンサ２２によって測定される。

燃焼室１２の中に存在している燃料／空気混合気は、点火プラグ２４によって点火される。熱い燃焼ガスは燃焼室１２から排気弁２６を通して排気管２８の中へ達する。排気管２８の中には、触媒３０並びにラムダゾンデ３２が配置されており、このラムダソンデはラムダ値を測定し、このラムダ値によって燃焼室１２内の燃料／空気混合気の特徴が示される。

噴射弁１８によって吸気管１６内へ噴射された燃料量Ｑは、燃料圧力が一定の場合、特に噴射弁１８の噴射時間長さｔｉによって影響される。その際、噴射弁１８の設計に当っては、噴射時間長さｔｉと、図２から分かるように、特性曲線３４によって表される噴射燃料量Ｑとの間の関係が、噴射弁１８の広い作動領域内で直線的となることが重視される。特性曲線３４は、制御装置３６（図１）に格納されており、制御装置３６は、噴射弁１８だけではなく、更にスロットルバルブ２０並びに点火プラグ２４を、様々なセンサ信号、例えばラムダゾンデ３２及びエアマスセンサ２２の信号に応じて制御する。

個々の噴射弁の製造条件に基づく個別的ばらつきのために、噴射弁１８は、短い噴射時間長さｔｉ或いは少ない噴射量Ｑの場合、非直線的な特性を持っている。これに対応する領域は、図２では点で示され且つ参照符号３８で指示されている。更に、図３から分かるように、この領域内では、この例では直線的な特性曲線３４に対応する量よりも少ない量の燃料量Ｑが噴射される。しかしながら、原理的にいえば、別の方向のずれ、即ち、図３には明確に示されてはいないが（直線的な特性曲線３４に対応する量よりも）多い量の燃料量の噴射を考えることもできる。同種の噴射弁の様々な個体で発生するずれｄＱと噴射時間長さｔｉとの関係が図３に描かれている。噴射時間長さｔｉ_Ｇまでのずれは１０％よりも小さいということが分かる。しかしながら、噴射時間長さｔｉがもっと短くなると、このずれははっきりと大きくなる。この領域をも利用することができるようにするために、特性曲線３４のための適合法が用いられるが、この方法について、以下に図４から図６までを参照しながら詳しく説明される（この方法は、コンピュータプログラムとして制御装置３６の記憶装置に格納されている）。

先ず内燃機関を精確に定められた運転状態にする。内燃機関は、この状態の下で定められた運転温度になっていなければならず、ラムダ制御の適合は遮断されていなければならず、制御装置３６にエラーが書き込まれていてはならず、車載電源の電圧は定められた最低値を満たしていなければならない、等。更にこの方法は、内燃機関がアイドリング状態にある時に実施される。内燃機関１０のこの“準備”は、図４に示されている流れ図のスタートステップ４２の直ぐ後に続いているステップ４０で実施される。

次いで、４４で全体の噴射量がベース噴射量と測定噴射量へ分割される。この分割は、全体の噴射時間長さｔｉｔｏｔベース噴射時間長さｔｉＢと測定噴射時間長さｔｉＭへ分割することによって行われる。簡単なモデルでは、噴射時間長さｔｉは単純化すれば燃料取り込み無しの遅延時間と一定の燃料取り込みを伴う有効開弁時間とから構成される。遅延時間の中では、噴射弁１８の開弁プロセス及び閉弁プロセスが考慮される。ここで説明されている実施例では、簡単化のために遅延時間はゼロに設定されている。このことは図５からも明らかとなるが、この図では全体の噴射がｔｏｔで、測定噴射がＭで、ベース噴射がＢで示されている。これに対応して図５には全体の噴射量がＱｔｏｔで、測定噴射量がＱＭで、ベース噴射量がＱＢで示されている。

ベース噴射量を送り込むための噴射時間長さｔｉＢと測定噴射量を送り込むための噴射時間長さｔｉＭは、この方法のスタートのために、弁特性曲線に基づく噴射量からの（実際に）噴射された燃料量のずれが少ないことが高い確率で推定される弁特性曲線３４の領域の中で選ばれる。これをアイドリング運転の中で実現することができるようにするためには、場合によっては燃焼室１２内の空気充填率を高めることが必要となることがある。そのために、例えば点火時期が遅らせられることがある。

更に図４から分かるように、ブロック４６で、測定噴射時間長さｔｉＭが固定値ＤＥＬＴＡだけ短縮され、又ベース噴射時間長さｔｉＢが同じ固定値ＤＥＬＴＡだけ引き伸ばされる。このことは、順次プロセスループ或いは時間ステップｎの中で先行するプロセスループ或いは先行する時間ステップｎ−１の値に基づいて実行される。プロセスステップ４８では、測定噴射時間長さｔｉＭｎが限界値Ｇ１よりも短いか否かがチェックされる。このチェックの答えがＹ（肯定）である場合には、このプロセスは５０で終了される。この措置の意味については更に後で説明される。

これに対してブロック４８の答えがＮ（否定）であると、ブロック５２で、目標ラムダ値からの実ラムダ値のずれｄλｎが求められる。この値から、再びブロック５４でエラー噴射量ｄＱｎが求められ、このエラー噴射量から最後にブロック５６で対応するエラー噴射時間長さｄｔｉ_ｎが求められる。このプロセスは、次の考え方を基礎としている。ブロック４６でベース噴射時間長さｔｉＢを引き延ばし、且つそれと同じ長さだけ測定噴射時間長さｔｉＭを短縮しても、特性曲線３４によって全体の噴射量Ｑｔｏｔは同じままに留まっているに違いない。従ってもし噴射弁１８が特性曲線３４に従って働くならば、実混合気は目標混合気に等しくなり、ブロック５２内でのずれｄλｎはゼロとなるに違いない。

しかしながら、図４に示されている方法は、それぞれ一定の値ＤＥＬＴＡだけのベース噴射時間長さｔｉＢの段階的延長と測定噴射時間長さｔｉＭの段階的短縮によって順次実施される（図５をも参照）。ベース噴射時間長さｔｉＢが特性曲線３４の領域、即ち噴射弁１８の実際の特性が特性曲線３４に基づく理想的特性から僅かしかずれて異なことが分かっている領域内に留まっている一方、測定噴射Ｍの噴射時間長さｔｉＭは、特性曲線３４の領域、即ち理想的な直線的関係が最早与えられていない領域内へますます深く入って行く。

図３のグラフに基づく実施例では、噴射時間長さ＜＜ｔｉＧの際に、噴射弁１８によって特性曲線３４に応じて噴射されるよりも少ない燃料量が噴射されるであろう。それ故、実際の測定噴射量は特性曲線３４に基づく噴射量ＱＭよりも少なくなるであろう。結果として、実際の全体の噴射量も特性曲線３４に基づく全体の噴射量Ｑｔｏｔよりも少なくなる。それによって混合気は予想されるよりも希薄となり、このことはブロック５２でずれｄλｎとして測定される。ブロック５６で求められたエラー噴射時間長さｄｔｉ_ｎは、実混合気が目標混合気と等しくなるために引き延ばされなければならない測定噴射時間長さｔｉＢ_ｎを意味している。時間ステップ１からｎまでにわたるエラー噴射時間長さｄｔｉ_ｎの合計から、ブロック５８で時間ステップｎのための修正値ＶＫＫ_ｎが形成され、非常に少ない噴射量でも高い精度で噴射されることができるようにするために、箱の修正値を用いて弁特性曲線３４が修正されなければならない。例として、時間ステップｉ＝ｎ−１，ｎ、並びにｎ＋１に対するエラー噴射時間長さｄｔｉ_ｉが図６に描かれている。その時々の時間ステップｉに対する合計から修正特性曲線ＶＫＫを形成することができるということが分かり、この修正特性曲線ＶＫＫが図６の参照符号６０で示されている。

ブロック５８で求められた修正値ＶＫＫ_ｎによって、特性曲線３４に基づく理想的特性からの噴射弁１８の実際の特性のずれを補正することができるか否かをチェックするために、ブロック６２で、修正値ＶＫＫ_ｎがベース噴射時間長さｔｉＢ_ｎに対して付加される。測定噴射時間長さｔｉＭ_ｎは変化せず、ブロック４６と等しく留まる。次いでブロック６４で、今やずれｄλｎが限界値Ｇ２よりも小さくなっているか否かがチェックされる。小さくなっていない場合には、ブロック６６で、反復処理（イテレーション）が行われ、この処理によって、目標混合気からの実混合気のずれが、ブロック５６でのエラー噴射時間長さｄｔｉの変化によって、ブロック６４でのλ＝ずれｄλｎが限界値Ｇ２よりも小さくなるまで、縮少される。その後、ブロック６８で特性曲線３４の次の支持位置がステップカウンタｉのカウントアップと復帰されたブロック４６によって処理される。このようにすることによって、図６に示されている修正特性曲線６０が、ブロック４８で測定噴射時間長さｔｉＭ_ｉが限界値Ｇ１を割り込むまで、一ステップずつ拡大される。次いでこの方法は、既に上で述べられたように、ブロック５０で終了される。その後もしあれば、次の弁特性曲線の適合を行うことができる。これはとりわけ、順次全てのシリンダを適合させることのできる、燃料直接噴射式の内燃機関の場合に当てはまる。

図４から分かるように、修正特性曲線６０のための支持位置ＶＫＫ_ｎが形成されるプロセスステップ５８には診断（ブロック）７０が続いている。このブロックでは修正特性曲線６０が限界曲線と比較され、（この曲線を）オーバーしていると警告メッセージが出されるか或いはエラーメモリへの書き込みが行われる。この措置は、小さい噴射量領域内での特性曲線３４の直線性の非常に大きな変化は噴射弁１８のエラー、例えば、噴射弁１８のアクチュエータに属している磁気コイルの巻線層の短絡、を指示していることがある、というアイディアに基づいている。

上に述べられた実施例では、ブロック４４では全体の噴射時間長さｔｉｔｏｔがベース噴射時間長さｔｉＢと唯一回の測定噴射時間長さｔｉＭに分割された。しかしながら、分解能を高めるために同じ長さの複数の測定噴射に区分することもできる。それに対応してブロック４６で、ベース噴射時間長さが延長された分の値ＤＥＬＴＡは、個々の測定噴射時間長さの短縮分の和に等しくなければならないであろう。

噴射弁による吸気管噴射式の内燃機関の略図である。 噴射弁の開弁時間長さが噴射された燃料量に結び付けられている、図１に示されている噴射弁の特性曲線のグラフである。 短い開弁時間長さの場合の、図２に示されている特性曲線からの噴射された燃料量の可能なずれのグラフである。 図２の特性曲線の適合のための方法の説明のための流れ図である。 図２の特性曲線の適合のための方法の間の噴射弁の開弁状態と時間の関係を示しているグラフである。 様々な噴射時間長さの場合の図２の弁特性曲線修正値を示しているグラフである。

Claims (13)

1. 燃料が少なくとも一つの噴射弁（１８）を通して少なくとも一つの燃焼室（１２）へ送り込まれる、内燃機関（１０）の運転方法において、
   （ａ）全体の噴射（Ｑｔｏｔ）を、ベース噴射（Ｂ）と少なくとも一つの測定噴射（Ｍ）へ分割するステップと、
   （ｂ）測定噴射（Ｍ）の噴射時間長さ（ｔｉＭ_ｎ）を連続的に短縮（４６）し、全体の噴射量（Ｑｔｏｔ）が同じままに留まっている様な、ベース噴射（Ｂ）の噴射時間長さ（ｔｉＢｎ）に引き伸ばすステップ（４６）と、
   を含むことを特徴とする内燃機関の運転方法。
2. ステップ（ｃ）で、ステップ（ｂ）によって引き起こされた目標混合気の特徴を示しているパラメータからの実混合気の特徴を示しているパラメータのずれ（ｄλｎ）が測定され、或いは求められ且つステップ（ｄ）で、前記ずれ（ｄλｎ）或いは噴射弁（１８）の特性曲線（３４）が適合され或いは修正される（５８）ことを特徴とする請求項１に記載の運転方法。
3. ステップ（ｃ）の後に、
   （ｄ）その時々の測定噴射時間長さ（ｔｉＭ_ｎ）に関する目標混合気の特徴を示しているパラメータからの実混合気の特徴を示しているパラメータのずれ（ｄλｎ）からのエラー噴射量（ｄｔｉ_ｎ）を測定するステップ（５６）、
   （ｅ）測定噴射（Ｍ）のその時々の噴射時間長さ（ｔｉＭ_ｎ）の下でのエラー噴射量（ｄｔｉ）の和（ＶＫＫ_ｎ）だけ噴射弁（１８）の特性曲線（３４）を適合するステップ（５８）、
   を含むことを特徴とする請求項２に記載の運転方法。
4. ステップ（ｅ）の後に、
   （ｆ）ステップ（ｂ）へ復帰するステップ
   を含むことを特徴とする請求項３に記載の運転方法。
5. ステップ（ｄ）とステップ（ｅ）との間に、
   （ｄ２）エラー噴射量（ｄｔｉ）の和（ＶＫＫ_ｎ）だけベース噴射量（ｔｉＢ_ｎ）を変更するステップ（６２）、
   を含むことを特徴とする請求項４に記載の運転方法。
6. エラー噴射量（ｄｔｉ）の和（ＶＫＫ_ｎ）が、実混合気の特徴を示しているパラメータが目標混合気の特徴を示しているパラメータから限界値（Ｇ２）未満だけしかずれていない（６４）ように、適合されることを特徴とする請求項５に記載の運転方法。
7. 測定噴射（Ｍ）の噴射時間長さ（ｔｉＭ_ｎ）が、下側の限界値（Ｇ１）に少なくとも到達した（４８）時に、終了される（５０）ことを特徴とする請求項４ないし６のいずれかに記載の運転方法。
8. 全体の噴射が、複数の、同じ長さの測定噴射を含んでいることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の運転方法。
9. 噴射時間長さ（ｔｉ）の変化の際に、噴射弁（１８）の遅延時間が考慮されることを特徴とする項１ないし８のいずれかに記載の運転方法。
10. 適合が評価され且つその結果が噴射弁（１８）の診断のために使用される（７０）ことを特徴とする請求項３ないし９のいずれかに記載の運転方法。
11. 請求項１ないし１０のいずれかに記載の運転方法で使用されるためにプログラムされていることを特徴とするコンピュータプログラム。
12. 請求項１ないし１０のいずれかに記載の運転方法で使用されるためのコンピュータプログラムが格納されていることを特徴とする内燃機関（１０）の制御装置（３６）のための電気的記憶媒体。
13. 請求項請求項１ないし１０のいずれかに記載の運転方法で使用するためにプログラムされていることを特徴とする、内燃機関（１０）のための制御装置。

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