JP2017194059A - Ｖｃｒアクチュエータを備えた内燃機関を駆動するため、並びに、ｖｃｒアクチュエータが機能しているか検査するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関のシリンダ内の圧縮比の制御精度を高める。
【解決手段】内燃機関２のシリンダ３内の圧縮比を設定するためのＶＣＲアクチュエータ６を備えた内燃機関を、実際の圧縮比の表示に基づいて駆動する方法であって、以下の工程、即ち、モデル化された実際エンジントルク、モデル化された圧縮効率、及び、実際の実際エンジントルクを決定する工程、トルク収支に基づいて実際の圧縮効率を決定する工程、実際の圧縮効率に従って実際の圧縮比を定める工程と、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関、特に、内燃機関の燃焼室の圧縮比の可変的な調整を可能とするＶＣＲ（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｒａｔｉｏ）アクチュエータを備えたレシプロエンジンに関する。さらに、本発明は、ＶＣＲアクチュエータを備えた内燃機関を駆動する方法、特にＶＣＲアクチュエータが機能しているか検査する方法に関する。

レシプロエンジンについては、様々な処置によってシリンダの燃焼室内の圧縮比を設定する可能性がある。圧縮比は、内燃機関の仕事行程の間の燃焼室の最大容積と燃焼室の最小容積との間の比率を示している。圧縮比は、適切ないわゆるＶＣＲアクチュエータにより、ＶＣＲ調整量の設定によって可変的に設定されうる。

例えば、国際公開第２０１４／０１９６８４号明細書には、可変的な圧縮が行われるレシプロエンジンであって、圧縮比を変更するための操作ユニットを備えた上記レシプロエンジンが開示されている。操作ユニットは、可変的な長さの連接棒を有し、さらに、可変的なコンプレッションハイトを有するピストン、及び／又は、可変的なクランク半径を有するクランク軸を有する。

さらに、独国特許出願公開第１０２００８０５０８２７号明細書には、内燃機関のクランク軸のための調整装置が開示されている。クランク軸は、位置調整軸を介して位置調整が可能な調整軸受で支承されており、従って、クランク軸の位置が、シリンダ内のピストンの最小圧縮位置と最大圧縮位置との間で変更される。

さらに、米国特許出願公開第２０１４／００１４０７１号明細書では、内燃機関の可変圧縮比を設定する装置が開示されている。この装置は、クランク軸を収容するための偏心軸受要素を備える。偏心軸受要素は、クランク軸がそこで支承されている回転可能な偏心リングを有し、その際に、この偏心リングの回転によって圧縮比が調整されうる。

本発明に基づいて、請求項１に係るＶＣＲアクチュエータを備えた内燃機関を駆動する方法と、同等の独立請求項に係る内燃機関内のＶＣＲアクチュエータが機能しているか検査する方法と、装置と、内燃機関を備えたエンジンシステムと、が構想される。

更なる別の構成が、従属請求項に示される。

第１の観点によれば、内燃機関のシリンダ内の圧縮比を設定するためのＶＣＲアクチュエータを備えた内燃機関を、特に実際の圧縮比に基づいて駆動する方法が構想される。本方法は、以下の工程、即ち、
‐モデル化された実際エンジントルク、モデル化された圧縮効率、及び、実際の実際エンジントルクを決定する工程と、
‐トルク収支（Ｍｏｍｅｎｔｅｎｂｉｌａｎｚ）に基づいて実際の圧縮効率を決定する工程と、
‐実際の圧縮効率に従って実際の圧縮比を定める工程と、
を含む。

ＶＣＲアクチュエータを備えた内燃機関は、シリンダの燃焼室内での圧縮比の設定によって、ガス交換損失の最適化による燃焼消費量の削減を可能にする。内燃機関の熱効率は圧縮比に依存するため、内燃機関の駆動のために、適切な圧縮比が動作点に依存して設定されうる。特に、低負荷動作点及び部分負荷動作点では、高い圧縮比によって高い熱力学的効率が達成され、高負荷の動作点では、内燃機関のノッキング発生傾向を低減するために、圧縮比が下げられる。

得られる機械的エネルギーに関して最大可能効率を獲得するために、稼働時、即ち通常駆動時の圧縮比は、通常では可能な限り高く選択され、即ち、ノッキング限界点（それ以降は内燃機関のノッキングか発生する駆動範囲限界点）の近傍で選択される。しかしながら、排気排出区間内の触媒コンバータが好適に作動温度に加熱されるように内燃機関が駆動されるという加熱駆動形態においては、目標は、燃料エネルギーの変換時に、触媒コンバータの加熱のために排気エネルギーの可能な限り大きな割合を提供することにある。従って通常では、加熱駆動形態の間には内燃機関をより高いエンジン負荷により駆動し点火時点を遅らせることが構想され、従って、触媒コンバータを迅速に加熱するための、排気システムへの熱的エネルギー投入量の増大が実現される。状況によっては、エンジン回転数が上げられた場合には、この効果が更に強められる。

圧縮比は、いわゆるＶＣＲアクチュエータを用いて、ＶＣＲ操作量の設定により可変的に設定することが可能である。しかしながら、ＶＣＲアクチュエータの調整挙動の診断は、通常は、ＶＣＲアクチュエータの位置についてのフィードバックを提供する位置センサを用いてのみ可能である。しかしながら、ＶＣＲアクチュエータのためのこのような位置センサをこのように設けることは、追加的なコストとなる。

上記の方法では、ＶＣＲアクチュエータが機能しているか検査するため又はＶＣＲアクチュエータを調整するために、実際の圧縮比を定めることが構想され、その際に、位置センサの、センサにより検出された位置指示量が必要とならない。このためには、実際の圧縮効率がトルク収支から導かれ、続いて圧縮効率から実際の圧縮比が決定される。トルク収支は、トルク計算パスから計算された実際エンジントルクと、トルク計算パスから計算された圧縮効率と、燃焼の平均圧力から導出された実際のエンジントルクと、に基づいている。様々な経路で定められたエンジントルクの比較によって、実際の圧縮効率が導出されうる。

さらに、エンジンパラメータに対する各圧縮比の影響が考慮されうる。上記方法の更なる利点は、当該方法が内燃機関の駆動状態に依存せずに適用されうることである。これにより、診断を実行するために、内燃機関の特別な状態を設定する必要がない。

さらに、実際の圧縮比が、特に予め設定された許容値よりも上回る形で、予め設定された目標圧縮比とは異なる場合には、エラーがシグナリングされうる。これにより、ＶＣＲアクチュエータの永続的な診断が行われうる。

さらにまた、ＶＣＲアクチュエータを調整するためのＶＣＲ操作量が、実際の圧縮比に基づいて適合されうる。これにより、ＶＣＲアクチュエータの部品公差、及び、ＶＣＲアクチュエータの劣化による変化量が補正されうる。

一実施形態によれば、ＶＣＲ操作量は、実際の圧縮比及び目標圧縮比に従って制御されうる。

さらに、実際の実際エンジントルクは、シリンダ平均有効圧力の表示から、特にシリンダの行程容積に従って決定されうる。

特に、シリンダ平均有効圧力は、測定されたシリンダ圧力の推移を用いて又は内燃機関のクランク軸の回転数の推移を用いて決定されうる。

別の観点によれば、内燃機関のシリンダ内の圧縮比を設定するためのＶＣＲアクチュエータを備えた内燃機関を駆動する装置であって、上記装置は、
‐モデル化された実際エンジントルク、モデル化された圧縮効率、及び、実際の実際エンジントルクを決定し、
‐トルク収支に基づいて実際の圧縮効率を決定し、
‐実際の圧縮効率に従って実際の圧縮比を決定する、
ように構成される、上記装置が構想される。

さらに、適合ユニットは、実際の圧縮比と設定された目標圧縮比との間の差分に従った制御によって、ＶＣＲアクチュエータの駆動制御のためのＶＣＲ操作量を定めるよう構成されうる。

さらに別の観点によれば、内燃機関と、上記装置と、を備えたエンジンシステムが構想される。

以下では、実施形態が、添付の図面を用いて詳細に解説される。
シリンダの燃焼室内の可変圧縮比を設定するためのＶＣＲアクチュエータを有する内燃機関を備えたエンジンシステムの概略図を示す。 ＶＣＲアクチュエータを備えた内燃機関を駆動する方法を説明するためのフロー図を示す。 ＶＣＲアクチュエータを駆動制御のための適合回路の概略的なブロック図を示す。

図１は、レシプロエンジンの形態により構成された内燃機関２を備えるエンジンシステム１の概略図を示している。内燃機関２は、例えば、オットーエンジン又はディーゼルエンジンの形態により構成されうる。

内燃機関２は、燃焼室３１を有するシリンダ３を有し、燃焼室３１内には、それ自体は公知のやり方でピストン４が移動可能に配置されている。ピストン４は、燃焼室３１に対向する側で、（図示されない）コネクティングロッドを介してクランク軸５と結合されており、従って、内燃機関２での燃焼行程により生じさせられたピストン４の往復運動が、クランク軸５の回転運動に変換される。

それ以外は、内燃機関２は従来のレシプロエンジンのように構成されている。内燃機関２には、新気が空気供給システム７を介して供給され、燃焼排気が、シリンダ３から排気排出システム８を介して排出される。排気排出システム８には、触媒コンバータ８、又は、これと比較可能な排気後処理装置が配置されうる。

クランク軸５と、シリンダ３内のピストン４と、の間の結合には、シリンダ３内の圧縮比を可変的に設定するために、それ自体は公知のＶＣＲ（ＶＣＲ：Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｒａｔｉｏ、可変圧縮比）アクチュエータ６が具備されうる。圧縮比は、シリンダ３の燃焼室３１の最大容積、即ち、ピストン４がピストン運動の下死点に存在する場合の燃焼室３１の容積と、シリンダ３の燃焼室３１の最小容積、即ち、ピストン４がピストン運動の上死点に存在する場合の燃焼室３１の容積と、の間の比率に相当する。全てのＶＣＲアクチュエータ６に共通することは、上死点でのピストン４の位置が、設定された圧縮比に従って変化することである。特に上死点は、設定された圧縮比が高いほど、燃焼室３１の燃焼室最上部１６の近くに存在する。

内燃機関２は、それ自体は公知のやり方で制御ユニット１０によって駆動される。従来の内燃機関２を駆動するために設けられた調整能力に加えて、制御ユニット１０は、ＶＣＲアクチュエータ６も調整することが可能である。

圧縮比εが設定可能であることの利点は、当該圧縮比εに対する内燃機関の熱効率η_ＴＨの依存性から、以下のように得られる。

但し、εは、オットーエンジンでは通常８〜１４である圧縮比を表し、Ｋは、均質燃焼のためには約１．３が仮定されうる混合気の断熱指数を表す。従って、圧縮比の全調整範囲に亘って、最小値から最大値へと圧縮比が上がった際には、熱効率η_ＴＨが約１０％分上がる。これにより、内燃機関の燃料消費量を低減することが可能である。

通常駆動時には、圧縮比はほぼ、当該圧縮比が可能な限り大きくあるように設定されるが、内燃機関のノッキングは防止される。即ち、低負荷動作点及び部分負荷動作点では、高く又は最大の圧縮比が設定され、高負荷動作点では、内燃機関でノッキングが発生しないように、圧縮比が対応して下げられる。

ＶＣＲアクチュエータ６は、通常ではＶＣＲ操作量を用いて設定される。ＶＣＲシステムの中には、ＶＣＲアクチュエータ６の実際の位置を検査するために位置センサを有するものもある。しかしながら、このような位置センサにはコストが掛かるため、ＶＣＲアクチュエータ６の希望位置が実際の位置と対応しているか検査することが可能な他の方法を提供することが望ましい。

図２には、ＶＣＲアクチュエータが機能しているか検査する方法を説明するためのフロー図が示されている。全体として、本方法では実際の圧縮効率を導出するために、トルク収支を用いて、計算された実際エンジントルクＭ_Ｍｄｉ及び計算された圧縮効率を、状態変数から定められた実際の実際エンジントルクＭ_Ｅｓｔと等しいと見做すことが構想される。

このために、工程Ｓ１では最初に、シリンダ平均有効圧力Ｐ_ｍｉが、シリンダ圧力センサ装置を用いて測定され、又はＭＷＦ（Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｗｏｒｋ Ｆｅａｔｕｒｅ）法を用いて、クランク軸の回転数信号から推定される。このためには、例えば独国特許出願公開第１０２００８０５４６９０号明細書で開示されているように、燃焼によるドライブトレインの実際の加速度が定められ、これに基づいて、導入されたエネルギー、及び、このために利用された回転トルクが推定される。回転数信号は、燃焼室圧力ｐ_ｍｉのように振る舞う、燃焼の間に変換された物理的エネルギー又は物理的仕事の差分についての情報を含んでいる。このために、該当するシリンダでの燃焼の前及び燃焼の後の、各選択された時点又は予めされたクランク軸角でのクランク軸のエネルギーが、回転軸信号から計算され、これに基づいて差分が決定される。この差分が、各燃焼により変換された物理的エネルギー又は物理的仕事のための尺度となる。

シリンダ平均有効圧力Ｐ_ｍｉは、仕事行程の間のシリンダ内の圧力推移の平均値として決定される。さらに、燃焼重心位置が定められうる。燃焼重心位置は、仕事行程の間に燃焼する燃料全体の半分がそこで燃焼しているクランク軸角に相当する。

燃焼重心位置は、シリンダ圧力の推移から、それ自体は公知のやり方で導出されうる。シリンダ圧力の推移は、燃焼室圧センサが設けられた際には直接的に測定されうる。しかしながら、通常ではそうであるように、燃焼室圧センサが設けられていない場合には、燃焼の重心位置及び平均圧力は、内燃機関の回転数信号の評価に基づいて推定されうる。

シリンダ平均有効圧力Ｐ_ｍｉは、レシプロエンジンの効率及びガス交換を評価するための変数に相当する。図示されたシリンダ平均有効圧力Ｐ_ｍｉは、図示されたトルクから、又は、燃焼室内での作動サイクルを一巡して出力される仕事Ｗ_Ｉから、以下のように計算される。

但し、Ｖ_ｈはシリンダ内での行程容積に相当する。

工程Ｓ２では、シリンダ平均有効圧力Ｐ_ｍｉから、実際の実際トルクＭ_Ｅｓｔが上記の数式に対応して計算される。

工程Ｓ３では、それ自体は公知のモデル計算から、例えば絞り弁のポジション、吸入管圧力等のエンジンシステム内のポジショナのための操作量に基づいて、内燃機関２の実際エンジントルクのモデル値Ｍ_Ｍｄｌが計算され、さらに圧縮効率η_Ｍｄｌが対応してモデル化される。

これらの値は、モデル精度から得られる精度を有している。モデル化された実際エンジントルクＭ_Ｍｄｌのエラーが、同じように、モデル化された圧縮効率η_Ｍｄｌのエラーにも反映されることが分かっている。従って、トルク収支は、以下のように作成されうる。

Ｍ_Ｅｓｔη_Ｅｓｔ＝Ｍ_Ｍｄｌ・η_Ｍｄｌ

但し、η_Ｅｓｔは、実際の圧縮効率に相当する。

熱効率についての上記の数式に基づいて、実際の圧縮効率η_Ｅｓｔが以下のように導出される。

従って、実際の圧縮比ε_Ｅｓｔについて以下のように得られる。

工程Ｓ４では、実際の圧縮効率η_Ｅｓｔに基づいて、圧縮比ε_Ｅｓｔが計算される。

このようにして計算された圧縮比ε_Ｅｓｔに基づいて、工程Ｓ５ではエラー処理が実行される。上記計算された圧縮比ε_Ｅｓｔは、特に、ＶＣＲアクチュエータのアクチュエータ位置を検査するために、及び、アクチュエータ位置に未達であることを検知するために利用されうる。このために、上記計算された圧縮比ε_Ｅｓｔは、ＶＣＲ操作量の決定の基礎となる設定された圧縮比と比較され、許容閾値を上回った場合には、上記計算された圧縮比ε_Ｅｓｔと、ＶＣＲ操作量の決定のための基礎となる設定された圧縮比と、の差分によって、対応するエラー応答が開始される。特に、差分が大き過ぎる際には適切なやり方でシグナリングされうる。特に、上記計算された圧縮比ε_ＥｓｔとＶＣＲ操作量の決定のための基礎となる設定された圧縮比との間の差分を用いて、ＶＣＲアクチュエータ６のエラーが推定されうる。

特に、本方法は、場合により使用されるＶＣＲ位置センサの信頼性を確認するために利用されうる。代替的に、ＶＣＲ位置センサが存在しない場合には、ＶＣＲアクチュエータの実際位置への到達についてのフィードバックが導出されうる。

図３には、内燃機関２のＶＣＲアクチュエータ６のための調整ユニット１５の概略図が示されている。これにより、対応する計算ブロック１４で計算された圧縮比ε_Ｅｓｔが、ＶＣＲシステムの調整のために利用されうる。このために、適合ユニット１５は制御ブロック１７を有する。制御ブロック１７には、内燃機関の計算された圧縮比ε_Ｅｓｔと予め設定された目標圧縮比ε_Ｓｏｌｌとの間の差分であって、減算部１６で定められる上記差分が予め決定される。上記差分は、例えばＰｌレギュレータ等の制御要素１７を用いて、ＶＣＲアクチュエータ６のためのＶＣＲ操作量に変換される。これにより、ＶＣＲアクチュエータ６の調整エラーが、適切な制御によって補正されうる。

Claims (11)

1. 内燃機関（２）のシリンダ（３）内の圧縮比を設定するためのＶＣＲアクチュエータ（６）を備えた前記内燃機関（２）を、特に実際の圧縮比（ε_Ｅｓｔ）の表示に基づいて駆動する方法であって、以下の工程、即ち、
   ‐モデル化された実際エンジントルク（Ｍ_Ｍｄｌ）、モデル化された圧縮効率（η_Ｍｄｌ）、及び、実際の実際エンジントルク（Ｍ_Ｅｓｔ）を決定する工程と、
   ‐トルク収支に基づいて実際の圧縮効率（η_Ｅｓｔ）を決定する工程と、
   ‐前記実際の圧縮効率（η_Ｅｓｔ）に従って前記実際の圧縮比（ε_Ｅｓｔ）を定める工程と、
   を含む、方法。
2. 前記実際の圧縮比（ε_Ｅｓｔ）が、特に予め設定された許容値よりも上回る形で、予め設定された目標圧縮比（ε_Ｓｏｌｌ）とは異なっている場合には、エラーがシグナリングされる、請求項１に記載の方法。
3. ＶＣＲアクチュエータ（６）を調整するためのＶＣＲ操作量が、前記実際の圧縮比（ε_Ｅｓｔ）に基づいて適合される、請求項１に記載の方法。
4. 前記ＶＣＲ操作量は、前記実際の圧縮比（ε_Ｅｓｔ）及び前記目標圧縮比（ε_Ｓｏｌｌ）に従って制御される、請求項３に記載の方法。
5. 前記実際の実際エンジントルク（Ｍ_Ｅｓｔ）は、シリンダ平均有効圧力（Ｐ_ｍｉ）の表示から、特にシリンダの行程容積（Ｖ_ｈ）に従って決定される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記シリンダ平均有効圧力（Ｐ_ｍｉ）は、測定されたシリンダ圧力の推移を用いて又は前記内燃機関（２）のクランク軸の回転数の推移を用いて決定される、請求項５に記載の方法。
7. 内燃機関（２）のシリンダ（３）内の圧縮比を設定するためのＶＣＲアクチュエータ（６）を備えた前記内燃機関（２）を駆動する装置であって、前記装置は、
   ‐モデル化された実際エンジントルク（Ｍ_Ｍｄｌ）、モデル化された圧縮効率（η_Ｍｄｌ）、及び、実際の実際エンジントルク（Ｍ_Ｅｓｔ）を決定し、
   ‐トルク収支に基づいて実際の圧縮効率（η_Ｅｓｔ）を決定し、
   ‐前記実際の圧縮効率（η_Ｅｓｔ）に従って実際の圧縮比（ε_Ｅｓｔ）を決定する、
   ように構成される、装置。
8. 適合ユニットは、前記実際の圧縮比（ε_Ｅｓｔ）と予め設定された目標圧縮比（ε_Ｓ０ｌｌ）との間の差分に従った制御によって、前記ＶＣＲアクチュエータ（６）の駆動制御のためのＶＣＲ操作量を定めるよう構成される、請求項７に記載の装置。
9. 原動機（２）と、請求項７又は８に記載の装置と、を備えたエンジンシステム（１）。
10. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法の全工程を実行するよう構成されたコンピュータプログラム。
11. 請求項１０に記載のコンピュータプログラムが格納された機械読み取り可能な記憶媒体。
    

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