JP4065182B2 - 内燃機関の運転方法および内燃機関の運転制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、最初に、吸気弁の上流側に位置する範囲内の圧力の決定において、燃焼室のフレッシュ・エア充填量が考慮され、または燃焼室のフレッシュ・エア充填量の決定において、吸気弁の上流側に位置する範囲内の圧力が考慮され、この場合、この決定において、内燃機関のクランク軸の回転速度もまた考慮される、内燃機関の運転方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
このような方法は当該技術分野において既知である。この方法は、例えば吸気管噴射式内燃機関において使用される。このような内燃機関において、絞り弁の付近に空気質量流量センサが設置され、または吸気管内に吸気管圧力センサが設置されている。しかしながら、内燃機関の制御のために、一般に、吸気管圧力のみならずフレッシュ・エア充填量もまた必要とされる。これは、センサにより測定されないそれぞれの変数はモデルによりシミュレートされなければならないことを意味する。対応するモデルは「充填交換モデル」と呼ばれる。
【０００３】
この充填交換モデルに基づいて、例えば入力変数「吸気管圧力」から、内燃機関により吸い込まれたフレッシュ・エア質量が計算される。この計算は、吸気管圧力と内部残留ガスの分圧との間の差と乗算される線形勾配係数を含む線形方程式により行われる。
【０００４】
この内部残留ガスを考慮することにより、内燃機関のシリンダ充填量が常に最後の燃焼からの多少の残留ガスを含むという実際計算が得られる。弁の重なりによる排気ガスの内部逆流がある場合には、さらに、排気管から燃焼室内に排気ガスの多少の部分が再び燃焼室内に逆流する。これは、例えば、内燃機関のピストンの上死点を通過した後にはじめて排気弁が閉鎖したことにより発生することがある。即ち、燃焼室の排気弁および吸気弁が同時に開放している時間が存在することがある。カム軸の回転に関して、この時間は重なり角と呼ばれる。
【０００５】
特性曲線群による、燃焼室内の残留ガスの内部分圧並びに線形勾配係数の計算機能が当該技術分野において既知である。特性曲線群に、例えば内燃機関のクランク軸の回転速度、カム軸の重なり角、および場合によりカム軸の重なり重心が入力される。しかしながら、このような特性曲線群は比較的大きなメモリ容量を必要とする。さらに、今日の内燃機関においては、より高い精度でフレッシュ・エア充填量ないし吸気管圧力を計算可能であることを必要とする。
【０００６】
内燃機関の内部の熱力学的および動的状態を、きわめて細かいステップでシミュレート可能なシミュレーション・プログラムが当該技術分野において既知である。充填交換モデルにおける実際の過程を、このようなシミュレーション・プログラムによりきわめて良好にシミュレートすることができる。運転中に発生する内燃機関の吸気管および排気装置内の脈動それ自体をモデル化することができる。しかしながら、高い計算費用のために、このようなシミュレーション・プログラムを、例えば内燃機関の制御装置内においてリアル・タイムで計算することは不可能である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、希望の変数を、それにより僅かな計算費用でしかも同時に高い精度で決定可能なように冒頭記載のタイプの方法を改善することが本発明の課題である。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この課題は、冒頭記載のタイプの方法において、フレッシュ・エア充填量ないし圧力が、熱力学方程式によりおよび／または流動方程式により、内燃機関の１つの作業サイクルの間の少なくとも１つの離散時点において計算されることにより解決される。
【０００９】
本発明によれば、吸気弁の上流側に位置する範囲内の圧力の決定において、燃焼室のフレッシュ・エア充填量が考慮され、または燃焼室のフレッシュ・エア充填量の決定において、吸気弁の上流側に位置する範囲内の圧力が考慮され、この場合、この決定において、内燃機関のクランク軸の回転速度もまた考慮される、内燃機関の運転方法において、フレッシュ・エア充填量ないし圧力が、熱力学方程式によりおよび／または流動方程式により、内燃機関の１つの作業サイクルの間の少なくとも１つの離散時点において計算される。
【００１０】
熱力学方程式および／または流動方程式を使用することにより、内燃機関の燃焼室内または燃焼室付近の範囲内の熱力学的および動的状態をきわめて高い精度で決定することができる。この場合、実験方程式および／または特性曲線群を使用することに比較して、最新の内燃機関の複雑な熱力学的および動的特性もまたきわめて正確にシミュレートすることができる。この場合、内燃機関の機能がそれにより操作ないし制御される制御装置の計算負荷はきわめて軽減される。
【００１１】
即ち、熱力学方程式ないし流動方程式から得られる、フレッシュ・エア充填量ないし圧力の１つないし複数の計算式は、実際には、内燃機関の１つの作業サイクルの間に１回計算されるだけでよい。大型計算装置を使用した通常のシミュレーション・プログラムにおいて必要とされるような、内燃機関内の実際の熱力学的および動的状態の細かいステップによる連続的な計算は、本発明による方法においては必要ではない。さらに、供給されるフレッシュ・ガスの実際温度の影響並びに排気温度もまた物理的に簡単な方法でシミュレート可能であり、このことは同様に計算結果の精度を高めることになる。
【００１２】
本発明の有利な変更態様もまた開示されている。
第１の変更態様においては、計算において、吸気弁の閉鎖後に燃焼室内に存在する残留ガスが考慮されることが提案される。このような残留ガスは少量ではあるがほとんど常に存在し、特に、内燃機関が内部または外部排ガス循環を備えているときに存在する。このような内部排ガス循環においては、吸気弁の開放時点および排気弁の閉鎖時点は、新たな作業サイクルの開始時に、燃焼室がフレッシュ・エアで充填されているのみならず、前の燃焼から発生した残留排気ガスでも満たされているように設定される。残留ガスにより、燃焼室内の燃焼温度を低下させ、したがって窒素酸化物の形成を低減させることができる。本発明の方法により、燃焼室内に存在するこの残留ガスをきわめて良好に考慮することが可能である。
【００１３】
これの変更態様においては、同様に、計算において、吸気弁の閉鎖後に燃焼室内に存在する残存残留ガスおよび／または吸気弁の閉鎖後に燃焼室内に存在する再吸引残留ガスが考慮されることが提案される。これにより、フレッシュ・エア充填量の計算ないし吸気弁の上流側に位置する範囲内の圧力の計算における精度がさらに向上される。ここで、以下においては、用語「上流側」により常に吸気弁と排気管の始端との間に存在する範囲が示され、このとき流動が吸気管から燃焼室内に行われるかまたは燃焼室から吸気管内に行われるかには無関係である。
【００１４】
残存残留ガスとは、燃焼室温度を有し且つ内燃機関の排気弁の閉鎖時点における排気背圧が作用する燃焼室容積内に閉じ込められた残留ガスと理解される。再吸引残留ガスとは、弁の重なりの間に（即ち、吸気弁および排気弁が同時に開放されている）、排気弁の下流側に位置する範囲から燃焼室内を通過して吸気弁の上流側に位置する範囲内に流動する残留ガスと理解される。再吸引残留ガスは残存残留ガスと重ね合わされる。
【００１５】
残存残留ガスおよび再吸引残留ガスの和は、内燃機関の全内部残留ガスを形成する。残留ガスを残存部分と再吸引部分とに分割することにより、それぞれの部分の計算のために、比較的簡単な熱力学方程式および／または流動方程式を使用することができる。さらに、異なる残留ガス部分への影響、例えば吸気弁ないし排気弁の切換時点および弁の重なりをより良好に考慮することができる。
【００１６】
この場合、燃焼室内に存在するガス混合物の温度は、残存残留ガスおよび／または再吸引残留ガスおよびフレッシュ・エアの質量部分およびそれぞれの温度を考慮して、混合式
【００１７】
【数２】

により決定可能である。この式は、制御装置内で容易に計算することができ、且つ良好な結果を提供する。
【００１８】
燃焼室内に存在する再吸引残留ガスの質量を決定するために、内燃機関の所定の運転状態において、排気弁の下流側に位置する範囲から、等価絞りを介して、吸気弁の上流側に位置する範囲内へガスが流動可能であると仮定されるときもまた特に有利であり、この場合、逆流ガス量が、この絞り内を通過して流動する超臨界質量流量から計算され、且つこの超臨界質量流量が、少なくとも吸気弁の開放角と排気弁の閉鎖角との重なりの関数であり、排気弁の下流側に位置する範囲内のガスの温度の関数であり、排気弁の下流側に位置する範囲内のガスの圧力の関数であり、および／または排気弁の下流側に位置する範囲内のガスの圧力の、吸気弁の上流側に位置する範囲内のガスの圧力に対する比の関数である。
【００１９】
最初に、ここで、以下においては、用語「下流側」により常に排気弁と排気管の終端との間に存在する範囲が示され、このとき流動が実際に燃焼室から排気管内に行われるかまたは排気管から燃焼室内に行われるかには無関係である。即ち、この用語は「主な流動」の方向を示している。
【００２０】
モデルに関する上記の仮定は、内燃機関の実際状況にきわめてよく対応する。排気弁の開口内を通過し、燃焼室内を通過し且つ吸気弁の開口内を通過する排気ガスの流動は、等価絞り内を通過するガスの流動によりきわめてよく表わすことができる。このような絞り内を通過する流動は、既知の熱力学方程式および流動方程式により高い精度で計算可能である。等価絞りの特性は実験で決定することができる。
【００２１】
この場合、超臨界質量流量が２つの弁曲線の重なり範囲の重心位置の関数であってもよい。排気弁の閉鎖速度が吸気弁の開放速度と同じである場合、重心はほぼ三角形の重なり範囲の頂点の真下にくる。閉鎖速度が開放速度と異なる場合、重心、したがって上記の値が測定される時点は、それに対応してシフトされる。
【００２２】
超臨界質量流量が、排気弁の下流側に位置する範囲内の圧力の、燃焼室内または吸気弁の上流側に位置する範囲内の圧力に対する比が、それに入力される特性曲線の出力値と乗算されるときもまた有利である。このような特性曲線は「流出特性曲線」とも呼ばれる。これは、流動工学から既知の、オリフィス内を通過する流動を表わす方程式である。この方程式により、流動特性がオリフィスの両側の差圧の関数として簡単に表わされる。
【００２３】
この場合、弁の重なりの間に逆流するガスは、排気温度および排気背圧を有するものと仮定される。しかしながら、排気弁の下流側および吸気弁の上流側の圧力の脈動が内燃機関のクランク軸の回転速度の関数として発生するとき、重なりの間に、圧力比はそれらの平均値とは異なる値をとることがある。
【００２４】
計算においてこれを考慮可能にするために、吸気弁の上流側に位置する範囲内のガスの圧力の、排気弁の下流側に位置する範囲内のガスの圧力に対する比が、内燃機関のクランク軸の回転速度の関数である補正係数と乗算されることもまた提案される。
【００２５】
他の変更態様においては、計算において、排気弁の下流側に位置する範囲内のガスの測定圧力またはモデル化圧力が、内燃機関のクランク軸の回転速度の関数としておよび／または排気弁の閉鎖角の関数として補正されることが提案される。これにより、排気弁の下流側に位置する範囲内の圧力が、所定の回転速度範囲内において、および／または排気弁が内燃機関の作業サイクル内の所定の時点に閉鎖したときに脈動する場合があることが考慮される。この圧力脈動は、本発明により提案された補正によって考慮される。
【００２６】
最も簡単な場合、補正は、測定圧力ないしモデル化圧力が特性曲線群の出力と乗算されることにより行われ、特性曲線群内に、内燃機関のクランク軸の回転速度および排気弁の閉鎖角が入力される。この補正により、排気弁が燃焼室に付属のピストンの明らかに上死点の前または明らかに上死点後に閉鎖したとき、並びに内燃機関のクランク軸の回転速度がより高いときには、圧力均衡はもはや存在しないこともまた考慮することができる。排気弁がピストンの上死点の前に閉鎖したときには残存残留ガスの圧力はより高くなり、これに対して排気弁がピストンの上死点後に閉鎖したときには、燃焼室内の残存残留ガスの圧力はより小さくなる。
【００２７】
これと同様に、計算において、吸気弁の上流側に位置する範囲内のガスの測定圧力またはモデル化圧力が、内燃機関のクランク軸の回転速度の関数としておよび／または吸気弁の開放角の関数として補正されてもよい。
【００２８】
さらに、残存残留ガスの質量が、排気弁の閉鎖時点にまたは弁の重なりのほぼ中央に存在する燃焼室容積により決定されるように設計されている。計算において、２つの弁が同じ弁リフトを有するときに存在する燃焼室容積を使用することもまた可能であろう。上記のすべての場合において、残存残留ガスの質量を正確に計算することができる。
【００２９】
熱力学計算において、理想気体に対する状態方程式から出発されることが特に好ましい。これは、これにより結果が不利な影響を受けることなく、計算における本質的な簡略化を可能にする。
【００３０】
この場合、本発明により、残留ガスないし残留ガス部分の熱容量および／または等エントロピーべき指数が、フレッシュ・エアのそれと同じ値を有すると仮定されてもよい。両方のガス内には主として窒素酸化物が存在しているので、この仮定は可能である。
【００３１】
本発明による方法の実行を容易にさせる他の近似は、断熱状態に対して、理想気体に対する状態方程式が使用されることにある。即ち、熱力学的関係において、弁への熱伝達、燃焼室の壁への熱伝達並びに燃焼室内のその他の部品からの熱伝達および燃焼室付近の範囲内への熱伝達は無視される。これは、計算における精度をほとんど低下させることなく可能である。
【００３２】
しかしながら、例えば、熱伝達の、吸気弁の上流側の範囲内の測定温度またはモデル化温度への影響を、補正機能により考慮することができる。したがって、一方で、断熱的に計算され、このことが方程式の誘導における著しい簡略化を可能にするが、他方で、熱伝達の影響が完全には無視されてはいない。したがって、計算は簡単であり、しかも正確に可能である。
【００３３】
本発明は、コンピュータ上で実行されるとき、上記の方法を実行するのに適しているコンピュータ・プログラムにも関するものである。この場合、コンピュータ・プログラムが、メモリ、特にフラッシュ・メモリに記憶されているときに有利となる。
【００３４】
さらに、本発明は、内燃機関を運転する制御装置に関するものである。このような制御装置において、それが、上記のタイプのコンピュータ・プログラムが記憶されているメモリを含むことも提案される。
【００３５】
【発明の実施の形態】
図１において、内燃機関全体が符号１０を有している。内燃機関１０は複数のシリンダを含み、図１には、そのうちの符号１２を有するシリンダのみが示されている。シリンダ１２内でピストン１４が滑動可能に案内され、ピストン１４は燃焼室１６と境界を接している。連接棒（符号なし）を介して、ピストン１４は、記号のみが示されているクランク軸１８と結合されている。
【００３６】
吸気管２０および吸気弁２２を介して、燃焼室１６にフレッシュ・エアが供給される。吸気管２０内に噴射ノズル２４が存在し、噴射ノズル２４は燃焼システム２６と結合されている。噴射ノズル２４の上流側に絞り弁２８が設けられ、絞り弁２８はサーボモータ３０により希望の位置に移動させることができる。噴射ノズル２４と絞り弁２８との間において、供給されるフレッシュ・エアの温度が温度センサ３２により測定され、供給されるフレッシュ・エアの圧力が圧力センサ３４により測定される。
【００３７】
燃焼室１６から、排気弁３６および排気管３８ないし排気ベンドを介して、高温の燃焼排気ガスが排出される。触媒４０は排気ガスを浄化する。排気弁３６と触媒４０との間において、排気ガスの温度が温度センサ４２により測定され、排気ガスの圧力が圧力センサ４４により測定される。
【００３８】
内燃機関１０は二重連続カム軸制御を備えている。これは、吸気弁２２ないし排気弁３６の閉鎖時点ないし開放時点を無段に制御可能であることを意味する。このために、吸気弁２２は吸気側カム軸４６により操作され、排気弁３６は排気側カム軸４８により操作される。カム軸４６および４８は、運転中に、アクチュエータ５０および５２を介して、希望の閉鎖時点ないし開放時点が存在するように調節することができる。
【００３９】
内燃機関１０の燃焼室１６内に存在する燃料／空気混合物は点火プラグ５４により点火され、一方、点火プラグ５４は点火システム５６により操作される。
内燃機関１０の運転は、制御装置５８により操作ないし制御される。制御装置５８は、入力側において、吸気管２０内の温度センサ３２および圧力センサ３４と結合されている。さらに、制御装置５８は、排気管３８内の温度センサ４２および圧力センサ４４から信号を受け取る。さらに伝送器６０が信号を供給し、この信号からクランク軸１８の回転速度およびクランク軸１８の角度位置を得ることができる。これと同様に、吸気側カム軸４６ないし排気側カム軸４８の角度位置を測定する位置センサ６２および６４が設けられている。制御装置５８は、出力側において、噴射ノズル２４、絞り弁２８のサーボモータ３０、吸気側カム軸４６のアクチュエータ５０、排気側カム軸４８のアクチュエータ５２、および点火システム５６と結合されている。
【００４０】
内燃機関１０のユーザにより希望されるトルクに対応し且つそれにより燃焼室１６内で希望の混合物組成が達成される燃料供給量を決定可能にするために、１つの作業サイクルにおいて燃焼室１６内に到達したフレッシュ・エアの量を決定することが必要である。このために、センサを使用することも可能であるが、この場合のように吸気管２０内に圧力センサ３４が存在するときには、コストの理由からセンサは使用されない。図示されていない実施態様においては、圧力センサの代わりに、吸気管内に空気質量流量センサが設置されている。この場合には、測定信号から燃焼室の空気充填量を決定するために、吸気管内の圧力が決定されなければならない。
【００４１】
フレッシュ・エア充填量ｒｌ（この場合、これは基準に対して正規化されたフレッシュ・エア充填量である）の決定は、図１に示した内燃機関１０においては、図２に示すように実行される。対応する方法は、コンピュータ・プログラムとして、制御装置５８内のメモリに記憶されている。
【００４２】
内燃機関１０のセンサから種々の測定値が供給される。吸気管２０内の温度センサ３２は吸気管２０内の吸気温度Ｔ＿ｆｇを測定する。圧力センサ３４は吸気管２０内の吸気圧力ｐｓを測定する。温度センサ４２は排気管３８内の排気温度Ｔ＿ａｂｇを測定し、これと同様に、圧力センサ４４は排気管３８内の排気圧力ｐ＿ａｂｎａｖを測定する。伝送器６０は、クランク軸１８の実際回転速度ｎｍｏｔに関する情報並びにクランク軸１８の角度位置ｗｋに関する情報を供給する。これと同様に、伝送器６２および６４は、吸気側カム軸４６ないし排気側カム軸４８の角度位置ｗｎｅないしｗｎａに関する情報を供給する。
【００４３】
これらの測定値は処理ブロック６６に入力される。処理ブロック６６において、熱力学方程式および流動方程式により、測定値から、ピストン１４の吸気行程の終端後にシリンダ１２内に存在する正規化フレッシュ・エア充填量ｒｌが計算される（図２の符号６８）。この場合、計算を簡単にするために、所定の物理的仮定が行われる。例えば、燃焼室１６内、および吸気管２０および排気管３８内の燃焼室に近接する範囲内には断熱状態が存在することから出発される。
【００４４】
即ち、この範囲内に存在する構成部品から流動ガスへの熱伝達はここでは考慮されない。したがって、それにもかかわらずできるだけ正確な計算結果を得るために、処理ブロック６６内に補正機能７０もまた設けられ、補正機能７０は、流動方程式および熱力学方程式６８における簡略化が原因となって発生する不正確さを再び少なくとも一部補正することができる。即ち、吸気温度は補正機能によりそれに対応して修正される。
【００４５】
正規化フレッシュ・エア充填量ｒｌの計算は連続的には行われない。この実施態様においては、その代わりに、計算が、シリンダ１２の１つの作業サイクル（作業サイクルとは、４サイクル内燃機関においては４サイクル全部の実行と理解される）の間に１回、１つの離散時点において、ここでは吸気行程開始前のピストン１４の上死点の付近において実行される（図３における符号７２）。即ち、フレッシュ・エア充填量ｒｌの計算は、クランク軸１８の角度に同期するタイム・ラスタ内で行われる。
【００４６】
処理ブロック６６内の計算が図５および図６に式で示されている。図５の方程式（１）内に、フレッシュ・エア充填量ｒｌの正規化が与えられている。この場合、供給されるフレッシュ・エアの質量ｍ＿ｆｇは基準質量ｍ０に正規化される。一方、質量ｍ０は、１０１３．２５ｈＰａの標準圧力ｐ０、２７３°Ｋの標準温度Ｔ０および内燃機関１０のピストン１４の行程容積Ｖ＿ｈにおいて、理想気体方程式（２）から得られる。係数Ｚｙｌｚａは、内燃機関のシリンダの数である。
【００４７】
方程式（１）内のフレッシュ・エア質量ｍ＿ｆｇは、図５の方程式（３）−（６）から得られる。方程式（４）は一般的な気体混合式であり、この気体混合式により、吸気弁２２が閉鎖した時点における燃焼室１６内の温度が計算される。この時点において、燃焼室１６内に、温度Ｔ＿ｒｇを有する残留ガス質量ｍ＿ｒｇおよび温度Ｔ＿ｆｇを有するフレッシュ・エア質量ｍ＿ｆｇが存在する。
【００４８】
方程式（５）からわかるように、燃焼室１６内に存在するガスの全質量ｍ＿ｇｅｓは、フレッシュ・エア質量ｍ＿ｆｇおよび残留ガス質量ｍ＿ｒｇから構成されている。全質量ｍ＿ｇｅｓは、一方で、吸気弁２２が閉鎖した時点における燃焼室１６内の圧力ｐ＿ｂｒｅｓにおいて、理想気体方程式から誘導される。以下に残留ガス質量ｍ＿ｒｇについて詳細に説明する。
【００４９】
内燃機関１０のクランク軸１８の回転速度ｎｍｏｔおよび吸気弁２２が開放しているときの吸気側カム軸４６の角度ｗｎｗｅの関数として、吸気管２０内に圧力脈動が発生することがある。したがって、この場合には、圧力ｐ＿ｂｒｅｓは、圧力センサ３４により測定された吸気管圧力ｐｓに対応しない。したがって、吸気管圧力ｐｓは、方程式（６）に基づいて、回転速度ｎｍｏｔの関数としておよび吸気弁２２の開放角ｗｎｗｅの関数として、特性曲線群ＦＰＥＳＫＯＲＲにより補正される。
【００５０】
残留ガス質量ｍ＿ｒｇは次のようなものである。
内燃機関１０の排気ガス内の窒素酸化物を低減させるために、図１に示した内燃機関１０は、いわゆる「内部排ガス循環」を備えている。内部排ガス循環とは、排気ガスの一部が排気管３８から再び燃焼室１６内に戻されるかまたは要するに燃焼室１６を離れないと理解される。燃焼室１６内に残っている排気ガス部分は「残存残留ガス」となり、燃焼室１６内に戻された排気ガス部分は「再吸引残留ガス」となる（図６の方程式（８）参照）。
【００５１】
残存残留ガスの質量ｍ＿ｒｇｒｅｓおよび再吸引残留ガスの質量ｍ＿ｒｇｒｅａｓｐは、排気弁３６の閉鎖角ｗｎｗａ、および吸気弁２２の開放角ｗｎｗｅ、およびこれらから形成される弁の重なりｗｎｗｖｕｅにより決定される（図４参照）。
【００５２】
図５において方程式（２）−（６）が方程式（１）に代入されたとき、図６の方程式（７）が得られる。図６内の方程式（７）の下側の方程式（８）−（１３）により、残留ガス質量ｍ＿ｒｇを決定することができる。残存残留ガスの質量ｍ＿ｒｇｒｅｓは、理想気体方程式（９）により決定される。ここで、残存残留ガスの圧力は、通常、排気弁３６の閉鎖直前において、圧力センサ４４により測定された、排気管３８内の排気ガスの圧力に等しいと、明らかに仮定される。
【００５３】
しかしながら、排気弁３６が上死点前または明らかに上死点後に閉鎖した場合、この仮定はもはや完全には正しくない。同様のことが、クランク軸１８の回転速度が高いときにも当てはまる。この理由から、排気ガス・センサ４４の測定値ｐ＿ａｂｎａｖが特性曲線群ＦＰＡＢＮＡＶＲＥＳＫＯＲの出力と乗算され、特性曲線群ＦＰＡＢＮＡＶＲＥＳＫＯＲ内には、一方でクランク軸１８の回転速度ｎｍｏｔが入力され、他方で排気弁３６の閉鎖角ｗｎｗａが入力される（方程式（１０）参照）。
【００５４】
方程式（９）内で使用される容積Ｖ＿ｂｒｒｇｒｅｓの決定においては、ケースの区別が行われる。
吸気弁２２が開放する前に排気弁が閉鎖したとき（即ち、弁の重なりが存在しないとき）、容積Ｖ＿ｂｒｒｇｒｅｓは、排気弁３６が閉鎖した時点における燃焼室１６の容積に等しい。しかしながら、排気弁３６が閉鎖する前に吸気弁２２が開放したとき（このケースは、図４において弁の重なりｗｎｗｖｕｅにより示されている）、容積Ｖ＿ｂｒｒｇｒｅｓに対して、吸気弁２２の開放時点と排気弁３６の閉鎖時点との間の中間時点において存在する燃焼室１６の容積が使用される。２つの弁のリフトが等しい時点において存在する容積を使用することもまた可能であろう。方程式（９）内で使用される温度Ｔ＿ｂｒｒｇｒｅｓは、容積Ｖ＿ｂｒｒｇｒｅｓと関連する上記の時点において温度センサ４２により測定された温度である。
【００５５】
再吸引残留ガスの質量ｍ＿ｒｇｒｅａｓｐの決定は、図６の方程式（１２）内で行われる。再吸引残留ガスの質量の決定において、最初に、排気管３８から排気弁３６内を通過し且つ燃焼室１６および吸気弁２２を介して排気管２０内への流動は、等価絞りないし等価オリフィス内を通過する流動に対応するという簡単な仮定が行われる。この質量流量は、重なり時間ｗｎｗｖｕｅの間、即ちｗｎｗｅとｗｎｗａとの間（図４）に存在する。
【００５６】
重なりの間に形成される開口は、全作業サイクルの間の等価開口に変換される。対応する一定の平均質量流量は正規化された超臨界値ＭＳＮＲＥＡＳＰを有している。即ち、この場合には、質量流量ＭＳＮＲＥＡＳＰは、重なり角ｗｎｗｖｕｅのみの関数である。しかしながら、重なり面積（図４におけるハッチングされた面積）の重心の関数であるとも考えることができる。逆流した残留ガスの温度に関しては、この温度は温度センサ４２により測定された排気温度Ｔ＿ａｂｇに対応すると仮定される。
【００５７】
超臨界質量流量ＭＳＮＲＥＡＳＰは、方程式（１２）において、さらにいわゆる「流出特性曲線」（略して″ＫＬＡＦ″）と乗算される。これは、オリフィスないし絞り位置の前／後の差圧の関数としてオリフィスないし絞り位置内を通過する流動を示す。さらに、弁の重なりｗｎｗｖｕｅの間に逆流した排気ガスは、排気背圧ｐ＿ａｂｎａｖｋを有すると仮定される。
【００５８】
内燃機関１０の運転中に排気管３８および吸気管２０内に圧力脈動が発生し、特にこれは回転速度が高いときに発生することがあるので、圧力比ｐｓ／ｐ＿ａｂｎａｖは特性曲線ＦＰＡＢＧＫＯＲの出力と乗算され、ここで、特性曲線ＦＰＡＢＧＫＯＲ内には回転速度ｎｍｏｔが入力され、回転速度ｎｍｏｔは伝送器６０により測定される。変数ｕｍｓｒｌｍは換算係数であり、この換算係数により、質量流量［ｋｇ／ｈ］を基準条件における燃焼室充填量のパーセント割合に換算することができる。一方で、これは方程式（１３）から誘導される。ここで、ＫＵＭＳＲＬは行程容積の関数としての定数である。
【００５９】
残留ガスの温度Ｔ＿ｒｇは、図６内で方程式（７）の上側に与えられている式により計算される。ここで、同様に、方程式（１４）は熱力学から既知の混合方程式に対応し、この混合方程式において、再吸引残留ガスの温度Ｔ＿ｒｇｒｅａｓｐは、ポアソンの方程式（１５）により決定されたものである。温度Ｔ＿ｒｇを決定するために同様に使用される方程式（９）−（１３）は、既に上で説明したものである。したがって、ここではこれについては再度詳細に説明しないものとする。
【００６０】
図５および図６からわかるように、（種々の容積Ｖ＿ｘを決定するための）測定値Ｔ＿ｆｇ、ｐ＿ａｂｎａｖ、ｐｓ、ｎｍｏｔ、Ｔ＿ａｂｇ、ｗｋ並びにｗｎｗｅおよびｗｎｗａ（これらから同様に、ｗｎｗｖｕｅを誘導することができる）を用いて、最終的に相対フレッシュ・エア充填量ｒｌを計算により決定することができる。ここで、熱力学方程式を簡略化するために断熱状態が仮定され、且つ排気ガスおよびフレッシュ・エアの熱容量および等エントロピーべき指数（ｋ）は等しいと仮定される。両方のガスは同様に約８０％の窒素から構成されているので、この仮定は正しいものである。
【００６１】
吸気管２０への排気ガスの逆流の計算を簡単にするために、オリフィス内を通過する流動方程式が使用される。最終的に排気弁３６および吸気弁２２の隙間は等価のオリフィスないし絞り位置とみなすことができるので、この仮定もまた正しいものである。断熱状態という仮定により発生する不正確さは種々の補正機能により本質的に補償される。式（１）−（１５）の計算は、制御装置５８内できわめて迅速に行うことができる。この実施態様においては、これらの計算は、１つの作業サイクルの間において１回、即ち吸気行程の開始直前に実行される。図３において、対応時点に符号７２が付けられている。角度に同期する通常の計算ラスタの、図示されていない実施態様においては、この時点は、図３に示すものとは異なり、前方に約７０°シフトされている。
【図面の簡単な説明】
【図１】内燃機関の略示図である。
【図２】図１の内燃機関の運転中の正規化フレッシュ・エア充填量の決定方法を示す流れ図である。
【図３】ピストン・ストロークがクランク軸角に対して目盛られている線図である。
【図４】吸気弁および排気弁の弁位置がカム軸角に対して示されている線図である。
【図５】図１に示す内燃機関の燃焼室のフレッシュ・エア充填量を決定するための熱力学方程式の誘導を示すグラフである。
【図６】図５に示した熱力学方程式の誘導をさらに詳細に示したグラフである。
【符号の説明】
１０ 内燃機関
１２ シリンダ
１４ ピストン
１６ 燃焼室
１８ クランク軸
２０ 吸気管（吸気弁の上流側に位置する範囲）
２２ 吸気弁
２４ 噴射ノズル
２６ 燃料システム
２８ 絞り弁
３０ サーボモータ
３２ 温度センサ（供給フレッシュ・エア）
３４ 圧力センサ（供給フレッシュ・エア）
３６ 排気弁
３８ 排気管（排気弁の下流側に位置する範囲）
４０ 触媒
４２ 温度センサ（排気ガス）
４４ 圧力センサ（排気ガス）
４６ 吸気側カム軸
４８ 排気側カム軸
５０ アクチュエータ（吸気側カム軸）
５２ アクチュエータ（排気側カム軸）
５４ 点火プラグ
５６ 点火システム
５８ 制御装置
６０ 伝送器（クランク軸の回転速度および角度位置センサ）
６２ 伝送器（吸気側カム軸の角度位置センサ）
６４ 伝送器（排気側カム軸の角度位置センサ）
６６ 処理ブロック
６８ 流動方程式および熱力学方程式
７０ 補正機能
７２ 離散時点（吸気行程の開始前の上死点付近）
ＦＰＡＢＧＫＯＲ 補正係数
ＦＰＡＢＮＡＶＲＥＳＫＯＲ 特性曲線群
ＦＰＥＳＫＯＲＲ 補正特性曲線群
ｋ 等エントロピーべき指数
ＫＬＡＦ 流出特性曲線
ＫＵＭＳＲＬ 定数
ｍ０ 基準質量
ｍ＿ｆｇ フレッシュ・エア質量
ｍ＿ｇｅｓ 全質量
ｍ＿ｒｇ 残留ガス質量
ｍ＿ｒｇｒｅａｓｐ 再吸引残留ガス質量（逆流ガス量）
ｍ＿ｒｇｒｅｓ 残存残留ガス質量
ＭＳＮＲＥＡＳＰ 超臨界質量流量
ｎｍｏｔ クランク軸の回転速度
ｐ０ 標準圧力
ｐ＿ａｂｎａｖ 排気圧力
ｐ＿ａｂｎａｖｋ 排気背圧
ｐ＿ｂｒｅｓ 燃焼室内圧力
ｐｓ 吸気圧力（吸気管圧力）
ｒｌ フレッシュ・エア充填量
Ｔ０ 標準温度
Ｔ＿ａｂｇ 排気温度
Ｔ＿ｂｒｅｓ 燃焼室内に存在するガス混合物の温度
Ｔ＿ｂｒｒｇｒｅｓ 温度
Ｔ＿ｆｇ フレッシュ・エアの温度（吸気温度）
Ｔ＿ｒｇ 残留ガスの温度
Ｔ＿ｒｇｒｅａｓｐ 再吸引残留ガスの温度
Ｔ＿ｒｇｒｅｓ 残存残留ガスの温度
ｕｍｓｒｌｍ 換算係数
Ｖ＿ｂｒｒｇｒｅｓ 容積
Ｖ＿ｅｓ 燃焼室容積
Ｖ＿ｈ ピストンの行程容積
Ｖ＿ｘ 種々の容積
ｗｋ クランク軸の角度位置
ｗｎ カム軸の角度位置
ｗｎｗａ 排気弁の閉鎖角
ｗｎｗｅ 吸気弁の開放角
ｗｎｗｖｕｅ 弁の重なり
ｗｎａ 排気側カム軸の角度位置
ｗｎｅ 吸気側カム軸の角度位置
Ｚｙｌｚａ シリンダ数

Claims (15)

1. 吸気弁（２２）の上流側に位置する範囲（２０）内の圧力（ｐｓ）の決定において、燃焼室（１６）のフレッシュ・エア充填量（ｒｌ）が考慮され、または燃焼室（１６）のフレッシュ・エア充填量（ｒｌ）の決定において、吸気弁（２２）の上流側に位置する範囲（２０）内の圧力（ｐｓ）が考慮され、この場合、この決定において、内燃機関（１０）のクランク軸（１８）の回転速度（ｎｍｏｔ）もまた考慮され、フレッシュ・エア充填量（ｒｌ）ないし圧力（ｐｓ）が、熱力学方程式および流動方程式の少なくともいずれかにより、内燃機関（１０）の１つの作業サイクルの間の少なくとも１つの離散時点（７２）において計算され（６６）、前記計算において、吸気弁（２２）の閉鎖後に燃焼室（１６）内に存在する残存残留ガス（ｍ＿ｒｇｒｅｓ）が考慮される、内燃機関（１０）の運転方法において、
   残存残留ガス（ｍ＿ｒｇｒｅｓ）の容積が、燃焼室（１６）の容積（Ｖ＿ｅｓ）によって決定され、ここで、弁の重なりが存在しない場合には、排気弁（３６）が閉鎖した時点における燃焼室（１６）の容積によって決定され、弁の重なりが存在する場合には、吸気弁（２２）の開放時点と排気弁（３６）の閉鎖時点との間の中間時点において存在する燃焼室（１６）の容積、または２つの弁（２２，３６）のリフトが等しい時点において存在する燃焼室（１６）容積により決定されること、
   を特徴とする内燃機関の運転方法。
2. 燃焼室（１６）内に存在するガス混合物の温度（Ｔ＿ｂｒｅｓ）が、残存残留ガスおよび／または再吸引残留ガスおよびフレッシュ・エアの質量部分（ｍ＿ｒｇｒｅｓ、ｍ＿ｒｇｒｅａｓｐ、ｍ＿ｆｇ）およびそれぞれの温度（Ｔ＿ｒｇｒｅｓ、Ｔ＿ｒｇｒｅａｓｐ、Ｔ＿ｆｇ）を考慮して、混合式
   

   

   により決定可能であると仮定されることを特徴とする請求項１に記載の運転方法。
3. 燃焼室（１６）内に存在する再吸引残留ガスの質量（ｍ＿ｒｇｒｅａｓｐ）を決定するために、内燃機関（１０）の所定の運転状態において、排気弁（３６）の下流側に位置する範囲（３８）から、等価絞りを介して、吸気弁（２２）の上流側に位置する範囲（２０）内へガスが流動可能であると仮定され、この場合、逆流ガス量（ｍ＿ｒｇｒｅａｓｐ）が、この絞り内を通過して流動する超臨界質量流量（ＭＳＮＲＥＡＳＰ）から計算され、且つこの超臨界質量流量（ＭＳＮＲＥＡＳＰ）が、吸気弁（２２）の開放角（ｗｎｗｅ）と排気弁（３６）の閉鎖角（ｗｎｗａ）との重なり（ｗｎｗｖｕｅ）の関数であり、排気弁の下流側に位置する範囲内のガスの温度の関数であり、排気弁の下流側に位置する範囲内のガスの圧力の関数であり、および／または排気弁（３６）の下流側に位置する範囲（３８）内のガスの圧力（ｐ＿ａｂｎａｖ）の、吸気弁（２２）の上流側に位置する範囲（２０）内のガスの圧力（ｐｓ）に対する比の関数であることを特徴とする請求項１または２に記載の運転方法。
4. 超臨界質量流量（ＭＳＮＲＥＡＳＰ）が２つの弁曲線の重なり範囲の重心位置の関数でもあることを特徴とする請求項３に記載の運転方法。
5. 超臨界質量流量（ＭＳＮＲＥＡＳＰ）が、排気弁（３６）の下流側に位置する範囲（３８）内の圧力（ｐ＿ａｂｎａｖ）の、燃焼室内または吸気弁（２２）の上流側に位置する範囲（２０）内の圧力（ｐｓ）に対する比がそれに入力される特性曲線（ＫＬＡＦ）の出力値と乗算されることを特徴とする請求項３または４に記載の運転方法。
6. 吸気弁（２２）の上流側に位置する範囲（２０）内のガスの圧力（ｐｓ）の、排気弁（３６）の下流側に位置する範囲（３８）内のガスの圧力（ｐ＿ａｂｎａｖ）に対する比が、内燃機関（１０）のクランク軸（１８）の回転速度（ｎｍｏｔ）の関数である補正係数（ＦＰＡＢＧＫＯＲ）と乗算されることを特徴とする請求項５に記載の運転方法。
7. 前記計算において、排気弁（３６）の下流側に位置する範囲（３８）内のガスの測定圧力またはモデル化圧力（ｐ＿ａｂｎａｖ）が、内燃機関（１０）のクランク軸（１８）の回転速度（ｎｍｏｔ）の関数としておよび／または排気弁（３６）の閉鎖角（ｗｎｗａ）の関数として補正されることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の運転方法。
8. 前記計算において、吸気弁（２２）の上流側に位置する範囲（２０）内のガスの測定圧力またはモデル化圧力（ｐｓ）が、内燃機関（１０）のクランク軸（１８）の回転速度（ｎｍｏｔ）の関数としておよび／または吸気弁（２２）の開放角（ｗｎｗｅ）の関数として補正され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. 熱力学計算において、理想気体に対する状態方程式から出発されることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の運転方法。
10. 前記計算において、残留ガスないし残留ガス部分の熱容量および／または等エントロピーべき指数がフレッシュ・エアのそれと同じ値を有すると仮定されることを特徴とする請求項９に記載の運転方法。
11. 断熱状態に対して、理想気体に対する状態方程式が使用されることを特徴とする請求項９または１０に記載の運転方法。
12. 熱伝達の、吸気弁の上流側の範囲内の測定温度またはモデル化温度への影響が補正機能により考慮されることを特徴とする請求項９ないし１１のいずれかに記載の運転方法。
13. コンピュータ上で実行されるときに、請求項１ないし１２のいずれかの方法を実行するのに適していることを特徴とするコンピュータ・プログラム。
14. フラッシュ・メモリに記憶されていることを特徴とする請求項１３に記載のコンピュータ・プログラム。
15. 請求項１３または１４に記載のコンピュータ・プログラムが記憶されているメモリを含むことを特徴とする内燃機関（１）の運転制御装置（５８）。

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