JP4382851B2 - 内燃機関の制御方法および制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の制御方法および制御装置に関している。

背景技術
自動車に配置された内燃機関の許容可能な有害物質排出に関する法規は厳しくなる一方なので、内燃機関の作動中の有害物質排出をできるだけ僅かに抑え続けることが必要である。このことは、空気／燃料混合気の燃焼プロセス中に内燃機関の各シリンダに発生する有害物質を低減することで行うことができる。その一方で内燃機関では排ガス後処理システムも使用されており、このシステムは空気／燃料混合気の燃焼プロセス中に各シリンダに発生する有害物質を無害物質に変換している。

特に粒子状汚染物質（煤煙）の排出を回避することは大きな挑戦でもある。なぜなら例えば適切な粒子フィルタの設置によって対処が可能であってもそれに伴うコストも非常に高価になるからである。

燃料噴射バルブが燃料を直接シリンダの各燃焼室に調量するように配置されている内燃機関との関係においては、このことができるだけ層状燃焼モードにおいて進められた方が有利である。なぜならこの層状燃焼モードにおいては空気／燃料混合気が燃料室内の所定の領域において層状化され、その他の領域では非常に僅かな燃料成分しか存在しないからである。このようにすれば特に内燃機関の部分負荷動作中に非常に高い効率が達成される。この種の内燃機関ではこの層状燃焼モード中に生じてしまう窒素酸化物の排出に基づいて定常的にＮＯｘ触媒が設けられている。このＮＯｘ触媒は定期的な再生処理を必要とし、このことはシリンダの燃焼室内へ濃厚な空燃比の混合気を取り入れる均質燃焼モードによって支援されている。この均質燃焼モードでは空気／燃料混合気がシリンダの燃焼室全体に亘ってできるだけ均質に拡散されている。

本発明の課題は、有害物質排出の少ない内燃機関の作動が容易に可能となる方法及び装置を提供することである。

この課題は独立請求項の特徴部分に記載された本発明によって解決される。

発明を実施するための最良の形態
本発明の有利な構成は従属請求項に記載されている。

本発明は、燃料が直接シリンダの燃焼室内へ調量可能となる燃料噴射弁を備えた内燃機関の制御のための方法及び相応の装置を特徴としている。この噴射弁は、そのストローク量がその都度の燃料噴射過程毎に可変に設定可能である噴射ニードルを有している。そのつどの燃焼室内での燃料の意図的な均質分散を伴う内燃機関の均質燃焼モードでは、噴射弁を付勢する燃圧目標値が定められる。噴射ニードルのストローク量の目標値には予め設定される最小ストローク量が割当てられる。調量すべき燃料質量の目標値は、噴射持続時間の目標値が所定の最大持続時間の値よりも小さいか同じである場合には、噴射持続時間の目標値の変更を介して設定される。他の場合では噴射ニードルのストローク量の目標値は、噴射持続時間の目標値が所定の最大持続時間の値よりも小さいか同じになるまで変更される。それにより噴射持続時間のストローク量の目標値は実際に即して設定される。燃圧の目標値は非常に良好な結果が得られるように適切な大きさに選定される。すなわち燃焼室内で非常に微細な燃料噴霧となって非常に良好な混合気が形成され、さらに粒子状物質発生の確率も低減するように選定される。この粒子状物質は特にシリンダのそれぞれの燃焼室内における空気／燃料混合気が局所的に０．７よりも小さいラムダ値を有、かつ燃焼温度が１６００Ｋ〜２１００Ｋの範囲にある時に発生する。さらに燃料噴射弁の噴射ニードルの可及的に僅かなストローク量は、燃焼室における非常に良好な燃料の噴霧と非常に均質な分散に結び付き、さらに燃焼後の粒子状物質の低減を伴う。

本発明の別の有利な実施形態によれば、噴射ニードルのストローク量が段階的に変更される。このことは、噴射弁の駆動制御が非常に簡素に構成できる利点を伴う。

さらに本発明の別の有利な実施形態によれば、最大持続時間の値が吸気バルブの開放持続時間を表す特性量に依存して求められる。このことは、所定の作動点において燃料噴霧のさらなる向上を可能にする。この関係において特に有利には前記特性量が内燃機関の回転数及び／又は負荷である。

本発明のさらに別の有利な構成によれば、燃圧の目標値が、燃料質量の目標値と回転数に依存して求められる。このようにすれば燃圧の目標値を、最大限可能な燃圧方向で容易に最適化できる。

以下では本発明の実施例を概略的な図面に基づいて詳細に説明する。
図面
図１は内燃機関を示しており、
図２は、内燃機関を制御するためのプログラムのフローチャートを示している。なおこれらの図面中において同じ機能又は同じ構造の部材にはすべて同一の符号が付されている。

実施例
内燃機関（図１）は吸気系１、エンジンブロック２、シリンダヘッド２および排気系４を有する。吸気系１は有利にはスロットルバルブ５と、集合管６および吸気管７を有し、この吸気管７はシリンダＺ１の吸気ダクトを介してエンジンブロック２へ導かれている。エンジンブロック２はさらにクランクシャフト８を含み、このクランクシャフト８はコネクティングロッド１０を介してシリンダＺ１のピストン１１と連結されている。

シリンダヘッド３は、吸気バルブ１２と排気バルブ１３を備えたバルブ駆動部を含む。

シリンダヘッド３はさらに噴射弁１８と点火プラグ１９を含む。

噴射弁１８は噴射ニードルを含んでおり、この噴射ニードルは噴射バルブのアクチュエータを用いてその遮蔽位置から動かすことが可能であり、この遮蔽位置においてはそのつどのシリンダＺ１の燃焼室内への燃料調量が抑圧される。噴射ニードルのストローク量は、噴射過程の間の当該噴射ニードルのその遮蔽位置からのその折々の変移量を表している。通常のガソリン噴射弁で用いられるような外方に向けて開かれる噴射ニードルのケースでは、噴射ニードルの昇降がその遮蔽位置からシリンダＺ１の燃焼室内への方向で行われる。

噴射弁のアクチュエータは、噴射ニードルと連結されてストローク量が可変に設定可能となるように構成されている。これに対しては特にピエゾアクチュエータが適している。噴射弁に適した構造の構成であるならばアクチュエータはその他の当業者に公知のアクチュエータ、例えば電磁式アクチュエータであってもよい。噴射弁１８の入口側は、燃料供給装置１８ａと液密に連結されており、該燃料供給装置を介して燃料が高圧下で供給される。燃料供給装置１８ａでは、ガソリンが燃料として用いられている場合には、約２００バールまでの燃料圧力がかけられ、場合によってはそれ以上の燃圧も設定される。

排気系においては排気ガス触媒器が配設されている。この排ガス触媒器は三元触媒２１として構成されている。さらに排気系においては、ＮＯＸ触媒２３として構成されたさらなる排気ガス触媒器が配設されている。

複数のセンサが配属されている制御装置２５が設けられており、これらのセンサは種々の測定量を検出し、それぞれの測定量の値を出力している。この制御装置２５は、測定量の少なくとも１つに依存して調整量を求めている。この調整量は、相応の調整駆動部を用いて調整部材を制御するための１つ若しくはそれ以上の調整信号に変換される。制御装置２５は、内燃機関の制御装置とも称される。

これらのセンサは、アクセルペダル２７のアクセルペダル位置を検出するペダル位置センサ２６、スロットル弁５の上流側の空気質量流量を検出する空気質量センサ２８、吸入空気温度を検出する第１の温度センサ３２、集合管６内の吸気圧力を検出する吸気管圧力センサ３４、クランク軸角度を検出して回転数Ｎに割り当て．るクランク軸角度センサ３６であり得る。

さらに第１の排ガスプローブ４２が設けられており、このプローブは三元触媒２１の上流側に配置され、排気ガス中の残留酸素成分を検出し、その測定信号は燃料の酸化前の第１の排ガスプローブ上流側のシリンダＺ１の燃焼室内における空気／燃料比を表している。さらに第２の排ガスプローブ４３が設けられており、このプローブは三元触媒２１の下流側に配置され、排気ガス中の残留酸素成分を検出し、その測定信号は燃料の酸化前の第２の排ガスプローブ上流側のシリンダＺ１の燃焼室内における空気／燃料比を表している。

さらに燃料圧力センサ４０が設けられており、このセンサは燃料供給装置内における燃圧、特に燃料供給装置の高圧蓄積器における燃圧を検出している。

本発明の実施形態に応じて、前記センサは任意に少なくても良く、また付加的なセンサを設けることもできる。

調整部材は例えばスロットルバルブ５、吸気バルブ１２および排気バルブ１３、噴射弁１８または点火プラグ１９である。

シリンダＺ１の他に有利には別のシリンダＺ２〜Ｚ４も設けられており、それらにも相応の調整部材が割当てられている。
制御装置２５のプログラムメモリ内にはプログラムが記憶されており、このプログラムは内燃機関の作動中に処理され得る。

このプログラムはステップＳ１（図２）において開始され、その際には必要に応じて変数が初期化される。

ステップＳ２では、目下の内燃機関が均質燃焼モードＨＳにあるのか否かが検査される。均質燃焼モードＨＳではない場合には、ステップＳ２の条件が有利には所定の待機時間の後か若しくは所定のクランク軸角度分の時間経過後に改めて検査が行われる。

それに対してステップＳ２の条件が満たされた場合には、ステップＳ４において燃圧の目標値ＦＵＰ＿ＳＰが回転数Ｎ及び調量すべき燃料質量の目標値ＭＦＦ＿ＳＰに依存して求められる。調量すべき燃料質量の目標値は、内燃機関の適切な関数を用いて当該内燃機関によって生成されるべきトルクに依存して求められる。これも有利にはトルクモデルを用いるやり方で求められる。その場合には目標トルクがペダル位置センサのペダル値や内燃機関のさらなる測定量と場合によっては内燃機関若しくは車両のさらなるユニット又は関数のためのトルク要求を考慮して求められる。特に有利には、生成すべきトルクに依存してシリンダ内に供給される目標空気質量流量が求められて設定され、さらに調量すべき燃料質量ＭＦＦ＿ＳＰが、各シリンダＺ１〜Ｚ４への実際の空気質量流量と設定されるべき空気／燃料比に依存して求められる。

プログラムを特に簡単に構成したいときには、燃圧の目標値ＦＵＰ＿ＳＰを固定的に設定してもよい。

ステップＳ６では、噴射ニードルのストローク量の目標値Ｌ＿ＳＰに最小ストローク値Ｌ＿ＭＩＮが割当てられる。この最小ストローク値Ｌ＿ＭＩＮは、噴射ニードルが噴射弁のアクチュエータを用いて所望の精度で駆動制御され、それによって十分に正確な燃料調量が当該最小ストローク値Ｌ＿ＭＩＮのもとで達成され得るように適切に設定される。

ステップＳ８では、引き続き噴射持続時間の目標値Ｔ＿ＩＮＪ＿ＳＰが求められる。詳細には調量すべき燃料質量の目標値ＭＦＦ＿ＳＰ、燃料圧力センサ４０を用いて検出された燃圧の実際値ＦＵＰ＿ＡＶ、シリンダの燃焼室内へ燃料を調量している間のシリンダ圧力Ｐ＿ＣＹＬ、噴射ニードルのストローク量の目標値Ｌ＿ＳＰ、及び時間オフセット値Ｔ＿ＯＦＦＳＥＴ（これは噴射弁１８の制御特性の考慮下で有利には事前に設定されている）に依存して求められる。燃料調量中のシリンダ圧力Ｐ＿ＣＹＬは、適切なシリンダ圧力センサを用いて検出されてもよい。しかしながら有利には物理的なモデルを用いてさらなる測定量、例えば吸気管圧や回転数に依存して求められる。噴射持続時間の目標値Ｔ＿ＩＮＪ＿ＳＰの算出は、ステップＳ８において有利にはそこで示された数式を用いて行われる。その場合の符号"ｆ"と"ｇ"はここでは関数と特性補間を意味している。

ステップＳ１０では、最大持続時間値Ｔ＿ＭＡＸが求められる。この最大持続時間値は吸気バルブ１２の開放持続時間に依存している。このことは次のような事実に起因している。すなわち均質燃焼モードＨＳの期間中は、燃焼室内で適切な空気／燃料混合気の均質化が行えるように早期にシリンダＺ１〜Ｚ４の各燃焼室へ燃料が調量されなければならないことに起因している。最大持続時間の値Ｔ＿ＭＡＸはステップＳ１０において吸気バルブ１２の開放持続時間を表す特性量に依存して求められる。このことは例えば内燃機関の回転数Ｎ及び／又は負荷ＬＯＡＤに依存して行われる。この負荷は例えば吸気管圧力や空気質量流量によって表され得る。

続いてステップＳ１２では、噴射持続時間の目標値Ｔ＿ＩＮＪ＿ＳＰが最大持続時間値Ｔ＿ＭＡＸよりも大きいか否かが検査される。この結果がノーの場合にはステップＳ１４において噴射弁１８が噴射持続時間の目標値Ｔ＿ＩＮＪ＿ＳＰと噴射ニードルのストローク量の目標値Ｌ＿ＳＰに相応して燃料を調量すべく駆動制御される。

それに対して前記ステップＳ１２の条件が満たされている場合には、ステップＳ１６において噴射ニードルのストローク量の目標値Ｌ＿ＳＰがさらに増分値ＤＬ分だけ引き上げられ、引き続きステップＳ８において処理が続行される。この増分値はこの場合ストローク量を段階的に変更するために噴射弁１８に応じて適切に構成される。

図２によるプログラムによれば、内燃機関の均質燃焼モードＨＳにおける燃料圧力も非常に高い値に設定できることが保証され、さらにそれによって非常に良好な燃料噴霧も保証され得る。その上さらに噴射すべき燃料質量に応じて噴射ニードルのストローク量の目標値Ｌ＿ＳＰも可及的に僅かに設定される。このことも良好な燃料噴霧に寄与している。

ステップＳ１６に対しては代替的に、前記ステップＳ１２の条件が満たされた場合に実施されるステップＳ１８が設けられてもよい。このステップＳ１８では、前記目標値Ｔ＿ＩＮＪ＿ＳＰが最大持続時間値Ｔ＿ＭＡＸにセットされる。引き続きステップＳ２０においては噴射ニードルのストローク量の目標値Ｌ＿ＳＰが求められ、詳細にはステップＳ８に従った関係の相応の逆関係によって求められる。引き続き処理はステップＳ１４に引き継がれる。

特にステップＳ４〜Ｓ２０の実施は、少ない燃料質量が調量されている場合には、均質燃焼モードＨＳ中の状況に適している。なぜなら特にここでは燃料噴霧にとって不都合な燃料圧力目標値ＦＵＰ＿ＳＰの過度な低減が回避できるからである。この関係において均質燃焼モードＨＳは、特にＮＯＸ触媒２３の再生のために実施される。それにより均質燃焼モードＨＳ中のステップＳ４〜Ｓ２０の実施のもとで圧力は場合によってはほぼ内燃機関の層状燃焼モードのときのように高く設定することが可能となる。

内燃機関を示した図 内燃機関を制御するためのプログラムのフローチャートを示した図

Claims (6)

1. 噴射弁（１８）を備えた内燃機関の制御のための方法であって、
   前記噴射弁（１８）を用いることにより燃料がシリンダ（Ｚ１〜Ｚ４）の燃焼室へ直接調量され、
   前記噴射弁（１８）は噴射ニードルを有しており、該噴射ニードルのストローク量は、そのつどの燃料噴射過程毎に可変に設定可能であり、この場合内燃機関の均質燃焼モード（ＨＳ）においては燃焼室内において燃料の意図的な均質分布が伴っている形式の方法において、
   燃料圧力の目標値（ＦＵＰ＿ＳＰ）が設定され、
   噴射ニードルのストローク量の目標値（Ｌ＿ＳＰ）に所定の最小値（Ｌ＿ＭＩＮ）が割当てられ、
   噴射持続時間の目標値（Ｔ＿ＩＮＪ＿ＳＰ）が所定の最大持続時間値（Ｔ＿ＭＡＸ）よりも小さいか同じ場合には、調量すべき燃料質量の目標値（ＭＦＦ＿ＳＰ）が噴射持続時間の目標値（Ｔ＿ＩＮＪ＿ＳＰ）の変更を介して設定され、 他の場合には噴射ニードルのストローク量の目標値（Ｌ＿ＳＰ）は、噴射持続時間の目標値（Ｔ＿ＩＮＪ＿ＳＰ）が所定の最大持続時間値（Ｔ＿ＭＡＸ）よりも小さいか同じになるまでの間変更され、
   ストローク量の目標値（Ｌ＿ＳＰ）と噴射持続時間（Ｔ＿ＩＮＪ＿ＳＰ）が相応に設定されるようにしたことを特徴とする方法。
2. 噴射ニードルのストローク量が段階的に変更される、請求項１記載の方法。
3. 最大持続時間値（Ｔ＿ＭＡＸ）が吸気バルブ（１２）の開放持続時間に対して表される特性量に依存して求められる、請求項１または２記載の方法。
4. 前記特性量は内燃機関の回転数（Ｎ）及び／又は負荷（ＬＯＡＤ）である、請求項３記載の方法。
5. 燃料圧力の目標値（ＦＵＰ＿ＳＰ）は、燃料質量の目標値（ＭＦＦ＿ＳＰ）と回転数（Ｎ）に依存して求められる、請求項１から４いずれか１項記載の方法。
6. 噴射弁（１８）を備えた内燃機関の制御のための装置であって、
   前記噴射弁（１８）を用いることにより燃料がシリンダ（Ｚ１〜Ｚ４）の燃焼室内へ直接調量され、
   前記噴射弁（１８）は噴射ニードルを有しており、該噴射ニードルのストローク量は、そのつどの燃料噴射過程毎に可変に設定可能であり、この場合当該装置は内燃機関の均質燃焼モード（ＨＳ）においては燃焼室内にて燃料の意図的な均質分布が伴うように構成されている形式の装置において、
   燃料圧力の目標値（ＦＵＰ＿ＳＰ）が設定され、
   噴射ニードルのストローク量の目標値（Ｌ＿ＳＰ）に対して所定の最小値（Ｌ＿ＭＩＮ）が割当てられ、
   噴射持続時間の目標値（Ｔ＿ＩＮＪ＿ＳＰ）が所定の最大持続時間値（Ｔ＿ＭＡＸ）よりも小さいか同じ場合には、調量すべき燃料質量の目標値（ＭＦＦ＿ＳＰ）が噴射持続時間の目標値（Ｔ＿ＩＮＪ＿ＳＰ）の変更を介して設定され、
   他の場合には噴射ニードルのストローク量の目標値（Ｌ＿ＳＰ）は、噴射持続時間の目標値（Ｔ＿ＩＮＪ＿ＳＰ）が所定の最大持続時間値（Ｔ＿ＭＡＸ）よりも小さいか同じになるまでの間変更され、
   ストローク量の目標値（Ｌ＿ＳＰ）と噴射持続時間（Ｔ＿ＩＮＪ＿ＳＰ）が相応に設定されるように構成されていることを特徴とする装置。

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