JP4719136B2 - エンジンの制御装置 - Google Patents
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Description
ヘーウッド(Heywood)等、「エタノール直接噴射を使用する高ターボ過給ガソリン/エタノールエンジン内のノック抑制の計算(Calculations of Knock Suppression in Highly Turbocharged Gasoline/Ethanol Engines Using Direct Ethanol Injection)」、(アメリカ)、マサチューセッツ工科大学(Massachusetts Institute of Technology)、2005年7月7日 ヘーウッド(Heywood)等、「直墳エタノールによってブーストされるガソリン・エンジン:費用効率の高い石油依存度と二酸化炭素排出の低減のためのバイオ燃料利用(Direct Injection Ethanol Boosted Gasoline Engine: Biofuel Leveraging for Cost Effective Reduction of Oil Dependence and CO2 Emissions)」、(アメリカ)、マサチューセッツ工科大学(Massachusetts Institute of Technology)、2005年3月15日
例の一つにおいて、第一タンクが、エタノールやエタノール/ガソリン混合物のようなアルコール混合物を収容し、第二タンクが、ガソリンを収容する。しかしながら、他の燃料タイプも使用され得る。
EF_MUL = EF_MUL_ECT * EF_MUL_EOT * EF_MUL_AAT * EF_MUL_ACT * EF_MUL_ATMR1 (1)
ここにおいて、EF_MULは目標エタノール割合に対する全体乗数であり、EF_MUL_ECTはエンジン冷却媒体の温度(ECT)の関数としての乗数であり、EF_MUL_E0Tはエンジン・オイル温度(EOT)の関数としての乗数であり、EF_MUL_AATは大気温度(AAT)の関数としての乗数であり、EF_MUL_ACTはエンジン吸気温度(ACT)の関数としての乗数であり、EF_MUL_ATMR1はエンジン始動からの経過時間或いは、エンジン始動からの燃焼イベントの回数の関数としての乗数である。
EF_MUL = MINIMUM(EF_MUL_ECT, EF_MUL_EOT, EF_MUL_AAT, EF_MUL_ACT, EF_MUL_ATMR1)(2)
この方法によって、非常に寒い環境においてエンジンが最初に始動されるとき、EF_MUL_ATMR1が制限的な制約となり、冷却媒体が暖まるまでEF_MUL_ECTによって引き継がれ、オイルが暖まるまでEF_MUL_EOTによって引き継がれ、それから、EF_MUL_AATによって継続され得る。
MAX_LOAD = f(EF_MUL or EF, RPM, ECT, a/f) (3)
第五の実施形態において、ルーチンはウエストゲート及び/又は、圧縮器バイパス・バルブを用いて最大ブーストを制限することが出来る。繰り返しになるが、そのような動作は単独で使用出来るが、上記の4つの実施形態に加えて、それらの実施形態が不適当/不十分なノック制御を提供するときに、使用され得る(これも繰り返しになるが、なぜなら、最大ブーストの制限は、ドライバー要求に対するトルク不足をもたらす可能性があるからである)。許容される最大ブースト(MAX_LOAD)は、EF_MUL或いはエタノール割合(EF)、エンジン速度(RPM)、エンジン冷媒温度(ECT)、相対空燃比(a/f)及び、他の変数の関数としてマッピングされる。例えば、下式(4)のような式が使用され得る。
MAX_BOOST = f(EF_MUL or EF, RPM, ECT, a/f) (4)
これらの実施形態に対して数多くの変形実施形態が可能である。例えば、第二及び第三の実施形態は、ダウンシフトとリッチ化のいずれかを削除可能である。
START_PROB = f(ECT, EOT, ACT) (5)
EMIS_OK_PROB = f(ECT, EOT, ACT) (6)
もし始動の成功見込みが閾値を下回るならば(即ち、1914に対する答えが「いいえ」ならば)、エンジンはいずれの燃料も使用せずにクランキングされ得る(若しくは、タイプ1の燃料が単独使用による始動には不十分であるが、ある程度残っている場合は、タイプ1の噴射弁のみを作動してクランキングされ得る)。もし、始動の成功見込みが閾値を超えているならば、1918においてタイプ2の燃料を用いて始動が企図され得る。もし始動が企図されたものの受け入れ可能な排気特性の達成見込みが低いならば、ドライバーに対して警告するインジケータ・ランプが点灯され、エラー・コードが設定され得る。
ここで図21を参照すると、ライン2110及び2112によって、例としての二つの噴射弁に関する、異なる噴射弁特性を表わすグラフが示される。例の一つにおいて、噴射弁ライン2110が、タイプ2の噴射(例えば、エタノール、直接噴射、水噴射など)に対応し、一方で、ライン2112が、タイプ1の噴射(例えば、ガソリン、ポート噴射、ガソリン混合物など)に対応する。この例は、噴射弁の夫々が同じ最小パルス幅(MIN pw1)を持つのを示しているが、代替実施形態において、それらは異なる最小パルス幅を持つ場合がある。グラフはまた、二つの噴射弁が異なる傾き(パルス幅増加に対する質量流量変化)と、異なる最大質量流量を持つことを示している。ここに記述されるように、異なる噴射弁に対する空燃比フィードバック制御ゲイン及び/又は、適用学習ゲインが、異なる燃料特性はもとより、噴射弁の傾き及び/又はオフセット(最小流量の値)の違いを考慮するために異なる場合がある。
AF_stoich_total = (1-EF)*(AF_stoich_gas) + (EF)*(AF_stoich_eth) (7)
ここにおいて、AF_stoich_totalが全体化学量論空燃比であり、AF_stoich_gasが第一タイプの燃料(例えば、ガソリン)に関する化学量論的空燃比(略14.6)であり、AF_stoich_ethが第二タイプの燃料(例えば、純粋なエタノールやE85)に関する化学量論的空燃比(夫々、略9.0と略9.8)であり、そしてEFが2310からの目標エタノール割合(或いは、 一般的に、第二燃料タイプの目標割合)である。ガソリン及びエタノールの化学量論の値が、排気酸素センサーからのフィードバックを用いる適応学習に基づいて修正され得ることを記しておく。
fuel_mass_total = air_mass / [(AF_stoich_total)*(lambda)] (8)
ここで、lambdaは2312からの目標相対空燃比であり、AF_stoich_totalは2314からの全体化学量論空燃比であり、そしてair_massは、燃料供給されるシリンダに入る空気の質量であり、測定或いは推定によって求められる。なお、ガソリン噴射弁に関する燃料質量流量(fuel_mass_gasoline)及びエタノール噴射弁に関する燃料質量流量(fuel_mass_ethanol)は夫々、下記式(9)及び(10)によって算出される。
fuel_mass_gasoline = (1-EF) * (fuel_mass_total) (9)
fuel_mass_ethanol = (EF)*(fuel_mass_total) (10)
図23の説明を続けると、ルーチンはその後、2318において、2316で計算された燃料質量に基づいて二つの噴射弁に関する燃料噴射パルス幅指令を計算する。更に、ルーチンは、(必要に応じてガソリン用のパルス幅を低減することによって、或いは、ガソリン噴射のパルス幅が最小パルス幅に到達したときガソリン噴射弁を停止しそして、例えばここに図17及び22を参照して記述したように、ガソリン噴射弁の停止に応じてエタノール噴射のパルス幅を増加させることによって)エタノール噴射を少なくとも最小パルス幅に保持するための調整を含む。
(1)、最初に、システムが、タイプ1の噴射弁(例えば、この例におけるガソリン噴射弁)のみを使用する、一つ以上の排気ガス酸素センサーからのフィードバックを用いてストイキに収束するやいなや、その方法が使用可能とされ得る。
(2)、次に、タイプ2の噴射弁(例えば、この例におけるエタノール/水・噴射弁)において、最小パルス幅の近くに、ターンオンパルス幅を設定する。未知の或いは、比較的未知の水混合物(例の一つにおいて、この混合物はエタノール/水混合物であり得る)を噴射するとき、空燃比のズレを低減するために、小さいパルス幅ほど望ましい。最小パルス幅は、安定で且つ再現可能な流速制御を与えるパルス幅で有り得、そして、作動状態に応じて変わり得る。例の一つにおいて、水割合(WF)の判定における精度を改善するため、信号対雑音比(SN比)を増大させる(例えば、検出される水をより大量に生成する)べく、より大きなパルス幅が使用され得る。ターンオン・パルス幅は、少なくとも二つの方法によって判定され得る。(a)代表的なハードウエアのマッピングを行い、そして、正確なWF計算(これは、エンジン速度、エンジン負荷、温度などの関数であり得る)のための最小パルス幅を判定する、或いは、(b)最小安定パルス幅を用いて開始し、そして、下記(3)の間に、ガソリン噴射弁のパルス幅が、WFの計算を確かなものとすべく十分に変化するまで、エタノール/水・噴射弁のパルス幅を徐々に増加する。
(3)、次に、制御器はタイプ1(例えば、この例のおいてはガソリン)の噴射弁のパルス幅を、排気ガス酸素センサーに基づく閉ループ・ストイキに復帰すべく、調整する。
(4)、その後、制御器は、ガソリン噴射弁のパルス幅調整量を用いることにより、燃焼イベント毎のシリンダ当たりのガソリン質量即ち、fuel_mass_gasを計算する。これは、図37に関して記述されるような、噴射弁勾配を含む換算を使用して行われ得る。
(5)、(4)からのガソリン質量、測定された或いは推定された空気質量及び、燃焼される燃料(例えば、ガソリン及びエタノール)の既知の化学量論的空燃比を使用して、制御器は後述の式を使ってエタノール割合(ethanol fraction: EF)を計算することが出来る。制御器は、上記の工程(1)の間に、測定された或いは推定された空気質量及び、噴射弁質量流量に対するパルス幅に基づいて(したがって、含酸素ガソリン等による変化を考慮している)、ガソリンの化学量論的空燃比を計算することが出来る。具体的には、エタノール割合(EF)の例の一つは、下記式(11)によって求められる。
EF= (air_mass - fuel_mass_gas*AF_stoich_gas)/(air_mass - fuel_mass_gas*AF_stoich_gas + fuel_mass_gas*AF_stoich_eth) (11)
ここで、EFが、ガソリンとエタノール(水は無し)の総量に対するエタノール割合である。air_massが、燃焼イベント毎のシリンダ当たりの空気の質量である。fuel_mass_gasが、燃焼イベント毎のシリンダ当たりのガソリンの質量である。
AF_stoich_gasが、ガソリンの化学量論的空燃比である(略14.6である。或いは(1)からの値を使用することもできる)。AF_stoich_ethが、エタノールの化学量論的空燃比である(純粋なエタノールの場合、略9.0である。E85の場合、略9.8である或いは、工程(1)と同様のエタノールに関する先の閉ループ作動から求められる)。
(6)、制御器は、工程(4)からのガソリンの質量及び、工程(5)からのエタノール割合を使用して、下記式(12)によってエタノールの質量を計算することが出来る。
fuel_mass_ethanol = (EF*fuel_mass_gas) / (1 - EF) (12)
ここで、fuel_mass_ethanolが燃焼イベント毎のシリンダ当たりのエタノールの質量である。
(7)、制御器は、工程(6)からのエタノール質量及び、エタノール/水・噴射弁のパルス幅を用いて、下記の式の一つを用いて水割合(WF)を計算することが出来る。もし噴射弁特性(勾配)が、水割合の関数でないならば、その式は下記式(13)となる。
WF = 1 - {fuel_mass_ethanol / [(PW-OFFSET1)*ALOSL]} (13)
ここで、WFは、エタノールと水(この例ではガソリンは無し)の総量に対する水割合である。PWは、エタノール/水・噴射弁のパルス幅である。OFFSET1は、電圧の関数としての、エタノール/水・噴射弁のオフセット(最初の遅れ)である。ALOSLは、低PWにおけるエタノール/水・噴射弁の勾配(時間当たりの質量)である。一方、もし、噴射弁特性(勾配)が水割合の関数ならば、その式は下記式(14)となる。
ここで、ALOSL_ethは、エタノールを使うときの低PWにおけるエタノール/水・噴射弁の勾配である。ALOSL_waterは、水を使うときの低PWにおけるエタノール/水・噴射弁の勾配である。kは、ALOSL_water/ALOSL_ethである。sqrt[ ]は、括弧[ ]内の平方根を表わす。
fuel_mass_gas = (1-EF)*fuel_mass_total (15)
fuel_mass_gas = (1-EF)*air_mass/AF_stoich_total (16)
それから、燃料タイプの個々の空燃比が挿入され、下記式(17)となる。
fuel_mass_gas = (1-EF)*air_mass/[(1-EF)*AF_stoich_gas + EF*AF_stoich_eth] (17)
これから、式は、下記式(18)に再整理され、これが上述の工程(5)における式に至る。
fuel_mass_gas*AF_stoich_gas - EF*fuel_mass_gas*AF_stoich_gas + EF*fuel_mass_gas*AF_stoich_eth = air_mass - EF*air_mass (18)
同様に、エタノール質量は、下式(19)を考慮することにより導き出される。
fuel_mass_ethanol = EF*fuel_mass_total (19)
その後、この式を操作することにより、工程(6)に挙げられた式を得ることが出来る。
PW = OFFSET1 + LBM_INJ_TOT/ALOSL (20)
ここで、PWは、エタノール/水・噴射弁のパルス幅である。OFFSET1は、バッテリ電圧に対する、エタノール/水・噴射弁のオフセット(初期遅延)である。LBM_INJ_TOTは、燃焼イベントごとに一つのシリンダに噴射されるエタノール/水・混合物の総質量である。ALOSLは、低PWにおけるエタノール/水・噴射弁の勾配(時間当たりの質量)である。
それから、WFの定義及び、LBM_INJ_TOTの値を求めるための再整理を用いて、下記式(21)が得られる。
WF = fuel_mass_water/LBM_INJ_TOT = (LBM_INJ_TOT - fuel_mass_ethanol)/LBM_INJ_TOT(21)
WFが、この例においてエタノール/水・混合物内の水の割合であり、エタノール/水/ガソリンの全体質量に対する割合(そのようなパラメータが判定されエンジン制御に使用される場合もあるが)ではないことを記しておく。上式は、下記式(22)を得るべく再整理される。
LBM_INJ_TOT = fuel_mass_ethanol / (1-WF) (22)
式(20)を再整理すること及び、式(22)からLBM_INJ_TOTを置換することにより、式は下記式(23)となる。
(PW-OFFSET1)*ALOSL = fuel_mass_ethanol / (1-WF) (23)
これは下記式(24)に再整理される。
WF = 1 - {fuel_mass_ethanol / [(PW-OFFSET1)*ALOSL] } (24)
代替実施形態において、これらの式が、そこにおいて噴射弁勾配(及び/又は、オフセット)が水割合の関数である場合に関して導き出される場合がある。この例において、図37の特性が再び利用され得る。上述したように、例の一つにおいて、水割合判定処理は、(図37中のpw-BPを下回るような)閾値を下回るパルス幅において、エタノール/水・噴射弁を用いて生じ、したがって、後述する式が、図37中の勾配1(ALOSL)を持つ噴射弁カーブの、(パルス幅pwがpw-BP点より大きな勾配2=AHISLを持つ領域に比べて)比較的急勾配の部分に基づき得る。なお、必要に応じて、高パルス幅に関して同様の式が導き出される。
ALOSL_total = WF*ALOSL_water + (1-WF)*ALOSL_eth (25)
ここで、ALOSL_waterは、水を用いるときの低PWにおけるエタノール/水・噴射弁の勾配である。ALOSL_ethは、エタノールを用いるときの低PWにおけるエタノール/水・噴射弁の勾配である。ALOSL_totalは、エタノール/水・混合物を用いるときの低PWにおけるエタノール/水・噴射弁の勾配である。式(25)のALOSL_totalを上記式(20)に代入すると、下記式(26)が得られる。
PW = OFFSET1 + LBM_INJ_TOT/[WF*ALOSL_water + (1-WF)*ALOSL_eth] (26)
この式に対して式(22)からLBM_INJ_TOTを置換すると下記式(27)が得られる。
PW = OFFSET1 + [fuel_mass_ethanol/(1-WF)] / [WF*ALOSL_water + (1-WF)*ALOSL_eth](22)
これは、再整理すると、下記式(28)が得られる。
WF*WF*(ALOSL_eth - ALOSL_water) +WF*(ALOSL_water - 2*ALOSL_eth) + ALOSL_eth - fuel_mass_ethanol/(PW-OFFSET1) = 0 (28)
噴射弁の水勾配を、そのエタノール勾配を乗じた定数として表現すると下記式(29)となる。
ALOSL_water = k*ALOSL_eth (29)
これを前述の式(28)の中で代用すると、下記式(30)が得られる。
WF*WF*(ALOSL_eth - k*ALOSL_eth) +WF*(k*ALOSL_eth - 2*ALOSL_eth) +ALOSL_eth - fuel_mass_ethanol/(PW-OFFSET1) = 0 (30)
二次関数を解くことにより、零以上のWFを持つ物理的に意味のある解を備えた、二つの結果がもたらされ得る。さらに、この例において、水はエタノールより高い密度と低い粘度を持つので、kは1より大きくなければならない。オリフィス流に関する方程式を用いて噴射弁流量を概算すると、この例においてkが2より小さいことも明らかになる。このことから、WFのための方程式の適切な選択が行われ、それは、ここにおける上記(7)を説明する。
閉ループ制御は、ここに上述されたように実行され得る。
FuelErr = b1 + b2*PriFuel + b3*PriFuel^2 + b4*RPM (33)
ここで、FuelErrは、指令された燃料流量と、「測定された」燃料流量(測定された吸気流量を、測定された排気空燃比で除算した値に等しい)との間の偏差である。PriFuelは、第一噴射弁によって噴射されるよう指令された燃料であり、例えば、吸気マニフォールド内に噴射されるガソリン量である。PriFuel^2は、PriFuelの二乗を表す。RPMは、測定されたエンジン速度である。
SecInj = c1+ c2*PriFul + c3*PriFul^2 + c4*RPM (34)
ここで、SecInjは指令された第二噴射流量である。そして、c1、c2、c3及びc4は、更新される係数である。さらに、幾つかの独立した変数の一部が再度使用されているので、再帰最小二乗(recursive least squares)法あるいは、ポターズ平方根(Potters square root)アルゴリズムのために計算される中間行列(intermediate matrices)の幾つかは、前述の式から使用され、再計算される必要がない場合がある。
FuelResid = d*SecFlResid (35)
ここで、FuelResidは、3426で計算された剰余燃料誤差である。SecFlResidは、ステップ3422からの第二燃料残余である。そして、dは決定される係数である。異なる独立変数を用いて。3414と同様の取り組みが使用され得る。したがって、前述の中間行列を再度使用することは出来ない。
FuelResid = d1*SecFlResid + d2*SecFlResid^2 (36)
ここで、SecFlResid^2は、第二燃料残余の二乗である。
FulNoP = e1 + e2*PriFul + e3*PriFul^2 + e4*RPM + e5*SecInj (37)
下記式(38)のように前述の回帰からの項を結合する。
e1 = b1−(c1*d),e2 = b2−(c2*d),e3 = b3−(c3*d),e4 = b4−(c4*d),e5 = d (38)
この式は3434において使用され、そしてこれらの係数は3456において再び使用される。
CorPgVol2 = h1 + h2*PriFul + h3*PriFul^2 + h4*RPM + h5*SecInj (39)
キャニスタ・パージ流量に関連する係数を下記式(40)のように結合する。
h1 = f1−(f1*g)、h2 = f2−(f2*g)、h3 = f3−(f3*g)、h4 = f4−(f4*g)、h5 = g (40)
この式は、ステップ3414から3430の回帰における、相関するパージ容積即ち、既に考慮されたパージ容積を与える。
Correction = A1 + A2*PortFul + A3*PortFul^2 + A4*RPM + A5*SecInj + A6*PrgVol (41)
A1 = e1−(h1*d),A2 = e2−(h2*d),A3 = e3−(h3*d),A4 = e4−(h4*d),A5 = e5−(h5*I),A6 = I (42)
この補償はその後、ここに記述されるように、例えば、噴射される燃料流量を調整するために使用され得る。
12 制御器
52a 吸気バルブ
54a 排気バルブ
424 調整バルブ
466a 第一噴射弁
466b 第二噴射弁
810 第一タンク
812 第二タンク
814 キャニスタ
816 蒸発制御弁
Claims (18)
- エンジンの制御装置において、
該エンジン内に配設されたシリンダ、
該シリンダに、アルコールを含む第一の燃料を供給するための第一の噴射弁、
上記シリンダに、ガソリンを含む第二の燃料を供給するための第二の噴射弁、及び
エンジンの作動の間、作動状態に基づいて上記第一燃料及び第二燃料の噴射量を変えるように構成された制御器を有し、
上記制御器は、少なくとも目標エンジン出力に基づいて上記第一の噴射弁のパルス幅、及び、上記第二の噴射弁のパルス幅をそれぞれ決定することによって、目標エンジン出力を保持し且つ、実質的にストイキの混合気を供給し、
上記制御器はまた、上記設定した第一の噴射弁のパルス幅が当該第一の噴射弁の最小値よりも小さいときには、上記第一燃料の量を増加させると共に、上記第二燃料の量をそれに対応する量だけ減少させる一方、上記設定した第二の噴射弁のパルス幅が当該第二の噴射弁の最小値よりも小さいときには、上記第二燃料の量を零にすると共に、上記第一燃料の量をそれに対応する量だけ増加させる、
制御装置。 - 上記制御器が更に、目標エンジン出力を維持すべくエンジン・エアフローを調整する、
請求項1に記載の制御装置。 - 上記第一噴射弁が直接シリンダ噴射弁であり且つ、上記第二噴射弁がポート噴射弁である、
請求項1又は2に記載の制御装置。 - 上記制御器が、目標空燃比を維持するために、上記第一噴射弁からの噴射量を調整するように更に構成されている、
請求項1乃至3のいずれか一つに記載の制御装置。 - 上記制御器が、目標空燃比を維持するために、上記第二噴射弁からの噴射量を調整するように更に構成されている、
請求項1乃至3のいずれか一つに記載の制御装置。 - 上記制御器が、目標空燃比を維持するために、上記第一及び第二噴射弁からの噴射量を調整するように更に構成されている、
請求項1乃至3のいずれか一つに記載の制御装置。 - 上記第一燃料噴射弁が、上記第二噴射弁より大きな最大流量を供給するように構成され、上記第一制御弁がエタノールを含む液体を供給する、
請求項1乃至6のいずれか一つに記載の制御装置。 - 上記制御器が、上記第一及び第二燃料の一つの或いは両方の混合物燃料を用いて、上記第一及び第二燃料噴射の噴射量の一つを変える、
請求項1乃至7のいずれか一つに記載の制御装置。 - 上記第二噴射弁が上記第一噴射弁とは異なる大きさに構成されている、
請求項1に記載の制御装置。 - 上記第一噴射弁が直接シリンダ噴射弁であり、そして上記第二噴射弁がポート噴射弁である、
請求項9に記載の制御装置。 - 上記第一の噴射弁が、上記第二の噴射弁とは異なる噴射圧で作動する、
請求項9又は10に記載の制御装置。 - エンジン作動下において、上記第一噴射弁の大きさが、上記第二噴射弁より大きなピーク容積燃料流量を供給するように設定されている、
請求項10に記載の制御装置。 - 上記第一噴射弁が直墳シリンダ噴射弁であり、上記第二噴射弁がポート噴射弁であり、
上記第二噴射弁が上記第一噴射弁とは異なる特性を持つ、
請求項1に記載の制御装置。 - 上記特性が、流量と噴射弁パルス幅との間の関係である、
請求項13に記載の制御装置。 - 上記特性が、オリフィスの大きさである、
請求項13に記載の制御装置。 - 上記特性が、噴霧パターンである、
請求項13に記載の制御装置。 - 上記特性が、シリンダ内の噴霧目標である、
請求項13に記載の制御装置。 - 上記特性が作動圧であり、上記第一の燃料がエタノールを含む、
請求項13に記載の制御装置。
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