JP4991045B2 - 内燃機関を運転する方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に自動車の内燃機関を運転する方法であって、燃料を、圧縮段階の間に成層燃焼運転で燃焼室内へ噴射し、成層燃焼運転における噴射期間を、燃料に作用する燃料圧と、燃焼室内に存在する燃焼室圧との間の圧力差に関連して検出する形式のものに関する。さらに、本発明は、特に自動車の内燃機関であって、燃焼室が設けられており、該燃焼室内へ燃料が、圧縮段階の間に成層燃焼運転で噴射可能であり、また、成層燃焼運転における噴射期間を、燃料に作用する燃料圧と、燃焼室内に存在する燃焼室圧との間の圧力差に関連して検出するための制御装置が設けられている形式のものに関する。さらに、本発明は、特に自動車の内燃機関のための制御装置であって、内燃機関に燃焼室が設けられており、該燃焼室内へ燃料が、圧縮段階の間に成層燃焼運転で噴射可能であり、制御装置が、成層燃焼運転における噴射期間を、燃料に作用する燃料圧と、燃焼室内に存在する燃焼室圧との間の圧力差に関連して検出するため設けられている形式のものに関する。
【0002】
【従来の技術】
このような形式の方法、このような形式の内燃機関およびこのような形式の制御装置は、いわゆる「ガソリン直接噴射」によって、ドイツ連邦共和国特許出願公開第19645715号明細書に基づき公知である。ガソリン直接噴射では燃料が、吸気段階の間に均質燃焼運転でかつ圧縮段階の間に層状燃焼運転もしくは成層燃焼運転で内燃機関の燃焼室内に噴射される。均質燃焼運転は、有利には内燃機関の全負荷運転のために設定されているのに対して、成層燃焼運転はアイドリング運転または部分負荷運転のために適している。
【0003】
燃焼室内に噴射したい燃料質量は、内燃機関に加えられる負荷と、内燃機関の、その他の運転量とに関連して、制御装置によって算出される。この噴射したい燃料質量は、定常の条件下で、噴射したい燃料質量に相当することが望ましい基本噴射期間(Basis−Einspritzdauer)に換算される。しかし、噴射弁の開放時に圧力比率が変化することに基づき、定常の条件から出発することができない。したがって、さらに別の演算ステップで基本噴射期間が、燃焼室圧と燃料圧との間の圧力差に関連して、修正された噴射期間に換算される。その後、この修正された噴射期間を用いて、内燃機関の噴射弁が作動制御される。
【0004】
この噴射期間の検出における手段は、制御装置の、高い演算手間を必要とし、さらに、物理的に正確でない。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、内燃機関を運転する方法を改善して、可能な限り僅かな演算手間で、できるだけ正確な噴射期間を検出することができるようにすることである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために本発明の方法では、中間の燃料圧を検出するようにした。さらに、前記課題を解決するために本発明の内燃機関および制御装置では、中間の燃料圧が検出可能であるようにした。
【0007】
【発明の効果】
中間の燃料圧の、本発明による検出によって、算出された噴射期間を付加的な演算ステップで修正することがもはや不要となる。この修正のために今まで必要であった、燃料圧と燃焼室圧との間の圧力差の観測と、これに関連した演算手間とがもはや必要なくなる。本発明において総体的に、噴射期間を中間の燃料圧に基づき検出するための全ての演算を実施することが可能となる。このことは、演算の著しい簡略化ひいては演算時間の十分な節約を意味している。
【0008】
同時に、中間の燃料圧を本発明により検出しかつこの中間の燃料圧を、内燃機関を引き続き制御しかつ/またはコントロールするために使用する場合に、重要な影響因子となる全ての特性量を考慮することが可能となるので、本発明によって、噴射期間の算出時の、高い精度が獲得される。
【0009】
本発明の有利な変化形では、中間の燃料圧が、燃料アキュムレータに対応配置された圧力センサを用いて測定される。通常、このような圧力センサはすでに存在しているので、これによって、構成部分のための付加的な費用を節約することができる。
【0010】
本発明のさらに有利な変化形では、燃料に作用する燃料圧が中間の燃料圧に制御されかつ/コントロールされる。これによって、本発明により噴射期間の算出時に使用される中間の燃料圧がほぼ一定に維持されるということが保証される。これによって、噴射期間の算出の精度が著しく向上する。
【0011】
中間の燃料圧が噴射の中間に存在しているように燃料圧が制御されかつ/コントロールされると特に有利である。これによっても、本発明の精度が改善される。
【0012】
本発明の別の有利な変化形では、燃焼室圧がモデルに基づき検出される。このことは、有利にはポリトロープ圧縮に基づき実施することができる。この場合、吸気管圧が、特に吸気管に対応配置された圧力センサを用いて検出されると有利であり得る。これに対して選択的に、吸気管圧を、内燃機関の運転量に基づく、相応するモデルを用いて検出することもできる。
【0013】
本発明の有利な変化態様では、噴射期間が、中間の燃料圧と、燃焼室圧と、噴射したい燃料質量とに関連して検出される。このことは、極めて僅かな演算手間を有しかつひいては制御装置によって特に迅速に実施することができる演算形式を成している。これによって、本発明により、噴射したい燃料質量を、特に迅速であるにもかかわらず極めて正確に、対応する噴射期間に換算することが可能となる。
【0014】
本発明による方法が、特に自動車の内燃機関の制御装置のために設けられた制御素子の形で実現されることが特に重要である。この場合、制御素子には、演算装置、特にマイクロプロッセサで実行可能であり、かつ本発明による方法を実施するために適しているプログラムが記憶されている。すなわち、この場合、本発明は、制御素子に記憶されたプログラムによって実現されるので、このプログラムを備えた制御素子は、方法(この方法を実施するために前記プログラムが適している)と同様に本発明を成している。制御素子として特に、電気的な記憶媒体、たとえばリード・オンリ・メモリまたはフラッシュ・メモリを使用することができる。
【0015】
本発明のさらに別の特徴、使用可能性および利点は、以下に図面につき説明する本発明の実施の形態から明らかとなる。説明または図示した全ての特徴はそれ自体または任意の組み合わせの形で本発明の対象を成している。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図面につき詳しく説明する。
【0017】
図1には、自動車の内燃機関1が示してある。この内燃機関1では、ピストン2がシリンダ3内で往復運動可能である。このシリンダ3には燃焼室4が設けられており、この燃焼室4は特に、ピストン2と、吸気弁5と、排気弁6とによって仕切られている。吸気弁5には吸気管7が連結されており、排気弁6には排気管8が連結されている。
【0018】
吸気弁5および排気弁6の領域では、噴射弁9と点火プラグ10とが燃焼室4内へ突入している。噴射弁9を介して、燃料を燃焼室4内へ噴射することができる。点火プラグ10を用いて、燃焼室4内の燃料を点火することができる。
【0019】
吸気管7内には、旋回可能なスロットルバルブ11が収納されており、このスロットルバルブ11を介して吸気管7に空気が供給可能である。供給される空気の量はスロットルバルブ11の角度位置に関連している。排気管8内には、触媒12が収納されており、この触媒12は、燃料の燃焼によって発生した排ガスを清浄するために働く。
【0020】
排気管8からは、排ガス戻し案内管13が吸気管7に戻し案内されている。排ガス戻し案内管13内には、排ガス戻し案内弁14が収納されており、この排ガス戻し案内弁14を用いて、吸気管7に戻し案内される排ガスの量を調整することができる。排ガス戻し案内管13と排ガス戻し案内弁14とは、いわゆる「排ガス再循環装置」を形成している。この排ガス再循環装置は、それ自体設けられていてよいが、必ずしも設けられている必要はない。
【0021】
燃料タンク15からは、タンク空気抜き管路16が吸気管7に通じている。タンク空気抜き管路16内には、タンク空気抜き弁17が収納されており、このタンク空気抜き弁17を用いて、燃料タンク15から吸気管7に供給される燃料蒸気の量が調整可能である。タンク空気抜き管路16とタンク空気抜き弁17とは、いわゆる「タンク空気抜き装置」、つまり「燃料蒸気排出防止装置」を形成している。この燃料蒸気排出防止装置は、それ自体設けられていてよいが、必ずしも設けられている必要はない。
【0022】
ピストン2は、燃焼室4内での燃料の燃焼によって往復運動にもたらされ、この往復運動はクランクシャフト(図示せず)に伝達され、そして、クランクシャフトにトルクを加える。
【0023】
制御装置18は、内燃機関1の、複数のセンサによって測定された運転量を表す入力信号19によって負荷される。たとえば、制御装置18は、空気質量センサ、λセンサ(空気過剰率センサ)、回転数センサ等に接続されている。さらに、制御装置18はアクセルペダルセンサに接続されている。このアクセルペダルセンサは、運転者によって操作可能なアクセルペダルの位置、ひいては要求されたトルクを表す信号を発生させる。制御装置18は出力信号20を形成し、この出力信号20によって、アクチュエータもしくは作動装置を介して内燃機関1の特性に影響を与えることができる。たとえば、制御装置18は、噴射弁9と、点火プラグ10と、スロットルバルブ11等に接続されていて、これらの構成部分を制御するために必要となる信号を発生させる。
【0024】
特に制御装置18は、内燃機関1の種々の運転量を制御しかつ/またはコントロールするために設けられている。たとえば、噴射弁9によって燃焼室4内に噴射された燃料質量は制御装置18によって特に、少ない燃料消費量および/または少ない有害物質発生量が達成されるように制御されかつ/またはコントロールされる。この目的のためには、制御装置18にマイクロプロッセサが設けられている。このマイクロプロッセサは記憶媒体、特にフッラシュメモリ内に、前記制御および/または前記コントロールを実施するために適したプログラムを記憶している。
【0025】
図1の内燃機関1は、複数の運転モードで運転することができる。つまり、内燃機関1を均質燃焼運転、層状燃焼運転もしくは成層燃焼運転、均質なリーン燃焼運転等で運転することが可能である。
【0026】
均質燃焼運転では、燃料が、吸気段階の間に噴射弁9によって内燃機関1の燃焼室4内へ直接噴射される。これによって、燃料には、点火に到達するまでになおも十分に渦流が付与されるので、燃焼室4内にはほぼ均質な燃料・空気混合物が形成される。この場合、主として、形成したいトルクは、制御装置18によるスロットルバルブ11の位置によって調整される。均質燃焼運転では、内燃機関1の運転量は、λ(空気過剰率)が1に等しいように制御されかつ/またはコントロールされる。均質燃焼運転は特に全負荷時に使用される。
【0027】
均質なリーン燃焼運転は均質燃焼運転に十分に相応しているが、λが1よりも小さな値に調整される。
【0028】
成層燃焼運転では、燃料が、圧縮段階の間に噴射弁9によって内燃機関1の燃焼室4内へ直接噴射される。これによって、点火プラグ10による点火時に燃焼室4内には均質な混合物(混合気)ではなく、燃料層が形成される。スロットルバルブ11は、たとえば排ガス再循環装置および/または燃料蒸気排出防止装置の要求は別として、完全に開放することができ、ひいては内燃機関1を、絞られることなしに運転することができる。成層燃焼運転では、形成したいトルクは燃料質量によって十分に調整される。成層燃焼運転によって、内燃機関1を特にアイドリング中にかつ部分負荷時に運転することができる。
【0029】
内燃機関1の前記各運転モードの間で、それぞれ切換を行うことができる。このような切換は制御装置18によって実施される。
【0030】
さらに、成層燃焼運転では制御装置18によって、噴射したい燃料質量mが内燃機関1の運転量、たとえば内燃機関1に加えられる負荷および/または存在する運転者の意志等に関連して検出される。前記燃料質量mは制御装置18によって噴射期間tiに換算され、この噴射期間tiの間に噴射弁9が、開放された状態へ制御される。
【0031】
噴射弁9の、開放された状態では、噴射弁9の開口を通る燃料の、以下のような通流がほぼ獲得される:すなわち、
【0032】
【数1】
【0033】
である。
【0034】
ただし:「mpunkt」は噴射弁9を通る質量流を表しており、
「A」は噴射弁9の開口の横断面を表しており、
「roh」は燃料の密度を表しており、
「deltap」は圧力差を表しており、
「teta」は通流係数を表している。
【0035】
圧力差deltapは、燃料に作用する燃料圧と、燃焼室4内に存在している燃料室圧とから獲得される。燃料圧は、機械式の燃料ポンプおよび/または電気式の燃料ポンプによって形成されるのに対して、燃焼室圧は、シリンダ3内でのピストン2の運動によって形成される。
【0036】
前記方程式を積分することによって以下の式が成立する:すなわち、
【0037】
【数2】
【0038】
である。
【0039】
ただし:「m」は燃料質量を表しており、
「t1」は時点1を表しており、
「t2」は時点2を表しており、
「ti=t2−t1」は噴射期間を表しており、
「t」は時間を表している。
【0040】
前記方程式では、噴射期間tiに関連した積分が実施され得る。さらに、積分下でのパラメータは全て時間に関連している。このことは、噴射弁9が開放されている噴射期間tiの間に、燃料に作用する燃料圧がより小さくなり、これによって、圧力差deltapが時間tに関連して変化することから明らかである。同様に、燃料圧が低下することに基づき、燃料の密度rohも時間tに関連して変化する。さらに、シリンダ3内でのピストン2の運動に基づき燃焼室圧が変化するので、この場合においても、圧力差deltapの変化が時間tに関連して生ぜしめられる。圧力差deltapが変化したことに基づき、通流係数tetaも時間tに関連して変化する。
【0041】
制御装置18によって、引き続き算出を行う場合に基準となる特徴的な時点tcが選択される。この時点tcによって、以下の方程式が獲得される:すなわち、
【0042】
【数3】
【0043】
である。
【0044】
特徴的な時点tcとして噴射の中間が選択される。すなわち、制御装置18によって、噴射の中間の時点が噴射時点として算出され、引き続き処理される。これによって、前記方程式が以下のように簡略化される:すなわち、
【0045】
【数4】
【0046】
である。
【0047】
ただし:「A/(teta)1/2」は噴射弁9の定数を表しており、
「rohm」は燃料の、中間の密度を表しており、
「pm」は中間の燃料圧を表しており、
「pBr」は噴射の中間における燃焼室圧を表している。
【0048】
噴射弁9の前記定数は一度だけ検出されて、制御装置18に記憶され得る。燃料に作用する燃料圧は制御装置18によって、噴射の中間において中間の燃料圧pmが存在しているように制御されかつ/またはコントロールされる。したがって、噴射の中間における燃料圧は一定の数値、つまり中間の燃料圧pmに制御されかつ/またはコントロールされる。この中間の燃料圧pmと同時に制御装置18によって、燃料の、中間の密度rohmが算出される。
【0049】
噴射の中間における中間の燃料圧pmが一定であることに基づき、制御装置18によって燃焼室圧が検出される。このことは、モデルを用いて、たとえばポリトロープ圧縮に基づく方法によって実施することができる。この場合、このポリトロープ圧縮のための出発圧は、吸気管7内での、既知の吸気管圧に相当している。
【0050】
噴射の中間が特徴的な時点tcとして選択されたことに基づき、噴射弁9の運動ひいては噴射自体が、噴射の開始時と終了時との非定常の状態から十分に引き離される。したがって、この限りにおいては、定常の条件が存在しているということから出発することができる。
【0051】
すでに述べたように、制御装置18によって、噴射の中間の時点が噴射時点として算出される。このことは、たとえば検出された噴射開始時点に基づき行うことができる。このためにはまず、仮の噴射期間tiが経験値等に基づき推測され得る。これに基づき、近似値を用いて噴射の中間が、内燃機関1の回転数に関連して算出される。選択的に、噴射の中間は代用値を用いて演算されてもよい。任意の1回の噴射から次の噴射までの噴射時点は比較的緩慢にしか変化しないので、前記代用値は、直前に実施された噴射の中間に基づいている。
【0052】
次いで、最後に示した方程式に基づき、制御装置18よる換算によって噴射期間tiを、噴射したい燃料質量mと、燃料に作用する中間の燃料圧pmと、吸気管圧とから検出することができる。このことを、以下に、図2につき詳しく説明する。
【0053】
図2に示したブロック21では、中間の燃料圧pmが測定される。このことは、たとえば圧力センサを用いて実施することができる。この圧力センサは、燃料調整システムに対応配置されている。特に、圧力センサは、噴射弁9に前置された燃料アキュムレータに対応配置されていてよい。この燃料アキュムレータ内には燃料が、電気式のポンプおよび/または機械式のポンプによって燃料タンクから圧送される。前記燃料アキュムレータ内の圧力は、制御装置18による電気式のポンプおよび/または機械式のポンプおよび/または付加的な弁の、相応する制御によって、前述した中間の燃料圧に制御されかつ/またはコントロールされる。
【0054】
ブロック22では、制御装置18によって中間の燃料圧pmから、燃料の、中間の密度rohmが算出される。
【0055】
その後、ブロック23で制御装置18によって、噴射の中間の時点が算出される。このことは、すでに説明した実施例に相応して実施される。この噴射の中間の時点は内燃機関1の回転数に関連して、目標値特性マップを介して中間の噴射角度に換算される。
【0056】
ブロック24では、吸気管7内の吸気管圧が1つの圧力センサを用いて測定される。この吸気管圧は、ブロック25で制御装置18によって、ポリトロープ圧縮に基づき燃焼室圧pBrを算出するために使用される。
【0057】
すでに述べたように、定数A/(teta)1/2は周知であって、制御装置18に記憶されている。さらに、ブロック26で制御装置18によって、特に目標値燃料質量としての燃料質量mが内燃機関1の運転量から検出される。
【0058】
これによって、制御装置18はいまやブロック27で、前記運転量から噴射期間tiを、最後に示した方程式に基づき算出することができる。この噴射期間tiを用いて、ブロック28で噴射弁9が作動制御される。図2の方法は全て、燃料の噴射が圧縮段階の間に行われる成層燃焼運転のために設定されている。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による内燃機関の実施例を示す概略的なブロック回路図である。
【図2】本発明による、図1の内燃機関を運転する方法の実施例の概略的な実行プランを示す図である。
【符号の説明】
1 内燃機関、 2 ピストン、 3 シリンダ、 4 燃焼室、 5 吸気弁、 6 排気弁、 7 吸気管、 8 排気管、 9 噴射弁、 10 点火プラグ、 11 スロットルバルブ、 12 触媒、 13 排ガス戻し案内管、 14 排ガス戻し案内弁、 15 燃料タンク、 16 タンク空気抜き管路、 17 タンク空気抜き弁、 18 制御装置、 19 入力信号、 20出力信号、 21,22,23,24,25,26,27,28 ブロック
Claims (9)
- 自動車の内燃機関(1)を運転する方法であって、燃料を、圧縮段階の間に成層燃焼運転で燃焼室(4)内へ噴射する形式のものにおいて、
燃料アキュムレータに対応配置された圧力センサを用いて燃料に作用する燃料圧を測定し、該測定した燃料圧の中間の燃料圧(pm)を算出し、
前記算出された中間の燃料圧(pm)に基づいて前記燃料圧を測定した燃料の中間の密度(rohm)を算出し、
吸気管内の圧力を他のセンサを用いて測定し、該測定された吸気管内の圧力に基づいて前記燃焼室(4)内の圧力である燃焼室圧(pBr)を算出し、
前記成層燃焼運転において、前記内燃機関(1)の運転量に応じた前記燃料の前記燃焼室(4)への噴射の噴射期間(ti)を、噴射弁の定数(A,teta)と、前記算出された中間の密度(rohm)と、前記算出された中間の燃料圧(pm)と前記算出された燃焼室圧(pBr)との間の圧力差(deltap)とに関連して算出し、
該燃料を噴射する際に、該噴射される燃料の燃料圧が前記算出された噴射期間(ti)の中間において前記算出された中間の燃料圧(pm)となるように、前記燃料アキュムレータ内において前記燃料に作用する燃料圧を制御しかつ/またはコントロールすることを特徴とする、内燃機関を運転する方法。 - 燃焼室圧(pBr)をモデルに基づき検出する、請求項1記載の方法。
- 燃焼室圧(pBr)をポリトロープ圧縮に基づき検出する、請求項2記載の方法。
- 前記他のセンサは吸気管(7)に対応配置されている、請求項2または3記載の方法。
- 自動車の内燃機関(1)の制御装置(18)のための制御素子において、当該制御素子に、演算装置で実行可能であり、かつ請求項1から4までのいずれか1項記載の方法を実施するために適しているプログラムが記憶されていることを特徴とする、自動車の内燃機関の制御装置のための制御素子。
- 前記制御素子が、リード・オンリ・メモリまたはフラッシュ・メモリである、請求項5記載の制御素子。
- 前記演算装置が、マイクロプロセッサを有している、請求項5記載の制御素子。
- 自動車の内燃機関(1)であって、燃焼室(4)が設けられており、該燃焼室(4)内へ燃料が、圧縮段階の間に成層燃焼運転で噴射可能である形式のものにおいて、
燃料に作用する燃料圧を測定し、燃料アキュムレータに対応配置された圧力センサと、
吸気管内の圧力を測定する他のセンサと、
制御装置(18)とを備え、
前記制御装置(18)によって、前記測定した燃料圧の中間の燃料圧(pm)が算出可能であり、前記算出された中間の燃料圧(pm)に基づいて前記燃料圧を測定した燃料の中間の密度(rohm)を算出可能であり、前記測定された吸気管内の圧力に基づいて前記燃焼室(4)内の圧力である燃焼室圧(pBr)を算出可能であり、前記成層燃焼運転において、前記内燃機関(1)の運転量に応じた前記燃料の前記燃焼室(4)への噴射の噴射期間(ti)を、噴射弁の定数(A,teta)と、前記算出された中間の密度(rohm)と、前記算出された中間の燃料圧(pm)と前記算出された燃焼室圧(pBr)との間の圧力差(deltap)とに関連して算出可能であり、燃料に作用する燃料圧が前記燃料アキュムレータ内の圧力を制御することにより制御可能かつ/またはコントロール可能であり、燃料を噴射する際に、該噴射される燃料の燃料圧が前記算出された噴射期間(ti)の中間において前記算出された中間の燃料圧(pm)となるように、前記燃料に作用する燃料圧を制御しかつ/またはコントロールすることを特徴とする、自動車の内燃機関。 - 自動車の内燃機関(1)のための制御装置(18)であって、内燃機関(1)に燃焼室(4)が設けられており、該燃焼室(4)内へ燃料が、圧縮段階の間に成層燃焼運転で噴射可能である形式のものにおいて、制御装置(18)によって、燃料アキュムレータに対応配置された圧力センサを用いて測定される燃料に作用する燃料圧の中間の燃料圧(pm)が算出可能であり、前記算出された中間の燃料圧(pm)に基づいて前記燃料圧を測定した燃料の中間の密度(rohm)を算出可能であり、吸気管内の圧力を測定する他のセンサによって測定される吸気管内の圧力に基づいて前記燃焼室(4)内の圧力である燃焼室圧(pBr)を算出可能であり、前記成層燃焼運転において、前記内燃機関(1)の運転量に応じた前記燃料の前記燃焼室(4)への噴射の噴射期間(ti)を、噴射弁の定数(A,teta)と、前記算出された中間の密度(rohm)と、前記算出された中間の燃料圧(pm)と前記算出された燃焼室圧(pBr)との間の圧力差(deltap)とに関連して算出可能であり、燃料に作用する燃料圧が前記燃料アキュムレータ内の圧力を制御することにより制御可能かつ/またはコントロール可能であり、燃料を噴射する際に、該噴射される燃料の燃料圧が前記算出された噴射期間(ti)の中間において前記算出された中間の燃料圧(pm)となるように、前記燃料に作用する燃料圧を制御しかつ/またはコントロールすることを特徴とする、自動車の内燃機関のための制御装置。
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