JP4748935B2 - 内燃機関の制御方法および装置、並びにその制御のためのコンピュータ・プログラム - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の制御方法および装置、並びにコンピュータ・プログラムに関するものである。

ドイツ特許公開第４２３９７１１号（米国特許第５５５８１７８号）から、内燃機関を制御するために、内燃機関のトルクに対する目標値を、内燃機関の空気供給量を調節するための、点火角を設定するための、および／または内燃機関の個々のシリンダへの燃料供給を遮断ないし投入するための作動変数に変換することが既知である。さらに、国際特許出願第９５／２４５５０号（米国特許第５６９２４７１号）から、所定のトルク値を形成するためにそれに追加して燃空比を調節することが既知である。さらに、既知の方法においては、内燃機関の実際トルクが瞬間的なエンジン調整値（充填量、燃料供給量および点火角）を考慮して計算される。この場合、特にエンジン回転速度、負荷（空気質量、圧力等）および場合により排気ガス組成が使用される。

この計算の範囲内において、内燃機関に対してトルク・モデルが使用され、トルク・モデルは、作動変数を決定するためのみならず実際変数を決定するためにも使用される。このモデルの要点は、運転点に対する内燃機関の最適トルクおよび最適点火角が決定され、これらが、次に内燃機関の実際設定に対応して効率値により補正される。

このモデルを最適化するために、ドイツ特許公開第１９５４５２２１号（米国特許第５８３２８９７号）から、最適点火角に対する値を、排気ガス再循環率、エンジン温度、吸気温度、弁重なり角等のような、内燃機関の効率に影響を与える変数の関数として補正することが既知である。

しかしながら、実際には、これらの既知の方法は、特に適用の簡単化に関して、計算時間の最適化に関して、および／または最適点火角の補正の作業点との関数性、特に不活性ガス・レートの関数性の考慮に関して、さらに最適化が可能であることがわかった。特に、既知のトルク・モデルは、いくつかの運転状態において十分な結果を示していない。このような運転状態とは、例えば燃焼室内に高い不活性ガス・レートを有する状態、即ち吸気弁および排気弁の開放時間の重なりにより形成され、且つ特に少ないフレッシュ・ガス充填量ないし中程度のフレッシュ・ガス充填量において発生する、多量の不活性ガス（外部または内部排気ガス再循環による）を有する状態である。さらに、それは高い給気移動を有する運転状態である。既知の方法を用いては、これらの影響が十分に考慮されていないので、計算基本変数は正確なトルク計算を達成させることができない。
〔発明の利点〕
燃焼エネルギーの特定部分（例えば、半分）が変換されている燃焼重心、即ちクランク軸角の位置を考慮することにより、モデル計算の範囲内において、不活性ガス・レートが高く且つ充填量が小さいときにモデルにより計算されたエンジン・トルクの精度が改善され、適用可能性が簡単化され、およびトルク・モデルが、リーン燃焼を有するエンジンまたは給気移動弁を有するエンジンまたは制御可能な吸気弁および排気弁を有するエンジンに適合される。

他の利点が実施例に関する以下の説明ないし従属請求項から明らかである。
以下に本発明を図面に示す実施態様により詳細に説明する。

図１及び図３に、エンジン回転速度のような内燃機関の運転変数から実際トルクを決定する内燃機関のトルク・モデルを最適化するための好ましい実施例を表わす流れ図が示されている。図２には、エンジン回転速度のような内燃機関の運転変数から目標充填量値を決定する内燃機関の充填量モデルを最適化するための好ましい実施例を表す流れ図が示されている。図４に、エンジン回転速度のような内燃機関の運転変数から目標点火角を決定する内燃機関の点火角モデルを最適化するための好ましい実施例を表わす流れ図が示されている。図２には、これらの場合、個々のブロックは、電子式エンジン制御のマイクロコンピュータのプログラム、プログラム部分またはプログラム・ステップを示し、一方、矢印は情報流れを表わしている。

これらのモデルは、特に、大きな弁重なりにおいて高い不活性ガス・レート、特に内部不活性ガス・レートが発生することがある可変弁制御を有するシステム用に形成されている。これらのモデルにおいては燃焼重心が重要であり、燃焼重心は、燃焼エネルギーの特定量、好ましくは燃焼エネルギーの半分が運動及び熱エネルギーに変換されているクランク軸角として表わされる。換言すると、燃焼重心は、燃焼エネルギーの所定の一部（例えば、半分）が運動及び熱エネルギーに変換されるときのクランク軸角である。燃焼重心の位置は、化学燃焼エネルギーの図示エンジン・トルクへの変換に決定的な影響を有することがわかった。測定の結果、燃焼重心と、エンジン回転速度、エンジン負荷および残留ガス含有量とは、本質的に独立の図示トルクとの間に一般的関係が存在することがわかった。この場合、トルク特性線図に関する完全な情報が、燃焼重心の点火角に対する特性曲線内に含まれていることがわかった。この特性曲線は、僅かなパラメータを含む数学的近似関数、例えば以下の二次多項式で表わすことができる。

（ｖｂｓは、燃焼重心［°ＫＷ］であり、ｚｗは、点火角［°ＫＷ］であり、Ａ，Ｂ，Ｃは係数である。）
この場合、このような多項式の係数は、燃焼室内に存在する混合物のガス質量、組成、温度および給気移動に関する特性情報を含む。上記のように、燃焼重心が中間変数として導入された場合、点火角効率に対して２つの関数性が得られ、即ち、一方で全ての負荷、回転速度および残留ガス・レートに対する燃焼重心との固定関係が得られ、他方で点火角に対する燃焼重心の、運転点の関数としての関係が得られる。即ち、中間変数として燃焼重心を導入することにより、点火角に対する点火角効率の関係を決定することができる。

モデルは、目標変数から制御変数を決定するためのみならず、測定運転変数から実際変数を決定するためにも使用されるので、二次多項式は、逆関数を求めるのが簡単なので、燃焼重心と点火角との間の関係の適切な表現であることがわかった。しかしながら、他の適用において、それがそれぞれの状況において適切であることがわかっているとき（例えば、向上された精度等）、高次多項式または関係を近似表現する他の数学的関数もまた使用される。

図１ないし図４の流れ図は、燃焼重心に関するこの知見が変換される方法の実施例を示す。
この場合、図１は図示の実際トルクｍｉｉｓｔの決定を示す。第１の特性曲線群２００において、エンジン回転速度ｎｍｏｔおよび負荷ｒｌの関数として最適トルク値が形成される。この最適トルク値は、補正段２０２において、効率ｅｔａｒｒｉにより補正され、むしろ補正されることが好ましい。効率ｅｔａｒｒｉは、回転速度および残留ガス・レートの関数であり、且つ特性曲線群２０４において決定される。効率ｅｔａｒｒｉは、弁重なりに関する定格値からの偏差を表わす。効率ｅｔａｒｒｉは、特性曲線群２０４において、内部および外部排気ガス再循環による不活性ガス・レートを表わす信号の関数として形成される。排気ガス再循環弁の位置および吸気弁および排気弁の位置の関数として計算される信号ｒｒｉが、内部および外部不活性ガス・レートに対して適切であることがわかった。この場合、不活性ガス・レートは、全吸込混合物における不活性ガスの割合を表わす。不活性ガス・レートの計算の他のタイプは、再循環された排気ガス流の温度、λ、実際空気充填量、および排気ガス圧力に基づいている。この信号ｒｒｉおよびエンジン回転速度ｎｍｏｔの関数として、特性曲線群２０４から効率ｅｔａｒｒｉが読み取られる。給気移動を考慮するために、吸気弁の開放角（クランク軸またはカム軸に関して）を表わす信号ｗｎｗが適切であることがわかった。他の実施例においては、給気移動弁位置または吸気弁のリフトおよび開放位相を表わす変数が使用される。

このように補正された最適トルク値は、次に他の補正段２０５においてλ効率ｅｔａｌａｍで補正され（好ましくは、乗算され）、λ効率は、特性曲線２０６において測定λ値の関数として決定される。次に、最適トルク値は、補正段２０８において点火角効率ｅｔａｚｗｉｓｔで補正され（乗算され）、点火角効率ｅｔａｚｗｉｓｔは、以下に記載の方法（２１０）において、負荷ｒｌ、エンジン回転速度ｎｍｏｔ、不活性ガス・レートｒｒｉ、および設定点火角ｚｗｉｓｔの関数として決定される。実際点火角の代わりに、基本点火角が使用される場合、補正段２０８の出力変数として、図示実際トルクｍｉｉｓｔが現われないで上記のように基本トルクｍｉｂａｓが現われるであろう。

燃焼重心を考慮した点火角効率ｅｔａｚｗｉｓｔの決定が、図３の流れ図に１つの例で示されている。ここに示されている例は、二次多項式による近似式を示す。最初にブロック２５０において、負荷、エンジン回転速度、および不活性ガス・レートのような運転変数の関数として、多項式の係数Ａ、ＢおよびＣが決定される。これは所定の特性曲線群の範囲内において行われる。それに続いて、設定実際点火角が乗算段２５２においてパラメータＢと乗算される。乗算段２５４において実際点火角の二乗が形成され、次にこれが乗算段２５６において係数Ａと乗算される。乗算段２５２および２５６の結果は、加算段２５８において加算される。この和は、加算段２６０において係数Ｃに加算される。この結果は燃焼重心の角度であり、この角度は、特性曲線２６２により点火角効率ｅｔａｚｗｉｓｔに変換される。この場合、特性曲線２６２は設定され且つ点火角効率の燃焼重心の角度に対する一般的に適用される特性曲線を示す。

モデルは、運転変数から実際変数を決定するためのみならず、目標変数から作動変数を決定するためにも適している。この方法が図２および図４の流れ図により示されている。この場合、図２は目標充填量値を決定するための流れ図を示し、目標充填量値は、次に吸気管モデルを考慮して内燃機関の絞り弁位置に対する目標値に変換される。次に、位置制御の範囲内において、この目標値への制御が行われる。設定目標トルク値ｍｉｓｏｌは、除算段３００においてλ効率ｅｔａｌａｍにより除算され、λ効率ｅｔａｌａｍは、図１に示す方法に対応して決定される。このようにして補正された目標トルク値は、他の除算段３０２において目標点火角効率ｅｔａｚｗｓｏｌにより除算される。この場合、この目標点火角効率は、例えばアイドリング中のトルク余裕として、触媒加熱のためのトルク余裕として等により設定される。除算段３０２において補正された目標トルクは、次に特性曲線群３０４において、エンジン回転速度ｎｍｏｔにより目標充填量値ｒｌｓｏｌに変換され、目標充填量値ｒｌｓｏｌは、次に内燃機関への空気供給量の調節のために使用される。

設定されるべき目標点火角の決定が図４に示されている。ここで中間変数として同様に燃焼重心が使用され、この場合、図３から既知の多項式により近似が導かれている。目標点火角の計算は、与えられた目標点火角効率、エンジン回転速度および与えられたフレッシュ・ガス充填および残留ガス充填において行われ、この場合、多項式関数の逆関数が使用される。さらに、燃焼重心の角度を点火角効率に対して示す特性曲線が使用される。

即ち、設定目標点火角効率は、特性曲線３５０において燃焼重心に対する目標角度ｗｖｂｓｏｌに変換される。図３に示されているのと同様に、ブロック３５２において、負荷、回転速度、および不活性ガス・レートｒｒｉの関数として、多項式関数の係数Ｃ、ＢおよびＡが、特性曲線群、特性曲線または表により決定される。係数Ｃは、結合段３５４において燃焼重心目標値と結合される。燃焼重心目標値は、係数から差し引かれることが好ましい。除算段３５６において、次にこの結合の結果が係数Ａにより除算される。係数Ａは乗算段３５８において係数−２と乗算される。それに続く除算段３６０において、係数Ｂが、値−２と乗算された係数Ａにより除算される。この結果は、次に乗算段３６２において二乗され、且つ結合段３６４に供給される。結合段３６４において、二乗された項が除算段３５６の結果と結合され、特に後者の値が前者の値から差し引かれる。ブロック３６６において、この結果から根が求められ、且つこれが他の結合段３６８に供給される。結合段３６８において、除算団３６０の結果から根が差し引かれ、且つこのようにして設定されるべき目標点火角ｚｗｓｏｌが形成される。

係数ＡないしＣの決定において、上記運転変数のほかに他の運転変数、特に弁重なり角ないし吸気弁の開放角または給気移動弁位置または吸気弁のリフトおよび位相が共に使用される。

モデルの計算のために使用される特性曲線群および特性曲線は、各エンジン・タイプに対する適用の範囲内において、場合により上記のソフトウェア・ツールを使用して決定される。

図５は、ユニット４００を示し、制御ユニット４００は、入力回路４０２、出力回路４０４、およびマイクロコンピュータ４０６を含む。これらの構成要素は、バス系統４０８を介して結合されている。入力ライン４１０および４１２〜４１６を介して、測定装置４１８、４２０〜４２４により測定された、エンジン制御のために評価されるべき運転変数が供給される。この場合、モデル計算のために必要な運転変数が上に示されている。測定され且つ場合により評価された運転変数信号は、次にバス系統４０８を介してマイクロコンピュータにより読み取られる。マイクロコンピュータ４０６それ自体に、この場合にはそのメモリに、モデル計算のために使用される命令がコンピュータ・プログラムとして記憶されている。これが図５においてブロック４２６で記号化されている。場合により図示されていない他のプログラム内において、後続処理されるモデル結果は、次にマイクロコンピュータからバス系統４０８を介して出力回路４０４に供給され、出力回路４０４は、次に、出力信号を、例えば点火角および空気供給量を調節するための作動変数として、並びに例えば実際トルクｍｉｉｓｔのような測定変数として出力する。

図１には、燃焼重心を考慮したトルク・モデルの好ましい設計（実際トルク）が示されている。 図２には、燃焼重心を考慮した充填量モデルの好ましい設計（目標充填量値）が示されている。 図３には、燃焼重心を考慮した点火角効率の決定の流れ図が示されている。 図４には、燃焼重心を考慮した点火角モデルの好ましい設計（目標点火角）が示されている。 図５は図示されているモデルが使用されるエンジン制御の全体図を示す。

Claims (6)

1. エンジン回転速度（ｎｍｏｔ）のような内燃機関の運転変数から実際トルク（ｍｉｉｓｔ）を決定する内燃機関のトルク・モデルを用いることによって、実際トルク（ｍｉｉｓｔ）を決定する内燃機関の制御方法において、
   実際トルク（ｍｉｉｓｔ）を決定する際に、点火角（ｚｗｉｓｔ）と燃焼重心（ｗｖｂｓ）との関係が用いられること、
   前記燃焼重心（ｗｖｂｓ）は、燃焼エネルギーの所定の一部が運動及び熱エネルギーに変換されるときのクランク軸角であること、及び
   前記燃焼重心（ｗｖｂｓ）は、次式により決定され、
   ｗｖｂｓ＝Ａ・ｚｗｉｓｔ ^２ ＋Ｂ・ｚｗｉｓｔ＋Ｃ
   ここで、Ａ、Ｂ及びＣは係数であり、これらの係数は、負荷（ｒｌ）、エンジン回転速度（ｎｍｏｔ）及び不活性ガス・レート（ｒｒｉ）の関数として決定されること、
   を特徴とする内燃機関の制御方法。
2. 前記実際トルク（ｍｉｉｓｔ）は、点火角効率（ｅｔａｚｗｉｓｔ）と前記燃焼重心（ｗｖｂｓ）との間の関係により決定されることを特徴とする請求項１に記載の制御方法。
3. エンジン回転速度（ｎｍｏｔ）のような内燃機関の運転変数から実際トルク（ｍｉｉｓｔ）を決定する内燃機関のトルク・モデルを記憶している制御ユニットを備えた、内燃機関の制御装置において、
   前記実際トルク（ｍｉｉｓｔ）が、前記トルク・モデルの範囲内において、点火角（ｚｗｉｓｔ）と燃焼重心（ｗｖｂｓ）との関係を使用して決定されること、
   前記燃焼重心（ｗｖｂｓ）は、燃焼エネルギーの所定の一部が運動及び熱エネルギーに変換されるときのクランク軸角であること、及び
   前記燃焼重心（ｗｖｂｓ）は、次式により決定され、
   ｗｖｂｓ＝Ａ・ｚｗｉｓｔ ^２ ＋Ｂ・ｚｗｉｓｔ＋Ｃ
   ここで、Ａ、Ｂ及びＣは係数であり、これらの係数は、負荷（ｒｌ）、エンジン回転速度（ｎｍｏｔ）及び不活性ガス・レート（ｒｒｉ）の関数として決定されること、
   を特徴とする内燃機関の制御装置。
4. 前記実際トルク（ｍｉｉｓｔ）は、点火角効率（ｅｔａｚｗｉｓｔ）と前記燃焼重心（ｗｖｂｓ）との間の関係により決定されることを特徴とする請求項３に記載の制御装置。
5. コンピュータで実行されるとき、請求項１又は２に記載の全てのステップを実行するためのプログラム・コード手段を有するコンピュータ・プログラム。
6. コンピュータで実行されるとき、請求項１又は２に記載の制御方法を実行するための、コンピュータが読取り可能なデータ媒体上に記憶されているプログラム・コード手段を有するコンピュータ・プログラム製品。

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