JP2008505280A - 内燃機関の圧縮点火モードを制御する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は混合気が内部で燃焼する複数のシリンダ（２_１−４）を有する、往復ピストン内燃機関（１）の圧縮点火モードを制御する方法に関し、燃料の燃焼プロセスにより影響される少なくとも一つの特性変数（１３）の実際値が検出され、所定の設定値（１５）と比較され、その結果として特性変数（１３）の実際値を設定値（１５）へ調整するために、混合気の形成に作用する運転パラメータの設定調整に用いられる操作変数（１２）を生み出す。本発明の目的は、多シリンダ内燃機関の圧縮点火モードにおいて安定した燃焼を可能にすることである。このために、全てのシリンダ（２_１−４）により影響される特性変数（１３）の平均値が、第一制御回路（２０）において検出され、全てのシリンダに供給される操作変数（１２）を用いて包括設定値へと調整され、そして第二制御回路内で各々のシリンダにおいて検出された特性変数が、個別に決定された操作変数（１２）により互いに調整される。

Description

本発明は請求項１の前段による複数のシリンダを有する往復ピストン内燃機関の圧縮点火モードを制御する方法に関する。

圧縮点火又はチャンバー内点火と呼ばれる内燃機関の運転モードは、内燃機関のシリンダ内における比較的希薄な混合気の形成及び燃焼によって、良好な熱効率レベルで低い窒素酸化物の生成での内燃機関を駆動するための燃料の燃焼の可能性をもたらす。混合気は燃焼排気ガスを加えることにより比較的高温に上げられ、その結果として各シリンダの次の動作サイクルの圧縮の間に該混合気は自己点火する。ガソリン燃料が使用される時、内燃機関の高負荷領域において火花点火方式が通常備えられる。圧縮点火を引き起こすための温度上昇は、通常排気ガスを保持することによってもたらされ、そのためにガス交換弁による制御時間に関してバルブ閉鎖重なり時間に関して対応する設定が用意され、排気ガスは排気弁を相応に閉じることにより燃焼室内に保持される。

燃焼プロセスの開始及び過程は圧縮点火モードにおいて敏感であり、制御されていない自己点火は不適当に早い燃焼状態及び燃焼室内の高い圧力を生じ、その結果として最適な燃焼が妨げられる。特許文献１は内燃機関の燃焼挙動の改善及びチェックのために、燃料の燃焼プロセスによって影響される特性変数の実際値が測定され、燃焼室内に形成される混合気を変えることが可能な運転パラメータの変更によって所定の設定値に調整される、圧縮点火モードを制御する方法を提供している。

既知の方法において、燃焼の重心とも呼ばれる、燃焼中の燃料転換の５０％質量転換点の状態は、例えば燃焼室内へ突き出ているイオン流プロ−ブ又は燃焼室内に配置されている圧力センサの測定信号から、燃焼プロセスの特性変数として決定される。決定される質量転換点の状態が所定の設定値から逸脱する場合、既知の方法の制御回路における実際値はバルブ制御時間及び／又は燃料噴射方針を変えることにより調整される。バルブ制御時間の変動は既知の方法においてカム軸調整器を用いて行なわれるように意図され、また代替としてバルブ制御時間は電磁弁コントローラ又は別の可変バルブ制御装置により変えられる。このために位相調整器を有するカム軸又は可変バルブストローク制限を有する切替え可能なバケットタペットが提案されている。噴射パラメータを変えることによって特性変数を合わせるために、燃料噴射時点又は噴射の期間もしくは燃料噴射量又は、場合によっては噴射タイミングが修正されるべきである。

特許文献２は燃焼プロセスの開始が燃焼室内へ突き出ている圧力センサを用いて記録される、圧縮点火モードを制御する方法を開示している。内燃機関の運転は、エンジン温度、圧力、又は更に排気ガス中の混合気特性もしくは空気過剰係数を制御することにより、この連続的に測定可能な特性変数においてモニターされる。

しかしながら既知の制御方法は、敏感でモニターが難しい圧縮点火を伴う内燃機関の運転中の燃焼挙動に対する極度に厳しい要求事項にしばしば適合しない。

独国特許出願公開第１０２ １５ ６７４Ａ１号明細書 国際公開第９９／４２７１８号パンフレット

本発明は、制御されない自己点火及び燃料の燃焼プロセスが回避される、多気筒往復ピストン内燃機関の圧縮点火モードを制御する方法を提供する目的に基づいている。

上記目的は請求項１の特徴を有する方法を用いた本発明により達成される。

本発明によれば、二つの制御回路が備えられ、全てのシリンダにより影響される特性変数の平均値は、第一制御回路において測定され、全てのシリンダに供給される操作変数を用いて、包括設定値に調整される。第二制御回路では、各シリンダにおいて測定された特性変数はお互いに個別に決定された操作変数を用いて調整される。第一制御回路の範囲内での対策の実行によれば、最適な燃焼挙動から多少逸脱し、不完全な結果を生じる実際の燃焼挙動が、個々のシリンダに適用される運転パラメータにより発生することがある。そのような逸脱は例えばシリンダの様々な摩耗状態に起因して生じ得る。本発明による第二制御回路を用いて、生じる可能性のある最適設定値からの少しの逸脱は補償される。

第二制御回路において、それぞれのシリンダについて測定された特性変数の個々の調整用の設定値は有利に予め設定され、前記設定値は特性線図のメモリ内で必要に応じて取り出すために利用できる。しかしながら、全てのシリンダの測定された特性変数の平均値もまた制御プロセス用の設定値として有利に用いることができ、その結果として設定値と実際値の間の僅かな差が補償され、従って燃焼挙動は迅速に調整され得る。

燃料転換の５０％質量転換点は、燃焼中に制御プロセス用の特性変数として登録されることが望ましい。この特性変数はシリンダの燃焼室内へ突き出ている測定センサの測定信号から、対応するアルゴリズムを用いて決定されることができる。そのような測定センサは圧力センサであってもよく、あるいは内燃機関の火花点火モード用に備えられる点火プラグの電極に対応する、構造的な労力なしに特に有利に形成されるイオン流センサによって燃焼室内におけるイオン化の程度を測定することが可能である。

燃焼挙動に決定的に影響し、そして正確な効果と共に設定されることが出来る燃料のパイロット噴射の期間は、望ましくは燃焼挙動に影響を与えるための操作変数として用いられる。パイロット噴射の期間は二つの制御回路における操作変数を形成することができ、第一制御回路の出力値は第二制御回路の入力を形成し、従って最適な圧縮点火モードが個々のシリンダにおいて迅速に調整され得る。

特に、高い方の負荷において火花点火モードで運転され、運転モードを圧縮点火モードから火花点火モードに、及びその逆に変更する時に、バルブ閉鎖の重なりに対する必要な調整のためガス交換弁の制御時間を変える内燃機関において、ガス交換弁の制御時間は、操作変数の実際値を調整するために操作変数としての調整可能なバルブ駆動部を用いて、第一制御回路において変更することが出来る。排気弁のバルブストロークの位相角を変えることにより、最適な燃焼挙動に近い全体的な値を素早く全てのシリンダに設定することができ、そして最適化が第二制御回路において僅かな実行手段で実施され得る。

燃焼室におけるセンサによる特性値の測定の代りとして、又はそれに加えて、第一制御回路における全体的な特性値を測定することはまた、排気ガス内の空気過剰係数をモニターすることにより、少ない費用で可能である。二つの制御回路を有する制御プロセスにおいて空気過剰係数が第一制御回路内で調整され、複数のシリンダが噴射期間にわたって第二制御回路内で均等化された場合、シリンダの設定はそれぞれのシリンダにおける主噴射の期間を適応させることで、第三制御回路において個々のシリンダの作用負荷を最終的に均等化することによって更に最適化され得る。

本発明の実施形態は図面を参照して以下により詳細に説明される。

図１に例示される往復ピストン内燃機関１は、燃料が燃焼空気と混合されピストンを駆動するために燃焼する４つのシリンダ２_１−４を有する。燃焼空気は全てのシリンダ２_１−４がそれらの吸気ポートを介して接続されている吸気マニホールド３を経由して、既知の方式で供給される。燃焼排気ガスはシリンダから、全てのシリンダに共通の排気管４内へと開いている排気ポートを経由してシリンダから排出される。必要な燃料を計量するために、各シリンダ２_１−４は燃料を直接燃焼室内へ噴射するインジェクタ５が割り当てられている。個々の噴射の、噴射の開始、噴射期間、噴射時間、及び噴射タイミングの如き噴射パラメータは、内燃機関の運転ポイントに応じてコントローラユニット１０により処理される。

周期的なガス交換を実行に移すため、各シリンダ２_１−４はバルブ駆動部９を介してカム軸８により強制的に制御される、吸気弁及び排気弁を有する。本例示的実施形態においては二つのカム軸８が設けられ、それらは各々シリンダ２_１−４の吸気弁又は排気弁を制御する。内燃機関１は圧縮点火で、少なくとも広い負荷範囲において運転される。ガソリン燃料が使用される場合、理論空燃比の混合気が燃料及び供給される燃焼空気で形成され、点火プラグの点火火花により点火される火花点火モードが比較的高負荷に対して用意される。圧縮点火モードにおいて燃焼空気は絞り無しで供給され、希薄な混合気が直接噴射された燃料により形成される。それぞれのシリンダの最終サイクルからの燃焼排気ガスは、ガス交換弁の対応する制御時間により燃焼室内に保持され、従って次に続く圧縮行程において自己点火される、新鮮な充填分の温度レベルを上昇させる。

ガス交換弁のバルブ駆動部９は、制御時間を変えることが可能なように可変の方法で設定できる。本プロセスにおいて、排気ガスの必要な保持を確実にするために、火花点火モードとは異なる制御時間が圧縮点火モードにおいて設定される。バルブ駆動部９はコントローラユニット１０により作動し、所望される排気ガスの保持に対応する位置に置かれる。コントローラユニット１０は、該コントローラユニットにより設定される内燃機関の運転パラメータが各運転ポイントのために準備されている、特性線図メモリ１１へのアクセスを有する。コントローラユニットは内燃機関の圧縮点火モードを制御し、そして各シリンダにおける燃焼挙動の設定をモニターし、噴射パラメータ及び／又はカム駆動の設定を変えることにより燃焼挙動に介入することができる。圧縮点火の間の実際の燃焼プロフィールについて完全な情報による制御のための特性変数は、各シリンダ２_１−４に設けられ、それぞれの燃焼室内へ突き出ている測定センサ６によって得られる。代わりに、又は追加として、コントローラユニット１０に排気ガス中の残留酸素に関する情報を供給する、排気ライン４内のラムダ・プローブ７の測定信号から燃焼に関する情報を得ることが可能である。

本発明によれば、二つの制御回路が備えられ、全てのシリンダにより影響される特性変数の平均値が第一制御回路において設定され、全てのシリンダへ送られる設定値変数を用いて包括設定値に合わせられ、そして各シリンダにおいて測定された特性変数は、個々に決定される操作変数を用いて第二制御回路において互いに調整される。特性変数を設定値へと調整するための制御回路は図２〜５に例示されている。燃焼における燃料転換の５０％質量転換点の状態は、燃焼室に配置されたセンサ６を用いて燃焼室内で得られた測定信号からの燃焼プロセスの特性変数により、図２において決定されている。該センサはここで、燃焼プロセスの間に加熱の過程を決定出来る圧力センサ又はイオン流センサ６であり得る。５０％質量転換点の実際値Ｈ_{５０，ａｃｔ}は、特性線図メモリから得られる設定値と比較される。該実際値が設定値から逸脱する時、該質量転換点の状態は燃料のパイロット噴射の期間を適合させることにより影響される。二つの制御回路を有する本発明による制御プロセスの範囲内で、図２に例示される制御回路は第一制御回路あるいは第二制御回路のいずれにも使用可能である。

図３は燃焼排気ガス内の空気過剰係数ラムダが、排気管のラムダ・プローブ７を用いて特性変数１３として測定される、第一制御回路２０を示す。実際値が設定値から逸脱する時、燃焼挙動は操作変数を相応に変えることによって変更される。制御回路２０におけるアクチュエータは可変方式にて設定可能なガス交換弁のバルブ駆動部により形成され、排気弁の位相は燃焼室内の排気ガスの保持、従って圧縮点火モードにおける燃焼の状態に対して決定的な影響を有するため、排気弁の位相角ＡＶは変えられることが望ましい。

図４は排気弁の位相角ＡＶが操作変数１２を形成する制御回路２０を示し、また該制御回路における特性変数１３は５０％質量転換点である。設定値と比較されるべき該質量転換点の実際の状態は、燃焼室内の圧力センサ又はイオン流センサの信号から得られる。

図５は内燃機関の圧縮点火モードのための制御回路２０を示し、該モードにおいてシリンダの平均圧力が圧力センサの信号から得られる。該平均値は制御回路２０における設定値に調整され、該制御回路における操作変数１２はそれぞれのシリンダの主噴射ＨＥの期間である。この制御回路は、望ましくは本発明によるシリンダ固有の制御用に全てのシリンダの負荷を均等化するために用いられる。本プロセスにおいて個々の圧力センサの平均値は平均圧力の設定値として形成でき、それぞれのシリンダにおける負荷は噴射期間を合わせることにより調整可能である。

図６は二つの制御回路を有する、圧縮点火モードのための本発明による制御プロセスを示す。現在の燃料燃焼の５０％質量転換点の状態は、第一制御回路２０及び第二制御回路３０の両方において測定される。第一制御回路２０はここで図４の制御回路の表現に相当し、実行手段は排気弁の位相ＡＶを変えることにより行なわれる。５０％質量転換点の状態は燃焼室内のイオン流センサの測定信号から決定され、特性変数の平均値１４は実際値として制御回路２０へと入力される。該平均値１４は特性線図メモリ１１から得られる包括設定値１５と比較され、排気弁の位相角を調整することにより合わせられる。内燃機関の運転ポイントに応じて特性線図１１から得られる基本値と理論的にリンクしている、出力カム軸の位相角を変更するためのバルブ駆動部への実行コマンドΔＡＶは、コントローラの出力として得られる。

第二制御回路３０において、個々のシリンダの５０％質量転換点の異なり得る状態は、燃料噴射の期間を適合させることで、質量転換点の実際の状態を所定の設定値に合わせることによって均等化される。全ての測定された特性変数の平均値１４は、第二制御回路におけるシリンダ固有の適合のための設定値として入力されることができ、又は代わりに基本設定値１５が現在の運転ポイントによる特性線図１１から読み出される。噴射期間δＴ_ｉの変更は、運転ポイントに応じて特性線図メモリ１１から利用できる噴射期間Ｔ_ｉのための基本値と各シリンダにおいて理論的に組み合わされる、操作変数１２としての各シリンダの特性変数１３の、測定された実際値の偏差に従って決定される。

図７に例示されている制御方針において、パイロット噴射期間は両方の制御回路２０及び３０の中で操作変数１２として使用される。本プロセスにおいて、第一制御回路２０では、５０％質量転換点の状態の平均値１４は、各シリンダ２_１−４における特性変数１３として測定されるイオン流信号から形成され、実際値として制御回路２０へ供給される。特性線図メモリ１１から得られる設定値１５への調整において、パイロット噴射期間の運転ポイントに対応する基本値Ｔ_ｉに加えられる、パイロット噴射期間の修正値ΔＴ_ｉ、及び全体的な操作変数Ｔ_ｉ-ｇｌｏｂａｌが、全てのインジェクタのために形成される。第一制御回路２０の出力において形成される操作変数は、第二制御回路における入力変数として用いられる。この操作変数は、個々のシリンダの５０％質量転換点のそれぞれの状態から決定されたパイロット噴射期間の各修正値に加えられる。

図８は二つの制御回路を有する圧縮点火モードを制御するための更なる可能な方法を示し、空燃比の実際値は第一制御回路において排気管路内のラムダ・プローブ７の信号から得られる。入力された実際値は、特性線図メモリ１１から得られる空気過剰係数に関する設定値と比較される。設定値へと調整するために、可変バルブ駆動部１１を作動させるための修正操作変数が制御回路２０の出力において形成される。個々のシリンダにおいて個別に決定される、燃料燃焼の５０％質量転換点のそれぞれの状態は、第二制御回路３０において特性線図１１から得られる、パイロット噴射期間のための５０％質量転換点修正操作変数の状態に関する設定値との比較により決定される。シリンダ固有の修正値ΔＴ_{ｉｃｙｌｉｎｄｅｒ １ − ｃｙｌｉｎｄｅｒ ４}は、特性線図１１から得られる基本値と組み合わされる。

図９は、全てのシリンダにおける燃焼状態の調整の精度を改善する、可能な方法を示す。第一制御回路における排気弁ＡＶの位相角調整による空気過剰係数ラムダの制御と、第二制御回路における操作変数としてのパイロット噴射期間による５０％質量転換点のシリンダ固有の制御とを伴う、図８による方針に類似した制御構成は、後続の第三制御回路４０において配置される。個々のシリンダの全燃焼状態の均一化の精度は、それぞれのシリンダの主噴射期間を合わせることで、個々のシリンダの運転負荷を均等化することにより達成される。本プロセスにおいて、第三制御回路４０では、平均シリンダ圧力Ｐ_ｍｉが各シリンダにおいて決定され、主噴射期間δＴ_ｉを操作変数として変えることにより設定値へと調整され、前記設定値は個々のシリンダ圧力から平均値１４として計算される。図５の構成に相当する第三制御回路において、シリンダ固有に決定された主噴射期間の修正値は、内燃機関の現在の運転ポイントに応じて特性線図から得られる該主噴射期間の基本値Ｔ_ｉで重み付けされる。

圧縮点火モードのためのコントローラユニットを有する多シリンダ内燃機関の略図を示す。 二つの制御回路を用いて実施される本発明による方法のための、第一制御回路の代替の実施形態を示す。 二つの制御回路を用いて実施される本発明による方法のための、第一制御回路の代替の実施形態を示す。 二つの制御回路を用いて実施される本発明による方法のための、第一制御回路の代替の実施形態を示す。 二つの制御回路を用いて実施される本発明による方法のための、第一制御回路の代替の実施形態を示す。 二つの制御回路を有する圧縮モード用の制御システムの代替の実施形態を示す。 二つの制御回路を有する圧縮モード用の制御システムの代替の実施形態を示す。 二つの制御回路を有する圧縮モード用の制御システムの代替の実施形態を示す。 二つの制御回路を有する圧縮モード用の制御システムの代替の実施形態を示す。

Claims (13)

1. 混合気が内部で燃焼する複数のシリンダ（２_１−４）を有する、往復ピストン内燃機関（１）の圧縮点火モードを制御する方法であって、
   燃料の燃焼プロセスにより影響される少なくとも一つの特性変数（１３）の実際値が操作変数（１２）を形成するために予め設定可能な設定値（１５）と比較され、
   前記特性変数（１３）の前記実際値を前記設定値（１５）へと調整するために、混合気の形成に作用する運転パラメータ（ＡＶ、ＴＩ）の設定が、前記操作変数により、調整される方法において、
   全てのシリンダ（２_１−４）により影響される特性変数（１３）の平均値が第一制御回路（２０）で測定され、全てのシリンダ（２_１−４）へ供給される操作変数（１２）を用いて包括設定値（１５）へと調整され、
   第二制御回路（３０）で各々のシリンダ（２_１−４）について個々に測定された特性変数（１３）が、個別に決定された操作変数（１２）により互いに調整されることを特徴とする方法。
2. 前記特性変数（１３）を個々に調整するための設定値（１５）が、前記第二制御回路（３０）において予め設定されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 測定された前記特性変数（１３）の平均値（１４）が前記第二制御回路（３０）で形成され、制御プロセス用の設定値（１５）として用いられることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の方法。
4. 燃焼中の燃料転換の５０％質量転換点の状態が、前記シリンダ（２_１−４）の燃焼室内へ突出する測定センサ（６）の測定信号から決定されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. イオン流センサが測定センサ（６）として備えられることを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 圧力センサが測定センサ（６）として備えられることを特徴とする請求項４に記載の方法。
7. 燃料のパイロット噴射の期間（Ｔｉ）が操作変数（１２）として決定されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 両方の制御回路（２０、３０）の前記パイロット噴射の期間が前記操作変数（１２）を形成し、前記第一制御回路（２０）の出力値が前記第二制御回路（３０）の入力値を形成することを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. ガス交換弁の制御時間（ＡＶ）が、前記特性変数（１３）の実際値を調整するために、調整可能なバルブ駆動部（９）を用いて操作変数（１２）として変えられることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記特性変数（１３）を調整するために、バルブストロークの位相角（ＡＶ）が変えられることを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 排気弁の前記バルブ駆動部（９）が調整されることを特徴とする請求項８あるいは９に記載の方法。
12. 排気ガス中の空気過剰係数（λ）が特性変数（１３）として測定されることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 第三制御回路（４０）において、前記第二制御回路（３０）の前記操作変数（１２）を修正することで、それぞれの前記シリンダ（２_１−４）における燃料の主噴射期間を調整することによって、個々の前記シリンダの運転負荷が均等化されることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法。

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