(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つの燃焼サイクル中に空気質量体（４２）と燃料質量体（３）を燃焼室（４）へ供給し、空気質量体と燃料質量体の組成ラムダをまえもって設定可能な形式の、内燃機関（１）の作動方法において、
ラムダが１よりも大きい混合気組成の燃焼サイクルにあたり、燃焼室（４）内での燃焼後に存在する残留空気の成分を求め、それに続く燃焼サイクル中に燃焼室（４）へ供給される空気質量体を、前記残留空気成分に応じて低減することを特徴とする、
内燃機関の作動方法。
【請求項２】
燃焼室（４）内での燃焼後に存在する前記残留空気成分（ｐｉｒｇｌ）を式
ラムダ′ - 1
pirgl = ---------------- * pirg
ラムダ′
に従って、それぞれ先行する燃焼の混合気組成ラムダ′（４４）と残留ガス分圧（ｐｉｒｇ）とから計算する、
請求項１記載の方法。
【請求項３】
１つの燃焼サイクル中に燃焼室（４）へ供給される空気量（４２）をラムダフィードフォワード制御によりあらかじめ設定し、それぞれ後続の燃焼サイクル中、対応するラムダフィードフォワード制御により残留空気成分だけ低減を行う、
請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
１つの燃焼サイクル中に燃焼室（４）に存在する空気量（３８）を式
rl = rlab + fupsrl * pirgl
から求め、ただし
rlabは、吸気管から燃焼室に流れる空気量であり、
fupsrlは、圧力を質量に換算するためのファクタであり、
pirglは、残留ガスの空気成分の部分圧である、
請求項３記載の方法。
【請求項５】
燃焼室（４）へ空気を供給する吸気管を備えた内燃機関であれば、該吸気管（２）へ供給される空気量（７）を、燃焼室（４）へ低減されて供給される空気量（４２）に応じて低減する、請求項１〜４のいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
内燃機関の制御装置のための制御エレメントにおいて、
プログラムが格納されており、該プログラムは計算装置で実行され、請求項１〜５のいずれか１項記載の方法の実施に適していることを特徴とする、
内燃機関の制御装置のための制御エレメント。
【請求項７】
空気質量体（４２）と燃料質量体（３）を燃焼室（４）へ供給する手段（２）と、空気質量体と燃料質量体との混合気組成ラムダを制御する手段（１２，１６〜１８）が設けられている、
内燃機関（１）のための制御装置において、
混合気組成ラムダが１よりも大きい燃焼サイクルの存在を検出する手段（４５，４６）と、
燃焼室（４）内での燃焼後に存在する残留空気の成分を求める手段（１２，５０）と、
後続の燃焼サイクルにおいて燃焼室（４）へ供給される低減された空気量を前記残留空気成分から計算する手段（１２，５０，５１〜５３）が設けられていることを特徴とする、
内燃機関のための制御装置。
【請求項８】
燃焼室（４）内での燃焼後に存在する残留空気成分（ｐｉｒｇｌ）を式
ラムダ′ - 1
pirgl = ---------------- * pirg
ラムダ′
により、それぞれ先行の燃焼の混合気組成ラムダ′と残留ガス分圧（ｐｉｒｇ）とから計算する手段が設けられている、請求項７記載の制御装置。
【請求項９】
ラムダコントロール（１２，１６−１８）と共働する手段が設けられており、燃焼サイクル中に燃焼室（４）へ供給される空気量（４２）がラムダフィードフォワード制御により調整され、そのつど後続の燃焼サイクル中に供給される空気量が対応するラムダフィードフォワード制御により調整される、
請求項７または８記載の制御装置。
【請求項１０】
内燃機関において、
請求項１〜５のいずれか１項記載の内燃機関の作動方法、および／または請求項７〜９のいずれか１項記載の制御装置、および／または該制御装置に設けられた請求項６記載の制御エレメントを特徴とする内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、１つの燃焼サイクル中に空気質量体と燃料質量体を燃焼室へ供給し、空気質量体と燃料質量体の組成ラムダをまえもって設定可能な形式の、内燃機関の作動方法たとえば自動車内燃機関の作動方法、ならびに内燃機関の制御装置のための制御エレメントたとえばリードオンリーメモリに関する。
【０００２】
【従来の技術】
慣用の内燃機関の場合、燃焼に必要な空気量は吸気管を介して燃焼室へ供給される。このようなエンジンにおいては、燃焼に必要とされる燃料量も燃料導管ならびにそれ相応の噴射弁を介して燃焼室へ送られるし、あるいはディーゼルエンジンまたはガソリンダイレクト噴射（ＢＤＥ）を行う最近のガソリンエンジンによれば、燃料一時貯蔵器（fuel rail）を介して燃焼室へ送られる。この燃料一時貯蔵器には約１００ｂａｒである高圧縮燃料がおかれる。
【０００３】
あとで公開される先願のドイツ連邦共和国特許出願（出願人の識別番号 AR R 32348-1）によれば、内燃機関のガス充填物を測定する方法および装置について記載されている。吸気管中に含まれているガス混合物の組成は、新しいガスと排気ガスである。たとえばこの文献に記載されている方法によれば、燃焼室に流入するガスを求め、燃焼に使われる燃料量をそれに応じていっそう精確に量定することができる。この問題を解決するために提案されているのは、燃焼室に流れる質量流全体における新しいガスの燃料成分を質量バランスないし質量収支バランスの作成により求め、その際、一般的なガス方程式の時間導関数を基礎とすることである。新しいガスと排気ガスのバランスを別個に作成することの利点は、充填された新しいガスの容積を精確に計算できることである。したがってこの特許出願の対象は、外からの排気ガス帰還に起因して吸気管中に存在する残留空気だけであり、内部で燃焼室に存在する残留ガスではない。
【０００４】
公知の内燃機関たとえば燃焼モータにおいて、リーンモード時つまり希薄動作時に各燃焼サイクル後に依然として残留ガス中に存在する残留ガスの空気成分は、まったく顧みられない。むしろ、燃焼室の残留ガス中には残留空気がそもそも存在しないかのようにされる。したがって１つの燃焼サイクルにおいて検出される空気と燃料の化学量論比にはたいてい、かなりの誤りが含まれている。
【０００５】
しかも、３元触媒装置をもつ最近の内燃機関の場合、リーンモード（ラムダ≧１）は基本的に避けられる。なぜならばリーンモードであると酸化窒素（ＮＯｘ）が一段と強く形成され、これは触媒装置に蓄積され、ひいては触媒装置の寿命を著しく短くするからである。しかし最新の触媒装置であるとリーンモードも許される。なぜならば、ラムダ＜１というエンジンの規則的なリッチモードつまり濃厚動作によりたとえば触媒装置に蓄積されるＮＯｘが、再びＮ2 とＯ2 に還元されるからである。とりわけ、このように比較的新しい触媒装置の技術によって、ガソリンエンジンもディーゼルエンジンのように作動させることができるようになり、しかもこのことによりＢＤＥ内燃機関の開発もかなり促進されてきた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
したがって本発明の課題は、冒頭で述べた形式の内燃機関の作動方法および作動装置において、既述の欠点を克服し、燃焼時の燃料空気混合物の化学量論比をいっそう精確に知ることができるようにすることである。殊に、燃焼室内のリーンモード時にそのつどの混合気組成について残留ガス中に依然として存在する残留空気の成分を、いっそう精確に考慮できるようにすべきである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によればこの課題は、ラムダが１よりも大きい混合気組成の燃焼サイクルにあたり、燃焼室（４）内での燃焼後に存在する残留空気の成分を求め、それに続く燃焼サイクル中に燃焼室（４）へ供給される空気質量体を、前記残留空気成分に応じて低減することことにより解決される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
つまり本発明は、それぞれあとに続く燃焼サイクルのために利用できる残留空気をラムダ設定にあたり考慮する、という着想に基づいている。したがって本発明による着想は以下のステップを有している。すなわち、
−空気と燃料の混合比が１よりも大きい燃焼サイクルを検出するステップ
−該当する燃焼サイクルにおける燃焼終了後に残留空気成分を求めるステップ
−目下のサイクルに続く燃焼サイクル中に吸気管から燃焼室へ送出される空気量を上記の残留空気成分だけ低減するステップ
本発明による方法によれば残留ガス中の空気成分が考慮され、つまりは従来技術よりも精確なラムダ予備制御ひいてはいっそう改善された排気ガスおよび走行特性が確実に考慮される。
【０００９】
もっとも、本発明の適用分野はＢＤＥ動作を行う内燃機関に限定されるものではなく基本的に、ＮＯｘに有用な触媒措置をもつあらゆる機関をもいっしょに含むものであり、つまり約１．６のラムダによる慣用の燃料噴射が行われる機関をも含む。
【００１０】
空気質量体と燃料質量体を燃焼室へ供給する手段と、空気量と燃料量との混合組成を制御する手段とを備えた本発明による制御装置において、先に挙げた課題を解決するため、混合気組成ラムダが１よりも大きい燃焼サイクルの存在を検出する手段と、燃焼室内での燃焼後に存在する残留空気の成分を求める手段と、後続の燃焼サイクルにおいて燃焼室へ供給される低減された空気量を残留空気成分から計算する手段が設けられている。
【００１１】
以下の説明には、本発明による方法のその他の利点や特徴が示されている。
【００１２】
次に、図面を参照しながら実施例に基づき本発明について詳しく説明する。
【００１３】
【実施例】
図１に略示されている内燃機関１は吸気管２を有しており、これは噴射弁（この図ではただ１つの噴射弁３しか描かれていない）を介してエンジン１の燃焼室４とつながっている。この場合、それぞれ異なる噴射弁に対応してその前段に、ここには図示されていない燃料分配器も設けられており、これはイグニッション５と同調して個々の弁を制御する。イグニッション５は燃焼室４の各々において点火プラグによって行われ、それらの点火プラグはそれぞれ点火コイルと共働する。タンクユニット６からここに図示されていない燃料一時蓄積装置（fuel rail）を介して、個々の噴射弁へ燃料が供給される。
【００１４】
吸気管２への吸気の送り込みは、開口部７を介して行われる。吸気管２内にはさらに、開口部７の近くにスロットルバルブ８も設けられており、これによって吸気管２中に流入する空気流を調整することができる。付加的なバイパス導管９を介して、エンジン１のアイドリング動作中に吸気管２へ十分に空気を供給できるようになる。この場合、バイパス導管９の制御は、このバイパス導管９の近くに配置されたアイドリング調整器によって行われる。
【００１５】
さらに吸気管２には圧力センサ１１が設けられており、これによって吸気管２内に生じている圧力を測定することができる。圧力センサ１１から供給される信号は、電子制御装置１２へ伝送される。同様に、アイドリング調整器１０の出力信号も電子制御装置１２へ供給される。さらにスロットルバルブ８の位置がスロットルバルブポテンショメータ１３によって求められ、対応する測定信号がやはり電子制御装置１２へ供給される。
【００１６】
燃焼時に発生した排気ガスは、排気ガス装置１４により外に出される。排気ガス導管（排気管）の途中に、触媒措置１６が配置されている。さらに触媒装置１６のそれぞれ前と後ろにそれぞれ２つのラムダセンサ１７，１８が設けられており、これは有利には電子制御装置１２内に統合されているラムダコントロールと共働する。
【００１７】
ＯＤＢＩＩ規則によれば、触媒装置の効率について連続的に監視しなければならない。この目的で、触媒装置１６の後方に２つめのセンサ１８を設置しておかなければならない。触媒装置１６の前と後ろのセンサ信号の比較により、触媒装置１６の効率に関する情報を得ることができる。触媒装置１６の後方に位置するの２つめのセンサ１８は、有害な排気ガス成分に対し１つめのセンサ１７よりも良好に保護されているので、１つめのセンサ１７の経年変化を補正することができる。
【００１８】
ここでラムダコントロールにより、エンジン１の燃焼室４内の混合気が触媒装置１６が最適に機能しつまりは法律で規定された排気ガス限界値が遵守されるよう調整する。その際、触媒装置１６のもつ役割は、ＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘという３つの排気ガス成分をＣＯ2 ，Ｈ2Ｏ，Ｎ2 に変換することである。両方のラムダセンサ１７，１８は、周囲の空気と排気ガス流の酸素濃度差を測定する。これにより、センサ１７，１８から送出される測定信号は排気ガス中の空気成分に対する直接的な尺度を成す。触媒の層ゆえに、不完全燃焼した混合気が酸素平面で転化される。
【００１９】
既述のようにラムダコントロールによって、排気ガス中に常に最適な空気成分が存在するよう保証しなければならない。この目的で、噴射すべき燃料量がラムダコントロールによって変えられる。したがって、燃焼室４内の空気量およびイグニッション５は影響されない。排気ガス組成における最適なコントロールは、ラムダ＝１の範囲を中心とした絶え間ない揺動により達成される。
【００２０】
すでに言及したとおり、触媒装置１６は酸素に対する著しい蓄積能力をもっている。しかも触媒装置１６は、ラムダ＝０．９９５．．．０．９９９という非常に狭い範囲でしか最適な効率を達成できない。したがってラムダ＞１であるエンジン１のリーンモードでは殊に、付加的に噴射される燃料を用いて規則的な間隔で触媒装置１６の再生を加速させる必要がある（いわゆる触媒洗浄 "Kat-Ausraeumen"）。このため、それ相応の予備制御によりラムダコントロールのコントロール位置が”リッチ”方向にずらされる。所定の排気ガス量が達成された後、リッチ化つまり濃厚化が再び取り消される。
【００２１】
さらに図１に示されているように、排気ガス装置１４を経て外界へ送出される排気ガスの一部分が、排気ガス帰還導管１９および排気ガス帰還弁２０を介して再び吸気管２へ戻される。
【００２２】
図２には、従来技術による空気供給を例示する吸気管および燃焼室のブロック図が略示されている。この場合、吸気管２へ供給される空気量ｒｌｒｏｈと吸気管２から燃焼室４へ導かれる空気量ｒｌａｂの差から、吸気管圧力ｐｓの変化Δｐｓが得られる。燃焼室４内に残留ガスの分圧ｐｉｒｇがあるとして、燃焼室４へ供給される空気量ｒｌａｂは、吸気管圧力ｐｓと燃焼室４内に生じている残留ガスの分圧ｐｉｒｇに比例する。本発明によればエンジン１のリーンモード中、燃焼室４内に生じている空気量全体は、サイクルごとに吸気管２から供給される空気量ｒｌａｂと、前提とするリーンモードゆえにそれぞれ先行する燃焼サイクルからのそのまま存在する残留空気との和によってまとめられる。
【００２３】
図３には、燃焼室内の空気充填量ｒｌと吸気管圧力ｐｓとの間の典型的な数学的関係が示されており、これはオフセットと勾配をもつ１つの直線により記述されている。この勾配は、圧力から質量およびその逆の換算に関する定数ｆｕｐｓｒｌに対応する。とはいえこの直線的関係は、燃焼室内で空気が完全燃焼する場合にしかあてはまらない。
【００２４】
図４には、燃焼室に流れ込む空気量を求めるための従来技術で公知のやり方が示されており、これによればサイクルごとに吸気管に流れる空気量ｒｌｒｏｈ（参照符号３０）と、吸気管から燃焼室へ流れ込む空気量ｒｌａｂ（参照符号３１）の差が、換算係数ｆｖｉｓｒｍ（参照符号３２）によって吸気管圧力変化に換算され（参照符号３３）、以前の吸気管圧力ｐｓ（参照符号３４）に加算ないしは積算される。
【００２５】
ps_neu = ps_alt + fvisrm * (rlroh - rlab)               (1)
燃焼室に流れ込む空気量ｒｌａｂ（３１）は、吸気管圧力ｐｓ（３４）と燃焼室内における残留ガスの分圧ｐｉｒｇ（３６）の差に比例する。
【００２６】
rlab = fupsrl * (ps - pirg)                               (2)
ここでｆｕｐｓｒｌ（３７）は、圧力から質量への換算のためのファクタである。
【００２７】
従来技術において公知の方法の前提によれば、つまり燃焼室内に存在する残留ガスについて残留空気成分が存在しているとすれば、燃焼室内の空気量ｒｌ（３８）は吸気管から流出する空気ｒｌａｂ（３１）に対応し、つまり式
rl = rlab                                                   (3)
が成り立つ。
【００２８】
さて、図５に示されているブロック図には、ラムダ＞１であるリーンモードについて混合気組成ラムダを求めるための本発明による方法において行われるやり方が、図４に対応させて描かれている。図４に対し追加された本発明による機能コンポーネントと従来技術により公知のコンポーネントとは、破線４０によって区切られている。リーンモードでは、燃焼室内ですべての酸素が燃焼するわけではない。したがって燃焼室内に残された残留ガス分圧ｐｉｒｇ４１の組成は、空気と不活性ガスである。そしてこの残留ガスにおける空気成分ｐｉｒｇｌは直前の燃焼における混合気組成ラムダ′に依存し、
0004431242.tif 000002
となる。なお、式（４）はリーンモードつまりラムダ′＞１についてしか成り立たない。
【００２９】
吸気管から流出する空気量ｒｌａｂ（参照符号４２）に対しリーンモード時には残留ガスの空気成分が加わり、その際、この空気成分は換算係数ｆｕｐｓｒｌ（参照符号４３）を用いて残留ガスｐｉｒｇｌにおける空気成分の分圧から計算され、つまり式
rl = rlab + fupsrl * pirgl                                (5)
に従って計算される。
【００３０】
本発明によればまずはじめに、ラムダ′（参照符号４４）つまりそのつど先行する燃焼サイクル′のラムダ値が’１’（参照符号４５）と比較され、最大値ファンクション４６によって、ラムダ′＞１であるリーンモードが存在したかが判定される。これがあてはまるならば、最大値ファンクション４６の出力側にあたいラムダ′が現れる。そうでなければ値’１’が現れる。値ラムダ′が現れたならばさらに別の機能エレメント５０によって、供給される２つめの値’１’（参照符号４８）による事前の減算から商（ラムダ′−１）／ラムダ′が形成される。しかし、最大値ファンクション４６の出力側に’１’が現れた他方の場合には、機能エレメント５０の出力側に値’０’が生じる。ファンクションエレメント５０の出力側に生じる値はまずはじめに乗算器５１へ供給され、そこにおいて式（５）におけるように換算係数ｆｕｐｓｒｌとの乗算が行われ、その後、それによって得られた積が第２の乗算器５２へ供給され、それにより式（４）によるｐｉｒｇとの積が形成される。ついでこのようにして得られた値ｆｕｐｓｒｌ * ｐｉｒｇｌが式（５）に従って加算器５３へ供給され、そこにおいてその値がｒｌａｂと加えられ、その結果、最終的に値ｒｌすなわち燃焼室内に存在する空気量全体が得られる。
【００３１】
ここできわめて重要であるのは、本発明による方法が内燃機関たとえば自動車内燃機関の制御装置のために設けられている制御エレメントの形態で実現されることである。この場合、制御エレメントには、計算装置殊にマイクロプロセッサにおいて実行可能でありかつ本発明による方法の実行に適したプログラムが格納されている。つまりこの場合、本発明は制御エレメントに格納されているプログラムによって実現されるので、その実施にプログラムが適している方法と同様、そのようなプログラムの設けられているこの制御エレメントも、同様に本発明を成すものである。制御エレメントとしてたとえば電気的記憶媒体を適用することができ、実例としてリードオンリーメモリを適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による方法および本発明による制御装置を適用可能な慣用の内燃機関の燃焼室および吸気管を、センサやスロットルバルブとともに示す概略図である。
【図２】従来技術による空気供給を例示するための吸気管と燃焼室の概略図である。
【図３】燃焼室ｒｌと吸気管圧力ｐｓとの間の関係の典型的な関係を示す図である。
【図４】ラムダ≦１である動作中の慣用の内燃機関における空気配分のやり方を示すブロック図である。
【図５】ラムダ＞１であるリーンモードにおいて本発明による方法に従って動作するないしは本発明に従って構成された内燃機関を、図４に対応させて描いたブロック図である。
【符号の説明】
１  エンジン
２  吸気管
３  噴射弁
４  燃焼室
５  イグニッション
６  タンクユニット
８  スロットルバルブ
９  バイパス導管
１０  アイドリング調整器
１１  圧力センサ
１２  電子制御装置
１３  スロットルバルブポテンショメータ
１４  排気ガス装置
１６  触媒装置
１７，１８  センサ
【図１】
0004431242.tif 000003
【図２】
0004431242.tif 000004
【図３】
0004431242.tif 000005
【図４】
0004431242.tif 000006
【図５】
0004431242.tif 000007