(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の気筒の充填ガスにおける新鮮空気率の計算方法であって、
気筒のガス充填が動作パラメータに依存して制御操作される形式のものにおいて、
気筒の充填ガスにおける新鮮空気率を、吸気管圧と、制御操作を表すパラメータとを用いて計算し、
前記制御操作を表すパラメータとして；
・バルブオーバーラップ、すなわち個々の気筒の吸気弁と排気弁とが同時に開放している角度領域と、
・クランクシャフトの基準角に対する前記角度領域の相対位置、または内燃機関のピストンの死点に相応する角度に対する前記角度領域の相対位置と、
・前記バルブオーバーラップの間に、内燃機関の吸気領域までに作用する気筒の開口面積または排気領域までに作用する気筒の開口面積のうち、それぞれ比較的に小さな方の開口面積を当該バルブオーバーラップの持続時間にわたって積分した値と、
を用いる、
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
吸気管圧を測定する請求の範囲第１項記載の方法。
【請求項３】
吸気管圧を、吸気管に流入する新鮮空気質量流と、該吸気管から流出する新鮮空気質量流との差を用いて計算し、
ここで流出する新鮮空気質量流は、気筒の充填ガスの新鮮空気率に相応する請求の範囲第１項記載の方法。
【請求項４】
吸気管に流入する空気質量流を空気質量計によって検出する請求の範囲第３項記載の方法。
【請求項５】
空気質量流をスロットルバルブの開口角度および内燃機関の回転数から検出する請求の範囲第３項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
従来の技術
本発明は、可変バルブタイミング機能、ないし例えば非定常動作において調整可能な吸気および／または排気カムシャフトを有する内燃機関での気筒の空気充填量をダイナミックにかつ正確に算出する方法に関する。
ドイツ連邦共和国特許出願公開第３２４７９１６号公報（米国特許第４８５６４６５号）から、内燃機関の制御時間を、カムシャフトのねじりによりカムシャフト駆動部に対して相対的に動作パラメータに依存して変化されることが公知である。動作パラメータとしては、内燃機関の回転数Ｎ、および噴射制御のため計算器でいずれにしろ求められる負荷信号Ｔ１＝Ｋ・Ｑ／Ｎが使用される。この負荷信号は内燃機関の１行程で正規化された空気量に相応する。
従来の負荷検出方法では、吸気管に流入する空気量Ｑ（例えばホットワイヤ空気質量計）を測定するか、またはスロットルバルブ開口度を回転数または吸気管圧Ｐｓと関連して負荷に対する尺度として使用する。
空気質量測定の場合は、気筒に実際に流入する空気質量を吸気管に対する空気質量勘定によって求めることができる。吸気管に含まれる空気質量Ｍｓの気筒吸気行程中の変化ｄＭｓに対しては、
ｄＭｓ＝Ｍｄｋ  −  Ｍｚ    （１）
があてはまる。ここでＭｄｋは、吸気行程中にスロットルバルブを通って流入した空気質量であり、Ｍｚは気筒によって吸気された空気質量である。
気筒の行程容積有効部分ηがほぼ新鮮ガスによって、満たされると仮定すれば、Ｍｚは近似的に吸気管容積Ｖｓと有効行程容積Ｖｈ／Ｚ・ηとの比によって表すことができる。
Ｍｚ＝（Ｍｓ・Ｖｈ・η）／（Ｚ・Ｖｓ）    （２）
ここでＺは気筒数、Ｖｈは機関の排気量である。パラメータηは容積効率と称することができる。ηが実質的に変化しなければ、気筒の空気充填量変化ｄＭｚに対しては次式があてはまる。
ｄＭｚ＝ｄＭｓ・｛（Ｖｈ＊η）／（Ｚ＊Ｖｓ）｝    （３）
スロットルバルブを通って流入する空気質量Ｍｄｋは、測定された空気流量Ｑｍと空気行程の持続時間を用いて、
Ｍｄｋ＝Ｑｍ＊ｄＴ    （４）
として表すことができる。持続時間ｄＴは機関回転数Ｎと気筒数Ｚから得られる。
ｄＴ＝２／（Ｎ＊Ｚ）    （５）
これにより気筒の空気充填量の変化ｄＭｚに対して次式が得られる。
ｄＭｚ＝｛（Ｖｈ＊η）／（Ｚ＊Ｖｓ）｝＊Ｑｍ＊｛２／（Ｎ＊Ｚ）−Ｍｚ｝    （６）
式（６）から気筒の空気充填量を検出するための漸化式が導出される。
ｄＭｚ＝Ｍｚ（ｋ）−Ｍｚ（ｋ−１）    （７）
したがって、
Ｍｚ（ｋ）＝Ｍｚ（ｋ−１）＋｛（Ｖｈ＊η）／（Ｚ＊Ｖｓ）｝＊｛Ｑｍ＊２
／（Ｎ＊Ｚ）−Ｍｚ（ｋ−１）｝    （８）
しかし可変バルブタイミング機能を有する内燃機関では、この計算過程によって最適の結果を得ることが場合によりできない。例えばバルブオーバーラップ、すなわち吸気弁と排気弁が同時に開放している時間が変化すれば、バルブオーバーラップの間に排気マニホールドから吸気管に逆流する排気ガス質量も変化する。この排気ガスは気筒内の新鮮ガスの割合を圧迫し、そのため容積効率ηを大きく変化させる。そのため式（８）を導出するための前提が崩れてしまう。したがって従来の方法は非定常動作での気筒の空気充填量を正確に検出することができず、このためとくに非定常動作での空燃比に過度に大きな変動が生じてしまう。
吸気管の空気圧Ｐｓを測定する場合は、気筒の空気充填量を簡単な直線式を用いて算出することができる。
Ｍｚ＝Ｋ＊（Ｐｓ−ＰｓＯ）    （９）
負荷検出の別の例として、スロットルバルブ開口度と回転数とから負荷信号を形成することがあげられる。
しかし可変バルブタイミング機能を有する機関では、式（９）の係数ＫとオフセットＰｓＯがカムシャフトの位置と回転数に大きく依存する。したがってこの方法でも十分に正確な結果を得ることができない。
本発明の課題は、バルブタイミング可変制御の負荷検出に及す影響を考慮した方法を提供することである。
本発明はこの課題を、バルブタイミング制御の影響を、内燃機関の作動容積（気筒）へ充填されるガスにおける新鮮ガスの割合の計算に含めることにより解決する。
より詳細には、作動容積のガス充填の交換を制御により動作パラメータに依存して行うことのできる内燃機関において、内燃機関に吸気管を介して流入する新鮮ガス量に対する尺度となるパラメータを検出し、作動容積のガス充填における新鮮ガスの割合の検出の際に、内燃機関に吸気管を介して流入する新鮮ガス量に対する尺度の他に、制御操作を表す少なくとも１つのパラメータを考慮する。
制御操作を表すパラメータとして、バルブオーバーラップ、すなわち個々の作動容積（気筒）の吸気弁と排気弁が同時に開放している角度領域がある。
付加的に、クランクシャフトの基準角度ないし内燃機関のピストンの死点に相応する角度に対するこの角度領域の相対位置を制御操作を表すパラメータとして考慮することができる。
弁を操作するためカム形状を制御変化させたり、個別に電子的に制御され液圧的に操作される弁において実現される可変のバルブリフト曲線の場合には、少なくとも１つのバルブリフト曲線の経過および／または変化が制御操作に対する特徴的パラメータとして考えられる。
一般的には制御操作の影響は、内燃機関の吸気および排気領域への作動容積のそれぞれ小さな開放度（この開放度はバルブオーバーラップの間に作用する）をバルブオーバーラップの持続時間にわたって積分することにより検出する。
カムシャフトを調整できる場合は、制御操作は吸気排気カムシャフトの位置から形成することができる。この位置は適切なセンサにより検出することができ、また推定値としてカムシャフト位置に対するモデルを用いて計算することができる。制御時間に対する実際値を知ることによって吸気管圧測定を行う制御装置では、吸気管圧から空気充填量を検出するための計算式（９）のパラメータを相応に変化することができる。
空気質量センサを有する装置の場合、まず吸気管圧に対する推定値が検出される。吸気管圧検出装置によって既知となった吸気管圧と制御時間および回転数の実際値との関係を用いて、気筒の空気充填量を算出することができる。これによりバルブタイミング制御の変化の影響を表すことができる。さらに吸気管圧を中間パラメータとして計算することにより、装置を測定された吸気管圧との比較により補償するという簡単な手段が得られる。このことは特殊な内燃機関形式の燃料調量装置に適用する場合に有利である。
図１は、調整可能なカムシャフトと、本発明の噴射時間の計算のための制御装置を有する内燃機関の概略図である。
図２は、吸気管圧、カムシャフト位置および気筒の空気充填量との関係を測定結果に基づいて示す線図である。
図３ａは、吸気弁と排気弁のバルブリフト曲線を示す線図であり、測定されたカムシャフト位置とバルブオーバーラップを示している。
図３ｂは、バルブオーバーラップと、吸気管圧測定部を有する装置に対して空気充填量計算に必要なパラメータを検出するためのフローチャート図である。
図４ａと図４ｂは、吸気管圧測定部を有する装置での空気充填量計算のためのプログラムチャート図である。
図５ａは、空気質量センサの信号を検出するためのフローチャート図である。
図５ｂは、測定された空気質量流から空気充填量を計算するためのプログラムチャート図である。
図６ａは、カムシャフト位置が切替えられた調整位置にあるときのカムシャフト位置の基本時間経過を表す線図である。
図６ｂは、カムシャフトセンサがない場合のカムシャフト位置に対する推定値を検出するためのプログラムチャート図である。
図１は、内燃機関と噴射時間を計算するための制御装置を示す。吸気管１１６に流入する空気質量は空気質量センサ１１４（ホットワイヤセンサまたはホットフィルムセンサ）により検出され、制御装置１０７に供給される。スロットルバルブ１０１の位置はセンサ１０２により測定される。さらに吸気管には空気温度に対するセンサ１１１並びに場合により圧力センサ１０３がある。圧力センサは吸気管圧測定部を有する装置の場合に空気質量センサ１０４と置換される。
制御装置１０７により計算された噴射すべき燃料量は噴射弁１０６を介して機関に供給される。
空気燃料混合気は吸気弁１１２を介して気筒１１３に達する。排気ガスは排気弁１１２ａを介して排気ガス装置に排出される。空気燃料混合比の尺度である排気ガスの残留酸素濃度は酸素センサ１１０を介して検出される。
吸気弁と排気弁の開放時点および閉鎖時点は所属の吸気カムシャフト１０８並びに排気カムシャフト１０８ａを介して検出される。調整装置１０９および１０９ａを用いて、カムシャフトの位置、ひいてはピストン上死点に対する吸気弁および排気弁の相対的開放時点および閉鎖時点が制御される。吸気カムシャフトおよび排気カムシャフトの位置はセンサ１１５および１１５ａにより測定される。さらに装置は、回転数並びにクランクシャフト位置を検出するためのセンサ１０４と冷却水温度を検出するための温度センサ１０５を有する。
図２は測定結果に基づき、気筒の吸気充填量と吸気管圧との関係を示す。ここで空気充填量は所属の噴射持続時間によって表されている。この噴射持続時間は、理想空燃比を得るために必要な時間である。空気充填量と吸気管圧の関係は１８００ｒ．ｐ．ｍの機関回転数において、２つの異なるカムシャフト位置について測定された。曲線１はクランクシャフトで１４°のバルブオーバーラップに相応する。曲線２はこれよりも格段に大きなバルブオーバーラップ（クランクシャフトで４４°）で測定された。すなわち吸気弁と排気弁は、曲線１よりも格段に大きな時間の間、同時に開放している。したがって第２の測定では、オーバーラップフェーズの間に、格段に多くの排気ガスが吸気管に逆流し、相応の量の新鮮ガスを押し出す。したがって測定２では、吸気管圧が同じであれば吸気充填量が測定１の場合よりも小さい。
しかし両方の場合とも、空気充填量は吸気管圧から直線式（９）によって求められる。
Ｍｚ＝Ｋ＊（Ｐｓ−ＰｓＯ）    （９）
ここで増幅係数ＫとオフセットＰｓＯはカムシャフト位置および回転数に比例する。
図３ａと図３ｂはカムシャフト位置を検出するための方法を表す。図３ａは吸気弁と排気弁のバルブリフト曲線を表す。センサ１１５は吸気弁の開口角度Ｗｅｏを点火−ＯＴから測定して検出する。センサ１１５ａは排気弁の閉鎖時点Ｗａｓを送出する。これも同様に点火−ＯＴから測定する。
残留ガス成分およびひいては空気充填量に対する影響については、すでに説明したようにとくにバルブオーバーラップが重要である。すなわち、吸気弁と排気弁の両方が開放している領域の長さＷｕが重要である。したがって２つのカムシャフト位置ＷｅｏとＷａｓの代りに、単にバルブオーバーラップＷｕを空気充填量の計算に使用するだけで十分である。
図３ｂのフローチャートはバルブオーバーラップと空気充填量の計算に必要なパラメータの検出のためのプログラムを表す。このプログラムは十分に高速の時間ラスタ（例えば１００ｍｓ毎）でスタートとされる。
ステップ３０１と３０２では、センサ１１５と１１５ａの信号が評価され、カムシャフト位置ＷｅｏとＷａｓが制御装置−ＲＡＭにファイルされる。
ステップ３０３では、バルブオーバーラップがＷａｓとＷｅｏの差として計算される。カムシャウト位置からバルブオーバーラップが得られなければ、すなわち吸気弁と排気弁が同時に開放しないときは、問い合せ３０４でＷｕに対して負の値が生じる。この場合はステップ３０５でバルブオーバーラップが０にセットされる。
引き続き、回転数センサ１０４を介して測定された機関回転数Ｎが読み出される（ステップ３０６）。空気充填量を式（９）にしたがって計算するために、オフセットＰｓＯと比例係数Ｋが回転数とバルブオーバーラップに依存して必要となる。これらはステップ３０７と３０８で計算され、後で行う負荷計算のために制御装置−ＲＡＭに準備される。ＰｓＯとＫの値は種々異なるバルブオーバーラップおよび回転数毎に制御装置−ＲＯＭのテーブルにファイルされている。ＰｓＯとＫの瞬時値の検出はこれらのテーブルから取出されたパラメータの補間によって行われる。
図４ａと図４ｂのフローチャートは、吸気管の空気圧の検出と、引き続く空気充填量の計算を示す。図４ａのプログラムは１点火毎に所定のクランクシャフト位置、例えば常に点火−ＯＴの前の１８０°でスタートされる。ステップ４０１では、圧力センサ１０３の吸気管圧が読み出され、制御装置−ＲＡＭのＲＡＭセルＰｓ１に記憶される。
図４ｂのプログラムも同様に１点火毎に一度、しかし比較的に後のクランクシャフト位置（例えば点火−ＯＴの前９０°）で呼び出される。まずブロック４０２でもう一度吸気管圧が読み出され、ＲＡＭセルＰｓ２にファイルされる。引き続き、ステップ４０１と４０２で読み出された吸気管圧値の平均値が形成される（ステップ４０３）。この平均値形成により、気筒の吸気行程によって生じる吸気管圧の典型的な脈動が抑圧される。
ステップ４０４では、圧力平均値から気筒の空気充填量が式（９）にしたがって求められる。ここではステップ３０７と３０８で求められた比例係数ＫとオフセットＰｓＯに対する値が使用される。
図５ａと図５ｂは、空気量測定センサの装備された装置に対する方法ステップを示す。
このような装置に対しては、まず吸気管圧を吸気管に流入する測定された空気質量から計算しなければならない。次にこの吸気管圧から、圧力測定を行う装置の場合のように、気筒の空気充填量を求める。
吸気管に存在する新鮮空気質量Ｍｓの気筒吸気行程中の変化ｄＭｓに対しては次の等式が成り立つ。
ｄＭｓ＝Ｍｄｋ−Ｍｚ    （１０）
ここでもＭｚは気筒により吸入された新鮮空気質量であり、Ｍｄｋは同じ時間にスロットルバルブを通って流入した空気質量である。次式が理想ガスに対してあてはまる。
Ｐｓ＊Ｖｓ＝Ｍｓ＊Ｒ＊Ｔｓ    （１１）
ここでＰｓは吸気管圧、Ｖｓは吸気管容積、Ｒは空気に対するガス定数、Ｔｓは吸気管内の空気温度である。
これにより、吸気行程中の空気圧の変化ｄＰｓに対しては次のようになる。
ｄＰｓ＝Ｐｓ（ｋ）−Ｐｓ（ｋ−１）
＝ｄＭｓ＊（Ｒ＊Ｔｓ／Ｖｓ）    （１２）
ここでＰｓ（ｋ）とＰｓ（ｋ−１）は、２つの順次連続する計算ステップｋ−１とｋで求められた吸気管圧の値であり、この計算は気筒の吸気行程毎に一度実行される。
Ｐｓ（ｋ）の解と等式（１０）の代入により、吸気管の空気質量は次のようになる。
Ｐｓ（ｋ）＝Ｐｓ（ｋ−１）＋（Ｒ＊Ｔｓ／Ｖｓ）＊（Ｍｄｋ−Ｍｚ）    （１３）
気筒により吸入される空気質量に対しては、吸気管圧測定を行う装置に対してすでに既知の式（９）を代入することができる。
スロットルバルブを通って流入する空気質量Ｍｄｋは、センサ１１４により測定された空気質量Ｑｍの平均値Ｑｍｍから計算することができる。
Ｍｄｋ＝Ｑｍｍ＊ｄＴ    （１４）
ここで計算ステップ幅ｄＴに対しては
ｄＴ＝２／（Ｎ＊Ｚ）    （１５）
が適用される。
ここでＮは機関回転数、Ｚは気筒数である。ここでは計算は吸気行程毎に一度だけ実行されることが前提となっている。
これにより、吸気管圧と空気充填量の計算のための漸化式が得られる。
Ｐｓ（ｋ）＝Ｐｓ（ｋ−１）＋（Ｒ＊Ｔｓ）／Ｖｓ
＊｛Ｑｍｍ＊（２／Ｎ＊Ｚ）−Ｍｚ（ｋ−１）｝    （１６）
並びに
Ｍｚ（ｋ）＝Ｋ＊｛Ｐｓ（ｋ）−ＰｓＯ｝    （１７）
漸化式（１６）と（１７）の空気充填量を計算するためのプログラムへの置換は、図５ａと５ｂに示されている。
図５ａのフローチャートは非常に頻繁に実行されなければならない。このフローチャートではブロック５０１でまず機関が回転しているか否か検査される。機関が回転していれば、ステップ５０２で空気質量流Ｑｍの値が空気測定センサ１１４により読み出される。ステップ５０３と５０４で、読み出された空気質量値Ｑｍ並びにプログラム実行の数が加算される。これはここから別のプログラムで空気質量流の平均値Ｑｍｍを計算するためである。
フローチャート５ｂは吸気管圧およびそこから気筒の空気充填量を検出するためのプログラムを示す。このプログラムは吸気行程で一度、例えば常に点火ＯＴの前９０°でスタートされる。
ステップ５０５で再び、機関が回転しているか否か検査される。機関が回転していれば、ステップ５０６で空気質量流の平均値Ｑｍｍが検出される。引き続き、プログラム実行カウンタおよび合計値Ｑｍｓｕｍはステップ５０７と５０８で０にリセットされる。これにより図５ａのプログラムは次の吸気行程中に平均値を検出することができる。
ステップ５０９と５１０では、瞬時の回転数Ｎと吸気管内の空気温度Ｔｓがセンサ１０４と１１１により読み出される。
次にステップ５１１と５１２では、先行するプログラム経過からの吸気管圧Ｐｓａｌｔと空気充填量Ｍｚａｌｔに基づき、上で導出した漸化式（１６）と（１７）に従って吸気管圧および空気充填量に対する瞬時値ＰｓｎｅｕとＭｚｎｅｕが検出される。そのためにはステップ５１２で比例定数ＫとオフセットＰｓＯが必要である。これら２つのパラメータは図３ｂのプログラムによってバルブオーバーラップおよび回転数から検出されなければならない。
ステップ５１３では、吸気管圧および空気充填量の値がＲＡＭセルＰｓａｌｔおよびＭｚａｌｔに後続のプログラム実行のために記憶される。
機関のスタート時には、ＲＡＭセルＱｍｓｕｍ、ＰｓａｌｔおよびＭｚａｌｔ並びにプログラムのプログラム実行に対する数が図５ａに従って適切な始動値にセットされる。ステップ５０５での問い合わせで機関が回転していないことが検出されると、ステップ５１４で空気質量の合計値Ｍｓｕｍおよびプログラム実行カウンタが０にセットされる。機関が停止している限り、吸気管内は大気圧となる。したがって吸気管圧Ｐｓａｌｔに対する始動値として大気圧に対する推定値（例えば９５０ｍｂ）が使用される。気筒の空気充填量に対する所属の始動値として、大気圧に相応する最大値Ｍｚｍａｘが使用される。
選択的実施例：
しばしば、吸気カムシャフトと排気カムシャフトの両方の調整が省略される。この場合は、図３ａと３ｂによるバルブオーバーラップの計算の際に可変カムシャフトの位置をセンサにより検出し、読み出された（調整されないカムシャフトの）センサ信号の代わりに図３ｂによる計算に定数を使用すればよい。
カムシャフトが連続的に調整されない構成もある。この構成では、機械的ストッパにより設定された２つの位置間を往復切り替えされる。ここでは、コストの理由からカムシャフト位置用のセンサ（１１５ないし１１５ａ）が省略される。この場合は、カムシャフトの位置をモデルにより推定しなければならない。図６ａは、調整装置１０８ａに出力された目標値ＷａｓｏｌｌをＷａｓｍｉｎからＷａｓｍａｘに切り替える際の排気カムシャフト位置の時間経過を示す。近似的には、実際値経過をシミュレートするのに、１次のローパスフィルタモデルで十分である。
図６ｂは所属のプログラムを示す。このプログラムは例えば、１０ｍｓごとに実行される。ステップ６０１で、２つの目標値のうちのどちらがカムシャフト調整装置１０８ａに出力されるかが検出される。下側目標値Ｗａｓｍｉｎがアクティブであればステップ６０２で、瞬時のカムシャフト位置Ｗａｓｎｅｕが先行するプログラム経過で検出された値Ｗａｓａｌｔから、１次のデジタルローパスフィルタを用いて計算される。
Ｗａｓｎｅｕ＝Ｗａｓａｌｔ＋（Ｗａｓｍｉｎ−Ｗａｓａｌｔ）
＊（ｄＴ／Ｔｎｗ）    （１８）
ここでｄＴは２つのプログラム経過間の時間、Ｔｎｗは図６ａの時間経過から求めることのできるカムシャフト変化の時定数である。これに対し、ステップ６０１で上側目標値Ｗａｓｍａｘがアクティブであることが検出されると、カムシャフト位置の計算がブロック６０３で行われる。この場合は上側目標値ＷａｓｍａｘがＷａｓｍｉｎの代わりに使用される。
ステップ６０４では、カムシャフト位置の瞬時値がメモリセルＷａｓａｌｔに後の計算ステップのためにファイルされる。
このようにして検出された排気カムシャフト位置Ｗａｓｎｅｕは次に、図３ｂのプログラムで、センサ１０８ａにより読み出された値の代わりに使用することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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