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技術 内燃機関のシリンダへ供給される燃料空気混合気の不均一分布の診断方法および燃料空気混合気の不均一分布の診断装置

出願人 コンチネンタルオートモーティヴゲゼルシャフトミットベシュレンクテルハフツング
発明者 レザアリアクバルザデー
出願日 2007年5月21日 (14年9ヶ月経過) 出願番号 2009-513639
公開日 2009年11月19日 (12年3ヶ月経過) 公開番号 2009-540181
状態 拒絶査定
技術分野 内燃機関に供給する空気・燃料の電気的制御 内燃機関の複合的制御
主要キーワード 監視量 上方超過 設定限界 機械的部材 開ループモード 自己制御型 適応値 車両整備工場
関連する未来課題
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この項目の情報は公開日時点(2009年11月19日)のものです。
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課題・解決手段

内燃機関(1)では、噴射弁製造誤差および経年劣化により燃料空気混合気が大きな影響を受け、不均一分布を発生するという問題がある。本発明ではこの問題を解決するため、内燃機関の動作モードに応じて各シリンダ(2)について個別に不均一分布を求める際に、各シリンダについてラムダ値が検出されるかまたは内燃機関の不安定動作の値が求められ、各シリンダについて個別に求められた値と内燃機関に対して設定された限界値とが比較され、求められた値が限界値を上回った場合に当該のシリンダのエラーエラーメモリ(9)へ入力される。

概要

背景

概要

内燃機関(1)では、噴射弁製造誤差および経年劣化により燃料空気混合気が大きな影響を受け、不均一分布を発生するという問題がある。本発明ではこの問題を解決するため、内燃機関の動作モードに応じて各シリンダ(2)について個別に不均一分布を求める際に、各シリンダについてラムダ値が検出されるかまたは内燃機関の不安定動作の値が求められ、各シリンダについて個別に求められた値と内燃機関に対して設定された限界値とが比較され、求められた値が限界値を上回った場合に当該のシリンダのエラーエラーメモリ(9)へ入力される。

目的

本発明の課題は、燃料空気混合気の不均一分布の診断方法および燃料空気混合気の不均一分布の診断装置において、排気ガス放出特性を改善することである

効果

実績

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請求項1

複数のシリンダ(2)を備えた内燃機関(1)において、スロットルバルブを介して空気を供給し、噴射弁を介して燃料を供給することにより、各シリンダへ燃料空気混合気を供給し、該燃料空気混合気の燃焼後に発生した排気ガスラムダ値を検出する、燃料空気混合気の不均一分布診断方法において、前記内燃機関(1)の動作モードに応じて各シリンダ(2)について個別に不均一分布を求める際に、各シリンダ(2)についてラムダ値を検出するかおよび/または前記内燃機関(1)の不安定動作の値を求め、各シリンダ(2)について個別に求められた値と前記内燃機関(1)に対して設定された限界値とを比較し、前記個別に求められた値が前記限界値を上回った場合に、当該のシリンダのエラーエラーメモリ(9)へ入力することを特徴とする燃料空気混合気の不均一分布の診断方法。

請求項2

均一給気モードで動作している内燃機関(1)においてラムダ値を求めて出力する、請求項1記載の方法。

請求項3

層状給気モードで動作している内燃機関(1)において内燃機関の不安定動作を分析して相応の値を出力する、請求項1記載の方法。

請求項4

前記不安定動作を、内燃機関(1)のクランクシャフト(4)のセグメント時間を測定することにより求める、請求項3記載の方法。

請求項5

前記個別に求められた値が前記限界値を上回った場合に、当該のシリンダに対して噴射される燃料量補正し、後続の噴射においても前記限界値を維持する、請求項1から4までのいずれか1項記載の方法。

請求項6

当該のシリンダの補正が反復され、改善が認められない場合には、光学エラー警報および/または音響エラー警報を出力する、請求項5記載の方法。

請求項7

当該のシリンダの補正を経ても改善が認められない場合には、当該のシリンダへの燃料供給最大値または最小値へ制限する、請求項5または6記載の方法。

請求項8

吸気路内に配置されたスロットルバルブと、制御可能な噴射弁と、排気滞留部(16)に取り付けられた排気ガスセンサ(3)と、内燃機関(1)の不安定動作の値を検出するセンサ(10)と、エラーメモリ(9)と、所定のプログラムにしたがって制御される計算ユニット(15)と有している、燃料空気混合気の不均一分布の診断装置において、計算ユニット(15)は、内燃機関の動作モードに応じて各シリンダ(2)について個別に不均一分布を求め、個別に求められた値が限界値を上回った場合に、当該のシリンダのエラーをエラーメモリ(9)へ入力するアルゴリズムを有していることを特徴とする燃料空気混合気の不均一分布の診断装置。

請求項9

均一給気モードで排気ガスのラムダ値を検出して出力する排気ガスセンサ(3)が設けられている、請求項8記載の装置。

請求項10

層状給気モードでクランクシャフトのセグメント時間を検出して相応の値を出力するクランクシャフト回転数センサ(10)が設けられている、請求項8記載の装置。

技術分野

0001

本発明は、請求項1および請求項8の上位概念に記載された、複数のシリンダを備えた内燃機関において、各シリンダへ燃料空気混合気を供給し、燃料空気混合気の不均一分布診断する、燃料空気混合気の不均一分布の診断方法および燃料空気混合気の不均一分布の診断装置に関する。

0002

これからの自動車排気ガスの放出限界値の低減については法規制がますます厳しくなることが予想される。ここで、4個またはそれ以上のシリンダを備えた内燃機関では、個々のシリンダで噴射燃料量ひいては形成される燃料空気混合比が異なることが既に知られている。その原因は、使用される噴射弁、特にピエゾアクチュエータによって駆動される噴射弁が種々の製造差を有しており、しかも経年劣化の作用を強く受けるためである。

0003

また、オットー機関において排気ガスの組成を求めるためにいわゆるラムダセンサを用いることも知られている。ラムダセンサは一般に機関近傍および触媒前方の排気管内に配置される。ラムダセンサにより排気ガス中の残留酸素成分が求められる。残留酸素成分のレベルに応じて調量された燃料がシリンダ内噴射されるか、または、排気ガスを燃焼室再循環させるための調整弁が制御される。このように、現在のところ、個々のシリンダの排気ガス値を設定することはできず、内燃機関全体にわたる排気ガス値の平均値を設定することしかできない。

0004

問題なのは、個々のシリンダから触媒までの距離が小さいために触媒が機関から大きく離れている場合よりも排気滞留部(Abgasbank)の容積が小さくなり、ひいては排気ガスの混合区間が小さくなることである。この場合、燃料空気混合気の供給時の不均一性が個々のシリンダに与える影響はきわめて大きくなってしまう。

0005

さらに、ラムダ制御回路によって求められた適応値に基づいて燃料システム診断FSDを行うことも知られている。当該の方法では例えば排気滞留部ごとの適応値が監視される。適応値が所定の時間にわたってあらかじめ定められた限界値を上回る場合、当該の排気滞留部についてエラーが記録される。しかし、当該のエラーメッセージによっても排気滞留部に燃料ないし空気のエラーが存在することしかわからない。求められた偏差の本来の原因を突き止めることはできないのである。例えば、インジェクタ欠陥によってエラーエントリトリガされた場合、インジェクタそのものが故障しているのかインジェクタがエラー源となっているのかは一義的には識別できない。

0006

米国では、市販される次世代の自動車に対して、燃料空気混合比の不均一分布をシリンダごとに個別に識別する手段を設けることを法が要求している。ただし、次世代の自動車に適用されうる混合比の均一化手段はいまだ知られていない。

0007

本発明の課題は、燃料空気混合気の不均一分布の診断方法および燃料空気混合気の不均一分布の診断装置において、排気ガス放出特性を改善することである。この課題は、本発明の請求項1に記載した特徴を有する方法および請求項8に記載した特徴を有する装置により解決される。

0008

本発明の請求項1記載の燃料空気混合気の不均一分布の診断方法および請求項8記載の燃料空気混合気の不均一分布の診断装置は、従来技術に比べて、燃料空気混合気の不均一分布がシリンダごとに個別に求められるという利点を有する。特に有利には、不均一分布は内燃機関のその時点での動作モードに基づいて求められる。ここでは第1の動作モードに応じて排気ガスのλ値が検出され、不均一分布の発生が判別される。

0009

これに代えて、第2の動作モードでは内燃機関の不安定動作が検出され、そこからシリンダごとに個別に相応の値が求められる。求められた値は設定された限界値と比較される。該当するシリンダに対して設定された限界値が上方超過されると、自動車のエラーメモリにエラーメッセージがエントリされ記憶される。特に有利には、エラーを有するシリンダが検出されるだけでなく、エラーメッセージがトリガされるにいたった固有の原因も検出される。このようにして、例えば排気ガス放出特性に対して設定された限界値が上方超過され、エラーが識別された場合、きわめて簡単に欠陥のある噴射弁を求めることができる。

0010

従属請求項から請求項1,8に記載された本発明の方法または装置の有利な実施形態が得られる。有利には、内燃機関の均一給気モードで排気ガスのλ値が求められる。当該のλ値により、該当するシリンダの噴射弁が設定された許容差の範囲内すなわちトレランス範囲内で動作しているか否かが検出される。

0011

有利な実施形態によれば、層状給気モードで動作している内燃機関において内燃機関の不安定動作が分析される。不安定動作を判別するために、内燃機関のクランクシャフトセグメント時間が測定される。このようにして、例えば、当該のシリンダに対する空気供給部が設定されたトレランス範囲内で動作しているか否かがきわめて簡単に検出される。

0012

分析の際に設定された限界値が上方超過されたことが検出された場合、本発明によれば、当該のシリンダに対して噴射すべき燃料量補正され、後続の噴射に際しては設定された限界値が維持される。このようにすればきわめて簡単に自己制御型閉ループ制御回路が実現される。

0013

本発明の別の実施形態によれば、当該のシリンダの補正が反復され、それでもなお改善が認められない場合には、光学エラー警報および/または音響エラー警報が出力される。このようにして、車両のドライバーは内燃機関でのその時点のエラーについての情報を受け取る。また、車両整備工場は実際のエラーについての確実な情報を受け取って有利にはその原因も推論することができる。これによりエラーが容易に除去される。

0014

また、本発明の別の実施形態によれば、当該のシリンダの補正が反復され、それでもなお改善が認められない場合には、当該のシリンダへの燃料供給最大値または最小値へ制限される。これにより、例えば排気ガス放出の劣化が阻止され、環境への不要な負荷が回避される。

0015

本発明の装置によれば、内燃機関の均一給気モードにおいて、車両内に配置された排気ガスセンサ(ラムダセンサ)によってシリンダごとに排気ガスが個別に分析され、放出特性値が相応に制御装置へ出力される。こんにちの自動車には排気ガスセンサが設けられているので、測定データは本発明の方法の実行に有利に利用される。

0016

本発明の有利な実施形態によれば、層状給気モードでセグメント時間を検出し、相応の値を出力する回転数センサが設けられている。この回転数センサは例えばクランクシャフトの回転数を検出するホールセンサである。

0017

本発明の実施例を図示し、以下に詳細に説明する。

0018

図1には均一給気モードで動作する内燃機関のブロック図が示されている。図2には層状給気モードで動作する内燃機関のブロック図が示されている。図3には本発明の方法のフローチャートの第1の部分が示されている。図4には本発明の方法のフローチャートの第2の部分が示されている。

0019

燃費および排気ガス放出特性を最適化するために、こんにち、噴射装置を備えた内燃機関では、2つの動作モードが適用される。燃料の直接噴射によって駆動されるオットー機関の"均一給気モード"では、燃料がシリンダの燃焼室へ噴射され、完全な混合が生じる。当該の駆動状態は特に高負荷が要求される場合に有利である。

0020

"層状給気モード"では、燃料は、燃料空気混合気の層が形成されるように燃焼室へ噴射される。この場合には燃料リッチな空気の層が点火電極の近傍に形成されるように噴射が行われる。この"層状給気モード"は特に負荷が小さいとき、すなわちアイドリングモードおよび慣性走行モードにおいて適用される。

0021

各インジェクタは部分的に大きな製造差を有しており、さらに機械的部材、特にピエゾアクチュエータの経年劣化によるばらつきも有するので、複数のシリンダを通して見ると、燃料空気混合比に部分的に大きな不均一分布が生じる。これを補償するためにその時点の動作モードに応じて異なる補償プロセスが適用される。例えば均一給気モードでCILC適応関数(Cylinder Individual Lambda Control)が適用される。当該の関数は排気ガスセンサすなわちラムダセンサの測定値基礎としている。

0022

これに対して、層状給気モードで動作する内燃機関では、CYBL_ER適応化関数(Cylinder Balancing via Engine Roughness)が使用される。当該の関数を用いて、内燃機関の不安定動作が検査される。偏差は学習され、補償され、制御装置に記憶される。大きな不均一分布があり、適切な関数による補償が行われないと、放出特性の劣化がいちじるしくなり、走行快適性損失感知されるようになる。

0023

したがって、本発明によれば、設定された限界値が上方超過されると、噴射すべき燃料量が補正され、後続の噴射では設定された限界値が維持される。そうでない場合には、光学的および/または音響的にエラーが報告される。補正を複数回試行しても改善が認められない場合、該当するシリンダへの燃料供給が最大値または最小値へ制限される。

0024

図1には、燃料空気混合気のシリンダごとの不均一分布を診断できる本発明の装置のブロック回路図が示されている。図1には概略的に内燃機関1および4個のシリンダ2が示されている。内燃機関1では燃料が直接噴射される。シリンダの個数は本発明にとって重要ではない。シリンダの個数は内燃機関1の構造に応じて任意に定めることができる。

0025

図1の実施例では、有利には、ガソリンによって駆動されるオットー機関が用いられる。内燃機関1には噴射装置が設けられており、シリンダごとに個別のインジェクタ(噴射弁)が設けられている。これにより噴射すべき燃料量がシリンダ1に対応するインジェクタの駆動により調量される。燃料空気混合気を形成するための空気供給は図1には示されていない吸気管を介して行われ、負荷要求に応じてスロットルバルブにより制御される。

0026

内燃機関1の個々のシリンダ2は排気側で排気滞留部16に接続されており、シリンダ2の排出弁開放されると燃焼した燃料空気混合気が排気ガスとして排出される。当該の実施例によれば、4個のシリンダ2が排気滞留部16に通じている。排気滞留部16にはさらに触媒コンバータ5が配置されており、排気滞留部16は触媒コンバータ5を介して図1に矢印で示されているように後続の排気管6へ通じている。触媒コンバータ5は有利には機関の近傍に配置される。

0027

図1から見て取れるように、排気滞留部16内では触媒コンバータ5の前方に排気ガスセンサ3が配置されている。排気ガスセンサ3はシリンダ2から排出された排気ガス流を検出するように構成されている。ここで排気ガスセンサ3は排気ガス中に存在する残留酸素成分を測定し、相応のラムダ値プログラミング制御された計算ユニット15へ送出する。

0028

プログラミング制御された計算ユニット15は、少なくとも、選択されたシリンダのラムダ偏差を検出する検出装置7,個々のシリンダのラムダ偏差を診断する診断装置8およびエラーメモリ9を有する。

0029

図1には、内燃機関1が均一給気モードで動作しているとき、シリンダ2ごとに選択的にその時点のラムダ偏差を診断する本発明の方法が示されている。

0030

既に知られているように、排気ガスセンサ3によって求められたラムダ値は個々のシリンダから排気滞留部16へ排出された排気ガスのラムダ値に当たる。当該の排気ガス流についてラムダ値の平均値が求められ、通常、粗いラムダ制御によって燃料噴射が調整される。

0031

本発明では、ラムダ値の平均値の形成および粗いラムダ制御は行われない。本発明では、シリンダごとに選択的に、または個々のシリンダについて、設定された限界値に対するラムダ値の偏差が求められる。シリンダごとの偏差は設定された限界値と比較される。設定された限界値が上方超過されると、当該のシリンダのインジェクタの欠陥がエラーの原因として識別される。

0032

選択されたシリンダのラムダ値を求める際に、各シリンダが平均値に対してそれ自体は既知の個別の偏差を有していることを基礎とする。所定のアルゴリズムまたはモデルを用いて、それぞれのシリンダについて、平均値からのラムダ値の偏差が計算される。ここで2つの適応化プロセスが区別される。開ループプロセスでは予め求められたラムダ値の偏差が診断装置8において分析され、設定された限界値と比較される。限界値が上方超過されると、シリンダごとに個別にエラーがエラーメモリ9へエントリされる。

0033

閉ループプロセスでは予め求められたラムダ値の偏差が診断装置8において補償される。得られた適応値は分析され、相応の適応限界値と比較される。適応限界値が上方超過されると、シリンダごとに個別にエラーがエラーメモリ9へエントリされる。ただし設定された適応限界値はその時点の内燃機関の動作点に応じて変化する。もっとも、充填物の差は特性マップ全体にわたってほぼ1オーダー内におさまり、その影響は多くの場合無視できる程度のものである。

0034

実際には、ラムダ値の測定の際および偏差または適応値を求める際には信号雑音などの障害影響が発生する。したがって、信号を時間的に分離し、求められた値が所定の時間、例えば約30sが経過した後にもまだエラーを有するかどうかを検査する。ふたたびエラーが確認されてはじめてエラーメモリ9へのエントリが行われる。

0035

複数のピエゾインジェクタについての製造条件に起因するばらつきはメーカによって示される。製造条件に起因するばらつきは限界値の設定の際に考慮され、設定された限界値または相応の適応限界値が上方超過されると、エラーのエントリが行われる。

0036

図2には内燃機関1が層状給気モードで動作している場合の本発明の実施例が示されている。このケースでは排気ガスセンサで測定した排気ガス量は用いられず、ホールセンサの形態の回転数センサ10が用いられる。回転数センサ10は内燃機関1のクランクシャフトに取り付けられてこのクランクシャフトによって駆動されるはずみ車4の近傍に配置されている。はずみ車4の周には複数の歯車4aが配置されており、これらの歯車の回転数が回転数センサ10によって走査される。つまり、回転数センサ10は2つの隣接する歯車のあいだで回転するはずみ車4のセグメント時間を測定する。セグメント時間は回転するはずみ車4の速度にともなって変化するからである。

0037

内燃機関1の或るシリンダへ供給される燃料空気混合気に不均一分布が発生すると、セグメント時間にずれが生じる。その結果、内燃機関1の不安定動作が発生し、震動揺動が感知されるようになる。こうした不安定動作は、内燃機関が層状給気モードで動作している場合、回転数センサ10によってきわめて簡単に検出することができる。

0038

回転数センサ10によって求められたセグメント時間は、図1に則して説明したように、計算ユニット15の装置11へ伝送される。装置11はセグメント時間に基づいて個々のシリンダに起因する不安定動作を選択的に計算する。ここでは2つの隣接する歯車のあいだのセグメント時間4が測定され、後続のセグメント時間と比較される。個々のセグメント時間がクランクシャフト位置に応じて設定値を取るかまたは設定限界範囲を外れない場合、機関は正常に動作しており、不安定動作は発生していないことになる。これに対して、セグメント時間に差がある場合、相応の不安定動作が発生していることになる。セグメント時間は個々のシリンダ内の燃料空気混合気の点火によって影響され、各シリンダは設定されたスキーマにしたがって順次に点火されるので、簡単な比較によって欠陥のあるシリンダを検出することができる。

0039

例えば1個のセグメント時間が経過するたびに信号が走査され、内燃機関全体にわたる平均値が形成される。当該のシリンダの値は平均値と比較され、平均値に対する差が検出される。障害影響や信号雑音などは消去され、正確な信号が得られる。こうした診断は診断装置8で行われる。測定は反復され、不安定動作が設定された限界値を上回ることが複数回確認されてはじめて、当該のシリンダのエラーがエラーメモリ9へエントリされる。

0040

不安定動作は開ループモードまたは閉ループモードで求められる。この場合、不安定動作に対して適応のための適応化関数が形成される。その他のプロセスは図1に則して説明した実施例と同様に進行する。

0041

図3図4には本発明の実施例のフローチャートが示されている。図3では内燃機関は均一給気モードで動作している。プログラムはステップ20で開始され、ステップ21で均一給気モードが存在しているかどうかが検査される。存在していない場合にはステップ22で層状給気モードが存在しているとみなされる。この場合の経過は図4に則して詳細に説明する。

0042

対してステップ21で均一給気モードが検出された場合、ステップ23で閉ループ制御においてラムダベースのCILC制御(Cylinder Individual Lambda Control)が行われているか否か、または、適応化関数による適応化を行うべきか否かが問い合わされる。ラムダベースのCILC制御が行われている場合、ステップ24でCILC適応値が設定された限界値と比較される。個々のシリンダで設定された限界値が上方超過されると、ステップ25で当該のシリンダに対して相応のエラーエントリが行われる。

0043

ステップ23で閉ループ制御が検出されず、開ループ制御が検出された場合、プログラムはステップ26へジャンプし、CILC監視量または排気ガスセンサによって測定されるラムダ値が設定された限界値を上方超過するか否かが検査される。限界値が上方超過された場合には、ステップ27で当該のシリンダに対して相応のエラーエントリが行われる。上方超過されなかった場合にはプログラムはステップ20へ戻り、新たにプログラムが開始される。

0044

図4には本発明のフローチャートの第2の部分が示されている。ここでは内燃機関は層状給気モードで動作している。図3に相応に、ステップ22で層状給気モードであることが確認された場合、プログラムは図4のステップ30から開始され、ステップ31で不安定動作に基づいてCYBL_ER制御(Cylinder Balancing via Engine Roughness)が適用されるか否か、または、閉ループ制御において適応化関数が適用されるか否かが検査される。関数が適用されている場合には、ステップ33でCYBL_ER適応値が設定された限界値を上回るか否かが問い合わされる。限界値が上方超過される場合には、ステップ34で当該のシリンダにつき相応のエラーエントリが行われる。

0045

これに対して、ステップ31で関数が適用されていなかった場合には、プログラムはステップ32へジャンプし、CYBL_ER測定量すなわちセグメント時間が設定されたトレランス限界値を上回るか否かがが検査される。限界値が上方超過される場合には、ステップ35で当該のシリンダにつき相応のエラーエントリが行われる。

0046

本発明の別の実施例では、シリンダごとにメモリにエラーを入力するだけでなく、駆動モード(均一給気モード,層状給気モード)、制御モード(開ループ制御,閉ループ制御,CILC制御,CYBL_ER制御)ならびにこれに対応する測定値または適応値も記憶させることができる。これにより例えば修理工場においてきわめて容易に真のエラー原因およびエラー位置を突き止めることができる。

図面の簡単な説明

0047

均一給気モードで動作する内燃機関のブロック図である。
層状給気モードで動作する内燃機関のブロック図である。
本発明の方法の第1のフローチャートである。
本発明の方法の第2のフローチャートである。

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