JP2001500216A - 内燃機関例えば自動車の内燃機関の作動システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、内燃機関例えば自動車の内燃機関に関する。この内燃機関には燃料を第１の作動モードで吸入フェーズ中に噴射するか、または第２の作動モードで圧縮フェーズ中に直接に燃焼室内へ噴射する噴射弁が設けられている。さらに燃焼室内へ噴射すべき燃料量を２つの作動モードで相互に異なって制御および／または閉ループ制御する制御装置が設けられている。この制御装置により、第１の作動モードでは要求されるトルク（milsoll）から必要な空気量（rlsollhom）ひいては噴射すべき燃料量（rksoll）を求め、第２の作動モードでは噴射すべき燃料量（rksoll）を直接に要求されるトルク（milsoll）から求める。

Description

【発明の詳細な説明】 内燃機関例えば自動車の内燃機関の作動システム 本発明は内燃機関特に自動車の内燃機関の作動方法に関する。この方法では燃 料は吸入フェーズ中に第１の作動モードで、または圧縮フェーズ中に第２の作動 モードで直接に燃焼室へ噴射される。さらにこの方法では燃焼室内へ噴射すべき 燃料量を２つの作動モードで異なって制御および／または閉ループ制御される。 さらに本発明は、吸入フェーズ中に第１の作動モードで、または圧縮フェーズ中 に第２の作動モードで燃料を直接に燃焼室へ噴射する噴射弁と、燃焼室内へ噴射 すべき燃料量を２つの作動モードで異なって制御および／または閉ループ制御す るための制御装置とを有する内燃機関例えば自動車の内燃機関に関する。 燃料を内燃機関の燃焼室へ直接に噴射するこの種の装置は周知である。この場 合第１の作動モードとしていわゆる均一動作（ホモジーニアス動作）と、第２の 作動モードとしていわゆる層状給気動作（ストレイティファイドチャージ動作） とが区別されている。層状給気動作は特に小さな負荷で利用され、一方均一動作 は内燃機関に加わる比較的大きな負荷で利用される。層状給気動作では燃料は内 燃機関の圧縮フェーズ中燃焼室内すなわちスパークプラグの直接周囲へ噴射され る。このため燃料が燃焼室内で均一に分配されないうちに、この燃料がスパーク プラグによってただちに点火されてしまう。層状給気動作の利点はきわめて少な い燃料量で内燃機関から加わっている小さな負荷で運転することができることで ある。ただし大きな負荷では層状給気動作によっては運転を満足に行うことはで きない。このような比較的大きな負荷に対して均一動作では燃料は内燃機関の吸 入フェーズ中に噴射され、燃料は燃焼室内で渦流となり直ちに分配される。この 点では均一動作は、燃焼室へ接続されている吸気管へ燃料が噴射される従来の形 式の内燃機関の作動モードに相応している。 ２つの作動モードすなわち層状給気動作および均一動作では噴射すべき燃料量 は複数の入力量に依存して燃料節約、排気ガスの低減その他の点で最適な値へ制 御および／または閉ループ制御される。この場合制御および／または閉ループ制 御は２つの作動モードで相互に異なっている。 本発明の課題は冒頭に述べた形式の内燃機関の作動方法または内燃機関を提供 して、２つの作動モードでの制御および／または閉ループ制御を改善することで ある。 この課題は本発明による冒頭に述べた形式の内燃機関の作動方法または内燃機 関を次のように構成して解決される。すなわち第１の作動モードでは要求される トルクから必要な空気量を求めてその値から噴射すべき燃料量を求め、第２の作 動モードでは噴射すべき燃料量を直接に要求されるトルクから求めることにより 解決される。 したがって噴射すべき燃料量の制御および／または閉ループ制御は均一動作で は空気量に関係している。まず必要な空気量を求め、そこから噴射すべき燃料量 を求めるのである。この点では均一動作での制御および／または閉ループ制御は 、従来のように燃焼室に通じる吸気管内へ燃料を噴射する周知の内燃機関の制御 および／または閉ループ制御にほぼ相応する。これにより既知の内燃機関で使用 されている調整手段および／または制御手段が本発明での均一動作のための方法 または内燃機関に少なくとも部分的に適用できるという大きな利点が得られる。 これにより、この制御手段および／または閉ループ制御手段を実施する制御装置 のための現行のプログラムおよび特に現行のノウハウが既知の内燃機関に使用可 能となり、新たに作成する必要はなくなる。 層状給気動作では噴射すべき燃料量は直接に要求されるトルクに依存して求め られる。これにより簡単かつ迅速に、しかもきわめて効率的に燃料量を求めるこ とができる。この手段は、層状給気動作では内燃機関によって発生されるトルク が実質的に噴射された燃料量に依存するという認識に基づいている。一方必要な 空気量および／または燃焼室内に設けられているスパークプラグの必要な点火角 は、発生されたトルクについて所定の境界条件が満たされる範囲では２次的な意 義しか有していない。 本発明により、噴射すべき燃料量を要求されるトルクから直接に求めることは 、前述したようにきわめて迅速に実施できる。これは、例えば均一動作の場合と は異なって余剰トルクその他を予め形成する必要がなく、燃料量を噴射の直前に 正確に計算することができるからである。このことは更なる燃料節約や内燃機関 の動作の円滑性の更なる改善につながる。 全体では内燃機関を作動する本発明のシステムでは、一方では２つの作動モー ドで均一動作および層状給気動作が簡単かつ確実に行われ、他方では例えば自動 車のドライバーから要求されるトルクが迅速かつ正確に、また例えば最小の燃料 および生成される最小の排気ガスで達成されることが保証される。 本発明の有利な実施形態では第２の作動モードで必要な空気量が内燃機関の動 作パラメータに依存して求められる。このようにして必要な空気量に対する前述 の境界条件が満たされる。これにより空気量が内燃機関で発生されたトルクには あまり関係せず、したがってこの空気量は制御および／または閉ループ制御され ない層状給気動作においても、必要なきわめて多量の空気が燃焼室に供給される 。この空気は内燃機関の動 作パラメータにより重要な意義を有しており、また必要なものである。 本発明の有利な別の実施形態では、必要な空気量が排気ガスの戻し供給部およ び／またはタンク排気部および／またはブレーキ倍力装置および／またはノイズ 発生部／またはその他に依存して求められる。 排気ガスの戻し供給に関して、供給される空気量の影響により圧力状態自体に よって排気ガスの戻し供給が行われるようになる。例えばきわめて多量の空気が 供給されると、燃焼室前方での流れ方向での圧力が燃焼室後方での圧力よりも小 さくなり、排気ガスは燃焼室へ吸入され、戻し供給が行われる。 タンク排気に関してもほぼ同様のことがあてはまる。供給される空気量の影響 により、燃料タンク内の圧力状態は気化燃料が燃焼室へ吸入され燃料タンクが排 気されるような値となっている。 ブレーキ倍力装置に関しては供給される空気量の選定により、あらゆる条件に おいて、吸気管から負圧によって作動されるブレーキ倍力装置にブレーキングの ための充分な圧力が供給される。したがって常にきわめて多量の空気が吸気管を 介して燃焼室へ供給され、ブレーキ倍力装置の必要な負圧が保証されるのである 。 内燃機関のノイズ発生に関しては、ノイズ発生は特に層状給気動作中供給され る空気量に依存しているこ とが判っている。したがって供給される空気はノイズの発生ができるだけ僅かと なるように作用される。 本発明の別の有利な実施形態では、排気ガスの戻し供給部および／またはタン ク排気部および／またはブレーキ倍力装置および／またはノイズ発生部のために 、それぞれ最大許容圧力状態が定められる。必要な空気量は最大許容圧力状態の うち最小の圧力状態に基づいて計算される。 前述の全ての機能部において、それぞれの最大許容圧力により各機能が確実に 実施できることが保証される。これは排気ガスの戻し供給部またはタンク排気部 では、それぞれ対応する最大許容圧力でいずれの場合でも排気ガスまたは気化し た燃料が燃焼室へ吸入されることを意味する。ブレーキ倍力装置では対応する最 大許容圧力でブレーキ倍力装置がいずれの場合にも確実に動作することを意味す る。さらにノイズ発生部は対応する最大許容圧力においては障害と認められない ことを意味する。 これらの最大許容圧力から最小の圧力が選択される。すなわち最小値選択が行 われる。この最小圧力のもとでは前述の全ての機能がいずれの場合でも同時に充 分機能することが保証される。 特に有利には、最大許容圧力状態のうち最小の圧力状態が周囲の実際の圧力に 結合される。内燃機関の吸気管内の最大許容圧力状態のうち最小の圧力状態はこ れにより必要な空気量に換算される。このために均一動作と層状給気動作との間 の簡単な切換により、この空気量がスロットルバルブの調整または制御に利用可 能となる。 さらに有利には、ブレーキ倍力装置および／またはノイズ発生部に対する最大 許容圧力状態が特に内燃機関の回転数に依存する特性マップにより求められる。 この特性マップでは一方ではブレーキ倍力装置に必要な負圧を、また他方では内 燃機関の回転数に依存するノイズ発生を特に簡単に考慮される。 本発明の有利な別の実施形態では、燃料を燃焼室へ噴射する噴射弁の噴射開始 および／または噴射終了が、燃焼室内の燃料を点火するスパークプラグの点火角 と調整される。この場合に噴射開始から点火角を導出してもよいし、点火角から 噴射開始を導出してもよい。重要なのは、層状給気動作では内燃機関の２つの動 作パラメータが本発明により対として考慮され、場合により対で変更されること である。 特に重要なのは、本発明の方法が特に自動車の内燃機関の制御装置のために設 けられている電気的な記憶媒体の形式で実現できることである。この場合電気的 な記憶媒体にプログラムが記憶されている。このプログラムは計算機で、例えば マイクロプロセッサで、動作し、本発明の方法を実行するのに適している。この 場合に本発明は電気的な記憶媒体に記憶されているプ ログラムにより実現されるので、このプログラムを有する記憶媒体は、本発明を 実施するのにプログラムが適する方法と同様に本発明に含まれる。 本発明のその他の特徴、適用方法および利点は、以下の本発明の図示されてい る実施例の説明から得られる。ここで全ての前述の特徴または図示の特徴は、そ れ自体でまたは任意の組合せは本発明の範囲に含まれる。これは請求項または従 属請求項の形での要約、および明細書の説明または図示の形式の形態には依存し ない。 図１には、自動車の内燃機関を作動する本発明の装置の実施例が概略的なブロ ック回路図で示されている。 図２には、図１の装置の動作パラメータの制御および／または閉ループ制御が 概略的なブロック回路図で示されている。 図３には、図２の制御および／または閉ループ制御の別の形態が概略的なブロ ック回路図で示されている。 図１には内燃機関１が示されており、この内燃機関ではピストン２がシリンダ ３内で上下に往復運動可能である。シリンダ３には燃焼室４が設けられており、 この燃焼室にバルブ５を介して吸気管６および排気管７が接続されている。さら に燃焼室４に噴射弁８およびスパークプラグ９が設けられている。排気管７は排 気ガス戻し管１０および制御可能な排気ガス戻し弁１１を介して吸気管６に接続 されている。また排気管７には触媒１２が接続されており、この触媒の前方にラ ムダセンサ１３が配設されている。吸気管６には制御可能なタンク排気弁１４を 備えたタンク排気管１５が接続されており、このタンク排気管は燃料タンク１６ から燃料ガスが供給される活性炭フィルタ１７に接続されている。さらに吸気管 ６内にスロットルバルブ１８および圧力センサ１９が収容されている。 第１の作動モードすなわち内燃機関１の均一動作では、燃料が噴射弁８からピ ストン２によって生じる吸入フェーズ中に燃焼室４へ噴射される。同時に吸入さ れる空気により噴射された燃料は渦流となり、燃焼室４内で実質的に均一に分配 される。その後燃料と空気の混合物は圧縮フェーズ中に圧縮され、スパークプラ グ９により点火される。点火された燃料の膨張によりピストン２が駆動される。 第２の作動モードすなわち内燃機関１の層状給気動作では、燃料が噴射弁８か らピストン２によって生じる圧縮フェーズ中に燃焼室４へ噴射される。この噴射 は位置的にはスパークプラグ９の直接周囲へ、また時間的にはピストン２の上死 点直前に行われる。スパークプラグ９により燃料が点火され、ピストン２は続く 動作フェーズで点火された燃料の膨張により駆動される。 層状給気動作および均一動作において噴射弁８により燃焼室４へ噴射される燃 料は制御装置２０により特に燃料消費の低減および／または排気ガス発生の低減 のため制御および／または閉ループ制御される。このために制御装置２０にマイ クロプロセッサが設けられており、このマイクロプロセッサは記憶媒体例えばＲ ＯＭ内に前述の制御および／または閉ループ制御を行うのに適したプログラムを 記憶している。制御装置２０にはセンサにより測定された内燃機関の動作パラメ ータを表す入力信号が印加される。例えば制御装置２０はラムダセンサ１３およ び／または圧力センサ１９に接続されている。制御装置２０は出力信号を形成し 、この出力信号により内燃機関の特性に所望の制御および／または閉ループ制御 に相応に、作動要素を介して作用を加えることができる。例えば制御装置２０は 噴射弁８、スパークプラグ９、排気ガス戻し弁１１、タンク排気弁１４および／ またはスロットルバルブ１８に接続されている。 図２、図３には、内燃機関１の層状給気動作および均一動作を制御装置２０に よって調整する方法が示されている。実線で示されているのは均一動作および層 状給気動作の２つの作動モードに共通するステップであり、点線で示されている のは均一動作に該当し、破線で示されているのは層状給気動作に該当する。 トルク要求部２１はアクセルペダルの位置すなわち ドライバーの要求、場合により自動車の別の要求から長期的に要求されるトルク milsollと短期的に要求されるトルクmiksollとを形成する。 均一動作では長期的に要求されるトルクmilsollと信号etabasとからブロック ２２において、要求されるトルクを発生するのに必要な空気量が計算される。信 号etabasにより内燃機関１の効率、例えば所定の点火角または所定のラムダ値で の効率が考慮される。 ブロック２２で形成された信号rlsollhomはスイッチ２３を介して制御回路に 送出される。この制御回路によりスロットルバルブ１８の位置が制御される。均 一動作での信号rlsollhomに対応する信号rlsollは必要な空気量の目標値であり 、この目標値はスロットルバルブ制御回路２４に供給される。スロットルバルブ 制御回路にはさらに必要な空気量の実際値としての信号rlが供給される。スロッ トルバルブ１８の調整すべき角度を表す信号wdkがスロットルバルブ１８には印 加される。 いわゆる電子アクセルペダル２５および後続の充填検出部２６を介して、一方 では前述の必要な空気量の実際値信号rlが求められ、他方では例えば吸気管６内 の圧力に対応する信号psが求められる。この信号psはこの場合圧力センサ１９を 用いて、または内燃機関１の他の動作パラメータを用いて計算される。 スロットルバルブ位置の信号wdk、吸気管６内の圧 力の信号ps、必要な空気量の実際値rl、および場合により内燃機関１の他の動作 パラメータから、ブロック２７でシリンダ充填のための空気量の予測が行われる 。これは燃焼の点火時点でシリンダ３に存在する空気量が予め計算されることを 意味する。 求められた空気量に基づいて、ブロック２８で所定のラムダ目標値λ_sollに相 応する燃料量が計算される。続くラムダ制御部２９により燃料量を制御して、ラ ムダセンサ１３によって測定されたラムダ実際値λがラムダ目標値λ_sollに対応 するように制御する。その結果、噴射すべき燃料量に相応する信号rksollがスイ ッチ３０を介して送出される。この信号に基づいて噴射弁８が作動される。 さらに均一動作では点火角補正回路３１が短期的に要求されるトルクmiksoll と、点火角特性マップ３２からの信号とを受け取る。これらの信号から点火角ZW sollが計算され、スイッチ３３を介して送出される。ここで信号ZWsollによりス パークプラグ９が作動される。 この場合長期的に要求されるトルクと短期的に要求されるトルクとの間の差を 点火角補正回路３１により補償するために、噴射すべき燃料量rksollから定めら れる余剰トルクが点火角ZWsollの相応の調整によりさらに低減される。 層状給気動作ではスイッチ２３、３０、３３がそれ ぞれ他方の位置を取る。この場合にはスイッチ３０、３３は同期して制御され、 スイッチ２３は前もって切り換えられる。 これにより、噴射すべき燃料量rksollはブロック３４で短期的に要求されるト ルクmiksollに依存して計算される。この計算は本来の噴射の直前に行うことが できる。このためこの計算は、全トルクを表す短期的に要求されるトルクmiksol lに基づく。したがって層状給気動作では、余剰トルクを発生させて長期的に要 求されるトルクと短期的に要求されるトルクとの間の差を補償する必要がない。 さらに層状給気動作では必要な空気量を内燃機関１の動作パラメータから計算 するブロック３５が設けられている。このブロック３５は以下に詳細に説明され る入力信号pssollschを受け取り、出力信号rlsollschを形成する。この出力信号 はスイッチ２３を介して信号rlsollとしてスロットルバルブ１８に対する制御回 路に印加され、さらにスロットルバルブ１８の位置についての信号wdkを定める 。 スイッチ３０が切り換えられることにより特にラムダ制御部２９は層状給気動 作では作用しない。 層状給気動作のための点火角特性マップ３６を用いて、スパークプラグ９を制 御する点火角Zwsollが計算される。点火角Zwsollと、噴射すべき燃料rksollの噴 射開始または噴射終了とは相互に依存している。２つ の動作パラメータはこの場合対で作用する。このため点火角と噴射との調整が行 われる。 信号pssollschによりスロットルバルブ１８は層状給気動作で所定の位置へ調 整される。この位置で所定の空気量rlsollschまたはrlsollが内燃機関１の燃焼 室４に供給される。信号pssollschの形成は図２に示されている。 排気ガス戻し弁１１が開放されている際に排気ガスを排気管７から吸気管６へ 戻し供給するために、吸気管６内の圧力は排気管７内の圧力よりも小さくなくて はならない。このことは吸気管６に対する最大許容圧力状態pspuagrsが予め定め られることにより達成され、確実に行われる。 タンク排気弁１４が開放される際に気化された燃料を活性炭フィルタ１７から 吸気管６へ排気するために、吸気管６の圧力は活性炭フィルタ１７の圧力よりも 小さくなくてはならない。このことは吸気管６に対する最大許容圧力状態pspute sが予め定められることにより達成され、確実に行われる。 ブレーキ倍力装置は図示しない形態で吸気管６に接続されており、この吸気管 からその機能に必要な負圧を受ける。ブレーキ倍力装置がどんな場合でも機能で きるようにするためには、所定の負圧がつねに吸気管６に存在しなくてはならな い。このことは吸気管６に対する最大許容圧力が予め与えられることにより達成 され、常に確保される。 内燃機関１が可能な限り低いノイズ発生を有するようにするために、内燃機関 が供給される空気量ひいては吸気管６内の圧力を用いて制御されるように構成さ れている。 ブレーキ倍力装置およびノイズ発生部に関して最後に挙げた２つの制御は、内 燃機関１の回転数nmotおよび要求されるトルクmiksollが供給される特性マップ ３７を用いて実施される。特性マップ３７はこれらの量から、ブレーキ倍力装置 およびノイズ発生部の要求を考慮した出力信号pspubgsを形成する。 信号pspuagrs、psputes、pspubgsは最小値選択部３８に供給される。この最小 値選択部は複数の最大許容圧力状態から最小の圧力状態を選択する。これにより 前述の機能部すなわち排気ガス戻し供給部、タンク排気部、ブレーキ倍力装置お よびノイズ発生部がどんな場合でもせいぜい許容される圧力を供給できるだけに なり、これにより完全に機能する。 選択された最小の圧力は信号pspusとして結合部３９へ送出される。この結合 部で信号pspusは周囲の圧力またはスロットルバルブ前方の圧力pu＿wに結合され る。この結合部３９により信号pssollschが形成され、この信号が必要な空気量r lsollschまたはrlsollの計算のための図２のブロック３５に供給される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 クラウス シェーアバッハー ドイツ連邦共和国 Ｄ―71701 シュヴィ ーバーディンゲン ヘーレンヴィーゼンヴ ェーク ６

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 第１の作動モードで吸入フェーズ中に、または第２の作動モードで圧縮フ ェーズ中に燃料を直接に燃焼室（４）内へ噴射し、 燃焼室（４）内へ噴射すべき燃料量（rksoll）を２つの作動モードで相互に 異なるように制御および／または閉ループ制御する、 内燃機関（１）、例えば自動車の内燃機関の作動方法において、 第１の作動モードでは要求されるトルク（milsoll）から必要な空気量（rls ollhom）を求め、該空気量から噴射すべき燃料量（rksoll）を求め、 第２の作動モードでは噴射すべき燃料量（rksoll）を直接に要求されるトル ク（milsoll）から求める、 ことを特徴とする内燃機関の作動方法。 ２． 第２の作動モードでは必要な空気量（rlsollsch）を内燃機関（１）の動 作パラメータに依存して求める、請求項１記載の方法。 ３． 必要な空気量（rlsollsch）を排気ガス戻し供給部および／またはタンク 排気部および／またはブレーキ倍力装置および／またはノイズ発生部および／ま たはその他に依存して求める、請求項２記載の方法。 ４． 排気ガス戻し供給部および／またはタンク排気部および／またはブレーキ 倍力装置および／またはノイズ発生部に対してそれぞれ最大許容圧力状態（pspu agrs、psputes、pspubgs、を予め与え、該最大許容圧力状態（pspuagrs、pspute s、pspubgs）のうち最小の圧力状態（pspus）を基礎として必要な空気量（rlsol lsch）を求める、請求項３記載の方法。 ５． 最大許容圧力状態（pspuagrs、psputes、pspubgs）のうち最小の圧力状態 （pspus）を周囲の実際の圧力（pu＿w）と結合させる、請求項４記載の方法。 ６． ブレーキ倍力装置および／またはノイズ発生部に対する最大許容圧力状態 （pspubgs）を、例えば内燃機関（１）の回転数（nmot）に依存する特性マップ （３７）により求める、請求項４または５記載の方法。 ７． 必要な空気量（rlsollsch）をスロットルバルブ（１８）を用いて調整す る、請求項２から６までのいずれか１項記載の方法。 ８． 燃料を燃焼室（４）内へ噴射する噴射弁（８）の噴射開始および／または 噴射終了が、燃焼室（４）内の燃料を点火するスパークプラグ（９）の点火角と 調整される、請求項２から７までのいずれか１項記載の方法。 ９． 実際に供給される空気量（rl）を必要な空気量（rlsoll）へ制御する、請 求項１から８までのいずれか１項記載の方法。 １０． 第１の作動モードでラムダ制御（２９）が行われる、請求項１から９ま でのいずれか１項記載の方法。 １１． 電気的メモリ、例えばＲＯＭが、内燃機関（１）、例えば自動車の内燃 機関の制御装置（２０）に用いられ、 計算機で、例えばマイクロプロセッサで実行され、請求項１から１０までの いずれか１項記載の方法を実施するのに適したプログラムが記憶されている、 ことを特徴とする電気的記憶媒体。 １２． 燃料を第１の作動モードで吸入フェーズ中に噴射するか、または第２の 作動モードで圧縮フェーズ中に直接に燃焼室（４）内へ噴射する噴射弁（８）と 、 燃焼室（４）内へ噴射すべき燃料量（rksoll）を２つの作動モードで相互に 異なるように制御および／または閉ループ制御する制御装置（２０）とを有する 、 内燃機関（１）、例えば自動車の内燃機関において、 前記制御装置（２０）が、 第１の作動モードでは要求されるトルク（milsoll）から必要な空気量（rls ollhom）を求め、該空気量から噴射すべき燃料量（rksoll）を求め、 第２の作動モードでは噴射すべき燃料量（rksoll）を直接に要求されるトル ク（milsoll）から求めるように構成されている、 ことを特徴とする内燃機関。 １３． 燃焼室（４）に通じる吸気管（６）に圧力センサ（１９）およびスロッ トルバルブ（１８）が設けられている、請求項１２記載の内燃機関（１）。 １４． 燃焼室（４）にスパークプラグ（９）が設けられている、請求項１２ま たは１３記載の内燃機関（１）。