JP2004518070A - 内燃機関の駆動方法、コンピュータプログラムおよび開ループ制御装置および／または閉ループ制御装置並びに内燃機関 - Google Patents

Abstract

殊に自動車の内燃機関（１０）は、１つの仕事サイクル毎に少なくとも１回の噴射（３６）によって燃料が内燃機関（１０）の燃焼室（１２）に直接噴射される方法によって駆動される。燃料消費を低下させて、内燃機関（１０）の排出特性を改善するために、燃料噴射（３６）が時間的に相互に間隔（３４）を有する複数の短い噴射パルス（３２）を有することを提案する。

Description

【０００１】
従来技術
本発明は、燃料が１つの仕事サイクル毎に少なくとも１回の噴射によって直接的に内燃機関の燃焼室に噴射される、特に自動車の内燃機関の駆動方法に関する。
【０００２】
この種の方法は市場から公知であり、例えばガソリン直接噴射（ＢＤＥ）とも称される。このような方法では燃料は非常に高い圧力で、燃焼室に直接的に配置された噴射弁を介して内燃機関の燃焼室内に噴射される。この場合、内燃機関は周期的に作動する。すなわち４ストローク内燃機関では１つの仕事サイクルは例えば４つの仕事ストロークを有する。
【０００３】
しかし公知の方法では、噴射される全ての燃料が常には最適に燃焼されないことが確認されている。これによって内燃機関の多くの駆動状態においてまだ最適には経済的でない燃料使用につながってしまう。さらに噴射された燃料の不完全燃焼は、ＨＣ排出または煤煙排出につながってしまう。このような問題は、内燃機関が冷たい状態においてより深刻になることが確認されている。
【０００４】
それ故に本発明の課題は、燃料使用がさらに最適化されて、同時に排出が低減されるように、冒頭に記載した形式の方法を改善することである。
【０００５】
前述の課題は、冒頭に記載した形式の方法において、１回の燃料噴射が時間的に相互に間隔の空いた複数の短い噴射パルスを有することによって解決される。
【０００６】
発明の利点
本発明の方法はまず均質化のため、すなわち噴射された燃料を燃焼室内の空気とできるだけ均一に混合するために、燃料が非常に早く、場合によっては吸気フェーズにおけるピストンの下降運動の開始時に既に噴射されるという考えに基づく。このようなフェーズでは燃焼室内の圧力は比較的低く、典型的には１ｂａｒより低い。このように燃焼室内の圧力が低い場合に、噴射弁の開放時間が比較的長いと、噴射弁によって燃料が噴射弁に向かい合っている燃焼室の壁部に衝突して、この壁部に被膜（Ａｕｆｔｒａｇ）として付着して残ってしまうことが確認されている。しかし燃料から生じた燃焼室壁部でのこのような壁部被膜は気化しにくいので、燃焼室内での最適でない混合気につながってしまう。
【０００７】
個々の燃料噴射の複数の噴射パルスに対する個々の短い噴射パルスの持続時間は、個々の燃料噴射の全持続時間より格段に短い。すなわち本発明で短い噴射パルスとは、内燃機関の燃焼室への個々の噴射時に生じる燃料量の比較的僅かな部分しか実際に噴射されない噴射のことである。すなわちこのような噴射パルスは、今日では公知である２倍または３倍噴射の個々の噴射とは異なる。
【０００８】
これによってこの種の噴射パルス時の燃料の相応する侵入度（Ｅｉｎｄｒｉｎｇｔｉｅｆｅ）が低減される。このようにして、噴射パルス時に燃焼室内に噴射される燃料が噴射弁に対向する壁部に衝突し、冒頭に記載した壁部被膜につながることが阻止される。噴射パルスの持続時間が短くなればなるほど、このように噴射された燃料が燃焼室内に存在する空気と混合し、燃焼室の壁で結露的な状態（ｎｉｅｄｅｒｓｃｈｌａｅｇｔ）にならないことがより確実に保証される。すなわち本発明による方法では連続的な噴射は行われず、パルス状にされた噴射が行われる。これは「細断された」噴射とも称される。
【０００９】
本発明による方法では、燃焼室内に噴射された燃料は実質的に完全に燃焼室内に存在する空気と混ざるので、燃料は最適に燃焼される。このことは特定の燃料消費を低減させ、排出特性を改善する。噴射された燃料の燃焼室壁部での結露的な状態は燃焼室壁部が低温である場合に特に顕著であり、本発明による方法ではこのような結露的状態が生じるのはより少なくなるか、または全く生じないので、内燃機関のコールドスタート特性が本発明の方法によって特に改善される。
【００１０】
本発明の有利な発展形態は従属請求項に記載されている。
【００１１】
第１の発展形態では、噴射時に燃焼室内に達する燃料量が少なくとも個々の噴射パルスの持続時間によっても設定調整されることが開示される。内燃機関の出力を制御するために、仕事ストローク毎に燃焼室内に噴射される全燃料量が設定調整されなければならない。このために個々の噴射パルスの持続時間の設定調整は簡単な方法を提供する。しかしここでは、個々の噴射パルスの持続時間が、クリチカルな侵入度を上回る持続時間に決して達することはないことに注意されなければならない。クリチカルな侵入度とは、噴射される燃料が噴射弁に対向する燃焼室壁部に衝突する侵入度のことである。
【００１２】
特に有利には内燃機関の出力は、噴射時に燃焼室へ達する燃料量が少なくとも個々の噴射パルスの数によっても設定調整されることによって設定調整される。
【００１３】
最も容易には本発明の方法は次のことによって実現される。すなわち噴射パルスを噴射の全持続時間にわたって均一に分配することである。噴射パルスの持続時間が噴射の全持続時間にわたって変化しない場合も、同じように本発明の方法は簡単である。ピストンの吸気フェーズ中に噴射が行われる場合、噴射パルスから噴射された燃料の各部分量は、新たに吸気された空気体積とぶつかる。これは燃焼室内の空気中に燃料を分配する際の利点となる。
【００１４】
しかし２つの噴射パルス間の時間的間隔が噴射の持続時間にわったて変化することも可能である。これによって、吸気フェーズ中にピストン速度が一定でなく、この点では１つの時間ユニット毎に吸気される空気体積も同じ量ではないという事実が考慮される。これは同じように、燃焼室内の空気中の燃料分布を最適化することができることを意味している。
【００１５】
噴射パルスの持続時間が噴射の全持続時間にわたって変化する、有利には増大するのは特に有利である。本発明による方法のこのような別の形態は次の場合に特に有利である。すなわち噴射が内燃機関の吸気フェーズ中だけでなく、圧縮フェーズ中にも行われる場合である。内燃機関の圧縮フェーズ時には燃焼室内の圧力が上昇するので、より長い噴射パルス時のより多い噴射量によって壁部が湿ることも確実に回避される。
【００１６】
本発明による方法の特に有利な発展形態では、噴射の終端で次のような個々の噴射パルスが行われる。すなわち噴射の先行する噴射パルスよりもより長く持続する噴射パルスが行われる。この様な噴射手法によって、例えば燃焼室内の均一にリーンな混合気内に、ピストンがさらに上昇したとき（すなわち内燃機関の圧縮フェーズの終端近く）にさらに残りの量を噴射することができる。この残りの量は、それ以前に複数の短い噴射パルスによってもたらされた均一にリーンな充填とともに、燃焼室内の生じている混合気雲内でほぼ理論的にする（理論的混合気雲と均一にリーンな周囲からの層化）。この方法は、非常にリーンな均一の基本混合気が完全に燃焼される（あまねく燃焼される（ｄｕｒｃｈｇｅｂｒａｎｎｔ））という利点を有している。なぜならそれ以前に燃焼室容積の主な部分が理論的に燃焼され、これによって均一にリーンな周囲が加熱、圧縮されているからである。
【００１７】
他の発展形態では１つの噴射パルス毎に約５ｍｍ^３の燃料が噴射される、および／または１つの噴射パルスが約０．５ｍｓよりも長く持続しない。このような値によって通常の駆動条件のもとで、噴射された燃料が噴射弁に対向する燃焼室壁部に衝突することが確実に回避される。
【００１８】
１つの仕事サイクル毎に複数の燃料噴射が行われ、これらの燃料噴射のうちの少なくとも１つは同じように複数の噴射パルスから成ることを最後に挙げておく。従って例えば内燃機関の吸気フェーズにおける噴射と圧縮フェーズ中の別の噴射を実行することができる。このような手法は、内燃機関のノッキングのしやすさに関して有利である。
【００１９】
本発明はさらに、コンピュータ上で動作する際に上述の内燃機関の駆動方法を実行するのに適したコンピュータプログラムに関する。ここで特に有利には、このコンピュータプログラムはメモリ、例えばフラッシュメモリ上に記憶されている。
【００２０】
本発明はさらに、殊に自動車の内燃機関を駆動するための開ループ制御および／または閉ループ制御装置に関する。ここでは燃料は直接的に内燃機関の燃焼室内に噴射される。燃料消費および排出特性に関して内燃機関の駆動を最適化するために、本発明では開ループ制御装置および／または閉ループ制御装置が上述した方法を開ループ制御および／または閉ループ制御するのに適していることが提案される。
【００２１】
ここでこの開ループ制御および／または閉ループ制御装置に上述した形式のコンピュータプログラムが設けられるのは特に有利である。
【００２２】
さらに本発明は少なくとも１つの燃焼室と、燃料をこの燃焼室に直接的に噴射する装置とを有する内燃機関に関する。このような内燃機関の駆動特性、殊に燃料消費、排出特性並びにコールドスタート特性を改善するために、内燃機関に上述した形式の開ループ制御および／または閉ループ制御装置が設けられることが本発明に相応して提案される。
【００２３】
図面
以下では本発明の実施例を添付の図面を参照に詳細に説明する。
【００２４】
図１には、ガソリン直接噴射部を有する内燃機関の基本図が示されている。
【００２５】
図２には、図１の内燃機関を駆動させる方法の第１の実施例のダイアグラムが示されており、ここでは噴射される燃料量が時間にわたって示されている。
【００２６】
図３には、図１の内燃機関を駆動させる方法に対する第２の実施例の、図２と類似したダイアグラムが示されている。
【００２７】
図４には、図１の内燃機関を駆動させる方法に対する第３の実施例の、図２と類似したダイアグラムが示されている。
【００２８】
図５には、図１の内燃機関を駆動させる方法に対する第４の実施例の、図２と類似したダイアグラムが示されている。
【００２９】
図６には、図１の内燃機関を駆動させる方法に対する第５の実施例の、図２と類似したダイアグラムが示されている。
【００３０】
図７には、図１の内燃機関を駆動させる方法に対する第６の実施例の、図２と類似したダイアグラムが示されている。
【００３１】
実施例の説明
図１には内燃機関全体が参照番号１０で示されている。通例、この内燃機関は４ストロークの原則に従って動作する。すなわち１つの仕事サイクルは４つのストロークを有する。このような内燃機関は例えば自動車で使用される。内燃機関は燃焼室１２を有しており、この燃焼室には空気が吸気管１４を介して供給される。燃料は燃焼室１２内に高圧噴射弁１６を通って噴射される。これは、「レール」とも称され、その内部に燃料が非常に高い圧力で供給される燃料蓄積管路１８から供給される。燃焼室１２内に生じた燃料と空気の混合気の点火は点火装置２０、有利には点火プラグを介して行われる。燃焼している空気燃料混合気の膨張によってピストン２２が動かされる。内燃機関１０の駆動状態、殊にピストン２２の位置はセンサ２４によって検出される。高温の燃焼排気ガスは排気管２６を通って導かれる。
【００３２】
内燃機関１０は、開ループおよび閉ループ制御装置２８を有している。この開ループおよび閉ループ制御装置には、ユーザの出力要求がアクセルペダル３０を介して伝達される。さらにこの開ループおよび閉ループ制御装置２８は、センサ２４からの信号も受け取る。出力側には、殊に噴射弁１６および点火装置２０が接続されている。
【００３３】
均質にするために、すなわち噴射弁１６から燃焼室１２内に噴射された燃料を吸気管１４によって吸気された空気とできるだけ均一に混合するために、燃料は一般的には非常に早く、すなわち内燃機関１０の吸気フェーズにおけるピストン２２の下降運動の開始時に既に噴射される。ここで内燃機関１０のクランクシャフト（図示されていない）の相対角はセンサ２４によって検出され、相応の信号が開ループおよび閉ループ制御装置２８に転送される。
【００３４】
このようなフェーズ中に燃焼室１２内の圧力は比較的低いので（通常は最も高くて約１ｂａｒ）次のような危険が生じる。すなわち噴射弁１６から高圧で燃焼室１２内に噴射された燃料が、噴射弁１６に向かい合っている燃焼室１２の壁部（図示されていない）に、またはピストン２２の上面に衝突して、そこに付着してしまう危険が生じる。壁部またはピストン２２上でのこのような燃料被膜は気化し難く、燃焼室１２内の燃焼に加わらない、または少なくとも所望のようには燃焼室１２内の燃焼に加わらない。このことは燃料消費を高め、排出特性を悪化させる。燃料が燃焼室１２の壁部で結露的状態になってしてしまう問題は、燃焼室１２の壁部が冷たい場合に特に目立つ。すなわちこのような場合には、内燃機関１０のコールドスタート特性が妨害されるであろう。
【００３５】
燃焼室１２の壁部で燃料のこのような結露的状態が生じてしまうのを回避するため、噴射弁１６は開ループおよび閉ループ制御装置２８によって、パルス状に開放および閉鎖するように駆動制御される。ここで噴射弁１６の開放時間は０． ５ｍｓを越えない。１回の噴射パルス、すなわち噴射弁１６の関連している開放時間中に燃焼室１２に到達する燃焼量はここで通常の場合には約５ｍｍ^３を越えないべきである。このようなパルス持続時間、および１つのパルス毎に噴射されるこのような燃料量の下では、燃焼室１２内の燃料の侵入度が低下する。従って燃料はもはや、噴射弁１６に向かい合う燃焼室１２の壁部に衝突しない。
【００３６】
不連続な、すなわち個々の噴射パルスの列から成る、燃焼室１２内への燃料噴射によって燃焼室１２内の燃料の侵入度が低減される。燃料が噴射弁１６の反対の燃焼室の壁部で結露的な状態になる危険が効果的に減少する。
【００３７】
これによって次のことが保証される。すなわち燃焼室１２内に噴射される燃料ができるだけ完全に空気燃料混合気としして燃焼室１２内に存在すること、従って噴射された燃料の最適な燃焼が行われることが保証される。これは燃料消費を低下させて、排出特性、殊にＨＣの排出または煤煙の排出を改善する。燃焼室１２内の燃料の低下した侵入度は次のような場合に特に良好な結果をもたらす。すなわち燃焼室１２の壁部が冷たい場合、すなわち内燃機関１０のコールドスタート時である。このような場合にも本発明の方法によって次のことが保証される。すなわち点火可能な空気燃料混合気が内燃機関１０の燃焼室１２内に存在することである。
【００３８】
図２〜図７に示されたダイアグラムには、燃焼室１２内への燃料噴射に対する可能なパルス列の種々異なる実施例が示されている。個々の噴射パルスは参照番号３２を有する。これに対して２つの噴射パルス間の休止は参照番号３４を有する。内燃機関の１つの仕事サイクルの噴射全体は参照番号３６によって示されている。
【００３９】
図２に示されたパルス列の実施例では、２つのパルス３２間の時間的間隔３４は噴射持続時間にわたって同じ長さであり、約０． ５ｍｓである。噴射パルス３２自体の持続時間は、約０． ３ｍｓである。噴射全体３６の持続時間は図２に示された実施例では約９． ５ｍｓである。１つの噴射パルス３２毎の噴射量が５ｍｍ^３の場合、図２に示された噴射３６中に全体で６０ｍｍ^３の噴射量が噴射される。４０００回転／分の回転数では、噴射に使用可能な時間窓は約１１ｍｓの長さである。すなわち全負荷時に噴射されるべき６０ｍｍ^３の燃料量は問題なく内燃機関１０の燃焼室１２内に供給される。
【００４０】
図３に示された実施例は、内燃機関が５０００回転／分の回転数によって部分負荷領域において作動する、内燃機関１０の駆動状態に対して考えられたものである。これは噴射３６の際に約３０ｍｍ^３の噴射量が噴射されるべきであることを意味する。噴射３６に使用可能な時間窓は、約９ｍｓの長さである。部分負荷に相当する３０ｍｍ^３の噴射量の場合、０． ３ｍｓの持続時間を有する６つの噴射パルス３２と、０． ７ｍｓの持続時間を有する休止３４によって、５． ５ｍｓの噴射全持続時間が生じる。
【００４１】
例えば回転数が比較的高くて、全負荷の際に比較的多い燃料量が内燃機関１０の燃焼室１２内に噴射されるべき場合、図示されていない実施例では噴射パルス間の休止が短縮される。内燃機関１０の回転数が例えば６０００回転／分の場合、約７． ５ｍｓの噴射用時間窓が使用可能である。６０ｍｍ^３の噴射量を噴射するために、１２の噴射パルスで充分である。この噴射パルスはそれぞれ約５ｍｍ^３の燃料を噴射し、それぞれ時間的に相互に０． ３３ｍｓの間隔が空けられている。ここから生じる７． ３ｍｓの噴射全持続時間は、明らかに使用可能な時間窓内である。
【００４２】
図４に示されたパルス列の実施例では、噴射パルス３２の持続時間は噴射全体３６の終端付近で長くなる。このような手法は例えば次のような場合に示される。すなわち噴射が内燃機関１０の吸気フェーズ中だけでなく、圧縮フェーズ中にも行われる場合である。圧縮フェーズ中には燃焼室１２内の圧力が上昇するので、一定の噴射量のもとでは侵入度が低下する、ないし同じ侵入度のもとでは噴射パルス３２毎のより多い噴射部分量を選択することができる。図示の実施例では噴射全体３６の持続時間は約８ｍｓである。ここで噴射パルス３２の持続時間は噴射の最後に向かって０． ３ｍｓから０． ５、さらに０． ６６、そして最終的には０． ８３ｍｓに上昇する。噴射量を噴射３６の終端付近で次のようにして増加させることもできる。すなわち２つの噴射パルス３２間の休止３４の持続時間を減少させることである。このような実施例は図５に示されている。
【００４３】
理論的混合気雲からの層化および内燃機関１０の燃焼室１２内に均一なリーンの混合気を生じさせるべき場合、図６に示された噴射手法が挙げられる。
【００４４】
この場合には、均一な間隔３４ａを有する連続したパルス３２ａの後に、個々のより長い噴射パルス３２ｂがより長い休止３４ｂの後に行われる。最初のパルス列３２ａによって、燃焼室１２に均一に希薄な混合気が生じる。このような混合気内では、内燃機関１０の圧縮フェーズ中でのピストン２２のさらなる上昇時に、リーン混合気内において理論的混合気雲が生じるほど多くの燃料が噴射パルス３２ｂにわたって噴射される。このような駆動モードは以下の利点を有する。すなわち非常にリーンな均一の基本混合気も完全に燃焼することができるという利点である。なぜならその前に燃焼室１２内の容積の主要部分が理論的に燃焼されており、これによって均一にリーンな周囲（Ｕｍｇｅｂｕｎｇ）が加熱、圧縮されているからである。図６に示された噴射手法の利点は、燃料消費がさらに減少される点にある。さらに内燃機関１０の圧縮フェーズ中の噴射は、内燃機関１０のノッキングの可能性が低減されるという利点を有している。
【００４５】
図７に示された実施例は同じ方向に進む。ここでは内燃機関１０の１つの仕事サイクル内に２つの噴射３６ａおよび３６ｂが行われる。これらの噴射はそれぞれ同じように個々の噴射パルス３２ａおよび３２ｂと、その間にある休止３４ａおよび３４ｂから成る。
【図面の簡単な説明】
【図１】
ガソリン直接噴射部を有する内燃機関の基本図である。
【図２】
噴射される燃料量が時間にわたって示されている、図１の内燃機関を駆動させる方法の第１の実施例のダイアグラムである。
【図３】
図１の内燃機関を駆動させる方法に対する第２の実施例の、図２と類似したダイアグラムである。
【図４】
図１の内燃機関を駆動させる方法に対する第３の実施例の、図２と類似したダイアグラムである。
【図５】
図１の内燃機関を駆動させる方法に対する第４の実施例の、図２と類似したダイアグラムである。
【図６】
図１の内燃機関を駆動させる方法に対する第５の実施例の、図２と類似したダイアグラムである。
【図７】
図１の内燃機関を駆動させる方法に対する第６の実施例の、図２と類似したダイアグラムである。

Claims (15)

1. 特に自動車の内燃機関（１０）の駆動方法であって、
   燃料を１つの仕事サイクル毎に少なくとも１回の噴射（３６）によって前記内燃機関（１０）の燃焼室（１２）内に直接的に噴射する形式の方法において、
   燃料噴射（３６）は時間的に相互に間隔（３４）を有する短い複数の噴射パルス（３２）を有する、
   ことを特徴とする、内燃機関の駆動方法。
2. 噴射（３６）時に前記燃焼室（１２）内に達する燃料量を少なくとも前記個々の噴射パルス（３２）の持続時間によっても設定調整する、請求項１記載の方法。
3. 噴射（３６）時に前記燃焼室（１２）内に達する燃料量を少なくとも前記個々の噴射パルス（３２）の数によっても設定調整する、請求項１または２記載の方法。
4. 前記噴射パルス（３２）を噴射（３６）の全持続時間にわたって均一に分配する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 前記噴射パルス（３２）の持続時間は噴射（３６）の全持続時間にわって変化しない、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. ２つの噴射パルス（３２）間の時間的間隔（３４）は、噴射（３６）の持続時間にわたって変化する、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 噴射パルス（３２）の持続時間は、噴射（３６）の全持続時間にわたって変化する、有利には増大する、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 噴射（３６）の終端で、噴射（３６）の先行する噴射パルス（３２ａ）より長く持続する個々の噴射パルス（３２ｂ）を行う、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
9. １つの噴射パルス（３２）毎に約５ｍｍ^３の燃料を噴射する、および／または噴射パルス（３２）は約０．５ｍｓより長く持続しない、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
10. 複数の燃料噴射（３６ａ， ３６ｂ）を１つの仕事サイクル毎に行い、当該複数の燃料噴射のうちの少なくとも１つ（３６ａ， ３６ｂ）は同じように複数の噴射パルス（３２ａ， ３２ｂ）から成る、請求項１から９までのいずれか１項記載の方法。
11. コンピュータ上で動作する際に請求項１から１０までのいずれか１項記載の方法を実行するのに適している、
    ことを特徴とするコンピュータプログラム。
12. メモリ、例えばフラッシュメモリ上に記憶されている、請求項１１記載のコンピュータプログラム。
13. 燃料が内燃機関（１０）の燃焼室（１２）内に直接的に噴射される、特に自動車の内燃機関（１０）を駆動させる開ループ制御および／または閉ループ制御装置（２８）において、
    請求項１から１０までのいずれか１項記載の方法を開ループ制御および／または閉ループ制御するのに適している、
    ことを特徴とする開ループ制御および／または閉ループ制御装置。
14. 請求項１１または１２記載のコンピュータプログラムが設けられている、請求項１３記載の開ループ制御および／または閉ループ制御装置。
15. 少なくとも１つの燃料室（１２）と、燃料を当該燃焼室（１２）内に直接的に噴射する装置（１６）とを有する内燃機関（１０）において、
    当該内燃機関には請求項１３または１４記載の開ループ制御および／または閉ループ制御装置（２８）が設けられている、
    ことを特徴とする内燃機関。