JP2004521228A - マルチインジェクション作動モードにおける燃料調量を制御する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、内燃機関（１０）のシリンダ（１２）の圧縮サイクルの間に少なくとも１個の噴射弁（２２）を使用してシリンダ（１２）への少なくとも２回の燃料噴射が実施されるマルチインジェクション作動モードにおける直噴内燃機関（１０）の燃料調量を制御する二つの方法に関する。本発明は、燃焼サイクルの少なくとも１回の噴射の間に噴射弁（２２）の来るべき弁開時間（△ｔ）がプリセットされた弁開時間（△ｔ_K）を下回ることを防ぐような方法で、それ未満では燃料が噴射弁（２２）の前に貯蔵される圧力（レール圧ｐ_R）をプリセットする及び／又は燃焼サイクルの個々の噴射の噴射される燃料部分及び／又はマルチインジェクションの間に噴射される全燃料量を変化させるように規定する。本発明の措置は、簡単な手段で、マルチインジェクション作動モードにおける正確な燃料調量を保証し、ひいては、広い作動範囲のマルチインジェクション作動モード、特に低負荷作動モード及びアイドリング作動モードにおける適用を可能にする。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、独立請求項１及び５の前段部分の特徴によってマルチインジェクション作動モードにおける直噴内燃機関の燃料調量を制御する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
下流に接続された触媒コンバータのウォームアップを加速し、触媒コンバータをすぐに使えるようにするため、コールドスタート後、内燃機関の排ガス温度を上昇させる種々の方法が公知である。
【０００３】
ウォームアップ段階で、点火角、すなわちシリンダ中で空燃混合物が点火されるタイミングを、最高の効率を提供する点火角に対して遅らせることが公知である。点火角の遅延は、燃焼効率を低下させると同時に、排ガス温度を上昇させる。より熱い排ガスは触媒コンバータをより速く加熱させる。点火を遅らせる方法は、内燃機関が許容できないほど乱雑に作動し始め、確実な点火をもはや保証できない点火角でその限界に達する。
【０００４】
排ガス温度を上昇させるもう一つの方法は、直噴スパーク点火内燃機関に関して最近開示されている、燃料が噴射弁を介してシリンダの燃焼室に直接噴射されるいわゆるマルチインジェクションを含む（ＷＯ００／０８３２８、ＥＰ０９８２４８９Ａ２、ＷＯ００／５７０４５）。この場合、シリンダの作動サイクル中に供給される全燃料量が二分され、２回の噴射過程でシリンダの燃焼室に供給される。第一の早期噴射（均一噴射）はシリンダの吸気行程の間に起こり、噴射される燃料量が、後続する点火時には、燃焼室中で少なくとも実質的に均一に分散するようになる。他方、第二の遅延噴射（層状噴射）は、後続する圧縮行程の間、特に圧縮行程の後半に実施されて、噴射燃料の雲がシリンダのスパークプラグを取り囲む領域に本質的に集中するいわゆる層状燃料供給をもたらす。したがって、内燃機関のマルチインジェクション作動モードは、層状燃料供給と均一燃料供給との複合作動を伴う。マルチインジェクション作動モードの特定の点火特性が、完全に均一な作動の場合に比較して排ガス温度を上昇させる結果を招く。排ガス温度を上昇させることに加えて、マルチインジェクションはまた、有利にも、酸化窒素ＮＯ_X及び未燃焼炭化水素ＨＣの未精製のままの放出を減らし、ひいてはウォームアップ段階での汚染物質漏出を減らす。
【０００５】
しかし、マルチインジェクションの間の燃料の正確な調量が問題を呈することがある。作動サイクル中に供給される全燃料量を少なくとも２回の噴射に分けることにより、高圧下で作動する噴射弁の弁開時間がきわめて短くなるおそれがある。弁開時間が臨界値を下回るならば、噴射弁は、燃料スループットの分散率の増大を特徴とするいわゆる弾道領域で作動する。不正確な燃料調量に伴う問題は、特にアイドリング中の低いエンジン負荷でさらに悪化することがあり、その結果、わずかな所要燃料量のせいで特に短い弁開時間が生じる。不利なことに、２回以上の噴射によって生じる空燃比のフィードバック制御の概念は今日まで開発されていない。
【０００６】
したがって、本発明の目的は、マルチインジェクション作動モードで正確な燃料調量を保証する方法を提案することである。この方法はまた、有意なプロセス関連の複雑さを増すことなく既存のエンジン制御概念に統合可能であるべきである。
【０００７】
この目的は、独立請求項１及び５の特徴を有する、有利なことに組み合わせて使用することもできる二つの方法によって解決される。
【０００８】
本発明の第一の方法によると、噴射弁の手前で燃料が供給又は貯蔵されるときの圧力を、作動サイクルの少なくとも１回の噴射における噴射弁の結果的な弁開時間が所定の弁開時間を下回らないようにプリセットする。好ましくは、以下「レール圧」とも呼ぶこの圧力は、噴射弁が、作動サイクル中に実施されるどの噴射過程でも弾道領域では作動しないようにプリセットする。これにより、そのとき存在する又は求められる弁開時間がプリセットされた臨界弁開時間に達する又はそれを下回ると、レール圧が下げられる。下げられたレール圧は、結果的に噴射弁の燃料スループットの低下、ひいては弁開時間の延長をもたらす。理由は、これらがレール圧に依存するからである。その結果、いわゆる弾道領域における噴射弁の作動を回避し、燃料調量を高精度で制御することができる。
【０００９】
本方法の好ましい実施態様によると、レール圧は、最大で３５バール、特に最大で３０バール、好ましくは最大で２５バールにセットされる。この値は、従来のレール圧である４０〜１２０バールよりも有意に低い。
【００１０】
一般に、レール圧は、マルチインジェクション作動モードの全期間中、低下したレベルに維持することができる。しかし、レール圧は、エンジン負荷及び／又はエンジン回転速度の関数として制御することが有利である。この実施態様では、エンジン制御装置に記憶された特性曲線を使用して、最適レール圧を作動点の関数として決定する。これにより、最適レール圧は、プリセットされた臨界弁開時間を下回ることがない条件で可能な最大圧になる。
【００１１】
本発明のもう一つの方法によると、作動サイクルの個々の噴射の燃料の割合及び／又はマルチインジェクションの間に噴射される全燃料量を、作動サイクルの少なくとも１回の噴射、好ましくはすべての噴射の間の得られる弁開時間が、プリセットされた弁開時間を下回らないような方法で変化させる。
【００１２】
特に、個々の噴射の燃料の割合、すなわち個々の弁開時間が異なる場合、短い方の噴射の間に噴射される燃料量を、少なくとも１回の長い方の噴射を犠牲にして、短い方の弁開時間がプリセットされた弁開時間に少なくともほぼ一致するまで増大させる。しかし、燃料の割合におけるこの変化は、長い方の噴射時間の期間減少が臨界プリセット弁開時間に達するところでその限界に達する。この措置だけでは所望の弁開時間を提供できない場合、それに加えてレール圧を減らすこともできる。
【００１３】
ある作動サイクルの噴射の全弁開時間がプリセットされた弁開時間を下回る場合及び／又は個々の噴射の燃料の割合の変化にもかかわらず噴射の少なくとも一つの弁開時間がプリセット弁開時間を下回る場合、この方法のもう一つの実施態様にしたがってこの状態を初期的に許容することができる。ラムダ制御装置によって加えられる修正が事前に決定可能なしきい値を超える点まで増大する場合のみ、作動サイクル中に供給される全燃料量を増大させる。これは、好ましくは、個々の噴射で供給される全燃料量をそれらの燃料の割合に比例させて増すことによって実現される。この措置はまた、レール圧の減少と組み合わせることが有利である。そのうえ、増大した全燃料量によって発生するさらなる有効トルクを、エンジン効率を下げる措置、特に点火角の調節、好ましくは点火タイミングを遅らせることにより、少なくとも部分的に相殺することができる。供給される全燃料量を増す代わりに又は供給される全燃料量が許容しうる量を超えるならば、マルチインジェクション作動モードを阻止してもよい。この場合、触媒コンバータのための他の加熱措置、たとえば点火を遅らせたシングルインジェクションを実施することができる。
【００１４】
すでに何度か述べたように、レール圧を減らすための措置を、個々の噴射及び／又は全燃料量の燃料の割合の変化と組み合わせて、プリセットされた弁開時間よりも大きな弁開時間を保証することが有利である。
【００１５】
プリセットされた臨界弁開時間の値は、本質的に、噴射弁を通過する燃料スループットの許容しうる分散率に依存する。これにより、プリセットされた弁開時間は、それを超えたならば噴射弁が燃料スループットの最大±２０％、特に最大±１５％、好ましくは最大±１０％の平均分散率で作動するところのしきい値を表す。弁開時間の関数としての燃料スループットの平均分散率は噴射弁の具体的な設計に依存するが、実際の最小弁開時間は予測しがたい。ガイドラインとして、従来の高圧噴射弁は、弾道領域への境界制限を表す、たとえば５５０μs、特に６００μs、好ましくは７００μsの弁開時間を有することができる。これらの値は、高圧噴射弁の設計特性に依存して上方又は下方に有意な偏りを示すことがある。他の公知の弁は、３００μs、特に３５０μs、好ましくは４５０μsの許容しうる弁開時間を有する。
【００１６】
短い弁開時間及びその結果として生じる不正確な燃料調量に伴う問題に加えて、一つの排ガス信号に基づいて作動サイクルの個々の噴射の燃料調量のフィードバック制御を可能にする概念が欠けている。この方法のもう一つの実施態様によると、作動サイクルの間に噴射される燃料量の１回の噴射を調整することができ、作動サイクルの少なくとも１回のさらなる噴射で噴射される燃料量をパイロット制御することができる。２回の噴射を伴い、１回目の噴射がシリンダの吸気行程の間に起こり、２回目の噴射が圧縮行程の間に起こる実際の状況では、早期噴射をパイロット制御し、遅延噴射を調整することもできるし、あるいはまた、早期噴射を調整し、遅延噴射をパイロット制御することもできる。パイロット制御は、エンジン負荷要求、特に吸気ダクト中のスロットル位置及び／又はガスペダル位置信号を燃料所要量と相関させる記憶された特性曲線に基づいて、公知の方法で実現される。そして、パイロット制御される噴射に関してこの方法で決定されたパイロット制御値が維持され、一方で、対応する他方の噴射は、排ガス中に計測される少なくとも１種の排ガス成分、特に酸素の濃度に基づいて、公知の方法で制御される。あるいはまた、作動サイクルのすべての噴射を、噴射される燃料の割合に比例させて調整することもできる。加えて、排ガス成分の濃度を計測するガスセンサ、特にラムダセンサがその作動可能状態に達するまで作動サイクルのすべての噴射をパイロット制御することができる。作動可能状態に達するための時間遅延は、本質的に、ガスセンサの最低温度及びシリンダとガスセンサとの間の排ガスダクトの長さによって決まる。
【００１７】
さらなる有利な実施態様が従属項に記載されている。
【００１８】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施態様をさらに詳細に記載する。
【００１９】
図１は、希薄モードで作動することができるスパーク点火４ストローク内燃機関１０の１個のシリンダ１２を例として示す。ピストン１６がシリンダ１２のシリンダハウジング１４の中で軸方向に動くことができる。点火コイルを備えた点火プラグ２０がシリンダハウジング１４のシリンダヘッド１８の中央上寄り位置に設けられている。側方位置には、シリンダ１２の燃焼室２４への直接燃料噴射を可能にするための高圧噴射弁２２が設けられている。燃料は、燃料管路２６を介して噴射弁２２に供給される。燃料は、燃料ポンプ（図示せず）によって燃料タンク（図示せず）から汲み出され、燃料圧が下がる。高圧ポンプ２８が、一般的な車両運転モードでは４０〜１２０バールである燃料圧を発生させる。燃料圧は、内燃機関１０の作動点に依存してプリセットされる。高圧ポンプ２８が、圧力制御弁（図示せず）と連係して、噴射弁２２の手前に配置された燃料レール３０中の圧力変動を滑らかにする。以下、レール３０の後で燃料が噴射弁２２に供給されるときの圧力をレール圧ｐ_Rと呼ぶ。レール圧ｐ_Rは、レール３０中に設けられた圧力センサ３２で計測される。新鮮な空気を供給する吸気路３４がシリンダ１２のシリンダヘッド１８で終端している。吸気路３４中に設けられたスロットル３６の位置が空気流量を制御する。加えて、出口管３８が燃焼室２４中で終端して、燃焼室２４からの排ガス及び他のシリンダからの排ガスを排ガス路４０に移動させる。内燃機関１０及びシリンダ１２にそれぞれに供給される空燃比を調整するため、出口管３８又は排ガス路４０に設けられたラムダセンサ４２が排ガス中の酸素濃度を計測する。排ガス路４０中に設けられた触媒コンバータ４４が、排ガスに含まれる汚染物質を転換する。内燃機関１０の作動状態は、エンジン制御装置４６により、種々の利用可能な作動データを考慮しながら制御される。
【００２０】
触媒コンバータ４４は通常、特にエンジンコールドスタート直後では、汚染物質の十分な転換に必要な作動温度に達していない。これは、エンジン制御装置４６、たとえば触媒コンバータ４４の前、後又は中で計測される温度センサ信号によって認識される。排ガス温度を上昇させ、触媒コンバータ４４のウォームアップを加速するために、エンジン制御装置４６が内燃機関１０をマルチインジェクション作動モードに切り換える。シリンダ１２の吸気行程の間、噴射弁２２を介して第一の早期燃料噴射が起こり、後続の圧縮行程の間、特に圧縮行程の後半で第二の遅延燃料噴射が起こる。噴射弁２２の対応する噴射角α_E及び弁開時間△ｔならびにスパークプラグ２０の点火角α_Zは、エンジン制御装置４６によってプリセットされている。早期噴射の間に供給される燃料は、点火の時点α_Zでは、本質的に均一な混合物の形態で燃焼室２４中に存在する。逆に、遅延噴射中に供給される燃料は、点火の時点α_Zでスパークプラグ２０の領域に集中する層状の供給燃料の雲を形成する。いわゆる層状供給燃料の形成は、ピストン１６のピストンヘッドに特殊なトラフ形断面を設けることによって支援される。シリンダ１２の作動サイクルの間に供給される全燃料量を２回の噴射過程に分散することは非常に短い噴射弁２２の弁開時間△ｔを要し、それが、結果的に不正確な燃料調量をもたらす問題を引き起こすおそれがある。
【００２１】
弁開時間△ｔの関数としての燃料スループットの平均分散率σ_KSを図２でさらに明確に示す。約７００μsの弁開時間を超えると、燃料スループットは、約５％の小さなほぼ一定の分散率を示す。△ｔ_b未満では、噴射弁２２は、弁開時間の減少とともに急速に増大する燃料スループット量の分散率σ_KSを特徴とするいわゆる弾道領域で作動する。シリンダ１２の個々の作動サイクルの間での燃料調量のこの確率論的な分散率は、一般には不正確な空燃比の調節を伴いながら、ラムダ制御を連続的かつ頻繁に介在させる。内燃機関１０がアイドリング状態であるときに一般的な４０〜１２０バールのレール圧ｐ_Rでは、マルチインジェクションモードでの２回の噴射の弁開時間は通常、３５０〜５００μsの範囲であり、したがって不正確な弾道領域にある。本発明によると、レール圧ｐ_Rならびに／あるいは全供給燃料量及び／又は全燃料量の一部として噴射の間に供給される燃料量の割合は、プリセットされた臨界弁開時間△ｔ_Kを下回らないよう、プリセット及び／又は変更される。図２に示す例示的な曲線によると、約±１０％の燃料調量の最大許容可能分散率の場合で約５００μsの臨界弁開時間△ｔ_Kをセットしなければならないであろう。しかし、好ましくは、弾道限界△ｔ_bに近い又は等しい控えめな値がプリセットされる。図示する曲線及び前記値は例を挙げたに過ぎず、噴射弁２２の設計特性に大きく依存するということが再度言及されるべきである。
【００２２】
エンジン制御装置４６が、早期噴射及び／又は遅延噴射の弁開時間△ｔがプリセットされた弁開時間△ｔ_Kよりも小さいと認識するならば、制御装置４６は、まず、長い方の噴射を犠牲にして、短い方の噴射の間に供給される燃料量を増大させる。噴射される割合のこの調節は、長い方の噴射時間が噴射弁２２の弾道領域に近づく程度まで減少したところでその限界に達する。両方の噴射が弾道領域にあるならば、この状況は、ラムダ制御装置によって開始される修正が所定のしきい値を超えるまで許容される。所定のしきい値を超えてはじめて、全供給燃料量を増大させ、それにより、両噴射の弁開時間△ｔを、好ましくは両噴射が所定の限界△ｔ_Kを超える弁開時間△ｔで作動するように増大させる。全燃料量の増加によって発生する有効エンジントルクは、点火角α_Zを調節する、好ましくは遅らせることにより、多少なりとも相殺することができる。その代わりに又はそれに加えて、マルチインジェクション作動モードにおけるレール圧ｐ_Rを、好ましくは２５バール未満に下げることもできる。有利には、レール圧の低下は、ペダル位置信号ＰＷＧ及び／又はエンジン回転速度ｎによって表されるエンジン負荷の関数として制御することができる。わずかな量の燃料しか要らない小さめのエンジン負荷の場合には低めのレール圧ｐ_Rがプリセットされ、したがって、弁開時間△ｔは大きなエンジン負荷の場合よりも短くなる。
【００２３】
加えて、マルチインジェクション作動モードにおける２回の噴射の一方、たとえば吸気行程の間の早期噴射をパイロット制御し、他方の噴射、たとえば圧縮行程の間の遅延噴射を調整することができる。これにより、エンジン制御装置４６は、特にペダル位置信号ＰＷＧに基づいて、要求されるエンジン負荷の関数として必要な空気流量を決定し、スロットル３６がそれに従って制御される。同時に又はスロットル位置に依存して、エンジン制御装置４６は、供給される必要な全燃料量を計算し、最適なパラメータ選択にしたがって全燃料量を２回の燃料噴射の間で分散させる。パイロット制御される早期噴射のための噴射弁２２の弁開時間△ｔは、記憶された特性曲線及び保持された定数に基づいてプリセットされる。逆に、調整される遅延噴射は、排ガス中のラムダセンサ４２によって計測されるラムダ信号を介して制御される。これにより、遅延噴射の弁開時間△ｔは、計測されたラムダ値と公称設定との偏差に依存して調節される。あるいはまた、両噴射の弁開時間△ｔは、全弁開時間及び／又は全噴射燃料量の割合に比例して制御することもできる。
【００２４】
本発明の措置は、マルチインジェクション作動モードで燃料を容易かつ正確かつ確実に調量することを可能にする。そして、マルチインジェクション作動モードは、特に低い負荷又はアイドリング状態で作動しているとき、広い作動範囲で実現することができる。本方法は、その複雑さを増すことなく、既存のエンジン制御機器構成に統合するが容易である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】内燃機関のシリンダと関連の制御要素との構成を示す図である。
【図２】燃料スループットの平均分散率を噴射弁開放時間の関数として表す曲線である。
【符号の説明】
【００２６】
１０ 内燃機関
１２ シリンダ
１４ シリンダハウジング
１６ ピストン
１８ シリンダヘッド
２０ スパークプラグ
２２ 噴射弁
２４ 燃焼室
２６ 燃料管路
２８ 高圧ポンプ
３０ 燃料レール
３２ 圧力センサ
３４ 吸気路
３６ スロットル
３８ 出口管
４０ 排ガス路
４２ ガスセンサ／ラムダセンサ
４４ 触媒コンバータ
４６ エンジン制御装置
α_E 噴射角
α_Z 点火角
λ 空気値ラムダ
△ｔ 弁開時間
△ｔ_b 弾道領域に対する弁開時間の限界
△ｔ_K 臨界弁開時間
ｎ エンジン回転速度
ｐ_R レール圧
ＰＷＧ ペダル位置信号
σ_KS 燃料スループットの平均分散率

Claims (17)

1. マルチインジェクション作動モードにおける直噴内燃機関（１０）の燃料調量を制御する方法であって、この方法では、シリンダ（１２）への少なくとも２回の燃料噴射が内燃機関（１０）のシリンダ（１２）の作動サイクルの間に噴射弁（２２）を介して起こり、噴射弁（２２）の手前で燃料が供給されるときの圧力（レール圧ｐ_R）を、作動サイクルの少なくとも１回の噴射における噴射弁（２２）の得られる弁開時間（△ｔ）が所定の弁開時間（△ｔ_K）を下回らないようにプリセットすることを特徴とする方法。
2. レール圧（ｐ_R）を最大で３５バールにセットする、請求項１記載の方法。
3. レール圧（ｐ_R）を最大で３０バール、特に最大で２５バールにセットする、請求項２記載の方法。
4. レール圧（ｐ_R）をエンジン負荷及び／又はエンジン回転速度の関数として制御する、請求項１〜３の１項記載の方法。
5. マルチインジェクション作動モードにおける直噴内燃機関（１０）の燃料調量を制御する方法であって、この方法では、シリンダ（１２）への少なくとも２回の燃料噴射が内燃機関（１０）のシリンダ（１２）の作動サイクルの間に噴射弁（２２）を介して起こり、作動サイクルの個々の噴射の噴射燃料の割合及び／又はマルチインジェクションの間に噴射される全燃料量を、作動サイクルの少なくとも１回の噴射において得られる弁開時間（△ｔ）がプリセットされた弁開時間（△ｔ_K）を下回らないような方法で変化させることを特徴とする方法。
6. 作動サイクルの個々の噴射の燃料の割合及び弁開時間（△ｔ）が異なる場合、短い方の噴射の間に噴射される燃料量を、少なくとも１回の長い方の噴射を犠牲にして、短い方の弁開時間（△ｔ）がプリセットされた弁開時間（△ｔ_K）に少なくともほぼ一致するまで増大させる、請求項５記載の方法。
7. 作動サイクルの噴射の全弁開時間（△ｔ）がプリセットされた弁開時間（△ｔ_K）を下回る場合及び／又は個々の噴射の燃料の割合の変動にもかかわらず噴射の少なくとも一つの弁開時間（△ｔ）がプリセットされた弁開時間（△ｔ_K）を下回る場合、ラムダ制御装置の制御介入がプリセット可能なしきい値を超えるとき、作動サイクルの間に供給される全燃料量を増大のみさせる、請求項５又は６記載の方法。
8. 全燃料量の増大によって発生する有効トルクを、エンジン効率を下げる措置、特に点火角の調節により、少なくとも部分的に相殺する、請求項５〜７の１項記載の方法。
9. 作動サイクルの噴射の全弁開時間（△ｔ）がプリセットされた弁開時間（△ｔ_K）を下回る場合及び／又は個々の噴射の燃料の割合の変動にもかかわらず噴射の少なくとも一つの弁開時間（△ｔ）がプリセットされた弁開時間（△ｔ_K）を下回る場合、マルチインジェクション作動モードを阻止する、請求項５〜８の１項記載の方法。
10. プリセットされた弁開時間（△ｔ_K）を超えると、噴射弁（２２）が、燃料スループットの最大±２０％、特に最大±１５％、特に最大±１０％の平均分散率（σ_KS）で作動する、請求項１〜９の１項記載の方法。
11. プリセットされた弁開時間（△ｔ_K）が５５０μs、特に６００μs、特に７００μsである、請求項１〜１０の１項記載の方法。
12. プリセットされた弁開時間（△ｔ_K）が３００μs、特に３５０μs、特に４５０μsである、請求項１１記載の方法。
13. 作動サイクルの間に噴射される燃料量を、実燃料量と公称燃料量との偏差に基づいて調整し、作動サイクルの少なくとも１回のさらなる噴射で噴射される燃料量をパイロット制御する、請求項１〜１２の１項記載の方法。
14. 作動サイクルのすべての噴射を、実燃料量と公称燃料量との差に依存して、噴射される燃料の割合に比例させて調整する、請求項１〜１３の１項記載の方法。
15. 排ガス成分の濃度を計測するガスセンサ、特にラムダセンサがその作動可能状態に達するまで作動サイクルのすべての噴射をパイロット制御する、請求項１３又は１４記載の方法。
16. エンジン負荷に依存する特性パラメータフィールドを使用してパイロット制御を実施する、請求項１３〜１５の１項記載の方法。
17. 噴射される公称燃料量を、排ガス中に計測される少なくとも１種の排ガス成分、特に酸素の濃度に基づいて調整する、請求項１３〜１６記載の１項記載の方法。