JP2005504913A - 内燃機関を作動させる方法、コンピュータプログラム並びに開制御装置および／または閉ループ制御装置、並びに内燃機関 - Google Patents

Abstract

内燃機関で燃料は少なくとも１つの燃料噴射装置を介して、内燃機関の少なくとも１つの燃焼室へ直接的に達する。燃料噴射装置のバルブエレメントはピエゾアクチュエータによって動かされる。ピエゾアクチュエータの機能は監視され、機能エラーが識別される（５０）。ピエゾアクチュエータの機能エラー時に内燃機関での損傷の危険を最小化するために、ピエゾアクチュエータの機能エラーが識別された場合（５０）に、燃料噴射装置への燃料質量流量を低減させる（５２, ５６）ことを提案する。

Description

【技術分野】
【０００１】
従来技術
本発明はまず、燃料が少なくとも１つの燃料噴射装置（この燃料噴射装置のバルブエレメントはピエゾアクチュエータによって動かされる）を介して、内燃機関の少なくとも１つの燃焼室に直接的に達し、ピエゾアクチュエータの機能を監視し、機能エラーを識別する形式の内燃機関作動方法に関する。
【０００２】
この種の方法はドイツ連邦共和国出願公開第１９８５４３０６号公報から公知である。この文献には、ピエゾアクチュエータを有し、内燃機関内にガソリン直接噴射（ＢＤＥ）とともに取り付けられている燃料噴射装置が記載されている。この種の内燃機関の場合、各燃焼室に固有の燃料噴射装置が割り当てられている。この燃料噴射装置を介して燃料は、燃焼室内で所望の作動様式に応じて層状または均質に分配されるように、内燃機関の相応する燃焼室内に噴射される。燃料が層状である場合、これは、実質的に点火プラグの領域内にのみ点火可能な燃料−空気混合気が存在することを意味する。このような作動様式では燃焼室への空気供給は実質的に完全に絞り弁を開いて行われる。
【０００３】
ピエゾアクチュエータの使用は次の利点を有している。すなわちピエゾアクチュエータによって所望の噴射量を比較的高い精度で噴射できるという利点である。これは、例えばプレ噴射時または比較的多い噴射量を小さい個々の噴射に分割するときに生じるような殊に非常に僅かな噴射量に対して当てはまる。
【０００４】
燃料を燃焼室内に噴射するために、ピエゾアクチュエータに電荷（elektrische Ladung）が加えられる。この充電によってピエゾアクチュエータの長さが変わる。燃料噴射装置のバルブエレメントとピエゾアクチュエータは、通常は液圧式伝動部分によって相互に結合されている。噴射の終了のために電荷は再びピエゾアクチュエータから導き出される。内燃機関の各燃焼室ないしはシリンダに対する燃料噴射装置のピエゾアクチュエータの駆動制御は通常、制御装置内にある最終段の駆動制御によって行われる。制御装置とピエゾアクチュエータは、接続手段によって解除可能に燃料噴射装置と接続されている線路を介して相互に接続されている。
【０００５】
この種のシステムでは、燃料噴射装置が開放され、同時に機能エラーが原因でピエゾアクチュエータの電気量状態の変化、ひいては燃料噴射装置の閉成がもはや不可能なようにピエゾアクチュエータが駆動制御されてしまう場合がある。結果として、相応するシリンダに中断されずに、すなわち例えば燃焼フェーズ中および高い燃焼排気ガスの排出中にも燃料が供給される。しかしこのことは例えば燃料ノックによって、内燃機関および内燃機関の触媒での著しい損傷につながってしまう。
【０００６】
この種のエラーは例えば、ピエゾアクチュエータと制御装置の間の接続部におけるケーブル破損時に生じ得る。さらにこのようなエラーは、制御装置内に故障がある場合にも生じ得る。この種の故障は例えば、最終段スイッチがエラーを有する場合に存在する。さらにこの種のエラーは、制御装置および／またはピエゾアクチュエータでの差込接続が解かれている場合に生じる。
【０００７】
この種のエラーは制御装置によって識別される。ドイツ連邦共和国出願公開第１９８５４３０６号公報には、ピエゾアクチュエータに対して並列にオーム抵抗を接続し、このオーム抵抗を介してピエゾアクチュエータを所定のように放電させることが提案されている。しかしこのような措置にもかかわらず、燃焼室内で燃料ノックが生じ得るほど多くの燃料が内燃機関の燃焼室に達してしまうことが最後まで確実に排除できないことが確認されている。例えば排気行程中にさらに燃焼室内に達している燃料による触媒の損傷も完全には排除できない。
【０００８】
従って本発明の課題は、冒頭に記載した形式の方法を改善して、ピエゾアクチュエータの機能エラーが識別された場合に、内燃機関および触媒の損傷が極めて確実に排除されるようにすることである。
【０００９】
上述の課題は、冒頭に記載した形式の方法において、ピエゾアクチュエータの機能エラーが識別された場合に、燃料噴射装置へ向かう燃料質量流量を低減させることによって解決される。
【００１０】
発明の利点
本発明の手法によって、燃料噴射装置にさらに最大燃料質量流量が供給されることが阻止される。燃料噴射装置のバルブエレメントがさらに有る程度の時間、閉成ポジションに位置しない場合でも燃料質量流量のこのような低減によって、内燃機関の燃焼室内への可能な燃料供給（Kraftstoffeintrag）が低減される。しかし、ピエゾアクチュエータの機能誤り時にさらに、燃料噴射装置に割り当てられた燃焼室に達し得る燃料が少なくなればなるほど、例えば燃料ノックが生じる、または不燃焼燃料が触媒へ、損傷を引き起こすような量で搬送されるリスクが少なくなる。
【００１１】
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。
【００１２】
燃料が少なくとも１つの燃料ポンプによって、燃料噴射装置が接続されている高圧領域へ圧送され、ピエゾアクチュエータの機能エラーが識別された場合には、高圧領域内の圧力を低下させることが提案されている。このような手法は非常に僅かな応答時間内で行うことが可能である。燃料質量流量は直接的に、高圧領域と燃焼室との圧力差に依存しているので、燃料質量流量は機能エラーの識別後に迅速に低下される。ここで燃料ポンプの高圧領域中の圧力は、プレ圧送ポンプが存在する場合にはプレ圧送圧力まで、または周辺圧力まで降下させられる。
【００１３】
ここで特に有利には、ピエゾアクチュエータは機能エラーが識別された場合に、安全ポジションに移され、ピエゾアクチュエータが安全ポジションにあると、高圧領域内の圧力は再び通常のレベルに上昇される。このようにして、まだ通常に機能している燃料噴射装置を具備している各燃焼室を有する内燃機関を非常走行作動時に引き続き作動させることができる。内燃機関が例えば自動車内に取り付けられている場合、このようにして非常走行作動時に最も近い工場まで走らせることができる。
【００１４】
燃料噴射装置のバルブエレメントは、エラーのある開放位置から、ピエゾアクチュエータの放電によって特に簡単な様式および方法で、閉成された安全ポジションにまで動かされる。ピエゾアクチュエータのこのような放電は、例えばドイツ連邦共和国第１９８５４３０６号公報において開示された装置によって可能である。ドイツ連邦共和国第１９７１１９０３号公報にも、相応の手段が開示されている。従って２つの文献の内容は明らかに本開示の対象でもある。
【００１５】
本発明の特に有利な構成では、ピエゾアクチュエータの機能エラーが識別された場合、燃料噴射装置への燃料接続は中断される。これは例えば高圧領域と燃料噴射装置との間に遮断弁を取り付けることによって可能になる。燃料噴射装置への燃料接続をこのように完全に中断することによって、燃料噴射装置のバルブエレメントが開放されたポジションでブロックされた場合にも、燃料がそれ以上相応する燃焼室へ達しないことが確実になる。内燃機関が損傷されてしまうリスクはこれによって殊に低減する。
【００１６】
本発明は、コンピュータ上で実行される場合、上述の方法を実行するのに適しているコンピュータプログラムにも関する。この場合特に有利には、コンピュータプログラムはメモリ、殊にフラッシュメモリまたはフェライト（Ferrit）−ＲＡＭに記憶されている。
【００１７】
本発明は、内燃機関の作動の開制御装置および／または閉ループ制御装置にも関する。この種の開制御装置および／または閉ループ制御装置では、上述した様式のコンピュータプログラムを記憶したメモリを有しているのは特に有利である。
【００１８】
さらに本発明は、少なくとも１つの燃料ポンプと、燃料を直接的に内燃機関の少なくとも１つの燃焼室に噴射し、そのバルブエレメントがピエゾアクチュエータと結合されている少なくとも１つの燃料噴射装置と、ピエゾアクチュエータの機能エラーを識別する手段を有している内燃機関に関する。
【００１９】
燃料噴射装置が開放された位置でブロックされた場合に、内燃機関が損傷する危険を最小化するために、ピエゾアクチュエータの機能エラーが識別された場合に、燃料噴射装置へ向かう燃料質量流量を低減させることができる手段を内燃機関が有することが提案される。
【００２０】
有利な発展形態ではこれに加えて、燃料ポンプと接続されている高圧領域を内燃機関が有しており、燃料噴射装置がこの高圧領域に接続され、圧力制御弁を有しており、この圧力制御弁によって高圧領域内の圧力に影響を与えることが提案される。
【００２１】
ガソリン直接噴射を有する内燃機関で高圧領域とは一般的に燃料蓄積管路のことである。この燃料蓄積管路は、「レール」とも称される。この燃料蓄積管路内に燃料は高圧燃料ポンプによって、高圧で圧送される。燃料蓄積管路内の圧力は、場合によっては他の手法の他に、圧力制御弁によって調整される。ここで燃料噴射装置のピエゾアクチュエータの機能エラーが知らせられると、この圧力制御弁を介して高圧領域から圧力が迅速に抜かれる。
【００２２】
従って本発明の利点は、付加的なコンポーネントを取り入れなくても得られる。高圧領域内の圧力減少は、燃料ポンプから高圧領域への燃料の圧送が中断されることによってもさらにサポートされる。これは通常設けられている量制御弁の駆動制御によって容易に実現される。
【００２３】
内燃機関が弁装置を有しているのも有利である。この弁装置によって、燃料噴射装置への燃料接続が中断される。この種の弁装置は例えば高圧領域と燃料噴射装置の間に配置されている。この弁装置は、ピエゾアクチュエータが開放位置に少なくとも一時的にブロックされた場合の内燃機関損傷に対して特に高い安全性を提供する。
【００２４】
さらに有利には、内燃機関は、ピエゾアクチュエータの機能エラーが識別された場合にピエゾアクチュエータ内に蓄積された電荷を導き出すことができる装置を有している。これについてはドイツ連邦共和国第１９８５４３０６号公報およびドイツ連邦共和国第１９７１１９０３号公報も参照されたい。
【００２５】
上述した形式の開制御装置および／または閉ループ制御装置を有する、本発明の内燃機関の各発展形態は特に有利である。
【００２６】
図面
以下で本発明の特に有利な実施例を、添付した図面を参照に詳細に説明する。
【００２７】
図１は、ピエゾアクチュエータを有している燃料噴射装置を具備している内燃機関の基本図であり、
図２は、図１に記載された内燃機関の作動方法をあらわすフローチャートであり、
図３は、図１に記載された内燃機関の燃料噴射装置のピエゾアクチュエータのエラー状態が時間を横軸にあらわされているダイヤグラムであり、
図４は、図１に記載された内燃機関の燃料噴射装置のピエゾアクチュエータの電荷状態が時間を横軸にあらわされているダイヤグラムであり、
図５は、図１に記載された内燃機関の燃料蓄積線路内の圧力が時間を横軸にあらわされているダイヤグラムであり、
図６は、図１に記載された内燃機関の遮断弁の切換位置が時間を横軸にあらわされているダイヤグラムである。
【００２８】
図１では内燃機関が全体として参照番号１０で示されている。内燃機関は複数の燃焼室を含み、この複数の燃焼室のうち、図１には参照番号１２であらわされた１つの燃焼室のみが示されている。この燃焼室には燃焼空気が入口弁１４および吸気管１６を介して供給される。燃焼排気ガスは燃焼室１２から出口弁１８および排気管２０を介して導き出される。
【００２９】
燃料は燃焼室１２に、燃焼室１２に直接的に配置された燃料噴射装置２２を介して供給される。燃焼室１２内に存在する燃料空気混合気は、点火プラグ２３を介して点火される。この点火プラグは、点火システム２５と接続されている。燃料噴射装置２２はピエゾアクチュエータ２４を有している。ピエゾアクチュエータは、燃料噴射装置２２のバルブエレメント（図示されていない）と結合されている。ピエゾアクチュエータ２４にオーム抵抗２７が接続されている。高圧燃料管路２６を介して燃料噴射装置２２は、燃料蓄積管路２８（レール）と接続されている。燃料蓄積管路２８と燃料噴射装置２２の間で、高圧燃料管路２６内に遮断弁３０が配置されている。
【００３０】
燃料蓄積管路２８には、高圧燃料ポンプ３２から燃料が供給される。内燃機関１０の通常作動時には、燃料は燃料蓄積管路２８内に高圧で蓄積される。供給される燃料量はこの場合、量制御弁３４によって調整される。これはその作動領域（図示されていない）の高圧燃料ポンプ３２の圧送行程の間、低圧燃料管路３６と接続される。従って量制御弁３４の開放持続時間の間、燃料は高圧燃料ポンプ３２から燃料蓄積管路２８に達しない。燃料蓄積管路２８内の圧力は圧力制御弁３８によって調整される。これは戻り管路４０を介して燃料タンク４２と接続されている。電気的燃料ポンプ４４は燃料を燃料タンク４２から低圧燃料管路３６へ圧送し、さらに高圧燃料ポンプ３２へ圧送する。
【００３１】
内燃機関１０は、開制御および閉ループ制御装置４６も有している。これは燃料噴射装置２２、点火システム２５、遮断弁３０、量制御弁３４および圧力制御弁３８を駆動制御する。内燃機関１０の作動は、開制御および閉ループ制御装置によって、図２に示された方法に従って制御される。これはコンピュータプログラムとして、開制御および閉ループ制御装置４６内に記憶されている。
【００３２】
この方法はスタートブロック４８において始まる。ブロック５０においてピエゾアクチュエータ２４の機能が監視される。ここでピエゾアクチュエータ２４の機能エラーが識別可能である。このような機能エラーには例えば、ピエゾアクチュエータ２４と開制御および閉ループ制御装置４６の間の接続の崩壊が属する。ピエゾアクチュエータ２４の機能エラーにつながる制御装置自体内の故障もブロック５０において識別される。
【００３３】
ピエゾアクチュエータ２４の機能エラーはブロック５０において例えば次のことによって検出される。すなわち定期的に閉成過程時のピエゾアクチュエータ２４の放電電流が、測定されることによって検出される。ピエゾアクチュエータ２４と開制御および閉ループ制御制装置４６との間の接続が例えばケーブル破壊によって、または故障したケーブルによって中断された場合、測定される放電電流は０である。従って、ここから結果として生じるピエゾアクチュエータ２４の機能エラーがただちに識別される。
【００３４】
ピエゾアクチュエータ２４の機能エラーが識別されると、並行して３つの措置が実行される。：１つは遮断弁３０が閉成され（ブロック５２）。さらに場合によっては、まだピエゾアクチュエータ２４内に蓄積されている電荷がオーム抵抗２７を介して導き出される（ブロック５４）。最後にはブロック５６において圧力制御弁３８およびソレノイド制御弁３４が、燃料蓄積管路２８内の圧力が急激に低下するように駆動制御される。
【００３５】
図３〜図６から分かるように、このような措置によって、ピエゾアクチュエータ２４の機能エラー時の燃焼室１２内への意図的でない燃料供給に対して高い安全性が得られる。図４から分かるようにこれは有る程度の時間、ピエゾアクチュエータ２４から電荷が排出されるまで続く（図４参照）。従ってこれは、オーム抵抗２７が次のように構成されなければならないこと関連する。すなわちピエゾアクチュエータ２４の機能エラーのない内燃機関１０の通常作動時に、ピエゾアクチュエータ２４およびピエゾアクチュエータと結合されているバルブエレメントの相応の迅速な操作が可能な程、ピエゾアクチュエータ２４内の電荷が充分に迅速に形成されるようにオーム抵抗が構成されなければならないことと関連する。
【００３６】
図５から分かるように、ソレノイド制御弁３４および圧力制御弁３８を駆動制御することによって、時間内で燃料蓄積管路２８内の圧力を降下させることができる。この時間は、ピエゾアクチュエータ２４内の電荷の低減に必要な時間より格段に短い。従って、ピエゾアクチュエータ２４から電荷がまだ完全に導き出されておらず、燃料噴射装置２２の弁がまだ完全に閉成されていない場合に、もしそうであったとしても、僅かな燃料しか内燃機関１０の燃焼室１２内に達しないことが保証される。これはさらに遮断弁３０の閉成によってサポートされる（図６）。これによって燃料噴射装置２２への燃料供給が完全に中断される。燃料噴射装置２２への燃料質量流量の低減は、本実施例では冗長性を有している。
【００３７】
図２ではブロック５８において、燃料噴射装置２２が完全に閉成されているか否かが検査される。図４の放電曲線では、例えば所定時間の経過後、そこから出発し、ピエゾアクチュエータ２４は完全に放電され、従って燃料噴射装置２２のバルブエレメントが完全に閉成したポジションに位置する。ブロック５８での応答が「はい」である場合、ブロック６０でソレノイド制御弁３４および圧力制御弁３８が再び次のように駆動制御される。すなわち燃料蓄積管路２８内で通常の動作圧力が形成される（図５参照）ように駆動制御される。この方法は最終ブロック６２において終了する。
【００３８】
燃料蓄積管路２８内の圧力が迅速に再形成されることによって、燃料噴射装置２２が閉成した位置にある場合に、内燃機関１０を非常走行作動においてさらに作動させることができる。すなわちこのような場合に、ここで機能エラーが確認されない限り、他の燃焼室（図２には示されていない）の燃料噴射装置が引き続き作動される。
【００３９】
図２内のブロック５２および５６において実施される措置（遮断弁３０の閉成および燃料蓄積管路２８内の圧力降下）は、ピエゾアクチュエータ２４の機能エラー時に内燃機関１０の損傷のリスクを減らすために必ずしも２つとも必要なのではないことを理解されたい。示されていない実施例では、このような２つの措置のうち１つだけが実行されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】ピエゾアクチュエータを同じように有している燃料噴射装置を具備している内燃機関の基本図である。
【図２】図１に記載された内燃機関の作動方法をあらわすフローチャートである。
【図３】図１に記載された内燃機関の燃料噴射装置のピエゾアクチュエータのエラー状態が時間を横軸にあらわされているダイヤグラムである。
【図４】図１に記載された内燃機関の燃料噴射装置のピエゾアクチュエータの電荷（電気量）状態が時間を横軸にあらわされているダイヤグラムである。
【図５】図１に記載された内燃機関の燃料蓄積管路内の圧力が時間を横軸にあらわされているダイヤグラムである。
【図６】図１に記載された内燃機関の遮断弁の切換位置が時間を横軸にあらわされているダイヤグラムである。

Claims (13)

1. 内燃機関（１０）の作動方法であって、
   燃料は少なくとも１つの燃料噴射装置（２２）を介して内燃機関（１０）の少なくとも１つの燃焼室（１２）に直接的に達し、当該燃料噴射装置のバルブエレメントはピエゾアクチュエータ（２４）によって動かされ、
   前記ピエゾアクチュエータ（２４）の機能を監視し、機能エラーを識別する（５０）形式に方法において、
   前記ピエゾアクチュエータ（２４）の機能エラーが識別された場合（５０）に、前記燃料噴射装置（２２）への燃料質量流量を低減させる（５２, ５６）、
   ことを特徴とする、内燃機関の作動方法。
2. 燃料を少なくとも１つの燃料ポンプ（３２, ４４）によって高圧領域（２８）に圧送し、
   当該高圧領域に燃料噴射装置（２２）が接続されており、
   前記ピエゾアクチュエータ（２４）の機能エラーが識別された場合（５０）に、前記高圧領域（２８）内の圧力を低下させる（５６）、請求項１記載の方法。
3. 機能エラーが識別された場合（５０）に前記ピエゾアクチュエータ（２４）を安全ポジションに動かし（５４）、
   前記ピエゾアクチュエータ（２４）が当該安全ポジション内に位置すると、前記高圧領域（２８）内の圧力を再び通常レベルに上げる（６０）、請求項２または３記載の方法。
4. 前記燃料噴射装置（２２）のバルブエレメントを、エラーを有する開放位置から、前記ピエゾアクチュエータ（２４）の放電によって閉成された安全ポジションに動かす（５４）、請求項３記載の方法。
5. 前記ピエゾアクチュエータ（２４）の機能エラーが識別された場合（５０）に、前記燃料噴射装置（２２）への燃料接続を中断する（５２）、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. コンピュータ上で動作し、請求項１から５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。
7. メモリ、殊にフラッシュメモリまたはフェライトＲＡＭに記憶されている、請求項６記載のコンピュータプログラム。
8. 請求項６または７記載のコンピュータプログラムを記憶したメモリを有する、
   ことを特徴とする、内燃機関（１０）の作動の開制御および／または閉ループ制御装置（４６）。
9. 内燃機関（１０）であって、
   少なくとも１つの燃料ポンプ（３２, ４４）と、
   燃料を内燃機関（１０）の少なくとも１つの燃焼室（２４）に直接的に噴射し、自身のバルブエレメントがピエゾアクチュエータ（２４）と結合されている、少なくとも１つの燃料噴射装置（２２）と、
   前記ピエゾアクチュエータ（２４）の機能エラーを識別することができる手段（４６）を有している形式のものにおいて、
   前記ピエゾアクチュエータ（２４）の機能エラーが識別された場合に前記燃料噴射装置（２２）への燃料質量流量を低減させることができる手段（３０, ３８）を有している、
   ことを特徴とする内燃機関。
10. 高圧領域（２８）を有しており、
    当該高圧領域は燃料ポンプ（３２）と接続されており、
    前記燃料噴射装置（２２）は、前記高圧領域（２８）に接続されており、
    前記高圧領域（２８）内の圧力に影響を与えることができる圧力制御弁（３８）を有している、請求項９記載の内燃機関（１０）。
11. 前記燃料噴射装置（２２）への燃料接続（２６）を中断することができる弁装置（３０）を有している、請求項９または１０記載の内燃機関（１０）。
12. 前記ピエゾアクチュエータ（２４）の機能エラーが識別された場合、当該ピエゾアクチュエータ（２４）内に蓄積された電荷を導き出すことができる装置（２７）を有している、請求項９から１１までのいずれか１項記載の内燃機関（１０）。
13. 請求項８記載の開制御装置および／または閉ループ制御装置（４６）を有している、請求項９から１２までのいずれか１項記載の内燃機関（１０）。

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