JP2006090328A - 内燃機関の始動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低温時のコールドスタートでも確実な始動が保証されるような始動方法を提供することである。
【解決手段】燃料噴射装置を備える内燃機関の始動方法において、
燃料圧に対する尺度を検出し、閾値と比較し、
燃料圧に対する尺度が閾値より下にある場合、燃料噴射を複数の噴射パルスに分散する。
【選択図】図１

Description

本発明は、独立請求項による内燃機関の始動方法から出発する。さらに本発明は、内燃機関の調整および／または制御方法、並びに内燃機関自体に関する。

内燃機関の始動時、クランクシャフトが始動回転数にまで上昇する間に燃料を噴射し、燃焼室の表面を濡らし、同時に点火能力のある混合気を最初の燃焼のためにすでに提供することは公知である。とりわけ低温時のコールドスタートでは非常に多くの燃料量が関連の表面に凝縮し、以降の燃焼に使用できないことがある。例えば−３０℃での始動では、全負荷動作時に必要な燃料より１６倍までの多くの燃料が必要である。噴射量は、内燃機関の確実な始動を保証するために、温度が低くなればなるほどさらに多くが必要である。

さらに通常の噴射システム、典型的には２つの燃料ポンプを装備した直接噴射システムでは、第1の燃料ポンプ、有利には電気式燃料ポンプが燃料を低圧に予圧縮する。有利には内燃機関のシャフトと結合した別の第2の燃料ポンプが燃料を比較的に高圧の駆動圧に圧縮する。内燃機関の始動時には、実質的に電気式燃料ポンプにより達成される燃料圧しか存在しない。第2の燃料ポンプが駆動される数回のクランクシャフト回転の後に初めて比較的高圧の燃料圧が形成される。

さらに噴射弁の通流量は典型的には、相応に高い定格圧力での全負荷時に内燃機関が必要とする燃料量に設計されている。例えば低温時のコールドスタートでさらに多くの燃料量が必要になると、噴射弁の通流量が場合により、使用可能な時間内に所要の燃料量を噴射するのに十分でなくなる。さらに噴射弁に印加される燃料圧が駆動に対して設けられた定格圧力よりも低くなると、このことは付加的に時間あたりの通流量を低下させる。内燃機関が始動する確実性は次第に低下し、ついには始動しなくなる。

DE10258229A1からすでに、直接噴射式内燃機関のウォームスタートのための方法が公知である。この方法では、第1の混合気形成に必要な燃料量が内燃機関の始動フェーズの開始前に、複数の順次連続する燃料噴射により燃焼室にもたらされる。この方法の代替手段として、いわゆる内燃機関のスタート・ストップ機能が提案される。ここでは内燃機関が再始動時にほぼ駆動温度を有しており、ウォームスタートに必要な高い燃料圧がまだ燃料高圧管に存在するか、または場合により提供される。
DE10258229A1

本発明の課題は、低温時のコールドスタートでも確実な始動が保証されるような始動方法を提供することである。

この課題は、燃料噴射装置を備える内燃機関の始動方法において、
燃料圧に対する尺度を検出し、閾値と比較し、
燃料圧に対する尺度が閾値より下にある場合、燃料噴射を複数の噴射パルスに分散することによって解決される。

独立請求項の特徴を有する本発明の方法は、燃料圧が閾値以下であっても、燃料噴射が複数の噴射パルスに分散されるという利点を有する。従って有利には、マルチ噴射の有利な特性が、これまではこの種の駆動形式に対して予期されていなかった燃料圧でもすでに利用される。

従属請求項に記載された手段によって、独立請求項に記載の方法の有利な改善形態および改良が可能である。

本発明の対象の有利な構成では、内燃機関の温度に対する尺度が検出され、温度閾値と比較され、温度に対する尺度および／または燃料圧に対する尺度がそれぞれの閾値を下回る場合、燃料噴射が複数の噴射パルスに分散される。このことの利点は、低圧および低温での内燃機関の始動のために噴射弁を、全負荷駆動に対して必要なよりも大きく設計する必要のないことである。始動確実性は格段に向上する。始動反復が可能であり、排ガス放出が低下する。

さらに有利には燃料噴射は１０以上の噴射パルスに分散される。なぜなら実験の結果、１０以上の噴射パルスによる噴射量に対して燃料節約作用が格別だったからである。

さらに有利には、燃料噴射装置を備える内燃機関の調整および／または制御装置を設ける。ここには燃料圧に対する尺度を検出する手段と検査手段が設けられており、燃料圧の尺度が閾値よりしたにあるか否かが検査され、燃料圧に対する尺度が閾値より下にあれば、燃料噴射が複数の噴射パルスに分散される。

本発明の方法および本発明の装置は直接噴射式内燃機関にも、吸気管噴射にも適する。さらに本発明は、所定の燃料に制限されるものではなく、ディーゼル燃料、ガソリン燃料、メタノール燃料またはそれらの混合に対して使用することができ、外部点火または自己着火であるか否かに依存しない。以下の説明では簡単にするため、ガソリン直接噴射を例に取るが、その他の適用例も含まれる。

図１には概略的に、噴射装置５を備える多気筒内燃機関１が示されている。ここでは例として４つの噴射弁４０と１つのシリンダ１１０が示されている。噴射装置５は、第1と第2の燃料ポンプ１０，２０、蓄圧器３０，噴射弁４０，燃料タンク５０および圧力センサ６０を有する。第1の燃料ポンプ１０は燃料を燃料タンク５０から第2の燃料ポンプ２０の方向にポンピングする。第1の燃料ポンプ１０は、低圧を形成するように適する。第2の燃料ポンプ２０は燃料を蓄圧器３０に搬送し、第1の燃料ポンプ１０により形成された低圧を高圧に高める。蓄圧器３０はしばしばレールまたはコモンレールとも称され、４つの噴射弁４０と接続している。圧力センサ６０を介して少なくとも蓄圧器３０の圧力が監視される。

例として４つの噴射弁４０と１つが内燃機関１のシリンダ１１０と接続されている様子が示されている。シリンダ１１０にはピストン１２０が可動に配置されている。シリンダ１１０は燃焼室１００を有し、燃焼室はとりわけピストン１２０，入口弁１５０および出口弁１６０により制限される。複数の入口弁および／または出口弁１５０，１６０を設けることもできる。入口弁および出口弁１５０，１６０の領域では噴射弁４０と点火プラグ２００が燃焼室に突入している。噴射弁４０により、燃料を燃焼室に直接噴射することができる。点火プラグ２００を介して燃料は燃焼室１００で点火される。さらに吸気管１５５が有利には空気を入口弁１５０に導入し、入口弁１５０の開口部を通って空気は燃焼室１１０に達する。出口弁１６０の開口部を通って有利には排ガスが排ガス管１６５にさらに導かれる。

図２は、吸気管噴射を行う内燃機関の一部を示す。ここで同様に作用する装置には同じ参照符号が付してある。図１に示した実施例の噴射装置５との相違は、吸気管噴射の場合、噴射弁４０は燃焼室１１０に突入しておらず、吸気管１５５に突入していることである。噴射弁４０を介して燃料は吸気管１５５に達し、そこで空気と混合して燃料・空気混合気となる。この混合気は入口弁１５０を介して燃焼室１５０に達し、そこで点火プラグ２００を介して点火される。

さらに図１と図２に図示しない装置が、噴射装置５調整および／または制御のために設けられている。この装置は例えば内燃機関に対する制御装置、またはその一部とすることができるが、独立した制御装置として構成することもできる。この制御装置と称される装置は例えばセンサを介して内燃機関１および噴射装置５の動作パラメータを検出する。とりわけ制御装置により空気量、燃料圧、アクセルペダル位置、トルク要求、内燃機関の回転数等が検出される。動作パラメータに依存して出力信号および／または制御信号が形成され、それらの信号は内燃機関１のコンポーネントに印加される。とりわけ噴射弁４０は燃料圧、有利には蓄圧器３０の燃料圧に依存して制御される。

燃料を内燃機関の静止状態中も搬送するために、第1の燃料ポンプ１０は有利には電気式燃料ポンプとして構成されている。第２の燃料ポンプ２０は電気式に駆動されるよう構成することもできるが、しかしほとんどは内燃機関のクランクシャフトまたは他のシャフトと直接結合しており、従って内燃機関の静止状態では第２の燃料ポンプ２０により付加的圧力を形成することができない。

例えば点火スイッチの操作により、始動希望が識別されると、第1の燃料ポンプ１０は燃料の搬送を開始し、燃料圧いわゆる低圧を蓄圧器３０と噴射弁４０までに形成する。ただしこれは蓄圧器３０に比較的に高い圧力の燃料が存在しない場合である。制御装置は、検出された動作パラメータに依存して始動に必要な燃料量を設定し、この燃料量が噴射弁を介してそれぞれ１つの燃焼室１１０または吸気管１５５にもたらされる。蓄圧器３０内の燃料圧が閾値以下にあると、本発明では燃料量が、ただ１つの噴射でもたらされるのではなく、複数の噴射パルスに分散される。

噴射すべき燃料量のこの分散は、燃料をただ１つの噴射で噴射することに対して、燃料流の燃焼室への浸透深さが浅くなり、これにより燃焼室の表面が燃料により濡らされる程度が小さくなるという利点を有する。さらにパルス状の噴射は燃料パケットを形成し、この燃料パケットはこれが燃焼室で運動する際に相互に衝突し、さらに小さなパケットないしは液滴に霧化する。さらに噴射パルス間で多くの空気が吸入される。このことにより全体で改善された混合気が形成される。ただ１つの噴射に対して燃料量は５０％まで低減される。

改善された混合気形成の有利な作用、およびこれに結びついた燃料節約は約１０の噴射から顕著となる。しかし適用例に応じて５０，１００またはそれ以上の噴射を設けることもできる。さらに燃料パルスを長さ、数、およびデューティ比の点で変更することも考えられる。また噴射を均等に分散する必要はなく、任意に選択可能な長さおよび休止で分散することができる。噴射は有利には直接噴射式内燃機関では圧縮フェーズで行われ、吸気管噴射の内燃機関では吸気フェーズで行われる。しかし噴射パルスを適用例に応じて内燃機関の別のクロックフェーズに置くこともできる。さらに複数の噴射をそれぞれ複数の噴射パルスにより行うこともできる。

複数の噴射パルスによる前記燃料噴射は驚くべきことに、とりわけ０℃以下のコールドスタート時でも始動に必要な燃料量を低減する。この有利な燃料節約により、燃料圧の低い場合でも、また温度が低い場合でも、燃焼室または吸気管に燃料／空気混合気を提供することができ、これにより内燃機関の駆動または始動を可能にする。燃料圧および／または温度が低いときに噴射弁の時間あたりの通流量が十分でなくても、これは補償されるので、噴射弁を全負荷駆動に対して必要な大きさよりも大きく設計する必要はない。

さらに本発明は、燃料が低圧で吸気管に噴射される内燃機関に対しても有利である。改善された混合気形成により、低温時の始動に対して必要な燃料量が格段に低減され、有利には始動確実性が向上し、反復始動も可能となり、排ガス放出が低減される。

さらに２０bar以下の低い燃料圧でしか噴射が行われない内燃機関では、始動時にだけでなく、内燃機関の駆動中にも複数の噴射パルスによる噴射を行うことができる。

多数の噴射によって、噴射弁４０を制御するブースト電流の休止時間、いわゆるブースタタイムアウトを低減することができる。付加的にブースタ電流も低減され、これによりブースタコンデンサが僅かしか放電されなくなる。ブースタコンデンサの補充電能力はブースト間にある短い時間で保証される。しかしブースタ電流は、噴射弁４０が低圧に対して確実に開放することが保証される程度までに低減すべきである。

多くの内燃機関において始動時には、ガス交換弁とクランクシャフトとの間に同期が存在しない。そのためピストンの位置、とりわけ存在する作動行程が未知である。クランクシャフトが数回回転して初めて同期が行われ、所期の噴射を行うことができる。噴射を調整するために有利には、絶対角度発生器を設けることができ、これにより同期をクランクシャフトの運動がなくても行うことができる。

燃料直接噴射のための内燃機関の概略図である。 吸気管噴射を行う内燃機関の概略図である。

Claims (5)

1. 燃料噴射装置を備える内燃機関の始動方法において、
   燃料圧に対する尺度を検出し、閾値と比較し、
   燃料圧に対する尺度が閾値より下にある場合、燃料噴射を複数の噴射パルスに分散する、ことを特徴とする始動方法。
2. 請求項１記載の方法において、内燃機関の温度に対する尺度を検出し、温度閾値と比較し、
   温度に対する尺度および／または燃料圧に対する尺度がそれぞれの閾値を下回る場合、燃料噴射を複数の噴射パルスに分散する。
3. 請求項１または２記載の方法において、燃料噴射を１０以上の噴射パルスに分散する。
4. 燃料噴射装置を備える内燃機関の調整および／または制御装置において、
   検出手段が燃料圧に対する尺度を検出し、
   検査手段が、燃料圧の尺度が閾値以下にあるか否かを検査し、
   燃料圧に対する尺度が閾値以下にある場合、装置が燃料噴射を複数の噴射パルスに分散する、ことを特徴とする装置。
5. 請求項４記載の装置を備える内燃機関。

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