JP2007533887A - 直接噴射式の火花点火機関の移行を制御するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

燃料直接噴射によって運転される火花点火機関（１６）の第１の運転モードから第２の運転モードへの切換時、特に均質的に化学量論的な運転および均質的に希薄の運転、成層化された運転またはＨＣＣＩ運転、弁ストロークの切換または弁位相の切換の間の切換時には、感じられ得る車両の衝撃または火花点火機関（１６）の運転非円滑性に通じ得る望ましくないトルクジャンプが生ぜしめられ得るという問題がある。したがって、本発明によれば、特に許容できないほど大きなトルクジャンプ時に、点火角の調節による慣用の補償のほかに、燃料の多段噴射を導入することが提案される。この場合、効率を悪化させ、ひいては、形成されるトルクを低減するために、燃料の一部分量が圧縮段階の間に噴射される。

Description

本発明は、燃料直接噴射によって運転される火花点火機関の第１の運転モードから第２の運転モードへの移行、たとえば均質的に化学量論的な運転および均質的に希薄の運転、成層化された運転またはＨＣＣＩ運転（Ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ Ｃｈａｒｇｅｄ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｉｇｎｉｔｉｏｎ）、弁ストロークの切換または弁位相の切換の間の移行が制御可能である、独立請求項１に記載した方法および独立請求項９に記載した形式の装置から出発する。

すでに、２つの運転モードの間の切換時に、一般的に、トルクジャンプが生ぜしめられることが知られている。このトルクジャンプは、運転モードに応じて、許容できないほど大きくなり得る。このトルクジャンプに対する原因は、種々異なる運転モードで、その都度異なる高さの空気質量が火花点火機関のシリンダ内に吸い込まれることに見られる。この空気質量によって、相応に高いトルクが生ぜしめられる。トルクジャンプは火花点火機関の運転非円滑性に通じ得る。この運転非円滑性は、走行運転中に望ましくない形式で、たとえば衝撃として感じられ得る。

より小さな空気質量ジャンプ時には、これまで、この空気質量ジャンプを点火角の調節によって補償することが成功した。この場合、この点火角は、まだ燃料・空気混合物の確実な燃焼が保証される程度に遅めの方向に調節された。しかし、燃料・空気混合物の遅い燃焼は、低減されたトルクを生ぜしめる。大きな空気質量ジャンプ時には、トルクジャンプの補償のために点火角調節だけではもはや不十分であるという事例が生ぜしめられ得た。この事例において、車両の望ましくない衝撃が生ぜしめられることを回避するために、一般的に、第２の運転モードへの切換が阻止されたかまたは高い空気質量ジャンプが生ぜしめられ得ないように機関が設計された。このことは、相応に高い燃料消費率で購われなければならなかった。

本発明の課題は、トルクジャンプの著しく大きな低減を得ることができる方法もしくは装置を提案することである。この課題は、独立請求項１および９の特徴によって解決される。

独立請求項１および９の特徴部に記載の特徴を備えた、２つの運転モードの間の移行を制御するための本発明による方法もしくは装置では、燃料・空気混合物の燃焼を危険にさらすことなしに、大きなトルクジャンプもなお成功のうちに低減させることができるという利点が得られる。このことは、多段噴射によって達成される。この場合、噴射したい燃料の少なくとも一部分量が圧縮段階の間に火花点火機関の１つまたはそれ以上のシリンダ内に噴射される。圧縮段階の間のこの噴射によって、３つの主要な効果が得られる。これらの効果はトルクの低減を助成する。シリンダの弁がすでに閉鎖された場合（圧縮段階）の時点で、噴射される燃料量の一部が噴射されるので、シリンダ内のより僅かな内部冷却によって、吸い込まれた空気質量が減少させられる。さらに、燃焼の効率が悪化させられることが有利である。なぜならば、遅めの噴射時には、噴射された燃料にそれほど強く渦流が付与されないからである。さらに、測定によって、有利には、圧縮段階での噴射時に点火角がさらに一層遅めの方向に調節される場合に、火花点火機関の運転円滑性が変化しないことも分かった。遅めの方向への点火角の調節によって、トルクのさらなる低減を達成することができる。本発明によって、火花点火機関の運転円滑性を損なうことなしに、トルクジャンプの著しく大きな低減が達成されることは特に有利であると見なされる。

従属請求項に記載した手段によって、独立請求項１および９に記載した方法もしくは装置の有利な実施態様および構成が付与されている。切換段階の間、噴射したい燃料量を完全に圧縮段階で噴射する択一的な解決手段が特に有利であると見なされる。これによって、燃料が、シリンダ内に位置する空気質量の冷却に寄与しないので、切換段階の間、空気質量は比較的小さく、したがって、比較的小さなトルクが形成される。

圧縮段階の間、シリンダの弁は閉鎖されており、これによって、あたかも噴射弁が開放されたかのように強く渦流が、シリンダ内に噴射された燃料に付与され得ない。したがって、トルクのさらなる低減のために、多くの事例では、燃料の一部分量さえ噴射すれば十分である。

トルクのさらなる低減は、切換段階の間、点火角が連続的に遅めの方向に調節される場合に達成される。なぜならば、燃料・空気混合物に点火されるのが遅ければ遅いほど、形成されるトルクがますます僅かになるからである。

有利な解決手段は、切換後、トルク補償が終了するやいなや、各運転モードに対する標準噴射の通常の運転が再び再開されることにも見られる。たとえば小さな弁ストロークを備えた運転に切り換えられた場合には、いまや、空気質量、燃料量および点火角の制御が、この運転モードに対して固有の値に調整され得る。火花点火機関の運転円滑性に不利な影響は与えられず、これによって、この切換過程は車両の乗員によっても感じられ得ない。

さらに有利な使用事例は、弁ストロークの離散的な切換時に弁ストローク差が増加させられてよい場合に生ぜしめられる。それぞれ異なる弁ストロークは、シリンダのそれぞれ異なる高さの充填度ひいては相応に異なる高さのトルクを生ぜしめる。高い充填度は、高められた燃料消費率にも強制的に結び付けられているので、特に機関の最大の出力が不要となる場合の部分負荷領域では、相応に僅かな燃料消費率を備えた低い弁ストロークに切り換えられ得る。

さらに、小さな弁ストロークを備えた運転への切換のために、まず、スロットルバルブを開放し、点火角を、許容できる最小の値に減少させ、必要な場合には、多段噴射を圧縮段階で促進することが有利である。これによって、最も確実にトルクジャンプを補償することができる。

切換が成功した場合には、噴射が標準値に変換され得る。

２つの運転モードの間の移行を制御するための装置では、切換の制御のために、燃料噴射が圧縮段階で行われるように、アルゴリズムによって、火花点火機関の少なくとも１つの作動装置を制御することができるプログラムが使用されることが特に有利であると見なされる。特にこのプログラムによって、スロットルバルブ、点火角調節および／または燃料噴射のための作動装置を制御することができる。

以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。

図１に示した本発明による実施例において、２つの運転モードの間の切換に対する機能形式を線図につき詳しく説明する。たとえば、燃料直接噴射によって運転される火花点火機関において、吸気弁および／または排気弁に対する大きな弁ストロークを備えた運転から、小さな弁ストロークを備えた運転に切り換えられると仮定する。この切換によって、確かに、形成されるトルクがより小さくなり、他方でこの運転モードは燃料をより節約しており、これによって、たとえば部分負荷時に機関に最大のトルクが要求される必要がない場合の特定の運転条件では、小さな弁ストロークを備えた燃料節約的な運転が有利であるように思われる。小さな弁ストロークを備えた運転への切換によって、予め大きな弁ストロークを備えた運転モードの場合ほど多くの空気がもはや火花点火機関のシリンダ内に流入することができないので、これによって、トルクが低減される。弁ストロークの切換のためには、種々異なる方法が知られているので、これらの方法は詳しく説明する必要ない。たとえば、切換は、カムシャフトの軸方向の移動によって機械的に行われてよい。この事例では、このカムシャフトが、それぞれ異なる高さのカムを備えて形成されている。このカムによって、弁タペットが操作される。択一的には、タペットのバケットがハイドロリック式に持ち上げられ、したがって、弁ストロークに影響を与えることができる。

走行快適性を損なわないために、切換は自動的に行われ、運転者または車両乗員に対して感じられ得ないことが望ましい。しかし、より遅い時点で機関の十分なトルクが必要となる場合には、大きな弁ストロークを備えた運転に再び自動的に切り換えられる。

図１の線図では、ｘ軸に時間ｔが示してある。ｙ軸には、３種類の曲線の各振幅が示してある。実線の曲線は、設定された空気質量目標値ＬＳを表している。この空気質量目標値ＬＳは、大きな弁ストロークもしくは小さな弁ストロークの両運転モードに対して必要となる。空気質量目標値ＬＳは火花点火機関のスロットルバルブによって調整され得る。点線の曲線ＬＡは、空気質量に対する目下の値を示している。この空気質量は、前調整に相応して火花点火機関の相応のシリンダ内に生ぜしめられる。破線で図示した曲線は、相応の制御装置によって設定される点火角ＺＷに相当している。

図１の線図の左側の部分では、機関が、まだ大きな弁ストロークを備えた運転中にある。スロットルバルブは比較的十分に閉鎖されている。したがって、空気質量目標値ＬＳは下側のレベル（曲線ＬＳの左下の線分）に位置している。曲線ＬＳの垂直な上昇以降、時点ｔ１で小さな弁ストロークへの切換段階が開始される。この切換段階は線図の右側の部分で終了している。小さな弁ストロークへの切換のためには、まず、トルクを切換時にコンスタントに保つことができるようにするために、空気質量目標値ＬＳが高められなければならない（曲線ＬＳの垂直な上昇）。このためには、時点ｔ１でスロットルバルブが開放され、これによって、機関のシリンダ内の目下の空気質量が曲線ＬＡに相応して増加する。曲線ＬＡが空気質量目標値ＬＳに到達すると、小さな弁ストロークを備えた運転に切り換えられ得る。この最も遅い切換時点はｔＵとして特徴付けてある。

有利にはスロットルバルブの切換と同時に曲線ＺＷに相応して、点火角が早めの方向から遅めの方向に向かって最小の値に減少させられる。この値は時点ｔＺで達成される。シリンダ内に位置する燃料・空気混合物は、この点火角ＺＷでは、まだ燃焼可能である。

本発明によれば、多段噴射を実施することが提案されている。時点ｔＺで最小の点火角で多段噴射が開始される。これによって、空気供給の吸込みが悪化する。このことは、（早めの方向への）点火角の増加を生ぜしめる。次いで、点火角が、多段噴射に対してさらに低い値にまで遅めの方向に減少させられ、これによって、曲線ＺＷが再び降下する。実際には、遅くとも時点ｔＵでの最小の点火角において、小さな弁ストロークを備えた運転に切り換えられなければならない。この小さな弁ストロークを備えた運転への切換後、シリンダ内の空気質量は、トルクジャンプ、つまり、急激なトルク増加を生ぜしめない程度に十分に大きくなっている。この運転モードには、いま、点火、空気質量および噴射に対する標準値が適用される。

多段噴射は、有利には、シリンダの吸気弁および排気弁が閉鎖されている場合の圧縮段階Ｋで実施される。この圧縮段階Ｋでの噴射は、両時間マークｔＺ，ｔＵの間で経過している。両時点ｔ１，ｔＵの間の全切換段階Ｕは矢印Ｕによって特徴付けてある。

弁が閉鎖されている場合の圧縮段階で、噴射したい燃料量を部分量として調量することが提案されている。択一的には、全燃料量が圧縮段階で噴射されてもよい。

図２の線図には、小さな弁ストロークを備えた運転から、大きな弁ストロークを備えた運転に切り換えられる場合の事例が示してある。この切換は、図１に対して前述した形式と逆の形式で経過する。図２の左側の部分では、機関が、小さな弁ストロークの運転モードにある。すなわち、スロットルバルブが比較的十分に開放されており、これによって、空気質量目標値に対する曲線ＬＳが大きな振幅を有している。点火は早めの方向に切り換えられている。時点ｔＵで弁ストロークの切換が生ぜしめられる。まず、噴射したい燃料量の少なくとも一部が圧縮段階Ｋで供給されるように、噴射が変更される。同時に、スロットルバルブを閉鎖することが開始される。すなわち、より小さな空気質量目標値が曲線ＬＳに相応して設定される。目下の空気質量値（曲線ＬＡ）は、時間ｔにわたって、より僅かな設定された空気質量目標値ＬＳに適合する。曲線ＺＷに相応して、点火角が時点ｔＵで弁ストローク切換に基づき遅めの方向に調節される。次いで、点火角が、減少した空気質量に相応して再び早めの方向に調整される。この場合、時点ｔＺで、点火角を標準噴射時に再び増加させるために、点火角が再び減少させられ得る。時点ｔ２では、点火角がその基本値にあり、これによって、切換が終了されている。矢印Ｋは圧縮段階Ｋを示している。噴射、空気質量および点火角の後続の制御は、切換後、再び相応の標準プログラムによって行われる。

本発明の別の実施態様では、異なる２つの運転モード、たとえば均質的に化学量論的な運転、均質的に希薄の運転、成層化された運転またはＨＣＣＩ（予混合圧縮自己着火）運転の間の切換を適宜な形式で実施することが提案されている。こうして、それぞれ異なる弁位相を制御することもできる。

図３には、２つの運転モード、たとえば大きな弁ストロークを備えた運転と、小さな弁ストロークを備えた運転との間の移行を制御するための装置（制御装置）１０が概略図で示してある。この装置１０は、有利には機関制御システムの一部として形成されている。この機関制御システムは、ソフトウェアプログラム（プログラムメモリ１２を備えたプログラム）によって両運転モードの間の移行時の機関機能を制御する。このプログラムは、毎回、他方の運転モードへの切換時に実行される。さらに、装置１０はメモリ１３を有している。このメモリ１３には、両運転モードの切換に対するアルゴリズムと、別のデータ、たとえば設定された運転調整量、限界値等とが、有利には表の形で記憶されている。装置１０は、有利にはブスシステム２０を介して火花点火機関１６のスロットルバルブのためのアクチュエータ１４に接続されている。さらに、ブスシステム２０には、回転角検出のための装置１５が接続されている。したがって、アクチュエータ１４によって、火花点火機関１６の個々のシリンダに対する新空気量（新空気質量）を制御することができ、回転角検出のための装置１５によって点火角を制御することができる。さらに、回転数センサ１７が設けられている。この回転数センサ１７は装置１０のユニット１８に、目下の機関回転数を算出する信号を供給する。検出されたデータから、たとえば各運転状態に対するトルクモデルによって、火花点火機関１６の相応のトルクが検出され得る。その後、これに基づき、弁のストローク切換を制御することができる作動装置１９に対する制御信号が生ぜしめられる。

図４には、両運転モードの切換段階が、制御装置１０のプログラムメモリ１２にインストールされたソフトウェアプログラムによってどのように実行され得るのかというフローチャートが示してある。プログラムは、図１に対して前述したように、たとえば大きな弁ストロークを備えた運転から、小さな弁ストロークを備えた運転への切換を示している。異なる２つの運転モードの間の戻し切換または切換は類似の形式で行われる。

図４によれば、装置１１が、切換段階の導入のための信号を検出したかまたは獲得した後、プログラムが位置１で運転モード切換を開始する。引き続き、まず、スロットルバルブが開放され、点火角が反復的に減少させられ、位置３で、目下の点火角が、設定された最小の第１の限界値を下回っているかどうかがチェックされる。下回っていない場合（ｎ；ノー）には、プログラムが位置２に戻され、点火角がさらに減少させられる。

ｊ（イエス）の場合、つまり、目下の点火角が、設定された第１の限界値よりも小さい場合には、位置４で、火花点火機関１６の圧縮段階での燃料噴射の切換が導入される。噴射は単段噴射として実施することもできるし、択一的には、多段噴射として実施することもできる。ただし、火花点火機関の圧縮段階の間の噴射によって、あたかも点火角しか調節されなかったかのように、形成されるトルクが十分に減少することが重要である。これによって、切換前のトルクと切換後のトルクとの適合をより容易に実施することができ、したがって、トルクジャンプをより高い確実性で回避することができる。

位置６では、標準噴射を継続するために、トルクの調整が十分であるかどうかが質問される。不十分である場合には、ｎでプログラムが位置５に戻される。点火がさらに減少させられ、位置６で、いま、標準噴射を継続することができるかどうかが再びチェックされる。

継続することができる場合（ｊの場合）には、位置７で、目下の運転モードに対して設けられた標準噴射に切り換えられる。

位置８では、運転切換が成功して終了したかどうかがチェックされる。失敗した場合（ｎ）には、プログラムがプログラム開始のためにプログラム２に戻され、上述したように、プログラムが再度開始される。

運転モード切換の肯定的な終了時（ｊの場合）には、プログラムが位置９で終了する。

大きな弁ストロークを備えた運転から、小さな弁ストロークを備えた運転に切り換えられる線図を備えた本発明の実施例を示す図である。 小さな弁ストロークを備えた運転から、大きな弁ストロークを備えた運転に切り換えられる本発明の第２の線図を示す図である。 概略的なブロック回路図である。 運転モードを制御するためのフローチャートを示す図である。

符号の説明

１〜９ 位置、 １０ 装置、 １１ 装置、 １２ プログラムメモリ、 １３ メモリ、 １４ アクチュエータ、 １５ 装置、 １６ 火花点火機関、 １７ 回転数センサ、 １８ ユニット、 １９ 作動装置、 ２０ ブスシステム、 Ｋ 圧縮段階、 ＬＡ 目下の空気質量、 ＬＳ 空気質量目標値、 ｔ 時間、 ｔ１，ｔ２，ｔＵ，ｔＺ 時点、 Ｕ 全切換段階、 ＺＷ 点火角

Claims (10)

1. 燃料直接噴射によって運転される火花点火機関（１６）の第１の運転モードから第２の運転モードへの移行、たとえば均質的に化学量論的な運転および均質的に希薄の運転、成層化された運転またはＨＣＣＩ運転、弁ストロークの切換または弁位相の切換の間の移行を制御するための方法であって、この場合、切換前にかつ切換後にトルクを検出し、許容できないトルクジャンプを点火角調節によって部分的に補償して、両運転モードの間の移行を制御するための方法において、許容できないトルクジャンプを十分に補償するために、燃料の多段噴射を行い、この場合、噴射したい燃料の少なくとも一部分量を圧縮段階の間に噴射することを特徴とする、燃料直接噴射によって運転される火花点火機関の第１の運転モードから第２の運転モードへの移行を制御するための方法。
2. 切換段階の間、噴射したい燃料量を完全に圧縮段階で噴射する、請求項１記載の方法。
3. 噴射したい燃料の部分量を、少なくとも１つの吸気弁が閉鎖されている場合の段階で供給する、請求項１または２記載の方法。
4. 点火角を連続的に遅めの方向に調節する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 切換後、トルク補償が成功して終了した場合に、通常の運転への戻し切換を行う、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 離散的な弁ストローク切換時に、増加させられた弁ストロークが設定可能である、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 小さな弁ストロークへの切換のために、まず、小さな弁ストロークに切り換える前にスロットルバルブを開放し、点火角を、許容できる最小の値に減少させ、多段噴射を圧縮段階で促進する、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 小さな弁ストロークまたは大きな弁ストロークを備えた運転への切換後、相応の標準噴射に切り換える、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
9. 請求項１から８までのいずれか１項記載の２つの運転モードの間の移行を制御するための装置であって、制御ユニット（１１）と、メモリ（１２）と、第１の運転モードから第２の運転モードへの切換のために形成されたプログラムとが設けられている形式のものにおいて、プログラムが、アルゴリズムを有しており、該アルゴリズムによって、切換前後のトルクジャンプの補償のために、まず、空気質量が調節可能であり、その後、点火角が調節可能であり、該点火角に対する最小の値への到達時に、燃料が、多段噴射の一部分量の形で圧縮段階の間にシリンダ内に噴射可能であることを特徴とする、２つの運転モードの間の移行を制御するための装置。
10. 燃料が、１回の噴射によって完全に圧縮段階で供給可能である、請求項９記載の装置。

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