JP2010190209A - 内燃機関を始動させるための方法 - Google Patents

Abstract

【課題】始動後の回転速度のオーバーシュートを効果的に低減させ、快適さを高め、かつ燃料消費を低減する内燃機関の始動方法を提供する。
【解決手段】内燃機関４０と前記内燃機関を制御する制御および調整デバイス７２を有する自動車において、前記制御および調整デバイスは、前記内燃機関を始動させる際に、所定のアイドリング速度に最初に達する直前に、前記内燃機関の少なくとも１つの燃焼室４２内への燃料の噴射率が、前記内燃機関の少なくとも１つのサイクルに関して低減されるように制御する。
【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関を始動させるための方法、内燃機関用の制御および／または調整デバイス、およびコンピュータ・プログラムに関する。

内燃機関を始動させると、内燃機関が、始動段階の終了に向かって、始動直後に、「アイドリング速度」（通常、内燃機関は、アイドリング時にこの速度で動作される）よりも高い速度で動作されることが多くある。これは、速度のオーバーシュートと呼ばれる。速度のオーバーシュートは、燃料消費を増加させ、また、例えばその内燃機関によって駆動される自動車の運転者によって不快に感じられる。

点火角調節によって速度のオーバーシュートを補償することが市場で知られている。この場合、点火角調節は、点火角の遅角によって実現され、点火角の遅角により、内燃機関のトルクが低減される。

既知の方法は、点火角の遅角が、内燃機関の効率を低下させ、したがって燃料消費を増加させるという欠点を有する。

内燃機関が、高温のままの状態で始動される場合、特に高い始動トルクが実現される。この始動トルクは、既知の方法ではもはや完全には補償することができないことが多い。なぜなら、このとき、点火角の遅角によって、内燃機関のトルクをあまり良く調節することができないからである。したがって、既知の方法は、例えば、内燃機関が自動的に停止されて再び始動される、始動／停止モードでの使用には適さない、またはあまり良く適さない。

下記特許文献１に、内燃機関を始動させるための方法であって、好ましくは始動／停止モードで使用することができる方法が示されている。この既知の方法では、始動前に、内燃機関の速度のオーバーシュートが予想されるかどうか検査される。予想される場合、始動段階中に、少なくとも１つのシリンダへの燃料が遮断される。その結果、内燃機関のトルクが低減される。この場合の欠点は、始動段階で生じ得る内燃機関の「音の発生（ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）」であり、運転者は、これを異常によるものとみなし、また不快に感じる。

独国特許出願公開第１０ ２００６ ０３２ ５４８ Ａ１号明細書

本発明の目的は、できるだけ単純な様式で、内燃機関の始動後の速度のオーバーシュートを効果的に低減させ、それにより快適さを高め、かつ燃料消費を削減することである。

この目的は、所定のアイドリング速度に最初に達する直前または直後に、内燃機関の少なくとも１つの燃焼室内への燃料の噴射率が、内燃機関の少なくとも１サイクルに関して低減される、内燃機関を始動させるための方法によって実現される。ここで、用語「サイクル」は、クランクシャフトの２回転、すなわち７２０°の回転を意味するものとする。このために、用語「動作サイクル」を使用することもできる。

本発明は、始動段階中に、噴射率の特定の調整によって、アイドリング速度を超える内燃機関の速度のオーバーシュートを低減させるという概念に基づく。この場合、噴射率を燃焼室ごとに変えることができる。したがって、内燃機関の制御および／または調整デバイスで実行可能なコンピュータ・プログラムによって決定される噴射率は、化学量論的な噴射率とは異なる。本発明によれば、空気／燃料混合気は、化学量論未満であり、すなわち「希薄」である。定義によれば、化学量論的な噴射率とは、酸素が不足することなく、または余ることなく、使用される燃料が完全に燃焼されるようにするのに必要な、規定の空気流量に対する燃料流量の比率である。より高い燃料比では、空気／燃料混合気は、「過濃」であると言われ、より低い燃料比では、空気／燃料混合気は、「希薄」であると言われる。

例えば内燃機関の温度、トルク要求、周囲圧力、点火角、または直前の停止後の経過時間など、制御および調整デバイスで利用可能な内燃機関の動作パラメータを、特定の噴射率の決定の際に考慮に入れることもできる。したがって、本発明による方法は、燃料を節約し、始動動作中に運転者がより快適に感じられるようにする。

この方法は、好ましくは、内燃機関の始動／停止モードでの使用に適している。始動／停止モードでは、内燃機関は、例えば赤信号で車両が停止しているときには常に停止される。停止後、例えばアクセル・ペダルに触れるだけで、再びモータが自動的に始動される。始動／停止モードを備える車両は、ＣＯ_２の放出が少なく、燃料の消費も少ない。この始動方法に関して、停止後に続く「再始動」が主に高温始動であることを意味し、高温始動は、通常の始動方法とは異なり、「過濃」な、したがって力を供給する、空気／燃料混合気を用いて動作させる必要はない。「過濃」な空気／燃料混合気は、低温始動の場合にのみ必要である。再始動中、「過濃」な空気／燃料混合気は、大きな速度オーバーシュートを生じやすい。アイドリング速度に達したときの本発明による燃料の削減によって、速度のオーバーシュートと、それに関連する不要なトルク増加が効果的に防止される。

また、噴射率が、３０〜１００％の間の低減係数だけ低減されることも有利である。この場合、好ましくは、アイドリング速度に達する直前に（アイドリング速度よりも約２５％低い速度で）、噴射率の突然の急激な低減がもたらされ得、速度が増加するのを本質的に止める。この場合、アイドリング速度に達するが、次いで後続のサイクルでは、速度がほとんど増加されず、その後は全く増加されなくなるように、噴射率の低減を設定しなければならない。これは、特定の噴射率のさらなる変化によって補助される。好ましくは、噴射率の突然の急激な低減に続いて、それに比べてかなり小さい噴射率の低減変化とすることができる。低減係数は、様々なサイクルにわたって一定であってもよいが、可変であってもよい。

始動動作がさらに進むにつれて、噴射率の連続的な低減によって速度が低下され、アイドリング速度に再び達する。したがって、本発明では、さらに、アイドリング速度に２度目に達する直前に、噴射率が再び増加されることが提案される。噴射率は、内燃機関が稼動状態を保つように、適切な時間に再び増加させなければならない。それに対応する、アイドリング速度に対するオフセットは、制御および／または調整デバイスで、固定値として、または内燃機関の動作変数に依存する関数として事前決定される。オフセットは、好ましくは、アイドリング速度よりも約２５％高い。この時間は、既に始動段階の終了に向かっており、内燃機関は既に、多くのサイクルを経た後、ほぼ正常に稼動しているので、ここで、内燃機関がアイドル速度に再び達して、その後、本質的に始動段階が終了するまでその速度を保つように、噴射率を決定することができる。

本発明の例示的実施形態を、図面を参照して以下に例として説明する。

始動／停止モードにおける再始動時の内燃機関での始動段階中の噴射率の経時的な変化と速度の変化とを示す図である。 本発明による方法シーケンスの流れ図である。 内燃機関の概略図である。

図１において、上側に、始動／停止モードにおける再始動時の自動車の始動段階中の、噴射率Ｅの経時的な変化が示される。下側には、始動／停止モードにおける始動段階中の、内燃機関の速度Ｄの経時的な変化が示される。どちらの図でも、細い線が、本発明による方法を使用しない場合の生じ得る変化、すなわち従来方法での変化を表し、太い線が、本発明による方法を使用した場合の特定の変化を示す。本発明による方法は、内燃機関の制御および調整デバイスで実行可能なコンピュータ・プログラムによって制御される。

時間ｔ_０で、自動車を始動するための始動器モータが作動され、始動器モータの回転速度に従って速度Ｄが増加される（参照符号１０参照）。時間ｔ_１で、内燃機関の燃焼室内への噴射が始まる。このとき、燃焼室内での点火を伴う最初のサイクルで、「過濃」な、したがって力を供給する、空気／燃料混合気を生成するために、噴射率Ｅは比較的高い。（参照符号１２参照）ここで、用語「サイクル」は、クランクシャフトの２回転、すなわち７２０°の回転を意味するものとする。このとき、速度Ｄは、急速に上昇する（参照符号１４参照）。しかし、このサイクル中、噴射率Ｅは既に低減され（参照符号１６参照）、速度Ｄは増加し続ける。

時間ｔ_２で、制御および調整デバイスで事前決定されたアイドリング速度Ｄ_Ｌに達する直前に（アイドリング速度よりも約２５％低い速度で）、噴射率Ｅは、突然、急激に低減される（参照符号１８参照）。しかし、それにも関わらず、速度Ｄは、慣性により増加し（参照符号２０参照）、しかし速度変化の加速度は、急激に低下される。噴射率Ｅの急激な低減（参照符号１８参照）の後、１サイクル当たりの噴射率Ｅは、ごくわずかに低減される（参照符号２２参照）。それにも関わらず、速度Ｄは、わずかに増加し（参照符号２４参照）、次いで、噴射率Ｅのさらなる低減（参照符号２５参照）の後、最終的には再び低下する（参照符号２６参照）。図１から明らかなように、噴射率Ｅの低減は、従来方法に比べて、係数Ｆ_１だけ燃料消費を削減する。その結果、望ましくない不都合な速度Ｄのオーバーシュートをもたらす従来方法に比べて、速度Ｄが係数Ｆ_２だけ低下される。

アイドリング速度Ｄ_Ｌよりも高い、速度Ｄに関する限界値Ｄ_Ｇが、制御および調整デバイスで定義される。限界値Ｄ_Ｇは、始動段階中に内燃機関を稼動状態で保つために噴射率Ｅを再び増加しなければならない速度Ｄを示す。例えば内燃機関の温度、トルク要求、周囲圧力、点火角、または直前の停止後の経過時間など、制御および調整デバイスで利用可能な内燃機関の動作パラメータも、制御系に組み込むことができる。時間ｔ_３で、そのようにして定義されて速度低下中に適用される限界値Ｄ_Ｇに達する。図１に、時間ｔ_３後の、噴射率Ｅの上昇（参照符号２８参照）が示される。しかし、速度Ｄは、初めは、慣性により時間ｔ_４まで低下し続け、時間ｔ_４で、アイドリング速度Ｄ_Ｌに再び達する。内燃機関は既に、始動後、多サイクルにわたって通常の安定した稼動をしている。ここで、制御および調整デバイスは、速度Ｄがアイドリング速度Ｄ_Ｌに保たれる（参照符号３０参照）ように、始動段階の終了まで噴射率Ｅを設定することができる。始動段階は、時間ｔ_５で終了する。

図２は、始動／停止モードにおける再始動中の始動段階の実施可能なシーケンスの流れ図を示す。「開始」ステップで、自動車の始動器モータが稼動し、第１の噴射が始まり、内燃機関の速度Ｄが増加する。ステップ１００で、制御および調整デバイスが、内燃機関の速度Ｄが所定の速度Ｄ（アイドリング速度よりも約２５％低い速度）に達しているかどうか尋ねる。達している場合、ステップ１１０で、噴射率Ｅが、急激に低減される（図１の参照符号１８参照）。その後、ステップ１２０で、１サイクル当たりの噴射率Ｅが、ごくわずかに低減される（図１の参照符号２４および２６参照）。その後、ステップ１３０で、アイドリング速度Ｄ_Ｌよりも高い限界値Ｄ_Ｇ（アイドリング速度よりも２５％高い速度）に達しているかどうか尋ねられる。達している場合（時間ｔ_３）、ステップ１４０で、噴射率Ｅが、再び増加される（図１の参照符号２８参照）。その後、ステップ１５０で、噴射率Ｅは、制御および調整デバイスによって、始動段階の終了までアイドリング速度Ｄ_Ｌを維持することができるように設定される。

図３は、本発明の技術的な環境を示す。詳細には、図３は、ピストン４４によって可動式に密閉された燃焼室４２を有する内燃機関４０を示す。燃焼室４２の充填状態の変化は、少なくとも１つの入口弁４６と少なくとも１つの出口弁４８とによって制御され、これらの弁は、このために、対応するアクチュエータ５０、５２によって作動される。図３の構成では、噴射器５４が、燃焼室４２内の充填空気中に燃料を計量供給する。得られる燃料と空気との混合気が、スパーク・プラグ５６によって点火される。燃焼室４２は、吸気管５８から空気を充填され、吸気管５８は、絞り弁調節器６４によって作動される絞り弁６２と、エア流量計６６とを有する。

内燃機関４０は、制御および調整デバイス７２によって制御され、制御および調整デバイス７２は、このために、内燃機関４０の様々な動作パラメータが表される信号を処理する。図３の例では、この信号は、特に、エア流量計６６用の信号ｍＬ、運転者によるトルク要求を検出する運転者要求トランスデューサ７４からの信号ＦＷ、および内燃機関４０のクランクシャフトの速度ｎを検出する速度トランスデューサ７６からの信号ｎである。

言うまでもなく、現代の内燃機関４０は、多数のさらなるトランスデューサおよび／またはセンサを装備されており、ここでは、明瞭にするためにそれらを示さない。そのようなセンサの例は、温度センサ、圧力センサ、排気ガス・センサなどを含む。これに関して、トランスデューサ６６、７４、および７６を挙げたが、限定的なものではない。また、制御および調整デバイス７２は、コンピュータ・モデルを用いて、様々な動作パラメータを他の測定された動作パラメータからシミュレートすることができるので、制御および調整デバイス７２によって処理される各動作パラメータに関して、専用のセンサが存在する必要はない。

制御および調整デバイス７２は、受信されたトランスデューサ信号から、とりわけ、内燃機関４０が発生すべきトルクを調節するための制御変数を生成する。図３の構成では、この制御変数は、特に、噴射器５４を作動させるための制御変数Ｓ＿Ｋと、スパーク・プラグ５６を作動させるための制御変数Ｓ＿Ｚと、絞り弁調節器を作動させるための制御変数Ｓ＿Ｌ＿ＤＫとである。

さらに、制御および調整デバイス７２は、本発明による方法またはその改良形態の１つを実施するように、かつ／または対応する方法シーケンスを制御するようにセットアップされ、特にプログラムされる。

４０ 内燃機関
４２ 燃焼室
Ｄ_Ｌ アイドリング速度
Ｅ 噴射率
ｔ_２ 所定のアイドリング速度（Ｄ_Ｌ）に最初に達する直前の時間

Claims (8)

1. 内燃機関（４０）を始動させるための方法であって、所定のアイドリング速度（Ｄ_Ｌ）に最初に達する直前（ｔ_２）に、前記内燃機関（４０）の少なくとも１つの燃焼室（４２）内への燃料の噴射率（Ｅ）が、前記内燃機関（４０）の少なくとも１つのサイクルに関して低減されることを特徴とする方法。
2. 前記内燃機関（４０）の始動／停止モードで使用されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記噴射率（Ｅ）の低減が、化学量論未満の空燃比を生成することを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 前記噴射率（Ｅ）が、低減係数（Ｆ_１）だけ低減されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記低減係数（Ｆ_１）が、３０〜１００％の間にあることを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 前記低減係数（Ｆ_１）が、一定である、または可変であることを特徴とする請求項４または５に記載の方法。
7. 前記アイドリング速度（Ｄ_Ｌ）に２度目に達する直前（ｔ_３）に、前記噴射率（Ｅ）が再び増加されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の方法。
8. 内燃機関（４０）と前記内燃機関を制御する制御および調整デバイス（７２）を有する自動車において、前記制御および調整デバイスは、前記内燃機関を始動させる際に、所定のアイドリング速度（Ｄ_Ｌ）に最初に達する直前（ｔ_２）に、前記内燃機関の少なくとも１つの燃焼室（４２）内への燃料の噴射率（Ｅ）が、前記内燃機関の少なくとも１つのサイクルに関して低減されるように制御する、ことを特徴とする自動車。

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