JP2012504730A - 内燃機関の作動方法 - Google Patents

Abstract

ここに記載されているのは内燃機関の作動方法であり、この内燃機関のクランクケーシング（２）は内燃機関のインテークパイプ（１０）に至るエア抜き（９）を有している。上記のクランクケーシング（２）内のエンジンオイルから燃料がガスとして放出される際に、上記の内燃機関の動作点を変化させて、あらかじめ設定した空燃比を下回らないようにする。

Description

従来の技術
本発明は、内燃機関を作動する方法に関しており、この内燃機関のクランクケーシングは、内燃機関のインテークマニホールドに至るエア抜きを有する。

内燃機関のクランクケーシングはぴったりと閉じられてはいない。ピストンリングの横を通過してわずかなガス流が流れ、このガス流は、クランクケーシングに開口部がなかったとすればそこで高い圧力を形成することにもなり得る。この圧力形成は、いわゆるクランクケースエア抜きによって回避される。このクランクケースエア抜きにより、ガスがクランクケーシングからインテークパイプに導かれ、ひいては内燃機関のインテークマニホールドに導かれる。インテークパイプにおける負圧に直接接続することは回避される。それは、直接接続するとクランクケーシングがインテークパイプ圧力レベルになってしまうことになるからである。

上記のピストンリングを介してクランクケーシングに押し込められるのは、燃焼したいわゆるブローバイガスだけではなく、例えば、エンジンが冷えている場合にも燃料がエンジンオイルに押し込められるのである。このエンジンオイルは、例えば、クランクケーシングのオイルパンまたは類似のものに入れられている。この燃料は、ふつう過剰に噴射された燃料であり、この燃料は、燃焼には関与せず、例えばシリンダ壁に凝結されるか、またははじめからまったく気化されてさえもいないのである。

まずクランクケーシングに入ったこの燃料は、エンジンが冷たい場合、エンジンオイルに混ざる。エンジンオイルが温まるとこの燃料が蒸発する。この場合にこの蒸気は、クランクケーシングエア抜きを介してインテークパイプに流れ、つぎに燃焼室に流れるのである。

この付加的な燃料流は、よりリッチなエンジン作動に結び付くのである。例えばアイドリング時に上記の燃料流は、内燃機関のアイドリング所要燃料において極めて多くの割合を成し得るのである。上記のフューエルタンクエア抜きの燃料蒸気流とは異なり、クランケーシングエア抜きを介する燃料蒸気流はふつう制御不能である。すなわち、例えば電気的に駆動制御可能なクランクケーシングエア抜きバルブは、ふつうは設けられていないのである。

エンジンオイルからガスとして放出されるというこの問題は、エタノールを多く含有する燃料においてきわめて顕著である。このような燃料は、オットー機関を備えた車両を作動するために使用されることがますます多くなってきている。このような車両は、ＦＦＶ（Flex-Fuel-Vehicle）と称される。純粋なエタノールは、Ｅ１００と称され、純粋なガソリンはＥ０、また任意の混合物はＥＸと称される。ヨーロッパおよびアメリカ合衆国においてエタノール含有燃料にはふつう約７５〜８５％のエタノールが含まれている（タイプ名Ｅ８５）。残り（１５〜２５％）はガソリンである。

低い温度においてエタノールが、純粋なガソリンよりも気化しないことは知られている。したがってＥ８５を使用する際にはコールドスタート時に純粋なガソリンの場合よりも格段に多くの燃料を噴射しなければならないのである。これにより、コールドスタート時およびウォームアップフェーズにおいて、純粋なガソリンによる動作時よりも格段に多くの燃料が、ピストンリングによってこすられてエンジンオイルに入ることになる。エタノールは一定の沸点（７８℃）を有する純物質であるため、上記のような燃料に運び集められたものは、オイルが温まると極めて急激にガスとして放出される。負荷回転数が低い動作点において、また殊にアンドリング時にはこれは、ラムダ制御だけでは必ずしも制御することはできない重大なリッチ動作に結び付くのである。殊にエンジンオイルを暖機しない極端なコールドスタートを頻繁に行う場合、極めて多くの燃料がエンジンオイルに溜まり得る。ここでは優に２００〜５００ｍｌの燃料がエンジンオイルに観察されるのである。

上記のようにエンジンオイルに多くの燃料が入っている場合、内燃機関は一時的に（例えば高い負荷および高い回転数によって）暖機運転され、つぎに元のようにアンドリングで作動されるため、上記のガス放出体積流を制御できないことが多い。この場合に噴射バルブにより、さらにリーンにすることは不可能であることが多い。それは最小の噴射時間にすでに達しているからである。さらに例えば６０％の最大燃料割合を上回ってはならないのである。

発明の開示
本発明の課題は、エンジンオイルからの燃料のガス放出率が極めて高い場合であっても内燃機関の作動を可能にする方法を提供することである。

この課題は、本発明による内燃機関を作動する方法によって解決され、ここではこの内燃機関のクランクケーシングが、内燃機関のインテークパイプに至るエア抜きを有しており、クランクケーシングにあるエンジンオイルから燃料がガスとして放出される際にこの内燃機関の動作点を変更して、あらかじめ定めた空燃比を下回らないようにする。上記の空燃比は、例えばリッチ走行境界とすることができる。すなわちここでは意図的に、可能な限りに燃料消費の多い動作点が選択される。燃料がガスとして放出されることは、例えば、ラムダ制御を観察することによって確認することができる。それは、ガス放出時には空燃混合気のリッチ化が観察され、これによってリーンな混合気を目指して制御介入が行われるからである。択一的または付加的に可能であるのは、エンジンオイル温度を観察して、エタノールに対する沸点境界に達したこと、すなわち約７８℃に達したことにより、多くの燃料がガスとして放出されたとする。上記のリッチ走行境界は、１よりも小さいラムダ値であり、ここではまだ確実な混合気点火が保証される。

有利には内燃機関の動作点を変更して、結果的に燃料消費を増大させる。このために有利には点火効率を低下させる。点火効率の低下は、例えば点火を遅角調整することによって行われる。本発明の１発展形態では補足的にアイドリング目標回転数を上げる。これによって燃料消費をさらに増大させることができる。

有利には上記の目標噴射量を低減して、目標噴射量と、付加的にガスとして放出されて供給される燃料量とから得られる合計により、おおよそ１のラムダ値が得られるようにする。有利にはさらに、上記のあらかじめ設定される最小空燃比が、リッチ走行境界を表すようにする。択一的には、上記のあらかじめ設定される最小空燃比が、化学量論的空燃比ラムダ＝１であるようにする。ここで噴射量の下限を設定して、最小噴射時間を下回らないようにする。すなわち上記の噴射量を十分に高く維持して、この噴射量が引き続き２つの上下方向に制御できるようにし、これによって噴射量の低減によって引き続いてラムダ制御ができるようにもするのである。

有利にはさらに、燃料消費を増大させるために目標充填量を増大させ、また補償のために点火角効率を自動的に低減させる。この手段によっても燃料消費が増大する。目標充填量に対応する目標空気量は、有利にはスロットルバルブを開くことによって増大させる。有利には、目標充填量を増大させるため、最小トルクリザーブを最小噴射時間に基づいて、また目下のガス放出質量流に基づいて求める。上記のトルクリザーブは、目下の空気質量流および噴射量においてクランクシャフトに加わり得るトルクと、ドライバ所望トルクとの間の差分である。すなわち有効であるのは、燃焼パラメタを最も不適切に選択することによって失われるはずであるトルクである。

殊にガス放出が中くらいの場合および多い場合、例えば惰走動作において噴射停止が行われないようにする。この状況において噴射停止を行うことになれば、未燃焼の燃料がインテークパイプを介してシリンダに達し、排気装置を介して放出される。ここでは付加的に、点火を維持してガスとして放出される燃料をさらに燃焼させる。このため、ちょうど点火可能な混合気が生じるだけの燃料を噴射する。ここでは動作点を調整して、上記の内燃機関によって可能な限り小さい駆動トルクが形成されるようにする。

上記の方法の択一的な１実施形態では、惰走動作においてガスが放出される場合、点火を遮断する。これが殊に有利であるのは、ガス放出率が高く、この内燃機関のただ１つの動作点が、この惰走動作に対して高すぎるクランクシャフトトルクによって可能になる場合である。この場合、有利にはスロットルバルブを最大限に閉じて、実質的に未燃焼の燃料だけが押し込まれるようにする。

以下では添付の図面に基づいて本発明の実施例を詳細に説明する。

内燃機関の概略図である。 本発明による方法の１実施例を示す流れ図である。 本発明による方法の別の１実施例を示す図である。 本発明による方法のさらに別の１実施例を示す図である。 本発明による方法のさらに別の１実施例を示す図である。

本発明の実施形態
図１にはクランクケーシング２を有する内燃機関１の概略図が示されており、このクランクケーシングにはクランクシャフト３が配置されている。クランクシャフト３はコネクティングロッド４を介してピストン５に接続されており、このピストンはシリンダ６において往復運動するように配置されている。ここではわかりやすくするため、内燃機関の１つのシリンダだけが図示されているが、ふつう内燃機関は複数のシリンダ、例えば４つまたは６つのシリンダを有する。クランクケーシング２にはエンジンオイル７があり、このエンジンオイルは、ここに図示していない管路およびポンプを介して各潤滑個所に供給され、殊にシリンダ６におけるピストン５の摺動面にも供給される。エンジンオイルはオイルパン８に蓄えられている。ピストンケーシング２における超過圧力を下げるため、このケーシングは、エア抜き９によって内燃機関のインテークパイプ１０に接続されている。公知のようにインテークパイプ１０を介して周囲空気がシリンダ６に吸気され、燃焼排気ガスは、エグゾーストシステム１１を介して再度周囲に放出される。各シリンダ６には、例えば電気的に制御されかつ高圧レールに接続された噴射バルブ１２と、電気的な点火プラグ１３とが割り当てられている。上記のエア抜きは、スロットルバルブ１５の上流でインテークパイプ１０に接続されているメイン供給管１４と、断面積がより小さいサブ管路１６とに分岐している。この断面積は、ここでは概略的に示した絞り１７によって示されており、このサブ管路は、スロットルバルブ１５の下流でインテークパイプ１０に接続されている。

制御装置１８により、内燃機関の作動状態が制御される。制御装置１８の入力側にはアクセルペダル角wpedと、クランクシャフト回転数ｎと、排気ガスシステムに配置されたラムダセンサ１９によって測定したラムダ値λとが入力される。例えばスロットルバルブの位置、吸気圧力ないしは吸気温度などの別の入力量は、わかりやすくするためここでは図示していない。出力側には、例えば噴射バルブ１２と、点火プラグ１３と、スロットルバルブ１５の位置とに対する制御信号が出力される。オイル温度Ｔ＿ＯＬは、オイル温度センサ２０によって検出される。

オイル温度Ｔ＿ＯＬと、エンジンオイル内に実際にある燃料質量のモデルとから、エンジンオイル７からガスとして放出される燃料の質量流

を求める。このモデルは、わかりやすくするために図示していない。

図２は、本発明による方法の１実施例を流れ図で示しており、ステップ１０１では、ガスとして放出する燃料の体積流

が求められる。第２のステップ１０２では、この値が、上限値

よりも大きいか否かがチェックされる。オプションＮで示したように大きくない場合、再度ステップ１０１に分岐して体積流

を新たに求める。ステップ１０２における問い合わせにより、体積流

が、許容される境界値

よりも大きいことがわかった場合、このことはオプションＹで示される。ステップ１０３では点火角が、可能な限り良好でない点火効率に調整される。これは、例えば可能な限り遅い点火によって達成することができる。これに続いてステップ１０４でアイドリング回転数ｎ_Lを上昇させる。この方法はステップ１０５で終了する。実際に噴射される燃料量は、ここで示していないラムダ制御ループを介してある程度自動的に適合される。上記の体積流

により、ガスとして放出された燃料がシリンダに入り込む場合、可能な限り値１にラムダ値λを制御することにより、噴射すべき燃料量が低減される。ここで提案する手段により、極めて多くの燃料量がガスとして放出される場合であっても上記の制御ループに過大な要求が課されることはなく、したがってもはや１に制御し得ないラムダ値＜１になることはないのである。

上で説明した方法は、トルクリザーブを有する作動状態においても模倣することができる。このトルクリザーブにより、充填経路において目標充填量を増大させる。このためにスロットルバルブ１５が開かれ、これによって内燃機関にはさらに多く空気が供給され、また噴射制御部ないしはラムダ制御部を介して多くの燃料も供給される。しかしながら点火経路ではこれによって目標点火角効率が低下することになる。それは、エンジン充填効率に基づいて最適なトルクが増大していたからである。したがってこの内燃機関は、高い燃料要求量および高い充填量で作動され、ここでクランクシャフトにおけるトルクは変わらないままである。

図３および図４には、本発明によるこのような方法の１実施例が示されている。図３には目標充填量rlsolおよび噴射時間teを求める方法の部分が示されており、図４にはトルクリザーブdmrを求める方法の部分が示されている。まず図３を検討する。上側のパスではブロックFEにおいて、予測した新鮮空気充填量rlpが求められる。この値には、混合気適合化の相対的な燃料割合のオフセットrkaが加算され、つぎにさらにこの値には混合気適合化制御のファクタfraならびにラムダ制御の制御ファクタfrが乗算される。図３の中央のパスでは、ガス放出の質量流mkausg_mから、すなわち機関における実際の体積流から、ならびに機関回転数nmotから、オイルからガスとして放出される相対的な燃料割合rkausg_mが求められる。この値は、上側のパスで求めた値から減算され、ここから燃料量rkが得られる。つぎにこの値から、燃料の化学量論的ファクタffuelを考慮するための補正ファクタならびに燃料圧に対する補正ファクタfpfuelを考慮して、噴射機関に対する値teを計算する。ただしこの値は、その下限が値TEMINに制限される。

図３の下側のパスにおいても、ドライバ所望トルクmifalと、トルクリザーブdmrと、既知の特性マップKFMIRLから得られるクランクシャフト回転数nmotとから充填目標値rlmdsが計算される。中央のパスにおいて求められるガス放出による相対的な燃料割合rkausgと、ガス放出の最大燃料割合fgausgmxとから、目標充填量に対する最小値rlmin_ausgが求められる。この値と、充填目標値rlmdsとから最大値を選択することにより、目標充填に対する最小値rlsolが計算され、この最小値がつぎにスロットルバルブの駆動制御に使用される。

図４には、ガス放出中のトルクリザーブの求め方が示されている。上側のパスでは、最小噴射時間TEMINと、これに加えて制御および混合気のファクタ等のfraなどの別の値と、混合気適合化の相対的な燃料割合のオフセットrkaと、別の値とから最小目標充填量の第１の値を求める。中央のパスでは、ガス放出による相対的な燃料割合rkausgが求められ、この値は上側のパスでも下側のパスでも使用される。この燃料割合、ガス放出質量流mkausgと、機関回転数nmotと、上記の質量流を充填度に換算するための定数KUMSRLとから求められる。最大値選択により、最小目標充填量rlsolmnが求められ、つぎにこの値は機関回転数nmotと共に特性マップKFMIOPを介してトルクに変換される。このトルクから上記のドライバ所望トルクmifalを減算する。この差分の下限は値０に制限され、また上記のトルクリザーブdmrを表す。

図５には、本発明による方法の別の実施例がブロック図で示されている。ここではステップ２０１において惰走運転に移行する。ここではドライバ所望トルクは０に等しく、したがってドライバはアクセルペダルを離している。ドライブトレインは接続されており、機関回転数は下側の閾値よりも大きい。惰走運転において噴射はふつう遮断されており、したがって抑止されている。点火は引き続いて行われるため、シリンダにおける残留燃料も燃料する。トルクを低減するためにシリンダを停止する際には、高いガス放出が、クランクケーシングエア抜きを介する燃料による機関作動の継続に結び付いてはならない。これを回避するため、ガス放出が中くらいの場合および多い場合には噴射停止の禁止を起動する。このためにまずステップ２０２において、ガス放出率が中くらいまたは高い否かが求められる。このため、測定したガス放出率またはシミュレーションしたガス放出率と、最大閾値とを比較する。オプションＹで示したこれを上回るガス放出率の場合、ガス放出率は中くらいから高く、またステップ２０３において、例えば、制御装置における特性ビットを介して噴射停止の禁止が設定される。オプションＮで示したガス放出率が高くない場合にはステップ２０４において噴射停止が許可される。これも同様に相応する特性ビットによって実現することができる。ここでの境界条件は、惰走時に所要の制動トルクをさらに設定できなければならないことである。ここでは上記の噴射バルブを起動しなければならず、またこれを許容誤差について要求を維持するための最小許容噴時間TEMINよりも長い噴射時間で作動しなければならない。上記の可能な限りに遅い点火角を下回ってはならず、またラムダ値は、極端な場合、リッチ走行境界に達するまで低減することができる。

ガス放出が極端に多い場合、前に述べた条件は、閾値を下回る回転数時にもはや維持できない。それは、ガス放出によって燃料割合が高くなり過ぎるからである。このような極端なガス放出では、図５に示した方法を一部変更する。ここではいずれの場合にも上記の噴射停止が許可され、付加的には点火が遮断されてスロットルバルブが最大に開かれる。ガス放出が極端に多い場合には所定の燃料をインテークパイプに入れて、この燃料がもはや駆動トルクを形成することなしに燃焼し得ないようにする。したがって点火を遮断することにより、燃焼室において、制御されていない燃焼が回避され、上記のスロットルバルブを最大限に閉じることにより、触媒を損傷する新鮮空気質量流が付加的に回避される。

Claims (15)

1. 内燃機関のインテークパイプ（１０）に至るエア抜き（９）を当該内燃機関のクランクケーシング（２）が有している、内燃機関の作動方法において、
   前記のクランクケーシング（２）内のエンジンオイルから燃料がガスとして放出される際に、前記の内燃機関の動作点を変化させて、あらかじめ設定した空燃比を下回らないようにしたことを特徴とする、
   内燃機関の作動方法。
2. 前記の内燃機関の動作点を変更して燃料消費を増大させる、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記の燃料消費を増大させるため、点火効率を低下させる、
   請求項２に記載の方法。
4. アイドリング目標回転数を上昇させる、
   請求項２または３に記載の方法。
5. 前記の目標噴射量（rk）を減少させて、当該の目標噴射量（rk）と、付加的に供給されるガス放出燃料量（rkausg）との和からおよそ１のラムダ値（ラムダ）が得られるようにする、
   請求項１から４までのいずれか１項に記載の方法。
6. 前記のあらかじめ設定される最小空燃比は、リッチ走行境界を表す、
   請求項１から５までのいずれか１項に記載の方法。
7. 前記のあらかじめ設定される最小空燃比は、化学量論的空燃比ラムダ＝１である、
   請求項１から６までのいずれか１項に記載の方法。
8. 前記の噴射量の下限を設定して、最小噴射時間（TEMIN）を下回らないようにする、
   請求項７に記載の方法。
9. 前記の燃料消費を増大させるため、前記の目標充填量（rlsol）を増大させかつ点火角効率を減少させる、
   請求項１から８までのいずれか１項に記載の方法。
10. トルクリザーブ（dmr）を増大させることによって前記の目標充填量（rlsol）を増大させる、
    請求項８に記載の方法。
11. スロットルバルブ（１５）を開くことによって前記の目標空気量を増大させる、
    請求項９または１０に記載の方法。
12. 前記の目標充填量を増大させるため、最小トルクリザーブ（dmr）を最小噴射時間（TEMIN）に基づき、また目下のガス放出質量流（mkausg）に基づいて求める、
    請求項１から１１までのいずれか１項に記載の方法。
13. ガス放出時に噴射停止を行わないようにする、
    請求項１から１２までのいずれか１項に記載の方法。
14. 惰性動作におけるガス放出の際に点火を遮断する、
    請求項１から１３までのいずれか１項に記載の方法。
15. 前記のスロットルバルブ（１５）を最大限に閉じる、
    請求項１４に記載の方法。

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