JP2015534625A - 内燃機関を運転する方法および装置 - Google Patents

Abstract

内燃機関（１）が、蓄圧器（２０）と、高圧ポンプ（２２）と、制御可能なアクチュエータと、長手方向軸線を備えた、回転可能に支持されたカムシャフト（２７）とを有する。高圧ポンプ（２２）は、シリンダ室と、該シリンダ室内に可動に配置されたポンプピストン（３１）とを有する。ポンプピストン（３１）は、少なくとも間接的にカムシャフト（２７）に支持されていて、カムシャフト（２７）の回転に応じてシリンダ室の自由容積に影響を与える。高圧ポンプ（２２）の前記シリンダ室は、蓄圧器（２０）内に流体を圧送するために、ハイドロリック的に少なくとも間接的に蓄圧器（２０）に連通されている。アクチュエータは、所定の角度範囲内でその長手方向軸線周りに第１の方向または逆向きの第２の方向へ回転するようにカムシャフト（２７）を駆動するために構成され、かつ配置されている。この方法は、予想されるエンジンスタートの前の予め規定された時間の間、高圧ポンプ（２２）を、該高圧ポンプ（２２）が自己吸込み式の運転状態を有するように制御し、前記アクチュエータを、カムシャフト（２７）が、少なくとも１回だけ第１の方向へ、かつ少なくとも１回だけ第２の方向へ、所定の角度範囲内でその長手方向軸線周りに回転するように制御するステップを含む。

Description

本発明は、内燃機関を運転する方法および装置に関する。

最新の自動車は、燃料が高い圧力下に１つの燃焼室内に直接に噴射されるか、または多シリンダ式の内燃機関の場合には複数の燃焼室内に直接に噴射されるような燃料直接噴射式の内燃機関を備えている。このような燃料直接噴射は、いかなる運転状況においても加圧された燃料を提供する燃料供給装置を必要とする。このような燃料供給装置の構成要素は、燃料を所要の圧力レベルにまで圧送する高圧ポンプと、蓄圧器（レール）である。蓄圧器内には、燃料が高い圧力下に蓄えられ、この蓄圧器から噴射弁に燃料が供給される。

自動車の燃料消費量およびエミッションを一層減少させる、という自動車製造業者の懸命な取組みの中で、新しい車両機能、たとえば自動スタート・ストップ機能（自動アイドリングストップ機能）が開発されている。内燃機関はこの自動スタート・ストップ機能によって、自動車運転者の干渉の有無にかかわらず自動的に遮断され、そしてイグニッションキーまたはスタートボタンを操作することなしに、たとえばアクセルペダルまたはクラッチペダルを軽く踏み込むことによって、再び自動的に始動され得る。内燃機関の遮断はこの場合、特に内燃機関の駆動力が必要とされない長時間のアイドリング段階において行われる。こうして、特に多数の信号停止を伴う市街地交通において、大幅な燃料消費量節約を得ることができる。

燃料噴射システムを備えた内燃機関のエンジンスタート時では、燃料が、十分に高い圧力下になければならない。一般に、エンジンスタート時における十分に高い圧力は、長時間の遮断段階の後でも、短時間の遮断段階の後でも、まずは、機械的にエンジンに連結された高圧ポンプによって形成されなければならない。自動車のエンジンは、スタート段階の際、自動車のスタータによって燃焼なしに駆動され、このような燃焼なしの駆動は、目標噴射解放圧が達成されるまで行われる。パティキュレートエミッションに関する限界値がますます厳格化されることに基づき、目標噴射解放圧が将来的にはさらに高められることが予想され得る。

本発明の根底を成す課題は、内燃機関のエンジンのスタート能力を改善するために寄与する、内燃機関を運転する方法および装置を提供することである。

この課題は、独立項形式の各請求項の特徴部に記載の特徴により解決される。本発明の有利な改良形は、従属項形式の各請求項に記載されている。

本発明は、内燃機関を運転する方法および対応する装置によりすぐれている。内燃機関は、蓄圧器（圧力アキュムレータ）と、高圧ポンプと、制御可能なアクチュエータと、長手方向軸線を備えた、回転可能に支持されたカムシャフトとを有する。高圧ポンプは、シリンダ室と、該シリンダ室内に可動に配置されたポンプピストンとを有する。ポンプピストンは、少なくとも間接的にカムシャフトに支持されていて、カムシャフトの回転に応じてシリンダ室の自由容積に影響を与える。高圧ポンプのシリンダ室は、蓄圧器内に流体を圧送するために、ハイドロリック的（液圧的）に少なくとも間接的に蓄圧器に連通されている。アクチュエータは、所定の角度範囲内でその長手方向軸線周りに第１の方向または逆向きの第２の方向へ回転するようにカムシャフトを駆動するために構成され、かつ配置されている。本発明による方法は、以下に挙げるステップを含む：予想されるエンジンスタートの前の予め規定された時間の間、高圧ポンプを、この高圧ポンプが自己吸込み式の運転状態を有するように制御し、アクチュエータを、カムシャフトが、少なくとも１回だけ第１の方向へ、かつ少なくとも１回だけ第２の方向へ、所定の角度範囲内でその長手方向軸線周りに回転するように制御する。

このことは、カムシャフトを、ひいてはカムシャフトの少なくとも１つの駆動カムを、予想されるエンジンスタートの前に既にアクチュエータによって回転させ、これにより高圧ポンプが駆動されることを可能にするので有利である。この場合、カムシャフトの、ポンプピストンが少なくとも間接的に支持されている少なくとも１つの駆動カムが往復回転させられる。これにより、ポンプピストンはシリンダ室内で吸込み・吐出行程運動を実施する。ポンプピストンの吸込み・吐出行程運動は、高圧ポンプの流体圧送、特に燃料圧送を可能にし、ひいてはエンジンが始動される前に蓄圧器内での圧力形成（増圧）を可能にする。高圧ポンプは好ましくは、適当な制御においてこの高圧ポンプが自己吸込み式の運転状態を有し得るように構成されている。このことは、高圧ポンプが極めて迅速に、いつでも運転できる状態に準備され、かつ有効に使用可能となることを可能にする。さらに、このことは、カムシャフトとクランクシャフトとの同期化なしに高圧ポンプの全圧送を可能にする。高圧ポンプは、無電流状態で閉じられているポンプとして、または無電流状態で開いているポンプとして構成されていてよい。高圧ポンプが無電流状態で閉じられているポンプとして構成されている場合には、高圧ポンプは通電されずに運転される。高圧ポンプが無電流状態で開いているポンプとして構成されている場合には、高圧ポンプは、エンジンのアクティブな運転状態における高圧ポンプの標準運転と同様に、定電流によって運転される。予想されるエンジンスタートは、車両運転手ドアの開放および／またはシート着座に関連して検知され得る。自動スタート・ストップ機能では、予想されるエンジンスタートが、平均の短時間遮断時間に関連して求められ得る。求められた予想されるエンジンスタートに応じて、蓄圧器内での圧力の形成のためにカムシャフト回転が開始され得る。こうして、蓄圧器内の圧力は、既に実際のエンジンスタート時には、所望の値を有することができる。このことは、特に自動車においては、車両運転者により望まれるエンジンスタートおよび／または、その都度たとえばエンジン用の作動信号が発生させられるような車両制御されたエンジンスタートから、燃焼室内での実際の燃焼開始までの時間が短縮され得るという利点を有する。目標噴射解放圧が高められた場合でも、予想されるエンジンスタートよりも前の圧力形成により、エンジンの始動性が遅延することなしに蓄圧器のサイズが維持され得る。蓄圧器のサイズを減少させることが不要となり、ひいてはこれに伴う、別のコンポーネント、たとえばリリーフ弁およびインジェクタに課せられる拡張された品質要求が不要になり得る。

有利な態様では、前記予め規定された時間が、予想されるエンジンスタートの直前にある。このことには、既に形成された圧力が、長時間保持されなくて済み、かつ／またはパティキュレートエミッションが低減され得るようになり、かつ／または燃料システム内での可能な漏れが許容範囲内に維持され得るようになる、という利点がある。

別の有利な態様では、前記予め規定された時間の間、前記蓄圧器内に予め規定された噴射解放圧が生ぜしめられるまで、カムシャフトが複数回、それぞれまずは第１の方向へ、かつ引き続き第２の方向へ、所定の角度範囲内でその長手方向軸線周りに回転するように前記アクチュエータを制御する。このことは、エンジンスタート時に噴射解放圧が既に提供されていて、既にエンジンの最初の上死点において噴射が開始され得ることを実現する。

さらに別の有利な態様では、内燃機関が、可変の弁駆動装置を有し、前記カムシャフトが、内燃機関の燃焼室のガス流入弁（ガスインレットバルブ）および／またはガス流出弁（ガスアウトレットバルブ）と連結されており、前記アクチュエータが、前記カムシャフトの駆動および／または調節によって前記ガス流入弁もしくは前記ガス流出弁の開弁時点および／または閉弁時点を制御するように配置され、かつ構成されている。こうして、可変の弁駆動装置用のアクチュエータを高圧ポンプ駆動装置として使用することができるので有利である。可変の弁駆動装置の作動能力は維持される。なぜならば、アクチュエータは、始動されたエンジンにおいてのみ、可変の弁駆動装置のために使用されるからである。

さらに別の有利な態様では、可変の弁駆動装置が、電気的な可変の弁駆動装置を含む。可変の弁駆動装置は電気的なアクチュエータを有していてよい。このことは、カムシャフトをエンジン停止状態において極めて簡単に回転させかつ／または駆動することを可能にするので有利である。

さらに別の有利な態様では、高圧ポンプが、デジタル切換式の高圧ポンプを含む。このことは、迅速な圧力形成を可能にするので有利である。圧力形成のためには両運動方向が利用され得る。なぜならば、圧力形成は各回転方向とは無関係であるからである。

以下に、本発明の有利な構成を、概略的な図面につき詳しく説明する。

内燃機関を例示的に示す概略図である。 高圧ポンプの一部を示す縦断面図である。 蓄圧器内のレール圧およびクランクシャフト信号と時間との関係を示す線図である。

同一構造または同一機能の構成要素は、図面を通じて同じ符号で示されている。

内燃機関１は、少なくとも１つのシリンダ２と、このシリンダ２内を昇降運動可能なピストン３とを有する。内燃機関１はさらに吸気路４０を有し、この吸気路４０には、新空気を吸い込むための吸気開口４の下流側に、空気質量センサ５と、スロットルバルブ６と、吸気管７と、制御可能なインタクーラ６０とが配置されている。インタクーラ６０は水冷式または空冷式の冷却装置を有していてよい。吸気路４０は、シリンダ２とピストン３とにより画定された燃焼室３０に開口している。燃焼のために必要となる新空気は、吸気路４０を介して燃焼室３０内に導入され、この場合、新空気供給はガス流入弁（ガスインレットバルブ）８の開閉により制御される。図示の内燃機関１は、燃料直接噴射式の内燃機関１であり、このような内燃機関においては、燃焼のために必要となる燃料が、噴射弁９を介して燃焼室３０内に直接噴射される。燃焼をリリースするためには、やはり燃焼室３０内に突入した点火プラグ１０が用いられる。燃焼排ガスは、ガス流出弁（ガスアウトレットバルブ）１１を介して内燃機関１の排ガス管路１６内に導出されて、この排ガス管路１６に配置された触媒１２によって清浄化される。

パワートレーン（図示しない）における動力伝達は、ピストン３と連結されたクランクシャフト１３を介して行われる。このクランクシャフト１３の回転数は、回転数センサ１５によって検出される。

内燃機関１は、可変の弁駆動装置５０を有する。この弁駆動装置５０によって、ガス流入弁８およびガス流出弁１１の制御時間（開弁時点および閉弁時点）が個別に調節され得る。それぞれガス流入弁８および／またはガス流出弁１１と、クランクシャフト１３とには、カムシャフト２７（図１には図示されていない）が連結されている。内燃機関１は、たとえばインレット用カムシャフトおよび／またはアウトレット用カムシャフトを有していてよい。可変の弁駆動装置５０は、カムシャフト２７とクランクシャフト１３とに連結されていて、少なくともクランクシャフト１３に対するカムシャフト２７の位相の調節を可能にする。

可変の弁駆動装置５０は、たとえばハイドロリック式（液圧式）に調節可能なカムシャフト（図１には図示されていない）により実現され得る。このカムシャフトでは、種々異なる隆起曲線を有する複数のカム２８の間での切換えによって、ガス流入弁８およびガス流出弁１１の種々異なる制御時間が生ぜしめられる。しかし、電気式の可変の弁駆動装置も可能であり、その場合には、ガス流入弁８およびガス流出弁１１が個別に電気的に駆動される。

可変の弁駆動装置５０は、たとえばアクチュエータを有していてよい。アクチュエータは、カムシャフト２７を駆動するように形成されかつ配置されている。アクチュエータは、カムシャフト２７が、予め規定された所定の角度範囲内でその長手方向軸線周りに第１の方向または第１の方向とは逆向きの第２の方向に回転するようにカムシャフト２７を駆動するために構成されている。たとえば、アクチュエータは、予め規定された電気的なパルスに応じてカムシャフト２７を駆動するように構成されていてよい。

内燃機関１はさらに燃料供給システムを有する。この燃料供給システムは燃料タンク１７と、この燃料タンク１７内に配置された燃料ポンプ１８とを有する。燃料は燃料ポンプ１８によって供給管路１９，１９ａを介して蓄圧器２０に供給される。蓄圧器２０は、共通の蓄圧器（コモンレール）であり、この蓄圧器２０からは、複数のシリンダ２用の複数の噴射弁９に、加圧された燃料が供給される。供給管路１９には、さらに燃料フィルタ２１と高圧ポンプ２２とが配置されている。高圧ポンプ２２は、燃料ポンプ１８によって比較的低い圧力（約３バール）で圧送された燃料を蓄圧器２０に高い圧力で供給する（典型的には最大１５０バール）ために使用される。

内燃機関１には、制御装置２３が対応している。この制御装置２３は、信号・データ線路を介して内燃機関１の全てのアクチュエータおよびセンサに接続されている。

図２には、ポンプハウジング２４とポンプユニット２５とを備えた高圧ポンプ２２が少なくとも部分的に示されている。高圧ポンプ２２は、たとえばデジタル切換式の高圧ポンプである。

図示のポンプユニット２５は、好適には高圧ポンプ２２の、共通に使用される１つの駆動軸により作動させられる複数のポンプユニット２５のうちの１つである。好適には、駆動軸はカムシャフト２７である。このカムシャフト２７は、ガス流入弁８および／またはガス流出弁１１と連結されている。

カムシャフト２７は、たとえば回転軸線Ｄでもって回転可能にポンプハウジング２４内に支持されている。図示の実施形態では、カムシャフト２７が少なくとも１つのカム２８を有し、この場合、カム２８は多重カムとして形成されていてもよい。図２に示した実施形態では、カムシャフト２７が２つのカム２８を有する。圧送行程および圧縮行程の回数は、カム２８の個数により設定され得る。この場合、圧送行程もしくは圧縮行程の回数は、カム２８の個数に相当する。

ポンプユニット２５は、主としてシリンダハウジング２６と、このシリンダハウジング２６内に配置されたシリンダ室３１１と、ポンプピストン３１と、タペット２９と、戻しばね３３とを有する。シリンダハウジング２６と、シリンダ室３１１と、ポンプピストン３１と、タペット２９と、戻しばね３３とは、好適にはポンプピストン３１の長手方向軸線Ｌに沿って互いに対して同軸に配置されている。

ポンプピストン３１は、シリンダハウジング２６のシリンダ室３１１内で軸方向運動可能に、シリンダハウジング２６のポンプピストン案内区分３２に設けられた円筒状の切欠き内に支持されていて、カムシャフト２７と作用結合している。ポンプピストン３１は特にカムシャフト２７のカム２８によって、カムシャフト２７の回転軸線Ｄに対して少なくともほぼ半径方向に昇降運動を実施するように駆動される。ポンプピストン３１はポンプピストン案内区分３２内に軸方向運動可能に案内されており、これにより吸込み行程（図２で見て下方に向けられている）の際には、ポンプ流出弁３１１７が閉じられた状態で、燃料が供給管路１９からポンプ流入弁３１１２を介してシリンダ室３１１内に圧送され、吐出行程（図２で見て上方に向けられている）の際には、ポンプ流入弁３１１２が閉じられた状態で、シリンダ室３１１内に存在する燃料が圧縮され、かつ場合によってはポンプ流出弁３１１７を介して高い圧力下に、蓄圧器２０に通じた供給管路１９ａへ送出される。

図２には、デジタル切換式の弁として形成されたポンプ流入弁３１１２の可能な１実施形態が示されている。このようなポンプ流入弁３１１２は、無電流状態で開いている弁である。弁の電流コイル３１１４を介して、弁閉鎖エレメントを備えた弁プランジャ３１１６を、ばね３１１５のばね力に抗してアクティブにポンプ流入弁３１１２の閉弁された位置へもたらすことができる。この閉弁された位置では、供給管路１９から高圧ポンプ２２のシリンダ室３１１内に燃料が流入し得ず、また逆にシリンダ室３１１から供給管路１９内にも燃料は流入し得ない。コイル３１１４が通電されないと、ポンプ流入弁３１１２はその開弁位置にあり、高圧ポンプ２２の吸込み段階における供給管路１９からの燃料の吸込みが可能となる。自己吸込み式の運転においては、このタイプの流入弁ではコイルが通電されない。択一的な別の構成では、別の弁原理を使用することもできる。その場合、自己吸込み式の運転は相応して異なるものとなる。

高圧ポンプ２２のポンプ流出弁３１１７は、図示の実施形態では、逆止弁３１１８である。この逆止弁は、高圧ポンプ２２のシリンダ室３１１内の、相応して大きな圧力において、高圧用の蓄圧器２０に通じた供給管路１９ａ内への流体圧送を可能にする。

図３には、蓄圧器２０内のレール圧Ｐ＿ｒａｉｌと、時間との関係を示す線図が示されている。

蓄圧器２０内に所望のレール圧Ｐ＿ｒａｉｌを形成するためには、予想されるエンジンスタートの前に既に、所定の時間の間、高圧ポンプ２２とアクチュエータとが制御され、この場合、高圧ポンプ２２は、この高圧ポンプ２２が自己吸込み式の運転状態を有するように制御され、アクチュエータは、カムシャフト２７が少なくとも１回だけ第１の方向へ、かつ少なくとも１回だけ第２の方向へ、予め規定された所定の角度範囲内でその長手方向軸線周りにそれぞれ回転するように制御される。

図３に示した例では、所定の時間の間、アクチュエータは、カムシャフト２７が複数回、それぞれまず第１の方向へ、かつ引き続き第２の方向へ、所定の角度範囲内でその長手方向軸線周りに回転するように制御される。このことは、蓄圧器２０内に、予め規定された所定の噴射解放圧が達成されるまで行われ得る。

たとえば自動車のエンジンが始動される前に、カムシャフト２７は、たとえば可変の弁駆動装置５０の前記少なくなくとも１つのアクチュエータによって往復運動させられる。レール圧Ｐ＿ｒａｉｌは、この往復運動に基づいて、少なくとも近似的に段階的に増大する。レール圧Ｐ＿ｒａｉｌの時間的な経過は、テストベンチ測定を表す。レール圧Ｐ＿ｒａｉｌは、たとえば、合計４５°（第１の方向へ２２.５°および逆方向の第２の方向へ２２.５°）のカムシャフト回転時に約７〜１０バール上昇する。カムシャフト２７は、図示の例では７５°／秒の角速度で回転させられている。こうして、６０バールよりも大きな噴射解放圧が、２秒よりも短い時間内で達成され得る。この時間は、高圧ポンプ２２の構成にも関連している。

さらに、図３には、クランクシャフト信号ＣＲＫの時間的な経過が示されている。このクランクシャフト信号ＣＲＫは、たとえばクランクシャフトセンサによって検出される（各最高点６°クランクシャフト１３、３°カムシャフト２７）。図３からは、さらに、互いに異なる方向への回転運動の各位相が判る。各第１の位相Ｐｈ１の間には、第１の方向への回転が行われ、各第２の位相Ｐｈ２の間には、逆向きの第２の方向への回転が行われる。

Claims (7)

1. 内燃機関（１）であって、該内燃機関（１）が、蓄圧器（２０）と、高圧ポンプ（２２）と、制御可能なアクチュエータと、長手方向軸線を備えた、回転可能に支持されたカムシャフト（２７）とを有し、
   前記高圧ポンプ（２２）が、シリンダ室（３１１）と、該シリンダ室（３１１）内に可動に配置されたポンプピストン（３１）とを有し、該ポンプピストン（３１）が、少なくとも間接的に前記カムシャフト（２７）に支持されていて、前記カムシャフト（２７）の回転に応じて前記シリンダ室（３１１）の自由容積に影響を与えるようになっており、
   前記高圧ポンプ（２２）の前記シリンダ室（３１１）が、前記蓄圧器（２０）内に流体を圧送するために、ハイドロリック的に少なくとも間接的に前記蓄圧器（２０）に連通されており、
   所定の角度範囲内でその長手方向軸線周りに第１の方向または逆向きの第２の方向へ回転するように前記カムシャフト（２７）を駆動するために前記アクチュエータが構成され、かつ配置されている、
   内燃機関（１）を運転する方法において、
   当該方法が：
   予想されるエンジンスタートの前の予め規定された時間の間、前記高圧ポンプ（２２）を、該高圧ポンプ（２２）が自己吸込み式の運転状態を有するように制御し、前記アクチュエータを、前記カムシャフト（２７）が、少なくとも１回だけ第１の方向へ、かつ少なくとも１回だけ第２の方向へ、所定の角度範囲内でその長手方向軸線周りに回転するように制御するステップ、
   を含むことを特徴とする、内燃機関を運転する方法。
2. 前記予め規定された時間が、予想されるエンジンスタートの直前にある、請求項１記載の方法。
3. 前記予め規定された時間の間、前記蓄圧器（２０）内に予め規定された噴射解放圧が生ぜしめられるまで、前記カムシャフト（２７）が複数回、それぞれまずは第１の方向へ、かつ引き続き第２の方向へ、所定の角度範囲内でその長手方向軸線周りに回転するように前記アクチュエータを制御する、請求項１または２記載の方法。
4. 内燃機関（１）が、可変の弁駆動装置（５０）を有し、前記カムシャフト（２７）が、内燃機関（１）の燃焼室のガス流入弁（８）および／またはガス流出弁（１１）と連結されており、前記アクチュエータが、前記カムシャフト（２７）の駆動および／または調節によって前記ガス流入弁（８）もしくは前記ガス流出弁（１１）の開弁時点および／または閉弁時点を制御するように配置され、かつ構成されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 前記可変の弁駆動装置（５０）が、電気的な可変の弁駆動装置を有する、請求項４記載の方法。
6. 前記高圧ポンプ（２２）が、デジタル切換式の高圧ポンプを含む、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 請求項１から６までのいずれか１項記載の方法を実施するように構成されている、内燃機関（１）を運転する装置。

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