JP4147065B2 - 内燃機関の運転方法および装置 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関特に過給式内燃機関の運転方法および装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
特に排気ガス・ターボチャージャのタービンが可変形状をもたないような排気ガス・ターボチャージャを有する機関は、発進時において一般にトルク不足を示す。この理由は、発進回転速度においては内燃機関の排気ガスの質量の流れ(排気ガスの質量流量)が小さいので、排気ガス・ターボチャージャのタービンの効率のみならず圧縮機の効率もまたきわめて低いことにある。この結果、内燃機関の低回転速度範囲においてはトルク供給が小さいので、過給圧力の上昇は不十分となる。きわめて極端な状況において、例えば標高が高く且つ急な坂道において補助機器が投入されている場合、発進は著しく妨害されることがある。ドイツ特許公開第19944190号から、排気ガス・ターボチャージャの効率を上昇させる手段が既知である。これは、一次噴射ののちに行われる後噴射により達成される。この後噴射により、排気ガスのエネルギー単位特に排気ガス・ターボチャージャのタービンに対する排気ガス・エンタルピーが持続して上昇されるので、トルク要求または出力要求における機械の応答特性は、上昇された過給圧力によって著しく改善される。これに関して、後噴射の間に、シリンダの吸気弁および排気弁を、より大きな弁の重なり合い(すなわち、弁のオーバーラップ)が形成されるように制御することが適切であることもわかった。これにより、タービンにおいてより大きな空気流量が発生し且つタービンに対してより大きな圧力が発生するので、より高い過給圧力を形成することができる。この場合、後噴射は、個々の燃焼室内に存在する過剰空気により、このときなお継続している燃焼ないし高温によって点火される燃焼可能な混合物が形成されるように行われる。後噴射が行われるシリンダ内における過剰空気の発生も同様に行われる。
【0003】
低回転速度範囲において過給圧力を上昇させる他の方法は、特に排気ガス・ターボチャージャに対する補助チャージャとしての電動ターボ圧縮機の使用である。低回転速度範囲において、過給圧力を上昇させるために、電動ターボ圧縮機はその電動機を操作することにより操作される。構造的に形成されるかまたは吸気弁および/または排気弁のカム軸調節により発生される弁の大きな重なり合いに関連して、および吸気管とターボチャージャのタービンの手前の排気系との間の大きな圧力落差に関連して、これから高い掃気質量流量(換言すれば、掃気の質量の流れ)が得られる。内部燃焼過程に関係しない後噴射の方法を用いた過給式内燃機関のこのタイプは、上記の範囲における出力上昇に対してきわめて高いポテンシャルを有している。
【0004】
即ち、特に外部操作可能な電動チャージャと組み合わせた、内部燃焼過程に関係しない後噴射が行われる過給式内燃機関における排気ガス・エンタルピーの上昇方法に対する必要性が存在する。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
一次噴射のほかに後噴射が行われる、排気ガス・ターボチャージャを有する内燃機関において、低回転速度範囲における過給圧力の上昇を改善することが本発明の課題である。
【0006】
【課題を解決するための手段】
この課題は独立請求項の特徴により解決される。
排気系内の排気ガス・ターボチャージャのタービンの上流側に設けられている外部点火補助装置との組み合わせにより、排気ガス・ターボチャージャのタービンの両側に本質的により高いエンタルピー落差が発生される。この場合、後噴射は内部燃焼過程には関係しない。
【0007】
排気ガス・ターボチャージャのタービンの両側の排気ガス・エンタルピー落差の上昇により、上昇された過給圧力によって車両の発進特性が著しく改善されることが有利である。
【0008】
排気ガス・ターボチャージャと、追加補助チャージャ例えば内燃機関により高い掃気質量流量(すなわち、掃気の質量の流れ)を発生する電動チャージャとを組み合わせたときに他の利点が得られる。この利点は、弁をより大きく重ね合わせ、したがって掃気質量流量をさらに上昇させる追加のカム軸調節により増大される。この理由は、吸気系と排気系との間に作用する圧力落差が電動補助チャージャにより著しく増大されることにある。可変弁制御時間と組み合わせて、この圧力落差は、充填切換が行われる上死点付近の弁の重なり合い過程の間に大きな掃気質量流量(作業空気質量流量の約30%以下)を得るために利用される。このとき同時に燃料の噴射が行われた場合、燃焼可能な燃料空気混合物が形成され、この混合物は排気ガス・ターボチャージャのタービンの上流側に追加として設けられた点火補助装置により確実に点火され且つ燃焼される。これにより、排気ガス・ターボチャージャのタービンにおいて利用可能なエンタルピー落差は明らかに上昇し、且つ圧縮機側の圧力供給は上昇する。
【0009】
原理的に、後噴射およびそれに続く排気系内の点火が行われる場合、外部操作可能な補助チャージャがない過給式内燃機関においても上記の利点が得られる。さらに、構成要素の適切な設計により、過給装置が自己保持状態で切換可能であることが特に有利である。これにより、電動補助チャージャを遮断したのちに、排気ガス・ターボチャージャは、掃気質量の後燃焼から得られる追加のエンタルピー供給と組み合わせて、追加チャージャにより予め得られた過給圧力上昇が保持される。
【0010】
この結果、上昇された排気ガス質量およびより高いエンタルピー供給により、排気ガス・ターボチャージャの効率のよい運転点が得られる。
上記の方法の他の利点は、追加として補足された点火補助装置が触媒を作動温度まで急速に加熱するための二次空気と組み合わせて利用可能であることにある。
【0011】
その他の利点が実施態様に関する以下の説明ないし従属請求項から明らかとなる。
以下に本発明を図面に示す実施態様により詳細に説明する。
【0012】
【発明の実施の形態】
図1に、例えば4つのシリンダおよび付属噴射弁2、3、4および5を有する直接噴射式内燃機関が略図で示されている。噴射弁2、3、4および5に、例えば共通配管6を介して燃料が供給される。直接噴射式内燃機関1はディーゼル機関であってもまたはオットー機関であってもよい。
【0013】
図示の内燃機関は排気ガス・ターボチャージャを備えている。この場合、絞り弁8もまた存在する吸気系7内に圧縮機9が設けられ、圧縮機9はタービン10と機械的に結合され、タービン10は排気系11内の排気ガス流れにより駆動される。タービン10は既知のようにバイパス配管12によりバイパスされ、バイパス配管12内にバイパス弁13が設けられ、バイパス弁13によりターボチャージャから発生された過給圧力を制御可能である。
【0014】
燃料噴射を操作ないし制御するために制御ユニット14が設けられ、制御ユニット14は制御ライン15、16、17および18を介して個々の制御弁2、3、4および5の各々と結合されている。そのほかに、制御ユニット14はさらにセンサ20a−21aから情報を受け取り、センサ20a−21aは加速ペダル位置および内燃機関または車両の他の運転変数を測定する。
【0015】
さらに、内燃機関の吸気系7内で排気ガス・ターボチャージャの圧縮機9と絞り弁8との間に外部操作可能な補助チャージャ20、特に電動機21により操作される電動圧縮機が設けられている。電動機21は制御ライン22を介して電子式制御ユニット14から操作される。他の実施態様においては、補助チャージャは圧縮機の流れ方向手前に組み込まれている。さらに、排気系内で排気ガス・ターボチャージャのタービン10の手前に、追加点火補助装置23例えば加熱プラグが挿入されている。加熱プラグは同様に操作ライン24を介して電子式制御ユニット14から操作される。
【0016】
好ましい実施態様は、図1に示すようにターボ過給式内燃機関を含み、ターボ過給式内燃機関は、動特性を改善するために、追加として、補助チャージャとしての外部チャージャ20と、排気ガス・ターボチャージャのタービンの上流側に追加点火補助装置(例えば加熱プラグ)とを備えている。他の実施態様においては、追加として可変カム軸調節が行われ、または外部チャージャが設けられていない。
【0017】
外部チャージャおよび可変カム軸調節を有する以下に記載の実施態様は、1つまたは複数の構成要素が故障した場合にそれに対応して適合が行われ、ここでは上記の構成要素の引用は省略する。図示の装置はさらに吸気管噴射式機関と結合されても使用される。
【0018】
ドライバ(すなわち、運転手)が発進過程または加速要求を信号で通知した場合、またはドライバからの全負荷希望が存在する場合、機関の応答特性を向上させるために外部チャージャ20が作動される。吸気弁や排気弁の開閉時期を制御する可変弁制御機構が存在する場合、全負荷付近の範囲内で且つ機関の低回転速度において、供給効率の最適化のために、および掃気の最適化(弁の大きな重なり合い)のために、吸気カム軸はできるだけ早期の位置(すなわち、吸気弁ができるだけ早く開く位置)に調節される。弁開放の重なり合い過程において外部チャージャの作動により対応シリンダ内を流動する掃気質量流量(すなわち、掃気の質量の流れ)に燃料が供給され、燃料は空気と共に燃焼可能な燃料/空気混合物を形成する。排気系内の追加点火補助装置23によりこの混合物が点火される。それに続く燃焼は排気温度したがってタービンの両側の有効エンタルピー落差を著しく上昇させる。オットー機関におけるこの方法はディーゼル機関との組み合わせにおいても利用可能である。この場合もまた、後噴射の範囲内で、掃気質量に、燃焼可能な混合物を形成する燃料が供給される(少なくともコモン・レール・システムを使用した場合)。この方法の有利な効果はオットー機関における効果に対応する。
【0019】
十分に高い過給圧力に到達したときに追加補助チャージャ20が遮断される。この時点までに著しく上昇された排気ガス質量流量(すなわち、排気ガスの質量の流れ)により、後噴射から得られたより大きな有効エンタルピー落差と組み合わせて、排気ガス・ターボチャージャは効率がよりよい運転点に到達する。これにより、内燃機関は、後噴射により、補助チャージャがなく且つ時間的制約がない場合においても、その運転点を保持することができる。発進過程ないし加速過程ないし全負荷過程が終了したときに後噴射が遮断される。
【0020】
電動補助チャージャ20の代わりに、あるいはそれを支援する、可変形状を有する排気ガス・ターボチャージャを同時使用することができる。
好ましい実施態様においては、上記の方法が制御ユニット14のマイクロ・コンピュータのプログラムとして実行される。このようなプログラムの構成が図2に記載の流れ図により示されている。
【0021】
ドライバによる加速要求が存在したときに図2に示すプログラムが呼び出される。加速要求は例えばドライバの希望の変化により検出される(時間的変化がしきい値を超える)。図示のプログラムが呼び出される他の運転状況は、ドライバの全負荷要求(最大にまたはほぼ最大に踏み込まれた加速ペダル)またはドライバの発進希望(例えば変速ギヤを投入したとき、クラッチを操作したとき、加速ペダルを操作したとき等)である。プログラムを導くこのような現象が検出された場合、第1のステップ100において追加補助チャージャ(電動ターボ圧縮機ETV)20が作動される。これは電動機21へ操作信号を出力することにより行われる。この場合、操作信号は、実施態様に応じてそれぞれ、固定設定されるかまたは運転変数の関数である。それに続くステップ102において、点火補助装置23が操作される。好ましい実施態様においては、内燃機関の排気系内のこの点火補助装置は加熱プラグであり、この加熱プラグに電子式制御ユニットから所定の強さの操作信号が出力される。それに続いてステップ104において、この点火補助装置が作動可能であるかどうかが検査される。加熱プラグにおいては、所定の温度に到達したときにそれは作動可能である。加熱プラグが作動可能であることは、例えば、加熱プラグの操作を開始したのちの所定時間の経過により、排気温度信号により、または加熱プラグの温度信号により、等で検出される。点火補助装置が作動可能でない場合、それに続くステップ106において、追加チャージャ運転が終了したかどうかが検査される。追加チャージャ運転の終了は、過給圧力が所定の限界値に到達したときであることが好ましい(他の使用例において、所定時間の経過が適切であることがわかった)。この限界値に到達していない場合、ステップ108において、開始された運転過程、即ち加速要求、全負荷要求または発進過程が終了したかどうかが検査される。例えば、ドライバがペダルを戻したとき、または静止状態に到達したときに加速要求は終了している。加速ペダルが全負荷範囲を離れたときに全負荷要求は終了している。所定の車両速度に到達したときに発進過程は終了している。運転過程が終了した場合にはプログラムも同様に終了され、運転過程が終了していない場合にはステップ100から反復される。ステップ104における問い合わせが、点火補助装置が作動可能であることを与えた場合、ステップ110において後噴射が開始される。この場合、充填に切り換わり且つ弁が重なり合う上死点の範囲において燃料がシリンダ内に噴射される。電子式制御装置は対応操作信号を噴射弁に出力する。この場合、後噴射は常に弁の重なり合いが存在するシリンダ内へのみ行われる。このとき、後噴射により噴射される燃料質量は、燃焼可能な空気/燃料混合物が発生するように決定される。この燃料質量は、実施態様に応じてそれぞれ、固定設定されるかまたは運転変数の関数である(例えば空気質量流量またはシリンダの充填量、過給圧力、吸気管と排気系との間の圧力落差等の関数である)が、各々の場合に点火可能ないし燃焼可能な混合物を供給しなければならない。
【0022】
ステップ106において、所定の過給圧力に到達したかまたは時間が経過したことが特定された場合、ステップ112により、追加チャージャが遮断され、即ちモータに対して操作信号がもはや出力されない。
【0023】
図3は1つのシリンダの例で後噴射の位置を示している。横軸にクランク軸角が目盛られている。下死点(UT)の直前から充填切換過程の上死点(充填切換上死点;LOT)の直後まで存在する排気弁AVの開放角(すなわち、排気弁が開いているときのクランク角)が記入され、並びに充填切換上死点の直前からその後の下死点UTの直後まで伸長する吸気弁EVの開放角(すなわち、吸気弁が開いているときのクランク角)が記入されている。充填切換上死点の範囲内に弁の重なり合い角(吸気弁と排気弁とが開いているときのクランク角)が存在し、この弁の重なり合い角内で後噴射が行われる。このシリンダ内への次の一次噴射は点火過程内の上死点(点火上死点;ZOT)の範囲内で行われ、この点火上死点に続く次の上死点(充填切換上死点)に到達したときに再び後噴射が行われる。一次噴射により噴射された燃料は、点火により、トルク発生のために燃焼室内で燃焼される。全体の時間にわたり点火補助装置は作動し、即ち加熱プラグの場合には操作されている。
【0024】
図4は上記の方法に関連する本質的な運転変数の時間線図を示す。図4aは加速ペダル・ストロークβの時間経過を示し、図4bは電動ターボ圧縮機のサーボモータ21内を流れる電流I_ETVの時間経過を示し、図4cは点火補助装置(加熱プラグ)内の電流I_GKを示し、図4dは加熱プラグの温度T_GKを示し、図4eは後噴射が行われている時間範囲を示し、および図4fは過給圧力の時間経過を示す。
【0025】
時点t0において、ドライバが加速ペダルを図示の実施態様において100%操作したとする。即ちドライバは全負荷を要求している。したがって、時点t0において補助チャージャ20が操作される。それに対応して、図4b内に電流経過が示されている。補助チャージャの操作により、時点t0の直後に過給圧力が上昇する。図4cに示すように、時点t0の直後に追加点火手段23が投入される。これにより、加熱プラグ23の温度は徐々に上昇する。ここまでにおいて、補助チャージャの作用が、t0の直後において既に過給圧力がきわめて高い値をとっていることにより示されている。ある時間の経過後に点火補助装置は作動可能となるので、時点t1において後噴射が行われる。時点t2において希望の過給圧力に到達したときに補助チャージャ20が遮断される(図4b参照)。時点t3においてドライバが加速ペダルを放したとする(図4a参照)。これにより、点火補助装置が遮断され(図4c)且つ後噴射が遮断される(図4e)。それに対応して、時点t3以降は過給圧力が再び低下する。同様に加熱プラグの温度も図4dに示すように低下する。
【0026】
図5は吸気管圧力の排気背圧に対する比および掃気質量流量の作業空気質量に対する比が種々の機関回転速度に対して表わされている線図を示す。ここで、圧力比が横軸に、質量流量比(すなわち、質量の流れの比)が縦軸に目盛られている。吸気管と排気ガス流れとの間の圧力落差が高ければ高いほどそれだけ質量流量比が大きくなることがわかる。言い換えると、大きな圧力比に対しては大きな掃気質量流量が得られる。言い換えると、大きな掃気質量流量は吸気管圧力と排気圧力との間に大きな圧力比をも与える。この比は上記のように外部操作可能な補助チャージャの有利な作用を表わしている。
【0027】
図6に空気質量流量(菱形)および圧力比(正方形)が機関回転速度に対して目盛られている。1000rpmの機関回転速度の例において、外部操作可能な補助チャージャおよび後燃焼の追加エネルギーにより、圧力比および空気質量流量の著しい上昇が達成されることがわかる。圧力比は、通常の排気ガス・ターボチャージャにおける約1.2から図示の実施態様における約1.7の値に上昇され、一方、空気質量流量は、通常の装置における約55kg/hから約100kg/hに上昇可能である。したがって、圧縮機側の上昇圧力要求は達成され且つ排気ガス・ターボチャージャ装置の効率を上昇させることができる。
【0028】
図7は通常の排気ガス・ターボチャージャと、電動補助チャージャおよび後燃焼を有する排気ガス・ターボチャージャとの比較における、機関回転速度に対して目盛られた圧力比を示す。低い機関回転速度の範囲においては、通常の排気ガス・ターボチャージャ(実線)は緩やかに上昇する小さい圧力比を有し、一方、後噴射を有する排気ガス・ターボチャージャ装置は小さい回転速度において既に高い圧力比を達成していることがわかる。即ち、低回転速度において既に達成された高い過給圧力は高い機関回転速度範囲にわたり保持される。
【0029】
最後に、図8に、それぞれの運転状態に対して計算された排気ガス・ターボチャージャ装置の効率(等方性圧縮機効率)が機関回転速度に対して目盛られている。ここで、タービン効率が菱形で表わされ、圧縮機効率が正方形で表わされている。これに対応する通常の排気ガス・ターボチャージャの効率は、1000rpmにおいては0.4の範囲にあり、1500rpmにおいては0.6−1.7の範囲に上昇する。追加補助チャージャおよび後燃焼の使用により、運転点シフトに基づいて1000rpmにおいて既に0.6−1.7の範囲の効率が達成され、即ち、1500rpmにおける状況はきわめて低い機関回転速度において既に達成されている。これは発進特性を著しく改善する。
【0030】
以上のように、本実施形態によれば、全負荷要求(例えば、加速ペダルが最大に踏み込まれたとき)、加速要求、発進要求がドライバから出されたとき、それに直ちに内燃機関(ターボチャージャ付)が応答する。先行特許DE19944190A1では、ドライバの発進サイン(アイドリング中に、ギヤ投入、ブレーキペダル解放、加速ペダル操作)に応じて、一次噴射のほかに、シリンダ内へ後噴射を行わせている。これに対して、本実施形態は、さらに、排気系内のターボチャージャのタービンの手前に点火補助装置23を設けて、後噴射燃料(充填切換上死点の排気弁と吸気弁の開放角が重なり合うときに噴射)を排気系内で燃焼させて、ターボチャージャのタービンを駆動させる。また、少なくとも1つの運転状態において作動する外部操作補助チャージャが設けられている。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本発明の一実施態様に係る内燃機関の運転装置のブロック図であって、排気ガス・ターボチャージャを有する内燃機関を制御系と共に示した全体系統図である。
【図2】図2は、本発明の一実施態様に係る内燃機関の運転方法の実行を示した一実施態様の流れ図である。
【図3】図3は、本発明の一実施態様に係る内燃機関の運転方法を明瞭に示した時間線図である。
【図4】図4は、内燃機関の運転方法を明瞭に示した他の時間線図である。
図4aは加速ペダル・ストロークβの時間経過を示す。
図4bは電動ターボ圧縮機のサーボモータ21内を流れる電流I_ETVの時間経過を示す。
図4cは点火補助装置(加熱プラグ)内の電流I_GKの時間経過を示す。
図4dは加熱プラグの温度T_GKの時間経過を示す。
図4eは後噴射が行われている時間範囲を示す。
図4fは過給圧力の時間経過を示す。
【図5】図5は、本発明の一実施態様に係る内燃機関の運転方法及び装置の利点を明瞭に示した線図であって、吸気管圧力/排気背圧(横軸)と掃気質量流量/作業空気質量流量(縦軸)との関係を示したグラフである。
【図6】図6は、本発明の一実施態様に係る内燃機関の運転方法及び装置の利点を明瞭に示した他の線図であって、機関回転速度[rpm](横軸)と空気質量流量[kg/h](左側縦軸)との関係、及び、機関回転速度[rpm](横軸)と圧力比(右側縦軸)との関係を示したグラフである。
【図7】図7は、本発明の一実施態様に係る内燃機関の運転方法及び装置の利点を明瞭に示した他の線図であって、機関回転速度[rpm](横軸)と圧力比(右側縦軸)との関係を、従来の排気ガス・ターボチャージャとの比較で示したグラフである。
【図8】図8は、本発明の一実施態様に係る内燃機関の運転方法及び装置の利点を明瞭に示した他の線図であって、機関回転速度[rpm](横軸)と排気ガス・ターボチャージャ装置の効率(縦軸)との関係を示したグラフである。
【符号の説明】
1 直接噴射式内燃機関(すなわち、直噴射式内燃機関)
2、3、4、5 噴射弁
6 共通配管
7 吸気系
8 絞り弁
9 圧縮機
10 タービン
11 排気系
12 バイパス配管
13 バイパス弁
14 制御ユニット
15、16、17、18、22、24 ライン
20 補助チャージャ
20a−21a センサ
21 電動機
23 点火補助装置
ATL 排気ガス・ターボチャージャ
AV 排気弁
ETV 電動ターボ圧縮機
EV 吸気弁
I_ETV 電動ターボ圧縮機のサーボモータ内の電流
I_GK 加熱プラグ
LOT 充填切換上死点
PAbg 排気背圧
Ps 吸気管圧力
T_GK 加熱プラグの温度
UT 下死点
ZOT 点火上死点
β 加速ペダル・ストローク
°KW v ZOT:点火上死点に対するクランク角

Claims (7)

  1. 一次噴射のほかに、内燃機関の1つまたは複数のシリンダ内に後噴射が行われる、排気ガス・ターボチャージャを有する内燃機関の運転方法において、
    後噴射が燃焼可能な空気/燃料混合物を発生し、この空気/燃料混合物が、内燃機関の排気系内に設けられている点火手段により点火され
    後噴射は、対応シリンダの排気弁および吸気弁の開放角が重なり合うときに行われることを特徴とする内燃機関の運転方法。
  2. 排気ガス・ターボチャージャに補足して外部操作可能な補助チャージャが設けられ、補助チャージャは少なくとも1つの運転状況において作動されることを特徴とする請求項に記載の方法。
  3. 全負荷要求において、または加速要求において、または発進過程において、排気系内の前記点火手段が操作され且つ後噴射が行われることを特徴とする請求項1又は2に記載の方法。
  4. 少なくとも1つの運転状況が開始したとき、外部操作可能な補助チャージャが投入されることを特徴とする請求項に記載の方法。
  5. 遮断基準に到達したとき、外部操作可能な補助チャージャが遮断されることを特徴とする請求項に記載の方法。
  6. 可変弁時間制御が行われ、この制御が、弁開放のできるだけ大きな角の重なり合いが存在するように、弁開放角を変化させることを特徴とする請求項1ないしのいずれか1項に記載の方法。
  7. 内燃機関の各シリンダ内に一次噴射を行わせ、少なくとも1つの運転状況において内燃機関の少なくとも1つのシリンダ内に後噴射を行わせる電子式制御ユニットを備えた、排気ガス・ターボチャージャを有する内燃機関の運転装置において、
    電子式制御ユニットが、後噴射により排気系内に発生された燃焼可能な空気/燃料混合物を排気ガス・ターボチャージャのタービンの手前で点火させるために、排気系内に設けられている追加点火手段を操作するように形成されており、
    後噴射は、対応シリンダの排気弁および吸気弁の開放角が重なり合うときに行われることを特徴とする内燃機関の運転装置。
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