JP4176158B2 - 内燃機関のスタート方法 - Google Patents

Description

従来の技術
本発明は、燃料を第１の駆動モードで圧縮フェーズ中に噴射するか、または第２の駆動モードで吸気フェーズ中にピストンによって規定される燃焼室へ直接に噴射し、燃焼室へ噴射された燃料を点火する、内燃機関例えば車両の内燃機関のスタート方法に関する。本発明はまた、噴射弁が設けられており、この噴射弁により燃料が第１の駆動モードで圧縮フェーズ中に噴射可能であるか、または第２の駆動モードで吸気フェーズ中にピストンによって規定される燃焼室へ直接に噴射可能であり、スパークプラグが設けられており、このスパークプラグにより燃焼室へ噴射された燃料に点火可能であり、制御装置が設けられており、この制御装置により噴射弁およびスパークプラグが制御可能である、内燃機関例えば車両の内燃機関に関する。
燃料を直接に内燃機関の燃焼室へ噴射するこの種の装置は一般に知られている。この場合第１の駆動モードとしてのいわゆる層状給気動作と、第２の駆動モードとしてのいわゆる均一動作とが区別されている。層状給気動作は例えば負荷が小さい場合に使用され、一方均一動作は内燃機関に加わる負荷が比較的大きい場合に使用される。層状給気動作では燃料が内燃機関の圧縮フェーズ中に燃焼室のスパークプラグの直接周囲へ噴射される。このため燃料が燃焼室内で均一に分布しない。層状給気動作の利点は、きわめて僅かな燃料量で内燃機関に加わる小さな負荷に対処できることである。しかし大きな負荷を層状給気動作で満足することはできない。このような比較的大きな負荷のために設けられている均一動作では燃料が内燃機関の吸気フェーズ中に噴射されるので、渦流が形成されて燃料が燃焼室内で問題なく分配される。その点では均一動作のほうが幾分か内燃機関の駆動形式に相応しており、従来の手段では燃料は吸気管内へ噴射される。
２つの駆動モードすなわち層状給気動作および均一動作では、噴射すべき燃料の噴射角および噴射時間が制御装置により、複数のパラメータに依存して燃料節約や障害物質の低減その他の点で最適な値へ閉ループ制御および／または開制御される。
スタート時には内燃機関は均一動作で駆動される。したがって燃料は吸気フェーズ中に燃焼室内へ噴射される。噴射角と燃料を燃焼室へ噴射しなければならない噴射時間とは、ここでは制御装置によって吸気フェーズ前に計算される。この計算はリアルタイムで、吸気フェーズ前に支配的な内燃機関の動作状態に基づいて行われる。
スタート中、内燃機関はきわめて強く加速される。このため予め計算された噴射角および／または予め計算された噴射時間が、実際の噴射の時点ではもはやこの時点で支配的な内燃機関の動作状態に相応しなくなっていることがある。
このため、例えば低い回転数に対する噴射時間が計算されている場合、加速によってスタート中にこの回転数が上昇し、これに対しては噴射時間が長くなりすぎてしまう可能性がある。これにより燃料がまだ燃焼室中へ噴射されており、噴射弁が開放されているにもかかわらず、一方では噴射された燃料がスパークプラグによってすでに点火される状態が生じることがある。このことは噴射弁の早い時期のコーキングを生じさせるので望ましくない。
さらに回転数の上昇のためにスタート中に、ピストンから発生された圧縮圧力が噴射すべき燃料に対して加えられる噴射圧力よりも大きい場合に、噴射弁がいまだ開放されていることがある。この場合には、燃料／空気混合物が燃焼室から噴射弁へ、ひいては燃料供給系へバックファイアすることになる。これにより続いて燃焼ミスおよび内燃機関の動作ミスが生じる。
本発明の課題は、内燃機関の駆動方法を提供して、内燃機関の問題のないスタートを可能にすることである。
この課題は、冒頭に述べた形式の方法および冒頭に述べた形式の内燃機関において、本発明に基づいて噴射すべき燃料に対して加えられる圧力を測定し、燃焼室内に存在する圧力を求め、該燃焼室内に存在する圧力が前記燃料に対して加えられる圧力に達するまでに噴射を終了するか、または、遅くとも該燃焼室内に存在する圧力が前記燃料に対して加えられる圧力よりも大きくなる前に噴射を終了することにより解決される。
このようにすれば、燃料がスパークプラグによって点火される際にはどんな場合にも噴射弁は閉鎖されていることが保証される。このため噴射弁の早い時期のコーキングは回避される。これにより噴射弁の動作能力および寿命は著しく高められる。
本発明の有利な実施形態では、燃料の噴射は所定の角度位置で燃料の点火前に終了される。この角度位置はここでは予め計算されており、この位置がどんな場合にも常に燃料の点火前となるように選定されている。このため一方では燃料が点火される際にはどんな場合でも噴射弁が閉鎖されていることが保証され、他方ではこの構成により前述の角度位置においてのみ制御装置による処置を行えばよく、噴射弁がまだ開放されているときに噴射弁を閉鎖状態へ移行させる必要がない利点が得られる。他の手段例えば時間パターンでの角度位置の監視は必要ない。
特に有利には、燃料の噴射は遅くとも対応するピストンの上死点後、例えば約２９０°で終了される。シリンダ内のピストンの上死点は所属のセンサによって測定される。このため上死点に基づいて吸気フェーズ後、噴射弁を閉鎖すべき角度位置を示すことができる。この場合吸気フェーズ後の上死点後約２９０°の角度位置は、どんな場合にも燃料の点火が燃焼室で行われない値である。
本発明の別の有利な実施形態では、燃料の噴射は所定の時間間隔または角度間隔で燃料の点火前に終了される。例えば内燃機関の実際の角度位置と、予め計算された点火のための角度位置との差が所定の限界値を下回ると直ちに（燃料がまだ燃焼室へ噴射されている場合には）噴射弁が閉鎖される。燃料はつねに最大可能な角度位置まで噴射されるが、どんな場合でも噴射弁は燃料の点火の際には閉鎖される。ただしこの構成では迅速なパターンで内燃機関のその時点での角度位置を測定または計算する必要がある。
本発明では、噴射すべき燃料に対して加えられる圧力が測定され、燃焼室内に存在する圧力が求められる。また燃料の噴射は燃焼室内の圧力が燃料に対して加えられる圧力に達するまでに終了されるか、または、遅くとも燃焼室内の圧力が燃料に対して加えられる圧力より大きくなる前に終了される。
遅くとも燃焼室の圧力が燃料に対して加えられる圧力よりも大きくなる前に噴射弁が閉鎖される。この手段により燃料／空気混合気から噴射弁へバックファイアしないことが保証される。このため燃料供給系の動作能力が維持され、内燃機関の燃焼ミスその他が回避される。ただしこの実施形態では、燃料に対して加えられる圧力と燃焼室内の圧力とを迅速な時間パターンで測定または計算する必要がある。
本発明の別の有利な実施形態では、燃料の噴射は予め設定された角度位置で終了される。この角度位置は予め計算されており、燃焼室の圧力が燃料に対して加えられる圧力よりも大きいときにはどんな場合にも噴射弁が閉鎖されているように選定される。このため一方では噴射弁が確実に閉鎖されて、燃料／空気混合気が燃焼室から噴射弁へバックファイアしないことが保証され、他方ではこの構成により前述の角度位置でだけ制御装置によって処置を行えばよく、噴射弁がまだ開放されているときに噴射弁を閉鎖状態へ移行させる必要がない利点が得られる。他の手段例えば時間パターンでの角度位置の監視は必要ない。
特に有利には、燃料の噴射は対応するピストンのほぼ下死点で終了される。この角度位置では誤動作が確実に回避される。
特に重要なのは本発明の方法の実現が電気的な記憶媒体の形で行われることである。この記憶媒体は例えば自動車の内燃機関の制御装置に設けられている。その場合この電気的な記憶媒体にはプログラムが記憶されており、このプログラムは計算機例えばマイクロプロセッサ上で動作可能であり、本発明の方法を実施するのに適している。この場合本発明は電気的な記憶媒体に記憶されたプログラムにより実現され、プログラムを有する記憶媒体は本発明の方法と同様に理解される。この方法を実施するのにはこのプログラムが適しているからである。
本発明の更なる特徴、適用可能な手段および利点を、図示された本発明の実施例に基づいて以下に説明する。ここで説明ないし図示される全ての特徴はそれ自体でまたは任意の組合せにより本発明の対象を成しており、請求の範囲に表れている包括的な態様とは別個に理解できる。また逆に請求の範囲は発明の詳細な説明および図に示されている個々の例とは別個に理解できる。
図１には本発明の車両の内燃機関の実施例の概略的なブロック回路図が示されている。
図２には本発明による図１の内燃機関の駆動方法の実施例の概略的なブロック回路図が示されている。
図３のａ、ｂには図１の内燃機関の動作の概略的なフローチャートが示されている。
図１には内燃機関１が示されており、ピストン２はシリンダ３内で上下に運動可能である。シリンダ３には燃焼室４が設けられており、この燃焼室４に弁５を介して吸気管６および排気管７が接続されている。さらに燃焼室４には、信号ＴＩで駆動可能な噴射弁８と、信号ＺＷで駆動可能なスパークプラグ９とが配属されている。排気管７は排気ガス戻し管路１０と、信号ＡＧＲで制御される排気ガス戻し弁１１とを介して吸気管６に接続されている。
吸気管６には空気量センサ１２が設けられており、排気管７にはラムダセンサ１３が設けられている。空気量センサ１２は吸気管６に供給される新しい空気の酸素量を測定し、これに依存して信号ＬＭを形成する。ラムダセンサ１３は排気管７中の排気ガスの酸素含有量を測定し、これに依存して信号λを形成する。
第１の駆動モードすなわち内燃機関１の層状給気動作では燃料は噴射弁８から、ピストン２によって生じる圧縮フェーズ中に燃焼室４へ噴射される。これは位置的にはスパークプラグ９の直接周囲へ行われ、また時間的にはピストン２の上死点の直前に行われる。その場合スパークプラグ９により燃料が点火され、ピストン２は続く動作フェーズ中点火された燃料の膨張により駆動される。
第２の駆動モードすなわち内燃機関１の均一動作では、燃料は噴射弁８からピストン２によって生じる吸気フェーズ中に燃焼室４へ噴射される。同時に吸入される空気により噴射された燃料は渦流し、燃焼室４内でほぼ均一に分配される。その後燃料／空気混合気は圧縮フェーズ中に圧縮され、スパークプラグ９によって点火される。点火された燃料の膨張によりピストン２が駆動される。
層状給気動作でも均一動作の場合と同様に、駆動されるピストンによりクランクシャフト１４が回転運動され、このシャフトを介して最終的には車両の車輪が駆動される。クランクシャフト１４には回転数センサ１５が配属されており、クランクシャフト１４の回転運動に依存して信号Ｎが形成される。
燃料は層状給気動作でも均一動作でも、高い圧力で噴射弁８を介して燃焼室４へ噴射される。この目的のために電動の燃料ポンプおよび高圧ポンプが設けられており、後者のポンプは内燃機関１によって駆動されるか、または電磁的に駆動される。電動の燃料ポンプは少なくとも３barのいわゆるレール圧力ＥＫＰを発生し、高圧ポンプは約１００barのレール圧力ＨＤを発生する。
層状給気動作および均一動作で噴射弁８から燃焼室４へ噴射される燃料量は、制御装置１６によって例えば燃料消費を小さくする点で、および／または障害物質の発生を僅かにする点で閉ループ制御および／または開制御される。このために制御装置１６にはマイクロプロセッサが設けられている。このマイクロプロセッサでは記憶媒体例えば読み出し専用メモリ内に前述の閉ループ制御および／または開制御を実行するのに適したプログラムが記憶されている。
制御装置１６に、センサによって測定された内燃機関の動作量を表す入力信号が印加される。例えば制御装置１６は空気量センサ１２、ラムダセンサ１３、および回転数センサ１５に接続されている。さらにこの制御装置１６はアクセルペダルセンサ１７に接続されており、このセンサはドライバによって操作可能なアクセルペダルの位置を表す信号ＦＰを形成する。制御装置１６は出力信号を形成し、この信号によってアクチュエータを介して内燃機関の特性が所望の閉ループ制御および／または開制御に相応に影響される。例えば制御装置１６は噴射弁８、スパークプラグ９、排気ガス戻し弁１１に接続されており、制御に必要な信号ＴＩ、ＺＷ、ＡＧＲを形成する。
信号ＴＩにより燃焼室へ噴射すべき燃料の噴射が制御される。この噴射は、噴射を開始する噴射角と、噴射の時間的な長さを定める噴射時間とから構成されている。噴射角および噴射時間は均一動作ではこれに必要な計算時間のために吸気フェーズ前に制御装置１６によって計算される。制御装置１６のこの計算はこの時点すなわち吸気フェーズ前に支配的な内燃機関の動作状態に基づく。
内燃機関１のスタート時には内燃機関は均一動作で作動される。噴射角および噴射時間は吸気フェーズ前に制御装置１６により計算される。吸気フェーズ中、内燃機関１の燃焼室４への燃料の噴射が行われる。圧縮フェーズと燃焼フェーズとの間のピストン２の上死点の直前に燃料はスパークプラグ９により点火される。
図３のａには、従来技術による内燃機関１のスタートが示されている。図３のａでは内燃機関１の４つのシリンダ３に対してそれぞれの動作フローが時間ｔに関して示されている。ここで垂直方向の線はピストン２の上死点または下死点を表し、第１のシリンダの下死点ＵＴ１および上死点ＯＴ１が例として示されている。それぞれ２つの上死点と下死点との間には３６０°のクランクシャフト角度ＫＷがある。
垂直方向の線が時間軸の方向に有する相互の間隔から内燃機関１の加速がスタート中に生じる。はじめ回転数Ｎがまだ小さいうちは例えば１８０°のＫＷの回転角度に対する時間が長いが、回転数Ｎは後の時点ではすでに著しく大きくなり、同じ回転角度に対する時間がきわめて短くなっている。
前述のように、燃料の燃焼室への噴射は予め制御装置１６によって計算される。これは計算の時点で存在する内燃機関１の実際の動作状態に基づいている。このことは特に、噴射が吸気フェーズ中に行われるように噴射角および噴射時間が計算されることを意味する。ただしこのためには、内燃機関１の回転数Ｎは次の範囲の内部でしか変化しないことが前提となる。つまり内燃機関１のノーマルな加速度または通常の加速度でのみ発生するような回転数範囲である。
このような噴射は図３のａでは例として参照番号１８、１９で示されている。
スタート中内燃機関１はきわめて強く加速される。この加速は回転数Ｎを変化させるので、上述の前提条件はもはや満たされない。このため噴射角および噴射時間は前述のように、計算時に存在している内燃機関１の実際の動作状態と、この時点で存在している回転数Ｎとに基づいて計算される。特に噴射時間は、噴射が吸気フェーズを越えて圧縮フェーズ中にまでわたる程度の長さとなる。内燃機関１は実質的に“噴射中回転し続ける”。これは図３のａでは参照番号２０で示されている噴射の場合に相当する。
このため噴射弁８は、燃料が燃焼室４内でスパークプラグ９によりすでに点火されている場合にもまだ開放されていることがある。このような噴射は図３のａでは参照番号２１で示されている。
同様に燃料／空気混合物は燃焼室４から噴射弁８へバックファイアされる。このような噴射は図３のａでは参照番号２２で示されている。
後者の場合、燃料供給系はスタート中まだ完全に動作可能な状態になっていない。燃料供給系は例えば電動の燃料ポンプおよび高圧ポンプである。内燃機関１のスタート直後に高圧ポンプは考慮すべきほどの圧力を発生していないので、電動の燃料ポンプは燃料に対して高くともレール圧力ＥＫＰしか印加しない。この圧力は最大でも約３．５barである。このことにより圧縮フェーズ中、ピストン２によって燃焼室４に発生される圧縮圧力は、燃料供給系が噴射すべき燃料に対して加える圧力よりも大きくなる。この場合には燃料／空気混合気は前述のように燃焼室４から噴射弁８へバックファイアする。
図３のｂでは内燃機関１のスタートは本発明により行われる。図３のｂはおおよそ図３のａと一致しているので、同じ特徴または機能部分は同じ参照番号で示されている。
図３のａの噴射２１と、参照番号２３で示されている図３のｂの噴射とは異なる手法で制御される。本発明により図３のｂの噴射２３は制御装置１６によって制御されるが、燃料の燃焼室４への噴射はそれぞれ対応する燃料の点火前に終了される。このようにして燃料が点火されているのに噴射弁８がまだ開放されている状態は回避される。
同様に図３のａの噴射と、参照番号２４で示されている図３のｂの噴射とは異なる手法で制御される。本発明によれば図３のｂの噴射２４は制御装置１６によって制御され、燃焼室４の圧力が噴射すべき燃料に対して加えられる圧力よりも大きくなる前に、燃料の燃焼室４への噴射が終了される。このようにして燃料／空気混合物が燃焼室４から噴射弁８へバックファイアされないことが保証される。
回転数Ｎに対する信号から、それぞれのシリンダ３に対して、対応するピストン２が上死点ＯＴを通過した場合、およびピストン２が例えば上死点ＯＴの前約７０°の角度位置を通過した場合、インターラプト信号が制御装置１６内で形成される。後者の角度位置は同時に上死点ＯＴ後の約２９０°の角度位置である。
上死点ＯＴ前の約７０°の角度位置は、圧縮フェーズ中この角度位置より前にはどんな場合でも対応する燃焼室４内での燃料の点火が行われないように選定されている。この角度位置または対応するインターラプト信号は制御装置１６により本発明に基づいて使用され、その結果圧縮フェーズにある燃焼室４内の燃料の噴射は終了され、相応して噴射弁８が閉鎖される。
内燃機関１のピストン２のうち１つが吸気フェーズと圧縮フェーズとの間の下死点ＵＴにある場合、この角度位置では、燃焼室４の圧力がどんな場合にも噴射すべき燃料に対して加えられる圧力より大きくならないことが保証される。したがって制御装置１６はこの角度位置を使用して、次の上死点ＯＴ前の約７０°の前述の角度位置で燃焼室４内の圧力が燃料に対して加えられる圧力よりも大きくなることがあらかじめ予測される場合燃料の噴射を終了させる。
このために制御装置１６は図２に示されている方法を行う。
圧力センサを用いて噴射すべき燃料に対して加えられる圧力prailが測定される（ブロック２５）。次にどの圧力pbr_trが上死点後約２９０°の角度位置で圧縮フェーズ中に燃焼室４内に存在していると予測されるかが計算される（ブロック２６）。その後燃料に対して加えられる圧力prailと燃焼室４内で予測される圧力pbr_trとが比較される（ブロック２７）。
予測される圧力pbr_trが圧力prailより大きい場合、燃料の噴射は対応するピストン２の次の下死点ＵＴ、すなわち上死点後１８０°の角度位置で遮断される（ブロック２８）。これは例えば噴射２４で噴射弁８が上死点ＯＴ２後１８０°で閉鎖される場合に相当する。このため前述のように、燃料／空気混合物が燃焼室４から噴射弁８へバックファイアすることが回避される。
予測される圧力pbr_trが圧力prailより小さい場合、燃料の噴射は次の上死点前の約７０°、すなわち上死点ＯＴ後約２９０°の角度位置で遮断される（ブロック２９）。これは例えば噴射２３に相当する。このため前述のように、燃料が点火されているのに噴射弁８が開放されている状態が回避される。

Claims (8)

1. 燃料を第１の駆動モードで圧縮フェーズ中に噴射するか、または第２の駆動モードで吸気フェーズ中にピストン（２）によって規定される燃焼室（４）へ直接に噴射し、
   燃焼室（４）へ噴射された燃料に点火し、燃料の噴射を燃料の点火前に終了する、
   車両の内燃機関（１）のスタート方法において、
   噴射すべき燃料に対して加えられる圧力（ｐｒａｉｌ）を測定し、燃焼室（４）内に存在する圧力（ｐｂｒ＿ｔｒ）を求め、該燃焼室内に存在する圧力（ｐｂｒ＿ｔｒ）が前記燃料に対して加えられる圧力（ｐｒａｉｌ）に達するまでに噴射を終了するか、または、遅くとも該燃焼室内に存在する圧力（ｐｂｒ＿ｔｒ）が前記燃料に対して加えられる圧力（ｐｒａｉｌ）よりも大きくなる前に噴射を終了する
   ことを特徴とする内燃機関のスタート方法。
2. 燃料の噴射を所定の角度位置で燃料の点火前に終了する、請求項１記載の方法。
3. 燃料の噴射を遅くとも対応するピストン（２）の上死点（ＯＴ）後、例えば約２９０°で終了する、請求項２記載の方法。
4. 燃料の噴射を所定の時間間隔または角度間隔で燃料の点火前に終了する、請求項１記載の方法。
5. 燃料の噴射を所定の角度で終了する、請求項１記載の方法。
6. 燃料の噴射を対応するピストン（２）のほぼ下死点（ＵＴ）で終了する、請求項５記載の方法。
7. 車両の内燃機関の制御装置（１６）の計算機例えばマイクロプロセッサに、
   噴射すべき燃料に対して加えられる圧力（ｐｒａｉｌ）を測定するステップ、燃焼室（４）内に存在する圧力（ｐｂｒ＿ｔｒ）を求めるステップ、および、該燃焼室内に存在する圧力（ｐｂｒ＿ｔｒ）が前記燃料に対して加えられる圧力（ｐｒａｉｌ）に達するまでに噴射を終了するか、または、遅くとも該燃焼室内に存在する圧力（ｐｂｒ＿ｔｒ）が前記燃料に対して加えられる圧力（ｐｒａｉｌ）よりも大きくなる前に噴射を終了するステップ
   を実行させるためのプログラムを記憶した読み出し専用メモリである
   ことを特徴とする電気的記憶媒体。
8. 噴射弁（８）を有し、
   該噴射弁により燃料が第１の動作モードで圧縮フェーズ中に噴射可能であるか、または第２の動作モードで吸気フェーズ中にピストン（２）によって直接に規定される燃焼室（４）内へ噴射可能であり、
   スパークプラグ（９）を有し、
   該スパークプラグにより燃焼室（４）へ噴射された燃料が点火可能であり、
   制御装置（１６）を有し、
   該制御装置により噴射弁（８）およびスパークプラグ（９）が制御可能であり、燃料の噴射は燃料の点火前に終了される、
   車両の内燃機関（１）において、
   噴射すべき燃料に対して加えられる圧力（ｐｒａｉｌ）を測定する圧力センサを有し、制御装置（１６）により燃焼室（４）内に存在する圧力（ｐｂｒ＿ｔｒ）が求められ、制御装置（１６）により該燃焼室（４）内に存在する圧力（ｐｂｒ＿ｔｒ）が前記燃料に対して加えられる圧力（ｐｒａｉｌ）に達するまでに燃料の噴射が終了されるか、または、遅くとも該燃焼室内に存在する圧力（ｐｂｒ＿ｔｒ）が前記燃料に対して加えられる圧力（ｐｒａｉｌ）よりも大きくなる前に燃料の噴射が終了される
   ことを特徴とする内燃機関。

Images