JP4221087B2 - 内燃機関のスタート方法及び内燃機関 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関が、シリンダの中で可動なピストンを有し、ピストンは吸気行程、圧縮行程、作業行程及び排気行程をとることができ、燃料を層モードで圧縮行程の間に又は均一モードで吸気行程の間に直接に、シリンダ及びピストンにより制限されている燃焼室の中に噴射できる例えば自動車等の内燃機関のスタート方法に関し、さらに本発明は、シリンダの中で可動なピストンを具備し、ピストンは吸気行程、圧縮行程、作業行程及び排気行程を通過でき、更に制御器を具備し、制御器により燃料を層モードで圧縮行程の間にか又は均一モードで吸気行程の間に直接に、シリンダ及びピストンにより制限されている燃焼室の中に噴射できる例えば自動車等に搭載の内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料を燃焼室に直接に噴射するこのような内燃機関は公知である。この場合、第１の動作モードとしてのいわゆる層負荷モードすなわち層モードと、第２の動作モードとしてのいわゆる均一モードとが区別される。層モードは特に、内燃機関に印加される負荷が比較的小さい場合に使用され、これに対して均一モードは、内燃機関に印加する負荷がより大きい場合に使用される。層モードでは燃料は内燃機関の圧縮行程の間に燃焼室の中に噴射され、その際に点火プラグの直接周囲に噴射される。これにより燃焼室の中の燃料はもはや均一には拡散できない。層モードの利点は非常に小さい燃料量で、比較的小さい負荷の場合内燃機関を駆動できることにある。しかし比較的大きい負荷が層モードにより満足されることは不可能である。このような比較的大きい負荷のために設けられている均一モードでは燃料は内燃機関の吸気行程の間に噴射され、従って燃焼室の中での燃料の渦形成すなわちスワール及びタンブルとひいては拡散とが支障なく行われることが可能である。この点では均一モードは例えば、従来のように燃料が吸気管の中に噴射される内燃機関の動作モードに相応する。
【０００３】
双方の動作モードすなわち層モード及び均一モードで、噴射する燃料量は制御器により多数のパラメータにおいて、燃料節約、排気ガス低減等の面で最適な値に開ループ制御及び／又は閉ループ制御される。
【０００４】
直接噴射のこのような内燃機関をスタートさせるために電動機式スタータにより内燃機関を動かし、次いで内燃機関が１又は２回転した後に燃料を第２の動作モードすなわち均一モードに相応して燃焼室の中に噴射して点火することが公知である。特に、内燃機関が例えば赤信号でスイッチオフされ次いで再び更に走行するためにスタートされる内燃機関のいわゆるスタート／ストップ作動の面で前述のスタート動作は、電気エネルギー及び燃料の消費量が過度に大きい。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、できるだけ小さい電気エネルギー及び／又はできるだけ小さい燃料しか必要としない内燃機関スタート方法及び内燃機関を提示することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題は本発明により、
第１の噴射では、層モードに相応して調量された燃料が、所属のピストンが作業行程をとっている燃焼室の中に直接に噴射され点火され、
第１の噴射と同時に、所属のピストンが吸気行程をとっている燃焼室の中に、均一モード に相応して調量された燃料が直接に噴射されることにより解決され、さらに本発明では、
制御器が、内燃機関をスタートさせるために層モードに相応して調量された燃料が第１の噴射で、所属のピストンが作業行程をとっている燃焼室の中に直接に噴射され点火されるように制御し、
且つ第１の噴射と同時に、所属のピストンが吸気行程をとっている燃焼室の中に、均一モードに相応して調量された燃料が直接噴射されるように制御することにより解決される。
【０００７】
【発明の実施の形態】
これにより、内燃機関の第１の回転で既に燃焼室の中の燃料の点火が行われることが可能となることが達成される。この場合に重要な点は、第１の噴射では、層モードに相応して調量された燃料が、所属のピストンが作業行程をとっている燃焼室の中に直接に噴射され点火され、且つ第１の噴射と同時に、所属のピストンが吸気行程をとっている燃焼室の中に、均一モードに相応して調量された燃料が直接に噴射されることにある。これにより内燃機関が直ちに正しい動作モードでスタートされることが達成される。これにより内燃機関は既に第１の回転で自らの力で駆動されることが可能となる。これによりスタータが完全に不要となる。第１の噴射で燃焼室の中に噴射される燃料は、内燃機関を動かし、次いで無負荷回転数に加速するのに充分である。これによりに得られる重要な利点はスタータ自体も、スタータが消費する電気エネルギーも節約できることにある。
【０００８】
スタータを設けることも可能である。しかしこのようなスタータは従来のものに比して低性能であり、従ってこのスタータも電気消費量が小さい。更にスタータは第１の噴射の後比較的早期に再びスイッチオフされることが可能である、何故ならば、発生する燃焼に起因して内燃機関は従来の無負荷回転数におけるより大幅に迅速に加速されることが可能である。これによっても電気エネルギーが節約される。
【０００９】
本発明の１つの有利な実施の形態では燃料が第１の噴射で内燃機関の静止状態で、所属のピストンが作業行程をとっている燃焼室の中に直接に噴射される。これが必要な場合は、スタータを設けない場合である。この場合には第１の噴射は内燃機関の静止状態で行われる。発生する燃焼により内燃機関が動かされ、これにより更なる噴射及び更なる燃焼により内燃機関が無負荷回転数に加速されることが可能である。前述のようにこの場合にはスタータは不要である。
【００１０】
本発明の別の１つの有利な実施の形態では、燃料はピストンが例えば１〜３つの行程を通過した後有利には例えば２つの行程を通過した後に第１の噴射で、所属のピストンが作業行程をとっている燃焼室の中に直接に噴射される。この場合、内燃機関は前述の第１の行程でスタータにより動かされる。次いで燃焼は第１の噴射と共に行われ、内燃機関は自身の力で加速される。この燃焼に起因してスタータは前述のように従来に比してより低性能に形成されることが可能である。
【００１１】
本発明では、燃料は第１の噴射で層モードに相応して調量される。これにより第１の動作モードに起因してすなわち層モードに起因して均一モードでの従来のスタートに比して燃料を節約できる。
【００１２】
本発明の更に別の１つの有利な実施の形態では第１の噴射で、燃焼室の中に噴射された燃料は作業行程で点火される。従って総じて第１の噴射及び所属の点火は作業行程で行われる。これにより内燃機関は、発生する燃焼により動かされて加速される。
【００１３】
本発明の更に別の１つの有利な実施の形態では第１の噴射の後に燃料が第２の噴射で再び、所属のピストンが作業行程をとっている燃焼室の中に直接に噴射され、この場合に燃料は層モードに相応して調量され、第２の噴射で燃焼室の中に噴射された燃料は作業行程で点火される。これにより第１の噴射が繰返される。このようにして前述の利点が達成され、特に電気エネルギー及び燃料の節約が達成され、究極的にはスタータ自身の節約も達成できる。
【００１４】
本発明の更に別の１つの有利な実施の形態では第１の噴射又は第２の噴射の後に内燃機関が均一モードに相応して作動される。このようにして均一モードでより大きい量の燃料の噴射が達成され、内燃機関は更により迅速に無負荷回転数に加速される。
【００１５】
本発明の更に別の１つの有利な実施の形態ではピストンが更なる行程を通過した後に内燃機関が均一モードから層モードに切換えられる。これにより、均一モードでのより大きい燃料消費量は最小に低減され、この低減はできるかぎり早期に省燃料の層モードに切換えられることにより達成される。
【００１６】
特に好適には切換えは内燃機関の回転数及び／又はレール圧力に依存して行われる。これにより内燃機関が一方では充分に加速され、他方ではしかし過度に長く均一モードで作動されることが不要であることが保証される。
【００１７】
本発明の１つの特に有利な実施の形態では第１の噴射又は第２の噴射後に内燃機関が層モードに相応して更に作動される。すなわちこの場合に内燃機関は一時的に均一モードすなわち第２の動作モードで作動されず、噴射は持続的に第１の動作モードすなわち層モードに相応して行われる。このようにして燃料の更なる噴射が達成される。
【００１８】
【実施例】
図１に示されている内燃機関１ではピストン２がシリンダ３の中で往復運動可能である。シリンダ３は燃焼室４を設けられ、燃焼室４に弁５を介して吸気管６と排気管７とが接続されている。更に燃焼室４には、信号ＴＩにより制御可能な噴射弁８と、信号ＺＷにより制御可能な点火プラグ９が配置されている。排気管７は排気ガス戻し管１０と、信号ＡＧＲにより制御可能な排気ガス戻し弁１１とを介して吸気管６に接続されている。
【００１９】
吸気管６には空気量センサ１２が設けられ、排気管７にはλセンサ１３が設けられている。空気量センサ１２は、吸気管６に供給される酸素量を測定し、この酸素量に依存して信号ＬＭを発生する。λセンサ１３は排気管７の中の排気ガスの酸素含有量を測定し、この酸素含有量に依存して信号λを発生する。
【００２０】
第１の動作モードすなわち内燃機関１の層モードでは燃料が噴射弁８から、ピストン２により惹起される圧縮行程の間に燃焼室４の中に噴射され、この噴射は局所的に点火プラグ９の直接的周囲の中に向かって行われ、時間的にはピストン２の上死点すなわち点火時点の直接前に行われる。次いで点火プラグ９を用いて燃料が点火され、これによりピストン２は、この時点では既に入っている後続の作業行程で点火された燃料の膨張により駆動される。
【００２１】
第２の動作モードすなわち内燃機関１の均一モードでは燃料は噴射弁８から、ピストン２により惹起される吸気行程の間に燃焼室４の中に噴射される。これと同時に吸気された空気により、噴射された燃料は渦形成され、ひいては燃焼室４の中でほぼ均一に拡散される。これに次いで燃料・空気混合気は圧縮行程の間に圧縮され、これにより次いで点火プラグ９により点火されることが可能となる。点火された燃料の膨張によりピストン２が駆動される。
【００２２】
層モードでも均一モードでも被駆動ピストンによりクランクシャフト１４が回転運動され、この回転運動を介して最終的に自動車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が配置され、回転数センサ１５はクランクシャフト１４の回転運動に依存して信号Ｎを発生する。
【００２３】
燃料は層モード及び均一モードで高圧下で噴射弁８を介して燃焼室４の中に噴射される。この目的のために電気式の燃料ポンプ及び高圧ポンプが設けられ、高圧ポンプは内燃機関１又は電動機により駆動できる。電気式の燃料ポンプはいわゆる少なくとも３バールのレール圧力ＥＫＰを発生し、高圧ポンプは約１００バールまでのレール圧力ＨＤを発生する。
【００２４】
層モード及び均一モードで噴射弁８により燃焼室４の中に噴射された燃料は制御器１６により特に小さい燃料消費量及び／又は小さい発生有害物質量の面で開ループ制御及び／又は閉ループ制御される。この目的のために制御器１６はマイクロプロセッサを設けられ、このマイクロプロセッサはメモリ媒体例えばＲＯＭの中に、前述の開ループ制御及び／又は閉ループ制御を実行するのに適したプログラムを格納している。
【００２５】
制御器１６は、センサにより測定され内燃機関の動作を表す動作量を表す入力信号を入力される。例えば制御器１６は空気量センサ１２、λセンサ１３及び回転数センサ１５に接続されている。更に制御器１６はアクセルペダルセンサ１７に接続され、アクセルペダルセンサ１７は、運転者により作動可能なアクセルペダルの位置を表す信号ＦＰを発生する。制御器１６が出力する出力信号によりアクチュエータを介して内燃機関の挙動を所望の開ループ制御及び／又は閉ループ制御に相応して制御できる。例えば制御器１６は噴射弁８、点火プラグ９及び排気ガス戻し弁１１に接続され、これらの装置の制御に必要な信号ＴＩ，ＺＷ及びＡＧＲを発生する。
【００２６】
図２〜３には図１の内燃機関１をスタートするための２つの異なる方法が表の形で示されている。表の個々の行は、それぞれ記載されているシリンダ３を示す。異なるシリンダ３は番号により示されている。表の個々の列は、所属のシリンダ３のピストン２がその都度にとる行程すなわちサイクルを示す。それぞれのピストン２は吸気行程、圧縮行程、作業行程又は排気行程をとる。個々の行程の間の移行はピストン２の上死点ＯＴに示されている。この場合にピストン２の行程に沿った軸線はクランクシャフト１４の回転角ＫＷを表す。破線によりスタートの前の内燃機関１の位置、すなわち内燃機関１の静止状態での位置が示されている。
【００２７】
図２の方法では回転数センサ１５は絶対角発生器として形成されている。これは回転数センサ１５がいつでも、例えば内燃機関の静止状態の後でも回転角ＫＷを発生し、制御器１６に供給することを意味する。
【００２８】
更に図２の方法では、高圧ポンプが内燃機関１により駆動され、内燃機関１の絞り弁がスタートの間に開放されていることを基礎にしている。図２の方法ではスタータは不要である。
【００２９】
図２では、内燃機関１の破線により示されている位置すなわち内燃機関１の静止状態では作業行程をとる第２のシリンダの中に燃料が噴射される。その際に燃料は層モードに相応して調量供給される。内燃機関１の静止状態に起因して高圧ポンプは圧力を発生せず、従って電気式燃料ポンプのレール圧力ＥＫＰのみが存在する。この圧力により燃料が作業行程において第２のシリンダの中に噴射される。これは第１の噴射を形成する。次いで、噴射された燃料も第２のシリンダの作業行程で点火される。これにより第１の燃焼が発生し、この燃焼に起因してクランクシャフト１４が回転運動される。
【００３０】
後続の第２の噴射で燃料は第１のシリンダの中に噴射される。燃料は、高圧ポンプの圧力が存在しないか又は僅かであることに起因して電気式燃料ポンプのレール圧力ＥＫＰで噴射される。燃料の調量は層モードに相応して行われる。この場合、シリンダの圧縮圧力は層モードでレール圧力ＥＫＰでの噴射が可能である程度に低いと仮定している。次いで燃料が点火されて第２の燃焼が発生し、この第２の燃焼により内燃機関１のクランクシャフト１４が更に回転される。
【００３１】
第３のシリンダの中への後続の第３の噴射は均一モードに相応して行われる。この場合、圧縮圧力はこの時点でレール圧力ＥＫＰがもはや充分でない程度に大きいと仮定している。この理由から第１の噴射と同時にすなわち内燃機関１の静止状態において燃料が第３のシリンダの中に噴射された。これは第３のシリンダの吸気行程であった。燃料は均一モードの全負荷ＶＬに相応して調量され、電気式燃料ポンプのレール圧力ＥＫＰで噴射された。次いで、噴射された燃料は、第２の噴射と同時の第３のシリンダの圧縮行程の間に所属の燃焼室４の中に分散できた。次いで第３のシリンダの作業行程で、この時点で既に存在する燃料・空気混合気は内燃機関１の回転数Ｎに依存して所属のピストン２の上死点の直前か又は直後に点火される。
【００３２】
後続の第４及び場合に応じて第５の噴射では前述の方法が第４のシリンダ及び第２のシリンダにおいて行われる。
【００３３】
この場合にそれぞれの噴射の前に、高圧ポンプにより発生されたレール圧力ＨＤと内燃機関１の回転数Ｎとが検査される。レール圧力ＨＤ及び／又は回転数Ｎが層モードへの移行のために充分である場合には後続の噴射が層モードに相応して実行される。
【００３４】
これは例として第１のシリンダにおいて示されているように第１のシリンダの圧縮行程で燃料が層モードに相応してレール圧力ＨＤで所属の燃焼室４の中に噴射され、所属のピストン２の上死点の直前で点火されることを意味する。次いでこの層モードは図２において第３のシリンダにより継続される。これにより例えば第４又は第５の噴射の後に均一モードから層モードへ切換えられた。
【００３５】
図３の方法では回転数センサ１５が絶対角発生器としては形成されていない。これは回転数センサ１５は内燃機関１が静止状態からある程度回転した後に回転角ＫＷを発生して、制御器１６に供給することを意味する。
【００３６】
更に図３の方法では高圧ポンプが内燃機関１により駆動され、内燃機関１の絞り弁がスタートの間に開放されていると仮定される。
【００３７】
スタータにより内燃機関１は静止状態から例えば１回転だけ順方向に回転される。これは図３の双方の第１の行程に相応する。これにより回転数センサ１５はクランクシャフト１４の回転角ＫＷを検出できる。
【００３８】
次いで、この時点で既に作業行程をとる第３のシリンダの中に燃料が噴射される。この場合に調量は層モードに相応して電気式燃料ポンプのレール圧力ＥＫＰで行われる。これは図３の方法において第１の噴射を実現する。次いで第３のシリンダの作業行程で点火され、内燃機関１は、この時点で既に行われている第１の燃焼に起因して更に順方向に動く。
【００３９】
第１の噴射の間に第４のシリンダは圧縮行程をとる。高圧ポンプはまだ充分な圧力を発生しないので、第４のシリンダの中の圧縮により発生される圧力は、電気式燃料ポンプにより発生されるレール圧力ＥＰに比して高い。この理由から第４のシリンダの中で噴射は行われない。
【００４０】
第１の燃焼と同時に第２のシリンダの中にも燃料が噴射される。これは第２のシリンダの吸気行程である。この場合、燃料の調量は全負荷ＶＬに相応して均一モードで電気式燃料ポンプのレール圧力ＥＫＰの下で行われる。次いで燃料は第２のシリンダの後続の圧縮行程で内燃機関１の回転数Ｎに依存して所属のピストン２の上死点の直前又は直後に点火される。これは本方法における第２の燃焼である。
【００４１】
第２の燃焼と同時に前述の方法が第１のシリンダにおいて繰返される。次いで繰返しが第３のシリンダにおいて行われ、以下同様。均一モードでの噴射のこれらの繰返しは、高圧ポンプの充分なレール圧力ＨＤ及び／又は内燃機関１の充分な回転数Ｎが発生するまで維持される。次いで均一モードから層モードへ切換えられる。この切換えは、図２に関連して前述した切換えに相応する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 自動車の本発明の内燃機関の１つの実施の形態を概略的に示すブロック回路図である。
【図２】 図１の内燃機関をスタートさせる方法の第１の実施の形態を概略的に示す線図である。
【図３】 図１の内燃機関をスタートさせるための本発明の方法の第２の実施の形態を概略的に示す線図である。
【符号の説明】
１ 内燃機関
２ ピストン
３ シリンダ
４ 燃焼室
５ 弁
６ 吸気管
７ 排気管
８ 噴射弁
９ 点火プラグ
１０ 排気ガス戻し管
１１ 排気ガス戻し弁
１２ 空気量センサ
１３ λセンサ
１４ クランクシャフト
１５ 回転数センサ
１６ 制御器
１７ アクセルペダル
ＥＰＫ レール圧力
ＨＤ レール圧力
ＬＭ 信号
Ｎ 信号
ＯＴ 上死点
ＴＩ 信号
ＶＬ 全負荷
λ 信号

Claims (11)

1. 内燃機関（１）が、シリンダ（３）の中で可動なピストン（２）を有し、前記ピストン（２）は吸気行程、圧縮行程、作業行程及び排気行程をとることができ、燃料を層モードで圧縮行程の間に又は均一モードで吸気行程の間に直接に、前記シリンダ（３）及び前記ピストン（２）により制限されている燃焼室（４）の中に噴射できる内燃機関（１）のスタート方法において、
   第１の噴射では、層モードに相応して調量された燃料が、所属の前記ピストン（２）が作業行程をとっている燃焼室（４）の中に直接に噴射され点火され、
   第１の噴射と同時に、所属のピストン（２）が吸気行程をとっている燃焼室（４）の中に、均一モードに相応して調量された燃料が直接に噴射されることを特徴とする内燃機関のスタート方法。
2. 燃料を第１の噴射では内燃機関（１）の静止状態で、所属のピストン（２）が作業行程をとっている燃焼室（４）の中に直接に噴射することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のスタート方法。
3. 燃料を、ピストンが１乃至３つの行程を通過した後での第１の噴射では、所属の前記ピストン（２）が作業行程をとっている燃焼室（４）の中に直接に噴射することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のスタート方法。
4. 第１の噴射の後に燃料を第２の噴射で再び、所属のピストン（２）が作業行程をとっている燃焼室（４）の中に直接噴射し、
   その際に燃料を層モードに相応して調量し、
   前記第２の噴射で前記燃焼室（４）の中に噴射された燃料を作業行程で点火することを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１つの請求項に記載の内燃機関のスタート方法。
5. 第１の噴射又は第２の噴射の後に内燃機関（１）を均一モードに相応して作動することを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１つの請求項に記載の内燃機関のスタート方法。
6. ピストン（２）が更なる行程を通過した後に内燃機関（１）を均一モードから層モードに切換えることを特徴とする請求項５に記載の内燃機関のスタート方法。
7. 切換えを内燃機関（１）の回転数（Ｎ）及び／又はレール圧力（ＥＫＰ又はＨＤ）に依存して行うことを特徴とする請求項６に記載の内燃機関のスタート方法。
8. シリンダ（３）の中で可動なピストン（２）を具備し、前記ピストン（２）は吸気行程、圧縮行程、作業行程及び排気行程を通過でき、更に制御器（１６）を具備し、前記制御器（１６）により燃料を層モードで圧縮行程の間にか又は均一モードで吸気行程の間に直接に、前記シリンダ（３）及び前記ピストン（２）により制限されている燃焼室（４）の中に噴射できる内燃機関において、
   前記制御器（１６）が、内燃機関をスタートさせるために前記層モードに相応して調量された燃料が第１の噴射で、所属のピストン（２）が作業行程をとっている燃焼室（４）の中に直接に噴射され点火されるように制御し、
   且つ前記第１の噴射と同時に、所属のピストン（２）が吸気行程をとっている燃焼室（４）の中に、均一モードに相応して調量された燃料が直接噴射されるように制御することを特徴とする内燃機関。
9. 燃料が第１の噴射では、内燃機関（１）の静止状態で、所属のピストン（２）が作業行程をとっている燃焼室（４）の中に直接に噴射するように、制御器（１６）により制御することを特徴とする請求項８に記載の内燃機関。
10. スタータを設けないことを特徴とする請求項９に記載の内燃機関。
11. 燃料が、ピストン（２）が１乃至３の行程を通過した後、第１の噴 射では所属の前記ピストン（２）が作業行程をとっている燃焼室（４）の中に直接に噴射されるように、制御器（１６）により制御することを特徴とする請求項８に記載の内燃機関。

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