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