JP4225917B2 - 内燃機関吸気弁の開放の制御方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃焼室の少なくとも１つの吸気弁が、燃焼室の充填のために往復動内燃機関の作業周期の第１の部分周期の間に開かれ、および燃焼室の少なくとも１つの吸気弁が、作業周期の第２の部分周期の間に開かれる、周期的に作業する往復動内燃機関の燃焼室の少なくとも１つの吸気弁の開放の制御方法および装置に関するものである。

このような方法およびこのような装置は欧州特許公開第４７３２５８号から既知である。この文献によれば、吸気弁は作業周期の間に２回開かれる。第１の開放はピストンの上死点範囲内において開始し、および吸気行程内のピストンの下方運動の間に終了する。

第２の開放はピストンの下死点内または下死点後の圧縮行程の開始時に開始し、および圧縮行程の終了前に終了する。この方法は、燃焼しやすい混合物を有する燃焼室の少ない充填量を表わす内燃機関の低負荷において使用される。この僅かな量は吸気弁の比較的短い第１の開放により予め吸い込まれる。したがって、吸気弁は吸気行程の終了前に閉じられる。

吸気弁が閉じられてさらに下死点の方向に移動するピストンにより燃焼室内に圧力低下が発生され、この圧力の絶対値は吸気管圧力の値を下回ることになる。この圧力落差により、下死点内または下死点後における吸気弁の第２の開放において他の空気または他の混合物が燃焼室内に流入する。圧力落差により形成された流動は燃焼室内に望ましい乱れを発生し、これが以下の燃焼に対する混合物形成を改善する。

内燃機関の排気内の触媒の加熱に関するかぎり、この文献は燃焼行程内の排気弁の早期開放を提案し、その理由は、このようにして少ないエネルギーが機械的作業に変換され、その結果として排気ガスがより高温になるからである。触媒を加熱し且つ内燃機関の低温始動後の炭化水素エミッションを低下させるために、内燃機関の排気弁の後方にいわゆる二次空気の吹込みがよく行われる。二次空気はフレッシュ・エアとして電動ポンプにより吹き込まれ且つなお高温の排気ガス内における未燃炭化水素の酸化を可能にする。この場合、吹込み二次空気に対する反応相手としての炭化水素を提供するために、内燃機関は燃料過剰で運転される。燃焼室内で燃焼されなかった炭化水素の、吹込み二次空気による後酸化は排気系内に発熱反応を発生させ、これにより触媒の急速加熱を可能にする。この場合、排気ベンド（例えば、排気マニホールド）内の反応と触媒内の反応とが区別される。ベンド内の反応が希望される場合、排気ガスは、燃焼室充填物の燃焼後できるだけ早く二次空気と合流しなければならない。したがって、二次空気の導入位置はしばしば内燃機関の排気弁のすぐ近くとなる。

電動ポンプによる典型的な二次空気吹込みのほかに、内燃機関の個々のシリンダを燃料過剰と酸素過剰とで交互に運転することが既知であり、これにより、燃料過剰による燃焼からの排気ガスが酸素過剰による燃焼からの排気ガスと合流したときに二次空気効果を達成させることができる。

全可変弁制御を有する内燃機関に対して、二次空気ポンプおよび二次空気弁を使用することなく、排気ガスへの二次空気の供給を可能にする方法および装置を提供することが本発明の課題である。この場合、二次空気量は可変であるべきである。

この課題は、冒頭記載のタイプの方法において、第２の部分周期が燃焼室充填物の燃焼後に開始し且つ第１の部分周期とは重なり合わないことにより達成される。
本発明の方法により、直接燃焼室内において未燃炭化水素の後酸化を達成させることが可能である。このために、膨張行程において、燃焼室内の圧力がほぼ吸気管圧力に到達したかまたはそれを下回った時点に吸気弁が開かれる。この場合にまだきわめて高温の排気ガス内に流入したフレッシュ・エアは未燃炭化水素の後酸化を行う。吸気弁の弁リフトおよび／または閉鎖時点を選択することにより、二次空気量を変化させることができる。これにより、二次空気ポンプおよび二次空気弁は使用する必要はない。全可変弁制御が作業周期ごとに吸気弁の２回の開放を可能にすることだけが前提条件である。この場合、第１の開放は要求トルクに必要な燃焼室充填量を形成するために燃焼室に空気を充填するように働き、第２の開放は二次空気を供給するように働く。

本方法の一形態は、第２の部分周期が、燃焼室に付属のピストンの下死点の手前において開始するように設計されている。燃焼室内の圧力はピストンが下死点に接近するに従って低下する。したがって、ピストンの位置からシリンダ内の圧力を推測することができる。

したがって、ピストン位置の関数として第２の部分周期を開始させることは、シリンダ内圧または燃焼室内圧が吸気管圧力を下回る時点を、特定の燃焼室圧力センサなしに与えることができるという利点を有している。

きわめて一般的に、他の形態は、吸気弁の燃焼室に向く側に作用する圧力が、吸気弁の燃焼室とは反対側の値まで低下するかまたはむしろこれを下回ったときに第２の部分周期が開始するように設計されている。

他の形態は、第２の部分周期の長さおよび／または吸気弁の開放の大きさが往復動内燃機関の運転パラメータの関数であるように設計されている。
他の形態は、燃焼室の充填量が吸気弁の早期閉鎖により制限され、およびこの方法ができるだけ高い吸気管圧力において実行されるように設計されている。

他の形態は、この方法が燃焼室充填量に対するしきい値以下で実行されるように設計されている。この理由は、燃焼室充填量が高い場合、膨張行程の終了時に、吸気管からの二次空気の吸込みのために必要な燃焼室／シリンダ内の低い絶対圧力が達成されないことにある。

他の手段は、複数の吸気弁を有する燃焼室において、少なくとも１つの第１の吸気弁が第１の部分周期の間に開かれ、および少なくとも１つの第２の吸気弁が第２の部分周期の間に開かれるように設計されている。

本発明は、上記の方法、形態および手段の少なくとも１つを実行するための制御装置もまた目的としている。この制御装置の一形態は、上記の方法、形態または手段の１つが実行されるとき、制御装置が往復動内燃機関のアイドル回転速度を上昇させるように設計されている。上昇されたアイドル回転速度は、アイドリングに必要なフレッシュ・エア充填量を低下させる。したがって、上昇されたアイドル回転速度により、燃焼室充填量に対する上記のしきい値を下回らせることができる。即ち、この方法は、最大燃焼室充填量の約３５％以下の燃焼室のフレッシュ・エア充填量に対してのみ十分に行われることがわかった。充填量がそれより高い場合、膨張終端圧力は吸気管圧力以下にはならない。このとき、炭化水素エミッションは他の方法で低減されなければならない。フレッシュ・エア充填量が高い場合、往復動内燃機関のリーン運転可能性が改善される。したがって、最大充填量の３５％を超える燃焼室充填量においては、内燃機関はさらにリーンで運転可能である。

同様に、充填量を低下させるために、他の形態は、膨張行程の終了時に吸気弁を開放することによる二次空気吹込み方法が実行されるべきとき、制御装置が自動変速機の切換点をより高い回転速度にシフトさせるように設計されている。したがって、本発明は、膨張行程の終了時に吸気弁を開放することによる二次空気吹込みを実行するとき、燃焼室充填量の増大と共にさらによりリーンで即ち燃料がリーンな燃料／空気混合物で往復動内燃機関を運転する制御装置もまた目的としている。

以下に本発明の実施例を図により説明する。

図１において、符号１０は、ピストン１４により可動シールされる燃焼室１２を有する往復動内燃機関を示す。ピストン１４が下方に移動するとき、燃焼室１２に吸気管１６から吸気弁１８を介して空気が充填される。空気による燃焼室充填物に噴射弁２０を介して燃料が供給され、および発生した燃料／空気混合物は点火プラグ２２により点火される。燃焼において発生したピストン１４にかかる力は連接棒組立体２４を介してクランク軸の回転運動に変換される。クランク軸に伝送車２６が固定結合され、伝送車２６は強磁性マーキング２８を有している。伝送車２６の回転運動において、強磁性マーキング２８は誘導センサ３０の前を通過し、誘導センサ３０はこれから周期的に電気信号を形成し且つこの電気信号をエンジン制御装置３２および弁制御装置３４に提供する。エンジン制御装置３２のみならず弁制御装置３４もまたこの電気信号からピストン位置を導き且つ燃料の噴射、点火の開始並びに吸気弁１８および排気弁３６の操作をピストン１４の運動と位相同期させて制御する。即ち、例えば排気弁３６は、ピストン１４が再び上方に移動するときに燃焼室１２から燃焼ガスを排出するために開かれる。

排気ガス・センサ３８、例えば酸素を感知するλセンサまたはＮＯｘセンサまたはＨＣセンサは、例えば本発明の一実施例において希望されるリーン運転を制御するために、エンジン制御装置３２に信号を提供する。燃焼ガスは触媒４０内を通過し、触媒４０は、作動高温状態において、ＮＯｘ、ＣＯおよびＨＣを窒素、二酸化炭素および水に転化する。

図１はさらに変速機制御装置４２および自動変速機４４を示す。３つの制御装置３２、３４および４２はバス系統４６例えばＣＡＮバスを介して結合されている。１つのバスを介して相互に通信する３つの制御装置に機能を分割することは必ずしも必要ではなく、対応性能を有する単一制御装置により必要な機能範囲が包括されてもよいことがわかる。変速機制御装置の機能は本発明の一変更態様である。したがって、エンジン制御装置および弁制御装置からなる図示の制御装置結合は、本発明による装置の一実施例を表わす。

エンジン制御装置３２には、誘導センサ３０および排気ガス・センサ３８の信号のほかに、他の変数、特に往復動内燃機関１０により吸い込まれた空気量を測定する空気質量流量計の信号、およびいわゆるドライバによるトルク要求に関する情報を提供する加速度センサ５０の信号が供給される。弁制御装置３４は吸気弁調節装置５２および排気弁調節装置５４を操作する。吸気弁調節装置５２および排気弁調節装置５４は、油圧液を含む高圧貯蔵器５６と結合されている電気油圧調節要素として形成されてもよい。

図２は吸気弁調節装置５２または排気弁調節装置５４の一実施例を示す。第１の電磁弁５８を介して油圧液が高圧貯蔵器５６から室６０内に流入し、吸気弁１８または排気弁３６を開き、および室６２内の油圧液を排除する。希望の弁リフトが達成された場合、第１の電磁弁５８は弁制御装置３４により閉じられる。吸気弁１８ないし排気弁３６が閉じたとき、第２の電磁弁６４が開かれる。この場合、第１の電磁弁５８は閉じられたままである。常に室６２に作用している油圧液の圧力は吸気弁１８ないし排気弁３６を閉じる。室６０から流出する油圧液は容器６６内に集められる。図示の弁調節装置により、各弁に対して個別の弁操作が可能である。この場合、燃焼室のフレッシュ・エア充填量は吸気弁１８の開放時間および／またはリフトにより調節可能である。少なくとも低い回転速度においては、吸気弁は作業周期ごとに複数回開くことが可能である。

図３は、バス系統４６を介して通信する制御装置３２、３４および４２に関して実行可能なような、本発明による方法の実施例としての流れ図を示す。この場合、ブロック３．１は、制御、噴射および点火に関してエンジン制御装置３２内で実行されるような、および吸気弁１８および排気弁３６の制御に関して弁制御装置３４内で実行されるような、往復動内燃機関の制御のためのメイン・プログラムを表わす。

ステップ３．２において、二次空気吹込みのための開始条件が満たされているかどうかが検査される。開始条件は、典型的には、往復動内燃機関１０が低温状態で始動されたときに満たされている。この条件が満たされていない場合、プログラムはメイン・プログラム３．１に戻される。これに対して、二次空気吹込みが行われるべき場合、プログラムはマークＡおよびＢを通過してステップ３．５に到達し、ステップ３．５において１つまたは複数の燃焼室の相対充填量がしきい値と比較される。しきい値は、しきい値を下回った相対燃焼室充填量が燃焼室１２内に比較的低い燃焼圧力を形成するように提供されていなければならない。

正常条件下で最大に達成される燃焼室充填量の約３５％のしきい値がこの特性を提供することがわかった。ステップ３．５においてこのしきい値が超えられた場合、燃焼後のピストンの下死点範囲内の吸気弁の開放を介しての本発明による二次空気吹込みは実行されない。この場合、代替態様として、ステップ３．６において、プログラムは、炭化水素エミッションを低下させるためにリーン混合物で往復動内燃機関を運転するエンジン制御プログラム・モジュールに分岐されてもよい。

本発明による方法で二次空気吹込みを実行可能にするために、往復動内燃機関１０は少ない燃焼室充填量で運転されるべきである。これは、図４内のステップ３．３および３．４の組み合わせにより要求することができる。したがって、これらのステップは図３において上記マークＡおよびＢの間で実行可能である。

ステップ３．３において、例えばアイドル回転速度が上昇されてもよい。上昇されたアイドル回転速度はアイドリングのために必要なフレッシュ・エア充填量を低下させる。自動変速機４４を有する車両においては、追加として、ステップ３．４において、変速機切換プログラムが、制御装置４２内において、往復動内燃機関１０が平均してより高い回転速度で運転されるように変化されてもよい。ここでは、アイドリングにおけるように、低減された充填量を有する増大された回転速度の使用が適用され、これは本発明による二次空気吹込みの開始を容易にしまたは可能にする。燃焼室充填量が十分に小さい場合、ステップ３．７において、誘導センサ３０の信号の評価によりピストン位置の測定が行われる。燃焼室の充填量がわかっている場合、ピストンの位置から燃焼室圧力を推測することができる。燃焼行程においてピストンが下死点に近づけば近づくほど、ピストンの上方の燃焼室容積はそれだけ増大し、および燃焼室内の圧力はそれだけ小さくなる。残りのステップ３．８−３．１２を説明する前に、以下において、最初に種々の信号線図を説明しておく。

図５は種々のクランク軸角度に対する燃焼室圧力の線図を示し、クランク軸角度はピストン１４の種々の位置に対応する。符号５．１で表わされているセクションは燃焼中および燃焼後の燃焼室圧力の低下に対応する。燃焼圧力が吸気管圧力ＰＳを下回った瞬間に吸気弁１８において圧力落差が発生し、圧力落差は二次空気の流入に利用することができる。

図６は吸気弁１８の弁リフトを示す。この場合、ピークは全開された弁に対応する。この場合、図６の左側の弁開放は第２の部分周期に対応する。吸気弁１８が開いたときに空気が吸気管から燃焼室１２内に流入し、このことは燃焼室１２内の圧力を吸気管圧力の値まで上昇させる。これが図５のセクション５．２の線図に示されている。第２の部分周期に付属する吸気弁１８の開放が図６において符号６．１で表わされている。燃焼室充填物の先行燃焼から発生する残留ガスの酸化のために燃焼室の新たな充填は必要ではないので、この開放は比較的短い時間の間継続するにすぎない。フレッシュ・ガスによる燃焼室の新たな充填は図６の比較的広い弁開放パルス６．２により行われる。この場合、この開放パルス６．２は上記の第１の部分周期に対応する。吸気弁１８の２つの開放のほぼ中間において、燃焼され且つ二次空気により後酸化された残留ガスを排出するために排気弁３６が開かれる。排気弁３６に対する開放パルスが図７の曲線７．１により示される。この理由から、シリンダ内圧は吸気弁の閉鎖後においても排気ガス背圧の範囲内に存在する。この場合、排気ガス背圧は、吸気管内にも作用しているほぼ周囲圧力に対応するものと仮定する。時点ｔ３において排気弁３６は閉じられ、時点ｔ２において吸気弁１８が閉じることにより吸気行程もまた終了される。燃焼室充填量は吸気弁を介して調節され且つ希望の充填量は比較的小さいという前提のもとで、希望の充填量を吸い込むためにはピストン１４の下方運動の一部だけで既に十分である。この場合、吸気管内の圧力はできるだけ高いことが有利であり、吸気エンジンにおいては吸気圧力はほぼ周囲圧力である。したがって、時点ｔ２においてはピストン１４はまだその下死点に到達していない。

弁１８、３６が閉じられているときにピストン１４がさらに下死点の方向にさらに運動することは燃焼室１２を拡大させ、したがってこれは燃焼室内にさらに圧力低下を形成させる。それに続いてピストンが再びその上死点方向に移動し、このことはそれに対応して燃焼室内の圧力を上昇させる。燃焼室内圧力が一時的にさらに低下したのちにこのように上昇することが図５の曲線セクション５．３に示されている。

図８は燃焼室１２内の対応残留ガス含有量を実線で示し、および図８の破線は対応フレッシュ・エア成分を示す。最初に、ｔ１の左側には燃焼室内の燃焼からの残留ガスのみが存在する。時点ｔ１の低い燃焼終端圧力において吸気弁１８は開かれる。この結果、残留ガスは燃焼室から流出せず、燃焼室内にフレッシュ・ガスが流入する。２つのガス成分は相互に反応し、このことは残留ガス成分を僅かに上昇させ、一方フレッシュ・ガス成分は低下する。さらに時間が経過して排気弁３６が開かれたとき、２つの成分は小さい値に低下し、その後に吸気弁１８が開放したことによりフレッシュ・ガス成分はその終端値に上昇する。この上昇は時点ｔ２において吸気弁１８が閉鎖したときに終了される。

図３のステップ３．８−３．１２は上記の信号線図に対応する。ステップ３．８の問い合わが肯定のとき、即ち燃焼行程の終端においてシリンダ内圧が吸気管圧力を下回ったとき、ステップ３．９において、第２の部分周期において吸気弁が開放操作される。ステップ３．１０は図７の曲線７．１に対応する排気弁の開放を表わし、およびステップ３．１１は図６の曲線６．２に対応する第１の部分周期における吸気弁の開放を表わす。ステップ３．１２はメイン・プログラムへの戻りを表わす。

本発明による方法は吸気エンジンに対してのみならず過給エンジンに対しても使用可能である。ターボ過給エンジンの場合、ターボ過給エンジンにおける吸気管内の圧力は比較的高く且つ本発明による二次空気供給は燃焼行程の終了時において吸気弁が開くことによる吸気弁におけるある程度の圧力落差を前提とするので、開示された本発明の方法による二次空気供給は比較的大きなシリンダ充填量においても可能である。本発明による方法は、特に、図１に示されているようなガソリン直接噴射式エンジン／往復動内燃機関に対して適している。吸気管噴射においては、吸気管内壁の燃料壁膜が外乱として現われることがある。

図１は本発明がその効果を表わす技術的周辺図を示す。 図２は全可変弁装置の一実施例を略図で示す。 図３は本発明による方法の一実施例を流れ図の形で示す。 図４は図３の流れ図の一変更態様を示す。 図５は本発明を実行するときに現われる変数（燃焼室圧力）の時間またはクランク軸角度に対する線図を示す。 図６は本発明を実行するときに現われる変数（吸気弁の弁リフト）の時間またはクランク軸角度に対する線図を示す。 図７は本発明を実行するときに現われる変数（排気弁の弁リフト）の時間またはクランク軸角度に対する線図を示す。 図８は本発明を実行するときに現われる変数（残留ガスおよびフレッシュ・ガス成分）の時間またはクランク軸角度に対する線図を示す。

符号の説明

１０ 往復動内燃機関
１２ 燃焼室
１４ ピストン
１６ 吸気管
１８ 吸気弁
２０ 噴射弁
２２ 点火プラグ
２４ 連接棒組立体
２６ 伝送車
２８ 強磁性マーキング
３０ 誘導センサ
３２ エンジン制御装置
３４ 弁制御装置
３６ 排気弁
３８ 排気ガス・センサ
４０ 触媒
４２ 変速機制御装置
４４ 自動変速機
４６ バス系統
４８ 空気質量流量計
５０ 加速ペダル・センサ
５２ 吸気弁調節装置
５４ 排気弁調節装置
５６ 高圧貯蔵器
５８、６４ 電磁弁
６０、６２ 室
６６ 容器
ＰＳ 吸気管圧力

Claims (11)

1. 少なくとも１つの吸気弁が、燃焼室の充填のために往復動内燃機関の第１のバルブタイミングの間に開かれ、および燃焼室の前記少なくとも１つの吸気弁が、第２のバルブタイミングの間に開かれる、周期的に作業する往復動内燃機関の燃焼室の少なくとも１つの吸気弁の開放の制御方法において、
   第１のバルブタイミングは、燃焼室の充填のための吸気行程であり、
   第２のバルブタイミングが膨張行程内において開始し且つ第１のバルブタイミングとは重なり合っておらず、
   燃焼室内の圧力が、吸気管圧力を下回ったとき、第２のバルブタイミングにおいて吸気弁が開かれることを特徴とする、周期的に作業する往復動内燃機関の燃焼室の少なくとも１つの吸気弁の開放の制御方法。
2. 請求項１の方法において、
   第２のバルブタイミングが、燃焼室に付属のピストンの下死点の手前において開始することを特徴とする方法。
3. 請求項２の方法において、
   吸気弁の燃焼室に向く側に作用する圧力が、吸気弁の燃焼室とは反対側に作用する圧力の値を下回ったときに、第２のバルブタイミングが開始することを特徴とする方法。
4. 請求項１ないし３のいずれかの方法において、
   第２のバルブタイミングの長さおよび／または吸気弁の開放の大きさが、往復動内燃機関の運転特性変数の関数であることを特徴とする方法。
5. 請求項１ないし４のいずれかの方法において、
   燃焼室の充填量が吸気弁の早期閉鎖により制限されることと、および
   この方法ができるだけ高い吸気管圧力において実行されることと、
   を特徴とする方法。
6. 請求項１ないし５のいずれかの方法において、
   前記方法が、最大燃焼室充填量に対するしきい値以下で実行されており、
   前記しきい値は、膨張行程の終端において前記燃焼室内の圧力が吸気管圧力を下回ったときだけ、前記方法が実行されるように設定されることを特徴とする方法。
7. 請求項１ないし６のいずれかの方法において、
   複数の吸気弁を有する燃焼室において、少なくとも１つの第１の吸気弁が第１のバルブタイミングの間に開かれ、および少なくとも１つの第２の吸気弁が第２のバルブタイミングの間に開かれることを特徴とする方法。
8. 請求項１ないし７のいずれかの方法の少なくとも１つを実行するための制御装置。
9. 請求項８の制御装置において、
   請求項１ないし７の方法が実行されるとき、この制御装置が往復動内燃機関のアイドル回転速度を上昇させることを特徴とする制御装置。
10. 請求項９の制御装置において、
    請求項１ないし７の方法が実行されるとき、制御装置が自動変速機の切換点を高い回転速度にシフトさせることを特徴とする制御装置。
11. 請求項９の制御装置において、
    請求項１ないし７の方法を実行するとき、制御装置が、燃焼室充填量が増大するときにさらにリーンな燃料／空気混合物で往復動内燃機関を運転することを特徴とする制御装置。

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