JP4241943B2 - 直接噴射装置を備えた、例えば自動車の内燃機関を駆動する装置 - Google Patents

Description

説明
本発明は、自動車の内燃機関の次のような駆動方法に関する。すなわちこの方法では圧縮フェーズにて燃料を内燃機関の燃焼室に直接噴射し、燃焼室にて点火して燃焼させる層状モードと、吸気フェーズにて燃料を内燃機関の燃焼室に直接噴射し、燃焼室にて点火して燃焼させる均質モードが設けられている。またここでは、燃焼の際に発生した排気ガスの少なくとも１部を燃焼室に再循環する。さらに本発明は、以下のような噴射バルブと、燃焼室に排気ガスを再循環する手段と、この再循環される排気ガスの量を設定する制御装置とを有する、例えば自動車用の内燃機関に関する。
例えば自動車用の、直接噴射装置を有する内燃機関を駆動する上記のような装置は広く公知である。本発明では、殊に燃料節約および排気ガス減少をさらに向上させるという点から上記装置がさらに改良される。
本発明では、いわゆる層状モードと、いわゆる均質モードとが区別される。層状モードは、例えば負荷が比較的小さい場合に使用される。これに対して均質モードは内燃機関にかかる負荷が比較的大きい場合に使用される。層状モードでは内燃機関の圧縮フェーズ中に燃料は燃焼室、さらに詳しく言えばこの燃焼室内の点火プラグの近傍に直接噴射される。しかしまた燃料を点火プラグからやや離れて噴射し、空気運動によって点火プラグに導くことも可能である。この結果、燃焼室内ではもはや燃料は均一に分布し得ないことになる。層状モードの利点は、極めて少ない燃料量で内燃機関にかかる比較的小さい負荷を扱うことができることである。しかし層状モードによって比較的大きい負荷を実現することはできない。このような比較的大きな負荷に対して存在する均質モードでは、燃料は内燃機関の吸気フェーズに噴射される。これによって内燃機関内の燃料の渦と、ひいては均一分布を容易に行うことが可能である。この点では均質モードは、従来の手法で燃料を吸気管に噴射する、内燃機関の動作手法とほぼ同等である。
上記の２つの動作モードすなわち層状モードと均質モードでは、噴射する燃料を、複数の入力値に応じて、燃料節約、排気ガス減少などの点から最適な値に設定する。
その際に発生する排気ガスを減少させるためには、燃焼室での燃焼の際に発生する排気ガスを直ちに外部に出すのではなく、この排気ガスを燃焼室に再循環させて燃焼室でもう一度燃焼させることであると有利である。
本発明の課題は、排気ガス再循環によってさらに燃料を節約し、かつ排気ガスを減少させることの可能な直接噴射装置を備えた内燃機関を提供することである。
この課題は、冒頭に説明した方式の方法ないしは内燃機関において、前記２つの動作モードにおける再循環排気ガス量を個別に設定し、実際に再循環されている排気ガスの量を求め、この実際に再循環されている排気ガス量と、上記の設定した再循環排気ガス量とを比較し、この比較結果に応じて再循環を変化させ、燃焼室に噴射する燃料量および／または燃焼室内の燃料に点火する点火スパークの点火角を、内燃機関の燃焼室に再循環する前記の設定した排気ガス量に基づいて設定することによって解決される。
したがって燃焼室に再循環される排気ガスを設定する際には、直接噴射装置を備えた内燃機関の２つの動作モードを考慮する。これはすなわち、最大の燃料節約が達成される層状モードでは殊に、排気ガス再循環を均質モードでの排気ガス再循環とは別に設定することを意味する。したがって層状モードでは、この動作モードで発生する窒素酸化物放出を、相応の排気ガス再循環によって可能な限り減少させることが必要である。さらに本発明では、これらの２つの動作モードの間に存在する過渡期を個別に設定する。以上をまとめるとつぎのような直接噴射装置を備えた内燃機関駆動装置が得られる。すなわちこの駆動装置を使用すると、その都度適合した設定を行うことにより、それぞれの動作モードにおいて、最適化された燃料節約と同時に排気ガス減少とが達成される。
本発明の有利な実施形態では、層状モードにおいて燃焼室に再循環される排気ガスの量を、内燃機関の回転数および／またはこの内燃機関によって出力されたトルクおよび／または燃焼室に噴射される燃料量に応じて設定する。すなわち層状モードでは、全面的かつ包括的な排気ガス再循環の設定が行われる。これにより層状モードにおいて発生する窒素酸化物放出を、排気ガス再循環によって最小限度にまで減少させることが可能である。したがって本発明によれば、層状モードでの燃料節約は、同時に排気ガスを減少させることによって可能となる。
本発明で特に有利であるのは、吸気ガス温度および／またはエンジン温度および／または大気圧および／または燃料タンク内の圧力などを制御パラメタとして、上記の燃焼室に再循環される排気ガス量を制御する。したがって本発明による、層状モードでの排気ガス再循環の設定においては、例えば内燃機関の回転数のような動的な動作状況だけではなく付加的に、例えばエンジン温度などのような静的な動作状況も考慮される。これによって設定を内燃機関の状況に最適に適合させ、ひいては発生する排気ガスを最適に減少させることが可能である。
本発明の有利な発展形態では、層状モードへの切り換えの際に、燃焼室に再循環される排気ガスの量を、吸気管圧に応じて設定する。これにより均質モードから層状モードへの切換の際には、可能な限り一様な過渡過程が得られる。この場合には、排気ガス再循環を吸気管の動的特性に適合させると殊に有利である。
本発明の有利な実施形態では、均質モードにおいて、一定量例えば少量の排気ガスを再循環する、ないしは排気ガスをまったく再循環しない。したがって均質モード時には少量の排気ガス再循環しか必要としない、ないしはまったく必要としない。これにより回避されるのは、均質モード時に過剰の排気ガス再循環量によって燃焼室での燃焼を妨げられることである。
本発明の有利な発展形態では、均質モードへの切り換えの際に、所定の時間の経過後にはじめて実際の切り換えが行われる。自動的に行われる切り換え後には、排気ガス再循環の動的特性によって当分の間はまだ比較的大量の排気ガスが再循環される。このような条件下のうちに層状モードに切り換えた場合には、ミスファイアなどが発生することがある。このため層状モードへの実際の切り換えを遅延させる。これによってミスファイアを確実に回避する。この遅延の間に排気ガス再循環部には、層状モードに対する所要値、すなわち少量またはゼロの再循環排気ガス量が設定される。
本発明では、実際に再循環される排気ガスの量を求め、再循環排気ガス量と比較し、この比較結果に応じて補正が行われる。すなわち目標値と実際値の比較が行われ、この比較に基づいて排気ガス再循環に作用する。これにより例えば内燃機関の動作状況の変化に対して、高速かつ精確に排気ガス再循環を適合させることが可能となる。
本発明の別の実施形態では、排気ガスを外部の排気ガス再循環部および／または内部の排気ガス再循環部を介して内燃機関の燃焼室に再循環する。この外部の排気ガス再循環部は、内燃機関の排気側を同じ内燃機関の吸気側に接続する排気管とすることが可能である。殊に有利であるのは、この排気管内に位置調整可能な排気ガス再循環バルブを設けて、再循環排気ガス量を設定することである。これにより簡単な方法で、外部の排気ガス再循環部を介して再循環される排気ガスの量を設定することが可能である。上記の内部の排気ガス再循環部は、例えばカムシャフトに対する位置設定機構とすることが可能である。この位置設定機構により、このカムシャフトから制御される吸気バルブおよび排気バルブを少なくとも短時間同時に開けることができる。この短時間にこの吸気バルブおよび排気バルブを介して排気ガス再循環が行われる。
本発明の有利な発展形態では、実際に再循環される排気ガスの量を、吸気管圧および／または吸気した空気量および／または排気ガス温度に依存して求める。さらに殊に有利であるのは、排気ガス再循環バルブの位置および／またはカムシャフトの位置が制御装置によって求められる場合である。これにより実際に再循環される排気ガスの量を高速かつ精確に求め、再循環排気ガス量の設定する際にこの実際量を考慮することが可能である。
本発明では、燃焼室に噴射する燃料量および／または燃焼室内の燃料に点火する点火スパークの点火角を内燃機関の燃焼室に再循環される上記の設定した排気ガスの量に基づいて設定する。これにより、燃焼に対する再循環排気ガスの影響によって、燃焼過程の変化が引き起こされることがなくなる。
殊に有利であるのは本発明による方法を、（例えば自動車の）内燃機関の制御装置用に設けられている電気的記憶媒体の形態で実現することである。この場合にこの電気的記憶媒体上には、計算機例えばマイクロプロセッサ上で動作し、かつ本発明による方法を実施するために好適なプログラムが格納される。すなわちこの場合に本発明は、電気的記憶媒体上に格納されたプログラムにより実現され、したがって本発明の方法の実施に好適なプログラムが格納されているこの記憶媒体は、方法と同様に本発明を表している。
本発明の別の特徴、応用および利点を以下、図示した本発明の実施例によって説明する。ここで説明ないしは図示した特徴そのもの、またはそれらの任意の組合せはすべて、請求項へのまとめ方または逆に請求項説明の仕方とは無関係に、また明細書ないし図面の記載や図示とも無関係に本発明の対象である。
図１は、本発明による排気ガス再循環調整部の実施例の概略的なブロック回路図である。
図２は、図１の調整部に対する目標値生成部の概略的なブロック回路図である。
図３は、図２の目標値生成部の、別の考察を実施する部分の概略的なブロック回路図である。
図１には直接噴射装置を備えた内燃機関における排気ガス再循環用の調整部１が示されている。この調整部１には再循環排気ガス量に対する目標値ｍａｇｒｓｏｌｌを供給する目標値生成部２が設けられている。この目標値生成部２は図２を用いてさらに詳しく説明される。
図１では目標値ｍａｇｒｓｏｌｌは比較器３および制御ユニット４に供給されている。この比較器３では、目標値ｍａｇｒｓｏｌｌは、再循環排気ガス量の実際値ｍａｇｒｉｓｔと比較され、その差分に応じて補正値ｄｍａｇｒが生成される。この補正値ｄｍａｇｒも制御ユニット４に供給される。
この制御ユニット４によって、排気ガス再循環が影響を受ける。すなわち制御ユニット４が排気ガス再循環バルブ５の位置を設定することによって、制御ユニット４が外部の排気ガス再循環部に作用することが可能である。この場合に、内燃機関の燃焼室に再循環する排気ガスの量に応じて、上記の排気ガス再循環バルブは開かれる。さらに、制御ユニット４が内燃機関のカムシャフト６の位置を設定することによって、制御ユニット４が内部の排気ガス再循環部に作用することも可能である。この場合には、このカムシャフトによって制御された吸気バルブおよび排気バルブが同時に開いている時間の間は、排気ガスは燃焼室に再循環する。
ここで排気ガス再循環バルブ５およびカムシャフト６は、目標値ｍａｇｒｓｏｌｌおよび補正値ｄｍａｇｒに依存して制御ユニット４によって作用される。したがって目標値ｍａｇｒｓｏｌｌは補正値ｄｍａｇｒによって常時補正される。この場合に総再循環排気ガスの外部および内部の排気ガス再循環部への分配は、特性マップまた別の関係量によって行うことが可能である。
排気ガス再循環バルブ５の位置およびカムシャフト６の位置は、センサによって検出することが可能である。これらの信号は、実際値生成部７に供給される。この実際値生成部７は、これらの信号に基づいて、および例えば吸気管圧および／または吸気した空気量および／または排気ガス温度などの情報に基づいて再循環排気ガス実際量に対する実際値ｍａｇｒｉｓｔを求める。その後この実際値ｍａｇｒｉｓｔはすでに説明したように比較器３に供給される。
したがって図１に示した調整部１により、内燃機関の燃焼室に再循環される排気ガスの量は、目標値ｍａｇｒｓｏｌｌに調整される。この目標値ｍａｇｒｓｏｌｌは、目標値生成部２によってあらかじめ設定され、その後実際の実際値ｍａｇｒｉｓｔと比較され、さらに相応に補正される。排気ガス再循環の設定は、制御ユニット４および排気ガス再循環バルブ位置設定部５および／またはカムシャフト位置設定部６によって行われる。
図２には、図１の目標値生成部２が詳しく示されている。この図では、内燃機関の回転数ｎｍｏｔおよびしかるべきトルクＭｉないしは噴射すべき燃料量ｍｋから、特性マップ８を介して、再循環排気ガス量に対する第１の値ａｇｒ１が求められる。この値は、内燃機関の、理論的または標準化された動作状態に関係しており、したがって例えば内燃機関の所定の温度に関係する。この第１の値ａｇｒ１から、ブロック９において内燃機関の実際の動作状態を考慮して、再循環排気ガス量に対する第２の値ａｇｒ２が求められる。ここでブロック９では、例えば吸気温度ｔａｎｓおよび／またはエンジン温度ｔｍｏｔおよび／または大気圧ｐｕおよび／または燃料タンク内の圧力および／または内燃機関の実際の動作状態についてのその他の情報が考慮される。
その後第２の値ａｇｒ２はスイッチ１０によって分岐される。ここでスイッチ１０は４つのスイッチ位置をとることができ、この４つの位置は４つの２値の信号によって選択可能である。
信号Ｂ＿ｓｈ＝１の場合には、層状モードから均質モードに切り換えるべきであることを意味している。この場合には、第２の値ａｇｒ２は端子”層状−＞均質”と接続されている。信号Ｂ＿ｈｓ＝１の場合には、均質モードから層状モードに切り換えるべきであることを意味している。この場合には、第２の値ａｇｒ２は端子”均質−＞層状”と接続されている。信号Ｂ＿ｓａ＝１または信号Ｂ＿ｓｔ＝１の場合には、内燃機関が始動過程または惰力運転状態にあることを意味している。この場合には、第２の値ａｇｒ２は、端子”始動、惰力運転”と接続されている。その他のすべての場合には、第２の値ａｇｒ２は端子”その他”と接続されている。
層状モードから均質モードに切り換えなければならない場合には、すなわちＢ＿ｓｈ＝１の場合には、この第２の値ａｇｒ２は、時間遅延素子１１およびブロック１２に供給される。ブロック１２によって再循環排気ガス量に対する目標値ｍａｇｒｓｏｌｌが形成される。この目標値ｍａｇｒｓｏｌｌは、均質モードでは一定である。したがってｍａｇｒｓｏｌｌ＝ｃである。ただしここでｃは小さい値または０である。またここで第２の値ａｇｒ２に依存してよいが、必ずしも依存する必要はない。目標値ｍａｇｒｏｌｌに対するこの一定値ｃは、ただちに使用される。時間遅延素子１１の時間ＴＡＧＲＤＹＮは、内燃機関の排気ガス再循環部の動的特性および吸気管の動的特性に依存する。時間ＴＡＧＲＤＹＮの経過後はじめて、時間遅延素子１１によって２値の信号Ｂ＿ａｇｒｓｈが生成され、この時点から実際に均質モードに切り換えられる。
この時間ＴＡＧＲＤＹＮによって、排気ガス再循環部および吸気管に存在する排気ガスは、層状モードで燃焼され、その後はじめて再循環排気ガスを比較的少なくしか要しない均質モードに切り換えられる。以上から過剰に再循環される排気ガスによるミスファイアは、回避される。
均質モードから層状モードに切り換えなければならない場合には、すなわちＢ＿ｈｓ＝１の場合には、第２の値ａｇｒ２はブロック１３に供給される。このブロック１３によって第２の値ａｇｒ２は内燃機関の吸気管の動的特性に適合される。すなわち第２の値ａｇｒ２から、目標値ｍａｇｒｓｏｌｌの相応の関数が生成される。この関数は、例えば時間的な適合とすることが可能である。これにより目標値ｍａｇｒｓｏｌｌは実質的に、少なくとも始動状態においては、再循環排気ガス量と等しくなる。その後層状モードでは再循環排気ガス量は、図１の調整部１によって目標値ｍａｇｒｓｏｌｌに調整される。この場合にこの層状モードでは、実質的にゼロとは異なる量の排気ガスが内燃機関の燃焼室に再循環される。
内燃機関が始動過程または惰力運転状態にある場合には、目標値ｍａｇｒｓｏｌｌはブロック１４によって一定値ｄに設定される。ここでこの一定値ｄは、少量またはゼロの再循環排気ガスとすることができる。他のすべての場合には、目標値ｍａｇｒｓｏｌｌは、まさに第２の値ａｇｒ２に等しい。
内燃機関の燃焼室に再循環される排気ガスによって、この燃焼室内の燃焼が影響を受ける。この影響は、燃焼を特徴付けるその他の量を相応に補正することによって調整される。このような調整は、殊に層状モードにおいて必要である。なぜならば層状モードにおいては、ほとんどの排気ガスが再循環され、ひいてはこの再循環排気ガスのほとんどが燃焼に影響するからである。
図３では、目標値生成部２から生成された目標値ｍａｇｒｓｏｌｌが、燃焼に影響するその他の量にどうのように作用するかを示している。例えば相応の関数および／または特性マップ１５，１６，１７，１８，１９を介して、点火角ｚｗａｇｒｓおよび／または噴射すべき燃料に対する噴射開始ａｓｂａｇｒｓおよび／または噴射終了ａｓｅａｒｓおよび／または燃料噴射圧ｐｒａｇｒｓおよび／または吸気管圧ｐｓａｇｒｓおよび／または噴射量ｍｋａｇｒｓが、目標値ｍａｇｒｓｏｌｌに応じて影響を受ける。ここでこの影響はまた内燃機関の回転数ｎｍｏｔにも依存することもある。
層状モード時および均質モード時に内燃機関の燃焼室に再循環される排気ガス量は、殊に燃料消費の低減化の点および／または排気ガス放出量の低減化の点から、制御装置によって設定される。排気ガス再循環は殊に、可能な限りの窒素酸化物放出を低減するという点から設定される。このために制御装置にはマイクロプロセッサが存在する。このマイクロプロセッサは、記憶媒体例えば読み出し専用メモリ内に、上記の設定を実行するために好適なプログラムを格納している。例えばこの制御装置は、図１から３に示したブロック線図を経過していく形態で実行するのに好適である。このためにこの制御装置には複数の入力信号が供給される。例えばｎｍｏｔ，ｔａｎｓなどのセンサにより測定された、内燃機関の動作状態を表す信号が供給される。この制御装置は、例えば排気ガス再循環バルブ５およびカムシャフト６に対する位置設定信号などの出力信号を生成する。これらの信号によってアクチュエータを介して、設定に応じて内燃機関の特性に作用することが可能である。

Claims (14)

1. 自動車の内燃機関の駆動方法であって、
   圧縮フェーズにて燃料を内燃機関の燃焼室に直接噴射し、燃焼室にて点火して燃焼させる層状モードと、
   吸気フェーズにて燃料を内燃機関の燃焼室に直接噴射し、燃焼室にて点火して燃焼させる均質モードとを有し、
   燃焼時に生成された排気ガスの少なくとも一部を前記燃焼室に再循環させる形式の駆動方法において、
   前記燃焼室に再循環する排気ガス量を、前記の２つの動作モードにおいて個別に設定し（１０）、
   実際に再循環されている排気ガスの量を求め（７）、
   当該の実際に再循環されている再循環排気ガス量と、前記の設定した再循環排気ガス量とを比較し（３）、
   該比較結果に応じて再循環を変化させ、
   燃焼室に噴射する燃料量および／または燃焼室内の燃料に点火する点火スパークの点火角を、内燃機関の燃焼室に再循環する前記の設定した排気ガス量に基づいて設定することを特徴とする方法。
2. 前記層状モードにて内燃機関に再循環される前記の排気ガス量を、内燃機関の回転数（ｎｍｏｔ）および／または内燃機関から出力されるトルク（Ｍｉ）および／または燃焼室内に噴射される燃料量（ｍｋ）に依存して設定する（８）、
   請求項１に記載の方法。
3. 吸気温度（ｔａｎｓ）および／またはエンジン温度（ｔｍｏｔ）および／または大気圧（ｐｕ）および／または燃料タンク内の圧力を制御パラメタとして、前記の燃焼室に再循環される排気ガス量を制御する（９）、
   請求項１または２に記載の方法。
4. 前記層状モードに切り換える場合には、燃焼室に再循環する前記の排気ガス量を、前記吸気管圧に応じて設定する（１３）、
   請求項１から３までのいずれか１項に記載の方法。
5. 前記均質モードにおいては一定量（ｃ）の排気ガスを再循環するか、または排気ガスを再循環しない（１２）、
   請求項１から４までのいずれか１項に記載の方法。
6. 前記均質モードへ切り換える場合には、所定の時間（ＴＡＧＲＤＹＮ）の経過後はじめて実際に切換を行う、
   請求項１から５までのいずれか１項に記載の方法。
7. 内燃機関の始動時および／または惰力運転時に一定量（ｄ）の排気ガスを再循環するか、または排気ガスを再循環しない（１４）、
   請求項１から６までのいずれか１項に記載の方法。
8. 外部の排気ガス再循環部（５）および／または内部の排気ガス再循環部（６）を介して排気ガスを内燃機関の燃焼室に再循環する、
   請求項１から７までのいずれ１項に記載の方法。
9. 実際に再循環されている量を、吸気管圧および／または吸気空気量および／または排気ガス温度に応じて求める（７）、
   請求項１から８までのいずれか１項に記載の方法。
10. 自動車の内燃機関の制御装置用電気的記憶媒体において、
    該電気的記憶媒体上にプログラムが格納され、
    該プログラムは、計算機上で実行され、
    該プログラムは、請求項１から９までのいずれ１項に記載の方法を実行することを特徴とする
    電気的記憶媒体。
11. 噴射バルブと、燃焼室に排気ガスを再循環する手段と、該再循環される排気ガス量を設定する制御装置とを有する、自動車用の内燃機関であって、
    前記噴射バルブによって、吸気フェーズ中の均質モードまたは圧縮フェーズ中の層状モードにて燃焼室に燃料が直接噴射され、点火されて燃焼室にて燃焼する形式の内燃機関において、
    燃焼室に再循環される排気ガス量は、前記２つの動作モードにおいて個別に設定され（１０）、
    実際に再循環されている排気ガス量が求められ（７）、
    該再循環排気ガス量と、前記の設定した再循環排気ガス量とが比較され（３）、
    該比較結果に応じて再循環が変化させられ、
    燃焼室に噴射する燃料量および／または燃焼室内の燃料に点火する点火スパークの点火角を内燃機関の燃焼室に再循環する前記の設定した排気ガス量に基づいて設定することを特徴とする
    内燃機関。
12. 排気ガス再循環バルブ（５）が設けられており、
    該排気ガス再循環バルブ（５）は、再循環する前記の排気ガス量を設定する前記制御装置によって位置設定される、
    請求項１１に記載の内燃機関。
13. 吸気バルブおよび／または排気バルブを開くカムシャフト（６）が設けられており、
    該カムシャフト（６）は、再循環する前記の排気ガスの量を設定する前記制御装置によって位置設定される、
    請求項１１または１２に記載の内燃機関。
14. 前記排気ガス再循環バルブ（５）の位置および／または前記カムシャフト（６）の位置は、前記制御装置によって求められる、
    請求項１２または１３に記載の内燃機関。

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