JP4475686B2 - とくに自動車の内燃機関の運転方法 - Google Patents

Description

従来技術
本発明は、圧縮行程の間の第１の運転モードにおいてまたは吸気行程の間の第２の運転モードにおいて燃料が燃焼室内に直接噴射され、そして両方の運転モードにおいて燃焼室内に噴射すべき燃料の質量流量が、とくに内燃機関により出力すべき計算された目標トルクの関数として決定されるとくに自動車の内燃機関の運転方法に関するものである。さらに本発明は、圧縮行程の間の第１の運転モードにおいてまたは吸気行程の間の第２の運転モードにおいて燃料を燃焼室内に直接噴射する噴射弁と、両方の運転モードにおいて燃焼室内に噴射すべき燃料の質量流量をとくに内燃機関により出力すべき計算された目標トルクの関数として決定する制御装置とを備えたとくに自動車用内燃機関に関するものである。
燃料を内燃機関の燃焼室内に直接噴射するためのこのような装置は一般に既知である。この場合、第１の運転モードとしてのいわゆる成層運転および第２の運転モードとしてのいわゆる均質運転が区別される。成層運転はとくに低負荷において使用され、一方均質運転は内燃機関の高負荷において使用される。成層運転においては、燃料は、内燃機関の圧縮行程の間に燃焼室内に噴射され、しかも位置的には点火プラグのすぐ近くに噴射される。この結果、燃料の燃焼室内への均等分配はもはや行われない。成層運転の利点は、きわめて少ない燃料質量流量により、存在する低負荷を内燃機関により出力できることにある。しかしながら、高負荷は成層運転により満たすことはできない。このような高負荷に対して行われる均質運転においては、燃料は内燃機関の吸気行程の間に噴射され、これにより旋回したがって燃焼室内への燃料の分配を十分に行うことができる。このかぎりにおいて、均質運転は、通常のように燃料が吸気管内に噴射される内燃機関の運転方法にほぼ対応する。
両方の運転モードすなわち成層運転および均質運転において、噴射すべき燃料の質量流量は、制御装置により多数のパラメータの関数として、燃料の節約、排気ガスの低減等を考慮した最適値に開ループおよび／または閉ループ制御される。この場合、この開ループおよび／または閉ループ制御はとくに制御装置により計算された目標トルクの関数である。目標トルクは、内燃機関により出力すべき全トルクすなわち内燃機関が発生すべきトルクを示す。
とくに内燃機関のアイドリングにおいては、内燃機関の回転速度ができるだけ一定であることが望ましい。このために、ドイツ特許公開第２９１８１３５号から、内燃機関のアイドリングを安定可能にする方法が既知である。この方法においては、内燃機関の回転速度が点火時期を変化させることにより調節され、これによりほぼ一定に保持される。しかしながら、既知の方法は、通常のように燃料が吸気管内に噴射される内燃機関においてのみ使用可能である。
冒頭記載のタイプの内燃機関において、とくに第１の運転モードすなわち成層運転においては内燃機関から発生される実際トルクしたがって内燃機関の回転速度は、本質的に噴射された燃料の質量流量のみの関数である。点火時期を変化させた場合、これにより点火状況が変わるので、点火時期の変化は均質運転の場合と同様には可能ではない。この理由から、冒頭記載のタイプの内燃機関の場合、既知の方法は有効に使用可能ではない。
発明の概要
とくに内燃機関のアイドリングにおいて、できるだけ一定の回転速度が達成可能な内燃機関の運転方法を提供することが本発明の課題である。
冒頭記載のタイプの内燃機関の運転方法ないし内燃機関において、この課題は本発明により、噴射すべき燃料質量流量から噴射時間が決定されることと、この噴射時間から内燃機関の回転速度の関数として噴射角度が決定されることと、燃料が噴射角度の間噴射されることとにより解決される。
噴射時間を噴射角度に換算した時点においては内燃機関は所定の回転速度を有している。その後回転速度がたとえば低下した場合、これは計算された噴射角度には影響を与えない。すなわち、計算された噴射角度は一定のままである。回転速度が低下したので、この噴射角度は、換算が行われたときの回転速度の場合よりもゆっくり通過されることになる。これは噴射時間が増大されることを意味する。したがって、設定された量よりも多い燃料が噴射される。このようにより多量の燃料が噴射されることにより、内燃機関は再び加速され、したがって回転速度は上昇される。
したがって、本発明により、内燃機関の回転速度が継続して一定に保持されることが達成される。この場合、制御装置が燃料の噴射を補正調節する必要はなく、本発明による回転速度安定化はそれ自身でないし自動的に、制御装置がそれぞれに関与することなく行われる。したがって、本発明は、とくに内燃機関のアイドリングにおいて内燃機関の回転速度を迅速かつ正確にほぼ一定の値に開ループおよび／または閉ループ制御可能にする方法を提供する。さらに本発明は、長時間にわたり存在する目標トルクにおいて内燃機関のほぼ一定の回転速度が希望されるときにおいても使用可能である。
本発明の有利な実施形態においては、噴射開始が角度値として設定されかつ噴射終了が噴射角度の関数として決定されるか、または噴射終了が角度値として設定されかつ噴射開始が噴射角度の関数として決定される。このように、それぞれの内燃機関において噴射角度に関して設定された値の関数としてそれぞれ他方の値を簡単に計算することができる。
本発明の有利な実施形態においては、噴射時間がその一部のみ噴射角度に換算される。このように、噴射時間の一部を噴射角度に換算した後にたとえば回転速度が低下した場合、形成されたより多量の燃料の噴射は全噴射時間を換算した場合ほど多量には増大されないことが達成される。この結果、全噴射時間を噴射角度に換算した場合よりもより少ない加速度したがってより少ない内燃機関の回転速度上昇が与えられる。したがって、回転速度の大きすぎる補正および可能性のある内燃機関の高すぎる回転速度へのオーバーシュートが回避される。
本発明の有利な実施形態においては、角度値としての噴射開始から内燃機関の回転速度の関数として時間としての噴射開始が決定され、そして燃料の噴射がこの時間の経過後に開始される。このようにして、噴射時間を噴射角度に換算した後にたとえば回転速度が低下した場合、形成されたより多量の燃料の噴射がさらに上昇されることが達成される。この結果、さらに加速されしたがって内燃機関の回転速度の上昇が得られる。これにより、内燃機関の回転速度の大きい補正を達成することが可能である。
本発明の有利な実施形態においては、角度値としての噴射開始がその一部のみ時間としての噴射開始に換算される。このようにして、内燃機関の回転速度の加速をそれぞれの条件に適合させることができる。
本発明が内燃機関の第１の運転モードにおいて、および／または内燃機関のスタートの間に、および／または内燃機関のアイドリング回転速度の開ループおよび／または閉ループ制御のために、使用されるときにとくに適切である。とくに内燃機関がアイドリングにおいて第１の運転モードすなわち成層運転で運転されるとき、本発明により、内燃機関の希望する一定回転速度を、同時に燃料を節約しかつ有害物質エミッションを少なくして達成することができる。
本発明による方法を、とくに自動車の内燃機関の制御装置のために設けられている電気式記憶媒体の形で実行することはとくに重要である。この場合、電気式記憶媒体にプログラムが記憶され、そのプログラムが計算装置とくにマイクロプロセッサ上で実行可能でありかつ本発明による方法の実行に適している。この場合、本発明は電気式記憶媒体に記憶されているプログラムにより実行され、したがって、プログラムを備えたこの記憶媒体は、プログラムが本方法の実行のために適しているその方法と同様に本発明を示している。
本発明の他の特徴、適用性および利点が、図面の図に示されている本発明の実施形態に関する以下の説明から明らかである。この場合、説明されまたは図示されたすべての特徴は、それ自身または任意の組合せで、請求の範囲内のその記載またはその引用とは独立に、ならびに説明ないし図面におけるその形式ないし図示とは独立に本発明の対象を形成している。
図１は本発明による自動車の内燃機関の一実施形態の略ブロック系統図を示し、
図２は図１に示す内燃機関の本発明による運転方法の一実施形態の略ブロック系統図を示す。
図１に内燃機関１が示され、内燃機関１においてピストン２はシリンダ３内で往復運動可能である。シリンダ３に燃焼室４が設けられ、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に噴射弁８および点火プラグ９が付属されている。噴射弁８に圧力センサが付属され、その圧力センサは燃料に作用する圧力の関数として信号ｐ_Kを発生する。
内燃機関１の第１の運転モードすなわち成層運転においては、燃料はピストン２により形成される圧縮行程の間に噴射弁８から燃焼室４に噴射され、しかも位置的には点火プラグ９のすぐ近くにならびに時間的にはピストン２の上死点の直前に噴射される。このとき、点火プラグ９により燃料が点火され、したがって、ピストン２はそれに続く作業行程において点火された燃料の膨張により駆動される。
内燃機関１の第２の運転モードすなわち均質運転においては、燃料はピストン２により形成される吸気行程の間に噴射弁８から燃焼室４内に噴射される。噴射された燃料は同時に吸入された空気により旋回され、これにより燃料は燃焼室４内にほぼ均一に分配される。その後燃料−空気混合物は圧縮行程の間に圧縮され、このとき点火プラグ９により点火される。点火された燃料の膨張によりピストン２は駆動される。
成層運転においても均質運転においてと同様に、駆動されたピストンによりクランク軸１０が回転され、この回転を介して最終的に自動車の車輪が駆動される。クランク軸１０に回転速度センサが付属され、その回転速度センサはクランク軸１０の回転の関数として信号ｎ_Motorを発生する。
成層運転および均質運転において噴射弁８から燃焼室４内に噴射される燃料の質量流量は、制御装置１１によりとくに燃料消費量を少なくしおよび／または排気ガスの発生を少なくするように開ループおよび／または閉ループ制御される。このために、制御装置１１にマイクロプロセッサが設けられ、そのマイクロプロセッサは記憶媒体とくに読取り専用メモリ（ＲＯＭ）内に、前記開ループおよび／または閉ループ制御を実行するのに適したプログラムを記憶している。
制御装置１１に、センサにより測定された内燃機関の運転変数を示す入力信号が供給される。たとえば、制御装置１１は圧力センサおよび回転速度センサと結合されかつこれらから信号ｐ_Kおよびｎ_Motorを受け取る。制御装置１１は出力信号を発生し、その出力信号によりアクチュエータを介して希望する開ループおよび／または閉ループ制御に応じて内燃機関を調節することができる。たとえば、制御装置１１は噴射弁８および点火プラグ９と結合されかつこれらを制御するために必要な信号を発生する。
たとえば燃焼室４内に噴射される燃料の質量流量の開ループおよび／または閉ループ制御は、制御装置１１により両方の運転モードにおいてとくに目標トルクＭ_sollの関数として行われる。この場合、この目標トルクは、内燃機関１が出力ないし発生すべきトルクを示す。出力すべき目標トルクＭ_sollは、制御装置１１により、ドライバが要求する内燃機関１の出力および内燃機関１のその他の出力要求の関数として計算される。ドライバが要求する出力は加速ペダルセンサの位置から得られ、そしてたとえば空調装置が要求するその他の出力要求は内燃機関１の回転速度ｎ_Motorの対応する変化から導くことができる。
内燃機関１のアイドリングにおいては、目標トルクＭ_sollは、内燃機関１の出力要求が満たされ、しかも内燃機関１の回転速度ｎ_Motorができるだけ小さくなるように形成されている。内燃機関１のアイドリングにおける他の要求は、回転速度ｎ_Motorができるだけ一定であり、すなわち回転速度変動等が発生しないことにある。
図２に、図１の内燃機関が開ループおよび／または閉ループ制御される方法が示されている。この方法は制御装置１１により行われる。
図２において、目標トルクＭ_sollからブロック１２により噴射すべき燃料質量流量ｍ_Kが決定される。この場合、この計算は既知のように内燃機関１の多数のパラメータの関数である。
次に、ブロック１３により噴射すべき燃料質量流量ｍ_Kから噴射時間ｔ_iが決定され、この噴射時間ｔ_iは時間値たとえばミリ秒（ｍｓ）の単位で与えられる。この場合、噴射時間ｔ_iの計算は、とくに燃料に作用する圧力ｐ_Kならびに内燃機関１の他のパラメータとくに噴射弁８の関数として行われる。
ブロック１４により所定の時点Ｔ₀において噴射時間ｔ_iが噴射角度α_iに換算され、その噴射角度α_iは角度値たとえば度（°）で与えられる。すなわち、噴射時間ｔ_i（単位：ｍｓ）が噴射角度α_i（単位：°）に変換される。所定の時点Ｔ₀は、クランク軸１０の所定の角度位置たとえば０°のクランク軸角を表わす。この場合、換算は、前記時点における内燃機関１の回転速度ｎ_Motorの関数として行われる。
ここで、内燃機関１の燃焼室４内への燃料の噴射の開始が設定されることから出発される。これは、図２において噴射開始に対する角度α_Anfang（単位：°）により与えられ、この角度はたとえばクランク軸角０°から計算される。クランク軸１０がクランク軸角０°から噴射開始に対する角度α_Anfangだけ回転したときに噴射弁８が制御装置１１により正確に開かれる。
ブロック１５は、噴射開始に対する角度α_Anfangおよび噴射角度α_iから加算により噴射終了に対する角度α_Ende（単位：°）を計算する。クランク軸１０がクランク軸角０°から出発して噴射終了に対する角度α_Endeだけ回転したときに制御装置１１により噴射弁８が正確に再び閉じられる。
上記のように、クランク軸角が０°である時点Ｔ₀において回転速度の関数として噴射時間ｔ_iが噴射角度α_iに換算される。その後たとえばより小さくなった出力要求に基づいて内燃機関１の回転速度ｎ_Motorが上昇した場合、これは噴射角度α_iの前記計算にはいかなる影響も与えない。噴射角度α_iは同じ値のままである。しかしながら、回転速度ｎ_Motorが上昇したとき、クランク軸１０はより速く回転し、したがって変わらない噴射角度α_iはより速く通過されることになる。これは、より速い通過に基づき実際の噴射時間ｔ_iが所定の噴射時間ないしあらかじめ計算された噴射時間より短くなることを意味する。しかしながら、より短くなった噴射時間ｔ_iは、同時に、設定ないしあらかじめ計算された噴射燃料質量流量より小さい実際の噴射燃料質量流量ｍ_Kを示す。しかしながら、より少量の燃料質量流量ｍ_Kにより内燃機関１はより小さい実際トルク値を与え、これは同様に内燃機関の回転速度ｎ_Motorの低下と同じことを意味する。したがって、内燃機関１の回転速度ｎ_Motorの最初の上昇はそれ自身で再び低下される。したがって、要約すると、内燃機関１の回転速度ｎ_Motorは自動的に安定化されかつ内燃機関１のほぼ一定の回転速度ｎ_Motorが与えられる。
次の例は上記の方法をさらに詳細に示したものである。
回転速度ｎＭｏｔｏｒ １０００ｒｐｍ（回／分）
回転加速度 ２００ｒｐｍ／ｓ
回転速度測定時点Ｔ₀ クランク軸角０°
時間値としての噴射時間ｔ_i ３ｍｓ
角度値としての噴射角度α_i クランク軸角１８°
噴射開始α_Anfang クランク軸角２７０°
噴射終了α_Ende クランク軸角２８８°
実際の噴射時間ｔ_i ２．９７２５ｍｓ
ｔ_iの相対変化 −０．９２％
噴射時間ｔ_iを噴射角度α_iに換算した後に内燃機関１が回転加速度の代わりに回転減速度を有する場合、噴射角度α_iは設定されたときよりもゆっくり通過される。これは噴射時間ｔ_iが長くなることを示し、したがってより多量の燃料の噴射を示す。このようにして、内燃機関１は加速され、したがって回転速度ｎ_Motorは自動的に安定化される。
内燃機関１の回転速度ｎ_Motorの上記の自己補正作用がきわめて強い場合回転速度ｎ_Motorがそれぞれ反対の方向にオーバーシュートすること、最初に記載の場合においても実際噴射時間ｔ_iがきわめて短縮されること、最初の回転加速度より大きい回転減速度が行われることが起こる可能性がある。これが回避されるように、噴射時間ｔ_iをその一部のみ噴射角度α_iに換算することが可能である。たとえば、噴射時間ｔ_iの第１の半分が時間値として保持され、かつ噴射時間ｔ_iの第２の半分が角度値としての噴射角度α_iに換算される。この結果、実際の噴射時間ｔ_iの短縮は、噴射角度α_iの換算された第２の半分のみから形成され、したがって短縮はより小さくなる。
同様に、内燃機関１の回転速度ｎ_Motorの上記の自己補正作用がきわめて小さい場合、これにより回転速度ｎ_Motorの安定化が達成されない可能性がある。この場合、上記の方法を図２の破線で示した実施形態に対応して変化させることが可能である。
すなわち、ブロック１６により、噴射開始に対する角度α_Anfangが、時点Ｔ₀すなわちクランク軸角０°における内燃機関１の回転速度ｎ_Motorの関数として噴射開始に対する時間ｔ_Anfangに換算される。このとき、噴射の開始すなわち噴射弁８の開放は、噴射開始に対する時間ｔ_Anfangの関数として制御され、かつ上記のように対応する角度の関数として制御されない。すなわち、クランク軸１０がクランク軸角０°を通過した後に噴射開始に対する時間ｔ_Anfangが測定され、この時間が経過した後に噴射弁８を開放する。
ここで、噴射開始までのこの時間ｔ_Anfangの間、内燃機関１の回転速度ｎ_Motorの加速が発生した場合、この結果、クランク軸１０はより速く回転することになる。これは、噴射開始までの時間ｔ_Anfangの間クランク軸１０は設定ないしあらかじめ計算された角度より大きい角度だけ回転することを意味する。すなわち、設定された角度より遅れたクランク軸角において噴射が開始される。しかしながら、噴射終了に対する角度α_Endeは同じままである。この結果、噴射角度α_iしたがって噴射時間ｔ_iもまた小さくなる。すなわち、内燃機関１の燃焼室４内により少ない燃料が噴射され、これにより内燃機関１の実際トルクしたがって回転速度ｎ_Motorが低下する。
以下の例はこの方法の上記の変化を詳細に示している。
回転速度_nMotor １０００ｒｐｍ（回／分）
回転加速度 ２００ｒｐｍ／ｓ
回転速度測定時点Ｔ₀ クランク軸角０°
時間値としての噴射時間ｔ_i ３ｍｓ
角度値としての噴射角度α_i クランク軸角１８°
角度値としての噴射開始α_Anfang クランク軸角２７０°
時間としての噴射開始ｔ_Anfang ４５ｍｓ
噴射終了α_Ende クランク軸角２８８°
実際の噴射時間ｔ_i ２．７７１８ｍｓ
ｔ_iの相対変化 −７．６％
噴射開始に対する全体角度α_Anfangを対応する時間に換算する代わりに、この角度を一部のみ噴射開始に対する時間ｔ_Anfangに換算することもまた可能である。これにより、内燃機関１の回転速度ｎ_Motorの補正をそれぞれ存在する条件に適合させることができる。

Claims (8)

1. 内燃機関（1）の動作方法であって、圧縮行程の間の第１の運転モード又は吸気行程の間の第２の運転モードのいずれかにおいて、燃料が燃焼室（4）内に直接噴射され、前記第１及び第２の運転モードの両方において、前記燃焼室内に噴射すべき燃料の質量流量（m_K）が、前記内燃機関（1）により出力すべき計算された目標トルク（M_soll）に基づいて決定されるようにした、内燃機関の動作方法において、該方法は、
   決定された前記質量流量（m_K）から、燃料を噴射すべき期間である噴射期間（t_i）を決定するステップと、
   前記内燃機関のクランク軸（10）が所定の角度位置にあるときの時点（T₀）において、該時点（T₀）での前記内燃機関の回転速度（n_Motor）及び決定された前記噴射期間（t_i）に基づいて、燃料の噴射角度（α_i）を決定するステップと、
   前記時点（T₀）における前記内燃機関の回転速度（n_Motor）及び所定の噴射開始角度（α_Anfangt）に基づいて、前記時点（T₀）から燃料噴射までの期間である噴射開始期間（t_Anfang）を決定するステップと、
   前記噴射角度（α_i）及び前記噴射開始角度（α_Anfangt）に基づいて、燃料の噴射終了角度（α_Ende）を決定するステップと、
   前記時点（T₀）から前記噴射開始期間（t_Anfang）が経過したときに燃料の噴射を開始するステップと、
   噴射を開始してから、前記クランク軸（10）が前記噴射終了角度（α_Ende）まで回転するまでの間、燃料の噴射を継続し、前記クランク軸（10）が前記噴射終了角度（α _Ende ）まで回転したときに燃料噴射を終了するステップと
   からなることを特徴とする動作方法。
2. 請求項１に記載の動作方法において、前記噴射期間（t_i）は、前記燃料に作用する圧力（p_K）に基づいて決定されることを特徴とする方法。
3. 請求項１又は２に記載の動作方法において、該方法は前記内燃機関の前記第１の動作モードにおいて実行されることを特徴とする動作方法。
4. 請求項１〜３いずれかに記載の動作方法において、該方法は前記内燃機関の起動時に実行されることを特徴とする動作方法。
5. 請求項１〜４いずれかに記載の動作方法において、該方法は前記内燃機関のアイドリング速度を制御するために使用されることを特徴とする動作方法。
6. 内燃機関の制御装置用の記憶媒体であって、請求項１〜５いずれかに記載の動作方法を実行するためのコンピュータ・プログラムを記憶した記憶媒体。
7. 内燃機関の制御装置であって、請求項１〜５いずれかに記載の方法を実行するよう構成された制御装置。
8. 内燃機関であって、請求項７記載の制御装置を備えた内燃機関。

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