JP4510354B2 - 内燃機関で燃料噴射制御するための方法 - Google Patents

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Description

【0001】
従来の技術
本発明は、シリンダのガス交換弁の可変な制御装置を有する内燃機関で燃料噴射制御するための方法であって、各シリンダの少なくとも1つの排気弁の閉鎖時点を制御することによって、また上死点の領域内で少なくとも1つの吸気弁を開放することによって、少なくとも1つの吸気弁の前に残留ガスを一時的に送り込んでシリンダ内で内部の残留ガス戻し案内を行う方法に関する。
【0002】
排気制御のための適当な方法は、ピストンがシリンダ内でその上死点に達する前にシリンダのすべての排気弁が早期に閉鎖するようにするか、又はシリンダの少なくとも1つの吸気弁の開放後に始めて、シリンダの少なくとも1つの排気弁が遅れて閉鎖するようにすることである。いわゆる弁オーバーラップの第2の場合、内部の残留ガス戻し案内のために、出口側から入口側への圧力降下が利用され、この降下は、場合によっては吸気管内にスロットルバルブを挿入することによって影響を受けるか又は強められる。
【0003】
MTZ Motortechnische Zeitschrift 60 (1999) 7/80, Seite 476 − 485(MTZエンジン技術、刊行物60(1999年)第7/80号、476頁〜485頁)には、オットー型エンジンのための全可変式弁駆動装置を備えた絞りなしの負荷制御について記載されている。可変な弁制御装置を備えたエンジンにおいては、燃料噴射若しくは出力の制御は、全部又は部分的にガス交換弁(シリンダの吸気弁及び排気弁)の開放運動曲線の制御によって行われる。スロットルバルブは吸気管内に付加的に設けることができるが、また完全に省くこともできる。
【0004】
弁の開放運動の、可変なつまり弁制御装置によって調節可能なパラメータは次の通りである。
【0005】
1. 弁開放の開始及び終わり。この場合、弁開放のための制御時間も関係している。制御時間は一般的な形式で、(場合によってはシリンダ固有の)基準位置に対するクランクシャフトの角度位置によって特徴付けられる。この場合、重要なことは、当該のシリンダの作業遊びに対する位相関係、つまり圧縮行程、燃焼行程、排気又は吸入行程における位置である。
【0006】
2. 弁のストローク。
【0007】
3. 開放若しくは閉鎖時の弁の平均速度又は最大速度。この場合、弁ストローク運動曲線の側面傾斜度も関係している。
【0008】
上記MTZ Motortechnische Zeitschrift 60 (1999) 7/80, Seite 476 − 485に記載されているような全可変式の弁駆動装置を有するエンジンにおいては、ガス交換弁は、例えば電磁式又は電気液圧式の弁調節装置によって直接制御され、操作される。この場合、特にシリンダの燃料噴射自体は弁を適当に制御することによって調量され、この際に、スロットルバルブの使用は省かれる。絞り損失の減少つまりエンジンのポンピング作用によって、エンジンの効率は高められ、ひいては固有の消費が減少される。このような形式の絞りなしのエンジンの問題は、吸気管内で外側の混合気形成のための条件が困難であるという点にある。スロットルバルブ制御式のエンジンにおいては、全負荷時以外に吸気管内に負圧が生じ、この負圧が、原則として吸気弁の近くで噴射される燃料の良好な気化を可能にする。これに対して絞りなしのエンジンにおいては吸気管内に事実上周囲圧力が形成され、それによって気化率が著しく減少され、それに相応して液状の燃料成分(壁膜)が高められる。これは特に、常温エンジンつまり常温始動時において、及び次いで行われる暖気運転段階中に、重大な作用を及ぼす。従って、例えば部分負荷運転時に暖められたエンジンにおいて有利である、「“早期吸気−閉鎖”(MTZ 60 (1999) 7/8)参照」の制御法は、常温エンジンにおいては欠点であることが分かった。何故ならば、燃料は部分的に液体の形状で燃焼室内に吸い込まれ、点火されるまでもはや十分に処理つまり気化されず、空気と均質にされないからである。しかも、吸気弁を早期に閉鎖することによって、次の膨張時にシリンダ給気の冷却に続いて、ピストンの下死点の領域で既に気化された燃料が凝縮される。それに応じてこの条件下で、燃焼の質、走行静粛性、燃料消費及び排ガスの有害物質成分が低下される。このようなできるだけ僅かな絞り損失で最適化された、吸気弁の制御において、吸気弁は、ピストンの上死点の近くで開放され、部分負荷において早期につまり下死点の前で閉鎖される。
【0009】
絞りなしのオットー型エンジンにおいて混合気形成及び混合気気化を改善するために、ガス交換弁のための用いられた制御方に関連して、従来技術から次の2つの手段が公知である。
【0010】
1. 吸気ガイドされた残留ガス戻し案内、この場合、吸気弁を介して残留ガスが送り出され、再び吸い込まれる。この内部の残留ガス戻し案内は、例えばM.Pischinger, J. Hagen, W. Salber, T. Esch 著のAachener Kolloquim Fahrzeug- und Motorentechnik, 1998, S. 987-1015(アーヘナーコレキウム自動車及びエンジン技術、1998年、987〜1015頁)により、電磁式の弁駆動装置を使用した場合のオットー型のプロセスガイドの可能性が公知である。
【0011】
2. 前記刊行物より、吸気弁を遅れて開放することが公知である。
【0012】
従来技術により公知の2つの方法は、エンジンの暖気運転中における未燃焼ガスの有害物質成分を減少させるように作用する。このような作用は、内部の残留ガス戻し案内の方法によれば、暖気運転中のエンジンにおいても得られる。暖機運転中の未燃焼ガスの有害物質成分の減少は、特に暖気運転の早期の段階のために重要である。この暖気運転の早期の段階では、触媒の応答温度にまだ達しておらず、ひいては触媒による有害物質の濾過若しくは還元が非常に低い程度しか可能ではない。
【0013】
吸気弁を遅れて開放させる方法によって、上死点における負荷交換後にシリンダ容積の膨張によってシリンダ内に負圧が形成される。吸気弁は、シリンダ内の圧力が十分に小さくなるか、若しくはシリンダと吸気管(<約0.5)との間の臨界を超過した圧力比が得られた時に初めて開放せしめられる。その結果、各シリンダ内に新鮮空気の高い流入速度(最大音速)が得られる。この高ダイナミックな渦流の流入過程は、液状の燃料成分が良好に噴霧され、次いで十分完全に気化されることによって、混合気形成の改善が得られる。さらにまた、ガス成分、空気、燃料蒸気及び残留ガスの改善された均質化が得られる。このような形式で、未燃焼ガス内の有害物質成分、特に未燃焼の炭化水素(HC)の大きな改善が得られる。しかも、改善された燃焼、良好な混合気形成と共に、促進された渦流形成によってもシリンダ給気に効果的に作用する。この方法の高められたガス交換損失は特に常温エンジンにおいて十分に補償される。
【0014】
の方法によれば、上死点の前で排気弁を閉鎖することによって、並びに同様に上死点の前又は近くで少なくとも1つの吸気弁を早期に開放させることによって、また選択的に弁オーバーラップを用いることによって、シリンダ給気中の高温の残留ガスの成分が増大する。付加的に、上死点の範囲内に存在する、シリンダと給気通路(給気管)との間の圧力降下は、既に開放された入口において、この高温の排ガスの一部給気管内に流入させる。この噴射弁及び燃料壁膜の領域内において押し出された残留ガスは、同様に、常温始動後に吸気マニホルドを迅速に加熱するように作用し、混合気形成を改善する。つまり吸気管内に燃料の液状の成分の気化を改善する。吸気弁がさらに開放されると、残留ガスと新鮮ガスとの混合気は、直接続いてシリンダ内に吸い込まれる。高められた給気温度に基づいて、シリンダ内での混合気のさらなる気化が改善される。このような内部での残留ガス戻し案内の方法によって、燃料消費の減少並びに未燃焼ガス内の有害物質成分(特に炭化水素)の減少が得られる。さらにまた、残留ガスによって給気が減少されることによて、燃焼温度が低下され、それによって再び未燃焼ガスの有害物質成分(NOx成分)が著しく低下される。しかもガス交換作業がさらに低下されることによって消費の利点が得られる。他方では、増大された残留ガス成分は、シリンダ過給の均質化(特に新鮮ガス及び残留ガスの成分)に不都合に作用する。さらに、残留ガス濃度が上昇すると燃焼速度が低下せしめられ、点火段階が長くなる。その結果、周期的な燃焼変動が増大することになり、これは静粛走行性並びに燃焼効率に不都合に作用する。
【0015】
本発明の課題は、冒頭に述べた形式の方法を改良して、特に暖気運転中に、燃料消費、有害物質排出及び静粛走行性に関連したエンジンのできるだけ良好な運転が保証されるようにすることである。
【0016】
発明の利点
前記課題は、請求項1に記載した特徴部によって、シリンダ内でのガス交換中に、時間的に互いにずらされた少なくとも2つの開放段階で少なくとも1つの吸気弁を開放させるようにすることによって解決された。少なくとも1つの排気弁及び少なくとも1つの吸気弁を相応に制御することによって、吸気通路を介しての内部の残留ガス戻し案内が行われる。
【0017】
ガス交換弁を本発明に従って制御することによって、未燃焼ガス内のNOx成分が減少されると共に、特に改善された燃焼及び静粛走行性が得られる。公知の排ガス戻し案内による方法において、シリンダ内での新鮮ガスと残留ガスとの不都合な混合、及び非常にゆっくりとした燃焼が原因となって、可能な排ガス戻し案内率を制限する、戻し案内された多量の残留ガスによる、燃焼安定性及び静粛走行性に関する欠点は、本発明の方法によれば、少なくとも1つの吸気弁を第2の遅れた開放後高ダイナミックな吸気過程によって、そしてこれによって生ぜしめられた、燃焼室内の高いガス供給運動によって、減少若しくは避けられる。本発明による方法は、構成部材に付加的なコストをかけることなしに、全可変な弁制御装置を備えたエンジンにおいて実現可能である。
【0018】
本発明による方法は、吸気管噴射式(外部での混合気形成)を有するオットー型エンジンおいてだけ使用されるのではなく、内部の混合気形成(直接噴射式のオットー型エンジン、ディーゼルエンジン)にも使用することができる。
【0019】
本発明の有利変化実施例は、従属請求項に記載されている。
【0020】
従属請求項によれば、時間的に互いにずらされた少なくとも2つの開放段階で少なくとも1つの吸気弁を開放させ、この場合、吸気弁の第1の開放段階を上死点の範囲で開始し、吸気弁の第2の開放段階を上死点の後で開始するようにした。排気弁は有利な形式で、弁の第1の開放段階の開始前に閉鎖されるか、又は弁オーバーラップを用いた場合には、弁の第1の開放段階の終わり前に閉鎖される。
【0021】
有利には、第1の開放段階の終わりに、吸気弁の第2の開放段階の開始を、シリンダ内で混合気のための所望の高い流入速度が調節される程度の大きい負圧がシリンダ内に形成されるように選択するようにした。
【0022】
エンジンの6サイクル運転又は8サイクル運転時に、吸気弁の第2の開放段階を、吸気弁の第1の開放段階後に少なくとも約1クランクシャフト回転だけずらすようにした。つまり、気弁の前の領域内に戻し案内された残留ガス量は、ピストンの少なくとも1回転中に気管内に残留する。この場合、ガス交換段階は2つ以上の周期に亘って延びており、互いにずらされた少なくとも2つの気弁開放段階は、互いに時間的に広い範囲に位置している。
【0023】
すべての吸気弁及び排気弁を、ストローク、側面傾斜度、開放運動曲線、開放時間に関連して個別に制御可能とすれば有利である。
【0024】
また、開放移動の開始及び終わり及び/又は、吸気弁及び排気弁のための開放運動曲線の側面傾斜度及び/又はストロークを、シリンダ内での給気交換過程の終わり後に、新鮮ガス及び残留ガスのそれぞれ所望の量が存在し、所望の形状及び強さのシリンダ給気の渦流並びに燃焼室部の流れが得られるように選定すれば、有利である。
【0025】
しかも、開放移動の開始及び終わり及び/又は、吸気弁及び排気弁のための開放運動曲線の側面傾斜度及び/又はストロークを、最適な混合気形成及び排ガス品質の基準、弁の位置及び残留ガスの再吸込み及び送り出しのための最少可能なエネルギー消費の基準、及び最少可能な燃料消費の基準に従って制御することもできる。
【0026】
図面
本発明は以下に図示の実施例を用いて具体的に説明されている。
【0027】
図1は、可変な弁制御装置を備えたオットー型内燃機関のシリンダの横断面図、
図2は、エンジンの吸−排気弁の弁ストローク運動曲線を示す図である。
【0028】
実施例の説明
図1にはオットー型エンジンのシリンダZYの横断面図が示されている。シリンダZY内では、ピストンKBが、吸気行程と圧縮行程と作業行程と排気行程とから成る例えば4サイクル運転形式に従って、公知の作業遊びを伴って移動する。図面では、クランクシャフトKWが図示されており、このクランクシャフトKWは、ピストンの昇降運動を回転運動に変換する。ピストンKBのストローク運動曲線においてピストンKBが達することのできる最も上の位置は、図1では上死点として一点鎖線OTで記されている。ピストンストロークの最も下の位置は、下死点として一点鎖線UTで記されている。シリンダZKのヘッドには、吸気通路EKと排気通路AKとが配置されている。シリンダZYには点火プラグZKが設けられていて、この点火プラグZKは、シリンダ内の燃料空気混合気を点火する。燃料は燃料噴射弁KEによって吸気通路EK内に噴射される。
【0029】
吸気通路EKはシリンダZYに対して、単数又は複数の吸気弁EVによって開放又は閉鎖せしめられる。同様に、単数又は複数の排気弁AVが設けられており、これらの排気弁AVは排気通路AKシリンダZに対して開放又は閉鎖する。図1に示した図面には、それぞれ1つの吸気弁EVと1つの排気弁AVだけが示されているが、今日では一般的に、1つのエンジンが多数の吸気弁及び排気弁を有している。簡略化のために、以下では1つの吸気弁EV及び1つの排気弁AVだけについて説明されている。
【0030】
上記オットー型エンジンは弁制御装置を有している。従って吸気弁EVと排気弁AVとがそれぞれ、エンジンバルブ調整装置EVS及びAVSを備えている。エンジンバルブ調整装置EVS及びAVSのために、補助エネルギHEが提供される。この補助エネルギは、電磁式エンジンバルブ調整装置EVS,AVSに関する限りは、電流又は電圧である。また、この補助エネルギは、エンジンバルブ調整装置EVS,AVSが液圧又は空圧をベースにして作動する場合には、例えば液圧エネルギ又は空気エネルギであってもよい。
【0031】
公知の形式でマイクロプロセッサ、プログラムメモリー、データメモリーその他を有する制御装置SGは、点火プラグZK、燃料噴射弁KE、吸気弁EV及び排気弁AVのエンジンバルブ調整装置EVS,AVSのための制御信号を提供する。制御装置SGの入力値の1つは、クランクシャフト調節のためのセンサWGによって検出されるクランク角度φKWである。一般的に、制御装置Gは、燃料噴射、点火、吸気弁EV及び排気弁AVの操作の制御に影響を及ぼす、エンジンの別の運転値BGも有している。運転値BGは、例えばエンジン回転数、運転者の希望、エンジン温度、周囲圧力、吸い込まれた空気量及びその他である。
【0032】
ガス交換(吸気弁EV、排気弁AV)のための制御値は、連続的に例えばクランクシャフトに同期して若しくはエンジンの作業遊びに関連して)制御装置SGにおいて規定され、エンジンバルブ調整装置EVS及びAVSのための制御信号に変換される。この信号によって、吸気弁EV及び排気弁AVは、所望の弁ストローク運動曲線を実施するようになる。弁ストローク運動曲線は、開閉時点によって、ストローク及び側面傾斜度を特徴付けられる。
【0033】
冒頭に述べたような、特に暖気運転中において、静粛走行性、改善された燃焼、及び未燃焼ガス内のNOx成分の減少の利点を得るために、吸気弁EV及び排気弁AVは、例えば図2に示したような、クランクシャフトφKWに関連した弁ストロークVHが得られるように、制御装置SGによって制御される。
【0034】
図2に示した実施例では、排気弁AVのための開放時点
Figure 0004510354
が下死点UTの前にあって、排気弁AVのための閉鎖時点ASは上死点OTの前にある。吸気弁EVは、第1段階で排気弁AVが閉鎖する直前に開放する。つまり吸入弁EVの開放時点
Figure 0004510354
は、第1の開放段階で排気弁AVの閉鎖時点ASの前にある。ピストンKBが上死点OTを通過する直後に、吸気弁EVは第1の開放段階で再び閉鎖せしめられる。つまり閉鎖時点ES1は、上死点OTの後ろにある。またこれに対して選択的に、排気弁AVの閉鎖時点ASが気弁EVの第1の開放段階の開放時点
Figure 0004510354
の前にくるようにしてもよい。
【0035】
同様に、内部の残留ガス戻し案内のために大きい弁オーバーラップが使用される場合には、閉鎖時点ASを大きく遅らせることが可能である。排気弁AV及び吸気弁EVのための前記2つの弁ストローク運動曲線の位置は、内部の残留ガスを吸気通路EK内に戻し案内するように働く。この場合、既に開放されている吸気弁EVにおいて、上死点の領域内に存在する、シリンダと吸気通路との間の圧力差によって、高温の排ガスの一部が吸気通路EK内に流れることになる。このような、噴射弁及び吸気通路の燃料膜の領域内に押し出される残留ガスは、エンジンの暖気運転段階時に最初はまず冷たい吸気管を暖めて、混合気形成を改善する。つまり吸気通路内における燃料の液状の成分が気化される。吸気弁EVがさらに開放されると、次いで、残留ガスと新鮮ガスとの混合気はシリンダ内に吸い込まれる。
【0036】
吸気弁EVの第1の開放段階における閉鎖時点ES1に対して明確に時間をずらして、開放時点
Figure 0004510354
から始まる吸気弁EVのための第2の開放段階が続いて行われる。第2の開放段階における閉鎖時点ES2は、下死点UTの後ろにある。第1の開放段階の閉鎖時点ES1と第2の開放段階の開放時点
Figure 0004510354
との間の時間中に、下死点UT方向でのピストン運動によって、吸気通路EK内の圧力に対して比較的大きい負圧がシリンダ内に形成される。
【0037】
次いで、第2の開放段階において吸気弁EVが開放されると、シリンダ内の負圧に基づいて非常に高い流入速度が生じ、この場合、最大の音速が得られる。このような吸込み過程によって、吸い込み通路EKの内壁において液状の燃料成分を気化するために利用される、吸気通路EK内に送り込まれた残留ガスが、新鮮ガスと共にシリンダZY内に達する。これによって高められた給気温度及び渦流によって、シリンダ内の燃料混合気のさらなる混合気形成が改善される。これによって、燃料消費が減少され、未燃焼ガス内の有害物質成分(特にHC)が減少される。また、残留ガスによる給気減少に基づいて燃焼温度も低下し、それによって未燃焼ガスの有害物質成分(NOx成分)も減少される。
【0038】
実際の制御値、つまり弁ストローク運動曲線の側面傾斜度、ストローク及び開閉時間が、有利な形式で少なくとも実際に要求されたエンジン出力に関連して与えられる。しかしながら制御値はその他のパラメータに関連させてもよい。このようなパラメータは、例えばセンサによって検出されるか、又はその他の形式で規定されたエンジンの状態値(例えば冷却水温度、エンジンオイル温度その他)、エンジン始動後のエンジン回転の時間及び数、センサ又はその他の形式で検出された周囲温度(例えば吸い込み空気温度)、運転者の反応若しくは負担並びに、前記パラメータ若しくはこれらのパラメータの時間的な経過に基づいて形成されるその他の値である。
【0039】
ガス交換弁のための制御値は、前記パラメータに関連して、燃料消費、排ガス温度、走行静粛性又はその他の特性等の基準に従って最適なエンジン運転が得られるように選択されなければならない。
【0040】
前記方法は、エンジンの特別な所定の条件又は運転状態(例えば暖機運転中にエンジン温度のための所定の閾値が得られるまでの)に限定して使用することもできる。この場合、そうでなければ、従来技術によって公知の、ガス交換を制御するための方法が用いられる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 可変な弁制御装置をオットー型内燃機関のシリンダの横断面図である。
【図2】 エンジンの吸−排気弁の弁ストローク運動曲線を示す図である。

Claims (10)

  1. シリンダ(ZY)のガス交換弁(EV,AV)の可変な制御装置を有する内燃機関において、各シリンダ(ZY)の少なくとも1つの排気弁(AV)の閉鎖時点を制御することによって、またピストン(KB)の上死点(OT)付近で各シリンダ(ZY)の少なくとも1つの吸気弁(EV)を開放することによって、少なくとも1つの吸気弁の前に残留ガスを一時的に送り込んでシリンダ(ZY)内で内部の残留ガス戻し案内を行う方法において、
    シリンダ(ZY)内でのガス交換中に、吸気弁(EV)の第1の開放段階(
    Figure 0004510354
    ,ES1)に対して時間的にずらして吸気弁(EV)の第2の開放段階(
    Figure 0004510354
    ,ES2)を行い、この際に前記第2の開放段階(
    Figure 0004510354
    )の開始を、前記第1の開放段階(ES1)の終わりに対して時間的に遅らせて行うようにし、前記第2の開放段階(
    Figure 0004510354
    ,ES2)を燃焼室内でのガス供給運動を高めために利用し、前記第2の開放段階(
    Figure 0004510354
    )の開始を前記ピストン(KB)の下死点(UT)の前で行い、前記第2の開放段階(ES2)の終わりを前記下死点(UT)の後ろにすることを特徴とする、内燃機関で燃料噴射制御するための方法。
  2. 時間的に互いにずらされた少なくとも2つの開放段階
    Figure 0004510354
    ,ES1,
    Figure 0004510354
    ,ES2)で少なくとも1つの吸気弁(EV)を開放させ、この場合、吸気弁の第1の開放段階を上死点(OT)の範囲で開始し、吸気弁の第2の開放段階を上死点(OT)の後で開始する、請求項1記載の方法。
  3. 各シリンダ(ZY)のすべての排気弁(AV)を、吸気弁の第1の開放段階の最後(ES1)で、しかも上死点(OT)の前に閉鎖する、請求項1記載の方法。
  4. 第1の開放段階の終わり(ES1)に、吸気弁開放の第2の開放段階の開始(
    Figure 0004510354
    )を、シリンダ(ZY)内で混合気のための所望の高い流入速度が調節される程度の大きい負圧がシリンダ(ZY)内に形成されるように選択する、請求項1記載の方法。
  5. エンジンの6サイクル運転又は8サイクル運転時に、吸気弁の第2の開放段階を、吸気弁の第1の開放段階後に少なくとも約1クランクシャフト回転だけずらす、請求項1記載の方法。
  6. すべての吸気弁(EV)及び排気弁(AV)を、ストローク、側面傾斜度、開放運動曲線、開放時間に関連して個別に制御可能とする、請求項1記載の方法。
  7. 開放段階の開始(
    Figure 0004510354
    )及び終わり(AS,ES1,ES2)及び/又は、吸気弁(EV)及び排気弁(AV)のための開放運動曲線の側面傾斜度及び/又はストロークを、シリンダ内でのガス交換過程の終わり後に、新鮮ガス及び残留ガスのそれぞれ所望の量が存在し、所望の形状及び強さのシリンダ給気の渦流並びに燃焼室部の流れが得られるように選定する、請求項1からまでのいずれか1項記載の方法。
  8. 開放段階の開始(
    Figure 0004510354
    )及び終わり(AS,ES1,ES2)及び/又は、吸気弁(EV)及び排気弁(AV)のための開放運動曲線の側面傾斜度及び/又はストロークを、最適な混合気形成及び排ガス品質の基準、弁(AV,EV)の位置及び残留ガスの再吸込み及び送り出しのための最少可能なエネルギー消費の基準、及び最少可能な燃料消費の基準に従って制御する、請求項1からまでのいずれか1項記載の方法。
  9. 第1の開放段階(
    Figure 0004510354
    ,ES1)の開始(
    Figure 0004510354
    )を上死点(OT)の前にする、請求項1から8までのいずれか1項記載の方法。
  10. 第1の開放段階(
    Figure 0004510354
    ,ES1)の終わり(ES1)を上死点(OT)の直後にする、請求項1から9までのいずれか1項記載の方法。
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