JP4563634B2 - 内燃機関の運転方法 - Google Patents

Description

【０００１】
従来の技術
本発明は、空気が絞り装置を介して特に絞り弁を介して燃焼室内に吸い込まれ、第１の運転方式においては吸気行程の間に、または第２の運転方式においては圧縮行程の間に、燃料が直接燃焼室内に噴射され且つ点火され、および空気／燃料混合物がタンク通気を介して燃焼室内に吸い込まれる、特に自動車の内燃機関の運転方法に関するものである。同様に、本発明は、特に自動車の内燃機関用制御装置並びに特に自動車用内燃機関に関するものである。
【０００２】
このような方法、このような制御装置およびこのような内燃機関は、例えばいわゆるガソリン直接噴射において既知である。ここでは、燃料は、均質燃焼運転においては吸気行程の間に、または成層燃焼運転においては圧縮行程の間に、内燃機関の燃焼室内に噴射される。均質燃焼運転は特に内燃機関の全負荷運転に対して行われ、一方、成層燃焼運転はアイドル運転および部分負荷運転に適している。このような直接噴射内燃機関においては、例えば要求トルクの関数として前記運転方式間で切換が行われる。
【０００３】
均質燃焼運転において、タンク通気を介して空気／燃料混合物を燃焼室に供給することができる。絞り弁を介して吸い込まれた空気および吸気行程の間に燃焼室内に直接噴射された燃料質量は点火に至るまで均質に旋回されるので、全体として燃焼室内に均質混合物が発生する。したがって、燃焼室内の空気／燃料混合物のλ（ラムダ）は、λ制御により目標値に操作および／または制御することができる。
【０００４】
このように、均質燃焼運転において、このようなタンク通気を介して、燃料が蓄積された活性炭フィルタを再生することができる。これによりタンク通気を介して、燃料タンク内で蒸発された燃料を使用することができる。しかしながら、このような再生は比較的長い時間を必要とする。この結果、内燃機関は、燃料を節約する成層燃焼運転においては、きわめて短い時間しか運転することができないことになる。
【０００５】
成層燃焼運転においては、絞り弁およびタンク通気を介して追加して吸い込まれた空気／燃料混合物がその少ない燃料成分のために点火されず、これにより未燃燃料が大気中に放出されるという危険性が存在する。
【０００６】
未燃燃料の大気中への放出を同時にできるだけ少なくし、しかもできるだけ少ない燃料消費量がそれにより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。
【０００７】
この課題は、冒頭記載のタイプの方法において、本発明により、第２の運転方式において、絞り弁を介して、およびタンク通気を介して、リーンな空気／燃料混合物が燃焼室内に吸い込まれることと、および追加して燃焼室内に噴射且つ点火された燃料によって、前記リーンな空気／燃料混合物が点火されることとにより解決される。それぞれ冒頭記載のタイプの制御装置および内燃機関において、この課題はそれに対応して解決される。
【０００８】
成層燃焼運転において追加して噴射且つ点火された燃料により、いわゆるトーチ点火が発生する。これは、絞り弁を介しておよびタンク通気弁を介して吸い込まれたリーンな空気／燃料混合物を点火する。
【０００９】
この場合、絞り弁およびタンク通気を介して吸い込まれた空気／燃料混合物はできるだけリーンであるべきである。点火火花による引火性は必要ではない。しかしながら、同時に、トーチにより点火されているときに燃焼を継続する程度に、空気／燃料混合物はリッチでなければならない。このために、絞り弁およびタンク通気弁はそれに対応して調節される。
【００１０】
活性炭フィルタの蓄積度は、短時間の試験通気により、並びに排気ガスのλへのその影響により決定される。この場合、排気ガスのλは均質燃焼運転において最も正確に決定可能であるので、試験通気はできるだけ均質燃焼運転において行われるべきである。
【００１１】
内燃機関の効率の観点から、絞りはできるだけ小さく調節される。
燃料の必要量を供給可能にするために、場合によりタンク通気弁および活性炭フィルタは通常よりも大きい寸法にしなければならない。同じ理由から、通気は活性炭フィルタのある蓄積レベル以降においてはじめて有効である。
【００１２】
したがって、要約すると、均質燃焼運転においてのみでなく、成層燃焼運転においても、タンク通気が使用される可能性が提供される。この場合、タンク通気を介して供給された空気／燃料混合物の完全燃焼が、追加して直接噴射且つ点火される分量の燃料により保証される。これにより、大気を汚染する未燃燃料が発生することはない。
【００１３】
同時に、成層燃焼運転における内燃機関の効率を、タンク通気を介して追加供給された空気／燃料混合物により改善することができる。タンク通気を介して追加として吸い込まれた空気／燃料混合物に基づき、より大きいトルクを発生するために成層燃焼運転を使用することができる。したがって、燃料消費がより大きくなる均質燃焼運転への切換はきわめて稀に行われるだけでよいことになる。
【００１４】
同様に、成層燃焼運転においても行われるタンク通気の運転により、タンク通気全体の能率がさらによくなり且つさらに従来よりもより多くの蒸発燃料を燃焼に供給可能であることが達成される。これは、発生有害物質の低減と同時に燃料をさらに節約できることを示している。
【００１５】
本発明による成層燃焼運転におけるタンク通気の使用は、既知の均質燃焼運転におけるタンク通気の使用と組み合わせ可能であることが明らかである。
本発明の有利な実施態様においては、総噴射燃料質量が、タンク通気を介して吸い込まれたリーンな空気／燃料混合物内に含まれている燃料の質量および追加噴射燃料質量から構成される。
【００１６】
追加噴射燃料質量が、総噴射燃料質量と、およびタンク通気を介して吸い込まれたリーンな空気／燃料混合物内に含まれている燃料の質量との関数として決定されるとき、それは特に有利である。
【００１７】
これにより、内燃機関により発生されるトルクを、制御装置により、希望トルクに正確に操作および／または制御可能であることが保証される。この場合、制御装置は、一方で空気／燃料混合物から発生されるトルクを、他方で直接噴射燃料質量から発生されるトルクを考慮する。
【００１８】
本発明の有利な変更態様においては、リーンな空気／燃料混合物だけで点火が可能なとき、追加燃料は噴射されない。これは、タンク通気を介してのみ達成される内燃機関の均質リーン燃焼運転を示す。
【００１９】
この場合、内燃機関の効率は確かに成層燃焼運転においてよりも悪くなるが、均質リーン燃焼運転において、効率の点でさらに悪いλ＝１の運転に切り換えることなく、活性炭フィルタを再生可能である。例えば負荷が低く且つ外気温度が高いときに長時間走行し且つ活性炭フィルタをオーバーフローさせるおそれがあるとき、この場合には、成層燃焼運転において、このとき追加として発生されるトルクのために、絞りなしにはタンク通気は可能ではないので、これは特に有利である。
【００２０】
他の可能性は、トーチ点火を有する成層燃焼運転において、絞り弁およびタンク通気弁を部分的にのみ開き、したがって絞られた運転に移行しないことにある。
【００２１】
しかしながら、上記の両方の可能性は絞られない成層燃焼運転よりも効率が悪くなるので、これらは上記の例外状態においてのみ使用されるべきである。
この場合、発生トルクの調節のために、タンク通気および／または絞り弁が絞られるとき、それは特に有利である。これにより、内燃機関により発生されるトルクの上昇がドライバにより希望されたトルク以上になることが防止される。
【００２２】
活性炭フィルタを急速に再生する他の可能性は、均質燃焼運転において、ＮＯｘ貯蔵触媒の浄化過程の間に得られる。この浄化過程の間は、λ＝１で走行されるべきである。このとき、タンク通気の燃料によりリッチ化を行うことができる。この場合、追加として噴射弁を介して発生された空気／燃料混合物はリーンであってもよい。
【００２３】
本発明による方法の実行が、特に自動車の内燃機関の制御装置に対して設けられている制御要素の形で行われることが特に重要である。この場合、計算装置上特にマイクロ・プロセッサ上で実行可能であり且つ本発明による方法を実行するために適したプログラムが制御要素上に記憶されている。即ち、この場合には、本発明は制御要素上に記憶されているプログラムにより実行されるので、プログラムが設けられているこの制御要素は、プログラムがその実行に適している本方法と同様に本発明を示している。制御要素として、特に電気式記憶要素例えばリード・オンリー・メモリまたはフラッシュ・メモリが使用されてもよい。
【００２４】
本発明のその他の特徴、適用可能性および利点が、図に示されている本発明の実施態様に関する以下の説明から明らかである。この場合、記載または図示されているすべての特徴は、それ自身または任意の組み合わせで本発明の対象を形成し、このとき、特許請求の範囲内のそれらの要約またはそれらの引用並びに明細書ないし図面におけるそれらの形式ないし図示とは無関係である。
【００２５】
図１に自動車の内燃機関１が示され、内燃機関１において、ピストン２がシリンダ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は、特にピストン２、少なくとも１つの吸気弁５および少なくとも１つの排気弁６により囲まれている。吸気管７が吸気弁５と結合され、および排気管８が排気弁６と結合されている。
【００２６】
吸気弁５および排気弁６の範囲内で、噴射弁９および点火プラグ１０が燃焼室４内に突出している。噴射弁９を介して燃料を燃焼室４内に噴射可能である。点火プラグ１０により燃焼室４内の燃料を点火可能である。
【００２７】
吸気管７内に旋回可能な絞り弁１１が設けられ、絞り弁１１を介して吸気管７に空気を供給可能である。供給空気量は絞り弁１１の角度位置の関数である。排気管８内に触媒１２が設けられ、触媒１２は燃料の燃焼により発生した排気ガスの浄化を行う。
【００２８】
燃焼室４内の燃料の燃焼によりピストン２に往復運動が与えられ、この往復運動は図示されていないクランク軸に伝達され且つクランク軸にトルクを与える。排ガス循環配管１３が排気管８と吸気管７とを結合している。排ガス循環配管１３内に排ガス循環弁１４が設けられている。このように全体で排ガス循環が形成される。排ガス循環は存在してもよいが、必ずしも存在する必要はない。
【００２９】
活性炭フィルタ１５はタンク通気配管１６を介して吸気管７と結合されている。タンク通気配管１６内にタンク通気弁１７が設けられている。活性炭フィルタ１５は燃料タンクに付属されている。燃料タンクから蒸発された燃料は活性炭フィルタ１５内に捕獲され且つ中間貯蔵される。タンク通気弁１７が開かれたとき、中間貯蔵された燃料はタンク通気配管１６を介して吸気管７内に吸い込まれる。このように全体でタンク通気が形成されている。
【００３０】
制御装置１８に、センサにより測定された内燃機関１の運転変数を示す入力信号１９が供給される。例えば、制御装置１８は、空気質量流量センサ、λセンサ、回転速度センサ等と結合されている。さらに、制御装置１８は加速ペダル・センサと結合され、加速ペダル・センサは、ドライバにより操作される加速ペダルの位置したがって要求トルクを与える信号を発生する。制御装置１８は、アクチュエータないし調節装置を介して内燃機関１の特性をそれにより調節可能な出力信号２０を発生する。例えば、制御装置１８は、噴射弁９、点火プラグ１０、絞り弁１１およびタンク通気弁１７等と結合され且つこれらを操作するために必要な信号を発生する。
【００３１】
特に、制御装置１８は、内燃機関１の運転変数を操作および／または制御するように設計されている。例えば、噴射弁９により燃焼室４内に噴射される燃料質量は、制御装置１８により特に少ない燃料消費量および／または少ない有害物質発生を考慮して操作および／または制御される。このために、制御装置１８にマイクロ・プロセッサが設けられ、マイクロ・プロセッサは、記憶媒体特にフラッシュ・メモリ内に、上記の操作および／または制御を実行するために適したプログラムを記憶している。
【００３２】
内燃機関１の第１の運転方式いわゆる均質燃焼運転においては、絞り弁１１は希望トルクの関数として部分開閉される。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９により燃焼室４内に噴射される。噴射された燃料は、同時に絞り弁１１を介して吸い込まれた空気により旋回され、これにより燃焼室４内にほぼ均等に分配される。その後に、燃料／空気混合物は圧縮行程の間に圧縮され、次に点火プラグ１０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が駆動される。発生トルクは、均質燃焼運転においては特に絞り弁１１の位置の関数である。有害物質の発生を少なくする観点から、燃料／空気混合物はできるだけ１に等しいλに調節される。
【００３３】
この第１の運転方式において、タンク通気弁１７を開き、これにより直接噴射される燃料質量に追加して空気／燃料混合物を活性炭フィルタ１５から燃焼室４内に吸い込むことが可能である。吸い込まれた空気／燃料混合物内に含まれている燃料質量は、λセンサにより測定されたλの変化を介して制御装置１８により決定され、したがって直接噴射される燃料質量の決定において考慮される。
【００３４】
内燃機関１の第２の運転方式いわゆる成層燃焼運転においては、絞り弁１１は大きく開かれる。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９により燃焼室４内に噴射され、しかも位置的には点火プラグ１０の直接周辺に、並びに時間的には点火時期前の適切な間隔を設けた時点に噴射される。次に、点火プラグ１０により燃料は点火され、これによりピストン２は、ここで次の作業行程において、点火された燃料の膨張により駆動される。成層燃焼運転においては、発生トルクはほぼ噴射された燃料質量の関数である。本質的に、成層燃焼運転は内燃機関１のアイドル運転および部分負荷運転用に設計されている。
【００３５】
好ましくは第１の運転方式において、場合により第２の運転方式においても、活性炭フィルタ１５の蓄積状態が常に反復検査される。このために、タンク通気弁１７が短時間開かれ且つこれから形成されたλの変化がλセンサにより測定される。これから、制御装置１８により、活性炭フィルタ１５から空気／燃料混合物として吸込み可能な燃料の質量が決定される。
【００３６】
活性炭フィルタ１５が設定可能な蓄積状態を超えた場合、タンク通気弁１７が開かれる。同時に絞り弁１１が操作され、これにより、タンク通気弁１７と絞り弁１１との両方を介して、リーンな空気／燃料混合物が燃焼室４内に吸い込まれる。このリーンな空気／燃料混合物は、燃焼室４内でさらに均等に、したがって均質に分配される。その後に燃焼室４内に存在する空気／燃料混合物が、点火火花だけでは点火可能ではないほどにリーンであってもよい。
【００３７】
このとき、噴射弁９を介して追加燃料質量が燃焼室４内に直接噴射される。この燃料質量はできるだけ小さく選択される。この燃料質量は、タンク通気弁１７を介して吸い込まれた空気／燃料混合物内に含まれている燃料質量の関数であり、および制御装置１８により決定された、希望のトルクを発生するために必要な総噴射燃料質量ないし総供給燃料質量の関数である。
【００３８】
噴射弁９を介して追加して直接噴射された燃料質量は点火プラグ１０により点火される。いわゆるトーチ点火が発生する。次に、このトーチ点火により、活性炭フィルタ１５から燃焼室４内に吸い込まれたリーンな空気／燃料混合物が同様に点火される。
【００３９】
したがって、内燃機関１により発生されたトルクは、タンク通気を介して活性炭フィルタ１５から吸い込まれたリーンな空気／燃料混合物から得られたトルクと、並びに燃焼室４内に追加として直接噴射された燃料質量から得られたトルクとから合成される。したがって、内燃機関１の上記の運転方法は、内燃機関１が、リーンな空気／燃料混合物から得られるトルクより大きいトルクを必要とするときにはじめて使用される。
【００４０】
内燃機関１の以下に記載の運転方式は、効率の観点からは上記の運転方式より不利である。したがって、以下の運転方式は、内燃機関１に要求される負荷がきわめて低いために、および活性炭フィルタ１５が満タンになったために、上記の運転方式が実行可能ではないときにのみ行われる。
【００４１】
内燃機関１が例えばきわめて長い時間にわたりきわめて低い負荷で運転される場合、および活性炭フィルタ１５が例えば比較的長い時間の使用後に比較的高温においてオーバーフローするおそれがある場合、タンク通気弁１７の対応位置により、タンク通気と絞り弁１１を介して供給される空気とを用いるだけで、燃焼室４内に均質且つリーンな空気／燃料混合物を形成することができる。場合により、このとき、活性炭フィルタ１５から燃焼室４内に吸い込まれたこのリーンな空気／燃料混合物は、追加として直接噴射された燃料質量を用いることなく点火可能なことがある。この場合には、燃料質量は追加として噴射されず且つ空気／燃料混合物は直接点火プラグ１０により点火される。これは内燃機関１の均質リーン燃焼運転を示し、この均質リーン燃焼運転はタンク通気のみにより実行される。
【００４２】
内燃機関１の上記の運転方式において、要求トルクより大きいトルクが発生した場合、タンク通気弁１７および／または絞り弁１１をそれに対応して絞ることにより、発生トルクを希望の値に低減させることができる。これはトーチ点火を用いた絞り成層燃焼運転を示す。したがって、希望しない過剰トルクの発生を確実に回避することができる。
【００４３】
成層燃焼運転における上記のタンク通気の使用は、同様に記載の均質燃焼運転におけるタンク通気の使用と組み合わされてもよい。
均質燃焼運転において、ＮＯｘ貯蔵触媒の浄化過程の間においても、タンク通気の使用が可能である。この場合、均質燃焼運転の間に、追加タンク通気により、ＮＯｘ貯蔵触媒のいわゆる浄化を支援する空気／燃料混合物のリッチ化が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は本発明による内燃機関の一実施態様の略示図を示す。

Claims (7)

1. 空気が、絞り弁（１１）を介して燃焼室（４）内に吸い込まれ、
   リーンな空気／燃料混合物が、タンク通気（１５、１６、１７）を介して燃焼室（４）内に吸い込まれ、
   第１の運転方式においては吸気行程の間に、または第２の運転方式においては圧縮行程の間に、追加噴射燃料が、噴射弁（９）により直接燃焼室（４）内に噴射され且つ点火プラグ（１０）により点火される、自動車の内燃機関（１）の運転方法において、
   タンク通気のタンク通気弁（１７）を短時間開くことによって、タンク通気（１５、１６、１７）から吸い込み可能な前記リーンな空気／燃料混合物内に含まれている燃料の質量が、予め決定され、
   前記圧縮行程の間に噴射される前記追加噴射燃料の質量が、総噴射燃料の質量と、絞り弁（１１）を介しておよびタンク通気（１５、１６、１７）を介して吸い込まれた前記リーンな空気／燃料混合物内に含まれている燃料の質量との関数として決定され、
   第２の運転方式において、絞り弁（１１）を介して、およびタンク通気（１５、１６、１７）を介して、前記リーンな空気／燃料混合物が燃焼室（４）内に吸い込まれ、および
   追加して燃焼室（４）内に噴射且つ点火された前記追加噴射燃料によって、前記リーンな空気／燃料混合物が点火される、
   ことを特徴とする自動車の内燃機関の運転方法。
2. 請求項１に記載の方法において、
   総噴射燃料質量が、絞り弁（１１）を介しておよびタンク通気（１５、１６、１７）を介して吸い込まれた前記リーンな空気／燃料混合物内に含まれている燃料の質量と、前記圧縮行程の間に噴射される前記追加噴射燃料の質量とから構成されていることを特徴とする方法。
3. 請求項１又は２のいずれかに記載の方法において、
   前記リーンな空気／燃料混合物だけで点火が可能なとき、前記圧縮行程の間に前記追加噴射燃料が噴射されないことを特徴とする方法。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の方法において、
   発生トルクの調節のために、タンク通気（１７）および／または絞り弁（１１）が絞られることを特徴とする方法。
5. 計算装置上で実行可能であり且つ請求項１ないし４のいずれか１項に記載の方法を実行するために適したプログラムが記憶されている、自動車の内燃機関（１）の制御装置（１８）用の制御要素。
6. 内燃機関（１）が燃焼室（４）を有し、絞り弁（１１）を介して空気を燃焼室（４）内に吸込み可能であり、
   タンク通気（１５、１６、１７）を介してリーンな空気／燃料混合物を燃焼室（４）内に吸込み可能であり、
   第１の運転方式においては吸気行程の間に、または第２の運転方式においては圧縮行程の間に、追加噴射燃料を噴射弁（９）により直接燃焼室（４）内に噴射可能且つ点火プラグ（１０）により点火可能である、自動車の内燃機関（１）用の制御装置（１８）において、
   制御装置（１８）により、タンク通気のタンク通気弁（１７）を短時間開くことによって、タンク通気（１５、１６、１７）から吸い込み可能な前記リーン空気／燃料混合物内に含まれている燃料の質量が、予め決定され、
   制御装置（１８）により、前記圧縮行程の間に噴射される前記追加噴射燃料の質量が、総噴射燃料の質量と、絞り弁（１１）を介しておよびタンク通気（１５、１６、１７）を介して吸い込まれた前記リーンな空気／燃料混合物内に含まれている燃料の質量との関数として決定され、
   制御装置（１８）により、第２の運転方式において、絞り弁（１１）を介して、およびタンク通気（１５、１６、１７）を介して、前記リーンな空気／燃料混合物が燃焼室（４）内に吸い込まれ、および
   制御装置（１８）により、追加して燃焼室（４）内に噴射且つ点火された前記追加噴射燃料によって、前記リーンな空気／燃料混合物が点火される、
   ことを特徴とする自動車の内燃機関用の制御装置。
7. 燃焼室（４）と、制御装置（１８）とを備えた、自動車用の内燃機関（１）であって、
   絞り弁（１１）を介して空気を前記燃焼室（４）内に吸込み可能であり、
   タンク通気（１５、１６、１７）を介してリーンな空気／燃料混合物を前記燃焼室（４）内に吸込み可能であり、
   第１の運転方式においては吸気行程の間に、または第２の運転方式においては圧縮行程の間に、追加噴射燃料を噴射弁（９）により直接前記燃焼室（４）内に噴射可能且つ点火プラグ（１０）により点火可能である、自動車用の内燃機関（１）において、
   制御装置（１８）により、タンク通気のタンク通気弁（１７）を短時間開くことによって、タンク通気（１５、１６、１７）から吸い込み可能な前記リーンな空気／燃料混合物内に含まれている燃料の質量が、予め決定され、
   制御装置（１８）により、前記圧縮行程の間に噴射される追加噴射燃料の質量が、総噴射燃料の質量と、絞り弁（１１）を介しておよびタンク通気（１５、１６、１７）を介して吸い込まれた前記リーンな空気／燃料混合物内に含まれている燃料の質量との関数として決定され、
   制御装置（１８）により、第２の運転方式において、絞り弁（１１）を介して、およびタンク通気（１５、１６、１７）を介して、前記リーンな空気／燃料混合物が燃焼室（４）内に吸い込まれ、
   制御装置（１８）により、追加して燃焼室（４）内に噴射且つ点火された前記追加噴射燃料によって、前記リーンな空気／燃料混合物が点火される、
   ことを特徴とする自動車用の内燃機関。

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