JP4801744B2 - 内燃機関の運転方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は独立請求項に記載の内燃機関の運転方法および装置に関するものである。

従来の技術
ガソリンが直接燃焼室内に噴射され、且つディーゼル内燃機関のように自己点火される内燃機関が基本的に既知である。オットー・サイクル・エンジンの自己点火運転方式から、ガソリン直接噴射および点火プラグによる外部点火を備えた内燃機関においてよりも、燃料消費におけるさらなる節約およびさらに好ましいエミッション特性が期待される。

オットー・サイクル・エンジンにおいて、均質自己点火は、燃焼された空気／燃料混合物のかなりの部分が排気管内に排出されないで、燃焼室内に残留する（いわゆる内部排気ガス再循環）ことにより達成される。この燃焼された空気／燃料混合物は以下において残留ガス（ＲＧ）と呼ばれる。内部排気ガス再循環においては、ガス交換上死点において、残留ガスが燃焼室内に保持されるか（負の弁重なり）、または残留ガスが排気弁または吸気弁から再び吸い込まれる（正の弁重なり）。

それに続く吸気行程において、残留ガスは燃焼空気および燃料と混合される。これにより、１つまたは複数の吸気弁の閉鎖時点に燃焼室内に存在する、燃焼空気および残留ガスからなるガス混合物は、通常運転に比較して明らかにより高い温度を有している。吸気行程に続く、燃焼室内に存在するガス混合物の圧縮により、その温度は、燃焼室内に存在する燃料／空気混合物が点火プラグによる外部点火によらずに自己点火されるほどに上昇する。均質自己点火運転方式の目的は、燃焼室内に存在する燃料／空気混合物の自己点火がほぼ点火上死点に到達したときに行われることである。

この場合、残留ガスは２つの重要な課題を有している。第１に、高温残留ガスは熱を提供し、この熱は、圧縮行程内における温度上昇と組み合わされて燃料／空気混合物の自己点火を可能にする。

残留ガスの第２の課題は、自己点火により開始される燃焼の動特性を遅延させ、これにより、第１に、内燃機関の機械的負荷を軽減させ、その騒音発生を低下させ、且つ局部的温度ピークの発生を回避させることにある。この結果として内燃機関の効率の改善が達成され、且つ最大温度の低下によりきわめてＮＯｘの少ない内燃機関運転が可能となり、および一部ＮＯｘフリーの内燃機関運転さえも可能となる。

このような方法が例えばドイツ特許公開第１０２３３６１２号から既知である。

自己点火のために必要な残留ガス質量は、低い負荷点／負荷要求においては、より少ない燃焼燃料質量のために排気温度が低下するので増大する。より高い負荷要求においては、排気が高温であるので、必要な残留ガス質量はより少なくてよい。負荷の関数である、シリンダ内に残留している残留ガス質量の温度は、動的運転において、低い負荷からより高い負荷への切換時に燃焼ミスファイヤを発生させ、一方、高い負荷から低い負荷への切換時には早期燃焼を発生させる。

発明の利点
独立請求項の特徴を有する本発明による方法は、従来技術に比較して、第１の負荷要求から第２の負荷要求への切換時に、はじめに、第１の負荷要求により残留ガス量が、および第２の負荷要求により燃料量が提供され、これにより燃焼ミスファイヤが回避されるという利点を有している。他の利点は、例えば他の補正特性曲線群を必要としないので、この方法はきわめて確実なことである。

さらに、第１の負荷要求から第２の負荷要求への負荷切換がその中で行われる作業サイクル内において、制御装置が第２の要求により少なくとも１つの運転変数を提供し、および制御装置が遅延要素を含み、遅延要素が、負荷切換がその中で行われる負荷切換作業サイクル内において、第１の負荷要求により残留ガス量を提供する、内燃機関を運転するための制御装置が設けられていることが同様に有利である。

従属請求項に記載の手段により、独立請求項に記載の装置および方法の有利な改良および改善が可能である。
他の有利な形態において、負荷切換作業サイクルに続く作業サイクル内において、第２の負荷要求により他の運転変数が提供されるように設計されている。これは、負荷切換をジャンプ状に行うのではなく、少なくとも２つの作業サイクルにわたり分配されて徐々に行い、これにより、例えば少ない有害物質エミッションに関して操作変数を最適化することを可能にする。しかしながら、この場合、負荷切換に直接続く作業サイクル内において、第２の運転方式により前と同様に燃料量のみが提供されるように行われていてもよい。

他の有利な実施形態は、可変操作可能なガス交換弁を備えた内燃機関において、負荷切換時に、負荷切換作業サイクル（ｋ）内において、少なくとも１つのガス交換弁が第１の負荷要求の操作変数で操作され、これにより、その量において燃焼ミスファイヤが回避可能な残留ガス量が有利に提供されるように行われている。

本発明の実施例が図面に示され且つ以下において詳細に説明される。

説明
本発明が、例として、内燃機関燃焼室に燃料が直接噴射される内燃機関により示される。しかしながら、原理的に、燃料が燃焼のために供給される他の方法もまた考えられる。特に、吸気管噴射もまた考えられる。

さらに、本方法は、例えばカム軸位相調節または電気油圧式弁操作のような可変弁操作を有する内燃機関に限定されるのみならず、排気ガス再循環が好ましくは外部から行われる、カム軸に対して固定位相を有する弁操作においてもまた使用される。

図１に内燃機関１が略図で示され、この場合、例として、１つの噴射弁を有するシリンダ１１０が示されている。シリンダ１１０内にピストン１２０が可動に配置されている。シリンダは燃焼室１００を有し、燃焼室１００は、特にピストン１２０と、いわゆる吸気弁１５０および排気弁１６０のガス交換弁とにより包囲されている。複数の吸気弁および／または排気弁１５０、１６０が設けられていてもよい。吸気弁および排気弁１５０、１６０の範囲内において、燃焼室１００内に噴射弁４０が突出し、噴射弁４０は燃焼室１００内への燃料の直接噴射を可能にする。さらに、吸気管１５５が好ましくは空気を吸気弁１５０に供給し、吸気弁１５０の開放により空気が燃焼室１００内に到達する。排気弁１６０の開放により、好ましくは排気ガスが排気管１６５内に排出される。代替態様として、吸気管噴射においては、吸気管に噴射弁が設けられていてもよい。

噴射弁４０並びに吸気弁および排気弁１５０、１６０は制御ラインを介して制御装置２００と接続されている。制御ラインを介して、内燃機関の構成要素は、そのときの運転方式のために制御装置から適切に操作される。トルク切換ないしは新たな負荷要求は、例えばドライバにより加速ペダル位置を介して信号されても、または運転条件に応じて例えば他の装置の投入により開始されてもよい。このような負荷要求の測定が図１において測定手段３００として示されている。負荷要求から出発して、制御装置は新たな操作変数ないしは運転変数を提供する。本発明により、制御装置２００内に遅延手段２５０が設けられ、遅延手段２５０は、新たな操作変数の少なくとも一部に対してその提供を遅延させるので、制御装置は、特に噴射弁４０およびガス交換弁１５０、１６０のような内燃機関の構成要素を、一部は新しい変数で、残りの部分は前の変数で操作する。

図２に、例として、制御自己点火における内燃機関の均質燃焼運転のときの燃焼室圧力ｐ_Ｂ（実線）およびガス交換弁の弁リフトｈ（破線）のクランク軸角度に対する線図が示されている。横座標にクランク軸角度が−１００°から８００°まで示され、縦座標に燃焼室圧力および弁リフトが目盛られている。０°および７２０°において点火上死点ＺＯＴが、および３６０°においてチャージ交換内上死点ＬＯＴが存在する。チャージ交換は、既知のように、好ましくは１８０°− ３６０°の間のクランク軸角度における燃焼排気ガスの排出、および好ましくは３６０°− ５４０°の範囲内におけるフレッシュ・エア（または場合により吸気管噴射における燃料／空気混合物）の吸込みによって行われる。その後に、５４０°− ７２０°のクランク軸角度範囲内の圧縮行程が続き、この間に、フレッシュ・エア、燃料および場合により存在する残留ガスが圧縮される。直接噴射を有するオットー・サイクル・エンジンにおいては、燃料は、運転方式に応じて、例えば吸気行程内において噴射され、および／または圧縮行程内においてもまた噴射され、且つ点火上死点の付近において点火プラグにより点火される。

代替態様として、外部排気ガス再循環を用いて残留ガスが燃焼室に供給されてもよい。外部排気ガス再循環においては、残留ガスは、典型的には再循環配管を介して排気側から吸気側に制御して供給される。再循環の他の可能性もまた考えられる。

制御自己点火における内燃機関ここでは特にオットー・サイクル・エンジンの運転において、燃料は、点火プラグを用いてではなく、燃焼室内において圧縮されたガスの温度上昇により点火される。さらに、本発明はこのような内燃機関により説明されるが、その使用はこのような内燃機関に限定されない。特に、本発明による方法を、点火装置の有無にかかわらず、他の内燃機関により実行すること、特にディーゼル内燃機関および吸気管噴射を有する内燃機関において実行することもまた考えられる。

均質な空気／燃料混合物を提供するために、図２に示されているように、燃料はガス交換上死点後の範囲内において噴射される。図示の例においてはこれは約３８０°である。次に、吸気弁が約４５０°− ５８０°において開放され、これにより、フレッシュ・エアが燃焼室内に流入可能である。ピストンおよび流入フレッシュ・エアの運動により、噴射された燃料はほぼ均質に燃焼室内に分配される。空気／燃料混合物の圧縮の間に、ガス混合物の温度は、混合物が自己点火するほどに著しく上昇される。

自己点火が行われる時期ないしはクランク軸角度は、主として、吸込フレッシュ・エア量および燃焼室内に保持された残留ガス量または再循環された残留ガス量によって設定され、並びに噴射開始および噴射期間によっても設定される。これらの変数および場合によりその他の変数を設定するためのパラメータは、典型的には、例えば負荷要求またはトルク要求の関数として、特性曲線群内または予制御特性曲線群内にも記憶されている。

自己点火のために必要な残留ガス質量は、低い負荷点／負荷要求においては、より少ない燃焼燃料質量のために排気温度が低下するので増大する。より高い負荷要求においては、排気が高温であるので、必要な残留ガス質量はより少なくてよい。負荷の関数である、シリンダ内に残留している残留ガス質量の温度は、動的運転において、低い負荷からより高い負荷への切換時に燃焼ミスファイヤを発生させ、一方、高い負荷から低い負荷への切換時には早期燃焼を発生させる。

従来から既知の方法は、負荷ジャンプないしは負荷切換における残留ガス質量の適合が徐々に行われることから出発している。このために、負荷ジャンプにおいては、弁操作時間、噴射量および噴射時期のような全ての操作変数が急激に切り換えられる。きわめて高温ないしはきわめて低温の残留ガスの影響が噴射時期または弁操作時間の適合によって阻止されることにより、ミスファイヤは回避される。このために、負荷切換時にミスファイヤを回避させるためのパラメータが補正特性曲線群内に記憶される。

ここに記載の方法は、一般に負荷ジャンプの高さの関数でもあるこのような補正特性曲線群を必要としない。
本発明により、例えばガス交換弁の開放期間および閉鎖期間または噴射期間のような選択された操作変数を１サイクルだけ遅延して切り換える遅延要素が設けられていることが好ましい。

図２には、さらに、第１および第２の作業サイクルｋ−１、ｋが示され、この場合、両方の作業サイクルの分離は約６０°のクランク軸角度において任意に行われているが、それぞれのエンジン制御装置に対して個々に決定されてもよいことは明らかである。この例においては、内燃機関は第１の作業サイクルｋ−１内において負荷点Ａにおける自己点火範囲内に存在し、ないしは負荷要求Ａが存在する。いわゆる負荷切換作業サイクルｋである作業サイクルｋ内においては、ここで、負荷点Ｂへのジャンプが行われるべきであり、即ち負荷切換作業サイクルｋ内において、このとき負荷（出力）Ｂが既に出力されるべきである。特性曲線群内に、定常運転のために負荷点ＡおよびＢ内において必要とされる操作変数が存在する。

第１の作業サイクルｋ−１に対しては、特性曲線群または予制御特性曲線群から負荷点Ａの操作変数が使用される。それに続く負荷切換作業サイクルｋに対しては、特性曲線群または予制御特性曲線群から負荷点Ａに関する操作変数が継続して使用されるが、負荷点Ｂに関して燃料質量が供給されてもよい。

しかしながら、要求に応じてそれぞれ、負荷切換作業サイクルｋ内において、負荷点Ｂに関する他のパラメータないしは操作変数が供給されてもよい。特に、新たな負荷点Ｂに関して噴射時期が使用されるように行われてもよい。しかしながら、本発明により、負荷切換作業サイクルｋ内において、少なくとも残留ガス量がなお前の負荷点Ａに従って十分に設定されるべきであり、これにより、圧縮行程における自己点火のために十分な熱量および残留ガス量が供給され且つ燃焼ミスファイヤは確実に回避可能である。

残留ガス量は、内部排気ガス再循環において、好ましくは目的に適った排気弁の操作により提供される。本発明による負荷切換においては、前の負荷要求に従って残留ガス量を提供するために、それに対応して排気弁が操作され、これにより、燃焼室内に回避できない圧力変動および温度変動が発生するまでは、弁の同じままの操作に対して、本質的に常に同じ残留ガス量が供給可能である。

外部排気ガス再循環においては、それに対応して、再循環弁が操作されることになる。

図１は内燃機関の略構成図を示す。 図２は燃焼室圧力経過および弁リフト経過を表わす線図を示す。

符号の説明

１ 内燃機関
４０ 噴射弁
１００ 燃焼室
１１０ シリンダ
１２０ ピストン
１５０ 吸気弁
１５５ 吸気管
１６０ 排気弁
１６５ 排気管
２００ 制御装置
２５０ 遅延手段
３００ 測定手段
ｈ 弁リフト
ｋ−１、ｋ 作業サイクル
ｐ_Ｂ 燃焼室圧力
ψ クランク軸角度

Claims (5)

1. 負荷要求の関数として、フレッシュ・エア量、残留ガス量および燃料量を含む運転変数が提供される、内燃機関の運転方法において、
   前記残留ガス量は、低負荷要求に応じて増大し高負荷要求に応じて減少するように、制御装置によって制御され、
   前記低負荷要求及び前記高負荷要求のうち一方である第１の負荷要求から、前記低負荷要求及び前記高負荷要求のうち他方である第２の負荷要求への負荷切換時に、はじめに、
   前記制御装置に含まれる遅延手段によって前記第１の負荷要求に応じて残留ガス量が提供され、前記第２の負荷要求に応じて燃料量が提供されることを特徴とする内燃機関の運転方法。
2. 負荷切換作業サイクル（ｋ）に続く作業サイクル内において、前記第２の負荷要求に応じて、残留ガス量及び燃料量を除く他の運転変数が提供される請求項１の方法。
3. 内燃機関のガス交換弁が可変操作され、この場合、負荷要求の関数として、少なくとも１つの排気弁の選択的な操作により燃焼室内に残留ガス量が保持され、および
   負荷切換時に、負荷切換作業サイクル（ｋ）内において、第１の負荷要求に応じて少なくとも１つの排気弁の操作が行われる請求項１または２の方法。
4. 第１の負荷要求から第２の負荷要求への負荷切換がその中で行われる負荷切換作業サイクル（ｋ）内において、制御装置が第２の負荷要求に応じて少なくとも燃料量を提供する、請求項１ないし３のいずれかの方法により内燃機関を運転するための制御装置において、
   前記制御装置が前記遅延手段を含み、前記遅延手段が、負荷切換がその中で行われる負荷切換作業サイクル（ｋ）内において、前記第１の負荷要求に応じて残留ガス量を提供することを特徴とする制御装置。
5. 内燃機関のガス再循環弁が操作され、この場合、負荷要求の関数として、少なくとも前記ガス再循環弁の選択的な操作により燃焼室内に残留ガス量が保持され、および
   負荷切換時に、負荷切換作業サイクル（ｋ）内において、第１の負荷要求に応じて前記ガス再循環弁の操作が行われることをさらに備える請求項１または２の方法。

Images