JP5258220B2 - 内燃機関、特にガソリン直接噴射および部分可変弁操作を有するオットー・サイクル・エンジンの初期運転方式から目的運転方式への移行の方法並びに制御装置およびコンピュータ・プログラム - Google Patents

Description

本発明は、制御自己点火における、内燃機関、特にガソリン直接噴射を有するオットー・サイクル・エンジンの運転方法に関するものである。本発明は、さらに、方法を実行するための制御装置並びにコンピュータ・プログラムに関するものである。

時にはＣＡＩ（制御自動点火）、ＡＴＡＣ（能動的熱雰囲気燃焼）またはＴＳ（トヨタ総研）とも呼ばれるＨＣＣＩ（予混合圧縮着火燃焼又は均一チャージ圧縮点火）モードにおける内燃機関の運転においては、空気／燃料混合物の点火は外部点火によって行われず、制御自己点火により行われる。ＨＣＣＩ燃焼過程は、例えば、高温残留ガスの高い割合により、および／または高い圧縮により、および／または高い流入空気温度により行わせることができる。自己点火に対する前提条件は、シリンダ内における十分に高いエネルギー・レベルである。ＨＣＣＩモードで運転可能な、オットー・サイクル・エンジンのみならずディーゼル・エンジンであってもよい内燃機関が既知である（例えば米国特許第６２６０５２０号、米国特許第６３９００５４号、ドイツ特許第１９９２７４７９号および国際特許第９８／１０１７９号参照）。

ＨＣＣＩ燃焼は、通常の外部点火燃焼に比較して、低減された燃料消費量およびより少ない有害物質エミッションの利点を有している。しかしながら、燃焼過程の制御、特に混合物の自己点火制御は簡単ではない。即ち、燃焼過程を調節する、例えば燃料噴射（噴射量ないしは噴射時期および噴射期間）、内部または外部排気ガス再循環、吸気弁および排気弁（可変弁制御）、排気背圧（排気フラップ）、場合により点火アシスト、空気流入温度、燃料品質および（可変圧縮比を有する内燃機関における）圧縮比に対する操作変数の制御が必要である。

自己点火燃焼方法に関連して、自己点火の操作／制御並びにこの燃焼方法が使用可能な特性曲線群範囲が重要な役割を果たしている。さらに、低負荷範囲においては自己点火で運転可能であるが、負荷がより高くなると共に外部点火運転に切り換えられなければならないので、外部点火運転方式と自己点火運転方式との間で急速且つトルク一定に切換可能であることが必要となる。新しい均質オットー・サイクル・エンジン燃焼方法（ガソリン自己点火）は制限された特性曲線群範囲内においてのみ且つきわめて良好に定義されたシリンダ・チャージの熱力学的状態下においてのみ使用可能であり、この場合、高い排気ガス再循環、排気ガス逆吸込み、排気ガス蓄積または排気ガス留保による高温が必要となる。

したがって、内燃機関の負荷切換における燃焼ミスファイヤ、ないしは早すぎるまたは遅すぎる自己点火を回避し、または少なくともその頻度を低減させる方法、装置およびコンピュータ・プログラムを提供することが本発明の課題である。

この課題は、初期（出発）運転方式および目的運転方式が外部点火運転方式または自己点火運転方式のいずれかである、内燃機関、特にガソリン直接噴射および部分可変弁操作を有するオットー・サイクル・エンジンの初期運転方式から目的運転方式への移行の方法において、
次の方法ステップ、即ち
− 予制御過程において、初期運転方式の運転パラメータを、目的運転方式のために必要な値に適合させる方法ステップと、
− 予制御過程後に運転方式を切り換える方法ステップと、
− 切換後に運転パラメータを制御する方法ステップと、
を含む前記移行の方法により解決される。

外部点火運転方式から自己点火運転方式への移行においては、予制御過程において、少ない残留ガスが留保ないしは再循環されることにより、内燃機関の燃焼室内のガス温度が低下されるように設計されていることが好ましい。

（シリンダ内の）空気量を上昇させるために、前記移行過程の間に内燃機関の絞り弁が開放され、および この移行過程の終了時に残留ガス量が再び上昇されるように設計されていることが好ましい。

運転方式の切換と共に、弁操作制御、排気ガス再循環制御、絞り弁制御および噴射制御が使用されるように設計されていることが好ましい。
自己点火運転方式から外部点火運転方式への移行においては、予制御過程の間に、シリンダ内の残留ガス割合が減少されるように設計されていることが好ましい。

予制御過程の間において絞り弁が閉鎖されるように設計されていることが好ましい。
運転方式の切換と共に、弁操作制御、排気ガス再循環制御、絞り弁制御、点火制御および噴射制御が使用されるように設計されていることが好ましい。

前記制御がサイクルに同期しているように設計されていることが好ましい。
冒頭記載の課題は、出発運転方式および目的運転方式が外部点火運転方式または自己点火運転方式のいずれかである、ガソリン直接噴射および部分可変弁操作を有するオットー・サイクル・エンジンの初期運転方式から目的運転方式への移行の制御手段を有する制御装置において、制御装置が、予制御過程において、初期運転方式の運転パラメータを、目的運転方式のために必要な値に適合させるための手段と、予制御過程後に運転方式を切り換えるための手段と、および切換後に運転パラメータを制御するための手段とを含むことを特徴とする前記制御装置によってもまた解決される。

冒頭記載の課題は、プログラムがコンピュータ特に制御装置内において実行されるときに本発明による方法の全てのステップを実行するためのプログラム・コードを有するコンピュータ・プログラムによってもまた解決される。

急速且つトルク一定の予制御およびこのような運転方式切換の制御が有利である。本発明により、予制御とサイクルに同期した制御との組み合わせが使用される。本発明は外部点火運転と自己点火運転との間の切換およびその逆の切換を可能にする。この場合、部分可変弁操作が利用可能であることから出発される（吸気／排気位相調節および吸気／排気弁リフト切換）。

以下に本発明の実施例を添付図面により詳細に説明する。

図１により、はじめに、本発明の技術的周辺を説明する。そのほかに関しては詳細に説明されていない、一般に複数のシリンダからなる内燃機関のシリンダ１が示されている。シリンダ１は燃焼室２を含み、燃焼室２内に連接棒（コンロッド）４を有するピストン３が移動可能に配置されている。連接棒４は、図示されていないクランク軸と結合されている。燃焼室２内に、吸気弁ＥＶをもつ吸気管５が入り込んでいる。さらに、燃焼室２内に、排気弁ＡＶをもつ排気管７が入り込んでいる。吸気弁ＥＶのみならず排気弁ＡＶもまた１つまたはここに示されているように２つの調節可能なカム軸６、８を介して操作され、即ち内燃機関はいわゆる部分可変弁操作を備えている。例えばドイツ特許第１９９２９３９３号から既知のような部分可変弁操作（部分可変弁駆動）においては弁操作時間がシフト可能であり、即ち吸気弁ＥＶ及び排気弁ＡＶの開放および閉鎖はクランク軸角度に関して共に角度Δφだけ変化され、弁開放期間は通過されるクランク軸角度に関して一定のままである。このために、クランク軸とカム軸６、８との間の駆動装置内に油圧アクチュエータが配置され、油圧アクチュエータはクランク軸とカム軸６、８との間の相対位置を変化させる。例えば、吸気弁ＥＶおよび排気弁ＡＶに対してカム軸６、８が別々の場合、この調節は、吸気弁ＥＶに対しては角度Δφ_Ｅだけおよび排気弁ＡＶに対しては角度Δφ_Ａだけ、別々に行うこともまた可能である。

吸気管５を介して周囲から燃焼室２内に空気が吸い込まれる。燃焼排気ガスは、排気管７を介して再び周囲に排出される。制御弁１０を有する排気ガス再循環９は、排気管７から吸気管５への排気ガスの再循環を可能にする。このような再循環は、外部排気ガス再循環と呼ばれる。排気弁ＡＶの適切な開放時間、例えば内燃機関の吸気行程の間における排気弁ＡＶの開放により、即ちシリンダ１の吸気行程内において排気管７から燃焼室２内に排気ガスが逆流ないしは逆に吸い込まれることにより、いわゆる内部排気ガス再循環が形成可能である。

燃焼室２内に、既知のように、点火プラグ１１並びにインジェクタ（燃料噴射装置）１２が入り込んでいる。インジェクタ１２は、圧電式インジェクタまたは電気油圧式インジェクタであることが好ましい。インジェクタ１２は、高圧配管１３を介して、図示されていない内燃機関の高圧レールと結合されている。高圧配管１３は、燃料をインジェクタ１２に供給する。インジェクタ１２は、制御装置１４により電気的に操作され、それに対応して、制御装置１４により、点火プラグ１１並びに１つまたは複数の吸気弁ＥＶのカム軸６に対する位置および１つまたは複数の排気弁ＡＶのカム軸８に対する位置もまた制御される。ここで、ガス交換弁として、１つの吸気弁ＥＶおよび１つの排気弁ＡＶの代わりに、複数の吸気弁ＥＶおよび複数の排気弁ＡＶが設けられていてもよい。

例えば、ドイツ特許第１９９２９３９３号から既知のような部分可変弁操作においては、弁操作時間がシフト（オフセット）可能であり、即ち弁の開放および閉鎖はクランク軸角度に関して共に変化され、弁開放期間は通過されるクランク軸角度に関して一定のままである。

図２は、内燃機関の燃焼室２内における燃焼室圧力の、クランク軸度（°ＫＷ）で表わしたクランク軸角度に対する、線図を示す。横軸に−１８０°から５４０°までのクランク軸角度が示され、縦軸にバールで表わされた燃焼室圧力（ｐ）が目盛られている。ここで、任意に、０°によりチャージ交換内上死点Ｌ−ＯＴが選択されている。チャージ交換（ガス交換）は、既知のように、燃焼排気ガスの排出と、およびフレッシュな周囲空気ないしは燃料／空気混合物の吸込みとを行い、燃焼排気ガスの排出は、ここでは、−１８０°および０°のクランク軸角度間において行われ、およびフレッシュな周囲空気ないしは燃料／空気混合物の吸込みは、ここでは、０−１８０°のクランク軸角度範囲内において行われる。クランク軸がさらに回転し、３６０°のクランク軸角度において、点火上死点（Ｚ−ＯＴ）が到達される。１８０°および３６０°のクランク軸角度間において、圧縮行程が行われ、３６０°および５４０°のクランク軸角度間において、燃焼ガスの膨張が行われる。個々の行程は、図２において、−１８０°から０°までの排気行程ＡＵ、０°から１８０°までの吸気行程ＡＮ、１８０°から３６０°までの圧縮行程（圧縮）Ｖおよび３６０°から５４０°までの膨張行程（燃焼）Ｅで表わされている。圧縮行程Ｖ内において、空気混合物、即ち燃料／空気混合物、または燃料／空気／排気ガス混合物が圧縮され、且つこのときに加熱される。混合物は、一般に、点火上死点Ｚ−ＯＴの直前において点火される。点火は、オットー・サイクル・エンジンにおいて通常行われるように、外部点火によって行われても、または本発明による運転（操作）方式に示すように、制御自己点火によって行われてもよい。混合物の点火は、既知のように圧力を上昇させ、この圧力上昇はそれに続く膨張の作業行程Ｅ内において機械エネルギーに変換される。

図３に、吸気弁ＥＶ並びに排気弁ＡＶの開放および閉鎖が示されている。排気弁ＡＶは、四行程エンジンにおいて通常行われるように、−１８０°から０°までのクランク軸角度間の排気行程ＡＵ内において開放され、それに対応して、吸気弁ＥＶは、０°および１８０°のクランク軸角度間の吸気行程ＡＮの範囲内において開放される。図３に、それぞれ異なる弁開放方式を表わす４つのケースが示されている。図３．１に通常の弁開放方式が示され、この方式においては、排気弁ＡＶは下死点ＵＴに到達する直前に開放され且つほぼ−９０°のクランク軸角度まで開放されたままである。これにより、燃焼排気ガスの一部は、燃焼室２内に残留する。吸気弁ＥＶは、燃焼室２と吸気管５との間に圧力均衡が成立するほぼ９０°のクランク軸角度において、はじめて開放され且つほぼ下死点ＵＴに到達するまで開放されたままである。このようにして、いわゆる負の弁重なりが行われ、これにより、燃焼排気ガスの一部が燃焼室２内に残留し、且つ吸気行程ＡＮ内において燃焼室２内に吸い込まれた燃料／空気混合物を加熱するように働く。このようにして、燃焼室２内に燃料／空気／排気ガス混合物が形成される。

図３．２は吸気弁ＥＶおよび排気弁ＡＶに対する代替操作方式を示す。このケースにおいては、排気弁ＡＶは下死点ＵＴと上死点ＯＴとの間で開放されたままであり、それに対応して、吸気弁ＥＶは上死点ＵＴと下死点ＯＴとの間で開放されたままである。上死点ＵＴの範囲内において、きわめて短時間の弁重なり（バルブオーバーラップ）が行われる。吸気弁ＥＶの開放の間に、ほぼ９０°のクランク軸角度から下死点ＵＴに到達する直前までの範囲内において、さらに排気弁ＡＶが開放される。これにより、この範囲内においては、吸気弁ＥＶのみならず排気弁ＡＶもまた開放されているので、排出された排気ガスの一部が排気弁ＡＶを介して再び燃焼室２内に戻される。

図３．３に他の弁制御方式が示され、この方式においては、排気弁ＡＶは、下死点ＵＴから上死点ＯＴを経由して、ほぼ１８０°のクランク軸角度における下死点ＵＴ付近にいたるまでの間、開放されたままである。さらに、吸気弁ＥＶは、ほぼ９０°のクランク軸角度と１８０°のクランク軸角度における下死点ＵＴとの間、開放される。これにより、−１８０°のクランク軸角度における下死点ＵＴと、０°のクランク軸角度における上死点ＵＴへの到達との間、燃焼排気ガスは燃焼室２から排出され、次に、０°のクランク軸角度と、ここではほぼ１２０°のクランク軸角度における排気弁ＡＶの閉鎖との間で、再び排気装置（排気管７）から燃焼室２内に燃焼排気ガスが吸い込まれる。吸気弁ＥＶは、ここでは、ほぼ９０°のクランク軸角度と、１８０°のクランク軸角度における下死点ＵＴへの到達との間、開放されているので、この時間内にフレッシュ・エアを吸い込むことが可能である。この場合もまた弁重なり（バルブオーバーラップ）が発生し、このケースにおいては、ほぼ９０°のクランク軸角度と１２０°のクランク軸角度との間で発生する。

図３．４は弁制御方式の他の変更態様を示し、この方式においては、排気弁ＡＶは、−１８０°のクランク軸角度における下死点ＵＴと、０°のクランク軸角度における上死点ＯＴとの間で開放され、吸気弁ＥＶは−６０°のクランク軸角度から０°のクランク軸角度における上死点ＯＴを経由して、１８０°のクランク軸角度における下死点ＵＴにいたるまでの間、開放されている。即ち、ここでは、ほぼ−６０°のクランク軸角度と０°のクランク軸角度における上死点ＯＴへの到達との間で、弁重なりが発生する。これにより、排気ガスの一部が吸気管５内に圧入され、および０°のクランク軸角度における上死点ＯＴと、１８０°のクランク軸角度における下死点ＵＴとの間の吸気弁ＥＶの開放時間の間に、排気ガスの一部が再び燃焼室２内に戻される。

図３．１の実施例における弁制御は、燃焼室２内に高温の残留ガス量を形成し、且つ成層噴射を可能にする。即ち、この弁制御の方式は、成層燃焼運転に対して理想的である。これに対して、図３．４に示されている弁制御は、燃焼室２内に中温の残留ガス量を形成し、且つ燃焼室２の均一チャージ（又は均一混合）し、それにより内燃機関の均質燃焼運転を可能にする。図３．２および図３．３の実施例に対応する弁制御は、それぞれ、図３．１および図３．４に示されている極端な例の間の中間方法である。種々の負荷点において、異なる弁／噴射方式が必要とされる。きわめて低い負荷においては、必要な自己点火温度を提供するために高い残留ガス割合が必要である。この運転（負荷）点においては、燃焼室２内に図３．１に示す残留ガス蓄積が使用され、この場合、排気弁ＡＶは明らかにガス交換上死点ＯＴの手前で閉鎖される。シリンダ内に存在する残留ガス質量の圧縮は、温度をさらに上、昇させる。噴射は、ピストン３がガス交換上死点ＯＴの範囲内に存在したときに直ちに行われる。高温により、燃料の、反応性中間製品（中間生成物）への分解反応が行われ、反応性中間製品は自己点火時期に著しく影響を与え、ここでは自己点火時期を低下させる（又は早くする）。吸気弁ＥＶは、流動抵抗を回避させるために、吸気管５と燃焼室２との間の圧力均衡が形成されたときに開放される。

負荷がより高くなるに従って、シリンダ・チャージが高温によって早めに点火され、且つそれに続くきわめて急速な燃焼がノッキングを発生させるという危険性が存在する。その理由は、このとき存在する残留ガス量がより少ないからである。したがって、負荷の上昇と共に、図３．２、図３．３並びに図３．４の弁制御のための実施例に示されているように、正の弁重なりが行われる。この場合、必要な残留ガス量は、排気管７または吸気管５から逆に吸い込まれる。このとき噴射は吸気行程ＡＮ内において行われ、この場合、噴射時期はシリンダ・チャージの均一性に影響を与える。さらに、圧縮行程Ｖ内において他の噴射を行う可能性が存在する。このとき、燃料の蒸発エンタルピーがシリンダ・チャージを冷却させ、このことが早すぎる自己点火およびノッキング燃焼を抑制する。圧縮行程Ｖの間における噴射は、図３．１に示す残留ガス蓄積の弁制御方式が使用された場合には、圧縮された残留ガス量内への噴射と組み合わされてもよい。この場合、図２に示されているように、ガス交換上死点Ｌ−ＯＴの範囲内において開始し、吸気行程ＡＮを経由して圧縮行程Ｖにいたるまでの複数の噴射の組み合わせもまた可能である。

制御弁１０の（部分）開放により外部排気ガス再循環が形成される。排気管７内に排出された排気ガスは、このとき、排気ガス再循環９および制御弁１０を介して、吸気管５に戻され、制御弁１０は、絞り弁として、全閉位置と全開位置との間の任意の中間位置に設定可能である。この場合、制御弁１０の開度に応じてそれぞれ、排気ガスは排気管７から吸気管５へ多かれ少なかれ戻される。

以下に、予め吸気管５の絞りを解除し、且つこれにより消費量低下を可能にする、特に進み吸気閉鎖（ＦＥＳ：Fuhes Einlass Schlieβt）の弁方式における外部点火モードにおいてのみならず、さらに多くの消費量ポテンシャルを提供する自己点火モードにおける、異なる運転方式に対する方法ないしは切換方式の実施例を示す。

外部点火および自己点火の運転方式間の切換は、特に自己点火に対して希望の燃焼過程をきわめて正確に達成させるために必要となる熱力学的条件に対してきわめて敏感である。しかしながら、外部点火によっても大きな温度差は回避されるべきであり、その理由は、混合物形成が温度差により影響されるからである（例えば、より低温のチャージまたは前のサイクルの自己点火からの高い残留ガス割合において、混合物形成の質が低下し、これがより高いエミッションの原因となる）。上記サイクル（オットーサイクル）に同期した制御により、上記運転方式間の切換における予制御（パイロット制御）が補正される。

オットー・サイクル・エンジンの負荷／回転速度特性曲線群内において、次の運転モードが可能である。
１．絞り弁（スロットル弁）を介しての絞り外部点火
２．「進み吸気閉鎖」（可変弁操作）を介しての絞りなし外部点火
３．成層燃焼運転における絞りなし外部点火
４．制御自己点火
５．混合運転：外部点火におけるｎ個のシリンダ、制御自己点火におけるｍ個のシリンダ（ここでｎおよびｍは任意の数であってもよい）。

これらの運転モードは、全て２サイクル・モードのみならず４サイクル・モードにおいても実行可能である。さらに、例えば６サイクル・モード（例えば１ないしは２点火作業行程）または８サイクル・モード（例えば、シリンダ遮断）のような多サイクル方法もまた可能である。

これらの運転モードの間において、次の運転方式の切換が実行可能である：
１．絞り外部点火から自己点火へ；
２．自己点火から絞り外部点火へ；
３．絞りなし外部点火（進み吸気閉鎖）から自己点火へ（特に、部分可変弁操作を使用するとき）；
４．自己点火から絞りなし外部点火（進み吸気閉鎖）へ（特に、部分可変弁操作を使用するとき）；
５．絞りなし外部点火（成層燃焼運転または全可変弁操作）から自己点火へ；
６．自己点火から絞りなし外部点火（成層燃焼運転または全可変弁操作）へ；
７．自己点火２サイクルから自己点火４サイクルへ；
８．自己点火４サイクルから自己点火２サイクルへ；
この場合、上記運転方式の切換３．および４．は、特に重要であり、その理由は、（例えば、吸気／排気位相設定および吸気／排気弁リフト切換のような）部分可変にすぎない弁操作を使用することにより、ＦＥＳ（進み吸気閉鎖）を有する外部点火および自己点火の２つの燃焼方法の利点を可能にするきわめてコスト的に有利な変更態様を形成可能であるからである。

以下に、本発明による運転方式間の切換方法の第１の実施例、即ち絞り外部点火（図４）から自己点火（図６）への切換を示す。
外部点火（ＳＩ）運転から自己点火（ＣＡＩ）運転への移行において、外部点火運転においては、より高い排気温度ないしは排気エンタルピーが発生されることに注意されなければならない。運転方式の切換過程に対して、これは、自己点火のための希望の温度ないしはエンタルピーを設定するために、短時間の移行過程の間に（例えば、５−１０作業サイクルの間に）はじめに少ない残留ガスが留保ないしは再循環されることを意味する。自己点火のために必要な残留ガス量は、可変弁操作（図７参照）（例えば、切換可能なカム軸、全可変弁操作、または、その他の可変弁操作装置）を介して再循環されても、および／または、調整（冷却または温度調節）されていてもよい、外部排気ガス再循環（ＡＧＲ）を介して、再循環されてもよい。移行過程の間に、残留ガス量の所定の上昇のほかに、同時に、シリンダ内に必要な空気量が到達するように絞り弁が操作または制御により開放されなければならない。移行ができるだけトルク一定で行われるように、希望の自己点火時期を達成するためにチャージ並びに噴射時期が適切に制御されなければならない。自己点火運転においては、負荷は基本的に噴射燃料質量を介して設定され、一方、燃焼位置は、残留ガス質量とフレッシュ・エア質量との間の適切に設定された混合により、および噴射時期を介して制御される。予制御とサイクルに同期した制御との組み合わせが切換の目的を達成させる。表１参照。
表１：絞り外部点火からサイクルＺ以降の自己点火への切換
サイクル 燃焼方法 移行／制御
… 外部点火 なし
Ｚ−１ 外部点火 なし
Ｚ 自己点火 弁操作の切換、ＡＧＲ、絞り弁および噴射制御
Ｚ＋１ 自己点火 弁操作、ＡＧＲ、絞り弁および噴射制御
…Ｚ＋ｘ−１ 自己点火 弁操作、ＡＧＲ、絞り弁および噴射制御
Ｚ＋ｘ 自己点火 移行の終了
… 自己点火 なし（自己点火の制御のみ）
ｘ＝５−１０サイクル（例）
以下に、本発明による運転方式間の切換方法の第２の実施例、即ち自己点火（図６）から絞り外部点火（図４）への切換を示す。

自己点火運転から外部点火運転への移行において、自己点火運転においては、より低い排気温度が達成されることに注意されなければならない。これは、切換の間により高いエミッションを形成することがあるので、この過程内においては適切な混合物形成が必要である。切換の間に、外部点火燃焼を安定して形成するために、例えば可変弁操作（図７参照）を介して、および／または、外部排気ガス再循環９を介して、シリンダ内の残留ガス割合が低減される。この場合、同時に、シリンダ内に必要な空気量のみが到達するように、絞り弁が制御により閉鎖されなければならない。希望のトルクを発生させるために、チャージのほかに、点火時期および噴射時期もまた適切に制御されなければならない。この場合もまた、予制御と、サイクルに同期した制御との組み合わせが有利である。表２参照。
表２：自己点火からサイクルＺ以降の絞り外部点火への切換
サイクル 燃焼方法 移行／制御
… 自己点火 なし（自己点火の制御のみ）
Ｚ−１ 自己点火 なし（自己点火の制御のみ）
Ｚ 外部点火 弁操作の切換、ＡＧＲの低減、
弁操作、ＡＧＲ、絞り弁、点火および噴射制御
Ｚ＋１ 外部点火 弁操作、ＡＧＲ、絞り弁、点火および噴射制御
… 外部点火 弁操作、ＡＧＲ、絞り弁、点火および噴射制御
Ｚ＋ｘ 外部点火 移行の終了
… 外部点火 なし（場合により燃焼制御）
ｘ＝５−１０サイクル（例）
以下に、本発明による運転方式間の切換方法の第３の実施例、即ち絞りなし外部点火（図５）（進み吸気閉鎖）から自己点火（図６）への移行を説明する。この方法は特に部分可変弁操作を使用したときに用いられる。ＦＥＳ（進み吸気閉鎖）による絞りなし外部点火（ＳＩ−ＦＥＳ）運転から自己点火（ＣＡＩ）運転への移行において、外部点火運転においてはより高い排気温度ないしは排気エンタルピーが発生されることに注意されなければならない。切換過程に対して、これは、自己点火のための希望の温度ないしはエンタルピーを設定するために、短時間の移行過程の間に（例えば５−１０作業サイクルの間に）はじめに少ない残留ガスが留保ないしは再循環されることを意味する。自己点火のために必要な残留ガス量は、部分可変弁操作（図８参照）（例えば、特にここでは排気ガス留保のための排気内の切換可能なカム軸）を介して再循環されても、および／または調整（冷却または温度調節）されていてもよい外部排気ガス再循環（ＡＧＲ）を介して再循環されてもよい。移行過程の間に、残留ガス量の所定の上昇のほかに、同時に、シリンダ内に必要な空気量が到達するように絞り弁が操作または制御されなければならない。ＦＥＳ方式は予め行われる吸気管５内の一部の絞り解除または完全な絞り解除を示すことにより、ここでは、吸気カム軸６の急速な位相操作および／または位相制御が重要である。吸気弁ＥＶがＬＷ−ＯＴの付近で開放し且つ早めに（ＬＷ−ＯＴ後の約７０−１２０°ＫＷ）閉鎖するＦＥＳ方式（図８参照）に基づき、自己点火のために、弁が遅く（ＬＷ−ＯＴ後の約７０−１２０°ＫＷ）開放し且つ下死点ＵＴ（例えば、ＬＷ−ＯＴ後の１８０−２４０°ＫＷ）付近で閉鎖するむしろ遅い位相位置が達成されなければならない。この場合、はじめに外部点火モードにおいて且つ絞り弁（空気量を制御するために絞る）および点火角（必要な場合トルク一定のために遅い点火角）により、自己点火（ＣＡＩ）運転のために必要な吸気カム軸６の遅い位置を達成し、次にはじめてＣＡＩ運転に切換えることが重要であろう。

ＣＡＩ運転への切換後において、できるだけトルク一定に移行が行われるように、希望の自己点火時期を達成するためにチャージ並びに噴射時期が適切に制御されなければならない。自己点火運転においては、負荷は基本的に噴射燃料質量を介して設定され、一方、燃焼位置（燃焼状態）は、残留ガス質量とフレッシュ・エア質量との間の適切に設定された混合により、および噴射時期を介して制御される。予制御とサイクルに同期した制御との組み合わせが切換の目的を達成させる。表３参照。
表３：絞り外部点火からサイクルＺ以降の自己点火への切換
サイクル 燃焼方法 移行／制御
… 外部点火 なし
Ｚ−１ 外部点火 なし
Ｚ 外部点火 小さい吸気カム軸の遅れ方向設定、ＡＧＲ、絞り弁、
点火角（トルク一定のために遅れ方向へ）および噴射
（質量および時期）の制御
Ｚ＋１ 外部点火 弁操作、ＡＧＲ、絞り弁および噴射制御
… 外部点火 弁操作、ＡＧＲ、絞り弁および噴射制御
Ｚ＋ｗ 自己点火 弁操作の切換（排気カム軸を残留ガス留保のための小さ
いカム・プロフィルへ）、ＡＧＲ、絞り弁（開放）およ
び噴射の制御
Ｚ＋ｗ＋１ 自己点火 弁操作、ＡＧＲ、絞り弁および噴射制御
… 自己点火 弁操作、ＡＧＲ、絞り弁および噴射制御
Ｚ＋ｗ＋ｘ 自己点火 移行の終了
… 自己点火 なし（自己点火の制御のみ）
ｘ、ｗ＝５−１０サイクル（例）
以下に、本発明による運転方式間の切換方法の第４の実施例、即ち自己点火（図６）から絞りなし外部点火（進み吸気閉鎖）（図５）への切換を示す。この方法は、特に部分可変弁操作を使用したときに用いられる。

自己点火運転から絞りなし外部点火運転への移行において、自己点火運転においては、より低い排気温度が達成されることに注意されなければならない。これは、切換の間に、より高いエミッションを導くことがあるので、この過程内において最適な混合物形成が必要である。切換の間に、外部点火燃焼を安定して形成するために、例えば部分可変弁操作（図８参照）（排気カム軸８は全リフトに切り換えられる）を介して、および／または外部排気ガス再循環９を介してシリンダ内の残留ガス割合が低減される。この場合、シリンダ内に必要な空気量のみが到達するようにＦＥＳ方式を実行するために、同時に絞り弁が制御により閉鎖され且つ同時に吸気カム軸６の位相位置が進み方向にシフトされなければならない。吸気カム軸６が進み位置に到達したとき、ＦＥＳおよび絞りなしの利点を得るために、絞り弁は再び開放されてもよい。希望のトルクを発生させるために、チャージのほかに点火時期および噴射時期が適切に制御されなければならない。一方で、トルクが低下した場合に、トルク一定を保証するために点火角が遅れ方向に設定されなければならず、他方で、安定な燃焼のために、条件即ちλ＝１または僅かなリーン、λ＞１が形成されるように燃料質量が適合されなければならない。この場合もまた、予制御とサイクルに同期した制御との組み合わせが有利である。表４参照。
表４：自己点火からサイクルＺ以降の絞り外部点火への切換
サイクル 燃焼方法 移行／制御
… 自己点火 なし（自己点火の制御のみ）
Ｚ−１ 自己点火 なし（自己点火の制御のみ）
Ｚ 外部点火 弁操作の切換（残留ガスを低減させるために排気カム
軸８を全リフトへ）およびＦＥＳ方式を形成するために
同時に吸気カム軸６を進み位置の方向に設定、ＡＧＲの
低減、絞り弁制御（適切な給気のために制御されて閉
鎖される）、点火制御（トルクを一定にするために遅
れ方向へ）および噴射（質量および時期）の適合
Ｚ＋１ 外部点火 弁操作、ＡＧＲ、絞り弁、点火および噴射制御
… 外部点火 弁操作、ＡＧＲ、絞り弁（ＦＥＳ方式による絞りなし
とするために制御されて再び開放する）、点火および
噴射制御
Ｚ＋ｘ 外部点火 移行の終了
… 外部点火 なし（場合により燃焼制御）
ｘ＝５−１５サイクル（例）
成層燃焼運転における絞りなし外部点火（図４におけるような弁操作）または全可変弁操作を有する絞りなし外部点火（図５）と、自己点火（図６）との間の切換において、絞りなし外部点火運転から自己点火運転への移行およびその逆への移行においては、制御方式は上記運転方式切換１．および２．にきわめて類似している。しかしながら、絞りなしに基づき絞り弁の制御はほとんど必要がないので、切換過程は容易となる。しかしながら、噴射、点火およびＡＧＲ（内部および／または外部）の制御は同様に必要である。

自己点火２サイクルから自己点火４サイクルへの切換およびその逆への切換は、本来弁操作における拡張可変性を用いてのみ実行可能な、特に２サイクル運転の方法である（例えば全可変弁操作：例えば電気油圧式または電気機械式弁制御）。この場合、切換は前の例に類似しているが、弁操作、ＡＧＲおよび噴射は制御されなければならない。場合により、過給の操作ないしは制御もまた必要となる。

図９に、本発明の一実施例が、絞り外部点火から自己点火への切換の例において流れ図として示されている。この方法は、ステップ１０１のサイクルＺ−１における絞り外部点火運転方式から開始する。ステップ１０２のサイクルＺにおいて自己点火に移行され、ここで弁操作の切換並びにＡＧＲ、絞り弁および噴射制御が行われる。ステップ１０３のサイクルＺ＋１において、弁操作、ＡＧＲ、絞り弁および噴射制御が行われる。この制御はステップ１０４のサイクルＺ＋ｘ−１まで行われる。ステップ１０５のサイクルＺ＋ｘにおいて移行は終了し、その後ステップ１０６において、サイクルＺ＋ｘ以降さらに自己点火の制御のみが行われる。

内燃機関シリンダの略示図である。 燃焼室圧力のクランク軸角度に対する線図である。 ガス交換弁の開閉時間の線図である。 ガス交換弁の開閉時間の線図である。 ガス交換弁の開閉時間の線図である。 ガス交換弁の開閉時間の線図である。 外部点火運転方式に対する弁開放線図である。 進み吸気閉鎖（ＦＥＳ）における外部点火運転方式に対する弁開放線図である。 自己点火運転方式における弁開放線図である。 全可変弁操作に対する弁開放線図である。 部分可変弁操作に対する弁開放線図である。 本発明による一実施例の流れ図である。

符号の説明

１ シリンダ
２ 燃焼室
３ ピストン
４ 連接棒
５ 吸気管
６、８ カム軸
７ 排気管
９ 排気ガス再循環
１０ 制御弁
１１ 点火プラグ
１２ インジェクタ
１３ 高圧配管
１４ 制御装置
ＡＮ 吸気行程
ＡＵ 排気行程
ＡＶ 排気弁
ＣＡＩ 自己点火
Ｅ 膨張行程
ＥＶ 吸気弁
ＦＥＳ 進み吸気閉鎖
ＨＥ、ＨＥ１、ＨＥ２、ＮＥ、ＶＥ、ＺＥ 噴射
Ｌ−ＯＴ、ＬＷ−ＯＴ チャージ交換内上死点
ＯＴ 上死点
ｐ 燃焼室圧力
ＵＴ 下死点
Ｖ 圧縮行程
Ｚ−ＯＴ 点火上死点
φ クランク軸角度

Claims (9)

1. 初期運転方式および目的運転方式が外部点火運転方式または自己点火運転方式のいずれかである、内燃機関の初期運転方式から目的運転方式への移行の方法において、
   次の方法ステップ、即ち
   − パイロット制御過程において、前記初期運転方式の運転パラメータを、前記目的運転方式のために必要な値に適合させる方法ステップと、
   − 前記パイロット制御過程後に、前記運転方式を切換える方法ステップと、
   − 前記切換後に、前記運転パラメータを制御する方法ステップと、を備えており、
   前記外部点火運転方式から前記自己点火運転方式への移行においては、前記パイロット制御過程において、留保ないしは再循環される残留ガスを少なくすることにより、前記内燃機関の燃焼室内のガス温度が低下され、
   空気量を上昇させるために、前記パイロット制御過程の間に前記内燃機関の絞り弁が開放されることと、および
   前記パイロット制御過程の終了時に、前記残留ガス量が再び上昇されることと、
   を特徴とする内燃機関の初期運転方式から目的運転方式への移行の方法。
2. 前記運転方式の切換と共に、弁操作の制御、排気ガス再循環の制御、絞り弁の制御、および噴射制御が使用される、ことを特徴とする請求項１の方法。
3. 前記自己点火運転方式から前記外部点火運転方式への移行においては、前記パイロット制御過程の間に、シリンダ内の残留ガス割合が減少されることを特徴とする請求項１の方法。
4. 前記パイロット制御過程の間において、絞り弁が閉鎖されることを特徴とする請求項３の方法。
5. 前記運転方式の切換と共に、弁操作の制御、排気ガス再循環の制御、絞り弁の制御、点火制御および噴射制御が使用される、ことを特徴とする請求項３または４のいずれかの方法。
6. 前記パイロット制御を除く、前記運転パラメータの制御が前記内燃機関のサイクルに同期している、ことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかの方法。
7. 初期運転方式および目的運転方式が外部点火運転方式または自己点火運転方式のいずれかである、ガソリン直接噴射および部分可変弁操作を有するオットー・サイクル・エンジンの初期運転方式から目的運転方式への移行の制御手段を有する制御装置において、
   前記制御装置が、
   パイロット制御過程において、前記初期運転方式の運転パラメータを、前記目的運転方式のために必要な値に適合させるための手段と、
   前記パイロット制御過程後に、前記運転方式を切換えるための手段と、および
   前記切換後に、前記運転パラメータを制御するための手段と、
   を含み、
   前記適合させるための手段は、
   前記外部点火運転方式から前記自己点火運転方式への移行においては、前記パイロット制御過程において、留保ないしは再循環される残留ガスを少なくすることにより、前記エンジンの燃焼室内のガス温度を低下させ、
   空気量を上昇させるために、前記パイロット制御過程の間に前記エンジンの絞り弁を開放し、
   前記パイロット制御過程の終了時に、前記残留ガス量を再び上昇させることを特徴とするガソリン直接噴射および部分可変弁操作を有するオットー・サイクル・エンジンの初期運転方式から目的運転方式への移行の制御手段を有する制御装置。
8. プログラムがコンピュータにおいて実行されるときに請求項１−６のいずれかに記載の全てのステップを実行するためのプログラム・コードを有するコンピュータ・プログラム。
9. 前記内燃機関が、ガソリン直接噴射および部分可変弁操作を有するオットー・サイクル・エンジンである、請求項１ないし６のいずれかの方法。

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