JP2002500723A - 車両の内燃機関の駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 特にインジェクションバルブ(８)を有する車両の内燃機関(１)が記載されており，燃料は，このインジェクションバルブを介して第１の駆動方式での吸気行程中，あるいは第２の駆動方式での圧縮行程中，燃焼室（４）に直接噴射される。さらに，燃焼室（４）に供給される燃料量を両駆動方式で異なるように開ループ制御及び／又は閉ループ制御する制御装置（１６）が設けられる。制御装置（１６）は，最初に第１の駆動方式（２６）から第２の駆動方式の過渡運転に切り換え，次いで第２の駆動方式の通常運転（３１，３７）に切り換える。

Description

【発明の詳細な説明】 車両の内燃機関の駆動方法 （技術分野） 本発明は，第１の駆動方式での圧縮行程中，あるいは第２の駆動方式での吸気 行程中に燃料を燃焼室に直接噴射し，燃焼室に噴射する燃料を両駆動方式で異な る開ループ制御及び／又は閉ループ制御する，特に車両の内燃機関の駆動方法に 関する。本発明はさらに，第１の駆動方式での圧縮行程中，あるいは第２の駆動 方式での吸気行程中に燃料を燃焼室に直接噴射するインジェクションバルブと， 燃焼室に噴射する燃料を両駆動方式で異なる開ループ制御及び／又は閉ループ制 御する制御装置とを有する，内燃機関，特に車両の内燃機関に関する。 （背景技術） このような，内燃機関の燃焼室に燃料を直接噴射するシステムは，一般に周知 である。ここで，第１の駆動方式（いわゆる成層燃焼運転）と第２の駆動方式（ いわゆる均質燃焼運転）とが識別される。成層燃焼運転は特に内燃機関の負荷が 比較的小さい場合に使用し，均質燃焼運転は内燃機関の負荷が比較的大きい場合 に使用する。 成層燃焼運転は，燃料層が点火時にイグニッションプラグの直近にあるように ，内燃機関の圧縮行程中に燃料が燃焼室に噴射される。この噴射は，別途の方法 で実施することもできる。即ち，噴射された燃料層は，噴射中あるいは噴射直後 にイグニッションプラグ近傍にあり，このイグニッションプラグにより点火する ことができる。 同様に，噴射された燃料層を，チャージ移動によりイグニッションプラグに導い た後，初めて点火することもできる。この２つの燃焼方法は，均一な燃料分布と ならずに，成層チャージとなる。 成層燃焼運転の利点は，極小量の燃料で，内燃機関は比較的小さい負荷を実行 できることである。当然ながら，成層燃焼運転では，より大きい負荷を満足させ ることはできない。 かかる比較的大きい負荷のための均質燃焼運転では，内燃機関の吸気行程中に 燃料が噴射されるので，燃料は燃焼室内で旋回（スワール）されて容易に分配さ れる。その点においては，均質燃焼運転は，従来の方法で燃料を吸気マニホール ド内に噴射する内燃機関の駆動方法にほぼ対応する。小さい負荷の場合でも，必 要に応じて均質燃焼運転を使用することができる。 成層燃焼運転では，燃焼室に通じる吸気マニホールド内のスロットルバルブは 広く開放され，原則として，燃焼は燃料噴射量を介してのみ開ループ制御及び／ 又は閉ループ制御される。均質燃焼運転では，スロットルバルブは要求トルクに 応じて開放あるいは閉鎖され，燃料噴射量は吸入空気量に応じて開ループ制御及 び／又は閉ループ制御される。 両駆動方式（即ち，成層燃焼運転及び均質燃焼運転）において，燃料噴射量は さらに，燃料節約，排ガス減少を考慮し，複数の他の入力量に応じて最適な値に 開ループ制御及び／又は閉ループ制御される。このとき，両駆動方式での開ルー プ制御及び／又は閉ループ制御は異なる。 内燃機関は，成層燃焼運転から均質燃焼運転への切り換え及び元の状態への切 り戻しが必要となる。成層燃焼運転では，スロットルバルブが広く開放されるた め空気は殆ど絞られずに供給されるが，均質燃焼運転では，スロットルバルブが 部分的にしか開放されないので空気の供給は低減する。このとき，特に，成層燃 焼運転から均質燃焼運転に切り換える場合には，燃焼室に通じる吸気マニホール ドの空気貯蔵能力を考慮しなければならない。これらを考慮しない場合には，切 り換えにより，内燃機関の出力トルクが上昇する場合もある。 （発明の開示） 本発明の課題は，駆動方式間で最適な切り換えが可能な内燃機関の駆動方法を 提供することにある。 本発明では，この課題は，上記種類の方法あるいは上記種類の内燃機関におい て，最初に，第１の駆動方式から第２の駆動方式の過渡運転に切り換え，次いで 第２の駆動方式の通常運転に切り換えることにより解決される。 従って，即座に均質燃焼運転（即ち化学量論比のあるいはリッチな，空気／燃 料混合気）には切り換えずに，まず第１に，内燃機関は均質燃焼運転の過渡運転 で駆動される。この過渡運転により，成層燃焼運転から均質燃焼運転への切り換 え工程全体において，内燃機関の発生トルクは僅かに増大するのみである。従っ て，僅少の過剰トルクは,例えば点火角の遅角補正により再び無効にすればよい 。このことは，燃料を著しく削減できるばかりでなく，点火角の遅角補正が小さ くなるので内燃機関の発生トルクは，殆ど変動すること はない。即ち，過渡運転の挿入により，内燃機閏の円滑な回転に影響を及ぼすこ とが回避される。さらに，点火角の遅角補正が小さくなることにより排ガス温度 も殆ど上昇しないので，同様に，内燃機関の円滑な回転及び内燃機関の寿命に対 して効果がある。 本発明の好ましい実施例では，供給空気量を算出し，供給空気量に応じて(特 に供給空気量が第１のしきい値を下回った後に)，第１の駆動方式から第２の駆 動方式の過渡運転に切り換え，あるいは供給空気量に応じて(特に供給空気量が 第２のしきい値を下回った後に),第２の駆動方式の過渡運転から第２の駆動方式 の通常運転に切り換える。 このように，切り換え工程は，供給空気量に応じて実行される。この供給空気 量は，例えば空気量センサにより求めることができる。このとき，必要に応じて ，内燃機関の回転数及び／又は他のパラメータに応じて，切り換え工程の２つの しきい値が算出される。まず，吸気マニホールド内の貯蔵空気量が減少した場合 には，第１のしきい値を下回ることになる。その結果，内燃機関は成層燃焼運転 から均質燃焼運転の過渡運転に切り換えられる。吸気マニホールド内の中間貯蔵 空気量がさらに減少すると，第２のしきい値を下回ることになる。その結果，内 燃機関は過渡運転から第２の駆動方式の通常運転に切り換えられる。供給空気量 に依存する切り換え工程により，内燃機関を成層燃焼運転から均質燃焼運転への 切り換え全体を特に簡易かつ正確に実行することができる。 本発明の好ましい実施形態においては，第２の駆動方式の過渡運転において， 供給される燃料／空気混合気は，例えば希薄な値に開 ループ及び／又は閉ループ制御される。即ち，均質燃焼運転の過渡運転は，リー ンな空燃比による希薄均質燃焼運転あるいは均質希薄燃焼運転である。このとき ，燃料／空気混合気は，１よりも大きい値を有する。このとき，この燃料噴射量 は，第１の駆動方式から第２の駆動方式の過渡運転に切り換えられた後，供給空 気量と要求トルクから算出されるのが特に好ましい。このことにより，希薄均質 燃焼運転を簡易かつ正確に実行することができる。 さらに，点火角は，第１の駆動方式から第２の駆動方式の過渡運転に切り換え られた後，供給空気量，燃料噴射量及び要求トルクから算出されるのが特に好ま しい。このことにより，要求されるトルクを，希薄均質燃焼運転中に簡易かつ正 確に発生させることができる。 本発明の他の好ましい実施例では，第２の駆動方式の通常運転において，供給 される燃料／空気混合気が予め設定された値（特に化学量論比の値）に開ループ 制御及び／又は閉ループ制御される。即ち，燃料／空気混合気は，所定の設定値 （例えば１）である。このように，内燃機関では特に有害物質の少ない駆動を実 行することができる。 このとき，燃料噴射量は，過渡運転から第２の駆動方式の通常運転に切り換え られた後，供給空気量から算出されるのが特に好ましい。このように，燃料／空 気混合気は，予め設定された値（あるいは化学量論比の値）に維持することが確 保される。 さらに，点火角は，過渡運転から第２の駆動方式の通常運転に切り換えられた 後，要求トルクに応じて算出されるのが特に好ましい。 従って，予め設定された値（あるいは化学量論比の値）を変更しなくても，点火 角により特に短期トルク変動が実現される。 特に重要なのは，本発明にかかる方法は，特に車両の内燃機関の制御装置に設 置される制御素子として実現されることである。即ち，コンピュータ装置，特に マイクロプロセッサの制御素子に，プログラムを格納して実行するので，本発明 にかかる方法を実施するのに好適である。このように，本発明は，制御素子に格 納するプログラムにより実行されるので，方法として示す本発明と同様な手段の プログラムを搭載する制御素子を有する制御装置は，プログラムを実行するのに 適している。この制御素子としては，特に，例えばリードオンリーメモリなどの 電子メモリ媒体が使用される。 本発明の他の特徴，利用可能性および利点は，図示する本発明にかかる実施例 の以下の説明で明らかである。ここで記述あるいは図示される全ての特徴は，請 求項の要約あるいはその帰属と無関係に，また，図面中の表現あるいは描写と無 関係に，特徴自体あるいは任意の特徴の組合せにより本発明の対象を構成する。 （図面の簡単な説明） 図１は，本発明にかかる車両の内燃機関の概略的なブロック回路図を示す。 図２は，図１の内燃機関を駆動するための本発明にかかる方法の実施例の概略 的なフローチャートを示す。 図３は，図２に示す方法を実施する場合に，図１の内燃機関の信号の概略的な タイミングダイアグラムを示す。 （発明を実施するための最良の形態） 図１には，内燃機関１が図示されており，この内燃機関においてはシリンダ３ 内でピストン２が往復移動することができる。シリンダ３には燃焼室４が設けら れており，この燃焼室に制御バルブ５を介して吸気マニホールド６と排気マニホ ールド７が接続される。さらに，燃焼室４内には，信号Ｔｌで駆動するインジェ クションバルブ８と信号ＺＷで駆動するイグニッションプラグ９が設置される。 吸気マニホールド６には，空気量センサ１０が設置されており，排気マニホー ルド７には，空燃比（ラムダ）センサ１１を設けることができる。空気量センサ １０は，吸気マニホールド６内に供給される外気の空気量を測定し，測定された 空気量に応じて信号ＬＭを発生する。空燃比（ラムダ）センサ１１は，排気マニ ホールド７内で排ガス中の酸素含有量を測定し，測定された酸素量に応じて信号 λを発生する。 吸気マニホールド６内にはスロットルバルブ１２が配置され，このスロットル バルブの回動位置は，信号ＤＫにより調整される。 第１の駆動方式，即ち内燃機関の成層燃焼運転においては，スロットルバルブ １２は略全開状態である。燃料は，ピストン２により形成される圧縮行程の間に ，インジェクションバルブ８から燃焼室４内に，特に位置的にはイグニッション プラグ９の近傍に，時間的には点火時期前に適切な間隔で噴射される。その後， イグニッションプラグ９により燃料が点火され，次の行程で，点火された燃料が 膨張することにより，ピストン２が駆動される。 第２の駆動方式，即ち内燃機関１の均質燃焼運転においては，スロットルバル ブ１２は，供給される必要空気量に応じて部分開状態あるいは部分閉状態となる 。燃料は，ピストン２により形成される吸気行程の間に，インジェクションバル ブ８を介して燃焼室４内に噴射される。この時，同時に吸引した空気により，噴 射された燃料はスワール（旋回）され，燃焼室４内で略均一に分配される。その 後，燃料／空気混合気は，圧縮行程中に圧縮された後，イグニッションプラグ９ により点火される。点火された燃料が膨張することにより，ピストン２が駆動さ れる。 成層燃焼運転あるいは均質燃焼運転のいずれの場合においても，ピストンが駆 動することによりクランクシャフト１４が回転し，かかるクランクシャフトの回 転運動を介して最終的に車両の車輪が駆動する。クランクシャフト１４には，回 転数センサ１５が設けられており，この回転数センサは，クランクシャフト１４ の回転運動に応じて信号Ｎを発生する。 成層燃焼運転あるいは均質燃焼運転において，インジェクションバルブ８を介 して燃焼室４内に噴射される燃料噴射量は，特に少ない燃料消費を少なくし及び ／又は排ガスの発生を少なくするように，制御装置１６により開ループ制御及び ／又は閉ループ制御が実行される。このため,制御装置１６にはマイクロプロセ ッサが設けられ，このマイクロプロセッサは上記開ループ制御及び／又は閉ルー プ制御を実行するのに適したプログラムをメモリ媒体内，特にリードオンリーメ モリ内に格納している。 また，制御装置１６には，センサにより測定された内燃機関の駆 動量を表す入力信号が供給される。例えば制御装置１６は，空気量センサ１０， 空燃比（ラムダ）センサ１１及び回転数センサ１５と接続される。さらに，制御 装置１６は，ドライバが操作するアクセルペダルの位置を表示するための信号Ｆ Ｐを発生するアクセルペダルセンサ１７と接続される。この制御装置１６は，出 力信号を発生し，かかる出力信号によりアクチュエータを介して内燃機関の動作 を，好適な開ループ及び／又は閉ループ制御に応じて調整することができる。例 えば，制御装置１６は，インジェクションバルブ８，イグニッションプラグ９お よびスロットルバルブ１２に接続されており，これらを制御するのに必要な信号 Ｔｌ，ＺＷ及びＤＫを発生する。 制御装置１６により，以下に図２と図３に基づいて説明する成層燃焼運転から 均質燃焼運転に切り換える方法が実行される。図２に示すブロックは，例えばソ フトウェアモジュールなどとして制御装置１６内で実行される本方法の機能を示 している。 図２中，ブロック１８では，内燃機関１は定常成層燃焼運転にある。次いで， ブロック１９で，例えばドライバ意思による車両の加速により，均質燃焼運転へ の切り換えが要求される。この均質燃焼運転の要求時点を，図３中に示す。 さらに，ブロック２０，２１では，成層燃焼運転及び均質燃焼運転間での切り 換え及び切り戻しが短時間に連続することを防止するためのリバウンド除去が実 行される。均質燃焼運転が許可された場合には，ブロック２２により，成層燃焼 運転から均質燃焼運転への切り換えを開始する。切り換え工程を開始する時点は ，図３中の参 照符号２３で記載される。 上記時点２３において，スロットルバルブ１２は，ブロック２４により，成層 燃焼運転での全開状態ｗｄｋｓｃｈから，均質燃焼運転での少なくとも部分開状 態あるいは部分閉状態ｗｄｋｈｏｍに調整される。このとき，均質燃焼運転での スロットルバルブ１２の回動位置は，例えば要求トルク及び／又は内燃機関１の 回転数Ｎなどに依存し，化学量論比の燃料／空気混合気（即ち，λ＝１）に調整 される。 このスロットルバルブ１２の調整により，内燃機関１は定常成層燃焼運転から 非定常成層燃焼運転に切り換えられる。この駆動状態で燃焼室４に供給空気量は ，成層燃焼運転時の充填量ｒｌｓｃｈから徐々に少ない充填量に低減される。こ のことは図３に示す。このとき，燃焼室４に供給される空気量ｒｌあるいは充填 量は，制御装置１６により，特に空気量センサ１０の信号ＬＭから算出する。 図２中，ブロック２５においては，燃焼室４に供給される空気量が所定値に到 達したか否か，詳細には，充填量ｒｌが均質希薄運転の最大充填量ｒｌｍａｘｈ ｏｍｍａｇｅｒよりも小さいか否かが判断される。即ち，ｒｌ＜ｒｌｍａｘｈｏ ｍｍａｇｅｒであるか否かが判断される。このとき，充填量ｒｌｍａｘｈｏｍｍ ａｇｅｒは，内燃機関１からの出力トルクがほぼ一定に留まるように設定されて いる。 ｒｌ＜ｒｌｍａｘｈｏｍｍａｇｅｒを満足しない場合には，ブロック２４を介 するループでさらに待機する。一方，上記を満足する場合（図３中，参照符号２ ６の時点で示す）には，この時点で，非 定常成層燃焼運転から非定常均質燃焼運転に切り換えられる。このとき，図２に 示すように，ブロック２７により切り換えが実行される。 非定常均質燃焼運転は，燃料／空気混合気が希薄であり(即ちλが１より大き く)，内燃機関１の駆動量（例えば燃焼室４の充填量）がさらに変化する点で， 定常均質燃焼運転と識別される。これは，内燃機関１の希薄均質燃焼運転あるい は均質希薄燃焼運転である。この希薄均質燃焼運転は，均質燃焼運転の通常運転 方式への過渡運転方式である。 希薄均質燃焼運転において，内燃機関１は，図２のブロック２８に示すように ，燃料量ｒｋが要求トルクｍｄｓｏｌｌ及び燃焼室４に供給される空気量ｒｌか ら算出すべく，開ループ制御及び／又は閉ループ制御される。このとき，供給空 気量ｒｌ及び燃焼室４に噴射される燃料噴射量ｒｋから，燃料／空気混合気（λ ）が算出される。内燃機関１のイグニッションプラグ１０の点火角ＺＷは，要求 トルクｍｄｓｏｌｌ，空気量ｒｌ及び燃料噴射量ｒｋから算出され調整される。 希薄均質燃焼運転において，燃焼室４に供給される空気量ｒｌは，さらに，よ り小さい充填量に低下する。このことが図２中，ブロック２９に示される。ブロ ック３０において，燃焼室４に供給される空気量が所定値に到達したか否か，詳 細には，充填量ｒｌが通常の均質燃焼運転の最大充填量ｒｌｍａｘｈｏｍよりも 小さいか否かが判断される。即ち，ｒｌ＜ｒｌｍａｘｈｏｍが判断される。この とき，充填量ｒｌｍａｘｈｏｍは，通常の均質燃焼運転での化学量論 比の燃料／空気混合気（即ちλ＝１）となるように設定される。さらに，この充 填量は，出力トルクＭｄが一定となるように設定される。 ｒｌ＜ｒｌｍａｘｈｏｍを満足しない場合には，ブロック２８，２９を介する ループでさらに待機する。一方，上記を満足する場合（図３中，参照符号３１の 時点で示す）には，この時点で，非定常希薄均質燃焼運転から均質燃焼運転へ切 り換えられる。このとき，図２に示すように，ブロック３２により切り換えが実 行される。 上記時点３１で，ラムダ制御が開始され，上記予め設定されたλ値（例えばλ ＝１，即ち化学量論比の燃料／空気混合気）による均質燃焼運転が続行される。 このことが，図２中のブロック３３に示される。ラムダ制御は，例えば化学量論 比の燃料／空気混合気が得られるように（即ち，λ＝１であるように），燃焼室 ４に噴射される燃料噴射量ｒｋを開ループ制御及び／又は閉ループ制御する。こ のように調整された燃料噴射量ｒｋにより，(少なくともある程度の期間は)，内 燃機関１からの出力トルクＭｄが上昇することになる。これは，時点３１におい て(即ち，ラムダ制御を開始すると共に)，出力トルクＭｄがほぼ一定に留まるよ うに点火角ＺＷを調整することにより，補償される。 このことは，図２中のブロック３４を介して達成される。このため，燃料噴射 量ｒｋは，燃焼室４に供給される空気量ｒｌから化学量論比の燃料／空気混合気 に基づいて算出される。さらに，点火角ＺＷは，要求トルクｍｄｓｏｌｌに応じ て点火を遅らせる方向に調整される。遅角補正のために，通常の均質燃焼運転と はまだ所定の ずれが存在し，そのずれにより一時的に過剰に供給される空気量及び内燃機関１ の過剰な発生トルクが無効にされる。 ブロック３５では，燃焼室４に供給される空気量ｒｌが，最終的に化学量論比 の燃料／空気混合気での定常均質燃焼運転に応じた充填量に低下したか否かを判 断する。低下していない場合には，ブロック３４を介するループでさらに待機す る。一方，低下した場合には，ブロック３６において，点火角補正せずに定常均 質燃焼運転により内燃機関１をさらに駆動する。図３では，この場合を参照符号 ３７の時点に示す。 この定常均質燃焼運転においては，燃焼室４に供給空気量は，均質燃焼運転で の充填量ｒｌｈｏｍと一致し，イグニッションプラグ９の点火角ｚｗｈｏｍは， 同様に，均質燃焼運転での点火角と一致する。スロットルバルブ１２の回転位置 ｗｄｋｈｏｍについても，同様である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 特に車両の内燃機関（１）の駆動方法であって，第１の駆動方式での圧縮 行程中，あるいは第２の駆動方式での吸気行程中に燃料を燃焼室（４）に直接噴 射し，前記燃焼室（４）内に噴射される燃料噴射量を両駆動方式で異なる開ルー プ制御及び／又は閉ループ制御する方法において，最初に，前記第１の駆動方式 から前記第２の駆動方式の過渡運転に切り換え(２６)，次いで前記第２の駆動方 式の通常運転に切り換える（３１，３７）ことを特徴とする内燃機関の駆動方法 。 ２． 供給空気量（ｒｌ）の算出において，前記供給空気量（ｒｌ）に応じて， 特に前記供給空気量（ｒｌ）が第１のしきい値（ｒｌｍａｘｈｏｍｍａｇｅｒ） を下回った後に，前記第１の駆動方式から前記第２の駆動方式の前記過渡運転に 切り換える（２６）ことを特徴とする請求項１に記載の方法。 ３． 前記供給空気量（ｒｌ）の算出において，前記供給空気量（ｒｌ）に応じ て，特に前記供給空気量（ｒｌ）が第２のしきい値（ｒｌｍａｘｈｏｍ）を下回 った後に，前記第２の駆動方式の前記過渡運転から前記第２の駆動方式の前記通 常運転に切り換える（３１）ことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。 ４． 前記第２の駆動方式の前記過渡運転においては，前記供給される燃料／空 気混合気が，略希薄な値（λ＞１）に開ループ制御及び／又は閉ループ制御され ることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。 ５． 前記燃料噴射量（ｒｋ）は，前記第１の駆動方式から前記第２の駆動方式 の前記過渡運転に切り換えた後に(２６)，前記供給空気量（ｒｌ）と前記要求ト ルク（ｍｄｓｏｌｌ）から算出されることを特徴とする請求項４に記載の方法。 ６． 前記点火角（ＺＷ）は，前記第１の駆動方式から前記第２の駆動方式の前 記過渡運転へ切り換えられた後に(２６)，前記供給空気量(ｒｌ)，前記燃料噴射 量（ｒｋ）及び前記要求トルク（ｍｄｓｏｌｌ）から算出されることを特徴とす る請求項４又は５に記載の方法。 ７． 前記第２の駆動方式での前記通常運転において，前記供給される燃料／空 気混合気は，予め設定された値，特に化学量論比の値（λ＝１）に開ループ及び ／又は閉ループ制御されることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記 載の方法。 ８． 前記燃料噴射量（ｒｋ）は，前記第２の駆動方式の前記過渡運転から前記 通常運転に切り換えた後に(３１)，前記供給空気量（ｒｌ）から算出されること を特徴とする請求項７に記載の方法。 ９． 前記点火角（ＺＷ）は，前記第２の駆動方式の前記過渡運転から前記通常 運転に切り換えた後に(３１)，前記要求トルク（ｍｄｓｏｌｌ）から算出される ことを特徴とする請求項７又は８に記載の方法。 １０．内燃機関（１）の制御装置（１６）の制御素子，特にリード オンリーメモリであって，特にマイクロプロセッサの前記リードオンリーメモリ に，請求項１から９のいずれか１項に記載の方法を実施するのに適したプログラ ムを格納し実行する制御素子。 １１．第１の駆動方式での圧縮行程中，あるいは第２の駆動方式での吸気行程中 に燃料を燃焼室（４）に直接噴射するインジェクションバルブ（８）と，前記燃 焼室（４）内に噴射される燃料噴射量を前記両駆動方式で異なる開ループ制御及 び／又は閉ループ制御する制御装置（１６）とを有する，特に車両の内燃機関に おいて，制御装置（１６）は，最初に，第１の駆動方式から第２の駆動方式の過 渡運転に切り換え(２６)，次いで第２の駆動方式の通常運転に切り換える（３１ ，３７）ことを特徴とする内燃機関。