JP2004507658A

JP2004507658A - 燃料直接噴射の制御方法

Info

Publication number: JP2004507658A
Application number: JP2002522662A
Authority: JP
Inventors: ポット，エッケハルド; スピーゲル，レオ; リンデラウ，ミヒャエル; スティーベルス，ベルンド
Original assignee: フォルクスワーゲン・アクチェンゲゼルシャフト
Priority date: 2000-08-30
Filing date: 2001-08-16
Publication date: 2004-03-11
Also published as: WO2002018769A1; DE50109894D1; EP1315896B1; EP1315896A1; DE10042551A1

Abstract

本発明は少なくとも１個のピストンがシリンダ内で上死点と下死点の間を上下運動し、該ピストン運動がクランクの回転運動に変換され、燃料噴射が吸入行程のピストン下降運動中に所定の噴射時期に行われる、少なくとも一時的に均質燃焼モードで運転される火花点火内燃機関の燃料直接噴射の制御方法に関し、噴射時期（ＥＺＰ）が内燃機関の温度に応じて制御されるように構成されている。

Description

【０００１】
本発明は請求項１の上位概念の特徴を有する、火花点火内燃機関の燃料直接噴射の制御方法に関する。
【０００２】
自己発火式内燃機関について、また最近はますます火花点火内燃機関についても、燃料噴射を直接噴射として行うのは周知のことである。燃料を燃焼室の上流に配置された吸入管に噴射する間接噴射と対照的に、直接噴射では燃料が燃焼室に直接噴射される。直接噴射の主な利点は、間接噴射に比して大きな行程容積当り出力が得られることである。また直接噴射は動作点に応じて内燃機関のいわゆる成層燃焼モード又は均質燃焼モードの選択的運転が可能である。その場合成層燃焼モードでは燃焼室内を支配する流れ条件を適当に調節することにより、点火プラグの区域にだけ引火性空燃混合気（いわゆる混合気の雲）が生成される。一方、残余の燃焼室には主として吸入された新気がある。成層燃焼モードでは極めてリーンな空燃比が実現され、従って大きな燃料節約が生じる。但し成層燃焼運転は内燃機関の低負荷領域でしか実施できない。例えば加速段階の高い負荷又はスロットル全開の場合や例えば冷間始動後の低いエンジン温度の場合は、十分な出力を生じ又は確実な点火を保証するために、通常内燃機関を均質燃焼運転で運転することが必要である。均質燃焼運転は混合気比率が全燃焼室で均一であるのが特徴である。
【０００３】
均質燃焼運転の空燃混合気は原則として希薄燃焼運転の場合よりリッチに、即ち濃厚な燃料で生成することができる。直噴式内燃機関ではピストンの下降運動時の吸入行程で噴射が行われる。ウォールフィルム問題としても有名な直接噴射の欠点は、噴射ジェットが通常差し向けられるピストンヘッドに噴射燃料が沈着する傾向にある。この問題は主として常温のエンジンで、低いピストン温度が燃料の蒸発を妨げ、沈殿を促す場合に現われる。点火により起動されるその後の燃焼の際に、ピストンヘッドに付着した燃料膜はまったく又は不完全にしか燃焼しない。続くシリンダ排出行程で膜が部分的に剥離し、未燃焼の炭化水素（ＨＣ）を排出する。それは全体としてＨＣ放出の増加となって現われる。主として冷間始動段階で起こるこの問題は、未燃焼の炭化水素の変換のための後置の触媒が通常この段階でまだ最低使用温度に到達していないため一層強められる。その結果未燃焼の炭化水素が変換されずに排出される。さらに加えて、ウォールフィルム問題によって引き起こされる燃料損失を高い噴射量で補償しなければならないという欠点がある。
【０００４】
そこで本発明の課題は、特に内燃機関の温度が低い場合に有害物質放出を減少する、上記類別の燃料直接噴射の制御方法を提供することである。
【０００５】
この課題は請求項１の特徴を有する方法によって解決される。本発明によれば噴射時期は内燃機関の温度に応じて制御される。内燃機関の温度はピストンヘッド温度及び／又は燃焼室温度及び／又は冷却剤温度として制御に関与することが好ましい。その場合特に低い温度では噴射を遅らせ、即ち遅い時期に行うこととする。本願において噴射時期の概念は噴射開始を意味するものとする。内燃機関の温度が低い場合に噴射時期を遅らせることによって、噴射弁と燃焼室に面したピストンヘッドとの距離が早期の噴射時期の場合より大きくなる。このため噴射された燃料が冷たいピストンヘッドに到達するまでにより多くの時間が残されるので、より大きな燃料分がすでに蒸発することができる。その結果、シリンダ内の比較的高いピストン位置での早期の燃料噴射の場合よりも、冷たいピストンヘッドの燃料による濡れが少ない。
【０００６】
発明の特に有利な実施形態によれば、内燃機関の温度しきい値が設定され、これを下回れば噴射時期が遅らされる。こうして特に冷間始動の後に現われる内燃機関温度が考慮される。温度しきい値は、内燃機関の下流に配置された触媒の最低使用温度を基準にすることが好ましい。こうして触媒が十分なＨＣ変換を遂行し、又は−ＨＣ吸蔵機能を装備する場合は−ＨＣ吸蔵を行うために十分に加熱されるまで、上記の噴射の制御操作により不完全燃焼又は未燃焼炭化水素の生成が抑制される。
【０００７】
噴射時期はピストンの上死点ＯＴからクランク軸角７０°ないし１３０°の後に、特に上死点ＯＴから８０°ないし１１０°の後に行われることが好ましい。先行技術で慣用の上死点ＯＴから３０°ないし６０°後の均質燃焼運転の噴射時期と比較して、本発明による遅い噴射時期によってピストンヘッドの濡れ、それとともにＨＣの排出が著しく減少される。次の点火時期までの残りの時間内にシリンダの燃焼室内になるべく十分な均質化を得ることが必要であるから、噴射時期の後方には制限がある。一方ではピストンの濡れの回避、他方では均質な混合気生成というこれらの相反する要求が拮抗する中で、好適な噴射時期は双方を満足する解決策である。
【０００８】
本発明の特に有利な実施形態では噴射圧力を噴射時期に応じて変え、噴射時期の遅れとともに噴射圧力を増加する。この処置により、噴射を特に遅らせても均質な混合気生成を得ることができる。その場合ＯＴからクランク軸角１３０°の後の噴射時期の場合は、ホットランニング状態の同じエンジン動作点に比して噴射圧力を係数１．３ないし１．７だけ増加するのが特に有利であることが判明した。
【０００９】
噴射制御のために、内燃機関の温度を公知の冷却剤温度センサ又は内燃機関の下流で排気ガス中に配設されたセンサにより検出することができる。内燃機関の運転パラメータ例えばエンジン負荷又はエンジン回転数に基づいて算定し、又は記憶された特性図表から決定するという方法が安価であり、十分に正確である。しかし例えば内燃機関の始動後の運転時間又は走行距離を指定し、所定の値に達するまで噴射時期を遅らせることによって、噴射時期をもっぱら間接的にエンジン温度に関連させるのも同様に有利である。
【００１０】
その他の有利な実施形態がその他の従属請求項の主題である。
【００１１】
次に発明の実施例を添付の図面に基づき詳述する。
【００１２】
図１は、全体を１０で示した直接噴射式シリンダの燃焼プロセスに関連するすべての部品の概略図を示している。ピストン１２はシリンダケーシング１４内でその縦軸に沿って移動し得るように支承される。燃焼室１６はピストン１２、シリンダケーシング１４及びシリンダヘッド１８によって取囲まれる。ここに概略だけ示した２つのエアポート、即ち吸気ポート２０と排気ポート２２がシリンダヘッド１８に穿設されている。エアポート２０、２２を通る流れを常法により制御する弁は、図示の便宜上ここに示さない。吸気ポート２０は一体鋳造のプレート２４、いわゆるタンブルプレートによって上半部と下半部に区分される。下半部は間欠操作式吸入運動フラップ２６により動作点に応じて開閉することができる。例えば図示の成層燃焼運転で行われるポート下半部の閉鎖は、残りのポート上側断面に空気流２８の加速を生じる。次に空気流２８は燃焼室１６の右側部分に示した矢印に従って燃焼室１６に流入する。そこで空気流２８はピストンヘッド３０に凹設されたフローキャビティ−（図１のピストン右側区域）に出会い、反転される。吸気ポート２０の下側には高圧噴射弁３２がシリンダヘッド１８に配置されている。噴射された燃料は同じくピストン１２に凹設された燃料キャビティ−（図１のピストン左側区域）に出会う。図示の成層燃焼運転では圧縮段階で噴射された燃料が逆向きの空気流によって制止されるから、もっぱら燃焼室１６の入口側区域に留まり、そこに混合気の雲３４を形成する。混合気の雲３４はシリンダヘッド１８の中央に配設された点火プラグ３６まで広がる。主として成層燃焼運転に対して最適化されたこの幾何学的形状によって、成層燃焼運転で安定した着火が保証される。
【００１３】
極めてリーンな成層燃焼運転で内燃機関１０の動作点、例えば冷間始動の直後に安定な着火を保証することができなければ、全燃焼室１６に均質な空燃混合気を生じる均質燃焼運転に切換えられる。このために吸入運動フラップ２６が開放される。噴射された燃料に対して燃焼室１６内に広がるために十分に長い時間を与えるために、均質燃焼運転で比較的早い時期に、即ちクランク軸角３０°ないし６０°で噴射を行うのがこれまで通例である。
【００１４】
クランク軸角とピストン位置の関連を図２に概略図で示す。ピストン１２はシリンダケーシング１４内に、上死点ＯＴと下死点ＵＴの間で垂直に移動し得るように配設されている。この運動は連接棒３８を介してクランク軸４０の回転運動に変換される。クランク軸４０の４２で示す軸線は図平面に対して垂直である。
【００１５】
均質燃焼運転で慣用の比較的早期の燃料噴射の欠点は、噴射弁３２とピストンヘッド３０の距離が小さいため、比較的大きな割合の燃料がピストンヘッド３０に沈着し、そこに液状の燃料膜を形成することである。この問題は主として内燃機関１０とピストン１２の温度が低いとき、特に冷間始動の後に起こる。ピストン１２が次第に温まるにつれて、この効果は減少する。エンジン温度が高ければ高温のピストンがむしろ蒸発過程を促進するから、早期の噴射時期は良好なＨＣ放出を示す。ピストンヘッド３０に沈着した燃料は着火しにくく、その後の燃焼のためにまったく又は不完全にしか利用されない。その結果冷たいエンジンで均質燃焼運転の場合は、安定な着火と十分な出力を得るために、多量の燃料を噴射して沈着した燃料を補償しなければならない。このため燃料消費が増加する。また排気行程で燃料膜の一部が剥ぎ取られ、排気ポート２２を経て排出される。まさしく始動段階では後置の触媒がまだ最低使用温度に達していないことが多いから、燃料が未燃焼炭化水素ＨＣの形で変換されずに排出される。
【００１６】
本発明によれば、この問題は噴射時期ＥＺＰを温度に応じて制御することによって解決される。そのために内燃機関の温度に対して温度しきい値を設定することが好ましい。特に温度しきい値は触媒の最低使用温度に相当することが好ましい。この温度しきい値以下では噴射時期ＥＺＰを遅らせるのである。特に噴射時期ＥＺＰは上死点ＯＴからクランク軸角７０°ないし１３０°の後に現われる。この噴射領域を図２に斜線の領域で表示した。この遅い噴射時期ＥＺＰにより噴射弁３２とピストンヘッド３０の距離が大きいため、噴射された燃料がほぼ完全に蒸発し、ピストンヘッド３０を濡らさないようにすることができる。その結果引火性混合気を作るために、より少ない燃料を配分することが必要である。同時にＨＣ放出が著しく減少する。他方では均質な混合気生成を保証するためになお十分な時間が残るように、本発明の噴射領域を最適化する。噴射圧力をホットランニング状態の同じエンジン動作点に比してとりわけ係数１．３ないし１．７に増加することによって、微細な燃料霧化に基づき混合気生成をいっそう速めることができる。この場合は高い燃料圧力で燃焼室への進入深さも大きいから、噴射を極めて遅く、例えばＯＴからクランク軸角１３０°の後に行うことができる。
【００１７】
内燃機関の温度は特にピストンヘッド温度、燃焼室温度、冷却剤温度又はこれらの値の平均値として制御に関与する。温度は適当な温度センサで直接検出し、及び／又は周知のモデルを使用して算定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一部切開した直接噴射式シリンダの概略図である。
【図２】ピストン位置とクランク軸角の相関の原理図である。
【符号の説明】
１０　　　　　シリンダ
１２　　　　　ピストン
１４　　　　　シリンダケーシング
１６　　　　　燃焼室
１８　　　　　シリンダヘッド
２０　　　　　吸気ポート
２２　　　　　排気ポート
２４　　　　　タンブルプレート
２６　　　　　吸入運動フラップ
２８　　　　　空気流
３０　　　　　ピストンヘッド
３２　　　　　高圧噴射弁
３４　　　　　混合気の雲
３６　　　　　点火プラグ
３８　　　　　連接棒
４０　　　　　クランク軸
４２　　　　　軸線
ＥＺＰ　　　　噴射時期
ＯＴ　　　　　上死点
ＵＴ　　　　　下死点

Claims

少なくとも１個のピストンがシリンダ内で上死点と下死点の間を上下運動し、該ピストン運動がクランクの回転運動に変換され、燃料噴射が吸入行程のピストン下降運動中に所定の噴射時期に行われる、少なくとも一時的に均質燃焼モードで運転される火花点火内燃機関の燃料直接噴射の制御方法において、噴射時期（ＥＺＰ）を内燃機関の温度に応じて制御することを特徴とする火花点火内燃機関の燃料直接噴射の制御方法。
前記内燃機関の温度としてピストンヘッド温度及び／又は燃焼室温度及び／又は冷却剤温度が制御に関与することを特徴とする請求項１に記載の火花点火内燃機関の燃料直接噴射の制御方法。
特に内燃機関の冷間始動の後に、前記内燃機関の温度が所定の温度しきい値を下回るときは、前記噴射時期（ＥＺＰ）を遅らせることを特徴とする請求項１又は２に記載の火花点火内燃機関の燃料直接噴射の制御方法。
前記温度しきい値が内燃機関の下流に配置された触媒の最低使用温度に関連することを特徴とする請求項３に記載の火花点火内燃機関の燃料直接噴射の制御方法。
前記噴射時期（ＥＺＰ）が上死点（ＯＴ）からクランク軸角７０°ないし１３０°の後、特に上死点（ＯＴ）から８０°ないし１１０°の後に現われることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の火花点火内燃機関の燃料直接噴射の制御方法。
燃料の噴射圧力を前記噴射時期（ＥＺＰ）に応じて変更し、該噴射時期（ＥＺＰ）の遅れとともに前記噴射圧力を増加することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の火花点火内燃機関の燃料直接噴射の制御方法。
前記上死点（ＯＴ）からクランク軸角１３０°の後の前記噴射時期（ＥＺＰ）の場合、ホットランニング状態の同じエンジン動作点に比して前記噴射圧力を係数１．３ないし１．７だけ増加することを特徴とする請求項６に記載の火花点火内燃機関の燃料直接噴射の制御方法。
前記内燃機関の温度を冷却剤温度センサ又は内燃機関の下流で排気ガス中に配設された温度センサにより決定又は算定することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の火花点火内燃機関の燃料直接噴射の制御方法。
前記内燃機関の温度を記憶した特性図表の運転パラメータに基づいて決定又は算定することを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の火花点火内燃機関の燃料直接噴射の制御方法。
内燃機関の始動後、所定の運転時間又は所定の走行距離のあいだ前記噴射時期を遅らせることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の火花点火内燃機関の燃料直接噴射の制御方法。