JP2006514194A - 内燃機関の噴射弁の駆動方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、特に噴射弁のノズルニードルのストロークを変更することによって燃料量を調整する、内燃機関の噴射弁の駆動方法に関する。こうした手法は基本的には従来技術から公知である。ただし長い期間にわたってノズルニードルのフルストロークが起こらず、充分な洗浄が行われなかった場合、内燃機関の所定の駆動状態において汚染物による不完全な閉鎖の危険（ガソリンブローの危険）が生じる。これを回避するために、本発明では、ノズルニードルの開放固定状態が識別されたとき、燃料によるノズルの洗浄を行うことを提案する。

Description

本発明は、噴射弁のノズルニードルのストロークを変更することによって燃料量を調整する、内燃機関の噴射弁の駆動方法に関する。

本発明はさらに前述の方法を実行するコンピュータプログラム、制御装置およびこの制御装置を備えた内燃機関に関する。

従来技術
従来技術では基本的に内燃機関での燃料の直接噴射のための高圧噴射弁が公知である。特に図３の高圧噴射弁３００のような、内燃機関の燃焼室へ噴射される燃料量が噴射弁の開放時間だけでなくノズルニードル３３０のストロークによっても調整されるタイプのものがよく知られている。この噴射弁ではノズルニードル３３０が例えば直接にピエゾアクチュエータ３２０によって駆動される。この種の噴射弁は、きわめて短い噴射パルスをきわめて短い時間窓内の１作業サイクル中に複数個送出する、いわゆるマルチ噴射に特に適している。この噴射弁に使用されるノズルの例として、外部へ向かって開放されたノズル、いわゆるＡノズルが挙げられる。

従来技術では前述の噴射弁のノズルニードルのストロークが大きすぎても小さすぎてもさまざまな問題が起こる。つまり
１．ストローク幅が大きすぎるときには、ノズル面積と燃料系圧との変更幅が燃焼プロセスによって狭まるため、少量の燃料量を実現する手段が制限されるし、使用されるピエゾアクチュエータ３２０のサイズやその物理的特性（例えばストローク幅や加速力など）、制御装置終段の出力（損失電力、構造スペース）も制限される。これに対して
２．内燃機関の定格駆動に対する定格ストロークでストローク幅が小さいとき、すなわち最小幅では、充分な洗浄効果が保証されない。

最小ストロークであっても、噴射弁が主として定格幅で駆動される内燃機関の定格駆動において、噴射弁の不完全閉鎖または噴射弁が噴射ノズルの断面の粒子によって開放固定状態にいたることがないように保証しなければならない。

充分な洗浄効果を保証することはガソリンブロー（Benzinschlag）の危険を回避するために重要である。ガソリンブローは噴射弁の断面が汚染物粒子によって塞がれ、噴射弁が完全に閉鎖できない場合に生じる。こうなるとこの噴射弁に対応するシリンダに連続して燃料が圧送される。燃料は非圧縮媒体と見なせるので、噴射燃料量がシリンダの圧縮容積を超えるとピストン運動の阻害またはブロックが起こる。このとき内燃機関のシリンダが正常に動作していれば、クランクシャフトを介してきわめて大きな力が連接棒およびピストンにかかり、特に連接棒またはピストンの損傷といった回復不能な機関の障害が発生してしまう。

上述したように、内燃機関の定格駆動における最小ストロークを設定することにより、汚染物粒子によるノズルの汚染が回避される。

ただし最小ストロークの設定は内燃機関の定格駆動時にしか適用されない。これは個々の噴射パルスのあいだ、またはノズルニードルのストロークのあいだ、噴射弁を時間的に完全に閉鎖しなければならないことを排除しない。特に低燃費走行の駆動状態、例えばアイドリングモードでは、かなり長い時間にわたってノズルニードルがフルストロークされず、部分的にしか駆動されない。この内燃機関の駆動状態では部分駆動のために充分な洗浄効果が保証されず、噴射ノズルの汚染の危険がひどく高まり、しかもこれを知ることが困難になる。

特にアイドリングモードでは１つのシリンダの２つの噴射サイクルのあいだに長い時間間隔が生じる。このため望ましくないノズルニードルの開放固定状態の診断に僅かな回数の噴射しか用いることができず、全体として診断が不確かとなってしまう。

こうした従来技術から出発して、本発明の課題は、公知の噴射弁の駆動方法、コンピュータプログラムおよび制御装置、またこうした制御装置を備えた内燃機関を改善し、噴射弁のノズルが粒子によって汚染されるのを防ぎ、低燃費走行の駆動状態でのガソリンブローの危険をただちに識別して回避できるようにすることである。

この課題は請求項１の特徴部分に記載の構成により解決される。したがって本発明では、噴射時間の変更および噴射弁のノズルニードルのストロークの変更によって燃料量を調整する、内燃機関の噴射弁の駆動方法において、ａ）内燃機関が正常に機能しているかを監視し、ｂ）噴射弁のノズルニードルの開放固定状態、例えば汚染物によってノズルニードルをそれ以上閉鎖することも開放することもできない状態を識別し、ｃ）ノズルニードルのほぼ最大のストロークで燃料を調量して汚染物を除去することによりノズルの洗浄を行う。

本発明の利点
有利には、本発明の洗浄には大きな燃料量ひいては大きな圧力が作用するので、噴射弁の断面に付着した汚染物粒子は大幅に除去される。汚染物粒子が取り除かれ、ノズルはふたたび完全に閉鎖できるようになる。こうしてガソリンブローの危険が回避される。ノズルの洗浄により、ノズルが汚染物粒子によって損なわれる前の本来の噴流パターンが回復される。噴流パターンが回復されれば内燃機関の効率も向上する。

内燃機関の正常動作を監視し、ノズルニードルの開放固定状態を識別する実施形態は従属請求項２〜４の対象となっている。これらの請求項の実施形態はそれぞれ同時に行う事もできる点が重要である。なお前述の条件が満足されれば識別にとっては充分である。

有利には、駆動時間ｔ_ｉを低減することにより、洗浄のためのフルストロークで要求される大きな燃料量を補償することができる。

噴射弁が開放位置で固定されてしまうと、燃料は内燃機関の燃焼室へ流れつづける。これは望ましくない大きなトルクをもたらす。この望ましくない過剰トルクの発生を抑える有利な実施形態が従属請求項６〜８の対象となっている。

燃料量の低下とこれによるステップＳｃでの洗浄のトリガエラーとを回避するために、有利には、ステップＳｃの実行を新たなイネーブルまで所定の時間にわたって阻止する。

上述の課題はさらに、本発明の方法を実行するコンピュータプログラム、制御装置およびこの制御装置を備えた内燃機関によって解決される。これらの解決手段の利点も前述した本発明の方法の利点に相応する。

図面
本発明を以下に添付図に示した実施例に則して詳細に説明する。図１には本発明の内燃機関の噴射弁の駆動方法が示されている。図２には本発明の内燃機関の噴射システムが示されている。図３には従来技術のノズルニードルのストローク変更を行う噴射弁が示されている。

本発明の実施例の説明
図１の本発明の方法は、特に低燃費走行の駆動状態、例えばアイドリングモードにおいて、図３の噴射弁３００のノズル３１０の汚れを回避するために用いられる。

このために本発明はステップＳａで内燃機関が正常に機能しているか否か監視する。この監視は本発明によれば４通りの手段で行われる。

第１の監視手段すなわちサブステップＳａ１として、燃料空気混合気のリッチ度が監視される。燃料空気混合気のリッチ度は典型的には関連するシリンダでのλ値の低下によって検出することができる。

第２の監視手段すなわちサブステップＳａ２として、個々のシリンダのミスファイアが監視される。ミスファイアとは１点火サイクル中に燃焼が失敗することであると解されたい。

第３の監視手段すなわちサブステップＳａ３として、図２の内燃機関１００に配属された燃料蓄積器１１０の圧力を監視する。この圧力が低下している場合、内燃機関の正常な運転が阻害されていることになる。

第４の監視手段すなわちサブステップＳａ４として、内燃機関の個々のシリンダについてトルクの上昇またはトルクの不均一が生じているか否かを監視する。

これら４つの監視手段すなわちサブステップＳａ１〜Ｓａ４は全て単独でも任意に組み合わせても実行可能である。このように任意の組み合わせが可能であることを特許請求の範囲においては「場合により付加的に」という語で表している。

本発明の方法における内燃機関の監視は、それによって得られた知識が図３の噴射弁３００の望ましくないノズルニードル３３０の開放固定状態に関しても評価されることにより意義を有する。この評価は、図１に示されているように、ステップＳａで行われる内燃機関の監視にしたがって行われる。

すなわち、サブステップＳａ１として内燃機関の燃料空気混合気のリッチ度を監視する場合、サブステップＳｂ１でリッチ度が設定されたリッチ度閾値よりも大きいとき、またはリッチグラジエントが設定されたリッチグラジエント閾値よりも大きいときに開放固定状態を識別する。同様にステップＳａ２として内燃機関または個別のシリンダのミスファイアを監視する場合、サブステップＳｂ２で単位時間あたりに検出されたミスファイアの数が設定された頻度閾値を上回るとき開放固定状態を識別する。またサブステップＳａ３として当該の内燃機関に対応する燃料蓄積器内の圧力低下を監視する場合、サブステップＳｂ３で、図２の燃料蓄積器１１０内の圧力が設定された圧力閾値を下回るとき、または燃料蓄積器内の圧力の時間特性が設定された目標特性の圧力トレランス値から偏差するとき、開放固定状態を識別する。さらにサブステップＳａ４として内燃機関の個々のシリンダについて層状給気モードでトルクの上昇またはトルクの不均一が生じているか否かを監視する場合、サブステップＳｂ４でトルクの上昇分またはトルクの変動量が設定された閾値を上回るとき、開放固定状態を識別する。

図１のステップＳｂでは、少なくともサブステップＳｂ１〜Ｓｂ４のいずれかにしたがって図３のノズルニードル３３０の開放固定状態が識別されるか否かが検査される。開放固定状態が識別されない場合にはステップＳａの監視が続行される。これに対してノズルニードル３３０の開放固定状態、すなわちノズルニードルをそれ以上閉鎖も開放もできない状態が識別されると、図３のノズル３１０の粒子による汚染が推論される。この推論は開放固定状態が規則的にではなくきわめて稀にしか起こらない場合に特に許容しやすい。というのはノズルの表面の製造ばらつきが原因となって開放固定状態が生じたというケースを排除できるからである。

ステップＳｂで図３のノズル３１０の断面の汚染が識別された場合、本発明の方法では、ステップＳｃとしてノズルを燃料によって洗浄する。このとき図３のノズルニードル３３０のストローク幅はほぼ最大まで調整される。こうして特に大きな燃料量を大きな燃料圧で噴射弁のノズルから流出させ、望ましくない汚染物粒子を除去する。こうすればノズルは汚染物粒子から解放され、ふたたび正常に閉鎖するようになる。このことは内燃機関の正常動作からわかる。

ノズルニードルの最大ストロークをステップＳｃの洗浄過程で調整することにより、特に大きな燃料量が内燃機関の燃焼室へ供給される。この燃料量は内燃機関の定格駆動に必要な定格燃料量よりもはるかに大きい。このような多量の燃料は状況によっては内燃機関の高いトルクをもたらす。高いトルクを望まない場合には、本発明の図１の方法において高いトルクの発生を抑える種々の手段を適用することが推奨される。

このためにまずステップＳｄでそもそも高いトルクが発生しているか否かを識別しなければならない。発生している場合には、サブステップＳｄ１として内燃機関のトルクを一定に保持する第１の手段が適用される。ここではステップＳｃでの洗浄中、ノズルニードルの最大ストロークを調整するための駆動時間ｔ_ｉを図２の噴射弁１２０によって内燃機関１００の燃焼室へ噴射される燃料量が設定された燃料平均値を超えないように低減する。これに代えて、サブステップＳｄ２としての第２の手段で、ステップＳｃでの洗浄中、当該のシリンダに人工的にミスファイアを生じさせてもよい。このミスファイアは図３のノズルニードル３３０の開放固定状態の検出されたシリンダに対する点火時点を燃焼室の燃料空気混合気が燃焼不能となるか燃焼の高圧効率が最小となるまで遅延させることにより人工的に発生させることができる。

内燃機関のトルクを一定に保持するための他の２つの手段は、内燃機関の駆動モードに依存して異なる。

ステップＳｄ’で内燃機関がいわゆる均一モードで動作していることが識別された場合、つまりきわめて小さなトルク上昇がλ効率曲線に相応に発生している場合には、内燃機関のトルクは一定に保持される。これは洗浄中、サブステップＳｄ３で点火角効率が
ｅｔａ＿ｚｗ＝（Ｍｄ＿ｓｏｌｌ／Ｍｉ＿ｏｐｔ）．（１／ｅｔａ＿ｌａｍ），
ｅｔａ＿ｌａｍ＝ｆ（λ），λ＝ｒｌ／ｒｋ＿ｓｏｌｌ，ｒｋ＿ｓｏｌｌ＝ｆ（洗浄行程）
にしたがうように点火時点を遅延することにより行われる。ここでｅｔａ＿ｚｗは点火角効率であり、Ｍｄ＿ｓｏｌｌは機関トルク目標値または内燃機関目標値であり、Ｍｉ＿ｏｐｔはトルク最適値または内燃機関最適値であり、ｅｔａ＿ｌａｍはλ効率であり、ｒｌは空気量であり、ｒｋ＿ｓｏｌｌは燃料量目標値である。

またステップＳｄ’で内燃機関がいわゆる層状給気モードで駆動されていることが識別された場合、これは一般に空気過剰の状態を意味する。したがって混合気の燃焼の前提となるλ効率曲線のその時点での動作点に依存してトルクは小さい値から大きい値へ変化しうる。層状給気モードでは、ステップＳｃでの洗浄の前後に、通常はマルチ噴射サイクルで複数個送出される噴射パルスを少なくとも個別に阻止することにより、トルクが一定に保持される。

内燃機関が層状給気モードで駆動されているときに噴射弁の開放固定状態が検出された場合、駆動を均一モードへ変更すると良い。なぜなら均一モードでは供給される空気量が制限されることによりトルク制限が行われるからである。

サブステップＳｄ１〜Ｓｄ４のアプローチにより、内燃機関の燃焼室へ供給される燃料量は制限されるが、噴射弁は洗浄過程で最大ストロークまで開放される。

トルクを一定に保持する実施態様が適用されるか否かにかかわらず、洗浄を行った後には、次の新たな洗浄に対して所定の休止時間を置くことが推奨される。この休止過程がステップＳｅとなる。このようにすれば本発明の方法において特にステップＳｃの洗浄過程のエラートリガが回避される。

本発明の内燃機関の噴射弁の駆動方法のフローチャートである。 本発明の内燃機関の噴射システムを示す図である。 従来技術の噴射弁を示す図である。

Claims (14)

1. 噴射時間の変更および噴射弁（１２０）のノズルニードルのストロークの変更によって燃料量を調整する
   内燃機関（１００）の噴射弁の駆動方法において、
   内燃機関（１００）が正常に機能しているかを監視するステップＳａと、
   噴射弁（１２０）のノズルニードルの開放固定状態、例えば汚染物によってノズルニードルをそれ以上閉鎖することも開放することもできない状態を識別するステップＳｂと、
   ノズルニードルのほぼ最大のストロークで燃料を調量して汚染物を除去することによりノズルの洗浄を行うステップＳｃと
   を有する
   ことを特徴とする内燃機関の噴射弁の駆動方法。
2. ステップＳａで内燃機関（１００）のリッチ度を監視し（Ｓａ１）、ステップＳｂでリッチ度が設定されたリッチ度閾値よりも大きいとき、またはリッチグラジエントが設定されたリッチグラジエント閾値よりも大きいときに開放固定状態を識別する（Ｓｂ１）、請求項１記載の方法。
3. ステップＳａで場合により付加的に内燃機関（１００）または個別のシリンダのミスファイアを監視し（Ｓａ２）、ステップＳｂで場合により付加的に単位時間あたりで検出されたミスファイアの数が設定された頻度閾値を上回るときに開放固定状態を識別する（Ｓｂ２）、請求項１または２記載の方法。
4. ステップＳａで場合により付加的に当該の内燃機関（１００）に対応する燃料蓄積器（１１０）内の圧力を監視し（Ｓａ３）、ステップＳｂで場合により付加的に、燃料蓄積器内の圧力が設定された圧力閾値を下回るとき、または燃料蓄積器内の圧力の時間特性が設定された目標特性の圧力トレランス値から偏差するときに開放固定状態を識別する（Ｓｂ３）、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. ステップＳｃでの洗浄中、ノズルニードルの最大ストロークを調整するための駆動時間ｔ_ｉを、噴射弁（１２０）によって内燃機関の燃焼室へ噴射される燃料量が設定された燃料平均値を超えないように低減する（Ｓｄ１）、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. ステップＳｃでの洗浄中、ノズルニードルの開放固定状態の検出されたシリンダに対する点火時点を燃焼室の燃料空気混合気が燃焼不能となるか燃焼の高圧効率が最小となるまで遅延させることにより、当該のシリンダに人工的にミスファイアを生じさせる（Ｓｄ２）、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
7. 内燃機関が均一モードで動作している場合のステップＳｃでの洗浄中、点火角効率が
   ｅｔａ＿ｚｗ＝（Ｍｄ＿ｓｏｌｌ／Ｍｉ＿ｏｐｔ）．（１／ｅｔａ＿ｌａｍ），
   ｅｔａ＿ｌａｍ＝ｆ（λ），λ＝ｒｌ／ｒｋ＿ｓｏｌｌ，ｒｋ＿ｓｏｌｌ＝ｆ（洗浄行程）
   にしたがうように点火時点を遅延させ（Ｓｄ３）、ここでｅｔａ＿ｚｗは点火角効率であり、Ｍｄ＿ｓｏｌｌは機関トルク目標値または内燃機関目標値であり、Ｍｉ＿ｏｐｔはトルク最適値または内燃機関最適値であり、ｅｔａ＿ｌａｍはλ効率であり、ｒｌは空気量であり、ｒｋ＿ｓｏｌｌは燃料量目標値である、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
8. 内燃機関が層状給気モードで動作している場合のステップＳｃでの洗浄前または洗浄後に、マルチ噴射サイクルとして基本的に複数回行われる噴射を少なくとも個別に阻止する（Ｓｄ４）、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
9. ステップＳｃでのノズルニードルの最大ストロークを内燃機関のシリンダごとに数回の噴射過程にわたって調整する、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
10. ステップＳｃの実行を新たなイネーブルまで所定の時間にわたって阻止する（Ｓｅ）、請求項９記載の方法。
11. コンピュータまたはマイクロプロセッサ上で動作し、請求項１から１０までのいずれか１項記載の内燃機関の噴射弁の駆動方法を実行するのに適したプログラムコードを有する
    ことを特徴とする内燃機関（１００）の制御装置（１３０）用のコンピュータプログラム。
12. プログラムコードがコンピュータで読み出し可能なデータ担体に記憶されている、請求項１１記載のコンピュータプログラム。
13. 燃焼室へ供給される燃料量がノズルニードルのストロークを変更することによって調整されるように噴射弁が構成されている、
    内燃機関（１００）の噴射弁（１２０）を駆動する制御装置（１３０）において、
    例えば汚染物によるノズルニードルの開放固定状態を識別可能であり、これが識別されたとき、ノズルニードルのほぼ最大のストロークで燃料が調量されてノズルが洗浄される
    ことを特徴とする内燃機関の噴射弁を駆動する制御装置。
14. 燃焼室へ供給される燃料量がノズルニードルのストロークを変更することによって調整される噴射弁（１２０）を備えた内燃機関（１００）において、
    例えば汚染物によるノズルニードルの開放固定状態を識別可能であり、これが識別されたとき、ノズルニードルのほぼ最大のストロークで燃料を調量してノズルを洗浄する制御装置（１３０）が配属されている
    ことを特徴とする内燃機関。

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