JP4612142B2 - 自動車の内燃機関及び該内燃機関の運転方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に自動車の内燃機関を運転するための方法であって、燃料を、周期的に変化する吐出出力を有する少なくとも１つのフィードポンプによってアキュムレータに圧送し且つ該アキュムレータから所定の圧力下で少なくとも１つの噴射弁によって所定の噴射時点に内燃機関の燃焼室に直接に噴射し、しかも、燃料に作用する圧力を測定する形式のものに関する。この場合は、特に内燃機関の始動運転の位相が考慮される。更に本発明は、特に前記のような内燃機関のための、対応する制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
冒頭で述べた方法は、特に直接噴射式のディーゼルエンジン又はガソリンエンジンを備えた自動車において公知である。この場合、各燃焼室には各１つの噴射弁が対応配置されており、この噴射弁により燃料が圧力をかけられて各燃焼室に直接に噴射される。燃料に作用する圧力を得るためにはフィードポンプが設けられており、このフィードポンプによって、燃料が噴射弁にそれぞれ供給される。但し、燃料はその都度噴射される前にまず、いわゆるアキュムレータに供給される。このアキュムレータには、内燃機関の単数又は複数の燃焼室が、単数又は複数の噴射弁を介して空間的に接続されている。アキュムレータでは、直接噴射に必要とされる燃料圧が、フィードポンプによって形成される。
【０００３】
ガソリン直接噴射において、燃料圧はますます重要性を増している。それというのも、燃料圧は、燃焼室における燃料の調整及び進入距離の特性に対して決定的な責任があるからである。特に、均一運転とは異なる「シフト運転（Ｓｃｈｉｃｈｔｂｅｔｒｉｅｂ）」では、燃料を時間的且つ容積的に著しく規定して燃焼室にもたらすことが必要とされている。基本的に直接噴射式の燃焼に際して供与される圧力のポテンシャル全体を利用できるようにするためには、燃焼室への噴射に際して、燃焼の操作レベルに応じて異なる燃料圧が規定されている。
【０００４】
燃焼室に噴射されるべき燃料質量の設定に関しては、特に各噴射時に燃料に作用する圧力が重要である。従って、例えば噴射されるべき同一燃料質量に関して、比較的高い圧力の場合は比較的短い噴射時間しか必要でないのに対して、逆に比較的低い圧力の場合は、各噴射弁は比較的長く開放状態で作動制御されなければならない。
【０００５】
同じ噴射装置が、例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第４３１１７３１号明細書に記載されている。この装置の場合は、圧力センサによって測定された噴射圧が、内燃機関の運転状態を表す値と一緒に、別の値として、噴射弁の所要開放時間を算出するための電子制御装置に供給される。
【０００６】
従来の技術において公知の内燃機関の場合は、まず電動プレフィードポンプが設けられており、このプレフィードポンプは、エンジン回転数とは無関係の約４バールの圧力を生ぜしめる。次いでこのプレ吐出圧は、内燃機関により機械的に直接駆動される主要フィードポンプによって、約４０〜１２０バールの高圧に高められる。従って、主要フィードポンプの吐出出力若しくは吐出圧は、主としてエンジン回転数及びポンプのピストンの数に関連している。
【０００７】
更に、従来、始動運転で運転される内燃機関では、主要フィードポンプは差し当たり圧力上昇のためには使用されない。むしろ、まず所定の弁を用いて、例えばこの弁を制御装置を介して適当に作動制御することにより、プレ吐出圧のみが形成される。この方式の理由は、始動運転では圧力はエンジン回転数、噴射される燃料量及び噴射時点等の関数としてプレ吐出圧と約１２０バールとの間で予想可能には調整されず、延いては噴射される燃料の量が算出不能である、ということである。
【０００８】
更に、冒頭で述べた直接噴射式のエンジンの場合は、噴射時間が時間的に非常に制限されている。それというのも、燃焼室の排気弁が閉鎖されている時と、シリンダ圧がアキュムレータ内の圧力よりも小さな時間内でしか噴射できないからである。
【０００９】
更に、圧力形成の他に、燃料圧のコントロール可能な制御をも可能にするためには、アキュムレータ内で燃料に作用する圧力を、圧力センサによって検出することが公知である。この場合、この圧力を認識した上で噴射弁を作動制御することにより、つまり、規定された時間にわたって弁を開放することにより、噴射過程をできるだけ制御して行わせることが可能である。
【００１０】
アキュムレータのスペース的な構成に関しては、技術的な理由から、蓄え容積を拡大するという要求が既に存在している。例えば、スペース的に噴射弁の近くの燃料における、温度に起因する気泡形成に抗して、アキュムレータの容積拡大が効果的に作用可能であることが公知である。しかし逆に、特にコストに関する理由から、主要フィードポンプの大きさ延いては出力を小さくする傾向が目立つ。このことは結果的に、始動運転中にアキュムレータにおける圧力形成のために必要とされる時間を減少させるよりもむしろ増大させることになる。
【００１１】
前記の問題は、シングルシリンダポンプとして構成された主要フィードポンプの場合は、特に例えば内燃機関の始動段階中に生じる低い回転数において、ポンプから供給される吐出流が著しい時間的変動、場合によってはほぼ周期的な変動を免れないということにより、更に悪化される。
【００１２】
更に、コールドスタート時には排出物質がほとんど濾過されずに燃焼室から排出される恐れがあるということが知られている。従って、ＥＵＲＯ２・排ガス規準に反して、その基準値はコールドスタートの終了後にようやく得られ、今後のＥＵＲＯ３及びＥＵＲＯ４・排ガス規準においても、始動時の排出が考慮される見通しである。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
従って本発明の課題は、内燃機関を運転するための方法、並びに上記の欠点を回避し、特に可能な限り小さな吐出出力を有するエンジン駆動式の主要フィードポンプの使用を、特に始動運転の段階で生じる回転数変動延いては平行して現れる圧力変動にも関わらず可能にする内燃機関を提供することである。従って、一般に回転数変動又は低い回転数が、燃料フィードポンプの吐出圧の対応する圧力変動を生ぜしめるという状況が考慮される。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために本発明による方法では、少なくとも１つのフィードポンプの吐出出力のサイクルと、燃料の噴射時点とを、時間的に互いに同調させるようにした。これに対応して、前記課題は本発明による制御装置において、少なくとも１つのフィードポンプの周期的に変化する吐出出力のサイクルと噴射時点とを、時間的に同調させるための手段が設けられていることによって解決される。
【００１５】
即ち本発明の構想では、ガソリン直接噴射式の内燃機関の燃料供給に際して、アキュムレータにおける燃料の吐出流と圧力形成とを所定の時間範囲内で行わせ、この時間範囲内で、特にコールドスタート時に燃料が燃焼室に噴射される。
【００１６】
つまり、本発明による方法は、フィードポンプにより供給される燃料圧が所定の時間にわたって有利にはパルス式又は周期的に可変に変化し、これにより、例えばアキュムレータ内に形成される、若しくは既に調整された燃料圧がやはり所定の時間にわたって変化するというシナリオを前提としている。この変化は、例えば低い回転数における駆動出力不足のフィードポンプに基づいていてよい。なぜならば、このフィードポンプも規定された回転数からしか必要とされる燃料吐出量を保証しないからか、又は、例えば内燃機関の運転始動段階では内燃機関の回転数はやはり低く、更にアキュムレータにおいて必要とされる最大圧力は未だ形成段階にあり、従って最終的にようやく一定の圧力を可能にするアキュムレータの緩衝作用がまだ働かないからである。
【００１７】
【発明の効果】
本発明の第１実施例では、フィードポンプの吸込み・圧縮サイクルを内燃機関の位相位置に適合させることが規定されていてよい。これにより、フィードポンプが内燃機関のサイクルで作動し、従って内燃機関の位相位置と時間的に厳密に関連している噴射時点がポンプサイクルに合わされていることが、自動的に保証されている。
【００１８】
本発明による方法の択一的な形態では、フィードポンプの吸込み・圧縮サイクルを、内燃機関のカムシャフトに配置された適当な駆動カムによって行うことが規定されていてよい。従ってこの実施形態では、内燃機関の作動サイクルに対するフィードポンプのサイクル制御の同調を制御ユニットを用いて遂行することは不要である。むしろ、フィードポンプは別の影響とは無関係に、内燃機関の機械サイクルに厳密に同調されており、これにより、サイクルの調整又は変調も行われ得ないということが自動的に保証されている。
【００１９】
更に、内燃機関の始動運転の場合、特にコールドスタートに際しては、燃料が燃料圧の最大値の範囲で燃焼室に噴射されるということが規定されていてよい。コールドスタート時には、比較的大量の燃料を燃焼室に噴射すること、つまり、内燃機関に豊富な燃料混合物を供給することが必要とされる。即ち、燃料圧が最大の範囲でその都度噴射することに基づき、如何なる場合も可能な限り最大の燃料量がコールドスタートの間に供与されることが保証されている。それというのも、さもないと燃焼室に噴射される燃料の量若しくは質量を、噴射弁開口のジオメトリ又は噴射弁の開放時間の変化を介してしか制御することができないからである。
【００２０】
更に本発明による方法では、所定の時間にわたって測定された燃料圧の値を検出し、燃料の圧力最大値の範囲内で噴射を開始し、所定の噴射時点に噴射される燃料の総質量を、圧力と、各時間間隔若しくは無限小の時間間隔との積の合計又は積分に基づいて求め、噴射弁を、内燃機関の当面の運転状態に適した燃料質量が得られた後で閉鎖するということが規定されていてよい。即ち、吐出時点及び圧力×時間の積に関する積分量の適当な選択により、比較的大量の燃料を有利に燃焼室にもたらすことができる。つまり、本発明の思想に対応して、前記の圧力増大は正に、前記の積分量の算出に基づき燃料を最適な量で燃焼室に供給するために使用される。
【００２１】
本発明により提案される内燃機関は、上で述べた課題を解決するために、時間的に変化するフィードポンプの吐出量形成サイクルを噴射時点に合わせるための適当な手段を有している。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図面につき詳しく説明する。
【００２３】
本発明による内燃機関の１実施例を図１に基づき説明する。特に、この図１には、自動車で使用するために設けられた内燃機関の燃料供給システム１が示されている。この内燃機関は４つのシリンダ、延いては４つの燃焼室を有している。当該内燃機関は、燃料、有利にはガソリンが、燃焼室に直接に噴射される構成である。
【００２４】
燃料は、ポンプ２によってタンク３からフィルタ４を介して別のポンプ５に圧送され、このポンプ５によって燃料は圧力室６に供給される。前記ポンプ２，５により、圧力室６には燃料に作用する比較的高い圧力が存在している。圧力室６には、圧力制御弁７と圧力センサ８とが接続されており、この圧力センサ８によって、圧力室６内に存在し且つ燃料に作用する圧力が測定され得る。圧力センサ８は、測定された圧力に対応した、線路９を介して電気的な制御装置１０に供給される電気信号ｐｒａｉｌを発生させる。圧力制御弁７と圧力センサ８とを用いて、圧力室６内の圧力、つまり、燃料に作用する圧力を、制御装置１０によってほぼ一定の高い出力値になるように制御することができる。
【００２５】
制御装置１０は、メモリ及びその他の必要とされる構成部材の設けられた、自動車に組み込まれたプログラミング可能なマイクロプロセッサである。この場合、制御装置１０は本発明による方法を実施するために必要とされる信号を、特に各センサ、例えば圧力センサ８から受信して、これらの信号から、説明した方法に従って、例えば作動子の制御に必要な信号、つまり、例えば噴射弁１１又は圧力制御弁７を制御するために必要な信号を発生させる。
【００２６】
４つの噴射弁１１は、それぞれ圧力室６に接続されている。各噴射弁１１は、それぞれ内燃機関の燃焼室に直接に対応配置されている。閉鎖された噴射弁１１によって、圧力室６は各燃焼室から分離される。導電線１２を介して、噴射弁１１はそれぞれ制御装置１０に接続されている。噴射弁１１の内の１つを作動制御するためには、制御装置１０が電気信号ｔｉを発生させ、この電気信号ｔｉによって、対応する噴射弁が開放状態にもたらされるように制御される。前記信号ｔｉの長さは、燃料が圧力室６から対応する噴射弁１１を介して内燃機関の所属の燃焼室に噴射される噴射時間に相当する。
【００２７】
本発明による方法に従った内燃機関の原則的な運転形式を、図２に示した時間線図に基づいて説明する。下側部分には、特定の噴射弁１を開放状態にもたらすように制御する前記の電気信号ｔｉの典型的な時間経過が示されている。即ち、この信号ｔｉの長さは、各噴射時間に相当している。この線図から更に判るように、各噴射弁１１には内燃機関１の作動サイクル（０〜３６０°）毎に信号ｔｉが２回供給され、この信号に従って作動サイクル毎に２回の噴射が行われる。
【００２８】
線図の上側部分には、圧力室６内の燃料圧の概略的な経過が例示されており、この場合、圧力は所定の圧力範囲内で増減、つまり、時間周期的に変動している。提案する方法では、噴射時点は圧力曲線の最大値の範囲に位置している。この例では、信号ｔｉと圧力最大値との位相位置は時間的に厳密に関連しているので、両値ｔｉ，ｐの図示の位相位置は比較的長い時間にわたっても不変であることが保証されている。この強固な位相関係は、例えば制御装置１０を介した、例えばフィードポンプ５の適切な時間的制御、又は適当なカムシャフト制御によって実現されていてよい。
【００２９】
図３（ａ）に示した線図には、始動運転状態にある本発明による内燃機関１の典型的な回転数の経過が示されている。内燃機関１の前記の作動サイクルに対応して、回転数は波状若しくはパルス状に、０からアイドリング回転数（図示せず）にまで上昇している。図３（ａ）に示した時間ウインドウ内で図３（ｂ）に示した、アキュムレータとして形成された圧力室６内の燃料圧の経過は、内燃機関１のエンジン出力と時間的に関連している主要フィードポンプ５の吐出出力に基づき、時間的な経過において回転数の経過と非常に類似している。但し、主要フィードポンプ５と圧力室６との間の線路システム全体における、主要フィードポンプによって供給される圧力波の所要時間に基づいて生ぜしめられる僅かな位相ずれが発生する（圧力は、回転数に対しておよそ数分の１秒だけ遅れている）。回転数と圧力との間の最大の偏差は、図示のように当然、内燃機関の運転開始時に存在している。それというのも、この時点でまず吐出圧が主要フィードポンプ内で形成されるか、若しくは安定される必要があるからである。
【００３０】
更に図３（ｂ）には、噴射時に一緒に供給される燃料の最適化のための積分ｐ^*ｄｔが、本発明の別の思想に対応してどのように使用されるかが示されている。３つの圧力（ｔ１，ｔ２，ｔ３）を用いて所定の時間ｔ１〜ｔ３にわたって実施される検出により、まず圧力最大値をおおよそ見つけだすことが可能になる。ｔ１において燃料噴射が開始される場合、この噴射時点に噴射される燃料の総質量は、圧力と時間間隔若しくは無限小の時間間隔ｔ１〜ｔ２；ｔ３との積の合計又は積分に基づき、対応する噴射弁１１が内燃機関の当面の運転状態に適した燃料質量を得た後で再び閉鎖され得るように設定することができる。即ち、吐出時点の図示の選択及び前記の積分量に基づき、可能な限り大きな燃料量を燃焼室にもたらすことができる。本発明の思想に対応して、前記の圧力増大は正に、前記の積分量の算出に基づき燃料を最適な量で燃焼室に供給するために使用される。
【図面の簡単な説明】
【図１】複数の燃焼室が設けられた自動車の内燃機関を運転するための本発明によるシステムの１実施例の概略的な回路構成図である。
【図２】本発明による方法を図示するための時間線図である。
【図３】（ａ）は、本発明による内燃機関の回転数の経過を示した図であり、（ｂ）は、本発明による内燃機関の（ａ）図に示した回転数に対応するポンプ圧力を示した図である。
【符号の説明】
１ 燃料供給システム、 ２ ポンプ、 ３ タンク、 ４ フィルタ、５ ポンプ、 ６ 圧力室、 ７ 圧力制御弁、 ８ 圧力センサ、９ 線路、 １０ 制御装置、 １１ 噴射弁、 １２ 導電線、 ｐｒａｉｌ 電気信号

Claims (8)

1. 自動車の内燃機関（１）を運転するための方法であって、燃料を、周期的に変化する吐出出力を有する少なくとも１つのフィードポンプ（５）によってアキュムレータ（６）に圧送し且つ該アキュムレータから所定の圧力下で少なくとも１つの噴射弁（１１）によって所定の噴射時点に内燃機関（１）の燃焼室に直接に噴射し、しかも、燃料に作用するアキュムレータ（６）内の圧力を測定し、少なくとも１つのフィードポンプ（５）の吐出出力のサイクルと、燃料の噴射時点とを、時間的に互いに同調させる形式のものにおいて、
   内燃機関（１）の始動運転中に、圧力センサ（８）により所定の時間にわたって燃料圧の値を測定し、燃料圧の値が最大となる時点を予測し、燃料が噴射される期間が前記燃料圧が最大となる時点を含むように、噴射される燃料の総質量に応じて前記期間の開始時点が決定されることを特徴とする、自動車の内燃機関の運転方法。
2. 少なくとも１つのフィードポンプ（５）の吸込み・圧縮サイクルを内燃機関（１）の作動サイクルの位相位置に対応して動作させる、請求項１記載の方法。
3. 噴射開始後、噴射される燃料の総質量を、圧力と、小さな若しくは無限小の各時間間隔との積の合計又は積分に基づいて求め、少なくとも１つの噴射弁を、内燃機関（１）の当面の運転状態に適した燃料質量が得られた後で閉鎖する、請求項２記載の方法。
4. 演算装置（マイクロプロセッサ）で進行可能であり且つ請求項１から３までのいずれか１項記載の方法を実施するために適したプログラムがメモリされた、自動車の内燃機関（１）に設けられた制御装置（１０）のための制御素子（リードオンリーメモリ）。
5. 自動車の内燃機関であって、該内燃機関では、燃料を、周期的に変化する吐出出力を有する少なくとも１つのフィードポンプ（５）によってアキュムレータ（６）に圧送可能であり且つ該アキュムレータから所定の圧力下で少なくとも１つの噴射弁（１１）によって所定の噴射時点に内燃機関（１）の燃焼室に直接に噴射可能であり、更に、燃料に作用するアキュムレータ（６）内の圧力を測定するための圧力センサ（８）が設けられ、少なくとも１つのフィードポンプの周期的に変化する吐出出力のサイクルと噴射時点とを、時間的に同調させるための手段が設けられている形式のものにおいて、
   内燃機関（１）の始動運転中に、圧力センサ（８）により所定の時間にわたって燃料圧の値を測定し、燃料圧の値が最大となる時点を予測し、燃料が噴射される期間が前記燃料圧が最大となる時点を含むように、噴射される燃料の総質量に応じて前記期間の開始時点が決定されることを特徴とする、自動車の内燃機関。
6. 少なくとも１つのフィードポンプ（５）の吸込み・圧縮サイクルを噴射時点に同調させることができる制御装置（１０）が設けられている、請求項５記載の内燃機関。
7. 少なくとも１つのフィードポンプ（５）が、内燃機関（１）のカムシャフトに配置された駆動カムによって駆動されている、請求項５又は６記載の内燃機関。
8. 噴射開始後、噴射される燃料の総質量を、圧力と、小さな若しくは無限小の各時間間隔との積の合計又は積分に基づいて求め、噴射弁を、内燃機関の当面の運転状態に適した燃料質量が得られた後で閉鎖する制御装置（１０）が設けられている、請求項５から７までのいずれか１項記載の内燃機関。

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