JP4861470B2 - 内燃機関の駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、特許請求の範囲に記載の請求項１の概念に基づく、内燃機関の駆動方法に関する。さらに、本発明の主題として、コンピュータプログラム、電気的記憶媒体、および、閉ループおよび／または開ループ制御装置に関する。

刊行物「燃料直接噴射の新排出ストラテジー」（Die neue Emissionsstrategie der Benzin-Direkteinspritzung）、ＭＴＺ１１／２００３、９１６〜９２３ページにおいて、「成層始動（Schichtstart）」の可能性が記載されている。吸入サイクルの間に噴射される、均一な低圧始動とは対照的に、成層始動の際の噴射は、圧縮サイクルの間に初めて開始される。これにより、点火プラグの範囲に、濃度の濃い混合気雲を含む、層状の燃料／空気混合気が生成される。

従来の低圧始動に対するこのような成層始動の利点は、特に外気温度およびエンジン温度が低い際に、必要な濃縮をより小さくし、内燃機関の排出動作を改善するという点にある。このような濃縮は、噴射される燃料部分が開始時に凝固して膜となって冷たい燃焼室の壁に残り、燃料の全容量が始動段階の間の本来の燃焼に関与しないため、必要不可欠である。このような未燃燃料は、燃焼されないまま押し出され、結果として望まぬＨＣ（炭化水素）の排出が発生する。燃焼に関与しない燃料質量を調整するために、噴射量を対応して増やす必要がある。均一な低圧始動の場合、化学量論の量を超えて濃縮率が２〜３であることは少ないことではない。

通常では約１〜２秒続く成層始動段階の後に、すなわち、最初の噴射と点火の後に引き続いて、均一な燃焼噴射が実行される間に、触媒過熱段階に移る。そのために、上記の刊行物においては、吸入サイクルの間に第１噴射を開始することが提案されている。第１噴射によって、均一で希薄な基本混合気が燃焼室で生成される。その後、引き続く圧縮サイクルの間に第２噴射が行われる。第２噴射によって、点火プラグの領域に濃い混合気雲が提供される。点火は、比較的遅く、圧縮サイクルと後続の膨張サイクルとの間の上死点の直後に行われる。これにより、主たる燃焼を後期に移動して設定することが実現される。これにより、結果として、自由になるエネルギーの大部分が、機械的なエネルギーに転換されるのではなく、熱として排気流中に開放される。従って、触媒の非常に迅速な加熱が可能である。層状充填の形成は、両ケースでは、特にジェットダイレクティド式（ｊｅｔ−ｄｉｒｅｃｔｅｄ）方法によって形成される。

さらに独国特許出願公開第１０２００４０１７９８９号明細書では、駆動中に、非常に希薄な混合気を用いて、吸入サイクルの間にパイロット噴射を行い、さらに、点火直前の圧縮サイクルの間に主噴射を開始することが開示されている。しかしその際、混合気の形成が最適ではない。

本発明の課題は、燃料直接噴射により火花点火型内燃機関を駆動するための方法を提供することにある。本方法によって、排出および燃焼消費を低減可能である。

本課題は、特許請求の範囲に記載の請求項１の特徴を有する方法によって解決される。更なる別の解決の可能性は、コンピュータプログラム、電気的記憶媒体、ならびに、閉ループおよび／または開ループ制御装置に関する並列請求項に示されている。本発明の好適な実施形態は、従属請求項において示されている。さらに、本発明の基本的な特徴は、以下の明細書および図に記載されている。その際、本発明の記載された特徴は、明示的に指摘されていないが、全く異なる組み合わせにおいても本質的でありうる。

本発明に基づく方法において、燃焼室内での異なる、質が悪い層状充填においても、確実な引火が保障されることが可能である。これにより、点火不全の恐れがなく、内燃機関の駆動領域が著しく拡大される。しかし、トルクを生成する本来の主噴射は、所望の層状充填および混合気の形成が最善に保障されている圧縮サイクルの間の各噴射角に、引き続き設定されることが可能である。これにより、排出および消費が同時に低減される。多重噴射によっても導入可能な主噴射の量は、点火噴射の量よりも明らかに多い。点火噴射自体は非常に小さいので、内燃機関のトルクに貢献しない、または少なくとも基本的には貢献しない。さらに、点火噴射は、燃料消費も基本的には向上させない。点火噴射によって、通常では希薄な残留混合気を確実に燃え上がらせる「点火の炎（Zuendefackel）」が燃焼室で生成されるように、点火プラグの直近の非常に小さな範囲に非常に濃い混合気が生成される。

点火噴射は、圧縮サイクルと膨張サイクルの間の上死点に達する前に、点火直前に行われる。この場合、直前とは、クランク角（°）で表される間隔が、最大で約５°、特に、１°であることを意味する。場合によっては、点火および点火噴射は、同時に行われることも可能である。通常、点火角は、上死点の前のクランク角が１５°の範囲内に、すなわち、圧縮サイクル内に存在する。

本発明に基づく方法によって、特に外気温度が低い際に、確実な成層始動に不可欠な、燃料の濃縮を再度低減させることが可能であり、特に、開始段階のＨＣ排出に対して有利に作用する。さらに、起動ラムダ値の比較的低い成層始動を実現することが可能である。例えば、エンジン温度が約２０度の内燃機関は、１〜１．５のラムダ値で起動されることが可能であり、最適化された燃焼行程においては、２より大きい（２＞）ラムダ値で燃費よく起動されることが可能である。その際、実現される起動ラムダ値は、エンジン温度の他に、燃料品質、外気温度等の異なるパラメータに依存する。本発明に基づく方法によって、始動段階の間に燃焼も改善または安定し、始動段階の間の排出レベルにも有利に作用する。さらに、以上のように駆動される内燃機関は、異なる燃料品質に対する向上されたロバスト性を示している。すなわち、「劣悪な燃料」を給油した際の始動動作も、より確実になる。

このことは、始動段階の間に、すなわち最初の噴射、またはクランクシャフトの回転の間に、圧縮サイクルの間に少なくとも１つの主噴射が行われることによって、特に、圧縮サイクルと膨張サイクルとの間の上死点の前の、クランク角が約８０〜３０°の際に行われることによって実現される。主噴射により、燃焼室内の、事前圧縮された、すなわち事前に加熱された空気に燃料が噴射される。その後、点火噴射が行われる。

さらに、始動段階の終了後に、点火角が膨張サイクル内に、すなわち圧縮サイクルと膨張サイクルとの間の上死点の後に存在する場合、均一燃料噴射により触媒過熱段階が実行される場合、有利である。開始段階から触媒過熱段階への移行は、基本的に、特に、点火角を継続的に後期に移動することによって、実現可能である。これは、容易に適用可能であり、かつ、内燃機関により生成されたトルクが影響を受けないように、少なくとも顕著な影響を受けないように、実行されることが可能である。

点火噴射が、特に点火噴射の終了が少なくとも点火のクランク角に結合されている場合、点火噴射を開始するために、僅かな計算能力が必要である。

その際、点火噴射と点火との間隔を、少なくとも一時的に固定させることが可能であり、さらにリソースが大切に使用される。点火噴射と点火との間隔が、少なくとも一時的に内燃機関の状態変数（噴射回数等）に依存する場合に、より良い排出動作および開始動作が達成される。

少なくとも１つの噴射が吸入サイクルの間に追加して行われる場合に、特に、圧縮サイクルと膨張サイクルとの間の上死点の前の、クランク角が約２８０°の範囲で行われる際に、特に有利である。従って、特に開始段階の間に、高圧・成層開始方法と均一燃料噴射方法との組合せに相当する方法が実現される。従って、ジェットダイレクティド式の均一燃料噴射方法の利点が、すでに始動段階の間に、すなわち、触媒の加熱に必要であるようなそれ以外の通常の遅い点火角なしに利用可能である。このような方法は、特にロバストな燃焼であると同時に、排出レベルが低いということにおいて傑出している。このような方法は、ノッキング防止のためにも興味深い。

開始段階を特徴づけるパラメータが固定されておらず、外気温度および／または内燃機関の駆動値に依存する場合に、排出レベルは再度低減可能である。特に、噴射量の分配および／または噴射のクランク角は、少なくとも１つの環境状態変数に、特に外気温度および／または給気温度および／または内燃機関の少なくとも１つの駆動値に、特に、相対充填度および／または内燃機関の構成要素の気温および／または点火角に依存することが可能である。

図１において、内燃機関全体が符号１０で示されている。内燃機関１０は、ここに示されていない車両を駆動する役目を果たし、４つの基本的に同一のシリンダ１２ａ〜１２ｄと、対応する燃焼室１４ａ〜１４ｄとを含んでいる。シリンダ１２は、図２でより詳細に示されている。（同一の符号にａ〜ｄが付されていない場合、以下では、対応する実施形態が全同種類の構成要素ａ〜ｄに適用されることを意味している。）

燃焼用空気が、吸気マニフォールド１６および吸入弁１８ａ〜１８ｄを介して、燃焼室１４ａ〜１４ｄ内に到達する。燃料は、各燃料噴射装置２０ａ〜２０ｄによって、燃焼室内１４ａ〜１４ｄに噴射される。燃料噴射装置２０ａ〜２０ｄは、図示されていない「レール」に接続されている。「レール」には、超高圧の燃料が蓄圧されている。ここでの燃料とは、ガソリンであり、図１に示される内燃機関は、すなわち、燃料（ガソリン）直接噴射（ＢＤＥ；Benzin-Direkteinspritzung）による内燃機関である。しかし、ガス状の燃料、すなわち、バイオ燃料または合成燃料の使用も構想可能である。

燃焼室１４ａ〜１４ｄ内に存在する燃料／空気混合気は、各点火プラグ２２ａ〜２２ｄによって点火される。高温の燃焼排気ガスが、燃焼室１４ａ〜１４ｄから、排出弁２４ａ〜２４ｄを介して、排気マニフォールド内２６へと誘導される。排気マニフォールド２６は、触媒装置２８に接続されている。触媒装置２８は、排気ガス中の有害物質を変換し、排気ガスを洗浄する。

内燃機関１０の駆動は、閉ループおよび開ループ制御装置３０によって制御される。閉ループおよび開ループ制御装置３０は、図１に示されていない様々なセンサおよびアクチュエータから信号を獲得する。様々なセンサおよびアクチュエータによって、内燃機関１０の特定の状態変数ＺＳが検出される。特定の状態変数として、例えば、アクセルペダルが挙げられる。内燃機関１０の利用者は、アクセルペダルによってトルク希望を表すことが可能である。

さらに、これらのセンサとして、シリンダヘッドの温度および／または内燃機関１０の冷却手段の温度または吸気マニフォールド１６を通して流入する吸気の温度を検出する温度センサ、吸気マニフォールド１６を介して燃焼室内１４ａ〜１４ｄに到達する空気流量を検出するＨＦＭセンサ、および、触媒装置２８の領域内に配置されており、燃料室１４ａ〜１４ｄ内の燃料／空気混合気の比率を検出するラムダセンサが挙げられる。このようなセンサは、例えば図１に示されており、符号３１が付されている。閉ループおよび開ループ制御装置３０によって、例えば、燃料噴射装置２０、点火プラグ２２、および図１に示されていない吸気マニフォールド１６内の絞り弁が駆動される。

特に図２から分かるように、内燃機関１０では、「ジェットダイレクティド式」燃焼方法が実現されている。このような燃焼方法において、燃料噴射装置２０は、特に中央に配置されている。点火プラグ２２の電極３２は、通常、燃料噴射装置２０の比較的近傍に存在する。ビストン３６のピストン基部３４は、層状充填を支持する構成を有している。

内燃機関１０を起動するために、ここでは、成層始動方法が使用される。この成層始動方法は、特に図３に関連して解説される。すなわち、図３では、各シリンダ１２ａ〜１２ｄの燃焼サイクルの個々のサイクルが、内燃機関１０の、図１および図２で示されていないクランクシャフトのクランク角（°）の上に示されている。圧縮サイクルと膨張サイクルとの間に存在する、シリンダ１２の各上死点が、ＺＯＴ１２ａ〜ＺＯＴ１２ｄで示されている。内燃機関１０の開始段階の間に、すなわち、最初の噴射および燃焼または内燃機関１０のクランクシャフトの回転の間に実現される噴射ストラテジーを解説するために、例えば、シリンダ１２ｂが選択されている。しかし、この噴射ストラテジーは、基本的に、他のシリンダ１２ａ、１２ｃおよび１２ｄにも該当する。

シリンダ１２ｂの吸入サイクル３８の間に、燃料噴射装置２０によって、燃焼室１４ｂ内へパイロット噴射４０ｂが放たれる。すなわち、クランク角が約３００〜２６０°の範囲において、特に、上死点ＺＯＴ１２ｂの前の、クランク角が約２８０°の範囲において放出される。このパイロット噴射４０ｂによって、全体で均一の、すなわち燃焼室１４ｂ内で均質に分配された、非常に希薄な基本混合気が生成される。基本混合気は、図２では符号４８で示されている。後続の圧縮サイクル４４ｂにおいて、クランク角が約８０〜３０°の範囲において、特に上死点ＺＯＴ１２ｂの前のクランク角が約５０°の範囲において、第１噴射４６ｂが、すなわち「主噴射」が、燃焼室１４ｂ内に放出される。これにより、燃焼室１４ｂの中央に、均一で希薄な、基本混合気４８よりも濃い混合気雲が生成される。混合気雲は、図２では符号４２で示されている。圧縮サイクル４４ｂが終了する頃に、燃料噴射装置２０によって、燃焼室１４ｂ内に、第２噴射５０ｂが、すなわち「点火噴射」が放たれる。これにより、点火プラグ２２の電極３２の周りの限定された局所領域に、比較的濃度が濃く、小さく局所的な混合気雲が生成される。小さく局所的な混合気雲は、図２では符号５２で示されている。

この点火噴射５０は、まだ、圧縮サイクルの間に、直接的に（最大約５°、特に約１°）、後続の点火（図３の符号５４ｂ）の前に行われる。点火は、クランク角が約２０〜１０°の範囲において、特に、上死点ＺＯＴ１２ｂの前の約１５°の範囲において実行される。場合によっては、同時の点火噴射と点火も可能である。その場合、点火噴射５０の終了時のクランク角は、時間的に点火５４のクランク角（「点火角」）に結合されている。この様子は、図３では符号５６の２つの矢印で示されている。この結合は、固定または可変的でありうる。可変的な結合は、内燃機関１０の目下の状態変数ＺＳに依存する。点火噴射５０ｂと点火５４ｂとの間の正確な間隔は、例えば、特性曲線によって設定されることが可能である。

パイロット噴射４０ｂ、主噴射４６ｂおよび点火噴射５０ｂへの噴射量の分配、ならびに、パイロット噴射４０ｂのクランク角および主噴射４６ｂのクランク角は、閉ループおよび開ループ制御装置３０により、エンジン温度、外気温度、エンジン回転数、および給気温度に従って、並びに、相対充填度、内燃機関１０のシリンダヘッドの温度、および点火５４ｂのクランク角（点火角）に従って確定される。

図３に基づく実施形態において、始動段階の間に、すなわち、吸入サイクル３８の間に、パイロット噴射４０が行われる。示されていない実施形態において、このパイロット噴射は省略されることが可能である。対応する方法において、主噴射４６ｂおよび点火噴射５０ｂが圧縮サイクル４４ｂの間に行われる。

図３に示される噴射ストラテジーは、始動段階の間に、すなわち、内燃機関１０のクランクシャフトの最初の回転の間に適用される。その間、均一燃料噴射に移行する。均一燃料噴射においては、たとえばシリンダ１２ｂの点火角が、上死点ＺＯＴ１２ｂの後の膨張サイクル５８ｂに存在する。点火角を後期に移動することによって、主たる燃焼が後期に移動される。これにより、排気温度が上昇し、触媒装置２８のより良い加熱が達成される。均一燃料噴射に関する詳細な解説は、刊行物「燃料直接噴射の新排出ストラテジー」、ＭＴＺ１１／２００３、９１６〜９２３ページに記載されている。そこでの開示が、ここでは明示的に本実施形態の主題となる。

複数のシリンダと、それぞれの燃焼室とを備える内燃機関の説明図である。 図１の内燃機関のシリンダの領域の一部断面図である。 燃料噴射および図１の個々のシリンダの点火がクランク角の上に示された説明図である。

Claims (10)

1. 少なくとも１つのシリンダとこれに対応する燃焼室とを含む内燃機関（１０）の駆動方法であって、燃料が、前記シリンダの少なくとも圧縮サイクル（４４）の間に、燃料噴射装置により少なくとも１つの前記燃焼室（１４）内に以下のように噴射される、すなわち、前記燃料噴射装置により前記燃焼室（１４）内に、後に火花により点火される成層混合気が存在するように噴射される、内燃機関（１０）を駆動する方法において、
   燃料は、前記シリンダの圧縮サイクル（４４）の間に、少なくとも１つの主噴射（４６）および少なくとも１つの点火噴射（５０）により導入され、その際、前記点火噴射（５０）は、前記シリンダの圧縮サイクルと膨張サイクルの間の上死点に達する前に、点火（５４）の直前に行われ、前記点火噴射（５０）終了時のクランク角は、少なくとも間接的に前記点火（５４）のクランク角に時間的に結合されていることを特徴とする、内燃機関（１０）の駆動方法。
2. 前記内燃機関（１０）が成層始動する始動段階の間に適用される、請求項１に記載の方法。
3. 前記内燃機関（１０）の始動段階の終了後に、点火のクランク角が圧縮サイクル（４４）と膨張サイクルとの間の上死点（ＺＯＴ）の後に存在する際に均一燃料噴射により触媒加熱段階が実行されることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 前記点火噴射（５０）と前記点火（５４）との時間間隔は、一時的に固定されている、請求項１に記載の方法。
5. 前記点火噴射（５０）と前記点火（５４）との時間間隔は、一時的に前記内燃機関（１０）の少なくとも１つの状態変数（ＺＳ）に依存することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
6. 少なくとも１つのパイロット噴射(４０)が、吸入サイクル（３８）の間に追加して行われる、すなわち、特に、クランク角が３００〜２６０°の範囲において、さらに好適には、圧縮サイクル（４４）と膨張サイクル（５８）との間の上死点（ＺＯＴ）の前の、クランク角が２８０°において、追加して行われることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
7. 噴射（４０、４６、５０）の噴射量の分配または前記噴射（４０、４６、５０）のクランク角の少なくともいずれか１つは、少なくとも１つの環境状態変数に依存する、すなわち、特に外気温度、吸気温度、前記内燃機関（１０）の少なくとも１つの駆動値、前記点火（５４）のクランク角またはクランクシャフトの回転数の少なくともいずれか１つに依存し、
   前記内燃機関（１０）の少なくとも１つの駆動値は、相対充填度または当該内燃機関（１０）の構成要素の温度であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
8. 請求項1〜７のいずれかに記載の方法において適用するためにプログラムされていることを特徴とする、コンピュータプログラム。
9. 請求項１〜７の方法において適用するためのコンピュータプログラムが格納されている、内燃機関（１０）の閉ループおよび／または開ループ制御装置（３０）のための電気的記憶媒体。
10. 請求項１〜７のいずれかに記載の方法において適用するためにプログラムされていることを特徴とする、内燃機関（１０）の閉ループおよび／または開ループ制御装置（３０）。

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