JP2005504917A - 内燃機関、特に自動車の内燃機関を運転する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は内燃機関、特に自動車の内燃機関を運転する方法に関する。該方法では、燃焼のために噴射したい燃料を吸入行程中または圧縮行程中に直接燃焼室内に噴射する。さらに、アイドリング運転時に、噴射したい燃料質量（Ｋ）を少なくとも２つの燃料分に分割し、そのうちの第１の燃料分（Ｋ１）を吸入行程時に燃焼室内に噴射し、そのうちの第２の燃料分（Ｋ２）を第１の燃料分（Ｋ１）の噴射後に吸入行程時または圧縮行程時に燃焼室内に噴射する。

Description

【技術分野】
【０００１】
背景技術
本発明は、燃焼のために噴射したい燃料を吸入行程中または圧縮行程中に直接燃焼室内に噴射する、内燃機関、特に自動車の内燃機関を運転する方法に関する。さらに本発明は、特に自動車のための適当な内燃機関と、この種の内燃機関のための適当な制御装置とに関する。
【０００２】
この種の方法は直接噴射を行う内燃機関から一般に知られている。その際、「成層運転」と「均質運転」とに区別される。成層運転は特に負荷が小さい場合に使用されるのに対し、均質運転は内燃機関にかかる負荷が比較的に大きい場合に使用される。
【０００３】
成層運転で燃料は内燃機関の圧縮行程中に燃焼室内に、点火の時点で燃料クラウドが点火プラグの直接的な周囲に位置するように噴射される。この噴射は種々異なる形式で行われることができる。その後、噴射された燃料クラウドが、吸入領域の適当な成形に基づいて、既に噴射中もしくは噴射直後に点火プラグの近傍にあって、点火プラグにより点火される。やはり、噴射された燃料クラウドが、特にピストンの上面の適当な成形によって、点火プラグへと導かれて、それで初めて点火されることも可能である。両燃焼方法は燃焼室内に均等に燃料を配分せず、層状の充填を行う。
【０００４】
成層運転の利点は、そこでは極めて僅かな燃料量で、内燃機関の、かかっている比較的小さな負荷が実行され得る点にある。
【０００５】
特に比較的大きな負荷のために意図された均質運転では、燃料が内燃機関の吸入行程中に噴射されるので、渦流による攪拌ひいては燃焼室内における燃料の均質な配分が簡単に空気／燃料混合気の点火前に実施されることができる。その点で均質運転は、従来慣用の形式で燃料が吸入管内に噴射される、内燃機関の運転形式にほぼ相当する。必要ならば、負荷が比較的に小さくても、均質運転を使用することは可能である。
【０００６】
成層運転時、スロットルバルブは燃焼室に通じた吸入管内で広く開放され、燃焼は実質的に噴射される燃料質量によってのみ開ループ制御および／または閉ループ制御される。均質運転時、スロットルバルブは要求されるトルクに依存して開放もしくは閉鎖され、噴射される燃料質量は吸入される空気質量に依存して開ループ制御および／または閉ループ制御される。
【０００７】
両運転形式、つまり成層運転および均質運転において、噴射したい燃料質量はその他多数の入力変量に付加的に依存して、燃料節減、排出ガス低減等に関して最適な値に開ループ制御および／または閉ループ制御される。その際、開ループ制御および／または閉ループ制御は両運転形式で異なる。
【０００８】
さらに、燃焼室上流の吸入管内に存在する負圧を、例えば自動車のブレーキ力倍力装置を運転するために使用することが可能である。この場合、吸入管内の負圧は、スロットルバルブが閉鎖されればされるほど、つまり絞られれば絞られるほど、数値的に大きくなる。
【０００９】
アイドリング運転では、既に述べたように、内燃機関を成層運転で運転することが意図されている。しかしながらそうすることで、広く開放されたスロットルバルブに基づき、吸入管内に存在する負圧が、例えばブレーキ力倍力装置を運転するためにはもはや十分ではなくなる可能性が存在する。この事例では、スロットルバルブを絞り込むことによって十分な負圧を再度達成するためには、均質運転に切り換えられなければならない。
【００１０】
しかしながら、内燃機関のアイドリング時に均質運転を使用することは、内燃機関の構成、特にカムシャフトの輪郭および時間的な制御次第では、使用者にアイドリング時に特に強く認識されてしまう運転非静粛性が高まりかねないという欠点を有し得る。
【００１１】
発明の課題と利点
本発明の課題は、アイドリング運転時に常に最適な運転静粛性が存在しているような、内燃機関を運転する方法ならびに内燃機関を提供することであり、その際付加的に、十分な負圧が吸入管内に供与可能でなければならない。
【００１２】
上記課題は冒頭で述べた形式の方法において本発明より、アイドリング運転時に、噴射したい燃料質量を少なくとも２つの燃料分に分割し、そのうちの第１の燃料分を吸入行程時に燃焼室内に噴射し、そのうちの第２の燃料分を第１の燃料分の噴射後に吸入行程時または圧縮行程時に燃焼室内に噴射することにより解決される。冒頭で述べた形式の内燃機関および制御装置において、上記課題は本発明により相応に解決される。
【００１３】
上記のように噴射することにより、全空気／燃料混合気の確実な完全燃焼特性が達成されることができ、このことは内燃機関の、制御された運転静粛性につながる。
【００１４】
同時に、上記の過程において、スロットルバルブをアイドリング運転中に絞り込むことが可能である。このことは十分な大きさの負圧を、例えばブレーキ力倍力装置の運転のために保証する。
【００１５】
これとは無関係に、本発明では全体として、本来意図された空燃比を変更する必要がないので、特にラムダ（λ）＝１は維持されることができる。このことは良好な排出ガス浄化の可能性と同義である。
【００１６】
特に自動車の内燃機関の制御装置のために意図されているコンピュータプログラムの形で本発明による方法を実現することは特に有意義である。コンピュータプログラムはプログラムコードを有しており、プログラムコードは、本発明による方法を、プログラムコードがコンピュータ上で実行されると実施するために適している。さらに、プログラムコードはコンピュータ読み出し可能なデータキャリア、例えばいわゆる「フラッシュメモリ」に記憶されていることができる。つまりこの事例では、本発明はコンピュータプログラムによって実現されるので、このコンピュータプログラムは方法と同様に本発明を成し、該方法を実施するためにこのコンピュータプログラムは適している。
【００１７】
本発明の別の特徴、応用可能性および利点は、図面に示されている、本発明の実施例の以下の説明から得られる。その際、図示または説明した全ての特徴は、それ自体でもまたはその任意の組み合わせでも、特許請求項としての総括またはその引用とは無関係に、ならびに説明もしくは図面内の構成もしくは表現とは無関係に、本発明の対象を成す。
【００１８】
以下に図面を参照しながら本発明の実施例について詳説する。
【００１９】
図１には自動車の内燃機関１が示されており、内燃機関１においてピストン２がシリンダ３内で往復運動可能である。シリンダ３には燃焼室４が設けられており、燃焼室４は特にピストン２、吸気弁５および排気弁６により画定されている。吸気弁５には吸入管７が、排気弁６には排出ガス管８が連結されている。同じく燃焼室４には噴射弁９および点火プラグ１０が対応配置されている。
【００２０】
吸入管７には回転可能なスロットルバルブ１１が収容されており、スロットルバルブ１１を介して吸入管７に空気が供給可能である。供給される空気の量はスロットルバルブ１１の角度位置に依存している。排出ガス管８には触媒システム１２が接続されている。
【００２１】
スロットルバルブ１１と燃焼室４との間で、排出ガス再循環管路１３が吸入管７に開口している。排出ガス再循環管路１３は排出ガス再循環弁１４を介して触媒システム１２の上流または場合によっては下流で排出ガス管８に接続されている。戻し案内される排出ガスの量は排出ガス再循環弁１４の位置に依存している。
【００２２】
スロットルバルブ１１と排出ガス再循環管路１３との間で負圧管１５が分岐しており、負圧管１５は特に負圧蓄え器に通じている。このような形式で吸入管７から分岐された負圧の助けを借りて、例えば自動車のブレーキ力倍力装置が運転されることができる。
【００２３】
シリンダ３には噴射弁９が対応配置されており、噴射弁９により燃料が内燃機関１の燃焼室４内に噴射されることができる。やはり点火プラグ１０もシリンダ３内に螺入されており、点火プラグ１０により、噴射された燃料が点火されることができる。
【００２４】
内燃機関１の「成層（燃焼）運転」時に、スロットルバルブ１１は広く開放される。燃料は噴射弁９によって、ピストン２により惹起される圧縮行程中に燃焼室４内に噴射されるが、詳しく言えば場所的には着火のために適した箇所へと、特に点火プラグ１０の周りに、かつ時間的には点火時点前に適当な間隔をおいて噴射される。その後、点火プラグ１０の助けを借りて燃料が点火されるので、ピストン２は後続の作業行程時に、点火された燃料の膨張により駆動される。
【００２５】
内燃機関１の「均質（燃焼）運転」時に、スロットルバルブ１１は所望の、供給される空気質量に依存して部分的に開放もしくは閉鎖される。燃料は噴射弁９によって、ピストン２により惹起される吸入行程中に燃焼室４内に噴射される。同時に吸入される空気により、噴射された燃料は渦流により攪拌され、これにより燃焼室４内で実質的に均一に分配される。その後、燃料／空気混合気は圧縮行程中に圧縮され、それにより、引き続いて点火プラグ１０により点火されることができる。点火された燃料の膨張によって、ピストン２が駆動される。
【００２６】
成層運転および均質運転時に噴射弁９により燃焼室４内に噴射される燃料質量は制御装置１８により特に低い燃料消費および／または僅かな有害物質発生に関連して開ループ制御および／または閉ループ制御される。この目的のために、制御装置１８にはマイクロプロセッサが設けられており、マイクロプロセッサは記憶媒体、特にフラッシュメモリまたはリードオンリーメモリ内に、「開ループ制御」および／または「閉ループ制御」を実施するために適しているプログラムを記憶している。
【００２７】
制御装置１８は、センサを用いて測定される内燃機関１の運転変量を表す入力信号１９により負荷されている。例えば、制御装置１８はエアマスセンサ、ラムダセンサおよび回転数センサに接続されている。さらに、制御装置１８はアクセルペダルセンサに接続されており、アクセルペダルセンサは、ドライバにより操作可能なアクセルペダルの位置を表す信号を発生する。制御装置１８は出力信号２０を発生し、出力信号２０により、アクチュエータを介して内燃機関１の挙動は所望の開ループ制御および／または閉ループ制御に応じて影響を及ぼされることができる。例えば、制御装置１８は噴射弁９、点火プラグ１０およびスロットルバルブ１１に接続されており、それらを起動制御するために必要な信号を発生する。
【００２８】
成層運転は有利には内燃機関１のアイドリング運転および部分負荷運転のために意図されているのに対し、均質運転は全ての運転領域、特に全負荷運転のために適している。
【００２９】
アイドリング運転時およびアイドリングに近い領域では、内燃機関１の運転非静粛性が特に強く使用者によって認識されることができるので、この領域では内燃機関１の高い運転静粛性が重要である。
【００３０】
アイドリングが成層運転で実施される場合、成層運転時に広く開放されたスロットルバルブ１１に基づき、吸入管７から負圧管１５を介して分岐される負圧が数値的に、例えば上記ブレーキ力倍力装置を確実に運転するためには少なすぎる可能性がある。このことは、スロットルバルブ１１が広く開放されている場合に吸入管７に発生する負圧が数値的に、僅かに開放された、つまり絞り込まれた内燃機関において発生する負圧に比べると低いことに由来する。
【００３１】
特にこの場合、つまり内燃機関１のアイドリング領域またはアイドリングに近い領域において、制御装置１８によって、以下に図２を参照しながら説明する方法が実施される。
【００３２】
最初に、制御装置１８は内燃機関１の目下の運転変量に依存して、どれくらいの燃料が次回の燃焼時に燃焼室４に供給されなければならないかを求める。この全燃料質量には図２において符号Ｋが付与されており、シンボリックに図示されている。
【００３３】
その後、この燃料質量Ｋは２つの部分に分割され、両部分には図２において符号Ｋ１およびＫ２が付与されている。その際、燃料質量Ｋを両燃料分に分割すること（その百分率）は完全にフレキシブルに執り行われることができる。例えば、分割は半々で実施されることができる。やはり、分割を内燃機関１の運転変量に依存して、例えば内燃機関１の回転数および／または吸入管７内の負圧に依存して実行することも可能である。
【００３４】
第１の燃料分Ｋ１は吸入行程中に内燃機関１の燃焼室４内に噴射される。有利には、第１の燃料分Ｋ１は上死点前約４００度〜約２００度の範囲で燃焼室４内に噴射される。スロットルバルブ１１は、少なくとも負圧の数値的な上昇が吸入管７内で生じるように絞り込まれる。その際、この絞り込みは均質運転に相応した形で調節されることができる。
【００３５】
吸入行程中に第１の燃料分Ｋ１を噴射したことに基づき、このことから、実質的に均質なベース混合気が生ぜしめられ、ベース混合気は、噴射したい全燃料質量Ｋではないために、リーンである。このベース混合気は実質的に燃焼室４全体内で渦流により攪拌される。
【００３６】
第２の燃料分Ｋ２は第１の燃料分Ｋ１の後に噴射される。詳しく言えば、燃料分Ｋ２は、全ての空気／燃料混合気の確実な完全燃焼特性が達成されるように、つまり特に点火の時点において、リッチなゾーンが、リーンで均質なベース混合気内で点火プラグ１０の領域に存在するように噴射される。第２の燃料分Ｋ２はこの目的のために吸入行程中または圧縮行程中に、つまり上死点前約２００度からほぼ上死点にまでまたは上死点後にまでの範囲で、特に点火時点の近くで噴射されることができる。
【００３７】
スロットルバルブ１１の位置は、少なくとも負圧の数値的な上昇が吸入管７内に生じるように調節されることができる。その際、絞り込みは均質運転に相応した形で調節されることができる。
【００３８】
第１の燃料分Ｋ１および第２の燃料分Ｋ２を噴射する角度位置は図２において概略的に、クランク角の角度に関連して表示されている。本図に符号２５で示された角度位置において、内燃機関１は吸入行程から圧縮行程に移行する。重要であることは、第１の燃料分Ｋ１が吸入行程中に、第２の燃料分がその後で吸入行程または圧縮行程中に噴射されることである。
【００３９】
第２の燃料分Ｋ２の噴射の時点は、例えば燃焼室４の構成ならびに場合によっては内燃機関１のその他諸々の運転変量に依存する。つまり、ピストン２がどちらかといえば平坦な上面を有している場合には、燃料を噴射弁９により直接点火プラグ１０の領域に噴射する燃焼方法が使用されることができるので、この事例では、第２の燃料分Ｋ２の噴射はむしろ上死点の直前に、つまり圧縮行程時に実施されなければならない。ただし、ピストン２には、すり鉢状の上面が設けられていてもよく、このすり鉢状の表面の助けを借りて、噴射された燃料が点火プラグへと導かれるが、結果的に、この事例では第２の燃料分Ｋ２の噴射がもっと早くに、つまり場合によってはまだ吸入行程の間に実施されなければならず、これにより、燃料は点火プラグ１０に到達するのに十分な時間を有している。
【００４０】
上記の経過から結果的に、全体的に良好な完全燃焼特性が得られ、このことはさらに平均燃焼圧の、僅かな周期的な変動、ひいては高い運転静粛性につながる。
【００４１】
同時に上記の方法によってさらに以下のことが達成される。
【００４２】
噴射したい燃料質量Ｋを両燃料分Ｋ１およびＫ２に分割することにより、燃焼室４内に供給される全ての混合気の空燃比、つまり例えばラムダ（λ：過剰空気係数）＝１で不変である。このことは、燃焼時に発生する排出ガスの浄化のために有利である。
【００４３】
しかも同時に、スロットルバルブ１１の、適当な位置により、負圧管１５を介して、例えば自動車のブレーキ力倍力装置を運転するのに十分な負圧が分岐され得ることが達成されることができる。
【００４４】
前記方法はアイドリングに近い領域においても、場合によっては内燃機関１の部分負荷領域においても使用されることができる。
【００４５】
燃料分を二回噴射する代わりに、それより多くの噴射を実施することが可能であって、つまり、噴射したい全ての燃料質量Ｋが例えばタイミング制御式の噴射弁によって吸入行程および圧縮行程全体にわたって内燃機関１の燃焼室内に噴射されることが可能である。この場合、噴射したい燃料質量Ｋは可変に、特に内燃機関１の運転変量に依存して、各噴射に分割されることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明による内燃機関の実施例の概略図である。
【図２】本発明による方法に従って、噴射された燃料質量を分割する実施例を概略的に説明する図である。

Claims (13)

1. 燃焼のために噴射したい燃料を吸入行程中または圧縮行程中に直接燃焼室（４）内に噴射する、内燃機関（１）、特に自動車の内燃機関（１）を運転する方法において、アイドリング運転時に、噴射したい燃料質量（Ｋ）を少なくとも２つの燃料分に分割し、そのうちの第１の燃料分（Ｋ１）を吸入行程時に燃焼室（４）内に噴射し、そのうちの第２の燃料分（Ｋ２）を第１の燃料分（Ｋ１）の噴射後に吸入行程時または圧縮行程時に燃焼室（４）内に噴射することを特徴とする、内燃機関、特に自動車の内燃機関を運転する方法。
2. 第１の燃料分（Ｋ１）を上死点前約４００度〜約２００度の範囲で噴射する、請求項１記載の方法。
3. 第２の燃料分（Ｋ２）を、全空気／燃料混合気の確実な完全燃焼特性が得られる角度位置で噴射する、請求項１または２記載の方法。
4. 第２の燃料分（Ｋ２）を上死点前約２００度からほぼ上死点までの領域で噴射する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 第１の燃料分（Ｋ１）の噴射中にスロットルバルブ（１１）を絞り込む、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 第２の燃料分（Ｋ２）の噴射中にスロットルバルブ（１１）を絞り込む、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 燃料質量（Ｋ）の分割により、内燃機関（１）の運転静粛性を改善する、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. ２つよりも多くの燃料分を噴射する、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
9. 当該方法をアイドリングに近い領域または部分負荷運転で使用する、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
10. 特に自動車の内燃機関（１）の制御装置（１８）のためのコンピュータプログラムにおいて、該コンピュータプログラムがプログラムコードを有しており、プログラムコードは、当該プログラムコードがコンピュータ上で実行されると、請求項１から９までのいずれか１項記載の方法を実施するために適していることを特徴とするコンピュータプラグラム。
11. プログラムコードが、コンピュータ読み出し可能なデータキャリアに記憶されている、請求項９記載のコンピュータプログラム。
12. 内燃機関（１）、特に自動車のための内燃機関（１）であって、燃焼のために噴射したい燃料が吸入行程中または圧縮行程中に直接燃焼室（４）内に噴射される形式のものにおいて、制御装置（１８）によってアイドリング運転時に、噴射したい燃料質量（Ｋ）が少なくとも２つの燃料分に分割され、そのうちの第１の燃料分（Ｋ１）が吸入行程時に燃焼室（４）内に噴射され、そのうちの第２の燃料分（Ｋ２）が第１の燃料分（Ｋ１）の噴射後に吸入行程時または圧縮行程時に燃焼室（４）内に噴射されることを特徴とする内燃機関、特に自動車のための内燃機関。
13. 内燃機関（１）、特に自動車の内燃機関（１）のための制御装置（１８）であって、燃焼のために噴射したい燃料が吸入行程中または圧縮行程中に直接燃焼室（４）内に噴射される形式のものにおいて、制御装置（１８）によってアイドリング運転時に、噴射したい燃料質量（Ｋ）が少なくとも２つの燃料分に分割され、そのうちの第１の燃料分（Ｋ１）が吸入行程時に燃焼室（４）内に噴射され、そのうちの第２の燃料分（Ｋ２）が第１の燃料分（Ｋ１）の噴射後に吸入行程時または圧縮行程時に燃焼室（４）内に噴射されることを特徴とする、内燃機関、特に自動車の内燃機関のための制御装置。