(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
自動車の内燃機関（１）の動作のための方法であって、
燃料は、第１の動作モードにおいて吸入フェーズで、
第２の動作モードにおいて圧縮フェーズで又は
第３の動作モード（図２）において吸入フェーズと圧縮フェーズの両方で噴射弁（９）から燃焼室（４）に直接噴射され、
点火プラグ（１０）によって点火される内燃機関（１）の動作のための方法において、
前記第３の動作モードでは、第１の噴射が吸入フェーズで行われ、第２の噴射が圧縮フェーズで行われ、第３の噴射が点火プラグによる点火の後に行われ、
前記第３の動作モードにおいて内燃機関（１）のノッキングの際に、
・吸入フェーズの間に噴射される第１の噴射の燃料の質量が低減され（３２）、
・圧縮フェーズの間に噴射される第２の噴射の燃料の質量が、予め設定可能な又は適用可能な限界値よりも小さい値に保持され（３３）、
・第３の噴射で燃料が点火プラグ（１０）による点火後に、噴射弁（９）から燃焼室（４）に直接噴射され、
・点火後に噴射される第３の噴射の燃料の質量は、吸入フェーズの間に噴射される第１の噴射の燃料の質量が低減される（３２）のと同じ分だけ増大される（３５）
ことを特徴とする内燃機関（１）の動作のための方法。
【請求項２】
自動車の内燃機関（１）の動作のための方法であって、
燃料は、吸入フェーズと圧縮フェーズの両方で噴射弁（９）から燃焼室（４）に直接噴射され、
点火プラグ（１０）によって点火される内燃機関（１）の動作のための方法において、
第１の噴射が吸入フェーズで行われ、第２の噴射が圧縮フェーズで行われ、第３の噴射が点火プラグによる点火の後に行われ、内燃機関（１）のノッキングの際に、
・吸入フェーズの間に噴射される第１の噴射の燃料の質量が低減され（３２）、
・圧縮フェーズの間に噴射される第２の噴射の燃料の質量が、予め設定可能な又は適用可能な限界値よりも小さい値に保持され（３３）、
・第３の噴射で燃料が点火プラグ（１０）による点火後に、噴射弁（９）から燃焼室（４）に直接噴射され、
・点火後に噴射される第３の噴射の燃料の質量は、吸入フェーズの間に噴射される第１の噴射の燃料の質量が低減される（３２）のと同じ分だけ増大される（３５）
ことを特徴とする内燃機関（１）の動作のための方法。
【請求項３】
点火角度が遅角調整される（３６）ことを特徴とする、請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
前記第３の噴射は、点火プラグによる点火の後であって、上死点を通過する間に行われる請求項１から３までのいずれか一項記載の方法。
【請求項５】
自動車の内燃機関（１）のための制御機器（１８）であって、
請求項１から４までのいずれか一項記載の方法を実施するための制御装置。
【請求項６】
請求項４記載の制御装置を備える自動車用の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
従来技術
本発明は、燃料が第１の動作モードにおいて吸入フェーズの間に、第２の動作モードにおいて圧縮フェーズの間に又は第３の動作モードにおいて吸入及び圧縮フェーズの間に直接噴射弁から燃焼室に噴射され、点火プラグによって点火される、とりわけ自動車の内燃機関の動作のための方法に関する。同様に本発明はとりわけ自動車の内燃機関のための相応の制御機器ならびにとりわけ自動車のための相応の内燃機関に関する。
【０００２】
このような方法、このような制御機器及びこのような内燃機関は例えばいわゆるガソリン直接噴射において公知である。この場合、燃料は均質モードにおいては吸入フェーズの間に、又は、層状モードにおいては圧縮フェーズの間に内燃機関の燃焼室に噴射される。均質モードは有利には内燃機関の全負荷動作に対して設けられ、他方で層状モードはアイドリング及び部分負荷動作に適している。例えば要求されるトルクに依存してこのような直接噴射式内燃機関において上記の動作モードの間で切り換えが行われる。
【０００３】
二重噴射の場合には、燃料は吸入フェーズ及び圧縮フェーズの間に燃焼室に噴射される。均質モードと層状モードとのこの組み合わせによって内燃機関のノックしやすさの低下が達成される。
【０００４】
ノックしやすさをさらに低減することは点火プラグの点火に対する点火角度の遅角調整によって達成される。しかし、これはトルクの消去であり、これは効率の悪化と同じ意味を持つ。
【０００５】
本発明の課題は、内燃機関の効率を基本的に低下させることなく、内燃機関のノックしやすさをさらに低減することができる内燃機関の動作のための方法を提供することである。
【０００６】
上記課題は、冒頭に挙げたような方法において、本発明によれば、第３の動作モードにおいて内燃機関のノッキングの際に吸入フェーズの間に噴射される燃料の質量が低減されることによって解決される。それぞれ冒頭に挙げたような制御機器及び内燃機関において上記課題は相応に解決される。
【０００７】
吸入フェーズの間に噴射される燃料質量を低減することによって、均質モードにおいて噴射される空気/燃料混合気がより希薄になる。このように希薄になる均質モードは、内燃機関のノックしやすさが減少するという利点をもたらす。従って、内燃機関はよりノックしにくくなる。これにより、内燃機関のノッキングを回避するために点火角度を遅角調整する必要がない。よって、トルクが消去されず、この結果、効率の低下も存在しない。
【０００８】
本発明の有利な実施形態では、吸入フェーズの間に噴射される燃料の質量が低減されるのと同じ分だけ圧縮フェーズの間に噴射される燃料の質量は増大される。これによって全体として噴射される燃料質量は基本的に一定に保持される。内燃機関によって発生されるトルクはこれにより基本的に同じままであるが、この内燃機関のノックしやすさは、既述のように、低減される。
【０００９】
本発明の有利な実施形態では、第３の動作モードにおいて燃料が点火プラグによる点火の後で直接噴射弁から燃焼室へと噴射される。従って、全体として三重噴射が実施される。こうして、噴射すべき燃料はさらに良好に異なる個別噴射に分配される。
【００１０】
本発明の有利な実施形態では、点火の後で噴射される燃料の質量は、吸入フェーズの間に噴射される燃料の質量が低減されるのと同じ分だけ増大される。これによって全体として噴射される燃料質量は基本的に一定に保持される。この場合、圧縮フェーズの間に噴射される燃料質量は基本的に変化させてはならない。
【００１１】
とりわけ有利には、圧縮フェーズの間に噴射される燃料の質量は、予め設定可能な又は適用可能な限界値よりも小さい値に保持される。これによって、圧縮フェーズの間に噴射される燃料質量は、煤煙限界（Russgrenze）より下での燃焼を保証する値より小さく保持される。しかし、同時に吸入フェーズの間に噴射される燃料質量の低減が点火の後で噴射される燃料質量の増大によって相殺される。これによって、全体として基本的に同じ燃料質量が燃焼室に噴射されるが、一方で、圧縮フェーズの間に噴射される燃料質量の煤煙限界を超えることなしに、内燃機関のノックしやすさは吸入フェーズの間に噴射される燃料質量の低減によって低下する。
【００１２】
とりわけ重要なことは、制御素子の形式における本発明の方法の実現であり、この制御素子はとりわけ自動車の内燃機関の制御機器のために設けられる。この場合、この制御素子にはプログラムが格納され、このプログラムは計算機器、とりわけマイクロプロセッサにおいて実行可能であり、本発明の方法の実施に適している。よって、この場合、本発明は制御素子に格納されたプログラムによって実現され、この結果、プログラムが設けられたこの制御素子は、その実施にはこのプログラムが適しているこの方法と同じように本発明を表す。制御素子としては、とりわけ電気的なメモリ媒体、例えばリードオンリーメモリ又はフラッシュメモリが使用される。
【００１３】
本発明の更に別の特徴的な構成、適用方法及び利点は、図面の図に図示されている本発明の実施例の以下の記述から得られる。この場合、全ての記述又は図示された特徴的構成は、それ自体で又は本発明の対象の任意の組み合わせにおいて、特許請求項又はこれらの特許請求項相互の関係におけるその関連には依存せずにならびに記述乃至は図面におけるその言語表現乃至は図示には依存せずに形成される。
【００１４】
図１は本発明の内燃機関の実施例の概略図を示し、
図２は図１の内燃機関の動作のための本発明の方法の第１の実施例の概略的なタイミングチャートを示し、
図３は図１の内燃機関の動作のための本発明の方法の第２の実施例の概略的なタイミングチャートを示し、
図４は図３の方法の実施のための実施例の概略的なフローチャートを示す。
【００１５】
図１には自動車の内燃機関１が図示されており、この内燃機関１ではピストン２がシリンダ３において往復運動することができる。シリンダ３には燃焼室４が設けられており、この燃焼室４はとりわけピストン２、インレットバルブ５及びアウトレットバルブ６によって限定されている。インレットバルブ５によって吸気管７が、アウトレットバルブ６によって排気管８が結合されている。
【００１６】
インレットバルブ５及びアウトレットバルブ６の領域において噴射弁９及び点火プラグ１０が燃焼室４に突き出している。噴射弁９を介して燃料が燃焼室４に噴射される。点火プラグ１０によって燃料は燃焼室４で予め設定された点火時点乃至は点火角度において点火される。
【００１７】
吸気管７には回転可能なスロットルバルブ１１が取り付けられており、このスロットルバルブ１１を介して吸気管７に空気が供給される。供給される空気の量はスロットルバルブ１１の角度位置に依存する。排気管８には触媒コンバータ１２が取り付けられており、この触媒コンバータ１２は燃料の燃焼により発生する排気ガスの浄化に使用される。
【００１８】
ピストン２は燃焼室４における燃料の燃焼によって往復運動させられ、この往復運動がここには図示されていないクランクシャフトに伝達され、これにトルクを作用する。
【００１９】
排気再循環管１３が排気管８と吸気管７とを接続する。この排気再循環管１３には排気再循環弁１４が取り付けられている。全体としてこのようにして排気再循環が実現される。
【００２０】
制御機器１８には入力信号１９が印加され、これらの入力信号１９はセンサによって測定された内燃機関１の動作パラメータである。例えば、制御機器１８はエアマスセンサ、ラムダセンサ、回転数センサなどに接続されている。さらに、制御機器１８は信号を発生するアクセルペダルセンサに接続されており、この信号は運転手により操作可能なアクセルペダルの位置を、すなわち要求されたトルクを示す。制御機器１８は出力信号２０を発生し、この出力信号２０によってアクチュエータ乃至は調整器を介して内燃機関１の動作特性が制御される。例えば制御機器１８は噴射弁９、点火プラグ１０及びスロットルバルブ１１などに接続されており、これらの制御に必要な信号を発生する。
【００２１】
とりわけ制御機器１８は、内燃機関１の動作パラメータを開ループ制御及び/又は閉ループ制御するために設けられている。例えば、噴射弁９から燃焼室４に噴射される燃料質量は制御機器１８によって少ない燃料消費及び/又は少ない有害物質発生を顧慮して開ループ制御及び/又は閉ループ制御される。この目的のために、制御機器１８にはマイクロプロセッサが設けられており、このマイクロプロセッサはメモリ媒体、とりわけフラッシュメモリにプログラムを格納している。このプログラムは上記の開ループ制御及び/又は閉ループ制御を実施するのに適している。
【００２２】
第１の動作モード、いわゆる内燃機関１の均質モードにおいて、スロットルバルブ１１は所望されたトルクに依存して部分的に開かれるか乃至は閉じられる。燃料は噴射弁９からピストン２により喚起される吸入フェーズの間に燃焼室４に噴射される。同時にスロットルバルブ１１を介して吸入される空気によって噴射された燃料は渦流化され、これによりこの燃料は燃焼室４において基本的に一様に分配される。この後で、燃料/空気混合気が圧縮フェーズの間に圧縮され、次いで点火プラグ１０によって点火される。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。発生するトルクは均質モードではとりわけスロットルバルブ１１の位置に依存する。少ない有害物質発生の観点から、燃料/空気混合気はできるだけ１に等しいラムダに調整されるか又は排気再循環と組み合わせて１より多少大きいラムダに調整される。
【００２３】
第２の動作モード、いわゆる内燃機関１の層状モードにおいて、スロットルバルブ１１は大きく開かれる。燃料は噴射弁９からピストン２により喚起される圧縮フェーズの間に燃焼室４に噴射され、それも位置的には点火プラグ１０のすぐ周囲にならびに時間的には点火時点の前に適当な間隔をおいて噴射される。次いで、点火プラグ１０によって燃料が点火され、この結果、ピストン２は次の動作フェーズにおいて点火された燃料の膨張によって駆動される。発生するトルクは層状モードにおいては噴射された燃料質量に大きく依存する。基本的に層状モードは内燃機関１のアイドリング動作及び部分負荷動作のために設けられている。
【００２４】
第３の動作モードでは、二重噴射が実施される。これは均質モードと層状モードとの組み合わせである。よって、燃料は第１の噴射において吸入フェーズの間に、第２の噴射において圧縮フェーズの間に内燃機関１の燃焼室４に噴射される。この第３の動作モードはとりわけ内燃機関１のノックしやすさを低下させるために使用される。この第３の動作モードはとりわけ窒素酸化物排出を低減するために排気再循環と組み合わせられる。
【００２５】
内燃機関１のノックしやすさは、燃焼室４のいわゆる末端ガス領域における空気/燃料混合気が希薄になればなるほど、小さくなる。末端ガス領域とは、点火プラグ１０の点火の後でもまだ点火されていない燃焼室４に存在する負荷全体の領域である。
【００２６】
この場合には、点火プラグ１０によって基本的に圧縮フェーズの間に噴射された燃料が点火され、この燃料は雲状のものとしてじかに点火プラグ１０の領域に存在する。その後でようやくこの雲状のものの外側で吸入フェーズの間に噴射された燃料が点火される。しかし、この燃料の点火より前には、燃焼室４に均質に分布するこの燃料が上記の末端ガス領域である。
【００２７】
図２には第３の動作モードに相応する二重噴射が図示されている。この場合、クランクシャフト角度ＫＷにおいて、従って時間において２つの噴射２１、２２が示されている。これらの２つの噴射２１、２２は噴射持続時間ｔｉ１及びｔｉ２と噴射開始角度ｗ１及びｗ２を有する。内燃機関１の下死点は“ＵＴ”で示され、上死点は“ＯＴ”で示されている。矢印２３において点火プラグ１０が点火される。
【００２８】
第１の噴射２１は下死点ＵＴの前に行われ、従って吸入フェーズの間に均質モードで行われる。第２の噴射２２は下死点ＵＴの後で上死点ＯＴの前に行われ、従って圧縮フェーズの間に層状モードで行われる。
【００２９】
燃焼室４に噴射された全燃料量乃至は全燃料質量は全噴射持続時間ｔｉｇｅｓに相応し、この全噴射持続時間ｔｉｇｅｓは２つの噴射持続時間ｔｉ１及びｔｉ２からｔｉｇｅｓ＝ｔｉ１＋ｔｉ２に従って合成され、この全噴射持続時間ｔｉｇｅｓは内燃機関１の動作パラメータに依存して制御機器１８によってもとめられる。
【００３０】
制御機器１８によって例えばノックセンサを用いて又はその他のやり方で例えば小さいオクタン価を有する燃料の使用によって発生しうる内燃機関１のノッキングが検出される場合、制御機器１８によって噴射持続時間ｔｉ１及びｔｉ２は次のように変化される：
ｔｉ１（新）＝ｔｉ１（旧）−ｄｔｉ
ｔｉ２（新）＝ｔｉ２（旧）＋ｄｔｉ
時間ｄｔｉは、噴射持続時間ｔｉ１及びｔｉ２よりも小さく、制御機器１８によって固定的に予め設定されるか又は内燃機関１の動作パラメータに依存してもとめられる時間である。
【００３１】
従って、全噴射持続時間ｔｉｇｅｓは一定であり、すなわちｔｉｇｅｓ（新）＝ｔｉｇｅｓ（旧）である。しかし、第１の噴射においてはより少ない燃料が噴射され、第２の噴射においてはより多くの燃料が噴射される。この結果、均質モードにおいて発生される空気/燃料混合気はより短い噴射持続時間ｔｉ１（新）のためにより希薄になり、層状モードにおいて発生される層状の燃料雲はより長い噴射持続時間ｔｉ２（新）のためにより濃厚になる。
【００３２】
より希薄になる第１の噴射のために、燃焼室４の末端ガス領域における空気/燃料混合気もより希薄になる。これによって内燃機関１のノックしやすさは低下する。
【００３３】
しかし、より濃厚になる第２の噴射のためにこの結果生じる層状の燃料雲が濃厚になり、この燃料の燃焼の際に予め設定された限界値、例えば煤煙限界を超えてしまうことが起こり得る。
【００３４】
図３には図２の二重噴射の変形実施例が図示されている。すなわち、三重噴射である。この場合、クランクシャフト角度ＫＷにおいて、従って時間において３つの噴射２１、２２、２５が示されている。これらの３つの噴射２１、２２、２５は噴射持続時間ｔｉ１、ｔｉ２及びｔｉ３と噴射開始角度ｗ１、ｗ２及びｗ３を有する。内燃機関１の下死点は“ＵＴ”で示され、上死点は“ＯＴ”で示される。矢印２３において点火プラグ１０が点火される。
【００３５】
第１の噴射２１は下死点ＵＴの前に行われ、従って吸入フェーズの間に均質モードで行われる。第２の噴射２２は下死点ＵＴの後で上死点ＯＴの前に行われ、従って圧縮フェーズの間に層状モードで行われる。第３の噴射は時点２３における点火プラグによる点火の後に行われ、それもおおよそクランクシャフトが上死点ＯＴを通過する間の時間領域乃至はクランクシャフト角度領域において行われる。従って、この第３の噴射２５は点火の後に、すなわち燃焼中に行われる。
【００３６】
燃焼室４に噴射される全燃料量乃至は全燃料質量は全噴射持続時間ｔｉｇｅｓに相応し、この全噴射持続時間ｔｉｇｅｓは３つの噴射持続時間ｔｉ１、ｔｉ２及びｔｉ３からｔｉｇｅｓ＝ｔｉ１＋ｔｉ２＋ｔｉ３に従って合成され、この全噴射持続時間ｔｉｇｅｓは内燃機関１の動作パラメータに依存して制御機器１８によってもとめられる。
【００３７】
制御機器１８によって例えばノックセンサを用いて又はその他のやり方で内燃機関１のノッキングが検出される場合、制御機器１８によって噴射持続時間ｔｉ１及びｔｉ３が次のように変化される：
ｔｉ１（新）＝ｔｉ１（旧）−ｄｔｉ
ｔｉ３（新）＝ｔｉ３（旧）＋ｄｔｉ
しかし、噴射持続時間ｔｉ２はとくに単純化の理由から変化されない：
ｔｉ２（新）＝ｔｉ２（旧）
時間ｄｔｉは、噴射持続時間ｔｉ１、ｔｉ２及びｔｉ３よりも小さく、制御機器１８によって固定的に予め設定されるか又は内燃機関１の動作パラメータに依存してもとめられる時間である。
【００３８】
従って、全噴射持続時間ｔｉｇｅｓは一定であり、すなわちｔｉｇｅｓ（新）＝ｔｉｇｅｓ（旧）である。しかし、第１の噴射においてより少ない燃料が噴射され、第３の噴射においてより多くの燃料が噴射される。第２の噴射は変わらない。この結果、均質モードにおいて発生される空気/燃料混合気はより短い噴射持続時間ｔｉ１（新）のためにより希薄になり、層状モードにおいて発生される層状の燃料雲は変わらず、そして第３の噴射はより濃厚になる。
【００３９】
より希薄になる第１の噴射のために空気/燃料混合気も燃焼室４の末端ガス領域においてより希薄になる。従って、内燃機関１のノックしやすさは低下する。
【００４０】
変わらない第２の噴射のために層状モードはより濃厚にはならず、この結果生じる層状の燃料雲は同じままである。従って、この燃料の燃焼の際には予め設定された煤煙限界が考慮され、この場合この煤煙限界を超えてしまう危険は存在しない。
【００４１】
極端なケースでは、噴射持続時間ｔｉ１をゼロに調整することが可能である。これは、第１の噴射２１がもはや存在しないことを意味する。これによって内燃機関１のノックしやすさはさらに低減される。
【００４２】
もう１つの極端なケースでは、噴射２２の噴射終了を点火時点２３に等しくし、さらに噴射２５の噴射開始に等しくすることが可能である。
【００４３】
図４には図３に基づいて説明された三重噴射を制御機器１８によって実施するための方法が図示されている。
【００４４】
ブロック３０において制御機器１８によって例えばノックセンサを用いて又はその他のやり方で内燃機関１でノッキングが存在するかどうかが検出される。ブロック３１において制御機器１８によって噴射持続時間ｔｉ１が予め設定された場合によっては適用可能な限界値より大きいかどうかが検査される。極端なケースではこの限界値は、既に説明したようにゼロでもよい。噴射持続時間ｔｉ１がこの限界値よりも大きい場合、ブロック３２において噴射持続時間ｔｉ１が時間ｄｔｉだけ既述の式ｔｉ１（新）＝ｔｉ１（旧）−ｄｔｉに相応して短縮される。
【００４５】
次のブロック３３において制御機器１８によって噴射持続時間ｔｉ２が予め設定された場合によっては適用可能な限界値より小さいかどうかが検出される。この限界値は例えば既述の煤煙限界に依存する。噴射持続時間ｔｉ２がこの限界値より小さい場合、ブロック３４において噴射持続時間ｔｉ２が時間ｄｔｉだけ既述の式ｔｉ２（新）＝ｔｉ２（旧）＋ｄｔｉに相応して延長される。
【００４６】
しかし、噴射持続時間ｔｉ２が既に上記の限界値より大きい場合には、ブロック３４は実施されず、従って噴射持続時間ｔｉ２は延長されずに保持される。この代わりに、ブロック３５において噴射持続時間ｔｉ３が時間ｄｔｉだけ既述の式ｔｉ３（新）＝ｔｉ３（旧）＋ｄｔｉに相応して延長される。
【００４７】
全体として、このようにして、一方で第１の噴射持続時間ｔｉ１が減少され、これにより内燃機関１のノックしやすさが低減され、他方で噴射持続時間ｔｉ２は限界値を超えて増大されず、これにより煤煙限界が守られる。
【００４８】
ブロック３１において制御機器１８によって噴射持続時間ｔｉ１が既に予め設定された限界値よりも小さいことが検出された場合、この噴射持続時間ｔｉ１の短縮を介してノックしやすさの更なる低下はもはや達成され得ない。この場合には、ブロック３６において点火角度すなわち結局は点火プラグ１０の点火の時点２３が開ループ制御及び/又は閉ループ制御され、ノックしやすさがこのようにして低下される。とりわけこの場合、点火角度が遅角調整される。
【００４９】
ブロック３０において制御機器１８によって内燃機関１のノッキングがもはや存在しないことが検出される場合、ブロック３７において噴射持続時間ｔｉ１、ｔｉ２、ｔｉ３の実施された変更が段階的に撤回される。この場合、この撤回が有意義であるか、又は、なんらかの適応を内燃機関１の開ループ制御及び/又は閉ループ制御及び/又は図４の方法において行うことがより有利であるかどうか、がまず最初に検査される。この判定は、例えば噴射持続時間ｔｉ１、ｔｉ２、ｔｉ３の実施された変更の前の内燃機関１の効率と噴射持続時間ｔｉ１、ｔｉ２、ｔｉ３の実施された変更の後の内燃機関１の効率との比較によって行われる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の内燃機関の実施例の概略図を示す。
【図２】図２は図１の内燃機関の動作のための本発明の方法の第１の実施例の概略的なタイミングチャートを示す。
【図３】図３は図１の内燃機関の動作のための本発明の方法の第２の実施例の概略的なタイミングチャートを示す。
【図４】図４は図３の方法の実施のための実施例の概略的なフローチャートを示す。
【符号の説明】
１  内燃機関
２  ピストン
３  シリンダ
４  燃焼室
５  インレットバルブ
６  アウトレットバルブ
７  吸気管
８  排気管
９  噴射弁
１０  点火プラグ
１１  スロットルバルブ
１２  触媒コンバータ
１３  排気再循環管
１４  排気再循環弁
１８  制御機器
１９  入力信号
２０  出力信号
２１  噴射
２２  噴射
２３  点火
２５  噴射
【図１】
0004469528.tif 000002
【図２】
0004469528.tif 000003
【図３】
0004469528.tif 000004
【図４】
0004469528.tif 000005