(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気充填率を高め、且つ点火時点を遅らせるステップと、
シリンダの空気充填率が前もって与えられた閾値を上回っているかどうかチェックするステップと、
空気充填率が前記閾値を上回るや否や、燃料の噴射を、点火前に噴射される二つの部分量に分割するステップと、
分割された燃料噴射への切換えが行われた後に、空気充填率を更に高め且つ点火時点を更に遅らせるステップと、
を含むガソリン直接噴射式の内燃機関における触媒の加熱方法。
【請求項２】
燃料噴射を分割する際に、点火時点も適合されることを特徴とする請求項１に記載の加熱方法。
【請求項３】
燃料噴射の分割の終了前の空気充填率の事前制御が、効率と燃焼限界の変化に応じて、切換えによって再び低減されることを特徴とする請求項１に記載の加熱方法。
【請求項４】
燃料噴射の切換えのために、それぞれ先ず空気充填率の事前制御が、期待される効率変化に応じて適合されること、
空気充填率の変化が、点火時点の適合によって修正されること、
燃料の噴射の切換えが、実際の空気充填率と既知の燃焼限界の際に、要求されているトルクが変化された燃料噴射の場合でも達成されることができるか否かに応じて行われること、
を含む請求項１ないし３のいずれかに記載の加熱方法。
【請求項５】
排気ガスのラムダ値が、運転状態に応じて、過濃或いは希薄に調節されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の加熱方法。
【請求項６】
燃料噴射の分割の始まりと共に、燃焼室内の合計のラムダ値が、単一の噴射の場合よりもより希薄に事前制御されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の加熱方法。
【請求項７】
燃料噴射の分割の終了前に、燃焼室内の合計のラムダ値が、分割された噴射の開始時よりも再びより過濃に事前制御されることを特徴とする請求項６に記載の加熱方法。
【請求項８】
希薄な事前制御が運転状態に依存している請求項６または７に記載の加熱方法。
【請求項９】
燃料噴射の分割の開始と共に、発生した壁面損失を補償するための燃料噴射の修正係数（スタート後エンリッチメント）が低減されることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の加熱方法。
【請求項１０】
エンジントルクが第一に点火時点と事前制御された空気充填率とによって調整される一方、噴射された燃料質量は直接、検知された空気充填率と事前プログラムされた空気／燃料比とに依存していることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の加熱方法。
【請求項１１】
請求項１ないし１０のいずれかに記載の方法の少なくとも一つを実施するための制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガソリン直接噴射式の内燃機関における触媒の加熱方法およびその制御装置に関する。
【背景技術】
エンジン燃焼の効率を引き下げることによって、触媒を加熱する事が既に知られている。エンジン燃焼の効率の引き下げは、例えば点火時点を最適の時点からずらすことによってもたらされることができ、その際、最適な時点は最高効率によって定義される。効率の低下によって、排気ガスは効率低下を伴わない運転に比べて熱くなる。従って、触媒の中でより強い加熱効果が発揮される。このいわゆるエンジンによる触媒加熱は、追加の構成機器、例えば二次エアポンプを設けずに済ませることができるという利点を持っている。
【０００２】
ガソリン直接噴射式のエンジンの場合には、追加の構成機器を組み込むこと無しに排気ガス温度を引き上げるために、原理的に次の二つの可能性が存在している。
（ｉ）燃焼の効率を引き下げるための遅延点火。この場合、点火された混合気は、化学量論的であるか或いは軽度に希薄な混合気となる。
【０００３】
遅延点火の際には回転不安定性が高まるので、均質混合気の場合に、遅延点火は制限されている。触媒温度が低い場合に、排出は軽度に希薄な排気ガスラムダ値（λ：空気過剰率）によって改善できる。何故なら、触媒が必要な変換条件に到達するからである。しかしながら、希薄化はエンジンが冷えている時には限定的にしか可能では無い。
【０００４】
（ｉｉ）後燃焼のための、点火後の燃料の追加噴射。この場合、点火された混合気は、非常に希薄であるが（成層運転）吸気の成層化によってなお点火させることが可能である。
【０００５】
後噴射の場合には、追加として噴射された燃料マスの焼き切りが保証されていなければならない（アフターバーニング）。
エキゾーストマニホルド内でのアフターバーニングを保証するためには、マニホルドの形状が最適化されなければならない（早期混合、小さな熱マス）。その他の目標（組み込みスペースの縮小、出力の最適化）は、それによって制限されることがある。原理的には、アフターバーニングはエキゾーストマニホルドが冷えている時には上手く進行しなくなる。従って、この場合に、排出はスタート直後にはほとんど減少されない。何故なら、触媒は未だ必要な温度に達していないからである。
【０００６】
燃焼室内ではより高い温度が支配的なので、アフターバーニングの場合に、燃焼室内では既にスタートの直ぐ後に少ない排出が達成され得る。それでも燃料が燃焼室内で点火されるためには、運転パラメータは狭い範囲に保持されなければならない。特に後噴射は非常に早期に終了されなければならず、従って明らかにトルクの発生に貢献する。このことは、小さな負荷ポイントに対して噴射時間が非常に短いことを前提としており、これは分配精度と混合気形成に関して噴射弁に対する要求が非常に高いことを意味している。
【０００７】
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、後噴射の問題を回避するために、遅延点火による加熱特性を改善するガソリン直接噴射式の内燃機関における触媒の加熱方法およびそれを実施するための制御装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
ガソリン直接噴射式のエンジンの場合には、混合気の形成に影響を与えるために、燃料噴射を点火前に分割する可能性が存在している。
【０００８】
点火前に噴射を分割することによってエンジンの回転を次の様に改善することができる。
（ｉ）回転安定性を改善しながら遅延点火時点が可能となる。
【０００９】
（ｉｉ）混合気を、燃焼室に同じ様に燃料／空気混合気を充填しながら、純粋な均質混合気よりもより早く且つより強く希薄化することができる。
（ｉｉｉ）この方法は、燃料の後噴射に対して明らかに堅牢であり、また上述の欠点を持つ極端に短い噴射時間を避けることができる。
【００１０】
確実なスタートと立ち上がりを保証するために、この段階はなお単一の均質噴射によって行うことができる。
本発明によれば、噴射の分割は、十分な空気充填が行われるや否や、始めて行われる。これによって短い噴射時間が回避される。更にこれによって、混合気形成のために必要な給気運動があるということが保証される。
【００１１】
噴射の分割によって混合気の成層化が生じる。これによって、全体的なラムダ値（空気過剰率）はなお希薄でありながら、点火プラグの上にむしろ過濃な混合気が接していることが可能である。
【００１２】
点火プラグの周囲の過濃な混合気によって、非常に希薄な全体的ラムダ値の場合でも、より確実な点火が確保される。
更に、遅延点火にも係わらず、混合気のより確実でより迅速な延焼を保証することができる。これによって遅延点火の際に回転安定性が高められる。
【００１３】
点火の前に行われる分割された噴射の際に調節される混合気分布（理想的には、燃焼室中央では過濃且つ燃焼室壁面では希薄）は壁面からの熱損失を減らすことができる。燃焼室の形状と諸パラメータに応じて次の効果がもたらされる。
【００１４】
（ｉ）同じ排気ガス量でより高い排気ガス温度、即ちより多くの加熱出力：触媒内で有害物質の変換が開始されるライトオフ温度がより早く到達される。
（ｉｉ）壁面熱損失がより少ないので、同じ温度でより少ないガス量：この場合、エキゾーストマニホルドと触媒内での有害物質の滞留時間がより長くなり、それによって後反応が促進される。従って、これによっても触媒の後方の排出を改善することができる。
【００１５】
不均一な混合気分布によって、特に過濃領域から、より高いＣＯ生排出を達成することができる。ＣＯ限界値は経験的に容易に満たすことができる。しかしながら、高められたＣＯ生排出は、触媒のより早いライトオフのために利用することができる。何故なら、ＣＯのライトオフ温度は、炭化水素のそれよりも低いからである。同時に、ＮＯｘ排出も低下する。何故なら、過濃領域内でも希薄な境界ゾーンの中でもより少ないＮＯｘしか発生しないからである。
【００１６】
提案された加熱方法の場合に、点火は原理的に遅延される。追加として、燃料噴射が分割されるか否かは、一つ或いは幾つかの運転パラメータ、例えば空気充填率、エンジン温度、燃焼室温度（それぞれ測定されるかモデル化される、例えば、スタート後の積算噴射量）、要求されている基準トルク、および／または回転数に依存して決定することができる。
【００１７】
分割噴射の場合には、燃焼効率が単一の均質噴射と比べて異なっている。このことは、噴射の切換えの際に、点火時点を切換えと適合させるという形で考慮される。追加として、切換え前に事前制御された空気充填率を適合させることができる。その際、空気充填率の変化に基づくトルクの変化は、トルクに対して逆方向に影響を与える点火時点の変化を通じて補正される。
【００１８】
噴射は実際の空気充填率が、点火時点の適合を通じて、要求トルクの調整を可能にするや否や、初めて切り換えられるべきである。
分割噴射による運転の場合に、別の運転限界が当てはまるので、場合によってはより希薄な総合のラムダ値および／またはより遅い点火用いられる。
【００１９】
壁面薄膜効果等の補正のために必要なエンリッチメント（“スタート後エンリッチメント”）は二つの噴射について別々に考慮される。
詳しく言えば、本発明に基づく方法は、
追加の空気を補正するために、空気充填率を高め、且つ点火時点を遅らせるステップと、
シリンダの空気充填率が前もって与えられた閾値を上回っているかどうかチェックするステップと、
空気充填率が閾値を上回るや否や、燃料の噴射を、点火前に噴射される二つの部分量に分割するステップと、
分割燃料噴射への切換えが行われた後、空気充填率を更に高め、且つ点火時点を、追加の空気によって予想されるトルク上昇を補正するために、更に遅らせるステップと、
を含む内燃機関における触媒の加熱方法に関している。
【００２０】
本発明の一つの拡張例では、切換えの間もトルクを等しく保つために、燃料噴射の分割の際に点火時点も適合されるということが考えられている。これによって有利なことに、燃料噴射の分割の結果として予想される効率の変化も補正される。
【００２１】
【００２２】
本発明のもう一つの拡張例では、燃料噴射の分割の終了前の空気充填率の事前制御が、効率と燃焼限界の変化に応じて、切換えによって再び縮小されるということが考えられている。
【００２３】
もう一つの拡張例では、燃料噴射の切換えに伴って、それぞれ先ず空気充填率の事前制御が予想される効率の変化に応じて適合され、空気充填率の変化が点火時点の適合によって修正され、また燃料の噴射の切換えが、実際の空気充填率と既知の燃焼限界の際に要求されているトルクが変化された燃料噴射の場合でも達成されることができるか否かに応じて行われる、ということが考えられている。
【００２４】
もう一つの拡張例では、燃料噴射の分割の始まりの後で燃焼室内の合計空気過剰率（ラムダ値）が単一の、分割されていない噴射の場合よりもより希薄に事前制御されるということが考えられている
本発明のもう一つの拡張例では、燃料噴射の分割の終了前に、燃焼室内の合計空気過剰率が、均質運転への確実な移行を保証するために、再び分割噴射の開始時よりもより過濃に事前制御されるということが考えられている。
【００２５】
本発明のもう一つの拡張例では、燃料噴射の分割の開始と共に、場合によって発生する壁面損失を補償するための燃料噴射の修正係数（“スタート後エンリッチメント”）が低減されるということが考えられている。
【００２６】
本発明のもう一つの拡張例では、エンジントルクが第一に点火時点と事前制御された空気充填率とによって調整される一方、噴射された燃料質量は直接、検出された空気充填率と事前プログラムされた空気／燃料比に依存しているということが考えられている。
【００２７】
【発明の効果】
噴射量の分割は、場合によっては、少なくとも一つの別の運転パラメータのための少なくとも一つの別の条件が満たされている時にのみ行われる。別の運転パラメータの例は、エンジン温度、燃焼室温度（それぞれ測定されるかモデル化された、例えば、スタート後の積算噴射量）、要求されている基準トルク、回転数である。
【００２８】
本発明に基づく分割は、壁面熱損失を減少させ、従って、効率は、悪化させる方向に働く遅延点火の間、遅延点火された均質混合気よりも良くなることがある。
好ましくは、噴射の分割の際の点火は分割無しの時よりも更に遅延される。スタート／立上がりは、十分な充填率を達成するために均質遅延点火である。
【００２９】
好ましくは、既に切換えの前に点火の十分な遅延によって効率が悪化されるので、要求されたトルクを維持するために充填率が大きく高められなければならない。これによって、基準トルクが低い場合でも、分割のために要求された充填閾値を上回ることがある。
【００３０】
遅延点火の結果としての十分に大きな空気充填率によって、噴射弁の設計は、通常のままでも、より小さな空気充填率と前もって与えられた最大ラムダ値（回転限界条件）の場合に生じる虞れのあるきわどく短い噴射時間が回避される。
【００３１】
もう一つの利点として、分割の間エンジンスタート後により早く更に希薄化されることができる。何故なら、燃料量を二回の噴射に分割する場合には純粋な均質混合気形成の場合に比べてより良好な希薄運転能力が示されているからである。
【００３２】
点火と空気充填率の事前制御は、分割ありの運転と分割無しの運転との間での切換えの際にはもう一度適合されなければならない。この点については切換え、トルク、空気充填率、点火時点、補償のキーワードに関する上述の説明も参照すること。
【００３３】
ＤＥ １９８ ５０ ５８６から、成層運転と均質運転との間での切換えを制御するエンジン制御プログラムが知られている。
成層運転の際には、エンジンは、できる限り低い燃料消費を達成するために、高度に成層化されたシリンダ吸気と高い空気過剰率で運転される。成層給気は、理想的なケースでは燃焼室を次の二つのゾーンに分割する、遅い燃料噴射によって達成される。第一のゾーンは、点火プラグの周囲に燃焼可能な空気／燃料混合気の霧を含んでいる。
【００３４】
このゾーンは、空気と残留ガスから構成された分離層から成る第二のゾーンによって取り巻かれている。消費を最適化するための潜在的可能性は、吸気交替損失を避けながらエンジンを、十分に絞りを開いて、運転することができるということから生まれる。成層運転は、負荷が比較的低い時に有利である。
【００３５】
負荷が高くて、出力の最適化が重要となる場合に、エンジンは、均質シリンダ充填で運転される。均質シリンダ充填は、吸気行程の間の早期燃料噴射から生まれる。その結果として、燃焼まで混合気形成のためにより長い時間を利用することができる。出力を最適化するためのこの運転様態の潜在的可能性は、例えば燃焼室の全容積を燃焼可能な混合気で充填するために利用することから生まれる。
【００３６】
【発明を実施するための最良の形態】
本発明の実施例を図面を参照して以下に説明する。
図１の参照符号１は、内燃機関のシリンダの燃焼室を示している。吸気弁２を通して燃焼室への空気の流入が制御される。空気は吸入管３を通して吸入される。吸入空気量は制御装置５によって制御されるスロットル弁４を通して変化させることができる。制御装置には、例えばアクセルペダル６の位置を通しての、ドライバーのトルク要求に関する信号、回転数センサ７からのエンジン回転数ｎに関する信号、空気量計或いは吸入管圧力センサ８からの、吸入された空気の量ｍｌに関する信号、及び排気ガスセンサ１２からの排気ガス組成および／または排気ガス温度に関する信号Ｕｓが送り込まれる。排気ガスセンサ１２は、例えばラムダゾンデとすることができ、この場合に、ラムダゾンデのネルンスト電圧が排気ガス内の酸素含有率を示し、また該ゾンデの内部抵抗がゾンデ温度、排気ガス温度、および／または触媒温度のための尺度として援用される。排気ガスは、少なくとも一つの触媒１５を通して導かれ、この中で、有害物質が排気ガスから変換され、および／または一時的に吸蔵される。
【００３７】
上述のパラメータ、また場合によっては吸入空気温度、冷却剤温度等の内燃機関のその他のパラメータに関するその他の入力信号から、制御装置５はアクチュエータ９によってスロットル弁角度αを調節するための、また燃料をエンジンの燃焼室の中へ送り込む燃料噴射弁１０の制御のための出力信号を生成する。制御装置によって更に、点火装置１１を通して点火が制御される。
【００３８】
スロットル弁角度αと噴射パルス幅ｔｉは、希望するトルク、排気ガス組成、及び排気ガス温度を実現するための、互いに相手に合わせて調整されるべき重要な調節値である。これ等の値に影響を与えるためのもう一つの重要な調節値に、ピストン運動に対する点火の角度位置がある。
【００３９】
ここで提案されている方法は、燃料主導の運転方式とは異なり、或る程度空気主導の運転方式を示している。燃料主導の運転方式の場合のトルクの調節のための調節値の確定がＤＥ １９８ ５１ ９９０の目的となっている。“燃料主導”の運転方式の場合には、空気充填率（運転時点に依存）は一般に希薄なラムダ用に事前制御される。急激なトルク介入は、直接燃料量を通して、従ってラムダ変動によって行われる。これに対して“空気主導”の運転方式の場合には、空気充填率はラムダを固定して（通常１或いは１の近傍）事前制御される。燃料量は直接実際の空気充填率に対して結合されている。何故なら、このラムダは固定された限界条件だからである。急激なトルク介入は点火時点を通して行われる。従って、ここで好まれている空気主導の運転方式の場合には、エンジントルクは主として点火時点と事前制御された空気充填率とによって調節されるのに対して、噴射される燃料量は直接、検知された空気充填率と事前プログラムされた空気／燃料比に依存している。個々で提案されている方法は、悪いエンジン効率が主として遅延点火に起因しているということを特徴としている。分割噴射がその様な遅い点火を可能にするために、またより高いＣＯ生排出を達成するために用いられる。即ち、切換えの後点火角が更に遅延され、更に多くの空気充填が行われる。本発明によれば、既に分割噴射への切換えの前に、空気充填率を高めるために効率が悪化される。切換えは、十分な空気充填が検出されるや否や、初めて行われる。この過程は“空気主導”で行われる。即ち、ラムダは、１．０近傍の最適値に保持される。トルク介入は点火角を通じて行われる。“燃料主導”の方法の場合には、ラムダコントローラの行程を開けておくために、“最小間隔”ラムダ＝１．０に保持されなければならない。これによって“燃料主導”の方法の場合には、排出のために最適となるよりもより希薄化されなければならない。
【００４０】
更に、制御装置は燃焼室内の燃料／空気混合気の効率的な燃焼を達成するために、例えば、図示されていない排気ガス再循環および／またはタンク排気等のその他の機能を制御する。燃焼から生じるガス力は、ピストン１３とクランク機構１４によってトルクに変換される。
【００４１】
この技術分野では、触媒温度は測定することもできれば、或いはエンジンの運転パラメータからモデル化することもできる。内燃機関の排気ガス系内における温度のモデル化は、例えば、ＵＳＰ ５ ５９０ ５２１から知られている。
【００４２】
この技術分野では、制御装置５は上に述べられた方法、また場合によっては、上に述べられているその拡張例を制御する。
【００４３】
図２ａには、回転数の一定値への立ち上がりが示されている。ここに示されている例では、値は、図２ｂ及び図２ｃの特徴をより明確とするために、一定となっている。
図２ｂでは、燃焼室の空気充填率は回転数の立ち上がりと共に一旦低下する。並行して点火時点が早期点火（高いトルク）からより遅い点火（より低いトルク）へ移行される。回転数の立ち上がりの後、点火時点は遅延の方向へ移動して行く。これによって、例えばトルクリザーブが準備され、トルク損失の内部で点火の早期移行によって迅速な調整が可能となる。このことが、非分割噴射から分割噴射への移行の際に利用される。即ち、噴射の分割によるトルク損失が点火の早期方向への飛躍的な移行によって補正される。次いで、空気充填率が更に高められ、その結果として生じる追加トルクが並行して行われる点火の遅延方向への連続的な移行によってある程度補正される。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の技術的背景を示す図である。
【図２】スタート後の回転数が一定の場合に、単一の噴射と分割された噴射との間の切換えの際の回転数、空気充填率、及び点火時点の原理的な変化を示す。
【図１】
0004426758.tif 000002
【図２】
0004426758.tif 000003