JP2004531667A - スパーク点火直噴内燃機関の排ガス温度を上昇させる方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、スパーク点火直噴内燃機関（１０）の排ガス温度を少なくとも一時的に上昇させるための、エンジンによって実行される、スパーク遅延及びマルチインジェクション（ＭＥ）からなる少なくとも一つの措置を伴う方法に関する。マルチインジェクション（ＭＥ）の間、シリンダ（１２）への少なくとも２回の燃料噴射が内燃機関（１０）のシリンダ（１２）の誘導行程及び圧縮行程の間に実施され、これらの噴射のもっとも遅い噴射がシリンダ（１２）の圧縮行程の間に起こる。本発明はまた、この方法の利用に関する。本発明によると、マルチインジェクションで作動しているとき、もっとも遅い噴射の噴射角の制御終了点（α_EE）が少なくとも一時的に上点火死点（ＺＯＴ）前８０〜１０゜にセットされる及び／又は同じくマルチインジェクションで作動しているとき、点火角（α_Z）が少なくとも一時的に上点火死点（ＺＯＴ）後１０〜４５゜にセットされる。両方の措置の組み合わせが、内燃機関（１０）の下流に接続されている触媒コンバータ（１６）のウォームアップの劇的な加速を可能にする。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前段部分の特徴を有するスパーク点火直噴内燃機関の排ガス温度を少なくとも一時的に上昇させる方法及びその方法の使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
一定の運転条件下、特にエンジンのコールドスタート後、内燃機関の下流に接続された触媒がまだその作動温度に達していないとき、内燃機関の燃焼又は排ガス温度を上昇させることが望ましい。触媒は、実用し易さを維持するためには、少なくとも触媒固有の始動又は着火温度まで暖められなければならない。本明細書における「始動温度」とは、触媒が５０％の転換効率を有するところの温度をいう。エンジンのコールドスタート後、触媒がその始動温度に達しないうちは、排ガス中の汚染物質が本質的に未転換のまま大気に入ってしまう。排気温度を高め、それにより触媒ウォームアップを加速するための手法がいくつか知られている。
【０００３】
ウォームアップ段階で、点火角、すなわちシリンダ中で空燃混合物が点火されるタイミングを、最高の効率を提供する点火角に対して遅らせることが公知である。点火角の遅延は、燃焼効率を低下させるのと同時に、排ガス温度を上昇させる。より熱い排ガスは触媒をより速く加熱させる。点火を遅らせる方法は、内燃機関が容認できないほど乱雑に作動し始め、確実な点火をもはや保証できない点火角でその限界に達する。
【０００４】
排ガス温度を上昇させるもう一つの方法は、直噴スパーク点火内燃機関に関して近ごろ記載されている、燃料が噴射弁によってシリンダの燃焼室に直接噴射されるいわゆるマルチインジェクションを含む（ＷＯ００／０８３２８、ＥＰ０９８２４８９Ａ２、ＷＯ００／５７０４５）。この場合、シリンダの作動サイクル中に供給される全燃料量が二分され、２回の噴射過程でシリンダの燃焼室に供給される。第一の早期噴射（均一噴射）は、シリンダの吸気行程の間に、噴射される燃料量が、後続する点火時には、燃焼室中で少なくとも実質的に均一に分散するように起こる。他方、第二の遅い噴射（層状噴射）は、後続する圧縮行程、特に圧縮行程の後半に実施されて、噴射燃料の雲がシリンダのスパークプラグを取り囲む領域に本質的に集中するいわゆる層状燃料供給をもたらす。したがって、内燃機関のマルチインジェクション動作は、層状燃料供給と均一燃料供給との複合動作を含む。マルチインジェクション動作の特定の点火特性が、すべて均一な動作の場合に比較して排ガス温度を上昇させる結果を招く。排ガス温度を上昇させることに加えて、マルチインジェクションはまた、有利にも、酸化窒素ＮＯ_X及び未燃焼炭化水素ＨＣの生の放出を減らし、それがウォームアップ段階での汚染物質漏出を減らす。
【０００５】
多数の噴射実験から公表されている結果が、マルチインジェクション動作はシングルインジェクション動作に比べて排ガス温度を有意に上昇させる傾向にあるが、エンジン始動直後の１２〜１５秒間では二つの動作モードの間で有意な温度差は観察されないということを示している。
【０００６】
したがって、本発明の目的は、特にエンジン始動直後の１５秒間に従来の手法に比べて有意な温度上昇を生じさせる、排ガス温度を上昇させる方法を提供することである。
【０００７】
この目的は、請求項１の特徴を有する方法によって解決される。本発明によると、マルチインジェクション動作において、もっとも遅い噴射の噴射角の制御終了点が少なくとも一時的に上死点（ＵＤＣ）前８０〜１０゜にセットされる及び／又は点火角が少なくとも一時的にＵＤＣ後１０〜４５゜にセットされる。請求項に係わる噴射角及び点火角の範囲は、従来の方法に比較して、シリンダの作動範囲のきわめて遅い段階に位置する。このようにして、従来の方法で達成される排ガス温度をはるかに超える排ガス温度を発生させることができる。特に、エンジン始動終了後１５秒未満で、汚染物質の放出を減らしながらも、下流に位置する第一の触媒の速やかなウォームアップを達成することができる。
【０００８】
有利には、もっとも遅い噴射の噴射角の制御終了点及び点火角を同時にクランクシャフト範囲内に調節することが規定される。このようにして、最大の排ガス温度を達成しながらも、特に遅い噴射及び点火のポイントをこれらの範囲内で実現することができる。
【０００９】
本発明の特に有利な特徴によると、噴射角の制御終了点は、ＵＤＣ前４５〜２５゜、特にＵＤＣ前４０〜３５゜にセットされる。点火ポイントの好ましい角度は、ＵＤＣ後２０〜４５゜、特にＵＤＣ後２５〜３５゜である。
【００１０】
有利には、遅い噴射の噴射角の制御終了点と点火角との間の角間隔は、５０〜８０゜、特に６０〜７０゜にセットされる。この数値は、１０００〜１５００min^-1の範囲のエンジン回転速度に当てはまる。好ましくは、角間隔は、エンジン回転速度及び／又は噴射圧に依存して変化し、それにより通常は、エンジン回転速度の増大とともに増大し、噴射圧の増大とともに減少する。この実施態様は、混合物を処理するための時間間隔が常に最適化されることを保証する。
【００１１】
そのうえ、マルチインジェクションは、２回の噴射を含むことができ、それにより、第一の早期噴射が本質的に吸気行程の間、特に吸気行程の前半に起こる。早期噴射の噴射タイミングと点火ポイントとの間の大きな時間間隔により、早期噴射の間に供給される燃料は、点火時にはシリンダの燃焼室中で本質的に均一な分散を有する。他方、第二の遅い噴射は、好ましくは、圧縮行程の後半に起こり、点火時に、燃焼室のスパークの領域に本質的に位置する供給燃料雲を形成する。このような層状供給燃料の生成は、一般に、層状供給燃料の形成及び制御を、適当な形状のピストンヘッドと、たとえば供給燃料偏向板の形態にある、吸気管路の流れ特性に影響する設計措置とによって達成することができる層状内燃機関から公知である。最初のケースを渦流型層状燃料供給動作と呼び、後のケースを転動型動作と呼ぶ。本方法は、好ましくは、層状燃料供給動作が渦気流と転動気流との組み合わせによって維持される内燃機関で使用される。このようにして、十分に画定され、点火させやすい燃焼性の供給燃料雲を確実に発生されることができる。この方法は、燃焼室中の気流が特にピストン動に対して垂直に延びるねじれ軸を有する状態で作動する層状内燃機関に特に効果的であることがわかった。
【００１２】
すでに上述したように、このような混合燃料処理（均一／層状）は、排ガス温度の上昇を招き、同時に、未燃焼炭化水素及び酸化窒素の生の放出の減少を招く。２回の噴射の燃料画分は、好ましくは、第一の噴射（均一噴射）が、自らで点火することがなく、第二の噴射（層状噴射）の層状供給燃料雲によって支援されてはじめて点火し、燃焼することができる非常に希薄な空燃混合物を生じさせるように選択される。均一な供給燃料の完全な燃焼を保証するため、均一噴射の間に供給される燃料量は、全供給燃料量の２０％未満にするべきである。好ましくは、層状噴射の間に噴射される燃料の画分は、少なくとも６０％、特に少なくとも７０％である。加えて、好ましくは、ラムダ値が１〜１．２であるわずかに希薄ないし化学量論的な空燃混合物がセットされる。これは、希薄な排ガス雰囲気における触媒の始動温度が化学量論的雰囲気におけるそれよりも常に低いという事実を利用する。
【００１３】
排ガス温度を上昇させるための本発明の方法は、好ましくは、特にエンジン始動後、内燃機関の下流に接続された少なくとも一つの触媒を加熱するために使用される。好ましくは、この方法は、エンジンの近くに設置された前置触媒を少なくとも概ねその始動温度にするために使用される。このためには、加熱措置の期間及び強さ、特にプリセットされた噴射角及び点火角を決定するため、触媒の温度を計測及び／又はモデル化することができる。あるいはまた、触媒の温度は、エンジン始動後の経過時間及び／又はエンジン始動後のクランクシャフト回転数及び／又はエンジン始動後に蓄積した排ガス熱流に基づいて決定することができる。このために、特性図をエンジン制御装置に記憶することができる。
【００１４】
本発明のさらなる有利な実施態様は、従属項に記載された特徴によって記載される。
【００１５】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施態様をさらに詳細に記載する。
【００１６】
図１は、たとえば４個のシリンダ１２を含む、希薄作動モードで稼働することができるスパーク点火内燃機関１０を示す。内燃機関１０は、燃料をシリンダ１２中に直接噴射することができる直噴システム（図示せず）を有する。内燃機関１０によって発生する排ガスが排気路１４及び排気路１４中に位置する触媒系１６、１８を通過する。触媒系は、エンジン寄りに位置する小容量の前置触媒１６及び通常は床下に位置する主触媒１８、たとえばＮＯ_X貯蔵触媒を含む。内燃機関１０に供給される空燃比は、ラムダセンサ２０を使用して排ガスの酸素濃度を計測することによって調整される。排気路１４中の前置触媒１６の下流に位置する温度センサ２２が排ガス温度の計測を可能にして、前置触媒及び／又は主触媒１６、１８の温度に関する結論を導くことができる。センサ２０、２２によって供給される信号及び内燃機関１０の種々の作動パラメータは、記憶されたアルゴリズム及び特性曲線にしたがって処理するため、エンジン制御装置２４に送信される。内燃機関１０ならびに特に空燃比、噴射モード及び点火は、エンジン制御装置２４により、これらの信号に依存して制御される。
【００１７】
温度センサ２２が、たとえばエンジンコールドスタート後に触媒系、特に前置触媒１６の温度が十分な汚染物質転換に要する始動温度に満たないと決定するならば、エンジン制御装置２４が、排ガス温度を上昇させるための種々の措置を開始する。具体的には、内燃機関１０の動作をシングルインジェクションからマルチインジェクションに切り換える。第一の早期噴射が、好ましくはシリンダ１２の吸気行程の前半に起こって、この噴射中に供給される燃料がその後の点火ポイントで燃焼室中で実質的に均一な分散を有するようになる（均一噴射）。第二の遅い燃料噴射（層状噴射）が、１０００及び１５００min^-1のエンジン回転速度で少なくとも一時的に上死点（ＵＤＣ）前８０〜１０゜、すなわち圧縮行程の後半に位置する制御終了点で起こる。同時に、マルチインジェクション動作では１０００及び１５００min^-1のエンジン回転速度でＵＤＣ後１０〜４５゜の点火角が少なくとも一時的にセットされる。マルチインジェクション動作の具体的な燃焼過程及び極端に遅い点火が、排ガス温度の上昇、ひいては触媒系１６、１８のウォームアップの加速を生じさせる。
【００１８】
図２は、従来の方法による、シリンダの圧縮行程の間の遅い層状噴射及び点火の連続的な現象を示す。参照番号１２で指定するシリンダは、シリンダハウジング２６及びその中で軸方向に動くように配置されたピストン２８を含む。スパークプラグ３２がシリンダヘッド３０の中央位置に位置している。燃料をシリンダ１２の燃焼室３６に直接噴射する燃料噴射弁３４がシリンダヘッド３０の側面に配置されている。簡略に示すために、同じくシリンダヘッド３０中に設けられる吸気路及び排気路は図示されていない。従来の方法によると、遅い層状噴射の終了は、通常はＵＤＣ前７０゜の噴射角α_EEで制御される。この時点は図２の上図Ａで示され、同図中、参照番号３８は、燃焼室３６に導入されたばかりの供給燃料雲を示す。供給燃料雲３８はまだ噴射弁３４の近くにあり、上向きに動くピストン２８のピストンヘッド４０に対して比較的大きな間隔を有している。
【００１９】
シリンダ１２の作動行程が継続すると、供給燃料雲３８及びピストン２８は互いに向かって動く。ＵＤＣ前４０゜のクランクシャフト角で（図２Ｂ）、供給燃料雲３８はすでに噴射バルブ３４から離れており、ピストンヘッド４０中に機械加工で設けられたトラフに達している。ピストンヘッド４０の特殊な形状の結果として、供給燃料雲３８はスパークプラグ３２に向けて逸らされる。供給燃料のこの移動は、燃焼室３６における特に有利な気流条件によってさらに支持することができる。
【００２０】
図のＣ部分は、従来の方法では失火なしで低ＨＣ運転するためのもっとも遅い可能な点火タイミングを表すＵＤＣ後１０゜の点火タイミングα_Zにおけるピストン位置及び燃料供給条件を示す。排ガス温度は前記方法によって上昇させることができるが、図４を参照して以下に記載するように、エンジン始動直後の１２から１０秒の間には触媒１６、１８に対しては非常に小さな加熱効果しか見られない。図２の下図Ｃ′は、より遅い点火タイミング、たとえばＵＤＣ後３０゜は、そのタイミングでは、供給燃料雲３８が燃焼室３６中ですでに相当に散開しており、したがって、ずっと希薄になっている、すなわち燃料が少ないため、実施不可能であることを示す。この結果、高い失火率及び高いＨＣ粗放出により、点火特性が劣悪になる。
【００２１】
本発明によると、噴射角α_EE及び点火角α_Zがずっと遅いタイミングでセットされる。対応する曲線が図３に示されている。同じ参照番号が図２と同一の要素を示し、したがって、繰り返し説明することはしない。ＵＤＣ前７０゜のポイントで、マルチインジェクション動作の遅い層状噴射はまだその初期段階にある（図３Ａ）。本発明によると、層状噴射の制御終了点α_EEは、非常に遅いタイミング、この例ではＵＤＣ前４０゜で起こる（図３Ｂ）。このポイントで、噴射バルブ３４をまさに離れている供給燃料雲３８はすでに近くに位置するピストンヘッド４０に達する。
【００２２】
作動行程が継続すると、供給燃料雲３８はピストンヘッド４０のトラフを通過してスパークプラグ３２に達する。従来の方法とは異なり、供給燃料雲３８は、ＵＤＣ後１０゜では、スパークプラグにまだ達していないか、ほんの少ししか達しておらず、この時点における点火は、まだまったく可能でないか、まだ最適化されていない（図３Ｃ）。ピストン２８が再び上に動くと、特にＵＤＣ後２０〜３５゜、好ましくはＵＤＣ後３０゜の点火角で点火が起こる（図３の一番下）。ピストンヘッドの特殊な形状、すなわち渦流型気流及び吸気路の適当な設計によって発生する適当な気流パターン（転動気流）によって層状供給燃料雲３８が形成し、制御される燃焼過程では、特に遅い点火タイミング、ひいては特に高い排ガス温度を達成することができる。特に、本発明の方法とで使用される適当な気流パターンは、ピストン作動に対して好ましくは横断方向に延びるねじれ軸を有する。混合物をこのように処理することにより、点火性混合物の雲３８が長時間スパークプラグの領域に維持されて、特に遅い点火角α_Zが可能になる。
【００２３】
触媒ウォームアップを加速するための種々の手法の結果が図４で比較されている。図４は、前置触媒１６が直噴２．０リットル内燃機関１０の約３０mm下流に位置する場合の、エンジン始動後の前置触媒１６の触媒温度Ｔ_Catの曲線を示す。触媒温度Ｔ_Catは、流れにさらされる面の約２０mm下流の前置触媒１６のほぼ中心に位置する温度計測場所で測定される。従来のシングルインジェクションＥＥ及び純粋に均一な動作及びＵＤＣ後１０゜の点火角α_Zでは、前置触媒１６の触媒温度Ｔ_Catは１２秒後に約５０℃に達する（破線）。図２に示す従来の方法、すなわち層状噴射の噴射端α_EEがＵＤＣ前７０゜であり、点火角α_ZがＵＤＣ後１０゜であるマルチインジェクションＭＥによると、前置触媒１６は１２秒後に約６５℃に達する。これは、従来のマルチインジェクション動作が、少なくともエンジン始動直後の何秒間か、シングルインジェクション動作に比べてわずかな温度上昇しかもたらさないことを明らかに示す。逆に、図３に示す実施態様で例示する本発明の方法、すなわちＵＤＣ前４０゜の噴射端α_EE及びＵＤＣ後３０゜の点火角α_Zを用いると、１２秒後には２００℃の触媒温度Ｔ_Catに達する。これは、特に、遅い噴射と遅い点火との組み合わせが触媒を有意に速やかに加熱させ、汚染物質の放出の有意な減少をもたらすということを明らかに示す。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】下流に配置された触媒系を有する内燃機関の模式図である。
【図２】上から下に、従来の方法にしたがって作動するマルチインジェクションモードにおける第二の遅い燃料噴射及び点火の時系列図である。
【図３】本発明の方法の有利な実施態様の燃料噴射及び点火の時系列図である。
【図４】排ガス温度を上昇させるための種々の手法によるエンジンのコールドスタート後の触媒温度の時系列図である。
【符号の説明】
【００２５】
１０ 内燃機関
１２ シリンダ
１４ 排ガス路
１６ 前置触媒
１８ 主触媒／ＮＯ_X貯蔵触媒
２０ ラムダセンサ
２２ 温度センサ
２４ エンジン制御装置
２６ シリンダハウジング
２８ ピストン
３０ シリンダヘッド
３２ スパークプラグ
３４ 噴射弁
３６ 燃焼室
３８ 供給燃料雲
４０ ピストンヘッド
α_Z 点火角
α_EE 層状噴射制御終了点
ＥＥ シングルインジェクション
ＭＥ マルチインジェクション
Ｔ_Cat 前置触媒温度
ＵＤＣ 上死点

Claims (14)

1. スパーク点火直噴内燃機関（１０）の排ガス温度を少なくとも一つのエンジン関連措置によって少なくとも一時的に上昇させる方法であり、少なくとも一つのエンジン関連措置は、点火角とマルチインジェクション（ＭＥ）とを遅らせることを含み、かつマルチインジェクション（ＭＥ）の際に、内燃機関（１０）のシリンダ（１２）の吸気行程と圧縮行程との間にシリンダ（１２）への少なくとも２回の燃料噴射が実行され、
   かつこれらのうち噴射のうちもっとも遅い噴射をシリンダ（１２）の圧縮行程の間に起こす方法であって、
   マルチインジェクション動作において、もっとも遅い噴射の噴射角（α_EE）の制御終了点を少なくとも一時的に上死点（ＵＤＣ）前８０〜１０゜にセットする及び／又は点火角（α_Z）を少なくとも一時的にＵＤＣ後１０〜４５゜にセットすることを特徴とする方法。
2. もっとも遅い噴射の噴射角（α_EE）の制御終了点を少なくとも一時的に上死点（ＵＤＣ）前８０〜１０゜にセットし、同時に、点火角（α_Z）を少なくとも一時的にＵＤＣ後１０〜４５゜にセットする、請求項１記載の方法。
3. もっとも遅い噴射の噴射角（α_EE）の制御終了点を少なくとも一時的にＵＤＣ前４５〜２５゜、特にＵＤＣ前４０〜３５゜にセットする、請求項１又は２記載の方法。
4. 点火角（α_Z）をＵＤＣ後２０〜４５゜、特にＵＤＣ後２５〜３５°にセットする、請求項１〜３の１項記載の方法。
5. エンジン回転速度及び／又は噴射圧に依存して、遅い噴射の噴射端（α_EE）と点火角（α_Z）との間の角間隔を変化させる、特に、エンジン回転速度の増大とともに増大させ、噴射圧の増大とともに減少させる、請求項１〜４の１項記載の方法。
6. １０００〜１５００min^-1のエンジン回転速度で、遅い噴射の噴射角（α_EE）の制御終了点と点火角（α_Z）との間の角間隔を５０〜８０°、特に６０〜７０°にセットする、請求項５記載の方法。
7. マルチインジェクション（ＭＥ）が２回の噴射を含み、第一の早期噴射が本質的に吸気行程中、特に吸気工程の前半に起こり、早期噴射中に供給される燃料が、点火時に、シリンダ（１２）の燃焼室（３６）中で本質的に均一な分散を有する、請求項１〜６の１項記載の方法。
8. 第二の遅い噴射が圧縮行程の後半に起こり、遅い噴射中に供給される燃料が、点火時に、シリンダ（１２）の燃焼室（３６）のスパークプラグ（３２）の領域に本質的に集中する、請求項７記載の方法。
9. 内燃機関（１０）に層状に燃料供給することができ、層状燃料供給動作が転動型及び／又は渦流型である、請求項１〜８の１項記載の方法。
10. 内燃機関（１０）の燃焼室中の気流がねじれ軸、特にピストン運動に対して垂直に延びるねじれ軸を有する、請求項１〜９の１項記載の方法。
11. 全噴射燃料量のうち遅い噴射中に噴射される画分が少なくとも６０％、特に少なくとも７０％である、請求項１〜１０の１項記載の方法。
12. 特にエンジン始動後、内燃機関（１０）の下流に接続された少なくとも一つの触媒（１６、１８）を加熱するための、請求項１〜１０の１項記載の方法の使用。
13. 触媒（１６、１８）の温度（Ｔ_Cat）が計測及び／又はモデル化される、請求項１２記載の使用。
14. 触媒（１６、１８）の温度（Ｔ_Cat）が、エンジン始動後の経過時間及び／又はエンジン始動後のクランクシャフト回転数及び／又はエンジン始動後の移動距離及び／又は蓄積排熱流に基づいて決定される、請求項１２記載の使用。

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