JP2006510853A - ４サイクルエンジンの作動方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、ピストン（７）によって仕切られる少なくとも１つの燃焼室（９）内へ燃料が直接噴射される４サイクル内燃機関の作動のための方法に関しており、第１分量（１Ｍ）の燃料がクランク角９０°〜１８０°の第１の回転角度領域（１）において噴射されるか、若しくは第２分量（２Ｍ）の燃料が３００°〜３６０°の第２の回転角度領域（２）において燃焼室（９）内へ噴射され、吸気サイクル（Ａｎ）は０°〜１８０°の間に、圧縮サイクル（Ｖｅ）は、１８０°〜３６０°の間に存在している。本発明によれば、第３分量（３Ｍ）の燃料が、クランク角０°〜５０°の第３の回転角度領域（３）において燃焼室（９）内へ噴射され、及び/又は、第４分量（４Ｍ）の燃料が、クランク角６０°〜１２０°の第４の回転角度領域（４）において燃焼室（９）内へ噴射される。

Description

本発明は請求項１の上位概念による４サイクルエンジンの作動方法に関している。

例えば公知文献“MTZ Motortechnische Zeitschrift 58(1997)”４５８頁〜４６４頁及び５９２頁〜５９８頁には、２つの作動モードを有している４サイクルエンジンが記載されている。このエンジンは全負荷領域ではいわゆる均質燃焼モードで動作し、この場合燃料は従来のようにクランク軸回転角度（クランク角）の９０°〜１８０°の間の吸気サイクルで燃料が噴射される。部分負荷領域では、このエンジンはいわゆる成層燃焼モードで動作し、この場合燃料は従来のようにクランク角３００°から３６０°の間で噴射される。以下ではクランク軸の回転角度を“ °ＫＷ ”であらわすものとする。

前述した文献から公知の４サイクルエンジンの場合の欠点として、特に、出力、排ガス特性及び燃費が、連続した運転モードにおける各作動状態に関して必ずしも最適にはできないことである。非常に限られた期間ないしは回転角度領域のみにおいて燃焼室内への燃料が調量されるので、この燃料は非常に高い圧力で燃焼室に噴射されなければならない。しかしながら高い燃圧の実現には非常にコストがかかる。その他にもその場合の混合気形成も不十分となる。このことは不完全な燃焼、カーボンの堆積、高い燃費、排ガス特性の悪化に結び付く。

発明の効果
請求項１の上位概念に記載の本発明による４サイクルエンジンの作動方法によって得られる利点は、出力、排ガス特性及び燃費が特に改善された内部混合気形成によって格段に向上されることである。燃圧は低減され得る。

従属請求項に記載されている手段により、独立請求項に記載された方法のさらに有利な改善例が可能となる。

燃料は第３の回転角度領域内で完全に噴射されるので、燃費が低減される。なぜなら燃料が長い期間に亘って空気と混合できるからである。つまり予め良好に混合された燃焼が行われ完璧に進行される。

その他の利点として有利には、作動工程内で噴射される全燃料が第３及び第２の回転角度領域において噴射される。それにより、燃焼室内への燃料の調量に多くの時間が得られるようになる。燃圧は低減可能である。その場合有利には、第２の調量に対する第３の調量の比が連続運転中に変更できる。このことは有利にはノッキング特性に基づいて行われる。すなわちノッキングが発生した場合には当該比は拡大される。それによりエンジンを非常に高燃費に作動させることと、ノッキングによるダメージをエンジンに与えることなく燃圧を低く維持することが可能となる。

またさらに有利には、作動工程内で噴射される全燃料が第４及び第２の回転角度領域において噴射される。それにより、燃焼室内への燃料の調量に多くの時間が得られる。燃圧は低減可能である。この場合有利には、第２の調量に対する第４の調量の比が連続運転中に変更できる。このことは有利にはノッキング特性に基づいて行われる。この場合ノッキングが発生した時には前記比が拡大される。それによりエンジンを非常に高燃費に作動させることと、ノッキングによるダメージをエンジンに与えることなく燃圧を低く維持することが可能となる。

有利には、作動工程内で噴射される全燃料が第３、第４及び第２の回転角度領域において噴射される。それにより、燃焼室内への燃料の調量に多くの時間が得られる。燃圧はさらに低減可能である。この場合有利には、第２の調量に対する第３の調量の比、及び第２の調量に対する第４の調量の比が連続運転中に変更できる。このことは有利にはノッキング特性に基づいて行われる。この場合ノッキングが発生した時には前記比の少なくとも１つが拡大される。それによりエンジンを非常に高燃費に作動させることと、ノッキングによるエンジンへのダメージなしで燃圧を低く維持することが可能となる。

本発明による方法のさらに別の実施例によれば、作動工程内で噴射される全燃料が第４及び第３の回転角度領域において燃焼室に噴射される。それにより燃焼室内への燃料の調量に多くの時間が得られる。燃圧は低減することが可能である。有利にはこの場合第３の調量に対する第４の調量の比が連続分転注に変更可能となる。それによりエンジンを非常に高燃費に作動させることができ、燃圧を低く維持することが可能となる。

さらに有利には、第３の回転角度領域及び/又は第２の回転角度領域が次のように制限される。すなわち噴射された燃料が完全にピストンボウル内に噴射される。それにより液状燃料によるシリンダ壁の濡れが回避され、それによって失火作用とシリンダ摺動面の潤滑油膜の脱脂作用が回避される。失火作用が抑えられることによって、未燃炭化水素の形成が回避される。その他に第３の回転角度領域及び/又は第２の回転角度領域期間中のピストンボウルへの完全な噴射によって火炎ランド領域内への燃料の侵入が回避される。この燃料は空気との完全混合が非常に不十分であり、引き続き燃焼に加えられる。それにより、ピストンボウル以外のピストン底部や火炎ランドの領域の堆積が回避され、これは炭化水素の放出を減らし、燃費も低減する。その他にそれによって、火炎ランドの領域における末端ガスの形成が抑圧され、これによって火炎ランド領域における急激な燃焼によって突発的に生じ得る異常燃焼（ノッキング）が回避される。

ピストンボウル（浅皿）への噴射のさらなる利点は、燃焼室の中央ないしは点火プラグの取付け位置方向に向けて燃料/空気混合気の濃度が簡単に達成できることである。このことは層状吸気モードにおいて特に有利となる。なぜならそれによって容易に点火しやすい燃料/空気混合気が点火プラグの周辺近傍で形成されるからである。それは点火の後で周辺の非常に希薄で点火しにくい混合気を点火する。その他に熱損失も避けられる。なぜならピストンボウルがシリンダ壁よりも小さな表面を有しているからである。

有利には、作動行程中に噴射された全燃料が、第３の回転角度領域の間のみか、第３及び第２の回転角度領域の間のみか、若しくは第４及び第２の回転角度領域の間のみか、若しくは第３，第４及び第２の回転角度領域の間、若しくは第３及び第４の回転角度領域の間のみ噴射され、その際エンジンの連続運転中の前記回転角度領域の組合わせの間では、少なくとも１つの作動行程に従って切替え可能である。この切替えは有利には、エンジンパラメータ、特にエンジン回転数、負荷状態、及び/又はエンジン温度、及び/又は燃圧に基づいて行われる。

図面
図面には本発明の実施例が概略的に示されており、これらの実施例は以下の明細書で詳細に説明される。この場合、
図１は、作動行程の様々な作動サイクルがクランク軸の回転角度ないしクランク角度に対応付けられた４サイクルエンジンの作動形態が概略的に示されており、
図２は、４サイクル内燃機関の作動のための方法の本発明による第１実施例を表わしたダイヤグラムであり、
図３は、４サイクル内燃機関の作動のための方法の本発明による第２実施例を表わしたダイヤグラムであり、
図４は、４サイクル内燃機関の作動のための方法の本発明による第３実施例を表わしたダイヤグラムであり、
図５は、４サイクル内燃機関の作動のための方法の本発明による第４実施例を表わしたダイヤグラムであり、
図６は、４サイクル内燃機関の作動のための方法の本発明による第５実施例を表わしたダイヤグラムである。

実施例の説明
以下の明細書では、本発明の実施例を例示的に説明する。この場合同じ構成要素や特徴部分には、同じ符号が付されている。

図２から図６に基づいて本発明による有利な実施例を詳細に説明する前に、本発明のよりよい理解のために、まず図１に基づいて４サイクルエンジンの作動形態を、１つの作動行程中の種々の作動サイクルとクランク軸の回転角度°ＫＷとの対応付けを用いて概略的に説明する。

図１には、４サイクルエンジンの作動形態を説明するためのダイヤグラムが示されている。例えば火花点火方式で、燃焼室９内へ直接噴射がなされ、ピストンボウル（ピストン浅皿）８を備えたピストン７を有している４サイクルエンジンは、４つの作動サイクル、すなわち吸気サイクルＡｎ、圧縮サイクルＶｅ，燃焼サイクルＡｒ，及び排気サイクルＡｕからなる１つの作動行程を有している。ピストンボウル８の容積は燃焼室９の構成部分でもある。吸気サイクルＡｕは、クランク軸の０°ＫＷ〜１８０°ＫＷに対応付けられており、圧縮サイクルＶｅは、１８０°ＫＷ〜３６０°ＫＷの間の回転角度領域で行われ、燃焼サイクルＡｒは、クランク角３６０°ＫＷ〜５４０°ＫＷの間で行われ、排気サイクルＡｕはクランク角５４０°ＫＷ〜７２０°ＫＷの間で行われる。個々の作動行程Ａｎ，Ｖｅ，Ａｒ，Ａｕにおける経過は、当業者にとっては十分に周知のことなので、個々でのこれ以上の説明は省く。燃料/空気混合気の点火は、理想的には点火プラグ６を介して行われ、このプラグは例えば燃料噴射弁５の比較的近傍にて燃焼室９内へ突出している。

従来のように火花点火式の直噴型４サイクルエンジンの場合、燃料はクランク角９０°ＫＷ〜１８０°ＫＷの間の第１の回転角度領域１の期間中か、若しくはクランク角３００°ＫＷ〜３６０°ＫＷの間に存在する第２の回転角度領域２の期間中に、燃焼室９内へ噴射される。

周知のように、従来方式で作動する直噴型４サイクルエンジンでは、前記２つの回転角度領域１、２の期間においてのみ燃焼室９内への燃料噴射が行われる。全負荷領域においては、直噴型４サイクルエンジンの場合、燃料は専ら第１の回転角度領域１の間に燃焼室９へ噴射される。部分負荷領域においては、燃料は専ら第２の回転角度領域２の間において燃焼室９内へ噴射される。このことは当業者にとっては周知のことなのでここでの詳細な説明は省く。

それに対して本発明によれば、燃料はさらに２つの回転角度領域、クランク角０°ＫＷ〜５０°ＫＷの第３の回転角度領域３、及び/又はクランク角６０°ＫＷ〜１２０°ＫＷの第４の回転角度領域４において燃焼室９内へ調量若しくは噴射される。

図２には、本発明による４サイクル内燃機関の作動の第１実施例を表わしたダイヤグラムが示されている。ここでは１つの作動行程に対して噴射される全燃料が第３の回転角度領域３の少なくとも一部において燃焼室９内へ噴射されている。燃料の噴射は、例えば（噴射口の形状が）内方に向けて開いている燃料噴射弁５を介して行われる。それ以外にも少なくとも６０°の円錐状の開き角度で外方に向けて開いている燃料噴射弁５が用いられてもよい。その場合有利には燃料は完全に、例えば少なくとも１５ｍｍの深さで特異的に鋳造されているピストンボウル８内に噴射される。この場合の圧縮率は、約７０％である。この場合に形成される圧縮噴流は、有利には燃焼室９の中心に向けられており、そのため点火プラグ６と燃料噴射弁５の噴射端部は、集中的に換気される。圧縮噴流は、点火速度を促進し、それによって混合気の完全燃焼は負荷や回転数に依存しなくなる。さらに燃料噴射弁５へのカーボン堆積も避けられる。高い回転数のもとで大量の燃料が要される時、例えば最高出力が要求される場合に、所要の燃料量を、第３の回転角度領域３内で完全にピストンボウル８内に噴射できるようにするために、例えば燃圧を（例えば２００ｂａｒに）高めることによって、時間単位毎の噴射通流量を増加させてもよい。

第１実施例による作動は有利には、圧縮比が１２を越えない４サイクルエンジンに用いられる。

図３には、本発明による４サイクル内燃機関の作動の第２実施例を表わしたダイヤグラムが示されている。ここでは１つの作動行程に対して噴射される全燃料が第３の回転角度領域３の少なくとも一部と第４の回転角度領域４の少なくとも一部において燃焼室９内へ噴射されている。この場合第３の回転角度領域３においては、第３分量（３Ｍ）の燃料が、そして第４の回転角度領域４においては第４分量（４Ｍ）の燃料が燃焼室９内へ噴射される。この１つの作動行程において噴射される全ての燃料量は、種々異なる尺度で２つの分量３Ｍ、４Ｍに分割可能である。有利には第３回転角度領域３は、所要の第３分量の燃料３Ｍが完全にピストンボウル８内に噴射されるように限定されてもよいし、及び/又は燃圧が高められてもよい。

図４には、本発明による４サイクル内燃機関の作動の第３実施例を表わしたダイヤグラムが示されている。ここでは１つの作動行程に対して噴射される全燃料が第３の回転角度領域３の少なくとも一部と第２の回転角度領域２の少なくとも一部において燃焼室９内へ噴射されている。この場合第３の回転角度領域３においては、第３分量（３Ｍ）の燃料が燃焼室９内へ噴射され、第２の回転角度領域２においては第２分量（２Ｍ）の燃料が燃焼室９内へ噴射される。この１つの作動行程において噴射される全ての燃料量は、種々異なる尺度で２つの分量３Ｍ、２Ｍに分割可能である。

１つの作動行程中に噴射される全燃料量の２つの分量３Ｍ、２Ｍへの分割は、４サイクル内燃機関の連続した作動中にそれぞれ少なくとも１つの作動行程の後で変更可能である。この場合２つの分量３Ｍ、２Ｍへの総量の分割は、４サイクルエンジンのノッキング特性によって定められる。例えばノッキングが発生した場合には、第３の分量３Ｍが段階的に低減され、第２の分量２Ｍは、ノッキングの出現がもはやノッキングセンサによって測定できなくなるまで段階的に引き上げられる。例えばノッキングのない燃焼のもとでは、第２の分量２Ｍの段階的な引き上げはノッキングが現れるまで可能である。ノッキングが出現した場合には、第２の分量２Ｍは再び段階的に低減される。第３の分量３Ｍは、この場合相応に適合化され、それによって１つの作動行程に対して必要な燃料総量が１つの作動行程内では変更されない。

有利には、第３の回転角度領域３及び/又は第２の回転角度領域２は、所要の第３分量の燃料３Ｍと所要の第２分量の燃料２Ｍが完全にピストンボウル８内に噴射されるように限定されてもよいし、及び/又は燃圧が高められてもよい。

図５には、本発明による４サイクル内燃機関の作動の第４実施例を表わしたダイヤグラムが示されている。ここでは１つの作動行程に対して噴射される全燃料が第３の回転角度領域３の少なくとも一部と第２の回転角度領域２の少なくとも一部と第４の回転角度領域４の少なくとも一部において燃焼室９内へ噴射されている。この場合第３の回転角度領域３においては、第３分量（３Ｍ）の燃料が燃焼室９内へ噴射され、第２の回転角度領域２においては第２分量（２Ｍ）の燃料が燃焼室９内へ噴射され、第４の回転角度領域４においては第４分量（４Ｍ）の燃料が燃焼室９内へ噴射される。この１つの作動行程において噴射される全ての燃料量は、種々異なる尺度で３つの分量３Ｍ、２Ｍ及び４Ｍに分割可能である。１つの作動行程中に噴射される全燃料量の３つの分量３Ｍ、２Ｍ、４Ｍへの分割は、４サイクル内燃機関の連続動作中にそれぞれ少なくとも１つの作動行程の後で変更可能である。この場合分量３Ｍ、２Ｍ、４Ｍへの総量の分割は、４サイクルエンジンのノッキング特性と有害物質の排出特性によって定められる。

当該実施例では、ノッキングが発生した場合には、第３の分量３Ｍが段階的に低減され、第２の分量２Ｍは段階的に引き上げられ及び/又は第４の分量４Ｍが段階的に低減される。第２の分量２Ｍは、ノッキングの出現がもはやノッキングセンサによって測定できなくなるまで段階的に引き上げられる。例えばノッキングのない燃焼のもとでは、第２の分量２Ｍの段階的な引き上げはノッキングが現れるまで可能である。ノッキングが出現した場合には、第２の分量２Ｍは再び段階的に低減される。個々の混合は、相応に適合化され、それによって１つの作動行程に対して必要な燃料総量が１つの作動行程内では変更されない。

有利には、第３の回転角度領域３及び/又は第２の回転角度領域２は、所要の第３分量（３Ｍ）の燃料と所要の第２分量（２Ｍ）の燃料が完全にピストンボウル８内に噴射されるように限定されてもよいし、及び/又は燃圧が高められてもよい。

図６には、本発明による４サイクル内燃機関の作動の第５実施例を表わしたダイヤグラムが示されている。ここでは１つの作動行程に対して噴射される全燃料が第４の回転角度領域４の少なくとも一部と第２の回転角度領域２の少なくとも一部において燃焼室９内へ噴射されている。この場合第４の回転角度領域４においては、第４分量（４Ｍ）の燃料が燃焼室９内へ噴射され、第２の回転角度領域２においては第２分量（２Ｍ）の燃料が燃焼室９内へ噴射される。

この１つの作動行程において噴射される全ての燃料量は、種々異なる尺度で２つの分量４Ｍ、２Ｍに分割可能である。１つの作動行程中に噴射される全燃料量の２つの分量４Ｍ、２Ｍへの分割は、４サイクル内燃機関の連続した作動中にそれぞれ少なくとも１つの作動行程の後で変更可能である。この場合２つの分量４Ｍ、２Ｍへの総量の分割は、４サイクルエンジンのノッキング特性によって定められる。例えばノッキングが発生した場合には、第４の分量４Ｍが段階的に低減され、第２の分量２Ｍは、ノッキングの出現がもはやノッキングセンサによって測定できなくなるまで段階的に引き上げられる。例えばノッキングのない燃焼のもとでは、第２の分量２Ｍの段階的な引き上げはノッキングが現れるまで可能である。ノッキングが出現した場合には、第２の分量２Ｍは再び段階的に低減される。第４の分量４Ｍは、この場合相応に適合化され、それによって１つの作動行程に対して必要な燃料総量が１つの作動行程内では変更されない。

有利には、第２の回転角度領域２は、所要の第２分量（２Ｍ）の燃料が完全にピストンボウル８内に噴射されるように限定されてもよいし及び/又は燃圧が高められてもよい。

本発明の方法によれば、図２〜図６に基づいて説明した本発明による作動方法の前記実施例の間で、４サイクル内燃機関の連続した作動中に切替えないしは入替えも可能である。このことは有利には、１つ又は複数のエンジンパラメータ、例えばエンジン回転数や負荷状態、燃圧、及び/又はエンジン温度、及び/又は有害物質排出に基づいて行われる。

本発明は、前述してきた実施例に限定されるものではない。前述した実施例の各特徴部分は任意の形式で相互に組み合わせることも可能である。

作動行程の様々な作動サイクルがクランク軸の回転角度ないしクランク角度に対応付けられた４サイクルエンジンの作動形態を概略的に示した図 ４サイクル内燃機関の作動のための方法の本発明による第１実施例を表わしたダイヤグラム ４サイクル内燃機関の作動のための方法の本発明による第２実施例を表わしたダイヤグラム ４サイクル内燃機関の作動のための方法の本発明による第３実施例を表わしたダイヤグラム ４サイクル内燃機関の作動のための方法の本発明による第４実施例を表わしたダイヤグラム ４サイクル内燃機関の作動のための方法の本発明による第５実施例を表わしたダイヤグラム

Claims (17)

1. ピストン（７）によって仕切られる少なくとも１つの燃焼室（９）内へ燃料が直接噴射される内燃型火花点火方式の４サイクルストロークピストン式内燃機関の作動のための方法であって、
   第１分量（１Ｍ）の燃料がクランク軸（ＫＷ）回転角度の９０°〜１８０°の間にある第１の回転角度領域（１）において燃焼室（９）内へ噴射されるか、若しくは第２分量（２Ｍ）の燃料がクランク軸（ＫＷ）回転角度の３００°〜３６０°の間にある第２の回転角度領域（２）において燃焼室（９）内へ噴射され、この場合吸気サイクル（Ａｎ）がクランク角０°〜１８０°の間に存在し、圧縮サイクル（Ｖｅ）は、クランク角１８０°〜３６０°の間に存在する形式の方法において、
   第３分量（３Ｍ）の燃料が、クランク軸（ＫＷ）回転角度の０°〜５０°の間にある第３の回転角度領域（３）において燃焼室（９）内へ噴射され、及び/又は、
   １つの作動行程に対して必要な燃料の一部が第４分量（４Ｍ）の燃料として、クランク軸（ＫＷ）回転角度の６０°〜１２０°の間にある第４の回転角度領域（４）において燃焼室（９）内へ噴射されるようにしたことを特徴とする方法。
2. １つの作動行程に対して必要な総燃料が第３の回転角度領域（３）において燃焼室（９）内へ噴射される、請求項１記載の方法。
3. 最大で圧縮比１２が達成される、請求項２記載の方法。
4. １つの作動行程中に噴射される総燃料は、第３の回転角度領域（３）と第２の回転角度領域（２）において噴射される、請求項１記載の方法。
5. 第２分量（２Ｍ）に対する第３分量（３Ｍ）の比が４サイクル内燃機関の連続動作中に変更可能である、請求項４記載の方法。
6. 第２分量（２Ｍ）に対する第３分量（３Ｍ）の比がノッキングの発生の際に段階的に低減される、請求項５記載の方法。
7. １つの作動行程中に噴射される総燃料は、第４の回転角度領域（４）と第２の回転角度領域（２）において燃焼室（９）内へ噴射される、請求項１記載の方法。
8. 第２分量（２Ｍ）に対する第４分量（４Ｍ）の比が４サイクル内燃機関の連続動作中に変更可能である、請求項７記載の方法
9. 第２分量（２Ｍ）に対する第４分量（４Ｍ）の比がノッキングの発生の際に段階的に低減される、請求項８記載の方法。
10. １つの作動行程中に噴射される総燃料は、第３の回転角度領域（３）、第４の回転角度領域（４）及び第２の回転角度領域（２）において燃焼室（９）内へ噴射される、請求項１記載の方法
11. 第２分量（２Ｍ）に対する第３分量（３Ｍ）及び第４分量（４Ｍ）の比が４サイクル内燃機関の連続動作中に変更可能である、請求項１０記載の方法。
12. 第２分量（２Ｍ）に対する第３分量（３Ｍ）の比がノッキングの発生の際に段階的に低減され、及び/又は第２分量（２Ｍ）に対する第４分量（４Ｍ）の比がノッキング発生の際に段階的に低減される、請求項１１記載の方法。
13. １つの作動行程中に噴射される総燃料は、第４の回転角度領域（４）及び第３の回転角度領域（３）において燃焼室（９）内へ噴射される、請求項１記載の方法。
14. 第３分量（３Ｍ）に対する第４分量（４Ｍ）の比が４サイクル内燃機関の連続動作中に変更可能である、請求項１３記載の方法
15. 第３の回転角度領域（３）及び/又は第２の回転角度領域（２）は、噴射された燃料が完全にピストンボウル（８）内へ噴射されるように制限される、請求項１から１４いずれか１項記載の方法。
16. ４サイクル内燃機関の連続動作中に、少なくとも１つの作動行程の後で、１つの作動行程中に噴射される総燃料の第３の回転角度領域（３）、第３及び第２の角度領域（３，２）、第４及び第２の角度領域（４，２）、第３、第４及び第２の回転角度領域（３，４，２）、第３及び第４の角度領域（３，４）における噴射の間で切替が可能となる、請求項１から１５いずれか１項記載の方法。
17. 前記切替えは、エンジンパラメータに基づいて、特にエンジン回転数及び/又は負荷状態及び/又はエンジン温度及び/又は燃圧及び/又は排ガス中の煤/炭化水素成分の比に基づいて行われる、請求項１６記載の方法。

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