JP2007077992A - アシストする火花点火によるオット機関の、コントロールされた自己着火 - Google Patents

Abstract

【課題】オット機関による自己着火のために使用可能な負荷範囲を拡張する。
【解決手段】燃料・空気混合気に負荷交番行程の間に一箇所またはそれ以上の箇所で火花点火によって、残りの燃料・空気混合気を圧縮しかつ／または加熱する火炎前面を発生させ、これによって、前記残りの燃料・空気混合気を少なくとも部分的に燃焼中間生成物に変換するようにした。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料・空気混合気を少なくとも部分的に負荷交番行程で燃焼室内に供給し、圧縮行程で圧縮して、コントロールされた自己着火で内燃機関を運転するための方法に関する。

さらに、本発明は、コントロールされた自己着火の運転モードを備えた内燃機関であって、燃料・空気混合気が、燃料室内に供給されるようになっていて、圧縮行程で圧縮されかつ点火されるようになっている形式のものに関する。

公知先行技術に基づき公知の直接噴射式のガソリン内燃機関では、ガソリンが内燃機関の気筒の燃焼室内に直接噴射される。次いで、燃焼室内で圧縮されたガソリン・空気混合気が、点火スパークの点火によって燃焼室内で点火される。点火されたガソリン・空気混合気の体積が爆発的に膨張し、気筒内で往復運動可能なピストンを運動させる。このピストンの往復運動は内燃機関のクランクシャフトに伝達される。

直接噴射式の内燃機関は、種々異なる運転モードで運転することができる。第１の運転モードとして、いわゆる「成層燃焼運転」が知られている。この成層燃焼運転は、特により小さな負荷時に使用される。第２の運転モードとして、いわゆる「均質燃焼運転」が知られている。この均質燃焼運転は、内燃機関に加えられるより大きな負荷時に使用される。種々異なる運転モードは、特に噴射時点および噴射期間ならびに点火時点において異なっている。

成層燃焼運転では、ガソリンが内燃機関の圧縮行程の間に燃焼室内に噴射される。この場合、点火の時点で燃料クラウドが点火プラグのすぐ周辺に位置している。この噴射は種々異なる形式で行うことができる。したがって、噴射された燃料クラウドがすでに噴射の間にもしくは噴射の直後に点火プラグの近傍に位置していて、この点火プラグによって点火されることが可能である。また、噴射された燃料クラウドが負荷運動によって点火プラグに案内され、その後初めて点火されることも可能である。両燃焼法では、均一な燃料分配が燃焼室内に付与されず、層状給気が付与される。

成層燃焼運転の利点は、極めて僅かな燃料量によって、内燃機関の、加えられるより小さな負荷を実施することができることにある。しかし、より大きな負荷は成層燃焼運転によって果たすことはできない。

より大きな負荷のために使用される均質燃焼運転では、ガソリンが内燃機関の吸入行程の間に噴射され、これによって、ガソリンへの渦流付与ひいてはガソリンの分配を燃焼室内でまだ点火前にまだ難なく行うことができる。この限りにおいて、均質燃焼運転は、内燃機関の、従来の形式で燃料が吸気管内に噴射される運転形式にほぼ相当している。必要な場合には、より小さな負荷時でも均質燃焼運転を使用することができる。

ときにＣＡＩ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ａｕｔｏ Ｉｇｎｉｔｉｏｎ）、ＡＴＡＣ（Ａｃｔｉｖｅ Ｔｈｅｒｍｏ Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ）またはＴＳ（Ｔｏｙｏｔａ Ｓｏｋｅｎ）とも呼ばれるＨＣＣＩモード（Ｈｏｍｏｇｅｎｏｕｓ Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｉｇｎｉｔｉｏｎ）での内燃機関の運転時には、空気・燃料混合気の点火が火花点火によって行われず、コントロールされた自己着火によって行われる。ＨＣＣＩ燃焼プロセスは、たとえば高い割合の高温の残留ガスおよび／または高い圧縮および／または高い流入空気温度によって生ぜしめることができる。自己着火のための前提条件は、気筒内の十分に高いエネルギレベルである。ＨＣＣＩモードで運転可能な内燃機関は、たとえば米国特許第６２６０５２０号明細書、米国特許第６３９００５４号明細書、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９９２７４７９号明細書および国際公開第９８／１０１７９号パンフレットに基づき公知である。

ＨＣＣＩ燃焼は、従来の火花点火燃焼に比べて、低減された燃料消費率と、より僅かな有害物質エミッションとの利点を有している。しかし、燃焼プロセスの調整と、特に混合気の自己着火の制御とが複雑である。したがって、たとえば燃料噴射（噴射量もしくは噴射時点および噴射期間）、内部排ガス再循環または外部排ガス再循環、吸気弁および排気弁（可変な弁制御）、排ガス背圧（排ガスフラップ）、場合により、点火アシスト、空気流入温度、燃料品質および可変な圧縮比を備えた内燃機関の場合の圧縮比に対する、燃焼プロセスに影響を与える調整量の調整が要求される。

現在、コントロールされた自己着火は、狭い負荷範囲でしか使用することができない。なぜならば、現在、自己着火はその反応速度論によってしか促進されないからである。
米国特許第６２６０５２０号明細書 米国特許第６３９００５４号明細書 ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９９２７４７９号明細書 国際公開第９８／１０１７９号パンフレット

したがって、本発明の課題は、オット機関による自己着火のために使用可能な負荷範囲を拡張することである。

この課題を解決するために本発明の方法では、燃料・空気混合気に負荷交番行程の間に一箇所またはそれ以上の箇所で火花点火によって、残りの燃料・空気混合気を圧縮しかつ／または加熱する火炎前面を発生させ、これによって、前記残りの燃料・空気混合気を少なくとも部分的に燃焼中間生成物に変換するようにした。

さらに、前記課題を解決するために本発明の内燃機関では、燃料・空気混合気に一箇所またはそれ以上の箇所で火花点火によって、残りの燃料・空気混合気を圧縮しかつ／または加熱する火炎前面が発生させられるようになっていて、これによって、自己着火をトリガするようになっているようにした。

本発明によって、それぞれ異なる負荷点での自己着火の制御もしくは調整が、火花点火に組み合わされた成層化された噴射により可能となる。この成層化された噴射の規定された量の点火によって、火炎拡張により、残りの混合気の自己着火を促進し、これによって、組み合わされた燃焼（火炎拡張＋自己着火）を制御するかもしくは調整することが可能となる。吸気ガス交換弁の閉鎖以降、燃焼が反応速度論によってしか規定されない従来の自己着火と異なり、成層化された噴射によって、燃焼にまだあとで圧縮行程中にもしくは点火上死点周辺で影響を与えることができる。それぞれ異なる負荷点では、種々異なるガス交換弁・噴射方法が必要になる。さらに、特性マップ領域を、たとえばより高い負荷のために拡張するためには、過給が使用されてよい。点火上死点付近の領域での成層化された噴射の制御もしくは調整によって、残りの部分を迅速に自己着火に促進することができる成層化された高温の火炎前面を出発させることができる。成層化された噴射は制御量もしくは調整量として使用することができる。この場合、有利には、火炎前面を１つまたはそれ以上の点火プラグおよび／または１つのレーザによって発生させることが提案されている。

１つの実施態様では、燃料・空気混合気の一部を圧縮行程で火花点火することが提案されている。

燃料・空気混合気が、付加的に燃料・空気・排ガス混合気としての排ガスを含有していると有利である。この場合、排ガスを負荷交番行程中の負の弁オーバラップ（残留ガス引止め）によって燃焼室内に残すと有利である。この負の弁オーバラップ時には、排気ガス交換弁が上死点への到達前に閉鎖され、これによって、燃焼されたガスの一部が気筒内に残留する。

以下に、本発明を実施するための最良の形態を図面につき詳しく説明する。

図１には、燃料供給システムの所属の構成要素を備えた内燃機関の１つの気筒（シリンダ）の概略図が示してある。たとえば直接噴射式の内燃機関（ガソリン直接噴射（ＢＤＥ）式のオット機関）が図示してある。この内燃機関は燃料タンク１１を備えている。この燃料タンク１１には、電動式燃料ポンプ（ＥＫＰ）１２と、燃料フィルタ１３と、低圧調整器１４とが配置されている。燃料タンク１１から、燃料管路１５が高圧ポンプ１６に通じている。この高圧ポンプ１６には、蓄圧室１７が続いている。この蓄圧室１７には、噴射弁１８が配置されている。この噴射弁１８は、有利には直接内燃機関の燃焼室２６に対応配置されている。直接噴射式の内燃機関では、各燃焼室２６に少なくとも１つの噴射弁１８が対応配置されている。しかし、ここでは、複数の噴射弁１８が各燃焼室２６に対して設けられていてもよい。燃料は、電動式燃料ポンプ１２によって燃料タンク１１から燃料フィルタ１３と燃料管路１５とを介して高圧ポンプ１６に圧送される。燃料フィルタ１３は、異物粒子を燃料から除去する役割を有している。低圧調整器１４によって、燃料供給システムの低圧領域における燃料圧が、たいてい約４〜５ｂａｒのオーダにある予め規定された値に調整される。有利には直接内燃機関によって駆動される高圧ポンプ１６が燃料を圧縮し、この燃料を蓄圧室１７に圧送する。この場合、燃料圧は最大約１５０ｂａｒの値に到達する。図１には、たとえば直接噴射式の内燃機関の燃焼室２６が示してある。一般的に、内燃機関は、それぞれ１つの燃焼室２６を備えた複数の気筒を有している。燃焼室２６には、少なくとも１つの噴射弁１８と、少なくとも１つの点火プラグ２４と、少なくとも１つの吸気弁２７と、少なくとも１つの排気弁２８とが配置されている。燃焼室は、気筒内で昇降滑動することができるピストン２９によって仕切られる。吸気弁２７を介して、新空気が吸気システム３６から燃焼室２６内に吸い込まれる。噴射弁１８によって、燃料が内燃機関の燃焼室２６内に直接噴射される。点火プラグ２４によって、燃料が点火される。点火された燃料の膨張によって、ピストン２９が駆動される。このピストン２９の運動はコネクティングロッド３７を介してクランクシャフト３５に伝達される。このクランクシャフト３５には、セグメントディスク３４が配置されている。このセグメントディスク３４は回転数センサ３０によって走査される。この回転数センサ３０は、クランクシャフト３５の回転運動を特徴付ける信号を発生させる。

燃焼室には、別の点火装置４０が配置されていてよい。この点火装置４０は、ここでは、点火プラグ２４に対して付加的な別の点火プラグまたは、たとえばレーザまたはこれに類するものであってよい。別の点火装置４０または点火プラグ２４によって、以下に記載する、自己着火を生ぜしめるための火花点火がトリガされる。別の点火装置４０は制御装置２５によって制御され、このために、この制御装置２５に電気的に接続されている。

燃焼時に発生する排ガスは排気弁２８を介して燃焼室２６から排ガス管３３に到達する。この排ガス管３３内には、温度センサ３１とラムダセンサ３２とが配置されている。温度センサ３１によって、排ガスの温度が検出され、ラムダセンサ３２によって、排ガスの酸素含量が検出される。

圧力センサ２１と圧力制御弁１９とが蓄圧室１７に接続されている。圧力制御弁１９は入口側で蓄圧室１７に接続されている。出口側では、戻し管路２０が燃料管路１５に通じている。

圧力制御弁１９の代わりに、量制御弁が燃料供給システム１０に使用されてもよい。圧力センサ２１によって、蓄圧室１７内の燃料圧の実際値が検出され、制御装置２５に供給される。この制御装置２５によって、燃料圧の、検出された実際値をベースとして、圧力制御弁を制御する制御信号が形成される。噴射弁１８は電気的な最終段（図示せず）を介して制御される。この最終段は制御装置２５の内部にまたは外部に配置されていてよい。制御信号線路２２を介して、種々異なるアクチュエータとセンサとが制御装置２５に接続されている。この制御装置２５では、内燃機関を制御するために働く種々異なる機能が実行されている。最近の制御装置では、これらの機能がコンピュータにプログラミングされ、次いで、制御装置２５のメモリにファイルされる。このメモリにファイルされた機能は、内燃機関に対する要求に関連して作動される。この場合、制御装置２５の実時間能に特に厳しい要求が課せられる。原理的には、内燃機関の制御の純粋なハードウェア実現がソフトウェア実現に対して択一的に可能である。

吸気システム３６内には、スロットルバルブ３８が配置されている。このスロットルバルブ３８の回動位置は信号線路３９と所属の電気的なアクチュエータ（図示せず）とを介して制御装置２５によって調整可能である。

内燃機関の第１の運転モードである均質燃焼運転では、スロットルバルブ３８が、所望される供給したい空気質量に関連して部分的に開放されるかもしくは閉鎖される。燃料は噴射弁１８によって、ピストン２９により生ぜしめられる吸入行程の間に燃焼室２６内に噴射される。同時に吸い込まれた空気によって、噴射された燃料に渦流が付与され、これによって、この燃料が燃焼室２６内にほぼ均一に／均質に分配される。その後、ピストン２９によって燃焼室２６の容積が減少させられる圧縮行程の間に燃料空気混合気が圧縮され、これによって、その後、一般的にピストン２９の上死点への到達直前に点火プラグ２４によって点火が行われる。

内燃機関の第２の運転モードである成層燃焼運転では、スロットルバルブ３８が十分開放される。燃料は噴射弁１８によって、ピストン２９により生ぜしめられる圧縮行程の間に燃焼室２６内に噴射される。その後、前述したように、点火プラグ２４によって燃料が点火され、これによって、ピストン２９が、いま行われている燃焼・膨張行程において、点火された燃料の膨張によって駆動される。別の可能な運転モードは均質希薄燃焼運転である。この均質希薄燃焼運転では、燃料が、均質燃焼運転と同様に吸入行程の間に燃焼室２６内に噴射される。

図２には、クランクシャフトの度量におけるクランクシャフト角度（゜ＫＷ）に関する内燃機関の燃焼室２６内の燃焼室圧の線図が示してある。横座標には、−１８０゜〜５４０゜のクランクシャフト角度が示してあり、縦座標には、燃焼室圧がｂａｒで示してある。０゜によって、ここでは、負荷交番における上死点Ｌ−ＯＴが任意に選択されている。この負荷交番は、既知の形式で、燃焼された排ガスの排出（このことは、ここでは、−１８０゜〜０゜の間のクランクシャフト角度で行われる）および新たな周辺空気もしくは燃料・空気混合気の吸入（このことは、ここでは、０゜〜１８０゜のクランクシャフト角度範囲で行われる）のために働く。後続のクランクシャフト１回転の３６０゜のクランクシャフト角度では、点火もしくは着火の上死点（Ｚ−ＯＴ）が達成されている。図２に示した１８０゜のクランクシャフト角度と３６０゜のクランクシャフト角度との間では、圧縮行程が行われ、３６０゜のクランクシャフト角度と５４０゜のクランクシャフト角度との間では、燃焼するガスの爆発が行われる。図２には、個々の行程が、−１８０゜〜０゜の排気ＡＵ、０゜〜１８０゜の吸入ＡＮ、１８０゜〜３６０゜の圧縮行程（圧縮）Ｖおよび３６０゜〜５４０゜の爆発（燃焼）Ｅで示してある。圧縮行程では、空気もしくは燃料・空気混合気または燃料・空気・排ガス混合気が圧縮され、この場合、加熱される。この混合気は、一般的にＺ−ＯＴへの到達直前に点火される。このことは、オット機関において慣用のように、火花点火によって行われてもよいし、本発明による運転モードにより、コントロールされた自己着火によって行われてもよい。混合気の点火は既知の形式で増圧に繋がる。この増圧は、圧縮行程に続く燃焼・膨張行程で機械的なエネルギに変換される。

燃料は、直接噴射式のガソリン機関の場合、一方では、部分的に圧縮行程Ｖ（図２参照）の間に成層燃焼運転で噴射されてよく、他方では、慣用のオット機関の場合のように、少なくとも部分的に負荷交番上死点Ｌ−ＯＴ後に均質燃焼運転で燃焼室内にもしくは吸気通路内に噴射されてよい。この場合、燃焼・膨張行程で噴射したい完全な燃料量は吸入行程で噴射されてよいかまたはその一部だけが噴射されてよい。この場合、その後、残りの部分が圧縮行程で噴射される（均質混合燃焼運転）。コントロールされた自己着火の運転モードでは、この自己着火が点火上死点Ｚ−ＯＴへの到達直前に行われる。このためには、ガス・空気・燃料・排ガス混合気が十分な点火温度を有していることが必要となる。このことは、全ての運転状態において保証することができない。燃焼室２６内の燃料・空気・排ガス混合気の温度を高めるためには、必要となる燃料量の少なくとも一部が吸入行程で燃焼室２６内に供給され、火花点火によって少なくとも部分的に点火される。これによって、燃焼室２６内の燃料・空気・排ガス混合気の温度が上昇する。火花点火は、燃料濃度と圧力状況とに基づき、緩速にしか進行しない火炎前面を発生させる。この火炎前面は、残りの燃料・空気・排ガス混合気をさらに圧縮し、この燃料・空気・排ガス混合気の温度を高める。これによって、火炎前面により点火されていない燃料・空気・排ガス混合気に、所定の圧力と、燃焼中間生成物への部分的な変換のために十分となる温度とが発生させられる。この場合、熱が発生させられる。この場合、エネルギ変換は完全な燃焼の場合よりも僅かである。吸入行程ＡＮ後、燃焼室２６内に位置する燃料・空気・排ガス混合気が、高められた温度を備えて圧縮行程Ｖに進入する。したがって、温度レベルが、吸入行程に続く圧縮行程に対してすでに、少なくとも部分的に燃焼されたかもしくは変換された燃料量によって高められ、これによって、温度と圧力とが、圧縮行程でのコントロールされた自己着火をトリガするために十分となる。付加的には、さらなる火花点火が圧縮行程の間に行われてよい。その後初めて、この火花点火に、コントロールされた自己着火が続く。

圧縮行程Ｖでの火花点火は、燃料濃度と圧力状況とに基づき、緩速にしか進行しない火炎前面を発生させる。この火炎前面は、残りの燃料・空気・排ガス混合気をさらに圧縮し、この燃料・空気・排ガス混合気の温度を高める。これによって、火炎前面により点火されていない燃料・空気・排ガス混合気に、所定の圧力と、自己着火のために十分となる温度とが発生させられる。すなわち、自己着火は、火花点火によって生ぜしめられる燃焼室２６内の圧力・温度上昇によって発生させられる。

図３には、本発明による方法のフローチャートが示してある。ステップ１０１では、まず、燃焼・膨張行程のために設けられた噴射量の少なくとも一部が負荷交番行程、すなわち、排気行程ＡＵ、吸入行程ＡＮまたは残留ガス圧縮行程で噴射される。この残留ガス圧縮行程は、排気行程の、排気弁と吸気弁との閉鎖（負の弁オーバラップ）時に燃焼室内の排ガスの残分が圧縮される部分である。その後、選択的に、ステップ１０２で、ステップ１０１で噴射された燃料・空気・排ガス混合気の点火が行われる。その後、ステップ１０３で、圧縮行程が続き、ステップ１０４で、残りの量が噴射される。ステップ１０１およびステップ１０４での噴射量は、全燃焼・膨張行程のために使用される燃料量である。ステップ１０５で、火花点火によって、燃焼室２６内の燃料・空気・排ガス混合気の一部が点火される。これによって、緩速に進行する火炎前面が生ぜしめられる。この火炎前面はステップ１０５における残りの混合気を、コントロールされた自己着火にもたらす。その後、ステップ１０６で、コントロールされた自己着火が続く。また、吸入行程でしか燃料を噴射せず、この燃料を直接的に部分的にステップ１０２で火花点火するかまたはステップ１０５で圧縮行程の間に部分的に火花点火することも可能である。引き続き、コントロールされた自己着火がステップ１０６でトリガされる。

燃料供給システムを備えた内燃機関の１つの気筒の概略図である。 クランクシャフト角度に関する燃焼室圧の線図である。 本発明による方法のフローチャートである。

符号の説明

１０ 燃料供給システム、 １１ 燃料タンク、 １２ 電動式燃料ポンプ、 １３ 燃料フィルタ、 １４ 低圧調整器、 １５ 燃料管路、 １６ 高圧ポンプ、 １７ 蓄圧室、 １８ 噴射弁、 １９ 圧力制御弁、 ２０ 戻し管路、 ２１ 圧力センサ、 ２２ 制御信号線路、 ２４ 点火プラグ、 ２５ 制御装置、 ２６ 燃焼室、 ２７ 吸気弁、 ２８ 排気弁、 ２９ ピストン、 ３０ 回転数センサ、 ３１ 温度センサ、 ３２ ラムダセンサ、 ３３ 排ガス管、 ３４ セグメントディスク、 ３５ クランクシャフト、 ３６ 吸気システム、 ３７ コネクティングロッド、 ３８ スロットルバルブ、 ３９ 信号線路、 ４０ 点火装置

Claims (7)

1. 燃料・空気混合気を少なくとも部分的に負荷交番行程（ＡＵ，ＡＮ）で燃焼室（２６）内に供給し、圧縮行程（Ｖ）で圧縮して、コントロールされた自己着火で内燃機関を運転するための方法において、燃料・空気混合気に負荷交番行程（ＡＵ，ＡＮ）の間に一箇所またはそれ以上の箇所で火花点火によって、残りの燃料・空気混合気を圧縮しかつ／または加熱する火炎前面を発生させ、これによって、前記残りの燃料・空気混合気を少なくとも部分的に燃焼中間生成物に変換することを特徴とする、コントロールされた自己着火で内燃機関を運転するための方法。
2. 火炎前面を１つまたはそれ以上の点火プラグ（２４，４０）によって発生させる、請求項１記載の方法。
3. 火炎前面を１つのレーザ（４０）によって発生させる、請求項１または２記載の方法。
4. 燃料・空気混合気の一部を圧縮行程（Ｖ）で火花点火する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 燃料・空気混合気が、付加的に燃料・空気・排ガス混合気としての排ガスを含有している、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 排ガスを負荷交番行程中の負の弁オーバラップによって燃焼室内に残す、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. コントロールされた自己着火の運転モードを備えた内燃機関であって、燃料・空気混合気が、燃料室内に供給されるようになっていて、圧縮行程で圧縮されかつ点火されるようになっている形式のものにおいて、燃料・空気混合気に一箇所またはそれ以上の箇所で火花点火によって、残りの燃料・空気混合気を圧縮しかつ／または加熱する火炎前面が発生させられるようになっていて、これによって、自己着火をトリガするようになっていることを特徴する、コントロールされた自己着火の運転モードを備えた内燃機関。

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