JP2007224908A - 内燃機関の運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関がその範囲内において均一自己点火式で運転される特性曲線群範囲を拡大し、これにより自己点火を有する内燃機関のエミッション特性および消費特性をさらに改善することを可能にする、内燃機関の制御方法および内燃機関を提供する。
【解決手段】内燃機関において、ガソリンが直接燃焼室内に噴射され且つ自己点火（６２）により点火される。その範囲内において燃料が自己点火により点火される特性曲線群範囲が、内燃機関の過給により拡大される。
【選択図】 図１

Description

本発明は請求項１の上位概念に記載の内燃機関の運転方法に関するものである。本発明の対象は、さらに、コンピュータ・プログラム、電気記憶媒体、操作及び／又は制御装置並びに内燃機関である。

確かにまだ量産はされていないが、基本的に、ガソリンが直接燃焼室内に噴射され且つディーゼル原理と同様に自己点火される内燃機関が既知である。この運転方式は、以下において「均一自己点火式」と呼ばれる。オットー・サイクル・エンジンの「自己点火式」運転方式から、ガソリン直接噴射および点火プラグによる外部点火を有する内燃機関においてよりも、燃料消費量のさらなる節約およびさらにより好ましいエミッション特性が期待される。

オットー・サイクル・エンジンにおいて、均一自己点火は、燃焼された空気／燃料の混合物のかなりの部分が排気管内に排出されずに燃焼室内に残る（いわゆる内部排気ガス再循環）ことにより達成される。燃焼された空気／燃料の混合物は、以後、残留ガス（ＲＧ）と呼ばれる。内部排気ガス再循環においては、ガス交換上死点における吸気弁および排気弁の可変操作により、残留ガスが燃焼室内に引き留められる（ネガティブ弁重なり）か、または排気ガスが排気管または吸気管から逆に吸い込まれる（ポジティブ弁重なり）。

それに続く吸気行程において、残留ガスは燃焼用空気および燃料と混合される。これにより、１つまたは複数の吸気弁の閉鎖時点において燃焼室内に存在する、燃焼用空気および残留ガスからなるガス混合物は、正常運転よりも明らかに高い温度を有している。吸気行程に続く、燃焼室内に存在するガス混合物の圧縮により、ガス混合物の温度は、燃焼室内に存在する燃料／空気の混合物が、点火プラグによる外部点火なしに、自己点火するほどに上昇する。均一自己点火式運転方式の目的は、燃焼室内に存在する燃料／空気の混合物の自己点火が点火上死点にほぼ到達したときに行われることである。

この場合、残留ガスは２つの重要な課題を有している。第１に、高温残留ガスは熱を提供し、この熱は、圧縮行程における温度上昇と組み合わされて燃料／空気の混合物の自己点火を可能にする。

残留ガスの第２の課題は、自己点火により開始された燃焼の速度を遅くすることにあり、これにより、一方で内燃機関の機械的負荷を低減し、内燃機関の騒音発生を低減し、および局部温度ピークの発生を阻止することができる。これにより、結果として、内燃機関の効率の改善が達成され、および最大温度の低減により、内燃機関のＮＯｘがきわめて少ない運転および部分的にＮＯｘフリーの運転が可能となる。

燃焼室内に残存する残留ガスの上記の課題は、同時に、均一自己点火式運転を、内燃機関の最大回転速度の約５０％の回転速度に制限させることになる。さらに、均一自己点火式運転方式は、自己吸込式内燃機関の全負荷の約１／３の負荷まで運転できるにすぎない。負荷がさらに上昇されるとき、残留ガス部分が少ないために、応答速度は、内燃機関の好ましくない騒音を発生させ、および内燃機関のきわめて大きな機械荷重を発生させるほどに強く加速される。

均一自己点火式運転方式の使用範囲は、さらに、２，０００ｒｐｍの低い回転速度および全負荷の例えば１５％−１０％のきわめて低い負荷に制限され、その理由は、この回転速度を下回り且つ１５％より低い負荷においては、燃焼用空気による十分なシリンダ充填が可能ではなく、したがってこの運転方式が使用可能ではないからである。

内燃機関がその範囲内において均一自己点火式で運転される特性曲線群範囲を拡大し、これにより自己点火を有する内燃機関のエミッション特性および消費特性をさらに改善することを可能にする、内燃機関の制御方法および内燃機関を提供することが本発明の課題である。

この課題は請求項１の特徴を有する方法により解決される。他の解決可能性が並列請求項内に記載され、これらは、電気記憶媒体、操作及び／又は制御装置、コンピュータ・プログラムおよび内燃機関に関するものである。本発明の有利な変更形態が従属請求項に与えられている。

本発明によって周囲圧力を超える過圧により燃焼用空気を燃焼室内に吹き込むことにより、均一自己点火式燃焼方法の使用範囲が拡大され、これにより、この燃焼方法のエミッションおよび消費の利点がさらに広い範囲に利用可能であり、および「均一自己点火式」運転方式に基づく技術的な追加費用はより早期に償却される。

均一自己点火式燃焼方法に基づいて作動するオットー・サイクル・エンジンの過給により、例えば、回転速度範囲は最大回転速度の７５％まで拡大され、および負荷は対応吸気エンジンの全負荷の８０％まで上昇される。本発明の過給によりさらに拡大された負荷および回転速度範囲は日常運転においてしばしば起こり得るので、エミッションおよび燃料消費に関する低減ポテンシャルははるかに高くなる。

同時に、均一自己点火式オットー・サイクル・エンジンの過給により、残留ガスと燃焼用空気との間の比のみならず燃料と燃焼用空気との間の比もまた、急速で且つ十分に高い精度で制御することが可能である。これにより、本発明により請求された方法に基づいて作動する内燃機関の、均一自己点火式運転における運転特性はより安定する。

実用実験において、過給圧力は、シリンダの吸気弁の閉鎖時点において２バール絶対圧力から２．３バール絶対圧力までが実現可能であり且つ有利であることがわかった。
燃焼重心の位置をきわめて急速に制御及び／又は操作し、しかもサイクルに同期させることを可能にするために、本発明により、１つまたは複数の噴射時点をそれに対応して適切に制御することもまた行われる。即ち、噴射時点の位置および数によって燃焼重心が調節可能であることがわかった。過給されていないオットー・サイクル・エンジンの場合、均一自己点火式運転方式においては、噴射開始ＥＢは、点火上死点手前１８０°ＫＷ＜ＥＢ＜４５０°ＫＷの範囲内にある一方で、過給されたオットー・サイクル・エンジンの場合、均一自己点火運転式においては、点火上死点手前１８０°ＫＷ＜ＥＢ＜３６０°ＫＷの範囲内において有利であることがわかった。

燃料の５０％が燃焼されたピストンの位置が燃焼重心と呼ばれる。
さらに、内燃機関の運転特性を制御するために、噴射圧力を使用することもまた可能である。この場合、特に多重噴射において少量の燃料量を噴射するために、噴射圧力が比較的低く、一方で、多量の燃料量を噴射するときには、噴射圧力が上昇されるとき、それが有利であることがわかった。３０バール−２００バールの間の圧力範囲がたいていの場合十分であることがわかった。

さらに、内部または外部排気ガス再循環が実際負荷の関数であるとき、それは有利であることがわかった。これによってもまた、内燃機関は均一自己点火式運転において制御可能である。実用実験において、過給運転における残留ガス部分が非過給運転における残留ガス部分にほぼ対応するとき、それは有利であることがわかった。より高い負荷においてはより多量の燃焼用空気が点火されるので、このとき、残留ガス質量およびそれと共に排気ガス再循環もまた上昇されなければならない。

本発明による方法は、同様に、本発明による方法のいずれかに従って作動するコンピュータ・プログラムによって実現可能である。
さらに、本発明による利点は、この方法に基づいて作動する操作及び／又は制御装置、および対応する操作及び／又は制御装置を備えた内燃機関によってもまた実現可能である。

この場合、本発明による方法は、基本的に、４行程内燃機関においてのみならず、２行程内燃機関においても、または６行程内燃機関においてもまた使用可能であることを注記しておく。これらの種々の運転方式は、さらに、１つの同じ内燃機関において存在してもよいが、異なる運転点において存在してもよい。

２行程運転および４行程運転の原理は従来から既知であるが、６行程運転に関しては、この場合、燃焼室内において燃料／空気の混合物のより良好な応答特性を達成するために、追加の膨張行程および追加の圧縮行程が設けられていることを補足しておく。このような６行程運転は、特に、内燃機関において比較的低い負荷が存在するときに考慮の対象となる。これに対する前提条件は、吸気弁および排気弁がこのために必要な可変性を有して作動可能であることが明らかである。

本発明の他の利点および有利な形態が、以下の図面、その説明および特許請求の範囲から得られる。図面、その説明および特許請求の範囲内に記載の全ての利点は、個々においてのみならず、相互の任意の組み合わせにおいてもまた本発明の本質をなすものである。

図１において、内燃機関全体が符号１０を有している。内燃機関１０は、特に、図示されていない自動車を駆動するために使用される。内燃機関１０は複数のシリンダを含むが、図１においては、図面を簡単にするために、そのうちの、燃焼室１２およびピストン１４を有する１つのシリンダのみが示されている。ピストン１４はクランク軸１６と結合されている。燃焼用空気は、吸気弁１８および吸気管２０を介して、燃焼室１２内に到達する。吸気管２０内に絞り弁２２が配置されている。燃焼用空気をそれにより燃焼室内に吹込可能な排気ガス・ターボチャージャまたは圧縮機は図面には示されていない。

燃料はインジェクタ２４により直接燃焼室１２内に噴射される。燃料は高圧燃料装置２６から供給される。単一または多重直接噴射は、吸気管噴射に比較して、均一自己点火式運転の適切な調節を可能にする。

高温の燃焼排気ガスは、燃焼室１２から、排気弁２８および排気管３０を介して排出される。吸気弁１８は調節可能なカム軸３２により操作され、排気弁２８は調節可能なカム軸３４により操作される。理想的な場合、内燃機関は完全可変弁制御を有している。

内燃機関１０のユーザは、加速ペダル３６の操作により、トルク希望を出力する。内燃機関１０の運転は操作／制御装置３８により操作及び／又は制御され、操作／制御装置３８は、特に、加速ペダル３６から供給された信号を処理する。さらに、操作／制御装置３８は、クランク軸１６の回転速度を測定する回転速度センサ４０から、吸気管２０内を流れる空気質量を測定するＨＦＭセンサ４２から、および燃焼室１２内にかかっている圧力を測定する圧力センサ４４から信号を受け取る。

内燃機関１０の運転点を設定するために、特に、インジェクタ２４および絞り弁２２が操作される。吸気カム軸３２および排気カム軸３４の位置もまた、操作／制御装置３８からの対応信号によって調節される。

本発明に関しては均一自己点火式運転が関心の対象であるので、点火プラグの図示は省略されている。
インジェクタ２４により噴射されたガソリンは、圧縮行程の間における圧縮による、燃焼室１２内に閉じ込められているガスの温度上昇によって自己点火される。

その範囲内で均一自己点火式運転が可能な特性曲線群範囲を拡大するために、本発明により、追加制御変数として給気圧力が使用される。
本方法は、内燃機関１０の種々の負荷点において、異なる排気ガス再循環方式ないしは残留ガス方式および異なる噴射方式が使用されるのみならず、必要に応じて、必要燃焼用空気が加圧されて燃焼室１２内に吹き込まれることを意図している。

きわめて低い負荷においては、内部残留ガスを再循環するために燃焼室１２内の残留ガス蓄積方式が使用され、この方式は、排気弁２８は排気行程の終了前に閉鎖され且つ吸気弁１８は吸気行程の開始後にはじめて開放されることに基づいている。この方式は、「ネガティブ弁重なり」とも呼ばれる。

吸気管２０と燃焼室１２との間に少なくともほぼ圧力均衡が形成されると直ちに吸気弁１８が開放することにより、流れ損失を回避することができる。燃焼室内に必要な空気量を供給するために、燃焼用空気は、前記圧縮機またはターボチャージャ（図示されていない）により燃焼室１２内に吹き込まれる。これは、きわめて低い負荷（全負荷の＜１５％）においてのみならず、全負荷の７５％に至るまでの高い負荷においてもまた有利であり、その理由は、これが均一自己点火運転を可能にするからである。

それに続く圧縮行程において、燃焼室１２内に存在するガス混合物は圧縮され、このことが、圧力を上昇させ且つそれに対応して温度を上昇させる。インジェクタ２４によるガソリンの噴射は複数のステップで行われてもよい。例えば排気行程の終了直前および排気行程の間において行われてもよい。

より高い負荷、燃焼室１２内のより高い温度および／またはより高い圧縮比においては、さらに、いわゆる「ポジティブ弁重なり」が使用されてもよく、このときには、排気弁２８は吸気行程４８内に至るまで開放されたままであり、および吸気弁１８は排気行程４６の終了ごろには既に開放している。即ち、このポジティブ弁重なりにおいては、ガス交換上死点において圧縮により燃焼室１２内の圧力および温度が予め上昇することなく、必要な残留ガス量が排気管３０または吸気管２０のいずれかから燃焼室１２内に逆に吸い込まれることになる。

特定の残留ガス方式ないしは弁重なり方式の選択により、吸気行程４８に続く圧縮行程の間における燃焼室１２内の圧力ｐおよび温度の調節、およびこれにより噴射されたガソリンの自己点火時点の調節を予め行うとができる。

即ち、吸気行程４８の終了ごろに、選択された残留ガス方式および噴射方式により、燃焼室１２内に特定の熱力学的状態が得られる。この場合、残留ガス方式、給気圧力および噴射方式は、それが希望の熱力学的状態に、したがって噴射された燃料の自己点火の希望の開始に対応するように選択される。

図２に、オットー・サイクル・エンジンの特性曲線群が線図形式で示されている。ｘ軸上に、回転速度ｎが最大回転速度の％で目盛られている。ｙ軸上に、図示平均圧力ｐｍｉが最大平均圧力の％で目盛られている。

第１の範囲４６は、その範囲内では内燃機関１０の過給なしに均一自己点火式運転が可能な特性曲線群の部分を示す。
第２の範囲４８は、内燃機関１０の過給により、均一自己点火式運転のためにさらに利用可能な特性曲線群の部分を示す。

第３の範囲５０は、その範囲内では内燃機関１０が外部点火されなければならない特性曲線群の部分を示す。
曲線５２は内燃機関の全負荷を示す。

本発明による内燃機関の略系統図である。 オットー・サイクル・エンジンの運転方式の定性図である。

符号の説明

１０ 内燃機関
１２ 燃焼室
１４ ピストン
１６ クランク軸
１８ 吸気弁
２０ 吸気管
２２ 絞り弁
２４ インジェクタ
２６ 高圧燃料装置
２８ 排気弁
３０ 排気管
３２ 吸気カム軸
３４ 排気カム軸
３６ 加速ペダル
３８ 操作及び／又は制御装置（すなわち、操作及び制御装置、操作装置、又は制御装置）
４０ 回転速度センサ
４２ ＨＦＭセンサ
４４ 圧力センサ
４６ 第１の範囲（過給なし自己点火範囲）
４８ 第２の範囲（過給による自己点火範囲）
５０ 第３の範囲（外部点火範囲）
５２ 全負荷曲線
６２ 自己点火
ｎ 回転速度
ｐｍｉ 図示平均圧力
λ 空気過剰率（空燃比とも言う。理論燃料／空気の混合物又は理論燃料／空気の混合気、すなわち、理論空燃比のとき、λ＝１となる）

Claims (12)

1. 燃料特にガソリンが直接燃焼室（１２）内に噴射され且つ自己点火（６２）により点火される、オットー・サイクル原理に基づいて作動する内燃機関（１０）の運転方法において、
   燃焼用空気が過圧により燃焼室（１２）内に吹き込まれる前記過圧の制御が、燃焼用空気と残留ガスとの所定の比の関数として、および／または燃焼用空気と燃料との所定の比の関数として行われることを特徴とする内燃機関（１０）の運転方法。
2. 燃焼用空気が過圧により燃焼室（１２）内に吹き込まれる前記過圧は、多くても約３５％好ましくは多くても約３０％の残留ガス部分が設定されるように制御されることを特徴とする請求項１の方法。
3. 燃焼用空気が過圧により燃焼室（１２）内に吹き込まれる前記過圧は、理論値を下回る燃料／空気の混合物（λ＞１）、好ましくは理論値を下回る＞１．５の燃料／空気の混合物（λ＞１．５）および特に好ましくは理論値を下回る約１．８の燃料／空気の混合物（λ≒１．８）が設定されるように制御されることを特徴とする請求項１または２の方法。
4. 燃焼用空気が過圧により燃焼室（１２）内に吹き込まれる前記過圧は、理論燃料／空気の混合物（λ＝１）が設定されるように制御されることを特徴とする請求項１または２の方法。
5. 前記過圧は、１つのシリンダの１つまたは複数の吸気弁（１８）が閉鎖したとき、給気圧力が、２バール絶対圧力を超え、好ましくは２．３バール絶対圧力を下回る値を有するように制御されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の方法。
6. １つまたは複数の噴射時点により、燃焼重心の位置は、それが点火上死点の範囲内にあるように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１項に記載の方法。
7. 噴射開始（ＥＢ）が、点火上死点手前１８０°ＫＷ＜ＥＢ＜３６０°ＫＷの範囲内にあることを特徴とする請求項６の方法。
8. 特に多重噴射において少量の燃料量を噴射するために、燃料が比較的低い圧力で噴射されることと、および
   多量の燃料量の噴射が比較的高い圧力で行われることと、
   を特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の方法。
9. 内部または外部排気ガス再循環は、実際負荷の関数として、燃焼用空気と残留ガスとの所定の比および／または燃焼用空気と燃料との所定の比が設定されるように制御されることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の方法。
10. 燃焼用空気が過圧により燃焼室（１２）内に吹き込まれる前記過圧は、燃焼用空気と残留ガスとの所定の比の関数として、過給運転における残留ガス部分が非過給運転における残留ガス部分にほぼ対応するように制御されることを特徴とする請求項９の方法。
11. コンピュータ・プログラムが処理されるとき、それが請求項１ないし１０の１つまたは複数の方法の全てのステップを実行することを特徴とするコンピュータ・プログラム。
12. コンピュータ・プログラムが処理されるとき、操作及び／又は制御装置（３８）が請求項１ないし１０の１つまたは複数の方法の全てのステップを実行することを特徴とする内燃機関（１０）用の操作及び／又は制御装置（３８）。

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