JP2008121675A - 内燃機関の運転方法、制御装置およびコンピュータ・プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】ＨＣＣＩモードにおける燃焼過程の制御性を向上させる。
【解決手段】本発明は、内燃機関（１）が、燃焼室（２）と、それらの開放時間が可変の少なくとも１つの吸気弁（ＥＶ）および少なくとも１つの排気弁（ＡＶ）とを含み、および吸気行程（ＡＮ）内において燃焼室（２）内にフレッシュ・ガスが供給され、および燃料の供給により燃焼室（２）内に点火性ガス混合物が形成され且つ圧縮行程（Ｖ）内において圧縮され、圧縮行程（Ｖ）の終了付近においてガス混合物が自己点火する、制御自己点火における、内燃機関（１）の運転方法に関するものである。
フレッシュ・ガスは、圧縮装置（６）により、吸気行程（ＡＮ）の間に燃焼室（２）内に供給される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、制御自己点火における、内燃機関特にガソリン直接噴射を有するオットー・サイクル・エンジンの運転方法に関するものである。本発明は、さらに、方法を実行するための制御装置並びにコンピュータ・プログラムに関するものである。

時にはＣＡＩ（制御自動点火）、ＡＴＡＣ（能動的熱雰囲気燃焼）またはＴＳ（トヨタ総研）とも呼ばれるＨＣＣＩ（均一チャージ圧縮点火）モードにおける内燃機関の運転においては、空気／燃料混合物の点火は外部点火によって行われず、制御自己点火により行われる。ＨＣＣＩ燃焼過程は、例えば、高温残留ガスの高い割合により、および／または高い圧縮により、および／または高い流入空気温度により行わせることができる。自己点火に対する前提条件は、シリンダ内における十分に高いエネルギー・レベルである。ＨＣＣＩモードで運転可能な、オットー・サイクル・エンジンのみならずディーゼル・エンジンであってもよい内燃機関が既知である（例えば米国特許第６２６０５２０号、米国特許第６３９００５４号、ドイツ特許第１９９２７４７９号およびＷＯ９８／１０１７９号参照）。

ＨＣＣＩ燃焼は、通常の外部点火燃焼に比較して、低減された燃料消費量およびより少ない有害物質エミッションの利点を有している。しかしながら、燃焼過程の制御特に混合物の自己点火制御は複雑である。
米国特許第６２６０５２０号 米国特許第６３９００５４号 ドイツ特許第１９９２７４７９号 ＷＯ ９８／１０１７９号

したがって、ＨＣＣＩモードにおける燃焼過程の制御性を向上させることが本発明の課題である。

この課題は、独立請求項に記載の方法、装置並びにコンピュータ・プログラムにより解決される。この課題は、特に、内燃機関が、燃焼室と、それらの開放時間が可変の少なくとも１つの吸気弁および少なくとも１つの排気弁とを含み、および吸気行程内において燃焼室内にフレッシュ・ガス（外気）が供給され、および燃料の供給により燃焼室内に点火性ガス混合物が形成され且つ圧縮行程内において圧縮され、圧縮行程の終了付近においてガス混合物が自己点火する、制御自己点火における、内燃機関の運転方法において、フレッシュ・ガスが、圧縮装置により、吸気行程の間に燃焼室内に供給される、内燃機関の運転方法により解決される。内燃機関は、特に、ガソリン直接噴射を有するオットー・サイクル・エンジンである。圧縮装置は、特に、ターボチャージャまたは圧縮機であってもよい。内燃機関は、チャージ交換の間において、残留ガス蓄積により運転されるように設計されていることが好ましい。残留ガス蓄積は、燃焼室内のガス混合物の温度を、自己点火のために十分なレベルに上昇させることを可能にする。ここで、残留ガス蓄積は内部排気ガス再循環のみならず外部排気ガス再循環であってもよく、即ち、特に燃焼室内の温度が制御可能であるが、酸素含有量もまた制御可能である。燃焼室内の燃料／空気／残留ガス混合物（燃焼室内の、燃料、空気及び残留ガスの混合物）のλ値（空気過剰率）が少なくとも圧縮装置の給気圧力により制御されるように設計されていることが好ましい。給気圧力は、燃焼室内のフレッシュ・ガス量したがって酸素含有量を決定するパラメータである。ここで、本発明により、給気圧力はλ値を制御するための他の変数として利用される。

冒頭記載の課題は、本発明によるいずれかの方法を実行するように設計されている装置、特に内燃機関または内燃機関のための制御装置により、並びにプログラムがコンピュータ内において実行されるときに本発明によるいずれかの方法に記載の全てのステップを実行するためのプログラム・コードを有するコンピュータ・プログラムによってもまた解決される。冒頭記載の課題は、本発明によるいずれかの方法を実行するための、吸気管内に圧縮装置を有する内燃機関の使用方法によってもまた解決される。

冒頭記載の課題は、プログラムがコンピュータ内において実行されるときに本発明によるいずれかの方法に記載の全てのステップを実行するためのプログラム・コードを有するコンピュータ・プログラムによってもまた解決される。

以下に本発明の実施例を添付図面により詳細に説明する。

図１−３により、はじめに、本発明の技術的周辺を説明する。図１に、そのほかに関しては詳細に説明されていない、一般に複数のシリンダからなる内燃機関のシリンダ１が示されている。シリンダ１は燃焼室２を含み、燃焼室２内に連接棒（コンロッド）４を有するピストン３が移動可能に配置されている。連接棒４は、図示されていないクランク軸と結合されている。燃焼室２内に、吸気弁ＥＶをもつ吸気管５が入り込んでいる。さらに、燃焼室２内に、排気弁ＡＶをもつ排気管７が入り込んでいる。吸気弁ＥＶのみならず排気弁ＡＶもまた電気油圧式で操作され、即ち、内燃機関はいわゆる電気油圧式弁制御（ＥＨＶＳ）を備えている。電気油圧式弁制御はカム軸位置とは独立に弁の操作を可能にする。吸気管５を介して周囲から燃焼室２内に空気が吸い込まれる。燃焼排気ガスは排気管７を介して再び周囲に排出される。排気弁ＡＶの適切な開放時間例えば内燃機関の吸気行程の間における排気弁ＡＶの開放により、即ちシリンダ１の吸気行程内において排気管７から燃焼室２内に排気ガスが逆流ないしは逆に吸い込まれることにより、いわゆる内部排気ガス再循環が形成可能である。

燃焼室２内に、既知のように、点火プラグ１１並びにインジェクタ１２が入り込んでいる。インジェクタ１２は圧電式インジェクタまたは電気油圧式インジェクタであることが好ましい。インジェクタ１２は、高圧配管１０を介して、図示されていない内燃機関の高圧レールと結合されている。高圧配管１０は燃料をインジェクタ１２に供給する。インジェクタ１２は制御装置９により電気的に操作され、それに対応して、制御装置９により、点火プラグ１１並びに吸気弁ＥＶおよび排気弁ＡＶもまた制御される。ここで、１つの吸気弁ＥＶおよび１つの排気弁ＡＶの代わりに、複数の吸気弁ＥＶおよび複数の排気弁ＡＶが設けられていてもよい。

例えばドイツ特許第１０１２７２０５号およびドイツ特許第１０１３４６４４号から既知のような、カム軸のない電気油圧式弁制御（ＥＨＶＳ）においては、内燃機関ガス交換弁（吸気弁、排気弁）のリフト時間および制御時間は原理的に自由にプログラミング可能である。ガス交換弁は、ここでは、１つまたは複数の吸気弁ＥＶおよび１つまたは複数の排気弁ＡＶである。

内燃機関１は、さらに、図１においては単に略図として示されているターボチャージャ６を含む。ターボチャージャ６は、それ自身既知のように、チャージャ（コンプレッサー）１３を駆動するタービン８を含む。内燃機関の吸気管内における給気圧力ｐ_Ｌは、ターボチャージャ回転速度を介して制御可能であり、ターボチャージャ回転速度は制御可能なバイパス１４により制御され、バイパス１４は排気タービン８をバイパス可能であり且つその容積流量は制御可能な絞り弁１５を介して制御される。バイパスを有するターボチャージャのほかに、給気圧力ｐ_Ｌを制御するための他の装置、例えば、タービン形状が可変の、例えば羽根の勾配が可変のタービン段を有するターボチャージャ等が既知である。給気圧力ｐ_Ｌは、図１の実施例においては、制御装置９からバイパス弁１５の位置により制御される。

図２は、内燃機関燃焼室２内における燃焼室圧力の、クランク軸度（°ＫＷ）で表わしたクランク軸角度に対する線図を示す。横軸に−１８０°から５４０°までのクランク軸角度が示され、縦軸にバール（ｂａｒ）で表わされた燃焼室圧力ｐが目盛られている。ここで、任意に、０°によりチャージ交換内上死点Ｌ−ＯＴが示されている。チャージ交換（換言すれば、ガス交換）は、既知のように、燃焼排気ガスの排出と、およびフレッシュな周囲空気ないしは燃料／空気混合物（燃料及び空気の混合物）の吸込みとを行い、燃焼排気ガスの排出は、ここでは、−１８０°および０°のクランク軸角度間において行われ、およびフレッシュな周囲空気ないしは燃料／空気混合物（燃料及び空気の混合物）の吸込みは、ここでは、０−１８０°のクランク軸角度範囲内において行われる。クランク軸がさらに回転し、３６０°のクランク軸角度において、点火上死点（Ｚ−ＯＴ）が到達される。１８０°および３６０°のクランク軸角度間において圧縮行程が行われ、３６０°および５４０°のクランク軸角度間において燃焼ガスの膨張が行われる。個々の行程は、図２において、−１８０°から０°までの排気行程ＡＵ、０°から１８０°までの吸気行程ＡＮ、１８０°から３６０°までの圧縮行程（圧縮）Ｖおよび３６０°から５４０°までの膨張行程（燃焼）Ｅで表わされている。圧縮行程Ｖ内において、空気混合物ないしは燃料／空気混合物（燃料及び空気の混合物）または燃料／空気／排気ガス混合物（燃料、空気及び排気ガスの混合物）が圧縮され且つこのときに加熱される。混合物は、一般に、点火上死点Ｚ−ＯＴの直前において点火される。点火は、オットー・サイクル・エンジンにおいて通常行われるように、外部点火によって行われても、または本発明による運転方式に示すように、制御自己点火によって行われてもよい。混合物の点火は、既知のように圧力を上昇させ、この圧力上昇はそれに続く膨張の作業行程Ｅ内において機械エネルギーに変換される。

図３に吸気弁ＥＶ並びに排気弁ＡＶの開放および閉鎖が示されている。排気弁ＡＶは、四行程エンジンにおいて通常行われるように、−１８０°から０°までのクランク軸角度間の排気行程内において開放され、それに対応して、吸気弁ＥＶは、０°および１８０°のクランク軸角度間の吸気行程の範囲内において開放される。図３に、それぞれ異なる弁開放方式を表わす４つのケースが示されている。図３．１に通常の弁開放方式が示され、この方式においては、排気弁ＡＶは下死点ＵＴに到達する直前に開放され且つほぼ−９０°のクランク軸角度まで開放されたままである。これにより、燃焼排気ガスの一部は燃焼室２内に残留する。吸気弁ＥＶは、燃焼室２と吸気管との間に圧力均衡が成立するほぼ９０°のクランク軸角度においてはじめて開放され且つほぼ下死点に到達するまで開放されたままである。このようにして、いわゆる負の弁重なりが行われ、これにより、燃焼排気ガスの一部が燃焼室２内に残留し、且つ吸気行程内において燃焼室２内に吸い込まれた燃料／空気混合物を加熱するように働く。このようにして、燃焼室２内に燃料／空気／排気ガス混合物が形成される。

図３．２は吸気弁および排気弁に対する代替操作方式を示す。このケースにおいては、排気弁ＡＶは下死点ＵＴと上死点ＯＴとの間で開放されたままであり、それに対応して、吸気弁ＥＶは上死点ＯＴと下死点ＵＴとの間で開放されたままである。上死点の範囲内においてきわめて短時間の弁重なりが行われる。吸気弁ＥＶの開放の間で、ほぼ９０°のクランク軸角度から下死点ＵＴに到達する直前までの範囲内において、さらに排気弁ＡＶが開放される。これにより、この範囲内においては、吸気弁のみならず排気弁もまた開放されているので、排出された排気ガスの一部が排気弁を介して再び燃焼室２内に戻される。

図３．３に他の弁制御方式が示され、この方式においては、排気弁ＡＶは、下死点ＵＴから上死点ＯＴを経由してほぼ１８０°のクランク軸角度における下死点付近にいたるまでの間開放されたままである。さらに、吸気弁ＥＶは、ほぼ９０°のクランク軸角度と１８０°のクランク軸角度における下死点ＵＴとの間開放される。これにより、−１８０°のクランク軸角度における下死点ＵＴと０°のクランク軸角度における上死点ＯＴへの到達との間、燃焼排気ガスは燃焼室２から排出され、次に、０°のクランク軸角度と、ここではほぼ１２０°のクランク軸角度における排気弁ＡＶの閉鎖との間で、再び排気装置から燃焼室２内に燃焼排気ガスが吸い込まれる。吸気弁ＥＶは、ここでは、ほぼ９０°のクランク軸角度と１８０°のクランク軸角度における下死点ＵＴへの到達との間開放されているので、この時間内にフレッシュ・エアを吸い込むことが可能である。この場合もまた弁重なりが発生し、このケースにおいては、ほぼ９０°のクランク軸角度と１２０°のクランク軸角度との間で発生する。

図３．４は弁制御方式の他の変更態様を示し、この方式においては、排気弁ＡＶは、−１８０°のクランク軸角度における下死点ＵＴと０°のクランク軸角度における上死点ＯＴとの間で開放され、吸気弁ＥＶは−６０°のクランク軸角度から０°のクランク軸角度における上死点ＯＴを経由して１８０°のクランク軸角度における下死点ＵＴにいたるまでの間開放されている。即ち、ここでは、ほぼ−６０°のクランク軸角度と０°のクランク軸角度における上死点ＯＴへの到達との間弁重なりが発生する。これにより、排気ガスの一部が吸気管内に圧入され、および０°のクランク軸角度における上死点ＯＴと１８０°のクランク軸角度における下死点ＵＴとの間の吸気弁の開放時間の間に、排気ガスの一部が再び燃焼室２内に戻される。

図３．１の実施例における弁制御は燃焼室２内に高温残留ガス量を形成し且つ成層噴射を可能にする。即ち、この弁制御方式は成層燃焼運転に対して理想的である。これに対して、図３．４に示されている弁制御は燃焼室２内に中温残留ガス量を形成し且つ燃焼室２の均一チャージしたがって内燃機関の均質燃焼運転を可能にする。図３．２および３．３の実施例に対応する弁制御はそれぞれ、図３．１および３．４に示されている極端な例の間の中間方法である。

種々の負荷点において、異なる弁及び噴射方式が必要とされる。きわめて低い負荷においては、必要な自己点火温度を提供するために高い残留ガス割合が必要である。この運転点においては燃焼室２内に図３．１に示す残留ガス蓄積が使用され、この場合、排気弁は明らかにガス交換上死点の手前で閉鎖される。シリンダ内に存在する残留ガス質量の圧縮は温度をさらに上昇させる。噴射は、ピストンがガス交換上死点の範囲内に存在したときに直ちに行われる。高温により、燃料の、反応中間生成物（反応性中間製品）への分解反応が行われ、反応中間生成物（反応性中間製品）は自己点火時期に著しく影響を与え、ここでは自己点火時期を低下させる。吸気弁は、流動抵抗を回避させるために、吸気管と燃焼室との間の圧力均衡が形成されたとき直ちに開放される。

負荷がより高くなるに従って、シリンダ・チャージが高温によって早めに点火され且つそれに続くきわめて急速な燃焼がノッキングを発生させるという危険性が存在し、その理由は、このとき存在する残留ガス量がより少ないからである。したがって、負荷の上昇と共に、図３．２、３．３並びに３．４の弁制御のための実施例に示されているように、正の弁重なりが行われる。この場合、必要な残留ガス量は、排気管または吸気管から逆に吸い込まれる。このとき噴射は吸気行程内において行われ、この場合、噴射時期はシリンダ・チャージの均一性に影響を与える。さらに、圧縮行程内において他の噴射を行う可能性が存在する。このとき、燃料の蒸発エンタルピーがシリンダ・チャージを冷却させ、このことが早すぎる自己点火およびノッキング燃焼を抑制する。圧縮行程の間における噴射は、図３．１に示す残留ガス蓄積の弁制御方式が使用された場合には、圧縮された残留ガス量内への噴射と組み合わされてもよい。この場合、図２に示されているように、ガス交換上死点の範囲内において開始し、吸気行程を経由して圧縮行程にいたるまでの複数の噴射の組み合わせもまた可能である。

オットー・サイクル・エンジンの自己点火運転方式の場合、異なる負荷点においては異なる残留ガス方式および噴射方式が必要とされる。内部残留ガスの再循環のために、例えば上記のような残留ガス蓄積のための弁方式（負の弁重なり）が使用され、この場合、排気弁は明らかにガス交換上死点の手前で閉鎖される。シリンダ内に残留する残留ガス質量は圧縮され、シリンダ内の圧力が再び吸気管圧力に到達したとき直ちに吸気弁が開放され、これにより流動損失を回避することができる。低負荷においては高負荷においてよりも高い残留ガス量が必要とされる。低負荷において必要とされる上昇は排気弁のより早い閉鎖によって行われる。直接噴射により、噴射の時間位置ないしはクランク軸角度に対する位置が変化されてもよく、したがって燃焼位置が変化ないしは補正されてもよい。圧縮残留ガス質量内への早い噴射は燃焼重心を進み方向にシフトさせる。低負荷から高負荷への切換における燃焼ミスファイヤが残留ガス質量の急激な低減により発生し、この場合、負荷ジャンプ後の最初の作業行程（サイクル）内の残留ガス温度はなお低負荷点の温度に対応している。残留ガス質量の低減により、この場合の温度は自己点火温度に到達するには十分ではない。高負荷から低負荷への切換においては、残留ガス質量の急激な上昇による先行作業行程からのより高い温度が負荷切換後の最初のサイクルにおいてより早い燃焼を導くことになり、その理由は、自己点火温度がより早く達成されるからである。

より高い負荷においては、噴射燃料を完全燃焼させるために、より低い負荷においてよりも多量のフレッシュ・エア（外気）が必要とされ、より高い負荷においては、少なくとも１つの理論空燃比が必要とされる。これにより、追加の過給手段がない場合、燃焼室内の空気過剰は確実に低減する。これは、シリンダ・チャージの希薄化が低下するために、一方でノッキング燃焼を導き、他方で噴射による燃焼の制御性を低下させる。残留ガス蓄積の弁方式により、チャージ交換サイクルの間に既に温度は１０００Ｋ以上に上昇する。圧縮残留ガス内への噴射はこのとき先行反応を導き、この先行反応は自己点火に影響を与える。残留ガス内の酸素含有量の関数として、噴射時期の自己点火への影響は変化する。より多くの残留酸素が利用可能な場合、実行される先行反応は強くなり且つ噴射時期の影響は酸素含有量が少ないときよりも大きくなる。過給により、それによる周囲圧力を超える値への給気圧力ｐ_Ｌの上昇により、残留ガス内の酸素含有量は一定に保持され、したがってより高い負荷においても噴射に関する制御性は制限なしに可能である。一定空気比λへの制御に関しては、残留酸素含有量は簡単にモニタ可能である。図１に示されているようなターボチャージャのほかに、例えば圧縮機等による過給もまた実行可能である。同様に、例えば共鳴管を介して過給を行うことが可能である。燃焼室内の燃料／空気／残留ガス混合物（燃焼室内の燃料、空気及び残留ガスの混合物）のλ値は、圧縮装置即ちこの場合ターボチャージャ６の給気圧力により制御可能である。しかしながら、同様に、λ値（空気過剰率（空燃比ともいう））は残留ガス蓄積および噴射量を介して変化されてもよい。この場合には、ターボチャージャ６により、λ値に対する追加の制御可能性が得られる。

図１は、内燃機関シリンダの略示図である。 図２は、燃焼室圧力のクランク軸角度に対する線図である。 図３は、ガス交換弁の開閉時間の線図である。図３．１は通常の弁開放方式を示している。図３．２は、吸気弁および排気弁に対する代替操作方式を示す。図３．３は、他の弁制御方式を示している。図３．４は、弁制御方式の他の変更態様を示している。

符号の説明

１ 内燃機関（シリンダ）
２ 燃焼室
３ ピストン
４ 連接棒（コンロッド）
５ 吸気管
６ 圧縮装置（ターボチャージャ）
７ 排気管
８ 排気タービン
９ 制御装置
１０ 高圧配管
１１ 点火プラグ
１２ インジェクタ
１３ チャージャ（コンプレッサー）
１４ バイパス
１５ 絞り弁（バイパス弁）
ＡＮ 吸気行程
ＡＵ 排気行程
ＡＶ 排気弁
Ｅ 膨張行程
ＥＶ 吸気弁
ＨＥ、ＨＥ１、ＨＥ２、ＮＥ、ＶＥ、ＺＥ 噴射
°ＫＷ クランク軸度
Ｌ−ＯＴ チャージ交換内上死点
ＯＴ 上死点
ｐ 燃焼室圧力
ｐ_Ｌ 給気圧力
ＵＴ 下死点
Ｖ 圧縮行程
Ｚ−ＯＴ 点火上死点
Φ クランク軸角度

Claims (8)

1. 内燃機関（１）が、燃焼室（２）と、開放時間が可変の少なくとも１つの吸気弁（ＥＶ）および少なくとも１つの排気弁（ＡＶ）とを含み、
   吸気行程（ＡＮ）内において燃焼室（２）内にフレッシュ・ガスが供給され、燃料の供給により燃焼室（２）内に点火性ガス混合物が形成され、圧縮行程（Ｖ）内において圧縮され、圧縮行程（Ｖ）の終了付近においてガス混合物が自己点火する、制御自己点火における、内燃機関（１）の運転方法において、
   フレッシュ・ガスが、圧縮装置（６）により、吸気行程（ＡＮ）の間に燃焼室（２）内に供給されることを特徴とする内燃機関（１）の運転方法。
2. 請求項１に記載の方法において、
   圧縮装置（６）が、ターボチャージャであることを特徴とする方法。
3. 請求項１に記載の方法において、
   圧縮装置（６）が、圧縮機であることを特徴とする方法。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の方法において、
   内燃機関（１）が、チャージ交換の間において、残留ガス蓄積状態で、運転されることを特徴とする方法。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の方法において、
   燃焼室（２）内の、燃料、空気及び残留ガスの混合物のλ値が、少なくとも圧縮装置の給気圧力により制御されることを特徴とする方法。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の方法を実行するように設計されている装置、特に内燃機関（１）または内燃機関のための制御装置（９）。
7. プログラムがコンピュータ内において実行されるときに請求項１ないし５のいずれか１項に記載の全てのステップを実行するためのプログラム・コードを有するコンピュータ・プログラム。
8. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の方法を実行するための、吸気管内に圧縮装置（６）を有する内燃機関（１）の使用方法。

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