JP2009543963A - 火花点火機関の運転方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、特に多目的乗用車の火花点火機関（１）を運転する方法に関する。この方法では、火花点火機関（１）の少なくとも１つの吸気弁が非常に早く又は非常に遅れて閉じられ、火花点火機関（１）に供給される燃焼用空気流（２）がチャージャ（３）により圧縮され、再循環された排気ガスの部分流（４）が、少なくとも全負荷時に排気ガス再循環として燃焼用空気流（２）に供給される。

Description

本発明は、請求項１の前段の特徴を有する、特に多目的乗用車における火花点火機関の運転方法に関する。

ディーゼルエンジンは、通常、多目的乗用車に用いられる。設計によっては、比較的高い熱量効率レベルと一般的に良好な運転率とを伴う高い圧縮比が可能である。しかしながら、ディーゼルエンジンの点火装置とその他の構成部材は、高価である。高濃度な汚染物質排出、特に、全負荷運転モードでのすす排出もまた不利な点である。

外部点火を行う火花点火機関は、対応する設計を所与として、空気比がλ＝１以上で、すなわち、希薄運転モードにおいて用いることができる。その結果生じる排気ガスは、ディーゼルエンジンと比較して、実質的にすすの無い状態である。しかしながら、火花点火機関の運転率は、多くの熱力学的周辺条件により限定される。自動車の燃料が早期の自動点火（ノッキング）を経験する傾向にある点から、幾何学的圧縮比は、特定の制限値を超えてはならず、ディーゼルエンジンの制限値をかなり下回るものである。これに対応して、熱量効率が制限される。

熱量効率を向上するには、いわゆるミラー法に従って火花点火機関を運転することが知られている。この方法では、火花点火機関は、通常の運転モードと比較して、圧縮比が増加する。結果的に生じるノッキング傾向を補償するために、シリンダの吸気弁は、非常に早く又は非常に遅れて、すなわち、指定された下死点ＢＤＣ＝５４０°より大幅に前に又は大幅に後に、閉じられる。新鮮な燃焼用空気の吸気は、早期に中断されるか、あるいは、取り込まれた空気の一部が吸気行程に押し戻される。その結果、各シリンダは、不完全に満たされるのみである。幾何学的圧縮が増加するにもかかわらず、温度レベルが低下し、結果的に、ノッキングの発生を避けることができる。

上述の方法の発展形態の１つは、例えば、特許文献１により知られている。部分負荷領域では、極力高度な圧縮が与えられる。全負荷領域では、吸気弁及び排気弁の制御時間を調整することにより、増加した圧縮比を低減することができる。加えて、過給が提供され得る。希薄運転モードは、低負荷及び部分負荷領域において任意に提案される。絞り状態では、すなわち、低負荷領域では、排気ガスの再循環も行われ得る。

このように運転される火花点火機関は、特に、全負荷運転モードに、ある程度適している。排気弁の領域に排気ガスを導くピストン及び構成部材は、高い熱負荷を受ける。熱負荷を低減するためには、混合気の濃縮が、通常、全負荷運転モードで行われるが、これは、消費及び汚染物質の排気増大という点で不利となる。

特に後述する不利な点から、このように運転される火花点火機関は、多目的乗用車としてある程度までしか適していない。多目的乗用車は、乗用車と比べて、全負荷下において運転する部分が増えている。それにもかかわらず、内燃機関の十分な寿命を実現するためには、個別のエンジン構成部材にかかる熱的及び機械的負荷を制限する構造的手段及び／又は運転パラメータが提供されるべきである。全負荷時に混合気の濃縮を通して生じた通常の熱的制限が、特に、高度な全負荷のかかる部分を有する多目的乗用車において、不適切な運転率につながる。汚染物質の低排出の能力は、利用されない。

独国特許出願公開第１９９５０６７７Ａ１号明細書

本発明は、運転率を向上した火花点火機関の運転方法を特定するという目的に基づくものである。

本目的は、特許請求項１の特徴を有する方法により達成される。

特に多目的乗用車の火花点火機関を運転する方法が提案されている。本方法では、火花点火機関の少なくとも１つの吸気弁が非常に早く又は非常に遅れて閉じられ、火花点火機関に供給される燃焼用空気流がチャージャにより圧縮される。少なくとも１つの吸気弁が、特に、通常の過給運転モードと比べて増加された幾何学的圧縮比と関連して、非常に早く又は非常に遅れて閉じられ、これにより、熱量効率の向上に伴って温度レベルを低減する。吸気弁を閉じる時間分低減されたシリンダの充填は、チャージャによる圧縮空気流の圧縮により少なくともほぼ補償され、その結果、適切な出力レベルが可能となる。単一段階、又は多段階のチャージャは、ターボ過給機、圧縮機などの形態で、適切ならば電気ブースタなどと組み合わせて、チャージャとして便宜的なものとなり得る。導出された排気ガスの部分流は、少なくとも全負荷時に、温度を低減する更なる手段として機能する排気ガスの再循環として供給される。

上述の手段を合わせると、全負荷時及び高い部分負荷時に可能性を引き出すことができる。すなわち、温度レベルが、混合気を濃縮せずに対応可能となる程度まで下げられる。本発明によれば、火花点火機関は、約１以上の空気比で、有利には、約１以上、約２以下の範囲内の空気比で、少なくとも全負荷時に、及び特に部分負荷時にも、運転させることができる。熱的及び機械的な過負荷を避けることにより、実質的にすすの無い排気ガスを伴う特定の低い燃料消費が、全負荷及び部分負荷時に得られる。さらに、排気ガスを処理するために、任意の設計の触媒コンバータも下流側に接続することができる。

有利な発展形態では、排気ガスの再循環は、少なくとも全負荷時に、しかし特に部分負荷時にも、エンジンに供給される全ガス流の１０％以上、３５％以下の範囲内、特に、１５％以上、２４％以下の範囲内、さらに好ましくは、約１８％の比率で行われる。排気ガスの冷却、燃料消費率、及び排気は、最適化される。

好都合な一実施形態では、各シリンダの少なくとも１つの吸気弁が、吸気行程と関連する下死点（５４０°クランク角）よりも前に一時的に閉じられる。この閉じる動作は、好ましくは、６０°以上、８０°以下の範囲内のクランク角で、特に、関連する死点より前の約７０°で行われる。これにより、生じ得る動力と最小の消費との最適な組み合せが構築される。

異なる負荷領域で効率を最適化するために、少なくとも１つの吸気弁を閉じる時期は、火花点火機関の動作点の関数として有利に可変設定される。

火花点火機関１の概略図である。

本発明に従って運転される火花点火機関の例示的実施形態を図面に示す。この単一図面は、火花点火機関１を概略的に示している。火花点火機関１のシリンダブロック７には、一例として、上下動可能に案内されるピストンを備えた４つの図示されたシリンダ８が配置されている。

図示された吸気ライン１１は、再循環された排気ガスの一部とともに燃焼用空気流２を、吸気連結管９を介してシリンダ８に供給する。シリンダ８内で燃焼される混合気を形成するためには、燃料は、吸気ライン１１（吸気連結管噴射）内に、又はシリンダ８（直接噴射）内に直接、噴射されることが可能である。燃料用空気流２のシリンダ８への供給は、吸気弁（図示せず）により制御され、各シリンダ８は、各場合において、少なくとも１つの吸気弁を有する。

シリンダ８内での混合気の燃焼中に生じる排気ガスは、シリンダ８から排気ガス流６として排気ガス連結管１０又は排気ライン１２を介して導出される。シリンダ８からの排気ガス流６の吐出制御は、（図示せず）排気弁により行われ、少なくとも１つの排気弁は、各場合において、各個別のシリンダ８に割り当てられる。

排気ライン１２は、排気ガス再循環ラインを介して吸気ライン１１に流れを導くように接続されることができる。このため、調整弁１７は、排気ガス流６の部分流４を排気ガスの再循環として燃焼用空気流２に供給するのを測定することができるように設けられる。

部分流４の分岐後に残った、排気ガス流６の残余流５は、チャージャ３のタービン１３を通して導かれ、その結果、チャージャ３の圧縮機１４が駆動される。圧縮機１４は、前記燃焼用空気流２がシリンダ８に送りこまれる前に燃焼用空気流２を圧縮する。予備圧縮機１５は、圧縮機１４の上流側にチャージャ３の一部として任意に配置することができる。この予備圧縮機１５は、独立したモータ１６により駆動される。前記予備圧縮機１５は、いわゆるブースタとして、負荷領域下で充填を増強するのに寄与することができる。図示されたチャージャ３は、例えば、排気ガスのターボ過給機である。他の任意の所望の設計の単一段階又は多段階チャージャ３を採用することもできる。

調整弁１７を備える排気ガス再循環ラインは、排気ライン１２からタービン１３の上流側で分岐するが、タービン１３の下流側においても分岐可能である。このラインは、圧縮機１４の下流側で吸気ライン１１につながる。よって、圧縮機１４及び予備圧縮機１５は、単独で、供給された燃焼用空気流２を圧縮する。また、排気ガスの再循環ラインを圧縮機１４及び／又は予備圧縮機１５の上流側で吸気ライン１１へと開放させても、便宜上よい。ここで、生じるガス流の全てが、圧縮機１４及び／又は予備圧縮機１５により圧縮されることになる。

排気ガス再循環ラインが吸気ライン１１に開放する箇所の下流側では、冷却器１８が配置され、燃焼用空気流２と部分流４から形成された全ガス流を冷却し、従ってシリンダ８内の動作温度を低減させる。これと同時に、相対ガス密度を上昇させる。冷却器１８を省くか、あるいは、圧縮された燃焼用空気流２及び／又は排気ガス流６の部分流４のみのために冷却器１８を設けることも、便宜上好ましい。

図示された火花点火機関１を運転するための本発明に係る方法によれば、幾何学的圧縮比、すなわち、上死点でのシリンダ８内の体積に対する下死点でのシリンダ８内の体積の比率は、少なくとも約１０である。火花点火機関１は、多目的乗用車における運転用に設けられる。比較対象の火花点火機関では、通常の過給運転モード用に構成された場合、すなわち、圧縮機１４及び／又は予備圧縮機１５を用いるが本発明の吸気制御及び排気ガス再循環を行わない場合に、７．５の幾何学的圧縮比を有することになる。したがって、比較すると、幾何学的圧縮比は、例えば、２．５単位で１０まで増加される。幾何学的圧縮比は、基準モータと比べて、１以上、６以下の単位分、好ましくは、２以上、４以下の単位分、有利に増加される。これは、８．５以上、１３．５以下、あるいは、９．５以上、１１．５以下の幾何学的圧縮比の範囲に対応する。

比較的小型の火花点火機関も、特に、乗用車では、通常の過給運転モードにおいて比較的高い基準圧縮比をとり得る。前記基準圧縮比は、本発明に係る運転方法に対応する方法で増加されるべきである。圧縮比は、２３まで可能である。

シリンダ８の吸気弁は、非常に早く又は非常に遅れて、すなわち、５４０°のクランク角で割り当てられた下死点よりそれぞれ大幅に前又は大幅に後に、閉じられる。吸気弁は、好ましくは、下死点より前で一時的に閉じられ、これはまた「早期吸気口閉鎖」と称される。吸気弁を閉じる時期は、火花点火機関１の動作点の関数として、及び、特に、負荷需要の関数として可変設定される。吸気弁を閉じる好ましい時期は、６０°以上、８０°以下の範囲内のクランク角であり、特に、５４０°のクランク角で割り当てられた下死点前の約７０°である。これは、４６０°以上、４８０°以下の範囲内で、特に、４７０°の閉弁のクランク角に対応する。約１ｍｍの残る弁ストロークは、閉じた弁の状態の尺度として想定される。

排気ガスの再循環は、排気ガス流６の部分流４を燃焼用空気流２と混合させることにより、全負荷時及び部分負荷時にも行われる。排気ガスの再循環は、低負荷領域でも好都合となり得る。全負荷及びさらに部分負荷時の排気ガス再循環率は、シリンダ８に供給される全ガス量の１０％以上、３５％以下の範囲内である。前記排気ガス再循環率は、特に、１５％以上、２４％以下の範囲内であり、図示された例示的実施形態では約１８％である。

燃焼用空気流２、再循環排気ガスの部分流４、及び噴射された燃料は、全負荷時及び特に部分負荷時においても、火花点火機関が約１以上の空気比で、即ち化学量論的に又は希薄モードで運転するように、互いに整合されている。空気比の好ましい範囲は、約１以上、約２以下である。上限は、排気の失敗の限界で決定される。

上述の手段を合わせると、火花点火機関１が、熱的及び機械的な過負荷状況を生じずに、全負荷領域及び上方の部分負荷領域で連続して運転可能となる効果がある。従来の方法と比べると、１０％を超える特定の燃料の節約が得られる。ディーゼルエンジンと比べると、排気上の重要な利点、特に、すすの排気の観点からの利点が得られる。混合気を濃縮することにより排気ガスの温度を低くする必要がない。排気ガスの後処理は、排気ガスライン１２内の触媒コンバータにより追加的に実行され得る。本発明の方法に従って運転される火花点火機関１は、特に、多目的乗用車で用いられるのに適しているが、乗用車においても用いられることができる。

Claims (10)

1. 多目的乗用車の火花点火機関（１）を運転する方法であって、前記火花点火機関（１）の少なくとも１つの吸気弁の開閉時期が調整され、前記火花点火機関（１）に供給される燃焼用空気流（２）がチャージャ（３）により圧縮される方法において、
   再循環された排気ガスの部分流（４）が、少なくとも全負荷時に前記燃焼用空気流（２）に排気ガス再循環として供給されることを特徴とする方法。
2. 前記排気ガスの再循環は、部分負荷時にも行われることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 全ガス量の１０％以上３５％以下の範囲内の比率で排気ガス再循環が行われることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の方法。
4. 前記火花点火機関（１）は、全負荷時及び部分負荷時において、１以上の空気比で運転されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記火花点火機関（１）は、空気比１以上２以下の範囲内で運転されることを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 前記火花点火機関（１）は、通常の過給運転モードの幾何学的圧縮比と比較して、１以上６以下の範囲内で増加された幾何学的圧縮比で運転されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記少なくとも１つの吸気弁は、下死点より前に一時的に閉じられることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記少なくとも１つの吸気弁は、下死点前６０°以上８０°以下の範囲内のクランク角で閉じられることを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 前記少なくとも１つの吸気弁を閉じる時期は、前記火花点火機関（１）の動作点の関数として設定変更可能であることを特徴とする請求項７あるいは８に記載の方法。
10. 前記燃焼用空気流（２）及び前記部分流（４）の冷却は、再循環された排気ガスにより行われることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。

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