JP2013528261A - 内燃機関内で燃料を供給する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、内燃機関（２）のシリンダ（３）の燃焼室内へと燃料を供給する方法及び装置であって、吸気弁（９）を介してそれぞれがシリンダ（３）と接続された少なくとも２つの吸気部（８）を介して、シリンダ（３）に混合気が供給され、各吸気部（８）には噴射弁（１０）が割り当てられ、燃料が吸気部（８）内へと少なくとも一時的に非同期式に噴射される、上記方法及び装置に関する。
【選択図】図１

Description

本発明は、２つの噴射弁によって吸入管内へと燃料が噴射される内燃機関に関する。特に、本発明は、内燃機関内の２つの噴射弁による燃料噴射の制御方法に関する。

従来では、吸入管内にシリンダごとに２つの噴射弁が設けられる内燃機関が公知である。従って、この種の４気筒オットーエンジンでは８つの噴射弁が設けられる。各１つのシリンダに割り当てられる２つの噴射弁は、吸入管の分岐点の領域へと燃料を噴射し、そこで形成される混合気が、２つの別々の吸気弁によって該当するシリンダ内に吸入される。このことは、シリンダごとに２つの吸気弁を備える内燃機関の場合、シリンダごとに吸気弁が１つだけ備えられる内燃機関と比べて、より少ない燃料が吸入管の分岐点のブリッジの方向に向けられ、そこで堆積するという利点を有する。堆積した燃料の量を算出するにはコストが掛り、従って、シリンダ内に吸入された燃料の正確な量の計量は困難となっている。

内燃機関の噴射システムの設計における基本的な観点は、点火の時点に、内燃機関のシリンダ内に可能な限り均一な混合気が存在するということである。従来の内燃機関では、この混合気は吸気弁の前の領域で生成される。噴射弁によって対応する吸入管領域内へと噴射された燃料噴霧はそこで蒸発し、吸気時点に、対応するピストン運動によって該当するシリンダ内に吸気される。さらに、対応する吸入管部内への燃料の噴射は、通常では、時間的に前に（ｖｏｒｇｅｌａｇｅｒｔ）行われ、従って、燃料噴霧における燃料液滴の蒸発のための所定の時間が提供される。このことは、特に、負荷がより高い駆動範囲内で必要となる。

本発明の課題は、シリンダ内での混合気のより良好な混合を実現することが可能な、内燃機関のシリンダ内へと燃料を供給する方法及び装置を提供することである。

本課題は、請求項１に記載の内燃機関のシリンダの燃焼室内へと燃料を供給する方法、及び、独立請求項に基づく装置及びエンジンシステムにより解決される。

更なる好適な実施形態は従属請求項に示される。

第１の観点によれば、内燃機関のシリンダの燃焼室内へと燃料を供給する方法であって、吸気弁を介してそれぞれがシリンダと接続された少なくとも２つの吸気部を介して、シリンダに混合気が供給され、各吸気部には噴射弁が割り当てられ、燃料が吸気部内へと少なくとも一時的に非同期式に噴射される、上記方法が構想される。

上記方法の１の構想は、吸入管への燃料噴射を２つの別々に駆動可能な噴射弁により行う内燃機関において、燃料噴霧の蒸発が少なくとも部分的にシリンダ内で起こるように噴射を行うことである。

他の構想は、前に行われる噴射の際にも蒸発速度を上げることである。さらに、前に行われる従来の噴射に加えてさらに、吸気弁の開放タイムスロットの間の吸入管への燃料噴射も行われる。通常それにより生じる欠点、即ち、シリンダ内での混合気の不均一な分散、又は、点火時点での燃料噴霧の不完全な蒸発を回避するために、噴射弁を互いに同期させずに駆動することが更に構想され、従って、シリンダ内又は吸入管内での燃料のより良好な乱流、及び、混合気のより良好な混合が達成される。これによって、特に、新生の混合気における蒸発速度の改善が得られる。

この種の駆動形態の更なる別の利点は、排気還流率（ＥＧＲ率）がより高い部分負荷範囲内で内燃機関が駆動可能であり、このことが燃料消費を低減するよう作用することである。

更に、吸気弁のうちの１つの噴射段階の間に、対応する吸気部内へと燃料が噴射されうる。

一実施形態によれば、燃料は、或る時間の間１つの噴射弁により吸気部内へと噴射され、或る時間は、吸気弁の噴射段階の長さの２％〜３０％に相当する長さを有する。

特に、燃料は吸気部内へと交互に噴射されうる。

さらに、吸気部内への燃料は、吸気弁がシリンダ内へと開く吸入タイムスロットより前にのみ噴射され、吸気タイムスロットの間にのみ噴射され、又は、吸気タイムスロットの前及び吸気タイムスロットの間に噴射されうる。

更なる別の観点によれば、内燃機関のシリンダの燃焼室内への燃料供給を制御する装置であって、吸気弁を介してそれぞれがシリンダと接続された少なくとも２つの吸気部を介して、シリンダに混合気が供給され、各吸気部には噴射弁が割り当てられる、上記装置が設けられる。装置は、燃料を吸気部内へと少なくとも一時的に非同期式に噴射するように噴射弁を駆動するために構成される。

更なる別の観点によれば、内燃機関と上記装置とを備えたエンジンシステムが設けられる。

更なる別の観点によれば、データ処理ユニット上で実行される場合に上記方法を実行するプログラムコードを含むコンピュータプログラム製品が設けられる。

以下では、好適な実施形態が、添付の図面を用いてより詳細に解説される。
シリンダごとに２つの噴射弁を用いる吸入管噴射により燃料が供給される内燃機関を備えたエンジンシステムの概略図を示す。 従来技術による燃料噴射と、燃料供給方法の一実施形態に係る燃料噴射と、の比較を示す。

図１には、内燃機関２を備えたエンジンシステム１が示されている。内燃機関２は、記載される実施例ではオットーエンジンであるが、他の形態の内燃機関２も含みうる。内燃機関２は、示される実施例では４つのシリンダ３を有する。シリンダ３の数は４つに限定されず、いずれの他の任意の数のシリンダ３も内燃機関２内に設けられる。

シリンダ３内では、公知の形態で、それぞれ４サイクル駆動に基づいて、燃焼サイクル、排気サイクル、吸入サイクル、及び、圧縮サイクルが実現される。

シリンダ３には、空気供給システム４を介して外気が供給される。空気供給システム４内には、供給される空気量を所定の制御に従って調整するために絞り弁５が設けられる。絞り弁５とシリンダ３との間の領域は吸入管と呼ばれる。空気供給システム４は、絞り弁５の下流側の吸入管の領域６内で複数のシリンダ３に分岐する。提示される実施例では、空気供給システム４は、４つの供給部７に分岐する。空気供給部７を介してシリンダ３に供給される空気が吸入される前に、空気供給部７が２つの吸気部８に分岐し、この吸気部８は各シリンダ３で終端する。吸気部８を通じて供給される空気は、該当するシリンダ３上に配置された吸気弁９によって、適切な吸気タイムスロットに、該当するシリンダ３内に吸入される。

空気供給部７が吸気部８に分岐する直前に、噴射弁１０が設けられる。噴射弁１０は、当該噴射弁１０により噴射された燃料噴霧の円錐形の噴射（Ｓｐｒａｙｋｅｇｅｌ）が、燃料噴射の際に可能な限り各吸気部８内に到達し、従って、供給部７の分岐箇所のブリッジ（Ｓｔｅｇ）１１に可能な限り僅かな燃料量が堆積しうるように、吸気部８に対して配置される。

吸気弁９を介してシリンダ３内に吸入された混合気は、制御に従って予め定められた点火時点に、点火器１２によって点火される。このようにして開始される燃焼は、シリンダ３内に配置されたピストン（図示せず）の対応する運動によって、燃焼室の爆発をもたらし、このようにして、内燃機関２の駆動トルクを発生させる。

後続の排気サイクルにおいて、ピストンが圧縮運動を実行することで、該当するシリンダ３の燃料室が再び縮小される。この排気運動の間に、１つまたは複数（本例では２つ）の排気弁１５が開放され、これにより、シリンダ３内に存在する燃焼排気が排気排出部１６内へと排出される。その後、燃焼排気は、可能な触媒（図示せず）を介して外界へと排出される。

エンジンシステム１は、制御装置２０を用いて、例えば提供すべき駆動トルクに相当しうる設定Ｖに対応して、駆動される。例えば、エンジンシステム１が車両のエンジンシステムである場合に、この設定は、運転者の所望のトルクに相当しうる。制御装置２０による制御は、例えば、絞り弁５を調整する絞り弁ポジショナ、燃料噴射の際に燃料噴射時点及び噴射時間が定められる噴射弁１０、点火器１２を点火し、点火の際に点火時点が定められる点火装置、及び、他のポジショナ、の調整によって行われる。

上記制御は、設定Ｖに従って、及び、エンジンシステム１の状態変数であって、対応するセンサにより収集し、及び／又は、他の状態値及び／又は他の動的な挙動に基づいてモデル化することが可能な上記状態変数に従って、行われる。この種の状態変数は、例えば、吸入管内の吸入管圧力、内燃機関２の回転数、内燃機関２の負荷、排気温度、及び、他の状態変数であってもよい。

この種の構成を備えた、即ち、２つの吸気部に分岐する吸入管内に２つの噴射弁を備える内燃機関の従来の制御では、通常、噴射は時間的に前に行われる。即ち、吸気弁９がシリンダ３内に混合気を吸入する前に、燃料が吸気部８内へと噴射される。

このような噴射の図が、図２の上方の部分に示されている。ここには、吸気弁の弁ストロークＥＮＷと、排気弁の弁ストロークＡＮＷと、の時間的推移が示されている。これに対する時間的関連において、その下に、従来技術による前に行われる噴射の際の噴射弁のための駆動信号ＥＡ１、ＥＡ２が示されている。一番下には、本明細書で提案する方法に係る噴射の際の噴射弁のための駆動信号ＥＡ１、ＥＡ２が示されている。

従来技術による方法では、吸気弁９の開放の前に、シリンダ３に割り当てられた２つの噴射弁１０が同時に駆動される。これにより、吸気弁９が開放される前に、全燃料量が吸入管又は吸気部８内へと噴射される。このようにして、ほぼ全ての燃料が、吸気弁９の開放の前に既に吸気部８内で蒸発し、従って、出来上がった混合気がシリンダ３内に吸入されうる。

例えば、噴射弁１０が、当該噴射弁１０の駆動信号の下方の図に基づいて、非同期式に駆動される場合にも、駆動の改善が得られる。燃焼室内へと燃料が流入する際には、混合気の分散の不均一性が生じ、この不均一性は、エミッション値の悪化した不規則な燃焼に繋がる可能性がある。燃焼室内での燃料噴霧の乱流（Ｖｅｒｗｉｒｂｅｌｕｎｇ）の更なる改善を達成するために、各シリンダ３に割り当てられた噴射弁１０によって、異なる期間に燃料噴霧を噴射することが構想される。

この非同期式の駆動は、吸気弁９が開放される段階の前及び／又は当該段階の間に行われうる。これにより乱流が発生する。燃料噴霧の少なくとも一部が、該当するシリンダ３の燃焼室内に到達し、そこで初めて蒸発し、これによって燃焼室全体が冷却される。これにより、特に全負荷の際に、内燃機関２のノッキング傾向が著しく低減されうる。

一実施形態によれば、図２に示すように噴射は交互に行われうる。その際に、噴射弁１０のうちの第１の噴射弁１０から始まって、燃料の噴射が、第１の噴射時間ｔ１の間行われる。第１の噴射時間ｔ１の経過後に、第１の噴射弁１による燃料の噴射が終了され、燃料の噴射が、第２の時間ｔ２の間、第２の噴射弁１０によって行われる。第２の時間ｔ２の終了後に、第１の噴射弁１０による噴射が新たに行われ、この行程が繰り返される。この交互の噴射は、燃料の噴射が行われる全段階の間実行されうる。第１の時間ｔ１及び第２の時間ｔ２は、同じ時間的長さ又は異なる長さを有しうる。第１の時間ｔ１及び第２の時間ｔ２はそれぞれ、全噴射段階の時間の２％〜３０％の長さに相当し、好適に、全噴射段階の長さの１０％〜２０％の時間に相当しうる。

さらに、一時的に重複するタイムスロットの間にも噴射を行うことが構想されうる。シリンダの燃焼室内への吸入の際の、燃料噴霧の追加的な所望の乱流を実現するために、吸気弁９の開放段階内のタイムスロットの間に、２つの噴射弁１０による同時の燃料噴射が行われないことが必要である。

内燃機関の噴射システムの設計における基本的な観点は、点火の時点に、内燃機関のシリンダ内に可能な限り均一な混合気が存在するということである。従来の内燃機関では、この混合気は吸気弁の前の領域で生成される。噴射弁によって対応する吸入管領域内へと噴射された燃料噴霧はそこで蒸発し、吸気時点に、対応するピストン運動によって該当するシリンダ内に吸気される。さらに、対応する吸入管部内への燃料の噴射は、通常では、時間的に吸気弁の開放よりも前に（ｖｏｒｇｅｌａｇｅｒｔ）行われ、従って、燃料噴霧における燃料液滴の蒸発のための所定の時間が提供される。このことは、特に、負荷がより高い駆動範囲内で必要となる。

他の構想は、吸気弁の開放よりも前に行われる噴射の際にも蒸発速度を上げることである。さらに、吸気弁の開放よりも前に行われる従来の噴射に加えてさらに、吸気弁の開放タイムスロットの間の吸入管への燃料噴射も行われる。通常それにより生じる欠点、即ち、シリンダ内での混合気の不均一な分散、又は、点火時点での燃料噴霧の不完全な蒸発を回避するために、噴射弁を互いに同期させずに駆動することが更に構想され、従って、シリンダ内又は吸入管内での燃料のより良好な乱流、及び、混合気のより良好な混合が達成される。これによって、特に、新生の混合気における蒸発速度の改善が得られる。

一実施形態によれば、燃料は、或る時間の間１つの噴射弁により吸気部内へと噴射され、或る時間は、噴射弁の噴射段階の長さの２％〜３０％に相当する長さを有する。

更なる別の観点によれば、データ処理ユニット上で実行される場合に上記方法を実行するプログラムコードを含み、前記方法をコンピュータに実行させるためのコンピュータプログラムが設けられる。

この種の構成を備えた、即ち、２つの吸気部に分岐する吸入管内に２つの噴射弁を備える内燃機関の従来の制御では、通常、噴射は時間的に吸気弁の開放よりも前に行われる。即ち、吸気弁９がシリンダ３内に混合気を吸入する前に、燃料が吸気部８内へと噴射される。

このような噴射の図が、図２の上方の部分に示されている。ここには、吸気弁の弁ストロークＥＮＷと、排気弁の弁ストロークＡＮＷと、の時間的推移が示されている。これに対する時間的関連において、その下に、従来技術による、吸気弁の開放よりも前に行われる噴射の際の噴射弁のための駆動信号ＥＡ１、ＥＡ２が示されている。一番下には、本明細書で提案する方法に係る噴射の際の噴射弁のための駆動信号ＥＡ１、ＥＡ２が示されている。

Claims (8)

1. 内燃機関（２）のシリンダ（３）の燃焼室内へと燃料を供給する方法であって、吸気弁（９）を介してそれぞれが前記シリンダ（３）と接続された少なくとも２つの吸気部（８）を介して、前記シリンダ（３）に混合気が供給され、各前記吸気部（８）には噴射弁（１０）が割り当てられる、前記方法において、燃料が前記吸気部（８）内へと少なくとも一時的に非同期式に噴射されることを特徴とする、方法。
2. 前記噴射弁（１０）のうちの１つの噴射段階の間に、対応する前記吸気部（８）内へと燃料が噴射される、請求項１に記載の方法。
3. 燃料は、任意の時間の間１つの噴射弁（１０）により前記吸気部（８）内へと噴射され、前記任意の時間は、前記噴射弁（１０）の前記噴射段階の長さの２％〜３０％に相当する長さを有する、請求項２に記載の方法。
4. 燃料は、前記吸気部（８）内へと交互に噴射される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記吸気部（８）内への燃料は、前記吸気弁が前記シリンダ（３）内へと開く吸気タイムスロットより前にのみ噴射され、又は、前記吸気タイムスロットの間にのみ噴射され、又は、前記吸気タイムスロットの前及び前記吸気タイムスロットの間に噴射される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. 内燃機関（２）のシリンダ（３）の燃焼室内への燃料供給を制御する装置であって、吸気弁（９）を介してそれぞれが前記シリンダ（３）と接続された少なくとも２つの吸気部（８）を介して、前記シリンダ（３）に混合気が供給され、各前記吸気部（８）には噴射弁（１０）が割り当てられる、前記装置において、前記装置は、燃料を前記吸気部（８）内へと少なくとも一時的に非同期式に噴射するように前記噴射弁（１０）を駆動するために構成されることを特徴とする、装置。
7. 内燃機関（２）と、請求項６に記載の装置と、を備えたエンジンシステム（１）。
8. データ処理ユニット上で実行される場合に請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法を実行するプログラムコードを含むコンピュータプログラム製品。
   

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