JP2019078186A - 内燃機関の動作方法及び動作装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の燃焼室内への冷却流体の噴射を有する内燃機関の動作方法及び動作装置を提供する。【解決手段】燃焼室（１０１）内での現在の燃焼の際にノッキングの危険性を特定し、ノッキングの危険性が閾値を上回ると、現在の燃焼へ、冷却流体を燃焼室（１０１）内へ噴射する。【選択図】図１

Description

本発明は、独立請求項の上位概念に記載された、内燃機関の燃焼室内への冷却流体の噴射を有する、内燃機関の動作方法及び動作装置に基づく。

従来技術
独国特許出願公開第３９２８６１１号明細書（ＤＥ３９２８６１１）から既に、内燃機関の燃焼室内へ冷却流体（水）を噴射する方法又は装置が公知である。

独国特許出願公開第３９２８６１１号明細書

本発明の開示
本発明の利点
内燃機関の燃焼室内への冷却流体の噴射を有する、本発明に係る内燃機関の動作方法又は本発明に係る内燃機関の動作装置は、従来技術に対して、次の利点を有している。即ち、現在の燃焼の直接的なノッキングの危険性が特定され、次に、この現在行われている燃焼への噴射によって、依然としてノッキングが阻止可能である、又は、少なくとも、エンジンへ損傷を与える、ノッキングの作用が緩和可能である、という利点を有している。従って、継続中の現在の燃焼の間に、ノッキングの低減が実現される。特に、この措置によって、ノッキングの発生が概ね阻止され得る。従って、ノッキングを生じさせる燃焼が完全に成立する前に又はノッキングを生じさせる燃焼の成立の間に、依然として、ノッキングを生じさせる燃焼が阻止又は低減可能である。従って、ノッキングを生じさせる燃焼によるエンジンの酷使が低減される。これは、ノッキング境界の近くでの継続的な動作を可能にする。なぜなら、そうでない場合には回避不可能であり、繰り返し発生するノッキング現象が阻止されるからである。これによって、本発明に係る方法に従って、動作される内燃機関は、ノッキング境界の近傍で、それゆえに効果的に動作され得る。従来の水の噴射と比較して、冷却流体の消費は格段に低減され得る。これによって、たとえば、この種の内燃機関が装備されている自動車での補充の必要性が低減される。

さらなる利点及び改善は、従属請求項の措置によって実現される。現在の燃焼におけるノッキングの危険性が、燃焼室内の圧力の評価によって特に確実に識別される。これは特に正確に、燃焼室圧力センサによって直接的に測定可能である。選択的な測定方法は、固体伝搬音センサ又はイオン電流センサを使用する。これらのセンサは、燃焼室圧力センサと比べて、格段に低コストである。ノッキングの危険性を判断するために、燃焼室内の圧力が予測値と比較される。予測値においては、圧力だけが考慮されるのではなく、燃焼の開始後に圧力が発生する時点、又は、内燃機関の角度位置も考慮される。圧力の絶対的な高さの他に、該当する圧力が燃焼室において発生する時点又は角度位置が、ノッキングの危険性が生じているか否かを求めるために重要である。従って、ノッキングの危険性の識別を特に確実に行うことができる。このために使用される予測値は、内燃機関に対して、たとえば、特定のエンジンのタイプの確定において、始めから固定的に設定されていてよい。さらに、内燃機関の継続動作中に、燃焼過程を継続的に評価し、このようにして、現在の燃焼に対する典型的な予測値を学習することができる。ここで、先行する燃焼に比べて、現在の燃焼の著しい偏差が生じる場合には、これは、ノッキングの危険性が上昇していることに対する明らかな兆しであろう。このような評価に基づいて、高いノッキングの危険性が確認された場合、所定数の後続する燃焼に対して同様に、冷却流体の噴射が行われてよい。燃焼時に確認されたノッキングの危険性が、内燃機関の一般的に高いノッキング傾向を示しているということが容易に仮定され、従って、この場合には、所定数の後続する燃焼に対して、冷却流体の噴射が行われるべきである。選択的に、ノッキングの危険性が判明している場合には、冷却流体噴射を活性化し、この冷却流体噴射を、内燃機関の動作条件の所定の変更が生じるまで保持するようにしてよい。動作条件の変更は、たとえば、回転数、エンジン負荷又は別の動作パラメータの変更によって規定されてよい。

シリンダ１０を備えたエンジン即ち内燃機関を概略的に示す。 本発明に係る方法の個々のステップを概略的に示す。

実施例の説明
図１に、シリンダ１０を備えたエンジン即ち内燃機関を概略的に示す。シリンダ１０内では、ピストン１００によって燃焼室１０１が画定されている。シリンダ１０ないしは燃焼室１０１には、吸入管１１によって燃焼のための空気が供給され、燃料インジェクタ１３によって、シリンダ１０内の燃焼のための燃料が供給される。このときに発生する排ガスは、排出管１２によってシリンダ１０から排出される。これは、通常の火花点火エンジン又はディーゼルエンジンであり、図１では概略的にのみ示されている。特に、たとえば吸気弁や排気弁等の他の制御要素、吸入管１１内に流れる空気流に影響を及ぼすための手段（たとえばスロットルバルブ）、点火プラグ又はグロープラグ、並びに、通常の火花点火エンジン及びディーゼルエンジンの他の要素は、本発明の理解のためには重要ではないので示されていない。

さらに、図１には、燃焼室１０１内への冷却流体の噴射部、特に水噴射部が示されている。以下では常に水噴射部が説明されるが、しかしこれは、任意の冷却流体の噴射部を代理で表している。水の他に、特に、水とアルコールの混合物、又は、水と別の液体との混合物が念頭におかれている。冷却流体が気化時に大きい熱量を必要とし、このようにして、燃焼室の冷却に寄与するということが重要である。シリンダ１０の燃焼室内への直接的な水の噴射は、大きな圧力を必要とする。既に吸気弁が吸入管１１の方向において閉じられており、シリンダが圧縮フェーズにあるときに、シリンダ１０の燃焼室内への噴射が行われ得るので、燃焼室内への水の噴射は、２００バールのオーダーまでの格段に高い圧力を必要とする。従って、シリンダ１０の燃焼室内への直接的な噴射を可能にするためには、水レール３内で、水が、高い圧力で格納されていなければならない。水噴射部は、水タンク２から成る。ここで、この水タンク２は、連通路５を通って、電動ポンプ１と連通されている。この連通路５によって、水がタンク２から、電動ポンプ１へと流れることができる、又は、電動ポンプ１によってタンクから吸い上げられる。連通路５を介して水タンク２と連通されている電動ポンプ１の側を、以降で「供給側」と称する。電動ポンプ１はさらに高圧吐出口を有している。この高圧吐出口は、連通路５を介して、高圧ポンプ６と連通されている。高圧ポンプ６の供給側は、連通路５を介して、電動ポンプ１の高圧吐出口と連通されている。高圧ポンプ６の高圧吐出口は、連通路５を介して、水レール３と連通されている。

水レール３は、次に、別の連通路５を介して、水インジェクタ４と連通されている。この水インジェクタ４は、燃焼室１０１内に通じている。従って、タンク２内の水は、電動ポンプ１の供給側を介して供給され、ポンプ１の高圧吐出口で、圧力が上げられて、高圧ポンプ６に提供される。高圧ポンプ６によって、約２００バールの高い圧力まで上げられた水は、次に、水インジェクタ４の相応する開口によって燃焼室１０１内へ噴射されるまで、水レール３内に一時的に格納される。このようにしてエンジンの燃焼室内への、介在するもののない直接的な水の噴射を可能にするために、十分に高い圧力が生成される配置構成が実現される。

水レール３に、複数のシリンダ１０に水を供給する多数の水インジェクタ４を接続することもできる。これは特に、今日、自動車において通常である多気筒エンジンの場合、シリンダに個々に、自身に合った量の水が供給可能である構成である。

水の噴射によって、シリンダ１０の燃焼室１０１内に、燃料インジェクタ１３によって噴射された燃料とともに、空気と、燃料と、水との混合物が生成される。点火プラグによる適切な点火又はディーゼルエンジンの場合の自己点火プロセスによる適切な点火によって、シリンダ１０の燃焼室内において燃料空気混合気が燃焼する。この空気燃料混合気内に含まれる水によって、シリンダ１０内の燃焼室１０１の効果的な冷却が行われ、これによって、燃焼温度が低下し、火花点火エンジンの使用時に、ノッキング傾向が低減される。これによって、最適な点火時点が可能であり、これは火花点火エンジンの効率又は燃費に好影響を及ぼす。火花点火エンジン及びディーゼルエンジンの場合には、さらに、有害な排ガスの発生も低減される。従って、燃焼室内への水の導入は、シリンダ１０の燃焼室内の燃焼の質に好影響を及ぼすことができる措置である。この措置によって、排ガスの質にも、シリンダ１０の熱負荷にも、出力にも、必要とされる燃料量にも、好影響を及ぼすことができる。

図１にはさらに、燃焼室圧力センサ２０が示されている。ここで、この燃焼室圧力センサは、燃焼室１０１内に突出しており、介在するものがなくかつ直接的に、燃焼室内の圧力を測定する。従って、この種の圧力センサによって、燃焼室１０１内の圧力状況は常に既知であり、特に燃焼室のこの種の直接的な圧力測定によって、継続中の燃焼及びここで発生する圧力が直接的に観察される。特に、この種の直接的な圧力測定によって、燃焼の前半において既に、燃焼がさらに経過すると、ノッキングが生じるのか否かを識別することが可能である。この種の、ノッキングを生じさせる燃焼は、元来の点火の他に、点火スパークによって、さらに、燃焼室内の複数の別の箇所で、自発的に、ガス空気混合気が発火し、複数の火炎面が、種々の発生箇所に基づいて生じている燃焼のことである。ノッキングを生じさせるこの種の燃焼では、極めて高い圧力及び圧力勾配が形成され、これによって、内燃機関、特にピストン１００の損傷が生じ得る。他方では、ノッキングを生じさせる動作点の近傍での内燃機関の動作は特に効果的である。なぜならここでは、燃焼によって生じるエネルギーが特に効果的に、機械的な運動に変換されるからである。従って、ここでノッキングが生じることなく、ノッキングを生じさせる動作のできるだけ近傍で内燃機関を動作させることは目指すに値することである。本発明ではここで、発達中の現在の燃焼を評価することによって、この燃焼がさらに経過すると、ノッキングが生じるのか否かを判断すること、ノッキングが生じる場合には、現在の燃焼へ水を直接的に噴射することによって、さらに、現在の燃焼の冷却を生じさせること、及び、さらにこのようにして継続中の現在の燃焼の間に、ノッキングを阻止することが提案される。従って、この措置によって、いずれかの時点でノッキングが生じてしまうことなく、内燃機関をノッキング境界の極めて近傍で動作させることができる。

燃焼室圧力センサ２０に対して選択的に、別のセンサを使用することもできる。これは、継続中の燃焼の判断を可能にする。ノッキングセンサをシリンダ１０の外面に取り付けることができ、これは、燃焼ノイズを測定する。この燃焼ノイズは、同様に、燃焼室１０１内に生じている圧力に対する尺度である。この種のノッキングセンサは、固体伝搬音センサ又は振動センサであり、これは典型的に、ピエゾ圧電センサ又は加速度センサとして形成されている。別の可能性はイオン電流センサの使用であり、ここでは、燃焼室内の電極間に電圧が印加され、燃焼室内のガス混合気を通る、これら２つの電極間の電流の流れが評価される。ここで、導電性は著しく、燃焼室内の圧力に依存し、従って、これらのセンサも、燃焼室内の圧力状況に関する情報を供給する。しかし、直接的な評価が可能になるので、燃焼室圧力センサの使用が有利である。

燃焼の前半の圧力経過の評価によって、燃焼の後半において、ノッキングが生じるか否かを比較的良好に判断することができる、ということが明らかである。次に、冷却流体、特に水の噴射によって、燃焼の後半の温度にさらに影響が与えられ、ノッキングが抑圧される、さもなければ、ノッキングの強度が格段に低減される。従って、ここで、ノッキングが繰り返し発生することなく、ノッキング境界の近傍における内燃機関の動作が可能になる。現在継続中の燃焼の間に、ノッキングが生じるか否かの判断は、ここで、燃焼室内の圧力に基づいてノッキングの危険性が評価されることによって行われる。このために、この圧力は予測値と比較され、この予測値においては、圧力の高さだけでなく、圧力の時点又は角度位置も考慮される。内燃機関における燃焼の際には、シリンダ１０内のピストン１００の上死点の後に、最大圧力が生じることが目指される。ノッキングの危険性は、予定より早く、即ち、極めて早い角度位置で、高い圧力値が生じるときに識別される。このような予測値、即ち、圧力値と角度位置又は燃焼開始後の時点の組み合わせは、固定的に設定されていてよい、さもなければ、内燃機関の継続動作の間、学習されてよい。これらの値が固定的に設定されている場合、特定のタイプの内燃機関に対して、設計期間の間又は適用期間の間に、以下のことが定められる。即ち、燃焼のさらなる経過に対してノッキングの危険性を識別するためには、どの予測値が上回られなければならないのかが定められる。このような設定はここで、内燃機関の動作条件、たとえば負荷又は回転数等に依存してよい。選択的に、予測値を学習することも可能である。この場合には、内燃機関の継続動作の際に、たとえば平均値形成によって、典型的な圧力経過が格納されることとなる。ここで、圧力経過が燃焼の間に、著しく、学習されたこの典型的な圧力経過から偏差している場合、特に上回る場合には、これによって、ノッキングの危険性が識別され、燃焼のさらなる経過における本発明による噴射がトリガされる。このような学習も、ここで、内燃機関の動作パラメータ、たとえば負荷又は回転数に依存してよい。

現在の燃焼において、一度、ノッキングの危険性が識別されると、さらに、冷却流体の噴射がこの１回の燃焼に対してのみ行われるのか、又は、さらに、冷却流体の噴射を伴う、後続する燃焼も実施されるべきなのかが定められなければならない。ノッキングの危険性が一度生じることは、即ち、内燃機関がちょうど、ノッキングへ傾いている動作状態にあることに対する示唆であり、従って、さらなるノッキング現象も阻止するために措置が取られるべきである。当然ながら、燃焼の開始時に既に行われる冷却流体の噴射は、ノッキングの発生を低減するための適切な措置であるので、ノッキングの危険性が一度識別されると、用意周到に、付加的な冷却を、冷却流体の噴射によって行うのは有利である。ここでの１つの手法は、ノッキングの危険性が一度識別されると、単に、所定数の後続する燃焼に対して、冷却流体の噴射を行う、ということである。これはここで、新たに、ノッキングの危険性が確認されるか否かとは無関係に行われる。この動作では、冷却流体の噴射が、すでに、燃焼の開始時に行われるので、いずれにせよ、ノッキングの危険性はそれ以上、燃焼の前半において確認されない。所定数の燃焼に対して、冷却流体の噴射が行われた後にようやく、はじめから冷却流体の噴射が行われるのではなく、現在の燃焼においてノッキングの危険性が確認された場合にのみ冷却流体の噴射が行われる方法に再び切り換えられる。選択的に、現在継続中の、ノッキングの危険のある燃焼への噴射後のノッキングの危険性の確認時に、一般的に、全ての後続の燃焼に対して、冷却流体の噴射が活性化されてもよい。冷却流体のこの噴射は、ここで、内燃機関の動作条件の明確な変更が生じるまで、保持されるであろう。ここで特に、内燃機関の動作条件が、たとえば、負荷又は回転数の格段の低減によって、低減するノッキング傾向の方向において変化する場合にのみ、冷却流体の噴射の非活性化が行われてよい。

図２には、再度、本発明に係る方法の個々のステップが概略的に示されている。第１のステップ２１では、本発明に係る方法が総じて実行可能か否かが検査される。これに対する前提条件は、噴射のための冷却流体がそもそも存在していること、又は、燃焼室圧力センサ２０に対するエラー通知が存在していないこと、又は、内燃機関の暖機動作が終了していること、又は、他の前提条件が満たされていることである。これに続くステップ２２では、ノッキングの危険性を特定するために、現在継続中の燃焼の圧力が評価される。このために特に、圧力が閾値又は一連の閾値と比較され、ここでこの閾値は、圧力の高さだけではなく、圧力の時間的な発生も考慮する。この時間的な発生はたとえば、燃焼の開始後の時点として、又は、ピストンの上死点の前の時点として規定されてよく、さもなければ内燃機関の角度値として規定されてよい。ノッキングの危険性が閾値を上回ると、現在継続中の燃焼への冷却流体の噴射がトリガされる。典型的には、燃焼の後半において、ノッキングを生じさせる燃焼が生じる。従って、燃焼の後半において冷却流体の噴射を行うために、典型的に、発達中の燃焼の前半において、ノッキングの危険性が識別される。ステップ２２において、ノッキングの危険性が識別されない場合には、ステップ２２の後に、再び、ステップ２１が行われる。ステップ２２においてノッキングの危険性が識別されると、ステップ２２の後に、ステップ２３が行われ、ステップ２３において、現在継続中の燃焼への冷却流体の噴射が行われる。このような措置によって、ノッキングの発生が抑圧される、又は、少なくともノッキングの強度が低減される。ステップ２３の後に、再びステップ２１が行われる。

Claims (8)

1. 内燃機関の燃焼室（１０１）内への冷却流体の噴射を有している、内燃機関の動作方法であって、
   前記燃焼室内での現在の燃焼の際にノッキングの危険性を特定し、前記ノッキングの危険性が閾値を上回ると、前記冷却流体を前記燃焼室（１０１）内における前記現在の燃焼へ噴射する、
   ことを特徴とする、内燃機関の動作方法。
2. 前記ノッキングの危険性を判断するために、前記燃焼室（１０１）内の圧力を評価する、請求項１に記載の方法。
3. 前記燃焼室（１０１）内の圧力を直接的に燃焼室圧力センサ（２０）によって測定する、又は、間接的に固体伝搬音センサ若しくはイオン電流センサによって測定する、請求項２に記載の方法。
4. 閾値として、圧力を少なくとも１つの予測値と比較し、前記予測値は、前記燃焼の開始後の特定の時点での圧力又は前記内燃機関の角度位置に相当する、請求項２乃至４のいずれか一項に記載の方法。
5. 内燃機関に対する前記予測値を固定的に設定する、又は、前記内燃機関の継続動作中に学習する、請求項４に記載の方法。
6. 現在の燃焼の際に、前記ノッキングの危険性が前記閾値を、所定数の後続する燃焼の間に、上回ると、新たに前記ノッキングの危険性が前記閾値を上回るか否かとは無関係に、前記冷却流体の噴射を行う、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の方法。
7. 現在の燃焼の際に、前記ノッキングの危険性が前記閾値を、後続する燃焼の間に、上回ると、新たに前記ノッキングの危険性が前記閾値を上回るか否かとは無関係に、前記冷却流体の噴射を行い、前記内燃機関の動作条件の所定の変更が生じてはじめて、前記冷却流体の噴射を再び停止する、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の方法。
8. 内燃機関の燃焼室（１０１）内への冷却流体の噴射部を有している、内燃機関の動作装置であって、
   前記燃焼室（１０１）内での現在の燃焼の際にノッキングの危険性を特定し、かつ、前記ノッキングの危険性が閾値を上回ると、前記燃焼室（１０１）内における前記現在の燃焼への前記冷却流体の噴射を指示する手段が設けられている、
   ことを特徴とする、内燃機関の動作装置。

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