JP2021536544A - 内燃機関の再始動される気筒に対する分割直接噴射 - Google Patents

Abstract

前の作動サイクルにおいて休止させた再始動される気筒の作動サイクル中に、２つ以上の燃料パルスの直接分割噴射を調整するための車両、エンジンコントローラ、及び方法が説明される。再始動される気筒に対して分割噴射を用いることにより、再始動される気筒によって生成される粒子状物質及び粒子数（「ＰＭ／ＰＮ」）は削減される。【選択図】図５

Description

関連出願の相互参照
この出願は、２０１８年８月２９日出願の米国仮特許出願第６２／７２４，１５３号明細書、発明の名称「Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ ａｎｄ Ｎｕｍｂｅｒ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ Ｕｓｉｎｇ Ｓｐｌｉｔ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｗｉｔｈ Ｃｙｌｉｎｄｅｒ Ｄｅａｃｔｉｖａｔｉｏｎ」の優先権を主張し、全ての目的のためにその全てを引用して本明細書に組み込む。

本発明は、一般に、内燃機関の運転に関し、特に、１回以上の直前の作動サイクル中に休止させた再始動される気筒の作動サイクル中、１つのより大きな燃料パルスとは対照的に、２つ以上の比較的小さな燃料パルスの直接噴射によって粒子状物質及び粒子数（「ＰＭ／ＰＮ」）排出を低減させることに関する。

現在稼働中の大多数の車両は、内燃機関によって駆動している。内燃機関は、燃焼が発生する１つ以上の気筒を有している。通常の運転条件下において、内燃機関によって生成されるトルクは、運転者の要求及び運転条件を満たすために、広い運転範囲にわたって変化させる必要がある。

多くの種類の内燃機関の燃費は、エンジンの排気量を動的に変化させることによって大幅に改善することができる。動的排気量により、エンジンは必要な場合に全ての排気量を発生させることができるが、全トルクを必要としない場合はより小さな排気量で運転し、通常は結果として燃費が向上する。

排気量を変化させる最も一般的な方法は、１つ以上の気筒群を休止させることである。例えば、８気筒エンジンにおいて、２、４、又は６気筒の群を、様々なトルク要求を満たすよう、必要に応じて選択的に休止させてもよい。このアプローチにより、燃料は休止させた気筒に供給されず、それらの関連する吸気及び排気弁が閉じられて、ポンプ損失を防止する。気筒の休止は、従って、結果として燃費が向上する一方で、残りの動作中の気筒が必要な出力を生成して、現在のトルク需要を満たしている。

最新の内燃機関、特に自動車及びトラック等の車両によって用いられるものは、気筒への燃料の供給を燃料噴射に依存している。間接噴射及び直接噴射の２種類の燃料噴射システムが一般的である。

間接噴射において、燃料は吸気マニホルドと気筒との間の吸気ランナに噴射され、そこで空気と混合して混合気を生成する。混合気は、次いで、吸気行程中に、吸気弁が開き、ピストンが上死点（ＴＤＣ）から下死点（ＢＤＣ）に移動し、混合気を吸引する場合、気筒に導入される。

直接噴射により、燃料は気筒に直接噴射される。一般に、直接噴射は、間接噴射と比較して、気筒への燃料の供給量及びタイミングをより正確に制御することができるため、向上した燃費及び高い出力を提供する。

分割噴射は、直接噴射の公知のバリエーションである。分割噴射により、２つ、又は場合によってはそれ以上の燃料パルスが、所定の作動サイクル中に気筒に直接噴射される。分割噴射は通常、低温始動時の排出量を低減し、高負荷におけるノッキングを軽減するために採用される。分割噴射は現在、全ての気筒を燃焼させる従来の内燃機関で用いられている。出願人の知る限りにおいて、分割噴射は、全ての燃焼機会が気筒燃焼をもたらすものではない、即ち、気筒が燃焼されるのではなくスキップ又は休止される内燃機関で用いられていない。かかるエンジン種類は、１つ以上の固定群の気筒が休止される可変排気量エンジン、又は、エンジンの気筒の少なくとも一部が、エンジントルク要求に応答して任意の所定の燃焼機会に休止又は燃焼される可能性があるスキップファイア制御エンジンを含む。

本願は、前の作動サイクルにおいて休止させた再始動される気筒の作動サイクル中に、気筒への２つ以上の燃料パルスの分割噴射を調整するための車両、エンジンコントローラ、及び方法に向けられる。再始動される気筒に対して分割噴射を用いることにより、再始動される気筒によって生成されるＰＭ／ＰＮは削減される。

様々な実施形態において、再始動される気筒の稼働中の作動サイクル中に２つ以上の燃料パルスを直接噴射する決定は、以下のうちの１つに基づいて行われる。
（ａ）気筒の燃焼履歴。気筒がスキップされる度に、気筒は冷却される。予測アルゴリズムを用いることによって、気筒の動作温度は、気筒が所定数の前の作動サイクルの間に燃焼又はスキップされた回数を考慮することによって、極めて高い精度で特定することができる。気筒の特定された温度が閾値を下回っている場合、分割噴射を用いる決定を行うことができる。決定温度が閾値を上回っている場合は、単一パルス噴射が用いられる。
（ｂ）温度センサを用いて気筒の実際の温度を測定し、測定した温度が閾値を上回っているか又は下回っているかに応じて、単一又は分割直接噴射のどちらか一方を用いる決定を行う。
（ｃ）（ａ）及び（ｂ）の組み合わせ。

更に他の実施形態において、車両、エンジンコントローラ、及び方法は、燃焼機会がスキップ又は休止される任意の種類の内燃機関と共に用いられてもよい。実施例は、以下を含んでいてもよいが、これらに限定されない。
（ａ）１つ以上の気筒の群が様々なトルク要求を満たすよう休止される内燃機関。
（ｂ）各気筒を燃焼させるか又はスキップさせるかの決定が燃焼機会毎に行われる、動的に制御されるスキップファイア内燃エンジン。及び／又は、
（ｃ）燃焼される気筒の出力が幾つかの異なる出力レベルのうちの１つから選択されるダイナミックマルチレベルスキップファイア内燃機関。

更に他の実施形態において、内燃機関における直接燃料噴射を制御する方法が説明されている。エンジン内の気筒は、気筒が幾つかの作動サイクルでスキップされ、他の作動サイクルで燃焼されるように動作する。燃焼される作動サイクルにより、第１のサブセットは第１の燃料噴射パターンを用いて燃料を気筒内に噴射し、第２のサブセットは第２の燃料噴射パターンを用いる。第１の燃料噴射パターンは、第２の燃料噴射パターンよりも少ない燃料パルスを有していてもよい。

発明及びその利点は、添付の図面と共に以下の詳細な説明を参照することによって最良に理解される可能性がある。

図１は、本発明の包括的な実施形態による例示的な車両のエンジンコントローラ、内燃機関、及び排気システムの論理図である。 図２は、本発明による直接噴射を用いる内燃機関の例示的な気筒を示す。 図３Ａは、気筒の作動サイクルを示す。図３Ｂ〜３Ｅは、本発明の様々な実施形態による気筒の所定の作動サイクル中の２つ以上の燃料パルスの直接噴射を示す。 図４Ａ〜４Ｂは、発明の様々な包括的実施形態による作動サイクル中の燃料の１つ以上の直接噴射パルスの様々な実施例を示す。 図５は、本発明の包括的な実施形態によるマルチパルス及び単一パルス直接噴射の間で気筒動作を切り替えるためのステップのフロー図を示す。 図６は、単一燃料噴射による様々な燃焼密度に対する粒子状物質排出量対気筒負荷のプロットである。 図７は、図６に示したものと同じ燃焼密度に対する粒子状物質排出量対エンジン負荷のプロットである。 図８は、図７に提供したものと同じ燃焼密度に対する正味燃料消費率（ＢＳＦＣ）対エンジン負荷のプロットである。 図９は、回転燃焼パターン及び単一燃料噴射による複数の連続スキップを有する様々な燃焼密度に対する粒子状物質排出量対エンジン負荷のプロットである。 図１０は、分割燃料噴射による図９に示したものと同じ燃焼密度に対する粒子状物質排出量対エンジン負荷のプロットである。 図１１は、一部が分割噴射により、一部が単一噴射による幾つかの燃焼密度に対するＢＳＦＣ対エンジン負荷のプロットである。 図１２は、一定のエンジン負荷下の様々な燃焼密度に対する粒子状物質排出量対ＢＳＦＣのプロットである。 図１３は、単一噴射を用いる、１から２／３へ、そして１に戻る燃焼密度遷移による粒子状物質排出量対時間のプロットである。 図１４は、単一パルス噴射、二重パルス噴射、及び三重パルス噴射を用いる、１から１／２へ、そして１に戻る燃焼密度遷移による粒子状物質排出量対時間のプロットである。

図面において、同様の参照番号は、場合によっては、同様の構造要素を指定するために用いられる。図面内の描写は図示したものであり、一定の縮尺で描かれてはいないことも正しく認識するべきである。

本願は、１回以上の直前の作動サイクル中に休止された再始動される気筒の稼働中の作動サイクルへの２つ以上の燃料パルスの選択的分割直接噴射に向けられている。本願は、従って、気筒が選択的に休止される任意の内燃機関に適している。

ダイナミックスキップファイア（ＤＳＦ）
ＤＳＦエンジン制御は、選択した燃焼機会の間にある特定の気筒の燃焼を選択的にスキップすることを想定している。結果として、所定の効果的な減少させる排気量に対して、特定の気筒は、連続する作動サイクルにわたって、燃焼され、スキップされ、次いで、燃焼されるか又はスキップされるかのどちらか一方を行ってもよい。エンジンサイクルの観点から、連続するエンジンサイクルは、エンジンが同じ燃焼率又は燃焼密度で動作している間に、異なる気筒に燃焼及びスキップさせてもよい。対照的に、可変排気量エンジン制御では、所定の減少させた有効排気量のために、ある群の気筒は継続的に燃焼される一方で、別の群の気筒は継続的にスキップされる。

ＤＳＦエンジン制御は、従来の可変排気量アプローチを用いて可能であるものよりも、エンジンの有効排気量の極めて細かい制御を容易にする。例えばＤＳＦに関して、４気筒エンジンにおいて３気筒目毎に燃焼させることで、エンジン総排気量の３分の１の有効排気量が得られる。同じ４気筒エンジンにおいて、１つ以上の気筒の群を休止させるだけでは、同じ１／３の有効排気量を得ることはできない。

概念的に、実質上いかなる有効排気量もＤＳＦ制御を用いて得ることができるが、実際には、大多数の実用的な実装において、動作を固定セットの利用可能な燃焼密度、順序、又はパターンに制限する。ＤＳＦのある特定の実装において、特定の作動サイクル中に特定の気筒をスキップするか又は燃焼させるかに関する燃焼決定はリアルタイムで行われる。言い換えれば、決定は、多くの場合、作動サイクルの開始直前に行われ、多くの場合、燃焼機会に基づいて個々の気筒燃焼機会に行われる。

定義されたセットの燃焼パターン又は燃焼密度に依存するＤＳＦ実装に関して、それぞれは対応する有効なエンジン排気量を有している。特定の内燃機関のために用いられてもよい燃焼パターン／密度のセットは、限られたもの（例えば、多数の端数、例えば、１／４、１／３、１／２、２／３、及び１）から極めて多く用いるものまで、多種多様であってもよい。後者の例として、出願人によって設計された幾つかのスキップファイアコントローラは、９以下の整数分母を有する０〜１の間の燃焼率を有する任意の燃焼密度での動作を容易にしている。かかるコントローラは、具体的には、０、１／９、１／８、１／７、１／６、１／５、２／９、１／４、２／７、１／３、３／８、２／５、３／７、４／９、１／２、５／９、４／７、３／５、５／８、２／３、５／７、３／４、７／９、４／５、５／６、６／７、７／８、８／９、及び１の２９個の潜在的な燃焼率のセットを有している。

２９個の潜在的な燃焼率が可能であってもよいが、全ての燃焼率が全ての状況において用いることに適しているわけではない。むしろ、どのような時でも、適切な運転性並びに騒音、振動、及びハーシュネス（ＮＶＨ）制約を満たしながら、所望のエンジントルクを出力することができる燃焼率のより多くの限定されたサブセットが存在してもよい。

出願人は、スキップファイア制御に対する様々なアプローチを説明する多くの特許を申請している。一例として、米国特許第７，８４９，８３５号明細書、同第７，８８６，７１５号明細書、同第７，９３４，４７４号明細書、同第８，０９９，２２４号明細書、同第８，１３１，４４５号明細書、同第８，１３１，４４７号明細書、同第８，４６４，６９０号明細書、同第８，６１６，１８１号明細書、同第８，６５１，０９１号明細書、同第８，８３９，７６６号明細書、同第８，８６９，７７３号明細書、同第９，０２０，７３５号明細書、同第９，０８６，０２０号明細書、同第９，１２０，４７８号明細書、同第９，１７５，６１３号明細書、同第９，２００，５７５号明細書、同第９，２００，５８７号明細書、同第９，２９１，１０６号明細書、同第９，３９９，９６４号明細書等は、スキップファイア動作モードで多種多様な内燃機関を動作させるよう実用に供する様々なエンジンコントローラを説明している。これら特許のそれぞれを、全ての目的のために引用して本明細書中に組み込む。

ダイナミックマルチレベルスキップファイア
ダイナミックマルチレベルスキップファイアはＤＳＦの一変形例である。ダイナミックマルチレベルＤＳＦに関して、燃焼機会毎に基づいて個々の気筒をスキップ又は燃焼させるかのどちらか一方を決定するだけでなく、幾つかの可能な出力レベルのうちの１つも、燃焼させた気筒毎に選択される。異なる空気充填及び／又は燃料レベルを選択的に用いることによって、個々の気筒の仕事量を制御又は調整して、異なる出力レベルを有することができる。個々の作動サイクルが異なる気筒出力レベルで動作させるダイナミックマルチチャージレベルエンジン操作は、全ての気筒が常に燃焼されるエンジン、又は、気筒のバンクを休止することができるエンジンを含むＤＳＦ以外の様々な種類のエンジン制御に適用されてもよい。一例として、米国特許第９，３９９，９６４号明細書は、ダイナミックマルチレベルスキップファイアエンジン操作の様々な実装を説明しており、全ての目的のために引用して本明細書に組み込んでいる。

ダイナミックスキップファイア及びダイナミックマルチチャージレベルエンジン操作は、各作動サイクルの出力（例えば、スキップ／燃焼、高／低、スキップ／高／低、等）がエンジンの運転中、通常は、燃焼機会毎に基づくことによって個々の気筒燃焼機会時、及び、多くの場合、各燃焼機会の直前で、対応する作動サイクルが開始される前に、動的に特定される異なる種類のダイナミック燃焼レベル変調エンジン操作を集合的に考慮してもよい。

粒子状物質及び数（「ＰＭ／ＰＮ」）
直噴エンジンは、主に２つの間の空気及び燃料の均一な混合の相対的な程度のために、間接噴射エンジンよりも高レベルのＰＭ／ＰＮを排出することが公知である。間接又はポート噴射により、空気及び燃料は吸気ランナ内で「予混合」される。気筒内では、更に混合が生じる。結果として、（１）空気及び燃料の比較的均一な混合気が気筒内で達成され、（２）仮にあったとしても、極めて少ない液体燃料が気筒内壁に衝突する。一方、直接噴射により、吸気ランナにおいて「予混合」が生じないため、空気及び燃料が完全に混合する機会は少ない。混合の機会が少なければ、空気燃料混合気は（１）均一性が低くなる傾向があり、燃料が豊富なポケット及び／又は液体燃料の液滴が燃焼の開始時に気筒内に存在する可能性を意味し、（２）液体燃料が気筒の壁に衝突する可能性が高くなる。

燃料が気筒壁に衝突するか又は「濡らす」場合、液膜が気筒壁上に形成される。液体燃料が燃焼温度に曝露される場合、それは曝露した燃料表面における酸素の不足により、完全燃焼するのではなく炭化する。これらの炭素堆積物は、次いで、排気弁が開くと、排気行程中に粒子状のＰＭ／ＰＮ排出物として気筒から一掃される。これらの理由から、直噴エンジンは、それらの間接噴射相当物よりも比較的高いレベルのＰＭ／ＰＮ排出レベルを有する傾向にある。

気筒休止及びＰＭ／ＰＮ
気筒休止は、その燃料節約の利点にもかかわらず、幾つかの欠点を有する。気筒が休止されると、冷える傾向がある。気筒が１回以上の連続する作動サイクルに対して休止された場合、気筒の動作温度はその理想動作温度範囲を下回る可能性があることが見出された。その結果、気筒が再始動する場合、冷えた気筒温度は、噴射された燃料の噴霧が長い噴霧浸透長を有する原因となり、即ち、燃料は気化する前に液体として気筒内を更に移動することを意味する。

燃料の気化が遅いと、少なくとも２つの理由でＰＭ／ＰＮ排出量が増加する傾向がある。
（１）燃料が気化するまでの時間が長いほど、燃料が空気と混合する機会が少なくなる。結果として、燃料が豊富なポケットが燃焼室内に発生し、より均一な混合気と比較して、燃焼時に高レベルのＰＭ／ＰＮ排出量が生成される傾向がある。
（２）液体の移動時間が長くなると、結果として燃料がピストン及び気筒の内壁を「濡らす」か又は衝突する可能性がある。これが生じると、液膜が表面に形成され、炭化し、上で検討したように、排気行程中に気筒から一掃される。

ＤＳＦ制御の内燃機関により、ＰＭ／ＰＮ排出問題が更に悪化する。例えば、８気筒のうちの３気筒がエンジンサイクル中に休止（即ち、スキップ）した場合、残りの５つの稼働中の気筒は、全ての気筒が燃焼する場合と比較して、要求される需要を満たすためにより多くのトルク出力を生成する必要がある。増大する需要を満たすため、全ての気筒操作に必要とされるよりも多くの燃料を稼働中の気筒に噴射する必要がある。より大きな燃料質量の噴射により、気筒の内壁の濡れが生じる可能性が高くなり、ＰＭ／ＰＮ排出量が増加する可能性がある。

少なくとも上で説明した理由から、ＤＳＦ及びマルチレベルＤＳＦ制御エンジンは、気筒休止機能を有する他の種類のエンジンよりも高レベルのＰＭ／ＰＮ排出量を生成する傾向がある。

直接分割噴射
出願人は、気筒を休止させた１回以上の作動サイクルに続いて、直接分割噴射が再始動する気筒に対して用いられた場合、ＰＭ／ＰＮ排出量を削減できることを見出した。分割噴射により、１つの大きなパルスとは対照的に、２つ（又はそれ以上）の小さな燃料パルスが特定の気筒に噴射される。各噴射での比較的少ない量の燃料により、噴霧浸透長が短くなり、これにより（１）燃料が迅速に気化することを可能にし、空気燃料混合気の均一性を向上させ、（２）気筒の壁に衝突又はそれを濡らす燃料の可能性を低減する利点を提供する。結果として、ＰＭ／ＰＮ排出量が削減される。２つ以上のより小さな燃料パルスの総燃料質量は、通常、より大きな単一の燃料パルスの燃料質量と等しいことに留意されたい。しかし、これは必ずしも必要ではない。

気筒熱特性
気筒の熱特性は、内燃機関毎に異なる可能性がある。一部の内燃機関に関して、１つの作動サイクル（即ち、燃焼機会）の休止は、気筒の動作温度を大幅に低下させない場合がある。その場合、スキップ又は休止させた作動サイクルの直後に、再始動される気筒に対して直接分割噴射を実施することは、ＰＭ／ＰＮ排出量を削減する目的のためには望ましくないか又は必要ではない場合がある。一方、同じ気筒が数回の直前の作動サイクルにわたって複数回休止された場合、気筒は、再始動時に直接分割噴射を実施することが望ましい点まで大幅に冷却される可能性がある。他の内燃機関に関して、１回の作動サイクルのみに対して気筒を休止すると、結果として十分な冷却が得られる可能性があり、それによって、分割直接噴射が、次の作動サイクル中の再始動時にＰＭ／ＰＮ排出量を削減するために望ましいか、又は必要となる。従って、エンジン設計の詳細に応じて、分割噴射は、１回のスキップ、２回の連続スキップ、３回の連続スキップ、４回の連続スキップ、又は任意の大きい数の連続スキップの後に始動される気筒に対して用いられてもよい。

逆に、「低温」気筒を通常動作温度範囲まで加熱する必要がある連続した稼働作動サイクルの数も大きく異なる可能性がある。一部の内燃機関に関して、１回の能動的に燃焼する作動サイクルで十分な場合がある。他の内燃機関に関して、２回以上の能動的に燃焼する作動サイクルが、「低温」気筒に対して、分割噴射が望ましい閾値よりも上のその通常又は高温動作温度範囲まで加熱するために必要とされる可能性がある。

気筒の「高温」又は通常動作温度範囲も、内燃機関毎に大きく異なる可能性がある。一般に、気筒の内壁の高温動作温度は約１５０°〜１７５℃の範囲であってもよく、ピストンのヘッドは２２５℃〜２５５℃の範囲であってもよい。過給内燃機関の場合、これらの範囲はより高く、例えば、最大３００℃であってもよい。これらの範囲は単なる例示であり、いかなる点においても制限するものとして解釈すべきではないことは言うまでもない。様々な内燃機関の実際の実施形態において、「低温」又は「高温」と見なされる可能性のある温度は大きく変動する可能性がある。

例示的な実施形態
図１を参照すると、例示的な車両のエンジンコントローラ１２、内燃機関１４、及び排気システム１６の論理図１０を示している。内燃機関１４は複数の気筒１８を含む。図示の実施形態において、内燃機関１４は４つの気筒を含んでいる。この数は大きく異なる可能性があることは言うまでもない。他の実施形態において、気筒１８の数は、例えば、１、２、３、５、６、８、１２、１６又はそれ以上の範囲であってもよい。気筒は、バンクに配置してもよく、又は直列構成であってもよい。

エンジンコントローラ１２は、少なくとも１つの気筒が所定の作動サイクル中に選択的に休止（即ち、スキップ）されてもよい任意の方法で内燃機関１４を動作させるよう配置されている。例えば、様々な代替の実施形態において、エンジンコントローラ１２は、（ａ）１つ以上の気筒の群を選択的に休止するか、（ｂ）ＤＳＦエンジンコントローラとして、各気筒１８を燃焼又はスキップさせる決定が燃焼機会毎に基づいて行われるか、又は（ｃ）ダイナミックマルチレベルスキップファイア内燃機関として、燃焼される気筒１８の出力が幾つかの異なる可能な出力レベルのうちの１つから選択されるよう動作してもよい。

内燃機関１４はまた、火花点火又は圧縮点火のどちらか一方であってもよい。前者に関して、各気筒１８の仕事行程の前又は開始時に点火プラグ等により生成される火花を用いて空気燃料混合気に点火する。後者の場合、点火は、圧縮行程の終わり近くの圧力及び高温の組み合わせによって開始される。

排気システム１６は、燃焼の副産物であるＰＭ／ＰＮ排出を含む望ましくない汚染物質の排出を制限するよう設けられている。排気１６内の構成部品は、内燃機関の種類に応じて変更してもよい。火花点火ガソリンエンジンに関して、排気システム１６は、通常、未燃焼炭化水素及び一酸化炭素を酸化し、亜酸化窒素（ＮＯ_ｘ）を還元することの両方を行う三元触媒を含んでいる。これらの触媒は、酸化及び還元反応の両方が起こり得るように、平均してエンジンの燃焼が化学量論的な空燃比において又はその付近である必要がある。圧縮点火エンジンは概してリーンで動作する。その結果、ディーゼルエンジン等の圧縮点火エンジンは、排出ガス規制を満たすために従来の三元触媒に依存することができない。代わりに、それらは他の種類の後処理装置を用いてＮＯ_ｘ排出量を削減している。これらの後処理装置は、リーンＮＯ_ｘトラップ及び選択的触媒還元（ＳＣＲ）の組み合わせを用いて、亜酸化窒素を分子状窒素に還元してもよい。加えて、圧縮点火エンジンは、微粒子フィルタを用いるか又は必要として煤煙の排出を削減してもよい。様々な実施形態において、排気システム１６は、上に挙げた後処理要素のうちの１つ以上の任意の組み合わせを含んでいてもよい。

気筒１８は、数に関係なく、稼働中の（「燃焼された」）作動サイクル中にトルク出力を生成するよう構成されている。様々な実施形態において、内燃機関１４は、任意の数のストロークエンジン、例えば、４ストローク又は２ストロークエンジンのどちらか一方であってもよい。

直接噴射
図２を参照すると、直接噴射による例示的な気筒１８の断面を示している。気筒１８は、ピストン２０、吸気ランナ２２、吸気弁２２Ａ、排気弁２４、排気ランナ２４Ａ、点火プラグ２６、及び直接燃料噴射要素２８を含んでいる。

作動サイクル中、ピストン２０は、一般に上死点（ＴＤＣ）及び下死点（ＢＤＣ）と称する位置の間を往復している。

吸気ランナ２２は、吸気弁２２Ａが開放される場合に気筒１８に空気を供給する。

排気弁２４は、開放されると、燃焼ガス及び他の粒子状物質が、気筒１８から排気ランナ２４Ａを通って排気システム１６（図示せず）に排出されることを可能にしている。

点火プラグ２６は、気筒１８内の空気燃料混合気に点火する火花を生成する。

直接燃料噴射要素２８は、燃料を気筒１８に直接噴射するよう配置されている。以下でより詳細に説明するように、直接噴射要素２８は、任意の所定の作動サイクルの１つ以上のストローク中に、単一の比較的大きな燃料パルス、又は代替として、２つ以上のより小さなパルスを噴射することが可能である。

図示する実施例において、気筒１８は火花点火される。気筒１８が圧縮点火に依存する場合、それは本質的に図示するものと同じであるが、点火プラグ２６を持たない。

任意の実施形態において、温度センサ２９は、その動作温度を測定するために、気筒１８上又はその近傍に設けられてもよい。

以下に説明するような分割直接噴射は、行程数に関係なく、任意の内燃機関により用いることができるが、以下の説明は、簡潔にするために、４ストロークエンジンの文脈においてのみ説明している。

図３Ａを参照すると、４ストローク内燃機関１４の気筒１８の作動サイクルを示している。この特定の実施例において、４ストロークは、吸気行程、圧縮行程、仕事行程、及び排気行程を含んでいる。４行程の全てはクランクシャフトの２回転、即ち合計７２０度のクランクシャフト回転において完了する。

以下でより詳細に説明するように、直接燃料噴射要素２８は、吸気中に燃料を噴射してもよく、また、圧縮及び／又は仕事行程も可能である。吸気行程中の燃料噴射により、燃料空気の混合に対する最大限の時間が可能である。

作動サイクル中、所定の気筒１８は以下のように動作する。
・吸気行程において、吸気弁２２Ａが開かれ、ピストン２０はＴＤＣからＢＤＣに移動し、結果として、空気が吸気ランナ２２からチャンバに導入される。空気は、燃料噴射要素２８によって噴射された燃料と混合する。
・圧縮行程において、吸気弁２２Ａが閉じられ、ピストンはＢＤＣからＴＤＣに移動し、気筒内で空気燃料混合気を圧縮し、圧縮行程の終わり近くで、点火プラグ２６が火花を生成し、圧縮された空気燃料混合気を燃焼させる。
・仕事行程において、燃焼フロントは密閉された気筒容積全体に伝播し、閉じ込められたガスの温度及び圧力の大幅な上昇を生じる。結果として、ピストンがＴＤＣからＢＤＣ位置に移動し、気筒はトルク出力又は仕事を生じる。
・排気行程において、排気弁２４が開かれ、ピストンはＢＤＣからＴＤＣに移動し、ガス、粒子状物質、及び他の汚染物質を含む燃焼の副産物を排気ランナ２４Ａを通り、排気システム１６内に強制的に排出する。

所定の作動サイクルが完了すると、ピストン２０は再度ＴＤＣ位置にあり、気筒はその次の作動サイクルを開始する準備ができている。

分割噴射に関して、直接燃料噴射要素２８は、作動サイクルの吸気、圧縮、及び／又は仕事行程のうちの１つ以上の間に２つ以上の比較的小さな燃料パルスを噴射するよう配置されている。図３Ｂから図３Ｅを参照すると、幾つかの代替実施形態の図を示している。特に、
・図３Ｂは、両方とも吸気行程中に噴射される第１のパルス３０及び第２のパルス３２を示している。
・図３Ｃは、吸気行程中の第１のパルス３０と、圧縮行程中の第２のパルス３２とを示している。
・図３Ｄは、それぞれ吸気、圧縮、及び仕事行程における第１、第２、第３のパルス３０、３２、及び３４を示している。
・図３Ｅは、吸気行程における第１及び第２のパルス３０及び３２、並びに仕事行程における第３のパルス３４を示している。

仕事行程において燃料パルスの直接噴射による後者の２つの実施例は、希薄燃焼圧縮点火エンジンに対してより適している。これらの種類のエンジンに関して、過剰な粒子状物質及びＣＯが燃焼後に気筒内に残る可能性がある。仕事行程中に少量の燃料を噴射することによって、これらの粒子状物質及びＣＯを排気行程の前に燃え尽くして、ＰＭ／ＰＮ及びＣＯ排出量を削減させてもよい。

図３Ｂ〜３Ｅに示す燃料パルスの持続時間は同じ長さで示しているが、これは必須ではない。分割噴射における各燃料パルスの持続時間は異なっていてもよい。

燃料パルスの分布は、図３Ｂ〜３Ｅに明示的に示したものに限定されないことを正しく認識するべきである。２つ以上のパルスは、任意の行程、又は行程の組み合わせにおいて噴射することができる。異なるパルス持続時間の任意の数の燃料パルスが、気筒作動サイクルの異なる行程の間に分配されてもよい。

パルス幅及び燃料噴射圧力
気筒内に直接噴射されるパルスの燃料噴霧浸透長は、理想的な空気燃料混合を提供することにおいて、及び、上で説明したようにＰＭ／ＰＮ排出量を制限するために重要である。任意のパルスに対する燃料噴霧浸透長は、（１）燃料パルスの持続時間又は幅、及び（２）燃料が気筒内に噴射される圧力を含む少なくとも２つのパラメータを制御することによって最適化することができる。

気筒１８の大きさ及び他の特性は、内燃機関毎に異なる可能性がある。あるエンジンにとって理想的な燃料噴霧浸透長は、別の内燃機関には不十分な可能性がある。パルス幅及び圧力パラメータを調整することによって、所望の噴霧浸透長は、様々なエンジンに対して実現することができる。例えば、幾つかのエンジンに関して、最適化される燃料噴霧浸透は、低圧で噴射されるより長いパルス幅を用いて達成される可能性がある。他のエンジンに関して、最適化された燃料噴霧浸透長は、高圧でより短いパルス幅により達成される可能性がある。

分割噴射に関して、各パルスに対する所望の燃料噴霧浸透長は、従って、噴射パルス幅を選択し、任意に燃料レール圧力を調整することによって個別に制御することができる。図４Ａ〜４Ｂは、包括的な実施形態による、燃料の直接噴射パルスの様々な実施例を示している。いずれの場合も、異なる噴霧浸透長が実現される。

図４Ａにおいて、燃料パルス（第１、第２、又は第３のパルス３０、３２、又は３４の何れか）は、持続時間が約０．８ミリ秒であり、３４０バールの燃料レール圧力により供給される。出願人は、ある特定の内燃機関（例えば、４気筒、４ストロークフォルクスワーゲンターボチャージャ付ガソリン直噴（Ｔ−ＧＤＩ）エンジン）に関して、パルス幅及び圧力のこの組み合わせが、所望の燃料噴霧浸透長を提供することを見出した。比較すると、１６００ｒｐｍで動作するエンジンのストローク持続時間は１８．７５ミリ秒であり、そのため、燃料パルス持続時間はストローク持続時間の５％未満と僅かなものに過ぎない。このパルス幅及び圧力の組み合わせは単なる例示であり、いかなる点においても制限するものとして解釈すべきではないことは言うまでもない。異なる内燃機関に対して、持続時間がより短いか又は長く、より高いか又はより低いかのどちらか一方の圧力で噴射されるパルスを用いてもよい。

図４Ｂにおいて、２つの例示的なパルスを示している。この実施例において、第１のパルス３０は、第２のパルス３２（及び場合によっては第３のパルス３４）よりも長い持続時間を有する。この実施例は、異なる幅及び／又は圧力を有するパルスを用いることによって、それぞれについて結果として生じる燃料噴霧浸透長が異なる可能性があることを示している。言い換えれば、複数の燃料噴射を有する作動サイクル中の噴射される燃料パルス毎に、個々のパルスが同じ持続時間を有する必要はない。

単一対分割噴射制御
エンジンコントローラ１２は、（１）どの気筒１８がそれらの燃焼順序で稼働（即ち、燃焼）又は休止（例えば、スキップ）すべきかを決定し、（２）稼働する気筒について、単一又は分割噴射を用いるべきかを決定し、（３）直接燃料噴射要素２８を管理して燃料パルス３０、３２、及び／又は３４のタイミング及び持続時間を制御し、それぞれについての所望の総噴射燃料質量及び燃料噴霧浸透長を達成することに関与する。

上で述べたように、「低温」気筒１８への直接噴射は、増加するＰＭ／ＰＮ排出量のために問題となる可能性がある。一方、全ての稼働中の燃焼機会に対して、常に分割噴射を用いることにもその欠点を有する。分割噴射の常時使用は、（１）燃料噴射装置要素２８を摩耗させ、（２）単一の大きなパルスと比較して、精密又は精度の低い燃料供給を提供する。

エンジン１４の動作中、所定の気筒１８の温度は、その燃焼履歴（即ち、直前の数回の燃焼機会にわたる燃焼及びスキップのパターン）に応じて、「低温」及び「高温」の温度の間で変動する。単一又は分割噴射を用いることに対する決定は、気筒を燃焼させる直前の気筒の動作温度に大きく依存する。「低温」の場合、分割噴射を用いるのが好ましい。「高温」の場合、単一噴射を用いるのが好ましい。様々な実施形態において、気筒の温度は、以下のうちの１つを用いて特定される。
（１）過去数回の燃焼機会（例えば、過去１〜５回の燃焼機会又は幾つかの代替履歴長さ）にわたる気筒の燃焼履歴に基づいて温度を予測するアルゴリズムを用いることによって。前述のように、気筒が１回以上のスキップ後に冷えるか、又は１回以上の燃焼後に加熱される程度は、エンジン毎に大きく異なる可能性がある。特定のエンジン及び／又は車両で用いられるアルゴリズムを調整することによって、気筒の実際の温度は、通常、極めて高いレベルの精度で予測又は特定することができる。予測された温度により、単一又は分割噴射を用いることに対する決定を容易に行うことができる。予測温度が温度閾値を下回っている場合は、分割噴射が用いられる。予測温度が温度閾値を上回っている場合は、単一パルス噴射が用いられる。
（２）温度センサ２９を用いて気筒の実際の温度を測定し、測定した温度が閾値を上回っているか又は下回っているかに応じて、単一噴射又は分割噴射のどちらか一方を用いることを決定する。
（３）（１）及び（２）の組み合わせ。

図５を参照すると、内燃機関１４の気筒１８に対して単一又は分割噴射のどちらを用いるかを決定するためにエンジンコントローラ１２によって実施されるステップを示すフロー図５０を示している。

初期ステップ５２において、エンジンコントローラ１２は、内燃機関１４の燃焼順序における次の気筒１８を選択する。

ステップ５４において、エンジンコントローラ１２は、選択した気筒１２が次回の作動サイクルにおいて稼働されるか又は休止されるかを決定する。休止する場合、制御はステップ５２に戻り、ここで燃焼順序の次の気筒がやがて選択される。選択した気筒１８が稼働する場合、決定５６が行われる。

決定５６において、選択した気筒１８の温度は、上で説明した方法（１）、（２）、又は（３）の何れかを用いて確認される。温度が予測、特定、及び／又は測定されると、閾温度と比較される。

ステップ５８において、エンジンコントローラ１２は、予測、特定、及び／又は測定した温度が温度閾値を上回っている場合、単一パルス噴射を用いることを決定する。

代替として、ステップ６０において、エンジンコントローラ１２は、予測、特定、及び／又は測定した温度が温度閾値を下回っている場合、分割噴射を用いることを決定する。かかる状況において、気筒は「低温」であり、分割噴射を用いることで、ＰＭ／ＰＮ排出量を削減することを助ける。

単一又は分割噴射を用いるかに関係なく、制御はステップ５２に戻り、燃焼順序の次の気筒が選択され、ステップ５４〜６０が繰り返される。上記のプロセスは、それぞれ、各エンジンサイクルに対する燃焼順序において各気筒１８に対して継続的に繰り返される。このようにして、気筒１８のそれぞれに対する燃焼機会毎に、エンジンコントローラ１２は、（ａ）気筒１８を稼働又は休止し、（ｂ）作動サイクルについて、単一又は分割噴射のどちらか一方を用いるよう決定を行う。

上記のアプローチにより、分割噴射は必要な場合にのみ（即ち、気筒が「低温」の場合にのみ）用いられる。特定の気筒は温度が変動するため、分割噴射は「低温」の場合にのみ用いられ、「高温」の場合には用いられない。「低温」気筒１８が連続的な燃焼機会において燃焼される場合、それは最終的に加熱される。気筒の温度が閾値を超えると、単一噴射が用いられる。逆に、高温の気筒が１回以上の燃焼機会に対してスキップされると、閾値を下回る温度まで冷却される可能性がある。気筒の再始動時、その温度が上昇し、閾値を超えるまで、分割噴射が用いられる。

上で説明したアプローチは、（１）「低温」気筒が燃焼する場合のＰＭ／ＰＮ及び炭化水素排出量の低減、（２）分割噴射が必要な場合にのみ用いられるため、噴射装置要素２８に関する摩耗及び損傷の低減、及び（３）単一パルス噴射を用いる「高温」気筒へのより正確な燃料質量供給を含む多くの利点を提供する。

特殊ケース
減速時気筒カットオフ（ＤＣＣＯ）は、車両が下り坂で又は停止するために惰性走行している場合等の、運転者又は他の自律又は半自律運転コントローラがトルクを要求しない（例えば、アクセルペダルを踏んでいない）場合のある特定の運転状況において生じる。ＤＣＣＯにおいて、エンジンの気筒には通常、燃料が供給されておらず、吸気及び／又は排気弁は閉じられている。結果として、燃料が節約され、ポンプ損失が減少する。ＤＣＣＯ動作中の気筒は、通常、多数の連続する燃焼機会にわたって燃焼されないため、それらは冷える傾向にある。従って、本発明の文脈において、出願人は、ある特定の包括的な実施形態において、ＤＣＣＯ動作の終了時及び再始動された気筒が温度閾値を超える「高温」の温度に達するまで、全ての再始動される気筒に対する分割噴射の使用を提唱する。

車両がアイドリングしている場合、通常、極めて少量の燃料がエンジンの気筒に噴射される。アイドリングしているエンジンの気筒への単一パルスの直接噴射は、従って、車両がアイドリングしている場合に極めて少量の燃料を２つ以上のパルスに分割することは単一パルスを噴射するよりも困難であるため、概して好ましい。

内燃機関１４の１つ以上の気筒１８を、１つ以上の気筒が休止する作動サイクル中に幾つかの異なる形態のガススプリングの１つとして動作させることが有利である可能性がある。かかる形態のガススプリングは、低圧排気スプリング（ＬＰＥＳ）、高圧排気スプリング（ＨＰＥＳ）、又は空気スプリング（ＡＳ）を含んでいてもよいが、これらに限定されない。これらのガススプリング種類は、米国特許出願第１５／９８２，４０６号明細書において説明されており、全ての目的のために引用して本明細書に組み込む。用いるガススプリングの種類によって、燃焼及びスキップに応じた気筒の温度発展は異なる。例えば、ＨＰＥＳとして動作する休止気筒は、空気スプリングで動作する休止気筒よりも緩慢に冷却される。圧縮点火エンジンに対して、スキップされた作動サイクルは休止しない可能性があり、即ち、吸気及び排気弁は、スキップした作動サイクルを通して空気を圧送して開閉し続ける可能性がある。スキップした作動サイクルは燃料を噴射せず、従って、トルクを提供しない、即ち、スキップされる。気筒を介して空気を圧送することは、ガスが上で説明したガススプリングトラップモードのうちの１つを用いて気筒燃焼室内に閉じ込められる場合よりも急速に気筒を冷却する傾向がある。これを念頭に置いて、単一対分割噴射を決定するために用いられる任意の予測アルゴリズムは、異なる種類のガススプリング又は空気を圧送する作動サイクルにより動作する場合に、気筒の異なる温度冷却プロファイルを考慮に入れてもよい。

前で説明したように、エンジンは、ダイナミック燃焼レベル変調エンジン制御を用いてもよく、各作動サイクル（例えば、スキップ／燃焼、高／低、スキップ／高／低等）の出力は、エンジンの動作中に動的に決定される。燃焼種類は噴射パターンに影響を与える可能性がある。低出力燃焼機会に対する噴射燃料質量は、高出力燃焼機会に対する噴射燃料質量よりも少なくなる。従って、一エンジンサイクルにおける燃料噴射の総持続時間は、高出力燃焼イベントよりも低出力燃焼イベントにおいて短くなる。再始動される気筒は、高出力燃焼機会と比較して、低出力燃焼機会で動作する場合、より緩慢に加熱される。従って、気筒が低又は高出力レベルで動作するか、及び気筒の燃焼履歴に応じて、異なる噴射パターンを用いてもよい。

一部のエンジン、例えば、希薄燃焼エンジンは、分割噴射を用いて定期的に動作してもよいことは、正しく認識するべきである。例えば、ディーゼルエンジンは、パイロット噴射、メイン噴射、及び複数のポスト噴射からなる噴射パターンを定期的に用いてもよい。パイロット噴射は、燃焼音の低減に役立つ。メイン噴射は、気筒の燃焼に関連するトルクの多くを生成する。１回以上のポスト噴射は、通常、ほとんどトルクを生成しないが、排気ガスの温度を上げて排出量を制限するために用いられてもよい。これらのエンジンに対して、単一及び分割噴射のどちらか一方を用いるのではなく、燃焼履歴又は気筒の温度に応じて異なる噴射パターンを用いてもよい。例えば、第１の燃料噴射パターンがある場合には用いられてもよく、第２の燃料噴射パターンが他の場合に用いられてもよい。第１の燃料噴射パターンは、第２の燃料噴射パターンよりも少ない燃料パルスを有していてもよい。第２の燃料噴射パターンは、気筒温度閾値に達するまで用いられてもよい。

フォルクスワーゲンＴ−ＧＤＩエンジン及びＤＳＦによるＰＮ／ＰＮ実験
ＤＳＦエンジン制御より作動する４気筒、４ストローク、ターボチャージャ付ガソリン直噴（Ｔ−ＧＤＩ）エンジンの燃費及び粒子状物質排出量への影響を調査した。休止作動サイクル後に再始動される気筒に対して、分割パルス噴射を含む最適化された燃料噴射ストラテジーは、粒子状物質の排出を実質的に軽減できることが見出された。

エンジン改良
Ｔ−ＧＤＩエンジンによるＤＳＦ操作の有効性を実証するため、フォルクスワーゲン１．８リッターＥＡ８８８Ｇｅｎ．３ターボチャージャ付４気筒エンジンを用いた。エンジンの幾つかの重要な仕様を以下の表Ｉに要約する。

表Ｉにおいて、ＤＯＨＣはデュアルオーバーヘッドカムの略であり、ＣＡはクランクシャフト角度の略、ＡＴＤＣは上死点後の略、ＤＲＦＦは休止用ローラフィンガフォロワの略、ＯＣＶはオイル制御弁の略である。

エンジンはＤＳＦで動作するよう改修され、各弁にＤｅｌｐｈｉ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓの休止用ローラフィンガフォロワ（ＤＲＦＦ）と各気筒のための関連するオイル制御弁（ＯＣＶ）を後付けした。気筒寸法形状及び弁リフトプロファイルは、元のエンジンから引き継いだ。高圧（３５０バール）Ｄｅｌｐｈｉ直噴システムが、ストックの直噴システムの代わりに用いられた。

この調査で用いた燃料は、アンチノック指数（ＡＫＩ）８７を有するカリフォルニア大気資源委員会（ＣＡＲＢ）低公害車（ＬＥＶ）ＩＩＩガソリンであった。エンジンは、ダイナモメータ上に搭載されたフォルクスワーゲンジェッタに動力を供給するために用いられた。様々なエンジン入力及び出力パラメータを試験中に測定した。

燃焼シーケンス
燃焼密度（ＦＤ）は、総燃焼機会のうちの燃焼イベントの数を表すために用いられ、燃焼率とも称する。気筒の総数に応じて、一部のＦＤは、一部のエンジン気筒を連続的にスキップさせ、他の気筒を連続的に燃焼させる。これらのＦＤは、多くの場合、４気筒エンジンに対する１／２及び３／４ＦＤ等の固定燃焼パターンと称する。一方、４気筒エンジンに対する１／３及び２／３ＦＤ等の回転燃焼パターンは、エンジン気筒をサイクル間で燃焼とスキップとの間で切り替える。ＦＤが１の場合、固定燃焼パターンと見なされ、全気筒モードと同等である。

試験結果及び分析
図６は、単一パルス燃料噴射による１６００ｒｐｍでの様々な燃焼密度に対するＰＮ測定値対気筒負荷を示している。予想通り、ＰＮ排出量は、気筒負荷が増加すると増加する。ここで、気筒負荷は、気筒燃焼図示平均有効圧（ＩＭＥＰ）として定義され、燃焼気筒のみの平均ＩＭＥＰである。所定の気筒負荷において、検査したＦＤの排出ＰＮは、誤ったデータ点であると考えられる９バールのＩＭＥＰにおける３／４ＦＤを除いて、互いの測定不確実性内にあった。同じ気筒を連続的に燃焼させるＦＤ＝１／２、３／４、及び１等の固定燃焼パターンは、全ての気筒操作に比べてＰＮ排出量に関する最小限の影響しか及ぼさないことが予想され、観察されている。しかし、ＦＤ＝２／３等の回転パターンに対し、ＰＮ排出量は、図６に示すように、所定の気筒ＩＭＥＰにおける固定パターンと同等であった。燃焼密度が２／３の場合、任意の所定の気筒は２つの連続する作動サイクル中に燃焼され、次いで、１回の作動サイクルの間にスキップされ、次いで、更に２回の連続する作動サイクルの間に燃焼される。このエンジン速度におけるこのエンジンに対し、単一の孤立したスキップのみを有するこの燃焼パターンはＰＭ／ＰＮ排出量を増加させない。

図７は、図６に示したものと同じデータの一部を示しているが、異なる横軸を用いてプロットされている。この図において、横軸はブレーキ平均有効圧（ＢＭＥＰ）として表される総エンジン負荷である。１／２、２／３、及び３／４の燃焼密度は、２〜５バールのＢＭＥＰにおいてＦＤが１の場合よりも少ないＰＮ排出量を有する。また、図７に示すのは、規制ＰＮ排出制限を表す水平線である。この制限は、乗用車等の国際調和排出ガス・燃費試験法（ＷＬＴＰ）運転サイクルに関して動作する車両のための６．０×１０^１１粒子／ｋｍのＥｕｒｏ６ｃ／中国６規格に基づいている。この規制限度は、エンジン排気ガス中の約８．５×１０^５（粒子／ｃｍ^３）の粒子状物質排出レベルに相当すると計算された。図を調べると、ＰＮ排出量は、このエンジン速度においてこれら全てのＦＤに対する規制限度を大幅に下回っていることを示している。

図８は、図７に示したものと同じ燃焼密度に対する正味燃料消費率（ＢＳＦＣ）対エンジン負荷を示している。図を調べると、より低い燃焼密度での運転が、約１〜５バールのＢＭＥＰの低エンジン負荷における燃料効率を向上させることを示している。従って、より低いエンジン負荷において、ＤＳＦはＰＮ排出量及び燃料消費量を同時に削減することができる。

大多数の燃焼密度は、全ての気筒モードと比較してＰＮ排出の低いか又は同等であるレベルを有する一方で、１／３、２／５、及び３／５のある特定の回転ＦＤは、図９に示すように、より高いＰＮ排出量を有し、これは単一パルス噴射による様々なＦＤに対する１６００ＲＰＭ時のＰＮ排出量を示している。この挙動に対する考えられる説明は、所定の気筒が２回以上の連続したサイクルをスキップする場合、低い気筒温度により、高いＰＭ／ＰＮ排出量につながる不十分に霧化された燃料／空気混合気の原因となる可能性がある。気筒壁及び燃料噴射装置の先端温度は、燃料噴霧浸透長が大幅に増加する点まで冷却されている可能性があり、潜在的な気筒壁の濡れが発生する可能性がある。１／３の燃焼密度は、そのパターンの全ての燃焼が２回の連続スキップ後に発生するため、最高レベルのＰＮ排出量を示した。２／５の燃焼密度は、２回のスキップ後に１回の燃焼、及び１回のスキップ後に１回の燃焼を特徴とするため、１／３のＦＤよりも僅かに少ないＰＮを示した。３／５のＦＤは、連続したスキップがないため、３つのパターンのうちで最も低いＰＮを示した。

図１０は、分割又は同等のマルチパルス噴射による、図９に示す燃焼密度に対する１６００ＲＰＭでのＰＮ排出を示している。図に示すように、マルチパルス噴射ストラテジーを利用して、１／３、２／５、及び３／５のＦＤに対する高いＰＮ排出を解決した。この実験において、吸気行程中の１回の燃料噴射、及び１回の燃料噴射が圧縮行程中に生じた。図９に示したＰＮ排出と図１０に示したものとを比較すると、１／３、２／５、３／５のＦＤに対するＰＮ排出が大幅に削減されていることが実証されている。１／３のＦＤに対するＰＮ排出は、マルチパルス噴射の使用により１桁減少した。１／３、２／５、及び３／５のＦＤのＰＮ排出は、全気筒モードよりも依然として高いが、これらのＦＤはここではＥｕｒｏ６ｃ／中国６ＰＮ排出規制に適合している。

図１１は、正味燃料消費率（ＢＳＦＣ）対様々なＦＤに対する１６００ＲＰＭでのエンジン負荷を示している。１／２及び１のＦＤは単一パルス噴射を用いた。分割及び単一パルス噴射の両方による１／３のＦＤに対するデータが示されている。図１１から明らかなように、１／３のＦＤに対する分割噴射は、単一パルス噴射と比較して、同等又は減少した燃料消費量を有している。特に、図１１は、ＢＳＦＣが３バールのエンジン負荷における１／３のＦＤに対して約３％改善されたことを示している。ＦＤの１／３と１／２との間の最小ＢＳＦＣ交差点は約２バールから３バールに増加した。複数の短い噴射噴霧は、複数の連続してスキップされた作動サイクルの後の燃焼作動サイクルにおいて、長い噴射噴霧よりも均一な空気燃料混合気を生成する。従って、ＰＮ排出及び燃料消費量の両方が削減されている。この効果は、長い噴射時間が長い燃料パルス持続時間及び長い噴霧浸透長に至る高い気筒負荷においてより顕著になる。

図１２は、１６００ｒｐｍ及び２バールＢＭＥＰにおけるＰＮ排出対燃料消費量を示している。図から明らかなように、ＤＳＦのＰＮ排出と燃料消費量との間にはトレードオフがある。低いブレーキトルク出力において、小さいＦＤほど、少ないポンピング損失を有するため、ＦＤが減少するにつれてＢＳＦＣが良好になる。しかし、気筒負荷が増加するにつれて、長い燃料噴射時間のため、ＰＮ排出も増加する。ＤＳＦは、ＰＮ／ＢＳＦＣトレードオフ曲線上の任意の点で動作する能力を有する。１／３のＦＤに対して示すデータは、マルチパルス噴射によるものである。他の全てのデータ点は単一パルス噴射のためのものである。

ＤＳＦ動作中、ＦＤはエンジン速度、負荷、トルク要求、及びトランスミッションギア比に基づいて動的に変化する。従って、ＦＤ一時的変動中の任意のＰＮ排出スパイクを最小化することを確実にすることも重要である。前述したように、２回以上の連続スキップサイクル後に気筒を再始動することは、分割噴射を用いない限り、試験エンジンにおいて高いＰＮ排出を生成する可能性がある。

図１３は、１６００ｒｐｍのエンジン速度及び４バールＢＭＥＰのエンジン負荷において１のＦＤから２／３のＦＤに、そして１のＦＤに戻る燃焼密度遷移中のＰＮ排出を示している。ＦＤ履歴は上部の破線によって示されている。ＰＮ排出は２／３のＦＤにおける動作中に削減され、ＰＮスパイクは２／３のＦＤへの又はそれからの遷移中に発生しない。単一パルス燃料噴射は遷移全体を通して用いられる。２／３のＦＤは、所定の気筒が１回スキップされ、２回燃焼されるパターンである。気筒温度は、単一噴射によるＰＮスパイクを引き起こすほど大幅に低下しない。

図１３に示す１から２／３そして１に戻る燃焼密度の遷移には、ＰＮ排出スパイクがないが、ＰＮ排出スパイクは、固定燃焼パターンからのある特定の終了中に観察されている。例えば、図１４は、１６００ＲＰＭのエンジン速度及び２．５バールＢＭＥＰのエンジン負荷において１のＦＤから１／２のＦＤに、そして１のＦＤに戻る遷移時のＰＮ排出特性を示している。図は、単一パルス、二重パルス、三重パルスの３つの異なる燃料噴射ストラテジーを示している。図１４において、１の燃焼密度から１／２の燃焼密度への遷移は約４秒で生じる。１／２の燃焼密度から１の燃焼密度への遷移は、２０秒後の約２４秒で生じている。

図１４の最も顕著な特質は、単一パルス燃料噴射を用いる場合の１／２から１へのＦＤ遷移に関連する大きなＰＭ排出スパイクである。ＰＮ排出スパイクは１０．０×１０^６粒子／ｃｍ^３を超え、増加したＰＮ排出は単一パルス噴射に対する燃焼密度遷移後１０秒を超えて見られる。この大幅なＰＮ排出増加は、エンジンの気筒の半分が２０秒間休止され、従って、それらが大幅に冷却されたことに起因する。一般に、任意のＰＮ排出スパイクの存在及び規模は、任意の気筒がスキップされた時間の長さに依存する。短い休止時間に対し、ＰＮ排出スパイクは減少する。ＰＮ排出は、分割噴射を用いることによって大幅に削減される。ＰＮスパイクは、２パルス噴射により約２．５×１０^６粒子／ｃｍ^３に削減することができるか、又は更に、３パルス噴射により約１．０×１０^６粒子／ｃｍ^３まで削減することができる。

結論
例示的なターボチャージャ付ガソリン直接燃料噴射エンジンの粒子状排出物に関するダイナミックスキップファイアエンジン制御の影響が分析された。以下の結果が見出された。
・燃焼気筒に同じ気筒負荷に対し、ダイナミックスキップファイア制御に関連する燃焼密度における操作は、気筒毎に類似するＰＮ排出を有することができる。
・低いエンジントルク出力に対し、ＤＳＦはより高い気筒負荷において燃焼気筒を操作し、燃料消費量及び粒子状物質排出量を同時に削減することができる。
・粒子状物質排出スパイクは、一部の回転パターン燃焼密度に関連する燃焼密度の開始及び終了の間に観察されていない。１回以上の直前の作動サイクルでスキップされた気筒を再始動する燃焼密度遷移は、粒子状物質排出スパイクを示す可能性がある。粒子状物質排出スパイクの存在及び規模は、特定の気筒がスキップされた時間の長さに依存する。
・複数の燃料パルスを用いる分割噴射は、スキップされた気筒の再始動サイクルに対する高い粒子状物質排出を削減するのに極めて効果的である。加えて、分割噴射は、再始動サイクル中の空気燃料混合を改善することによって燃料節約にも役立つ。

発明は、主に、自動車における使用に適した４ストロークピストンエンジンの燃焼を制御することの文脈において説明してきた。しかし、説明したスキップファイアアプローチは、多種多様な内燃機関における使用に極めて良好に適していることを正しく認識するべきである。これらは、車、トラック、ボート、建設機械、航空機、オートバイ、スクーター等を含む実質的にあらゆる種類の車両、及び、実質上、作動チャンバの燃焼に関与し、内燃機関を利用するその他の用途のためのエンジンを含む。説明されている様々なアプローチは、略全ての種類の２ストロークピストンエンジン、ディーゼルエンジン、オットーサイクルエンジン、二重サイクルエンジン、ミラーサイクルエンジン、アトキンソンサイクルエンジン、ヴァンケルエンジン、及び他の種類のロータリーエンジン、複合サイクルエンジン（二重オットー及びディーゼルエンジン等）、星形エンジン、等を含む、多種多様な異なる熱力学サイクル下で動作するエンジンで機能する。また、説明したアプローチは、現在公知の又は今後開発される熱力学サイクルを利用して動作するかどうかに関係なく、新規に開発される内燃機関でも良好に機能すると考えられている。

気筒冷却に関する様々な理論が、分割燃料噴射を用いる幾つかの燃焼密度において減少したＰＮ排出を説明するために提案されている。ＰＮ排出を低減する分割噴射の使用は、これらの理論が正しいことに依存せず、観察についての他の説明が可能であることを正しく認識するべきである。本実施形態は、例示的であり、制限するものではないと見なされるべきであり、発明は、本明細書中に与えられた詳細に限定されるべきではなく、添付の特許請求の範囲の適用範囲及び同等物内で修正されてもよい。

Claims (34)

1. 車両において、
   気筒を有する内燃機関と、
   直接燃料噴射装置と、
   エンジンコントローラであって、
   （ａ）第１の作動サイクル中に前記気筒を休止させ、
   （ｂ）前記第１の作動サイクルに続く第２の作動サイクル中に前記気筒を作動させ、
   （ｃ）前記第２の作動サイクル中に２つ以上の燃料パルスを前記気筒に噴射するよう前記燃料噴射装置に指示するよう構成されるエンジンコントローラと、を備える、
   ことを特徴とする車両。
2. 請求項１に記載の車両において、前記エンジンコントローラは、前記気筒の燃焼履歴に少なくとも部分的に基づいて、前記２つ以上のパルスを噴射するよう前記燃料噴射装置に指示する決定を行うことを特徴とする車両。
3. 請求項１又は２に記載の車両において、前記エンジンコントローラは、前記気筒の温度が閾温度を下回っているかどうかに少なくとも部分的に基づいて、前記第２の作動サイクル中に前記２つ以上のパルスを噴射するよう前記燃料噴射装置に指示する決定を行うことを特徴とする車両。
4. 請求項３に記載の車両において、前記エンジンコントローラは、更に、前記気筒の前記温度が前記閾温度を超えるまで、前記第２の作動サイクルに続く１回以上の稼働中の作動サイクル中に前記気筒内に前記２つ以上のパルスを噴射するよう前記燃料噴射装置に指示するよう配置されることを特徴とする車両。
5. 請求項４に記載の車両において、前記エンジンコントローラは、更に、前記気筒の前記温度が前記閾温度を超える場合、前記１回以上の稼働中の作動サイクルに続く後続の稼働中の作動サイクル中に前記気筒内に単一パルスのみを噴射するよう前記燃料噴射装置に指示するよう配置されることを特徴とする車両。
6. 請求項１〜５の何れか１項に記載の車両において、前記第２の作動サイクルは、吸気行程、圧縮行程、及び仕事行程を含み、前記２つ以上の燃料パルスのうちの第１の燃料パルスは前記吸気行程中に噴射され、前記２つ以上の燃料パルスのうちの第２の燃料パルスは、前記吸気行程、前記圧縮行程、又は前記仕事行程の何れかの間に噴射されることを特徴とする車両。
7. 請求項１〜６の何れか１項に記載の車両において、前記内燃機関は複数の気筒及び複数の直接燃料噴射装置をそれぞれ含み、
   前記エンジンコントローラは、それぞれ前記複数の気筒のそれぞれに対して休止させた作動サイクルに続く稼働中の作動サイクル中に前記２つ以上の燃料パルスを噴射するよう前記複数の燃料噴射装置に指示するよう構成されることを特徴とする車両。
8. 請求項７に記載の車両において、前記エンジンコントローラは、前記車両の運転中の様々なトルク要求を満たすよう、燃焼機会毎に基づいて、前記複数の気筒を動的に稼働させるか又は休止させるよう構成されるダイナミックスキップファイアエンジンコントローラであることを特徴とする車両。
9. 請求項８に記載の車両において、前記ダイナミックスキップファイアエンジンコントローラは、前記稼働させた気筒のトルク出力が異なるトルク出力レベルを有するダイナミックマルチレベルスキップファイアエンジンコントローラであることを特徴とする車両。
10. 請求項１〜９の何れか１項に記載の車両において、前記内燃機関は複数の気筒を含み、前記エンジンコントローラは、更に、減速時気筒カットオフ（ＤＣＣＯ）モードを終了する場合に前記内燃機関の全ての再始動する気筒内に２つ以上の燃料パルスを噴射するよう前記燃料噴射装置に指示するよう配置されることを特徴とする車両。
11. 請求項１〜１０の何れか１項に記載の車両において、前記気筒は、２つの休止させた作動サイクルが前記第２の作動サイクルの直前であるように、前記第１の作動サイクルの直前の作動サイクルで休止されたことを特徴とする車両。
12. 請求項１〜１１の何れか１項に記載の車両において、前記内燃機関は火花点火ガソリン燃料エンジンであることを特徴とする車両。
13. 車両の内燃機関を操作する方法において、
    第１の燃焼機会中に前記内燃機関の気筒を休止させることと、
    前記第１の燃焼機会に続く第２の燃焼機会中に前記気筒を再始動させることと、
    前記第２の燃焼機会に対応する作動サイクル中に前記再始動させる気筒内に少なくとも２つの燃料パルスを分割噴射することと、を含む、
    ことを特徴とする方法。
14. 請求項１３に記載の方法において、前記再始動させる気筒内に前記少なくとも２つの燃料パルスを前記分割噴射することは、更に、吸気行程中に２つ以上の燃料パルスの第１の燃料パルスを噴射することと、前記吸気行程、圧縮行程、又は仕事行程の何れかの間に前記２つ以上の燃料パルスの第２の燃料パルスを噴射することとを含むことを特徴とする方法。
15. 請求項１３又は１４に記載の方法において、更に、
    （ａ）前記再始動させる気筒の動作温度を確認することと、
    （ｂ）前記動作温度が閾温度を下回る場合、前記作動サイクル中に前記再始動させる気筒内に前記少なくとも２つの燃料パルスを分割噴射することと、
    を含むことを特徴とする方法。
16. 請求項１５に記載の方法において、更に、前記特定される動作温度が前記閾温度を超えるまで、再始動させる作動サイクルに続く１つ以上の後続の稼働中の作動サイクル中に（ａ）及び（ｂ）を繰り返すことを含むことを特徴とする方法。
17. 請求項１６に記載の方法において、更に、前記特定される動作温度が前記閾温度を超えた後、前記１つ以上の後続の稼働中の作動サイクル中に前記再始動させる気筒に単一の燃料パルスを噴射することを含むことを特徴とする方法。
18. 請求項１３〜１７の何れか１項に記載の方法において、更に、前記内燃機関をダイナミックスキップファイアモードで動作させることを含み、前記気筒は、前記車両の運転中の様々なトルク要求を満たすよう、燃焼機会毎に基づいて、動的に稼働されるか又は休止されるかの何れかであることを特徴とする方法。
19. 請求項１３〜１８の何れか１項に記載の方法において、更に、前記内燃機関をダイナミックマルチレベルスキップファイアモードで動作させることを含み、
    （ａ）前記気筒は、燃焼機会毎に基づいて動的に稼働されるか又は休止されるかの何れかであり、
    （ｂ）前記稼働させる気筒に対するトルク出力は、異なるトルク出力レベルを含む、
    ことを特徴とする方法。
20. 請求項１３〜１９の何れか１項に記載の方法において、更に、減速時気筒カットオフ（ＤＣＣＯ）モードを終了した後、前記内燃機関の全ての再始動させる気筒内に少なくとも２つの燃料パルスを分割噴射することを含むことを特徴とする方法。
21. 請求項１３〜２０の何れか１項に記載の方法において、前記第１の燃焼機会より前の先の燃焼機会中に前記気筒を休止させることを特徴とする方法。
22. 複数の気筒を有する内燃機関を操作するよう構成されるエンジンコントローラにおいて、
    （ａ）幾つかの作動サイクルで気筒を休止させ、他の作動サイクルで前記気筒を稼働させることと、
    （ｂ）稼働中の作動サイクル中に前記気筒内に燃料の単一又は分割噴射のどちらか一方を指示することと、を決定するよう構成され、
    所定の作動サイクルに対して分割噴射を用いるかどうかの前記決定は、少なくとも部分的に、前記気筒の動作温度が閾温度より低くなるように、１つ以上の前の作動サイクル中に前記気筒が休止されたために前記気筒の温度が冷却されたかどうかに基づくことを特徴とする、
    エンジンコントローラ。
23. 請求項２２に記載のエンジンコントローラにおいて、前記所定の作動サイクルに対して分割噴射を用いる前記決定は、少なくとも部分的に前記気筒の燃焼履歴に基づくことを特徴とするエンジンコントローラ。
24. 請求項２２又は２３に記載のエンジンコントローラにおいて、更に、それぞれが前記内燃機関の総排気量未満である１つ以上の減少排気量モードで前記内燃機関を操作するよう構成され、前記１つ以上の減少排気量モードは、
    （ａ）前記複数の気筒のうちの１つ以上の群を休止させること、
    （ｂ）前記複数の気筒のそれぞれを休止させるか又は稼働させるかどちらか一方の決定が燃焼機会毎に基づいて行われるダイナミックスキップファイアモードで前記内燃機関を動作させること、又は、
    （ｃ）稼働中の各気筒の出力が幾つかの異なる出力レベルのうちの１つから選択されるダイナミックマルチレベルスキップファイアモード、
    のうちの１つによって実施されることを特徴とするエンジンコントローラ。
25. 気筒を有する内燃機関を制御する方法において、前記気筒は直接燃料噴射を用い、前記方法は、
    前記気筒が幾つかの作動サイクルでスキップされ、他の作動サイクルで燃焼されるように前記内燃機関を操作することと、
    前記燃焼される作動サイクル中に、
    第１の燃料噴射パターンを用いて、前記燃焼される作動サイクルの第１のサブセット中に前記気筒内に燃料を噴射すること、又は、
    第２の燃料噴射パターンを用いて、前記燃焼される作動サイクルの第２のサブセット中に前記気筒内に燃料を噴射することであって、前記第２の燃料噴射パターンは、前記第１の燃料噴射パターンとは異なること、
    を含むことを特徴とする方法。
26. 請求項２５に記載の方法において、前記第１の燃料噴射パターンは、前記第２の燃料噴射パターンよりも少ない燃料パルスを有することを特徴とする方法。
27. 請求項２６に記載の方法において、前記第１の燃料噴射パターンは噴射される燃料の単一パルスを有し、前記第２の燃料噴射パターンは噴射される燃料の複数のパルスを有することを特徴とする方法。
28. 請求項２６又は２７に記載の方法において、前記第２の燃料噴射パターンは、スキップされる作動サイクルの直後の燃焼される作動サイクルで用いられることを特徴とする方法。
29. 請求項２６〜２８の何れか１項に記載の方法において、前記第２の燃料噴射パターンは、スキップされる作動サイクルの直後の燃焼される作動サイクルで、及びその後の幾つかの連続して燃焼される作動サイクルに対して用いられることを特徴とする方法。
30. 請求項２６〜２９の何れか１項に記載の方法において、前記第２の燃料噴射パターンは、２つ以上の連続してスキップされる作動サイクルの直後の燃焼される作動サイクルで用いられることを特徴とする方法。
31. 請求項２６〜３０の何れか１項に記載の方法において、前記第１の燃料噴射パターン又は前記第２の燃料噴射パターンを用いる前記決定は、前記気筒の燃焼履歴に少なくとも部分的に基づくことを特徴とする方法。
32. 請求項２６〜３１の何れか１項に記載の方法において、前記第１の燃料噴射パターン又は前記第２の燃料噴射パターンを用いる前記決定は、前記内燃機関の速度及び負荷に少なくとも部分的に基づくことを特徴とする方法。
33. 請求項２６〜３２の何れか１項に記載の方法において、前記第１の燃料噴射パターン又は前記第２の燃料噴射パターンを用いる前記決定は、前記気筒の温度に少なくとも部分的に基づき、前記第２の燃料噴射パターンは、前記気筒の前記温度が閾温度を下回る場合に選択されることを特徴とする方法。
34. 請求項２６〜３３の何れか１項に記載の方法において、前記内燃機関はディーゼルエンジンであることを特徴とする方法。

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