JP4026150B2 - 自己着火内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前文に従った昇圧された内燃機関、特に直接燃料噴射を有する自己着火内燃機関を動作させるための方法に関する。

自己着火内燃機関の中では、均質の希薄混合気が往々にして自己着火させられ、かくして、高効率で改良された排気エミッションが得られるようになっている。内燃機関の圧縮段階の終りで混合気の温度に影響を及ぼすべく、燃焼室内に一定の量の排気ガスが保持されている。より低い負荷及び速度範囲では、燃焼室内の温度レベルは低下し、反応に関与するさらに少ない質量の燃料に基づいて混合気の温度を調節することが困難になる。低下する排気ガス温度に起因するエネルギー損失を補償する１つの方法は、排気ガス保持率を増大させることにある。

しかしながら、排気ガスの保持率が高くても、或る一定の排気ガス温度レベルよりも下ではもはや安定した燃焼を確保することは不可能である。この理由は、保持された排気ガスが基本的に反応の遅いものであり、その結果燃焼に遅れが生じるということにある。これは、排気エミッションの増加を導き、それが燃焼効率を低下させると同時に内燃機関の平均圧力変動を大きくする。

特許文献１は、空気、燃料及び保持された排気ガスの均質な希薄基本混合気が中で形成され、それが圧縮着火により燃焼させられる、４ストローク内燃機関を動作させるための方法を開示している。同時に、圧縮着火でのエンジン動作範囲を拡大するべく、活性化段階が介在させられている。保持された排気ガスの圧縮中、活性化燃料が燃焼室内に噴射され、燃焼室内の燃料画分の残留分と可能なかぎり均質に分布させられる。出力及び圧縮が燃料に対して熱エネルギーを付与し、かくして排気上死点において化学反応又は着火が開始させられるようになっている。

上述の方法は、高温で充分な排気ガスが生成される燃焼が各々の作業サイクル内で発生するということを前提としている。均質な希薄混合気の自己着火は、エンジンパラメータ及び周囲条件に大きく左右されることから、失火が発生する可能性があり、これにより、極端な場合、燃焼が全く無くなることになる。

独国特許発明第１９８１０９３５Ｃ２号明細書

従って本発明の目的は、信頼性の高い自己着火動作を確保する内燃機関の動作方法を作り上げることにある。

本発明に従うと、この目的は、請求項１の特長をもつ方法によって達成される。

本発明に従った方法の特徴は、主混合気の燃焼後に、ピストンの排気上死点の領域内で反応させられる燃料−排気ガス／空気混合気が形成されるように、燃焼室内に付加的な燃焼空気と付加的な燃料が導入されるという点にある。かくして、燃焼室温度を上昇させるため暫定的混合気が形成され、前記混合気は、主混合気温度の調節を可能にするように、主燃焼が起こる前に圧縮着火及び／又は応用着火を用いて反応させられる。

本発明の１つの発展形態においては、付加的な燃料は、ピストン膨張行程の終りとピストン排気行程の最終部分の間の一領域において燃焼室内に導入される。こうして該付加的な燃料は確実に、排気上死点の充分前に燃焼室内で分布させられ蒸発することになる。

本発明のさらなる発展形態においては、膨張行程の最終部分とピストン排気行程の最終部分の間の領域内で燃焼室に付加的な新鮮空気が送り出される。燃焼室内に付加的な新鮮空気を導入することにより、着火可能な混合気が形成され、この付加的な新鮮空気は付加的な燃料に比例して導入される。排気ガスエネルギーは、暫定的混合気の温度を特定の温度レベルまで上昇させ、混合気の温度は、新鮮空気及び排気ガスの割合によって決定される。

本発明のさらなる発展形態においては、少なくとも１つの排気バルブ及び少なくとも１つの吸入バルブが前記付加的な新鮮空気及び／又は前記付加的な燃料の導入中開放されている。排気バルブは好ましくは最初に開放され、次に吸入バルブが開放される。この開放シーケンスによりある割合の排気ガスが燃焼室からまず最初に排出され、かくして、付加的な新鮮空気の導入は、吸気パイプ内に生じた圧力により確保されることになる。

さらなる特長及びその組合せが、明細書の中で記されている。本発明の実際の例証的実施形態が、図面中に単純化した形で表わされ、以下の記述の中でより詳しく説明される。

直接燃料噴射を伴う昇圧された内燃機関の一例は、好ましくは、縦方向に移動可能なピストンが中でガイドされている４本のシリンダを含む。内燃機関は、少なくとも１つの吸入バルブ、少なくとも１つの排気バルブ、燃料噴射器及び各々の燃焼室のための点火源を含む。内燃機関の燃焼室は、シリンダヘッドにより上面で封止されており、ピストンが底面として燃焼室を画定している。内燃機関は、４ストローク方式だが、代替的には、２ストローク方式でもよい。

該内燃機関は、供給された燃焼空気が周囲圧力Ｐ_ｕよりも高い圧力Ｐ_Ｓで燃焼室に送り出されるという点で、昇圧されている。燃焼空気は、内燃機関の吸入バルブを介して燃焼室に吸入され、生成された排気ガスは、内燃機関の排気バルブによって燃焼室から排出される。吸入及び排気バルブは、作動装置により開閉され、クランク角度に応じて制御ユニットが吸入及び排気バルブの開閉時間を制御する。

４ストローク方式においては、１行程はピストンの全行程１回に対応している。図１は、本発明に従って内燃機関の１作動サイクル中の燃焼室圧力についての曲線を表わしている。内燃機関の４行程作業サイクルは、１回の燃焼サイクルに対応し、燃焼サイクルは、下降運動中のピストンが下死点ＢＤＣまで移動する初期吸気行程から始まる。吸気行程では、燃焼空気は燃焼室へと吸入され、本発明に従った先行する作動サイクルの排気行程からの特定の量の排気ガスが燃焼室内に保持される。

吸気行程中、燃焼室内への燃料の導入は、主混合気を形成させ、この混合気はその後の圧縮行程において圧縮される。圧縮行程中、上昇運動中のピストンは下死点ＢＤＣから着火上死点ＩＴＤＣまで移動し、主混合気内の主燃料が、吸気行程中に燃焼室内に導入される。形成された主混合気は、着火上死点ＩＴＤＣの一領域内の優勢な圧縮によって自己着火される。

代替的には、例えば始動動作において又は高負荷範囲内で、負荷に応じて点火源を用いて強制着火により主混合気を着火させることもできる。主混合気の燃焼がなおも進行している間に、ピストンは下死点ＢＤＣまでの下降運動において膨張する。続く排気行程においては、上昇運動中のピストンは、排気上死点ＧＯＴまで行き、燃焼室から排気ガスを排出させる。本発明に従うと、排気行程中に排気バルブが開放され、かくして排気ガスは燃焼室から排出されるようになっており、排気バルブの早期閉鎖によって燃焼室内に一定量の排気ガスが保持される。排気行程中、排気上死点ＧＯＴの領域内で反応させられる燃料、排気ガス及び空気の暫定的混合気が形成されるように、燃焼室に付加的な燃料及び付加的燃焼空気が送り出される。

図１に従うと、付加的な混合気の反応は、排気上死点ＧＯＴの領域内で起こり、かくして、燃焼室の温度は付加的な燃焼(ＺＶ)により上昇させられることになる。こうして、燃焼室圧力Ｐ_シリンダの増加がもたらされる。排気上死点ＧＯＴの領域内のエネルギー変換は、同様に燃焼室内に保持された全ての排気ガスの温度をも上昇させ、かくして、特により低い速度及び負荷範囲内での排気ガスから燃焼室壁への高い熱損失が補償されることになる。従って、後続する主燃焼(ＨＶ)のためにさらに高いエネルギー及び温度レベルが利用可能であり、その結果、より低いエンジン負荷に対処するために反応させられるより少ない燃料噴射量に起因するエネルギー損失が補償されることになる。こうして、より低い速度及び負荷範囲内でさえ圧縮着火での内燃機関の信頼性の高い動作が可能になる。こうして圧縮着火で実行される動作範囲は増大し、従って、例えばアイドリング時の排気エミッションのさらなる改善を達成できる。

図２に従うと、付加的燃焼空気及び／又は付加的な燃料の導入中、排気バルブが最初に開放され、その後吸入バルブが開放される。プロセス中、吸入バルブＥ_ｚの開放及び閉鎖時間は、必要とされる新鮮空気又は燃焼空気の付加的量によって規定される。燃焼室から吸気ポートへの新鮮な気体又は排気ガスの逆流は、内燃機関の吸気ポート内の優勢な給気圧Ｐ_Ｓによって妨げられる。

付加的な燃料噴射量ｍ_ｚの導入は、燃焼室内への直接燃料噴射を用いて達成可能であり、同様にして、内燃機関の吸気ポート内に燃料を導入することが可能である。吸入バルブＥ_ｚは、燃焼室内の圧力が吸気パイプ内の給気圧Ｐ_Ｓより低く降下した時点で開放される。このとき付加的燃焼空気も同じく、吸気パイプと燃焼室との間の圧力勾配に起因して流れ、同時に燃料は直接又はポート噴射により燃焼室内へと導入される。排気バルブＡ_ｚはこのとき、開放した排気バルブＡ_ｚを介して噴射された燃料が排気ポート内に流入できないうちに、再び閉鎖される。その直後に、吸入バルブＥ_ｚが再び閉じられ、かくして、ピストンは付加的な新鮮な燃焼室給気を吸気ポート内に排出できなくなる。燃焼室内の温度レベルを決定する規定の残留ガス量が、排出バルブＡ_ｚの閉鎖時間全体にわたり燃焼室内に保持されている。燃焼室温度の上昇は、付加的な燃料噴射量ｍ_ｚによって決定されるか又は付加的な燃焼(ＺＶ)中に変換されたエネルギーにより影響される。

燃焼室に送り出される付加的な燃焼空気の量は、吸入バルブＥ_ｚの閉鎖時間及び給気圧Ｐ_Ｓにより規定される。付加的混合気の形成後、ピストンは、排気上死点ＧＯＴまで上昇するにつれて、付加的混合気を圧縮し始め、かくして付加的混合気の自己着火が、最終圧縮温度及び保持された排気ガスの温度に起因して、圧縮の終りに発生することになる。付加的混合気が負荷に応じた強制着火により着火されることも又実現可能である。特に動作開始時にはこのような強制着火が賢明であり得る。燃焼室内の燃焼室圧力Ｐ_ｚは、ピストンが吸気行程の間にも仕事を果たすような形で増大する。後続する吸気行程においては、吸入バルブＥ_Ｈは開放され、主燃焼空気量及び主燃料噴射量ｍ_Ｈは燃焼室に送り出される。このとき、主混合気の圧縮に続いて、着火上死点ＩＴＤＣの領域内で主燃焼(ＨＶ)が発生する。

本発明に従った方法を用いると、失火を発生させることなく、基本的に全ての負荷点でかつ全ての負荷範囲内で圧縮着火により内燃機関を動作させることができる。排気上死点ＧＯＴで燃焼室内の温度を上昇させることにより、圧縮着火による燃焼が各燃焼サイクル内で確実に発生できるようになる。

本発明に従った方法は同様に、排気ガス保持ではなくむしろ排気ガス再循環を用いても実施可能である。この場合、排気ガス再循環バルブ（図示せず）を用いて吸入ポート内に排気ポートから排気ガスが戻され、かくして、基本混合気を特定の温度に調整することが可能となっている。代替的には、排気ガス再循環は内部的に発生してもよい。この場合、排気ガスは排気行程中に、開放した吸入バルブを通って吸入ポート内に部分的に排出され、次に、吸気行程中の燃焼空気吸気と共に燃焼室内に引き戻される。さらに、排気ガス再循環は、排気行程中に排気ポート内に排気ガスが完全に排出されその後吸気行程中に開放した排気バルブを介して燃焼室内に部分的に引き戻されるように、内部的に起ってもよい。吸入バルブは、排気バルブ閉鎖シーケンスの後又はその最中に開放される。

さらに、付加的か又は代替的なものとしてのいずれであれ、点火源を用いて着火される給気を排気上死点の直前の直接噴射により層状化させることも実現可能である。すなわち暫定混合気の内部で着火可能な混合気雲が点火源の領域内に形成されるように、排気上死点の領域内で燃焼室内へ第２の付加的な燃料が導入される。第２の付加的な燃料で形成された混合気雲は、点火源を用いて着火され、燃焼室内に存在する希薄な暫定的混合気は、第２の付加的な燃料で形成された混合気雲の燃焼により自己着火される。代替的には、第２の付加的な燃料で形成された混合気雲を点火源により着火させ、かくして開始された燃焼が同様に燃焼室内に存在する非自己着火性暫定混合気を内含するようにすることも可能である。

さらに、一定の空気量及び燃料噴射量を導入できる燃料噴射器を使用することも可能である。この場合、空気及び燃料は、噴射装置により混合され、次に燃料噴射器により燃焼室内に噴射される。燃料噴射器は点火源としても役立ち得る。

クランク角全体にわたりプロットされた運転中の過給された内燃機関についてのシリンダ圧曲線の概略図。 クランク角全体にわたりプロットされた動作中の図１の内燃機関のバルブリフトの概略図。

Claims (5)

1. 燃料噴射装置、シリンダ、シリンダヘッド、ピストン及び前記シリンダヘッドと前記ピストンとの間に画定された燃焼室を有する過給された内燃機関を動作させるための方法において、
   主混合気を形成する主燃焼空気と主燃料が燃焼室に送り出され、
   前記形成された前記主混合気が着火上死点の領域内で着火される、
   方法であって、
   ピストンの排気上死点の領域内で反応させられる燃料−排気ガス／空気混合気が形成されるように、前記主混合気の燃焼の後に前記燃焼室内に付加的な燃焼空気及び付加的な燃料が導入され、前記付加的な燃焼空気及び付加的な燃料の導入中に少なくとも１つの排気バルブ及び少なくとも１つの吸入バルブが開放され、前記排気バルブ及び吸入バルブの開放は、前記排気バルブが最初に開放され、次に前記吸入バルブが開放されることを特徴とする方法。
2. 前記付加的な燃料は、前記ピストン膨張行程の終りとピストン排気行程の最終部分との間の領域内で前記燃焼室内に導入されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記膨張行程の最終部分と前記排気行程の最終部分との間の領域で前記燃焼室に前記付加的な燃焼空気が送り出さ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. 前記内燃機関の吸気パイプ内へ又は直接前記燃焼室内への燃料の噴射が、燃料噴射装置を用いて行なわれることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記内燃機関が、８〜１６、特に８〜１３の間の圧縮比で動作させられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。

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