JP4046611B2 - 内燃機関への流体の噴射を制御する方法 - Google Patents

Description

本発明は、シリンダ中の上下死点ポイント（top and bottom dead center points）の間を往復運動するピストンと、シリンダに設けられた噴射ノズルと、を備える内燃機関への流体の噴射を制御する方法であって、初期噴射圧でシリンダへの流体の噴射を実行し、該流体を発火させてシリンダ内の圧力を増加させ、これによってシリンダ中の下死点ポイントに向かってピストンを移動させる工程と、流体の噴射中に複数回の噴射休止を実行する工程と、を含む方法に関するものである。

燃料をシリンダ内に直接噴射し、シリンダ内の高温および高圧力によって発火させるという燃焼プロセスは、一般に直噴ディーゼルプロセスと呼ばれている。燃料を噴射して、シリンダ内で燃やすと、燃えている燃料の燃焼ガスの乱流混合がシリンダ内で生じる。シリンダで燃料／ガス混合物が燃焼すると熱が発生するので、シリンダ中のガス圧力が増加し、これによってピストンに正味に働く力が発生する。燃料の噴射圧、シリンダに戻る排気ガス量、燃料噴射のタイミング、シリンダ内に広がる乱流、シリンダ内の温度など多数のパラメータ次第で、異なる燃焼効率や排出値が得られる。

ディーゼルプロセスによって作動する従来の内燃機関は、スス粒子および窒素酸化物（ＮＯ_X）などの排出値が比較的高い。爆発行程中にシリンダ内に空気の不足する領域が局所的に発生し、このためシリンダ内に噴射された燃料の不完全燃焼が生じてしまう。このため、排気行程中に排気ガスに伴って、スス粒子という形の排出物が発生する。

燃料がシリンダ中で蒸発しガスと十分に混ざるための時間が燃料の発火が起こる前にとれるように燃料発火の遅延をはかると同時に、爆発行程または働き行程（expansion or work stroke）中に、またはそれに先立って、早い時点で燃料を噴射することにより、スス粒子の形成を減少させることができることが以前から知られている。燃焼室に排気を戻して（ＥＧＲすなわち排気再循環）、窒素酸化物（ＮＯ_X）の形成を減らすことも公知である。このように、従来のエンジンからの排出を減少させる方法は存在する。しかしながら、これら公知の方法には制限があり、極端な場合にはエンジンを動作不能にしてしまう。

ピストンが働き行程（爆発行程）中に下死点ポイントに向かって移動すると、シリンダ中の圧力および温度が降下する。また爆発行程中は、シリンダ中、特にシリンダ壁の近くの周辺領域において、ガス、燃料および形成されたスス粒子の乱流または混合が比較的少なくなることもわかっている。つまり、これは、形成されたスス粒子の酸化が爆発行程中に減少するという結果になる。ここで酸化されなかったスス粒子は、排気行程中にエンジン排気ガスに伴って排出される。

燃料噴射中に噴射圧をしだいに増加させると、ＮＯ_X形成およびスス形成がともに減少することがわかっている。これは、噴射弁が開くときに燃料の噴射圧が高いと、ＮＯ_X形成の増加という問題が生じるからであり、それ故、噴射開始時は低噴射圧が望まれる。一方、噴射終了時に高圧にすると、ススがさらに効率的に酸化される。したがって、噴射の初めに噴射圧を低くし、噴射の終わりに噴射圧を高くすると効果的である。

窒素酸化物は、高い燃焼温度で形成される。燃焼温度を低下させることによってＮＯ_Xの形成を減らすには、排気を燃焼室へ再循環すれば可能である。しかしながら、例えば、アクセルペダルを強く踏み込んだ時などのように、燃焼室へ排気を十分に再循環させることができない場合がある。その結果、ＮＯ_Xの排出が増加する。

欧州特許出願公開第０９１１５１１号明細書にあるように、ＮＯ_Xとススの低排出を達成する目的で、一定圧力下で一回の燃料噴射を複数の区分噴射に分けることが既に知られている。

従来の燃料ポンプに関する問題は、噴射プロセス中の噴射圧が、エンジンｒｐｍ（毎分回転数）、および噴射プロセス中に噴射されることになる燃料の量に完全に左右されるということである。大量の噴射燃料および／または高いエンジンｒｐｍは、噴射プロセス中の噴射圧を増加させる。反対に、小量の噴射燃料および／または低いエンジンｒｐｍは、噴射圧を減少させることになる。これは、部分負荷下で、低負荷または低ｒｐｍでエンジンが作動する場合、噴射中の圧力増加を達成できず、したがって、ＮＯ_Xとススの形成を減少するという上記の効果が実現されなくなってしまうことを意味する。

本発明の第１の目的は、先行技術の上述した欠点が回避されるように、また、エンジン排気中のＮＯ_Xおよびスス粒子の含有量ができるだけ低くなるように、内燃機関への燃料噴射を制御することである。

本発明の第２の目的は、シリンダ中で形成されたスス粒子の酸化を増やし、これによって、エンジン排気中のスス粒子の数を減らすことである。

本発明の第３の目的は、所定のＮＯ_Xレベルを得るのに必要な排気再循環（ＥＧＲ）の量を減らすことである。

本発明の第４の目的は、エンジンがどのような作動状態にあっても、エンジンに噴射される流体の最終噴射圧を高く維持できるようにすることである。

この目的は、冒頭で述べたタイプの方法であって、次第に流体の供給量が増加する、一連の後続する流体噴射パルスに先立つ最初の流体噴射パルスを含み、流体噴射休止（Ｕ _i ）のうち最初の流体噴射休止の直前における噴射圧（ＮＣＰ_i）に比べて０バール以上の下限と２０００バールの上限を有する範囲内の値だけ後続する流体噴射パルスのための初期噴射圧（ＮＯＰ _i+1 ）が増加するように、後続する流体噴射パルスが実行されるとともに、内燃機関（１）に設けられたクランクシャフト（１０）の回転角（α）が０°以上の下限と３０°の上限を有する範囲内の値に相当する期間にわたり当該流体噴射休止は実行されることを特徴とする方法によって達成される。

複数回の噴射休止を行うことによって、それに続く噴射が、燃料、ガス、およびスス粒子を乱流または混合動作の止まった領域へ移動させ、もう一度、循環および混合を行わせる。これにより、噴射休止の直前に示す噴射圧に対し初期噴射圧が０バール超から２０００バールまでの範囲内の値だけ増加するように噴射休止直後に流体の噴射を実行すれば、スス粒子を酸化でき、酸化が促進される。さらに、シリンダ中の熱い燃焼ガスが再び混ざって冷却され、スス粒子が酸化されると同時に、ＮＯ_Xの形成が減ることになる。特に、エンジン・クランクシャフトの回転角度が０°超から３０°までの範囲内の値に相当する期間、噴射休止を行うと、ＮＯ_X形成が少なく、スス酸化の発生が高いという点で好ましい結果が得られる。

本発明の一実施態様では噴射弁を使用する。該噴射弁は、噴射ノズルに設けられた少なくとも１つの噴射開口と協働するように設計された噴射針を備え、該噴射針は、高圧ポンプによって生成される高圧によって生じる流体圧力によって制御され、この流体圧力自体は、噴射弁に設けられた逃し弁（a spill valve）によって制御され、該逃し弁は、選択された噴射休止期間および選択された次の初期噴射圧に応じて可変段階で噴射弁における圧力を減らすように開弁できる。噴射針は、生成される流体圧力とは独立した制御機構によっても開閉できる。

このような噴射弁を用いて（上述の噴射針用制御機構の助けを借りて）噴射休止を行うことによって、小量の噴射燃料および／または低ｒｐｍを引き起こす動作条件下でも、噴射プロセス時における流体の所望の圧力増加を得ることができる。この噴射休止を可能にするために、噴射プロセス中に噴射針を１回以上閉じる方法で噴射弁の噴射針を制御する。噴射針が噴射プロセス中に閉じて噴射休止が起きると、高圧ポンプは噴射弁における流体圧力を急速に増やし続ける。噴射弁が噴射休止の後に再び開くと、噴射休止が起きていなかったときと比べ高い噴射圧で流体がシリンダ内に噴射されることになる。

以下、添付図面に示す実施形態を参照し、本発明をさらに詳細に説明する。

図１は、ディーゼル燃料のような流体の噴射が本発明によって実行される内燃機関（エンジン）１の概略図である。エンジン１は、シリンダ２中の上下死点ポイントの間を往復運動するピストン３と、シリンダ２に設けられた噴射ノズル４とを備える。協働する吸気弁６とともに吸気導管５がシリンダ２内へ導かれ、協働する排気弁８とともに排気導管７がシリンダ２から外へと導かれている。ピストン３の上部の凹部９は燃焼室を形成する。図１に示す実施形態では、ピストン３はコンロッド（a connecting rod）１１によってクランクシャフト１０につながれているが、コンロッド１１のないエンジン１に本発明を適用することもできる。

図１に示すように、流体がシリンダ２内に噴射されるときは、ピストン３は上死点にある。しかしながら、ピストン３は、流体がシリンダ２に噴射され始めるときに、上死点の前、または上死点の後に位置することもできる。少なくとも１回の噴射休止Ｕ_iを行いつつ、流体の全量をピストン３に形成された凹部９内に直接噴射することが好ましい。つまり、基本的には噴射シーケンス全体を通じて、縁部１２またはそこから少し下のところに流体噴霧１６，２０を直接向けるようにする。ここで、円錐角βは、噴射ノズル４から噴出された流体噴霧１６とシリンダ２の中心線１５との間で形成される角度である。円錐角βも、噴射中の流体がほぼピストン３の凹部９内に噴射され、その結果、流体は凹部９の縁部１２より上に流れず、シリンダ２の周辺領域１３に達しないように、選択する必要がある。図１および図２では、２つの流体噴霧１６のみが噴射ノズル４から来るものとして示されている。しかし、実際は複数のホール１７が噴射ノズル４に設けられているので、噴射ノズル４から噴射された流体噴霧１６は円錐状または傘状の形を描く。流体がシリンダ２に噴射されると同時に、流体の一部が、空気とシリンダ２に再循環されてくる可能性のある排気とからなったシリンダ２に導入されるガスであって、圧縮行程で圧縮され、その結果加熱されたガスと混合する。ガスと混合した流体の一部は、シリンダ２内の温度が高いために発火し燃焼する。

シリンダ２でガスと混合された流体の一部が、酸素が不足している状態で燃えると、燃焼中にスス粒子が形成するおそれがある。本明細書中では、ガス／流体混合物に対してラムダ値を定義する。ラムダ値は過剰空気係数ともいい、実際に供給された空気量を完全燃焼に必要な理論空気量で割った値と定義する。ラムダ係数が１を超えればガス／流体混合物は希薄で、ラムダ係数が１未満であればガス／流体混合物は濃厚である。ガス／流体混合物が濃厚であれば、ガス／流体混合物の不完全燃焼が生じ、スス粒子が形成可能になってしまう。できるだけスス粒子の形成を抑えるためには、ラムダ係数が１以上の流体およびガスの混合物を得るように努めることである。流体がシリンダ内に直接噴射され、圧縮行程中に生じる熱によって発火するディーゼルエンジンなどの内燃機関では、流体の混合を制御して燃焼させるものが多く、これはつまり噴射中の流体を化学量論的な範囲で燃焼させるものである。流体／ガス混合物が濃厚な化学量論的な範囲に近いところでは、燃焼中にスス粒子が形成される可能性がある。

シリンダ２中で酸素とスス粒子の乱流および混合を高めるための必須条件として、本発明によれば、ピストン３がシリンダ２の下死点へ向かって移動しているときに、噴射休止Ｕ₁が設けられる。ピストン３が図２に示す位置にある時に、シリンダ２内に流体が少しも噴射されないというような噴射休止Ｕ₁を行う。最初の噴射中に噴射された流体２０は、シリンダ２中で生成された圧縮熱によって、この段階では少なくとも部分的に発火している。このため流体は燃え、これによってシリンダ２中の圧力がさらに増加し、その結果、ピストン３は下死点に向かって下方へと押し進められる。

図２は、最初の噴射休止Ｕ₁の直前で流体の噴射がどのように行われるのかについて示している。噴射休止Ｕ₁に先立って噴射された流体２０の燃焼が続くが、シリンダ２中の乱流および混合が低下しているので勢いは弱まっている。噴射休止後に噴射された流体１６によって、乱流または混合動作の停止していた領域、またはかなり弱まっていた領域で、流体、ガス、およびスス粒子をもう一度循環させて混合し、または循環および混合の程度を上げ、これによって、残留スス粒子の酸化を可能にしたり、および／または促進したりする。

初期噴射圧ＮＯＰ₁は、ＮＯ_X形成が少なくなるように、比較的低レベルに設定することが好ましい。初期噴射圧が高すぎると、混合エネルギーが多く導入されすぎて、その結果、あまりにも急速に燃焼が起こり、燃焼時間が長くなりすぎて、燃料があまりにも多く費やされてしまう。これによって、燃焼温度が高くなるので、ＮＯ_Xの排出が増加する。

噴射休止直後の流体の初期噴射圧ＮＯＰ₂を、噴射休止の直前に示していた噴射圧ＮＣＰ₁に対し、０バール超から２０００バールまでの範囲内の値だけ増加させると、有利であることが分かった。さらに、０°超から３０°までの範囲内の値、好ましくは１°〜２０°の範囲内の値の、エンジン・クランクシャフト１０の回転角度αに相当する期間、噴射休止Ｕ₁が続くと有利であることも分かった。

噴射休止Ｕ_iを１回以上伴う流体の噴射プロセス全体は、クランクシャフト１０の回転角度αで言えば上死点前４０°から上死点後６０°までの範囲、好ましくは上死点前２０°から上死点後４０°までの範囲で行うものとする。流体の噴射圧、ＮＯＰとＮＣＰ（それぞれ開始時圧力、終了時圧力）は、好ましくはシリンダの圧縮圧より大きく３０００バールまでの範囲内の値に制御される。

一度の噴射プロセス中で複数の噴射休止Ｕ_iを次々と行う場合、複数回流体を各回短時間で噴射することになる。これは、ごく短い期間に流体がパルスのようになってシリンダ２内に噴射されることを意味する。同時に、流体に対する初期噴射圧ＮＯＰは、各回を追うごと増加することになる。期間を短くして圧力を高くすると、大きな衝撃となり、混合度が増す。ピストン３、凹部９、シリンダ２、およびシリンダーヘッド１４を適切な方法で形成し、流体が噴射されることになるホール１７を噴射ノズル４に設けることによって、最初の噴射休止Ｕ₁の後に噴射される流体による作用を受けるように、最初の噴射の間およびその噴射後に発生する濃厚な燃料／ガス混合物が存在する領域を制御できる。最初の流体噴出時の初期噴射圧ＮＯＰ₁、および最初の噴射の開始時点も、後続の噴射（１回以上）時のシリンダ２内での上述の領域の存在位置に対し影響を及ぼすパラメータである。

図３は、エンジン・クランクシャフトの回転角度αを変数とする噴射圧Ｐ_inj、流体の流量ｆ_f、および噴射針のリフト高さｄ_nの曲線を示す。例示によれば、上死点ＴＤＣ前のクランクシャフト角度α₁の時点で第１の噴射を開始する。このときの流体圧力はＮＯＰ₁である。第１の噴射は、期間ＤＵＲ₁の間に行われる。曲線ｄ_nからわかるように、クランクシャフト角度α₂の時点で噴射弁の針が閉じる。この時点での流体圧力はＮＣＰ₁である。流量曲線ｆ_fから明らかなように、噴射弁の針が閉じているときに噴射休止Ｕ₁が設けられている。この間、噴射弁から流れる流体はない。噴射休止が時間Ｕ₁の間続いた後、流体の第２の噴射がクランクシャフト角度α₃の時点で開始する。噴射休止Ｕ₁の間、流体圧力が噴射弁の内側で増え続けてきており、噴射針がクランクシャフト角度α₃の時点で開いたとき、流体の圧力は、クランクシャフト角度α₂の時点での終了時圧力ＮＣＰ₁より大きい圧力ＮＯＰ₂となっている。クランクシャフト角度α₄の時点で噴射弁の噴射針が閉鎖することで、噴射プロセスが終了する。図３に示すシーケンスは、噴射休止を複数回設けるように構成することができる。

図３に示す噴射シーケンスは、図６を用いて詳細に後述するユニットインジェクタ・タイプの噴射弁によって達成できる。

図４はエンジン・クランクシャフト１０の回転角度αを変数とする流体の流量ｆを示している。図４の曲線からわかるように、噴射シーケンス中に噴射休止Ｕ_iを複数回行っている。この方法では、噴射シーケンスが断続的なものになる。各噴射休止Ｕ_iの後の開始時圧力ＮＯＰ_i+1は、噴射休止Ｕ_i前に示されていた終了時圧力ＮＣＰ_iより大きい。図４に示されるように、噴射圧を増加させれば、新しい噴射段階になるごとに量の増えた流体を所定期間噴射する時間が得られることを意味する。冒頭に述べたように、従来の燃料ポンプに関する問題は、噴射シーケンス中の噴射圧が、エンジンｒｐｍ、および噴射シーケンス中に噴射されることになっている燃料量へ大きく依存しているということである。少量の噴射燃料および／または低ｒｐｍ下で作動を行う場合、噴射中に休止を複数回設けることによって、噴射シーケンス中に流体の所望の圧力増加を得ることになる。

図５はエンジン排気中のＮＯ_X含有量を変数としたスス粒子含有量を示している。破線の曲線は、従来の内燃機関でのＮＯ_X含有量を変数としたスス粒子含有量を表わし、実線の曲線は、流体の噴射を本発明によるプロセスによって制御している内燃機関でのＮＯ_X含有量を変数としたスス粒子含有量に関するものである。図５からわかるように、本発明によるプロセスによって流体の噴射を制御すれば、エンジン排気のＮＯ_X含有量がどの値であっても、スス粒子含有量は著しく低いものとなる。

図６は、内燃機関１の燃焼室２１内に圧縮燃料の量の一部を噴射するようになっている噴射弁２０を概略的に示す。高圧ポンプ２２が噴射弁２０に接続されている。高圧ポンプ２２は、シリンダ部分２３の中で往復運動するプランジャ２４を備え、カム軸２５によってプランジャ２４に力を加えることによって、該プランジャ２４は流体を圧縮する。流体は、タンク２６からのシリンダ部分２３に供給される。

噴射弁２０は、噴射弁２０の噴射ノズル４の少なくとも１つの噴射開口１７と協働するようになっている噴射針２７を備える。噴射針２７には、流体からの圧力を受ける第１および第２の面２８、２９が備えられている。針スプリングなどの弾力性要素３０が、噴射開口１７へ向かって噴射針２７を押している。第２の受圧面２９に作用している燃料圧力からの力が、第１の受圧面２８に作用している流体圧力からの力および弾力性要素３０からの力の合計より大きいと、噴射針２７が開き、すぐに燃料が燃焼室２１内に噴射されることになる。噴射針２７は、制御ユニット３２に接続されている逃し弁３１から作用を受ける。更に、噴射針２７は、噴射針の強制閉鎖を行う機構と協働するようになっている。図６にこの機構を３５で示す。機構３５は、圧力が針スプリングの通常の開口／閉鎖圧力を超過したときでも、プランジャ２４および／または針スプリング３０からの圧力とは関係なく噴射針２７を開閉できるものである。なお、噴射が断続的に行われる噴射シーケンスの基本的な態様は、噴射弁２０の高圧側から低圧側への内部漏れのほか、プランジャ２４の直径、プランジャ２４の動作速度（すなわちカム軸／ロッカーアーム２５がどのように設計されているのか）、および有効なホールの全面積によって制約を受けるものである。

図７は、どのような機能が制御機構３５によって得られるのかを示している。図７は、三つの異なる噴射シーケンスを示し、各シーケンスはそれぞれ圧力シーケンスＡ、Ｂ、およびＣを有し、噴射圧ＮＯＰ₂は全て同じであるが、噴射休止（図７では１回のみ）の直前の噴射圧ＮＣＰ₁と噴射休止直後の初期噴射圧ＮＯＰ₂との間にある噴射休止を、逃し弁３１および噴射針２７の制御の仕方によって変化させている。なお、噴射システムによって可能な最大噴射圧をＰ_maxとする。図７には、所定の噴射圧に増えるまで噴射針２７を閉じておくときにできることが示されている。図７では所定圧力レベルをＮＯＰ₁およびＮＯＰ₂としている。噴射休止は自由に変えることができる。

噴射シーケンスＡ（図７を参照）では、逃し弁３１（図６を参照）が常時閉じたままである。シリンダ部分２３でＮＯＰ₁に達すると、噴射針２７が押し戻され、これによって流体が燃焼室２１内へ噴霧される。圧力ＮＣＰ₁のときに制御機構３５の助けを借りて噴射針２７を強制的に閉じ、噴射圧が所定圧力レベルＮＯＰ₂に増えるまで待つ。圧力レベルＮＯＰ₂に達すると、噴射針を開き、次の投入量分の流体を噴霧する。このときの噴射休止をＤＵＲ Ａで示す。

噴射シーケンスＢ（図７を参照）では、まず、ＮＯＰ₁、ＮＣＰ₁、および逃し弁３１に対し上述の圧力シーケンスを繰り返す（噴射シーケンスＡを参照）。ＮＣＰ₁に達した後、逃し弁３１を開閉してシステム内の圧力を一時的に低下させる。逃し弁３１が閉じると、噴射針２７が閉じ、噴射圧が所定圧力レベルＮＯＰ₂に増えるまで待つ。圧力レベルＮＯＰ₂に達すると、噴射針２７を開き、次の投入量分の流体を噴霧する。このときの噴射休止をＤＵＲ Ｂで示す。

噴射シーケンスＣ（図７を参照）では、まず、ＮＯＰ₁、ＮＣＰ₁、および逃し弁３１に対し上述の圧力シーケンスを繰り返す（噴射シーケンスＡを参照）。ＮＣＰ₁に達した後、逃し弁３１を開いて、圧力を最小限にまで低下させ、すぐに逃し弁３１を閉じる。逃し弁３１を閉じると同時に噴射針２７を閉じ、初期噴射圧ＮＯＰ₂レベルに達するまで閉じたままにする。圧力レベルＮＯＰ₂に達すると、噴射針２７を開き、次の投入量分の流体を噴霧する。ここでの噴射休止をＤＵＲ Ｃで示す。噴射休止の間、逃し弁３１を開いておく期間をさらに長くすれば、噴射休止の延長ができるものと考えられ、圧力増加の開始時間が先送りされる。このため、噴射を起こすタイミングを制御できる。図７では、噴射圧ＮＯＰ₁およびＮＯＰ₂をあるレベルの値として選択している。噴射針２７を閉じておく期間を変えることにより別のレベルの噴射圧を選択し、これによって異なる圧力増加曲線が得られることはいうまでもない。さらに、図４に例示するように、噴射休止を複数回にして流体を噴射することもできる。

図８は、二つの噴射ノズルがシリンダ２に設けられている本発明の別の実施形態を示す。これは、最初の噴射およびその次の噴射を行うときに、第１および第２の円錐角β１，β２という異なる角度で流体を噴射できるようにするものである。好ましくは、最初の噴射中に流体を噴射するときの第１の円錐角β１は、前記の円錐角βとおなじものが選択される。後続の噴射中に流体を噴射するときの第２の円錐角β２は、後続の噴射時に噴射される流体が濃厚な流体／ガス混合物の領域に届き、この領域を混合するように選択される。

別の可能性として、二つの異なる角度βを作る可変スプレッダ構造物を備えた単一の噴射ノズルを設けて、噴射の段階毎に円錐角を変えてもよい。これ自体は公知技術である。

本発明に係る内燃機関（エンジン）１の燃料噴射を制御するプロセスは、エンジン１のすべての操作モードに適用できる。好ましくは、流体燃焼中にシリンダ２内でススが過剰に発生するときにのみ噴射休止を実施するように噴射を制御する。また、高度の高いところでエンジン１を操作する場合、または空気が薄い、すなわち空気濃度が低いときに、高い周辺温度下でエンジンを操作する場合など、空気欠乏が予想される場合、つまりシリンダに取り込まれた空気の総量に含まれる酸素分子の量が取り込み体積単位あたり少ない場合にのみ、噴射休止を実行することもできる。これは、スロットルを開けるなどの過渡的なシーケンス中で実行することもできる。エンジンが排気で駆動されるターボを備えている場合、スロットルが開いてもターボはゆっくり反応し、その結果、シリンダ２に導入される空気は比較的少なくなる。つまり、流体／ガス混合物の濃厚な領域がシリンダ２内に生じ、このためススの形成が増加することになってしまう。そこで、本プロセスに従い、噴射休止の後、続けて次の流体の噴射を実行すれば、スス粒子の酸化が十分行われるようになる。以下、このことについてさらに詳細に説明する。

排気をシリンダ２に戻す、いわゆる排気再循環すなわちＥＧＲによって、ＮＯ_Xの形成を減らすことができるが、これはスス粒子形成と引き換えに起きる。本プロセスに従って噴射休止と排気再循環とを組み合わせることによって、エンジン排気中のスス粒子含有量を法定制限値未満に維持できる。同時に、初期噴射圧を直前の噴射圧と比較して低レベルに保てるので、必要な再循環排気量が減る。初期噴射圧のレベルが低いほど、燃焼のために供給される混合エネルギーが少なくなるので、燃焼温度が低下し、これによってＮＯ_Xの形成も低下する。噴射休止はそれ自体で局所的な効果をもたらし、ＮＯ_Xの排出を減らすこともできる。

ある動作条件下では、本発明に従って１回以上の噴射休止Ｕ_iを行って噴射すると、燃料消費量の増加という結果になる可能性もある。このような結果を最小限に抑えるために、噴射休止を最適化し、噴射に用いる流体をできるだけ少なくし、流体をできるだけ急速に燃焼できるようにする必要がある。また、特に、噴射休止の効果がシリンダおよびピストンの構造によって制御されることもわかった。噴射休止後の噴射開始時点で噴射圧をさらに高くすれば、必要な混合の達成に要する燃料はさらに少なくなる。噴射休止後の噴射開始時点で噴射圧をさらに高くすれば、噴射流体の燃焼がさらに迅速になる。しかし、この場合、上述したように、ＮＯ_X形成について考慮する必要がある。

さらに、様々な負荷状況を考慮しつつ本発明に従ってエンジンを最適化できる。例えば、低負荷時には普通の単独噴射を用い、高負荷時に少なくとも１回休止を行う噴射を用いてもよい。

急激にＮＯ_Xの形成を増やさずにエンジン効率を高める１つの方法として、流体の噴射時期を早めると同時に、再循環される排気量を増やす方法がある。しかし、このプロセスは排気中のスス粒子増加に結びつく。このようにスス粒子の含有量が高くなることを避けるためには、燃料消費量は無視できる程度、または全く増やさないで、よりクリーンな排気を達成するように流体の噴射中に噴射休止を設けることである。しかし、大量の再循環排気は、エンジンおよび燃焼プロセスをさらに複雑なものにしてしまう。さらに、低燃料消費量を達成するために噴射休止を最適化すると、スス排出の増加という結果になる可能性もある。したがって、燃料消費量があまり重要でない動作ポイントのみで噴射休止を利用することが効果的であると考えられる。

高度の高いところで駆動すると、空気が薄いために煙が出るという問題が発生する。これはめったに生じない動作状況であるので、このような場合、噴射休止を１回以上設けることによってスス粒子形成を抑えることができる。このやり方は、スス粒子形成の抑制を最大限に引き出すようにすでに最適化されたものと同じである。

スロットルを一時的に、特に迅速に開くと、排気中のスス粒子含有量が高くなるという問題が生じる。このような問題は、ターボで過給を高負荷レベルに増やすための時間がとれないために起きる。新しい負荷条件に合った十分なレベルの過給が達成されるまで比較的長い時間が経過することになる。一方、エンジンは必要な分よりもより低い給気で作動する。空気過剰をあまり低くしすぎないように、負荷の変動はエンジン制御システムによって制限され、その結果、ターボで所望のｒｐｍを得るための時間ができる。

噴射休止Ｕ_iによって、スロットルの開放に対する利点が多くもたらされる。噴射休止Ｕ_iの後、続いて噴射を行うと、スス粒子の酸化を増大させることができるので、空気過剰が低くなってもそれを補うことができる。また、エンジン制御システムは、必要なさらに高いレベルにより迅速に負荷を補うことができる。その結果、スロットルを開いたときに、より迅速に反応できるエンジンとなる。噴射休止Ｕ_iをその基本の形で設けたとき、この効果が低下するに伴って、ターボに付与されるエネルギーが多くなり、これによって、さらに迅速に所望のｒｐｍが得られ、スロットルの開放により迅速にエンジンが反応するという結果が得られる。

本発明によるプロセスは、２ストロークエンジンおよび４ストロークエンジンに、またさらに多くのストロークを備えたエンジンに適用可能である。エンジンがフリーピストンエンジンである場合、上述の角度は、ピストンがシリンダ中で移動する距離あるいは相当する特定の時点に関する値にしてもよい。

流体としてディーゼル燃料のみについて述べてきたが、ガソリンおよび／または水といった他の燃焼性流体および不燃性流体の使用もできる。さらに、噴射ノズル４によって流体を気体状態で導入することも考えられる。

本発明に従って流体をシリンダ内に噴射する内燃機関の概略図である。 噴射休止後に噴射を行っているときの図１の内燃機関の概略図である。 エンジン・クランクシャフトの回転角度を変数として、噴射圧、流体の流量、および噴射針のリフト高さを示す図である。 エンジン・クランクシャフトの回転角度を変数とする流体の流量を示す図である。 エンジン排気中のＮＯ_X含有量を変数とするスス粒子含有量を示す。 動力制御式噴射針を備えた噴射弁の概略図である。 噴射針がどのように制御されて噴射休止および噴射時の噴射圧を変えるのかを示す図である。 流体の噴射をさまざまな円錐角で実行できる内燃機関の概略図である。

符号の説明

１ エンジン
２ シリンダ
３ ピストン
４ 噴射ノズル
５ 吸気導管
６ 吸気弁
７ 排気導管
８ 排気弁
９ 凹部
１０ クランクシャフト
１１ コンロッド
１２ 縁部
１３ 周辺領域
１４ シリンダーヘッド
１５ 中心線
１６ 流体噴霧
１７ ホール（噴射開口）
２０ 流体噴霧
２１ 燃焼室
２２ 高圧ポンプ
２３ シリンダ部分
２４ プランジャ
２５ カム軸
２６ タンク
２７ 噴射弁
２８ 第１の面
２９ 第２の面
３０ 弾力性要素（針スプリング）
３１ 逃し弁
３２ 制御ユニット
３５ 制御機構

Claims (14)

1. シリンダ（２）中の上下死点ポイントの間を往復運動するピストン（３）と、シリンダ（２）に設けられた噴射ノズル（４）と、を備える内燃機関（１）への流体の噴射を制御する方法であって、
   初期噴射圧（ＮＯＰ_i）でシリンダ（２）への流体の噴射を実行し、該流体を発火させてシリンダ（２）内の圧力を増加させ、これによってシリンダ（２）中の下死点ポイントに向かってピストン（３）を移動させる工程と、
   流体の噴射中に複数回の噴射休止（Ｕ_i）を実行する工程と、
   を含む方法において、
   次第に流体の供給量が増加する、一連の後続する流体噴射パルスに先立つ最初の流体噴射パルスを含み、流体噴射休止（Ｕ _i ）のうち最初の流体噴射休止の直前における噴射圧（ＮＣＰ_i）に比べて０バール以上の下限と２０００バールの上限を有する範囲内の値だけ後続する流体噴射パルスのための初期噴射圧（ＮＯＰ _i+1 ）が増加するように、後続する流体噴射パルスが実行されるとともに、内燃機関（１）に設けられたクランクシャフト（１０）の回転角（α）が０°以上の下限と３０°の上限を有する範囲内の値に相当する期間にわたり当該流体噴射休止は実行されることを特徴とする方法。
2. 当該噴射休止（Ｕ _i ）がクランクシャフト（１０）の回転角度（α）において１°から２０°までの範囲で実行されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 当該噴射休止（Ｕ_i）について、流体の噴射シークエンス全体は、クランクシャフト（１０）の回転角度（α）に関して上死点前４０°から上死点後６０°までの範囲で実行されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 当該噴射休止（Ｕ _i ）について、流体の噴射シークエンス全体は、クランクシャフト（１０）の回転角度（α）に関して上死点前２０°から上死点後４０°までの範囲で実行されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 流体の噴射圧（ＮＯＰ_i、ＮＣＰ_i）は、シリンダ（２）の圧縮圧より３０００バールまで大きな範囲内の値に制御されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 噴射弁（２０）は噴射ノズル（４）に設けられた少なくとも１つの噴射開口（１７）と協働するように設計された噴射針（２７）を備え、当該噴射針（２７）は高圧ポンプ（２２）によって生成される流体圧力によって制御され、当該流体圧力自体は噴射弁（２０）に設けられた逃し弁（３１）からの作用を受け、当該逃し弁（３１）は開弁時に噴射弁（２０）の圧力を減らし、当該噴射針（２７）は生成された流体圧力とは独立して制御機構（３５）によっても開閉可能であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 当該噴射弁（２０）はユニットインジェクタ・タイプであることを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 噴射休止（Ｕ_i）は、シリンダ（２）内で流体の燃焼中に過剰な量のススが発生した場合にのみ実行することを特徴とする請求項１に記載の方法。
9. 噴射休止（Ｕ_i）は、高度の高い場所で内燃機関（１）を作動させる場合や、周囲温度が高い場合など、内燃機関（１）に取り込まれた空気の総量に含まれる酸素分子の量が取り込み体積単位あたり相対的に少ない場合にのみ実行することを特徴とする請求項１に記載の方法。
10. 噴射休止（Ｕ_i）は、過渡的なシーケンスで内燃機関（１）を作動させる場合にのみ実行することを特徴とする請求項１に記載の方法。
11. シリンダ（２）に供給される流体は、ディーゼル燃料などの燃料であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
12. ピストン（３）はその上部側に燃焼室を形成する凹部（９）を備え、流体はシリンダ（２）の中心線（１５）に対し円錐角（β）を有する円錐の形状でシリンダ（２）内に噴射され、噴射休止（Ｕ_i）後に噴射される流体は、実質上ピストン（３）の凹部（９）内に直接噴射することを特徴とする請求項１に記載の方法。
13. 最初の噴射休止（Ｕ_i）の前では、流体は、シリンダ（２）の中心線（１５）に対し第１の円錐角（β１）を有する円錐の形状でシリンダ（２）内へ噴射され、シリンダ（２）内への後続の流体の噴射は、シリンダ（２）の中心線（１５）に対し第２の円錐角（β２）を有する円錐の形状で行われることを特徴とする請求項１に記載の方法。
14. 複数の燃料噴射休止が実行されない場合には、ＮＯ_X排出の量を所定レベルに減らすのに通常必要とされる量よりも少ない量の再循環排気が内燃機関（１）に供給される工程を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の方法。

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