JP4106055B2 - 火花点火内燃機関を運転するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前文及び請求項６の前文の特徴をそれぞれ有する直接噴射による火花点火内燃機関を運転するための方法に関する。

直接噴射による火花点火内燃機関の運転時、混合気の形成を向上させるために一連の措置が実施され、この結果、特に、確実な点火が内燃機関の成層燃焼モードでもたらされる。燃料噴射分散化することによって、混合気形成に適切に影響を与える試みがしばしばなされている。

特許文献１は、内燃機関の燃焼室に混合気を形成するための方法を開示しており、この方法では、噴射を中断することなく３段階燃料噴射が実施され、また主な燃料量は補足の燃料量を介して点火燃料量に結合される。

特許文献２は、直接噴射による火花点火内燃機関を運転するための方法を開示しており、この方法では、分散化された燃料噴射が均質燃焼モード及び成層燃焼モードの両方で実行される。この関連で、混合気形成のために供給される燃料全体が多数の短い部分噴射で燃焼室に吸入されるように、噴射時間中に予め規定されたクロックシーケンスで、燃料噴射器が繰り返して開閉される。

公知の方法では、最適な燃焼法は、直接噴射による現在の火花点火内燃機関で達成されないことが多いが、この理由は、失火なしには内燃機関の運転挙動を保証することが不可能であるからである。

独国特許発明第１９８５７７８５ Ｃ２号明細書 独国特許出願公開第１００１４５３３ Ａ１号明細書

本発明の目的は、上述のことと対照的に、失火なしに運転挙動の向上をもたらすために、点火可能な混合気雲が点火源の近傍で形成されるように噴射行程を構成することである。

上記目的は、本発明によれば、請求項１に記載の特徴を有する方法及び請求項６に記載の特徴を有する方法によって達成される。

本発明による第１の方法は、第１及び第２の部分量が吸気行程で吸入されまた第３の部分量が圧縮行程で吸入されるように、燃料噴射が内燃機関の均質燃焼モードで構成され、形成される燃料／空気混合気の点火が第３の部分量の噴射終了後に行われることを特徴とする。あるいは、第２の部分量は、圧縮行程の開始部分で、特に上死点の前の約８０°のクランク角まで行うことができる。形成される燃料／空気混合気の点火は、第３の部分量の噴射終了後にせいぜい１００°のクランク角の距離で行われるように構成されることが好ましい。このようにして、燃焼室の壁部への、特にシリンダ壁への燃料の適用が回避される。噴射部分量は、合計量が分散して燃焼室に吸入されるので、噴射される燃料ジェットが大部分分解して、より迅速に気化するように制御される。この結果、噴射部分量の混合気の可能な限り最善の均質化が行われ、シリンダ壁への燃料の相当の適用が同時に回避される。

第１の方法の１つの改良形態では、燃料噴射は、第３の部分量が燃料量全体の約５％〜５０％であるように、第３の部分量の噴射期間が負荷の関数として変更されるように構成される。このことは、動力を生成する燃焼が最適に行われるように混合気形成の特性に影響を与える。このことにより、特に消費及びエミッションの形成が低減される。さらに、点火時間における燃焼室内の混合気雲の位置が点火源の近傍に最適に構成されるように、それぞれの負荷点に形成される混合気雲の位置に影響が及ぼされる。

本発明によれば、第１の部分量の噴射は、点火上死点（ＩＴＤＣ）の前の３００°のクランク角から２００°のクランク角の均質燃焼モードで内燃機関の吸気行程で開始される。

第１の方法の別の改良形態では、第１の部分量の噴射終了と第２の部分量の噴射開始との間の期間は、１０°のクランク角から１００°のクランク角である。

第１の方法の別の改良形態によれば、第２の部分量は、ある状況下で燃料噴射量全体の１パーセント未満であり得るように負荷の関数として変更される。

さらに、噴射燃料の主な量を第１及び第２の噴射の間で分割できる。この関連で、第３の噴射の燃料量は、噴射時間が非常に短いのでこの噴射時間によって規定される。

第１の方法の別の改良形態では、均質燃焼モードの燃料噴射は、第１及び第２の噴射が絶対角度によって規定され、また第３の噴射が、負荷の関数として点火時間に対する差角によって規定されるように構成される。この関連で、能動ノッキング制御の場合、第３の噴射も点火時間に従ってその後に行うことができる。

本発明による第２の方法は、内燃機関の成層燃焼モードで、第１、第２及び第３の部分量が内燃機関の圧縮行程で燃焼室に吸入されるように燃料噴射が構成され、第２の部分量の噴射が、形成される燃料／空気混合気の点火前の１５°のクランク角と、形成される燃料／空気混合気の点火後の４°のクランク角との間の範囲に位置するクランク角で終了されることを特徴とする。第１の部分量は、好ましくは上死点の前の２００°〜３００°のクランク角の吸気行程で実行されることが考えられる。点火可能な混合気雲の位置及び特性はプラス面の影響を受け、この結果、成層燃焼モードをすべての負荷範囲で最適に構成できる。このようにしてもたらされる混合気雲は、最適化された効率レベルを維持しつつ確実に点火できる。この結果、望ましくない失火をさらに最小にすることが可能である。

第２の方法の１つの改良形態では、第３の部分量の噴射開始と第２の部分量の噴射終了との間の期間は約０．１５〜０．４ミリ秒である。この場合、第２の噴射は、第１及び第３の噴射の位置が、第２の噴射の噴射開始又は噴射終了からの時間間隔によって規定されるように、噴射終了によって点火時間に対する差として規定される。第１及び第３の噴射の燃料量は、これらの燃料量が小さいので噴射時間によって規定されることが好ましい。主噴射、すなわち第２の噴射の燃料量は第１及び第３の噴射の燃料量の差から得られる。特に、有効平均圧力Ｐ_ｍｅが４バールよりも大きい高い負荷の場合、第１の部分量の燃料量は燃料量全体の約５０％までであることが可能である。

本発明の別の改良形態では、本発明による２つの方法は、燃料が中空円錐として噴射される外側に開く噴射ノズルに特に利用される。このような噴射ノズルは、ジェットによって案内される燃焼挙動が行われる火花点火内燃機関に使用されることが好ましい。このような内燃機関では、燃料は、トロイダル渦が燃料中空円錐の端部に形成されるように噴射され、この場合、燃焼室に配置される点火プラグの電極は、噴射される燃料中空円錐の外側に配置されるが、同時に、形成される燃料／空気混合気内に位置する。形成される燃料／空気混合気を噴射するために、２つの点火プラグを使用することが考えられる。説明した２つの方法によって、点火可能な混合気雲は、失火の発生が防止されるので回転速度範囲及び負荷範囲のほぼすべてにおいて維持される。

さらなる特徴及び特徴の組み合わせは詳細な説明から明らかになる。本発明の特定の例示的な実施形態は簡略化した形態で図面に示されており、また以下の説明においてより詳細に説明する。

直接燃料噴射による例示的な火花点火内燃機関は少なくとも１つのシリンダを有し、このシリンダでは、長手方向に変位可能にシリンダに保持されるピストンと、シリンダヘッドとの間に燃焼室が形成される。ピストンの長手方向運動は上死点ＴＤＣと下死点ＢＤＣとの間に及ぶ。内燃機関は４ストローク原理に従って動作し、本発明による方法はまた、直接噴射による火花点火２ストローク内燃機関に適切である。

４ストローク内燃機関の第１の行程では、燃焼空気は入口ダクトを通して燃焼室に送られ、ピストンはガス交換下死点ＧＢＤＣ（Gas
flow Bottom Dead Center）まで下方運動して移動する。さらなる圧縮行程では、ピストンはＧＢＤＣから点火上死点ＩＴＤＣ（Ignition
Top Dead Center）まで上方運動して移動し、この上死点において、圧縮行程中に内燃機関の成層燃焼モードで燃料が噴射される。点火上死点ＩＴＤＣの近傍において、燃料／空気混合気は点火プラグによって点火され、ピストンは下死点ＢＤＣまで下方運動して拡張する。最後の行程において、ピストンはガス交換上死点ＧＴＤＣ（Gas
flow Top Dead Center）まで上方運動して移動し、燃焼室からガスを押し出す。

本発明の例示的な実施形態による内燃機関は、低い負荷又は中程度の負荷Ｌがある場合及び／又は低い回転速度Ｎから中間の回転速度Ｎにおいて成層燃焼モードで運転され、また上方負荷範囲の又は完全負荷において均質燃焼モードで運転されることが好ましい。あるいは、成層燃焼モードを他の負荷範囲に、例えば上方負荷範囲又は完全負荷に拡張できる。均質燃焼モードも低い負荷範囲に拡張できる。

図１によれば、多噴射は、いくつかの負荷範囲において二重又は三重噴射が行われるように負荷の関数として変更され、単一燃料噴射を負荷の関数として行うことができる。図１による特性マップでは、単一燃料噴射は負荷範囲１で行われるが、この理由は、前記範囲において、エンジンが低い回転速度Ｎにおいて非常に低い負荷Ｌで動作しているからである。負荷範囲２では、三重燃料噴射が実行されることが好ましく、単一又は二重燃料噴射をいくつかの負荷点で行うことができる。負荷領域３では、単一、二重又は三重燃料噴射が実行されることが好ましく、負荷範囲４では、単一又は二重燃料噴射が行われる。実行される噴射数と個々の部分量の噴射時間とに応じて、均質燃焼モードＨ又は成層燃焼モードＳが行われる。例えば、均質燃焼モードＨ又は成層燃焼モードＳは、１５００までの回転速度及び負荷Ｌ_１、１バールまでの有効平均圧力の負荷範囲１で行うことができる。均質燃焼モードＨ又は成層燃焼モードＳはまた、７〜８バールの有効平均圧力の負荷Ｌ_２まで行うことができる。別の実施例が図１に示されており、負荷Ｌ_３は約８〜９バールの有効平均圧力に対応し、また負荷Ｌ_４は過給なしの内燃機関の１３バールの有効圧力に、また過給付きの内燃機関の約２１バールの有効平均圧力に対応する。

成層燃焼モードでは、ジェット制御燃焼法と称されるものが行われる。燃料の噴射は、点火上死点ＩＴＤＣの前の９０°〜１０°のクランク角範囲において圧縮行程の成層燃焼モードで行われる。この関連で、燃料噴射は１つの動作サイクル中に３つの部分量で行われる。この関連で、第１の部分量は、吸気行程において、好ましくは上死点の前の２００°〜３００°のクランク角で、特に４〜８バールの有効平均圧力の高い負荷で代わりに実行できる。

図２は、三重噴射による内燃機関の均質燃焼モードの燃料噴射の時間プロファィルを示しており、図示した三重噴射は、例えば、上方負荷領域及び完全負荷領域の両方に十分に適している。あるいは、このような三重噴射はまた、例えば内燃機関が始動されるときに他の負荷点で適用できる。

第１の燃料噴射ＦＩ_１Ｖは、内燃機関の吸気行程で、すなわちＧＴＤＣとＧＢＤＣとの間で、好ましくは点火上死点ＩＴＤＣの前の３００°〜２００°のクランク角のクランク角範囲で行われる。第２の部分量ＦＩ_２Ｖの噴射は、特に、第１の燃料部分量ＦＩ_１Ｖの噴射終了後に１０°〜１００°のクランク角の期間の後に開始される。第２の噴射ＦＩ_２Ｖの量は負荷の関数として変更でき、ある状況では、燃料噴射量全体の１％未満であり得る。圧縮行程の初期部分に、特に点火上死点ＩＴＤＣの前の約８０°のクランク角まで第２の部分量ＦＩ_２Ｖを実行することが考えられる。

内燃機関の圧縮行程では、燃料量全体の約５％〜５０％であり得る第３の燃料量ＦＩ_３Ｖが噴射される。内燃機関の吸気行程で噴射される燃料量は、十分に調整された混合気が燃焼室範囲全体で利用可能であるように第３の燃料量ＦＩ_３Ｖの噴射時間まで均質化される。次に、点火可能な混合気雲は、第３の燃料噴射によって点火プラグの近傍に配置され、これによって、燃焼室内に存在する混合気全体の確実な点火が行われる。第３の燃料部分量ＦＩ_３Ｖの噴射終了直後に、混合気の点火が行われる。混合気雲の最適な点火のために、点火時間ＩＴは、失火がすべての負荷範囲で防止されるように負荷の関数として変更され、点火時間ＩＴと第３の燃料部分量ＦＩ_３Ｖの終了との間の距離は１００°のクランク角以下である。

内燃機関の均質燃焼モードにおいて、第２の燃料噴射が図３に従って行われるように第２の燃料噴射を省略することも考えられる。内燃機関の均質燃焼モードの二重噴射は、部分負荷範囲で実行されることが好ましい。この関連で、第１の燃料部分量ＦＩ_１Ｔは吸気行程で行われる。次に、第２の燃料部分量ＦＩ_１Ｔは点火時間ＩＴの直前に圧縮行程で実行される。

成層燃焼モードの燃料噴射ＦＩの時間プロファィルが図４に示されており、燃料噴射は、第１、第２及び第３の部分量ＦＩ_１Ｓ、ＦＩ_２Ｓ、ＦＩ_３Ｓが内燃機関の圧縮行程で吸入されるように構成される。あるいは、第１の部分量ＦＩ_１Ｓは、高い負荷で、特に４〜８バールの有効平均圧力Ｐ_ｍｅで、好ましくはＴＤＣの前の２００°〜３００°のクランク角の吸気行程で実行できる。内燃機関の成層燃焼モードでは、点火は、第２の燃料噴射ＦＩ_２Ｓと第３の燃料噴射ＦＩ_３Ｓとの間で行われる。第２の部分量ＦＩ_２Ｓの噴射は、点火時間ＩＴの前の１５°のクランク角ＣＡと点火時間ＩＴの後の４°のクランク角ＣＡとの間に位置するクランク角範囲で負荷の関数として終了される。すなわち、形成される燃料／空気混合気の点火は、第２の部分量の噴射中にいくつかの負荷点範囲で実行される。第３の噴射ＦＩ_３Ｓは、第３の部分量ＦＩ_３Ｓの確実な点火が保証されるように第２の噴射ＦＩ_３Ｓの終了直後に行われることが有利である。

この例示的な実施形態では、ジェット制御燃焼法が行われ、この方法では、外側に向かって開く噴射ノズルが使用されることが好ましい。上述の噴射方式は、成層燃焼モードのジェット制御燃焼法を安定させるために特に使用され、成層燃焼モードのより大量の排気ガス再循環を可能にする。このことにより、ＮＯｘ形成が低減される。

ジェット制御燃焼法では、７０°〜１００°の角度の燃料中空円錐が、成層燃焼モードで燃焼室内で圧縮される燃焼空気に衝突するように、当該燃料中空円錐は噴射ノズルによって燃焼室に吸入される。このようにして、トロイダル渦が外側領域に、又は噴射された燃料中空円錐の縁部に形成され、この結果、点火可能な燃料／空気混合気が点火プラグの電極の近傍で利用可能になる。この場合、点火プラグは、点火プラグの電極が、燃料噴射中にほとんど濡れることなく、得られる縁渦内に突出するように配置され、すなわち、点火プラグの電極に小さな又は僅かな濡れがある場合、点火時間まで燃料の大部分を電極で再び気化すべきである。

第３の燃料部分量ＦＩ_３Ｓにより、初期燃焼が安定させられる。

説明した多噴射では、内燃機関の運転挙動を均質モード及び成層燃焼モードの両方において改善できる。したがって、消費及びエミッションの形成を最適化できる。これらの利点は、例えば０．２５ミリ秒未満の短い噴射時間を容易に達成できる圧電噴射器を使用する場合に、特に得られる。この結果、燃料噴射が１５０〜２００バール又は１５０〜３００バールの高い噴射圧力で行われることが好ましい場合、非常に小さな燃料量を部分量で燃焼室に吸入できる。この結果、完全負荷範囲においても、直接噴射による火花点火内燃機関の始動時においても、動作サイクル中に多噴射が可能になる。

本方法の実施例のすべてにおいて、燃料は、成層燃焼モードにおいて約１６バールの負圧の燃焼室内に噴射されることが好ましい。同様に、燃料の噴射圧力を１００バール〜３００バールの間で、特に１５０バール〜２５０バールの間で変更することが有利であり、噴射ノズルから放出される燃料ジェットは、７０°〜１００°のジェット角で中空円錐状に燃焼室内に噴射される。

本発明は、火花点火による直接噴射式内燃機関の燃料／空気混合気を形成するための２つの方法に関し、この場合、第１の方法では、燃料噴射は、第１及び第２の部分量が吸気行程で吸入され、また第３の部分量が圧縮行程で吸入されるように、内燃機関の均質燃焼モードで構成され、この場合、形成される燃料／空気混合気の点火は、第３の部分量の噴射終了後に行われる。第２の方法によれば、燃料噴射は、第１、第２及び第３の部分量が内燃機関の圧縮行程中に燃焼室に吸入されるように内燃機関の成層燃焼モードで構成され、この場合、第２の部分量の噴射は、ＩＴの前の１５°ＣＡとＩＴの後の４°ＣＡとの間の範囲に位置するクランク角で終了される。

特に、説明した２つの方法は、ジェット制御燃焼法が行われる火花点火による直接噴射内燃機関に使用するために適切である。このような燃焼法では、十分に調整された混合気が、非常に短い時間内に点火プラグの近傍で利用可能であることが必要である。点火可能な混合気雲の位置及び特性はプラス面の影響を受け、この結果、最適な混合気雲がすべての負荷範囲で得られる。このことは、形成される混合気の確実な点火をもたらし、同時に、エンジンの運転全体にわたって最適化された効率レベルを維持する。この結果、望ましくない失火を最小限にできる。特に、内燃機関の始動時に燃料量を低減でき、このことにより、厳しい排気ガス基準に適合できるように始動時のエミッションの低減がもたらされる。さらに、多噴射又は三重噴射によって、完全負荷範囲の内燃機関のトルクを増大できる。

さらに、均質燃焼モード及び成層燃焼モードの両方において排気ガス再循環（ＥＧＲ）の適合性レベルを拡張でき、すなわち、燃焼に関与するために１つの動作サイクル中に、より大量の排気ガスを燃焼室内に再循環できる。

特に、内燃機関の成層燃焼モードの三重噴射の結果、本発明の方法は、ジェット制御燃焼法と称される方法の安定化を可能にし、この結果、より高レベルのＥＧＲ適合性が達成される。このことにより、ＮＯｘエミッション及び粒子エミッションのさらなる低減がもたらされる。成層燃焼モードは、すべての回転速度範囲及び負荷範囲に一層容易に広げることができる。

上述の方法で達成される機能の範囲は、エンジンが運転される負荷点の関数として、直接噴射による火花点火内燃機関における単一、二重又は三重噴射の実施を可能にすることを意図する。同時に、噴射時間及び点火時間を制御するために提供される制御装置の制御基準が維持される。

直接噴射内燃機関の特性マップを示す図。 クランク角に対してプロットした三重噴射による均質燃焼モードの図１の内燃機関の噴射プロファィルの概略図。 クランク角に対してプロットした二重噴射による均質燃焼モードの図１の内燃機関の噴射プロファィルの概略図。 クランク角に対してプロットした成層燃焼モードの図１の内燃機関の噴射プロファィルの概略図。

Claims (3)

1. 直接噴射による火花点火内燃機関の燃焼室に、点火可能な燃料／空気混合気を形成するための方法であって、
   燃焼空気が入口ダクトを介して燃焼室に送られ、
   燃料が、前記燃焼室に配置され圧電駆動される燃料噴射器によって前記燃焼室内に噴射され、該燃料噴射器は外側に開く噴射ノズルとして具体化され、燃料を中空円錐状に噴射し、前記噴射された中空円錐の縁部にトロイダル渦が形成され、
   前記トロイダル渦の点火可能な燃料／空気混合気渦と接触する位置に配置された点火プラグによって点火され、
   前記燃料噴射が複数の部分量で行われる方法において、
   第１及び第２の部分量が吸気行程で噴射され、また第３の部分量が圧縮行程で噴射されるように、前記燃料噴射が前記内燃機関の均質燃焼モードで構成され、
   前記第１の部分量の噴射が上死点の前の３００°ＣＡ〜２００°ＣＡの吸気行程で開始され、
   前記第１の部分量の噴射終了と前記第２の部分量の噴射開始との間の期間が、１０°ＣＡ〜１００°ＣＡであり、
   前記第３の部分量が燃料量全体の約５％〜５０％であるように、前記第３の部分量の噴射期間が負荷の関数として変更され、
   形成される前記燃料／空気混合気の点火が、前記第３の部分量の噴射終了後に０°ＣＡ〜１００°ＣＡの距離で行われることを特徴とする方法。
2. 前記第２の部分量が負荷の関数として変更され、またある状況下で前記燃料噴射量全体の１％未満であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 直接噴射による火花点火内燃機関の燃焼室に、点火可能な燃料／空気混合気を形成するための方法であって、
   燃焼空気が入口ダクトを介して燃焼室に送られ、
   燃料が、前記燃焼室に配置され圧電駆動される燃料噴射器によって前記燃焼室内に噴射され、該燃料噴射器は外側に開く噴射ノズルとして具体化され、燃料を中空円錐状に噴射し、前記噴射された中空円錐の縁部にトロイダル渦が形成され、
   前記トロイダル渦の点火可能な燃料／空気混合気渦と接触する位置に配置された点火プラグによって点火され、
   前記燃料噴射が複数の部分量で行われる方法において、
   前記内燃機関の成層燃焼モードで、第１、第２及び第３の部分量が前記内燃機関の圧縮行程で前記燃焼室に噴射されるように、前記燃料噴射が構成され、
   形成される前記燃料／空気混合気の点火が、前記第２の部分量の噴射と前記第３の部分量の噴射との間で行われ、
   前記第２の部分量の噴射が、形成される前記燃料／空気混合気の点火前の１５°ＣＡと、形成される前記燃料／空気混合気の点火後の４°ＣＡとの間の範囲に位置するクランク角で終了されることを特徴とする方法。

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