JP4260741B2 - 内燃機関の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、直接噴射を伴う内燃機関、特に請求項１の前文の特徴を有する直接噴射を伴う火花点火内燃機関を運転する方法に関する。

直接噴射を伴う新しい内燃機関の運転において、自己着火式及び火花点火式の両方の内燃機関で、噴射断面の形状による混合気形成の改善が達成できる。噴射断面の成形を多様化することによって、燃焼及び排気形成に対する特定の作用を得ることが試みられている。

特許文献１の特許明細書は、燃焼機関の燃焼室における混合気の形成の方法を開示しており、この燃焼機関では燃料の３段階噴射が行われ、この３段階噴射では燃料の主噴射量は燃料の追加噴射量を介して噴射が中断されることなく燃料の点火噴射量につなげられる。燃料の追加噴射量は、燃料の主噴射と燃料の点火噴射との間に噴射されるが、これによって燃料の主噴射量及び燃料の追加点火噴射量の噴射の開始及び終了の時期を、柔軟な方法で選択することが可能となる。

特許文献２は、ディーゼルエンジンを運転する方法を開示しており、この方法では、インジェクターバルブの断面を特に速く開放することで、混合気の好適な均質化の達成が試みられている。この方法では、混合気の均質化を向上させるために、鋭角な噴射断面によって、結果としてインジェクターバルブは急激に開放される。

さらに、特許文献３は、点火可能な混合気を形成する方法を開示しており、この方法において、燃料は少なくとも２つに分割された量で内燃機関の燃焼室に投入され、噴射ノズルのバルブは一部の量を噴射する工程の後に閉鎖位置へ移動することが可能である。ノズル開口部は、湾曲したもしくは放物線状の排出口断面を備えた排出口に向かって連続して次第に細くなるので、燃料噴霧は排出口まで加速される。

特許文献４は、内燃機関の燃焼室への燃料の直接噴射を制御する方法を開示しており、この方法によって、往復運動に依存した起動可能な作動装置を用いて様々な燃料制御断面が得られ、その結果、噴射工程の開始から終了迄一時的に連続した弁位置の場合、制御弁の制御断面は、閉鎖位置とは異なる最小値より上に常に留まる。

公報特許文献５は、直接噴射を伴う内燃機関の混合気形成の方法を開示しており、この方法によって、燃料の噴射中、インジェクターの弁座に対する弁要素の開放往復運動と噴射時間は可変に調節可能で、それによって噴射角度、さらに燃料の流体質量に対する動的な作用が可能となる。

この製造工程は、異なる混合気形成が原因でスパーク障害をしばしば引き起こすことになる異なる燃料噴霧が、噴射ノズル内に生じることを意味するので、内燃機関に設置される前に、噴射ノズルの特定の形状に対する改良（実践はほぼ不可能であるが）が実施されなければならないであろう。

独国特許発明第 １９８ ５７ ７８５ Ｃ２号明細書 独国特許出願公開第 １００ ４０ １１７ Ａ１号明細書 独国特許出願公開第 １００ １２ ９７０ Ａ１号明細書 独国特許発明第 １９６３６０８８号明細書 独国特許発明第 １９６４２６５３ Ｃ１号明細書

これに対して、本発明の目的は、製造許容誤差に関わらず最適な噴射動作と結果的に向上した燃焼を得られるような噴射ノズルの噴射動作を設計することである。

この目的は、請求項１の特徴を有する方法によって本発明に従って達成される。

本発明による方法は、動作ストローク及び燃料噴射時間を可変に調節できるバルブを有する噴射ノズルを備えた直接噴射内燃機関の燃焼室における点火可能な混合気の形成によって特徴付けられる。噴射ノズルのバルブは、動作ストロークが設定されるまで様々な速度が設定されるように、燃料噴射工程中にバルブが閉鎖位置と作動位置の間で様々な加速で移動するように、制御装置を用いて閉鎖位置から作動位置へ移動して動作ストロークを設定する。

噴射ノズルの開放動作は、噴射される燃料液滴が噴射ノズルから噴出するに従って液滴の勢いの増大が得られ、燃料が噴射ノズルの排出口断面から噴出した後の燃料液滴の分散が増大するように設計される。噴射ノズルのバルブは、好ましくは、閉鎖状態でさらに作動位置を構成する、２つの作動位置の間に所望の時間が２００マイクロ秒未満となるように、作動位置に移動する。

本発明では、噴射ノズルの開放は、バルブが作動位置に移動を開始する際、最初は減速した速度で移動し、その後連続的に速度を増大させ、作動位置に到達する時には最大値に達するように設計される。これは、同様に霧化特性を増大させ、その結果、エンジン燃焼、特に燃料消費と排気形成、の特性が改善される。さらに、噴射燃料用に生成される噴霧パターンにおける対称性が改善され、さらに製造ばらつきで引き起こされる噴霧パターン変動が補正される。

バルブの突然の開放と作動位置の急速な設定とは、燃料が噴射ノズルから燃焼室へ比較的速い勢いで流れ出すことを意味し、その結果、増大した燃料液滴の霧化が得られる。これによって、製造許容誤差の補正が可能となり、換言すると、噴射ノズルから流れ出る燃料の作用に影響を及ぼす製造誤差はほとんど発生しない。本発明の参考形態では、バルブの開放は、バルブが高速の一定した速度で作動位置まで移動するよう行われるが、上記速度は最大獲得可能速度の水準未満を維持する。

本発明の別の参考形態では、噴射ノズルの開放は、噴射ノズルのバルブが、作動位置に近づくにつれ、最初は減速した速度で移動し、その後最大値まで速度を上昇させ、作動位置に到達する直前に減速して移動するように設計される。

本発明の参考形態によると、噴射ノズルの開放は、噴射ノズルのバルブが、増大した一定の速度で、動作ストロークより大きい往復運動に相当する中間地点まで移動するように設計される。中間地点に到達すると、バルブは、直ちにあるいは一定の保持時間を置いて、作動位置へ戻る。別の方法として、バルブは、中間地点まで本発明の前述の参考形態に従って移動することも可能で、この場合、バルブは概ね、提案された参考形態の組み合わせに従って移動することができる。

本発明の別の参考形態によると、噴射ノズルの開放は、噴射ノズルのバルブが、増大した一定の速度で、中間作動位置Ａまで移動するように設計される。位置Ａに到達すると、一定の保持時間Ｔ_ＡＨを置いて増大した一定の速度で、中間作動位置Ａの往復運動より大きい往復運動に相当する作動位置Ｂまで移動する。位置Ｂに到達すると、バルブは、直ちにあるいは一定の保持時間Ｔ_ＢＨを置いて増大した一定の速度で閉鎖位置に移動する。

本発明による方法は、特に直接噴射火花点火エンジンでの使用に適しており、こうしたエンジンでは、十分に準備された混合気が非常に短時間の間に点火プラグの領域に存在しなければならず、本発明による方法は、火花点火式及び自己着火式の両方の直接噴射を伴う内燃機関に適している。従って、製造ばらつきに起因する噴霧パターンは補正され、その結果、本発明によると、噴霧パターンは好ましい影響を受ける。それによって噴射された燃料噴霧の全領域において燃料の均質な分布が達成される。これによって、噴射された燃料噴霧にとって全運転サイクルにおいて維持されるべき必要な対称性がもたらされ、それによって望ましくない噴霧ムラ現象を最小限に抑え、あるいは除去する。

別の改良形態では、本発明による方法は、特に外側に向かって開口した噴射ノズルの場合に使用され、この噴射ノズルでは、燃料は中空の円錐として噴射される。このタイプの噴射ノズルは、好ましくは、噴霧誘導燃焼工程のある火花点火内燃機関の場合に使用される。このタイプの内燃機関では、燃料は、中空の燃料円錐の末端に環状渦が形成されるように噴射され、燃焼室内に配置された点火プラグの電極は、噴射された中空の燃料円錐の外側でありながら環状渦の形に形成される混合気内に配置される。本発明による方法を用いて、環状渦の必要な対称性が維持され、得られた環状渦の乱れが防止される。これにより、混合気の点火が改善され、スパーク障害の発生を防止する。

さらなる特徴及び特徴の組み合わせは、詳細な説明において明らかにされる。本発明の特定の例示された実施形態は、図面に単純化した形で図解され、以下の記載においてより詳細に説明される。

図１は、直接噴射を伴う火花点火内燃機関１のシリンダ２を示し、この中で燃焼室４は、ピストン３とシリンダヘッド５との間に区切られている。ピストン３は、シリンダ２内において長手方向に移動自在に保持され、ピストン３の長手方向の移動性は、上死点と下死点によって範囲を定められる。図１に示す内燃機関１は、４サイクル原理に従って作動し、本発明による方法は、直接噴射を伴う自己着火２サイクル内燃機関と同様に火花点火式にも問題なく適している。第１サイクルでは、燃焼空気は吸入路１３を通って燃焼室４に供給され、ピストン３は下死点ＵＴまで下方向に移動する。これに続く圧縮サイクルでは、ピストン３は下死点から上死点ＯＴへ上方向運動で移動し、燃料は、内燃機関１の成層燃焼運転において、圧縮サイクルの間噴射される。上死点ＯＴの領域では、混合気は、点火プラグ７を用いて点火され、ピストン３は下方向運動で下死点ＵＴまで膨張する。最終サイクルで、ピストン３は上死点ＯＴまで上方向運動で移動し、燃焼室４から排気ガスを押し出す。

この例示された実施形態による内燃機関１は、低位および中央の回転速度と負荷範囲では、成層燃焼運転で運転され、上位の負荷範囲では、均一燃焼運転で運転されるように運転される。特に成層燃焼運転では、「噴霧誘導」燃焼工程がある。成層燃焼運転では、燃料は、圧縮ストロークにおいて、好ましくはＯＴ前のクランクシャフトの角度が４０〜１０度となる範囲で噴射される。この場合、燃焼室４への燃料の噴射は、好ましくは２つに分割された量で行われる。

このタイプの噴霧誘導燃焼工程では、好ましくは外側に向かって開口した噴射ノズル１１が使用され、このノズルによって好ましくは７０〜１００度の角度αで中空の燃料円錐８が生成される。中空の燃料円錐８は、燃焼室４内で圧縮された燃焼空気に対して衝突するので、点火プラグ７の電極１２の領域で点火可能な混合気を得られるように、燃焼室４内に環状渦１０が形成される。点火プラグ７は、点火プラグ７の電極１２が得られる渦の中に突き出すように配置され、これらの電極は、燃料の噴射中、中空の燃料円錐８の外周面９の外側に位置する。その結果、点火プラグ７の電極１２は、燃料によって湿ることがない。噴射燃料の最適な燃焼を得るためには、対称で均一な環状渦１０が形成される必要があり、換言すると、得られた環状渦１０は、領域全体に渡って均一な燃料分布を有するように意図されるので、渦の傾斜は発生せず、さらに、インジェクター６が取り付けられる際に、シリンダヘッド５内にインジェクター６の回転位置が定められるのを回避することができる。

図２は、図１による噴射ノズル１１のバルブ（図示せず）の、時間Ｔに渡る往復運動の変化を示すグラフである。燃料は、動作ストロークＨ_Ｂが設定されるまでの噴射ノズル１１のバルブの開放期間Ｔ_Ｂ１が、約１００〜２００マイクロ秒の期間で完了するように噴射される。高速の一定した速度でのバルブの急速な開放は、燃料液滴が燃焼室４に流入する際比較的速い勢いを有するように、燃料の噴射ノズル１１から噴出の加速を可能にし、その結果、より好適な霧化と、燃焼室に既に存在する燃焼空気とのより迅速な混合が達成される。より迅速な開放は、製造許容誤差によって引き起こされる、中空の燃料円錐８における燃料の不均一な分布を回避する。望ましくないばらつきのない均一な燃料の分布を備えた対称な渦１０を得ることがここでの目的であり、換言すると、形成された渦１０を通る水平線１５は、内燃機関１の運転期間全体中の全噴射工程において、インジェクター軸１４に対し可能な限り直角に位置すべきである。さらにここで回避されるべきは、燃料円錐８又は渦１０の末端での螺旋の形成である。

図３によると、第２の方法の例が図示されており、ここでは噴射ノズル１１のバルブは、最初は減速された又は低速度で移動し、連続的に速度を増大させ、その後動作ストロークＨ_Ｂの到達時に最大値をとなるように開放される。バルブの低速の開放中、最初は少量の燃料が燃焼室４に流れ込み、燃焼室に存在する対抗圧力によって減速され、その後さらにより急速な開放によって比較的速い勢いで燃焼室４内に噴出する燃料によって一緒に運ばれ、それによって円錐８における燃料の改善された霧化と均一な分布が達成される。これによって、渦１０が非対称形状となり渦の下部領域で螺旋が形成されることを回避する。環状渦１０の領域全体に渡る燃料の均一な分布によって、燃料粒子は、点火プラグ７の電極１２へ向いた渦１０の外側領域に運ばれ、そこで濃縮される。この工程で、既に揮発した燃料粒子は燃焼空気と混合され、点火可能な混合気を形成する。

図４によると、参考形態が図示されており、ここでは最初噴射ノズル１１のバルブはゆっくりと開放され、短時間置いて、続いて増大した速度で開放され、バルブの速度は動作ストロークＨ_Ｂに到達する直前に減少する。前述の例示された実施形態と同様の方法で、燃料粒子は比較的速い勢いで燃焼室４内に投入され、環状渦１０に均一に分布される。

図５によると、別の参考形態が図示されており、ここではバルブは時間Ｔ_Ｚ内に高速でオーバー動作ストロークＨ_Ｚまで移動し、このオーバー動作ストロークＨ_Ｚは動作ストロークＨ_Ｂより大きい。オーバー動作ストロークＨ_Ｚに到達すると、バルブは、期間Ｔ_Ｂ２内に直ちに、あるいは一定の保持時間Ｔ_ＺＨを置いて、動作ストロークＨ_Ｂまで戻る。この開放の過程中、噴射ノズルからの燃料粒子は、非常に速い勢いで燃焼室に噴射されるように加速される。その結果、より好適な霧化が得られ、それによって製造許容誤差は補正される。この例示された実施形態によると、噴射ノズルの開放中より高速が得られ、それによって燃料の分散を増大させる。

図６によると、別の参考形態が図示されており、ここでは、バルブは、時間Ｔ_Ａ内に高速で中間ストロークＨ_Ａまで移動する。中間ストロークＨ_Ａに到達すると、バルブは、一定の保持時間Ｔ_ＡＨを置いて、時間Ｔ_Ｂまでに一定の速度で作動位置Ｂまで移動し、この位置は作動位置Ａの動作ストロークより大きい動作ストロークＨ_Ｂに相当する。位置Ｂに到達すると、バルブは、直ちにあるいは一定の保持時間Ｔ_ＢＨを置いて、増大した一定の速度で閉鎖位置に移動する。この開放の過程中、最初に小さい液滴が生成され、環状渦の早期形成をもたらす。作動位置Ｂの大きい往復運動は、勢いの大きい液滴を生成し、環状渦を拡大し安定させる。

図解された方法の例は、最適な燃焼を可能にし、特徴的な渦の環状形成の発生をもたらす。この場合、燃料粒子は、より多くの液滴が境界領域に留まるように、渦１０の境界領域で濃縮される。これにより、より広い面積での燃焼空気との接触がもたらされる。さらに、一定の対称性を備えた渦１０の形成と、燃料の規則正しい均一な分布とが達成される。さらに、インジェクター６の定められた回転位置が必要ないので、インジェクターの設置の円滑化が達成される。別の利点は、インジェクターの生産における製造誤差で、直接噴射内燃機関の場合一般に混合気形成においてマイナスの効果を有する誤差の補正である。

図解された方法の例の全てにおいて、燃料は、成層燃焼運転の間、好ましくは約１６バールの燃焼室対抗圧力で、燃焼室に噴射され、これはクランクシャフトの角度がＯＴの前約３０度となる瞬間に一致する。燃料の噴射は成層燃焼運転において行われ、内燃機関１の均一燃焼運転中は燃料の噴射が内燃機関の吸気サイクルにおいて行われることが可能である。上記に図示した方法の例では、噴射ノズル１１のバルブの作動位置の変更は２００マイクロ秒未満で達成される。

さらなる利点としては、噴射ノズル１１の噴射圧力は、１００〜３００バール又は１５０〜２５０バールの間で変化し、噴射ノズル１１から噴出する燃料噴霧８は、７０〜１００度の噴霧角αで円錐状に形成される。

本発明は、直接噴射内燃機関の混合気を形成する方法に関するもので、これによって、燃料噴射ノズルのバルブは、最適な燃焼を可能とするために、動作ストロークが設定されるまで様々な速度が設定されるように、動作ストロークの設定のため制御装置を用いて閉鎖位置から作動位置へ移動し、渦の環状形成の場合は、増大する勢いで渦の境界領域の燃焼空間内へ投入される燃料粒子の濃度が均一になることを可能にし、それによって一定の対称性と燃料の均一な分布を備えた境界渦の形成が達成される。

直接噴射式、火花点火内燃機関のシリンダの断面図。 図１の内燃機関の燃料噴射ノズルのバルブが、作動位置に到達するまでを時系列で描いた、往復運動の概要を示すグラフ。 本発明の第２方法の例に従い、図１の内燃機関の燃料噴射ノズルのバルブが、作動位置に到達するまでを時系列で描いた、往復運動の概要を示すグラフ。 本発明の第３方法の例に従い、図１の内燃機関の燃料噴射ノズルのバルブが、作動位置に到達するまでを時系列で描いた、往復運動の概要を示すグラフ。 本発明の第４方法の例に従い、図１の内燃機関の燃料噴射ノズルのバルブが、作動位置に到達するまでを時系列で描いた、往復運動の概要を示すグラフ。 本発明の第５方法の例に従い、図１の内燃機関の燃料噴射ノズルのバルブが、作動位置に到達するまでを時系列で描いた、往復運動の概要を示すグラフ。

Claims (7)

1. 火花点火式直接噴射内燃機関の、バルブを有する燃料噴射ノズルを備えた燃焼室における点火可能な混合気を形成する方法であって、
   前記燃料噴射ノズルの前記バルブは、閉鎖位置から作動位置へ制御装置を用いて移動し、
   その移動の動作ストローク及び前記燃料噴射の期間を可変に調節することが可能である方法において、
   前記燃料噴射ノズルの前記バルブは、移動開始時は低速で移動し、その後、停止又は減速することなく連続的に速度を増し、前記作動位置に到達する時には速度が最大値になるように、前記制御装置を用いて前記閉鎖位置から前記作動位置へ移動されることを特徴とする内燃機関の制御方法。
2. 前記燃料噴射ノズルは、外側に開口する噴射ノズルとして設計され、前記燃料は中空の円錐の形で前記燃料噴射ノズルから噴射されることを特徴とする請求項１記載の制御方法。
3. 噴射された中空の燃料円錐の末端に環状混合気渦が形成され、噴射された中空の円錐の周面外側に位置する点火プラグ電極が、点火可能な環状混合気渦によって取り囲まれるようにすることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記燃料噴射ノズルの前記制御装置は、ピエゾ圧電素子を用いて制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の制御方法。
5. 前記燃料は、前記内燃機関の均一燃焼運転において、吸入サイクル及び／又は圧縮サイクルにおいて噴射されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の制御方法。
6. 前記燃料は、前記内燃機関の成層燃焼運転における圧縮サイクルの間に噴射されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の制御方法。
7. 前記燃料は、総量あるいは少なくとも２つに分割された量で噴射されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の制御方法。

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