JP4689723B2 - 火花点火内燃機関の冷間運転のための方法 - Google Patents

Description

本発明は、火花点火直接噴射式４行程内燃機関の冷間運転（ｃｏｌｄ−ｒｕｎｎｉｎｇ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ）のための方法に関する。

自動車、特に乗用車においては、オットー機関とも呼ばれる火花点火４行程内燃機関が広く利用されている。かかる内燃機関には、内燃機関のシリンダ内に直接燃料を噴射するためのインジェクタが設けられることが多くなっている。新鮮空気がシリンダに吸入されることにより、燃料／空気混合気が生成され、前記燃料／空気混合気は、燃焼プロセスを開始するため、点火プラグによって所定の時間に点火される。

生成される排気ガスは、後処理措置を行わなければ関連規制を満たさないような汚染物質を含有する。ある運転条件下では、シリンダ内に位置する燃料／空気混合気は、完全には燃焼されない。生成される排気ガスは、種々の割合の炭化水素、一酸化炭素及び窒素酸化物を含有し、それらをより環境に適合する物質へと転化するために、排気ガス触媒コンバータが、排気系の下流に接続される。排気ガス触媒コンバータの有効性は、その運転温度に依存し、排気ガス触媒コンバータは、限界温度、いわゆるライトオフ温度より高い温度になって初めて始動する。

低温始動が行われる際及びそれに続く冷間運転において、混合気は、内燃機関の低温のシリンダ又は燃焼室では不十分にしか調製できない。同様にまだ低温であるか又は十分に加熱されていない排気ガス触媒コンバータは、生成される高い炭化水素の放出及び一酸化炭素の放出を転化できないか又はそれを不十分な程度に転化できるに過ぎない。

低温始動が行われる際及びそれに続く冷間運転において、低温のエンジン構成部品にもかかわらず静かなエンジン回転を得ること及び排気ガス触媒コンバータを迅速に加熱することの両方が目標とされている。従来の運転方法では、このために、燃焼の十分な確実性、ひいては許容できるレベルの回転円滑性を確保するために、過濃給気混合気（ｃｈａｒｇｅ ｍｉｘｔｕｒｅ）での低温始動の後にエンジンは運転される。より遅い時点での放出時間が求められているが、その遅い設定は、可燃性、ひいては静かなエンジン回転によって制限される。過濃混合気は、排気ガス中の高い割合の未燃燃料をもたらし、これは、まだ低温である排気ガス触媒コンバータを加熱するのに用いられ得る。２回目の空気の噴射に伴って、熱的後燃焼が行われることが可能であり、その反応熱が排気ガス触媒コンバータを加熱する。ここでの欠点は、電気的に運転される二次的な空気ポンプ又は二次的な空気供給器、並びに複数の電気式及び空気式切り替え弁の使用が必要であることである。これらの構成部品の機能は、診断されなければならず、これにはコストがかかる。エミッション値及び回転円滑性は十分でない。

本発明は、良好なレベルの円滑な回転及び低いエミッション値とともに排気ガス触媒コンバータの迅速な加熱が実現される、火花点火４行程内燃機関の冷間運転のための方法を規定するという目的に基づくものである。

本目的は、請求項１の特徴を有する第１の方法及び請求項９の特徴を有する第２の方法等により達成される。

まず、内燃機関の吸気行程において、燃料の第１の噴射が、吸気行程噴射として行われる第１の方法が提案される。ここで、希薄で可燃性のある非引火性の燃料／空気混合気がシリンダ内で生成される。シリンダ容積全体を満たす希薄な燃料／空気混合気は、後酸化のための十分な酸素分子を提供する。吸気行程の際に低温である新鮮給気（ｆｒｅｓｈ ｃｈａｒｇｅ）への少ない噴射量の結果として、低温の燃焼室壁上及び低温のピストンボトム上への燃料の蓄積がかなり低減される。このような蓄積された未燃の燃料量から生じる炭化水素の放出が低減される。

吸気行程の後に続く圧縮行程において、燃料の第２の噴射が、圧縮行程噴射として行われ、この行程では、可燃性かつ引火性の燃料／空気混合気が、シリンダ内で生成される。これにより、迅速で確実な燃焼が確保される。圧縮行程における著しく高いシリンダ温度の結果、圧縮行程において噴射される燃料は、著しくより良好に調製される。この結果、過濃混合気にもかかわらず、燃焼室壁上及びピストンボトム上に燃料がほとんど蓄積されない。過濃燃焼の結果、排気ガス触媒コンバータを加熱するのに十分な量の化学エネルギーを含有する多量の一酸化炭素、炭化水素及び水素が、排気管の後反応に利用される。

その後、点火プラグの領域で局所的に富化された燃料／空気混合気を生成するために、層状噴射の形態の燃料の第３の噴射が、点火時間に少なくとも時間的に近接して行われる。ここでは比較的少ない、所定の噴射噴流の形態の噴射量により、噴流の縁部領域における確実な点火が確保される。そこから、火炎前面が、圧縮行程噴射によって生成された点火プラグ周辺の領域の過濃給気層（ｒｉｃｈ ｃｈａｒｇｅ ｌａｙｅｒ）へと迅速に広がる。

第１の方法と同様に、第２の方法は、吸気行程噴射と、その後に続く圧縮行程噴射及び最後の層状噴射を含む。ここで、インジェクタは、内燃機関のシリンダヘッドの側方に配置され、点火プラグは、シリンダヘッドの中央に配置される。

燃焼速度は、空気過剰率が低下すると上昇するため、第３及び第２の噴射から生成される層状給気の過濃混合気の迅速な燃焼は、排気弁が開く時間までに終了される。爆発行程（ｗｏｒｋｉｎｇ ｓｔｒｏｋｅ）のさらなる経過の間、燃焼の火炎前面は、燃焼室の吸気行程噴射の希薄混合気が存在する領域へと広がる。燃焼速度は、ここで存在する高い空気過剰率のために低下し、このため、排気弁が開く際にまだ終了していない。そのため、排気管において及び下流に接続される排気ガス触媒コンバータの上流において、非常に高い排気ガス温度に達する。

層状噴射の過濃混合気の燃焼の結果、多量の一酸化炭素及び多量の水素が生成され、これらは、排出段階において、過剰の酸素が存在していることによって、希薄領域からの部分的になお未燃の炭化水素とともに後酸化される。

点火プラグの領域に低い空気過剰率が存在すると、点火のし易さに悪影響を与えずに、点火時間の比較的遅い設定が可能になる。その結果、高い排気ガス温度を生成することが可能であるが、その理由は、点火時間が遅いと、結果として、燃焼重心が遅角され、燃焼の終了が遅くなるためである。高い排気ガス温度及び若干過剰な酸素とともに、これらの周辺条件は、排気ガス系内の一酸化炭素、水素及び炭化水素の後酸化（排気管及び排気マニホルドの両方、並びに下流に接続される排気ガス触媒コンバータ内の熱的後燃焼として起こる）を促進する。このプロセスで放出される反応熱は、排気ガス温度のさらなる上昇をもたらす。高い排気ガス温度及び触媒コンバータ自体における一酸化炭素及び炭化水素の酸化により、排気ガス触媒コンバータの加速された加熱が確実になり、排気ガス触媒コンバータは、結果として、わずか数秒後にそのライトオフ温度に達する。

吸気行程噴射は、少なくともおよそ均一な燃料／空気混合気がシリンダ内で生成されるように行われるのが好ましい。低温のエンジン構成部品上への燃料の不可避な凝縮量が低減される一方、続く燃焼の際の火炎前面の均一な伝播が確実になる。これに関連して、第１の方法には約１．６の好ましい空気過剰率が好都合であることが分かっており、第２の方法には２〜３の好ましい空気過剰率が好都合であることが分かっている。

圧縮行程噴射は、均一な新鮮給気内で、それに比べて比較的過濃な混合気雲が生成されるとともに希薄な均一な燃料／空気混合気に組み込まれるように行われるのが好ましい。比較的過濃な混合気雲は、１．０以下の空気過剰率を有することが好ましく、その結果、高い点火し易さ及び局所的に制限される迅速な燃焼が確実になる。

シリンダ容積にわたって平均された、全ての噴射から求められる全体空気過剰率は、約１．０から１．０超までの範囲にあることが有利であり、特に１．０以上１．０５以下である。下流に接続される排気ガス触媒コンバータを加熱するため、及びこのために排気ガスラインに提供される熱的後燃焼のために、十分な酸素が存在し、その結果、二次的な空気ポンプ又は二次的な空気供給器によるさらなる空気の供給がもはや必要でなくなる。開ループ及び閉ループ制御に対する構造の複雑性及び費用が低減される。

第１の方法の好都合な一改良形態では、吸気行程噴射及び／又は圧縮行程噴射及び／又は層状噴射は、多重噴射、特に二重噴射又は三重噴射として行われる。第２の方法の好都合な一発展形態では、吸気行程噴射及び／又は圧縮行程噴射は、多重噴射、特に二重噴射又は三重噴射として行われる。層状噴射は、インジェクタの最少噴射量にほぼ対応する量を有する少なくとも１回の個々の噴射を含む。例えば、圧電型構造を有する好適なインジェクタによって、上記３回の噴射の際にそれぞれ噴射される燃料量は、部分的な量に分割され、この部分的な量は、それぞれ、数ミリ秒以内にシリンダ内に導入される。吸気行程噴射の均一化、圧縮行程噴射によって生成される混合気雲の形状と層状化、及び点火プラグにおける点火条件は、層状噴射の際に確実に適合され得る。

吸気行程噴射の時間及び圧縮行程噴射の時間は、有利には、クランクシャフトのクランク角に関連しており、ひいては方法の行程のそれぞれの状態に時間に関して関連しており、その場合、第１の方法において、点火上死点の前約２６０°のクランク角における吸気行程噴射が好都合であることが分かっており、点火上死点の前約３０°のクランク角における圧縮行程噴射が好都合であることが分かっている。第２の方法において、上死点の前３３０°〜２００°のクランク角が吸気行程噴射に好都合であることが分かっており、上死点の前１５０°〜９０°のクランク角が圧縮行程噴射に好都合であることが分かっている。

これに対し、第１の方法の層状噴射は、点火時間に適合されるのが好ましい。異なる負荷条件及び特に回転速度条件が存在する場合、点火時間が変動され、それとともに層状噴射の時間も変動される。異なる点火時間が存在する場合でも、それと適合される層状噴射により、シリンダの給気の確実な点火が確保されることが確実になる。第２の方法の層状噴射については、上死点の前５０°〜１０°のクランク角が好都合であることが分かっており、その場合、点火時間は、上死点の後０°〜４０°のクランク角にある。

触媒コンバータの迅速な加熱のための第１の方法の上述した周辺条件を生成するために、点火時間は、点火上死点の後、特に、点火上死点の後０°〜３５°、好ましくは点火上死点の後１５°〜３０°のクランク角の範囲にあるのが好都合である。層状噴射の噴射終了は、点火時間の領域、好ましくは、点火上死点の前０°以上１０°以下のクランク角にあるのが好都合である。確実な点火に伴い、排気ガス触媒コンバータの迅速な加熱が実現され得る。

好ましい発展形態では、圧縮行程噴射の噴射量及び／又は層状噴射の噴射量は、制御ユニットによって、排気ガス触媒コンバータで達成される運転温度に応じて開ループ又は閉ループ制御される。同様に、それぞれの時間の開ループ又は閉ループ制御を行うことが好都合であり得る。排気ガス触媒コンバータの温度が上昇し、排気ガス触媒コンバータが有効になると、排気ガス値が最小限に抑えられ、内燃機関の全体効率が向上され得る。

本発明による第１及び第２の方法の例示的実施形態を、図面を参照してそれぞれ以下により詳細に説明する。

図１は、シリンダ４の領域における火花点火直接噴射式４行程内燃機関の細部の概略図である。本発明による第１の方法は、ここに示されるシリンダ４の例を用いて示される。内燃機関は１つ以上のシリンダ４を有してもよく、それぞれのシリンダはその内部を上下に周期的に移動するピストン１７を備える。シリンダ４は、その長手方向において、ピストン１７の反対側をシリンダヘッド１９によって閉鎖され、その内部は、反対方向において、ピストン１７によって境界を定められている。ピストン１７の上下運動及びそれに関連している、吸気弁及び排気弁（図示せず）の制御時間は、周期的シーケンスで次々に起こる、内燃機関の４つの方法行程（図２とともにより詳細に説明される）の全てをもたらす。

燃料２をシリンダ４内に噴射するために、概略的に示された制御ユニット１６によって作動されるインジェクタ３が設けられる。シリンダ４内に噴射される燃料２は、吸気行程６（図２）で吸入される新鮮空気容積とともに、燃料／空気混合気を形成し、燃料／空気混合気は、シリンダヘッド１９内に配置される点火プラグ５によって好適な時間に点火される。図１の概略図によれば、インジェクタ３による噴射に加えて、点火プラグ５による点火もまた制御ユニット１６によって制御される。この点火により、シリンダ４内に位置する燃料／空気混合気の点火及び燃焼が起こされる。これによって生成される排気ガスが、１つ以上の排気弁（図示せず）によって、排気ガス管１８を介して、シリンダ４から送出され、後処理のために、排気ガス触媒コンバータ１に通して送られる。排気ガス触媒コンバータ１は、任意の所望の好適な構造を有することが可能であり、示される例示的実施形態では、三元端壁触媒コンバータ（ｔｈｒｅｅ−ｗａｙ ｅｎｄ−ｗａｌｌ ｃａｔａｌｙｔｉｃ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）である。

ここに示される火花点火内燃機関の冷間運転のための第１の本発明の方法（本方法は、排気ガス触媒コンバータ１、シリンダ４、ピストン１７及びシリンダヘッド１９がまだ運転温度に満たない状態の低温始動からの期間にわたる）では、少なくとも排気ガス触媒コンバータ１がそのライトオフ温度に達する時間までに、燃料２の合計３回の噴射が、インジェクタ３によって行われ、前記噴射は、図２とともにより詳細に説明される。図２は、これに関して、シリンダ４（図１）のピストン１７の軸方向位置を規定するクランクシャフト（図示せず）のクランク角αに応じた、本発明による第１の方法の様々な個々のシーケンスの線図を示す。０°のクランク角αは上死点ＺＯＴを規定し、上死点ＺＯＴにおいては、シリンダの内部が燃料／空気混合気を含有し、吸気弁及び排気弁（図示せず）が閉じられ、ピストン１７（図１に示される）が、シリンダヘッド１９に最も近くなるその軸方向位置において、シリンダ４内に位置する燃料／空気混合気を圧縮している。上死点ＺＯＴの領域では、点火プラグ５（図１）によって燃料／空気混合気が点火される。

４行程方法の第１の行程が、上死点ＺＯＴの前３６０°〜１８０°のクランク角αの範囲にわたる吸気行程６である。この後に、上死点ＺＯＴの前１８０°〜０°のクランク角αの範囲にわたる圧縮行程７が続く。次に、爆発行程８が、上死点ＺＯＴから０°〜１８０°のクランク角αにわたり、その後、上死点ＺＯＴの後１８０°〜３６０°のクランク角αにわたる排気行程２２が続く。上死点ＺＯＴの後３６０°のクランク角αにおける排気行程２２の終わりは、上死点ＺＯＴの前３６０°のクランク角αにおける次の吸気行程６の始まりに対応する。

吸気弁（図示せず）は、大部分が吸気行程６にあるとともに部分的に圧縮行程７へも及ぶ、曲線２０に対応する弁行程ｈを行う。吸気弁の弁行程ｈが０を超えると、新鮮空気が、必要に応じて過給機（図１）に補助されて、シリンダ４の内部に吸入される。同じことが、シリンダ４からの排気ガスの放出にも当てはまり、排気弁（図示せず）の弁行程ｈが曲線２１によって表される。したがって、排気弁は、実質的に排気行程２２にわたって開いており、ここで、排気弁は、爆発行程８の終わり頃には既に開き始めている。排気弁が開くと、生成された排気ガスが、排気ガス管１８（図１に示されている）及びその中に配置された排気ガス触媒コンバータ１を通して送られる。

図１及び２を同時に参照すると、第１の本発明の方法にしたがって、吸気行程６において、インジェクタ３によって、シリンダ４の内部への、吸気行程噴射９として燃料２の第１の噴射を行うようになっている。これに関連して、示される例示的実施形態では、吸気行程噴射９は、空気過剰率λ１が約１．６の少なくともほぼ均一な希薄混合気１３がシリンダ４内で生成されるように行われる。吸気行程噴射９は、上死点ＺＯＴの前約２６０°のクランク角αにおいて行われる。これに関連して、吸気行程噴射９は、比較的長期間にわたって行われる個々の噴射であり得る。例えば圧電型構造におけるインジェクタ３の好適な実施形態を所与として、吸気行程噴射９は、数ミリ秒の期間の短い個々の噴射を含む、多重噴射、特に二重噴射又は三重噴射として行うことも可能である。

吸気行程６の後に続く圧縮行程７では、燃料２の第２の噴射が圧縮行程噴射１０として行われる。示される例示的実施形態では、圧縮行程噴射１０は、上死点の前約３０°のクランク角αにあり、時間とともに分散される単一の噴射として行われる。多重噴射もまた、吸気行程噴射９と同様の方法で行うことが可能である。

示される例示的実施形態では、圧縮行程噴射１０は、インジェクタ３に作用する制御ユニット１６によって、希薄混合気１３内に、希薄混合気１３と比べて比較的過濃な混合気雲１４が生成されるように行われる。混合気雲１４は、吸気行程噴射９の希薄混合気１３に組み入れられ、空気過剰率λ２が１．０未満の可燃性かつ引火性の燃料／空気混合気を有する。シリンダ４の内部を満たさない空間的に限られた混合気雲１４は、シリンダ４、ピストン１７又はシリンダヘッド１９などの、内燃機関の低温の壁構成部品にまで届かず、点火プラグ５の点火領域まで及ぶのみであることが好ましい。

吸気行程噴射９及び圧縮行程噴射１０の後、燃料２の第３の噴射が、層状噴射１１の形態で行われ、この層状噴射の噴流形状は、混合気雲１４内に導入されるとともにこのプロセスにおいて点火プラグ５の点火領域を直接通過して移動されるように実現される。また、層状噴射１１は、吸気行程噴射９又は圧縮行程噴射１０に対応して、単一の噴射又は多重噴射として行うことも可能である。

吸気行程噴射９及び圧縮行程噴射１０と対照的に、層状噴射１１の時間は、クランク角αにではなく点火時間１２の時間位置に関連している。内燃機関の回転速度及び／又は負荷に応じて、点火時間１２は、上死点ＺＯＴの前の圧縮行程７内又は上死点ＺＯＴの後の爆発行程８内にあり得る。点火時間１２は、好都合には、上死点ＺＯＴ後にあり、特に上死点ＺＯＴの後０°〜３５°、好ましくは上死点ＺＯＴの１５°〜３０°のクランク角αの範囲にある。点火時間１２は、約２０°のクランク角αにおける例としてここに示される。層状噴射１１が多重噴射として行われる場合、個々の噴射を、点火時間１２の直前及び直後に行うことが好都合であり得る。

層状噴射１１は、時間に関して点火時間１２の直前であり、これに関して、層状噴射１１の終わり１５が、点火時間１２にあるような例としてここでは例示されている。噴射の終わり１５は、点火時間１２の前０°〜１０°のクランク角αの範囲にあるのが好都合である。上死点ＺＯＴの後に行われる遅い点火１２は、シリンダ圧力ｐ（曲線２３によって示される）が低下するときに起こる。

層状噴射１１は、燃料／空気混合気を生成し、燃料／空気混合気は、点火プラグ５の領域で局所的に富化され、比較的遅い点火時間１２にもかかわらず時間的に直近で容易かつ確実に点火可能である。吸気行程噴射９及び圧縮行程噴射１０に比べるとごく少ない量でしかない層状噴射１１の燃料量は、ここでは単に確実な点火のために役立ち、他の場合では混合気雲１４内の１．０未満の過濃な空気過剰率λ２に寄与する。希薄混合気が、吸気行程噴射９の希薄混合気１３内に局所的に実際に生成され、過濃混合気が、混合気雲１４内に生成されるように、噴射９、１０、１１は全て、燃料２のそれぞれの量に関して互いに適合される。ただし、シリンダの内部の容積全体にわたって平均した際に、理論量（λ＝１）であるか又は若干希薄（λ＜１）である全体空気過剰率λが生成される。全体空気過剰率λは、１．０以上１．０５以下の範囲にあるのが好ましい。

層状噴射１１の結果として、たとえ非常に遅い点火時間１２でかつ内燃機関の構成部品が低温である場合であっても、均一な希薄混合気１３が低温のエンジン構成部品上に燃料２が過剰に蓄積するのを防止しながら、混合気雲１４の確実な点火が確保される。同時に、シリンダ４内の燃料／空気混合気の全量は、曲線２１に対応して排気弁が開いているときには、特に希薄混合気１３の領域において完全には燃焼されない。未燃の成分は、排気ガス管１８及び排気ガス触媒コンバータ１を通して送られる。およそ理論量であるか又は若干希薄な全体空気過剰率λは、さらなる措置をとることなく、シリンダヘッド１９と排気ガス触媒コンバータ１との間の排気ガス管１８の領域内及びまた排気ガス触媒コンバータ１自体での熱的後燃焼を可能にし、その結果、排気ガス触媒コンバータは、低温状態からいわゆるライトオフ温度（その温度になった時点で排気ガス触媒コンバータの接触転化作用が生じ得る）に非常に迅速に加熱される。

制御ユニット１６によって、圧縮行程噴射１０の噴射量及び／又は層状噴射１１の噴射量は、冷間運転の際に、上昇する温度と適合されるように、特に排気ガス触媒コンバータ１の領域で、開ループ又は閉ループ制御される。さらに、圧縮行程噴射１０の時間、及び／又は点火時間１２、及び点火時間１２と関連している層状噴射１１の開ループ又は閉ループ制御も、制御ユニット１６によって行われる。上記の開ループ又は閉ループ制御は、個々の噴射９、１０、１１を生成するための多重噴射のシーケンスにも関連する。特に、上死点ＺＯＴの前約３０°のクランク角αから上死点ＺＯＴの前約２１０°〜２３０°のクランク角αまでのより早い時間へと圧縮行程噴射１０は連続的に移動されるようになっている。同時に、当初の遅い噴射時間１２及びこれに関連している層状噴射１１は、特に上死点ＺＯＴの前のより早い時間に移動される。

熱的後燃焼のための補助的な措置として、排気ガス管１８内への２回目の空気の噴射を行うことも可能であり、それにより、排気ガス触媒コンバータ１の加熱がさらに加速される。同様に、層状噴射１１及び点火時間１２の後にさらなる噴射を提供することが好都合であり得、このさらなる噴射は、動作点に関して、点火時間１２又はクランクシャフトのクランク角αのいずれかに関連しており、このさらなる噴射によって、さらなる化学エネルギーが、排気ガス、ひいては排気ガス触媒コンバータ１にもたらされて、排気ガス触媒コンバータ１はより迅速に加熱される。

図３は、シリンダ４の領域における火花点火直接噴射式４行程内燃機関の細部の概略図である。本発明による第２の方法は、ここに示されるシリンダ４の例を用いて示される。ここで、同様の又は同様の作用をする構成部品又は方法工程は、図１及び２に記載の第１の本発明の方法の同じ参照符号によって特徴付けられる。図１に記載の内燃機関と対照的に、点火プラグ２４が、シリンダヘッド２５の中央に配置され、インジェクタ２６が、シリンダヘッド２５の側方に配置される。内燃機関は１つ以上のシリンダ４を有してもよく、それぞれのシリンダはその内部を上下に周期的に移動するピストン１７を備える。シリンダ４は、その長手方向において、ピストン１７の反対にある側を閉鎖され、前記ピストン１７の内部は、反対方向において、ピストン１７によって境界を定められている。ピストン１７の上下運動及びそれに関連している、吸気弁及び排気弁（図示せず）の制御時間は、周期的シーケンスで次々に起こる、内燃機関の４つの方法行程（図４とともに説明される）の全てをもたらす。

燃料２をシリンダ４内に噴射するために、インジェクタ２６は、概略的に示された制御ユニット１６によって作動される。シリンダヘッド２５の側方に配置されるインジェクタ２６は、吸気弁の近傍又は吸気弁の間に配置される。シリンダ４内に噴射される燃料２は、吸気行程６（図４）で吸入される新鮮空気容積と一緒に、燃料／空気混合気を形成し、燃料／空気混合気は、シリンダヘッド２５の中央に配置される点火プラグ２４によって好適な時間に点火される。図３に記載の概略図に対応して、インジェクタ２６による噴射に加えて、点火プラグ２４による点火もまた制御ユニット１６によって制御される。この点火により、シリンダ４内に位置する燃料／空気混合気の点火及び燃焼が起こされる。生成される排気ガスが、排気弁によって、排気ガス管１８を介して、シリンダ４から送出され、後処理のために、排気ガス触媒コンバータ１に通して送られる。排気ガス触媒コンバータ１は、任意の所望の好適な構造を有することが可能であり、示される例示的実施形態では、三元端壁触媒コンバータである。

ここに示される火花点火内燃機関の冷間運転のための本発明による第２の方法（本方法は、排気ガス触媒コンバータ１、シリンダ４、ピストン１７及びシリンダヘッド２５がまだ運転温度に満たない状態の低温始動からの期間にわたる）では、少なくとも排気ガス触媒コンバータ１がそのライトオフ温度に達する時間までに、燃料２の合計３回の噴射が、インジェクタ２６によって行われ、これらの噴射は、図４とともにより詳細に説明される。図４は、この点について、シリンダ４（図３）のピストン１７の軸方向位置を規定するクランクシャフト（図示せず）のクランク角αに応じた、第２の本発明の方法の様々な個々のシーケンスの線図を示す。０°のクランク角αは上死点ＺＯＴを規定し、上死点ＺＯＴにおいては、シリンダの内部が燃料／空気混合気を含有し、吸気弁及び排気弁（図示せず）が閉じられ、ピストン１７（図３に示される）が、シリンダヘッド２５に最も近くなるその軸方向位置において、シリンダ４内に位置する燃料／空気混合気を圧縮している。上死点ＺＯＴの領域では、点火プラグ２４（図３）によって燃料／空気混合気の点火が行われる。

４行程方法の第１の行程が、上死点ＺＯＴの前３６０°〜１８０°のクランク角αの範囲にわたる吸気行程６である。この後に、上死点ＺＯＴの前１８０°〜０°のクランク角αの範囲にわたる圧縮行程７が続く。次に、爆発行程８が、上死点ＺＯＴから０°〜１８０°のクランク角αにわたり、その後、上死点ＺＯＴの後１８０°〜３６０°のクランク角αにわたる排気行程２２が続く。上死点ＺＯＴの後３６０°のクランク角αにおける排気行程２２の終わりは、上死点ＺＯＴの前３６０°のクランク角αにおける次の吸気行程６の始まりに対応する。

吸気弁（図示せず）は、大部分が吸気行程６にあるとともに部分的に圧縮行程７へも及ぶ、曲線２０に対応する弁行程ｈを行う。吸気弁の弁行程ｈが０を超える場合、新鮮空気が、必要に応じて過給機に補助されて、シリンダ４（図３）の内部に吸入される。同じことが、シリンダ４からの排気ガスの放出にも当てはまり、それに関連して、排気弁（図示せず）の弁行程ｈが曲線２１によって表される。したがって、排気弁は、実質的に排気行程２２にわたって開いており、ここで、排気弁は、爆発行程８の終わり頃には既に開き始めている。排気弁が開くと、生成された排気ガスが、排気ガス管１８（図３に示されている）及びその下流に配置された排気ガス触媒コンバータ１を通して送られる。

図３及び４を同時に参照すると、第２の本発明の方法が、吸気行程６において、インジェクタ２６によって、シリンダ４の内部への吸気行程噴射２７として行われる燃料２の第１の噴射を提供する。ここで、示される例示的実施形態では、吸気行程噴射２７は、空気過剰率λ３が２〜３の少なくともほぼ均一な希薄混合気２８がシリンダ４内で生成されるように行われる。吸気行程噴射２７は、上死点ＺＯＴの前３３０°〜２００°のクランク角αにおいて行われる。例えば、図４では、吸気行程噴射２７は、約２７０°のクランク角αにおいて示される。ここで、吸気行程噴射２７は、比較的長期間にわたって行われる個々の噴射であり得る。例えば圧電型構造を有するインジェクタ２６の好適な実施形態を所与として、吸気行程噴射２７は、数ミリ秒の期間の短い個々の噴射を含む、多重噴射、特に二重噴射又は三重噴射として行うことも可能である。

吸気行程６の後に続く圧縮行程７では、燃料２の第２の噴射が、上死点ＺＯＴの前３３０°〜２００°のクランク角αにおいて行われる圧縮行程噴射２９として行われる。示される例示的実施形態では、圧縮行程噴射２９は、上死点の前約９５°のクランク角αにあり、時間とともに分散される個々の噴射として行われる。吸気行程噴射２７と同様の方法で多重噴射を行うことはできなかった。

示される例示的実施形態では、圧縮行程噴射２９は、インジェクタ２６に作用する制御ユニット１６によって、希薄混合気２８内に、希薄混合気２８と比べて比較的過濃な混合気雲３０が生成されるように行われる。混合気雲３０は、吸気行程噴射２７の希薄混合気２８に組み入れられ、空気過剰率λ４が１．０未満の可燃性かつ引火性の燃料／空気混合気を有する。シリンダ４の内部を満たさない空間的に限られた混合気雲３０は、シリンダ４、ピストン１７又はシリンダヘッド２５などの、内燃機関の低温の壁構成部品にまで届かずに、点火プラグ２４の放射領域まで及ぶことが好ましい。特に、圧縮行程７の最初の半分における早期の圧縮行程噴射２９により、燃料によってピストン１７が湿るのを防ぐ。

吸気行程噴射２８及び圧縮行程噴射３０の後、燃料２の第３の噴射が、層状噴射３１の形態で行われ、この層状噴射の噴流形状は、混合気雲３０内に導入されると同時に点火プラグ２４の点火領域に直接誘導されるように実現される。層状噴射３１は、上死点の前５０°〜１０°のクランク角αにおいて行われる。層状噴射３１は、インジェクタ２６の最少噴射量にほぼ対応する量を有する少なくとも１回の個々の噴射を含む。層状噴射３１は、複数の噴射に分割可能であり、噴射のそれぞれの量はほぼ同じである。層状噴射３１を複数の噴射に分割することによって、インジェクタ２６の最少噴射量の個々の噴射が近似する。放出された燃料の浸透深さは、それぞれの噴射の少ない燃料量によって制限され、その結果、燃料は、点火プラグ２４の点火領域のみに誘導され、内燃機関の壁構成部品が湿るのを防ぐことができ、結果として、点火プラグ２４の点火領域に過濃な引火性の混合気がもたらされる。示される例示的実施形態では、層状噴射３１は、２回の連続する噴射に分割される。

内燃機関の回転速度及び／又は負荷に応じて、上死点ＺＯＴの後の点火時間３２は、爆発行程８において、０°〜４０°のクランク角の範囲にあり得る。例として、点火時間３２は、約３０°のクランク角αにおいてここに示される。

上死点ＺＯＴの後の遅い点火１２は、シリンダ圧力ｐ（曲線２３によって示される）が低下しているときに起こる。

層状噴射３１は、燃料／空気混合気を生成し、燃料／空気混合気は、点火プラグ２４の領域で局所的に富化され、比較的遅い点火時間３２にもかかわらず時間的に直近で容易かつ確実に点火可能である。噴射２７、２９、３１の全ての総噴射量の１０％〜２０％の割合を有するとともに、噴射２７、２９、３１の全ての総噴射量の３０％〜６０％の割合を有する吸気行程噴射２７と比べて、及び噴射２７、２９、３１の全ての総噴射量の２０％〜５０％の割合を有する圧縮行程噴射２９と比べて非常に少量である層状噴射３１の燃料量は、ここでは単に確実な点火のために役立ち、他の場合では混合気雲３０内の１．０未満の過濃な空気過剰率λ４に寄与する。

希薄混合気が、吸気行程噴射２７の希薄混合気２８内に局所的に実際に生成され、過濃混合気が、混合気雲３０内に生成されるように、噴射２７、２９、３１は全て、燃料２のそれぞれの量に関して互いに適合される。ただし、シリンダの内部の容積全体にわたって平均した際に、理論量（λ＝１）であるか又は若干希薄（λ＜１）である全体空気過剰率λが生成される。全体空気過剰率λは、１．０以上１．０５以下の範囲にあるのが好ましい。

層状噴射３１は、たとえ点火時間３２が非常に遅くかつ内燃機関の構成部品が低温である場合であっても、均一な希薄混合気２８が低温のエンジン構成部品上に燃料２が過剰に蓄積するのを防止しながら、混合気雲３０の確実な点火を確保する。同時に、シリンダ４内の燃料／空気混合気の全量は、曲線２１に対応して排気弁が開いているときには、特に希薄混合気２８の領域において完全には燃焼されない。未燃の部分は、排気ガス管１８及び排気ガス触媒コンバータ１を通して送られる。およそ理論量であるか又は若干希薄な全体空気過剰率λは、さらなる措置をとることなく、シリンダヘッド２５と排気ガス触媒コンバータ１との間にある排気ガス管１８の領域内、並びにまた排気ガス触媒コンバータ１自体での熱的後燃焼を可能にし、その結果、排気ガス触媒コンバータは、低温状態からいわゆるライトオフ温度（その温度になった時点で排気ガス触媒コンバータの接触転化作用が生じ得る）に非常に迅速に加熱される。

制御ユニット１６によって、圧縮行程噴射２７の噴射量及び／又は圧縮工程噴射２９の噴射量及び／又は層状噴射３１の噴射量は、冷間運転の際に、上昇する温度と適合されるように、特に排気ガス触媒コンバータ１の領域で、開ループ又は閉ループ制御される。さらに、点火時間３２の開ループ又は閉ループ制御は、制御装置１６によって行われる。上記の開ループ又は閉ループ制御は、個々の噴射２７、２９、３１を生成するための多重噴射のシーケンスにも関連する。

熱的後燃焼のための補助的な措置として、排気ガス管１８内への２回目の空気の噴射を行うことも可能であり、その結果、排気ガス触媒コンバータ１の加熱がさらに加速される。同様に、層状噴射３１及び点火時間３２の後にさらなる噴射を提供することが好都合であり得、このさらなる噴射は、点火時間３２又はクランク角αのいずれかに関連しており、このさらなる噴射によって、さらなる化学エネルギーが、排気ガス、ひいては排気ガス触媒コンバータ１にもたらされて、排気ガス触媒コンバータ１はより迅速に加熱される。

インジェクタ、点火プラグ、制御ユニット及び排気ガス触媒コンバータを備えた、示されたシリンダの領域における内燃機関の概略図であり、シリンダには、本発明による第１の方法にしたがって、異なる領域において、燃料／空気混合気が異なるように充填される。 図１の本発明にしたがって、異なるクランク角において提供される噴射の線図である。 シリンダヘッドの側方に配置されるインジェクタ、シリンダヘッドの中央に配置される点火プラグ、制御ユニット及び排気ガス触媒コンバータを備えた、示されたシリンダの領域における内燃機関の概略図であり、シリンダには、本発明による第２の方法にしたがって、異なる領域において、燃料／空気混合気が異なるように充填される。 図３の本発明にしたがって、異なるクランク角において提供される噴射の線図である。

Claims (17)

1. ４行程内燃機関の燃料（２）がインジェクタ（３）によって内燃機関のシリンダ（４）内に噴射されるとともに点火プラグ（５）によって外部点火される、排気ガス触媒コンバータ（１）を有する火花点火直接噴射式４行程内燃機関の冷間運転のための方法であって、
   吸気行程（６）において、燃料（２）の第１の噴射が、吸気行程噴射（９）として行われ、希薄かつ可燃性であるが非引火性の希薄混合気（１３）が、前記シリンダ（４）内で生成される工程と、
   前記吸気行程（６）の後に続く圧縮行程（７）において、燃料（２）の第２の噴射が、前記希薄混合気（１３）内で、それに比べて比較的過濃な混合気雲（１４）が生成されるように圧縮行程噴射（１０）として行われ、可燃性かつ引火性の燃料／空気混合気が、前記シリンダ内で生成される工程と、
   さらに、前記点火プラグ（５）の領域で局所的に富化された燃料／空気混合気を生成するために、前記混合気雲（１４）内に導入される層状噴射（１１）の形態の燃料（２）の第３の噴射が、点火時間（１２）に少なくとも時間的に近接して行われる工程と、
   を含み、
   前記吸気行程噴射（９）が、上死点（ＺＯＴ）の前約２６０°のクランク角（α）において行われ、前記圧縮行程噴射（１０）が、上死点（ＺＯＴ）の前約３０°のクランク角（α）において行われ、前記層状噴射（１１）が、前記点火時間（１２）と時間的に適合され、前記点火時間（１２）が、上死点（ＺＯＴ）の後０°〜３５°のクランク角（α）の範囲にあり、および前記層状噴射（１１）の噴射の終わり（１５）が、前記点火時間（１２）にある、方法。
2. 前記吸気行程噴射（９）が、少なくともほぼ均一な希薄混合気（１３）が前記シリンダ（４）内で生成されるように行われることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記均一な希薄混合気（１３）が、約１．６の空気過剰率（λ１）を有することを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記比較的過濃な混合気雲（１４）が、１．０未満の空気過剰率（λ２）を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記シリンダ容積にわたって平均された、全ての前記噴射（９、１０、１１）から求められる全体空気過剰率（λ）が、１．０以上１．０５以下の範囲にあ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方法。
6. 前記吸気行程噴射（９）及び／又は前記圧縮行程噴射（１０）及び／又は前記層状噴射（１１）が、多重噴射として行わ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方法。
7. 前記圧縮行程噴射（１０）の噴射量及び／又は前記層状噴射（１１）の噴射量が、制御ユニット（１６）により、前記排気ガス触媒コンバータ（１）で達成される運転温度に応じて、開ループ又は閉ループ制御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方法。
8. 前記圧縮行程噴射（１０）の時間及び／又は前記点火の時間（１２）並びに前記点火時間（１２）に関連している前記層状噴射（１１）の時間が、前記制御ユニット（１６）により、前記排気ガス触媒コンバータ（１）で達成される運転温度に応じて、開ループ又は閉ループ制御されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
9. 排気ガス触媒コンバータ（１）を有する火花点火直接噴射式４行程内燃機関の冷間運転のための方法であって、
   その４行程内燃機関の燃料（２）が、シリンダヘッド（２５）の側方に配置されるインジェクタ（２６）により、前記内燃機関のシリンダ（４）内に噴射され、かつ前記シリンダヘッド（２５）の中央に配置される点火プラグ（２４）によって外部点火され、
   吸気行程（６）において、燃料（２）の第１の噴射が、吸気行程噴射（２７）として行われ、希薄かつ可燃性であるが非引火性の希薄混合気（２８）が、前記シリンダ（４）内で生成される工程と、
   前記吸気行程（６）の後に続く圧縮行程（７）において、燃料（２）の第２の噴射が、前記希薄混合気（２８）内で、それに比べて比較的過濃な混合気雲（３０）が生成されるように圧縮行程噴射（２９）として行われ、可燃性かつ引火性の燃料／空気混合気が、前記シリンダ内で生成される工程と、
   さらに、前記点火プラグ（２４）の領域で局所的に富化された燃料／空気混合気を生成するために、前記混合気雲（３０）内に導入される層状噴射（３１）の形態の燃料（２）の第３の噴射が、点火時間（３２）に少なくとも時間的に近接して行われる工程と、
   を含み、
   前記吸気行程噴射（２７）が、上死点（ＺＯＴ）の前３３０°〜２００°のクランク角（α）の範囲において行われ、前記圧縮行程噴射（２９）が、上死点（ＺＯＴ）の前１５０°〜９０°のクランク角（α）の範囲において行われ、前記層状噴射（３１）が、上死点（ＺＯＴ）の前５０°〜１０°のクランク角（α）の範囲において行われ、および前記点火時間（３２）が、上死点（ＺＯＴ）の後０°〜４０°のクランク角（α）の範囲にある、方法。
10. 前記吸気行程噴射（２７）が、少なくともほぼ均一な希薄混合気（２８）が前記シリンダ（４）内で生成されるように行われることを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記均一な希薄混合気（２８）が、２〜３の空気過剰率（λ３）を有することを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 前記比較的過濃な混合気雲（３０）が、１．０未満の空気過剰率（λ４）を有することを特徴とする請求項９に記載の方法。
13. 前記シリンダ容積にわたって平均化された、全ての前記噴射（２７、２９、３１）から求められる全体空気過剰率（λ）が、１．０以上１．０５以下の範囲にあることを特徴とする請求項９〜１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 全ての前記噴射（２７、２９、３１）からの総噴射量が、前記吸気行程噴射（２７）について３０％〜６０％の割合で、前記圧縮行程噴射（２９）について２０％〜５０％の割合で、及び前記層状噴射（３１）について１０％〜２０％の割合でそれぞれ計量供給されることを特徴とする請求項９〜１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記吸気行程噴射（２７）及び／又は前記圧縮行程噴射（２９）が、多重噴射として行われることを特徴とする請求項９〜１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 前記層状噴射（３１）が、前記インジェクタ（２６）の最小噴射量にほぼ対応する量を有する少なくとも１回の個々の噴射を含むことを特徴とする請求項９〜１５のいずれか一項に記載の方法。
17. 前記吸気行程噴射（２７）の噴射量及び／又は前記圧縮行程噴射（２９）の噴射量及び／又は前記層状噴射（３１）の噴射量及び／又は前記点火（３２）のタイミングが、制御ユニット（１６）によって、前記排気ガス触媒コンバータ（１）で達成される運転温度に応じて、開ループ又は閉ループ制御されることを特徴とする請求項９〜１６のいずれか一項に記載の方法。