JP7182714B2 - 内燃機関の始動を制御するための装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、コールドスタート排出物、特に粒子排出物を低減するために内燃機関の始動を制御するための制御部および方法に関し、内燃機関は、主要燃焼室内の混合気に点火するための燃料供給式予燃室を備える点火装置を備えている。

窒素酸化物の排出に関する欠点なく内燃機関の燃焼効率を改善するために、空燃比λ＞２で非常に希薄な混合気を燃焼させることが有益である。このような極めて希薄な混合気の安定した点火および燃焼を確実にするために、燃料供給式予燃室を有する点火装置を使用することが有利である。このような点火装置の高い点火エネルギーは、予燃室で起こる予燃焼により供給される。この予燃焼は、予燃室内に少量の燃料を噴射し、その中で得られた混合気を点火することによって開始される。予燃室は、複数の小さなオリフィスを介して主要燃焼室に接続されているため、予燃室内の燃焼は、予燃室から主要燃焼室に入り、その中の混合気に点火する複数の反応ジェットをもたらす。これらの反応ジェットは、通常、主要燃焼室全体を捕捉し、その結果、希薄な混合気の確実な可燃性を可能にする複数の点火スポットが設けられる。

しかし、エンジン始動中に、予燃室点火装置は、低温が予燃室内部の不利な点火および燃焼条件をもたらすので、始動の能力および排出に関する不利益を引き起こす可能性がある。エンジン始動時に、エンジンの温度が運転温度より低い場合、予燃室に噴射された燃料は適切に蒸発することができず、予燃室の壁に蓄積する（壁の濡れ）。その結果、不完全な予燃室の燃焼が起こり、ジェットの反応性は、主要燃焼室の混合気を完全に点火するのに十分ではない。その結果、エンジンはまったく始動しないか、または少なくとも大量の炭化水素および粒子の排出を生成する。さらに、予燃室内部の壁の濡れは、粒子の排出を同様に引き起こす可能性がある燃料堆積物を予燃室内にもたらす可能性がある。エンジン始動時の大量の粒子は、－７℃での実際の実路走行排気（ＲＤＥ）および低温排出試験に関する深刻な問題をもたらす可能性がある。特に、車両の運転中に内燃機関が複数回オンおよびオフに切り替えられるハイブリッド車両では、エンジン始動時の粒子の排出が重要な役割を果たす。

米国特許出願公開第２０１８／０１０５３６号明細書

特許文献１には、主要燃焼室に燃料を噴射する前に、ラダーを予熱することによる、燃料供給式の予燃室を有する点火装置を備えた内燃機関の始動方法が記載されている。予熱は、燃料が主要燃焼室に噴射される前に、予燃室に燃料を噴射することと、予燃室内の混合気に点火することとを含む。しかし、前述の予燃室の予熱は、ピストンの圧縮運動の前に、またはクランクシャフトの運動の前に実現される。その結果、予燃室予熱燃焼は、予燃室内の圧力および温度が当該のときに低いので、燃焼条件が不良の状態で実行されなければならない。したがって、そのような予燃室の燃焼の加熱効果は、エンジン始動時の望ましくない炭化水素および粒子の排出を適切に低減するのに十分なほど強くない可能性がある。

したがって、本発明の技術的課題は、燃料供給式予燃室を有する点火装置を備える内燃機関のコールドスタート排出、特に粒子の排出を低減することである。上記の技術的課題は、独立請求項に記載の主題によって解決される。さらなる好ましい発展形態は、従属請求項によって説明される。

本明細書に記載され、特許請求される主題は、特に、内燃機関（または略して「エンジン」）の始動を制御するための少なくとも１つの制御部および方法に関し、内燃機関は、少なくとも１つのシリンダ、少なくとも１つの主要燃焼室、少なくとも１つの吸気ポート、少なくとも１つの主要燃料噴射器、および／または主要燃焼室内部の混合気に点火するように構成された少なくとも１つの点火装置を有することができ、点火装置は、点火プラグと、予燃室燃料噴射器と、主要燃焼室から分離され得てまた予燃室の壁の少なくとも１つのオリフィスを介して主要燃焼室に流体的に接続され得る予燃室とを備えることができる。少なくとも１つの制御部は、主要燃料噴射器がエンジン始動要求後の少なくとも第１のエンジンサイクル中に停止されている間に、所定量の燃料を予燃室内に噴射し、その中の混合気に点火することによって、予燃室の加熱動作を実行するように点火装置を制御し得る。

換言すれば、主要な燃焼が開始される前に予燃室の加熱動作を実行することができる少なくとも２つのエンジン回転がもたらされる。したがって、噴射された所定量の燃料を蒸発させ、それを予燃室内の引き込まれた空気と混合するのに十分な時間があり、その内部で均質な混合気に至る。均質な混合気は、予燃室の負荷の点火性を改善し、混合物内部のリッチゾーンに起因する粒子排出物の形成を低減する。さらに、予燃室の加熱動作のための完全なエンジンサイクルを確保することは、予燃室の燃焼のための最適なタイミングを選択する高い柔軟性を提供する。

好ましくは、エンジンの少なくとも１つの主要燃料噴射器は、燃料が主要燃焼室に直接噴射可能であるように配置される。代替的または追加的に、少なくとも１つの主要燃料噴射器は、燃料が吸気ポートに噴射されるように配置することができる。この場合、シリンダ１つにつき少なくとも１つの吸気ポートを有することが好ましい場合がある。燃料が１５バールを超える噴射の圧力で吸気ポートまたは燃焼室に噴射される場合、主要燃料噴射器は、高圧燃料噴射器、例えば電気油圧式または圧電式燃料噴射器として設計することができる。燃料が１５バール未満の噴射の圧力で吸気ポートまたは燃焼室に噴射される場合、主要燃料噴射器は低圧燃料噴射器として設計されてもよい。主要燃料噴射器によって噴射される燃料は、ガソリン、エタノール、ＣＮＧ、ＬＰＧ、水素、炭酸ジメチルなど、火花点火燃焼プロセスに適したあらゆる種類の燃料であってもよい。内燃機関は、好ましくはガソリンまたはガスエンジンであってよい。

点火装置の予燃室は、例えば、半球の形状、円錐形、または円筒形に設計することができる。半球の形状と円筒形もしくは円錐形または任意の他の適切な形状とを組み合わせたものも可能であり得る。好ましくは、円筒形の予燃室を使用することができ、その場合円筒の直径は予燃室の長手方向に沿って狭くすることができる。これにより、予燃室の容積を必要以上に大きくすることなく、予燃室の上側部分に火花および燃料を導入するのに十分な空間を設けることができるようになる。

予燃室の容積が大きいほど、主要燃焼室内の混合気を点火するために供給される点火エネルギーが高くなる。一方、予燃室の容積が大きいと、燃焼室全体の圧縮容積を増加させることによって、エンジンの圧縮比が低下する。予燃室が主要燃焼室内にあまりにも大きく突出するときに起こり得る望ましくないグロー発火を回避するよう予燃室の少なくとも一部がシリンダの熱に組み込まれるはずであるためである。
したがって、予燃室の容積は、上で説明した様々な要件に関して最良の妥協点を提示する範囲で選択されるべきである。好ましくは、予燃室の容積は、主要燃焼室の圧縮容積の１％から５％の範囲内、最も好ましくは主要燃焼室の圧縮容積の２％から４％の範囲内とすることができる。

予燃室は、予燃室と主要燃焼室との間の流体連通を設けるための少なくとも１つのオリフィスを有することができる。好ましくは、複数のオリフィスを予燃室の壁に配置することができる。これらのオリフィスの数、向きおよび幾何学的形状は、反応性ジェットの形成および主要燃焼室内のそれらの分布に大きな影響を及ぼす可能性がある。

好ましくは、予燃室は、予燃室の長手方向軸に対して特定の角度を有する周方向に配置された複数の側部オリフィスを有することができる。側部オリフィスの数は、好ましくは２から１０の範囲、最も好ましくは４から８の範囲であってもよい。側部オリフィスの中間軸と予燃室の長手方向軸との間の角度は、好ましくは１０°から９０°の範囲、最も好ましくは２０°から７０°の範囲であってもよい。

側部オリフィスは、好ましくは、互いに等距離に分配させてもよい。あるいは、主要燃焼室の幾何学的形状に応じて、側部オリフィスは、例えば、予燃室の横軸に対して対称に配置された２つのグループにおいて、互いに様々な距離で配置されてもよい。

さらに、必ずしもそうとは限らないが、予燃室は、内燃機関の圧縮サイクル中に通常行われる予燃室への新鮮な混合物または新鮮な空気の導入をさらに改善するために、中央上向きのオリフィスを有することができる。

オリフィスは非常に小さいので、予燃室の燃焼の火炎消炎がその中で発生し、その結果、燃焼生成物のみが予燃室から主要燃焼室に出る。オリフィスの直径が小さいほど、予燃室内の圧力が高くなり、同じ数のオリフィスに対する反応性ジェットの速度が高くなる。予燃室の予熱に関しては、より小さいオリフィスを使用するときに予燃室内部の圧力の増加によって引き起こされる壁の熱損失を回避するために、より大きいオリフィスの直径が有益であり得る。オリフィスの直径は、好ましくは０．８ｍｍから３ｍｍの範囲、最も好ましくは０．９ｍｍから１．６ｍｍの範囲であってもよい。

点火プラグならびに予燃室燃料噴射器または少なくともその一部は、スパークおよび燃料を予燃室に導入／噴射することができるように、予燃室の内部に接続される。点火装置が、２つ以上の点火プラグ、２つ以上の予燃室燃料噴射器、および２つ以上の予燃室を備えることも可能であり得る。さらに、内燃機関は、１つ以上の点火装置を有することができる。

好ましくは、点火プラグは、予燃室内で火花点火を開始するために高電圧を供給する点火コイルに電気的に接続される。点火コイルは、点火装置に一体化されてもよく、またはラダーに対して遠隔に配置されてもよい。点火プラグおよび点火コイルは、好ましくは可変火花持続時間およびマルチ火花点火を提供する火花点火装置を形成する。

予燃室燃料噴射器は、特に液体燃料が予燃室に噴射される場合、燃料の霧化を改善するために、好ましくは高圧燃料噴射器として設計され得る。この場合、予燃室燃料噴射器は、電気油圧式または圧電式燃料噴射器として設計することができる。代替的または追加的に、低圧燃料噴射器が点火装置に組み込まれてもよい。

予燃室に噴射される燃料は、主要燃料噴射に使用されるのと同じ種類の燃料であってもよいし、異なる種類の燃料であってもよい。特に予燃室の予熱を考慮すると、より点火可能な燃料は、困難な点火条件下であっても予燃室の燃焼を開始するのに、有益であり得る。

予燃室内に噴射される燃料の所定量は、予燃室内部で利用可能な空気の量に依存する。予燃室の加熱動作に適した予燃室の混合気の空燃比は、好ましくは０．８５＜λ＜１の範囲内とすることができるため、関連する所定の燃料の量は、予燃室内部の利用可能な空気の質量から生じ、それは主に予燃室の容積およびシリンダの圧力に依存する。予燃室の容積は、主要燃焼室の圧縮の容積の大きさに応じて一度判定され得る一定の値である。シリンダの内圧は、シリンダ内圧センサで測定することが好ましい。代替的または追加的に、予燃室の加熱動作中のシリンダの圧力は、例えば吸気圧力およびエンジンの速度に応じて制御部で実行される計算に基づいて推定することができる。したがって、予燃室に噴射される燃料の所定量を高精度で判定することができる。

少なくとも１つの制御部は、燃焼エンジンに一体化されてもよく、あるいは、燃焼エンジンから離れた車両内の位置に配置されてもよく、制御部およびエンジンは、１つまたは複数の信号線を介して接続されてもよい。制御部は、エンジン制御部（ＥＣＵ）または別個の制御装置であってもよい。また、制御されるアクチュエータのサブグループを制御することができる複数の制御部があってもよく、例えば、１つの制御部が主要燃料噴射器のみを制御することができ、別の制御部が点火装置のみを制御できる、などのことがある。

好ましくは、制御部は、エンジン始動要求後の少なくとも第１のエンジンサイクルの圧縮行程中に予燃室の加熱動作を実行するように点火装置を制御することができ、主要燃料噴射器は、予燃室の加熱動作が行われるエンジンサイクル全体の間に停止される。制御部は、予燃室燃料噴射器を作動させて予燃室内に所定量の燃料を噴射し、続いて点火プラグをトリガして混合気を内部で点火することによって、予燃室の加熱動作を実行するように点火装置を制御するように構成できる。

前述のように、予燃室の加熱動作を実行するためにエンジンサイクル全体を確保することにより、予熱プロセスの最適なタイミングを選択することができる。
異なるエンジンストロークを見ると、圧縮行程は、予燃室の加熱動作を実行するための最良の圧力および温度の条件をもたらすことができる。
圧縮行程中に混合物を形成するため限られた時間しか与えられないとしても、圧力および温度の絶えない上昇は、予燃室内に点火可能な混合物を生成するのに必要な時間を著しく短縮する。全体として、圧力および温度の上昇の利点は、混合物の形成という観点で、時間の限界を、明らかに過剰なほど補う。さらに、圧縮行程終了時の圧力および温度の上昇は、後続の燃焼プロセスを加速し、したがって、予燃室内の熱の放出を増加させる。このため、予燃室において所望の温度の上昇を実現するための燃料噴射量を低減することができる。要約すると、圧縮行程中に予燃室の加熱動作を実行することは、予燃室の負荷の確実な点火および効率的な燃焼をもたらし、したがって、予燃室の温度を効果的に上昇させる。

さらに、制御部は、予燃室の壁の温度が所定の温度を超えるまで、エンジン始動要求後少なくとも第１のエンジンサイクル中に、複数の予燃室の加熱動作を実行するように点火装置を制御し得る。特に低いエンジン温度では、単一の予燃室加熱動作では、予燃室を適切に加熱するのに十分ではない場合がある。このような場合、第１のエンジンサイクル中、好ましくは圧縮行程中にさらなる加熱動作を実行することができる。例えば、圧縮行程の開始時に第１の加熱操作が行われた場合、圧縮行程の終了時にさらなる加熱動作を開始することができる。第１の予燃室の燃焼後にピストンが上方へ移動することにより、新鮮な空気を予燃室に導入することができ、その結果、点火可能な混合気を複数生成することができる。

予燃室の壁の温度は、第１の主要燃焼を開始するために予燃室が十分に加熱されているかどうかを決定するための基準の温度として使用することができる。壁の温度は、予燃室の燃料堆積物によって引き起こされる粒子の排出を回避するために、壁の膜の急速な気化を可能にする値に達しているべきである。さらに、予燃室内の温度は、低いエンジン温度であっても主要燃焼室の混合物を完全に点火して燃焼させることを可能にする反応性ジェットを生成するための効果的な予備燃焼に適しているべきである。予燃室の加熱動作を終了するために超えなければならない予燃室の壁の温度の閾値は、予燃室に噴射される燃料の種類に依存し得る。ガソリンの場合、予燃室の壁の温度は、好ましくは８５℃、最も好ましくは９０℃であり得る。好ましくは、予燃室の壁の温度は、予燃室の壁に恒久的に取り付けられた温度センサによって測定されてもよい。あるいは、温度センサは、すべての関連する境界条件で予燃室加熱動作が実行される試験段階中にのみ適用されてもよい。試験段階中、予燃室の燃焼に応じた予燃室の壁の温度の上昇は、例えば、異なるエンジン温度、予燃室の異なる空燃比、予燃室内に噴射される燃料の異なる噴射圧力などにおいて、温度センサにより測定することができる。次いで、予燃室の壁の測定された温度上昇は、吸気温度、エンジン冷却剤の温度、吸気の質量および吸気の圧力などの、制御部によって連続的に測定または計算されるパラメータに応じた特性曲線またはマップとして制御部に記憶することができる。代替的または追加的に、圧力センサは、例えば、中心電極の隣に圧力センサを含む測定点火プラグを使用して、予燃室に適用されてもよい。予燃室の圧力の上昇を測定することにより、予燃室内の熱の放出を推定することができ、したがって、壁の温度の温度上昇との良好な相関をもたらすことができる。

第１の予燃室加熱動作サイクルの後に予燃室の壁の温度が所定の壁の温度に達しない場合、制御部は、予燃室の壁の温度が所定の温度を超えるまで、エンジン始動要求後の複数のエンジンサイクル中に予燃室加熱動作を実行するように点火装置を制御することができる。この場合、上述の手順はまた、エンジンサイクルごとの予燃室の加熱動作および／または複数の予燃室の加熱動作ごとの１つまたは複数の点火と組み合わせて、予燃室内への複数の燃料噴射を行う、すなわち実行されてもよい。予燃室の加熱動作サイクルの最大数は、内燃機関の望ましくない長い開始時間を回避するために、好ましくは５サイクル、最も好ましくは３サイクルであり得る。予燃室加熱動作サイクル中に電動機などの他のパワートレーンが作動可能なハイブリッド車両の場合、予燃室の壁の温度が所定温度を超えるまでは、予燃室加熱動作サイクルの最大回数を５回超に拡張することができる。予燃室には先行するサイクルの未燃の燃料が残留する可能性があるため、予燃室に噴射される燃料の総量は、予燃室の加熱動作サイクルごとに段階的に減少され得る。さらに、第２または第３の加熱動作サイクルにおいて予燃室の温度がより高いために、いずれにせよ効果的な燃焼を実行するために必要な燃料は少なくなる。複数の予燃室の加熱動作サイクルを実行することにより、高い反応性ジェットをもたらして、第１の主要燃焼サイクルにおいて主要燃焼室内の混合物を確実に点火することが可能になる。
したがって、低いエンジン温度であっても、エンジン始動中に望ましくない炭化水素および粒子排出物の形成が低減される。

また、制御部は、予燃室に噴射される所定量の燃料を分割して複数回に分けてそれを噴射するように燃料噴射器を制御し得る。これらの複数回の噴射は、特に低いエンジン温度での混合物の形成を補助するために有益であり得る。さらに、噴霧の予燃室への浸透を低減することができ、したがって、壁の濡れの結果として生成される粒子を低減することができる。複数の噴射は、エンジン始動要求後の第１のまたは複数のエンジンサイクル中に、単一の予燃室加熱動作と組み合わせて、ならびに複数の加熱動作と組み合わせて実行することができる。噴射回数は２から５回が好ましく、２から３回が最も好ましい可能性がある。

さらに、制御部は、各噴射を別々に点火するために、複数の噴射の各々の後に点火プラグをトリガすることができる。この手順は、予燃室内の火炎伝播を補助することができ、したがって加熱効果を改善することができる。

好ましくは、制御部は、燃料圧力が所定の値を超える前に予燃室燃料噴射器を作動させることができる。これにより、小さな液滴での安定した噴霧の形成が可能になり、したがって、粒子の形成を引き起こす可能性がある予燃室内部の壁の濡れを回避するのに役立つ。好ましくは、所定の圧力の値は、エンジンの動作で使用される最大噴射圧力の少なくとも９０％、最も好ましくはエンジン動作で使用される最大噴射圧力の少なくとも９５％であってもよい。
予燃室の加熱動作を実行するために予燃室内に燃料を噴射するための燃料圧力は、好ましくは５バールから２５０バールの範囲内、最も好ましくは１００バールから２００バールの範囲内であり得る。

さらに、特許請求される主題は、少なくとも１つのシリンダ、少なくとも１つの主要燃焼室、少なくとも１つの吸気ポート、少なくとも１つの主要燃料噴射器、および／または主要燃焼室内部の混合気に点火するように構成された少なくとも１つの点火装置、ならびに少なくとも１つの制御部を有する内燃機関の始動を制御する方法であって、点火装置は、点火プラグと、予燃室燃料噴射器と、予燃室の壁（１０ｄ）の少なくとも１つのオリフィス（１０ｅ）を介して主要燃焼室に接続された予燃室とを備えることができ、
制御部は、主要燃料噴射器がエンジン始動要求後の少なくとも第１のエンジンサイクル中に停止されている間に、所定量の燃料を予燃室内に噴射し、その中の混合気に点火することによって、予燃室の加熱動作を実行するように点火装置を制御することができる方法を含むことができる。

さらに、特許請求される主題は、コンピュータまたはコンピューティングユニットによって実行されるとき、上記の方法またはその態様をコンピュータに実行させる命令を含むメモリ、ならびにコンピュータによって実行されるとき、上記の方法またはその態様をコンピュータに実行させる命令を含むコンピュータ可読［記憶装置］媒体に、
格納可能なコンピュータプログラム製品を含むことができる。

要約すると、燃料供給式予燃室を含む点火装置を備えた内燃機関の始動を制御するための制御部および方法は、予燃室の加熱動作を実行することによって、エンジン始動中の粒子の排出を大幅に低減する。加熱後の予燃室の温度が上昇することにより、予燃室内の壁の濡れを回避することができ、第１の主要燃焼サイクル中の主要燃焼室における混合物の点火および燃焼の改善に至る反応性火炎ジェットを生成することができる。

以下では、特許請求される主題は、添付の例示的および概略的な図面を参照して、少なくとも１つの好ましい例に基づいてさらに説明される。

図１は燃料供給式予燃室を有する点火装置を備える内燃機関のシリンダの概略図である。 図２は点火装置の概略図である。 図３（３ａ－３ｄ）は予燃室の加熱動作を実行するための異なる制御シーケンスを概略的に示す。 図４は特許請求される制御方法のフローチャートを示す。

図１は、２つ以上のシリンダ１００を有することができる、別段には不特定の内燃機関の例示的なシリンダ１００を概略的に示す。エンジンは、例えば、２つ、３つ、４つ、６つ、８つまたはそれより多い／少ないシリンダ１００を有することができる。エンジンは、内部に主要燃焼室を画定するようにシリンダ１００内で繰り返し往復運動するためにクランクシャフト（図示せず）によって連結ロッド３を介して駆動される少なくとも１つのピストン２を備える。
主要燃焼室１には、吸気バルブ６を有する（空気）吸気ポート４と、排気バルブ７を有する排気ポート５とが接続されている。主要燃焼室１には、吸気ポート４を介して外気が吸入される。燃焼室１から排気ポート５を介して排気ガスが排出される。点火プラグ１０ａ、予燃室燃料噴射器１０ｂ、および予燃室１０ｃを備える点火装置１０が、内燃機関に取り付けられている。

点火装置１０の点火プラグ１０ａは、点火コイル（図示せず）に電気的に接続されてもよい。点火コイルと組み合わせた点火プラグ１０ａは、好ましくは可変点火持続時間またはマルチ火花点火を提供する火花点火装置を形成する。内燃機関は、１つ以上の点火装置１０を有してもよい。好ましくは、シリンダ１００ごとに少なくとも１つの点火装置１０を有する。点火装置１０ならびに直接燃料噴射器８または少なくともその一部は、反応性ジェット（点線で示す）および燃料を主要燃焼室１に導入／噴射することができるように、燃焼室１の内部に接続される。直接燃料噴射器８は、好ましくは電気油圧式燃料噴射器または圧電式燃料噴射器であってもよい。また、シリンダ１００の吸気ポート４には、ポート燃料噴射器９が接続されている。直接燃料噴射器８の高圧燃料供給部およびポート燃料噴射器９の低圧燃料供給部は図示されていない。主要燃料噴射は、直接主要燃料噴射器８またはポート主要燃料噴射器９のいずれかによって実行されてもよく、または両方の噴射器の間で分割されてもよい。

点火装置を制御するための制御部１１が、図１にさらに示されている。制御部１１は、点火装置１０、直接主要燃料噴射器８および／またはポート主要燃料噴射器９に電気的に接続され、複数のユニット／噴射器／アクチュエータを制御する。制御部１１は、例えば、エンジン制御部（ＥＣＵ）であってもよい。

制御部１１はまた、任意の他の制御部であってもよく、制御部１１と被制御部との間の信号線の接続は、図１の例と異なり得る。例えば、被制御部のサブグループを制御することができる複数の制御部１１があってもよく、例えば、１つの制御部１１－１が点火装置１０のみを制御してもよく、別の制御部１１－２が燃料噴射器８、９のみを制御してもよい、などである。さらに、複数の制御部１１が存在する場合、これらの制御部１１は、階層的にまたは別の方法で互いに相互接続させてもよい。あるいは、複数のアクチュエータのすべての制御機能を含む単一の制御部１１があってもよい。

さらに、図示されていない圧力センサを、例えば燃焼室１の壁に配置して、燃焼室１内部の圧力を測定することができる。燃焼室１内部の圧力を測定することにより、フィードバックの燃焼制御を実現することが可能になり、また、シリンダ内の状態に関する追加の情報を提供することによって、予燃室の加熱動作を改善することも可能になり得る。

図２には、点火装置１０の概略図が示されている。点火装置１０は、燃料噴射器１０ａと、点火プラグ１０ｂと、予燃室１０ｃとを備える。予燃室１０ｃは、予燃室の燃焼によって生成された反応性ジェットを主要燃焼室１に導入するためにオリフィス１０ｅが配置された予燃室壁１０ｄにより、主要燃焼室１から隔てられている。オリフィス１０ｅの数、幾何学的形状および位置は、図２に示す例に限定されない。予燃室１０ｃは、予燃室壁１０ｄ内の様々な位置に配置され、異なる直径で設けられた複数のオリフィス１０ｅを備えることができる。さらに、予燃室の形状は、図２に示す形状に限定されず、半球形、円錐形もしくは円筒形、またはそれらの組み合わせなどの多くの異なる形状で設計することができる。予燃室噴射器１０ａは、エンジンの高圧燃料供給源または低圧燃料供給源（図示せず）に接続されてもよく、または主要燃焼室１に噴射されるのとは異なる燃料を噴射するために別個の燃料供給源（図示せず）に接続されてもよい。点火プラグ１０ｂは、点火装置１０に含まれ得るか、または点火装置１０から離れたエンジンの別の場所に配置され得る点火コイル（図示せず）に電気的に接続され得る。好ましくは、各点火装置１０に対して単一の点火コイルがあり得るが、複数の点火装置１０に対して単一の点火コイルも可能であり得る。

図３（３ａ～３ｄ）には、予燃室の加熱動作を実行する様々な例が示されている。

図３ａは、第１のエンジンサイクル（予燃室加熱サイクル）の圧縮行程中に予燃室内に単一の燃料の量を噴射するように噴射器を制御し、予燃室噴射の終了直後に火花点火をトリガすることによって、予燃室の加熱動作を実行する最も好ましい事例を示す。続く燃焼サイクルでは、主要燃料噴射器は、吸気行程中に主要燃料量を主要燃焼室または吸気ポートに噴射するように制御され、点火装置は、反応性ジェットによって予燃室から主要燃焼室に輸送される必要な点火エネルギーを供給するために予燃室の燃焼を実行することによって、圧縮行程の終わりに主要燃焼室の混合気に点火するように制御される。第２のエンジンサイクル（燃焼サイクル）中に噴射および点火を制御する手順は、図３（３ａ～３ｄ）に示すすべての例について同じである。

図３ｂに示す予燃室の加熱動作を実行するための制御シーケンスは、図３ａに示す予燃室噴射器の噴射期間が第１のエンジンサイクルの圧縮行程中の４つの非常に短い期間に分割され、最後の噴射期間の終了後に単一の点火がトリガされる複数の噴射を示す。図３ｃは、第１のエンジンサイクルの圧縮行程中に複数の噴射も実行するが、小さな噴射タイミングの各々の後に火花点火をトリガすることによって燃焼プロセスをさらに補助する、予燃室加熱燃焼のための異なる制御シーケンスを示す。図３ｄは、図３ａによる複数の予燃室の加熱動作を実行するための制御シーケンスを示しており、加熱動作は第１のエンジンサイクル全体の間に実行される。

図４に示すフローチャートで例示的に説明したように、エンジンの温度および予燃室の壁の温度にそれぞれ応じて、異なる制御シーケンスを実行することができる。

ここでは、制御部がエンジン始動要求を受信すると、サイクルカウンタを１に設定し、ステップＳ１００において、温度センサによって直接的に、または例えば特性曲線またはマップから温度の値を読み取ることによって間接的に、予燃室の壁の温度Ｔ_ＰＣＷを判定することが例示されている。予燃室の壁の温度Ｔ_ＰＣＷが、予燃室の壁１０ｄに壁の膜として蓄積された燃料を気化させるために必要な閾値温度Ｔ_ｖａｐよりも高ければ、予燃室の加熱動作は行われない。閾値温度Ｔ_ｖａｐは、予燃室に噴射される燃料の種類に応じて画定されてもよい。例えば、ガソリンを噴射する場合、Ｔ_ｖａｐは８５℃であることが好ましく、９０℃であることが最も好ましい。

判定された予燃室の壁の温度Ｔ_ＰＣＷがＴ_ｖａｐよりも低いが第１の所定の温度閾値Ｔ_ＴＨ１よりも高い場合、ステップＳ１０１において、図３ａに示す制御シーケンスに従って単一の予燃室加熱動作が実行される。第１の所定の閾値温度Ｔ_ＴＨ１は、０℃から１０℃の範囲にあってもよい。予燃室の壁の温度Ｔ_ｖａｐが第１のものよりも低いが第２の所定の閾値温度Ｔ_ＴＨ２よりも高い場合には、ステップＳ１０２が実行され、圧縮行程中に予燃室に噴射される燃料は、図３ｂに示すように複数の小さな部分、例えば４つの部分に分割される。
最後の噴射の終了後、単一の火花点火が制御部によってトリガされる。
第２の所定の閾値温度Ｔ_ＴＨ２は、－１０℃から０℃の範囲にあってもよい。予燃室の壁の温度Ｔ_ＰＣＷが第２のものよりも低いが第３の所定の閾値温度Ｔ_ＴＨ３よりも高い場合、ステップＳ１０３が実行され、図３ｃに示すように、燃料が予燃室内に複数の小さな部分において噴射され、各噴射の後に火花点火がトリガされる。第３の所定の閾値温度Ｔ_ＴＨ３は、－２０℃～－１０℃の範囲に画定されてもよい。予燃室の壁の温度Ｔ_ＰＣＷが第３の閾値温度Ｔ_ＴＨ３よりも低い場合、図３ｄによるステップＳ１０４が実行され、第１のエンジンサイクル全体の間に複数の予燃室動作が実行される。第１の予燃室加熱サイクルが終了した後、サイクルカウンタがインクリメントされ、実行された予燃室の加熱動作が、予燃室の壁の温度Ｔ_ＰＣＷを気化温度Ｔ_ｖａｐを超える値まで上昇させるのに十分であったかどうかが判定される。そうであった場合、予燃室の加熱動作は終了する。そうでない場合、記載された手順は、予燃室の壁の温度Ｔ_ＰＣＷが気化温度Ｔ_ｖａｐを超えて上昇するまで、または最大数の予燃室加熱サイクルｃ_ｍａｘに達するまで繰り返される。予燃室の加熱動作サイクルの最大数ｃ_ｍａｘは、望ましくない長い開始時間を回避するために、好ましくは５サイクル、最も好ましくは３サイクルであり得る。予燃室加熱動作サイクル中に電動機などの他のパワートレーンが作動可能なハイブリッド車両の場合、予燃室の壁の温度が所定温度を超えるまでは、予燃室加熱動作サイクルの最大回数を５回超に拡張することができる。記載された手順は、エンジン始動中の望ましくない粒子の放出を回避するために、第１の主要燃焼サイクルが開始される前に予燃室が十分に予熱されることを確実にする。

本明細書に記載され、図面によって示されている異なる実施形態、態様、および例の特徴は、部分的または全体的に組み合わされてもよい。本明細書に記載された発明はまた、これらの組み合わせも必要とする。

再び要約すると、本主題は、燃料供給式予燃室を備える点火装置を備えた内燃機関の始動を制御するための制御部および方法を提供し、予燃室の加熱動作が実行され、予燃室の加熱動作は、低いエンジンの温度であっても安全な始動プロセスを可能にし、エンジン始動中の炭化水素および粒子の排出を大幅に低減する。

１ 主要燃焼室
２ ピストン
３ 連結ロッド
４ 吸気ポート
５ 排気ポート
６ 吸気バルブ
７ 排気バルブ
８ 直接主要燃料噴射器
９ ポート主要燃料噴射器
１０ 点火装置
１０ａ 点火プラグ
１０ｂ 予燃室燃料噴射器
１０ｃ 予燃室
１０ｄ 予燃室の壁
１０ｅ オリフィス
１１ 制御部
１００ シリンダ

Claims (16)

1. 少なくとも１つのシリンダ（１００）と、少なくとも１つの主要燃焼室（１）と、少なくとも１つの吸気ポート（４）と、少なくとも１つの主要燃料噴射器（８、９）と、前記主要燃焼室（１）内部の混合気に点火するように構成された少なくとも１つの点火装置（１０）とを有する内燃機関の始動を制御するための制御部（１１）であって、
   前記点火装置（１０）は、点火プラグ（１０ａ）と、予燃室燃料噴射器（１０ｂ）と、予燃室の壁（１０ｄ）の少なくとも１つのオリフィス（１０ｅ）を介して前記主要燃焼室（１）に接続された予燃室（１０ｃ）とを備え、
   前記制御部（１１）は、前記主要燃料噴射器（８、９）がエンジン始動要求後の少なくとも第１のエンジンサイクル中に停止されている間に、所定量の燃料を前記予燃室（１０ｃ）内に噴射し、その中の混合気に点火することによって、前記予燃室の加熱動作を実行するように前記点火装置（１０）を制御し、前記予燃室の壁（１０ｄ）の温度が所定の温度を超えるまで、エンジン始動要求後少なくとも前記第１のエンジンサイクル中に、複数の予燃室の加熱動作を実行するように前記点火装置（１０）を制御するように構成され、
   前記燃料がガソリンである場合に、前記所定の温度が８５℃から９０℃の範囲内である、制御部（１１）。
2. エンジン始動要求後の前記少なくとも第１のエンジンサイクルの圧縮行程中に、前記制御部（１１）は、前記予燃室燃料噴射器（１０ｂ）を作動させて前記予燃室（１０ｃ）内に前記所定量の燃料を噴射し、続いて前記点火プラグ（１０ａ）の火花により前記混合気を前記予燃室内で点火することによって、前記予燃室の加熱動作を実行するように前記点火装置（１０）を制御するように構成される、請求項１に記載の制御部（１１）。
3. 前記予燃室の壁に取り付けられ、前記予燃室の壁の温度を測定する温度センサをさらに有する、先行請求項１または２に記載の制御部（１１）。
4. 前記制御部（１１）は、前記予燃室の壁（１０ｄ）の温度が前記所定の温度を超えるまで、エンジン始動要求後複数のエンジンサイクル中に、前記予燃室の加熱動作を実行するように前記点火装置（１０）を制御するように構成される、先行請求項１から３のいずれか１項に記載の制御部（１１）。
5. 前記制御部（１１）は、前記予燃室（１０ｃ）内に噴射される前記所定量の燃料を分割し、前記予燃室燃料噴射器（１０ｂ）を複数回の噴射にわたって噴射するように制御するように構成される、先行請求項１から４のいずれか１項に記載の制御部（１１）。
6. 前記制御部（１１）は、前記複数回の噴射の各々の後に前記点火プラグ（１０ａ）が火花を発するように構成される、請求項５に記載の制御部（１１）。
7. 前記制御部（１１）は、燃料圧力が所定の値を超える前に前記予燃室燃料噴射器（１０ｂ）を作動させるように構成される、先行請求項１から６のいずれか１項に記載の制御部（１１）。
8. 少なくとも１つのシリンダ（１００）と、少なくとも１つの主要燃焼室（１）と、少なくとも１つの吸気ポート（４）と、少なくとも１つの主要燃料噴射器（８、９）と、前記主要燃焼室（１）内部の混合気に点火するように構成された少なくとも１つの点火装置（１０）と、少なくとも１つの制御部（１１）とを有する内燃機関の始動を制御する方法であって、
   前記点火装置（１０）は、点火プラグ（１０ａ）と、予燃室燃料噴射器（１０ｂ）と、予燃室の壁（１０ｄ）の少なくとも１つのオリフィス（１０ｅ）を介して前記主要燃焼室（１）に接続された予燃室（１０ｃ）とを備え、
   前記制御部（１１）は、前記主要燃料噴射器（８、９）がエンジン始動要求後の少なくとも第１のエンジンサイクル中に停止されている間に、所定量の燃料を前記予燃室（１０ｃ）内に噴射し、その中の混合気に点火することによって、前記予燃室の加熱動作を実行するように前記点火装置（１０）を制御し、前記予燃室の壁（１０ｄ）の温度が所定の温度を超えるまで、エンジン始動要求後少なくとも前記第１のエンジンサイクル中に、複数の予燃室の加熱動作を実行するように前記点火装置（１０）を制御するように構成され、
   前記燃料がガソリンである場合に、前記所定の温度が８５℃から９０℃の範囲内である、方法。
9. エンジン始動要求後の前記少なくとも第１のエンジンサイクルの圧縮行程中に、前記少なくとも１つの制御部（１１）は、前記予燃室燃料噴射器（１０ｂ）を作動させて前記予燃室（１０ｃ）内に前記所定量の燃料を噴射し、続いて前記点火プラグ（１０ａ）の火花により前記混合気を前記予燃室内で点火することによって、前記予燃室の加熱動作を実行するように前記点火装置（１０）を制御する、請求項８に記載の方法。
10. 前記予燃室の壁に取り付けられた温度センサにより前記予燃室の壁の温度を測定する、先行請求項８または９に記載の方法。
11. 前記少なくとも１つの制御部（１１）は、前記予燃室の前記壁の温度が前記所定の温度を超えるまで、エンジン始動要求後複数のエンジンサイクル中に、前記予燃室の加熱動作を実行するように前記点火装置（１０）を制御する、先行請求項８から１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 前記少なくとも１つの制御部（１１）は、前記予燃室（１０ｃ）内に噴射される前記所定量の燃料を分割し、前記予燃室燃料噴射器（１０ｂ）を複数回の噴射にわたって噴射するように制御する、先行請求項８から１１のいずれか１項に記載の方法。
13. 前記少なくとも１つの制御部（１１）は、前記複数回の噴射の各々の後に前記点火プラグ（１０ａ）が火花を発する、請求項１２に記載の方法。
14. 前記少なくとも１つの制御部（１１）は、燃料圧力が所定の値を超える前に前記予燃室燃料噴射器（１０ｂ）を作動させる、先行請求項８から１３のいずれか１項に記載の方法。
15. 先行請求項１から７のいずれか１項に記載の前記制御部を含む内燃機関。
16. 請求項８から１４の方法クレームのいずれか１項に記載の方法をコンピュータに実行させるコンピュータプログラム。

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