(57)【要約】  本発明は、主噴射、後噴射、及び任意にパイロット噴射として、複数の噴射孔を有する噴射ノズルにより、燃料が燃焼室に直接噴射され、これにより、パイロット噴射及び後噴射が周期的に行われることが好ましい、内燃機関を運転する方法に関する。燃焼室壁を湿潤させることを最小限に抑えるために、燃料の一部の量及び噴射ノズルのノズルニードルのリフトが、後噴射において燃焼室に噴射される燃料のそれぞれ一部の量について、各燃料ジェットの範囲が、燃焼室壁に届かないよう制限される形で、後噴射中に設定される。
2009513856.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズルニードル（１３ａ）と噴射孔（２１）とを有する噴射ノズル（１３）により、燃料が複数の燃料ジェット（１７）の形態で、燃焼室（８）に噴射され、
噴射工程中に、前記燃料のいくらかが主噴射（ＭＩ）として噴射され、
前記主噴射（ＭＩ）後に、所定の燃料が複数回の後噴射（ＰＩ）として噴射される圧縮点火式内燃機関（１）を運転する方法において、
前記後噴射（ＰＩ）で噴射される燃料の量がそれぞれ異なるように、前記後噴射（ＰＩ）が複数回噴射されることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記複数回の後噴射（ＰＩ）中に、前記噴射ノズル（１３）の前記ノズルニードル（１３ａ）のリフト及び／又は燃料噴射圧が、前記燃焼室（８）に噴射される前記後噴射（ＰＩ）のそれぞれ一部の量について、前記燃焼室内の前記各燃料ジェット（１７）の届く範囲が、燃焼室壁との距離より小さくなるよう制限されるように設定されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記後噴射（ＰＩ）として噴射される燃料の最初の噴射量が、それに続く後の噴射量より大きくされることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の方法。
【請求項４】
前記後噴射（ＰＩ）が、前記主噴射（ＭＩ）より低い噴射圧で、前記燃焼室（８）に噴射され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方法。
【請求項５】
前記主噴射（ＭＩ）が、上死点の前の１０°ＣＡ（クランク角）から上死点の後の２０°ＣＡの範囲内で開始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方法。
【請求項６】
前記後噴射（ＰＩ）が、前記主噴射（ＭＩ）の終了後であって、３０°ＣＡ〜１００°ＣＡの範囲内で開始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方法。
【請求項７】
前記後噴射（ＰＩ）が、上死点の後の２０°ＣＡ〜１５０°ＣＡの範囲内の膨張行程において２〜８回に分けて行わ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。
【請求項８】
前記燃料の一部が、前記主噴射（ＭＩ）以下の噴射圧で、複数回のパイロット噴射（ＰＲＩ）として噴射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。
【請求項９】
前記パイロット噴射（ＰＲＩ）が、上死点の前の１４０°ＣＡ〜６０°ＣＡの範囲内で噴射されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記主噴射（ＭＩ）が、前記燃焼室（８）内への前記パイロット噴射（ＰＲＩ）の点火点の後であって、５°ＣＡ〜３０°ＣＡの範囲内で行われることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記パイロット噴射（ＰＲＩ）の燃料量が、より低い及び中程度の負荷範囲内では、前記主噴射（ＭＩ）の燃料量の約２０％〜５０％であり、より高い負荷範囲又は全負荷範囲内では、前記主噴射（ＭＩ）の燃料量の約１０％〜３０％であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記後噴射（ＰＩ）及び／又は前記パイロット噴射（ＰＲＩ）中に、燃料ジェット（１７）の、噴射サイクル中に生成された燃料の雲が、前記燃焼室（８）内で形成された渦運動によって、弱められるか又は側方に移動することを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記噴射ノズルの前記ノズルニードル（１３ａ）の前記リフトが、非定常状態のキャビテーション流が前記噴射ノズル（１３）の前記噴射孔（２１）内で生成されるよう設定されることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記噴射ノズル（１３）の前記ノズルニードル（１３ａ）の前記リフトが、前記噴射ノズル（１３）内で、前記ノズルニードル（１３ａ）とノズルニードルシート（２２）との間の効果的な流れの断面積が、前記すべての噴射孔の合計の効果的な流れの断面積の約０．８〜１．２倍に達するよう変化することを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
内側に開放されるノズルニードル（１３ａ）と複数の噴射孔（２１）とを有する、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の方法を行うための噴射ノズルであって、
８０°〜１４０°の噴射円錐角が、前記噴射された燃料ジェット（１７）によって設定されることを特徴とする噴射ノズル。
【請求項１６】
前記噴射ノズル（１３）の前記ノズルニードル（１３ａ）の前記リフトが、前記噴射ノズル（１３）内で、前記ノズルニードル（１３）と前記ニードルシート（２２）との間の効果的な流れの断面積が、前記すべての噴射孔（２１）の合計の効果的な流れの断面積の約０．８〜１．２倍に達するよう設定され得ることを特徴とする請求項１５に記載の噴射ノズル。
【請求項１７】
前記ノズルニードル（１３ａ）の前記リフトが、２つのバネのホルダ、ピエゾ制御されるノズルニードル、又は同軸可変ノズルによって設定されることを特徴とする請求項１６に記載の噴射ノズル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１に記載の内燃機関、特にディーゼル内燃機関を運転する方法、及び請求項１５に記載の噴射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
直接噴射式内燃機関を運転する場合、噴射プロファイルを変化させることにより、燃焼及びエミッションの形成に影響を及ぼすことが試みられる。圧縮点火式直接噴射内燃機関の場合、噴射バルブの好適な構造及び目標とする開放により、噴射プロファイルの形態を制御する噴射バルブを使用して、負荷に依存する燃料噴射を構成する。これはまた、下流の排気ガスの後処理の機能を向上及び最適化することも意図している。たとえば、目標とする噴射プロファイルの形を使用して、脱硫ＮＯｘ吸蔵還元触媒コンバーター及び車上でのＮＨ３の生成のための不足当量排気ガスを提供し得る。
【０００３】
本特許の優先日以前に公開されたものでない特許文献１では、燃料が主噴射及び後噴射として燃焼室に導入される方法について開示しており、この方法によれば、２つの噴射が続けて行われる。この場合、その意図は、排気ガス組成及び排気ガス温度に影響を及ぼす、トルクプロファイル及び／又は内燃機関のシリンダー内の圧力プロファイルの時間系列を変えるよう、燃焼の時間プロファイルに影響を及ぼすことである。
【０００４】
特許文献２では、中程度のパワー及び比較的高いパワーを達成するために、内燃機関の、均一／不均質混合気を組み合わせた運転モードが提案される方法について開示している。この場合、１つの噴射方法によれば、圧縮行程における早い均一混合気形成と、上死点の辺りの、その後の不均質混合気形成との両方が可能であり、冷たい燃焼室壁に燃料が作用するのを回避するために、均一混合気形成のための燃料噴射が、不均質混合気形成のための噴射圧より低い噴射圧で行われる。しかしながら、上記で提案されている対策にもかかわらず、高い排気エミッションが相変わらず発生することが分かった。したがって、排気エミッションを最小限に抑えるための、さらなる対策を講じなければならない。
【０００５】
【特許文献１】特許出願（出願番号ＤＥ１０１５９４７９．８−１３号）
【特許文献２】独国特許出願公開第１９９５３９３２Ａ１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、排気エミッションを減少させる圧縮点火式内燃機関のための方法を提供することを目的とする。本発明によれば、本目的は、請求項１の特徴によって達成される。
【０００７】
本発明のさらなる目的は、圧縮点火内燃機関の排気ガス特性及び燃料消費特性を向上する装置を提供することである。本発明によれば、上記目的は、請求項１５の特徴を有する装置によって達成される。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の方法によれば、ノズルニードルと噴射孔とを有する噴射ノズルにより、燃料が複数の燃料ジェットの形態で内燃機関の燃焼室に直接噴射され、ある燃料量が、周期的に、複数回の後噴射として主噴射の後に噴射され、この後噴射は、後噴射の燃料の一部の量が異なる大きさで形成されるように、一部の量だけ周期的に複数回噴射される。この結果、燃料の一部の量を、シリンダー内のピストン位置及び／又は内燃機関の動作点に目標とする方法で適応させることができ、したがって、各一部の量が、シリンダー壁に到達する前の適切な時間に燃焼室空気と混合し、この結果、シリンダー壁を燃料で湿潤させることが実質的に回避される。
【０００９】
本発明の１つの形態によれば、周期的後噴射中、噴射ノズルのノズルニードルのリフト及び／又は燃料噴射圧は、燃焼室に噴射される後噴射のそれぞれ一部の量について、燃焼室内の各燃料ジェットの届く範囲が燃焼室境界との距離より小さくなるよう制限される形で設定される。この結果、たとえばシリンダー内のより低いガス圧及びより低い温度で常に上昇する、シリンダーの壁上での燃料の蓄積が最小限に抑えられる。本発明によれば、噴射ジェットの分散及び蒸発の増加が達成される。本発明に従って実現される周期的後噴射により、液体ジェットの長さが短くなる。これは、液体燃料から形成される噴射ジェットの長さ又は到達距離である。したがって、冷たい燃焼室壁に燃料が作用することが回避される。なぜなら、多くの燃料を導入した場合と同様に、この燃料部分の大部分が、シリンダー内の残気及び残留ガスに反応し、したがって、エンジン油内に入り込まないからである。
【００１０】
本発明のさらなる形態によれば、後噴射の燃料の第１の一部の量が、後噴射の燃料のその後の量より大きくなる。これは、特に周期的後噴射中に、燃焼室内に形成される混合気の集中的な濃縮化を局所的に妨げるので、微粒子の形成が、特に後噴射中に、最小限に抑えられる又は防止される。後噴射中の個々の噴射量は、それぞれ、燃料の所定の量が燃焼室に入り、燃料ジェットが燃焼室境界又はシリンダー壁に到達する前に、集中的に及び完全に燃焼室空気と混合されるよう構成されることが好都合である。
【００１１】
本発明のさらなる形態によれば、後噴射は、主噴射より低い噴射圧で燃焼室に噴射される。このようにして、壁に対する燃料のさらなる作用を回避することができる。なぜなら、燃焼室の背圧が、後噴射中のピストン位置の変更につれて徐々に減少しながら変更するからである。さらに、周期的後噴射中に噴射された燃料の圧力は、内燃機関の膨張行程中に下がっていく燃焼室圧力に対抗するために、好ましくはピストン位置に応じて変化し得る又は連続的に適応され得る、或いは主噴射中より低いレベルまで減少する。この結果、たとえば、燃焼室内の噴射ジェットの形態の燃料の一部の量の到達距離は、周期的後噴射中、一定に保たれ得る。
【００１２】
本発明のさらなる形態によれば、噴射ノズルのノズルニードルのリフトが、非定常状態のキャビテーション流が噴射ノズルの噴射孔内で生成されるよう設定される。この意図は、噴射されたジェット内の燃料滴が、ジェットが噴射ノズルを出た直後に分散し、適切な時間に霧化されることである。このことが、たとえば燃料が燃焼室境界として働くシリンダー壁に当たる程度を実質的に最小限に抑えることとなる。
【００１３】
本発明によれば、後噴射の周期性は、燃焼室内の燃料ジェットの届く範囲が、噴射されたそれぞれ一部の量について制限されるような周期性である。この結果、噴射された燃料ジェットが燃焼室内で分散する程度を増大させることにより、その届く範囲が、シリンダー壁との距離よりほぼ小さくなるよう実質的に制限される。後噴射中、個々の噴射サイクルは、それぞれ、個々の噴射のジェット運動量が適応され、また各燃焼室のガス濃度で燃料ジェットの届く範囲が燃焼室シリンダー壁又はピストン頂部との距離にほぼ達するよう構成される。噴射ジェット運動量の及び一部の噴射量の制御は、噴射ノズルニードルの目標とする形態と合わせて、パルス持続時間又はサイクル時間によってもたらされることが好ましく、したがって、燃料ジェットは、霧化が増加したことにより、噴射ノズルから出てきた直後に分散する。微粒子の形成及びシリンダー壁に対する燃料の著しい作用が、実質的に回避される又は最小限に抑えられる。
【００１４】
追加の後噴射の形態のためのさらなる基準が、任意の排気ガス後処理対策の需要から起こり得る。
【００１５】
本発明による方法を行うために、複数の噴射孔を有する、内側に開放されるノズルニードルが提案されており、この方法によれば、燃料は、噴射孔を通って燃料ジェットの形態で燃焼室に噴射され、８０°〜１４０°又は８０°〜１６０°のスプレー穴の円錐角は、噴射される燃料ジェットの間で設定され得る。
【００１６】
本発明による方法の１つの形態によれば、開放方向のノズルニードルのリフトが調整可能であり、周期的後噴射中に、ノズルニードルのリフトが可変的に設定され得る。リフトの設定は、負荷に依存する形で任意に行われ得る。この結果、周期的後噴射中に実施された一部の噴射量が変化する。さらに、非定常状態のキャビテーション流が、リフトの調整により、噴射ノズルの噴射孔内で形成され得る。
【００１７】
さらなる利点が、図面についての以下の記述から見出される。図面は、本発明の例示的実施形態を示している。記述及び請求項は、組合せられて、数々の特徴を有する。当業者はまた、特徴を個々に、またさらに好適な組合せを形成するよう組み合わせて考慮することが好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は、クランクシャフト２が連接棒４を介してシリンダー９内を案内されるピストン５によって駆動される内燃機関１を示している。ピストン頂部７内に窪んだピストン中空部６を有する燃焼室８が、ピストン５とシリンダーヘッド１０との間のシリンダー９内に形成される。
【００１９】
クランクシャフト２のクランク３が、クランク円１１で反時計回りに回転するにつれて、燃焼室８の大きさが減少し、その中に取り入れた空気が圧縮される。燃焼室８内の給気交換は、シリンダーヘッド１０内のガス交換バルブ及びガス通路（図示せず）を介して行われる。
【００２０】
クランク３の上死点１２（以下、ＴＤＣと呼ぶ）に到達すると、圧縮の終了となる。シリンダーヘッド１０に対するピストン５の現在の位置は、上死点１２に対するクランク角Φによって判断される。
【００２１】
複数の噴射孔を有する噴射ノズル１３が、シリンダーヘッド１０内の中央に配置される。噴射孔は、それぞれ、ノズル軸に対して４０°〜８０°の角度で傾斜される。スプレー穴の円錐角は、約８０°〜１６０°である。これは、基本的に、ピントル型、ミニホール型、又はホール型の、従来の、したがって安価な穴あきノズルであり得る。噴射ノズル１３は、電子制御ユニット１６、機関制御ユニットにより、信号線１５及びアクチュエータ１４、たとえばピエゾアクチュエータを介して作動される。噴射ノズルから出てくる噴射ジェットは、１７で表されている。
【００２２】
燃料は、燃料ライン１９内の各最大圧力を制限する、制御弁２０、好ましくは電子的に作動可能な電磁弁を備えた噴射ポンプ１８により、複数の圧力段階において利用可能となる。噴射圧は、好適な噴射システムによって適応されることが好ましい。この場合、ニードルリフト制御及び好適な圧力調節を有する噴射システムを使用することができる。
【００２３】
本発明によれば、噴射ノズル１３は、４〜１４の噴射孔を有し、これらは、円周全体に１列又は２列の穴に分散されることが好ましい。内燃機関１の動作が、たとえば内側に開放される同軸可変ノズルにより、別々に作動可能な２列の穴を有する噴射ノズルを任意に使用することによって最適化され得る。２列の穴の１つが、従来の希薄燃焼動作である、好ましくは１３０°と１６０°との間の、スプレー穴の円錐角αで作動されることが好ましく、この場合、第２の列の穴は、特に後噴射で過濃燃焼モードを実施するために、及び適宜パイロット噴射のために、好ましくは８０°と１４０°との間の、著しく小さいスプレー穴の円錐角で使用される。より小さいスプレー穴の円錐角α、１５０°ではなく、たとえば８０°の、列の穴の作動は、遅い後噴射の場合、たとえばＴＤＣの後の７０°ＣＡ（Crank Angle:クランク角）〜９０°ＣＡで、ジェット長は自由に延在する。したがって、燃料ジェット１７は、シリンダー壁に当たらないようにピストン中空部６の方向に又はピストン頂部７に向けられる。
【００２４】
噴射ノズル１３は、制御要素（図示せず）に接続された（図６に示されている）ノズルニードル１３ａを備える。制御要素によるノズルニードル１３ａの作動により、ニードルが動かされ、噴射ノズル１３が開放されるか又は閉じる。その過程で、動作位置中の定義された動作リフトｈが、動作点に応じて及び／又はクランク角Φに応じて設定される。次いで、燃料の貫流が、動作リフトｈ及び開放時間又はサイクル持続時間に応じて、及び設定された燃料噴射圧に応じて判断され得る又は変えられ得る。
【００２５】
本発明の方法は、圧縮点火式の、均一／不均質を組み合わせた燃焼方法に特に好適であり、したがって、ディーゼル機関において知られている従来の希薄燃焼モード、及び特に希薄燃焼内燃機関用に設計された、下流の排気ガス後処理システムを最適化するための過濃燃焼モードが行われ得る。
【００２６】
内燃機関１はまた、たとえば複数の触媒コンバーターユニットを有する、排気ガス浄化システム（図示せず）を備える。圧縮点火内燃機関１は、通常、主に希薄燃焼モードで動作し、必要な場合には、下流の排気ガス浄化システムを最適化するために、過濃燃焼モードに切り換えられる。希薄燃焼モードという用語は、余分な酸素、即ちλ＞１で燃焼される、超当量機関運転モードを表している。過濃燃焼モードとは、余分な燃料、即ちλ＜１で燃焼される、不足当量機関運転モードという意味であると理解されたい。したがって、希薄な排気ガス組成は、排気ガス内の酸素過剰を表し、過濃な排気ガス組成は、排気ガス内の酸素不足を表している。
【００２７】
過濃な排気ガス組成を用いて、第１の触媒コンバーターユニットにより、好適な排気ガス構成成分からアンモニアが生成され得る。排気ガス組成が過濃な場合に第１の触媒コンバーターユニットによって生成されたアンモニアを吸着する第２の触媒コンバーターユニットが、排気ガス組成が希薄な場合に、再びアンモニアを解放し、次いで、このアンモニアが、還元反応のための還元剤として役立ち、これにより、排気ガス内に含まれる窒素酸化物が、アンモニアの同時酸化と共に窒素に変換される。一時的に貯蔵された量のアンモニアが希薄燃焼モードにおいて排出されると直ぐに、機関は、過濃燃焼モードに切り換えられる。ＮＯｘ吸蔵還元触媒コンバーターのＮＯｘ再生成及び脱硫のため、及びＳＣＲ触媒コンバーターの再生成用のＮＨ３の車上生成のために、不足当量排気ガスが機関で生成され、触媒コンバーター、たとえばＮＯｘ吸蔵還元触媒コンバーター及び／又はＳＣＲ触媒コンバーターで利用可能となる必要がある。
【００２８】
内燃機関１が動作している場合には、主噴射ＭＩの後に実現される後噴射ＰＩ、又は主噴射ＭＩの前に実現されるパイロット噴射ＰＲＩに関連する液体燃料の蓄積を回避するための対策が講じられ、したがって、燃焼室内での燃焼用空気との早い混合が行われる。これらの対策は、個々に又は互いに組み合わせて講じられ得るので、これらの対策の考えられる任意の組合せが、所望通りに選択され得る。
【００２９】
内燃機関１の希薄燃焼モード及び過濃燃焼モードの両方において、導入されるべき燃料量は、動作点に従って適切に分割されることにより、パイロット噴射量、主噴射量、及び後噴射量として燃焼室に導入され得る。本発明は、主として、燃焼室壁上での燃料の蓄積を回避するために、異なる燃料量及び動作点に応じて異なる燃料量が適応される方法を最適化することを目的とする。
【００３０】
本発明の内燃機関においては、不足当量排気ガスの生成が、後噴射によって達成されるので、少なくとも一部分遅く導入された燃料量は、燃焼に関与しない。基本的に、不足当量排気ガスを形成するのに、いくつかの対策が好適である。これは、たとえば、空気及び排気ガス側で機関を絞ること、又は排気ガスの再循環速度を増加すること、及び負荷をニュートラルにして、シリンダー内又は排気システム内の燃料量を増加することによっても達成されることがある。好適な後噴射による燃料に関する対策は、過濃燃焼モードを素早く実現できるという点において、機関を絞ること、及び排気ガスの再循環速度を増加することと比べて、著しい利点を有する。たとえば、周期的に行われる後噴射によって形成される一部の量は、燃焼サイクルによって定量的に変えられ得る。燃料の機関内部への導入は、比較的低いコストで、排気ガス後処理システムに必要な排気ガス構成成分、即ち吸着触媒コンバーター用のＣＯ、Ｈ２及びＳＣＲ触媒コンバーター用のＮＨ３を形成する場合の、特に精密度又は必要な精度に関して、燃料の機関の後での調量と比べて利点を有する。
【００３１】
図２に示されている噴射方法は、パイロット噴射、主噴射、及び後噴射を有する。パイロット噴射ＰＲＩは、ＴＤＣの前の１４０°ＣＡと４０°ＣＡとの間の範囲内の均一混合気となる噴射として行われる。この場合、パイロット噴射ＰＲＩは、燃料の周期的噴射として、噴射圧Ｐ１で行われる。このサイクルは、異なるニードルリフトｈがそれぞれのサイクルについて設定される。パイロット噴射ＰＲＩの目標とする周期性により、噴射された一部の量の均一化が生じる。周期的パイロット噴射の代替形態として、圧縮行程における均一化は、噴射ノズル１３のノズルニードル１３ａの一定の位置決めにより、たとえばピエゾアクチュエータを直接作動することにより、ノズル袋穴の領域内及びノズル穴内で実現されるキャビテーション効果によっても達成され得る。
【００３２】
次いで、主噴射が、ＴＤＣの前の１０°ＣＡとＴＤＣの後の２０°ＣＡとの間の範囲内の、より高い噴射圧Ｐ２で行われる。パイロット噴射ＰＲＩより大きいニードルリフトｈが、主噴射ＭＩのために設定される。主噴射量ＭＩは、できる限り高い噴射圧Ｐ２で及び均一燃焼の点火点について５°ＣＡ〜１５°ＣＡの間隔で導入されることが好ましい。主噴射ＭＩの位置は、内燃機関の最大限許容できるピーク圧力及び機関内の最大限許容できる圧力上昇によって制限される。上流のパイロット噴射ＰＲＩ及び後噴射ＰＩと合わせ、主噴射ＭＩによるトルクの増加を回避するために、主噴射量は、エンジントルク全体が純粋な希薄燃焼モードのトルクに対応するような形で減少する。
【００３３】
後噴射の形態の追加量の燃料の噴射は、特に過濃燃焼段階中に、ＴＤＣ後の約２０°〜１５０°ＣＡの範囲内の、膨張行程における２サイクル〜８サイクルの噴射によって行われる。噴射のための個々の噴射サイクルは、最適な混合気分散を達成するよう、持続時間、噴射圧、ニードルリフトプロファイル、及びシリンダー内部流との相互作用の点において適応されるので、シリンダー壁に対する燃料の著しい濡れがない。後噴射ＰＩの個々のサイクル中のニードル開放持続時間は、主噴射ＭＩのニードル開放持続時間より低く設定される。ニードルリフトの設定は、後噴射ＰＩ中に別々に設定され、好ましくは、連続して減少するよう設定される。この場合、可変ニードルリフトでの後噴射中に、好ましくは、パイロット噴射ＰＲＩ中の圧力より高い及び主噴射ＭＩ中の圧力より低い、一定の燃料噴射圧が設定される。後噴射中のサイクルは、後噴射の燃料の最初の一部の量が、燃料のその後の一部の量より大きくなるように行われることが好ましい。
【００３４】
第２の噴射方法が図３に示されているが、これによれば、内燃機関１は、一定のサイクル持続時間及びパイロット噴射ＰＲＩ中に上昇する噴射圧を含む５サイクルのパイロット噴射ＰＲＩと、増加した噴射圧Ｐ２及び最大に設定されたニードルリフトｈを含む主噴射ＭＩと、一定のサイクル持続時間及び減少する噴射圧を含む５サイクルの後噴射ＰＩとを有する、均一／不均質を組み合わせたモードで運転される。後噴射中のサイクルは、後噴射の燃料の最初の一部の量が燃料のその後の一部の量以上となるように行われることが好ましい。
【００３５】
図３の周期的パイロット噴射ＰＲＩは、ＴＤＣの前の約８０°ＣＡ〜約３５°ＣＡのクランク角範囲内の圧縮行程において行われる。これは、噴射圧がそれぞれのサイクル内で増加するように、即ち、たとえばコモンレール噴射システムにおいて、パイロット噴射ＰＲＩ中の早い段階で行われる部分噴射量のための圧力が、その後の部分噴射量より低くなるように行われ、ニードルリフトｈは、周期的パイロット噴射ＰＲＩ中、一定である。次いで、主噴射が、上死点とＴＤＣの後の約３０°ＣＡとの間の範囲内のより高い噴射圧Ｐ２で行われる。主噴射ＭＩ中に、パイロット噴射ＰＲＩより高いニードルリフトｈが設定され、主噴射ＭＩのニードル開放持続時間は、パイロット噴射及び後噴射ＭＩのためのニードル開放持続時間より長い。後噴射中、ニードルリフトｈは、主噴射に使用される値より低い定数値で保たれ、噴射圧は、連続的に変化するか又は減少する。パイロット噴射及び後噴射中では、異なる燃料圧力変化率が設定される。何故なら、不均一な燃焼室圧力及び／又は温度プロファイルの原因となる、異なる燃焼反応が、パイロット噴射中及び後噴射中の両方において、燃焼室８内で行われるからである。
【００３６】
図４の噴射プロファイルは、特に好ましい噴射方法を示す。同図は、ノズルニードル１３ａはより低いリフト位置に留まり、噴射圧は一定であるが、サイクル毎のリフト持続時間は増加する、４サイクルのパイロット噴射を有する、均一／不均質を組み合わせたモードを提案する。さらに、高くなった噴射圧Ｐ２及び最大に設定されたニードルリフトｈの主噴射ＭＩ、及び一定の噴射圧Ｐ３で減少するサイクル毎のリフト持続時間を有する後噴射ＰＩが実現される。後噴射中のサイクルは、後噴射の最初の部分燃料量が、その後の部分燃料量より大きくなるように行われ得ることが好ましい。
【００３７】
本発明の噴射システムにより、分割又は周期的噴射中、異なるリフト位置が設定できるので、異なる部分噴射量が需要に従って実施され得る。しかしながら、図５に示されているサイクルは、たとえばピエゾアクチュエータの助けにより、定義され、制限されたリフト位置を有するひと固まりの噴射に、任意に取り替えられ得る。このことは、量の安定及びノズルの磨耗の点において、周期的形態に比べて利点を有する。
【００３８】
後噴射のない純粋に従来の希薄燃焼モードの場合には、代替形態として、パイロット噴射ＰＲＩが、４０°ＣＡと上死点ＴＤＣとの間の範囲内で行われ、主噴射ＭＩの開始は、ＴＤＣの前の１５°ＣＡとＴＤＣの後の１５°ＣＡとの間の範囲内で行われることが好ましい。両方とも、噴射ジェットの高い運動量を達成するように、ひと固まりの噴射として作動し得る。効率的な希薄燃焼のための要件を満足させるために、噴射圧は、この場合、最大レベルに設定される。
【００３９】
図２〜図５の前述の噴射方法における、パイロット噴射中の噴射圧Ｐ１及び後噴射中の噴射圧Ｐ３は、周期的パイロット噴射及び後噴射のために、噴射された燃料が、燃焼室８の燃焼室境界に、ほとんど蓄積しないよう選択されることが好ましい。
【００４０】
図６は、ホール型ノズルの種類の噴射ノズル１３を概略的に表しているが、ピントル型ノズルの種類のノズルも等しく好適である。ノズルニードル１３ａの低いニードルリフトｈの噴射ノズル１３のノズル穴２１内で、即ち一部分開放された噴射ノズル１３を用いて作られる非定常状態のキャビテーション流の効果、及びこの結果生じた、噴射ジェット１７の拡がり角度α１に対する効果が、図６に示されている噴射ノズル１３内に示されている。
【００４１】
図６の右側に、噴射ノズル１３が一部分のみ開放されており、この結果、ノズルニードルシート２２が絞られる。この絞りが、ノズル穴２１内に乱流又は非定常状態のキャビテーション流を作り、これが、燃料ジェット１７の大きい拡がり角度α１となる。図６の左側に示されている、最大リフト設定の、完全に開放された噴射ノズルと比較すると、非定常状態のキャビテーション流によって生じる拡がり角度α１は、このような形態の流れがなく作られる拡がり角度α２より大きい。非定常状態のキャビテーション流により、ノズル内部流２３にかなりの変動が起き、燃料がノズル穴２１から出てきた時に、燃料ジェットの分散が増加し、したがって大きい拡がり角度α１となる。
【００４２】
拡がり角度α１を有する燃料ジェットは、燃焼室内での集中的な霧化と共に拡がり、これにより、より適切な均一化及び素早い燃料蒸発がもたらされ、したがって、より多くの燃料が、燃焼室壁を著しく湿潤させることなく、パイロット噴射ＰＲＩの又は後噴射ＰＩの一部の量で、噴射され得る。これとは異なり、図６の左側の最大リフト設定での噴射ノズル１３の場合には、左側のノズル穴２１の内部で、二相流２４が作られ、これが、従来の燃料分散となる。一部分開放される噴射ノズルと比較すると、拡がり角度α２は、拡がり角度α１より小さい。
【００４３】
ノズルニードルのシートでの所望の絞り作用の目標とする設定が、好適な設計対策により、たとえば、ノズルニードルが完全な開位置と完全な閉位置との間にあるリフト位置で一時停止するのを助ける噴射ノズル上の２つのバネのホルダにより援助され得る。代替形態として、この設定は、ピエゾアクチュエータにより直接制御されるノズルニードルによって実現され得る。
【００４４】
一部分開放される多口噴射ノズルで、最大限度可能な拡がり角度α１を達成するために、ニードルシート内の効果的な流れの断面積が、好ましくは、噴射孔のすべての断面積の合計の効果的な流れの断面積の、約０．８〜１．２倍となるように、作動が行われるべきであることが好ましい。
【００４５】
図２〜図５に示されている前述の噴射方法により、内燃機関１の燃焼室８内で、スイッチが入れられ得る可変渦巻きを形成し、したがって、部分噴射量の混合雲が、燃焼室内の給気の好適な渦運動により、パイロット噴射ＰＲＩ中及び後噴射ＰＩ中の両方において増大し、同時にジェット到達距離が減少することが、さらに好都合である。したがって、噴射サイクルの噴霧の広がり又は混合雲は、その後の噴射サイクル中、新しく形成された噴霧の広がりが、先の部分噴射量の混合雲に侵入しないような程度に、渦を巻く流れによって回転される。このことが、局部超過濃の程度及びジェット到達距離を減少させ、したがって、特に形成される粒子状物質がより少なくなる。
【００４６】
本発明によれば、パイロット噴射ＰＲＩの総噴射量は、特に前述の噴射方法により、より低い部分負荷範囲内の主噴射量の約２０％〜５０％、即ち７０％の負荷まで、及びより高い負荷範囲内の主噴射量の約１０％〜３０％、即ち７０％の負荷から全負荷までであることが好ましい。ノッキング燃焼が確実に回避されるように選択される。次いで、この均一化された燃料量が、ほぼ粒子状物質又はＮＯｘがなく燃焼するが、ＮＯｘ貯蔵触媒コンバーターでのＮＯｘの還元に必要な、著しい割合のＣＯエミッションを既に生成しており、これが、空燃比を減少させるのに重要な寄与をする。
【００４７】
特に過濃燃焼モードにおいて、先の均一燃焼を省いて、主噴射の開始を、ＴＤＣの前の２０°ＣＡと５°ＣＡとの間の範囲内の、さらにより早い時点に移行することも考えられる。この場合、過濃燃焼モードでの後噴射中に、個々の部分燃料量の噴射圧が変わる。なぜなら、燃焼室内のガス濃度が連続的に減少するからである。したがって、燃料噴射圧は、段階毎又は連続的と同様に、これに対応する程度に減少する。この場合、主噴射ＭＩの総噴射量は、後噴射ＰＩのその後に噴射された燃料と合わせて、従来の希薄燃焼モードのトルクを超えない又はこれに達しないように選択される。主噴射ＭＩでの早い移行は、シリンダー内の最大限許容できるピーク圧力及び最大限許容できる圧力上昇によって制限される。過濃燃焼モードでのトルクが、噴射の開始及び主噴射ＭＩの噴射量を適応させることにより、希薄燃焼モードの値より上に上昇する又はこれより下に降下するのが防止される。
【００４８】
本発明によれば、個々の一部の量の噴射点及び定量的な分散は、機関の各圧縮比に応じて変わる。本明細書に記載されている値は、ε＝１６の圧縮比について特に好適である。同質の量の噴射点のための作動持続時間は、より高い圧縮比で、均一燃焼の点火がより早く開始するために、より高い圧縮に対応するクランク角の角度だけ、より早い時点に移行する。同様に、同質の量の噴射の開始は、選択されたより低い圧縮比に対応するクランク角の角度だけ、より遅い時点に移行する。別々に選択される吸気温度についても同様である。吸気温度を減少させる対策により、同質の量の噴射の開始を遅くすることができる。吸気温度を増加する対策には、同質の量の噴射の開始をより早い段階に移行することが必要である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】圧縮点火式内燃機関を示す概略断面図である。
【図２】５サイクルのパイロット噴射と、主噴射と、５サイクルの後噴射とを有する、燃料噴射のプロファイルをプロットした図である。
【図３】一定のサイクル持続時間、一定のニードルリフト、及びパイロット噴射中に上昇する噴射圧を含む、５サイクルのパイロット噴射と、サイクル持続時間が同じであり、ニードルリフトが一定であるが、降下する噴射圧を含む、主噴射及び５サイクルの後噴射とを有する、燃料噴射のプロファイルをプロットした図である。
【図４】増加するサイクル持続時間及び一定の噴射圧を含む４サイクルのパイロット噴射と、一定の噴射圧及び減少するサイクル持続時間を含む主噴射及び４サイクルの後噴射とを有する、燃料噴射のプロファイルをプロットした図である。
【図５】一定の噴射圧のひと固まりのパイロット噴射と、一定の噴射圧の主噴射及びひと固まりの後噴射とを有する、燃料噴射のプロファイルをプロットした図である。
【図６】多口ノズルのノズル穴内の非定常状態のキャビテーション流の効果を表す概略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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