(57)【要約】  本発明は、外部点火直接噴射式内燃機関の運転方法に関し、本方法は、燃料（２）を、インジェクタ（３）によって内燃機関シリンダ（４）内に噴射し、前記燃料を、点火プラグ（５）によって点火し、少なくとも内燃機関の負荷に応じて、希薄混合気（１３）をシリンダ（４）内に生成するための、燃料（２）の第１の噴射（９）が行われるクランク角（α１）を決定し、希薄混合気（１３）に組み入れられる、希薄混合気（１３）より濃い混合気雲（１４）をシリンダ（４）内に生成する、燃料（２）の第２の噴射（１０）が行われるクランク角（α２）を決定し、点火時間とほぼ同時に、点火プラグ（５）の領域で局所的に富化された引火性燃料／空気混合気を生成するために用いられる層状噴射の形態の第３の燃料（２）噴射（１１、１１’）を行うことにある。
2009508048.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料（２）が、インジェクタ（３）により内燃機関のシリンダ（４）内に噴射され、かつ点火プラグ（５）により外部点火される外部点火直接噴射式内燃機関を運転するための方法であって、
少なくとも前記内燃機関の負荷に応じて、前記燃料（２）の第１の噴射（９）が行われるクランク角（α１）が決定され、前記第１の噴射（９）により、局所的な空気比（λ１）が１．０より高い希薄混合気（１３）が、前記シリンダ（４）内に生成される工程と、
少なくとも前記内燃機関の負荷に応じて、前記燃料（２）の第２の噴射（１０）が行われるクランク角（α２）が決定され、前記第２の噴射（９）により、前記希薄混合気（１３）より濃くかつ前記希薄混合気（１３）に組み入れられる、局所的な空気比（λ２）が１．０以下である混合気雲（１４）が、前記シリンダ（４）内に生成される工程と、
前記点火プラグ（５）の領域で局所的に富化された引火性燃料／空気混合気を生成するための層状噴射の形態の前記燃料（２）の第３の噴射（１１）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、
を含む方法。
【請求項２】
前記３回の噴射（９、１０、１１）が、前記内燃機関の少なくともほぼ全負荷範囲で行われることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
低いエンジン負荷において、前記第１及び第２の噴射（９、１０）が、圧縮行程（７）における層状噴射として行われることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記第１の噴射（９）が、点火上死点（ＩＴＤＣ）前約６０°のクランク角（α１）において行われ、前記第２の噴射（１０）が、点火上死点（ＩＴＤＣ）前約３０°のクランク角（α２）において行われることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
中程度及び／又は高いエンジン負荷において、前記第１の噴射（９）が、吸気行程（６）における均一な噴射として行われ、前記第２の噴射（１０）が、前記圧縮行程（７）における層状噴射として行わ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】
中程度のエンジン負荷において、前記第１の噴射（９）が、点火上死点（ＩＴＤＣ）前約３００°のクランク角（α１）において開始し、前記第２の噴射（１０）が、点火上死点（ＩＴＤＣ）前約６０°のクランク角（α２）において開始することを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
高負荷において、前記第１の噴射（９）が、点火上死点（ＩＴＤＣ）前約３００°のクランク角（α１）において開始し、前記第２の噴射（１０）が、点火上死点（ＩＴＤＣ）前約１８０°のクランク角（α２）において開始することを特徴とする請求項５又は６に記載の方法。
【請求項８】
前記希薄混合気（１３）の空気比（λ１）が、可燃性であるが非引火性の燃料／空気混合気が生成されるように選択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】
前記混合気雲（１４）の空気比（λ２）が、可燃性かつ引火性の燃料／空気混合気が生成されるように選択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比（λ）が、約１．０以上から約４．０以下の範囲にあ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】
前記シリンダ容積が、前記燃焼の開始時にある割合の不活性ガスを含有す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】
前記噴射（９、１０、１１）の少なくとも１回が、多重噴射、特に二重噴射又は三重噴射として行われ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】
前記第３の噴射が、前記点火時間（１２）と時間に関して連動してい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】
前記第３の噴射（１１）の噴射の終わり（１５）が、前記点火時間（１２）の領域にあることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
４行程原理で動作しかつ排気ガス触媒コンバータ（１）を有する特に外部点火直接噴射式内燃機関の冷間運転のための方法であり、燃料（２）が、インジェクタ（３）によって前記内燃機関のシリンダ（４）内に噴射され、かつ点火プラグ（５）によって外部点火される方法であって、
吸気行程（６）において、前記燃料（２）の第１の噴射が、吸気行程噴射（９）として行われ、希薄で、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）内に生成される工程と、
前記吸気行程（６）の後に続く圧縮行程（７）において、前記燃料（２）の第２の噴射が、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、前記シリンダ内に生成される工程と、
前記点火プラグ（５）の領域で局所的に富化された引火性燃料／空気混合気を生成するための層状噴射（１１’）の形態の前記燃料（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、
を含む方法。
【請求項１６】
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）内に生成されるように行われることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記均一な希薄混合気（１３）が、約１．６の空気比（λ１）を有することを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記圧縮行程噴射（１０）が、前記均一な希薄混合気（１３）内で、前記均一な希薄混合気（１３）より濃い混合気雲（１４）が形成されるように行われることを特徴とする請求項１５〜１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１９】
前記より濃い混合気雲（１４）が、１．０未満の空気比（λ２）を有することを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
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比（λ）が、約１．０以上から１．０を超える範囲にあり、特に１．０以上１．０５以下であることを特徴とする請求項１５〜１９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２１】
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、特に二重噴射又は三重噴射として行われることを特徴とする請求項１５〜２０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２２】
前記吸気行程噴射（９）が、点火上死点（ＩＴＤＣ）前約２６０°のクランク角（α）において行われることを特徴とする請求項１５〜２１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２３】
前記圧縮行程噴射（１０）が、点火上死点（ＩＴＤＣ）前約３０°のクランク角（α）において行われることを特徴とする請求項１５〜２２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２４】
前記層状噴射（１１’）が、前記点火時間（１２’）と時間に関して連動していることを特徴とする請求項１５〜２３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２５】
前記点火時間（１２’）が、点火上死点（ＩＴＤＣ）後にあり、特に、点火上死点（ＩＴＤＣ）後０°〜３５°、好ましくは点火上死点（ＩＴＤＣ）後１５°〜３０°のクランク角範囲（α）にあることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記層状噴射（１１’）の噴射の終わり（１５’）が、前記点火時間（１２’）にあることを特徴とする請求項２４又は２５に記載の方法。
【請求項２７】
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）の達成される運転温度に応じて制御又は調整されることを特徴とする請求項１５〜２６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２８】
前記圧縮行程噴射（１０）の時間及び／又は前記点火の時間（１２’）及び前記点火時間（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）の達成される運転温度に応じて制御又は調整されることを特徴とする請求項１５〜２７のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に４行程原理で動作する外部点火直接噴射式内燃機関の運転方法に関する。本発明は、また、特に４行程原理で動作する外部点火直接噴射式内燃機関の冷間運転（ｃｏｌｄ−ｒｕｎｎｉｎｇ  ｏｐｅｒａｔｉｏｎ）のための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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外部点火内燃機関が広く利用されている。そのような種類の内燃機関には、内燃機関のシリンダ内への燃料の直接噴射を行うためのインジェクタがより多く設けられるようになっている。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、燃焼を起こすために点火プラグによって所定の点火時間に点火される。
【０００３】
当該種類の内燃機関の従来の運転方法では、２つの主運転モードが区別される。高負荷では、内燃機関は、いわゆる均一モードで運転され、均一モードでは、全燃料質量が、内燃機関の吸気行程の間に噴射され、点火時間までに燃焼室内で均一に分配される。同じ空燃比が燃焼室全体に行き渡り、この空燃比は、排気ガス浄化のために、少なくともおよそ理論量である必要がある。
【０００４】
低負荷では、直接噴射式オットー機関が、いわゆる層状モードで運転され得る。燃焼プロセスの噴流を制御された直接噴射式オットー機関においては、点火プラグの領域に所定の噴射噴流を生成するために、全燃料質量が、点火時間の直前に噴射される。しかし、負荷が高くなると、シリンダ容積全体にわたって平均された空燃比がかなり希薄なままであっても、点火プラグの領域における新鮮な混合気が非常に濃くなるため、層状モードにおける粒子エミッションが著しく増加する。いわゆるすす限界、すなわち内燃機関の粒子エミッションが許容できないほど多くなった時点での負荷が、直接噴射式オットー機関の層状モードにおいて可能な負荷範囲の高負荷側の限界値となる。
【０００５】
層状モードにおいては、内燃機関は、非常に高過剰の空気で運転されるため、低負荷で非常に低い排気ガス温度が生じ得る。これは、酸化又は三元触媒コンバータを用いた通常の排気ガス浄化方法において問題となり、その理由は、触媒コンバータ温度が、ライトオフ温度（ｌｉｇｈｔ−ｏｆｆ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）とも呼ばれる触媒コンバータの限界温度（これを下回ると触媒コンバータはもはや有効でなくなる）を下回り得るためである。この場合、触媒コンバータはもはや、一酸化炭素又は未燃炭化水素を酸化して二酸化炭素を生成することができない。これにより、例えば均一モードに切り替えることによって触媒コンバータを加熱する措置を取ることが必要になる。しかし、これは結果として消費をかなり増大させ、直接噴射式オットー機関の燃料節約の可能性の一部を失うこととなる。
【０００６】
さらに、燃料を節約し、かつ汚染物質エミッションを低減するために、高過剰の空気又は高含量の不活性ガスによる内燃機関の運転モードが求められている。これは、例えば、排気ガス保持又はシリンダ内部空間内への排気ガス再循環によって得られる。このようにして、内燃機関は、より高い給気質量（ｃｈａｒｇｅ  ｍａｓｓ）又はより高い吸気管圧力で運転可能であり、このことは、均一モードにおけるスロットルロスの低減、ひいては燃料消費量の低減につながる。燃焼室内の不活性ガス含量が高くなることにより、燃焼室温度を低下させることができ、それにより燃焼中の窒素酸化物の生成を低減することができる。しかし、内燃機関が高い不活性ガスで運転可能である範囲は、回転円滑性（ｒｕｎｎｉｎｇ  ｓｍｏｏｔｈｎｅｓｓ）によって制限され、この回転円滑性は、不活性ガスの割合が増大する従来の均一モードでは著しく低下する。
【０００７】
オットー機関の従来の運転方法における他の問題点は、低温始動及び引き続く冷間運転段階にある。直接噴射式オットー機関は、均一モードにおいて、特に氷点下の低温で運転される。燃焼室壁は低温始動の後も依然として非常に低温であるため、吸気行程において噴射される多量の燃料が燃焼室壁上及びピストンヘッド上に蓄積する。燃焼に取り込まれなかった前記燃料は、多量の未燃炭化水素及び粒子エミッションをもたらす。
【０００８】
これまでに知られている均一噴射方法と層状噴射方法との間の、動作点に依存する調整された切り替えは、切り替え段階において、さらなる効率の低下又は汚染物質エミッションの増大を招く。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、拡大された範囲にわたって燃料消費量及び汚染物質エミッションの低減された外部点火直接噴射式内燃機関の運転方法を規定するという目的に基づくものである。
【００１０】
本発明は、優れた回転円滑性及び低いエミッション値と関連して排気ガス触媒コンバータの迅速な加熱が得られる外部点火内燃機関の冷間運転方法を規定するというさらなる目的に基づくものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本目的は、請求項１の特徴を有する方法によって達成される。これに関して、第１の方法工程において、少なくとも内燃機関の負荷に応じて、燃料の第１の噴射が行われるクランク角が決定され、それによって、局所的な空気比が１．０より高い希薄混合気が、シリンダ内に生成される方法が提案される。次に、少なくとも内燃機関の負荷に応じて、燃料の第２の噴射が行われるクランク角が決定され、それによって、希薄混合気より濃くかつ希薄混合気に組み入れられる、局所的な空気比が１．０以下である混合気雲が、シリンダ内に生成される。次に、点火プラグの領域で局所的に富化された引火性燃料／空気混合気を生成するための層状噴射の形態の燃料の第３の噴射が、点火時間に時間的に近接して行われることが好ましい。
【００１２】
提案される方法では、全体的に高過剰の空気にもかかわらず、過濃混合気雲が、点火時間に点火プラグにおいて生成される。さらに、第３の噴射の所定の噴射噴流の生成の結果として、噴射時間において最適な点火条件が確実となる。この結果、新鮮な混合気が確実に点火される。回転円滑性は、高い不活性ガス含量、燃焼室内の高過剰の空気又は低い燃焼室温度（低温始動運転）などの厳しい周囲条件下であっても非常に良好である。噴射時間をうまく選択することによって、理論量（λ＝１）ないし非常に希薄（λ＞４）の間の範囲の空燃比で内燃機関を運転することが可能になる。希薄運転での高過剰の空気により、吸気管圧力がより高くなる。一方、より高い吸気管圧力の結果として、スロットルロスが低減され、このことは燃料消費量の低減につながる。このようにして、高過剰の空気での内燃機関の運転の際に、層状モードにおけるのと同じ消費量値を得ることが可能になる。他方、提案される方法により、高過剰の空気での運転による高い吸気管圧力の結果として、運転モードの迅速な切り替えが可能になるが、その理由は、従来の均一モードへの切り替えの際に必要であったように、層状モードから提案される運転モードへの切り替えの際に、まず吸気管から排気する必要がないためである。
【００１３】
さらに、燃焼室内の不活性ガス質量が高い状態で内燃機関を運転することが可能になる。燃焼室内の燃料の目標を定めた設定の結果、内燃機関の不活性ガス適合性を向上させることが可能である。好適なカムシャフト位置あるいは外部排気ガス再循環のいずれかによって燃焼室内に導入され得る不活性ガスの量がより多くなる結果、スロットルロスの大幅な低減、ひいては燃料消費量の大幅な低減を得ることが可能である。
【００１４】
また、提案される方法を用いて、低温での低温始動後に低温の燃焼室壁及び低温のピストンヘッドが極度に湿るのを防ぐこともできるが、その理由は、希薄混合気の第１の噴射により、少ない燃料量のみが低温のエンジン部品に接触されることが可能になるためである。第１の噴射量が低減される結果、低温の構成部品上に沈析する燃料がより少なくなる。この結果、蓄積された燃料が燃焼に取り込まれず未燃のまま排気管内に放出されるため、未燃炭化水素のエミッションが大幅に低減される。
【００１５】
一つの有利な改良形態では、３回の噴射が、内燃機関の、少なくともほぼ全負荷範囲で行われる。運転モードの切り替えは必要ない。それどころか、異なる噴射時間及び噴射量を選択するだけで異なる負荷状態への適応が行われる。
【００１６】
低いエンジン負荷では、第１及び第２の噴射がそれぞれ圧縮行程において層状噴射として行われるのが好ましい。第１の噴射は、有利には、点火上死点の前約７０°のクランク角において行われ、第２の噴射は、点火上死点の前約３０°のクランク角において行われる。負荷がより低いために、第１の噴射量は、比較的低く保たれることが可能である。圧縮行程における噴射の結果、シリンダ容積全体にわたる均一な分配、ひいては可燃性に悪影響を与える許容できない傾斜が回避される。点火時間の前の比較的近い時間での圧縮行程における第２の噴射により、点火プラグの領域の中心で燃料が一緒に保持されることが確実になる。点火時間の直前での層状噴射としての第３の噴射は、確実な点火性を確保し、そこからより濃い混合気雲を介して希薄混合気へと広がる。
【００１７】
中程度及び／又は高いエンジン負荷では、第１の噴射は、有利には、吸気行程において均一な噴射として行われ、第２の噴射は、圧縮行程において層状噴射として行われる。中程度の負荷では、第１の噴射が、点火上死点の前約３００°のクランク角において開始し、第２の噴射が、点火上死点の前約６０°のクランク角において開始する噴射時間が有利であることが分かっている。より高い負荷又は全負荷では、第１の噴射が、好都合には、点火上死点の前約３００°のクランク角において開始し、第２の噴射が、点火上死点の前約１８０°のクランク角において開始する。内燃機関にかけられる負荷に応じて、前記噴射時間は、任意の所望の方式でかつ連続的に互いに組み合わせられ得る。
【００１８】
中程度の負荷及び特に高負荷では、低負荷での運転と対照的に、過度に濃い燃焼、ひいては高い粒子エミッション及び一酸化炭素エミッションを防ぐために、第１及び第２の噴射によって燃焼室に導入される燃料が確実に新鮮空気と十分によく混合されなければならない。ここで、吸気行程における第１の燃料量の噴射の結果、局所的な過剰の富化を生じずに、より高い負荷に対して必要とされるより多くの燃料量を噴射することが可能になる。提供される全量に対して必要とされる残りの燃料量は、第２及び第３の噴射で加えられる。ここで生成される混合気雲もまた、高いが過剰ではない過濃燃料／空気混合気を有し、これにより、過剰の粒子エミッションを伴わずに確実な点火が可能になる。極度の運転条件下でも確実な点火を確保する第３の噴射が、低負荷におけるのとほぼ同じように行われる。より高い負荷におけるより高い燃焼室圧力の結果、噴射量はおそらくわずかに増大され得るが、その理由は、より多くの燃料量が、より高い燃焼室圧力における噴流生成に必要とされ得るためである。
【００１９】
希薄混合気の空気比は、可燃性であるが非引火性の燃料／空気混合気が生成されるように選択されるのが有利である。このことは、消費量及び汚染物質の低減に役立つ。点火性が点火プラグによって得ることができないにもかかわらず、確実な点火が、組み入れられたより濃い混合気雲によって確保され、したがって、円滑なエンジン回転が、高過剰の空気又は高い不活性ガス含量などの極度の運転条件下でも確保される。
【００２０】
より濃い混合気雲の空気比は、可燃性かつ引火性の燃料／空気混合気が生成されるが、過剰の粒子エミッションが生成されないように選択されるのが好ましい。混合気雲の点火が行われた後、火炎前面がここから希薄混合気へと広がり、希薄混合気をも燃焼させる。
【００２１】
一つの好ましい実施形態では、シリンダ容積にわたって平均された、求められる全体空気比が約１．０以上約４．０以下又はさらにそれ以上の範囲にあるように、３回の噴射全ての噴射量が互いに対して調整される。代わりに、又はこれと組み合わせて、例えば排気ガス再循環又は排気ガス保持によって燃焼の開始時に相応して高い割合の不活性ガスを提供することが好都合であることがある。低い燃料消費量及び低いエミッション値を、広い運転範囲にわたって得ることが可能である。
【００２２】
一つの有利な改良形態では、少なくとも１回の噴射が、多重噴射として、特に二重噴射又は三重噴射として行われる。
【００２３】
例えば、圧電型構造を有するインジェクタといった対応するインジェクタでは、前記３回の噴射のうちの１回以上が、わずか数ミリ秒の長さの短い部分的な噴射に分割されることが可能である。これにより、給気層状化（ｃｈａｒｇｅ  ｓｔｒａｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）をそれぞれの負荷状況に正確に適応させることが可能になる。第３の噴射が多重噴射として行われる場合、点火時間が、短い個々の噴射間に設定され、それによって点火性及び火炎伝播に作用することが可能である。
【００２４】
クランク角に応じて時間が選択される最初の２回の噴射と対照的に、第３の噴射の時間は、点火時間と連動しているか又は点火時間に関連しているのが有利である。主として回転速度に応じた方式で選択される、点火時間の調節及びそれに関連している噴射時間の調節によって、確実に、第３の噴射の噴射噴流は常に、異なる点火時間での点火に取り込まれる。異なる回転速度及び点火時間において確実な点火が確保され、第２及び第１の噴射の燃料量に伝えられる。
【００２５】
第３の噴射の終わりは、点火時間の領域、特に点火上死点の前０°以上１０°以下のクランク角の領域にあるのが好ましい。前記範囲は、確実な点火及びそれに続く燃焼のために有利であることが分かっている。
【００２６】
概して、本発明による方法によって、スロットルロスを低減することによって、高過剰の空気又は高い不活性ガス量で直接噴射式オットー機関を運転することによって燃料を節約することが可能である。この結果、内燃機関の運転範囲が拡大され、この範囲内で、直接噴射式オットー機関は、許容できる汚染物質エミッションで、過剰の空気で運転することができる。直接噴射式オットー機関における従来の層状運転と対照的に、過度に低い排気ガス温度のために触媒コンバータが冷えるのを避けるために、点火時間及びスロットリングを自由に選択することが可能になる。極度に低い温度での低温始動の後に、粒子エミッション、一酸化炭素エミッション及び炭化水素エミッションの低減された確実な運転が可能になる。それほどスロットリングされていない運転は、運転モードのより迅速な切り替えを可能にする。燃焼室内の不活性ガスが、燃焼温度のかなりの低下をもたらす。いずれの場合も、高温燃焼は、ごく局所的に点火プラグにおいてのみ生成される。このようにして、ＮＯＸ吸蔵触媒コンバータの再生がより少なくて済む結果、消費の利点を得ることも可能である。過剰の空気での運転の際の回転円滑性の改良は、従来の層状運転におけるよりも燃焼が遅い結果、燃焼室圧力の勾配が低減されることによって得ることもできる。
【００２７】
しかし、生成される排気ガスは、後処理措置なしには関連規制を満たすことのできない汚染物質を含有し得る。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、前記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を上回って初めて有効になる。
【００２８】
低温始動の際及びそれに続く冷間運転における内燃機関の低温のシリンダ又は燃焼室では、希薄混合気の調製しか得られない。同様に低温のまま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エミッション及び一酸化炭素エミッションを転化できないか又は不十分な程度に転化できるに過ぎない。
【００２９】
低温始動の際及びそれに続く冷間運転において、第１に、低温のエンジン構成部品にかかわらず円滑なエンジン回転を得ること、及び、第２に、排気ガス触媒コンバータの迅速な加熱を得ることが求められている。従来の運転方法では、このために、十分な点火の確実性、ひいては許容できる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。より後での点火時間が求められているが、その遅い設定は、点火性、ひいては円滑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炭化水素をもたらし、これは、低温のままである排気ガス触媒コンバータを加熱するのに用いることができる。二次の空気噴射に関連して、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。前記構成部品の機能は、複雑な方式で診断されなければならない。エミッション値及び回転円滑性は十分でない。
【００３０】
また、本目的は、請求項１５の特徴を有する方法によって達成される。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方法が提案される。ここで、希薄な、可燃性であるが非引火性の燃料／空気混合気が、シリンダ内に生成される。シリンダ容積全体を満たす希薄な燃料／空気混合気は、後酸化のための酸素分子を十分に供給する。吸気行程の際に低温である新鮮給気（ｆｒｅｓｈ  ｃｈａｒｇｅ）への低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ヘッド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エミッションが低減される。
【００３１】
吸気行程の後に続く圧縮行程では、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、シリンダ内に生成される。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より高いシリンダ温度の結果として、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。このことは、過濃混合気にもかかわらず、燃焼室壁上及びピストンヘッド上に燃料がほとんど蓄積されないという結果をもたらす。過濃燃焼の結果、排気ガス触媒コンバータを加熱するための多量の化学エネルギーを含有する多量の一酸化炭素及び水素が、排気管の後反応のために提供される。
【００３２】
その後、点火プラグの領域に局所的に富化された引火性燃料／空気混合気を生成するための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。ここでは比較的低い、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、圧縮行程の噴射によって生成される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。
【００３３】
燃焼速度は、空気比が低下すると上昇するため、第２及び第３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、排気弁の開口の前に終了する。燃焼の火炎前面は、爆発行程（ｗｏｒｋｉｎｇ  ｓｔｒｏｋｅ）のさらなる経過の間、吸気行程噴射の希薄混合気が存在する燃焼室の領域へと続く。燃焼速度は、ここで存在する高い空気比のためにかなり低減され、このため、排気弁が開く際にまだ終了していない。このようにして、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が得られる。
【００３４】
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水素が生成され、それらは、排出段階において、過剰の酸素を行き渡らせることによって、希薄領域からの部分的に未燃の炭化水素とともに後酸化される。
【００３５】
点火プラグの領域に低い空気比が行き渡ると、点火性への悪影響なく、点火時間の比較的遅い位置が可能になる。このようにして、高い排気ガス温度を生成することが可能あるが、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わずかに過剰の酸素に関連する前記境界条件は、排気ガス系内の一酸化炭素、水素及び炭化水素の後酸化（排気管及び排気ガスマニホルドの両方、さら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。ここ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、数秒後に既にそのライトオフ温度に達する。
【００３６】
吸気行程噴射は、少なくともおよその燃料／空気混合気がシリンダ内に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、続く燃焼における火炎前面の均一な伝播が確実になる。ここで、約１．６の好ましい空気比が好都合であることが分かっている。
【００３７】
圧縮行程噴射は、均一な新鮮給気内で、前記均一な新鮮給気より濃く、かつ希薄な均一な燃料／空気混合気に組み入れられる混合気雲が生成されるように行われるのが好ましい。より濃い混合気雲は、１．０以下の空気比を有することが好ましく、その結果、高レベルの点火性及び局所的に制限される迅速な燃焼が確実になる。
【００３８】
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比は、約１．０以上から１．０を超える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、及びこのために提供される熱的後燃焼のために十分な酸素が、排気ストランド（ｅｘｈａｕｓｔ  ｓｔｒａｎｄ）中に存在し、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。建設、制御及び調整費用が削減される。
【００３９】
一つの好都合な改良形態では、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。例えば、圧電型構造を有するインジェクタといった好適なインジェクタによって、前記３回の噴射で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、個々に、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、及び層状噴射の際の点火プラグにおける点火条件は、所定の方式で適応され得る。
【００４０】
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対して関連しており、ひいてはプロセス行程のそれぞれの状態に対して時間に関して関連しており、吸気行程噴射は、点火上死点の前約２６０°のクランク角において行われ、圧縮行程噴射は、点火上死点の前約３０°のクランク角において行われるのが好都合であることが分かっている。
【００４１】
これに対し、層状噴射は、点火時間と連動しているのが好ましい。異なる負荷及び特に回転速度条件下で、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する。異なる噴射時間において、それと連動される層状噴射により、シリンダ給気（ｃｙｌｉｎｄｅｒ  ｃｈａｒｇｅ）の確実な点火が確保されることが確実になる。
【００４２】
迅速な触媒コンバータ加熱の上述した境界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°のクランク角範囲にあるのが好都合である。層状噴射の終わりは、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。確実な点火により、排気ガス触媒コンバータの迅速な加熱を得ることが可能である。
【００４３】
他の好ましい改良形態では、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の達成される運転温度に応じて制御又は調整される。それぞれの時間の制御又は調整はまた、好都合であることがある。排気ガス触媒コンバータの温度が上昇し、このことが効果を生じると、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。
【００４４】
本発明の好ましい例示的実施形態を、図面に基づいて以下にさらに詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４５】
図１、３及び５に、異なる運転状態におけるシリンダ４の領域内の第１の外部点火直接噴射式４行程内燃機関を、細部の概略図で示す。本発明による第１の方法が、ここに示されるシリンダ４の例に基づいて提示される。内燃機関は、内部で周期的に上下に動く１つのピストン１７をそれぞれ備えた１つ以上のシリンダ４を有し得る。シリンダ４は、シリンダヘッド１９によって、ピストン１７と反対側を、その長手方向に閉鎖され、その反対方向で、前記シリンダ４の内部空間は、ピストン１７によって画定されている。ピストン１７の上下への動き及びそれに関連している、吸気弁及び排気弁（図示せず）の制御時間が、図２、４及び６に基づいてより詳細に記載される、繰返しの順序で次々に起こる内燃機関の４つのプロセス行程の全てを予め規定する働きをする。
【００４６】
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、４及び６）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、３及び５に記載の概略図に対応して、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。この点火は、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をもたらす。これから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。
【００４７】
ここに示される外部点火内燃機関を運転するための本発明による方法では、燃料２の３回の噴射９、１０、１１の全てが、インジェクタ３によって行われ、この噴射９、１０、１１は、図２、４及び６に関連してより詳細に記載される。このために、図２、４及び６は、シリンダ４（図１、３及び５）のピストン１７の軸方向位置を画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、異なる負荷状態における、本発明による方法の異なる個々の進行の線図をそれぞれ示す。０°のクランク角αは点火上死点ＩＴＤＣを画定し、点火上死点ＩＴＤＣでは、シリンダ内部空間が空気／燃料混合気を含有し、吸気弁及び排気弁（図示せず）が閉じられ、かつ図１に例示されるピストン１７が、シリンダヘッド１９に最も近いその軸方向位置で、シリンダ４内に位置する燃料／空気混合気を圧縮した状態になっている。点火上死点ＩＴＤＣの領域では、燃料／空気混合気の点火が、点火プラグ５（図１、３及び５）によって行われる。
【００４８】
４行程プロセスの第１の行程が、点火上死点ＩＴＤＣ前３６０°〜１８０°のクランク角範囲αにわたる吸気行程６である。前記吸気行程６の後に、点火上死点ＩＴＤＣ前１８０°〜０°のクランク角範囲αにわたる圧縮行程７が続く。次に、爆発行程８が、点火上死点ＩＴＤＣから０°〜１８０°のクランク角αにわたり、その後、点火上死点ＩＴＤＣ後１８０°〜３６０°のクランク角αにわたる排気行程２２が続く。点火上死点ＩＴＤＣ後３６０°のクランク角αにおける排気行程２２の終わりは、点火上死点ＩＴＤＣ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。
【００４９】
吸気弁（図示せず）は、吸気行程６の大部分にわたるとともに部分的に圧縮行程７へと及ぶ、曲線２０に対応する弁リフトｈを行う。吸気弁の０より高い弁リフトｈにおいて、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１、３及び５）の内部に吸入される。対応する状況がシリンダ４からの排気ガスの放出に当てはまり、ここで、排気弁（図示せず）の弁リフトｈは、曲線２１によって例示されている。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、排気弁の開放は、爆発行程８の終わりには既に開始されている。排気弁が開いている場合、生成される排気ガスは、図１に示される排気ガス管１８及び下流に接続される排気ガス触媒コンバータ１を通して送られる。
【００５０】
ある運転条件下では、シリンダ４の給気に、より増大した量の不活性ガスを供給するのが好都合であることがある。このために、概略的に示される排気ガス再循環ライン２４が設けられ、この排気ガス再循環ラインは、制御ユニット１６の作用下で、所定の量の排気ガスをシリンダ４内へと再循環させる。また、より増大した量の不活性ガス又は排気ガスが、対応して設定される、必要に応じて制御又は調整される弁制御時間によってもたらされ得る。
【００５１】
図１〜６を参照すると、ともに、本発明による方法の第１の例示的実施形態が示されている。まず、少なくとも内燃機関の負荷に応じて、燃料２の第１の噴射９が行われるクランク角α１が決定され、それによって、希薄混合気１３がシリンダ４内に生成される。希薄混合気１３の局所的な空気比λ１は、０より高く、可燃性であるが非引火性の燃料／空気混合気が生成されるように選択されるのが好ましい。次に、少なくとも内燃機関の負荷に応じて、燃料２の第２の噴射１０が行われるクランク角α２が決定され、それによって、希薄混合気１３より濃くかつ希薄混合気１３に組み入れられる混合気雲１４が、シリンダ４内に生成される。１．０以下である局所的な空気比λ２が、混合気雲１４内に行き渡る。混合気雲１４の空気比λ２は、可燃性かつ引火性の燃料／空気混合気が混合気雲１４内に生成されるように選択される。次に、点火プラグ５の領域で局所的に富化された引火性燃料／空気混合気を生成するための層状噴射の形態の燃料２の第３の噴射１１が、点火時間１２に時間的に少なくとも近接して行われる。
【００５２】
前記方法工程の好ましい実施形態のさらに詳細な説明に関しては、図１及び２が部分負荷での方法条件を示し、図３及び４が低負荷での方法条件を示し、図５及び６が高負荷又は全負荷での方法条件を示す。したがって、３回の噴射９、１０、１１は、内燃機関の少なくともほぼ全負荷範囲において行われる。しかし、本発明による方法を個々の負荷範囲でのみ行うことが好都合であることもある。
【００５３】
図１及び２は、通常の中程度の運転負荷での方法条件を示す。第１の噴射９は、吸気行程６において均一な噴射として行われ、ここで、シリンダ４の全内部空間は、図１に示される次の圧縮行程７において少なくともほぼ均一に希薄混合気１３で満たされる。第１の噴射９は、点火上死点ＩＴＤＣ前約３００°のクランク角α１において開始し、所定の空気比λ１を得るために必要とされる燃料量を導入するのに必要な時間又はクランク角αに及ぶ。第１の噴射９のクランク角範囲は、後続の噴射１０、１１のクランク角範囲より高く、したがって、全燃料量のうちのより多い部分が、第１の噴射９で噴射されることが図２に示す図から分かる。
【００５４】
第２の噴射１０は、圧縮行程７において層状噴射として行われ、点火上死点ＩＴＤＣ前約７０°のクランク角α２において開始する。噴射持続時間ひいては噴射量は、第１の噴射９のそれより少ないが、第３の噴射１１のそれより多い。この結果、希薄混合気１３に組み入れられる混合気雲１４が生成される。
【００５５】
最初の２回の噴射９、１０と対照的に、第３の噴射１１の時間は、クランク角αにではなく、回転速度とともに変動する点火時間１２に関連している。点火時間１２は、点火上死点ＩＴＤＣ前約１５°のクランク角αＺにおける例としてここに示されるが、特に第３の噴射１１とともに回転速度に依存する方式で、特にいくつかの他の位置をとることが可能である。また、特に、冷間運転において、排気ガス触媒コンバータ１を加熱するために、点火時間１２及び第３の噴射１１を、点火上死点ＩＴＤＣ後の爆発行程８に移動するのが好都合であることもある。
【００５６】
第３の噴射１１の噴流形状は、それが混合気雲１４に導入されかつ点火プラグ５の点火領域を直接通過して送られるように構成される。第３の噴射１１を点火時間１２に時間的に直に近づける結果、点火プラグ５において局所的に富化された混合気と関連して確実な点火が行われ、混合気雲１４及び希薄混合気１３に伝えられる。
【００５７】
図１及び２に記載の部分負荷条件と対照的に、図３及び４に記載の図に対応する低いエンジン負荷において、３回の噴射９、１０、１１全てが、吸気行程７において層状噴射として行われる。ここで、部分負荷における図２に記載の図の燃料量と比べて、図４に例示される噴射９、１０、１１のクランク角αの範囲によって示されるように、少しの全燃料量しか必要とされない。第１の噴射９は、点火上死点ＩＴＤＣ前約６０°のクランク角α１において行われ、第２の噴射は、点火上死点ＩＴＤＣ前約３０°のクランク角α２において行われる。第３の噴射１１及び点火時間１２での条件は、図１及び２と関連して説明される部分負荷の条件のそれにほぼ対応する。
【００５８】
図３の概略図は、圧縮行程７における第１の噴射９を層状噴射として構成することによって、希薄混合気１３はシリンダ容積全体を満たさないことを示す。このようにして、過度に大きな容積にわたる分配である結果、低い負荷範囲のための低い燃料量をもはや燃焼できないことが回避される。実際には、希薄混合気１３は、点火プラグ５によって引火することがないものの十分に可燃性である局所的に限られた混合気雲を形成する。より濃い混合気雲１４は、前記希薄混合気１３気雲に組み入れられる。過濃混合気雲１４及び希薄混合気１３を通した点火及び火炎伝播は、他の場合には、図１及び２に記載の部分負荷運転に対応する。
【００５９】
図５及び６は、全負荷での条件を示す。図５に記載の層状化されたシリンダ給気は、図１に記載の部分負荷でのシリンダ給気にほぼ対応する。しかし、吸気行程６における均一な噴射としての第１の噴射９が、点火上死点ＩＴＤＣの前約３００°のクランク角α１において開始し、図２の図に比べてより高い燃料量を供給するために、より広いクランク角範囲αに及んでいることが図６から分かる。次の第２の噴射１０は、点火上死点ＩＴＤＣの前約１８０°のクランク角α２において開始し、同様により広いクランク角範囲αに及んでいる。第１の噴射９の燃料量は、均一なバックグラウンド混合気としての希薄混合気１３が依然として可燃性であるが、同時に、必要とされる全燃料量を設定するために、２回の後続の噴射１０、１１のために十分な残量も残すように選択される。第２の噴射１０は、一方で、噴射された燃料量が点火プラグの直ぐ近くに留まるが、他方で、非常に広く分配されることによって前記領域で生成される燃料／空気混合気がおよそ理論量であるように選択される。したがって、第２の噴射１０として燃焼室に導入される燃料質量が多くなるにしたがい、その噴射は、燃焼室内の混合気の調製及び分配のために十分な時間をそれに与えるために、より早期に行われなければならない。
【００６０】
第３の噴射１１は、その構造に関して、部分負荷及び低負荷での図１〜４に記載の第３の噴射１１に対応する。それに対し、より高負荷におけるより高い燃焼室圧力を考慮に入れるために、単に、第３の噴射１１の量をおそらくわずかに増大させる必要があり得るが、その理由は、より高い燃焼室圧力では、より多い燃料量が噴流生成のために必要であり得るためである。
【００６１】
図１〜６に記載の図は、部分負荷、低負荷及び全負荷での３つの異なる運転状態を例として示す。中間の運転パラメータ又は負荷範囲への適応を、制御ユニット１６によって、特に第１及び第２の噴射９、１０を、時間及び噴射量に関して強調された範囲内で連続可変に移動することによって、行うことが可能であり、その結果、内燃機関にかけられる負荷への目標とする適応が確実にされる。
【００６２】
特に、強調された方法によって、内燃機関１が希薄モードで利用されることが可能になるのが好都合である。このために、シリンダ容積全体にわたって平均された、全ての噴射９、１０、１１から求められる全体空気比λは、約１．０以上約４．０以下又はそれ以上の範囲に設定されるのが有利である。代わりに、又はこれと組み合わせて、上述した排気ガス再循環２４によって及び／又は弁制御時間を操作することによって、燃焼の開始時におけるシリンダ容積内の不活性ガス割合を増大させるのが好都合であることがある。
【００６３】
図２、４及び６に記載の３つの例示的な図に対応して、３回の噴射９、１０、１１は、規定されたクランク角範囲αに連続的に及んでいる。インジェクタ３の構造が許す限りにおいて、あるいはまた、噴射９、１０、１１のうちの１つ、複数又は全てを二重噴射又は三重噴射として行うのが好都合であることもある。このために、インジェクタ３の圧電アクチュエータとしての構造が好都合であることがある。噴射を、わずか数ミリ秒だけ続く短い個々の噴射に分割することによって、シリンダの給気の分配又はより遅い時点での生成が目標通りに操作されることが可能になる。
【００６４】
示される全ての運転状態では、第３の噴射１１の噴射の終わり１５が、点火時間１２の領域にあるような例として示されている。また、噴射の終わり１５を、点火時間１２の前０°〜約１０°のクランク角範囲αに設定するのが好都合であることもある。また、多重噴射として行われる第３の噴射１１に関連して、点火及び後続の燃焼の進行に作用するように、点火時間１２の前後にそれぞれ１回の部分的な噴射を行うことが有利であることもある。
【００６５】
図７は、シリンダ４の領域内の第２の外部点火直接噴射式４行程内燃機関の細部を概略図で示す。等価な要素及び等価な特徴には、図１〜６と同じ参照符号が付されている。ここで、本発明による第２の方法は、ここに示されるシリンダ４の例に基づいて示される。内燃機関は、内部で周期的に上下に動く１つのピストン１７をそれぞれ備えた１つ以上のシリンダ４を有し得る。シリンダ４は、シリンダヘッド１９によって、ピストン１７と反対側を、その長手方向に閉鎖され、その反対方向で、前記シリンダ４の内部空間は、ピストン１７によって画定されている。ピストン１７の上下への動き及びそれに関連している、吸気弁及び排気弁（図示せず）の制御時間が、図８に基づいてより詳細に記載される、繰返しの順序で次々に起こる内燃機関の４つのプロセス行程の全てを予め規定する働きをする。
【００６６】
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８）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７に記載の概略図に対応して、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。この点火は、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をもたらす。これから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である。
【００６７】
ここに示される外部点火内燃機関の冷間運転（この冷間運転は低温始動からの期間にわたり、低温始動の時点で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はまだ運転温度になっていない）のための本発明による方法では、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、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、この噴射は、図８に関連してより詳細に説明される。このために、図８は、シリンダ４（図７）のピストン１７の軸方向位置を画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、異なる負荷状態における、本発明による第２の方法の異なる個々の進行の線図を示す。０°のクランク角αは点火上死点ＩＴＤＣを画定し、点火上死点ＩＴＤＣでは、シリンダ内部空間が空気／燃料混合気を含有し、吸気弁及び排気弁（図示せず）が閉じられ、かつ図７に例示されるピストン１７が、シリンダヘッド１９に最も近いその軸方向位置で、シリンダ４内に位置する燃料／空気混合気を圧縮した状態になっている。点火上死点ＩＴＤＣの領域では、燃料／空気混合気の点火が、点火プラグ５（図７）によって行われる。
【００６８】
４行程プロセスの第１の行程が、点火上死点ＩＴＤＣ前３６０°〜１８０°のクランク角範囲αにわたる吸気行程６である。前記吸気行程６の後に、点火上死点ＩＴＤＣ前１８０°〜０°のクランク角範囲αにわたる圧縮行程７が続く。次に、爆発行程８が、点火上死点ＩＴＤＣから０°〜１８０°のクランク角αにわたり、その後、点火上死点ＩＴＤＣ後１８０°〜３６０°のクランク角αにわたる排気行程２２が続く。点火上死点ＩＴＤＣ後３６０°のクランク角αにおける排気行程２２の終わりは、点火上死点ＩＴＤＣ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。
【００６９】
吸気弁（図示せず）は、吸気行程６の大部分にわたるとともに部分的に圧縮行程７へと及ぶ、曲線２０に対応する弁リフトｈを行う。吸気弁の０より高い弁リフトｈにおいて、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７）の内部に吸入される。対応する状況がシリンダ４からの排気ガスの放出に当てはまり、ここで、排気弁（図示せず）の弁リフトｈは、曲線２１によって例示されている。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、排気弁の開放は、爆発行程８の終わりには既に開始されている。排気弁が開いている場合、生成される排気ガスは、図７に示される排気ガス管１８及び下流に接続される排気ガス触媒コンバータ１を通して送られる。
【００７０】
図７及び８を同時に参照すると、本発明による第２の方法にしたがって、吸気行程噴射９として、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の内部に燃料２の第１の噴射を行うようになっている。ここで、示される例示的実施形態では、吸気行程噴射９は、空気比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内に生成されるように行われる。吸気行程噴射９は、点火上死点ＩＴＤＣ前約２６０°のクランク角αにおいて行われる。ここで、吸気行程噴射９は、比較的長期間にわたって行われる単一の噴射であり得る。例えば圧電型構造を有するインジェクタといった好適な構造のインジェクタ３では、数ミリ秒の時間範囲内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、吸気行程噴射９を行うことも可能である。
【００７１】
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。圧縮行程噴射１０は、示される例示的実施形態では、点火上死点の前約３０°のクランク角αのところにあり、時間とともに広がる単一の噴射として行われる。吸気行程噴射９と同様に、多重噴射を行うことも可能である。
【００７２】
圧縮行程噴射１０は、示される例示的実施形態では、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、前記希薄混合気１３より濃い混合気雲１４が形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、空気比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を満たさない空間的に限られた混合気雲１４は、好ましくは、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及ばないが、点火プラグ５の点火領域まで及ぶ。
【００７３】
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及びここに導入されるように構成され、点火プラグ５の点火領域を直接通過して送られる。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われることも可能である。
【００７４】
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、点火上死点ＩＴＤＣの前の圧縮行程７内又は点火上死点ＩＴＤＣ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、点火上死点ＩＴＤＣ後にあり、特に点火上死点ＩＴＤＣ後０°〜３５°、好ましくは点火上死点ＩＴＤＣ後１５°〜３０°のクランク角範囲αにある。点火時間１２’は、約２０°のクランク角αでの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、１回の個々の噴射を、点火時間１２’の直前及び直後にそれぞれ行うことが好都合であることもある。
【００７５】
層状噴射１１’は、点火時間１２’の直前に、時間的に近接して位置しており、ここで、層状噴射１１の噴射の終わり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。点火時間１２’における点火上死点ＩＴＤＣの後に位置する遅い点火は、シリンダ圧力ｐが曲線２３’によって示されるように低下しているときに起こる。
【００７６】
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接近接して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、単に確実な点火のために役立ち、他の点では混合気雲１４内の１．０未満の濃い空気比λ２に寄与する。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調整され、希薄混合気が、吸気行程噴射９の希薄混合気１３内に局所的に十分に生成され、過濃混合気が、混合気雲１４内に生成されるようになっている。ただし、シリンダ内部空間の容積全体にわたって平均した際に、理論量（λ＝１）であるか又はわずかに希薄（λ＜１）である全体空気比λが生成される。全体空気比λは、１．０以上１．０５以下の範囲にあるのが好ましい。
【００７７】
層状噴射１１’は、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に対応する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わずかに希薄である全体空気比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との間及び排気ガス触媒コンバータ１自体の中に位置する排気ガス管１８の領域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効果を生じる）に非常に迅速に加熱される。
【００７８】
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、特に排気ガス触媒コンバータ１の領域で、上昇する温度と連動して制御又は調整される。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’は、制御ユニット１６によって制御又は調整される。前記制御又は調整は、個々の噴射９、１０、１１’を生成するために、多重噴射の順序にも関連する。特に、点火上死点ＩＴＤＣ前約３０°のクランク角αから点火上死点ＩＴＤＣ前約２１０°〜２３０°のクランク角αへと圧縮行程噴射１０を移動す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、特に点火上死点ＩＴＤＣの前のより早い時間に移動される。
【００７９】
熱的後燃焼のための補助的な措置として、排気ガス管１８への空気の二次的な噴射が行われることも可能であり、それによって、排気ガス触媒コンバータ１の加熱をさらに促進する。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ることがあり、このさらなる噴射は、動作点に応じて、点火時間１２’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、排気ガスに導入され、ひいては排気ガス触媒コンバータの加熱を促進するために排気ガス触媒コンバータ１に導入される。
【００８０】
外部点火内燃機関の運転を最適化するための例示した方法は、明らかに互いに組み合わせることが可能であり、すなわち、特に、１つの内燃機関内で並行して実行可能である。ここで、異なる方法及び／又は異なる方法工程が、異なるシリンダ又は燃焼室に同時に割り当てられることが可能である。同様に、異なる方法が、内燃機関の異なる負荷又は温度範囲に割り当てられることが可能である。特に、第２の方法が、それぞれの低温始動時間に割り当てられるべきである一方、第１の方法は、内燃機関の低温始動運転及び／又は公称温度運転に割り当てることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】異なる領域の異なる燃料／空気混合気での、部分負荷での、本発明による方法のように、シリンダが充填された状態での、インジェクタ、点火プラグ及び制御ユニットを備えた、示されるシリンダの領域の第１の内燃機関の概略図を示す。
【図２】部分負荷での、図１に記載の配置構成で、異なるクランク角で、本発明にしたがって提供される噴射の線図を示す。
【図３】それぞれ層状噴射として導入される燃料量での低い負荷範囲における、図１に記載の配置構成を示す。
【図４】低負荷での、図３に記載の内燃機関の個々の噴射を示す、図２に対応する線図を示す。
【図５】希薄な均一な給気及びその中に組み入れられる混合気雲での、全負荷における、図１及び３に記載の配置構成を示す。
【図６】全負荷での、図５に記載の内燃機関において異なるクランク角において行われる噴射の線図を示す。
【図７】異なる領域の異なる燃料／空気混合気での、本発明による方法のように、シリンダが充填された状態での、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の領域の第２の内燃機関の概略図を示す。
【図８】図７に記載の内燃機関において異なるクランク角で本発明にしたがって提供される噴射の線図を示す。
【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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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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