(57)【要約】本発明は、特に自動車の直接噴射式の内燃機関（１）のマルチオリフィス噴射弁（９）の噴射孔内部のカーボン付着を回避する方法に関する。本発明では特に有効な方法として、燃料を複数回の噴射によって、内燃機関（１）の燃焼室（４）内に噴射することが提案されている。特には、燃料を第１の主噴射を吸込みサイクル中に噴射し、次いで行われる後噴射を圧縮サイクル中において点火時期（ｔｚ）の前に噴射することが、提案されている。これによって、噴射孔の横断面が次第に減少することを補償することを目的として、噴射時間（ｔｑ）を内燃機関の長時間にわたる運転中に、特に均質運転において、連続的に高める必要がなくなる。
2005504213.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
特に自動車の直接噴射式の内燃機関（１）の噴射弁（９）の噴射孔内部のカーボン付着を回避する方法であって、燃料を複数回の噴射によって、内燃機関（１）の燃焼室（４）内に噴射することを特徴とする、噴射弁の噴射孔内部のカーボン付着を回避する方法。
【請求項２】
燃料を第１の主噴射と次いで行われる後噴射とによって、燃料空気混合物の点火時期（ｔｚ）の前に燃焼室（４）内に噴射する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
主噴射において、噴射される全燃料量の大部分を噴射する、請求項２記載の方法。
【請求項４】
噴射弁（９）の弁ニードルが行程ストッパに後少しで接触しかつ次いで直ちに再び閉鎖するような量の燃料を、後噴射中に噴射する、請求項２又は３記載の方法。
【請求項５】
内燃機関（１）によって与えられるモーメントの変化を、主噴射中における噴射時間の変化によって制御もしくは調整する、請求項２から４までのいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
主噴射を内燃機関（１）の吸込みサイクル中に実施し、後噴射を内燃機関（１）の圧縮サイクル中に実施する、請求項２から５までのいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
主噴射を、内燃機関（１）のピストン（２）の最大速度中に実施し、この際にピストン（２）が、燃料が噴射される内燃機関（１）の燃焼室（４）を制限する、請求項２から６までのいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
燃料が噴射される内燃機関（１）の燃焼室（４）において所定可能な圧縮圧レベル（ｐ）が得られた後で、後噴射を実施する、請求項２から７までのいずれか１項記載の方法。
【請求項９】
内燃機関（１）の吸気管（７）における約４００ｍｂａｒの絶対圧力と、２ｂａｒを越える燃焼室（４）内における圧縮圧レベル（ｐ）とにおいて、後噴射を実施する、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
計算機、特にマイクロプロセッサ（１６）において実行可能なコンピュータプログラムであって、コンピュータプログラムが、計算機における実行時に、請求項１から９までのいずれか１項記載の方法を実施するのに適していることを特徴とするコンピュータプログラム。
【請求項１１】
コンピュータプログラムが、記憶エレメント（１７）、特にフラッシュメモリに記憶されている、請求項１０記載のコンピュータプログラム。
【請求項１２】
特に自動車の直接噴射式の内燃機関（１）の制御装置（１３）用の記憶エレメント（１７）、特にリードオンリメモリ、ランダムアクセスメモリ又はフラッシュメモリであって、該記憶エレメント（１７）に、計算機特にマイクロプロセッサ（１６）において実行可能でかつ請求項１から９までのいずれか１項記載の方法を実施するのに適しているコンピュータプログラムが記憶されていることを特徴とする記憶エレメント。
【請求項１３】
特に自動車の直接噴射式の内燃機関（１）用の制御装置（１３）であって、内燃機関（１）に設けられた少なくとも１つの燃焼室（４）に、燃料が第１の運転形式で圧縮サイクル中に、かつ第２の運転形式で吸気サイクル中に噴射弁（９）を介して噴射可能であり、さらに該噴射弁（９）を制御するための制御装置（１３）が設けられている形式のものにおいて、制御装置（１３）が、請求項１から９までのいずれか１項記載の方法を実施するための手段を有していることを特徴とする制御装置。
【請求項１４】
特に自動車の直接噴射式の内燃機関（１）の少なくとも１つの燃焼室（４）に、噴射弁（９）の噴射孔内部のカーボン付着を回避するために、噴射弁（９）を用いて燃料を複数回噴射する方法の使用。
【請求項１５】
燃料が第１の主噴射と次いで行われる後噴射とによって、燃料空気混合物の点火時期の前に燃焼室（４）内に噴射される、請求項１４記載の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に自動車の直接噴射式の内燃機関の噴射弁の噴射孔内部のカーボン付着を回避する方法に関する。
【０００２】
本発明はさらに、計算機、特にマイクロプロセッサにおいて実行可能なコンピュータプログラムに関する。
【０００３】
本発明はさらに、特に自動車の直接噴射式の内燃機関の制御装置用の記憶エレメントに関する。記憶エレメントは特に、リードオンリメモリ、ランダムアクセスメモリ又はフラッシュメモリとして形成されている。記憶エレメントには、計算機特にマイクロプロセッサにおいて実行可能であるコンピュータプログラムが記憶されている。
【０００４】
本発明はさらに、特に自動車の直接噴射式の内燃機関用の制御装置に関する。内燃機関には少なくとも１つの燃焼室が設けられていて、該燃焼室には、燃料が第１の運転形式で圧縮サイクル中に、かつ第２の運転形式で吸気サイクル中に噴射弁を介して噴射可能であり、さらに該噴射弁を制御するための制御装置が設けられている。
【０００５】
本発明はさらにまた、特に自動車の直接噴射式の内燃機関の少なくとも１つの燃焼室に、噴射弁を用いて燃料を複数回噴射する方法の使用に関する。
【０００６】
従来の技術
燃料が内燃機関の燃焼室内に直接噴射される直接噴射式の内燃機関は、従来公知である。直接噴射式の内燃機関は、種々様々な形式、例えば層状運転又は均質運転で運転され得る。層状運転は特に負荷が小さい場合に使用され、均質運転は、内燃機関にかかる負荷が大きい場合に使用される。
【０００７】
層状運転において燃料は、内燃機関の圧縮サイクル中に燃焼室内に噴射され、点火時期に燃料噴霧が点火プラグを直に取り囲むように噴射される。この噴射は種々様々な形式で行うことができる。例えば、噴射された燃料噴霧が既に噴射中にもしくは噴射直後に点火プラグのそばに位置していて、該点火プラグによって点火されるような形式が可能である。同様に、噴射された燃料噴霧が給気運動によって点火プラグに導かれ、その後で点火されるような形式も可能である。両燃焼方法において燃料分布は均一ではなく、燃料は層状に供給される。
【０００８】
層状運転の利点としては、極めて僅かな燃料量で内燃機関の比較的小さな負荷を実施できるということが挙げられる。しかしながら大きな負荷を層状運転によって満たすことは不可能である。
【０００９】
このような大きな負荷のために適している均質運転では、燃料は内燃機関の吸気サイクル中に噴射され、その結果渦流、ひいては燃焼室内における燃料の分布を、燃料空気混合物の点火前に難なく行うことができる。この限りにおいて均質運転は、汎用の形式で燃料が吸気管に噴射される内燃機関の運転形式に、ほぼ相当している。必要とあれば、小さな負荷の場合でも均質運転に切り換えることができる。
【００１０】
層状運転では、燃焼室に通じる吸気管に設けられたスロットルバルブは大きく開放され、燃焼は主として、噴射される燃料量だけによって制御及び／又は調整される。均質運転では、スロットルバルブは、所望のモーメントに関連して開閉され、噴射される燃料量は、吸い込まれる空気質量に関連して制御及び／又は調整される。両運転形式、つまり層状運転及び均質運転において、噴射される燃料量は付加的に、その他多数の運転値に関連して、燃料節約、排出ガス減少及びこれに類したものに関して最適な値に制御及び／又は調整される。制御及び／又は調整はこの場合両運転形式において異なっている。
【００１１】
ガソリン直接噴射式の内燃機関は、部分負荷運転において、熱力学的に最適で絞りのない品質制御された層状運転で、常に運転することは不可能である。例えば有効なタンク空気抜き又は窒素酸化物（ＮＯｘ）・リザーブ式触媒コンバータの効果的な再生を保証するために、ある程度の時間（内燃機関の回転数及び負荷状態に関連して）、内燃機関の吸気の絞り、ひいては理論上の空燃比（λ＝１）もしくはそれを下回る空燃比（λ＜１）を調節する必要がある。吸気の供給が絞られるや否や、燃料は、（絞られない）層状給気運転におけるように圧縮サイクルにおいてではなく、吸気サイクルにおいて噴射されねばならない。このような場合には、内燃機関の燃費及び排出ガスエミッションの特性は、吸気管噴射式の汎用の内燃機関におけるような特性を有する。
【００１２】
従来の技術から、上に述べたタンク空気抜き、触媒コンバータ再生又はこれに類したもののような特別な作用の間に、吸気サイクル中に一回の噴射の枠で燃料を噴射することが公知である。圧縮サイクルへの噴射時期の移動は、極端な吸気絞りとの関連において極めて高い煤煙エミッションを生ぜしめるので、実際には使用されない。
【００１３】
極端な吸気絞りと理論上の混合気組成とで内燃機関を運転する場合でも、インジェクタの噴射孔にはカーボンが付着してしまい、所定の負荷時に燃料供給を一定に保つことができるようにするためには、内燃機関のある程度の運転時間経過後に噴射時間を持続的に長くする必要がある。噴射時間ｔｑを延長することによって、作業サイクル毎における燃料供給のための時間横断面(（ｄｍ／ｄｔ)・ｔｑ)が変化しないようにすることができる。
【００１４】
タンク空気抜き及び触媒コンバータ再生のための特別な作用が短時間しか活性化されないにもかかわらず、噴射弁のカーボン付着、つまり貫流障害を伴う噴射孔内部のカーボン付着を、この運転段階において如何なる場合でも回避できなくてはならない。さもないと、長い運転時間の後で噴射時間は許容限界を超えて長くされねばならない。
【００１５】
ゆえに本発明の課題は、噴射弁の噴射孔内部のカーボン付着を、特に、高い吸気絞りと理論上のもしくはそれを下回る混合気組成とにおいて、有効に回避することである。
【００１６】
この課題を解決するために本発明では、冒頭に述べた形式の方法において、燃料を複数回の噴射によって、内燃機関の燃焼室内に噴射するようにした。
【００１７】
発明の利点
本発明によって次のことが認識されている。すなわち、噴射インパルスを複数回の噴射インパルスに分割することによって、噴射弁特にマルチオリフィス噴射弁における噴射孔内部のカーボン付着を効果的に回避することができる。さらに噴射を分割することによって、特に効率の良い燃焼を達成することができ、このことは特に、シングル噴射との比較において著しく低い排出ガス温度に現れている。
【００１８】
大きな負圧と理論上の混合気組成とによる燃料空気混合物の燃焼時には、燃焼室壁の加熱ひいては噴射部材の加熱による高い壁熱損失が生ぜしめられる。この場合特に、燃焼に直接さらされる領域が加熱される。燃焼熱に基づいて噴射孔の内壁には、もはや完全に燃焼させることが不可能な付着物が固着する。すなわち燃焼サイクルにおいて火炎前面は弁噴射領域を捉えるが、噴射孔領域における燃焼反応は極めて遅くなる。それというのは、噴射孔領域には濃い混合気が存在し、火炎は低温の壁領域において消されてしまうからである。
【００１９】
本発明によればさらに次のことが分かった。燃焼室への２番目及びそれ以降の噴射は、噴射弁の噴射孔内部に固着した燃料成分の付着物を減じることができる。２番目の噴射によって噴射孔領域の内側輪郭からは、付着した燃料凝縮物が吹き飛ばされる。さらに燃料は第２の噴射インパルス時に噴射弁内に押し込まれる。それというのは、例えば噴射弁内における燃料液柱は燃焼室内における圧縮圧に抗して噴射されねばならないからである。これによって、燃料は剥離傾向なしに噴射孔の壁にしっかりと接触し、その結果熱対流もしくは弁内部の冷却が著しく改善され、揮発性の高い燃料成分と揮発性の低い燃料成分とへの燃料の分離が阻止される。そして燃料はその添加物と一緒に、ほぼ完全に燃焼室４内に噴射される。分離が抑制されることに基づいて、部分的にしか反応せずに噴射孔の内側に付着する燃焼残留物が形成されることもなくなる。
【００２０】
本発明による有利な方法では、燃料を第１の主噴射と次いで行われる後噴射とによって、燃料空気混合物の点火時期の前に燃焼室内に噴射するようにした。つまりこの方法では噴射インパルスは、２つのシングルインパルスに分割される。主噴射及び後噴射における燃料の噴射は、内燃機関の同じ作業サイクルにおいて行うことも、又は異なった作業サイクルにおいて行うことも可能である。
【００２１】
本発明の別の有利な方法では、主噴射において、噴射される全燃料量の大部分を噴射するようにした。本発明の別の有利な方法では、噴射弁の弁ニードルが行程ストッパに後少しで接触しかつ次いで直ちに再び閉鎖するような量の燃料を、後噴射中に噴射するようにした。これによって後噴射量は時間的に狭い範囲に制限される。これに基づいて、内燃機関によって与えられるモーメントの変化は、主噴射中における噴射時間の変化によって制御もしくは調整される。
【００２２】
本発明の別の有利な方法では、主噴射を内燃機関の吸込みサイクル中に実施し、後噴射を内燃機関の圧縮サイクル中に実施するようにした。主噴射は既にガス交換ＯＴ（上死点）の直後に開始されることができ、そして遅くとも後続のＵＴ（下死点）の直前で終了することが望ましい。主噴射の噴射位置はまず第一に、燃焼室の構成に関連して決定される。エンボス加工されたピストン凹部を備えた燃焼室にガス交換ＯＴの直後に噴射がなされると有利である。それというのは、この場合、主として（エンジンオイルによる洗浄に関して臨界的でない）ピストン凹部の縁部が濡らされ、シリンダ壁はあまり濡らされず、さらに混合気調整のために比較的長い時間を利用することができるからである。これに対して平らなピストンを備えた燃焼室には、有利にはピストンの最大速度の範囲において噴射が行われる。それというのは、この段階において、吸い込まれた空気は最高の流速度に達し、ひいては燃料と空気との間の混合が最も集中的に行われるからである。
【００２３】
本発明の別の有利な方法では、主噴射をほぼ、内燃機関のピストンの最大速度中に実施し、この際にピストンが、燃料が噴射される内燃機関の燃焼室を制限するようにした。主噴射の重心は有利には、点火ＯＴの前における２７０°ＫＷ（クランク軸）の辺りである。
【００２４】
本発明の別の有利な方法では、燃料が噴射される内燃機関の燃焼室において所定可能な圧縮圧レベルが得られた後で、後噴射を実施するようにした。さらに後噴射は点火時期の直前に行うことが望ましい。つまり後噴射のための最も早期に可能な噴射開始は、その時点におけるシリンダ圧の値に関連している。内燃機関の吸気管における空気の約４００ｍｂａｒの絶対圧力と、２ｂａｒを越える燃焼室内における圧縮圧レベルとにおいて、後噴射を実施すると有利である。このことは例えば運転結果のために言える。第１の噴射による混合気が既に圧縮圧の上昇によって凝縮された後で、第２の噴射を行うことが重要である。
【００２５】
本発明はまた、計算機、特にマイクロプロセッサにおいて実行可能なコンピュータプログラムであって、コンピュータプログラムが、計算機における実行時に、本発明による方法を実施するのに適していることを特徴とするコンピュータプログラムをも提供している。この場合コンピュータプログラムが、記憶エレメント、特にフラッシュメモリに記憶されていると、特に有利である。
【００２６】
本発明による方法を、特に自動車の直接噴射式の内燃機関の制御装置のために設けられている記憶エレメントの形で実現することは、特に重要である。この場合記憶エレメントには、計算機特にマイクロプロセッサにおいて実行可能でかつ本発明による方法を実施するのに適しているコンピュータプログラムが記憶されている。つまりこの場合本発明は、記憶エレメントに記憶されたコンピュータプログラムによって実現され、その結果コンピュータプログラムを備えた記憶エレメントもまた、コンピュータプログラムがそれを実施するのに適している方法と同様に、本発明の対象である。記憶エレメントとしては特に、電気的な記憶媒体、例えばリードオンリメモリ、ランダムアクセスメモリ又はフラッシュメモリを使用することができる。
【００２７】
前記課題を解決するための別の解決策としてはさらに、冒頭に述べた形式の、特に自動車の直接噴射式の内燃機関用の制御装置であって、制御装置が本発明による方法を実施するための手段を有していることを特徴とする制御装置を挙げることができる。
【００２８】
本発明はさらにまた、特に自動車の直接噴射式の内燃機関の少なくとも１つの燃焼室に、噴射弁の噴射孔内部のカーボン付着を回避するために、噴射弁を用いて燃料を複数回噴射する方法の使用にも関する。
【００２９】
この使用発明において有利には、燃料が第１の主噴射と次いで行われる後噴射とによって、燃料空気混合物の点火時期の前に燃焼室内に噴射される。
【００３０】
図面
次に図面を参照しながら本発明の有利な実施例を説明する。
【００３１】
図１は、本発明による方法を使用することができる直接噴射式の内燃機関を示す図、
図２は、内燃機関の燃焼室内に燃料を異なった形式で噴射した場合における煤煙エミッションの比較を示す線図、
図３は、内燃機関の燃焼室内に燃料を異なった形式で噴射した場合における炭化水素エミッションの比較を示す線図、
図４は、内燃機関の燃焼室内に燃料を異なった形式で噴射した場合における排出ガス温度の比較を示す線図、
図５は、４００ｍｂａｒの吸気圧と１８００Ｕ／ｍｉｎの回転数の場合における内燃機関の燃焼室内の燃焼圧の経過を示す線図、
図６は、異なった燃料噴射に対する、燃料量が一定に噴射される場合における噴射時間の比較を示す線図である。
【００３２】
実施例の記載
図１には自動車の内燃機関１が示されており、この内燃機関１ではピストン２がシリンダ３内を往復動可能である。シリンダ３は燃焼室４を備えており、この燃焼室４は特にピストン２、吸気弁５及び排気弁６によって制限されている。吸気弁５には吸気管７が連結され、排気弁６には排気管８が連結されている。
【００３３】
吸気管７及び排気弁６の領域には、マルチオリフィス噴射弁として形成された噴射弁９（いわゆるインジェクタ）及び点火プラグ１０が燃焼室４に進入している。噴射弁９を介して燃料を燃焼室４内に噴射することができる。そして点火プラグ１０によって燃焼室４内の燃料を点火することができる。
【００３４】
吸気管７内には旋回可能なスロットルバルブ１１が取り付けられており、このスロットルバルブ１１を介して吸気管７には空気が供給可能である。供給される空気の量は、スロットルバルブ１１の角度位置によって決定される。排気管８内には触媒コンバータ１２が設けられており、この触媒コンバータ１２は、燃料の燃焼によって発生した排出ガスを浄化するために働く。ピストン２は、燃焼室４内における燃料空気混合物（いわゆる混合気）の燃焼によって往復動させられ、この往復動はクランク軸（図示せず）に伝達されて、クランク軸にトルクを加える。
【００３５】
制御装置１３には入力信号１４が入力され、この入力信号１４は、センサを用いて測定された内燃機関１の運転値である。例えば制御装置１３は空気質量センサ、ラムダセンサ、回転数センサ又はこれに類したものに接続されている。さらに制御装置１３はアクセルペダルセンサと接続されており、このアクセルペダルセンサによって生ぜしめられる信号は、ドライバによって操作可能なアクセルペダルの位置、ひいては要求されるトルクを示す。制御装置１３は出力信号１５を生ぜしめ、この出力信号１５によってアクチュエータもしくは調節装置を介して内燃機関１の特性に影響を与えることができる。例えば制御装置１３は噴射弁９、点火プラグ１０及びスロットルバルブ１１又はこれに類したものと接続されていて、これらの制御のために必要な信号を生ぜしめる。
【００３６】
特に制御装置１３は、内燃機関１の運転値の制御及び／又は調整を実施するようになっている。例えば、噴射弁９から燃焼室４内に噴射される燃料質量（噴射時間ｔｑに関する）と燃焼噴射の時期は、制御装置１３によって特に、僅かな燃料消費、僅かな排出ガス放出及び／又は僅かな騒音発生を考慮して、制御及び／又は調整される。そのために制御装置１３はマイクロプロセッサ１６を備えており、このマイクロプロセッサ１６は、例えばフラッシュメモリとして形成された記憶媒体１７内に、前記制御及び／又は調整を実施するのに適したコンピュータプログラムを記憶している。記憶媒体１７内に記憶されたコンピュータプログラムを処理するために、このコンピュータプログラムは全体として又は命令に応じて、データ伝達接続体１８を介してマイクロプロセッサ１６に伝達される。
【００３７】
図１に示された内燃機関１は種々様々な多数の運転形式で運転されることができる。例えば、内燃機関１を均質運転（Homogenbetrieb）、層状運転（Schichtbetrieb）、均質な希薄運転（Magerbetrieb）又はこれに類した運転で運転することが可能である。
【００３８】
均質運転では燃料は吸気サイクル中に噴射弁９から直接的に内燃機関１の燃焼室４内に噴射される。燃料は、比較的早めの噴射に基づいて点火に到るまでなお強く渦を巻き、その結果燃焼室４内にはほぼ均質な燃料空気混合物が発生する。生ぜしめられるモーメントはこの場合ほぼスロットルバルブ１１の位置を介して制御装置１３によって調節される。均質運転において内燃機関１の運転値は次のように、すなわちλ（供給される空気量と供給される燃焼質量との比）が１に等しくなるように、制御及び／又は調整される。均質運転は特に全負荷時に使用される。
【００３９】
均質な希薄運転はほぼ均質運転に相当しているが、この場合λは１よりも小さな値に調節される。
【００４０】
層状運転では燃料は圧縮サイクル中に噴射弁９によって直接的に内燃機関１の燃焼室４内に噴射される。これによって点火プラグ１０による点火時に燃焼室４内には、均質な混合気は存在せず、燃料層が存在することになる。スロットルバルブ１１は、例えば排出ガス戻し及び／又はタンク空気抜きの要求を無視すれば、完全に開放することができ、ひいて内燃機関１を絞らずに運転することができる。生ぜしめられるモーメントは層状運転では、燃焼室４内に噴射される燃料質量に関して(（ｄｍ／ｄｔ)・ｔｑ)調節される。層状運転によって内燃機関１は特にアイドリング運転及び部分負荷運転時に運転されることができる。
【００４１】
ガソリン直接噴射式の内燃機関１は部分負荷運転では、熱力学的に最適な、絞りなしの、品質制御される層状運転で、常に運転することが不可能である。例えば有効なタンク空気抜き又は効果的な窒素酸化物（ＮＯｘ）・リザーブ式触媒コンバータ（Speicherkatalysator）１２の効果的な再生を保証するために、所定の時間をおいて（内燃機関１の回転数及び負荷状態に関連して）、内燃機関１の吸気の絞り作用、及びこれに関連して、理論上のもしくはそれを下回る（λ＜１）燃料空気比（いわゆる空燃比）を調節しなくてはならない。吸気供給が絞られるやいなや、燃料は、（絞られない）層状過給運転におけるように圧縮サイクルにおいてではなく、吸気サイクルにおいて噴射されねばならない。内燃機関１はこの場合燃費及び排出ガス放出に関しては、吸気管噴射式の汎用の内燃機関のように振る舞う。
【００４２】
極端に吸気を絞られかつ理論上の混合気組成を有する内燃機関１の運転時には、特に吸気サイクル中における燃料噴射時に、燃料噴射弁９の噴射孔にカーボンが付着するので、所定負荷時における燃料供給を一定に保つためには、所定の運転時間経過後には噴射時間ｔｑを制御装置１３によって持続的に延ばす必要がある。つまり作業サイクル毎における燃料供給のための時間横断面(（ｄｍ／ｄｔ)・ｔｑ)は不変である。
【００４３】
例えばタンク空気抜き又は触媒コンバータ再生のような特殊機能は単に短時間しか活性化されないにもかかわらず、燃料噴射弁９の噴射孔内部のカーボン付着及びこれに関連した貫流障害は、どんなことがあっても、確実に回避されねばならない。それというのは、さもないと、噴射時間ｔｑは長い運転時間にわたって使用限界を超えて延ばされねばならないからである。
【００４４】
本発明によれば、噴射弁９の噴射孔内部におけるカーボン付着を回避する方法が提案されており、本発明の方法では、燃料が複数回の噴射によって、特に２回の噴射によって、第１の主噴射と次いで行われる後噴射に分割されて、内燃機関１の燃焼室４内に噴射される。これによって噴射孔内部のカーボン付着を、特に吸気を強く絞った場合及び理論上のもしくはそれを下回る混合気組成の場合に、有効に回避することができる。
【００４５】
主噴射において、噴射される全燃料質量のうちの殆どの部分が噴射され、これに対して後噴射中には単に、噴射弁９の噴射ニードルが行程ストッパに後少しで接触しかつ次いで直ちに再び閉鎖するような量の燃料だけが噴射される。これによって後噴射量は時間的に短く制限されることになる。場合によっては生じる内燃機関１から与えられるモーメントの変化は、従ってもっぱら、主噴射中における噴射時間ｔｑの変化によって制御もしくは調整される。
【００４６】
主噴射が内燃機関１の吸気サイクル中に実施されかつ後噴射が内燃機関１の圧縮サイクル中に実施されると、最良の結果を得ることができ、つまり噴射孔内部のカーボン付着を最も良く回避することができる。主噴射は既にガス交換ＯＴ（上死点）の直後に開始されることができ、遅くとも、次いで行われるＵＴ（下死点）の直前には終了していることが望ましい。主噴射の重心は有利には、点火ＯＴの前に約２７０°ＫＷ（クランク軸）辺りにおける、ピストン２の最大速度の範囲に移される。主噴射の噴射状態は、まず第一に燃焼室４の構成によって左右される。ピストンヘッドに凹部が設けられている燃焼室４には、有利にはガス交換ＯＴの直後に噴射が行われる。それというのはこの場合、主として（エンジンオイルによる洗浄に関して臨界的でない）ピストン凹部の縁部が濡らされ、シリンダ３の壁はあまり濡らされず、さらに混合気調整のために比較的長い時間を利用することができるからである。平らなピストン２を備えた燃焼室４には、有利にはピストン２の最大速度の範囲において噴射が行われる。それというのは、この段階において、吸い込まれた空気は最高の流速度に達し、ひいては燃料と空気との間の混合が最も集中的に行われるからである。
【００４７】
後噴射の噴射量は、燃焼室４内において所定可能な圧縮圧レベルに達した時と、燃焼室４における燃料空気混合物の点火時期の直前との間においては実施されない。つまり後噴射の最も早期に可能な噴射開始は、噴射開始時期における規定されたシリンダ圧の値に関連している。
【００４８】
図２は、種々異なった形式の燃料噴射に対する煤煙エミッション（Russemission）を示す線図である。煤煙エミッションの値は、ＦＳＮ（フィルタ・スモーク・ナンバー）で表すことができる。この図２から明らかなように、吸込み行程中におけるシングル噴射インパルス（ｔｉ-Ｓｈ）の場合に最も少ない煤煙エミッションが発生する。これに対して最も高い煤煙エミッションは、圧縮行程中におけるシングル噴射インパルス（ｔｉ-Ｖｈ）の場合に発生する。本発明におけるように噴射インパルスを主噴射インパルスと後噴射インパルスとに分割した場合（ｔｉ-２ｆａｃｈ）には、吸込み行程中におけるシングル噴射インパルス（ｔｉ-Ｓｈ）の場合に比べては幾分多いが、圧縮行程中におけるシングル噴射インパルス（ｔｉ-Ｖｈ）の場合に比べて著しく僅かな煤煙エミッションしか発生しない。すなわちこのことから、噴射孔内部のカーボン付着を回避する本発明による方法は、煤煙エミッションをほとんど上昇させないということが、明らかである。
【００４９】
図３は、種々異なった形式の燃料噴射に対する炭化水素（ＨＣ）エミッションを示す線図である。この図３から明らかなように、最小のＨＣエミッションは圧縮行程中におけるシングル噴射インパルス（ｔｉ-Ｖｈ）の場合に生じ、最大のＨＣエミッションは吸込み行程中におけるシングル噴射インパルス（ｔｉ-Ｓｈ）の場合に発生する。本発明におけるように、噴射インパルスを主噴射インパルスと後噴射インパルスとに分割した場合（ｔｉ-２ｆａｃｈ）には、圧縮行程中におけるシングル噴射インパルス（ｔｉ-Ｖｈ）の場合におけるよりは多くのＨＣエミッションが生じるが、吸込み行程中におけるシングル噴射インパルス（ｔｉ-Ｓｈ）の場合に比べて、僅かなＨＣエミッションしか発生しない。従って噴射孔内部のカーボン付着を回避する本発明による方法によって、過剰なＨＣエミッションが生じることもない。
【００５０】
図４は、種々異なった形式の燃料噴射に対する排出ガス温度Ｔを示す線図である。この図４から明らかなように、大差をもって約６７５℃の最高の排出ガス温度は、圧縮行程中におけるシングル噴射インパルス（ｔｉ-Ｖｈ）において発生する。約６３５℃の範囲における幾分低い排出ガス温度は、吸込み行程中におけるシングル噴射インパルス（ｔｉ-Ｓｈ）において生じる。これに対して約６１５℃の範囲における最も低い排出ガス温度は、本発明におけるように噴射インパルスを主噴射インパルスと後噴射インパルスとに分割した場合（ｔｉ-２ｆａｃｈ）に発生する。低い排出ガス温度は、燃焼室４における燃料のより完全な燃焼を意味し、ひいては特に高い効率を示すものである。
【００５１】
図５には、約４００ｍｂａｒの吸気管圧と約１８００Ｕ／ｍｉｎの内燃機関１の回転数とに対する燃焼室４内における燃焼圧経過が、クランク軸の角度位置（°ＫＷ）を横軸にとって示されている。主噴射の噴射開始は、点火ＯＴ（０°ＫＷ）の前の約２８０°ＫＷの所である。主噴射の噴射時間は約１.３ミリ秒の長さである。後噴射の噴射開始は、点火ＯＴの前の約５５°ＫＷの所である。約０.９ミリ秒の後噴射の噴射時間ｔｑでは、後噴射の噴射終了は、点火ＯＴの前の約−４５°ＫＷのところに位置している。内燃機関１の燃料調量系におけるレール圧は、図５に示された燃焼圧経過では１２０バールである。点火時期ｔｚは点火ＯＴの前の約３０°ＫＷのところに位置している。
【００５２】
図６には、機関負荷が一定の場合における、種々異なった形式の燃料噴射に対する噴射時間の経過が示されている。制御装置１３によって調節される噴射時間ｔｑは、噴射孔内部のカーボン付着の程度に対する尺度である。噴射弁９の噴射孔により多くカーボンが付着すればするほど、減じられた噴射孔直径を通して同じ燃料質量を噴射するためには、噴射時間ｔｑをより長く選択する必要がある。従来技術に基づいて公知のシングル噴射インパルスに対する噴射時間ｔｑの経過は、図６に破線で示されている。噴射開始は点火ＯＴの前の２８０°ＫＷに位置している。図６から明らかなように、噴射時間ｔｑは約１５時間の運転時間の経過中に、最初における約１.７ミリ秒から１５時間にわたる実験時間後には約２.６ミリ秒へと上昇している。燃料噴射が主噴射と後噴射とに分割されている本発明による方法における噴射時間ｔｑの経過は、実線で示されている。主噴射の開始は、２８０°ＫＷに位置し、後噴射は点火ＯＴの前の約５５°ＫＷに位置している。本発明のように噴射インパルスが主噴射インパルスと後噴射インパルスとに分割されている場合には、噴射時間ｔｑはほぼ一定なままである。約１８時間の運転時間中に噴射時間ｔｑは単に約２.２ミリ秒から、１８時間後における約２.３ミリ秒にまで僅かに上昇しているだけである。図６においてＮｈで噴射弁９の弁行程が示されており、この弁行程は両方の経過に対して０.１ｍｍの同じ大きさに選択されている。
【００５３】
噴射インパルスを主噴射インパルスと後噴射インパルスとに分割することは、単に噴射孔内部のカーボン付着を回避するためのみならず、燃焼室４における燃焼の安定化のためにも役立つ。もっぱら吸込みサイクルにおいて噴射される場合（ｔｉ-Ｓｈ）には、ＨＣエミッション（図３参照）は燃焼圧の大きな変動を伴って上昇する。噴射がもっぱら圧縮行程において行われる場合（ｔｉ-Ｖｈ）には、煤煙エミッション（図２参照）が上昇し、ある程度の時間経過後に、ミスファイアのようなすべての不都合な二次現象を伴って点火プラグ１０においてバイパスが形成される。なぜならば、この場合絶縁セラミックにカーボンが付着するからである。
【００５４】
本発明による２つに分割された噴射（ｔｉ-２ｆａｃｈ）によって、これに関連しても良好な妥協策を見出すことができ、すなわちこの場合、吸込み行程中におけるシングル噴射（ｔｉ-Ｓｈ）に比べて確かに煤煙エミッションは幾分高まっているが、ＨＣエミッションは減じられており、より安定的な長時間走行特性を得ることができる。
【００５５】
燃焼室４内に内視鏡を収容することによって、吸込みサイクルにおける噴射（ｔｉ-Ｓｈ）と圧縮サイクルにおける噴射（ｔｉ-Ｖｈ）との間において噴射噴流の形態における大きな差異を認識することができる。吸気管７における高い負圧によって、燃料は吸込みサイクルにおける噴射（ｔｉ-Ｓｈ）中に強烈に気化される（噴射弁９の噴射孔からの燃料の吸い出し）。このような燃料の気化は既に噴射弁９の内部で、シリンダ３内における負圧に基づいて蒸気圧が下回られる領域において、行われる。
【００５６】
次いで行われる圧縮段階において燃料蒸気は圧縮もしくは凝縮され、そして噴射弁９の噴射孔の内壁に沈降付着する。強い負圧と理論上の混合物組成による燃焼は、燃焼室４の壁の加熱、ひいては特に燃焼に直接的にさらされる噴射部材の加熱によって、大きな壁熱損失を有する。燃焼熱に基づいて、最終的には噴射孔内壁に固着した付着物が生ぜしめられ、このような付着物はもはや完全に燃焼させることが不可能である。燃焼段階において、火炎前面は噴射弁９の先端領域に達するが、噴射孔領域における燃焼反応は著しく遅くなる。それというのは、そこには濃い混合物が存在していて（凝縮物によって壁が濡らされていて）、火炎は温度の低い壁領域において消されるからである。
【００５７】
本発明のように点火時期ｔｚの前に第２の噴射を実施することによって、噴射孔領域の内部輪郭からは、付着していた燃料凝縮物が吹き飛ばされる。
【００５８】
さらに燃料は第２の噴射インパルスの際に、下降運動するピストン２（負圧）によって噴射弁９からもはや吸い出されず、逆に、上昇運動するピストン２（過圧）によってむしろ噴射弁９内に押し込まれる。噴射弁９内における燃料液柱は、圧縮圧に抗して噴射されねばならない。これによって噴射孔における燃料の十分な壁接触が剥離傾向なしに行われ、熱対流もしくは弁内部冷却は著しく改善され、揮発性の高い燃料成分と揮発性の低い燃料成分とへの燃料の分離が阻止される。燃料はその添加物と一緒に、そしてほぼ完全に燃焼室４内に噴射される。分離が抑制されることに基づいて、部分的にしか反応せずに噴射孔の内側に付着する燃焼残留物が形成されることもなくなる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明による方法を使用することができる直接噴射式の内燃機関を示す図である。
【図２】内燃機関の燃焼室内に燃料を異なった形式で噴射した場合における煤煙エミッションの比較を示す線図である。
【図３】内燃機関の燃焼室内に燃料を異なった形式で噴射した場合における炭化水素エミッションの比較を示す線図である。
【図４】内燃機関の燃焼室内に燃料を異なった形式で噴射した場合における排出ガス温度の比較を示す線図である。
【図５】４００ｍｂａｒの吸気圧と１８００Ｕ／ｍｉｎの回転数の場合における内燃機関の燃焼室内の燃焼圧の経過を示す線図である。
【図６】異なった燃料噴射に対する、燃料量が一定に噴射される場合における噴射時間の比較を示す線図である。
【国際公開パンフレット】
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【手続補正書】
【提出日】平成15年11月24日(2003.11.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に自動車の直接噴射式の内燃機関を運転する方法であって、噴射弁を介して燃料を第１の主噴射と次いで行われる後噴射とによって、内燃機関の燃焼室内に噴射する形式の方法に関する。
【０００２】
本発明はさらに、計算機、特にマイクロプロセッサにおいて実行可能なコンピュータプログラムに関する。
【０００３】
本発明はさらに、特に自動車の直接噴射式の内燃機関の制御装置用の記憶エレメントであって、該記憶エレメントに、計算機特にマイクロプロセッサにおいて実行可能であるコンピュータプログラムが記憶されている形式のものに関する。この記憶エレメントは特に、リードオンリメモリ、ランダムアクセスメモリ又はフラッシュメモリとして形成されている。
【０００４】
本発明はさらに、特に自動車の直接噴射式の内燃機関用の制御装置であって、内燃機関が噴射弁を備えた少なくとも１つの燃焼室を有しており、制御装置が噴射弁を次のように、すなわち該噴射弁が燃料を第１の主噴射と次いで行われる後噴射とによって、内燃機関の燃焼室内に噴射するように、制御する形式のものに関する。
【０００５】
従来の技術
燃料が内燃機関の燃焼室内に直接噴射される直接噴射式の内燃機関は、従来公知である。直接噴射式の内燃機関は、種々様々な形式、例えば層状運転又は均質運転で運転され得る。層状運転は特に負荷が小さい場合に使用され、均質運転は、内燃機関にかかる負荷が大きい場合に使用される。
【０００６】
層状運転において燃料は、内燃機関の圧縮サイクル中に燃焼室内に噴射され、点火時期に燃料噴霧が点火プラグを直に取り囲むように噴射される。この噴射は種々様々な形式で行うことができる。例えば、噴射された燃料噴霧が既に噴射中にもしくは噴射直後に点火プラグのそばに位置していて、該点火プラグによって点火されるような形式が可能である。同様に、噴射された燃料噴霧が給気運動によって点火プラグに導かれ、その後で点火されるような形式も可能である。両燃焼方法において燃料分布は均一ではなく、燃料は層状に供給される。
【０００７】
層状運転の利点としては、極めて僅かな燃料量で内燃機関の比較的小さな負荷を実施できるということが挙げられる。しかしながら大きな負荷を層状運転によって満たすことは不可能である。
【０００８】
このような大きな負荷のために適している均質運転では、燃料は内燃機関の吸気サイクル中に噴射され、その結果渦流、ひいては燃焼室内における燃料の分布を、燃料空気混合物の点火前に難なく行うことができる。この限りにおいて均質運転は、汎用の形式で燃料が吸気管に噴射される内燃機関の運転形式に、ほぼ相当している。必要とあれば、小さな負荷の場合でも均質運転に切り換えることができる。
【０００９】
層状運転では、燃焼室に通じる吸気管に設けられたスロットルバルブは大きく開放され、燃焼は主として、噴射される燃料量だけによって制御及び／又は調整される。均質運転では、スロットルバルブは、所望のモーメントに関連して開閉され、噴射される燃料量は、吸い込まれる空気質量に関連して制御及び／又は調整される。両運転形式、つまり層状運転及び均質運転において、噴射される燃料量は付加的に、その他多数の運転値に関連して、燃料節約、排出ガス減少及びこれに類したものに関して最適な値に制御及び／又は調整される。制御及び／又は調整はこの場合両運転形式において異なっている。
【００１０】
同様に従来技術から公知の別の内燃機関では、燃料をただ１回の噴射ではなく、連続した複数の噴射に分割して、特に主噴射と次いで行われる後噴射とによって、内燃機関の燃焼室内に噴射するようになっている。例えばヨーロッパ特許公開第０９７１１０４号明細書に基づいて公知の内燃機関では、燃料は内燃機関の排気サイクル中に、つまり燃料空気混合物の点火時期の明らかに後で、後噴射によって燃焼室に噴射される。この後噴射によって噴射される燃料量は、燃焼せずに内燃機関の触媒コンバータに達し、そこで点火される。これによって触媒コンバータが暖められ、その結果触媒コンバータの再生のために必要な温度を触媒コンバータにおいて得ることができる。
【００１１】
【数１】
2005504213.tif 000036
【００１２】
従来の技術から、上に述べたタンク空気抜き、触媒コンバータ再生又はこれに類したもののような特別な作用の間に、吸気サイクル中に一回の噴射の枠で燃料を噴射することが公知である。圧縮サイクルへの噴射時期の移動は、極端な吸気絞りとの関連において極めて高い煤煙エミッションを生ぜしめるので、実際には使用されない。
【００１３】
極端な吸気絞りと理論上の混合気組成とで内燃機関を運転する場合でも、インジェクタの噴射孔にはカーボンが付着してしまい、所定の負荷時に燃料供給を一定に保つことができるようにするためには、内燃機関のある程度の運転時間経過後に噴射時間を持続的に長くする必要がある。噴射時間ｔｑを延長することによって、作業サイクル毎における燃料供給のための時間横断面(（ｄｍ／ｄｔ)・ｔｑ)が変化しないようにすることができる。
【００１４】
タンク空気抜き及び触媒コンバータ再生のための特別な作用が短時間しか活性化されないにもかかわらず、噴射弁のカーボン付着、つまり貫流障害を伴う噴射孔内部のカーボン付着を、この運転段階において如何なる場合でも回避できなくてはならない。さもないと、長い運転時間の後で噴射時間は許容限界を超えて長くされねばならない。
【００１５】
ゆえに本発明の課題は、噴射弁の噴射孔内部のカーボン付着を、特に、高い吸気絞りと理論上のもしくはそれを下回る混合気組成とにおいて、有効に回避することである。
【００１６】
この課題を解決するために本発明では、冒頭に述べた形式の方法において、主噴射において、噴射される全燃料量の大部分を噴射し、内燃機関によって与えられるモーメントの変化を、もっぱら主噴射中における噴射時間の変化によって制御もしくは調整し、しかも燃料を主噴射と次いで行われる後噴射とによって、燃料空気混合物の点火時期の前に燃焼室内に噴射するようにした。
【００１７】
発明の利点
本発明によって次のことが認識されている。すなわち、噴射インパルスを複数回の噴射インパルスに分割することによって、噴射弁特にマルチオリフィス噴射弁における噴射孔内部のカーボン付着を効果的に回避することができる。さらに噴射を分割することによって、特に効率の良い燃焼を達成することができ、このことは特に、シングル噴射との比較において著しく低い排出ガス温度に現れている。
【００１８】
大きな負圧と理論上の混合気組成とによる燃料空気混合物の燃焼時には、燃焼室壁の加熱ひいては噴射部材の加熱による高い壁熱損失が生ぜしめられる。この場合特に、燃焼に直接さらされる領域が加熱される。燃焼熱に基づいて噴射孔の内壁には、もはや完全に燃焼させることが不可能な付着物が固着する。すなわち燃焼サイクルにおいて火炎前面は弁噴射領域を捉えるが、噴射孔領域における燃焼反応は極めて遅くなる。それというのは、噴射孔領域には濃い混合気が存在し、火炎は低温の壁領域において消されてしまうからである。
【００１９】
本発明によればさらに次のことが分かった。燃焼室への２番目及びそれ以降の噴射は、噴射弁の噴射孔内部に固着した燃料成分の付着物を減じることができる。２番目の噴射によって噴射孔領域の内側輪郭からは、付着した燃料凝縮物が吹き飛ばされる。さらに燃料は第２の噴射インパルス時に噴射弁内に押し込まれる。それというのは、例えば噴射弁内における燃料液柱は燃焼室内における圧縮圧に抗して噴射されねばならないからである。これによって、燃料は剥離傾向なしに噴射孔の壁にしっかりと接触し、その結果熱対流もしくは弁内部の冷却が著しく改善され、揮発性の高い燃料成分と揮発性の低い燃料成分とへの燃料の分離が阻止される。そして燃料はその添加物と一緒に、ほぼ完全に燃焼室４内に噴射される。分離が抑制されることに基づいて、部分的にしか反応せずに噴射孔の内側に付着する燃焼残留物が形成されることもなくなる。
【００２０】
本発明による有利な方法では、噴射弁の弁ニードルが行程ストッパに後少しで接触しかつ次いで直ちに再び閉鎖するような量の燃料を、後噴射中に噴射するようにした。これによって後噴射量は時間的に狭い範囲に制限される。これに基づいて、内燃機関によって与えられるモーメントの変化は、もっぱら主噴射中における噴射時間の変化によって制御もしくは調整される。
【００２１】
本発明のよる別の有利な方法では、主噴射を内燃機関の吸込みサイクル中に実施し、少なくとも１回の後噴射を内燃機関の圧縮サイクル中に実施するようにした。主噴射は既にガス交換ＯＴ（上死点）の直後に開始されることができ、そして遅くとも後続のＵＴ（下死点）の直前で終了することが望ましい。主噴射の噴射位置はまず第一に、燃焼室の構成に関連して決定される。エンボス加工されたピストン凹部を備えた燃焼室にガス交換ＯＴの直後に噴射がなされると有利である。それというのは、この場合、主として（エンジンオイルによる洗浄に関して臨界的でない）ピストン凹部の縁部が濡らされ、シリンダ壁はあまり濡らされず、さらに混合気調整のために比較的長い時間を利用することができるからである。これに対して平らなピストンを備えた燃焼室には、有利にはピストンの最大速度の範囲において噴射が行われる。それというのは、この段階において、吸い込まれた空気は最高の流速度に達し、ひいては燃料と空気との間の混合が最も集中的に行われるからである。
【００２２】
本発明の別の有利な方法では、主噴射をほぼ、内燃機関のピストンの最大速度中に実施し、この際にピストンが、燃料が噴射される内燃機関の燃焼室を制限するようにした。主噴射の重心は有利には、点火ＯＴの前における２７０°ＫＷ（クランク軸）の辺りである。
【００２３】
本発明の別の有利な方法では、燃料が噴射される内燃機関の燃焼室において所定可能な圧縮圧レベルが得られた後で、少なくとも１回の後噴射を実施すると有利である。さらに後噴射は点火時期の直前に行うことが望ましい。つまり後噴射のための最も早期に可能な噴射開始は、その時点におけるシリンダ圧の値に関連している。内燃機関の吸気管における空気の約４００ｍｂａｒの絶対圧力と、２ｂａｒを越える燃焼室内における圧縮圧レベルとにおいて、後噴射を実施すると有利である。このことは例えば運転ポイントのために言える。第１の噴射による混合気が既に圧縮圧の上昇によって凝縮された後で、第２の噴射を行うことが重要である。
【００２４】
本発明による方法は有利には、内燃機関の噴射弁の噴射孔内部のカーボン付着を回避するために使用される。
【００２５】
本発明はまた、計算機、特にマイクロプロセッサにおいて実行可能なコンピュータプログラムであって、コンピュータプログラムが、計算機における実行時に、本発明による方法を実施するのに適しているコンピュータプログラムにも関するこの場合、コンピュータプログラムが、記憶エレメント、特にフラッシュメモリに記憶されていると、特に有利である。
【００２６】
本発明による方法を、特に自動車の直接噴射式の内燃機関の制御装置のために設けられている記憶エレメントの形で実現することは、特に重要である。この場合記憶エレメントには、計算機特にマイクロプロセッサにおいて実行可能でかつ本発明による方法を実施するためにプログラミングされたコンピュータプログラムが記憶されている。つまりこの場合本発明は、記憶エレメントに記憶されたコンピュータプログラムによって実現され、その結果コンピュータプログラムを備えた記憶エレメントもまた、コンピュータプログラムがそれを実施するのに適している方法と同様に、本発明の対象である。記憶エレメントとしては特に、電気的な記憶媒体、例えばリードオンリメモリ、ランダムアクセスメモリ又はフラッシュメモリを使用することができる。
【００２７】
前記課題を解決するための別の解決策としてはさらに、冒頭に述べた形式の制御装置であって、制御装置が噴射弁を次のように、すなわち該噴射弁が主噴射によって、噴射される全燃料量の大部分を噴射するように、制御し、制御装置が、内燃機関によって与えられるモーメントの変化を、もっぱら主噴射中における噴射時間の変化によって制御もしくは調整するようになっており、しかも制御装置が噴射弁を次のように、すなわち該噴射弁が燃料を主噴射と次いで行われる少なくとも１回の後噴射とによって、燃料空気混合物の点火時期の前に噴射するように、制御するようにした。
【００２８】
図面
次に図面を参照しながら本発明の有利な実施例を説明する。
【００２９】
図１は、本発明による方法を使用することができる直接噴射式の内燃機関を示す図、
図２は、内燃機関の燃焼室内に燃料を異なった形式で噴射した場合における煤煙エミッションの比較を示す線図、
図３は、内燃機関の燃焼室内に燃料を異なった形式で噴射した場合における炭化水素エミッションの比較を示す線図、
図４は、内燃機関の燃焼室内に燃料を異なった形式で噴射した場合における排出ガス温度の比較を示す線図、
図５は、４００ｍｂａｒの吸気圧と１８００Ｕ／ｍｉｎの回転数の場合における内燃機関の燃焼室内の燃焼圧の経過を示す線図、
図６は、異なった燃料噴射に対する、燃料量が一定に噴射される場合における噴射時間の比較を示す線図である。
【００３０】
実施例の記載
図１には自動車の内燃機関１が示されており、この内燃機関１ではピストン２がシリンダ３内を往復動可能である。シリンダ３は燃焼室４を備えており、この燃焼室４は特にピストン２、吸気弁５及び排気弁６によって制限されている。吸気弁５には吸気管７が連結され、排気弁６には排気管８が連結されている。
【００３１】
吸気管７及び排気弁６の領域には、マルチオリフィス噴射弁として形成された噴射弁９（いわゆるインジェクタ）及び点火プラグ１０が燃焼室４に進入している。噴射弁９を介して燃料を燃焼室４内に噴射することができる。そして点火プラグ１０によって燃焼室４内の燃料を点火することができる。
【００３２】
吸気管７内には旋回可能なスロットルバルブ１１が取り付けられており、このスロットルバルブ１１を介して吸気管７には空気が供給可能である。供給される空気の量は、スロットルバルブ１１の角度位置によって決定される。排気管８内には触媒コンバータ１２が設けられており、この触媒コンバータ１２は、燃料の燃焼によって発生した排出ガスを浄化するために働く。ピストン２は、燃焼室４内における燃料空気混合物（いわゆる混合気）の燃焼によって往復動させられ、この往復動はクランク軸（図示せず）に伝達されて、クランク軸にトルクを加える。
【００３３】
制御装置１３には入力信号１４が入力され、この入力信号１４は、センサを用いて測定された内燃機関１の運転値である。例えば制御装置１３は空気質量センサ、ラムダセンサ、回転数センサ又はこれに類したものに接続されている。さらに制御装置１３はアクセルペダルセンサと接続されており、このアクセルペダルセンサによって生ぜしめられる信号は、ドライバによって操作可能なアクセルペダルの位置、ひいては要求されるトルクを示す。制御装置１３は出力信号１５を生ぜしめ、この出力信号１５によってアクチュエータもしくは調節装置を介して内燃機関１の特性に影響を与えることができる。例えば制御装置１３は噴射弁９、点火プラグ１０及びスロットルバルブ１１又はこれに類したものと接続されていて、これらの制御のために必要な信号を生ぜしめる。
【００３４】
特に制御装置１３は、内燃機関１の運転値の制御及び／又は調整を実施するようになっている。例えば、噴射弁９から燃焼室４内に噴射される燃料質量（噴射時間ｔｑに関する）と燃焼噴射の時期は、制御装置１３によって特に、僅かな燃料消費、僅かな排出ガス放出及び／又は僅かな騒音発生を考慮して、制御及び／又は調整される。そのために制御装置１３はマイクロプロセッサ１６を備えており、このマイクロプロセッサ１６は、例えばフラッシュメモリとして形成された記憶媒体１７内に、前記制御及び／又は調整を実施するのに適したコンピュータプログラムを記憶している。記憶媒体１７内に記憶されたコンピュータプログラムを処理するために、このコンピュータプログラムは全体として又は命令に応じて、データ伝達接続体１８を介してマイクロプロセッサ１６に伝達される。
【００３５】
図１に示された内燃機関１は種々様々な多数の運転形式で運転されることができる。例えば、内燃機関１を均質運転（Homogenbetrieb）、層状運転（Schichtbetrieb）、均質な希薄運転（Magerbetrieb）又はこれに類した運転で運転することが可能である。
【００３６】
【数２】
2005504213.tif 000037
【００３７】
【数３】
2005504213.tif 000038
【００３８】
層状運転では燃料は圧縮サイクル中に噴射弁９によって直接的に内燃機関１の燃焼室４内に噴射される。これによって点火プラグ１０による点火時に燃焼室４内には、均質な混合気は存在せず、燃料層が存在することになる。スロットルバルブ１１は、例えば排出ガス戻し及び／又はタンク空気抜きの要求を無視すれば、完全に開放することができ、ひいて内燃機関１を絞らずに運転することができる。生ぜしめられるモーメントは層状運転では、燃焼室４内に噴射される燃料質量に関して(（ｄｍ／ｄｔ)・ｔｑ)調節される。層状運転によって内燃機関１は特にアイドリング運転及び部分負荷運転時に運転されることができる。
【００３９】
【数４】
2005504213.tif 000039
【００４０】
極端に吸気を絞られかつ理論上の混合気組成を有する内燃機関１の運転時には、特に吸気サイクル中における燃料噴射時に、燃料噴射弁９の噴射孔にカーボンが付着するので、所定負荷時における燃料供給を一定に保つためには、所定の運転時間経過後には噴射時間ｔｑを制御装置１３によって持続的に延ばす必要がある。つまり作業サイクル毎における燃料供給のための時間横断面(（ｄｍ／ｄｔ)・ｔｑ)は不変である。
【００４１】
例えばタンク空気抜き又は触媒コンバータ再生のような特殊機能は単に短時間しか活性化されないにもかかわらず、燃料噴射弁９の噴射孔内部のカーボン付着及びこれに関連した貫流障害は、どんなことがあっても、確実に回避されねばならない。それというのは、さもないと、噴射時間ｔｑは長い運転時間にわたって使用限界を超えて延ばされねばならないからである。
【００４２】
本発明によれば、噴射弁９の噴射孔内部におけるカーボン付着を回避する方法が提案されており、本発明の方法では、燃料が複数回の噴射によって、特に２回の噴射によって、第１の主噴射と次いで行われる後噴射に分割されて、内燃機関１の燃焼室４内に噴射される。これによって噴射孔内部のカーボン付着を、特に吸気を強く絞った場合及び理論上のもしくはそれを下回る混合気組成の場合に、有効に回避することができる。
【００４３】
主噴射において、噴射される全燃料質量のうちの殆どの部分が噴射され、これに対して後噴射中には単に、噴射弁９の噴射ニードルが行程ストッパに後少しで接触しかつ次いで直ちに再び閉鎖するような量の燃料だけが噴射される。これによって後噴射量は時間的に短く制限されることになる。場合によっては生じる内燃機関１から与えられるモーメントの変化は、従ってもっぱら、主噴射中における噴射時間ｔｑの変化によって制御もしくは調整される。
【００４４】
主噴射が内燃機関１の吸気サイクル中に実施されかつ後噴射が内燃機関１の圧縮サイクル中に実施されると、最良の結果を得ることができ、つまり噴射孔内部のカーボン付着を最も良く回避することができる。主噴射は既にガス交換ＯＴ（上死点）の直後に開始されることができ、遅くとも、次いで行われるＵＴ（下死点）の直前には終了していることが望ましい。主噴射の重心は有利には、点火ＯＴの前に約２７０°ＫＷ（クランク軸）辺りにおける、ピストン２の最大速度の範囲に移される。主噴射の噴射状態は、まず第一に燃焼室４の構成によって左右される。ピストンヘッドに凹部が設けられている燃焼室４には、有利にはガス交換ＯＴの直後に噴射が行われる。それというのはこの場合、主として（エンジンオイルによる洗浄に関して臨界的でない）ピストン凹部の縁部が濡らされ、シリンダ３の壁はあまり濡らされず、さらに混合気調整のために比較的長い時間を利用することができるからである。平らなピストン２を備えた燃焼室４には、有利にはピストン２の最大速度の範囲において噴射が行われる。それというのは、この段階において、吸い込まれた空気は最高の流速度に達し、ひいては燃料と空気との間の混合が最も集中的に行われるからである。
【００４５】
後噴射の噴射量は、燃焼室４内において所定可能な圧縮圧レベルに達した時と、燃焼室４における燃料空気混合物の点火時期の直前との間においては実施されない。つまり後噴射の最も早期に可能な噴射開始は、噴射開始時期における規定されたシリンダ圧の値に関連している。
【００４６】
図２は、種々異なった形式の燃料噴射に対する煤煙エミッション（Russemission）を示す線図である。煤煙エミッションの値は、ＦＳＮ（フィルタ・スモーク・ナンバー）で表すことができる。この図２から明らかなように、吸込み行程中におけるシングル噴射インパルス（ｔｉ-Ｓｈ）の場合に最も少ない煤煙エミッションが発生する。これに対して最も高い煤煙エミッションは、圧縮行程中におけるシングル噴射インパルス（ｔｉ-Ｖｈ）の場合に発生する。本発明におけるように噴射インパルスを主噴射インパルスと後噴射インパルスとに分割した場合（ｔｉ-２ｆａｃｈ）には、吸込み行程中におけるシングル噴射インパルス（ｔｉ-Ｓｈ）の場合に比べては幾分多いが、圧縮行程中におけるシングル噴射インパルス（ｔｉ-Ｖｈ）の場合に比べて著しく僅かな煤煙エミッションしか発生しない。すなわちこのことから、噴射孔内部のカーボン付着を回避する本発明による方法は、煤煙エミッションをほとんど上昇させないということが、明らかである。
【００４７】
図３は、種々異なった形式の燃料噴射に対する炭化水素（ＨＣ）エミッションを示す線図である。この図３から明らかなように、最小のＨＣエミッションは圧縮行程中におけるシングル噴射インパルス（ｔｉ-Ｖｈ）の場合に生じ、最大のＨＣエミッションは吸込み行程中におけるシングル噴射インパルス（ｔｉ-Ｓｈ）の場合に発生する。本発明におけるように、噴射インパルスを主噴射インパルスと後噴射インパルスとに分割した場合（ｔｉ-２ｆａｃｈ）には、圧縮行程中におけるシングル噴射インパルス（ｔｉ-Ｖｈ）の場合におけるよりは多くのＨＣエミッションが生じるが、吸込み行程中におけるシングル噴射インパルス（ｔｉ-Ｓｈ）の場合に比べて、僅かなＨＣエミッションしか発生しない。従って噴射孔内部のカーボン付着を回避する本発明による方法によって、過剰なＨＣエミッションが生じることもない。
【００４８】
図４は、種々異なった形式の燃料噴射に対する排出ガス温度Ｔを示す線図である。この図４から明らかなように、大差をもって約６７５℃の最高の排出ガス温度は、圧縮行程中におけるシングル噴射インパルス（ｔｉ-Ｖｈ）において発生する。約６３５℃の範囲における幾分低い排出ガス温度は、吸込み行程中におけるシングル噴射インパルス（ｔｉ-Ｓｈ）において生じる。これに対して約６１５℃の範囲における最も低い排出ガス温度は、本発明におけるように噴射インパルスを主噴射インパルスと後噴射インパルスとに分割した場合（ｔｉ-２ｆａｃｈ）に発生する。低い排出ガス温度は、燃焼室４における燃料のより完全な燃焼を意味し、ひいては特に高い効率を示すものである。
【００４９】
図５には、約４００ｍｂａｒの吸気管圧と約１８００Ｕ／ｍｉｎの内燃機関１の回転数とに対する燃焼室４内における燃焼圧経過が、クランク軸の角度位置（°ＫＷ）を横軸にとって示されている。主噴射の噴射開始は、点火ＯＴ（０°ＫＷ）の前の約２８０°ＫＷの所である。主噴射の噴射時間は約１.３ミリ秒の長さである。後噴射の噴射開始は、点火ＯＴの前の約５５°ＫＷの所である。約０.９ミリ秒の後噴射の噴射時間ｔｑでは、後噴射の噴射終了は、点火ＯＴの前の約−４５°ＫＷのところに位置している。内燃機関１の燃料調量系におけるレール圧は、図５に示された燃焼圧経過では１２０バールである。点火時期ｔｚは点火ＯＴの前の約３０°ＫＷのところに位置している。
【００５０】
図６には、機関負荷が一定の場合における、種々異なった形式の燃料噴射に対する噴射時間の経過が示されている。制御装置１３によって調節される噴射時間ｔｑは、噴射孔内部のカーボン付着の程度に対する尺度である。噴射弁９の噴射孔により多くカーボンが付着すればするほど、減じられた噴射孔直径を通して同じ燃料質量を噴射するためには、噴射時間ｔｑをより長く選択する必要がある。従来技術に基づいて公知のシングル噴射インパルスに対する噴射時間ｔｑの経過は、図６に破線で示されている。噴射開始は点火ＯＴの前の２８０°ＫＷに位置している。図６から明らかなように、噴射時間ｔｑは約１５時間の運転時間の経過中に、最初における約１.７ミリ秒から１５時間にわたる実験時間後には約２.６ミリ秒へと上昇している。燃料噴射が主噴射と後噴射とに分割されている本発明による方法における噴射時間ｔｑの経過は、実線で示されている。主噴射の開始は、２８０°ＫＷに位置し、後噴射は点火ＯＴの前の約５５°ＫＷに位置している。本発明のように噴射インパルスが主噴射インパルスと後噴射インパルスとに分割されている場合には、噴射時間ｔｑはほぼ一定なままである。約１８時間の運転時間中に噴射時間ｔｑは単に約２.２ミリ秒から、１８時間後における約２.３ミリ秒にまで僅かに上昇しているだけである。図６においてＮｈで噴射弁９の弁行程が示されており、この弁行程は両方の経過に対して０.１ｍｍの同じ大きさに選択されている。
【００５１】
噴射インパルスを主噴射インパルスと後噴射インパルスとに分割することは、単に噴射孔内部のカーボン付着を回避するためのみならず、燃焼室４における燃焼の安定化のためにも役立つ。もっぱら吸込みサイクルにおいて噴射される場合（ｔｉ-Ｓｈ）には、ＨＣエミッション（図３参照）は燃焼圧の大きな変動を伴って上昇する。噴射がもっぱら圧縮行程において行われる場合（ｔｉ-Ｖｈ）には、煤煙エミッション（図２参照）が上昇し、ある程度の時間経過後に、ミスファイアのようなすべての不都合な二次現象を伴って点火プラグ１０においてバイパスが形成される。なぜならば、この場合絶縁セラミックにカーボンが付着するからである。
【００５２】
本発明による２つに分割された噴射（ｔｉ-２ｆａｃｈ）によって、これに関連しても良好な妥協策を見出すことができ、すなわちこの場合、吸込み行程中におけるシングル噴射（ｔｉ-Ｓｈ）に比べて確かに煤煙エミッションは幾分高まっているが、ＨＣエミッションは減じられており、より安定的な長時間走行特性を得ることができる。
【００５３】
燃焼室４内に内視鏡を収容することによって、吸込みサイクルにおける噴射（ｔｉ-Ｓｈ）と圧縮サイクルにおける噴射（ｔｉ-Ｖｈ）との間において噴射噴流の形態における大きな差異を認識することができる。吸気管７における高い負圧によって、燃料は吸込みサイクルにおける噴射（ｔｉ-Ｓｈ）中に強烈に気化される（噴射弁９の噴射孔からの燃料の吸い出し）。このような燃料の気化は既に噴射弁９の内部で、シリンダ３内における負圧に基づいて蒸気圧が下回られる領域において、行われる。
【００５４】
次いで行われる圧縮段階において燃料蒸気は圧縮もしくは凝縮され、そして噴射弁９の噴射孔の内壁に沈降付着する。強い負圧と理論上の混合物組成による燃焼は、燃焼室４の壁の加熱、ひいては特に燃焼に直接的にさらされる噴射部材の加熱によって、大きな壁熱損失を有する。燃焼熱に基づいて、最終的には噴射孔内壁に固着した付着物が生ぜしめられ、このような付着物はもはや完全に燃焼させることが不可能である。燃焼段階において、火炎前面は噴射弁９の先端領域に達するが、噴射孔領域における燃焼反応は著しく遅くなる。それというのは、そこには濃い混合物が存在していて（凝縮物によって壁が濡らされていて）、火炎は温度の低い壁領域において消されるからである。
【００５５】
本発明のように点火時期ｔｚの前に第２の噴射を実施することによって、噴射孔領域の内部輪郭からは、付着していた燃料凝縮物が吹き飛ばされる。
【００５６】
さらに燃料は第２の噴射インパルスの際に、下降運動するピストン２（負圧）によって噴射弁９からもはや吸い出されず、逆に、上昇運動するピストン２（過圧）によってむしろ噴射弁９内に押し込まれる。噴射弁９内における燃料液柱は、圧縮圧に抗して噴射されねばならない。これによって噴射孔における燃料の十分な壁接触が剥離傾向なしに行われ、熱対流もしくは弁内部冷却は著しく改善され、揮発性の高い燃料成分と揮発性の低い燃料成分とへの燃料の分離が阻止される。燃料はその添加物と一緒に、そしてほぼ完全に燃焼室４内に噴射される。分離が抑制されることに基づいて、部分的にしか反応せずに噴射孔の内側に付着する燃焼残留物が形成されることもなくなる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明による方法を使用することができる直接噴射式の内燃機関を示す図である。
【図２】内燃機関の燃焼室内に燃料を異なった形式で噴射した場合における煤煙エミッションの比較を示す線図である。
【図３】内燃機関の燃焼室内に燃料を異なった形式で噴射した場合における炭化水素エミッションの比較を示す線図である。
【図４】内燃機関の燃焼室内に燃料を異なった形式で噴射した場合における排出ガス温度の比較を示す線図である。
【図５】４００ｍｂａｒの吸気圧と１８００Ｕ／ｍｉｎの回転数の場合における内燃機関の燃焼室内の燃焼圧の経過を示す線図である。
【図６】異なった燃料噴射に対する、燃料量が一定に噴射される場合における噴射時間の比較を示す線図である。


【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
特に自動車の直接噴射式の内燃機関（１）を運転する方法であって、噴射弁（９）を介して燃料を第１の主噴射と次いで行われる少なくとも１回の後噴射とによって、内燃機関（１）の燃焼室（４）内に噴射する形式の方法において、主噴射において、噴射される全燃料量の大部分を噴射し、内燃機関（１）によって与えられるモーメントの変化を、もっぱら主噴射中における噴射時間の変化によって制御もしくは調整し、しかも燃料を主噴射と次いで行われる後噴射とによって、燃料空気混合物の点火時期（ｔｚ）の前に燃焼室（４）内に噴射することを特徴とする、直接噴射式の内燃機関（１）を運転する方法。
【請求項２】
噴射弁（９）の弁ニードルが行程ストッパに後少しで接触しかつ次いで直ちに再び閉鎖するような量の燃料を、後噴射中に噴射する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
主噴射を内燃機関（１）の吸込みサイクル中に実施し、少なくとも１回の後噴射を内燃機関（１）の圧縮サイクル中に実施する、請求項１又は２記載の方法。
【請求項４】
主噴射をほぼ、内燃機関（１）のピストン（２）の最大速度中に実施し、この際にピストン（２）が、燃料が噴射される内燃機関（１）の燃焼室（４）を制限する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
燃料が噴射される内燃機関（１）の燃焼室（４）において所定可能な圧縮圧レベル（ｐ）が得られた後で、少なくとも１回の後噴射を実施する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
燃料が噴射される内燃機関（１）燃焼室（４）に通じる吸気管（７）における約４００ｍｂａｒの絶対圧力と、２ｂａｒを越える燃焼室（４）内における圧縮圧レベル（ｐ）とにおいて、少なくとも１回の後噴射を実施する、請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記方法を、噴射弁（９）の噴射孔内部のカーボン付着を回避するために使用する、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
計算機、特にマイクロプロセッサ（１６）において実行可能なコンピュータプログラムであって、コンピュータプログラムが、計算機（１６）における実行時に、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法を実施するためにプログラミングされていることを特徴とするコンピュータプログラム。
【請求項９】
コンピュータプログラムが、記憶エレメント（１７）、特にフラッシュメモリに記憶されている、請求項８記載のコンピュータプログラム。
【請求項１０】
特に自動車の直接噴射式の内燃機関（１）の制御装置（１３）用の記憶エレメント（１７）、特にリードオンリメモリ、ランダムアクセスメモリ又はフラッシュメモリであって、該記憶エレメント（１７）に、計算機特にマイクロプロセッサ（１６）において実行可能であるコンピュータプログラムが記憶されている形式のものにおいて、該コンピュータプログラムが、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法を実施するためにプログラミングされていることを特徴とする記憶エレメント。
【請求項１１】
特に自動車の直接噴射式の内燃機関（１）用の制御装置（１３）であって、内燃機関（１）が噴射弁（９）を備えた少なくとも１つの燃焼室（４）を有しており、制御装置（１３）が噴射弁（９）を次のように、すなわち該噴射弁（９）が燃料を第１の主噴射と次いで行われる少なくとも１回の後噴射とによって、内燃機関（１）の燃焼室（４）内に噴射するように、制御する形式のものにおいて、制御装置（１３）が噴射弁（４）を次のように、すなわち該噴射弁（４）が主噴射によって、噴射される全燃料量の大部分を噴射するように、制御し、制御装置（１３）が、内燃機関（１）によって与えられるモーメントの変化を、もっぱら主噴射中における噴射時間の変化によって制御もしくは調整するようになっており、しかも制御装置（１３）が噴射弁（４）を次のように、すなわち該噴射弁（３）が燃料を主噴射と次いで行われる少なくとも１回の後噴射とによって、燃料空気混合物の点火時期（ｔｚ）の前に噴射するように、制御もしくは調整することを特徴とする、直接噴射式の内燃機関用の制御装置。
【請求項１２】
制御装置（１３）が、請求項２〜７までのいずれか１項記載の方法を実施するための手段を有している、請求項１１記載の制御装置。
【国際調査報告】
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