(57)【要約】本発明は、噴射装置を具備する内燃機関を運転するための方法に関する。本発明による方法によれば、燃焼空気は入口ダクトを介して燃焼室に送られ、燃料は、燃焼室の内部に配置される燃料ノズルによって燃焼室内に噴射され、形成された燃料／空気混合気は、燃焼室の内部に配置される点火プラグによって所定の点火時期で点火され、高圧始動又は低圧始動は、最小燃料圧力及びサイクル数が燃焼室温度に応じて決定されるように、内部燃焼室の始動時に、予め規定された数のサイクル内で噴射装置に形成される最小燃料圧力に従って選択される。燃料は、始動運転中にクロック式に燃焼室内に噴射される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
噴射装置を有する内燃機関を運転する方法であって、
燃焼空気が吸気ポートを介して燃焼室に送られ、
燃料が、前記燃焼室に配置された燃料噴射器によって前記燃焼室内に噴射され、
形成された燃料／空気混合気が、前記燃焼室に配置された点火プラグによって所定の点火時期で点火され、
前記内燃機関を始動する間に、高圧又は低圧の始動が、規定数のサイクル内で前記噴射装置に形成された最小燃料圧力の関数として選択される方法において、
前記最小燃料圧力及び前記サイクル数が燃焼室温度の関数として選択され、
前記燃焼室内への燃料の前記噴射が、前記始動運転中に計時されたシーケンスで好ましくは行われることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記始動運転中に、噴射燃料量の全体が最大３つの部分量で前記燃焼室に吸入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】
低圧始動中に、前記最大３つの部分量が点火時期の前に前記燃焼室内に噴射され、また高圧始動中に、前記最大２つの部分量が点火時期の前に前記燃焼室内に噴射され、１つの部分量が点火時期の後に燃焼室内に噴射されることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記始動運転中の点火時期が、前記燃焼室温度及び実際の速度とアイドル速度との間の差の関数として決定されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
高圧始動中に、前記燃料圧力が前記噴射装置の規定最小圧力未満に低下した場合、運転が低圧始動に切換えられることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記燃焼室温度が、前記燃焼室の温度測定装置によって又は前記内燃機関の冷却液温度を参照して記録されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
低圧始動が、−１５℃未満又は９０℃超の冷却液温度で行われ、高圧始動が、前記噴射装置に形成された少なくとも１０バールの最小の燃料圧力で、かつ−１５℃〜９０℃の冷却液温度で行われることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前文の特徴を有する直接燃料噴射による内燃機関の運転方法に関する。
【０００２】
直接燃料噴射による火花点火内燃機関の始動段階中、特に低温始動中に大量の未燃焼の燃料が発生するが、この理由は、低温始動段階中の内燃機関の燃焼室温度が低いからである。したがって、噴射燃料の適切な気化を行うことができない。シリンダ壁の温度が低いため、内燃機関のシリンダ壁に多少の燃料部分が蓄積し、燃焼に関与しない。
【背景技術】
【０００３】
特許文献１は、直接燃料噴射による火花点火内燃機関の運転方法を開示しており、この方法では、始動段階中、シリンダ壁に蓄積した燃料部分を補償するために、必要な燃料量よりも多くの燃料量が第１の燃焼サイクル中に噴射される。この結果、形成された燃料／空気混合気の確実な点火が達成される。引き続く燃焼サイクル中に、燃焼室温度又はシリンダ壁温度を高めるために、希薄な燃料／空気混合気が燃焼室に形成され、早く点火される。下流側排気ガス処理装置を加熱するために、次に、引き続く燃焼サイクル中に、燃料量が早い噴射と遅い噴射とに分割され、形成された燃料／空気混合気の遅い点火が実施される。
【０００４】
特許文献２は、直接燃料噴射による火花点火内燃機関の運転方法を開示しており、この方法では、燃焼室内への噴射燃料の圧力が決定され、この結果、燃料圧力が所定の最小圧力を下回るとき、内燃機関の吸気段階中に燃料が噴射される。この場合、圧力センサが設けられ、これによって、燃料が燃焼室に入る前に、燃焼室内への噴射燃料の圧力が測定される。最小圧力を超えた場合、内燃機関は始動段階中に成層燃焼により運転され、また圧力が最小圧力未満に低下した場合、均質燃焼により運転される。
【０００５】
特許文献３は、始動段階中の直接噴射内燃機関の運転方法を開示しており、この方法では、冷却液温度の関数として、均質な混合気による低圧始動と成層混合気による高圧始動との間で運転が切換えられる。この場合、燃料圧力アキュムレータ内の圧力が所定の閾値を超えた場合、内燃機関の高圧始動が開始される。ここで、閾値は、冷却液温度の関数として制御装置の特性マップに記憶される。
【０００６】
上述の方法では、直接燃料噴射による火花点火内燃機関の始動運転中に最適の燃焼が達成されないが、この理由は、始動段階中の内燃機関の運転において点火不備を避けられないからである。
【０００７】
【特許文献１】米国特許第５４８２０１７号明細書
【特許文献２】国際公開第９９／６７５２６号パンフレット
【特許文献３】独国特許発明第第１９８２３２８０  Ｃ１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
この背景に対して、本発明の目的は、噴射プロセス中の燃料による燃焼室壁部の濡れが低減され、かつ点火可能な混合気雲が点火源の近傍の内燃機関の燃焼室に形成されるように、始動段階中の噴射プロセスを改善することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この目的は、本発明により請求項１の特徴を有する方法によって達成される。
【００１０】
本発明による方法は、内燃機関の始動中の最小燃料圧力及びサイクル数が燃焼室温度の関数として選択され、燃焼室内への燃料の噴射が、好ましくは、始動運転中に計時されたシーケンスで行われることを特徴とする。サイクル中に噴射される燃料量の計時されたシーケンスのため、噴射燃料による燃焼室壁部の濡れが最小にされ、その結果、エミッション、特に未燃焼の燃料部分が始動段階中に低減される。十分な燃料圧力が存在するまで高圧始動は開始されないので、噴射燃料の霧化の改善が確実にされる。さらに、内燃機関の始動中の燃料に対する高い要求による高圧始動中の噴射装置内の圧力低下は、噴射燃料量の計時されたシーケンスによって防止される。
【００１１】
本発明による方法の構成において、始動運転中に、噴射燃料量の全体は最大３つの部分量で燃焼室に吸入され、すなわち、燃料量の全体を、１つ、２つ、又は３つの部分量の形態で燃焼室に吸入されることが可能である。噴射燃料量の計時されたシーケンスは、低い燃料装置圧力のために、低圧始動中の燃料噴射器内への又は燃料分配管路、例えばコモンレール内への燃焼空気の進入を防止する。したがって、噴射方法に関わらず圧縮行程中の噴射が十分に早く行われるので、圧縮圧力は燃料噴射圧力を超えない。高圧始動中、噴射燃料量の計時されたシーケンスのため、噴射時間を変更することによって、均質な始動、均質な始動と成層始動とからなる混合形態、又は純粋な成層始動を達成することができる。
【００１２】
本発明の別の構成によれば、低圧始動中に、最大３つの部分量が点火時期の前に燃焼室内に噴射され、高圧始動中に、最大２つの部分量が点火時期の前に燃焼室内に噴射され、１つの部分量が点火時期の後に燃焼室内に噴射される。低圧始動中、１つ、２つ又は３つの部分量であり得る部分量の噴射は、点火時期の前に完了されるので、高いＨＣエミッションが防止され、燃料量全体の確実な燃焼が保証される。
【００１３】
本発明の別の構成において、始動運転中の点火時期は、燃焼室温度及び実際の速度とアイドル速度との間の差の関数として調整される。点火時期と燃焼室温度との間の関係により、第１のサイクル中の燃焼室温度の上昇が保証される。
【００１４】
本発明の別の構成によれば、高圧始動中に、燃料圧力が噴射装置の規定最小圧力未満に低下した場合、運転が低圧始動に切換えられる。このことにより、燃料配量の制御を可能にする規定の圧力条件が形成される。このことにより、遅い燃焼噴射のため壁部濡れが生じないことが保証される。
【００１５】
本発明の別の構成において、燃焼室温度は、燃焼室の温度測定装置によって又は内燃機関の冷却液温度を参照して記録される。燃焼室の領域のシリンダ壁に温度センサを取り付けることが好ましい。代わりに、燃焼室温度を決定するための基準量として冷却液温度が使用され、冷却液温度に追加して又は代わりに、燃焼室温度を決定するための別の基準量として、引き込み空気量の温度を使用することが可能である。
【００１６】
本発明の別の構成によれば、低圧始動が、−１５℃未満又は９０℃超の冷却液温度で行われ、高圧始動が、噴射装置に形成された少なくとも１０バールの最小の燃料圧力で、かつ−１５℃〜９０℃の冷却液温度で行われる。少なくとも１０バールの燃料圧力で、噴射燃料の優れたスプレ品質が保証され、また噴射燃料の気化が壁部の燃料蓄積なしに達成される。この場合、９０℃よりも高い温度での低温始動が好ましいが、この理由は、燃焼室の高温のため、燃料ポンプの間隙サイズが大きくなるので、内燃機関の再始動運転中に十分な燃料圧力を形成できないことが多いからである。低圧始動は、−３０℃未満又は１１０℃超の温度範囲で行われることが好ましく、高圧始動は、−３０℃〜１１０℃で行われることが好ましい。
【００１７】
別の特徴及び特徴の組み合わせが説明から理解される。本発明の実用的な例示的実施形態を図面に単純化して示し、以下により詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は、直接噴射内燃機関１のシリンダ２を示す図であり、長手方向に移動可能に配置されたピストン３は、シリンダ２を閉鎖するシリンダヘッド７と共に燃焼室４を画定する。シリンダヘッド７には燃料噴射器５が配置され、ここで、燃料が円錐状噴料９の形態でノズル孔６を通して燃焼室４内に噴射される。内燃機関１では、始動段階中に、噴射装置（図示せず）で決定された燃料圧力によって、制御装置（図示せず）は、高圧始動又は低圧始動が内燃機関１の始動中に開始されるかどうかを決定する。ノズル孔６が開放されると、燃料は、シリンダヘッド７に配置された点火プラグ１１が本質的に濡れないように、円錐状噴流９で燃焼室４内に噴射される。この場合、燃料スプレ９は、好ましくは７０°〜１１０°の範囲にある噴霧角度αで燃焼室に吸入される。図１に示した内燃機関１は４ストローク原理に従って動作し、本発明による方法は、同様に、直接噴射による火花点火２ストローク内燃機関に適切である。
【００１９】
４ストローク原理に従って動作する図１の内燃機関の運転サイクルの第１の行程では、燃焼空気は吸気ポート８を通して燃焼室４に送られ、ピストン３は下方に下死点ＢＤＣに移動する。さらなる圧縮行程において、ピストン３は下死点ＢＤＣから点火上死点ＩＴＤＣ（Ignition Top Dead Center）まで上向きに移動する。点火死点ＩＴＤＣの領域で、形成された燃料／空気混合気は、点火プラグ１１によって点火され、その過程で、ピストン３は下向きに運動して下死点ＢＤＣに拡張する。最後の行程で、ピストン３は上向きに運動して上死点ＴＤＣまで延在し、排気ガスを燃焼室４から追い出す。
【００２０】
冷却水通路１２で測定した冷却水温度に応じて、制御装置（図示せず）は、内燃機関の始動段階中に、高圧始動又は低圧始動のいずれかを行うかを決定する。例えば燃料コモンレールとして設計される燃料供給ライン（図示せず）に最小燃料圧力以上が存在しているとき、高圧始動が開始される。最小燃料圧力は、決定された冷却水温度の関数として確立される。この最小燃料圧力は少なくとも１０バールである。このような燃料圧力で、優れた霧化品質の達成が保証される。この場合、規定数の燃焼サイクルの後に最小燃料圧力が形成されなければならない。本発明の例示的実施形態によれば、サイクルは、上述の４ストロークシーケンスによる第１の行程から第４の行程までの工程を指す。最小燃料圧力は、約４秒後に形成されることが好ましい。この場合、燃焼サイクルの数は冷却水温度の関数として確立される。
【００２１】
規定数のサイクルの後に燃料圧力が最小燃料圧力に到達しない場合、低圧始動が開始される。図２によれば、燃料は、点火時期ＩＴの前に最大３つの部分量まで燃焼室内に吸入される。燃料量の分割は、燃焼室４内の噴射燃料のより優れた分布を可能にし、燃料装置の負担を軽くする。第１の部分燃料噴射ＦＩ１ＬＰは吸気段階に燃焼室４に吸入される。第２の部分燃料噴射ＦＩ２ＬＰは、吸気段階の最終部分と圧縮段階の初期部分との間の領域に現れる。次に、第３の部分燃料噴射ＦＩ３ＬＰは点火時期ＩＴの直前に現れ、この結果、点火可能な混合気雲が点火プラグ１１の領域に存在する。図２に示した噴射時間は概略的に示されており、噴射時間は自由に選択することができ、この場合、噴射時間は、実際の速度及び／又は冷却水温度の関数として変更される。
【００２２】
燃料噴射ＦＩ１ＬＰ、ＦＩ２ＬＰ、ＦＩ３ＬＰの終了は３つの特性マップによって確立される。特性マップの各々は、冷却水温度及びサイクル数によって規定される。この場合、燃料噴射は、燃料噴射の重なりが防止されるように構成される。したがって、遅延時間又は異なるクランク角を設定することによって、第３の噴射ＦＩ３ＬＰ及び２つの先行する噴射ＦＩ１ＬＰとＦＩ２ＬＰの終了関係を確立することできる。低圧始動中、最後の噴射ＦＩ３ＬＰの噴射期間は、燃料及び空気が噴射器に入るのを防止するために、低い燃料圧力のため制限される。この場合、圧力補償により、正しい噴射時間の設定が常に保証される。低圧始動中、噴射装置内の圧力調整器は、噴射装置の燃料分配管内の規定の圧力状態を達成するために、開放維持されることが好ましい。図２に示した３つの部分量の噴射時間は、あくまでも一例として示されており、噴射時間は、自由に選択可能であり、噴射装置内の燃料圧力の関数として変更される。原則として、低圧始動は、−１５℃未満又は９０℃超の冷却液温度で行われる。
【００２３】
規定数のサイクル後に最小燃料圧力に到達した場合、高圧始動が開始される。高圧始動が開始されるとき、噴射タイミングは噴射の終了によって規定される。このようにして、点火との直接的関係が確立され、したがって、燃料噴射の簡単な制御が達成される。図３によれば、高圧始動中の燃料の噴射は、最大３つの部分の燃料噴射ＦＩ１ＨＰ、ＦＩ２ＨＰ及びＦＩ３ＨＰで行われる。第１の部分量ＦＩ１ＨＰは吸気段階中に噴射される。燃料質量の分割は、制御ユニットに記憶される特性マップを用いて確立され、この特性マップで、第１の噴射ＦＩ１ＨＰの終了が、冷却水温度、実際の速度及びアイドル速度によって点火時期ＩＴと無関係に確立される。第２の燃料噴射ＦＩ２ＨＰは、第２の燃料噴射ＦＩ２ＨＰの終了と点火時期ＩＴとの間の間隔が、冷却水温度、実際の速度及びアイドル速度の関数として確立されるように、圧縮段階中に行われる。第３の燃料噴射ＦＩ３ＨＰは、点火時期ＩＴの直後に行われ、第３の燃料噴射ＦＩ３ＨＰは、それが燃焼に関与するように、第２の燃料噴射と第３の燃料噴射ＦＩ３ＨＰとの間の遅延時間によって確立される。高圧始動中に単一の燃料噴射のみを実施することが考えられ、この場合、この単一の燃料噴射は、ＩＴＤＣの前の４０°ＣＡ(Crank Angle)〜１６０°ＣＡの範囲で行われることが有利である。
【００２４】
したがって、均質チャージと成層チャージとから構成される燃焼室チャージの組み合わせは、高圧始動中に達成される。第１の部分燃料量は均質部分を構成し、第２及び第３の部分燃料量は成層部分を構成する。この結果、壁部の燃料の蓄積が最小にされ、形成された燃料雲の確実な点火が達成される。燃料噴射装置の圧力補償によって、始動段階中に正しい噴射時間が常に選択されることを確実にすることが好ましい。
【００２５】
始動段階中の上述の複数噴射により、内燃機関１の運転挙動が改良され、特に低い壁温の故の未燃焼の燃料部分によるエミッションの形成が最小にされる。例えば０．２５ｍｓｅｃ未満の短い噴射時間を達成できる圧電噴射器を使用する場合に、これらの利点が好ましくは得られる。これにより、燃焼室４内への非常に少ない部分燃料量の噴射が可能になり、また内燃機関１の始動運転に必要な燃料量が大幅に低減される。
【００２６】
始動段階中、点火時期ＩＴは冷却水温度の関数として制御され、またエンジン速度は、低圧始動及び高圧始動の両方の間に制御ユニットによって制御される。この場合、点火時期ＩＴは特性マップに記憶され、このマップで、点火時期ＩＴが冷却水温度、実際の速度とアイドル速度との間の差に対してプロットされる。始動段階を離れた後、点火時期ＩＴは通常の運転状態と同調される。制御ユニットに適用される点火時期は、低圧始動及び高圧始動のために別個の特性マップに記憶される。
【００２７】
特に、本発明による方法は、噴流によって規定される燃焼挙動が存在する火花点火による直接噴射内燃機関に使用するのに適切である。外側方向に開く噴射ノズルがこのような内燃機関に使用され、これらの噴射ノズルの燃料は、中空の円錐として燃焼室に噴射される。燃料は、７０°〜１００°の角度αを有する中空の円錐状燃料として燃焼室内に吸入されることが好ましく、この結果、中空の円錐状燃料は、圧縮行程の燃料噴射中に、燃焼室内で圧縮される燃焼空気に当たる。この結果、トロイダル渦が、外部領域に又は噴射された中空の円錐状燃料の縁に形成され、これによって、点火可能な燃料／空気混合気が点火プラグの電極の領域に提供される。この場合、点火プラグは、点火プラグ１１の電極が、燃料噴射中にほとんど濡れることなく、獲得された縁渦内に突出するように配置される。すなわち、点火プラグの電極の小さな又は僅かな濡れの間に、燃料の最大部分が電極において点火時期まで再び気化されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】火花点火による直接噴射内燃機関のシリンダの断面図。
【図２】クランク角に対してプロットした、低圧始動中の図１による内燃機関の噴射特性の概略図。
【図３】クランク角に対してプロットした、高圧始動中の図１による内燃機関の噴射特性の概略図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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