(57)【要約】  本発明は低温での始動後の段階において直接噴射式火花点火内燃機関（１０）を運転する方法に関する。本発明によれば、最初の燃料油量のパイロット噴射（ＭＨ）が内燃機関（１０）の吸気行程の間に燃焼室（１８）内へ噴射され、それにより実質的に燃焼室（１８）全体の中に均質で希薄な混合気（λ＞１）を生成する。第二の燃料油量の主噴射（ＭＳ）は点火時期（ＺＴ）直前の圧縮行程の間に燃焼室（１８）内へ噴射され、それにより層状で過濃な混合気（λ＜１）を生成する。本発明の方法は低温であっても、内燃機関（１０）の始動後の段階において噴射される燃料油量の低減及び、同時に汚染物質の放出低減と必要な高圧ポンプの容量低減とを可能にする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
低温時に、内燃機関が始動段階の終わりの回転速度に達してからラムダ・センサが作動可能になる迄の間の始動後の段階（Ｔ）における直接燃料噴射を伴う火花点火内燃機関（１０）を運転する方法であって、
燃焼室（１８）に燃焼用空気が供給され、
燃料が燃料インジェクタ（２０）を用いて前記燃焼室（１８）内へ噴射され、
前記燃焼室（１８）内で生成された混合気が所定の点火時期（ＺＴ）に点火プラグ（２６）を用いて点火され、
前記内燃機関（１０）の吸気行程において、最初の燃料油量のパイロット噴射（ＭＨ）が前記燃焼室（１８）内へ噴射され、実質的に前記燃焼室（１８）全体内において、均質で希薄な混合気（λ＞１）を生成し、
圧縮行程において、前記点火時期（ＺＴ）の直前に、第二の燃料油量の主噴射（ＭＳ）が前記燃焼室（１８）内へ続いて噴射され、層状で過濃な混合気（λ＜１）を前記点火プラグ（２６）の領域内で生成することを特徴とする内燃機関の運転方法。
【請求項２】
前記主噴射（ＭＳ）が、急速で連続的な複数の層状噴射による、多重噴射として行なわれることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の運転方法。
【請求項３】
前記主噴射（ＭＳ）が、二つの層状噴射による二重噴射として行なわれ、前記点火時期（ＺＴ）を前記主噴射の第二の層状噴射の後、又は前記主噴射の第一と第二の層状噴射の間に設定することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の運転方法。
【請求項４】
前記主噴射（ＭＳ）が三つの層状噴射による三重の噴射として行なわれ、前記点火時期（ＺＴ）を前記主噴射の第三の層状噴射の後、又は前記主噴射の第一と第二の層状噴射の間、或いは第二と第三の層状噴射の間に設定することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の運転方法。
【請求項５】
前記パイロット噴射（ＭＨ）が前記燃焼室（１８）内で若干希薄な、λ≒１．２の混合気を生成す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内燃機関の運転方法。
【請求項６】
前記燃焼室（１８）全体にわたって平均して、前記第二の層状噴射（ＭＳ）の後の前記混合気が、理論空燃比（λ≒１）から若干希薄な状態（λ≒１．０５）との間にあ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内燃機関の運転方法。
【請求項７】
前記点火時期（ＺＴ）を点火上死点（ＩＴＤＣ）の手前約１０°ＣＡと約２０°ＣＡの間に設定す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内燃機関の運転方法。
【請求項８】
前記主噴射（ＭＳ）の終わり又は前記主噴射（ＭＳ）の前記第一の層状噴射の終わりが、前記点火時期（ＺＴ）の手前約１°ＣＡ〜１５°ＣＡに設定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内燃機関の運転方法。
【請求項９】
前記パイロット噴射（ＭＨ）が、複数の均質な噴射による多重噴射として行なわ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内燃機関の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は火花点火内燃機関の運転のため、特に低温での始動後の段階における直接燃料噴射を伴う火花点火内燃機関のための運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
直接噴射ガソリンエンジン及び吸気管噴射を伴うガソリンエンジンでの従来の噴射方法において、エンジンは−３０℃〜０℃の低温におけるコールドスタートの最初の数秒後に、いわゆる均質運転モードで運転される。ここで、直接噴射ガソリンエンジンにおいて燃焼室内への噴射は吸気行程の間に生じる。吸気の流入及びピストンの下向きの運動により燃焼室内で発生する流れの結果、噴射された燃料は新鮮な空気と均一に混合される。このように生成された給気は完全に均一化され、すなわち本質的に同一の混合気が燃焼室全体中に存在する。
【０００３】
新たな混合気の信頼できる燃焼を確実にするため、点火プラグの近くの混合気は点火の時に若干過濃な、すなわち若干過剰な燃料を有する必要がある。しかしながら、該混合気が均質な運転モードで燃焼室全体にわたって均一／均質に分配されるため、若干過濃な混合気は燃焼室全体内でも生成されねばならない。燃焼中の酸素不足の結果、これは一酸化炭素及び燃焼していない炭化水素の放出増加をもたらす。燃料における不完全なエネルギー変換はまた燃料消費量の増加に帰着する。
【０００４】
ここで興味あるものとして、非常に低温でのコールドスタートの場合、燃料は始動後の段階において新たな給気から、まだ低温の燃焼室壁面上及びピストンヘッド上に凝縮する。前記燃料はそこでもはや燃焼には利用出来ず、混合気が希薄になり過ぎることを防ぐため噴射量の増加によって補償されねばならない。過度に希薄な混合気は、コールドスタート後のまだ低い燃焼室における劣悪な燃焼性の結果、一様でないエンジン運転又は不点火の場合さえ引き起こすであろう。いずれも運転快適性及び汚染物質の放出の理由で受入れられない。
【０００５】
燃焼室の壁面上及びピストンヘッド上へ凝縮された燃料はそこで液体の形態で存在する。前記燃料はもはや実際のトルクを発生する燃焼に関与しない。低温の燃焼室壁面の直近における気化した燃料もまた、いわゆる「急冷」の結果として、もはや燃焼プロセスに関与しない。ここで、燃焼はまた低温の燃焼室の壁により熱及び、従ってエネルギーを奪われる。これは燃焼室の壁近傍において炎が消える点まで燃焼速度の減少をもたらす。燃焼していない炭化水素の層が燃焼室壁面の前で形成される。排気プロセスの間に上向きに運動するピストンは前記燃料を燃焼室壁面からすくい取り、開いた排気弁を通じてそれを排気ダクト内へ燃焼していない状態で押し出す。これは多量の炭化水素の放出をもたらす。
【０００６】
燃焼プロセスに関与しない燃料は、新たな給気が燃焼プロセスに関与出来るその燃焼室の領域において、エンジン運転に必要なトルクを発生するために十分な燃料と従ってエネルギー量が得られるように、増加した噴射量により補償されねばならない。特に非常に低温でのコールドスタート後に、これは全負荷での噴射量の倍量もあり得る非常に多量の噴射量を要する。これに関連して、コールドスタート後に要する噴射量が電動燃料ポンプ又は高圧ポンプの要求供給量を定めることはまた重要である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って本発明の目的は従来の均質な運転モードの上記問題点を回避する内燃機関の運転方法を提供することにある。始動直後において内燃機関を運転する方法は汚染物質の更なる低減を可能にし、また必要とされる高圧ポンプが比較的小さな容量であることを可能にしつつ、特に非常な低温において要求される噴射量を減らすものでなければならない。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的は請求項１の特徴を有する直接燃料噴射を用いて火花点火内燃機関を運転する方法により達成される。本発明の有利な実施形態及び改良は従属請求項２〜９の主題である。
【０００９】
始動直後に直接燃料噴射を用いて火花点火内燃機関を運転するための本発明による方法において、燃焼室は燃焼用空気を供給され、燃料は燃料インジェクタを用いて燃焼室内へ噴射され、そして燃焼室内で生成された混合気は所定の点火時期に点火プラグにより点火される。本発明による方法は、最初の燃料油量のパイロット噴射が内燃機関の吸気行程において燃焼室内へ噴射され、前記パイロット噴射が均質の、希薄な混合気（λ＞１）を実質的に燃焼室全体の中に生成し、そして第二の燃料油量の主噴射が引き続き点火時期の直前の圧縮行程で燃焼室内へ噴射され、前記主噴射が層状で過濃な空気／燃料の雲（λ＜１）を点火プラグの領域において形成することにより特徴付けられる。
【００１０】
本発明による方法において、始動直後すなわちエンジンの始動とラムダ（λ）制御が動作可能になる迄の間の時間に燃焼室内へ噴射される燃料の量は、二つの噴射量へと分割される。パイロット噴射は燃焼室全体の中に均質で希薄な混合気を生成するため内燃機関の吸気行程において行なわれる。燃料噴射量が従来の均質な運転における量と比べて大幅に少ないため、急冷の結果として燃焼プロセスに関与できない、燃焼室壁面に付着した燃料の量及び壁近傍の燃料の量もまた、それゆえ大幅に減少する。燃焼プロセスに関与できない燃料の量が減少する結果、燃焼していない炭化水素の放出は大幅に減少し、噴射される燃料の量は大幅に低減され、そして必要とされる高圧ポンプを従ってより小さな容量にすることが可能である。内燃機関の圧縮行程における主噴射は、希薄で新たな給気にもかかわらず良好な燃焼の信頼性を確保するため、点火プラグの領域において点火時期の直前に、層状で過濃な混合気を生成する。
【００１１】
本発明の好適な実施形態において、主噴射は急速で連続的な、複数の層状噴射による多重噴射として行なわれる。前記多重噴射は新鮮な空気及び残留排気ガスと共に層状に噴射される燃料の混合気を改善し、燃焼の信頼性の更なる改善をもたらす。
【００１２】
本発明の一つの実施形態において、主噴射は二つの層状噴射による二重の噴射として行なわれる。この場合、点火時期は主噴射の第二の層状噴射の後、又は主噴射の第一と第二の層状噴射の間に生じ得る。
【００１３】
本発明の代替の実施形態において、主噴射は三つの層状噴射による三重の噴射として行なわれる。この場合、点火時期は主噴射の第三の層状噴射の後、又は任意に主噴射の第一と第二の層状噴射の間、或いは第二と第三の層状噴射の間に生じ得る。
【００１４】
本発明の更なる実施形態において、パイロット噴射は若干希薄な混合気、特に燃焼室におけるλ≒１．２の混合気を発生する。
【００１５】
燃焼室全体にわたり平均して、二回目の層状噴射の後の混合気は、理論空燃比（λ＝１）と若干希薄（λ＝１．０５）との間にあることが望ましい。
【００１６】
該点火時期は、内燃機関の従来の均質な運転モードにおける通常の点火時期に相当し、すなわちそれは内燃機関の運転モードによって、点火上死点の手前約１０°ＣＡ（Crankshaft Angle:クランク角）〜約２０°ＣＡの間で望ましくは生じる。
【００１７】
本発明の更なる実施形態において、主噴射の終わり及び／又は主噴射の最初の層状噴射の終わりは、点火時期の手前約１°ＣＡ〜１５°ＣＡに生じる。
【００１８】
本発明の更なる実施形態において、パイロット噴射も複数の均質な噴射による多重噴射として行なわれる。この手段は燃焼室全体における混合気の均質性を更に改善する。
【００１９】
更なる特徴及び特徴の組み合わせは記述及び図面から明らかになるであろう。本発明の具体的な実施形態は図面中に単純化された形で例示され、以下の記述においてより詳細に説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１は直接燃料噴射を伴う火花点火内燃機関１０のシリンダ１２の大幅に単純化された概略図を示す。シリンダ１２内には燃焼室１８がピストン１４及び、シリンダ１２を閉じているシリンダヘッド１６により境界を定められている。ノズル開口２２を通じて燃料を燃焼室１８内へ噴射できる燃料インジェクタ２０がシリンダヘッド１６内の中央に配置されている。（図示されていない）制御装置はとりわけ、関連する燃料の量と共に燃料の噴射時期、及び燃焼室内で生成された混合気が点火プラグ２６又は類似の物により点火される点火時期を決定する。
【００２１】
燃料インジェクタ２０のノズル開口２２が開いている時、燃料は７０°〜１１０°の開き角度を有する円錐形の噴流２４の形で燃焼室１８内へ噴射される。点火プラグ２６は、該点火プラグ２６の電極２８が噴射された燃料の円錐２４によって濡れないように燃焼室１８内に位置決めされる。
【００２２】
図１に例示される内燃機関１０は、望ましくは四サイクルの原理で作動する。内燃機関１０の作動サイクルの第一行程、いわゆる吸気行程において、燃焼室１８は（図示されていない）吸気ダクトを通じて燃焼用空気を供給される。ここで、ピストン１４は下向きに下死点ＢＤＣまで移動する。内燃機関１０の更なる圧縮行程において、ピストン１４は下死点ＢＤＣから上向きに点火上死点ＩＴＤＣまで移動する。それに続く膨張行程においてピストン１４は再び下死点ＢＤＣまで移動し、そして第四の排気行程においてピストン１４は排気ガスを燃焼室１８から排出するために上死点ＴＤＣまで上向きに移動する。
【００２３】
本発明による方法の目的は内燃機関の始動後の段階、すなわちエンジンが始動してからラムダ制御が動作可能になる迄の時間において、そして非常に低温すなわち特にやはり低い吸気温度においてさえも、低減された燃料消費量と同時に汚染物質放出(特に炭化水素）の改善、及び点火時に信頼性の高い燃焼を得られる内燃機関のための噴射方法を提供することである。これに関連する重要な特別のケースは、法律で定められているエンジン始動温度−７℃での排気ガス試験である。
【００２４】
以下に述べる本発明の噴射方法が関係する運転期間は、図２に基づいて次に説明される。いわゆる始動後の段階Ｔは、内燃機関の始動段階の終わりの回転速度、すなわち始動が完了したときの回転速度に達した後に始まる。導入部に述べた低温の問題は前記始動後の段階に関係する。前述の問題は燃焼室の壁及びピストンヘッドが暖まるに従って緩和される。ラムダ・センサがそれらの作動可能状態に達した時、該センサは新鮮な空気と共に燃焼プロセスに関与する燃料が、理論空燃比（λ≒１）をもたらすため、混合気の成分が調整できるように混合気測定の任務を引き受けることが可能である。ラムダ・センサがそれらの作動可能状態に達する時期は、センサのセラミック・ボディ上にもはや凝縮した水分が残留出来ない範囲まで高温の排気ガスで加熱された時のみ、センサがそれらの作動温度に到達可能であり、さもなければセンサの加熱の間に応力破壊の恐れがあろうため、エンジンの始動温度に依存する。
【００２５】
ここで、始動後の段階Ｔから、その時可能な混合気制御が均質な運転モードにおいて内燃機関の安定した運転を許容する、いわゆるウォームアップ段階への遷移が生じる。
【００２６】
本発明の様々な望ましい例示的実施形態は、図３〜６の図表に基づいてより詳細に説明される。ここで、内燃機関１０の噴射プロセスＩＰ（Injection Process）が、各々の場合にクランク角°ＣＡに対してプロットされている。
【００２７】
本発明による方法の重要な点は二つの部分、具体的には均質なパイロット噴射ＭＨ及び層状の主噴射ＭＳへの噴射燃料の分割である。初めに、内燃機関１０の吸気行程においてλ＞１の空燃比を有する均質な混合気が燃焼室１８全体の中で生成されるように、最初の燃料油量がパイロット噴射ＭＨにおいて噴射される。従来の均質な噴射と対照的に、大幅に少ない量の燃料が噴射され、そして例えばλ≒１．２の若干希薄な混合気が燃焼室全体の中で生成されることとなる。従来の均質な噴射における過濃な混合気と比較して、燃焼室壁面上及びピストンヘッド上に凝縮する燃料の量は、従って低減される。燃焼室の壁近傍での境界層において、急冷の結果としてもはや燃焼プロセスに関与できない気化燃料も、より少ない。燃焼プロセスに関与できない燃料の量がこのように減少する結果として、燃焼していない炭化水素は大幅に低減される。噴射されるために要する燃料の量は前記噴射方法によった同じく大幅に低減され、これは同様に、必要とされる高圧ポンプがより小さい容量であることを可能にする。
【００２８】
内燃機関１０の吸気行程におけるパイロット噴射ＭＨの噴射開始は、実質的に従来の均質な噴射の開始に相当する。前記噴射開始は、噴射燃料がもはや低温のピストンヘッドに衝突しないように吸気行程の中で十分に遅く、しかし燃焼室内での混合気の均質化のために出来る限り長い期間があるように十分早くしなければならない。
【００２９】
内燃機関１０の均質な運転モードにおける通常の点火時期に相当する点火時期ＺＴのすぐ前に、そして点火上死点（ＩＴＤＣ）の手前約１０°ＣＡと約２０°ＣＡの間で生じる内燃機関の動作点に依存して、二回目の燃料油量が層状噴射として、圧縮行程における主噴射ＭＳで燃焼室１８内へと噴射される。噴流で導かれる燃焼プロセスにおいて、点火時期ＺＴでの点火用の噴射燃料の最適な形成を確実にするため、主噴射ＭＳの噴射時期は点火時期ＺＴと連結される。前記連結は、層状主噴射ＭＳの終わりと点火時期ＺＴの間の動作点に依存するスペーシング角度Δを用いて実施される。前記スペーシング角度Δは、点火時期ＺＴの手前約１°ＣＡ〜約１５°ＣＡのクランク角度範囲内にあることが望ましい。
【００３０】
前記層状主噴射ＭＳの目的は、点火時期ＺＴでの点火プラグ２６の近傍における燃焼室１８内の高い残留排気ガス成分にかかわらず、確実に燃焼可能である若干過濃な（λ＜１）給気の雲３０を形成することである。高い信頼性のある燃焼は、点火時期ＺＴに点火プラグ２６の所で最適な条件を生み出すことにより得られる。火炎面は次に前記領域から、給気の混合気が十分に燃えやすく、しかし高い残留排気ガスの割合のため確実には点火出来ない、燃焼室１８のそのような領域へと前進することが可能である。燃焼速度が従来の均質な運転の燃焼速度にほぼ相当すると想定し、そして希薄な混合気の影響を無視すると、燃焼効率及び発生トルクはまた実質的に一定のままとなる。
【００３１】
図２に例示され上記で述べられた本発明による噴射方法の結果として、一方で大幅な炭化水素の放出削減に導く均質なパイロット噴射ＭＨにより、燃焼室壁面及びピストンヘッドの燃料による最小限の湿潤及び、それゆえ噴射量の低減が得られ、他方で燃焼室１８全体における給気の希薄な混合気にかかわらず、安定した燃焼と従って円滑な運転をもたらす、点火時期ＺＴにおける層状主噴射ＭＳにより点火プラグ２６の領域において確実に燃焼できる給気の雲が提供される。このように、燃料消費量が低減され、そして低温であっても炭化水素の放出が同時に削減される、始動後の段階における内燃機関の運転モードが実行可能である。
【００３２】
燃焼室１８全体にわたって平均された、層状主噴射ＭＳの後の空気過剰率λは、理論空燃比（λ≒１）及び若干希薄（λ≒１．０５）の間であることが望ましい。
【００３３】
図３の第一の例示的実施形態において、層状主噴射ＭＳが単一噴射の形態で行なわれる一方で、図４の第二の例示的実施形態において、層状主噴射ＭＳは点火時期ＺＴの直前に、最初の層状噴射と数ミリセカンド以内における第二の層状噴射との、二重の噴射として行なわれる。層状主噴射ＭＳが多重噴射として計時的方法で行なわれる結果、点火プラグ２６の領域における過濃な給気の雲３０の混合気生成及び、それゆえ内燃機関１０の円滑な運転もまた、燃料蒸気と新鮮な空気とのより良い混合によって更に改善される。その上、多重噴射はまた更に点火プラグ２６の領域における乱流の度合いを高め、それゆえ更に燃焼を安定させる。
【００３４】
図４に示すように、層状二重の噴射ＭＳの場合の点火時期ＺＴは、主噴射ＭＳの第二の層状噴射の後に生じるか、或いは主噴射ＭＳの第一と第二の層状噴射の間に生じる。ここで、主噴射ＭＳの噴射時期は、該主噴射ＭＳの第一の層状噴射の終わりと点火時期との間のスペーシング角度Δが、動作点に応じて望ましくは約１°ＣＡ〜約１５°ＣＡであるような方法で、点火時期ＺＴと連結されている。
【００３５】
第二の例示的実施形態の残りの局面及び前記方法で得られる利点は、図３の第一の例示的実施形態のそれらに相当する。
【００３６】
第二の例示的実施形態において主噴射ＭＳは第一及び第二の層状噴射を用いた二重の噴射として行なわれる一方、図５の第三の例示的実施形態において主噴射ＭＳは第一、第二及び第三の層状噴射を用いた三重の噴射として行なわれる。第一の層状噴射の終わりと点火時期ＺＴとの間のスペーシング角度Δもまた、この場合約１°ＣＡ〜約１５°ＣＡであることが望ましい。
【００３７】
図５に例示されるように点火ＺＴは、層状主噴射ＭＳの、第一と第二の層状噴射の間、又は第二と第三の層状噴射の間で任意に生じるか、或いは主噴射ＭＳの第三の層状噴射の後で任意に生じる。
【００３８】
図６に例示される本発明の第四の例示的実施形態は、示されている例示的実施形態における二重の噴射として、均質なパイロット噴射ＭＨも多重噴射にて行なわれている点で図５の第三の例示的実施形態とは異なる。前記均質な二重噴射は燃焼室全体における混合気の均質性を更に改善する。
【００３９】
この段階で図６の前記均質な多重噴射ＭＨは、明白に図示されることなく、示されている他の全ての例示的実施形態と組み合わされることもできることが明白に指摘される。
【００４０】
本発明は直接燃料噴射を伴う火花点火内燃機関に特に適する。本発明の利点は特に、凝縮した燃料による燃焼室壁面及びピストヘッドの湿潤を低減した結果としての、始動後の段階における汚染物質放出の削減、始動後の段階において混合気の必要とされる濃度の低減結果としての燃料消費量の削減、点火時期における点火プラグの領域での局部的に過濃で新鮮な混合気の燃焼の信頼性向上の結果としての、内燃機関の円滑な運転の改善、及びコールドスタートに要する燃料供給量を提供するために必要な高圧ポンプの、より小さい容量とその結果としての価格低減である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】直接燃料噴射を有し本発明による方法が使用可能な、火花点火内燃機関のシリンダを通した概略の横断面図である。
【図２】本発明による運転方法に関連する時期を明確化するための、時間に対する内燃機関回転速度の略図である。
【図３】本発明による、クランク角に対してプロットされた図１の内燃機関の噴射過程に関する第一の例示的実施形態の概略図を示す。
【図４】本発明による、クランク角に対してプロットされた図１の内燃機関の噴射過程に関する第二の例示的実施形態の概略図を示す。
【図５】本発明による、クランク角に対してプロットされた図１の内燃機関の噴射過程に関する第三の例示的実施形態の概略図を示す。
【図６】本発明による、クランク角に対してプロットされた図１の内燃機関の噴射過程に関する第四の例示的実施形態の概略図を示す。
【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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【国際調査報告】
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