(57)【要約】本発明は、燃料噴射装置がプレ噴射を伴って作動するピストン式内燃機関のための、特にディーゼル式内燃機関のための燃焼方法に関する。本発明の主要な点は、冷間始動段階中、ピストンの上死点到達前に、２つのプレ噴射（２、３）が実行される、つまり、上死点到達前のクランク角およそ２５°で１回目のプレ噴射（２）が、および上死点到達前のクランク角およそ５°で２回目のプレ噴射（３）が実行され、その際、２つのプレ噴射（２、３）の間にクランク角およそ２０°のクランク角間隔αが、および２回目のプレ噴射（３）とメイン噴射（４）との間にクランク角およそ５°のクランク角間隔βが、回転数とは関わりなく保たれることである。これにより、特にディーゼル内燃機関の安定的で確実な始動が超低温の場合でも達成される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料噴射装置がプレ噴射を伴って作動するピストン式内燃機関のための、特にディーゼル式内燃機関のための燃焼方法において、冷間始動段階中、ピストンの上死点到達前に２つのプレ噴射（２、３）が実行され、つまり、上死点到達前のクランク角がおよそ２５°のときに１回目のプレ噴射（２）が、および上死点到達前のクランク角がおよそ５°のときに２回目のプレ噴射（３）が実行され、前記２つのプレ噴射（２、３）の間にクランク角およそ２０°のクランク角間隔αが、および２回目のプレ噴射（３）とメイン噴射（４）の間にクランク角およそ５°のクランク角間隔βが、回転数とは関わりなく保たれることを特徴とする燃焼方法。
【請求項２】
少なくとも冷間始動段階中は、前記ピストン式内燃機関の燃焼室内の混合気の発火条件がグロープラグを用いて改善されることを特徴とする、請求項１に記載の燃焼方法。
【請求項３】
前記冷間始動段階後、前記グロープラグが有害物質の放出を削減するため、さらに一定時間通電されることを特徴とする、請求項２に記載の燃焼方法。
【請求項４】
燃料噴射装置がプレ噴射を伴って作動するピストン式内燃機関、特にディーゼル式内燃機関において、前記燃料噴射装置が冷間始動段階中、前記上死点到達前のクランク角およそ２５°のときに１回目のプレ噴射（２）を、および前記上死点到達前のクランクおよそ５°のときに２回目のプレ噴射（３）を指令し、前記燃料噴射装置が、前記２つのプレ噴射（２、３）の間にクランク角およそ２０°のクランク角間隔αを、および２回目のプレ噴射（３）とメイン噴射（４）の間にクランク角およそ５°のクランク角間隔βを、回転数とは関わりなく保つように設計されていることを特徴とするピストン式内燃機関。
【請求項５】
少なくとも冷間始動段階中の、前記ピストン式内燃機関の燃焼室内の混合気の発火条件を改善させる少なくとも１つのグロープラグを前記燃焼室ごとに備えていることを特徴とする、請求項４に記載のピストン式内燃機関。
【請求項６】
請求項４または５のいずれか１項に記載のピストン式内燃機関を備えている車両、特に、乗用車または有用車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念にしたがい燃料噴射装置がプレ噴射を伴って作動するピストン式内燃機関のための、特に、ディーゼル機関のための燃焼方法に関わる。本発明はこのほか、同種の燃焼方法で作動するピストン式内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１により、燃料噴射装置がプレ噴射を伴って作動するピストン式内燃機関のための、特にディーゼル機関のための、一般的な燃焼方法が知られている。特にディーゼル機関は比較的低い圧縮比とセタン価が比較的低い燃料とで作動しなければならないという事実により、ディーゼル機関は、冷間始動段階中に点火に関する諸問題を示し、これは騒音と有害物質の高い放出量という結果を伴う。ここに提案される、プレ噴射を伴う燃料噴射とポジティブ点火との組み合わせにより、ディーゼル機関の動作領域全体において、確実な、かつ正確に定義された点火環境がもたらされることになり、これが騒音と有害物質の放出量の低下につながる。
【０００３】
特許文献２により、特にディーゼル機関の始動を容易にするとされる燃料噴射装置が知られている。始動を容易にするために、前記燃料噴射装置は、ディーゼル機関のクランク軸の角度位置を示す信号と同期して、プレ噴射燃料を燃焼室内に噴射する。プレ噴射燃料が噴射された後、燃料噴射装置は、噴射されたプレ噴射燃料の量よりも大きな量のメイン噴射燃料を噴射する。さらに、回転数が少ない場合でも、また特に、冷間始動段階に頻繁に生じるように、大きな変化にさらされている場合でも、燃料噴射装置によって、プレ噴射燃料は安定的に、希望されたタイミングで燃焼室に噴射される。しかし冷間始動段階においては、プレ噴射燃料がメイン噴射燃料の前に噴射されるだけでなく、同時に点火も行われて、燃焼室内に、容易に着火可能な、始動を誘発するような状態を生じさせる。こうして燃焼室内の始動誘発状態により、続いて噴射されるメイン噴射燃料は容易に着火可能となり、それによりディーゼル機関は安定的かつ確実に始動され得るとともに、特に冷間始動段階中の騒音および有害物質の放出量が削減され得る。
【０００４】
一般的にディーゼル機関は、比較的高いシリンダヘッド圧力という原理的な短所をもっている。この比較的高いシリンダヘッド圧力を回避するために、場合によっては比較的低い圧縮率が選択されるが、しかしこのことがまた、冷間始動段階中および部分負荷時において、着火遅れが特に高じることによる諸問題を生じさせる可能性があり、それらの問題が、一方では騒音発生に、他方では未燃焼炭化水素という有害物質の高い放出量につながる可能性がある。しかし同様の諸問題は、着火性の良くない燃料を使用している場合には、通常運転においても発生し得る。着火遅れを短縮するための確実な手段は、本来のメイン燃料量の前に、ある程度の燃料量をプレ噴射することと、その燃料をプレ燃焼させることであり、それによりシリンダ内の圧力・温度水準が大幅に高められ、それにより、より良い着火条件が整えられ得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】ＤＥ３７３６６３０Ａ１
【特許文献２】ＥＰ０５３４４９１Ａ２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このため本発明が取り組むのは、燃焼方法と一般的な種類のピストン式内燃機関とのために、低い周辺温度と低品質の燃料という条件下でも安定的な始動が特に際立つ、改善された実施形態、もしくは少なくとも対案としての実施形態を提示する、という課題である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この課題は、本発明によれば、独立請求項の諸対象によって解決される。有利な諸実施形態が、従属請求項の対象である。
本発明が依拠するのは、燃料プレ噴射を伴って作動するピストン式内燃機関のための燃焼方法において、冷間始動段階中に、ピストンの上死点到達前に２回のプレ噴射を実行するという一般的な着想であり、詳しく言えば、１回目のプレ噴射を上死点到達前のクランク角およそ２５°で、そして２回目のプレ噴射を上死点到達前のクランク角およそ５°で実行する。これまでに知られている燃焼方法とは異なり、本発明では、第１プレ噴射と第２プレ噴射との間に定義されたクランク角間隔が設定されるのであり、これまでのように所定の時間的間隔が設定されるのではない。上死点到達前のクランク角およそ２５°における第１プレ噴射と、両プレ噴射の点火とが、燃焼室内で支配的な圧力と燃焼室内で支配的な温度とを上昇させ、それがメイン噴射の混合気形成のための諸条件を大幅に改善するとともに着火遅れの短縮をもたらし、それにより、噴射された燃料量が従来より大幅に効率よく転換され活用され得る。このとき第１プレ噴射と第２プレ噴射との間にはクランク角およそ２０°のクランク角間隔αが、また第２プレ噴射とメイン噴射との間にはクランク角およそ５°のクランク角間隔βが、回転数とは関わりなく、保たれる。これに対し、先行技術から知られる従来の燃焼方法では、通常、所定の時間的間隔が保たれるが、これはしかし、混合気形成を顧慮すると、着火遅れへと問題を引き起こす。第１プレ噴射と第２プレ噴射との間のクランク角間隔αをクランク角およそ２０°に、そして第２プレ噴射とメイン噴射との間のクランク角間隔βをクランク角およそ５°に固定することにより、各プレ噴射は一般的に、回転数にも左右されることなく実行されるが、それは、第１プレ噴射が常に上死点到達前のクランク角およそ２５°で、そして第２プレ噴射が上死点到達前のクランク角およそ５°で実行されるからである。本発明による燃焼方法を用いれば、特に冷間始動段階が短縮され、したがって始動時間の短縮も達成され得るうえ、冷間始動段階中や部分負荷運転時における、特にアイドリング時における、騒音と有害物質の放出量も削減され得る。
【０００８】
目的に沿って、少なくとも冷間始動段階中は、ピストン式内燃機関の燃焼室内の混合気の発火条件が、グロープラグを用いて改善される。グロープラグは、知られている通り、電気式発熱体として、内燃機関の燃焼室内に、通常はディーゼル機関の燃焼室内に装備されており、グロープラグはピストン式内燃機関の始動時に短時間だけ通電され、それによって加熱される。特にディーゼル機関では、この種のグロープラグにより、少なくともグロープラグの加熱された先端に触れる部分では燃料と空気の混合気の発火条件が改善されることによって、燃焼室内にある燃料と空気の混合気の着火が容易にされ、そのことがディーゼル機関の安定的で確実な始動を達成することに役立つ。なぜなら、特にディーゼル燃料は、ディーゼル機関の冷間始動時には着火しにくいためで、そのおもな原因は、燃焼室とピストンの壁面が、その高い比熱容量ゆえに、冷たいことである。冷間始動ではさらに、電気スターターによって生み出されるピストンスピードが小さく、これにより圧縮熱も制限されている。また圧縮熱は比較的迅速に、まだ冷たいシリンダ壁や、まだ冷たいピストンヘッドに移行していく。このほか、さまざまに異なる燃料品質と、また特に難着火性の燃料が、ディーゼル機関の冷間始動時における上記の諸問題の原因となる。これらの理由により、すでにかなり前から、電熱式グロープラグを燃焼室に装備することが知られており、その際、グロープラグは、冷間始動段階の経過後も、排出ガス中の有害物質放出量を引き続き削減するために、少なくとも正確に定義される一定時間の間は、通電によって加熱され続ける。グロープラグが通電される時間の長さ、したがって車両バッテリーも少なからぬ規模で負荷をかけられる時間の長さは、最新型のグロープラグでは数秒に限定できる。一般的に装備されるのは異なる２種類のグロープラグで、ひとつはメタルグロープラグ、もうひとつはセラミックグロープラグであるが、両者は特にグロープラグ軸の温度が、メタルグロープラグでは１０００℃、セラミックグロープラグでは最高１３００℃となる点で異なっている。
【０００９】
本発明はさらに、それ自体は既知であるピストン式内燃機関、特にディーゼル機関に、燃料噴射装置を装備するという一般的な着想に依拠しており、この燃料噴射装置は、冷間始動段階中に、１回目のプレ噴射をピストン上死点到達前のクランク角およそ２５°で、そして２回目のプレ噴射を上死点到達前のクランク角およそ５°で実行し、その際、第１プレ噴射と第２プレ噴射との間にはクランク角およそ２０°のクランク角間隔αを、また第２プレ噴射とメイン噴射との間にはクランク角およそ５°のクランク角間隔βを、回転数とは関わりなく、保つものである。本発明による燃料噴射装置は、前記の一般的着想において表現され説明されたピストン式内燃機関のための燃焼方法にしたがって作動し、これにより、本発明による燃焼方法を通じて得ることが可能な諸利点、すなわち、低温において特に短縮される始動時間と、−３０℃までの超低温におけるピストン式内燃機関の確実な始動と、始動時間のバラつきの低減と、冷間時のピストン式内燃機関におけるアイドリング中の騒音低減とを達成する。何より、ピストン式内燃機関を−１５℃より低い外気温下で確実に始動させることのできる性能は、これまでに知られている燃焼方法やこれまでに知られているピストン式内燃機関に対して、本質的に有利な点である。環境保護義務と排ガス規制が常に強化されていくことから、有害物質放出量の削減、特に冷間始動段階中における有害物質放出量の削減も、もちろん好都合な効果である。
本発明のこのほかの重要な諸特徴と諸利点は、各従属請求項と、図面と、これらに付属する、図面を用いた図表の説明から明らかである。
【００１０】
自明のことであるが、前記で述べられ、次にさらに説明される諸特徴は、そのつど提示される組み合わせにおいてのみならず、本発明の範囲を逸脱することなく、他の組み合わせにおいても、また単独でも、使用可能である。
【００１１】
本発明の好ましい実施例が各図面に描写されており、以下の記述において詳細に説明されるが、その際、同一の照合符号は、同一の構成部もしくは類似の構成部もしくは機能的に同一の構成部に適用されている。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明による燃焼方法を実行した場合の、クランク角（ＫＷ）に左右されるピストン式内燃機関の燃焼室内の圧力（Ｐ）の推移と従来の燃焼方法を実行した場合との比較のためのダイアグラムである。
【図２】従来のピストン式内燃機関の場合と本発明による燃焼方法に従って作動するピストン式内燃機関の場合の、冷却水の温度に左右される始動時間（ｔｓ）を分かり易く説明したダイアグラムである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１の曲線１において、ピストン式内燃機関のための、特に、ディーゼル式内燃機関のための、本発明による燃焼方法の推移を読み取ることができる。ディーゼル式内燃機関は２つのプレ噴射を伴って作動する。ここで、はっきりと認められるのは、クランク角およそ２５°で、１回目のプレ噴射２がピストンの上死点到達前に実行されるが、クランク角およそ５°で、２回目のプレ噴射３が上死点到達前に実行されるということである。上死点はクランク角０°である。この上死点でメイン噴射４が実行される。このとき、プレ噴射２とプレ噴射３との間に、本発明による燃焼方法に従って、クランク角間隔αがクランク角およそ２０°に保たれる。これに対し、２回目のプレ噴射３とメイン噴射４との間では、クランク角間隔βがクランク角およそ５°に保たれる。２つのプレ噴射２とプレ噴射３との間のクランク角間隔αおよそ２０°、また／あるいはプレ噴射３とメイン噴射４との間のクランク角間隔βおよそ５°が、回転数に関わりなく保たれる。曲線１に対し、曲線５は従来の燃焼方法を示している。曲線５ではプレ噴射２’とプレ噴射３’との間のクランク角間隔、および２回目の噴射３’とメイン噴射４’との間のクランク角間隔は、それぞれピストン式内燃機関の回転数に左右された形で変わっている。同時に曲線１’と曲線５’で、圧力推移がそれぞれのクランク角に左右された形で示されている。曲線１’は本発明による燃焼方法を示しているが、これに対して曲線５’は本発明による燃焼方法を使用しない推移を示している。ここで、はっきり認識できるのは、本発明による燃焼方法を使用したとき、燃焼室で少なくとも圧力が、つまり曲線１’の方が、曲線５’よりも、はっきりと引き上げられ得るということである。これによって、混合気の着火性、したがって燃焼室内の着火も同じ噴射燃料量において改善され得るということである。
【００１４】
少なくとも、ピストン式内燃機関の冷間始動段階中、燃焼室内の混合気の発火条件が、例えばグロープラグが約２秒予熱されることによって改善され得る。このとき、グロープラグは、冷間始動段階後、有害物質の放出量の削減を可能にするため、なお一定時間、通電される。  
【００１５】
図２のダイアグラムにおいて、横座標に冷却水の温度（Ｔ）（単位℃）がとられ、縦座標には、ピストン式内燃機関の始動時間（ｔｓ）がとられている。その際、始動時間とは本質的に、アイドリンクに到達するまでの始動プロセスの開始に相当する。正方形で示される測定点は、プレ噴射を伴うピストン式内燃機関を示している。ピストン式内燃機関は本発明による燃焼方法に基づくことなく作動している。それに対し円形で示される測定点は、本発明による燃焼方法に基づき作動するピストン式内燃機関を示している。ここで、はっきりと分かるのは、例えば−３０°Ｃの冷却水の温度（Ｔ）において、本発明によって、始動時間（ｔｓ）が２３．４秒から６．９秒へと短縮、したがって、従来のピストン式内燃機関において、元々必要とされた始動時間（ｔｓ）の約２５％が達成され得るということである。これより温度（Ｔ）が高い、およそ−２３°Ｃの冷却水では、本発明による燃焼方法によって、始動時間（ｔｓ）が、なお７．２秒から３．１秒へと、つまり半分以下に短縮させることが可能である。
【００１６】
本発明による燃焼方法と、この燃焼方法で作動する本発明によるピストン式内燃機関とによって、明らかに始動時間（ｔｓ）が、温度（Ｔ）が低くても短縮され得る。この場合、特に、超低温（Ｔ）、例えば−３０°Ｃでも、ピストン式内燃機関の安定的で確実な始動が保証され得る。ピストン式内燃機関の安定的で確実な始動は、これまで散発的にしか成功していなかった。さらに、始動時間のバラつきも低減され、同様に、冷間始動段階中、部分負荷運転時、特にアイドリング時のピストン式内燃機関の騒音低減および有害物質の放出も削減され得る。本発明により、クランク角２５°とクランク角５°で実行された噴射によって、燃焼室内の圧力と温度が引き上げられ、これによりメイン噴射４の混合気形成の条件が大幅に改善され得る。この改善された混合気形成によって、更に、着火遅れは減少し、噴射燃料量はより効率よく転換され得る。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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