(57)【要約】  本主題は、不燃性流体、最も好ましくは水を内燃機関に注入する方法、ならびにコンピュータによってその方法を実行するための対応するコントローラ１２およびコンピュータプログラム製品を提供する。排気ガス排出に関する欠点なしに内燃機関のノッキングを抑制することができることは、請求される主題の特定の技術的利点である。この利点は、燃料と水噴霧をシリンダ１００に直接注入するときに両方の流体の衝突を回避することによって達成される。
2021527772.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関への不燃性流体の注入を制御するための方法であって、前記内燃機関は、少なくとも１つのシリンダ（１００）、燃料を前記内燃機関に注入するように構成された少なくとも１つの燃料注入器（８）、前記不燃性流体を前記内燃機関に注入するように構成された少なくとも１つの不燃性流体注入器（９）、および少なくとも１つのコントローラ（１２）を有し、
前記燃料注入の注入パラメータに基づいて不燃性流体注入の開始を決定するステップ、および
不燃性流体注入の前記決定された開始時に前記不燃性流体を前記内燃機関に注入するように前記不燃性流体注入器（９）を制御するステップを特徴とする、方法。
【請求項２】
燃料注入間隔外になるように不燃性流体注入の前記開始を決定するステップを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
燃料注入の終了時または前記終了後、または燃料注入の前記開始前になるように不燃性流体注入の前記開始を決定するステップを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
燃料蒸発の終了時または前記終了後になるように不燃性流体注入の前記開始を決定するステップを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
複数の燃料注入と組み合わせて不燃性流体注入を実行するステップを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
不燃性流体注入の前記開始を、最終燃料注入の終了時または前記終了後、第１の燃料注入の開始前、および／または２回の燃料注入の間にあるように決定するステップを特徴とする、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
最終燃料蒸発の終了時または前記終了後になるように不燃性流体注入の前記開始を決定するステップを特徴とする、請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記不燃性流体注入を複数の不燃性流体注入に分割し、各不燃性流体注入の開始は、燃料注入間隔外にあるように決定されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
次の燃料注入の開始時または前記開始前になるように不燃性流体注入の終了を決定するステップを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
少なくとも１つのシリンダ（１００）、燃料を内燃機関に注入するように構成された少なくとも１つの燃料注入器（８）、および不燃性流体を前記内燃機関に注入するように構成された少なくとも１つの不燃性流体注入器（９）を備えた、前記内燃機関用のコントローラ（１２）であって、請求項１に記載の方法を実行するように構成されることを特徴とする、コントローラ（１２）。
【請求項１１】
請求項１０に記載のコントローラ（１２）を含む内燃機関。
【請求項１２】
コンピュータによって実行されると、前記コンピュータに請求項１に記載の方法を実行させる命令を含む、メモリに格納可能なコンピュータプログラム製品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本文書は、不燃性流体、最も好ましくは水を内燃機関に注入する方法、ならびにコンピュータによってその方法を実行するための対応するコントローラおよびコンピュータプログラム製品に関する。排気ガス排出に関する欠点なしに内燃機関のノッキングを抑制することができることは、請求される主題の特定の技術的利点である。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、水を燃焼室に直接導入するために設けられる水注入器を備えた内燃機関を記載している。水注入器は、ノッキング燃焼が起きる場所で燃焼室の表面に水が噴霧されるように配置されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】欧州特許出願公開第１３１５８５０６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
水注入は、最先端の車両内燃機関のノッキングを防止するための効果的な手段である。さらに、内燃機関への水の注入は、内燃機関の燃料消費を減らすことができる。これまでのところ、ほとんどの場合、水注入はポート水注入として実現されている。つまり、水は内燃機関の吸気ポートに注入される。しかしながら、ポート水注入には、注入された水のいくらかの量が吸気ポートの壁で結露するため、燃焼室内での気化に利用できないという技術的な問題がある。したがって、水をシリンダ内に直接注入して蒸発させる直接水注入は、ノッキングを抑制するという点でより効率的である。しかしながら、燃料注入と同時に水を注入すると、注入された水が注入された燃料の燃料蒸発を妨げる可能性があるため、排気ガスの排出量が増加する可能性がある。水と燃料噴霧の間の噴霧衝突は、燃料と空気の混合を乱す可能性があり、したがって、ＨＣおよびＣＯ排出量の増加につながる可能性がある。さらに、燃料液滴の近くでの水滴の蒸発は、燃料蒸発を妨げる可能性がある局所的な温度低下につながる可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の技術的問題は、独立請求項による主題によって解決される。さらに好ましい進展は、従属請求項によって説明される。
【０００６】
本明細書に記載および請求される主題は、特に、不燃性流体の注入によって引き起こされる燃料の気化が妨げられることを防止する。
【０００７】
一態様によれば、請求される主題は、内燃機関への不燃性流体の注入を制御するための方法および制御装置（コントローラ）を含む。好ましくは、不燃性流体は、内燃機関のシリンダ内での燃焼中に燃焼されない／完全には燃焼されない（すなわち、少なくとも部分的に不活性である）。より好ましくは、不燃性流体は、潜熱が高い気体または液体であり、流体の潜熱は、水の蒸発エンタルピーの少なくとも１／１０である。最も好ましくは、不燃性流体は水である。
【０００８】
内燃機関は、少なくとも１つの（燃焼）シリンダ、少なくとも１つの燃料注入器、不燃性流体を内燃機関（短くは「燃焼機関」または「エンジン」）に注入するように構成された少なくとも１つの不燃性流体注入器（または短くは「流体注入器」）、および少なくとも１つのコントローラを有し得る。
【０００９】
好ましくは、少なくとも１つの燃料注入器は、燃料がシリンダ（燃焼室）に直接注入されるように配置される。あるいは、またはさらに、少なくとも燃料注入器は、不燃性流体が吸気ポートに注入可能であるように配置することができる。この場合、シリンダごとに少なくとも１つの吸気ポートがあることが望ましい。
【００１０】
好ましくは、少なくとも１つの不燃性流体注入器は水注入器であり、好ましくは、不燃性流体／水がシリンダ（燃焼室）に直接注入されるように配置される。あるいは、またはさらに、不燃性流体が吸気ポートに注入可能であるように、少なくとも１つの不燃性流体注入器を配置することができる。この場合、シリンダごとに少なくとも１つの吸気ポートがあることが望ましい。
【００１１】
少なくとも１つのコントローラは、燃焼機関に統合され得るか、あるいは、燃焼機関から離れた車両内の位置に配置され得、コントローラおよびエンジンは、１つ以上の信号線を介して接続され得る。好ましくは、コントローラは、不燃性流体注入の開始を決定し、決定された注入開始時に不燃性流体注入器を起動し、前記流体注入器を制御して不燃性流体を燃焼機関に注入するように構成することができる。さらに、コントローラは、不燃性流体注入器を制御して、不燃性流体を燃焼室および／または内燃機関の吸気ポートに注入するように構成することができる。
【００１２】
この方法は、特に、燃料注入の（所定の）注入パラメータに基づいて不燃性流体注入の開始を決定するステップを含み得る。これは、不燃性流体注入の決定された開始時に不燃性流体を内燃機関に注入するように不燃性流体注入器を制御するステップをさらに含み得る。この説明の文脈において、「決定する」という用語は、好ましくは、「計算する」ならびに「推定する」またはそれらの組み合わせの意味を含み得る。
【００１３】
好ましくは、不燃性流体注入の開始を決定することは、不燃性流体注入の開始が、時間信号、クランク角、周波数、または不燃性流体の注入に関する時間イベントを表すのに適した他の任意の信号を使用して決定されることを含み得る。さらに、所定の燃料注入パラメータは、好ましくは、燃料注入の開始、燃料注入の持続時間、燃料注入の終了、および燃料蒸発間隔を含み得る。好ましくは、これらの燃料注入パラメータはまた、時間信号、クランク角、周波数、または燃料注入に関する時間イベントおよび／または時間間隔を表すのに適した任意の他の信号を使用することによって決定され得る。以下、「時間」または「タイミング」という用語の使用は、時間イベントおよび／または時間間隔を表すために上記の信号のそれぞれを含み得る。
【００１４】
さらに、決定された注入開始時に不燃性流体を注入するように不燃性流体注入器を制御することは、好ましくは、不燃性流体注入の決定された開始時に流体注入器を起動し、決定された量の可燃性流体を内燃機関に注入するように注入器を操作することを含み得る。
【００１５】
したがって、上記のステップを含む方法は、不燃性流体注入と燃料注入との衝突を防止し、したがって不十分な燃料蒸発および排気ガス排出の増加を回避する、十分に決定されたタイミングで不燃性流体を内燃機関に注入することを可能にする。
【００１６】
さらに、この方法によれば、不燃性流体注入の開始は、燃料注入間隔外になるように決定することができる。燃料注入間隔は、燃料注入の開始時に始まり、燃料注入の終了時に終了する場合がある。したがって、不燃性流体注入の開始を燃料注入間隔外になるように決定することは、不燃性流体注入の開始が、単一または複数の燃料注入方式が実行されるかに関わらず、燃料注入の開始前または燃料注入の終了後に実行されることを意味し得る。これにより、不燃性流体注入によって燃料注入が妨げられるリスクが効果的に低減される。
【００１７】
さらに、この方法は、燃料注入の開始、燃料注入の終了、および注入された燃料が蒸発する間の燃料蒸発間隔を決定することができる。好ましくは、注入された燃料が蒸発するとき（燃料蒸発の終了時）に燃料蒸発間隔の終了に到達する。好ましくは、燃料注入の開始および終了、ならびに燃料注入の持続時間は、例えば、コントローラから注入器に送信される制御信号のタイミングを分析することによって、および／または注入器電流のタイミングを分析することによって、および／または燃料注入器の測定されたニードルリフトを分析することによって決定され得る。あるいは、またはさらに、高圧燃料回路内の燃料圧力のタイミングを分析して、燃料注入の開始、持続時間、および終了を決定することができ、および／または注入タイミングを、例えば光学センサによって測定することができる。あるいは、またはさらに、コントローラに格納されたマップから、燃料注入の開始、持続時間、および終了の所定の値を読み取ることも可能であり得る。
【００１８】
さらに、燃料蒸発間隔は、好ましくは、パラメータエンジン速度、エンジン負荷、燃料注入器の位置、燃料圧力、燃料温度、燃料特性、および注入される燃料の量のうちの少なくとも１つに関して決定され得る。好ましくは、燃料蒸発の開始は、燃料注入の開始時または開始後の所定の時間または推定時間に決定され得、燃料蒸発の終了は、燃料が所定の程度まで蒸発したときに決定され得る。好ましくは、燃料蒸発の終了を決定するための所定の蒸発度は８０％であり得、より好ましくは、所定の蒸発度は９５％であり得る。蒸発間隔またはむしろ蒸発の程度は、例えば、エンジン速度、エンジン負荷、燃料注入器の位置、燃料圧力、燃料温度、燃料特性、および注入される燃料の量といった上記のパラメータに基づいて、少なくとも１つのマップから読み取られ得る。例えば、高負荷および高速度では、入口ポートおよびシリンダ内の温度が高くなる可能性があり、これは燃料の急速な蒸発につながる可能性がある。ただし、負荷が高いと燃料量が多くなり、燃料の蒸発時間が長くなる可能性がある。さらに、エンジン速度の上昇は、燃焼室内のチャージ運動の増加によって引き起こされる蒸発時間の減少につながる可能性がある。さらに、燃料の圧力と温度が高いと、燃料の蒸発が速くなる可能性があるが、蒸発特性が悪い燃料では、燃料の蒸発時間が長くなる可能性がある。好ましくは、これらすべての関連する関係は、事前に決定され、コントローラ内の少なくとも１つまたはいくつかの特性マップにマッピングされ得る。
【００１９】
あるいは、またはさらに、燃料蒸発の程度は、燃料圧力、燃料液滴のレイノルズおよびウェーバー数、ならびに燃焼室内の圧力および温度条件などの注入特性に関連する特徴的な燃料蒸発時間をモデル化することによって推定することができる。
【００２０】
あるいは、またはさらに、蒸発度は、例えば、蒸発熱によって引き起こされる温度降下を決定し得る光学センサまたは高感度温度センサによって測定され得る。
【００２１】
蒸発間隔中の蒸発度の知識は、蒸発間隔中の水注入が、不燃性液滴と燃料液滴との相互作用によって引き起こされる排気ガス排出の増加につながる可能性があるかどうかを決定することを可能にする。燃料の蒸発度が高いほど、不燃性流体注入が燃料の蒸発を妨げる可能性は低くなる。
【００２２】
この方法は、燃料注入の終了時または終了後に行われるように、不燃性流体注入の開始を決定するステップをさらに含み得る。あるいは、またはさらに、燃料注入の開始は、燃料注入の開始前に決定することもできる。好ましくは、燃料注入が吸気行程中に行われる場合、不燃性流体注入の開始は、燃料蒸発の終了後に決定されて、円滑な燃料蒸発を確実にし、圧縮行程におけるシリンダ温度を下げることができる。さもなければ、例えば噴霧誘導燃焼プロセスを実現するときに実行され得る圧縮行程中の遅い直接燃料注入の場合、燃料蒸発の終了後、燃焼開始前に不燃性流体の全量を注入するのに十分な時間がないかもしれない。そのような場合、不燃性流体注入の開始は、不燃性流体注入が、例えば点火上死点の前に終了することが可能であるという条件で、燃料注入の終了時または燃料注入の終了と燃料蒸発の終了との間の時間であると決定され得る。燃料注入の終了から燃焼開始または点火上死点までの時間が短すぎて必要量の不燃性流体を注入できない場合、不燃性流体注入の開始は、燃料注入の開始前であると決定され得る。これは、例えば、希薄混合気の燃焼を安定させるために圧縮行程の終了時に燃料注入が実行される場合である可能性がある。
【００２３】
さらに、この方法の別の態様によれば、不燃性流体注入の開始は、燃料蒸発の終了時または終了後に行われるように決定することができる。上記のように、これは不燃性流体を注入するための好ましいケースであり得るが、それは燃料蒸発が不燃性流体注入による影響を全く受けないからであり得る。
【００２４】
上記は、注入される不燃性流体の十分な注入および蒸発時間を可能にし、したがって、燃料の蒸発を妨げずにノッキングを抑制するためにシリンダ内の所望の温度低下を確実にする。
【００２５】
さらに、この方法は、複数の燃料注入方式と組み合わせて実行することができる。複数の燃料注入方式は、燃料注入を複数の注入に分割するステップを含み得る。複数の注入のそれぞれは、例えば、４工程エンジンの場合、吸気行程、圧縮行程、燃焼行程、排気行程を含み得るデューティサイクル全体の間に実行され得る。例えば、壁の濡れを避けるために、吸気行程中に複数の燃料注入が可能である。さらに、部分負荷および中負荷での燃料消費を削減するために、全体的な希薄混合気を燃焼させ、圧縮行程中に複数の燃料注入を実行する噴霧誘導燃焼プロセスを実行することが好ましい。さらに、触媒加熱用の排気ガス温度を上げるために、排気ガスバルブを開く直前の燃焼行程の終了時における非常に遅い燃料注入が考えられる。不燃性流体注入は、燃料注入のタイミングおよび単一燃料注入の蒸発に関する上記の燃料注入方式のそれぞれに適合させることができる。
【００２６】
この点に関して、この方法は、不燃性流体注入の開始を、最終燃料注入の終了時または終了後、または第１の燃料注入の開始前、または２回の燃料注入の間にあるように決定するステップを含み得る。最も好ましくは、この方法は、不燃性流体注入の開始を、最終燃料注入の最終燃料蒸発の終了時または終了後になるように決定することができる。
【００２７】
特に、最終注入が吸気行程中に行われる場合、不燃性流体注入の開始は、最終注入の燃料蒸発の終了後に決定されて、円滑な燃料蒸発を確実にし、続く圧縮行程におけるシリンダ温度を下げることができる。例えば噴霧誘導燃焼プロセスを実現するときに実行され得る圧縮行程中のシリンダへの遅い最終燃料注入の場合、最終注入の燃料蒸発の終了後、燃焼開始前に不燃性流体を注入するための利用可能な時間は短すぎるかもしれない。不燃性流体注入の開始は、不燃性流体注入が、例えば点火上死点の前に終了することが可能である場合、最終燃料注入の終了時または最終燃料注入の終了と最終燃料蒸発の終了との間の時間に決定され得る。最終燃料注入の終了から燃焼開始または点火上死点までの時間が短すぎて必要量の不燃性流体を注入できない場合、不燃性流体注入の開始は、最初の燃料注入の開始前または２回の燃料注入の間に決定され得る。これは、例えば、燃焼安定化のための最終燃料注入が圧縮行程の終了時に実行される場合、または触媒加熱を実行するために燃焼行程の終了時にさらに遅い最終燃料注入が適用される場合であり得る。「２回の燃料注入の間」という表現は、「第１の燃料注入の終了と第２の燃料注入の開始との間」、および／または「第２の燃料注入の終了と第３の燃料注入の開始との間」、および／または「第３の燃料注入の終了から第４の燃料注入の開始との間」など、「最後から２番目の燃料注入の終了から最後の燃料注入の開始との間」までを含み得る。
【００２８】
第１の燃料注入が行われる前に全量の不燃性流体がシリンダに注入される場合、例えば、ガス交換上死点と第１の燃料注入の開始との間の吸気行程の間に、十分な時間が利用可能であることが必要である。注入された不燃性流体によるピストンの濡れを回避するために、コントローラは、ＧＴＤＣと不燃性流体注入の開始との間に安全マージンを必要とする場合がある。
【００２９】
２回の燃料注入の間に全量の不燃性流体がシリンダに注入される場合、第１の燃料注入の終了と第２の燃料注入の開始との間に十分な時間が利用可能であることが必要である。
【００３０】
十分な時間を提供するなどの上記の要件を満たさない燃料注入方式が適用される場合、不燃性流体注入は、複数の不燃性流体注入に分割され得る。さらに、各不燃性流体注入の開始は、燃料注入間隔外になるように決定することができる。不燃性流体注入の開始を燃料注入間隔外になるように決定することは、好ましくは、不燃性流体注入の開始が、単一または複数の燃料注入方式が実行されるかに関わらず、燃料注入の開始前または燃料注入の終了後に実行されることを意味し得る。
【００３１】
さらに、不燃性流体注入の終了は、次の燃料注入の開始時または開始前になるように決定することができる。次の燃料注入は、単一または複数の燃料注入方式および／または単一または複数の不燃性燃料注入方式が実行されるかどうかに関係なく、不燃性流体注入の後に実行され得る任意の燃料注入を含み得る。
【００３２】
不燃性流体注入の開始は燃料注入間隔外で行われる可能性があり、不燃性流体注入の終了は次の燃料注入の開始前に行われる可能性があるため、不燃性流体が燃料注入中に注入されるリスクは回避されるか、少なくとも減少する。したがって、ガス温度を低下させ、したがって燃料の蒸発を遅らせる可能性がある不燃性の液滴によって燃料の蒸発が妨害されることはない。
【００３３】
さらに、特許請求される主題は、上記の方法／方法の態様に従って方法を実行するように構成され得る内燃機関、好ましくはＥＣＵのコントローラ、ならびにコントローラを含み得る内燃機関を含み得る。「含む」とは、コントローラがエンジンと物理的に統合されているか、または遠隔配置されているが、信号線などによってそれに接続されていることを意味し得る。
【００３４】
さらに、内燃機関は、好ましくはガソリンエンジンであり、さらに好ましくは、注入される流体は、燃料効率を改善するためにシリンダに直接注入される。
【００３５】
さらに、請求される主題は、コンピュータまたはコンピューティングユニットによって実行されると、コンピュータに上記の方法またはその態様を実行させる命令を含む、メモリに格納可能なコンピュータプログラム製品、ならびにコンピュータによって実行されると、コンピュータに前記方法またはその態様を実行させる命令を含むコンピュータ読み取り可能［記憶］媒体を含み得る。
【発明の効果】
【００３６】
要約すると、請求される主題は、特に不燃性流体が内燃機関のシリンダに直接注入される場合に、燃料と不燃性流体注入との間の相互作用を防ぐことによって、排気ガス排出の増加を回避することを可能にする。
【００３７】
以下では、添付の例示的な図面を参照して、少なくとも１つの優先的な例に基づいて、請求される主題をさらに説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】図１は、シリンダに水を注入する内燃機関のシリンダの概略図を示す。
【図２】図２は、水注入の開始を決定するための例を含むフローチャートを示す。
【図３】図３（図３（３ａ）〜図３（３ｃ））は、高圧燃料注入器の特性信号を概略的に示す。
【図４】図４は、異なる温度で決定された２つの燃料蒸発曲線を概略的に示す。
【図５】図５（図５（５ａ）〜図５（５ｄ））は、単一燃料注入を適用する場合の様々な水注入計画を示す。
【図６】図６（図６（６ａ）〜図６（６ｄ））は、複数の燃料注入を適用する場合の様々な水注入計画を示す。
【図７】図７（図７（７ａ）〜図７（７ｂ））は、複数の燃料注入を適用する場合のさらなる水注入計画を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
図１は、他の点では定められていない内燃機関の例示的なシリンダ１００を示しており、複数のシリンダ１００を有し得る。エンジンは、例えば、２つ、３つ、４つ、６つ、８つ以下／以上のシリンダ１００を有し得る。シリンダ１００は、移動を可能にするコネクティングロッド３を備えたピストン２が配置された燃焼室１を含む。コネクティングロッド３は、既知のクランクシャフトであり得るクランクシャフト（図示せず）に接続されている。
【００４０】
燃焼室１には、吸気バルブ６を備えた（空気）吸気ポート４と、排気バルブ７を備えた排気ポート５が接続されている。周囲空気は、吸気ポート４を通って燃焼室１に引き込まれる。排気ガスは、排気ポート５を介して燃焼室１から排出される。点火プラグ１０ａおよび点火コイル１０ｂを備える火花点火ユニット１０は、内燃機関に取り付けられている。火花点火ユニット１０は、好ましくは、可変火花持続時間またはマルチ火花点火を提供する。内燃機関（または短く「燃焼機関」または「エンジン」）は、１つ以上の火花点火ユニット１０を有し得る。好ましくは、内燃機関は、シリンダ１００ごとに少なくとも１つの火花点火ユニット１０を有する。点火プラグ１０ａおよび燃料注入器８、またはその少なくとも一部は、燃焼室１の内部に接続され、その結果、点火および燃料が燃焼室１に導入／注入され得る。燃料注入器８の高圧燃料供給は示されていない。燃料注入器８は、好ましくは直接燃料注入器８であり得る。さらに、燃料注入器８は、好ましくは、電気油圧式燃料注入器または圧電燃料注入器であり得る。燃料注入器８は、図１に示されるように、シリンダ壁１１の横方向に配置することができるが、点火プラグ１０ａに近いシリンダ内の中央位置に配置することもできる。
【００４１】
さらに、不燃性燃料注入器９は、シリンダ１００の燃焼室１の内側に接続されて、水を燃焼室１に直接注入する。注入される液体は水であることが最も好ましいので、蒸発エンタルピーが高い他の液体も使用できるが、「水注入器」という用語は、不燃性燃料注入器９の１つの特定の例として使用される。水注入器９は、最大１５バールの注入圧力を有する低圧注入器、または好ましくは、１５バールを超える注入圧力を有する高圧注入器であり得る。水注入器９は、図１に示されるように、シリンダ壁１１の横方向に配置することができるが、点火プラグ１０ａに近いシリンダ内の中央位置に配置することもできる。（図１に示されるように）シリンダ壁１１に接続された水注入器９の代替として、またはそれに加えて、１つ以上の水注入器９を１つのシリンダ１００の吸気ポート４に接続することができる。
【００４２】
内燃機関への水注入を制御するためのコントローラ１２が図１によってさらに示されている。コントローラ１２は、所定の内燃機関の状態に従って、注入器９によって注入される水の量および水注入のタイミングを決定することができる。例えば、コントローラ１２は、マップ、表などを使用して、エンジン状態に応じて注入される水の量を決定することができ、これは、パラメータによって定義され得、そして注入される水の量を調べるために使用される。続いて、コントローラ１２は、燃料注入の注入パラメータに基づいて水注入の開始を決定する。燃料注入の開始、燃料注入の持続時間、および燃料注入の終了などの燃料注入パラメータもまた、コントローラによって決定される。例えば、コントローラ１２は、マップ、表などを使用して、エンジン状態に応じて前記燃料注入パラメータを決定することもできる。さらに、燃料蒸発の程度を決定するための少なくとも１つのマップまたは表および／またはモデルは、図４に関して以下に説明されるように、コントローラ１２に実装され得る。
【００４３】
コントローラは、火花点火ユニット１０、直接燃料注入器８、および水注入器９に電気的に接続され、複数のユニット／注入器／アクチュエータを制御する。コントローラ１２は、例えば、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）であり得る。
【００４４】
コントローラ１２は、他の任意の制御ユニットであってもよく、コントローラ１２と制御ユニットとの間の信号線接続は、図１の例とは異なる場合がある。例えば、制御されたユニットのサブグループを制御することができる複数のコントローラ１２があり得、例えば、１つのコントローラ１２−１は燃料注入器のみを制御することができ、別のコントローラ１２−２は水注入器９のみを制御することができる、などである。さらに、複数のコントローラ１２がある場合、これらのコントローラ１２は、階層的にまたは別の方法で互いに相互接続することができる。
【００４５】
また、燃焼室１内の圧力を測定できるように、図示しない圧力センサを燃焼室壁１１に配置することができる。燃焼室１内の圧力を測定することは、注入される水の量のフィードバック制御をサポートすることができる。
【００４６】
図２は、水注入の開始を決定するための１つの特定の例のフローチャートを示している。第１のステップＳ１において、燃料注入の開始、燃料注入の終了、および注入された燃料の蒸発の終了などの燃料注入パラメータが計算および／または推定される。続いてまたは並行して、さらなるステップＳ２において、必要な水注入持続時間が計算され、ここでエンジン状態は、水圧および水注入器の流量に応じて水注入持続時間をもたらす必要な水量を定義する。燃料蒸発終了（ＥＯＥｆｕｅｌ）と点火上死点（ＩＴＤＣ）との間の時間が水注入持続時間より長い場合、燃料蒸発終了後（ＥＯＥｆｕｅｌ、Ｓ３）に水注入開始（ＳＯＩｗａｔｅｒ）が設定され、水注入が実行される（Ｓ４）。そうでない場合、燃料注入の終了（ＥＯＩｆｕｅｌ）と点火上死点（ＩＴＤＣ）との間の時間が水注入時間よりも長いかどうかが確認される。この場合、水注入の開始（ＳＯＩｗａｔｅｒ）は、燃料注入の終了（ＥＯＩｆｕｅｌ、Ｓ４）の後に設定され、より正確には、水注入の開始は、燃料注入の終了（ＥＯＩｆｕｅｌ）と燃料蒸発（ＥＯＥｆｕｅｌ）終了との間に設定され、水注入が実行される（Ｓ６）。燃料注入終了（ＥＯＩｆｕｅｌ）と点火上死点（ＩＴＤＣ）との間の時間が水注入持続時間より短い場合、ガス交換上死点（ＧＴＤＣ）と燃料注入開始（ＳＯＩｆｕｅｌ）との間の時間が、安全マージン（ｘ）が追加された水注入時間よりも長いかどうかが確認される。これは、ピストンが水注入によって濡れないようにするために必要である。ＧＴＤＣとＳＯＩｆｕｅｌとの間に十分な時間があれば、水注入の開始（ＳＯＩｗａｔｅｒ）は、燃料注入の開始（ＳＯＩｆｕｅｌ）の前に設定される。そうでない場合、必要な水の全量がいくつかの水注入に分割される（Ｓ９）。例えば、図２に示すように、２回の水注入を適用することができ、第１の水注入の開始（ＳＯＩｗａｔｅｒ１）は燃料注入の開始前（ＳＯＩｆｕｅｌ、Ｓ１０）に設定され、第２の水注入の開始（ＳＯＩｗａｔｅｒ２）は燃料蒸発の終了後（ＥＯＥｆｕｅｌ、Ｓ１１）に設定でき、水注入を実行できる（Ｓ１２）。上記の手順は、水と燃料注入との間の衝突が防止されるように水注入の開始を決定するための１つの可能な例を示していることに留意されたい。
【００４７】
さらに、一部のステップを省略したり、別の順序でステップを実行したりすることができる。例えば、図２に示すフローチャートのステップＳ１からＳ４のみを実行でき、これには、注入パラメータを決定するステップ（Ｓ１）、水注入持続時間を計算するステップ（Ｓ２）、燃料蒸発終了（ＥＯＥｆｕｅｌ）と点火上死点（ＩＴＤＣ）との間の時間が水注入時間より長い場合、水注入の開始（ＳＯＩｗａｔｅｒ）を燃料蒸発終了後（ＥＯＥｆｕｅｌ、Ｓ３）に設定するステップ、および水注入を実行するステップ（Ｓ４）が含まれる。
【００４８】
別の例では、条件「ＩＴＤＣ−ＥＯＥｆｕｅｌ＞持続時間ＷＩ」を省略でき、方法はＳ１、Ｓ２、Ｓ５、およびＳ６のみを実行でき、これには、注入パラメータを決定するステップ（Ｓ１）、水注入持続時間を計算するステップ（Ｓ２）、燃料注入終了（ＥＯＩｆｕｅｌ）と点火上死点（ＩＴＤＣ）との間の時間が水注入時間より長い場合、水注入の開始（ＳＯＩｗａｔｅｒ）を燃料注入終了後（ＥＯＩｆｕｅｌ、Ｓ５）に設定するステップ、および水注入を実行するステップ（Ｓ６）が含まれる。
【００４９】
さらなる例では、条件「ＧＴＤＣ−ＳＯＩｆｕｅｌ＞持続時間ＷＩ＋ｘ」のみを考慮することによって、ステップＳ１およびＳ２の直後にステップＳ７およびＳ８を実行することが可能である。さらに、別の例として、ステップＳ１、Ｓ２、Ｓ９〜Ｓ１２は、タイミング条件を考慮せずに実行することができる。
【００５０】
当業者が発明行為なしに改変を実施することができる限り、本方法は記載された例に限定されず、本方法ステップは異なる順序で実施することができ、別の方法で組み合わせることができることを理解されたい。さらに、個々のステップを省略して、追加のステップおよび条件を含めることができる。
【００５１】
図３（図３（３ａ）〜図３（３ｃ））は、高圧燃料注入器８を制御するための概略的な特性信号を示している。図３（３ａ）は、注入開始（ＳＯＩ）を開始し、注入持続時間を制御するために、例えば内燃機関のＥＣＵであるコントローラ１２から高圧燃料注入器８に送信される制御信号の例を示している。
【００５２】
図３（３ｂ）は、高圧燃料注入器８を制御するための制御電流曲線を概略的に示している。制御電流は、電流供給（ＳＯＣＦ）の開始時にブーストピークまで上昇する。これは、注入器ニードルを急速に加速し、その高速開放を保証するために必要な場合がある。最大ニードルリフトに達する可能性がある場合、制御電流は、ニードルを開いたままにするのに必要な値まで下げることができる。コントローラ１２が制御信号をオフにし得る場合には、制御電流を遮断することができる。
【００５３】
図３（３ｃ）は、例えば、測定または推定され得る高圧燃料注入器８の概略的なニードルリフト曲線を示している。制御信号の上昇（電流供給の開始、ＳＯＣＦ）は、電流供給の開始（ＳＯＣＦ）後、ニードルが開くまでに遅延時間があるため、「実際の」注入開始（ＳＯＩ）、つまり注入器ニードルの開放時間と等しくない場合があることに注意する必要がある。さらに、注入器制御電流の切り替え後、ニードルが閉じるまでにさらに時間がかかる場合がある。したがって、「実際の」注入終了（ＥＯＩ）は、電流供給の終了（ＥＯＣＦ）の所定の時間に発生する可能性がある。燃料注入の開始および終了などの注入パラメータが、制御信号または注入器制御電流を分析することによって決定される場合、ニードルを開閉するための特定の遅延時間を考慮する必要がある。
【００５４】
２つの燃料蒸発曲線が図４に概略的に示されており、曲線はそれぞれ、所与の温度、例えば、燃焼室内の２つの異なるガス温度での燃料蒸発プロセスを表す。提示された例では、温度Ｔ１は温度Ｔ２よりも高い。したがって、燃料が完全に蒸発するまでの時間ｔ１（１００％の蒸発度）は、時間ｔ２よりも短い。さらに、図示の蒸発曲線に関して、燃焼室１に残っている液体燃料の量（図４の図の矢印によって示される）を推定するために、特定の蒸発時間後の燃料蒸発の程度を決定することが可能である。燃料注入開始後の特定の時間における燃料蒸発の程度に関する情報を使用して、水注入の開始を開始できるかどうかを決定し、排気ガス排出に対する水注入の影響を推定することができる。事前に決定され、コントローラに格納された、図４に示されている曲線と同様の複数の燃料蒸発曲線が存在し得る。これらの曲線は、エンジン速度、エンジン負荷、燃料注入器８の位置、燃料圧力、燃料温度、燃料特性、注入燃料量などのエンジン状態に応じて、異なる境界条件に依存する場合がある。あるいは、またはさらに、蒸発曲線は、燃焼室１内の圧力および温度、燃料圧力、ならびに燃料液滴のレイノルズおよびウェーバー数などの現在の境界条件に応じて、コントローラ１２で計算されたモデルによって推定され得る。燃料注入開始後の特定の時間における燃料蒸発度に関する知識は、水注入の最適な開始を決定するために使用することができる。
【００５５】
図５（図５（５ａ）〜図５（５ｄ））は、燃料が燃焼室１に直接注入される単一燃料注入を使用する場合の異なる水注入計画を示している。
【００５６】
図５（５ａ）は、燃料注入と燃料蒸発が行われた後に水注入が行われる場合を示している。燃料注入は、吸気行程中に実行でき、ガス交換上死点（ＧＴＤＣ）に対して所定のマージンの後に開始できる。この場合、例えば燃料蒸発間隔ｔｆｕｅｌ ｅｖａｐ．は燃料注入の終了時（ＥＯＩｆｕｅｌ）に始まり、燃料は燃料蒸発の終了時（ＥＯＥｆｕｅｌ）に完全に蒸発した（１００％の蒸発度）と想定され、これは、下死点の前に決定（推定または測定）される。したがって、水注入の開始（ＳＯＩｗａｔｅｒ）は、燃料の蒸発を妨げることなく、吸気行程の最後に実行でき、これは、排気ガス排出への影響を回避しながらノッキングを抑制するための、圧縮行程のガス温度の低下につながる。
【００５７】
図５（５ｂ）には、圧縮行程中の燃料注入が示されている。図５（５ｂ）の例では、燃料蒸発の終了（ＥＯＥｆｕｅｌ）と点火上死点（ＩＴＤＣ）との間の時間が短すぎて、ＩＴＤＣの前に必要な量の水を完全に注入できない。したがって、水注入の開始（ＳＯＩｗａｔｅｒ）は、燃料蒸発間隔中に開始され、この場合、燃料注入の終了（ＥＯＩｆｕｅｌ）で開始し、燃料蒸発のマークされた終了（ＥＯＥｆｕｅｌ）で終了する。
【００５８】
図５（５ｃ）は、図５（５ｂ）と同様の注入方式を示している。ただし、燃料注入は圧縮行程の後の方で行われる。したがって、水注入の開始は、燃焼が行われる前に水が燃焼室１に入ることができるように（ＩＴＤＣにおけるＥＯＩｗａｔｅｒ）、燃料注入の終了（ＥＯＩｆｕｅｌ）時に開始される。燃料の蒸発は水注入によって部分的に影響を受ける可能性があるが、エンジンの排気ガス排出挙動は悪化しない。
【００５９】
図５（５ｄ）は、圧縮行程中の非常に遅い燃料注入を示しており、これは、噴霧誘導燃焼プロセスを実現する燃焼安定化に使用できる。この場合、燃料注入の終了（ＥＯＩｆｕｅｌ）はＩＴＤＣの直前に適用されるため、水注入は、圧縮工程の開始時の燃料注入の開始（ＳＯＩｆｕｅｌ）の前に実行される。
【００６０】
図５（５ｂ）および図５（５ｃ）に示すケースでは、燃料注入の開始（ＳＯＩｆｕｅｌ）前に水を注入することも可能であることに注意されたい。ただし、ノッキングを効率的に抑制するためには、燃焼直前の適時に水の蒸発熱を利用するために、圧縮行程のできるだけ遅くに水注入を行うことが好ましい。
【００６１】
図６（図６（６ａ）〜図６（６ｄ））は、複数の燃料注入方式を使用する場合の異なる水注入計画を示しており、ここでは、燃料は燃焼室１に直接注入され、例では、サイクルごとに２回の燃料注入が示されている。
【００６２】
図６（６ａ）は、第２の燃料注入とその燃料蒸発が行われた後に水注入が行われる場合を示している。２回の燃料注入は、ガス交換上死点（ＧＴＤＣ）に対する所定のマージンの後に開始する吸気行程中に実行され、第２の燃料注入の開始（ＳＯＩｆｕｅｌ２）は、第１の燃料注入の終了（ＥＯＩｆｕｅｌ１）に対する所定のマージンの後に実行される。燃料蒸発間隔ｔｆｕｅｌ ｅｖａｐ．１およびｔｆｕｅｌ ｅｖａｐ．２は、例えば、この場合、各燃料注入の終了時（ＥＯＩｆｕｅｌ１およびＥＯＩｆｕｅｌ２）に開始し、燃料は、各燃料蒸発の終了時（ＥＯＥｆｕｅｌ１およびＥＯＥｆｕｅｌ２）に完全に蒸発することができ（蒸発度１００％）、第２の燃料蒸発の終了（ＥＯＥｆｕｅｌ２）は、下死点の前に決定（推定または測定）できる。したがって、水注入の開始（ＳＯＩｗａｔｅｒ）は、燃料の蒸発を妨げることなく、吸気行程の最後に実行でき、これは、ノッキングを抑制し、排気ガス排出の悪化を回避するための、圧縮行程のガス温度の低下につながる。
【００６３】
図６（６ｂ）は、複数の燃料注入を示している。第１の燃料注入は吸気行程中に実行され、第２の燃料注入は圧縮行程中に実行される。提示された例では、第２の燃料蒸発の終了（ＥＯＥｆｕｅｌ２）と点火上死点（ＩＴＤＣ）との間の時間が短すぎて、第２の燃料蒸発の後（ＥＯＥｆｕｅｌ２）に必要な量の水を完全に注入できない。したがって、水注入の開始（ＳＯＩｗａｔｅｒ）は、第２の燃料注入（ｔｆｕｅｌ ｅｖａｐ．２）の燃料蒸発間隔中に開始され、この場合、第２の燃料注入の終了時（ＥＯＩｆｕｅｌ２）に開始し、第２の燃料蒸発のマークされた終了時（ＥＯＥｆｕｅｌ２）に終了する。
【００６４】
図６（６ｃ）は、図６（６ｂ）と同様の注入方式を示している。第２の燃料注入は、圧縮行程の後の方で実行される。水注入の開始は、燃焼が行われる前に水が燃焼室１に入ることができるように（ＩＴＤＣにおけるＥＯＩｗａｔｅｒ）、第２の燃料注入の終了（ＥＯＩｆｕｅｌ２）時に開始される。燃料の蒸発は水注入によって部分的に影響を受ける可能性があるが、エンジンの排気ガス排出挙動は悪化しない。
【００６５】
図６（６ｄ）は、圧縮行程中に実行される複数の燃料注入方式を示している。このような燃料注入方式は、部分負荷における燃料消費量を削減するために、噴霧誘導希薄燃焼プロセスを実現するときに適用できる。遅い第２の注入は、希薄混合気全体を燃焼させる際の燃焼安定化に使用できる。この場合、第２の燃料注入の終了（ＥＯＩｆｕｅｌ）はＩＴＤＣの直前に適用されるため、水注入の開始（ＳＯＩｗａｔｅｒ）は、吸気工程の終了時の第１の燃料注入の開始（ＳＯＩｆｕｅｌ１）の前に実行される。
【００６６】
さらなる燃料および水注入方式を図７（図７（７ａ）および図７（７ｂ））に示す。
【００６７】
図７（７ａ）には、複数の燃料注入が示され、第１の燃料注入は吸気行程中に実行され、第２の燃料注入は圧縮行程中に実行される。この燃料注入方式は、２回の燃料注入の間に水を注入することを可能にし、水注入の開始（ＳＯＩｗａｔｅｒ）は、ＢＤＣの前の吸気工程の終了時に実行される。
【００６８】
図６（図６（６ｂ）および図６（６ｃ））に示す例では、２回の燃料注入の間に水注入を実行することも可能であることに注意する必要がある。それにも関わらず、ノッキングを効率的に抑制するために、最後の燃料注入の後に水を注入することが好ましい。
【００６９】
図７（７ｂ）は、燃料注入の前、間、または後に、吸入または圧縮工程中に必要な水の全量を注入するのに十分な時間がないため、１回の単一の水注入を実現できない例を示している。したがって、この例では、水注入は２つの注入に分割され、２回の燃料注入の間と第２の燃料注入の後に実行される。
【００７０】
本主題は、水と燃料注入の衝突によって引き起こされる排気ガス排出の増加に関する欠点なしに、ノッキングを効率的に抑制することを可能にすると要約される。
【００７１】
上記は、特定の態様および例によって実行される操作の特定の順序を説明しているが、代替案が異なる順序で操作を実行する、特定の操作を組み合わせる、特定の操作を重複させるなどの場合があるため、そのような順序は例示的であることを理解されたい。所与の態様への明細書における言及は、記載された態様が特定の特徴、構造、または特性を含み得るが、すべての態様が必ずしも特定の特徴、構造、または特性を含み得ないことを示す。本明細書に記載され、図によって示される特徴は、組み合わせることができる。本明細書に記載され、請求された主題はまた、それらが独立請求項の範囲に該当する限り、これらの組み合わせを伴うものとする。
【００７２】
説明および図面は、提案された方法、装置、およびシステムの原理を単に例示しているにすぎないことに再度留意されたい。したがって、当業者は、本明細書に明示的に記載または示されていないが、請求された主題の原理を具体化し、その精神および範囲に含まれる様々な構成を考案することができることが理解されよう。
【００７３】
さらに、上記の様々な方法のステップおよび説明されたシステムの構成要素は、プログラムされたコンピュータによって実行され得ることに留意されたい。本明細書において、いくつかの実施形態はまた、機械またはコンピュータで読み取り可能であり、機械実行可能またはコンピュータ実行可能の命令プログラムを符号化するプログラム記憶装置、例えば、デジタルデータ記憶媒体をカバーすることを意図し、前記命令は、上記の方法のステップのいくつかまたはすべてを実行する。プログラム記憶装置は、例えば、デジタルメモリ、磁気ディスクおよび磁気テープなどの磁気記憶媒体、ハードドライブ、または光学的に読み取り可能なデジタルデータ記憶媒体であり得る。実施形態はまた、上記の方法の前記ステップを実行するようにプログラムされたコンピュータをカバーすることを意図している。
【００７４】
さらに、本明細書に記載の様々な要素の機能は、専用ハードウェアならびに適切なソフトウェアに関連してソフトウェアを実行することができるハードウェアを使用することによって提供され得ることに留意されたい。プロセッサによって提供される場合、機能は、単一の専用プロセッサ、単一の共有プロセッサ、またはいくつかが共有され得る複数の個々のプロセッサによって提供されてもよい。さらに、「プロセッサ」または「コントローラ」という用語の明示的な使用は、ソフトウェアを実行できるハードウェアのみを指すと解釈されるべきではなく、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）ハードウェア、ネットワークプロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、ソフトウェアを格納するための読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、および不揮発性ストレージを限定なしに暗黙的に含む場合がある。従来型および／またはカスタムの他のハードウェアも含まれる場合がある。
【００７５】
最後に、本明細書のブロック図は、請求された主題の原理を具体化する例示的な回路の概念図を表すことに留意されたい。同様に、フローチャート、フロー図、状態遷移図、擬似コードなどは、コンピュータ可読媒体で実質的に表され、かつコンピュータまたはプロセッサが明示的に示されているかどうかに関わらず、コンピュータまたはプロセッサによって実行される様々なプロセスを表し得ることが理解されよう。
【００７６】
さらに、従属請求項における他の請求項の引用は、従属請求項の説明を理解しやすくするための単一の引用であるが、本発明は、複数の先行請求項が従属請求項に引用され、複数の多数従属請求項が従属請求項に引用される構成を含む。
【００７７】
再び要約すると、本主題は、水がシリンダに直接注入される場合に、燃料と水の注入の衝突によって引き起こされる排気ガス排出の増加を回避するための方法および関連する装置を提供する。
【符号の説明】
【００７８】
１  燃焼室
２  ピストン
３  コネクティングロッド
４  吸気ポート
５  排気ポート
６  吸気バルブ
７  排気バルブ
８  （高圧）燃料注入器
９  不燃性流体／水注入器
１０  火花点火
１０ａ  スパークプラグ
１０ｂ  点火コイル
１１  シリンダ壁
１２  コントローラ
１００  シリンダ
ＳＯＩ  注入の開始
ＥＯＩ  注入の終了
ＥＯＥ  蒸発の終了
ＳＯＣＦ  電流供給の開始
ＥＯＣＦ  電流供給の終了
ＩＴＤＣ  点火上死点
ＧＴＤＣ  ガス交換上死点
ＢＤＣ  下死点
ＷＩ  水注入
【図１】
2021527772.tif 000003
【図２】
2021527772.tif 000004
【図３】
2021527772.tif 000005
【図４】
2021527772.tif 000006
【図５】
2021527772.tif 000007
【図６】
2021527772.tif 000008
【図７】
2021527772.tif 000009
【国際調査報告】
2021527772.tif 000010
2021527772.tif 000011