(57)【要約】  本主題は、不燃性流体を内燃機関に注入するための装置および方法を提供する。不燃性流体の消費を減らすために、注入される流体は、噴霧特性を改善し、壁の濡れを減らし、燃焼室内の流体のより良い気化をもたらす所定の温度に加熱される。
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【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制御装置（２００）であって、前記内燃機関は少なくとも１つのシリンダ（１００）、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）を有し、
前記制御装置（２００）は、
−所定の温度値に到達させるために前記不燃性流体の温度を制御し、
−前記不燃性流体の前記温度に基づいて注入される不燃性流体の量を決定し、
−前記決定された量の不燃性流体を前記内燃機関に注入するために、前記不燃性流体注入器（９）を制御するように構成されている、制御装置（２００）。
【請求項２】
前記制御装置（２００）は、前記不燃性流体を加熱し、前記不燃性流体の前記温度の上昇に伴って、前記注入される不燃性流体の量を減少させるように構成されている、請求項１に記載の制御装置（２００）。
【請求項３】
前記制御装置（２００）は、過渡動作モードの開始および持続時間を検出および／または予測し、前記内燃機関が過渡動作モードで作動するとき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）を制御するように構成されている、請求項１に記載の制御装置（２００）。
【請求項４】
前記不燃性流体と同じ温度で、前記制御装置（２００）は、過渡動作中に定常状態モード中より多くの量の不燃性流体が注入されることを決定するように構成されている、請求項１に記載の制御装置（２００）。
【請求項５】
さらに、前記制御装置（２００）は、所定の値を維持するために、前記不燃性流体が注入される圧力を制御するように構成されている、請求項１に記載の制御装置（２００）。
【請求項６】
前記不燃性流体は水であり、前記水の所定の温度値は少なくとも１５℃である、請求項１に記載の制御装置（２００）。
【請求項７】
前記不燃性流体は水であり、所定の圧力値は、前記水が注入される大気の圧力よりも少なくとも１バール高い、請求項１に記載の制御装置（２００）。
【請求項８】
システムであって、
−請求項１に記載の制御装置（２００）と、
−内燃機関であって、少なくとも１つのシリンダ（１００）と、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）とを有する内燃機関と、
−前記不燃性流体を所定の温度値に加熱するための熱を提供するように構成された少なくとも１つの加熱装置と、を含む、システム。
【請求項９】
前記加熱装置の少なくとも１つは電気ヒータである、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
熱エネルギーを電気エネルギーに変換して、前記電気ヒータの少なくとも１つに電力を供給するように構成された少なくとも１つの変換ユニットをさらに含む、請求項８に記載のシステム。
【請求項１１】
前記加熱装置の少なくとも１つは、前記不燃性流体のための少なくとも１つの流路、ならびに前記内燃機関の排気ガスのための少なくとも１つの流路を含む熱交換器（１５、１５ａ）である、請求項８に記載のシステム。
【請求項１２】
前記加熱装置の少なくとも１つは、前記不燃性流体のための少なくとも１つの流路、ならびに前記内燃機関の冷却水のための少なくとも１つの流路を含む熱交換器（１５、１５ａ）である、請求項８に記載のシステム。
【請求項１３】
前記加熱装置の少なくとも１つは、前記不燃性流体注入器（９）に配置されている、請求項８に記載のシステム。
【請求項１４】
前記不燃性流体を貯蔵するための少なくとも１つのタンク（１０、１０ａ）をさらに含み、前記加熱装置の少なくとも１つは少なくとも１つのタンク（１０、１０ａ）に配置されている、請求項８に記載のシステム。
【請求項１５】
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）、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）を有し、前記方法は、
−所定の温度値に到達させるために前記不燃性流体の温度を制御するステップと、
−前記不燃性流体の前記温度に基づいて注入される不燃性流体の量を決定するステップと、
−前記決定された量の不燃性流体を前記内燃機関に注入するために、前記不燃性流体注入器（９）を制御するステップと、を含む、方法。
【請求項１６】
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１５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、不燃性流体を内燃機関に注入するための制御装置およびシステム、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方法およびコンピュータプログラム製品に関する。不燃性流体の注入量を、吸気ポートおよびシリンダ壁の壁の濡れを低減または回避することによって低減することができ、それにより、例えば、不燃性流体の補充サイクルが長くなり、エンジン損傷のリスクが減少するためにメンテナンスの必要性を低減できることは、請求項の主題の特定の技術的利点である。好ましくは、不燃性流体は水である。
【背景技術】
【０００２】
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。この種の水注入は、燃焼室に直接水を注入する場合と比較して、水注入器の適用を容易にし、全体的な水注入システムを簡素化することができる。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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−５１７１８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１は、液体水注入、高圧縮比、および希薄空燃比の組み合わせを含む車両の内燃機関について説明している。注入される水の量は、入口圧力、入口温度、相対湿度、および現在のエンジン動作パラメータに関連して制御される。
【０００５】
これまでに知られている水注入方法および装置の欠点は、注入された量の水の一部が吸気ポート壁で結露するために燃焼室内での気化には使用できないことから、水タンクがかなり大きくなければならないこと、および／または比較的短い時間サイクルで水を補充しなければならないことである。水滴がシリンダ壁から油膜を除去する可能性があるため、凝縮水はエンジン損傷のリスクをさらに高める。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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。
【０００７】
本明細書で説明および請求される主題は、注入された水を加熱することによって、吸気ポート壁での結露、いわゆる「壁の濡れ」を特に回避または少なくとも低減する。発明者らは、壁の濡れの低減／回避は、不燃性流体、好ましくは水を高温で注入することによって有益に達成できることを見出した。この方法は、レイノルズ数が増加し、したがって水注入の噴霧特性が改善される効果がある。したがって、不燃性流体の温度を上昇させることにより、注入される不燃性流体の量を減らすことができる。
【０００８】
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ように構成された制御装置（制御ユニット）を含む。内燃機関は、少なくとも１つのシリンダ、および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」または「注入器」）を有し得る。制御装置は、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、制御ユニットおよびエンジンは、１つ以上の信号線を介して接続され得る。
【０００９】
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り、これについては以下でさらに詳細に説明する。
【００１０】
制御装置は、不燃性流体（短くは「流体」）の温度を所定の（温度）値に制御するように構成され得る。これは、温度が所定の温度値に到達するように制御されることを意味し得る。所定の値に到達させるための流体の温度の制御は、加熱または冷却を含み得る。より好ましくは、所定の値に到達するように流体温度を制御することは、所定の温度値に流体を加熱することを含む。
【００１１】
制御装置は、所定の値に到達した後、燃焼機関への流体の注入を制御／開始するように構成することができる。あるいは、より好ましくは、制御装置は、注入される流体の量の決定（以下で詳細に説明される）が、注入が実行される前に、好ましくは毎回実行されるように、最終的な所定の値に到達する前に、および、例えば流体の加熱中に、燃焼機関への流体の注入を制御するように構成され得る。
【００１２】
さらに、別の代替案として、制御装置は、温度の最終的な所定の値に到達するまで、注入前（好ましくは、各注入前）の温度の（中間の）所定の値を変えることが可能である。
【００１３】
流体の加熱（または冷却）は、段階的または連続的に実行することができ、「段階的」は、５℃のような所定の温度上昇値によって不燃性流体を加熱すること、１５秒のような所定の時間その温度にとどまること、および最終的な所定の温度に到達するまでその手順を繰り返すこと、として理解されるべきである。
【００１４】
上記のように、制御装置は、注入される不燃性流体の量を流体温度に基づいて決定するように構成され得る。注入される不燃性流体の量を決定するために使用される温度値は、特に、制御装置が流体の加熱／冷却中に流体を注入するように注入器を制御する場合、注入される直前の流体の実際の温度であることが好ましい。注入される直前の流体の温度を使用する代わりに、または使用することに加えて、これは、流体の温度が流体注入器またはその供給パイプ内で測定されたことを意味し、貯蔵タンクなどの中の流体の温度を使用することができる。
【００１５】
あるいは、中間／最終の所定の温度値に達した後に流体が注入される場合、制御装置は、注入される流体の量を決定するために、前記中間／最終の所定の温度値を使用することができる。
【００１６】
「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」の意味を含み得る。例えば、制御装置は、流体温度を測定することができる流体温度センサから信号を受信することができ、測定された温度に基づいて、注入される流体の量を計算することができる。流体温度の測定値が提供されると、制御装置は、注入される流体の決定された量の精度を高めるために、閉ループ温度制御を実行することができる。あるいは、またはさらに、制御装置は、流体温度を推定し、フィードフォワード制御をもたらす可能性がある推定流体温度に基づいて、注入される流体の量を計算することができる。
【００１７】
制御装置は、不燃性流体注入器を制御して、決定された量の不燃性流体を内燃機関に注入するように構成することができる。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／水が吸気ポートに注入されるように配置される。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場合がある。あるいは、またはさらに、不燃性流体がシリンダ（燃焼室）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、内燃機関のシリンダごとに少なくとも１つの水注入器を設けることが好ましい。言い換えれば、注入器は、不燃性流体を吸気ポートおよび／または内燃機関の燃焼室に注入するように構成／配置され得る。さらに、制御装置は、不燃性流体注入器を制御して、不燃性流体を吸気ポートおよび／または内燃機関の燃焼室に注入するように構成することができる。
【００１８】
上記のように内燃機関への不燃性流体の注入を制御するように構成された制御装置は、吸気ポート壁または内燃機関のシリンダ壁上の不燃性流体による壁の湿潤を低減することを可能にする。これにより、とりわけ、車両内に運ばれ、繰り返し補充されなければならない水などの不燃性の流体を節約することができる。言い換えれば、不燃性流体用のタンクのサイズを縮小すること、および／または補充間隔を拡げることが有益に可能である可能性がある。さらに、エンジン壁への不燃性流体の結露を回避することにより、水などの不燃性流体がエンジンのオイル回路に入り、エンジンの損傷を引き起こす可能性があるリスクを低減する。
【００１９】
さらに、制御装置は、流体温度が上昇すると決定された量が減少するように、注入される不燃性流体の量を決定するように構成され得る。言い換えれば、水などの不燃性流体の温度が、例えば、その加熱中に２５℃から４５℃まで上昇しているとき、注入される流体の量の減少は、２５℃で注入される量と比較して、４５℃で決定され得る。高温の水を吸気ポートに注入することは、壁の濡れを減らし、したがって燃焼室内で気化する流体の量を増やすのに有利であることが分かっている。流体の温度が高くなると、水などの流体の動粘度が低下するため、レイノルズ数が高くなる。レイノルズ数は、流体内の慣性力と粘性力の比によって定義され、次の式（１）に基づいて計算できる。
【数１】
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【００２０】
ｕｆは流体の速度、ｄは代表的な直径、ｖｆは流体の動粘度である。
【００２１】
注入器内の流体の流れのレイノルズ数が高いほど、噴霧分裂が改善されるため、吸気ポート壁での流体の結露が減る。壁の濡れによって失われる水が少ないため、燃焼室内で気化する水が多くなり、燃焼温度をより効率的に下げることができ、ノッキングを防ぐために注入する流体が少なくて済む。流体がシリンダに入る温度はより高く、エンジンの挙動および流体消費に悪影響を与えると考えられているが、シリンダ内で気化するより多くの量の水が、流入してくる流体のより高いエンタルピーを過補償することが発明者らによって発見された。言い換えれば、発明者らは、より高温の流体を吸気ポートに注入することで気化が改善されることにより、ノッキングを抑制し、燃料消費を低減するという所望の効果を達成するために、注入される流体の量を減らすことができることを見出した。これにより、とりわけ、水などの不燃性の流体を節約し、オイルの希釈によるエンジンの損傷を防ぐことができる。
【００２２】
好ましくは、制御装置は、内燃機関が過渡動作モードで作動するとき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ように構成され得る。「過渡動作モード」という用語は、好ましくは、負荷および／または速度および／またはバルブタイミングおよび／またはＥＧＲバルブ開放角および／またはスロットルバルブ開放角および／または内燃機関の他の空気量制御装置の変化が生じる運転状況を伴うと解釈され得る。言い換えれば、内燃機関は、例えば、負荷および／または速度および／または内燃機関の空気量制御装置が変化する／変更されるとき、またはその期間中に、過渡動作モードで作動することができる。
【００２３】
さらに、制御装置は、過渡動作モードの開始および持続時間を検出および／または予測するように構成され得、同じ温度で比較した場合、定常状態モード中に注入される決定された量よりも多い、過渡動作モード中に注入される不燃性流体の量を決定するように構成され得る。したがって、制御装置は、過渡動作モードの開始を検出および／または予測することができる。制御装置は、追加的または代替的に、過渡動作モードの持続時間を検出および／または予測することができる。過渡動作モードの開始が決定されたとき、および／または過渡動作モードの予測された開始時に、制御装置は、注入される不燃性流体の量を増やすことができる。さらに、制御装置はまた、過渡動作モードの終了を検出した後、または過渡動作モードの予測された／決定された持続時間の満了後に、流体注入量を減らすことができる。
【００２４】
過渡動作モード中の燃焼エンジンへの上記の流体注入量の増加（定常状態モードおよび同じ温度における増加）は、特に燃焼条件が、例えば、エンジンの負荷が急速に上昇したとき、または高温の内部残留ガス量が増加したときに起きる、燃焼温度が上昇するような方法で変化するときに、燃焼温度を下げるという観点から有利であることが見出された。さらに、過渡動作モード中に、増加した量の流体を注入することにより、燃料消費量が減少することが見出された。したがって、定常状態での注入流体量と比較して、過渡動作モードでの注入流体量を増やすことにより、過渡ノッキングを防止し、内燃機関の性能を維持し、燃料消費量を低減することができる。
【００２５】
過渡動作モードを検出するために、例えば、内燃機関が配置されている車両のペダルの位置（ペダル値として）、および／またはペダルの位置（値）の一次導関数、例えば、時間の経過に伴う位置の変化を使用することができる。ペダルは、例えば、加速ペダルまたはブレーキペダルであり得る。これらのペダル値は、目標動作点とそれを達成するまでの時間に関する情報を提供する。例えば、ペダル位置を変更する勾配が所定の閾値よりも大きい場合、過渡動作モードがアクティブであると定義することができる。さらに、ペダル値の変化は、内燃機関の複数のアクチュエータの反応を必要とし得る。すべてのアクチュエータには応答遅延時間があるので、シリンダ内の目標動作点の状態を予測するために、アクチュエータの目標値を使用することができる。さらに、異なるアクチュエータの応答特性に応じて、過渡動作モードの開始と持続時間を決定することができる。例えば、予想される気団および予想される温度を予測するために、吸入バルブ閉鎖の目標値および／または吸入バルブ切り替えシーケンスからの複数の値を使用することができる。この目的のために、適用されたアクチュエータの動作を表す制御方式を制御装置に格納することができる。過渡動作モードの検出／予測は、上記の方法に限定されず、ステレオカメラなどの外部エリアセンサによって提供されるデータを使用するなどの、異なる方法で実行することもできる。
【００２６】
制御装置によって実行され得る、過渡動作モードの検出／予測により、水注入のタイミングを正確にとることができ、過渡動作モード中の水注入の上記の利点が最適に実行される。
【００２７】
さらに、制御装置は、所定の値を維持するために、不燃性流体が注入される圧力を制御するように構成され得る。不燃性流体が注入される圧力は、流体注入器に近い流体回路内または流体注入器内の流体の圧力を測定／推定することによって制御することができる。流体圧力の測定値が提供されると、制御装置によって閉ループ圧力制御を実行することができるが、推定流体圧力はフィードフォワード制御をもたらす可能性がある。噴霧分裂をさらに増加させるために、流体圧力の増加が有益であることが見出された。第一に、流体圧力の増加は、注入速度を増加させることによってレイノルズ数の増加につながる。さらに、ウェーバー数Ｗｅは注入速度の二乗に依存するため、ウェーバー数Ｗｅもさらに大きくなり得る。これは、流体液滴内の表面力に対する慣性力の比率によって定義され、次の式（２）に基づいて計算できる。
【数２】
2021525335.tif 000004
【００２８】
ρｆは流体の密度、ｄｓは流体注入器の噴霧穴の直径、ｕｆ，ｄｒは流体の液滴の速度、σｆは流体の表面張力である。流体の表面張力も温度に依存するため、ウェーバー数Ｗｅも温度の上昇とともに増加するが、圧力の上昇はより大きな影響を及ぼす。
【００２９】
ウェーバー数が大きいほど、小さな液滴によるより効果的な一次噴霧分裂を特徴とし、壁の濡れを防ぐのに役立つ。言い換えれば、上記のように注入圧力を制御すると、流体速度が増加し、したがって、壁の濡れを回避し、流体消費を節約するさらに改善された噴霧特性につながる。これにより、メンテナンスが改善され、オイルの希釈によるエンジン損傷のリスクが低くなる。
【００３０】
さらに、不燃性流体は水であり得、水の（最終的な）所定の温度値は、少なくとも１５℃であり得る。好ましくは、水温は２５℃から９９℃の範囲にあり得、より好ましくは、水温は３５℃から９９℃の範囲にあり得、さらにより好ましくは、水温は４０℃から９９℃の範囲にあり得る。あるいは、ガソリンが注入されるかのように不燃性流体を注入するときに、同じまたは少なくともほぼ同じレイノルズ数およびウェーバー数が達成されるように、最終的な所定の温度値を設定することもできる。水の場合、この温度は約４７℃である。この温度値を設定すると、水の加熱によるエネルギー消費量は少なくなるが、節約できる水の量は少し少なくなる。
【００３１】
さらに、所定の圧力値は、水が注入される大気の圧力より少なくとも１バール高くてもよい。好ましくは、過圧は２バールから３０バールの範囲であり得、より好ましくは、水の過圧は７バールから１５バールの範囲であり得、これは、例えば、ポート燃料注入などに通常適用される一般的な注入ポンプによって達成され得る。
【００３２】
上記の温度および圧力範囲で、好ましくは水である流体の注入を実行すると、壁の濡れが減少し、したがって、一般的な流体／水の消費量が減少する。さらに、圧力供給と注入のための一般的で確立されたコンポーネントを使用することができ、水注入システムのコストを制限するのに役立つ。
【００３３】
さらに、請求される主題は、上記のように内燃機関への不燃性流体の注入を制御するように構成され得る制御装置を含み得るシステムを含み得る。制御装置または制御ユニットは、内燃機関に含まれ得るが、「含む」とは、制御ユニット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、システムは、内燃機関を備えてもよく、内燃機関は、少なくとも１つのシリンダ、および内燃機関に不燃性流体を注入するように構成され得る少なくとも１つの不燃性流体注入器を備えてもよい。好ましくは、内燃機関は、可変バルブトレイン、ターボチャージャ、および／または内部ＥＧＲシステムを有し得る。エンジンは、１４から１８などの高い圧縮比を有するガソリンエンジンであり得る。
【００３５】
システムはまた、不燃性流体を加熱するための熱を提供するように構成され得る加熱装置を含み得る。加熱装置は、流体タンク上／内、および／または流体注入器上、または注入される流体の量を加熱するのに適した他の任意の位置に配置され得る電気ヒータであり得る。追加的または代替的に、加熱装置は、冷却水またはエンジンの排気ガス、あるいは熱を伝達するのに適した他の任意の媒体に熱的に接続され得る熱交換器を含み得る。
【００３６】
さらに、システムは、少なくとも１つの加熱装置を含み得、ここで、加熱装置の少なくとも１つは、電気ヒータである。電気ヒータは、注入器上またはタンク上／内に配置することができる。電気ヒータを注入器に配置するために、加熱抵抗器または加熱コイルなどを使用することができ、これらは、流体注入器内の流体貯蔵室の周りに適用することができる。タンク内の流体を加熱するために、浸漬ヒータが考えられる場合もある。電気ヒータの適用は安全な熱供給を提供し、追加の電気エネルギーを必要とする。所定の温度値までの最終加熱は、注入器内で実行できる。流体注入器内で加熱される流体の量はかなり少ないため、エネルギー損失はごくわずかである。
【００３７】
不燃性流体の電気加熱によって引き起こされるエネルギー損失をさらに回避するために、システムは、少なくとも１つの電気ヒータを動作させるために熱エネルギーを電気エネルギーに変換するように構成され得る少なくとも１つの変換ユニットを含み得る。変換ユニットは、ゼーベック発電機などの熱電発電機（ＴＥＧ）であり得、例えば燃焼機関の排気ガスパイプの周囲に配置することができる。ＴＥＧは、導体が温度差にさらされると導体に電圧が発生することを示すゼーベック効果を使用する。導電性材料を破壊する可能性のある過度の高温でのＴＥＧの動作を回避するために、排気ガスパイプをバイパスとして実装することができる。
【００３８】
あるいは、またはさらに、排気ガスタービンをエンジンの排気ガスシステムに実装して、電気ヒータに電気エネルギーを供給するための発電機を駆動することができる。排気ガスタービンは、例えば、ターボチャージャのタービンの後ろにある別の排気ガス経路および／または主排気ガス経路内に配置することができる。発電機は、エンジンの発電機、または電気ヒータにエネルギーを供給するためだけに実装された別個の発電機であり得る。燃焼機関の加熱損失は電気エネルギーに変換されるので、上記の方法で電気エネルギーを生成することは、流体加熱のための追加のエネルギーの消費を防ぐ。
【００３９】
さらに、システムは、少なくとも１つの加熱装置を含み得、ここで、加熱装置の少なくとも１つは、不燃性流体のための少なくとも１つの流路、ならびに内燃機関の排気ガスおよび／または冷却水のための少なくとも１つの流路を含む熱交換器であり得る。流路は、平行流、向流、または直交流設計で配置できる。好ましくは、最高の効率を提供するので、流路は向流設計で配置され得る。熱交換器は、プレート熱交換器、プレートフィン熱交換器、シェルアンドチューブ熱交換器、または車両での使用に適した任意のさらなる設計として設計することができる。熱交換器は、不燃性流体を貯蔵するためのタンクに、または不燃性流体パイプに沿って、好ましくは流体注入器の近くに配置することができる。複数のタンクおよび複数の熱交換器を設置することができ、いくつかのタイプの熱交換器を使用することができる。燃焼エンジンの加熱損失が不燃性流体を加熱するために使用されるため、上記の方法で熱交換器を操作すると、エネルギーの効率的な使用につながる。
【００４０】
さらに、システムは、少なくとも１つの加熱装置を含み得、ここで、加熱装置の少なくとも１つは、不燃性流体注入器に配置される。加熱装置は、上記のような電気ヒータであり得るか、または注入器は、エンジン冷却水などのような熱伝達媒体中に配置され得る。両方の組み合わせも実装できる。その場合、注入器を熱伝達媒体に配置すると、その予熱が起こり、電気ヒータを、不燃性流体の急速な加熱を必要とする過渡動作モードに使用することができる。不燃性流体を流体注入器で直接加熱することには、注入される流体の量だけを加熱する必要があるという利点がある。したがって、必要な加熱エネルギーはごくわずかであり、全体的な燃料消費量にはほとんど影響がない。
【００４１】
代わりに、またはそれに加えて、システムはまた、できる限り望ましい流体の冷却を可能にするための、熱交換器またはペルチェ素子などの１つ以上の冷却装置を含み得る。
【００４２】
さらに、システムは、不燃性流体を貯蔵するための少なくとも１つのタンクを含み得、ここで、加熱装置の少なくとも１つは、少なくとも１つのタンクに配置することができる。システムは、熱交換器を装備することができる複数のタンクを含み得る。タンクは、異なるサイズであり得、例えば、１つのより大きな主タンクと、熱交換器によって水が加熱される第２のより小さなタンクである。好ましくは、第２のタンクは、タンクから流体注入器に向かう途中の加熱損失を回避するために、不燃性流体注入器の近くに配置される。流体タンク上の熱交換器と流体注入器上の電気ヒータの組み合わせも実装できる。この組み合わせにより、タンク内の不燃性流体が予熱され、過渡動作状況での急速な加熱に必要な電気エネルギーが削減される。
【００４３】
さらに、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を含み得、内燃機関は、少なくとも１つのシリンダ、および不燃性流体を内燃機関に注入するように構成され得る少なくとも１つの不燃性流体注入器を有し得、方法は、所定の温度値に到達させるために不燃性流体の温度を制御するステップ、不燃性流体の温度に基づいて注入される不燃性流体の量を決定するステップ、および決定された量の不燃性流体を内燃機関に注入するために、不燃性流体注入器を制御するステップを含み得る。この方法はまた、上記のような制御装置の構成から導き出すことができるさらなるステップを含み得る。
【００４４】
さらに、請求される主題は、コンピュータによって実行されると、コンピュータに上記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を含み得る。「含む」とは、制御ユニット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。
【発明の効果】
【００４５】
要約すると、請求される主題は、過渡状態および定常状態の運転状態において、流体注入内燃機関で使用される流体の量を減らすことを可能にする。流体量の削減は、流体を所定の温度に加熱することによって達成され、これにより、噴霧特性が向上し、壁の濡れが回避される。流体は好ましくは水である。
【００４６】
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】
【００４７】
【図１】図１は、吸気ポート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（図２ａ〜図２ｃ）は、水およびガソリンまたはヘプタンの様々な流体特性を示す。
【図３】図３は、請求される制御方法のフローチャートを示す。
【図４】図４（図４ａ〜図４ｂ）は、エンジン負荷、水量、および注入水温の概略的な傾向を持つ２つの信号時間図を示す。
【図５】図５（図５ａ〜図５ｂ）は、水注入システムのコンポーネントを配置するための２つの例を示す。
【図６】図６（図６ａ〜図６ｂ）は、熱交換器の２つの概略例を示す。
【図７】図７（図７ａ〜図７ｃ）は、水ポンプと加熱装置を配置するための３つの例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
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。
【００４９】
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１２ａおよび点火コイル１２ｂを備える火花点火ユニット１２は、内燃機関に取り付けられている。火花点火ユニット１２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１２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１２を有する。点火プラグ１２ａ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。
【００５０】
さらに、不燃性燃料注入器９は、シリンダ１００の吸気ポート４に接続されている。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。（図１に示されるように）吸気ポート４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のシリンダ壁１４に接続して、直接燃焼室１に水を注入することができる。
【００５１】
内燃機関への水注入を制御するための制御ユニット２００が図１にさらに示されている。制御ユニット２００は、車両の異なる位置に配置された複数のサブユニットを有する。
【００５２】
これらのサブユニットの１つは、注入される水の圧力および温度を調整および制御するように構成された水圧および水温制御ユニット２０１である。この目的のために、水圧および水温制御ユニット２０１は、信号線によって制御ユニット２００から水温および水圧の目標値を受け取り、要求された水温を提供するように加熱ユニット（図示せず）と、要求された圧力を提供するように圧力ユニット（図示せず）とを制御する。制御ユニット２００は、注入器９に近い水道管に配置された、または注入器９の内部に配置された、または関連する水圧と温度を検出するのに適した水システムの任意の他の場所に配置された圧力および温度センサ（図示せず）から、注入される水の実際の圧力および温度を受け取る。このようにして、水圧と水温のフィードバック制御を実現することができる。
【００５３】
制御ユニット２００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を決定することができる。例えば、制御ユニット２００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、制御ユニット２００は、注入される水の測定または推定された温度および／または測定または推定された圧力に従って、エンジンの一般的な状態に基づいて水量を適合させることができる。この水量の適応はまた、マップ、表などで提供され得るか、または方程式に基づいて計算され得る。
【００５４】
制御ユニット２００は、火花点火ユニット１２、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。制御ユニット２００は、例えば、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）であり得、水圧および水温制御ユニット２０１は、ＥＣＵの一部または別個のサブユニットであり得る。
【００５５】
水圧および水温のフィードバック制御を水圧および水温制御ユニット２０１に実装することも可能であり得る。その場合、圧力および温度センサをそれに接続することができる。また、水圧および水温制御ユニット２０１においても、水圧および水温に応じた水量の計算を行うことができる。
【００５６】
制御ユニット２００は、他の任意の制御ユニットであってもよく、制御ユニット２００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制御ユニット２００があり得、例えば、１つの制御ユニット２００−１は燃料注入器８のみを制御することができ、別の制御ユニット２００−２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、複数の制御ユニット２００がある場合、これらの制御ユニット２００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。あるいは、複数のアクチュエータのすべての制御機能を含む単一の制御ユニット２００があり得る。
【００５７】
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１４内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。
【００５８】
予熱された注入水の噴霧化の改善につながる効果をさらに説明するために、図２ａ〜図２ｃは、水とガソリン、またはガソリンの基準として使用されるヘプタンの流体特性の比較を示している。図２ａは、２５℃における水とヘプタンの流体特性を示す表を示している。２５℃における水の密度は、ヘプタンの密度よりも大幅に高いことが明らかになる。したがって、その温度における水のレイノルズ数は、ガソリンのレイノルズ数の６４％にすぎない。さらに、図２ａは、２５℃における水の表面密度がヘプタンの表面密度よりも高いことを示しており、これにより、ウェーバー数はヘプタンのウェーバー数の４４％にすぎないことが分かる。したがって、２５℃における水の噴霧特性はヘプタンに比べて悪く、したがって、ポート水注入を使用すると、ガソリンのポート燃料注入と比較して、吸気ポート壁でより多くの水が結露する。ただし、図２ｂに明確に示されているように、水の動粘度は、ガソリンの場合とは異なり、その温度に大きく依存する。したがって、発明者が発見したように、図２ｃに示すように、水を４７℃に加熱することにより、水のレイノルズ数をガソリンのレイノルズ数に等しくすることができる。つまり、約４７℃の水を使用することで、水の噴霧特性をガソリンの噴霧特性に適合させることができる。
【００５９】
図３のフローチャートは、定常状態および過渡状態で注入される水の量を制御するための可能な一連のステップの例を示している。この例では、不燃性流体は水であり得、注入される水の所定の温度は１００℃であり得るが、制御シーケンスはこれらの条件に限定されない。蒸発エンタルピーが高い他の液体も使用でき、他の所定の注入温度値も使用できる。
【００６０】
例えばエンジンが高負荷で動作している場合に当てはまり得るが、一般的に水注入が必要かどうかを確認した後、エンジンが過渡モードで動作しているか定常状態モードで動作しているかが決定される。決定されたエンジン動作モードに応じて、ステップＳ２１０からＳ２１３またはＳ２２０からＳ２２３が実行される。過渡運転の場合、エンジン動作状態に基づく水量は、ステップＳ２２０で決定される。ステップＳ２２１において、以前に決定された水量は、注入される水の温度に応じて適合される。続いて、ステップＳ２２２で水注入が実行される。この例において所定の注入温度として選択されている沸点よりも水温が低い場合、水はさらに加熱される（Ｓ２２３）。沸点以外の所定の温度値も使用できる。
【００６１】
次に、エンジンの状態（一般的な水注入の必要性および過渡状態または定常状態の動作モード）を確認することにより、シーケンスが再び開始される。定常動作モードが検出されると、定常運転に必要な水量は、ステップＳ２１０において、エンジン動作状態に基づいて決定される。次に、以前に決定された水量は、注入される水の温度に応じて適合され（Ｓ２１１）、水注入が実行される（Ｓ２１２）。水温が沸点以下の場合、水はさらに加熱される（Ｓ２１３）。次に、シーケンスが再び開始され、エンジンが水注入を必要としない動作点に到達するまで、定常状態または過渡動作モードで繰り返される。上記の例では、いくつかのステップが省略されたり、繰り返されたりする可能性があることを理解する必要がある。例えば、必要な水量を決定するために、いくつかの確認ステップが続いてまたは並行して実行され得る。
【００６２】
図４ａおよび図４ｂは、注入された水の量の温度依存性を示している。この例では、不燃性流体の一例として水が再び使用されている。図４ａには、典型的なエンジン負荷の増加／加速が、第１の時間Ｔ１で始まり、第２の時間Ｔ２で終わる例として示されている。各負荷増加の間、水は異なる温度（４０℃、６０℃、８０℃、および９９℃）で注入され、加速中は水温が一定に保たれた。必要な水の量は水温の上昇とともに減少し、加速中は一定に保たれることが明確に認識できる。図４ｂには、エンジン負荷の増加／加速の同じ例が、加速の終わりにエンジンが到達する負荷における定常状態動作によって延長されて示されている。図４ａの条件とは異なり、負荷が増加する間に水温が４０℃から９９℃に様々な形で変化した。水温が４０℃（実線）で一定に保たれている場合、注入される水の量は加速の開始時に増加し、加速の終了まで一定に保たれなければならない。エンジンが加速前の動作点に比べて高い負荷で定常状態の動作点に到達すると、水量を減らすことができるが、加速前よりも高いままである。水が４０℃から９９℃（破線）に加熱されると、過渡動作モードで注入される、以前に増加した水量は、上昇する水温に応じて加速中に減少する可能性がある。さらに、９９℃の温度の水を注入する定常状態モードで必要な水量は、４０℃の水温で必要な水量と比較して少なくなっている。
【００６３】
図５ａおよび図５ｂは、熱交換器１５、１５ａおよびポンプ１６、１６ａを配置して、水または別の不燃性流体をタンク１０、１０ａから注入器９に、要求される温度および圧力で送達する２つの異なる例を示している。この例では、不燃性流体の一例として水が再び使用されている。図５ａでは、熱交換器１５は水タンク１０に配置され、水ポンプ１６はタンク１０と水注入器９との間に配置されている。その場合、水ポンプ１６は予熱された水を圧縮しなければならない。図５ｂは、２つの水ポンプ１６、１６ａおよび２つの水タンク１０、１０ａを含む構成を示している。熱交換器１５は、２つの水ポンプ１６、１６ａの間に配置された、より小さな第２の水タンク１０ａに配置されている。水タンク１０からの水は、水が熱交換器１５によって加熱される第２のタンク１０ａに到達する前に、水ポンプ１０によって予圧縮される。第２の水ポンプ１６ａは、水を、水注入器９によって注入される所定の圧力値に圧縮する。本出願は、図５ａおよび図５ｂに示される水システム構成に限定されない。３つ以上の水タンク、複数の熱交換器、および３つ以上の水ポンプを使用したさらなる構成が実現可能であり得る。さらに、熱交換器、水タンク、および水ポンプの位置は変更され得る。図５ａおよび図５ｂに示されるような加熱のための特に好ましい適用シナリオは、頻繁なエンジン停止のために冷却水温度が頻繁に低下する可能性があるハイブリッド電気自動車に関連し得る。図５ａおよび図５ｂの上記で説明された水の加熱は、水注入器で注入される水が、効率的な加熱制御計画で達成される正しい、所定の温度値を確実に有することを実現することができる。
【００６４】
図６ａおよび図６ｂは、好ましくは水である不燃性流体を加熱または冷却するために使用され得る熱交換器１５によって熱を伝達する２つの異なる方法を示している。図６ａは、エンジンの冷却水に熱的に接続された熱交換器１５を示し、図６ｂは、エンジンの排気ガスに熱的に接続された熱交換器１５を示している。熱交換器１５は、プレート熱交換器、プレートフィン熱交換器、シェルアンドチューブ熱交換器、または車両での使用に適した任意のさらなる設計として設計することができる。熱交換器１５は、不燃性流体を貯蔵するためのタンク１０、１０ａに、または不燃性流体パイプに沿って、好ましくは流体注入器の近くに配置することができる。
【００６５】
図７ａ〜図７ｃは、ポンプ１６に関連して加熱ユニットを配置するための３つの例を示している。加熱ユニットは、好ましくは水である不燃性流体を加熱（または冷却）するために使用することができる。図７ａでは、１つの水ポンプ１６が、単一の熱交換器１５の後ろに配置されている。図７ｂは、第２の熱交換器１５ａによって拡張された図７ａの構成を示しており、水ポンプ１６の後ろに配置されているので、圧力損失なしに熱を交換することが好ましい。図７ｃは、圧力損失を生じさせることなく熱を提供する水ポンプの後ろに配置された単一の水ヒータ１７を示している。請求される主題は、図７ａ〜図７ｃに示される例に限定されない。加熱ユニットの数とレイアウトは異なる場合があり、水ポンプと熱交換器の異なる位置も可能であり得る。
【００６６】
本主題は、高エンジン負荷時および過渡運転状況でのノッキングを抑制するために水注入を有する内燃機関を使用するときに壁の濡れを回避することによって、水などの不燃性流体を節約することを可能にする。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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」、「制御ユニット」、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。
【００７１】
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。
【００７２】
再び要約すると、本主題は、過渡状態および定常状態の運転状況での水注入内燃機関における水消費量（注入される不燃性流体の好ましい例としての水）を節約するための効果的な概念を提供する。水の削減は、水を所定の温度に加熱することによって達成され、これにより、噴霧特性が向上し、壁の濡れが回避される。水注入器内で直接水を加熱すると、少量の水を加熱するだけで済むため、エネルギーを効率的に使用できる。
【符号の説明】
【００７３】
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  燃料注入器
９  不燃性流体／水注入器
１０，１０ａ  （水）タンク
１１  火花点火
１２ａ  スパークプラグ
１２ｂ  点火コイル
１３  シリンダ壁
１４  （水）ヒータ
１５，１５ａ  熱交換器
１６，１６ａ  （水）ポンプ
１００  シリンダ
２００  制御ユニット、制御装置
２０１  （水）圧力および温度制御ユニット
【図１】
2021525335.tif 000005
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2021525335.tif 000009
【図６】
2021525335.tif 000010
【図７】
2021525335.tif 000011
【国際調査報告】
2021525335.tif 000012
2021525335.tif 000013