(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一つの吸気弁（９）と少なくとも一つの排気弁（１１）とを有する少なくとも一つのシリンダー（１）を有する４ストローク内燃機関の燃焼室（３）における燃焼過程を制御する方法であって、前記燃焼室への均質燃料／空気混合物の供給、および該混合物の自己着火までの圧縮を含む方法において、
少なくとも低ｒｐｍ範囲内においては、ピストン（４）の排気ストローク中、排気弁（１１）が、ピストンがその上死点に到達しないうちに排気弁が閉じるように制御され、また排気弁の開放の程度がエンジン負荷およびｒｐｍに応じて変えられて、低負荷および高ｒｐｍにおける排気弁の閉鎖時の残留ガスの量が、高負荷および低ｒｐｍにおける排気弁の閉鎖時の残留ガスの量よりも大きくなるように成し、それによって、燃焼室内の残留ガスによる燃料／空気混合物の希釈の程度を変えることにより点火遅れを変化させることを特徴とする方法。
【請求項２】
少なくとも前記低ｒｐｍ範囲内においては、吸気弁（９）を、ピストン（４）の吸気ストローク中、前記吸気弁がピストンの上死点の後のある度数のクランク軸角の後において開き、開放角が排気弁（１１）の開放角に応じて変えられて燃焼室（３）内の残留ガス圧が吸気管空気圧まで低下させられるように制御することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
燃焼室（３）における燃料／空気混合物の火花点火のための手段（２）を有し、
エンジンｒｐｍが低ｒｐｍ範囲内においては、火花点火手段（２）が動作停止状態に保たれ、低ｒｐｍ範囲の上限を越えた場合には、火花点火手段（２）が動作可能状態に保たれ、また、低ｒｐｍ範囲の上限を越えた高ｒｐｍ範囲内においては、排気弁（１１）が、排気ストローク中、ピストン（４）がその上死点に到達した後、閉じるように制御されることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
排気弁（１１）および吸気弁（９）が、前記排気弁が完全に閉じてしまわないうちに前記吸気弁が開き始めるように制御されることを特徴とする請求項２または３に記載の方法。
【請求項５】
電磁石（１２、１３）が弁（９、１１）の制御に使用されることを特徴とする請求項１から４の中のいずれか１つに記載の方法。
【請求項６】
ガソリンが燃料として使用されることを特徴とする請求項１から５の中のいずれか１つに記載の方法。
【請求項７】
少なくとも一つの吸気弁（９）と少なくとも一つの排気弁（１１）とを有する少なくとも一つのシリンダー（１）、該シリンダーの燃焼室（３）に均質燃料／空気混合物を供給する手段、および少なくとも排気弁（１１）の開放の程度を変える制御手段（１５）を有する４ストローク内燃機関であって、
少なくとも低ｒｐｍ範囲内においては、制御手段（１５）が、ピストン（４）の排気ストローク中、排気弁（１１）を制御して、ピストンがその上死点に到達しないうちに排気弁が閉じるようにし、また排気弁の開放の程度がエンジン負荷およびｒｐｍに応じて変えられて、低負荷および高ｒｐｍにおける排気弁の閉鎖時の燃焼室残留ガスの量が、高負荷および低ｒｐｍにおける排気弁の閉鎖時の燃焼室残留ガスの量より大きくなるように成し、それによって、燃焼室内の残留ガスによる燃料／空気混合物の希釈の程度を変えることにより点火遅れを変化させるようにするように制御手段（１５）が構成されていることを特徴とする内燃機関。
【請求項８】
少なくとも前記低ｒｐｍ範囲内においては、制御手段（１５）が、ピストン（４）の吸気ストローク中、吸気弁（９）を制御して、まず吸気弁がピストンの上死点の後のある度数のクランク軸角の後において開き、開放角が前記排気弁の開放角に応じて変えられて燃焼室内の残留ガス圧を吸入空気の圧力まで低下させるように構成されていることを特徴とする請求項７に記載の内燃機関。
【請求項９】
弁（９、１１）が、制御ユニット（１５）に接続された電磁的手段（１２、１３）を有し、制御ユニット（１５）が該制御ユニットに送られる各種制御信号に応答して弁動作手段を制御することを特徴とする請求項７または８に記載の内燃機関。
【請求項１０】
制御手段（１５）が、燃焼室（３）に配置されたイオン流信号センサー、回転速度計、および圧力センサーに接続されていることを特徴とする請求項９に記載の内燃機関。
【請求項１１】
制御ユニット（１５）が、圧力信号トランスジューサに接続されていることを特徴とする請求項９に記載の内燃機関。
【請求項１２】
それぞれのシリンダー（１）用の少なくとも一つのスパークプラグ（２）と点火制御装置（１４）とから成る点火システムを有し、点火制御装置（１４）が回転速度計とアクセルペダル位置センサーとに接続されている内燃機関であって、
エンジン速度が低ｒｐｍ範囲内においては、点火制御装置（１４）がスパークプラグ（２）を作動停止状態に保ち、前記低ｒｐｍ範囲の上限を越えたときには、前記スパークプラグを作動可能状態に保つように構成され、また、低ｒｐｍ範囲の上限を越えた高ｒｐｍ範囲内においては、弁（９、１１）の制御ユニット（１５）が、排気弁（１１）が完全には閉じないうちに吸気弁（９）が開き始めるようにこれらの弁を制御するように構成されていることを特徴とする請求項７から１１の中のいずれか１つに記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、少なくとも一つの吸気弁と少なくとも一つの排気弁とを有する少なくとも一つのシリンダーを有する４ストローク内燃機関の燃焼室における燃焼過程を制御する方法であって、前記燃焼室への均質燃料／空気混合物の供給、および該混合物の自己着火までの圧縮を含む方法に関する。
【０００２】
本発明は、少なくとも一つの吸気弁と少なくとも一つの排気弁を有する少なくとも一つのシリンダー、前記シリンダーの前記燃焼室に均質燃料／空気混合物を供給する手段、および少なくとも前記排気弁の開放の程度を変える制御手段を有する４ストローク内燃機関にも関する。
【０００３】
４ストローク内燃機関における均質燃料／空気混合物の圧縮点火、いわゆるＨＣＣＩ（均質装入物圧縮点火）において、均質希釈（過剰空気または残留ガスによる）燃料／空気混合物が自己着火まで圧縮される。これを、まず吸入空気を圧縮してから燃料を燃焼室に噴射するもの（ディーゼル過程）と比較した場合の長所は、燃料／空気混合物全体が同時に燃え、火炎フロントがスパークプラグまたはインジェクターから燃焼室内を伝播する場合のように順次燃焼ではない、ということである。したがって、燃焼室内の温度が均一になり、そのため、たとえば部分負荷でスロットルをゆるめたオットーエンジンにおけるように、ディーゼルエンジンの効率を、ディーゼルエンジンからの大量の窒素酸化物および微粒子の放出なしで、高めることができる。窒素放出を、約１０００ｐｐｍから１０〜２０ｐｐｍの低さまで低下させることができる。ディーゼルエンジンの微粒子放出を、オットーエンジンのそれと同じレベルまで低下させることができる。しかし、燃焼が動的に制御されるため、燃焼の制御が難しい。燃料／空気混合物の濃度が高すぎると、エネルギー放出が早すぎ（ノッキング）、濃度が低すぎると、点火ができなくなる。ガソリンを燃料とするＨＣＣＩオットーエンジンの場合、自己着火の実現のためには制御された高温が必要であり、これは吸入空気の大きな圧縮比および／または吸入空気の加熱によって実現される。燃料としてディーゼル油を使用するＨＣＣＩディーゼルエンジンの場合、通常のディーゼルエンジンよりも低い温度が必要であり、これは圧縮比を低下させなければならないということを意味する。
【０００４】
これまでのところ、ＨＣＣＩエンジンにおける困難は、点火遅れ（シリンダー温度）を、いろいろなｒｐｍと負荷において燃焼を上死点付近に正しく配置するようなやり方で制御することであったが、これは前記エンジンの使用範囲を著しく狭めるものであった。特に、シリンダー温度を一つのサイクルから次のサイクルまでチェックしなければならない過渡時の制御の問題のため、ＨＣＣＩエンジンの動力源（ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）としての使用範囲が、たとえば駆動装置（ｄｒｉｖｅ  ｕｎｉｔ）がｒｐｍと負荷の非常に小さな変動下で作動する場合、制限されている。
【０００５】
本発明の目的は、ＨＣＣＩエンジンにおけるシリンダー内の温度を、点火時刻が、いろいろなエンジン速度と負荷において正しくなるように制御する方法を実現し、それによって、ＨＣＣＩエンジンを自動車に実用的に使用できるようにし、また前記エンジンの燃料消費と放出物とを少なくすることである。
【０００６】
前記目的は、本発明により、少なくとも低ｒｐｍ範囲内においては、ピストンの排気ストローク中、排気弁が、ピストンがその上死点に到達しないうちに閉じるように制御され、また排気弁の開放の程度がエンジン負荷およびｒｐｍに応じて変えられて、低負荷および高ｒｐｍにおける排気弁の閉鎖時の残留ガスの量が、高負荷および低ｒｐｍにおける排気弁の閉鎖時の残留ガスの量よりも大きくなるように成し、それによって、燃焼室内の残留ガスによる燃料／空気混合物の希釈の程度を変えることにより点火遅れを変化させることにより達成される。
【０００７】
弁制御の完全な自由、したがって開放および閉鎖時刻をも一つのサイクルから次のサイクルにわたって自由に制御できるようにすることは、電磁動作弁の使用により実現できる。このようにして、燃焼室の温度したがって点火時刻を決定する残留ガスの量を、排気弁が早く閉じられるほど温度が上昇する広い時間範囲内で調節することができる。
【０００８】
エンジンのポンプ仕事（ポンプ損失）の増大を防ぐために、本発明による方法のさらなる発展形により、少なくとも前記低ｒｐｍ範囲内において、吸気弁を、ピストンの吸気ストローク中、前記吸気弁がピストンの上死点の後のある度数のクランクシャフト角の後において開き、開放の程度が排気弁の開放の程度に応じて変えられて燃焼室内の残留ガス圧を吸気圧まで低下させる、ように制御する。
【０００９】
広いｒｐｍ範囲、たとえば上限が約６０００ｒｐｍのｒｐｍ範囲で動作できなければならないＨＣＣＩエンジンは、好ましくは、前記低ｒｐｍ範囲内で作動停止するように制御される点火システムを有する。この低ｒｐｍ範囲の上限は、３０００〜４０００ｒｐｍとすることができる。この限界を越えると、点火システムが作動可能状態に保たれ、同時に、排気弁と吸気弁の制御が通常のエンジン動作に変えられる。すなわち、排気弁が、排気ストローク中、ピストンがその上死点に到達した後に閉じるように制御され、同時に吸気弁が、排気弁が完全に閉じないうちに開き始めるように制御される。同じことは、高負荷および低ｒｐｍにおいても行われる。そうしないと、希釈度が低下して燃焼速度が大きくなりすぎるからである。
【００１０】
前記のやり方で制御すべき、冒頭に述べたタイプの内燃機関は、制御手段がピストンの排気ストローク中排気弁を制御して、少なくとも低ｒｐｍ範囲内においては、排気弁が、ピストンがその上死点に到達しないうちに閉じ、また排気弁の開放の程度がエンジン負荷およびｒｐｍに応じて変えられて、低負荷および高ｒｐｍにおける排気弁の閉鎖時の燃焼室の残留ガスの量が、高負荷および低ｒｐｍにおける排気弁の閉鎖時の燃焼室の残留ガスの量より大きくなるように前記制御手段が構成されていることを特徴とする。
【００１１】
以下、添付の図面を参照しつつ、本発明による方法を説明する。
【００１２】
図１において、１は、４ストローク内燃機関のエンジンブロックのシリンダーを示す。この例の内燃機関は、燃焼室３内に突き出たスパークプラグ２を有するオットーエンジンである。シリンダー１はピストン４を有し、該ピストンは連結棒５によりクランク軸７のクランク腕６に連結されている。燃焼室３は、燃料／空気混合物の供給のための吸気口８を有している。吸気弁９が燃焼室の吸気ポート内に配置されている。排気弁（図示せず）が排気ポート内に配置され、排気導管につながっている。
【００１３】
吸気弁９と排気弁１１の開放と閉鎖は、それぞれ電磁装置１２と１３によって電磁的に制御される。これらの弁自体は、公知のタイプのものとすることができ、二つの電磁石の間にある金属ディスクに連結されている弁スピンドルを有している。これらの電磁石は交互に磁化され、金属ディスクはその瞬間に磁化されている磁石の方向に引きつけられる。この公知のタイプの電磁制御弁により、弁の開放の程度を、個々のシリンダーに関して、一つのサイクルから次のサイクルまで、自由に制御することができる。スパークプラグ２は制御ユニットにより点火システム１４に接続されており、該制御ユニットには、エンジンのｒｐｍおよびアクセルペダル位置を表す信号が、エンジンｒｐｍと負荷とに応じて点火を制御するために送られる。弁９、１１の電磁石は制御ユニット１５によって制御され、該ユニットには、シリンダー室の圧力Ｐを直接または間接に測定するセンサー（図示せず）からの信号、および／またはイオン流を示す信号が送られる。この信号はスパークプラグをセンサーとして得ることができる。
【００１４】
図1〜４はＨＣＣＩ動作を示す。すなわち、点火システムは作動停止とされ、燃焼室３に供給された燃料／空気混合物の点火は該混合物の圧縮中の自己着火によって行われる。図１は、低ｒｐｍ範囲（すなわち、約３０００〜４０００ｒｐｍ以下）において、低負荷および高ｒｐｍにおいて、圧縮ストローク中、排気弁１１が閉じているときのプランジャーの位置ＥＣを示し、一方、図２は、同じ動作条件下での吸気ストローク中、吸気弁９が開いているときのピストンの位置ＩＯを示す。図３と図４は、高負荷および低ｒｐｍにおけるピストン位置ＥＣおよびＩＯを同様のやり方で示す。図5〜７において、ＥＯは排気弁開放、ＥＣは排気弁閉鎖、ＩＯは吸気弁開放、ＩＣは吸気弁閉鎖を示す。図５は、低負荷および高ｒｐｍにおける弁時刻を示し、図6は高負荷および低ｒｐｍにおける対応する時刻を示す。負荷、ｒｐｍ、燃料／空気混合物の空気対燃料比が一定のとき、排気弁の閉鎖が早いほど、短い点火遅れ（早い点火開始）が得られる。この場合、燃焼室内に捕捉されている高温残留ガスの量が大きいからである。イオン流信号または圧力センサー信号をフィードバックすることにより、弁の開放と閉鎖を、ＨＣＣＩ動作中、低ｒｐｍ範囲全体で、燃焼が正しく配置されるように調節することができる。
【００１５】
上限ｒｐｍが約６０００〜８０００ｒｐｍの乗用車の場合、ｒｐｍが、低ｒｐｍ範囲の上限たとえば約４０００ｒｐｍを越えると、弁制御は通常のオットーエンジン動作に切り替えられる。すなわち、図７に示すような弁オーバーラップが使用され、また点火システムが作動するようにされる。同じことは、エンジン負荷が最大エンジン負荷の５０〜７０％を越えた場合にも行われる。
【００１６】
弁の開放の程度は、原理的には、排気ストローク中の残留ガスの量を制御するか、または吸気ストローク中の圧力低下中の残留ガスの量を制御するか、二通りのやり方で調節することができる。すなわち、弁のストローク長を一定とすることができ、排気弁の閉鎖および吸気弁の開放の時刻を、図１〜４に示すように、変えることができ、あるいは、弁のストローク長を変えることができ、開放時刻を一定とすることができる。または、これら二つの方法を組合せて制御することができる。
【００１７】
ＨＣＣＩ動作のオットーエンジンにより、通常のディーゼルエンジンの効率に匹敵する効率が得られるが、ディーゼルエンジンのような微粒子放出がない。ディーゼルエンジンも、同様の弁制御により、ＨＣＣＩ動作で運転することができる。しかしその場合、二つの燃料インジェクターが必要である。一つは、低ｒｐｍ範囲におけるＨＣＣＩ動作のために吸気管に燃料を噴射するインジェクターであり、もう一つは、前記範囲を越えるｒｐｍ範囲における通常のディーゼル動作において直接噴射するためのインジェクターである。さらに、燃料噴射を切替えるための装置が必要である。
【００１８】
可変弁制御は、電磁石以外の手段によっても実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ４ストローク内燃機関のシリンダーを付随するピストンとともに模式的に示す図である。
【図２】  ４ストローク内燃機関のシリンダーを付随するピストンとともに模式的に示す図である。
【図３】  ４ストローク内燃機関のシリンダーを付随するピストンとともに模式的に示す図である。
【図４】  ４ストローク内燃機関のシリンダーを付随するピストンとともに模式的に示す図である。
【図５】いろいろな弁制御を示す略図である。
【図６】いろいろな弁制御を示す略図である。
【図７】いろいろな弁制御を示す略図である。
【符号の説明】
１  シリンダー
２  スパークプラグ
３  燃焼室
４  ピストン
８  吸気口
９  吸気弁
１１  排気弁
１２  電磁的手段
１３  電磁的手段
１４  点火制御装置
１５  制御手段
【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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【図７】
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