(57)【要約】本発明は自己着火内燃機関の運転方法に関する。本発明の方法は、燃焼重心が前記内燃機関の負荷点に関係なくクランク軸の所定の一定角度位置に位置するように、エンジン制御装置によって燃焼室内に計量された量の燃料を噴射することにある。燃焼重心は、連続的な燃料噴射の変更によって調整される。燃焼重心を決定するために、センサは、燃焼室内の圧力変化を検出する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室がピストンとシリンダヘッドとで画定されるシリンダと、エンジン制御装置と、燃料噴射装置を有し、噴射される燃料の量がシリンダ回転角の関数として計量される自己着火式内燃機関の運転方法において、
燃焼重心の位置が前記内燃機関の動作点に関係なく所定クランク角度位置にあるように、
計量される前記燃料を、前記燃焼室に噴射することを特徴とする自己着火式内燃機関の運転方法。
【請求項２】
前記燃焼重心の現在位置は、前記燃焼室内の記録された圧力分布の関数として決定され、前記燃焼室内の前記圧力分布はセンサ手段によって測定されることを特徴とする請求項１に記載の運転方法。
【請求項３】
前記燃焼重心の前記現在位置は、最大シリンダ圧力が前記燃焼室内で記録されるクランク角度位置の関数として決定されることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の運転方法。
【請求項４】
前記燃焼重心の前記現在位置は、燃料噴射期間、燃料噴射の開始、前記燃焼室内の給気質量、及び前記内燃機関の回転速度の関数として決定されることを特徴とする請求項１に記載の運転方法。
【請求項５】
前記燃焼室内の所定酸素濃度を設定する排気ガス再循環量は、前記燃焼重心の関数として設定され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運転方法。
【請求項６】
前記燃焼重心の位置は、前記自己着火の開始タイミングを変更することによって、又は前記燃料噴射タイミングを変更することによって設定され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運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前段による圧縮により着火される内燃機関の運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
新しいディーゼル内燃機関の開発における２つの目的は、燃料消費量を低減し、排気放出物、特に窒素酸化物の放出及び粒子状物質の形成を最小限に抑えることである。最新の自己着火式内燃機関において、排気ガス再循環は、排出レベルを減少させる手段としてよく使用され、その排気ガス再循環率は負荷の関数として設定される。
【０００３】
窒素酸化物排出レベルは、還元剤、例えば、アンモニアの添加又は計量が内燃機関内の窒素酸化物の形成に比例して実行される、ＳＣＲ触媒コンバータを使用することによってさらに低減できる。必要とされる安全装置は、内燃機関からの未処理窒素酸化物が既知エンジンマップデータからしか決定できないので、６０％と７０％との間のこの種のＳＣＲコンバータにおける限られた変換率しか認めない。目下、排気ガス内の窒素酸化物又はアンモニアの濃度の直接測定用センサは、この種のセンサが現在でもまだ極めて不正確である、すなわち極めて外部の影響を受け易いので、いまだ研究段階にある。
【０００４】
内燃機関の燃料節約は、一般にエンジン制御ユニット内に記憶されたそれぞれの噴射点用のエンジンマップによって間接的に生じるだけである。内燃機関の現在の効率又は燃料消費に基づくいかなるフィードバックも補正もない。
【０００５】
特許文献１は内燃機関を動作させる方法を開示しており、排気ガスの再循環率が排気ガス内及び給気内の酸素濃度の二重の測定に基づいて計算される。この方法では、測定設備の費用が高いことに加え、排気ガスの再循環率しか決定されない。
【０００６】
特許文献２は内燃機関からの排気ガス内の酸化窒素含有量を決定する方法を開示しており、内燃機関に送られる空気質量が記録され、燃焼重心は、エンジン動作用の少なくとも１つの現在測定値から決定される。未処理ＮＯｘ排出物は、燃焼重心の位置の値と記録された燃料の量及び空気質量の値とから計算される。
【０００７】
燃焼重心は、熱力学の第１の法則を使用して、導入された燃料エネルギーの５０％が燃焼された燃焼室を示す。重心の位置は対応するクランクの角度、すなわち、ピストンのクランク角位置であり、その位置では燃焼用に供給された燃料の量の５０％が熱に変換されている。
【０００８】
クランク角度に基づいて解明される燃焼室内圧力分布が燃焼重心の計算に必要とされ、さらにこの圧力分布を測定技術で決定するのは複雑であるので、空気、燃料、及び排気ガス再循環率の同時決定には著しい費用を伴う欠点がある。
【０００９】
【特許文献１】独国特許発明第１９７  ３４  ４９４  Ｃ１号明細書
【特許文献２】独国特許発明第１００  ４３  ３８３  Ｃ２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
したがって、本発明は、ＮＯｘ排出物の低減と組み合わせた内燃機関の効率的な運転を可能にする内燃機関の運転方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明により、この目的は請求項１の特徴を有する方法によって達成される。
【００１２】
本発明による方法は、燃料の量が内燃機関の動作サイクル中の動作点の関数として計量され、計量された燃料が、各燃焼重心の位置が内燃機関の動作点に関係なく所定クランク角度位置にあるように、燃焼室内に噴射されるということによって特徴づけられる。
【００１３】
本発明によれば、自己着火式内燃機関の効率は、燃焼重心の位置に直接関連する。この場合、エンジンパラメータは、重心の位置がそれぞれの燃焼中又は各燃焼中のその時点で到達されている動作点に関係なく所定クランク角度位置にあるように設定される。このクランク角度位置は、それぞれの内燃機関が、例えば、エンジン試験台で、動作し始める前にそれに対し決定できる。最大効率は、それぞれの内燃機関に対しあらかじめ決定されている燃焼重心のこの位置で達成される。ゆえに、重心のこの所定位置は、可能な限り内燃機関の全耐用年数を通じて維持されるべきである。
【００１４】
本発明の他の構成によれば、燃焼重心の現在位置は燃焼室内の記録された圧力分布の関数として決定され、燃焼室内の圧力分布はセンサによって記録されることが好ましい。このことにより、重心の位置についての正確な決定がなされる。この目的のため、測定技術に伴う費用をさらに低減できるように、計算モデルを利用して燃焼の重心位置の現在値を決定することが好ましい。
【００１５】
本発明の他の構成において、現在の燃焼重心は、最大シリンダ圧力が燃焼室内で記録されるクランク角度位置の関数として決定される。したがって、燃焼の重心位置は、シリンダ内の最大圧力、例えば、点火圧力に達する時点を用いる経験的モデルを使用して決定される。本発明によれば、重心位置は、燃焼室内で起こる最大圧力のクランク角度位置によって決まる。このことは、燃焼中のクランク角度に基づく燃焼室内の全シリンダ圧力分布の処理又は詳細な分析が不要となるので、燃焼重心の決定を著しく簡素化する。
【００１６】
本発明の他の構成によれば、現在の燃焼重心は、燃料噴射期間、燃料噴射の開始、燃焼室内の給気質量、及び内燃機関の回転速度の関数として決定される。この状況において、その方法を簡素化するために、給気質量をエンジン制御装置内に記憶されたエンジンマップから取り込むことができる。その結果、経験的モデルを利用する燃焼重心の決定はさらに簡素化される。したがって、燃焼重心の位置の高速の計算又は決定は、燃焼室内の複雑なセンサを使用する必要もなく達成できる。
【００１７】
本発明の他の構成によれば、燃焼室内の所定酸素濃度を設定する排気ガス再循環量は、燃焼の重心位置の関数として設定される。この場合、所要排気ガス再循環率は内燃機関からの決定済み未処理ＮＯｘ排出量から計算され、排気ガス再循環は、所定酸素濃度が燃焼室内に確立されるまで制御される。酸素濃度の所望値がエンジン制御装置内に記憶された内燃機関のエンジンマップの一定値として記憶されることが好ましい。
【００１８】
本発明による方法の１つの構成において、燃焼重心の位置は、自己着火の開始を変更することによって、及び／又は燃料噴射を変更することによって設定される。このことは、それぞれの負荷点における内燃機関の目標及び高速制御となるので、内燃機関は、最大効率で、且つ未処理ＮＯｘ排出物の形成を減らして動作できる。
【００１９】
他の特徴や特徴の組み合わせは説明から明らかとなろう。本発明の特定の例示的な実施形態は、以下の図面を参照して簡単な形で示され、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、直噴タイプの自己着火式内燃機関のシリンダブロック１の横断面を示す。ピストン１２はシリンダ２内で移動可能に案内され、このピストンの上面はシリンダヘッド１３と共に、燃焼室１１を画定する。吸気弁１４及び排気弁１７は、必要な燃焼空気が吸気管１５を経て吸気弁１４を通過して燃焼室１１に送られるように、シリンダヘッド１３内に配置されている。信号線２２を介してエンジン制御装置６に接続される空気量測定装置１６によってそれぞれの空気量が記録されることが好ましい。
【００２１】
燃焼ガスは、排気弁１７を通過して、排気ガス後処理装置（図示せず）に至る排気管１８に入る。この排気ガス後処理装置は特にＮＯｘ排出レベルを効果的に削減するＳＣＲ触媒コンバータを含む。さらに、排気管１８から分岐する排気ガス再循環ライン１９は、吸気管１５内に燃焼ガスを再循環させる働きをする。再循環される排気ガスの流れを記録し、再循環される排気ガスの量を設定する流量計２０は、この排気ガス再循環ライン１９内に配置される。再循環された排気ガスの記録された量は、信号線２１を介してエンジン制御装置６に送られる。
【００２２】
さらに、燃焼室内の存在する圧力を信号線４を経てエンジン制御装置６に送る圧力センサ３は、シリンダヘッド１３内の、燃焼室１１内に配置される。噴射配管２６を経由して噴射ポンプ２３に接続されている燃料噴射弁２５もシリンダヘッド１３内に配置される。燃料の量を記録する測定装置２４は、噴射ポンプ２３と燃料噴射弁２５との間に設けられる。この燃料測定装置２４は信号線２７を介してエンジン制御装置６に接続される。噴射ポンプ２３も同様に信号線２８によってエンジン制御装置に接続される。
【００２３】
本発明による方法は、最適な燃料消費量、高効率及び可能な限り最小限に抑えたＮＯｘ排出物で、内燃機関を動作させることを目標としている。本発明によれば、燃料噴射弁２５は、動作点により決まる燃料の量を燃焼室１１に導入するために使用される。この燃料の量は、重心の位置が一定で、所定クランク角度位置にくるように、すなわち動作点に関係なく、燃焼室１１に導入される。図２に示されるように、内燃機関の動作は、エンジン制御装置６に記憶される、燃焼の重心位置（所望の重心位置）において燃料消費量が最高の効率を示す。燃料消費最適化動作を確実にするために、燃焼の現在重心位置が決定され、所望重心と比較される。何らかの差がある場合、可能な限り燃焼の位置が所望重心に対応するまでエンジンの制御パラメータは変更される。
【００２４】
本発明によれば、自己着火式内燃機関の効率は燃焼重心の位置に直接関連しているので、エンジンの制御パラメータ、特に噴射点、噴射期間及び噴射サイクルのような、燃料噴射パラメータは、重心の最適位置がそれぞれの燃焼中又は各燃焼中に存在するように、設定される。燃焼又は所望燃焼重心の最適位置は、それぞれの内燃機関に対し、例えばエンジン試験台で決定できる。
【００２５】
重心位置は設定できるか又は自己着火の開始を変更することによって及び／又は燃料噴射を変更することによって現在値は所望値に適合できる。その結果、内燃機関の目標及び高速制御はそれぞれの負荷点において実行されるので、内燃機関は高効率で動作する。例えば、負荷依存燃料量が予備噴射、主噴射さらに随意の後噴射の形式で燃焼室１１に導入される場合、噴射点とそれぞれの部分量の燃料量比との両方ともに、燃焼の現在重心位置を所望値に適合させるために変更することが可能となる。さらに、予備噴射、主噴射及び随意の後噴射の燃料噴射圧力も変更できる。
【００２６】
重心の位置を決定するさまざまな方法が知られている。従来の計算方法は、それぞれの燃焼のシリンダ圧力曲線の分析に基づいている。熱力学の第１の法則は、この基礎として使用される。この方法は、現在の重心位置を決定するために燃焼室内の圧力分布、容積変化、壁熱損失のモデル、及び給気質量が必要である。
【００２７】
あるいは、重心の位置は燃焼の熱分布から決定できる。これはゆえに内部エネルギーの温度依存計算ポリトロープ指数を必要とする。これも同じように熱力学の第１の法則に基づいており、燃焼室内の圧力分布、容積変化、及びそれぞれの燃焼の給気質量を知る必要がある。この方法は、エンジン試験台でのオンライン計算として、又はエンジン制御装置内でエンジンにおいて実行できる。この方法は、第１の計算方法とほとんど変わらない。
【００２８】
本発明によれば、重心の位置を決定する他の方法は、噴射の開始、噴射期間、及び給気質量が既知である場合には内燃機関のエンジン回転速度のような、噴射データから構築された経験的モデルの助けで実行でき、給気質量はエンジン制御装置６に記憶されたエンジンマップに記憶されることが好ましい。本発明によれば、クランク角度での重心位置は、主に噴射開始、噴射燃料量又は噴射期間、及びエンジン速度のデータによって決定される。噴射の遅延開始、より高い噴射燃料量及びエンジン速度は、重心位置を上死点ＴＤＣから膨張行程に移動させる。シリンダ２内の給気質量も僅かな影響を受ける。
【００２９】
クランク角度での重心位置を計算する等式は次の通りとなる：
SP=a0+a1・SB+a2・SD+a3・t+a4・mcy1
【００３０】
この等式において、ＳＰは燃焼重心の位置を示し、ＳＢは噴射開始を示し、ＳＤは噴射期間を示し、ｔは動作サイクル当りの時間を示し、ｍｃｙ１は給気質量を示す。ａ０〜ａ４の係数は、それぞれの内燃機関のモデル係数である。上記等式によるモデル品質は、図５の例示から分かるように、モデルで決定された重心の位置と熱力学の第１の法則を利用して計算された燃焼重心の位置との間の望ましい相関関係を明らかである。
【００３１】
燃焼室１１内に提供された圧力センサ３は、動作サイクル中の燃焼室１１内の圧力分布を記録し、この圧力分布をエンジン制御装置６に送るために使用されるのが好ましい。燃焼の現在重心位置は、記録された圧力分布から決定できる。重心の位置は、燃焼分布が変化する場合にクランク角度に対して変化する。図２によれば、燃焼重心の位置に直接関連している内燃機関の効率は、動作サイクルごとの記録された圧力分布及び計量された燃料の量を使用するエンジン制御装置６の助けで決定される。この場合、燃焼重心は、熱力学の第１の法則を使用する燃焼室内のピストン位置の測定値と組み合わせてシリンダ圧力の指標付けから計算できる。
【００３２】
図２によれば、内燃機関の最大効率は、負荷点に関係なく重心の所定位置に対して設定されることになる。この場合、最大効率が達せられるピストン位置、例えば、図２によれば、ＴＤＣ後の５°ＣＡに燃焼重心の位置があるように、燃焼を制御する必要がある。これは一般に、エンジン制御装置６によって目標とされる、狭い範囲、すなわち、クランク角度ウインドウ、であっても良い。
【００３３】
あるいは、最大燃焼室圧力のクランク角度位置は、燃焼の重心位置の正確且つ高速の決定に使用できる。この場合、図３によれば、動作サイクル中に起こる最大燃焼室圧力と重心の位置との間に直接の経験的関係がある。本発明によれば、重心位置は、経験的モデルを使用して点火圧力から決定できることが好ましい。最大シリンダ圧力と関連クランク角度位置とはこの目的で記録される。
【００３４】
さらに、本発明によれば、熱力学の第１の法則は、圧力分布及び容積変化を考慮に入れて、一定のポリトロープ指数を用いて熱分布から重心の位置を決定するために使用でき、この場合シリンダ内の空気質量を記録する必要がない。図４によれば、この方法も同様に、前に開示された測定方法との望ましい相関関係を明らかにする。
【００３５】
本発明も同様に圧縮着火式燃焼エンジンからの未処理ＮＯｘ排出物を決定するために使用できるので、後処理装置（図１に示さず）の動作モード又は設定が最適化される。本発明によれば、内燃機関の燃焼室１１内の平均ガス温度の分布が決定されるので、所定クランク角度ウインドウ内のクランク角度ｄＴ／ｄｐｈｉの変化に対するガス温度の勾配が、図６に示されるように、計算され、内燃機関からの未処理ＮＯｘ排出物は、図７に示されるように、この情報から決定される。
【００３６】
本発明によれば、所定クランク角度範囲のガス温度の勾配は、内燃機関からの未処理ＮＯｘ排出物に直接関連している。したがって、内燃機関からの未処理ＮＯｘの決定は、例えば、下流の排気ガス後処理装置を最適化するために、正確に及び高速で実行される。図８は、燃焼室内の最大平均ガス温度と内燃機関からＮＯｘの瞬間未処理排出量との間の関係を示す。したがって、燃焼中のＮＯｘ排出物の形成は、燃焼がしかるべく制御される場合に最小限に抑えることができる。この場合、燃焼室への計量された燃料質量は、燃焼重心の一定クランク角度位置が達成されるまで制御される。
【００３７】
一般に、相対的ＮＯｘ低減は排気ガス再循環によって達成できる。したがって、相対的ＮＯｘ低減は、シリンダ給気の酸素濃度に直接関連している。図９によれば、技術の現況において、窒素酸化物の異なるパーセント低減は、内燃機関の負荷点による、同排気ガス再循環率に起因する。逆に、本発明によれば、シリンダ給気の酸素濃度は、測定又は制御変数として使用される。したがって、燃焼空気の所定酸素濃度が、それで燃焼室１１内で確立される。図１０によれば、これは、制御及び測定変数として測定され、使用される。
【００３８】
図８による燃焼室内の平均ガス温度の最大値から決定される内燃機関からの未処理ＮＯｘ排出物は、ゆえに目標とする所要ＮＯｘ低減に使用され、図１０によれば、排気ガス再循環率はこれを基にして決定される。したがって、排気ガス再循環量は、図１０に従って吸気ダクト１５内に所定酸素濃度を確立できるように制御される。酸素濃度の所望値は、エンジンマップの一定値としてエンジン制御装置６内に記憶されることが好ましい。本発明によれば、ＮＯｘ低減率と図１０に示された排気ガス循環率との間の関係はこの目的で使用される。その結果、排気ガス再循環量は、吸気ダクト１５内の吸気内に所定酸素濃度があるように設定される。したがって、燃焼室内に形成されたＮＯｘ排出物が低減され、この目的で提供された排気ガス後処理が最適化されるので、例えば、ＮＨ３の最適量は、下流ＳＣＲ触媒コンバータ内の本発明の助けで計量できる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】直噴タイプ自己着火式内燃機関のシリンダの横断面を示す。
【図２】燃焼重心の位置の関数として図１に示されたような内燃機関の効率曲線を図示する。
【図３】燃焼重心の位置の関数として図１に示された内燃機関の最大シリンダ圧力の位置の概略線図を示す。
【図４】燃焼重心の位置を決定するために使用された２つの計算方法の間での比較を図示する。
【図５】測定された重心の位置とモデルに従って計算された重心の位置との間の相関を図示する。
【図６】燃焼中の図１に示されたような内燃機関の燃焼室内のガス温度曲線を図示する。
【図７】図１に示されたような内燃機関からのガス温度勾配と未処理ＮＯｘ排出量との間の関係を図示する。
【図８】図１で示されたような内燃機関からの瞬間未処理ＮＯｘ排出量の関数として燃焼室内の平均ガス温度の極大点を図示する。
【図９】排気ガス再循環率の関数としてＮＯｘ削減率の曲線を図示する。
【図１０】図１に示されたような内燃機関の燃焼空気内の酸素濃度の関数としてＮＯｘ削減率の曲線を図示する。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
2006522892.tif 000012
2006522892.tif 000013
2006522892.tif 000014
2006522892.tif 000015
2006522892.tif 000016
2006522892.tif 000017