(57)【要約】本発明は、直接燃料噴射を備えた内燃機関を運転する方法に関する。前記方法によると、空気と第１燃料噴射量とが燃焼室内へ供給され、燃焼室内において均質で希薄な基礎混合気が形成される。第２燃料噴射量は、ピストンの上死点の付近で燃焼室内へ投入され、引火性混合気雲が、均質で希薄な基礎混合気内部の点火源の範囲内に形成され、第２燃料噴射量を用いて形成された混合気雲は、点火源によって点火され、燃焼室内に存在する均質で希薄な基礎混合気は、第２燃料噴射量により形成された混合気雲の燃焼により、自発的に着火する。
2006500509.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直接燃料噴射及び／又は燃料吸気管噴射式の内燃機関を運転する方法であって、該内燃機関は、シリンダと、シリンダヘッドと、ピストンと、前記シリンダヘッドと前記ピストンとで区切られた燃焼室とを備えており、
空気と第１燃料噴射量とが前記燃焼室内へ供給され、
この供給は、前記燃焼室内において均質で希薄な基礎混合気が形成されるようになされる該運転方法において、
第２燃料噴射量が前記ピストンの上死点の付近で前記燃焼室内へ投入され、
この投入は、引火性混合気雲が点火源の付近の前記均質で希薄な基礎混合気内に形成されるようになされ、
前記第２燃料噴射量により形成された前記混合気雲は、前記点火源によって点火され、
前記燃焼室内に存在する前記希薄で均質な基礎混合気は、前記第２燃料噴射量により形成された前記混合気雲による前記燃焼によってそれに続いて圧縮着火を受けることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記内燃機関の排気行程中、排気ガスは前記燃焼室内に保持されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記燃焼室内に保持された前記排気ガスは、前記内燃機関の前記排気行程中に排気バルブが閉鎖された後圧縮されて、それに続いて前記第１燃料噴射量は、前記圧縮され保持されている排気ガスが充満する前記燃焼室内へ供給されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記第１燃料噴射量は、点火上死点手前４６０〜１５０°ＣＡ（クランク角）の範囲で、前記燃焼室内へ投入されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記第２燃料噴射量は、点火上死点手前０〜１００°ＣＡの範囲で、前記燃焼室内へ直接噴射されることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の方法。
【請求項６】
前記第２燃料噴射量を使用して前記点火源付近に形成された前記混合気雲は、前記点火上死点手前８０°ＣＡから前記点火上死点後１０°ＣＡの範囲で点火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方法。
【請求項７】
前記第１燃料噴射量は、前記内燃機関の吸気管内へ、あるいは前記燃焼室内へ直接噴射されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記燃焼室内に配置された燃料インジェクターは、前記点火源として同時に使用されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記内燃機関は８〜１６、特に８〜１３の圧縮比で運転されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前文による内燃機関を運転する方法に関し、特に直接噴射を備えた圧縮着火燃焼機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧縮着火を備えた直接噴射式の内燃機関では、均質で希薄な混合気が頻繁に圧縮着火へ供給され、それによって高い効率と排気物質の改善が実現されている。このタイプの内燃機関では、圧縮着火は高負荷の燃焼室内に急激な圧力上昇をもたらし、運転に悪影響を及ぼす可能性がある。
【０００３】
特許文献１は、ガソリンで運転される内燃機関の運転方法について開示しており、この内燃機関においては、混合気は負荷点次第で火花点火又は圧縮着火を受ける。この場合、圧縮着火には適切な高い圧縮比が与えられる。内燃機関の部分負荷範囲では、均質な混合気が圧縮着火される一方で、内燃機関の冷態始動中の全負荷範囲では、混合気は火花点火される。
【０００４】
特許文献２は、４サイクル原理に従って運転する内燃機関の運転方法について開示しており、この内燃機関では均質で希薄な基礎混合気は圧縮着火によって着火される。この場合、燃料は、直接燃料噴射によって直接燃焼室内へ投入され、均質な混合気の形成によって、圧縮でもたらされるエネルギーの供給が着火性を均質に設定し、多大なエネルギーの自己加速的放出をもたらす。この方法では、燃焼は、圧縮を変化させ、混合気の最終目標均質性を用いて、最適化される。
【０００５】
現在の最先端技術では、上述した燃焼は制御されるのに困難を伴うが、それは圧縮着火の時点が、エンジンパラメータ及び環境条件に大きく左右されるからである。そこで、圧縮着火の開始を、ある制御変数を用いて、例えばシリンダ圧力信号を用いて、制御する試みがなされている。しかし、このタイプのエンジンの概念は、エンジン制御技術に関する高額な支出を必然的に伴い、このタイプの内燃機関の生産コストを増大させる。
【０００６】
【特許文献１】独国特許発明第  １９９  ２７  ４７９  Ｃ２号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第  １９８  ０４  ９８３  Ａ１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、本発明は、圧縮着火の開始が簡易に制御でき、安定した運転が確保される内燃機関の運転方法を提供する目的に基づいている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、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。
【０００９】
本発明による方法が際立って優れているのは、第２燃料噴射量が、点火源付近の均質で希薄な基礎混合気内に引火性混合気雲が形成されるように、ピストンの上死点付近で燃焼室内へ投入され、第２燃料噴射量により形成された混合気雲が点火源により点火され、燃焼室内に存在する希薄で均質な基礎混合気が、第２燃料噴射量により形成された混合気雲の燃焼によって、それに続いて圧縮着火を受けるという点による。その結果、圧縮着火の開始は、混合気雲の点火される時点が、後続の基礎混合気の圧縮着火の時点を決定するあるいはそれに影響するように、圧縮着火の開始が制御される。これによって、圧縮着火の運転状態のほぼ全てにおいて、内燃機関は、燃料消費及び排気物質に関する潜在性の利用が可能となるように運転される。さらに、本発明による方法によって、複雑な燃焼制御及び特殊な計測技術をなしで済ますことができる。
【００１０】
本発明の一つの構成では、排気行程中排気ガスは燃焼室内に保持される。これにより基礎混合気の温度が制御されることが可能となる。
【００１１】
本発明の別の構成によると、燃焼室内に保持された排気ガスは、内燃機関の排気行程中排気バルブが閉鎖された後に圧縮されるので、それに続いて第１燃料噴射量が、圧縮され保持された排気ガスで充満した燃焼室内へ供給される。これにより、燃焼室内へ投入された燃料は、高温の排気ガスと混合され、迅速に気化されることが確実になる。これにより、ほぼ均質で希薄な基礎混合気が所定の基礎温度で提供される。
【００１２】
本発明の別の構成では、第１燃料噴射量は、点火上死点の手前クランク角４６０〜１５０°の範囲で燃焼室内へ投入される。燃焼室内への燃料の早期の投入は、燃料と、空気と、適切な場合排気ガスとからなる基礎混合気の均質化をさらに向上させる。
【００１３】
本発明の別の構成によると、第２燃料噴射量は、点火上死点手前クランク角０〜１００°の範囲で燃焼室内へ直接噴射される。第２燃料噴射量の遅い直接噴射は、形成される混合気雲が点火源付近に確実に形成されるようにし、それによって安定的に点火されるようにすることが可能である。
【００１４】
本発明の別の構成によると、第２燃料噴射量を使用して点火源付近に形成された混合気雲は、点火上死点手前クランク角８０°から点火上死点後クランク角１０°の範囲で点火される。
【００１５】
さらなる特徴及び特徴の組み合わせは、詳細な記載により明らかとなる。本発明の具体的な例示的実施形態が、図面に単純化された形で図示されており、以下の記載においてさらに詳細に説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は、直接噴射式の内燃機関１を図示しており、その内部において燃焼室２は、縦方向に移動可能に保持されたピストン９を用いた少なくとも１つのシリンダ３と、シリンダヘッド８との中に形成されている。内燃機関１は、少なくとも１つの吸気バルブ４と、少なくとも１つの排気バルブ５と、燃料インジェクター１０と、点火プラグ１１とを各燃焼室に備えている。さらに、吸気ポート６と排気ポート７とがシリンダヘッド８に配置されている。吸気及び排気バルブの数は、あくまで例であり、必要に応じて増やされるようにすることも可能である。
【００１７】
内燃機関１の燃焼室２は、シリンダヘッド８によって上部を閉鎖されており、シリンダ３でガイドされたピストン９が、燃焼室２の底面で境界を区切っている。本発明による内燃機関１は４サイクル原理に基づいて稼動するが、別の方法として、２サイクル原理に従って運転されるようにすることも可能である。
【００１８】
サイクルの第１吸気行程で、ピストン９は下死点ＢＤＣに到達するまで下方向に移動する。この行程中、燃焼用空気Ｌが燃焼室２へ吸気ポート６を経由して供給され、先行サイクルの排気行程において一定量の排気ガスＡが燃焼室２内に保持されているので、燃焼用空気Ｌは、燃焼室２内の高温の排気ガスＡによって所定の温度まで加熱される。第１燃料噴射量１２が、内燃機関２の吸気行程において燃焼室２内へ燃料インジェクター１０によって直接噴射され、それによって排気ガスＡと、燃料１２と、燃焼用空気Ｌとからなる基礎混合気ＧＧが、１〜２の間の値をとる空気過剰率λにより、形成される。第１燃料噴射量１２は、点火上死点ＩＴＤＣの手前４６０〜１５０゜ＣＡ（クランク角）の範囲で燃焼室内へ投入されるようにすると好適である。
【００１９】
図２によると、別の圧縮行程において、ピストン９は、下死点ＢＤＣから上方向に点火上死点ＩＴＤＣまで移動し、さらに、第２燃料噴射量１３が点火上死点ＩＴＤＣの付近に直接噴射される。燃焼室内へ噴射される第２燃料噴射量１３により、点火プラグ１１の電極の付近に引火性の混合気雲ＧＷが、空気過剰率λ≧１となるように、局部的に形成される。第２燃料噴射量１３は、点火上死点ＩＴＤＣの手前０〜１００゜ＣＡの範囲で燃焼室２内へ直接噴射されるようにすると好適である。
【００２０】
引火性混合気雲ＧＷは、点火上死点ＩＴＤＣ手前付近で点火プラグ１１により点火される。引火性混合気雲ＧＷの燃焼はエネルギーを放出し、その結果基礎混合気ＧＧが加熱され、圧縮着火がもたらされる。さらに、引火性混合気雲ＧＷの燃焼は、基礎混合気ＧＧ内の圧力を増加するので、基礎混合気ＧＧの圧縮着火条件は向上される。点火プラグ１１の付近で第２燃料噴射量１３により形成された引火性混合気雲ＧＷは、点火上死点ＩＴＤＣ手前８０゜ＣＡから点火上死点ＩＴＤＣ後１０°ＣＡの範囲で点火されるようにすると好適である。
【００２１】
実際の圧縮着火に先行して引火性混合気雲ＧＷの燃焼が開始されるため、基礎混合気ＧＧのエネルギー変換の時点を制御することが可能となる。引火性混合気雲ＧＷの火花点火の時点は、後続の基礎混合気ＧＧの圧縮着火の時点に対して直接影響を及ぼす。火花点火により開始された引火性混合気雲ＧＷの燃焼中に、火炎面１６が形成され、引火性混合気雲ＧＷが消費された後にはほぼ消滅する。これに続いて、放出されたエネルギーは、複数の圧縮着火中心点１５を基礎混合気ＧＧ内に形成させ、これらの圧縮着火中心点１５は、基礎混合気ＧＧの燃焼を、火炎面１６の位置に左右されずに進行させることができる。この結果、ＮＯｘ排出量は、低い平均燃焼温度のため極めて低いレベルに保たれる。従来の層状給気を使用する場合と異なり、基礎混合気ＧＧは火炎面の非存在下で燃焼される。
【００２２】
図３によると、燃焼の進行中、ピストン９は下死点ＢＤＣに到達するまで下方向に展開する。さらなる最終行程で、ピストン９は、排気上死点ＧＴＤＣまで上方向に移動し、排気ポート７を経由して燃焼室２から排気ガスが放出する。第２燃料噴射量１３の着火時点は、点火プラグ１１の付近において第２燃料噴射量１３を最適に均質化するのに要する期間によって、決定される。火花点火の点火時点は、燃料消費及び排気物質に関して燃焼が最適となるように、設定される。第２燃料噴射量１３の燃焼中、基礎混合気ＧＧは加熱されるので、残りの燃焼室１４で高エネルギーレベルにある基礎混合気ＧＧは、圧縮着火用の状態にほぼ近い状態の下で、圧縮着火される。
【００２３】
図４には、内燃機関１のシリンダ圧力曲線Ｐｚが、クランク角ＣＡについて描かれている。本発明による方法は、所定の基礎混合気温度が設定されるようにするため、燃焼室２内に排気ガスを保持するようなバルブの開閉を提供する。この温度は、燃焼室２内に保持される排気ガス量に応じて、基礎混合気ＧＧが圧縮段階の最後に圧縮着火をまだ受けないように設定される。基礎混合気の圧縮着火に要するエネルギーは、第２燃料噴射量１３が燃焼室２内へ直接噴射され、圧縮段階の終了前に点火されることでもたらされる。
【００２４】
図４によると、排気バルブ５は、内燃機関１の排気行程中に下死点ＢＤＣ周辺の範囲で開放され、それによって排気ガスは燃焼室２から放出される。排気バルブ５は、その後排気上死点ＧＴＤＣに到達する前に閉鎖され、それによって燃焼室２内に保持されていた排気ガスＡは圧縮される。次に噴射される第１燃料噴射量１２は、排気ガスＡと混合され気化される。内燃機関１の吸気行程中、燃焼用空気Ｌが、吸気バルブ４の開放を受けて取り込まれ、それによって燃焼室１内に存在する排気ガスは、気化燃料及び燃焼用空気Ｌと混合される。第１燃料噴射量１２の噴射は、燃焼用空気の吸気の最中又は後に発生し得る。このため、希薄で均質な基礎混合気ＧＧが形成される。基礎混合気ＧＧは、圧縮段階中に局部的な圧縮着火が発生しないために十分に希薄でなければならず、好ましくは１〜２の間の値の空気過剰率となる。第１燃料噴射量１２は、排気バルブ５が閉鎖された後から圧縮行程の初期までの間に燃焼室に投入されることが考えられる。さらに、第１燃料噴射量１２は、シリンダ側壁が燃料で湿るのを避けるため、燃焼室内へ周期的に投入されることが考えられる。次に、圧縮段階中、第２燃料噴射量１３が、点火プラグの付近に引火性混合気雲ＧＷが形成されるように、点火上死点ＩＴＤＣ周辺の範囲で燃焼室内へ噴射される。さらに、第２燃料噴射量１３は燃焼室内へ周期的に投入されることが考えられる。火花点火により、点火上死点の付近で引火性混合気雲ＧＷの燃焼が開始される。
【００２５】
本発明による方法は、排気ガス保持よりもむしろ排気ガス再循環式によって実行されることも考えられる。この場合、排気ポート７からの排気ガスは、排気ガス再循環バルブ（図示せず）を用いて吸気ポート６の中へ再循環され、それによって所定の基礎混合気温度が達成される。別の方法として、排気ガス再循環は内部で実行されてもよい。この場合、排気サイクル中に、排気ガスは一部が開放された吸気バルブ４を経由して吸気ポート６の中へ放出され、その後吸気行程中に吸入された燃焼用空気Ｌと共に燃焼室２内へ戻される。そのために、吸気バルブ４は排気行程の初期に開放され、吸気行程の終了期に閉鎖され、排気バルブ５は排気行程中に開放され、排気行程の終了期に閉鎖される。
【００２６】
さらに、排気ガス再循環は、排気行程中に排気ガスが排気ポート７の中へ完全に放出されて、その後に吸気行程中に開放された排気バルブ５を経由して燃焼室２内へ一部が戻されるように、内部で実行されてもよい。この場合、吸気バルブ４は、排気バルブ６の閉鎖後又はその最中に、開放される。そのために、排気バルブ５は吸気行程の初期に開放され、排気バルブ４は吸気行程の初期に開放され、また吸気行程の終了期に閉鎖され、それによって燃焼用空気Ｌは、排気バルブ６の閉鎖後又はその最中に、燃焼室２内へ流入する。
【００２７】
さらに、第１燃料噴射量１２は、吸気管燃料噴射によって燃焼室内へ投入されることも考えられる。さらに、燃料を燃焼用空気と混合してから混合気の形で燃焼室内へ吹き込むことのできる燃料インジェクターを使用することも考えられる。別の方法として、同時に点火源として機能する燃料インジェクターを使用することも可能である。
【００２８】
本発明による方法は、複雑なエンジン制御を伴わない圧縮着火による均質な混合気の燃焼を可能にする。これにより確実に、各燃焼サイクルにおいて、エンジンパラメータ及び環境条件に左右されずに、均質な混合気の圧縮着火が行われるようにする。その結果、圧縮着火による均質な燃焼によって、燃焼不良は安定的に回避される。
【００２９】
これにより、全ての負荷点又は負荷範囲での圧縮着火による内燃機関１の運転が可能となる。さらに、エンジンパラメータ及び環境の影響とは実質的に無関係に、運転全体にわたって燃焼不良が発生しないことが確実になる。その結果、排気ガスは各燃焼サイクル毎に形成され、この排気ガスは本発明に従って内燃機関を運転する際に後続の燃焼サイクルに必要とされる。これにより、圧縮着火による燃焼がサイクル毎に確実に行われるようになる。従って、点火時点が制御された結果、高い負荷範囲においても、燃焼室内圧力の変動を低く抑えることが同様に可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】内燃機関の吸気行程中の断面図。
【図２】図１の内燃機関の圧縮行程中の断面図。
【図３】図１の内燃機関の燃焼室内に形成された混合気の着火時の断面図。
【図４】図１の内燃機関の本発明による運転中のシリンダ圧力曲線をクランク角について描いた概略図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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