JP2002502931A - ４サイクル内燃機関を作動するための方法 - Google Patents

４サイクル内燃機関を作動するための方法

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Abstract

(57)【要約】 ４サイクル内燃機関を駆動するための方法において、空気と燃料からなる均質な希薄基本混合気が圧縮点火によって点火される。燃料は、その中にピストンが密封式に案内されるシリンダーによって境界が定められた燃焼空間内への直接燃料噴射により投入される。均質な混合気形成の場合に、圧縮の結果としてエネルギーが供給されるために、均一な点火性能が確立され、その結果として、顕著な自己加速エネルギー放出が行われる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は、請求項１の前提部分に記載された一般タイプの４サイクル内燃機関
を作動するための方法に関する。
【０００２】 内燃機関は、均質で希薄な空気／燃料混合気の圧縮点火において、窒素酸化物
の形成が低く、熱効率が高くなるという可能性をもたらす。しかしながら、これ
らの利点は、急速に変化する様々な境界条件によって決まる狭い動作範囲内での
み発生する。
【０００３】 圧縮点火の場合、空気／燃料混合気は圧縮熱によって点火に至る。点火の開始
後、同時に放出されるエネルギーによって自己加速燃焼プロセスが開始される。
圧縮が低すぎると、燃焼が遅れて不完全になり、圧縮が高すぎると、許容できな
いほど急速に圧力が上昇し、作業空間内でガスが振動する（ノッキング燃焼）。
【０００４】 ＤＥ−１９５１９６６３Ａ１には、圧縮点火により内燃機関を作動するための
方法が記載されている。この場合、第１のステップでは、外部混合気形成によっ
て生成された均質で希薄な空気／燃料混合気がほぼ点火限界まで圧縮される。第
２のステップでは、追加量の同一燃料が微細な霧状にされ、壁面との接触を避け
て、作業空間内に噴射される。後から噴射された燃料は発火する混合気の雲を形
成する。それは、燃料含有量が高いので、その点火限界が第１のステップで達し
た圧縮温度より低くなるからである。
【０００５】 本発明の目的は、請求項１の前提部分に記載された一般タイプの方法を提供す
ることにあり、それにより、それぞれの動作範囲に適合された低消費量かつ低汚
染物質の燃焼を可能とするものである。
【０００６】 この目的は、請求項１の特徴を有する方法により達成される。
【０００７】 燃焼のタイミングおよびプロファイルは、不点火とノッキングのない低消費量
かつ低汚染物質の燃焼にとって重大なものである。上死点の領域での燃焼開始は
消費量および汚染物質の点で最適である。対照すると、燃焼が遅れた場合は、燃
料消費量および汚染物質の放出が上昇し、燃焼不点火に至るが、燃焼が早すぎる
場合は、許容できないほど圧力が上昇し、ピーク圧力とともにノッキング現象が
発生する。
【０００８】 内燃機関では、閉鎖最大初期容積から残存する残留容積まで幾何学的に圧縮し
た結果として、混合気の温度が上昇する。時間の経過につれて混合気を点火しき
い値まで導く温度は、圧縮した容積内で確立される。混合気の圧縮点火後に続く
燃焼プロセスは、燃焼の結果として放出されるエネルギーのために自己加速する
プロセスである。この燃焼プロセス中、反応は加速し続ける。燃焼の反応速度が
高いので、燃焼空間で急激な圧力上昇が発生し、その圧力上昇により望ましくな
い形態の燃焼になる。燃焼空間での点火のために用意された燃料の量は圧力プロ
ファイルに影響を及ぼす。すなわち、この燃料の量が多くなるほど、反応性の上
昇および圧力上昇の急速さがより急激なものになる。均質な希薄混合気を圧縮点
火する場合の燃焼限界がより高い負荷に向かい、その結果として燃焼空間内の燃
料の量が増加することは、燃焼空間内の空気／燃料混合気の温度分布が均一にな
りすぎることに起因する。この問題は、燃焼空間内の燃料の量が少ない場合は発
生しない。それは、放出エネルギーの量がそれほど多くないので、燃焼プロセス
を連続的に自己加速しても、燃焼空間内で望ましくないほど急速な圧力上昇が発
生しないからである。
【０００９】 均一な混合気の分配および圧縮の場合、大量の空気／燃料混合気が同時にほぼ
点火状態になり、多くの混合気留分が同時に自己点火条件に達する。差動エネル
ギー量により反応性を活性化すると放出した差動エネルギー量の倍数が放出され
ることは、自己加速の原理に固有のものである。
【００１０】 混合気の点火が遅れるとエネルギーの放出が遅れる可能性があり、その結果、
容認できる範囲内の限られた圧力上昇が燃焼空間内で発生する。点火の遅れは、
放出した燃焼エネルギーを吸収した結果として発生する。点火動作はエネルギー
の点では不可欠なプロセスなので、エネルギー放出の遅れは、自己点火動作が時
間に関連して局部的に広がることによって達成することができる。点火が同様の
点火傾向を備えた混合気の同質性に基づく代わりに、現在では混合気の点火性能
の勾配に基づくので、その結果、燃焼空間内で時間遅れのエネルギー反応が起こ
り、燃焼の遅れのために圧力上昇が低くなる。混合気の点火性能の勾配は、噴射
に関連するすべての混合気留分で差動的に検出される。この勾配は、燃焼反応の
エネルギー伝達が熱伝導によって決まるように混合気の温度勾配が確立されるほ
ど大きいものであってはならない。
【００１１】 時間に関連し局部的な点火性能の広がりは、時間の経過につれてしかも空間上
で異なるエネルギー吸収により確立することができる。エネルギーは、空気中の
燃料の蒸発および混合エネルギーと、自己点火フェーズ中の混合気の比熱容量と
によって吸収される。往復ピストンエンジン内の内部混合気形成の助力によって
、混合気の容積により点火性能の局部的勾配を生成することが可能である。燃料
の量は、異なる燃料蒸発を備えた燃焼空間領域が得られるように、燃焼空間内に
存在する媒体内に導入される。最も早く最も良好な蒸発を備えた領域では、燃料
留分は時間の経過につれて最高のエネルギー供給を受け、これにより、最大の点
火傾向を形成する。依然として混合が不完全な領域では、依然として蒸発中にエ
ネルギーを吸収し、すなわち、自己点火傾向を遅れさせる。蒸発によるエネルギ
ー吸収は、燃焼空間上での点火性能の勾配を発生する。圧縮点火による燃焼中に
ローディングが増加する場合、その噴射動作を複数の噴射動作に層化することに
よって勾配形成が可能になる。時間で層化した噴射は、圧縮中に、すでに点火性
の高い燃料領域から構成される。燃焼空間に新たに供給された燃料留分は、それ
ぞれの処理フェーズ中に圧縮混合気からエネルギーを吸収し、すでに事前圧縮し
た混合気の点火プロセスを遅れさせる。このエネルギー吸収は圧力上昇を低減す
る。
【００１２】 たとえば、燃焼空間容積の均一な変化による入口部材および出口部材の自由な
活動化により、有効圧縮が可変の往復ピストンエンジンを設計する場合、次の燃
焼動作に影響を与えるために、混合気の形成を燃焼空間内の排気ガスの保持と結
合することができる。排気ガス保持のために、燃焼空間の容積を低減する場合、
出口部材の方が早く閉鎖され、その結果、排気ガス量が圧縮され、その後、最小
容積全体にわたって膨張される。最小容積の時点の直後に早く開放し、その後、
燃焼空間と周囲との間の圧力を等化する場合、燃焼空間内で低温の新鮮なガスに
対する高温の排気ガスの均一な層化が確立される。入口部材を遅れて開放してい
る場合の方が圧力差が大きいので、流入エネルギーが高くなり、これが排気ガス
と新鮮なガスとの層化を低減する。
【００１３】 ２層の燃焼空間の温度分布では、負荷を低くするために燃料を早く噴射するこ
とができ、その結果、燃料の量が少なくなる。このように少ない量の燃料は新鮮
なガス中に効果的かつ均一に分配される。その表面積／容積比が低いので、排気
ガスのコンパクトチャージにより高温が得られ、その結果、空気超過量が大きい
新鮮な混合気を容易に点火することができる。空気超過量が大きいことにより、
急速な圧力上昇に向かって反応が加速されるのを防止する。フレッシュチャージ
領域への燃料の投入は、たとえば、結果的にＮＯｘを形成する高温燃焼や、脱水
および凝固など、すすを生じる意図しない燃料反応プロセスを阻止する。負荷が
より高い場合、入口弁の開放を遅れさせ、その結果、高温の排気ガスとより低温
の新鮮な空気との混合が改善される。燃焼空間内の温度分布が均一な場合、上記
のように噴射を遅らせるかまたは噴射動作を分離すると、点火性能の勾配を生じ
させることができる。入口弁の開放が遅れた結果として、燃焼空間内での新鮮な
ガスと排気ガス留分との乱流混合気形成中に早く噴射すると、先に噴射した燃料
留分を燃焼空間内に均一に分配し、処理時間の経過につれて温度が上昇した結果
としてそれを点火することができる。蒸発によるエネルギーの吸収の結果として
点火性能の局部的な低下を引き起こすために、第２の燃料留分は後で供給される
。
【００１４】 一方の極限値は、非常に早い噴射の結果として最適均一混合処理によって決定
される。反対側の極限値は、処理燃料の十分大きい留分が反応する前に燃料の蒸
発がもはや起こらないほど遅れて燃焼空間に混合気を投入することによって形成
される。不完全に処理された未燃焼燃料の周囲が高エネルギーの状態になると、
燃焼空間内および排気ガス系内にすすが形成されるまで、過濃な範囲で脱水活動
および凝固が起こる。本発明による方法は、上記の２つの極限値間で排他的に実
施される。
【００１５】 固体伝搬音、イオン電流、回転不均一は、燃焼と同時にその位置およびプロフ
ァイルを再現し、それにより高速制御動作用の前提条件をもたらす測定量である
。この制御動作は、記憶された特性マップを使用するかまたはニューラル・ネッ
トワークの原理に基づく高速適応電子機器を使用すると可能になる。燃焼を監視
するデータに加え、これらの電子機器は弁制御時間および噴射時間も考慮に入れ
、それらから導出した空気超過値も考慮に入れる。
【００１６】 本発明の例示的な実施形態について、図面を参照しながら、以下詳細に説明す
る。
【００１７】 図１および図２に概略で示す内燃機関は、４つのシリンダー２を備えたシリン
ダーブロック１を有し、そのシリンダー内にはピストン３が密封式に案内され、
シリンダーはシリンダーヘッド４によって閉鎖される。シリンダー１、ピストン
３、シリンダーヘッド４は、その中で燃焼が行われる燃焼空間５を取り囲んでい
る。
【００１８】 シリンダーヘッド４内には、燃焼空間５ごとに、燃料噴射弁６と、入口弁７と
、出口弁８とが配置されている。ガス交換弁７、８は、弁制御ユニット９によっ
て開閉される。燃料噴射弁６は噴射制御部１０によって噴射タイミングおよび燃
料の量に関して作動され、その制御部はガス交換弁７、８の調整制御のために弁
制御ユニット９に接続されている。
【００１９】 はずみ車１３は、クランクシャフト上に位置し、シリンダーブロック１から突
出しており、その領域内にはクランクシャフトの回転不均一を測定するために回
転速度センサ１４が設けられている。回転速度センサ１４および他の適当なセン
サは、燃焼の位置およびプロファイルに関するリアルタイム信号を供給するので
、これらの値を基礎として燃料噴射弁６およびガス交換弁７、８の制御を実行す
ることができる。
【００２０】 図２は、シリンダー２、ピストン３、およびシリンダーヘッド４によって境界
が定められ、その中に燃料噴射弁６が燃料を噴射する燃焼空間５を通る断面を示
している。Ｚ０〜Ｚｎで示す点は、下付文字が増加するほど後から燃焼空間に入
る、したがって点火性能が低くなる燃料留分を概略で表している。大きい下付文
字が付いた要素は、その蒸発フェーズ中に、小さい下付文字が付いた燃料留分か
ら構成され、本来は温度分布が均一の混合気領域からエネルギーを吸収する。燃
焼空間５内の圧縮フェーズ中の温度条件は、前記燃焼空間を通過し、Ｔで示す温
度プロファイルによって示される。
【００２１】 本発明による方法は、次のように機能する。空気または希薄な基本燃料／空気
混合気が入口部材７を通って燃焼空間５に入る。そこで、混合気が高温排気ガス
と混合され、かつまたは自己点火限界まで圧縮される。燃焼は、開始された後、
放出された熱により自己加速方式で続行される。これは、特に多くの混合気留分
が同時に自己点火条件に達するからである。燃焼空間５内の燃料の量が少ない場
合、放出されるエネルギーの量はあまり多くないので、結果的に燃焼空間内で著
しい圧力上昇が発生する可能性がある。しかし、これは、燃焼空間５内の燃料含
有量が上昇するにつれて変化する。均一な燃料分配の場合のように点火性の混合
気の量が多い場合、意図しない燃焼が発生し、燃焼空間５内で急速な圧力上昇、
高いピーク圧力、顕著な圧力振動が発生する。
【００２２】 この問題は、均質な混合気の圧縮点火にとって重大なものであり、本発明によ
り解消されるが、これは、一方では燃焼空間５内の圧縮の調整により、またもう
一方では混合気内の燃料分配の調整により行われる。このような措置は、個別に
または組み合わせて実行することができる。
【００２３】 異なる燃料分配は、均質な基本混合気内に後から直接噴射することによって達
成される。個々の燃料飛沫の蒸発および混合気形成熱の結果として、混合気の温
度は局部的に低下し、その局部点火性能もそれにより低下する。このため、燃料
エネルギー全体の放出が遅れるために圧力上昇が低下する。
【００２４】 圧縮点火による燃焼の場合に負荷を増加するためには、噴射動作を複数の噴射
動作に層化することにより点火性能の勾配を形成することが有利である。時間で
層化した噴射は、圧縮中に、すでに点火性が高い燃料領域と、燃焼空間に入った
ばかりの燃料領域から構成される。新たに供給された燃料留分は、それぞれの処
理フェーズ中に事前圧縮混合気からエネルギーを吸収し、後者の点火プロセスを
遅れさせ、その結果、圧力上昇が低下する。
【００２５】 排気ガス保持の場合、出口弁８の方が先に閉鎖され、その結果、残留ガスが圧
縮され、その後、ガス交換死点で膨張される。ガス交換死点と、その後の燃焼空
間５と周囲との圧力等化の直後に入口弁７を早く開放する場合、燃焼空間５内に
高温の排気ガスと低温の新鮮なガスとの均一な層化が形成される。入口弁７を後
で開放する場合、真空が高くなり、それにより引き起こされる流入エネルギーが
大きくなるので、排気ガスと新鮮なガスとのより低い層化が確立される。
【００２６】 燃焼空間５内の２層温度分布の場合、燃料の量は、低負荷のときに少なくなり
、早く噴射することができる。混合気形成時間が長いので、新鮮なガス内に少量
の燃料が均一に分配される。層化した排気ガスは、その表面積／容積比が低いの
で、高温が得られ、その結果、希薄混合気が確実に点火される。空気超過量が大
きいことにより、後続の急速圧力上昇とともに、反応の加速を防止する。フレッ
シュチャージへの燃料の投入は、ＮＯｘおよびすすの形成を伴う高温燃焼の成り
行きを防止する。
【００２７】 より高い負荷の場合、特に周囲条件との違いを大きくするために、入口弁７の
開放が遅らされ、その結果、乱流がより顕著なので高温の排気ガスと低温の新鮮
な空気との混合が行われる。燃焼空間５内の温度分布が均一である場合、後で行
う燃料噴射は、適切であれば一連のものであり、グレード付きの点火性能をもた
らすことができる。早く噴射した燃料は、空気／残留ガス混合気の高乱流のため
に均一に分配され、後者内の反応時間が長いために点火される。後で噴射した燃
料は、その蒸発による混合気の冷却の結果として点火性能の低下をもたらす。
【００２８】 燃焼空間内の混合気の形成を時間的にずらすことにより、自己加速プロセスが
引き続き確立されるように燃焼空間内の点火性能の均一性を低減することができ
るが、このプロセスの自己加速は低下し、その結果、圧力上昇が低下する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ガス交換部材および燃料噴射弁用の制御ユニットを備えた内燃機関の概略図で
ある。
【図２】 燃料噴射弁を有する作業空間を通る断面および後期圧縮行程への直接燃料噴射
の場合における異なる点火性能の領域を示す図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 Ｅｐｐｌｅｓｔｒａｓｓｅ 225 Ｓｔｕ ｔｔｇａｒｔ Ｇｅｒｍａｎｙ Ｆターム(参考） 3G023 AA02 AA03 AA05 AB02 AC04 AG01 3G301 HA01 HA04 HA15 HA16 JA02 JA21 JA24 LA07 LB04 MA01 MA18 NC02 PA17A PD01A PE01A

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 空気と燃料からなる均質な希薄基本混合気と、圧縮点火と、
    その中にピストン（３）が密封式に案内されるシリンダー（２）によって境界が
    定められた少なくとも１つの燃焼空間（５）内への直接燃料噴射とを用いて、４
    サイクル内燃機関を作動するための方法であって、均質な混合気形成の場合に、
    圧縮の結果としてエネルギーが供給されるために、均一な点火性能が確立され、
    それにより顕著な自己加速エネルギー放出が行われることを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】 燃焼空間（５）内の点火性能が、時間の経過につれて希薄混
    合気の温度および圧力プロファイルによって決定されることを特徴とする請求項
    １記載の方法。
  3. 【請求項３】 燃焼空間（５）内の点火性能が、圧縮フェーズ中に複数の点
    火性能（Ｚ１〜Ｚｎ）にわたって拡張されることを特徴とする請求項１または２
    記載の方法。
  4. 【請求項４】 内部混合気形成によって投入された燃料の蒸発のためにエネ
    ルギーが吸収され、このエネルギー吸収の結果として、混合気の温度が少なくと
    も局部的に低下し、その結果、点火性能が遅れることを特徴とする請求項１〜３
    のいずれかに記載の方法。
  5. 【請求項５】 内部混合気形成の場合に、点火性能の勾配が燃料の噴射タイ
    ミングによって左右されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の方
    法。
  6. 【請求項６】 点火性能の勾配が、噴射動作を複数の部分噴射に分離するこ
    とによって左右されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
  7. 【請求項７】 異なる燃焼領域およびそれらの特性を決定することができ、
    その決定が、特性マップに記憶されたパラメータ、またはニューラル・ネットワ
    ークの使用により、実行されることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載
    の方法。
  8. 【請求項８】 検出された燃焼領域の関数として調整が実行され、噴射およ
    び混合気形成の機構によって燃焼が最適化されることを特徴とする請求項７記載
    の方法。
  9. 【請求項９】 燃焼の最適化が、圧縮の変動と、空気／燃料混合気の制御さ
    れた不均質性により実行されることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載
    の方法。
  10. 【請求項１０】 局部的な空気／燃料混合気が多くて化学量論量であること
    を特徴とする請求項９記載の方法。
  11. 【請求項１１】 エンジン負荷が、噴射タイミングおよび噴射量の同時設定
    と、出口および入口の閉鎖によって変化することを特徴とする請求項１〜１０の
    いずれかに記載の方法。
  12. 【請求項１２】 定常動作点の場合でも、圧縮、乱流、および噴射の変動に
    よって燃焼が最適化されることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の
    方法。
JP2000530695A 1998-02-07 1999-01-16 ４サイクル内燃機関を作動するための方法 Expired - Fee Related JP4897999B2 (ja)

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