JP2007162687A - 内燃機関を運転するための方法 - Google Patents

Abstract

【課題】オットエンジンの自己着火のために利用可能となる負荷領域を拡大する。
【解決手段】内燃機関、特にオットエンジンを、コントロールされた自己着火で運転するための方法であって、燃料−空気混合物を燃焼室内に導入して、圧縮行程Ｖで圧縮する形式の方法において、燃料−空気混合物に、１つまたは複数の個所で、火花点火により圧縮行程Ｖの間、残りの燃料−空気混合物を圧縮しかつ／または加熱し、かつこれにより自己着火をリリースする火炎面を発生させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関、特にオットエンジンを、コントロールされた自己着火で運転するための方法であって、燃料−空気混合物を燃焼室内に導入して、圧縮行程で圧縮する形式の方法に関する。

さらに本発明は、このような方法により作動する内燃機関に関する。

公知先行技術に基づき知られている直接噴射式のガソリン内燃機関では、内燃機関のシリンダに設けられた燃焼室内にガソリンが直接に噴射される。燃焼室内で圧縮されたガソリン−空気混合物は引き続き燃焼室内での点火火花の点火によって着火される。着火されたガソリン−空気混合物の容積は爆発的に膨張して、シリンダ内で往復運動可能であるピストンを運動させる。ピストンの往復運動は内燃機関のクランクシャフトへ伝達される。

直接噴射式の内燃機関は種々の運転モードで運転され得る。第１の運転モードとしては、「成層燃焼運転」が知られている。この成層燃焼運転は特に比較的小さな負荷において使用される。第２の運転モードとしては「均質燃焼運転」が知られている。この均質燃焼運転は内燃機関に加えられる負荷が比較的大きい場合に使用される。種々の運転モードは特に噴射時期および噴射時間ならびに点火時期の点で互いに異なっている。

成層燃焼運転では、内燃機関の圧縮段階の間、点火時期に点火プラグのすぐ周辺に燃料クラウドが存在するようにガソリンが燃焼室内に噴射される。この噴射は種々様々の形式で行うことができる。すなわち、噴射された燃料クラウドが、既に噴射の間もしくは噴射の直後に点火プラグ近傍に存在していて、この点火プラグによって着火されることが考えられる。同じく、噴射された燃料クラウドが給気運動によって点火プラグにまで案内され、その後にはじめて着火されることも考えられる。両燃焼方法では、燃焼室内に均一な燃料分配は行われず、層状給気が行われる。

成層燃焼運転の利点は、極めて小さな燃料量を用いて、内燃機関の、加えられる比較的小さな負荷を実施することができることにある。しかし、より大きな負荷を成層燃焼運転により満たすことはできない。

より大きな負荷のために使用される均質燃焼運転では、内燃機関の吸入段階の間、ガソリンが噴射されるので、まだ点火が行われる前に燃焼室内のガソリンの渦流形成が行われ、ひいてはガソリンの分配が行われ得る。この限りでは、均質燃焼運転は内燃機関の、従来慣用の形式で燃料が吸気管内へ噴射される際の運転形式にほぼ相当している。必要に応じて、より小さな負荷の場合にも均質燃焼運転を使用することができる。

内燃機関のＨＣＣＩモード（Homogenous Charge Compression Ignition；予混合圧縮着火）が知られている。このＨＣＣＩモードは場合によってはＣＡＩ（Controlled Auto Ignition）、ＡＴＡＣ（Active Thermo Atmosphere Combustion）またはＴＳ(Toyota Soken)とも呼ばれる。内燃機関がこのＨＣＣＩモードで運転されると、空気−燃料混合物の着火は火花点火によって行われるのではなく、コントロールされた自己着火によって行われる。ＨＣＣＩ燃焼プロセスは、たとえば高温の残留ガスの高い含量および／または高い圧縮および／または高い流入空気温度によって生ぜしめることができる。自己着火のための前提条件はシリンダ内での十分に高いエネルギレベルである。ＨＣＣＩモードで運転可能な内燃機関は、たとえば米国特許第６２６０５２０号明細書、米国特許第６３９００５４号明細書、ドイツ連邦共和国特許第１９９２７４７９号明細書および国際公開第９８／１０１７９号パンフレットに基づき公知である。

ＨＣＣＩ燃焼は慣用の火花点火式の燃焼に比べて、低減された燃料消費および有害物質エミッションの低減の利点を有している。しかし、燃焼プロセスの制御および特に混合物の自己着火の制御は複雑である。すなわち、燃焼プロセスに影響を与える作動量、たとえば燃料噴射のための作動量（噴射量もしくは噴射時期および噴射時間）、内部または外部の排ガス再循環、吸気弁および排気弁（可変の弁制御）、排ガス背圧（排ガスフラップ）、場合によっては点火アシスト、空気流入温度、燃料品質および可変の圧縮比を有する内燃機関における圧縮比を制御することが必要となる。

現在、コントロールされた自己着火は狭い負荷領域においてしか使用することができない。なぜならば、自己着火は目下、その反応動力学特性（Reaktionskinetik）によってのみ運転されるからである。
米国特許第６２６０５２０号明細書 米国特許第６３９００５４号明細書 ドイツ連邦共和国特許第１９９２７４７９号明細書 国際公開第９８／１０１７９号パンフレット

したがって、本発明の課題は、冒頭で述べた形式の方法を改良して、オットエンジンの自己着火のために利用可能となる負荷領域を拡大することのできる方法を提供することである。

さらに本発明の課題は、このような方法を実施するために適した内燃機関を提供することである。

この課題を解決するために本発明の方法では、内燃機関、特にオットエンジンを、コントロールされた自己着火で運転するための方法であって、燃料−空気混合物を燃焼室内に導入して、圧縮行程で圧縮する形式の方法において、燃料−空気混合物に、１つまたは複数の個所で、火花点火により圧縮行程の間、残りの燃料−空気混合物を圧縮しかつ／または加熱し、かつこれにより自己着火をリリースする火炎面を発生させるようにした。

上記課題を解決するために本発明の内燃機関の構成では、コントロールされた自己着火の運転モードを有する内燃機関であって、燃料−空気混合物が燃焼室内に導入されて、圧縮行程で圧縮されるようになっている形式の内燃機関において、燃料−空気混合物に、１つまたは複数の個所で、火花点火により、残りの燃料−空気混合物を圧縮しかつ／または加熱し、かつこれにより自己着火をリリースすることのできる火炎面が発生させられるようになっているようにした。

本発明は、層状化された噴射を火花点火と組み合わせた形で用いて、種々異なる負荷点における自己着火を開ループ式もしくは閉ループ式に制御することを可能にする。層状化された噴射の規定量を点火することによって、火炎伝播により残りの混合物の自己着火を促進し、これによりこの組み合わされた燃焼（火炎伝播＋自己着火）を開ループ式もしくは閉ループ式に制御することが可能となる。層状化された噴射を用いると、吸気側のガス交換弁の閉鎖後に燃焼が反応動力学特性によってしか規定されないコンベンショナルな自己着火とは異なり、さらにあとから圧縮行程において、もしくは点火−上死点近傍で、燃焼に影響を与えることができる。種々異なる負荷点において、種々異なるガス交換弁ストラテジおよび噴射ストラテジが必要とされる。さらに、特性マップ領域を、たとえばより高い負荷に向かって拡張させるためには、過給を使用することもできる。点火−上死点近傍の範囲における層状化された噴射の開ループ式もしくは閉ループ式の制御により、層状化された熱い火炎面を開始させることができる。この火炎面は残りの部分を迅速に自己着火させることができる。このような層状化された噴射は開ループ制御もしくは閉ループ制御のための制御量として使用され得る。この場合、火炎面が、１つまたは複数の点火プラグおよび／またはレーザにより形成されると有利である。

内燃機関が成層燃焼運転で運転されると有利である。この場合、燃料は圧縮行程において燃焼室内に持ち込まれる。

燃料−空気混合物が、付加的に排ガスを含有していて、燃料−空気−排ガス混合物を形成していると有利である。この場合、排ガスが、装入交番行程における負の弁オーバラップ（残留ガス引き留め）により燃焼室内に留まると有利である。負の弁オーバラップの場合、排気側のガス交換弁が上死点への到達前に閉鎖されるので、燃焼されたガスの一部がシリンダ内に留まる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態を図面につき詳しく説明する。

図１には、内燃機関の１つのシリンダと、この内燃機関に所属する、燃料供給システムのコンポーネントとが概略的に図示されている。図面には、直接噴射式の内燃機関（ガソリン直接噴射式のオットエンジン ＢＤＥ）が例示的に図示されている。この内燃機関は燃料タンク１１を備えており、この燃料タンク１１には、電動燃料ポンプ（ＥＫＰ）１２と、燃料フィルタ１３と、低圧レギュレータ（ＤＲ）１４とが配置されている。燃料タンク１１からは燃料管路１５が延びており、この燃料管路１５は高圧ポンプ（ＨＤＰ）１６に通じている。高圧ポンプ１６には蓄圧室（Ｒａｉｌ）１７が続いている。この蓄圧室１７には複数の噴射弁１８が配置されており、これらの噴射弁１８は有利には直接に内燃機関の燃焼室２６に対応配置されている。直接噴射式の内燃機関では、各燃焼室２６に少なくとも１つの噴射弁１８が対応している。しかしこの場合、各燃焼室２６に対して複数の噴射弁１８が設けられていてもよい。燃料は電動燃料ポンプ１２によって燃料タンク１１から燃料フィルタ１３と燃料管路１５とを介して高圧ポンプ１６にまで圧送される。燃料フィルタ１３は、燃料から異種粒子を除去する役目を持っている。低圧レギュレータ１４を用いて、燃料は燃料供給システムの低圧範囲において、たいてい約４〜５バールのオーダにある規定の値にまで制御される。有利には内燃機関によって直接に駆動される高圧ポンプ１６は燃料を圧縮し、そしてこの燃料を蓄圧室１７内へ圧送する。燃料圧はこのときに、最大約１５０バールの値に達する。図１には、直接噴射式の内燃機関の１つの燃焼室２６が例示的に図示されているが、一般に内燃機関は複数のシリンダを有しており、これらのシリンダがそれぞれ１つの燃焼室２６を有している。燃焼室２６には、少なくとも１つの噴射弁１８と、少なくとも１つの点火プラグ２４と、少なくとも１つの吸気弁２７と、少なくとも１つの排気弁２８とが配置されている。燃焼室２６は、シリンダ内を昇降スライドすることのできるピストン２９によって仕切られる。吸気弁２７を介して、新空気が吸気路３６から燃焼室２６内へ吸い込まれる。噴射弁１８を用いて、燃料は直接に内燃機関の燃焼室２６内に噴射される。点火プラグ２４を用いて燃料は着火される。着火された燃料の膨張により、ピストン２９が駆動される。ピストン２９の運動はコネクティングロッド３７を介してクランクシャフト３５へ伝達される。クランクシャフト３５には、セグメントディスク３４が配置されており、このセグメントディスク３４は回転数センサ３０によってプロービングされる。回転数センサ３０は、クランクシャフト３５の回転運動を特徴付ける信号を発生させる。

燃焼時に発生した排ガスは排気弁２８を介して燃焼室２６から排ガス管３３に流入する。この排ガス管３３には、温度センサ３１と酸素センサ３２とが配置されている。温度センサ３１を用いて排ガスの温度が検出され、酸素センサ３２を用いて排ガスの酸素含量が検出される。

蓄圧室１７には、圧力センサ（ＤＳ）２１と圧力制御弁（ＤＳＶ）１９とが接続されている。圧力制御弁１９の入口側は蓄圧室１７に接続されている。圧力制御弁１９の出口側からは戻し流管路２０が導出されており、この戻し流管路２０は燃料管路１５に通じている。

圧力制御弁１９の代わりに、燃料供給システム１０に設けられた量制御弁を使用することもできる。圧力センサ２１を用いて、蓄圧室１７内の燃料圧の実際値が検出され、この実際値は制御装置（ＳＧ）２５に伝送される。この制御装置２５により、検出された燃料圧の実際値をベースにして制御信号が形成される。この制御信号によって圧力制御弁１９が制御される。噴射弁１８は電気的な最終段（図示しない）を介して制御される。この最終段は制御装置２５の内部または外部に配置されていてよい。制御信号線路２２を介して種々のアクチュエータおよびセンサが制御装置２５に接続されている。制御装置２５には、内燃機関を制御するために働く種々の機能が組み込まれている。最近の制御装置では、これらの機能がコンピュータでプログラミングされ、引き続き制御装置２５のメモリにファイルされる。メモリ内にファイルされた機能は、内燃機関に課せられた要求に関連して活性化される。この場合、特に制御装置２５のリアルタイム能力に対して厳格な要求が課される。原理的には、内燃機関の制御のソフトウエア実現に対して択一的に、内燃機関の制御の純然たるハードウェア実現が可能である。

吸気路３６には、スロットルバルブ３８が配置されている。このスロットルバルブ３８の旋回位置は信号線路３９と所属の電気的なアクチュエータ（図示しない）とを介して制御装置２５により調節可能となる。

燃焼室には、別の点火装置４０が配置されていてよい。この別の点火装置４０は、点火プラグ２４に対して付加的な別の点火プラグであるか、またはたとえばレーザ等であってもよい。別の点火装置４０または点火プラグ２４を用いて、自己着火を生ぜしめるための、以下に説明する火花点火がリリースされる。別の点火装置４０は制御装置２５により制御される。このためには、この別の点火装置４０が制御装置２５に電気的に接続されている。

第１の運転モード、すなわち内燃機関の均質燃焼運転モードでは、スロットルバルブ３８が、供給したい所望の空気質量に関連して部分的に開放されるか、もしくは閉鎖される。燃料は、ピストン２９により生ぜしめられた吸入行程の間、噴射弁１８によって燃焼室２６内に噴射される。それと同時に吸い込まれた空気により、噴射された燃料にはスワール等の渦流が付与され、これによって燃料は燃焼室２６内にほぼ均一／均質に分配される。その後に、燃料空気混合物は、ピストン２９により燃焼室２６の容積が減じられる圧縮行程時に圧縮され、次いで一般にピストン２９が上死点へ到達する直前に点火プラグ２４によって着火される。

第２の運転モード、すなわち内燃機関の成層燃焼運転モードでは、スロットルバルブ３８が大きく開放される。燃料は、ピストン２９により生ぜしめられた圧縮行程の間、噴射弁１８によって燃焼室２６内に噴射される。次いで、まず点火プラグ２４を用いて燃料が着火されるので、ピストン２９は、次いで行われる作業段階において、着火された燃料の膨張により駆動される。可能となる別の運転モードが均質リーン燃焼運転モードである。この均質リーン燃焼運転モードでは、燃料が均質燃焼運転モードの場合と同様に、吸入段階の間、燃焼室２６内に噴射される。

図２には、内燃機関の燃焼室２６内の燃焼室圧力ｐ（バール）と、クランクシャフト角度゜ＫＷとの関係を示す線図が示されている。横軸には、−１８０゜〜５４０゜のクランクシャフト角度がとられており、縦軸には、燃焼室圧（バール）がとられている。０゜で、この場合任意に装入交番における上死点Ｌ−ＯＴが設定されている。装入交番は周知のように、燃焼された排ガスを排出し（このことは−１８０゜〜０゜のクランクシャフト角度で行なわれる）、そして周辺の新空気もしくは燃料−空気混合物を吸入する（このことは０゜〜１８０゜のクランクシャフト角度範囲で行われる）ために働く。クランクシャフトがさらに１回転すると、つまり３６０゜のクランクシャフト角度において、点火−上死点（Ｚ−ＯＴ）が到達される。図２に示したクランクシャフト角度１８０゜とクランクシャフト角度３６０゜との間では圧縮行程が行われ、クランクシャフト角度３６０゜とクランクシャフト角度５４０゜との間では、燃焼されたガスの膨張が行われる。個々の行程は図２においては−１８０゜〜０゜の排出ＡＵと、０゜〜１８０゜の吸入ＡＮと、１８０゜〜３６０゜の圧縮行程Ｖと、３６０゜〜５４０゜の膨張（燃焼）Ｅとで表されている。圧縮行程では、空気もしくは燃料−空気混合物または燃料−空気−排ガス混合物が圧縮され、このときに加熱される。混合物は一般に点火−上死点Ｚ−ＯＴへの到達直前に着火される。このことはオットエンジンにおいて通常行われているように火花点火により行われるか、または本発明による運転モードではコントロールされた自己着火により行われ得る。混合物の着火は、よく知られているように圧力増大をもたらし、この圧力増大は引き続き行われる作業行程において機械的なエネルギへ変換される。

コントロールされた自己着火の運転モードでは、噴射は成層燃焼運転において圧縮行程で行われ、自己着火（図２参照）は点火−上死点Ｚ−ＯＴへの到達直前に行われる。このためには、ガス−空気−燃料−排ガス混合物が十分な着火温度を有していることが必要となる。このことは、全ての運転状態において保証されとは限らない。したがって、本発明によれば、火花点火により自己着火が促進される。このことは、たとえば点火プラグまたはその他の点火手段、たとえばレーザ等により燃焼室２６内で行われる。火花点火は燃料濃度および圧力特性に基づいて、ゆっくりとしか進行しない火炎面を発生させる。この火炎面は残りの燃料−空気−排ガス混合物を引き続き圧縮させて、その温度を上昇させる。これにより、火炎面により着火されなかった燃料−空気−排ガス混合物において、自己着火のために十分となる圧力および温度が生ぜしめられる。すなわち、自己着火は、火花点火を用いて生ぜしめられる燃焼室内での圧力・温度増大により発生させられる。

図３には、本発明による方法のフローチャートが示されている。当該方法はステップ１０１において燃料の噴射によって開始する。このことは吸入行程または圧縮行程（オットエンジンの運転モード「成層燃焼運転」、「均質燃焼運転」、「均質リーン燃焼運転」等に応じて）で行われる。引き続き、ステップ１０２で燃料−空気−排ガス混合物の圧縮が行われる。その後に、ステップ１０３において、燃料−空気−排ガス混合物の一部が火花点火により着火される。これにより、ゆっくりと進行する火炎面が発生し、この火炎面はステップ１０４において、残った混合物をコントロールされた自己着火にもたらす。

燃料供給システムを備えた内燃機関の１つのシリンダを概略的に示す図である。 燃焼室圧力（ｐ）とクランクシャフト角度（゜ＫＷ）との関係を示す線図である。 本発明による方法を実行するためのフローチャートである。

符号の説明

１０ 燃料供給システム
１１ 燃料タンク
１２ 電動燃料ポンプ
１３ 燃料フィルタ
１４ 低圧レギュレータ
１５ 燃料管路
１６ 高圧ポンプ
１７ 蓄圧室
１８ 噴射弁
１９ 圧力制御弁
２０ 戻し流管路
２１ 圧力センサ
２２ 制御信号線路
２４ 点火プラグ
２５ 制御装置
２６ 燃焼室
２７ 吸気弁
２８ 排気弁
２９ ピストン
３０ 回転数センサ
３１ 温度センサ
３２ 酸素センサ
３３ 排ガス管
３４ セグメントディスク
３５ クランクシャフト
３６ 給気路
３７ コネクティングロッド
３８ スロットルバルブ
３９ 信号線路
４０ 点火装置
１０１ ステップ
１０２ ステップ
１０３ ステップ
１０４ ステップ

Claims (7)

1. 内燃機関、特にオットエンジンを、コントロールされた自己着火で運転するための方法であって、燃料−空気混合物を燃焼室（２６）内に導入して、圧縮行程（Ｖ）で圧縮する形式の方法において、燃料−空気混合物に、１つまたは複数の個所で、火花点火により圧縮行程（Ｖ）の間、残りの燃料−空気混合物を圧縮しかつ／または加熱し、かつこれにより自己着火をリリースする火炎面を発生させることを特徴とする、内燃機関を運転するための方法。
2. 前記火炎面を１つまたは複数の点火プラグ（２４，４０）により発生させる、請求項１記載の方法。
3. 前記火炎面をレーザ（４０）により発生させる、請求項１または２記載の方法。
4. 燃料を圧縮行程（Ｖ）で燃焼室内に導入する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 燃料−空気混合物が、付加的に排ガスを含有していて、燃料−空気−排ガス混合物を形成している、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 排ガスが、装入交番行程における負の弁オーバラップにより燃焼室内に留まる、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. コントロールされた自己着火の運転モードを有する内燃機関であって、燃料−空気混合物が燃焼室（２６）内に導入されて、圧縮行程（Ｖ）で圧縮されるようになっている形式の内燃機関において、燃料−空気混合物に、１つまたは複数の個所で、火花点火により、残りの燃料−空気混合物を圧縮しかつ／または加熱し、かつこれにより自己着火をリリースすることのできる火炎面が発生させられるようになっていることを特徴とする、コントロールされた自己着火の運転モードを有する内燃機関。

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