JP2003522877A - 内燃機関へ二重燃料噴射する方法および装置 - Google Patents

内燃機関へ二重燃料噴射する方法および装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 内燃機関の燃焼室へ２種類の異なる燃料を導入する。主燃料よりも自己点火性の高いパイロット燃料によって主燃料に点火する。本発明の方法では、エンジンの負荷状態をモニターし、低負荷状態および高負荷状態を構成する複数組の状態を設定する。それぞれの負荷状態に対応させて、異なる動作モードを規定する。低負荷状態では主燃料と空気との均質混合気は希薄すぎるため、安定した燃焼を維持できない；そこで、パイロット燃料の噴射直後に高圧で主燃料が噴射される。高負荷状態では、燃料が３段階に分けて噴射される。第１段階では、主燃料が燃焼室へ導入される前に吸気と混合されるか、または主燃料が吸気行程か圧縮行程の初期において噴射される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の分野】
本発明は、内燃機関の燃焼室に二重燃料噴射する技術に係わる。具体的には、
本発明は乗用車、トラック、バス、機関車、船舶およびその他の輸送手段の内燃
機関や、エネルギー発生用などの工業用エンジンに応用するのに好適な二重燃料
噴射技術に係わる。
【０００２】
【発明の背景】
ディーゼル・エンジンを天然ガス利用のエンジンに変換することは、内燃機関
業界の長年の念願であった。天然ガスはディーゼルに比較してクリーンに燃焼す
る燃料であり、ディーゼル燃料に代えて天然ガスを使用することによって、エン
ジンは低い窒素酸化物（ＮＯｘ）および粒状物質（ＰＭ）排出レベルで動作する
ことができる。
【０００３】 ディーゼル燃料に代えて天然ガスを使用する公知技術は、二重燃料法と呼ばれ
る。典型的には、二重燃料エンジンは空気/天然ガス混合物をエンジン・シリン
ダに導入する前に、天然ガスを吸気と混合する（フュミゲーションの呼称で公知
の技術）。次いで、吸気行程において、均質な空気／天然ガス混合気がピストン
・シリンダ内に導入される。圧縮行程において、均質混合気の圧力および温度が
上昇する。圧縮行程の終わり近くに、少量のパイロットディーゼル燃料を利用し
て空気／天然ガス混合気を点火させる。空気／天然ガスの均質な混合気を使用す
ることの利点として、希薄で均質な状態で燃焼して、等価のディーゼル燃料エン
ジンと比較して、ＮＯｘおよび粒状物質が低くなるように、燃料／空気比（Ｆ／
Ａ比）を制御することができる。
【０００４】 しかし、この二重燃料法には２つの重要な欠点がある。第１の重要な欠点は、
高負荷エンジン動作状態で現れるもので、このときに圧縮行程中に上昇するピス
トン・シリンダ内の温度および圧力が空気／天然ガス混合気を“ノッキング”し
易い状態にする。ノッキングは制御不能な燃焼プロセスであり、極めて高い熱発
生率を伴い、燃焼室圧が急激に変動し、ピストンおよび関連のエンジン部品を損
傷させるほどの大きい燃焼室圧を生む。ノッキングのリスクを軽減する手段とし
ては、エンジンの圧縮比を低下させるか、または出力およびトルクを制限すると
いう手段がある。しかし、これらの手段は抑制した分だけエンジンのサイクル効
率を低下させることになる（即ち、各ピストン行程から得られる出力が制約され
る）。第２の重要な欠点として、低負荷エンジン動作状態では、燃料と空気の混
合気が過度に希薄になり、伝播燃焼による安定した燃焼を持続できず、その結果
、不完全燃焼または不点火を招くことにある。吸気流量を絞ることによってＦ／
Ａ比を着火性限界値以上に維持できるが、エンジン効率に悪影響を及ぼすことに
なる。
【０００５】 最近、種々のタイプの、ここでは“高圧直接噴射”（high pressure direct i
njection, ＨＰＤＩ）ガス・エンジンと呼称する二重燃料燃焼エンジンが公知と
なっている。上記した従来の二重燃料法と同様に、ＨＰＤＩガス・エンジンは多
量の気体燃料を燃焼させ、ＮＯｘおよび粒状物質の排出レベルを抑制することに
よってディーゼル燃料エンジンの改善を可能にする。これに加えて、ＨＰＤＩガ
ス・エンジンは公知のディーゼル燃料エンジンと同じ燃焼効率、出力およびトル
ク出力を達成することが立証された。ＨＰＤＩガス・エンジンの動作原理は、圧
縮行程の終わり近くに２つの燃料を与圧下に燃焼室へ噴射することにある。１つ
の方法として、少量の“パイロット燃料”（典型的にはディーゼル）をシリンダ
に噴射した直後、多量の気体燃料を噴射する。圧縮行程の終わりに、パイロット
燃料はシリンダ内の圧力および温度で容易に点火し、パイロット燃料の燃焼が、
さもなければ点火し難い気体燃料の燃焼を開始させる。公知のＨＰＤＩガス・エ
ンジンでは燃料と空気を予混合しないから、予混合燃焼ではなく“拡散”燃焼モ
ードで動作する。拡散燃焼モードにおいては、燃焼の大部分が（リーン・バーン
予混合燃焼によって発生する温度およびこれに起因するＮＯｘ形成と比較して）
温度およびこれに起因するＮＯｘが比較的高い局部的な近−化学量論的反応ゾー
ンにおいて起こると考えられる。
【０００６】
【発明の概要】
作動中の内燃機関の燃焼室へ燃料を導入する改良された方法を提供する。エン
ジンは少なくとも１つのピストンをシリンダ内に有する。 燃焼室へ導入される燃料は、主燃料および主燃料よりも自己点火性の高いパイロ
ット燃料から成る。この方法は： （ａ）エンジンにおける一連の負荷条件を検知し； （ｂ）主燃料と空気との所要の比が主燃料と吸気との均質な混合気の、校正
された予混合燃焼安定性限度以下である場合に現れる負荷状態に相当する第１群
の所定負荷状態が検知されると、低負荷動作モードを採用し、クランクシャフト
の毎分回転数（ＲＰＭ）の形で測定される動作中のエンジン速度において、第１
群の所定負荷状態に相当するエンジン負荷よりも大きいエンジン負荷に相当する
第２群の所定負荷状態が検知されると、高負荷動作モードを採用し； （ｃ）低負荷動作モードにおいて、シリンダが与圧され、ピストンが上死点
またはその近傍に来ると、パイロット燃料および主燃料を燃焼室に導入し； （ｄ）負荷動作モードにおいて、パイロット燃料および主燃料を燃焼室へ順
次３段階で、即ち、吸気または圧縮行程中の第１段階において、主燃料の第１部
分を導入し、ピストンが上死点またはその近傍に来た時に点火するように、圧縮
行程中の第２段階において、パイロット燃料を導入し、第３段階において、主燃
料の第２部分を導入するステップから成ることを特徴とする。
【０００７】 好ましい方法としては、低負荷動作モードが、ピストンが上死点またはその近
傍に来るとパイロット燃料が点火するようなタイミングで、圧縮行程中にパイロ
ット燃料を導入するステップをも含み、パイロット燃料に続いて主燃料が導入さ
れる。
【０００８】 本発明の好ましい方法では、パイロット燃料に続いて主燃料の少なくとも一部
を導入する場合（後噴射）、主燃料の後噴射は、パイロット燃料の導入後、クラ
ンクシャフトが０〜９０°回転したところで導入する。
【０００９】 パイロット燃料の前に主燃料の少なくとも一部を導入する場合（早期噴射）、
好ましい方法では、第２段階パイロット燃料の導入が始まる前に早期噴射主燃料
の導入を完了する。早期噴射主燃料が吸気と混合して均質混合気を形成する可能
性を高めるという理由から、早期噴射主燃料を早めに導入することが望ましい。
従って、好ましい方法では、第１段階における早期噴射主燃料の導入を吸気行程
中に行う。これに代わる方法としては、第１段階における早期噴射主燃料の導入
を、ピストンが圧縮行程開始直前に下死点またはその近傍に来る時点に行う。
【００１０】 高負荷動作モードでは、ピストンが上死点またはその近傍に来る圧縮行程にお
いて第２段階パイロット燃料導入を行う。低負荷動作モードと同様に、パイロッ
ト燃料を圧縮行程において導入し、ピストンが上死点またはその近傍に来るとパ
イロット燃料が点火するようにパイロット燃料噴射をタイミング制御することが
望ましい。
【００１１】 本発明の１実施態様では、高負荷動作モードを選択する場合、第２段階と第３
段階が重なるように、第２段階パイロット燃料の導入は、第３段階主燃料の導入
が開始するまで続いている。第３段階の方が長ければ、第２段階と第３段階は同
時に開始してもよい。しかし、好ましい方法では、第２段階と第３段階とが順を
追って開始し、第２段階と第３段階との間ではクランクシャフトの回転に少なく
とも５°の遅れがある。
【００１２】 好ましい方法はさらに： （ｅ）所与のエンジン速度において、第１群の所定負荷状態に相当するエン
ジン負荷よりも大きいエンジン負荷に相当しており、同じ速度において第２群の
所定負荷状態に相当するエンジン負荷よりも小さいエンジン負荷に相当している
第３群の所定負荷状態が検知される場合に、中間負荷動作モードを採用するステ
ップをも含み； 中間負荷動作モードでは、主燃料およびパイロット燃料を燃焼室に順次導入し、
主燃料はパイロット燃料の導入前に燃焼室に導入し、パイロット燃料は圧縮行程
において導入し、パイロット燃料のその導入は、ピストンがほぼ上死点またはそ
の近傍に来るとパイロット燃料が点火するようにタイミング制御する。
【００１３】 中間負荷動作モードを使用する場合、主燃料の大部分が、燃焼する前にシリン
ダ内で空気と混合するように、早期噴射主燃料を導入する。主燃料と空気とは均
質な混合気となることが好ましい。主燃料と空気とが混合するのに充分な時間お
よびチャンスを与えるため、好ましい方法では、吸気行程において主燃料を燃焼
室へ導入する。このようにすれば、吸気行程の残り部分と圧縮行程全体に亙って
主燃料と空気とが混合する。
【００１４】 中間負荷動作モードと高負荷動作モードの境界は、好ましくは校正されたノッ
キング限界値によって決められる。
【００１５】 高負荷動作モードを使用する場合、第３段階において導入される主燃料の量は
検知される一連の負荷状態に応じて制御すればよい。例えば、検知された一連の
負荷状態が、エンジン負荷が増大しつつあることを示唆するときは、第３段階に
おいて導入される主燃料の量を増大させればよい。ＮＯｘおよび粒状物質の排出
量を減らすには、もし所要のエンジン負荷に対応するため、より多量の燃料が必
要なら、パイロット燃料の量を増やすのではなく、主燃料の量を増やすことが好
ましい。
【００１６】 好ましい方法では、第１段階において導入される主燃料の量は可変であり、検
知される一連の負荷状態に応じて異なる。エンジンに校正ノッキング限界値を設
定することが好ましく、導入される主燃料の量を第１段階において制御すること
により、リーン・バーン予混合燃焼を可能にし、主燃料/空気比をノッキング限
界値以下に維持することが好ましい。
【００１７】 ノッキング限界値は（エンジン速度、吸気マニホルド圧または温度のような）
エンジン動作条件に応じて異なり、エンジン動作条件が変化すれば、ノッキング
防止のため、第１段階に導入される主燃料の量を調整する必要が生ずる。ノッキ
ング限界値は、主燃料の組成によっても異なる。例えば、天然ガスの組成および
品質は世界の各原産地によって、場合によっては同じ原産地であっても、異なる
ことがある。燃料の組成および品質が可変である以上、組成および品質に応じた
種々の校正値が存在することになる。従って、第１段階に導入される主燃料の量
は、使用する主燃料の組成および品質に対応する校正値に従って調整すればよい
。
【００１８】 他の実施態様では、高負荷動作モードを選択する場合に燃料噴射制御を容易に
するため、第１段階に導入される主燃料の量を一定に維持すればよい。この実施
態様では、あらゆるエンジン動作状態において、且つ予想される主燃料の広範囲
に亙る組成および品質に対応して校正されたノッキング限界値以下の第１段階主
燃料・空気比を確保できるような一定の主燃料量を選択することによって、ノッ
キングを防止する。即ち、この実施態様においては、主燃料と空気との比がノッ
キング限界値よりもはるかに低い負荷状態になり得る。
【００１９】 好ましい方法としては、エンジンにおける一連の負荷状態を検知するため、エ
ンジンの速度およびエンジンのスロットル・ポジションを測定する。燃料の量お
よび噴射タイミングを決定する場合、必要に応じてその他のパラメータをもモニ
ターし、考慮することができる。例えば、本発明の方法は下記ステップの１つま
たは２つ以上を含むことができる： （１）吸気マニホルド給気温度を測定する； （２）エンジン冷却水温度を測定する； （３）吸気マニホルド給気圧を測定する； （４）燃焼室への空気流量を測定する； （５）シリンダ内のノッキングを感知する。
【００２０】 本発明の方法の１実施態様では、燃焼室へ導入される前に主燃料を吸気と予混
合するためのフュミゲーションを採用することによって、主燃料の早期噴射を行
う。この方法では、主燃料を吸気流中に導入するための、外部容器と連携する補
足の燃料インジェクタが必要である。例えば、このような燃料インジェクタを吸
気弁よりも上流側に位置する吸気マニホルド内に配設すればよい。中間負荷動作
モード、または高負荷動作モードの第１段階において主燃料を導入するには、フ
ュミゲーションを採用すればよい。
【００２１】 本発明の方法は、エンジンにおける一連の検知負荷状態に応じて、所定の主燃
料／パイロット燃料比（Ｆｇ／Ｆｐ）を決定し、所定のＦｇ／Ｆｐ比に基づく量
の主燃料およびパイロット燃料を燃焼室へ導入するステップをも含む。Ｆｇ／Ｆ
ｐ比は、例えば、複数組の負荷状態に基づいて実験的に求めることができる。所
要の主燃料量Ｆｇが判明したら、高負荷動作モードの場合、燃料／空気比（Ｆｇ
／Ａ）が校正ノッキング限界値を超えないように、第１段階に導入される主燃料
の量（Ｆｆｇ）を制限する。
【００２２】 燃焼室へ主燃料およびパイロット燃料を導入するタイミングを、一連の検知負
荷状態に基づいて制御するため、制御システムを採用することが好ましい。
【００２３】 好ましい方法では、主燃料が気体であり、好ましくは、気体状の炭化水素およ
び水素から成る群から選択される。気体状炭化水素としては、天然ガス、液化石
油ガス、またはこれらを混合した気体燃料が挙げられる。パイロット燃料は液状
であればよく、液状炭化水素、例えば、ディーゼル燃料やジメチルエーテル（Ｄ
ＭＥ）、およびこれらを混合した液体燃料から成る群から選択することが好まし
い。
【００２４】 本発明の方法を採用するエンジンは乗用車、トラック、船舶または潜水艦など
のような運搬手段に対して動力を供給することができる。但し、このようなエン
ジンは、固設エネルギー発生装置の一部として、例えば、機械的動力または電力
の供給にも利用できる。
【００２５】 作動中の内燃機関の燃焼室に燃料を導入する本発明の好ましい方法は、燃料／
空気の予混合気を効率的に燃焼させることが不可能な所定の特殊状態において、
特殊な動作モードで運転するステップをも含む。特殊な状態としては、例えば、
エンジン始動およびエンジンアイドリング状態が含まれる。特殊動作モードにお
いては、パイロット燃料導入後に主燃料が燃焼室に導入される。１実施態様では
、特殊動作モードが低負荷動作モードと同じである。
【００２６】 好ましい方法として、高負荷動作モードを利用する場合、吸気マニホルド給気
温度を周囲温度以上に上昇させるステップをも含む。例えば、排気再循環を利用
することによって吸気マニホルド給気温度を上昇させてもよい。吸気マニホルド
給気温度を周囲温度以上に上昇させると、吸気と予混合した燃料の燃焼が容易に
なる。従って、本発明の方法は、中間負荷動作モードを利用する場合、吸気マニ
ホルド給気温度を周囲温度以上に上昇させるステップをも含む。
【００２７】 本発明の方法の他の実施例では、第１群の所定負荷状態が、所要の主燃料／空
気比が主燃料と吸気との均質混合気の校正着火性限界値以下である場合に現れる
負荷状態に相当する。着火性限界値と関連する燃料／空気比は予混合燃焼安定性
限界値よりも大きいかまたはこれと等しいから、この実施例の場合、広範囲の状
態に亙って低負荷動作モードを使用する。
【００２８】 本発明の装置は、ピストンを内蔵する少なくとも１つのシリンダおよび作動中
の内燃機関の燃焼室へ、燃料を導入する。燃料は、主燃料とパイロット燃料とか
ら成る。パイロット燃料は、主燃料よりも自己点火性が高い。この装置は： （ａ）エンジン速度を測定するためのタコメータおよびスロットル・ポジシ
ョンを感知するためのセンサーから成り、内燃機関から動作データを収集する測
定デバイスと； （ｂ）複数組の対照負荷条件および複数組の対照負荷条件と対応する所定の
動作モードを記憶するためのメモリーを含み、動作データを受信し、データを処
理することによって一連の負荷条件を計算し、計算された一連の負荷条件を複数
組の対照負荷条件と照合することによって、複数の所定動作モードのうちの１つ
を選択する電子制御ユニットと； （ｃ）所定の動作モードおよび一連の負荷条件に従って電子制御ユニットが
決定するタイミングおよび量で主燃料を燃焼室へ導入するように、電子制御ユニ
ットによって制御される主燃料インジェクタと； （ｄ）所定の動作モードおよび一連の負荷条件に従って電子制御ユニットが
決定するタイミングおよび量でパイロット燃料を燃焼室へ導入するように、電子
制御ユニットによって制御されるパイロット燃料インジェクタと から成り、所定の動作モードが、低負荷動作モードと高負荷動作モードを含む。
低負荷動作モードでは、シリンダが与圧されている時にパイロット燃料および主
燃料を燃焼室へ導入する。高負荷動作モードでは、燃焼室へ順次３段階で燃料を
導入し、第１段階において主燃料の第１部分を導入し、第２段階においてパイロ
ット燃料を導入し、第３段階において主燃料の第２部分を導入する。第１段階は
、好ましくは、第２，第３段階と一時的に分離させ、第２および第３段階の開始
前に完了させる。
【００２９】 本発明装置の好ましい実施例では、主燃料インジェクタとパイロット燃料イン
ジェクタとを単一デバイスとして一体化する二重燃料インジェクタを採用する。
二重燃料インジェクタは、主燃料とパイロット燃料とをそれぞれ独立に噴射する
ことができる。
【００３０】 本発明装置の他の実施例では、主燃料の少なくとも一部を吸気システムに導入
する補助インジェクタをも含む。補助インジェクタは、吸気システム中の任意の
位置に配設すればよい。この実施例の場合、主燃料／空気比が（以下に定義する
）予混合燃焼安定性限界値よりも高ければ、補助インジェクタを介して主燃料を
導入すればよい。補助インジェクタを介して導入される主燃料の部分は、燃焼室
へ導入される前に吸気と混合する機会を与えられる。この実施例のもう１つの利
点は、主燃料を、補助インジェクタを介して低圧で導入することができ、高圧で
直接燃焼室へ導入することが必要な燃料量を節約することによって効率を高める
ことができることである。エンジンが複数のピストンを含む場合には、複数の補
助インジェクタを採用すればよい。
【００３１】 測定デバイスは、下記手段のいずれか１つまたは２つ以上を含むことができる
：エンジン吸気温度を測定するプローブ、エンジン冷却水温度を測定するプロー
ブ、給気ブースト圧を測定するデバイス、燃焼室への空気流量を測定する流量計
、および燃焼室内での早過ぎる爆発を検知するためのセンサー。
【００３２】 本発明装置が早過ぎる爆発を検知するセンサーを含む場合、もし早過ぎる爆発
が検知されると、電子制御ユニットが、例えば、第１段階での主燃料導入量を減
らすなどの措置を講じて再発を防止する。
【００３３】 二重燃料噴射方法および装置の詳細を、添付の図面に沿って以下に説明する。
【００３４】
【好ましい実施態様の詳細な説明】
本発明の方法では、少なくとも１つの往復動ピストンおよびピストンと連携す
るクランクシャフトを有する内燃機関の燃焼室内へ燃料を噴射する。本発明の方
法では２つの燃料が使用され、第１の燃料は第２の燃料よりも自己点火性の高い
パイロット燃料である。第２の燃料としては、例えば、天然ガスなどのような気
体状炭化水素または水素ガスのような気体燃料が好ましい。パイロット燃料とし
ては、液状炭化水素燃料や液体燃料の混合物も使用できるが、好ましい実施態様
では、従来使用されているディーゼル燃料またはジメチルエーテルを使用する。
【００３５】 本発明の方法では、エンジンの負荷状態をモニターし、数組の状態を規定する
ことによって、種々の動作モードを採用する際の条件を設定する。例えば、高負
荷動作モードと低負荷動作モードとでは、作動中のエンジンの燃焼室への燃料導
入制御が異なる。
【００３６】 本発明の方法は少なくとも２つの動作モードを想定する。図１の（ａ）はエン
ジン速度に応じて変化するエンジン負荷をプロットしたグラフである。エンジン
速度は、例えば、クランクシャフトの毎分回転速度（ＲＰＭ）を測定することに
よって測定することができる。縦軸に示すエンジン負荷は燃料／空気比と相関関
係にある。図１の（ａ）はエンジンの燃料／空気比の“予混合燃焼安定性限界値
”によって決定される曲線Ｃによって分割される２つの領域をグラフで示す。予
混合燃焼安定性限界値は、ピストン・シリンダ内の気体燃料の量では燃焼モード
に関係なく安定した予混合燃焼を維持できない燃料／空気比（Ｆ／Ａ）と定義さ
れる。例えば、予混合燃焼モードは、炎の伝播または均質給気圧縮点火（homoge
neous charge compression ignition, ＨＣＣＩ）によるモードである。ＨＣＣ
Ｉとは、予混合燃料の燃焼が殆ど炎伝播を伴うことなく燃焼室全体の多くの点に
おいてほぼ同時に起こる燃焼モードである。ＨＣＣＩは主として化学反応速度に
よって制御されると考えられ、燃焼室内の乱流はこの燃焼モードに殆ど影響しな
い。従って、予混合燃焼安定性限界値は上記着火性限界値とは異なる。即ち、着
火性限界値はピストン・シリンダ内の気体燃料の量では伝播燃焼モードを維持で
きないＦ／Ａとして定義されるからである。従って、燃料混合気が伝播燃焼モー
ドを維持するのに希薄すぎる場合に他の燃焼モードが作用する時、予混合燃焼安
定性限界値と関連する負荷またはＦ／Ａは、着火性限界値と関連する負荷または
Ｆ／Ａよりも低い。即ち、低負荷動作領域Ｌの上限として予混合燃焼安定性限界
値を利用することにより、領域Ｌの上限として着火性限界値を使用する場合と比
較して、この領域の範囲が狭くなる。低負荷動作領域Ｌの上限として予混合燃焼
安定性限界値を使用することの利点として、高負荷動作領域Ｈ（または図１の（
ｂ）に示す中間負荷動作領域Ｉ）の範囲が広がる。
【００３７】 好ましい実施態様では、所定の低、中間および高負荷状態に対応する３つの動
作モードが存在する。この３つの領域を図１の（ｂ）に示した。このグラフにお
いても、横軸は毎分回転数（ＲＰＭ）で測定されたエンジン速度（即ち、クラン
クシャフトの回転）を示し、縦軸はエンジンの負荷と相関関係にあるパラメータ
である燃料／空気比を示す。一定のエンジン速度に対して、エンジン負荷と共に
燃料／空気比が増大する。領域Ｌは低負荷領域を表し、領域Ｉは中間負荷状態の
領域を表し、領域Ｈは高負荷状態と対応する領域を表す。
【００３８】 図１の（ａ）および（ｂ）に示すプロットは、種々の動作モードに対応する所
定領域の形状を略示する。当業者には明らかなように、ＲＰＭおよび負荷または
燃料／空気比の実際の数値は、特定のエンジン構成における個々の特性（例えば
、シリンダ・ボアのサイズ、行程の長さ、圧縮比、燃焼室の形状、燃料の種類）
に応じて異なる。即ち、構成の異なるエンジンでは、動作モード間の境界も異な
る。特定の燃料を供給される特定のエンジンに関する数値および境界線の形状は
、実験的にまたは理論的に求めることができる。
【００３９】 図１の（ａ）において、エンジン負荷が予混合燃焼安定性限界値（即ち、曲線
Ｃ）以下の燃料/空気比を必要とするなら、これが低負荷動作モードが使用され
る一連の負荷状態に相当する。
【００４０】 図２は低負荷動作モードが使用される場合に、燃焼室へ燃料を導入する好まし
い方法を示す。吸気弁１１と排気弁１２は閉じた状態にあり、ピストン１３はピ
ストン・シリンダ１４における上死点またはその近傍に位置する。この時点で、
インジェクタ1５を介してパイロット燃料１６を導入することにより爆発行程を
開始させる。パイロット燃料１６の導入と実際の点火および燃焼との間には“点
火遅延”が存在するから、パイロット燃料１６はピストン１３が上死点に達する
直前に導入することが好ましい。例えば、（クランクシャフト回転角度で測定し
て）上死点の手前５０°と上死点の後方２０°の間にパイロット燃料１６を導入
するのが好ましい。この範囲内での実際のタイミングは、例えば、測定されたエ
ンジン速度のような動作パラメータを考慮して設定すればよい。例えば、エンジ
ン速度が上がれば、パイロット燃料１６をエンジン・サイクルの比較的早い時点
に燃焼室１０へ導入することにより、点火遅延後の燃焼が、ピストン１３が上死
点またはその近傍に来る時とほぼ一致するようにすればよい。
【００４１】 主燃料１７はこれに続いて、即ち、パイロット燃料１６の導入後に燃焼室１０
へ導入するのが好ましい。但し、図２に示すように、パイロット燃料１６と主燃
料１７を同時に導入することもでき、例えば、同時に導入を開始するか、または
オーバーラップ燃料導入する（即ち、先ずパイロット燃料１６を導入するが、パ
イロット燃料１６の噴射中に主燃料１７を導入する）方式を取ってもよい。オー
バーラップさせるかどうかは、例えば、エンジン速度および／またはエンジン負
荷に適応するのに必要な燃料の量次第である。例えば、エンジン速度および燃料
量が増大すれば、オーバーラップの量も増大する。
【００４２】 好ましい方法では、低負荷動作モードを使用する場合、主燃料１７は吸気と充
分混合せず、主燃料１７は拡散モードで燃焼する。低負荷動作モードでは、全体
的な燃料／空気比が予混合燃焼安定性限界値以下であるから、燃焼性を高めるに
は、あまり混合しない方が好ましい。従って、このモードでは、主燃料１７が高
濃度であり、パイロット燃料が燃焼しているインジェクタの近傍で点火可能であ
る。気体燃料を吸気と一緒に導入する従来の方法とは異なり、燃料の燃焼性を確
保するために、燃焼室への空気量を制限する必要はない。従って、本発明の低負
荷動作モードを使用する際には、吸気流量の制限に起因する圧力損失を伴うこと
はない。
【００４３】 従来の直接噴射エンジンと同様に、吸気の圧縮がその温度を上昇させ、圧縮行
程の終わりには、燃焼室１０内の圧力および温度は導入後の（即ち、点火遅延後
の）パイロット燃料１６を点火させるのに充分なレベルに達する。パイロット燃
料１６の点火で主燃料１７も確実に点火する。低負荷状態において導入される主
燃料１７およびパイロット燃料１６の量は、特定速度で動作中のエンジンの負荷
状態を検知することによって算出される総燃料需要に基づいて調整すればよい。
【００４４】 図３は、高負荷動作モードを使用する場合に燃焼室１０へ燃料を導入する好ま
しい方法を示す。高負荷動作モードでは、燃料を３段階に分けて燃焼室１０へ導
入する。図３の（ａ）に示す第１段階では、吸気行程中、ピストン１３はインジ
ェクタ１５から離脱しつつある。吸気は、開放状態の吸気弁１１を介してシリン
ダ１４内に引き込まれる。第１段階において、主燃料１７ａもシリンダ１４内へ
導入され、シリンダ１４内で吸気と混合する。（図示しないが）他の実施態様で
は、ピストン１３が下死点にきた時、またはピストン１３がインジェクタ１５に
向かって移動し、吸気弁１１が閉じている圧縮行程中に第1段階主燃料導入が起
こるように制御する。但し、第１段階主燃料導入を遅延させると、主燃料１７ａ
が吸気と混合する機会が少なくなる。従って、もし第一段階を、圧縮行程におい
て起こるように制御する場合、ピストン１３が下死点近傍に来る圧縮行程初期に
起こることが好ましい。
【００４５】 第１段階に導入される燃料の量を制限することによって、ノッキングの可能性
を減らす。ノッキングを起こすことなく維持できる最大燃料／空気をエンジンの
ノッキング限界値と呼ぶ。燃料／空気比がノッキング限界値以下となるように第
１段階での燃料導入量を制限することによって、圧縮比を低下させなくてもエン
ジンのサイクル効率を維持することができる。
【００４６】 第２段階パイロット燃料導入は、図３の（ｂ）に示すように、ピストン１３が
上死点近傍に来る圧縮行程中に起こることが好ましい。低負荷動作モードにおけ
るパイロット燃料導入の場合と同様のパラメータを考慮する。即ち、点火遅延を
可能にするためには、エンジン速度のようなパラメータを考慮に入れてパイロッ
ト燃料噴射のタイミングを設定すべきである。好ましくは、ピストン１３が上死
点またはその近傍に来る時点と点火とをほぼ一致させる。爆発行程の開始時点に
おいて、エンジン・サイクルの早期に噴射された第１段階主燃料１７ａは、既に
吸気と混合してほぼ均質な燃料/空気混合気１８を形成している。パイロット燃
料１６が燃焼室１０内で自己点火すると、パイロット燃料１６の燃焼が燃料／空
気混合気１８の燃焼を確実にする。燃料／空気混合気１８はほぼ均質であり、希
薄であるから、燃料／空気混合気１８の燃焼は、燃焼の少なくとも一部が“リー
ン・バーン均一燃焼”となるという利点を生む（即ち、ＮＯｘおよび粒状物質の
排出を軽減する）。
【００４７】 しかし、ノッキング防止のため第１段階に導入される主燃料の量を制限したか
ら、高負荷状態中のエンジン負荷状態に適応するため、より多量の燃料が必要な
ら、追加の主燃料１７ｂを第３段階において導入する。
【００４８】 低負荷動作モードと同様に、パイロット燃料１６と第３段階主燃料１７ｂを同
時にまたはオーバーラップさせて導入することも可能である。しかし、好ましい
方法としては、第２段階パイロット燃料導入からクランクシャフトが少なくとも
５°回転する分だけ遅れて、第３段階が始まるようにする。図３の（ｂ）では、
ピストン１３が燃焼室１０における燃料の燃焼によって駆動され、インジェクタ
１５から離脱しつつある。爆発行程の初期に導入される追加燃料は遅れて追加さ
れる場合よりも効果が大きいから、第３段階は爆発行程の初期に起こることが好
ましい。第３段階主燃料の導入は、ピストン１３と結合しているクランクシャフ
トが、パイロット燃料１６の導入された時点から９０°以上回転する前に完了す
ることが好ましい。
【００４９】 主燃料１７ｂは圧縮行程の終わりまたは爆発行程中に導入されるから、燃焼室
１０内で空気と充分に混合する機会を得られない。従って、第３段階主燃料１７
ｂは、実質的に拡散燃焼モードで燃焼する。第１段階に導入される燃料の量はエ
ンジンのノッキング限界値によって制限されるから、高負荷状態においては、第
３段階に導入される主燃料１７ｂの量を調整することによってエンジン出力を制
御する。
【００５０】 主燃料が天然ガスや水素ガスのような燃料であり、パイロット燃料がディーゼ
ル燃料である場合、第３段階において追加主燃料を導入することによって、高負
荷状態におけるエンジン需要を満たすための主燃料比率を高めることができる。
高負荷動作モードの好ましい実施態様では、パイロット燃料１６の量はエネルギ
ー・ベースで総燃料量の約１−１５％であり、残りが主燃料１７ａおよび１７ｂ
である。
【００５１】 従って、高負荷状態において主燃料およびパイロット燃料を３段階で導入する
本発明の方法は、希薄予混合燃焼モードおよび拡散燃焼モードを併用することに
よって、ノッキングの可能性を軽減し、効率を高めることができる。高負荷動作
の下限（図１の（ａ）参照）または中間負荷動作の下限（図１の（ｂ）参照）と
して予混合燃焼安定性限界値を使用することの利点として、着火性限界値をこの
下限として使用する場合と比較して、エンジンはより希薄で均質な燃焼（および
排出物軽減）を実現することができる。この方法はまた、従来の方法と比較して
、ＮＯｘおよび粒状物質の排出を抑制しながら、高いエンジン出力を維持するこ
とができる。
【００５２】 エンジンのタイプによっては、低および高負荷動作モードの他に、中間負荷動
作モードを規定する必要が生ずる。例えば、負荷状態が図１の（ｂ）の領域Ｉ内
にある場合に中間負荷動作モードを選択すればよい。好ましい実施態様としては
、領域Ｉと領域Ｌとの境界線を予混合燃焼安定性限界値（Ｃ）によって、領域Ｉ
と領域Ｈとの境界線をノッキング限界値（Ｋ）によってそれぞれ定める。
【００５３】 図４は、中間負荷動作モードを使用する場合に、燃焼室１０へ燃料を導入する
方法を示す。中間負荷動作モードでは、燃料を２段階で燃焼室１０へ導入する。
このモードでは、燃料/空気比は予混合燃焼安定性限界値よりも高く、ノッキン
グ限界値より低いから、図４の（ａ）に示すように、第１段階において主燃料１
７ａが残らず燃焼室１０へ導入される。この動作モードにおいて、燃焼室１０へ
導入される主燃料１７ａの量はエンジン負荷に応じて調整できる。
【００５４】 図４の（ａ）では、吸気行程中、ピストン１３がインジェクタ１５から離脱し
つつある。開放状態の吸気弁１１を介してシリンダ１４内へ吸気が引き込まれる
。シリンダ１４へ主燃料１７ａを早期に導入することによって、吸気行程の残り
の部分と圧縮行程全部で、主燃料１７ａのすべてを吸気と混合させることができ
る。他の実施態様では、高負荷動作モードの第１段階と同様に、ピストン１３が
インジェクタ１５に向かって移動しつつあり、吸気弁１１が閉じている。（図示
しないが）圧縮行程において主燃料が導入されるようにタイミング制御する。但
し、上述したように、第１段階主燃料導入を遅延させると、主燃料１７ａが吸気
と混合する機会が少なくなる。そこで、第１段階が圧縮行程において起こるよう
にタイミング制御する場合には、ピストン１３が下死点近傍に来る圧縮行程初期
に起こるようにタイミング制御することが好ましい。
【００５５】 図４の（ｂ）に示すように、第２段階は圧縮行程において起こり、点火遅延後
、爆発行程の開始時点にピストン１３が上死点またはその近傍に来る時にパイロ
ット燃料１６が点火するようにタイミング制御される。爆発行程の開始時点にピ
ストン１３が上死点に達する時には、第１段階主燃料１７ａは既に吸気と混合し
て、ほぼ均質な燃料/空気混合気１８を形成している。パイロット燃料１６が燃
焼室１０内で自己点火すると、パイロット燃料１６と燃料/空気混合気１８の燃
焼が始まる。中間負荷動作モードでは主燃料のすべてが混合気１８中の空気と充
分に混合するから、“リーン・バーン均一燃焼”の長所（即ち、ＮＯｘおよび粒
状物質の排出軽減）を完全に達成できる。
【００５６】 図５は、中間または高負荷動作モードが使用される場合に、吸気行程において
シリンダ１１４内へ主燃料１１７を導入する方法の他の実施態様を示す。気体主
燃料１１７と空気１２０とをシリンダ１１４内で混合するのではなく、補助イン
ジェクタ１２５が主燃料１１７を吸気システムへ導入し、主燃料１１７を、燃焼
室１１０へ引き込まれる前に空気１２０と混合する。図５では、主燃料１１７が
吸気通路１１９（即ち、吸気マニホルド）へ導入される場合を例示している。し
かし、当業者には明らかなように、吸気システム内のさらに上流側に補助インジ
ェクタ１２５を配設してもよい。このような予混合方式は“フュミゲーション”
の呼称で知られている。次いで、吸気行程において、燃焼室１１０へ燃料／空気
混合気が導入される。混合気の導入は、例えば、吸気弁１１１のような公知の手
段で制御すればよい。混合気の圧縮、パイロット燃料噴射段階、燃焼、および（
場合によっては）これに続く追加主燃料の導入は、高負荷状態であるか中間負荷
状態であるかに応じて、図３の（ｂ）または図４の（ｂ）を参照して上述したよ
うに、インジェクタ１１５を介して進行する。
【００５７】 複数のピストンを含むエンジンでは、複数の補助インジェクタを使用するか、
または補助インジェクタ１２５を吸気システム内のさらに上流側に配設して、す
べてのピストンと協働させることができる。
【００５８】 好ましい実施態様では、パイロット燃料に対する主燃料の比率および燃料をエ
ンジンの燃焼室へ導入するタイミングを電子制御ユニット（electronic control
unit, ＥＣＵ）によって制御する。図６は、ＥＣＵが辿るようにプログラミン
グされている論理を示す制御論理ダイヤグラムである。
【００５９】 図６に示すように、測定サブシステム２０１を利用して現時動作状態に関する
データを収集する。好ましい実施態様では、測定サブシステム２０１はスロット
ル・ポジションおよびエンジン速度に関するデータを収集する。測定サブシステ
ム２０１は吸気マニホルド給気温度、エンジン冷却水温度、吸気マニホルド給気
圧、空気流量、およびノッキングの発生を示唆するデータなどをも提供すること
ができる。
【００６０】 例えば、ＥＣＵは測定されたスロットル・ポジションを示すデータを受信し、
このデータを利用することによって、現時エンジン負荷に適応するのに必要な燃
料総量（Ｆｔ）をエネルギー・ベースで算出することが好ましい。次いで、ＥＣ
Ｕは、例えば、エンジンに関して校正されている参照テーブルから得られる所要
のパイロット燃料量（Ｆｐ）を算定する。その結果、主燃料量が容易に算出され
る（即ち、Ｆｇ＝Ｆｔ−Ｆｐ）。
【００６１】 ＥＣＵは、現時空気流量（Ａ）を示すデータを測定サブシステム２０１から受
信するか、またはＡを算出するのにＥＣＵが利用できるデータを受信することも
できる。ＦｇおよびＡが既知なら、ＥＣＵは主燃料／空気比（即ち、Ｆｇ／Ａ）
を算出することができる。
【００６２】 好ましい実施態様では、測定サブシステム２０１が、現時エンジン速度を示す
データをＥＣＵに送信することもできる。従って、Ｆｇ／Ａおよびエンジン速度
が既知なら、ＥＣＵは、例えば、図１に示すものと同様のデータを記憶している
参照テーブルを探索することによって、所要の動作モードを検知することができ
る。好ましい実施態様では、Ｆｇ／Ａが予混合燃焼安定性限界値（Ｃ）以下なら
、低負荷動作モードが選択され、Ｆｇ／Ａがノッキング限界値（Ｋ）以上なら、
高負荷動作モードが選択され、Ｆｇ／ＡがＣよりも大きく、Ｋよりも小さければ
、中間負荷動作モードが選択される。ＥＣＵは、例えば、エンジン始動またはア
イドリングの存在などのような特殊な動作状態をも検知できる。特殊な動作状態
に対応して特定の動作モードを選択することができる。
【００６３】 所要の動作モードが選択された後、燃焼室へ燃料を導入するタイミングが設定
される。上述したように、主燃料およびパイロット燃料の導入タイミングおよび
順序は、選択された動作モードに応じて異なる。さらに、同一動作モード以内で
も、エンジン速度および燃料噴射量によって特定タイミングを設定することがで
きる。従って、ＥＣＵが所要の動作モードを検知した後、主燃料およびパイロッ
ト燃料の噴射タイミングが設定される。最後に、適正に設定されたタイミングで
、燃焼室へ主燃料およびパイロット燃料が噴射される。
【００６４】 測定サブシステムがノッキングの発生を検知する１実施態様では、ＥＣＵがそ
のメモリーに記憶している値を再校正してノッキング限界値Ｋを再校正すること
によって、ノッキングの再発生を防止することができる。即ち、高負荷動作モー
ド中にノッキングが検知されると、ＥＣＵは自己再校正することによって、第１
段階において導入される主燃料量（Ｆｆｇ）を減少させることができる。中間負
荷モード中にノッキングが検知されると、次に同じ負荷状態が現れたら高負荷状
態を選択するように自己再校正することによって、ＥＣＵがノッキングの再発生
を防止することができる。
【００６５】 ＥＣＵはまた、吸気マニホルド圧および吸気マニホルド温度の変化を補償する
ように予混合燃焼安定性限界値およびノッキング限界値を再校正することができ
る。あるいは、吸気マニホルド温度および吸気マニホルド圧をモニターし、調整
することによって、所定の動作状態に対応するほぼ一定の値を維持することがで
きる。
【００６６】 ここでは、“スロットル”または“スロットル・ポジション”という語を、エ
ンジンにおける負荷需要を表す一般的な意味で使用した。典型的には、この負荷
需要はユーザーによって設定され、（車両エンジンの場合なら）フット・ペダル
配置、（エネルギー発生エンジンの場合なら）所定の負荷需要として設定される
。一般に、ユーザーが負荷需要を設定できる方法は多様であり、（この出願に使
用されている）“スロットル”という語はこの一般的な意味で理解されるべきで
ある。
【００６７】 本発明を４行程エンジンについて説明したが、当業者には明らかなように、本
発明の二重燃料噴射方法を、例えば、２行程エンジンのような他のタイプのエン
ジンにも応用できる。
【００６８】 本発明の特定の素子、実施態様および応用を図示し、説明したが、当業者にと
って明白なように、本発明の思想または範囲を逸脱することなく、特に、以上の
説明に照らして、多様な実施態様が可能であるから、本発明は以上に説明した実
施態様に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 複数の動作モードを決定するために負荷状態をどのように利用するかをプロッ
トした２つのグラフである。図１の（ａ）において、横軸はエンジン速度を、縦
軸は負荷状態を、曲線Ｃは２つの異なる動作モードを分ける予混合燃焼安定性限
界値をそれぞれ表す。曲線Ｍはエンジンの最大負荷限界値を表す。図１の（ｂ）
において、縦軸は燃料／空気比を表す。燃料／空気比は一般にエンジン負荷と相
関するから、図１の（ｂ）の縦軸では、燃料／空気比のようなパラメータが所要
の動作モードを決めるエンジン負荷の指標として利用できることを示すのにこの
燃料／空気比を利用している。曲線ＣおよびＫは負荷状態を３つの異なる動作モ
ードに分ける。ここでも曲線Ｃは予混合燃焼安定性限界値を表し、曲線Ｋはノッ
キング限界値を表す。曲線Ｍは、ここでもエンジンの最大負荷限界値を表す。
【図２】 パイロット燃料および主燃料を示すエンジン燃焼室の部分断面図である。低負
荷状態においてピストンが上死点またはその近傍に来ると、これら両燃料が燃焼
室内へ噴射される。
【図３】 （ａ）および（ｂ）は、エンジン燃焼室の部分断面図であり、高負荷状態にお
いて燃料が順次燃焼室内へ噴射される態様を示す。図３の（ａ）は、吸気行程に
おいて主燃料の一部が燃焼室内へ噴射される態様を、図３の（ｂ）は、圧縮行程
の終わり近くにピストンが上死点またはその近傍にくると、パイロット燃料およ
び主燃料の残り部分が燃焼室内へ噴射される態様をそれぞれ示す。
【図４】 （ａ）および（ｂ）は、エンジン燃焼室の部分断面図であり、中間負荷状態に
おいて燃焼室内へ燃料が順次噴射される態様を示す。図４の（ａ）は、吸気行程
において主燃料が燃焼室内へ噴射される態様を示し、図４の（ｂ）は、圧縮行程
においてピストンが上死点またはその近傍に来るとパイロット燃料が燃焼室内へ
噴射される態様を示す。
【図５】 燃焼室の部分断面図であり、主燃料を吸気と混合する他の実施態様を示す。こ
の実施態様では、主燃料と吸気とを燃焼室内で混合するのではなく、燃焼室の外
部で予混合する（即ち、燃焼室へ導入される前に混合する）。
【図６】 本発明の方法を実施するために電子制御ユニットが利用できる論理の１例とし
ての制御論理ダイヤグラムである。この実施態様では、エンジン負荷と相関する
燃料/空気比を求め、これを利用することによって所要の動作モードを選択する
。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０２Ｂ 3/04 Ｆ０２Ｂ 3/04 Ｆ０２Ｄ 19/02 Ｆ０２Ｄ 19/02 Ｂ Ｅ 19/08 19/08 Ｃ Ｄ 21/08 ３０１ 21/08 ３０１Ｄ 41/02 ３５１ 41/02 ３５１ 41/22 ３８０ 41/22 ３８０Ａ 41/38 41/38 Ｂ 45/00 ３１２ 45/00 ３１２Ｂ ３１２Ｃ ３４５ ３４５Ｂ ３４５Ｚ ３６４ ３６４Ｄ ３６４Ｇ ３６６ ３６６Ｚ ３６８ ３６８Ａ ３６８Ｚ Ｆ０２Ｍ 21/02 ３０１ Ｆ０２Ｍ 21/02 ３０１Ｌ 21/08 21/08 25/00 25/00 Ｌ Ｓ Ｔ 31/04 31/04 Ｚ 37/00 ３４１ 37/00 ３４１Ｄ 45/04 45/04 61/04 61/04 Ｇ 61/10 61/10 Ａ 63/00 63/00 Ｐ (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ， ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ， ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ， ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｂ Ｚ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ， ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，Ｊ Ｐ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ， ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，Ｒ Ｏ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ， ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 ドゥビル，ブラッド カナダ，ブリティッシュ コロンビア ブ イ７ブイ ２ピー６，ウエスト バンクー バ，2109 ネルソン アベニュ (72)発明者 アンシマ，リチャード カナダ，ブリティッシュ コロンビア ブ イ５エル ４ピー９，バンクーバ，1108 ガーデン ドライブ (72)発明者 リ，グウェイ カナダ，ブリティッシュ コロンビア ブ イ６ピー ４イー６，バンクーバ，102− 8625 オスラ ストリート (72)発明者 マンシ，サンディープ カナダ，ブリティッシュ コロンビア ブ イ６ピー ６エイチ２，バンクーバ，408 −8777 ハドソン ストリート Ｆターム(参考） 3G023 AA04 AA05 AA06 AB01 AC02 AC04 AC06 AC07 AC08 AC09 AD02 AF01 AG03 AG05 3G066 AA07 AA13 AA15 AA16 AB02 AB04 AB05 AB06 AD10 AD12 BA24 BA25 CC13 CD25 CD26 DA01 DA04 DA10 DB02 DB06 DB07 DB08 DB09 DC04 DC09 DC11 DC13 DC14 DC19 3G084 AA01 AA04 AA05 AA06 AA08 BA09 BA13 BA15 BA20 CA03 CA04 DA10 DA26 DA27 DA38 EB08 FA02 FA07 FA10 FA11 FA18 FA19 FA20 FA25 FA33 FA38 3G092 AA02 AA09 AA17 AB03 AB05 AB06 AB08 AB09 AB12 AC05 AC10 BA04 BA06 BB06 BB12 BB13 DC09 EA02 EA09 EC09 FA16 FA17 FB05 FB06 GA05 GA06 HA01Z HA04Z HA05Z HA06Z HA11Z HC00Z HD07Z HE04Z HE05Z HE08Z 3G301 HA02 HA13 HA15 HA22 HA23 HA24 HA26 JA22 JA25 JB07 JB09 KA08 KA09 MA01 MA11 MA19 MA23 NC02 NE06 NE19 PA01Z PA07Z PA10Z PA11Z PA17Z PC00Z PC08Z PE01Z PE03Z PE04Z PE08Z

Claims (53)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ピストンを内蔵する少なくとも１つのシリンダを有する作動
    中の内燃機関の燃焼室へ、主燃料および前記主燃料よりも自己点火性の高いパイ
    ロット燃料から成る燃料を導入する方法であって、前記方法が （ａ）前記エンジンにおける一連の負荷条件を検知し； （ｂ）前記主燃料と空気との所要の比が前記主燃料と吸気との均質な混合気
    の、校正された予混合燃焼安定性限度以下である場合に現れる負荷状態に相当す
    る第１群の所定負荷状態が検知されると、低負荷動作モードを採用し、クランク
    シャフトの毎分回転数（ＲＰＭ）の形で測定される動作中のエンジン速度におい
    て、前記第１群の所定負荷状態に相当するエンジン負荷よりも大きいエンジン負
    荷に相当する第２群の所定負荷状態が検知されると、高負荷動作モードを採用し
    ； （ｃ）前記低負荷動作モードにおいて、前記シリンダが与圧され、前記ピス
    トンが上死点またはその近傍に来ると、前記パイロット燃料および前記主燃料を
    前記燃焼室に導入し； （ｄ）前記高負荷動作モードにおいて、前記パイロット燃料および前記主燃
    料を前記燃焼室へ順次３段階で、即ち、吸気または圧縮行程中の第１段階におい
    て、前記主燃料の第１部分を導入し、前記ピストンが上死点またはその近傍に来
    た時に点火するように、前記圧縮行程中の第２段階において、前記パイロット燃
    料を導入し、第３段階において、前記主燃料の第２部分を導入するステップから
    成ることを特徴とする前記方法。
  2. 【請求項２】 前記低負荷動作モードが、前記ピストンが上死点またはその
    近傍に来ると前記パイロット燃料が点火するようなタイミングで、前記圧縮行程
    中に前記パイロット燃料を導入するステップをも含み、前記パイロット燃料に続
    いて前記主燃料が導入されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】 前記パイロット燃料に続いて前記主燃料の少なくとも一部を
    導入する場合、前記主燃料の前記少なくとも一部を、前記パイロット燃料の導入
    後、クランクシャフトが０〜９０°回転したところで導入することを特徴とする
    請求項２に記載の方法。
  4. 【請求項４】 前記第２段階パイロット燃料導入が開始される前に、前記第
    １段階主燃料導入を完了することを特徴とする請求項１に記載の方法。
  5. 【請求項５】 前記吸気行程中に前記第１段階主燃料を導入することを特徴
    とする請求項１に記載の方法。
  6. 【請求項６】 前記ピストンが下死点またはその近傍に来ると、前記第１段
    階主燃料を導入することを特徴とする請求項１に記載の方法。
  7. 【請求項７】 前記圧縮行程の終わり近くに前記ピストンが上死点またはそ
    の近傍に来ると、前記第２段階パイロット燃料を導入することを特徴とする請求
    項１に記載の方法。
  8. 【請求項８】 前記第３段階主燃料導入が開始される前に、前記第２段階パ
    イロット燃料導入を完了することを特徴とする請求項１に記載の方法。
  9. 【請求項９】 前記第２段階パイロット燃料導入の完了後、クランクシャフ
    トが少なくとも約５°回転したところで前記第３段階主燃料を導入することを特
    徴とする請求項１に記載の方法。
  10. 【請求項１０】 請求項１の方法がさらに、（ｅ）動作可能なエンジン速度
    において、前記第１群の所定負荷状態に相当するエンジン負荷よりも大きいエン
    ジン負荷と前記第２群の所定負荷状態に相当するエンジン負荷よりも小さいエン
    ジン負荷とに相当する第３群の所定負荷状態が検知された場合に、中間負荷動作
    モードを採用するステップをも含み； 前記中間負荷動作モードでは、前記パイロットおよび前記主燃料を前記燃焼室に
    順次導入し、前記主燃料は前記パイロット燃料の導入前に前記燃焼室に導入し、
    前記パイロット燃料の導入は前記ピストンが上死点またはその近傍に来たときに
    行われるようにし、前記ピストンがほぼ上死点またはその近傍に来ると前記パイ
    ロット燃料が点火するように主燃料の導入をタイミング制御することを含む前記
    方法。
  11. 【請求項１１】 前記中間負荷動作モードを利用する場合、燃焼前に前記主
    燃料の大部分が前記シリンダ内で空気と混合するように、前記主燃料を導入する
    ことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
  12. 【請求項１２】 前記中間負荷動作モードを利用する場合、吸気行程中に前
    記主燃料を前記燃焼室へ導入することを特徴とする請求項１０に記載の方法。
  13. 【請求項１３】 前記中間負荷動作モードと前記高負荷動作モードとの境界
    を校正ノッキング限界値によって決めることを特徴とする請求項１０に記載の方
    法。
  14. 【請求項１４】前記第３段階において導入される前記主燃料の量が可変であ
    り、前記検知された一連の負荷状態に応じて異なり、前記検知された一連の負荷
    状態がエンジン負荷の増大を示唆すると、前記第３段階において導入される前記
    主燃料の量も増大することを特徴とする請求項１に記載の方法。
  15. 【請求項１５】 前記第１段階において導入される前記主燃料の量が可変で
    あり、前記検知された一連の負荷状態および校正ノッキング限界値に応じて異な
    り、前記第１段階において導入される主燃料の量が主燃料/空気比を前記ノッキ
    ング限界値以下に維持することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
  16. 【請求項１６】 前記第１段階において導入される前記主燃料の量がほぼ一
    定であり、校正ノッキング限界値以下の主燃料／空気比を可能にすることを特徴
    とする請求項１４に記載の方法。
  17. 【請求項１７】 前記エンジンにおける前記一連の負荷状態を検知するため
    、エンジンの速度およびエンジンのスロットル・ポジションを測定することを特
    徴とする請求項１に記載の方法。
  18. 【請求項１８】 前記エンジンにおける前記一連の負荷状態を検知するため
    、エンジンの吸気マニホルド給気温度および/またはエンジン冷却水温度を測定
    することを特徴とする請求項１に記載の方法。
  19. 【請求項１９】 前記エンジンにおける前記一連の負荷状態を検知するため
    、エンジンの吸気マニホルド給気圧を測定することを特徴とする請求項１に記載
    の方法。
  20. 【請求項２０】 前記エンジンにおける前記一連の負荷状態を検知するため
    、前記燃焼室への空気流量を測定することを特徴とする請求項１に記載の方法。
  21. 【請求項２１】 前記エンジンにおける前記一連の負荷状態を検知するため
    、前記シリンダ内のノッキングを感知することを特徴とする請求項１に記載の方
    法。
  22. 【請求項２２】 前記第１段階主燃料を、前記燃焼室へ導入する前に吸気と
    予混合することを特徴とする請求項１に記載の方法。
  23. 【請求項２３】 前記中間負荷動作モードにおいて、前記主燃料を、前記燃
    焼室へ導入する前に吸気と混合することを特徴とする請求項１０に記載の方法。
  24. 【請求項２４】 前記エンジンにおける検知された一連の負荷状態に応じた
    所定の主燃料／パイロット燃料比（Ｆｇ／Ｆｐ）を決め、前記所定のＦｇ／Ｆｐ
    比に応じた量の主燃料およびパイロット燃料を前記燃焼室へ導入することを特徴
    とする請求項１に記載の方法。
  25. 【請求項２５】 前記高負荷動作モードで前記第１段階に導入する主燃料の
    量（Ｆｆｇ）を、燃料/空気比（Ｆｆｇ／Ａ）が校正ノッキング限界値を超えな
    いように制限することを特徴とする請求項２４に記載の方法。
  26. 【請求項２６】 前記検知された一連の負荷状態に応じて、前記主燃料およ
    び前記パイロット燃料を前記燃焼室へ導入するタイミングを制御するための制御
    システムを利用するステップをも含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  27. 【請求項２７】 前記主燃料が気体であることを特徴とする請求項１に記載
    の方法。
  28. 【請求項２８】 前記主燃料を、水素ガスおよび炭化水素ガスから成る群か
    ら選択することを特徴とする請求項２７に記載の方法。
  29. 【請求項２９】 前記炭化水素ガスが天然ガスおよび液化石油ガスを含むこ
    とを特徴とする請求項２８に記載の方法。
  30. 【請求項３０】 前記パイロット燃料が液体であることを特徴とする請求項
    １に記載の方法。
  31. 【請求項３１】 前記パイロット燃料が液状炭化水素であることを特徴とす
    る請求項３０に記載の方法。
  32. 【請求項３２】 前記液状炭化水素をディーゼル燃料およびジメチルエーテ
    ルから成る群から選択することを特徴とする請求項３１に記載の方法。
  33. 【請求項３３】 前記エンジンが車両に動力を提供するか、または前記エン
    ジンが固設動力装置の動力発生部分であることを特徴とする請求項１に記載の方
    法。
  34. 【請求項３４】 燃料／吸気の予混合気を効率的に燃焼させることが不可能
    な所定の特殊状態において、特殊な動作モードで運転するステップをも含むこと
    を特徴とする請求項１に記載の方法。
  35. 【請求項３５】 前記特殊な状態がエンジン始動およびエンジンアイドリン
    グ状態であることを特徴とする請求項３４に記載の方法。
  36. 【請求項３６】 前記特殊な状態が前記低負荷状態と同じ状態であることを
    特徴とする請求項３４に記載の方法。
  37. 【請求項３７】 前記高負荷動作モードを利用する場合、吸気マニホルド給
    気温度を周囲温度以上に上昇させるステップをも含むことを特徴とする請求項１
    に記載の方法。
  38. 【請求項３８】 排気再循環を利用することによって吸気温度を上昇させる
    ステップをも含むことを特徴とする請求項３７に記載の方法。
  39. 【請求項３９】 前記中間負荷動作モードを利用する場合、吸気マニホルド
    給気温度を周囲温度以上に上昇させるステップをも含むことを特徴とする請求項
    １０に記載の方法。
  40. 【請求項４０】 前記第１群の所定負荷状態が、所要の前記主燃料／空気比
    が前記主要燃料と吸気との均質混合気の校正着火性限界値以下である場合に現れ
    る負荷状態に相当することを特徴とする請求項１に記載の方法。
  41. 【請求項４１】 主燃料および前記主燃料よりも自己点火性の高いパイロッ
    ト燃料を燃焼室に導入して内燃機関を運転する方法であって、前記方法が （ａ）一連のエンジン動作状態および所要のエンジン負荷を検知し； （ｂ）所要のエンジン負荷に適応するのに必要な総燃料量をエネルギー・ベ
    ースで算出し； （ｃ）前記必要な総燃料量に基づいて所定のパイロット燃料量を選択し； （ｄ）必要な主燃料量を、前記必要な総燃料量から前記所定のパイロット燃
    料量を差引いた量に等しい量として、エネルギー・ベースで算出し； （ｅ）前記一連のエンジン動作状態から空気流量を判断し； （ｆ）必要な主燃料量および前記判断された空気流量に基づいて、主燃料／
    空気比を算出し； （ｇ）特殊な状態が存在するかどうかを判断し； （ｈ）前記特殊な動作状態が存在するなら、特殊な動作モードを選択し、パ
    イロット燃料が噴射されて燃焼を開始させ、前記パイロット燃料が噴射された後
    に前記主燃料が噴射されるように主燃料およびパイロット燃料のタイミングを設
    定し； （ｉ）特殊な動作状態が存在しない場合、前記方法が： 前記主燃料／空気比が所定の予混合燃焼安定性限界値（Ｃ）以下ならば、低負
    荷動作モードを選択し、前記低負荷動作モードを選択したときには、パイロット
    燃料を噴射して燃焼を開始させ、パイロット燃料が噴射された後に前記主燃料が
    噴射されるように、主燃料およびパイロット燃料のタイミングを設定し； 前記主燃料／空気比がＣ以上ならば、高負荷動作モードを選択し、前記高負荷
    動作モードを選択したときには、前記主燃料の第１部分を前記パイロット燃料噴
    射前に導入し、前記パイロット燃料を噴射して燃焼を開始させ、前記パイロット
    燃料噴射後に主燃料の第２部分を噴射するというように、前記主燃料を２段階に
    分けて噴射する ステップから成ることを特徴とする前記方法。
  42. 【請求項４２】 前記主燃料／空気比がＣよりも大きく、校正ノッキング限
    界値よりも小さい場合、中間動作モードを選択し、前記パイロット燃料を噴射す
    る前に前記主燃料を噴射し、前記パイロット燃料を噴射することによって燃焼を
    開始させるステップをも含むことを特徴とする請求項４１に記載の方法。
  43. 【請求項４３】 少なくとも１つのシリンダおよびこれと連繋するピストン
    を有する作動中の内燃機関の燃焼室へ、主燃料と、前記主燃料よりも高い自己点
    火性を有するパイロット燃料とから成る燃料を導入する装置であって、前記装置
    が （ａ）エンジン速度を測定するためのタコメータおよびスロットル・ポジシ
    ョンを感知するためのセンサーから成り、前記エンジンから動作データを収集す
    る測定デバイスと； （ｂ）複数組の対照負荷条件および前記複数組の対照負荷条件と対応する所
    定の動作モードを記憶するためのメモリーを含み、前記動作データを受信し、前
    記データを処理することによって一連の負荷条件を計算し、計算された一連の負
    荷条件を前記複数組の対照負荷条件と照合することによって、複数の所定動作モ
    ードの１つを選択する電子制御ユニットと； （ｃ）前記所定の動作モードおよび前記一連の負荷条件に従って前記電子制
    御ユニットが決定するタイミングおよび量で前記主燃料を前記燃焼室へ導入する
    ように、前記電子制御ユニットによって制御される主燃料インジェクタと； （ｄ）前記所定の動作モードおよび前記一連の負荷条件に従って前記電子制
    御ユニットが決定するタイミングおよび量で前記パイロット燃料を前記燃焼室へ
    導入するように、前記電子制御ユニットによって制御されるパイロット燃料イン
    ジェクタと から成り、所定の動作モードが、前記シリンダが与圧されている時に前記パイロ
    ット燃料および前記主燃料を前記燃焼室へ導入する低負荷動作モードと；燃焼室
    へ順次３段階で燃料を導入する高負荷動作モードを含み、前記高負荷動作モード
    において、第１段階において主燃料の第１部分を導入し、第２段階においてパイ
    ロット燃料を導入し、第３段階において主燃料の第２部分を導入することを特徴
    とする前記装置。
  44. 【請求項４４】 前記測定デバイスがエンジン吸気温度を測定するプローブ
    をも含むことを特徴とする請求項４３に記載の装置。
  45. 【請求項４５】 前記測定デバイスがエンジン冷却水温度を測定するプロー
    ブをも含むことを特徴とする請求項４３に記載の装置。
  46. 【請求項４６】 前記測定デバイスが給気ブースト圧を測定するデバイスを
    も含むことを特徴とする請求項４３に記載の装置。
  47. 【請求項４７】 前記測定デバイスが前記燃焼室への空気流量を測定する流
    量計をも含むことを特徴とする請求項４３に記載の装置。
  48. 【請求項４８】 前記測定デバイスが前記燃焼室内での早過ぎる爆発を検知
    するためのデバイスをも含むことを特徴とする請求項４３に記載の装置。
  49. 【請求項４９】 早過ぎる爆発が検知されると、前記電子制御ユニットが前
    記第１段階に導入される前記主燃料の量を減少させることを特徴とする請求項４
    ８に記載の装置。
  50. 【請求項５０】 前記主燃料インジェクタと前記パイロット燃料インジェク
    タとを二重燃料インジェクタとして一体化し、前記二重燃料インジェクタが前記
    主燃料および前記パイロット燃料のそれぞれを互に独立的に噴射することを特徴
    とする請求項４３に記載の装置。
  51. 【請求項５１】 前記燃焼室へ導入される前に吸気と混合されるように吸気
    通路内へ主燃料を導入するための吸気システムと連繋する補助インジェクタをも
    含むことを特徴とする請求項４３に記載の装置。
  52. 【請求項５２】 前記吸気通路が吸気マニホルドであることを特徴とする請
    求項５１に記載の装置。
  53. 【請求項５３】 前記エンジンが複数のピストンおよび複数の補助インジェ
    クタを含むことを特徴とする請求項５１に記載の装置。
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