JP2003532826A - 可変速度soc制御を有する予混合チャージ圧縮点火エンジン及び作動方法 - Google Patents
可変速度soc制御を有する予混合チャージ圧縮点火エンジン及び作動方法Info
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Abstract
Description
点火モードで作動可能な内燃機関に関する。
の完成を求めて費やされた工学上の努力を誇張しすぎることは困難であろう。い
わゆる“新しい”エンジン設計のほとんどは、単に種々の公知の選択肢からの選
択によって構成される設計であるといえるほどに、内燃機関の設計技術は成熟し
ていて、よく理解されている。例えば、エンジンの燃費を犠牲にすれば、出力ト
ルク曲線の改善は容易に達成できる。費用を上げれば、排出の削減及び信頼性の
向上も達成できる。出力の増加及びサイズ及び/又は重量の減少といった更に別
の目的も、通常、燃料効率及び低費用を犠牲にすれば達成できる。
より、現代の設計者の課題はかなり増えている。エンジン設計の成熟性の観点か
ら、今日市場で入手可能な基本エンジン設計を更に革新して、エンジンの性能の
向上及び排出削減の両方を引き出すのは、非常に困難である。しかし、米国政府
及び他の国々により将来に向けて要求される、次々と高くなる排出基準の観点か
ら、そのような革新の必要性はかつてないほど大きい。これらの基準を満たす試
みとして、完全に新しいエンジン設計を探求する設計者達もいる。
ディーゼルエンジンと火花点火エンジンとがある。これらのエンジンのタイプは
、類似の構造及び機械的な作用を有するが、それぞれが、互いに大きく異なる独
特の作動特性を有する。ディーゼルエンジン及び火花点火エンジンは、簡単だが
独特の手段を用いて、燃焼の開始(SOC)を効果的に制御する。ディーゼルエ
ンジンは、燃料噴射のタイミングによってSOCを制御する。火花点火エンジン
では、SOCは火花のタイミングによって制御される。その結果、ディーゼルエ
ンジンと火花点火エンジンとは、その長所と短所に重要な違いがある。ディーゼ
ルエンジンに対する、火花点火式の天然ガス又はガソリンエンジンの主な長所は
、非常に低い窒素酸化物及び粒子状物質の排出レベルを達成できることである。
予混合チャージ火花点火エンジン(乗用車ガソリンエンジンや希薄燃焼天然ガス
エンジン等)に対する、ディーゼルエンジンの主な長所は、熱効率がより高いこ
とである。ディーゼルエンジンの効率の高さの、1つの重要な理由は、予混合チ
ャージ火花点火エンジンよりも高い圧縮比を用いることが可能なことである(予
混合チャージ火花点火エンジンの圧縮比は、ノックを回避するために比較的低く
維持されなければならない)。ディーゼルエンジンの効率の高さの、第2の重要
な理由は、スロットルを用いずにディーゼルエンジンの出力を制御できることに
ある。これは、予混合チャージ火花点火エンジンのスロットリングによる損失を
解消し、ディーゼルエンジンの部分負荷におけるかなり高い効率を生じる。しか
し、一般的なディーゼルエンジンは、予混合チャージ火花点火エンジンでは可能
な、非常に低い窒素酸化物及び粒子状物質排出レベルを達成できない。ディーゼ
ル燃焼の、混合によって制御される性質により、燃料の大部分が、燃料が非常に
多い等量比で存在し、これは、粒子状物質の排出につながることが知られている
。一方、予混合チャージ火花点火エンジンは、ほぼ均質な空気と燃料との混合気
を有し、これは希薄であるか又は理論混合気に近い傾向があり、その結果、粒子
状物質の排出が非常に低くなる。別の考察としては、ディーゼルエンジンの、混
合によって制御される燃焼は、燃料と空気とが理論混合気に近い等量比で存在す
る場合に生じ、これによって高温が生じる。そして、この高温が、高い窒素酸化
物の排出を生じる。一方、希薄燃焼型予混合チャージ火花点火エンジンは、これ
よりもはるかに希薄な等量比で燃料を燃やし、それによって生じる温度はかなり
低く、窒素酸化物の排出もはるかに低い。一方、理論混合気の予混合チャージ火
花点火エンジンは、理論混合気の燃焼によって生じる高い火炎温度に起因して、
窒素酸化物の排出が高い。しかし、排気が実質的に酸素を含まないので、窒素酸
化物の排出は三元触媒を用いて非常に低いレベルに低減することが可能である。
CCI)又は均質チャージ圧縮点火(HCCI)(以降、まとめてPCCIと呼
ぶ)を用いる、別のタイプのエンジンに努力を傾けている。PCCIの原理で作
動するエンジンは、比較的良好に予混合された燃料/空気の混合気の自動発火を
用いて、燃焼を開始する。重要なのは、発火が生じるかなり前に、燃料と空気と
が、シリンダの上流、例えば吸気ポート内で、又はシリンダ内で混合されること
である。混合の程度は、所望の燃焼特性によって異なり得る。あるエンジンは、
燃料と空気とが均質又は、ほぼ均質な状態に確実に混合されるよう設計及び/又
は操作される。また、あるエンジンは、それよりも幾分均質ではない、成層の度
合いが小さいチャージを生じるように、特に設計及び/又は操作されることもあ
る。いずれの場合にも、混合気は、発火が生じるかなり前に予混合された状態で
存在し、混合気が自動発火するまで圧縮される。従って、PCCI燃焼は、1)
燃料の大半が十分に空気と予混合されて、点火時までにチャージ全体に燃えやす
い混合気を構成すること、及び、2)点火、即ち燃焼の非常に初期、つまり開始
が、圧縮点火によって開始されることを特徴とする。ディーゼルエンジンとは異
なり、PCCIエンジンにおける燃料を送るタイミング、例えば燃料噴射のタイ
ミングは、点火のタイミングに強く影響しない。好ましくは、排出を好ましく低
減するために、PCCI燃焼は、混合気のほとんどが、理論混合気よりもかなり
希薄であることを特徴とし、これは、混合気の大部分又は全てが燃焼中に濃厚な
状態で存在する一般的なディーゼルエンジン周期とは異なる。
はるかに低い窒素酸化物及び粒子状物質の排出レベルを提供しつつ、ディーゼル
エンジンの優れた燃費を提供する可能性があるので、これも、最近では多くの研
究開発の主題となっている。米国特許第4,768,481号、5,535,7
16号及び5,832,880号は、全て、エンジン及びエンジンにおけるPC
CI燃焼の制御方法を開示している。研究者達は、PCCI燃焼のことを指して
、均質チャージ圧縮点火(HCCI)や、“活性熱大気燃焼(Active Thermo-Atm
osphere Combustion)”の略である“ATAC”(SAEテクニカルペーパー、
No.790501、1979年2月26日−3月2日)、“トヨタソーケン(T
oyota-Soken)”の略である“TS” (SAEテクニカルペーパー、No.79
0840、1979年9月10日−13日)、及び“圧縮点火均質チャージ(com
pression-ignited homogeneous charge)”の略である“CIHC” (SAEペ
ーパー、No.830264、1983年)などの、他の様々な名称を用いてい
る。以降、これらの用語を全てまとめてPCCIと呼ぶ。
、エンジンが、冷態始動から様々なエンジン負荷レベルまでの広い作動条件の範
囲にわたってPCCIモードで作動するのは、困難である。例えば、SAEテク
ニカルペーパー、No.790501では、PCCI燃焼(ATAC)が、2工
程エンジンにおいて低負荷で広い速度範囲にわたって生じるようにできることが
報告されている。PCCI燃焼を達成するには、以下の条件が重要であることが
わかった。シリンダに供給される混合気の量及び空気/燃料比が、周期ごとに均
一でなければならない。シリンダ内に残っている残存ガスの適切な状態を確保す
るために、掃気の“方向性”及び速度が、周期的でなければならない。燃焼室の
壁の温度が適切でなければならない。掃気経路の入口が、クランクケースの底部
に位置しなければならない。非常に軽い負荷では、チャージ温度が低すぎるので
、PCCIが良好ではないことがわかった。非常に高い負荷では、残存ガスの量
が低すぎるので、PCCIが良好ではないことがわかった。これらの領域の間で
は、PCCI燃焼は良好である。
例えば、Thring, R.による“均質チャージ圧縮点火(HCCI)エンジン”とい
う題名のSAEテクニカルペーパー、No.892068(1989年9月25
日)は、4工程エンジンのPCCI作動を研究している。この論文は、始動時及
び高負荷時には従来の火花点火モードで作動するが、部分負荷及びアイドリング
時にはPCCIモードで作動するエンジンを示唆している。別の人々は、アイド
リング等の最も低い負荷状態、及び高負荷時の、エンジンを始動させる際の燃焼
の開始には火花を良好に用い、低〜中負荷領域にある間はPCCIモードで作動
する、2工程オートバイエンジンを作った。SAEペーパー920502及び9
72874は、PCCI燃焼と火花点火燃焼とを比較した実験結果を開示してい
るので注目される。ドイツ国特許第19818596号は、少なくとも低負荷時
にはエンジンをPCCIモードで作動させ、高負荷時には火花点火モードで作動
させるプロセスも開示している。
として、別の人々は、エンジンの状態を変えることでPCCI作動を安定させる
ための実用的な解決法に注目した。1999年2月23日に出願され、現在は本
発明の譲受人に譲渡されている、特許出願番号09/255,780号(国際特
許出願番号PCT/US99/03289号として公開)は、燃焼の開始をより効
果的に制御するための様々な制御特性を含むエンジン及び作動方法を開示してい
る。この特許出願は、IMTを制御することによって、シリンダ内の温度を制御
し、それにより、燃焼の開始及び/又は持続を効果的に制御できることを認識し
たものである。更に、この特許出願は、エンジン速度を下げることにより燃焼イ
ベントを早め、エンジン速度を上げることにより燃焼イベントを遅らせることが
できることを認識したものである。
でより効果的且つより効率的に作動するエンジン及びエンジン作動方法が必要で
ある。
び、IMTを変える必要を最小限にしつつ予混合チャージ圧縮点火モードでエン
ジンを作動させる方法を提供することである。
るPCCIエンジンを提供することである。
エンジンを提供することである。
にまでIMTを調整することを必要とせずに、負荷のより広い範囲にわたって作
動可能なPCCIエンジンを提供することである。
動を達成できるPCCIエンジンを提供することである。
を達成できるPCCIエンジンを提供することである。
ジンを提供することである。
ク及び不点火を回避できるPCCIエンジンを提供することである。
トルクで、予混合チャージ圧縮点火モードにおいて作動可能な内燃機関において
、エンジン本体と、前記エンジン本体内に形成された燃焼室と、取り込んだ空気
を前記燃焼室に送る吸気システムと、前記エンジン本体に装着された、前記吸気
システム及び前記燃焼室の少なくとも一方に送る燃料送りシステムとを有し、前
記供給燃料及び前記取り込んだ空気が予混合チャージを構成する、内燃機関を提
供することによって達成される。この機関は、エンジンが予混合チャージ圧縮点
火モードで作動中に、目標の、例えば要求される又は望ましいエンジン出力馬力
を与えつつ、前記予混合チャージの燃焼開始のタイミングを変えるために、エン
ジントルク及びエンジン速度を調整するよう構成される制御システムを更に有す
る。
号を発生する燃焼センサを更に有してもよく、この場合、前記制御システムは前
記燃焼開始信号に基づいて燃焼の開始を制御するよう構成される。この機関は、
ターボチャージャーを更に有してもよい。燃料送出システムは、前記機関に単一
のタイプの燃料のみ又は1つ以上のタイプの燃料を供給してもよい。この制御シ
ステムは、前記予混合チャージ圧縮点火モードにおいて前記燃焼室内で前記予混
合チャージの燃焼開始後、前記燃料システムが燃料の点火後噴射を前記燃焼室に
送るようになるように更に構成されてもよい。この燃料は、ディーゼル燃料、灯
油、ガソリン、天然ガス、水素及びプロパンのうちの1つであり得る。この機関
は、エンジントルク制御システムを更に有してもよく、この場合、前記制御シス
テムは、燃焼の開始を早めるために前記エンジントルク制御システムがエンジン
トルクを増加するようになるように更に構成される。この制御システムは、前記
吸気システム及び前記燃焼室の一方に送られる前記燃料の量を調整するように前
記燃料送りシステムを制御するよう構成されてもよい。
予混合チャージ圧縮点火モードにおける内燃機関の作動方法において、吸気を燃
焼室に供給する工程と、前記吸気のシステム及び前記燃焼室の少なくとも一方に
燃料を送る工程において、前記燃料及び前記吸気が予混合チャージを構成する前
記工程と、を有する方法にも関する。この方法は、エンジンが予混合チャージ圧
縮点火モードで作動中に、目標の、例えば要求される又は望ましいエンジン出力
馬力を与えつつ、前記予混合チャージの燃焼開始のタイミングを変えるために、
エンジン速度及びエンジントルクを調整する工程を更に有する。
燃焼の開始を効果的且つ効率的に制御することを含む、改良された内燃機関及び
該機関の作動方法に関する。重要なのは、本発明のエンジン及び方法は、目標の
、例えば要求又は所望されるエンジン出力馬力を与えながら、エンジン速度及び
トルクを変えることにより、燃焼イベントの開始を効果的に制御できることであ
る。具体的には、図1の10で全体を示される本発明のエンジンは、エンジン作
動状態の大半において、予混合チャージ圧縮点火(PCCI)モードで作動する
のが好ましい。しかし、冷態始動中や高いエンジン負荷等の、ある特定の条件下
では、このエンジンは、始動性及び負荷への応答を高めるために、ディーゼルモ
ードや液体又は電気火花点火(LSI又はSI)モード等の1つ以上の別のモー
ドで作動してもよいことがわかる。別のモードにおける本発明の作動、及びモー
ド間の遷移は、本明細書にその全内容を参照として援用する、本出願と同じ日付
けで出願された“多重作動モードエンジン及び作動方法(Multiple Operating Mo
de Engine and Method of Operation)”という名称の同時係属の米国特許出願で
詳細に説明されている。作動のPCCIモードとは、1)燃料の大半が空気と十
分に混合されて、点火時にはチャージ全体に燃えやすい混合気を構成していて、
2)点火(燃焼開始)が圧縮点火によって開始される、燃焼イベントのことであ
り、均質チャージ圧縮点火(HCCI)エンジンを含む。尚、本明細書で用いる
PCCIという用語は、予混合チャージの大半が圧縮点火によって燃焼し、火花
点火エンジンのように自燃伝播火炎面は存在しない、予混合チャージの燃焼開始
の正確なタイミングを図るための、パイロット噴射及び火花点火等の点火タイミ
ング機構の使用を除外するものではない。これにより、PCCIエンジンが、自
燃火炎面を支えるには希薄過ぎる混合気を燃焼させることが可能となり、それに
よって、火花点火エンジンで可能な程度よりも更に希薄な予混合チャージが可能
となる。本発明は、天然ガス、ガソリン、プロパン、ディーゼル、水素、灯油、
ナフサ及び/又は他の燃料を含むがこれらに限定されない様々な燃料を燃焼させ
る様々なタイプの内燃機関に適用されてもよいことも、最初に留意されたい。
有するエンジン本体12を含むエンジン10の例示的な実施形態が示されている
。ピストンアセンブリ14及びエンジン本体12は、当該技術で周知の態様で燃
焼室16を構成する。エンジン10は、吸気又は吸気及び燃料の組み合わせを燃
焼室16に送る吸気システム18、及び、燃焼室16から排気ガスを除去する排
気システム20も含む。図1にはシリンダが1つだけ示されているが、本発明は
、例えば4、5、6、8、10、12、又は16気筒といった任意の数のシリン
ダを有するエンジンを含む様々な構成の内燃機関に用いられ得ることを留意され
たい。また、この多重モードエンジンは、主に4工程エンジンについて論じられ
るが、本制御システム及びエンジンは、2工程エンジンの形態であってもよい。
るための、吸気マニホールド20と吸気ポート22とを含む。同様に、排気シス
テム20は、後述するように排気ガスを送るための排気ポート24を含む。吸気
弁26等の1つ以上の吸気弁と、排気弁28等の1つ以上の排気弁が、各ポート
内に配置されていて、シリンダ内への取り込んだ空気又は空気/燃料混合気の流
れ、及び、シリンダからの排気ガスの流れをそれぞれ制御するために、従来の弁
制御システムによって、又は可変弁タイミングシステムによって、解放位置と閉
止位置との間を動かされる。吸気システム18は、吸気マニホールド圧を制御す
ることによって、吸気システム18を通る取り込んだ空気又は空気/燃料混合気
の流れを制御するための、スロットル30を更に含んでもよい。取り込んだ空気
又は空気/燃料混合気の温度を制御するための空気冷却器32も設けられてもよ
い。空気冷却器32を通る空気又は空気/燃料混合気の流量をより効果的に制御
することにより、吸気流の温度に対する更なる制御を可能とするための、空気冷
却器バイパス回路34及びバイパス弁36を設けてもよい。吸気システム18に
沿って、吸気マニホールド20及び空気冷却器32の上流に、ブースト吸気圧を
変えるためのコンプレッサ38を設けてもよい。コンプレッサ38は、排気ガス
で駆動されるタービン40等の任意の従来の手段によって駆動されてもよい。排
気制限部又はスロットル42を、排気タービン40の上流に配置して、燃焼プロ
セスに対するより高い制御(例えば、SOCを制御するために残存質量分率を制
御すること)を可能にしてもよい。図示されてはいないが、従来の方法で、ター
ビン40に適用される排気ガスの量を規制して、所望されるように吸気圧を変え
るための、廃棄ゲート弁を設けてもよい。吸気温度を制御することによってSO
Cを制御するための、別の可能な方法は、高温の排気ガス再循環(EGR)を用
いることである。タービン40の上流から吸気システム18へと高温の排気ガス
を送るために、EGR回路44を用いてもよい。EGR回路44は、排気ガスの
再循環を制御するための、EGR制御弁46を含む。排気システム20は、排気
ガスを処理するための酸化触媒48を備えていてもよい。エンジン10は、シリ
ンダ圧等の燃焼特性を感知して、燃焼特性に対応する信号を発生するための、燃
焼センサ50を含むのが好ましい。任意の又は全てのエンジンシリンダ上に、周
期毎にSOCを感知するためのシリンダ圧センサが設けられるのが好ましい。勿
論、燃焼センサ50は、燃焼速度、燃焼持続時間、シリンダ圧のピーク時のクラ
ンク角度、燃焼イベント又は熱発生位置、及び燃焼データの終端部等の、他の燃
焼データも供給してもよく、その中の任意のものを、燃焼データの開始部の代わ
りに、燃焼を効果的に制御するために用いてもよい。本実施形態では、圧力デー
タ信号を供給するセンサ50は圧力センサであるが、相関圧力データを用いるな
どしてシリンダ圧を示す信号を供給する他のセンサを用いてもよい。そのような
センサとしては、シリンダヘッド内、ライナー又はピストン内、又はその付近の
、加速度計、イオンプローブ、光学診断、ひずみゲージ、負荷ワッシャー、及び
/又は高速熱電対が挙げられる。また、各燃焼イベントに伴うエンジントルク及
びRPM(回転数)の変化を検出するために、トルク又はRPMセンサを用いる
こともできる。一つの実施形態では、エンジンには、電子火花点火モードで作動
する火花プラグ52も設けられてよい。
4は、燃焼(例えば燃焼の開始)を効果的に制御するために、燃焼センサ50及
びエンジン位置センサ(図示せず)等の図1に示されている様々なエンジン構成
要素から1つ以上のエンジン状態信号を受け取り、その信号を処理し、適切なエ
ンジン構成要素に制御信号を供給するよう設計された、電子制御ユニット(EC
U)56を含む。後述する本発明の交流発電機/発電機用途の好ましい実施形態
では、制御システム54は、エンジントルクを調整するよう電流を変えるための
、トルク制御システム90を含む。目標とする出力馬力を与えつつ、燃焼の開始
を制御するために、トルク制御システム90を用いる場合には、エンジン速度は
自動的に調整され、それによって後述するように燃焼の開始を制御して、空気冷
却器バイパス36やEGR弁46等のIMTに影響するエンジン構成要素を制御
することにより吸気マニホールド温度(IMT)を変える必要性を、制限及び可
能であれば回避する。即ち、得られるIMTは、更に制御しなくても許容可能で
あるかもしれず、又は、エンジン性能の向上を達成するために、IMTを制御す
るのが望ましいかもしれない。車両用のハイブリッドエンジンの用途では、制御
システム54は、エンジン速度を制御するとともにエンジンシャフトと出力シャ
フトとの間の速度の差を許容するための、連続可変トランスミッション100を
含む。このような実施形態におけるトルクは、制御システム54が、エンジン周
期毎にエンジンに送られる燃料の量を調整するように燃料送りシステムを制御す
ることによって、変えられる。勿論、別の実施形態では、電子制御ユニット56
が、取り込んだ空気又は燃料と取り込んだ空気との混合気の温度を変えるための
温度制御システム、混合気の圧力を変えるための圧力制御システム、混合気の等
量比を変えるための等量比制御システム、及び、混合気の自動発火特性を変える
ための混合気自動発火特性制御システムのうちの1つ以上を、より効果的且つ/
又はより迅速なSOCの制御を達成するように制御してもよい。燃焼制御システ
ムと関連する可変制御要素の具体的な詳細は、本明細書にその全内容を参照とし
て援用する、1999年2月23日に出願され、現在は本発明の譲受人に譲渡さ
れている、特許出願番号第09/255,780号(国際特許出願番号PCT/U
S99/03289号として公開)で説明されている。本出願の発明は、用途及
び制御性に応じて、PCCI燃焼の閉ループ制御又は開ループ制御とともに用い
られ得ることを留意されたい。本発明の多重モードエンジンは、燃焼を効果的に
制御するために、上述した制御システム構成要素のうちの1つ以上を含み得るこ
とを理解されたい。この図示されているエンジンでは、ECU56は、空気冷却
器バイパス回路36、EGR弁46、可変弁タイミングシステム80、及び/又
は、詳細を後述する種々の燃料送り/噴射要素を制御してもよい。ECU56は
、制御スロットル30及び排気制限部42も制御してもよい。ECU56は、一
酸化炭素、酸素、窒素酸化物、未燃炭化水素(UHC)、水、及び/又は二酸化
炭素を測定し、それに関する信号を供給することによって燃焼の質や燃焼開始の
決定を補助する、排気センサ58からの信号を受け取ってもよい。図1の破線で
示されている特徴は、好ましい実施形態の一部ではないが、別の実施形態を構成
するため及び燃焼の制御を補助するために、1つ以上のこれらの構成要素を含む
こともできる。
料送りシステム60は、この好ましい実施形態では、望ましい効果を達成すため
にエンジン周期中の適切な時点で燃焼室16に高圧燃料を噴射する、直接燃料イ
ンジェクタ62を含む。例えば、直接インジェクタ62を用いて、ディーゼルモ
ードで作動する際にはディーゼル燃焼を達成するために、最上部の死点位置付近
に燃料、即ち、ディーゼル燃料を噴射してもよく、PCCIモードで作動する際
には、例えば噴射時には燃焼を開始させずに燃焼開始タイミングを制御するのを
補助するために、初期ディーゼル予備量を噴射してもよく、LSIモードの間に
は予備量の燃料を噴射してもよく、且つ/又は、エンジンがPCCI作動を達成
するために単一の燃料及びインジェクタのみを用いる場合には、予混合チャージ
を生成するためにエンジン周期の初期に燃料を噴射してもよい。この好ましい実
施形態では、燃料送りシステム60は、吸気システム18に送られる、上流燃料
供給も含む。燃料供給は、燃料と、予混合チャージ圧縮点火モード及び所望であ
れば火花点火モードに十分な空気との予混合を可能とする、ミキサー又はキャブ
レータにより、64で吸気マニホールド20に導入されるのが好ましい。或いは
、上流燃料供給は、66でコンプレッサ38の上流に、又はポートインジェクタ
68を介して吸気ポート22に導入されてもよい。或いは、直接インジェクタ6
2によって噴射される燃料とは異なる燃料を直接噴射するために、第2の直接イ
ンジェクタ70を用いてもよい。例えば、直接インジェクタ62及び直接インジ
ェクタ70を用いる実施形態では、直接インジェクタ62はディーゼルモード、
初期ディーゼルパイロット、点火後噴射のためのディーゼル燃料を噴射し、一方
、直接インジェクタ70は、予混合チャージ圧縮点火モード及び遷移モードのた
めの、天然ガス等の気体燃料を噴射してもよい。或いは、直接インジェクタ62
及び直接インジェクタ70は、2つの異なる燃料を噴射できる単一のインジェク
タとして組み合わされてもよい。上述した各燃料送出装置は、特定の燃料噴射の
タイミング及び量を制御するためのECU56によって電子的に制御されるのが
好ましい。
その全内容を参照として援用する、本出願と同じ日付けで出願された“点火後噴
射を有するPCCIモードで作動可能な内燃機関及び作動方法(Internal Combus
tion Engine Operable in PCCI Mode with Post-Ignition Injection and Metho
d of Operation)”という名称の同時係属の米国特許出願で詳細に述べられてい
る。排出を低減するための点火後噴射の使用及び実施に関する更なる詳細は、本
明細書にその全内容を参照として援用する、本出願と同じ日付けで出願された“
点火後噴射を有するPCCIモードで作動可能な内燃機関及び作動方法(Interna
l Combustion Engine Operable in PCCI Mode with Post-Ignition Injection a
nd Method of Operation)”という名称の同時係属の米国特許出願で詳細に述べ
られている。
なタイミングを維持するのに必要なIMTは、図2にはっきりと示されているよ
うに減少することを認識した。従って、圧縮比が一定のエンジンでは、負荷が低
いと、かなり高い吸気マニホールド温度が必要である。図3を参照すると、出願
人は、エンジン速度(rpm、回転数)が増加すると、同様の燃焼の開始を維持
するのに必要な吸気温度は高くなるということも観察した。この、負荷が高くエ
ンジン速度が低い状態における低いIMT、及び、負荷が低くエンジン速度が高
い状態における高いIMTの要件は、広い温度範囲にわたってIMTを変更する
上での大きな課題を呈示する。その代わりに、本発明は、PCCIモードにて作
動中のIMTに対する制御をほとんど又は全く必要としないシステム及び方法を
用いることを提案する。詳細には、本発明は、エンジンが、負荷の要求の変化に
応じて、エンジンを異なる速度で作動させることにより、SOCを制御すること
を可能とする。その結果、本エンジン及び方法は、比較的一定のIMT、又は特
に都合のよいIMT(例えば、吸気冷却が無い状態で生じるIMT)における作
動を好ましく可能とする。図4を参照すると、エンジンは、例えば図示されてい
る範囲/マップにわたって作動する。ライン1は、排出及びエンジン効率に関し
て最適なエンジン性能をもたらす作動条件を表す。従って、ライン1に沿った各
馬力値/出力に対して、速度及びトルクの好ましい組み合わせがECU56に格
納されていて、それが、容易に達成可能な(望ましい)IMTを用いた最適なエ
ンジン性能に必要な望ましいSOCを生じる。このように、ライン1は、望まし
い、達成可能な又は入手可能なIMTにおける、異なる出力馬力を表す。一方、
ライン2は、トルク×rpm=一定値である場合の一定の馬力のラインである。
勿論、各馬力に対しては、ライン2と類似しているがライン1に沿った異なる馬
力の値に位置する、異なる固有の一定馬力のラインが存在する。従って、所与の
トルク/速度点において、SOCのタイミングが望ましくないほど遅い場合には
、以下の例で説明するように、ECU56はエンジンを制御して、必要時に出力
を変えることなくSOCを早めるために、一定馬力ライン2に沿った動きを生じ
させる。
、ECU56は、エンジンを制御して、ライン1に沿って点Aから望ましい作動
点Bまで上昇する応答を生じる。この制御は、ハイブリッドエンジンでは、エン
ジン周期毎にエンジンに送られる燃料の量を同時に増加させつつ、AC発電機の
界磁電流(又はDC発電機の界磁電流及び電機子電流)を増加させる、例えばト
ルク制御システム90を用いて、トルクを増加することによって、実現できる。
最適な条件下では、エンジントルク(界磁電流)及び燃料供給速度に対する新し
い設定点により、最適なSOCタイミングを得られ、望ましい馬力を達成できよ
う。勿論、連続可変トランスミッションの使用を介して、エンジン速度の連続変
化も得られる。シャフト馬力の低減の要求も、同様に理想的に、ライン1に沿っ
て点Bから望ましい作動点Aまで動く。しかし、SOCに影響する任意のパラメ
ータが変わると(例えば、IMT、燃料の質、圧縮比の変化、湿度の変化、等)
、馬力変更の要求に応答して、エンジン速度/トルクが最適なライン1から外れ
る。例えば、公称条件よりも周囲温度がかなり低い場合には、SOCに遅れが生
じ、続いて、一定の交流発電機の界磁電流、rpm(回転数)、及び燃料供給速
度に対するトルクが低下する。これらの状況下で、更に馬力が要求されると、エ
ンジンがライン1に沿って、最初の点Aから、それよりも望ましくない点Cへと
動く結果となる。一定の界磁電流の設定において望ましい馬力を達成するために
、エンジンは、燃料供給速度の増加を犠牲にして、より高いエンジン速度で稼動
しなければならない(従ってエンジン効率が低下する)。
びrpmを同時に又はほぼ同時に変えてSOCを調整することにより、エンジン
を最適な作動点に(又は可能な限り最適な作動点の近くに)戻すことができる、
システム及び方法を提供する。これを実行する際に、ECU56は、エンジンの
作動を、図4のライン2で示される一定シャフト馬力のラインに沿って動かす。
例えば、ECU56は、エンジン速度の減少とエンジントルクの増加とを同時に
行うことにより、エンジンの作動を、点Cから最適な点Bへと移動させる。ハイ
ブリッドエンジンでは、例えば、トルク制御システム90を用いて、交流発電機
の界磁電流を増加しつつ、同時に、この遷移に影響し変化を及ぼすように燃料供
給速度を調整する。車両用等の別の用途では、連続可変トランスミッション(C
VT)100を用いて、適切な出力シャフトrpmを与えつつエンジン速度を変
更できるようにしてもよい。CVTはECU56に制御されてエンジン速度を調
整し、一方、ECU56は、1つ以上の燃料送出装置を制御することでエンジン
周期ごとに送られる燃料の量を変えることにより、エンジン速度を調整するよう
する。いずれの実施形態においても、ECU56へのフィードバック信号は、シ
ャフト馬力及び、例えば燃焼センサ50によって決定されるSOCの位置を含む
。ECU56は、実際のSOCと望ましいSOCとを比較して、不一致を認識す
る。次に、ECU56は、トルク制御システム90等の適切なエンジン構成要素
に対して適切な制御信号を発生し、例えばハイブリッドエンジンの界磁電流を変
えることにより、エンジントルクの望ましい増加又は減少を生じる。その結果、
次に、エンジンの回転数rpmが減少又は増加する。このエンジン速度及びトル
クの変化により、次にSOCが変化し、続いてシャフト馬力が変化する。次に、
ECU56は、適切な燃料送出装置(1つ又は複数)に対して適切な制御信号を
発し、燃料供給速度を調整してエンジン馬力を適切に維持する。小さくかつ迅速
な補正を行うことにより、この制御手法は、本質的に一定の馬力において又は目
標の(例えば要求される又は望ましい)エンジン出力馬力を与えながら、SOC
の調整をもたらす。エンジン速度を落とし、エンジントルクを上げると、SOC
が最適な設定点(又はその付近)まで望ましく早まる。勿論、トルク要求(例え
ば、界磁電流)及び燃料供給速度を同時に調整して、より迅速且つ滑らかな調整
に影響をし変化を及ぼすように、ECU56を設計してもよい。重要なのは、I
MT、圧縮比を変更したり、初期ディーゼルパイロット噴射を用いるなどして燃
焼前に燃料/空気混合気の特性を変えて点火ラインをシフトするための、補助的
な装置を用いずに、この遷移を行ってもよいことである。しかし、この速度に基
づく制御方法は、より迅速な変更に影響し変化を及ぼすように及び/又は最適な
設定点に近い結果を達成するように、本明細書に参照として援用する上述した同
時係属の特許出願で説明されている1つ以上のSOC制御装置と共に用いるのが
好ましい場合もある。このように、本発明は、IMTを、無理に、容易に達成可
能又は望ましいIMTから大きく異なる温度にすることを必要とせずに、広い負
荷範囲にわたるPCCIエンジンの作動を可能とすることがわかる。勿論、ある
特定の条件下では、図4のライン1から外れたトルク/速度の組み合わせでエン
ジンを作動させることが望ましいかもしれないことを、理解されたい。そのよう
な状況としては、突然の過渡現象や、システム全体の特定の要求を満たすことが
必要な場合が挙げられよう。
及び/又は周囲温度等といったエンジンの作動履歴によって、それ自体の位置が
変化し得ることを留意されたい。更に、エンジンは、所与のトルク及び速度にお
いて比較的一定の等量比で作動する傾向が最も強く、最も高い負荷以外のいかな
る負荷でもスロットリングする必要がない。尚、要求される馬力が変わると、タ
ーボ機構や空気取扱い装置を含む様々な構成要素によって望ましいIMTが影響
され変化される。エンジンにターボチャージャーが装備されている場合は、ライ
ン1は主に、必要なブーストを生じるターボチャージャーの能力によって決まり
得る。この場合には、取り込んだ空気の温度は、熱交換器、加熱器、冷却器を用
いて、又はEGRを追加することにより制御でき、又は、SOCを制御するため
に内部のEGRの量を変えてもよい。1つの適用例は、ターボチャージャーが望
ましい等量比において所定量のブーストを与えながら、エンジンをスロットリン
グせずに運転するためのものとなろう。エンジン速度が増すと、ブーストが増す
。この増加は、ライン1の位置を定めるとともに、上述したようにSOCを制御
するための他の手段を用いてもよい。
途を含む、任意の定置型又は非定置型の発電プラントに用いることができる。本
PCCIエンジン及び制御システムは、低い排出が望ましい任意の発電用途、及
び特定の馬力要求を満たすためにエンジン速度を変えられるハイブリッド用途に
、特に好ましい。
態の略図である。
である。
速度の変化の効果を示すグラフである。
Claims (18)
- 【請求項1】 エンジン出力馬力と対応するエンジン速度及びエンジントル
クで、予混合チャージ圧縮点火モードにおいて作動可能な内燃機関において、 エンジン本体と、 前記エンジン本体内に形成された燃焼室と、 吸気を前記燃焼室に送る吸気システムと、 前記エンジン本体に装着された、前記吸気システム及び前記燃焼室の少なくと
も一方に、予混合チャージを構成する前記供給燃料及び前記吸気を送る燃料送出
システムと、 エンジンが予混合チャージ圧縮点火モードで作動中に、目標とするエンジン出
力馬力を与えつつ、前記予混合チャージの燃焼開始のタイミングを変えるために
、エンジントルク及びエンジン速度を調整するよう構成される制御システムと、 を有する内燃機関。 - 【請求項2】 前記制御システムに接続された、燃焼開始を感知して燃焼開
始信号を発生する燃焼センサを更に有し、前記制御システムが前記燃焼開始信号
に基づいて燃焼の開始を制御するよう構成される、請求項1に記載の機関。 - 【請求項3】 ターボチャージャーを更に有する、請求項1に記載の機関。
- 【請求項4】 前記燃料送りシステムが、単一のタイプの燃料のみを前記エ
ンジンに供給する、請求項1に記載の機関。 - 【請求項5】 前記制御システムが、前記予混合チャージ圧縮点火モードに
おいて前記燃焼室内で前記予混合チャージの燃焼開始後、前記燃料システムが燃
料の点火後噴射を前記燃焼室に送るようになるように更に構成される、請求項1
に記載の機関。 - 【請求項6】 前記燃料が、ディーゼル燃料、灯油、ガソリン、天然ガス、
水素及びプロパンのうちの1つである、請求項1に記載の機関。 - 【請求項7】 エンジントルク制御システムを更に有し、前記制御システム
が、燃焼の開始を早めるために前記エンジントルク制御システムがエンジントル
クを増加するようになるように更に構成される、請求項1に記載の機関。 - 【請求項8】 前記制御システムが、前記吸気システム及び前記燃焼室の一
方に送られる前記燃料の量を調整するように前記燃料送出システムを制御するよ
う更に構成される、請求項1に記載の機関。 - 【請求項9】 前記制御システムが、エンジン出力馬力を略一定に維持する
ためにエンジントルク及びエンジン速度を調整するよう構成される、請求項1に
記載の機関。 - 【請求項10】 エンジン出力馬力と対応するエンジン速度及びエンジント
ルクで、予混合チャージ圧縮点火モードにおける内燃機関の作動方法において、 吸気を燃焼室に供給する工程と、 前記吸気のシステム及び前記燃焼室の少なくとも一方に燃料を送る工程におい
て、前記燃料及び前記吸気が予混合チャージを構成する前記工程と、 エンジンが予混合チャージ圧縮点火モードで作動中に、望ましいエンジン出力
馬力を与えつつ、前記予混合チャージの燃焼開始のタイミングを変えるために、
エンジン速度及びエンジントルクを調整する工程と、 を有する方法。 - 【請求項11】 前記機関が単一の燃料のみを用いる、請求項10に記載の
方法。 - 【請求項12】 前記単一の燃料がディーゼル燃料である、請求項11に記
載の方法。 - 【請求項13】 前記吸気システム及び前記燃焼室の一方に送られる前記燃
料の量を調整する工程を更に有する、請求項10に記載の方法。 - 【請求項14】 エンジントルクを調整する前記工程及びエンジン周期毎の
前記燃料の量を調整する前記工程が、少なくともほぼ同時に行われる、請求項1
3に記載の方法。 - 【請求項15】 燃焼の開始を早めるためにエンジントルクを増加する工程
を更に有する、請求項10に記載の方法。 - 【請求項16】 燃焼の開始を感知する工程と、燃焼開始信号を発生する工
程と、前記燃焼開始信号に基づいて燃焼の開始を制御する工程とを更に有する、
請求項10に記載の方法。 - 【請求項17】 前記予混合チャージ圧縮点火モードにおいて、前記燃焼室
内で予混合チャージの燃焼開始後、前記エンジンの前記燃焼室に燃料の点火後噴
射を送る工程を更に有する、請求項10に記載の方法。 - 【請求項18】 エンジン出力馬力を略一定に維持するためにエンジントル
ク及びエンジン速度を調整する工程を更に有する、請求項10に記載の方法。
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