JP2004144089A - 直噴式ディーゼル機関の運転方法及びこの方法を実施するディーゼル機関 - Google Patents

Abstract

【課題】一方で低い部分負荷域から全負荷域に至るまで窒素酸化物とパーティキュレイトとの排出が最少限度に抑止されると共に他方で高い効率を達成することのできる内燃機関の運転技術を提供する。
【解決手段】低度から中度までの部分負荷に対応する第１運転域（Ａ）において燃料の燃焼がＮＯｘ形成温度（Ｔ_ＮＯｘ）を下回る局所温度（Ｔ_Ｌ）とパーティキュレイト形成限度（λ_ＬＳ）を上回る局所空気比（λ_Ｌ）にて行われ、燃料噴射は圧縮行程の上死点前５０°から５°までのクランク角範囲内で開始され、排気ガスは約５０％から７０％までの排気ガス再循環率にて再循環される。中度の部分負荷に対応する第２運転域（Ｂ）において燃料噴射は上死点前約２°のクランク角から上死点後約２０°のクランク角までの範囲内で開始される。
【選択図】　　　　図２

Description

　本発明は、低度から中度までの部分負荷に対応する第１運転域において燃料の燃焼がＮＯｘ形成温度を下回る局所温度とパーティキュレイト形成限度を上回る局所空気比にて行われ、燃料噴射は圧縮行程の上死点前５０°〜５°のクランク角度域で開始され、排気ガスは約５０％〜７０％の排気ガス再循環率にて回収される直噴式ディーゼル機関の運転方法に関する。本発明はさらに前記方法を実施するための直噴式ディーゼル機関に関する。

　内燃機関の燃焼プロセスを決定する最も重要な要素は、燃焼プロセスないし燃焼開始の位相位置、シリンダ内圧力の最大上昇速度ならびにピーク圧力である。
　直接噴射された燃料の自然着火によって燃焼が基本的に実現される内燃機関において前記の決定要素は、噴射時点、給気組成および着火遅れによって決定的に影響される。さらにこれらのパラメータ自体もまた多数の影響因子、たとえば回転数、燃料量、吸気温度、チャージ圧、実効圧縮比、シリンダ給気の不活性ガス分およびエンジン部材温度によって決定される。
　法的規制条件がますます厳しくなるのに応じ、燃焼方法のコンセプト策定にあたり、ディーゼル機関のパーティキュレイト（煤）ならびにＮＯｘの排出を減少させるべく絶えず新たな方途が採用されなければならない。

　噴射時点を早めることにより着火遅れを広げ、希薄な燃料・空気−混合気の自然着火による燃焼が行われるようにすることにより排ガス中のＮＯｘおよびパーティキュレイトの排出を減少させることは公知に属する。この点で一つの考えられ得る変法はＨＣＬＩ方法（Homogenous Ｃharge Late Injection）と称される。したがって、この種の混合気燃焼が実施される場合には、燃料噴射は圧縮行程の上死点の十分前方で行われ、これによって十分均質な燃料・空気−混合気が生ずる。燃焼温度をＮＯｘ発生に要される最低温度以下に保つことは排気ガス再循環によって達成することが可能である。ただし燃料と空気との均質化は時間に依存しており、均質化が不十分な場合にはパティキュレートの排出は増加することから、この方法の実現は回転数と負荷とに応じて制限されている。

　軽から中の部分負荷域において燃焼温度はＮＯｘ形成温度を下回り、空気比はパーティキュレイト形成の基準値を上回るように燃焼温度と着火遅れとが調整されるＨＣＬＩ方法で稼働するディーゼル機関が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この場合、燃焼温度は排気ガス再循環率の変化によって制御され、着火遅れは燃料噴射時点によって制御される。中から高の負荷時には燃焼温度が大幅に低下させられることから、ＮＯｘ形成もパーティキュレイト形成も共に回避される。ただし、特に中度部分負荷域において低い空気比が低い燃焼温度と連携して生じることとなり、したがって効率の悪化が甘受されざるを得ない点が短所である。

　燃料噴射が圧縮行程の上死点前では行われず、燃焼室内の酸素濃度が排気ガス再循環によって低下させられる直噴式ディーゼル機関も知られている（例えば、特許文献２参照。）。ここでこの運転方法はＨＰＬＩ方法（Highly Premixed Late Injection）とも称されている。この場合　−　従来の上死点前噴射に比較して　−　上死点後に温度レベルが低下するとともに再循環される排気量が従来の運転方法に比較して多いため着火遅れはいわゆる拡散燃焼時よりも長い。排気ガス再循環率によって制御される低い温度レベルが生じる結果、燃焼温度はＮＯｘ形成の基準値以下に保たれる。噴射時点の遅れによって生じた大きな着火遅れにより良好な混合気形成が達成され、これによって混合気燃焼時の局所的酸素不足は著しく解消され、こうしてパティキュレートの発生は減少させられる。燃焼プロセスの遅延によって最高温度の低下が生ずるが、それと同時に、所与の遅延クランク角度時の平均温度の上昇がもたらされる結果、これがパーティキュレイトの燃焼を強化する。膨張行程への燃焼のずれは、さらに、高い排気ガス再循環率と連携して、長い着火遅れによる予混合燃料量の増加としたがって最大燃焼速度の高まりにもかかわらず、許容程度を上回ることのないシリンダ内圧力上昇速度を結果する。短所は低い部分負荷域における効率の悪化である。
特開２００１―８２２３３号公報［米国特許第６,３３８,２４５号明細書］（段落番号００１２−００１９） 特開２０００−２７４２８６号公報［米国出願第６,１５８,４１３号明細書］（段落番号０００９−００２０）

　本発明の目的は、一方で低い部分負荷域から全負荷域に至るまでＮＯｘとパーティキュレイトとの排出が最少限度に抑止されると共に他方で高い効率を達成することのできる内燃機関の運転技術を提供することである。

　前記課題は本発明により、中度の部分負荷に対応する第２運転域において燃料噴射が上死点前約２°のクランク角度から上死点後約２０°のクランク角度までの範囲内、好ましくは上死点前約２°のクランク角度から上死点後約１０°のクランク角度までの範囲内で開始されることによって達成される。
　第１運転域において内燃機関は噴射時点が圧縮行程において比較的早期、したがって上死点前約５０°〜５°のクランク角度範囲内に位置するＨＣＬＩ方法で運転される。第１運転域において燃料の噴射は好ましくは４０〜１００ＭＰａ（４００〜１０００バール）の範囲内で行われる。燃焼中心点は上死点前１０°から上死点後１０°のクランク角度範囲内にあり、これによって非常に高い効率を達成することができる。５０〜７０％の相対的に高い排気ガス再循環率により局所燃焼温度はＮＯｘ形成温度以下にあり、それと同時に局所空気比はパーティキュレイト形成限度以上に保たれる。排気ガス再循環は外部又は内部排気ガス再循環によるか又は可変バルブ制御による外部排気ガス再循環と内部排気ガス再循環とのコンビネーションによって達成することができる。

　第２運転域において内燃機関はＨＰＬＩ方法で運転される。この場合、噴射行程の主たる部分は圧縮行程上死点の後にある。従来の上死点前噴射に比較して　−　上死点後の温度レベルの低下と従来の運転方法に比較して２０％〜４０％という排気ガス再循環量の高まりとによってこの場合の着火遅れは長くなる。場合により、着火遅れを長引かせるために、たとえば実効圧縮比および／又は吸気温度を低下させ、ならびに噴射時間を短縮するために噴射圧力の引き上げおよび／又は噴射ノズルの噴射孔断面積を拡張するなどのその他の手段も利用することが可能である。噴射時間は燃焼開始前に噴射が終了するように調整される。この場合にはパーティキュレイトの排出を非常に低いレベルに抑止することができる。このことはこの場合に一方で燃料ジェット中の液状燃料と他方でジェットを従来のように包み込む火炎との同時発生が回避されることによって説明することができ、これによってさもなければパーティキュレイト形成に至る、空気不足下で進行するジェット近傍の酸化反応も阻止されることとなる。第２運転域における燃焼方法には少なくとも１００ＭＰａ（１０００バール）の噴射圧力が要される。この方法の利点は、ＮＯｘ排出が非常に低く、また粒子状物質−排気後処理装置の再生に有益な相対的に高い排気温度が達成されることである。

　本発明のさらなる実施形態は、高度部分負荷・全負荷に対応する第３運転域において燃料噴射の主たる部分は上死点前１０°のクランク角度から上死点後１０°のクランク角度までの範囲内で行われ、その際、この第３運転域において好ましくはマルチ噴射が実施されるように構成されている。第３運転域における排気ガス再循環率は３０％以下であり、約１０〜２０％が好適である。これにより一方で高い出力が、他方でＮＯｘ排出ならびにパティキュレート排出の低下が達成される。

　内燃機関は第１、第２および／又は第３運転域において約１．０〜２．０の全領域空気比で運転される。

　排気ガス再循環は外部および／又は内部で実施され、スワールは少なくとも１つの運転域、好ましくは３つの運転域のすべてで調整可能であるのが好適である。低燃費時の好適な排気ガス値は０〜５のスワール強度で達成することが可能である。

　さらに幾何学的圧縮比が調整可能であるのが好適である。この場合、幾何学的圧縮比は１５〜１９の範囲で変化させることができる。高い圧縮比はコールドスタート段階にとって好適である。負荷上昇中の圧縮比の低下は第１運転域ならびに第２運転域のいずれにおいても達成可能な最大負荷を増大させ、着火遅れの延引によってパーティキュレイト排出を減少させる。

　この場合、実効圧縮比を少なくとも１つの吸気バルブの閉時点によって変化させることが可能である。吸気バルブ閉の遅延によるか又は吸気バルブ閉を非常に早めることによって実効圧縮比を低下させることができ、これにより低いＮＯｘ・パーティキュレイト排出にとって必要な排気ガス再循環率を低下させることができる。その際、吸気バルブ開の時点ならびに吸気バルブ閉の時点のいずれもずらすことが可能であり、あるいは吸気バルブ閉時点のみをずらすことも可能である。

　本発明のさらなる実施形態において、第１運転域から第２運転域への移行ないし第２運転域から第１運転域への移行はそれぞれ排気ガス再循環率の低下ないし引き上げによって開始される。これに代えて、第１の運転域から第２の運転域への移行ないしその逆の移行がそれぞれ内部又は外部排気ガス再循環率の低下によると共に噴射開始の遅延によるかないし排気ガス再循環率の引き上げによると共に噴射開始の早めずらしとによって開始されるようにすることも可能である。

　この場合、第１の運転域から第２の運転域への移行に際する排気ガス再循環率の低下は吸気バルブの開時点および／又は閉時点の制御によって行われるのが好適である。

　実効平均圧力は第１運転域にあっては約０〜０．６ＭＰａ（０〜６バール）、特に好ましくは０〜０．５５ＭＰａ（０〜５．５バール）、第２運転域にあっては約０．３５〜０．８ＭＰａ（３．５〜８）バール、特に好ましくは０．４〜０．７ＭＰａ（４〜７バール）、第３運転域にあっては少なくとも約０．５５ＭＰａ（５．５バール）、特に好ましくは少なくとも０．６ＭＰａ（６バール）であるのがそれぞれ好適である。

　本方法の実施には、燃料噴射開始を少なくとも上死点前５０°のクランク角度から上死点後２０°好ましくは上死点後５０°までのクランク角度の間で調整可能であると共に排気ガス再循環率を約０〜７０％の間で調整可能である、少なくとも１つのピストン往復動シリンダを有した直噴式ディーゼル機関が必要である。さらに該ディーゼル機関は燃料噴射圧力を少なくとも第１の圧力レベルから第２の圧力レベルまでの範囲で調整可能であるように構成され、第１の圧力レベルは約１００ＭＰａ（１０００バール）までの範囲をカバーし、第２の圧力レベルは少なくとも１００ＭＰａから上の範囲をカバーしているのが好適であり、またスワール強度を変化させるための装置が設けられていてよい。

　さらに吸気バルブ開時点と吸気バルブ閉時点とを調整可能とすることが好適である。これを実現するため、タイミングシフト装置によって吸気バルブのバルブタイミングもしくは排気バルブのバルブタイミングもシフトさせることができるのが好適である。この場合、排気行程において少なくとも１つの吸気バルブを作動させるのが非常に好適である。これに加えて又はこれに代えて、吸気行程において少なくとも１つの排気バルブを作動させるようにすることも可能である。

　以下、本発明を図面を参照して詳細に説明する。
　図１は吸気マニホルド２と排気マニホルド３とを有した内燃機関１を示したものである。内燃機関１は排気ターボチャージャ４で過給され、該ターボチャージャ４は排気で回転させられるタービン５とタービン５によって駆動されるコンプレッサ６とを有している。コンプレッサ６の下流にはインタクーラ７が配置されている。

　さらに、第１の排気ガス再循環管９を有した高圧排気ガス再循環システム８が排気管路１０と吸気管１１との間に設けられている。排気ガス再循環システム８は排気ガス再循環クーラ１２と排気ガス再循環弁１３とを有している。第１の排気ガス再循環管９には排気路１０と吸気管１１との間の圧力差に応じて排気ガス再循環率を制御ないし高めるための排気ポンプ１４も設けられてもよい。

　この高圧排気ガス再循環システム８の他に、タービン５の下流でコンプレッサ６の上流に低圧排気ガス再循環システム１５が設けられており、この場合、排気管１６のパーティキュレイトフィルタ１７の下流で第２の排気ガス再循環管１８が分岐してコンプレッサ６の上流で吸気管１９に合流している。第２の排気ガス再循環管１８には、さらに、排気ガス再循環クーラ２０と排気ガス再循環弁２１とが配置されている。排気ガス再循環率を制御するため排気管１６には前記分岐部の下流に排気弁２２が配置されている。

　排気路１０において第１の排気ガス再循環管９の分岐部上流には酸化触媒２３が配置されており、該触媒はＨＣ、ＣＯおよび排出パーティキュレイト揮発成分を除去する。その副次的効果はその際に排気温度が高められ、こうしてタービン５に付加的なエネルギーが供給されることである。この場合、酸化触媒２３は原理的には排気ガス再循環管の分岐部下流に配置されていてもよい。図１に示した、酸化触媒２３の下流に分岐部を配したシステムは、排気クーラ１２が低下した汚れに暴露されるという利点を有しているが、排気温度が高まることにより高い冷却出力を有する排気ガス再循環クーラ１２が必要になるという短所も有している。

　内燃機関１はシリンダ２４ごとにディーゼル燃料を燃焼室に直接噴射する少なくとも１つの噴射バルブ２５を有し、該噴射バルブは作業サイクルごとに複数回の噴射を行うことができ、それぞれの噴射開始は上死点（ＴＤＣ）前５０°のクランク角度（ＣＡ）から上死点（ＴＤＣ）後５０°のクランク角度（ＣＡ）までの範囲内で変化させることができる。この場合、最大噴射圧力は少なくとも１００ＭＰａである必要があろう。

　燃焼室形状と燃料噴射コンフィギュレーションとは従来の全負荷ディーゼル燃焼用に設計されていてよい。

　図２は局所空気比λ_Ｌを局所燃焼温度Ｔ_Ｌと相関させて記載した線図である。ＳＯＯＴで表された領域では強度なパーティキュレイト形成が生じ、ＮＯｘは激しい窒素酸化物形成が生ずる領域を表している。Ａ，Ｂ，Ｃはそれぞれここに記載した運転方法の第１、第２および第３運転域を表している。

　この場合、図３に示した負荷Ｌ−回転数ｎ−線図から看取されるように、第１運転域Ａは低から中の部分負荷域Ｌ_Ｌに対応しており、第２運転域Ｂは中から高の部分負荷域Ｌ_Ｍに、第３運転域Ｃは高負荷・全負荷域Ｌ_Ｈにそれぞれ対応している。

　ＨＣＬＩ域（Homogenous Ｃharge Late Injection）とも称される第１運転域Ａにおいて噴射開始は圧縮行程において比較的早期に、したがって圧縮行程後の上死点ＴＤＣ前の約５０°〜５°の範囲内に位置しており、これにより予混合燃焼のための一部均質な混合気を形成するための長い着火遅れが実現される。優れた予混合と希薄化とにより極端に低いパーティキュレイト・ＮＯｘ排出値を達成することができる。図２から判明するように、第１運転域Ａはパーティキュレイト形成の基準となる局所空気比λ_ＬＳの限界を顕著に上回っている。５０％〜７０％の高い排気ガス再循環率ＥＧＲによって局所燃焼温度Ｔ_Ｌは常に最低窒素酸化物形成温度Ｔ_ＮＯｘ以下に保たれる。噴射は４００〜１０００バールの圧力で行われる。長い着火遅れにより燃焼行程は上死点ＴＤＣを越えて効率上最適な位置にずらされる。燃焼中心点は上死点ＴＤＣ後−１０°〜１０°のクランク角度範囲内にあり、これによって高い効率を達成することができる。第１運転域Ａに必要とされる高い排気ガス再循環率ＥＧＲは外部排気ガス再循環のみによるか又は可変バルブ制御による外部排気ガス再循環と内部排気ガス再循環とのコンビネーションによって達成することが可能である。

　第２運転域Ｂにおいて内燃機関はいわゆるＨＰＬＩ方法（Highly Premixed Late Injection）で運転される。この場合、噴射行程の主たる部分は上死点ＴＤＣの後にある。第２運転域Ｂにおいて内燃機関は２０〜４０％の排気ガス再循環率で運転され、噴射開始は上死点前２°のクランク角ＣＡから上死点後２０°のクランク角ＣＡまでの範囲内にある。噴射終了と燃焼開始との完全な分離によって混合気の部分的な均質化は予混合燃焼によって達成される。従来の上死点前噴射と比較した場合の温度レベルの低下と従来の運転方法に比較した場合の排気ガス再循環量の高まりとによって着火遅れは長くなる。着火遅れを長引かせるためにたとえば実効圧縮比εおよび／又は吸気温度を低下させ、ならびに噴射時間を短縮するために噴射圧力を引き上げおよび／又は噴射ノズルの噴射孔断面積を拡張するなどのその他の手段も利用することが可能である。短い噴射時間は噴射がなお燃焼開始前に終了し得るようにするために必要である。この場合にはパーティキュレイト排出を非常に低いレベルに抑止することができる。これはその際に燃料ジェット中の液状燃料とジェットを従来のように包み込む火炎との同時発生が回避されることから説明することができ、これによってさもなければパーティキュレイト形成に至る、空気不足下で進行するジェット近傍の酸化反応も阻止されることとなる。噴射時点の遅延化は相対的に長い着火遅れと相まって燃焼プロセス全体の遅延化をもたらし、これによってシリンダ圧力カーブも遅めにずらされて最高温度が低下させられ、こうしてＮＯｘ排出が減少させられる。

　燃焼プロセスの遅延化は最高温度の低下をもたらすが、同時に所定の遅延クランク角ＣＡ時の温度上昇を結果し、これがまたもパーティキュレイト燃焼を強化することとなる。

　膨張行程への燃焼のずれは、さらにまた、高い排気ガス再循環率ＥＧＲと相まって、長い着火遅れによる予混合燃料量の増加としたがって最大燃焼速度の高まりにもかかわらず、許容程度を上回ることのないシリンダ内圧力上昇速度を結果する。高い定容度を結果する高い最大燃焼速度は燃焼行程の遅延化による効率損失を部分的に補償することができる。高い効率の達成には燃焼中心点ができるだけ上死点ＴＤＣ近傍にあることが必要であろう。

　第２運転域Ｂにおいて使用されるＨＰＬＩ方法の利点は、ＮＯｘとパーティキュレイトとの排出が非常に減少させられるとともにパーティキュレイトフィルタの再生に有益な高い排気温度が達成される点にある。図２から判明するように、第２運転域Ｂにおける局所燃焼温度Ｔ_Ｌはわずかな部分がＮＯｘ形成下限温度Ｔ_ＮＯｘを上回っているにすぎない。この場合、局所空気比λ_Ｌは大部分がパーティキュレイト形成限度λ_ＬＳを上回っている。第２運転域Ｂにおいて燃焼プロセスの開始時に確かにパーティキュレイトは形成されるが、高圧噴射による強度な乱流と高温とによってパーティキュレイトは燃焼プロセス終了間際には酸化されており、これにより総じてパーティキュレイト排出は非常に低いものとなる。

　第３運転域Ｃにおいて内燃機関は従来どおり０〜３０％の排気ガス再循環率ＥＧＲで運転され、その際、マルチ噴射が可能である。これによって予混合燃焼と拡散燃焼とを実施することができる。排気ガス再循環には外部排気ガス再循環と内部排気ガス再循環とのコンビネーションも使用することが可能である。

　比較のため、図２には運転域Ｄが点線で記入されている。この運転域Ｄはたとえば前述した特許文献１において中から高の部分負荷域で利用される。しかしながらこれは低温のゆえに効率が悪いという短所を有する。本発明による方法においてこの運転域は一般に回避することが可能である。

　オプショナルに第１、第２および／又は第３運転域Ａ，Ｂ，Ｃにおいて燃焼室内にスワールを発生させることが可能である。スワール形成はパーティキュレイト形成をさらに減少させるのに有益である。この場合、スワール強度と高い効率とは互いに調和されなければならない。

　内燃機関１においてバルブタイミングを可変調節し得るのが特に好適である。これによって負荷変動時に運転域Ａ，Ｂ，Ｃ間で正確かつ迅速に排気ガス再循環率ＥＧＲを調節することができる。外部排気ガス再循環と内部排気ガス再循環とのコンビネーションにより特に迅速かつ正確な排気ガス再循環率ＥＧＲ制御が可能である。最後に可変バルブ制御によって実効圧縮比εの調節も行うことができ、これにより低い排気ガス再循環率ＥＧＲで窒素酸化物とパーティキュレイトとの排出低減を達成することが可能である。

　図４は少なくとも１つの排気バルブＡと少なくとも１つの吸気バルブＥとのバルブストロークＬｖをクランク角ＣＡと相関させて表したバルブストローク線図である。吸気バルブストローク曲線（図中Ｅで示されている）をたとえばタイミングシフト装置によって遅延ずらしすることによって実効圧縮比εと所要排気ガス再循環率ＥＧＲとを低下させることができる。これは３つの運転域Ａ，Ｂ，Ｃのすべてにおいて行うことが可能である。ＥｏないしＥｃでそれぞれ吸気バルブの開時点と閉時点が表されている。遅延ずらしされた吸気バルブストローク曲線Ｅｓの開放開始と閉鎖時点とはそれぞれＥｏｓとＥｃｓで示唆されている。

　これに代えて、単に吸気バルブストローク曲線Ｅの閉側フランクだけを変化させることも可能であり、これによって閉時点は図５の線Ｅｓ’’とＥｓ’’’によって示唆されているように早め又は遅めとなる。これにより基本的にバルブストローク曲線全体をずらした場合（図４）と同じ効果を達成することができる。

　内部排気ガス再循環は図６の曲線Ａ’が示しているように吸気行程中に排気バルブを新たに開放するか、又は排気行程中に吸気バルブを新たに開放する（図７の点線曲線Ｅ’参照）ことによって実現することができる。これによりすべての運転域Ａ，Ｂ，Ｃにおいて迅速な排気ガス再循環率ＥＧＲ制御を達成することが可能である。排気ガス再循環率ＥＧＲが２０％〜４０％の第２運転域Ｂから排気ガス再循環率ＥＧＲが５０〜７０％の第１運転域への移行を内部排気ガス再循環と燃料噴射Ｉの開始α_Ｉを早めることによるだけで実施することが可能であり、第１運転域Ａから第２運転域Ｂへの逆方向の移行も同様にして可能である。

　可変バルブ制御が行われない場合には、第１と第２運転域Ａ，Ｂ間の移行は、図８から看取し得るように、外部排気ガス再循環率ＥＧＲの低減と同時に燃料噴射Ｉの開始α_Ｉを早めずらしすることによって実施することが可能である。排気ガス再循環率ＥＧＲの同時的低減と燃料噴射Ｉの開始を早めることによりミスファイアの回避が可能である。逆に第２運転域Ｂから第１運転域Ａへの移行は内部排気ガス再循環率ＥＧＲの同時引き上げと噴射Ｉの開始α_Ｉを早めることによって実施することができる。

　図９は第１運転域Ａに関する１実施例の測定線図を示したものであり、同図には噴射Ｉ、放熱速度Ｑ、累積放熱速度ΣＱおよびシリンダ圧力ｐがクランク角ＣＡと相関して表されている。図１０は第２運転域Ｂに関する同様な測定線図を示したものである。２つの曲線はそれぞれ異なったパラメータ構成を代表している。噴射Ｉと燃焼との間の相対的に長い着火遅れが明白に認められる。

　前述した方法により、第１、第２および第３いずれの運転域Ａ，Ｂ，Ｃにおいても、内燃機関を高い効率でしかもＮＯｘおよびパーティキュレイトの排出を低下させて運転することが可能である。

　尚、特許請求の範囲の項に図面との対照を便利にするために符号を記すが、該記入により本発明は添付図面の構成に限定されるものではない。

本発明による方法を実施するための内燃機関全体の概略図 局所空気比λ_Ｌを局所温度Ｔ_Ｌと相関させて記載した線図 負荷−回転数−線図 種々の可変バルブタイミングによるバルブストローク線図 種々の可変バルブタイミングによるバルブストローク線図 種々の可変バルブタイミングによるバルブストローク線図 種々の可変バルブタイミングによるバルブストローク線図 噴射時点−ＥＧＲ率−負荷線図 第１運転域Ａの測定線図 第２運転域Ｂの測定線図

符号の説明

Ａ：第１運転域
Ｂ：第２運転域
Ｃ：第３運転域
Ｌ_Ｌ：低度から中度までの部分負荷
Ｔ_ＮＯｘ：ＮＯｘ形成温度
Ｔ_Ｌ：局所温度
λ_ＬＳ：パーティキュレイト形成限度
λ_Ｌ：局所空気比
Ｉ：燃料噴射
ＴＤＣ：上死点
ＣＡ：クランク角
ＥＧＲ：排気ガス再循環率

Claims (27)

1. 　低度から中度までの部分負荷（Ｌ_Ｌ）に対応する第１運転域（Ａ）において燃料の燃焼がＮＯｘ形成温度（Ｔ_ＮＯｘ）を下回る局所温度（Ｔ_Ｌ）とパーティキュレイト形成限度（λ_ＬＳ）を上回る局所空気比（λ_Ｌ）にて行われ、燃料噴射（Ｉ）は圧縮行程の上死点 （ＴＤＣ） 前５０°から５°までのクランク角（ＣＡ）範囲内で開始され、排気ガスは５０％から７０％までの排気ガス再循環率（ＥＧＲ）にて再循環される直噴式ディーゼル機関の運転方法において、
   　中度の部分負荷に対応する第２運転域（Ｂ）において燃料噴射は上死点（ＴＤＣ）前２°のクランク角（ＣＡ）から上死点（ＴＤＣ）後２０°のクランク角（ＣＡ）までの範囲内で開始されることを特徴とする直噴式ディーゼル機関の運転方法。
2. 　前記第２運転域（Ｂ）において燃料噴射は上死点（ＴＤＣ）前２°のクランク角（ＣＡ）から上死点（ＴＤＣ）約１０°のクランク角までの範囲内で開始されることを特徴とする請求項１に記載の直噴式ディーゼル機関の運転方法。
3. 　前記第２運転域（Ｂ）において排気ガスは約２０％から４０％までの排気ガス再循環率（ＥＧＲ）にて再循環されることを特徴とする請求項１又は２に記載の直噴式ディーゼル機関の運転方法。
4. 　前記第２運転域（Ｂ）において燃料噴射は少なくとも１００ＭＰａの噴射圧力にて行われることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の直噴式ディーゼル機関の運転方法。
5. 　前記第１運転域（Ａ）において燃料噴射は４０〜１００ＭＰａの噴射圧力にて行われることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の直噴式ディーゼル機関の運転方法。
6. 　前記第１運転域（Ａ）において燃焼中心点は上死点（ＴＤＣ）前約１０°から上死点（ＴＤＣ）後約１０°までのクランク角（ＣＡ）範囲内にあることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の直噴式ディーゼル機関の運転方法。
7. 　高部分負荷（Ｔ_Ｈ）及び全負荷に対応する第３運転域（Ｃ）において燃料噴射（Ｉ）の主噴射開始（α_Ｉ）は上死点（ＴＤＣ）前約１０°から上死点（ＴＤＣ）後１０°までのクランク角（ＣＡ）の範囲内で行われることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の直噴式ディーゼル機関の運転方法。
8. 　前記第３運転域（Ｃ）においてマルチ噴射が実施されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の直噴式ディーゼル機関の運転方法。
9. 　前記第３運転域において排気ガス再循環率は最高にて３０％、好ましくは１０〜２０％であることを特徴とする請求項７又は８に記載の直噴式ディーゼル機関の運転方法。
10. 　全領域空気比（λ）は１．０〜２．０であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の直噴式ディーゼル機関の運転方法。
11. 　前記排気ガス再循環は外部排気ガス再循環又は内部排気ガス再循環あるいはその両方で実施されることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の直噴式ディーゼル機関の運転方法。
12. 　スワール強度（Ｄ）は少なくとも１つの運転域、好ましくはすべての運転域（Ａ，Ｂ，Ｃ）において負荷（Ｌ）とエンジン回転数（ｎ）とに応じて変化させられることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の直噴式ディーゼル機関の運転方法。
13. 　実効圧縮比（ε）は少なくとも１つの吸気バルブの閉時点（Ｅｃ）のシフトに応じて変化させられることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の直噴式ディーゼル機関の運転方法。
14. 　少なくとも前記第１運転域（Ａ）又は前記第３運転域（Ｃ）において内部排気ガス再循環は排気行程中の吸気バルブ開によって又は吸気行程中の排気バルブ開によってあるいはその両方によって実施されることを特徴とする請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の直噴式ディーゼル機関の運転方法。
15. 　前記第１運転域（Ａ）から前記第２運転域（Ｂ）への移行又は第２運転域から第１運転域への移行はそれぞれ排気ガス再循環率の低下又は引き上げによってそれぞれ開始されることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載の直噴式ディーゼル機関の運転方法。
16. 　前記第１運転域（Ａ）から前記第２運転域（Ｂ）への移行あるいはその逆の移行はそれぞれ内部又は外部排気ガス再循環率の低下と噴射開始を遅延することによりあるいは排気ガス再循環率（ＥＧＲ）の引き上げと噴射開始を早めることによって開始されることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１項に記載の直噴式ディーゼル機関の運転方法。
17. 　前記第１運転域（Ａ）から前記第２運転域（Ｂ）への移行に際して必要な排気ガス再循環率（ＥＧＲ）の低下は吸気バルブの開時点又は閉時点（Ｅｏ，Ｅｃ）の遅延化あるいはその両方の遅延化によって行われることを特徴とする請求項１〜１６のいずれか１項に記載の直噴式ディーゼル機関の運転方法。
18. 　前記第１運転域（Ａ）における実効平均圧力（P_ｍｅ）は０〜０．６ＭＰａ、好ましくは０〜０．５５ＭＰａであることを特徴とする請求項１〜１７のいずれか１項に記載の直噴式ディーゼル機関の運転方法。
19. 　前記第２運転域（Ｂ）における実効平均圧力（P_ｍｅ）は約０．３５〜０．８ＭＰａ、好ましくは０．４〜０．７ＭＰａであることを特徴とする請求項１〜１８のいずれか１項に記載の直噴式ディーゼル機関の運転方法。
20. 　前記第３運転域（Ｃ）における実効平均圧力（P_ｍｅ）は少なくとも０．５５ＭＰａ、好ましくは少なくとも０．６ＭＰａであることを特徴とする請求項１〜１９のいずれか１項に記載の直噴式ディーゼル機関の運転方法。
21. 　請求項１〜２０のいずれか１項に記載の直噴式ディーゼル機関の運転方法を実施するための直噴式ディーゼル機関において、
    　少なくとも１つの運転域（Ａ，Ｂ，Ｃ）において燃料噴射（Ｉ）の開始（α_Ｉ）は上死点（ＴＤＣ）前５０°から上死点（ＴＤＣ）後２０°好ましくは上死点（ＴＤＣ）後５０°までの間で調整可能であると共に排気ガス再循環率（ＥＧＲ）は約０〜７０％の間で調整可能であることを特徴とする直噴式ディーゼル機関。
22. 　燃料噴射圧力は少なくとも第１圧力レベルと第２圧力レベルの間で調整可能であると共に好ましくは前記第１圧力レベルは約１００ＭＰａまでの範囲をカバーし、前記第２圧力レベルは少なくとも１００ＭＰａから上の範囲をカバーすることを特徴とする請求項２１に記載の直噴式ディーゼル機関。
23. 　スワール強度を変化させるための装置が設けられていることを特徴とする請求項２１又は２２に記載の直噴式ディーゼル機関。
24. 　少なくとも１つの吸気バルブ開時点又は閉時点（Ｅｏ，Ｅｃ）あるいはその両方を変化させるための装置が設けられていることを特徴とする請求項２１〜２３のいずれか１項に記載の直噴式ディーゼル機関。
25. 　タイミングシフト装置によって吸気バルブ又は排気バルブあるいはその両方のバルブタイミングをシフトさせることができることを特徴とする請求項２１〜２４のいずれか１項に記載の直噴式ディーゼル機関。
26. 　少なくとも１つの吸気バルブを排気行程において作動させることを特徴とする請求項２５に記載の直噴式ディーゼル機関。
27. 　少なくとも１つの排気バルブを吸気行程において作動させることを特徴とする請求項２５又は２６に記載の直噴式ディーゼル機関。

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