JP2009506255A

JP2009506255A - ターボ過給エンジンを作動させるためのシステム及び方法

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Publication number: JP2009506255A
Application number: JP2008527943A
Authority: JP
Inventors: タンマ，バスカール; キューマン，マイケル・ケント; プリマス，ロイ・ジェイムズ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2005-08-25
Filing date: 2006-08-07
Publication date: 2009-02-12
Also published as: CN102155318A; CN101248263A; WO2007024453A1; AU2006283817A1; AU2006283817B2; CA2618514A1; MX2008002496A; US7296555B2; EP1920149B1; ZA200802280B; RU2008111153A; BRPI0617139A2; EP1920149A1; CN101248263B; US20070044752A1; RU2436983C2

Abstract

一部の実施形態では、ターボ過給システムを作動させる方法を提供し、本方法は、エンジンシリンダのピストンが圧縮行程の上死点に到達する前の該圧縮行程の第２の半部分の間の第１の所定時間に、第１の量の燃料をエンジンシリンダ内に噴射するステップを含む。本方法はさらに、ピストンが圧縮行程の上死点に到達する前の該ピストンが所定のアドバンス値だけ上昇した時における第１の所定時間後の第２の所定時間に、第２の量の燃料をエンジンシリンダ内に噴射するステップを含む。
【選択図】図６

Description

本発明は、総括的にはターボ過給圧縮点火エンジンを作動させるためのシステム及び方法に関し、より具体的には、機関車内のターボ過給ディーゼルエンジンにおける燃料消費率及びエンジン排気エミッションを低減するためのシステム及び方法に関する。

ディーゼルエンジンのような圧縮点火エンジンでは、燃料噴射システムにより、エンジンシリンダの各々内の圧縮空気中に燃料（例えば、ディーゼル燃料）を噴射して、圧縮の熱及び圧力により点火する空気−燃料混合気が形成される。残念ながら、エンジン効率、動力出力、燃料消費量、排気エミッション及びその他の作動特性は、理想よりも低い。加えて、１つの作動特性を改善するための従来型の技術は、１つ又はそれ以上の他の作動特性を悪化させることが多い。例えば、燃料消費率を減少させる試みは、しばしば様々な排気エミッションの増加を引き起こす。車両排気エミッションには、一酸化炭素、窒素酸化物類（ＮＯｘ）、粒子状物質（ＰＭ）、及び燃焼室内での燃料の不完全燃焼によって生成される煤煙のような汚染物質が含まれる。これらの汚染物質の量は、空気−燃料混合気、圧縮比、噴射タイミング、周囲条件及びその他に応じて変化する。
欧州特許出願第１７０７７８５Ａ号公報ドイツ特許出願第１０２００４０５２４１５Ａ１号公報米国特許第６，４７０，８４９号公報米国特許第６，３８２，１７７号公報米国特許第６，３５４，２６９号公報米国特許第６，３０２，０８０号公報米国特許第５，７４０，７７５号公報

従って、ターボ過給ディーゼルエンジンにおいて、ＮＯｘのような一部の排気エミッションを増加させずに燃料消費率を低減するための技術が必要とされる。

本技術の１つの態様によると、方法は、エンジンシリンダのピストンが圧縮行程の上死点に到達する前の該圧縮行程の第２の半部分の間の第１の所定時間に、第１の量の燃料をエンジンシリンダ内に噴射するステップを含む。本方法はさらに、ピストンが圧縮行程の上死点に到達する前の該ピストンが所定のアドバンス値だけ上昇した時における第１の所定時間後の第２の所定時間に、第２の量の燃料をエンジンシリンダ内に噴射するステップを含む。

本技術の別の態様によると、方法は、機関車の圧縮点火エンジンにおける燃料消費率を低減するために、燃料噴射を所定のアドバンス値だけアドバンスさせるステップを含む。本方法はさらに、燃料噴射をアドバンスさせることに関連する窒素酸化物エミッションを低減するために、圧縮点火エンジンの圧縮行程の第２の半部分の間であってかつ該圧縮行程の上死点前に所定量の燃料の燃料噴射をパイロット燃料量と過半燃料量とに分割するステップを含む。

本技術の別の態様によると、システムは、エンジンシリンダのピストンが圧縮行程の上死点に到達する前の該圧縮行程の第２の半部分の間の第１の所定時間に、第１の量の燃料をエンジンシリンダ内に噴射するように構成され、またピストンが圧縮行程の上死点に到達する前の該ピストンが所定のアドバンス値だけ上昇した時における第１の所定時間後の第２の所定時間に、第２の量の燃料をエンジンシリンダ内に噴射するように構成された制御装置を含む。

本技術の別の態様によると、機関車は、ターボ過給機と、圧縮点火エンジンと、圧縮点火エンジンに結合された制御装置とを含み、制御装置は、エンジンシリンダのピストンが圧縮行程の上死点に到達する前の該圧縮行程の第２の半部分の間の第１の所定時間に、第１の量の燃料をエンジンシリンダ内に噴射するように構成され、またピストンが圧縮行程の上死点に到達する前の該ピストンが所定のアドバンス値だけ上昇した時における第１の所定時間後の第２の所定時間に、第２の量の燃料をエンジンシリンダ内に噴射するように構成される。

本技術の別の態様によると、方法は、エンジンシリンダのピストンが圧縮行程の上死点に到達する前の該圧縮行程の第２の半部分の間の第１の所定時間に、第１の量の燃料をエンジンシリンダ内に噴射するように構成され、またピストンが圧縮行程の上死点に到達する前の該ピストンが所定のアドバンス値だけ上昇した時における第１の所定時間後の第２の所定時間に、第２の量の燃料をエンジンシリンダ内に噴射するように構成された制御装置を設けるステップを含む。

本技術の別の態様によると、コンピュータプログラムは、タンジブル媒体と、タンジブル媒体上に置かれたプログラム命令とを含み、プログラム命令は、エンジンシリンダのピストンが圧縮行程の上死点に到達する前の該圧縮行程の第２の半部分の間の第１の所定時間に、第１の量の燃料をエンジンシリンダ内に噴射する命令と、ピストンが圧縮行程の上死点に到達する前の該ピストンが所定のアドバンス値だけ上昇した時における第１の所定時間後の第２の所定時間に、第２の量の燃料をエンジンシリンダ内に噴射する命令と含む。

本発明のこれらの及びその他の特徴、態様及び利点は、図面全体を通して同じ参照符号が同様な部品を表している添付図面を参照して以下の詳細な説明を読む時、一層よく理解されるようになるであろう。

図１を参照すると、本技術の一部の実施形態による、エンジン排気エミッション及び燃料消費率低減論理１１を有するターボ過給システム１０を示している。この図示した実施形態では、ターボ過給システム１０は、機関車動力装置である。他の実施形態では、動力装置は、当業者には公知のその他の中速エンジン用途に使用することができる。機関車動力装置１０は、ターボ過給機１２と例えばディーゼルエンジン１４のような圧縮点火エンジンとを含む。さらに詳しく後述するように、本技術の実施形態は、機関車動力装置１０内でエンジン排気エミッション及び燃料消費率（ＳＦＣ）を制御する、センサ及び制御論理のようなモニタリング及び制御機構を提供する。例えばエンジン速度、クランク角、共通レール圧力又は同様なもののようなエンジン１４の作動状態に基づいて、エンジン１４の圧縮行程の第２の半部分の間であってかつ該圧縮行程の上死点位置前に所定量の燃料噴射をパイロット燃料噴射とアドバンス主燃料噴射とに分割することによって、エンジン排気エミッションが制御され、また燃料消費率が低減される。本技術の実施形態によると、圧縮行程の第２の半部分は、該圧縮行程の上死点前の９０°のクランク角に関連している。噴射動作は、燃料噴射をパイロット燃料噴射と主燃料噴射とに分割すること、主噴射事象において一層大量の燃料を供給すること、所定値だけ主噴射事象をアドバンスさせる（上死点に近づける）こと、及びパイロット噴射と主噴射との間のタイミングを調整することを含む。

図示したエンジン１４は、吸気マニホルド１６と排気マニホルド１８とを含む。ターボ過給機１２は、圧縮機２０とタービン２２とを含み、シリンダ２４内での燃焼のために加圧空気を吸気マニホルド１６に供給するように作動する。タービン２２は、排気マニホルド１８に結合される。排気マニホルド１８から放出された排気ガスは、タービン２２を通って膨張し、それによって圧縮機２０に連結されたターボ過給機シャフト２６を回転させる。圧縮機２０は、空気フィルタ２８を通して周囲空気を吸い込み、加圧空気を熱交換器３０に供給する。空気の温度は、圧縮機２０による加圧により上昇する。加圧空気は、熱交換器３０を通って流れて、空気の温度が、エンジン１４の吸気マニホルド１６内に送給される前に低下されるようになる。１つの実施形態では、熱交換器３０は、空気対水式熱交換器であり、この熱交換器は、冷却剤を利用して加圧空気からの熱除去を可能にする。別の実施形態では、熱交換器３０は、空気−空気式熱交換器であり、この熱交換器は、周囲空気を利用して加圧空気からの熱除去を可能にする。さらに別の実施形態では、熱交換器３０は、冷却剤と周囲空気との組合せを利用して加圧空気からの熱除去を可能にする。

動力装置１０はまた、制御装置３２を含む。１つの実施形態では、制御装置３２は、ユーザによりプログラム可能な電子論理制御装置である。別の実施形態では、制御装置３２は、エンジン１４のための電子燃料噴射制御装置である。制御装置３２は、エンジン１４のクランクシャフト（図示せず）のクランク角を検出する（度の単位で）ように設けられたクランク角センサ３６からクランク角信号を受信する。制御装置３２は、複数の燃料噴射ポンプ４０の作動を制御する圧力信号３８を生成するように動作可能とすることができる。ポンプ４０は、複数の燃料噴射器４２を駆動して、燃料をエンジン１４の複数のシリンダ２４内に噴射するようにする。この図示した実施形態では、燃料噴射器４２は、電気作動式燃料噴射器である。燃料噴射器４２は一般的に、制御装置３２から受信した燃料噴射信号３９の関数として燃料をエンジンシリンダ２４内に噴射する。燃料噴射信号３９には、所望の噴射速度、所望の燃料噴射タイミング、シリンダ２４内に噴射されるべき燃料の量又は同様なものを表す波形を含むことができる。ピストン４４は、各シリンダ２４内に摺動可能に配置され、当業者には公知なように上死点位置及び下死点位置間で往復運動する。制御装置３２はまた、エンジン１４の速度を検出する（クランクシャフトの毎分回転数として）ように構成された速度センサ４８から速度信号４６を受信する。制御装置３２は、クランク角信号３４及びエンジン速度信号４６に基づいて複数の燃料噴射器４２の作動を制御する燃料噴射信号３９を生成するように構成される。

図２を参照すると、本技術の実施形態による、エンジン排気エミッション及び燃料消費率制御論理１１を有する制御装置３２を示している。図示するように、制御装置３２は、クランク角センサ３６、速度センサ４８、出力センサ５０、吸気温度センサ５２、排気ガス温度センサ５４、酸素センサ５６、ＣＯセンサ５８及びＮＯｘセンサ６０のような複数のセンサからセンサ信号を受信する。出力センサ５０は、エンジン出力を検出する（馬力として）ように構成することができる。吸気温度センサ５２は、吸気マニホルドに供給された空気の温度を検出する（度又はｋｅｌｖｉｎとして）ように構成することができる。排気ガス温度センサ５４は、排気マニホルドから放出された排気ガスの温度を検出する（度又はｋｅｌｖｉｎとして）ように構成することができる。酸素センサ５６、ＣＯセンサ５８及びＮＯｘセンサ６０は、それぞれ排気ガス中の酸素、一酸化炭素及び窒素酸化物の量を検出するように構成することができる。制御装置３２は、ピストンが圧縮行程の上死点位置に到達する前に該制御装置３２が燃料の第１の量（例えば、パイロット燃料噴射）６４をエンジンシリンダ２４内に噴射するのを可能にする分割燃料噴射量及び割合制御論理６２を含む。例えば、総燃料噴射量の１〜５％の範囲内のパイロット燃料噴射量は、圧縮行程の上死点前にエンジンシリンダ内に噴射することができる。分割燃料噴射量及び割合制御論理６２はまた、ピストンが圧縮行程の上死点位置付近にある時に、制御装置３２が燃料の第２の量（例えば、大半／主燃料噴射）６６をエンジンシリンダ内に噴射するのを可能にする。例えば、総燃料噴射量の９５〜９９％の範囲内の主燃料噴射量は、ピストン位置が圧縮行程の上死点付近にある時に、エンジンシリンダ２４内に噴射することができる。

制御装置３２はまた、ピストンが圧縮行程の上死点位置に到達する前の第１の所定時間７０に、制御装置３２がパイロット燃料噴射量をエンジンシリンダ内に噴射するのを可能にする分割燃料噴射タイミング／アドバンス制御論理６８を含む。例えば、パイロット燃料噴射は、ピストン位置が圧縮行程の上死点前の２０°〜９０°の範囲内にある時に実行される。分割燃料噴射タイミング／アドバンス制御論理６８はまた、ピストンが圧縮行程の上死点位置に到達する前の第２の所定時間７２に、制御装置３２が主燃料噴射量をエンジンシリンダ内に噴射するのを可能にする。例えば、主燃料噴射は、ピストン位置が圧縮行程の上死点前の５°よりも小さい範囲内にある時に行うことができる。

この図示した実施形態では、制御装置３２はさらに、制御装置３２がパイロット燃料噴射の圧力及びパルス持続時間７６を制御するのを可能にする分割燃料噴射圧力及びパルス持続時間制御論理７４を含む。分割燃料噴射圧力及びパルス持続時間制御論理７４はまた、制御装置３２が主燃料噴射の圧力及びパルス持続時間７８を制御するのを可能にする。この図示した実施形態で上述したように、制御装置３２は、複数のセンサからの出力に基づいて燃料噴射量、タイミング、圧力及びパルス持続時間を制御するように構成される。この図示した実施形態では、制御装置の動作は１つのエンジンシリンダ２４と関連させて説明しているが、他の実施形態では、制御装置の動作は、複数エンジンシリンダ２４に対して適用可能である。

図３を参照すると、本技術の一部の実施形態による、エンジン１４のマルチシリンダ構成を有する機関車動力装置１０を示している。燃料噴射器は各々、それぞれのシリンダ２４と流体連通状態で配置された燃料噴射弁８０を含む。この図示した実施形態では、エンジン１４は、それぞれ４つのシリンダ２４と４つの燃料噴射弁８０とを含む。しかしながら、その他の数（例えば、６、８、１０、１２個など）及びその他の構成のシリンダ２４及び燃料噴射弁８０も本技術の技術的範囲の範囲内である。燃料噴射弁８０は、各シリンダ２４の燃焼室内に燃料を噴射するように設けられる。燃料噴射弁８０は、燃料を所定の圧力に加圧するように構成された高圧共通レール８２に結合される。高圧共通レール８２は、燃料供給パイプ８４を介して燃料噴射ポンプ４０に結合される。共通レール８２には、該共通レール８２内の燃料圧力を検出しかつ検出燃料圧力に対応する圧力信号８１を制御装置３２に送信する圧力センサ（図示せず）を設けることができる。共通レール内の燃料圧力は、エンジン１４の運転状態に応じて、燃料噴射ポンプ４０を作動させることによって所定の値に維持される。一部の実施形態では、制御装置３２は、クランク角信号３４及びエンジン速度信号４６に基づいて複数の燃料噴射器の動作を制御する燃料噴射信号３９を生成するように構成される。その他の実施形態では、動力装置は、複数の共通レール８２及び燃料噴射ポンプ４０を有することができる。１つの実施例では、機関車エンジン１４は、８０〜２４０ｂａｒの範囲の最大シリンダ内圧力、４行程、スロットル弁の段階的作動つまりノッチ、３００〜１，５００回転／分の範囲の中速度、５〜２０リットル／シリンダの範囲の排気量、及び共通レール燃料噴射システムのような仕様を含むことができる。

吸気マニホルド１６は、それぞれのシリンダ２４の燃焼室に結合される。吸気マニホルド１６は、吸気パイプ８６に結合される。吸気温度センサ（図示せず）は、吸気パイプ８６に設けることができる。吸気パイプ８６内に熱交換器８８を設けて、該吸気パイプ８６を通る吸気を冷却することができる。排気マニホルド１８は、それぞれのシリンダ２４の燃焼室に結合される。排気マニホルド１８は、排気パイプ９０に結合される。排気ガス温度センサ、酸素センサ、ＣＯセンサ及びＮＯｘセンサのような複数のセンサ（図示せず）を排気パイプ９０に結合することができる。

上述したように、制御装置３２は、エンジン１４のクランク角を検出するように設けられたクランク角センサ３６からクランク角信号３４を受信する。制御装置３２は、燃料噴射器の作動を制御する燃料噴射信号３９を生成するように動作可能とすることができる。制御装置３２はまた、エンジン１４の速度を検出するように構成された速度センサ４８から速度信号４６を受信する。上述したように、この図示した実施形態では、制御装置３２は、複数のセンサからの出力に基づいて、燃料噴射量、タイミング、圧力及びパルス持続時間を制御するように構成される。電気作動式燃料噴射器と共に高圧共通レール８２を使用することにより、制御装置３２に、燃料噴射速度、燃料噴射回数、並びに燃料噴射量、タイミング、圧力及びパルス持続時間における柔軟性を与えることが可能になる。本技術のこの実施形態によると、燃料噴射作動は、エンジンの中負荷から全負荷状態まで適用可能である。

単発燃料噴射では、燃料噴射タイミングを早めた場合に、燃料消費率が低減し、また排気ガスエミッションが増加する。本技術によると、燃料噴射は、パイロット燃料噴射とエンジン１４の圧縮行程の上死点位置前のアドバンスタイミングを有する主燃料噴射とに分割される。燃料の霧化は、分割噴射によって増進され、また燃料の噴射圧力を増大させることによってさらに促進することができる。燃料は、燃焼室内で一様に分散され、また燃焼室内での空気利用が増進される。より少量のパイロット噴射は、シリンダ壁に対する燃料の付着を防止するのを可能にする。その結果、排気ガスエミッションが実質的に制御され、また燃料消費率が低減される。

図４を参照すると、機関車動力装置１０の１つの実施形態を示している。上で示したように、動力装置１０は、ターボ過給機１２とディーゼルエンジン１４とを含む。動力装置１０は、システム９２を駆動するように使用することができる。システム９２には、高高度機関車エンジン、自動車エンジン、船舶エンジン又は同様なものを含むことができる。動力装置１０は、制御装置３２を含む。制御装置３２は、エンジン１４のクランク角を検出するように設けられたクランク角センサ３６からクランク角信号３４を受信する。制御装置３２は、複数の燃料噴射器４２の作動を制御する燃料噴射信号３９を生成するように動作可能である。制御装置３２はまた、エンジン１４の速度を検出するように構成された速度センサ４８から速度信号４６を受信する。

この図示した実施形態では、制御装置３２はさらに、データベース９４、アルゴリズム９６とデータ分析ブロック９８とを含むことができる。データベース９４は、動力装置１０に関する所定の情報を記憶するように構成することができる。例えば、データベース９４は、クランク角、エンジン速度、エンジン出力、吸気温度、排気ガス温度、排気ガス組成又は同様なものに関連する情報を記憶することができる。データベース９４はまた、命令セット、マップ、参照テーブル、変数又は同様なものを含むことができる。そのようなマップ、参照テーブル及び命令セットは、パイロット噴射及び主噴射の特性を、エンジン速度、クランク角、共通レール圧力、所望の燃料量又は同様なもののような特定のエンジン作動パラメータと相関させるような働きをする。さらに、データベース９４は、上述のセンサからの実際の検知／検出情報を記憶するように構成することができる。アルゴリズム９６は、上述の複数のセンサからの信号を処理するのを可能にする。

データ分析ブロック９８は、マイクロプロセッサ、プログラム可能論理制御装置、論理モジュール又はその他のような様々な回路タイプを含むことができる。データ分析ブロック９８は、アルゴリズム９６と組合せて、燃料噴射速度、燃料噴射回数、燃料噴射量、タイミング、圧力及びパルス持続時間、パイロット噴射及び主噴射間の時間間隔、噴射器波形電流、又はそれらの組合せの決定に関連する様々な演算を実行するために使用することができる。上述のパラメータのいずれも、時間に対して選択的及び／又は動的に適応又は変更することができる。制御装置３２は、ピストンが圧縮行程の上死点に到達する前の第１の所定時間にパイロット噴射を行うことによってまたピストンが圧縮行程の上死点に到達する前の第１の所定時間後の第２の所定時間にアドバンス主燃料噴射をさらに行うことによって、エンジン排気エミッション及び燃料消費率を制御するように構成される。

図５を参照すると、この図は、図１のターボ過給システム１０を作動させる方法の１つの実施形態を示すフロー図である。この図示した実施形態では、ステップ１００で示すように、クランク角及びエンジン速度が判定される。クランク角センサ３６は、エンジンのクランク角を検出するように設けられ、また速度センサ４８は、エンジン速度（例えば、クランクシャフトの毎分回転数）を検出するように設けられる。制御装置３２は、ステップ１０２で示すように、クランク角及び／又はエンジン速度に基づいて、ピストンが圧縮行程の上死点に到達する前のパイロット燃料噴射のための第１の所定時間を決定する。制御装置３２は、燃料噴射ポンプ４０を作動させて、ステップ１０４で示すようにパイロット燃料量をエンジンシリンダ２４内に噴射する。一部の実施形態では、ピストンが圧縮行程の上死点前の２０〜９０°にある時に、１〜５％の範囲内のパイロット燃料量が噴射される。パイロット燃料は、霧化しかつシリンダ２４の同伴空気と混合する。ピストンが上死点に向かって移動するにつれて、パイロット燃料及び空気の混合気の圧力及び温度は、圧縮によって上昇する。パイロット燃料及び空気の混合気が点火温度（自己点火温度）に達した時、パイロット燃料及び空気の混合気は、点火して主噴射事象の前及び該主噴射事象の間に燃焼生成物を形成する。

制御装置３２は、ステップ１０６で示すように、クランク角及び／又はエンジン速度に基づいて圧縮行程の上死点付近での主燃料噴射のための第２の所定時間を決定する。制御装置３２は、燃料噴射ポンプ４０を作動させて、ステップ１０８で示すように主燃料量をエンジンシリンダ２４内に噴射する。一部の実施形態では、ピストンが圧縮行程の上死点前の５°よりも小さい位置にある時に、９５〜９９％の範囲内の主燃料量が噴射される。主燃料は、霧化しかつシリンダ２４内の同伴空気と混合する。主燃料はまた、パイロット燃料及び空気の同伴燃焼済み混合気とも混合する。パイロット燃料及び空気の同伴燃焼済み混合気は、高い比熱を有する希釈剤として作用して、主噴射事象の温度を低下させ、それによって排気ガスエミッションを低減する。燃料噴射をパイロット燃料噴射とアドバンス主燃料噴射とに分割することにより、エンジン排気エミッションを所定の限界値の範囲内に維持しながら燃料消費量が改善される。

図６を参照すると、本技術の例示的な実施形態による、クランク角（Ｘ軸で表している）及び特に圧縮点火エンジン１４の圧縮行程中の上死点１１０に対する燃料噴射速度（Ｙ軸で表している）の変化を表すグラフを示している。この図示した実施形態では、曲線１１２は、エンジンシリンダ２４内の上死点１１０に先立つ第１の角度１１４にて始まるパイロット燃料噴射量（例えば、１％、３％及び５％）を表している。パイロット燃料噴射の第１の角度１１４は、圧縮行程中の上死点１１０前の２０〜９０°の範囲内とすることができる。曲線１１６は、上死点１１０に対する第２の角度１１８にて始まる主燃料噴射量（例えば、９９％、９７％及び９５％）を表している。主燃料噴射の第２の角度１１８は、圧縮行程中の上死点１１０前の５°よりも小さい範囲内とすることができる。「ドエル」は、パイロット噴射の終了と主噴射の開始との間の時間である。この図示した実施例では、ドエルは、上死点１１０前の約１０〜８０°の範囲内で変化させることができる。

図７を参照すると、本技術の例示的な実施形態による、圧縮点火エンジン１４の燃料消費率（Ｘ軸で表している）に対するＮＯｘエミッション（Ｙ軸で表している）の変化を表すグラフを示している。Ｘ軸は、燃料消費率基準線１１９に対する燃料消費率の％変化を表している。Ｙ軸は、ＮＯｘ基準線１２１に対するＮＯｘエミッションの％変化を表している。曲線１２０は、３％のパイロット燃料噴射の場合でのＮＯｘエミッション及び燃料消費率の低減を表している。パイロット噴射と主噴射との間のドエルは、上死点前の約１０〜８０°の範囲内で変化させることができる。曲線１２２は、３％のパイロット燃料噴射、上死点前の６０°のドエル、及び比較的高い燃料噴射速度の場合での燃料消費率の低減及びＮＯｘエミッションの増加を表している。曲線１２４は、３％のパイロット燃料噴射、上死点前の６０°のドエル、比較的高い燃料噴射速度、及び上死点前の２°だけアドバンスさせた主燃料噴射タイミングの場合での燃料消費率の低減及びＮＯｘエミッションの増加を表している。上述したように、エンジン速度、クランク角、共通レール圧力又は同様なもののようなエンジン１４の作動状態に基づいて、エンジン１４の圧縮行程の上死点位置前に所定量の燃料噴射をパイロット燃料噴射とアドバンス主燃料噴射とに分割することによって、エンジン排気エミッションが制御され、また燃料消費率が低減される。１つの実施例では、ＮＯｘエミッションを所定の限界値の範囲内に維持しながら、２％よりも多い燃料消費率の利点を得ることができる。

図８を参照すると、この図は、図１のターボ過給システム１０を作動させる方法の別の実施形態を示すフロー図である。この図示した実施形態では、エンジン１４の燃料噴射システムは、ステップ１２６で示すように、クランク角及びエンジン速度に基づいて作動される。燃料噴射システムは、燃料を所定の圧力に加圧するように構成された高圧共通レール８２に結合された複数の燃料噴射器を含む。上述したように、電気作動式燃料噴射器と共に高圧共通レール８２を使用することにより、制御装置３２に、燃料噴射速度、燃料噴射回数、並びに燃料噴射量、タイミング、圧力及びパルス持続時間における柔軟性を与えることが可能になる。

エンジン排気エミッションは、ステップ１２８で示すように、エンジン１４の圧縮行程の上死点位置前に燃料噴射をパイロット燃料噴射と主燃料噴射とに分割することによって所定の限界値の範囲内に低減されるか又は維持される。ピストンが圧縮行程の上死点前の２０〜９０°にある時に、１〜５％の範囲内のパイロット燃料量が噴射される。パイロット燃料は、霧化しかつシリンダ２４の同伴空気と混合する。ピストンが上死点に向かって移動するにつれて、パイロット燃料及び空気の混合気の圧力及び温度は、圧縮によって上昇する。パイロット燃料及び空気の混合気が点火温度に達した時、パイロット燃料及び空気の混合気は、点火して主噴射事象の前及び該主噴射事象の間に燃焼生成物を形成する。燃料消費率は、ステップ１３０で示すように、圧縮行程の上死点付近での主燃料噴射をアドバンスさせることによって低減される。主燃料は、霧化しかつシリンダ２４内の同伴空気と混合する。主燃料はまた、パイロット燃料及び空気の同伴燃焼済み混合気とも混合する。パイロット燃料及び空気の同伴燃焼済み混合気は、高い比熱を有する希釈剤として作用して、主噴射事象の温度を低下させ、それによって排気ガスエミッションを低減する。主噴射事象をアドバンスさせることにより、燃料のより良好な霧化が可能になって、燃料消費量の改善が得られる。従って、より少量のパイロット燃料噴射とアドバンス主燃料噴射との組合せにより、排気エミッションを安全限界値の範囲内に維持しながら燃料消費量の低減が得られる。

図９を参照すると、この図は、本技術の実施形態による、動力装置１０を製造する方法のフロー図である。本方法は、ステップ１３２で示すように、制御装置３２が、ピストンが圧縮行程の上死点位置に到達する前に、第１の量の燃料をエンジンシリンダ内に噴射する（例えば、パイロット燃料噴射）のを可能にし、またピストンが圧縮行程の上死点位置付近にある時に、第２の量の燃料をエンジンシリンダ内に噴射する（例えば、大半／主燃料噴射）のを可能にする分割燃料噴射量及び割合制御論理６２を設けるステップを含む。パイロット燃料噴射は、ピストン位置が圧縮行程の上死点前の２０〜９０°の範囲内である時に行われる。本方法はさらに、ステップ１３４で示すように、制御装置３２が、ピストンが圧縮行程の上死点位置に到達する前の第２の所定時間７２に、主燃料噴射量をエンジンシリンダ内に噴射するのを可能にする分割燃料噴射タイミング／アドバンス制御論理６８を設けるステップを含む。主燃料噴射は、圧縮行程の上死点前の５°よりも小さいか又は５°に等しい角度にアドバンスされる。本方法はさらに、ステップ１３６で示すように、制御装置３２がパイロット燃料噴射７６及び主燃料噴射７８の圧力及びパルス持続時間を制御するのを可能にする分割燃料噴射圧力及びパルス持続時間制御論理７４を設けるステップを含む。分割燃料噴射圧力及びパルス持続時間制御論理７４はまた、制御装置３２がパイロット噴射及び主噴射事象間のドエルを制御するのを可能にすることができる。

本明細書では本発明の一部の特徴のみを図示しかつ説明してきたが、当業者には多くの変更及び変形が想起されるであろう。従って、特許請求の範囲は、全てのそのような変更及び変形を本発明の技術思想の範囲内に属するものとして保護しようとするものであることを理解されたい。

本技術の例示的な実施形態によるエンジン排気エミッション及び燃料消費率制御機構を有する、機関車動力装置のようなターボ過給エンジンのダイアグラム表示図。本技術の例示的な実施形態によるエンジン排気エミッション及び燃料消費率制御論理機構のダイアグラム表示図。本技術の例示的な実施形態によるエンジン排気エミッション及び燃料消費率制御機構を有するマルチシリンダ内燃機関のダイアグラム表示図。本技術の例示的な実施形態によるエンジン排気エミッション及び燃料消費率制御機構を有する、機関車動力装置のようなターボ過給エンジンを組み込んだシステムのダイアグラム表示図。本技術の例示的な実施形態によるターボ過給エンジン内でエンジン排気エミッション及び燃料消費率を制御するプロセスを示すフロー図。本技術の例示的な実施形態による圧縮点火エンジンの圧縮行程の間のクランク角及び特に上死点に対する第１及び第２の燃料噴射量の燃料噴射速度の変化を示すグラフ。本技術の例示的な実施形態による圧縮点火エンジンの燃料消費率に対するＮＯｘエミッションの相対的変化を示すグラフ。本技術の例示的な実施形態によるターボ過給エンジン内でエンジン排気エミッション及び燃料消費率を制御するプロセスを示すフロー図。本技術の例示的な実施形態によるエンジン排気エミッション及び燃料消費率制御機構を有する、機関車動力装置のようなターボ過給エンジンを製造する例示的なプロセスを示すフロー図。

符号の説明

１０ターボ過給システム
１１エンジン排気エミッション及び燃料消費率低減論理
１２ターボ過給機
１４エンジン
１６吸気マニホルド
１８排気マニホルド
２０圧縮機
２２タービン
２４エンジンシリンダ
２６ターボ過給機シャフト
２８空気フィルタ
３０熱交換器
３２制御装置
３４クランク角信号
３６クランク角センサ
３８圧力信号
３９燃料噴射信号
４０燃料噴射ポンプ
４２燃料噴射器
４４ピストン
４６エンジン速度信号
４８速度センサ
５０出力センサ
５２吸気温度センサ
５４排気ガス温度センサ
５６酸素センサ
５８ＣＯセンサ
６０ＮＯｘセンサ
６２分割燃料噴射量及び割合制御論理
６４燃料の第１の量
６６燃料の第２の量
６８分割燃料噴射タイミング／アドバンス制御論理
７０第１の所定時間
７２第２の所定時間
７４分割燃料噴射圧力及びパルス持続時間制御論理
７６パイロット燃料噴射圧力及びパルス持続時間
７８主噴射圧力及びパルス持続時間
８０燃料噴射弁
８１圧力信号
８２高圧共通レール
８４燃料供給パイプ
８６吸気パイプ
８８熱交換器
９０排気パイプ
９２システム
９４データベース
９６アルゴリズム
９８データ分析ブロック

Claims

エンジンシリンダのピストンが圧縮行程の上死点に到達する前の該圧縮行程の第２の半部分の間の第１の所定時間に、第１の量の燃料をエンジンシリンダ内に噴射するステップと、
前記ピストンが前記圧縮行程の上死点に到達する前の該ピストンが所定のアドバンス値だけ上昇した時における前記第１の所定時間後の第２の所定時間に、第２の量の燃料をエンジンシリンダ内に噴射するステップと、
を含む方法。
前記第１の量の燃料の燃焼による燃焼生成物を前記第２の量の燃料内に混入させるステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
前記第１の所定時間が、前記圧縮行程の上死点前の約２０〜９０°のクランク角と対応し、また
前記第２の所定時間が、前記圧縮行程の上死点前の約５°よりも小さいクランク角と対応する、
請求項１記載の方法。
燃料量を決定するステップをさらに含み、
前記第１の量の燃料を噴射するステップが、前記燃料量の約１〜５％のパイロット燃料量を噴射するステップを含み、また
前記第２の量の燃料を噴射するステップが、前記燃料量の約９５〜９９％の過半燃料量を噴射するステップを含む、
請求項１記載の方法。
前記エンジンシリンダを含むディーゼルエンジンに燃料供給するステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
前記ディーゼルエンジンを含む機関車に動力供給するステップをさらに含む、請求項５記載の方法。
前記ディーゼルエンジンの燃料噴射システムを変更するステップをさらに含む、請求項６記載の方法。
前記燃料噴射システムを変更するステップが、複数の燃料噴射器を有する高圧共通レールを設けるステップを含む、請求項７記載の方法。
機関車の圧縮点火エンジンにおける燃料消費率を低減するために、燃料噴射を所定のアドバンス値だけアドバンスさせるステップと、
前記燃料噴射をアドバンスさせることに関連する窒素酸化物エミッションを低減するために、前記圧縮点火エンジンの圧縮行程の第２の半部分の間であってかつ該圧縮行程の上死点前に前記所定量の燃料の燃料噴射をパイロット燃料量と過半燃料量とに分割するステップと、
を含む方法。
前記燃料噴射をアドバンスさせるステップが、
前記圧縮行程の上死点前の約２０〜９０°のクランク角において前記パイロット燃料量を噴射するステップと、
前記圧縮行程の上死点前の約５°よりも小さいクランク角において過半燃料量を噴射するステップと、を含む、
請求項９記載の方法。
前記アドバンスさせるステップ及び分割するステップが、エミッションレベルを増大させずに前記燃料消費率を低減するように前記圧縮点火エンジンの燃料噴射システムを変更するステップを含む、請求項９記載の方法。
前記燃料噴射システムを変更するステップが、複数の燃料噴射器を有する高圧共通レールを設けるステップを含む、請求項１１記載の方法。
エンジンシリンダのピストンが圧縮行程の上死点に到達する前の該圧縮行程の第２の半部分の間の第１の所定時間に、第１の量の燃料をエンジンシリンダ内に噴射するように構成され、また前記ピストンが前記圧縮行程の上死点に到達する前の該ピストンが所定のアドバンス値だけ上昇した時における前記第１の所定時間後の第２の所定時間に、第２の量の燃料をエンジンシリンダ内に噴射するように構成された制御装置を含む、システム。
前記制御装置に結合されかつそれぞれクランク角及びエンジン速度を検出するように構成されたクランク角センサ及びエンジン速度センサをさらに含む、請求項１３記載のシステム。
前記制御装置が、前記クランク角及びエンジン速度のそれぞれの値に基づいて前記第１の量の燃料及び第２の量の燃料の前記エンジンシリンダ内への噴射を制御するように構成される、請求項１４記載のシステム。
前記制御装置を有するディーゼルエンジンをさらに含む、請求項１５記載のシステム。
前記ディーゼルエンジンと該ディーゼルエンジンに結合された前記制御装置とを有する車両をさらに含む、請求項１６記載のシステム。
前記制御装置が、クランク角及びエンジン速度に基づいて前記燃料噴射の量及びタイミングを調整するように複数の燃料噴射器を制御するように構成される、請求項１３記載のシステム。
ターボ過給機と、
圧縮点火エンジンと、
前記圧縮点火エンジンに結合された制御装置と、を含み、
前記制御装置が、エンジンシリンダのピストンが圧縮行程の上死点に到達する前の該圧縮行程の第２の半部分の間の第１の所定時間に、第１の量の燃料をエンジンシリンダ内に噴射するように構成され、また前記ピストンが前記圧縮行程の上死点に到達する前の該ピストンが所定のアドバンス値だけ上昇した時における前記第１の所定時間後の第２の所定時間に、第２の量の燃料をエンジンシリンダ内に噴射するように構成される、
機関車。
前記制御装置に結合されかつそれぞれクランク角及びエンジン速度を検出するように構成されたクランク角センサ及びエンジン速度センサをさらに含む、請求項１９記載の機関車。
前記制御装置が、前記クランク角及びエンジン速度のそれぞれの値に基づいて前記第１の量の燃料及び第２の量の燃料の前記エンジンシリンダ内への噴射を制御するように構成される、請求項２０記載の機関車。
エンジンシリンダのピストンが圧縮行程の上死点に到達する前の該圧縮行程の第２の半部分の間の第１の所定時間に、第１の量の燃料をエンジンシリンダ内に噴射するように構成され、また前記ピストンが前記圧縮行程の上死点に到達する前の該ピストンが所定のアドバンス値だけ上昇した時における前記第１の所定時間後の第２の所定時間に、第２の量の燃料をエンジンシリンダ内に噴射するように構成された制御装置を設けるステップを含む、方法。
前記制御装置を有する圧縮点火エンジンを設けるステップをさらに含む、請求項２２記載の方法。
前記圧縮点火エンジンと該圧縮点火エンジンに結合された前記制御装置とを有する車両を設けるステップさらに含む、請求項１６記載のシステム。
前記車両を設けるステップが、機関車を設けるステップを含む、請求項２４記載の方法。
タンジブル媒体と、
前記タンジブル媒体上に置かれたプログラム命令と、
を含み、前記プログラム命令が、
エンジンシリンダのピストンが圧縮行程の上死点に到達する前の該圧縮行程の第２の半部分の間の第１の所定時間に、第１の量の燃料をエンジンシリンダ内に噴射する命令と、
前記ピストンが前記圧縮行程の上死点に到達する前の該ピストンが所定のアドバンス値だけ上昇した時における前記第１の所定時間後の第２の所定時間に、第２の量の燃料をエンジンシリンダ内に噴射する命令と、含む、
コンピュータプログラム。