JP2014525533A - 複数モードエンジンにおける前混合燃焼を制御するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

低温燃焼を実現するため、遅く注入されたパイロット燃料によって点火される、エンジンを新鮮な空気と、再循環排気ガスと、一次燃料としてのガス燃料と、二次燃料としての早く注入された液体燃料との前混合チャージが注油される、二重燃料モードで内燃エンジンを操作することを含む内燃エンジンの注油方法。この方法は更に、シリンダ内ピーク温度を所望の範囲、好ましくは１５００Ｋと２０００Ｋの間に維持するためエンジンに対するＥＧＲ及びまたは新鮮な空気の流れを調節することを含む。所望のシリンダ内Ｏ₂モル分率を得るためＥＧＲを制御し、所望の新鮮な空気ラムダを得るため新鮮な空気を好ましく制御する。

Description

本発明は、複数の燃料で駆動可能な複数モードエンジン、特に、低温燃焼を達成するためシリンダ内Ｏ₂濃度と新鮮な空気λを制御して排気を最少とするための方法及び装置に関するものである。

ジーゼル燃料圧縮点火やガソリンスパーク点火のような従来の内燃機関では、窒素酸化物（ＮＯｘ）、粒子状物質（すす）、一酸化炭素（ＣＯ）及び炭化水素（ＨＣ）を含む種々の排気をバランスせしめることが望まれる。エンジン効率と燃料の経済性を維持するためにはこれら排気を技術的にバランスせしめる必要がある。

これらバランスの要求を少くとも部分的に達成するため均一チャージ圧縮点火（ＨＣＣＩ）が開発されている。このＨＣＣＩは、微細にされた燃料と酸化剤を良好に混合したチャージを圧縮点火する内燃型のものである。上記酸化剤は代表的には空気であり、ここでは“空気と酸化剤”は互換自在に用いる。従来の圧縮点火（ＣＩ）エンジンと比較すれば、ＨＣＣＩは、自動点火の前に燃料を空気と完全に混合できるＣＩエンジンの従来の例よりも圧縮ストロークにおいてより早く燃料を導入することによって特徴づけられる。圧縮によって混合物が自動点火温度になったとき、点火がシリンダー内で同時に生ずる。

ＥＧＲ（排気ガス再循環）機構と組み合わせることによってチャージは極めて薄くなる。チャージは極めて薄くなるため燃焼を低温で実現でき、ＮＯｘ排出が減少する。前混合チャージが少ないため粒子放出は極めて少なく、化学量論的(stochiometric)値となる。

ＨＣＣＩまたはその変形である前混合チャージ圧縮点火（ＰＣＣＩ）は、例えば一般のエンジン速度と道路条件に応じて異なる燃料または燃料の組み合せによって強められる複数の燃料モードにおいて操作できる“複数モード”エンジンによって用い得る。例えば、パイロットモードでは、エンジンには天然ガスやプロパンのようなガス燃料が供給され、エンジンは、ジーゼル燃料やエンジン潤滑油によって代表される液体燃料の少量の“パイロット”チャージによって点火される。パイロット−点火天燃ガスエンジン操作では、エネルギで２％のジーゼル燃料で良いことが証明されている。このようなエンジンの燃焼は、古くからのジーゼル圧縮点火とガソリンスパーク点火の混合であり、ここではジーゼル燃料は圧縮温度によって自動点火される。ＰＣＣＩパイロットモードエンジンではガス燃料のチャージが使用され、吸気ストロークの間、空気が代表的に使用され、一方ジーゼル燃料は約６０°〜７０°ＢＴＤＣで使用される。燃焼が均一なまたは極めて低い層条件でなされたときは二重燃料エンジンで低ＮＯｘと、少ないすす放出を同時に達成できる。このようにエンジンでは初期熱放出率は、燃料の特性と、燃料注入前のシリンダ内の条件及びパイロット燃料スプレの相互作用によって一次的に影響される。好ましくは、多くのまたは化学量論的混合気の燃料ポケットを避けるためジーゼル燃料注入操作完了の際にのみ燃焼（自動点火）を始めるべきである。ジーゼル燃料注入（ＥＯＩ）の終りと燃焼（ＳＯＣ）の始まりを完全に分離するためＥＧＲの導入によって所望の点火遅れを達成できる。

然しながら、ＥＧＲの導入によってシリンダ内のＯ₂量が減少し、燃焼効率は、ジーゼル圧縮点火のようには高くならず、その結果ＣＯとＨＣ排出が増大する。

パイロット−点火 天燃ガスエンジン内のＨＣ排出の多くは末燃焼燃料、原理的にはガス燃料（代表的には天燃ガス）となる。これらの排出の源は、排気として放散されるシリンダの隙間の未燃焼燃料である。この隙間内にとらえられている燃料の量は比較的に少なく、空気−燃料比条件は悪い。

また、上記排出の源は各エンジンサイクルで発生する低温のシリンダ壁に近く面した炎の消火である。この消火は悪い条件でより顕著である。

更に上記源はシリンダの完全なまたは部分的ミスファイアにおける燃料−空気混合物の大幅な消火である。燃料−空気混合物の総べて、または少くとも大部分はこの例において燃焼に失敗する。

燃焼のために好ましいチャージ温度と時間は、伸長ストロークにおけるＨＣ酸化に影響する大きなパラメータである。一般に、ＨＣ排出は空気のチャージ温度が高いほど、また、燃焼時間が長いほど少くなる。低温燃焼を促進し、燃焼レートを同時に制御するための１つの方法は、“パイロット−支援ＨＣＣＩ”による方法である。パイロット支援ＨＣＣＩエンジンは、ＰＣＣＩによるかまたは自動−点火可能な他の液体燃料であるジーゼル燃料の僅かなチャージを圧縮サイクルで遅く、好ましくは上死点（ＴＤＣ）の時またはその後で注入する他のＨＣＣＩエンジンによることを特徴とする。このモードで注油したエンジン内の前混合チャージは、空気、一次燃料としての天燃ガス、二次燃料としての早く注入されたジーゼル燃料または他の液体燃料の少くとも１部より成る。他の多くの複数モードＨＣＣＩエンジンでは、早く注入されたジーゼル燃料の自動点火を阻止し、低温燃焼及び熱放出速度を遅くするための前混合燃料−空気チャージを薄めるためＥＧＲを用いる。この燃料注入モードでは早く注入された液体燃料全体が蒸気化し、点火開始前に空気（ＥＧＲを含む）とガス燃料が混合する。この液体燃料の量は、ＥＧＲ内の水蒸気とＣＯ₂によって吸収されたエネルギを補償する。この早く注入された燃料の量は、ＥＧＲ分率、Ｏ₂モル分率、及びまたは新鮮な空気λの関数とすることができる。前混合チャージ内のガス燃料に対する液体燃料の比は燃焼期間を制御する。熱放出率はＯ₂モル分率と新鮮な空気λの関数である。

ＴＤＣにおいてまたはその近くで遅く注入された液体燃料チャージはシリンダ内の点火タイミングを制御する。このチャージは、圧縮温度で自動点火される。チャージの注入タイミングと量は、前混合チャージの燃焼のスタートを制御し、前混合チャージの蒸気化した液体燃料部分は自動点火温度が比較的に低いため最初に燃焼を始める。前混合チャージの蒸気化した液体燃料部分が点火されると、前混合チャージのガス燃料部分のためのより多くの点火源が作られるようになる。この効果は、チャージ内のガス燃料を均一に点火し、小点火プラグ千個分として作用することである。

燃焼時期と期間は、前混合チャージ内のガス燃料に対する早く注入されたジーゼル燃料の量の比とタイミングを制御することによって制御でき、従って、全チャージ内の早く注入された燃料の割合と燃焼時期はＥＧＲに一部依存し、シリンダ内のＥＧＲを含む燃料とガスの混合物と、注入タイミングを制御することによって低温燃焼を達成できる。従って低温燃焼を行なうため制御システムを導入するが、燃焼効率と低ＨＣ放出を維持するためには十分な熱が望まれる。

従って、複数モード内燃エンジン内での低温燃焼のタイミングと期間を制御できる複数モードエンジンを作ることが必要とされる。更に、操作負荷の範囲を越えて低温燃焼できる構造のエンジンが必要とされる。

また、低温燃焼できる内燃エンジンを制御する方法を得ることが必要である。

本発明の好ましい実施例における内燃エンジンの注油（fueling）方法は、低温燃焼を行なうため注入されたパイロット燃料によって前混合した燃料−空気のチャージを点火してエンジンを駆動する二重燃料または他の複数モードの内燃エンジンを操作することを含む。上記注油方法は更に、好ましくは１５００ｋと２０００ｋ間の所望の温度範囲内にシリンダ内ピーク温度を維持するためＥＧＲの流れと新鮮な空気の流れを制御することを含む。好ましくは、所望の新鮮な空気λを得るため空気流を制御し、例えば所望のＯ₂モル分率によって反映される所望のシリンダ内酸素濃度を得るためＥＧＲを制御する。ターボ廃棄ゲート、ターボ−空気−バイパス（ＴＡＢ）弁、及びスロットル弁の少くとも１つの操作を制御することによって新鮮な空気流を好ましく制御する。

本発明の他の目的、利益及び特徴は添付図面及びその説明によって明らかならしめる。

本発明の好ましい実施例における二重燃料エンジンの構造を示す説明図である。 図１に示すエンジンのシリンダの一部を断面とした側面図である。 本発明の好ましい実施例における吸気制御システムの説明図である。 図１及び図２のエンジンとその制御器及びセンサの制御説明図である。 図５Ａと図５Ｂは夫々種々の排気におけるＯ₂効果を説明するグラフである。 図６Ａ〜６Ｄは夫々種々のエンジン負荷における新鮮な空気λとＯ₂のＥＧＲ−ブースト相互作用を説明するグラフである。 図７Ａ〜７Ｄは夫々種々のエンジン負荷におけるＯ₂と、シリンダー内過剰酸素比のＥＧＲ−ブースト相互作用を説明するグラフである。 図３の吸気制御システムで用いるターゲット酸素量と新鮮な空気λをベースとする複数モードエンジン内の低温燃焼を行なうための好ましいコンピュータ装置使用技術の説明用フローチャートである。 図９Ａと９Ｂは夫々種々の排気におけるＯ₂効果を示すグラフである。

ここに記載の低温燃焼制御は、エンジン効率を維持する一方有害物排出を同時に減少するのに好適な種々の複数モードエンジンに適用できる。従って、本発明の好ましい実施例を、ターボチャージャー排気ガス再循環（ＥＧＲ）、単一ポイント前混合燃料供給二重エンジンにつき説明するが、本発明は３モード及び他の複数モードエンジン、並びに複数ポイントエンジンにも適用可能である。例えば、ジーゼル燃料のような第一液体を用いる第１モード、及び天燃ガスのような前混合チャージガスを用い、この天燃ガスを先に注入したジーゼル燃料のような第二液体によって点火する第２モードによって操作される単一点または複数点燃料エンジンに適用できる。本発明の好ましい実施例においては、空気、ＥＧＲ、天燃ガス、ジーゼル燃料または他の液体燃料の一次チャージを先に用い、液体パイロット燃料の少量を後に注入することを特徴とするパイロット支援ＰＣＣＩモードによってエンジンを駆動する。

図１と図２に例示するエンジン１０は、シリンダヘッド１４（図２）に複数のシリンダ１２を設けた圧縮点火型内燃エンジンである。この実施例では６個のシリンダ１２₁〜１２₆を有する。図２に示すように、シリンダヘッド１４とピストン１６間に燃焼室１８を区画するためピストン１６を各シリンダの穴内に摺動自在に介挿する。ピストン１６をクランクシャフト３２に既知の手段で接続する。入口及び出口弁２２と２４をシリンダヘッド１４内の対応する通路２６と２８の端部に設け、クランクシャフト３２によって回転される標準カムシャット３０によって付勢し、供給される空気／燃料混合物と燃料室１８から得られる排気燃焼物を制御せしめる。ガスは吸気マニホルド３４を介してエンジン１０に供給し、排気マニホルド３６を介して排気する。

エンジン１０はレトロフィット燃焼プロセス（ＯＥＭ）または変換プロセスによってガス燃料供給システムに連結する。上記システムは、圧縮天然ガス（ＣＮＧ）燃料タンクのようなガス燃料源３８を含む。液体天燃ガス（ＬＮＧ）のような他の源も用い得る。ガス燃料は、適当なメカニズムを介して源３８からシリンダ１２₁〜１２₆に供給される。例えば、各シリンダのために、１つ以上の分離した電子的に付勢される外部注入器を設ける。この型の注入器は例えば米国特許第５，６７３，６７３号「ガス燃料注入のための方法及装置」に示されている。この実施例におけるガス燃料供給システムは単一点注入システムであり、各シリンダのための専用注入器を欠いているが、ガス燃料は、ガス燃料供給システムの一部を構成する燃料計量装置４０と空気／ガスミキサ４２を介して吸入マニホルド３４に供給される。燃料計量装置４０は、後述するガス燃料制御器７０によって要求される回数と量のガス燃料を供給できる電子的に制御される好ましい装置である。１つの好ましい燃料計量装置は、クリーンエアパワーガスインジェクタＮｏ．６１９６２５から得られるガス注入器である。空気／ガスミキサ４２は例えば米国特許第５，４０８，９７８号「ガス燃料エントレイメント方法及び装置」に示されている。燃料計量装置４０に対するガス流を制御するための遮断弁と他の装置は当業者にとって既知であり、その詳細は省略する。要求された回数と量で個々のシリンダに燃料を供給できるシステムによってシリンダ１２₁〜１２₆に燃料を供給できる。例えば、燃料供給システムはポンプ／ノズル供給システムであるか、または、米国特許Ｎｏ．５，８８７，５６６号「電子的に制御される点火油注入ガスエンジン」に示されているような共通のレール供給システムである。上述のエンジン１０は、複数の電子的に制御される液体燃料注入器５０を有するポンプ／ノズル供給システムを採用する。各注入器は電子的に制御される注入器である。図１と図２に示すように、各注入器５０には供給ライン５４を介してタンク５２からジーゼル燃料その他を供給する。供給ライン５４には、フィルタ５６、ポンプ５８、高圧レリーフ弁６０及び圧力調整器６２を介挿する。注入器５０からタンク５２にリターンライン６４を設ける。

図３に示すように、エンジン１０のための吸気制御システム１００には、（１）排気マニホルド３６から吸気マニホルド３４に対し排気ガスを再循環せしめる再循環排気ガス（ＥＧＲ）サブシステムと、及びまたは（２）吸気マニホルド３４に受け入れられる（current）空気を加えるターボチャージャ１１０とを有せしめる。ターボチャージャ１１０にはタービン１１２と圧縮器１１４とを有せしめ、空気を圧縮するため排気ガスによって駆動する。

再循環排気ガスサブシステムは、吸気マニホルド３４に開口した吸気通路１２６に、排気マニホルド３６に連なるＥＧＲ復帰ライン１０４内に介挿した計量弁１０２を有する。この弁１０２は下流部分１０６に連通せしめた出口を有する。ＥＧＲクーラー１０８を、ＥＧＲ弁１０２の上流のＥＧＲ復帰ライン１０４内に設ける。ＥＧＲ弁を通しては流れない排気ガスは、タービン１１２を介して排気通路１１６に流す。排気通路１１６内の排気は、大気に排出する前に１つまたは１つ以上の触媒と１つまたは１つ以上のフィルタ１１８（図３）によって処理する。

図３に示すように、吸入空気をターボチャージャの圧縮機１１４内で圧縮する前にフィルタ１２２内で濾過するよう吸気通路１２０に加える。圧縮機１１４の出口を、高圧空気のクーラー１２４の入口に接続する。高圧空気のクーラー１２４の出口をＥＧＲ弁出口ライン１０６の下流の吸気通路１２６に接続する。

吸気マニホルド３４に対する新鮮な空気の量を制御するため新鮮な空気λを制御するよう測定を行なう。本発明の好ましい実施例においては、この制御はターボチャージャ１１０の圧力を制御することによって、及びまたはスロットル弁１３４を用いて吸気マニホルド３４に対する新鮮な空気の流れを調節することによって行なう。ターボチャージャ１１０は空気バイパス弁またはＴＡＢ弁１３０により調節し、加圧空気をターボチャージャ１１０の圧縮器入口に戻し、及びまたはターボチャージャの排気側の廃棄ゲート弁１３２により制御する。ＥＧＲ弁出口の下流の吸気通路１２６に対する空気流はスロットル弁１３４を操作して調節する。

図４に示すように、エンジン制御システム１２は機械的または電子的に制御する。ここで説明するエンジン制御システム１２は電子的に制御する。図４に示すようにエンジン操作は、ガス燃料制御器７０と液体燃料制御器７２によって制御する。制御器７０と７２は、後述する理由でＣＡＮリンクまたは他の広帯域通信リンク７４を介して互に接続する。制御器７０と７２は、加速ペダル位置センサ７６、エンジン位置センサ７８、及び吸気マニホルド圧力センサ８０からデータを受け取る。（図４に示すセンサの幾つかは図３にも示す）。ここで示す制御技術では、図３に示すようにターボチャージャサブシステムの上流の吸気通路に配置した空気流（ＭＡＦ）センサ８４と、図３に示すように吸気マニホルド３４内またはその近くに配置した吸気Ｏ₂センサ８６を用いる。通気マニホルド内またはその近くに設けた吸気Ｏ₂センサ８６の使用により前混合チャージ内のＯ₂モル分率即ち、新鮮な空気と再循環ガスの両方からの酸素分を直接測定できる。従って、ＥＧＲ流またはＥＧＲ分率の測定または推定は要求されず、また、ＥＧＲ流センサ、またはＥＧＲ流の測定または推定のための他のメカニズムの必要性を省くことができる。また、吸気Ｏ₂センサ８６を省略でき、前混合チャージ内のＯ₂モル分率を、測定されたまたは決定されたＥＧＲ部分またはＥＧＲの流速と、測定されたまたは推定された排気濃度から計算できる。

他のセンサ、例えば、ＥＧＲ温度センサ、周囲圧センサ、周囲温度センサ、湿度センサ、及びまたは車輌速度センサを設ける。これらセンサは、まとめて図４に“他のセンサ８８”として示すがこれらは適当な信号ラインによってガス燃料制御器７０に接続する。エンジン１０がジーゼル専用モードとして操作されたときのみ、液体燃料制御器７２に接続される更に他のセンサ９２が必要となる。これらセンサの１つまたは１つ以上をガス燃料制御器７０に接続し、これによって得た情報はＣＡＮライン７４を介して液体燃料制御器７２に変形しない形で伝達する。ガス燃料制御器７０は燃料計量装置４０に接続し、また、高圧及びまたは低圧ガス遮断弁のような他の制御器９０に接続する。個々のガス燃料注入器が各シリンダ用のものである多点エンジンの場合には、これら注入器は燃料計量装置４０の代りにガス燃料制御器７０によって制御する。液体燃料制御器７２は各注入器５０に接続し、他の制御装置９４を制御する。

ガス燃料制御器７０によりマスタースレーブ関係にある液体燃料制御器７２を制御し、液体燃料制御器７２により注入器５０を制御し、通常の速度と負荷条件で所望の効果を達成できるタイミングと量となるようパイロット燃料をシリンダー１２₁〜１２₆に注入する。この制御では液体燃料制御器７２からガス燃料制御器７０に帰還をかける必要はない。その代りにＯＥＭエンジン内で信号を遮断し、液体燃料制御器７２のために義務づけ、これら信号を変形し、ジーゼル専用操作のためのジーゼル専用注入ではなく、複数燃料操作のためパイロット燃料注入を行なう。その変形としては、液体燃料制御器７２からの信号を、ジーゼル注入器に加える前にガス燃料制御器７０によって遮断し、変形する。然しながら、液体燃料制御器７２とガス燃料制御器７０をＣＡＮリンクまたは他の広帯域通信リンク７４によって互に接続した好ましい実施例においては、より洗練された連絡を制御器７０と７２間に形成する。複数モードエンジンの操作を容易ならしめるための広帯域通信リンクの使用は米国特許第６，６９４，２４２と示されている。制御器７０と７２の１つまたは双方は、ＣＡＮリンクによって車輌操作の他の形を制御する車輌制御器のような付加的制御器に結合できる。

好ましくは、ＥＧＲ及び新鮮な空気λは、シリンダ内ピーク温度を１５００ｋ〜２０００ｋとし、局部的λ、即ち、シリンダ内の所定位置のλを１．０以上とするよう制御する。ＥＧＲを４５％と５０％の間に維持し、局部的λを１．３と１．６間に維持することによって最大炎温度を上記範囲に維持できることを見出した。この結果を図５Ａのカーブ５０２−５２８に示す。表１は種々のラムダのためのシリンダ内のパイロットピーク温度対ＥＧＲのカーブを示す。

図５Ｂは、同一局部ラムダ範囲が１．３と１．６では、Ｏ₂分率を１３％−１４％の比に維持することによってシリンダ内ピーク温度を１５００ｋ−２０００ｋ内に維持できることを示す。高められた（ブースト）圧力は、新鮮な空気と、ＥＧＲと、ガス燃料に基因する部分圧力の合計となる。更に、所定のエンジン負荷ではＥＧＲと、高められた圧力、λ、及びＯ₂は互に作用し合う。例えば、ＥＧＲが増加すれば高められた圧力、λ、及びＯ₂は総べて減少する。得られる吸気圧と排気ガス圧のもとでＥＧＲを所定の操作条件で制限する。ＥＧＲ弁１０２を一定に維持したとき、高められた圧力は増加し、新鮮な空気λは増加し、シリンダ内Ｏ₂モル分率が増加する。

図６Ａ〜６Ｄは、ＭＡＰに換算して測定したときのＥＧＲと高められた圧力の変化の効果を、新鮮な空気λ、Ｏ₂モル分率で示したものである。ここでは体積効率を９５％、燃焼効率を１００％、周囲温度を３０℃、相対湿度を３０％と仮定する。図６Ａのグラフは、ジーゼル燃料３４ｍｇとＣＨ４ ３２ｍｇの混合物を有する２５％負荷のエンジンのシュミレーション結果を示す。カーブ６０２−６１６は夫々２．０バール、１．８バール、１．６バール、１．４バール、１．２バール、１．０バール及び０．６バールのＭＡＰのための結果を示す。カーブ６２０−６２８は夫々２０％、３０％、４０％、５０％及び６０％のＥＧＲの反映結果である。図６Ｂのグラフは、３０ｍｇジーゼル混合燃料と、ＣＨ４ ７８ｍｇを有する５０％負荷におけるエンジンのシュミレーション結果を示す。カーブ６３０−６５０は、夫々３．０バール、２．８バール、２．６バール、２．４バール、２．２バール、２．０バール、１．８バール、１．６バール、１．４バール、１．２バール、及び１．０バールのＭＡＰのための結果を反映する。カーブ６６０−６６８は、夫々２０％、３０％、４０％、５０％及び６０％のＥＧＲのための結果を反映する。図６Ｃのグラフは、ジーゼル燃料４．４ｍｇとＣＨ４ １０９ｍｇの混合燃料を有する７５％負荷でのエンジンのシュミレーション結果を示す。カーブ６７０−６９２は、夫々３．６バール、３．４バール、３．２バール、３．０バール、２．８バール、２．６バール、２．４バール、２．２バール、２．０バール、１．８バール、１．６バール及び１．４バールのＭＡＰのための結果を反映する。カーブ７００−７０８は、夫々２０％、３０％、４０％、５０％及び６０％のＥＧＲのための結果を反映する。図６Ｄのグラフは、８１ｍｇのジーゼル燃料とＣＨ４ １３２ｍｇの混合燃料を有する１００％負荷でのエンジンのシュミレーション結果を示す。カーブ７１０−７２６は、夫々４．４バール、４．２バール、４．０バール、３．８バール、３．６バール、３．２バール、２．８バール、２．４バール及び２．０バールのＭＡＰのための結果を反映する。カーブ７４０−７４６は、夫々２０％、３０％、４０％及び５０％のＥＧＲのための結果を反映する。

酸素比とＯ₂モル分率が過多であるシリンダ内で、ＭＡＰで測定したＥＧＲと高められた圧力の変化による効果を図７Ａ―７Ｄに示す。総べてのシュミレーションは９５％の体積効率と、１００％の燃焼効率と、周囲温度３０℃及び相対湿度３０％を規定したものである。図７Ａのグラフは、ジーゼル燃料３４ｍｇとＣＨ４ ３２ｍｇの混合燃料を有する負荷２５％におけるエンジンのシュミレーション結果を示す。カーブ７５０−７６４は２．０バール、１．８バール、１．６バール、１．４バール、１．２バール、１．０バール、０．８バール及び０．６バールのＭＡＰのための結果を反映する。カーブ７７０−７７８は、夫々２０％、３０％、４０％、５０％及び６０％のＥＧＲのための結果を反映する。図７Ｂのグラフは、ジーゼル燃料３０ｍｇとＣＨ４ ７８ｍｇの混合燃料を有する負荷５０％におけるエンジンのシュミレーション結果を示す。カーブ７８０−８００は、３．０バール、２．８バール、２．６バール、２．４バール、２．２バール、２．０バール、１．８バール、１．６バール、１．４バール、１．２バール及び１．０バールのＭＡＰのための結果を反映する。カーブ８１０−８１８は、夫々２０％、３０％、４０％、５０％及び６０％のＥＧＲのための結果を反映する。図７Ｃのグラフは、４４ｍｇのジーゼル燃料とＣＨ４ １０９ｍｇの混合燃料を有する負荷７５％におけるエンジンのシュミレーション結果を示す。カーブ８２０−８４２は、夫々３．６バール、３．４バール、３．２バール、３．０バール、２．８バール、２．６バール、２．４バール、２．２バール、２．０バール、１．８バール、１．６バール及び１．４バールのＭＡＰのための結果を反映する。カーブ８５０−８５８は、夫々２０％、３０％、４０％、５０％及び６０％のＥＧＲのための結果を反映する。図７Ｄのグラフは、ジーゼル燃料８１ｍｇとＣＨ４ １３２ｍｇの混合燃料を有する負荷１００％におけるエンジンのシュミレーション結果を示す。カーブ８６０−８７６は、夫々４．４バール、４．２バール、４．０バール、３．８バール、３．６バール、３．２バール、２．８バール、２．４バール及び２．０バールのＭＡＰのための結果を反映する。カーブ８８０−８８６は、夫々２．０％、３０％、４０％及び５０％のＥＧＲの結果を反映する。

図８は、目標とした酸素量と目標としたシリンダー内の新鮮な空気λをベースとしてエンジン１０内での低温燃焼を可能ならしめるための、ブロック９００内のＳＴＡＲＴで始まる方法を示す。この方法は主としてガス燃料制御器７０によってなされるが、液体燃料制御器７２または他の制御器によってその全部または一部を行なうことができる。吸気Ｏ₂センサ８６から得た吸気Ｏ₂濃度をブロック９０２内で読む。エンジン速度と空気流は同じくこの時に読むか定める。

シリンダ内に望まれる吸気Ｏ₂モル分率はブロック９０４で定める。図９Ａのカーブ９２２に関連する理論的見地から得られる所望のＯ₂モル分率を定めることの利益は、所定の速度及び合計燃料の量においてすす（粒子）が、Ｏ₂濃度の増加の初期ピークの後に速やかに減少することである。これに反し、カーブ９２４はＯ₂レベルがしきい値に達した後ＮＯｘ排出が極めて急速に増加することを示す。図９Ｂのカーブ９２６と９２８に示すようにＯ₂濃度がしきい値以下に下ったとき未燃焼ＨＣとＣＯ排出が極めて急速に増加する。この実施例においては、図９Ａと９Ｂの垂直ライン９３０と９３２によって説明されるようにシリンダ内Ｏ₂モル分率が１３−１４％の範囲に維持されているとき、これら排出が夫々最少となる。これはシリンダ内Ｏ₂モル分率が所望値であるからと考えることができる。

この値は、複雑でないシステム内の総べての操作条件に対して同様に維持できるか、または、多くの複雑なシステム内の速度及び合計燃料量操作条件の全範囲のために最適にすることができる。

吸気マニホルドＯ₂センサ８６（図３と図４）からの情報を用いて図８に示すようにブロック９０４においてシリンダ内Ｏ₂モル分率を定める。この決定されたＯ₂モル分率を用いて図３のＥＧＲ弁１０２を制御し、所望のシリンダ内Ｏ₂モル分率を達成せしめる。上記制御はオープンループ又はクローズドループ制御をベースとして行なう。幾つかの制御方法は例えば米国特許第６９４８４７５号に記載されている。エンジン制御システム１２は、目的とするシリンダ内Ｏ₂モル分率を達成するためブロック９０６でＥＧＲ弁１０２を制御する。この制御により、空気の部分的な圧力とＥＧＲが調節される。この調節の結果、シリンダ内の空気の部分的な圧力によって、高められた圧力が変化する。

上記のようにシステムにより新鮮な空気λは最適にされ、または、調節される。この調節は、図３のＭＡＦセンサ８４からの空気の流れデータをベースとして図８のブロック９０８で始められる。受け入れられる（current）新鮮な空気λは以下の数１によって計算する。

ここで、λFresh Airは受け入れられる新鮮な空気λ、Fresh Air Flowは各シリンダに対する新鮮な空気の流速ｇ／秒、Liquid Flowは各シリンダに対する液体燃料の流速ｇ／秒、ＳＡＦＲ Liquidは液体燃料の化学量論的空気と燃料の比（質量）、ＳＡＦＲ Liquidはジーゼル燃料のためには代表的に１４．５、Gas Flowは各シリンダに対するガス燃料の流速ｇ／秒、ＳＡＦＲ Gasはガス燃料の化学量論的空気と燃料の比（質量）であり、このＳＡＦＲ Gasはガス燃料の組成によって変化するが、天燃ガスに対しては平均１６．４と考えることができる。

所望の新鮮な空気λは、ＭＡＦセンサ入力、エンジン速度及び合計燃料の量をベースとして定める。本発明の一実施例においては、好ましい新鮮な空気λは１．２〜１．３％の範囲である。

図８のブロック９１０で、所望の新鮮な空気λに等しい実際の新鮮な空気λを作るため吸入空気流を調節する。この調節はＴＡＢ弁１３０、廃棄ゲート１３２及びまたは吸気弁１３４（スロットル弁）を制御することによって行なう。この制御はオープンループまたはクローズドループの何れかで行なう。これら装置の総べては特別なものでなくても良く、これらは同一操作条件で制御する。

例えば、チェーン（chain）内の先行する装置が最大位置であり、付加的な空気流調節が必要な場合にのみチェーン内の順次の装置が制御され、順次にまたはカスケード順序に従って廃棄弁、ＴＡＢ弁及びスロットル弁を制御する。上記カスケード順序または順次の制御を行なう場合には、ここで示した順序による必要はない。

ブロック９１２において、所望の新鮮な空気λはＯ₂帰還した排気Ｏ₂を用い好ましく調節する。この好ましい制御方法は米国特許出願第１２／８７７，４８７号に示されている。この方法はブロック９１４に続く。

本発明の範囲は特許請求の範囲の記載によって明らかならしめる。

１０ エンジン
１２ エンジン制御システム
１４ シリンダヘッド
１６ ピストン
１８ 燃料室
３０ 標準カムシャフト
３２ クランクシャフト
３４ 吸気マニホルド
３６ 排気マニホルド
３８ ガス燃料源
４０ 燃料計量装置
４２ 空気／ガスミキサ
ＨＣＣＩ 均一チャージ圧縮点火
ＰＣＣＩ 前混合チャージ圧縮点火
ＣＩ 圧縮点火
ＥＧＲ 再循環排気ガス
ＴＤＣ 上死点
ＴＡＢ サーボ空気バイパス

Claims (18)

1. （Ａ）内燃エンジンに、ガス燃料、新鮮な空気、再循環排気ガス及び液体燃料の前混合チャージを注油するモードで内燃エンジンを操作し、
   （Ｂ）所望の範囲内にシリンダ内のピーク温度を維持するためエンジンに対する再循環排気ガス流と新鮮な空気流の少くとも１つを制御する。
   ことを特徴とする内燃エンジンの注油方法。
2. 上記所望の温度範囲が、１５００Ｋ〜２０００Ｋである請求項１記載の方法。
3. 上記制御が
   ｉ．所望のシリンダ内Ｏ₂モル分率を得るため各エンジンシリンダに対する再循環排気ガス流を制御し、
   ｉｉ．所望の新鮮な空気ラムダを得るため各エンジンシリンダに対する新鮮な空気流を制御する
   ことを含む請求項１記載の方法。
4. 上記所望の新鮮な空気ラムダが１．２と１．３の間である請求項３記載の方法。
5. 上記所望のシリンダ内Ｏ₂モル分率が１３％と１４％の間である請求項３記載の方法。
6. 内燃エンジンの吸気マニホルド内のＯ₂センサからの測定データをベースとして、受け入れられるシリンダ内Ｏ₂モル分率を定める請求項３記載の方法。
7. 定められたシリンダ内Ｏ₂モル分率をエンジン速度と合計燃料量の少くとも１つに依存せしめる請求項６記載の方法。
8. 上記新鮮な空気流の制御ステップがターボ廃棄ゲート、ターボ−空気−バイパス及び入口スロットルの少くとも１つを制御することである請求項１記載の方法。
9. 上記新鮮な空気流の制御ステップが、先行する装置を最大の値に調節し、付加的空気流の調節が望まれたときのみ順次の装置の夫々を制御することを含み、廃棄ゲート弁と、ターボ−空気−バイパス弁と、及びスロットル弁の２または２以上の組み合せをカスケード順序で制御する請求項１記載の方法。
10. 空気流量センサからのデータを用いて新鮮な空気ラムダを定める請求項３記載の方法。
11. 受け入れられる新鮮な空気ラムダを以下の数１によって計算する。
    

    

    ここで、λFresh Airは新鮮な空気ラムダ、Fresh Air Flowは各シリンダに対する新鮮な空気の流速ｇ／秒、Liquid Flowは各シリンダに対する液体燃料の流速ｇ／秒、ＳＡＦＲ Liquidは液体燃料の化学量論的空気と燃料の比（質量）、Gas Flowは各シリンダに対するガス燃料の流速ｇ／秒、ＳＡＦＲ Gasはガス燃料の化学量論的空気と燃料の比（質量）である請求項１０記載の方法。
12. （Ａ）ガス燃料と、新鮮な空気と、再循環排気ガス及び液体燃料の前混合チャージを注油するモードで内燃エンジンを操作し、
    （Ｂ）所望のシリンダ内Ｏ₂モル分率を得るため各エンジンシリンダに対する再循環排気ガス流を制御し、
    （Ｃ）所望の新鮮な空気ラムダを得るため各シリンダに対する新鮮な空気流を制御する
    ことを含む内燃エンジンの注油方法。
13. 上記制御ステップがシリンダ内ピーク温度を１５００Ｋと２０００Ｋの間に維持する請求項１２記載の方法。
14. 各シリンダのため
    （Ａ）エンジン速度と合計燃料量をベースとしてシリンダ内の所望Ｏ₂モル分率を定め、
    （Ｂ）シリンダ内のＯ₂モル分率を定め、
    （Ｃ）シリンダ内のＯ₂をシリンダ内の所望のＯ₂に合致するよう変更せしめ、関連するシリンダに対する再循環排気ガス流を調節し、
    （Ｄ）エンジン速度と合計燃料量をベースとして所望の新鮮な空気ラムダを定め、
    （Ｅ）受け入れられる新鮮な空気ラムダを定め、
    （Ｆ）受け入れられる新鮮な空気ラムダを所望の新鮮な空気ラムダに合致するよう変更するためシリンダに対する空気流を調節する、
    シリンダ内のピーク温度を１５００Ｋと２０００Ｋの間に維持するため新鮮な空気と、再循環排気ガス及び第１燃料としてのガス燃料と、第２燃料として早く注入したジーゼル燃料との前混合チャージによって注油される内燃エンジン内の燃焼温度制御方法。
15. （Ａ）複数のシリンダと、
    （Ｂ）シリンダに、選択された量のガス燃料を供給するガス燃料供給システムと、
    （Ｃ）シリンダに、選択された量の液体燃料を供給する液体燃料供給システムと、
    （Ｄ）シリンダに対する新鮮な空気の流れと再循環排気ガス流を制御する吸気制御システムと、
    （Ｅ）シリンダ内のピーク温度を所望の範囲に維持するためエンジンに対する再循環排気ガス流と新鮮な空気の流れの少くとも１つを制御する吸気制御システムと、ガス燃料供給システムと、液体燃料供給システムに結合した少くとも１つの制御器と、
    より成る内燃エンジン。
16. 上記所望の温度範囲が、１５００Ｋと２０００Ｋの間である請求項１５記載の内燃エンジン。
17. 上記制御器が、
    ｉ．所望のシリンダ内Ｏ₂モル分率を得るため各エンジンシリンダに対する再循環排気ガス流を制御し、
    ｉｉ．所望の新鮮な空気ラムダを得るため各シリンダに対する新鮮な空気の流れを制御する
    請求項１５記載の内燃エンジン。
18. 上記吸気制御システムが、ターボ廃棄ゲートと、ターボ空気バイパスと、入口スロットルの少くとも１つを含む請求項１５記載の内燃エンジン。

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