JP2016075275A5

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Publication number: JP2016075275A5
Application number: JP2015195753A
Authority: JP
Filing date: 2015-10-01
Publication date: 2018-03-15

Description

圧縮着火エンジンの運転方法

本発明は、圧縮着火エンジンの運転方法及び圧縮着火エンジンに関する。

内燃エンジンを設計する際、窒素酸化物（ＮＯｘ）、未燃焼炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）などの様々な種類の排出の低減と、粒状物質（ＰＭ）の低減との間で相反する要求が存在する。高効率及び低排出燃焼を実現する有望な問題解決への方法は、ＨＣＣＩの概念（ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓｃｈａｒｇｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｉｇｎｉｔｉｏｎ、均質混合圧縮着火）である。この中で、高度に希釈された（希薄な（ｌｅａｎ）、及び／又は高い比率の排ガス再循環（ＥＧＲ））、及び均質な混合気（空気燃料混合物）の着火は、ピストンの上死点に近い位置での圧縮行程（ｓｔｒｏｋｅ、ストローク）の間の温度上昇によって達成される。高い希釈率の混合気は、窒素酸化物（ＮＯｘ）を極めて低い値とする燃焼が可能となる。

燃焼室内での混合気の自己着火は、例えば、高い幾何学的圧縮比ε及び好適な手段（例として、吸気の予熱又は排ガス再循環（ＥＧＲ））による給気の予熱などの様々な手段の組合せによって達成される。ＨＣＣＩ燃焼の概念によると、混合気は上死点近傍の燃焼室全体において、ほぼ同時に着火するので、燃焼事象は極めて急速である。

ディーゼルエンジンでは、着火時間は噴射タイミングによって容易に制御することができる。ＨＣＣＩエンジンの着火時間の制御は極めて厳密である。

第１の燃料よりも早く自己着火しやすい第２の燃料を少量噴射することによって希薄で均一な混合気を着火させる技術が知られている。この第２の燃料の噴射開始の選択は、エンジンの実際の運転条件を考慮に入れることができる。エンジンの負荷を高めることで、第２の燃料の量が調節される。

この概念は、デュアル燃料燃焼（ｄｕａｌｆｕｅｌｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ、二元燃料燃焼）として知られる。低排出を目的として、第２の燃料が先に噴射されて部分的に予め混合される場合、この概念はデュアル燃料ＰＣＣＩ燃焼、又はデュアル燃料ＲＣＣＩ燃焼として知られる。第２の燃料が、両方の燃料が均一に混合される方法で噴射される場合、この概念はデュアル燃料ＨＣＣＩとして知られる。
自己着火特性の異なる２種類の燃料を組み合わせることで、燃焼工程を格段に良好に制御できる。このような異なる自己着火特性の第２の燃料がない場合、着火時間は再循環された排ガス量の百分率であるＥＧＲ率によって調節されてもよい。しかし、外部ＥＧＲ率の変動は迅速な効果のある評価基準ではなく、遅延反応を示す。

文献からよく知られているとおり、公知のＰＣＣＩ、ＨＣＣＩ、ＲＣＣＩ及びデュアル燃料概念はすべて、高いＨＣ及びＣＯ排出と関連している。

米国特許第６，６５９，０７１号は、ＰＣＣＩ（ｐｒｅｍｉｘｅｄｃｈａｒｇｅｄｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｉｇｎｉｔｉｏｎ、予混合圧縮着火）モードで運転することのできる内燃エンジンが記載されている。この内燃エンジンは、混合装置が吸気と第１の燃料の混合気を形成し、燃料噴射装置が第２の燃料を直接燃焼室に噴射し、制御システムが給気圧縮による自己着火の前に、少なくとも１回の「制御噴射」を行なうようなやり方で、第２の燃料の噴射を制御する。米国特許第６，６５９，０７１号によると、主な燃料は天然ガスで、第２の燃料は軽油である。

国際公開第９８／０７９７３号から、ＰＣＣＩエンジンを制御する方法が知られている。この方法では、燃焼の進行を表すエンジンの運転状態を計測することで、燃焼の進行の制御が行われる。燃焼開始を正確に制御するために、混合気の温度、圧力、当量比及び／又は自己着火特性が制御される。着火開始及び着火速度をこのように制御するために、基本的には、完全燃焼の事象は、ある一定のクランク角の限度内、具体的には、上死点前２０°から上死点後３５°の間で実行されることがさらに記述されている。これは、ＰＣＣＩエンジンの着火開始に適した位置及び燃焼速度が、温度の挙動、圧力の挙動、例えばオクタン価又はメタン価などの燃料の自己着火特性、又はシリンダ内の吸気の活性化エネルギー及び組成物（酸素含有量、ＥＧＲ、水分、当量比など）に依存している、という事実に基づいている。

米国特許第６，４６３，９０７号には、ＨＣＣＩエンジン及び該エンジンを運転する方法が記載されており、第２の燃料、好ましくは軽油の添加により、燃焼の中心を好適なクランク角に調整する。これによって、所望の燃焼遅延は、主要な燃料混合気の燃焼持続時間から独立し、結果として、空気燃料比に関係するＥＧＲ率によって定義される。第２の燃料の添加により、燃焼が起こるクランク角の範囲は、幅広いエンジン速度を通じて一定を保つことが可能となる。着火後の、天然ガスの相対的に低い燃焼率のため、比較的低いＥＧＲ率及び高い給気圧が使用される。対象となるＨＣＣＩエンジンの出力及び速度は、混合気及び給気圧によって制御される。

外部ＥＧＲ率による着火タイミングを定義する取り組み手法も知られている。高い比率での排ガス再循環では、燃焼速度は、減少した酸素含有量により減速する。

米国特許第６，４６３，９０７号によるデュアル燃料ＨＣＣＩエンジンの制御方針は、圧縮段階よりも前、又は圧縮の初期段階に、高セタン価の燃料、典型的には軽油の噴射による自然発火（ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓｉｇｎｉｔｉｏｎ，自己着火）のタイミングを生じさせることである。高セタン価の燃料の量は、エンジンの速度及び出力に依存し、好適なクランク角位置のために、着火時間が最適化される。燃焼持続時間はＥＧＲ率によって独立して制御される。

米国特許第６，６５９，０７１号国際公開第９８／００７９７３号米国特許第６，４６３，９０７号

「ＩｎｔｅｒｎａｌＣｏｍｂｕｓｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅＦｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ」、Ｈｅｙｗｏｏｄ，ＪｏｈｎＢ．著、ＮｅｗＹｏｒｋ，ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ、１９８８年

要約すると、最先端の技術による、希薄で均一な混合気の自己着火は、高いＥＧＲ率、再循環された排ガスの冷却及び高い幾何学的圧縮比によって制御される。

最先端の技術による解決策の不十分な点は、高い幾何学的圧縮比εによる急激な温度上昇が、燃焼室の膨張のために起こる着火後の急激な冷却と同時に生じることである。

燃焼事象をより良好に制御することができる方法及び燃焼期間を開示することが、本発明の目的である。

この目的は、特許請求の範囲に記載された圧縮着火エンジンの運転方法及び圧縮着火エンジンにより達成される。さらに、好適な実施形態が従属請求項に記載される。

シリンダ給気（ｃｙｌｉｎｄｅｒｃｈａｒｇｅ）は、第１の燃料、第２の燃料、空気、及び以前のサイクルからの任意の残留ガス、及び場合によっては、外部排ガス再循環により添加された任意のガスで構成される。

すべての圧縮着火エンジンの設計において、幾何学的圧縮比などのエンジンのパラメータを決定する、例えば機械的応力の制限（ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｔｒｅｓｓｌｉｍｉｔｓ）及び所用電力などの多数の境界条件が存在する。本発明は、シリンダ給気の温度又は第２の燃料の量を変更すること、或いはこれら両方の組合せによって、未処理排出（ｒａｗｅｍｉｓｓｉｏｎｓ）が極めて低く、かつエンジン効率が高くなるように燃焼持続時間を制御することができるという驚くべき発見に基づく。

混合気の入口温度は、給気冷却器の導入及び／又はＥＧＲ率の変更によって影響を受ける可能性がある。

排出に関して、本発明の方法では、以下の点を挙げることができる。
・ＮＯｘ排出が極めて少ない。なぜなら、例えば、火花点火エンジンでは不可能な極めて高い空気燃料比（極めて希薄な混合気）を使用できるからである。第１及び第２の燃料はいずれも、空気又はシリンダ給気と予め混合されていることも重要である。
・ＣＯ及びＨＣ排出が少ない。なぜなら、燃焼が速く、上死点付近で終了し、シリンダ給気の温度が高いためである。
・煤煙排出が少ない。なぜなら、第１の燃料及び第２の燃料はいずれも空気又はシリンダ給気（シリンダへの給気）と予め混合されているためである。

上述のとおり、本エンジンの効率は驚くほど高く、併せてＮＯｘ、煤煙、ＣＯ及びＨＣのような汚染物質の排出が低減される。すべての先行技術は、それらの結果のいくつかを実現するに過ぎない。例えば、ＨＣＣＩ燃焼はＮＯｘ及び煤煙を低減させるが、ＨＣ及びＣＯは増える。

本発明の利点は、極めて希薄な混合気により、燃焼持続時間が従来技術よりも極めて短いことによると考えられる。この燃焼は従来技術では実現されない。希薄な混合気に関連する急速燃焼は高効率をもたらすことが知られている。

既述したとおり、シリンダ給気の温度を選択することにより、本発明は燃焼の持続時間に影響を及ぼす可能性を提供する。圧縮行程の途中だが燃焼開始より前のタイミングで第２の燃料を添加することにより、第２の燃料は、第１の可燃性の混合気の中に、不均一に存在するであろう。言い換えると、シリンダ内に、第２の燃料の濃度及び／又は温度がシリンダ内のどの箇所よりも高い場所が存在するであろう。この不均一さが、圧縮行程での自己着火の開始点を決定することになろう。シリンダ給気のより高い温度を選択することで、燃焼持続時間が短縮されて、未燃焼炭化水素及びＣＯの生成量が減り、エンジンの高効率につながる。このように、本発明は低排出と高効率を併せ持つ。

留意すべきは、第２の燃料の添加量が少量であるので、第２の燃料の温度は、第２の燃料の化学エネルギーが支配的な効果をもつ間しか大した影響はもたないことである。

以下、「燃焼持続時間（ｄｕｒａｔｉｏｎｏｆｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ）」及び「（燃焼）重心」という用語が使用されている。燃焼持続時間は「ｂｕｒｎｄｕｒａｔｉｏｎ（燃焼期間）」でもあり、燃焼サイクルにおける燃焼の進行の測定基準であり、一定のクランク角の中で燃焼される質量分率として表現される。例えば、クランク角１５°の△θ_0-10%の燃焼持続時間は、クランク角１５°の回転の間、給気質量の１０％が燃焼したことを意味する。
燃焼重心は、新気（ｆｒｅｓｈｃｈａｒｇｅ）の半分が燃焼した状態を示す。これは、ＭＦＢ５０（すなわち、５０％燃焼質量割合；５０％ｍａｓｓｆｒａｃｔｉｏｎｂｕｒｎｅｄ）として知られる。これらの用語は内燃エンジンに関するテキストに見ることができ、具体的には、「ＩｎｔｅｒｎａｌＣｏｍｂｕｓｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅＦｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ」、Ｈｅｙｗｏｏｄ，ＪｏｈｎＢ．著、ＮｅｗＹｏｒｋ，ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ、１９８８年（非特許文献１）を参照のこと。

燃焼重心は、エンジンの効率及びエンジンの排出量に影響を与える。

特に好ましいのは、（総エネルギーの半分が燃焼で放出される場合の）燃焼重心が上死点後５°〜７°に調整される実施形態である。燃焼重心を決定するために、ピーク燃焼圧力のクランク角位置を使用することができる。

別の好ましい実施形態では、内燃エンジンの少なくとも１つのシリンダに、自己着火特性の異なる２種類以上の燃料が供給される。

気体について、すべての％で表される数字は、体積％に関連している。

第１の燃料は、天然ガス、又はＣＯ₂とＣＨ₄の総量が８０％超となる天然ガスとＣＯ₂の混合物であってもよい。

第２の燃料は、３０〜７０の間のセタン価、好ましくは４０〜６０の間のセタン価を有する燃料であってもよい。一つの例が軽油燃料である。

別の好ましい実施形態によると、２種類以上の燃料のうち、より高い自己着火傾向の燃料（一般に、より高いセタン価を含む）が、より低い自己着火傾向の燃料（一般に、より高いオクタン／メタン価を含む）よりも後の時点で、内燃エンジンの少なくとも１つのシリンダに供給される。

第２の燃料の噴射のタイミング及び第２の燃料の量は共に、燃焼重心に影響を与えるが、エンジンの所望の効率が達成され、排出量及び機械的応力が許容範囲内であるように選択すべきであることを理解すべきである。このことは、例えば、爆発上死点後（ａＴＤＣ）のクランク角０°〜１５°のように、燃焼重心を相対的に早めることにより実現することができる。

まず第１に、広範なパラメータのセットが定義される。第１の燃料は天然ガスで、第２の燃料は軽油である。例えば、
・第２の燃料の噴射のタイミングは、爆発上死点前１８０°〜４０°
・第２の燃料は、自己着火源として作用
・過剰空気とＥＧＲの混合、ラムダ１．６よりも大、ＥＧＲの範囲０％〜４０％、内部又は外部の冷却／非冷却ＥＧＲ
・第２の燃料の量は、エネルギー含量に基づいて０．１％〜１５％（全負荷の状態で、負荷運転の一部において第２の燃料の量を増加）
・シリンダの吸気口の混合気温度は５０℃〜１３０℃

上記の広範なパラメータのセットからの、初期パラメータのセットの選択は、与えられたエンジンの種類（エンジンの大きさ、エンジンのｒｐｍ（毎分回転数）、幾何学的圧縮比）、及び使用可能な燃料の種類によって異なる。

次の工程として、選択された第１の燃料と空気とを予め混合し、所望のラムダで均一な可燃性の混合気を実現する。可燃性の混合気は、ＮＯｘの低排出を実現するために低濃度でなければならない（ラムダは高くなければならない）。これには別の方法があり、例えば、キャブレター、ガス混合器、又は燃焼室に直接噴射するポート噴射バルブもしくはガス噴射器（ｇａｓｉｎｊｅｃｔｏｒ）などがある。

広範なパラメータのセットから特定のパラメータを選択し、エンジンを運転する。エンジンの効率、排出量（ＮＯｘ及びＨＣ、好ましくはＣＯも）、燃焼重心及び燃焼持続時間を計測する。燃焼重心及び燃焼持続時間は、例えば、シリンダ内圧の時間変化を計測することで推測される。このことは、当業者には知られている。

エンジンの効率及び排出量が、すでに所望の範囲内である場合、初期パラメータのセットを維持する。

燃焼持続時間が長すぎる（すなわち、効率が低すぎる、及び／又は特にＨＣの排出について、排出量が多すぎる）場合、例えば、エンジンの毎分回転数と独立に、持続時間がクランク角２０°〜３０°よりも長い場合、シリンダ給気の温度が上昇すればするほど、必要とされる第２の燃料の量が減少し、逆もまた同様であることに留意しながら、（例えば、混合気の吸気温度の上昇、及び／又はシリンダ内の残留ガスの増加により）シリンダ給気の温度を上昇させ、及び／又は可燃性の混合気に混合される第２の燃料の量を増加させる。燃焼持続時間を増加させるために、内部ＥＧＲ率を減少させることにより、シリンダ給気の温度を低下させる。また、燃焼持続時間を短縮するために、内部ＥＧＲ率を増加することにより、シリンダ給気の温度を上昇させる。冷却される外部ＥＧＲとは対照的に、内部ＥＧＲは冷却されない。つまり、「熱い」ＥＧＲである。
経済的な考慮をしなければ、第２の燃料の量をできるだけ少なく抑え（ただし、燃焼重心がこれ以上は影響されないほど少なくはない）、一定に保ち、且つシリンダ給気の温度のみを上昇することが好ましいだろう。
変更した温度で、再度エンジンの運転を継続し、エンジン及び排出の効率に関連して燃焼持続時間を確認する。燃焼持続時間が引き続き長すぎる場合には、可燃性混合気の温度をさらに上昇し、（経済的な考慮をする場合には）好ましくは第２の燃料の量を変更しない。

次に、燃焼持続時間が短すぎる場合（効率及び排出は良好だが、シリンダの圧力最大値が高すぎる、及び／又は圧力上昇率が急激すぎる場合）、シリンダ給気の温度を低下させ、好ましくは第２の燃料の量を変更しない。この手順を、燃焼持続時間が所望の範囲内となるまで繰り返す。シリンダの圧力最大値及び圧力勾配は、エンジンの機械的応力の適切な指標であり、高い圧力最大値及び大きな勾配は、高い機械的負荷を意味する。

より狭いパラメータのセットは、以下の通りである（第１の燃料は天然ガスで、第２の燃料は軽油である）。
・第２の燃料の噴射タイミングは、爆発上死点前８０°〜６０°
・第２の燃料は、自己着火源として作用
・過剰空気とＥＧＲの混合、ラムダは２．３〜２．６の間、又は２．６〜２．９の間、及び内部ＥＧＲが３％〜２０％の範囲。
・第２の燃料（例えば軽油）の量は、エネルギー含量に基づいて１％〜７％
・シリンダの吸気口の混合気の温度は７０℃〜１００℃

具体例は、以下の通りである（第１の燃料は天然ガスで、第２の燃料は軽油である）。
・第１の燃料の噴射タイミングは、爆発上死点前７０°
・第２の燃料は、自己着火源として作用
・過剰空気とＥＧＲの混合、ラムダ２．４、及び内部ＥＧＲが１０％
・第２の燃料（例えば軽油）の量は、エネルギー含量に基づいて５％
・シリンダの吸気口の混合気温度は、７５℃

より好ましいのは、以下の通りである。
・ブレーキ平均有効圧力は１４バール〜２６バールの間（１４×１０⁵Ｐａ〜２６×１０⁵Ｐａの間）
・圧縮比は１０〜１４の間
・吸気バルブを閉じる際の１ｍｍリフト時に、吸気行程における下死点前３０°から下死点後３０°の間に位置する

本発明は図面に関連してさらに論じられる。図面に関連して、実施例として、軽油が第２の燃料として論じられる。

図１は、本発明と比較した従来の燃焼状態の、クランク角に対して正規化された熱発生率をグラフ化した図である。図２は、本発明での燃焼における、内部ＥＧＲ、軽油の量、もしくは給気温度の、増加の効果、又は遅延（減速）された噴射タイミングの効果を示す。図３は、別のパラメータを反対の状況に変更することによる、１つのパラメータによって生じる抑制的変化の補償を示す。

図１を参照すると、上死点後（ＡＴＤＣ）の、度数法で表されたクランク角に対してグラフ化された、正規化された熱発生率（放熱率）を示している。経過における負の値は、その事象が爆発上死点前であることを意味する。熱発生率については以前に説明されている。熱発生率は、燃焼特性の評価基準である。点線は、標準的なガスエンジンにおける燃焼の正規化された熱発生率を表す。実線は、本発明によって達成された正規化された熱発生率を表す。本発明によって達成された燃焼事象は、従来技術の燃焼と比べて、上死点において、より狭い範囲、且つ、より中央寄りであることが見て取れる。

図２は、本発明における、内部ＥＧＲ、軽油の量又は給気温度の増加（上昇）の効果、又は遅延（減速）された噴射タイミングの効果を概略的に示している。矢印は、先に記されたＥＧＲ、軽油の量、又は給気温度の各変数の増加（上昇）、又は第２の燃料の噴射タイミングの遅延に対して、燃焼がどのように反応するのかを示している。内部ＥＧＲ、給気温度、もしくは軽油量を増加（上昇）すること、又は第２の燃料をより遅延させて噴射することにより、燃焼速度が上昇し、燃焼段階が早まることを見ることができる。同時に１つのパラメータ（内部ＥＧＲ、給気温度、もしくは軽油の量）のみが変更され、他の２つのパラメータはそのままである。これらの評価基準のそれぞれに対する個々の効果は、当然のことながら定量的に異なるものの、定性的傾向は同じである。

図３を参照すると、４つのパラメータのうち２つを、同じ燃焼位置になるように逆方向に変更して、個々の変更を補償したものである。例えば、内部ＥＧＲ量を増加させる場合、燃焼位置が同じになるように、軽油の量又は給気温度（或いは両方）を減少（低下）させなければならない。実線、点線及び破線は同一のパラメータのセットを参照している。この図は、個々のパラメータを変更することにより、燃焼事象を同一の位置に調整できることを示している。