JP2016128685A5

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Publication number: JP2016128685A5
Application number: JP2015240908A
Authority: JP
Filing date: 2015-12-10
Publication date: 2018-03-22
Anticipated expiration: 2035-12-10

Description

スパーク点火式エンジンの運転方法

本発明は、請求項１の前置部分の特徴を備えたスパーク（火花）点火式エンジンの運転方法及び請求項１９の前置部分の特徴を備えたスパーク点火式エンジンに関する。

内燃エンジンの設計に際して、酸化窒素（ＮＯｘ）、未燃炭化水素（ＨＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ）のような様々な種類の排出物（排気）間で相反する要求が存在する。

非常に効率的で排出量の少ない燃焼を実現するための有望な取り組みはＨＣＣＩ方式（予混合圧縮着火：homogeneous charge compression ignition）である。この方式では、高度に希釈された（希薄及び／又は排気ガス再循環（ＥＧＲ）比の高い）均質燃料／空気混合気の点火を、ピストンの上死点近傍への圧縮ストローク（サイクル）での温度の上昇によって達成する。高度に希釈された燃料／空気混合気によって酸化窒素（ＮＯｘ）の排出が極めて少ない燃焼が可能となる。燃焼室での燃料／空気混合気の自動点火（着火）は、例えば、高い幾何学的圧縮比ε及び適当な手段による給気の予熱（例えば、吸入空気の予備加熱又は排気ガス再循環（ＥＧＲ）などの様々な処置の組合せによって達成される。
ＨＣＣＩ燃焼方式では、燃料／空気混合気は上死点近傍において燃焼室全体でほぼ同時に着火し、燃焼事象は極めて速い。
ＨＣＣＩ方式には幾つかの問題がある。燃焼を制御するのが難しい。制御性を向上させるため、第１の燃料とは自己着火特性の異なる第２の燃料を利用する方式が知られている。

対照的に、スパーク点火式エンジンでは、スパークのタイミングによって燃焼のタイミングを容易に制御できる。大型のスパーク点火式エンジン（典型的にはシリンダ径１５０ｍｍ以上）には、点火を開始するための副室が設けられている。

従来技術では、副室タイプのスパーク点火式エンジンを制御するための方式も知られている。例えば特開２０１３−２０９９６７号公報には、失火を防止するため副室への燃料供給量を制御することのできる能動的（アクティブ）副室が記載されている。

特開２０１３−２０９９６７号公報

本発明の目的は、ＨＣＣＩ方式の利点とスパーク点火式エンジンの容易な制御性とを組合せたスパーク点火式エンジンの運転方法及びスパーク点火式エンジンを提供することである。

この目的は請求項１の方法及び請求項１９のスパーク点火式エンジンによって達成される。

本発明では、副室のエネルギー含量及び／又は副室給気の化学組成を、主室の燃焼プロセスを制御するための制御手段として利用する。

副室と主室とは流体連通しているので、「シリンダ給気」について言及する場合には常に主室と副室との合計容積の給気を意味する。

本発明は、エンジンに設けられた各副室に対して、副室に空気及び／又は燃料を導入する弁を能動的かつ個々に制御することができれば、最善に実施することができる。

主室内で、高度に希釈された（希薄）シリンダ給気を非常に迅速に燃焼させることができれば有利である。非常に迅速な燃焼を実現できれば、燃焼の効率が向上し、ＨＣ排出が低減する。高度の希釈によってＮＯｘ排出が低減し、ノッキングの発生率が低減する。

シリンダ給気は非常に希薄であるが、シリンダ給気の温度を制御し、副室給気のエネルギー含量及び／又は化学組成を調整することによって、非常に希薄なシリンダ給気の点火及び高速燃焼が可能になる。

能動的副室を用いることによって、個々の副室間で副室給気のエネルギー含量及び化学組成を変更することができる。

本明細書において、気体に関して％で表す数値はすべて体積％に関するものである。

第１燃料は天然ガスであっても、天然ガスと二酸化炭素（ＣＯ₂）の混合物であってもよく、ＣＯ₂とメタン（ＣＨ₄）の量は８０％を超える。第２燃料は天然ガスであっても、天然ガスとＨ ₂ 含有量１０体積％超のガスとの組合せであってもよい。

燃焼に起因する１以上のシリンダの排出量及び／又は１以上のシリンダの機械的応力をモニタリングし、１以上のシリンダの各々について、排出量及び／又は機械的応力が設定閾値を超える場合には、排出量及び／又は機械的応力が各々の設定閾値未満となるように、副室に導入される第２燃料の量及び／又は組成並びに／或いはシリンダ給気のスパークタイミングの温度を変更することにより、様々な周囲条件下（例えば、エンジンを作動させる周囲温度、湿度、高度など）での燃焼エンジンの作動を大幅に改善することができる。本発明の方法で非常に有効に制御できる機械的応力は特に機械的負荷であるが、これは機械的負荷が、例えば、高過ぎる正味平均有効圧（ＢＭＥＰ）又は高過ぎるピーク燃焼圧（ＰＦＰ）によって発生するおそれがあるからである。

内燃エンジンに必然的に付随する機械的許容誤差に関しても、本発明の方法によって、個々の副室給気に存在するエネルギー含量及び化学組成、並びに圧縮比、ガス交換、沈積物などに関する個々のシリンダ間の変動を大幅に改善して補うことができる。

仮に燃料品質が変化したとしても、本発明の概念はそうした変化にも対処できる。燃焼によって発生する１以上のシリンダの排出量及び／又は１以上のシリンダの機械的応力のモニタリングは、１以上のシリンダの燃焼事象に特徴的な信号を測定することによって実施される。

排出量を直接測定する必要はなく、その代わりに燃焼特性を用いることができる。これは様々な方法で行うことができる。例えば、１以上のシリンダ内での燃焼事象に特徴的な信号を測定するステップは、燃焼事象における特徴的位置及び／又は燃焼事象の期間を決定することを含んでいてもよい。このような燃焼時の特徴的位置は、例えば燃焼重心とすることができる。典型的には、重心及び燃焼期間はシリンダ内圧測定によって得ることができるが、代替法はイオン電流測定又は光学的手法である。燃焼期間すなわち「燃焼持続時間」は、燃焼サイクルにおける燃焼の進行度の尺度であり、あるクランク角で燃焼した質量分率として表される。例えば、クランク角１５°の△θ_0-10%の燃焼期間とは、クランク角１５°の回転時に給気質量の１０％が燃焼したことを意味する。燃焼重心とは新気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% mass fraction burned）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、例えば、ＪｏｈｎＢ．Ｈｅｙｗｏｏｄ著、ＩｎｔｅｒｎａｌＣｏｍｂｕｓｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅＦｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ（ＮｅｗＹｏｒｋ，ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ、１９８８年）を参照されたい。

火炎速度について理解を図るため、本発明に関して以下の定義が適用される。

関連文献に記載されているように、ガス又はガス混合物の層流燃焼速度（laminar flame speed）とは、着火ガス又はガス混合物の火炎が、火炎前線に対して垂直方向に未燃ガス又はガス混合物に対して伝播する速度のことである。本発明では、低火炎速度の給気とは層流燃焼速度の低いガス又はガス混合物のことであると解される。例えば、層流燃焼速度が１０ｃｍ／秒未満のガス又はガス混合物は低火炎速度の給気である。

一般に、記載した値は関連文献に記載されているように標準条件下、つまり例えば燃焼空気比１及び大気圧でのものである。

ガスの層流燃焼速度を求める方法は従前公知であり、例えば、ブンセンバーナー法又は平面火炎法のような公知の実験方法が存在する。さらに、あるガスの層流燃焼速度をそのガス組成から計算する数多くの計算方法は当業者に周知である。

副室に導入される第２燃料の量及び／又は化学組成を変更するステップは、機械的応力が高すぎる場合に第２燃料の量を減少させることを含む。

副室内のエネルギー量及び／又は火炎速度が低下するように第２燃料の導入量及び／又は副室給気の化学組成を変更することによって機械的応力を低減させることができる。

第２燃料の量を減少及び／又は副室給気の化学組成を調整すると、燃焼が遅延して、ピーク燃焼圧が低下し、エンジンへの機械的応力が低減する。

シリンダ給気の温度を変更するステップは、機械的応力が高すぎる場合にシリンダ給気の温度を下げることを含んでいてもよい。これは、例えば第１燃料及び吸入給気の吸入温度を下げることによって達成できる。吸入給気とは第１燃料と空気との混合物又は空気のみのいずれかについて述べたものと解すべきである。

排気に関して、１以上のシリンダの排出量をモニタリングするステップは、ＮＯｘ排出量とＨＣ排出量とを区別することを含む。この区別は、特定の排出種の形成に決定的な燃焼特性のモニタリングによって実施される。すなわち、例えば所与のラムダ値、混合均質性及び所与のＥＧＲ率においてＮＯｘ排出量は燃焼位置つまり重心によって大きく左右される。重心（クランク角で表される）が早いほど、ＮＯｘ生成量は多くなり、燃焼位置が遅いほどＮＯｘ形成は少なくなる。ＮＯｘ形成は、燃焼期間（例えばクランク角△θ_10-90%）で表される燃焼速度によっても左右される。この関係は、速い燃焼速度（小さい△θ）ではＮＯｘ排出量が増え、遅い燃焼速度ではＮＯｘ排出量が減るというものである。これは燃焼速度が速い場合には、燃焼の大部分はＴＤＣ近傍つまり比較的に高い温度で起こるからである。温度はＮＯｘ形成に関する支配的なパラメータであるので、速い燃焼速度で高いＮＯｘ値となる。ＨＣ排出量については、以下の特性がその形成に関与する。すなわち、燃焼温度が高いほどＨＣ形成は少なくなる。すなわち、ＨＣ排出量に関しては、上記の燃焼パラメータとの関係は、ＮＯｘ形成に関するの関係とは正反対となる。従って、ＮＯｘ排出量が多すぎる場合には、火炎速度が減少及び／又はシリンダ給気の温度が低下するように、副室に導入される第２燃料を減少及び／又は副室給気の化学組成を変更する。

副室に導入される第２燃料の量及び／又は副室給気の化学組成は副室の点火後の主室内の燃焼期間を決定するので、副室はＮＯｘ排出量にも影響を及ぼす。

副室に導入される第２燃料の量を減少及び／又は副室給気の化学組成を変更して火炎速度を遅くすると、主室内の燃焼期間が長くなり、ＮＯｘの形成が減る。

ＮＯｘ排出量が多すぎる場合には、第２燃料によって副室内にもたらされるエネルギー量が減少するように副室に導入される第２燃料の量を変更する。

一方、ＨＣ排出量が多すぎる場合には、火炎速度が増大し、及び／又はスパークタイミングが早まり、及び／又はシリンダ給気の温度が上昇するように、副室内に導入される第２燃料の量を増加及び／又は副室給気の化学組成を変更する。シリンダ給気の温度は、例えば、外部及び／又は内部ＥＧＲを用いて高めることができる。別法として又は加えて、空気の温度を高めてもよい。シリンダ給気の温度を変化させるステップは外部ＥＧＲで実施することができ、シリンダ給気の温度を上げるには外部ＥＧＲ率を増大させ、シリンダ給気の温度を下げるには外部ＥＧＲ率を減少させればよい。

すなわち、ＮＯｘ排出量が多すぎる場合には、火炎速度が低下し、及び／又はスパークタイミングが遅れ、及び／又はシリンダ給気の温度が下がるように、副室に導入される第２燃料の量を減少及び／又は副室給気の化学組成を変更する。

排出量に関して、本発明の方法では以下の通りである。

＊ＮＯｘ排出量は、例えばスパーク点火式エンジンでは不可能であった非常に高い空気／燃料比（非常に希薄な混合気）を使用できるので、非常に少ない。燃焼の開始前に第１燃料及び第２燃料の両方を空気又はシリンダ給気と予備混合しておくことも重要である。

＊燃焼が急速で上死点近傍で終了するとともに、シリンダ給気の温度が高いので、ＣＯ排出量及びＨＣ排出量は少ない。

＊第１燃料と第２燃料の両方が空気又はシリンダ給気と予備混合されるので煤の排出量は少ない。

別法として又は加えて、１以上のシリンダに関して、排気及び／又は吸気弁タイミング並びに／或いは弁リフト曲線を個々に変更できる可変動弁機構がエンジンに設けられていると、シリンダ給気の温度を変化させるステップは可変動弁機構によって達成でき、好適にはシリンダ給気の温度が上昇するように排気弁を早目に閉じること、或いはシリンダ給気の温度が降下するように排気弁を遅目に閉じることにより達成される。作動時機とは別に、可変動弁機構においてリフト曲線を制御することもできる。リフト曲線は、クランク角に関して閉状態に対する弁のそれぞれの位置を表す。弁リフト曲線を変化させることによって排気ガスの残量を極めて効果的に調整できる。給気段階において排気弁を再開放する或いは開放状態に保つと、排気ガスがシリンダに逆流し、シリンダ給気の温度を上昇させる。別の例として、吸気弁が排気ストローク中にも開くと、排気ガスが給気システムに流入し、吸入時の給気の温度を上昇させ、その結果、通常の給気プロセスで吸気弁を開いたときに給気の温度が上昇する。

さらに、シリンダ給気の温度を変えるステップは、ピストンの吸気ストロークにおいて既に閉じられている排気ガス弁を可変動弁機構によって再開放することにより実施してもよく、シリンダ給気の温度を上昇させる。これは特に有利であり、シリンダ内の給気の温度を個々に制御できる。弁タイミングをサイクル間で変更できるとさらに有利であり、制御レスポンスが非常に速い。

さらに別の実施形態として、シリンダ給気の温度を変化させるステップは、閉じた吸気弁をピストンの排気ストローク中に可変動弁機構によって再開放することによって実施してもよく、シリンダ給気の温度を上昇させることができる。

弁のタイミングを変化させることによって、シリンダ内の残留排気ガスの量が変化し、内部ＥＧＲ率が変化する。残留排気ガスの温度は非常に高いので、この手段は給気の温度を上昇させるのに非常に有効である。

シリンダ給気の温度を変えるステップは可変動弁機構によって達成されるが、好適には、内部ＥＧＲを増加させるように排気弁を閉じて、シリンダ給気の温度を上昇させることによって、或いは内部ＥＧＲを減少させるように排気弁を閉じて、シリンダ給気の温度を降下させることによって達成される。

シリンダ給気の温度を変化させるステップは、ピストンの吸気ストロークにおいて既に閉じている排気弁を可変動弁機構によって再開放し、シリンダ給気の温度を上昇させることによって達成できる。シリンダ給気の温度を変化させるステップは、ピストンの吸気ストロークにおいて既に閉じている排気弁を可変動弁機構によって再開放して、シリンダ給気の温度を上昇させることによって達成できる。

シリンダ給気の温度を変化させるステップは、シリンダ給気の温度を上昇させるために背圧を増加させるか、或いはシリンダ給気の温度を降下させるために背圧を減少させることを含んでいてもよい。背圧の増加は内部ＥＧＲ率を増加させ、逆に内部ＥＧＲ率の増加は背圧を増加させる。

シリンダ給気の温度を変化させるステップは、副室に導入される第２燃料を追加し、吸気弁及び排気弁を閉じた状態でガス交換ＴＤＣにおける主室内での燃焼前に副室給気を点火することによっても達成できる。この最初の燃焼で放出されるエネルギー量を制御する手段が、給気温度に影響を与える結果は当業者には明らかであろう。

本発明は４サイクルエンジンでの運転に適しているが、４サイクルエンジンに限定されるものではない。例えば、本発明は、２サイクルエンジン、５サイクルエンジン又は６サイクルエンジンでの運転にも適用できる。

本発明の他の目的及び利点は添付の図面に照らして明らかになろう。

ＮＯｘ排出量に関する制御ロジックのフローチャートである。ＨＣ排出量に関する制御ロジックのフローチャートである。機械的応力に関する制御ロジックのフローチャートである。

図１ａは、ＮＯｘ排出量に関する制御ロジックのフローチャートを示す。第１ステップで現ＮＯｘ排出量を設定閾値と比較する。ＮＯｘ排出量が設定閾値を超えていない場合にはループはスタートに戻る。ＮＯｘ排出量が設定閾値を超えている場合には、ＮＯｘ排出量に対処するために以下の処置の１以上を実施する。
＊副室に導入される第２燃料の量を減少させる。
＊副室内のエネルギー量を減少させる。
＊シリンダ給気の温度を降下させる。
＊スパークタイミングを遅らせる（ＴＤＣに近づける）。
上記の処置の実施後、ループはＮＯｘ排出量の設定閾値との比較に戻る。

同様に、図１ｂは炭化水素（ＨＣ）排出量の制御ロジックのフローチャートを示す。第１ステップにおいて、現行ＨＣ排出量を設定閾値と比較する。ＨＣ排出量が設定閾値を超えていない場合にはループはスタートに戻る。ＨＣ排出量が設定閾値を超えている場合には、ＨＣ排出量に対処するために以下の処置の１以上を実施する。
＊副室に導入される第２燃料の量を増加させる。
＊副室内のエネルギー量を増加させる。
＊スパークタイミングを早める。
＊シリンダ給気の温度を上昇させる
上記の処置の実施後、ループはＨＣ排気物と設定閾値との比較に戻る。

図２はエンジンに対する機械的負荷（応力）に関する制御ロジックのフローチャートを示す。機械的応力に特徴的な信号を適切なセンサー（図示せず）で測定する。機械的応力の指標となる値を機械的応力の設定閾値と比較する。機械的応力の値が設定閾値未満である場合には、ループはスタートに戻る。機械的応力の値が設定閾値を超えている場合には機械的応力を低減するために以下の処置の１以上を実施する。
＊副室に導入される第２燃料の量を増加させる。
＊副室内のエネルギー量を減少させる。
＊シリンダ給気の温度を降下させる。
＊スパークタイミングを遅らせる（ＴＤＣに近づける）。
上記の処置の実施後、ループは機械的応力の値と設定閾値との比較に戻る。