JP2017504749A - 低オクタン価ガソリンによる均一圧縮着火と拡散圧縮着火とを混合した燃焼制御方法 - Google Patents
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Abstract
Description
1.低オクタン価ガソリンによる均一圧縮着火と拡散圧縮着火とを混合した燃焼制御方法と、このような燃焼制御方法を用いた内燃機関。
2.内燃機関の排ガス排出系統における保温方法。
3.真空ジャケット保温部材ユニット(排ガスダクトと排ガス処理機器の外側を包囲及び被覆するために用いられる)、真空層を有する排ガスダクト、排ガス駆動部位に真空層ケーシングを有するターボチャージャー、真空層ケーシングを有する排ガス三元触媒処理装置、真空層ケーシングを有するスート(除去)処理装置、を含む内燃機関の排ガス排出系統における保温製品。
(一)低オクタン価ガソリンによる均一圧縮着火と拡散圧縮着火とを混合した燃焼制御方法における技術的特徴及びステップ
気筒の圧縮比は12〜22、代表的な圧縮比は17である。オクタン価(リサーチ法、RON)69未満の低オクタン価ガソリン或いはガソリンに類似した燃料を使用する。代表的なオクタン価は40であり、単一燃料を使用する。
実施過程での注意事項1:予備噴射における最後の噴射位相は上死点から十分に離間させ、燃料が過度に圧縮される高温・高圧領域での圧縮着火を回避するものとする。
実施過程での注意事項2:予備噴射による累積燃料濃度は自然発火濃度未満でなければならない。
1.排ガスの一部を循環利用し、新鮮な空気と混合した後に気筒へ導入する。或いは、排気時に排ガスの一部を気筒内に滞留させる。
2.ターボチャージャー又は機械式過給機を用いて気筒の吸気圧力を高める。又は、ターボチャージャーと機械式過給機を併用する。
3.低温始動又は低負荷運転段階において、一般的な点火プラグで点火する燃焼制御方式を採用する。
4.低温始動時において、電気ヒーターで空気を予熱する。
5.燃料ヒーターを設け、例えば冬季に低雰囲気温度条件下で燃料を予加熱することで、燃料を噴射して気筒に導入する際の拡散をより容易とする。本噴射については、燃料を予熱してから気筒へ導入することで着火しやすくする。
気筒の燃焼要素としては、吸気圧力(吸気量)、吸気温度、雰囲気温度、タンク温度、エンジンオイル温度、回転速度、点火プラグの点火位相角(点火時間)、噴射量(各回)、噴射圧力、噴射位相角、圧縮比、トルク出力、ノックの出現有無を含むが、これらに限らない。パラメータには制御可能なものもあれば、機器固有のパラメータのため制御や変更は不可能であるが、制御パラメータの選択に重要な影響を及ぼすものもある。
1.低オクタン価ガソリンによる圧縮着火と多段燃料噴射とを併用する方法又は内燃機関との違い
低オクタン価燃料を使用するとともに、拡散圧縮着火による方法を強制点火対策として用いることを前提に、従来技術の燃料噴射は1段噴射であるか、多段噴射であっても予備噴射のない本噴射と補充噴射のみであった。このような噴射方式の違いから、エンジン性能に大きな違いが存在する。
出願番号:2012103811406.X、出願人:清華大学、発明の名称:低オクタン価ガソリン類燃料の多段予混合による圧縮着火方法。
なお、参考特許文献における「予混合」とは、噴射ごとに噴射の開始から着火の開始までに一定の時間間隔が存在し、この時間間隔内に燃料が空気中に拡散して空気と混ざり合うことをいう。別の場面において、参考特許の発明者はこのような「予混合」を「部分予混合」とも称しており(「低オクタン価ガソリンの部分拡散圧縮着火における燃焼及び排出特性」、清華大学紀要『自動車の安全と省エネ』第2巻第4期、2011年12月を参照。中国内燃機関学会 燃焼省エネ浄化分科会2011年学術年会出席時の本論文の標題は「低オクタン価ガソリンの部分予混合による圧縮着火燃焼方式の実験研究」。添付書類を参照)、本願の予混合とは異なる。
まず、使用燃料が異なる。本発明では低オクタン価ガソリンを使用するのに対し、均一圧縮着火では高オクタン価ガソリンを使用するうえ、オクタン価が高いほどよいとされる。第二に、気筒圧縮比が異なる。本発明では気筒圧縮比が18〜22まで到達可能であるのに対し、均一圧縮着火技術ではノックに配慮して、気筒圧縮比は通常12〜15程度である。第三に、点火の確実性が異なる。ガソリンの均一圧縮着火技術では、燃料と空気を予混合し、排ガスの一部を再利用することで吸気温度を上昇させる。また、吸気行程と圧縮行程において燃料が予備酸化して放熱し、圧縮行程でピストンが上死点を通過した後に予混合気の自動点火が実現される。このような方法は、点火の確実性に劣る。これに対し、本発明では、本噴射した燃料を空気中で拡散圧縮着火させる方法で強制的に点火し、強制点火による火炎が均一予混合気に点火する。また、均一混合気内で多点点火することで、均一圧縮着火が実現される。第四に、エンジンパフォーマンスが異なる。本発明における内燃機関の動作負荷は幅広く、負荷と回転速度を限界値の範囲内で任意に変動させられるにも拘わらず、ノックが発生しない。一方、均一圧縮着火による内燃機関では、動作負荷を狭い範囲内でしか変動させられない。現在のところ、均一圧縮着火式のガソリンエンジンは、自動車の直接的な動力装置としては応用できていない。
1.エンジンの最大出力が向上する。気筒内の空気利用効率が向上するため、内燃機関のリッターあたり出力が単一の拡散圧縮着火制御方法を上回るほか、単一の均一圧縮着火制御方法を上回る。よって、同一排気量の場合、エンジンの最大出力トルク及び最大出力が増加することになる。
圧縮着火及びリーンバーン制御方法を用いる内燃機関では、排ガス温度が点火式ガソリンエンジンに比べて低い一方、ターボチャージャーにおいて高い排ガス圧力が必要とされる。排気系統の保温は排ガス圧力を高圧に維持するために有利であるほか、タービンの動作効率にも有利となる。排ガス三元触媒処理装置(排ガス中の一酸化炭素、炭化水素及び窒素酸化物の浄化に用いられる)及びスート(除去)処理装置においても、排ガスが高温であることが求められる。通常は排ガス温度が500℃を超えなければ、排ガス中の一酸化炭素、炭化水素、窒素酸化物及びスートは効果的に除去できない。よって、関連の内燃機関における排ガス排出多岐管、ターボチャージャーの排ガス駆動部位(圧縮空気による動作部位を除く)、三元触媒処理装置、スート処理装置、及び内燃機関の筐体から上記3つの主要装置までの接続配管、三元触媒処理装置又はスート処理装置に続く一部配管を保温処理することは極めて必要である。
内燃機関の排ガス排出系統における全てのダクト及び機器について、排気多岐管の排ガス入口から大気への排ガス排出出口まで、保温対策に適した部位を保温処理することで、熱量の喪失や、エンジンルームへの熱量拡散によるエンジンルームの高温化を防止する。保温を要する部位については保温材を用いて被覆及び包囲する。
現在一般的とされる方法では、金属シート材料で排気系統の位置を部分的に遮蔽しており、断熱又は保温効果に劣る。本発明では、熱伝導係数の低い材料を保温材として選択するとともに、遮蔽にとどまることなく、排ガスダクトと装置を被覆及び包囲するよう求めている。
内燃機関の排ガス熱量がエンジンルームへ拡散されるとの事態が防止及び低減されるため、エンジンルームにおけるプラスチック・ゴム製品の劣化や着火事故が回避される。結果、ターボチャージャーの駆動により多くの排ガスエネルギーを使用可能となる。圧縮着火式燃焼制御方法による内燃機関の場合、空燃比が高く、排ガス温度が低いことからターボチャージャーの駆動力がやや不足しているため、二重の利点を有することになる。
1.本発明は、内燃機関の排ガス排出系統における保温製品を設計する。当該製品は、金属シート材料によって真空ジャケットユニットを作製し、このような真空ジャケットユニットが、保温を要する排気ダクトや装置の外表面を被覆又は包囲するために用いられることを特徴とする。排ガス排出ダクトやターボチャージャー等の装置の外形構造の複雑さに対しては、保温ジャケットを分割し、ダクト方向に沿って連続的に接続して取り付ける。装着不可能な保温ジャケットは2つ又は複数の部材に分割し、これらの部材を、保温を要するダクト又は装置の外層表面に組み付けたり結合させたりすることで、保温対象機器の外表面を全体的に被覆する。保温ジャケットの組み立て部材には、自動車やその他施設に排ガス排出系統を取り付けたり固定したりするために必要なホルダ又はハンギングロッド用の位置として、隙間や空洞を予め残しておく。保温ジャケット又は保温ジャケットの部材は、箍、ボルト及びナットにより固定接続されるか、或いは、その他従来技術の方法によって固定又は接続される。
1.気筒外予備噴射:吸気行程においてピストンが上死点から下死点に運動することで、空燃比146の93号ガソリンと空気との予混合気を吸引する。
2.気筒内予備噴射:圧縮行程において、エンジンの低速段(回転速度が3000回転/分以下)で噴射器(A)が気筒内に93号ガソリンを2度噴射する。なお、空燃比はそれぞれ140及び73とされる(エンジンの高速段では、回転速度3000回転/分の場合に気筒内へ93号ガソリンを1度噴射する)。
3.本噴射:圧縮行程においてピストンが上死点に到達する前に、燃料噴射器(B)が気筒内に40号ガソリンを噴射する(例えば、回転速度が2800回転/分の場合の噴射位相はCA77°)。なお、空気とこのとき噴射される燃料との比率は70:1とする。本噴射された40号ガソリン燃料は、気筒内の高温・高圧の混合気内で拡散して自然発火する。自然発火する混合気には、先に噴射されて気筒に導入され、予混合された93号ガソリンが一部含まれる。自然発火した混合気の火炎は、(前後3回にわたって)予備噴射されて気筒に導入された93号ガソリンの予混合気に点火する。点火強度が強く、且つ多点点火であることから、予混合気の燃焼速度はたいへん速いが、予混合気の濃度が低いことから、爆燃やノックといった現象が生じることはない。
Claims (13)
- 低オクタン価ガソリンによる均一圧縮着火と拡散圧縮着火とを混合した燃焼制御方法であって、
気筒の圧縮比を12〜22とし、オクタン価69未満の低オクタン価ガソリン又は類似のガソリン燃料を使用し、
燃料噴射は2段階に分けて行われ、第1段階を予備噴射、第2段階を本噴射とし、予備噴射が1段噴射又は多段噴射であり、予備噴射が1段噴射の場合、噴射は内燃機関の吸気行程で発生するとともに、気筒内に燃料の一部を噴射して燃料と空気を予混合し、予備噴射が2回を超える場合、予備噴射のうち最後の噴射は圧縮行程においてピストンが下死点を通過した後且つ本噴射の発生前に生じ、本噴射は圧縮行程で発生するとともに、ピストンが上死点に接近する前に気筒内へ燃料の一部を噴射し、このときに噴射された低オクタン価ガソリン燃料が気筒内の高温・高圧空気内で拡散して自然発火し、本噴射の位相により点火時間が決定され、放熱の中心を上死点後且つ可能な限り上死点寄りとすることを制御の原則とし、自然発火した混合気の火炎は、予備噴射により噴射されて気筒に導入された未着火の混合気に点火するとともに、点火強度が高く、且つ多点点火であり、気筒内の予混合気が点火されて、均一希薄燃料の点火燃焼が実現され、気筒内の温度と圧力が上昇するに伴って、均一希薄混合気の内部に多点自然発火が発生し、均一圧縮着火が実現され、
予混合気の燃料濃度は、圧縮行程において自然発火が生じない最高値を上限とし、動力行程において本噴射燃料の火炎によって順調に点火するとともに順調に燃焼する最低値を下限とし、
低負荷運転時には、単一の拡散圧縮着火による燃焼制御方式でエンジンの運転を制御することから、燃料の予備噴射及び補充噴射なしで燃料の本噴射のみが発生し、
前記燃料の予備噴射又は最初の予備噴射の代わりに、インテークマニホールド又はインレットマニホールドに燃料を噴射する方法を予備噴射として用い、燃料と空気を予混合することで低濃度の均一混合気を生成してから気筒に導入し、
以上の技術対策の補足又は最適化するものとして、
(1)排ガスの一部を循環利用し、新鮮な空気と混合した後に気筒へ導入するか、或いは、排気行程の末端において排ガスの一部を気筒内に滞留させる技術対策、
(2)ターボチャージャー又は機械式過給機を用いて気筒の吸気圧力を高めるか、或いは、ターボチャージャーと機械式過給機を併用する技術対策、
(3)低温始動又は低負荷運転段階において、一般的な点火プラグで点火する燃焼制御方式を採用する技術対策、
(4)電気ヒーターを用いて低温始動時に空気を予熱する技術対策、
(5)電気ヒーターを用いて燃料を予熱することで、燃料を噴射して気筒に導入する際の拡散をより容易とするとともに、本噴射においては、燃料を予熱してから噴射して気筒へ導入することで着火をより容易とする技術対策、のうちの1又は複数を選択することを特徴及びステップとする方法。 - 燃料噴射が、予備噴射、本噴射及び補充噴射を含む3段階に分割され、予備噴射は1段又は2段或いは3段とされ、最初の予備噴射は吸気行程で発生し、予備噴射が多段である場合、最後の予備噴射は圧縮行程における本噴射の前に発生し、第2段階の噴射は本噴射であり、本噴射は圧縮行程においてピストンが上死点に到達する前に発生し、拡散圧縮着火を実現するとともに、本噴射の位相によって点火時間が決定され、制御の原則として、放熱の中心を上死点後且つ可能な限り上死点寄りとし、第3段階の噴射は補充噴射であり、補充噴射は、動力行程においてピストンが上死点を通過した後のCA0〜60°で発生することを特徴及びステップとする請求項1記載の低オクタン価ガソリンによる均一圧縮着火と拡散圧縮着火とを混合した燃焼制御方法。
- エンジンの高速運転状態において多段噴射を実現しやすいよう、気筒ごとに2台の噴射器を用いて噴射するとともに、交互又は同時に気筒内に燃料を噴射することを特徴とする請求項1記載の低オクタン価ガソリンによる均一圧縮着火と拡散圧縮着火とを混合した燃焼制御方法。
- 2種類の異なる燃料噴射器を用い、そのうち低圧燃料噴射器はインテークマニホールド又はインレットマニホールドに燃料を噴射し、高圧燃料噴射器は気筒内部に燃料を噴射することを特徴とする請求項1記載の低オクタン価ガソリンによる均一圧縮着火と拡散圧縮着火とを混合した燃焼制御方法。
- 気筒ごとに2台の噴射器を用いて燃料を噴射する方法において、オクタン価の異なる2種類のガソリンを用い、一方の噴射器は高オクタン価ガソリンを噴射して高オクタン価ガソリンと空気を予混合し、他方の噴射器は低オクタン価ガソリンを噴射し、低オクタン価ガソリンの噴射位相は、圧縮行程においてピストンが上死点に到達する前の位置であり、低オクタン価ガソリンの噴射は本噴射であって点火作用を奏し、低オクタン価ガソリンは、拡散圧縮着火してから予混合された高オクタン価ガソリンの混合気に点火するとともに、燃焼の放熱中心が上死点後且つ上死点寄りとされ、
或いは、3段噴射法に基づき、第3段階の噴射を補充噴射として、動力行程において高オクタン価ガソリンを気筒内に補充噴射することを特徴とする請求項3記載の低オクタン価ガソリンによる均一圧縮着火と拡散圧縮着火とを混合した燃焼制御方法。 - 燃料の噴射制御方法において、気筒ごとに2台の噴射器を用いてオクタン価の異なる2種類のガソリンを噴射するとともに、インレットマニホールド又はインテークマニホールドに燃料噴射器を追加して、燃料の予備噴射の一部として高オクタン価ガソリンを噴射することを特徴とする請求項5記載の低オクタン価ガソリンによる均一圧縮着火と拡散圧縮着火とを混合した燃焼制御方法。
- 請求項1〜6記載の方法に基づいて実現される内燃機関。
- 内燃機関の排ガス排出系統を保温する方法及びその保温製品であって、
内燃機関の排ガス排出系統における全てのダクト及び機器について、排気多岐管の排ガス入口から大気への排ガス排出出口まで、保温措置に適した部位を保温処理することで、熱量の喪失や、エンジンルームへの熱量拡散によるエンジンルームの高温化を防止するか、又は、排気多岐管に接続される内燃機関の筐体部位を同時に保温処理し、保温を要する部位については保温材を用いて被覆及び包囲し、
或いは、内燃機関における排ガス排出多岐管、ターボチャージャーの排ガス駆動部位、三元触媒処理装置、スート処理装置、及び内燃機関の筐体から前記3つの主要装置までの接続配管、三元触媒処理装置又はスート処理装置に続く一部配管について保温処理し、
排ガス系統のホースについては、軟性の保温材を用いて被覆及び包囲することで保温処理することを特徴及びステップとする方法及び製品。 - 内燃機関の排ガス排出系統における保温製品及び保温方法であって、
金属シート材料によって真空ジャケットを作製し、保温を要する排気ダクト又は装置の外表面を被覆又は包囲し、排ガス排出ダクトやターボチャージャーの外形構造の複雑さに対しては、保温ジャケットを分割し、ダクト方向に沿って連続的に接続して取り付け、装着不可能な保温ジャケットは2つ又は複数の部材に分割し、これらの部材を、保温を要するダクト又は装置の外層に組み付け或いは結合させることで、保温対象機器の外表面を全体的に被覆し、保温ジャケットの組み立て部材には、自動車又はその他施設に排ガス排出系統を取り付け或いは固定するために必要なホルダ又はハンギングロッド用の位置として、隙間や空洞を予め残しておき、
保温ジャケット又は保温ジャケットの部材は、箍、ボルト及びナットにより固定接続されるか、或いは、その他従来技術の方法によって固定接続される製品及び方法。 - 内燃機関の真空ジャケット付き排ガス排出管において、密封された積層ダクト構造を用い、ダクト製造過程で積層を真空引きするとともに、ダクト使用過程では積層内部を相対真空に維持してダクト内側に排ガスを流動させ、真空断熱作用によって、排ガスからダクト内壁に伝わる熱量をダクト外壁に伝わりにくくすることで排ガスを保温し、
真空ジャケット付き排ガス排出管は、排ガス排出多岐管、サイレンサ、及び排ガス系統の各種装置及び部品を接続するダクトを含むことを特徴とする請求項9記載の内燃機関の排ガス排出系統における保温方法。 - ターボチャージャーにおいて、排ガス駆動タービン部位の外表面に金属シート材料からなる真空ジャケットケーシングを有し、積層内部が相対真空に維持され、積層を利用して真空保温することを特徴とする請求項9記載の内燃機関の排ガス排出系統における保温方法。
- 内燃機関の排ガス三元触媒処理装置において、外表面に金属シート材料からなる真空ジャケットケーシングを有し、積層内部が相対真空に維持され、積層を利用して真空保温することを特徴とする請求項9記載の内燃機関の排ガス排出系統における保温方法。
- 内燃機関のスート除去処理装置において、外表面に金属シート材料からなる真空ジャケットケーシングを有し、積層内部が相対真空に維持され、積層を利用して真空保温することを特徴とする請求項9記載の内燃機関の排ガス排出系統における保温方法。
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