JP2017514060A - 分割式燃料吸入機構および個々の燃焼プロセスを有する内燃機関 - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも１つの燃焼チャンバ、好ましくは複数の燃焼チャンバ（１）を備える燃焼機関であって、各燃焼チャンバに、シリンダ（３）内で運動するピストン（２）と、少なくとも１つの吸入バルブ（５）を備えるシリンダヘッド（４）と、少なくとも１つの排気バルブ（６）と、少なくとも１つのスパークプラグ（７）と、吸気ポート（１３）と、エンジン負荷を制御するスロットル（８）とが配設された、燃焼機関を提供する。燃焼チャンバ（１）は、２次燃料を直接燃焼チャンバ（１）内に、スパークプラグ（７）の方向で噴射する２次噴射手段（１４）と、２次燃料としてのガスを前記２次噴射手段（１４）に供給する２次燃料供給手段（１５）とを備える。圧縮空気の供給手段（１６）および前記２次噴射手段（１４）に空気とガス燃料との混合気を供する混合手段が、理論空燃比をλ＝１に保持することを容易にする。

Description

本発明は、分割式燃料吸入機構を有する内燃機関およびそれぞれの燃焼方法に関する。

圧縮天然ガス（ＣＮＧ）、バイオガス、埋立地ガス、さらには可燃性合成ガスのような気体燃料、またはガソリン、メタノール、エタノールなどのような気化液体燃料を使用する内燃機関は、理論空燃比（λ＝１）またはリーン空燃比（λ＞１）で作動させることができ、任意選択で排気再循環（ＥＧＲ）を用いて作動させることができる。その代わりにあるいはそれに加えて、そのような種燃焼機関は、ターボチャージャ、スーパーチャージャなどを用いてブーストして使用することができる。特に、排気再循環、超高過給レベル、または高過剰空気が用いられたとき、混合気の引火性が低下し、その結果、高エネルギーのスパーク点火システム、予熱チャンバ、またはパイロット噴射システムを使用する必要がある。高エネルギーのスパーク点火システムは、スパークプラグの耐久寿命が低下するという欠点を有する。２次ディーゼル式燃料噴射をその殆どが用いる最新技術によるパイロット噴射システムは、ロジスティカル（logistical）な問題を生じさせる２重システムの短所を伴いながら使用する必要がある。

特開平７−６３０７６から、その文書の第２の実施形態によって、ポートに気化燃料が吸入され、着火前にスパークプラグに向けて少量の天然ガスが直接噴射される燃焼機関が知られている。特開平７−６３０７６のこの実施形態による構想は、難着火性混合気の着火性（引火性）を向上することを対象とし、λ＞１のリーン燃焼には適切であるが、そのような手法は、理論空燃比（λ＝１）での作動には有効ではない。

ＷＯ０１／９８６４３Ａ２では、燃料または空気／燃料混合気の少なくとも１つをイグナイタの送出間隙に供給するイグナイタおよび燃料供給機構を有するシステムを開示する。ＷＯ０１／９８６４３Ａ２の思想は、着火源を通して燃料を送出し、燃焼チャンバ内の燃料の品質を向上させることである。したがって、ＷＯ０１／９８６４３Ａ２のシステムは、チャンバ噴射燃料供給に限られ、内燃機関の場合には燃焼チャンバ噴射燃料供給に限られる。主燃料供給として吸気ポート内に燃料を噴射する内燃機関の場合には、ＷＯ０１／９８６４３Ａ２のシステムは、ＷＯ０１／９８６４３Ａ２の発明の思想による対策を最適な態様で使用することはできない。さらに、着火システムを通す、すなわちイグナイタの送出間隙を通す燃料噴射は、燃料噴射の極めて複雑な態様であり、発明の目的によれば回避されるべきである。

ＤＥ１０２０１００４８８２３Ａ１では、気体燃料を燃焼チャンバ内に供給する燃料噴射システムが開示されている。燃料噴射器はシリンダヘッドに配置されている。燃焼チャンバ内へ噴射される燃料の方向は、燃焼チャンバ内への燃料噴射の以前の全ての実施形態に従って、ＤＥ１０２０１００４８８２３Ａ１による噴射の目的として明示されている様々な燃料の成層を行うために水平である。ＤＥ１０２０１００４８８２３Ａ１の方法は、主として、既存チャンバ設計の換装に有利であり得る。ただし、ＤＥ１０２０１００４８８２３Ａ１の噴射の効果は、良好な成層に限定される。

ＥＰ１２２３３２１Ａ２には、直接燃料噴射のみによる内燃機関が開示されている。ＤＥ１０２０１００４８８２３Ａ１におけるように、ＥＰ１２２３３２１Ａ２は、圧縮天然ガスと空気との混合気を従来通りに燃焼チャンバ内に噴射することを提案し、それは、燃料／空気混合気が、スパークプラグから下方に離れて噴射され、可燃ガス／空気混合気が、シリンダの運動、すなわち圧縮によって、スパークプラグの近傍にもたらされることを意味する。

第１の態様によれば、本発明は、理論空燃比（λ＝１）またはリーン燃焼（λ＞１）での作動と共に、スパークプラグを使用する難着火性混合気の安定で強靭な引火性を可能にする分割式気体燃料内燃機関を提供することを目的とする。第２の態様によれば、本発明は、分割式気体燃料燃焼機関において、理論空燃比（λ＝１）またはリーン燃焼（λ＞１）と共に、スパークプラグを使用する難着火性混合気の安定で強靭な引火性を可能にするエンジン作動方法を提供することを目的とする。

前述の態様による本発明の目的は、請求項１に記載の装置および請求項７に記載の方法によってそれぞれ解決される。吸気マニホルド内に噴射される主燃料は、空気との良好な混合特性を有するいかなる燃料でもよく、スパーク着火特性が低くても高くてもよく、好ましくは、吸気マニホルド内に噴射される圧縮天然ガス、バイオガス、埋立地ガス、水素、または可燃合成ガスである。その代わりに、気化ガソリン、メタノール、エタノールのような他のガスを使用することもできることに留意されたい。燃焼チャンバ内に直接噴射される第２の燃料は、上記の列挙によるいずれか、または他の任意のガスであり、場合によっては不燃性ガス（空気、排気ガス）である。本発明の対策は、スパーク着火品質が、２次燃料混合気を直接スパークプラグの方向に噴射することによって著しく改善される効果を第１に有する。さらに、本発明は、スパークプラグの周囲に局部的に、異なる空燃比のみではなく、異なる流れ場／微小乱流状態を維持するために効果的なパラメータを提供し、それらパラメータは、２次燃料混合気の（天然）ガス燃料対空気比、２次燃料混合気の量、噴射された混合気の貫徹長さ（ペネトレーション長さ）、および噴射のタイミングである。

燃焼機関が、空気と燃料の混合比、および／または混合手段の混合気の量、および／または２次噴射手段によって噴射される混合気のペネトレーション長さを制御または調節する制御手段または調節手段を備えるとき、さらに制御および／または調節することが可能である。混合気の量は、たとえば噴射の開始を固定したときのシリンダの運動の位相に対する噴射の終端によって、またはその逆によって、制御または調節することができる。２次噴射手段によって噴射される混合気のペネトレーション長さは、噴射される混合気の噴射圧力によって制御または調節することができる。外部ガス再循環制御バルブと、前記外部ガス再循環制御バルブを制御する制御手段とを備える排気ガス再循環接続手段が使用されると有利であり得る。

有利な一作動方法は、各シリンダサイクルについて、噴射が行われない複数、少なくとも２つの噴射間隔によって実現することができる。

非正規の作動モード、すなわち非常の場合には、１つまたは複数のシリンダが、２次噴射手段のみの噴射によって作動させられる。

有利な作動モードは、ポートが主燃料噴射器を備え、主燃料噴射器と２次燃料噴射器とに同じ気体燃料が使用されるときである。

本発明により使用される前述の要素ならびに特許請求の範囲および以降の例示的実施形態に記載の要素は、その寸法、形状、使用材料、および技術的設計に関していかなる特定の条件も排除するものではなく、その結果それぞれの応用分野で知られている選択基準を制約なしに用いることができる。本発明を実施するために使用される全ての手段は、特定の設計に限定されないことに留意されたい。

エンジンの例が、以降、図面を参照してより詳細に説明される。

本発明の好ましい実施形態による燃焼機関のシリンダの関連要素の概略図である。 図１による燃焼機関の使用法の考えられる制御体系である。 図１による燃焼機関の正常モードでの燃料供給状態のタイミング線図である。 図１による燃焼機関の非正規（「非常」）モードでの燃料供給状態のタイミング線図である。 図１による燃焼機関の排気ガス上昇モードでの燃料供給状態のタイミング線図である。

図１は、燃焼チャンバ（１）、シリンダ（３）内で運動するピストン（２）、吸入バルブ（５）を備えるシリンダヘッド（４）、排気バルブ（６）、およびポート（１３）のような従来の要素を備える燃焼機関の一部分を示す。本発明のこの実施形態による燃焼機関には、着火用に少なくとも１つのスパークプラグ（７）が設けられている。

この内燃機関用の燃料（１２）が、ガス噴射器（１１）を使用して吸気ポート（１３）内で混合される。図１の実施形態によれば、燃焼チャンバ（１）内部の既に燃焼したガスの量は、ＥＧＲ制御バルブ（１０）を有する外部ＥＧＲ（９）を使用して、または吸気（５）および排気（６）ガス交換バルブのタイミングをそれに応じて設定することによって制御される。エンジン負荷は、ＥＧＲの量と組み合させてスロットル（８）を使用して、また任意選択でターボチャージャ、スーパーチャージャなどのようなブースト装置を制御することによって制御される。

燃料（１２）とは、種々の液体または気体燃料タイプを意味することに留意されたい。通常の液体燃料は、ガソリン、メタノール、またはエタノールである。通常の気体燃料は、主としてメタン、水素、プロパン、ブタン、一酸化炭素から成り、窒素、二酸化炭素、または空気のような不活性成分を含むことのあるガスである天然ガス、バイオガス、埋立地ガス、合成ガスである。

混合気の引火性が不十分である作動条件では、燃焼チャンバ（２）内に直接噴射することができる２次燃料噴射器（１４）が、着火に先立って、または連続着火が行われる場合には最初の着火に先立って、追加のガス（１５）および空気（１６）の少量の混合気を噴射し、それによって、良好な引火性の空気／燃料混合気（化学量論比および流れ場／微小乱流に関して）がスパークプラグ（７）の周囲に確立されるようにする。

燃焼チャンバ内の全体の空燃比は所望のレベル（λ＝１またはリーン）に留まる。良好な引火性を、２次燃料噴射器の空燃比、混合気の量、ならびに直接噴射された混合気のペネトレーション長さを設定することによって制御することができる。引火性の向上の効果は、スパークプラグの周囲の混合気の化学量論比を制御するだけではなく、迅速で安定した火炎核の形成が行われるように流れ場を操作することによって達成される。

直接燃料噴射器である２次燃料噴射器には、燃料ガスと空気との混合気を供給することができ、その空気は加圧済みでもよく、加圧済みでなければ噴射器内で空気の圧力上昇を行う必要があることに留意されたい。あるいは、２次燃料噴射器は、前以て混合された燃料と空気との混合気を使用することができる。

エンジンシステムの制御は、主として最低燃料消費量、最低汚染物質排出、および良好な操縦性である所期の目標を達成するように設計される。これは、ポート燃料と直接噴射との間の配分（量、特性、タイミング、圧力）を新たな操作量にしながらそれぞれの操作量にフィードフォワードおよびフィードバック制御手法を用いて行われる。最適な制御構造は、通常、エンジンシステムの数値モデル化によって見出され、最良のパラメータは、通常、エンジンテストベンチでの実験の助けを得て見出される。考えられる制御体系が図２に示される。この体系は、ポート燃料噴射および直接噴射経路を使用して、直接噴射の噴射タイミング、圧力、および空燃比をそれに応じて設定することによってλの制御を可能にする。

通常のモードでは、ポート燃料噴射は、通常、吸入行程中に行われ、直接噴射は、着火前の圧縮行程中に行われる。直接噴射状態の正確な位相設定は、エンジンの設計および作動点に依存し、通常、数値シミュレーションおよび／または実験を用いて見出される。通常モードによる典型的なタイミング線図が図３に示される。

ポート燃料噴射器に不具合が生じた場合、直接噴射モードが引き延ばされ、それによって、エンジンは、「非常モード」でなおも作動させることができる。そのような「非常モード」による典型的なタイミング線図が図４に示される。

排気ガス温度を上昇させる必要がある場合（たとえば、排気ガス処理装置の熱管理のために）、追加の直接噴射状態を膨張行程中に（排気バルブを開く前に）設けることができる。そのような「温度上昇モード」による典型的なタイミング線図が図５に示される。

１ 燃焼チャンバ
２ ピストン
３ シリンダ
４ シリンダヘッド
５ 吸入バルブ
６ 排気バルブ
７ スパークプラグ
８ スロットル
９ 排気ガス再循環
１０ 排気ガス再循環制御バルブ
１１ 主燃料噴射器
１２ 主燃料供給
１３ ポート
１４ ２次燃料噴射器
１５ ２次燃料供給
１６ 空気供給

Claims (14)

1. 少なくとも１つの燃焼チャンバ、好ましくは複数の燃焼チャンバ（１）を備えている燃焼機関であって、
   各燃焼チャンバには、シリンダ（３）内で運動するピストン（２）と、少なくとも１つの吸入バルブ（５）を備えているシリンダヘッド（４）と、少なくとも１つの排気バルブ（６）と、少なくとも１つのスパークプラグ（７）と、主燃料噴射器またはキャブレタを有している吸気ポート（１３）と、エンジン負荷を制御するスロットル（８）と、が配設され、
   前記燃焼チャンバ（１）は、２次燃料を直接前記燃焼チャンバ（１）内に噴射する２次噴射手段（１４）と、２次燃料としてのガスを前記２次噴射手段（１４）に供給する２次燃料供給手段（１５）とを備えている、燃焼機関において、
   ２次燃料を直接前記燃焼チャンバ（１）内に噴射する前記２次噴射手段（１４）は、前記２次燃料が前記スパークプラグ（７）の方向に噴射されるように配置され、
   前記燃焼機関は、
   加圧空気の供給手段（１６）と、前記２次噴射手段（１４）に空気とガス燃料との混合気を供する混合手段と、をさらに備えており、
   − 前記２次噴射手段（１４）によって噴射される前記混合気の噴射圧力を制御することによって、前記２次噴射手段（１４）によって噴射される前記混合気のペネトレーション長さを制御する制御手段と、
   − 前記２次噴射手段（１４）によって噴射される前記混合気の噴射圧力を調節することによって、前記２次噴射手段（１４）によって噴射される前記混合気のペネトレーション長さを調節する調節手段と、
   のうち少なくとも１つをさらに備えていることを特徴とする燃焼機関。
2. 前記混合手段の空気とガス燃料との混合比を制御する制御手段を有していることを特徴とする、請求項１に記載の燃焼機関。
3. 前記調整手段は、前記混合手段の空気とガス燃料との混合比を調節するように構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の燃焼機関。
4. 前記２次噴射手段（１４）によって噴射される前記混合気の量を、好ましくは噴射の終了を制御することによって、制御する制御手段を有していることを特徴とする、請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の燃焼機関。
5. 前記調整手段は、前記２次噴射手段（１４）によって噴射される前記混合気の量を、好ましくは噴射の終了を調節することによって、調節するように構成されていることを特徴とする、請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の燃焼機関。
6. 外部ガス再循環制御バルブ（１０）と、前記外部ガス再循環制御バルブを制御する制御手段と、を備える排気ガス再循環接続手段（９）を有していること特徴とする、請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の燃焼機関。
7. 加圧空気が供給され、前記２次ガスと混合され、前記２次噴射手段（１４）に供され、噴射されることを特徴とする、請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の燃焼機関を作動させる方法。
8. 前記混合気を、着火の前に、または、連続着火の場合には最初の着火の前に噴射することを特徴とする、請求項７に記載の方法。
   
9. 前記混合手段の空気とガス燃料との混合比を制御手段によって制御することを特徴とする、請求項７または請求項８に記載の方法。
10. 前記２次噴射手段（１４）によって噴射される空気とガス燃料との前記混合気の量を制御手段によって制御することを特徴とする、請求項７ないし請求項９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記２次噴射手段（１４）によって噴射される前記混合気のペネトレーション長さを制御手段によって制御することを特徴とする、請求項７ないし請求項１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 各シリンダサイクルについて、噴射が行われない少なくとも２つの噴射間隔であることを特徴とする、請求項７ないし請求項１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記燃焼機関が、１つまたは複数のシリンダについて前記２次噴射手段（１４）のみの噴射によって作動させられることを特徴とする、請求項７ないし請求項１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記ポートが主燃料噴射器を備え、前記主燃料噴射器と前記２次燃料噴射器とに同じ気体燃料が使用されることを特徴とする、請求項９ないし請求項１３のいずれか一項に記載の方法。
    
    

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