JP2021527179A - 自己清掃式燃焼エンジンの窓部 - Google Patents

Abstract

内燃エンジンにおける改良型燃焼監視は、燃焼室の側壁を通過する光学ポートによって行われ、ポートの前面を通過するピストンリングの払拭動作によりこの前面が清掃され得る。リングにより分散されるオイルの薄膜は、汚損堆積物の付着を減少させる。
【選択図】 図１

Description

（関連出願の相互参照）
本願は、２０１８年６月６日に出願された米国仮特許出願第６２／６８１，４８５号の優先権を主張し、その開示は参照により本明細書に組み込まれる。

本発明は、内燃エンジン、特にエンジン制御の為の精密燃焼測定システムに関する。

最新の内燃エンジンは、エンジン効率を上昇させる、及び／又は、望ましくない排出物を削減するように燃焼を管理する為の高性能制御システムを備える。このような制御システムは、点火タイミングと燃料のタイミング及び量とバルブタイミングとを調節して、エンジン内の燃焼条件を可変の負荷、燃料グレード、そして環境条件での目標状態に調節し得る。

最適な燃焼に望ましい目標状態は不安定であり、その理由から、制御システムは、燃焼プロセスが進行する際にこれを常に監視して制御出力を再計算しなければならない。この目的の為に、燃焼室内の燃焼ガスの燃焼温度及び他の特徴についての正確な知識を得ることが重要である。このような情報は入手が困難である。調査の為の試験用内燃エンジンは、燃焼プロセスの直接的な監視を可能にする内燃室の窓部を備える。しかしながら、窓部は煤その他による汚損を受け、定期的な清掃を必要とする。この定期的清掃の要件により、このような燃焼室窓部は商用エンジンにはほぼ非実用的となる。

本発明では、ピストンのピストンリングにより払拭されて遮蔽粒子状物質を除去する箇所でシリンダ壁に燃焼室窓部を設置する。この位置に設置される窓部は、ピストンリングによりシリンダ壁に分散される汚濁オイルによる被覆が不可避であるので、シリンダ壁は窓部箇所の候補として好ましくないように思われる。しかしながら、発明者らは、制御された薄い汚濁オイル層は吸光分析に充分な透過を可能にすると判断した。その結果、商用エンジンでの長期間使用に適したリアルタイム燃焼ガス分析を行うことのできるシステムが得られた。

そして具体的に記すと、本発明は、シリンダヘッドを終端とする円筒通路となる燃焼室を有する内燃エンジンを備える。ピストンは、円筒通路内で摺動往復する大きさであり、ピストンを囲繞して外向きに弾性付勢されてピストンの移動により円筒通路の内壁と係合する少なくとも一つのピストンリングを含む。燃焼室は、円筒通路の内壁を通って燃焼室に出入する光を通過させる少なくとも一つの窓部を内壁に含み、窓部の内面は、ピストンの往復による内壁でのピストンリングの移動によって光学的遮蔽汚濁物が清掃される内面に近接して配置される。

故に、燃焼ガスの光学的測定の為の窓部を燃焼室に設けて、窓部が長期間の汚損に対する耐性を備えることで標準的な商用エンジンに適したものになることが、本発明の少なくとも一つの特徴である。

内燃エンジンはさらに、ピストンの移動により円筒通路の内壁と窓部とに分散されるオイルをピストンの開口部を通って吐出する潤滑システムを含み得る。

故に、損害を与える汚損堆積物の初期付着に対して窓部を保護するオイル層を使用することが、本発明の少なくとも一つの実施形態の特徴である。

窓部は円筒室の内壁から内向きにオフセットし得る。

故に、初期エンジン作動中にオイルの保護層を保存することと、シリンダ摩耗に順応することとが、本発明の少なくとも一つの実施形態の特徴である。発明者は、汚れたオイルの薄い層が光学測定に順応し得ることで長寿命のシステムを可能にすると判断した。

窓部は、１５０マイクロメートル未満、そして幾つかの実施形態では５０マイクロメートル未満だけ内向きにオフセットし得る。

故に、ピストンリングが汚損堆積物を除去して薄いオイル層のみを残すようにピストンリングの充分近くに窓部を配置することが、本発明の少なくとも一つの実施形態の特徴である。

内燃エンジンは、燃焼室の外側に配置されて少なくとも一つの窓部を通して光を受容する電子光センサと電子発光器のうち少なくとも一つを含み得る。エンジンは、電子光センサと電子発光器のうち少なくとも一つと通信して燃焼室内のガスによる吸光の測定値を提供する光学分光器を含み得る。

故に、ガス温度を含む多様な測定を提供できるような燃焼ガスの分光分析を可能にすることが、本発明の少なくとも一つの実施形態の特徴である。

光学分光器は、燃焼エンジンの温度範囲内での水蒸気の吸光を測定し得る。

故に、燃焼温度の代用としての水蒸気の測定を可能にすることが、本発明の少なくとも一つの実施形態の特徴である。

エンジンは、燃費、パワー、排出物削減のうち少なくとも一つの為に内燃エンジンの作動を最適化する記憶済みプログラムに従って、光学分光器から温度測定値を受容して燃料吐出システムを制御する為の制御装置を含み得る。

故に、燃焼ガスの直接的な測定により可能となる一層精密なエンジン制御を行うことが、本発明の少なくとも一つの実施形態の特徴である。

窓部は、３ミリメートル未満の直径を有し得る。

故に、最小構造の効果と必要な耐圧性とを伴う燃焼シリンダ壁への容易な一体化を行うことが、本発明の少なくとも一つの実施形態の特徴である。

窓部は、円筒通路を画定するシリンダと整合及び適合するシリンダの一区分であって燃焼室に内向きに対向する表面を有し得る。

故に、ピストンリングが通過する広い間隙エリアの為に最適化された窓部を設けることが、本発明の少なくとも一つの実施形態の特徴である。

内燃エンジンは、シリカとサファイアとで構成される群から選択される物質で構築される窓部を含み得る。

故に、耐摩擦摩耗性で長寿命の窓部物質を用意することが、本発明の少なくとも一つの実施形態の特徴である。

軸線上に延在してピストンとクランクシャフトとの間を連通する接続ロッドとの旋回ジョイントとなるピストンピンをピストンが備えて、円筒通路の対称軸線を中心として測定されるとピストンピンの軸線の垂直面の４５度以内で円筒通路の内壁に窓部が配置され得る。付加的又は代替的に、下死点箇所の上方、そして上死点及び下死点の位置の間の中心点の下方に、窓部が配置され得る。

故にシリンダ摩耗が最小である領域に窓部を配置して窓部寿命を最大にすることが、本発明の少なくとも一つの実施形態の特徴である。

これら特定の目的及び利点は、請求項に含まれる幾つかの実施形態のみに適用され得るもので、発明の範囲を規定していない。

エンジンのシリンダ壁に一つ以上の窓部を備えてこれらの窓部を通した吸光分析を可能にする本発明の一実施形態によるエンジンのブロック図である。 図１のシリンダ壁の一つの窓部とピストンとを通る立断面図であり、ピストンは、窓部エリアを掃引する多数のピストンリングを備える。 一つの窓部の後方に発光器と受光器の両方を備える実施形態においてシリンダ壁面への窓部の高い近接性を示す図２の窓部エリアの拡大図である。 ピストンと間隙の接近を促進する窓部の湾曲を示す、図２及び３の窓部を通る水平面における断面図である。 それぞれ発光器及び投光器と関連する二つの対向窓部を備える代替実施形態を示す、図２及び３の平面における立断面図である。

さて図１を参照すると、例えば鋼又は鋳鉄で形成されて、上端部でシリンダヘッド１６を終端とする円筒通路１４を備える一つ以上の燃焼室１２が、燃焼エンジン１０に設けられ得る。

シリンダヘッド１６は、対応のバルブ２２，２４を有するバルブ開口部１８，２０を備え得る。バルブ２２は、燃焼室１２から排気マニホルド２６を通る排気ガスの放出を制御し得る。バルブ２４は、吸気マニホルド２８への空気及び燃料の受容を制御し、吸気マニホルドは従来設計の燃料噴射器３０を含む。代替的に、燃料噴射器３０がシリンダヘッド１６に直接設置されて燃焼室１２へ燃料を直接的に噴射し得ることが認識されるだろう。

ガソリンエンジンについては、燃焼室１２内に露出する電極を有する点火プラグ３２をシリンダヘッド１６が支持し得る。しかしながら、本発明は、点火プラグ３２が必要とされないディーゼルエンジンにも等しく適用可能である。

略円筒形状を有するピストン３４は、円筒通路１４に嵌着して、矢印３６で示されているようにその近くにおいて往復動作で摺動する。この往復動作は、下死点３８と上死点４０の位置の間でピストン３４を移動させる。径方向に圧縮されて、円筒ピストン壁から径方向外向きに開口するピストン３４の対応スロットに嵌着する一組の円形金属リングであるリングパック４２をピストン３４の上縁部が含む。リングパック４２のリングは外向きに伸張して、ピストン３４と円筒通路１４の内壁との間に密着シールを形成する。

ピストン３４を接続ロッド４４に装着するリストピン４６をピストン３４が備えて、接続ロッドはクランクシャフト（不図示）に装着される。リストピン４６により、ピストン３４は旋回軸線４８上で接続ロッド４４に対して旋回して、クランクシャフト装着部の偏心移動に順応するとともに、ピストン３４を実質的に直線上で上下に移動させることができる。

さて図２も参照すると、ピストンリングパック４２は一般的に、ピストン３４の周りで周方向に延びてピストンシリンダの径方向対称軸線であるピストン３４の中心軸線と同軸に整合される一つ以上の圧縮リング５０も含む。上記のように、圧縮リング５０がピストン３４とともに上下に移動して円筒通路１４の円筒内壁面５６で摺動するように、これらの圧縮リングはピストン３４の外周部５４の対応の凹溝５２に嵌着する。シリンダヘッド１６に対して圧縮リング５０の下方に配置されているのは、一つ以上のオイルリング５８である。これらのオイルリング５８もピストン３４とともに上下に移動するが、ピストン３４を通るオイル通過部６０と連通してピストン３４の内側からオイル通過部６０及びオイルリング５８を通る潤滑オイルの経路となって、ピストン３４の往復動作３６により円筒通路１４の内壁面５６へオイルの膜を吐出する内部通路を含む。

再び図１を参照すると、本発明は、燃焼室１２の円筒通路１４の壁を通る第１及び第２光学ポート６２ａ，６２ｂの一方又は両方を備える。これらの光学ポート６２は、エンジンの作動中に燃焼室に出入する光の通過を可能にし、燃焼室１２内のガスによる吸光の測定値の電気的測定を行う一つ以上の光学アセンブリ６４と連動し得る。

理想的には、シリンダの摩耗及び汚損が低減された領域を表すような下死点３８と上死点４０との間の中心点より下に光学ポート６２が設置される。さらに、軸線４８と整合された垂直面でのピストン３４の回転自由度の制限の結果としてスカッフィングが低減するシリンダ箇所に相当する平面に、光学ポート６２が概ね設置され得る。理想的には、円筒通路１４の対称軸線について測定されると、この平面から４５度以内に光学ポート６２が設けられる。

やはり図１を参照すると、光学アセンブリ６４は、よく理解されている原理に従って作動して燃焼室１２を通過する光の吸光線周波数を測定し、こうして化学反応種及び温度の両方の量的測定値を提供する分光器６６の一部であり得る。後者のケースでは、温度に応じて変化する水蒸気の吸光線から温度が推定されて他の吸光ピークから隔離され得る。

分光器６６は例えば、広帯域光センサにより強度が測定される光学アセンブリ６４を使用して掃引周波数光源となるか、周波数識別センサ又は他の周波数識別機構を備える広帯域光源となり得る。本発明では、光学格子、フィルタ、その他を含むがこれらに限定されない他の可能な分光器設計が想定される。

分光器６６は、例えばプロセッサ７２を有するとともに電子メモリ７４に記憶されたプログラムを実行して燃焼エンジン１０を制御するエンジン制御装置７０と通信し得る。特に、エンジン制御装置７０は、点火プラグ３２のタイミング、バルブ２４，２２（カム機構は不図示）のタイミング、燃料噴射器３０のタイミング、各サイクル中に燃料噴射器３０により噴射される燃料の量を制御し得る。概して、エンジン制御装置は、当該技術で概ね理解されているように燃費、パワー、排出物の客観的機能に関してエンジン作動状態を最適化する、これらの制御パラメータの組み合わせを規定するエンジンモデルマップ７８を使用して作動する。

さて図２及び３を参照すると、ピストン３４の往復動作３６によりリングパック４２が光学ポート６２の露出面を掃引して汚損堆積物その他を除去するように、光学ポート６２が配置される。一実施形態では、燃焼室に対向する透光性のディスク形状窓部６５が光学ポート６２に見られる。窓部６５は、３ミリメートル未満、理想的には１ミリメートル未満の直径を有し、シリカ（石英）又は合成サファイアなど頑丈な物質で構築され得る。窓部６５は概して、圧入、接着剤、又はガラス金属接合技術により、シリンダ壁に直接、あるいは密閉、蝋接、又は他の手法で装着されたシリンダ壁のインサート内に保持され得る。

透光性窓部６５の内面は、円筒通路１４の内壁面５６と同一平面であり得るか、２００ミクロン未満、一般的には１５０ミクロン未満、幾つかのケースでは５０ミクロン未満の陥凹量６７だけ陥凹し得る。この陥凹量６７により、（一般的には０．５ミリメートルまでの）シリンダ摩耗が円筒通路１４の直径を増加させて、透光性窓部６５が腐食後の内壁面５６から突出して損傷を受けるリスクが軽減される。この陥凹量６７は、オイル７１の保護層が初期使用中に窓部６５を被覆するのを促進し、不完全燃焼燃料の煤その他を含む光遮蔽粒子７３の付着の防止に役立つ。窓部表面でのピストンリングパック４２の動作は、これらの遮光性粒子を取り除いてオイル層を再生する。

本発明の発明者らは、本願の分光法システムが、幾つかの遮光粒子を保持する汚れたオイル７１の薄い層を通して作動可能であると判断した。このようなオイル７１は、窓部６５につき２０デシベル未満の減衰を発生させて、ガス相吸光分析に充分な合計で少なくとも１００万のうち１００の割合の視線透過性が得られる。

図３に示されている、単一光学ポート６２を有する単一窓部システムについて、電子発光器７５及び電子光検出器７６は、窓部６５のすぐ後方に設置されて隔離不透明スペーサ７９により互いに分離され、水蒸気による選択的吸光の為に発光器７５により燃焼室１２へ光を投射させ、分光器６６と電子的に通信し得る光検出器７６による測定の為に光を戻す。発光器７５と光検出器７６との分離は、感度軸線を実質的に平行に維持しながら、内部反射を低減させて燃焼室１２の奥での吸光測定を促進する。

図５に示されている代替的な設計では、軸線４８（図１に図示）と平行な軸線８０に沿って燃焼室１２で径方向反対に設置されるポート６２ａ，６２ｂを有するポートシステムが使用され得る。上記と同様の発光器７５及び光検出器７６が、これら二つの異なる光学ポート６２ａ，６２ｂの対応窓部６５の一方の後方に個々に設置されるか、図のように、光ファイバケーブル８２が光学ポート６２ａ，６２ｂの各々から出て、光を対応の窓部６５に対して出入させる。このケースで、光ファイバケーブル８２は、レンズ８４の境界面を通して窓部６５から光を収集するか、これに結合されて光を発し、遠隔箇所の電子発光器７５又は電子光検出器７６の何れかと通信し得る。

図４を参照すると、各窓部６５の内向き露出面には回転対称軸線を中心として円筒通路１４の半径８５と実質的に等しい半径が与えられ得る。こうして、窓部６５の前面は可能な限りリング５０，５８の近くに保持されて、これらのリングにより提供される払拭動作を利用して遮蔽層の厚さを減少させ得る。

ある種の用語は参照のみを目的として本書で使用され、故に限定の意図はない。例えば、”ｕｐｐｅｒ（上方の）”，“ｌｏｗｅｒ（下方の）”，“ａｂｏｖｅ（上方に）”，“ｂｅｌｏｗ（下方に）”のような語は、参照される図面における方向を指す。“ｆｒｏｎｔ（前部）”，“ｂａｃｋ（後部）”，“ｒｅａｒ（背部）”，“ｂｏｔｔｏｍ（底部）”，“ｓｉｄｅ（側部）”のような語は、検討対象の構成要素を表す本文及び関連の図面の参照により明白になる、一貫性があるが任意の参照枠組み内での構成要素の部分の配向を表す。このような用語は、上で明確に言及された単語、その派生語、そして同様の重要性を持つ単語を含み得る。同様に、構造に言及する“ｆｉｒｓｔ（第１の）”，“ｓｅｃｏｎｄ（第２の）”、そして他のこのような数についての語は、文脈により明記されない限り手順又は順序を暗示していない。

本開示及び例示的な実施形態の要素又は特徴を導入する時に、冠詞“ａ”，“ａｎ”，“ｔｈｅ”，“ｓａｉｄ”は、このような要素又は特徴のうち一つ以上が設けられるという意味であることが意図されている。“ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（を包含する）”，“ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ（を含む）”，“ｈａｖｉｎｇ（を有する）”の語は包括的であることが意図されており、明記されたもの以外の付加的な要素又は特徴が設けられることを意味している。本書に記載される方法ステップ、プロセス、操作は、実施の順序として明確に特定されていない限り、記載又は図示された特定の順序での実施を必ず必要とするものと解釈されてはならないことが、さらに理解されるはずである。付加的又は代替的なステップが採用され得ることも理解されるはずである。

“ａ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ（制御装置）”及び“ａ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ（プロセッサ）”、あるいは“ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｅ（分光器）”及び“ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ（プロセッサ）”の言及は、独立型及び／又は分散型の環境で通信すること可能であり、故に他のプロセッサと有線又は無線通信を介して通信するように構成され得る一つ以上のプロセッサ又はデバイスを含むと理解され、このような一つ以上のプロセッサは、類似又は異なるデバイスであり得る一つ以上のプロセッサ制御デバイスで作動するように構成され得る。さらに、メモリの言及は、他に明記されない限り、一つ以上のプロセッサ可読かつアクセス可能なメモリ要素、及び／又は、プロセッサ制御デバイスの内部にあるかプロセッサ制御デバイスの外部にあって有線又は無線ネットワークを介してアクセスされ得る構成要素を含み得る。

本発明は、本書に含まれる実施形態及び実例に限定されないことが明確に意図されており、実施形態の部分を含む実施形態の変形と、以下の請求項の範囲に含まれる多様な実施形態の要素の組み合わせとを請求項が含むことが理解されるべきである。特許と特許以外の刊行物とを含む本書に記載の刊行物すべては、参照によりその全体が本書に組み込まれる。

１０ 燃焼エンジン
１２ 燃焼室
１４ 円筒通路
１６ シリンダヘッド
１８，２０ バルブ開口部
２２，２４ バルブ
２６ 排気マニホルド
２８ 吸気マニホルド
３０ 噴射器
３２ 点火プラグ
３４ ピストン
３６ 往復動作
３８ 下死点
４０ 上死点
４２ リングパック
４４ 接続ロッド
４６ リストピン
４８ 旋回軸線
５０ リング
５２ 凹溝
５４ ピストン外周部
５６ 内壁面
５８ オイルリング
６０ オイル通過部
６２，６２ａ，６２ｂ 光学ポート
６４ 光学アセンブリ
６５ 透光性窓部
６６ 分光器
６７ 陥凹量
７０ エンジン制御装置
７１ オイル
７２ プロセッサ
７３ 光遮蔽粒子
７４ 電子メモリ
７５ 電子発光器
７６ 電子光検出器
７８ エンジンモデルマップ
７９ スペーサ
８０ 軸線
８２ 光ファイバケーブル
８４ レンズ

Claims (17)

1. 内燃エンジンであって、
   シリンダヘッドを終端とする円筒通路を備える燃焼室と、
   前記円筒通路内で摺動往復する大きさであり、前記ピストンを囲繞するとともに外向きに弾性付勢されて前記ピストンの移動により前記円筒通路の内壁と係合する少なくとも一つのピストンリングを含むピストンと、
   前記円筒通路の前記内壁を通って前記燃焼室に出入する光を通過させる前記内壁の少なくとも一つの窓部であって、前記ピストンの往復によるピストンリングの移動によって光学的遮蔽汚濁物が清掃される内面に近接して前記内面が配置される窓部と、
   を包含する内燃エンジン。
2. 前記ピストンの移動により前記円筒通路の前記内壁と前記窓部とに分散されるオイルを前記ピストンの開口部を通して吐出する潤滑システムをさらに含む、請求項１に記載の内燃エンジン。
3. 前記円筒室の前記内壁において前記窓部が陥凹している、請求項２に記載の内燃エンジン。
4. 前記窓部が１５０マイクロメートル未満だけ内向きにオフセットしている、請求項３に記載の内燃エンジン。
5. 前記窓部が５０マイクロメートル未満だけ内向きにオフセットしている、請求項４に記載の内燃エンジン。
6. 前記燃焼室の外側に配置されて前記少なくとも一つの窓部を通して光を受容する電子光センサと電子発光器のうち少なくとも一つをさらに含む、請求項１に記載の内燃エンジン。
7. 前記電子光センサと電子発光器の少なくとも一つと通信して前記燃焼室内のガスによる吸光の測定値を提供する光学分光器をさらに含む、請求項２に記載の内燃エンジン。
8. 前記光学分光器が燃焼エンジンの温度範囲内での水蒸気の吸光を測定する、請求項３に記載の内燃エンジン。
9. 前記光学分光器が、単一の窓部の外側に配置されてそれぞれが前記燃焼室へ光を投射して前記燃焼室から光を受容する発光器と受光器とを備える、請求項１に記載の内燃エンジン。
10. 前記少なくとも一つの窓部が、前記円筒通路の前記内壁を通って前記燃焼室に出入する光を通過させる第１及び第２窓部を前記内壁の両側に含み、前記第１及び第２窓部が、前記ピストンの往復による前記ピストンリングの移動により汚濁物が清掃される前記内面に近接して配置される、請求項１に記載の内燃エンジン。
11. 点火の為に前記燃焼室へ燃料及び空気を吐出する為の燃料吐出システムをさらに含む、請求項１に記載の内燃エンジン。
12. 前記光学分光器からの測定値を受信して、燃費、パワー、排出物削減のうち少なくとも一つの為に内燃エンジンの作動を最適化する記憶済みプログラムに従って前記燃料吐出システムを制御する為の制御装置をさらに含む、請求項１１に記載の内燃エンジン。
13. 前記窓部が３ミリメートル未満の直径を有する、請求項１に記載の内燃エンジン。
14. 前記窓部が、前記円筒通路を画定するシリンダと整合及び適合する前記シリンダの一区分であって前記燃焼室と内向きに対向する表面を有する、請求項１に記載の内燃エンジン。
15. シリカとサファイアとで構成される群から選択される物質で前記窓部が構築される、請求項１に記載の内燃エンジン。
16. 軸線上に延在して、前記ピストンとクランクシャフトとの間を連通する接続ロッドとの旋回ジョイントとなるピストンピンを前記ピストンが備え、前記円筒通路の対称軸線を中心として測定されると、前記ピストンピンの前記軸線の垂直面の４５度以内で前記円筒通路の前記内壁に前記窓部が配置される、請求項１に記載の内燃エンジン。
17. 前記ピストンが作動中に上死点と下死点箇所との間で移動し、前記窓部が、前記下死点箇所の上方で、前記上死点と下死点位置の間の中心点の下方に配置される、請求項１に記載の内燃エンジン。

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