JP2021528594A - 多燃料内燃機関とその作動方法 - Google Patents

Abstract

１つ以上の実施形態によれば、内燃機関は、第１の燃料および第２の燃料を機関シリンダの燃焼チャンバに通して、燃料混合物を形成することと、燃料混合物をスパークプラグで燃焼させて、機関シリンダ内に収容されたピストンを並進させて、ピストンに連結されたクランクシャフトを回転させることと、のうちの１つ以上のステップを含む方法によって作動することができる。機関シリンダは、シリンダヘッドおよびシリンダ側壁を含むことができ、燃焼チャンバは、シリンダヘッド、シリンダ側壁、およびピストンによって少なくとも部分的に画定することができる。第１の燃料は、第２の燃料よりも高いオクタン価を有することができる。燃焼チャンバは、末端ガス領域および中央領域を含むことができ、中央領域は、末端ガス領域よりもスパークプラグに近い。第１の燃料および第２の燃料は、末端ガス領域が中央領域よりも高い第１の燃料の濃度を有し、中央領域が末端ガス領域よりも高い第２の燃料の濃度を有するように燃焼チャンバに通すことができる。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１８年６月２５日に出願された「Ｍｕｌｔｉ−Ｆｕｅｌ Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ｔｈｅｉｒ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ」と題された米国特許出願第１６／０１７，４９４号の優先権を主張し、その内容はその全体が本明細書に組み込まれる。

本開示は、内燃機関に関し、より具体的には、複数の燃料を利用する内燃機関に関する。

石油系燃料は、自動車などの軽量輸送車両の大多数に動力を供給するために使用される。例えば、比較的安価でユーザーが広く利用できるガソリンは、世界中で自動車の内燃機関に動力を供給するために利用されている。しかしながら、石油系燃料の燃焼は、二酸化炭素を環境中に放出する場合があり、それは多くの理由で望ましくない場合がある。輸送車両で使用する他のよりクリーンなエネルギー源は、コストがかかりすぎ、かつ開発中である場合があるため、効率が向上するか、燃料消費量が低減されるか、またはその両方を有する石油系燃料で作動可能な機関が必要である。

本明細書に開示されるように、燃料消費量を低減するために、複数の燃料タイプを同時に利用する内燃機関を利用することができる。本明細書に記載されている実施形態によれば、内燃機関は、機関のオクタン要件が比較的低い、比較的低負荷かつ中間負荷で低オクタン燃料源を利用することができ、同時に、高オクタン燃料を（低オクタン燃料と混合して）高負荷で付加的に利用することができる。このような作動により、機関負荷を変化させて燃料効率を高めることができ、低オクタン燃料を単独で使用した場合に発生するノッキングを軽減または排除することができる。この方法により、限られた量の高オクタン燃料を活用して、機関が石油系燃料（メタノールおよびエタノールなどの一般に入手可能な高オクタン燃料よりもかなり高い比エネルギーを有する場合がある）をより効率的に使用できる場合がある。例えば、１つ以上の実施形態では、石油由来燃料などの低オクタン燃料が、アルコール燃料などの高オクタン燃料と共に使用される。

ただし、高オクタン燃料を別の低オクタン燃料と一緒に均一混合気で使用することにより、いくつかの優れた結果および効率が得られる場合があるが、条件によっては機関のノッキングが問題になる場合がある。しかしながら、１つ以上の実施形態によれば、高オクタン燃料および低オクタン燃料が燃焼チャンバの特定の領域に向けられる場合、機関のノッキングを低減または排除することができることが発見されている。１つ以上の実施形態では、機関シリンダの、燃料がノッキングを受けやすい可能性がある領域に高オクタン燃料を噴射することによって、機関のノッキングを低減することができる。燃料がノッキングの影響を受けやすいこれらの領域は、通常、スパークプラグから最も離れた領域にあり得る。機関のノッキングを低減するために、燃焼チャンバの低コーナー付近など、スパークプラグから一般に最も遠い領域に高オクタン燃料を噴射する直接燃料噴射器を利用することができる。本明細書に記載されているいくつかの実施形態によれば、高オクタン燃料を円錐噴霧で所望の角度で噴射する直接噴射器を利用することができ、高オクタン燃料は、燃焼チャンバの中央領域により多く噴射され得る低オクタン燃料と比較して、スパークプラグから比較的さらに離れた領域に偏って噴射することができる。

１つ以上の実施形態によれば、内燃機関は、第１の燃料および第２の燃料を機関シリンダの燃焼チャンバに通して、燃料混合物を形成することと、燃料混合物をスパークプラグで燃焼させて、機関シリンダ内に収容されたピストンを並進させて、ピストンに連結されたクランクシャフトを回転させることと、のうちの１つ以上のステップを含む方法によって作動することができる。機関シリンダは、シリンダヘッドおよびシリンダ側壁を含むことができ、燃焼チャンバは、シリンダヘッド、シリンダ側壁、およびピストンによって少なくとも部分的に画定することができる。第１の燃料は、第２の燃料よりも高いオクタン価を有し得る。燃焼チャンバは、末端ガス領域および中央領域を含むことができ、中央領域は、末端ガス領域よりもスパークプラグに近い。第１の燃料および第２の燃料は、末端ガス領域が中央領域よりも高い第１の燃料の濃度を有し、中央領域が末端ガス領域よりも高い第２の燃料の濃度を有するように燃焼チャンバに通すことができる。

１つ以上の追加の実施形態によれば、内燃機関は、第１の燃料および第２の燃料を機関シリンダの燃焼チャンバに通して、燃料混合物を形成することと、燃料混合物をスパークプラグで燃焼させて、機関シリンダ内に収容されたピストンを並進させて、ピストンに連結されたクランクシャフトを回転させることと、のうちの１つ以上のステップを含む方法によって作動することができる。機関シリンダは、シリンダヘッドおよびシリンダ側壁を含むことができ、燃焼チャンバは、シリンダヘッド、シリンダ側壁、およびピストンによって少なくとも部分的に画定することができる。第１の燃料は、第２の燃料よりも高いオクタン価を有し得る。第１の燃料は、単一の中空円錐噴射器による噴射の場合には円錐軸に対して５５度〜７５度の円錐角を含み、複数の中実円錐噴射器による噴射の場合には円錐軸に対して３５度〜６０度の円錐角を含む円錐噴霧パターンでの直接噴射を介して燃焼チャンバに通すことができる。

１つ以上の追加の実施形態によれば、内燃機関は、機関シリンダ、ピストン、クランクシャフト、および第１の直接噴射器を含むことができる。機関シリンダは、シリンダヘッドおよびシリンダ側壁を含むことができる。ピストンは、機関シリンダ内に収容することができ、ピストン、シリンダヘッド、およびシリンダ側壁は、少なくとも部分的に燃焼ゾーンを画定することができる。クランクシャフトはピストンと連結することができる。第１の直接噴射器は、シリンダヘッドにあり得、円錐軸に対して円錐角を含む円錐噴霧パターンで、少なくとも第１の燃料を燃焼チャンバに通過させることができる。第１の燃料および第２の燃料は、燃焼ゾーンで燃料混合物を形成することができる。第１の燃料は、第２の燃料よりも高いオクタン価を有し得る。スパークプラグは、燃料混合物を燃焼させてピストンを並進させ、クランクシャフトを回転させることができる。第１の直接噴射器が単一の中空円錐である場合、円錐角は５５度〜７５度であり、第１の直接噴射器が複数の中実円錐である場合、円錐角は３５度〜６０度であってもよい。

本開示において開示された技術のさらなる特徴および利点は、以下の詳細な説明に記載され、部分的に、説明から当業者に容易に明らかになるか、または以下の詳細な説明、特許請求の範囲、ならびに添付の図面を含む、本開示に記載される技術を実践することによって認識されるであろう。
本開示の特定の実施形態の以下の詳細な説明は、同様の構造が同様の参照番号で示されている以下の図面と併せて読むと、最もよく理解することができる。

本明細書に記載の１つ以上の実施形態による、燃料源と共に内燃機関の機関シリンダの一部の断面図を概略的に描写する。 本明細書に記載の１つ以上の実施形態による、高オクタン燃料を直接噴射し、単一の共有直接噴射器を介して低オクタン燃料を直接噴射する内燃機関のシリンダの一部の断面図を概略的に描写する。 本明細書に記載の１つ以上の実施形態による、高オクタン燃料を直接噴射し、異なる噴射器を介して低オクタン燃料を直接噴射する内燃機関のシリンダの一部の断面図を概略的に描写する。 本明細書に記載の１つ以上の実施形態による、高オクタン燃料を直接噴射し、低オクタン燃料のポート噴射を有する内燃機関のシリンダの一部の断面図を概略的に描写する。 本明細書に記載の１つ以上の実施形態による、内燃機関のシリンダの一部の断面図を概略的に描写しており、その中央領域およびその末端ガス領域を構成するシリンダの一般化された領域を示す。

ここで、様々な実施形態をより詳細に参照し、そのいくつかの実施形態が添付の図面に示される。可能な限り、図面全体を通して同じ参照番号を使用して、同じまたは類似の部分を指す。
本明細書に記載されているのは、すべてまたはいくつかの作動条件で少なくとも２つの燃料の組み合わせを利用する内燃機関およびその作動方法である。機関、およびそのような機関を作動させる方法は、機関の作動条件ならびに燃料特性の両方に良い影響を与え得るため、ノッキングを軽減または排除することができる。１つ以上の実施形態では、高オクタン燃料を燃焼チャンバの領域に噴射することができ、その結果、末端ガスは、比較的大量の高オクタン燃料を含む。高オクタン燃料を末端ガスに含ませるこのような噴射方式は、ノッキングせずに機関を作動するために必要とされ得る高オクタン燃料（例えば、アルコールなど）の量の削減にもつながり得る。

本明細書で説明するように、「低オクタン燃料」は、「高オクタン燃料」よりも低いオクタン価（またはオクタン数）を有する任意の燃料を指す場合があることを理解されたい。したがって、明記しない限り、低オクタン燃料および高オクタン燃料は、２つの間の関係が満たされる限り、任意のオクタン数を有し得る。オクタン価、またはオクタン数は、機関または航空燃料の性能の標準的な尺度である。オクタン数が高いほど、爆発（点火）する前に燃料が耐え得る圧縮力が高くなる。大まかに言えば、より高いオクタン価を有する燃料は、より高い圧縮比を必要とする高性能ガソリン機関で使用され得る。本明細書に記載されるように、「オクタン数」は、リサーチオクタン数（ＲＯＮ）を指す。

１つ以上の実施形態によれば、低オクタン燃料は、ナフサまたはガソリンなどの石油ベースの燃料を含むことができる。例えば、低オクタン燃料は、少なくとも５０重量％、少なくとも６０重量％、少なくとも７０重量％、少なくとも８０重量％、少なくとも９０重量％、少なくとも９５重量％、少なくとも９９重量％、またはさらには少なくとも約９９．９重量％のガソリンを含んでもよい。低オクタン燃料は、９８以下、９０以下、またはさらには８０以下のオクタン数を有し得る。追加の実施形態では、低オクタン燃料は、９１〜９５のような、６０〜９８のオクタン数を有し得る。

１つ以上の実施形態によれば、高オクタン燃料は、メタノールまたはエタノール、あるいはメチルｔｅｒｔ−ブチルエーテルまたはエチルｔｅｒｔ−ブチルエーテルなどの１つ以上のアルコールを含むことができる。例えば、低オクタン燃料は、少なくとも５０重量％、少なくとも６０重量％、少なくとも７０重量％、少なくとも８０重量％、少なくとも９０重量％、少なくとも９５重量％、少なくとも９９重量％、もしくはさらには少なくとも約９９．９重量％の全アルコール、メタノール、エタノール、水、または水、メタノール、もしくはエタノールのいずれか２つ以上の組み合わせ、あるいは他のアルコールもしくはエーテルを含んでもよい。高オクタン燃料は、少なくとも９１、少なくとも９５、またはさらには少なくとも９８のオクタン数を有し得る。追加の実施形態では、高オクタン燃料は、９１〜１３０、例えば１０５〜１１５、例えば１１０のオクタン数を有することができる。

本明細書に記載されているように、スパーク点火内燃機関のノッキングは、スパークプラグによる点火に応答してシリンダ内の空気／燃料混合物の燃焼が正しく開始されず、１つ以上の空気／燃料混合物のポケットが、通常の燃焼フロントのエンベロープの外側で爆発するときの出来事を指すことがある。これらの現象の各々は、本明細書に記載されている方法および機関構成によって軽減または排除することができる。

次に図１を参照すると、内燃機関１００の少なくとも一部の概略図が描写されている。具体的には、図１は、内燃機関１００の単一の機関シリンダ１１０を描写している。しかしながら、当業者によって理解されるように、内燃機関１００は、図１に示されるクランクシャフト１８０などの１つ以上のクランクシャフトに取り付けられ得る機関シリンダ１１０などの多数の機関シリンダを含み得る。

内燃機関１００は、少なくとも機関シリンダ１１０、吸気ポート１７１、排気ポート１７３、およびピストン１２０を含むことができる。吸気ポート１７１は、吸気ポート１７１が機関シリンダ１１０に接続する場所に位置決めされた吸気弁１７２によって調整され得る。同様に、排気ポート１７３は、排気弁１７４によって調整され得る。吸気弁１７２および／または排気弁１７４は、１つ以上のカムまたはカムシャフト（図１には描写せず）に接続することができ、１つ以上のカムまたはカムシャフトは、機関作動に合わせて吸気弁１７２および／または排気弁１７４を維持する働きをすることができる。ピストン１２０は、ロッド１８２を接続することによってクランクシャフト１８０に連結することができる。機関シリンダ１１０は、シリンダヘッド１１４およびシリンダ側壁１１２を含むことができる。吸気ポート１７１および排気ポート１７３は、シリンダヘッド１１４上に配置することができる。さらに、直接噴射器およびスパークプラグは、シリンダヘッド１１４上に配置することができる。

機関シリンダ１１０によって上部および側部に画定され、ピストン１２０によって下部に画定された容積は、燃焼チャンバ１２２と呼ばれる。吸気ポート１７１および排気ポート１７３は、流体が機関サイクル全体の様々な時間に燃焼チャンバ１２２に出入りできるように、燃焼チャンバ１２２と流体的に連結されている。スパークプラグ１１５は、燃焼チャンバ１２２に位置決めされ、タイミング式バーストで燃焼を開始する。スパークプラグ１１５は、燃焼チャンバ１２２の中心またはその近くに（例えば、円筒形の機関シリンダ１１０の壁に対して半径方向の中心またはその近くに）配置することができる。

図１に描写する実施形態によれば、高オクタン燃料噴射器１３２は、最終的に燃焼チャンバ１２２に入ることになる高オクタン燃料を吸気ポート１７１内に噴射することができる。本明細書に記載のように、燃料を吸気ポート１７１内に噴射する燃料噴射器は、「ポート燃料噴射器」と呼ばれる。図１に描写するように、低オクタン燃料噴射器１３０は、低オクタン燃料を燃焼チャンバ１２２に直接噴射することができる。本明細書に記載のように、燃料を燃焼チャンバ１２２に直接噴射する燃料噴射器は、「直接燃料噴射器」と呼ばれる。低オクタン燃料噴射器１３２および高オクタン燃料噴射器１３０は、低オクタン燃料供給源１６１および高オクタン燃料供給源１６３からそれぞれの燃料を供給され得る。同様に、高オクタン燃料供給源１６１は、接続ライン１４１を介して高オクタン燃料噴射器１３０に流体接続され得る。低オクタン燃料供給源１６３は、接続ライン１４３を介して低オクタン燃料噴射器１３２に流体接続され得る。

さらに詳細に記載されているように、高オクタン燃料および低オクタン燃料の両方に直接噴射を利用するなど、他の噴射器構成が企図されることを理解されたい。低オクタン燃料および高オクタン燃料の両方を同じ直接燃料噴射器から直接噴射することができ、また、低オクタン燃料および高オクタン燃料を別々の直接噴射器から直接噴射することもできる。

内燃機関１００は、高オクタン燃料と低オクタン燃料とを含む燃料混合物の繰り返し燃焼によって作動することができる。スパークプラグ１５５によって開始される燃料混合物の燃焼は、ピストン１２０を最上位置と最下位置との間で並進させることができる。ピストン１２０の動きは、クランクシャフト１８０を回転させ得る。クランクシャフト１８０は、（ピストン１２０の最上位置に対応する）上死点位置および（ピストン１２０の最下位置に対応する）下死点位置を介して回転し得る。１つ以上の実施形態では、他の機関構成が企図されるが、内燃機関は、４ストローク機関として作動することができる。そのような実施形態では、吸気、圧縮、動力、および排気のストロークが循環し得る。吸気ストロークでは、ピストンは、下方に移動することができ、空気および／または燃料は、吸気ポート１７１を通って燃焼チャンバ１２２に入ることができる。圧縮ストロークでは、ピストン１２０が上方に移動するにつれて、空気および燃料が圧縮される。動力ストロークでは、ピストンは、スパークプラグ１１５からのスパークによって引き起こされる燃焼によって押し下げられる。所定の機関の最大熱効率の利用に基づく（スパークプラグの点火による）最適な燃焼タイミングは、最大ブレーキトルクタイミングと呼ばれる。排気ストロークでは、ピストンは上方に移動して、排気ガス（燃焼反応の生成物）を排気ポート１７３を通して燃焼チャンバ１２２から押し出す。

１つ以上の実施形態によれば、内燃機関１００は、比較的低負荷で運転しながら低オクタン燃料のみを利用することによって作動することができる。内燃機関１００は、より大きい負荷で高オクタン燃料と低オクタン燃料の混合物を利用することができる。例えば、機関負荷が低い場合は、作動のためにガソリンで十分であり得るが、機関負荷が高い場合は、燃焼する燃料のオクタン価を増加させるための添加剤としてアルコールが必要となる場合がある。高オクタン燃料および低オクタン燃料用の別個の燃料噴射器１３０、１３２は、他の作動条件で低オクタン燃料のみを利用しながら、いくつかの作動条件では高オクタン燃料のオンデマンド噴射を可能にし得る。

限定されるものではないが、図２〜４に、いくつかの燃料供給構成が企図され、示されている。図２〜４のそれぞれにおいて、燃料が燃焼チャンバ１２２に噴射されている間、ピストン１２０は圧縮行程において上方に移動している。図２に描写される一実施形態では、複合燃料噴射器１３４は、高オクタン燃料および低オクタン燃料を燃焼チャンバ１２２に供給する直接噴射器であり得る。図３は、高オクタン燃料噴射器１３０および低オクタン燃料噴射器１３２の両方が直接噴射器である別の実施形態を描写する。図３は、（図１の実施形態に示されるように）高オクタン燃料噴射器が直接噴射器であり、低オクタン燃料噴射器１３２が間接噴射器である追加の実施形態を描写する。各実施形態において、高オクタン燃料は、燃焼チャンバ１２２の末端ガス領域内またはその周囲の燃焼チャンバ１２２内に噴射され得る。いくつかの実施形態では、高オクタン燃料は、円錐角が５５度〜７５度または３５度〜６０度であり得る円錐噴霧パターンで噴射することができる。本明細書に記載のように、「円錐角」は、ピストン１２０の側壁１１２に平行であり、ピストン１２０の上面にほぼ垂直である線（すなわち、図１〜５のいずれかの垂直線）に対する円錐噴霧の角度を指す。この線は、円錐軸と呼ばれることがある。つまり、噴霧された円錐の断面によって形成される角度は、「円錐角」の２倍になる。円錐噴霧は、一般に「中空」であり、円錐軸の領域に噴霧がないか、または最小限に抑えられている。

ここで図５を参照すると、１つ以上の実施形態によれば、燃焼チャンバ１２２は、中央領域１９２および末端ガス領域１９０を含むことができる。末端ガス領域１９０は、機関の通常の燃焼（すなわち、スパークプラグによって作動される燃焼）によって燃焼される最終燃料を含む燃焼チャンバ１２２の領域である。図５は、１つの特定の機関形状に対する末端ガス領域１９０の例を提供している。しかしながら、末端ガス領域１９０は、機関の形状および作動に基づいて異なる場合がある。図５に示すように、１つ以上の実施形態では、末端ガス領域１９０は、シリンダヘッド１１４上の燃焼チャンバ１２２のほぼ中央の領域に配置されたスパークプラグから最も離れて位置し得る。燃焼チャンバ１２２のコーナーまたはその近くの領域は、ピストン１２０の縁部および側壁１１２によって画定され得る。末端ガス領域１９０は、リング形状であり、燃焼チャンバ１２２の下部の周囲（すなわち、ピストン１２０および／または側壁１１２またはその近く）に配置することができる。図５は、一般に、機関シリンダの末端ガス領域および中央領域の例の位置を描写しており、図２〜４の噴射器構成の少なくともいずれにも適用可能であることを理解されたい。

１つ以上の実施形態によれば、高オクタン燃料および低オクタン燃料は、末端ガス領域１９０が中央領域１９２よりも高い高オクタン燃料濃度を有し、中央領域１９２が末端ガス領域１９０よりも高い低オクタン燃料の濃度を有するように燃焼チャンバ１２２に通すことができる。そのような実施形態では、燃焼チャンバ１２２内の燃料混合物は「不均一」であり得、平均して、燃焼チャンバ１２２に通されるとき、より多くの高オクタン燃料が末端ガス領域１９０内またはその近くにあり、より多くの低オクタン燃料が中央領域１９２にある。そのような構成は、平均して、高オクタン燃料の前に低オクタン燃料を燃焼させることを可能にし得る。

特定の理論に拘束されることなく、本明細書に開示されているいくつかの実施形態によれば、高オクタン燃料の蒸発潜熱が比較的高いため、高オクタン燃料ジェットの液体浸透長は、通常のガソリン燃料の液体浸透長よりも長くなる可能性があり、これにより、末端ガスに到達する液体画分の量を最大化できる。次に、末端ガスは、高オクタン燃料を、吸気行程中に均一に混合された場合よりも必要な高オクタン燃料が少なくなるような温度に蒸発させることによって、局所的に冷却することができる。また、末端ガス領域内の局所的に高濃度の高オクタン燃料は、末端ガスが自己発火するのを防ぎ、それにより、炎がその領域に到達して制御モードで燃料／空気混合物を消費するのに十分な時間を与えると考えられる。本明細書に開示されている方法および装置によって、高オクタン燃料の消費を最小限に抑えながら、オクタンオンデマンドの概念におけるノック制御を達成することができる。

１つ以上の実施形態では、高オクタン燃料は、円錐噴霧パターンで燃焼チャンバ１２２に直接噴射することができ、円錐角は、単一の中空円錐噴射器では５５度〜７５度であり、複数の中実円錐噴射器では３５度〜６０度である。指定された角度でのこの円錐噴霧パターンは、高オクタン燃料を燃焼チャンバ１２２の末端ガス領域１９０に噴射させることができる。これらの実施形態では、低オクタン燃料は、一般に、燃焼チャンバ１２２の中央部分１９２に噴射され得る。

本明細書に記載されているように、「単一の中空円錐噴射器」は、単一の穴またはノズルを通して円錐噴霧パターンで燃料を分配する噴射器を指す場合がある。噴霧パターンは、噴霧が円錐の内部に向けられておらず、噴射器の単一の穴から発生するため、中空の円錐型噴霧になる。

さらに、本明細書に記載されているように、「複数の中実円錐噴射器」は、複数の穴またはノズルを利用して中空円錐形状の噴霧を形成する噴射器を指す場合があり、各穴またはノズルは、中実で比較的狭い円錐形状の噴霧パターンを噴霧する。複数の狭い中実円錐の噴霧の組み合わせは、例えば、図２〜４に示される円錐噴霧パターンを形成する。そのような実施形態では、それぞれのより小さな中実円錐噴霧は、噴射器の円錐噴霧パターンの一部を形成し、これにより、全体的に中空の形状である円錐噴霧を形成する。

当業者が理解するように、単一の中空円錐噴射器は、円錐噴霧パターンを形成するための複数の「中実円錐」噴霧を発射する噴射器のような複数の中実円錐噴射器と比較して、燃焼チャンバ１２２内の液体長の浸透がより短い場合がある。したがって、いくつかの実施形態によれば、単一の中空円錐噴射器は、（複数の中実円錐噴射器よりも）より広い円錐角を利用して、所望のシリンダ領域（例えば、末端ガス領域）に到達し得、一方、複数の中実円錐噴射器は、燃焼チャンバ１２２はさらに浸透し得る。したがって、望ましくは、より狭い噴霧角度範囲を利用することができる。したがって、本明細書に開示されている様々な実施形態によれば、噴射器の浸透長は、末端ガス領域に到達するための所望の噴霧角度を決定する際の要因であり得る。

単一の中空円錐噴射器を利用し得る様々な実施形態では、高オクタン燃料は、円錐角が５５度〜５７．５度、５７．５度〜６０度、６０度〜６２．５度、６２．５度〜６５度、６５度〜６７．５度、６７．５度〜７０度、７０度〜７２．５度、７２．５度〜７５度、またはそれらの任意の組み合わせの円錐パターンで燃焼チャンバ１２２に噴霧され得る。円錐噴霧では、一般に薄い直線方向に噴霧することができるが、１０度未満、５度未満、３度未満、または１度未満など、数度を超える噴霧の厚さを有してもよいことを理解されたい。本明細書に記載されているように、円錐角は、噴霧ストリームの中央部分と円錐軸との間の角度測定値として理解されるべきである。他の実施形態では、円錐噴霧は、５５度〜７５度の範囲の全体または実質的な部分のような広い範囲であってもよい。

１つ以上の実施形態によれば、単一の中空円錐噴射器の円錐角は、５５度〜５７．５度、５５度〜６０度、５５度〜６２．５度、５５度〜６５度、５５度〜６７．５度、５５度〜７０度、または５５度〜７２．５度であってもよい。追加の実施形態では、円錐角は、５７．５度〜７５度、６０度〜７５度、６２．５度〜７５度、６５度〜７５度、６７．５度〜７５度、７０度〜７５度、または７２．５度〜７５度であってもよい。

複数の中実円錐噴射器を利用する追加の実施形態では、高オクタン燃料は、円錐角が３５度〜６０度である円錐噴霧パターンで、燃焼チャンバ１２２に直接噴射することができる。指定された角度でのこの円錐噴霧パターンは、高オクタン燃料を燃焼チャンバ１２２の末端ガス領域１９０に噴射させることができる。１つ以上の実施形態によれば、この噴霧角度は、複数の中実円錐噴射器に利用することができる。これらの実施形態では、低オクタン燃料は、一般に、燃焼チャンバ１２２の中央部分１９２に噴射され得る。様々な実施形態において、高オクタン燃料は、円錐形が３５度〜４０度、４０度〜５０度、５０度〜５５度、５５度〜６０度、またはそれらの任意の組み合わせである円錐パターンで燃焼チャンバ１２２に噴霧され得る。円錐噴霧では、一般に薄い直線方向に噴霧することができるが、１０度未満、５度未満、３度未満、または１度未満など、数度を超える噴霧の厚さを有してもよいことを理解されたい。

１つ以上の実施形態によれば、複数の中実円錐噴射器の円錐角は、３５度〜４０度、３５度〜４５度、３５度〜５０度、３５度〜５５度、４０度〜６０度、４５度〜６０度、または５０度〜６０度、あるいは５５度〜６０度であってもよい。

特定の噴霧角度が開示されているが、噴霧角度は、シリンダおよびピストンの直径および噴射タイミングなどの機関の形状およびタイミングに依存し得ることを理解されたい。しかしながら、本明細書に開示されている角度は、内燃機関に利用されるいくつかの一般的なシリンダのサイズおよび形状に適していてもよい。例えば、複数の中実円錐噴射器と単一の中空円錐噴射器の噴霧角度の違いは、これらの様々な制御タイプを使用する場合の噴射のタイミングの違いが原因である可能性がある。一般に、本明細書に記載されている実施形態では、ガソリンまたはガソリンおよびアルコールの混合物で作動する内燃機関で通常利用されるよりも広い噴霧角度を利用している。したがって、本明細書に含まれる特定の図および説明が５５度〜７５度の噴霧角度を示す場合、３５度〜６０度の噴霧角度が他の機関構成に適している可能性があることを理解されたい。

ここで再び図２〜４を参照すると、高オクタン燃料を直接噴射するための円錐噴霧パターンは、様々な実施形態で達成することができる。例えば、図２〜４の実施形態によれば、高オクタン燃料は、５５度〜７５度（または任意の開示されたサブレンジ）の円錐噴霧パターンでシリンダヘッド１１４を介した直接噴射を介して、燃焼チャンバ１２２に通されてもよい。高オクタン燃料の噴霧角度は、高オクタン燃料を燃焼チャンバ１２２の末端ガス領域に通過させることができる。図２〜４の破線の噴霧線は、噴霧角度の外側の境界を表し、これらの破線の間の領域全体が噴霧の一部である必要はないことを理解されたい。本明細書に企図されている様々な実施形態によれば、円錐噴霧の形成は、円錐噴霧を供給することができる直接噴射弁、噴霧器、蛇口、栓、スプリンクラー、噴霧装置などによって達成することができる。

図２の実施形態に示されるように、高オクタン燃料は、複合燃料噴射器１３４を通過することができる。複合燃料噴射器１３４はまた、より狭い円錐噴霧パターンで、または非円錐形のパターンで、燃焼チャンバ１２２の中央領域に低オクタン燃料を直接噴射することができる。例えば、低オクタン燃料は、５５度未満の円錐角で噴射されてよい。さらに、低オクタン燃料を燃焼チャンバ１２２の中央領域に噴射する、低オクタン燃料のための他の噴霧パターンが企図されている。低オクタン燃料および高オクタン燃料は、複合燃料噴射器１３４を通して異なる時間に噴射され得る。例えば、複合燃料噴射器１３４は、２つの入口（各燃料に１つ）および１つまたは２つの出口のいずれかを含んでもよい。単一の出口の場合、両方の燃料が異なる時間に同じ出口から排出される。二重出口の場合、各燃料は独自の出口を有することができる。各燃料が独自の出口を有する複数の中実円錐噴射器の場合、噴射器は、低オクタン燃料用の第１の複数のノズルと、高オクタン燃料用の第２の複数のノズルとを有することができる。各燃料が独自の出口を有する単一の中空円錐噴射器の場合、低オクタン燃料および高オクタン燃料は、それぞれ、単一のノズルを有することができる。

図３の実施形態に示されるように、高オクタン燃料は、直接噴射を介して高オクタン燃料噴射器１３０を通過することができる。低オクタン燃料噴射器１３２は、より狭い円錐噴霧パターンで低オクタン燃料を直接噴射することができる。例えば、低オクタン燃料は、５５度未満の円錐角で低オクタン燃料噴射器１３２を介して噴射されてもよい。さらに、低オクタン燃料を燃焼チャンバ１２２の中央領域に噴射する低オクタン燃料については、他の噴霧パターンが企図されている。そのような実施形態では、低オクタン燃料および高オクタン燃料は、異なる時間にまたは同時に噴射され得る。

図４の実施形態に示されるように、高オクタン燃料は、直接噴射を介して高オクタン燃料噴射器１３０を通過することができる。低オクタン燃料噴射器１３２は、吸気ポート１７１を通して低オクタン燃料を間接的に噴射することができる。吸気ポート１７１を介した間接噴射は、低オクタン燃料を燃焼チャンバ１２２の中央領域に通過させることができる。そのような実施形態では、低オクタン燃料および高オクタン燃料は、異なる時間にまたは同時に噴射され得る。

複数の中実円錐噴射器または単一の中空円錐噴射器のいずれかを、本明細書に開示されている実施形態のいずれかで利用できることが企図されている。本開示で以前に論じたように、噴霧角度は、利用される噴射器のタイプに基づいて変更することができる。

１つ以上の実施形態では、機関は、機関作動に利用されるＣＡ５０でのノッキングを防止するのに必要な最小オクタン価またはその近くの混合燃料で作動させることができる。すなわち、所与のＣＡ５０機関タイミングに対して、適切な量の高オクタン燃料を残りの低オクタン燃料と組み合わせて、ノッキングが発生しないように十分なオクタン数を有する混合燃料を提供することができる。作動ＣＡ５０（機関が作動するＣＡ５０）の場合、燃料混合物の最小オクタン価は、実験に基づいて決定することができる。使用される高オクタン燃料および低オクタン燃料のオクタン数に基づいて、作動ＣＡ５０でのノッキングを防止するために必要な高オクタン燃料の最小重量パーセントを決定することができる。１つ以上実施形態では、機関は、機関のノッキングを防止するために必要なこの最小重量パーセンテージの２０重量％以内、１５重量％以内、１０重量％以内、５重量％以内、２重量％以内、さらには１重量％以内の重量パーセントの高オクタン燃料で作動させることができる。しかしながら、本明細書に記載されているように不均一燃料混合物を利用することにより、機関をノッキングすることなく使用される高オクタン燃料の量を比較的減らすことができる可能性があることを理解されたい。

本明細書に記載されているように、ＣＡ５０は、燃料質量の５０重量％が燃焼されたクランク角度として定義され得、特に指定されない限り、ピストンの上死点（ＴＤＣ）位置に対して定義される。ＣＡ５０は、機関の燃焼のスパーク点火のタイミングを表す場合がある。つまり、スパークのタイミングは、ＣＡ５０を決定し得る。各機関構成と作動条件について、最大ブレーキトルクＣＡ５０を決定ですることができ、これは、機関の最大熱効率が利用されるＣＡ５０である。

本開示の主題を詳細に、かつ特定の実施形態を参照して説明したが、本開示に記載された様々な詳細は、本明細書に付随する図面の各々に特定の要素が示されている場合であっても、これらの詳細が本開示に記載された様々な実施形態の必須構成要素であることを暗示するものととられるべきではないことに留意されたい。むしろ、本明細書に添付された特許請求の範囲は、本開示の幅および本開示に記載の様々な実施形態の対応する範囲の単なる表現として解釈されるべきである。さらに、特許請求される主題の趣旨および範疇から逸脱することなく、記載の実施形態に様々な変更および変形がなされ得ることは、当業者に明らかであるはずである。したがって、本明細書は、添付の特許請求の範囲およびそれらの等価物の範囲内に入るそのような変更および変形が提供される種々の記載された実施形態の変更および変形を網羅することを意図する。

本開示の実施形態は、以下の番号を付した態様で説明することができる。

第１の態様Ａ１は、内燃機関を作動させる方法であって、第１の燃料および第２の燃料を機関シリンダの燃焼チャンバに通して、燃料混合物を形成することであって、機関シリンダが、シリンダヘッドおよびシリンダ側壁を含み、第１の燃料が、第２の燃料よりも高いオクタン価を含み、燃焼チャンバが、少なくとも部分的に、シリンダヘッド、シリンダ側壁、およびピストンによって画定される、通すことと、燃料混合物をスパークプラグで燃焼させて、機関シリンダ内に収容されたピストンを並進させて、ピストンに連結されたクランクシャフトを回転させることと、を含み、燃焼チャンバが、末端ガス領域および中央領域を含み、中央領域が、末端ガス領域よりもスパークプラグに近く、第１の燃料および第２の燃料は、末端ガス領域が中央領域よりも高い第１のオクタン燃料の濃度を有し、中央領域が末端ガス領域よりも高い第２のオクタン燃料の濃度を有するように、燃焼チャンバに通される、方法を含む。

第２の態様Ａ２は、Ａ１の方法を含み、第１の燃料が、円錐噴霧パターンで直接噴射することによって燃焼チャンバに通される。

第３の態様Ａ３は、態様Ａ１またはＡ２のいずれかの方法を含み、第１の燃料および第２の燃料が、複合燃料噴射器を介して直接噴射される。

第４の態様Ａ４は、態様Ａ１またはＡ２のいずれかの方法を含み、第１の燃料が、第１の直接噴射器によって直接噴射され、第２の燃料が、第２の直接噴射器によって直接噴射される。

第５の態様Ａ５は、態様Ａ１またはＡ２のいずれかの方法を含み、第１の燃料が、直接噴射器によって直接噴射され、第２の燃料が、間接噴射器によって間接噴射される。

第６の態様Ａ６は、内燃機関を作動させる方法であって、第１の燃料および第２の燃料を機関シリンダの燃焼チャンバに通して、燃料混合物を形成することであって、機関シリンダが、シリンダヘッドおよびシリンダ側壁を含み、第１の燃料が、第２の燃料よりも高いオクタン価を含み、燃焼チャンバが、少なくとも部分的に、シリンダヘッド、シリンダ側壁、およびピストンによって画定される、通すことと、燃料混合物をスパークプラグで燃焼させて、機関シリンダ内に収容されたピストンを並進させて、ピストンに連結されたクランクシャフトを回転させることと、を含み、第１の燃料が、円錐軸に対して５５度〜７５度の円錐角を含む円錐噴霧パターンで単一の中空円錐燃料噴射器による直接噴射を介して燃焼チャンバに通されるか、または、第１の燃料が、円錐軸に対して３５度〜６０度の円錐角を含む円錐噴霧パターンで複数の中実円錐燃料噴射器による直接噴射を介して燃焼チャンバに通される、方法を含む。

第７の態様Ａ７は、態様Ａ６の方法を含み、第１の燃料および第２の燃料が、複合燃料噴射器を介して直接噴射される。

第８の態様Ａ８は、態様Ａ６の方法を含み、第１の燃料が、第１の直接噴射器によって直接噴射され、第２の燃料が、第２の直接噴射器によって直接噴射される。

第９の態様Ａ９は、シリンダヘッドおよびシリンダ側壁を含む機関シリンダと、機関シリンダ内に収容されたピストンであって、ピストン、シリンダヘッド、およびシリンダ側壁が少なくとも部分的に燃焼ゾーンを画定する、ピストンと、ピストンに連結されたクランクシャフトと、少なくとも第１の燃料を、円錐軸に対して円錐角を含む円錐噴霧パターンで燃焼チャンバに通す、シリンダヘッドの第１の直接噴射器であって、第１の燃料および第２の燃料が、燃焼ゾーンで燃料混合物を形成し、第１の燃料が、第２の燃料よりも高いオクタン価を含み、第１の直接噴射器が、単一の中空円錐噴射器であり、円錐角が、５５度〜７５度であるか、または第１の直接噴射器が、複数の中実円錐噴射器であり、円錐角が、３５度〜６０度である、第１の直接噴射器と、燃料混合物を燃焼させてピストンを並進させ、クランクシャフトを回転させるスパークプラグと、を備える、内燃機関を含む。

第１０の態様Ａ１０は、態様Ａ９の内燃機関を含み、燃焼ゾーンが、末端ガス領域および中央領域を含み、中央領域が、末端ガス領域よりもスパークプラグに近く、第１の直接噴射器が、第１の燃料を末端ガス領域に通過させる。

第１１の態様Ａ１１は、態様Ａ９またはＡ１０のいずれかの内燃機関を含み、第１の直接噴射器が、第１の燃料および第２の燃料を燃焼チャンバに噴射する複合燃料噴射器である。

第１２の態様Ａ１２は、態様Ａ９またはＡ１０のいずれかの内燃機関を含み、第２の燃料を燃焼チャンバに噴射する第２の直接噴射器をさらに備える。

第１３の態様Ａ１３は、態様Ａ９またはＡ１０のいずれかの内燃機関を含み、第２の燃料を吸気ポートを通して燃焼チャンバに噴射する間接噴射器をさらに備える。

第１４の態様Ａ１４は、態様Ａ９〜Ａ１３のいずれかの内燃機関を含み、第１の直接噴射器が、第１の燃料全体が通過する単一のノズルを含む単一の中空円錐噴射器である。

第１５の態様Ａ１５は、態様Ａ９〜Ａ１４のいずれかの内燃機関を含み、第１の直接噴射器が、第１の燃料が通過する複数のノズルを含む複数の中実円錐噴射器である。

本明細書および添付の特許請求の範囲で使用される場合、単数形「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、および「その（ｔｈｅ）」は、文脈上他に明白に示されていない限り、複数形の参照を含む。動詞「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」およびその活用形は、非排他的な様式で要素、成分、またはステップを指していると解釈されるべきである。参照される要素、成分、またはステップは、明示的に参照されていない他の要素、成分、またはステップと存在、利用、または組み合わされ得る。

値の範囲が明細書または添付の特許請求の範囲で提供される場合、間隔は、上限と下限、ならびに上限と下限との間にある各値を包含することが理解される。本発明は、提供される特定の除外の対象となる間隔のより狭い範囲を包含し、制限する。

Claims (15)

1. 内燃機関を作動させる方法であって、
   第１の燃料および第２の燃料を機関シリンダの燃焼チャンバに通して、燃料混合物を形成することであって、前記機関シリンダが、シリンダヘッドおよびシリンダ側壁を含み、前記第１の燃料が、前記第２の燃料よりも高いオクタン価を含み、前記燃焼チャンバが、少なくとも部分的に、前記シリンダヘッド、前記シリンダ側壁、およびピストンによって画定される、燃料混合物を形成することと、
   前記燃料混合物をスパークプラグで燃焼させて、前記機関シリンダ内に収容された前記ピストンを並進させて、前記ピストンに連結されたクランクシャフトを回転させることと、を含み、
   前記燃焼チャンバが、末端ガス領域および中央領域を含み、前記中央領域が、前記末端ガス領域よりも前記スパークプラグに近く、
   前記第１の燃料および第２の燃料は、前記末端ガス領域が前記中央領域よりも高い前記第１のオクタン燃料の濃度を有し、前記中央領域が前記末端ガス領域よりも高い第２のオクタン燃料の濃度を有するように、前記燃焼チャンバに通される、方法。
2. 前記第１の燃料が、円錐噴霧パターンで直接噴射することによって前記燃焼チャンバに通される、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１の燃料および前記第２の燃料が、複合燃料噴射器を介して直接噴射される、請求項１または２のいずれかに記載の方法。
4. 前記第１の燃料が、第１の直接噴射器によって直接噴射され、前記第２の燃料が、第２の直接噴射器によって直接噴射される、請求項１または２のいずれかに記載の方法。
5. 前記第１の燃料が、直接噴射器によって直接噴射され、前記第２の燃料が、間接噴射器によって間接噴射される、請求項１または２のいずれかに記載の方法。
6. 内燃機関を作動させる方法であって、
   第１の燃料および第２の燃料を機関シリンダの燃焼チャンバに通して、燃料混合物を形成することであって、前記機関シリンダが、シリンダヘッドおよびシリンダ側壁を含み、前記第１の燃料が、前記第２の燃料よりも高いオクタン価を含み、前記燃焼チャンバが、少なくとも部分的に、前記シリンダヘッド、前記シリンダ側壁、およびピストンによって画定される、燃料混合物を形成することと、
   前記燃料混合物をスパークプラグで燃焼させて、前記機関シリンダ内に収容された前記ピストンを並進させて、前記ピストンに連結されたクランクシャフトを回転させることと、を含み、
   前記第１の燃料が、前記円錐軸に対して５５度〜７５度の円錐角を含む円錐噴霧パターンで単一の中空円錐燃料噴射器による直接噴射を介して前記燃焼チャンバに通されるか、または、
   前記第１の燃料が、前記円錐軸に対して３５度〜６０度の円錐角を含む円錐噴霧パターンで複数の中実円錐燃料噴射器による直接噴射を介して前記燃焼チャンバに通される、方法。
7. 前記第１の燃料および前記第２の燃料が、複合燃料噴射器を介して直接噴射される、請求項６に記載の方法。
8. 前記第１の燃料が、第１の直接噴射器によって直接噴射され、前記第２の燃料が、第２の直接噴射器によって直接噴射される、請求項６に記載の方法。
9. シリンダヘッドおよびシリンダ側壁を含む機関シリンダと、
   前記機関シリンダ内に収容されたピストンであって、前記ピストン、前記シリンダヘッド、および前記シリンダ側壁が少なくとも部分的に燃焼ゾーンを画定する、ピストンと、
   前記ピストンに連結されたクランクシャフトと、
   少なくとも第１の燃料を、前記円錐軸に対して円錐角を含む円錐噴霧パターンで前記燃焼チャンバに通す、前記シリンダヘッドの第１の直接噴射器であって、前記第１の燃料および第２の燃料が、前記燃焼ゾーンで燃料混合物を形成し、前記第１の燃料が、前記第２の燃料よりも高いオクタン価を含み、
   前記第１の直接噴射器が、単一の中空円錐噴射器であり、前記円錐角が、５５度〜７５度であるか、または
   前記第１の直接噴射器が、複数の中実円錐噴射器であり、前記円錐角が、３５度〜６０度である、第１の直接噴射器と、
   前記燃料混合物を燃焼させて前記ピストンを並進させ、前記クランクシャフトを回転させるスパークプラグと、を備える、内燃機関。
10. 前記燃焼ゾーンが、末端ガス領域および中央領域を含み、前記中央領域が、前記末端ガス領域よりも前記スパークプラグに近く、前記第１の直接噴射器が、前記第１の燃料を前記末端ガス領域に通過させる、請求項９に記載の内燃機関。
11. 前記第１の直接噴射器が、前記第１の燃料および前記第２の燃料を前記燃焼チャンバに噴射する複合燃料噴射器である、請求項９または１０のいずれかに記載の内燃機関。
12. 前記第２の燃料を前記燃焼チャンバに噴射する第２の直接噴射器をさらに備える、請求項９または１０のいずれかに記載の内燃機関。
13. 前記第２の燃料を吸気ポートを通して前記燃焼チャンバに噴射する間接噴射器をさらに備える、請求項９または１０のいずれかに記載の内燃機関。
14. 前記第１の直接噴射器が、前記第１の燃料全体が通過する単一のノズルを含む単一の中空円錐噴射器である、請求項９〜１３のいずれか一項に記載の内燃機関。
15. 前記第１の直接噴射器が、前記第１の燃料が通過する複数のノズルを含む複数の中実円錐噴射器である、請求項９〜１４のいずれか一項に記載の内燃機関。

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