JP3150150B2 - 内燃機関の作動方法 - Google Patents

内燃機関の作動方法

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Description

【発明の詳細な説明】 （発明の属する技術分野） 本発明は炭素と水素とを含むガソリン、ディーゼル燃
料またはアルコール等の燃料を燃焼させる内燃機関の作
動方法に係わる。
（従来の技術） 周知のように、排気触媒コンバータはそのコンバータ
の温度が摂氏300度と400度との間にあるライトオフ（li
ght−off）温度と呼ばれる臨界温度に達した時にのみ排
気中の未燃焼炭化水素、一酸化炭素および窒素酸化物を
減少させる働きをする。軽負荷運転状態において非常に
薄い混合気が燃焼される内燃機関の場合には、余剰空気
が触媒コンバータを冷却して、特にアイドル運転のよう
な状態において、コンバータがライトオフ温度以上に維
持されるのを難しくする傾向がある。コンバータを機関
の近くに配置することによってこの問題をある程度まで
は低減することはできるが、このようにするとコンバー
タは全負荷運転中の温度に耐えられなくなるであろう。
したがって、理想的には、コンバータを機関から十分離
して配置して安全な全負荷運転を可能にするのが良い
が、触媒がライトオフ温度以下に温度降下するおそれが
ある時に触媒を加熱する手段が必要となる。
ディーゼル機関はその排出ガス中に煤を発生する傾向
があるので、機関からの有害排出物を減少させるための
規則に適合させるためにフィルタトラップを設ける必要
がある。そのようなフィルタトラップはある時間の後に
は煤の粒子で詰まってしまう傾向があるので、フィルタ
トラップを再生するための種々の提案が行われている。
その１つの方法は煤を燃焼させてしまう方法であるが、
この燃焼をフィルタトラップの前面において外部熱源に
より開始させる場合には、発熱反応自体が、巻きたばこ
を通して空気を吸い込んだ時に起こる燃焼に似た態様
で、トラップの長さに沿って広がることが知られてい
る。
（発明が解決しようとする課題） したがって、ディーゼル機関とガソリン機関との両方
において、排気系統内においてある時点で熱を発生させ
ることが可能であることが好ましく、本発明は選択され
た条件下においてそのような熱源を作り出す機関作動方
法を提供せんとするものである。
（課題を解決するための手段） 本発明は、炭素と水素とを含むガソリン、ディーゼル
燃料あるいはアルコールなどの燃料を燃焼させる内燃機
関の作動方法であって、機関の減速モード運転を検出す
る段階と、機関への空気吸込口のスロットル開度を減速
モード運転時にのみ定常速度のアイドリング用スロット
ル開度以下に絞って、機関が燃焼室へ燃料を受け入れ続
けながらオーバーラン状態（駆動輪の回転による被駆動
状態）にある時に、各燃焼充填中の空気量を減らして、
少なくともその燃焼充填の一部分に過剰に濃い混合気を
生じせしめることにより、燃焼性ガスを排気ガス流に生
成する段階と、排気ガス流中に外部源から付加した空気
或いは機関からの未燃焼空気の存在を確保し、前記燃焼
性ガスと混合して、減速モード運転時に発火可能な燃焼
性ガスと酸素が十分に高濃度である排気混合気を達成す
る段階と、触媒コンバータやフィルタトラップなどの排
気系統の部品の上流に配置した再燃焼室内で前記排気混
合気に点火して、減速モード運転時に該部品を加熱する
ために火炎として燃焼させる段階とを含む内燃機関の作
動方法を提供する。
排気混合気の点火を確実にするため、減速モード運転
の間、燃焼室に供給される燃料が少量でも濃い混合気を
作り出すことができるように、本発明の機関の作動は定
常速度アイドリングよりも一層絞った状態で行われる。
この混合気は不完全燃焼して、十分に高い濃度の燃焼可
能ガス、特に水素および一酸化炭素を含む排気ガスを生
じる。この燃焼可能ガスは容易に発火する。
本発明は種々の機関の適用可能である。充填調整は均
質に或いは成層化して行うこと、また点火は火花若しく
は圧縮により行うこと、さらに２ストローク若しくは４
ストローク機関とすることができる。
成層化充填のガソリンまたはディーゼル機関では、ア
フターバーナでの点火を確実にするため、機関は十分な
濃度の燃焼可能ガス、特に水素および一酸化炭素を、別
の局所域の未燃焼空気からの十分な濃度の酸素と混合さ
れた不完全燃焼の局所域（ポケット）から生成して、排
気系統に容易に発火する混合気を形成するように、作動
されなければならない。
必要ならば、高水素濃度状態を作り出すため、吸入空
気を完全燃焼に必要な最低空気供給量よりさらに厳格に
絞っても良く、追加の空気が次いで排気系統に導入さ
れ、機関からの未使用空気を補足して、アフターバーナ
における完全燃焼を可能にする。
追加の空気は、種々の供給源から供給することができ
る。もし連続駆動の空気圧縮機が利用可能であれば、そ
の圧縮機からの空気を、減速モードにおいて開かれる遮
断弁により、排気系統に送ることもできる。機関にター
ボチャージャーが用いられる場合、減速モード時に減速
を下げて運転中にターボチャージャーが作り出す空気圧
を吸入系統から排気系統に送ることができる。最後に、
エアースクープを設けて車両走行時に正圧を発生させて
も良い。そのようなラム圧縮空気は、圧縮機やターボチ
ャージャーが作る圧縮空気より圧力は低いものの、排気
背圧が減速モード時には最小であるので、この程度の圧
力で十分である。さらに、別の手段としては、いくつか
の機関シリンダのみに余剰燃料を供給し、その他の機関
シリンダへの燃料の供給を止めてもよい。燃料供給の無
いシリンダはただ単に空気ポンプとして作用し、空気を
排気系統に供給して余剰燃料を燃焼させているシリンダ
から出た燃焼ガスと混合させる。
連続駆動圧縮機は、例えば、空気補助式の燃料噴射系
統に用いられて、改良された燃料調整を行う。この様な
圧縮機からの空気供給は減速中に排気系統に対して行わ
れ、燃料は燃料噴射装置から供給され続ける。このモー
ドでは、噴射装置を意図的に空気の粒子化をあまり行わ
ない状態で作動して、充填物の成層化の効果を拡大した
り、噴射燃料の量を排気系統で発生する熱量およびアフ
ターバーナーでの完全燃焼のための空気量に従って制御
したりする。
吸気マニホールドを介しての中心点燃料噴射または吸
入ポートへの多点燃料噴射を用いた均質充填機関におい
ては、減速は均質充填物の高濃度不完全燃焼を伴う。こ
れは、蓄えられた燃料が吸気マニホールドや吸入ポート
の壁を濡らすことにより引き起こされたヒステリシスの
結果である。減速モード時に、たとえ燃料噴射が完全に
止まっても、排気物質の急激な変位は依然として起こ
る。何故ならば蓄えられた燃料は燃焼室で不十分な空気
と燃焼するが、蓄えられた燃料の量は限られ一度使われ
てしまっていて変位の時間が短いからであり、炭化水素
の放出は抑えられる。吸入口の絞り込みを次第に増すこ
とにより、燃焼室に入る燃料量の減少に空気を適合させ
て、過濃度混合気を確実にすることができる。
速度時の吸入口の絞り込みを厳格にし、水素や一酸化
炭素といった未然ガスの濃度を高めることが可能であ
る。減速時の短期間に排気装置に空気が追加供給される
と、発火可能な混合物が生じ、この混合物は、点火プラ
グによって発火され触媒コンバータの上流の火炎として
燃焼することができる。そのような火炎は、短期間のも
のであり、吸気装置からの蓄積燃料が使われてしまうと
消える。追加の空気は、この燃焼可能な供給物がなくな
ってしまうと止まるように設定できる。
フィルタトラップを有する公知のディーゼルエンジン
の場合には、フィルタトラップは、通常、閉塞している
ことを検出した後に再生されるだけである。これは、エ
ンジン性能が部分的に閉塞したフィルタによってすでに
減じられているため、欠点である。さらに、閉塞の程度
によっては、再生に著しい時間を必要とする。本発明に
おいては、通常走行において車両が減速する度に起こる
減速モードが、フィルタトラップのすすを燃やすために
利用され、そしてこれが定期的に行われるので、たまっ
たすすがまず除去される。
ガソリンとディーゼルエンジンの両方にあてはまる、
触媒コンバータを備えた稀薄燃焼エンジンの場合には、
アイドリングと軽負荷を繰り返す都会の運転は、一般
に、コンバータを燃焼状態に保つ上で問題がある。しか
し、都会の運転はまた減速モード作動の頻度も多く、本
発明の作動方法が触媒コンバータの再加熱に役立つこと
になる。
小さなエンジンを備えた重量車両の場合には、高速で
のエンジンの大負荷が、例えば触媒がエンジンからある
程度離れていたとしても、触媒コンバータの安全限界に
対して排気ガス温度の過度の上昇を引き起こしてしま
う。本発明によれば、減速モード時における周期的な再
加熱を提供してコンバータに高温を維持することによっ
て、触媒コンバータをエンジンからさらに離して配置す
ることが可能となる。
吸入空気を厳格に調節することによって、望ましいエ
ンジンブレーキを発生させ、時としてこの目的のために
行われる排気調節の必要性をなくすことができる。減速
モード時のスロットル調節のさらに別の利点は、燃焼室
における過度に濃い混合物によって生ずる、エンジン運
転への悪影響が概して認められないということである。
減速モード時に運転性への影響が認められないという
事実は、エンジンシリンダーの幾つかに濃い混合物が供
給され他のシリンダーに燃料の供給が停止された時にも
また有利である。このことは、出力がエンジンから取り
出される他の作動モードでは容認できない不安定さを引
き起こすにちがいない。燃料供給モード間の切り換え
は、スムーズな移行となるように慎重に制御されるべき
である。
各減速モード時または減速モード全体での再燃焼装置
の点火は基本的なことではないということも言っておか
ねばならない。もし、触媒コンバータが十分に熱いと実
測され或いは推定されるならば、吸気量を減らす調節に
よって燃焼混合物を作る必要はなく、また再燃焼装置を
点火する必要もない。
（発明の実施の形態） 例として、付属する図面を参照して、本発明を更に説
明する。
エンジン12は、調節装置22に取り付けたバタフライ・
スロットル弁24を備える吸気マニホールド20を有し、減
速モード中にエンジン吸気を減少させる。エンジンは、
排気システムにより駆動されるターボチャージャー28を
有するが、圧縮器だけが図面に示されている。排気管14
は周期的な加熱を要する要素40を含んでおり、要素40
は、エンジンがディーゼルエンジンであるならフィルタ
補集器であっても、或いは、触媒コンバータであっても
良い。
スパーク点火器18を有するアフターバーナー室16は、
要素40の上流端に配置され、発振器42は、アフターバー
ナーが点火されるべき時に、点火器18を励起させる。
例示したエンジンは、排気システムのための幾つかの
追加空気源を有するが、実際には、これら追加空気源す
べてが同じエンジンに設けられないだろうし、これら追
加空気源が交互に設けられても良いことが、明瞭にされ
るべきである。
可能性のある空気源の一つは、ターボチャージャー28
それ自体であり、減速モード中に減速するものの、それ
でも、正の空気圧を発生する。これは、バイパス39と絶
縁弁38を通って直接に排気システムに供給されて良い。
追加の空気を排気管14内に導入するための第二の選択
肢は、連続的に駆動される空気圧縮器30と遮断あるいは
調圧弁32とから構成される。
排気システムへ空気を加えるために例示する最後の選
択肢は、遮断弁36により排気システムに接続されて、車
両がある速度で移動してなる時に押し込み（ram）空気
を供給する、空気受け口34である。
これら種々の調圧弁や遮断弁は、減速モードを検知す
る電子制御ユニット48により作動され得る。制御ユニッ
トはまた、アフターバーナー室16内のスパーク点火器18
を制御したり、調節装置22を介してスロットル24を位置
決めするのに役立っても良い。
追加空気を幾つかのエンジン気筒を燃料切れにするこ
とにより供給する場合には、燃料システムへの制御信号
もまた制御ユニット48により提供される。
電子制御ユニット48は、図面には示されず、エンジン
が減速モードにある時を検出し、或いはエンジンのオー
バーランの程度を検出することを可能にする、複数のセ
ンサー（エンジン速度とマニホールドの圧力低下）に接
続される。マニホールドの圧力低下がエンジン速度に対
して十分に大きい時、エンジンへの空気の質量流量は吸
気を絞ることにより減少させられ、発振器42はアクター
バーナー室16内の点火器18でスパークを発生することが
可能になる。
もし過熱によって触媒コンバータに損傷の危険がある
ならば、電子制御ユニット48は、ある条件即ち例えば長
い下り走行の間に触媒コンバータがあまりに高温である
と判明したとか、あるいはアフタバーナが長い時間作動
しているとかの条件のもとで本発明の方法の導入をおこ
なわないように設計してもよい。
エンジンが絞られている間の燃料供給は、従来型エン
ジンでおこなわれている通りである。絞りの結果として
エンジン燃焼室での混合物は、排ガスが高濃度の可燃焼
ガス特に水素と一酸化炭素を含む点まで濃化され、それ
は、もし更に酸素が利用可能であるようにされるならば
アフタバーナ内で点火できるほどになる。この更なる酸
素は、ある場合には排気系統に存在するかもしれない。
しかし外部供給源が必要なときは、上記供給源の１つあ
るいはそれ以上が使用されてもよい。
燃料タンクから放出される蒸気をとじ込めるのに使用
されキャニスターを清浄にするのに、アフタバーナーが
点火される期間を使用することも可能である。このよう
な清浄化は定期的に利用され、そうしないとフィルタが
飽和する危険がある。たまった燃料蒸気が、通常の作動
下でエンジン吸入口に再循環されると、それらはエンジ
ン較正を混乱させる傾向があり、一方減速モード間に過
剰の燃料蒸気を燃焼することは運転性にかなりの影響を
及ぼす。
上記した遮断弁のそれぞれは逆止め弁と直列に連結さ
せて、遮断弁が開いたときでもコンプレッサー、ターボ
チャージャーあるいは空気取入れ装置を通る排ガスの逆
流の危険を確実になくするようにしてもよい。もちろん
このような逆流は、減速中に排気背圧は最少なので、正
しい運転中は生じないが、遮断弁のいずれかが損傷した
ときは防止されなければならない。
第２図はディーゼルエンジンでときどき見られるスロ
ットル弁の構成を示す。圧縮点火エンジンでは、負荷は
燃料の調整によって制御され且つ取入れ空気は通常絞ら
れない。しかし、非常に小さな負荷において非常に稀薄
な混合物となるのを防ぐため、小さな負荷の間に吸気マ
ニホールド20′を部分的に閉じる二位置バタフライ形ス
ロットルを設けることが知られている。このバタフライ
形スロットルの高負荷及び軽負荷位置はそれぞれ24′ａ
と24′ｂで示されている。本発明の方法では、この絞り
込みはいわんや厳密であり、このバタフライ型スロット
ルは24′ｃで示される位置をとる。
第２図に示されるバタフライ形プレート24′は、その
スピンドルがプレートの中央にない点で第１図のものと
異なる。この結果は、バタフライ形プレートがマニホー
ルド負圧に関連した小トルクになることである。もしこ
のバタフライ形プレートを位置24′ｂに保つようにスプ
リングを作用させると、定常アイドリングの間それはそ
の位置に留まったままである。しかしオーバーランの間
の一層大きなマニホールド減圧により、このプレート
は、スプリングのもどり力に抗して24′ｃの位置に動
く。この場合、スロットルの作動は自動的であり、外部
電子制御は不要である。更に、このプレートはスイッチ
を閉じ、発振器42とスイッチとを作動させて追加の空気
を供給するようにできる。
従来型スパーク点火エンジンなどのエンジンでは、ア
イドリング時の空気流はバタフライ形プレートでは制御
されない。というのはこうすると不安定になるからであ
る。代りにバタフライ形プレート24″は完全に閉じら
れ、空気は第３図に示されているようにバイパス通路26
を介して供給される。このような場合、本発明に必要な
絞り込みは、電子制御ユニット48によって制御される調
節弁22″の助けによってバイパス通路26内でおこなわれ
る。
図面の簡単な説明 第１図は、本発明の方法を実行するための制御システ
ムを有する、ターボチャージャーで過給されるエンジン
のブロック図であり、 第２図は、マニホールド減圧に応答することによりエ
ンジンが減速モードで運転中である時を、自動的に検出
することを可能にする、バタフライ・スロット弁を概略
的に示し、 第３図は、減速モード中にバイパス空気を減少するよ
うに制御されるバイパス流路を有する、バタフライ・ス
ロットル弁を概略的に示す。

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】炭素と水素を含むガソリン、ディーゼル燃
    料やアルコールなどの燃料を燃焼する内燃機関の作動方
    法であって、 ａ）機関の減速モード運転を検出する段階と、 ｂ）機関への空気吸込口のスロットル開度を減速モード
    運転時にのみ定常速度のアイドリング用スロットル開度
    以下に絞って、機関が燃焼室への燃料を受け入れ続けな
    がらオーバーラン状態にある時に各燃焼充填中の空気量
    を減らして、少なくともその燃焼充填の一部分に過剰に
    濃い混合気を生じせしめることにより、燃焼性ガスの排
    気ガス流に生成する段階と、 ｃ）排気ガス流中に外部源から付加した空気或いは機関
    からの未燃焼空気の存在を確保し、前記燃焼性ガスと混
    合して、減速モード運転時に発火可能な燃焼性ガスと酸
    素が十分に高濃度である排気混合気を達成する段階と、 ｄ）触媒コンバータやフィルタトラップなどの排気系統
    の部品の上流に配置した再燃焼室内で前記排気混合気に
    点火して、減速モード運転時に該部品を加熱するために
    火炎として燃焼させる段階とを含む内燃機関の作動方
    法。
  2. 【請求項２】請求項１記載の方法において、前記ａ）段
    階が、マニホールド減圧を、現在の機関速度を参照して
    決定した基準値と比較することを含む内燃機関の作動方
    法。
  3. 【請求項３】請求項１または請求項２記載の方法におい
    て、前記ｂ）段階が、バタフライバルブのバタフライ板
    を、定常アイドリング時の通常位置以上に空気流を妨げ
    る位置へ動かすことを含む内燃機関の作動方法。
  4. 【請求項４】請求項１または請求項２記載の方法におい
    て、前記ｂ）段階が、バタフライスロットルバルブを迂
    回して設けた通路を少なくとも部分的に閉じることを含
    む内燃機関の作動方法。
  5. 【請求項５】請求項１から請求項４までのいずれか一項
    記載の方法において、前記ｃ）段階が、減速モード運転
    時に圧縮機から空気を排気系統に流すことを含む内燃機
    関の作動方法。
  6. 【請求項６】請求項１から請求項４までのいずれか一項
    記載の方法において、前記ｃ）段階が、吸気系統を加圧
    するターボチャージャーから空気を排気系統へ流すこと
    を含む内燃機関の作動方法。
  7. 【請求項７】請求項１から請求項４までのいずれか一項
    記載の方法において、前記ｃ）段階が、車両移動により
    正の空気圧を生じるエアースクープからラムエアーを排
    気系統へ導くことを含む内燃機関の作動方法。
  8. 【請求項８】請求項１から請求項４までのいずれか一項
    記載の方法において、前記ｃ）段階が、機関のいずれか
    のシリンダへの燃料供給を遮断する一方で他のシリンダ
    へ過剰に濃い混合気を供給することを含む内燃機関の作
    動方法。
  9. 【請求項９】請求項１から請求項８までのいずれか一項
    記載の方法において、前記ｄ）段階が、前記再燃焼室内
    に火花を発生させることを含む内燃機関の作動方法。
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