JP4739894B2 - 燃焼エンジン用の点火分配方法および装置 - Google Patents

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Description

本開示は、一般に、燃焼エンジンの点火分配を行うための方法および装置、より詳しくは、燃焼エンジンの主燃焼室におけるパイロット燃料および一次燃料の点火を制御するための方法および装置に関する。
天然ガスのような低セタン燃料、すなわち高オクタン燃料は、内燃エンジンで燃焼される他の炭化水素燃料と比較して、いくつかの利点を有する。例えば、天然ガスは他の炭化水素燃料と比較して安価である。さらに、天然ガスは、他の炭化水素燃料と比較して、内燃エンジンの作動中に、よりクリーンに燃焼する。よりクリーンに燃焼することによって、一酸化炭素、窒素酸化物、および炭化水素のような燃焼副生成物の量が低減されて、エンジン作動中に環境に放出される。さらに、内燃エンジンの潤滑油は、時間の経過につれて燃焼副生成物で汚染されるので、燃焼副生成物の量を低減することにより、汚染が少なくなり、これによって、潤滑油の有用な寿命を延ばす。
１つのタイプの内燃エンジンは、典型的なディーゼルエンジンのような自動点火エンジンである。ディーゼルエンジンは、空気と燃料との混合気を圧縮することによって、このような圧縮から生じる熱で燃料が点火される時点に、燃料を燃焼させる。天然ガスが自動点火エンジンで燃料として使用される場合、天然ガスは圧縮時に容易に点火しない。この問題を克服するために、スパークプラグのような点火源が設けられて、天然ガスを点火する。他のタイプのエンジン、例えばデュアル燃料エンジンでは、ディーゼル燃料（または他の非自動点火燃料）のような少量のパイロット燃料を空気と天然ガスの混合気内に噴射することによって、点火源が用意される。空気、天然ガス、およびパイロット燃料の混合気が圧縮されるとき、パイロット燃料が点火し、これにより、次に、天然ガスが自動的に点火する。
パイロット燃料を点火源として使用することに関連する不都合は、発生される窒素酸化物（ＮＯｘ）の量が結果として増加することである。特に、燃焼室における空気と天然ガスおよびパイロット燃料の組み合わせとの比率は、噴射されるパイロット燃料ストリームに近似して変動する。過濃混合気はパイロット燃料の噴射位置の近くに生成され、一方、希薄混合気は噴射位置からより遠くに生成される。過濃混合気の燃焼は、希薄混合気の燃焼により発生するＮＯｘよりも多量のＮＯｘを発生させる傾向がある。
燃焼プロセス中に発生されるＮＯｘの量を低減するための１つの方法は、点火前に、燃焼室を通じて空気、天然ガス、およびパイロット燃料の希薄な均質混合気を生成することである。均質混合気が燃焼室全体を通じて希薄であるので、希薄混合気のみが燃焼させられる。希薄混合気のみの燃焼は、過濃混合気と希薄混合気との組み合わせの燃焼により発生するＮＯｘよりも少量のＮＯｘを発生させる。点火が望まれると、スパークプラグを使用して、希薄な均質混合気を点火し得る。
共通の所有者に所有される、ウィリ（Ｗｉｌｌｉ）らへの（特許文献１）では、ウィリ（Ｗｉｌｌｉ）は、パイロット燃料の噴射を制御して、エンジンにおける燃料の均質な分配の点火を制御するための方法および装置を開示している。ウィリ（Ｗｉｌｌｉ）の方法および装置は、噴射タイミングおよびパイロット燃料量を調整して、エンジン負荷の関数として点火を制御することを含む。ウィリ（Ｗｉｌｌｉ）の方法および装置では、燃料が自動点火される。
米国特許第６，６６６，１８５号明細書
本発明の開示では、スパークプラグを用いて、パイロット燃料および一次燃料の均質な分配の点火を制御するための方法および装置が提供される。
一形態では、内燃エンジンを作動させるための方法が開示されている。この方法は、一次燃料をエンジンの主燃焼室に導入するステップと、パイロット燃料をエンジンの主燃焼室に導入するステップと、エンジン作動負荷を決定するステップと、エンジン作動負荷に基づき、所望のスパークプラグ点火タイミングを決定するステップと、スパークプラグにより、所望のスパークプラグ点火タイミングで一次燃料およびパイロット燃料を点火するステップとを含む。この方法は、パイロット燃料のオクタン価が一次燃料のオクタン価よりも低いことを特徴とする。
他の形態では、燃焼エンジンの点火分配を提供するための方法が提供される。この方法は、ある量の燃料／空気混合気をエンジンの燃焼室に導入するステップと、エンジン作動負荷を決定するステップと、エンジン作動負荷に基づき、所望のスパーク点火タイミングを決定するステップと、スパークプラグを点火して、燃料／空気混合気を所望の時間に点火するステップとを含む。
さらに他の形態では、点火分配エンジンが提供される。エンジンはシリンダアセンブリを備え、シリンダアセンブリは、そのアセンブリ内に画成されたピストンシリンダを有するエンジンブロックと、そのブロックに固定されたエンジンヘッドと、ピストンシリンダ内を移動するピストンとを備え、この場合、エンジンブロック、エンジンヘッド、およびピストンは、燃焼室を画成するように協働する。さらに、エンジンは、一次燃料と空気の混合気の吸気中に燃焼室と流体連通して位置決めされる吸気ポートと、エンジンの燃焼室に導入するためのパイロット燃料を噴射するように作動可能な燃料噴射器と、燃焼室内の一次燃料およびパイロット燃料を点火するように構成されたスパークプラグと、エンジン負荷決定装置と、エンジン負荷決定装置からの情報を受信するように構成され、かつ燃焼室内におけるパイロット燃料の所望の均質な分配に基づき、所望のスパークプラグ点火タイミングを応答して決定するように構成された制御装置とを備える。
図１を参照すると、エンジンアセンブリ１０が示されている。エンジンアセンブリ１０はプレナム部材１２と空気源１４とを含む。プレナム部材１２は、その中に画成された入口開口部１６と出口開口部１５とを有する。空気源１４は、空気を入口開口部１６に供給する。空気源１４からの空気は、入口開口部１６を介して、プレナム部材１２内に画成されたプレナム室２４内に進行する。
エンジンアセンブリ１０はシリンダアセンブリ２６をさらに含む。シリンダアセンブリ２６は、その中に画成されたピストンシリンダ３０を有するブロック２８を含む。エンジンヘッド３２はブロック２８に固定される。エンジンヘッド３２は、その中に画成された吸気ポート３４と排気ポート３６と燃料噴射器開口部６０とを有する。吸気管路３８には、プレナム部材１２の出口開口部１５と流体連通する吸気ポート３４が配置される。排気通路５２には、排気マニホールド５４と流体連通する排気ポート３６が配置される。
エンジンアセンブリ１０は、ピストンシリンダ３０内で矢印４２と４４の全体方向に移動するピストン４０をさらに含む。ピストン４０が、図１に示した位置に矢印４４の全体方向に下方に移動するとき、コネクティングロッド４３は、クランクシャフト５０を矢印５１の全体方向に付勢して回転させる。引き続き、クランクシャフト５０が矢印５１の全体方向に回転し続けるとき、クランクシャフト５０は、矢印４２の全体方向にコネクティングロッド４３およびピストン４０を付勢して、ピストン４０を最上位置に戻す（図示せず）。
ピストン４０、ピストンシリンダ３０、およびエンジンヘッド３２は、燃焼室４６を画成するように協働する。特に、ピストン４０が矢印４２の全体方向に進行させられると、燃焼室４６の容積は減少される。他方、ピストン４０が矢印４４の全体方向に進行させられると、燃焼室４６の容積は、図１に示したように増加される。
エンジンアセンブリ１０は、吸気管路３８と流体連通する一次燃料源１８をさらに含む。一次燃料供給弁４１は、吸気管路３８に進行させられる天然ガスのような一次燃料の量を制御する。特に、一次燃料供給弁４１は、一次燃料を吸気管路３８に進行させる開位置と、吸気管路３８への一次燃料の進行を防止する閉位置との間を移動する。一次燃料弁４１によって進行させられる一次燃料の量により、空気対一次燃料比、または空気／燃料比が制御されて、空気および一次燃料が燃焼室４６に進行させられることを理解すべきである。具体的には、より希薄な混合気を燃焼室４６に進行させることが望まれる場合、信号ライン９６を介して受信される一次燃料制御信号により、一次燃料供給弁４１が、より少量の一次燃料を吸気管路３８に進行させるように作動させられる。他方、空気と一次燃料のより過濃な混合気を燃焼室４６に進行させることが望まれる場合、信号ライン９６を介して受信される一次燃料制御信号により、一次燃料供給弁４１が、より多量の一次燃料を吸気管路３８に進行させるように作動させられる。
本発明の開示の精神と範囲から逸脱することなく、一次燃料と空気の混合気を燃焼室４６に導入する他の方法を使用可能であることが指摘される。例えば、吸気管路３８を通した任意の点において、一次燃料と、ターボ過給機（図示せず）の上流に含まれる空気源１４からの空気とを混合することが可能である。代わりに、一次燃料を燃焼室４６内に直接噴射し、引き続き、吸気空気と混合してもよい。
一次燃料は、典型的に、高オクタン価、すなわち低セタン価を有する燃料である。一次燃料は天然ガスであることが好ましい。しかし、一次燃料は、ガソリン、メタノール、エタノール等のような他のある種類の燃料であってもよく、気体または液体であってもよい。
エンジンアセンブリ１０は、燃焼室内の一次燃料、パイロット燃料、および空気混合気を点火するように構成されたスパークプラグ６４をさらに備える。スパークプラグ６４により、エンジンアセンブリ１０が、非常に希薄な燃料比の間でさえも、燃料と空気の混合気の点火を正確に制御することが可能になる。スパークプラグ６４の点火により、例えば０．５以下の低い当量比で点火分配エンジン内における燃焼の正確な制御が可能になる。例えば、Ｊギャップ、複数のトーチ、プレチャンバ、またはレーザのような任意のタイプのスパークプラグを使用可能であることを理解すべきである。同様に、スパークがない場合に燃料を自動点火するマイクロパイロット燃料噴射器を使用することさえも可能であることを理解すべきである。
図１と図３に示した実施形態では、制御装置９０が制御信号９８をスパークプラグ６４に送信して、燃焼室４６内における燃料と空気の混合気の点火を正確に制御する。
吸気弁４８には、燃焼室４６と流体連通するプレナム室２４が選択的に配置される。吸気弁４８は、クランクシャフト５０の回転によって駆動されるカムシャフト（図示せず）、プッシュロッド（図示せず）、ロッカーアーム（図示せず）、あるいは例えば、油圧式に、電子式に、または空圧式に操作可能な任意の弁作動システムによって公知の方法で作動される。吸気弁４８が開位置（図１に図示）に配置されると、空気および一次燃料は吸気管路３８から吸気ポート３４を介して燃焼室４６に進行させられる。吸気弁４８が閉位置（図示せず）に配置されると、一次燃料および空気が吸気管路３８から燃焼室４６に進行することが防止されるが、この理由は、吸気弁４８が、吸気ポート３４を通した流体流を阻止するからである。
排気弁５６には、燃焼室４６と流体連通する排気マニホールド５４が選択的に配置される。排気弁５６は、クランクシャフト５０の回転によって駆動されるカムシャフト（図示せず）、プッシュロッド（図示せず）、ロッカーアーム（図示せず）、あるいは例えば、油圧式に、電子式に、または空圧式に操作可能な任意の弁作動システムによって公知の方法で作動される。排気弁５６が開位置（図示せず）に配置されると、排気ガスは、燃焼室４６から、排気ポート３６と排気通路５２とを含む流体経路を介して排気マニホールド５４に進行させられる。排気マニホールド５４から、排気ガスが排気管路５５に進行させられる。排気弁５６が閉位置（図１に図示）に配置されると、排気ガスが燃焼室４６から排気マニホールド５４に進行することが防止されるが、この理由は、排気弁５６が、排気ポート３６を通した流体流を阻止するからである。
燃焼室４６の一次燃料と空気の混合気の燃焼により、多量の排気ガスが発生される。一次燃料と空気の混合気が燃焼室４６内で燃焼された後、排気ガスは排気管路５５を通して進行させられる。排気ガス中に、ある量の窒素酸化物（「ＮＯｘ」）が含まれる。
エンジンアセンブリ１０は燃料リザーバ７０をさらに含む。燃料ポンプ７２は燃料リザーバ７０から低圧燃料を吸い込み、また高圧燃料を燃料ライン７４を介して燃料噴射器６２に進行させる。燃料噴射器６２は噴射器開口部６０に位置決めされ、またある量の燃料を噴射器開口部６０を通して燃焼室４６内に噴射するように作動可能である。特に、燃料噴射器６２は、信号ライン１００で噴射器制御信号を受信すると、燃料を燃焼室４６内に噴射する。さらに、燃料は、次の燃料群、すなわち、ディーゼル燃料、原油、潤滑油、または水とディーゼル燃料のエマルジョンの任意の１つであり得る。より一般的には、燃料は、一次燃料よりも高いセタン価を有する任意の種類の燃料であってもよく、したがって、一次燃料よりも容易に燃焼する特性を有する。
図１と図３に示した実施形態では、制御装置９０が制御信号１００を噴射器６２と３０２に送信して、燃焼室４６に導入されるパイロット燃料の量を制御する。
パイロット燃料は、任意の公知の方法で燃焼室４６に導入することが可能であり、また図１に示したように、直接噴射されることに限定されないことを理解すべきである。例えば、パイロット燃料は、図３に示したようにポート噴射し得るか、または燃料供給弁４１と同様の燃料供給弁を介して導入し得る。
エンジンアセンブリ１０は制御装置９０をさらに含む。制御装置９０は、マイクロプロセッサベースのエンジン制御ユニットであることが好ましい。図２に示されているように、制御装置９０は１組のマップ２０２を含むことが好ましい。それぞれのマップ２０２は、決定されたエンジン作動負荷に関する燃料噴射量、スパークプラグ点火タイミング、およびＮＯｘの３次元マップである。エンジン負荷の変化により、基準になる新しいマップ２０２が生じる。さらに、負荷の変化、したがってマップは、決定された一定のエンジン速度に基づく。エンジン速度の変化により、基準とする追加のマップが必要になる。
エンジン速度は、エンジン速度決定装置２０６、例えば、速度センサまたは当技術分野において周知のこのようなある装置によって決定される。エンジン負荷は、エンジン負荷決定装置２０４によって決定される。エンジン負荷決定装置の例は、サイクル毎の作業の測定と、吸気圧力および排気酸素の測定に基づく推定と、測定された燃料質量流量に基づく推定とを行うためのシリンダ圧力変換器を含むが、それに限定されない。
図３を参照すると、本発明の開示の実施例が示されている。図３の実施形態は、パイロット燃料が、直接噴射を用いるよりも、むしろ吸気ポート３４を介して燃焼室４６に導入されるという点において、図１の実施形態とは異なる。例えば、ポート噴射器３０２は、図示したように、パイロット燃料を吸気管路３８内に噴射し得る。代わりに、アコースティックアトマイザ、エアアシストインジェクタ等のような他の装置を使用して、パイロット燃料を吸気ポート３４内に送り出してもよい。上述の実施形態の代替形態は、吸気管路３８の上流の、例えば一次燃料および空気を供給する上流の他のある位置においてパイロット燃料を導入することを含み得る。
操作時、典型的なエンジンアセンブリ１０は、吸気行程、圧縮行程、パワー行程、および排気行程を含む４行程サイクルで作動する。以下の説明は、具体的には４行程エンジンに関するが、本発明の開示の原理は、２行程エンジンのような他のタイプのエンジンに同様に適用してもよい。
第１の行程は、図１に示したように排気弁５６が閉位置に位置決めされかつ吸気弁４８が開位置に位置決めされる吸気行程である。吸気行程中、ピストン４０は矢印４４の全体方向に下方に進行させられ、これによって、燃焼室４６内に低圧を生成する。この低圧により、燃焼室４６内に空気と一次燃料の均質混合気を形成するように、一次燃料および空気が吸気管路３８から下方に燃焼室４６内に吸い込まれる。
吸気行程または圧縮行程中のある時点において、パイロット燃料は噴射器６２を介して燃焼室４６または吸気管路３８内に噴射される。パイロット燃料により、一次燃料と空気の混合気による均質混合気が燃焼室４６内に形成されるための十分な時間を許容するように、パイロット燃料は予め十分に遠くに噴射される。
圧縮行程に進むと、吸気弁４８および排気弁５６の両方がそれらの個々の閉位置に位置決めされる。ピストン４０が矢印４２の全体方向に上方に移動するとき、ピストン４０は、燃焼室４６内の一次燃料、パイロット燃料、および空気を圧縮する。圧縮行程中に、一次燃料、パイロット燃料、および空気の比較的均質な混合気を点火させるように、スパークプラグ６４が一度点火する。制御装置９０は、エンジン負荷決定装置２０４およびエンジン速度決定装置２０６からの情報を受信し、それに応答して、関連するマップ２０２にアクセスする。マップ２０２は、排出されるＮＯｘの所望の低減量に基づき所望のスパークプラグ点火タイミングの指示を行う。次に、制御装置９０は、信号ライン２１２を介して、スパークプラグ点火タイミングを制御する命令信号を送り出す。同様に、制御装置は、信号ライン２０８と２１０を介して、噴射タイミングおよび噴射量をそれぞれ制御する命令信号を送り出すことが可能である。
基準マップに加えて、制御装置９０は、他の方法によって、所望のスパークプラグ点火タイミング、パイロット燃料噴射タイミング、およびパイロット燃料量を決定し得る。例えば、制御装置９０は、シリンダ圧力変換器（図示せず）からの情報、またはエンジン速度の変動に関連する情報を受信し、それに応答して、燃焼変動に基づく所望の噴射量を決定し得る。さらに、制御装置９０は、例えば、シリンダ圧力を測定するかまたは「ノック」センサ（図示せず）を使用することにより、シリンダ圧力上昇速度に関連する情報を受信し、それに応答して、所望のスパークプラグ点火タイミングを決定することが可能である。
図３の実施形態では、パイロット燃料は吸気管路３８内に噴射される。上述のマップまたは代替手段によって、所望の噴射量が、燃焼室４６に導入される合計燃料の０．５％〜１％の範囲のどこかにあり得ることを決定することが可能である。しかし、これらの量は模範的なものに過ぎず、値は異なる場合があることが指摘される。
図面、開示、および添付された特許請求の範囲を検討すれば、他の形態を得ることができる。
本発明の開示の特徴を組み込んでいる燃焼エンジンの部分断面概略図である。 本発明の開示の実施形態を示したブロック図である。 本発明の開示の実施例の特徴を組み込んでいる燃焼エンジンの部分断面概略図である。
符号の説明
１０ エンジンアセンブリ
１２ プレナム部材
１４ 空気源
１５ 出口開口部
１６ 入口開口部
１８ 一次燃料源
２４ プレナム室
２６ シリンダアセンブリ
２８ ブロック
３０ ピストンシリンダ
３２ エンジンヘッド
３４ 吸気ポート
３６ 排気ポート
３８ 吸気管路
４０ ピストン
４１ 一次燃料供給弁
４２ 矢印
４３ コネクティングロッド
４４ 矢印
４６ 燃焼室
４８ 吸気弁
５０ クランクシャフト
５１ 矢印
５２ 排気通路
５４ 排気マニホールド
５５ 排気管路
５６ 排気弁
６０ 燃料噴射器開口部
６２ 燃料噴射器
６４ スパークプラグ
７０ 燃料リザーバ
７２ 燃料ポンプ
７４ 燃料ライン
９０ 制御装置
９６ 信号ライン
９８ 信号ライン
１００ 信号ライン
２０２ マップ
２０４ エンジン負荷決定装置
２０６ エンジン速度決定装置
２０８ 信号ライン
２１０ 信号ライン
２１２ 信号ライン
３０２ ポート噴射器

Claims (11)

  1. 内燃エンジンを作動させるための方法であって、
    一次燃料をエンジンの主燃焼室に導入するステップと、
    パイロット燃料をエンジンの主燃焼室に導入するステップと、
    エンジン作動負荷を決定するステップと、
    エンジン作動負荷に対応する情報を受信するステップと、
    それに応答して、主燃焼室内のパイロット燃料の均質な分布に基く、所望のスパークプラグ点火タイミングを決定するステップと、
    スパークプラグにより、所望のスパークプラグ点火タイミングで一次燃料およびパイロット燃料を点火するステップと、
    を含む方法において、
    パイロット燃料のオクタン価が一次燃料のオクタン価よりも低く、燃焼室に導入されるパイロット燃料が、組み合わせられた一次燃料およびパイロット燃料の合計エネルギの０．５％以下であることを特徴とする方法。
  2. 一次燃料およびパイロット燃料の比較的均質な混合気を生成するように、燃焼室内で一次燃料およびパイロット燃料を混合するステップをさらに含む請求項１に記載の方法。
  3. 一次燃料が天然ガスであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  4. パイロット燃料が潤滑油であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  5. パイロット燃料が燃焼室内に直接噴射されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  6. パイロット燃料が、燃焼室に導入される前に吸気管路内にポート噴射されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  7. 一次燃料が、燃焼室に導入される前に吸気管路内に導入されることを特徴とする請求項６に記載の方法。
  8. 一次燃料とパイロット燃料とが、それぞれ、吸気管路内に導入され、またターボ過給機コンプレッサの上流で噴射されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
  9. スパークプラグ点火タイミングが、ＮＯｘエミッション量の関数として決定される請求項１に記載の方法。
  10. スパークプラグ点火タイミングが、決定されたエンジン作動負荷に関するＮＯｘのマップから決定される請求項９に記載の方法。
  11. エンジン作動速度を決定するステップと、スパークプラグ点火タイミングをエンジン作動速度の関数として決定するステップとをさらに含む請求項１に記載の方法。
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