JP7386804B2 - 複数の燃料を利用する内燃機関およびそのようなものを作動させる方法 - Google Patents
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Description
本出願は、２０１８年４月９日に出願された米国実用特許出願第１５／９４８，５１６号の利益を主張し、該米国実用特許出願は、その内容全体が参照により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。
本明細書に開示するように、複数の燃料タイプを同時に利用する内燃機関を利用して、ノッキング、早期着火、またはその両方なしで機関を依然として作動させながら、燃料消費量を減らすことができる。機関のオクタン要件がかなり低い比較的低負荷および中間負荷で低オクタン燃料源を利用し、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して、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によって、より少ない燃料消費で内燃機関を運転できることが発見された。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（メタノールや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、本明細書に開示されるのは、異なる耐ノッキング品質および別個の導入方法を有する２つの燃料で作動する内燃機関における早期着火を軽減するために使用することができる方法およびシステムである。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。
１つ以上の実施形態によれば、本明細書に開示される機関を作動させる方法は、シリンダ内の空気－燃料混合物のピーク圧力、ピーク温度、またはその両方が（最大ブレーキトルクタイミングでの作動と比較して）低下するように一定の機関負荷で（所定の機関の最大ブレーキトルクタイミングを基準にして）燃焼位相を遅延させることを含み得る。この燃焼位相の遅延は、同時に、全体の混合物中の石油系燃料の画分を増加させながら、ノッキングに遭遇することなく機関が作動するために必要な高オクタン燃料の量を低減することができる燃焼位相の遅延により、燃料消費率と比二酸化炭素排出量が付加的に低減され得る。機関の作動に必要な低減された量のアルコール燃料と組み合わされたより低いシリンダ内圧力は、早期着火のような異常な燃焼現象を軽減し得る。
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内に噴射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、機関シリンダに収容されたピストンを並進させ、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つ以上を含む。第１の燃料は、第２の燃料よりも高いオクタン価を含み得る。ＣＡ５０は、燃料混合物の５０重量％が燃焼したときのクランクシャフトの角度位置として定義され得、ＣＡ５０は、クランクシャフトの上死点位置を通過して測定され得、ＣＡ５０は、スパークプラグによる燃焼のタイミングの関数であり得る。目標ＣＡ５０は、燃料混合物の燃料消費率の最小値に対応し得る。内燃機関が目標ＣＡ５０の２０度以内の作動ＣＡ５０で作動するように、スパークプラグは、一度に燃焼を開始させ得る。
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、機関シリンダ内に収容されたピストン、ピストンに連結されたクランクシャフト、第１の燃料を噴射する第１の燃料噴射器、第２の燃料を噴射する第２の燃料噴射器、および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のうちの１つ以上を含み得る。第２の燃料は、第２の燃料よりも大きいオクタン価を含み得、第１の燃料および第２の燃料は、機関シリンダの燃焼チャンバ内で燃料混合物を形成し得る。ＣＡ５０は、燃料混合物の５０重量％が燃焼したときのクランクシャフトの角度位置として定義され得、ＣＡ５０は、クランクシャフトの上死点位置を通過して測定され得、ＣＡ５０は、スパークプラグによる燃焼のタイミングの関数であり得る。目標ＣＡ５０は、燃料混合物の燃料消費率の最小値に対応し得る。内燃機関が目標ＣＡ５０の２０度以内の作動ＣＡ５０で作動するように、スパークプラグは、一度に燃焼を開始させ得る。
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。
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プラスの影響を与え得るため、早期着火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、（ＣＡ５０によって測定されるように）燃焼位相を遅延させることにより、平均ピーク圧力を低減することができ、それにより、早期着火の可能性を低減することができる。燃焼位相の遅延はまた、ノッキングなしで機関を作動させるために必要とされる場合がある高オクタン燃料（例えば、アルコール）の量の低減につながり得、これもまた、早期着火の可能性を低減し得る。高オクタン燃料の量が少ないことはまた、空気－燃料混合物形成の改善をもたらし得る。付加的に、より少量の高オクタン燃料は、燃焼チャンバの表面への燃料の衝突を低減することができる。また、燃料の衝突が低減されると、シリンダボアの摩耗も減少し得る。理論にとらわれることなく、壁の濡れが増加すると、シリンダライニングの油膜が除去されることになり得ると考えられ、これは、ボア内（時にはシリンダ摩耗の最悪の場所）のピストンリング反転点の近くで発生する場合がある。したがって、燃料の衝突が低減されると、壁の濡れが低減され得、その結果、シリンダボアの摩耗が低減され得る。
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。早期着火は、機関のノッキングとは技術的に異なる現象であるスパーク点火機関での発生を指す場合があり、スパークプラグが発火する前にシリンダ内の空気／燃料混合物が着火する事象を説明する。早期着火は、燃焼チャンバ内のホットスポット、アプリケーションに対して熱くなりすぎるスパークプラグ、または以前の機関燃焼によって白熱状態に加熱された燃焼チャンバ内の炭素質堆積物など、スパーク以外の点火源によって開始される。実際の機関では、圧縮ストローク中に起こり得る。これは、スパークタイミングを進めることに似ており、この進みが大きいほど、圧力が高くなり、結果として発生し得るノッキング／スーパーノッキング事象がより深刻になる。これにより、機関に重大な損傷を与え、機関の作動を停止させる可能性がある。したがって、早期着火は、スパーク点火機関の効率を改善する上での制限要因である。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。
内燃機関は、少なくとも機関シリンダ１１０、吸気ポート１７１、排気ポート１７２、およびピストン１２０を備えることができる。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、機関作動に合わせて吸気弁１７４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に連結され得る。
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。
図１に示す実施形態によれば、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。本明細書で説明するように、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に示すように、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。本明細書で説明するように、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１３０および高オクタン燃料噴射器１３２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。低オクタン燃料供給源１６１は、接続ライン１４１を介して低オクタン燃料噴射器１３０に流体接続され得る。同様に、高オクタン燃料供給源１６３は、接続ライン１４３を介して高オクタン燃料噴射器１３２に流体接続され得る。
ここで図２を参照すると、別の実施形態では、高オクタン燃料噴射器１３２は、高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る。図２に示すように、低オクタン燃料噴射器１３０は、低オクタン燃料を吸気ポート１７１に供給する間接噴射器であり得る。
図３Ａおよび図３Ｂは、高オクタン燃料噴射器１３２および低オクタン燃料噴射器１３０が両方とも直接燃料噴射器である追加の実施形態を示している。そのような実施形態では、高オクタン燃料および低オクタン燃料の噴射の独立した制御が存在し得る。図３Ａは、両方の直接燃料噴射器がシリンダヘッド上に（例えば、スパークプラグ１１５にまたはその近くに）位置している実施形態を示す。図３Ｂの実施形態は、シリンダヘッドに位置決めされた１つの燃料噴射器と、シリンダの側面に位置決めされた１つの燃料噴射器（側面取り付け式直接噴射器と呼ばれることもある）と、を有する。
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、ガソリンを含み得る。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％のガソリンを含み得る。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などの１つ以上のアルコールを含み得る。例えば、低オクタン燃料は、全アルコールの少なくとも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％、またはさらに少なくとも約９９．９重量％のメタノール、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を含み得る。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。
１つ以上の実施形態によれば、高オクタン燃料は、メタノールであり得、燃料混合物中のメタノールの重量パーセント（すなわち、メタノールの量をメタノールとガソリンの合計で割った量）は、０重量％～４０重量％であり得る。別の実施形態では、高オクタン燃料は、エタノールであり得、燃料混合物中のエタノールの重量パーセントは、１０重量％～５０重量％であり得る。燃料混合物のリマインダーは、ガソリンであり得る。低および高オクタン燃料のオクタン数または機関の圧縮比に基づいて、メタノールまたはエタノールの他の重量パーセント範囲を利用することができると考えられる。例えば、圧縮比が増加すると、メタノールまたはエタノールの重量パーセントが大きくなり得る。理論にとらわれることなく、いくつかの実施形態では、アルコールのパーセンテージは、５０重量％を超え、７５重量％を超え、９５重量％を超え、またはさらに１００重量％であってもよい。
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である。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。
１つ以上の実施形態によれば、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。
本明細書で開示される実施形態では、機関は、最大ブレーキトルクに対応するＣＡ５０より遅いＣＡ５０タイミングで作動することができる。このスパーク点火の遅延したタイミングは、本明細書では、燃焼位相の遅延またはスパークタイミングと呼ばれることがある。燃焼位相の遅延により、点火中の機関圧力および温度が低下することになり得る。付加的に、燃焼位相の遅延（すなわち、最大ブレーキトルクＣＡ５０よりも大きいＣＡ５０を利用する）により、機関をより低いＣＡ５０値よりも低いオクタン燃料で作動させることが可能になり得る。例えば、最大ブレーキトルクに対応するＣＡ５０で機関を作動させるには、最大ブレーキトルクに対応するものを超えるＣＡ５０で機関を作動させるよりも高いオクタン燃料混合物が必要になる場合がある。
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。
１つ以上の実施形態では、低オクタン燃料は、高オクタン燃料を超える低位発熱量を有する。したがって、ＣＡ５０が増加すると、混合燃料の低位発熱量が増加することがある（ＣＡ５０が大きいほど、低オクタン燃料をより多く利用できるため）。ここで使用されるように、燃料の「低位発熱量」は、反応生成物中の水の蒸発潜熱が回収されないことを前提として、指定された量（最初は２５℃で）を燃焼させ、燃焼生成物の温度を１５０℃に戻すことによって放出される熱量として定義される。低位発熱量は、正味カロリー値と呼ばれる場合がある。
実施形態によれば、燃料混合物の低位発熱量は、作動ＣＡ５０が増加するにつれて増加し得るが、機関効率は、作動ＣＡ５０が増加するにつれて減少し得る。したがって、機関の最小燃料消費量は、機関効率と利用される燃料混合物の両方の関数（例えば、利用される高オクタン燃料の重量パーセンテージ）であり得るため、燃料消費率は本明細書で「目標ＣＡ５０」と呼ばれる、特定のＣＡ５０で最小化され得る。目標ＣＡ５０では、最小燃料消費量が最小化され、ＣＡ５０の増加に伴う機関の熱効率の低下は、ＣＡ５０の値が高くなると混合燃料の低位発熱量が増加することで最大限に相殺される。
１つ以上の実施形態によれば、内燃機関１００は、目標ＣＡ５０の２０度以内にある作動ＣＡ５０で作動することができる。例えば、作動ＣＡ５０は、目標ＣＡ５０の１５度以内、１０度以内、８度以内、６度以内、４度以内、または２度以内でさえあり得る。そのような作動は、高オクタン燃料添加剤を利用して作動ＣＡ５０での機関のノッキングを防止する内燃機関の燃料消費率を十分に最小化することができる。
１つ以上の実施形態によれば、本明細書で開示される機関は、６度または８度～３５度、例えば１４度～２３度のＣＡ５０で作動することができる。例えば、作動ＣＡ５０は、８度～１４度、１４度～１７度、１７度～２０度、または２０度～２３度、２３度～３０度、３０度～３５度、またはそれらの任意の組み合わせであり得る。作動ＣＡ５０は、機関作動の負荷および／または使用される低オクタンおよび高オクタン燃料に依存し得る。例えば、表１は、高オクタン燃料がエタノール、メタノール、または水を含むかもしくは水を含まないそれらの組み合わせであり得る様々な機関条件に考えられるＣＡ５０値を示す。
理論にとらわれることなく、本明細書に記載の作動方法を利用する機関は、最大のブレークトルクタイミングで運転する同一の機関よりも１つ以上の利点を有し得ると考えられている。例えば、機関は、早期着火を低下させている場合があり、機関の平均ピーク圧力が低下する場合があり、機関は、低オクタン燃料でノッキングすることなく作動する場合があり、機関は、空気と燃料間の混合を増加させる場合があり、機関は、シリンダ内の燃料の衝突を低下させる場合があり、または機関は、摩耗を低下させる場合がある。
内燃機関の様々な実施形態およびその作動は、以下の実施例によってさらに明らかにされるであろう。これらの実施例は本質的に例示的なものであり、本開示の主題を限定するものと理解されるべきではない。
本開示の内燃機関がどのように異常燃焼現象を軽減できるかを示すために、２つの燃料機関システムが実験的に分析された。
実施例１
２５００ｒｐｍおよび１３バールで作動する機関システムを、それぞれ高オクタン燃料および低オクタン燃料として利用したエタノールとガソリンにより、様々なＣＡ５０で分析した。実施例で利用されているガソリンは、ＲＯＮが９０の酸素化ブレンド（ＢＯＢ）用サウジアラビアガソリンブレンドストックであった。実施例１の機関について、最大ブレーキトルクは、約８度ａＴＤＣ（上死点後）と測定された。
２５００ｒｐｍおよび１３バールで作動する機関システムを、それぞれ高オクタン燃料および低オクタン燃料として利用したエタノールとガソリンにより、様々なＣＡ５０で分析した。実施例で利用されているガソリンは、ＲＯＮが９０の酸素化ブレンド（ＢＯＢ）用サウジアラビアガソリンブレンドストックであった。実施例１の機関について、最大ブレーキトルクは、約８度ａＴＤＣ（上死点後）と測定された。
８度を超えるＣＡ５０で機関を分析し、所定の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必要量を決定した。図４は、ノッキング防止のために様々なＣＡ５０で機関に必要とされるメタノールの重量比を描写している。メタノール画分は、所定の燃焼位相での機関の最小オクタン要件に基づいて間接的に確立された。すなわち、図４に示される所定のＣＡ５０で、より少ないメタノールでノッキングが発生したであろう。この作動条件では、最も遅延された燃焼位相（ａＴＤＣ約２８度のＣＡ５０）でのオクタン要件は、機関がガソリン燃料のみで作動されるように十分に低くなっている。予想したように、機関は、最大ブレーキトルクＣＡ５０に近づくＣＡ５０でノッキングすることなく作動するために、より高いオクタンの燃料混合物を必要とした。
付加的に、図５は、図４に示されるメタノール対ガソリン比の要件を説明する、メタノールおよびガソリンの様々な位相角度における低位発熱量を描写している。図５は付加的に、燃料混合物の組み合わされた低位発熱量を示している。図５に描写されるように、より低いオクタン数を有する燃料混合物（大きなＣＡ５０位相で利用できる）は、より高いオクタン数燃料混合物よりも高いエネルギー含有量を有する。
図６は、様々なＣＡ５０タイミングでの機関の測定された正味熱効率を描写している。最大の機関効率は最大のブレーキトルクで発生し、正味の熱効率は、ＣＡ５０位相の増加（最大のブレーキトルクタイミングから離れて移動する）とともに減少する。
図７は、様々なＣＡ５０タイミングでの正味燃料消費率（ＮＳＦＣ）を描写している。熱効率と低位発熱量の競合効果により、熱効率の段階的な改善が燃料の結合エネルギー密度の段階的な減少を相殺する以上の場合、最終的には、燃焼位相をさらに進めると、組み合わされた燃料消費率にのみ有益であると判断される。このトレードオフは、図７の組み合わされた燃料消費率曲線内の極小を生成する。これは、燃焼位相がＭＢＴスパークタイミングに向かって進むにつれて、熱効率の漸進的な改善が下降し続けることに起因する。熱効率と燃料エネルギー密度の間のこのトレードオフを最大化することで、ピーク効率の作動条件（ＣＡ５０が約８度ａＴＤＣ）に関して、組み合わされた燃料消費率を９％低減する。ノッキングを抑制するために必要なメタノールの量も６０％以上低減される。
例えば、約２８度のＣＡ５０の作動（すべてのガソリンを燃料として）は、オクタン品質が最も低いがエネルギー密度が最も高い燃料を表す。燃焼位相を進めるには、化学量論的燃焼を維持するためにガソリンブレンドストックの量を同時に低減しながら、メタノールの量を増加させる必要がある。これは、さらに最適化された燃焼位相を介して機関の熱効率を増加させるが、組み合わされた燃料のエネルギー密度を低減する。
実施例２
実施例１の機関および条件でさらなる試験を行ったが、機関負荷を１８バール、１６バール、１３バール、１１バール、および８バールに変化させ、機関は常に１５００ｒｐｍで運転させた。約８度のＣＡ５０でのＭＢＴは、このレベルを下回るすべての負荷で、ガソリンのみで機関を作動させて（すなわち、高オクタン燃料によるオクタン濃縮なしで）維持することができた。図８は、最大ブレークトルクまたはシリンダ圧力制限（該当する場合）を超えたＣＡ５０の関数として平均ピーク圧力を示している。付加的に、図９は、ＣＡ５０の関数としてのメタノール画分の変化を示しており、これも、最大ブレークトルクまたはシリンダ圧力制限（該当する場合）を超えた度に標準化されている。熱効率と燃料エネルギー密度の間のトレードオフは、燃焼位相とピークシリンダ圧力の間の関係によって可能になる。燃焼位相が遅延されると、ピークシリンダ圧力が低減され、機関のオクタン要件が効果的に下がる。これにより、ノッキングを抑制するために必要なメタノールの量を低減する。例えば、２つの最低機関負荷（１１バールおよび８バール）で、６クランク角度（ＣＡＤ）だけ燃焼位相を遅延させることにより、メタノール画分を１００％および５０％低減することができる。これらの利点は、機関負荷の増加に伴って減るが、この実験で考慮した最高負荷ではなお２５％を超えている。
実施例１の機関および条件でさらなる試験を行ったが、機関負荷を１８バール、１６バール、１３バール、１１バール、および８バールに変化させ、機関は常に１５００ｒｐｍで運転させた。約８度のＣＡ５０でのＭＢＴは、このレベルを下回るすべての負荷で、ガソリンのみで機関を作動させて（すなわち、高オクタン燃料によるオクタン濃縮なしで）維持することができた。図８は、最大ブレークトルクまたはシリンダ圧力制限（該当する場合）を超えたＣＡ５０の関数として平均ピーク圧力を示している。付加的に、図９は、ＣＡ５０の関数としてのメタノール画分の変化を示しており、これも、最大ブレークトルクまたはシリンダ圧力制限（該当する場合）を超えた度に標準化されている。熱効率と燃料エネルギー密度の間のトレードオフは、燃焼位相とピークシリンダ圧力の間の関係によって可能になる。燃焼位相が遅延されると、ピークシリンダ圧力が低減され、機関のオクタン要件が効果的に下がる。これにより、ノッキングを抑制するために必要なメタノールの量を低減する。例えば、２つの最低機関負荷（１１バールおよび８バール）で、６クランク角度（ＣＡＤ）だけ燃焼位相を遅延させることにより、メタノール画分を１００％および５０％低減することができる。これらの利点は、機関負荷の増加に伴って減るが、この実験で考慮した最高負荷ではなお２５％を超えている。
実施例３
メタノールとガソリンを利用し、様々な機関負荷（１８バール、１６バール、１３バール、１１バール、および８バール）の下で１５００ｒｐｍで作動する機関は、様々なＣＡ５０値で実験的に分析され、燃料混合物中のメタノール含有量は、ノッキングを防ぐために必要な量に最小化された。図１０は、様々な機関負荷に対するＣＡ５０の関数としてのメタノール画分を示し、図１１は、様々な機関負荷に対するＣＡ５０の関数としての燃料混合物の正味燃料消費率を示している。
メタノールとガソリンを利用し、様々な機関負荷（１８バール、１６バール、１３バール、１１バール、および８バール）の下で１５００ｒｐｍで作動する機関は、様々なＣＡ５０値で実験的に分析され、燃料混合物中のメタノール含有量は、ノッキングを防ぐために必要な量に最小化された。図１０は、様々な機関負荷に対するＣＡ５０の関数としてのメタノール画分を示し、図１１は、様々な機関負荷に対するＣＡ５０の関数としての燃料混合物の正味燃料消費率を示している。
実施例４
エタノールとガソリンを利用し、様々な機関負荷（１８バール、１６バール、１３バール、および１１バール）の下で２５００ｒｐｍで作動する機関は、様々なＣＡ５０値で実験的に分析され、燃料混合物中のエタノール含有量は、ノッキングを防ぐために必要な量に最小化された。図１２は、様々な機関負荷に対するＣＡ５０の関数としてのエタノール画分を示し、図１３は、様々な機関負荷に対するＣＡ５０の関数としての燃料混合物の正味燃料消費率を示している。
以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。
実施形態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に入れて、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、
ＣＡ５０が、前記燃料混合物の５０重量％が燃焼したときの前記クランクシャフトの角度位置として定義され、前記ＣＡ５０が、前記クランクシャフトの上死点位置を通過して測定され、前記ＣＡ５０が、前記スパークプラグによる前記燃焼のタイミングの関数であり、
目標ＣＡ５０が、前記燃料混合物の燃料消費率の最小値に対応し、
前記内燃機関が、前記目標ＣＡ５０の２０度以内の作動ＣＡ５０で作動するように、前記スパークプラグが、一度に燃焼を開始させる、方法。
実施形態２
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有する、実施形態１に記載の方法。
実施形態３
前記第１の燃料が、前記第２の燃料よりも低い早期着火抵抗を有する、実施形態２に記載の方法。
実施形態４
前記第１の燃料が、少なくとも１種のアルコールを含む、実施形態３に記載の方法。
実施形態５
前記少なくとも１種のアルコールが、エタノールおよびメタノールのうちの少なくとも１つを含む、実施形態４に記載の方法。
実施形態６
前記第２の燃料が、石油系燃料を含む、実施形態３に記載の方法。
実施形態７
前記石油系燃料が、ガソリンである、実施形態６に記載の方法。
実施形態８
前記第１の燃料が、ポート燃料噴射器によって吸気ポート内に噴射され、前記第２の燃料が、直接燃料噴射器によって前記機関シリンダ内に噴射される状態にある、実施形態１～７のいずれかに記載の方法。
実施形態９
前記第１の燃料が、直接燃料噴射器によって前記機関シリンダ内に噴射され、前記第２の燃料が、ポート燃料噴射器によって吸気ポート内に噴射される状態にある、実施形態１～７のいずれかに記載の方法。
実施形態１０
前記第１の燃料が、直接燃料噴射器によって前記機関シリンダ内に噴射され、前記第２の燃料が、直接燃料噴射器によって前記機関シリンダ内に噴射される、実施形態１～７のいずれかに記載の方法。
実施形態１１
前記燃料混合物中の前記第１の燃料の量が、前記作動ＣＡ５０でノッキングを防止するのに必要な第１の燃料の最小量の２０重量％以内である、実施形態１～７のいずれかに記載の方法。
実施形態１２
前記作動ＣＡ５０が、８度～３５度ａＴＤＣである、実施形態１～７のいずれかに記載の方法。
実施形態１３
前記スパークプラグによる前記燃焼のタイミングが、最大ブレーキトルクタイミングに対して遅延される、実施形態１～７のいずれかに記載の方法。
実施形態１４
最大ブレークトルクタイミングで作動する同一の機関に対して、
前記機関が、早期着火を低減させたこと、
前記機関の平均ピーク圧力を低減すること、
前記機関が、ノッキングすることなく、より少ない高オクタンの燃料で作動すること、
前記機関が、空気と燃料との間の混合を増加させたこと、
前記機関が、前記シリンダ内の燃料衝突を低減させたこと、またはおよび
前記機関が、摩耗を低減させたこと、のうちの少なくとも１つである、実施形態１～７のいずれかに記載の方法。
実施形態１５
内燃機関であって、
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と、
前記ピストンに連結されたクランクシャフトと、
第１の燃料を噴射する第１の燃料噴射器と、
第２の燃料を噴射する第２の燃料噴射器であって、前記第２の燃料が、前記第２の燃料よりも高いオクタン価を備え、前記第１の燃料および前記第２の燃料が、前記機関シリンダの燃焼ゾーンにおいて燃料混合物を形成する、第２の燃料噴射器と、
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、
ＣＡ５０が、前記燃料混合物の５０重量％が燃焼したときの前記クランクシャフトの角度位置として定義され、前記ＣＡ５０が、前記クランクシャフトの上死点位置を通過して測定され、前記ＣＡ５０が、前記スパークプラグによる前記燃焼のタイミングの関数であり、
目標ＣＡ５０が、前記燃料混合物の燃料消費率の最小値に対応し、
前記内燃機関が前記目標ＣＡ５０の２０度以内の作動ＣＡ５０で作動するように、前記スパークプラグが、一度に燃焼を開始させる、内燃機関。
実施形態１６
耐ノッキング性と早期着火特性が異なる複数の燃料で作動する内燃機関のためのシステムであって、
第１の燃料を前記機関内の燃焼チャンバに導入する第１の燃料噴射器と、
第２の燃料を前記燃焼チャンバに導入する第２の燃料噴射器と、
前記燃焼チャンバ内で前記第１および第２の燃料によって形成される燃料混合物を燃焼させるスパークプラグと、を備え、前記第１の燃料噴射器、前記第２の燃料噴射器、および前記スパークプラグが、前記システムによって生成された燃焼位相により、前記内燃機関の作動中の早期着火とノッキングの両方を実質的に回避しながら、最大のブレーキトルクをもたらすために必要なスパークタイミングと最小燃料消費率をもたらすために必要なスパークタイミングとの間の時間中に、前記スパークプラグが前記混合物を点火させるように協働する、内燃機関のためのシステム。
エタノールとガソリンを利用し、様々な機関負荷（１８バール、１６バール、１３バール、および１１バール）の下で２５００ｒｐｍで作動する機関は、様々なＣＡ５０値で実験的に分析され、燃料混合物中のエタノール含有量は、ノッキングを防ぐために必要な量に最小化された。図１２は、様々な機関負荷に対するＣＡ５０の関数としてのエタノール画分を示し、図１３は、様々な機関負荷に対するＣＡ５０の関数としての燃料混合物の正味燃料消費率を示している。
以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。
実施形態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に入れて、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、
ＣＡ５０が、前記燃料混合物の５０重量％が燃焼したときの前記クランクシャフトの角度位置として定義され、前記ＣＡ５０が、前記クランクシャフトの上死点位置を通過して測定され、前記ＣＡ５０が、前記スパークプラグによる前記燃焼のタイミングの関数であり、
目標ＣＡ５０が、前記燃料混合物の燃料消費率の最小値に対応し、
前記内燃機関が、前記目標ＣＡ５０の２０度以内の作動ＣＡ５０で作動するように、前記スパークプラグが、一度に燃焼を開始させる、方法。
実施形態２
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有する、実施形態１に記載の方法。
実施形態３
前記第１の燃料が、前記第２の燃料よりも低い早期着火抵抗を有する、実施形態２に記載の方法。
実施形態４
前記第１の燃料が、少なくとも１種のアルコールを含む、実施形態３に記載の方法。
実施形態５
前記少なくとも１種のアルコールが、エタノールおよびメタノールのうちの少なくとも１つを含む、実施形態４に記載の方法。
実施形態６
前記第２の燃料が、石油系燃料を含む、実施形態３に記載の方法。
実施形態７
前記石油系燃料が、ガソリンである、実施形態６に記載の方法。
実施形態８
前記第１の燃料が、ポート燃料噴射器によって吸気ポート内に噴射され、前記第２の燃料が、直接燃料噴射器によって前記機関シリンダ内に噴射される状態にある、実施形態１～７のいずれかに記載の方法。
実施形態９
前記第１の燃料が、直接燃料噴射器によって前記機関シリンダ内に噴射され、前記第２の燃料が、ポート燃料噴射器によって吸気ポート内に噴射される状態にある、実施形態１～７のいずれかに記載の方法。
実施形態１０
前記第１の燃料が、直接燃料噴射器によって前記機関シリンダ内に噴射され、前記第２の燃料が、直接燃料噴射器によって前記機関シリンダ内に噴射される、実施形態１～７のいずれかに記載の方法。
実施形態１１
前記燃料混合物中の前記第１の燃料の量が、前記作動ＣＡ５０でノッキングを防止するのに必要な第１の燃料の最小量の２０重量％以内である、実施形態１～７のいずれかに記載の方法。
実施形態１２
前記作動ＣＡ５０が、８度～３５度ａＴＤＣである、実施形態１～７のいずれかに記載の方法。
実施形態１３
前記スパークプラグによる前記燃焼のタイミングが、最大ブレーキトルクタイミングに対して遅延される、実施形態１～７のいずれかに記載の方法。
実施形態１４
最大ブレークトルクタイミングで作動する同一の機関に対して、
前記機関が、早期着火を低減させたこと、
前記機関の平均ピーク圧力を低減すること、
前記機関が、ノッキングすることなく、より少ない高オクタンの燃料で作動すること、
前記機関が、空気と燃料との間の混合を増加させたこと、
前記機関が、前記シリンダ内の燃料衝突を低減させたこと、またはおよび
前記機関が、摩耗を低減させたこと、のうちの少なくとも１つである、実施形態１～７のいずれかに記載の方法。
実施形態１５
内燃機関であって、
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と、
前記ピストンに連結されたクランクシャフトと、
第１の燃料を噴射する第１の燃料噴射器と、
第２の燃料を噴射する第２の燃料噴射器であって、前記第２の燃料が、前記第２の燃料よりも高いオクタン価を備え、前記第１の燃料および前記第２の燃料が、前記機関シリンダの燃焼ゾーンにおいて燃料混合物を形成する、第２の燃料噴射器と、
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、
ＣＡ５０が、前記燃料混合物の５０重量％が燃焼したときの前記クランクシャフトの角度位置として定義され、前記ＣＡ５０が、前記クランクシャフトの上死点位置を通過して測定され、前記ＣＡ５０が、前記スパークプラグによる前記燃焼のタイミングの関数であり、
目標ＣＡ５０が、前記燃料混合物の燃料消費率の最小値に対応し、
前記内燃機関が前記目標ＣＡ５０の２０度以内の作動ＣＡ５０で作動するように、前記スパークプラグが、一度に燃焼を開始させる、内燃機関。
実施形態１６
耐ノッキング性と早期着火特性が異なる複数の燃料で作動する内燃機関のためのシステムであって、
第１の燃料を前記機関内の燃焼チャンバに導入する第１の燃料噴射器と、
第２の燃料を前記燃焼チャンバに導入する第２の燃料噴射器と、
前記燃焼チャンバ内で前記第１および第２の燃料によって形成される燃料混合物を燃焼させるスパークプラグと、を備え、前記第１の燃料噴射器、前記第２の燃料噴射器、および前記スパークプラグが、前記システムによって生成された燃焼位相により、前記内燃機関の作動中の早期着火とノッキングの両方を実質的に回避しながら、最大のブレーキトルクをもたらすために必要なスパークタイミングと最小燃料消費率をもたらすために必要なスパークタイミングとの間の時間中に、前記スパークプラグが前記混合物を点火させるように協働する、内燃機関のためのシステム。
Claims (9)
- 内燃機関を作動させる方法であって、
少なくとも１種のアルコールを含む第１の燃料および少なくとも１つの石油系燃料を含む第２の燃料を機関シリンダに入れて、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の燃料は、前記第２の燃料よりも高いオクタン価を有し、
ＣＡ５０が、前記燃料混合物の５０重量％が燃焼したときの前記クランクシャフトの角度位置として定義され、前記ＣＡ５０が、前記クランクシャフトの上死点位置を通過して測定され、前記ＣＡ５０が、前記スパークプラグによる前記燃焼のタイミングの関数であり、
上死点を超えて１４度から２３度である目標ＣＡ５０が、前記燃料混合物の燃料消費率の最小値に対応し、
前記目標ＣＡ５０と作動ＣＡ５０の両方が、最大ブレーキトルクタイミングのＣＡ５０を超えて遅延され、
前記内燃機関が、前記目標ＣＡ５０の２度以内の作動ＣＡ５０で作動するように、前記スパークプラグが、一度に燃焼を開始させる、方法。 - 前記第１の燃料が、前記第２の燃料よりも低い早期着火抵抗を有する、請求項１に記載の方法。
- 前記少なくとも１種のアルコールが、エタノールおよびメタノールのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の方法。
- 前記石油系燃料が、ガソリンである、請求項１に記載の方法。
- 前記第１の燃料が、ポート燃料噴射器によって吸気ポート内に噴射され、前記第２の燃料が、直接燃料噴射器によって前記機関シリンダ内に噴射される状態にある、請求項１～４のいずれかに記載の方法。
- 前記第１の燃料が、直接燃料噴射器によって前記機関シリンダ内に噴射され、前記第２の燃料が、ポート燃料噴射器によって吸気ポート内に噴射される状態にある、請求項１～４のいずれかに記載の方法。
- 前記第１の燃料が、直接燃料噴射器によって前記機関シリンダ内に噴射され、前記第２の燃料が、直接燃料噴射器によって前記機関シリンダ内に噴射される、請求項１～４のいずれかに記載の方法。
- 最大ブレークトルクタイミングで作動する同一の機関に対して、
前記機関が、早期着火を低減させたこと、
前記機関の平均ピーク圧力を低減すること、
前記機関が、ノッキングすることなく、より少ない高オクタンの燃料で作動すること、
前記機関が、空気と燃料との間の混合を増加させたこと、
前記機関が、前記シリンダ内の燃料衝突を低減させたこと、またはおよび
前記機関が、摩耗を低減させたこと、のうちの少なくとも１つである、請求項１～４のいずれかに記載の方法。 - 内燃機関であって、
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１種のアルコールを含む第１の燃料を噴射する第１の燃料噴射器と、
石油系燃料を含む第２の燃料を噴射する第２の燃料噴射器であって、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備え、前記第１の燃料および前記第２の燃料が、前記機関シリンダの燃焼ゾーンにおいて燃料混合物を形成する、第２の燃料噴射器と、
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、
ＣＡ５０が、前記燃料混合物の５０重量％が燃焼したときの前記クランクシャフトの角度位置として定義され、前記ＣＡ５０が、前記クランクシャフトの上死点位置を通過して測定され、前記ＣＡ５０が、前記スパークプラグによる前記燃焼のタイミングの関数であり、
上死点を超えて１４度から２３度である目標ＣＡ５０が、前記燃料混合物の燃料消費率の最小値に対応し、
前記目標ＣＡ５０と作動ＣＡ５０の両方が、最大ブレーキトルクタイミングのＣＡ５０を超えて遅延され、
前記内燃機関が前記目標ＣＡ５０の２度以内の作動ＣＡ５０で作動するように、前記スパークプラグが、一度に燃焼を開始させる、内燃機関。
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