JPH11513460A - 多段燃焼エンジン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 多気筒内燃機関を４ストローク・サイクルで機能させる燃焼方式である。第１の燃料量が、シリンダの各々の中に、燃焼行程におけるトップ・デッド・センタの前において４５度よりも早期に導入される。化学量論的な量の酸素を提供するものを大きく超過する空気もまた、各々のシリンダの中に導入されて、当該燃料の導入において第１の混合物を形成することになり、当該混合物は、点火されて第１の燃焼事象を形成する。第１の燃焼事象の実質的な完了の後ではあるが、同じ圧縮行程におけるトップ・デッド・センタに先行して（或いは、膨張行程におけるトップ・デッド・センタの直ぐ後において）、第２の燃料量が、追加の空気を欠いて各々のシリンダの中に導入されて、第２の混合物を形成することになり、当該混合物は、点火されて第２の燃焼事象を形成する。各々の「燃焼サイクル」における２つの明確な燃焼事象の利用が、ＮＯ_xの生成を大きく削減するのである。

Description

【発明の詳細な説明】 多段燃焼エンジン発明の分野 本発明は、ＮＯ_xの生成を大きく削減しつつ、高い燃料効率を提供するように 成した、内燃機関に関する新しい燃焼プロセスである。その主要な応用分野は、 自動車のエンジンである。発明の背景 自動車の発展的な利用は、大気中に存在する窒素酸化物及び二酸化炭素のよう な温室ガスを包含する様々な汚染物質の量を大きく増大させる。従って、ＮＯ_x の低レベルを達成しつつ温室ガスの排出量を削減するために、自動車の動力伝達 機構に関する燃料利用の効率を大きく向上させなければならないという必要が存 在するのである。 現在の自動車及び軽トラックは、主として、オットー・サイクルに基づいて機 能するガソリン燃料のエンジンを利用している。これらのエンジンは、化学量論 の近傍における運転、即ち、利用可能な燃料を完全燃焼させるために丁度十分な 酸素が利用可能であるようにして、エンジンに対して計量供給される燃料及び空 気の量が制御されるように成した運転を特徴とするものである。化学量論的な運 転は、排気における酸素センサの出力を読み取って、それに応じて燃料を調節す ることによって維持される。この「閉ループ」運転は、ＮＯ_xを削減することと 未燃焼燃料の排出物を酸化させることの両方が可能であるように成した、排気触 媒とも組み合わされる。これらの非常に低いレベルの排出物は、このようにして 達成されるのである。 大型トラック及びバスは、主として、ディーゼル・サイクルに基づいて機能す るディーゼル燃料のエンジンを利用している。これらのエンジンは、絞りのない 空気吸入、即ち希薄燃焼又は過剰空気燃焼、高い圧縮及び直接燃料噴射を特徴と するものである。現在のところ、主要な努力は、それらの優れた燃料節約特性の 故に、そのようなエンジンを自動車及び軽トラックに適応させることに焦点を置 いている。しかしながら、これらのエンジンは、過剰な空気によって機能するの で、従来的な還元触媒が、使用され得なくなり、排気ＮＯ_xの排出量もまた、特 には高い負荷の運転時に高いままに留まることになるのである。 発明の概要 従って、本発明の目的は、直接噴射で過剰な空気による高効率のエンジンの運 転を提供し、且つＮＯ_x及び温室ガスの少ない排気排出物質をも提供することで ある。 燃焼の間に形成されるＮＯ_xの量は、燃焼温度、反応物質（窒素及び酸素）の 濃度、ＮＯ₂対ＮＯに関する燃焼生成物の濃度、及び反応の特殊な状態における 時間の長さに依存する。燃焼の間に形成される主要な窒素酸化物である一酸化窒 素、ＮＯの平衡濃度は、燃焼に標準的に付随する高い温度における温度の比較的 小さな上昇と共に急速に増大する。加えて、その反応速度もまた、従来的な燃焼 のこの同じ高い温度範囲における小さな温度の上昇と共に急速に増大する。従っ て、ピークの燃焼温度を下げることは、ＮＯの生成を削減するための直接的且つ 非常に効果的な方法である。 ピーク燃焼温度は、（１）エンジンの圧縮比を削減することによって（燃焼の 前における吸気の温度は、その初期温度と圧縮の程度即ち圧縮比の両方に直接に 関連する。その後、燃焼の間に解放される熱が、更にピーク燃焼温度まで温度を 上昇させるのである。）； （２）ピーク燃焼温度がその膨張行程が始まった後 に発生し、膨張行程が燃焼ガスに冷却効果を付与するようにして、圧縮行程の遅 い時期に燃料に点火することによって； 更には、（３）燃焼される燃料の質量 に対して吸気の質量の比率を増大させることによって（燃料比率に対するこの高 いシステム質量は、燃料の燃焼から生じる熱がより大きな相対質量を加熱しなけ ればならず、結果として、より低い最終的な温度即ちピーク温度に到達すること になる）下げられることが可能である。 第１のアプローチ（１）に関して、ほぼ１５対１以下にまで圧縮比を削減する ことは、燃料効率及びエンジンからの利用可能な動力における増大する損失を生 じることになるので、従来的なエンジンのピーク温度を下げるための望ましい手 段ではない。 第２のアプローチでは、遅い時期の燃焼は、燃料効率を低下させ、従来的なエ ンジンの排気ガス温度を上昇させるので、ピーク温度を下げるための望ましい手 段として考慮されるものではない。 第３のアプローチ（３）、即ち燃焼される燃料の質量に対して吸気の質量の比 率を増大させることは、ＮＯの生成を削減する従来的な手段である。ディーゼル ・エンジンの場合、軽い負荷では、大いに過剰な空気が存在するので、限定的な （絞り）空気システムによる運転と比較してＮＯ生成が削減される。オットー・ サイクルは、軽い負荷において流入空気の充填量を絞るものであり、従って、利 用可能な酸素の質量を増大させることなく、吸気の質量を増大させるべく、流入 空気と混合することになる再循環排気ガスをしばしば利用している。しかしなが ら、ディーゼル・エンジンの場合であっても、エンジンにおける負荷（即ち所定 の速度上昇のために必要とされる動力）が増大すると、燃焼のためにより多くの 酸素が必要とされ、燃料に対する吸気の質量比率が低下し、それに伴ってピーク 燃焼温度が上昇し、ＮＯ生成が増大するのである。 本発明の運転の理論は、２つ又はそれ以上の明確な段階に分けて燃焼を実行す ることによって、燃焼が１つの段階で生じる場合のものと比較して、各々の燃焼 プロセスのピーク温度が、より低くなり、結果として、ＮＯ生成も削減されると いうことである。 従って、本発明の好適な実施例は、吸気、圧縮、膨張及び排気の各行程を備え て４ストロークで機能する単気筒又は多気筒の内燃機関のための燃焼方式を提供 するのである。本発明の方法は、シリンダの各々の中に、第１の燃料量と、化学 量論的な量の酸素よりも非常に大量なものを提供する当該空気の量とを導入して 、第１の混合物を形成することを包含するものであり、当該燃料の導入は、圧縮 行程におけるトップ・デッド・センタ（これ以降「ＴＤＣ」）の前において４５ 度よりも早期に開始される。第１の燃焼事象を形成すべく第１の混合物に点火し た後、第２の燃料量が、シリンダの各々の中に導入され、追加の空気を導入する ことなく、第２の混合物を形成する。第２の燃料量の導入の開始は、第１の燃料 量の燃焼の実質的な完了に続いて起こり、且つ同じ圧縮行程におけるＴＤＣに先 行して或いはその直後に起こるものである。第２の燃料量は、直ちに点火されて 、 第２の燃焼事象を形成する。 結果として、圧縮行程の間において２段階の燃焼を考慮する本発明では、第１ の燃料・空気混合物は、ピストンがＴＤＣに到達する前に最適の時間に点火され る。点火及び燃焼を保証するに足る十分な量の燃料が添加されなければならない が、ピーク燃焼温度が、かなりのＮＯが形成されるようなレベルに位置するほど の量の燃料であるべきではない。即ち、燃焼は、非常に希薄でなければならない のである。その希薄充填は、過剰な大気であっても良いが、大気と再循環排気ガ スの混合物であっても良い。より高い圧縮比は、より高い早期点火温度を生じる ことになり、結果として、燃焼のために必要とされる燃料の量をも低下させるこ とになる。直接燃料噴射は、標準的には不均一な燃焼即ち層状的な燃焼を提示す るものであるが、本発明では、第１段階の燃料は、均一又は均一に近い燃焼を提 示するに足る十分に早い時点において、エンジン・サイクルの非常に早い時点で 噴射されることになる。 前述の第１の燃焼事象の終了又はその近傍において、追加の燃料（その量はエ ンジンの所望の動力出力に依存する）は、燃焼室の中に直接に噴射され、そこで 点火されて、第２の燃焼事象が発生するのである。第１の燃焼事象では元の酸素 の内の大量のものが消費されたので、直接に噴射される燃料は、反応する酸素に 対してアクセスするために、燃焼室の全体に渡って分散しなければならない。結 果として、局所的な「燃料に富んだ」燃焼、局所的に高いピーク温度、及び増大 するＮＯ生成の可能性を最小化するように成した、非常に高度に希釈された燃焼 が発生するのである。本発明の運転の理論に関する概略的な説明は、第１の燃焼 事象が非常に希薄な（希釈された）環境において発生し、続いて、第２の燃焼事 象が「排気ガス」で高度に希釈された混合物において発生することになるという ことである。 全体的なサイクルのエネルギー解放の殆どは、第１の燃焼事象において発生す るので、その結果として生じる圧力は、ピストンがＴＤＣを横切って膨張行程を 開始するとき、膨張のために利用可能である。第２の燃焼事象は、膨張が（出力 行程において）進行中である間にピーク温度が発生して、ピーク温度を更に抑制 するようにして、時間調節されることが可能である。第２の燃焼事象は、均一（ 又 は、前述の改良された拡散の故に、均一に近いものであるか）或いは、第２段階 の噴射のタイミングに応じて、直接燃料噴射（又は「層状的な充填」）のエンジ ンに特有の不均一な燃焼の特性を示すものであることもまた可能である。 図面の簡単な説明 図１は、４サイクルにおいて機能する多気筒内燃機関の単一のシリンダ及びピ ストンの概略図である。 図２は、正味平均有効圧に対するＮＯ_x排出量のグラフである。 好適な実施例の説明 図１は、従来的なクランク軸ドライブ機構１を駆動するために４ストローク・ サイクルで機能するように成した、従来的な往復運動式のピストン／シリンダ１ ０を示している。吸気行程の間、任意に排気ガスを追加される空気は、ピストン ４がその頂部ストローク位置からその底部ストローク位置まで移動するとき、吸 気弁３を介してエンジン室２の中に導入される。吸気弁３は、ピストン４がその 底部ストローク位置に近づくとき閉鎖する。圧縮は、ピストンがその頂部ストロ ーク位置に移動するとき発生する。段階１の燃料は、好ましくは、圧縮行程内に おけるＴＤＣの前の少なくとも４５度において、より好ましくは、ＴＤＣの前の 少なくとも９０度において、更に任意選択的には吸気行程内において開始される ようにして、燃料噴射器５を介して噴射される。これは、燃料蒸発を許容するも のであり、圧縮及び早期の噴射タイミングのために必要とされる仕事入力を削減 するように成した充填冷却が、均一であるか或いは均一に近い燃料／空気混合物 を形成するのである。図１は、シリンダヘッド内の燃料噴射器を示しているが、 代替例では、燃料は、更になお顕著な撹拌及びより均一な燃焼のために吸気マニ ホルドの中に噴射されることも可能である。 段階１の燃焼のために噴射される燃料の量は、制御されない早期点火を引き起 こすことになるものには足りない量である。即ち、それは、点火プラグ６によっ て点火可能である十分な燃料であるが、早期点火が発生するほどの大量の燃料で はないのである。段階１の燃料の噴射の後、点火プラグ６が、段階１の燃焼を開 始する。その直ぐ後に、例えば、ＴＤＣの前の２０度又はそれ以下において、燃 料噴射器５は、段階２の燃焼のために燃料を噴射する。再び、点火プラグ６は、 点火のために使用され得ることになる。（しかしながら、火花点火の代わりに、 高温ガス点火が、段階２の燃焼を開始するに足る十分なものであることも可能で ある。）その後、膨張が発生し、従来的な様式でクランク軸動力を形成すること になる。ピストンが、ボトム・デッド・センタに到達して、その次の頂部ストロ ーク位置に移動し始めるとき、排気弁７は、膨張したガスの吐出しを許容するよ うにして開放することになった。当該サイクルは、その後、反復するのである。 第１段階の燃焼のために導入される燃料の量は、好ましくは、非常に希薄な燃 焼、即ち化学量論的な量を遥かに越えた酸素による燃焼を引き起こすような量で ある。典型的には、導入される燃料の量は、吸入される空気が化学量論的な量の 酸素の少なくとも１．５倍を提供し、より好ましくは、２倍から３倍を提供する ようにして、限定されることになる。その範囲は、燃料のオクタン価又は組成に おける変化と共に幾分か変化することも可能である。概ね、導入される燃料の量 に関する上限は、早期点火を付与することになる量の直ぐ下のものであり、その 下限は、点火を提供するために必要とされる最小限（燃焼性の下限）である。 第２段階の燃焼事象のためには、いかなる追加の酸素も全く導入されない。第 １段階で導入された酸素の多く（例えば３０−５０％）は、第１の燃焼事象によ って消費されてしまったので、第２段階の燃料は、反応する酸素に対してアクセ スするために、当該燃焼室の全体に渡って分散しなければならない。結果として 、それは、放熱を分散させることにもなる。第２段階の燃料噴射は、好ましくは 、ＴＤＣの前（ＢＴＤＣ）の２０度から５度において始まり、ＢＴＤＣの５度か らＴＤＣの後（ＡＴＤＣ）の４０度において終了する。 火花点火エンジンの場合には、吸気弁が開放している間の燃料の点火は、吸気 マニホルド内へのバックファイヤの危険の故に、回避されるべきである。ボッシ ュ自動車ハンドブック（Ｂosch Ａutomotive Ｈandbook）は、吸気弁閉鎖の範囲 がボトム・デッド・センタの後の（ＡＢＤＣ）４０度から５０度であるという、 典型的な火花点火エンジンのための弁タイミングに関する情報を提供している（ ベージ２４０）。これは、ＢＴＤＣの１４０度から１２０度であり、エンジンの 運 転の「ｎ−燃焼」モードに関して燃焼事象が開始され得ることになる最も早期の 時点である。混合物がＢＴＤＣの１４０度である最も早期のベースで点火される 場合に、内径が９０ｍｍであり、燃焼速度が毎分回転数１００において１０ｍ／ 秒（ページ２４６）であるならば、その９ミリ秒が、５４度のクランク角度を占 めることになる。その第１の燃焼は、ＢＴＤＣの８６度において終了するであろ う。第２の燃焼が点火されると、その第２の燃焼は、ＢＴＤＣの３２度において 終了し得るものであることになる。第３の燃焼が採用されるならば、それは、Ａ ＴＤＣの２２度において完了するであろう。毎分回転数２０００では、その燃焼 は、１０８度を占めることになる。その第１の燃焼は、ＢＴＤＣの３２度におい て終了し、その第２の燃焼は、ＡＴＤＣの７６度において終了するであろう。 従来的な点火タイミングは、最も早期では、ＢＴＤＣの約４０度であり、最も 遅いタイミングは、およそＴＤＣ（ＢＴＤＣの０度）である（ページ２４０）。 従来的な点火タイミングは、典型的にはピーク圧力の位置をＡＴＤＣの１０度か ら１５度である最適なポイントに維持するものとして最適化されるのである。 上述の実施例のバリエーションは、直接燃料噴射の事象の各々に関する異なっ たタイミングと、一方の事象で噴射される燃料に対するもう一方の事象で噴射さ れる燃料の異なった比率と、各々の段階に関して燃焼を開始させるための異なっ た手段の使用とを包含するものであり、例えば、グロープラグにおいて噴射され る少量の燃料が、第１の燃焼事象を開始させるために使用されることも可能であ る。 段階１では、ピーク燃焼温度は、過剰な空気による希釈の故に、従来的な単一 段階の燃焼より低いものであり、第２段階のピーク燃焼温度は、遥かに良好な放 熱の拡散の故に、従来的な単一段階の燃焼より低いのである。 ＮＯの生成は、上述の実施例によって削減されることになる。図２では、実線 は、従来的な直接燃料噴射式の燃焼プロセスから生じる結果を示している。ＮＯ_x の排出量は、エンジン負荷（正味平均有効圧即ちＢＭＥＰ）の関数として表現 される。図２の破線は、４つの異なったエンジン負荷レベルにおいて、上述の実 施例に従った２段階燃焼の結果を示している。 本発明の代替的な実施例は、この新しい多段燃焼プロセスを採用することが可 能であるように成した、２ストロークのピストン・エンジン及びロータリ・エン ジンのような様々な内燃機関をも包含するものである。過剰な燃焼空気と共に典 型的に機能するエンジンは、この新しい燃焼プロセスから最大の利益を獲得する ことが可能であるが、それは、化学量論的な条件において最終的な燃焼を提供す るものとして「制御される」エンジンにおいても利用されることが可能である。 そのような化学量論的なエンジンは、より少ないＮＯしか形成しないことになり 、結果として、還元触媒に対する従属性もまた軽減されることになるのである。 本発明は、その精神即ち本質的な特徴から離れることなく、その他の特殊な形 態において具体化されることも可能である。従って、本件の実施例は、すべての 点において例示的なものであり、限定的なものではないと考慮されるべきである 。本発明の範囲は、上述の説明ではなく添付の請求項によって示されるものであ り、請求項の意義及び同等物の範囲の中に納まるようなすべての変更は、その中 に包含されるものとして意図されるのである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｆ０２Ｍ 33/00 Ｆ０２Ｍ 33/00 Ｃ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．少なくとも１つの燃焼室を有し、且つ少なくとも圧縮及び膨張の行程を備え たサイクルにおいて機能するように成した内燃機関のための燃焼方式であって： 空気及び第１の燃料量を前記燃焼室の中に化学量論的な量の酸素よりも実質的 に多くのものを提供する相対的な量で導入し、第１の混合物を形成して、第１の 燃料量の導入が、圧縮行程におけるトップ・デッド・センタの前の４５度よりも 早期に開始されるように成し； 第１の混合物に点火し、第１の着火を形成して、第１の燃焼事象として第１の 燃焼を開始するように成し； 第２の燃料量を前記燃焼室の中に導入し、追加の空気を導入することなく、第 ２の混合物を形成して、第２の燃料量の導入が、前記第１の燃料量の燃焼の実質 的な完了によって規定される第１の燃焼の終了に続いて開始されるように成し； 前記第２の混合物に点火し、第２の着火を形成して、前記第１の燃焼事象とは 異なった第２の燃焼事象として第２の燃焼を開始するように成した、頭記燃焼方 式。 ２．前記第１の混合物における空気の量は、化学量論的な量の酸素の２倍から３ 倍の範囲の酸素の量を包含するように成した、請求項１に記載の燃焼方式。 ３．前記第１の混合物における空気の３０−５０％は、前記第１の燃焼事象によ って消費されるように成した、請求項１に記載の燃焼方式。 ４．前記第１の燃料量は、前記圧縮行程におけるトップ・デッド・センタの前の ９０度又はそれ以上で導入されるように成した、請求項１に記載の燃焼方式。 ５．前記第１の燃料量は、吸気行程の間に導入されるように成した、請求項１に 記載の燃焼方式。 ６．前記第２の燃料量は、前記トップ・デッド・センタの前の２０度又はそれ以 下で導入されるように成した、請求項１に記載の燃焼方式。 ７．前記第２の燃料量は、前記トップ・デッド・センタの前の２０度又はそれ以 下で導入されるように成した、請求項４に記載の燃焼方式。 ８．前記第２の燃料量は、前記圧縮行程におけるトップ・デッド・センタの前の ２０度又はそれ以下で導入されるように成した、請求項５に記載の燃焼方式。 ９．前記第２の燃料量の導入は、前記第１の燃料量の導入の開始の後の少なくと も５０度において開始されるように成した、請求項１に記載の燃焼方式。 １０．前記サイクルは、２つ以上の完結した明確な燃焼事象を包含するように成 した、請求項１に記載の燃焼方式。 １１．前記第１の点火は、点火プラグの使用によって実施され、前記第２の点火 は、同じ点火プラグの使用によって別個に実施されるように成した、請求項１に 記載の燃焼方式。 １２．前記第１の点火は、点火プラグの使用によって実施され、前記第２の点火 は、高温ガス点火として別個に実施されるように成した、請求項１に記載の燃焼 方式。 １３．前記第２の燃料量は、同じ圧縮行程におけるトップ・デッド・センタに先 行して、前記燃焼室の中に導入されるように成した、請求項１に記載の燃焼方式 。