JPH11513461A - 複合サイクル・エンジン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 排気ガスの中におけるＮＯ_x排出物質を最小化するための内燃機関の運転の方法が、車両のエンジンにおける負荷を低い負荷又は高い負荷として検出することを包含するものである。低い負荷が検出される間、希薄な燃焼を提供する絞られない空気と所定の量の燃料は、圧縮行程においてトップ・デッド・センタに隣接して燃料の噴射に伴って撹拌される。高い負荷の状態が検出される間、検出された排気ガスの酸素含有量によって制御される絞られた空気と所定の量の燃料は、好ましくは吸気行程の間において、低い負荷における噴射よりも遥かに早期である当該燃料の噴射に伴って、ほぼ化学量論的な比率で撹拌される。

Description

【発明の詳細な説明】 複合サイクル・エンジン 発明の背景 発明の分野 本発明は、高いエネルギー効率を維持しつつ、ＮＯ_xその他の排出物質を大き く削減するように成した、内燃機関の運転に関する新しい方法である。その応用 分野は、すべての内燃機関である。従来の技術 自動車の発展的な利用は、大気中の汚染物質の量を大きく増大させるものであ る。エネルギー効率を維持し或いは高めつつ、特にはＮＯ_x排出物である排出物 質を削減することは、とりわけ困難なのである。 最も一般的に使用される２つのピストン・エンジンは、夫々にオットー・サイ クル及びディーゼル・サイクルに基づくものである。オットー・サイクル・エン ジンは、乗用車及び軽トラックにおいて使用される殆どのエンジンに典型的なも のであるが、ディーゼル・サイクル・エンジンは、大型トラック及び機関車その 他の大型エンジンの用途において使用されるエンジンに典型的なものである。 オットー・サイクル・エンジンは、非常に少ない排気排出物質を規定する所定 の特徴を有するものである。オットー・サイクル・エンジンは、火花点火される ものであり、且つピストン・エキスパンダを有するように成した、均一な燃料／ 空気を吸入されるエンジンである。このエンジンは、燃料／空気混合物を特定の 燃料に関する燃焼性の限界内に維持しつつ、エンジンによって産み出される動力 を変更するようにして、空気を絞られる様式で運転されるものである。軽い負荷 及び中程度の負荷では、均一な燃焼が、円滑な性能及び少ない排出量特性を付与 するが、空気の絞りは、効率性を低下させることになる。より高い負荷では、当 該エンジンは、排気ガスの再循環及び化学量論的な空気／燃料比率に関する制御 を備えて、良好なエンジン外排出物質と、更に未燃焼燃料を酸化し且つ形成され た窒素酸化物を削減するように成した三元触媒を介して排気が経路指定される機 会とを規定するのである。 ディーゼル・エンジンは、より高い圧縮比、直接燃料噴射、及び空気絞りが存 在しないことによって特徴付けられる。その燃焼は、不均一なものであり、軽い 負荷及び中程度の負荷において、未燃焼燃料の排出物質が問題であり得ることに なる。しかしながら、その絞りを欠く性質の故に、エンジンの高い圧縮比に伴っ て、当該エンジンは、低い負荷及び中程度の負荷においても高い効率で機能する のである。しかしながら、より高い負荷では、その燃焼は、高温であり、大量の 窒素酸化物が形成されることになる。化学量論的な空気／燃料構成で当該エンジ ンを作動させる能力がないので、従来的な排気ＮＯ_x還元触媒を利用する能力も 排除されるのである。 発明の概要 従って、本発明の１つの目的は、内燃機関の運転におけるＮＯ_x排出物質を最 小化することである。 本発明のもう１つの目的は、同時にエネルギー効率をも維持し或いは高めつつ 、上述の目的を達成することである。 上述の目的の促進において、本発明は、オットー・サイクル及びディーゼル・ サイクルの両方のエンジンの最良の特性が同時に実現されることを許容するよう に成した複合サイクルを提供するものである。この複合サイクル・エンジンは、 低い負荷及び中程度の負荷では、少ないＮＯ_x排出物質の生成及び高い効率性を 特徴とする従来的なディーゼル・サイクルの直接噴射エンジンとほぼ同様に機能 することになるが、より高い負荷では、当該エンジンは、従来的なＮＯ_x還元触 媒が、恐らくはＥＧＲを備えて、少ないＮＯ_x排出物質を保証するように成した 、閉ループ化学量論的な運転に切り替えるのである。 本発明に従った内燃機関の運転では、車両における負荷は、連続的にモニタさ れ、低い負荷であるか或いは高い負荷であるかが確かめられる。低い負荷の検出 に応じて、第１の絞られない量の空気は、吸気行程の間にピストン・シリンダの 燃焼室の中に導入され、第１の燃料量の噴射は、圧縮行程においてトップ・デッ ド・センタの近傍において開始され、第１の空気量が化学量論を実質的に超過す るように成した希薄な燃焼混合物を形成することになる。希薄な燃焼混合物は、 従来的な様式で点火される。高い負荷の検出に応じて、第２の空気量は、吸気行 程の間に燃焼室の中に導入され、第２の燃料量の噴射は、第１の燃料量の噴射の 開始よりもトップ・デッド・センタに関して非常に早期に開始される。高い負荷 において、第２の空気量及び燃料量は、実質的に化学量論的な燃焼混合物を提供 するようにして制御され、当該混合物もまた、同様に従来的な様式で点火される ことになる。 従って、エンジンの負荷が増大すると、燃料噴射タイミングは、軽い負荷の不 均一な燃焼に関する典型的な遅い噴射から、均一な燃焼のために必要な早期噴射 にシフトされる。この早期燃料噴射は、直接噴射によるものであり、エンジンの 吸気行程の間という早期に生じることが可能である。それ故、吸気行程及び圧縮 行程の間に、良好な撹拌が行われ、点火の時点では、均一な燃焼が生じるのであ る。運転のこの第２様式（即ち化学量論的で均一な燃焼）において、もう１つの 実施例では、燃料は、直接燃料噴射に補足し或いはそれに取って代わるべく、吸 気マニホルド噴射即ち気化を介して補充されることも可能である。 高い負荷における閉ループ化学量論的な運転は、高度な排気ガス再循環、及び ／又は空気絞りを備えて達成される。閉ループ化学量論的な運転を達成するため には、閉ループ・フィードバック・システムによって、空気、燃料又は排気ガス 再循環を「調整（trim）」することが必要である。好適なアプローチは、従来的 なスロットル・ボディ即ちポート燃料噴射を介して閉ループ燃料調整によって補 足される空気絞りのための開ループ設定値である。いずれにしても、より高い出 力、より高い負荷状態の間の実質的な化学量論における運転は、このようにして 、均一な燃焼を保証することになり、それが、高い動力出力、高い効率性及び少 ないＮＯ_x排出物質を提供するのである。 軽い負荷の運転のために最も有益である直接噴射の不均一な燃焼から、より高 い負荷のために必要である均一な化学量論的閉ループ運転への移行は、少ないＮ Ｏ_x排出物質という要求事項を満たしつつ高い燃料経済性を保証すべく、最適化 の試験に基づいて決定されることになったものであり、エンジンのサイズ及び燃 焼室の幾何学的形状に従って幾分か変化することになる。負荷は、化学量論的な 高い負荷の運転のための絞りの開口即ち空気の質量流量の検出を包含する何らか の従来的な様式で検出されることが可能である。最適の移行ポイントは、エンジ ンのサイズ、燃焼室の幾何学的形状、及びＮＯ_x排出物質の目標レベルに応じて 変化することになるが、それは、例えば最大負荷の３０−３５％の範囲内のポイ ントであるように、典型的には、最大負荷のほぼ３分の１に設定されることにな る。 従来的な様式で装着して配置される従来的なＯ²センサは、高い負荷の運転に おいて噴射される燃料の量を制御するために使用されることが可能である。低い 負荷の運転において噴射される燃料の量は、絞りの位置に応じて制御されること になる。 本発明の方法は、米国特許出願０８／４３２，４２３号である我々の同時係属 出願の新規なエンジン設計を使用して有益に実施されることが可能である。その 教示内容は、引例として本文に組み込まれるものである。その新規なエンジン設 計を使用すると、低い負荷及び中程度の負荷における当該複合サイクルの運転は 、例えば空気充填量の３０−５０％（残りの空気充填量はスクウィッシュ・チャ ンバの中にあるか或いはピストン又はヘッド内の外側リング・チャンバの中にあ る）を物理的に内包している一次燃焼室の中に燃料を直接に噴射することによっ て達成される。この内燃機関は、空気充填量を機械的に２つの帯域に分割するこ とによって、直接噴射エンジンに関する典型的な問題である軽い負荷の運転にお ける良好な燃焼及び少ない炭化水素排出物質を提供するのである。この新規なエ ンジン設計を使用すれば、より少ない軽い負荷の炭化水素排出物質が期待される が、複合サイクルの運転は、従来的な単一のボウル即ち「開放」燃焼室を包含す るその他の燃焼室の使用を介してもまた達成されることが可能である。 本発明は、以下のものに対して適用可能であると考えられる。（１）単一ピス トンのボウル・チャンバ及び平坦なピストン・チャンバを包含する広範囲の燃焼 室形状、（２）グロープラグ点火及び自己着火式の燃料又は燃料添加物を包含す る様々な燃料点火技術、（３）直接噴射システムのみを使用し、流入する空気充 填量によって吸入される燃料のみを使用し、更には、直接に噴射されて空気吸入 される燃料の様々な組合せをも使用する早期噴射を包含して、化学量論的な媒体 及び高い負荷の運転のための様々な選択肢を備えるように成した、低い負荷の運 転のための直接燃料噴射、及び（４）ディーゼル燃料、ガソリン、様々なアルコ ール及び気体燃料のような燃料を包含して、均一な燃焼特性を備えて機能し得る ように成した任意の燃料などに対して適用可能であると考えられるのである。 図面の簡単な説明 図１は、本発明において使用されるものとして適当であるエンジンの第１の好 適な実施例を示し、ピストンをその上側デッド・センタ位置で示している、ピス トン／シリンダ組立体の断片的な軸方向断面図である。 図２は、図１で示されたピストンの頂部平面図である。 図２ａは、変形を示している、図１のピストンの一部の頂部平面図である。 図３は、本発明において使用されるものとして適当であるエンジンの第２の好 適な実施例を示し、ピストンをその上側デッド・センタ位置で示している、ピス トン／シリンダ組立体の断片的な軸方向断面図である。 図４は、本発明に従ってエンジンの運転を制御するための燃料噴射システムの ブロック・ダイヤグラムである。 図５は、横座標がエンジンの最大負荷のパーセンテージを示し、縦座標が化学 量論的な燃焼のために必要とされるＯ の質量に対する利用可能なＯ の質量の比 率を示しているように成した、運転の２つの様式を説明するグラフである。 【好適な実施例の説明】 ここで、図１を参照すると、エンジンのシリンダ１と、その上側デッド・セン タ位置において示されるように成した、シリンダ１の中に配設されるピストン２ とが示されている。シリンダ１の上側部分は、シリンダヘッド３の中に形成され 、当該シリンダヘッドは、燃料噴射装置４及び点火プラグ５を支持するものであ り、当該燃料噴射装置及び点火プラグは、図示実施例では、接近するようにして シリンダ軸６の対向側面において配置され、その軸に対して傾けられている。シ リンダ１の上側端部を構成するシリンダヘッド３の内側表面３ａは、実質的に平 面的であり、噴射装置４及び点火プラグ５の入口帯域における僅かな凹状部分の みを有している。吸気弁及び排気弁は、明快に示すために図示されてはいない。 燃焼室７は、ピストン１の上側表面と、シリンダ１を閉鎖するシリンダヘッド ３の内側表面３ａとによって画成される。ピストンの上側側面には環状隆起８が 配置され、当該隆起が、燃焼室７を内側の部分燃焼室７．１と外側の部分燃焼室 ７．２とに細分する。内側の部分燃焼室７．１は、噴射装置４及び点火プラグ５ の有効範囲内にある。環状隆起８は、隆起８の中に設けられる上向きに開放した 半径方向の溝９によって構成される複数の貫通開口を設けられる。２つの部分燃 焼室７．１及び７．２は、ピストン２が、図２で示されたように、その上側デッ ド・センタ位置に配置されていても、当該溝を介して、互いに連絡する。外側の 部分燃焼室７．２は、ピストン２の外側上部の周辺に接近し且つそれに沿って配 置される外側リング１０によって取り囲まれる。 図１で示された実施例では、部分燃焼室７．１及び７．２は、環状隆起８及び 外側リング１０と共に、その熱伝導率がピストン材料のものより小さいように成 した材料で形成される挿入物１１の中において形成されるので、吸気行程及び排 気行程の間、噴射の間に燃料と直接に接触する燃焼室の帯域は、高い温度を維持 することになる。挿入物１１は、ピストン２の冠状部（頂部表面）の中に設けら れる凹み２ａの中に収容される。 しかしながら、部分燃焼室７．１及び７．２をピストン本体の中に直接に設け ることも実行可能である。そのような場合には、少なくとも部分燃焼室の領域内 における、ピストンの上側表面に、例えばプラズマ吹付けプロセスによって塗布 され得るセラミック・コーティングを設けることが賢明である。 図２で示されたように、環状隆起８は、シリンダ及びピストンの軸６に対して 同心的に方向付けされるので、部分燃焼室７．１は円形であり、部分燃焼室７． ２は環状である。シリンダ軸６に対する噴射装置４及び点火プラグ５の代替的な 幾何学的構成では、内側の部分燃焼室７．１は、点火プラグ５に向かってシフト される。環状隆起８は、シリンダ軸６に対するそのようなシフトの場合には、純 粋に円形の形状とは異なるものであり、特には内側の部分燃焼室から外側の部分 燃焼室への移行部における火炎境界線の進路に関して、燃焼室の中における流れ 行動と調整され得るように成した、形状を有することも可能である。 内側の部分燃焼室７．１がそれによって外側の部分燃焼室７．２と連続的に連 絡するように成した隆起貫通開口９は、図２で示された実施例では、噴射装置４ 及び点火プラグ５（図１）に対して中央に対称的に配置されて、星形の放射状の 方向付けをも有するものであり、内側の部分燃焼室７．１から外側の部分燃焼室 ７．２の中への火炎前面の均一な通過を保証し、結果として、外側の部分燃焼室 ７．２の中における燃焼の均一な進行をも成し遂げることになる。図２ａで示さ れた変形では、環状隆起８の中に設けられた貫通開口９ａは、放射状ではない。 むしろ、各々の開口９ａの通路軸ａは、隆起８を横断して夫々の開口９ａの軸ａ まで延在する直径線ｄに対して角度αで方向付けされるのである。 図３は、本発明において使用されるものとして適当である往復運動式ピストン ・エンジンのもう１つの好適な実施例を示している。エンジン・ヘッド２０の中 に装備されるものは、直接燃料噴射ノズル２２、及びこの場合にはグロープラグ ２３である点火供給源である。燃料は、前述のように軽い負荷において、単独の 燃焼室２４（ピストン２５の中に配置される）の中へ直接に噴射され、グロープ ラグ２３によって点火される。当該チャンバ２４内の気体は、完全に空気である か、或いは、意図的な流れ制限なしで即ち絞りなしで導入された空気と再循環排 気ガスの混合物であることが可能である。 図４は、例えば上述のような燃焼室構成を有する、往復運動式ピストン・エン ジン内におけるシリンダに関するエンジン制御（燃料噴射制御システム）のブロ ック・ダイヤグラムを示している。その制御装置は、操作データとして、エンジ ンの温度、エンジンの毎分回転数、及び排気ガスの酸素含有量が夫々に入力１３ 、１４及び１５を介して入力されるように成した、エンジン制御装置１２から本 質的に構成される。ガス・ペダルに連結されるセンサ１６を使用して、所望の負 荷は、ドライバによって制御装置１２に送信される。高い負荷の運転と低い負荷 の運転の間の移行は、例えばセンサ１６によって検出されるアクセル・ペダル位 置であるような絞り位置によって示されるようにして、エンジンの最大負荷の３ ０−３５％の範囲内の任意の値において設定される。典型的には、高い負荷の運 転への移行は、化学量論的な燃焼を提供する酸素の量に対する充填空気内の酸素 の質量比率としてλが定義されるように成した、１．３−１．８というλの値で あることになる。当該数値に到達すると、エンジン制御装置１２は、良好な運転 性 （静かな乗り心地）と矛盾しないようにして可能な限り迅速に移行を指図するこ とになる。 図４で示された具体例では、エンジンＥは、燃焼室の中に燃料を直接に噴射す るための噴射装置４を装備され、図１に関連して説明されたような点火プラグ５ をも装備される。従って、エンジン制御装置１２からの設定信号は、噴射装置４ の噴射弁に対して適用される。このようにして、噴射の持続時間を制御し、結果 として、センサ１６によってエンジン制御装置１２に対して送信された負荷信号 の関数として噴射量を制御することも実行可能になるのである。噴射のタイミン グもまた、後に詳細に説明されるように、センサ１６からの信号に応じて制御さ れることになる。 噴射装置４に加えて、エンジンＥは、エンジンＥのピストン／シリンダ・ユニ ットの空気取入れ管１８の中に開口するものであって、エンジン制御装置１２に よって同様に制御され得るように成した、更なる噴射装置１７をも有する。空気 取入れ管１８の中にあるものは、エンジン制御装置１２によって所定の範囲内に おいて制御され得るバタフライ弁１９である。 上述のエンジン制御装置の支援を受けて、図１又は図３に関連して説明された ように構築されたエンジンは、アルコールで燃料供給を受ける場合であっても、 全体の負荷領域に渡って最小限の汚染排出物質だけで機能することが可能である 。当然ながら、本発明は、より従来的なその他の内燃機関の燃料に対しても適用 可能である。 高い負荷の場合の燃料噴射は、好ましくは圧縮行程におけるトップ・デッド・ センタ（ＴＤＣ）の前の少なくとも４０度において、より好ましくはＴＤＣの少 なくとも９０度において、最も好ましくは吸気行程において、燃料噴射器４を介 して開始される。この高い負荷の場合の早期の燃料噴射は、より完全な燃料蒸発 と充填冷却を許容するものであり、均一であるか或いは均一に近い燃料／空気の 混合物を形成することになる。図１は、シリンダヘッド内に配置された燃料噴射 器４を示しているが、代替例では、燃料は、更になお良好な撹拌及び更に均一な 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。低い負荷の場 合の燃料噴射は、ＴＤＣの前の２０度又はそれ以下において開始される。 低い負荷では、空気は、実質的に絞りなしで導入されて、所定の量の燃料（「 第１の量」）が導入され、空気の量が化学量論を実質的に超過するように成した 希薄な燃焼混合物を提示することになる。高い負荷の場合の燃焼混合物の形成に おいては、空気の量と燃料の量の両方が、実質的に化学量論的な燃焼混合物を提 示すべく制御される。 図５は、複合サイクル運転の２つの様式を示すグラフである。低い負荷の様式 は、絞りのない希薄な燃焼を備えて「軽い」負荷において発生する。高い負荷の 様式は、「より高い」負荷において発生するものであり、化学量論的な燃焼によ って特徴付けられることになる。エンジンが希薄な様式において絞りなしで運転 されるように成した部分負荷の範囲、即ちλ＞１である場合は、帯域３０によっ て特徴付けられる。そのエンジン制御は、移行帯域３１内において負荷が増大し て、λの値が１の値に達するまで減少するようにして設計される。エンジンの負 荷が更に増大すると、噴射の開始及び噴射の持続時間は、高い負荷の領域３２の 全体に渡って、化学量論、即ちλ＝１が全負荷限界に達するまで維持され得るよ うにして調整されるのである。 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。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．複数のピストン・シリンダの各々に付随する燃焼室を有して、排気ガスの中 におけるＮＯ_x排出物質を最小化するように成した、内燃機関の運転の方法であ って： 車両のエンジンにおける負荷を低い負荷又は高い負荷として検出し； 低い負荷の検出に応じて、吸気行程の間に第１の空気量を燃焼室の中に吸気し て、圧縮行程の間にトップ・デッド・センタに隣接して第１の燃料量の噴射を開 始し、第１の空気量が化学量論を実質的に超過するように成した第１の希薄な燃 焼混合物を形成するように成し； 前記希薄な燃焼混合物を点火し； 高い負荷の検出に応じて、吸気行程の間に第２の空気量を燃焼室の中に吸気し て、第１の燃料量の噴射の開始よりも圧縮行程におけるトップ・デッド・センタ に関して非常に早期に第２の燃料量の噴射を開始し、前記第２の空気量及び燃料 量は、第２の実質的に化学量論的な燃焼混合物を提供するようにして制御される ように成し； 前記実質的に化学量論的な燃焼混合物を点火するように成した、頭記内燃機関 の運転の方法。 ２．前記第１の空気量は、絞られないように成した、請求項１に記載の方法。 ３．前記第１の空気量は、化学量論的な量の１．５−１０倍であるように成した 、請求項１に記載の方法。 ４．前記第２の燃料量の噴射は、トップ・デッド・センタの前の少なくとも４０ 度において開始されるように成した、請求項３に記載の方法。 ５．前記第１の燃料量の噴射は、トップ・デッド・センタの前の２０度又はそれ 以下において開始されるように成した、請求項４に記載の方法。 ６．前記第１の燃料量の噴射は、トップ・デッド・センタの前の２０度又はそれ 以下において開始されるように成した、請求項１に記載の方法。 ７．前記第２の燃料量の噴射は、トップ・デッド・センタの前の少なくとも４０ 度において開始されるように成した、請求項１に記載の方法。 ８．前記第１の燃料量の噴射は、トップ・デッド・センタの前の２０度又はそれ 以下において開始されるように成した、請求項７に記載の方法。 ９．前記第２の燃料量の噴射は、トップ・デッド・センタの前の少なくとも９０ 度において開始されるように成した、請求項１に記載の方法。 １０．第２の燃料量は、吸気行程の間に噴射されるように成した、請求項１に記 載の方法。 １１．エンジンの最大負荷の３０−３５％の範囲内の値よりも小さい検出された 負荷は、低い負荷として判断されるように成し、前記値よりも大きい検出された 負荷は、高い負荷として判断されるように成した、請求項１０に記載の方法。 １２．エンジンの最大負荷の３０−３５％の範囲内の値よりも小さい検出された 負荷は、低い負荷として判断されるように成し、前記値よりも大きい検出された 負荷は、高い負荷として判断されるように成した、請求項５に記載の方法。 １３．高い負荷の間に排気ガス内の酸素含有量を検出し、検出された酸素含有量 に応じて前記第２の燃料量を制御して、前記第２の燃焼混合物を実質的に化学量 論において維持するように成したことを補足的に含んで成る、請求項１２に記載 の方法。 １４．高い負荷の間に排気ガス内の酸素含有量を検出し、検出された酸素含有量 に応じて前記第２の燃料量を制御して、前記第２の燃焼混合物を実質的に化学量 論において維持するように成したことを補足的に含んで成る、請求項５に記載の 方法。 １５．高い負荷の間に排気ガス内の酸素含有量を検出し、検出された酸素含有量 に応じて前記第２の燃料量を制御して、前記第２の燃焼混合物を実質的に化学量 論において維持するように成したことを補足的に含んで成る、請求項１に記載の 方法。 １６．絞り位置を検出し、絞り位置に応じて前記第１の燃料量を制御するように 成したことを補足的に含んで成る、請求項１５に記載の方法。