JP4850842B2 - 圧縮着火エンジンにおける自己着火のための空気管理方式 - Google Patents

Description

本発明は、概略的には、圧縮着火型の内燃エンジン（内燃機関）に関する。詳細には、本発明は、ディーゼルエンジンの作動が、代替的な燃焼プロセス、例えばＨＣＣＩ、ＣＡＩ、ＤＣＣＳ又はＨＰＣＳによって行われる場合に所望の自己着火を保証する空気管理方式に関する。

ＨＣＣＩ（均質チャージ圧縮着火）は、エンジンサイクルの圧縮上昇行程中、エンジンシリンダ内部にほぼ均質の空気と燃料のチャージ（供給混合気）を作る仕方でディーゼルエンジンに燃料供給する公知のプロセスである。チャージについて所望量の燃料をシリンダ内へ噴射してほぼ均質の空気と燃料の混合気を作った後、上昇行程中のピストンによるチャージの圧縮の増大により、上死点（ＴＤＣ）又はその近傍でチャージの自己着火させるのに充分大きな圧力が生じる。自己着火は、混合気内の種々の場所で気化燃料のほぼ同時の瞬時燃焼として生じることができる。

ＨＣＣＩの属性のうちの１つは、比較的リーンな、即ち希薄な混合気を燃 焼させることができ、それにより燃焼温度が比較的低く保たれるということにある。比較的高い燃焼温度の発生を回避することにより、ＨＣＣＩは、エンジン排気ガスの望ましくない成分であるＮＯ_Xを著しく減少させることができる。

ＨＣＣＩのもう１つの属性は、ほぼ均質な空気と燃料のチャージの自己着火が、より完全な燃焼を生じさせ、その結果エンジン排気物中のスート（すす状物質）が比較的少ないということにある。

したがって、テールパイプ放出物の減少に関するＨＣＣＩの潜在的な利益は、かなり顕著であり、したがって、ＨＣＣＩは、エンジンリサーチ及びデザイン業界における科学者及び技術者による活発な研究及び開発の主題である。

ＨＣＣＩは、圧縮着火エンジン用の幾つかの代替的な燃焼プロセスのうちの１つであると考えることができる。代替的な燃焼プロセスと考えることができる他のプロセスとしては、制御自己着火（Controlled Auto-Ignition：ＣＡＩ）、希薄制御燃焼システム（Dilution Controlled Combustion Systems：ＤＣＣＳ）、及び高度予備混合燃焼システム（Highly Premixed Combustion Systems：ＨＰＣＳ）が挙げられる。

代替的な燃焼システム又はプロセスがどのような名前で呼ばれるにせよ、共通の属性は、燃料をＴＤＣの充分手前でシリンダ内に噴射して自己着火が上死点（ＴＤＣ）又はその近傍で生じるまで、どんどん圧縮される空気と燃料のチャージを形成することにある。

かかる代替的なプロセスが任意特定のエンジンに関してエンジン作動の全範囲にわたり適切でない場合、エンジンに伝統的な従来型ディーゼル方式で燃料供給する場合があり、かかる伝統的な従来型ディーゼル方式では、典型的には圧縮が最大である上死点又はその間近で、燃料がシリンダ内に噴射されたときに、燃料の即時着火を生じさせる程度まで給気を圧縮する。

燃料をエンジン作動の全範囲にわたりエンジンサイクル中、種々の噴射圧力で、種々の時期に、又、種々の持続時間にわたって噴射できる、燃料噴射を正確に制御できるプロセッサ制御型燃料噴射システムを利用した場合、ディーゼルエンジンは、代替的な燃焼プロセス及び（又は）伝統的なディーゼル燃焼方式により作動可能な状態になる。

可変弁作動システムの出現により、エンジン弁のタイミングを種々の仕方で且つ正確にプロセッサにより制御できる。後述するように、本発明は、エンジン排出エミッション（engine-out emissions）の著しい減少によりディーゼルエンジンを改良することができる仕方で有効圧縮比を制御するかかる可変弁作動システムの能力を利用する。実際には、弁作動モードの中には、ささやかな程度の燃料経済性の向上を伴うものさえある。

自動車に動力供給するディーゼルエンジンは、自動車とエンジンの両方へのエンジン作動に影響を与える種々の入力に応じて、種々の速度及び負荷で作動するので、燃料供給要件は、速度及び負荷の変化につれて変化する。関連の処理システムは、パラメータ、例えばエンジン速度及びエンジン負荷を表すデータを処理して、エンジン速度とエンジン負荷の種々の組合せに関して燃料噴射システムの適正な制御を保証する特定の作動条件について所望のエンジン燃料供給を設定する制御データを生じさせる。

また、可変弁作動システムをエンジン速度と負荷の条件に応じて種々の方法で制御することにより、かかる条件に適した有効圧縮比を得ることができる。有効圧縮比の適正な制御は、最適エンジン性能を保証すると共に適用されるエンジン排出エミッション仕様に従う上で重要である。

空気の管理は、ディーゼルエンジンが代替的な燃焼プロセスにより作動しているとき、自己着火をエンジンサイクル中の所望の時期に達成する上で重要な要因であるということが発見された。プロセッサ制御型可変弁作動システムを利用することにより、所望の有効圧縮比を達成するようシリンダ内への空気流を管理する仕方でエンジン弁を作動させることができる。エンジン作動条件が変化すると、有効圧縮比を変化する条件に適した仕方で変化させることができる。

ＨＣＣＩ、ＤＣＣＳ、ＨＰＣＳ、及び他の択一的内燃プロセスは、理論的にも実験的にも、ＮＯ_X及びスートを含むエンジン排出エミッションレベルの著しい減少の可能性を示した。これら減少を達成するのに有効に使用できる要因のうちの１つは、有効圧縮比である。

有効圧縮比に関して業界で認められている定義は、圧縮行程の終わりでのシリンダ内圧力と有効吸気行程の終わりでのシリンダ内圧力の比であると考えられる。本発明の目的上、有効圧縮比は、ＥＣＲ（effective compression ratio）で示され、かかる有効圧縮比は、ＴＤＣにおけるシリンダ内圧力と、ターボ過給エンジンの場合、ブースト圧力（単に「ブースト」という）である吸気マニホルド中の圧力の比として定義される。

本発明は、エンジンが択一的燃焼プロセス、例えば上述の燃焼プロセスにより作動する場合、燃焼の開始時に所望のシリンダ内温度を達成するよう有効ＥＣＲ制御を行う可変弁作動方式の利用に関する。

本発明の主たる利点は、エンジン排出エミッションの減少であるが、本発明は、自動車におけるエンジン性能の他の観点、例えば燃料経済性の向上、騒音減少、良好な低温始動及び良好な運転性における向上に寄与することができるということが考えられる。さらに、本発明は、既に電子エンジン制御システム及び可変弁作動システムを搭載した実働車両において費用効果のよい仕方で具体化できる。

種々の特許文献及び非特許文献で開示された種々の機構体を用いると、エンジンのＥＣＲの変化を生じさせることができる。本発明の実施に適した例は、共通所有者の米国特許第６，０４４，８１５号明細書及び同第６，２６３，８４２号明細書に記載されている。かかる例は、個々の弁を変えることができると共に良好な燃焼制御が得られるよう個々のシリンダを制御でき、エンジン内における種々のシリンダ配置状態に起因して生じるチャージ温度の差を補償する際に有効な油圧支援型エンジン弁アクチュエータを有する。

本発明は、エンジン排出物中の望ましくない成分、特にスート及びＮＯ_Xの生成を一段と減少させることを含む目的に向かってディーゼルエンジンへの択一的燃焼プロセスの使用を促進するエンジン、システム及び方法に関する。本発明は、エンジンサイクル中の所望の時期に自己着火を開始させるのに適したシリンダ内温度を達成するようＥＣＲを制御する新規な仕方で可変弁作動の使用を含む空気管理方式で具体化され、それにより、エンジン排出エミッション、特にＮＯ_X及びスートの有意義な減少と共に許容限度内のエンジン性能をもたらす。

この方式は、エンジン制御システムの関連処理システムにおける適当なプログラミングによって具体化できる。

本発明の１つの包括的な特徴は、圧縮着火エンジンを作動させる方法に関し、圧縮着火エンジンは、圧縮着火エンジンに燃料を供給する燃料供給系統と個々のエンジンシリンダに合わせて吸気系統を開閉する吸気弁の作動を制御する可変弁作動システムの両方を制御するプロセッサ利用型エンジン制御システムを有する。

本方法は、或る特定のデータを処理してエンジンシリンダに燃料供給する燃料供給データとエンジンシリンダのための吸気弁を作動させる吸気弁作動データの両方を生じさせるステップを有する。吸気弁作動データは、制御システム内に格納されていて、シリンダ内での燃料の自己着火を規定温度範囲内のシリンダ内温度で上死点に先立って圧縮行程中で開始させるようにするためにシリンダのＥＣＲを制御するアルゴリズムを実行することにより生じる。燃料供給データに従ってシリンダに燃料供給する。

吸気弁作動データに従って可変弁作動システムを制御して空気がシリンダ内における燃料の自己着火を規定温度範囲内のシリンダ内温度で上死点に先立って圧縮行程中に開始させるようにする量で吸気系統から吸気弁を通ってシリンダ内に流れることができるようにする。

別の包括的な特徴は、圧縮着火エンジンであって、エンジンを作動させるよう燃焼が生じるシリンダと、シリンダに燃料供給する燃料供給システムと、給気をシリンダ内に導入する吸気系統を有し、吸気系統が、個々のエンジンシリンダに合わせて吸気系統を開閉する吸気弁の作動を制御する可変弁作動システムを含む圧縮着火エンジンに関する。

制御システムの処理部分は、或る特定のデータを処理してエンジンシリンダに燃料供給する燃料供給データ及びシリンダ吸気弁を作動させる吸気弁作動データ生じさせる。

吸気弁作動データは、制御システム内に格納されていて、シリンダ内での燃料の自己着火を規定温度範囲内のシリンダ内温度で上死点に先立って圧縮行程中に開始させるようにするためにシリンダのＥＣＲを制御するアルゴリズムを実行することにより生じる。

上述の方法と上述のエンジンの両方のより特別な特徴は、吸気弁が、圧縮行程の直前の吸気行程の開始時又はその近くで開き始め、吸気行程の終了前に閉じ始めるということにある。閉鎖は、残りの吸気行程で、シリンダ内温度を幾分減少させるのに充分なだけシリンダ内空気を膨張させることができるように吸気行程の終了よりも充分前に行われる。

本発明の上記特徴及び利点並びに他の特徴及び利点は、本発明を実施するためにこの時点で計画された最適対応を示す本発明の現時点において好ましい実施形態についての以下の開示で理解されよう。本願は、後で概略的に説明する図面を含む。

図１は、本発明の原理を具体化した例示の内燃エンジン１０の部分を示している。エンジン１０は、燃焼用の給気をエンジンに流入させる吸気系統１２及び燃焼の結果として生じた排気ガスをエンジンから流出させる排気系統１４を有している。エンジン１０は、火花着火ではなく、圧縮着火の原理で作動し、具体的には示されていないターボ過給機によりターボ過給される。自動車、例えばトラックの原動機として用いられる場合、エンジン１０は、ドライブトレインを介してこの車両を推進する駆動車輪に連結される。

エンジン１０は、燃焼チャンバを形成する（直列またはＶ型の）多数のシリンダ１６を有し、燃料が、燃料系統１８のインジェクタによってこの燃焼チャンバ内に噴射され、吸気系統１２を通って流入した給気と混ざり合う。シリンダ１６内で往復動するピストンは、エンジンのクランクシャフトに連結されている。

各シリンダ１６内の空気と燃料の混合物、即ち混合気は、エンジンサイクルがその圧縮段階からその動力段階に移るときに対応のピストンにより得られる圧力下で燃焼し、それにより、クランクシャフトを駆動し、それによりトルクが、ドライブトレインを介して、その車両を推進する車輪に伝達される。燃焼に起因して生じるガスは、排気系統１４を介して排気される。

エンジン１０は、シリンダ１６と関連した吸気弁及び排気弁を有している。可変弁作動システム２０が、少なくとも吸気弁を開閉し、又、排気弁を開閉する場合がある。各シリンダは、少なくとも１つの吸気弁及び少なくとも１つの排気弁を有している。

エンジン１０は、エンジン制御システム（ＥＣＳ）２４を更に有し、このＥＣＳは、種々のデータを処理してエンジン動作の種々の側面を制御するデータを生じさせる１つ又は２つ以上のプロセッサを有する。ＥＣＳ２４は、燃料系統１８と可変弁作動システム２０の両方との適当なインターフェイスを介して働いて各インジェクタにより噴射される燃料のタイミング及び量並びに少なくとも吸気弁の開閉、場合によっては、排気弁の開閉も制御する。

図２の代表的な可変弁作動システム２０の一部が、エンジンカムシャフト３２に取り付けられているカム３０と連係した状態で示されている。このシステムのこの部分は、システム２０により提供される基本的な弁動作プロファイルをエンジン内におけるシリンダの特定の配設状態に起因したシリンダ間の温度のばらつきを補償するために各特定のシリンダについて調節できる装置を含む。ここでシー・ヴァフィディス（C. Vafidis）による論文「ジ・アプリケーション・オブ・アン・エレクトロ−ハイドローリック・ブイブイエー・システム・オン・ア・パッセンジャー・カー・シーアール・ディーゼル・エンジン（The Application of an Electro-Hydraulic VVA System on a Passenger Car C.R. Diesel Engine）」（ATA 20A2011）は、図２の設計例を記載している。この論文は、２０００年１０月１２日及び１３日にイタリア国ポルト・セルヴォで開催されたザ・フューチャー・オブ・ディーゼル・エンジン・テクノロジー（The Future of Diesel Engine Technology）に関するＡＴＡ（Associacioni Tecnica De Automobile）会議で提出された。

図３は、３つの代表的な吸気弁プロファイルＡ₀、Ａ₁、Ａ₂を示している。プロファイルＡ₀は、最大のリフト量及び最長の持続時間を有する。プロファイルＡ₂は、最小のリフト量及び最短の持続時間を有する。これら３つのプロファイルは全て、吸気弁開放が、圧縮行程４２の直前の吸気行程４０の開始時又はその近くで始まることを示している。プロファイルＡ₁，Ａ₂は、吸気行程４０の終了前の吸気弁閉鎖を示している。プロファイルＡ₀は、空気行程４０の終了後における吸気弁の閉鎖を示している。換言すると、この特定の可変弁作動システムに関し、吸気弁のリフト量が大きければ大きいほど、吸気弁の閉鎖はそれだけ一層遅くなる。

吸気弁の上流側のエンジン吸気系統中の所与の圧力の場合、各プロファイルにより、それぞれの空気の量が各シリンダに流入することができる。それ故、吸気弁の閉鎖が遅ければ遅いほど、少なくとも吸気行程と圧縮行程との間の下死点（ＢＤＣ）までシリンダ内の空気の量はそれだけ一層多くなる。

本発明の或る特定の原理によれば、吸気弁を吸気行程の充分手前で閉鎖すると、容量がＢＤＣのところの最大レベルに向かって増大するので、残りの吸気行程で、シリンダ内空気の膨張が可能になる。充分な量の膨張により、シリンダ内温度が幾分減少する。というのは、膨張エネルギーが取り込まれたシリンダ内空気の熱エネルギーから抽出されるからである。それ故、吸気弁の動作を変化させて温度の減少量を変化させることにより、シリンダ内温度に対する或る程度の制御が可能になる。このようなシリンダ内温度の制御機能が、本発明の実施に当たって用いられる。

このように吸気弁動作を変化させることにより、ＥＣＲが変化する。図４は、ＥＣＲと吸気弁との間の関係に関して自己着火範囲の一例を示している。３つの吸気弁プロファイルＡ₀，Ａ₁，Ａ₂の各々とこの範囲との相関関係も又、示されており、吸気弁のプロファイルは、線４４によって表されているように連続的に可変であることが分かる。

図４の陰影を施した領域は、自己着火に必要な圧縮比の特定の部分範囲（サブレンジ）ΔＣＲを示している。システム２０を介して吸気弁を動作させる特定の吸気弁プロファイルの選択は、現在におけるエンジンの作動条件（代表的には、エンジン速度及びエンジン負荷は、吸気弁動作に影響を及ぼす主要な作動条件である）において燃焼プロセスに必要な空気の量によって定まる。また、プロファイルの選択にあたっては、シリンダ内に真空を生じさせる条件が生じるのを回避すべきである。

同様に、図５は、混合気温度と吸気弁リフト量との間の関係に関する自己着火の範囲を示している。３つの吸気弁プロファイルＡ₀，Ａ₁，Ａ₂の各々とこの範囲との相関関係も又、示されており、線４６は、吸気弁プロファイルが連続的に可変であることを示している。図５の線４４は、エンジンサイクル中における吸気弁閉鎖のタイミングを早めると（ＢＤＣに向かって、それどころか、非発火ＴＤＣに向かって早期に）シリンダ内温度が低くなることを示したサイクルシミュレーションを表している。

代替的なディーゼル燃焼プロセスにおける燃焼の開始は、燃料と空気の混合物がかかる代替的な燃焼プロセスを特徴付ける化学的性質としての「低温火炎（cool flame）」に適した範囲内の温度の状態でＴＤＣ又はその近傍で生じる必要があるので、選択される弁プロファイルは、その温度をもたらすプロファイルである必要がある。ＴＤＣ前の或る所定の度数における混合気温度が図５の陰影を施した領域に属する温度である場合、低温火炎による自己着火は、ＴＤＣ又はその付近において正しい時期に始まることになる。自己着火は、６００°Ｋから９００°Ｋの間のどこかで始まることになる。約６００°Ｋでは、ディーゼル燃料又は高セタン価燃料の特徴である「低温反応（cool reaction）」が生じ、次に、９００°Ｋでは、全ての炭化水素燃料（例えば、ガソリン又はディーゼル等）に特有の高温火炎反応（hot flame reaction）が生じる。

かくして、本明細書において説明したような吸気弁動作の制御は、エンジンサイクル中の或る特定の時期におけるシリンダ内温度に関する標的ΔＴ範囲にねらいを定めることができ、それにより所望の自己着火が達成される。適当な弁プロファイルを選択することにより、圧縮行程の終わりの近くにおけるシリンダ内温度をＮＯ_X及び煙のようなエンジン排出エミッションを減少させる仕方で択一的ディーゼル燃焼を支えるように制御することができる。周知のように、シリンダ内ピーク温度を制限することは、ＮＯ_Xを制限する有効な手立てである。

図６は、３つの弁プロファイルＡ₀，Ａ₁，Ａ₂に関する３つのシリンダ内温度トレースを示している。三角形マーク４８は、圧縮行程の開始の近くにおける代表的なシリンダ内噴射タイミングの一例を示している。変形例として、予備混合気を作るよう吸気弁の上流側で燃料を全て又は部分的に噴射してもよい。

ゾーンＩは、約７００°Ｋで生じる高いセタン価燃料、例えばディーゼルに特有の低温火炎燃焼を指示している。ゾーンＩＩは、炭素燃料、例えばディーゼル又はガソリンに特有の代表的な１０００°Ｋにおける高温火炎燃焼を指示している。図示のように、吸気弁動作の制御は、自己着火を制御することができる。即ち、吸気弁制御（ＩＶＣ）は、良好な燃焼効率を得るために高温火炎燃焼をＴＤＣの近くに持って来ることができる。

エンジン内に本発明を具体化するため、ＥＣＳ２４は、Ａ₀，Ａ₁，Ａ₂のような種々のプロファイルとエンジン速度及びエンジン負荷の種々の組合せを相関させる１つ又は２つ以上のマップを有するのがよい。エンジン速度及びエンジン負荷、又、場合によっては有用な可能性がある他のパラメータに基づいて、対応のプロファイルを選択する。

本発明の現時点において好ましい実施例を図示すると共に説明したが、本発明の原理は、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲に属する全ての実施形態に当てはまることは理解されるべきである。

本発明の原理に適したエンジンの部分の略図である。 エンジンの可変弁作動システムの一部の断面図である。 幾つかの代表的な吸気弁動作プロファイルを示すグラフ図である。 ＥＣＲと図３の代表的なプロファイルとの間の或る特定の関係を示すグラフ図である。 シリンダ内温度と図３の代表的なプロファイルとの間の或る特定の関係を示すグラフ図である。 図３の代表的なプロファイルに関してエンジンサイクルの一部分中におけるシリンダ内温度トレースを示すグラフ図である。

Claims (3)

1. 圧縮着火エンジンを作動させる方法であって、前記圧縮着火エンジンが、前記圧縮着火エンジンに燃料を供給する燃料供給系統と、個々のエンジンシリンダへの吸気系統を開閉する吸気弁の作動を制御する可変弁作動システムとの両方を制御するプロセッサ利用型エンジン制御システムを有する方法において、
   或る特定のデータを処理してエンジンシリンダに燃料供給する燃料供給データと前記エンジンシリンダのための吸気弁を作動させる吸気弁作動データの両方を生じさせるステップであって、前記吸気弁作動データが、前記制御システムに格納され、前記シリンダ内での燃料の自己着火を規定温度範囲内のシリンダ内温度で上死点に先立って圧縮行程中に開始させるように前記シリンダのＥＣＲを制御するアルゴリズムを実行することにより生ずるステップと、
   前記燃料供給データに従って前記シリンダに燃料供給するステップと、
   前記吸気弁作動データに従って前記可変弁作動システムを作動させ、空気が、前記シリンダ内における燃料の自己着火を規定温度範囲内のシリンダ内温度で上死点に先立って前記圧縮行程中に開始させるようにする量で前記吸気系統から前記吸気弁を通って前記シリンダ内に流れることができるようにするステップと、を備え、
   前記可変弁作動システムを作動させるステップは、前記可変弁作動システムを作動させて前記圧縮行程の直前の吸気行程の開始時に又はその近くで前記吸気弁の開放を開始させ、前記吸気行程の終了前に前記吸気弁を閉鎖し、残りの吸気行程で、シリンダ内空気を膨張させシリンダ内温度を減少させるステップであり、
   或る特定のデータを処理してエンジンシリンダに燃料供給する燃料供給データと前記エンジンシリンダのための吸気弁を作動させる吸気弁作動データの両方を生じさせる前記ステップが、エンジン速度データ及びエンジン負荷データを含むデータを処理するステップである、
   ことを特徴とする方法。
2. 圧縮着火エンジンであって、
   シリンダを有し、燃焼が前記エンジンを作動させるよう前記シリンダ内で生じ、
   前記シリンダに燃料供給する燃料供給システムを有し、
   給気を前記シリンダ内に導入する吸気系統を有し、前記吸気系統は、個々のエンジンシリンダに合わせて前記吸気系統を開閉する吸気弁の作動を制御する可変弁作動システムを含み、
   或る特定のデータを処理して前記エンジンシリンダに燃料供給する燃料供給データと前記エンジンシリンダのための吸気弁を作動させる吸気弁作動データの両方を生じさせることによって前記燃料供給システムと前記可変弁作動システムの両方を制御するプロセッサ利用型エンジン制御システムを有し、前記吸気弁作動データは、前記制御システム内に格納されていて、前記シリンダ内での燃料の自己着火を規定温度範囲内のシリンダ内温度で上死点に先立って圧縮行程中に開始させるようにするために前記シリンダのＥＣＲを制御するアルゴリズムを実行することにより生じ、
   前記アルゴリズムの前記実行により、前記可変弁作動システムは、前記圧縮行程の直前において吸気行程の開始時に又はその近くで前記吸気弁の開放を開始させ、前記吸気行程の終了前に前記吸気弁を閉鎖し、残りの吸気行程で、シリンダ内空気を膨張させシリンダ内温度を減少させ、
   燃料供給データと吸気弁作動データの両方を生じさせるよう処理される前記或る特定のデータは、エンジン速度データ及びエンジン負荷データを含むデータから成る、
   ことを特徴とするエンジン。
3. 前記吸気系統中に設けられ、ブーストを前記シリンダに流入した前記給気に与える圧縮機を備えたターボ過給機を有する、請求項２記載のエンジン。

Images