(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃エンジンの圧縮点火燃焼方法であって、
前記内燃エンジンは、
ａ  燃焼チャンバと、
ｂ  インテークマニホルドと、
ｃ  前記インテークマニホルドより下流で、前記燃焼チャンバより上流のインテークポートであって、インテークバルブを有するインテークポートと、
ｄ  第1の反応性を有する燃料を含む第1のタンクと、
ｅ  前記燃料を前記燃焼チャンバに供給するように配置されたインジェクタと、
ｆ  第2の反応性を有する材料を含む第2のタンクと、
を有し、
前記第1のタンクからの前記燃料、および前記第2のタンクからの前記材料は、前記エンジンの燃焼サイクル中に、前記燃焼チャンバに供給され、前記燃焼チャンバ内に燃料反応性の成層化分布が得られ、最大の燃料反応性の領域は、最小の反応性の領域から離間され、
当該方法は、
（1）前記エンジンがアイドリングの際、エンジン燃焼サイクル中に、前記第1のタンクからの前記燃料と、前記第2のタンクからの材料の両方を、前記燃焼チャンバに供給するステップと、
（2）前記エンジンの燃焼サイクルのインテークストローク中、前記インテークマニホルド内の空気圧力を、周囲空気圧力よりも低く維持するステップと、
を有することを特徴とする方法。
【請求項２】
前記第1のタンクからの前記燃料および前記第2のタンクからの前記材料は、前記エンジン燃焼サイクル中の異なる時間に、前記燃焼チャンバに供給されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項３】
ａ  前記第1のタンクからの前記燃料は、ガソリンであり、
ｂ  前記第2のタンクからの前記材料は、ディーゼル燃料であることを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項４】
前記第2のタンクからの前記材料は、ディーゼル燃料よりも大きな反応性を有することを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項５】
当該方法は、前記第2のタンクからの前記材料が前記燃焼チャンバに供給される前に、前記第1のタンクからの前記燃料と、前記第2のタンクからの前記材料を混合するステップを有することを特徴とする請求項4に記載の方法。
【請求項６】
前記エンジンの燃焼サイクルの圧縮ストロークの開始時の前記燃焼チャンバ内の空気圧力は、周囲空気圧力よりも低いことを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項７】
ａ  前記内燃エンジンは、前記インテークポートより上流にスロットルを有し、
前記スロットルは、
ｉ  前記インテークマニホルドから前記インテークポートに最大空気流が得られる開状態と、
ｉｉ  前記インテークマニホルドから前記インテークポートに最小空気流が得られる閉状態と、
の間で調整可能であり、
ｂ  前記スロットルは、前記エンジンの燃焼サイクルのインテークストローク中、前記開状態から脱することを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項８】
ａ  前記インテークバルブは、
ｉ  前記インテークポートを通る最大の空気流が得られる開状態と、
ｉｉ  前記インテークポートを通る空気流が生じない閉状態と、
の間で調整可能であり、
ｂ  前記エンジンの燃焼サイクルのインテークストロークの終了前に、前記インテークバルブは、少なくとも実質的に前記閉状態にあり、
これにより、前記エンジンの燃焼サイクルの圧縮ストロークの開始時の前記燃焼チャンバ内の前記空気圧力は、周囲空気圧力未満になることを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項９】
ａ  前記インテークバルブは、
ｉ  前記インテークポートを通る最大の空気流が得られる開状態と、
ｉｉ  前記インテークポートを通る空気流が得られない閉状態と、
の間で調整可能であり、
ｂ  前記インテークバルブは、前記エンジンの燃焼サイクルのインテークストローク中、前記開状態よりも前記閉状態に近いことを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項１０】
ａ  前記インテークバルブは、
ｉ  前記インテークポートを通る最大の空気流が得られる開状態と、
ｉｉ  前記インテークポートを通る空気流が得られない閉状態と、
の間で調整可能であり、
ｂ  前記インテークバルブは、前記エンジンの燃焼サイクルの圧縮ストロークの一部の間、前記閉状態から脱していることを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項１１】
ａ  前記内燃エンジンは、追加で、前記燃焼チャンバよりも下流に排気ポートを有し、前記排気ポートは、排気バルブを有し、
ｂ  さらに、前記エンジン燃焼サイクル中、前記排気ポートから上流の前記燃焼チャンバの内容物の一部を保持するステップを有し、
これにより、前記燃焼チャンバの前記内容物の一部は、その後のエンジン燃焼サイクル中、前記燃焼チャンバ内に存在することを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項１２】
内燃エンジンの圧縮点火燃焼方法であって、
前記内燃エンジンは、
ａ  燃焼チャンバと、
ｂ  インテークポートで前記燃焼チャンバに連通されたインテークマニホルドと、
ｃ  前記インテークポートに取り付けられたインテークバルブと、
を有し、
当該方法は、
（1）  前記燃焼チャンバに初期燃料チャージを供給するステップと、
（2）その後、前記燃焼チャンバに後続の燃料チャージを供給するステップであって、前記後続の燃料チャージは、前記初期燃料チャージとは異なる反応性を有するステップと、
を有し、
前記後続の燃料チャージは、前記エンジンの燃焼サイクル中に、前記燃焼チャンバに供給され、前記燃焼チャンバ内に燃料反応性の成層化分布が得られ、最大の燃料反応性の領域は、最小の反応性の領域から離間され、
前記エンジンは、4bar未満の指示平均有効圧力で作動され、
エンジン燃焼サイクルの圧縮ストロークの開始時の前記燃焼チャンバ内の空気圧力は、周囲空気圧力よりも低いことを特徴とする方法。
【請求項１３】
ａ  前記内燃エンジンは、追加で、前記燃焼チャンバに連通する排気ポートを有し、該排気ポートは、排気バルブを有し、
ｂ  さらに、
ｉ  前記エンジンの燃焼サイクル中、前記燃焼チャンバ内で前記燃料チャージの少なくとも一部を燃焼し、これにより排ガスが生成するステップと、
ｉｉ  前記エンジンの燃焼サイクル中、前記排気ポートよりも上流で、前記排ガスの一部を保持するステップであって、これにより、後続のエンジン燃焼サイクルの少なくともインテークストロークの間、前記排ガスの一部は、前記燃焼チャンバ内に存在するステップと、
を有することを特徴とする請求項12に記載の方法。
【請求項１４】
前記インテークポート内の前記空気圧力は、少なくとも前記エンジン燃焼サイクルのインテークストロークの間、周囲空気圧力よりも低いことを特徴とする請求項12に記載の方法。
【請求項１５】
前記エンジンは、アイドリング中であることを特徴とする請求項12に記載の方法。
【請求項１６】
ａ  前記内燃エンジンは、さらに、
ｉ  第1の反応性を有する燃料を含む第1のタンクと、
ｉｉ  第2の反応性を有する材料を含む第2のタンクと、
を有し、
ｂ  前記初期および後続の燃料チャージの一方は、前記第1のタンクからの前記燃料を含み、
ｃ  前記初期および後続の燃料チャージの他方は、前記第1のタンクからの前記燃料および前記第2のタンクからの前記材料を含むことを特徴とする請求項12に記載の方法。
【請求項１７】
前記初期および後続の燃料チャージは、それぞれ、別個のタンクから供給され、
該タンクは、前記燃焼チャンバに前記燃料チャージを供給するように設置された1または2以上のインジェクタを提供することを特徴とする請求項12に記載の方法。
【請求項１８】
ａ  前記内燃エンジンは、前記インテークポートより上流にスロットルを有し、
前記スロットルは、
ｉ  前記インテークマニホルドから前記インテークポートに最大空気流が得られる開状態と、
ｉｉ  前記インテークマニホルドから前記インテークポートに最小空気流が得られる閉状態と、
の間で調整可能であり、
ｂ  前記スロットルは、前記エンジン燃焼サイクルのインテークストローク中、前記開状態から脱することを特徴とする請求項12に記載の方法。
【請求項１９】
ａ  前記インテークバルブは、
ｉ  前記インテークポートを通る最大の空気流が得られる開状態と、
ｉｉ  前記インテークポートを通る空気流が得られない閉状態と、
の間で調整可能であり、
ｂ  前記インテークバルブは、前記エンジン燃焼サイクルの少なくともインテークストロークの一部の間、少なくとも実質的に前記閉状態にあることを特徴とする請求項12に記載の方法。
【請求項２０】
ａ  前記インテークバルブは、
ｉ  前記インテークポートを通る最大の空気流が得られる開状態と、
ｉｉ  前記インテークポートを通る空気流が得られない閉状態と、
の間で調整可能であり、
ｂ  前記インテークバルブは、前記エンジン燃焼サイクルの少なくとも燃焼ストロークの一部の間、前記閉状態から脱することを特徴とする請求項12に記載の方法。
【請求項２１】
内燃エンジンの圧縮点火燃焼方法であって、
前記内燃エンジンは、
ａ  燃焼チャンバと、
ｂ  インテークポートで前記燃焼チャンバと連通するインテークマニホルドと、
ｃ  前記インテークポートに取り付けられたインテークバルブと、
ｄ  前記インテークポートよりも上流のスロットルであって、
ｉ  前記インテークマニホルドから前記インテークポートに最大の空気流が得られる開状態と、
ｉｉ  前記インテークマニホルドから前記インテークポートに最小の空気流が得られる閉状態と
の間で調整可能なスロットルと、
を有し、
当該方法は、エンジン燃焼サイクル中、
（1）  前記燃焼チャンバに初期燃料チャージを供給するステップと、
（2）  その後、前記燃焼チャンバに後続の燃料チャージを供給するステップであって、前記後続の燃料チャージは、前記初期燃料チャージとは異なる反応性を有するステップと、
を有し、
前記後続の燃料チャージは、前記エンジン燃焼サイクル中に、前記燃焼チャンバに供給され、前記燃焼チャンバ内に燃料反応性の成層化分布が得られ、最大の燃料反応性の領域は、最小の反応性の領域から離間され、
前記エンジンは、4bar未満の指示平均有効圧力で作動され、
前記スロットルは、前記サイクル中、前記開状態と前記閉状態の間にあることを特徴とする方法。
【請求項２２】
前記エンジンは、アイドリング中であることを特徴とする請求項21に記載の方法。
【請求項２３】
ａ  前記インテークバルブは、
ｉ  前記インテークポートを通る最大の空気流が得られる開状態と、
ｉｉ  前記インテークポートを通る空気流が得られない閉状態と、
の間で調整可能であり、
ｂ  前記インテークバルブは、
ｉ  前記エンジンの燃焼サイクルのインテークストロークの少なくとも一部の間、少なくとも実質的に前記閉状態にあり、および／または
ｉｉ  前記エンジンの燃焼サイクルの圧縮ストロークの少なくとも一部の間、閉状態から脱していることを特徴とする請求項21に記載の方法。
【請求項２４】
ａ  前記内燃エンジンは、さらに、
ｉ  第1の反応性を有する燃料を含む第1のタンクと、
ｉｉ  第2の反応性を有する材料を含む第2のタンクと、
を有し、
ｂ  前記初期および後続の燃料チャージの一方は、前記第1のタンクからの前記燃料を有し、
ｃ  前記初期および後続の燃料チャージの他方は、前記第1のタンクからの前記燃料および前記第2のタンクからの前記材料を有することを特徴とする請求項21に記載の方法。
【請求項２５】
前記初期および後続の燃料チャージは、それぞれ、別個のタンクから供給され、該タンクは、前記燃料チャージを前記燃焼チャンバに供給する、1または2以上のインジェクタを提供することを特徴とする請求項21に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、米国エネルギー省によって授与されたDE-AC04-94AL85000の政府支援の下なされたものであり、米国政府は、本発明に関してある権利を有する。
【０００２】
本願は、全般に、圧縮点火（ディーゼル）エンジンの燃焼最適化方法に関し、特に、低負荷で作動するディーゼルエンジンに適合されたことを除き、前の関連米国特許出願第12／793,808号（2010年2月11日出願）に記載されたものと同様の燃焼最適化方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
ディーゼル（圧縮点火）エンジンは、最もエネルギー効率が良く、単位燃料消費に対するパワー出力が高いエンジンの一つである。残念ながら、これらは、「最もダーティ」なエンジンの一つでもあり、一般のディーゼルエンジン（本願の準備の時期において）では、多量の窒素酸化物（通常NOxで表される）が生成される傾向にある。これは、スモッグおよび酸性雨、ならびに時々、ディーゼル車両が停止状態から加速される際に排出される黒煙のように見えるパティキュレート（しばしば、単に「スート」と称される）のような悪影響につながる。特に、スートは、ディーゼルエンジンがアイドリング状態または低負荷での作動状態にあるとき、問題となり得る。このため、米国の多くの地域は、「抗アイドリング」法を採用し、ディーゼル車両がアイドリング状態のまま維持できる時間長さを制限している。
【０００４】
スートおよびNOx排出の環境に与える影響のため、米国および他の多くの国では、車両へのディーゼルエンジンの使用に対して、厳しい排出規制を課しており、ディーゼル排出を低減するため、多くの技術が開発されている。例えば、NOxは、通常、高温エンジン条件に関連するため、排ガスリサイクル（EGR）のような対策の適用により低減し得る。この技術では、エンジンインテーク空気は、比較的不活性な排ガスで希釈され（通常排ガスを冷却した後）、これにより燃焼チャンバ内の酸素が減少し、最大燃焼温度が抑制される。別の例では、通常、スートは、不完全燃焼に関連するため、燃焼温度を高めることにより、あるいはスート粒子の酸化促進のためより多くの酸素を提供することにより、抑制することができる。残念ながら、エンジン内のNOx生成を抑制する手段は、スート生成を高める傾向にあり、エンジン内のスート生成を抑制する手段は、NOx生成を高める傾向にあるため、しばしば、「スート−NOxトレードオフ」と呼ばれる結果になる。
【０００５】
また、NOxおよびスートは、これらがエンジンから排出された後に（例えば排気ストリーム内で）、処理することができるが、そのような「後処理」法では、初期投資およびメンテナンス費が上昇しやすくなる。例えば、排気ストリームは、触媒で処理され、および／または尿素もしくは他の還元／反応剤を噴射することにより処理され、NOx排出が抑制される。ならびに／または燃料が排気ストリームに周期的に噴射され、点火され、「パティキュレートトラップ」に収集されたスートがバーンオフされる。これらの対策では、相当の費用および複雑性が必要となり、パティキュレートトラップの場合、これらは車両の燃料効率を低下させる傾向にある。
【０００６】
他の技術は、燃焼プロセスから、いかにNOxおよびスートの両方の生成を抑制するかという、より基本的な点に焦点を置いており、このため、より清浄な「エンジンからの」排出が得られる（すなわち排気は、後処理または同様の対策の前に、直接エンジンから排出される）。これらの対応策は、燃料噴射チャージのタイミング、速度および／もしくは形状を修正したり、燃焼チャンバ形状を変更したり、ならびに／または他の因子を修正したりして、燃焼温度を制御（さらにはNOxの制御）した状態で、全ての燃料の完全燃焼（および低スート）を達成することを含む。これらの技術の多くは、排出を改善するものの、実現および制御は難しく、特に、一般的なディーゼル車両エンジンの作動に必要な速度および負荷の全範囲にわたって、実現させることは難しい。また、これらの技術の多くには、未だ、排気目標を達成するため、排出後処理のような対策が必要であり、これは前述のコストおよび燃料効率の問題につながる。
【０００７】
燃料効率、コスト、および消費者が求める特性を提供したまま、排出規制を守ることは難しいため、多くの自動車会社は、単純に、彼らの視点をディーゼルエンジンからガソリンエンジンにシフトし始めている。ガソリンエンジンは、残念ながらエネルギー効率が低く、ここでも排出の問題が危惧される（内燃エンジンに詳しくない読者のために記せば、ガソリンエンジンとディーゼルエンジンの間の主要な違いは、燃焼が開始される際の方法である。また、通常、スパーク点火または「SI」エンジンBで表されるガソリンエンジンBは、比較的燃料リッチな燃料と空気の混合ガスをエンジンシリンダに提供し、その後、スパークにより混合ガスに点火し、ピストンをシリンダから外方に移動させ、仕事が発生する。圧縮点火エンジンBとして知られるディーゼルエンジンBでは、ピストンが空気を圧縮すると、エンジンシリンダに燃料が導入され、その後、圧縮された高圧／高温条件下で、燃料が点火され、ピストンがシリンダから外方に移動し、仕事が発生する）。
【０００８】
2010年2月11日に出願された（および本願の参照として取り入れられている）、本願発明者らの以前の米国特許出願第12／793,808号では、反応性制御圧縮点火（RCCT）法と呼ばれるディーゼル燃焼方法が記載されており、この方法では、エンジンの燃焼チャンバに提供された燃料は、燃焼サイクルの過程にわたって変化する反応性を有するように適合される（「反応性」は、ディーゼル作動条件下、すなわち高圧高温下における、燃料の自発的点火傾向に適正に対応する。従って、通常、反応性は、燃料のセタン価、または燃料のオクタン価の逆数に対応する）。これらのRCCI法では、燃料は、燃料反応性の成層分布が生じ、すなわち、燃焼サイクルの圧縮ストロークの間、燃焼チャンバ内で、高反応性の領域と低反応性の領域が分離するように、燃焼チャンバに提供される。圧縮の間、まず、高反応性領域が点火し、その後、燃焼は、低反応性領域に伝播する。燃料反応性、燃料／反応性量および割合、燃焼チャンバへの燃料導入のタイミング、ならびに同様の因子の適当な調整により、燃焼が調整され、所望の時間でピーク仕事出力（最適パワー出力）が生じ、NOxおよびスート生成が抑制される。RCCI法を実施するための実験エンジンでは、排ガスの後処理を行う必要もなく、当時の米国製府の排出基準を満たした状態で、極めて高い燃料効率が得られている。
【０００９】
RCCI法の好適態様を詳しく調べるため、インテークの間および／または圧縮ストロークの間、燃焼チャンバに、第1の反応性を有する初期燃料チャージが供給される。これは、圧縮ストロークの主要な部分の間、初期の燃料チャージが燃焼チャンバ内で空気と高予備混合されるよう、十分に初期であることが好ましい。その後、燃焼チャンバ内で、識別可能な高反応性と低反応性の領域を有する燃料反応性の成層分布が得られるように、異なる反応性の1または2以上の後続の燃料チャージが燃焼チャンバに供給される。より具体的には、後者の異なる反応性チャージは、調整され、他は、異なる反応性チャージBを分布するように構成される。異なる反応性チャージBは、燃焼チャンバ内の反応性勾配によって、所望の燃焼開始時間および速度（制御された熱放出が生じる時間／速度の結果、ピストンに大きな仕事が入力される）が得られるように、好ましくは空気と第1の反応性燃料Bとの高予備混合「マトリクス」に導入される。一方、急速な圧力上昇および高温化（これは、NOx生成を促進し、燃料効率を低下させる）が抑制され、燃焼チャンバ内で全ての（またはほぼ全ての）燃料が十分に燃焼し、未燃焼炭化水素が減少する。燃焼は、反応性が最も高い1または2以上の領域（これらの領域は高反応性材料の導入により生じる）で始まる傾向にあり、そこから容量エネルギー放出を介して、および／またはフレーム伝播を介して、全てのチャージから燃料が消費されるまで拡散する。従って、燃焼チャンバ内で反応性分布を調整することにより、燃焼プロセスの特性の調整が可能となる。反応性の大きな成層／勾配によって、低い燃焼速度が得られる傾向が強まる。逆に、低い成層／勾配（燃焼チャンバにわたって反応性の均一性が高い場合）は、高燃焼速度が得られやすい。これは、チャンバ内の各場所は、最初にほぼ等しく点火の機会を有し、最初に点火されなかった箇所は、隣接部によって急速に点火されるためである。
【００１０】
異なる反応性を有する異なる燃料チャージは、別個の従来のタンクからエンジンに供給される通常の燃料であり、例えば、一つのタンクからのディーゼル燃料（高反応性を有する）、および別のタンクからのガソリン（低反応性を有する）である。これとは別にまたはこれに加えて、単一のタンクからの燃料が、適当な反応性変更剤を添加することにより、高レベルと低レベルの間で調整された反応性を有しても良い。例えば、最初の低反応性チャージは、単にガソリンまたはディーゼル燃料を含み、後続の高反応性燃料チャージは、ガソリンまたはディーゼル燃料と、少量の過酸化ジ−ターシャル−ブチル（DTBP）、2−エチルヘキシル硝酸塩、または別のセタン改善剤とを含む。この性質の調整は、有益である。なぜなら、多くの反応性改質剤はわずかの希釈量でしか必要ではなく、反応性改質剤を含有する小さなタンクは、従来の燃料タンク配置、および反応性改質剤の所望の量を燃料ライン（または低反応性燃料ラインから分離した高反応性燃料ライン）に混合する計測配置とともに、車両に提供することができるからである。一例として、DTBPを収容する補助用1-2クオートタンクを備える従来のディーゼル車両では、3000-6000マイル毎にしか再充填が必要ではなくなり、これは、おおまかには、オイル交換の頻度で推奨され、反応性改質剤タンクは、車両のオイルが交換される際に充填され得る。
【００１１】
より詳しく反応性成層を検討するため、上死点（TDC）の前に、燃焼チャンバに、初期の第1の反応性燃料チャージが十分に供給され、初期の燃料チャージは、後続の噴射がなされる前に、燃焼チャンバ内で少なくとも一部が予備混合される（均一に分散される）。初期のチャージは、シリンダへの直接噴射（低圧が好ましい）を介して、燃焼チャンバに導入され、および／または燃焼チャンバのインテークポートを介してこれを噴射により提供することにより、燃焼チャンバに導入され、あるいはチャージは、インテークマニホールドおよび／またはそこから延びるインテークランナに導入される。次に、第1のほぼ半分の圧縮ストロークの間、好ましくは、インテークポートが閉止される時間とTDC前約40゜の間に、第1の後続の高反応性燃料チャージが燃焼チャンバに供給される。より具体的には、図1A乃至1Dに示すように、中心ボウルを有するピストン面によって部分的に区画された、通常の燃焼チャンバの場合、第1の後続の燃料チャージは、第1の後続の燃料チャージの少なくとも主要部分が、ピストン面の外径の近傍に配置された外側（圧搾）領域に向かって誘導されるような時間（およびそのような圧力）で、導入されることが好ましい。より具体的には、第1の後続の燃料チャージは、ピストン面の半径の外端1／3の外側に配置された領域に向かって誘導される。これは、図1Bに例示されており、この図には、TDC前約60゜での燃焼チャンバが示されており、噴射は、圧搾領域に向かうインジェクタによって誘導される。しかしながら、全ての例において、噴射は、常時、燃焼チャンバ表面へのチャージの衝突が回避されまたは最小化される圧力で提供されることが好ましい。そのような衝突は、スートの生成を助長する傾向にあるためである。
【００１２】
次に、第1の後続の燃料チャージの後に、燃焼チャンバに第2の後続の高反応性燃料チャージが供給される。図1Cには、そのような噴射がTDC前約30゜で実施される様子を示す。噴射の少なくとも主要な部分は、ピストン面の外径から内側に離間された内側（ボウル）領域に向かって誘導される。より具体的には、第2の後続の燃料チャージの少なくとも主要な部分は、ピストン面の半径の外端から1／4内側に配置された領域に向かって噴射されることが好ましい（すなわち、これは、ボア径の内側75%によって定められる領域に向かって噴射される）。その後、第1の後続の燃料チャージは、圧搾領域から拡散し始め、初期燃料チャージからの低反応性の燃料と混合され、圧搾領域またはその近傍に、中間反応性の領域が形成される。
【００１３】
次に、図1Dには、TDC前約15゜における図1Bの燃焼チャンバを示す。チャンバ内の燃料は、ボウル内の高反応性領域から、チャンバの外径およびボウルのクラウンにおける低反応性領域までの範囲の反応性勾配を有する。燃焼は、おおよそこの時間で始まり、高反応性領域で開始され、時間とともに低反応性の領域に伝播する。
【００１４】
図1A乃至1Dのチャージの反応性が反転した場合、すなわち1または2以上の初期の高反応性チャージが供給されてから、1または2以上の低反応性チャージが供給される場合、基本的に同じ燃焼機構が生じる。点火は、高反応性領域で始まり、低反応性領域に伝播する。燃焼開始および燃焼期間は、燃料チャージのタイミングおよび量によって制御され、これは、得られる成層の度合いに影響を及ぼす。最適な仕事出力のため、燃料チャージは、上死点（TDC）またはその後に、ピークシリンダ圧力が得られるように燃焼チャンバに供給されることが望ましく、これはTDCとATDC（TDC後）20゜の間であることがより好ましく、ATDC5゜と15゜の間であることがさらに好ましい。同様に、CA50（すなわち全燃料の50％燃焼）は、ATDC約0と10゜の間で生じることが好ましい。また、圧力上昇速度がクランク回転角度当たり10bar以下となるように、燃料チャージが供給されることが有意である。より大きな圧力上昇では、好ましくないノイズおよび急激なエンジン摩耗が生じ、高温化が促進されるからである（さらには熱輸送ロスによる燃料消費およびNOx生成の増加）。
【００１５】
燃焼プロセスにわたって制御が向上するため、前述のRCCI法の使用により、従来のディーゼルエンジンよりも40％低いピーク燃焼温度Bが得られる。これは、NOx形成を抑制するとともに、エンジン効率を高める。熱輸送を介したエンジンからのエネルギーロスがより少なくなるためである。また、燃料チャージの反応性、量、およびタイミングは、燃焼が最適化されるように適合され、膨脹ストロークの終わりの時点で、より少ない未燃焼燃料が生じ（さらには排気への損失）、これによりエンジン効率が向上し、スート発生が少なくなる。
【００１６】
ディーゼルおよびガソリン燃料で作動するRCCI法の実験結果では、最大53％までの正味の指示熱効率、および約56％のグロス熱効率が得られる（熱効率は、熱輸送、排気、または他の変数を介したロスとは反対に、エンジンによって出力されるパワーに変換された燃料の量を表すため、熱効率は燃料効率の有益な指標である。正味の熱効率は、エンジンの全サイクルにわたる仕事出力を考慮するのに対して、グロス熱効率は、膨脹および圧縮ストロークしか考慮しない。2つの間には、通常、約3％の差異がある）。一方、RCCI法が最初に開発された時点では、平均的な従来のディーゼルエンジンは、約42％の熱効率を有し、平均的なガソリンエンジンは、約25乃至30％の熱効率を有する。簡単に言えば、RCCI法では、極めて高い燃料効率が得られる。同様に、これらは、2010年の米国政府スート放出制限、NOx放出制限、および燃料消費制限を満たし、排ガス後処理を必要としない。排気後処理のような手段の実施により、放出はよりいっそう低減される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、別の実験では、エンジン負荷が低下すると、RCCI法は、十分に機能しないことが認められている。前の出願で示したように、ディーゼル燃料およびガソリンを使用する発明の一態様では、負荷の減少とともに、より多くの量の（高反応性の）ディーゼル燃料と、より少ない量の（低反応性の）ガソリンが必要となる。約4barのIMEPの負荷以下、特にアイドル状態（すなわち約1bar未満）では、エンジンは、最小限のガソリン、または全くガソリンを使用せずディーゼル燃料のみを使用する従来のディーゼルエンジンとして、効率的に作動する。これは、従来の低負荷ディーゼル特性を提供し、すなわち低い熱効率および好ましくない高放出を提供する。多くのディーゼルエンジン用途、特に車両用途では、アイドリング、および他の低負荷動作が要求されるため、通常の（および好ましくない）ディーゼル放出をともなう従来のディーゼルエンジンのような作動ではなく、低負荷動作が可能な、前述のBの燃料反応性成層を用いて前述のBのような利点が得られるような、前述のRCCI法に対する適合性を見出すことが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明では、内燃エンジンの圧縮点火燃焼方法であって、
前記内燃エンジンは、
ａ  燃焼チャンバと、
ｂ  インテークマニホルドと、
ｃ  前記インテークマニホルドより下流で、前記燃焼チャンバより上流のインテークポートであって、インテークバルブを有するインテークポートと、
ｄ  第1の反応性を有する燃料を含む第1のタンクと、
ｅ  前記燃料を前記燃焼チャンバに供給するように配置されたインジェクタと、
ｆ  第2の反応性を有する材料を含む第2タンクと、
を有し、
当該方法は、前記エンジンがアイドリングの際、エンジン燃焼サイクル中に、前記第1のタンクからの前記燃料と、前記第2のタンクからの材料の両方を、前記燃焼チャンバに供給するステップを有することを特徴とする方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】ディーゼル（圧縮点火）エンジンの燃焼チャンバの断面を概略的に示した図である。
【図２】本発明を好適に実施するためのディーゼルエンジンを単純化して示した図である。
【図３Ａ】負荷と速度の間の関係の一例を示した図である。
【図３Ｂ】等価比と速度の間の関係の一例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図1A乃至1Dには、ディーゼル（圧縮点火）エンジンの燃焼チャンバの断面を概略的に示す。ピストンは、下死点またはその近傍の位置（図1A）から、上死点またはその近傍の位置（図1D）まで移動する。本発明の一例を示す示されたエンジン燃焼法では、第1の低反応性燃料チャージは、図1Aにおいて、チャンバ内に既に少なくとも実質的に均一に分散されている。図1Bでは、第1の後続の高反応性燃料チャージがチャンバに噴射され、図1Cでは、第2の後続の高反応性燃料チャージがチャンバに噴射される。
【００２１】
図2には、本発明を好適に実施するためのディーゼルエンジンを単純化して示す。スロットル222を用いて空気インテークが制限され、燃焼チャンバ204は、圧縮ストロークの開始時に、サブ大気圧の空気を含有する。
【００２２】
図3Aには、図2に示したようなエンジンにおける負荷と速度の間の一例のプロットを示す。本発明が動作する条件が示されている（交差ハッチ領域）。
【００２３】
図3Bには、図2のようなエンジンの等価比と速度の間の一例としてのプロットを示す。本発明が動作する条件が示されている。サブ大気圧燃焼チャンバ内容物は、約0.4未満の等価比が要求されるときに使用されることが好ましい。
【００２４】
本発明は、本願の最後に示されている請求項によって規定されるように、ディーゼルエンジンおよびディーゼル燃焼方法に関し、これらにより、低負荷での前述の燃料反応性成層の使用が可能になり、前述の反応性成層によって得られる利点の少なくとも一部が提供される。本発明の好適態様の簡単な例を以下に示す。詳細は、本願の他の場所に詳しく説明されている。
【００２５】
図2には、往復ピストン202（ピストン202は、仮想／破線で示されたドーム状面を有する）を支持する、一例としてのエンジンシリンダ200を概略的に示す。ピストン202とシリンダヘッド206の間には、燃焼チャンバ204が配置される。インテークマニホルド208は、インテークバルブ212を支持するインテークポート201で、燃焼チャンバ204と連通している。同様に、排気バルブ214は、燃焼チャンバ204と連通する排気ポート216内で、開閉可能である。排気ポート216は、排気マニホルド218と接続される。図2に示した他の素子と同様、タンク220および222Bは、実際の形状、割合、および配置Bとは異なる概念的な形態で示されており、これらは、異なる反応性を有する材料（燃料および／または燃料添加物）を収容する。例えば一つのタンクにはガソリンが収容され、別のタンクにはディーゼル燃料が収容され、または一つのタンクにはガソリンが収容され、別のタンクにはセタン改善剤が収容され、または他の構成である。シリンダヘッド206に配置された燃料インジェクタ224を介して、および／またはインテークポート210より上流の燃料インジェクタ226を介して、これらの材料は、（可能な場合、予備混合の後）燃料チャージとして、燃焼チャンバ204に供給される。タンク220、222からの材料は、燃料インジェクタ224、226の一方または両方で、いかなる適当な方法で計測されても良い。例えば、燃料インジェクタは、最初にガソリンチャージを噴射してから、ディーゼルチャージを噴射し、あるいは最初にガソリンチャージを噴射してから、セタン改質剤等を含むガソリンチャージを噴射しても良い。
【００２６】
前述のように（および前回の特許出願に記載のように）、タンク220および222からのチャージは、燃焼チャンバ204に噴射され、このタイミングおよび燃料量によって、チャンバ204内に成層化反応性分布が得られるとともに、優れた仕事出力のため設計された燃焼プロファイル、完全な燃料酸化（さらには少ないスート）、および制御された温度（さらには少ないNOx）が得られる。しかしながら、このRCCI法は、低エンジン負荷（約4bar未満のIMEP）およびアイドル状態（約1bar未何のIMEP）では適正に動作しない。この条件では、エンジンには、高反応性燃料（例えばディーゼル）のみを使用する必要があり、従来の典型的なディーゼル動作の排出出力および仕事を示す傾向にある。しかしながら、圧縮ストロークBの開始時点で、燃焼チャンバ内の圧力が周囲空気圧力未満の場合、すなわち、空気インテークがインテークストロークB中に制限される場合、前述の従来のRCCI特性および利点を、低負荷およびアイドル条件下で得ることが可能になる。
【００２７】
所望のサブ周囲圧力を得る、2つの好適方法がある。まず、インテークポート210より上流にスロットル228を提供する。スロットル228は、開状態（インテークマニホルド208からインテークポート210に最大の空気流が得られる状態）と閉状態（インテークマニホルド208からインテークポート210に最小の空気流が得られる状態）の間で調整することが可能である。スロットル228は、エンジン燃焼サイクルの少なくともインテークストロークの間、少なくとも部分的に閉止される。この時間Bの間、通常、周囲雰囲気圧力となるインテークマニホルド圧力は、スロットルを使用しないBの場合、インテークストロークの吸引のため、負となる。従って、スロットルを使用して、燃焼チャンバに入る空気を制限することにより、RCCI法が有効に使用可能になるレベルまで、燃焼チャンバ内の等価比が適合される。従来のディーゼルエンジンでは、スロットルは、通常提供されず、あるいは、これらが提供された場合、これらは、燃焼制御ではなく、排ガスの矯正に使用されることに留意する必要がある（例えばパティキュレートトラップの再生、または排ガス循環の制御のため）。
【００２８】
インテークポート210よりも上流を絞る代わりに（あるいはこれに加えて）、可変バルブ操作を使用して、燃焼チャンバ204への空気流を制限しても良い。この場合、インテークストロークの1または2以上の部分の間（例えば後に開および／または最初に閉）、インテークバルブ212は、少なくとも部分的に閉止される。その結果、インテークポート210において、スロットル効果が生じる。
【００２９】
また、圧縮ストロークの1または2以上の部分の間、インテークバルブ212が少なくとも部分的に開にされる場合、例えば圧縮ストローク開始後に、インテークバルブ212が短時間閉止された場合も、可変バルブ操作は、同様の結果を提供する。この例では、燃焼チャンバ204の内容物の一部は、圧縮の間、インテークポート210に押し出される。適当な燃料チャージタイミング、量、および内容物を使用することにより、燃焼チャンバ204の内容物は、インテークストロークの1または2以上の部分の間、インテークバルブ212が少なくとも部分的に閉止される場合と同様のものとなる。より具体的には、燃焼チャンバ204内の空気の一部を排出させることにより、圧縮の間に存在する（残りの）量は、スロットル（絞り）を使用した際に存在する空気量と等しくなり、さらに燃料チャージの適当な調整により、燃焼チャンバの内容物を所望の等価比にすることができる。同様の結果は、圧縮ストロークの一部の間、排気バルブ214を開にした場合にも得ることができるが、これは推奨できない。噴射燃料チャージの一部は、排気によって消失し、効率が低下し、放出が増加するためである。
【００３０】
また、等価比は、排気ポート216またはその下流でのスロットル（絞り）により、排気バルブ214の開／閉の適当なタイミングにより、および／または排気マニホルドにスロットルを配置することにより、所望の値に適合されても良い。排気マニホルドスロットを介して排気背圧を高めることにより、ならびに／または（排気ストロークの一部の間、インテークバルブ212を開にし、または排気バルブ214を閉止することにより）インテークバルブ212および／もしくは排気バルブ214の適切なタイミングを介して、燃焼チャンバ内で少量の排気を維持することにより、インテークスロットルを介して得られる適当なサブ周囲条件に、燃焼チャンバ内の空気量を調整することができる。
【００３１】
スロットルおよびバルブ作動法は、低負荷動作の間、単独でまたは組み合わせて使用しても良い。すなわち、エンジンのインテーク側および排気側の一方もしくは両方で連続的にまたは同時に使用される、スロットル操作、可変バルブ作動、またはこれらの両方法を介して、所望のサブ周囲チャンバ圧力が得られる。
【００３２】
まとめると、本発明の好適態様では、中間のまたは高い負荷（例えばIMEP約4bar超）では、図2のエンジンは、インテークバルブによる抑制はなく、大きく開いたスロットルで作動され、前回の特許出願に記載の（および圧縮ストロークの開始時に燃焼チャンバを用いて、周囲圧力またはそれ以上の圧力で）RCCI法が実施される。しかしながら、低負荷および負荷のない（アイドリング）条件では、燃焼チャンバへの空気流は、少なくともインテークストロークの間、制限され、RCCI法の使用が十分に可能な、サブ周囲チャンバ圧力が得られる。
【００３３】
スロットル操作を使用することができる場合、スロットルは、インテークマニホルド内、またはその前の空気流路で（バタフライバルブの態様で）旋回する、従来のスロットル板／ブレードの形態を想定しても良く、あるいはこれは、空気インテーク路に沿って設置された他の種類の可変絞りの形態を取っても良いことに留意する必要がある（例えば、ゲートバルブのような形態、または他の種類のバルブもしくは絞りの形態）。
【００３４】
前述の本発明の態様は、単なる一例であって、本発明は、多くの点で修正されても良いことが強調される。まず、低反応性および高反応性の燃料チャージは、ガソリンおよびディーゼルの使用、またはガソリンもしくは反応性改質添加剤を含むディーゼルの使用に限定されるものではなく、代わりに幅広い他の燃料（添加剤を含んでも含まなくても良い）を使用しても良い（例えばエタノールなど）。また、燃料の反応性は、添加剤（または別の燃料）の添加以外の他の手段によって変更されても良いことを理解する必要がある。例えば、燃料の反応性は、燃料の組成を変更することにより、ならびに／またはクラッキング、加熱、蒸留、および／もしくは車両の燃料ラインに沿った触媒用の車両搭載装置を用いて、燃料を低反応性成分と高反応性成分に分離することにより、変更されても良い。また、反応性は、EGR（排ガスリサイクル）または同様の手段を用いて、有効に変更されても良い。循環された排ガスにより、燃焼が抑制される。
【００３５】
別の例では、本発明は、2または3の燃料チャージの使用のみに限定されるものではなく、例えば4以上のチャージを使用しても良い。また、本発明は、2つの反応性のレベルのみに限定されるものではなく、3以上の燃料チャージの各々が、他のチャージとは異なる反応性を有しても良い。また、燃料は、液体形態である必要はなく、気体状燃料（メタン／天然ガスなど）を使用しても良い。
【００３６】
また、本発明は、前述のように、EGR（排ガスリサイクル）、排ガス後処理、ならびに他の燃焼操作および排出低減方法と互換性がある。これらの方法は、排出をよりいっそう抑制し、本発明から生じる排出は、従来のシステムよりも低減されるため、これらの方法実施に使用される装置は、寿命が延び、および／またはより低コストで修正可能である。
【００３７】
まとめると、本発明は、前述の本発明の好適態様に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の請求項によって定められる。従って、本発明は、文言上または均等的にこれらの請求項の範囲に含まれる全ての異なる態様を網羅する。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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