(57)【要約】ユニフロー掃気式２サイクル対向ピストンエンジンにおける燃料流量の制御は、トルク要求に応じて、全体的空気流パラメータおよび／またはトラップされた空気流パラメータから導出される燃料送達オプションの比較および選択に基づき、トルクまたは燃料の量を制限することを含む。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
トルク増加要求の間にユニフロー掃気式２サイクル対向ピストンエンジンの動作を制御するための方法であって、
前記エンジンの所望されるトルクレベルに対するトルク要求を受信する工程と、
エンジン速度および前記所望されるトルクレベルに基づいて、前記エンジンの空気流パラメータの最小値を決定する工程と、
前記エンジンの空気流状態に基づいて、前記空気流パラメータの現行値を決定する工程と、
前記空気流パラメータの前記最小値と、前記空気流パラメータの前記現行値とに基づいて、燃料量制限最大値を決定する工程と、
前記燃料量制限最大値、および前記トルク要求から導出される所望される燃料量のうちの小さい方に基づいて、前記エンジンへ供給される燃料の量を制限する工程と、を含む方法。
【請求項２】
前記空気流パラメータは、１つのエンジン動作サイクルの間に前記エンジンの気筒へ供給される給気の質量、および、１つのエンジン動作サイクルの間に前記気筒の最後のポートが閉鎖することにより前記気筒内にトラップされる給気の質量のうちの一方を基礎とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記空気流パラメータは、空燃比（ＡＦＲ）を含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記ＡＦＲは、煙制限ＡＦＲである、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記空気流パラメータは、空燃比（ＡＦＲ）を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記ＡＦＲは、１つのエンジン動作サイクルの間に前記エンジンの気筒へ供給される給気の質量、および、１つのエンジン動作サイクルの間に前記気筒の最後のポートが閉鎖することにより前記気筒内にトラップされる給気の質量のうちの一方を基礎とする、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記ＡＦＲは、全体的ＡＦＲおよびトラップされたＡＦＲのうちの一方である、請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記ＡＦＲは、煙制限ＡＦＲである、請求項５に記載の方法。
【請求項９】
前記空気流パラメータは、１つのエンジン動作サイクルの間に気筒へ供給される質量空気流量に基づく第１の空燃比（ＡＦＲ）と、１つのエンジン動作サイクルの間に前記気筒の最後のポートが閉鎖することにより気筒内にトラップされる給気の質量に基づく第２のＡＦＲとを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記エンジンの空気流状態に基づいて、前記空気流パラメータの現行値を決定する工程は、
前記エンジンの空気流状態に基づいて、前記第１のＡＦＲの現行値を決定することと、前記エンジンの空気流状態に基づいて、前記第２のＡＦＲの現行値を決定することを含み、
前記空気流パラメータの前記最小値と、前記空気流パラメータの前記現行値とに基づいて、燃料量制限最大値を決定する工程は、
前記第１のＡＦＲの前記最小値および前記第１のＡＦＲの前記現行値に基づいて、第１の燃料量制限最大値を決定することと、前記第２のＡＦＲの前記最小値および前記第２のＡＦＲの前記現行値に基づいて、第２の燃料量制限最大値を決定することを含み、かつ、
前記エンジンへ供給される燃料の量を制限する工程は、前記第１の燃料量制限最大値、前記第２の燃料量制限最大値および前記トルク要求から導出される所望される燃料量のうちの少ないものに基づいて、前記エンジンへ供給される燃料の量を制限することを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記第１のＡＦＲは、全体的ＡＦＲであり、前記第２のＡＦＲは、トラップされたＡＦＲである、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記第１のＡＦＲは、煙制限ＡＦＲであり、前記第２のＡＦＲは、煙制限ＡＦＲである、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
トルク増加要求の間のユニフロー掃気式２サイクル対向ピストンエンジンによる煙の排出量を制御するための方法であって、
前記エンジンの所望されるトルクレベルに対するトルク要求を受信する工程と、
エンジン速度および前記所望されるトルクレベルに基づいて、煙マップから、前記エンジンの煙制限ＡＦＲ（空燃比）の最小値を取得する工程と、
前記エンジンの空気流状態に基づいて、エンジン空気流パラメータの現行値を決定する工程と、
前記煙制限ＡＦＲの前記最小値と、前記エンジン空気流パラメータの前記現行値とに基づいて、燃料量制限最大値を決定する工程と、
前記燃料量制限最大値、および前記トルク要求から導出される所望される燃料量のうちの小さい方に基づいて、前記エンジンへ供給される燃料の量を制限する工程と、を含む方法。
【請求項１４】
前記煙制限ＡＦＲは、１つのエンジン動作サイクルの間に前記エンジンの気筒へ供給される給気の質量、および、１つのエンジン動作サイクルの間に前記気筒の最後のポートが閉鎖することにより前記気筒内にトラップされる給気の質量のうちの一方を基礎とする、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記煙制限ＡＦＲは、全体的煙制限ＡＦＲ、またはトラップされた煙制限ＡＦＲの何れかである、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記空気流パラメータは、１つのエンジン動作サイクルの間に前記エンジンの気筒へ供給される質量空気流量に基づく第１の煙制限ＡＦＲと、１つのエンジン動作サイクルの間に前記気筒の最後のポートが閉鎖することにより前記エンジンの気筒内にトラップされる給気の質量に基づく第２の煙制限ＡＦＲとを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
前記煙制限ＡＦＲの現行値を決定する工程は、
前記エンジンの空気流状態に基づいて、前記第１の煙制限ＡＦＲの現行値を決定することと、前記エンジンの空気流状態に基づいて、前記第２の煙制限ＡＦＲの現行値を決定することを含み、
前記煙制限ＡＦＲの前記最小値と、前記エンジン空気流パラメータの前記現行値とに基づいて、燃料量制限最大値を決定する工程は、
前記第１の煙制限ＡＦＲの前記最小値と、提供されるエンジン動作パラメータの現行値とに基づいて、第１の燃料量制限最大値を決定することと、前記第２の煙制限ＡＦＲの前記最小値と、トラップされたエンジン動作パラメータの現行値に基づいて、第２の燃料量制限最大値を決定することを含み、かつ、
前記エンジンへ供給される燃料の量を制限する工程は、前記第１の燃料量制限最大値、前記第２の燃料量制限最大値および前記トルク要求から導出される所望される燃料量のうちの少ないものに基づいて、前記エンジンへ供給される燃料の量を制限することを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記第１の煙制限ＡＦＲは、全体的煙制限ＡＦＲであり、前記第２の煙制限ＡＦＲは、トラップされた煙制限ＡＦＲである、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記エンジンへ供給される燃料の量を制限する工程は、前記エンジンの燃料処理システムへ制限燃料コマンドを提供することを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項２０】
前記エンジンへ供給される燃料の量を制限する工程は、前記エンジンの燃料処理システムへ制限トルクコマンドを提供することを含む、請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［優先権］
本出願は、２０１６年１月１５日に米国特許商標庁へ提出された米国暫定出願第６２／２７９，３０１号明細書、および２０１６年３月７日に米国特許商標庁へ提出された米国特許出願第１５／０６２，８６８号明細書に対する優先権を主張するものである。
【０００２】
［関連出願］
本出願は、本願と同一出願人が所有する以下の米国出願、即ち、２０１２年１０月１７日に提出され、米国特許出願公開第２０１３／０１０４８４８号として公開された米国特許出願第１３／６５４，３４０号明細書、２０１３年６月２５日に提出され、米国特許出願公開第２０１４／０３７３８１４号として公開されかつ２０１５年１２月８日に米国特許第９，２０６，７５１  Ｂ２号として発行された米国特許出願第１３／９２６，３６０号明細書、２０１３年９月２７日に提出され、米国特許出願公開第２０１４／００２６５６３号として公開された米国特許出願第１４／０３９，８５６号明細書、および２０１４年８月１２日に提出され、米国特許出願公開第２０１５／００３３７３６号として公開された米国特許出願第１４／３７８，２５２号明細書、の主題に関連する主題を含む。
【０００３】
本発明の分野は、２サイクル対向ピストンエンジンの空気処理システムおよび燃料処理システムの制御および操作である。具体的には、本分野は、ユニフロー掃気式２サイクル対向ピストンエンジンにおける、トルク増加の要求に応答する燃料量またはトルク量の制限に関する。
【背景技術】
【０００４】
２サイクルエンジンは、クランクシャフトの完全な１回転およびクランクシャフトへ連結されるピストンの２行程による１つの動作サイクルを完了する内燃機関である。ストロークは、典型的には、圧縮行程および燃焼行程として示される。２サイクル対向ピストン（「ＯＰ２Ｓ」）エンジンでは、２つのピストンが、対向方向へ往復運動するように、気筒ボア内に冠を突き合わせて配置される。気筒は、気筒側壁内で気筒の各端部近くに形成される長手方向に離隔された吸気ポートおよび排気ポートを有する。対向されるピストンは各々、これらのポートのうちの１つを制御し、燃焼行程（膨張行程とも呼ばれる）の間の下死点（ＢＤＣ）位置に向かう移動に伴ってポートを開放し、かつ圧縮行程の間の上死点（ＴＤＣ）位置に向かう移動に伴ってポートを閉鎖する。これらのポートの一方は、燃焼生成物のためのボアからの通路を提供し、もう一方は、加圧空気をボアへ入れる働きをし、これらは、各々「排気」ポートおよび「吸気」ポートと称される。
【０００５】
ＯＰ２Ｓエンジンは、典型的には、圧縮−着火の原理に従って動作する。圧縮行程の間、乱流加圧空気（「給気」）は、吸気ポートを通って気筒のボアへ入り、ＢＤＣからＴＤＣへと移動するにつれて２つのピストンの端面間で圧縮される。接近するピストン端面間へ噴射される燃料は、乱流空気と混合する。空気／燃料混合気は、ピストンのＴＤＣの近くで圧縮空気の熱によって着火され、燃焼へと続く。
【０００６】
ユニフロー掃気式ＯＰ２Ｓエンジンでは、燃焼行程の終わり近くで、吸気ポートを通って気筒へ入る給気が、排気ポートを通ってシリンダから流れ出る排気ガスを押しのける。したがって、ガスは、吸気ポートから排気ポートへと一方向（「ユニフロー」）で気筒を通って流れる。気筒内で望ましい一方向のガス流を保持するためには、エンジンの吸気ポートから排気ポートまで連続的な正圧差が存在しなければならない。多くの場合、この必要性は、エンジンの吸気ポートの上流にある、高速作動容積式ポンプを含むエンジン空気処理システムによって満たされる。この役割は、典型的には、ベルトまたはチェーンと同様に、エンジンクランクシャフトにより直接的連結によって機械的に駆動される過給機（またはブロワ）によって満たされる。空気処理システムは、排気エネルギーを動力源とする、かつ過給機に供給される吸気の密度を高めるために過給機の前方（上流）に配置される圧縮機を含むターボチャージャを含んでもよい。設計要件に依存して、ユニフロー掃気式ＯＰ２Ｓエンジンは、機械駆動式過給機および排気駆動式ターボチャージャの何れかまたは双方を含んでもよい。
【０００７】
ＯＰ２Ｓエンジンの動作は、加速、減速、変速シフト、アクセサリ（空調のような）のオンまたはオフ切換、トレーラの牽引、丘の登り、等々に起因して生じ得るトルク要求を受ける。
【０００８】
トルク要求は、燃焼により放出されるエネルギーのレベルを高めるために、エンジンへ供給される燃料の量を増加させるという要件を発生させる。これは、追加の燃料を燃焼させるために、同時に空気も追加して供給することを必要とする。電子制御式空気および燃料処理システムを装備したユニフロー掃気式ＯＰ２Ｓエンジンは、空気処理システムの応答時間が燃料処理システムのそれより遅れれば、トルク要求への応答に際して煙を発生させる、または他の炭化水素排出物を生成する、または不点火に陥ることがある。例えば、ディーゼル用途のＯＰ２Ｓエンジンの場合、トルク要求に応答して追加の空気が適時に供給されなければ、増加されたレベルのディーゼル燃料が不完全燃焼することがあり、その結果、排気流内で未燃の燃料液滴、不完全燃焼の燃料および煤を含む粒子状物質が輸送され、これにより煙を生じる可能性がある。
【０００９】
したがって、ユニフロー掃気式ＯＰ２Ｓエンジンの動作中のトルク要求に応答する空気処理の遅れに起因して不完全燃焼が生じる、という結果を制限することが望ましい。その結果、トルク要求の間、要求に応答して供給される追加燃料を燃焼させるに足る空気の供給の遅延により、エンジン動作の制限因子が規定されてもよい。
【００１０】
エンジンにおける燃料および空気の供給は、様々なエンジン動作パラメータを検出しかつエンジンを通るガス（空気および排気）の流れおよびエンジンへの燃料噴射を調整するエンジン制御機械化によって管理される。エンジン制御機械化は、空気処理システムが空気流を要求されたトルクレベルでの完全燃焼をサポートするに足るレベルまで増加させる間に、トルク要求に応答して供給される燃料追加量を制限できることが、特に望ましい。
【発明の概要】
【００１１】
燃料処理システムおよび空気処理システムを装備したユニフロー掃気式ＯＰ２Ｓエンジンにおいて、トルク要求は、１つまたは複数の空気流パラメータレベルの検出、測定または推定に応答して供給される燃料量の制限を開始する。許容可能な最低レベルの空気流パラメータは、トルク要求の関数として提供され、燃料量候補は、許容可能な最低レベルの空気流パラメータおよび検出される空気流レベルに基づいて決定される。制限された燃料量は、燃料量候補間の比較および選択に基づいて決定される。
【００１２】
燃料供給および空気流量がエンジン制御機械化によって管理される一部の態様において、選択される制限された燃料量は、エンジン制御の管理モードに依存して、制限燃料コマンドおよび制限トルクコマンドのうちの一方として供給されてもよい。
【００１３】
他の態様によっては、１つまたは複数の許容可能な最低限の空気流パラメータは、エンジンを介する合計空気流に基づく全体的な空気流パラメータ、および気筒の最後のポートの閉鎖により気筒内に捕捉される給気に基づく、対応するトラップ空気流パラメータの一方を含む。
【００１４】
さらに他の態様では、１つまたは複数の許容可能な最低限の空気流パラメータは、エンジンを介する合計空気流に基づく全体的な空気流パラメータ、および気筒の最後のポートの閉鎖により気筒内に捕捉される給気に基づく、対応するトラップ空気流パラメータの双方を含む。
【００１５】
具体的には、これらの態様は、全体的空燃比およびトラップ空燃比を含んでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】従来技術によるユニフロー掃気式２サイクル対向ピストン（ＯＰ２Ｓ）エンジンの略図である。
【００１７】
【図２】ＯＰ２Ｓエンジン用燃料噴射システムの一実施形態を示す略図である。
【００１８】
【図３】ＯＰ２Ｓエンジン用空気処理システムの一実施形態を示す略図である。
【００１９】
【図４】ＯＰ２Ｓエンジンにおける燃料および空気流の供給を制御するための制御機械化の一実施形態を示す略図である。
【００２０】
【図５】トルクまたはトルク要求に応答してＯＰ２Ｓエンジンに供給される燃料の量の増加を制限するためのプロセスの一実施形態を示す略図である。
【００２１】
【図６】トルクまたはトルク要求に応答してＯＰ２Ｓエンジンに供給される燃料の量の増加を制限するためのプロセスの一実施形態を示す略図である。
【００２２】
【図７】空気流マップを表すデータテーブルである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図１は、少なくとも１つの気筒を含む、圧縮着火タイプの、ユニフロー掃気式２サイクル対向ピストン（ＯＰ２Ｓ）エンジン８の略図である。好ましくは、エンジン８は、２つ以上の気筒を有する。何れの場合も、気筒１０は、ＯＰ２Ｓエンジン８の単気筒構造および多気筒構造の双方を表す。気筒１０は、ボア１２と、気筒内でその個々の端部近くに機械加工または形成される長手方向に変位された吸気ポート１４および排気ポート１６とを含む。エンジン８の空気処理システム１５は、エンジンへの給気およびエンジンからの排気の輸送を管理する。吸気ポートおよび排気ポートは、各々、隣接する開口同士が気筒壁の中実部分（「ブリッジ」とも称する）によって分離される、開口の１つまたは複数の周方向アレイを含む。一部の説明では、各開口を「ポート」と称しているが、このような「ポート」による周方向アレイ構造は、図１のポート構造と変わらない。燃料噴射器１７は、気筒の側壁を貫通するねじ穴に固定される、気筒への側方直噴用ノズルを含む。２つのピストン２０、２２は、ボア１２内に、個々の端面２０ｅ、２２ｅが互いに対向されて配置される。便宜上、ピストン２０を、吸気ポート１４を開閉するという理由で「吸気」ピストンと称する。同様に、ピストン２２を、排気ポート１６を開閉するという理由で「排気」ピストンと称する。好ましくは、但し必然ではなく、吸気ピストン２０および他の全ての吸気ピストンは、エンジン８の片側に沿って配置されるクランクシャフト３０へ結合され、かつ排気ピストン２２および他の全ての排気ピストンは、エンジン８の反対側に沿って配置されるクランクシャフト３２へ結合される。
【００２４】
ＯＰ２Ｓエンジン８の動作は、十分に理解される。燃焼に応答して、対向する両ピストンは、それらが存在する気筒１０における最も内側の位置である個々のＴＤＣ位置から離れて移動する。ＴＤＣから移動する間、両ピストンは、それらが存在する気筒における最も外側の位置である個々のＢＤＣ位置に接近して関連するポートが開くまで、個々の関連するポートを閉鎖状態に保つ。両ピストンは、吸気ポート１４と排気ポート１６とが一致して開閉するように、同位相で動いてもよい。あるいは、一方のピストンが他方のピストンを同位相で先導してもよく、この場合、吸気ポートおよび排気ポートは、異なる開閉時間を有する。
【００２５】
給気は、吸気ポート１４を通って気筒１０に入るにつれて、吸気ポート開口の形状により、気筒の長手軸を中心とする、排気ポート１６の方向へ螺旋状に進む渦３４となって回転する。旋回渦３４は、空気／燃料の混合、燃焼、および汚染物質の抑制を促進する。旋回速度は、端面２０ｅおよび２２ｅが共に移動するにつれて増加する。
【００２６】
図２は、ＯＰ２Ｓエンジンの燃料処理システムの一実施形態を示す。好ましくは、燃料処理システムは、コモンレール直噴式燃料処理システムとして具現される。燃料処理システム１８は、各気筒１０内へ燃料を気筒への噴射によって送達する。好ましくは、各気筒１０には、ピストン端面のＴＤＣ位置間の気筒空間内へ直接噴射するために取り付けられる複数の燃料噴射器が装備される。例えば、各気筒１０は、２つの燃料噴射器１７を有する。好ましくは、燃料は、燃料噴射器１７へ、燃料ポンプ４３により燃料が圧送される少なくとも１つのレール／アキュムレータ機構４１を含む燃料源４０から供給される。燃料帰還マニホルド４４は、燃料が圧送されるリザーバへ戻すために、燃料噴射器１７および燃料源４０から燃料を収集する。燃料源４０のエレメントは、エンジン制御ユニットにより発行される燃料コマンドに応答する個々のコンピュータ制御アクチュエータによって操作される。図２は、各気筒が１８０°未満の角度で配置された燃料噴射器１７を示しているが、これは、単に略示であって、噴射器の位置または噴射器が噴射する噴霧の方向を限定するためのものではない。図１から最もよく分かる、ある好ましい構成では、噴射器１７は、燃料噴霧を噴射するために、噴射軸に沿って気筒１０の正反対方向に配置される。好ましくは、各燃料噴射器１７は、エンジン制御ユニットにより発行される噴射器コマンドに応答する個々のコンピュータ制御アクチュエータによって操作される。
【００２７】
図３は、ユニフロー掃気式ＯＰ２Ｓエンジンへ供給される給気、および前記エンジンにより生成される排気ガスの輸送を管理する空気処理システムの一実施形態を示す。空気処理システムのある代表的な構成は、給気サブシステムと、排気サブシステムとを含む。空気処理システム１５において、給気源は、新鮮空気を受け入れ、これを処理して給気にする。給気サブシステムは、給気を受け入れ、これをエンジン８の吸気ポートへ輸送する。排気サブシステムは、エンジンの排気ポートからの排気生成物を、他の排気コンポーネントへ送達するために輸送する。
【００２８】
空気処理システム１５は、１つまたは複数のターボチャージャを備えるターボチャージャシステムを含む。例えば、ターボチャージャ５０は、共通のシャフト５３上で回転するタービン５１と、圧縮機５２とを含む。タービン５１は、排気サブシステムへ結合され、かつ圧縮機５２は、給気サブシステムへ結合される。ターボチャージャ５０は、排気ポートを出て、エンジン排気ポート１６から直に排気チャネル５５へ流入する排気ガス、または排気ポートを介して出力される排気ガスを収集する排気マニホルドアッセンブリ５７から排気チャネル５５へ流入する排気ガスからエネルギーを抽出する。好ましくは、多気筒ＯＰ２Ｓエンジンにおいて、排気マニホルド５７は、気筒ブロック内に支持される、全ての気筒１０の排気ポート１６と連通する排気プレナムまたは排気チェストを備える。タービン５１は、タービン５１を介して排気出口５８に至る排気ガスによって回転される。これにより圧縮機５２が回転し、圧縮機５２が新鮮空気を圧縮することによって給気が発生される。
【００２９】
気筒１０の排気ポートからの排気ガスは、排気マニホルドアッセンブリ５７からタービン５１の入口へ流入し、かつタービン出口から排気出口チャネル５５へ流入する。一部の例では、排気出口チャネル５５内に１つまたは複数の後処理デバイス７９が設けられる。空気処理システム１５は、燃焼により生成されるＮＯｘ排出量を、エンジンのポート付き気筒を介して排気ガスを再循環させることによって低減するように構成され得るが、排気ガス再循環ループの詳細は、本開示による燃料制限を理解することに関しては不必要である。
【００３０】
給気サブシステムは、吸気を、空気フィルタ８０を介して圧縮機５２へ供給してもよい。圧縮機５２は、回転するにつれて吸気を圧縮し、圧縮された吸気は、過給機６０の入口７１へ流入する。過給機６０により圧送される空気は、過給機の出口７２を介して吸気マニホルド６２へ流入する。加圧された給気は、吸気マニホルド６２から気筒１０の吸気ポート１４へ送達される。好ましくは、多気筒ＯＰ２Ｓエンジンにおいて、吸気マニホルド６２は、全ての気筒１０の吸気ポート１４と連通する吸気プレナムまたは吸気チェストを備える。
【００３１】
給気サブシステムは、さらに、給気を受け入れかつこれをエンジン８の吸気ポートへ送達する前に冷却するために結合される少なくとも１つの冷却器を含んでもよい。これらの例において、圧縮機５２により出力される給気は、冷却器６７を介して流れ、ここから、過給機６０により吸気ポートへ圧送される。過給機６０の出力と吸気マニホルド６２との間には、第２の冷却器６９が設けられてもよい。
【００３２】
図３をさらに参照すると、空気処理システム１５は、給気サブシステムおよび排気サブシステムにおける別個の制御点でガス流を制御するために装備される。給気サブシステムにおいて、給気の流れおよびブースト圧力は、過給機の出力７２を過給機の入力７１へ結合するシャント経路８０の動作によって制御される。シャント経路８０は、吸気マニホルド６２への給気の流量、延ては吸気マニホルド６２内の圧力を管理するシャントバルブ８２を含む。より正確には、シャントバルブ８２は、過給機の出口７２（高圧）からの給気の流れをその入口７１（より低圧）へと反らす。排気チャネル５５内の背圧バルブ９０は、排気サブシステムからの排気の流れ、延ては排気サブシステム内の背圧を管理する。図３に示すように、背圧バルブ９０は、排気チャネル５５において、タービン５１の出力５８と後処理デバイス７９との間に位置合わせされる。排気逃しバルブ９２は、排気ガスをタービンの周りへ迂回させ、これにより、タービンの速度を制御できるようにする。タービン速度を調整することにより、圧縮機の速度調整が可能となり、これにより、給気のブースト圧力を制御できるようになる。これらのバルブ９０および９２は、エンジン制御ユニットにより発行される回転コマンドに応答する個々のコンピュータ制御アクチュエータによって開閉される。
【００３３】
一部の例では、ガスの流れおよび圧力の追加制御が、可変速過給機によって提供される。これらの態様において、過給機６０は、駆動機構９５（駆動装置）によってエンジン８のクランクシャフト３０または３２へ機械的に結合され、これにより駆動される。駆動機構９５は、段階的変速デバイスまたは無段変速デバイス（ＣＶＤ）を備えてもよく、こうした場合、給気の流れ、またはブースト圧力は、駆動機構９５へ提供される速度制御信号に応答して過給機６０の速度を変えることにより変更されてもよい。他の例では、過給機は、駆動装置の係合を解除する機構を備えた単一速度デバイスであってもよく、よって、２つの異なる駆動状態をもたらす。駆動機構９５は、駆動コマンドに応答するコンピュータ制御アクチュエータによって動作される。
【００３４】
態様によっては、タービン５１は、エンジンの変化する速度および負荷に応答して変わり得る有効アスペクト比を有する可変ジオメトリタービン（ＶＧＴ）デバイスであってもよい。アスペクト比の変化は、タービン速度の制御を可能にする。タービン速度を調整することにより、圧縮機の速度調整が可能となり、これにより、給気のブースト圧力を制御できるようになる。したがって、多くの場合、ＶＧＴを備えるターボチャージャに排気逃しバルブは不要である。ＶＧＴデバイスは、エンジン制御ユニットにより発行されるタービンコマンドに応答するコンピュータ制御アクチュエータによって動作される。
【００３５】
一部の例において、空気処理システムは、望ましくない排出物を制御するためのＥＧＲループを含んでもよい。ＥＧＲループは、図３に示すように、高圧構造を備えてもよい。あるいは、これは、低圧構造または中圧構造を備えてもよい。
【００３６】
本開示において、エンジン制御機械化は、燃料処理システム、空気処理システム、冷却システム、潤滑システムおよび他のエンジンシステムを含む様々なエンジンシステムの動作を管理するコンピュータベース・システムである。エンジン制御機構は、関連するセンサ、アクチュエータ、およびエンジン全体の他の機械デバイスへ結合される１つまたは複数の電子制御ユニットを含む。図４に示すように、図２の燃料処理システムおよび図３の空気処理システム（およびおそらくは、ユニフロー掃気式ＯＰ２Ｓエンジンの他のシステム）の制御は、様々なエンジン動作条件下で燃料処理アルゴリズムおよび空気処理アルゴリズムを実行するようにプログラムされるＥＣＵ（エンジン制御ユニット）９４を含む制御機械化９３によって実装される。コモンレール直噴システムの場合、ＥＣＵ９４は、気筒への燃料噴射を、燃料源４０による噴射器１７への燃料供給を求めるＦｕｅｌコマンドを発行することと、噴射器１７を動作させるためのＩｎｊｅｃｔｏｒコマンドを発行することによって制御する。空気処理システムに対して、ＥＣＵ９４は、エンジンを介するガス（給気および排気）の輸送を、各々排気背圧バルブ９０、排気逃しバルブ９２および過給機シャントバルブ８２を開閉させるためのＢａｃｋｐｒｅｓｓｕｒｅコマンド、ＷａｓｔｅｇａｔｅコマンドおよびＳｈｕｎｔコマンドを発行すること、および過給機駆動機構９５を作動させるためのＤｒｉｖｅコマンド、および（ＶＧＴとして構成されていれば）タービン５１のアスペクト比を開／閉するためのＶＧＴコマンドをも発行することによって制御する。
【００３７】
ＯＰ２Ｓエンジン８が作動すると、ＥＣＵ９４は、エンジン負荷およびエンジン速度に基づいて現行のエンジン動作状態を判定し、かつ現行の動作状態に基づいて、コモンレール燃料圧力および噴射持続時間を制御することにより、各気筒１０内へ噴射される燃料の量、パターンおよびタイミングを管理する。このために、ＥＣＵ９４は、アクセル開度を検出するアクセルセンサ９６（または調速機、または定速走行制御システム、または等価手段）、エンジンの回転数（ＲＰＭ）を検出するエンジン速度センサ９７、およびエンジンへ供給される燃料の量を検出する燃料供給センサ９８から所望負荷信号を受信する。同時に、ＥＣＵ９４は、空気処理システム１５を、現行の動作状態に最適なＡＦＲを提供するように設定する。この目的のために、ＥＣＵは、圧縮機５２の入口へ入る質量空気流量を検出する質量空気流量センサ１００、吸気マニホルド６８内の給気圧力を検出する吸気マニホルド圧力センサ１０１、排気マニホルド５７内の排気圧力を検出する排気マニホルド圧力センサ１０２、過給機６０の取入口における給気圧力を検出する過給機吸気圧力センサ１０３、過給機６０の出口における給気圧力を検出する過給機出口圧力センサ１０４およびおそらくは他のセンサから信号を受信する。
【００３８】
燃料制限：トルク要求が受け入れられつつある際に生じる過渡的なエンジン動作の間、エンジン応答の制限因子は、空気処理システムが、排気を制御しながらエンジンを介する空気流を如何に迅速に遷移できるかによって規定される。トルク要求に対して所望される動作設定点を満たすことにおいて、空気処理システムは、概して、燃料処理システムより遅れ、よって、応答が遅れる空気処理システムがより速い燃料処理システムに追いつく間、噴射される燃料の量を制限することが望ましくなる。さらに、燃料量の制限を、空気処理システムの応答を示す空気流パラメータに関連づけて、空気および燃料の所望される設定点への滑らかな遷移を保証することが有用となる。このような空気流パラメータには、質量空気流量、ラムダ、ＥＧＲ流量、吸気マニホルド圧力、他が含まれる。空気処理システムの応答を示す空気流パラメータの有用な一例は、空燃比である。
【００３９】
空燃比（ＡＦＲ）は、気筒における燃焼イベントにより消費される空気と燃料との混合気における、空気質量と燃料質量との比である。ＡＦＲが正規組成であるとき、燃料および空気は、燃焼によって完全に消費され、すなわち、燃料の全てが燃焼されて空気が残らない。燃料を完全燃焼させるには空気が不十分である場合（または、燃料が多すぎて、利用可能な空気質量では燃焼しきれない場合）、混合気は、濃厚であって、ＡＦＲは、正規組成を下回る。ユニフロー掃気式ＯＰ２Ｓエンジンがディーゼルモードで運転される例示的な事例では、濃厚混合気によって、排気中に粒子状物質（煙または煤を含む）が放出されることになり得る。空気が多すぎる（または燃料が少なすぎる）と、正規組成比よりＡＦＲが高くなり、混合気は、希薄であって、燃焼熱の存在下で過剰空気が窒素と結合し、排気中にＮＯｘ成分が生成される。
【００４０】
トルク要求を満たすことにおいて、空気処理システムが燃料処理システムより遅れる場合、その１つの結果として、ＡＦＲは、燃料処理システムおよび空気処理システムが要求に（要求を受け入れるべく）応答する僅かな時間期間に渡って低下する。ＡＦＲの低下は、排出物（煙、炭化水素）に、またはエンジン運転（不点火）に望ましくない効果を与えることがある。例えば、ディーゼル運転において、ＡＦＲの低下は、煤排出の著しいスパイクを引き起こす可能性がある。したがって、所望されるＡＦＲ値を達成しかつ保全するために、ユニフロー掃気式ＯＰ２Ｓエンジン用の燃料量制限能力を実装することが望ましい。
【００４１】
ユニフロー掃気式ＯＰ２Ｓエンジンでは、１つのエンジン運転サイクル中に気筒へ供給される空気（「送達空気」）質量の一部が掃気中に排気ポートから流出し、よって燃焼に利用できない。したがって、燃焼を制御するための望ましいＡＦＲ測度は、気筒の最後のポートが閉鎖されると気筒内に保持される（「トラップされる」）給気の質量を用いる。エンジン設計に依存して、排気ポートまたは吸気ポートの何れかが最後に閉鎖され得るが、多くの場合、最後に閉鎖されるのは吸気ポートである。さらには、給気がトラップされることに加えて、ある程度の質量の残留排気ガスが、排気ポートの閉鎖により、かつ／または給気と共に気筒内へ再循環されることにより気筒内にトラップされることもあると言える。この場合、トラップされるガス（給気および排気ガス）の合計質量を「トラップ給気」と称する。
【００４２】
ＯＰ２Ｓエンジンのユニフロー掃気プロセスは、掃気比および掃気効率という２つの属性によって規定される。掃気比および掃気効率に依存して、トラップ給気および送達空気の量は、著しく異なる可能性がある。これらの属性は共に、ＯＰ２Ｓエンジンの気筒内のトラップ状態に影響する。したがって、例によっては、全体的ＡＦＲおよびトラップされたＡＦＲの何れかまたは双方を利用して、ＯＰ２Ｓエンジンにおける燃料量制限を初期化することが望ましい。
【００４３】
全体的ＡＦＲは、１つのエンジン運転サイクル中に気筒へ送達される給気の合計質量に関連して決定される。送達される給気質量は、圧縮機への入口における質量空気流量（ＭＡＦ）センサ１００（図３および４）、またはおそらくは、排気出口チャネル５５におけるＮＯｘ／Ｏ２センサを用いて測定されてもよい。あるいは、送達される給気質量は、デジタルモデルから取得されてもよい。一方で、トラップされたＡＦＲは、１つのエンジン運転サイクル中に、気筒の最後のポートが閉鎖することにより気筒内にトラップ（保持）される給気の合計質量に関連して決定される。トラップされる給気（捕捉される給気の質量とトラップされるあらゆる排気の質量との合計）は、仮想センサによって測定されることも、気筒内のトラップ状態に基づいてリアルタイムで推定されることも可能である。例えば、同一出願人所有の米国特許第９，２０６，７５１号明細書、米国特許第２０１４／０３７３８１５号明細書および米国特許第２０１４／０３７３８１６号明細書に開示されているトラップされたラムダおよびトラップされた燃焼割合の決定手順を参照されたい。
【００４４】
図５を参照すると、ＥＣＵ９４は、トルク要求に応答して燃料処理システムおよび空気処理システムが遷移する間の燃料量を制限するために、１つまたは複数の空気流パラメータを参照する燃料リミッタアルゴリズム１１０を実行してもよい。本明細書において、トルク要求は、現行のアクセル開度等の所望されるエンジン負荷の何らかの表示によって具現される。さらに、燃料制御の好ましい態様に依存して、現行のアクセル開度は、既知の手段により、所望される燃料量レベルまたは所望されるトルクレベルに変換されてもよい。
【００４５】
燃料リミッタアルゴリズム１１０を含む、ユニフロー掃気式ＯＰ２Ｓエンジンの制御アルゴリズムの実行において、ＥＣＵ９４は、ダイナモメータ内で動作するテストエンジンから得られる最適なエンジン性能を表す較正データを含む較正テーブルを利用する。較正テーブル（「マップ」とも呼ぶ）は、ＥＣＵ９４により、エンジンを性能、排気および燃料経済性に関連してモデリングするために使用される。ＥＣＵ９４は、所望されるトルクを達成するために必要な燃料の量、および所望されるＡＦＲを産生するために必要な給気の量を、コンピュータモデルおよびマップに記憶された較正データを用いる計算値に基づいて決定する。ＥＣＵ９４は、較正データ、エンジン速度、質量空気流量、および必要なエンジン負荷、およびおそらくは、他のエンジン動作パラメータを用いて、提供されるべき燃料の量を計算する。
【００４６】
燃料リミッタアルゴリズムの実行において、ＥＣＵ９４は、エンジン動作パラメータ値を空気流パラメータ値に変換するマップ、トルク負荷要求を所望される燃料量および所望されるトルク量に変換するマップ、所望される燃料量を所望されるトルク量に変換するマップ、所望されるトルク量を所望される燃料量に変換するマップ、および他の様々なマップを利用する。さらに、ＥＣＵ９４は、燃料供給を、トルク制御方法および燃料制御方法を含む様々な方法に従って制御することを可能にする。この点に関連して、燃料供給のトルク制御方法は、エンジン馬力およびトルク制限の観点から、エンジン速度を許容可能な燃料量に関連づける。燃料制御方法は、所望される加速の観点から、エンジン速度を許容可能な燃料量に関連づける。
【００４７】
図５を参照すると、ＥＣＵ９４は、燃料リミッタアルゴリズム１１０を、空気流パラメータマップ１１１を用いて実行し、空気流パラメータマップ１１１は、現行のエンジン速度を示すエンジン速度信号（ＲＰＭ）および例えばアクセル開度信号を含み得る所望されるエンジン負荷信号（所望される負荷）によってアクセスされるルックアップテーブルとして具現されてもよい。マップ１１１は、現行のエンジン速度値およびアクセル開度値の空気流パラメータの許容可能な最小値を出力する。例えば、マップ１１１は、ＲＰＭおよび所望される負荷の現行値に対するＡＦＲ最小値を出力する。１１２では、許容可能なＡＦＲ最小値に起因する燃料量制限最大値が、空気流測定値を許容可能な空気流最小値で除算することにより導出される。例えば、除算器１１２は、マップ１１１から、およびセンサ（物理または仮想）により、または推定または計算により得られる質量空気流量の値から得られる、ＡＦＲ最小値に起因する燃料量制限最大値を出力する。ＥＣＵ９４が燃料供給を燃料制御方法に従って管理するものと仮定すると、燃料量制限最大値は、１１３において、所望される負荷信号から導出される所望される燃料量と比較され、最大かつ所望される燃料量の最小値が、比較器１１３から、噴射されるべき制限された燃料量を示す制限燃料信号として出力される。ほとんどの例において、制限燃料信号は、ＥＣＵ９４により、制限燃料コマンドとして燃料源４０（図２および図４）へ出力される。
【００４８】
ＥＣＵ９４が燃料供給をトルク制御方法に従って管理するものと仮定すると、１１２で生成された燃料量制限最大値は、１１４において、現行のＲＰＭにおける許容可能な最大トルクに変換され、この許容可能な最大トルクは、１１５において、所望される負荷信号から導出される所望されるトルク量と比較される。最大かつ所望されるトルク量の最小値は、比較器１１５から、トルク制限を超えないように噴射されるべき制限された燃料量を示す制限トルク信号として出力される。ほとんどの例において、制限トルク信号は、ＥＣＵ９４により、制限トルク燃料コマンドとして燃料源４０（図２および図４）へ出力される。
【００４９】
燃料リミッタアルゴリズム１１０は、マップ１１１と、除算器１１２と、比較器１１３とを含む燃料制御方法、またはマップ１１１と、除算器１１２と、変換１１４と、比較器１１５とを含むトルク制御方法の何れかのために構築されかつプログラムされてもよい。例によっては、図５が示唆するように、ＥＣＵ９４は、燃料制御方法およびトルク制御方法の双方のために構築されかつプログラムされてもよく、その場合、燃料リミッタアルゴリズムは、さらに、ＥＣＵ９４が燃料制御方法を実装するのであれば制限燃料コマンドを出力し、または、ＥＣＵ９４がトルク制御方法を実装するのであれば制限トルク燃料コマンドを出力するようにプログラムされる制御セレクタ１１６を含む。
【００５０】
さらに、燃料リミッタアルゴリズム１１０は、全体的ＡＦＲにより制御される燃料量制限用に構築されても、トラップされたＡＦＲにより制御される燃料量制限用に構築されてもよい。最初の例では、マップ１１１は、許容可能な全体的ＡＦＲ最小値を含むことになり、これは、除算器１１２において、送達される空気質量値と結合される。第２の例では、マップ１１１は、許容可能なトラップＡＦＲ最小値を含むことになり、これは、除算器１１２において、トラップされる給気質量値と結合される。
【００５１】
図６を参照すると、ＥＣＵ９４は、トルク要求に応答して燃料処理システムおよび空気処理システムが遷移する間の燃料量を制限するために、全体的およびトラップされた空気流パラメータを参照する燃料リミッタアルゴリズム１２０を実行してもよい。本明細書において、トルク要求は、現行のアクセル開度等の所望されるエンジン負荷の何らかの表示によって具現される。さらに、燃料制御の好ましい態様に依存して、現行のアクセル開度は、既知の手段により、所望される燃料量レベルおよび／または所望されるトルクレベルに変換されてもよい。ＥＣＵ９４は、燃料リミッタアルゴリズム１２０を、トラップされた空気流パラメータマップ１２１および全体的空気流パラメータマップ１２３を用いて実行する。マップ１２１は、現行のエンジン速度値および所望される負荷値のトラップされたＡＦＲパラメータの許容可能な最小値を出力する。マップ１２３は、現行のエンジン速度値および所望される負荷値の全体的ＡＦＲパラメータの許容可能な最小値を出力する。
【００５２】
１２４では、トラップされたＡＦＲの許容可能な最小値に起因する燃料量制限最大値が、トラップされたＡＦＲの測定値をトラップされたＡＦＲの許容可能な最小値で除算することにより導出される。例えば、除算器１２４は、マップ１２１から、およびセンサ（物理または仮想）により、または推定または計算により得られるトラップされた質量空気流量の値から得られる、トラップされたＡＦＲ最小値に起因する燃料量制限最大値を出力する。１２６では、全体的ＡＦＲの許容可能な最小値に起因する燃料量制限最大値が、全体的ＡＦＲの測定値を全体的ＡＦＲの許容可能な最小値で除算することにより導出される。例えば、除算器１２６は、マップ１２３から、およびセンサ（物理または仮想）により、または推定または計算により得られる全体的質量空気流量の値から得られる、全体的ＡＦＲ最小値に起因する燃料量制限最大値を出力する。
【００５３】
ＥＣＵ９４が燃料供給を燃料制御方法に従って管理するものと仮定すると、１３０において、トラップされたＡＦＲに起因する燃料量制限最大値と、全体的ＡＦＲに起因する燃料量制限最大値と、所望される負荷信号から導出される所望される燃料量とが比較され、これらの３値のうちの最小のものが比較器１３０から、噴射されるべき制限された燃料量を示す制限燃料信号として出力される。
【００５４】
１２７では、トラップされたＡＦＲの許容可能な最小値に起因する許容可能なトルク量制限最大値が、現行のＲＰＭに基づいて、除算器１２４により出力されるトラップされたＡＦＲの許容可能な最小値に起因する燃料量制限最大値の変換によって導出される。同様に、１２８では、全体的ＡＦＲの許容可能な最小値に起因する許容可能なトルク量制限最大値が、現行のＲＰＭに基づいて、除算器１２６により出力される全体的ＡＦＲの許容可能な最小値に起因する燃料量制限最大値の変換によって導出される。
【００５５】
ＥＣＵ９４が燃料供給をトルク制御方法に従って管理するものと仮定すると、１３２において、トラップされたＡＦＲに起因するトルク量制限最大値と、全体的ＡＦＲに起因するトルク量制限最大値と、所望される負荷信号から導出される所望されるトルク量とが比較され、これらの３値のうちの最小のものが比較器１３２から、噴射されるべき制限された燃料量を示す制限トルク信号として出力される。
【００５６】
ほとんどの例において、制限燃料信号は、ＥＣＵ９４により、制限燃料コマンドとして燃料源４０（図２および図４）へ出力される。ＥＣＵ９４が燃料供給をトルク制御方法に従って管理するものと仮定すると、燃料量制限最大値は、１３４において、所望される負荷信号から導出される所望されるトルク量で変換され、最大かつ所望されるトルク量の最小値が、比較器１３２から、トルク制限を超過しないように噴射されるべき制限された燃料量を示す制限トルク信号として出力される。ほとんどの例において、制限トルク信号は、ＥＣＵ９４により、制限トルク燃料コマンドとして燃料源４０（図２および図４）へ出力される。
【００５７】
燃料リミッタアルゴリズム１２０は、マップ１２１および１２３と、除算器１２４および１２６と、比較器１３０とを含む燃料制御方法、またはマップ１２１および１２３と、除算器１２４および１２６と、変換器１２７および１２８と、比較器１３２とを含むトルク制御方法の何れかのために構築されかつプログラムされてもよい。例によっては、図６が示唆するように、ＥＣＵ９４は、燃料制御方法およびトルク制御方法の双方のために構築されかつプログラムされてもよく、その場合、燃料リミッタアルゴリズムは、さらに、ＥＣＵ９４が燃料制御方法を実装するのであれば制限燃料コマンドを出力し、または、ＥＣＵ９４がトルク制御方法を実装するのであれば制限トルク燃料コマンドを出力するようにプログラムされる制御セレクタ１４０を含む。
【００５８】
マップ１１１、１２１および１２３、およびＥＣＵ９４により使用される他のマップ（燃料マップおよびトルクマップ等）は、テーブル入力によりインデックスされる位置からデータを出力する多次元アレイである。代表的なＡＦＲマップを、図７に示す。ＡＦＲマップは、エンジン速度（ＲＰＭ）および所望される負荷を示す負荷コマンドを含む入力によってインデックスされ、このような負荷コマンドは、例えばアクセル開度を含んでもよい。図５の場合、許容可能な全体的またはトラップされたＡＦＲ最小値のマップが、エンジン速度およびエンジン負荷に基づいて較正中に生成される。図６の場合、許容可能な全体的またはトラップされたＡＦＲ最小値のルックアップテーブルが、エンジン速度およびエンジン負荷に基づいて較正中に生成される。次に、ＥＣＵ９４は、測定された、または推定された全体的空気流値およびトラップされた空気流値をマップと共に用いて、全体的またはトラップされたＡＦＲ最小値を保全するように許容されるべき最大燃料量（またはトルク量）を生成する。
【００５９】
ディーゼル駆動用途のユニフロー掃気式ＯＰ２Ｓエンジンでは、全体的またはトラップされたＡＦＲが閾値を下回ると、不完全燃焼によって煙が発生することがある。煙リミッタプロセスは、全体的またはトラップされたＡＦＲ値が所定の閾値を下回らないように、エンジンへの燃料流量を調整する。煙リミッタプロセスを積極的に較正することに関しては、煤の排出が減少するものの、運転者のトルク要求に対するトルク応答が遅くなるという得失評価がある。
【００６０】
燃料量リミッタアルゴリズム１１０および１２０のどちらかは、適宜、煙リミッタとしてプログラムされてもよい。これに関連して、煙リミッタは、濃厚な空気／燃料混合気から煙を生成する較正空燃比に基づくルーチンである。したがって、トルク要求に応答して、どちらのアルゴリズムも、濃厚状態からの煙生成を制限する既知の空燃比である煙制限ＡＦＲを超過することなく供給され得るディーゼル燃料の許容可能な最大量を決定する。この量は、Ｆｕｅｌコマンドにおいて燃料源４０へ送られる。煙リミッタとして、どちらのアルゴリズム１１０および１２０も、トルク要求に応答する間に、輸送遅延、ターボラグまたはおそらくは他の要因によってエンジン内の空気流要件が直ちに満たされない場合にＯＰ２Ｓエンジンにより生成される煙を制限する。したがって、全体的またはトラップされたＡＦＲが煙閾値を下回れば、不完全燃焼によって煙が発生する可能性がある。煙リミッタプロセスは、全体的またはトラップされたＡＦＲ値が煙閾値を下回らないように、エンジンへの燃料流量を調整する。
【００６１】
２０１６年１月１５日に米国特許商標庁に提出された優先権出願米国暫定出願第６２／２７９，３０１号明細書の内容は、参照により開示に含まれる。
【００６２】
ユニフロー掃気式２サイクル対向ピストンエンジンにおけるトルク要求応答に際した燃料量の制御を、現在の好ましい実施形態を参照して説明してきたが、添付の特許請求の範囲を逸脱することなく様々な変更を行い得ることは、理解されるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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