(57)【要約】【課題】点火前に吸気通路または燃焼室内への噴霧状水のスプレーにより内燃エンジンを冷却する水噴射器を備えた内燃エンジンを提供する。【解決手段】噴霧状水のスプレーは、吸気マニホルド内または直接気筒内に行うことができる。水は、燃料：水の体積比が約９５％：約５％と約５０％：約５０％との間の体積で噴射する。内燃エンジンの温度は、動作時、約９５℃と約２００℃の間で維持される。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一つの気筒であって、各気筒は、燃焼室と、ピストンと、吸気弁と、排気弁とを有し、前記各気筒の機械的圧縮比が１２：１より大きく４０：１未満である前記少なくとも一つの気筒と、
各吸気弁と連通する吸気通路と、
各排気弁と連通する排気通路と、
前記燃焼室または前記吸気通路の内部に燃料を噴射する少なくとも１つの燃料噴射器を有する燃料取扱システムであって、λとして表わされる空気：燃料比が１より大きく７.０未満である前記燃料取扱システムと、
前記ピストンの圧縮行程の最終部で前記燃焼室の内部の前記燃料に点火する点火システムと、
前記燃焼室の内部へ所定量の水を導入する水噴射器と、前記水噴射器と流体連通する貯水タンクとを含む水噴射システムであって、前記水噴射器は、前記貯水タンクに貯蔵された制御された量の液体の水を前記燃焼室または前記吸気通路の内部に噴射するように配置されている前記水噴射システムと、
冷却材を冷却するためのラジエータを含む外部冷却システムであって、９１℃と２００℃の間の冷却材温度を維持するように構成されている前記外部冷却システムと、
排気ガスを排気ポートからエンジン吸入口へ再循環させる排気ガス再循環（ＥＧＲ）システムと、
再循環排気ガスを、ＥＧＲ通路内に噴射される所定量の噴霧状水と直接接触させることにより冷却するＥＧＲ冷却システムと、
を備えることを特徴とする内燃エンジン。
【請求項２】
前記水の量は、前記噴射される燃料の量に対して５％と１００％の間の範囲にある請求項１に記載の内燃エンジン。
【請求項３】
前記水の量は、前記噴射される燃料の量に対して２５％と１００％の間の範囲にある請求項１に記載の内燃エンジン。
【請求項４】
前記内燃エンジンは、動作中、１３０℃のエンジン温度に維持される請求項１に記載の内燃エンジン。
【請求項５】
前記所定量の噴霧状水はスプレーとして前記ＥＧＲ通路内に噴射される請求項１に記載の内燃エンジン。
【請求項６】
少なくとも一つの気筒であって、各気筒は、燃焼室と、ピストンと、吸気弁と、排気弁とを有する前記少なくとも一つの気筒と、
各吸気弁と連通する吸気通路と、
各排気弁と連通する排気通路と、
前記燃焼室または前記吸気通路の内部に燃料を噴射する少なくとも１つの燃料噴射器を備えた燃料取扱システムと、
前記ピストンの圧縮行程の最終部で前記燃焼室の内部の前記燃料に点火する点火システムと、
前記燃焼室の内部へ所定量の水を導入する水噴射器と、前記水噴射器と流体連通する貯水タンクとを含む水噴射システムであって、前記水噴射器は、前記貯水タンクに貯蔵された制御された量の液体の水を前記燃焼室または前記吸気通路内に噴射するように配置されている前記水噴射システムと、
冷却材を冷却するためのラジエータを含む外部冷却システムであって、９１℃と２００℃の間の冷却材温度を維持するように構成されている前記外部冷却システムと、
排気ガスを排気ポートからエンジン吸入口へ再循環させる排気ガス再循環（ＥＧＲ）システムと、
再循環排気ガスを、ＥＧＲ通路内に噴射される所定量の噴霧状水と直接接触させることにより冷却するＥＧＲ冷却システムと、
を備えることを特徴とする内燃エンジン。
【請求項７】
前記水の量は、前記噴射される燃料の量に対して５％と１００％の間の範囲にある請求項６に記載の内燃エンジン。
【請求項８】
前記水の量は、前記噴射される燃料の量に対して２５％と１００％の間の範囲にある請求項６に記載の内燃エンジン。
【請求項９】
前記内燃エンジンは、動作中、１３０℃のエンジン温度に維持される請求項６に記載の内燃エンジン。
【請求項１０】
前記所定量の噴霧状水はスプレーとして前記ＥＧＲ通路内に噴射される請求項６に記載の内燃エンジン。
【請求項１１】
炭化水素燃料を用いて内燃エンジンを作動する方法であって、
前記内燃エンジンは、
それぞれ内部に燃焼室と往復ピストンとを有する少なくとも１つの気筒と、吸気弁と、前記吸気弁と連通した吸気通路と、排気弁と、前記気筒から排気ガスを排出するための前記排気弁と連通した排気通路と、前記燃焼室または前記吸気通路の内部に燃料を噴射する少なくとも１つの燃料噴射器を有する燃料取扱システムとを備え、前記排気ガスの一部は前記内燃エンジンの前記排気通路から排気ガス再循環（ＥＧＲ）通路を通って前記吸気通路に再循環され、
前記方法は、現在のエンジンサイクル毎に、
点火システムを用いて、前記気筒内の前記ピストンの圧縮行程の最終部で前記燃焼室の内部に噴射された前記燃料に点火し、
前記点火の前に、前のエンジンサイクルの前記ピストンの排気行程の間に前記気筒から排出された排気ガスを前排気通路から前記吸気通路に再循環させ、前記再循環排気ガスは前記吸気弁における空気の温度よりも高温であり、
前記点火の前に、貯水タンクと流体連通して接続された第１の水噴射器から、制御された量の噴霧水を前記ＥＧＲ通路に噴射し、前記噴射された噴霧水は前記再循環排気ガスと直接接触して前記点火の前に前記再循環排気ガスの温度を低下させ、
前記燃料取扱システムはλとして表わされる空気：燃料比を１より大きく７.０未満とし、
前記噴射された水は前記内燃エンジンの温度を９５℃と２００℃の間に維持し、
前記各気筒の機械的圧縮比が１２：１より大きく４０：１未満である
ことを特徴とする方法。
【請求項１２】
前記第１の水噴射器は制御された量の噴霧状水をスプレーとして前記ＥＧＲ通路内に噴射する請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記内燃エンジンは、前記燃焼室または前記吸気通路内に制御された量の水を導入する第２の水噴射器と、前記第２の水噴射器と流体連通する貯水タンクとを含む一次冷却システムを更に備え、前記第２の水噴射器が前記内燃エンジンの温度を９５℃と２００℃の間に維持するように、前記燃焼室または前記吸気通路内に前記貯水タンクに貯蔵された制御された量の液状水を噴射するように配置される請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記第２の水噴射器によって噴射される前記液状水は噴霧化されている請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記第２の水噴射器によって噴射される前記液状水の量は、前記噴射される燃料の量に対して５％と１００％の間の範囲にある請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記第２の水噴射器によって噴射される前記液状水の量は、前記噴射される燃料の量に対して２５％と１００％の間の範囲にある請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記内燃エンジンは、動作中、１３０℃のエンジン温度に維持される請求項１１〜１６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１８】
エンジン制御装置において、アクセルの位置、排気温度、エンジン回転数（ｒｐｍ）による前記内燃エンジンの速度、吸気弁タイミング及び位置に代表される現在のエンジン作動パラメータを決定し、
前記作動パラメータに基づいて、λとして表わされ１より大きい空気：燃料比を有する空気：燃料混合物を計算し、
前記作動パラメータ及び前記空気：燃料混合物に基づいて、所望の排気ガス再循環（ＥＧＲ）レベルを取得し、
排気ガス温度を検知し、
前記排気ガス再循環（ＥＧＲ）レベル、前記検知した排気ガス温度、及び計算したλ値に基づいて、水噴射量を決定し、
弁を制御して、前記所望の排気ガス再循環（ＥＧＲ）レベルに相当する量の排気ガスを前記排気通路から前記内燃エンジンの前記燃焼室に再循環させ、
前記第１の水噴射器を制御して、前記排気通路と前記吸気通路を接続する前記排気ガス再循環（ＥＧＲ）通路の内部の前記再循環排気ガスに前記決定された量の水を噴霧状水として噴射して、前記再循環排気ガスを所望の温度とし、
前記燃料噴射器を制御して、前記計算された空気：燃料混合物を前記燃焼室に導入し、
前記弁、前記第１の水噴射器及び前記燃料噴射器の制御は、前記燃焼室を構成する気筒内部で前記ピストンが上死点に達する前の時間に行われることを更に含む請求項１３に記載の方法。
【請求項１９】
前記内燃エンジンにおいて、前記燃料の圧縮点火を行う請求項１１〜１８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２０】
前記内燃エンジンは外部の熱交換器を用いることなく前記再循環排気ガスを冷却する請求項１１〜１９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２１】
内燃圧縮点火エンジンの気筒の機械的圧縮比を１２：１より大きく４０：１未満とする方法であって、
前記エンジンは、それぞれ内部に燃焼室と往復ピストンとを有する少なくとも１つの気筒と、吸気弁と、前記吸気弁と連通した吸気通路と、排気弁と、前記気筒から排気ガスを排出するための前記排気弁と連通した排気通路と、前記燃焼室または前記吸気通路の内部に炭化水素燃料を噴射する少なくとも１つの燃料噴射器を有する燃料取扱システムとを備え、前記排気ガスの一部は前記内燃エンジンの前記排気通路から排気ガス再循環（ＥＧＲ）通路を通って前記吸気通路に再循環され、
前記方法は、現在のエンジンサイクル毎に、
点火システムを用いて、前記気筒内の前記ピストンの圧縮行程の最終部で前記燃焼室の内部に噴射された前記燃料に点火し、
前記点火の前に、前のエンジンサイクルの前記ピストンの排気行程の間に前記気筒から排出された排気ガスを前排気通路から前記吸気通路に再循環させ、前記再循環排気ガスは前記吸気弁における空気の温度よりも高温であり、
前記点火の前に、貯水タンクと流体連通して接続された第１の水噴射器から、制御された量の噴霧水を前記ＥＧＲ通路に噴射し、前記噴射された噴霧水は前記再循環排気ガスと直接接触して前記点火の前に前記再循環排気ガスの温度を低下させ、
前記燃料取扱システムはλとして表わされる空気：燃料比を１より大きく７.０未満とし、
前記噴射された水は前記内燃エンジンの温度を９５℃と２００℃の間に維持する
ことを特徴とする方法。
【請求項２２】
前記第１の水噴射器は制御された量の噴霧状水をスプレーとして前記ＥＧＲ通路内に噴射する請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記内燃エンジンは、前記燃焼室または前記吸気通路内に制御された量の水を導入する第２の水噴射器と、前記第２の水噴射器と流体連通する貯水タンクとを含む一次冷却システムを更に備え、前記第２の水噴射器が前記内燃エンジンの温度を９５℃と２００℃の間に維持するように、前記燃焼室または前記吸気通路内に前記貯水タンクに貯蔵された制御された量の液状水を噴射するように配置される請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
現在のエンジン作動パラメータを決定し、
前記作動パラメータに基づいて、λとして表わされ１より大きい空気：燃料比を有する空気：燃料混合物を計算し、
前記作動パラメータ及び前記空気：燃料混合物に基づいて、所望の排気ガス再循環（ＥＧＲ）レベルを取得し、
排気ガス温度を検知し、
前記排気ガス再循環（ＥＧＲ）レベル、前記検知した排気ガス温度、及び前記計算した空気：燃料混合物に基づいて、水噴射量を決定し、
弁を制御して、前記所望の排気ガス再循環（ＥＧＲ）レベルに相当する量の排気ガスを前記排気通路から前記内燃エンジンの前記燃焼室に再循環させ、
前記第１の水噴射器を制御して、排気ガス再循環（ＥＧＲ）システムの内部の前記再循環排気ガスに前記決定された量の水を噴射し、
前記燃料噴射器を制御して、前記計算された空気：燃料混合物を前記燃焼室に導入し、
前記弁、前記第１の水噴射器及び前記燃料噴射器の制御は、前記燃焼室を構成する気筒内部で前記ピストンが上死点に達する前の時間に行われることを更に含む請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記再循環排気ガスが前記燃焼室に導入される前に、前記水は噴霧状で前記再循環排気ガスに直接噴射される請求項２２に記載の方法。
【請求項２６】
内燃火花点火エンジンの気筒の機械的圧縮比を１２：１より大きく２０：１未満とする方法であって、
前記エンジンは、それぞれ内部に燃焼室と往復ピストンとを有する少なくとも１つの気筒と、吸気弁と、前記吸気弁と連通した吸気通路と、排気弁と、前記気筒から排気ガスを排出するための前記排気弁と連通した排気通路と、前記燃焼室または前記吸気通路の内部に炭化水素燃料を噴射する少なくとも１つの燃料噴射器を有する燃料取扱システムとを備え、前記排気ガスの一部は前記内燃エンジンの前記排気通路から排気ガス再循環（ＥＧＲ）通路を通って前記吸気通路に再循環され、
前記方法は、現在のエンジンサイクル毎に、
点火システムを用いて、前記気筒内の前記ピストンの圧縮行程の最終部で前記燃焼室の内部に噴射された前記燃料に点火し、
前記点火の前に、前のエンジンサイクルの前記ピストンの排気行程の間に前記気筒から排出された排気ガスを前排気通路から前記吸気通路に再循環させ、前記再循環排気ガスは前記吸気弁における空気の温度よりも高温であり、
前記点火の前に、貯水タンクと流体連通して接続された第１の水噴射器から、制御された量の噴霧水を前記ＥＧＲ通路に噴射し、前記噴射された噴霧水は前記再循環排気ガスと直接接触して前記点火の前に前記再循環排気ガスの温度を低下させ、
前記燃料取扱システムはλとして表わされる空気：燃料比を１より大きく７.０未満とし、
前記噴射された水は前記内燃エンジンの温度を９５℃と２００℃の間に維持する
ことを特徴とする方法。
【請求項２７】
前記第１の水噴射器は制御された量の噴霧状水をスプレーとして前記ＥＧＲ通路内に噴射する請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記内燃エンジンは、前記燃焼室または前記吸気通路内に制御された量の水を導入する第２の水噴射器と、前記第２の水噴射器と流体連通する貯水タンクとを含む一次冷却システムを更に備え、前記第２の水噴射器が前記内燃エンジンの温度を９５℃と２００℃の間に維持するように、前記燃焼室または前記吸気通路内に前記貯水タンクに貯蔵された制御された量の液状水を噴射するように配置される請求項２６に記載の方法。
【請求項２９】
現在のエンジン作動パラメータを決定し、
前記作動パラメータに基づいて、λとして表わされ１より大きい空気：燃料比を有する空気：燃料混合物を計算し、
前記作動パラメータ及び前記空気：燃料混合物に基づいて、所望の排気ガス再循環（ＥＧＲ）レベルを取得し、
排気ガス温度を検知し、
前記排気ガス再循環（ＥＧＲ）レベル、前記検知した排気ガス温度、及び前記計算した空気：燃料混合物に基づいて、水噴射量を決定し、
弁を制御して、前記所望の排気ガス再循環（ＥＧＲ）レベルに相当する量の排気ガスを前記排気通路から前記内燃エンジンの前記燃焼室に再循環させ、
前記第１の水噴射器を制御して、排気ガス再循環（ＥＧＲ）システムの内部の前記再循環排気ガスに前記決定された量の水を噴射し、
前記燃料噴射器を制御して、前記計算された空気：燃料混合物を前記燃焼室に導入し、
前記弁、前記第１の水噴射器及び前記燃料噴射器の制御は、前記燃焼室を構成する気筒内部で前記ピストンが上死点に達する前の時間に行われることを更に含む請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記再循環排気ガスが前記燃焼室に導入される前に、前記水は噴霧状で前記再循環排気ガスに直接噴射される請求項２７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１３年１月１７日に出願された米国仮特許出願第６１／７５３，７１９号に基づく優先権を主張する。上記米国仮特許出願は、参照により本明細書に組み込まれる。加えて、２０１３年１１月２０日に出願された国際特許出願番号ＰＣＴ／ＩＢ２０１３／００２５９３に基づく優先権を主張する。上記国際特許出願は、参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、内燃エンジンに関する。より具体的には、本発明は、排気ガス再循環を用いる内燃エンジンに関する。
【背景技術】
【０００３】
本発明は、直接冷却された排気ガス再循環（ＥＧＲ）により動作する少なくとも一つのピストンを有する内燃エンジンに関する。本明細書に記載の原理は、通常、ガソリン（石油）、天然ガス、またはエタノール混合物で作動する火花点火（ＳＩ）エンジン、および通常、ディーゼル、バイオディーゼル、ＪＰ−８または他のジェット燃料変異体、灯油、または重油で作動する圧縮点火で（ＣＩ）エンジンの両方で使用することができる。本発明は、排気ガス再循環を用いる自然吸気と強制吸気の両方の内燃エンジンに適用可能である。本発明は、直接燃料噴射とポート燃料噴射エンジンに適用可能である。
【０００４】
内燃エンジンにおけるＥＧＲの使用は、十分に理解され広く市販製品に適用される。ガソリンエンジンの燃焼室に再循環される排気ガスが、気筒内の可燃性給気量を置換し、ディーゼルエンジンでは排気ガスが、燃焼前の混合物中の過剰な酸素を置換する。可燃性給気量の置換は、燃焼温度をより低下させ、主に窒素と酸素の混合物が１３７１oＣ（１６４４oＫ）以上の温度にさらされるときに形成するＮＯｘの形成を減らすのに有効である。再循環排気ガスは、吸入空気を置換し、加熱により給気密度を低下させる。これらの複合効果は、低減された電力にもかかわらず、エンジン効率が高くなるポンプ損失の低減に寄与する。ＥＧＲは、したがって、オットーサイクルエンジンの効率を向上させるばかりでなく、両方のＳＩとＣＩエンジンの窒素酸化物（「ＮＯｘ」）の排出量を削減するための有効な方法である。
【０００５】
排気ガスを燃焼室内へ元に再導入することにより、ピーク燃焼温度が低下する。この温度低下は、主に戻される排気ガスが燃焼に関与しないためであり、従って、全く燃焼エネルギーが供給されない。排気ガスは、追加の熱質量を供給し、燃焼エネルギーをより高い全体の熱質量に分配することを可能にし、ＥＧＲにより、質量と熱容量の積（ｍ＊ＣＶ）が、ＥＧＲがない場合よりも高くなる。ＥＧＲ再循環によってもたらされる温度の低下は、燃焼温度を低下させ、従って、ＮＯｘの形成を制御し減少させるのに有効である。ＥＧＲは、任意の所与の負荷でより高いマニホルド圧を可能にし、給気サイクル仕事を減少させ、燃料消費量を低下させる。
【０００６】
排気ガスを燃焼室へ元に再ルーティングするには、２つの方法がある。第一の方法は、バルブ位相整合またはバルブオーバーラップを介した内部排気ガス再循環（ｉ‐ＥＧＲ）である。バルブオーバーラップは、吸気弁が、排気行程時に排気ガスが吸気通路に入ることができるように早く開いた状態にし、あるいは、排気弁が、排気ガスが燃焼室に戻ることができるように吸気行程時に遅く開いたままにした状態にする。これは、一般に、可変バルブタイミングシステムを利用し、カムシャフトの位相整合を変化させ、エンジン作動点によって弁事象を調整してＥＧＲの利点を最適化することによって実現される。これは、図１に示す。図１は、排気行程の終わりに早くに開かれ、燃焼室１５からの排気ガス１４を気筒１２の排気行程時に吸気通路１６に入れ、気筒１２の吸気行程時に燃焼室１５に入る吸給気１３と混合する吸気弁１１を介した内部ＥＧＲによる排気ガスの流れを示す従来のエンジンの概略図である。
【０００７】
図２は、排気弁２１を介した内部ＥＧＲによる排気ガスの流れを示す従来のエンジンの概略図である。排気弁２１は、ピストン２２の排気行程の後遅くとピストン２２の吸気行程時とに開いたままになり、排気通路２６内の排気ガス２３の流れ２４を燃焼室２５へ戻す。
【０００８】
排気ガス再循環の第二の方法は、電子制御ＥＧＲ弁（ｅ‐ＥＧＲ）を含んでも含まなくてもよい燃焼室の外部の排気ガスループを介して行われる。ＥＧＲ弁は、適切な量の排気ガスを新鮮な吸気と燃料との混合物中へ元に供給するためのエンジン作動点に電子的に応じて稼働される。図３は、ＥＧＲが、外部ＥＧＲ冷却器３４を有する外部ループを介して提供されるエンジンの従来の概略図を示す。排気ガス３１は、気筒３２の排気行程時に燃焼室３３から排出される。排気ガス３１は、排気通路３７から、チューブ、パイプ、チャンネル、および他の手段によって、排気ガスを冷却する熱交換器等の実施の形態における外部伝熱装置３４へ送られる。冷却された排気ガス３５は、伝熱装置３４から吸入空気通路３８前または内の吸入空気流３６に送られる。前述のように、追加のＥＧＲガスは、混合吸給気の熱質量を増大させる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
どちらの解決策にも、欠点がある。ｅ‐ＥＧＲでは、時間遅延が、エンジン管理システムによるＥＧＲ率要求とエンジン入口への排気ガスの到達との間に導入される。この遅延は、エンジン効率を低下させる制御問題を引き起こす。ｉ‐ＥＧＲでは、制御は改善されるが、非常に高い温度のガスが再循環され、体積効率の損失及びどのくらいＥＧＲがノック発現前に達成され得るかについて制限がある。外部熱交換器を利用して排気ガスを冷却する冷却ＥＧＲについて産業・学術研究が行われていて、特に、冷却ＥＧＲを行う最も効果的かつ実現可能な方法である外部ＥＧＲループ冷却について研究が行われている。
【００１０】
ＥＧＲシステムの排出削減能力は、冷却ＥＧＲシステムによりさらに改善することができる。冷却ＥＧＲは、ＥＧＲシステムがターボチャージャー搭載ディーゼルエンジンの高圧排気・給気ループに組み込まれる圧縮点火エンジンで広く利用される。排気ガスは、気筒と、排気ガスタービンとの間の主な排気流から再循環される。排気ガスは、二次外部冷却源を利用して熱を排気ガスから熱交換器の形態における固体媒体まで伝達する中間冷却器または熱交換器を通過する。冷却された排気ガスは、次に、圧縮機と気筒の間の高圧ループ、または、圧縮機の上流の低圧ループ内のいずれかの、エンジンの吸入空気ループに導入される。
【００１１】
冷却外部ＥＧＲシステムは、バルブを使用してエンジン管理システム、排気パイプ、排気ガス冷却器及び吸気パイプにより制御される再循環排気ガスの量を調節することができる。これらのシステムは、気筒室内に排気ガスを導入する前に、高温排気ガスから熱を抽出するために、熱交換器の形態を通る外部冷却材を使用する。冷却ＥＧＲシステムは、排気ガス冷却器を、乗用車で約４５０oＣ、商用車両用途で約７００oＣまでといった極端な温度に晒す。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一実施の形態は、少なくとも一つの気筒を含む内燃エンジンである。各気筒は、燃焼室、ピストン、吸気弁、および排気弁を有している。吸気通路が、各吸気弁と連通して設けられており、排気通路が、各排気弁に連通して設けられている。少なくとも１つの燃料噴射器を有する燃料取扱システムが、燃焼室または吸気通路内に燃料を噴射するように構成されている。点火システムが、ピストンの圧縮行程の最終部で燃焼室内の燃料に点火するように構成されている。さらに、本発明は、所定の動作温度範囲内に内燃エンジンを維持する一次冷却システムを含む。一次冷却システムは、内燃エンジンを冷却するために設けられた噴射器と流体連通する貯水タンクを含む。噴射器は、燃焼室または吸気通路内に制御された量の液体の水を噴射するように配置されている。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、吸気弁を介した内部ＥＧＲによる排気ガスの流れを示す従来のエンジンの断面の概略図である。
【図２】図２は、排気弁を介した内部ＥＧＲによる排気ガスの流れを示す従来のエンジンの断面の概略図である。
【図３】図３は、ＥＧＲ冷却器を備えた外部ループを介した外部ＥＧＲによる排気ガスの流れを示す従来のエンジンの断面の概略図である。
【図４】図４は、直接燃焼室内に噴射する水噴射器を介して直接ＥＧＲ冷却する、吸気又は排気弁を介した内部ＥＧＲを示す直接燃料噴射エンジンシステムを備えた本発明の自然吸気内燃エンジンの概略図である。
【図５】図５は、直接燃焼室内に噴射する水噴射器を介して直接ＥＧＲ冷却する外部ＥＧＲループを通る排気ガスの流れを示す直接燃料噴射エンジンシステムを備えた本発明の自然吸気内燃エンジンの概略図である。
【図６】図６は、直接燃焼室内に噴射する水噴射器を介して直接ＥＧＲ冷却する外部ＥＧＲループを通る排気ガスの流れを示すポート燃料噴射エンジンシステムを備えた本発明の自然吸気内燃エンジンの概略図である。
【図７】図７は、吸気通路内への水噴射を介して直接ＥＧＲ冷却する外部ＥＧＲループを通る排気ガスの流れを示すポート燃料噴射エンジンシステムを備えた本発明の自然吸気内燃エンジンの概略図である。
【図８】図８は、直接燃焼室内に噴射する水噴射器を介して直接ＥＧＲ冷却する高圧と低圧外部ＥＧＲループを通る排気ガスの流れを示す直接燃料噴射エンジンシステムを備えた本発明のターボチャージャー搭載内燃エンジンの概略図である。
【図９】図９は、直接燃焼室内に噴射する水噴射器を介して直接ＥＧＲ冷却する高圧と低圧外部ＥＧＲループを通る排気ガスの流れを示すポート燃料噴射エンジンシステムを備えた本発明のターボチャージャー搭載内燃エンジンの概略図である。
【図１０】図１０は、本発明の一実施の形態により実行される制御工程のフローチャートである。
【図１１】図１１は、直接燃焼室内に噴射する水噴射器を介して内部冷却しながら直接燃料噴射する本発明の自然吸気内燃エンジンの概略図である。
【図１２】図１２は、内部冷却および水回収システムを備えた本発明の内燃エンジンのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明は、ＥＧＲ経路、吸気マニホルドまたは気筒内に希薄燃料混合物、高圧縮比、より高い動作温度、排気ガス再循環（ＥＧＲ）、および水噴射を使用することで、従来のエンジンよりも大幅に高い熱力学的効率で動作する４行程火花点火または圧縮点火（ディーゼル）内燃エンジンを提供する。
【００１５】
本発明において、用語「吸気通路」は、環境、すなわち、空気吸入と燃焼室との間の新鮮な空気経路の任意の部分を指す。したがって、吸気通路は、空気吸入部、空気入口、任意の新鮮空気導管、および吸気マニホルドを含む。本発明において、用語「排気通路」は、例えば、気筒出口、排気マニホルド、任意の排気ガス導管および接続部を含む排ガス経路の任意の部分を指し、マフラー及び環境に煙霧を排気する排気パイプを含むことができる。用語「ＥＧＲ通路」は、ＥＧＲガスが吸気通路に導入されるまでの、ＥＧＲシステムへ排気ガスの一部を引き込む排気通路内分路と、再循環排気ガスの経路を定めるＥＧＲシステムの任意の導管、弁、接続部、または他の部分との間の排気ガス再循環システムの任意の部分を指す。
【００１６】
本明細書で使用する用語「λ」は、空気中の酸素の燃料に対する化学量論比を指す。化学量論的な空気と燃料は、炭化水素燃料中の各モルの炭素に（空気中の）酸素１モルと燃料中の２モルの水素毎に酸素１モルが存在することを指す。この化学量論は、ガソリンに対して約１４.７：１（w/w、空気：ガソリン）の重量比に変換する。より高いλ値は、より希薄な混合物、または単位燃料あたりのより多くの空気を示す。よって、１より大きいλは、１４.７：１より大きい（ガソリンに対する）比率w/wを意味する。異なる燃料の種類は、異なる化学量論比を必要とする。例えば、空気のメタノール燃料に対する化学量論比は、約６.５：１、エタノールに対する化学量論比は約９.０：１、ディーゼルに対する化学量論比は１４.４：１、天然ガスに対する化学量論比は１６.６：１、メタンに対する化学量論比は１７.２：１である。
【００１７】
排気ガス再循環を備えた従来の内燃エンジンは、燃焼室内へ排気ガスを再導入する前に、排気ガスを冷却するために排気ガスの再循環経路内のラジエータのような熱交換器を提供する。対照的に、本明細書に開示される本発明のエンジンは、全く熱交換器を必要とせず、それによって環境への熱損失を最小限に抑える。本発明の内部温度制御とエンジン冷却は、吸気マニホルド内、または直接エンジンの気筒内に希薄燃料混合物、ＥＧＲ、および水を噴射することによって行われる。したがって、本発明のエンジンは、５０％までの熱力学的効率で動作することを示す。しかしながら、一実施の形態では、熱交換器を利用することができる。
【００１８】
従来のオットーサイクルエンジンは、火花点火エンジンに高オクタン価燃料を使用する場合、１２：１以下、圧縮点火エンジンでは２３：１以下の圧縮比に制限される。上記より大きい圧縮比は、一般に、燃焼室内の燃料の早期異常燃焼を誘発するなどしてエンジンの損傷を引き起こすことがあり、過度の熱損失に見舞われることが理解される。しかし、筒内圧を適切に制御することができる場合、高圧縮は、燃料の燃焼の機械的エネルギーへの変換効率上昇の利点を有する。 
【００１９】
従来、ＥＧＲ冷却は、ポンプ損失を最小限にし、エンジン温度を制御し、NOxの生成を最小限にすることが望ましいと認識されている。本発明の一実施の形態では、ＥＧＲガスは、外部熱交換器（ＥＧＲ冷却器）を必要とすることなく、内部で冷却される。本発明の方法は、ノック限界ペナルティがなく、給気密度の減少がなく、体積効率の損失がなく、非常にたくさんのＥＧＲ量を利用することを可能にする。本発明は、ＥＧＲ再循環の任意の方法と共に、ポート燃料噴射と直接燃料噴射エンジンの両方のみならず、ターボチャージャー搭載およびターボチャージャー非搭載エンジンの両方に使用することができるものの、これは、内部ＥＧＲループに最も効果的であり得る。
【００２０】
従来、外部ＥＧＲ冷却が一般的に採用されている。本発明のエンジンは、希薄な燃料混合物、ＥＧＲシステム、水によるＥＧＲの内部冷却によって可能となる、従来のエンジンよりも高い内部温度で実行するように設計されている。水の液体から蒸気への相転移は、再循環排気ガス中に存在する熱エネルギーを消費し、それにより、再循環排気ガスの温度を、導入前の再循環される排気ガスの温度よりも低い温度に低下させる。
【００２１】
再循環排気ガスの冷却は、このように、直接再循環排気ガスの中に噴霧状水を噴霧することによりＥＧＲ通路と吸気通路に沿って１つ以上の位置で起こる。したがって、排気ガスが吸気通路に導入された後に冷却される場合には、例えば、再循環排気ガスは、吸気通路内冷却直前の時点で、排気マニホルドにおけるのと実質的に同じ温度を有する。
【００２２】
一実施の形態では、本発明のＥＧＲは、水タンク、パイプまたはチューブおよび剛性分配レールからなる水取扱システム、および１つまたは複数の水噴射器（複数可）、および参照テーブルを使用してエンジン負荷、速度及び現在のＥＧＲ条件に応じて種々の量の水を噴射するコンピュータ制御システムを含む。
【００２３】
水は、空気吸入ポートでエンジン内に噴射する（ポート噴射）か、または直接燃焼室内に噴射する（直接噴射）ことができる。直接噴射は、ポート噴射と比較した場合、水噴霧タイミングと位置をより正確かつ精密に制御できるので好ましい。
【００２４】
このシステムは、ＥＧＲを採用し、ガソリン、ディーゼル、エタノール、メタノール、水素、天然ガス、またはそれらの混合物を燃料とする任意の２または４行程内燃エンジンと、火花または圧縮点火エンジンで使用することができる。本明細書で論じる例示的な実施の形態は、火花または圧縮点火のいずれかを使用する４行程エンジンを有する。しかしながら、本明細書に提供される開示に基づいて、当業者は、本発明を、往復式内燃エンジンの２行程エンジン並びに他の形態に適用するのに必要な変更及び修正を容易に理解するになる。
【００２５】
一実施の形態では、内燃エンジンは、内部冷却排気ガス再循環により、炭化水素燃料のような燃料で作動し、その中の少なくとも一つの気筒と往復ピストン、気筒内の燃焼室、少なくとも一つの空気吸入弁を備えた空気吸入マニホルド、少なくとも１つの排気弁を備える排気マニホルド、燃料噴射器を有する燃料取扱システム、および点火システムを有する。このエンジンは、１２：１よりも大きく４０：１未満の機械的圧縮比を有し、１より大きく７.０未満の空気：燃料比λで動作する。このエンジンは、内部または外部で排気ガスを再循環するための手段を有する。前記エンジンは、再循環排気ガスを冷やす混合媒体熱交換器を使用することなく、再循環排気ガスを、排気ガス中に噴射される所定量の噴霧状水と直接接触させることにより内部冷却する。より詳細には、内燃エンジンは、少なくとも一つの気筒であって、各気筒は、燃焼室と、ピストンと、吸気弁と、排気弁とを有し、前記各気筒の機械的圧縮比が１２：１より大きく４０：１未満である前記少なくとも一つの気筒と、各吸気弁と連通する吸気通路と、各排気弁と連通する排気通路と、前記燃焼室または前記吸気通路の内部に燃料を噴射する少なくとも１つの燃料噴射器を有する燃料取扱システムであって、λとして表わされる空気：燃料比が１より大きく７.０未満である前記燃料取扱システムと、前記ピストンの圧縮行程の最終部で前記燃焼室の内部の前記燃料に点火する点火システムと、前記燃焼室の内部へ所定量の水を導入する水噴射器と、前記水噴射器と流体連通する貯水タンクとを含む水噴射システムであって、前記水噴射器は、前記貯水タンクに貯蔵された制御された量の液体の水を前記燃焼室または前記吸気通路の内部に噴射するように配置されている前記水噴射システムと、冷却材を冷却するためのラジエータを含む外部冷却システムであって、９１℃と２００℃の間の冷却材温度を維持するように構成されている前記外部冷却システムと、排気ガスを排気ポートからエンジン吸入口へ再循環させる排気ガス再循環（ＥＧＲ）システムと、再循環排気ガスを、ＥＧＲ通路内に噴射される所定量の噴霧状水と直接接触させることにより冷却するＥＧＲ冷却システムと、を備える。
【００２６】
希薄燃料の混合物は、エンジンが安定した速度で動作しているときに部分的に閉じたスロットルでエンジンを作動しなければならないことから生じるスロットル損失を低減するために望ましい。しかし、より希薄な燃料混合物は、１より大きいλでＮＯｘの放出を増大し得る、１より大きいλの特定の範囲内でより高温で燃えることができる。希薄混合物で内燃エンジンを作動することは、迅速に、２５００°Ｆを超える燃焼室温度になり得る。ＮＯｘの生成を増加させることに加えて、燃焼室内の過度に高い温度は、燃料の早期異常燃焼（ノッキング）とエンジンの様々な部品の反りにつながる可能性がある。
【００２７】
一実施の形態では、内燃エンジンの作動方法が提供される。このエンジンは、内部冷却排気ガス再循環と共に炭化水素燃料を使用しており、その中の少なくとも一つの気筒と往復ピストン、気筒内の燃焼室、少なくとも一つの空気吸入弁を備えた空気吸入マニホルド、少なくとも１つの排気弁を備える排気マニホルド、燃料噴射器を有する燃料取扱システム、および点火システムを有する。このエンジンは、１２：１よりも大きく４０：１未満の機械的圧縮比を有し、１より大きく７.０未満の空気：燃料比λで動作する。また、このエンジンは、内部または外部で排気ガスを再循環するための手段を有し、再循環排気ガスを冷やす混合媒体熱交換器を使用することなく、再循環排気ガスを、排気ガス中に噴射される所定量の噴霧状水と直接接触させることにより内部冷却する。別の実施の形態では、内燃エンジンのＥＧＲガスを冷却する方法が提供される。より詳細には、内燃エンジンは、少なくとも一つの気筒であって、各気筒は、燃焼室と、ピストンと、吸気弁と、排気弁とを有する前記少なくとも一つの気筒と、各吸気弁と連通する吸気通路と、各排気弁と連通する排気通路と、前記燃焼室または前記吸気通路の内部に燃料を噴射する少なくとも１つの燃料噴射器を備えた燃料取扱システムと、前記ピストンの圧縮行程の最終部で前記燃焼室の内部の前記燃料に点火する点火システムと、前記燃焼室の内部へ所定量の水を導入する水噴射器と、前記水噴射器と流体連通する貯水タンクとを含む水噴射システムであって、前記水噴射器は、前記貯水タンクに貯蔵された制御された量の液体の水を前記燃焼室または前記吸気通路内に噴射するように配置されている前記水噴射システムと、冷却材を冷却するためのラジエータを含む外部冷却システムであって、９１℃と２００℃の間の冷却材温度を維持するように構成されている前記外部冷却システムと、排気ガスを排気ポートからエンジン吸入口へ再循環させる排気ガス再循環（ＥＧＲ）システムと、再循環排気ガスを、ＥＧＲ通路内に噴射される所定量の噴霧状水と直接接触させることにより冷却するＥＧＲ冷却システムと、を備える。
【００２８】
本発明のエンジンに最適なλは、点火タイプによって異なる。ガソリン、（例えばエタノールとの）ガソリンブレンド、または天然ガス（主としてメタン）で動く火花点火エンジンに対して、λは、１より大きく最大約３.０までの範囲にある。代替実施の形態では、この発明による火花点火エンジンのλは、約１.２から約２.８、または約１.２から約２.３、または約１.５〜約２.０の範囲、または約１.５、または約１.７５、または約２.０になる。圧縮点火エンジン（ディーゼル）に対して、λは、１より大きく最大約７.０までの範囲にあろう。代替実施の形態では、本発明のエンジンにおいてλは、約１.４から約６.０、または約１.５〜約５.０、または約２.０〜４.０までの範囲、又は約１.５、又は約２.０、又は約２.５、又は約３.０、または約３.５、または約４.０になる。
【００２９】
本発明のエンジンに最適な圧縮比は、点火タイプによって異なる。ガソリン、ガソリンブレンド、または天然ガスで動く火花点火エンジンの場合、従来のエンジンは、典型的な圧縮比１０：１、高いオクタン価燃料を使用する約１２：１の最大圧縮比を有する。これらの圧縮比限界は、そうでなければ、より高い圧縮比で発生するエンジンノッキングを制御するために必要とされる。従来のエンジンよりも高い圧縮比を使用することにより、本発明のエンジンは、熱力学的効率が圧縮比の関数であるオットーサイクルによる優れた熱力学的効率の利点を有する。
【００３０】
火花点火モードにおける本発明のエンジンの圧縮比は、１２：１よりも大きく約２０：１までの範囲にある。代替実施の形態では、圧縮比は、１３：１〜約１８：１、または約１４：１〜１６：１、または約１４：１、または約１５：１、または約１６：１、または約１８：１である。圧縮着火エンジンでは、圧縮比は、約１４：１〜約４０：１になる。別の実施の形態では、圧縮比は、約１４：１〜約３０：１、または約１５：１〜約２５：１、または約１６：１から約２０：１の範囲、または約１６：１、または約１７：１、または約１８：１、または約１９：１、または約２０：１、または約２１：１、または約２２：１である。
【００３１】
上記のように火花点火を用いた内燃エンジンは、一般的に、早期の異常燃焼を避けるために、１２：１以上の圧縮比に限定されている。よって、本発明のように、１２：１以上の圧縮比の使い方は、内燃エンジンの一般的な知識を考えると自明ではない。本発明は、内部冷却ＥＧＲを使用することによって、１２：１よりも高い圧縮比に関連する危険を回避する。
【００３２】
ＥＧＲは、内燃エンジンにいくつかの利点を提供することがよく知られており、一般的に使用されている。しかし、ＥＧＲの欠点は、早期点火（ノック）が増加する傾向があり、燃焼温度に依存してＮＯｘ排出量を増加させ得る過剰な熱を燃焼室内へ加えることである。したがって、噴霧状水を、本発明のエンジンのＥＧＲ通路または吸気通路内に直接噴霧して、再導入された排気ガスを制御された温度に冷却する。
【００３３】
水冷ＥＧＲは燃焼室内の温度を低下させるので、著しく希薄な燃料混合物は、ＮＯｘ排出量の生成増加またはノック無しに使用することができる。より希薄な燃料は、本発明で高圧縮比を可能にする第二の特徴である。
【００３４】
噴射される水の量は、燃料流量及び使用するＥＧＲ量の関数である。現代のエンジンにおける燃料流量は、通常、燃料噴射器に供給される燃料の量を決定するエンジン制御コンピュータにデータを提供する空気流量センサまたは吸気圧力センサより決定される。エンジンへ元に分流されるＥＧＲガスの量も、エンジン制御コンピュータによって制御される。外部ＥＧＲの場合には、ＥＧＲ量がＥＧＲ弁によって制御される。内部ＥＧＲの実施の形態では、バルブタイミングは、可変バルブタイミング、例えば、カム位相整合により独立して制御可能である。他の乗数は、通常、燃料流量とＥＧＲを制御するエンジン制御コンピュータによって使用され、エンジン負荷、吸入空気温度、排気酸素センサ、及びエンジン回転数（ｒｐｍ）を含む。本発明のエンジンでは、水の流量は、同じパラメータを使用してコンピュータによって決定される。
【００３５】
噴射される水の量は、点火前に気筒内に噴射されるＥＧＲガスの質量百分率として表すことができる。一実施の形態では、噴射される水の量は、再循環排気ガス（ＥＧＲ）の約１０重量％〜約１２５重量％（w/w）である。一実施の形態では、噴射される水の量は、ＥＧＲの約１０重量％〜約１００重量％（w/w）、またはＥＧＲの約２５重量％〜約１００重量％（w/w）、またはＥＧＲの約２０重量％〜約１００重量％（w/w）、またはＥＧＲの約７５重量％〜約１２５重量％（w/w）、または約２５重量％（w/w）、または約５０重量％（w/w）、または約７５重量％（w/w）、または約１００重量％（w/w）である。
【００３６】
本発明のエンジンに噴射される水の量は、水が炭化水素燃料の燃焼生成物であるのでＥＧＲガスがかなりの水蒸気量を含むため、着火時に筒内の水または水蒸気の量を減らすことなく、従来の水噴射器に比べて減らすことができる。ＥＧＲガスは、（従来のＥＧＲシステムとは対照的に）本発明のエンジン内で処理又は冷却されないため、ＥＧＲガス中の水蒸気の全投入量がエンジンへ元に循環される。一態様では、本発明のＥＧＲシステムのこの特徴は、任意の既定時点で（車両エンジンの場合）車両に搭載されなければならないエンジン内への噴射のために必要な液体の水の量を減少させる。
【００３７】
水は、エンジン吸気マニホルドや気筒内に液体を噴射するように作られた噴射器で噴射することができる。一実施の形態では、水噴射器は、点火前に気筒内に引き込まれる、あるいは噴射される前にＥＧＲガスの存在下で吸気マニホルド内へ噴霧スプレー水を噴射することができる。一実施の形態では、水噴射器は、ＥＧＲガスが気筒に噴射または引き込まれた後、直接気筒内に噴霧スプレー水を噴射することができる。
【００３８】
用語「内部冷却排気ガス再循環」は、本発明において理解されるように、いかなる混合媒体熱交換器も、ＥＧＲ通路に採用されないことを意味する。したがって、内部冷却排気ガス再循環を用いるエンジンでは、ＥＧＲ通路に熱交換器、ラジエータ、冷却コイル、ジャケット冷却、空冷フィン、または他の外部冷却装置が存在しない。本発明において、ＥＧＲ通路は、排気ガスの一部が、排気通路から吸気通路に分流排気ガスの噴射まで分流される点の間の排ガス経路として定義される。
【００３９】
対照的に、熱交換器によるＥＧＲ冷却は従来技術においてよく知られている。本発明によれば、ＥＧＲガスの単なる冷却は、ＥＧＲガスの噴射後に直接ＥＧＲ通路、吸気通路内に噴射される水、または、ＥＧＲガスが気筒内に導入された後に気筒内に水を直接噴射することによる内部冷却によるものである。
【００４０】
排気ガス中に噴射した所定量の噴霧水は、純水である必要はない。一実施の形態では、水は低級アルカノール、特にＣ１‐Ｃ４アルコール、例えば、メタノール、エタノール、n-プロパノール、イソプロパノール、またはブチルアルコールの任意の異性体を含んでもよい。水中のアルコール溶液の使用は、例えば、寒冷地でＥＧＲ冷却するため水の融点を低下させるためであってもよい。例えば、水中エタノール３０％（w/w）混合物は、‐２０℃の融点/凝固点を有する。
【００４１】
本発明の内部ＥＧＲの実施の形態は、内部ＥＧＲを示す直接燃料噴射エンジンシステムを備えた自然吸気内燃エンジンの概略図である図４に示す。内部ＥＧＲにより、外部の排気ガス再循環経路が設けられていない。むしろ、排気ガスは、直接燃焼室内へ水噴射器を介して直接ＥＧＲ冷却により、バルブ位相整合またはバルブオーバーラップにより「内部で」再循環される。本実施の形態では、空気吸入弁５又は排気弁６のタイミングは、バルブ位相整合またはバルブオーバーラップＥＧＲを提供するように独立してコンピュータ制御されなければいけない。
【００４２】
図４に示す本発明の内燃エンジンの動作は、標準的な４行程エンジンに一般に準拠している。空気吸入弁５は、ピストンの吸気行程の開始時に開いて空気が燃焼室に流入することを可能にする。空気吸入弁５は、ピストン２が燃焼室１内の空気と燃料を圧縮する圧縮行程の開始時に閉じる。ピストン２運動距離の頂面、すなわち、上死点（ＴＤＣ）直前に、点火装置、すなわち、点火プラグ２４は、燃焼室１内の燃料/空気混合物を点火する。ＴＤＣを過ぎてピストンサイクル後、点火した燃料は、動力行程時、気筒を下方へ押してクランクシャフト２６を回転させる。ピストンが動力行程時、すなわち、下死点（ＢＤＣ）で気筒内のその運動距離の最低点に達したとき、内燃エンジンは、排気行程を開始する。排気行程において排気弁４が開き、ピストン２の上方への移動により燃焼室１から排気ガスが押し出される。
【００４３】
この内部ＥＧＲの実施の形態では、排気弁４や吸気弁５の特殊な配列により、排気ガスがバルブ位相整合やバルブオーバーラップにより内部で再循環される。例えば、吸気弁は、排気行程の一部の間に開いていくつかの排気ガスを吸気マニホルドに入れることができる。これらのガスは、その後、吸気行程時に気筒内へ元に再循環される。別の実施の形態では、排気弁は、吸気行程時に開いて排気マニホルド内の排気ガスの一部を気筒へ入れることができる。したがって、図４の実施の形態において、吸排気弁の一方または両方は、必要なバルブ位相整合を達成するように独立して制御されなければいけない。
【００４４】
図４に示すように、タンク８からの水は、ポンプ９によって加圧され、直接燃焼室１内に噴射器７から噴射され、再吸気された排気ガスを冷却する。噴射される水の量は、エンジン制御用コンピュータ３０によって測定され制御される。また、図４に、燃料タンク２１、燃料ポンプ２０、燃料噴射器１２、コイル２３及びピストンロッド２５を示す。
【００４５】
エンジン制御コンピュータ３０は、吸気圧センサ２９、水ポンプ９、燃料ポンプ２０、および図示しない可変バルブタイミング制御部への接続部を有する。図４に示されたエンジンの実施の形態は、本発明に従って高圧縮比、希薄燃料混合物、及び所定量の噴射水で動作する。
【００４６】
本発明の別の実施の形態を、図５に記載する。図５は、直接燃焼室１内に水を噴射する噴射器７を介して直接ＥＧＲ冷却する、外部ＥＧＲループを通る排気ガスの流れを示す直接燃料噴射エンジンシステムを備えた自然吸気内燃エンジンの概略図である。従って、高圧縮燃焼室１からの排気ガスが、排気通路３内へ高圧縮ピストン２の排気行程時に出る。エンジン制御用コンピュータ３０によって制御されるＥＧＲ弁１０は、排気ガスの制御された量をＥＧＲ通路１１に入れ、外部熱交換器を通すことなく吸気通路６に送る。再循環排気ガスの温度は、吸入給気温度よりも高い。
【００４７】
水噴射器７は、ＥＧＲ通路１１からの再循環排気ガスと噴射器１２から直接燃焼室内に噴射された燃料とを有した燃焼室内に所定量の水を噴射する。燃焼室に噴射される水は、本発明に従って、直接再循環排気ガスの上昇温度を低下させる。また、図５に、吸気圧センサ２９、水ポンプ９、燃料ポンプ２０、及びＥＧＲ弁１０への接続部を有したエンジン制御用コンピュータ３０を示す。図５に示すエンジンの実施の形態は、本発明による高圧縮比、及び希薄燃料混合物で動作する。
【００４８】
別の実施の形態を、図６に示す。図６は、直接燃焼室１内に水を噴射する水噴射器７を介して直接ＥＧＲ冷却する、外部ＥＧＲループを通る排気ガスの流れを示すポート燃料噴射、直接水噴射エンジンシステムを備えた自然吸気内燃エンジンの概略図である。高圧縮燃焼室１からの排気ガスが、排気通路３内へ高圧縮ピストン２の排気行程時に出る。ＥＧＲ弁１０は、排気ガスの量をＥＧＲ通路１１に入れ、外部熱交換器を通すことなく吸気通路６に送る。再循環排気ガスの温度は、水噴射前、吸入給気温度よりも高い。この実施の形態では、燃料は、燃料噴射器１２から直接気筒内ではなく、吸気通路内に噴射（ポート噴射）される。
【００４９】
水噴射器７は、所定の制御された量の水を、直接ＥＧＲ通路１１からの再循環排気ガスを有する燃焼室内へ噴射して点火前に上昇したガス温度を冷却する。
【００５０】
別の実施の形態は、ポート燃料噴射とポート水噴射とを備えた自然吸気内燃エンジンの概略を示す図７に示す。吸気通路内の水の噴射を介してＥＧＲ冷却する外部ＥＧＲループを通る排気ガスの流れを導くエンジンシステムが示す。ＥＧＲ弁１０は、排気ガスの制御された量をＥＧＲ通路１１に入れ、外部熱交換器を通すことなく吸気通路６に送る。吸気通路６に入った再循環排気ガスは、吸入空気よりも高い温度を有する。ＥＧＲガスは、タンク８から、ポンプ９を通って加圧され噴射器７によって吸気通路内に噴射される水によって冷却される。新鮮な空気を有するガス、冷却されたＥＧＲガス、水蒸気、及び燃料は、吸気行程時に燃焼室１内に吸引される。エンジン制御コンピュータ、センサ、および連携する接続部は、図７では簡略のため省略する。
【００５１】
別の実施の形態は、直接燃料噴射、直接水噴射、および外部ＥＧＲを備えたターボチャージャー搭載内燃エンジンの概略を示す図８に示す。高圧ループ１１または低圧ループ１７、またはその両方のいずれであってもよい、外部ＥＧＲループを通る排気ガスの流れを導くエンジンシステムが示す。本実施の形態では、高圧縮室１からの点火後の排気ガスが、排気通路３へ高圧縮ピストン２の排気行程時に出る。本実施の形態のエンジン排気により、空気吸入経路２８からの新鮮な空気１５及び吸気マニホルド６の他のガスを加圧する圧縮機１３に接続されたタービン１４を駆動する。高圧ＥＧＲバイパス１１では、排気パイプ３からの排気ガスが、タービン１４の前に吸気マニホルドへ分流される。上記のようなコンピュータ制御の下で、ＥＧＲ弁１０は、制御ＥＧＲバイパス１１に入る排気ガスの量を制御し高圧吸気通路６へ送る。
【００５２】
従って、ＥＧＲガスは、吸給気温度よりも高い温度の再循環排気ガスを提供する外部熱交換器を通ることなく、吸気マニホルド６に入る。低圧ＥＧＲループの場合には、排気流１６の一部は、ターボチャージャー搭載タービン１４を出た後、バルブ１８によって制御されるＥＧＲバイパス１７を通る新鮮な空気の吸入口２８内へ分流される。
【００５３】
タンク８からの水はポンプ９により加圧され、制御された量の水を直接、再循環排気ガスおよび噴射器１２から直接燃焼室１に噴射された燃料を含む燃焼室１内へ噴射する噴射器７に供給される。燃焼室１内に噴射される水は、直接再循環排気ガスの上昇した温度を低下させる。エンジン制御コンピュータ、センサ、および連携する接続部は、図８では簡略のため省略する。
【００５４】
別の実施の形態を、図９に示す。図９は、吸気マニホルド６内の水噴射器７を介して直接ＥＧＲ冷却する、高圧と低圧の外部ＥＧＲループを通る排気ガスの流れを示すポート燃料噴射、直接水噴射エンジンシステムを備えた自然吸気内燃エンジンの概略図である。本実施の形態は、高低ＥＧＲバイパスを有し、直接燃料噴射ではなくポート燃料噴射を備えた図８のターボチャージャー搭載の実施の形態と動作において同様である。
【００５５】
別の実施の形態（図示せず）では、ターボチャージャー搭載エンジンは、ポート燃料とポート水噴射による、本発明のＥＧＲと水噴射を採用することができる。別の実施の形態では、スーパーチャージャーが使用される。用語「ターボチャージャー」とは、排気ガスにより駆動される空気圧縮機を指す。用語「スーパーチャージャー」とは、エンジンへの機械的リンク機構によって駆動される空気圧縮機を指す。
【００５６】
他の実施の形態では、図４〜図９に示す実施の形態が、火花点火システムなしで、圧縮点火エンジンと使用される。
【００５７】
表１は、１９：１の圧縮比、および各気筒内に水噴射器を含むように変更された外部ＥＧＲを有する、ＶＷ １．９ Ｌ ４気筒ターボチャージャー搭載直接噴射式ディーゼルエンジンの実験結果を示す。λは、エンジン負荷に応じて変化するが、このテストエンジンでは１．１以上であり、約１．５までの範囲とした。より高いλで、ＥＧＲが減少するように、ＥＧＲとλは、反比例した。ＥＧＲは、０％から３０％まで変化させた。水は、０％から１００％まで変化させた。最高動作効率（行１７〜２１）は、ＮＯｘ生成を上昇させた。実験５、１１、２１及び２３に示すように、水の量又はＥＧＲ量を増加させると、全体的な効率への影響は最小で、顕著にＮＯｘの生成を減少させた。
【表１】
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【００５８】
表１のエンジンテスト結果は、１０％ＥＧＲおよび２５％または５０％水噴射（実験２０および２１）で３９．５パーセントの最大効率を示す。
【００５９】
本発明では、噴霧状水の量、空気：燃料混合比、および任意の既定の時点で使用されたＥＧＲの量が、エンジン制御装置（ＥＣＵ）によって制御される。具体的には、エンジン制御装置は、例えば、アクセルの位置、排気温度、車速、バルブタイミング及び位置、空気：燃料比に関する信号を受信する。これらの信号は、当該技術分野で知られるような、各センサによって発生され、エンジン制御装置に電子的に送られる。信号は、ＥＧＲ通路に噴射される噴霧状水の量ならびにＥＧＲの量を調整して再循環排気ガスの所望の温度を得るための制御パラメータを提供する。また、空気：燃料混合比は、電力出力を最適化し、エンジンのアイドリング及び走行時のスロットル損失を最小限にするために、上記の信号に基づいて調整される。
【００６０】
本発明のエンジンを採用した車両が走行している状況下では、空気：燃料混合物は、最も希薄になる。しかし、これは、前述したように、燃焼室内の熱を大量に生成する。したがって、ＥＧＲは、ＥＧＲ通路内に大体積の噴霧状水を導入することにより、より低い温度に冷却される。このように、圧縮比を高く維持することができ、空気：燃料比を最適化することができる。
【００６１】
燃焼室に導入されたＥＧＲの体積も、上記信号に基づいて、燃焼室の熱質量を最適化するように制御される。熱交換器は、システムへ応答遅れを導入するので、本発明のエンジンによって提供される微調整は、外部ＥＧＲ熱交換器では出来ない。つまり、外部熱交換器で再循環排気ガスの冷却に行われた調整は、熱交換器内の排気ガスが最終的に燃焼室内に到達する（到達まで数秒かかり得る）まで、燃焼室で実現されない。
【００６２】
本発明の一実施の形態では、本発明のエンジンは、直接冷却する内部ＥＧＲを利用する。直接冷却する内部ＥＧＲは、ＥＧＲ体積の最も迅速かつ正確な制御と排気ガス温度制御を行うためである。
【００６３】
水噴射体積とＥＧＲ体積をエンジン制御装置によりアクセス可能な予め記憶あるいは周期的に生成されたテーブルに基づいて制御する。一実施の形態では、テーブルは、噴射スイープを実行することによって、実験的に生成される。具体的には、エンジンは、水噴射とＥＧＲの量を変化させながら一定の速度及び負荷に保持される。噴射スイープは、最適値、または最適値のセットが、ほとんどの動作条件下で水噴射とＥＧＲに対して識別されるように、様々な速度および負荷で行われる。データは、実際の試験点間にある点についての完全な母体を生成するように、テスト結果間で補間される。従って、ＥＣＵは、エンジンを種々の負荷と速度でかけるときに所望の作動パラメータを維持するために、燃焼室に最適化される水噴射とＥＧＲの体積を供給することができる。
【００６４】
より具体的には、内部の燃焼室の各気筒の水とＥＧＲを制御するための方法１０００を、図１０に記載する。１０１０において、ＥＣＵは、例えば、エンジン回転数ＲＰＭ、負荷、質量空気流量を含む現在のエンジン作動条件を決定する。１０１５で、所望の空気/燃料混合比が、例えば、質量空気流量とＲＰＭなどの作動パラメータに基づいて決定される。
【００６５】
ＥＧＲの量は、１０２０で、空気/燃料混合比ならびに作動パラメータに基づいて得られる。ＥＧＲの量は、経験的に、またはＥＣＵによって記憶されたルックアップテーブルに基づいて得てもよい。また、１０２５で、排気ガスの温度が感知され、ＥＣＵに報告される。
【００６６】
空気/燃料混合比、圧縮比および排気温度に基づいて、冷却の必要量を計算し、１０３０で、水噴射の適切な量が、ＥＣＵによって決定される。噴射される水の量は、ＥＣＵによってアクセス可能な予め記憶されたルックアップテーブルに基づいて経験的に計算又は決定することができる。
【００６７】
空気/燃料混合比、ＥＧＲレベルおよび水噴射体積について上記決定された値に基づいて、ＥＣＵは、１０３５において、現在の気筒の燃料噴射器を制御して、ピストンの上死点（ＴＤＣ）の前に、燃焼室に、計算された空気/燃料比で、空気と燃料を噴射する。加えて、１０４０で、水噴射、同時に、１０４５でＥＧＲ弁を制御して、ＴＤＣの前に燃焼室内に所定量の噴霧状水と排気ガスを導入する。本発明では、ＥＧＲ弁は、より詳細に上述したように、外部ＥＧＲ通路に配置された弁、排気ガスを燃焼室内へ元に再循環するように所定期間開いたままにされる排気弁、またはＥＧＲ通路に結合された吸気弁を構成することができる。
【００６８】
噴霧状水と排気ガスは、噴射される水によって、より完全な混合および冷却を行って燃焼室内の燃料の早期点火の危険性を低減するために、同時に導入されるべきである。あるいは、水と排気ガスは、空気/燃料混合物を導入する前に導入することができる。
【００６９】
ＥＣＵは、継続的にエンジンの性能を監視し、水とＥＧＲのルックアップテーブルの水とＥＧＲの値を調整することができる。
【００７０】
すなわち、一実施の形態において、１つまたはそれ以上の水噴射とＥＧＲのテーブルに記憶された所定の情報を使用して、エンジン制御装置は、燃焼室内に噴射される噴霧状水と排気ガスの量などのエンジン出力状態に影響を与える制御パラメータを計算する。これらの調整は、本明細書に記載の実施の形態に従って、エンジン制御装置が燃料噴射器の作動（例えば、滞留時間）を制御するためのメッセージを伝え、水噴射のタイミングと霧状水噴射の（ＴＤＣ前の）体積を制御するためのメッセージを伝え、燃焼室内に導入された排気ガスの（ＴＤＣ前の）体積を制御することにより影響される。
【００７１】
エンジンサイクル毎に、現在の感知された条件・値を考えて、現在の温度と圧力の測定値、およびその他の変数、例えば周囲温度などの環境条件に応じて、エンジン制御装置は、燃料噴射量やタイミングを変更するための制御メッセージ、および本明細書に記載のような最大効率、圧縮および冷却のための圧縮行程時、気筒における（事前の）火花点火のタイミングに関連して水噴射（ポートまたは気筒直接噴射）の量を制御するための制御メッセージを送信することによってシステムの動作を調整する。
【００７２】
エンジンの動作の任意の特定のサイクルでのエンジン動作の監視と制御を、（いくつかの前サイクルの時間平均を含む）前サイクル中の動作に基づいて調整して、点火と、適切なクランク軸角度（複数可）の安定した水の噴射を実現できることが理解される。
エンジン効率の維持およびＮＯｘの削減
【００７３】
上述した実施の形態における噴霧状水の使用に加えて、本発明の一実施の形態は、所定量の水を内燃エンジンの燃焼室内へ噴射して約９５℃と約２００℃の間のエンジン温度を維持するように構成される。この温度は、エンジンから出た冷却材、すなわちラジエータ流体の出口温度を表す。
【００７４】
燃料/空気混合物の燃焼前に燃焼室内に水を導入することによりＮＯｘを大幅に減少させることができる。しかし、約９０℃の冷却材温度で作動する従来の内燃エンジンでは、導入される水量が増加するにつれて、内燃エンジンの効率が低下する。本発明は、約９５℃〜約２００℃、他の実施の形態では約１００℃〜約２００℃、更に別の実施の形態では約１００℃〜約１４０℃の範囲内の冷却材温度で内燃エンジンを作動することにより、ＮＯｘ排出量の発生を大幅に減少させつつ、内燃エンジンの効率を維持する。したがって、本発明によれば、冷却材温度は、９１℃、９２℃、９３℃、９４℃、９５℃、９６℃、９７℃、９８℃、９９℃、１００℃、１０１℃、１０２℃、１０３℃、１０４℃、１０５℃、１０６℃、１０７℃、１０８℃、１０９℃、１１０℃、１１１℃、１１２℃、１１３℃、１１４℃、１１５℃、１１６℃、１１７℃、１１８℃、１１９℃、１２０℃、１２１℃、１２２℃、１２３℃、１２４℃、 １２５℃、１２６℃、１２７℃、１２８℃、１２９℃、１３０℃、１３１℃、１３２℃、１３３℃、１３４℃、１３５℃、１３６℃、１３７℃、１３８℃、１３９℃、１４０℃、１４１℃、１４２℃、１４３℃、１４４℃、１４５℃、１４６℃、１４７℃、１４８℃、１４９℃、 １５０℃、１５１℃、１５２℃、１５３℃、１５４℃、１５５℃、１５６℃、１５７℃、１５８℃、１５９℃、１６０℃、１６１℃、１６２℃、１６３℃、１６４℃、１６５℃、１６６℃、１６７℃、１６８℃、１６９℃、１７０℃、１７１℃、１７２℃、１７３℃、１７４℃、１７５℃、１７６℃、１７７℃、１７８℃、１７９℃、１８０℃、１８１℃、１８２℃、１８３℃、１８４℃、１８５℃、１８６℃、１８７℃、１８８℃、１８９℃、１９０℃、１９１℃、１９２℃、１９３℃、１９４℃、１９５℃、１９６℃、１９７℃、１９８℃、１９９℃、２００℃であり得る。
【００７５】
エンジンに使用される潤滑剤とシールの破壊温度は、エンジン温度の上限を制限する。例えば、従来の潤滑剤は、約１４０℃の上限温度を可能にし、合成潤滑剤は、少なくとも２００℃の範囲の上限を可能にする。したがって、本発明は、２００°Ｃを超える温度で適切に動作可能な潤滑剤、シール、および他のエンジン部品を組み込むことにより２００°Ｃよりも高いエンジン温度を使用して実施することができる。
【００７６】
例えば、一実施の形態では、図５に示したエンジンは、内部の水噴射により冷却される。本実施の形態は、図５に示した全ての構成要素を含む。しかし、内燃エンジンの冷却を提供するために、直接燃焼室１内に噴射される水の量は、エンジン温度に基づいて、エンジン制御用コンピュータ３０によって制御される。
【００７７】
燃焼室１内に噴射される水の量は、噴射される燃料の量に対して水を約５％から約１００％までの範囲にする。一実施の形態では、水の量は、噴射される水量が、室温において空気を飽和させるのに必要な水の体積よりも多ければ、燃料の量に対して約２５％から約１００％の範囲にしてもよい。
【００７８】
また、実際の水噴射量は、吸気通路６に沿った位置により異なる。よって、水噴射が直接燃焼室１内に起こるとき、水噴射と燃焼との間の経過時間が短縮され、噴射された水の蒸発が少ないので、図５、図６、図８および図９に示すように、ピストン２が上死点に達する直前、水噴射量を、燃料噴射量に対して範囲の下限、即ち、約５％に設定することができる。水が燃焼室１内に噴射された瞬間から上死点での燃料の燃焼までの間に経過する時間の長さが長いほど、必要とされる噴射水の体積がより大きくなる。
【００７９】
本実施の形態は、ＥＧＲを備えた内燃エンジンに関して上述した。しかし、図１１に示すように、本実施の形態は、ＥＧＲ無しの内燃エンジンでも実施することができる。図１１に示すように、実施は、図５に示した実施の形態と同様である。しかし、ＥＧＲ通路１１と支持部品は、本実施の形態では取り除かれている。図６〜図９に示す実施の形態は、同様に、本発明のＥＧＲ部品をやめ、代わりに、本発明の内部冷却を実施するように変形することができる。
【００８０】
本実施の形態を実施する図１２に示すシステムは、内燃エンジン１１０２、貯水タンク１１０４、内燃エンジン１１０２の吸気通路または燃焼室内に水を噴射するように配置された水噴射器１１０６、貯水タンク１１０４と水噴射器１１０６とを結合する流体ライン１１０８、センサプローブ１１１２から、排気温度、貯水温度とエンジン回転数ｒｐｍ等の動作データを受信し、内燃エンジン１１０２の吸気通路または燃焼室内に噴射される水の量を制御するように構成されたマイクロコントローラ、ＣＰＵまたはＦＰＧＡ等のコントローラ１１１０を含む。貯水タンク１１０４、水噴射器１１０６及び流体ライン１１０８は、水噴射システムを形成する。
【００８１】
貯水タンク１１０４は、決められた動作時間や走行距離において内燃エンジン１１０２を冷却するのに十分な体積の水を保持するような寸法を有する。例えば、水噴射量を燃料噴射量に等しく設定する場合、１６ガロンの燃料タンクを備えた車両は、同じサイズの貯水タンク１１０４も備え、よって、十分な体積の水で、車両の走行の全範囲で内燃エンジン１１０２を冷却できる。あるいは、より限られた走行範囲を提供するが、車両の重量を減らすより小さい貯水タンク１１０４を設けることができる。
【００８２】
一実施の形態において、本発明は、排気通路１１５と貯水タンク１１０４との間に結合された復水器１１２０および水戻り配管１１２２を経由して排気通路１１１５を通って出る水蒸気を回収するように構成することができる。この実施の形態では、わずか数ガロンの小さなタンクを利用しつつ走行範囲を延長することができる。
【００８３】
図１２に示す一実施の形態では、本発明は、貯水タンク１１０４、水噴射器１１０６および復水器１１２０を含む内燃エンジン１１０２の一次冷却システムとして構成されてもよい。しかし、従来のラジエータと冷却材貯蔵タンクシステムとして実施される二次冷却システム１１３０も設けることができる。
【００８４】
なお、図面は、簡略化のため、内燃エンジンの個別の燃焼室に対して、本発明の実施の形態の実施を示していることに留意されたい。しかし、実際には、示す実施の形態は、内燃エンジンの各燃焼室に対して実施されている。よって、一つの水噴射器を、図面および詳細な説明全体にわたって示し説明するが、水噴射が直接燃焼室内に水を噴射する実施の形態において、少なくとも燃焼室の個数に等しい個数の水噴射器が設けられていることに留意されたい。
【００８５】
吸気通路内への水の噴射に関連する実施の形態において、本発明は、各燃焼室に向けられた個々の吸気経路に吸気を分割する吸気マニホルドの前に配置された単一の水噴射器を用いて実施することができる。あるいは、水噴射器を吸気マニホルドの後に配置する場合は、少なくとも一つの水噴射を、各燃焼室に設けて、それぞれの個々の吸気経路内に配置する。
【００８６】
二次冷却システム１１３０は、ラジエータから内燃エンジン１１０２内に形成された冷却貫通通路を通ってラジエータに戻される冷却材、例えばグリコール/水混合物の流れによるエンジン冷却を提供する。ラジエータで、冷却材は、車両の移動またはファンのいずれかによって発生される空気流を用いて、従来の方法で冷却される。したがって、２つの冷却システムを並行して機能するように構成してもよい。あるいは、二次冷却システム１１３０を、一次冷却システム内の貯水タンクが空になった後にのみ機能するように構成してもよい。
【００８７】
本発明の効果は、ラジエータを通る空気流の除去から生じる空力抵抗が大幅に減少すると見られる。加えて、下の表２に示すように、約１３０℃のわずかに上げたエンジン温度の内燃エンジンは、ＮＯｘ排出量を減らしつつ、エンジン効率の正味損失なしで内部冷却を使用して動作できる。
【００８８】
〔実験データ〕
水噴射を使用し、外部熱交換器回路をバイパスする内部冷却の効果を、上昇させた冷却材温度で検討した。一定の１８００rpmで動作するテストエンジンは、冷却材の流れを熱交換器つまりラジエータから離れる方向に向けるバイパス回路で修正した。これは、三方向バイパス弁を使用して行われる。このテストに使用された冷却材は、テスト時に起こるより高いエンジン冷却材温度での沸騰を避けるために、水なしで処方した。表２に、結果の概要を示す。
【００８９】
冷却材温度を、従来の内燃エンジンの冷却材温度設定点である９０℃に維持したとき、本発明により提供される水噴射は、エンジン効率を減少して（犠牲にして）大幅にＮＯｘを減少させることが分かる。例えば、６ｂａｒで、ＮＯｘは、内部の冷却温度が９０℃で安定した状態で、９１％減少した。しかしながら、エンジン効率も１９％減少した。冷却材温度を控えめに１３０℃に上昇させることにより、エンジン効率は３６％に戻り、ＮＯｘ発生は１.２２ｇ/ＫＷｈまで０.２４ｇ/ＫＷｈほんのわずか増加する。従って、上昇した冷却材温度が過剰水噴射による悪影響を相殺することが分かる。
【表２】
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【００９０】
本発明の実施の形態は、限定ではなくあくまで例示を意図するものであり、本発明の全ての実施の形態を表すことを意図するものではない。種々の変形および変更が、文字通り、かつ、法律で承認されている均等物において特許請求の範囲に記載された本発明の精神または範囲から逸脱することなく行われ得る。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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