(57)【要約】ブーストを調整すると共に、シリンダ内の酸素濃度レベルを厳密に制御し調整して、遅延型直接シリンダ燃料噴射を利用するエンジンにおける過渡状態の間の有害物質の放出を最小にするための方法が提供される。過渡状態の間のブースト圧の変化と共に閉ループにリンクする方式においてＥＧＲ流量が調整され、吸入給気酸素濃度およびブーストレベルが制御温度・低放出の燃焼のための臨界範囲内で維持される。シリンダ内への燃料供給の変化が、燃焼用シリンダ内への給気のブーストレベルの変化を待つように、あるいはこれに続くようにしてある。給気のブーストのレベルが燃焼用シリンダ内に取り込まれるのに応答して燃料供給を制御することにより、過渡状態の間、一時的な燃料レベルが所望の燃料／酸素比を超えることは許容されない。
2007506029.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室内への遅延型直接燃料噴射を利用する燃料燃焼機関における燃焼のための方法であって、
燃焼のための給気混合ガス中の酸素濃度を所望の酸素濃度範囲内に維持するステップと、
前記給気混合ガスを圧縮するステップと、
前記圧縮された給気混合ガスの結果として生じるブースト圧を測定するステップと、
前記圧縮された給気混合ガスを前記燃焼室内へ取り込むステップと、
前記圧縮された給気混合ガスの前記測定されたブースト圧に応答して、ある量の燃料を前記燃焼室内へ直接噴射するステップと、
前記燃料および給気混合ガスを前記燃焼室で燃焼させるステップと
を含む方法。
【請求項２】
前記所望の酸素濃度範囲が、１０％と１８％との間にある範囲である、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記所望の酸素濃度範囲が１２％と１４％との間の範囲である、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記給気混合ガスが低圧ＥＧＲループによって生成される、請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記圧縮された給気混合ガスの温度を測定するステップと、
前記燃焼室内に噴射された燃料の量を、前記圧縮された給気混合ガスの前記ブースト圧と温度とから測定されるものとして前記給気混合ガスの密度に合致させるステップと
をさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記圧縮された給気混合ガスの前記温度を所望の温度範囲に調節するステップをさらに含む、請求項５記載の方法。
【請求項７】
エンジンにより発生されるべき出力要求を判断するステップと、
前記給気混合ガスを、前記判断された出力要求に対応する所望の給気ブースト圧に圧縮するステップと、
ある量の燃料を前記エンジン・シリンダ内に直接噴射するステップであって、ある量が前記所望の給気ブースト圧に対応しているステップと
をさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項８】
自動車において、燃焼室内への直接燃料噴射を利用する内燃機関を駆動するための方法であって、この方法が、
再循環排気ガスと周囲空気とを組み合わせて給気混合ガスを生成するステップと、
前記給気混合ガスの前記酸素濃度を調整し、必要であれば、所望の酸素濃度範囲内に収めるステップと、
前記内燃機関により発生されるべき出力要求を判断するステップと、
前記出力要求に対応する所望の給気ブースト圧を判断するステップと、
前記給気混合ガスを、前記所望の給気ブースト圧に、あるいはそれに近づけて圧縮するステップと、
前記圧縮された給気混合ガスの前記ブースト圧を測定するステップと、
前記圧縮された給気混合ガスを燃焼のために前記エンジンのシリンダ内に取り込むステップと、
前記圧縮された給気混合ガスの前記測定された給気ブースト圧に対応する、燃焼のための所望の量の燃料を判断するステップと、
前記所望の量の燃料を前記エンジン・シリンダ内に直接噴射するステップと、
前記燃料および給気混合ガスを前記エンジン・シリンダ内部で燃焼させるステップと
を含む方法。
【請求項９】
前記所望の酸素濃度範囲が、１０％と１８％との間にある範囲である、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記所望の酸素濃度範囲が１２％と１４％との間の範囲である、請求項８記載の方法。
【請求項１１】
前記給気混合ガスが低圧ＥＧＲループによって生成される、請求項８記載の方法。
【請求項１２】
前記圧縮された給気混合ガスの温度を測定するステップと、
前記燃焼室内に噴射された前記所望の量の燃料を、前記ブースト圧と前記圧縮された給気混合ガスの温度とから測定されるものとして前記給気混合ガスの密度に合致させるステップと
をさらに含む、請求項８記載の方法。
【請求項１３】
前記圧縮された給気混合ガスの前記温度を所望の温度範囲に調節するステップをさらに含む、請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
直接噴射式内燃機関であって：
複数のシリンダであって、各シリンダが燃焼室を提供するシリンダと、
前記燃焼室から発生される排気ガスの一部を周囲空気と共に燃焼させ、給気混合ガスを生成し、前記給気混合ガスを燃焼のために前記シリンダへ帰還させるための、排気再循環システムと、
燃焼のために前記給気混合ガスを前記シリンダ内に取り込む前に前記周囲空気または給気混合ガスを圧縮するためのブーストシステムと、
燃焼のために前記シリンダのそれぞれの中に燃料を噴射するための燃料噴射システムと、
前記排気再循環システムとブーストシステムと燃料噴射システムとの運転を調整するための制御器であって、この制御器が、
（１）前記排気再循環システムを調整して前記給気混合ガスの前記酸素濃度を目標範囲内で制御し、
（２）前記ブーストシステムを調整し、エンジンからの出力要求に応答して前記給気混合ガスの前記ブースト圧を制御し、
（３）前記給気混合ガスの前記ブースト圧に応答して、各シリンダ内に噴射される燃料の容量を調節する
ようにプログラムされている制御器と
を含む、直接噴射式内燃機関。
【請求項１５】
給気温度を考慮して、前記ブーストシステムによる圧縮後に、各シリンダ内に噴射された燃料の容量が、前記圧縮された給気混合ガスの即時の検知済みブースト圧に直接応答するように調節される、請求項１４記載の機関。
【請求項１６】
前記目標酸素濃度範囲が、１０％と１８％との間にある範囲である、請求項１４記載の機関。
【請求項１７】
前記目標酸素濃度範囲が１２％と１４％との間の範囲である、請求項１４記載の機関。
【請求項１８】
前記排気再循環システムが、排気出口制御弁および低圧ＥＧＲループにより前記給気混合ガスを生成する、請求項１４記載の機関。
【請求項１９】
前記燃料噴射システムが、予混合でない層状の燃焼を生成するように、圧縮ストロークの終わりに前記シリンダ内に燃料を直接噴射する、請求項１４記載の機関。
【請求項２０】
前記圧縮された給気混合ガスの温度を測定し、各シリンダ内に噴射された燃料の容量を、前記ブースト圧と前記圧縮される給気混合ガスの温度とから測定されるものとして前記給気混合ガスの密度に調節するように、前記制御器がさらにプログラムされている、請求項１４記載の機関。
【請求項２１】
前記圧縮された給気混合ガスの前記温度を所望の温度範囲に調節するように、前記制御器がさらにプログラムされている、請求項１４記載の機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の援用）
本願は、２００２年８月８日に出願され、現在係属中の、米国特許出願番号１０／２１４，２２９の一部継続出願であり、この出願は、その全体が、本明細書中に参考として援用される。
【０００２】
（発明の背景）
本発明は、遅延型直接シリンダ燃料噴射を利用するエンジン、例えばディーゼル機関の燃焼過程を制御し、これにより発生される有害物質の放出を低減するための方法に関する。参照を容易にするために、本願は時々、ディーゼル機関のみを極度に単純化して参照することがあるが、本発明の範囲は、遅延型直接シリンダ燃料噴射を利用する他のエンジンにも同様に当てはまる。
【背景技術】
【０００３】
遅延型直接シリンダ燃料噴射を利用する内燃機関、例えば従来のディーゼル機関は、許容できる環境レベルを実質的に上回る、窒素酸化物（ＮＯｘ）および粒子状物質（ＰＭ）等の有害な汚染物質を放出する。それでもなお、その燃料効率のため、ディーゼル機関は、多くの車両の用途にとってガソリンエンジンよりも望ましいもののままである。
【０００４】
ディーゼル機関におけるＮＯｘおよびＰＭの放出を低減するための一致協力にも拘らず、先行技術は、過渡状態にわたり環境的に許容できるレベル内にＮＯｘおよびＰＭのエンジンアウトの放出レベルを同時に維持できる堅牢なディーゼル燃焼システムの開発（すなわち商業的に許容できる反応性および出力の提供）には決して成功していない。その代わりに、よく知られていることであるが、ディーゼル機関の複数の運転条件の過渡状態の変化が、具体的には、燃料供給の調整、排気ガス再循環（ＥＧＲ）レベル、および車両加速時のターボチャージャ過給レベルに関して、ＮＯｘまたはＰＭの重大な放出を生じる結果になり得る。車両が定常状態条件で放出基準を満たし得る場合であっても、過渡状態の変化中のこのような放出により、このような車両が放出基準を満たせないことはあり得る。
【０００５】
従って、遅延型直接シリンダ燃料噴射を利用するエンジン用に、複数の運転条件の過渡状態の変化中を含む低放出・制御温度の燃焼を可能にするための改良された方法を提供することが本発明の目的である。
【０００６】
（関連技術の記載）
先行技術において、ＮＯｘの生成率は温度に対して指数関数的に増加するということが知られている。実際には、係属中である共有の米国特許出願第１０／２４１，２２９号において検討されているように、局部的なエンジン燃焼温度を約２０００ケルビン（Ｋ）温度以下で維持できれば、ＮＯｘの生成は最小限になるということが測定された。しかし、燃焼温度をこのレベル以下に維持して、遅延型直接シリンダ燃料噴射を利用するエンジンにとって実際的なエンジン回転数および負荷で、しかもこのような運転条件での過渡状態の変化のあいだ中、良好な燃焼をさらに得るという目標は、自動車産業にとって達成しがたいものとして残っている。
【０００７】
本明細書に組み込まれるこの特許出願において、主としてブースト圧および吸入給気酸素濃度を操作し制御することによりＮＯｘの生成を低減するように燃焼温度を制御して燃焼中の局部温度の上昇を制限するための改良が開示された。しかし難題が生じる。所定の任意のエンジン運転条件にとって、清浄燃焼が発生するためには、完全燃焼にとって十分となる（それによりＰＭ放出の増加が回避される）ように、ただしＮＯｘ生成の無用の増加にとっては不十分となるように、吸入給気酸素濃度レベルが限られた範囲内に維持されなければならない。迅速なエンジン回転数および負荷の変移中の、吸入給気酸素濃度の適切な制御は、特に意欲をかきたてるものとなり得る。
【０００８】
ディーゼル機関の吸入給気中の酸素濃度の能動的制御は、ふつう先行技術では実施されない。この理由は、先行技術においては排気再循環（ＥＧＲ）流量を増加させて燃焼温度を下げ、ＮＯｘ生成を低減できるということが知られているが、ＮＯｘ生成を低減する際のＥＧＲの役割が、酸素濃度を低減して局部的に有効な酸素による局部的なＮＯｘの生成率を制限することではなく、主として熱容量効果に起因するものと広く誤解されているためである。例として、非特許文献１を参照されたい。また一方で、酸素濃度制御をベースにしたＥＧＲシステムの例として、Ｎｉｓｈｉｄａに付与された特許文献１を参照されたい。結果として、ディーゼル機関で吸入給気酸素濃度を制御する方法は、先行技術においてほとんど開示されていない。
【０００９】
Ｋｉｍｕｒａの特許文献２には、ディーゼル機関における吸入給気酸素濃度の制御の開示された先行技術の方法の一例がある。例えば、特許文献２の図１２は、ＥＧＲ率の修正を用いて、低温予混合燃焼で使用するために酸素濃度を１６％以下の値に低減することを指摘している。ところが、特許文献２は、過渡状態の間の目標範囲付近の酸素濃度レベルを双方向に調和させる（すなわち目標酸素濃度からの正または負の差異に依存して酸素濃度を上昇または低下させて選択的に調整し、目標レベルに近い酸素濃度を維持する）ための方法を開示しておらず、また、過渡状態の間の改良された放出能力を得るために燃料供給率の変化がＥＧＲおよびブースト圧の調整を待つ、またはこれに続く順序も開示していない。
【００１０】
吸入給気酸素制御のための他の先行技術のＥＧＲ制御機構は、吸入給気の酸素濃度ではなく、吸入給気中の酸素の量（例えば質量）を測定し制御することに焦点を当てている。例えば、Ｒｏｍｚｅｋに付与された特許文献３はＥＧＲ流量の制御を開示しており、吸入酸素量の計算を用いてＥＧＲ流量および／またはブーストレベルの調整を導き、燃焼中の空気／燃料比を所望のレベルへと修正する。ところが、Ｒｏｍｚｅｋの特許はいかなる特定の酸素濃度レベルも対象にしておらず、また、燃料供給率の変化がＥＧＲおよびブースト圧の調整を待つように、またはこれに続くように束縛されている順序も開示していない。代わりに、Ｒｏｍｚｅｋの特許は、燃料送出が、所望の空気吸入組成の測定ならびにその目標空気組成を満たすためのＥＧＲおよびブーストの調整より前に、運転者のアクセル位置センサにより測定されるようなエンジントルク要求に基づいて決定されるということを開示している。
【００１１】
Ｍｏｎｃｅｌｌｅに付与された特許文献４は、ＮＯｘを生成するのに有効な酸素の全体量（濃度ではない）を低減する手段として、ＥＧＲ（またはＥＧＲで可能となるような膜で分離された、窒素富化・低酸素吸入組成）の使用を同様に検討しており、このことは燃焼過程を遅くするとされており、これにより最高燃焼温度およびＮＯｘ生成が低下する。Ｍｏｎｃｅｌｌｅの特許文献４は、排気タービン過給機による吸気の加圧を用いて燃焼に有効な酸素の量を増加させることも開示している。ところが、Ｍｏｎｃｅｌｌｅの特許文献４は、酸素濃度を所望のレベルに制御する方法を検討しておらず、また、ＥＧＲ調整、ブースト圧調整、および燃料供給調整が実施されるべき順序も検討していない。
【００１２】
Ｂｅｃｋに付与された特許文献５も、ＥＧＲ流量、ブースト圧レベル、およびその他のエンジン運転条件を連続的に調整して、燃料／空気比、および低ＮＯｘ生成の燃焼温度を最適化するための方法を開示している。ところが、Ｂｅｃｋの特許文献５は、酸素濃度レベルの制御を行わず、増加または低減のためにＥＧＲ調整とブースト圧調整とを共に順にまたは連繋して任意でリンクすることも検討しておらず、ＥＧＲ流量の調整と給気質量および空気／燃料質量比との相互関係を検討あるいは考慮もしていない。代わりに、Ｂｅｃｋの特許文献５での目標とは、空気レベルを単に調整して、特定のトルク要求に必要な所定の燃料量のための目標の空気／燃料比を得ることである。Ｂｅｃｋの特許は、空気供給が調整される前にまず燃料供給が（特定の運転点にとって必要な量に）調整され、その逆ではないということも（例えばその図１１において）提供されている。
【００１３】
従って、低放出・制御温度の燃焼エンジンの実施が成功するためには、過渡状態の間の有害物質の放出を最小にするような方法で、給気密度制御と共に順番づけられた、シリンダ内の酸素濃度レベルを厳密に制御し調整するための新規のインテリジェントなシステムが必要である。
【特許文献１】米国特許第４，７２７，８４９号明細書
【特許文献２】特許出願公開第２００２／００１１２４０号明細書
【特許文献３】米国特許第６，５０８，２３７号明細書
【特許文献４】米国特許第５，５２３，５２９号明細書
【特許文献５】米国特許第６，２７３，０７６号明細書
【非特許文献１】Ｈｉｄｅｙｕｋｉ  Ｔｓｕｎｅｍｏｔｏら、「Ｔｈｅ  Ｒｏｌｅ  ｏｆ  Ｏｘｙｇｅｎ  ｉｎ  Ｉｎｔａｋｅ  ａｎｄ  Ｅｘｈａｕｓｔ  ｏｎ  Ｎｏ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ，  Ｓｍｏｋｅ  ａｎｄ  ＢＭＥＰ  ｏｆ  ａ  Ｄｉｅｓｅｌ  Ｅｎｇｉｎｅ  ｗｉｔｈ  ＥＧＲ  Ｓｙｓｔｅｍ」、ＳＡＥ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｐａｐｅｒ  ８０００３０（１９８０）
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１４】
（発明の要旨）
本発明は、遅延型直接シリンダ燃料噴射を利用するエンジンにおける過渡状態の間の有害物質の放出を最小にするような方法で、ブーストを調整すると共に、シリンダ内の酸素濃度レベルを厳密に制御し調整するための効果的な方法を提供する。本発明の１つの態様では、過渡状態の間のブースト圧の変化と共に閉ループにリンクする方式においてＥＧＲ制御弁によりＥＧＲ流量が調整され、吸入給気酸素濃度およびブーストレベルが、好ましくは制御温度・低放出の燃焼のための臨界範囲内で常に維持される。
【００１５】
さらに、本発明の別の態様として、複数の運転条件の迅速な過渡状態の変化中（例えば車両加速中）の有害物質の放出を最小にするために、シリンダ内への燃料供給の対応する増加は、ブースト調整を待つように、またはこれと共に続くように束縛されている。こうして、加速中にブースト圧および給気密度が増加すれば、燃料供給が増加して、運転者のいっそうのトルク要求に対応することが可能となる。これとは反対に、先行技術のディーゼル機関は、ブースト内の調整の前に燃料供給の調整を発生させる（すなわち、燃料供給の調整が「先行する」）。ところが、燃料供給の増加がブーストの増加に先行すると、一時的な燃料レベルが所望の燃料／酸素比を上回るのを回避することはさらに困難であり、その結果、良好な完全燃焼のための酸素が不十分であることからＰＭレベルが増加するということを本発明者は発見した。この問題は、代わりに、燃料供給の調整がブースト変化を待つ、またはこれに続くようにし、増強された給気の即時の圧力が特定の燃焼周期でシリンダ内に取り込まれるのに応答して、ある燃料量を決定し噴射することにより、最も簡単に回避することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
（発明の詳細な説明）
（制御温度燃焼のためのブースト制御の重要性）
本明細書に組み込まれる特許出願（米国特許出願第１０／２１４，２２９号）において検討するように、燃焼させるべき所定の量の燃料に関して、断熱燃焼を仮定すると、最終的な燃焼温度Ｔ３は、Ｔ３＝Ｔ２＋Ｈｃ／Ｃｖの式となる（ここで、Ｔ２は最終的な圧縮温度、Ｈｃ＝燃料の燃焼から放出された熱、Ｃｖは給気燃料混合ガスの総熱容量、すなわち混合ガスの質量に特定の熱容量を掛けたものである）。ＮＯｘ生成を最小にするための目標は、Ｔ３を（例えば２０００°ケルビンまで）低下し制御することである。燃焼される燃料の所定の量についてはＨｃが固定していることから、Ｔ３を制御する唯一の変数はＣｖである。Ｃｖが大きいとＴ３は低くなる。
【００１７】
以上を前提とすると、最高燃焼温度を低下し制御するための知られている１つの戦略は、給気燃料の混合ガスの熱容量の調整によるものである。一方で、上記の方程式を前提とすると、Ｔ３を安定したレベルに制御するために、Ｈｃ／Ｃｖが安定したレベルに維持され制御されなければならない。所定の燃焼システムに関して、Ｈｃは概ね燃焼される燃料の量に直接比例している。従って、Ｈｃ／Ｃｖが一定になるように（または許容範囲内で安定するように）維持し制御するためには、燃焼される燃料の量が増加するにつれ、Ｃｖが比例的に増加しなければならない。ＣｖがＣｖ＝ｃｖＭの式である（ここで、ｃｖは給気燃料混合ガスの特定の熱容量であり、Ｍは給気燃料混合ガスの質量である）ことから、ＣｖはＭを操作することにより増加または低減することができる。また、Ｍの増加または低減は、吸気システム内の給気のブースト圧を制御し、それにより給気密度を制御することによって行うことができる。
【００１８】
従って、上記で説明した一連の関係の性質により（また、本明細書に組み込まれる特許出願においてさらに詳細に説明したように）、燃焼温度を制御するための必要な条件とは、吸気システム内の給気のブースト圧を操作することである。この発見は、内燃機関内のブースト圧の操作により、ＮＯｘ生成の著しい低減の可能性を広げる。
【００１９】
（吸入給気酸素濃度を制御し、低放出・制御温度の燃焼を得ることの重要性）
上記にもかかわらず、ブースト圧の単なる調整だけでは、遅延型直接シリンダ燃料噴射を利用するエンジンにおける制御温度燃焼中に十分に低い放出を得ることには成功しない。代わりに、以下に検討することであるが、このようなエンジンにおける低放出・制御温度の燃焼に関して、局部的な熱放出および燃焼中の温度上昇を分散させ抑制するために、吸入給気酸素濃度も制御し目標範囲内に維持しなければならず、さもなければ重大な局部的ＮＯｘの生成を招くことになる。
【００２０】
遅延型直接シリンダ燃料噴射を利用するエンジンにおける低放出・制御温度の燃焼にとっては、吸入給気酸素濃度レベルを許容範囲内に維持することが重要である。実際には、所定の任意のエンジン運転条件に関して、迅速かつ実質的な完全燃焼を可能とするのに十分な、ただしＮＯｘ生成が極めて増加する結果となるような過度の量ではない吸入給気酸素濃度に対応する範囲が存在する。例えば、酸素濃度が燃料量に対して過度に低い場合、不完全燃焼および煙／ＰＭの望ましくない増加が起こる。一方で、酸素濃度が燃料に対して高すぎる場合、ＮＯｘの著しい局部的生成が発生する。この理由は、ＮＯｘ生成率を直接決定する局部温度の上昇が、局部的に有効な酸素によって制限されるためである。したがって、局部温度を制限するために、局部的酸素濃度を制御しなければならない。
【００２１】
吸入給気酸素濃度の適切な「範囲」は、燃焼システムの最適化の程度およびその時のエンジンの所定の運転条件によって決まる。例えば、適切な範囲は、約１０％の低い吸入給気酸素濃度レベルから約１８％まで変化することができる。しかし、好ましい実施形態において、ＮＯｘ生成を実質的に除去するために、好ましくは吸入給気酸素濃度レベルが１２％から１３％または１４％までの範囲内に維持され、吸入給気酸素濃度は最大エンジン回転数および負荷で、低く、より緊密な範囲内に維持される。低エンジン負荷では、放出に悪影響を及ぼすことなくこれより高い吸気酸素濃度を用いることができる。使用される燃焼システムにおける吸入給気酸素濃度にとって、結果として生じる所望の範囲がどのようであっても、正常な全運転条件にわたってこの所望の範囲内に吸入給気酸素濃度を維持することは、これらの運転条件でＮＯｘおよびＰＭ／煙の放出を低レベルに維持することにとって極めて重要である。
【００２２】
（吸入給気酸素濃度および密度を共に制御すること）
本発明では、制御温度にて良好な低放出燃焼を得て、低ＮＯｘおよび低ＰＭ／煙燃焼を確実にすることにつながる目標酸素濃度レベルおよび給気ブースト圧レベルを達成するそれぞれの値まで、ＥＧＲ流量がブースト圧の変化と共に適切に調整される。そして、増強された給気の即時の圧力レベルが燃焼用シリンダ内に取り込まれるのに応答して（給気温度を考慮して）燃料が噴射される。本発明の実施のための好ましい構成を、本明細書に同様に提示する図を参照して以下に続ける。
【００２３】
図１を参照すると、好ましくは、従来のディーゼル燃料のように比較的低い自動点火温度の燃料を備えた遅延型直接シリンダ燃料噴射を利用する内燃機関２２が示される。燃料が直接シリンダ燃料インジェクタ２３、２３’、２３”等を通ってエンジン２２に供給される。ポート１１から周囲空気が入り、その流れは任意の弁１２により絞ることができる。ポート１３で、吸入周囲空気に排気ガスが混合され、これにより吸入給気混合ガスが生成される。排気ガスは、ポート１６にて排気管から排気ガス冷却器１７を通ってポート１３まで送られ、任意で凝縮液帰還排出ライン１８（任意の排気ガス流れ制御弁１４により調節される）で送られる。主要な排気再循環（ＥＧＲ）制御弁１２’がちょうど排気管内のポート１６の下流側に配置される。ＥＧＲ調節制御弁１２’を通る流れを制限することにより、ポート１６および１３を通るＥＧＲ流量が制御される。
【００２４】
ＥＧＲ調節制御弁の操作は、弁１２’の厳密な制御により、ブーストの調整と調和するＥＧＲ流量を制御することが可能となる高度な閉ループフィードバック制御方法により進められるのが好ましい。これにより、再循環排気ガス中の酸素濃度が周囲空気よりも低いという事実、したがって、周囲空気とＥＧＲとの比を調整することにより、任意の給気混合ガスの全体の酸素濃度レベルをある範囲内で効果的に制御することができるという事実を利用することにより、ポート１３後の給気混合ガスの酸素濃度制御が可能になる。例えば、排気出口弁１２’を制限することは、エンジンに戻るＥＧＲ流量を増加させることになる。これにより、または他の任意のＥＧＲ制御弁機構により、ＥＧＲ中の酸素濃度が周囲空気よりも低いことから、ＥＧＲに戻る流量の増加によって吸入給気酸素濃度が低減する結果となる。結果として生じる吸入給気酸素濃度は、任意の直接酸素センサ２５’により、または他の検知済みパラメータから計算される、当業者によく知られた方法のいずれかにより測定することができる。
【００２５】
好ましくはポート１３の下流側で、低圧ＥＧＲループを用いて、ＥＧＲ／周囲空気（「給気」）混合ガスが流通し、圧縮機１９により圧縮される。あるいは、適宜、高圧ＥＧＲループを使用することができるが、このことは当技術分野では理解されるであろう。圧縮機１９は、単段圧縮機、例えば流路可変過給機（ＶＧＴ）であってもよく、連続するまたは平行な２つ以上の圧縮機であってもよい。さらに、この圧縮機は主として排気ガスエキスパンダ・モータ２７により駆動され、制御されたブースト圧レベルを吸気マニホルド２１に提供する。
【００２６】
給気混合ガスの圧縮の程度（すなわち所望のブースト）は、運転者の出力要求に応答して制御されるのが好ましい。例えば、運転者の出力要求が変化する場合、アクセルペダルセンサ３３により、ペダル位置の変化が制御器２６に伝えられる。このようなペダル位置の変化は、制御器２６により判断されるような所望のエンジン負荷の変化に対応する。判断された所望のエンジン負荷は、制御器２６のメモリ内部に保存されたテーブルに含まれるような所望のブーストレベルにさらに対応する。従って、制御器２６は次に、例えば信号をエキスパンダ・モータ２７に送信することにより適切な信号を伝送してブーストを制御する（そして例えば、ＶＧＴを使用している場合、ベーン位置を調整する）ことができる。迅速なブーストレベル変化を提供して迅速なトルク応答の提供を助けるために、任意の電気モータまたは油圧モータ２８を使用して、これを制御器２６により制御することもできる。従って、このような実施形態では、制御器２６は、適切な信号をモータ２８に送信し、過渡状態の間、およびエキスパンダ・モータ２７のみでは十分なブースト圧を供給できない任意の運転条件中、ブーストレベルを制御する。
【００２７】
圧縮機１９から得られる、結果として生じる即時のブースト圧レベルは、次に、ブースト給気圧力センサ３１により測定することができ、その次に、ブーストレベルの調整が行われ、複数の運転条件の過渡状態の変化に応答するように燃料およびＥＧＲの調整に調和させることができ、これを以下に検討する。
【００２８】
圧縮機１９の下流側で、圧縮された給気は冷却器２０を通り吸気マニホルド２１へと流れる。冷却器２０は任意で、バイパスラインとバイパス制御弁６１とを含み、制御器２６は制御弁６１を制御給気温度に調整する。給気温度は任意の温度センサ３０により測定して制御器２６に入力することができる。冷却器２０は、適宜、給気を好ましい給気温度レベルに冷却する。
【００２９】
任意のポート燃料インジェクタ５３を直接燃料インジェクタ２３と合わせて使用して、粒子状物質の生成を最小にし、適宜、燃料噴射レベルを迅速に調整することができる。上述したように、任意の酸素センサ２５’を使用して、給気中の酸素濃度を直接測定することができる。あるいは、吸入給気酸素濃度を一部排気酸素センサ２５の示度に基づき計算することができ、あるいは、当業者にはよく知られている方法により、他の検知済みパラメータ（必ずしも図示しない）から計算または測定することができる。任意の給気質量流センサ２９を使用して、より速く正確なエンジン制御を提供することもできる。本明細書において使用されるセンサのそれぞれに関して、これらのセンサが設置される配置は、当技術分野ではよく理解されることであろうが、所望の応答時間およびその他の要因によって変化させることができる。
【００３０】
給気は、従来の方式で燃焼室（図示せず）から従来の弁（図示せず）を通って入り、排気ガスは、燃焼室を従来の弁（図示せず）を通って出て、排気マニホルド２４を通ってエンジン２２を出ていく。排気粒子状物質捕集酸化剤５４は任意の粒子状物質放出物を除去し、触媒５１は残留した燃料および一酸化炭素を酸化する。回転数センサ３２により、エンジン回転数が制御器２６に提供される。
【００３１】
本発明の操作方法に関して、最適なブーストレベル、および最適な吸入給気酸素濃度（またはその所望の範囲）、ならびに、エンジンが作動するよう規定される以上の各回転数と負荷とに対する所望の燃料比を規定して、局部的な燃焼温度を著しいＮＯｘ生成レベル以下に維持するために、マップが設けられて制御器２６に保存されるのが好ましい。ブーストおよび燃料の調整は、エンジン運転条件、例えば運転者の出力要求（例えば加速）の増加における過渡状態の変化に対応するように調和される。
【００３２】
具体的には、開ループ操作に関して、制御器２６は、ペダルセンサ３３からのトルク命令と、回転数センサ３２からの実際のエンジン回転数とを読み取る。増加したトルク命令に関して、制御器２６は、ＥＧＲ制御弁１２’に、所望の吸入給気および排気酸素濃度を達成するのに適切な、保存済みマップからの位置になるよう命令する。制御器２６は、圧縮機モータ２７（また、必要ならば圧縮機モータ２８）に、計測されたエンジン回転数の命令されたトルクに関連して、ブースト圧レベルを保存済みマップから新しい目標まで増加するよう命令する。制御器２６は、センサ３１から実際のブーストレベルと、センサ３０から実際の吸入給気温度とを読み取り、保存済みマップから適切な燃料比を命令する。
【００３３】
あるいは、より正確なエンジン制御に関して、閉ループの制御ループを利用することができる。センサ２５から排気酸素濃度を読み取ることができ、および／または、センサ２５’から吸入給気酸素濃度を読み取ることができるので、制御器２６は、実際の、または計算された（すなわち測定された）給気酸素濃度を実際の運転点にとって（保存済みマップからの）所望のレベルと比較し、ＥＧＲ制御弁１２’に目標酸素濃度を達成するために調整を命令する。センサ３１からの実際のブーストレベルは、制御器２６により、保存済みマップ、および、必要に応じて目標ブーストレベルを達成するように調整されたモータ２７、２８からの所望のレベルと比較することができる。同様に、適宜、センサ３０からの実際の吸入給気温度は、制御器２６により、保存済みマップ、および必要に応じてこのような所望の給気温度を達成するように調整された冷却器２０のバイパス制御弁６１からの所望の温度と比較することもできる。燃料流量は、実際の示度（燃料流量センサは図示せず）に基づいて、目標燃料比を達成するように調整することもできる。
【００３４】
制御システムが開ループによってであろうと閉ループによってであろうと、本発明において前記調整を行う際のステップの好ましい順序としては、（必要であれば、結果として生じる給気酸素濃度が所望の範囲内にあるということを確認するために）ＥＧＲ制御弁の調整が一番にくる。続いてターボ過給の調整が、その次に、測定された即時のブースト圧と両立する燃料供給の調整（吸入給気温度を考慮して）がくる。しかし、上述のように、順序において最も重要なことは、燃料供給率の任意の増加が、先行技術のディーゼル機関において行われるようにブーストに先行するのではなく、ブースト圧の同時の増加を待つ、あるいはこれと共に続く（すなわちこれにより束縛される）ということである。これは、先に検討したように、一時的な燃料レベルが所望の燃料／酸素比を上回り、結果として生じるＰＭレベルが増加することを回避するためである。ブーストおよびＥＧＲ流量が増加する間、システムは、燃料が最小限の燃料増加量およびより長い先行時間でブーストに先行し、燃料／酸素レベルの任意の著しい一時的な燃料超過を回避することを容認できるように作動することが可能であり、一方で、それよりも、この問題は、燃料供給変化がブースト変化を待つように、あるいはこれに続くようにすることにより最も容易に回避することができる。
【００３５】
図２は、本発明の好ましい方法を示す流れ図を提示する。従って、図２を参照すると、ステップ１において、トルク要求が変化したかどうかがまず判断されるが、これはペダルセンサ３３からのトルク命令（および回転数センサ３２からの実際のエンジン回転数）を読み取る制御器２６により実行される。トルク要求が変化した場合、制御器２６はＥＧＲ制御弁１２’の適切な調整を命令して、ＥＧＲ質量流量を増加（ステップ２）あるいは低減（ステップ２’）し、それぞれ所望のレベルに向けて吸入給気酸素濃度を調整する。ステップ３または３’では、吸気（または給気）酸素濃度が、センサ２５’から読み取られるものとして、または先行技術においてよく知られた他のセンサおよび計算手段により測定される。次に、制御器２６が、即時の測定された吸気酸素濃度を、制御器２６に保存済みマップから提供される、実際の運転点にとって所望のレベルと比較する。ステップ２、２’はステップ３、３’と共にループを生成し、これらのステップ３、３’は、吸気酸素濃度が目標酸素濃度レベルに達するまで目標レベルに向けて吸気酸素濃度を調整および比較する。
【００３６】
吸気酸素濃度が目標酸素濃度に達したということを確認後、ブースト調整が行われる。例えば、ステップ１においてトルク要求の増加が判断されると、ステップ４において制御器２６が圧縮機モータ２７に調整を命令し、（必要ならば、）計測されたエンジン回転数で、命令されたトルクに関連する保存済みマップから制御器２６に提供された目標に向かってブースト圧レベルを増加することを圧縮機モータ２８に命令する。同様に、ステップ１においてトルク要求の減少が判断されると、ステップ４’において制御器２６が圧縮機モータ２７に調整を命令し、（必要ならば、）計測されたエンジン回転数で、命令されたトルクに関連する保存済みマップから制御器２６に提供された目標に向かってブースト圧レベルを低減することを圧縮機モータ２８に命令する。あるいは、迅速なトルク低減命令に関して、燃料比低減は、ブーストおよびＥＧＲ率低減よりも速く進めることができる。というのも、超過の給気質量が生じ、またＮＯｘ生成がさらに低下するからである。いずれの場合も、次にステップ６では、センサ３１からの実際のブーストレベルが検知されて、制御器２６により、保存済みマップからの所望のブーストレベルと比較される。
【００３７】
上記のブースト調整完了後すぐに、ステップ７において制御器２６が適切な燃料要求を判断し、測定されたブースト圧を合致させる。次にステップ８において、直接シリンダ燃料インジェクタ２３によりシリンダ内へ燃料が噴射される。その後、ステップ９において、燃料比またはブーストレベルに基づいてトルク出力を測定することができる。そして、現在のトルク出力を現在トルク要求と比較することができ（ステップ１でのように）、ループが反復し、必要に応じて現在のトルク要求に適合する。
【００３８】
図２で開示した方法の代替の方法を図３において提示し検討する。
【００３９】
図３。図３において提示されている方法は、図２で提示された好ましい方法において示すのと同じステップ１〜９に従うが、順序が異なる。図３に提示した代替の方法における図２との主な相違は、トルク要求が変化するとすぐに、ＥＧＲ質量流量ではなくブーストレベルがまず調整されるということである。一方で、制御器のループがブーストまたはＥＧＲシステムの応答特性よりもずっと速いことから、両図において基本的にブーストレベルおよびＥＧＲレベルが共に調整されるということに留意されるべきである。そうでない場合、この方法の残りは図２における好ましい方法と同じままである。したがって、図３に提示される方法では、ステップ１においてトルク要求の増加または低減が検知されるとすぐに、ステップ４（または４’）における、ブーストの対応する増加または低減がすぐに続く。ステップ６において実際のブーストが測定される。次に、ステップ７および８において、即時のブーストに対応する燃料が噴射される。これらの実施形態のそれぞれに関して、対応する密度変化用に修正するために、燃料供給と即時のブーストレベルとの合致は給気温度を考慮している。好ましくは、各負荷（すなわちブーストレベル）に関して、給気温度が目標温度に制御される。
【００４０】
次に、ステップ３において吸気酸素濃度が測定され、ＥＧＲ流量の調整をもたらす（それぞれ、ステップ２での増加により、またはステップ２’での減少により）。その後、目標酸素濃度範囲内になるように、その所定の時間の間に吸入給気酸素濃度が測定される。そして、トルクが測定され、運転者要求と比較される。その後、ステップ９において示すように、帰還ループが続く。
【００４１】
さらに、時々、所望の給気酸素濃度を得るという付加的な考慮を配慮するのが必要となることがある。例えば、給気混合ではなく周囲空気のみの圧縮によりブーストが提供される高圧ＥＧＲシステムを使用する場合、ブーストの調整は結果として生じる給気酸素濃度の差異を引き起こすことになる。例えばブースト変化がＥＧＲ流量変化に先んじるように許容され、また、ブースト調整によって結果として生じる給気酸素濃度の差異が増大するという結果になる場合、低圧ＥＧＲシステムでも同じような状況が存在し得る。
【００４２】
この付加的な難題は、運転者によるいっそうのトルク要求の存在する状況を提供することにより、より具体的に示すことができる。このような場合、エンジン負荷の増加により、燃焼させるべきより多量の燃料が必要となる。先に検討したように、燃焼温度を制御されたレベルで維持するためには、Ｃｖを燃料量の増加に比例して増加しなければならない。すなわち、ブースト圧の吸入給気を増加させることにより、Ｍが比例的に増加しなければならない。一方で、シリンダ内に取り込まれる給気の容量は一定のままであることから、対応する給気密度の増加は、これが周囲空気を単に（または偏って）圧縮することによって満たされる場合には、燃焼シリンダ内に取り込まれる酸素の総モルと酸素濃度の両方の増加を生じる。したがって、ブースト圧の増加により、シリンダ内に取り込まれるべき給気の酸素濃度レベルが所望の濃度範囲外でドリフトすることがある。結果として生じる問題とは、吸入給気が内部燃焼温度を制御するのに必要な密度（ブースト）の修正を損なうことなく、酸素濃度レベルの制御をどのように継続するかということである。
【００４３】
この難題は、エンジンに再循環される排気ガスの質量流量を変化させることを介して、酸素濃度の付加的な打ち消し調整によるブースト圧の増加または低減により生じる差異の酸素濃度への影響を先取りまたは相殺することにより対処することができる。換言すれば、ブーストの変化に比例するＥＧＲ調整に加えて、付加的な増分を調整し、ブースト調整で生じると予想される酸素濃度の変化量を補償することにより、ＥＧＲ制御弁１２’を調整することができる。これにより、ブーストおよび吸気流量が対応かつ対抗しながら増加することが可能となって給気酸素濃度が所望のレベルへ元のように増加し、ブーストおよび給気密度の増加により、燃焼温度を上昇させることなく、燃料供給が、運転者のいっそうのトルク要求に応答して増大することが可能となる。
【００４４】
以上から、本明細書で本発明の具体的な実施形態が説明されたが、様々な変更態様を、本発明の精神および範囲から逸脱することなく行うことができるということも理解されよう。従って、本明細書に提示された実施形態は、説明のためのものであり制限するものではなく、本発明の範囲は、本明細書に添付される請求項によってのみ限定されるものとして示されると見なされるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】図１は、本発明の燃焼システムの好ましい実施形態の略図である。
【図２】図２は、本発明の好ましい方法の流れ図である。
【図３】図３は、本発明の代替の方法の流れ図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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