(57)【要約】  圧縮着火エンジン（１０）は、データを処理するための制御システム（３２）と、１つ又はそれ以上の燃焼室（１２）と、燃焼室内に燃料を噴射するための燃料インジェクタ（３０）とを有する。制御システムは、エンジン速度及びエンジン負荷のような特定のデータの処理結果を用いて燃料供給を制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンサイクルの間に過給式圧縮着火エンジンを作動させる方法であって、
ＴＤＣ前にエンジンシリンダ内に、前記エンジンの過給器のタービンの下流側の前記エンジンの排気システムから取得した再循環エンジン排気ガスと吸入空気と燃料とを含む給気を形成するステップと、
ＴＤＣ又はＴＤＣ付近での自己着火まで前記給気を圧縮するステップと、
ＴＤＣ後でありかつ前記自己着火した給気の燃焼が完了する前に、前記シリンダ内に付加的燃料を導入して燃焼を継続させるステップと、備えている、
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記過給器のタービンの下流側の前記エンジンの排気システムから取得した再循環エンジン排気ガスが、該過給器のコンプレッサの上流側の前記エンジンの吸気システム内に導入される、
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記再循環エンジン排気ガスが、前記タービンの下流側の前記排気システム内の排気ガス処理装置の下流側で取得される、
請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記再循環エンジン排気ガスが、前記タービンの下流側の前記排気システム内のディーゼル微粒子フィルタの下流側で取得される、
請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記再循環エンジン排気ガスが、前記ディーゼル微粒子フィルタの下流側から該再循環排気ガスを冷却する冷却器を通り、次に前記エンジンのエンジン制御システムによって制御されるＥＧＲ弁を通って流れるようにされる、
請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記給気を形成するステップが、ＴＤＣ前の少なくとも１０°において前記シリンダ内への前記第１段階燃料の導入を終了するステップを含む、
請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記給気を形成するステップが、エンジン速度データのデータ値及びエンジン負荷データのデータ値に相関した給気データのデータ値を含む１つ又はそれ以上のマップに従ってエンジン速度データ及びエンジン負荷データを処理するステップを含む、
請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記シリンダ内に付加的燃料を導入して燃焼を継続させるステップが、エンジン速度データのデータ値及びエンジン負荷データのデータ値に相関した付加的燃料データのデータ値を含む１つ又はそれ以上のマップに従ってエンジン速度データ及びエンジン負荷データを処理するステップを含む、
請求項１に記載の方法。
【請求項９】
その内部で燃焼が発生して該エンジンを作動させるエンジンシリンダと、
それを通して吸入空気がシリンダ内に導入される吸気システムと、
それを通して前記エンジンシリンダからの燃焼生成物が排出される排気システムと、
前記排気システム内のタービン及び前記吸気システム内のコンプレッサを有する過給器と、
前記シリンダに燃料供給するための燃料供給システムと、
前記タービンの下流側の前記排気システム内の位置から前記コンプレッサの上流側の前記吸気システム内の位置まで排気ガスを運ぶための排気ガス再循環回路と、
前記燃料供給システムを含む該エンジンを制御して、エンジンサイクルの間にＴＤＣ前に前記エンジンシリンダ内に前記排気ガス再循環回路からの再循環エンジン排気ガスと前記コンプレッサによって前記吸気システム内に引き込まれた吸入空気と燃料とを含む給気を形成し、前記給気をＴＤＣ又はＴＤＣ付近での自己着火まで圧縮し、またＴＤＣ後でありかつ前記自己着火した給気の燃焼が完了する前に前記シリンダ内に付加的燃料を導入して燃焼を継続させるようにするためのプロセッサベースのエンジン制御システムと、備えている、
ことを特徴とする過給式圧縮着火エンジン。
【請求項１０】
前記排気ガス再循環回路が、前記タービンの下流側の前記排気システム内の排気ガス処理装置の下流側に開始位置を有する、
請求項９に記載のエンジン。
【請求項１１】
前記排気ガス処理装置が、ディーゼル微粒子フィルタを含む、
請求項１０に記載のエンジン。
【請求項１２】
前記排気ガス再循環回路が、再循環排気ガスを冷却する冷却器と、それに続く前記エンジン制御システムによって制御されるＥＧＲ弁とを含む、
請求項１１に記載のエンジン。
【請求項１３】
前記エンジン制御システムが、前記燃料供給システムがＴＤＣ前の少なくとも１０°において前記シリンダ内への前記第１段階燃料の導入を終了するようにさせる、
請求項９に記載のエンジン。
【請求項１４】
前記エンジン制御システムが、エンジン速度データのデータ値及びエンジン負荷データのデータ値に相関した給気データのデータ値を含む１つ又はそれ以上のマップを含み、前記マップに従ってエンジン速度データ及びエンジン負荷データを処理することによって前記給気の形成を制御する、
請求項９に記載のエンジン。
【請求項１５】
前記エンジン制御システムが、エンジン速度データのデータ値及びエンジン負荷データのデータ値に相関した付加的燃料のデータ値を含む１つ又はそれ以上のマップを含み、前記マップに従ってエンジン速度データ及びエンジン負荷データを処理することによって燃焼を継続させるための前記シリンダ内への付加的燃料の導入を制御する、
請求項９に記載のエンジン。
【請求項１６】
過給式圧縮着火エンジンにおける排気管エミッション制御のためのシステムであって、
エンジンサイクルの間にＴＤＣ前にエンジンシリンダ内に、大気と前記エンジンを過給する過給器との間の該エンジンに関連する低圧排気ガス再循環ループによって供給された再循環エンジン排気ガスと前記過給器によって前記エンジン内に引き込まれた吸入空気と前記シリンダ内に噴射された燃料とを含む給気を形成する給気形成機能と、
ＴＤＣ又はＴＤＣ付近で前記給気の自己着火を引き起こす自己着火機能と、
ＴＤＣ後であるが前記自己着火した給気の燃焼が完了する前に前記シリンダ内に付加的燃料を導入して燃焼を延長するようにするＴＤＣ後燃焼延長機能と、を備えている、
ことを特徴とするシステム。
【請求項１７】
エンジン速度データのデータ値及びエンジン負荷データのデータ値に相関した給気データのデータ値を含み、それに従ってエンジン速度データ及びエンジン負荷データを処理することによって前記給気の形成を制御するようになった１つ又はそれ以上のマップを備えている、
請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
エンジン速度データのデータ値及びエンジン負荷データのデータ値に相関した付加的燃料のデータ値を含み、それに従ってエンジン速度データ及びエンジン負荷データを処理することによって燃焼を継続させるための前記シリンダ内への付加的燃料の導入を制御するようになった１つ又はそれ以上の付加的マップを備えている、
請求項１７に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概略的には、内燃エンジン、詳細には、代替燃焼プロセスによって作動する圧縮着火（すなわち、ディーゼル）エンジンに関する。より具体的には、本発明は、幾らかの燃料供給が上死点（ＴＤＣ）前に行われ、また付加的燃料供給がＴＤＣ後に行われる２段階燃料供給プロセスと共に低圧ＥＧＲ（排気ガス再循環）ループの使用によって、そのようなエンジンからの排気管エミッションを低減する戦略に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＨＣＣＩ（予混合圧縮着火）は、エンジンサイクルの圧縮上昇行程中にエンジンシリンダ内部に実質的に均質な空気−燃料給気を形成するようにディーゼルエンジンに燃料供給する良く知られたプロセスである。所望量の給気用燃料がシリンダ内に噴射し略均質な空気−燃料混合気を形成した後に、上昇行程中のピストンによって給気の圧縮が増大することにより、ＴＤＣ付近又はＴＤＣでの給気の自己着火を引き起こすのに十分に大きな圧力が形成される。自己着火は、混合気内の様々な位置で気化燃料の実質的に同時に起こる自然燃焼として発生させることがある。
【０００３】
ＨＣＣＩの特性の１つは、比較的リーンなすなわち希薄な混合気を、燃焼温度を比較的低く保った状態で燃焼させることができることである。比較的高い燃焼温度の発生を回避することによって、ＨＣＣＩでは、エンジン排気ガスの望ましくない成分であるＮＯｘの発生を大幅に低減させることができる。
【０００４】
ＨＣＣＩのもう１つの特性は、実質的に均質は空気−燃料給気の自己着火により、より完全な燃焼が発生し、その結果エンジン排気内での煤煙の発生が比較的少ないことである。
従って、排気管エミッションを低減することに関するＨＣＣＩの利点がむしろ重要であり、その結果、ＨＣＣＩは、エンジン開発及び設計集団の多くの科学者及び技術者による盛んな調査及び開発の対象である。
【０００５】
ＨＣＣＩは、圧縮着火エンジンの幾つかの代替燃焼プロセスの１つと考えることができる。代替燃焼プロセスと考えることができるその他のプロセスには、制御自己着火（ＣＡＩ）、希釈制御燃焼システム（ＤＣＣＳ）、及び高度予混合燃焼システム（ＨＰＣＳ）が含まれる。
【０００６】
代替燃焼システム又はプロセスがどんな名称で呼ばれようと、共通の特性は、何らかの方法でＴＤＣのかなり前に燃料がシリンダ内に導入されて、ＴＤＣ付近又はＴＤＣで自己着火が発生するまで次第に圧縮される空気−燃料給気を形成することである。
【０００７】
そのような代替プロセスがあらゆる特定のエンジンのエンジンの全作動範囲にわたっては適当でない場合には、エンジンは、伝統的な従来型のディーゼル法で燃料供給することができ、この従来型のディーゼル法では、燃料がシリンダ内に噴射されると一般的に空気が最大限に圧縮された上死点の極めて近くで又は上死点で燃料の即時着火を引き起こす点まで吸入空気が圧縮される。
【０００８】
エンジンの全作動範囲にわたるエンジンサイクルの間に異なる噴射圧力で、異なる時点でまた異なる継続時間で燃料を噴射することができる正確さで燃料噴射を制御可能なプロセッサ制御燃料噴射システムを使用する場合には、ディーゼルエンジンは、代替燃焼プロセス及び／又は従来型のディーゼル燃焼によって作動させることが可能になる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
自動車を駆動するディーゼルエンジンは、エンジン作動に影響を与える車両及びエンジンの両方への様々な入力に応じて決まる異なった速度及び負荷で作動するので、燃料供給条件は、速度及び負荷の変化につれて変化する。関連する処理システムは、エンジン速度及びエンジン負荷などのパラメータを示すデータを処理して、特定の作動条件に対する所望のエンジン燃料供給を設定するための制御データを作成し、この制御データが、エンジン速度及びエンジン負荷の様々な組合せに対する燃料噴射システムの適正な制御を保証することになる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
簡潔に言うとは、本発明は、第１段階の燃料供給がＴＤＣ前に発生しまた第２段階がＴＤＣ後に発生する２段階燃料供給プロセスと共に低圧ＥＧＲループの使用により、排気管エミッション、特にＮＯｘ及びＤＰＭ（ディーゼル微粒子状物質又は煤煙）を低減するための代替ディーゼル燃焼プロセスによって作動するディーゼルエンジン、並びにそのようなエンジンにおけるシステム及び方法に関する。ＴＤＣ前の第１段階燃料供給は、ＴＤＣ又はＴＤＣ付近での自己着火まで圧縮される燃料−空気混合気を形成するように燃料を導入する代替ディーゼル燃焼戦略に従って実行される。ＴＤＣ後の第２段階燃料供給は、第１段階燃料供給によって形成された混合気の自己着火により生じた特定の燃焼生成物を燃焼させるのに役立つ。
【００１１】
比較的大量の低圧排気ガスが、排気管からエンジン吸気システムに再循環される。再循環排気ガスの構成成分は、吸入空気が同伴する該吸入空気の構成成分よりもより大きな質量を有するので、エンジン内への質量流量は、たとえ僅かな質量流量だけであるとしてもある程度増加することになる。しかし、質量の増加は、燃焼温度をある程度に制限するのに役立てることができる。つまり、たとえ追加質量がエンジン内への総質量流量をごく僅かな割合だけ増加させるとしても、追加質量は、燃焼温度の制限に幾らかの影響を与え、従ってシリンダ内のＮＯｘの発生を減少させる上での利点を有することができる。
本発明の戦略は、プロセッサによって反復して実行されるプログラムアルゴリズムとしてエンジン制御システム内に具現化することができる。
【００１２】
本発明の１つの一般的態様は、エンジンサイクルの間にターボターボ過給式圧縮着火エンジンを作動させる方法に関する。本方法は、ＴＤＣ前にエンジンシリンダ内に、エンジンのターボ過給器のタービンの下流側のエンジンの排気システムから取得した再循環エンジン排気ガスを含む給気を形成するステップを含む。給気はさらに、エンジン吸気システムを通して引き込まれた吸入空気とディーゼル燃料とを含む。
給気は、ＴＤＣ又はＴＤＣ付近での自己着火まで圧縮される。ＴＤＣ後でありかつ自己着火した給気の燃焼が完了する前に、付加的燃料がシリンダ内に導入されて燃焼を継続さる。
【００１３】
本発明の別の一般的態様は、ターボ過給式圧縮着火エンジンに関し、本ターボ過給式圧縮着火エンジンは、その内部で燃焼が発生して該エンジンを作動させるエンジンシリンダと、それを通して吸入空気がシリンダ内に導入される吸気システムと、それを通してエンジンシリンダからの燃焼生成物が排出される排気システムとを有する。そのタービンが排気システム内に位置しまたそのコンプレッサが吸気システム内に位置したターボ過給器が、エンジンをターボ過給する。燃料供給システムは、シリンダに燃料供給する。排気ガス再循環回路は、タービンの下流側の排気システム内の位置からコンプレッサの上流側の吸気システム内の位置まで排気ガスを運ぶ。
【００１４】
プロセッサベースのエンジン制御システムは、燃料供給システムを含むエンジンを制御して、エンジンサイクルの間にＴＤＣ前にエンジンシリンダ内に排気ガス再循環回路からの再循環エンジン排気ガスとコンプレッサによって吸気システム内に引き込まれた吸入空気と燃料とを含む給気を形成する。これらの成分は、給気を形成し、給気は、ＴＤＣ又はＴＤＣ付近での自己着火まで圧縮される。ＴＤＣ後であるが自己着火した給気の燃焼が完了する前に、付加的燃料がシリンダ内に導入されて燃焼を継続させる。
【００１５】
給気の形成及び付加的燃料を制御するために処理される特定のデータは、エンジン速度データ及びエンジン負荷データを含む。
本発明はまた、ターボ過給式圧縮着火エンジンにおける排気管エミッション制御のためのシステムに関する。本システムは、給気形成機能と、自己着火機能と、ＴＤＣ後燃焼延長機能とを含む。
【００１６】
給気形成機能は、エンジンサイクルの間にＴＤＣ前にエンジンシリンダ内に、大気とエンジンをターボ過給するターボ過給器との間に位置した低圧排気ガス再循環ループによって供給された再循環エンジン排気ガスとターボ過給器によってエンジン内に引き込まれた吸入空気とシリンダ内に噴射された燃料とを含む給気を形成する。
【００１７】
自己着火機能は、ＴＤＣ又はＴＤＣ付近で自己着火を引き起こす。
ＴＤＣ後燃焼延長機能は、ＴＤＣ後であるが自己着火した給気の燃焼が完了する前にシリンダ内に付加的燃料を導入して燃焼を延長させるのに有効である。
【００１８】
本発明の更なる特徴及び利点と共に上記のことは、本発明を実施するのに現時点で考えられる最良の形態を示す本発明の現時点での好ましい実施形態の以下の開示において分かるであろう。本明細書は、図面の簡単な説明の項に説明したような図面を含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１は、自動車に動力を供給するための本発明の戦略に従って作動する例示的なターボ過給式ディーゼルエンジン１０の一部分を概略的に示す。エンジン１０は、内部でピストンが往復運動するシリンダ１２を含む。各ピストンは、対応するコネクティングロッドによってクランクシャフトのそれぞれのスローに連結される。エンジン１０はさらに、吸気システム１４と排気システム１６とを含む。ターボ過給は、吸気システム１４内のコンプレッサ２２を作動させるタービン２０を排気システム１６内に有するターボ過給器１８によって行われる。
【００２０】
吸気システム１４はさらに、吸気システム１４内に引き込まれかつコンプレッサ２２によって圧縮された吸入空気を冷却するための、コンプレッサ２２の下流側に位置したインタークーラ２４を含む。吸入空気は、インタークーラ２４から、シリンダ１２につながったエンジン吸気マニホルド２６内に導入される。吸入空気は、エンジンサイクルの間にそれぞれの吸気弁が開いたとき各シリンダに流入する。
【００２１】
エンジン１０はさらに、シリンダ１２用の燃料インジェクタ３０を含む燃料供給システム２８を含む。エンジンはまた、様々なソースからのデータを処理してエンジン作動の様々な態様を制御するための様々な制御データを開発するプロセッサベースのエンジン制御システム又はユニット（ＥＣＵ）３２を有する。ＥＣＵ３２によって処理されるデータは、様々なセンサ３４のような外部ソースに由来するもの及び／又は内部で生成したものとすることができる。処理されるデータの実施例には、エンジン速度、吸気マニホルド圧力、排気マニホルド圧力、燃料噴射圧力、燃料供給量及びタイミング、質量空気流量、並びに加速器ペダル位置を含むことができるが、本発明の実施においてデータを処理するあらゆる特定のアルゴリズムは、これらの列挙したパラメータの全てについて必ずしもデータを処理する必要はない。しかしながら、一般的に、エンジン速度データとエンジン負荷を示す１つ又は複数のパラメータとは処理される。
【００２２】
エンジン１０はさらに、排気システム１６と吸気システム１４との間にＥＧＲ回路又はループ３６を含む。回路３６は、該回路がタービン２０の下流側で始まるので、低圧ＥＧＲを供給する。この実施形態では、ＤＰＦ（ディーゼル微粒子フィルタ）３８がタービン２０の下流側の排気システム内に配置され、そのため回路３６を通って再循環される排気ガスは、ＤＰＦ３８によって処理された排気ガスである。
【００２３】
回路３６は、再循環排気ガスが該回路３６に流入した後にそれを通って流れるＥＧＲ冷却器４０を含む。冷却ガスの吸気システム１４への再循環は、それ自体がＥＣＵ３２の制御下にあるＥＧＲ弁４２によって制御される。弁４２を通って流れることができる冷却再循環排気ガスは、コンプレッサ２２の上流側の吸気システム１４に流入する。
【００２４】
ＥＣＵ３２は、燃料インジェクタ３０の作動制御を含む、燃料供給システム２８の作動を制御することによってエンジン燃料供給を制御する。ＥＣＵ３２内に具現化された処理システムは、リアルタイムに装置作動のタイミング及び継続時間を算出してシリンダ内への燃料の各噴射のタイミング及び量の両方を設定するのに十分な速さでデータを処理することができる。本発明の実施では、そのような制御機能を使用して、代替ディーゼル燃焼プロセスを特徴とする低温燃焼（冷炎）を行う燃料制御戦略を実行するようにする。この燃料制御戦略は、ＴＤＣ前の第１段階燃料供給の間にシリンダに燃料供給し、またＴＤＣ後であるが第１段階燃料供給の自己着火により生じた燃焼が完了する前の第２段階燃料供給の間に再びシリンダに燃料供給する。低圧ＥＧＲループと組合せると、この戦略は、ディーゼルエンジンによって動力を供給される自動車からの排気管エミッションにおけるＮＯｘ（窒素酸化物）及びＤＰＭ（微粒子状物質）の低減のための特定の要件との整合性を達成するのに有用であると思われる。
【００２５】
エンジン１０が作動すると、コンプレッサ２２は、外気及び低圧再循環排気ガスを吸気システム１４内に引き込み、熱を抽出して温度を低下させるインタークーラ２４を通して吸気マニホルド２６内にそのブースト流を強制的に流す。幾らかの排気ガスを同伴した吸入空気は、それぞれの吸気弁が開くと、各エンジンシリンダ１２に流入する。
【００２６】
ディーゼル燃料は、ＥＣＵ３２によってもたらされた制御に従って各シリンダ１２内に噴射されて第１段階燃料供給を実行する。噴射された燃料は、各シリンダ内で気化しかつ吸入空気と混合する。噴射のタイミングは、空気と燃料との良質の混合を得るようにＴＤＣのかなり前で発生する。空気、燃料及び幾らかの再循環排気ガスの混合気は次に、ＴＤＣ又はＴＤＣ付近での自己着火まで次第に圧縮される。シリンダ内への第１段階燃料の導入をＴＤＣ前の少なくとも１０°において終了させることが、優れた実施法であると考えられる。燃料は燃焼し、シリンダ内のガス圧力を増加させ、次の出力工程の間にピストンを下方に押下げて、エンジンクランクシャフトにトルクを伝える。
【００２７】
出力工程の後に、シリンダの排出弁が開き、燃焼により生じた排気ガスは排気マニホルド４４に流入し、排気マニホルド４４は、排気ガスをタービン２０の入口に流す。高温かつ高圧排気ガスはターボ過給器を駆動し、次にタービンからの流出流がＤＰＦ３８によって処理される。処理された排気ガスの一部はＥＧＲ回路３６に流入し、その残部は大気に流れる。
【００２８】
燃料噴射は、２段階で発生する。第１の燃料噴射段階（図２のＦＩＳ１）は、ＴＤＣ又はＴＤＣ付近で自己着火が始まる前に、空気−燃料混合気をより完全に予混合するためにＴＤＣのかなり前で開始かつ終了するように制御される。良好に予混合した空気−燃料混合気の燃焼は、ガソリンエンジンのように微粒子エミッションの放出が非常に少ない。低圧ＥＧＲループ３６から得られる比較的大量の排気ガスは、シリンダ内の給気の熱容量を増加させて、ＮＯｘエミッションの発生が非常に低い傾向にある低温燃焼をもたらす。結果的に、非常に低いＤＰＭエミッション及び非常に低いＮＯｘエミッションは、第１段階燃焼に起因する。
【００２９】
第２の燃料噴射段階（図２のＦＩＳ２）は、ＴＤＣ後に第１段階燃焼が終了に近づいたときに開始する。第２段階燃焼が開始したときのシリンダ内の下降工程中のピストンの加速及び高いＥＧＲ率により、シリンダ内の温度は、従来型のディーゼル燃焼におけるよりも低くすることができ、その結果として低ＮＯｘエミッションが得られる。第２段階燃焼はまた、微粒子エミッションを低減するのにも役立ち、加えて、第１段階燃料噴射の開始におけるＴＤＣ前のほぼ４０°〜１５０°のクランク角の範囲内で発生する非常に早期の燃料噴射のために、不完全な第１段階燃焼により生じる可能性があるＨＣ及びＣＯの大部分を燃やし尽くすことができる。
【００３０】
本発明は、全エンジン作動条件範囲にわたって有効なものとすることができる。全ての群の燃料噴射マップが、エンジンテストから開発され、ＥＣＵ３２のメモリ内に記憶される。一般的に、ＥＣＵからの対応する燃料噴射マップが、所定のエンジン速度及びエンジン負荷に対して実行される。図２は、一般的マップを表す。さらに、各燃料噴射段階は、その各々がそれ自体の噴射タイミング及び継続時間を有する複数の燃料噴射事象を有することができる。しかしながら、幾つかの偶発的な極限状態において、２つの燃料噴射段階のいずれかがゼロ燃料噴射事象となる場合があり、その結果として単一段階燃焼のみを生じることになるが、その場合でも低温燃焼は依然として維持されることを指摘しておきたい。
【００３１】
本発明は、大型車両用、普通車両用及び軽量車両用ディーゼルエンジンに用いることができ、高い熱効率を得ることができる。
本発明の現時点での好ましい実施形態を図示しかつ説明してきたが、本発明の原理は、提出した特許請求の範囲の技術的範囲内に属する全ての実施形態に適用されることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の原理に関連する、例示的なディーゼルエンジンの一部分の概略図である。
【図２】本発明による燃料供給の典型的なグラフである。
【図１】
2008516145.tif 000003
【図２】
2008516145.tif 000004
【国際調査報告】
2008516145.tif 000005