(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ユニフロー掃気式の２ストロークサイクル対向ピストンエンジンであって、
孔と、軸方向に離間された排気ポートおよび吸気ポートと、前記孔内に対向して配設され、前記エンジンの作動中、前記排気ポートおよび吸気ポートを開閉するように作動するピストンの対とを備えた少なくとも１つのシリンダを備え、
前記対向ピストンエンジンには、空気処理システムが備えられ、
前記空気処理システムは、
給気を吸気ポートに提供するための給気チャネルと、
排気ポートから排気ガスを受け入れるための排気チャネルと、
前記給気チャネル内で給気を圧送するように作動可能であるスーパチャージャと、
前記排気チャネルに結合された入力部と、前記給気チャネルに結合された出力部とを有する排気ガス再循環（ＥＧＲ）チャネルと、を備え、
前記対向ピストンエンジンは、吸気マニホールド圧力制御装置、ＥＧＲ制御装置、及び、空気流制御装置を有する空気処理システム制御機構をさらに含み、
前記空気処理システム制御機構は、
前記少なくとも１つのシリンダ内の捕捉状態に対する複数の空気処理システムの作動設定点を決定し、
前記少なくとも１つのシリンダの外部の前記空気処理システムの複数の作動状態（外部空気処理状態）を決定し、
前記作動設定点を前記外部空気処理状態に応答して変更し、
前記変更された作動設定点に基づいて、前記給気チャネル内の吸気マニホールド圧力、前記ＥＧＲチャネル内のＥＧＲ流、および前記排気チャネル内の背圧を調整することを特徴とする、ユニフロー掃気式の２ストロークサイクル対向ピストンエンジン。
【請求項２】
前記空気処理システム制御機構が、前記吸気マニホールド圧力の第１の作動設定点と、前記ＥＧＲ流の第２の作動設定点と、前記背圧の第３の作動設定点とを決定するように作動可能である、請求項１に記載のユニフロー掃気式の２ストロークサイクル対向ピストンエンジン。
【請求項３】
前記捕捉状態が、捕捉ラムダ、捕捉既燃ガス留分、および捕捉温度を含む、請求項２に記載のユニフロー掃気式の２ストロークサイクル対向ピストンエンジン。
【請求項４】
前記空気処理システム制御機構が、さらに、前記作動設定点を変更されたエンジン作動状態に応答して修正するように作動可能である、請求項２に記載のユニフロー掃気式の２ストロークサイクル対向ピストンエンジン。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の  １つまたは複数のポート付きシリンダ、スーパチャージャ、及び、請求項１〜４のいずれか一項に記載の空気処理システムが装備された対向ピストンエンジンを作動させる方法であって、
前記エンジンの少なくとも１つのポート付きシリンダ内で排気ガスを生成することと、
排気ガスを前記ポート付きシリンダの排気ポートから排気チャネルを通って輸送することと、
前記排気ガスの一部分を前記排気チャネルからＥＧＲチャネルを通って再循環させることと、
新鮮な空気を給気チャネル内で加圧することと、
前記ＥＧＲチャネルからの再循環された排気ガスを前記加圧された新鮮な空気と混合して給気を生成することと、
前記給気をスーパチャージャによって加圧することと、
前記加圧された給気を前記ポート付きシリンダの吸気ポートに提供することと、
捕捉シリンダ内給気組成物を制御することであって、
前記少なくとも１つのシリンダ内の捕捉状態に対する複数の空気処理システムの作動設定点を決定すること、
複数の外部空気処理状態を決定すること、
前記作動設定点を前記外部空気処理状態に応答して変更すること、及び、
前記変更された作動設定点に基づいて、前記給気チャネル内の吸気マニホールド圧力、前記ＥＧＲチャネル内のＥＧＲ流、および前記排気チャネル内の背圧を調整することによって、捕捉シリンダ内給気組成物を制御することと、
を含む、方法。
【請求項６】
複数の空気処理システムの作動設定点を決定することが、前記吸気マニホールド圧力の第１の作動設定点を決定することと、前記ＥＧＲ流の第２の作動設定点を決定することと、前記背圧の第３の作動設定点を決定することとを含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記捕捉状態が、捕捉ラムダ、捕捉既燃ガス留分、および捕捉温度を含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記複数の空気処理システムの作動設定点を決定することが、前記作動設定点を変更されたエンジン作動状態に応答して修正することを含む、請求項５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［優先権］
本国際出願は、２０１３年８月２３日出願の米国特許出願第１３／９７４，９３５号明細書に対する優先権を主張するものである。
関連出願
【０００２】
［関連出願］
本出願は、次の本願の譲受人に譲渡された出願：２０１１年１２月１日に米国特許出願公開第２０１１／０２８９９１６号明細書として発行された、２０１１年５月１６日出願の米国特許出願第１３／０６８，６７９号明細書、２０１３年２月１９日出願のＰＣＴ出願ＵＳ２０１３／０２６７３７、２０１３年３月１日出願の米国特許出願第１３／７８２，８０２号明細書、２０１３年５月１０日出願の米国特許出願第１３／８９１，６２２号明細書、および２０１３年６月２５日出願の米国特許出願第１３／９２６，３６０号明細書のものに関連する主題を含む。
【０００３】
本分野は、２ストロークサイクル内燃エンジンである。特に、本分野は、燃焼のための加圧給気を提供し、燃焼生成物を処理する空気処理システムを備えたユニフロー掃気式対向ピストンエンジンに関する。一部の態様では、そのような空気処理システムは、燃焼温度を低下させるために、排気ガスを再循環させ、加圧給気と混合する。
【背景技術】
【０００４】
２ストロークサイクルエンジンは、クランクシャフトの単一の一回転およびクランクシャフトに連結されたピストンの２ストロークで動力サイクルを完了する内燃エンジンである。２ストロークサイクルエンジンの１つの例は、２つのピストンが、対向方向の往復運動のために各々のシリンダの孔内に対向して配設された、１つまたは複数のシリンダを備えた対向ピストンエンジンである。各々のシリンダは、長手方向に離間された入口ポートおよび排気ポートを有し、これらのポートは、シリンダのそれぞれの端部近くに配置される。シリンダ内の対向ピストンの各々は、ポートの１つを制御し、これが底部中央（ＢＣ）場所に移動するときにポートを開き、これがＢＣから上部中央（ＴＣ）場所に向かって移動するときにポートを閉じる。ポートの一方は、孔から出る燃焼生成物のための通路を提供し、他方は、給気を孔内に流入させるように働き、これらは、それぞれ、「排気」および「吸気」ポートと呼ばれる。ユニフロー掃気式対向ピストンエンジンでは、給気はその吸気ポートを通ってシリンダ内に入り、排気ガスはその排気ポートから流出し、したがって、ガスは、シリンダ内を単一方向（「ユニフロー」）、すなわち吸気ポートから排気ポートに流れる。ガスのこの流れは、「ガス交換」プロセスと称される。ガス交換プロセスは、吸気および排気ポートが開いているときのサイクルのその部分の間に起こる。エンジンの各々のシリンダに対して、ガス交換は、サイクルの最初のポート開放時に始まり、サイクルの最後のポート閉鎖時に終わる。
【０００５】
図１では、ユニフロー掃気式、２ストロークサイクル内燃エンジンは、少なくとも１つのポート付きシリンダ５０を有する対向ピストンエンジン４９によって具体化される。たとえば、エンジンは、１つのポート付きシリンダ、２つのポート付きシリンダ、３つのポート付きシリンダ、または４つまたはそれ以上のポート付きシリンダを有することができる。各々のポート付きシリンダ５０は、孔５２と、シリンダ壁内の、シリンダのそれぞれの端部近くに形成されたまたは機械加工された、長手方向に離間された排気ポート５４および吸気ポート５６とを有する。排気ポート５４および吸気ポート５６の各々は、隣接する開口部が中実ブリッジによって分離された、開口部の１つまたは複数の円周配列を含む。一部の説明では、各々の開口部は、「ポート」と称されるが、そのような「ポート」の円周配列の構造は、図１に示されるポート構造と差異はない。図示する例では、エンジン４９は、さらに、２つのクランクシャフト７１および７２を含む。排気ピシトン６０および吸気ピストン６２は、それらの端部表面６１および６３を互いに対向させて、孔５２内に摺動可能に配設される。排気ピストン６０は、クランクシャフト７１に結合され、吸気ピストンは、クランクシャフト７２に結合される。
【０００６】
ピストン６０および６２がＴＣに近づくとき、燃焼室が、ピストンの端部表面６１と６３の間の孔５２内に画定される。燃料は、シリンダ５０の側壁を貫通する開口部内に配置された少なくとも１つの燃料噴射器ノズル１００から燃焼室内に直接的に噴射される。燃料は、吸気ポート５６から孔内に流入した給気と混合する。空気燃料混合物が端部表面間で圧縮されるとき、これは、燃焼を引き起こす温度に到達する。
【０００７】
図１をさらに参照すれば、エンジン４９は、エンジン４９に提供された給気およびエンジン４９によって生成された排気ガスの輸送を管理する空気処理システム５１を含む。代表的な空気処理システム構造は、給気サブシステムおよび排気サブシステムを含む。空気処理システム５１では、給気サブシステムは、新鮮な空気を受け入れ、これを給気になるよう処理する給気源と、給気源に結合され、給気がエンジンの少なくとも１つの吸気ポートまでそこを通って輸送される給気チャネルと、エンジンの吸気ポート（複数可）への送出前に、給気（または給気を含むガスの混合物）を受け入れ、冷却するように結合された、給気チャネル内の少なくとも１つの空気冷却器とを含む。そのような冷却器は、空気対液体および／または空気対空気装置、または別の冷却装置を備えることができる。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構成要素に送出するために輸送する排気チャネルを含む。
【０００８】
さらに図１を参照すれば、空気処理システム５１は、共通シャフト１２３上で回転するタービン１２１および圧縮器１２２を備えたターボチャージャ１２０を含む。タービン１２１は、排気サブシステムに結合され、圧縮器１２２は、給気サブシステムに結合される。ターボチャージャ１２０は、排気ポート５４を退出し、直接的に排気ポート５４から、または排気ポート５４を通って出力された排気ガスを収集する排気マニホールド１２５から排気チャネル１２４に流入する排気ガスからエネルギーを抜き出す。この点において、タービン１２１は、これを通過する排気ガスによって回転させられる。これは、圧縮器１２２を回転させて、新鮮な空気を圧縮することによってこれに給気を生成させる。給気サブシステムは、スーパチャージャ１１０を含む。圧縮器１２２によって出力された給気は、給気チャネル１２６を通って冷却器１２７まで流れ、ここでこれは、スーパチャージャ１１０によって吸気ポートまで圧送される。スーパチャージャ１１０によって圧縮された給気は、冷却器１２９を通って吸気マニホールド１３０に出力され得る。この点において、各々の吸気ポート５６は、加圧された給気を吸気マニホールド１３０から受け入れる。好ましくは、複数シリンダの対向ピストンエンジンでは、吸気マニホールド１３０は、すべてのシリンダ５０の吸気ポート５６と連通する吸気プレナムから構成される。
【０００９】
一部の態様では、図１に示す空気処理システムは、排気ガスをエンジンのポート付きシリンダを通して再循環させることによって、燃焼によって生成されたＮＯｘ排出を低減するように構築され得る。再循環された排気ガスは、給気と混合されてピーク燃焼温度を低下させ、それによってＮＯｘの生成を低減する。このプロセスは、排気ガス再循環（「ＥＧＲ」）と称される。図示するＥＧＲ構造は、掃気中、ポート５４から流れる排気ガスの一部分を得て、これらをシリンダ外部のＥＧＲループを介して給気サブシステム内の新鮮な吸気空気の入来ストリーム内に輸送する。好ましくは、ＥＧＲループは、ＥＧＲチャネル１３１を含む。再循環された排気ガスは、弁１３８（この弁もまた「ＥＧＲ弁」と呼ばれる）の制御下でＥＧＲチャネル１３１を通って流れる。
【００１０】
多くの２ストロークエンジンでは、燃焼およびＥＧＲ作動は、エンジンに送出された給気量に関連付けられたさまざまな測定値に基づいて監視され最適化される。たとえば、シリンダ内の化学量論的燃焼に必要とされる給気の基準質量に対する、シリンダに送出された給気質量の比（「ラムダ」）が、エンジン作動状態の範囲にわたってＮＯＸ排出を制御するために使用される。しかし、ユニフロー掃気を有する２ストロークサイクル対向ピストンエンジンでは、ポート開放時間は、各々のサイクルの一部分の間重なり、吸気ポートを通ってシリンダに送出された給気の一部は、排気ポートが閉じられる前にシリンダから流出する。掃気中排気ポートから流出した給気は、燃焼に利用できない。したがって、ユニフロー掃気を有する対向ピストンエンジン内でシリンダの吸気ポートに送出された給気に基づくラムダの値（「送出されたラムダ」）は、燃焼に実際に利用できる給気の量より多いものである。
【００１１】
関連出願の第１３／９２６，３６０号明細書によると、ユニフロー掃気を有する２ストロークサイクル対向ピストンエンジンでは、捕捉ラムダ（λｔｒ）が、閉じる最後のポートによってシリンダ内に捕捉された給気に基づいて推定され、または算出される。この点において、閉じる最後のポートは、吸気ポートでも排気ポートでもよい。それに関連して、シリンダ内において化学量論的燃焼に必要とされる給気の基準質量に対する、閉じる最後のポートによって（これ以後「最後のポート閉鎖」または「ＬＰＣ」）シリンダ内に捕捉された給気質量の比は、「捕捉ラムダ」と称される。これは燃焼に利用できる捕捉給気であるため、捕捉ラムダモデルは、送出されたラムダモデルより正確な燃焼およびエンジンの排出可能性の表現を提供する。
【００１２】
他の空気処理パラメータは、２ストロークエンジン内の燃焼およびＥＧＲ作動のさまざまな態様を制御するために使用され、それらの値の決定は、ラムダを含む推定または算出に基づく。たとえば、既燃ガス留分（シリンダ内質量に対する既燃ガスの比）は、燃焼プロセス、したがって２ストロークエンジンの排出に大きな影響を与える。関連出願の第１３／９２６，３６０号は、捕捉ラムダに基づいて捕捉既燃ガス留分（ＢＦｔｒ）を決定するための方法を開示する。捕捉既燃ガス留分は、実際と所望の捕捉既燃ガス留分間の誤差を最小限に抑えるためにＥＧＲ弁を用いてＥＧＲ流量を変化させるために使用される。
【００１３】
ユニフロー掃気を有する２ストロークサイクル対向ピストンエンジンの作動中、エンジンのパフォーマンスおよび排出は、捕捉されたシリンダ内給気組成物によって決まる。関連出願の第１３／９２６，３６０号は、捕捉ラムダ、捕捉既燃ガス留分および捕捉温度を含む捕捉状態を決定するための詳細なモデルを説明する。これらの捕捉パラメータは、エンジンのパフォーマンスおよび排出に大きく影響し、したがってエンジンのパフォーマンスおよび排出目標を満たすように制御される必要がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
それにしたがって、捕捉シリンダ内給気組成物をエンジン作動状態の範囲にわたって制御することによって、ユニフロー掃気式対向ピストンエンジンにおける空気処理制御のパフォーマンスを改良する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
ユニフロー掃気を有する２ストロークサイクル対向ピストンエンジンの信頼高い燃焼および排出パフォーマンスを達成するために、いかなるエンジン作動状態においてもガス交換プロセスの終了時に反復可能な捕捉質量および燃焼を有することが望ましい。この点において、現在のエンジン作動状態に対して、捕捉状態の制御は、所望の作動設定点、すなわちエンジンの空気処理システムを支配する事前設定されたまたは所定の値に基づく。たとえば、捕捉ラムダなどの所望の捕捉状態および捕捉既燃ガス留分は、空気処理システム構成要素の作動を制御する所望の空気処理設定点によって確立される。すなわち、捕捉状態は、現在のエンジン作動状態中、サイクルごとに変化してはならない。そのため、エンジン作動状態が変わるとき、別の作動状態に対する所望の捕捉状態を達成するために、設定点を変更する必要がある。さらに、エンジン作動の動態が複雑であることを考えると、変更されたエンジン状態（周囲要因、新しい部材、エンジン調整、摩耗など）が、所望の設定点の使用による所望の捕捉状態の達成を妨げる場合がよくある。したがって、所望の捕捉状態を達成するために、現在の所望の設定点を周囲エンジン状態に応答して調整または修正することが望ましくなり得る。
【００１６】
これらの目標は、吸気マニホールド圧力（ＩＭＰ）、ＥＧＲループ（ＥＧＲ流）を通る排気ガスの流れ、および給気サブシステム内への新鮮な空気の流量（新鮮な空気流）の能動的制御によって、ユニフロー掃気を有する２ストロークサイクル対向ピストンエンジンの空気処理システムにおいて達成される。
【００１７】
一部の態様では、吸気マニホールド圧力は、スーパチャージャ出力を調整することによって制御され、ＥＧＲ流は、ＥＧＲ流制御機構を調整することによって制御され、給気サブシステム内への新鮮な空気流量は、排気サブシステム内の圧力を調整することによって制御される。
【００１８】
一部の態様では、スーパチャージャ出力は、スーパチャージャ制御機構を調整することによって制御される。一部の他の態様では、排気サブシステム内の圧力は、１つまたは複数の排気サブシステム背圧制御機構を調整することによって制御される。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】ＥＧＲを備えた空気処理システムを装備した対向ピストンエンジンの図であり、「従来技術」と適切に標識される。
【００２０】
【図２】対向ピストンエンジン内の空気処理システムの調節のための制御機構を示す概略図である。
【００２１】
【図３】エンジン作動中、空気処理制御システムパラメータの数値を評価するためのループを示す制御流れ図である。
【００２２】
【図４Ａ】空気処理制御システムパラメータの数値を評価し、調整するためのプロセスを示す制御流れ図を構成する図である。
【図４Ｂ】空気処理制御システムパラメータの数値を評価し、調整するためのプロセスを示す制御流れ図を構成する図である。
【００２３】
【図５】図４の評価および調整プロセスを実施する制御機構を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
エンジンの作動状態における変動に応答して燃焼および排出の最適な制御を維持するために、ユニフロー掃気を有する２ストロークサイクル対向ピストンエンジンの給気チャネルを通る給気流を制御することが望ましい。図１のエンジンを基本として用いて、図２は、本明細書による空気処理システムを制御するために有用である改変形態および追加に基づいて、そのような対向ピストンエンジンのための制御機構を示す。
【００２５】
ユニフロー掃気を有する２ストロークサイクル対向ピストンエンジンのための特有のＥＧＲループ構造の一例が、図２に示される（限定的であるよう意図するものではないが）高圧構成である。この点において、高圧ＥＧＲループは、タービン１２１への入力部の上流側の源から得られた排気ガスを、圧縮器１２２の出力部の下流側の混合点まで循環させる。このＥＧＲループにおいて、ＥＧＲチャネル１３１およびＥＧＲ弁１３８は、排気ガスの一部分を、排気チャネル１２４から給気チャネル１２６に迂回させ、そこで、圧縮器１２２によって出力された圧縮された新鮮な空気と混合される。弁１３８の作動は、ＥＧＲ制御信号に応答して、アクチュエータ１４１によって制御される。排気／空気の混合が必要とされない場合、弁１３８は、完全に遮断され、排気ガス成分を有さない給気が、シリンダに送出される。弁１３８が開かれるにつれて、排気ガスの増加した量が、給気内に混合される。対照的に、開状態から、弁１３８が閉じられるにつれて、排気ガスの低減した量が、給気内に混合される。このループは、再循環された排気ガスを２つの冷却器１２７および１２９の冷却効果に供する。冷却が小さい方が良い場合、排気ガス部分を冷却器１２７を避けてサブチャージャ１１０の入力部に迂回させることができ、この代替策は、排気ガス部分を給気冷却器１２９のみによる冷却に供する。排気ガスのみを冷却する専用のＥＧＲ冷却器が、ＥＧＲチャネル１３１内に、弁１３８と直列に、または弁１３８の出力ポートおよびサブチャージャ１１０への入力部と直列に組み込まれ得る。
【００２６】
さらなる空気処理制御要素は、タービン１２１によって出力された排気ガスと直列に置かれた可変弁１４４を含む。弁１４４の設定は、給気チャネル内に含む、弁の上流側の背圧フェルトに直接的な影響を与え、この理由のため、弁１４４はまた、「背圧弁」と称され得る。図２では、弁１４４は、排気出口１２８内に、タービン１２１の出力部と直列に置かれる。弁１４４の作動は、背圧制御信号に応答して、アクチュエータ１４５によって制御される。弁１４６を含むバイパス導管ループ１４８は、タービン１２１と平行に置かれる。弁１４６（「ウェイストゲート弁」とも称される）は、エンジンからタービン１２１内に流れる排気ガスの量を制御するように作動される。タービン１２１を迂回するように弁１４６を設定することにより、タービン１２１および圧縮器１２２を作動させずに排気エネルギーを排気出口１２８内に捨てることが可能になる。弁１４６の作動は、タービンバイパス制御信号に応答して、アクチュエータ１４７によって制御される。
【００２７】
さらに図２を参照すれば、タービン１２１は、排気チャネル１２４内の圧力を制御するための可変ジオメトリタービン（ＶＧＴ）を含むことができる。固定式ジオメトリタービンではなく可変ジオメトリタービンを使用することは、弁１４６の必要性を必ずしも解消するものではない。可変ジオメトリタービンは、これが許容可能な効率性で作用する限定された質量流範囲を有することができる。この範囲外において、弁１４６は、エンジン４９の質量流量および吸気圧力を制御するために使用され得る。
【００２８】
図２にしたがい、ほとんどの態様では、スーパチャージャ１１０は、駆動機構１１１によって、それによって駆動されるクランクシャフトに結合される。駆動機構１１１は、段階式変速装置または連続可変式変速（ＣＶＴ）装置を備えることができ、この場合、給気流は、駆動機構に提供された速度制御信号に応答してスーパチャージャ１１０の速度を変化させることによって変化させることができる。あるいは、駆動機構１１１は、固定式ギア装置になることができ、この場合、スーパチャージャ１１０は、固定された速度で連続的に駆動される。そのような場合、給気流は、スーパチャージャ１１０の出力部をその入力部に結合する迂回チャネル１１２によって変更され得る。迂回チャネル１１２内に弁１３９を設けることにより、スーパチャージャ出口の下流側の給気の圧力を変調することによって給気流を変化させることが可能になる。一部の態様では、弁１３９は、迂回制御信号に応答してアクチュエータ１４０によって作動される。
【００２９】
図２に見られるように、ユニフロー掃気を有する２ストロークサイクル対向ピストンエンジンの空気処理システムを作動させるための制御機構は、ＥＣＵ１４９を含む。好ましくは、ＥＣＵ１４９は、弁１３８、１３９、１４４、および１４６（場合によっては他の弁）、多段速度または可変速度装置が使用される場合にスーパチャージャ１１０、および可変ジオメトリ装置が使用される場合にターボチャージャを自動的に作動させることにより、指定されたエンジン作動条件に応答して、給気流および加圧給気と混合される排気ガスの量を制御するように構築される。当然ながら、弁およびＥＧＲに使用される関連要素の作動は、電気的、空気的、機械的、および油圧的な駆動作動の任意の１つまたは複数を含むことができる。高速の、正確な自動作動のために、弁が、連続的な可変設定を有する、高速のコンピュータ制御された装置であることが好ましい。各々の弁は、ガスがそこを流れることを可能にするために（ＥＣＵ１４９によって制御された何らかの設定まで）開いている状態と、ガスがそこを流れ抜けることをブロックするために閉じられている状態とを有する。
【００３０】
所望の捕捉状態を達成するためにユニフロー掃気を有する２ストロークサイクル対向ピストンエンジンの空気処理システムを作動させるためのシステムおよび方法は、さまざまなパラメータの大きさおよび値を決定し、これらの大きさおよび値を使用してエンジンのシリンダの外部の空気処理状態を制御する。たとえば、関連出願の第１３／９２６，３６０号に論じられ説明されたパラメータを参照されたい。本明細書による捕捉状態の空気処理システム制御の説明は、以下の空気処理パラメータを参照し、図２による空気処理制御機構のさまざまな要素を参照する。以下の説明における空気処理パラメータのすべては、別途明記されない限り、ＳＩ単位を有する。
空気処理パラメータ
Ｍｔｒ＝ＬＰＣにおける捕捉質量（ｋｇ）
λｔｒ＝捕捉ラムダ
ＢＦtｒ＝捕捉既燃ガス留分
Ｔｔｒ＝捕捉温度
Ｔｉｍ＝吸気マニホールド温度
Ｗａｉｒ＝新鮮な空気質量流量（ｋｇ／ｓ）
Ｗｅｇｒ＝ＥＧＲガス質量流量（ｋｇ／ｓ）
Ｗｆ＝燃料の質量流量（ｋｇ／ｓ）
Ｐｉｍ＝吸気マニホールド圧力
【００３１】
捕捉ラムダをモデル化するための有用な方法は、関連出願の第１３／９２６，３６０号によって与えられる：
［式１］
0006506284.tif 000002
【００３２】
既燃ガスは、燃料の化学量論的燃焼の結果となるガス組成物である。このガス組成は、いかなる酸素分子も有さず、通常、これは、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、Ｎ２および空気中に存在する他の不活性ガスを含む。
【００３３】
既燃ガス留分は、基準質量に対する既燃ガスの比である。１の燃焼ガス留分は、化学量論的燃焼を示し、空気中のすべての酸素が、燃料（ＣｘＨｙ）をＣＯ２およびＨ２Ｏに変換するために使用されたことを示す。他方で、＜１の燃焼ガス留分は、非化学量論的燃焼を示し、燃焼ガス以外に一部の酸素が残っていることを示す。
【００３４】
捕捉既燃ガス留分は、捕捉質量に対する、ガス交換プロセスの終了時にシリンダ内に捕捉された既燃ガスの比である。
【００３５】
ＬＰＣによって表される、ガス交換プロセスの終了時、捕捉質量は、捕捉空気および捕捉既燃ガスに等しい。したがって、捕捉既燃ガス留分は、次のようにモデル化され得る：
［式２］
0006506284.tif 000003
【００３６】
捕捉既燃ガス留分をモデル化するための別の方法が、関連出願の第１３／９２６，３６０号内の式３５によって与えられる。
【００３７】
空気処理制御：
【００３８】
パフォーマンスおよび排出目標を満たすために、ユニフロー掃気を有する２ストロークサイクル対向ピストンエンジン内の捕捉状態を制御することが望ましい。基本的用語において、シリンダ内捕捉状態パラメータは、次の制御式によって外部エンジンパラメータに関連付けることができる。
Ｍｔｒ＝ｆ（Ｐｉｍ，Ｗａｉｒ，Ｗｅｇｒ，Ｔｉｍ）
λｔｒ＝ｆ（Ｐｉｍ，Ｗａｉｒ，Ｗｅｇｒ，Ｗｆ，Ｔｉｍ）
ＢＦｔｒ＝ｆ（Ｍｔｒ，λｔｒ，Ｗｆ）
Ｔｔｒ＝ｆ（Ｍｔｒ，Ｐｉｍ）
【００３９】
所与の速度において所望の負荷に到達するために、燃料流は、エンジン／車両動力計試験に基づく既知の値である。吸気マニホールド温度は、主に熱交換器のサイズ設定によって決定され、大きくは動かない、動きが鈍いパラメータである。こうして、所与の燃料量および吸気マニホールド温度に対して、制御式は、次の通りにさらに簡易化することができる。
［λｔｒ，ＢＦｔｒ、Ｔｔｒ］＝ｆ（Ｐｉｍ，Ｗｅｇｒ，Ｗａｉｒ）
【００４０】
所与の負荷および速度に対して、Ｐｉｍ（ＩＭＰ）、Ｗｅｇｒ（ＥＧＲ流）、およびＷａｉｒ（新鮮な空気流）が、エンジン／車両動力計上で決定されて、その特定の負荷速度点に対する正しい捕捉状態を提供する。ＩＭＰ、ＥＧＲ流および新鮮な空気流の値は、次いで、ＥＣＵ１４９内のまたはＥＣＵ１４９によってルックアップテーブル（ＬＵＴ）内に記憶され、このルックアップテーブルは、エンジン負荷および速度によってインデックスが付けられ、関連出願の第１３／９２６，３６０号に説明されたアルゴリズムにしたがって制御される。
【００４１】
ＩＭＰ、ＥＧＲ流および新鮮な空気流の設定点は、そのそれぞれの基本値からの吸気マニホールド温度および送出された燃料量の変動に対して補償される。これらの変動は、他の理由の中でも、構成要素の経年劣化、周囲状態の変化およびＤＰＦ負荷などの要因によって生じ得る。制御戦略は、反復可能なエンジンパフォーマンスおよび排出を得るために、所望のＩＭＰ、ＥＧＲ流、および新鮮な空気流を常に維持しようとする。
【００４２】
捕捉ラムダおよび捕捉既燃ガス留分などの所望の捕捉状態、および場合によっては他の捕捉状態を達成するための空気処理制御は、図２に示すものに基づく空気処理制御機構を使用して実施可能であり、この機構では、ＥＣＵ１４９は、図３〜５の図に示される方法によって空気処理システムの作動および状態を制御するようにプログラムされ得る。この点において、図３は、空気処理制御パラメータの数値をＬＰＣにおけるエンジンのシリンダ内の捕捉状態に基づいて決定するためのループを示す。図４では、空気処理制御パラメータの数値を評価し調整するためのプロセスが示されている。図５は、図４の評価および調整プロセスを実施する好ましい制御機構を概略的に示す。
【００４３】
図２および３を参照すると、ループ３００は、空気流、ＥＧＲ流、および吸気マニホールド圧力（ＩＭＰ）に対して算出を実行し、推定を行い、現在の設定点を決定することができるように、３０２において、利用可能なエンジンセンサー２００を読み取る。たとえば、図２を参照すると、ＥＣＵは、以下のセンサーを読み取ることができる：
新鮮な空気質量流量
給気冷却器（ＣＡＣ）出力温度
ＣＡＣ出力圧力
吸気Ｏ２
吸気マニホールド温度
吸気マニホールド圧力
燃料レール圧力
排気マニホールド圧力
排気ガス温度
ターボ出口圧力
ターボ出口温度
エンジン速度（ＲＰＭ）
【００４４】
エンジン負荷要求を表すトルクパラメータは、たとえば、フライホイール動作に基づく数値技術、または加速器ペダル位置および燃料要求などの感知されたエンジン状態からの外挿法を使用して推定器２０２によって決定される。これら、および場合によっては他の感知された、および推定された値を使用して、ＥＣＵ１４９は、３０４において、エンジン負荷およびＲＰＭに関する現在のエンジン作動状態を決定する。現在のエンジン作動状態および燃料要求（３０６）に対する現在値に基づき、ＥＣＵ１４９は、ステップ３０８において、エンジン負荷要求（負荷）およびエンジンＲＰＭによってインデックスが付けられたルックアップテーブルから、吸気マニホールド圧力、ＥＧＲループを通るＥＧＲ流、および給気サブシステム内への新鮮な空気流量を決定する。これらのＬＵＴは、エンジン動力計試験に基づいて事前充填され、ＥＣＵ１４９内にまたはこれを用いて記憶される。ＥＣＵ１４９は、次いで、物理センサーおよび／または関連出願の第１３／９２６，３６０号に開示されるようなモデルベース推定に基づいて、実際の吸気マニホールド圧力、ＥＧＲループを通る実際のＥＧＲ流量、および給気サブシステム内への実際の新鮮な空気流量を決定する。
【００４５】
図４Ａおよび４Ｂは、一緒になって、ＥＣＵ１４９によって実行される、複数の外部空気処理状態の制御が所望のシリンダ内捕捉状態をそれによって達成するルーティンを示す。この点において、「外部空気処理状態」は、エンジンの任意のシリンダの外部で起こる、および／またはアクセス可能である空気処理状態を意味する。それに関連して、外部空気処理状態は、それだけに限定されないが、ＩＭＰ、ＥＧＲ流、および新鮮な空気流を含む。
【００４６】
図２を参照すれば、ＩＭＰの調整は、スーパチャージャ１１０の制御速度および弁１３９の位置のうち１つによって実施される。スーパチャージャ１１０が、可変駆動機構１１１によって駆動される場合、ＥＣＵ１４９は、速度制御信号を提供することによって駆動比を変化させる。スーパチャージャ１１０が、固定式駆動機構によって駆動される場合、ＥＣＵ１４９は、迂回制御信号を提供して弁１３９の位置を変更する。図２および図４Ａを参照すれば、ＩＭＰの制御は、空気処理制御ルーティン４００によって実施され、このルーティンは、４０２においてマップにアクセスして所望のＩＭＰ、ＥＧＲ、および空気流設定点を決定し、現在のエンジン作動状態に対する所望の捕捉状態を達成する。ステップ４０４〜４０９では、ルーティンは、所望のＩＭＰ設定点を、センサー読み取り値、推定、および／または算出から得られた実際のＩＭＰ数値と比較することによってこのＩＭＰ設定点を評価する。好ましくは、比較プロセスは、実際の値から所望の設定点値を引くことを含む。実際のＩＭＰが所望の設定点より大きい場合、ＩＭＰは、４０５において、差異の絶対値が閾値に到達するまでスーパチャージャ１１０を遅くすることによって、または弁１３９を開くことによって低減される。他方では、所望の設定点が実際のＩＭＰより大きい場合、ＩＭＰは、４０８において、差異の絶対値が閾値に到達するまでスーパチャージャ１１０の速度を増大することによって、または弁１３９を閉じることによって増大される。
【００４７】
ＩＭＰを制御することができる例示的な制御機構が、図５に示される。この制御機構は、駆動機構１１１を介してスーパチャージャ１１０の速度を制御することによって、または弁１３９の位置または設定を制御することによって実際のＩＭＰを調整するＩＭＰ制御装置５００を含む。ＩＭＰ制御装置５００は、フィードフォワード制御装置５０２およびフィードバック制御装置５０４を含む。フィードフォワード制御装置５０２は、エンジン負荷および速度によってインデックスが付けられたマップに基づいて、スーパチャージャアクチュエータ（または弁）設定点Θを出力する。このマップは、エンジン動力計試験に基づき、ＥＣＵ１４９内にまたはこれを用いて記憶された実験的データによって事前に埋められる。フィードバック制御装置５０４は、現在のエンジン作動状態に対する所望のＩＭＰ設定点（Ｐim＿ｓｐ）と、加算器５０７によって算出された実際のＩＭＰ５０６との間の誤差（ｅＰＩＭ）を受け取り、誤差を最小限に抑えるためにＩＭＰに必要とされる変化（ΔΘ）にこの誤差を変換する。フィードバック制御装置５０４は、ＰＩＤ制御装置、ゲインスケジュールドＰＩＤ制御装置、またはスライディングモード制御装置などの別の非線形制御装置によって実装され得る。フィードバック制御装置５０４からの出力は、５０８において、フィードフォワード制御装置５０２の出力に加えられる（またはサインに応じて差し引かれる）。最終のアクチュエータ命令が、次いで、ＥＣＵ１４９を介してアクチュエータ制御装置５０９に送られる。スーパチャージャドライブ１１１の構造に応じて、スーパチャージャ出力命令が、速度制御信号としてドライブ１１１に、または迂回制御信号として弁アクチュエータ１４０に提供される。
【００４８】
ＥＧＲの制御は、ＩＭＰと同じ方法で行われるが、ルーティンが、ＥＧＲ弁１３８を用いてＥＧＲ流量を変化させて、実際のＥＧＲ流と所望のＥＧＲ設定点との間の誤差を最小限に抑えることは異なる。こうして、図４Ｂにしたがい、ステップ４１４〜４１９では、ルーティン４００は、実際のＥＧＲ流数値を所望のＥＧＲ流設定点と比較することによってこのＥＧＲ流数値を評価する。好ましくは、比較プロセスは、実際のＥＧＲ値から所望の設定点を引くことを含む。この差異の絶対値が閾値より大きい場合、ルーティン４００はＥＧＲ流量を調整してこの差異を許容可能な限界内に置く。図２を参照すれば、この結果は、ＥＧＲ弁１３８の設定をアクチュエータ１４１を介して制御することによって達成することができる。
【００４９】
ＥＧＲ流をそれによって制御することができる例示的な制御機構が、図５に示される。この制御機構は、弁１３８の位置または設定を制御することによって実際のＥＧＲ流を調整するＥＧＲ制御装置５２０を含む。ＥＧＲ制御装置５２０は、フィードフォワード制御装置５２２およびフィードバック制御装置５２４を含む。フィードフォワード制御装置５２２は、エンジン負荷および速度によってインデックスが付けられたマップに基づいて、弁設定点Θを出力する。このマップは、エンジン動力計試験に基づき、ＥＣＵ１４９内にまたはこれを用いて記憶された実験的データによって事前に埋められる。フィードバック制御装置５２４は、現在のエンジン作動状態に対する所望のＥＧＲ設定点（ＥＧＲｓｐ）と、加算器５２７によって算出された実際のＥＧＲ流量５２６との間の誤差（ｅＥＧＲ）を受け取り、誤差を最小限に抑えるためにＥＧＲ流量に必要とされる変化（ΔΘ）にこの誤差を変換する。フィードバック制御装置５２４は、ＰＩＤ制御装置、ゲインスケジュールドＰＩＤ制御装置、またはスライディングモード制御装置などの別の非線形制御装置によって実装され得る。フィードバック制御装置５２４からの出力は、５２８において、フィードフォワード制御装置５２２の出力に加えられる（またはサインに応じて差し引かれる）。最終のアクチュエータ命令が、次いで、ＥＣＵ１４９を介してアクチュエータ制御装置５２９に送られる。ＥＧＲ出力命令が、ＥＧＲ制御信号として弁アクチュエータ１４１に提供される。
【００５０】
図２を参照すると、空気流の制御のために、その戦略は、２つのアクチュエータ−つまり背圧弁１４４のため（またはＶＧＴ装置が使用される場合、タービンラック位置のため）の１つ（アクチュエータ１４５）およびウェイストゲート弁１４６のための１つ（アクチュエータ１４７）によって排気サブシステム内に作用する背圧を操作する。タービン１２１が可変ジオメトリ装置でない場合、ＥＣＵ１４９は、背圧制御信号を提供することによって背圧を変化させる。タービン１２１がＶＧＴ装置である場合、ＥＣＵ１４９は、背圧制御信号を提供してタービン１２１のジオメトリを変更する。図２および図４Ｂを参照すれば、新鮮な空気流の制御は、ＩＭＰおよびＥＧＲ流と同じ方法で行われるが、ルーティン４００が、背圧弁１４４（またはＶＧＴタービン）を用いて空気流量を変化させて、実際の空気流と所望の空気流設定点との間の誤差を最小限に抑えることが異なる。こうして、図４Ｂにしたがって、ステップ４２４〜４２９では、ルーティン４００は、実際の空気流数値を所望の空気流設定点と比較することによってこの空気流数値を評価する。好ましくは、比較プロセスは、実際の空気流値から所望の設定点を引くことを含む。この差異の絶対値が閾値より大きい場合、ルーティン４００は、空気流量を調整してこの差異を許容可能な限界内に置く。背圧弁１４４が完全に開き、実際の空気流が、所望の空気流より依然として小さい場合、ルーティン４００は、ウェイストゲート弁１４６を開いて所望の空気流設定点を満たすためにステップ４２８〜４３２に移行する。
【００５１】
新鮮な空気流をそれによって制御することができる例示的な制御機構が、図５に示される。この制御機構は、背圧弁１４４の弁の位置または設定（またはＶＧＴ装置が使用される場合、タービンのジオメトリ）を制御することによって実際の空気流を調整する新鮮な空気流制御装置５４０を含む。制御装置５４０は、フィードフォワード制御装置５４２およびフィードバック制御装置５４４を含む。フィードフォワード制御装置５４２は、エンジン負荷および速度によってインデックスが付けられたマップに基づいて、背圧弁（またはＶＧＴ）設定点Θを出力する。このマップは、エンジン動力計試験に基づき、ＥＣＵ１４９内にまたはこれを用いて記憶された実験的データによって事前に埋められる。フィードバック制御装置５４４は、現在のエンジン作動状態に対する所望の新鮮な空気流設定点（Ｗａｉｒ＿ｓｐ）と、加算器５４７によって算出された実際の新鮮な空気流５４６との間の誤差（ｅｗａｉｒ）を受け取り、誤差を最小限に抑えるために新鮮な空気流量に必要とされる変化（ΔΘ）にこの誤差を変換する。フィードバック制御装置５４４は、ＰＩＤ制御装置、ゲインスケジュールドＰＩＤ制御装置、またはスライディングモード制御装置などの別の非線形制御装置によって実装され得る。フィードバック制御装置５４４からの出力は、５４８において、フィードフォワード制御装置５４２の出力に加えられる（またはサインに応じて差し引かれる）。最終のアクチュエータ命令が、次いで、ＥＣＵ１４９を介してアクチュエータ制御装置５４９に送られる。タービン１２１の構造に応じて、背圧出力命令が、背圧制御信号として背圧弁アクチュエータ１４５（またはＶＧＴ装置が使用される場合はタービン１２１）に提供される。一部の態様では、背圧弁１４４（またはＶＧＴ装置）が完全に開き、実際の新鮮な空気流が、所望の空気流より依然として小さい場合、図４Ｂのステップ４２８〜４３２は、ルーティン４００を、所望の新鮮な空気流設定点を満たすためにウェイストゲート弁１４６を開くウェイストゲートフィードバック制御装置（図５には図示せず）に移行させる。この場合、ウェイストゲート弁制御のためのフィードバック制御装置は、所望の新鮮な空気流設定点が、完全に開いた背圧弁１４４によっても満たすことができない場合にのみアクティブとなる。
【００５２】
図５を参照すれば、一部の場合、５０５、５２５、および５４５において決定された所望の設定点の１つまたは複数は、所望の設定点の使用による所望の捕捉状態の達成を妨げ得る周囲状態の影響を考慮するように修正され得る。たとえば、所望の設定点は、そのそれぞれの基本値からの吸気マニホールド温度および送出燃料量の変動に対して補償され得る。これらの変動は、５１０、５３０、および５５０において決定され、それぞれの所望の設定点は、５１１、５３１、および５５１において調整される。捕捉温度に対する所望の設定点の修正の一例が、本明細書と共に共出願された、「Ｔｒａｐｐｅｄ  Ｂｕｒｎｅｄ  Ｇａｓ  Ｆｒａｃｔｉｏｎ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｆｏｒ  Ｏｐｐｏｓｅｄ−Ｐｉｓｔｏｎ  Ｅｎｇｉｎｅｓ  Ｗｉｔｈ  Ｕｎｉｆｌｏｗ  Ｓｃａｖｅｎｇｉｎｇ（ユニフロー掃気を備えた対向ピストンエンジンのための捕捉既燃ガス留分の制御）」の表題の同時係属の米国特許出願第１３／      号」に与えられる。
【００５３】
上記で説明されたループ３００およびルーティン４００は、エンジンが１つの作動状態（エンジン負荷および速度）から別の作動状態（エンジン負荷および速度）に移行するときに連続的に反復される。エンジンが任意の特定の作動状態において作動する間、ＥＣＵ１４９は、定期的に算出し、ＩＭＰ制御、ＥＧＲ流制御、および新鮮な空気流制御のためのアクチュエータ命令を送り出す。さらに、算出は、任意の順番で行うことができる。
【００５４】
本明細書において示し説明する空気処理制御の実施形態および例は、マニホールド１２５および１３０内の状態に基づく実際のパラメータ値がエンジンのシリンダに起因すると考えるが、コストおよびスペースにより、生産エンジンのシリンダの１つまたは複数上に関連センサーを配置し、作動させることが可能になる場合、関係する原理を、個々のシリンダ自体に適用できることが当業者に明白になるはずである。さらに、所望のパラメータ値は、これらの値を、たとえば、動力計内で稼動する、ユニフロー掃気式２ストロークサイクル対向ピストンエンジンのシリンダのポート閉鎖時間にマッピングまたは同期させる実験的方法によって得られる。
【００５５】
本明細書において示し説明する空気処理制御の実施形態および例が、２つのクランクシャフトを備えた対向ピストンを参照して説明されてきたが、これらの構造を１つまたは複数のクランクシャフトを備えた対向ピストンエンジンに適用できることを理解されたい。さらに、これらの構造のさまざまな態様が、ポート付きシリンダが対向しておよび／または１つまたは複数のクランクシャフトのいずれかの側に配設された、対向ピストンエンジンに適用され得る。
【００５６】
本明細書において示し説明する空気処理制御の実施形態および例は、スーパチャージャ１１０の出力を利用してＩＭＰを制御し、排気チャネル１２４内の背圧を利用して新鮮な空気流を制御するが、これらの役割を交換できることを理解すべきである。すなわち、スーパチャージャ１１０の出力は、新鮮な空気流を制御するために利用可能であり、排気チャネル１２４内の背圧は、ＩＭＰを制御するために利用可能である。
【００５７】
それにしたがって、上記で説明された構造による本特許の保護は、以下の特許請求の範囲によってのみ限定される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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