(57)【要約】【課題】本発明の課題は、純粋な４ストロークＨＣＣＩエンジンと純粋な２ストロークＨＣＣＩエンジンの両方の内在的な不利点及び短所を克服しつつ、標準的なＨＣＣＩプロセスの利点を達成するシステム及び方法を提供することである。【解決手段】上記課題は、機関の現在の状態を検出するステップと、機関に課されている負荷要求を検出するステップと、負荷要求が機関の現在の状態と負荷要求とに基づいた４ストロークエンジンサイクルの動力発生能力を超えているか否かを判定するステップと、負荷要求が４ストロークエンジンサイクルの能力を超えている場合には、４ストロークエンジンサイクルモードから２ストロークエンジンサイクルモードに切り換えるステップとを有する予混合圧縮着火の負荷調整範囲を拡大する方法により解決される。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンを有するエンジンシリンダを備えた内燃機関において予混合圧縮着火の負荷範囲を拡大する方法であって、
前記方法は、
前記機関の現在の状態を検出するステップと、
前記機関に課されている負荷要求を検出するステップと、
負荷要求が前記機関の現在の状態と負荷要求とに基づいた４ストロークエンジンサイクルの動力発生能力を超えているか否かを判定するステップと、
負荷要求が４ストロークエンジンサイクルの能力を超えている場合には、４ストロークエンジンサイクルモードから２ストロークエンジンサイクルモードに切り換えるステップとを有する、ことを特徴とする予混合圧縮着火の負荷調整範囲を拡大する方法。
【請求項２】
前記機関は標準的な４ストローク用に設計されており、シリンダ内のピストンの位置とは無関係に弁開閉時期及び行程のプロフィールを実施することのできるバルブシステムを有する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
電子制御装置を使用して、負荷要求と前記機関の現在の状態とに基づいて、実施されるべき完全可変バルブの弁開閉時期及び行程のプロフィールを決定するステップをさらに有する、請求項２記載の方法。
【請求項４】
４ストロークエンジンサイクルモードを２ストロークエンジンサイクルモードに切り換える前記ステップは、
エンジンシリンダ内でピストンが膨張する間に排気バルブを早期に開弁するステップと、
吸気マニホルド内の圧力を大気圧より高くすることにより、吸気マニホルドに接続された吸気バルブを介して新たなチャージ燃料を投入するステップを含む、請求項１記載の方法。
【請求項５】
吸気マニホルド内の圧力をターボ過給機により増圧する、請求項２記載の方法。
【請求項６】
前記排気バルブ及び前記吸気バルブは電気油圧弁又は電磁弁である、請求項４記載の方法。
【請求項７】
ピストンを有するシリンダを備えた形式の通常は４ストロークＨＣＣＩエンジンサイクルで動作する内燃機関において高負荷２ストロークＨＣＣＩエンジンサイクルを実現するシステムであって、
前記システムは、
高負荷要求に応じて４ストロークエンジンサイクルモードから２ストロークエンジンサイクルモードに切り換えるよう構成された電子制御装置／観測装置と、
前記電子制御装置／観測装置に接続された可変バルブシステムと、
シリンダに接続されたターボ過給機とを有しており、
前記可変バルブシステムは、前記電子制御装置／観測装置によって送信された信号に応じて吸気及び排気バルブを完全に可変に作動させ、
前記ターボ過給機は、前記電子制御装置／観測装置によって前記シリンダに増圧されたチャージ燃料を供給するよう動作し、ピストンを動かすことなくチャージ燃料の投入を可能にする、ことを特徴とするシステム。
【請求項８】
前記機関は標準的な４ストローク用に設計されており、前記可変バルブシステムは、シリンダ内のピストンの位置とは無関係に弁開閉時期及び行程のプロフィールを実施することができる、請求項７記載のシステム。
【請求項９】
前記電子制御装置／観測装置は、負荷要求と前記機関の現在の状態とに基づいて、実施すべき完全可変バルブの弁開閉時期及び行程のプロフィールを決定する、請求項８記載のシステム。
【請求項１０】
通常は４ストロークエンジンサイクルモードで動作する内燃機関を操作する方法において、
前記方法は、
前記機関に課されている負荷要求が４ストロークエンジンサイクルモードの動力発生能力を超えているか否かを判定するステップと、
負荷要求が４ストロークエンジンサイクルモードの能力を超えていると判定された場合には、４ストロークエンジンサイクルモードから２ストロークエンジンサイクルモードに切り換えるステップとを有する、ことを特徴とする方法。
【請求項１１】
前記機関は液体燃料及び気体燃料のうちの少なくとも一方を介して動作し、前記燃料は炭化水素ベースの燃料及び非炭化水素ベースの燃料のうちの一方である、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
前記燃料はメタン及びプロパンのうちの少なくとも一方を含んでいる、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記４ストロークエンジンサイクルモード及び前記２ストロークエンジンサイクルモードは、標準的なガソリン燃料及びオットサイクルに適合させてある、請求項１０記載の方法。
【請求項１４】
前記４ストロークエンジンサイクルモード及び前記２ストロークエンジンサイクルモードは、ディーゼル燃料及びディーゼルサイクルに適合させてある、請求項１０記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、予混合圧縮着火の負荷範囲を拡大する方法、ならびに、通常は４ストロークＨＣＣＩエンジンサイクルで動作する内燃機関において高負荷２ストロークＨＣＣＩエンジンサイクルを実現するシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＨＣＣＩは、２つの標準的な内燃プロセスである火花点火（ＳＩ）プロセスとディーゼルプロセスの混合である。ＨＣＣＩ燃焼プロセスでは、一般にＳＩプロセスと同じ燃料（ガソリン）が使用されるが、標準的なＳＩとは異なり、燃料の点火に点火プラグが使用されない。ＨＣＣＩは、点火に関しては、チャージ燃料（燃料／空気混合気）が圧縮点火される（すなわち、自己着火する）という点で、ディーゼルプロセスの方により似ている。
【０００３】
ディーゼル燃料と同様に、ガソリンも十分に高い温度に加熱されれば自己着火する。ガソリンの一般的な自己着火温度はディーゼル燃料の自己着火温度よりも高く、また一般的な４ストロークＳＩエンジンの圧縮行程の終了時にシリンダにおいて到達される通常の温度よりも高い。
【０００４】
上述のように、例えば非特許文献１では、ＨＣＣＩエンジンはＳＩエンジンと同様に４ストロークサイクルで動作する。圧縮行程終了時のガソリン／空気混合気の自己着火は、ＨＣＣＩエンジンの行程開始時の開始温度をＳＩエンジンで用いられる温度に比べて高くすることで達成される。この開始温度の引き上げは、主に、空気／燃料のチャージを予加熱するか、もしくは先行サイクルからの熱い排気ガスの一部を現在のサイクルに再投入することによって、またはその両方によって達成される。効率性の観点からは、後者の方法が一般的には優れている。
【０００５】
自己着火の後及び燃焼プロセスの間、一般的なＨＣＣＩエンジンはシリンダ内で比較的高い平均温度を達成するが、ピーク温度はＳＩに比べて低い。さらに、燃焼位置はシリンダ全体にわたって分布しており、通常はシリンダ内にＳＩエンジンにおいて生じるようなコヒーレントな火炎面は存在しない。ＨＣＣＩ燃焼のこれらの属性は組み合わさって比較的高い効率とある種の汚染物質の量の劇的な減少とをもたらす。
【０００６】
しかしながら、ＨＣＣＩ燃焼方式はいくつかの欠点ももたらす。主要な欠点は、ＨＣＣＩが一般に比較的高い負荷領域よりも低中負荷領域に適していることである。これは主にＨＣＣＩが希薄なチャージ燃料を使用しており、したがってより濃度の高いチャージ燃料が供給されたときに可能な高いピーク動力属性を達成することができないという事実に因る。
【０００７】
２ストロークＨＣＣＩエンジンは使用されているが、これらのエンジンは、純粋な２ストロークサイクルに典型的な欠点のゆえに、商業用車両での使用に適さない小さな低動力の使用形態に限定されている。商業用車両において純粋な２ストロークエンジンを使用することの第１の重要な不利点は、２ストロークエンジンの潤滑が難題であることである。潤滑油はしばしばガソリン燃料と混合させねばならず、それゆえシリンダ内で不完全燃焼し、多くの汚染物質を直接発生させてしまう。純粋な２ストロークエンジンを使用することの第２の重要な不利点は、排気／吸気サイクル中に、吸気ポートと排気ポートの両方が開いている期間が存在し、それにより未燃焼の燃料／オイル混合気の一部が環境へ流出してしまうことである。
【０００８】
しかし、２ストロークサイクルでは、仕事を発生させるサイクルは４ストロークサイクルの２倍の速さで生じる。
【非特許文献１】"Use of Dynamic Valving to Achieve Residual-Affected Combustion", Ｎ．Ｂ．Ｋａａｈａａｉｎａ他著、SAE Technical Paper Series No. 2001-01-0529（2001)として発行
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の課題は、純粋な４ストロークＨＣＣＩエンジンと純粋な２ストロークＨＣＣＩエンジンの両方に固有の不利点及び短所を克服しつつ、標準的なＨＣＣＩプロセスの利点を達成するシステム及び方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題は、機関の現在の状態を検出するステップと、前記機関に課されている負荷要求を検出するステップと、負荷要求が前記機関の現在の状態と負荷要求とに基づいた４ストロークエンジンサイクルの動力発生能力を超えているか否かを判定するステップと、負荷要求が４ストロークエンジンサイクルの能力を超えている場合には、４ストロークエンジンサイクルモードから２ストロークエンジンサイクルモードに切り換えるステップとを有する予混合圧縮着火の負荷調整範囲を拡大する方法により解決される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の方法は、高負荷が要求されると２ストロークサイクル動作に切り換えることにより、標準的な４ストロークＨＣＣＩエンジンの負荷制限を克服する。２ストロークサイクルでは、仕事を発生させるサイクルは４ストロークサイクルの場合の２倍の頻度で生じるので、エンジンの出力を上げることができる。２ストロークサイクルと４ストロークサイクルとの間での切り換えは、吸気バルブと排気バルブの両方のタイミング及び揚程のプロフィールを賢明にかつ適切に変化させることによって為される。
【００１２】
本発明のシステムは、電気油圧弁のような完全可変かつ制御可能なバルブを使用する。これらのバルブのタイミング及び揚程のプロフィールはシリンダ内のピストン位置から完全に独立している。このコンテキストで使用しうる他のタイプの完全可変バルブとしては、電磁弁がある。このシステムはまたターボチャージコンプレッサを有している。
【００１３】
本発明によれば、商業用車両において２ストロークエンジンを使用することに固有の困難は、２ストロークサイクル走行を４ストロークサイクル用に設計されたエンジンで実行するエンジンシステムによって対処される。このエンジンシステムでは、新鮮なチャージ燃料が吸気ポートから排気ポートへと流れないようにするために、可変バルブが使用される。
【実施例】
【００１４】
図１には、本発明の１つの実施形態に従って変更された２ストロークＨＣＣＩエンジンの理想的なケースが実線で、標準的な過給４ストロークエンジンサイクルの理想的ケースが点線で示されている。各サイクルは番号付けされた点の間に複数の経路を有している。ただし、各点はエンジンシリンダ内の与えられた圧力／体積の状態を表しており、各経路はシリンダの圧力／体積状態が変化するそれぞれ異なるサイクル部分を表している。例えば、点１から点２までの経路は圧縮行程を表し、点２から点３までの経路は燃焼行程を表し、点３から点４までの経路は、本発明による改良ＨＣＣＩプロセスにおける膨張行程を表している。その一方で３から４’までの経路は標準的な４ストロークサイクルの膨張行程を表している。本発明による改良ＨＣＣＩプロセスでは、４から６までの経路は、４と５の間のガスの排気と、５と６の間のピストンの継続的膨張とを含んでいる。一方、標準的な４ストロークエンジンでは、点４’，５’及び６’の間の経路は、ピストンをシリンダの頂上に移動させ、シリンダから排気ガスを除去する排気行程を表している。改良されたプロセスでは、６と７の間の経路はチャージ燃料の取り入れを表しており、一方標準的な４ストロークでは、点６’から点７’へ至りそして点１に戻る経路はピストンの付随する運動を伴った吸気行程を表す。
【００１５】
改良２ストロークＨＣＣＩプロセスと標準的な４ストロークサイクルの詳細な機構は、図１のグラフのさまざまな圧力／体積点を参照して説明される。改良２ストロークＨＣＣＩプロセスでは、膨張行程の間、排気バルブは点４において標準的な４ストロークサイクルに比べて高い圧力（かつ低い体積）で開かれる。なお、標準的な４ストロークサイクルでは、排気バルブは点４’で開かれる。点４におけるシリンダ内の圧力（Ｐ４）は排気マニホルド内の圧力よりも高いので、シリンダ内容物の一部が急速に排気マニホルド内に逃げ、シリンダ内の圧力は（点５において）Ｐ５まで低下し、この点で排気バルブが閉じる。グラフ上の点４及び５の正確な位置は調整可能であり、次のサイクルにおいてチャージ燃料を希薄化するために保持することが望ましいシリンダ内容物の量に依存していることに注意されたい。排気バルブを閉じた後、残りのシリンダ内容物は点６まで膨張し、この点で吸気バルブが開かれる。吸気ポートがターボ過給されて圧力Ｐ１が上昇するので、チャージ内容物は点６と７の間でシリンダに入る。吸気マニホルドにおける圧力Ｐ１の上昇により、通常はピストンが膨張行程において下向きに動くときに生じる吸い込みを必要とせずに、新鮮なチャージ燃料をシリンダ内に噴射されることが可能となる。したがって、排気行程及び吸気行程の両方が不要になる。吸気バルブは点７において閉じられ、新たな圧縮行程とともに新たなサイクルが始まる。点１における圧力は選択的に調整可能であるため、点２における燃焼開始時に燃料の自己着火を可能にする十分な初期温度Ｔ１が達成される。このように、本発明によるサイクル全体はピストンの４ストロークの代わりに２ストロークを使用する。
【００１６】
対照的に、標準的な４ストロークサイクルでは、膨張行程はさらにＶ４’における比較的大きな体積まで至り、これに４’〜５’〜６’の経路の排気行程におけるピストンの全行程が続く。いったん排気行程が完了すると、ピストンはさらなる行程において引き下ろされ、７’から１までの吸気サイクルの間、チャージ燃料を引き込む吸込み作用が生じる。
【００１７】
１サイクルのうちにシリンダピストンによって為される仕事の量は、量ｐｄＶの１サイクルにわたる積分として定義される。ここで、ｐは圧力であり、ｄＶはシリンダの体積における微少変化である。グラフ上では、１サイクルのうちに為される仕事の量は、曲線の向きが時計回りであるようなｐ−Ｖ曲線の軌跡によって囲まれた面積に相当する（点２−３−４−５によって区切られた面積）。一方、曲線の向きが反時計回りであるようなｐ−Ｖ曲線によって囲まれた面積は、このサイクルに外部から入力されなければならない仕事の量を表す（点５−６−１によって区切られた面積）。したがって、本発明による改良２ストロークＨＣＣＩプロセスは仕事量Ｗ２ｓを行う。ただし、Ｗ２ｓは過給４ストロークサイクルにより生じる仕事量Ｗ４ｓよりも少ない。しかし、排気バルブが点４において開かれるときの圧力及び体積を正確に選ぶことによって、以下の関係を得ることができる。
【００１８】
０．５＊Ｗ４ｓ＜Ｗ２ｓ＜Ｗ４ｓ                      （１）
本発明による２ストロークサイクルは、４ストロークごとではなく２ピストンストロークごとに現れるため、４ストロークサイクルの２倍の速さで実行されるので、関係式（１）が満たされるならば、２ストロークサイクルによって発生する全動力（Ｐ２ｓ）は４ストロークサイクルにより発生する動力（Ｐ４ｓ）よりも大きいということになる。吸気圧の増圧は、排気ポートにおける気体のエネルギーを基に動作するターボ過給機を使用することで達成されることに注意されたい。上記の２ストロークサイクルでは、これらの気体は一般的な４ストロークターボ過給エンジンの場合よりも高いエネルギーを有しているので、増圧はエンジン回転数が比較的低くても可能であり、増圧に使用されたエネルギーの大部分は燃焼生成物から回収される。２ストロークサイクルから得られる仕事Ｗ２ｓを評価する際には、この作用が考慮される。
【００１９】
標準的な４ストロークサイクルの場合よりも広い範囲のエンジン回転速度において増圧が可能であるため、２ストロークサイクルは比較的低いエンジン回転速度に対しても適用可能である。したがって、本発明によれば、エンジン出力を増大させるために、このようなエンジン出力の増大が必要な場合には、エンジンを４ストロークＨＣＣＩモードから２ストロークＨＣＣＩモードに切り換えることができる。実際には、モード間での実際の切り換えは、いずれかのモードの膨張行程又は排気行程の間に生じうる。図２には、２ストロークサイクル及び４ストロークサイクルの動作範囲のグラフが、エンジン出力トルク対エンジン回転速度の観点から示されている。見て分かるように、中出力域から低出力域では、エンジンは４ストロークＨＣＣＩモードで動作する。高負荷要求のときには、エンジンは高出力を得るために２ストロークモードで動作する。しかし、２ストロークの領域を比較的高いエンジン回転速度に対してどの程度拡張できるかは、ある程度、排気バルブ及び吸気バルブの開閉の制御に使用される完全可変バルブシステムの速度とパワーに依存していることに注意されたい。図２のグラフは、ディジタル表現にして、車両内に配置された不揮発性メモリリソースに格納してもよい。また、現在の状態においてエンジンがどのモードで動作すべきかを指示するデータリソース又は「データマップ」として使用してもよい。
【００２０】
図３には、本発明の改良２ストロークＨＣＣＩプロセスと組み合わせて使用することのできるシステムの実施形態の概略図が示されている。図示されているように、チャージスペース１２とピストン１５を囲むエンジンシリンダ１０は、シリンダの吸気ポート２５と排気ポート２６をそれぞれ開閉する完全可変バルブ２１，２２（可変バルブシステム２０により直接制御される）を介して、コンプレッサ（Ｃ）とタービン（Ｔ）を含んだターボ過給機に接続されている。完全可変バルブ２１，２２の弁開閉時期及び揚程（行程）のプロフィールはピストン１５の位置とは無関係に変化させることができる。ターボ過給機は吸気マニホルド２７と排気マニホルド２８の両方に接続されており、吸気マニホルド２７からシリンダの吸気ポート２５を通してシリンダのチャージスペース１２へ加圧燃料／空気を供給する。ターボ過給機のタービン（Ｔ）も、シリンダから排気ポート２６を介して排気マニホルド２８に放出された加熱された排気ガスから、過給圧を上げるためのエネルギーを受け取る。
【００２１】
上で論じたように、例えば、非特許文献１では、このシステムにおいて実施可能なあるタイプの完全可変バルブは、油圧動力源とスプール弁を用いてピストンを移動させ、ポペット弁に当接させる電気油圧弁である。ポペット弁の位置は、スプール弁を介してピストンの各側への液体の供給を変化させることによって高い精度で調整することができる。一方、スプール弁の方はリニアモータを介して制御することができる。位置のフィードバックは、アクチュエータピストンに取り付けられた線形可変差動変成器（ＬＶＤＴ）によって得ることができる。言うまでもなく、完全可変バルブの他の構成及び機構も本発明の要求と矛盾することなく実施されうる。
【００２２】
センサスーツ３０は、シリンダのチャージスペース１２とクランクシャフト４０の両方に接続されており、クランクシャフト４０を通して、例えば、チャージスペース内の気体の圧力及び温度の測定、ならびにクランクシャフトの毎分回転数（ＲＰＭ）の測定も行う。センサスーツの出力はこれらのパラメータの代表値を電子制御装置／観測装置５０に信号として送る。なお、電子制御装置／観測装置５０は、例えば、マイクロプロセッサや他の適切な処理装置を有していてよい。制御装置／観測装置５０は動力要求とエンジンの現在の状態を監視し、２ストロークモードから４ストロークモードへ（又はその逆）の切り換えが高いエンジン負荷に対する要求に対処するのに有利であると判定された場合には、２ストロークモードと４ストロークモードの間の切り換えを制御する。エンジンの状態は、シリンダ１０、吸気マニホルド２７、排気マニホルド２８の中の圧力及び温度の測定、ならびにエンジン回転速度によって部分的に特徴付けられる。他のパラメータを検出するように適合させたセンサもセンサスーツ３０に組み込んでよい。センサスーツ３０により提供される情報と、アクセルペダルを介してエンジン操作者により為されたトルク要求と、図２に示されているデータマップとに基づいて、制御装置はプリセットプログラムを実行し、このプリセットプログラムが可変バルブシステム２０とターボ過給器に対して制御入力を出力する。このようにして、制御装置／観測装置５０はＨＣＣＩを高負荷領域へ拡張するための本発明による改良２ストロークＨＣＣＩ方法を実施する。
【００２３】
本発明による方法は主にＨＣＣＩ燃焼で動作するエンジンの場合に関して提示されているものの、本方法は他の燃焼モードに対しても同様に適用可能である。特に、本方法は純粋に火花点火モードで動作するエンジンにもディーゼルモードで動作するエンジンにも適用することができる。
【００２４】
特に、改良２ストロークＨＣＣＩプロセスは図４に示されているようにディーゼルサイクルにおいて使用することができる。ガソリン（オット）サイクルとは対照的に、標準的なディーゼルサイクルにおける燃焼プロセス（点２と３の間）は、燃焼の速度が高いことを反映して、一定の圧力で生じる。しかし、２ストロークへの変更は点４で生じ、さらなる吸気は、図１に示され上で説明された標準的なガソリンサイクルの２ストロークサイクルの場合と同様に、６と７の間で生じる。
【００２５】
本発明による改良２ストロークＨＣＣＩプロセスは実質的に標準的な４ストロークエンジンの潤油系統を使用しているので、純粋な２ストロークエンジンサイクルに関連した潤滑の問題は回避される。
【００２６】
以上の説明において、本発明は限定的と見なされるべきでない複数の例を参照して説明されている。例えば、本発明は特に、ガソリン又はディーゼル燃料を使用したＨＣＣＩエンジンに適しているが、この特定のタイプの燃料に限定されるものではない。液体燃料及び気体燃料の両方を含めた他の燃料も使用してよい。このような燃料の例としては、液体又は気体水素、（メタン、プロパンのような）気体炭化水素燃料、又は他の炭化水素液体燃料がある。ここに開示されているシステム及び方法の原理における変更が当業者によって為されうることであることは理解及び予想されるべきことであり、そのような改善、変更、及び／又は置換は添付した請求項において定められている本発明の範囲内に含まれるべきものであることを意味する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の１つの実施形態によるターボ過給２ストロークエンジンサイクル（実線）と標準的な過給４ストロークエンジンサイクル（点線）の両方を表すグラフをｙ軸に圧力をとり、ｘ軸に体積をとって示す。
【図２】エンジン出力トルク対エンジン回転速度の観点から２ストロークサイクルと４ストロークサイクルの作動範囲を示す。
【図３】本発明による方法を実施するためのシステムの実施形態を示す。
【図４】本発明の１つの実施形態によるターボ過給２ストロークディーゼルエンジンサイクル（実線）とディーゼル４ストロークエンジンサイクル（点線）の両方を表すグラフをｙ軸に圧力をとり、ｘ軸に体積をとって示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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