(57)【要約】対向ピストン式ディーゼルエンジンは、任意には可変圧縮比および／またはターボ過給を備え、軽負荷時に高圧縮比が用いられ、高負荷時に低圧縮比が用いられるように、エンジン負荷に応じてエンジンの圧縮比を変更することにより、燃料効率を改善することができる。ターボ過給によって低圧縮比の運転条件での効率を改善することができる。許容レベルの窒素酸化物の汚染物質（ＮＯｘ）が生成されることが予測される閾値温度以下にピーク燃焼室温度を維持するために、１つまたは複数の現在のエンジンパラメータを任意に変更することができる。対向ピストン式エンジンのピストンクラウンは、１つまたは複数のスワール誘導機構を有してもよい。方法、システム、製造物等が記載されている。
2015522122.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のエンジン負荷に応じてエンジン出力を供給するために第１の圧縮比で対向ピストン式ディーゼルエンジンを運転するステップを有し、
該対向ピストン式ディーゼルエンジンは、２つのクランクシャフトに連結された２つのピストンクラウンによって少なくとも部分的に形成された燃焼室を備え、
第２のエンジン負荷に応じてエンジン出力を供給するために第１の圧縮比を第２の圧縮比に変更するステップをさらに有し、
第２のエンジン負荷は第１のエンジン負荷よりも大きく、第２の圧縮比は第１の圧縮比よりも小さい
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
圧縮比の変更は、２つのピストンの位相の位相変更と、２つのクランクシャフトの間隔の変更と、のうちの少なくとも一方を用いて行われる
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
供給空気の圧力を周囲圧力よりも上昇させるターボ過給機を介して燃焼室に吸気が供給される
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の方法。
【請求項４】
ターボ過給機は、第２の圧縮比の使用時は第２の圧力で、第１の圧縮比の使用時は第１の圧力で吸気し、第２の圧力は第１の圧力よりも大きい
ことを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
２つのピストンクラウンは、１つまたは複数のスワール相殺機構を有する
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
１つまたは複数のスワール相殺機構によって、燃焼室への吸気は、大きなスワールが発生し、燃焼室に燃料を供給する各インジェクタの前方に形成される少なくとも２つの共回転スワールに分割される
ことを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
エンジン運転情報に基づいて、燃焼室で発生すると予測される予測ピーク燃焼室温度を決定するステップと、
許容レベルの窒素酸化物の汚染物質（ＮＯｘ）が燃焼室内に形成されることが予測される閾値温度を予測ピーク燃焼室温度が超えた際に一連の目標エンジン運転パラメータを特定するステップと、
１つまたは複数の現在のエンジンパラメータを変更することにより、ピーク燃焼室温度を閾値温度以下に維持するために一連の目標エンジン運転パラメータを適用するステップと、をさらに有する
ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
エンジン運転情報に基づいて、燃焼室で発生すると予測される予測ピーク燃焼室温度を決定するステップと、
許容レベルの窒素酸化物の汚染物質（ＮＯｘ）が燃焼室内に形成されることが予測される閾値温度を予測ピーク燃焼室温度が超えた際に一連の目標エンジン運転パラメータを特定するステップと、
１つまたは複数の現在のエンジンパラメータを変更することにより、ピーク燃焼室温度を閾値温度以下に維持するために一連の目標エンジン運転パラメータを適用するステップと、を有する
ことを特徴とする方法。
【請求項９】
エンジン運転情報は、ターボ過給機によって圧縮された空気を受け取り、冷却するインタークーラの出口またはその付近で測定されたインタークーラ出口温度と、エンジン内の圧縮比と、を含む
ことを特徴とする請求項７または８に記載の方法。
【請求項１０】
一連の目標エンジンパラメータは、燃料供給パラメータを含む
ことを特徴とする請求項７から９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
燃料供給パラメータは、所定のエンジンサイクル中に燃焼室内に噴射される燃料噴射量、１エンジンサイクル中の１回または複数回の燃料噴射タイミング、エンジンサイクル中に生じる燃料噴射回数、のうちの１つまたは複数を含む
ことを特徴とする請求項７から１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
一連の目標エンジンパラメータは、燃焼室内のエネルギ密度を減少させることによってピーク温度を低下させるための、現在の圧縮比からより小さな圧縮比への変動を含む
ことを特徴とする請求項７から１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
エンジン制御装置によって前記決定ステップ、前記特定ステップおよび前記適用ステップが実行される
ことを特徴とする請求項７から１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
第１のエンジン負荷に応じてエンジン出力を供給するために第１の圧縮比で対向ピストン式ディーゼルエンジンを運転させ、
該対向ピストン式ディーゼルエンジンは、２つのクランクシャフトに連結された２つのピストンクラウンによって少なくとも部分的に形成された燃焼室を備えており、
第２のエンジン負荷に応じてエンジン出力を供給するために第１の圧縮比を第２の圧縮比に変更し、
第２のエンジン負荷は第１のエンジン負荷よりも大きく、第２の圧縮比は第１の圧縮比よりも小さい
ことを特徴とする対向ピストン式ディーゼルエンジン。
【請求項１５】
さらに、圧縮比変更機構を備え、
該圧縮比変更機構は、２つのピストンの位相を変更するための少なくとも１つの位相器と、２つのクランクシャフトの間隔を変更するための移動機構と、を有する
ことを特徴とする請求項１４に記載の対向ピストン式ディーゼルエンジン。
【請求項１６】
さらに、燃焼室に供給される吸気の圧力を上昇させるターボ過給機を備える
ことを特徴とする請求項１４または１５に記載の対向ピストン式ディーゼルエンジン。
【請求項１７】
ターボ過給機は、第２の圧縮比を使用時は第２の圧力で、第１の圧縮比を使用時は第１の圧力で吸気し、第２の圧力は第１の圧力よりも大きい
ことを特徴とする請求項１６に記載の対向ピストン式ディーゼルエンジン。
【請求項１８】
２つのピストンクラウンは、１つまたは複数のスワール相殺機構を有する
ことを特徴とする請求項１４から１７のいずれか１項に記載の対向ピストン式ディーゼルエンジン。
【請求項１９】
１つまたは複数のスワール相殺機構によって、燃焼室への吸気は、大きなスワールが発生し、燃焼室に燃料を供給する各インジェクタの前方に形成される少なくとも２つの共回転スワールに分割される
ことを特徴とする請求項１８に記載の対向ピストン式ディーゼルエンジン。
【請求項２０】
さらに、エンジン制御装置は、
エンジン運転情報に基づいて、燃焼室で発生する予測ピーク燃焼室温度を決定するステップと、
許容レベルの窒素酸化物の汚染物質（ＮＯｘ）が燃焼室内に形成されることが予測される閾値温度を予測ピーク燃焼室温度が超えた際に一連の目標エンジン運転パラメータを特定するステップと、
一連の目標エンジン運転パラメータを適用し、１つまたは複数の現在のエンジンパラメータを変更することにより、ピーク燃焼室温度を閾値温度以下に維持するステップと、を実行する
ことを特徴とする請求項１４に記載の対向ピストン式ディーゼルエンジン。
【請求項２１】
２つのクランクシャフトに連結された２つのピストンクラウンによって少なくとも部分的に形成された燃焼室と、エンジン制御装置とを備えており、
該エンジン制御装置は、
エンジン運転情報に基づいて、燃焼室で発生する予測ピーク燃焼室温度を決定するステップと、
許容レベルの窒素酸化物の汚染物質（ＮＯｘ）が燃焼室内に形成されることが予測される閾値温度を予測ピーク燃焼室温度が超えた際に一連の目標エンジン運転パラメータを特定するステップと、
一連の目標エンジン運転パラメータを適用し、１つまたは複数の現在のエンジンパラメータを変更することにより、ピーク燃焼室温度を閾値温度以下に維持するステップと、を実行する
ことを特徴とする対向ピストン式ディーゼルエンジン。
【請求項２２】
エンジン運転情報は、ターボ過給機によって圧縮された空気を受け取り、冷却するインタークーラの出口またはその付近で測定されたインタークーラ出口温度と、エンジン内の圧縮比と、を含む
ことを特徴とする請求項２０または２１に記載の対向ピストン式ディーゼルエンジン。
【請求項２３】
一連の目標エンジンパラメータは、燃料供給パラメータを含む
ことを特徴とする請求項２０から２２のいずれか１項に記載の対向ピストン式ディーゼルエンジン。
【請求項２４】
燃料供給パラメータは、所定のエンジンサイクル間に燃焼室内に噴射される燃料噴射量、１エンジンサイクル中の１回または複数回の燃料噴射タイミング、エンジンサイクル中に生じる燃料噴射回数、のうちの１つまたは複数を含む
ことを特徴とする請求項２０から２３のいずれか１項に記載の対向ピストン式ディーゼルエンジン。
【請求項２５】
一連の目標エンジンパラメータは、燃焼室内のエネルギ密度を減少させることによってピーク温度を低下させるための、現在の圧縮比からより小さな圧縮比への変動を含む
ことを特徴とする請求項２０から２４のいずれか１項に記載の対向ピストン式ディーゼルエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１２年７月２日に出願され、発明の名称が「可変圧縮比ディーゼルエンジン」の米国仮出願第６１／６６７，３６９号の優先権を主張する。この優先権の基礎出願は、本出願において互いに参照される文書として、適用される法律の下で許容される範囲でその全体が参照によって組み込まれる。
【０００２】
本明細書に記載の発明は、可変圧縮比機構を持つディーゼルエンジンに関する。
【背景技術】
【０００３】
ごく最近になって、ディーゼルエンジンは、小型の乗客輸送用途としてより受け入れられるようなってきた。特に、ターボ過給型ディーゼルエンジンは、ヨーロッパで広く長年使用されてきた。また、近年北米において低硫黄ディーゼル燃料が入手できるようになったおかげで、そのようなエンジンは米国とカナダの市場においてますます多く利用されつつある。
【０００４】
一般に、ターボ過給型エンジン（ディーゼルエンジン、他の圧縮着火エンジン、または火花点火エンジンのいずれか）は、同様のサイズ（例えば、行程量または排気量の意味で）の自然吸気エンジンよりも高出力、低排出ガスレベル、および高効率を得ることができる。一般的に、大気圧のみで実現される場合に比して、より多くの空気と、これに応じてより多くの燃料をエンジンの燃焼室に送り込むことによって出力と効率を改善することができる。ターボ過給型エンジンの吸気マニホールド圧力のうち大気圧を超える圧力は、一般にブーストレベルと呼ばれ、過給機を使用せずに実現可能なエンジンの吸気マニホールド内の空気圧に対して追加的な圧力を表すものである。
【０００５】
一般に、内燃エンジンの燃焼室内の最大圧力により、エンジンによって達成可能な出力密度が規制される。本明細書で使用する場合、「燃焼室」なる用語は、通常、エンジンのシリンダ内の容積が最小であるときの容積をいい、この容積は１つまたは複数の円筒の壁、バルブ面、ピストンクラウン等によって画定されるものである。
【０００６】
内燃エンジンの圧縮比は、その最小容積に対するその最大容積の体積比を表している。有効膨張比は、排気バルブの開放時に対する燃焼終了時のシリンダ容積の比である。有効圧縮比は、最小容積に対する吸気バルブの閉鎖時のシリンダ容積の比である。対向ピストン式エンジンにおいて、圧縮比は、一般に、ピストンクラウンが最離間時のシリンダ容積をピストンクラウン同士が最接近時の燃焼室容積で除算して計算される。いくつかのエンジンは、互いに異なる有効圧縮比と有効膨張比を有する。本明細書で使用する場合、有効圧縮比は、圧縮行程の終了時の燃焼室容積を圧縮行程の開始時のシリンダ容積で割った割合であり、幾何学的膨張比は、膨張行程の終了時のシリンダ容積を膨張行程の開始時の燃焼室容積で割った割合である。エンジンの有効圧縮比と有効膨張比は等しい必要はない。例えば、吸気バルブの閉鎖が遅れてピストンが既に上昇中である場合、有効圧縮比は幾何学的圧縮比よりも小さい。上死点後に燃焼が十分に行われる場合、有効膨張比は幾何学的膨張比よりも小さい。また、吸気バルブの閉鎖のタイミングに応じた圧縮行程の開始時の燃焼室容積、および排気バルブの開放のタイミングに応じた膨張行程の終了時の燃焼室容積は、ピストン下死点位置におけるシリンダ容積である必要はない。内燃エンジンの圧縮比は、その最小容積に対するその最大容積の体積比を表している。有効膨張比は、排気バルブの開放時に対する燃焼終了時のシリンダ容積の比である。有効圧縮比は、最小容積に対する吸気バルブの閉鎖時のシリンダ容積の比である。対向ピストン式エンジンにおいて、圧縮比は、一般に、ピストンクラウンが最離間時のシリンダ容積をピストンクラウン同士が最接近時の燃焼室容積で除算して計算される。いくつかのエンジンは、互いに異なる有効圧縮比と有効膨張比を有する。本明細書で使用する場合、有効圧縮比は、圧縮行程の終了時の燃焼室容積を圧縮行程の開始時のシリンダ容積で割った割合であり、幾何学的膨張比は、膨張行程の終了時のシリンダ容積を膨張行程の開始時に燃焼室容積で割った割合である。エンジンの有効圧縮比と有効膨張比は等しい必要はない。例えば、吸気バルブの閉鎖が遅れてピストンが既に上昇中である場合、有効圧縮比は幾何学的圧縮比よりも小さい。上死点後に燃焼が十分に行われる場合、有効膨張比は幾何学的膨張比よりも小さい。また、吸気バルブの閉鎖のタイミングに応じた圧縮行程の開始時の燃焼室容積、および排気バルブの開放のタイミングに応じた膨張行程の終了時の燃焼室容積は、ピストン下死点位置におけるシリンダ容積である必要はない。
【０００７】
ディーゼルエンジンが高い信頼性で稼働するには、一般に、燃焼混合気を形成するために燃焼室内に供給される圧縮ガスと混合されるディーゼル燃料が自己着火するのに十分な高さの温度を燃焼室内に発生させるために必要な閾値以上に燃焼室内の圧縮比は維持される。本明細書で使用される燃焼混合気は、燃焼室内の（例えば、インジェクタによって供給される燃料の）ガスと、任意にはエアゾール液滴（aerosol droplets）のことを指している。該ガスは、空気、気化燃料、および場合によっては他のガス（例えば、再循環排気ガス、他の希釈剤など）を含んでもよい。
【発明の概要】
【０００８】
本明細書の説明から当然に理解されることであるが、対向ピストン式エンジン構造は、小型車用途のために構成されたディーゼルエンジンにおいて有益な結果を提供できる。本明細書で様々な実施例に関連して説明されるように、エンジンは任意にはターボ過給機とインタークーラを有してもよい。本発明の様々な実施例では、エンジンは、吸気、圧縮、出力（例えば、膨張）、排気がエンジンのクランクシャフトの２回転に亘って生じ、各工程は独立に制御することができる４サイクルエンジンであってもよい。このようなエンジンでの可変圧縮比の使用は、１つまたは複数の技術（対向ピストン式エンジンでのピストンタイミングの位相調整、そのようなエンジンでのクランクシャフト間の距離の変更などを含むが、これに限定されない）を使用して適用することができる。火花点火エンジンにおいて圧縮比は、エンジンの点火システムによって制御されない自己着火または他の燃焼イベントを回避する必要性から制限されることがある。本明細書に係るディーゼルエンジンでは、高圧縮比は、比較的低トルクを必要とする運転サイクルの一部の効率を高めるために有利に適用することができる。高エンジン負荷のために大トルクが必要である場合、上述のように、圧縮比を小さくすることができる。このような取り組みと組み合わせて、または代替的に単独取り組みとして、１つまたは複数のエンジン運転状態に関する情報は、燃焼室温度を予測するために使用することができ、１つまたは複数のエンジン運転パラメータは、窒素酸化物の生成を制限するために燃焼室内のピーク温度を閾値温度以下に維持するように調節することができる。また、燃焼室内に噴射される燃料の迅速な混合とスワールを促進するピストンクラウンの構造は、ディーゼル用途および火花点火式構造のいずれのための対向ピストン式エンジンにも使用することができる。
【０００９】
本内容の一態様では、対向ピストン式ディーゼルエンジンを第１の圧縮比で運転して第１のエンジン負荷に応じたエンジン出力を供給するステップが方法に含まれている。対向ピストン式ディーゼルエンジンは、２つのクランクシャフトに連結された２つのピストンクラウンによって少なくとも部分的に形成された燃焼室を含んでいる。さらに、この方法は、第１の圧縮比を第２の圧縮比に変更して第２のエンジン負荷に応じたエンジン出力を供給するステップを含んでいる。第２のエンジン負荷は第１のエンジン負荷よりも大きく、第２の圧縮比は第１の圧縮比よりも小さい。
【００１０】
関連する第２の態様では、対向ピストン式ディーゼルエンジンは、２つのクランクシャフトに連結された２つのピストンクラウンによって少なくとも部分的に形成された燃焼室とエンジン制御装置とを含んでいる。エンジン制御装置は、第１のエンジン負荷に応じたエンジン出力を供給するために第１の圧縮比で対向ピストン式ディーゼルエンジンを運転するステップと、第２のエンジン負荷に応じたエンジン出力を供給するために第１の圧縮比を第２の圧縮比に変更するステップと、を含む動作を実行する。第２のエンジン負荷は第１のエンジン負荷よりも大きく、第２の圧縮比は第１の圧縮比よりも小さい。
【００１１】
関連する別の態様では、ディーゼル内燃エンジンの燃焼室で発生する予測ピーク燃焼室温度を決定するステップが方法に含まれている。この決定は、エンジン運転情報に基づいて行われる。さらに、本方法には、許容レベルの窒素酸化物の汚染物質（ＮＯｘ）が燃焼室内に形成されることが予測される閾値温度を予測ピーク燃焼室温度が超えた場合に、一連の目標エンジン運転パラメータを特定するステップと、一連の目標エンジン運転パラメータを適用し、１つまたは複数の現行エンジンパラメータを変更することにより、ピーク燃焼室温度を閾値温度以下に維持するステップと、が含まれている。
【００１２】
関連する別の態様では、対向ピストン式ディーゼルエンジンは、２つのクランクシャフトに連結された２つのピストンクラウンによって少なくとも部分的に形成された燃焼室と、エンジン制御装置とを含んでいる。該エンジン制御装置は、エンジン運転情報に基づいて、燃焼室で生じる予測ピーク燃焼室温度を決定するステップ、許容可能なレベルの窒素酸化物の汚染物質（ＮＯｘ）が燃焼室に形成されると予測される閾値温度を予測ピーク燃焼室温度が超えるときに一連の目標エンジン運転パラメータを特定するステップ、該一連の目標エンジン運転パラメータを適用し、１つまたは複数の現在のエンジンパラメータを変更することによってピーク燃焼室温度を閾値温度以下に維持するステップを含む動作を実行する。
【００１３】
いくつかの変形例では、１つまたは複数の追加的な特徴は、任意には任意の実行可能な組み合わせで含めることができる。圧縮比の変更は、２つのピストンの位相の位相変更と、２つのクランクシャフト間の距離の変更との少なくとも一方を使用して行うことができる。供給空気の圧力を周囲圧力よりも高くなるまで上昇させるターボ過給機を介して燃焼室に吸気を供給することができる。ターボ過給機は、第２の圧縮比を使用時は第２の圧力で、第１の圧縮比を使用時は第１の圧力で吸気を供給することができる。第２の圧力は第１の圧力よりも大きくすることができる。２つのピストンクラウンは、１つまたは複数のスワール相殺機構を有してもよい。１つまたは複数のスワール相殺機構によって、燃焼室への吸気を大きなスワールを有し、燃焼室に燃料を供給する各インジェクタの前方に形成された少なくとも２つの共回転スワールに分割することができる。
【００１４】
エンジン運転情報は、ターボ過給機によって圧縮された空気を受け入れて冷却するインタークーラの出口またはその付近で測定されたインタークーラ出口温度と、エンジン内の圧縮比とを含んでもよい。一連の目標エンジンパラメータは、燃料供給パラメータを含んでもよい。燃料供給パラメータは、所定のエンジンサイクル中に１回または複数回燃焼室内に噴射される燃料の量、１エンジンサイクル中に生じる１回または複数回の燃料噴射のタイミング、およびエンジンサイクル中に生じる燃料噴射の回数を含んでもよい。一連の目標エンジンパラメータは、燃焼室内のエネルギ密度の減少により、ピーク温度を低下させるための現在の圧縮比から低圧縮比への変動を含んでもよい。
【００１５】
本明細書に記載された発明の１つまたは複数の変形例の詳細は、添付図面および以下の詳細な説明で説明されている。本明細書に記載された発明の他の特徴および利点は、詳細な説明および図面、並びに特許請求の範囲から明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
本明細書に組み込まれ、その一部を構成する添付図面は、本明細書に開示された本発明の特定の実施態様を示し、明細書と共に、開示された実施例に関連する原理のいくつかを説明するのに役立つ。
【００１７】
【図１】有効膨張比および有効圧縮比の組み合わせの２例を比較するグラフである。
【図２】２つの対向するピストンクラウンの設計の立面図である。
【図３】内燃エンジンのシリンダ内での３つの異なる位置における２つの対向するピストンクラウンの断面図を示す図である。
【図４】本発明に係る実施形態において１つまたは複数の特徴を有する方法の態様を示すプロセスフロー図である。
【図５】本発明に係る実施形態においてエンジンシステムの態様を示す図である。
【図６】本発明に係る実施形態において１つまたは複数の特徴を有する別の方法の態様を示すプロセスフロー図である。
【００１８】
実務上、類似の参照番号は、類似の構造、機能または要素を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
例えば、乗用車、軽トラック等で用いるように構成された最新の小型ディーゼルエンジンにおいて、噴射燃料の自動点火を可能にするのに十分な圧縮比は、通常、少なくとも約１６：１である。エンジンが作動温度に達した後、この大きさの圧縮比は、（例えば、上述の１つまたは複数の理由により）高効率に適したものとすることができる。しかし、例えば、高圧縮比の下でより多量の燃料が燃焼すると、相当な熱と圧力を生じ、望ましくない結果がもたらされるおそれがあるので、ディーゼルエンジンの高圧縮比は、高出力密度にあまり適していないことがある。
【００２０】
重負荷用途（例えば、高エンジン負荷）に適用すると、高圧縮比で要求されるエンジン出力を実現するのに必要な圧力に耐えることができる非常に頑健なエンジン構造が必要である。また、場合によっては、クランクシャフトにピストンクラウンを連結する連結ロッドがクランクシャフトに最大トルクを発生させるのに十分な角度に到達する前に、高圧縮比によって燃焼室内の圧力が急速に低下することがある。低圧縮比は、より長時間、燃焼室圧力を高レベルで維持することによって、トルクを向上させることができるが、高温の燃焼ガスが排出される前に完全に膨張しないことがあるので、単数または複数の排気バルブからエネルギを排出するおそれがある。
【００２１】
動力車両の典型的な運転サイクルでは、一般に、燃料の大部分は、車両の内燃エンジンの低負荷時およびアイドル運転時に消費される。低負荷運転状態とは、一定またはほぼ一定速度、減速、下り坂走行、穏やかな加速などの走行を含み得る。しかしながら、例えば、急加速、高い車両負荷または多数の乗客の運搬または牽引、登坂走行等の特定の条件の下では、車両エンジンは、操作者の期待を満足させるために高出力を供給できなければならない。一般に、従来のディーゼルエンジンにより提供される効率および出力応答は、典型的な車両の利用パターンにあまり整合していない。
【００２２】
小型車用途へのディーゼルエンジンの適合性を改善するための取り組みの１つは、ターボ過給機を採用することであった。従来のターボ過給型ディーゼルエンジンでは、空燃混合気の希釈度を上げながらブーストレベルを増大させることによって効率の改善を実現することができる。ブーストを増大させることにより、ディーゼルの点火を維持するために十分な空気の温度と密度が得られ、燃焼混合気を希釈することにより、各サイクルで放出されるエネルギ量を減少させて、燃焼室の温度低下を支援することができる。共通の燃焼生成汚染物質であって対流圏大気汚染（例えば、「スモッグ」）の主要成分である窒素酸化物（例えば、一酸化窒素（ＮＯ）および窒素酸化物（ＮＯ２、ＮＯｘと呼ばれる集合体））の発生を減少させる上で燃焼室の温度低下は望ましい。
【００２３】
ブーストレベルを増大させた結果、小型用途の典型的なターボ過給型ディーゼルエンジンは、１５０バールまたはそれ以上のピーク圧力がかかるおそれがある。一般に、重要な重いエンジン構造部品は、このような圧力を維持することが必要である。これらの特徴の実現には、ディーゼルエンジンの重量およびコストの増大が伴う。また、一般にディーゼルエンジン、特にターボ過給型ディーゼルエンジンは、従来の火花点火エンジンによって達成可能な効率および性能のレベルを改善することができるが、このようなエンジンによって生成される大気汚染物質の制御が重要な課題である。例えば、上述の取り組みを用いても、ディーゼル燃焼は本来高温であるので、このようなディーゼルエンジンでは、多くの場合、ＮＯｘの発生が増え、高圧縮比と過給機の使用によってさらに悪化するおそれがある。
【００２４】
圧縮行程の終了時のシリンダ内の流体温度は、一般に、シリンダに供給される流体の当初温度、ピストンの圧縮行程中にこれらの流体が受ける圧縮量（例えば、圧縮比）、および壁への熱損失の関数である。エンジン回転数とエンジン負荷が低い時、低速でのターボ過給機が供給できるブーストは非常に少ないので、シリンダに入る流体（例えば、空気）の温度は本質的に周囲温度である。したがって、エンジンの冷間始動のために、圧縮比を大きくするには、噴射燃料の着火を引き起こすほど燃焼室内の流体を十分に加熱する必要がある。エンジンが暖機され、シリンダ壁がもはや燃焼室内の熱のための有意なヒートシンクとして作用しなくなると、低圧縮比は、圧縮行程の終わりに発火を引き起こすのに十分な流体温度を提供することができる。
【００２５】
さらに、ターボ過給機が少なくとも中程度のレベルのブーストを供給し始めると、ターボ過給機内に発生する圧縮とターボ過給機の非効率性の両方によって、過給機を通過する空気が加熱される。ターボ過給機を通過するこの空気は高温であるため、その密度は、仮にターボ過給機排気圧力が昇圧された状態で空気が周囲温度（例えば、ターボ過給機に入る空気の温度）まで冷却された場合に達成可能な密度よりも低い。通常、インタークーラまたは他の熱交換機構は、ターボ過給機によって吸気に加えられた熱の少なくとも一部を除去するために、ターボ過給機と組み合わせて使用される。しかし、インタークーラは、通常、圧縮吸気を周囲温度に戻るまで冷却しない。エンジンが始動し、稼働している間（すなわち、始動時のように冷たくない）、シリンダ壁は通常、完全に暖機される。圧縮された吸気によって余分な熱負荷が追加されることで、燃焼室の温度が燃焼を維持するために必要な温度を容易に大幅に超過する可能性がある。したがって、燃焼室内の熱収支は、エンジンが運転し続けるほど、燃焼温度を上昇させる方向に推移する。このように、上昇した吸気温度から開始し、圧縮行程において燃焼室内で圧縮し、その後、中程度から重いエンジン負荷に適した出力を供給するために相当量の燃料を燃焼すると、容易に燃焼室内が非常に高温となり、ＮＯｘの発生量が増すおそれがある。
【００２６】
現在、ディーゼルエンジンでの汚染物質排出制御に用いることができる取り組みは、一般に、燃焼発生ＮＯｘを非汚染化合物へ変換することを含んでいる。一般に、１つまたは複数の後処理システム、例えば、選択還元触媒の存在下で、ＮＯｘと反応して窒素ガス（Ｎ２）と水蒸気（Ｈ２Ｏ）を生成する尿素等を含有する「ディーゼル排気流体」の注入のためのシステムが含まれる。このようなシステムの例は、ＢＭＷ株式会社（独国バイエルン州ミュンヘン市）から入手可能な「最新型ディーゼル」車、フォルクスワーゲン（独国ニーダーザクセン州ヴォルフスブルク市）から入手可能なターボ過給機付き直噴（ＴＤＩＴＭ）車両、ダイムラー株式会社（独国バーデン・ヴュルテンベルク州シュトゥットガルト市）から入手可能なメルセデス  ブルーテックＴＭ車で取り入れられている。これらの後処理システムは、複雑で高価なことがある。
【００２７】
本発明に係る１つまたは複数の実施形態においてディーゼルエンジンは、軽負荷、高効率運転では高圧縮比が使用され、高出力を提供するためのターボ過給と組み合わせて低圧縮比が使用される可変圧縮比機能を特徴とすることができる。一般に、低圧縮比で高出力運転モードは、燃費性能を低下させるおそれがある。
【００２８】
図１は、２つの異なるモードのエンジン運転に関するシリンダ圧力とシリンダ容積の関係を示す２つの曲線を図示するグラフ１００を示している。図１のデータは、ディーゼルの可変圧縮比のピーク圧力が等しいが、低圧縮比での出力が４５％も大きい例を示している。低圧縮比は高出力で使用することができ、高圧縮比は始動時およびほとんどの運転時（例えば、運転サイクルの低出力で高効率の部分において）に使用することができる。第１のモードでは、軽負荷で高効率運転のための１４：１の有効膨張比に関連して高圧縮比（この例では、約１６：１）を提供することができる。
【００２９】
高エンジン負荷に応じた大出力を出すために、第２のモードは、有効膨張比が８：１であって、低圧縮比（この例では、約１０：１）に規定することを特徴とすることができる。当然のことながら、図１のデータは、２つの可能性のある圧縮比構成の説明のために提供される。本発明に係る実施形態においてディーゼルエンジンは、最大出力時の最小圧縮比と高効率化時の最大圧縮比との間の圧縮比の連続範囲を含んでもよい。または、一連の限定的な圧縮比を選択することができる。
【００３０】
本発明のいくつかの実施例では、対向ピストン式エンジン構造は、可変圧縮比と４ストローク運転を特徴とするディーゼルエンジンに使用することができる。対向ピストン式エンジン構造および本発明の１つまたは複数の実施例と関連して使用され得る他のエンジン機構の例には、これに限定されないが、以下の共同所有の米国特許および特許出願公開が含まれる。米国特許第７，５５９，２９８号明細書（「内燃エンジン」）、米国特許第８，４１３，６１９号明細書（「対向ピストンおよびその他の内燃エンジンのための可変圧縮比システム、並びに関連する製造および使用方法」、米国特許出願公開第２０１０／０２１２６２２号明細書（「スリーブバルブアセンブリ」）、米国特許出願公開第２０１１／００４１７９９号明細書（「ハイスワールエンジン」）、および米国特許出願公開第２０１２／０１５８２７３号明細書（「マルチモード高効率内燃エンジン」）」。
【００３１】
本発明のいくつかの実施例では、上述のような対向ピストン式エンジンは、図２Ａおよび図２Ｂの２００、２５０に図示されたものと同様のピストンクラウンを含むことができる。ピストンクラウン２００、２５０の最接近時に隆起突出部２０２、２０４が互いに重なるように、これらのピストンクラウンは、対向する２つのピストン上に配向して構成されており、燃焼室内に２つのポケット２０６、２１０を形成することができる。スワール誘導吸気ポートと組み合わせて使用される場合（例えば、１または複数の上記引用文献で説明したように）、これらピストンが上死点近くで一緒になるので、このスワールによって、単一の流れ場として入る吸気は２つの共回転スワールに分離することができる。
【００３２】
この分割は、例えば、図３Ａ、図３Ｂおよび図３Ｃの断面図３００、３３０および３６０を参照してさらに示されるように、ピストン上で重なり合うクラウン形状の構造に起因する。対向する各ピストンクラウンの表面から突出する隆起突出部２０２、２０４の構造は、任意には、砂時計の半分に似た形状を有することができる。２つの対向ピストンはそれぞれ、ピストンクラウンの対向する両方の端面から「ポップアップ」形状（突出形状）を有し、ピストンクラウンが互いに最も近づいたとき（例えば、上死点位置で）、図３Ａ、図３Ｂおよび図３Ｃに示されているように、隆起突出部２０２、２０４が重なり合う。
【００３３】
図３Ａにおいて、２つの対向するピストン３０２、３０４は、それぞれ隆起突出部２０２、２０４を有し、接近してそれらの間の燃焼室３０６を圧縮する。図３Ｂおよび図３Ｃは、最大圧縮比状態（図３Ｂ）および最小圧縮比状態（図３Ｃ）における上死点でのこれらピストンクラウンの突出部の重なり具合を示している。これら図面に示すように、圧縮比が変わるにつれて、隆起突出部２０２、２０４の重なり量が変動する。最少圧縮比状態でも、隆起突出部２０２、２０４は重なり合ったまま、上述のように吸気の流れを２つの共回転スワールに分割する。このように、共回転スワールは、ハイスワールポートによって誘発されるスワールを効果的に相殺することができる。したがって、隆起突出部は、ピストンクラウン上のスワール相殺機構と呼ぶことができる。
【００３４】
これらピストンが離間するにつれて、２つの共回転スワール流は、燃焼室の中央で互いに対して大きなせん断力を与え、マクロ運動であるスワールをマイクロ運動である渦の乱流に変化させることができる。この特徴により、空気と噴射燃料の混合を完了させることができる。マイクロ運動が急速に減衰することによって、ピストンはより大きな面積のシリンダ壁を高温の燃焼ガスにさらすので、燃焼室の壁への熱伝達を減少させることができる。
【００３５】
本発明のいくつかの実施例では、燃焼室内の第１の燃料インジェクタの前方には、第１の共回転スワールを形成することができ、燃焼室内の第２の燃料インジェクタの前方には、第２の共回転スワールを形成することができる。
【００３６】
本発明のいくつかの実施形態において、可変圧縮比は、ターボチャージャまたはスーパーチャージャと組み合わせることができる。ブーストレベルが高いとき、吸気ダクト内の空気の温度は周囲温度よりも著しく高くなることがある。この高温の空気の圧縮を開始することで、低圧縮比でも、圧縮後の空気の温度が安定した燃焼を確保するほど十分に高いので、高出力で安定した燃焼を行うことができる。
【００３７】
エンジン吸気温度が低い場合、冷間始動時または低ブーストレベルでの運転時には、高圧縮比を用いることができる。このような条件下における高圧縮比の使用は、比較的低い吸気温度および／または低出力でも安定した燃焼を維持することができる。本発明のいくつかの実施例では、可変圧縮比は、例えば、（上で参照された）米国特許第８，４１３，６１９号明細書に記載されているように、対向ピストンのクランク位相変更によって実現することができる。この取り組みは、低圧縮／高出力トルク状態で２つのクランクシャフト間で伝達が必要なトルクの大きさを減少させるのに有効となり得る。
【００３８】
留意すべきなのは、図１に示された（例えば、燃焼室圧力の増加による）著しく高いトルクは、質量流量（マスフロー）を増大させなければならない点であり、通常、高エンジン負荷のために低い膨張比を用いた場合、効率はより小さくなるので、質量流量の増大量は、トルク増大量を得るためのものより少なくとも若干大きくなる。
【００３９】
低膨張比運転のエンジンから出る排気内に残存する高エネルギは、ターボ過給で利用可能である。この特徴により、より多くの質量流量をより高い吸気マニホールド圧力で必要とするより大きな仕事量レベルを得ることができる。本発明の一部の実施形態において、ターボ過給機内の１つまたは複数のタービン部品に悪影響を及ぼすおそれがある過熱状態を回避するために、エンジンから出る排気ガス中の過剰な熱は、ターボ過給機に入る前に冷却を必要とすることがある。
【００４０】
吸気ガス（例えば、ターボ過給機によって圧縮された空気）と排気ガスは共に、任意には、インタークーラを通して導くことも、または各ガス流の温度に応じてインタークーラを通して導かないこともできる。ディーゼルエンジンの運転要件と整合して、吸気ガス温度は、一般に、点火を引き起こすほど十分に高温にすべきであるが、（例えば、空気を燃焼室内に最大出力密度で充填できるようにすることによって）最大出力密度を提供する程度に極力低温にしてもよい。上述のようにターボ過給機のタービンを回す前に、排気ガスは、任意には、冷却器を介して導くことができる。このように、インタークーラは充填密度が確実に高くなるように調整可能であるが、燃焼が損なわれるほど低温にはならない。
【００４１】
図４は、本発明の１つまたは複数の実施例で存在し得る特徴を説明するためのプロセスフロー図４００を示している。ステップ４０２では、第１のエンジン負荷において第１の圧縮比でディーゼルエンジンを運転することができる。次に、ステップ４０４では、第１のエンジン負荷よりも大きい第２のエンジン負荷において第１の圧縮比よりも小さい第２の圧縮比でエンジンを運転することができる。本発明のいくつかの実施例において、エンジンは対向ピストン式エンジンとすることができ、任意には、ブーストレベルを上げるためのターボ過給機を備えることができる。換言すれば、供給される空気の圧力を周囲圧力よりも高くするターボ過給機を介して空気が燃焼室に供給される。対向ピストン式エンジンは、任意には、共通の軸に沿って往復運動（例えば、「インライン型」対向ピストン式エンジン）または同一直線上にない２つの軸に沿って往復運動（例えば、「折れ曲り型対向ピストン式エンジン）を行う対向ピストンを備えていてもよい。
【００４２】
ステップ４０６では、任意的には、例えば、図２Ａ、図２Ｂ、図３Ａ、図３Ｂおよび図３Ｃを参照して上述したように、スワール誘導機構を設けてもよく、これにより燃焼室への吸気に大きなスワールが形成され、燃焼室に燃料を供給する各インジェクタの前方に形成される少なくとも２つの共回転スワールに分割される。ステップ４１０では、任意的には、ターボチャージャまたはスーパーチャージャを設けて、特に、高エンジン負荷では、燃焼室への吸気の質量流量を増加させ、低圧縮膨張比で生じる低効率を相殺または補償することができる。換言すれば、ターボチャージャは、第２の圧縮比が使用されている間は第２の圧力で吸気を供給し、第１の圧縮比が使用されている間は第１の圧力で吸気を供給し、第２の圧力は第１の圧力よりも大きい。
【００４３】
現在のディーゼル技術で通常必要とされる排出量制御システムのコストと複雑さを考えると、ＮＯｘの相当量の発生を低減または除去する方法で運転可能なドライブサイクル適合ディーゼルエンジンが望まれる。本発明のいくつかの実施例において、ターボ過給型ディーゼルエンジンは、ＮＯｘ発生量が所定のレベルに制限されるように、燃焼室内の温度を制御するために、１つまたは複数のエンジン運転条件を調整するエンジン制御装置を含んでいてもよい。
【００４４】
例えば、ターボ過給型ディーゼルエンジンのインタークーラ出口における吸気の温度は、適切な点火と燃焼室における燃料の燃焼に必要な圧縮比を決定する少なくとも１つのパラメータとして使用することができる。このようにして、ＮＯｘの発生が極力抑えられるように低燃焼温度が維持される。燃焼ガス温度が下降すると、ＮＯｘの発生が低減される。
【００４５】
ターボ過給型ディーゼルエンジンと組み合わせて可変圧縮比機構を使用することによって、噴射燃料の燃焼を維持するのに必要な燃焼室温度下限値が維持され、ＮＯｘの発生量を目標閾値以下に維持するのに必要な燃焼室温度上限値を超えないように、圧縮行程の終了時に到達する燃焼室温度を制御するために圧縮比の動的な変更が可能になる。例えば、乗用車用途のような軽量エンジンでは、圧縮比の低減によって、より大きな膨張仕事量を用いて車両クランクシャフトにトルクを出力できるので、出力密度を改善することができる。
【００４６】
上述したように、第２のモードの低圧縮比での運転は、（例えば、上述の第１のモードのように）高圧縮比での運転よりも燃料効率が低い。しかし、（例えば、通常の乗用車または軽トラックの運転サイクルにおいて）エンジンがその運転サイクルの制限された断続的な部分だけで高出力を必要とする場合、このような期間中に高出力を供給するのに必要な一時的な効率低下は、車両の全効率に著しい影響を与えることはない。エンジンが上述の第２モードの低圧縮比で要求に応じた高出力密度を達成できるようにすることで、一定の高圧縮比で稼働する大型エンジンと同じピーク出力を供給する小型（例えば、軽量、安価など）エンジンを提供することができる。小型化されたエンジンは、その運転寿命のほとんどで運転曲線の高効率な部分で運転させることができるので、燃料の相当量を節約することができる。
【００４７】
図５のエンジンシステム５００の図に示す一例では。エンジン制御装置（例えば、エンジン制御ユニットまたはＥＣＵ）５０２は、エンジン運転に関する１つまたは複数の情報単位を受信する。１つのタイプの情報は、吸気マニホールド５０８と１つまたは複数の吸気バルブ（不図示）を介して、インタークーラ５０６によって燃焼室３０６に送出される空気の温度を測定するインタークーラ出口温度センサ５０４から出力されるものであってもよい。インタークーラ５０６は、ターボ過給機５１０により圧縮された空気を冷却することができ、例えば、排気マニホールド５１４を介して燃焼室３０６から除去される排気ガス５１２から出力供給を受けることができ、これは吸気口５２０から吸気５１６を受け入れることができる。他の情報単位は、燃焼室３０６内の現在の圧縮比を含んでもよい。このような信号、または単に燃焼室３０６の現在の圧縮比の状態に関する情報は、様々な可変圧縮比制御システム５２２から受け取ることができる。該制御システムは、任意には、燃焼室の幾何学的形状、燃焼室の有効圧縮比の変更に影響を与えるバルブタイミング、ピストン位相タイミング制御などのうちの１つまたは複数に影響を与える（例えば、対向ピストン式エンジンでの位相駆動型ＶＣＲのための）１つまたは複数の電気的および機械的な制御を含んでもよい。また、エンジン制御装置５０２は、ターボ過給機５１０によって供給される現在のブーストレベル、現在のエンジン負荷、現在のエンジン回転数、燃焼室温度を代表する温度（例えば、シリンダ壁温度、ピストンクラウン温度など）、燃焼室内に噴射された、または所定のエンジンサイクル中に噴射される燃料量、エンジンの１サイクル中の噴射タイミングなどに関する１つまたは複数の情報を受信することができる。燃料供給量および燃料供給タイミングに関する情報は、燃料供給システム５２４から受信することができる。エンジン負荷および速度センサ、および／または温度センサ（図示せず）のうちの一方または両方は、エンジン制御装置５０２に提供する情報に含めることができる。エンジン制御装置５０２は、任意には、特殊用途または汎用のプログラマブルプロセッサの一方または両方を含むことができ、該プロセッサは、ソフトウェア、ハードウェア、ファームウェアまたはそれらの組み合わせを実行することができる。
【００４８】
したがって、本発明に係る１つまたは複数の実施形態において、エンジンの運転サイクルの少なくとも一部のための所定の限界値以下にＮＯｘの発生を低減または抑制する方法でターボ過給型ディーゼルエンジンを運転するための方法が設けられている。図６は、このような方法により得られる特徴を説明するフローチャートを示している。当然のことながら、図６と整合する方法の１つまたは複数の特徴は、図４と整合する方法の１つまたは複数の特徴と組み合わせて使用することができ、その逆もまた可能である。再び図６を参照するに、エンジン制御装置は、ステップ６０２において、エンジン運転情報に基づいて内燃エンジンの燃焼室で発生すると予測ピーク燃焼室温度を決定する。この内燃エンジンは、本明細書の他の場所で述べたように、ディーゼルエンジン（任意には、ターボ過給機を有する対向ピストンディーゼルエンジン）とすることができる。ステップ６０４において、許容レベルの窒素酸化物の汚染物質（ＮＯｘ）が燃焼室内に形成されることが予測される閾値温度を予測ピーク燃焼室温度が超える場合、ステップ６０６において一連の目標エンジン運転パラメータが特定される。ステップ６１０において、一連の目標エンジンパラメータを用いて、１つまたは複数の現在のエンジン運転パラメータを変更することにより、ピーク燃焼室温度を閾値温度以下に維持する。
【００４９】
一例では、エンジン運転情報には、インタークーラ出口温度とエンジンの燃焼室内の圧縮比とを含んでもよい。一連の目標エンジンパラメータは、例えば、所定のエンジンサイクル時に燃焼室内に噴射される燃料量、エンジンサイクル時の１回または複数回の燃料噴射タイミングなどを含んでもよい。燃料の噴射タイミングを遅らせることで、点火を遅延させることができ、これは火花点火エンジンでの点火タイミングを遅らせるのと同様の効果を有する。例えば、燃焼室によって駆動される単数または複数のピストンの上死点を数度過ぎた位置で燃料着火が発生した場合、シリンダ容積が既に膨張し、圧力上昇速度が制限されることで、温度上昇が制限されるので、ピーク温度の減少が生じる。したがって、エネルギ密度を小さくすることができ、燃焼室で生成される熱が少なくなる。また、エンジンサイクル中に燃料を多数回の噴射することは、燃焼速度を遅くすることができ、燃焼室内の温度を低下させる効果を有することができる。
【００５０】
図６に関連する別の変形例の方法は、ターボ過給機のブーストレベル、現在のエンジン負荷、現在のエンジン回転数、燃焼室温度を代表する温度などの１つまたは複数のエンジン運転情報の使用を含んでもよい。ターボ過給機のブーストレベルは、任意には一連の目標エンジンパラメータの一部として変更することができる。いくつかの例では、エンジンの圧縮比は、少なくとも部分的に、エンジンの要求負荷およびエンジン回転数に応じて決定することができ、燃料供給特性（噴射タイミング、噴射量、噴射回数など）は、燃焼室内のピーク温度を制限するためにステップ６０６で特定されてステップ６１０で適用された一連の目標エンジンパラメータの一部とすることができる。他の例では、圧縮比は、燃焼室内のピーク温度を閾値温度以下で維持するためにステップ６０６で特定されてステップ６１０で適用された一連の目標エンジンパラメータの一部とすることができ、そのため、ピーク燃焼室温度を閾値温度以下で維持することに基づいて決定し、適用することができる。つまり、現在の圧縮比は、低圧縮比に変更し、燃焼室内のエネルギ密度を減少させることにより、ピーク温度を低下させることができる。
【００５１】
上記説明に記載された実施例は、本明細書に記載された発明に係る全ての実施形態を表すものではない。代わりに、それらは記載された発明に係る態様におけるいくつかの例に過ぎない。本明細書でいくつかの変形例について詳細に説明してきたが、他の変更または追加も可能である。特に、さらなる特徴および／または変形を本明細書に記載されたものに加えて提供することができる。例えば、上述の実施例は、開示された特徴の様々な組み合わせおよびサブコンビネーション、および／または本明細書に開示されたものに１つまたは複数の特徴を付け加えた組み合わせおよびサブコンビネーションを対象とすることができる。また、添付図面に図示され、および／または、本明細書に記載された論理流れは、望ましい結果を達成するために、示された特定の順序またはシーケンス順序を必ずしも必要としない。以下の請求の範囲は、他の実施例または実施形態を含んでいてもよい。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
2015522122.tif 000007
【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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