(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体燃料供給内燃機関の作動方法であって、
エンジンサイクルの間に、
吸気を吸気管路から内燃機関の燃焼室へ向ける工程と、
燃焼室内の吸気を圧縮する工程と、
気体燃料を１２ＭＰａより高い圧力で燃焼室内の圧縮吸気へ直接噴射する工程と、
直接噴射された気体燃料を着火する工程と、
直接噴射された気体燃料を燃焼させる工程と、
直接噴射された気体燃料が燃焼する間に生成された排気ガスを燃焼室から排気管路へ向ける工程とを含み、
排気管路からの一定量の排気ガスはＥＧＲ管路を介して吸気管路へ向けられ、次のエンジンサイクルの間に、続いて発生する吸気は前記一定量の排気ガスを含む
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記一定量の排気ガスは、直接噴射された気体燃料の燃焼に由来する目標ＮＯｘ濃度によって決まることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記一定量の排気ガスは圧力によって決まることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
圧力は前記一定量の排気ガスによって決まることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
直接噴射される気体燃料を所定継続時間噴射する工程を含み、所定継続時間は前記一定量の排気ガスによって決まることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
直接噴射される気体燃料を所定時期に噴射する工程を含み、所定時期は前記一定量の排気ガスによって決まることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
−２０から５度ＡＴＤＣの間に気体燃料の噴射を開始する工程を含むことを特徴とする請
求項１に記載の方法。
【請求項８】
直接噴射気される気体燃料は３０ＭＰａ未満の圧力で噴射されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
直接噴射される気体燃料は成層燃焼モードで燃焼することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
直接噴射される気体燃料の拡散燃焼を促進させる工程を含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
吸気管路内の吸気は実質的に気体燃料を含んでいないことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
直接噴射される気体燃料の導入前には、吸気は実質的に気体燃料を含んでいないことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
前記一定量の排気ガスの排出濃度を決定する工程と、排出濃度は、
一酸化炭素、
炭化水素、
一酸化炭素及び炭化水素の混合物、
一酸化炭素及び微粒子の混合物、
炭化水素及び微粒子の混合物、又は
一酸化炭素、炭化水素及び微粒子の混合物の濃度であり、
排出濃度が最大排出濃度を超えるＥＧＲ率設定値を決定する工程と、
排出濃度が最大排出濃度を超えた時には、前記一定量の排気ガスを調整してＥＧＲレベルを設定値未満とする工程と
を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記一定量の排気ガスを吸気管路から燃焼室へ向ける前に、前記一定量の排気ガスを冷却する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記一定量の排気ガスを吸気管路から燃焼室へ向ける前に、前記一定量の排気ガスを圧縮する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記一定量の排気ガスがＥＧＲ管路へ向けられた後に、残りの排気ガスをターボ過給機のタービンを通るように向ける工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記一定量の排気ガスがＥＧＲ管路へ向けられる前に、排気ガスをターボ過給機のタービンを通るように向ける工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
気体燃料供給内燃機関の作動方法であって、
エンジンサイクルの間における要求ＥＧＲ質量及び要求合計給気質量を決定する工程と、
吸気を内燃機関の燃焼室へ向ける工程と、
燃焼室内の吸気を圧縮する工程と、
直接噴射される気体燃料を１２ＭＰａより大きい圧力で燃焼室へ噴射する工程と、
直接噴射された気体燃料を着火する工程と、
直接噴射された気体燃料を燃焼させる工程と、
気体燃料の燃焼により発生した一定量の排気ガスを燃焼室から外へ向ける工程と、
残りの排気ガスの燃焼室からの流出を阻止する工程と、残量は要求ＥＧＲ質量により設定され、
次のエンジンサイクルの間に、続いて発生する吸気を燃焼室へ導入する工程とを含み、続いて発生する吸気は要求ＥＧＲ質量を差し引いた要求合計給気質量に基づく質量を有する
ことを特徴とする方法。
【請求項１９】
内燃機関の作動方法であって、エンジンサイクルの間に、
吸気を吸気管路から内燃機関の燃焼室へ向ける工程と、
吸気を圧縮する工程と、
燃料を１２ＭＰａより高い圧力で直接に燃焼室内の吸気へ導入する工程と、
燃料を着火する工程と、
燃料を燃焼させる工程と、
燃料の燃焼により発生した排気ガスを燃焼室から排気管路へ向ける工程と、
排気ガスの排出濃度を決定する工程と、排出濃度は、
一酸化炭素、
炭化水素、
一酸化炭素及び炭化水素の混合物、
一酸化炭素及び微粒子の混合物、
炭化水素及び微粒子の混合物、又は  一酸化炭素、炭化水素及び微粒子の混合物の濃度であり、
排出濃度が最大排出濃度以上となるＥＧＲレベル設定値を決定する工程と、
ＥＧＲ管路を通るように向けられる所定量の排気ガスを決定する工程と、所定量の排気ガスによりＥＧＲレベルは設定値未満とされ、
ＥＧＲ管路への所定量の排気ガスに基づく一定量の排気ガスを吸気管路へ向ける工程とを含み、次のエンジンサイクルの間に、続いて発生する吸気は前記一定量の排気ガスを含むことを特徴とする方法。
【請求項２０】
排出濃度は、一組のエンジン作動パラメータに基づき参照テーブルから決定されることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
排出濃度は、一組のエンジン作動パラメータに基づき数学的モデルから決定されることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
排出濃度はベンチテストを参照することにより決定されることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２３】
排出濃度は直接測定されることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２４】
燃料を燃焼室へ直接噴射する工程を含むことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２５】
燃料を所定圧で噴射する工程を含み、所定圧は前記一定量の排気ガスによって決まることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
燃料を所定継続時間噴射する工程を含み、所定継続時間は前記一定量の排気ガスによって決まることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２７】
燃料を所定時期に噴射する工程を含み、所定時期は前記一定量の排気ガスによって決まる
ことを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２８】
内燃機関のシリンダに配置されるピストンが上死点に又はその付近にある時に、燃料を燃焼室へ噴射する工程を含むことを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２９】
燃料は気体燃料であることを特徴とする請求項１９又は２４に記載の方法。
【請求項３０】
燃料は成層燃焼モードで燃焼することを特徴とする請求項１９乃至２９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３１】
燃料は天然ガスを含むことを特徴とする請求項１９乃至３０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３２】
気体燃料供給直接噴射内燃機関に使用される排気ガス再循環装置であって、吸気管路と、排気管路と、ＥＧＲ管路とを含み、ＥＧＲ管路は一定量の排気ガスを排気管路から吸気管路へ向けるものであり、気体燃料は１２ＭＰａを超える圧力で内燃機関の燃焼室へ噴射されることを特徴とする排気ガス再循環装置。
【請求項３３】
気体燃料供給内燃機関であって、
請求項３２に係る排気ガス再循環装置と、
ピストンを有する少なくとも１個のシリンダと、シリンダ及びピストンは燃焼室を部分的に形成し、ピストンは内燃機関が作動する時にシリンダ内において上死点及び下死点の間を往復移動し、
作動データを処理する制御装置と、
気体燃料インジェクタとを含み、インジェクタは直接噴射される気体燃料を１２ＭＰａを超える圧力で燃焼室へ噴射可能であり、インジェクタは制御装置により指令され、
吸気管路は給気を吸気弁を介して燃焼室へ導入するように接続されており、
排気管路は直接噴射された気体燃料の燃焼により発生する排気ガスを燃焼室から排気弁を通すように接続されており、
制御装置は一定量の排気ガスを排気管路からＥＧＲ管路を介して吸気管路へ供給可能である
ことを特徴とする内燃機関。
【請求項３４】
内燃機関であって、
ピストンを有する少なくとも１個のシリンダと、シリンダ及びピストンは部分的に燃焼室を形成し、ピストンは内燃機関が作動する時にシリンダ内において上死点及び下死点の間を往復移動し、
制御装置と、制御装置は作動データを処理してエンジンプロフィールを作成可能であり、
燃料インジェクタと、インジェクタは燃料を１２ＭＰａより高い圧力で燃焼室へ直接噴射可能であり、インジェクタは０．６から１．０ミリメートルの直径を有するインジェクタノズル孔を備え、インジェクタは制御装置により指令され、
吸気管路と、吸気管路は給気を吸気弁を介して燃焼室へ導入するように接続され、
排気管路と、排気管路は燃料の燃焼により生じた排気ガスを燃焼室から排気弁を通すように接続され、
ＥＧＲ管路とを含み、ＥＧＲ管路は吸気管路及び排気管路の間に接続され、制御装置は一定量の排気ガスを排気管路からＥＧＲ管路を介して吸気管路へ供給可能であることを特徴とする内燃機関。
【請求項３５】
内燃機関の作動方法であって、
エンジンサイクルの間に、
吸気を吸気管路から内燃機関の燃焼室へ向ける工程と、
燃焼室内の吸気を圧縮する工程と、
燃料を燃焼室内の圧縮吸気へ一定のパラメータ範囲内で直接噴射する工程と、範囲は少なくとも、
１２ＭＰａより大きい圧力、及び
ファイヤデッキ下１０から２０度の角度の一つであり、ファイヤデッキは部分的に燃焼室を形成し、
燃料を着火する工程と、
燃料を燃焼させる工程と、
燃料が燃焼する間に生成された排気ガスを燃焼室から排気管路へ向ける工程と、
一定量の排気ガスを排気管路からＥＧＲ管路を介して吸気管路へ向ける工程とを含み、次のエンジンサイクルの間において、その後に発生する吸気は前記一定量の排気ガスを含む
ことを特徴とする方法。
【請求項３６】
気体燃料供給内燃機関の作動方法であって、
エンジンサイクルの間に、
吸気を吸気管路から内燃機関の燃焼室へ向ける工程と、吸気は実質的に気体燃料を含んでおらず、
燃焼室内の吸気を圧縮する工程と、
直接噴射される気体燃料を１２ＭＰａを超える圧力で燃焼室内の圧縮吸気へ噴射する工程と、
直接噴射された気体燃料を成層燃焼モードで燃焼させる工程と、
直接噴射された気体燃料が燃焼する間に生成された排気ガスを燃焼室から排気管路へ向ける工程と、
一定量の排気ガスを排気管路からＥＧＲ管路を介して吸気管路へ向ける工程とを含み、その後に発生する吸気は一定量の排気ガスを含む
ことを特徴とする方法。
【請求項３７】
直接噴射された気体燃料の拡散燃焼を促進させる工程を含むことを特徴とする請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
気体燃料供給内燃機関の作動方法であって、
エンジンサイクルの間に、
吸気を吸気管路から内燃機関の燃焼室へ向ける工程と、
燃焼室内の吸気を圧縮する工程と、
直接噴射される気体燃料を燃焼室内の圧縮吸気へ１２ＭＰａより高い圧力で噴射する工程と、
直接噴射された気体燃料を着火する工程と、
直接噴射された気体燃料を燃焼させる工程と、
直接噴射された気体燃料が燃焼する間に生成された排気ガスを燃焼室から排気管路へ向ける工程とを含み、
排気管路からの一定量の排気ガスはＥＧＲ管路を介して吸気管路へ向けられるとともに、次のエンジンサイクルの間において、その後に発生する吸気は一定量の排気ガスを含み、一定量の排気ガス及び前記圧力は互いに関連している
ことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体燃料供給圧縮着火内燃機関を伴う排気ガス再循環の使用方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
排気ガス再循環（「ＥＧＲ」）は、窒素酸化物（ＮＯｘ）排出の低減を助けるために、ディーゼル燃料供給圧縮着火エンジンに使用される。ＥＧＲは燃焼環境に流入する吸気の酸素濃度を大気の酸素濃度未満のレベルまで低減させる。ＥＧＲでは、一燃焼行程からの一定量の排気ガスが次の燃焼行程中に燃焼室に保持され、又は燃焼室へ送り戻される。排気ガスは吸気中の酸素を希薄化する。
【０００３】
ＥＧＲを使用するエンジンは典型的には吸気を伴い開始する。吸気は略完全に大気から吸入されるので、大気酸素濃度を有する。酸素は燃料が燃焼する間に消費される。燃焼からの排気ガスは酸素中に消耗される。その結果、このような燃焼から生じる排気ガスは大気の吸気と混合され、その給気の酸素濃度は低下する。
【０００４】
ディーゼル燃料供給圧縮着火エンジンにＥＧＲを使用することによりエンジンが他の汚染物質を生成することは周知である。燃焼効率とは、燃焼事象のエネルギーを機械エネルギーに変換する場合の効率である。燃焼環境内の酸素濃度が低下するにつれて、燃焼効率を維持するためにより高い噴射率が必要となる。噴射率を上昇させる唯一の実際的な方法は、結果的に微粒子の排出を増加させる傾向にある。従って、現在のディーゼルエンジンでＮＯｘ排出を低減させるのに、ＥＧＲの効用には限界がある。
【０００５】
噴射率は燃料噴射圧を上昇させることにより、又はインジェクタノズル開口の寸法及び数量を増大させることにより上昇する。ディーゼル燃料は非常に高圧で導入されるので、燃料噴射圧を上昇させることは難しい。ディーゼル燃料噴射圧は２．０６８×１０８Ｐａ（３０，０００ｐｓｉ）程度であり、概してインジェクタ及びポンプ技術により制限される。噴射率に大きな影響を与えるためには、１．３７８×１０７から２．０６８×１０７Ｐａ（２０００から３０００ｐｓｉ）の圧力上昇でも十分である。
【０００６】
高噴射率はまた、インジェクタ開口寸法を増加させることにより達成し得る。しかしながら、インジェクタ開口寸法を増加させるとディーゼル燃料の霧化が低減してしまい、開口寸法を増大させない場合よりも多くの微粒子が生成されることになる。またインジェクタ開口数を増加させると、隣接する燃料噴流が相互に干渉することから、微粒子の生成が増大してしまう。
【０００７】
排気ガスが環境に排出される前に排気ガスの微粒子濃度を低減させる後処理方式があるが、微粒子後処理はとりわけ実行するのに困難且つ高価である。
ディーゼル燃料供給エンジンにＥＧＲを使用する総排出交換とは別に、より高レベルのＥＧＲに起因する微粒子レベルの増加により、ＥＧＲシステムの構成要素の適切な作動が損なわれ、又は干渉を受ける。
幾つかの圧縮着火エンジンでは、天然ガス等の気体燃料を燃焼させる。このようなエンジンでは微粒子が生成される傾向は低いが、このエンジンにＥＧＲを使用するとその他の障害が生じる。天然ガスはディーゼル燃料に必要とされる温度よりもかなり高温で自己着火するので、着火燃焼させるためにしばしばパイロット燃料が使用される。天然ガスが燃焼室内のある地点で着火されると、天然ガス燃料供給エンジンは着火源から燃焼室中に移
動する火炎前面の伝播によって、燃料／空気混合物を燃焼させる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
高レベルのＥＧＲは非効率的な燃焼又は失火を引き起こす。火炎速度を高速に維持することは効率の点から重要である。給気対燃料の比率が高くなるにつれて、火炎速度が低下して、結果的に効率損失が生じる。極端な場合には、燃料が完全に燃焼する前に火炎速度は零になり、部分的な失火が生じる。
【０００９】
排出を低減させた内燃機関を提供する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は圧縮着火エンジンにＥＧＲを採用する方法及び装置を提供する。圧縮着火エンジンは直接噴射される気体燃料を燃焼させる。本発明の特定の実施形態において、エンジン作動パラメータはより高いＥＧＲレベルを許容するとともに、失火の検出感度を低下させる。噴射圧は燃焼効率をより高いＥＧＲ率で維持するために変更される。本発明の幾つかの実施形態では、ＥＧＲを使用して吸気が暖められる。これにより天然ガスに対するより好ましい着火環境が形成される。
【００１１】
従って、本発明の一態様は気体燃料供給内燃機関の作動方法を提供する。本方法は、吸気を吸気管路から内燃機関の燃焼室へ向ける工程と、燃焼室内の吸気を圧縮する工程と、気体燃料を燃焼室内の圧縮吸気へ直接噴射する工程と、気体燃料を着火する工程と、気体燃料を燃焼させる工程と、気体燃料が燃焼する間に生成された排気ガスを燃焼室から排気管路へ向ける工程と、一定量の排気ガスを排気管路からＥＧＲ管路を介して吸気管路へ向ける工程とを含み、続いて発生する吸気は前記一定量の排気ガスを含む。
【００１２】
本発明の別の態様は、気体燃料供給内燃機関の作動方法を提供する。本方法は、吸気を内燃機関の燃焼室へ向ける工程と、燃焼室内の吸気を圧縮する工程と、気体燃料を燃焼室へ直接噴射する工程と、気体燃料を着火する工程と、気体燃料を燃焼させる工程と、要求ＥＧＲ質量及び要求合計給気質量を決定する工程と、気体燃料の燃焼により生成された一定量の排気ガスを燃焼室から外へ向ける工程と、残りの排気ガスの燃焼室からの流出を阻止する工程と、残量は要求ＥＧＲ質量により設定され、続いて発生する吸気を燃焼室へ導入する工程とを含み、続いて発生する吸気は要求ＥＧＲ質量を差し引いた要求合計給気質量に基づく質量を有する。
【００１３】
本発明の別の態様は、内燃機関の作動方法を提供する。本方法は、吸気を吸気管路から内燃機関の燃焼室へ向ける工程と、吸気を圧縮する工程と、燃料を燃焼室内の吸気へ導入する工程と、燃料を着火する工程と、燃料を燃焼させる工程と、燃料の燃焼により発生した排気ガスを燃焼室から排気管路へ向ける工程と、排気ガスの排出濃度を決定する工程と、排出濃度は、
ｉ．一酸化炭素、
ｉｉ．炭化水素、
ｉｉｉ．一酸化炭素及び炭化水素の混合物、
ｉｖ．一酸化炭素及び微粒子の混合物、
ｖ．炭化水素及び微粒子の混合物、又は
ｖｉ．一酸化炭素、炭化水素及び微粒子の混合物の濃度であり、排出濃度が最大排出濃度以上となるＥＧＲレベル設定値を決定する工程と、ＥＧＲ管路を流通する所定量の排気ガスを決定する工程と、所定量の排気ガスによりＥＧＲレベルは設定値未満とされ、ＥＧＲ管路への所定量の排気ガスに基づく一定量の排気ガスを吸気管路へ向ける工程とを含み、続いて発生する吸気は前記一定量の排気ガスを含む。
【００１４】
本発明の別の態様は、気体燃料供給内燃機関を提供する。内燃機関は、ピストンを有する少なくとも１個のシリンダを含み、シリンダ及びピストンは部分的に燃焼室を形成する。内燃機関が作動する時にピストンはシリンダ内において上死点及び下死点間を往復移動する。し、エンジンは制御装置と気体燃料インジェクタとを有し、制御装置は作動データを処理してエンジンプロフィールを作成可能であり、インジェクタは気体燃料を燃焼室へ直接噴射可能である。インジェクタは制御装置より指令される。内燃機関は、吸気弁を介して給気を燃焼室へ導入する吸気管路と、気体燃料の燃焼により生じた排気ガスを燃焼室から排気弁を通るように導く排気管路と、ＥＧＲ管路とを含み、制御装置はＥＧＲ管路を介して一定量の排気ガスを排気管路から吸気管路まで供給可能である。
【００１５】
本発明の更に別の態様は、内燃機関を提供する。内燃機関は、ピストンを有する少なくとも１個のシリンダを含み、シリンダ及びピストンは部分的に燃焼室を形成し、内燃機関が作動する時にはピストンはシリンダ内において上死点及び下死点間を往復移動する。内燃機関はまた制御装置を含み、制御装置は作動データを処理してエンジンプロフィールを作成可能である。燃料インジェクタも含まれており、インジェクタは燃料を燃焼室へ直接噴射可能であり、インジェクタは制御装置により指令されるとともに、０．６から１．０ミリメートルの間の直径を有するインジェクタノズル孔を備える。また、給気を吸気弁を介して燃焼室へ導入する吸気管路と、燃料の燃焼により生じた排気ガスを燃焼室から排気弁を通るように導く排気管路と、ＥＧＲ管路とが含まれ、制御装置はＥＧＲ管路を介して一定量の排気ガスを排気管路から吸気管路へ供給可能である。
【００１６】
本発明の更なる態様は、内燃機関の作動方法を提供する。本方法は、吸気を吸気管路から内燃機関の燃焼室へ向ける工程と、燃焼室内の吸気を圧縮する工程と、燃焼室内の圧縮吸気へ気体燃料をパラメータ範囲内で直接噴射する工程と、範囲は、１２ＭＰａから３０ＭＰａの圧力及びファイヤデッキ下１０から２０度の角度の少なくとも一方であり、ファイヤデッキは部分的に燃焼室を形成し、気体燃料を着火する工程と、気体燃料を燃焼させる工程と、気体燃料が燃焼する間に生成された排気ガスを燃焼室から排気管路へ向ける工程と、一定量の排気ガスを排気管路からＥＧＲ管路を介して吸気管路へ向ける工程とを含み、続いて発生する吸気は前記一定量の排気ガスを含む。
【００１７】
本発明の更なる態様は、内燃機関の作動方法を提供する。本方法は、吸気を吸気管路から内燃機関の燃焼室へ向ける工程と、燃焼室内の吸気を圧縮する工程と、気体燃料を燃焼室内の圧縮吸気へパラメータ範囲内で直接噴射する工程と、範囲は、１２ＭＰａから３０ＭＰａの圧力及びファイヤデッキ下１０から２０度の角度の少なくとも一方であり、ファイヤデッキは部分的に燃焼室を形成し、気体燃料を成層燃焼モード又は拡散燃焼モードで燃焼させる工程と、気体燃料が燃焼する間に生成された排気ガスを燃焼室から排気管路へ向ける工程と、一定量の排気ガスを排気管路からＥＧＲ管路を介して吸気管路へ向ける工程とを含み、続いて発生する吸気は前記一定量の排気ガスを含む。
【００１８】
本発明の更なる態様及び本発明の特定の実施形態の構成について、以下に詳述する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明は、燃料が直接噴射されるエンジンのＥＧＲ装置及び方法を提供する。本開示において、「成層燃焼」には拡散燃焼及び部分混合或いは成層燃焼が含まれるが、均質燃焼は含まれない。同様に、「成層燃焼モード」は均質ではなく成層である燃料燃焼モードであり、且つ拡散燃焼を含む。
【００２０】
図１において、曲線２０、２２、２４、２６はディーゼル燃料噴射率を噴射圧の関数として表す。曲線は異なるノズル径に対応しており、矢印２８の方向へ向かうに従いノズル
径は増大する。
【００２１】
図２はディーゼル燃料供給エンジン（曲線３６）及び天然ガス燃料供給エンジン（曲線３８）について、燃焼効率を維持するために必要な噴射圧を吸気酸素濃度の関数として表す。
【００２２】
図３はディーゼル燃料供給エンジンについて、燃焼効率が維持される場合において酸素濃度４４及び微粒子濃度４６に対して座標で表されるインジェクタ孔寸法を示す。
図１乃至図３は、ディーゼル燃料供給エンジンにおけるＮＯｘの生成と闘うためにＥＧＲの使用を試みた時に生じる問題を表している。図１に示すように、一定のインジェクタ孔寸法について、圧力増加によってディーゼル燃料供給エンジンの燃焼室に搬送される燃料は比較的僅かに増加する。それ故、このようなエンジンでは噴射圧の増加を効果的に使用して、燃焼室内において消耗する酸素環境の影響を相殺することはできない。
【００２３】
矢印２８に示すように、噴射率を上昇させるためにノズル孔寸法を増大させることは可能である。しかしながら図３に示すように、大きいノズル孔からディーゼル燃料を導入した時には、微粒子排出が増加する。
【００２４】
図４Ａ乃至図４Ｄは本発明に係るＥＧＲシステムに装備されるエンジン燃焼室５０を示す。ピストン５２は典型的な４行程サイクルの間に上死点と下死点の間を往復移動する。吸気弁５４及び吸気管路５６は排気弁５８及び排気管路６０と合わせて設けられる。インジェクタ６２も同様に示されている。吸気６４及び排気ガス６８は気体燃料６８と同様に供給される。燃料６８は天然ガスを含む。
【００２５】
図４Ａにおいて、ピストン５２は方向５７へ移動する。図４Ｂにおいて、ピストン５２は方向６１へ移動する。図４Ｃにおいて、ピストン５２は方向６５へ移動する。図４Ｄにおいて、ピストン５２は方向６７へ移動する。
【００２６】
ピストン５２が燃焼室５０内を上死点から下方へ移動する一方で、一定量の吸気６４は吸気管路５６を介して燃焼室へ流入させられる。図４Ｂに示すようにピストン５２の圧縮行程の間に、吸気は室５０内で圧縮される。ピストンが上死点に或いはその付近に到達し、且つ爆発行程の開始前或いは開始時に、一定量の気体燃料６８がインジェクタ６２から燃焼室５０へ噴射される。
【００２７】
燃料６８は燃焼室で燃焼する。燃焼中において、燃料６８はエネルギーとなり、爆発行程の間にピストン５２を駆動する。一般的に、燃焼室内に着火環境を確保することにより燃料は着火する。着火は、少量の自己着火燃料、例えばディーゼルを燃焼室へ導入することにより促進される。より簡易に自己着火する燃料は一般的に、燃焼室内の状態を主要燃料の自己着火状態へ高め、或いは主要燃料を燃焼させる。爆発行程が開始する間に燃焼室で問題となる状態及び主要燃料の自己着火特性によってその他の自己着火燃料を決定して使用してもよい。
【００２８】
着火及び燃焼はまた、燃焼室内に熱面を設けることにより促進される。燃焼室圧力の下で、熱面により気体燃料は着火し、且つ燃焼室中に火炎を伝播させる。
爆発行程の完了時に、排気弁５８が開放して、気体燃料６８の燃焼によって発生した排気ガスは排気弁５８を介して排気管路６０へ排出される。
【００２９】
次に一定量の排気ガスは排気管路６０から排出されて、吸気管路５６まで送られる。元の吸気に存在する酸素は燃焼過程に使用されて燃焼後に消耗するので、吸気管路から導入された外気に存在する酸素は、一定量の排気ガスが吸気管路へ導入された後に希薄化する
。それ故、次の吸気行程において、排気ガスが導入されない場合よりも酸素濃度が低い吸気が燃焼室へ流入させられる。この希薄化した酸素濃度は、燃焼効率を確実に維持し、又は操作者により要求されるエンジン要求を満たすために監視される。
【００３０】
酸素濃度は吸気及び／又は排気システムに装着されるセンサに基づき計算から決定される。センサは吸気、排気、ＥＧＲ及び燃料システムを通る流れを直接的又は間接的に監視する。
【００３１】
燃料６８が高圧で直接噴射されると、直接噴射された燃料と吸気の間の境界特性に応じて、燃料は燃焼室内で燃焼する。燃焼効率は、燃料６８の噴射圧などのパラメータを調整することにより維持される。噴射圧を上昇させることにより燃料６８は燃焼室内へより迅速に導入されるとともに、噴射される燃料の量が増加する。導入される燃料の量はまた、例えばノズル６２の孔径を増大させ、又は孔数を変更することにより制御される。圧力をより高くすることによりまた乱流混合が増加する。乱流混合はより酸素が少ない環境において必要とされる場合に燃焼をアシストする。
【００３２】
速度、負荷及びＥＧＲ率がより大きくなると、効率を維持するためにより高い圧力が求められる。速度、負荷及びＥＧＲ率がより低い時には反対のことが当てはまる。
典型的に高圧直接噴射は、高圧直接噴射に適切な一組のパラメータを使用して実行される。即ち、高レベルのＥＧＲに適した排気ガス状態が得られ、且つＨＰＤＩの性能優位性が得られる状況において、また気体燃料がそれらを得られるような機構構成を使用して、燃料は燃焼室へ導入される。以下にその範囲を例示する。
パラメータ                                        好適／例範囲
１．噴射圧                                        １２ＭＰａ〜３０ＭＰａ
２．気体噴射速度                                  燃焼室状態の音速
３．気体インジェクタノズル孔数                    ５〜１０
４．気体噴射の開始                                −２０〜＋５ＡＴＤＣ
５．パイロット燃料使用時のパイロット噴射の開始    気体前１０〜５クランク角度
６．圧縮比                                        １６〜２０
７．気体噴射の継続                                ５〜３０クランク角度
８．レール内気体温度                              ３０°Ｃ〜８０°Ｃ
９．噴射角度                                      ファイヤデッキ下１０〜２０度
１０．インジェクタ孔寸法                          ０．１５〜１ｍｍ
ここで、ＡＴＤＣは「上死点後」であり、上死点後におけるピストンのクランク角度の測定単位である。
【００３３】
図５乃至図１０は、本発明に係る高圧直接噴射エンジンと共に使用される多数の外部ＥＧＲシステムを示す概略図である。
図５ａは第１ＥＧＲシステム１５の概略図である。システム１５において、エンジンブロック６９の多数のシリンダからの排気管路は、排気ガスを共通の主排気管路７０へ送出する。ＥＧＲ管路７４はＥＧＲ分岐点７１において排気管路７０から分岐するとともに、分岐点７８において吸気管路８０と合流する。ＥＧＲ弁７２はＥＧＲ管路７４に位置する。ＥＧＲ弁７２はＥＧＲ分岐点７１付近に位置してもよく、又はＥＧＲ管路７４に沿って分岐点７８へ向けて更に下流に位置してもよい。ＥＧＲ冷却器７６はＥＧＲ管路７４においてＥＧＲ分岐点７８の手前に載置される。
【００３４】
吸気管路８０は空気、典型的には外気を吸気源からタービン過給機８２を介して搬送する。タービン過給機８２はフィックスド又はバリアブルジオメトリタービン過給機であっ
てもよい。バリアブルジオメトリタービン過給機はバリアブルジオメトリ圧縮機を有する。タービン過給機８２はウェイストゲートに装着されてもよい。
【００３５】
吸気冷却器８４は吸気管路８０においてタービン過給機８２の下流且つ分岐点７８の上流に載置される。分岐点７８の下流において、吸気は吸気管路から多数の燃焼室へ向けられる。ＥＧＲ流方向８６、排気流方向８８及び空気流方向９０全部が図示されている。
【００３６】
図５ＢはＥＧＲシステム１５Ａを示す。ＥＧＲシステム１５Ａは図５ＡのＥＧＲシステムの変形である。システム１５Ａは更に迂回管路８９、迂回弁９１及び吸気弁９３を有する。
【００３７】
図５Ａ及び図５Ｂの実施形態において、多数の燃焼室の幾つかからの排気ガスは排気管路７０で収集される。排気管路７０はＥＧＲ分岐点７１を通過し、且つタービン過給機８２のタービンを通るように排気ガスを運ぶ。弁７２は方向８６へＥＧＲ管路７４を通り吸気管路８０へ至る一定量の排気ガスを調整する。弁７２はタービン過給機８２を通る排気ガスの要求最小流を維持するように制限する。
【００３８】
吸気管路８０への導入に先立ち、ＥＧＲ管路７４を通過した排気ガスはＥＧＲ冷却器７６を通り運ばれる。これにより排気ガス密度は上昇し、より多くの再循環排気ガスが吸気へ導入される。
【００３９】
吸気、当初は一定量の外気が吸気管路８０を通るように向けられる。吸気はタービン過給機８２により圧縮され、冷却器８４を通り吸気流方向９０へ運ばれる。分岐点７８において、ＥＧＲ管路７４からの排気ガスは吸気流と混合される。排気ガスが冷却器７６を通過させられ、且つ吸気が冷却器８４を通過させられると、各々は密度を増大させており、これはエンジン効率の維持に役立つ。
【００４０】
図５Ｂの実施形態において、給気冷却器迂回路８９は弁９１が開放しているときに、吸気を給気冷却器８４を迂回させる。これを利用して、低負荷で作動する間に燃焼が管理される。混合給気をより高温とすることにより、燃焼室状態を着火及び完全燃焼により適したものにする。低負荷状態では、冷却器７６、８４により得られる給気密度が必要である。
【００４１】
図６は本発明の第２実施形態に係るＥＧＲシステム１５Ｂを示す。図６の実施形態において、再循環した排気ガスは吸気冷却器１０８の上流で吸気と混合される。
エンジンブロック９２内にある多数の燃焼室の各々からの排気ガスは排気管路９４へ運ばれる。ＥＧＲ分岐点９６において、ＥＧＲ管路９８は排気管路９４と合流する。ＥＧＲ弁１００はＥＧＲ管路９８内に配置される。ＥＧＲ冷却器１０２はＥＧＲ管路９８内においてＥＧＲ弁１００の下流に配置される。ＥＧＲ管路９８は吸気分岐点１０６において吸気管路１０４と接続する。吸気管路１０４は吸気分岐点１０６を通過して吸気冷却器１０８へ続く。フィックスド又はバリアブルジオメトリタービン過給機１１０は吸気分岐点１０６の上流で吸気を圧縮する。吸気冷却器１０８を過ぎたところで、吸気管路１０４はエンジンブロック９２の各燃焼室へ続く吸気管路（図示なし）へ吸気を向ける。
【００４２】
ＥＧＲ流方向１１２、排気流方向１１４及び吸気流方向１１６が図示されている。
図６の実施形態において、エンジンブロック９２の多数の燃焼室のいずれかからの排気ガスは排気管路９４へ向けられる。分岐点９６において、一定量の排気ガスはＥＧＲ弁１００を通りＥＧＲ管路９８へ向けられる。次にこの排気ガスは吸気分岐点１０６に到達する前に冷却器１０２を通過して冷却される。分岐点１０６において、再循環させられた排気ガスはタービン過給機１１０により圧縮させられた一定量の外気と混合される。その結
果生じる再循環排気ガスと外気との混合物は、冷却器１０８を通過して冷却され、その後にエンジンブロック９２及び各シリンダへ続く吸気管路へ向けられる。このような装置は、ＥＧＲが給気冷却器１０８を通過させられる場合に好適である。それ故、所望であれば冷却器１０２を省略することができ、システムの構成要素及び費用を低減させることができる。直接噴射気体燃焼からのＥＧＲには微粒子が比較的少ないので、冷却器１０８の上流にフィルタを必要とせず、更にシステムの複雑化が緩和させられるとともに費用が低減させられる。
【００４３】
図５及び図６のシステムは各々、ＥＧＲ分岐点７１、９６の下流且つ吸気分岐点７８、１０６の上流にフィックスド又はバリアブルジオメトリタービン過給機を組み入れても良い。
【００４４】
図７は本発明の第３実施形態に係るＥＧＲシステム１５Ｃを示す。図７の実施形態では、再循環排気ガスはタービン過給機の圧縮機よりも上流で外吸気と混合される。
排気管路１３０は排気ガスをエンジンブロック１３１の燃焼室から取り去るように接続される。ＥＧＲ管路１３２はＥＧＲ分岐点１３４において排気管路１３０から分岐する。ＥＧＲ弁１３６及びＥＧＲ冷却器１３８はいずれもＥＧＲ管路１３２に配置される。ＥＧＲ管路１３２はフィックスド又はバリアブルジオメトリタービン過給機１４２より上流の吸気分岐点１４４において吸気管路１４０に連結する。吸気冷却器１４６は吸気管路１４０においてタービン過給機１４２の圧縮機の下流に配置される。吸気冷却器１４６の下流において、吸気管路１４０はエンジンブロック１３１内に配置される各燃焼室へ吸気を搬送するように接続される。
【００４５】
ＥＧＲ流方向１４５、排気流方向１４７及び吸気流方向１４８全ては図示されている。
図７の実施形態では、エンジンブロック１３１に配置される多数の燃焼室のいずれかからの排気ガスは、排気管路１３０を通るように向けられる。弁１３６はＥＧＲ管路１３２及び冷却器１３８を通るように一定量の排気ガスを向ける。再循環排気ガスは次に分岐点１４４において吸気管路１４０へ返流させられる。次に気体はタービン過給機１４２により圧縮される。吸気がタービン過給機１４２により圧縮される際の吸気の過熱は、吸気を冷却器１４６を通過させることにより管理され、その後に吸気はエンジンブロック１３１へ導入され、多数の燃焼室へ向けられる。
【００４６】
ＥＧＲが給気冷却器１４６を通過させられるので、冷却器１３８は場合によっては必ずしもシステムの複雑化を緩和させ且つ費用を低減させるとは限らない。更に、タービン過給機１４２を使用して吸気及びＥＧＲの両方を圧縮することにより、ＥＧＲ濃度増加手段が得られる。最初の２つの実施形態の場合と同様にタービン過給機が分岐点１４４の上流にあるのならば、吸気が更に圧縮させられる場合よりもＥＧＲを圧縮吸気へ強制的に導入することが比較的より困難になる。これは使用燃料及びその結果生じた比較的微粒子が少ない排気ガスを考慮に入れて、微粒子フィルタを使用することなく可能であり、これにより複雑化が緩和され且つ費用が低減される。
【００４７】
図８は本発明の別の実施形態に係るＥＧＲシステム１５Ｄを示す。図８の実施形態では、排気ガスはフィックスド又はバリアブルジオメトリタービン過給機１６４のタービンより下流の地点１６８において収集されて再循環させられる。排気管路１６０は分岐点１６８においてＥＧＲ管路１６６と交わる前に、エンジンブロック１６２からタービン過給機１６４を通るように排気ガスを搬送する。ＥＧＲ弁１７０はＥＧＲ管路１６６に配置される。ＥＧＲ冷却器１７２はＥＧＲ管路１６６に配置される。
【００４８】
ＥＧＲ管路１６６は吸気分岐点１７６において吸気管路１７４と交わる。吸気分岐点１７６はタービン過給機１６４の上流にある。吸気冷却器１７７は吸気管路１７４において
エンジンブロック１６２の上流に配置される。
【００４９】
ＥＧＲ流方向１７８、排気流方向１８０及び吸気流方向１８２全部が図示されている。
図８の実施形態では、排気ガスはタービン過給機１６４を通過するように向けられ、その後に弁１７０が開放していれば一定量の排気ガスはＥＧＲ管路１７８を通り再循環させられる。本形態によれば、エンジンブロックから排出された全排気ガスを使用してタービン過給機１６４を駆動するので、排気ガスエネルギが多量に回収される。更に、排気ガスは膨張し、そのためタービン過給機１６４のタービンを通過して冷却されるので、冷却器１７２及び／又は冷却器１７７から必要とされる冷却は少なくてすむ。
【００５０】
図９は本発明の第５実施形態に係るＥＧＲシステム１５Ｅを示す。図９の実施形態は、排気管路１９４においてタービン過給機１９８の下流にパワータービン２１０を含む。ＥＧＲ管路１９２はＥＧＲ分岐点１９０において排気管路１９４と接続する。ＥＧＲ冷却器２００、吸気分岐点２０２及び吸気管路２０４が設けられる。ＥＧＲ弁２０８はＥＧＲ管路１９２を通る排気ガス流を調整する。
【００５１】
吸気冷却器２０６は吸気管路２０４においてタービン過給機１９８の圧縮機部分の下流に接続される。また本実施形態では、パワータービン２１０が設けられる。
ＥＧＲ流方向２１２、排気流方向２１４、及び吸気流方向２１６が図示されている。
【００５２】
分岐点１９０において排気ガスをＥＧＲへ流出させた後に、パワータービン２１０により更なるタービンエネルギが提供される。パワータービン２１０は分岐点１９０において背圧を生じさせる。これにより排気ガスはＥＧＲ管路１９２を流通させられる。パワータービンはまた本発明の他の実施形態に設けられても良い。例えば、パワータービンは図５Ａ乃至図８のいずれかの実施形態に組み込むことができる。
【００５３】
図１０は本発明の別の実施形態に係る一体化ＥＧＲシステム１５Ｆを示す。システム１５Ｆは上述した実施形態の構成を組み合わせている。図１０の実施形態は２つのＥＧＲ分岐点２２０、２２２を有しており、ＥＧＲ副管路２２４及びＥＧＲ主管路２２６を排気管路２２８に接続する。排気管路２２８はエンジンブロック２３０の燃焼室から排気ガスを搬送する。タービン過給機２３２のタービン部分は排気管路２２８においてＥＧＲ分岐点２２０及び２２２の間に配置される。ＥＧＲ冷却器２３２、ＥＧＲ分岐点２３４、吸気分岐点２３６、２３８、２４０、２４１及び吸気管路２４２が設けられる。冷却器迂回管路２４４及びタービン過給機迂回管路２４６もまた図示されている。システムには副管路弁２４８と共にＥＧＲ弁、ＥＧＲ直接弁２５２、ＥＧＲ冷却器弁２５４が配置される。また、給気冷却器迂回弁２５６、冷却器弁２５８及びタービン過給機弁２６０，２６２もまた図示されている。吸気管路２４０には給気冷却器２６４が配置される。排気管路２２８内にはパワータービン２６６が設けられる。ＥＧＲ直接管路２６８もまた図示されている。
【００５４】
図１０のＥＧＲシステムは、多様に組み合わされた弁２４８、２５０、２５２、２５４、２５６、２５８、２６０、２６２を開放及び閉鎖することにより、種々のＥＧＲ方式に従い作動するように構成される。従ってＥＧＲシステムの作動は、その時々のエンジン２３０の作動状態に適するように調整される。
【００５５】
弁２４８、２５０はＥＧＲを排気管路２２８からＥＧＲ副管路２２４又は主管路２２６のいずれかへ向ける。弁２４８、２５０を調整することにより、タービン過給機２３２のタービン上流又は下流、或いはその両方でＥＧＲのために排気ガスが流出させられる。弁２４８、２５０を閉鎖することにより、ＥＧＲは遮断される。タービン過給機２３２又はパワータービン２６６の要求を含む種々のパラメータに応じて、制御装置が弁２４８、２５０を制御してもよい。
【００５６】
システム１５Ｆが再循環排気ガスを導入する際には、吸気冷却器２６４の下流から弁２５２及びＥＧＲ直接管路２６８を介して、吸気冷却器２６４の上流且つタービン過給機２３２の圧縮機下流から弁２５４、ＥＧＲ主管路２２６及び弁２６０を介して、タービン過給機２３２の圧縮機の上流から弁２５４、ＥＧＲ主管路２２６及び弁２６２を介して導入され、この中から任意に或いは全部が使用される。
【００５７】
制御装置は弁２５２、２５４、２６０、２６２を制御して、エンジン２３０の作動要求に適した位置で再循環排気ガスを導入する。
また、本実施形態に見られるような種々の弁が設けられる場合には、それらの弁を使用して同時にあらゆる数の弁を通る可変流を形成することにより、図５乃至図９の各実施形態に設定されるような概してエンジン要求に応じたＥＧＲシステムが得られる。また、代替のＥＧＲ又は吸気経路を取り除くことができるので、問題となっている用途に対して性能向上機能が限定的な価値しか有さず、又は適合困難な場合には、性能向上機能を低減させることができる。例えば空間が制限される用途では、より少ない機能が適合させられる。これは定常発電の場合には当てはまらない。
【００５８】
更に、ＥＧＲシステムの形態をより柔軟にすることは、エンジン性能が常に変化する場合、即ち過渡状態がよく起こる場合には好ましい。このような場合では、過渡状態への反応時間は、ＥＧＲレベル、燃焼効率及びタービン過給機制御間の相互関係を考慮しつつ、多様なＥＧＲ形態により管理される。
【００５９】
図５乃至図１０に見られるＥＧＲ経路の実施形態には、付加的な構成要素が必要とされる。即ち、利用する用途及び特定の構成要素に応じて、考察の実施形態に見られる種々の分岐点を亘るように流れを向けるポンピング又はベンチュリ装置を更に必要とするシステムの構成要素間には著しい圧力差及び温度差がある。一例として、図６の実施形態では、再循環排気ガスをＥＧＲ管路９８から分岐点１０６を越えるように強制的に送り、タービン過給機１１０の手前で吸気管路１０４へ送られた吸気と混合させるように、ベンチュリ又はポンプを導入する必要がある。即ち、ＥＧＲ管路９８の冷却器１０２より上流と、吸気管路１０４のタービン過給機１１０の後且つ分岐点１０６の手前の間には圧力差がある。同様に、図１０に企図されるＥＧＲシステムの管理では、分岐点２２０、２２２、２３４、２３６、２３８、２４０、２４１の一点を越える流れを管理する必要がある場合には、ポンプ又はベンチュリを使用する。また一例として、分岐点２２２及び２２０の各々において、総ＥＧＲの一定割合がタービン過給機２３２の手前で排気ガスから引き抜かれるとともに、一定割合がタービン過給機２３２の後ろで引き抜かれるならば、当該技術分野に属するものであれば理解し得るように、混合方法をシステムに導入する必要がある。即ち、各分岐点間に配置されるタービン過給機２３２を考慮すると、分岐点２２２における排気ガス圧力は分岐点２２０における圧力よりも低く、タービン過給機を通過する排気ガスは膨張する。従って、各々の流れを混合するために、このような圧力差は管理される必要がある。
【００６０】
ＥＧＲが図示する冷却器又は前記実施形態において設けられたタービン過給機を通り導入される場合には、予想される気体燃料の燃焼によって微粒子物質は殆ど生成されないので、一般的にＥＧＲ流の微粒子物質を管理するためのフィルタは必要ない。それ故、ディーゼル燃料が供給される同等物と比較して、ＥＧＲを管理する場合の自由度が増す。上述したように、タービンの後ろ、且つ圧縮機の前、且つ吸気管路の主冷却器又はＥＧＲ管路のＥＧＲ冷却器の前において、微粒子処置を殆ど或いは全く行わずに排気ガスからＥＧＲ流を引き抜く能力は有利である。更に、これらシステムを合わせて組み入れて、燃焼室に使用される燃焼方式にＥＧＲシステムを適応させてもよい。吸気管路内の微粒子は常に問題であるので、微粒子フィルタを備えないこのような自由度は概して、ディーゼル燃料供
給圧縮着火エンジンでは利用することができない。
【００６１】
幾つかの用途では、酸化触媒を設けて排気の揮発性化合物濃度を低減させることにより、ＥＧＲ及び吸気システム内における粘着性堆積物の堆積を阻止する。
図５乃至図１０に示す実施形態では、冷却器７６、１０２、１３８、１７２がＥＧＲ管路７４に設けられているが、この冷却器は省略されてもよく、この場合には、ＥＧＲ流が冷却器１０８、１４６及び１７７を通るように向けられるときには直接的に冷却され、或いはＥＧＲ流が一定量の吸気と混合されるときには間接的に冷却される。
【００６２】
図１１Ａ乃至図１１Ｆは本発明の更に別の実施形態を示す。図１１Ａは燃焼室３００を示し、燃焼室３００は方向３０４へ移動するピストン３０２を備える。吸気３０８と合わせて吸気弁３０６が図示されており、吸気３０８は吸気管路３０９を流通する。図１１Ｂは方向３１０へ移動するピストン３０２を示す。気体燃料３１２及びインジェクタ３１４が供給される。図１１Ｃでは、ピストン３０２は方向３１５へ移動する。排気ガス３１６が燃焼室３００内に図示されている。図１１ｄは方向３１８へ移動するピストン３０２を示す。排気ガス３１６は排気弁３２０及び排気管路３２２と共に供給される。図１１Ｅは燃焼室３００内の排気ガスを示しており、ピストン３０２は方向３２４へ移動する。最後に、図１１Ｆは方向３２６へ移動するピストン３０２を示す。
【００６３】
図１１は、直接噴射気体燃料を使用してピストンを駆動する内部ＥＧＲの利用を説明する。図１１Ａは吸気行程を示しており、ピストン３０２は方向３０４へ移動して、吸気３０８を吸気弁３０６を介して燃焼室３００へ流入させる。
【００６４】
吸気行程が完了すると圧縮行程が開始され、図１１ｂに示すように、ピストン３０２は方向３１０へ移動して吸気を圧縮する。吸気行程の完了近くでは、気体燃料３１２が燃焼室３００へ噴射される。これは圧縮行程の完了時又は爆発行程の開始時に行われてもよい。図１１Ｃを参照して、次に気体燃料３１２が燃焼してピストンを方向３１５へ駆動する。気体燃料の燃焼完了に際して、排気ガス３１６は燃焼室３００内に留まる。
【００６５】
爆発行程に続いて排気行程が開始され、ピストン３０２が方向３１８へ移動するとともに、排気弁３２０が開放される。図１１Ｄを参照。一定量の排気ガス３１６は燃焼室３００から排気管路３２２へ流出させられる。しかしながら、記載する実施形態では、排気行程の完了前には排気弁３２０は閉鎖される一方、ピストン３０２は方向３２４へ移動し続ける。図１１Ｅを参照。それ故、一定量の排気ガス３１６が燃焼室３００に閉じ込められる。
【００６６】
図１１Ｆを参照すると、次の吸気行程が開始されて、ピストン３０２は方向３２６へ移動する。しかしながら本サイクルにおいて、吸気行程の開始時点には吸気弁３０６は閉鎖される。図１１Ａを再度参照すると、次のサイクルが継続して行われ、吸気弁３０６が開放されて吸気３０８が燃焼室へ流入する。一般的に、本吸気行程において、排気行程の間に燃焼室に保持される排気ガスの量を参照して決定される期間中吸気弁は閉鎖される。即ち、排気行程の完了時に燃焼室に残された初期排気ガスの測定単位に加えて、合計給気を補償するために必要な付加空気により、要求給気は決定される。
【００６７】
吸気及び排気行程中に一定期間弁が閉鎖される間、内部ＥＧＲ必要条件が満たされなければならない。これらの弁は、図１１Ａ乃至図１１Ｆの実施形態に示すように、吸気行程の開始時点及び排気行程の完了時点に必ずしも開放又は閉鎖しない。
【００６８】
殆どのディーゼルエンジンは給気運動（一例としてスワール及びスキッシュ）と、圧縮行程の間の燃焼生成物を利用する。吸気運動は吸気処理により発生させられ、ディーゼル
燃料と吸気との混合を助ける。この主な理由は微粒子物質の制御である。微粒子物質は気体燃料供給エンジンではそれ程問題ではないので、吸気処理の間に発生する給気運動の制御は主たる問題ではない。図１１Ａ乃至図１１Ｆに示す内部ＥＧＲ処理は、結果的にＥＧＲ率の副産物として可変空気運動を生じさせる。高ＥＧＲ率が使用されるときには、吸気弁３０６を介してシリンダへ流入する給気の量はより少なく、且つ発生する給気運動はより小さい。相応じて、低ＥＧＲ率が使用されるときには、発生する給気運動はより大きい。これは以下の理由により管理される必要がある。即ち、ディーゼル燃料供給エンジンでは、ＥＧＲ率が変化するにつれて給気運動の変化により微粒子排出は悪影響を受ける。気体燃料供給エンジンでは、ある範囲に亘り空気の運動が要求されないので、より自由度が増す。典型的には、直接噴射気体燃料の燃焼を利用する内部ＥＧＲは、ディーゼル燃料の燃焼よりも高いＥＧＲレベルに耐えることができる。内部ＥＧＲを使用して発生する微粒子物質は殆どないので、燃焼室内の可変給気運動に関する懸念は限定される。微粒子フィルタを使用して吸気管から微粒子を低減させることもできるが、燃焼の間に発生する微粒子は、早発のエンジン寿命、（高頻度のオイル交換を引き起こす）オイル汚染、及び（背圧又は過度の強制再生頻度に起因する効率損失を引き起こす）微粒子フィルタの高負荷を防ぐように制御されなければならない。
【００６９】
概してＥＧＲ方式は直接噴射気体燃料を伴い柔軟性がある。噴射時期は吸気に基づいて操作されるので。この変化を利用してＥＧＲレベルが管理される。この事情では、時期には複数の噴射を導入し、従って各サイクル間に複数の噴射時間の開始を導入する方式を含む。また、噴射継続時間を使用して、エンジン作動状態を考慮して使用されるＥＧＲレベルに燃焼効率を適応させることができる。一般的に、噴射継続時間が非常に短いとより迅速に放熱され、結果的に上記実施形態のいずれかの排気管路へ向けられる排気ガス温度がより低温になる。また、噴射継続時間、従って放熱を延長させることもできる。これにより必要であれば排気ガスをより高温にさせる。噴射パルスのレートシェーピングは結果的に、同量の燃料であっても継続時間を変化させる。ＥＧＲを管理するためのこの適応方式は、一組のエンジン作動状態においてＥＧＲレベルを満たすために継続時間を変化させる時には、本明細書の目的に含まれる。噴射継続時間及び噴射時期を適合させる能力により２つの変数が得られる。この変数により、可能とされる多様な給気状態を考慮して所定の燃焼事象が管理される。これにより、制御装置は燃焼効率を管理するために、多様なエンジン用途及び過渡状態に亘り変化するＥＧＲレベルに適応する。
【００７０】
上記実施形態において、気体燃料供給内燃機関に使用されるＥＧＲ関連制御は、微粒子管理方式によって複雑化させられる必要はない。
一例として、天然ガスの高圧直接噴射により許容されるＥＧＲレベルは、エンジン作動パラメータ及び許容排出に応じて７０パーセントまで変化する。即ち、吸気の７０パーセントまでがＥＧＲとなり得る。
【００７１】
本開示及び添付する請求の範囲において、「上死点付近」の時点とは、ピストンがクランク軸の回転で測定される上死点の３０度以内にある時点である。
図１２及び図１３は制御フローチャートであり、電子制御装置（「ＥＧＲ」）は本発明に係るＥＧＲシステムを管理するために進められるようにプログラミングされる。気体燃料の着火を助けるパイロット給気からの作用が得られる気体燃料供給エンジンの制御に使用される種類のＥＣＵが使用されてもよい。しかしながら、当該技術分野に属するものであれば理解し得るように、熱面及びその他の着火方式を採用してＥＧＲ方式を制御してもよい。
【００７２】
概して、本発明のＥＣＵは、特にエンジンに許容される最大排出に等しい閾値に基づいて、ＥＧＲレベルを設定することができる。高圧直接噴射気体燃料の燃焼方式の場合と同様に、排出の制限は下記により決定される。
【００７３】
ＣＯ濃度
炭化水素濃度、又は
ＣＯ、炭化水素及び微粒子の中の２つ又は全３つの組合せ
従って、これらの排出レベルは監視され、ＥＧＲを確実に行うように調整されたＥＧＲを利用して、エンジン要件は問題となっている排出レベルに合致させられる。
【００７４】
図１２及び図１３の実施形態では、ＥＣＵはスロットル、エンジン速度、吸気マニホルド温度、ＥＧＲ圧及びＥＧＲ流、気体圧、並びに推定又は直接測定排出データ（ＥＤ）を含む一連の入力パラメータを使用する。この入力パラメータを使用して、特に要求燃料噴射率（ＦＱｒ）、燃料量（Ｆｔ）、パイロット燃料量（Ｆｐ）、及び気体燃料量（Ｆｇ）といった制御パラメータを決定する。次にパイロット及び気体燃料の供給圧、供給タイミング及び噴射継続時間を決定し、エンジンパラメータと合わせて使用することにより、排出限界値（Ｅｍａｘ）を決定する。次にＥｍａｘを使用して作動パラメータ及び燃料供給方式に対応する最大ＥＧＲレベル（ＥＧＲｍａｘ）を決定する。これを利用して次にＥＧＲ率（ＥＧＲｒ）及び給気流速（Ｃｒ）並びに混合吸気流（Ｉｒ＝Ｅｍａｘ＋Ｃｒ）を設定する。混合吸気流はＥＧＲｒを決定するための基準となるものであり、ＥＧＲｒは次のサイクルの作動パラメータとして決定される。
【００７５】
図１３ではまた、ＥＧＲ方式は一例として図１０の実施形態で詳述した流速及び流量調節以外にも含むものであり、ＥＧＲ流経路（ＥＧＲｆｒ）が組み込まれている。
概して、燃料要求は当初には要求速度及び負荷要求を満たすように設定される。この要求から生じる作動パラメータを使用して、例示するようにパイロット及び主要燃料の噴射タイミング、圧力及び継続時間が設定される。これらの要求パラメータを利用して、実際のパイロット及び主要燃料の噴射方式が得られ、それにより次にＥＣＵはエンジン作動パラメータを考慮して、所定のエンジン作動状態に対するＥｍａｘを決定する。Ｅｍａｘは以下の１つまたは組合せである。
【００７６】
ＣＯ濃度
炭化水素（ＨＣ）濃度
ＣＯ及びＨＣ濃度
ＣＯ及び微粒子濃度
ＨＣ及び微粒子濃度
ＣＯ及びＨＣ及び微粒子濃度
次にＥｍａｘをエンジン作動パラメータと合わせて使用して、所定の作動状態に対するＥＧＲｍａｘ設定値を決定する。設定値は推定又は測定Ｅｍａｘに結果的になる利用される作動パラメータに対する測定又は推定ＥＧＲ率と略等しくなるべきである。次に設定値を使用して、設定値ＥＧＲｍａｘ以下のレベルにＥＧＲｒを制御する。設定値はベンチテスト又は参照テーブルから、一組の作動状態の下で与えられる所定のＥｍａｘに対して得られる。これは所定のＥＧＲｒに対して収集されたＥＤデータに基づく。所定の作動状態における所定のＥＧＲｒに対するこのデータＥＤは、収集されるとＥＣＵにプログラミングされるが、作動の間に直接的に測定又は推定されてＥＧＲｍａｘを導くこともできる。直接的に測定又は推定されるレベルは、ＥＣＵにより考察される排出と相互に関連する。
【００７７】
同様に、所定の一組の作動パラメータに対するＥｍａｘを決定した後には、排出濃度をＥＤと比較することによりＥＧＲｒが調整される。この排出濃度がＥｍａｘを超えると、ＥＧＲｒが所定の初期又は前サイクルのレベルから減少させられて、このレベルは許容排出とされる。また、関係する排出は以下のとおりである。
【００７８】
ＣＯ濃度
炭化水素（ＨＣ）濃度
ＣＯ及びＨＣ濃度
ＣＯ及び微粒子濃度
ＨＣ及び微粒子濃度
ＣＯ及びＨＣ及び微粒子濃度
ＣＯ及びＨＣは比較的管理が容易であるので、ＥＣＵは（ＣＯ及びＨＣに基づく）排出限界率を利用して概してＥＧＲレベルを管理してもよいが、後処理システムを組み入れて燃焼室からの比較的高濃度のＣＯ及びＨＣを許容してもよい。ＣＯ及びＨＣ後処理を行う状況では、最大ＥＧＲレベルは燃焼安定性により設定されてもよい。このような最大ＥＧＲレベルを設定する後処理システムと合わせて、変動係数（ＣＯＶ）の監視等の燃焼安定性を確実にする周知の技術を使用してもよい。
【００７９】
一つの作動パラメータとしてＥＧＲｒを利用して燃料供給方式を決定する場合では、方式には開ルーブ成分がある。
図１３を参照すると、ＥＧＲｆｒは当初は、一例として負荷要求、エンジン速度及び周囲条件等のエンジンパラメータに基づいて決定される。流れ経路が決定及び選択されると、ＥＣＵは上述したように燃料供給方式及びＥＧＲｒを続いて決定し、追加の工程が図１２の実施形態のフローチャートに続く。
【００８０】
上述したように、ＥＣＵは作動パラメータを利用して最大ＥＧＲレベルを含むＥＧＲレベルを制御するものであり、ＥＧＲレベルは以下に基づき、又は以下を直接的に参照する。
【００８１】
参照テーブル
ベンチテストの蓄積結果
多数のエンジン作動パラメータの一つを利用した数学的モデル
直接測定
ＥＧＲｒ及び結果的にＩｒは、上記作動要求を満たすようにＦｔを考慮して制御される必要がある。しかしながら上述したように、Ｅｒの決定を制限し、従ってその決定を助けることになる主な問題の一つには、記載した燃焼処理に起因する一定の排出がある。直接噴射される天然ガスでは、採用される後処理法に応じて、ＣＯ及びＨＣ排出によりＥＧＲレベル又は吸気管路への排気ガス濃度が制限される。一例として、最大ＥＧＲレベルは参照テーブル又はベンチテストの蓄積結果により部分的に設定され、所定のＥＧＲレベルは多様な作動状態において排気ガス中の最大許容排出濃度と相互に関連する。この参照テーブル又はベンチテストの結果により所定の一組の作動パラメータに対する最大ＥＧＲレベルが決定されるとともに、操作者の要求を考慮して導入されたＥＧＲレベルは対応する基準値データにおいて得られる最大値を超えることがなく、或いはそれらの排出レベルに合致するように調整される。
【００８２】
一例として、３８００ｐｐｍのＣＯレベルは、トラック用途におけるＣＯ排出の典型的な上限値である。これは一例に過ぎない。実際のところ、上記ＥＣＵの実施形態において記載したように、排出限界値はまた負荷状態に応じて変化する。
【００８３】
その上、上述したように、排気の排出は直接的に測定されるとともに、最大ＥＧＲレベルは初期ＥＧＲレベルに基づいて、又は測定排出前に利用され且つ平均化されたものから生じるレベルに基づいて設定される。排出レベルが最大排出濃度より大きい範囲を超えた場合には、最大ＥＧＲレベルは低下させられて、最終的にはそのレベルは排出範囲よりも小さい値とされる。次にエンジンのその作動状態に対する設定値が決定される。また、燃焼中に生成されるＣＯ又はＨＣ排出はＥＧＲレベルの増加に敏感であるので、主題発明を利用し、これらの排出を踏まえて排出が考慮される。
【００８４】
同様の制御機構を内部ＥＧＲに使用する。内部ＥＧＲでは要求排気ガス量が保持された後排気弁は閉鎖される。しかしながら、ＥＣＵはここでは排気弁及び吸気弁の時期を変更する。最大ＥＧＲレベルは上記のように排出を考察することにより設定される。
【００８５】
概して、上記実施形態以外の追加制御方式では、最大ＣＯ及び／又はＨＣ排出レベル及びＥＧＲ率制限因子に基づいてＥＧＲレベルが制限されるべきである。
上記実施形態は４行程エンジンの状況で記載されているが、本実施形態は２行程エンジンに採用することが可能である。即ち、２行程の実施形態は各サイクルの間に燃焼室内に保持される追加排気ガスを踏まえて既存のＥＧＲレベルを網羅し、その量は要求ＥＧＲ量を決定するときに初めてＥＣＵにより考慮される必要がある。これ以外に、記載した方式も同様に採用可能である。
【００８６】
本開示では概して天然ガスについて記載しているが、その他の気体燃料であってもディーゼル燃料と比較した時に微粒子を生成する傾向が小さい場合には、主題発明の作用に対して同様に採用可能である。一例として、水素、並びにプロパン及びメタン等の気体炭化水素が考慮され、また採用される。また、着火及び燃焼特性を向上させるために燃料添加剤が混合された気体燃料（例えばメタン）を、気体燃料について概して記載したところに採用してもよく、また検討される。
【００８７】
本発明の一定の要素、実施形態及び用途について図示及び詳述してきたが、当然のことながら本発明はそれらに限定されるべきではない。当該技術分野に属する者であれば、本開示の範囲から逸脱することなく、特に前記教示を踏まえて変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】ディーゼルインジェクタについて噴射率対噴射圧を示すグラフ。
【図２】ディーゼル燃料供給方式及び天然ガス燃料供給方式について燃焼効率レベルを維持するのに必要な噴射圧対酸素濃度を示すグラフ。
【図３】ディーゼル燃料噴射について酸素濃度及び微粒子排出対インジェクタ孔径を示すグラフ。
【図４Ａ】ピストンの吸行程の間における作動気体燃料供給内燃機関の燃焼室を示す断面図。
【図４Ｂ】ピストンの圧縮気行程の間における作動気体燃料供給内燃機関の燃焼室を示す断面図。
【図４Ｃ】ピストンの爆発行程の間における作動気体燃料供給内燃機関の燃焼室を示す断面図。
【図４Ｄ】ピストンの排気行程の間における作動気体燃料供給内燃機関の燃焼室を示す断面図。
【図５Ａ】は本発明の一実施形態に係る成層気体燃焼エンジンを伴うＥＧＲ利用装置を示す概略図。
【図５Ｂ】Ｂは図５Ａの実施形態の変更に係る装置を示す概略図。
【図６】本発明の第２実施形態に係る成層気体燃焼エンジンを伴うＥＧＲ利用装置を示す概略図。
【図７】本発明の第３実施形態に係る成層気体燃焼エンジンを伴うＥＧＲ利用装置を示す概略図。
【図８】本発明の第４実施形態に係る成層気体燃焼エンジンを伴うＥＧＲ利用装置を示す概略図。
【図９】本発明の第５実施形態に係る成層気体燃焼エンジンを伴うＥＧＲ利用装置を示す概略図。
【図１０】本発明の第６実施形態に係る成層気体燃焼エンジンを伴う一体化ＥＧＲ利用装置を示す概略図。
【図１１Ａ】成層気体燃焼エンジンに使用される内部ＥＧＲを作動サイクルの異なる位相において示す燃焼室の断面図。
【図１１Ｂ】成層気体燃焼エンジンに使用される内部ＥＧＲを作動サイクルの異なる位相において示す燃焼室の断面図。
【図１１Ｃ】成層気体燃焼エンジンに使用される内部ＥＧＲを作動サイクルの異なる位相において示す燃焼室の断面図。
【図１１Ｄ】成層気体燃焼エンジンに使用される内部ＥＧＲを作動サイクルの異なる位相において示す燃焼室の断面図。
【図１１Ｆ】成層気体燃焼エンジンに使用される内部ＥＧＲを作動サイクルの異なる位相において示す燃焼室の断面図。
【図１２】ＥＧＲ制御システムの作動を示すフローチャート。
【図１３】ＥＧＲ制御システムの作動を示すフローチャート。
【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４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
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【図１１Ｅ】
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【図１１Ｆ】
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【図１２】
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【図１３】
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