(57)【要約】【解決手段】ディーゼルエンジン２０は、ピストン２４が設けられた複数の燃焼室２２を有する。エンジンは、燃焼室２２内の圧力センサ２６と、クランクシャフト角を測定するための位置センサ２８を有する。信号３１を位置センサ２８から受信するのに適した第１のコンパレータ３６は、微分器３０に接続されている。圧力センサ２６は、微分器３０に接続されている。微分器３０は、クランク角に対する燃焼室圧力導関数を計算し、その結果を第２のコンパレータ４０に送信する。第２のコンパレータ４０は、第１の時点及びその後の第２の時点でのクランクシャフト角の値に対する燃焼室圧力導関数を比較し、その結果をトリガー回路４２に送信し、トリガー回路４２は、コントロール信号４３を水噴射器５６の開始及び持続時間を制御するためにコントロール信号４３を送信する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
クランクシャフトと、少なくとも１つの燃焼室と、前記燃焼室と液体により通じている水噴射器と、前記燃焼室に往復運動するように配置されクランクシャフトに動作可能に連結されたピストンと、を有するディーゼルエンジンの予混合圧縮着火燃焼コントロール方法であって、
前記燃焼室の圧力ｐを測定すること、
前記燃焼室内の前記ピストンの上死点位置に対応した前記クランクシャフトの角度位置αを測定すること、
前記クランクシャフトの前記角度位置（α）が、前記ピストンの上死点位置の手前の予め選択した範囲内の値になった後に、前記クランクシャフト角に対する燃焼室圧力導関数（ｄｐ／ｄα）を計算すること、
第１の時点（ｔ）で計算されたクランクシャフト角に対する燃焼室圧力導関数（ｄｐ／ｄα）を表す数式（ｄｐ／ｄα）ｔを、その後の第２の時点（ｔ＋１）で計算されたクランクシャフト角に対する燃焼室圧力導関数を表す数式（ｄｐ／ｄα）ｔ＋１と比較すること、
前記（ｄｐ／ｄα）ｔの値よりも小さい前記（ｄｐ／ｄα）ｔ＋１の値に応じて、前記燃焼室への水噴射をコントロールするトリガー回路に信号を送信すること、及び、
前記トリガー回路から前記水噴射器への信号の送信に応じて、前記燃焼室に水を噴射すること、
を含むディーゼルエンジンの予混合圧縮着火燃焼コントロール方法。
【請求項２】
請求項１記載のディーゼルエンジンの予混合圧縮着火燃焼コントロール方法において、
前記トリガー回路から前記水噴射器への信号送信を、前記トリガー回路に前記信号を送信した後の選択された時間、遅らせることを含むディーゼルエンジンの予混合圧縮着火燃焼コントロール方法。
【請求項３】
請求項１記載のディーゼルエンジンの予混合圧縮着火燃焼コントロール方法において、
前記燃焼室への水噴射は、前記燃焼室に水を噴射する時間を選択的に変化させることを含むディーゼルエンジンの予混合圧縮着火燃焼コントロール方法。
【請求項４】
別々の第１及び第２燃焼ステージで予混合圧縮着火燃焼が発生する少なくとも１つの燃焼室を有するディーゼルエンジンの予混合圧縮着火燃焼コントロール方法であって、
前記第１燃焼ステージを表す動作上の特徴を測定すること、及び、
前記第１燃焼ステージを表す前記動作上の特徴を測定した後、前記燃焼室に配置されたピストンが予め選択された位置に来るまで、前記第２燃焼ステージのスタートを遅らせるのに十分な時点であって十分な時間、前記燃焼室に水を噴射すること、
を含むディーゼルエンジンの予混合圧縮着火燃焼コントロール方法。
【請求項５】
請求項４記載のディーゼルエンジンの予混合圧縮着火燃焼コントロール方法において、
前記第１燃焼ステージを表す前記動作上の特徴を測定することは、クランクシャフト角に対する燃焼室圧力を測定することを含むディーゼルエンジンの予混合圧縮着火燃焼コントロール方法。
【請求項６】
予混合圧縮着火燃焼モードで少なくとも部分的に動作し、少なくとも１つの燃焼室と、前記燃焼室に往復運動するように配置されクランクシャフトに動作可能に連結されたピストンと、を有するディーゼルエンジンであって、
前記燃焼室の圧力を測定する手段と、
クランクシャフト角を測定する手段と、
前記燃焼室の圧力を測定する前記手段及び前記クランクシャフト角を測定する前記手段に動作可能に接続されてなる微分器と、
前記微分器からの信号を受信するコンパレータと、
前記コンパレータからの信号を受信するトリガー回路と、
水源に動作可能に接続され、前記トリガー回路からの信号の受信に応じて前記エンジンの前記燃焼室に水を噴射する噴射器と、
を有するディーゼルエンジン。
【請求項７】
請求項６記載のディーゼルエンジンにおいて、
前記クランクシャフト角を測定する前記手段からの信号を受信し、前記クランクシャフト角が予め選択された範囲の値になったことに応じて、前記微分器に信号を送信する、追加のコンパレータを有するディーゼルエンジン。
【請求項８】
請求項６記載のディーゼルエンジンにおいて、
前記トリガー回路は、信号出力遅延回路を有するディーゼルエンジン。
【請求項９】
請求項６記載のディーゼルエンジンにおいて、
前記トリガー回路は、噴射持続期間回路を有するディーゼルエンジン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、概して、予混合圧縮着火（ＨＣＣＩ）燃焼モードでの運転に適したディーゼルエンジンと、ディーゼルエンジンでＨＣＣＩ燃焼コントロール方法に関し、特に、ＨＣＣＩモードの着火をコントロールするために水噴射を使用するエンジン及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【０００３】
【特許文献１】
米国特許第５，８７５，７４３号明細書
【特許文献２】
米国特許第５，８３２，８８０号明細書
【０００４】
【背景技術】
予混合圧縮着火（ＨＣＣＩ）は、エンジン燃焼室で空気−燃料均一予混合気が、全自己着火温度に達したときに、反応を始める燃焼モードである。この反応は、混合気全体でスタートする、すなわちマルチポイント着火であり、火炎の先端が目に見えないように反応が進む。１９９９年３月２日にダニエル  Ｗ．  ディッキー（共同発明者の１人）に付与され、可変燃焼モードディーゼルエンジンの排気ガスを減らす装置及び方法をその名称とし、本願発明の譲受人に譲渡された米国特許第５，８７５，７４３号には、少なくとも部分的にＨＣＣＩ燃焼モードで作動させるのに適したディーゼルエンジンの排気ガスをコントロールすることが記載されている。米国特許第５，８７５，７４３号では、２つの燃料噴射装置の使用が提案されており、エンジンの速度及び負荷を示すエンジン作動パタメータに基づいて、燃料及び水それぞれを噴射するために水噴射装置を選択することが提案されている。１９９８年１１月１０日に同様にダニエル  Ｗ．  ディッキーに付与され、ディーゼルエンジンの予混合圧縮着火燃焼を制御する装置及び方法についての、同様に本願発明の譲受人に譲渡された米国特許第５，８３２，８８０号には、同様に、ＨＣＣＩ燃焼を水噴射によってコントロールする方法が記載されている。
【０００５】
しかしながら、さらに正確にＨＣＣＩ燃焼をコントロールするには問題が残っている。特に、ＨＣＣＩ燃焼プロセスをコントロールするには、２つの重要な要求がある。すなわち、
１）燃焼室に往復運動するように配置されたピストンの上死点（ＴＤＣ）位置に対して、燃焼の位相が整合するようにコントロールすること、及び、
２）ＨＣＣＩ燃焼の作動範囲を、エンジンの高負荷域に、制御可能に拡張すること、
である。
【０００６】
本願明は、ＴＤＣに対してＨＣＣＩ燃焼をコントロールするときの問題及びＨＣＣＩ燃焼をエンジンの高負荷域に拡張するときの問題を解決するためのものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の１つの側面によれば、ディーゼルエンジンの予混合圧縮着火燃焼コントロール方法は、燃焼室の圧力を測定すること、燃焼室内のピストンのＴＤＣ位置に対応したクランクシャフトの角度位置を測定すること、第１の時点とその後の第２の時点でクランクシャフト角に対する燃焼室圧力導関数の値を計算すること、を含む。第２の時点でのクランクシャフト角に対する燃焼室圧力導関数の値の変化は、第１の時点のそれと比較され、第２の時点でのクランクシャフト角に対する燃焼室圧力導関数の値が、第１の時点でのクランクシャフト角に対する燃焼室圧力導関数の値よりも小さいことに対応して、信号がトリガー回路に送信される。トリガー回路が水噴射器に信号を送信することに対応して、水が燃焼室に噴射される。
【０００８】
本発明の他の側面によれば、ディーゼルエンジンの予混合圧縮着火燃焼コントロール方法は、第１燃焼ステージを表す動作上の特徴を測定することを含む。第１燃焼ステージを表す動作上の特徴を測定した後、燃焼室に水を噴射する。水の噴射は、燃焼室に配置されたピストンが予め選択された位置に来るまで、第２燃焼ステージのスタートを遅らせるのに十分な時点であって十分な時間、行われる。
【０００９】
本発明のさらに他の側面によれば、予混合圧縮着火燃焼モードで少なくとも部分的に動作するのに適したディーゼルエンジンは、エンジンの燃焼室の圧力を測定する手段と、クランクシャフト角を測定する手段と、燃焼室の圧力を測定する手段及びクランクシャフト角を測定する手段に動作可能に接続されてなる微分器と、を有する。コンパレータは、微分器からの信号を受信するのに適しており、トリガー回路は、コンパレータからの信号を受信するのに適している。ディーゼルエンジンは、水源に動作可能に接続され、トリガー回路からの信号の受信に応じて燃焼室に水を噴射するのに適した噴射器も有する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の構成及び作用をもっと完全に理解できるように、以下、図面を参照して詳細に説明する。
【００１１】
上述したように、予混合圧縮着火（ＨＣＣＩ）は、エンジンシリンダで空気・燃料均一予混合気が、燃料自己着火温度に達したときに、反応を始める燃焼モードである。また、前述したように、反応は、混合気全体で始まり、火炎の先端が目に見えないように反応が進む。ＨＣＣＩ燃焼は、典型的なパラフィン系ディーゼル燃料にとって、質量平均ガス温度の逆数に対する標準化された見かけ上の放熱率（ＮＡＨＲＲ）の対数グラフ（図１参照）に示されるように、２ステージの性質を示すことが発見されている。この発見は、ウィスコンシン−マディソン大学で博士号（機械工学）を取得するための要件の一部を履行するものとして、本発明の共同発明者の一人であるステファン  ジメスキューによって提出された１９９７年の学位論文の１２６〜１３３頁に記載されている。
【００１２】
その発見によって、図１に範囲ａとして示される第１ステージ（エネルギーの解放が全燃料エネルギーの約５％という小ささであり、図１に範囲ｂとして示される負の温度係数に続く。）が明らかになった。燃料エネルギーの大部分は、第２又はメインの燃焼ステージ（全エネルギー解放の約９５％の原因となる高い放熱率で、範囲ｃとして示される。）で解放される。
【００１３】
ＨＣＣＩ燃焼モードは、ＮＯｘや粒子状物質（ＰＭ）の排出を非常に少なくすることができるが、反応のスタートが温度に依存するのでコントロールできないものであった。さらに、エンジンの負荷は、等価率で測定すると、放熱率（ＨＲＲ）がさらに高い等価率で許容できないほど高くなるにつれて、反応スタートがコントロールされないときには軽負荷に限定される。「等価率」とは、一般に、分子が、燃料消費を実際に測定された空気消費で割ったものであり、分母が、化学量論的な燃料／空気の率であるとして定義される比率である。従って、軽負荷は、比較的低い等価率になるのに対して、高負荷は、もっと高い率になる。上述した米国特許第５，８３２，８８０号及び米国特許第５，８７５，７４３号に記載されるように、ＨＣＣＩ反応の第１のステージのスタート（図１の範囲ａ参照）をコントロールする方法が提案されている。
【００１４】
本発明は、図１の範囲ｃで示される第２ステージ（全燃料エネルギーの約９５％を解放する。）の着火をコントロールするためのものである。本発明は、同時に、もっと高い等価率でも許容できる放熱率（ＨＲＲ）を維持するためのものである。また、第２ステージのスタートは、上述した博士論文に記載されているように、温度に依存するので、第２ステージの着火（ＳＯＣ）を、燃焼室のピストンの上死点（ＴＤＣ）位置に、あるいは好ましくはその直前の位置に動かすことが望ましい。図２（グラフ）には、クランク角に対するシリンダ圧力導関数（ｄｐ／ｄα）が実線１０で示され、比較的高いエンジン負荷であってコントロールされていないＨＣＣＩ燃焼の、第２ステージの代表的な早すぎる着火が示されている。コントロールされていないＨＣＣＩ燃焼モードでは、第２（メイン）ステージの着火が４０°ＢＤＴＣだけ早くなって、望ましくないピストン位置すなわちピストンがＴＤＣ位置に到達する前に、燃焼が発生することがある。本発明によって、図２に領域１２で示される期間、水がシリンダ内に直接噴射され、さらに詳しくは後述するように、破線１４で示すように望むまでの間、約１°から約３°ＢＤＣだけ、第２ステージの着火を遅らせることができる。細線１６は、燃料が噴射されずに燃焼が発生しないシリンダの、クランク角に対するシリンダ圧力導関数（ｄｐ／ｄα）を示しており、単にモニターモードとして参照するものである。
【００１５】
本発明では、メイン又は第２ステージＨＣＣＩ燃焼のＳＯＣを、コントロールして、右（クランク角度０にもっと近い位置）にシフトさせることは、期間１２の間、シリンダ内に直接水噴射することで達成される。好ましくは、シリンダ内への直接水噴射は、シリンダの均一予混合気内に複数の水柱を生成する多孔ノズルによって行う。水柱気化によって、部分的に水柱の立体角についても、燃焼室の全体についても、燃料空気の混合気温度を下げることができる。こうして、第２ステージ反応のスタートは、第１ステージ反応直後の期間１２の間の水噴射のタイミング及び量によって、コントロールされる。もっと高い負荷（等価率）での放熱率は、温度範囲の不均一性によって（すなわち柱領域は低い温度になっている）、冷水柱領域がわずかに遅れて反応を始めるにつれてコントロールされる。その反応は燃焼室全体を通してもはや均一ではないが、部分的均一性はまだ維持されている。結果として、高負荷であっても、ＮＯｘ及びＰＭの排出を少なくすることができ、ＨＣＣＩ燃焼の第２ステージのスタートをコントロールすることによって、エンジンの燃料効率が保たれる。詳しくは後述するように、少なくとも部分的にはＨＣＣＩ燃焼モード作用に適したディーゼルエンジン２０（図４参照）のために、第２ステージの着火をコントロールする方法１８は、図３に示すフローチャートに略述されている。
【００１６】
特に図４に示すように、本発明を具体化したディーゼルエンジン２０は、少なくとも１つあるいは典型的には複数の燃焼室２２を有し、各燃焼室２２には、動作可能に図示しないクランクシャフトに連結されたピストン２４が、往復運動するように配置されている。エンジン２０は、本発明を具体化する方法１８によってコントロールできるように、燃焼室２２の圧力を測定するための手段２６と、クランクシャフト角を測定するための手段２８と、を有する。燃焼室２２の圧力を測定するための手段２６は、上述した博士論文の６６〜８１頁に記載された、キスラーモデル７０６１  水冷圧電性圧力変換器を含んでもよい。本発明を具体化するコントロール法を実施するには、他の燃焼室圧力測定装置（燃焼室と直接通じていても、外表面上に設けられていてもよい（例えばボルト頭部下の圧電ワッシャのように））を使用してもよい。クランクシャフト角を測定するための手段２８は、クランクシャフト位置が示す１つ又はそれ以上の予め同一視される指標を、光学的に又は磁気的に検出する、従来のクランクシャフト角センサを含む。
【００１７】
エンジン２０は、クランクシャフト位置を表す信号３１をクランク角位置センサ２８から受信するのに適した第１のコンパレータ３６と、燃焼室２２の圧力を測定するための手段２６及びコンパレータ３６に動作可能に連結された微分器３０をさらに含む。微分器３０は、各燃焼室の圧力（ｐ）を示す各燃焼室圧力測定手段２６から信号３２を受信することができるように構成された電子回路の構成部品を含む。第１のコンパレータ３６からの信号３４は、クランクシャフト位置角（α）が予め選択された位置範囲内（例えば６０°ＢＴＤＣよりも小さい）にあれば、微分器３０に伝達される。微分器３０の回路構成部品は、クランクシャフト位置角（α）が、ピストン２４の上死点（ＢＴＤＣ）位置よりも前であって、予め選択した範囲内の値（例えば６０°ＢＴＤＣ）であるとき、クランクシャフト角に対する燃焼室圧力導関数（ｄｐ／ｄα）を計算する。
【００１８】
エンジン２０は、計算されたクランクシャフト角に対する燃焼室圧力導関数（ｄｐ／ｄα）を示す信号３８を微分器３０から受信する第２のコンパレータ４０をさらに含む。第２のコンパレータ４０は、第１の時点（ｔ）でのクランクシャフト角の値に対する計算された燃焼室圧力導関数（ｄｐ／ｄα、数式（ｄｐ／ｄα）ｔで表される。）を、その後の第２の時点（ｔ＋１）でのクランクシャフト角の値に対する計算された燃焼室圧力導関数（数式（ｄｐ／ｄα）ｔ＋１で表される。）と対比する。
【００１９】
エンジン２０は、第２の時点でのクランクシャフト角に対する計算された燃焼室圧力導関数（第１の時点でのクランクシャフト角に対する計算された燃焼室圧力導関数よりも小さく、すなわち、（ｄｐ／ｄα）ｔ＋１＜（ｄｐ／ｄα）ｔ）に応じて、第２のコンパレータ４０から信号４１を受信するトリガー回路４２をさらに含む。トリガー回路４２は、エンジンのスピード及び負荷に依存して、図２に示す範囲１２内の所望の期間、水噴射のスタートを遅らせる遅延回路と、ＨＣＣＩメイン燃焼反応のスタートをＴＤＣに近い点にシフトさせるのに十分な期間、シリンダへの水噴射の長さをコントロールする噴射持続回路と、を含むことが望ましい。好ましくは、トリガー回路４２は、ピストン２４が約３°ＢＴＤＣ〜約０．５°ＢＴＤＣの範囲にくるまで、ＨＣＣＩの第２のステージ反応を遅らせるのに十分な時間までであって十分な連続期間、水噴射の開始及び持続期間をコントロールするコントロール信号４３を伝達する。多孔水噴射器５６が、それぞれの燃焼室２２に通じている。水噴射器５６の動作は、それぞれ、トリガー回路４２により伝達されたコントロール信号４３によってコントロールされる。高圧水噴射ポンプ３３は、水圧レギュレータ２７へのライン３５を有する。水圧レギュレータ２７は、それぞれの噴射器５６と直接流体接続されている。
【００２０】
次に、図３には、本発明に従ったＨＣＣＩ燃焼をコントロールする方法は、符号１８によって示されている。方法１８を実施するときには、クランクシャフト位置角αが、ブロック４４で示されて上述したように測定され、それとともに、ブロック４６で示されるように燃焼室圧力（ｐ）も測定される。クランクシャフト位置（α）が、予め選択された値（例えば６０°ＢＴＤＣより小さい）であるなら、信号３４は、微分器３０に送信される。信号３２（測定された燃焼室圧力を表す）も微分器３０に送信され、そこでは、クランクシャフト角に対する燃焼室圧力導関数（ｄｐ／ｄα）が微分される（ブロック４８参照）。微分値ｄｐ／ｄαを表す信号３８は、その後、コンパレータ４０に送信され、そこでは、第１の時点ｔ及びその後の時点ｔ＋１での微分値が比較される（ブロック５０参照）。第２の時点での微分値が第１の時点での値よりも小さければ（すなわち、（ｄｐ／ｄα）ｔ＋１＜（ｄｐ／ｄα）ｔ）、信号４１が、トリガー４２（ブロック５２に示すように遅延回路によって決められた期間、水噴射の開始を止めている。）に送信される。ＨＣＣＩの第２ステージ反応で着火を遅らせるために水噴射が続く時間も、上述したように決められる（ブロック５４参照）。信号４３は、その後、図４に示す噴射器５６に送信される（図３のブロック５８参照）。
【００２１】
図３に示す方法１８は、噴射のタイミング及び噴射が続く時間（好ましくは、クランクシャフトの７２０°の回転毎）を制御して連続的に繰り返される。
【００２２】
本発明を具体化する方法１８は、第１の燃焼ステージを示す動作上の特性を測定した後に、燃焼室に水を噴射する。図示した具体例では、クランクシャフト角に対する燃焼室圧力導関数（ｄｐ／ｄα）が使用されるが、第１ステージ反応の他の特性（燃料無補給運転圧力導関数に対する測定された圧力導関数における第１の偏差など）も、第２ステージ反応のスタートをコントロールするイベントとして、使用することができる。このように、上述した方法１８は、ＨＣＣＩ燃焼の第２（メイン）ステージのスタートをコントロールし、続いて、ＨＣＣＩ燃焼の第２ステージの期間に放熱率（ＨＲＲ）をコントロールするのに有利に用いることができる。それゆえ、方法１８は、ＨＣＣＩ燃焼を、高エンジン負荷での動作領域に応用するのに特に有用である。
【００２３】
本発明について、好ましい具体例の観点から説明したが、当業者であれば、図示した具体例を、発明の要旨から外れないように変形してもよいことが分かるであろう。このような変形は、本願の特許請求の範囲に入るものである。本発明の他の側面、特徴及び利点は、特許請求の範囲とともに明細書及び図面を検討して導き出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＨＣＣＩモードでの典型的なディーゼル燃料の燃焼の質量平均ガス温度の逆数に対する、標準化された見かけ上の放熱率（ＮＡＨＲＲ）の自然対数グラフである。
【図２】コントロールの無いＨＣＣＩ燃焼と、本発明に従ってコントロールされたＨＣＣＩ燃焼について、燃料噴射の無い燃焼室でのクランク角に対するシリンダ圧力導関数を示すグラフである。
【図３】本発明に従ってＨＣＣＩ燃焼をコントロールする方法のフローチャートである。
【図４】本発明に従ってＨＣＣＩ燃焼によってコントロールされたディーゼルエンジンを示す概略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
2004515702.tif 000029