(57)【要約】【課題】動作中の内燃機関のピストン・シリンダ内へ２段階に分けて気体燃料を導入する方法および装置が開示される。この方法および装置では、一連のエンジン・パラメータをモニターし、これらのエンジン・パラメータからエンジン負荷およびエンジン速度を測定し、第１段階において、気体燃料の第１部分をシリンダ内に導入して、シリンダ内でこの燃焼前に気体燃料と空気とのほぼ均質な混合気を形成するようにし、第１段階に続く第２段階において、気体燃料の第２部分をシリンダ内に導入するように構成される。気体燃料の量は、エンジン負荷およびエンジン速度の少なくとも一方に応じて変化する。第１および第２段階の少なくとも一方の開始時点および持続時間も、エンジン負荷およびエンジン速度の少なくとも一方に応じて変化する。
2004500514.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ内にピストンが配置されている、作動中の内燃機関の前記シリンダへ気体燃料を導入する方法であって、前記方法が
（ａ）一連のエンジン・パラメータをモニターし；
（ｂ）前記一連のエンジン・パラメータからエンジン負荷およびエンジン速度を求め；
（ｃ）第１段階において、燃焼前に吸気とのほぼ均質な混合気を形成する第１気体燃料を前記シリンダに導入し；
（ｄ）前記第１段階に続く第２段階において、第２気体燃料を前記シリンダに導入する
ステップから成り、エンジン負荷およびエンジン速度の少なくとも一方に呼応して、前記第１および第２気体燃料の量を制御可能であり、エンジン負荷およびエンジン速度の少なくとも一方に呼応して、前記第１および第２段階の少なくとも一方の開始および持続時間の少なくとも一方が可変であることを特徴とする前記方法。
【請求項２】
前記ピストンが上死点またはその近傍に来たときに、第２段階が開始することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
同じエンジン・サイクルにおいて、前記第１気体燃料が予混合燃焼モードで燃焼し、前記第２気体燃料が実質的に拡散燃焼モードで燃焼することを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記予混合燃焼モードが均一給気圧縮点火モードであることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記エンジンが４行程エンジンであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
吸気行程中に前記第１段階が始まることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記ピストンが吸気行程の上死点またはその近傍に来ると前記第１段階が始まることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記シリンダに導入される前に、前記第１気体燃料を吸気と予混合することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
ターボチャージャーまたはスーパーチャージャーよりも上流で、前記第１気体燃料を吸気と予混合することを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記一連のエンジン・パラメータが、エンジン速度、エンジン・スロットル位置、吸気マニホルド温度、吸気マニホルド圧力、排気再循環の流量および温度、前記シリンダへの空気流量、圧縮比、吸気および排気弁タイミング、および前記シリンダ内におけるノッキングの有無の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記一連のエンジン・パラメータのうちの少なくとも１つの値の変化に呼応して、第２気体燃料および第２段階のタイミングの少なくとも一方を変化させるステップをも含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記第２気体燃料のタイミングおよび量を電子制御装置が制御することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記第２気体燃料の量が可変であり、前記エンジン負荷が増大すると前記量が増大することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記エンジンをターボ過給し、（ａ）前記第２気体燃料の量および（ｂ）前記第２気体燃料を前記シリンダに導入するタイミングの少なくとも一方を制御することによって、吸気マニホルド圧を少なくとも部分的に制御するステップをも含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
ノッキングが検出されると、吸気マニホルド圧を増大させることによって吸気／給気当量比を小さくすることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
ターボ過給および吸気マニホルドへのエンジン排ガス再循環および、（ａ）前記第２気体燃料の量および（ｂ）前記シリンダへの前記第２気体燃料導入タイミングの少なくとも一方を制御することによる吸気マニホルド温度調整のステップをも含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
ノッキングを検出すると、吸気マニホルド温度を低下させるステップをも含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記第２段階が複数の燃料噴射パルスから成ることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１９】
前記第２段階が第１噴射パルスおよび第２噴射パルスから成り、前記第２気体燃料が前記第１および第２噴射パルス間で分配されることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
エンジンの負荷状態に呼応して、前記第２気体燃料を前記複数の燃料噴射パルス間で分配するための参照テーブルを検索する電子制御装置で前記第２気体燃料の総量を決定し、前記電子制御装置が、前記複数噴射パルスのタイミングに対応する燃料変換効率を決定することを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
エンジンの負荷および速度の少なくとも１つに呼応して、前記第１および第２噴射パルスの少なくとも一方のタイミングを制御することを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
前記第２気体燃料の第１部分量を前記第１噴射パルスを介して導入し、前記第２気体燃料の第２部分量を、前記第２噴射パルスを介して導入し、前記第１部分量および前記第２部分量を、エンジンの負荷および速度の少なくとも一方に呼応して、それぞれ独立に制御することを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２３】
エンジン負荷の増大に呼応して、前記第１部分量を増大させることを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
第２噴射パルスのタイミングおよび前記第２部分量の少なくとも一方を制御することにより、吸気マニホルド温度および吸気マニホルド圧の少なくとも一方を調整して、タイミングを進めることによって吸気マニホルド温度および／または吸気マニホルド圧を低下させ、および／または燃料の量を減少させることによって吸気マニホルド温度および／または吸気マニホルド圧を低下させることを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
ノッキングが検出されると、吸気マニホルド温度を低下させるステップをも含むことを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
ノッキングが検出されると、吸気マニホルド圧を増大させるステップをも含むことを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２７】
前記ピストンが圧縮行程の上死点またはその近傍に来ると、パイロット燃料をシリンダに導入して点火させるステップをも含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２８】
前記パイロット燃料の点火前に、前記パイロット燃料の導入タイミングおよび導入量を制御することによって、極めて希薄な層状給気を形成することを特徴とする請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記ピストンが上死点の手前１２０°乃至２０°のクランク角度に来ると、前記パイロット燃料を前記シリンダに導入することを特徴とする請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記シリンダに導入される気体燃料およびパイロット燃料の導入タイミングおよび量を電子制御することを特徴とする請求項２７に記載の方法。
【請求項３１】
ノッキングが検出されると、パイロット燃料の導入量および導入タイミングの少なくとも一方を変化させることを特徴とする請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記パイロット燃料を、ディーゼル燃料およびジメチルエーテルから成る群から選択することを特徴とする請求項２７に記載の方法。
【請求項３３】
前記パイロット燃料を、前記第１または第２気体燃料と混合し、気体燃料と一緒に前記シリンダへ導入することを特徴とする請求項２７に記載の方法。
【請求項３４】
前記第１および第２気体燃料が同じ気体燃料であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３５】
前記第１気体燃料および前記第２気体燃料を、天然ガス、液化石油ガス、バイオガス、埋立地ガス、および水素ガスから成る群から選択することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３６】
グロー・プラグまたはスパーク・プラグを利用して前記気体燃料に点火するステップをも含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３７】
シリンダ内にピストンが配置されている、作動中の内燃機関の前記シリンダへ、主燃料と、前記主燃料よりも高い自己点火性を有するパイロット燃料から成る気体燃料を３段階で導入する方法であって、
（ａ）第１主燃料段階において前記主燃料の第１部分を前記第１部分が予混合燃焼モードで燃焼するのに充分な時間に亙って吸気と混合するようなタイミングで導入し；
（ｂ）パイロット段階において前記パイロット燃料を、前記ピストンが上死点またはその近傍に来ると前記パイロット燃料が自己点火するように導入し；
（ｃ）第２主燃料段階において前記主燃料の第２部分を、前記第２部分が拡散燃焼モードで燃焼するように導入する
ステップから成り、圧縮行程における主燃料対空気比が校正ノッキング・リミット以下となるように、前記主燃料第１部分の量を制御することを特徴とする前記方法。
【請求項３８】
前記第２部分を複数の噴射パルスで導入することを特徴とする請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
前記複数の噴射パルスの第１パルスが前記パイロット段階の開始前に開始することを特徴とする請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記第２部分の少なくとも一部の燃焼が前記第１部分の燃焼を開始させることを特徴とする請求項３７に記載の方法。
【請求項４１】
前記第１段階が吸気行程中に行われることを特徴とする請求項３７に記載の方法。
【請求項４２】
補助噴射弁を介して前記主燃料の前記第１部分を、前記シリンダ上流側の吸気通路へ導入することを特徴とする請求項３７に記載の方法。
【請求項４３】
前記パイロット段階が圧縮行程中に開始することを特徴とする請求項３７に記載の方法。
【請求項４４】
前記ピストンが上死点の手前１２０°乃至２０°のクランク角度の位置に来ると、前記パイロット段階が始まることを特徴とする請求項４３に記載の方法。
【請求項４５】
前記ピストンが圧縮行程の上死点またはその近傍に来ると、前記第２主燃料段階が始まることを特徴とする請求項３７に記載の方法。
【請求項４６】
内部にピストンが配置されている少なくとも１つのシリンダを有する作動中の内燃機関の前記シリンダへ、主燃料と、前記主燃料よりも高い自己点火性を有するパイロット燃料から成る燃料を導入する装置であって、前記装置が
（ａ）エンジン速度を測定するためのタコメータおよびスロットル・ポジションを感知するためのセンサーから成り、前記エンジンから動作データを収集する測定デバイスと；
（ｂ）複数組の対照負荷状態および前記複数組の対照負荷状態と対応する所定の動作モードを記憶するためのメモリーを含み、前記動作データを受信し、前記データを処理することによって一連の負荷状態を計算し、計算された一連の負荷状態を前記複数組の対照負荷状態と照合することによって、複数の所定動作モードの１つを選択する電子制御ユニットと；
（ｃ）前記所定の動作モードおよび前記一連の負荷状態に応じて前記電子制御ユニットが決定するタイミングおよび量で前記主燃料を前記シリンダへ導入するように、前記電子制御ユニットによって制御される主燃料噴射弁と；
（ｄ）前記所定の動作モードおよび前記一連の負荷状態に応じて前記電子制御ユニットが決定するタイミングおよび量で前記パイロット燃料を前記シリンダへ導入するように、前記電子制御ユニットによって制御されるパイロット燃料噴射弁と
から成り、所定の動作モードがシリンダへの３段階燃料導入であり、第１段階において主燃料の第１部分が導入され、第２段階においてパイロット燃料が導入され、第３段階において主燃料の第２部分が導入されることを特徴とする前記装置。
【請求項４７】
前記主燃料噴射弁および前記パイロット燃料噴射弁を、前記主燃料および前記パイロット燃料のそれぞれを独立に噴射できる２元燃料噴射弁として一体化したことを特徴とする請求項４６に記載の装置。
【請求項４８】
吸気システムと連携して前記主燃料を吸気通路へ導入し、前記シリンダへ導入される前に前記主燃料が吸気と混合できるようにする補助噴射弁をも含むことを特徴とする請求項４６に記載の装置。
【請求項４９】
前記吸気通路が吸気マニホルドであることを特徴とする請求項４８に記載の装置。
【請求項５０】
前記エンジンが複数のシリンダおよび前記シリンダ毎の補助噴射弁を含むことを特徴とする請求項４８に記載の装置。
【請求項５１】
内部にピストンが配置されている少なくとも１つのシリンダを有する作動中の内燃機関の前記シリンダへ気体燃料を導入する装置であって、前記装置が
（ａ）エンジン速度を測定するためのタコメータ、スロットル・ポジションを感知するためのセンサーおよび吸気マニホルド内の温度を検知するセンサーから成り、前記エンジンから動作データを収集する測定デバイスと；
（ｂ）複数組の対照負荷状態および前記複数組の対照負荷状態と対応する所定の動作モードを記憶するためのメモリーを含み、前記動作データを受信し、前記データを処理することによって一連の負荷状態を計算し、計算された一連の負荷状態を前記複数組の対照負荷状態と照合することによって、複数の所定動作モードの１つを選択する電子制御ユニットと；
（ｃ）前記吸気マニホルド内の温度を制御することにより、前記吸気マニホルド内の温度を、前記測定された動作データおよび前記計算された一連の負荷状態に基づいて前記電子制御ユニットが測定した温度と一致させる手段と；
（ｄ）前記電子制御ユニットの制御下に、前記シリンダ吸気および排気弁が閉じるのと合わせたタイミングと、前記所定の動作モードに基づいて前記電子制御ユニットが決定する量とで、気体燃料の一部を前記シリンダへ導入する気体燃料噴射弁と；
（ｅ）前記電子制御ユニットの制御下に、前記吸気弁が開くと前記気体燃料の一部を吸気通路に導入することにより、前記所定の動作モードに基づいて前記電子制御ユニットが決定する燃料対空気比の空気／気体燃料混合物を前記シリンダに供給する補助気体燃料噴射弁と
から成り、所与の計算された負荷状態に対応して、前記所定の動作モードが前記シリンダへの気体燃料導入のタイミングおよび量を決定し、気体燃料／空気予混合物が前記吸気弁を介して導入されて、前記シリンダ内において予混合燃焼モードで燃焼し、気体燃料が前記気体燃料噴射弁を介して導入されて、前記シリンダ内において実質的に拡散燃焼モードで燃焼することを特徴とする前記装置。
【請求項５２】
前記吸気マニホルド内の温度を制御するための前記手段が排気マニホルドを前記吸気マニホルドに接続する流路と、前記流路を流動する排ガスの量を制御するための制御弁とを含むことを特徴とする請求項５１に記載の装置。
【請求項５３】
前記流路と連携して、前記流路を流動する前記排ガスの温度を制御する熱交換器をも含むことを特徴とする請求項５２に記載の装置。
【請求項５４】
前記吸気に与圧するターボチャージャーと、中間冷却器および後部冷却器の少なくとも一方とをも含むことを特徴とする請求項５１に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の分野】
本発明は、内燃機関のシリンダに気体燃料を導入する方法および装置に係わる。具体的には、本発明はエンジンのシリンダに気体燃料を２段階に分けて導入することにより、２段階で導入される気体燃料の燃焼モードを制御する方法および装置に係わる。
【０００２】
【発明の背景】
内燃機関業界は、有害なエンジン排出物質の抑制による環境汚染の軽減を従来にも増して強く求められている。この要望に対する答えの１つとして、（ディーゼル・エンジンの名称で知られる）圧縮点火（ＣＩ）エンジンを、ディーゼル燃料に代えて天然ガスを燃焼させるように改良した。ディーゼル燃料と比較して、天然ガスは比較的クリーンな燃料であり、ディーゼル燃料に代えて天然ガスを使用することによって、窒素酸化物（ＮＯｘ）および粒状物質（ＰＭ）の排出レベルを減少させることができる。ディーゼル燃料に代えて天然ガスを使用する公知技術は、二重燃料法と呼ばれる。この方法では、空気／天然ガス混合物をエンジン・シリンダに導入する（フュミゲーションの呼称で公知の技術）前に、天然ガスを吸気と混合する。この混合気を吸気行程においてピストン・シリンダに導入する。圧縮行程において、混合気の圧力と温度を上昇させる。圧縮行程の終わり近くに、二重燃料エンジンは少量のパイロット・ディーゼル燃料を噴射して、空気と天然ガスとの混合気を点火する。燃焼はディーゼル燃料の自己点火によってトリガーされ、この条件下で伝播燃焼モードが起こると考えられる。空気と天然ガスの予混合気を使用することの１つの利点は、燃料対空気の比を小さくできることにある。フュミゲーション法では、“リーン・バーン”動作の利点を実現することができ、ＮＯｘ排出を低くし、ＰＭをも抑制しながら、高いサイクル効率を実現する可能性がある。
【０００３】
しかし、公知の二重燃料法には少なくとも２つの欠点がある。１つの欠点は、高負荷エンジン動作状態において現れる。即ち、圧縮行程においてピストン・シリンダ内の温度および圧力が増大すると、空気／天然ガス混合気が“ノッキング”を起こし易い。ノッキングは、燃料／空気予混合気の制御不能な自己点火である。ノッキングは、燃料エネルギーの急速な放出を引き起こし、エンジンにダメージを与えかねない。ノッキングのリスクを軽減する手段としては、ピストン行程の圧縮比を低下させるか、または出力およびトルクを制限するという手段がある。しかし、これらの手段は抑制した分だけエンジンのサイクル効率を低下させることになる（即ち、各ピストン行程から得られる出力が制約される）。
【０００４】
公知の二重燃料法の第２の欠点は、低負荷エンジン動作状態において燃料と空気の混合気が過度に希薄になり、安定した予混合燃焼を持続できず、その結果、不完全燃焼または不点火を招くことにある。吸気流量を絞ることによって予混合燃焼を持続できるような混合状態を維持することはできるが、吸気流量を絞れば、エンジン効率に悪影響を及ぼすことになる。
【０００５】
【発明の概要】
シリンダ内にピストンが配置されている、作動中の内燃機関の前記シリンダへ気体燃料を導入する方法であって、
（ａ）一連のエンジン・パラメータをモニターし；
（ｂ）これら一連のエンジン・パラメータからエンジン負荷およびエンジン速度を求め；
（ｃ）第１段階において、燃焼前に吸気とのほぼ均質な混合気を形成する第１気体燃料を前記シリンダに導入し；
（ｄ）第１段階に続く第２段階において、第２気体燃料を前記シリンダ
に導入する
ステップから成り、エンジン負荷およびエンジン速度の少なくとも一方に呼応して、第１および第２気体燃料の量を制御可能であり、エンジン負荷およびエンジン速度の少なくとも一方に呼応して、第１および第２段階の少なくとも一方の開始および持続時間の少なくとも一方が可変であることを特徴とする方法。
ピストンが上死点またはその近傍に来たときに、第２段階が開始することが好ましい。
【０００６】
好ましい実施態様では、同じエンジン・サイクルにおいて、第１気体燃料が予混合燃焼モードで燃焼し、第２気体燃料が実質的に拡散燃焼モードで燃焼する。効率を高め、排出物を軽減するには、予混合燃焼モードが均一給気圧縮点火モードであることが好ましい。
【０００７】
エンジンは２行程エンジンであってもよいが、空気／燃料混合気の掃気損失を軽減するには４行程エンジンであることが好ましい。
【０００８】
第１気体燃料が充分な時間をかけて吸気と混合することによって、均質な混合気を形成できるように、吸気行程中に前記第１段階を開始させる。例えば、吸気行程中に第１段階が始まるときはエンジン・シリンダへ直接、または吸気ポートへ第１気体燃料を導入することで吸気と一緒にシリンダへ流入するようにすればよい。吸気行程中に第１気体燃料を導入する場合、第１段階がこの行程の早期に、例えば、ピストンが上死点またはその近傍に来る吸気行程の初期に開始すれば、第１気体燃料を吸気と混合させるための時間を確保する上で好ましい。他の好ましい実施態様としては、シリンダに導入される前に、第１気体燃料を吸気と予混合させる。例えば、ターボチャージャーまたはスーパーチャージャーの上流側で、第１気体燃料を吸気と予混合させる。
【０００９】
一連のエンジン・パラメータは、エンジン速度、エンジン・スロットル位置、吸気マニホルド温度、吸気マニホルド圧力、排気再循環の流量および温度、シリンダへの空気流量、圧縮比、吸気および排気弁タイミング、およびシリンダ内におけるノッキングの有無のうち、少なくとも１つを含むことが好ましい。エンジン速度は直接測定することができ、例えば、第１および第２段階のタイミング制御に使用されるパラメータである。一般に、エンジン速度が上昇するに従ってタイミングが早められる。エンジンのスロットル・ポジションはエンジン負荷の指示パラメータであり、第１および第２気体燃料の量を制御するのに利用できる。その他のパラメータは、第１段階燃料をＨＣＣＩ燃焼モードで燃焼させるように制御されることが好ましいシリンダ内条件を示唆するパラメータとしてモニターすることができる。
【００１０】
第２段階のタイミングおよび燃料量を制御することによって、以後のエンジン・サイクルにおけるシリンダ内条件を調整することができる。例えば、一連のエンジン・パラメータのうちの少なくとも１つの値に呼応して、第２段階気体燃料の量、第２段階開始時点および／または第２段階持続時間の少なくとも１つを変化させることによって、第１気体燃料がＨＣＣＩ燃焼するようにシリンダ内条件を維持することができる。第２段階開始時点および／または持続時間および／または燃料量の制御を、ＥＧＲ流量または吸気／燃料当量比の制御手段のような公知の制御手段と併せてシリンダ内条件を制御する付加的手段として利用することが好ましい。好ましくは、電子制御ユニットが参照テーブルに基づいて第２段階の開始時点、持続時間および第２気体燃料の量を制御することによって、所与のエンジン負荷および速度条件に対応する複数の制御設定値を求める。
【００１１】
第１気体燃料の量がノッキングのため制限される場合、第２気体燃料を、第１気体燃料の補足に利用することが好ましい。これにより、エンジンは高い負荷状態において動作できる。従って、第２気体燃料の量は可変であり、エンジン負荷の増大に伴って増大する。
【００１２】
ターボチャージャー付きエンジンの場合、排気がターボチャージャーを駆動するから、吸気マニホルド圧は排気圧および排気温度によって影響される。従って、 （ａ）第２気体燃料の量および（ｂ）第２気体燃料を前記シリンダに導入するタイミングの少なくとも一方を制御することによって、吸気マニホルド圧を少なくとも部分的に制御することができる。これらの変数を制御することによって、排気圧および排気温度を変化させることができるからである。例えば、ノッキングが検知された時、第１気体燃料の流量を増大させることなく、吸気マニホルド圧を増大させれば、第１段階燃料は希薄になり、ノッキングが起こり難い。従って、ノッキングが検知されたら、第２段階の開始時点、持続時間および燃料量を制御することによって、吸気マニホルド圧を増大させて、以後のエンジン・サイクルにおける吸気／燃料当量比を低下させることができる。
【００１３】
ターボチャージャー付きおよび／または排気再循環を利用しているエンジンの場合、排気温度が吸気マニホルド温度に影響を及ぼす。従って、下記条件の少なくとも１つを制御することによって、以後のエンジン・サイクルにおける吸気マニホルド温度を調整することができる：
（ａ）前記第２気体燃料の量；および
（ｂ）前記シリンダへの前記第２気体燃料導入タイミング。
【００１４】
吸気マニホルド温度はノッキングおよびＨＣＣＩ燃焼に著しい影響を及ぼす。例えば、ノッキングが検出された場合、ノッキングを回避する手段として、吸気マニホルド温度を低下させる。第２段階の開始時点、持続時間および燃料量を利用することによって、例えば、中間冷却器や後方冷却器のような公知の温度制御手段との併用で、吸気マニホルド温度を制御することができる。
【００１５】
好ましい方法として、第２段階が複数の燃料噴射パルスから成る。複数の噴射パルスまたは整形噴射パルスがフレキシビリティを向上させる。例えば、１つのパルスの開始時点および／または持続時間および／または燃料量を、エンジン負荷に呼応して制御し、他のパルスの開始時点および／または持続時間および／または燃料量を制御することによって、以後のエンジン・サイクルにおける吸気マニホルド温度および／または吸気マニホルド圧を調整することができる。即ち、エンジン負荷の増大に呼応して、第１噴射パルスで導入される第２気体燃料の部分を増大させればよい。また、第２噴射パルスの開始時点および／または持続時間および／または燃料量を制御することにより、吸気マニホルド温度および／または吸気マニホルド圧の少なくとも一方を調整して、第２噴射パルスのタイミングを進めることによって吸気マニホルド温度および／または吸気マニホルド圧を低下させ、および／または燃料の量を減少させることによって吸気マニホルド温度および／または吸気マニホルド圧を低下させることができる。ノッキングが検知された場合、吸気マニホルド温度を低下させることが好ましい。
【００１６】
それぞれ異なる噴射パルスの開始時点および／または持続時間および／または燃料量は独立に制御すればよく、エンジンの負荷および速度の少なくとも１つに呼応して、前記第１および第２噴射パルスの少なくとも一方を制御する。第２段階において導入される燃料の総量はエンジン負荷によって決定されるのが好ましいが、電子制御ユニット（ＥＣＵ）は参照テーブルを検索してこの総量を複数の燃料噴射パルス間に分配するとともに、複数噴射パルスのタイミングに対応する燃料変換効率を決定する。
【００１７】
本発明の方法は、ピストンが圧縮行程の上死点またはその近傍に来ると、パイロット燃料をシリンダに導入して点火させるステップをも含む。ＮＯｘ排出物を軽減するため、パイロット燃料の点火前に、パイロット燃料の導入タイミングおよび導入量を制御することによって、極めて希薄な層状給気を形成する。極めて希薄な層状給気を形成するには、ピストンが上死点の手前１２０°乃至２０°のクランク角度に来た時点で、パイロット燃料をシリンダに導入するのが好ましい。シリンダに導入される気体燃料およびパイロット燃料の導入タイミングおよび量は電子制御することが好ましい。
【００１８】
ノッキングが検出された場合に取るべき他の対策として、パイロット燃料の導入量および導入タイミングを変化させてもよい。検知されたノッキングに呼応してパイロット燃料タイミングを進めるべきか遅らせるべきかは幾つかの変数によって決まるが、ＥＣＵが参照テーブルを探索することによって適当な対応策を決定することが好ましい。これらの変数の例としては、現時のパイロット燃料噴射開始時点、燃料噴射持続時間、エンジン速度、現時の吸気マニホルド温度および吸気マニホルド圧などが挙げられる。
【００１９】
好ましいパイロット燃料としては、ディーゼル燃料やジメチルエーテルが挙げられる。第１および第２気体燃料は異なる燃料であってもよいが、同じ気体燃料であることが好ましい。但し、１つの段階の気体燃料をパイロット燃料と予混合することにより、パイロット燃料と気体燃料が一緒に導入されるようにすることができる。第１気体燃料および前記第２気体燃料を、天然ガス、液化石油ガス、バイオガス、埋立地ガス、および水素ガスから成る群から選択することが好ましい。
【００２０】
パイロット燃料を使用する代わりに、エンジンにグロー・プラグまたはスパーク・プラグを設けることによって気体燃料の点火を開始することもできる。
【００２１】
シリンダ内にピストンが配置されている作動中の内燃機関のシリンダへ、燃料を導入する好ましい方法においては、燃料が主燃料と、主燃料よりも高い自己点火性を有するパイロット燃料とから成る。この方法では、燃料をシリンダへ３段階で導入し、
（ａ）第１主燃料段階において主燃料の第１部分を、第１部分が予混合燃焼モードで燃焼するように、充分な時間に亙って吸気と混合するタイミングで導入し；
（ｂ）パイロット段階においてパイロット燃料を、ピストンが上死点またはその近傍に来るとパイロット燃料が自己点火するように導入し；
（ｃ）第２主燃料段階において主燃料の第２部分を、第２部分が拡散燃焼モードで燃焼するように導入する
ステップから成り、圧縮行程における主燃料対空気比が校正ノッキング・リミット以下となるように、主燃料第１部分の量を制御する。
【００２２】
この好ましい方法では、第２部分を複数の噴射パルスで導入し、複数噴射パルスの第１パルスを、パイロット燃料で点火して主燃料第１部分の点火を助けるようにタイミング制御する。即ち、主燃料の第２部分の一部を点火して、主燃料第１部分の燃焼を助ける。
【００２３】
補助噴射弁を介して主燃料の第１部分を、シリンダ上流側の吸気通路へ導入することが好ましい。
【００２４】
パイロット段階が圧縮行程中に開始することが好ましい。具体的には、ピストンが上死点の手前１２０°乃至２０°のクランク角度の位置に来ると、パイロット段階が始まり、燃焼する前に、パイロット燃料が極めて希薄な層状給気を形成するのに充分な時間を与えられることが好ましい。
【００２５】
第２主燃料段階は、ピストンが圧縮行程の上死点またはその近傍に来ると始まることが好ましい。
【００２６】
内部にピストンが配置されている少なくとも１つのシリンダを有する作動中の内燃機関のシリンダへ、燃料を導入する装置を提供する。燃料は主燃料と、主燃料よりも高い自己点火性を有するパイロット燃料とから成る。この装置は
（ａ）エンジン速度を測定するためのタコメータおよびスロットル・ポジションを感知するためのセンサーから成り、エンジンから動作データを収集する測定デバイスと；
（ｂ）複数組の対照負荷状態および複数組の対照負荷状態と対応する所定の動作モードを記憶するためのメモリーを含み、動作データを受信し、データを処理することによって一連の負荷状態を計算し、計算された一連の負荷状態を複数組の対照負荷状態と照合することによって、複数の所定動作モードの１つを選択する電子制御ユニットと；
（ｃ）所定の動作モードおよび一連の負荷状態に応じて電子制御ユニットが決定するタイミングおよび量で主燃料を前記シリンダへ導入するように、電子制御ユニットによって制御される主燃料噴射弁と；
（ｄ）所定の動作モードおよび一連の負荷状態に応じて電子制御ユニットが決定するタイミングおよび量でパイロット燃料をシリンダへ導入するように、電子制御ユニットによって制御されるパイロット燃料噴射弁と
から成り、所定の動作モードがシリンダへの３段階燃料導入であり、第１段階において主燃料の第１部分が導入され、第２段階においてパイロット燃料が導入され、第３段階において主燃料の第２部分が導入される。
【００２７】
主燃料噴射弁およびパイロット燃料噴射弁は、主燃料およびパイロット燃料のそれぞれを独立に噴射できる２元燃料噴射弁として一体化されていることが好ましい。２元燃料噴射弁の利点として、単一燃料噴射弁のみを有する従来のディーゼル・エンジンに僅かな変更を加えるだけでよい。
【００２８】
本発明の装置は、吸気システムと連携して主燃料を吸気通路へ導入する補助噴射弁をも含む。補助噴射弁を採用することにより、シリンダへ導入される前に、主燃料を吸気と混合することができる。吸気通路は、例えば、吸気マニホルドであればよく、ターボチャージャーまたはスーパーチャージャーの上流側に配置することが好ましい。補助噴射弁をエンジン吸気ポート内に配置する場合、エンジンは複数のシリンダを含み、各シリンダに補助噴射弁を設ける。
【００２９】
本発明の２元燃料噴射技術のその他の利点を、添付の図面に沿って詳細に説明する。
【００３０】
【好ましい実施態様の詳細な説明】
好ましい方法としては、少なくとも１つの往復運動ピストンおよびピストンと連携するクランクシャフトを有する４行程内燃機関のシリンダ内へ燃料を噴射する。本明細書では、シリンダ内のピストン位置を、上死点（ＴＤＣ）の手前または後方のクランク角度で記述する。ピストンは上昇行程の終わりに達した時にＴＤＣの位置を占め、下降行程に移る（即ち、ピストンがシリンダヘッドに最も近くなる位置）。
【００３１】
本発明の方法における主燃料としては、例えば、天然ガス、プロパン、バイオガス、埋立地ガスまたは水素ガスなどの気体燃料が好ましい。本発明の方法は主燃料の燃焼タイミングを制御する点火源の使用をも含む。点火源としては、主燃料よりも自己点火性の高いパイロット燃料、高温表面着火源、例えば、グロー・プラグ、スパーク・プラグ、またはその他公知の点火デバイスを使用できる。パイロット燃料を使用する場合、好ましい燃料は公知のディーゼルまたはジメチルエーテルである。
【００３２】
図１は、シリンダ１１０に２段階に分けて燃料を導入する好ましい方法を示す。図１に示す実施例において、燃料はシリンダ１１０内で自己点火し、第１段階に導入される燃料は実質的に予混合リーン・バーン燃焼モードで燃焼し、第２段階に導入される燃料は実質的に拡散燃焼モードで燃焼する。
【００３３】
図１の（ａ）に示す第１段階において、ピストン１１３は吸気行程中噴射弁１１５から離脱しつつある。吸気は開放状態の吸気弁１１１を介してシリンダ１１０内に引き込まれる。排気弁１１２は閉じている。第１段階において、主燃料１１７ａもシリンダ１１０に導入され、シリンダ内で吸気と混合する。（図示しない）他の実施例では、第１段階主燃料導入を、ピストン１１３が下死点に位置する時またはピストン１１３が噴射弁１１５に向かって移動中で、吸気弁１１１が閉じている圧縮行程中に起こるようにタイミング制御する。しかし、第１段階主燃料導入が遅れると、主燃料１１７ａが吸気と混合する機会が少なくなる。従って、圧縮行程中に起こるように第１段階をタイミング制御する場合には、ピストン１１３が下死点に近接する圧縮行程初期に起こるようにタイミング制御することが好ましい。
【００３４】
第１段階に導入される主燃料の量は、ノッキングの可能性を少なくするため制限される。第１段階に導入される主燃料の量は極めて希薄な状態（即ち、当量比０．１０〜０．５０）に制限されるから、ＨＣＣＩ燃焼モードで急速に燃焼が起こると期待される。圧縮行程の上死点近傍での予混合気の点火は高い熱効率をもたらす。予混合燃焼開始時点と予混合燃焼率の制御は、吸気マニホルド温度、吸気マニホルド圧，ＥＧＲ流量、ＥＧＲ温度、残留ガス・トラップ量および圧縮比の少なくとも１つを制御することによって達成される。好ましい方法としては、これらのパラメータの大部分または全部を制御することにより、ＨＣＣＩ燃焼モードでの予混合気の自己点火をタイミング制御する。予混合燃料と空気は極めて希薄な状態で燃焼するから、ＮＯｘ形成率は極めて低い。
【００３５】
ノッキング防止のため、第１段階に導入される主燃料の量が制限されるから、エンジン負荷状態に適応するように、第２段階において追加量の主燃料を導入する。図１の（ｂ）に示すように、主燃料の第２段階噴射は上死点近傍で行われることが好ましい。図１の（ｂ）では、シリンダ１１０内での燃料燃焼に推進されて、ピストン１１３が噴射弁１１５から離脱しつつある。連続する圧縮および爆発行程中、吸気弁１１１も排気弁１１２も閉じたままである。爆発行程の遅くにおいて追加燃料を導入しても、これより早い段階に導入した場合ほどエンジン出力に寄与しないから、第２段階は圧縮行程の遅い時点、または爆発行程の早い時点に起こることが好ましい。第２段階主燃料導入は、ピストン１１３と接続するクランクシャフトが、ピストン１１３が爆発行程開始時にＴＤＣに位置していた点を越えて５０°以上回転する前に完了することが好ましい。
【００３６】
第２段階主燃料１１７ｂは圧縮行程の終わり近くまたは爆発行程の初期に導入されるから、点火前にシリンダ１１０内の空気と充分に混合することができない。その結果、第２段階主燃料１１７ｂは実質的に拡散燃焼モードで燃焼する。第１段階主燃料１１７ａの量はエンジンのノッキング防止のため制限されるから、高負荷状態においては、第２段階に導入される主燃料１１７ｂの量を調整することによって、エンジン出力を制御する。
【００３７】
ＥＧＲおよび／またはターボ過給を採用するエンジンでは、第２段階主燃料１１７ｂの導入量および／または導入タイミングを制御することによって、以後のエンジン・サイクルにおける吸気マニホルド温度および吸気マニホルド圧を調整することができる。第２段階主燃料の量が、ノッキング防止上余儀なくされる第１段階の燃料不足を補うから、好ましい方法として、第２段階主燃料１１７ｂの量を、主としてエンジン負荷によって決定する。但し、第２段階のタイミングを制御することによって、吸気マニホルド温度および吸気マニホルド圧の制御に寄与することができる。例えば、主燃料１１７ｂの導入を遅らせるか、または第２段階主燃料を増量することによって、排ガス温度および排ガス圧が増大する。比較的高い排ガス温度および排ガス圧を利用することによってターボチャージャー出力を増大し、吸気マニホルド圧を高めることができる。中間冷却器を採用すれば、吸気マニホルド温度の制御効果がさらに高くなる。エンジンがＥＧＲを利用する場合、排ガス温度は吸気マニホルド温度に直接影響を及ぼす。好ましい方法としては、電子制御ユニットを利用して、第２段階主燃料導入の量とタイミングを制御する。電子制御ユニットはエンジン負荷およびエンジン速度（または電子制御ユニットがエンジン負荷および速度を計算するためのエンジン・パラメータ）に関するデータを受信する。電子制御ユニットはこのデータを利用し、エンジン負荷および速度に基づく所与のエンジン動作条件に対応する燃料の量と導入タイミングの校正値を含んでいる参照テーブルを検索することによって、燃料量とタイミングを決定する。
【００３８】
ノッキングが検知されたら、さらなるノッキングを回避する手段として、第１段階における主燃料導入量を減らし、第２段階において導入される燃料量を増大させるという選択が考えられる。しかし、第２段階のタイミングを制御することもノッキング防止手段として選択できる。例えば、第２段階のタイミングを遅らせてターボチャージャー出力を高めることによって吸気マニホルド圧を高めることができる。中間冷却器および／または後方冷却器を採用することによって、比較的高温の排ガスを相殺することができる。このようにして吸気マニホルド圧を高めると、シリンダへの導入空気が多くなって希薄な均質吸気を形成し、これがノッキングを防止する。あるいは、第２段階タイミングを進めることによって、排ガス温度を冷却して吸気マニホルド温度を冷却することもできる。中間冷却器および／または後方冷却器を、第２段階のタイミングを進めることと併用することもできる。第２段階タイミングを進めるか遅らせるかは、ノッキング検知時点での第２段階のタイミングに基づいて決定すればよい。このような第２段階タイミング制御技術を、第１および第２段階において導入される燃料量の再配分と併用することもできる。
【００３９】
同じ動作条件下でノッキングが再発するのを防止するため、電子制御ユニットが参照テーブルを再校正することもできる。
【００４０】
一実施例では、主燃料１１７ｂを複数の噴射パルスで導入する。例えば、第１噴射パルスで導入される燃料を利用して負荷状態に適応し、第２噴射パルスで導入される燃料を利用して排ガスの温度および圧力を制御し、これによって、以後のエンジン・サイクルにおける吸気マニホルド温度および／または吸気マニホルド圧を制御することができる。
【００４１】
図２は主燃料をシリンダ２１０に２段階に分けて導入するとともに、パイロット燃料を導入して主燃料の燃焼を開始させる、他の好ましい方法を示す。図１の実施例と同様に、図２の実施例でも、第１段階において導入される主燃料が吸気と混合して実質的に均一なリーン・バーン燃焼モードで燃焼し、第２段階において導入される主燃料が実質的に拡散燃焼モードで燃焼する。
【００４２】
図２の（ａ）は吸気弁２１１が開き、排気弁２１２が閉じている吸気行程中、噴射弁２１５を介してシリンダ２１０に第１段階主燃料２１７ａを導入する態様を示す。図２の（ａ）では、ピストン２１３は下死点に位置するか、または噴射弁２１５から離脱しつつある。第１段階主燃料２１７ａを導入する方法は上記実施例における第１主燃料１１７ａの導入方法と同様であり、第１段階主燃料を導入するその他の方法もこの実施例に応用できる。
【００４３】
図２の（ｂ）は圧縮行程において、ピストン２１３が噴射弁２１５に向かって移動中にパイロット燃料２１８を導入する態様を示す。吸気弁２１１および排気弁２１２はどちらも閉じている。パイロット燃料２１８の量とパイロット燃料の噴射タイミングは、シリンダ２１０内に、パイロット燃料、主燃料および空気の層状予混合気が形成されるように設定する。好ましい方法では、パイロット噴流内のパイロット燃料および主燃料の量は全体として希薄である。層状給気の点火を、ピストン２１３が圧縮行程の上死点に達する時点と調和させることが好ましい。パイロット燃料噴流が点火すると、パイロット燃料２１８およびパイロット噴流中にトラップされている主燃料の双方が燃焼する。パイロット噴流は全体として希薄であるから、ＮＯｘ形成率に関するリーン・バーン燃焼の利点がこのパイロット噴流において実現される。
【００４４】
他の実施態様として、ピストン２１３がＴＤＣの近傍に来た時にパイロット燃料をシリンダ２１０内に噴射する。この実施態様では、パイロット燃料は実質的に拡散燃焼モードで燃焼するから、ＮＯｘ形成率が比較的高くなる。従って、シリンダ２１０内に層状パイロット噴流が形成されるように、図２の（ｂ）に示すように圧縮行程初期にパイロット燃料を噴射することが好ましい。但し、パイロット燃料２１８をあまり早期に噴射してはならない。サイクルからサイクルへ繰返して自己点火しない過度に希薄な層状給気となるからである。パイロット燃料は、ＴＤＣの手前１２０°乃至２０°のクランク角度の時点にシリンダ２１０内へ導入するのが好ましい。最適パイロット燃料噴射タイミングは、エンジン速度および負荷状態に応じて異なる。ノッキングが検知されたら、パイロット燃料の量およびその噴射タイミングも調整する。
【００４５】
図２の（ｃ）に示すように、主燃料２１７ｂの第２段階噴射は、図１の（ｂ）に示す実施例の場合と同様に、ピストン２１３が上死点近傍に来た時に起こる。主燃料２１７ｂは圧縮行程の終わりまたは爆発行程の初期に導入されるから、シリンダ２１０内で空気と充分に混合することができない。従って、第２段階主燃料２１７ｂは実質的に拡散燃焼モードで燃焼する。パイロット噴流中の燃料の大部分および予混合気の一部は第２段階主燃料導入時までに燃焼するから、噴射された主燃料２１７ｂは空気および多量の燃焼生成物と混合する。酸素ポテンシャルが比較的低いから、ＮＯｘ形成率は抑制され得る。
【００４６】
第１段階燃料２１７ａの量はエンジンのノッキングを防止するために制限されるから、第２段階主燃料２１７ｂの量を調整することによってエンジン出力を高負荷状態に適応するように制御する。
【００４７】
図１に示した実施例の場合と同様に、第２段階のタイミングと第２段階燃料２１７ｂの量を制御することによって、以後のエンジン・サイクルにおける吸気マニホルド温度および吸気マニホルド圧を調整することができる。第２段階燃料２１７ｂは複数の噴射パルスで噴射することができる。パイロット燃料を採用する場合、第２段階燃料２１７ｂの一部をシリンダ２１０内へ噴射してパイロット燃料２１８と一緒に燃焼させることにより、均一混合気の点火を助けることができる。図１に示した方法と同様に、第２段階のタイミングと燃料量を制御することによって、吸気マニホルドの温度と圧力を制御し、ノッキングを防止、即ち、ＨＣＣＩ燃焼の条件を満たすことができる。
【００４８】
第１の実施例で述べた制御パラメータに加えて、パイロット燃料の流量と噴射タイミングを利用することによって、ＮＯｘおよびＰＭレベルを極力低くし、同時にノッキング発生を防止しながら、高サイクル効率を維持するという意味でエンジン動作を最適化することができる。即ち、パイロット燃料を使用することで、予混合気燃焼の開始時点制御がさらに確実になる。この制御は、パイロット噴流中の燃焼気の膨張に伴うパイロット噴流外側の予混合気の圧縮加熱によって達成される（燃焼気の未燃焼気に対する密度比は４）。この膨張は、パイロット噴流外側の未燃焼予混合気を圧縮する。圧縮の結果、未燃焼予混合気の温度が上昇し、自己点火することになる（末端ガス点火を起こすスパーク点火エンジンにおける圧縮効果と同様である）。
【００４９】
パイロット燃料の量と予混合燃料／空気当量比とが温度上昇量を決定する。早期に噴射されたパイロット燃料は予混合された燃料と空気で満たされたシリンダ内に極めて希薄な層状噴流を形成する。パイロット燃料噴流の展開は、パイロット燃料の噴射タイミング、パイロット燃料の量およびシリンダ内条件に応じて異なる。パイロット噴流の燃焼による圧縮と温度上昇が、予混合燃料／空気をＨＣＣＩ燃焼モードで燃焼させることが好ましい。パイロット噴流の燃焼による温度上昇が炎を希薄な予混合気中に伝播させるようにすることもできる（但し、予混合気の当量比は炎の伝播を維持するには低すぎると考えられるから、予混合気中に炎を伝播させることは困難である）。いずれの場合にも、層状のパイロット燃料噴流を燃焼させることによって、予混合気燃焼の開始時点を制御することができる。いずれの場合にも、ＮＯｘ形成率を低下させるというリーン・バーン燃焼の利点が実現される。
【００５０】
（主燃料およびパイロット燃料の双方を比較して）層状パイロット噴流が比較的濃厚であれば、極めて軽微なくすぶり燃焼が起こっても、ＮＯｘ形成率が高くなる。主燃料が天然ガスや水素のような気体燃料であり、パイロット燃料がディーゼル燃料である場合、第２段階主燃料の導入で、高負荷状態でのエンジン条件を満たすのに有効な主燃料の比率を高める。主燃料の比率を高めてディーゼル燃料の消費量を軽減することによって、ＮＯｘ排出を抑制する。好ましい実施態様としては、パイロット燃料２１８の量を平均してエネルギー・ベースで総燃料量の約１０％以下とし、残りを主燃料２１７ａおよび２１７ｂが占めるようにする。特定の動作条件においては、パイロット燃料２１８の量が総燃料量の１０％以上でも以下でもよい。
【００５１】
図３は、吸気行程中にシリンダ３１０へ第１段階主燃料３１７ａを導入するための他の実施態様を示す。図３では、吸気弁３１１が開放状態、排気弁３１２が閉鎖状態にある。ピストン３１３は噴射弁３１５から離脱しながら、吸気と第１段階主燃料の混合気をシリンダ３１０内に引き込む。シリンダ３１０内で気体主燃料３１７ａと空気３２０の混合を開始するのではなく、補助噴射弁３２５が主燃料３１７ａを吸気システムへ導入し、シリンダ３１０内へ吸引される前に、主燃料３１７ａが吸気通路において空気との混合を開始する。吸気通路は、例えば、吸気マニホルドでもよいし、吸気システムよりもさらに上流側の吸気通路でもよい。当業者ならば熟知のように、補助噴射弁３２５を、例えば、ターボチャージャーよりも上流側に配置することにより、噴射点における空気圧が比較的低くなり、シリンダ３１０内へ導入される前に空気と燃料が混合に必要な充分な時間を与えられる。
【００５２】
シリンダ３１０へ導入される前の燃料と空気の予混合は混合に充分な時間を確保することで、燃焼前に混合気を均一化する。吸気弁３１１は燃料と空気の予混合気の導入を制御する。単一燃料を使用するエンジンでは、第２段階燃料が、図１の（ｂ）に示すように、噴射弁３１５から導入される。パイロット燃料を使用するエンジンでは、噴射弁３１５が、図２の（ｂ）および（ｃ）に示す噴射弁２１５と同様に作用してパイロット燃料と第２段階主燃料を導入する二重燃料噴射弁であることが好ましい。
【００５３】
複数のピストンを含むエンジンでは、複数の補助噴射弁を使用するか、または吸気システムのさらに上流側に補助噴射弁３２５を配置して、すべてのピストンと協働できるようにすればよい。
【００５４】
図４は、現時動作状態に関するデータの収集を目的とする測定サブシステム４０１の利用方法を示す制御論理ダイヤグラムである。好ましい実施態様では、測定サブシステム４０１が、スロットル・ポジション、エンジン速度、およびその他の動作パラメータに関するデータを収集し、これらのデータを電子制御ユニット（ＥＣＵ）に送信する。ＥＣＵは別設の孤立した成分またはユニットでなくてもよく、例えば、エンジン動作データ測定デバイスのような他の成分と一体化されていてもよい。測定サブシステム４０１は、吸気マニホルド温度；吸気マニホルド圧；吸気流量；外部ＥＧＲ流量；外部ＥＧＲ温度；排気および吸気弁タイミング；圧縮比；およびノッキング発生を示唆するデータをも提供するように構成することができる。
【００５５】
ＥＣＵは測定サブシステム４０１からデータを受信し、これを記録または使用することによって下記の値を計算する：
（ａ）現時エンジン速度；
（ｂ）現時空気流量（Ａ）；
（ｃ）現時外部ＥＧＲ流量および温度（ＴＥＧＲ）；
（ｄ）現時吸気マニホルド給気温度（ＩＭＴ）；
（ｅ）現時残留ガス・トラップ量（排気および吸気弁タイミングから計算できる）；
（ｆ）現時圧縮比（ＣＲ）；および
（ｇ）現時吸気マニホルド圧（ＩＭＰ）。
【００５６】
ステップ４０２において、ＥＣＵは、例えば、必要なデータを記憶している参照テーブルを検索することによって所要の制御パラメータを求める。例えば、所与の速度および負荷状態に関して、参照テーブルは最適の吸気マニホルド温度、吸気マニホルド圧、圧縮比、残留ガス・トラップ量、吸気および排気弁のタイミング、ＥＧＲ流量、ＥＧＲ温度、早期に噴射すべき主燃料量、および第２段階に噴射すべき主燃料の噴射タイミングおよび噴射量に関連するデータを記憶している。適切な測定を行うことによって、最適値に達する。例えば、もしＥＧＲ流量が低すぎるなら、ＥＧＲ流量を増大させる。
【００５７】
この方法では、吸気マニホルド温度、吸気マニホルド圧、圧縮比、残留ガス・トラップ量、吸気および排気弁のタイミング、ＥＧＲ流量、ＥＧＲ温度、および第１および第２段階に噴射すべき主燃料量の最適値を選択することによって、ＮＯｘおよびＰＭレベルを極力低く抑制すると同時にノッキングの発生を防止しながら、高サイクル効率を維持するという意味でエンジン動作を最適化する。この最適条件に対応する熱発生率曲線の１例を図６の（ａ）に示す。図６の（ａ）では、ＴＤＣに対するクランク角度に応じて変化する熱発生率がプロットされている。主燃料は、爆発行程の開始近傍、即ち、ＴＤＣまたはその近傍に相当するクランク角度Ｘにおいて点火する。予混合気は、上死点から遅れること１０−２０クランク角度以内で急速に点火し、クランク角度Ｙにおいてピークに達する。希薄な予混合気の燃焼中、ＮＯｘ生成は極めて微量である。上述したように、予混合気燃焼開始のタイミングは、吸気マニホルド温度、早期に噴射される主燃料の量、吸気マニホルド圧、外部ＥＧＲ率、残留ガス・トラップ量および２段階で噴射される主燃料のタイミングと量のうちの少なくとも１つによって制御される。予混合気の燃料／空気比はノッキングとシリンダ内圧の観点から制約を受ける（即ち、燃料／空気比が高すぎると、ノッキングが発生するか、または許容最大シリンダ内圧を超過することになる）。主燃料噴射の第２段階は圧縮行程のＴＤＣ近傍で起こるようにタイミング制御する。第２段階において導入される主燃料の一部は上死点近傍でも燃焼し、クランク角度Ｙにおいてピークを形成する熱発生に寄与する。第２段階に噴射される主燃料は実質的に拡散燃焼モードで燃焼する。高いサイクル効率を維持するため、第２段階における主燃料の噴射を、圧縮行程のＴＤＣから遅れること約３０〜５０クランク角度に相当するクランク角度Ｚにおいてほぼ完了させる。
【００５８】
ＥＣＵは、ノッキングが起こるかどうかを示唆する測定サブシステム４０１からもデータを受信することができる。ステップ４０３においてＥＣＵがノッキングを検知すると、さらなるノッキングの発生を防止するため、ステップ４０４において適当な制御措置を講じてパラメータを調整する。例えば、早期に噴射する主燃料量を減らし、その分、第２段階に上死点近傍で噴射する主燃料量を増大させる。これに加えて、またはこれに代えて、参照テーブルに記憶されている所定の修正措置に基づいて、ＥＣＵは、例えば、下記項目の１つまたは２つ以上を選択的に実行することができる：
（ａ）圧縮率を下げる；
（ｂ）吸気弁の閉止を遅らせる；
（ｃ）外部ＥＧＲ率を下げる；
さらなるノッキングの発生を防止するため、ステップ４０５において、ＥＣＵはメモリーに記憶されている値を再校正することで、ノッキング限界値を再校正することができる。
【００５９】
ステップ４０６において、ＥＣＵはステップ４０２において決定された参照テーブル値およびステップ４０４においてなされた調整を念頭に置いて、エンジン動作パラメータを最終的に設定する。これらのパラメータは下記パラメータの１つまたは２つ以上を含むことが好ましい。
【００６０】
（ａ）第１段階気体燃料流量；
（ｂ）第１段階気体燃料の噴射タイミング；
（ｃ）吸気マニホルド温度；
（ｄ）吸気マニホルド圧；
（ｅ）吸気弁タイミング；
（ｆ）排気弁タイミング；
（ｇ）外部ＥＧＲ流量および／または残留ガス・トラップ量；
（ｈ）圧縮比；
（ｉ）第２段階気体燃料量；および
（ｊ）第２段階気体燃料噴射タイミング。
【００６１】
図５は、気体主燃料の燃焼を開始させるのにパイロット燃料を使用するエンジンを対象とする点を除けば、図４のダイヤグラムと同様の制御論理ダイヤグラムである。従って、測定サブシステム５０１によって測定されるパラメータのいくつかは、図４のサブシステム４０１によって測定されるパラメータとは異なる。例えば、サブシステム５０１は、パイロット燃料の流量を測定するが、気体燃料の自己点火を制御するためにモニターする必要がないという理由で、吸気マニホルド温度やＥＧＲ温度は測定しなくてもよい。ステップ５０２〜５０６は、これらと対応する上述した図４のステップ４０２〜４０６とほぼ同じである。
【００６２】
主燃料を２段階に分けて導入する本発明の方法はノッキングの可能性を軽減し、リーン・バーン（ＨＣＣＩ）および拡散燃焼モードの双方を利用することによって動作効率を高め、従来の方法に比較してＮＯｘ排出を軽減しながら高いエンジン効率を維持する。
【００６３】
図５の方法に対応する熱発生率曲線を図６の（ｂ）に示す。図６の（ｂ）では、ＴＤＣに対するクランク角度との関係で熱発生率をプロットしてある。パイロット噴流の燃焼はＴＤＣの近傍であるクランク角度Ａ（好ましくは、ＴＤＣの前後２０°の範囲内）において始まる。パイロット噴流は予混合気が急速に燃焼し始める点であるクランク角度Ｂまで燃焼し続ける。ＴＤＣから遅れることクランク角度Ｃでピークに達する比較的高い熱発生率によって示されるように、予混合気のほぼ全部が上死点に続く最初の１０°−２０°のクランク角度範囲内で燃焼する。希薄な予混合気の燃焼中、ＮＯｘの生成は極めて微量である。上述したように、予混合気燃焼開始のタイミングは下記パラメータの少なくとも１つ、多くの場合は２つ以上によって制御される：吸気マニホルド温度、早期に噴射される主燃料量、吸気マニホルド圧、外部ＥＧＲ率、残留ガス・トラップ量、および３段階で噴射される主およびパイロット燃料のタイミングと量。予混合気の燃料／空気比はノッキングおよびシリンダ内圧の観点から制約される（即ち、燃料／空気比が高すぎると、ノッキングが発生するか、または許容最大シリンダ内圧を超過することになる）。主燃料噴射の第２段階は、圧縮行程の上死点近傍で起こるようにタイミング制御する。第２段階において導入される主燃料の一部はＴＤＣ近傍でも燃焼し、クランク角度Ｃにおける熱発生率に寄与する。しかし、第２段階に噴射される主燃料は実質的に拡散燃焼モードで燃焼し、クランク角度ＣおよびＤ間の曲線部分に関与する。高いサイクル効率を維持するには、第２段階における主燃料噴射が圧縮行程のＴＤＣを過ぎて３０°クランク角度以内に完了することが好ましい。
【００６４】
図６の（ｂ）に示すように、ＥＣＵはノッキングの有無を示唆するデータを測定サブシステム５０１から受信することもできる。もしノッキングが検知されると、ＥＣＵはステップ５０３〜５０６に示すように、適切な制御措置を取る。
【００６５】
従って、主燃料を２段階に分けて導入する本発明の方法はノッキングの可能性を軽減し、同じエンジン・サイクルにおいて層状給気（パイロット噴流）、リーン・バーンおよび拡散燃焼モードのすべてを利用することによって動作効率を高め、従来の方法に比較してＮＯｘ排出を軽減しながら高いエンジン効率を維持する。
【００６６】
ここでは、“スロットル”または“スロットル・ポジション”という語を、エンジンにおける負荷需要を表す一般的な意味で使用した。典型的には、この負荷需要はユーザーによって設定され、（車両エンジンの場合なら）フット・ペダル配置、（エネルギー発生エンジンの場合なら）所定の負荷需要として設定される。一般に、ユーザーが負荷需要を設定できる方法は多様であり、（この出願に使用されている）“スロットル”という語はこの一般的な意味で理解されるべきである。
【００６７】
本発明の方法および装置の好ましい実施態様を４行程エンジンについて説明したが、当業者には明らかなように、同じ方法を２行程エンジンにも応用できる。同様に、添付の図面は燃料の点火を助けるグロー・プラグまたはスパーク・プラグを装備したエンジンを図示していないが、そのようなデバイスを装備したエンジンおよびその構成は当業者にとって公知である。
【００６８】
これまでの開示内容から当業者には明らかなように、本発明の思想または範囲を逸脱することなく、本発明の実施に際して、多様な改変が可能である。従って、本発明の範囲は、頭書の特許請求の範囲によって限定される要旨に従って解釈されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】パイロット燃料なしにシリンダ内へ燃料が順次噴射される態様を示す、エンジン・シリンダの部分断面図である。（ａ）は主燃料の一部が吸気行程中に噴射される状態を示し、（ｂ）は爆発行程の開始近い時点に主燃料の残り部分が噴射される態様を示す。
【図２】燃料がパイロット燃料と一緒にシリンダ内へ順次噴射される態様を示す、エンジン・シリンダの部分断面図である。（ａ）は吸気行程中に主燃料の一部がシリンダ内へ噴射される態様を示し、（ｂ）は圧縮行程中にパイロット燃料が噴射される態様を示し、（ｃ）は圧縮行程の上死点近傍において主燃料の残り部分が噴射される態様を示す。
【図３】主燃料を吸気と混合するための他の構成を示すシリンダの部分断面図である。この構成では、主燃料と吸気とをシリンダ内で混合するのではなく、シリンダの外部で（即ち、シリンダ内に導入される前に）予混合する。
【図４】本発明を実施するのに電子制御ユニットが利用できる論理の１例を示す制御論理ダイヤグラムである。
【図５】電子制御ユニットが利用できる論理の他の一例を示す図４と同様な図面である。
【図６】ＨＣＣＩモードおよび拡散モードの燃焼プロセスと関連する熱発生率曲線を示す。図で、（ａ）はリーン・バーン（ＨＣＣＩモード）およびパイロット燃料なしの拡散モードの燃焼に対する熱発生率を示し、（ｂ）はパイロット噴射、リーン・バーン（ＨＣＣＩまたは火炎伝播モード）およびパイロット燃料ありの拡散モードの燃焼に対応する熱発生率を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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