(57)【要約】少なくとも１つのシリンダを備える４ストローク・ディーゼル・エンジンのエンジン負荷が変動する間、ＮＯｘを最小化する方法に関し、シリンダは、シリンダ・ヘッド（１）、連接棒（３）上に組み付けた第１の往復ピストン（２）、シリンダ・ヘッド上に組み付けた１つのアクチュエータ（４）、アクチュエータにより作動され、液圧回路（６）を介して燃焼室（７）内で様々な位置に固定することができる１つの第２のピストン（５）、シリンダ・ヘッド内に存在し、排気ガスを排出する少なくとも１つの排気弁（８）、シリンダ・ヘッド内に存在し、燃焼空気を供給するように自由に作動する少なくとも１つの吸気弁（１０）、燃焼室（７）に接続され、上記燃焼室内に燃料を噴射する少なくとも１つの噴射器（９）を有する。方法は、第２のピストン（５）が、遅くとも現在の圧縮行程の間、アクチュエータ（４）によって作動され、液圧回路（６）によって燃焼室（７）内のある位置に固定され、ピストン（２）によって導入される空気は、存在するエンジン負荷に合致する所定の圧縮比で圧縮され、自由に作動する吸気弁（１０）は、吸気行程の間、あるピストン位置で閉鎖され、このピストン位置では、導入された燃焼空気の容量は、所定の圧縮比を示し、噴射器（９）は、指定量の燃料を噴射する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのシリンダを備える４ストローク・ディーゼル・エンジンにおいて、エンジン負荷が変動する間のＮＯｘを最小化する方法であって、
前記シリンダは、シリンダ・ヘッド（１）、連接棒（３）上に組み付けた第１の往復ピストン（２）、前記シリンダ・ヘッド上に組み付けた１つのアクチュエータ（４）、前記アクチュエータにより作動され、液圧回路（６）を介して燃焼室（７）内で様々な位置に固定することができる１つの第２のピストン（５）、前記シリンダ・ヘッド内に存在し、排気ガスを排出する少なくとも１つの排気弁（８）、前記シリンダ・ヘッド内に存在し、燃焼空気を供給するように自由に作動する少なくとも１つの吸気弁（１０）、前記燃焼室（７）に接続され、前記燃焼室内に燃料を噴射する少なくとも１つの噴射器（９）を有する方法において、
前記第２のピストン（５）は、遅くとも現在の圧縮行程の間、前記アクチュエータ（４）によって作動され、前記液圧回路（６）によって前記燃焼室（７）内のある位置に固定され、前記ピストン（２）によって導入される空気は、存在するエンジン負荷に合致する所定の圧縮比で圧縮され、前記自由吸気弁（１０）は、吸気行程の間、あるピストン位置で閉鎖され、前記ピストン位置では、前記導入された燃焼空気の容量は、前記圧縮行程の最後で所定の圧縮比を示し、前記噴射器（９）は、指定量の燃料を噴射する
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記指定量の燃料は、空気質量計（１１）の測定値に基づく
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
直前の前記吸気行程の間に前記吸気弁の開放時間を変更した後、遅くとも圧縮行程の間、前記燃焼室（７）における修正位置を前記第２のピストン（５）に採らせる
請求項１に記載の方法。
【請求項４】
直前の排気行程の間までに、前記燃焼室（７）における修正位置を前記第２のピストン（５）に採らせる
請求項１に記載の方法。
【請求項５】
部分的エンジン負荷から最大エンジン負荷への変換は、仕事行程の間に生じる
請求項１に記載の方法。
【請求項６】
少なくとも１つのシリンダを備える４ストローク・ディーゼル・エンジンであって、
前記シリンダは、シリンダ・ヘッド（１）、連接棒（３）上に組み付けた第１の往復ピストン（２）、前記シリンダ・ヘッド上に組み付けた１つのアクチュエータ（４）、前記アクチュエータにより作動され、液圧回路（６）によって燃焼室（７）内で様々な位置に固定することができる１つの第２のピストン（５）、前記シリンダ・ヘッド内に存在し、排気ガスを排出する少なくとも１つの排気弁（８）、前記シリンダ・ヘッド内に存在し、燃焼空気を供給するように自由に作動する少なくとも１つの吸気弁（１０）、前記燃焼室（７）に接続され、前記燃焼室内に燃料を噴射する少なくとも１つの噴射器（９）を有する、４ストローク・ディーゼル・エンジンにおいて、
前記第２のピストン（５）は、前記アクチュエータ（４）の制御に応じて配置され、前記液圧回路（６）によって、前記燃焼室（７）内のある位置に固定され、前記自由吸気弁（１０）は、前記吸気行程の間、あるピストン位置で閉鎖され、前記ピストン位置では、追加された燃焼空気の容量は、前記圧縮行程の最後で所定の圧縮比を示し、指定量の燃料を噴射する
ことを特徴とする４ストローク・ディーゼル・エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒素酸化物（ＮＯｘ）の形態の排出が大きな問題を表している、ディーゼル・エンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
いわゆる定性燃焼を伴う通常の４ストローク・ディーゼル・エンジンは、高いＮＯｘ生成を生じさせる。
【０００３】
内燃機関では、ピストンは、２つの位置、即ち上側変向点と下側変向点との間を移動する。吸気行程の後に圧縮行程が続き、圧縮行程の後に仕事行程が続き、仕事行程の後に排気行程が続き、方法が終了するというのが、いわば標準的な４ストローク方法である。通常のディーゼル・エンジンでは、カムシャフトを用いて吸気弁及び排気弁が開放される。更に、シリンダ体積と燃焼室体積との間の比率、即ち圧縮比は、一定であり、例えば１６：１若しくは１７：１であるか、又はそれ以外である。高い圧縮比が高い効率をもたらす。
【０００４】
現在のディーゼル・エンジンにおいて解決すべき問題は、ＮＯｘの低減であり、ＮＯｘは、空気中の酸素と窒素との混合によりもたらされ、燃焼温度の上昇と共に急速に増大する。高温燃焼は、ＨＣ及びＣＯの両方、並びに粒子の生成を低減し、燃料消費の低減に寄与する。その一方で、Ｎｏｘの増大があり、Ｎｏｘは、特に都市交通における吸入に関連する健康リスクのために、望ましいものではない。
【０００５】
ＮＯｘは、高温、及び希薄条件の間、即ち、燃料がわずかで空気が多い、いわゆる空気過剰条件の間に生成されることは公知である。
【０００６】
ディーゼル・エンジンは、いわゆる定性燃焼を使用し、定性燃焼とは、原則として、どのサイクルでも同量の空気を圧縮し、出力の変更が必要である場合、燃料の量を変更し、これを噴射することによって実現することを意味する。この結果、多少の空気が過剰であるために多少の希薄条件が生じることが多く、これにより、多少のＮＯｘの生成をもたらす。したがって、定性燃焼は、現在のエンジン負荷に応じて様々な量のＮＯｘを燃焼ガス内に生成させるものであり、このことがまさに、ＮＯｘの継続的な低減方法を見出すことを困難にしている。今日、ＮＯｘ生成は、いわゆるＥＧＲ（排気再循環）、即ち、冷却排気ガスの吸気への再循環によって低減に対する努力がなされていることが多いが、定性燃焼が、変動する過剰空気及び付随するＮＯｘ生成をもたらしていると問題を要約することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】ＳＥ５３５８８６  Ｃ２
【特許文献２】ＳＥ１１０  ０４３５（ＡＩ）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の主な目的は、エンジン負荷がとにかく高効率であり、同時に、既存のディーゼル・エンジンと比較してＮＯｘの生成が著しく少ないディーゼル・エンジンを達成することである。
【０００９】
この目的は、本発明によって得られ、本発明は、以下の特許請求の範囲で述べる特徴部分によって示される。
【００１０】
エンジン負荷の変更時において、燃料量が空気量に連続的且つ平均的に適合される燃焼−いわゆる定量燃焼−を通して、どのサイクルでも各圧縮比に同じ効果的な圧縮比を与える。これにより、ＮＯｘを最小化すると同時に、全てのエンジン負荷で高いエンジン効率を達成する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の問題の解決策及び核心。圧縮空気は、エンジン負荷を変更する間、どのサイクルでも、燃焼ガス中のＮＯｘの生成量が最小であるように燃料の量を連続的に適合することができる。このことは、どのサイクルでも、各エンジン負荷に対して選択した量の空気を本質的に同じ最終圧力に圧縮することにより行う。このことは、空気を圧縮する燃焼室が、上記空気量の選択に関連するエンジン制御システムを介して、出力／エンジン負荷の要求に応じて変動することによって可能であり、空気は、吸気行程の間、自由作動弁を通して投入され、自由作動弁は、エンジン制御システムによって選択した時間で開放を保持する。圧縮後、ＮＯｘの生成量が最小であるような量の燃料が噴射される。圧縮空気の質量に関連して、ＮＯｘの生成量が最小である質量の燃料は、本発明によれば、原則として、どのサイクルでも、現在のエンジン負荷とは無関係に等しいことになる。排気ガス中のＮＯｘの残りの割合は、連続的且つ実質的に等しくなり、あらゆる後処理に対する適切な方法を発見するのに必要な可能性を促進する。
【００１２】
シリンダ・ヘッド内の自由作動弁、即ち、現代の４ストローク・エンジンにあるようなポペット弁及び変動圧縮体積を用いると、ＮＯｘの問題を大幅に低減することができる。このことにより、上述の希薄条件が回避される。排気弁を制御するために、現代のカムシャフトを維持することができるが、吸気弁は、自由に作動し、作動を最適に節約し、吸気量を調整すべきである。吸気弁も現代のカムシャフトによって作動させる場合、吸気量は、任意の種類のエア・リストリクタにより調整しなければならないが、エア・リストリクタは、真の高効率に対する可能性を完全に活用するものではないと思われる。
【００１３】
圧縮空気により自由に作動される弁は、圧縮ガス、好ましくは空気を用いて開放することが好ましい。空気は、圧縮器によって、弁の開放が安定するようにカスタマイズされた圧力まで圧縮される（特許ＳＥ５３５８８６Ｃ２、ＳＥ１１００４３５（ＡＩ）を参照）。しかし、液圧作動弁又は電磁作動弁等、弁を自由に作動させる他の方法を使用することもできる。圧縮の変更は、様々な方法で達成することができる。このことは、ピストンの現在の空間、いわゆるピストン空胴をシリンダ・ヘッドまで移動することができる方法を支持すると言え、このピストン空胴を燃焼室と呼び、燃焼室の体積は、例えば上述の特許の原理に従って変動する。このことは、好ましい実施形態の説明と関連して以下で示す。
【００１４】
したがって、本発明の目的は、上記したように、エンジン負荷／出力がともかく高効率を有し、同時に、現代のディーゼル・エンジンよりもＮＯｘの実際の生成が少ないディーゼル・エンジンを達成することである。
【００１５】
シリンダ・ヘッド内の燃焼室の体積に関連する吸気弁開放時間の制御を介して、又は別様に述べると、吸気弁の開放時間に関連して燃焼室の体積を制御することによって、上記エンジンに対し決定された圧縮比を、様々なエンジン負荷で維持し、同時に、噴射燃料の質量を適合し、ＮＯｘの最小化へと向けることができる。即ち、上記希薄条件を回避する。このことは、同時に、高燃焼圧力、高燃焼温度及び高効率も与える。燃焼室の体積を新たなエンジン負荷に適合するように修正した場合、このことは、直前の吸気行程の間、代替的には直前の排気工程の間、吸気弁の開放時間を最後に変更した後、遅くとも圧縮行程の間に生じるＮＯｘの最小化に最適であり得る。部分的エンジン負荷から最大エンジン負荷への変換は、有利には、シリンダ内に高い圧力が存在する燃焼行程下で行うことができる。
【００１６】
所与のシリンダ体積に関して、圧縮比は、例えば１６：１であり、吸気弁は、原則として、吸気行程全体の間開放されており、燃焼室内に噴射される燃料の質量は、ＮＯｘを最小化するように適合される。次に、エンジン出力を低下させる場合、吸気行程の間、エンジン制御システムが吸気弁を早期に閉鎖するように命令することにより、燃焼空気を半分程度にする。原則として、燃焼のための吸気行程の間の途中で、シリンダ・ヘッド内の燃焼室の体積は、原則として半分程度に低減しなければならず、これにより、半分程度の燃料を実装する場合に、圧縮比が原則として維持される。この結果、吸気行程よりも長い仕事行程、いわゆるミラー・サイクルによって、高燃焼温度、高燃焼圧力、及び著しい効率の増大がもたらされる。１つ又はいくつかの独立サイクルの間、燃焼室の大きさを５０％低減することができる。決定した圧縮比に対して常に調節される燃焼室の大きさは、空転速度で最小であり、最大エンジン負荷で最大であり、最大エンジン負荷には、例えば排気タービンを介するチャージバックを含むことができる。代替的に、低負荷、例えば空転状態では、いわゆるシリンダ遮断と交互にすることができ、シリンダ遮断が作動していない場合により多くの出力を送り、エンジンの稼働を保持する。
【００１７】
エンジン制御システムによって、吸気弁が制御され、適合された質量の空気を良好な精度で供給する場合であっても、有利には、いわゆる空気質量計を使用して、適合量の空気を安全に到達させ、この空気量に基づき燃焼室に噴射する燃料の質量を計算することができる。
【００１８】
次に、好ましい例を示す添付の図面に関連して本発明を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】エンジン・シリンダの上側部の概略断面図であり、ピストンは、低負荷における上側行程モードにある説明図
【図２】エンジン・シリンダの上側部の概略断面図であり、ピストンは、最大負荷における上側行程モードにある説明図
【図３】エンジン・シリンダの上側部の概略断面図であり、ピストンは、中間負荷における上側行程モードにある説明図
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１は、シリンダ・ヘッドを有するエンジン・シリンダの上側部の概略断面図であり、燃焼室の体積は、小さなエンジン負荷に適合されており、エンジン・ピストンは、圧縮行程後の上側行程モードにある。原則として、吸気行程下で注入される全ての空気は、上記体積で固定される。
【００２１】
図２は、シリンダ・ヘッドを有するエンジン・シリンダの上側部の概略断面図であり、燃焼室の体積は、最大エンジン負荷に適合されており、エンジン・ピストンは、圧縮行程後の上側行程モードにある。原則として、吸気行程からの全ての空気は、上述の体積で固定される。
【００２２】
図３は、シリンダ・ヘッドを有するエンジン・シリンダの上側部の概略断面図であり、燃焼室の体積は、中間サイズのエンジン負荷に適しており、エンジン・ピストンは、圧縮行程後の上側行程モードにある。原則として、吸気行程からの全ての空気は、上述の体積で固定される。
【００２３】
シリンダ・ヘッド１を有するエンジン・シリンダを図１に示し、シリンダ・ヘッド１は、連接棒３の上に組み付けたピストン２を有する。原則として、アクチュエータ４は、特許（ＳＥ５３５８８６  Ｃ２（特許文献１）、ＳＥ１１０  ０４３５（ＡＩ）（特許文献２））を実行したものである。上述の特許によるエンジン弁は、燃焼室７内で変位可能なピストン５と取り替えられている。ピストン５は、本明細書では図示しないエンジン制御システムからの信号を介して、燃焼室内で異なる位置に適合するように制御されるため、ピストン下方部の体積を変更することができ、このピストン下方部において、燃料が噴射器９を通して噴射されると、実質的部分の燃焼が生じる。異なるモードは、上記特許に記載の液圧回路６によって固定される。排気弁８は、例えば上記特許に記号的に示されるカムシャフト又はアクチュエータ及び吸気弁１０によって制御され、吸気弁１０は、有利には、必ずしもそうではないが、上述の特許に従った機能を有するエンジン制御システムからの信号によりアクチュエータによって開閉される。空気質量計１１は、吸気弁１０を介する吸気行程での空気供給量を測定するように構成される。ピストン２は、上側行程モードで示し、ピストン２は、ポペット弁８、１０を含むシリンダ固定部と機械的に接触可能であってはならない。
【００２４】
図２は、上側位置にあるピストン５を示し、燃焼室は、最大の大きさであり、エンジンは、必ずしもそうではないが、最大負荷にすることができる。現代でさえ、多かれ少なかれ、エンジン負荷は、どのくらいの燃料を噴射するかにかかっており、この場合、現代のより多くの排気ガスを伴うことにかかっている。しかし、小さな凹部がピストン内にある、即ち、燃焼室の中間にピストン空胴が位置すると有利であることがある。
【００２５】
図３は、シリンダ・ヘッドを有するエンジン・シリンダの上側部の概略断面図であり、燃焼室の体積は、中間のサイズのエンジン負荷に適しており、エンジン・ピストンは、圧縮行程後の上側行程モードにある。基本的に、吸気行程からの全ての空気は、上述の体積で固定される。対象とする運転モードは、例えば車両運転手が突然加速ペダルを底部に押下したとき、したがって最大エンジン出力を求める場合である。後続の膨張行程の間、ピストン５を燃焼室７内で固定する液圧回路６は、無効になり、プランジャが図２の上側位置に数ｍｓ移動し、同時に、吸気弁５を作動自由にし、次の吸気行程で空気供給を最大するように開放を保持する。圧縮が終了すると、ＮＯｘを最小にするような適切な量の燃料が噴射される。上記活動は、エンジン制御システムによって作動される。
【００２６】
現代のコンピュータベースのエンジン制御システムは明らかであり、したがって、自由弁の開閉、及びピストン５の燃焼室７内での位置決めを達成する仕方を本明細書で述べる必要はないこと、並びにエンジン制御システムによって命令される噴射切替えスイッチ９を介した燃料噴射は、必要なセンサ及びゾンデに接続されていることにも留意されたい。
【００２７】
燃焼は、燃焼室内で全面的に生じるわけではないと言うべきである。というのは、どのくらいの空気が吸気行程で導入されるのかは、現在のピストン空胴がもつ大きさの差に応じて変動し得るためである。燃焼は、ピストン２がその上側行程モードを離れた後に停止し、膨張燃焼ガスの圧力は、ピストン表面全体にわたり作用する。吸気行程下での上記変動性及び吸気弁の開放時間は、エンジン制御システムによって決定され、エンジン制御システムは、図示することなく存在するか又は他の方法で詳細に述べたものと仮定する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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