(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
予混合給気圧縮点火モードで動作可能な内燃機関であって、
前記予混合給気圧縮点火モードは、圧縮点火の際まで及び燃焼の間、シリンダーにおいて可燃性混合気を形成するように、燃料の大部分が空気と十分に予混合され、予混合給気圧縮点火モードにおける動作の間、燃料の導入のタイミングが燃料／空気の混合気の圧縮点火のタイミングに重大に影響しないように、燃焼は圧縮点火により開始される、モードであり、
前記内燃機関が、
エンジン本体と、
燃料と空気の混合気を収容するために前記エンジン内に形成された燃焼室と、
エンジン動作を最適化するため、様々なエンジン動作状態における将来の燃焼事象の燃焼履歴を制御する燃焼履歴制御手段であって、燃料と空気との前記混合気の温度を変化させるための温度制御手段、前記混合気の圧力を変化させるための圧力制御手段、前記混合気の当量比を変化させるための当量比制御手段、および前記混合気の自己着火特性を変化させるための混合気自己着火特性制御手段の内の少なくとも１つを含む、該燃焼履歴制御手段と、
前記燃焼履歴を示すエンジン動作状態を検出して、前記エンジン動作状態を示すエンジン動作状態信号を発生するためのエンジン動作状態検出手段と、
前記エンジン動作状態信号を受信し、前記エンジンの動作状態信号に基づいて燃焼履歴値を決定し、前記燃焼履歴値に基づいて１つ以上の制御信号を発生するための処理手段であって、前記１つ以上の処理信号が、前記温度制御手段、前記圧力制御手段、前記当量比制御手段および前記混合気自己着火特性制御手段の内の少なくとも１つを制御して、エンジン動作を最適化するために様々なエンジン動作状態における将来の燃焼事象の燃焼履歴を可変に制御する、該処理手段と、
を具備することを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記処理手段が前記燃焼履歴値を予め決定された要求の燃焼履歴値と比較して、前記燃焼履歴値と前記予め決定された要求の燃焼履歴値との前記比較に基づいて前記１つ以上の制御信号を発生し、前記少なくとも１つの制御信号が、前記温度制御システム、前記圧力制御システム、前記当量比制御システムおよび前記混合気自己着火特性制御システムの内の前記少なくとも１つを制御して、前記燃焼履歴値を前記予め決定された要求燃焼履歴値に近づけることを特徴とする請求の範囲第１項記載の内燃機関。
【請求項３】
前記エンジン動作状態検出手段が燃焼のスタートを検出して燃焼スタート信号を発生する燃焼スタートセンサを含み、前記燃焼履歴値が燃焼スタート信号に基づいて決定されることを特徴とする請求の範囲第１項記載の内燃機関。
【請求項４】
吸気を前記燃焼室に送出するための吸気システムをさらに含み、前記燃焼履歴制御手段が前記温度制御手段を含み、前記温度制御手段が、前記吸気システム内で前記吸気または前記燃料と空気の混合気の温度を制御するための吸気温度制御手段、および前記燃焼室内で前記混合気の温度を制御するためのシリンダ内温度制御手段の内の少なくとも一方を含むことを特徴とする請求の範囲第１項記載の内燃機関。
【請求項５】
前記吸気温度制御手段がさらに、前記吸気システム内に置かれた空気クーラーを含むことを特徴とする請求の範囲第４項記載の内燃機関。
【請求項６】
排気を前記燃焼室から送出するための排気システムをさらに含み、前記温度制御手段が前記吸気温度制御手段を含み、前記吸気温度制御手段が、排気を前記排気システムから前記吸気システムに送出して吸気温度を制御するための排気再循環システムを含むことを特徴とする請求の範囲第４項記載の内燃機関。
【請求項７】
前記温度制御手段が前記シリンダ内温度制御手段を含み、前記シリンダ内温度制御手段が、ある燃焼事象から次の燃焼事象に移行する際に、前記燃焼室内の残る燃焼生成物の残留質量微粒子を変化させるための残留質量微粒子制御手段を含むことを特徴とする請求の範囲第４項記載の内燃機関。
【請求項８】
前記エンジン本体に取り付けられた回転可能なクランクシャフト、前記エンジン本体内に形成されたシリンダ、および前記クランクシャフトに動作可能に接続されて前記シリンダ内で往復運動するピストンをさらに含み、前記温度制御手段が前記シリンダ内温度制御手段を含み、前記シリンダ内温度制御手段が、前記シリンダの有効圧縮比と形状圧縮比の内の少なくとも一方を変化させるための圧縮比変更手段を含むことを特徴とする請求の範囲第４項記載の内燃機関。
【請求項９】
回転可能なクランクシャフト及び、上死点位置を通って往復運動するように前記クランクシャフトに接続されたピストンをさらに含み、前記１つ以上の制御信号が、前記温度制御手段、前記圧力制御手段、前記当量比制御手段及び前記混合気自己着火特性制御手段の内の少なくとも１つを制御して、将来の燃焼事象の燃焼履歴を可変に制御し、これによって、前記上死点位置前の２０クランク角度と前記上死点位置後の１０クランク角度間で燃焼の開始が発生するようにすることを特徴とする請求の範囲第１項記載の内燃機関。
【請求項１０】
予混合給気圧縮点火モードで動作可能な内燃機関の燃焼室内で将来の燃焼事象の燃焼履歴を制御する方法であり、前記方法が：
前記燃焼履歴を示すエンジン動作状態を検出するステップと；
前記エンジン動作状態を示すエンジン動作状態信号を発生するステップと；
前記エンジン動作状態信号を処理して、前記エンジン動作状態信号に基づいて実際の燃焼履歴値を決定するステップと；
前記実際の燃焼履歴値に基づいて少なくとも１つの制御信号を発生するステップと；
前記燃焼室内の将来の燃焼事象の燃焼履歴を制御してエンジンの動作を最適化する燃焼履歴制御システムを提供するステップであって、前記燃焼履歴制御システムが、前記燃焼室内で燃焼する燃料と空気との混合物の温度を変化させる温度制御システム、前記混合物の圧力を変化させる圧力制御システム、前記混合気の当量比を変化させる当量比制御システム、および前記混合気の自己着火特性を変化させる混合気自己着火特性制御システムの内の少なくとも１つを含むステップと；
前記少なくとも１つの制御信号を、前記温度制御システム、前記圧力制御システム、前記当量比制御システムおよび前記混合気自己着火特性制御システムの内の少なくとも１つを提供して将来の燃焼の燃焼履歴を可変に制御し、これによって、エンジン動作を最適化するステップと；
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１１】
前記実際の燃焼履歴値を予め決定された要求燃焼履歴値と比較して前記実際の燃焼履歴値と前記要求燃焼履歴値との比較に基づいて前記少なくとも１つの制御信号を発生するステップをさらに含み、前記少なくとも１つの制御信号が、前記温度制御システム、前記圧力制御システム、前記当量比制御システムおよび前記混合気自己着火特性制御システムの内の少なくとも１つを制御して、前記実際の燃焼履歴値を前記予め決定された要求燃焼履歴値に近づけることを特徴とする請求の範囲第１０項記載の方法。
【請求項１２】
燃焼の開始を感知して燃焼開始信号を発生するための燃焼開始センサをさらに含み、前記実際の燃焼履歴値が前記燃焼開始信号に基づいて決定されることを特徴とする請求の範囲第１０項記載の方法。
【請求項１３】
回転可能なクランクシャフトおよび前記クランクシャフトに上死点位置を通って往復運動するように動作可能に接続されたピストンを提供し、また、前記温度制御システムを制御して、前記混合気の温度を変化させることによって前記燃焼開始が前記上死点位置前の２０クランク角度と前記上死点位置後の１０クランク角度の間で発生させるステップをさらに含むことを特徴とする請求の範囲第１２項記載の方法。
【請求項１４】
複数の燃焼室を含むエンジン本体を提供し、前記複数の燃焼室の内の１つ以上の室内での動作状態を可変に調整して、前記複数の燃焼室の各々と関連した前記実際の燃焼履歴値を要求燃焼履歴値に近づけて、前記複数の燃焼室間の燃焼を平衡化するステップをさらに含むことを特徴とする請求の範囲第１０項記載の方法。
【請求項１５】
前記複数の燃焼室内での燃焼のために燃料を空気の中に送出する燃料供給システムを提供し、前記当量比制御システムを制御して前記複数の燃焼室の内の１つ以上に送出される燃料の分量を変化させて、前記複数の燃焼室の各々と関連する前記実際の燃焼値を要求燃焼履歴値に近づけて前記複数の燃焼室間の燃焼を平衡化するステップをさらに含むことを特徴とする請求の範囲第１４項記載の方法。
【請求項１６】
エンジン本体、前記エンジン本体内に形成された排気ポート、および燃焼事象を基準としたタイミングで前記排気ポートを介して流量を制御する排気バルブ手段をさらに含み、前記温度制御システムが、１つの燃焼事象から次の燃焼事象に移行する際に前記複数の燃焼室の内の少なくとも１つの室内に残る燃焼生成物の残留質量微粒子を変化させる残留質量微粒子制御手段を含み、動作状態を可変に調整する前記ステップが、前記残留質量微粒子を制御して、前記排気バルブを操作することによって前記排気ポートを通る流量を変化させて個別の燃焼室内の前記残留質量微粒子の分量を変化させ、これによって、前記複数の燃焼室間の燃焼を平衡化するステップを含むことを特徴とする請求の範囲第１４項記載の方法。
【請求項１７】
燃焼を始動させるために複数のモードで動作可能なマルチモード内燃機関において、前記内燃機関が：
エンジン本体と；
前記エンジン本体内に形成された燃焼室と；
前記燃焼室中に吸気を送出する吸気システムと；
前記エンジンがディーゼルモードで動作中に燃料を前記燃焼室と前記吸気システムの内の一方の中に噴射するように前記エンジン本体に取り付けられた少なくとも一つの燃料噴射手段、および前記エンジンが火花点火モードで動作中に前記エンジン本体に取り付けられて火花を提供し、これによって、前記燃焼室内で燃焼を始動させる火花点火手段と；
前記エンジンを予混合給気圧縮モードで動作させる予混合給気圧縮点火モード制御手段であって、前記予混合給気圧縮点火モード制御手段が、将来の燃焼事象の燃焼履歴を制御してエンジン動作を最適化する燃焼履歴制御手段を含み、前記燃焼履歴制御手段が、燃料と空気との混合気の温度を変化させる温度制御手段、前記混合気の圧力を変化させる圧力制御手段、前記混合気の当量比を変化させる当量比制御手段および前記混合気の自己着火特性を変化させる混合気自己着火特性制御手段の内の少なくとも１つを含み、前記予混合給気圧縮点火モード制御手段が、前記燃焼履歴を示すエンジン動作状態を検出して前記動作状態を示すエンジン動作状態信号を発生するエンジン動作状態検出手段、および前記エンジン動作状態信号を受信して前記エンジン動作状態信号に基づいて燃焼履歴値を決定し、前記燃焼履歴値に基づいて１つ以上の制御信号を発生する予混合給気圧縮点火処理手段を含み、前記１つ以上の制御信号が、前記温度制御手段、前記圧力制御手段、前記当量比制御手段および前記混合気自己着火特性制御手段の内の少なくとも１つを制御して、将来の燃焼事象の燃焼履歴を可変に制御する予混合給気圧縮点火モード制御手段と；
前記予混合給気圧縮点火モードと、前記ディーゼルモードと前記火花点火モードの内の少なくとも一方との間でエンジン動作を変換するモード処理手段と；
を具備することを特徴とする内燃機関。
【請求項１８】
前記エンジン動作状態検出手段が、燃焼の開始を感知して燃焼開始信号を発生する燃焼開始センサを含み、前記燃焼履歴値が前記燃焼開始信号に基づいて決定されることを特徴とする請求の範囲第１７項記載の内燃機関。
【請求項１９】
エンジン本体と；
前記エンジン本体内に形成された複数のシリンダと；
往復運動するように前記複数のシリンダの各々の中に取リ付けられた個別のピストンであり、各々の個別のピストンが、燃料と空気の混合気を収容する燃焼室を定める個別のピストンと；
前記複数のシリンダに吸気を供給する吸気システムと；
前記複数のシリンダからの排気を送出する排気システムと；
前記複数のシリンダの各々の前記燃焼室内の将来の燃焼事象の燃焼履歴を制御してエンジン動作を最適化する燃焼履歴制御システムであって、前記燃焼履歴制御システムが、燃料と空気の混合気の温度を変化させる温度制御システム、前記混合気の圧力を変化させる圧力制御システム、前記混合気の当量比を変化させる当量比制御システムおよび前記混合気の自己着火特性を変化させる混合気自己着火特性制御システムの内の少なくとも１つを含む燃焼履歴制御システムと；
前記燃焼履歴を示すエンジン動作状態を検出して前記エンジン動作状態を示すエンジン動作状態信号を発生するエンジン動作状態検出デバイスと；
前記エンジン動作状態信号を受信し、前記エンジン動作状態信号に基づいて燃焼履歴値を決定し、前記燃焼履歴値に基づいて１つ以上の制御信号を発生するプロセッサであって、前記１つ以上の制御信号が、前記温度制御システム、前記圧力制御システム、前記当量比制御システム及び前記混合気自己着火特性制御システムの内の少なくとも１つを制御して、将来の燃焼事象の燃焼履歴を制御するプロセッサと；
前記複数のシリンダの各々のシリンダの前記燃焼室内で動作状態を可変に調整して、前記複数のシリンダの燃焼事象に対して類似の燃焼履歴を達成し、これによって、前記複数のシリンダ間での燃焼を平衡化するシリンダ燃料平衡化手段と；
を具備することを特徴とする混合給気圧縮点火内燃機関。
【請求項２０】
前記シリンダ燃焼平衡化手段が、前記吸気システム中に燃料を送出するように前記吸気システムに接続された燃焼供給システムを含み、前記燃料供給システムが第１の燃料供給源と第２の燃料供給源を含み、前記第１と前記第２の燃料供給源が別々の自己着火特性を有することを持徴とする請求の範囲第１９項記載の内燃機関。
【請求項２１】
前記シリンダ燃焼平衡化手段が、前記複数のシリンダの各々のシリンダ内の当量比を変化させて前記複数のシリンダ間での燃焼平衡を維持するように前記複数のシリンダの各々と結合した当量比変更手段を含むことを特徴とする請求の範囲第１９項記載の内燃機関。
【請求項２２】
前記シリンダ燃焼平衡化手段が、各々の燃焼室内の前記混合気の温度を制御するように前記複数のシリンダの各々と結合したシリンダ内温度制御手段を含み、前記シリンダ内温度制御手段が、１つの燃焼事象から次の燃焼事象に移行する際に各々の燃焼室内に残る燃焼生成物の残留質量微粒子を変化させて前記複数のシリンダ間での燃焼平衡を維持するための残留質量微粒子制御手段を含むことを特徴とする請求の範囲第１９項記載の内燃機関。
【請求項２３】
エンジン本体と；
前記エンジンの本体内に形成された燃焼室と；
空気および空気と燃料の混合気の少なくとも一方を含む吸気を前記燃焼室に送出するための吸気システムと；
将来の燃焼事象の燃焼履歴を制御して、排気を減少させ、効率を最適化する燃焼履歴制御システムであって、前記燃焼履歴制御システムが、混合気の自己着火特性を変化させるための混合気自己着火特性制御システムを含み、前記混合気自己着火特性制御システムが、第１の燃料をエンジンに供給する第１の燃料供給源と、前記吸気システムおよび前記燃焼室の少なくとも一方に接続されて、第２の燃料をエンジンに供給する第２の燃料供給源とを含み、前記第１の燃料が、第１の自己着火特性を有し、前記第２の燃料が、前記第１の自己着火特性と異なる第２の自己着火特性を有する燃焼履歴制御システムと；
前記吸気システムおよび前記燃焼室の前記少なくとも一方に送出される前記第２の燃料の分量を制御して、エンジン動作を最適化するようになされたプロセッサと；
を備えることを特徴とする予混合給気圧縮点火内燃機関。
【請求項２４】
前記第２の燃料が、ディーゼル燃料であることを特徴とする請求の範囲第２３項記載の内燃機関。
【請求項２５】
前記第１の燃料が、天然ガスであることを特徴とする請求の範囲第２３項記載の内燃機関。
【請求項２６】
前記第１の燃料が、天然ガスであり、前記第２の燃料が、ディーゼル燃料であることを特徴とする請求の範囲第２３項記載の内燃機関。
【請求項２７】
前記燃焼履歴制御システムが、混合気の圧力を変化させる少なくとも１つの圧力制御システムと、混合気の当量比を変化させる当量比制御システムと、燃料と空気の混合気の温度を変化させる温度制御システムとをさらに含むことを特徴とする請求の範囲第２３項記載の内燃機関。
【請求項２８】
前記温度制御システムが、前記吸気システムに配置された冷却器および加熱器の少なくとも一方を含む吸気温度制御システムを含むことを特徴とする請求の範囲第２７項記載の内燃機関。
【請求項２９】
前記燃焼室からの排気を送出する排気システムをさらに含み、前記温度制御システムが、前記排気システムから前記吸気システムへ排気を送出して、吸気温度を制御する排気再循環システムを含むことを特徴とする請求の範囲第２７項記載の内燃機関。
【請求項３０】
前記温度制御システムが、燃焼室内の燃焼生成物の残留質量微粒子を変化させるための残留質量微粒子制御システムを含むことを特徴とする請求の範囲第２７項記載の内燃機関。
【請求項３１】
前記残留質量微粒子制御システムが、可変バルブタイミング制御システムを含むことを特徴とする請求の範囲第３０項記載の内燃機関。
【請求項３２】
前記燃焼室からの排気を送出するための排気システムをさらに含み、前記排気システムは、前記燃焼室に結合されて前記エンジン本体内に形成された排気ポートと、クランクシャフト角に基づく所定の時間に前記排気ポートを開閉するように動作する排気バルブとを含み、前記可変バルブタイミング制御システムが、前記燃焼室に結合された可変排気バルブタイミング制御手段を含み、エンジンの吸気ストロークにおける前記排気バルブの開放持続時間を制御することにより排気を前記排気システムから前記排気ポートを経由させて前記燃焼室内へ流し、前記燃焼室内の残留排気の分量を増加させることを特徴とする請求の範囲第３１項記載の内燃機関。
【請求項３３】
前記温度制御システムが、有効圧縮比および形状圧縮比の少なくとも一方を変化させる圧縮比変更システムを含むことを特徴とする請求の範囲第２７項記載の内燃機関。
【請求項３４】
前記エンジン本体内に形成された吸気ポートと、前記吸気ポートを開閉するように動作し得る吸気バルブとをさらに含み、前記圧縮比変更システムが、前記吸気バルブによって前記吸気ポートを閉じるタイミングを変化させることにより有効圧縮比を変化させることを特徴とする請求の範囲第３３項記載の内燃機関。
【請求項３５】
回転可能なクランクシャフトと、上死点を経由する往復運動をおこなうように前記クランクシャフトに動作可能に接続されたピストンとをさらに含み、前記プロセッサが、前記温度制御システム．前記圧力制御システム、前記当量比制御システム、前記混合気自己着火特性制御システムの少なくとも１つを制御して、将来の燃焼事象の燃焼履歴を可変制御することにより前記上死点位置前２０クランク角度から前記上死点位置後１０クランク角度までの間に燃焼の開始を引き起こすようになされたことを特徴とする請求の範囲第２７項記載の内燃機関。
【請求項３６】
エンジン本体と；
前記エンジンの本体内に形成された燃焼室と；
空気および空気と燃料の混合気の少なくとも一方を含む吸気を前記燃焼室に送出するための吸気システムと；
将来の燃焼事象の燃焼履歴を制御して、排気を減少させ、効率を最適化する燃焼履歴制御システムであって、前記燃焼履歴制御システムが、第１の燃料をエンジンに供給する第１の燃料供給源と、前記吸気システムおよび前記燃焼室の少なくとも一方に接続されて、第２の燃料をエンジンに供給する第２の燃料供給源とを含む燃料履歴制御システムと；
前記吸気システムおよび前記燃焼室の前記少なくとも一方に送出される前記第２の燃料の分量を制御して、エンジン動作を最適化するようになされたプロセッサと；
を備えることを特徴とする予混合給気圧縮点火内燃機関。
【請求項３７】
前記第２の燃料が、ディーゼル燃料であることを特徴とする請求の範囲第３６項記載の内燃機関。
【請求項３８】
前記第１の燃料が、天然ガスであることを特徴とする請求の範囲第３６項記載の内燃機関。
【請求項３９】
前記第１の燃料が、天然ガスであり、前記第２の燃料が、ディーゼル燃料であることを特徴とする請求の範囲第３６項記載の内燃機関。
【請求項４０】
前記燃焼履歴制御システムが、混合気の圧力を変化させる少なくとも１つの圧力制御システムと、混合気の当量比を変化させる当量比制御システムと、燃料と空気の混合気の温度を変化させる温度制御システムとをさらに含むことを特徴とする請求の範囲第３６項記載の内燃機関。
【請求項４１】
回転可能なクランクシャフトと、上死点を経由して往復運動するように前記クランクシャフトに動作可能に接続されたピストンとをさらに含み、前記プロセッサが、前記温度制御システム、前記圧力制御システム、前記当量比制御システム、混合気自己着火特性制御システムの少なくとも１つを制御して、将来の燃焼事象の燃焼履歴を可変制御し、それによって、前記上死点位置前の２０クランク角度から前記上死点位置後の１０クランク角度までの範囲で燃焼の開始を引き起こすようになされたことを特徴とする請求の範囲第４０項記載の内燃機関。
【請求項４２】
回転可能なクランクシャフトと、上死点を経由して往復運動するように前記クランクシャフトに動作可能に接続されたピストンとをさらに含み、前記プロセッサが、前記第２の燃料を前記燃焼室へ送出するタイミングを制御することにより前記上死点位置前１８０クランク角度から前記上死点位置前６０クランク角度までの間に前記第２の燃料を前記燃焼室へ送出するようになされたことを特徴とする請求の範囲第３６項記載の内燃機関。
【請求項４３】
燃焼を開始させるために複数のモードで動作し得るマルチモード内燃機関において、前記内燃機関が：
エンジン本体と；
前記エンジン本体内に形成された燃焼室と；
前記燃焼室へ吸気を送出する吸気システムと；
エンジンがディーゼルモードで動作中に燃料をエンジンへ送出するように前記エンジン本体に取り付けられた燃料噴射装置と；
前記エンジンを予混合給気圧縮モードで動作させる予混合給気圧縮点火モード制御システムであって、前記予混合給気圧縮点火モード制御システムが、将来の燃焼事象の燃焼履歴を制御してエンジン動作を最適化する燃焼履歴制御システムを含み、前記燃焼履歴制御システムが、燃料と空気の混合気の温度を変化させる温度制御システム、前記混合気の圧力を変化させる圧力制御システム、前記混合気の当量比を変化させる当量比制御システム、前記混合気の自己着火特性を変化させる混合気自己着火特性制御システムの内の少なくとも１つを含む予混合給気圧縮点火モード制御システムと；
エンジン動作を前記予混合給気圧縮点火モードと前記ディーゼルモードとの間で切り換えるモード処理プロセッサと；
を備えることを特徴とする内燃機関。
【請求項４４】
前記予混合給気圧縮点火モード制御システムが、前記燃焼履歴を示すエンジン動作状態を検出して前記エンジン動作状態を示すエンジン動作状態信号を発生するエンジン動作状態検出装置と、前記エンジン動作状態信号を受け取って、前記エンジン動作状態信号に基づいて燃焼履歴値を決定し、前記燃焼履歴値に基づいて１つ以上の制御信号を発生する予混合給気圧縮点火処理プロセッサとを含み、前記１つ以上の制御信号が、前記温度制御システム、前記圧力制御システム、前記当量比制御システム、前記混合気自己着火特性制御システムの内の少なくとも１つを制御して、将来の燃焼事象の燃焼履歴を可変に制御することを特徴とする請求の範囲第４３項記載の内燃機関。
【請求項４５】
前記エンジン動作状態検出装置が、燃焼の開始を感知して燃焼開始信号を発生する燃焼開始センサを含み、前記燃焼履歴値が、前記燃焼開始信号に基づいて決定されることを特徴とする請求の範囲第４３項記載の内燃機関。
【請求項４６】
前記予混合給気圧縮点火処理プロセッサが、前記燃焼履歴値を予め決定された要求燃焼履歴値と比較して、前記燃焼履歴値と前記要求燃焼履歴値との比較に基づいて前記少なくとも１つの制御信号を発生するようになされたことを特徴とする請求の範囲第４３項記載の内燃機関。
【請求項４７】
前記混合気自己着火特性制御システムが、第１の燃料をエンジンに供給する第１の燃料供給源と、前記燃焼室に接続されて、第２の燃料をエンジンに供給する第２の燃料供給源とを含み、前記第１の燃料が、第１の自己着火特性を有し、前記第２の燃料が、前記第１の自己着火特性と異なる第２の自己着火特性を有し、さらに、前記混合気自己着火特性制御システムが、前記燃焼室へ送出される前記第２の燃料の分量を制御して、エンジン動作を最適化するようになされた予混合給気圧縮点火プロセッサを含むことを特徴とする請求の範囲第４３項記載の内燃機関。
【請求項４８】
前記第２の燃料が、ディーゼル燃料であることを特徴とする請求の範囲第４７項記載の内燃機関。
【請求項４９】
前記第１の燃料が、天然ガスであることを特徴とする請求の範囲第４７項記載の内燃機関。
【請求項５０】
前記第１の燃料が、天然ガスであり、前記第２の燃料が、ディーゼル燃料であることを特徴とする請求の範囲第４７項記載の内燃機関。
【請求項５１】
前記温度制御システムが、前記吸気システムに配置された冷却器および加熱器の少なくとも一方を含む吸気温度制御システムを含むことを特徴とする請求の範囲第４３項記載の内燃機関。
【請求項５２】
前記燃焼室からの排気を送出する排気システムをさらに含み、前記温度制御システムが、前記排気システムから前記吸気システムへ排気を送出して、吸気温度を制御する排気再循環システムを含むことを特徴とする請求の範囲第４３項記載の内燃機関。
【請求項５３】
前記温度制御システムが、燃焼室内の燃焼生成物の残留質量微粒子を変化させるための残留質量微粒子制御システムを含むことを特徴とする請求の範囲第４３項記載の内燃機関。
【請求項５４】
前記残留質量微粒子制御システムが、可変バルブタイミング制御システムを含むことを特徴とする請求の範囲第５３項記載の内燃機関。
【請求項５５】
前記燃焼室からの排気を送出するための排気システムをさらに含み、前記排気システムは、前記燃焼室に結合され、前記エンジン本体内に形成された排気ポートと、クランクシャフト角に基づく所定の時間に前記排気ポートを開閉するように動作し得る排気バルブとを含み、前記可変バルブタイミング制御システムが、前記燃焼室に結合された可変排気バルブタイミング制御手段を含み、エンジンの吸気ストロークにおいて前記排気バルブの開放持続時間を制御することにより、排気を前記排気システムから前記排気ポートを通じて前記燃焼室内へ流し、前記燃焼室内の残留排気の分量を増加させることを特徴とする請求の範囲第５４項記載の内燃機関。
【請求項５６】
前記温度制御システムが、有効圧縮比および形状圧縮比の少なくとも一方を変化させる圧縮比変更システムを含むことを特徴とする請求の範囲第４３項記載の内燃機関。
【請求項５７】
前記エンジン本体内に形成された吸気ポートと、前記吸気ポートを開閉するように動作し得る吸気バルブとをさらに含み、前記圧縮比変更システムが、前記吸気バルブの前記吸気ポートを閉じるタイミングを変化させることにより、有効圧縮比を変化させることを特徴とする請求の範囲第５６項記載の内燃機関。
【請求項５８】
回転可能なクランクシャフトと、上死点を経由して往復運動するように前記クランクシャフトに動作可能に接続されたピストンと、前記温度制御システム、前記圧力制御システム、前記当量比制御システム、前記混合気自己着火特性制御システムの少なくとも１つを制御して将来の燃焼事象の燃焼履歴を可変制御することにより前記上死点位置前２０クランク角度から前記上死点位置後１０クランク角度までの間に燃焼の開始を引き起こすようになされた予混合給気圧縮点火プロセッサとをさらに含むことを特徴とする請求の範囲第４３項記載の内燃機関。
【請求項５９】
前記エンジンが火花点火モードで動作中に前記エンジン本体に取リ付けられて火花を提供することにより前記燃焼室内で燃焼を開始させる火花点火装置をさらに含み、前記モード処理プロセッサが、エンジン動作を前記予混合給気圧縮点火モードと前記火花点火モードとの間で切り換えるようになされたことを特徴とする請求の範囲第４３項記載の内燃機関。
【請求項６０】
燃焼を開始させるために複数のモードで動作し得るマルチモード内燃機関において、前記内燃機関が：
エンジン本体と；
前記エンジン本体内に形成された燃焼室と；
前記燃焼室へ吸気を送出する吸気システムと；
前記エンジンが火花点火モードで動作中に前記エンジン本体に取り付けられて火花を提供することにより、前記燃焼室内で燃焼を開始させる火花点火装置と；
前記エンジンを予混合給気圧縮モードで動作させる予混合給気圧縮点火モード制御システムであって、前記予混合給気圧縮点火モード制御システムが、将来の燃焼事象の燃焼履歴を制御してエンジン動作を最適化する燃焼履歴制御システムを含み、前記燃焼履歴制御システムが、燃料と空気の混合気の温度を変化させる温度制御システム、前記混合気の圧力を変化させる圧力制御システム、前記混合気の当量比を変化させる当量比制御システム、前記混合気の自己着火特性を変化させる混合気自己着火特性制御システムの内の少なくとも１つを含む予混合給気圧縮点火モード制御システムと；
エンジン動作を前記予混合給気圧縮点火モードと前記火花点火モードとの間で切リ換えるモード処理プロセッサと；
を備えることを特徴とする内燃機関。
【請求項６１】
前記予混合給気圧縮点火モード制御システムが、前記燃焼履歴を示すエンジン動作状態を検出し前記エンジン動作状態を示すエンジン動作状態信号を発生するエンジン動作状態検出装置と、前記エンジン動作状態信号を受け取って、前記エンジン動作状態信号に基づく燃焼履歴値を決定し、前記燃焼履歴値に基づく１つ以上の制御信号を発生する予混合給気圧縮点火処理プロセッサとを含み、前記１つ以上の制御信号が、前記温度制御システム、前記圧力制御システム、前記当量比制御システム、前記混合気自己着火特性制御システムの内の少なくとも１つを制御して、将来の燃焼事象の燃焼履歴を可変に制御することを特徴とする請求の範囲第６０項記載の内燃機関。
【請求項６２】
前記エンジン動作状態検出装置が、燃焼の開始を感知して燃焼開始信号を発生する燃焼開始センサを含み、前記燃焼履歴値が、前記燃焼開始信号に基づいて決定されることを特徴とする請求の範囲第６１項記載の内燃機関。
【請求項６３】
前記予混合給気圧縮点火処理プロセッサが、前記燃焼履歴値を予め決定された要求燃焼履歴値と比較して、前記燃焼履歴値と前記要求燃焼履歴値との比較に基づいて前記少なくとも１つの制御信号を発生するようになされたことを特徴とする請求の範囲第６１項記載の内燃機関。
【請求項６４】
前記混合気自己着火特性制御システムが、第１の燃料をエンジンに供給する第１の燃料供給源と、前記燃焼室に接続されて、第２の燃料をエンジンに供給する第２の燃料供給源とを含み、前記第１の燃料が、第１の自己着火特性を有し、前記第２の燃料が、前記第１の自己着火特性と異なる第２の自己着火特性を有し、さらに、前記混合気自己着火特性制御システムが、前記燃焼室へ送出される前記第２の燃料の分量を制御して、エンジン動作を最適化するようになされた予混合給気圧縮点火プロセッサを含むことを特徴とする請求の範囲第６０項記載の内燃機関。
【請求項６５】
前記第２の燃料が、ディーゼル燃料であることを特徴とする請求の範囲第６４項記載の内燃機関。
【請求項６６】
前記第１の燃料が、天然ガスであることを特徴とする請求の範囲第６４項記載の内燃機関。
【請求項６７】
前記第１の燃料が、天然ガスであり、前記第２の燃料が、ディーゼル燃料であることを特徴とする請求の範囲第６４項記載の内燃機関。
【請求項６８】
前記エンジンの圧縮事象および吸気事象のいずれか一方の際に、誘導燃料を前記燃焼室および前記吸気システムのいずれか一方に送出する誘導燃料供給源をさらに含むことを特徴とする請求の範囲第２３項記載の内燃機関。
【請求項６９】
前記誘導燃料は、前記圧縮事象の初期段階の際に、前記燃焼室へ送出されることを特徴とする請求の範囲第６８項記載の内燃機関。
【請求項７０】
前記圧縮事象の初期段階は、前記エンジンに配置されたピストンアセンブリの上死点前の１８０度から６０度までの間であることを特徴とする請求の範囲第６９項記載の内燃機関。
【請求項７１】
前記第１の燃料は、燃焼前の可燃性混合物を生成するために、吸気と予め混合された気体燃料であり、
前記第２の燃料は、続いて前記第１の燃料の点火を起こさせるために、前記圧縮事象の際に、前記吸気システムおよび前記燃焼室のいずれか一方に定量化された誘導量だけ送出されることを特徴とする請求の範囲第３６項記載の内燃機関。
【請求項７２】
前記第１の燃料は、前記エンジンの吸気行程の際に、前記燃焼室へ送出されることを特徴とする請求の範囲第７１項記載の内燃機関。
【請求項７３】
前記第２の燃料を前記圧縮事象の際に前記燃焼室へ噴射するエンジンに設けられた燃料インジェクタをさらに含むことを特徴とする請求の範囲第７１項記載の内燃機関。
【請求項７４】
前記エンジンに配置されたピストンアセンブリの上死点前における前記圧縮事象の初期段階の際に、前記定量化された誘導量が、前記燃焼室へ送出されることを特徴とする請求の範囲第７３項記載の内燃機関。
【請求項７５】
前記圧縮事象の初期段階は、前記ピストンアセンブリの上死点前の１８０度から６０度までの間であることを特徴とする請求の範囲第７４項記載の内燃機関。
【請求項７６】
第３の燃料を、前記第１の燃料と予め混合するために前記エンジンへ供給する第３の燃料供給源を、さらに含むことを特徴とする請求の範囲第３６項記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は一般に所望の燃費を維持しながらエミッションの低減を実現すべく、燃料及び空気からなる予混合給気を自己着火で内燃させる圧縮点火エンジンに関する。
発明の背景
過去７５年以上にわたって、内燃機関は人類の主要な動力源であった。内燃機関の重要性、即ち、内燃機関の完成を追求するうえで費やされた工学技術的努力を誇張して語ることは困難である。内燃機関のデザインは成熟しており、かつ十分に理解されているため、“新”エンジン設計と呼ばれる内燃機関のデザインの殆どは、従来から知られている様々な選択肢からの選択品からなるデザインに過ぎない。例えば、出力トルク曲線の改善はエンジンの燃費を犠牲にすることによって容易に達成できる。エミッション低減又は信頼性向上はコストの上昇によって達成可能である。更に、高出力化、小型化及び／又は軽量化などの他の目的は燃料効率及び低コストの両方を犠牲にすることによって常に達成できる。
燃料効率を維持又は改善するとともに、政府が要求するエミッション低減基準に応じることの必要性によって、現代の設計者達に課せられた要求は大きく増大している。エンジン設計の成熟性を考慮した場合、エンジン性能の改善及びエミッション低減の両方を現在市販されている基本的なエンジン設計の更なる技術革新から得ることは非常に困難である。しかし、米国政府及び他の国々が将来要求すると思われる段階的に厳しさを増す一連のエミッション基準を考慮した場合、この種の技術革新の必要性はこれまでになく大きい。これらの基準に適合するための努力は、幾人かの設計者による全く新しいエンジン設計の探求を含む。
伝統的に、往復運動するピストン式内燃機関又はロータリー式内燃機関の２つの主要な形態、即ち、ディーゼルエンジン及び火花点火エンジンが存在する。これらのエンジンのタイプは互いに類似する構造及び機械的機能を有する一方で、互いに大きく異なる動作特性をそれぞれ有する。ディーゼルエンジン及び火花点火エンジンは簡単ではあるが互いに異なる手段を利用して燃焼の開始（ＳＯＣ）をそれぞれ効果的に制御する。ディーゼルエンジンはＳＯＣを燃料噴射時期によって制御する。火花点火エンジンでは、ＳＯＣは火花点火時期によって制御される。この結果、ディーゼルエンジン及び火花点火エンジンの利点及び欠点には大きな差がある。火花点火式の天然ガスエンジン又はガソリンエンジンがディーゼルエンジンに勝る大きな利点としては、非常に低いＮＯｘレベル及び微粒子エミッションレベルの達成能力が挙げられる。ディーゼルエンジンが予混合給気火花点火エンジン（乗用車ガソリンエンジン及び希薄燃焼天然ガスエンジンなど）に勝る大きな利点としては、高い熱効率が挙げられる。ディーゼルエンジンが高い効率を実現する１つの理由としては、予混合給気火花点火エンジンより高い圧縮比を利用する能力が挙げられる（予混合給気火花点火エンジンにおける圧縮比はノックを避けるために比較的低く維持する必要がある）。ディーゼルエンジンが高い効率を実現する第２の理由としては、スロットルを利用することなくディーゼルエンジンの出力を制御する能力が挙げられる。これは予混合給気火花点火エンジンのスロットル損失を排除するとともに、ディーゼルエンジンの部分負荷において遙かに高い効率を実現する。しかし、一般的なディーゼルエンジンは予混合給気火花点火エンジンが達成し得る非常に低いＮＯｘレベル及び微粒子エミッションレベルを達成できない。ディーゼル燃焼の混合制御に起因して、燃料の大部分は微粒子エミッションをもたらすことで知られる非常に燃料リッチな当量比で存在する。その一方、予混合給気火花点火エンジンは希薄混合気、即ち、理論混合気に近いほぼ均質な混合気を有し、これによって非常に低い微粒子エミッションを実現する。第２の問題点としては、理論当量比に近い割合で燃料及び空気が存在する際に、ディーゼルエンジンにおける混合制御燃焼が起こるため、高温になる点が挙げられる。高温は高いＮＯｘエミッションをもたらす。一方、希薄燃焼予混合給気火花点火エンジンは更に希薄な当量比で燃料を燃焼するため遙かに低い温度をもたらし、これによって更に低いＮＯｘエミッションをもたらす。その一方、理論予混合給気火花点火エンジンは理論燃焼によって生じる高い火炎温度のために高いＮＯｘエミッションを有する。しかし、酸素を実質的に含まない排気は、ＮＯｘエミッションを三元触媒によって非常に低いレベルにまで低減することを可能にする。
比較的最近、幾人かのエンジン設計者は予混合給気圧縮点火（ＰＣＣＩ）、即ち、均質混合気圧縮点火（ＨＣＣＩ）（以下、ＰＣＣＩ及びＨＣＣＩをＰＣＣＩと総称する）を利用する他の種類のエンジンの開発へ努力を向けている。ＰＣＣＩ原理に基づいて動作するエンジンは燃焼の開始を比較的良く予混合された混合気の自己着火に頼っている。重要な点として、燃料及び空気は点火のかなり前の時点で吸気ポート又はシリンダ内で混合される。混合度合いは所望の燃焼特性に基づいて変化され得る。燃料及び空気が均質な状態又はほぼ均質な状態で混合されることを保証するように、設計及び／又は運転されるエンジンもある。また、僅かな成層を有する均質度の多少低い均質混合吸気を形成するように、エンジンを特別に設計及び／又は運転できる。これら２つの例では、混合気は点火のかなり前の時点で予混合された状態で存在し、かつ自己着火するまで圧縮される。重要な点として、ＰＣＣＩ燃焼は、１）点火時までに燃焼可能な混合気を吸気を通じて形成し、かつ燃焼持続時間全体にわたり形成されるように燃料の大半を空気と十分に予混合すること、及び２）燃焼が圧縮点火により開始されること、によって特徴づけられる。ディーゼルエンジンとは異なり、ＰＣＣＩエンジンにおける噴射時期などの燃料デリバリの時期は、点火時期に大きな影響を及ぼさない。ＰＣＣＩエンジン内における早期の燃料デリバリは予混合給気を形成し、同予混合給気は十分に混合され、好ましくはほぼ均質である。この結果、高いエミッションを生じるディーゼルの成層燃焼とは異なりエミッションを有利に低減する。好ましくは、ＰＣＣＩ燃焼はエミッションを効果的に低減するために混合気の殆どを理論混合気よりも実質的に更に希薄化することにより特徴付けられる。これは混合気の大部分又は全てが燃焼中にリッチな状態で存在する一般的なディーゼルエンジンサイクルとは異なる。
ＰＣＣＩ燃焼原理に基づいて運転されるエンジンは、現在の火花点火エンジン又はディーゼルエンジンのＮＯｘレベル及び微粒子エミッションレベルより遙かに低いＮＯｘレベル及び微粒子エミッションレベルを提供する一方で、ディーゼルエンジンの卓越した燃費を提供する能力を有する。例えば、ウッドへ付与された米国特許第４，７６８，４８１号は自己着火する燃料及び空気の均質混合気を使用する方法及びエンジンを開示している。燃焼率の制御は排気産物を混合気へ加えることによって得られる。燃焼室はエンジンシリンダへ連通しており、燃料ガスは燃焼室へチェックバルブを通じて供給される。グロープラグは燃焼室及びシリンダの間に配置されている。燃焼室へ供給される混合気はグロープラグ及び燃焼室の高温壁によって加熱される。混合気は圧縮による圧力の増大及び温度の上昇によって着火する。ウッド特許は特に二行程エンジンを主な対象とする一方で、概してその技術を四行程エンジンへ適用し得ることも開示している。しかし、燃焼の開始を最適化するとともに、負荷及び周囲条件が変化した際に燃焼の最適な開始及び継続を維持するための排気再循環方法及びグロープラグの制御方法を同文献は開示していない。このエンジンの実施形態によって、別の制御を行うことなくＰＣＣＩ燃焼を効果的に制御し、かつ維持できるとは考え難い。
Satoらに付与された米国特許第５，５３５，７１６号は圧縮事象における自己着火による燃焼をもたらすべく、気化した混合気を吸気事象中及び圧縮事象の早期段階で燃焼室内へ案内することによって、ＮＯｘエミッションを大幅に低減する圧縮点火式エンジンを開示している。このエンジンによって形成されるＮＯｘエミッションの量はディーゼルエンジンが形成するＮＯｘエミッションの量の約３０分の１である。これらの原理は１９９６年２月２６日に発行されたＳＡＥテクニカルペーパーＮｏ．９６００８１に記載されているAoyama, T.らによる“予混合給気圧縮点火ガソリンエンジンにおける実験的研究（An Experimental Study on Premixed-Charge Compression Ignition Gasoline Engine）”と称される論文に開示されている。しかし、これらの文献は燃焼の開始時期及び燃焼率の制御を具体的に開示していない。更に、混合吸気を着火するために、これらの文献に開示されているエンジンは余熱を用いることなく圧縮によって形成された熱のみを使用している。また、これらの文献は安定燃焼の維持に必要な制御及び同制御の方法を示唆していない。更に、これらの文献はガソリンの使用のみを開示している。
Yanagiharaらに付与された米国特許第５，４６７，７５７号は形成される煤煙及びＮＯｘの量を実質的にゼロまで低減すべく、圧縮行程が６０度ＢＴＤＣ（即ち上死点前）に達する以前の吸気行程又は圧縮行程中に、燃料を燃焼室へ噴射する直噴圧縮点火式エンジンを開示している。噴射後における噴射燃料の早期気化を防止すべく、噴射燃料の平均粒径を従来の燃焼プロセスで使用されている平均粒径よりもかなり大きくすることと、燃焼室内における噴射燃料の均質な融合を保証すべく、噴射時期を従来の噴射時期よりかなり早くすることによって前記の効果は達成される。しかし、この文献は燃焼の開始時期及び／又は燃焼の継続時間などの燃焼履歴を肯定的に制御する方法を開示していない。
研究者達はＰＣＣＩ燃焼を指す様々な別名を使用している。例えば、Onishiら（ＳＡＥテクニカルペーパーＮｏ．７９０５０１，１９７９年２月２６日〜３月２日）はＰＣＣＩ燃焼を“ＡＴＡＣ”と呼んでおり、これは“Active Thermo-Atmosphere Combustion”の略語である。更に、Noguchiら（ＳＡＥテクニカルペーパーＮｏ．７９０８４０，１９７９年９月１０日〜１３日）はＰＣＣＩ燃焼を“ＴＳ”と呼んでおり、これは“Toyota-Soken”の略語である。また、Najtら（ＳＡＥペーパーＮｏ．８３０２６４，１９８３年）はＰＣＣＩ燃焼を“ＣＩＨＣ”と呼んでおり、これは“compression-ignited homogeneous charge”の略語である。
Onishiらは二行程エンジンを研究した。二行程エンジンにおいて、ＰＣＣＩ燃焼（ＡＴＡＣ）を広い速度範囲にわたって軽い負荷で形成できることを彼らは確認した。燃焼安定性は標準エンジンより更に高く、燃費及び排気エミッションの大きな改善があった。燃焼のシュリーレン写真を撮影し、その結果は彼らの燃焼研究で得られた結果に類似していた。燃焼が燃焼室内の多数のポイントで開始されたことを確認した。しかし、これらの多数のポイントでの燃焼の開始時期の間には僅かな時間差があった。更に、従来の火花点火による火炎伝搬と比べた場合、燃焼反応は比較的長い時間を要した。ＰＣＣＩ燃焼を達成するためには、以下の条件が重要であることを確認した。シリンダへ供給される混合気の量及び空燃比をサイクル毎に均一にする必要がある。シリンダ内の残留ガスの正しい状態を保証すべく、掃気の“指向性”及び速度は周期的規則性を有する必要がある。燃焼室壁の温度は適切である必要がある。掃気通路入口をクランクケースの底に配置する必要がある。また、非常に軽い負荷では、混合吸気の温度が低過ぎたために、ＰＣＣＩが失敗したことを確認した。非常に高い負荷では、残留ガス量が少な過ぎたために、ＰＣＣＩは失敗であった。これらの領域の間において、ＰＣＣＩ燃焼は成功した。
更に、NoguchiはＰＣＣＩ燃焼を二行程エンジン内で実現した。炭化水素（ＨＣ）の低いエミッション及び燃料消費の改善を実現する非常に安定した燃焼が確認された。８００及び３２００回転の間の回転数と、１１及び２２の間の空燃比とにおいて、ＰＣＣＩモードでのオペレーションは可能であった。アイドル状態では最大で０．５までの吸気比が達成可能であった。燃焼が従来のディーゼル燃焼に必要な温度及び圧力より更に低い温度及び圧力で開始可能なことを彼らは確認した。燃焼特性は従来の火花点火燃焼の燃焼特性とは異なっていた。点火は燃焼室の中心の周りに存在する多数のポイントで起こり、火炎は全方向へ迅速に広がった。燃焼継続時間は従来の燃焼と比べて短かった。着火核が燃焼室壁に付着した汚染物から形成されなかったことを立証した（この種の着火核は従来のガソリンエンジンにおける“ラン−オン”現象の原因と一般的に推定されている）。燃焼を更に理解すべく、彼らは燃焼室内のラジカルを検出するための実験装置を形成している。ラジカルが更に高い光度ピークを示すことを確認しており、同光度ピークは従来の火花点火燃焼の場合より早い時期に消失する。従来の火花点火燃焼の場合、ＯＨ、ＣＨ、Ｃ2、Ｈ及びＣＨＯ、ＨＯ2、Ｏ等の全てのラジカルはほぼ同じクランク角度で確認された。しかし、ＰＣＣＩ燃焼では、ＣＨＯ、ＨＯ2及びＯの各ラジカルが最初に検出され、次いで、ＨＣ、Ｃ2及びＨの各ラジカルが検出され、最期に、ＯＨラジカルが検出された。
NajtらはＰＣＣＩ燃焼を四行程エンジン内で達成できた。彼らはシュラウド吸気バルブを有するCFR単気筒エンジンを使用した。幾つかの圧縮比を試験した。そして、高い圧縮比は低い混合吸気ガス温度での燃焼を可能にするにも拘わらず、早過ぎる熱解放率を生じた。７．５：１の圧縮比では満足な結果を実現したが、１０：１の圧縮比では不満足な結果をもたらした。吸気温度は４８０〜８００°Ｋの範囲であった。これらの平均エネルギー解放率はOnishi及びNoguchiによって測定された平均エネルギー解放率より遙かに高かった。
Ishibashi, Y.らによる１９９６年の“活性ラジカル燃焼の適用による二行程エンジンの排気エミッションの改善（Improving the Exhaust Emissions of Two-Stroke Engines by Applying the Activated Radical Combustion）”と称されるＳＡＥペーパーＮｏ．９６０７４２は二行程エンジンにおけるＰＣＣＩ燃焼の別の研究を開示している。
Onishiら、Noguchiら、Najtら及びIshibashiらはＰＣＣＩ燃焼の理解における大きな進歩を果たした。しかし、燃焼が起こる時間、燃焼継続時間、燃焼率及び／又は燃焼の完全性を制御することによって、低いエミッションを含む安定した効果的ＰＣＣＩ燃焼を維持できる制御システムを有する実用ＰＣＣＩエンジンを前記の３つの文献は開示していない。特に、これらの文献は燃焼の開始を効果的に制御できるＰＣＣＩエンジン及び制御システムを開示していない。更に、これらの文献はエンジン始動性を積極的に高め、マルチシリンダエンジン内の複数のシリンダ間における燃焼バランスを達成するシステムを開示していない。
Thring, R.による１９８９年９月２５日の“均質混合吸気圧縮点火（ＨＣＣＩ）エンジン（Homogeneous-Charge Compression Ignition（HCCI）Engines）”と称されるＳＡＥテクニカルペーパーＮｏ．８９２０６８は四行程エンジンのＰＣＣＩオペレーションの調査を開示している。この文献はＰＣＣＩが高い排気再循環（ＥＧＲ）率及び高い吸気温度を必要とすることを開示している。ＰＣＣＩ燃焼が直噴ディーゼルエンジンに匹敵する燃費を実現することと、好ましい条件下、即ち、０．５の当量比及び２３％のＥＧＲ率において非常に低い周期的バラツキを形成することが開示されている。更に、吸気への多量の熱エネルギーの供給を要することなくエンジンをＰＣＣＩモードで動作させることがＰＣＣＩの実用前に必要なことを前記の研究は結論付けている。更に、この文献は２つの可能性、即ち、燃焼室内の高温面の使用と、インタークーラーを利用しない多段階ターボチャージングの使用とを示唆している。しかし、この文献は燃焼開始時期に対するＥＧＲ及び吸気温度の影響の更なる調査を示唆している一方で、燃焼の開始及び継続の積極的制御を効果的に実現するためのシステムを開示していない。
米国特許第５，４７６，０７２号はＰＣＣＩエンジンが引き起こし勝ちな過剰応力及び構造的損傷を防止するシリンダ・ヘッド・デザインを含むＰＣＣＩエンジンの別例を開示している。特に、ヘッドはシリンダーのピーク圧力及び温度を制限するために移動可能な可動アキュムレータピストンを含む。しかし、ピストンの移動の制御は単に受動的である。このため、このエンジンが燃焼を効果的に安定化するとは考え難い。更に、この文献は急速燃焼を起こす時期の制御と、同制御の実現の方法とを全く開示していない。
“運転指導−ローマン自転車原動機（Operating directions-LOHMANN BICYCLE MOTOR）”と称する１９５１年１０月の文献はＰＣＣＩ燃焼原理に基づいて動作する二行程エンジンを開示している。圧縮比は外気温、燃料、速度及び負荷に基づいて連続的に調節可能である。しかし、このエンジンはオペレータが圧縮比を手動で制御することを必要とする。従って、このエンジンは低いエミッションを含む効果的な燃焼を全ての運転条件下において保証するための燃焼の効果的な積極的制御を提供できない。更に、自動温度制御、当量比制御及び／又は自己着火特性制御を伴わない単独での圧縮比の手動調節は、安定した最適な燃焼を全ての運転条件下で実現できない。
従来の“複式燃料”エンジンはガス状燃料混合気及びディーゼル燃料の両方で運転される。しかし、従来の複式燃料エンジンは吸気ダクトから供給された混合気のＳＯＣを制御するために、ディーゼル燃料の噴射時期を使用している。これを実現すべく、複式燃料エンジンはディーゼル燃料をほぼ上死点で噴射する。更に、複式燃料エンジン内へ噴射するディーゼル燃料の量は、燃焼室内のガス状燃料が着火し、かつ実質的に完全に燃焼することを保証するために十分である。この結果、複式燃料エンジンは最も一般的な従来のディーゼルエンジン及び天然ガスエンジンに類似するエミッションを生じる。特に、ディーゼル燃料及び天然ガスを高い負荷で使用する従来の複式燃料エンジンでは、着火が開始するための僅かな量のディーゼル燃料を必要とするのみであり、形成されたエミッションは火花点火天然ガスエンジンに類似している。他の条件下において、実質的な量のディーゼル燃料を噴射した際、形成されるエミッションは従来のディーゼルエンジンに類似する。
この結果、エンジン運転中における燃焼の開始時期又は燃焼場所と、燃焼率又は燃焼継続時間とを効果的に制御できる燃焼制御システムを含むＰＣＣＩ原理に基づいて動作するエンジンが必要となる。
発明の概要
本発明の主な目的は、実用的なＰＣＣＩエンジンとＰＣＣＩエンジンを効果的、効率的に作動させる制御システムを提供することによって、従来技術の欠点を解消することにある。
本発明の他の目的は、ＰＣＣＩエンジンと、効率を最大限に高めながらも、エミッション、特に窒素酸化物や粒状エミッション、を最適に最も少なくするようにエンジンを制御する制御方法を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、ＰＣＣＩエンジンと、燃焼事象を効果的に制御するよう後続の燃焼事象の燃焼履歴を最適に制御する制御システムを提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、ＰＣＣＩエンジンと、燃焼ノイズを最小化しながら、許容シリンダ圧を達成できるようにＰＣＣＩ燃焼を効果的に制御する制御システムを提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、ＰＣＣＩエンジンと、燃焼履歴を示すエンジン作動状態を感知することによってエンジン作動中に今後の燃焼事象の燃焼履歴を積極的に制御するよう動作する制御システムを提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、ＰＣＣＩエンジンと、エンジンの圧縮、膨張事象中における燃焼事象が発生する時点を制御するために様々なエンジン作動制御変数を効果的に制御する制御システムを提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、ＰＣＣＩエンジンと、安定した燃焼、低エミッション、許容圧力レベル及び最適効率を保証するようにエンジンサイクル内で燃焼が適切なクランク角で起こることを効果的に達成する制御システムを提供することにある。
本発明の他の目的は、ＰＣＣＩエンジンと、燃焼開始のタイミングを正確に制御するよう温度、圧力、当量比、及び／又は混合気自己着火特性を効果的に制御する制御システムを提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、ＰＣＣＩエンジンと、許容シリンダ圧と所望の正味平均有効圧を得ながら、連続して安定したＰＣＣＩ燃焼を効果的に達成する制御システムを提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、ＰＣＣＩエンジンと、エミッションを最小化し、効率を最大限まで高めながら、ほぼ全ての燃焼プロセスが最適クランク角度範囲内、つまり２０度ＢＴＤＣ、即ち上死点前から３５度ＡＴＤＣ、即ち上死点後の範囲内、で起こることを確実にするよう燃焼の開始と燃焼率を効果的に制御する制御システムを提供することにある。
本発明の他の目的は、容易に始動させることができるＰＣＣＩエンジンを提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、マルチシリンダＰＣＣＩエンジンと、シリンダの燃焼事象の偏差を効果的に最小化する制御システムを提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、マルチシリンダＰＣＣＩエンジンと、エンジン負荷や大気状態が変化しても安定し、低エミッションで、効率のよい燃焼を得るよう燃焼の開始を効果的に制御する制御システムを提供することにある。
本発明の他の目的は、フィードバック制御を行うために燃焼の開始を効果的に検知または感知し、燃焼の開始を最適化するようエンジンの作動状態を制御するＰＣＣＩエンジン用の制御システムを提供することにある。
本発明の更に他の目的は、ＰＣＣＩエンジンと、未燃焼炭化水素及び一酸化炭素エミッションを効果的に最小化する制御システムを提供することにある。
以上の目的等はエンジン本体と、エンジン本体に形成された燃焼室と、エミッションを削減し効率を最適化するよう今後の燃焼事象の燃焼履歴を制御する燃焼履歴制御システムとを備えた予混合給気圧縮点火内燃機関を提供することによって達成することができる。燃焼履歴制御システムは、燃料と空気の混合気の温度を変化させる温度制御システムと、混合気の圧力を変化させる圧力制御システムと、混合気の当量比を変化させる当量比制御システムと、混合気の自己着火特性を変化させる混合気自己着火特性制御システムの内の少なくとも一つを含んでいる。エンジンはさらに、燃焼履歴を示すエンジン作動状態を検知し、エンジン作動状態を示すエンジン作動状態信号を発生する作動状態検知デバイスと、エンジン作動状態信号を受け取り、エンジン作動状態信号に基づいて燃焼履歴値を決定し、その燃焼履歴値に基づいて一つ以上の制御信号を発生するプロセッサを含んでいる。一つ以上の制御信号は、今後の燃焼事象の燃焼履歴を可変的に制御するために、温度制御システムと、圧力制御システムと、当量比制御システムと混合気自己着火特性制御システムの内の少なくとも一つを制御するために利用される。
エンジン作動状態検知デバイスは、燃焼の開始を感知して燃焼開始信号を発生する燃焼開始センサーを含んでいてもよい。また、燃焼履歴値は、燃焼開始信号に基づいて決定されてもよい。エンジン作動状態検知デバイスは、シリンダ圧センサであってもよい。
【図面の簡単な説明】
図１ａは本発明の一実施例の概略図であって、図１ｂに示された一つのシリンダと関連する制御システムを示しており、
図１ｂは本発明のマルチシリンダエンジンを示す概略図であり、
図２は本発明のＰＣＣＩエンジンにおけるシリンダ圧と放熱率をクランク角を関数として示すグラフであり、
図３は異なったエンジン稼働状態における見かけ放熱率をクランク角を関数として示すグラフであり、
図４ａはある設定された稼働状態におけるノッキング強度を時間を関数として示すグラフであり、
図４ｂは総平均有効圧力（ＧＩＭＥＰ）を時間を関数として示すグラフであり、
図４ｃは図４ａ、４ｂと同じ状態における最大圧力を時間を関数として示すグラフであり、
図５は見かけ放熱率をクランク角を関数として示し、燃焼、放熱位置、タイミングによる放熱率期間の増加を示すグラフであり、
図６はシリンダ圧をクランク角を関数として示し、放熱率の遅れによる最大シリンダ圧の低下を示すグラフであり、
図７ａは二つの異なったエンジンスピードにおけるＧＩＭＥＰを吸気マニホールド温度を関数として示すグラフであり、
図７ｂは二つの異なったエンジンスピードにおけるＧＩＭＥＰの変化率を吸気マニホールド温度を関数として示すグラフであり、
図７ｃは二つの異なったエンジンスピードにおける最大シリンダ圧を吸気マニホールド温度を関数として示すグラフであり、
図７ｄは二つの異なったエンジンスピードにおける燃焼の開始を吸気マニホールド温度を関数として示すグラフであり、
図７ｅは二つの異なったエンジンスピードにおける放熱持続時間を吸気マニホールド温度を関数としてクランク角で示すグラフであり、
図７ｆは二つの異なったエンジンスピードにおける放熱期間を吸気マニホールド温度を関数として時間で示すグラフであり、
図７ｇは二つの異なったエンジンスピードにおける熱効率のグロス値を吸気マニホールド温度を関数として示すグラフであり、
図７ｈは二つの異なったエンジンスピードにおける単位燃料量あたりの炭化水素を吸気マニホールド温度を関数として示すグラフであり、
図７ｉは二つの異なったエンジンスピードにおける単位燃料量あたりの一酸化炭素を吸気マニホールド温度を関数として示すグラフであり、
図７ｊは二つの異なったエンジンスピードにおける単位燃料量あたりの窒素酸化物エミッションを吸気マニホールド温度を関数として示すグラフであり、
図７ｋは二つの異なったエンジンスピードにおけるノイズを吸気マニホールド温度を関数として示すグラフであり、
図８は三つの異なった吸気マニホールド温度における見かけ放熱率をクランク角を関数として示すグラフであり、
図９は壁温を関数として燃焼の開始と燃焼持続時間の両方を示すグラフであり、
図１０はグロープラグサイクルのある期間における燃焼の開始と燃焼の終了の両方をクランク角を関数として示し、また同期間のＧＩＭＥＰを示すグラフであり、
図１１は図１０のグロープラグの過渡時の見かけ放熱率をクランク角を関数として示すグラフであり、
図１２はシリンダ毎の温度制御を提供するための本発明のエンドシリンダ補償システムの一実施例を開示し、
図１３はシリンダ毎の温度制御を提供するためのエンドシリンダ補償デバイスの第二の実施例を示す概略図であり、
図１４は上死点（ＴＤＣ）温度に対する吸気排気バルブ開閉事象を変化させることによる効果を示すグラフであり、
図１５は残留質量微粒子と上死点温度に対する吸気排気バルブ開閉事象の可変圧縮率を変化させることによる効果を示すグラフであり、
図１６は異なる排気バルブラッシュ設定におけるのシリンダ圧と放熱の両方をクランク角を関数として示すグラフであり、
図１７はクランク角と関連する放熱率位置に対する排気ガス再循環（ＥＧＲ）を変化させることによる影響と、ＥＧＲの変化による放熱率の大きさに対する効果を示すグラフであり、
図１８はＥＧＲ率の変化による燃焼の開始に対する効果を示すグラフであり、
図１９はＥＧＲの利用を最適化するようＰＣＣＩ状態で作動する一つのシリンダを備える本発明の改良されたエンジンの概略図であり、
図２０は圧縮率を変化させることによる上死点温度に対する効果を示すグラフであり、
図２１は吸気マニホールドを関数として燃焼の開始を示し、また圧縮率を変化させることによる燃焼の開始と吸気マニホールド温度に対する効果を示すグラフであり、
図２２ａは圧縮比変化デバイスの一実施例を備える本発明のＰＣＣＩエンジンの一つのシリンダの部分断面図であり、
図２２ｂは本発明のＰＣＣＩエンジンの一つのシリンダの部分断面図であり、圧縮比変化デバイスの第二実施例を示している、
図２２ｃは本発明のＰＣＣＩエンジンの一つのシリンダの部分断面図であり、圧縮比変化デバイスの第三実施例を示している、
図２２ｄは本発明のＰＣＣＩエンジンの一つのシリンダの部分断面図であり、圧縮比変化デバイスの第四実施例を示している、
図２３は圧縮比を変化させる可変位相シフト機構を含む本発明の対向ピストンＰＣＣＩエンジンの概略図であり、
図２４は図２３の可変位相シフト機構に使用される差動機構の側面図であり、
図２５は、例えば図２３に示された種々の圧縮比設定における圧縮比を対向エンジンの二つのピストンの位相差を関数として示すグラフであり、
図２６は対向ピストン型エンジンの基準ピストンのクランク角を関数としてシリンダ容積を示すグラフであり、ピストンの位相差が拡大すると圧縮比が減少することを示している、
図２７は基準線気流率とＴＤＣ温度に対する吸気排気バルブ開閉事象と可変圧縮率を変化させることによる効果を示すグラフであり、
図２８はディーゼル当量正味燃料消費及びＴＤＣ温度に対する吸気排気バルブ開閉事象と可変圧縮率を変化させることによる効果を示すグラフであり、
図２９は最大シリンダ圧とＴＤＣ温度に対する吸気排気バルブ開閉事象と可変圧縮率を変化させることによる効果を示すグラフであり、
図３０は吸気マニホールド温度と上死点温度に対する水噴射の効果を示すグラフであり、
図３１ａは吸気マニホールド圧（ＩＭＰ）を関数として燃焼持続時間をクランク角で示すグラフであり、
図３１ｂはＩＭＰを関数として燃焼持続時間を時間で示すグラフであり、
図３１ｃはＩＭＰの変化による放熱率の大きさ及びタイミングまたは位置に対しての効果を示すグラフであり、
図３１ｄはＩＭＰを関数として燃焼開始タイミングとクランク角を示すグラフであり、
図３１ｅはＩＭＰを関数として単位燃料量あたりの炭化水素を示すグラフであり、
図３１ｆはＩＭＰを関数としてＧＩＭＥＰ、即ち総平均有効圧力を示すグラフであり、
図３１ｇはＩＭＰを関数として熱効率グロス値を示すグラフであり、
図３１ｈはＩＭＰを関数として単位燃料量あたりの一酸化炭素を示すグラフであり、
図３１ｉはＩＭＰを関数として単位燃料量あたりの窒素酸化物エミッションを示すグラフであり、
図３１ｊはＩＭＰを関数としてＧＩＭＥＰの変化係数を示すグラフであり、
図３１ｋはＩＭＰを関数として最大シリンダ圧を示すグラフであり、
図３１ｌはＩＭＰを関数としてノイズを示すグラフであり、
図３１ｍは最大シリンダ圧とＧＩＭＥＰに対するＩＭＰを高くする効果を示すグラフであり、
図３２は燃焼の開始と温度に対する種々の微量種の効果を示すグラフであり、
図３３は燃焼の開始を早めることに対してのオゾン量の増加による効果を示すグラフであり、
図３４は燃焼の開始に対する本発明のＰＣＣＩエンジンに使用される燃料の種類を変更することによる効果を示すグラフであり、燃焼の開始は温度の上昇によって示されている、
図３５は当量比を関数として見かけ放熱持続時間を示すグラフであり、
図３６は当量比を関数として燃焼の開始をクランク角で示すグラフであり、
図３７は燃焼の開始に対する当量比変化の効果を示すグラフであり、燃焼の開始は温度の上昇によって示されている、
図３８は放熱率の大きさとタイミングまたは位置に対する当量比変化の効果を示すグラフであり、
図３９はコンプレッサ圧力比とコンプレッサ出口温度に対する当量比変化の効果を示すグラフであり、
図４０は正味燃料消費に対する当量比を変化させるこのによる効果を示すグラフであり、
図４１は二つの異なる大きさのタービンケースにおけるポンピング平均有効圧とＧＩＭＥＰの相違を示すグラフであり、
図４２は二つの異なる大きさのタービンケースにおけるディーゼル当量ＢＳＦＣ、即ち正味燃料消費とＢＭＥＰ、即ち正味平均有効圧力を示すグラフであり、
図４３は二つの異なる大きさのタービンケースにおけるタービンロータ速度と吸気マニホールド圧を示すグラフであり、
図４４は種々の燃料を使用してのＰＣＣＩ燃焼における燃料比窒素酸化物エミッションと一般の圧縮点火ディーゼルエンジンとを比較して示すグラフであり、
図４５はエンジンスピードを関数としてエミッションを示すグラフであり、
図４６は下死点温度を関数としてエミッションを示すグラフであり、
図４７は燃焼炎端部温度を関数として燃料固有の一酸化炭素を示すグラフであり、
図４８ａ乃至図５０ｂは本発明のＰＣＣＩエンジンの一つのシリンダの部分断面図であり、隙間を最小化する様々な特徴を有する別の実施例を示している、
図５１はディーゼル先立ち噴射率の放熱率位置及び形状についての様々な割合の効果を示すグラフである。
発明の詳細な説明
本発明は改良された予混合給気圧縮点火（ＰＣＣＩ）エンジン、及び効率を最大限にする一方で、エミッションを最適に最小化する方法で、エンジンを制御する制御機構に向けられている。本出願の目的のために、ＰＣＣＩは、１）点火時までの吸気の最中でも、また燃焼中にも可燃性混合物が形成されるように、大部分の燃料が十分に空気と予混合される、及び２）燃焼が圧縮点火によって開始する、圧縮点火エンジンまたは燃焼プロセスを称する。更にＰＣＣＩは、燃料と空気が点火のかなり以前に予混合されるようなエンジンまたは燃焼プロセスをも称する。その結果、ＰＣＣＩエンジンにおける燃料噴射のタイミングは、混合気の点火のタイミングに影響を与えない。更に、理解されるべきことは、ＰＣＣＩは均質の吸気圧縮点火（ＨＣＣＩ）エンジン及び燃焼の開始時に混合物が均質もしくはほぼ均質な状態で存在するプロセスを包含することも意図されていることである。本発明では、混合気は非常に希薄で均質な混合物を形成するように完全に混合されるか、または所望の空燃層化を伴う、あまり均質でない混合物を形成するように混合され、比較的むらのない、低い火炎温度を保証し、その結果、非常に低い窒素酸化物（ＮＯｘ）エミッションを生じる。ある種のエンジンは連続的にＰＣＣＩ状態下で作動する一方、他のエンジンは、設計により、または偶発的に、限られた運転時間だけＰＣＣＩ状態下で作動することを理解するべきである。
出願人は、商業的に実現可能なＰＣＣＩエンジンを製造するための鍵は、非常に優れた全体的な効率、燃焼ノイズコントロール、及び許容できるシリンダ圧と組み合わせた、非常に低いＮＯｘエミッションを結果的に生じるような方法で、続いて発生する燃焼、または将来の燃焼の燃焼履歴の制御にあると認識している。燃焼履歴は燃焼が発生した時間（燃焼タイミング）、燃焼率（放熱率）、燃焼持続時間及び／又は燃焼の完全さを含むことができる。出願人は、燃焼履歴、また特に燃焼タイミングは、荷重条件及び周囲条件の変化を含む種々の要素に敏感であり、またそれらの要素に応じて変化することを測定した。本発明のエンジン及び制御システムは、エンジン運転中に将来の燃焼の燃焼履歴を積極的に制御し、所望の燃焼とエンジン運転が維持されることを保証するために機能する。好適な実施形態では、本発明のエンジンと制御システムはエンジンの圧縮・膨張事象の間に燃焼タイミングを制御する。
図１ａ及びｌｂは全般的に１０で示される、本発明のＰＣＣＩエンジン／制御システムを示す。図１ａは図１ｂに示したマルチシリンダ往復ピストンタイプのエンジンのシングルエンジンシリンダ１２を示している。もちろん、本ＰＣＣＩ制御システムは、１つのシリンダのみを有するエンジン、または複数のシリンダ、例えば、４、６、８または１２気筒内燃機関内のＰＣＣＩ燃焼を制御するために使用することができるであろう。更に、本ＰＣＣＩ制御システムは基本的に四行程エンジンに関連して説明されるが、本制御システムは二行程エンジンにも適用できるであろう。更に、本発明のＰＣＣＩシステムは、圧縮、燃焼、及び膨張という事象を有する、ロータリーエンジンやフリーピストンエンジンを含む内燃機関のために使用するよう適合され得る。
図１ａに示すように、ピストン１４は燃焼室１３を形成するためにシリンダ内に相互的に装着される。ピストンは燃焼によって発生する力を従来のエンジン駆動システムに伝達する。図１ａ及び１ｂにおいて、吸気マニホールド１５を含む吸気システム２３は、各シリンダ１２にある各々の吸気ポート２６に吸気または混合気を供給する。同様に、排気マニホールド１７を含む排気システム２７は排気口３１から排気ガスを受け取る。従来のバルブ制御システムによって、または可変バルブタイミングシステムによって、吸気バルブ１９等の１つ以上の吸気バルブと、排気バルブ２１等の１つ以上の排気バルブが、開放位置と閉鎖位置の間に置かれ、シリンダ内への吸気または混合気の流れ、及びシリンダからの排気の流れを各々制御する。
ＰＣＣＩシステム１０は燃焼履歴を示すエンジン運転状態を感知または検出し、対応する信号１８を発生させるために、燃焼センサ１６を具備する。好適な実施形態では、センサ１６はエンジン運転状態、または圧縮及び／又は膨張行程の間に燃焼が発生する時、つまり好ましくは燃焼の開始時（ＳＯＣ）に直接関連する、またはＳＯＣを示すパラメーターを検出することによって、効果的な燃焼制御能力を可能にする。サイクル毎にＳＯＣを感知するために、例えば、シリンダ圧力センサがいずれかの、または全てのエンジンシリンダに設けられてもよい。この場合、センサ１６は他のエンジン状態データ、例えば、燃焼率、燃焼持続時間、燃焼事象または放熱位置、及び燃焼の終了データ等を提供し、そのいずれも燃焼開始のデータの代わりに使用することができる。燃焼開始を検出するための従来の手段、例えば、シリンダ圧の急激な上昇を感知して燃焼開始を検出することなどを使用してもよい。加速度計、二次イオン質量分析計、光学診断、ひずみゲージ及び／又はシリンダヘッド、ライナまたはピストン内の高速熱電対を含む他の形態のセンサを使用することもできるであろう。更に、各々の燃焼事象に関連する、エンジントルクまたはＲＰＭの変化を検出するために、トルクセンサまたはＲＰＭセンサを使用することもできるであろう。または、付加的に、完全な燃焼についての知られた相関関係を有する排出物質を検出するために、排気センサを利用することもできるであろう。
センサ１６は電子制御ユニット２０（ＥＣＵ）にフィードバック制御を提供する。ＥＣＵ２０は信号１８を受信し、その信号を処理し、実際の燃焼履歴値、つまり、燃焼値の開始を判定する。そして、実際の燃焼履歴値を、例えば、ルックアップ表から入手した所望の燃焼履歴値と比較する。所望の燃焼履歴値に対する実際の燃焼履歴値の比較に基づいて、好適な実施形態では、その後、ＳＯＣと燃焼完了が、圧縮行程中の上死点前２０度と、ピストンの膨張行程中の上死点後３５度の間で発生し、それによって、エンジン効率を最大にする一方で、ＮＯｘエミッションを最小にすることを効果的に保証するために、ＥＣＵ２０はシステムの各々の成分を可変制御するために、２２で示される複数の出力信号を発生させる。ＰＣＣＩ燃焼制御機構は、最も好ましくは、マイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、またはその他の適当なマイクロ計算ユニット等の中央処理ユニットを含むＥＣＵ２０に含まれるソフトウエアで実行される。
ここで説明するように、ＰＣＣＩシステム１０は燃焼を最適にするために様々な構成要素を含むことができる。本システムの目的である、低い窒素酸化物（ＮＯｘ）エミッション、高効率等は、様々な制御要素のいずれか、またはこれらの要素の組み合わせを使用して達成することができる。特に、図１ｂに示すように、圧縮機２４は、ブースト吸気圧力を変化させるために、吸気マニホールド１５の上流にある吸気システム２３に沿って設けられてもよい。圧縮機２４は排気駆動タービン２５等の従来の手段によって駆動される。排気逃しバルブ４３を含むバイパス回路３３は従来の方法で設けられてよい。第２の圧縮機またはスーパーチャージャ５８が圧縮機２４の上流に設けられてよい。スーパーチャージャ５８はエンジン駆動システムによって機械的に駆動される。空気冷却器２８も圧縮機２４の下流に設けられてよい。更に、吸気加熱器３０（燃焼器、熱交換器、または電気加熱器）が、例えば、図１ｂに示すように、冷却器２８の背後、または、圧縮機２４の上流に設けられてよい。また、各シリンダ用の吸気マニホールド温度を素早く制御して、個々のシリンダの燃焼制御及びシリンダ間の燃焼バランスを高めるために、個々の加熱器２９が各シリンダ１２の吸気ポート２６に設けられてよい。圧縮機２４、冷却器２８及び加熱器３０は、吸気または混合気の圧力／温度に関する特定成分の効果を変化させるための制御装置を各々具備する。例えば、バイパスバルブまたは排気逃しゲート４３は、排気ダクト３１に接続される排気システムから、タービン２５に供給される排気量を調節するために使用することができ、それによって、所望通りに吸気圧力を変化させることができるであろう。同様に、冷却器２８の冷却効果を可変制御できるようにするため、制御バルブを冷却器２８に供給される冷却流体流路に設けることができよう。同様に、様々なタイプの可変制御を利用して、加熱器３０の加熱効果を変化させることができるであろう。好ましくはサイクル毎に吸気または混合気の圧力及び温度を可変制御するために、ＥＣＵ２０からの出力信号２２が様々な制御装置に供給され、圧縮機２４、冷却器２８及び加熱器３０を制御する。
それに加えて、ＰＣＣＩシステム１０は、異なる自己発火特性（例えば、異なるオクタンまたはメタン等級、または活性化エネルギーレベル）を有する燃料を、吸気流に供給するための複数の燃料源３２及び３４を具備することができる。燃料制御バルブ３９、４１は、各燃料源３２、３４の供給量を各々制御するために使用される。例えば、燃料は図１ｂに示すように、冷却器２８と加熱器３０間の吸気路に沿って供給することができる。もちろん、冷却器２８の上流、例えば、圧縮機の上流等の、エンジンの吸気に沿った様々な位置において、燃料を導入することができるであろう。または、図１ａに示すように、例えばインジェクタ３５によって、各シリンダにある各々の吸気ダクト２６内に燃料を噴射することができるであろう。
更に重要なことは、本ＰＣＣＩシステム１０は所望通りに燃焼を好都合に早める、
または遅らせるよう調整するために、圧縮比を変化させる可変圧縮比手段３８を具備する。例えば、可変圧縮比手段３８は、有効圧縮比を変化させるために、燃焼室の形状またはピストンの高さを変化させるための制御機構の形態であってもよい。下記に詳述するように、吸気バルブ１９の閉鎖タイミングを変化させることによって、有効圧縮比を変化させることができるであろう。吸気バルブ及び排気バルブの開閉タイミングの変化は、ＥＣＵ２０から信号を受信することができ、下記において説明する原則に従ってバルブの開閉を効果的に変化させることができる、従来の可変バルブタイミングアクチュエーターシステムを利用して達成することができる。
それに加えて、燃焼事象を制御するためのシリンダ内温度及び温度分布の変化は、気体または液体、例えば、空気、窒素、二酸化炭素、排気、水等をシリンダ内に噴射するためのインジェクタ４０によるシリンダ内希釈剤噴射を利用して行うことができる。同様に、希釈剤は、例えば、インジェクタ４２を使用して吸気ダクト２６に噴射してもよい。
本ＰＣＣＩシステムは更に、例えば、ディーゼル燃料等の燃料３７を直接燃焼室に噴射するための燃料インジェクタ３６を具備することができる。燃料３７は、下記に説明するように、圧縮の初期に、好ましくは約１８０度から６０度のＢＴＤＣの間に、またはＴＤＣ付近の圧縮の後半に噴射されるであろう。
圧縮事象初期に燃料３７を噴射することによって、燃料はディーゼルエンジンの場合より完全に、吸気ダクトから得られる混合気と混合されて、より望ましい燃焼プロセスを保証し、特に、より低いＮＯｘエミッションを生じる、更に希薄な当量比で燃料は燃焼するであろう。吸気ダクトから得られる混合気の燃焼の開始または始動（ＳＯＣ）は、噴射される燃料３７の量を制御することによって変化させることができる。例えば、早目の燃焼事象は燃料３７の量を増加させることによって達成することができる一方、噴射される燃料３７の量を減少させることによって、燃焼のタイミングを送らせることができる。
圧縮行程の後半に、つまりＴＤＣ付近で燃料３７を噴射することによって、従来のディーゼル燃料噴射システムを使用することができる。このアプローチは、ＰＣＣＩ運転モードを達成するために、吸気マニホールドに付加的な１つ以上のタイプの燃料を導入することと組み合わせることができる。特に、吸気マニホールドに噴射される燃料はより高い空気過剰率を有するであろう。空気過剰率は理論空燃比で割ったエンジンの実際の空燃比である。非常に希薄な空気過剰率に対しては、火炎前面に沿う燃焼は不可能である。しかしながら、自己発火は可能であるので、それによって、典型的なスパーク点火エンジンではあまりに希薄すぎて燃焼できないであろう混合気の燃焼を可能にする。出願人は、ＰＣＣＩ燃焼が一箇所だけの位置からは開始または伝搬しないことを確認した。逆に、その結果は、燃焼が燃焼室中に分布する多数の点火場所を含むことを示している。
効率的な、低エミッションＰＣＣＩ燃焼のために、エンジンサイクル中の、適切なクランク角範囲の間に燃焼を起こすことが重要である。燃焼の開始があまりに早すぎると、シリンダ圧が過度に高くなり、効率が低下する。燃焼の開始があまりに遅すぎると、燃焼が不完全であり、不十分なＨＣエミッション、不十分な効率、高い一酸化炭素（ＣＯ）エミッション、及び不十分な安定性を結果的にもたらす。出願人は、ＰＣＣＩエンジンにおけるＳＯＣのタイミングと燃焼率、また燃焼持続時間は、温度履歴、圧力履歴、燃料自己発火特性、例えば、オクタン／メタン等級または活性化エネルギー、及びシリンダに閉じ込められた給気組成（酸素含有量、ＥＧＲ、湿度、当量比等）に基本的に依存することを確認した。本発明は、下記において詳述する様々な特徴の組み合わせを通して、燃焼の開始及び／又は燃焼率（放熱率）を制御することができるような方法で、これらの変数に影響を及ぼす構造化されたアプローチを提示する。
低いＮＯｘエミッションと高い効率を達成するように、エンジン運転状態の間中、最適の燃焼を保証するために、燃焼の開始と燃焼率を制御するための様々な制御特徴が制御され、変更される。これらの制御特徴を適用することで、エンジンピストンの上死点位置に対する好ましいクランク角範囲内で燃焼が引き起こされるであろう。特に、出願人は、実質的に全ての燃焼がクランク角度２０ＢＴＤＣとクランク角度３５ＡＴＤＣ間で発生するべきであることを確認した。更に、好ましくは、２０クランク角度ＢＴＤＣと１０クランク角度ＡＴＤＣ間で、理想的には、ほぼ１０度ＢＴＤＣと５度ＡＴＤＣ間で、燃焼が開始されるであろう。それに加えて、燃焼持続時間は、典型的に５〜３０度のクランク角度範囲のクランク角に対応するであろう。しかしながら、好ましくは、所望のピークシリンダ圧と騒音減少を達成するために、ほぼ３０〜４０度まで燃焼持続時間を延期するように、下記に記す制御特徴の１つまたはそれ以上が制御されるであろう。このように、実質的に全ての燃焼が２０クランク角度ＢＴＤＣと３５クランク角度ＡＴＤＣ間で発生するように、以下の特徴の１つまたはそれ以上の最適な制御が、燃焼の開始及び／又は燃焼率を効果的に制御するであろう。もちろん、燃焼の開始が上述のクランク角範囲外で発生する、及びもしくはＰＣＣＩエンジン内の燃焼持続時間が幅広いクランク角範囲を超えて発生するか、または上述の限度を超えて延期される状態も起こり得る。
出願人は、安定した効率的なＰＣＣＩ燃焼を達成することができ、ほとんどの放熱がＴＤＣの後で発生することを示してきた。例えば、図２に示すように、放熱の中心が５°ＡＴＤＣに位置付けられるとする。出願人は、軽い荷重及び希薄な状態では、図３に示すように、放熱持続時間はほぼ２１．５〜２５クランク角度の範囲にあることを確認した。
図４ａ、４ｂ及び４ｃに示すように、出願人は、エンジン運転が失火限度付近であれば、ＳＯＣ及び燃焼の終了（ＥＯＣ）が漸進的に遅れ、放熱持続時間が延びることを測定した。総平均有効圧（ＧＩＭＥＰ）は、ＳＯＣがＴＤＣ後へと遅れるにつれて、最高点を通過する。やがて、ノッキング強度及びピークシリンダ圧（ＰＣＰ）が実質的に失火限度付近まで低下する一方、ＧＩＭＥＰは許容限度に留まる。図５に示すように、ピーク放熱率も低下し、放熱持続時間は失火限度に近づくにつれて増す。やがて、図６に示すように、ピークシリンダ圧は、放熱率が遅れるにつれて低下する。ここで説明する適切な制御を提供することなしには、エンジンはこの反応プロセスを支えることができないことが明らかである。出願人は、ＳＯＣがＴＤＣの数度後に発生する状態で、最良の動作点が発生することを確認した。確かに、ＰＣＣＩ燃焼におけるＰＣＰ−ＧＩＭＥＰトレードオフの改良は、ＴＤＣの後に起こるＳＯＣを要件とする。その結果、所望の位置及び所望の長さに各々ＳＯＣと燃焼持続時間を維持し、効果的かつ効率的なＰＣＣＩ燃焼を達成するためには、積極的な可変制御が必要であることが明らかである。
シングルシリンダエンジン内の連続燃焼時間、及びマルチシリンダエンジン内のシリンダ間のＳＯＣの変動は、特定の燃焼に導く圧力／温度履歴に対するＰＣＣＩ燃焼の感度のために発生する。圧縮比、閉じ込められた残留物の量、壁温度等の非常にわずかな変動でも、圧力／温度履歴に対して重大な影響を有する。本ＰＣＣＩエンジン及びそのエンジンの運転方法は、これらの変動を補償し、制御することができる制御変数／特徴を含み、最適にＰＣＣＩ燃焼を達成する。
概して、実質的に全ての燃焼プロセスが最適のクランク角限度内、つまり２０度ＢＴＤＣから３０度ＡＴＤＣの間で発生することを保証するために、燃焼の開始及び燃焼率を効果的に制御するために使用できる制御変数は、４つの制御カテゴリー：温度制御、圧力制御、混合気の自己発火特徴の制御、及び当量比制御に分類することができる。
温度制御
シリンダ内の混合気の温度（シリンダ内温度）は、燃焼の開始を決定する際に重要な役割を演じる。シリンダ内温度は、圧縮比（ＣＲ）、吸気マニホールド温度（ＩＭＴ）、排気再循環（ＥＧＲ）、残留質量微粒子（ＲＭＦ）、熱伝達および温度層化のような所定の重要な制御機能を変えることによって燃焼の開始を制御するように変えることができる。
出願人は、吸気マニホールド温度（ＩＭＴ）がプロパン燃料ＰＣＣＩ燃焼に重要な影響を及ぼすことを確認した。出願人の研究の中うち、２つの研究では、エンジン速度、当量比φおよび吸気マニホールド圧（ＩＭＰ）は、一定に保持されるのに対して、ＩＭＴは現実的な範囲内で上下した。最低ＩＭＴは不安定な動作で制限され、最高ＩＭＴは、最大許容ピークシリンダ圧（ＰＣＰ）によって制限され、第１および第２の研究の条件は、それぞれエンジン速度＝１２００ｒｐｍおよび２０００ｒｐｍ、当量比＝０．３０および０．２４、およびＩＭＰ＝３．３ｂａｒおよび４．１ｂａｒを含んだ。図７ａおよび図７ｂに示されるように、上昇するＩＭＴ事象は、増加されたＧＩＭＥＰおよび減少されたＧＩＭＥＰの変動係数を生じた。さらに、上昇するＩＭＴは、ＳＯＣを早め、燃焼持続時間を減少させる間（図７ｄ〜図７ｆ）、図７ｃに示されるようにＰＣＰを増加させる。上昇するＩＭＴは、熱効率グロス値（図７ｇ）および推定雑音（図７ｋ）も増加させた。エミッションに関して、上昇するＩＭＴは、ＦＳＨＣエミッション（図７ｈ）を減少させ、燃料固有の一酸化炭素（ＦＳＣＯ）エミッション（図７ｉ）を減少させたが、ＦＳＮＯｘに観測可能な影響は及ぼさなかった。
要するに、出願人は、ＩＭＴの僅かな変化がプロパン燃料ＰＣＣＩ燃焼の多くの面に大きな影響を及ぼすことを確認した。吸気温度を変えることによって、燃焼事象を早めるかまたは遅らせることができる。図８に図示されるように、吸気温度を高めることは燃焼の開始を早め、吸気温度を低めることは燃焼の開始を遅らせる。この温度制御は、熱交換器または燃焼器を使用して行われてもよい。例えば、給気冷却器は吸気マニホールドに沿って置かれてもよい。冷却器と組み合わせた燃焼器または加熱器は非常に優れた温度制御を与える。燃焼器の排気生成物は、吸気と直接混合されてもよく、燃焼器はその空気供給のために吸気を直接使用することもできたし、または燃焼器が生じさせる熱は熱交換器を通じて吸気に加えることができた。熱交換器は、エンジンクーラントまたは排気の不用の熱を使用して吸気を加熱してもよい。さらに、ＩＭＴの急速な制御は、給気冷却器バイパスを使用することによって行うことができる。（スターリングエンジンで使用される再生用熱交換器と同様な）再生用熱交換器は、排気熱を回収し、熱交換器を通して吸気に変えるために使用することができ、それによって吸気温度を制御する。さらに、ＩＭＴは、例えば、液相または気相のような異なる相で、燃料をマニホールドに噴射することによって変えることができる。液体燃料の気化に必要である熱の変化はＩＭＴを低下させる。もちろん、異なる種類の燃料はＩＭＴに異なる影響を及ぼす。
出願人は、いかに残留・吸気温度、ブースト・燃焼室およびポート壁熱伝達が吸気および圧縮を通じてシリンダ内の全温度に影響を及ぼし、ＴＤＣの空間温度分布にも影響を与えるかも確認した。特に、出願人は、空気・プロパン混合気で動かすエンジンに対する吸気事象および圧縮事象を比較した。出願人は、ＳＯＣの温度が存在する熱エネルギーによる吸気の再加熱によっても決定されることを確認した。この用途の目的のために、再加熱は、Ｔ（平均シリンダ内＠吸気バルブ閉鎖（ＩＶＣ））−Ｔ（平均吸気マニホールド）、すなわち、吸気マニホールド温度差、すなわち吸気ポートでポートに割り当てられた温度およびＩＶＣのシリンダ内全温度との差として規定される。出願人は、再加熱がポートで開始し、シリンダ内で継続することを確認した。さらに、再加熱の５６％は、壁熱伝達のためであり、再加熱の４４％は、検討された条件に対する混合およびブーストためであった。明らかに、熱伝達は再加熱を決定する際に非常に重要である。
シリンダ内熱伝達に関する壁温度の重要性を明らかにする１つの研究は下記の通りである。発火シリンダと失火シリンダとを比較する場合、失火シリンダの再加熱は発火の場合の６３％であったことが注目された（２７対４３Ｋ）。発火シリンダと比較された失火シリンダに対する低い壁温度は、その低いシリンダ内温度の主要な原因である。発火シリンダは、ＩＶＣでの１６Ｋ高い温度と比較して、失火シリンダよりも４６Ｋ高いＴＤＣのシリンダ内の温度を有した。圧縮が各々の場合に断熱的に行われた場合、ＴＤＣの温度差は、初期の１６Ｋの差を与えらた状態では〜３５Ｋであった。したがって、ＩＶＣからＴＤＣまでの−１１Ｋ（４６−３５Ｋ）温度損失はより低い失火壁温度のためである。興味あることには、壁は吸気・圧縮事象の大部分の場合にシリンダ内ガスを加熱するけれども、ＴＤＣ圧縮に近いガスからの比較的速い熱伝達速度は、全く熱伝達がない場合よりもシリンダ内温度は低くなる。さらに、壁伝熱を有する通常の発火シリンダと断熱壁を有する発火シリンダとを比較する場合、質量流量は、熱伝熱、主に密度効果により７．５％減少した。
図９を参照するに、ＳＯＣの壁温度、すなわち、ピストン温度、ヘッド温度、およびライナ温度の効果に関して、出願人は、壁温度が増加されるにつれて、ＳＯＣがより速くなることを確認した。上昇した表面温度は、燃焼室表面への低い熱伝熱を生じ、それによって燃焼を早める。出願人は、壁温度が２２５Ｋから９３３Ｋに変化し、全ての他のパラメータが一定に保持される場合（ＩＭＴ＝３４２Ｋ、再加熱＝４３Ｋ、φ＝０．２４）、混合気は、４００Ｋ以下の壁温度で発火しないことを示した。約４００Ｋから５５０Ｋまで、燃焼持続時間は燃料のより大きな割合が燃焼するために長くなる。５５０Ｋ以上で全ての燃料は燃焼し、燃焼持続時間は温度が上昇するにつれて減少する。シリンダ内表面温度を変えることは、エンジンクーラント及び／又はシリンダ／ピストンアセンブリの潤滑油の冷却効果を変えることによって実行することができる。シリンダ壁温度は、ＳＯＣを効果的に制御する手段として使用することは困難であるかもしれないけれども、シリンダ温度は、ＳＯＣを制御する場合、特に開始動作または過渡動作に対して考察されるパラメータの中の１つである。出願人は、２つの安定した解決策、すなわち、燃焼壁および冷却壁を有しない解決策、燃焼壁および高温壁を有する解決策がある場合、ある範囲の作動条件があることを示した。さらに、燃焼室の表面対容積比を変えることは、熱伝達を変えることができ、したがって燃焼を制御するために使用することができる。
壁伝熱を有する通常の点火シリンダと断熱壁を有する点火シリンダとを比較することによって、壁伝熱は、ＴＤＣの空間温度分布の主な一因であることが分かる。万一空間温度分布がポートまたは特定のクランク角度のシリンダ中にあるならば、空間温度分布は温度がある範囲の至るところで変わる方法として規定される。シリンダ内温度分布を変えることによって、燃焼の開始及び／又は全燃焼速度は確実に影響を与えることができる。シリンダ内温度分布を変える１つの方法は、流入混合気の一部が流入混合気の残りよりも温かい／冷たいように配置された分割吸気ポートを使用することである。他の方法は、シリンダにホットスポットを導入することにあるかまたはグロープラグ４４を使用することにある（図１ａ）。さらに、シリンダ内温度分布は、例えば、エンジンクーラントの温度、エンジンオイルの温度または燃焼室壁の冷却の速度を変えることによる燃焼室壁の温度（例えば、シリンダライナ、ピストン及び／又はエンジンヘッドの壁温度）を変えることによって制御できる。図１ｂに示されるように、エンジンクーラントの温度は、バイパスバルブ５０を使用してバイパス循環路４８を通る流量を変えることによるエンジンクーラント循環路４７に置かれたクーラント熱交換器を通る流量を変えることによって変えることができる。壁伝熱が点火シリンダおよび失火シリンダの両方の場合に空間温度分布に同じ影響を及ぼすことを確認した。同様に、出願人は、残留温度および壁伝熱が吸気中および圧縮中にシリンダ内温度分布にいかに影響を及ぼすかも確認した。この確認は、空気およびプロパンの混合気の吸気事象および圧縮事象の３つの研究を含んだ。これらの研究により、吸気および圧縮の大部分の間、高温残留物が空間温度変動の主要な原因であることが分かった。しかしながら、ＴＤＣ圧縮近くの残留物履歴は、燃焼室内の温度変動を生じる際の壁に関する伝熱に比べて重要性は低い。結果として、使用可能である燃料のより多くを使用する燃焼事象を高めるためには、ＳＯＣで、燃料および空気が温度範囲が燃焼を保持するのに十分である範囲で適切な割合であるように燃料を導入すべきであると信じられている。温度範囲が燃焼を保持するのに不十分である２つの領域は、隙間および隣接した冷却表面の中にある。したがって、燃料を隙間および冷却表面の両方から離れて保持することが望ましい。明らかに、シリンダ内混合気への伝熱はシリンダ内混合気の温度を上昇させるので、ＳＯＣを早める。出願人は、グロープラグがＳＯＣをわずかな程度まで効果的に制御するために使用できることを示した。図１０に示されるように、一旦グロープラグが切られると、ＳＯＣおよびＥＯＣはわずかに遅れる。さらに、より少ない燃料が燃焼されるので、ＧＩＭＥＰは著しく減少する。燃焼されている燃料の量の減少は、図１１に示されるように放熱速度の低下も生じる。サイクル＃１〜＃１００で、グロープラグが切られ、その時点でオンに戻されたサイクル＃３００〜＃４００の時間までオフのままであった。多分、最も重要なことには、グロープラグが切られる場合、急速な燃焼の開始は、放熱速度の減少と組み合わせて、累積放熱を減少させる持続時間の増加なしで著しく遅延される。したがって、グロープラグ４４（図１ｂ）は、限られた程度まで確実に燃焼を制御するために使用できた。
いかなる実用的なレシプロエンジンにおいても、熱は圧縮工程中に燃焼室から失われる。熱損失は、多数の要因で決まるが、主にエンジン速度およびシリンダ内部と外部との間の温度差によって決まる。圧縮工程中のこの伝熱は、燃焼室表面が冷たいシリンダ内での燃焼の開始および保持が困難であり得るとき、冷たい環境で始動中のディーゼルエンジンの場合は問題になる。一般的には、シリンダの各バンクの端部に置かれたシリンダは、最も冷たく、点火の可能性が最も低い。エンドシリンダの吸気が、より冷たいシリンダ壁との過剰の熱交換のために燃焼できないことはこのような条件の下では全く普通のことである。しかしながら、ディーゼルエンジンの場合、一旦全てのシリンダが暖たまると、燃焼は、全く安定していて、燃焼室表面温度にあまり依存しない。
ＰＣＣＩの場合、燃焼工程は、所定の圧力および温度“履歴”を得ることによって開始される。したがって、前述されるように、ＰＣＣＩ燃焼工程は、燃焼室の表面温度に強く依存し、かつ敏感である。本ＰＣＣＩエンジンは、より良いシリンダ間温度制御を確実にし、それによって安定した燃焼および非常に低いＮＯｘエミッションの可能性を増大させるするためにエンドシリンダ内の所望の燃焼室表面温度を達成するためのエンドシリンダ補償手段を含めてもよい。エンドシリンダ補償手段は、ピストン冷却ノズル流量を減らすような特定のシリンダの有効な冷却を減少させ、クーラント温度を上昇させるかまたはクーラント流量を減少させるシステムを含んでもよい。特に、図１２を参照するに、エンドシリンダ補償手段は、冷却オイルをオイルポンプ７８からピストン冷却ノズル７６に送り出す分岐流路７４に置かれたオイル流量制御バルブ７２を含むオイル流量制御システム７０を含んでもよい。したがって、制御バルブ７２は、ピストンアセンブリへの冷却オイルの流量を変え、ピストンの温度を変えるように制御されるので、シリンダ内温度に影響を及ぼすことが好ましい。その代わりに、流量制限器がバルブ７２の代わりに使用できるか、またはエンドシリンダに関連したノズル７６は、これらの冷却ノズルへの流量を永久に減少させるように残りのノズルよりも小さい有効流量面積で設計されてもよい。さらに、２つ以上のノズル７６が図１ａに示されるように装備されている場合、ノズル作動数は、各ノズルに関連したそれぞれの制御バルブを制御することによって変えることができる。
図１３を参照すると、エンドシリンダ補償手段は、エンジン８８のエンジンシリンダ８６につながっている分岐路８４に置かれているクーラントポンプ８１およびクーラント流量制御バルブまたは制限器８２を含むエンジンクーラント流量制御システム８０を含んでもよい。このバルブ８２はラジエーター９０から送り出された冷たいクーラントの流量を減らすように作動されている。さらに、熱いクーラント戻り流路９４に置かれた制御バルブ９２は、ラジエーター９０をバイパスし、かつエンドシリンダに直接送り出される高温クーラントの流量を制御するために使用される。これらのシステム全ては、各エンドシリンダの全冷却が他のシリンダの各々に等しいように周囲の環境によってさらに冷却されるということを補償するようにエンドシリンダへのクーラントの流量を制御する機能を果たす。これらのシステムは、シリンダのウォームアップを助け、エンジンの始動性を改善し、シリンダ燃焼およびシリンダ間のバランスの強化された制御を与えるために使用できる。
エンドシリンダ補償手段は、その代わりにまたはさらに、余分の熱損失を相殺するために他のシリンダよりも名目上大きい有効圧縮比を有するエンドシリンダを含んでもよい。この圧縮比は、エンドシリンダ圧縮温度がミドルシリンダに等しいようにエンドシリンダの中に設計できる。この方式は、エンドシリンダ燃焼室表面温度がウォームアップ動作だけでなく始動の両方に対して上げられるので、性能の観点から有利である。この圧縮比差は、その代わりにカムシャフトバルブローブフェージングによって行われてもよい。このシナリオでは、エンドシリンダは、有効圧縮比（ＣＲ）がほぼ形状ＣＲに等しいように下死点近くに吸気バルブ閉鎖（ＩＶＣ）を有している。したがって、ミドルシリンダは、エンドシリンダよりも低い公称有効ＣＲを生じる遅延ＩＶＣを有することができる。ＰＣＣＩ燃焼の圧縮比を変える効果は下記により詳細に述べられる。
予混合給気との最大の挑戦の中の１つである圧縮点火（ＰＣＣＩ）エンジン技術は放熱プロフィールの配置にある。標準ディーゼルエンジンまたは火花点火エンジンの場合の燃焼の開始は、噴射タイミングまたはスパークタイミングで制御される。ＰＣＣＩエンジンの場合、燃焼の開始は、シリンダ内温度および圧力によって左右される。ＴＤＣ近く（およびＴＤＣの後）のＳＯＣタイミングはＰＣＣＩエンジンで接近されるので、温度、圧力等の小さい形状及び／又は操作上の変動の感度は著しく増加する。遅延された放熱プロフィールは、ＰＣＣＩエンジンのために（ピークシリンダ圧を最少にし、効率を改善する）ことを求められるので、失火または部分燃焼の危険が著しく増加する。これは、シリンダ温度が吸気の増加量のために上死点の後に減少することによる。自己着火がＴＤＣによってまだ発生しなかった場合、自己着火は、おそらく上死点後発生しない。１つのシリンダが失火を開始する場合、この問題はさらに増大される。失火シリンダは冷めて、失火の継続がさらによりありそうにする。
マルチシリンダエンジンにおいて、圧縮比、壁温度、再加熱および残留質量微粒子に関する変動はシリンダ間に必然的に存在する。この変動性は、所望の遅延燃焼タイミングでＰＣＣＩエンジンを作動させることをまったく困難にするが、一方（たまたまわずかに冷める）個別のシリンダを有しないで最適燃焼を保持することは失火を開始する。
出願人は、バルブ事象を操作することがＴＤＣの温度に著しい影響を与えることができるので、図１４に示された分析結果によって示唆されるような燃焼の開始を制御するための有効なツールであることを確認した。特に、表Ｉを参照すると、バルブ事象を変えることは下記の結果を有する。
0003913785.tif 000002
図１５に示されるように、排気バルブ閉鎖（ＥＶＣ）は、１つの燃焼事象から次の事象までの燃焼室に留まるかまたは利用されている燃焼生成物の量、すなわち、残留質量微粒子（ＲＭＦ）を決定する際に重要な役割を演じる。この残留物は、流入吸気よりも高い温度で存在するので、次の燃焼事象のために吸気を加熱する。したがって、排気バルブ閉鎖のタイミングは、シリンダ内温度を調節するために使用できるので、ＳＯＣを制御する。コールドシリンダ（例えば、失火を開始するシリンダ）を加熱するために、残留質量微粒子は、初期の排気バルブ閉鎖事象によって個別のシリンダで増加することができる。これらの熱い残留物は、流入吸気の再加熱を増加させ、燃焼の開始を早める傾向があり、それによって、失火シリンダを回復させる。図１５に示されるように、ＥＶＣを早めることは、シリンダ内に熱い残留物を閉じ込めるのに対して、ＥＶＣを遅らせることによって、熱い残留物をシリンダの中に逆流することができる（この場合、排気マニホールド圧（ＥＭＰ）＞ＩＭＰ）。ベースラインＥＶＣは、これらの２つの効果、すなわち最少量の残留物を閉じ込めることおよび最低ＴＤＣ温度を生じること）の最適条件である。同様に、ＩＶＯを早めることによって、シリンダ内の熱い残留物のわずかは吸気ポートに逆流でき、またＥＭＰ＞ＩＭＰのために、ＴＤＣ温度を上昇させる。例えば、ＩＶＣを早めることによって下記により詳細に述べられる圧縮比を低くすることは、シリンダ内の残留物も増加させるが、より少ない程度までである。排気バルブ閉鎖のタイミングを調節することは、シリンダ間を調整できるようにシリンダ間の小さい形状変化および操作上の変化を効果的に補償するためにも使用されてもよい。ＲＭＦを効果的に増加させるかまたは減少させる任意の他の手段は、それぞれＳＯＣを早めるかまたは遅らせるために使用されてもよい。
この方式を実行する１つの方法は、マルチシリンダＰＣＣＩエンジンで効果的に試験された。この技術は排気バルブラッシュ設定の増加を伴った。このラッシュを開くことは、排気バルブを早く効果的に閉じ、所望のように燃焼の開始を早める。出願人は、排気バルブ事象を１０度だけ減少することがわずかに高い表面温度および２２度より暖かい入口温度をもたらすことを確認した。２２度のＩＭＴ振幅が燃焼に及ぼす著しい影響が与えられると、この方法は、マルチシリンダエンジンをバルブラッシュ調整で調整する可能性を示している。図１６に示されるように、排気バルブがラッシュを増加させることによって開いている持続時間を短くすることは確かに燃焼を早める。結局、シリンダ間の変動は、静止排気バルブ閉鎖を調整できるいかなる手段によっても受動的に制御できる。この変動がいくつかの診断測定値と結合されるならば、この変動は積極的にも制御できる。制御装置が全てのシリンダに存在するならば、この技術は、エンジン内の全ての燃焼の開始に影響を及ぼすためにも使用できた。
残留質量微粒子（ＲＭＦ）を制御することによってシリンダ内温度を制御する他の方法は、流入吸気から分離して置かれた室内の前のサイクルからのある地域の残留ガスを圧縮することにある。閉じ込められた残留物対新しい吸気の割合は、このような室のサイズによって操作することがである。大量の熱い排気は、（１／２）（１／ＣＲ）ぐらいで有り得るので、ＴＤＣ容積の全てがこのような室内にあるならば、室集合体の１／３０に等しい。このような室の構造は、流入吸気と完全に混合しないで圧縮工程を熱いガスの少なくとも一部に耐えさせるように管理されねばらない。閉じ込められた排気は圧縮工程で非常に早く混合されるならば、高速反応を開始するのに必要な高温には達しない。このような室内および室外への流量のタイミングは、シリンダ内の高速エネルギー解放の開始のタイミングを管理することに役立つ。他の局部熱入力源はこのような高速反応開始を与えることができるかもしれない。これは加熱グロープラグまたは熱絶縁集合体であってもよい。
残留質量微粒子は、排気マニホールド背圧にも敏感である。ＩＭＰに対してＥＭＰを増加させることによって、残留質量微粒子は、増加させることができるので、燃焼も早める吸気の温度を上昇させる。出願人は、ＥＭＰを上昇させることはＳＯＣを早める予想された結果を有することを確認した。しかしながら、出願人は、ＳＯＣが４サイクルエンジンの場合３ｂａｒのＥＭＰの増加で約４°だけのみ早めたことも示した。出願人は、温度の上昇がＥＭＰの増加とほぼ比例し、その結果、全て他の事柄は一定のままにされることを確認した。１ｂａｒのＥＭＰの増加に関しては、ＴＤＣの温度が約１０Ｋ増加した。したがって、実際のＥＭＰの範囲を考察する場合、ＥＭＰを制御することは、４サイクルエンジンのＳＯＣを制御する際の比較的不十分な手段であるように見える。さらに、４サイクルエンジンでＴＤＣを増加させるためにＥＭＰを使用する場合、かなりのＢＳＦＣの不利益が払われた。ＢＳＦＣは、排気バルブ閉鎖または可変圧縮比のいずれかを使用するよりも著しく高い。ＥＭＰを増加させる効果はＥＶＣを早める、すなわちシリンダ内のより熱い残留物塊を閉じ込めるのと同じであるけれども、ＥＭＰが増加された場合、ピストンは全排気行程を通してこの圧力に逆らって作動しなければならないために、ＢＳＦＣは非常に高い。エンジンがターボ機械を有するならば、ＳＯＣを制御するためにＥＭＰを使用しようとする試みに関する他の厄介の問題が生じる。しかしながら、排気制限器を使用することは２サイクルエンジンでなお実行可能であり得る。
吸気温度を制御するための他の重要な方法は熱い排気再循環（ＥＧＲ）を使用することによることである。図１ｂに示されるように、高圧ＥＧＲ循環路５４は、タービン２５の上流からの熱い排気を吸気システムへ向けるために使用されてもよい。ＥＧＲ循環路５４は、排気の再循環を制御する高圧ＥＧＲ制御バルブ６０を含む。低圧ＥＧＲ循環路６２および制御バルブ６４は、タービン２５の下流からの低圧ＥＧＲの流れを吸気システムへ向けるために使用されてもよい。出願人は、（ＥＧＲを追加することの効果は追加の吸気冷却によって相殺されないと仮定すると）コンプレッサ２４の上流へ導入される場合にＥＧＲが吸気マニホールド温度を上昇させる際に特に有効であることを示した。排気再循環（ＥＧＲ）は、ＰＣＣＩエンジンでは多くの有用性を有する。何故ならば、このようなエンジンの排気はより小さい粒子を含んでいるので、排気は、理想的な上流位置（ターボチャージャのコンプレッサの吸気ポート）まで再循環することができるためである。圧力差はたいてい好ましいためにコンプレッサの吸気ポートは最適位置である。新しい吸気および熱いＥＧＲ混合気はコンプレッサによって圧縮され、それによって加熱および混合を実現できる。コンプレッサの上流にＥＧＲを導入し、コンプレッサ吸気ポートの温度を上昇させることによって、この結果は、ＥＧＲがコンプレッサ後に導入される場合よりも非常に高いコンプレッサ出口温度である。ＥＧＲをコンプレッサの吸気ポートに導入することは、ディーゼルエンジンの排気の粒子はコンプレッサを“駄目に”するために、通常のディーゼルエンジンでは非常に困難である。しかしながら、ＰＣＣＩエンジンにおいて、事実上無粒子排気は重大な問題もなしにコンプレッサの上流に導入できる。さらに、図１６、１７及び１８に示されるように、出願人は、例えば、空気及び／又は水のような冷却希釈剤を噴射することによって吸気の温度を保持している間、排気生成物を追加することによる排気生成物を導入するために使用される技術、例えば、ＥＧＲ、ＲＭＦ等とは無関係に、燃焼速度が遅くできるので、燃焼持続時間を増やし、燃焼を遅延させ、放熱量を増大させることを確認した。
図１９を参照すると、限られた数の複数のシリンダをＰＣＣＩモードで作動させることによって本発明のＰＣＣＩエンジンおよび制御システムから利益を得るのに対して残りのシリンダをディーゼルモードで作動させる改良されたシリンダ１００が示されている。特に、例えば、６つのシリンダエンジンにおける５つのシリンダ１０２はディーゼルモードで作動されてもよいのに対して、１つのシリンダ１０２はＰＣＣＩモードで作動される。このエンジンは、ＰＣＣＩシリンダ１０４にだけ関連し、ディーゼルシリンダ１０２に関連した排気システム１０８から離れているＥＧＲ１０６も含んでいる。ＰＣＣＩシリンダ１０４のピストンの圧力は、排気を吸気システムに押し込むために使用される。ＥＧＲシステム１０６は、例えば、コンプレッサ１０５の上流側まで排気を再循環する前にＰＣＣＩ排気を冷却するエンジンクーラントを利用するＥＧＲ冷却器１１０を含んでいる。もちろん、排気は、ディーゼルシリンダ１０２だけに役立つ吸気マニホールド１１２に送り出すことができる。ディーゼルエンジンにおいてＥＧＲの使用で直面される周知の問題は、ディーゼルエンジン排気にある過剰の粒子およびＮＯｘの量である。改良されたエンジン１００によって、ディーゼルエンジンは、ＥＧＲから利益を得るが、一方重い粒子のディーゼル排気に関連する欠点を実質的に避け、それによってあまり複雑でなく、高価でないシステムを提供する。例えば、前述されるように、シリンダ１０４からのＰＣＣＩ ＥＧＲは、コンプレッサを汚すことなしにコンプレッサの上流により容易に導入できる。さらに、ＰＣＣＩ ＥＧＲの低いＮＯｘエミッションは、硝酸の生成を減少させ、それによってエンジンの侵食を減少させる。出願人は、図１９のエンジンは正味固有のＮＯｘエミッションを低下させると同時に正味固有の燃料消費をごくわずかだけ増加させることを示した。
多分、ＴＤＣの温度、したがってＳＯＣを変える最も有効な制御機能の１つはシリンダの圧縮比（ＣＲ）の可変制御である。有効圧縮比または形状圧縮比を変えることによって、温度履歴および圧力履歴の両方は制御できる。圧縮比を増加させることは燃焼事象を早める。圧縮比を減少させることは燃焼事象を遅らせる。所定の目的のために、圧縮比は、（コールドスタートを促進する）２４：１から（燃焼の開始に対する制御を可能にし、ピーク燃焼圧を制限する）１２：１まで及んでもよい。圧縮比の範囲は、他の要因の中で、例えば、天然ガスおよびプロパンを使用された種類（より詳細にはその自己着火特性）の燃料によって決まる。出願人は、ＰＣＣＩ燃焼の圧縮比の効果を確認した。例えば、図２０を参照すると、出願人は、圧縮比を変えることがシリンダ内の温度、したがってＳＯＣを変える際の大きな手段であることを示した。図２１に示されるように、出願人は、圧縮比の変動がＴＤＣに対するＳＯＣの位置に著しく影響を及ぼすことを示した。
圧縮比は、形状圧縮比を変える、すなわち燃焼室の物理的寸法／形状を変える制御機構を使用することによって変えることができる。本発明は、所望のＳＯＣを達成するようにエンジン動作中の燃焼室の形状容積または有効容積を変える圧縮比変更デバイス３８を含んでいる。圧縮比変更デバイスは、燃焼室の形状容積を変更することによってＴＤＣ近くの吸気の圧縮加熱をさせる機械的デバイスであってもよい。図２２ａ〜図２２ｄに示されるように、圧縮比変更デバイスは、ＴＤＣ近くのクランク角の燃焼室に延びるように移動し、燃焼室容積を減少させ、それによって圧縮比を増加させ、点火が開始できるのに十分な吸気を加熱する。プランジャの主要な機能は、ＴＤＣ近くのわずかな吸気を追い出すことである。したがって、燃焼室内のプランジャの形状および位置は、プランジャがすきま容積に影響を及ぼす範囲以外はその機能には重要でない。
プランジャのサイズは、所望の圧縮比制御範囲に基づき、下記の例によって概算されてもよい。
シリンダ当たりの行程容積（排気量）＝１，０００ｃｃ＝１ｌ
ＴＤＣクリアランス容積＝１００ｃｃ
圧縮比＝（１０００ｃｃ＋１００ｃｃ）１００．０ｃｃ＝１１．０
プランジャ容積＝３０ｃｃであるならば、完全に広げられたプランジャを有する有効圧縮比＝（１０００ｃｃ＋１００ｃｃ）／（１００ｃｃ−３０ｃｃ）＝１５．７である。
所与の条件の設定に関して、修正圧縮比は、温度および圧力の十分な増加がプランジャなしで点火しない混合気に対して圧縮点火をさせることができるのに十分であるべきである。もちろん、エンジンの圧縮比およびプランジャのサイズは、エンジンの設計段階中に容易に変更される。さらに、異なる燃料および吸気温度は異なるプランジャサイズおよび圧縮比を必要とすることができる。
図２２ａに示されるように、プランジャ１５０は、シリンダヘツド１５４の穴１５２に配置され、エンジンピストン１５８の移動に対して関連付けられた所定の時間で回転されるカムによって作動されてもよい。反作用スプリング１６０は、プランジャをカム１５６の方へ片寄らせ、燃焼室１６２のサイズを増加させる。この特定の配置は、プランジャが引っ込むときにカム駆動プランジャ１５０がカムシャフトに作業を戻すことができる点で有利である。さらに、プランジャ１５０が吸気に行うわずかな動作は、プランジャ１５０がエキスパンション行程の遅くまでまたはエキスパンション行程後引っ込まない限り、エンジンピストンによって引っ込めることができる。
その代わりに、図２２ｂを参照すると、プランジャ１７０は、例えば、ジャークポンプまたは共通のレールシステムに接続されている油圧循環路１７２によって燃焼室１７４に送り出される流体、例えば、燃料の加圧供給によって油圧作動されてもよい。図２２ｃは、エネルギーがスプリングに蓄積できるようにプランジャ１８０の一端に隣接して形成された燃焼室１８４内に置かれたスプリング１８２によって支援される他の油圧作動実施形態を示している。このシステムでは、保持機構、例えば、油圧保持機構、電磁保持機構または機械的保持機構（図示せず）は広げられていない位置にプランジャを保持する。ピストンがＴＤＣ近くにある場合、油圧流体供給システム１８６は、プランジャ１８０を強制的に下げる（この点で、保持システムはプランジャをもはや保持しない）。この下向きの移動はスプリング１８２によって大いに支援される。燃焼後、プランジャ１８０は、再圧縮スプリング１８２を上の方へ後方移動させ、それによってエネルギーをスプリングに戻す。このエネルギー抽出工程を最適化するために、油圧室１８４はバルブ１８８によって制御される割合でブリードダウンする。
図２２ｄは、プランジャを広げられた位置に片寄らせるスプリング１９０が燃焼前燃焼室内のガス圧を抑えるのに十分強いもう一つの実施形態を示している。ＴＤＣの近くで、燃焼室１９６を接続するブリードダウンバルブ１９４は開かれ、スプリング１９０は、プランジャ１９２を燃焼室内１６２の広げられた位置に押し込み、吸気を点火させ、燃焼室１６２内の圧力を増加させる。結果として、プランジャ１９２は、スプリング１９０に逆らって上へ押し戻される。必要ならば、高圧供給源は、油圧流体を室１９６に供給し、プランジャ１９２が引っ込められた位置にプランジャを上の方へ後方移動させることを確実にする。ガス圧が引っ込められた位置にプランジャを上の方へ後方移動させるのに十分であるならば、一方向バルブ２０４を含む低圧油圧充填供給源２０２は、プランジャ１９２の下の室１９６を充填するために使用されてもよい。
圧縮比は、可変位相シフトを有する対向ピストンエンジンを設計して、２つのクランク軸の間の回転の位相を変更することによって運転中に圧縮比を変えられるようにして、変えることも可能である。対向ピストンエンジンは米国特許第４，０１０，６１１号に開示された方式、又は米国特許第４，９５５，３２８号に開示されているような可変位相の相互接続シリンダ方式でもよく、両方の全内容を参照してここに組み込む。代わりに、第２３図を参照して、圧縮比は、ピストン２１８、２２０と関連するクランク軸それぞれ２１４と２１６のうちの１つの入り口軸部分２１２と同じクランク軸２１４の出口軸部分２２２の間に接続した従来の差動アセンブリ２１１を含む位相シフト機構２１０を使って変え、クランク軸の部分は相手に対する位相を回転で変えることが可能になる。クランク軸２１４と２１６は、従来のギアアセンブリ２２３を介して接続され、駆動される軸２２５に動力を伝達する。第２４図に示すように、差動アセンブリ２１１は、入り口軸部分２１２の一端に取り付けたリングギア２２４、リングギア２２４から伸びるアーム２２６及び軸部分２１２と２２２の反対の端に取り付けたギアアセンブリ２２７を含む。ピニオンギア２３０を含む回転機機構２２８はリングギア２２４に動作するように接続し、クランク軸間の位相を変化したい時にそのリングギアを回転する。リングギア２２４が静止していると、軸部分２１２と２２２は同位相になっている。ピニオンギア２３０が回転して、リングギア２２４が回転する時には、アーム２２６は回転し、軸部分２１２、２２２の間の位相が変化する。従って、回転機機構２２８は、出口軸に対する入り口軸の相対的な位相を調整するのに使用し、それにより、２つのクランク軸の位相と圧縮比を調整する。さらに、１シリンダ当たり２個のクランク軸を使って、単一なクランク軸で設計したクランクアームが伝える本質的な側面への推力を取り除くことができる。位相を変える上での、ＣＲに対する感度上で可能な最大圧縮比の影響に注意すべきである。ピストンがお互いに位相ゼロで干渉する結合構造を有することは有利である。当然、この構成はいつもゼロでない位相で動作する。
出願人は、対向ピストンエンジンの位相の変化が圧縮比をどう変化するかを明確にした。この行為には図２５に示すような３つの研究を含む。第１の研究の中で、２つのピストンが両方ともに同時にＴＤＣに着くような同位相であるとき、圧縮比は２５：１である。第２の研究の中で、ピストンが同位相の時、一緒に動き、ＴＤＣに同時に到達する。上端が平坦なピストンでは、ピストン間に空間が無く、隙間が無いとすると、圧縮比は無限になる。第３の場合は、ある程度位相が外れている間に、ピストンが接するような負の干渉を仮定する。この場合に、重なりはストロークの約１０％で、ピストンは４６°位相が異なって接触する。当然、エンジンの結合構造（内径、行程、連接棒の長さ）は、ＣＲ対位相にも影響する。このような値は、この研究の中で一定である。
これらの結果は、位相を変えられるような対向ピストンの配置にすると、圧縮比は非常に大きい範囲で変えられることを示している。さらに、位相による圧縮比の変化の傾斜は、０°の位相のＴＤＣでの、ピストンの間の隙間又は負の隙間の量で左右される。従って、実際に応用する際に、圧縮比の要求される範囲をカバーするために必要な位相の範囲及び位相を制御する精度の間の釣り合いを比較検討すること、すなわち第２５図の曲線の傾斜を最適にすべきであることが望まれる。従って、理想的には、圧縮比の必要な範囲が位相の制限範囲内で実現できるように、曲線の傾斜は十分に急勾配であって、位相を非常に正確にする必要がないような緩い勾配にする。
第２６図を参照して、ピストン間の位相が違えば違うほど、圧縮比が低下するのは極めて明らかである。約１２０°より少ない位相角度のシリンダ容量対クランク角度曲線の形に、ほとんど変化がないことも明らかである。その結果、位相の変化は、シリンダ容量対クランク角度にどのような影響も与えないで、圧縮比を広い範囲で制御するために使用することができる。位相を変えられる対向ピストンのシステムは、必要な順応性を備え、圧縮比の値を広い範囲で実現することができる。
有効な圧縮比は可変バルブタイミングで変えられる。特に第１表に示すように、閉じる吸気バルブを進めると、ＩＶＣのかなりの点火の遅延も有効ＣＲを低下するので、有効ＣＲが低くなる。しかし、バルブの動きを変えることは、結合構造で圧縮比を変えること（燃料の流れる率は一定と仮定する）に比べて、エンジンの吸排気と、それによる空燃比に非常に大きな影響がある。ＴＤＣ温度での気流の最も急峻な変化は、ＩＶＣが変わる時である。ＩＶＣがさらに早くなると、ＴＤＣ温度は低くなるが、気流はひどく制限されて、多分当量比率を望まないほどに変化する。この場合に、ＩＶＣを早くすることに伴うブーストの増加で、気流の速度を一定に維持することができる。同様にＥＶＣでは、ＥＶＣが変化すると、シリンダに閉じ込められた残量は変わり、従って吸排気が影響される。結合構造で圧縮比を変えても気流への影響がないので、ＩＶＣ曲線の傾斜は、ＥＶＣとＩＶＯの約２倍である。気流に影響せずにＴＤＣ温度を変化する期間に、可変結合構造圧縮比は最も有効な制御特性であるようである。
第２８図を参照して、バルブ事象又は圧縮比のうちのどれかを変化すると、ＢＳＦＣに明らかに影響する。ＢＳＦＣを最もよくするには、より高い温度が必要な時に閉じている排気バルブを変化するより、圧縮比を上げることを選ぶ方がよい。ＴＤＣでの温度を上げるためにＥＶＣを進めると、ＢＳＦＣには非常に大きな不利となる。温度を低くする必要があれば、結合構造を変えることを選べて、多少ＢＳＦＣが高くなるだけなので、ＩＶＣを進めるのが最もよい方法である。
出願人は、予期したように、有効圧縮比を変更することが、ピークシリンダ圧力に大きな影響があることも第２９図のように明確にした。ＩＶＣはＶＣＲとほとんど同一の曲線となり、ＩＶＣを変えると有効圧縮比が実際に変化する事実を確かめている。この場合に、５°ＡＤＴＣを開始するのでシリンダ圧力曲線には２個の丘、ＴＤＣでの最初のピークは圧縮により、ＴＤＣ後の第２のピークは燃焼により、現れるようである。ＶＣＲとＩＶＣの線の２つの傾斜が現れるのは、燃焼の丘（ＣＲ＜１８）又は圧縮の丘（ＣＲ＞１８）のどちらかを起こす絶対ピークシリンダ圧力による。ピークシリンダ圧力に望まない影響を与えずに、ＴＤＣでの温度を基準線より上げるために、ＥＶＣ又はＩＶＯを変えるのが、最もよい方針である。しかし、この方針はＢＳＦＣ（第２８図）の望まない増加となり、エンジンの吸排気も変わることがある（第２７図）。
出願人は、低い吸気温度で燃焼するために、非常に高い圧縮比が必要であることも明確にした。例えば、０、２０、及び４０°Ｆの吸気温度で、相当する圧縮比がそれぞれ３５、３３、及び３０未満である時には、燃焼は全く起こらない。暖まった後の条件では、要求される圧縮比は、約１５であり、これは、この条件に合わせるために圧縮比を約２０変化することが必要なことを、示している。このような条件のもとでは、圧縮比を非常に高くすることが必要なので、ピークシリンダ圧力も高く、一部の場合には２００ｂａｒより大きい。その結果、低い温度でスタートする吸気加熱器及び／又は他の数個の方法は、可変の圧縮比単独で使うよりももっと実用的な場合がある。さらに、圧縮比をより低く維持すると、ピークシリンダ圧力の限界に行き当たる前に、より高いＧＩＭＥＰにすることが可能になる。
温度を制御する別の方法は、水を、吸気マニホールド又はシリンダへ直接導くことである。出願人は、吸気の窒素が水と完全に置き換わると、たぶん水が分離するために炎温度が低く（２０５Ｋより低い）なるらしいことを示してきた。さらに出願人の研究で、点火がわずかに遅れ（０．０４ミリ秒まで）、ピーク反作用率が約５０%まで低下した。さらに、水を噴霧などで吸気マニホールドに加えると、化学的な影響は、小さいけれども、ＳＯＣをわずかに遅らせることである。しかし、吸気マニホールドへの液状の水の噴射によって、液体の蒸気への蒸発のために吸気マニホールドは効果的に冷える。その結果、ＩＭＴとＴＤＣ温度は第３０図に示すようにかなり減少する。ＴＤＣの温度への水噴射の影響はたいてい、比熱の比率の変化ではなく、ＩＭＴの減少のためである。ＩＭＴへの影響は上限とみなすべきである。
出願人が、ＰＣＣＩはピストン１４（第１ａ図）への反熱効果なしで維持できることを示していることに注意すべきである（第１ａ図）。たとえＰＣＣＩ燃焼が、ノックの強さを火花点火のエンジンにおいて経験している安全なレベルより１０-２０倍高いレベルにしても、アルミニウムとスチールのピストンは、過度の温度レベルに達しない。出願人の望ましい実施形態では、ＰＣＣＩ燃焼がこのような希薄状態で動作しているので、ＰＣＣＩ燃焼での自己着火に起因する温度は火花点火されたエンジンで経験した温度よりずっと低い。
圧力制御
ＳＯＣは、燃焼室の圧力を制御することによっても制御できる。シリンダ内の圧力を制御する一方法は、圧縮比可変デバイスを使って燃焼室の圧力を変えることである。圧縮比を変えると装入の圧力と温度の両方を最終的に変えるけれど、圧力は直接変化する。圧縮比の増加は、ＴＤＣでの圧力を増加する傾向があり、圧縮比の減少はＴＤＣでの圧力を減少する。出願人は、シリンダ内の圧力を増加することにより燃焼の開始を早められることと、シリンダ内の圧力を減少させると、ＳＯＣが遅れることを示した。温度制御について、以上で検討した圧縮比可変デバイスのうちのどれでも使える。
シリンダ内の圧力を制御する２番目の方法は吸気マニホールド又はブースト圧力（ＩＭＰ）に変えることである。ＳＯＣのタイミングは、圧力の関数であることを示した。出願人は燃焼及びエンジンの運転中にＩＭＰを変える影響を明確にした。１つのエンジン研究のためのエンジン条件は１２００ｒｐｍ、３５５．７Ｋ＜ＩＭＴ＜３５７．４Ｋ。０．２５６＜φ＜０．２６３である。ＩＭＰは変化した。ＩＭＰを増加している間に、これらの条件を維持するには空気と燃料の流れを増加することが必要である。第３１ａ図及び第３１ｂ図は、ＩＭＰがクランク角度領域と時間領域の両方を増大するので、放熱の期間が減少することを示している。第３１ｄ図は、ＩＭＰが増加すると、ＳＯＣがより早くなることを示す。第３１ｃ図は別の研究で、ブースト圧力の上昇が放熱事象をかなり早められることを明らかに示している。第３１ｅ図は、ＦＳＨＣエミッションが、ＩＭＰが増加すると減少し、もっと完全な燃焼になることを示している。第３１ｆ図は、ＩＭＰが増加すると、完全な燃焼が増し、燃料がより少なくなることで、ＧＩＭＥＰが増加することを示している。第３１ｇ図は、ＩＭＰが増加すると、部分的にもっと完全な燃焼になることで、全体の熱効率が上昇することを示している。第３１ｈ図は、ＩＭＰが増加すると、明らかにもっと完全な燃焼になることで、ＦＳＣＯエミッションが減少することを示している。第３１ｉ図は、ＦＳＮＯｘエミッションは、ＩＭＰでほとんどに影響しないことを示している。第３１ｊ図は、ＩＭＰが増加すると、ＧＴＭＥＰの変化係数（ＣＯＶ）が減少することを示している。第３１ｋ図は、ＩＭＰが増加すると、ＰＣＰが増加することを示している。第３１ｌ図は、ＩＭＰが増加すると、予測する雑音が増加することを示している。第３１ｍ図は、ＩＭＰが増加すると、ＧＩＭＥＰのより少ない増加がＰＣＰのより大きい上昇を起こすことを示している。この影響は、ＩＭＰ増加して起こるより早いＳＯＣによる。
１つの研究が、圧縮行程のＢＤＣの圧力を変えた。この研究は、１４．５の圧縮比、１２００ｒｐｍのエンジン速度、３８９ＫのＢＤＣ圧縮温度、０．３２８５の当量比、及び熱伝達無しで行った。使った燃料はプロパンであり、ＢＤＣの圧力は変え、すべての他のパラメーターは一定に維持した。この研究はＢＤＣの圧力が増加すると、ＳＯＣが早くなることを明らかにした。さらに、Ｐ＝１．７５ｂａｒより大きいＢＤＣ圧力に対しては、実質的にすべての燃料エネルギーが放出されたが、ＢＯＤ圧力が１．７５ｂａｒより低い場合には、燃料エネルギーの１０%未満が放出された。これは、燃焼が圧力の変化に非常に敏感であることを示している。非常に低い圧力では、わずかの燃料が燃え、ＦＳＨＣエミッションを高くする。このような低い温度では燃料が燃えていないので、一酸化炭素は生成しない。圧力が増加し（ＩＭＴを一定に維持する間）、燃料の燃える割合が高くなり、一酸化炭素の生成が減り、ＦＳＨＣが低くなる。ある限界値以上で、燃料がすべて完全に燃え、ＦＳＨＣとＦＳＣＯのエミッションは極めて低くなる。ＢＤＣ圧力のわずかな変化がピークサイクル温度（ＰＣＴ）の大きな変化を起こします。シミュレーションによると、ピークサイクル圧力（ＰＣＰ）が低いときに、燃料は燃えない。したがって、等エントロピー圧縮で圧力はピークに達する。圧力が増加すると、燃料エネルギーの放出される割合が高くり、シリンダ圧力を等エントロピー圧力以上に上昇する。圧力がさらにあがると、燃料エネルギーのすべてが、放出され、さらに圧力の増加が等エントロピー効果によるＰＣＰを増加する。
ＩＭＰを変化することは、明らかに燃焼のＳＯＣと継続時間を制御する有効な方法になる。ＩＭＰを増加すると、放熱の継続時間を減少している間のＳＯＣを進める傾向がある。その上、ＩＭＰを減少することは、放熱の継続時間を増加している間、ＳＯＣを遅らせる傾向がある。典型的な応用として、トルクが一定の条件で燃料の流れの率は事実上一定であり、ブースト圧力を増加して燃焼の開始を早めるか、ブーストを減少して燃焼の開始を遅らせる。例えば、空気コンプレッサ、ターボチャージャ、エンジンの力を増大するときに駆動するスーパーチャージャ又は電気で動力を供給するコンプレッサに使うことができる。与えられた動力のレベル、従って与えられた燃料流量で、典型的な望ましい吸気圧力と温度がある。負荷が非常に低いと、現行の製品の火花点火エンジンで吸気圧力を制御しているのと同じ方法で、スロットル５３（第１ａ図）で吸気マニホールド圧力を制御したいことがある。スロットル５３は、後で記述する火花点火モードでマルチモードＰＣＣＩエンジンを操作する時にも使うことができる。当然、スロットルは代わりに、吸気マニホールドの中のように、吸気システムの他の位置に置くことができる。
混合気自己着火特性
燃焼の開始と期間を制御するための別の方針は、混合気自己着火特性を変えることである。混合気自己着火特性は、気体、たとえば空気、酸素、窒素、オゾン、二酸化炭素、排気ガスなどを、望ましいのは使用しているポートである吸気システムに、例えばインジェクタ４２、又は直接使っているシリンダに、例えばインジェクタ４０のどちらかに、空気又は空気と燃料の混合物に、噴射して制御することができ、これによって燃焼の開始と燃焼率の制御ができる。
出願人は、燃焼プロセスの空気と燃料の混合物に反応の種を混合気に付加する効果を試験した。１つの研究は、燃料として０．３の当量比率０．３、ＢＤＣの温度３８９Ｋ、ＢＤＣの圧力３ｂａｒ、及び燃料のプロパンで行った。圧縮比は１４．５で、エンジン速度は１８００ｒｐｍである。使用したエンジンの結合構造は、Ｃｕｍｍｉｎｓ Ｃシリーズ・エンジン用である。窒素・酸素及び燃料のモル比率は、どの場合にもそれぞれ０．７７１、０．２１６、及び０．０１２３で一定にした。付加した反応の種のモル分は、どの場合も０．０００４１１である。試験した反応の種は、Ｈ2、Ｈ2Ｏ2、ＯＨ、ＣＯ、Ｏ、ＨＯ2、Ｈ、及びＯ3である。第３２図に温度対クランク角度を示す。ＣＯとＨ2は、クランク角度０．５未満までＳＯＣを進めるけれども、他の種はすべてＳＯＣをかなり進めて、Ｏ3（オゾン）を添加するとＳＯＣは最も大きい変化を起こす。従って、たいていの一般的な基の低い濃度で、ＳＯＣはかなり変化する。
従って、出願人は、極めてわずかのオゾンを添加するとＳＯＣをかなりの量まで進めることを明確にした。出願人は、オゾンは事実上すべてが燃焼プロセスで消費されて、ＳＯＣの変化は添加するオゾンの量が増加すると減少することも示した。特に、第３３図は、ＳＯＣの進みへのオゾンの添加の影響を示す。温度の上昇は燃焼事象の開始を示す。
ＳＯＣに添加したオゾンの効果が有効であると、ＰＣＣＩエンジンでの燃焼を有利に制御するためにいろいろな手段でオゾンを使用することができる。第１に、吸気ポートに異なる量のＯ3を添加して、１個、数個又は全部のシリンダのＳＯＣを調整することができる。第２に、吸気へＯ3を添加すると、ＰＣＣＩ及びディーゼルエンジンの低温スタート剤に使うことができる。第３に、エンジンの排気にＯ3を添加すると、早く点火できる触媒になり、触媒を装備している火花点火エンジン、ディーゼルエンジン、及びＰＣＣＩエンジンの低温スタートエミッションを多分有効に減少する。Ｏ3は、装置を搭載して簡単な電気化学反応で、生成することができる。オゾン発生装置は商業的に利用できる。ディーゼルエンジンの点火の遅れも、吸気にＯ3を添加して減少することができる。これで、予混合給気の燃焼の残りが減り、ＮＯｘのエミッションが少なくなり、音が小さくなった。
出願人は、酸素濃度を上げるとＳＯＣが進むことを示した。ところが、出願人は、酸素濃度を２０．７パーセントから２１．６５パーセントに上げると、１クランク角度未満までＳＯＣを進め、酸素濃度を２０．７パーセントから２３．７パーセントまで上げると、１．５クランク角度未満にＳＯＣを進める。従って、燃焼は、吸気空気の酸素濃度を変えて、程度を制御できる。これは、酸素（又は、酸素を増やしたガス混合物）を吸気に添加するか、窒素を吸気空気から選んで除去して（例えば、膜を使う）行うことができる。出願人は、１８００ｒｐｍで、吸気の窒素の割合を７８．６パーセントから８０．６パーセントに増加すると、１８００ｒｐｍで２クランク角度未満までＳＯＣが遅れることを示した。新鮮な吸気のＮ2を同じ割合で増加すると、ＦＳＮＯｘを燃料のｋｇあたり．１４４グラムから．０４８グラムに下げることも注意を要する。
燃焼プロセスへの酸素の影響を変える別の方法は、ＥＯＲによって混合を希釈することである。１つの研究で、エンジンのＥＧＲシステムの排気マニホールドからコンプレッサ入り口へ配管をした。ＥＧＲは後置冷却器の上流で混合され、現在の研究では、後置冷却器出口温度は制御して、固定するので、ＥＧＲはＳＯＣでの温度に余り影響しないだろう。ＥＧＲ率が増加すると、排気マニホールド圧力は減少し、それで、順にターボチャージャ付きのエンジンの気流を減少する。燃料率は一定に保たれて、従って、新鮮当量率は増加する。当量率が増加しても、最もありそうなＢＧＲの希釈効果で、ＥＧＲ率が増加するので、ＳＯＣは遅れる。予期するように、ＥＧＲ率が増加するので、ＳＯＣが遅れる。ところが、ＥＧＲ率が増加するので、ＣＯとＨＣ放出も増加する。さらに、ＥＧＲ率が増加するので、シリンダの間のＳＯＣの中の間隔が増加する。同様な研究で、ＳＯＣはＩＭＴを調整して一定に維持する。ＥＧＲ率を増加すると、排気マニホールド圧力は減少し、順に気流を減少する。燃料率を一定に維持し、当量率を増加する。さらに、ＥＧＲ率が約７%から１３%まで増加すると、ＳＯＣのシリンダの変化に対して、シリンダ内の急峻な上昇がある。最終的に、当量率が増加してもＥＧＲ率が増加するので、ＳＯＣを一定に維持するのより高いＩＭＴが必要である。この要求は、吸気空気に増加するＥＧＲの希釈効果による。
燃焼のＳＯＣと継続時間を制御するために混合気の自己着火特性を改良する別の技術は、供給するオクタン価、メタン価又はセタン価を変えることで、たとえば異なるオクタン価、メタン価又はセタン価の燃料を２種類以上供給する。燃料の供給は燃料を選んで切り替えるか、燃料を混合することでできる。この技術で、それを行って、燃焼を遅らせたり、進めたりできる。たとえばもっと簡単に自動的に点火する傾向のある燃料（低いオクタン価又はメタン価、または高いセタン価）を、容易に自己着火しない傾向の燃料と混合して調整し（又は高温で点火する燃料と低温で点火する燃料を使用することができる）、燃焼事象中の燃焼室にある燃料の割合を変えて、点火のタイミングと燃焼の率を直接制御することができる。第３４図に示すように、プロパン、オクタン、ヘプタンはＳＯＣへの影響がかなり異なる。同じ効果は、燃料の自己着火特性を変えて燃焼の開始を進めたり、遅らせるエンジン潤滑油のように、プロパン、エタン、又は他の炭化水素のような燃料添加剤で実現できる。当然、燃料のオクタン価、メタン価格又は燃料の活性化エネルギーを変えるどのような方法を使っても、燃焼を進めたり、遅らせたりできる。出願人は、燃焼の開始に重要な感度が、オクタン価にあること明確にした。この効果は吸気マニホールド温度には左右されない。さらに、１つの研究では、オクタン価が８０から１００に増えると、燃焼の開始は約７°進む。
マルチシリンダＰＣＣＩエンジンの個々のシリンダの燃焼のダイナミック制御は、燃焼の改善を実現するのに重要となる。これまでガス及び流体、燃料、オゾン、オイル、水などを検討し、ＳＯＣ及び／又は燃焼の率にかなり影響することを示したので、このような添加剤をＰＣＣＩの原理で運転しているマルチシリンダエンジンのシリンダ間の燃焼を都合よく平衡するのに使用できる。たとえば、反応性の低い燃料、水、冷却しない排気物又は冷却した排気物、空気及び／又は窒素、液体又はガス希釈剤を、吸気又はシリンダの供給に直接注入して、ＳＣＯを遅らせることができる。さらに、たとえば、もっと反応性の高い燃料、オゾン、オイル及び／又は酸素を供給中に噴射して、ＳＯＣを進めることができる。第１b図に、マルチシリンダエンジンのシリンダの間の燃焼の平衡を取るシステムの１つを示す。このシステムは、１つのシリンダ当たり２方式の供給、液体燃料を注入する供給部３２とガス燃料を注入する供給３４、を行うエンジンに燃料の部分注入を使用する。供給部３２と３４は吸気ポートへの供給に単一な経路で供給しているが、供給は、異なる位置の吸気部に接続した別々の吸気経路で供給してもよい。液体燃料は液体燃料の蒸発の熱によって吸気温度を下げる。ＴＤＣ圧縮での温度、従ってＳＯＣは液体対気体燃料の量を変えて、制御できる。さらに、液体がポート内又は圧縮中に蒸発しても、問題にすべきでない。ガス燃料と液体燃料は違った状態の同じ燃料、それはプロパン又は違う燃料、インドレンのようなガス状の天然ガス及び液状のガソリン、である。部分注入システムはシリンダ間の分離がよく、順次注入（吸気のタイミングを取る）を求めやすい。運転中に、燃焼の止まるようなシリンダにはもっとガス状の燃料を供給し、燃焼し過ぎるシリンダにはもっと液状の燃料を供給する。この方法を使用すると約２０度の温度差を実現できる。点火し難い燃料、高いオクタン価の燃料、を供給している間に、１つに潤滑油又はオゾンを供給して、混合物に入っているオイル又はオゾンの量を変えてＳＯＣを効果的に制御することができる。エンジンの潤滑油の供給又は運転中にエンジンで生成するオゾンを使用して、さらに燃料や添加剤を供給するのを避けることができる。
当量比
出願人が示したもう一つの制御の変形を、燃焼開始（ＳＯＣ）と燃焼時間を効果的に制御するのに使用でき、放熱率は、混合気の当量比φである。当量比は、理論的空燃比（＜１の場合、燃料不足、＞１の場合、燃料過剰）により割られた空燃比と等しい。予混合給気圧縮点火（以下ＰＣＣＩと称す）エンジンでは、急速な燃焼が高い騒音を誘発し、効率と高ピークシリンダ圧を下げるので、燃焼速度を落とす必要がある。異なる温度及び／又は当量比を、点火点あるはその近くでの空気と燃料の吸気全体を通して達成することができ、その結果、燃焼速度を下げることができ、有利に燃焼時間を伸ばすことができる。当量比を、対応する吸入空気流量を増大させないで、シリンダへの燃料の流量を増大させるか、または吸入空気流量を減少させることで、増大させることができる。当量比を、対応する吸入空気流量を増大させないで、シリンダへの燃料の流量を減少させるか、または吸入空気流量を増大させることで、下げることもできる。燃料制御バルブ３９、４１及び／又は燃料インジェクタ３５、３６を、公知の方法で操作することで、シリンダーに投入される燃料の流量を変化させることができる。空気の流量の変化は、例えば、コンプレッサ２４を制御してブースト圧力を変化させることで達成できる。
当量比の下限を試験するために、出願人は、エンジンの研究を実施して、極端に希薄な混合気で、許容できるＰＣＣＩ燃焼を得ることができるかどうかを決定した。結果は、約３０度の放熱持続時間を得ながら、極端に希薄な当量比の０．０５で、非常に安定した燃焼を達成できることを示した。また、図３５と３６の中で示されている通り、結果は、当量比が増大するにしたがって、即ち混合気がリッチになるにしたがって、燃焼開始の進みとまた明かな放熱持続時間が、減少することを示した。出願人は、図３７の中で示されている通り、シリンダ温度が、上昇すると、放熱事象を呈することを明らかに示した。更に図３８を引用して、明かな放熱持続時間は、当量比が減少するにしたがって、即ち混合気が希薄になるにしたがって、長くなる。また、出願人は、四行程エンジンに対して、当量比がリッチになるにしたがって、ピークのシリンダ圧とＧＩＭＥＰが増大することを示した。二行程エンジンに関しては、出願人は、当量比が増大するにしたがって、ＧＩＭＥＰが増大すると結論を下した。
研究が、当量比が、ＰＣＣＩ燃焼での燃やされた燃料の量に影響するかどうかを調査するためにまた行われた。結果は、当量比が、リッチなるにしたがって、燃料エネルギーのパーセントが、明かな放熱が増大するとともに上昇し、８０％近くで横ばいになることを示した。この数字は、熱伝導のために絶対に１００％に達しない。排気に関しては、当量比がリッチなるにしたがって、燃料固有炭化水素のエミッションは、減少する。更に、当量比がリッチなるにしたがって、平均騒音レベルは増大し、ＧＩＭＥＰが増大する。当量比が、リッチになるにしたがって、平均ノック強度は、増大する。当量比が、リッチになるにしたがって、ＧＩＭＥＰ変化係数（ＣＯＶ）によって計測された通りのサイクルからサイクルの燃焼変化は、一般的に減少する。事実、研究条件に対するＧＩＭＥＰのＣＯＶは、限度より上のＣＯＶが、容認できない安定性を示すものとして、燃焼安定限度（この場合５％と規定されている）以下で安定した。
当量比の変化が、ＰＣＣＩ燃焼での熱効率に影響を与えるかどうか決定するための研究が、実施された。当量比研究は、速度、ＩＭＴ（吸気マニホールド温度）、ＩＭＰ（吸気マニホールド圧）、エンジンオイル温度、またエンジン冷却水温度の諸パラメータを整合させながら実施された。当量比は、空気の流量を一定に保ち、エンジンへの燃料を増加させることで増大した。燃料の流量が増加し、当量比がリッチになるにしたがって、総体的に、熱効率は、当初上昇し、最終的に横ばいになった。エンジンの作業出力は、より大量の燃料が燃焼させられるので、増大した燃料の流量に比例して増大した。希薄な当量比では、著しい量の燃料が燃焼させられないで残った。リッチな当量比では、燃焼させられる燃料は、上記のとおり横ばいとなり、総体的に、熱効率は、エンジンの出力が追加の燃料投入で相殺されるので、横ばいとなる。
更に、圧縮行程の下死点から膨張行程のＢＤＣまで運転されるエンジンのサイクルでエンジンの研究が実施された。研究は、圧縮比１４．５：１、回転速度１２００ＲＰＭ、ＢＤＣ圧縮温度３８９Ｋ、ＢＤＣの圧力４．３１ｂａｒ、と熱伝導無しを使用して実施された。使用された燃料は、プロパンであった。当量比は、他の全てのパラメータを一定に保たせる一方で、変化させられた。発生するエネルギーのパーセントが、当量比が、０．１５以下に下がると、徐々に先細りとなることが発見された。このデータは、与えられた温度と圧力に対して、完全燃焼する混合気の当量比に対して、より低い限度があることを示している。また、当量比が、０．１５以下で、ＦＳＣＯ（燃料固有一酸化炭素）の排気が非常に高いことが示された。このデータは、この温度と圧力に対するこの低い当量比での少量の燃料でも完全燃焼することを示している。更にＦＳＨＣ（燃料固有炭化水素）は、当量比が、０．０５から０．４に変化すると、やや減少する。従って、大部分の燃料は、当量比に無関係に反応する。ＳＯＣ（燃焼開始）が、当量比が、増大するにしたがって、より早く起こることが示された。研究は、ピークシリンダ圧力（ＰＣＰ）が、当量比が、発生させられる取り込み可能なエネルギーの量が増大していることを示して、増大するのにしたがって、徐々に上昇することを示した。０．１８と等しいかそれ以上の当量比では、実質的に、全ての取り込み可能な燃料エネルギーが発生し、当量比が増大するのにしたがって、ＰＣＰのほぼ直線的な増大をもたらす。
出願人は、必ずしも好ましいことではないが、ピークシリンダ圧力限度を過剰になることから予防するために、ＩＭＰとＩＭＴが、充分に低くあれば、ＰＣＣＩ燃焼を、非常にリッチな当量比、例えば０．５に維持することが可能ではないかとの決定を下した。このようなリッチな当量比で、低いシリンダ圧を維持するのに必要な低いブーストとＩＭＴレベルでエンジンを始動させることは、非常に困難である。非常に早められた放熱、大きな音のノック、と燃焼の粗さは、この条件での運転を好ましくないものとする。燃焼開始（ＳＯＲ）を遅らせるためのより低い燃焼速度（ＣＲ）で、これらの面を改善することが可能である。
また吸気層状化のレベルを変化させることで、温度と当量比配分、燃焼速度及び／又は燃焼開始を、制御できるように変化させることができる。補助燃焼室概念を、望ましい層状化を達成し、該方法で、燃焼開始を、より良好に制御できるようにするための機構とすることができる。例えば、一般的に、間接噴射（ＩＤＩ）を有する小型エンジン、また天然ガス燃料を使用する大型の火花点火エンジンに使用されている従来の補助燃焼室設計を、使用することができる。
ＰＣＣＩ燃焼に最適な好ましい希薄な条件で運転するために、かなり大量の空気の流量を吸気マニホールドに設けなければならない。ターボチャージャは、マルチシリンダＰＣＣＩエンジンに必要な空気の流量を供給できる。出願人の当初の目標は、０．４０またはそれ以下の当量比に到達することであっった。図３９を引用して、出願人は、当量比０．２９と等しいかそれより希薄な運転が、実現可能なターボチャージャのコンプレッサ圧限度を侵すことを示した。出願人は、タービン圧比が、希薄な当量比で非常に高いという結論を下した。その結果、排気マニホールド圧は非常に高く、大きなＢＳＦＣ（正味燃料消費率）の不利が生ずる。ＰＣＣＩにより作り出される比較的低温の排気温度のために、非常に小さなタービンケースが必要であり、その結果非常に高いマニホールド圧を生ずる。
出願人は、当初の目標よりやや希薄な条件の下で運転することが好ましいという結論を下した。０．４以下の当量比では、圧縮比と排気マニホールド圧比を減らし、より小さなタービンのケーシングが使用されが、図４０の中に示されているとおり、高いＢＳＦＣ（正味燃料消費率）の不利の代価を支払わされた。図４１と４２は、より小さいタービンケーシングとより高いＢＳＦＣによる高いＰＭＥＰロスを図示している。またより小さなタービンケーシングで、ローター速度は非常に高く、事実、図４３の中で見られるように、ローター速度の限度の近くである（ローター速度限度は１２０−１２５ｋ  ｒｍｐの範囲）。出願人は、高い背圧とローター速度限度への到達から発生するロスのために使用されたタービンケーシングのサイズにより低い限度があることを発見した。
背圧と空気の流用を制限するローター速度制限によるこの問題を避けるために、一つの可能な解決は、ターボチャージャと共に機械的に駆動されるスーパーチャージャを使用することである。スーパーチャージャは、ブーストを作り出すためのタービンの負担を軽くするためにコンプレッサの上流となる。一部のＢＳＦＣ（正味燃料消費率）の不利は、スーパーチャージャにより吸収されるシャフトの運動により引き起こされるが、ＢＳＦＣ（正味燃料消費率）の不利は、非常に小さいタービンにより引き起こされる非常に高い不利より小さい。スーパーチャージャが機械的にシャフトにより駆動されるので、所望の空気の流量を入手するのに問題は、無い。タービンのサイズは、従って、やや大きく、該タービンは、速度の限度に達せず、また極端に高い背圧を有しない。
出願人は、燃焼開始に対するエンジン速度の影響を決定した。自己着火の時間は、温度と圧力の経過に左右される。エンジン速度を変えることで、これらの経過は、変えられる。エンジン速度を減らすことで、燃焼事象を進め、またエンジン速度を高めることで、燃焼事象を遅らせることが可能である。具体的には、エンジン速度を１０００から１７５０に７５％高めることで、また燃焼開始温度を２．８％高める。更に、エンジンの速度を７５％高めることで、放熱期間を０．８１ｍｓ（たった２３％の短縮）短縮し、該期間は、１．７クランク角度（たった８％の増大）の放熱期間に相当する。燃焼開始に対するエンジン速度の影響が最少であり、多数の実用のエンジンで効果的に速度を変えることが不可能であると仮定して、エンジン速度は、効果的な燃焼制御の一つの方策であるとは見なされない。しかし、エンジン速度を燃焼制御に利用することができるという一つの例として、エンジンが発電機またはオルタネータを駆動する応用がある。
上記に解説されているとおり、ここまでの諸方式は、燃焼開始と燃焼時間を制御して、最適なＰＣＣＩ燃焼を達成するのに使用される。効率の重要な成果の一つである、最適の燃焼は、削減されたエミッションを意味する。出願人は、ＰＣＣＩエンジンが、出願人が、ディーゼルと天然ガスエンジンを使用して今まで立証した他のいずれの窒素酸化物エミッションレベルより大幅に低く、また将来のエミッション基準（図４４）より大幅に低い窒素酸化物エミッションレベルを達成できることを示した。燃料としてのプロパンの使用は、ディーゼル燃料及びガソリンと比較して窒素酸化物のエミッションを最低とする。
出願人は、ＰＣＣＩエンジンのエミッションに対する諸制御と他の要因を決定した。エンジン速度は、窒素酸化物のエミッション量に殆ど影響を及ぼさない。エンジンの速度を約７５％高めることで、ＦＳＮＯｘ（燃料固有窒素酸化物）が３倍となるが、それでも、作り出される窒素酸化物エミッションのレベルは、極端に低い。また当量比がリッチになるにしたがって、燃料固有窒素酸化物は、一般的に増大するが、それでも極端に低いレベルのままである。図４５を引用して、出願人は、エンジン速度が、ＦＳＣＯ（燃料固有一酸化炭素）とＦＳＨＣ（燃料固有炭化水素）のエミッションにより大きく影響を与えることが明白であるという結論を下した。図示されてるとおり、一定の臨界速度以下では、実質的に、全ての燃料は、燃焼し、ＦＳＨＣとＦＳＣＯエミッションは、低い。該臨界点を超えたところでは、燃料は部分的にしか燃焼せず、その結果、ＦＳＣＯは、より高くなる。エンジンの速度が、引続き上昇するにつれて、燃焼する燃料のパーセンテージは、下がり続け、その結果、ＦＳＣＯのエミッションは、より低くなる。これらのエミッション量は、また下死点（ＢＤＣ）での温度の変化につれて、変化する。図４６を引用して、非常に低温点では、燃料は、殆ど燃焼しないので、その結果、ＦＳＨＣエミッションは、高めに導かれる。如何なる燃料も、これらの低温では、燃焼しないので、如何なる一酸化炭素も、作り出されない。温度が、上昇するにつれて、燃料の燃焼パーセンテージは、高くなり、一酸化炭素の発生は、増大し、燃料固有炭化水素は、低くなる。最後に、一定の臨界点を超えたところでは、全ての燃料は、完全燃焼し、結果として、非常に低い燃料固有炭化水素と燃料固有一酸化炭素のエミッションを招く。事実、図４７の中で示されているとおり、出願人は、１６００Ｋを超える燃焼炎端部温度の全てのデータ点が、許容できる一酸化炭素のエミッションであったことを示した。高温と水酸基（ＯＨ）の双方が、好ましい一酸化炭素の酸化にとって、重要であることが示された。注目すべきことは、排気の中の二酸化炭素の濃縮が、増大する一方で、当量比がリッチになるにしたがって、燃料固有一酸化炭素が、減少することである。一つの研究の中で、当量比が＜０．２の所で取り上げられた全ての点では、一酸化炭素のエミッション量が、アメリカ環境保護局（ＥＰＡ）の限度を超える現象があった。
当量比が、リッチになるにしたがって、燃料固有炭化水素は減少する。言うまでもなく、未燃焼炭化水素（ＵＨＣ）を減らすことがＰＣＣＩエンジンの実用化に必要不可欠であるので、該ガスが、ＰＣＣＩエンジンにとって最重要事項である。出願人は、未燃焼炭化水素と一酸化炭素が、燃焼室を形成している構成部品の中にある、即ちピストンとライナーの間のトップリングの上、シリンダヘッドとシリンダライナーの間、とまたシリンダヘッドに取り付けられた構成部品の回りの、小さな隙間で形成されるという結論を下した。これらの隙間は、隙間の中の混合気の温度を、炭化水素の燃焼と一酸化炭素の酸化に達するのに必要なだけ高めることを妨げる。例えば、出願人は、異なる隙間の容積を有する同様のピストンが、異なる未燃焼炭化水素レベルを作り出す現象があることを示した。本発明のＰＣＣＩエンジンを、未燃焼炭化水素を最低限に抑えるための複数の設計の一つで構成させることができる。隙間を最低限度に抑える本発明の設計で、隙間の容積を小さくすることができる。即ち、燃料を現行の隙間から引き離すか、または隙間に存在する混合気容量を、適切に燃焼させるようにすることである。図４８ａと４８ｂの中に示されている該設計は、ポートが付いた二行程エンジンで、最も簡単に実施できる。図４８ａを引用して、一つの実施形態の中で、エンジンは、２個別々のものを使用できるが、単体のヘッドとライナーの組み合わせたもの３００を有している。トップリング３０２（上死点で）の丁度上で、ボア（３０４）は、大きくなって、ピストン３０８のトップランド３０６の回りの隙間を除去している。シリンダヘッドの中には、バルブもガスケット等も無い単体であるので、全く隙間が無い。
図４８ｂを引用して、隙間を最小限度に抑える設計の第２実施形態を、単体のヘッドとライナー３１０で構成させることができるが、この実施形態の中では、ピストン３１２は、大きな切込み３１４を有し、該形態により、トップランドとライナーの間の隙間容積３１６を拡大する最上のピストンランドが形成されている。隙間容積３１６は、この領域での急速冷却が起こらない程大きくなり、従って、この容積の燃料を燃焼させて、その結果、未燃焼炭化水素を削減させることになる。図４９は、更に、エンジンのシリンダヘッド３２２の中に形成されているカップあるは室３２０から成るもう一つの実施形態を示している。燃料インジェクタ３２４は、圧縮行程の初期に直接カップ３２０に燃料を噴射させる位置にある。空気が、カップ３２０に押し込まれるので、燃料は、カップから逃げない。圧縮点火が起こった後で、ガスは、カップ３２０と主シリンダ３２８の間の比較的大きな通路あるはスロート３２６を経由して通過することができる。燃料は、空気の渦がカップに流入するので、充分混合される。カップの中に隙間が全く無く、また燃料が、燃料が完全に燃焼するまでカップから逃げないので、未燃焼炭化水素は、極端に低い。該カップは、熱損失を削減するために、熱バリヤー層で容易に覆うことができる。
図５０ａと５０ｂは、四行程エンジンのためのカップの設計を図示している。排気と吸気バルブ３３０は、ヘッド３３４の中のカップ３３２の回りに配設されている。図５０ａの中に示されているとおり、カップ３３２の位置を、燃焼室３３６のすぐ上にするか、または図５０ｂの中に示されているとおり、ずらして、バルブ３３０のための空間を大きくすることもできる。もう一つの可能性は、カップの上の小さな補助バルブで構成させ、ガスをカップからより効率的に逃がすことができるようにすることである。該バルブは、主排気バルブが、開いた後で開き、該カップの中の該補助排気バルブは、高圧に抗して開かないようになっている。この場合、補助排気バルブを、電子制御とすることができる。このバルブの開閉のタイミングを、残留質量微粒子を変化させて、該補助バルブを利用して燃焼開始を制御できるようにするのに使用することができる。また、本明細書の上記で解説されているとおり、対向ピストンエンジンを使用して、シリンダーヘッドと関連する隙間を避けることにより、隙間容積を著しく削減することができる。
ここで、図１ａを引用して、エミッション削減のための本発明のもう一つの実施形態を、開示する。具体的には、この実施形態では、シリンダライナー４９の上部を加熱して隙間の中の吸気の酸化を起こすことで、未燃焼炭化水素と一酸化炭素の制御を行う。加熱器５１が、ライナーの上部に組み込まれている。該加熱器を、電気抵抗加熱器のような有効に熱を発生させることができるタイプの加熱器とすることができる。該加熱器は、ピストンが上死点に近付いたとき、トップリングの上の隙間の中のガスを加熱する。該加熱で、ガスの密度を減らし、その結果、間隙の中に残留する吸気の質量を少なくすることができる。隙間から逃れる吸気は、加熱によりより高い温度であり、その結果、吸気が反応して、一酸化炭素または未燃焼炭化水素の代わりに二酸化炭素を形成する傾向を高める。
また、グロープラグを使用して燃焼ガスを加熱して、隙間の容積の大部分を燃焼させることで排気を減らすことができる。出願人は、グロープラグが、燃焼開始にわずかの影響しか与えないという結論を下した。グロープラグをオンにしたとき、燃焼開始がわずかしか変化しないので、グロープラグが、燃焼の発起を起こさないことことは明かである。スペーサプレートの中にあったグロープラグがオンとなるとき、該プラグが、隙間の容積の中のガスを暖めることは、ほぼ確かである。該温度上昇は、急速な燃焼の開始を早め、グロープラグを点火しないときより多量の燃料を燃焼するのに充分であり、その結果、ＧＩＭＥＰをやや上げる。
図１ａと１ｂの中に示されている本発明のエンジンを、マルチモードエンジンとして運転させ、運転条件または特定の応用に基づいて運転モードを変えることができる。例えば、単なる従来のディーゼルとして、圧縮事象が、従来のディーゼルエンジンより早期に噴射されるディーゼル燃料による改造されたディーゼルエンジンとして、点火プラグ５６（図１ａ）を使用する火花点火エンジンとして、またはＰＣＣＩエンジンとして、ディーゼル燃料で運転させることができる。該タイプの火花点火／圧縮点火ＤＩ（直噴）の可変圧縮比エンジンで、低い排気、高い出力密度と容易な始動の組合せを作ることができる。
該エンジンは、直面している運転条件／エンジンのニーズに従って、次の異なるモードで運転される：
１）中間圧縮比（〜１０：１）、早期噴射（燃料が吸入行程の間か、圧縮行程の非常に早期に噴射される）、ほぼ均一：
ａ）全般的な希薄な混合気、火花点火−窒素酸化物を低め、正味平均有効圧力（ＢＭＥＰ）を高め、同時に中間ＢＭＥＰ運転を行うことができる。
ｂ）理論的混合気、火花点火−窒素酸化物を低め、正味平均有効圧力（ＢＭＥＰ）を高め、同時に、三元触媒で低い窒素酸化物運転ができる。
２）高圧縮比（〜１５：１）、早期噴射、ほぼ均一、非常に希薄（φ＜０．５）、圧縮点火、非常に低い窒素酸化物で、中間ＢＭＥＰと低ＢＭＥＰ運転ができる。
３）高圧縮比（〜１５：１）、遅延噴射、層状吸気：
ａ）火花点火−中間窒素酸化物、スロットルを開いた運転の中間ＢＭＥＰ、と低いＢＭＥＰ運転ができる。
ｂ）圧縮点火−中間窒素酸化物、スロットルを開いた低いＢＭＥＰ運転ができる。
４）低圧縮比（〜８：１）、早期噴射、ほぼ均一、火花点火：
ａ）希薄燃焼−非常に高いＢＭＥＰ運転ができる。
ｂ）理論的燃焼−非常に高いＢＭＥＰ運転ができる。
５）中間圧縮比（〜１０：１）、遅い噴射、層状吸気、火花点火−中間の窒素酸化物、中間と低いＢＭＥＰと、ＢＭＥＰができる。
６）非常に高い圧縮比（〜２０：１）、希薄燃焼、早期噴射、ほぼ均一、圧縮点火−ＰＣＣＩモードでエンジンを始動させることができる。
ここで鍵となることは、可変圧縮比の利点の全てを活用することである。エンジンの始動を、低い圧縮比で火花点火させてから、高圧縮比、低い窒素酸化物のための希薄なＰＣＣＩ運転に遷移させることで達成させることができる。より過酷度の低い（例えば、寒くない）条件下では、エンジン始動を、高い圧縮比のＰＣＣＩ運転で達成することができる。低い負荷と中間の負荷では、圧縮比が、最適なクランク角度の近くでの燃焼開始を維持するように調整されるので、該エンジンを、ＰＣＣＩモードで運転することができる。高い負荷に対しては、空燃比を、リッチにすることができ、圧縮比を低め、またエンジンをスパーク点かさせることができる。突然な遷移に対応するために、エンジンを傷めないで、よりリッチな空燃比が可能である遅い点火モードに入れるようにすることができる。
マルチモードエンジンの中では、ＥＣＵ（エンジン制御装置）（図１）は、該装置の制御戦略で、効果的に種々のモードの間で切り換を行い、種々の目的が達成できるように、種々の制御されたエンジンの特性を制御する役割を果たす。例えば、該マルチモードエンジンで、高い圧縮比または火花点火を与えることで始動性を高めながら、ＰＣＣＩモードで低い窒素酸化物のエミッションを達成できる。更に、該エンジンで、低い圧縮比の火花点火モードに切り換えて高いＢＭＥＰで高いシリンダ圧を達成することができる。また、該マルチモードエンジンで、圧縮比の急激な調整により、層化吸気を、結果として生ずる、遅い噴射に切り換えた後で、安定した燃焼を起させることができる。また燃料消費を、スロットルの絞りを必要とせず、めざましい熱効率を有する、高い圧縮、ＰＣＣＩ運転と層化吸気運転で、有効に制御できる。この運転で、またＰＣＣＩから遅い噴射、層化吸気から急激に混合気をリッチにすることによる遷移レスポンスを向上させることができる。また、マルチモードエンジンで、希薄ＰＣＣＩあるは層化吸気または低圧縮比、希薄燃焼（リーンバーン）あるは理論的条件で、効率的に運転することで、効果的にノック、とまた従ってノックによる破損を最小限度に抑えることができる。言うまでもなく、エンジンは、ＰＣＣＩ運転の間、例えば、本明細書の上記の中で解説されている通り、温度及び／又は当量比及び／又は混合気自動発火特性を変化させることで、燃焼開始を有効に制御するように運転される。該エンジンを、ガソリンまたはディーゼル燃料のような各種の燃料で運転させることができる。
もう一つの運転モードは、二重噴射であり、該モードの中では、ＰＣＣＩ運転のための希薄吸気を作るために早期噴射が、使用される。それから、第２の遅い噴射が、小量の層化された燃料を添加し、該燃料を、残りの燃料を点火するのを助けるために、点火させるか圧縮点火させることができる。該モードは、ディーゼルパイロット（誘導）運転に似ているが、異なる運転モードの間の遷移の期間、またはエンジン始動の間のみに使用される。出願人は、ディーゼルパイロット（誘導）運転のエミッションに対する効果を研究した。図５１は、プロパンで運転されているＰＣＣＩエンジンへの、三つの異なるディーゼルパイロット（誘導）噴射量に対する、標準放熱率対クランク角度の比較を示している。０．１％のマイクロパイロット（誘導）噴射で、計測できる燃料固有窒素酸化物の増大無しで、良好な放熱の配置が生じた。燃料エネルギーの約３．６％と見積られる量のディーゼルパイロット（誘導）で、ほぼ前の場合と同じ形の放熱カーブが生じた。燃焼開始は、ＩＭＴ（吸気マニホールド温度）が低く、当量比が一定であったにもかかわらず、１％の場合よりやや進められた。また燃料固有窒素酸化物エミッションは、０．１％の場合を超えて、０から３．９ｇ／ｋｇに増加した。最終のカーブは、ディーゼルパイロット（誘導）から来る〜１８％の燃料エネルギーの場合に対する放熱を図示している。放熱率カーブの形は、予混合燃焼スパイクと拡散燃焼領域を有する従来のディーゼル放熱率のカーブと同じである。また、燃料固有窒素酸化物（１５．３ｇ／ｋｇ）と燃料固有炭化水素（４７８ｇ／ｋｇ）は、小量のディーゼルパイロット（誘導）の場合より、著しく高い。
ディーゼルパイロット（誘導）に関して、該パイロットからの燃料エネルギーのパーセンテージが増えるにしたがって、燃焼開始（ＳＯＣ）は、ＩＭＴ（吸気マニホールド温度）が低く当量比が一定であったにもかかわらず、より進められる。この早期の燃焼開始は、プロパンより早いディーゼル燃料の自己着火により引き起こされる。パイロット（誘導）のパーセンテージが増えるにしたがって、圧縮行程の間に該パイロットにより作られる熱は、上昇し、サイクルの初期の温度上昇を招く。より高い温度は、プロパンを巻き込む化学反応速度を増大させ、よりプロパンの早期の自己着火を招く。従って、極端に低い窒素酸化物レベルと良好な放熱配置は、非常に小量、できれば全燃料エネルギーの４％以下のディーゼルパイロットあるはマイクロパイロットにより達成できる。
出願人は、またＰＣＣＩ燃焼に関連する騒音の制御を研究した。ＰＣＣＩ燃焼により作り出される騒音レベルは、ノックの強度に比例する。従って、ノックの強度が減るにしたがって、騒音も減る。図４ａ、４ｃと６の中に示されているとおり、例えば、燃焼開始を遅らせることによりシリンダ圧を下げることで、ノックの強度は、著しく減り、従って騒音も減る。本発明のエンジンと制御システムで、効率的で、低エミッションＰＣＣＩ燃焼と希望する出力に必要なシリンダ圧を維持しながら、極端なピークのシリンダ圧を避けることによる最低限度の騒音での連続的なＰＣＣＩ燃焼を行うことができる。
本発明の制御システムは、積極的にまた可変に混合気の温度、圧力、自己着火特性、とまた当量比を制御して、上死点前（ＢＴＤＣ）の２０クランク度と上死点後（ＡＴＤＣ）の３５クランク度の間で確実に燃焼事象が起こるように作動する。制御システムは、例えば圧力センサーのような燃焼センサーを使用して、各サイクルに対する燃焼開始あるい放熱事象の場所を送信することで、該機能を達成する。また、センサー１６から該信号を受信したエンジン制御装置（ＥＣＵ）２０は、予め設定されたクランク角度範囲内で燃焼開始を起こすかどうかを決定してから、燃焼時間が、希望するクランク角度の範囲内であるかどうかを決定する。最適の燃焼開始を決めるためのＥＣＵのための一つの従来の方法は、ルックアップテーブル（項目検索表）を使用することである。本明細書の上記で解説されてるとおり、燃焼開始、及び／又は燃焼時間は、予め設定されたクランク角度の外にあるので、エンジン制御装置（ＥＣＵ）２０は、適切な制御変数あるは諸変数決定して、調整してから、適切な信号２２を作りだして、選択された制御機構または諸機構、例えば、空冷装置２８、加熱器３０、グロープラグ４４、燃料制御バルブ３９、４１、可変圧縮比装置３８等に送信する。制御変数は、必要に応じて変化し、ＰＣＣＩ燃焼の開始のタイミングを、できれば上死点前（ＢＴＤＣ）の２０クランク度と上死点後（ＡＴＤＣ）の１０クランク度の間維持し、燃焼持続時間を、５−３０クランク度の範囲で維持する。
出願人は、エンジンのコールドスタートから、ＰＣＣＩ燃焼を発起させてから維持するために、シリンダの中の条件、例えば、温度及び／又は圧力に、積極的に影響が与えられなけれ燃焼器らないという結論を下した。例えば、吸気温度を、加熱器３０及び／又はグロープラグ４４、及び／又はエンジン冷却／潤滑オイル加熱器を使用して、引き上げることができる。また、シリンダ内圧力と温度を、可変圧縮比装置３８を使用して上昇させることができる。始動性を向上させるためのもう一つの有効な制御特性は、インジェクタ４２を使用して小量のオゾンを給入空気、またはインジェクタ４０を使用してシリンダの中に添加することである。代案として、または追加として、供給される燃料に、高い自動発火特性、例えば低オクタン価を持たせることである。また、エンジンを、非ＰＣＣＩ、例えば、火花点火、二重燃料またはディーゼルエンジンで、エンジン始動の間運転させることもできる。ＰＣＣＩ燃焼を起こさせるための該諸制御の一つまたは複数の組合せは、各制御特性に関する本明細書の上記で解説された原理により、それぞれ異なる。エンジンが始動すると、エンジン制御装置（ＥＣＵ）は、燃焼開始と燃焼時間を、燃焼データ、例えば、センサー１６からの圧力信号をエンジンの運転中受信することでモニターする。
エンジンが、一旦ウォームアップされた後では、燃焼開始と燃焼時間は、ＰＣＣＩ燃焼の温度と圧力経過により異なる。温度と圧力経過に影響を与える，燃焼室壁、ＩＭＴ、当量比と燃焼時間のような複数の要因の僅かな違いで、燃焼開始と燃焼時間に大きな変化が生ずる。運転中に、本発明の制御システムは、上記に解説されている種々の制御機構を利用して、燃焼開始と燃焼時間を希望する範囲内に維持する方法で、一つまたはそれ以上の変数、即ち、混合気自己着火特性及び／又は当量比を変化させる。例えば、出願人は、図８の中に示されているとおり、燃焼開始を、吸気マニホールド温度（ＩＭＴ）を華氏１８４から１９５度に上昇させることで、５度の上死点後（ＡＴＤＣ）から０．５度の上死点前（ＢＴＤＣ）進めることができることを示した。出願人は、また、シリンダ内温度を上昇させる燃焼率の増大を、燃焼開始の進めに利用できることを示した。例えば、図２１は、当量比が、０．３５で、吸気マニホールド温度（ＩＭＴ）が３８０Ｋであったときの燃焼率の１４：１から２２：１への増大が、燃焼開始を２度の上死点後（ＡＴＤＣ）から１３度の上死点前（ＢＴＤＣ）に進めたことを示している。更に、出願人は、吸気の温度を上昇させるために、ＲＭＦを増やすことを、燃焼開始を進めるのに使用できることを示した。排気バルブの遊びを０．００２５から０．０４６インチに調整することでＲＭＦが増大したとき、図１６の中で示されているとおり、燃焼開始は、６．４度の上死点後（ＡＴＤＣ）から１．７度の上死点後（ＡＴＤＣ）に進んだ。運動している加熱要素からであると燃焼室の壁のような熱い表面からであるとを問わず、吸気への熱伝導が、燃焼開始を進めることを示した。出願人は、また図１１の中で示されているとおり、燃焼室に設けられたグロープラグが切られた後、ＳＯＣが０．６度のＡＴＤＣから１．５度のＡＴＤＣに遅れたことを示した。出願人は、図９の中で示されているとおり、４００Ｋから９３３Ｋに上昇する燃焼室壁温度が、７度の上死点後（ＡＴＤＣ）から１４度上死点前（ＢＴＤＣ）に、燃焼開始を進めることができるという結論を下した。
圧力制御に関しては、吸気マニホールド圧力（ＩＭＰ）を上昇させることで、燃焼開始を進める役割を果たす、図３１ｃは、例えばシングルシリンダエンジン上で、５２ｐｓｉａから５７ｐｓｉａに吸気マニホールド圧力（ＩＭＰ）を上昇させることで、燃焼開始を、３．７度の上死点後（ＡＴＤＣ）から１．５度の上死点前（ＢＴＤＣ）に進めることを示している。双方とも上記で図示されている、圧縮比あるはバルブのタイミングを変化させるようなシリンダ圧力に影響を与える如何なる方法をも、燃焼開始制御に使用することができる。
当量比に関しては、出願人は、図３８の中で示されているとおり、エンジンへの燃料の流量を増大させることによる当量比の０．３０から０．３３への増大が、燃焼開始を、５．５度の上死点後（ＡＴＤＣ）から２．０度の上死点後（ＡＴＤＣ）に進めるという結論を下した。出願人は、図３３の場合に対して、吸気に添加されたオゾンの量の燃料ｋｇ当り０から３６ｇの増大が、燃焼開始を１度の上死点後（ＡＴＤＣ）から１２．５度の上死点前（ＢＴＤＣ）に進める効果を有していたことを示した。燃焼開始を発起させるために、空気・プロパン混合気の中で、パイロット（誘導）噴射の中でディーゼル燃料が使用された一つの研究の中で、使用されたパイロット（誘導）の量は、燃焼開始に影響を与えた。例えば、パイロット（誘導）量が、全エネルギー燃料エネルギーの０．１％から１８％に増大されたとき、燃焼開始は、２度の上死点後（ＡＴＤＣ）から１０度の上死点前（ＢＴＤＣ）に進められた。一つの研究の中で、後冷却器で吸気マニホールド温度（ＩＭＴ）を一定に保ちながら、燃焼開始を遅らせるために、希釈剤として排気再循環（ＥＧＲ）が使用された。図１７の中で示されているとおり、排気再循環（ＥＧＲ）率が、２．９％から８．０％に増大させられたとき、燃焼開始は、１．２度の上死点後（ＡＴＤＣ）から４．２度の上死点後（ＡＴＤＣ）に遅らせられた。出願人は、例えば、オクタン価の増大による自己着火に対する混合気の抵抗の増大を、燃焼開始を遅らせるのに使用できることを示した。また、出願人は、オクタン価が８０から１００に増大されたとき、吸気マニホールド温度（ＩＭＴ）プラス再熱が３１１Ｋの場合に対して、燃焼開始が、１４度の上死点前（ＢＴＤＣ）から７度の上死点前（ＢＴＤＣ）まで遅れることを示した。
言うまでもなく、制御変数のいずれも、上記の例の反対方向に調整して、必要に応じて、燃焼開始に対する反対の効果を達成することができる。例えば、吸気マニホールド温度（ＩＭＴ）を上昇させて燃焼開始を進めるる代わりに、吸気マニホールド温度（ＩＭＴ）を下げて燃焼開始を遅らせることもできる。また、該変化の大きさを、必要に応じて増減して、希望する燃焼開始を維持することができる。
出願人は、燃焼または放熱持続時間に、種々のパラメータを変えることで影響を与えることができることを示した。燃焼開始が、遅らされると、放熱持続時間は、伸びる。例えば、図８は、吸気マニホールド温度（ＩＭＴ）を、華氏１９５度から華氏１８度まで下げることで、燃焼開始が遅らされ、時間が、約６度から２４度に伸びることを示している。同様に、当量比の増大は、放熱持続時間を減らす。出願人は、また、温度と当量比を増やすと、吸気の層化が放熱持続時間を伸ばすことを確信している。しかし、温度または当量比を計測することが困難であると仮定して、層化のレベルの定量化を行うために、より多くの層化の作業が必要である。
言うまでもなく、燃焼開始と時間の間に相関関係があるとして、燃焼開始を遅らせるための全ての戦略は、また時間を伸ばすはずである。希薄燃焼（リーンバーン）を確保するために当量比を制御する一方で、燃焼開始と燃焼時間を、希望する範囲で維持することで、制御システムは、窒素酸化物のエミッションを最小限度に抑える。また本発明のエンジン設計も、図４８ａ−５０ｂの中に示されているとおり、シリンダーの中の隙間を最小限度に抑え、結果として未燃焼ガスを最小限度に抑えることで、未燃焼炭化水素と一酸化炭素を減らす。
運転中、本明細書の上記で解説されているとおり、燃焼開始を制御するために全ての制御変数を変化させることで、図１ｂのエンジンのシリンダの間の燃焼過程の均衡を保つことができる。エンジン制御装置（ＥＣＵ）２０は、各シリンダに対するセンサー１６により与えられた燃焼開始と燃焼時間データを比較する。データが、一つかいずれかのシリンダーの燃焼開始及び／又は燃焼時間が、予め設定されたクランク角度の範囲外で起こっていることを示したとき、エンジン制御装置（ＥＣＵ）は、与えられた運転条件に対して最も有効な適切な制御変数または諸変数を決定してから、変数を制御するための制御信号を作り出して、燃焼開始と燃焼時間を調整し、それ等を希望する範囲に納める。出願人は、シリンダバランスは、当量比、混合気へオゾンを添加するか、各シリンダの吸気ポートに関連する個々の加熱器を制御するか、装置３８あるは可変バルブタイミングを使用して圧縮比を変化させるか、パイロット（誘導）噴射またはポートからの燃料噴射を通じてオイルを添加するか、ポートからの水の噴射及び／又は本明細書の上記で解説されたＥＧＲあるはＲＭＦを変化させるための全ての方法により、最適に達成されるという結論を下した。これらの燃焼制御の形態のいずれも、燃焼均衡制御を高めるために、単独でも、各種の組合せでも使用できる。例えば、本明細書の上記に説明された多重燃料／添加剤システムが設けられている燃焼制御を、可変バルブタイミング及び／又は燃焼室表面冷却、即ちエンジン冷却液、あるはピストン冷却ノズル制御を設けることで高めることができる。また一個あるはそれ以上のグロープラグ４４（図１ａ）を、シリンダ間の燃焼均衡の少なくとも部分的制御を達成するための廉価で簡単な方法として使用することができる。各シリンダーに対して燃焼の質を均衡させるために、排ガス再循環率を制御することもできる。
産業上の利用可能性
本ＰＣＣＩエンジンと制御システムは、全ての自動車、一般産業、陸海軍への応用を含む、常設または非常設発電所に使用することができる。本ＰＣＣＩエンジンと制御システムは、エミッションが少ないことが望まれる特に発電応用で有利である。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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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５】
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【図６】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図７ｃ】
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【図７ｄ】
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【図７ｅ】
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【図７ｆ】
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【図７ｇ】
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【図７ｈ】
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【図７ｉ】
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【図７ｊ】
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【図７ｋ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２ａ】
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【図２２ｂ】
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【図２２ｃ】
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【図２２ｄ】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１ａ】
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【図３１ｂ】
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【図３１ｃ】
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【図３１ｄ】
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【図３１ｅ】
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【図３１ｆ】
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【図３１ｈ】
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【図３１ｇ】
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【図３１ｉ】
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【図３１ｊ】
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【図３１ｋ】
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【図３１ｌ】
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【図３１ｍ】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４７】
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【図４６】
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【図４８ａ】
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【図４８ｂ】
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【図４９】
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【図５０ａ】
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【図５０ｂ】
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【図５１】
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