(57)【要約】      （修正有）【課題】高性能の燃焼と、同時に、排出物減少を可能にする火花点火機関とその運転方法。【解決手段】第１の燃料と空気とを略均質に混合することによって可燃性混合物を形成し、この混合物を吸気行程中に少なくとも一つのシリンダ内へ導入するステップと、可燃性混合物をピストンによって圧縮行程中に圧縮することで、可燃性混合物の一部を予燃チャンバ内に導入するステップと、吸気行程中および／または圧縮行程中に、燃焼の開始前の導入時に第２の燃料を予燃チャンバ内に導入するステップと、を含み、第２の燃料は、第１の燃料と同じ、または異なる化学組成および／または濃度であり、予燃チャンバ内で火花点火させるステップをさらに含んでおり、予燃チャンバに導入される第２の燃料の量および／または第２の燃料の化学組成、および／または予燃チャンバの点火時期、および／またはシリンダ内注入物温度が、所望の燃焼期間が達成できるように選択される。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
火花点火機関の運転方法であって、前記機関は、少なくとも一つのシリンダと、前記少なくとも一つのシリンダ内で可動なピストンと、前記少なくとも一つのシリンダに接続された少なくとも一つの予燃チャンバとを有しており、前記方法が、
第１の燃料と空気とを略均質に混合することによって可燃性混合物を形成し、前記可燃性混合物を吸気行程中に前記少なくとも一つのシリンダ内へ導入するステップと、
前記可燃性混合物を前記ピストンによって圧縮行程中に圧縮することで、前記可燃性混合物の一部を前記予燃チャンバ内に導入するステップと、
前記吸気行程中および／または前記圧縮行程中に、燃焼の開始前の導入時期に第２の燃料を前記予燃チャンバ内に導入するステップであって、前記第２の燃料は、前記第１の燃料と同じまたは異なる化学組成および／または濃度であるステップと、
前記予燃チャンバ内で火花点火させるステップと、
を含む方法において、
前記予燃チャンバに導入される第２の燃料の量および／または第２の燃料の化学組成および／または前記予燃チャンバの点火時期および／またはシリンダ内注入物温度が、所望の燃焼期間が達成できるように選択されることを特徴とする火花点火機関の運転方法。
【請求項２】
前記第１の燃料は、天然ガス、または、ＣＯ２とＣＨ４との量が８０％よりも大きい天然ガスとＣＯ２との混合物であることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記第２の燃料は、天然ガス、または、天然ガスとＨ２を１０％よりも多く含んだガスとの混合物であることを特徴とする請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
前記シリンダ内注入物温度は、ガス交換プロセス中に前記燃焼チャンバ内に保持される内部ＥＧＲ率または前記吸気系内で再循環される外部ＥＧＲ率のいずれかによって制御されることを特徴とする請求項１から３の少なくともいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記シリンダ内注入物温度は、空気および／または第１の燃料の吸気温度に影響を及ぼすことによって制御されることを特徴とする請求項１から４の少なくともいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記燃焼期間を増加させる場合、前記第２の燃料内の水素量は減少され、前記燃焼期間を減少させる場合、前記第２の燃料内の水素量は増加されることを特徴とする請求項１から５の少なくともいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記燃焼期間を増加させる場合、前記注入物の温度は低下され、前記燃焼期間を減少させる場合、前記注入物の温度は上昇されることを特徴とする請求項１から６の少なくともいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記予燃チャンバの点火のための前記点火時期は、３０°ＣＡ  ＢＴＤＣからＴＤＣの範囲内であることを特徴とする請求項１から７の少なくともいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
前記燃焼期間を増加させる場合、前記点火時期は遅延され、前記燃焼期間を減少させる場合、前記点火時期は進められることを特徴とする請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記第２の燃料の前記導入時期は、点火ＴＤＣ前４００°から４０°の間で選択され、１．６より大きい、好適には１．９より大きいラムダ値、０％−４０％の間のＥＧＲ率、第２の燃料の量は前記可燃性混合物のエネルギー含量に対して０．５％から１５％の間で選択され、シリンダの吸気口での前記混合物温度は５０℃−１３０℃の間で、好適には７０℃−１００℃の間で選択されることを特徴とする請求項１から９の少なくともいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
前記第２の燃料の前記導入時期は、点火ＴＤＣ前４００°から４０°の間で選択され、２．０より大きい、好適には２．２より大きいラムダ値、０％−４０％の間のＥＧＲ率、第２の燃料の量は前記可燃性混合物のエネルギー含量に対して０．５％から１５％の間で選択され、シリンダの吸気口での前記混合物温度は７０℃−１３０℃の間で選択されることを特徴とする請求項１から１０の少なくともいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
−正味平均有効圧は１６バールから２８バールの間であり、
−圧縮比は１０から１４の間であり、
−１ミリメートルリフトでの吸気バルブ閉鎖は、吸気行程中において下死点前３０°と下死点後３０°との間である、
ことを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
主チャンバに接続された予燃チャンバを備えた少なくとも一つのシリンダと、前記少なくとも一つのシリンダ内で可動なピストンと、前記予燃チャンバ内に第２の燃料を導入するためのバルブとを有し、請求項１から１２の少なくともいずれかに記載の方法にしたがって運転するように設計された電子制御ユニットを有していることを特徴とする火花点火機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１記載の前提部分の特徴を備えた火花点火機関の運転方法と、請求項１３記載の前提部分の特徴を備えた火花点火機関に関する。
【０００２】
火花点火機関を設計するとき、窒素酸化物（ＮＯｘ）、未燃焼炭化水素（ＨＣ）、および一酸化炭素（ＣＯ）のような異なるタイプの排出物の減少において相反する要求が存在する。
高い効率性と低排出物の燃焼を実現するための有望なアプローチは、ＨＣＣＩ−コンセプト（予混合圧縮着火）である。ここでは、大きく希釈されており（リーンおよび／または高率な排気ガス再循環（ＥＧＲ））、均質な燃料空気混合物が、ピストンの上死点付近の圧縮行程中の温度上昇を通して実行される。非常に希釈された燃料空気混合物は、極度に低い値の窒素酸化物（ＮＯｘ）で燃焼させる。
【０００３】
燃焼チャンバ内での燃料空気混合物の自動点火は、例えば高い幾何学的圧縮比εおよび適切な方法による注入物の予加熱（例えば吸気の予加熱または排気ガス再循環（ＥＧＲ））などの多様な方法の組み合わせによって達成される。ＨＣＣＩ燃焼コンセプトによれば、燃料空気混合物は上死点付近にて燃焼チャンバ全体内で略同時的に点火するので、燃焼が極めて迅速である。
【０００４】
ＨＣＣＩコンセプトに関してはいくつかの問題がある。燃焼の制御が困難である。第１の燃料と比較して異なる自動点火特性の第２の燃料は制御性を向上させる知られた概念である。これはもちろん第２の燃料の取り扱いを要求する欠点を有する。
【０００５】
対照的に、火花点火機関では燃焼時期を点火時期によって容易に制御できる。大型の火花点火機関（典型的には１５０ｍｍ以上のシリンダボアを備えたもの）では、内部で点火が始動される予燃チャンバが提供されている。
【０００６】
予燃チャンバ型の火花点火機関を制御する概念も従来技術から知られている。例えば、ＪＰ２０１３２０９９６７はアクティブ予燃チャンバを開示しており、予燃チャンバに供給される燃料の量を、不点火を防止するために制御できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】ＪＰ２０１３２０９９６７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、高性能の燃焼と、同時に排出物減少を可能にする火花点火機関（火花点火エンジン；spark ignited engine）とその運転方法の開示である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この目的は、請求項１記載の方法と、請求項１３記載の火花点火機関によって達成される。別な好適実施態様は、従属請求項で解説されている。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明によれば、予燃チャンバ（プレチャンバ）に導入される第２の燃料の量および／または第２の燃料の化学組成および／または予燃チャンバの点火時期（点火タイミング；spark timing）および／またはシリンダ内注入物温度が、所望の燃焼期間が達成できるように選択される。
換言すれば、予燃チャンバとシリンダ内注入物温度とは、燃焼のさらに良好な性能と排出物減少とを達成するための制御手段として作用する。
本発明は、予燃チャンバへの空気および／または第２の燃料の導入を提供しているバルブが、機関内に提供された各予燃チャンバに対して能動的（積極的）におよび個別的に制御できる場合に最良に実行できる。
【００１１】
シリンダ注入物は、第１の燃料、第２の燃料、空気および従前のサイクルからの残留ガスおよび場合により外部の排気ガス再循環（ＥＧＲ）によって追加されるガスで構成されている。
【００１２】
予燃チャンバと主チャンバとの間の流体接続（連通）によって、本文で“シリンダ注入物（cylinder charge）”に言及するときは常に、主チャンバと予燃チャンバとの混合した体積の注入物を意味する。
【００１３】
第１の燃料は、天然ガス、または、二酸化炭素（ＣＯ２）とメタン（ＣＨ４）の量が８０％よりも大きい天然ガスと二酸化炭素（ＣＯ２）との混合物を使用することができる。
【００１４】
第２の燃料は、天然ガス、または、天然ガスとＨ２を１０％よりも多く含んだガスとの混合物を使用することができる。
【００１５】
シリンダ内注入物温度は、ガス交換プロセス中の燃焼チャンバ内で若しくは燃焼チャンバから押し出され、燃焼チャンバに再び再導入されている排気ガス中で維持される内部ＥＧＲ率（排気ガス再循環率）、または吸気系（吸気システム）内で再循環される外部ＥＧＲ率のいずれかによって制御される。
【００１６】
シリンダ内注入物温度は、空気および／または第１の燃料の吸気温度に影響を及ぼすことによって制御される。
例えばシリンダ内注入物の温度を変化させるステップは、機械的応力が大きすぎる場合には、シリンダ内注入物の温度を低下させるステップを含んでいる。これは例えば、第１の燃料と吸気注入物との吸気温度を低下させることで達成できる。吸気注入物とは、第１の燃料と空気との混合物または空気だけのいずれかを説明していると理解されるものである。
【００１７】
燃焼期間を増加させる場合、第２の燃料内の水素量は減少され、燃焼期間を減少させる場合、第２の燃料内の水素量は増加される。
【００１８】
燃焼期間を増加させる場合、シリンダ内注入物温度は低下され、燃焼期間を減少させる場合、シリンダ内注入物温度は上昇される。
【００１９】
予燃チャンバの点火のための点火時期は、３０°ＣＡ  ＢＴＤＣ（上死点前のクランク角度）とＴＤＣ（０°ＣＡに対応）との範囲内とすることができる。
【００２０】
燃焼期間を増加させる場合、点火時期は遅延され、燃焼期間を減少させる場合、点火時期は進められる。
【００２１】
第２の燃料の導入時期（introduction time）は、点火ＴＤＣ前４００°から４０°の間で選択され、１．６より大きい、好適には１．９より大きいラムダ値、０％−４０％の間のＥＧＲ率、第２の燃料の量は可燃性混合物のエネルギー含量に対して０．５％から１５％の間で選択され、シリンダの吸気口での混合物温度は５０℃−１３０℃の間、好適には７０℃−１００℃の間で選択され得る。
【００２２】
ここで例を介して与えられるクランク角度の数値は、例えば、４ストローク（４サイクル）機関に妥当なものである。本発明は、４ストローク機関に限定されない。例えば、本発明を２、５または６ストローク機関で運転することもできる。
【００２３】
第２の燃料の導入時期は、点火ＴＤＣ前４００°から４０°の間で選択され、２．０より大きい、好適には２．２より大きいラムダ値、０％−４０％の間のＥＧＲ率、第２の燃料の量は、可燃性混合物のエネルギー含量の０．５％から１５％の間で選択され、シリンダの吸気口での混合物温度は７０℃−１３０℃の間で選択され得る。
【００２４】
−正味平均有効圧（brake mean effective pressure）は１６バールから２８バールの間、
−圧縮比は１０から１４の間、および
−１ミリメートルリフトでの吸気バルブ閉鎖は、吸気行程中において下死点前３０°と下死点後３０°との間、
とすることができる。
【００２５】
燃料空気混合物の入口温度は、注入空気冷却器の介入および／またはＥＧＲ率の変化によって影響されることができる。
【００２６】
排出物量に関しては、本発明の方法によって以下の効果が提供され、
−例えば従来の火花点火式機関では不可能であろう非常に高い空気燃料比（非常にリーン（希薄）な混合物）を利用できるため、ＮＯｘ排出量が非常に少ない。第１の燃料と第２の燃料の両方が、燃焼の開始前に、空気またはシリンダ注入物と予備混合されることも重要である。
−燃焼が迅速で、燃焼が上死点付近で終了し、シリンダ注入物の温度が高いため、ＣＯおよびＨＣ排出量が非常に少ない。
−第１の燃料と第２の燃料の両方が空気またはシリンダ注入物と予備混合されるので、煤の排出量が非常に少ない。
【００２７】
本発明の利益は、非常にリーンな混合物によって、燃焼期間が従来技術のものよりも大幅に短いという事実によるものであると考えられる。このような燃焼は、従来技術では達成できない。リーンな混合物に関連する迅速な燃焼が高い効率を提供することは良く知られている。
【００２８】
前述のごとく、シリンダ注入物の温度を選択することによって、本発明は燃焼期間に影響を及ぼす可能性を提供する。
シリンダ注入物のより高い温度を選択することで、燃焼期間を短縮でき、よって未燃焼炭化水素とＣＯとの生成量が減少し、機関のさらに高い効率性という結果がもたらされる。このように、本発明は少ない排出物量と高い効率性とを組み合わせている。
【００２９】
以下において、“燃焼期間（duration of combustion）”と“（燃焼の）重心（center of gravity）”という用語が使用されている。“燃焼（バーン）期間（burn duration）”ともいう燃焼期間は、燃焼サイクルでの燃焼進行の測定量であり、所定のクランク角度中に燃焼された質量分率として表わされる。例えば、１５°クランク角度のΔθ０-１０％の燃焼期間は、注入物質量の１０％が１５°クランク角度回転中に燃焼したことを意味する。
燃焼重心は、新規（フレッシュ）な注入物の半分が燃焼した状態を意味する。これは、ＭＦＢ５０、すなわち５０％の質量分率燃焼としても知られている。
これらの用語は、特にヘイウッド，ジョン  Ｂ．著、「内燃機関の基礎」ニューヨーク市、マグロウヒル社、１９８８年度版の内燃機関のテキストでも見られる。
【００３０】
燃焼重心は、機関の効率性と機関の排出物の量に影響する。
【００３１】
特に好適なのは、燃焼重心（全エネルギーの半分が燃焼で放出されたとき）が上死点後に５°−７°に調節される実施態様である。燃焼重心を決定するため、ピーク点火圧力（peak firing pressure）のクランク角度位置を利用できる。
【００３２】
ガス（気体）に関して、％で示された全ての数値は体積百分率に関連している。
【００３３】
共に燃焼重心に影響する、予燃チャンバに導入される第２の燃料の量および／または化学組成は、機関の所望の効率が達成され、排出物量と機械的応力とが許容範囲内となるように選択されるべきであるということが理解されるべきである。これは、かなり早めの、例えば点火上死点（ＴＤＣ）後の０°から１５°のクランク角度の燃焼重心を有することによって達成できる。
【００３４】
第１の燃料と第２の燃料は前述のように選択できる。まず第一に、幅広いパラメータ集合が決定される。例えば、
−点火ＴＤＣ前４００°から４０°での予燃チャンバへの第２の燃料の導入タイミング（導入時期；introduction timing）、
−１．６より大きいラムダ値および０％−４０％の範囲のＥＧＲ、内部または外部の冷却／非冷却ＥＧＲのいずれかである、過剰空気とＥＧＲとを含む注入物組成
−エネルギー含量に基づく０．１％−１．５％の第２の燃料の量、
−５０℃−１３０℃のシリンダの吸気口での混合物温度、
である。
【００３５】
前述の幅広いパラメータ集合から、所定の機関のタイプ（機関の大きさ、機関の回転数（ｒｐｍ）、幾何学的圧縮比）と利用可能な燃料のタイプに応じてパラメータの初期設定を選択する。
【００３６】
第２のステップとして、所望のラムダ値での均質な燃焼性混合物を達成するために、選択された第１の燃料と空気とをプレミックス（予備混合）する。少ないＮＯｘ排出を達成するために、燃焼性混合物は希釈（ラムダ値を大きくする）されるべきである。これを実行するにはいくつもの異なる方法があり、例えばキャブレター（気化器）若しくはガスミキサによって、または燃焼チャンバ内で直接ポート噴射バルブ若しくはガス噴射器を利用したりすることができる。
【００３７】
幅広いパラメータの集合から特定のパラメータを選択し、機関を運転する。機関の効率、排出物（ＮＯｘおよびＨＣ，好適にはＣＯも）の量、燃焼重心および燃焼期間を測定する。燃焼重心および燃焼期間は、例えば、シリンダ内圧力の時間変化を測定することによって推論できる。これは当業者に知られていることである。
【００３８】
機関の効率と排出物量が既に所望の範囲内であるときは、パラメータの当初の設定を維持する。
【００３９】
燃焼期間が長すぎる場合（すなわち、効率が低すぎ、および／または排出物量、特にＨＣ排出量が多すぎる）、例えば機関のｒｐｍとは無関係に、期間が３０°から４０°のクランク角度より長い場合、シリンダ注入物の温度を上昇させる（例えば、混合物の吸気温度を上昇させることによって、および／または、シリンダ内の残留ガスを増加させることによって）、および／または、シリンダ注入物の温度が高ければ高いほど少ない量の第２の燃料が必要とされる（逆も同様）ことを念頭に、第２の燃料の量を増加させる。
【００４０】
変更された温度で機関を再び運転し続け、機関の効率と排出物量に関して燃焼期間をチェックする。燃焼期間がまだ長すぎる場合、燃焼混合物の温度および／または第２の燃料の量を増加させる。
【００４１】
燃焼期間が短すぎる場合（効率と排出物量は良好であるが、シリンダ内のピーク圧力が高すぎる、および／または圧力上昇速度が急激すぎる）、シリンダ注入物の温度および／または第２の燃料の量を減少させる。
燃焼期間が所望の範囲内になるまでこの手順を繰り返す。シリンダピーク圧力と圧力勾配は、機関への機械的応力の適切な指標であり、高いピーク圧力と大きな勾配は大きい機械的負荷を意味している。
【００４２】
より狭いパラメータの集合は以下に見ることができる。
−点火ＴＤＣ前４００°から４０°での予燃チャンバへの第２の燃料の導入タイミング、
−２．３から２．６の間または２．６から２．９の間のラムダ値、および３％−２０％の範囲の内部ＥＧＲである、過剰空気とＥＧＲとを含む混合物
−エネルギー含有量に基づく１％−７％の第２の燃料の量、
−７０°−１００°のシリンダの吸気口での混合物温度
である。
【００４３】
好適には、
−１４バールから２６バールの間の正味平均有効圧、
−１０から１４の間の圧縮比、および
−１ミリメートルリフトでの吸気バルブ閉鎖が吸気行程中において下死点前３０°と下死点後３０°のと間、
である。
【００４４】
全ての実施例において、予燃チャンバに導入される第２の燃料の量および／または第２の燃料の化学組成、および／または予燃チャンバの点火時期、および／またはシリンダ内注入物温度は、所望の燃焼期間を達成できるように選択される形態が、燃焼運転中に適用できる。
【外国語明細書】
2016138546000001.pdf