(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関であって、
少なくとも１本のシリンダを定めるエンジンブロックと、
吸気ポートおよび排気ポートを含む、前記エンジンブロックと連結されたヘッドと、
各シリンダ内で摺動可能なピストンと、
前記ヘッド、前記ピストン、および前記シリンダによって定められた燃焼室と、
前記吸気ポートを開閉するための、その移動の制御が可能な吸気弁と、
前記吸気ポートに流体連結された少なくとも１つのターボチャージャを含み、前記吸気ポートに加圧空気を供給するように構成された空気供給システムと、
選択されたタイミングで前記燃焼室内に制御可能に燃料を噴射するよう動作可能な燃料供給システムと、
前記吸気弁を開け、前記吸気弁の開状態を保持し、並びに前記吸気弁を閉じるように周期的に動作可能な回転カムと、
前記回転カムの周期的な動作を選択的に中止し、前記回転カムの動作とは独立に前記吸気弁を開状態に保持し並びに前記吸気弁を閉じるように構成された、流体圧で動作する可変吸気弁閉じ機構と、を備え、
前記燃料供給システムのタイミングは、前記可変吸気弁閉じ機構が前記吸気弁を閉じた後に前記燃焼室内に直接燃料を噴射するように遅延させられることを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
少なくとも１本のシリンダとそのシリンダ内で摺動可能なピストンとを含む内燃機関を動作させる方法であって、
前記シリンダの排気ポートから流れる排気で、第１ターボチャージャの第１タービンと第１コンプレッサに回転運動を与え、
前記第１ターボチャージャの排気ダクトから流れる排気で、第２ターボチャージャの第２タービンと第２コンプレッサに回転運動を与え、
前記第２のコンプレッサで大気から吸い込まれた空気を圧縮し、
前記第１のコンプレッサで前記第２のコンプレッサから受けた空気を圧縮し、
前記第１のコンプレッサから吸気マニホールドを介して前記シリンダ内の前記燃焼室の吸気ポートに加圧空気を供給し、
燃料供給システムを動作させて前記燃焼室内に直接燃料を噴射し、
選択的に吸気弁を動作させて前記吸気ポートを開け、前記ピストンの圧縮行程の一部で、加圧空気が前記燃焼室と前記吸気マニホールドとの間を流れることができるようにする、
工程を有し、
前記吸気弁を選択的に動作させる工程は、可変吸気弁閉じ機構を選択的に作動させて、前記吸気弁を開け、前記吸気弁の開状態を保持し、並びに前記吸気弁を閉じるための回転カムの周期的な動作を中止し、前記回転カムの動作とは独立に前記吸気弁を開状態に保持し並びに前記吸気弁を閉じる工程を含み、
前記燃料供給システムを動作させる工程は、前記燃料供給システムのタイミングを、前記可変吸気弁閉じ機構が前記吸気弁を閉じた後に前記燃料供給システムが燃焼室内に直接燃料を噴射するように遅延させる工程を含むことを特徴とする方法。
【請求項３】
前記可変吸気弁閉じ機構は前記ピストンの圧縮工程で前記吸気弁を閉じることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記燃料供給システムを動作させる工程は、燃料のパイロット噴射、および前記圧縮工程における前記パイロット噴射の後の燃料の主噴射の工程を含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼機関、より詳しくは、内燃機関で使用する空気および燃料供給システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関は、１本以上の燃焼シリンダ内の対応する燃焼室に供給される流体を圧縮するための１つ以上のターボチャージャを包含できる。各ターボチャージャは、典型的に内燃機関の排気ガスで駆動されるタービンおよびそのタービンで駆動されるコンプレッサを含む。コンプレッサは、圧縮する流体を受け、圧縮した流体を燃焼室に送る。コンプレッサで圧縮した流体は、燃焼空気すなわち空気／燃料混合物の形状であっても良い。
【０００３】
内燃機関は、エンジンのターボチャージャコンプレッサと直列に配置したスーパーチャージャを包含できる。特許文献１は、エンジンのターボチャージャコンプレッサに流れる空気圧を増すためにコンプレッサを駆動するタービンを有するスーパーチャージャを開示する。ある状況では、吸気弁を早期に閉じることで給気温度を大気温度以下に低減できる。
【０００４】
【特許文献１】
米国特許第６，２７３，０７６号（Ｂｅｃｋら、２００１年８月１４日発行）明細書
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
「ミラーサイクル」と呼ばれる吸気弁を早閉じまたは遅閉じする方法は、シリンダの有効圧縮比を低減でき、次に圧縮温度も低下させ、しかも高膨張比を維持することができる。その結果、ミラーサイクル機関は、熱効率の改善や、排出物（例えば窒素酸化物（ＮＯｘ））の低減をもたらす。ＮＯｘ排出物の低減は望ましい。従来のミラーサイクル機関では、吸気弁の閉じ動作のタイミングは典型的に、典型的なオットーサイクル機関のタイミングから僅かに前方または後方にずれる。例えば、ミラーサイクル機関では、吸気弁は、圧縮行程の開始まで開状態のままである。
【０００６】
ターボチャージャは、内燃機関の排気からのエネルギーの一部を利用するが、直列スーパーチャージャ／ターボチャージャ配列は、ターボチャージャの排気からのエネルギーを利用しない。さらに、スーパーチャージャは補助エネルギー源が必要である。
【０００７】
本発明は、１つ以上の上述の問題を克服することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の典型的な態様によれば、内燃機関であって、少なくとも１本のシリンダを定めるエンジンブロックと、吸気ポートおよび排気ポートを含む、前記エンジンブロックと連結されたヘッドと、各シリンダ内で摺動可能なピストンと、前記ヘッド、前記ピストン、および前記シリンダによって定められた燃焼室と、前記吸気ポートを開閉するための、その移動の制御が可能な吸気弁と、前記吸気ポートに流体連結された少なくとも１つのターボチャージャを含み、前記吸気ポートに加圧空気を供給するように構成された空気供給システムと、選択されたタイミングで前記燃焼室内に制御可能に燃料を噴射するよう動作可能な燃料供給システムと、前記吸気弁を開け、前記吸気弁の開状態を保持し、並びに前記吸気弁を閉じるように周期的に動作可能な回転カムと、前記回転カムの周期的な動作を選択的に中止し、前記回転カムの動作とは独立に前記吸気弁を開状態に保持し並びに前記吸気弁を閉じるように構成された、流体圧で動作する可変吸気弁閉じ機構と、を備え、前記燃料供給システムのタイミングは、前記可変吸気弁閉じ機構が前記吸気弁を閉じた後に前記燃焼室内に直接燃料を噴射するように遅延させられることを特徴とする。
【０００９】
本発明の他の典型的な態様によれば、少なくとも１本のシリンダとそのシリンダ内で摺動可能なピストンとを含む内燃機関を動作させる方法であって、前記シリンダの排気ポートから流れる排気で、第１ターボチャージャの第１タービンと第１コンプレッサに回転運動を与え、前記第１ターボチャージャの排気ダクトから流れる排気で、第２ターボチャージャの第２タービンと第２コンプレッサに回転運動を与え、前記第２のコンプレッサで大気から吸い込まれた空気を圧縮し、前記第１のコンプレッサで前記第２のコンプレッサから受けた空気を圧縮し、前記第１のコンプレッサから吸気マニホールドを介して前記シリンダ内の前記燃焼室の吸気ポートに加圧空気を供給し、燃料供給システムを動作させて前記燃焼室内に直接燃料を噴射し、選択的に吸気弁を動作させて前記吸気ポートを開け、前記ピストンの圧縮行程の一部で、加圧空気が前記燃焼室と前記吸気マニホールドとの間を流れることができるようにする、工程を有し、前記吸気弁を選択的に動作させる工程は、可変吸気弁閉じ機構を選択的に作動させて、前記吸気弁を開け、前記吸気弁の開状態を保持し、並びに前記吸気弁を閉じるための回転カムの周期的な動作を中止し、前記回転カムの動作とは独立に前記吸気弁を開状態に保持し並びに前記吸気弁を閉じる工程を含み、前記燃料供給システムを動作させる工程は、前記燃料供給システムのタイミングを、前記可変吸気弁閉じ機構が前記吸気弁を閉じた後に前記燃料供給システムが燃焼室内に直接燃料を噴射するように遅延させる工程を含むことを特徴とする。
【００１２】
前述の概要および以下の説明の両方は、例示および説明のみを目的としており、本発明を限定するものではないことは理解されよう。
【００１３】
本明細書に組み込まれ、その一部を成す添付図面は、本発明の典型的実施形態の数例を例示し、本発明の原理を説明する役目を荷う。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を詳細に参照するため、実施例は添付図で例示されている。全ての図を通して同一または類似部分には同一参照番号を可能な限り付すものとする。
【００１５】
図１を参照するに、内燃機関１１０（例えば４ストロークディーゼルエンジン）用の典型的空気供給システム１００が提供される。内燃機関１１０は、複数の燃焼シリンダ１１２を定めるエンジンブロック１１１を含み、その燃焼シリンダ数は特定の用途により多様である。例えば、４気筒エンジンは４本の燃焼シリンダを包含し、６気筒エンジンの場合は６本の燃焼シリンダを包含するであろう。図１の典型的実施形態では、６本の燃焼シリンダ１１２が示される。内燃機関１１０は、他の任意のタイプの内燃機関（例えばガソリンまたは天然ガスエンジン）であっても良いことは理解されよう。
【００１６】
内燃機関１１０は、吸気マニホールド１１４および排気マニホールド１１６をも含む。吸気マニホールド１１４は、流体（例えば、空気または燃料／空気混合物）を燃焼シリンダ１１２に提供する。排気マニホールド１１６は、燃焼シリンダ１１２からの排気流体（例えば排気ガス）を受け入れる。吸気マニホールド１１４と排気マニホールド１１６とは、図中で分かり易くするために単一部分構造として示している。但し、吸気マニホールド１１４および／または排気マニホールド１１６は、特定の用途に応じて、多数部分構造マニホールドとして構成できることは理解されよう。
【００１７】
空気供給システム１００は第１のターボチャージャ１２０を含み、第２のターボチャージャ１４０をも包含できる。第１および第２のターボチャージャ１２０，１４０は、第２のターボチャージャ１４０が第１の段階の加圧を提供し、第１のターボチャージャ１２０が第２の段階の加圧を提供できるように互いに直列に配置できる。例えば、第２のターボチャージャ１４０は低圧ターボチャージャであり、第１のターボチャージャ１２０は高圧ターボチャージャであっても良い。第１のターボチャージャ１２０はタービン１２２とコンプレッサ１２４とを含む。タービン１２２は、排気ダクト１２６を介して排気マニホールド１１６に流体連結される。タービン１２２は、シャフト１３０で軸支されたタービンホイール１２８を含み、それは順にハウジング１３２、例えば単一または多数部分構造ハウジングによって回動可能に支持されても良い。排気マニホールド１１６からタービン１２２への流体経路は、可変ノズル（図示せず）またはタービンホイール１２８に衝突する排気流体の速度を制御するように適合された他の可変形態構造を包含できる。
【００１８】
コンプレッサ１２４はシャフト１３０で軸支されたコンプレッサホイール１３４を含む。従って、タービンホイール１２８によるシャフト１３０の回転は、順にコンプレッサホイール１３４を回転させる。
【００１９】
第１のターボチャージャ１２０は、第２のターボチャージャ１４０からの圧縮空気を受ける圧縮空気ダクト１３８と、コンプレッサ１２４からの圧縮空気を受け、圧縮空気を内燃機関１１０の吸気マニホールド１１４に供給する空気出口ライン１５２とを含む。第１のターボチャージャ１２０は、タービン１２２からの排気流体を受け、排気流体を第２のターボチャージャ１４０に供給する排気ダクト１３９をも含む。
【００２０】
第２のターボチャージャ１４０は、タービン１４２とコンプレッサ１４４とを包含できる。タービン１４２は、排気ダクト１３９に流体連結できる。タービン１４２は、シャフト１４８で軸支されたタービンホイール１４６を含み、それは順にハウジング１３２によって回動可能に支持されても良い。コンプレッサ１４４は、シャフト１４８で軸支されたコンプレッサホイール１５０を包含できる。従って、タービンホイール１４６によるシャフト１４８の回転は、順にコンプレッサホイール１５０を回転させる。
【００２１】
第２のターボチャージャ１４０は、大気とコンプレッサ１４４の間に流体連通を提供する吸気ライン１３６を包含できる。第２のターボチャージャ１４０はまた、圧縮空気を圧縮空気ダクト１３８を介して第１のターボチャージャ１２０に供給できる。第２のターボチャージャ１４０は、タービン１４２からの排気流体を受け、大気との流体連通を提供する排気出口１５４を包含できる。一実施形態において、第１のターボチャージャ１２０および第２のターボチャージャ１４０は、実質的に近似の圧縮比を提供するようなサイズにできる。例えば、第１のターボチャージャ１２０および第２のターボチャージャ１４０は、両方とも２対１および３対１の間の圧縮比を提供し、大気圧に対して少なくとも４対１のシステム圧縮比となるようにしても良い。あるいは、第２のターボチャージャ１４０が３対１の圧縮比を提供し、第１のターボチャージャ１２０が１．５対１の圧縮比を提供し、大気圧に対して４．５対１のシステム圧縮比となるようにしても良い。
【００２２】
空気供給システム１００は、コンプレッサ１２４と吸気マニホールド１１４の間に、空気冷却器１５６、例えば後部冷却器を包含できる。空気冷却器１５６は、空気から熱を抽出して吸気マニホールド温度を低下させ、空気密度を増加できる。任意で、空気供給システム１００は、第２のターボチャージャ１４０のコンプレッサ１４４と第１のターボチャージャ１２０のコンプレッサ１２４の間に補助空気冷却器１５８、例えば中間冷却器を包含できる。あるいは、空気供給システム１００は、任意で、空気冷却器１５６と吸気マニホールド１１４の間に補助空気冷却器（図示せず）を包含しても良い。任意での補助空気冷却器は、吸気マニホールド温度をさらに低下させる。
【００２３】
図２を参照するに、シリンダヘッド２１１は、エンジンブロック１１１と連結できる。シリンダヘッド２１１内の各シリンダ１１２は燃料供給システム２０２を備えている。燃料供給システム２０２は、シリンダ１１２内の燃焼室２０６に開口する燃料ポート２０４を包含できる。燃料供給システム２０２は、燃料、例えば、ディーゼル燃料を燃焼室２０６内に直接噴射できる。
【００２４】
シリンダ１１２は、シリンダ内で摺動可能なピストン２１２を包含できる。クランクシャフト２１３は、エンジンブロック１１１内に回動可能に配備できる。連接ロッド２１５は、ピストン２１２をクランクシャフト２１３に連結するので、シリンダ１１２内でのピストン２１２の摺動運動がクランクシャフト２１３を回転させることになる。同様に、クランクシャフト２１３の回転もピストン２１２の摺動運動となる。例えば、シリンダ１１２内のピストン２１２の最上位置は、クランクシャフト２１３の上死点位置に相当し、シリンダ１１２内のピストン２１２の最下位置はクランクシャフト２１３の下死点位置に相当する。
【００２５】
当業者には公知であるように、従来の４ストロークエンジンサイクルは、燃焼（すなわち膨張）行程、排気行程、および吸入行程、および圧縮行程中に最上位置と最下位置の間を往復運動する。但し、クランクシャフト２１３は、燃焼行程中に上死点位置から下死点位置に、排気行程中に下死点位置から上死点位置に、吸入行程中に上死点位置から下死点位置に、および圧縮行程中に下死点位置から上死点位置に回転する。次に再び４ストロークサイクルが開始する。各ピストン行程は、約１８０゜のクランク回転、すなわちクランク角と相関する。ゆえに、燃焼行程のクランク角は約０゜で、排気行程は約１８０゜、吸入行程は約３６０゜、および圧縮行程は約５４０゜で開始する。
【００２６】
シリンダ１１２は、それぞれが燃焼室２０６に開口する少なくとも１つの吸気ポート２０８と少なくとも１つの排気ポート２１０とを包含できる。吸気ポート２０８は、吸気弁アセンブリ２１４で開閉し、排気ポート２１０は、排気弁アセンブリ２１６で開閉できる。吸気弁アセンブリ２１４は、例えば、吸気ポート２０８を選択的に閉じるようなサイズに取り、配置されるヘッド２２０を第１の端部２２２に有する吸気弁２１８を包含できる。吸気弁２１８の第２の端部２２４は、ロッカーアーム２２６または任意の他の従来型弁作動機構に連結できる。吸気弁２１８は、吸気マニホールド１１４から燃焼シリンダ１１２への流入を許可する第１の位置と、吸気マニホールド１１４から燃料シリンダ１１２への流入を実質的に阻止する第２の位置の間を移動可能であっても良い。バネ２２８は、吸気弁２１８を第２の閉位置に付勢するために吸気弁２１８の周りに配置できる。
【００２７】
１つ以上のローブ２３６を備えたカム２３４を搭載するカムシャフト２３２は、所望の吸気弁タイミングを達成するカム２３４、ローブ２３６の構造、およびカムシャフト２３２の回転に基づいて周期的に吸気弁アセンブリ２１４を作動させるように配置できる。排気弁アセンブリ２１６は、吸気弁アセンブリ２１４と同じように構成でき、カム２３４のローブ２３６のうちの１つで作動されても良い。一実施形態において、吸気ローブ２３６は、従来型のオットーまたはディーゼルサイクルで吸気弁２１８を作動させるように構成でき、それにより、吸気弁２１８は、吸入行程の下死点前約１０゜と圧縮行程の下死点後約１０゜の間から第２の位置へ移動する。あるいは、吸気弁アセンブリ２１４および／または排気弁アセンブリ２１６は、液圧、空圧、電子式に、または機械、液圧、空圧、および／または電子技術の任意の組合せによって作動させても良い。
【００２８】
吸気弁アセンブリ２１４は、選択的に吸気弁２１８の周期運動を中止し、吸気弁２１８の閉じタイミングを延長するように構成され、配置された可変吸気弁閉じ機構２３８を包含できる。可変吸気弁閉じ機構２３８は、液圧、空圧、電子、機械的に、またはそれらの任意の組合せで作動できる。例えば、可変吸気弁閉じ機構２３８は、バネ２２８のバイアスによる吸気弁２１８の閉口に抗するように、低圧または高圧で、例えば、作動液を供給するために選択的に作動できる。すなわち、吸気弁２１８が、カム２３４によって、持ち上げられる、すなわち、開かれた後、カム２３４が吸気弁２１８の開状態を、もはや保持しないとき、作動液が吸気弁２１８の開状態を所望期間保持できる。所望期間は、内燃機関の所望性能により様々であっても良い。ゆえに、可変吸気弁閉じ機構２３８は、内燃機関１１０を従来のオットーまたはディーゼルサイクル、または可変遅閉じミラーサイクルでも動作できるようにする。
【００２９】
図４に示されるように、吸気弁２１８は、約３６０゜のクランク角で、つまり、クランクシャフト２１３が吸入行程４０６の上死点位置または近くにあるとき、開き始めても良い。吸気弁２１８の閉口は、約５４０゜のクランク角、つまりクランクシャフトが圧縮行程４０７の下死点位置または近くにあるときから、約６５０゜のクランク角、つまり燃焼行程５０８の上死点前約７０゜まで選択的に変更できる。ゆえに、吸気弁２１８は、圧縮行程４０７の大部分、つまり、圧縮行程４０７の前半部と、圧縮行程４０７の後半部の一部を開状態に保持できる。
【００３０】
燃料供給システム２０２は、燃料コモンレール２４２と流体連通した燃料噴射アセンブリ２４０、例えば、機械作動型電子制御ユニット噴射器を包含できる。あるいは、燃料噴射器２４０は、任意のコモンレールタイプの噴射器であっても良く、液圧、機械、電気、圧電式に、またはそれらの組合せで作動、および／または操作されても良い。燃料コモンレール２４２は、各シリンダ１１２に関連した燃料噴射器アセンブリ２４０に燃料を提供する。燃料噴射器アセンブリ２４０は、所望のタイミングに従って燃料ポート２４０を経てシリンダ１１２内に燃料を噴射、あるいは噴霧できる。
【００３１】
制御装置２４４は、可変吸気弁閉じ機構２３８および／または燃料噴射器アセンブリ２４０に電気的に接続できる。制御装置２４４は、所望のエンジン性能を達成するために１つ以上のエンジン条件、例えば、エンジン速度、負荷、圧力、および／または温度に基づいて可変吸気弁閉じ機構２３８および／または燃料噴射器アセンブリ２４０の動作を制御するように構成できる。制御装置２４４の機能は、単一または複数の制御装置によって実行できることは理解されよう。同様に、天然ガスエンジンの点火タイミングは、圧縮点火エンジンの燃料噴射タイミングと同様の機能を提供できる。
【００３２】
さて、図３を参照するに、各燃料噴射器アセンブリ２４０は、ロッカーシャフト２５２に枢支連結した噴射器ロッカーアーム２５０と関連付けることができる。各燃料噴射器アセンブリ２４０は、噴射体２５４、ソレノイド２５６、プランジャアセンブリ２５８、および噴射器先端アセンブリ２６０を包含できる。噴射器ロッカーアーム２５０の第１の端部２６２は、プランジャアセンブリ２５８に動作可能に連結できる。プランジャアセンブリ２５８は、矢印２９６の略方向に噴射器ロッカーアーム２５０の第１の端部２６２に向かってバネ２５９によって付勢できる。
【００３３】
噴射器ロッカーアーム２５０の第２の端部２６４は、カムシャフト２６６に動作可能に連結できる。より詳しくは、カムシャフト２６６は、第１の隆起２６８および第２の隆起２７０を有するカムローブ２６７を包含できる。カムシャフト２３２，２６６およびそれらのそれぞれのローブ２３６，２６７は、必要に応じて単一カムシャフト（図示せず）に組み合わせることができる。隆起２６８，２７０は、カムシャフト２６６の回転中に噴射ロッカーアーム２５０の第２の端部２６４と接触、および非接触状態で移動できる。隆起２６８，２７０は、第１の隆起２６８が燃料の主噴射を提供する前に第２の隆起２７０が所定のクランク角で燃料のパイロット噴射を提供するように構成され、配備されても良い。カムローブ２６７は、１サイクル当たりの全燃料を噴射するたった１つの第１の隆起２６８を有しても良いことは理解されよう。
【００３４】
隆起２６８，２７０の１つが噴射器ロッカーアーム２５０と接触して回転すると、噴射器ロッカーアーム２５０の第２の端部２６４が矢印２９６の略方向に付勢される。第２の端部２６４が矢印２９６の略方向に付勢されると、ロッカーアーム２５０はロッカーシャフト２５２の回りで旋回し、それによって第１の端部２６２が矢印２９８の略方向に付勢される。隆起２６８，２７０によって第２の端部２６４に加わる力は、バネ２５９によって発生されるバイアスよりも大きく、それによってプランジャアセンブリ２５８も矢印２９８の略方向に同じように付勢される。カムシャフト２６６は隆起２６８，２７０の最大高さを越えて回転すると、バネ２５９のバイアスがプランジャアセンブリ２５８を矢印２９６の略方向に付勢する。プランジャアセンブリ２５８が矢印２９６の略方向に付勢されると、噴射器ロッカーアーム２５０の第１の端部２６２も同様に矢印２９６の略方向に付勢され、噴射器ロッカーアーム２５０をロッカーシャフト２５２の回りで旋回させ、それによって第２の端部２６４を矢印２９８の略方向に付勢する。
【００３５】
噴射体２５４は燃料ポート２７２を定める。ディーゼル燃料のような燃料は、プランジャアセンブリ２５８が矢印２９６の略方向に移動されると燃料コモンレール２４２から燃料ポート２７２内に引き込まれても、あるいは吸入されても良い。燃料ポート２７２は、第１の燃料チャネル２７６を経て燃料弁２７４と流体連通している。燃料弁２７４は、順に第２の燃料チャネル２８０を経てプランジャ室２７８と流体連通している。
【００３６】
ソレノイド２５６は、制御装置２４４に電気的に連結され、燃料弁２７４に機械的に連結されても良い。制御装置２４４からの信号によるソレノイド２５６の作動によって、燃料弁２７４を開位置から閉位置に切り換えることができる。燃料弁２７４がその開位置に位置決めされると、燃料は燃料ポート２７２からプランジャ室２７８に、またはその逆に進む。但し、燃料弁２７４がその閉位置に位置決めされると、燃料ポート２７２はプランジャ室２７８から隔絶される。
【００３７】
噴射器先端アセンブリ２６０はチェック弁アセンブリ２８２を包含できる。燃料は、プランジャ室２７８から入口オリフィス２８４、第３の燃料チャネル２８６、出口オリフィス２８８を経て、内燃機関１１０のシリンダ１１２内に進むことができる。
【００３８】
したがって、隆起２６８，２７０の１つが噴射器ロッカーアーム１６と接触していないとき、プランジャアセンブリ２５８はバネ２５９によって矢印２９６の略方向に付勢され、それによって燃料が燃料ポート２７２内に引き込まれ、次にプランジャ室２７８を燃料で満たすことは理解されよう。カムシャフト２６６がさらに回転すると、隆起２６８，２７０の１つがロッカーアーム２５０と接触して移動し、それによってプランジャアセンブリ２５８が矢印２９８の略方向に付勢される。制御装置２４４が噴射信号を発生しない場合、燃料弁２７４はその開位置を維持し、それによってプランジャ室２７８内にある燃料が燃料ポート２７２を経てプランジャアセンブリ２５８によって移動する。但し、制御装置２４４が噴射信号を発生する場合、燃料弁２７４はその閉位置に位置決めされ、それによってプランジャ室２７８を燃料ポート２７２から隔絶させる。プランジャアセンブリ２５８がカムシャフト２６６によって矢印２９８の略方向に付勢され続けるので、燃料噴射器アセンブリ２４０内の流体圧力が増加する。所定圧力の大きさで、例えば、約５５０ｐｓｉ（３８ＭＰａ）で、燃料がシリンダ１１２内に噴射される。燃料は、制御装置２４４がソレノイド２５６に信号を送って燃料弁２７４をその開位置に戻すまでシリンダ１１２内に噴射し続ける。
【００３９】
図５の例示的グラフに示されるように、燃料のパイロット噴射は、クランクシャフト２１３が約６７５゜のクランク角で、つまり圧縮行程４０７の上死点前約４５゜であるときに開始できる。燃料の主噴射は、クランクシャフト２１３が約７１０゜のクランク角で、つまり圧縮行程４０７の上死点前約１０゜、およびパイロット噴射の開始後約４５゜であるときに起こっても良い。一般に、パイロット噴射は、クランクシャフト２１３が、圧縮行程４０７の上死点前約４０〜５０゜にあるときに開始し、クランクシャフトが約１０〜１５゜回転する間続く。主噴射は、クランクシャフト２１３が圧縮行程４０７の上死点前約１０゜と圧縮行程５０８の上死点後約１２゜の間にあるときに開始できる。主噴射は、クランクシャフトが約２０〜４５゜回転する間続く。
【００４０】
図６は、内燃機関１１０用の第２の典型的空気供給システム３００の組合せ概略線図である。空気供給システム３００は、ターボチャージャ３２０、例えば、大気圧に対して少なくとも約４対１の圧縮比を生成できる高効率ターボチャージャを包含できる。ターボチャージャ３２０は、タービン３２２およびコンプレッサ３２４を包含できる。タービン３２２は、排気ダクト３２６を介して排気マニホールド１１６に流体連結できる。タービン３２２は、シャフト３３０で軸支されたタービンホイール３２８を包含し、それは順にハウジング３３２、例えば、単一構造または複数構造ハウジングで回動可能に支持されても良い。排気マニホールド１１６からタービン３２２への流体経路は、タービンホイール３２８に衝突する排気流体の速度を制御する可変ノズル（図示せず）を包含できる。
【００４１】
コンプレッサ３２４は、シャフト３３０で軸支されたコンプレッサホイール３３４を包含できる。従って、次にタービンホイール３２８によるシャフト３３０の回転が、コンプレッサホイール３３４の回転を起こすことができる。ターボチャージャ３２０は、大気とコンプレッサ３２４の間の流体連通を提供する空気入口３３６、および圧縮空気を内燃機関１１０の吸気マニホールド１１４に供給するための空気出口３５２を包含できる。ターボチャージャ３２０はまた、タービン３２２からの排気流体を受け、大気との流体連通を提供する排気出口３５４を包含できる。
【００４２】
空気供給システム３００は、コンプレッサ３２４と吸気マニホールド１１４の間に空気冷却器３５６を包含できる。任意で、空気供給システム３００は、空気冷却器３５６と吸気マニホールド１１４の間に補助空気冷却器（図示せず）を包含できる。
【００４３】
図７は、内燃機関１１０用の第３の典型的空気供給システム４００の組合せ概略線図である。空気供給システム４００は、ターボチャージャ４２０、例えば、タービン４２２および２つのコンプレッサ４２４，４４４を有するターボチャージャ４２０を包含できる。タービン４２２は、入口ダクト４２６を介して排気マニホールド１１６に流体連結できる。タービン４２２は、シャフト４３０で軸支されたタービンホイール４２８を包含し、それは順にハウジング４３２、例えば、単一構造または複数構造ハウジングによって回動可能に支持されても良い。排気マニホールド１１６からタービン４２２への流体経路は、タービンホイール４２８に衝突する排気流体の速度を制御する可変ノズル（図示せず）を包含できる。
【００４４】
第１のコンプレッサ４２４は、シャフト４３０で軸支されたコンプレッサホイール４３４を包含し、第２のコンプレッサ４４４はシャフト４３０で軸支されたコンプレッサホイール４５０を包含できる。従って、タービンホイール４２８によってシャフト４３０が回転すると、順に第１および第２のコンプレッサホイール４３４，４５０を回転させる。第１および第２のコンプレッサ４２４，４４４が、加圧の第１および第２の段階をそれぞれ提供できる。
【００４５】
ターボチャージャ４２０は、大気と第１のコンプレッサ４２４の間の流体連通を提供する吸気ライン４３６、および第１のコンプレッサ４２４から圧縮空気を受け、圧縮空気を第２のコンプレッサ４４４に供給する圧縮空気ダクト４３８を包含できる。ターボチャージャ４２０は、第２のコンプレッサ４４４から内燃機関１１０の吸気マニホールド１１４に供給する空気出口ライン４５２を包含できる。ターボチャージャ４２０は、タービン４２２からの排気流体を受け、大気との流体連通を提供する排気出口４５４を包含できる。
【００４６】
例えば、第１のコンプレッサ４２４および第２のコンプレッサ４４４は両方とも、大気圧に対して少なくとも４対１のシステム圧縮比となる２対１および３対１の間の圧縮比を提供できる。あるいは、第２のコンプレッサ４４４は、３対１の圧縮比を提供し、第１のコンプレッサ４２４は１．５対１の圧縮比を提供して、大気圧に対して４．５対１のシステム圧縮比となるようにできる。
【００４７】
空気供給システム４００は、コンプレッサ４２４と吸気マニホールド１１４の間に空気冷却器４５６を包含できる。任意で、空気供給システム４００は、ターボチャージャ４２０の第１のコンプレッサ４２４と第２のコンプレッサ４４４の間に補助空気冷却器４５８を包含しても良い。あるいは、空気供給システム４００は、任意で空気冷却器４５６と吸気マニホールド１１４の間に補助空気冷却器（図示せず）を包含しても良い。
【００４８】
【実施例】
使用時、内燃機関１１０は、例えば、ディーゼルの動作原理を利用する公知の方法で動作する。図１で示された典型的空気供給システムを参照するに、内燃機関１１０からの排気ガスは、排気マニホールド１１６から入口ダクト１２６を経て送られ、タービンホイール１２８に衝突し、タービンホイール１２８を回転させる。タービンホイール１２８は、シャフト１３０と連結され、このシャフトは次にコンプレッサホイール１３４を軸支する。コンプレッサホイール１３４の回転速度は、ゆえにシャフト１３０の回転速度に相当する。
【００４９】
図２で示された典型的燃料供給システム２００およびシリンダ１１２は、典型的空気供給システム１００、３００、４００のそれぞれと共に使用できる。圧縮空気は、吸気ポート２０８を経て燃焼室２０６に供給され、排気空気は、排気ポート２１０を経て燃焼室２０６を出て行く。吸気弁アセンブリ２１４および排気弁アセンブリ２１６は、気流を燃焼室２０６に流入、および気流を燃焼室から流出させるように制御可能に作動できる。
【００５０】
従来型のオットーまたはディーゼルサイクルモードでは、吸気弁２１８は、循環式に第２の位置から第１の位置へ移動して、図４で示されるように、圧縮空気を、吸入行程４０６の上死点近く（約３６０゜のクランク角）でシリンダ１１２の燃焼室２０６に流入させる。圧縮行程の下死点近く（約５４０゜のクランク角）では、吸気弁２１８は、第１の位置から第２の位置に移動して余分な空気が燃焼室２０６に流入するのを阻止する。燃料は、次に、圧縮行程の上死点近く（約７２０゜のクランク角）で燃料噴射アセンブリ２４０から噴射できる。
【００５１】
従来型のミラーサイクル機関では、従来型のオットーまたはディーゼルサイクルは、吸入行程４０６の下死点前（すなわち５４０゜のクランク角前）の所定時間または圧縮行程４０７の下死点後（すなわち５４０゜のクランク角後）の所定時間に吸気弁２１８を第１の位置から第２の位置に移動させることによって改造される。従来型の遅閉じミラーサイクルでは、吸気弁２１８は、圧縮行程４０７の前半部分の第１の期間中に第１の位置から第２の位置に移動される。
【００５２】
可変吸気弁閉じ機構２３８は、内燃機関１１０を遅閉じミラーサイクルと従来型のオットーまたはディーゼルサイクルとの両方で動作できるようにする。図５で示されるように、さらに、燃焼行程５０８の上死点後に燃料の実質的部分を噴射することによって、ＮＯｘ排出物を低減し、排気流体の形状で排気マニホールド１１６に廃棄されるエネルギー量を増加させることができる。高効率ターボチャージャ３２０，４２０または直列ターボチャージャ１２０，１４０の使用によって、排気から廃棄されるエネルギーの少なくとも一部を回収できるようにしても良い。廃棄エネルギーは、吸気マニホールド１１４に送られる増加空気圧に変換され、この空気圧はクランクシャフト２１３に対しピストン２１２を押すエネルギーを増加させて有効仕事量を生成できる。加えて、第１の位置から第２の位置への吸気弁２１８の遅延運動は、燃焼室２０６内の圧縮温度を低下させる。圧縮温度の低下はさらにＮＯｘ排出物を低減する。
【００５３】
制御装置２４４は、１つ以上のエンジン条件、例えば、エンジン速度、エンジン負荷、エンジン温度、ブースト、および／またはマニホールド吸気温度に基づいて可変吸気弁閉じ機構２３８を作動させ、吸気弁アセンブリ２１４のタイミングを変えて所望のエンジン性能を達成できる。可変吸気弁閉じ機構２３８は、空燃比のより正確な制御をも可能にする。吸気弁アセンブリ２１４の遅閉じ動作によって、制御装置２４４は、ピストン２１２の圧縮行程中のシリンダ圧を制御できる。例えば、吸気弁の遅閉じ動作は、ピストン２１２がシリンダ圧を損なうことなく実行しなければならない圧縮仕事量を低減し、しかも標準膨張比および適当な空燃比をも維持する。
【００５４】
典型的空気供給システム１００、３００、４００によって提供される高圧は、ピストン２１２の吸入行程時に付加ブーストを提供できる。高圧は、従来型ミラーサイクルエンジンにおけるよりも遅く、吸気弁アセンブリ２１４を閉じるようにできる。本発明では、吸気弁アセンブリ２１４は、ピストン２１２の圧縮行程の後半部分、例えば、上死点前（ＢＴＤＣ）約８０゜〜７０゜程度まで可能な限り遅延させて、開状態のままであっても良い。吸気弁アセンブリ２１４が開状態にある間に、空気は燃焼室２０６と吸気マニホールド１１４の間を流れることができる。ゆえに、シリンダ１１２では、ピストン２１２の圧縮行程中の燃焼室内２０６での温度上昇が少ない。
【００５５】
吸気弁アセンブリ２１４の閉じ動作を遅延できるので、燃料供給システムのタイミングも遅延できる。例えば、制御装置２４４は、吸気弁アセンブリ２１４が閉じた後、燃焼室２０６に燃料を供給するために燃料噴射器アセンブリ２４０を制御可能に作動できる。例えば、燃料噴射器アセンブリ２４０は、吸気弁アセンブリ２１４が閉じると同時にまたは直後にパイロット噴射の燃料を供給し、燃焼室２０６内で燃焼温度に達すると同時にまたは直前に主噴射の燃料を供給するように制御できる。その結果、排気エネルギーから余分な仕事量を効率的に取り出す空気供給システム１００、３００、４００による再循環にかなりの量の排気エネルギーが利用可能となる。
【００５６】
図１の典型的空気供給システム１００を参照するに、第２のターボチャージャ１４０は、第１のターボチャージャ１２０のコンプレッサホイール１３４と直列であり、第２のターボチャージャ１４０の圧縮ホイール１５０を回転させるために第１のターボチャージャ１２０の排気流から、さもなければ廃棄されるエネルギーを取り出しても良い。第２のターボチャージャ１４０の追加により生じる排気路内の余分な制限は、ピストン２１２への背圧を上昇させる。但し、第２のターボチャージャ１４０を通じて行われるエネルギーの回収は、より高い背圧によって消費される仕事量を相殺する。例えば、直列ターボチャージャ１２０、１４０によって達成される付加圧力は、燃焼サイクルの吸入行程中のピストン２１２に作用する。さらに、第２のターボチャージャ１４０から生じるシリンダへの付加圧力は、吸気弁遅閉じ動作を利用することによって制御および／または解放できる。従って、直列ターボチャージャ１２０、１４０は、空気供給システム１００を介して燃費効率を提供し、単により大きなパワーを提供するだけではない。
【００５７】
吸気マニホールド１１４より前置の空気冷却器１５６、３５６、４５６は、空気から熱を取り出して入口マニホールド温度を低下させ、しかも加圧空気の濃度を維持することは理解されよう。コンプレッサ間、または空気冷却器１５６、３５６、４５６の後置の任意での補助空気冷却器は、入口マニホールド温度をさらに低減するが、加圧空気の仕事ポテンシャルも低下させる。入口温度が低下するとＮＯｘ排出物も減少する。
【００５８】
本発明の典型的実施形態による内燃機関の空気および燃料供給システムは、内燃機関の排気から余分な仕事量を取り出す。このシステムは、燃費効率およびＮＯｘ排出物の低減をも達成すると同時に、仕事ポテンシャルを維持し、システムの信頼性が操作者の予測と確実に一致するようにする。
【００５９】
本発明の趣旨および範囲を逸脱することなく、様々な改造や変形が内燃機関の開示された空気および燃料供給システムに行われ得ることは当業者には明らかであろう。本発明の他の実施形態は、本明細書で開示された本発明の明細書や実施例の検討から当業者には明らかであろう。明細書や実施例はあくまでも例として考えられるべきものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による内燃機関用の典型的空気供給システムの組合せ概略線図である。
【図２】本発明による典型的エンジンシリンダの組合せ概略線図である。
【図３】図２の典型的エンジンシリンダの断面線図である。
【図４】本発明によるエンジンクランク角度の関数としての典型的吸気弁作動を例示するグラフである。
【図５】本発明によるエンジンクランク角度の関数としての典型的燃料噴射を例示するグラフである。
【図６】本発明による内燃機関用の他の典型的空気供給システムの組合せ概略線図である。
【図７】本発明による内燃機関用の他の典型的空気供給システムの組合せ概略線図である。
【符号の説明】
１００  空気供給システム
１１０  内燃機関
１１１  エンジンブロック
１１２  燃焼シリンダ
１１４  吸気マニホールド
１１６  排気マニホールド
１２０  第１のターボチャージャ
１２２  タービン
１２４  コンプレッサ
１２６  入口ダクト（排気ダクト）
１２８  タービンホイール
１３０  シャフト
１３２  ハウジング
１３４  コンプレッサホイール
１３６  吸気ライン
１３８  圧縮空気ダクト
１３９  排気ダクト
１４０  第２のターボチャージャ
１４２  タービン
１４４  コンプレッサ
１４６  タービンホイール
１４８  シャフト
１５０  コンプレッサホイール
１５２  空気出口ライン
１５４  排気出口
１５６  空気冷却器
１５８  補助空気冷却器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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