(57)【要約】【課題】排気ガス再循環（ＥＧＲ）システム、および点火前に再循環排気ガス中に霧状の水を噴霧することによって排気ガスを内部で冷却するための手段を備えた内燃エンジンを提供する。【解決手段】霧状の水の噴霧は、吸気マニホルド内または直接気筒内に行うことができる。このエンジンは、火花または圧縮点火を採用することができる。この内燃エンジンは、１２：１よりも大きい圧縮比で、空気：燃料比で作動する。さらに、エンジン内で再循環される排気ガスの量と加えられる水の量とを制御する方法も提供する。本発明のエンジンは、熱力学的効率が高く、ＮＯｘ排出量が少ない。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一つの気筒であって、各気筒は、燃焼室と、ピストンと、吸気弁と、排気弁とを有し、前記各気筒の機械的圧縮比が１２：１より大きく約４０：１未満である前記少なくとも一つの気筒と、
各吸気弁と連通する吸気通路と、
各排気弁に連通する排気通路と、
前記燃焼室または前記吸気通路内に燃料を噴射する少なくとも１つの燃料噴射器を有する燃料取扱システムであって、１より大きく７.０未満の空気：燃料比（λ）を有する空気：燃料混合物を提供する燃料取扱システムと、
前記ピストンの圧縮行程の最終部で前記燃焼室内の前記燃料に点火する点火システムと、
排気ガスを排気ポートからエンジン吸入口へ再循環させるための排気ガス再循環（ＥＧＲ）手段と、
再循環排気ガスを、ＥＧＲ通路内に噴射される所定量の霧状の水と直接接触させることにより冷却するための冷却手段と、
を備えることを特徴とする内燃エンジン。
【請求項２】
前記内燃エンジンの感知された作動パラメータに基づいて、前記燃焼室に導入される前記再循環排気ガスの量を調整し、前記霧状の水の所定量および前記空気：燃料比を調整するように構成されたエンジン制御装置をさらに含む請求項１に記載の内燃エンジン。
【請求項３】
前記点火システムは、火花点火システムであり、前記λは、１より大きく３．０未満である請求項１に記載の内燃エンジン。
【請求項４】
前記機械的圧縮比は、１２：１より大きく約２０：１未満である請求項３に記載の内燃エンジン。
【請求項５】
前記点火システムは、圧縮点火システムである請求項１に記載の内燃エンジン。
【請求項６】
前記λは、約１．４と約６．０の間にある請求項５に記載の内燃エンジン。
【請求項７】
前記機械的圧縮比は、約１４：１〜約４０：１の間にある請求項５に記載の内燃エンジン。
【請求項８】
前記所定量の霧状の水は、再循環排気ガスが前記少なくとも一つの気筒内に導入された後に、直接前記少なくとも１つの気筒内に噴射される請求項１に記載の内燃エンジン。
【請求項９】
前記所定量の霧状の水は、吸気マニホルド内の再循環排気ガスの存在下で前記吸気マニホルド内に噴射される請求項１に記載の内燃エンジン。
【請求項１０】
前記ＥＧＲ排気ガスは、前記少なくとも１つの排気弁とのバルブオーバーラップを使用して内部で再循環され、前記排気弁は、前記排気ガスの一部が前記ピストンの吸気行程の初期部の間に前記ピストン内へ排気通路から引き込まれるように前記ピストンの排気行程の最終部であり、かつ、前記ピストンの吸気行程の初期部の間に部分的に開いたままである請求項１に記載の内燃エンジン。
【請求項１１】
前記排気ガスは、少なくとも１つの吸気弁とのバルブオーバーラップを使用して内部で再循環され、前記吸気弁は、前記排気ガスの一部を吸気通路内へ排気する前記ピストンの排気行程の最終部で部分的に開口され、前記排気ガスの前記一部は、前記ピストンの吸気行程の間に前記ピストン内へ前記吸気通路から引き込まれる請求項１に記載の内燃エンジン。
【請求項１２】
前記ＥＧＲ通路は、ＥＧＲ弁と、前記排気ガスを外部再循環させるための導管とをさらに含む請求項１に記載の内燃エンジン。
【請求項１３】
前記再循環排気ガスは、前記所定量の霧状の水による冷却前に前記少なくとも１つの排気弁を出る前記排気ガスに略等しい温度を有する請求項１２に記載の内燃エンジン。
【請求項１４】
前記所定量の水は、前記吸気弁又は前記排気弁のいずれか一方が開いている間に直接燃焼室内に噴射される請求項１に記載の内燃エンジン。
【請求項１５】
前記所定量の水は、前記吸気弁または前記排気弁の一方が閉じた後、前記ピストンが上死点（ＴＤＣ）に達する前に、直接燃焼室内に噴射される請求項１に記載の内燃エンジン。
【請求項１６】
前記所定量の水は、前記圧縮行程の下死点と前記圧縮行程の上死点との間に直接燃焼室内に噴射される請求項１に記載の内燃エンジン。
【請求項１７】
前記所定量の水は、前記ピストンの吸気行程時に直接燃焼室内に噴射される請求項１に記載の内燃エンジン。
【請求項１８】
前記排気ガス中に噴射される前記水の前記所定量は、点火前に前記少なくとも一つの気筒内にＥＧＲによって噴射される前記排気ガスの約５重量％〜約１２５重量％である請求項１に記載の内燃エンジン。
【請求項１９】
前記エンジンは、自然吸気する請求項１に記載の内燃エンジン。
【請求項２０】
前記エンジンは、ターボチャージャーまたはスーパーチャージャーから選択される強制吸気を備える請求項１に記載の内燃エンジン。
【請求項２１】
内燃エンジンを作動するための方法であって、
現在のエンジン作動パラメータを決定し、
前記作動パラメータに基づいて、１よりも大きい空気：燃料化学量論比（λ）を有する空気/燃料混合比を計算し、
前記作動パラメータおよび前記空気/燃料混合比に基づいて所望のＥＧＲレベルを取得し、
排気ガスの温度を感知し、
前記ＥＧＲレベル、前記感知された排気ガスの温度、および前記計算された空気/燃料混合比に基づいて水の噴射体積を決定し、
前記内燃エンジンの燃焼室に排気通路から、所望のＥＧＲレベルに相当する排気ガスの量を再循環する弁を制御し、
再循環排気ガス中に前記決定された体積の水を噴射する水噴射器を制御し、
前記燃焼室内に前記計算された空気/燃料混合比の空気/燃料混合物を導入する燃料噴射器を制御することを含み、
前記弁、前記水噴射器および前記燃料噴射器の制御は、１３：１よりも大きな機械的圧縮比を提供するピストンが前記燃焼室を形成する気筒内の上死点位置に到達する前に、所定の間隔で起こることを特徴とする方法。
【請求項２２】
前記排気ガスを再循環させるように制御される前記弁は、下死点位置までの前記ピストンの移動中、所定の時間、開いたままにされる前記気筒の排気弁である請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記排気ガスを再循環させるように制御される前記弁は、排気通路に結合される前記気筒の吸気弁である請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記水は、上死点の前に、直接、前記燃焼室内に霧状に噴射される請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
前記水は、前記燃焼室内への前記再循環排気ガスの導入前に、直接、前記再循環排気ガス中に霧状に噴射される請求項２１に記載の方法。
【請求項２６】
前記内燃エンジンは、圧縮点火エンジンである請求項２１に記載の方法。
【請求項２７】
前記内燃エンジンは、火花点火エンジンである請求項２１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１２年１１月２０日に出願された米国仮特許出願第６１／７２８，５１６号、および２０１３年１月１７日に出願された米国仮特許出願第６１／７５３，７１９号から優先権を主張する。上記米国仮特許出願は、参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、内燃エンジンに関する。より具体的には、本発明は、排気ガス再循環を用いる内燃エンジンに関する。
【背景技術】
【０００３】
本発明は、直接冷却された排気ガス再循環（ＥＧＲ）により動作する少なくとも一つのピストンを有する内燃エンジンに関する。本明細書に記載の原理は、通常、ガソリン（石油）、天然ガス、またはエタノール混合物で作動する火花点火（ＳＩ）エンジン、および通常、ディーゼル、バイオディーゼル、ＪＰ−８または他のジェット燃料変異体、灯油、または重油で作動する圧縮点火で（ＣＩ）エンジンの両方で使用することができる。本発明は、排気ガス再循環を用いる自然吸気と強制吸気の両方の内燃エンジンに適用可能である。本発明は、直接燃料噴射とポート燃料噴射エンジンに適用可能である。
【０００４】
内燃エンジンにおけるＥＧＲの使用は、十分に理解され広く市販製品に適用される。ガソリンエンジンの燃焼室に再循環される排気ガスが、気筒内の可燃性給気量を置換し、ディーゼルエンジンでは排気ガスが、燃焼前の混合物中の過剰な酸素を置換する。可燃性給気量の置換は、燃焼温度をより低下させ、主に窒素と酸素の混合物が１３７１℃（１６４４oＫ）以上の温度にさらされるときに形成するＮＯｘの形成を減らすのに有効である。再循環排気ガスは、吸入空気を置換し、加熱により給気密度を低下させる。これらの複合効果は、低減された電力にもかかわらず、エンジン効率が高くなるポンプ損失の低減に寄与する。ＥＧＲは、したがって、オットーサイクルエンジンの効率を向上させるばかりでなく、両方のＳＩとＣＩエンジンの窒素酸化物（「ＮＯｘ」）の排出量を削減するための有効な方法である。
【０００５】
排気ガスを燃焼室内へ元に再導入することにより、ピーク燃焼温度が低下する。この温度低下は、主に戻される排気ガスが燃焼に関与しないためであり、従って、全く燃焼エネルギーが供給されない。排気ガスは、追加の熱質量を供給し、燃焼エネルギーをより高い全体の熱質量に分配することを可能にし、ＥＧＲにより、質量と熱容量の積（ｍ*ＣＶ）が、ＥＧＲがない場合よりも高くなる。ＥＧＲ再循環によってもたらされる温度の低下は、燃焼温度を低下させ、従って、ＮＯｘの形成を制御し減少させるのに有効である。ＥＧＲは、任意の所与の負荷でより高いマニホルド圧を可能にし、給気サイクル仕事を減少させ、燃料消費量を低下させる。
【０００６】
排気ガスを燃焼室へ元に再ルーティングする方法としては、２つの方法がある。第一の方法は、バルブ位相整合またはバルブオーバーラップを介した内部排気ガス再循環（ｉ−ＥＧＲ）である。バルブオーバーラップは、吸気弁が、排気行程時に排気ガスが吸気通路に入ることができるように早く開いた状態にし、あるいは、排気弁が、排気ガスが燃焼室に戻ることができるように吸気行程時に遅く開いたままにした状態にする。これは、一般に、可変バルブタイミングシステムを利用し、カムシャフトの位相整合を変化させ、エンジン作動点によって弁事象を調整してＥＧＲの利点を最適化することによって実現される。これは、図１に示す。図１は、排気行程の終わりに早くに開かれ、燃焼室１５からの排気ガス１４を気筒１２の排気行程時に吸気通路１６に入れ、気筒１２の吸気行程時に燃焼室１５に入る吸給気１３と混合する吸気弁１１を介した内部ＥＧＲによる排気ガスの流れを示す従来のエンジンの概略図である。
【０００７】
図２は、排気弁２１を介した内部ＥＧＲによる排気ガスの流れを示す従来のエンジンの概略図である。排気弁２１は、ピストン２２の排気行程の後遅くとピストン２２の吸気行程時とに開いたままになり、排気通路２６内の排気ガス２３の流れ２４を燃焼室２５へ戻す。
【０００８】
排気ガス再循環の第二の方法は、電子制御ＥＧＲ弁（ｅ−ＥＧＲ）を含んでも含まなくてもよい燃焼室の外部の排気ガスループを介して行われる。ＥＧＲ弁は、適切な量の排気ガスを新鮮な吸気と燃料との混合物中へ元に供給するためのエンジン作動点に電子的に応じて稼働される。図３は、ＥＧＲが、外部ＥＧＲ冷却器３４を有する外部ループを介して提供されるエンジンの従来の概略図を示す。排気ガス３１は、気筒３２の排気行程時に燃焼室３３から排出される。排気ガス３１は、排気通路３７から、チューブ、パイプ、チャンネル、および他の手段によって、排気ガスを冷却する熱交換器等の実施の形態における外部伝熱装置３４へ送られる。冷却された排気ガス３５は、伝熱装置３４から吸入空気通路３８前または内の吸入空気流３６に送られる。前述のように、追加のＥＧＲガスは、混合吸給気の熱質量を増大させる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
どちらの解決策も、欠点をもつ。ｅ−ＥＧＲでは、時間遅延が、エンジン管理システムによるＥＧＲ率要求とエンジン入口への排気ガスの到達との間に導入される。この遅延は、エンジン効率を低下させる制御問題を引き起こす。ｉ−ＥＧＲでは、制御は改善されるが、非常に高い温度のガスが再循環され、体積効率の損失及びどのくらいＥＧＲがノック発現前に達成され得るかについて制限がある。外部熱交換器を利用して排気ガスを冷却する冷却ＥＧＲについて産業・学術研究が行われていて、特に、冷却ＥＧＲを行う最も効果的かつ実現可能な方法である外部ＥＧＲループ冷却について研究が行われている。
【００１０】
ＥＧＲシステムの排出削減能力は、冷却ＥＧＲシステムによりさらに改善することができる。冷却ＥＧＲは、ＥＧＲシステムがターボチャージャー搭載ディーゼルエンジンの高圧排気・給気ループに組み込まれる圧縮点火エンジンで広く利用される。排気ガスは、気筒と、排気ガスタービンとの間の主な排気流から再循環される。排気ガスは、二次外部冷却源を利用して熱を排気ガスから熱交換器の形態における固体媒体まで伝達する中間冷却器または熱交換器を通過する。冷却された排気ガスは、次に、圧縮機と気筒の間の高圧ループ、または、圧縮機の上流の低圧ループ内のいずれかの、エンジンの吸入空気ループに導入される。
【００１１】
冷却外部ＥＧＲシステムは、バルブを使用してエンジン管理システム、排気パイプ、排気ガス冷却器及び吸気パイプにより制御される再循環排気ガスの量を調節することができる。これらのシステムは、気筒室内に排気ガスを導入する前に、高温排気ガスから熱を抽出するために、熱交換器の形態を通る外部冷却剤を使用する。冷却ＥＧＲシステムは、排気ガス冷却器を、乗用車で約４５０oC、商用車両用途で約７００℃までというような極端な温度に晒すものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、吸気通路（マニホルド）内の再循環される排気ガス中、あるいは標準よりも大きい機械的圧縮比で動作するエンジンの燃焼室内に直接噴射される水との直接伝熱により内部冷却された再循環排気ガス（ＥＧＲ）、および非常に希薄な燃料混合物を有する内燃エンジンを提供する。この装置及び方法は、火花点火および圧縮点火エンジンの両方に適用可能である。
【００１３】
火花点火エンジンの場合、圧縮比は１２：１よりも大きく、また実施の形態では圧縮比は１３：１、１５：１、１６：１あるいはそれ以上であり得る。高められた圧縮比は、希薄燃料混合物、ＥＧＲ、および点火前にＥＧＲ通路、吸気通路内に、または直接気筒内に水を噴射すことによって可能になる。燃料混合物は、１より大きい化学量論比あるいはλを有する。実施の形態では、火花点火エンジンのλは、約１.１〜約３の範囲である。種々の実施の形態では、火花点火エンジンのλは、約１.５、約１.７５、約２.０、または約２.２５である。この因子の組み合わせは、本明細書に開示された内燃エンジンを、従来のエンジンよりも高圧縮比で作動させることができる過早点火（エンジンノック）を最小にする。
【００１４】
圧縮点火エンジンの場合には、圧縮比は１４：１より大きく、約４０：１まで大きくなる。燃料混合比は、１より大きく約７までのλにある。実施の形態では、燃料混合比は、約２.０、約３.０、約４.０、または約５.０のλにあることができる。
【００１５】
本発明の直接冷却ＥＧＲシステムは、ＥＧＲバイパス内、または吸気通路内のＥＧＲループ内、あるいは直接内燃エンジンの燃焼室内の再循環排気ガスを内部冷却する水噴射システムを提供する。本発明はまた、通常、マルチプレート、マルチチューブ、プレートまたはフィン付き熱交換機器および部品を含むＥＧＲ冷却システムを含む間接的排気ガス冷却部品を除外する。また、本発明は、霧状の水により再循環排気ガスを直接冷却することによって交換媒体による熱力学的伝達を除外する。
【００１６】
本発明の一実施の形態は、円筒の一部に形成された燃焼室を有する少なくとも１つの気筒を有する内燃エンジン、燃焼室への空気流を供給する少なくとも一つの吸気弁を有する吸気マニホルド、燃焼室からの排気ガスを流出する少なくとも１つの排気弁を有する排気マニホルド、燃焼室内に燃料を導入するための燃料噴射器を有する燃料取扱システムであって、１より大きく７.０未満の空気中酸素：燃料の化学量論比（λ）を有する空気：燃料比を提供する燃料取扱システム、少なくとも一つの気筒の各々内に配置され、吸気行程、圧縮行程、動力行程および排気行程により往復運動するように構成されたピストンであって、１２：１より大きく４０：１未満の機械的圧縮比を提供するように構成されたピストン、圧縮行程の最終部で燃焼室内の燃料に点火するための点火システム、排気ガスを排気マニホルドから燃焼室へ再循環させるための排気ガス再循環手段、および排気ガス中に噴射される所定量の霧状の水との直接接触により、再循環排気ガスを冷却するための冷却手段を含む。再循環排気ガスは、所定量の霧状水による冷却前に少なくとも１つの排気弁を出る排気ガスよりも大幅に低い温度を有する。
【００１７】
本発明の別の実施の形態は、気筒の一部に形成された燃焼室を有する少なくとも１つの気筒、燃焼室内へ空気流を提供する少なくとも一つの空気吸入弁を備えた空気吸入マニホルド、燃焼室からの排気ガスの流出を提供する少なくとも１つの排気弁を備える排気マニホルド、燃料噴射器を有する燃料取扱システム、および点火システムを含む排気ガス再循環システムを備えた内燃エンジンの再循環排気ガスを内部冷却する方法を含む。この方法は、１より大きい空気中酸素：燃料の化学量論比（λ）を有する空気：燃料比で燃焼室内に燃料を導入し、吸気行程、圧縮行程、動力行程および排気行程により、１３：１より大きい機械的圧縮比を提供するように気筒内のピストンを往復運動させ、圧縮行程の最終部で燃焼室内の燃料に点火し、吸気行程の一部分の間に排気ガスを排気マニホルドから燃焼室まで再循環させ、排気ガス中に噴射される所定量の霧状の水との直接接触により、再循環排気ガスを冷却する。再循環排気ガスは、所定量の霧状水による冷却前に少なくとも１つの排気弁を出る排気ガスよりも大幅に低い温度を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、吸気弁を介した内部ＥＧＲによる排気ガスの流れを示す従来のエンジンの断面の概略図である。
【図２】図２は、排気弁を介した内部ＥＧＲによる排気ガスの流れを示す従来のエンジンの断面の概略図である。
【図３】図３は、ＥＧＲ冷却器を備えた外部ループを介した外部ＥＧＲによる排気ガスの流れを示す従来のエンジンの断面の概略図である。
【図４】図４は、直接燃焼室に噴射する水噴射器を介する直接ＥＧＲ冷却する、吸気又は排気弁を介する、内部ＥＧＲを示す直接燃料噴射エンジンシステムを備えた自然吸気内燃エンジンの概略図である。
【図５】図５は、直接燃焼室に噴射する水噴射器を介する直接ＥＧＲ冷却する外部ＥＧＲループを通る排気ガスの流れを示す直接燃料噴射エンジンシステムを備えた自然吸気内燃エンジンの概略図である。
【図６】図６は、直接燃焼室に噴射する水噴射器を介する直接ＥＧＲ冷却する外部ＥＧＲループを通る排気ガスの流れを示すポート燃料噴射エンジンシステムを備えた自然吸気内燃エンジンの概略図である。
【図７】図７は、吸気通路への水噴射を介する直接ＥＧＲ冷却する外部ＥＧＲループを通る排気ガスの流れを示すポート燃料噴射エンジンシステムを備えた自然吸気内燃エンジンの概略図である。
【図８】図８は、直接燃焼室に噴射する水噴射器を介する直接ＥＧＲ冷却する高圧と低圧外部ＥＧＲループを通る排気ガスの流れを示す直接燃料噴射エンジンシステムを備えたターボチャージャー搭載内燃エンジンの概略図である。
【図９】図９は、直接燃焼室に噴射する水噴射器を介する直接ＥＧＲ冷却する高圧と低圧外部ＥＧＲループを通る排気ガスの流れを示すポート燃料噴射エンジンシステムを備えたターボチャージャー搭載内燃エンジンの概略図である。
【図１０】図１０は、本発明の一実施の形態により実行される制御工程のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明は、ＥＧＲ経路、吸気マニホルドまたは気筒内に希薄燃料混合物、高圧縮比、より高い動作温度、排気ガス再循環（ＥＧＲ）、および水噴射を使用することで、従来のエンジンよりも大幅に高い熱力学的効率で動作する４行程火花点火または圧縮点火（ディーゼル）内燃エンジンを提供する。
【００２０】
本発明において、用語「吸気通路」は、環境、すなわち、空気吸入と燃焼室との間の新鮮な空気経路の任意の部分を指す。したがって、吸気通路は、空気吸入部と、空気入口と、任意の新鮮空気導管と、吸気マニホルドとを含む。本発明において、用語「排気通路」は、例えば、気筒出口と、排気マニホルドと、任意の排気ガス導管と、接続部とを含む排ガス経路の任意の部分を指し、マフラー及び環境に煙霧を排気する排気パイプを含むことができる。用語「ＥＧＲ通路」は、ＥＧＲガスが吸気通路に導入されるまでの、ＥＧＲシステムへ排気ガスの一部を引き込む排気通路内分路と、再循環排気ガスの経路を定めるＥＧＲシステムの任意の導管、弁、接続部、または他の部分との間の排気ガス再循環システムの任意の部分を指す。
【００２１】
本明細書で使用する用語「λ」は、空気中の酸素の燃料に対する化学量論比を指す。化学量論的な空気と燃料は、炭化水素燃料中の各モルの炭素に（空気中の）酸素１モルと燃料中の２モルの水素毎に酸素１モルが存在することを指す。この化学量論は、ガソリンに対して約１４.７：１（ｗ／ｗ、空気：ガソリン）の重量比に変換する。より高いλ値は、より希薄な混合物、または単位燃料あたりのより多くの空気を示す。よって、１より大きいλは、１４.７：１より大きい（ガソリンに対する）比率ｗ／ｗを意味する。異なる燃料の種類は、異なる化学量論比を必要とする。例えば、空気のメタノール燃料に対する化学量論比は、約６.５：１、エタノールに対する化学量論比は約９.０：１、ディーゼルに対する化学量論比は１４.４：１、天然ガスに対する化学量論比は１６.６：１、メタンに対する化学量論比は１７.２：１である。
【００２２】
排気ガス再循環を備えた従来の内燃エンジンは、燃焼室内へ排気ガスを再導入する前に、排気ガスを冷却するために排気ガスの再循環経路内の放熱器のような熱交換器を提供する。対照的に、本明細書に開示される本発明のエンジンは、全く熱交換器を必要とせず、それによって環境への熱損失を最小限に抑える。本発明の内部温度制御とエンジン冷却は、吸気マニホルド内、または直接エンジンの気筒内に、希薄燃料混合物、ＥＧＲ、および水を噴射することによって行われる。したがって、本発明のエンジンは、５０％までの熱力学的効率で動作することを示す。
【００２３】
従来のオットーサイクルエンジンは、火花点火エンジンに高オクタン価燃料を使用する場合、１２：１以下、圧縮点火エンジンでは２３：１以下の圧縮比に制限される。上記より大きい圧縮比は、一般に、燃焼室内の燃料の早期異常燃焼を誘発するなどしてエンジンの損傷を引き起こすことがあり、過度の熱損失に見舞われることが理解される。しかし、筒内圧を適切に制御することができる場合、高圧縮は、燃料の燃焼の機械的エネルギーへの変換効率上昇の利点を有する。
【００２４】
従来、ＥＧＲ冷却は、ポンプ損失を最小限にし、エンジン温度を制御し、ＮＯｘの生成を最小限にすることが望ましいと認識されている。本発明の一実施の形態では、ＥＧＲガスは、外部熱交換器（ＥＧＲ冷却器）を必要とすることなく、内部で冷却される。本発明の方法は、ノック限界ペナルティがなく、給気密度の減少がなく、体積効率の損失がなく、非常にたくさんのＥＧＲ量を利用することを可能にする。本発明は、ＥＧＲ再循環の任意の方法と共に、ポート燃料噴射と直接燃料噴射エンジンの両方のみならず、ターボチャージャー搭載およびターボチャージャー非搭載エンジンの両方に使用することができるものの、これは、内部ＥＧＲループに最も効果的であり得る。
【００２５】
従来、外部ＥＧＲ冷却が一般的に採用されている。本発明のエンジンは、希薄な燃料混合物、ＥＧＲシステム、水によるＥＧＲの内部冷却によって可能となる、従来のエンジンよりも高い内部温度で実行するように設計されている。水の液体から蒸気への相転移は、再循環排気ガス中に存在する熱エネルギーを消費し、それにより、再循環排気ガスの温度を、導入前の再循環される排気ガスの温度よりも低い温度に低下させる。
【００２６】
再循環排気ガスの冷却は、このように、直接再循環排気ガスの中に霧状の水を噴霧することによりＥＧＲ通路と吸気通路に沿って１つ以上の位置で起こる。したがって、排気ガスが吸気通路に導入された後に冷却される場合には、例えば、再循環排気ガスは、吸気通路内冷却直前の時点で、排気マニホルドにおけるのと実質的に同じ温度を有する。
【００２７】
一実施の形態では、本発明のＥＧＲは、水タンク、パイプまたはチューブおよび剛性分配レールからなる水取扱システム、および１つまたは複数の水噴射器（複数可）、および参照テーブルを使用してエンジン負荷、速度及び現在のＥＧＲ条件に応じて種々の量の水を噴射するコンピュータ制御システムを含む。
【００２８】
水は、空気吸入ポートでエンジン内に噴射する（ポート噴射）か、または直接燃焼室内に噴射する（直接噴射）ことができる。直接噴射は、ポート噴射と比較した場合、水噴霧タイミングと位置をより正確かつ精密に制御できるので好ましい。
【００２９】
このシステムは、ＥＧＲを採用し、ガソリン、ディーゼル、エタノール、メタノール、水素、天然ガス、またはそれらの混合物を燃料とする任意の２または４行程内燃エンジンと、火花または圧縮点火エンジンで使用することができる。本明細書で論じる例示的な実施の形態は、火花または圧縮点火のいずれかを使用する４行程エンジンを有する。しかしながら、本明細書に提供される開示に基づいて、当業者は、本発明を、往復式内燃エンジンの２行程エンジン並びに他の形態に適用するのに必要な変更及び修正を容易に理解するになる。
【００３０】
一実施の形態では、内燃エンジンは、内部冷却排気ガス再循環により、炭化水素燃料で作動し、その中の少なくとも一つの気筒と往復ピストン、気筒内の燃焼室、少なくとも一つの空気吸入弁を備えた空気吸入マニホルド、少なくとも１つの排気弁を備える排気マニホルド、燃料噴射器を有する燃料取扱システム、および点火システムを有する。このエンジンは、１２：１よりも大きく４０：１未満の機械的圧縮比を有し、１より大きく７.０未満の空気：燃料比λで動作する。このエンジンは、内部または外部で排気ガスを再循環するための手段を有する。前記エンジンは、再循環排気ガスを冷やす混合媒体熱交換器を使用することなく、再循環排気ガスを、排気ガス中に噴射される所定量の霧状の水と直接接触させることにより内部冷却する。
【００３１】
希薄燃料の混合物は、エンジンが安定した速度で動作しているときに部分的に閉じたスロットルでエンジンを作動しなければならないことから生じるスロットル損失を低減するために望ましい。しかし、より希薄な燃料混合物は、１より大きいλでＮＯｘの放出を増大し得る、１より大きいλの特定の範囲内でより高温で燃えることができる。希薄混合物で内燃エンジンを作動することは、迅速に、２５００°Ｆ.を超える燃焼室温度になり得る。ＮＯｘの生成を増加させることに加えて、燃焼室内の過度に高い温度は、燃料の早期異常燃焼（ノッキング）とエンジンの様々な部品の反りにつながる可能性がある。
【００３２】
一実施の形態では、内燃エンジンの作動方法が提供される。このエンジンは、内部冷却排気ガス再循環と共に炭化水素燃料を使用しており、その中の少なくとも一つの気筒と、往復ピストンと、気筒内の燃焼室と、少なくとも一つの空気吸入弁とを備えた空気吸入マニホルドと、少なくとも１つの排気弁を備える排気マニホルドと、燃料噴射器を有する燃料取扱システムと、点火システムとを有する。このエンジンは、１２：１よりも大きく４０：１未満の機械的圧縮比を有し、１より大きく７.０未満の空気：燃料比λで動作する。また、このエンジンは、内部または外部で排気ガスを再循環するための手段を有し、再循環排気ガスを冷やす混合媒体熱交換器を使用することなく、再循環排気ガスを、排気ガス中に噴射される所定量の霧状の水と直接接触させることにより内部冷却する。別の実施の形態では、内燃エンジンのＥＧＲガスを冷却する方法が提供される。
【００３３】
本発明のエンジンに最適なλは、点火タイプによって異なる。ガソリン、（例えばエタノールとの）ガソリンブレンド、または天然ガス（主としてメタン）で動く火花点火エンジンに対して、λは、１より大きく最大約３.０までの範囲にある。代替実施の形態では、この発明による火花点火エンジンのλは、約１.２から約２.８、または約１.２から約２.３、または約１.５〜約２.０の範囲、または約１.５、または約１.７５、または約２.０になる。圧縮点火エンジン（ディーゼル）に対して、λは、１より大きく最大約７.０までの範囲にあろう。代替実施の形態では、本発明のエンジンにおいてλは、約１.４から約６.０、または約１.５〜約５.０、または約２.０〜４.０までの範囲、又は約１.５、又は約２.０、又は約２.５、又は約３.０、または約３.５、または約４.０になる。
【００３４】
本発明のエンジンに最適な圧縮比は、点火タイプによって異なる。ガソリン、ガソリンブレンド、または天然ガスで動く火花点火エンジンの場合、従来のエンジンは、典型的な圧縮比１０：１、高いオクタン価燃料を使用する約１２：１の最大圧縮比を有する。これらの圧縮比限界は、そうでなければ、より高い圧縮比で発生するエンジンノッキングを制御するために必要とされる。従来のエンジンよりも高い圧縮比を使用することにより、本発明のエンジンは、熱力学的効率が圧縮比の関数であるオットーサイクルによる優れた熱力学的効率の利点を有する。
【００３５】
火花点火モードにおける本発明のエンジンの圧縮比は、１２：１よりも大きく約２０：１までの範囲にある。代替実施の形態では、圧縮比は、１３：１〜約１８：１、または約１４：１〜１６：１、または約１４：１、または約１５：１、または約１６：１、または約１８：１である。圧縮着火エンジンでは、圧縮比は、約１４：１〜約４０：１になる。別の実施の形態では、圧縮比は、約１４：１〜約３０：１、または約１５：１〜約２５：１、または約１６：１から約２０：１の範囲、または約１６：１、または約１７：１、または約１８：１、または約１９：１、または約２０：１、または約２１：１、または約２２：１である。
【００３６】
上記のように火花点火を用いた内燃エンジンは、一般的に、早期の異常燃焼を避けるために、１２：１以上の圧縮比に限定されている。よって、本発明のように、１２：１以上の圧縮比の使い方は、内燃エンジンの一般的な知識を考えると自明ではない。本発明は、内部冷却ＥＧＲを使用することによって、１２：１よりも高い圧縮比に関連する危険性を回避する。
【００３７】
ＥＧＲは、内燃エンジンにいくつかの利点を提供することがよく知られており、一般的に使用されている。しかし、ＥＧＲの欠点は、早期点火（ノック）が増加する傾向があり、燃焼温度に依存してＮＯｘ排出量を増加させ得る過剰な熱を燃焼室内へ加えることである。したがって、霧状の水を、本発明のエンジンのＥＧＲ通路または吸気通路内に直接噴霧して、再導入された排気ガスを制御された温度に冷却する。
【００３８】
水冷ＥＧＲは燃焼室内の温度を低下させるので、著しく希薄な燃料混合物は、ＮＯｘ排出量の生成増加またはノック無しに使用することができる。より希薄な燃料は、本発明で高圧縮比を可能にする第二の特徴である。
【００３９】
噴射された水の量は、燃料流量及び使用するＥＧＲ量の関数である。現代のエンジンにおける燃料流量は、通常、燃料噴射器に供給される燃料の量を決定するエンジン制御コンピュータにデータを提供する空気流量センサまたは吸気圧力センサより決定される。エンジンへ元に分流されるＥＧＲガスの量も、エンジン制御コンピュータによって制御される。外部ＥＧＲの場合には、ＥＧＲ量がＥＧＲ弁によって制御される。内部ＥＧＲの実施の形態では、バルブタイミングは、可変バルブタイミング、例えば、カム位相整合により独立して制御可能である。他の乗数は、通常、燃料流量とＥＧＲを制御するエンジン制御コンピュータによって使用され、エンジン負荷、吸入空気温度、排気酸素センサ、及びエンジン回転数（ｒｐｍ）を含む。本発明のエンジンでは、水の流量は、同じパラメータを使用してコンピュータによって決定される。
【００４０】
噴射された水の量は、点火前に気筒内に噴射されるＥＧＲガスの質量百分率として表すことができる。一実施の形態では、噴射された水の量は、再循環排気ガス（ＥＧＲ）の約１０重量％〜約１２５重量％（ｗ／ｗ）である。一実施の形態では、噴射された水の量は、ＥＧＲの約１０重量％〜約１００重量％（ｗ／ｗ）、またはＥＧＲの約２５重量％〜約１００重量％（ｗ／ｗ）、またはＥＧＲの約２０重量％〜約１００重量％（ｗ／ｗ）、またはＥＧＲの約７５重量％〜約１２５重量％（ｗ／ｗ）、または約２５重量％（ｗ／ｗ）、または約５０重量％（ｗ／ｗ）、または約７５重量％（ｗ／ｗ）、または約１００重量％（ｗ／ｗ）である。
【００４１】
本発明のエンジンに噴射される水の量は、水が炭化水素燃料の燃焼生成物であるのでＥＧＲガスがかなりの水蒸気量を含むため、着火時に筒内の水または水蒸気の量を減らすことなく、従来の水噴射器に比べて減らすことができる。ＥＧＲガスは、（従来のＥＧＲシステムとは対照的に）本発明のエンジン内で処理又は冷却されないため、ＥＧＲガス中の水蒸気の全投入量がエンジンへ元に循環される。一態様では、本発明のＥＧＲシステムのこの特徴は、任意の既定時点で（車両エンジンの場合）車両に搭載されなければならないエンジン内への噴射のために必要な液体の水の量を減少させる。
【００４２】
水は、エンジン吸気マニホルドや気筒内に液体を噴射するように作られた噴射器で噴射することができる。一実施の形態では、水噴射器は、点火前に気筒内に引き込まれる、あるいは噴射される前にＥＧＲガスの存在下で吸気マニホルド内へ噴霧スプレー水を噴射することができる。一実施の形態では、水噴射器は、ＥＧＲガスが気筒に噴射または引き込まれた後、直接気筒内に噴霧スプレー水を噴射することができる。
【００４３】
用語「内部冷却排気ガス再循環」は、本発明において理解されるように、いかなる混合媒体熱交換器も、ＥＧＲ通路に採用されないことを意味する。したがって、内部冷却排気ガス再循環を用いるエンジンでは、ＥＧＲ通路に熱交換器、放熱器、冷却コイル、ジャケット冷却、空冷フィン、または他の外部冷却装置が存在しない。本発明において、ＥＧＲ通路は、排気ガスの一部が、排気通路から吸気通路に分流排気ガスの噴射まで分流される点の間の排ガス経路として定義される。
【００４４】
対照的に、熱交換器によるＥＧＲ冷却は従来技術においてよく知られている。本発明によれば、ＥＧＲガスの単なる冷却は、ＥＧＲガスの噴射後に直接ＥＧＲ通路、吸気通路内に噴射される水、または、ＥＧＲガスが気筒内に導入された後に気筒内に水を直接噴射することによる内部冷却によるものである。
【００４５】
排気ガス中に噴射した所定量の噴霧水は、純水である必要はない。一実施の形態では、水は低級アルカノール、特にＣ１―Ｃ４アルコール、例えば、メタノール、エタノール、ｎ−プロパノール、イソプロパノール、またはブチルアルコールの任意の異性体を含んでもよい。水中のアルコール溶液の使用は、例えば、寒冷地でＥＧＲ冷却するため水の融点を低下させるためであってもよい。例えば、水中エタノール３０％（ｗ／ｗ）混合物は、‐２０℃の融点/凝固点を有する。
【００４６】
本発明の内部ＥＧＲの実施の形態は、内部ＥＧＲを示す直接燃料噴射エンジンシステムを備えた自然吸気内燃エンジンの概略図である図４に示されている。内部ＥＧＲにより、外部の排気ガス再循環経路が設けられていない。むしろ、排気ガスは、直接燃焼室内へ水噴射器を介して直接ＥＧＲ冷却により、バルブ位相整合またはバルブオーバーラップにより「内部で」再循環される。本実施の形態では、空気吸入弁５又は排気弁６のタイミングは、バルブ位相整合またはバルブオーバーラップＥＧＲを提供するように独立してコンピュータ制御されなければいけない。
【００４７】
図４に示す本発明の内燃エンジンの動作は、標準的な４行程エンジンに一般に準拠している。空気吸入弁５は、ピストンの吸気行程の開始時に開いて空気が燃焼室に流入することを可能にする。空気吸入弁５は、ピストン２が燃焼室１内の空気と燃料を圧縮する圧縮行程の開始時に閉じる。ピストン２運動距離の頂面、すなわち、上死点（ＴＤＣ）直前に、点火装置、すなわち、点火プラグ２４は、燃焼室１内の燃料/空気混合物を点火する。ＴＤＣを過ぎてピストンサイクル後、点火した燃料は、動力行程時、気筒を下方へ押してクランクシャフト２６を回転させる。ピストンが動力行程時、すなわち、下死点（ＢＤＣ）で気筒内のその運動距離の最低点に達したとき、内燃エンジンは、排気行程を開始する。排気行程において排気弁４が開き、ピストン２の上方への移動により燃焼室１から排気ガスが押し出される。
【００４８】
この内部ＥＧＲの実施の形態では、排気弁４や吸気弁５の特殊な配列により、排気ガスがバルブ位相整合やバルブオーバーラップにより内部で再循環される。例えば、吸気弁は、排気行程の一部の間に開いていくつかの排気ガスを吸気マニホルドに入れることができる。これらのガスは、その後、吸気行程時に気筒内へ元に再循環される。別の実施の形態では、排気弁は、吸気行程時に開いて排気マニホルド内の排気ガスの一部を気筒へ入れることができる。したがって、図４の実施の形態において、吸排気弁の一方または両方は、必要なバルブ位相整合を達成するように独立して制御されなければいけない。
【００４９】
図４に示すように、タンク８からの水は、ポンプ９によって加圧され、直接燃焼室１内に噴射器７から噴射され、再吸気された排気ガスを冷却する。噴射された水の量は、エンジン制御用コンピュータ３０によって測定され制御される。また、図４に、燃料タンク２１、燃料ポンプ２０、燃料噴射器１２、コイル２３及びピストンロッド２５を示す。
【００５０】
エンジン制御コンピュータ３０は、吸気圧センサ２９、水ポンプ９、燃料ポンプ２０、および図示しない可変バルブタイミング制御部への接続部を有する。図４に示されたエンジンの実施の形態は、本発明に従って高圧縮比、希薄燃料混合物、及び所定量の噴射水で動作する。
【００５１】
本発明の別の実施の形態を、図５に記載する。図５は、直接燃焼室１内に水を噴射する噴射器７を介して直接ＥＧＲ冷却する、外部ＥＧＲループを通る排気ガスの流れを示す直接燃料噴射エンジンシステムを備えた自然吸気内燃エンジンの概略図である。従って、高圧縮燃焼室１からの排気ガスが、排気通路３内へ高圧縮ピストン２の排気行程時に出る。エンジン制御用コンピュータ３０によって制御されるＥＧＲ弁１０は、排気ガスの制御された量をＥＧＲ通路１１に入れ、外部熱交換器を通すことなく吸気通路６に送る。再循環排気ガスの温度は、吸入空気給気温度よりも高い。
【００５２】
水噴射器７は、ＥＧＲ通路１１からの再循環排気ガスと噴射器１２から直接燃焼室内に噴射された燃料とを有した燃焼室内に所定量の水を噴射する。燃焼室に噴射された水は、本発明に従って、直接再循環排気ガスの上昇温度を低下させる。また、図５に、吸気圧センサ２９と、水ポンプ９と、燃料ポンプ２０と、ＥＧＲ弁１０への接続部を有したエンジン制御用コンピュータ３０とを示す。図５に示すエンジンの実施の形態は、本発明による高圧縮比、及び希薄燃料混合物で動作する。
【００５３】
別の実施の形態を、図６に示す。図６は、直接燃焼室１内に水を噴射する水噴射器７を介して直接ＥＧＲ冷却する、外部ＥＧＲループを通る排気ガスの流れを示すポート燃料噴射、直接水噴射エンジンシステムを備えた自然吸気内燃エンジンの概略図である。高圧縮燃焼室１からの排気ガスが、排気通路３内へ高圧縮ピストン２の排気行程時に出る。ＥＧＲ弁１０は、排気ガスの量をＥＧＲ通路１１に入れ、外部熱交換器を通すことなく吸気通路６に送る。再循環排気ガスの温度は、水噴射前、吸入空気給気温度よりも高い。この実施の形態では、燃料は、燃料噴射器１２から直接気筒内ではなく、吸気通路内に噴射（ポート噴射）される。
【００５４】
水噴射器７は、所定の制御された量の水を、直接ＥＧＲ通路１１からの再循環排気ガスを有する燃焼室内へ噴射して点火前に上昇したガス温度を冷却する。
【００５５】
別の実施の形態は、ポート燃料噴射とポート水噴射とを備えた自然吸気内燃エンジンの概略を示す図７に示されている。吸気通路内の水の噴射を介してＥＧＲ冷却する外部ＥＧＲループを通る排気ガスの流れを導くエンジンシステムが示されている。ＥＧＲ弁１０は、排気ガスの制御された量をＥＧＲ通路１１に入れ、外部熱交換器を通すことなく吸気通路６に送る。吸気通路６に入った再循環排気ガスは、吸入空気よりも高い温度を有する。ＥＧＲガスは、タンク８から、ポンプ９を通って加圧され噴射器７によって吸気通路内に噴射された水によって冷却される。新鮮な空気を有するガス、冷却されたＥＧＲガス、水蒸気、及び燃料は、吸気行程時に燃焼室１内に吸引される。エンジン制御コンピュータ、センサ、および連携する接続部は、図７では簡略のため省略する。
【００５６】
別の実施の形態は、直接燃料噴射と、直接水噴射と、外部ＥＧＲとを備えたターボチャージャー搭載内燃エンジンの概略を示す図８に示されている。高圧ループ１１または低圧ループ１７、またはその両方のいずれであってもよい、外部ＥＧＲループを通る排気ガスの流れを導くエンジンシステムが示されている。本実施の形態では、高圧縮室１からの点火後の排気ガスが、排気通路３へ高圧縮ピストン２の排気行程時に出る。本実施の形態のエンジン排気により、空気吸入経路２８からの新鮮な空気１５及び吸気マニホルド６の他のガスを加圧する圧縮機１３に接続されたタービン１４を駆動する。高圧ＥＧＲバイパス１１では、排気パイプ３からの排気ガスが、タービン１４の前に吸気マニホルドへ分流される。上記のようなコンピュータ制御の下で、ＥＧＲ弁１０は、制御ＥＧＲバイパス１１に入る排気ガスの量を制御し高圧吸気通路６へ送る。
【００５７】
従って、ＥＧＲガスは、吸給気温度よりも高い温度の再循環排気ガスを提供する外部熱交換器を通ることなく、吸気マニホルド６に入る。低圧ＥＧＲループの場合には、排気流１６の一部は、ターボチャージャー搭載タービン１４を出た後、バルブ１８によって制御されるＥＧＲバイパス１７を通る新鮮な空気の吸入口２８内へ分流される。
【００５８】
タンク８からの水はポンプ９により加圧され、制御された量の水を直接、再循環排気ガスおよび噴射器１２から直接燃焼室１に噴射された燃料を含む燃焼室１内へ噴射する噴射器７に供給される。燃焼室１内に噴射される水は、直接再循環排気ガスの上昇した温度を低下させる。エンジン制御コンピュータ、センサ、および連携する接続部は、図８では簡略のため省略する。
【００５９】
別の実施の形態を、図９に示す。図９は、吸気マニホルド６内の水噴射器７を介して直接ＥＧＲ冷却する、高圧と低圧の外部ＥＧＲループを通る排気ガスの流れを示すポート燃料噴射、直接水噴射エンジンシステムを備えた自然吸気内燃エンジンの概略図である。本実施の形態は、高低ＥＧＲバイパスを有し、直接燃料噴射ではなくポート燃料噴射を備えた図８のターボチャージャー搭載の実施の形態と動作において同様である。
【００６０】
別の実施の形態（図示せず）では、ターボチャージャー搭載エンジンは、ポート燃料とポート水噴射による、本発明のＥＧＲと水噴射を採用することができる。別の実施の形態では、スーパーチャージャーが使用される。用語「ターボチャージャー」とは、排気ガスにより駆動される空気圧縮機を指す。用語「スーパーチャージャー」とは、エンジンへの機械的リンク機構によって駆動される空気圧縮機を指す。
【００６１】
他の実施の形態では、図４〜図９に示す実施の形態が、火花点火システムなしで、圧縮点火エンジンと使用される。
【００６２】
表１は、１９：１の圧縮比、および各気筒内に水噴射器を含むように変更された外部ＥＧＲを有する、ＶＷ １．９Ｌ ４気筒ターボチャージャー搭載直接噴射式ディーゼルエンジンの実験結果を示す。λは、エンジン負荷に応じて変化するが、このテストエンジンでは１.１以上であり、約１.５までの範囲とした。より高いλで、ＥＧＲが減少するように、ＥＧＲとλは、反比例した。ＥＧＲは、０％から３０％まで変化させた。水は、０％から１００％まで変化させた。最高動作効率（行１７〜２１）は、ＮＯｘ生成を上昇させた。実験５、１１、２１及び２３に示すように、水の量又はＥＧＲ量を増加させると、全体的な効率への影響は最小で、顕著にＮＯｘの生成を減少させた。
【表１】
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【００６３】
表１のエンジンテスト結果は、１０％ＥＧＲおよび２５％または５０％水噴射（実験２０および２１）で３９.５パーセントの最大効率を示す。
【００６４】
本発明では、霧状の水の量、空気：燃料混合比、および任意の既定の時点で使用されたＥＧＲの量が、エンジン制御装置（ＥＣＵ）によって制御される。具体的には、エンジン制御装置は、例えば、アクセルの位置、排気温度、車速、バルブタイミング及び位置、空気：燃料比に関する信号を受信する。これらの信号は、当該技術分野で知られるような、各センサによって発生され、エンジン制御装置に電子的に送られる。信号は、ＥＧＲ通路に噴射される霧状の水の量ならびにＥＧＲの量を調整して再循環排気ガスの所望の温度を得るための制御パラメータを提供する。また、空気：燃料混合比は、電力出力を最適化し、エンジンのアイドリング及び走行時のスロットル損失を最小限にするために、上記の信号に基づいて調整される。
【００６５】
本発明のエンジンを採用した車両が走行している状況下では、空気：燃料混合物は、最も希薄になる。しかし、これは、前述したように、燃焼室内の熱を大量に生成する。したがって、ＥＧＲは、ＥＧＲ通路内に大体積の霧状の水を導入することにより、より低い温度に冷却される。このように、圧縮比を高く維持することができ、空気：燃料比を最適化することができる。
【００６６】
燃焼室に導入されたＥＧＲの体積も、上記信号に基づいて、燃焼室の熱質量を最適化するように制御される。熱交換器は、システムへ応答遅れを導入するので、本発明のエンジンによって提供される微調整は、外部ＥＧＲ熱交換器では出来ない。つまり、外部熱交換器で再循環排気ガスの冷却に行われた調整は、熱交換器内の排気ガスが最終的に燃焼室内に到達する（到達まで数秒かかり得る）まで、燃焼室で実現されない。
【００６７】
本発明の一実施の形態では、本発明のエンジンは、直接冷却する内部ＥＧＲを利用する。直接冷却する内部ＥＧＲは、ＥＧＲ体積の最も迅速かつ正確な制御と排気ガス温度制御を行うためである。
【００６８】
水噴射体積とＥＧＲ体積をエンジン制御装置によりアクセス可能な予め記憶あるいは周期的に生成されたテーブルに基づいて制御される。一実施の形態では、テーブルは、噴射スイープを実行することによって、実験的に生成される。具体的には、エンジンは、水噴射とＥＧＲの量を変化させながら一定の速度及び負荷に保持される。噴射スイープは、最適値、または最適値のセットが、ほとんどの動作条件下で水噴射とＥＧＲに対して識別されるように、様々な速度および負荷で行われる。データは、実際の試験点間にある点についての完全な母体を生成するように、テスト結果間で補間される。従って、ＥＣＵは、エンジンを種々の負荷と速度でかけるときに所望の作動パラメータを維持するために、燃焼室に最適化された水噴射とＥＧＲの体積を供給することができる。
【００６９】
より具体的には、内部の燃焼室の各気筒の水とＥＧＲを制御するための方法１０００を、図１０に記載する。１０１０において、ＥＣＵは、例えば、エンジン回転数ＲＰＭ、負荷、質量空気流量を含む現在のエンジン作動条件を決定する。１０１５で、所望の空気/燃料混合比が、例えば、質量空気流量とＲＰＭなどの作動パラメータに基づいて決定される。
【００７０】
ＥＧＲの量は、１０２０で、空気/燃料混合比ならびに作動パラメータに基づいて得られる。ＥＧＲの量は、経験的に、またはＥＣＵによって記憶されたルックアップテーブルに基づいて得てもよい。また、１０２５で、排気ガスの温度が感知され、ＥＣＵに報告される。
【００７１】
空気/燃料混合比、圧縮比および排気温度に基づいて、冷却の必要量を計算し、１０３０で、水噴射の適切な量が、ＥＣＵによって決定される。噴射される水の量は、ＥＣＵによってアクセス可能な予め記憶されたルックアップテーブルに基づいて経験的に計算又は決定することができる。
【００７２】
空気/燃料混合比、ＥＧＲレベルおよび水噴射体積について上記決定された値に基づいて、ＥＣＵは、１０３５において、現在の気筒の燃料噴射器を制御して、ピストンの上死点（ＴＤＣ）の前に、燃焼室に、計算された空気/燃料比で、空気と燃料を噴射する。加えて、１０４０で、水噴射と、同時に、１０４５でＥＧＲ弁を制御して、ＴＤＣの前に燃焼室内に所定量の霧状の水と排気ガスを導入する。本発明では、ＥＧＲ弁は、より詳細に上述したように、外部ＥＧＲ通路に配置された弁、排気ガスを燃焼室内へ元に再循環するように所定期間開いたままにされる排気弁、またはＥＧＲ通路に結合された吸気弁を構成することができる。
【００７３】
霧状の水と排気ガスは、噴射された水によって、より完全な混合および冷却を行って燃焼室内の燃料の早期点火の危険性を低減するために、同時に導入されるべきである。あるいは、水と排気ガスは、空気/燃料混合物を導入する前に導入することができる。
【００７４】
ＥＣＵは、継続的にエンジンの性能を監視し、水とＥＧＲのルックアップテーブルの水とＥＧＲの値を調整することができる。
【００７５】
すなわち、一実施の形態において、１つまたはそれ以上の水噴射とＥＧＲのテーブルに記憶された所定の情報を使用して、エンジン制御装置は、燃焼室内に噴射される霧状の水と排気ガスの量などのエンジン出力状態に影響を与える制御パラメータを計算する。これらの調整は、本明細書に記載の実施の形態に従って、エンジン制御装置が燃料噴射器の作動（例えば、滞留時間）を制御するためのメッセージを伝え、水噴射のタイミングと霧状水噴射の（ＴＤＣ前の）体積を制御するためのメッセージを伝え、燃焼室内に導入された排気ガスの（ＴＤＣ前の）体積を制御することにより影響される。
【００７６】
エンジンサイクル毎に、現在の感知された条件・値を考えて、現在の温度と圧力の測定値、およびその他の変数、例えば周囲温度などの環境条件に応じて、エンジン制御装置は、燃料噴射量やタイミングを変更するための制御メッセージ、および本明細書に記載のような最大効率、圧縮および冷却のための圧縮行程時、気筒における（事前の）火花点火のタイミングに関連して水噴射（ポートまたは気筒直接噴射）の量を制御するための制御メッセージを送信することによってシステムの動作を調整する。
【００７７】
エンジンの動作の任意の特定のサイクルでのエンジン動作の監視と制御を、（いくつかの前サイクルの時間平均を含む）前サイクル中の動作に基づいて調整して、点火と、適切なクランク軸角度（複数可）の安定した水の噴射を実現できることが理解される。
【００７８】
本発明の実施の形態は、限定ではなくあくまで例示を意図するものであり、本発明の全ての実施の形態を表すことを意図するものではない。種々の変形および変更が、文字通り、かつ、法律で承認されている均等物において特許請求の範囲に記載された本発明の精神または範囲から逸脱することなく行われ得る。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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