(57)【要約】  内燃エンジン内の燃料噴射方法、およびこの燃料噴射方法を実施するための内燃エンジンが提示される。方法は、３００°Ｆから８４０°Ｆ（１５０から４５０℃）の温度に燃料を加熱するステップと、４０ｂａｒを超える圧力に燃料を加圧するステップと、吸気ストロークの間にプレ噴射燃料として燃料のチャージの少なくとも１０％をプレ噴射するステップと、圧縮ストロークの少なくとも一部にわたって燃料のチャージをシリンダ内に噴射するステップと、圧縮ストロークの間に超臨界条件下においてＢＴＤＣＦ９０°からＴＤＣＦの回転角度で燃料の少なくとも１０％の点火噴射をシリンダ内に噴射するステップとを含む。方法および関連する燃焼エンジンは、予混合燃焼および拡散燃焼の好適な組み合わせを創り出して効率を高め、その結果として環境への排気ガスを減少させ、さらに、騒音および振動も低い状態に保つ。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
クランク軸に接続され、前記クランク軸が上死点着火前（ＢＴＤＣＦ）３６０°から上死点着火（ＴＤＣＦ）の角度範囲で回転する間にシリンダ内で上死点と下死点との間を往復する少なくとも１つのピストンを含み、前記ピストンが上死点着火前３６０°から１８０°の範囲の少なくとも一部にわたって吸気ストロークを実施し、上死点着火前１８０°から上死点着火の回転角度の少なくとも一部にわたって圧縮ストロークを実施する内燃エンジン内の燃料噴射方法であって、
３００°Ｆから８４０°Ｆ（１５０から４５０℃）の温度に燃料を加熱するステップと、
４０ｂａｒを超える圧力に前記燃料を加圧するステップと、
前記吸気ストロークの間に、前記燃料のチャージの少なくとも１０％をプレ噴射燃料としてプレ噴射するステップと、
前記圧縮ストロークの少なくとも一部にわたって燃料のチャージを前記シリンダ内に噴射するステップと、
前記圧縮ストロークの間に、上死点着火前９０°から上死点着火の回転角度で、超臨界条件下にある前記燃料の少なくとも１０％の点火噴射を前記シリンダ内に噴射するステップと
を含む、燃料噴射方法。
【請求項２】
前記吸気ストロークの間に前記燃料のチャージの１０から２０％がプレ噴射される、請求項１に記載の燃料噴射方法。
【請求項３】
前記吸気ストロークの間に前記燃料のチャージの２０から３０％がプレ噴射される、請求項１に記載の燃料噴射方法。
【請求項４】
前記吸気ストロークの間に前記燃料のチャージの３０から５０％がプレ噴射される、請求項１に記載の燃料噴射方法。
【請求項５】
前記吸気ストロークの間に前記燃料のチャージの５０から９０％がプレ噴射される、請求項１に記載の燃料噴射方法。
【請求項６】
前記プレ噴射される燃料は、プレ噴射前に加熱および加圧されて超臨界条件を達成する、請求項１に記載の燃料噴射方法。
【請求項７】
前記プレ噴射される燃料を超臨界条件下でプレ噴射するステップと、
前記超臨界条件下でプレ噴射された燃料を少なくとも部分的に凝縮して液滴にするステップと、
前記点火噴射を噴射する前、前記圧縮ストロークの間に、前記燃料のチャージを圧縮して超臨界条件に到達させるステップと
をさらに含む、請求項１に記載の燃料噴射方法。
【請求項８】
前記プレ噴射される液体燃料を加熱条件下でプレ噴射して液滴に分割するステップと、
前記シリンダ内で前記プレ噴射された燃料を少なくとも部分的に蒸発させて燃料蒸気にするステップと、
前記点火噴射を噴射する前、前記圧縮ストロークの間に、前記燃料のチャージを圧縮して超臨界条件に到達させるステップと
をさらに含む、請求項１に記載の燃料噴射方法。
【請求項９】
前記吸気ストロークおよび前記圧縮ストロークの両方を含むサイクルの間に、合計で前記燃料のチャージの１０から９０％をプレ噴射燃料としてプレ噴射するステップと、
前記燃料のチャージの１０から９０％を点火噴射燃料として噴射するステップと
をさらに含む、請求項１に記載の燃料噴射方法。
【請求項１０】
前記プレ噴射燃料および前記点火噴射燃料の少なくとも１つが、噴射前および噴射中に超臨界条件下にあることをさらに含む、請求項９に記載の燃料噴射方法。
【請求項１１】
前記プレ噴射燃料および前記点火噴射燃料の両方が、噴射前および噴射中に超臨界条件下にあることをさらに含む、請求項９に記載の燃料噴射方法。
【請求項１２】
燃料としてガソリンを供給するステップと、
前記ガソリンを少なくとも４０ｂａｒまで加圧するステップと、
前記ガソリンを５４０°Ｆから６６０°Ｆ（２８０℃から３５０℃）の温度に加熱するステップと
をさらに含む、請求項１に記載の燃料噴射方法。
【請求項１３】
燃料としてディーゼル燃料を供給するステップと、
前記ディーゼル燃料を少なくとも４０ｂａｒまで加圧するステップと、
前記ディーゼル燃料を７２０°Ｆから８４０°Ｆ（３８０℃から４５０℃）の温度に加熱するステップと
をさらに含む、請求項１に記載の燃料噴射方法。
【請求項１４】
前記プレ噴射を一連の小さな個別のプレ噴射ショットに分割するステップをさらに含む、請求項１に記載の燃料噴射方法。
【請求項１５】
前記吸気ストロークの間に、上死点着火前３５５°以降の角度で前記プレ噴射を開始させるステップをさらに含む、請求項１に記載の燃料噴射方法。
【請求項１６】
クランク軸に接続され、前記クランク軸が上死点前（ＢＴＤＣＦ）３６０°から上死点（ＴＤＣＦ）の角度範囲で回転する間にシリンダ内で上死点と下死点との間を往復する少なくとも１つのピストンであって、上死点前３６０°から１８０°の範囲の少なくとも一部にわたって吸気ストロークを実施し、上死点前１８０°から上死点の回転角度の少なくとも一部にわたって圧縮ストロークを実施するピストンと、
前記シリンダと流体接続された状態で配置される燃料噴射装置と、
噴射前の燃料を３００°Ｆから８４０°Ｆ（１５０から４５０℃）の温度に加熱するためのヒータと、
噴射前の燃料を少なくとも４０ｂａｒの圧力に加圧するポンプと、
前記燃料噴射装置に接続される制御装置であって、前記吸気ストロークの間に前記燃料のチャージの少なくとも１０％がプレ噴射燃料としてプレ噴射され、前記圧縮ストロークの少なくとも一部にわたって前記燃料のチャージが前記シリンダ内に噴射され、前記圧縮ストロークの間に上死点前９０°から上死点の回転角度で超臨界条件下にある前記燃料の少なくとも１０％の点火噴射が前記シリンダ内に噴射されるように、０から３６０°のサイクルの間に噴射される前記燃料のチャージのマグニチュードを制御するように構成される制御装置と
を備える、内燃エンジン。
【請求項１７】
前記制御装置は、前記吸気ストロークの間に前記燃料のチャージの１０から２０％がプレ噴射されるように構成される、請求項１６に記載の内燃エンジン。
【請求項１８】
前記制御装置は、前記吸気ストロークの間に前記燃料のチャージの２０から３０％がプレ噴射されるように構成される、請求項１６に記載の内燃エンジン。
【請求項１９】
前記制御装置は、前記吸気ストロークの間に前記燃料のチャージの３０から５０％がプレ噴射されるように構成される、請求項１６に記載の内燃エンジン。
【請求項２０】
前記制御装置は、前記吸気ストロークの間に前記燃料のチャージの５０から９０％がプレ噴射されるように構成される、請求項１６に記載の内燃エンジン。
【請求項２１】
前記ヒータおよび前記ポンプは、プレ噴射前に前記プレ噴射される燃料を加熱および加圧して超臨界条件を達成するように構成される、請求項１６に記載の内燃エンジン。
【請求項２２】
前記点火噴射を噴射する前、前記圧縮ストロークの間に、前記燃料のチャージが超臨界条件に到達するような圧縮比を含む、請求項１６に記載の内燃エンジン。
【請求項２３】
前記制御装置は、前記吸気ストロークおよび前記圧縮ストロークの両方を含むサイクルの間に、合計で前記燃料のチャージの１０から９０％がプレ噴射燃料としてプレ噴射され、前記燃料のチャージの１０から９０％が点火噴射燃料として噴射されるように構成される、請求項１６に記載の内燃エンジン。
【請求項２４】
前記ヒータおよび前記ポンプは、前記プレ噴射燃料および前記点火噴射燃料の少なくとも１つが噴射前および噴射中に超臨界条件下にあるように、前記プレ噴射燃料および前記点火噴射燃料を加熱および加圧するように構成される、請求項２３に記載の内燃エンジン。
【請求項２５】
前記ヒータおよび前記ポンプは、前記プレ噴射燃料および前記点火噴射燃料の両方が、噴射前および噴射中に超臨界条件下にあるように、前記プレ噴射燃料および前記点火噴射燃料を加熱および加圧するように構成される、請求項２３に記載の内燃エンジン。
【請求項２６】
前記内燃エンジンは、ガソリン動力エンジンであり、
前記ヒータおよび前記ポンプは、ガソリンを少なくとも４０ｂａｒまで加圧し、かつ前記ガソリンを５４０°Ｆから６６０°Ｆ（２８０℃から３５０℃）の温度に加熱するように構成される、請求項１６に記載の内燃エンジン。
【請求項２７】
前記内燃エンジンは、ディーゼル燃料動力エンジンであり、
前記ヒータおよび前記ポンプは、ディーゼル燃料を少なくとも４０ｂａｒに加圧し、かつ前記ディーゼル燃料を７２０°Ｆから８４０°Ｆ（３８０℃から４５０℃）の温度に加熱するように構成される、請求項１６に記載の内燃エンジン。
【請求項２８】
前記燃料噴射装置は、前記プレ噴射を一連の小さな個別のプレ噴射ショットに分割するように構成される、請求項１６に記載の内燃エンジン。
【請求項２９】
前記制御装置は、前記吸気ストロークの間に、上死点前３５５から３４５°の角度で前記プレ噴射が開始されるように構成される、請求項１６に記載の内燃エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関における燃料噴射方法およびこの燃料噴射方法を実施する内燃エンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
世界のエネルギー消費の大部分は、内燃エンジンベースの車両に動力を供給することに割かれている。大部分のガソリンおよびディーゼル車のエンジンは、効率がわずか２０〜３０％である。したがって炭化水素燃料の大部分が無駄になっており、それによってグローバル資源が使い果たされ、さらに過大な量の汚染物質および温室効果ガスが生成されている。炭化水素燃料がよりパニック状態になり、より高価になると、これらの燃料をより効率的に使用することが望まれる。
【０００３】
内燃エンジンは、通常、１つまたは複数の燃料噴射装置を使用して、燃料をエンジンの燃焼チャンバ中に噴射する。通常の燃料噴射装置は、油圧的に、電磁気的に、または圧電的に作動される噴射装置ピンを有することができる。圧電性要素は、電圧が要素に対して加えられたとき、寸法が変化する材料である。電圧が取り去られたとき、圧電性要素は、その元の寸法に戻る。多くの圧電性要素は、アクチュエータとして使用されるとき、互いに積み重ねられて、より大きい圧電性要素または「圧電性スタック」が形成され、それによって、アクチュエータの変位が増加される。圧電的に作動される燃料噴射装置中では、これらの圧電性要素または圧電性スタックの１つまたは複数が、燃料を計量しながら内燃エンジン中に供給するための燃料噴射装置ピンを作動させるために使用される。
【０００４】
燃料噴射のタイミングは、電子的または機械的に制御することができる。機械的システムでは、燃料噴射装置は、一般にベルト、歯車またはチェーンを介してエンジンのクランク軸によって駆動される。通常、燃料噴射装置は、機械的に、燃料噴射のタイミングがエンジンのピストンの吸気ストロークおよび／または圧縮ストロークと一致するように同期させて、クランク軸に結合される。電子システムでは、燃料は、一般に各燃料噴射装置内の電気ソレノイドを調整して制御することによって、燃焼チャンバ内に噴射される。ソレノイドのためのタイミングは、燃料噴射装置の磁気コイルに流入する電流を制御するコンピュータによって制御される。
【０００５】
一般に、燃料システムは、燃料噴射に先立ち、一定の圧力を維持する必要がある。ディーゼル型エンジンの場合、この圧力は、極めて高くすることができる。３０，０００ｐｓｉ（２００ＭＰａ）以上の圧力を、ディーゼルエンジンの燃料システムでは通常とすることができる。火花点火によるガソリン型エンジンの場合、燃料圧力は、３，０００ｐｓｉ（２０ＭＰａ）の範囲内が一般的である。燃料圧力は、一般に、燃料タンク（すなわちガスタンク）から燃料を得る燃料ポンプによって供給される。システム内の圧力変動を抑えるのを支援するために、圧力調整器または蓄圧器を燃料ポンプの出口に接続することができる。代替実施形態では、圧力は、加圧ラムを備えることができる燃料噴射装置によって直接発生してもよい。燃料の量を計量しながら供給することは、加圧ラムのストロークを調節することによって達成することができる。
【０００６】
先行技術では、通常は燃料が噴射前に加熱されず、約１００℃の温度に冷却されるモータブロックと同等の温度になっていた。
【０００７】
先行技術の噴射では、噴射をいくつかの部分、典型的にはプレ噴射およびメイン噴射に分けることが知られていたが、そのようなプレ噴射は、主に、圧縮ストロークの間、または着火前の下死点に少なくとも接近したときに行われた。
【０００８】
燃焼は、通常、２つのタイプの燃焼に区別される。すなわち、上死点着火後（ＡＴＤＣＦ：after  top  dead  center  firing）０〜２０°の角度内で通常行われ、そして上死点着火（ＴＤＣＦ：top  dead  center  firing）に比較的に接近した点火噴射の間に噴射された燃料を燃焼させる、いわゆる予混合燃焼である。より従来のタイプの燃焼は、拡散燃焼と呼ばれ、より長い期間にわたって行われる。このタイプの燃焼は、たとえば、ＴＤＣＦのかなり前に燃料に点火する点火プラグによって引き起こされ、燃料と空気の混合ガスを通って徐々に進む火炎前面を形成する。予混合燃焼が比較的効果的であるが、いくつかの問題が、比較的小さい角度にわたるこの比較的激しい燃焼から生じる虞がある。たとえば、予混合燃焼によって騒音が発生する虞がある。したがって、このより効果的な予混合燃焼の効果全体を損なうことなく予混合燃焼を修正し、その一方で騒音および振動などの不利な点を除去することは、望ましいはずである。したがって、両方のタイプの燃焼の融合は、望ましいはずである。両方のタイプの燃焼を組み合わせる比較的複雑な方法は、反応制御圧縮点火（Reaction  Controlled  Compression  Ignition）として知られており、また頭字語ＲＣＣＩとして知られている。しかし、ＲＣＣＩは、ガソリンなどの低反応性燃料のプレ噴射、およびディーゼルなどの高反応性燃料の遅れた噴射点火を必要とする。２つのタイプの燃料は、２つの燃料タンクおよび２つの異なるタイプの噴射装置を必要とするため、たとえば自動車の場合、実用的な解決策としては通常受け入れられない。
【０００９】
両方のタイプの燃焼の組み合わせを創り出すための別の従来技術の概念は、ジェット点火（jet  ignition）として知られており、その場合には２つの噴射装置に加えて追加の予燃焼チャンバが必要であった。この予燃焼チャンバは、より大きい燃焼チャンバ中で燃料の混合ガスを点火する予燃焼を生成する。追加の予燃焼チャンバは、また、追加の噴射装置、さらには点火プラグを必要とする。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、ただ１つのタイプの燃料と、ただ１つのタイプの噴射装置とを使用しながら、両方のタイプの燃焼の好適な組み合わせを創り出すことである。
【００１１】
本発明の別の目的は、両方のタイプの燃焼の好適にバランスされた融合によって、燃焼の効率を高めることである。効率が高められれば、環境への排気ガスも減少させられる。
【００１２】
本発明のさらなる目的は、点火のための点火プラグを要求することなく、所望の程度の拡散燃焼を実現することである。
【００１３】
本発明の他の特徴および態様は、添付図面と併せて次の詳細な記述から明らかになるはずであり、添付図面は、例としてだけで、本発明の実施形態による特徴を例示する。発明の概要は、本発明の範囲を限定するものと意図されておらず、その範囲は、ここに添付する請求の範囲だけによって定義される。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明によれば、この目的は、少なくとも１つのピストンを含む内燃エンジン内の燃料噴射方法によって達成される。少なくとも１つのピストンは、クランク軸に接続され、クランク軸が上死点着火前（ＢＴＤＣＦ：before  top  dead  center  firing）３６０°から上死点着火（ＴＤＣＦ：top  dead  center  firing）の角度範囲で回転する間、シリンダ内で上死点と下死点との間を往復する。また、このピストンは、上死点着火前３６０°から１８０°の範囲の少なくとも一部にわたって吸気ストロークを実施し、上死点着火前１８０°から上死点着火の回転角度の少なくとも一部にわたって圧縮ストロークを実施する。前記方法は、燃料を３００°Ｆから８４０°Ｆ（１５０から４５０℃）の温度に加熱するステップと、燃料を４０ｂａｒを超える圧力に加圧するステップと、吸気ストロークの間にプレ噴射燃料として燃料のチャージの少なくとも１０％をプレ噴射するステップと、圧縮ストロークの少なくとも一部にわたって燃料のチャージをシリンダ内に噴射するステップと、圧縮ストロークの間に上死点着火前９０°から上死点着火の回転角度で超臨界条件下にある燃料の少なくとも１０％の点火噴射をシリンダ内に噴射するステップとを含む。付随する発明がもたらす利点の１つは、ガソリンなどの低反応性燃料の場合でも、プレ噴射燃料を加熱することによって、点火プラグがなくても点火を達成することができることである。その理由の一部は、燃料中の燃料分圧がより高くなるように、燃料と吸気空気をよく混合し、燃料をより微細な液滴に分割し、それによって燃料により高い蒸発傾向を与えることである。他の利点は、予混合燃焼および拡散燃焼の両方を含むバランスがとれた燃焼である。この場合、拡散燃焼は、大部分について、比較的大きい上死点着火前の角度でプレ噴射されたプレ噴射燃料、たとえば上死点着火前２７０°またはさらに早く開始したものに起因する。
【００１５】
本発明の目的は、さらに、少なくとも１つのピストンを含む燃焼エンジンによって達成される。少なくとも１つのピストンは、クランク軸に接続され、クランク軸が上死点前（ＢＴＤＣＦ）３６０°から上死点（ＴＤＣＦ）の角度範囲で回転する間にシリンダ内で上死点と下死点の間を往復する少なくとも１つのピストンであって、上死点前３６０°から１８０°の範囲の少なくとも一部にわたって吸気ストロークを実施し、上死点前１８０°から上死点の回転角度の少なくとも一部にわたって圧縮ストロークを実施するピストンと、シリンダと流体接続された状態で配置される燃料噴射装置と、噴射前の燃料を３００°Ｆから８４０°Ｆ（１５０から４５０℃）の温度に加熱するヒータと、噴射前の燃料を少なくとも４０ｂａｒの圧力に加圧するポンプと、燃料噴射装置に接続される制御装置であって、吸気ストロークの間に前記燃料のチャージの少なくとも１０％がプレ噴射燃料としてプレ噴射され、圧縮ストロークの少なくとも一部にわたって燃料のチャージがシリンダ内に噴射され、圧縮ストロークの間に上死点前９０°から上死点の回転角度で超臨界条件下にある燃料の少なくとも１０％の点火噴射がシリンダ内に噴射されるように、０から３６０°のサイクルの間に噴射される燃料のチャージの量を制御するように構成される制御装置とを含む。
【００１６】
好ましくは、吸気ストロークの間にプレ噴射される燃料のチャージは、燃料のチャージ合計の１０から２０％とすることができるが、他の範囲であってもよい。たとえば燃料のチャージの２０から３０％が吸気ストロークの間にプレ噴射されてもよく、燃料のチャージの３０から５０％が吸気ストロークの間にプレ噴射されてもよく、燃料のチャージの５０から９０％が吸気ストロークの間にプレ噴射されてもよい。プレ噴射燃料の噴射タイミングの開始は、上死点前３６０°から１８０°の範囲内とすることができる。同様に、点火噴射としても知られる、圧縮ストロークの間に噴射される燃料のチャージは、最大で吸気および圧縮のサイクルの間に噴射される燃料のチャージ合計の９０％までとすることができる。噴射点火タイミングの開始は、上死点前１８０°から３６０°の範囲内とすることができる。それゆえ、点火噴射のタイミングが遅い場合、上死点の後、噴射が終了する時間まで点火噴射が続いてもよい。
【００１７】
好ましくは、プレ噴射燃料は、プレ噴射前に、超臨界条件を達成するように加熱および加圧される。超臨界燃料は、吸気ストロークの間、上死点前３６０°から１８０°でプレ噴射として噴射されるとき、シリンダ内の温度および圧力によって、燃料が凝縮して液体の液滴になる。凝縮された燃料液滴は、液体燃料噴射によって達成されるよりもずっと小さい液滴サイズである。圧縮ストロークの間、燃料と空気の混合ガスは、圧縮されて加熱され、それによって燃料が迅速に蒸発して、空気と混合することになる。超臨界燃料は、圧縮ストロークの間に点火噴射として噴射される。シリンダ内の温度および圧力が超臨界燃料のそれらより高いとき、燃料は空気と混合しても超臨界条件の状態のままである。
【００１８】
好ましくは、燃料噴射方法は、超臨界条件下においてプレ噴射燃料をプレ噴射するステップと、超臨界のプレ噴射燃料を少なくとも部分的に凝縮して液滴にするステップと、点火噴射を噴射する前、圧縮ストロークの間に燃料のチャージを圧縮して超臨界条件に到達させるステップとを含む。
【００１９】
好ましい代替実施形態によれば、燃料噴射方法は、加熱された条件下においてプレ噴射される液体燃料をプレ噴射して液滴に分割するステップと、シリンダ内でプレ噴射された燃料を少なくとも部分的に蒸発させて燃料蒸気にするステップと、点火噴射を噴射する前、圧縮ストロークの間に、燃料のチャージを圧縮して超臨界条件に到達させるステップとを含む。この代替実施形態によれば、加熱された燃料は、部分的に液体状態に留まりうるが、それでもその加熱された条件のために微細な液滴に分割されることになる。さらに、その一部は蒸発する。その結果は、加熱されていない燃料を噴射することによって得ることができるものよりずっと微細な液滴である。通常、より微細な液滴は、超臨界相からそのまま噴射した後に凝縮することによって得られるが、燃料の反応性のレベル、燃料液滴がどれぐらい微細であるのかに依存する可能性があり、空気との混合が圧縮ストロークの間の早期自己点火を妨げるものになりかねない。別のパラメータは、プレ噴射燃料の量である。たとえば、超臨界相下でガソリンなどの低反応性燃料をプレ噴射することは望ましい可能性があるが、同等の量のディーゼル燃料をプレ噴射するときには、超臨界のレベルに上昇しない加熱条件下でプレ噴射すれば十分である可能性がある。
【００２０】
好ましくは、吸気ストロークの間にプレ噴射される燃料として、燃料のチャージの１０から９０％の範囲のプレ噴射量、および圧縮ストロークの間に点火噴射される燃料として、燃料のチャージの１０から９０％の範囲の噴射。
【００２１】
好ましくは、プレ噴射燃料および点火噴射燃料の少なくとも１つが、噴射前および噴射中に超臨界条件下にある。
【００２２】
好ましくは、燃料噴射方法は、プレ噴射燃料および点火噴射燃料の両方が、噴射前および噴射中に超臨界条件下にあることをさらに含む。たとえば、燃料は、好ましくは、ガソリンであり、少なくとも４０ｂａｒまで加圧し、２８０℃から３５０℃の温度に加熱することができる。別の好ましい実施形態によれば、燃料は、ディーゼル燃料であり、少なくとも４０ｂａｒの圧力に加圧し、３８０℃から４５０℃の温度に加熱することができる。
【００２３】
好ましくは、燃料噴射方法は、プレ噴射を一連の小さな個別のプレ噴射ショットに分割するステップを含む。これは、吸気ストロークの間、ある角度の範囲にわたってプレ噴射を引き延ばし、場合によっては圧縮ストローク中まで延長する。吸気ストロークの間に角度が変わる小さな個別のプレ噴射ショットは、シリンダ中の燃料分散に役立ち、燃料と空気の混合が向上され、排気ガスが減少する。
【００２４】
好ましくは、プレ噴射は、吸気ストロークの間、上死点前３５５から３４５°の角度で、排気弁を閉じた直後に開始される。噴射の最適な開始は、通常、およそ上死点前２７０°である。というのは、この位置でピストン速度が最大になり、吸気流の速度も最大になり、それゆえ混合可能性が最大になるからである。サイクル中でより早期に噴射すると速度が低下し、燃料と混合するために利用可能なチャージの総量がより少なくなる。サイクル中でより遅く噴射すると、吸気速度が低下し、利用可能な吸気チャージ質量の割合が増加し、噴射プロセスがより遅く終了することになる。後者は、燃焼前の燃料と空気との混合時間を減少させ、それゆえ混合ガスの品質を低下させる。それゆえ、複雑な相互作用に依存する噴射開始の最適化は、実験に基づき実施される。
【００２５】
好ましくは、内燃エンジンは、点火噴射を噴射する前、圧縮ストロークの間に、燃料のチャージが超臨界条件に到達するような圧縮比を含む。
【００２６】
本発明は、１つまたは複数の様々な実施形態によって、次の図を参照して詳細に述べられる。図面は、例示目的のためだけに提示され、単に本発明の代表的な、または例示の実施形態を描いている。これらの図面は、読者が本発明を理解するのを容易にするために提示され、本発明の幅広さ、範囲または適用性を限定するものと見なしてはならない。例示の明確さおよび容易さのために、これらの図面は、必ずしも尺度に合わせて作成されていないことに留意すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施形態を用いることができる例示の車両を例示する図である。
【図２】本発明の実施形態を用いることができる例を例示する図である。
【図３】本発明の一実施形態によってポンプシステムを実現することができる例示の環境を例示する図である。
【図４】本発明の一実施形態による例示のポンプシステムを例示する図である。
【図５】本発明の実施形態を実施することができる環境を例示する図である。
【図６】内燃エンジン内の燃料の圧縮点火プロセスの略図であって、物理的遅延プロセスおよび化学的遅延プロセスを例示する図である。
【図７】圧縮点火エンジンのための燃料供給システムを本発明で用いることができる場合を例示する図である。
【図８】例示的な加熱される噴射点火燃料噴射装置の断面図であって、燃料の入口および出口サブシステムを示す図である。
【図９】吸気ストロークおよび圧縮ストロークのシーケンスを示す概略図である。
【図１０】吸気ストロークおよび圧縮ストロークの間、クランク軸の回転角度と相関させて、本発明による噴射を例示する略図である。
【図１１】超臨界の圧縮サイクルでの点火噴射だけでなく非超臨界の吸気サイクルでのプレ噴射を考慮した燃料の相変化、および従来の液体噴射に関する相変化との比較を例示する略図である。
【図１２】予混合燃焼、拡散燃焼、本発明による予混合燃焼と拡散燃焼の重ね合わせに関する熱発生をクランク角度について示す略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図は、包括的なものになる、または開示した正確な形態に本発明を限定することを意図されていない。本発明は、修正し変更して実施することができること、および、本発明は請求の範囲およびその均等物だけによって限定されることが理解されるべきである。
【００２９】
詳細に本発明を述べる前に、本発明をそれによって実施することができる、いくつかの例示の環境を述べることは、役に立つ。１つのそのような例は、内燃エンジンによって動力を供給される車両の例である。図１は、そのような車両１を例示する。燃料供給装置２が車両内に配置され、燃料ライン４によってエンジン３に結合される。燃料供給装置２からの燃料は、エンジン３に動力を提供するために使用され、それによって原動力が車両１に提供される。より具体的な例は、図２に関して例示するような内燃エンジンの例である。エンジン３は、ピストン６がその中に配置された複数のシリンダ５を含む。複数の燃料噴射装置７が、燃料をエンジン３に供給するように構成され、４で燃料源２に接続される。ピストン６およびシリンダ５は、燃焼チャンバを形成するように構成され、その中に燃料９が、エンジンのストロークパワーストロークの間、燃料噴射装置７から計量しながら供給される。燃料９が、空気と混合されて点火されたとき、ピストン６が移動し、それによってクランク軸８が回転して原動力が提供される。
【００３０】
本発明は、ポンプの回転変位−出力圧力プロフィールに基づいてポンプを制御するためのシステムおよび方法を対象とする。
【００３１】
詳細に本発明を述べる前に、本発明をそれによって実施することができる、いくつかの例示の環境を述べることは、役に立つ。１つのそのような例は、動力車中のエンジンシステムの例である。図３は、エンジンシステム１０を例示し、それは、エンジン３、燃料タンク２、燃料フィルタ１１、ポンプ１２、圧力調整器または蓄圧器１３、コンピュータ１４および燃料噴射装置１５を含む。これらの構成部品は、エンジン３は別に、燃料システム１６を含む。コンピュータ１４は、ペダルセンサ（図示せず）からスロットル入力を受け取るエンジン制御装置（ＥＣＵ：Engine  Control  Unit）１７を含むことができる。ＥＣＵは、適切な燃料圧力および排除容積の要求をポンプ１２のモータに出力する。ＥＣＵは、同時に、噴射装置作動要求をエンジンのための複数の燃料噴射装置に出力する。
【００３２】
ポンプ１２は、燃料タンク２から燃料を引き出し、燃料を圧力調整器１３に押し込み、それは、エンジン３の燃料噴射装置１５中に入る燃料の圧力を制御する。圧力調整器１３は、各燃料噴射装置１５の入力で、圧力を一定のレベルに維持するように支援する。システム中の圧力が所定の最高圧力を超えたとき、圧力調整器１３は、過剰な燃料および圧力を流出させて燃料タンク２に戻す。このようにして、燃料システム１６およびエンジン３は、過圧力または圧力スパイクから保護される。さらに、圧力調整器１３は、コンピュータ１４のエンジン制御装置によって求められたとき、システムから圧力を開放するために使用することができる。１つのそのような例は、車両が停車してアイドリングになり、より低い圧力が求められたときとすることができる。圧力調整器１３を開くと、圧力の即時の「ダンプ」または解放が可能になることによって、ポンプ１２がより迅速に、より効率的に作動することが可能になる。
【００３３】
燃料フィルタ１１は、通常、ポンプ１２と圧力調整器１３の間に設置される。燃料フィルタ１１は、燃料タンク２の内部の燃料中に存在する恐れがある微粒子および不純物を濾過する責任を負う。このようにして、エンジン３は、エンジン３に損傷を与える恐れがあるはずの微粒子から保護される。
【００３４】
燃料システム１６は、ガソリンおよびディーゼルエンジンなど、様々なタイプのエンジンに対して実現することができる。図３に示すように、エンジン３の燃料噴射装置１５は、電子的に制御される燃料噴射装置である。燃料噴射装置は、ポート噴射または直接噴射を使用するエンジン中で使用することができる。例示する実施形態では、燃料噴射装置１５の各々は、電気ソレノイド弁の燃料噴射装置である。一実施形態では、ポンプ１２は、エンジン３の動力および効率を向上させるために、燃料噴射装置１５に超臨界燃料を供給する。ソレノイド弁を開き、燃料がエンジン３に入ることを可能にするために、コンピュータ１４は、燃料噴射装置１５内の磁性アーマチャに電流を送る。一度アーマチャが帯電すると、電場が形成されてソレノイドを引き付け、それによってエンジン３の燃焼チャンバ中への流路が生成される。電流放電のタイミングが、コンピュータ１４によって調整される。これは、エンジン３の内部のセンサからのフィードバックを使用して行うことができる。そのようなセンサの一例は、エンジンの軸位置センサである。エンジンのクランク軸の位置を決定することによって、コンピュータ１４は、ピストンの位置を計算して電流放電のタイミングを決定することができる。
【００３５】
燃料システム１６では、ポンプ１２および圧力調整器１３は、ともに、コモンレール１８の内部の燃料圧力を維持し、コモンレールは、燃料噴射装置１５の各々に燃料を給油する。述べたように、燃料噴射装置１５のソレノイドは、電流が放電されたときはいつも、開かれる。電流放電のタイミングは、エンジン３のピストンまたはクランク軸の位置に基づく。それゆえ、エンジン３が高速で動作中であるとき、コモンレール１８の内部の圧力を全体に一定に保つために、燃料ポンプ１２の動作回転変位または回転運動は、燃料および圧力が燃料噴射装置１５の各々中に流出された結果として失われた圧力を補償するためにも、増加しなければならない。さらなる実施形態では、そのような燃料圧力とエンジン回転変位の関係を、電子燃料噴射装置の代わりに機械的燃料噴射装置を用いるシステム中で維持することができる。
【００３６】
時により、本発明は、これらの例示の環境の観点から本明細書で述べられる。これらの例示の環境の観点からの記述は、本発明の様々な特徴および実施形態を例示的な適用との関連で表現することを可能にするために提示される。当業者には、この記述を読むことによって、異なる、および代替の環境下で本発明をどのようにして実施することができるのかが明らかになる。
【００３７】
図４は、本発明の一実施形態によるポンプシステム１９を例示する。ポンプシステム１９は、燃料タンク２、燃料フィルタ１１、燃料ポンプ１２、回転角度計２０、圧力調整器または蓄圧器１３、圧力センサ２１、配給センサ２２、配給チャネル２３および電子制御装置１７を有するコンピュータ１４を含む。高レベルでは、燃料ポンプ１２は、燃料フィルタ１１を通じて燃料を引き出し、配給チャネル２３を介して燃料をエンジン（または加圧された流体を求める他の装置）に供給する。一実施形態では、配給チャネル２３は、燃料を複数の燃料噴射装置１５に供給するように構成されるコモンレール１８である。また、他のタイプの配給チャネル２３を、コモンレール１８の代わりに使用することができる。
【００３８】
ポンプシステム１９では、ポンプ１２は、容積式ポンプとすることができる。ポンプ１２は、好ましくは、効率が高く、ピストンポンピングチャンバからの流体漏れが最小から全くないラジアルピストンポンプである。ポンプ１２に取り付けられたモータは、ポンプを運転する軸を回転させる。モータ軸の各回転は、ポンプピストンによってポンプで送られる流体の設定容積に対応する。回転角度計２０は、モータ軸の回転変位がポンプで送られる流体の容積と関連するので、それを検知するように構成することができ、そして回転変位データをコンピュータ１４に送る。回転角度計２０は、ユーザの必要に応じて１〜３つの極を有するホールセンサとすることができる。
【００３９】
圧力センサ２１は、ポンプ１２の出口２４で流体の圧力を監視して、圧力データをコンピュータ１４に送るように構成することができる。ポンプ１２のモータのあらゆる回転変位値または回転角度計のカウントに対して、出口２４において対応する流体圧力値が存在する。コンピュータ１４は、圧力およびモータ回転変位のデータを記録して表にし、それによってポンプ１２に関するモータ回転変位−圧力プロフィールを作成する。回転変位および圧力のデータは、記録手段を使用してデータをメモリ中に格納する、および／またはデータを遠隔のデータ記憶システムに送信することによって収集することができる。圧力データは、アナログまたはデジタルのデータとすることができる。
【００４０】
一実施形態では、ポンプ１２のモータは、ブラシレス直流モータである。ブラシレス直流モータは、コンピュータ１４によって送られるストップ／スタートタイプの要求に最善に適することができる。また、モータをより離散的に制御することが必要な場合、４〜８つの極を使用するステップモータを使用することができる。あるいは、応答がより遅いモータが所望である状況では、同期交流モータを使用することができるはずである。このようにして、最適な燃焼のために、必要に応じてポンプの圧力をストップ／スタートさせる能力を備えてポンプモータを正確に制御することが達成されうる。さらに、ポンプは、アイドリング時に最適圧力を得るように起動し、それによってスロットルがアイドリングの後に作動させられたとき、噴射装置によって迅速に効率よく着火することを可能にすることができる。
【００４１】
ポンプシステム１９では、蓄圧器１３は好ましいが、しかし必要ではない。述べたように、蓄圧器１３は、圧力変動、具体的にはポンプシステム１９内の小さな圧力変動を抑えるのに役に立つ。ポンプシステム１９が蓄圧器１３を組み込む場合、圧力センサ２１は、蓄圧器１３の出口で圧力を測定し、測定された圧力データをコンピュータ１４に、または他のデータ記憶装置に送るように構成することができる。一実施形態では、圧力センサ２１は、蓄圧器１３中に組み入れることができる。圧力センサ２１は、データを収集し送信する能力を備えるコンピュータモジュールを含むことができる。
【００４２】
蓄圧器１３を備える場合、回転変位−圧力プロフィールは、蓄圧器１３を備えないポンプシステムと異なることになる。それゆえ、新しい回転変位−圧力プロフィールが、蓄圧器１３を備えるポンプシステムについて作成されなければならない。述べたように、ポンプ１２のモータのいずれかの回転変位値に対して、蓄圧器１３の出力において対応する流体圧力値が存在する。コンピュータ１４または圧力モジュール２１は、圧力およびモータ回転変位のデータを記録して表にし、それによって蓄圧器１３を備えるシステム１９についてのモータ回転変位−圧力プロフィールを作成するように構成することができる。
【００４３】
一度回転変位−圧力プロフィールが、ポンプシステム１９に関して確立されると、蓄圧器１３の出力における流体圧力は、確立された回転変位−圧力プロフィールに基づき、ポンプモータの回転変位を変化させることによって、正確に制御することができる。
【００４４】
一実施形態では、ポンプシステム１９は、コモンレール１８に接続され、それは、複数の燃料噴射装置に接続することができる。蓄圧器１３の出力における燃料圧力は、コモンレールの存在によって影響される恐れがあり、それゆえ、新しいモータ回転変位−圧力プロフィールをこの特定の構成について開発すべきである。具体的な回転変位−圧力プロフィールは、配給チャネル２３が何（たとえば、ディーゼルエンジンのコモンレール、ガソリンエンジンのコモンレールなど）に接続されているのかを考慮して開発すべきである。
【００４５】
一実施形態では、コンピュータ１４は、ユーザの要求で、または日常的な整備の後など、所定のときに、ポンプシステム１９についての回転変位−圧力プロフィールを開発するために、学習モードまたは自己同調モードを開始させることができる。自己同調モードは、エンジンが起動される前に行うことができ、そして基本的に、ポンプシステムについての回転変位−圧力プロフィールを作成するための閉ループでのポンプの作動である。
【００４６】
図５は、本発明を実施することができる例示の環境を例示する。エンジン３は、たとえば、ガソリン直噴エンジン、ディーゼルエンジン、またはいずれかの他の燃料が噴射される内燃エンジンを含むことができる。カムセンサ２５およびクランクセンサ２６などのセンサは、エンジン動作データをエンジン制御装置（ＥＣＵ）１７に提供する。ＥＣＵ１７は、このデータを使用して、エンジンが動作面上のどこで現在動作しているのかを決定する。本明細書に述べるように、ＥＣＵは、この情報およびエンジン動作面にわたる所定の噴射ピンのプロフィールを使用して、動作点におけるエンジン３の燃料噴射装置に関する噴射ピンのプロフィールを決定する。燃料噴射装置１５は、たとえば燃料噴射装置駆動体を介してＥＣＵ１７と接続しており、それゆえ現在の動作点に関して決定された噴射ピンのプロフィールに従って燃料をエンジン３中に噴射させられる。
【００４７】
図６は、燃料の圧縮点火遅延に影響を及ぼす物理的および化学的なプロセスを例示する。点火プロセスでは、ステップ２７で、ある体積の燃料が霧状で燃焼ボリューム中に噴射される。次いで、ステップ２８で、霧状燃料が液滴を形成する。次いで、ステップ２９で燃料液滴が蒸発し、そしてステップ３０で燃料蒸気が燃焼ボリューム中に、ここでは内燃エンジン３のシリンダ内に存在する空気と混合する。次にステップ３１で、燃料は、遊離基の形成など、化学的プロセスを経る。これらの物理的および化学的なプロセスの後、燃料は、発火する。
【００４８】
点火プロセスの間、様々な燃料の特性によって、物理的遅延３２および化学的遅延３３を含む遅延が導入される。噴射ステップ２７の間、燃料密度が物理的遅延３２に影響を及ぼす。液滴形成ステップ２８の間、燃料の粘性および表面張力が物理的遅延３２に影響を及ぼす。蒸発ステップ２９の間、比熱、蒸気圧力および蒸発熱が点火遅延（すなわち、物理的遅延３２）に影響を及ぼす。混合ステップ３０の間、燃料の蒸気拡散率が点火遅延（すなわち、物理的遅延３２）に影響を及ぼす。最後に、化学的な点火プロセスの間、燃料の化学的構造および組成が化学的遅延３３に影響を及ぼす。
【００４９】
図７は、燃料噴射システム１６が燃焼プロセスにおいて物理的遅延を補償し、それによって点火遅延を減少させて、たとえば圧縮点火エンジン中で低オクタン価の燃料の使用を可能にする実施形態を例示する。オクタン価が８７より低く３０以上である燃料を収納する燃料タンク２が、燃料噴射システム１６のために燃料を供給する。
【００５０】
例示する燃料噴射システム１６は、適度な圧力から高圧、すなわち４〜２１０ＭＰａの範囲内、好ましくは１４〜３２ＭＰａの範囲内の燃料ポンプ１２を含む。燃料ポンプ１２は、コモン燃料レール１８を通じて燃料を複数の直接燃料噴射装置１５にポンプで送る。ここでは、燃料がエンジン３内に噴射される前、燃料または燃料の周囲環境を所定の最低温度に加熱するために、熱源が使用される。あくまで例として、１２：１〜２０：１の圧縮比の範囲を用いることができる。この加熱を通じて、点火遅延は、オクタン価（ＯＮ）が８７と３０の間、好ましくはＯＮが５０と６５の間の範囲である燃料をエンジン３で使用することができるように減少される。
【００５１】
いくつかの実施形態では、燃料噴射装置１５は、燃料を液体としてエンジン３内に直接噴射する。これは、燃料を加熱するステップと、任意選択で燃料を加圧するステップとを含むことができ、したがって燃料は、超臨界の流体相で存在する。他の実施形態では、燃料の相は、未臨界の液相を含む。これらの実施形態では、燃料を加熱するステップは、燃料を所定の最低温度に加熱するステップを含む。これによって、オクタン価が８７より低く３０以上であるガソリンタイプの燃料を含む燃料２を使用できるようになる。いくつかの実施形態では、これらのオクタン価を有する燃料は、主流のガソリンタイプの燃料（オクタン価が８７以上）とディーゼル燃料または他の低オクタン価の燃料を混合することによって生産することができる。他の実施形態では、燃料は、石油蒸留または他の燃料生産方法によって直接生産することができる。
【００５２】
いくつかの実施形態では、燃料を計量してエンジン中に供給する前、燃料温度を直接決定することが困難である場合がある。それゆえ、燃料を所定の最低温度に加熱することは、燃料を所定の最低温度に加熱するために決定された温度に燃料噴射装置を加熱することによって達成することができる。いくつかの実施形態では、燃料噴射装置は、１５０℃と５５０℃の間の温度に加熱することができ、それによって燃料が、所望の点火遅延値に適切な温度に加熱されることになる。他の実施形態では、加熱要素は、燃料の加熱を可能にするために、燃料噴射装置中に配置することができる。さらなる実施形態では、噴射装置がそれまでに加熱される特定の温度は、（ｉ）使用される特定の燃料のオクタン価および（ｉｉ）圧縮エンジン動作のために所望される点火遅延に依存する。
【００５３】
いくつかの実施形態では、燃料加熱によって達成される、減少された点火遅延は、オクタン価が８７と３０の間である燃料を、追加の燃料調整プロセスを使用することなく、使用できるようにすることができる。たとえば、接触分解または接触改質、あるいは燃料と非標準の添加剤または水との混合は、適度な、ないしは高い圧縮点火エンジンを動作させるために必要でない、というのは、減少された点火遅延が、本発明によって達成されるからである。
【００５４】
ここで、図８を参照して、本発明の一体化された噴射装置および点火燃料噴射装置７の入力燃料計量供給システム３４を説明することにする。具体的には、入力燃料計量供給システム３４は、燃料を濾過するためのインライン燃料フィルタ１１と、所定の量の燃料を含む次の供給燃料を計量供給するための計量供給ソレノイド３５と、次の供給燃料を燃料噴射装置７の加圧チャンバ３７中に分注するための液体燃料ニードル弁３６とを含む。液体燃料ニードル弁３６は、好ましくは、エンジン制御装置（ＥＣＵ）における先読み（look  ahead）コンピュータ制御アルゴリズムに応答して、次の供給燃料を加圧チャンバ３７中に分注する、電磁気的または圧電的に作動されるニードル弁を含む。入力燃料計量供給システム３４は、標準のガソリン燃料ポンプまたはコモンレール配給システムから燃料を受け入れることができる。
【００５５】
さらに図８を参照すると、一体化された燃料噴射装置３０の噴射装置ノズル３８が、加圧チャンバ３７と車両の燃焼チャンバとの間に配置されている。入力燃料計量供給システム３４から分注された供給燃料は、加圧チャンバ３７中でチャンバ３７を囲繞する燃料噴射装置３０の高温部を介して暖められる。より具体的には、供給燃料は、加圧下において触媒が存在する状態で、加圧チャンバ３７中で加熱され、それによって、燃料の分解を開始させ、燃料を内部の酸素源と反応させる。噴射装置ノズル３８は、噴射装置ノズルのピン弁３９と、コリメータ４０と、ピン弁アクチュエータ４１とを含む。具体的には、ノズルのピン弁３９は、ほぼ上死点（サイクル回転の１８０°）で開き、高温の加圧されたガスが燃焼チャンバに流入することを可能にする。ピン弁アクチュエータ４１は、噴射装置ノズルのピン弁３９を通じて次の供給燃料を噴射するためのピン弁駆動軸４２を動作させるピン弁ソレノイド４３を含むことができる。
【００５６】
一体化された燃料噴射装置の実施形態では、ピン弁駆動軸４２は、それが加圧ラム４４内を同軸で摺動することができるように、加圧ラム４４の穴の内部に位置決めされる。しかし、ピン弁駆動軸４２は、加圧ラム４４と独立に動作する。加圧ラム４４の上部にあるＯリングシール４５が、これら２つの軸の間の漏れ経路を塞いでいる。噴射装置ノズル３８の形状は、噴射装置ノズル３８が、ピン弁３９と、加熱された燃料をコリメートし、そして高温ガスのコリメートされた比較的低圧のチャージをシリンダ中に分注するためのコリメータ４０とを含む点で、代表的な液体燃料噴射装置ノズルと実質的に異なる。具体的には、燃料噴射装置３０の噴射装置ノズル３８は、たとえば噴射装置ノズル３８の内側を覆う従来のニクロム加熱要素を使用して、電気的に加熱される。
【００５７】
噴射装置ノズル３８のピン弁アクチュエータ４１は、迅速に応答する電磁気駆動体または圧電性駆動体を含むことができる。そのもっとも簡単な形では、噴射装置ノズルのピン弁３９は、加圧ラム４４が、高温ガスの気柱全体を、加圧チャンバ３７から燃焼チャンバ内まで、噴射装置の容積の全部を移動させて押し込むにつれて、１００％まで開く。当業者には理解されるはずであるが、ピン弁とラム駆動調整の多くの組合せが、異なるスロットルおよび負荷状況下で様々な熱発生プロフィールを生成するアナログ駆動信号および／またはデジタルパルス信号によって、本発明の範囲から逸脱することなく生成されうる。
【００５８】
図９は、上死点前３６０°から１８０°の間のクランク軸８の回転角度として定義することができる吸気ストローク、および上死点前１８０°から上死点（＝上死点前０°）の間のクランク軸８の回転角度にわたるストロークとして定義することができる圧縮ストロークのシーケンスを示す概略図である。吸気ストロークは、上死点前３６０°で開始される。吸気ストロークの間に、たとえば上死点前３６０°から３５０°の間の角度で起きるであろう排気弁の閉塞の後、吸気がシリンダ５中に引き込まれる。または、ターボチャージャ付きのエンジンの場合、ピストン６が下死点に向けて移動する間、シリンダ内に押し込まれる。
【００５９】
上死点前１８０°の回転角度で下死点に到達した時、またはそのすぐ後、吸気弁が閉じられて、圧縮ストロークの間に圧縮が開始される。
【００６０】
図１０は、吸気ストロークおよび圧縮ストロークの間、クランク軸の回転角度に相関付けて、本発明による噴射を例示する略図である。回転方向は、時計回りの方向であり、上死点前３６０°の角度から開始されて、吸気ストロークが始まる。略図は、ほぼ点火が行われる角度である上死点ＴＤＣＦを意味する０°で終了する。噴射は、典型的には、噴射エンジン内で、圧縮ストロークの間に供給燃料の圧縮によって発生した圧縮熱による供給燃料の自己点火で開始する。点火噴射は、典型的には上死点前９０°から上死点の間の回転角度で、または時には少なくとも部分的に上死点の後で噴射される。図１０に記載の略図では、この点火噴射は、ＩＩで表示されている。
【００６１】
プレ噴射は、吸気ストロークの間、排気弁を閉じたとき、もしくは排気弁を閉じる直前でもよく、または排気弁を閉じた後、上死点後約９０°のクランク軸の回転角度までの間にはいつでも開始させることができる。本発明によるプレ噴射は、早期噴射として、または上死点前９０°と上死点着火との間の回転角度で通常起きる最終的な点火噴射に先立ち行われる早期噴射のシーケンスとして定義される。
【００６２】
プレ噴射は、略図中でＰＩによって表示されている。本発明によれば、上記の図６に関して説明し述べたように、早期プレ噴射では、燃料と空気がより良く混合されることが見出された。具体的には、吸気ストローク中の早期噴射は、噴射燃料を早期に部分的に蒸発させて、プレ微細な液滴に分割させる、または超臨界条件下においてプレ噴射された場合には超臨界相から凝縮されて直接極めて微細な液滴になり、そして恐らく後で蒸発する、いずれかの結果になる。このプロセスは、吸気ストロークの間、シリンダ内の比較的低い圧力によって向上される。この圧力は、負圧であってもよく、ターボチャージャ付きのエンジンの場合、周囲圧力より高い適度な圧力、たとえば１〜２ｂａｒであってもよい。
【００６３】
早期プレ噴射が、燃料を蒸発または単に分割することによって、より小さい液滴になるように物理的に調整するために、従来技術に比べてより時間をかけることが許されているのとは別に、早期プレ噴射は、また、供給燃料が凝縮して小さい液滴にするために時間をかけることが許され、その小さい液滴は、噴射ノズルによって形成される液滴の噴霧によって生成することができる液滴サイズよりずっと微細である。さらに、吸気空気との接触がずっと長いので、燃焼のための燃料の調整が向上され、より完全に燃焼することになって、効率を高め、環境に有害な排気ガスを減少させる。
【００６４】
従来技術では、超臨界燃料噴射を使用する吸気ストロークの間のプレ噴射と、圧縮ストロークの間の点火噴射との両方を達成することは、可能ではないと考えられていた。吸気ストロークの間、燃料の超臨界条件からの相変化によって、極めて小さい液滴が形成され、それゆえ燃料と空気の混合が向上される。圧縮ストロークの間、点火噴射は、超臨界状態に留まり、空気との迅速な混合を達成し、温度が上昇したことによって化学的な点火遅延が減少されて、全部の供給燃料の圧縮点火および燃焼に繋がる。
【００６５】
図１１は、非超臨界の吸気サイクル中へのプレ噴射、さらにまた超臨界の圧縮サイクル中への点火噴射を考慮した燃料の相変化、および従来の液体噴射に関する相変化との比較を例示する略図である。略図は、異なるシナリオについて、燃料の相に関連付けた燃料温度−燃料圧力を示す。様々な圧力レベルが、ライン４６、４７および４８によって示されている。ライン４６によって示す圧力レベルは、噴射装置中の噴射時の燃料圧力である。ライン４７によって示す圧力レベルは、上死点前２７０°から上死点の間の角度で行われる点火噴射を噴射するときのシリンダ圧力である。通常、この点火噴射は、上死点に近接して、たとえば上死点前１０°で行われる。ライン４８によって示す最低の圧力レベルは、プレ噴射のときのシリンダ圧力を示す。この圧力は、正圧として示されている。プレ噴射は、吸気ストロークの間に実施することができるので、シリンダ圧力は、実際のところ周囲圧力より低くてもよい。というのは、移動するピストンが吸気をシリンダに吸い込むからである。しかし、プレ噴射は、また、圧縮ストロークの間の一部であり、周囲圧力より高い圧力で生じる可能性がある。さらに、ターボチャージャ付きのエンジンの場合、圧力は、吸気ストロークの間でも周囲圧力より高くすることができる。
【００６６】
略図中で水平ライン５０と直角をなす垂直ライン４９は、燃料の超臨界条件に対する境界線を示す。これは、温度および圧力が、液相と気相がはっきりと異なって存在しない臨界点より高いことを意味する。超臨界流体は、たとえば、ガスのように固体を貫通して流出し、液体のように物質を溶解することができる。ライン４９および５０によって示すように、燃料は、ある一定の圧力より高く、ある一定の温度である超臨界相である。臨界点は、ライン４９および５０が交差し、直角をなす点である。
【００６７】
ライン５１は、噴射装置中で、ライン４６によって示す燃料圧力から開始される噴射を示す。噴射の間、圧力は、噴射装置中の圧力からシリンダ中の圧力に低下する。たとえばシリンダ中の圧力が、点火前はレベル４７であり、圧縮熱のためにライン４９より高い温度になる点火チャージの場合、燃料は超臨界条件下のままであるが、空気と混合する。このプロセスは、燃料が空気と混合し、燃料分圧が点火噴射時の圧力から低下するように、ライン５２によって示されている。
【００６８】
たとえば点火噴射を示すライン５２と対照的に、ライン５３は、プレ噴射を示す。点火噴射の場合と同様に、プレ噴射もまた、ライン５１で示すように、超臨界燃料条件下において噴射される。しかし、点火噴射と対照的に、プレ噴射は、周囲圧力より低くすることさえできる、比較的低いシリンダ圧力、および低いシリンダ温度で行われる。その結果として、燃料は、燃料の分圧が低下し、温度が低下するにつれて、まず、超臨界相から凝縮して直接液相になり、そしてそのように形成されたものは、凝縮して微細な液滴になる。したがって、燃料は、まず、超臨界条件から遷移して微細な液滴の形態で液体になる。このような液体は、容積に対する表面積の比が大きいため、蒸発して蒸気を形成する傾向が大きい。そして、このような蒸気は、容易に空気と混合することができる。これらの燃料液滴は、ノズルによって発生される噴霧によって得ることができるものよりもずっと微細である。さらに、凝縮によって発生する燃料液滴のサイズの範囲は、ノズルが発生させる液体噴霧によって発生しうる様々なサイズの範囲―液滴サイズ分布としても知られる―よりも極めて小さい。たとえば、凝縮によって発生する液滴の液滴サイズは、主に５から１０μｍの範囲である可能性がある。一方、ノズルによって発生させられる液滴サイズは、ほぼ１０から７５μｍの範囲、主に２０から７５μｍの範囲にある可能性がある。また、凝縮によって発生する液滴の平均直径は、５から１０μｍの範囲である可能性がある。一方、ノズルによって発生される平均液滴サイズは、２０から３０μｍである可能性がある。燃料液滴が微細になればなるほど、容積に対する表面の比がますます大きくなり、したがって燃料液滴の蒸発速度がますます大きくなる。
【００６９】
ライン５４は、プレ噴射が燃料の加熱された高圧下の条件で行われるが、圧力と温度の組合せが超臨界条件に到達していないシナリオを示す。実質的には、噴射プロセスは、加熱された液体噴射および液滴形成の一種である。液体噴射中の燃料圧力は、吸気ストロークの間、噴射圧力からシリンダ圧力に低下する。この圧力低下の間、液体噴射は、蒸発する傾向が大きい高温の液滴に分割される。
【００７０】
本発明を従来技術と対比するために、ライン５５は、ノズルを通じた燃料の従来の液体噴射を示す。燃料は、より低い温度であって、通常、水冷エンジンではほぼ水の沸点（２１２°Ｆまたは１００℃）に保たれるモータブロック温度の前後、またはそれより低くもありうる温度である。噴霧物は、液体の液滴として留まり、本発明におけるような、その後の凝縮プロセスを経ない。噴霧物は、本発明による噴射が超臨界条件より幾分低い条件で行われる場合には、より微細な液滴を形成するか、または高温の液滴に分割される。
【００７１】
図１２は、本発明による予混合燃焼、拡散燃焼および予混合燃焼と拡散燃焼との重ね合わせについての、クランク角度ごとの熱発生を示す略図である。参照番号５６によって示すグラフが、予混合燃焼を示す。この予混合燃焼は、圧縮パラメータおよび使用する燃料に依存して、上死点前９０°から上死点の間に、しかし通常は上死点により近接して、たとえば上死点前１０°のクランク角度で行われる、上述の点火噴射によって引き起こされる。付随する発明によれば、この点火および噴射は、燃料の超臨界相中でなされ、さらにまた同時に、上死点前３６０°から上死点前９０°の間のクランク角度範囲内でプレ噴射によって発生された空気および燃料の混合ガスも同様に超臨界相である。したがって、点火噴射として噴射された燃料は、迅速にいくつかの場所で同時に発火し、そして燃焼が極めて早くなる。これは、図１２に記載したグラフ中で、熱発生率の迅速な増加が、点火噴射のすぐ後に、たとえば上死点に到達する前の４°のクランク角度においてなされ、上死点後のほとんど数度、たとえば上死点後２°のクランク角度で急上昇し、そしてまた急速に低下して、上死点後１０°のクランク角度でほぼ０になることを説明する。
【００７２】
対照的に、拡散燃焼は、少し後で、たとえばほぼ上死点のクランク角度、または少し早く、たとえば１°のクランク角度で生じるが、クランク角度ごとの熱発生率がそれほど積極的でない。というのは、火炎の波面が燃料と空気の混合ガスによって生じて拡散する必要があるからである。拡散燃焼を示すこのカーブは、参照番号５７によって示される。
【００７３】
参照番号５８は、予混合燃焼と拡散燃焼の組合せに起因する重ね合わされた燃焼を示す。本発明は、両方の世界の最善、すなわち効率のよい性質を有する早い予混合燃焼と、熱発生がより穏やかであるがより長いクランク角度にわたって起きる拡散燃焼とをバランスさせることを達成する。
【００７４】
本発明による、燃料の加熱された条件、またはさらに超臨界条件の下において、早期プレ噴射と超臨界条件下の噴射点火を噴射することとを組み合わせた組合せによって、ガソリンなどの低反応性燃料の場合でさえ、点火プラグによる点火が不要とされている。これは、たとえば超臨界相からの凝縮によって予混合された燃料がより微細な液滴になる、より有利な調整によって、または超臨界相に近いであろう、加熱および加圧された条件下でより微細な液滴に分割することによって、部分的に説明することができる。予混合された燃料をより良く調整することの別の説明は、微細な液滴のより均等な分散を可能にする極めて長いクランク角度、つまり簡単に言うと、より時間をかけることによる燃料と空気のより良い混合である。
【００７５】
より良い混合に関する別の理由は、ピストン速度がおおよそ上死点前２７０°で最速になり、したがってシリンダに流入する吸気空気の速度が最速になるとき、プレ噴射燃料が、吸気ストロークサイクルの一部になりうることである。これは、燃料をより微細な液滴に分割するのにも役立つ。本発明によって発見された作用のこの組合せによって、低反応性の燃料も、点火噴射によって発火し、その後、主に拡散燃焼によって燃焼することが可能になる。燃料の反応性が低ければ低いほど、プレ噴射燃料のパーセンテージをますます高くするか、加熱されたプレ噴射燃料の温度を噴射時にますます高くしてもよい。しかし、拡散燃焼がプレ噴射燃料のためにも保持されると同時によりバランスの取れた燃焼がもたらされ、そうでなければほぼ排他的な予混合燃焼によってもたらされたであろう、騒音および振動のような欠点を緩和する。
【符号の説明】
【００７６】
１  車両
２  燃料供給装置
３  エンジン
４  燃料ライン
５  シリンダ
６  ピストン
７  燃料噴射装置
８  クランク軸
９  燃料
１０  エンジンシステム
１１  燃料フィルタ
１２  燃料ポンプ
１３  圧力調整器
１４  コンピュータ
１５  燃料噴射装置
１６  燃料システム
１７  エンジン制御装置
１８  コモンレール
１９  ポンプシステム
２０  回転角度計
２１  圧力センサ
２２  配給センサ
２３  配給チャネル
２４  出口
２５  カムセンサ
２６  クランクセンサ
２７  噴射ステップ
２８  液滴形成ステップ
２９  蒸発ステップ
３０  燃料蒸気混合ステップ
３１  遊離基形成ステップ
３２  物理的遅延
３３  化学的遅延
３４  入力燃料計量供給システム
３５  計量供給ソレノイド
３６  液体燃料ニードル弁
３７  加圧チャンバ
３８  噴射装置ノズル
３９  ノズルピン弁
４０  コリメータ
４１  ピン弁アクチュエータ
４２  ピン弁駆動軸
４３  ピン弁ソレノイド
４４  加圧ラム
４５  Ｏリングシール
４６〜５５  図１１中のライン
５６  予混合燃焼の熱発生グラフ
５７  拡散燃焼の熱発生グラフ
５８  重ね合わされた予混合燃焼および拡散燃焼の熱発生グラフ
【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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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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