(57)【要約】【課題】従来の燃焼方式を改良すること。【解決手段】希薄主混合気を追加的なパイロット燃料の噴射により着火し、このパイロット燃料の噴射タイミングを、主混合気による前記パイロット燃料の完全な均一化がなされないよう選択する。また、前記パイロット燃料の噴射を上死点よりもクランク角で約７０〜２０°早く行う。また、前記パイロット燃料として軽油を用いる。また、前記パイロット燃料の量を総燃料量の約５〜１５％とする。さらに、主混合気の形成には燃料としてガソリンを使用する。
2012530867.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
希薄主混合気を追加的なパイロット燃料の噴射により着火し、このパイロット燃料の噴射タイミング（７４）を、主混合気による前記パイロット燃料の完全な均一化がなされないよう選択することを特徴とする内燃エンジンの動作方法。
【請求項２】
前記パイロット燃料の噴射を上死点よりもクランク角で約７０〜２０°早く行うことを特徴とする請求項１記載の動作方法。
【請求項３】
前記パイロット燃料として軽油を用いることを特徴とする請求項１又は２記載の動作方法。
【請求項４】
前記パイロット燃料の量を総燃料量の約５〜１５％とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の動作方法。
【請求項５】
主混合気の形成には燃料としてガソリンを使用することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の動作方法。
【請求項６】
前記噴射タイミング（７４）を所定の条件に応じて選択することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の動作方法。
【請求項７】
前記噴射タイミング（７４）を噴射開口の数に応じて選択することを特徴とする請求項６記載の動作方法。
【請求項８】
６〜１２個の噴射開口を用いることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の動作方法。
【請求項９】
前記パイロット燃料の噴射圧力を３００〜１２００barとすることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の動作方法。
【請求項１０】
主混合気の形成を多点噴射式で行うことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の動作方法。
【請求項１１】
主混合気の形成を直接噴射式で行うことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の動作方法。
【請求項１２】
前記パイロット燃料の一回の噴射での点火時間を調整するために排ガスを再循環させることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の動作方法。
【請求項１３】
燃焼室の燃焼ガスでの充填を、供給空気を所定の圧力レベルに調整することで行うことを特徴とする請求項１２記載の動作方法。
【請求項１４】
特に請求項１〜１３のいずれかに記載の動作方法である動作方法のための、内燃エンジンにおける燃焼室において、
主混合気形成及びパイロット燃料の噴射のための燃料を導入するための第１装置を備え、前記パイロット燃料の噴射を内燃エンジンのクランク角に応じて行うよう構成したことを特徴とする燃焼室。
【請求項１５】
前記パイロット燃料の噴射のために８〜１２個の噴射開口を設けたことを特徴とする請求項１４記載の燃焼室。
【請求項１６】
外部排ガス再循環及び二段の過給を行うよう構成したことを特徴とする請求項１４又は１５記載の燃焼室。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃エンジンの動作方法に関するものであるとともに、このような動作方法を実施するための燃焼室にも関するものである。
【背景技術】
【０００２】
内燃エンジンは、基本的に外部点火式と自己着火式の２種類に分けられる。通常、外部点火式の内燃エンジンにおいては、空気と燃料の化学量的な混合気が当該内燃エンジンのシリンダ内へ導入され、この混合気がピストンにより圧縮されるとともに所定のクランク角において点火プラグにより点火される。
【０００３】
これに対して、圧縮して点火する方式の内燃エンジンは、１５〜２２の高い圧縮比を有している。このような内燃エンジンにおいては、空気がシリンダ内へ導入されて圧縮される。そして、圧縮行程の最終段階において圧縮空気の温度が十分に高くなると、燃料が噴射され自己着火する。
【０００４】
ところで、現況のディーゼル機関の改良によっては、いわゆるオフハイウェイ用途に対する将来的な排出規制値（例えば２０１４年からのＥＰＡ Ｔｉｅｒ４）をクリアすることができない。そのため、将来的には複雑な排ガス処理システムが用いられることになるが、この排ガス処理システムについては、技術的な負担が大きい上、大きなコストが発生してしまう。コスト上昇を招くことなく将来的な排ガス規制をクリアするためには、新たな、改良された燃焼手法が必要である。
【０００５】
燃料消費率（燃費）及び排ガス排出に対する要求が増大することに基づき、高効率の燃焼手法及び有害物質の排出が低い、高効率のディーゼルエンジンを開発することに大きな努力が行われている。そして、ＰＣＣＩ燃焼やＨＣＣＩ燃焼が研究されている。
【０００６】
特許文献１にはデュアル燃料噴射システムを備えつつＰＣＣＩ燃焼方式で動作するディーゼルエンジンの動作方法が開示されている。ここでは、二次燃料を吸気流へ噴射するか又はシリンダ内へ直接噴射することで、ディーゼルエンジンの安定動作における負荷限界が拡大されている。
【０００７】
また、ＰＣＣＩ燃焼について特許文献２に記載されており、ここでは、第１燃料が吸気と混合され、第２燃料が直接噴射されるようになっている。
【０００８】
有害物質粒子及び窒素酸化物が燃焼室内で生じるのを防ぐために、近年、ＨＣＣＩ燃焼方式についての研究が強化されている。均一な自己着火においては、均一でリーンな、圧縮段階でほぼ同時に燃焼室全体で着火される混合気が燃焼室内へ導入される。また、過大な圧力変動を防止するために、混合気を希薄化することが必要である。これにより、局所的な燃焼温度が大きく低下し、熱による窒素酸化物の形成がほぼ生じない。ほぼ同時に燃焼する均一かつリーンな混合により、すす粒子も生じない。
【０００９】
混合気形成において異なる多くのＨＣＣＩ燃焼が提案されている（例えば、ＰＲＥＤＩＣ，ＨＣＤＣ，ＨＣＬＩ，ＨＰＬＩなど）。このような燃焼方式においては、ディーゼル燃料の噴射と燃焼はそれぞれ独立に行われる。したがって、有害物質の排出及び燃料消費率（燃費）に強く影響する燃焼開始時点を制御することができない。また、ＨＣＣＩ燃焼においては、リーンかつ低温の燃焼により、未燃焼の炭化水素（ＨＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ）の排出が高まってしまう。さらに、ＨＣＣＩ燃焼が達成される特性曲線領域が限られてしまうという問題もある。ここで、制限される因子は許容最大圧力変動及び許容最大圧力であるため、部分負荷段階において、従来の燃焼方式すなわちディーゼルとは異なるかあるいはガソリンエンジンの外部点火式のものに切り換える必要がある。このように制限される大きさは、適用されるエンジン及び適用形態に強く依存する。また、高負荷時には、希薄混合気にもかかわらず、ＨＣＣＩ燃焼の動作領域を制限する急激な圧力変化が生じることになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０２００６００７２７９号明細書
【特許文献２】米国特許第６６５９０７１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的とするところは、従来の燃焼方式を改良することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明によるエンジンの動作方法は、希薄主混合気を追加的なパイロット燃料の噴射により着火し、このパイロット燃料の噴射タイミングを、主混合気による前記パイロット燃料の完全な均一化がなされないよう選択することを特徴としている。
【００１３】
また、本発明の一実施形態は、前記パイロット燃料の噴射を上死点よりもクランク角で約７０〜２０°早く行うことを特徴としている。
【００１４】
また、前記パイロット燃料としてディーゼル燃料を用い、本発明の一実施形態は、前記パイロット燃料の量を総燃料量の約５〜１５％とすることを特徴としている。ここで、比較的負荷が大きい場合には約５％と小さくし、比較的負荷が小さい場合には約１５％と大きくする。
【００１５】
また、主混合気の形成には燃料としてガソリンが使用される。そして、他の均一な主混合気の形成にはイソオクタン、エタノール、メタノール、ＬＮＧ、ＬＰＧ、ＣＮＧなどが考えられる。この主混合気にはガソリンのほかにディーゼル燃料の成分も含まれている。なお、パイロット燃料にはｎ−ヘプタン、ケロシン、ナフタなどが考えられる。
【００１６】
また、前記噴射タイミングが所定の条件に応じて選択される。例えば、この噴射タイミングは、噴射開口の数に応じて選択される。
【００１７】
また、本発明の一実施形態は、６〜１２個の噴射開口を用いることを特徴としている。
【００１８】
また、前記パイロット燃料の噴射圧力を３００〜１２００bar、特に８００〜１２００barとしている。
【００１９】
また、主混合気の形成は、多点噴射式又は直接噴射式に行われるようになっている。
【００２０】
また、本発明による燃焼室は、特に上記のような動作方法のための、内燃エンジンにおける燃焼室において、主混合気形成及びパイロット燃料の噴射のための燃料を導入するための第１装置を備え、前記パイロット燃料の噴射を内燃エンジンのクランク角に応じて行うよう構成したことを特徴としている。
【００２１】
また、前記パイロット燃料の噴射のために６〜１２個の噴射開口を設けている。
【００２２】
また、外部排ガス再循環及び二段の過給を行うよう構成することも考えられる。
【００２３】
上記のような内燃エンジンの動作方法によりいわゆるデュアルフューエル燃焼方式（２種の燃料による燃焼方式）がなされ、これにより、排ガス及び／又は外気によって大きく希薄された均一な混合気の自己着火を少量のパイロット燃料の噴射により制御することが可能である。
【００２４】
主混合気における燃料には例えばガソリンが使用される一方、パイロット噴射燃料にはディーゼル燃料が使用される。ここで、燃焼を制御するとともに非常にわずかなすす及び窒素酸化物の排出を達成するために、パイロット燃料を所定のタイミング（時点）で燃焼室へ噴射する必要がある。
【００２５】
主混合気の着火性がパイロット燃料噴射により高められるため、少なくともいくつかの実施形態による本発明に係る動作方法においては非常に高い希薄化を排ガス再循環によって達成する必要がある。本発明による燃焼方式は、従来のＨＣＣＩ燃焼とは対照的に、エンジン特性曲線全体において使用することが可能である。特に、複雑でコストのかかる排ガス処理手段を設けることなく将来の排出規制（基準）をクリアすることが可能である。そのほか、様々な燃料を用いることも可能である。
【００２６】
したがって、本発明におけるデュアルフューエル燃焼方式においては、外気及び／又は排ガスによって強く希薄化された均一な主混合気が総噴射量の５〜１５％程度の少量の高着火性のパイロット燃料（例えばＥＮ５９０、ケロシンなどのディーゼル燃料）の噴射によって確実かつ迅速に着火される。これにより、ＨＣＣＩ燃焼の利点を活かすとともに欠点を回避することが可能である。また、高着火性のパイロット燃料を噴射することで、燃焼を制御することが可能であるとともに、高い排ガス再循環率においても確実な着火を行うことが可能である。なお、パイロット燃料の噴射タイミングは、燃焼及び有害物質の排出に対して決定的な影響を与えるものである。
【００２７】
したがって、本発明の一実施形態においては、ガソリンエンジンのＨＣＣＩ燃焼において、着火性の燃料を供給することで自己着火性を制御することが考えられる。
【００２８】
また、他のデュアルフューエル燃焼方式は、ガソリンエンジンのＨＣＣＩ燃焼を機械の設計及び大型ディーゼルエンジンへ組み合わせることに優れている。この組合せにより、商業用及び産業用におけるエンジン特性曲線全体をカバーすることが可能である。また、これにより、２つの燃焼方式間の切換も不要となり、制御が容易となる上、エンジン特性曲線全体における窒素酸化物及びすすの排出を最小限に抑えることが可能である。なお、本発明は、船舶用エンジン及び発電機に対しても適用可能である。
【００２９】
また、均一なディーゼル式の燃焼（ディーゼルＨＣＣＩ）を用いる場合には、ディーゼル燃料の高着火性により、大型ディーゼルエンジンの機械的な負荷限界を上回るほどの圧力変動が生じることがある。そのため、特に部分負荷領域（５０％より小さな負荷）においてディーゼルＨＣＣＩが用いられるべきである。ただし、ガソリンエンジンの現在の構造並びに騒音及び暖機段階での動作に対する要求においては、ガソリンエンジンのＨＣＣＩ燃焼を比較的小さな負荷及び比較的低い回転数においてのみ用いるべきである。
【００３０】
これに対して、ディーゼルエンジンは、ガソリンエンジンのＨＣＣＩ燃焼に対して最適な条件を提供するものであり、外部排ガス再循環及び二段の過給を備えることも可能である。したがって、混合気の希薄化に必要な構成部材はすでに準備されている。また、２３０barである許容最大圧力により、機械的な負荷限界に害されることなく排ガス再循環（６０％）により高い希薄化を達成することが可能である。また、高い排ガス再循環率とするのは、所望の燃焼開始時点及び所望の燃焼継続時間を調整するためである。なお、排ガス再循環率を負荷及び回転数に応じて設定してもよい。
【００３１】
また、乗用車に対する応用と比較すれば、例えば１００bar／msの比較的大きな圧力変動も許容可能であり、そのため、制限なしに１３００rpmにおいて２０barの平均有効圧力を得ることが可能である。また、最大トルク発生時に必要な空気を得るために、二段の過給器を設けることも考えられる。ここで、この過給器のタービンでの流量を、燃焼室における混合気の希薄気に対して必要な排ガス再循環率のために、ディーゼルエンジンに対する従来の応用に比して係数にして３〜４小さく設定するのが好ましい。
【００３２】
シリンダへ導入される混合気の温度がデュアルフューエル燃焼方式における燃焼状態に決定的な影響を与えるため、最大トルク及び最大負荷を得られるよう、冷却を伴う排ガス再循環システムを設けることが考えられる。
【００３３】
その他の利点については、以下の図面を参照した説明において示す。なお、以上及び以下の説明における特徴は、その説明において示した組合せに限らず、本発明の範囲を逸脱しない限り、適宜組み合わせることが可能である。
【発明の効果】
【００３４】
本発明によれば、従来の燃焼方式を改良することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】デュアルフューエル機関におけるそれぞれ異なる混合気形成態様を示す図である。
【図２】燃料噴射タイミングに依存した圧力変化を示すグラフである。
【図３】燃料噴射及び燃焼の経過を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００３７】
図１にはデュアルフューエル機関におけるそれぞれ異なる混合気形成態様とそれに付随する燃焼態様が示されており、ここでは、上死点に対するパイロット噴射燃料の噴射タイミングが互いに異なっている。
【００３８】
図１における左側のものには燃焼室１０が示されており、この燃焼室１０内には、均一なガソリン−ディーゼル燃料混合領域１２が存在するとともに、パイロット噴射流１４が導入されるようになっている。
【００３９】
図１における中央のものには、燃焼室２０がガソリン−ディーゼル燃料混合領域２２及び火炎前面２４と共に示されている。
【００４０】
図１における右側のものにも、燃焼室３０がパイロット噴射流３２及び火炎前面３４と共に示されている。
【００４１】
図１には、パイロット噴射燃料の噴射タイミング（噴射時点）の影響が示されている。パイロット燃料が上死点よりもクランク角で１８０〜７０°早く燃焼室１０内へ噴射されると、着火性のパイロット燃料は、上死点へ至るまでに主混合気と混合される。これは、予混合圧縮自己着火燃焼（ＨＣＣＩ）に相当する。この場合、噴射タイミングにより燃焼状態には影響が及ぶことはない。そして、非常に早期の噴射タイミングとすることで、すす及びＮＯｘの排出が大幅に抑制されることになる。
【００４２】
パイロット燃料が上死点よりもクランク角で７０〜２０°早く燃焼室２０内へ噴射されると、主混合気との均一な混合のための時間がより少ないものとなる。しかし、この時点においてパイロット燃料の着火のための温度が十分ではないため、混合気の均一化が部分的にのみ行われ、パイロット燃料噴射により生じるリッチ領域から着火が開始される。このとき、微粒子及び窒素酸化物は、燃焼室１０における完全に均一化された場合の燃焼と同様に非常に低いレベルに抑えられている。ただし、この場合には、燃料噴射バルブによって燃焼状態を制御することが必要な場合もある。そして、圧力レベル及び温度レベルは小さな点火遅れを有するより遅い噴射の場合よりも小さいため、上記のようなクランク角度範囲における早い噴射により、より遅い燃焼が生じることになる。
【００４３】
図１の右側のものにおいて示すように、上死点よりもクランク角で２０〜０°早く噴射されると、均一化が十分ではないとともに、強いノッキングに関連して燃焼が早すぎるタイミングとなってしまう。そして、ＮＯｘ及びすすの排出も明らかに増大してしまう。
【００４４】
このようなことから、パイロット燃料の噴射タイミングを上死点よりクランク角度で７０〜２０°早く設定するのが好ましく、この場合、パイロット燃料の噴射量は総燃料噴射量の５〜１５％となる。ただし、このクランク角度範囲を、例えばパイロット燃料噴射ノズルにおける噴射開口の数などの他の条件に応じて変更する必要がある。この噴射開口の数が大きくなるほど燃料の均一化が良好となるため、１２個の噴射開口を有する場合には、６個の噴射開口を有する場合に比して、部分的な均一化を損なうことなく、クランク角度で約１０〜２０°遅く噴射を行うことが可能である。
【００４５】
噴射開口の数は６〜１２、特に８〜１２とするのが好ましく、このとき、これら噴射開口の空間的な配置も燃焼に対して影響を与えるものである。ここで、異なる噴射開口の角度に関連させてこの噴射開口を２段又は３段に配置することで、燃焼室内において燃料をより良好に分散させることが可能である。また、点火のための上下動により更に良好に空間的に分散され、ノッキング傾向が低下する。
【００４６】
さらに、パイロット燃料噴射の噴射圧力を３００〜１２００barとするのが好ましい。ここで、パイロット燃料は少量であるため、高い圧力は不要である。
【００４７】
ところで、必要な排ガス再循環率は、負荷点に応じて変化する。最適な平均圧力である１１barとなるまでに空気による希薄混合が十分であり、場合によっては、燃料消費率（燃費）及び有害物質放出の観点から１５％の排ガス再循環率であるとしても、ノッキングを防止し、適度な圧力上昇率を維持するために、１６barの平均圧力において５０〜６０％の外部排ガス再循環率が必要となる。
【００４８】
なお、均一な混合は、多点噴射式の場合であっても、直接噴射式の場合であっても達成可能である。
【００４９】
しかして、一実施形態においては、内燃エンジンの始動が１００％パイロット燃料によって行われる。そして、この内燃エンジンが定格温度（水温６０〜８０°）に達すると、パイロット燃料の噴射量が全噴射量の約５〜１５％となるまで混合が連続的に高められる。圧力が３bar（平均有効圧力）より大きく回転数が１０００rpmより大きいような負荷の場合にあってはパイロット燃料噴射量の割合が約１０％であり、圧力が１２bar（平均有効圧力）より大きいような負荷の場合にあってはパイロット燃料噴射量の割合は約５％である。また、アイドリング領域においては、着火を確実に維持するために、場合によってはパイロット燃料噴射量を高める必要がある（１５％）。こうして、パイロット燃料の噴射は、クランク角度で７０〜２０°の間でなされる。また、エンジン負荷の上昇に伴い、排ガス再循環率もアイドリング時の０％から最大負荷時の約５０〜７０％まで高められる。
【００５０】
図２にはクランク角に依存した異なる圧力変化が示されており、横軸５０はクランク角度、縦軸５２は筒内圧力となっている。
【００５１】
ここで、第１曲線５４は上死点よりクランク角で１０°早いパイロット燃料噴射タイミングの場合の圧力変化を示しており、第２曲線５６は上死点よりクランク角で２５°早いパイロット燃料噴射タイミングの場合の圧力変化を示しており、第３曲線５８は上死点よりクランク角で３５°早いパイロット燃料噴射タイミングの場合の圧力変化を示している。
【００５２】
図３には燃料及び燃料噴射の変化が示されており、横軸７０はクランク角である。曲線７２は筒内圧力の変化を示しており、時点７４においてパイロット燃料噴射がなされている。また、所定の継続時間７６においては、ガソリンの噴射がなされている。そして、時点７８では、吸気バルブが開弁されている。この図３には、パイロット燃料噴射が圧縮行程中に行われることが示されている。
【符号の説明】
【００５３】
１０，２０，３０    燃焼室
１２，２２，３２    ガソリン−ディーゼル燃料混合領域
１４                パイロット噴射流
２４，３４          火炎前面
５０，７０          横軸
５２                縦軸
５４                第１曲線
５６                第２曲線
５８                第３曲線
７２                曲線
７４，７８          時点
７６                継続時間
【図１】
2012530867.tif 000003
【図２】
2012530867.tif 000004
【図３】
2012530867.tif 000005
【国際調査報告】
2012530867.tif 000006
2012530867.tif 000007
2012530867.tif 000008
2012530867.tif 000009