(57)【要約】  ガソリン圧縮着火エンジン、車両、およびガソリン圧縮着火エンジンの操作方法。吸気管理システムは、膜ベースの分離器と排気ガス再循環流路とを含んでおり、これらは協働して窒素富化空気流をエンジンに送り、排気ガスの排出削減を支援する一方で、流入空気の分離された部分は、さまざまなエンジン負荷条件、およびエンジンで駆動される車両内のキャビンまたは関連する客室用の補助空気のために使用できる酸素富化空気流を形成できる。コールドスタートおよびウォームアップ状態に関連しないエンジン負荷の増加中、窒素富化空気流は、分離器および排気ガス再循環流路からの窒素富化燃焼生成物流の一方または両方から来る場合がある。
2020512503.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ガスの排出削減のための窒素富化空気供給を備えたガソリン圧縮着火（ＧＣＩ）エンジンであって、前記ＧＣＩエンジンが、
複数の燃焼室と、
前記燃焼室のそれぞれと選択的に流体連通する空気入口と、
前記燃焼室のそれぞれと選択的に流体連通する排気ガス出口と、
吸気管理システムと、を含み、前記吸気管理システムが、
前記空気入口と流体連通している膜ベースの分離器であって、前記分離器に導入された空気がその上で操作されて、少なくとも酸素富化空気流と窒素富化空気流とに分割されるようになっている、膜ベースの分離器と、
前記排気ガス出口と流体連通し、空気とガソリンベースの燃料との混合物が前記燃焼室内で着火されると形成される窒素富化燃焼生成物流を運ぶ、排気ガス再循環流路と、
前記排気ガス再循環流路からの前記窒素富化燃焼生成物流、前記分離器からの前記窒素富化空気流、またはそれらの両方が、前記空気入口と選択的に流体連通して配置されるように、前記分離器および前記排気ガス再循環流路と協働する、流量制御コンジットと、
エンジン動作パラメータを取得するように構成された複数のセンサと、
前記分離器、前記排気ガス再循環流路、前記流量制御コンジット、前記センサ、および前記コントローラが協働して、（ａ）前記ＧＣＩエンジンのコールドスタートおよびウォームアップの負荷中の前記分離器からの前記酸素富化空気流、および（ｂ）前記分離器からの前記窒素富化空気流および前記排気ガス再循環流路からの前記窒素富化燃焼生成物流を前記空気入口に送るように、前記センサと信号通信する燃焼空気富化コントローラであって、前記エンジンのコールドスタートおよびウォームアップの負荷に関連しないエンジン負荷の増加中、前記排気ガスの排出削減に使用される前記窒素富化空気供給を前記分離器からの前記窒素富化空気流によって少なくとも部分的に提供し、かつ、前記排気ガス再循環流路からの前記窒素富化燃焼生成物流を増大的に提供する命令セットを提供する、コントローラと、
を含む、ガソリン圧縮着火（ＧＣＩ）エンジン。
【請求項２】
前記吸気管理システムが、前記排気ガスの排出削減に使用される前記窒素富化空気供給が、前記排気ガス再循環流路からの前記窒素富化燃焼生成物流のみによって決して提供されないように構成されている、請求項１に記載のＧＣＩエンジン。
【請求項３】
前記コールドスタートおよびウォームアップの負荷に関連しない前記エンジン負荷の増加が、約２バール未満のエンジン平均有効圧力に対応する場合、前記排気ガスの排出削減に使用される前記窒素富化空気供給が、実質的に前記分離器のみによって提供される、請求項１に記載のＧＣＩエンジン。
【請求項４】
前記コールドスタートおよびウォームアップの負荷に関連しない前記エンジン負荷の増加が、約２バール〜約７バールのエンジン平均有効圧力に対応する場合、前記排気ガスの排出削減に使用される前記窒素富化空気供給が、主に前記分離器によって提供される、請求項１に記載のＧＣＩエンジン。
【請求項５】
前記コールドスタートおよびウォームアップの負荷に関連しない前記エンジン負荷の増加が、約７バール超のエンジン平均有効圧力に対応する場合、前記排気ガスの排出削減に使用される前記窒素富化空気供給が、前記分離器および排気ガス再循環流路の両方によって提供される、請求項１に記載のＧＣＩエンジン。
【請求項６】
前記燃焼室内に導入される空気とガソリンベースの燃料の混合物を選択的に点火するためにヘッド内に配置された火花点火器であって、前記エンジンの前記コールドスタートまたはウォームアップの負荷中にのみ選択的に点火するように構成された、火花点火器をさらに含む、請求項１に記載のＧＣＩエンジン。
【請求項７】
前記コントローラが、前記エンジンの前記コールドスタートまたはウォームアップの負荷中に前記窒素富化空気流が前記空気入口に供給されないように構成されている、請求項６に記載のＧＣＩエンジン。
【請求項８】
前記流量制御コンジットが、その中に配置された少なくとも１つのバルブを含み、前記少なくとも１つのバルブは、前記コントローラからの制御信号によって作動されるように構成されている、請求項１に記載のＧＣＩエンジン。
【請求項９】
前記分離器が、ライン交換可能なユニットとして前記吸気管理システム内に配置されている、請求項１に記載のＧＣＩエンジン。
【請求項１０】
前記ライン交換可能ユニットが、前記分離器およびエアフィルタを含むモジュール式アセンブリを形成する、請求項９に記載のＧＣＩエンジン。
【請求項１１】
複数のシリンダーを画定するエンジンブロックと、
前記ブロック内で回転可能に可動であるクランクシャフトと、
前記クランクシャフトの動きに応答する複数のカムと、
前記複数の燃焼室を画定するように前記エンジンブロックに結合されたヘッドであって、その中に配置された少なくとも１つの入口バルブおよび少なくとも１つの排気バルブを含み、前記バルブのそれぞれが、前記カムのうちの対応する１つを介して前記クランクシャフトに移動可能に応答するようになっている、ヘッドと、
燃料噴射器を介して前記燃焼室のそれぞれと選択的に流体連通する燃料入口と、
各々それぞれのシリンダーに収容され、空気と、対応する前記燃焼室に導入されるガソリンベースの燃料との混合物が圧縮着火されると、結果として生じるピストンの往復運動が、前記クランクシャフトに回転運動を与えるように前記クランクシャフトに連結されている、ピストンと、
をさらに含む、請求項１に記載のＧＣＩエンジン。
【請求項１２】
車両であって、
プラットフォームであって、
中に客室が画定されている車輪付きシャーシ、および
前記車輪付きシャーシと協働する誘導装置、を含む、プラットフォームと、
前記プラットフォームに動力を供給するために前記プラットフォームに結合されたガソリン圧縮着火（ＧＣＩ）エンジンと、を含み、前記ＧＣＩエンジンが、
複数の燃焼室と、
前記燃焼室のそれぞれと選択的に流体連通する空気入口と、
前記燃焼室のそれぞれと選択的に流体連通する排気ガス出口と、
吸気管理システムと、を含み、前記吸気管理システムが、
前記空気入口と流体連通している膜ベースの分離器であって、前記分離器に導入された空気がその上で操作されて、少なくとも酸素富化空気流と窒素富化空気流とに分割されるようになっている、膜ベースの分離器と、
前記排気ガス出口と流体連通し、空気とガソリンベースの燃料との混合物が前記燃焼室内で着火されると形成される窒素富化燃焼生成物流を運ぶ、排気ガス再循環流路と、
前記排気ガス再循環流路からの前記窒素富化燃焼生成物流、前記分離器からの前記窒素富化空気流、またはそれらの両方が、前記空気入口と選択的に流体連通して配置されるように、前記分離器および前記排気ガス再循環流路と協働する、流量制御コンジットと、
エンジン動作パラメータを取得するように構成された複数のセンサと、
前記分離器、前記排気ガス再循環流路、前記流量制御コンジット、前記センサ、および前記コントローラが協働して、（ａ）前記ＧＣＩエンジンのコールドスタートおよびウォームアップの負荷中の前記分離器からの前記酸素富化空気流、および（ｂ）前記分離器からの前記窒素富化空気流および前記排気ガス再循環流路からの前記窒素富化燃焼生成物流を前記空気入口に送るように、前記センサと信号通信する燃焼空気富化コントローラであって、前記エンジンのコールドスタートおよびウォームアップの負荷に関連しないエンジン負荷の増加中、前記コントローラが、前記排気ガスの排出削減のさまざまな部分が、前記排気ガス再循環流路からの前記窒素富化燃焼生成物流と前記分離器からの前記窒素富化空気流とによって提供される命令セットを提供する、コントローラと、
を含む、車両。
【請求項１３】
前記流量制御コンジットの一部が前記客室と選択的に流体連通しており、前記酸素富化空気流の少なくとも一部が前記客室に運ばれる、請求項１２に記載の車両。
【請求項１４】
前記酸素富化空気流が、前記エンジンのコールドスタートおよびウォームアップの負荷に関連しないすべてのエンジンの負荷中に前記客室に運ばれる、請求項１３に記載の車両。
【請求項１５】
前記排気ガスの排出削減の前記さまざまな部分が、
第１のエンジン平均有効圧力範囲では、前記排気ガスの排出削減に使用される前記窒素富化空気供給が、実質的に前記分離器によってのみ提供され、
第２のエンジン平均有効圧力範囲では、前記排気ガスの排出削減に使用される前記窒素富化空気供給が、主に前記分離器によって提供され、そして
第３のエンジン平均有効圧力範囲では、前記排気ガスの排出削減に使用される前記窒素富化空気供給が、前記分離器および前記排気ガス再循環流路の両方によって提供されるように、エンジン平均有効圧力に基づいて前記コントローラによって決定される、請求項１２に記載の車両。
【請求項１６】
前記吸気管理システムが、前記エンジンの前記コールドスタートまたはウォームアップの負荷中にのみ、前記酸素富化空気流が前記空気入口に送られるように、さらに構成されている、請求項１２に記載の車両。
【請求項１７】
ＧＣＩエンジンを動作させる方法であって、
前記ＧＣＩエンジン内の複数の燃焼室にガソリンベースの燃料を導入することと、
吸気管理システムを提供することであって、前記吸気管理システムが、
膜ベースの分離器と、
排気ガス再循環流路と、
前記分離器および前記排気ガス再循環流路と協働する流量制御コンジットと、
エンジン動作パラメータを取得するように構成された複数のセンサと、
前記センサおよび前記流量制御コンジットと信号通信する燃焼空気富化コントローラと、
を含む、提供することと、
前記吸気管理システムを使用して、空気を膜ベースの分離器に導入することと、
前記導入された空気を少なくとも酸素富化空気流および窒素富化空気流に分離することと、
前記分離器からの前記窒素富化空気流および前記排気ガス再循環流路からの窒素富化燃焼生成物流の少なくとも一部を前記複数の燃焼室へ送ることにより、前記ＧＣＩエンジン内の燃焼速度を調整することであって、コールドスタートまたはウォームアップの負荷に関連しないエンジン負荷の増加中、前記コントローラが、前記排気ガスの排出削減に使用される前記窒素富化空気供給を、前記分離器からの前記窒素富化空気流によって少なくとも部分的に提供し、かつ、前記排気ガス再循環流路からの前記窒素富化燃焼生成物流を増大的に提供する命令セットを提供する、調整することと、
を含む、方法。
【請求項１８】
コールドスタートまたはウォームアップの負荷に関連するエンジン負荷の増加中、前記コントローラが、前記分離器からの前記酸素富化空気流を前記複数の燃焼室に提供する命令セットを提供する、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
コールドスタートまたはウォームアップの負荷に関連する前記エンジン負荷の増加中、前記コントローラが、前記窒素富化空気流を前記複数の燃焼室に提供しない命令セットを提供する、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記酸素富化空気流が、前記ＧＣＩエンジンのコールドスタートおよびＧＣＩエンジンのウォームアップの少なくとも一方の間に、前記燃焼室内の火炎伝播燃焼速度を高めるために前記分離器によって供給される、請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
前記排気ガスの排出削減が、ＮＯｘ排出の削減を含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２２】
前記ＧＣＩエンジン内の燃焼速度を調整することが、前記燃焼室への吸気チャージを希釈することを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２３】
前記ＧＣＩエンジン内の燃焼速度を調整することが、前記ＧＣＩエンジンの過渡制御応答を高速化することを含む、請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本出願は、２０１７年３月３１日に出願された米国特許出願第１５／４７５，３８３号の優先権を主張し、その全体が参照により本開示に組み込まれる。
【技術分野】
【０００２】
本開示は、概して、内燃機関の操作性を改善する方法に関し、より詳細には、燃料源としてガソリンを使用する圧縮着火エンジンで使用するための、複数の源から窒素富化燃焼空気を生成するための使用に関する。
【背景技術】
【０００３】
車両の推進に使用される内燃機関（ＩＣＥ）の領域では、火花点火（ＳＩ）エンジンと圧縮着火（ＣＩ）エンジンが最も一般的に使用されている。ＳＩエンジンでは、空気と燃料（通常はガソリン）の混合物が、点火プラグを介して点火するために円筒形の燃焼室に導入される。結果として生じる火炎前面が最初の発火点から燃焼室を伝播すると、温度は上昇し続け、それが高いピーク燃焼温度となる。ＳＩプロセスからの一般的な排出物には、（特に）一酸化炭素（ＣＯ）、未燃炭化水素、および窒素酸化物（ＮＯｘ）が含まれる。現代のＳＩエンジン車両は、これらの燃焼副生成物のそれぞれを減らすために三元触媒コンバータを通常採用している。触媒がＮＯｘ還元に関してピーク性能で作用することを確実にするために、そのようなエンジンは、触媒を損なう排気ガス中の過剰酸素（Ｏ２）の存在を避ける方法として、化学量論的な空燃比でまたはその付近で動作させる。
【０００４】
ＣＩエンジンでは、燃料（通常はディーゼル燃料）が燃焼室に導入され、そこで空気は既に高度に圧縮された形で存在している。圧力の増加に伴うチャンバ内の温度上昇により、燃料が自動点火する。燃焼プロセスは、拡散による燃料／空気の混合を介して行われる。典型的なＳＩエンジンとは異なり、ＣＩエンジンの直接燃料噴射により、スロットル損失と関連する燃料ポンピング損失が排除される。ポンピング損失の少ないＣＩエンジンの高い圧縮比と固有のリーンバーンにより、ＳＩエンジンよりも高い熱力学的効率が得られる。しかしながら、このようなリーン空燃比に関連する過剰なＯ２は、そのような触媒が、Ｏ２レベルの非常に狭い範囲（通常、約０．５％〜１．０％）でのみ効果的に作用するため、ＳＩエンジンの３元触媒の使用はＮＯｘの還元には実用的ではない。この制限を克服するために、複雑で高価な燃料噴射および後処理システムが含まれている。既知の後処理アプローチの例には、リーンＮＯｘトラップ、選択的触媒還元（ＳＣＲ）および排気ガス再循環（ＥＧＲ）が含まれる。これらの意図する目的には有用であるが、リーンＮＯｘトラップおよびＳＣＲは定期的な再生を必要とするため、これらのアプローチに過度に依存すると逆効果になる場合があり、一方で、ＥＧＲの有効性は高いエンジン出力レベルでは制限される。
【０００５】
予混合圧縮着火（ＨＣＣＩ）エンジンとして知られる別のエンジンタイプは、ディーゼルベースのＣＩエンジンとガソリンベースのＳＩエンジンの両方の特性を組み合わせることが試みられている。ＨＣＣＩエンジンでは、従来のＳＩエンジンとほぼ同様の方法で、燃焼室に導入する前に燃料と空気が混合される。従来のＣＩエンジンと同様に、燃焼は、燃焼室内の特定の温度および圧力条件で混合気の自動着火によって達成される。理想的な条件下では、ＨＣＣＩエンジンは拡散した無炎燃焼と低いピーク圧力と温度を実現する。このような燃焼は、ＮＯｘの生成を低く抑えるのに効果的である。しかしながら、実際には、特に高出力条件に関連して、広範囲のエンジン動作条件にわたって、温度、圧力、および燃料と空気の混合物の組成の正しい組み合わせを達成するための正確な制御を確立することは非常に困難であることが証明されている。
【０００６】
ガソリン圧縮着火（ＧＣＩ）エンジン（部分予混合圧縮着火（ＰＰＣＩ）エンジンとも呼ばれる）として知られる別のエンジンタイプは、従来のディーゼルＣＩまたはガソリンＳＩエンジンの魅力的な代替品として注目されている。ＧＣＩエンジンでは、燃料はエンジンの４ストロークサイクル運転の圧縮段階の後半で段階的に噴射される。このように、燃料チャージは、局所的な化学量論的特性と全体的成層化特性の両方を有すると考慮できる。重要なのは、一般的なガソリン（特に低オクタン価ガソリン）の揮発性が高く、ディーゼル燃料に比べて着火遅れが長いことである。圧縮行程の比較的遅い時期にこのような燃料を導入し、燃料の着火遅れを利用することで（追加の燃料と空気の混合が促進され）、燃焼は噴射終了まで開始されない。望ましい程度の成層化を達成するために、複数の噴射を使用してもよい。低温燃焼（ＬＴＣ）条件下で動作することにより、ＧＣＩエンジンは、ディーゼルのような熱効率を達成しながら、ＮＯｘの生成と煤の排出を大幅に削減できる。さらに、低オクタン価ガソリンの精製は、従来のガソリンおよびディーゼル燃料を処理するよりも簡単（かつ安価）であるため、ＣＯ２などの他の望ましくない物質のｗｅｌｌ−ｔｏ−ｔａｎｋ全体の排出量が削減される。
【０００７】
ＧＣＩエンジンの欠点の１つは、通常のエンジン運転状態では低いＮＯｘ排出量が重負荷で増加する傾向があることである。そのため、自動車製造業者は、すべてのエンジン動作条件下でＮＯｘコンプライアンスを確保する方法として、上記のさまざまな技術（ＳＣＲ、ＥＧＲなど）のいくつかを実装している。このような修正措置は高価であり、上記のように、エンジンの性能を制限する可能性がある。例えば、過剰なＥＧＲは燃焼の不安定性と関連する失火につながり、再循環排気ガスに含まれる炭素堆積物によるバルブの目詰まりの一因となる。また、ＥＧＲへの過度の依存は、ＧＣＩエンジンの過渡応答を制御することを困難にする。これは、吸気の充填密度の低下が、燃焼室内での連続燃焼火炎前面の維持と両立しない可能性があるためである。
【発明の概要】
【０００８】
本開示の一実施形態によれば、排気ガスの排出削減のための窒素（Ｎ２）富化空気供給を備えたＧＣＩエンジンが開示される。ＧＣＩエンジンには、多数の燃焼室、燃焼室のそれぞれと選択的に流体連通する空気入口、燃焼室のそれぞれと選択的に流体連通する排気ガス出口および窒素富化空気チャージの準備を優先できる吸気管理システムが含まれる。吸気管理システムには、膜ベースの分離器、ＥＧＲ流路、流量制御コンジット、および燃焼空気富化コントローラが含まれる。分離器は、分離器に導入された空気が酸素富化空気（ＯＥＡ）流と窒素富化空気（ＮＥＡ）流とに分割されるよう、空気入口と流体連通している。同様に、排気ガス再循環流路は、排気ガス出口と流体連通しており、空気とガソリンの混合物が燃焼室内で点火されたときに形成される窒素富化燃焼生成物流を運ぶ。加えて、流量制御コンジットは、排気ガス再循環流路からの窒素富化燃焼生成物流および分離器からの窒素富化空気流の一方または両方が空気入口と選択的に流体連通して配置されるように、分離器および排気ガス再循環流路と協働する。エンジンの動作パラメータを取得するために、多数のセンサが使用される。コントローラは、センサ、分離器、排気ガス再循環流路、および流量制御コンジットと連携して、（ａ）ＧＣＩエンジンのコールドスタートおよびウォームアップの負荷中の分離器からの酸素富化空気流、および（ｂ）分離器からの窒素富化空気流および排気ガス再循環流路からの窒素富化燃焼生成物流を空気入口に送るように、センサと信号通信する。重要なことは、コールドスタートおよびウォームアップの負荷に関連しないエンジン負荷の増加中、エンジンのコールドスタートおよびウォームアップの負荷に関連しないエンジン負荷の増加中、排気ガスの排出削減に使用される窒素富化空気供給が、分離器からの窒素富化空気流によって、さらに増大的に、排気ガス再循環流路からの窒素富化燃焼生成物流によって少なくとも部分的に提供される命令セットをコントローラが提供することである。
【０００９】
本文脈内で、さまざまなエンジン運転負荷または条件（例えば、低、通常、コールドスタートおよび高）は、混合気の適切な管理を確保するために、コントローラによって監視および操作されるさまざまな状況に対応し得る。同様に、コントローラは、単独で、または別のコントローラと連携して動作して、適切な燃料およびそのようなモードの関連する環境動作条件が守られていることを確実にするために使用できる。
【００１０】
例として、研究オクタン価（ＲＯＮ）９１の無鉛レギュラーガソリンを使用する開示のＧＣＩエンジンは、さまざまな動作条件、すなわち、低いエンジン負荷、低い周囲温度とコールドスタート（およびそれに伴う早期ウォームアップ）の１つまたは複数の比較的長い点火遅延を経ることができる。このような状況では、自動点火が弱すぎるか、遅すぎるか、または完全に失敗する可能性がある。このような状態を回避するために、コントローラは他のコンジット、バルブ、点火プラグと連動して、噴射された燃料が時間通りに点火と燃焼を開始するようにする。ＳＩ運転の場合、特にシリンダー温度が低い場合、ＯＥＡ流は火炎速度と燃焼速度の増加に役立つ。同様に、中〜高負荷運転では、シリンダーの圧力と温度が上昇し、そのような運転条件は、早期の自動点火を促進する傾向があり、ＮＯｘ排出量の増加と燃焼騒音の増加につながる可能性がある。
【００１１】
本開示のさらに他の実施形態によれば、車両が開示される。車両は、車輪付きシャーシ、車輪付きシャーシと協働する誘導装置、および客室を含むプラットフォームおよび動力を提供するためにプラットフォームに結合されたＧＣＩエンジンを備える。ＧＣＩエンジンは、多数の燃焼室、空気入口、排気ガス出口、および膜ベースの分離器、ＥＧＲ流路、流量制御コンジット、多数のセンサ、燃焼空気富化コントローラを含む吸気管理システムを含む。空気入口および排気ガス出口の両方が、燃焼室のそれぞれと選択的に流体連通している。分離器に導入された空気は、少なくともＯＥＡ流とＮＥＡ流とに分割される一方で、ＥＧＲ流路は、窒素富化燃焼生成物流を運んで空気入口に戻すのに使用される。流量制御コンジットは、さまざまなコンポーネント間で窒素富化空気供給をルーティングするために使用される。
【００１２】
吸気管理システムのさまざまなコンポーネントが連携して、ＯＥＡおよびＮＥＡ流を空気入口に送る。特に、ＯＥＡ流は、ＧＣＩエンジンのコールドスタートおよびウォームアップの負荷中に分離器から運ばれる一方、ＮＥＡ流は、コールドスタートおよびウォームアップの負荷に関連しない期間に、分離器とＥＧＲ流路の両方から運ばれる。さらに、コールドスタートまたはウォームアップの負荷に関連しないエンジン負荷の増加中、コントローラは、排気ガスの排出削減のさまざまな部分が、ＥＧＲ流路からの窒素富化燃焼生成物流と分離器からのＮＥＡ空気流によって提供される命令セットを提供する。
【００１３】
本開示のさらに別の実施形態によれば、ＧＣＩエンジンを動作させる方法が開示される。この方法には、ガソリンベースの燃料をエンジンの燃焼室に導入すること、および吸気制御システムを使用して、特に排気ガスの排出を削減することが含まれる。吸気管理システムには、膜ベースの分離器、排気ガス再循環流路、分離器および排気ガス再循環流路と連携する流量制御コンジット、多数のセンサ、センサおよび流量制御コンジットと信号通信する燃焼空気富化コントローラが含まれる。使用中、少なくともＯＥＡ流とＮＥＡ流とに分離するために膜ベースの分離器に導入された空気は、吸気管理システムによって操作され、ＮＥＡ流の少なくとも一部が（エンジン負荷に応じて）排気ガス再循環流路からの窒素富化燃焼生成物流は、ＧＣＩ燃焼がエンジン内で起こる速度を調整する方法としてエンジンに提供される。このように、コールドスタートまたはウォームアップの動作条件に関連しないエンジン負荷の増加中、排気ガスの排出削減に使用される窒素富化空気供給は、少なくとも部分的に、分離器から、および特定の状況では、排気ガス再循環流路に存在する窒素富化燃焼生成物流からの窒素富化空気流によって提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
本開示の特定の実施形態の以下の詳細な説明は、同様の構造が同様の参照番号で示されている以下の図面と併せて読むことで、最もよく理解することができる。
【図１】本明細書に図示または記載される１つまたは複数の実施形態によるＧＣＩエンジンおよび吸気管理システムの一部の簡略断面図を示す。
【図２】本明細書に図示または記載される１つまたは複数の実施形態による空気管理システムに関連するさまざまな流路の簡略図を示す。
【図３】図２の空気管理システムの変形例を示しており、ここでは、本明細書に図示または記載されている１つまたは複数の実施形態に従って、膜モジュールがライン交換可能ユニット用のエアフィルタと結合されている。
【図４】本明細書に図示または記載された１つまたは複数の実施形態による空気管理システムを使用して、窒素富化を変化させたＮＯｘおよび煤排出の正規化された比較を示す。
【図５】概念的なＧＣＩエンジン燃焼プロセス中の典型的なシリンダー内温度トレースを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本開示は、窒素含有チャージをエンジンの燃焼室に選択的に送るために、膜とＥＧＲとの組み合わせの利点を使用する吸気制御により、エンジン性能を改善し、ＧＣＩエンジンのＮＯｘ排出を削減する方法およびシステムに関する。これらのコンポーネントのそれぞれを互いに独立して動作させることが一般的に知られているが、本開示の著者は、２つを統合することにより、全体的なエンジン性能の改善が実現されるだけでなく、結果として得られる空気供給システムのサイズ、重量、または複雑さが軽減されるという立場を取る。特に、本開示の下では、入ってくる空気供給は膜を通して送られ、入力空気流をＯＥＡ流とＮＥＡ流とに分離する。ＮＥＡ流は、エンジンの吸気口に供給され、吸気チャージを希釈し、ＧＣＩ燃焼率を低下させ、これにより、従来のＥＧＲとほぼ同様の方法でＮＯｘ排出が削減される。同様に、ＧＣＩが使用できない可能性のある動作条件（コールドスタートなど）では、ＯＥＡは火炎伝播燃焼速度を上げて、ウォームアップを迅速化し、エンジンの操作性を改善する。任意の形態では、過剰なＯＥＡを車両の客室に供給して、キャビンの空気（つまり客室）の品質をリフレッシュすることもできる。ＥＧＲを使用して吸気チャージを希釈することもでき、その際、膜のサイズを小さくして、車両環境内でのパッケージングを支援することができる。このＥＧＲの使用は、膜から来るＮＥＡのＮＯｘ削減性能を補う方法として、高負荷条件で特に有益である。多数のＧＣＩエンジンの動作条件で追加のＮ２を膜に少なくとも部分的に依存することにより、ＥＧＲリクエストへの依存度が低下する場合があり、これにより、ＧＣＩ過渡制御応答が改善され、ＧＣＩエンジンの高負荷制限が増加する可能性がある。
【００１６】
最初に図１および図２を参照すると、客室３を備えた車両２で使用するための窒素富化空気供給を備えたＧＣＩエンジン１の概略図が示されている。エンジン１は、多数のシリンダー１０を備えたエンジンブロック５、ブロック５内で回転可能に可動であるクランクシャフト１５、クランクシャフト１５の動きに応答する多数のカム２０、エンジンブロック５に連結されて多数の燃焼室３０を画定するヘッド２５を含む。ヘッド２５は、入口バルブ３５と排気バルブ４０（各１つのみが示されている）を含み、一形態では、クランクシャフト駆動チェーン、クランクシャフト作動プッシュロッド、または空気圧アクチュエータ（いずれも図示せず）のいずれかによって制御されるカム２０のうちの対応する１つを介してクランクシャフト１５に応答して移動するようにばね付勢され得る。（これは、後続の段落でより詳細に説明する流量制御コンジット１１５および吸気制御１２５の部分に流体的に結合される燃焼器入口ガス１１５Ｃの部分であり得る）空気入口４５および排気ガス出口５０は、燃料噴射器５５を介して各燃焼室３０と選択的に流体連通する一方で、ピストン６０は、各々それぞれのシリンダー１０に収容され、コネクティングロッド６５を介してクランクシャフト１５に連結され、それにより、エンジン１とトランスミッション、車軸、ディファレンシャル、ホイール（いずれも図示せず）で構成されるパワートレインの残りの部分への後続の電力供給のために、コネクティングロッド６５とクランクシャフト１５の旋回運動とクランクシャフト１５の回転運動による燃焼室３０内で起こる圧縮点火燃焼に応答したピストン６０の往復運動が変換される。ＧＣＩエンジン１に関連する燃焼は、圧縮行程の一部で燃焼室内の空燃比レベルを操作することにより自動点火燃焼のタイミングが制御されるという点で、部分予混合圧縮点火（ＰＰＣＩ）属性を有すると分類できる。
【００１７】
燃焼プロセスに使用される空気の供給により、吸気管理システム１００で窒素が富化される。このシステム１００は、適切なコンジット１１５と共に、膜ベースの分離器１０５およびＥＧＲ１１０を含み、そのため、燃焼に使用される空気、およびそのような燃焼の生成物である排気ガスを使用して、ＧＣＩ燃焼率を選択的に低下させるために、エンジン１の吸気チャージを希釈することができ、これにより、ＮＯｘ排出量が削減される。本文脈において、流量制御コンジット１１５は、パイプ、チューブ、チャネルまたは関連する流体搬送ラインだけでなく、そのようなラインに流体的に配置されるバルブ（図示せず）または関連する流量制御デバイスも含む。分離器１０５を使用することにより、特に特定のエンジン負荷に対して、ＥＧＲ１１０への依存を削減することができる。他のエンジン運転負荷またはコールドスタートおよび関連するウォームアップなどの条件では、火炎伝播燃焼速度を高めるために、分離器１０５を火花点火器１２０（スパークプラグなど）と共に使用できる。本文脈内で、コールドスタートまたはウォームアップ条件に関連しない他の動作条件は、本明細書で説明されるＧＣＩ動作モードの下で実行することができる。
【００１８】
示されるように、周囲空気（すなわち、供給流）の入口１１５Ｉが流量制御コンジット１１５の部分を形成し、最初に、分離器１０５に空気を導入するように使用され、そこを、Ｏ２リッチ透過液がＯＥＡ流１１５ＯＥＡを流れ、Ｎ２リッチ保持液１０５ＢはＮＥＡ流１１５ＮＥＡを通って流れる。ＯＥＡ流およびＮＥＡ流１１５ＯＥＡ、１１５ＮＥＡの両方は、混合チャンバなどの形態の吸気制御１２５に供給される。一形態において、ＥＧＲ１１０は、流量制御コンジット１１５の関連部分と一緒にＥＧＲ流路１１５ＥＧＲを形成するバルブの形態であり、燃焼室３０を出て排気バルブ４０を通って吸気制御１２５に排出される排気ガスを再循環させる。以下により詳細に説明するプロセッサベースのコントローラ１３０からの制御信号に応答する吸気制御１２５は、流量制御コンジット１１５のさまざまな部分のバルブおよびバイパス流量を調整するために使用され、必要なエンジン１の負荷または関連する運転条件に応じて、供給流量および３つの入力（つまり、ＯＥＡ流１１５ＯＥＡ、ＮＥＡ流１１５ＮＥＡおよびＥＧＲ流１１５ＥＧＲ）からの各ガス流の量を調整するための供給／透過圧力で分離器１０５の性能を調整する。コールドスタート状態の間、ＯＥＡ流１１５ＯＥＡは、燃焼速度を上げるためだけに供給することができ、そのような場合、ＮＥＡ流１１５ＮＥＡは燃焼室３０に導入されない。他の運転条件では、ＮＥＡ流１１５ＮＥＡは、ＮＯｘ排出を削減するために供給される。本明細書で説明するような高エンジン負荷条件（上昇した平均有効圧力（ＭＥＰ）に関連する条件など）では、ＥＧＲ流１１５ＥＧＲは、そのような負荷に必要なより大きな体積または表面積に対応するために非常に大きな分離器１０５を構築する必要を回避する方法として、ＮＥＡ流１１５ＮＥＡと共に利用することができる。示されるように、キャビンの空気品質をリフレッシュするか、さもなければ増強する方法として、ろ過された吸気１１５ＦおよびＯＥＡストリーム１１５ＯＥＡのいずれかまたは両方の一部を車両の客室またはキャビンに送ることができる。一形態では、吸入空気１１５Ｉは、ターボチャージャー１３５または他の関連装置などによって加圧されてもよい。ターボチャージャー１３５は、吸気制御１２５に戻されない過剰な排気ガスによって駆動されてもよい。
【００１９】
ＥＧＲ流１１５ＥＧＲは、排気ガスの一部を、ＮＥＡ流１１５ＮＥＡおよびＯＥＡ流１１５ＯＥＡの一方または他方から来るターボ過給された吸気に再循環させることにより機能する。これは、燃焼室３０に導入されるＯ２を希釈する効果があり、Ｎ２およびＨ２Ｏのような比熱が比較的高いため、燃焼過程で発生する熱を効果的に吸収する不活性ガスを提供することにより、シリンダー内のピーク温度を下げる。
【００２０】
吸気管理システム１００の動作のための命令は、１つまたは複数の電子制御ユニット（ＥＣＵ）で実施され得るコントローラ１３０から来る。コントローラ１３０はセンサＳからデータを受信し、吸気管理システム１００のさまざまな部分に論理ベースの命令を提供するために使用される。当業者によって理解されるように、コントローラ１３０は、単一のユニット、または車両２全体にわたるユニットの分散セットのうちの１つであり得る。一構成では、コントローラ１３０は、吸気管理システム１００の動作のみに関連する機能など、少数のコンポーネント機能に関連するより個別の動作機能セットを有するように構成されてもよく、また、別の構成では、コントローラ１３０は、エンジン１などの多数のコンポーネントを、吸気管理システム１００と一緒に、またはそれとは別に制御するように機能するように、より包括的な機能を有してもよく、また、コントローラ１３０によって実行される機能の構造および範囲に関係なく、そのような変形形態はすべて本開示の範囲内であるとみなされる。吸気管理システム１００に関連する機能のみを実行することに関連する一形態では、コントローラ１３０は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）として構成されてもよい。一形態では、コントローラ１３０には、１つまたは複数の入出力（Ｉ／Ｏ）１３０Ａ、マイクロプロセッサまたは中央処理装置（ＣＰＵ）１３０Ｂ、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）１３０Ｃ、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）１３０Ｄが設けられ、これらはそれぞれバス１３０Ｉによって接続され、信号ベースのデータを受信するための論理回路の接続性、ならびにコマンドまたは関連する命令の送信を提供する。さまざまなアルゴリズムおよび関連する制御ロジックは、当業者に既知の方法でＲＯＭ１３０ＣまたはＲＡＭ１３０Ｄに格納されてもよい。そのような制御ロジックは、コントローラ１３０により操作され、本明細書で説明されるようにＩ／Ｏ  １３０Ａを介して吸気管理システム１００に伝達される事前プログラムアルゴリズムまたは関連プログラムコードで具現化され得る。Ｉ／Ｏ  １３０Ａの一形態では、さまざまなセンサＳからの信号がコントローラ１３０と交換される。
【００２１】
コントローラ１３０が、吸気管理システム１００以外にも制御を提供するように構成されている状況では（例えば、１つまたは複数のエンジン１の運転、燃料の供給、または車両２内の他のシステム）、追加のセンサＳからの他のそのような信号は、そこに含まれる制御ロジックによる適切な処理のためにコントローラ１３０に信号で提供され得るように構成され、これには、エンジン１からの燃焼データが、吸気制御１２５から供給される燃焼器入口ガス１１５Ｃの混合または関連する供給を制御するために提供されるものも含まれる。例えば、エンジン１の動作のＧＣＩモードと一致する方法で、エンジン１の負荷速度範囲のほぼ全体にわたってスムーズな動作と低ＮＯｘ排出を促進する方法として、複数の後期噴射、成層混合、低温燃焼プロセスを提供するために、コントローラ１３０は、燃料噴射器ドライバ１３０Ｅ、ＥＧＲドライバ１３０Ｆ、エンジンバルブ制御１３０Ｇおよびフローバルブ制御１３０Ｈ（フローコンジット１１５に配置されたバルブの場合）でプログラムされてもよい。このような制御は、クランクシャフト１５からのクランク角度（ＣＡＤ）を検出して自動点火の発生を制御するのに役立つセンサＳで測定できる圧縮ストロークのさまざまなシーケンスと一致する場合、ＧＣＩエンジン１での燃料の供給に最適化されているため、燃料の供給に使用される複数の後期噴射戦略に特に有益である。本文脈において、シリンダー１０内のピストン６０の位置は、通常、ピストン６０の上死点（ＴＤＣ）位置の前後のＣＡＤを参照して説明される。また、コントローラ１３０は、負荷およびエンジン速度などの他のエンジン１の動作パラメータ、ならびにそのような噴射が企図される回数に基づいて、そのような輸送戦略を基礎とすることができる。例えば、０°〜１８０°のＣＡＤはパワーストロークに対応し、０°はＴＤＣを表し、１８０°は下死点（ＢＤＣ）を表す。同様に、１８０°〜３６０°のＣＡＤは排気ストロークを表し、後者はＴＤＣを表す。さらに、３６０°〜５４０°のＣＡＤは、後のＢＤＣでの吸気ストロークを表す。さらに、５４０°〜７２０°のＣＡＤは、後のＴＤＣでの圧縮ストロークを表す。一例として、コントローラ１３０は、６気筒エンジンで使用される場合、クランクシャフト１５の１２０°回転ごとに点火が行われ、すなわち、エンジン１が１回転するごとに３回点火する。したがって、６つのシリンダーのそれぞれが一度点火すると、クランクシャフト１５は２回回転して回転運動７２０°を横切る。同様に、エンジン１が４気筒エンジンとして構成されている場合、点火はクランクシャフト１５が１８０°回転するごとに発生する。一形態では、センサＳの１つは、クランクシャフト１５の位置または回転速度を監視するクランクセンサであってもよい。そのようなクランクセンサから取得されたデータは、火花点火器１２０が使用されている状況（コールドスタートアップ、それに続くウォームアップなど）の点火タイミングを含む燃料噴射タイミングおよび他のエンジン１パラメータを決定するための処理のためにコントローラ１３０に送られる。クランクセンサなどのセンサＳは、バルブタイミングが可変のエンジン１構成でバルブ２０とピストン６０との関係を���視するために、他のセンサＳ（バルブ２０の位置に関連するセンサなど）と組み合わせて使用できる。
【００２２】
コントローラ１３０は、監視モデル予測制御（ＳＭＰＣ）スキームまたはその変形などのモデル予測制御スキーム、または多入力多出力（ＭＩＭＯ）プロトコルなどを使用して実装することができ、入力には、ここで説明するさまざまな燃焼後排気ガス処理コンポーネントに関連する多数の値、センサＳ（排気ガス温度センサ、Ｏ２センサ、ＮＯｘセンサ、ＳＯｘセンサなど）、（ルックアップテーブルから、またはアルゴリズムで計算されたものなどの）推定値等が含まれる。そのようにして、センサＳからの１つまたは複数の検知値に関連する出力電圧がコントローラ１３０によって受け取られ、次いで、差分に基づいて、特定の動作条件を示す出力が生成されるように、デジタル化され、所定のテーブル、マップ、マトリックス、またはアルゴリズム値と比較される。これらの出力は、吸気管理システム１００に関連する残りのコンポーネントなど、コントローラ１３０の範囲内のさまざまなコンポーネントの調整に使用できる。
【００２３】
上述のように、一形態において、コントローラ１３０は、ＲＯＭ１３０ＣまたはＲＡＭ１３０Ｄ内に含まれ得るルックアップテーブルにさまざまなパラメータ（大気圧、周囲空気温度および流量、排気ガス温度および流量、エンジンＭＥＰなど）を事前にロードすることができる。別の形態では、コントローラ１３０は、ＣＰＵがさまざまなセンサからの入力に基づいて適切な論理ベースの制御信号を生成することを可能にする１つまたは複数の方程式ベースまたは式ベースのアルゴリズムを含むことができ、さらに別の形態では、コントローラ１３０は、その監視および制御機能を促進するためにルックアップテーブルおよびアルゴリズム機能の両方を含むことができる。これらの形式のデータと計算の相互作用のどちらが採用されるかに関係なく、コントローラ１３０は、関連するセンサＳ、膜分離器１０５、ＥＧＲ１１０および関連する流量制御コンジット１１５と共に、エンジン１の動作負荷がコールドスタートまたはウォームアップ状態を超えて増加するにつれて、ＮＥＡ流１１５ＮＥＡは、ＥＧＲ１１０からよりも分離器１０５からより多く吸気制御１２５に送られる。
【００２４】
次に図３を参照すると、一形態では、分離器１０５は、ライン交換可能ユニット（ＬＲＵ）品質を有するようにモジュール１４０の一部として形成されてもよい。このようにして、分離器１０５またはエアフィルタ１４５の交換またはサービスに関連するメンテナンス作業を簡素化することができる。このようなＬＲＵは、すぐに利用可能なオンサイトインベントリから、いわゆる既製品の交換用に容易に保管できる。モジュール式であるため、ＬＲＵは、車両２の異なるモデル全体で開発を集中化することにより、システムコストの削減と品質の向上に貢献できる。車両２のメンテナンスコストを下げるために、モジュール１４０が複合ハウジングを形成するように分離器１０５をエアフィルタ１４５と共に配置し、別の形態では、分離器１０５をそれ自体のハウジングに形成することができる。
【００２５】
示されたその変数、平均有効圧力（ＩＭＥＰ）、ブレーキ平均有効圧力（ＢＭＥＰ）、または摩擦平均有効圧力（ＦＭＥＰ）を含むＭＥＰは、シリンダー１０の数または関連するエンジン１の排気量に関係なく、特定のエンジン１が機能する能力の値を提供する。さらに、生成されたトルクに対応する圧力の尺度が提供され、そのため、その４サイクルの異なる部分（吸気、圧縮、点火、排気）中、ピストン６０に作用する平均圧力と考えることができる。実際、ＭＥＰはエンジンの速度やサイズから独立しているため、エンジンの設計と出力を比較するためにトルクよりも優れたパラメータである。したがって、ＭＥＰは、生成されるトルクがＭＥＰと排気量のみの関数であり、馬力がトルクおよびｒｐｍの関数であるという点で、エンジンに対して他のメトリック（馬力など）よりも優れた指標を提供する。したがって、所定の排気量では、最大ＭＥＰが大きいほど、より多くのトルクが生成されることを意味するが、所定のトルクでは、最大ＭＥＰが高いほど、より小さいエンジン１から得られることを意味する。同様に、最大ＭＥＰが高いほど、エンジン１の応力と温度がより高くなる可能性があり、これにより、エンジン１の寿命またはエンジン１の追加の構造強化の程度が示される。重要なことは、適切な分析的予測と相まって、広範なダイナモメーターのテストにより、ＭＥＰが最新のエンジン設計でよく知られるようになることである。そのため、ＣＩエンジンの場合、最大トルク（約３０００ｒｐｍ）に対応するエンジン速度では、約７．０バール〜約９．０バールのＭＥＰ値が一般的であり、自然吸気（つまり、非ターボ過給）ＳＩエンジンの場合、約８．５バール〜約１０．５バールのＭＥＰ値が一般的であり、ターボ過給ＳＩエンジンの場合、ＭＥＰは約１２．５バール〜約１７．０バールの間になる場合がある。
【００２６】
同様に、エンジン１のさまざまな動作領域に対してＭＥＰ値を決定できる。そのような動作レジームは、最大約１．０バールのＭＥＰに対応する１つの形態である低出力または低負荷（例えば、エンジンアイドリング条件を含む）、最大約２．０バールの別の形態のＭＥＰを含み得る。同様に、そのような動作レジームには、約２．０バール〜約５．０バールのＭＥＰに対応する１つの形態である通常の（または中）電力または負荷、約２．０バール〜約６．０バールの別の形態のＭＥＰ、約２．０バール〜約７．０バールの別の形態のＭＥＰを含み得る。さらに、そのような動作レジームは、約７．０バール以上のＭＥＰに対応する１つの形式である高出力または負荷、約８．０バール以上の別の形態のＭＥＰ、約９．０バール以上の別の形態のＭＥＰ、および約１０．０バール以上の別の形態のＭＥＰを含み得る。
【００２７】
理解されるように、これらおよび他のＭＥＰ値は、メモリアクセス可能な場所（上記のルックアップテーブルなど）に格納できる適切にマッピングされたパラメータセットに入力でき、そのため、これらの値を使用して、さまざまなエンジン１の動作パラメータを調整したり、診断能力で動作するときのコントローラ１３０を調整したりできる。そのような場合、（クランクシャフト１５の角度などを介して）シリンダー１０の容積を測定するために使用できるセンサを含むセンサＳのいくつかと連動して動作する場合がある。
【００２８】
次に図４と図５を参照すると、分析研究と実験研究の両方で、ＮＥＡ流１１５ＮＥＡとＥＧＲ流１１５ＥＧＲを使用すると、吸気チャージを希釈してＧＣＩ燃焼率を低下させ、その結果、ＮＯｘ排出を削減できることが確認される。ＮＥＡ流１１５ＮＥＡは、エンジン１が曝されると予想される負荷の実質的に全体にわたって使用されるため、分離器１０５の構造を理解することは有益である。詳細には、分離器１０５は、Ｏ２がＮ２よりも数倍速く膜に浸透するように調整することができ、これは透過側１０５Ａで生成されるＯＥＡ流１１５ＯＥＡの量に影響を与える。浸透速度は、分離器１０５に流入する空気の透過性または透過性の観点から測定することができる。一方、ＮＥＡ流１１５ＮＥＡは、保持側１０５Ｂで連続的に生成される。膜の選択性または関連する分離係数を使用して、選択性が透過性（または透過性）の比によって与えられる特定のターゲットガスの膜の分離能力を比較する。生成物空気の特定の要件（特定のＮ２濃度とＮＥＡ流１１５ＮＥＡの流量）を満たすために、供給空気の必要量（つまり、供給流量）、および供給／透過圧力を変えることができる。さらに、透過側１０５Ａ流中のＯ２の純度も変動し得る。同様に、分離器１０５の構成は変更されてもよい。例えば、分離器１０５は、螺旋巻きモジュール、プレートアンドフレームモジュール、中空糸膜モジュール、中空糸モジュールまたは毛細管モジュールとして構成されてもよい。例えば、中空糸膜モジュールでは、供給物はファイバーの内側（「インサイドアウト」と呼ばれる）またはファイバーの外側（「アウトサイドイン」と呼ばれる）に導入できる。中空糸膜モジュールの表１に示すように、Ｏ２選択性の高い膜（材料Ｂ、Ｏ２／Ｎ２選択性５）は、ＮＥＡストリームで同じＮ２濃度を達成するために、最小のＯ２選択膜（材料Ａ、Ｏ２／Ｎ２選択性２）よりも分離器１０５としてより効果的であることが示されている。したがって、そのような選択性（および構成）は、所与のエンジン１の分離器１０５のサイズを決めるための基礎を形成することができる。
【００２９】
【表１】
2020512503.tif 000003
【００３０】
本開示の著者によって実施された分析の一部として、計算流体力学（ＣＦＤ）を使用して、窒素強化運転モードで作動するＧＣＩエンジン１の性能と排出物をシミュレートした。このようなシミュレーションでは、１４．５：１の幾何学的圧縮比を有する単気筒４バルブエンジンを分析した。燃焼室には、負荷が１．１バールのブーストされた吸気圧力により１５００ｒｐｍで５バールのＭＥＰで指定された１回のサイクル運転で１４ｍｇの軽ナフサ燃料が噴射された。これらの結果は、一般に、ＥＧＲ流１１５ＥＧＲからのＮＯｘ抑制流体の量を増やすことは、アイドル状態または関連する低エンジン１の負荷条件で有益であるが、中および高負荷に関連するＭＥＰではそれほど有益ではないことを示している。例えば、ＥＧＲ１１０は、これらのより高い負荷条件では、結果として生じる排気ガスの排出に過剰量の煙が含まれる可能性があるため、約７．０バールのＢＭＥＰを超える負荷では使用すべきではない。エンジン１の負荷を監視し、そのような負荷がしきい値（定義された低負荷範囲に関連付けられているものなど）より小さいことを判断することにより、ＥＧＲ１１０の適切な動作を達成できる。さらに、コントローラ１３０は、このような因子に基づいて吸気制御１２５に、ＥＧＲ流１１５ＥＧＲおよびＮＥＡ流１１５ＮＥＡのそれぞれから来るＮ２富化をどれだけ提供するかを命令するために使用できる。
【００３１】
特に図４を参照すると、分離器１０５を使用してＮ２富化の実現可能性を検証する方法として、前の段落で説明したように、エンジン１で実験を行った。Ｎ２の純度および流量に対する供給物および透過物流量と運転圧力（供給圧力）に関連するものを含む、さまざまなパラメータを変化させた。ＮＯｘ放出は、Ｎ２の７９％（体積）の標準大気濃度による参照値に正規化した。したがって、Ｎ２の８５％への比較的緩やかな６％の増加は、濃富化されていない参照ケースと比較して、ＮＯｘ排出は約８０％抑制されるが、煤の生成は約２５〜３０％増加する。
【００３２】
特に図５を参照すると、ＧＣＩエンジン１のシミュレートされた燃焼プロセスのシリンダー内温度トレースが示されている。この点で、チャートは熱放出率とＣＡＤの比率を表している。吸気チャージ中のＮ２組成が増加すると、シリンダー内のピーク温度が低下する。ＮＥＡ流１１５ＮＥＡは吸気チャージを希釈し、ＧＣＩエンジン１の燃焼速度を低下させ、その結果、エンジン１のシリンダー内ピーク温度が低下する。Ｎｏｘ排出は高温で生成することが知られている。そのため、シリンダー内の温度を下げると、ＮＯｘ排出が劇的に削減する。重要なことは、ＮＯｘ削減に伴う温度低下により、圧縮プロセス中に燃料の噴射が行われる場所を変更できることである。このように、このような燃焼温度を低く保つための特定のＣＡＤでの燃料噴射は、所望の複数の後期噴射、成層混合、低温燃焼プロセスに関連するさまざまな要因に依存する。そのような要因には、空燃比、ＥＧＲレベル、吸気温度および圧力などが含まれる。ＧＣＩエンジン１では、燃料は圧縮ストローク中の異なる時間に噴射される場合があり（例えば、いくつかの状況では、ＴＤＣの前に約１２０°〜９０°のＣＡＤ、および他の状況ではＴＤＣの前に約３０°〜１０°のＣＡＤ）；コントローラ１３０は、このような噴射、およびＮＥＡまたはＯＥＡ流１１５ＮＥＡ、１１５ＯＥＡ、バルブリフトタイミングなどを命令するように、燃焼室３０内のこれらのさまざまな温度および圧力状況下での燃料の自己着火特性の違いを考慮に入れてもよい。
【００３３】
特定のＣＡＤで燃料を噴射することにより、安定した効率的な動作を維持しながら、排出量全般、特にＮＯｘを削減できる。特にエンジン１の高負荷（ＭＥＰが高い場合）に関しては、高速回転のため、すべての燃料を所望のＣＡＤで噴射することは困難であり得る。吸気管理システム１００、および分離器１０５およびＥＧＲ１１０のそれぞれから来るＮＥＡ流１１５ＮＥＡおよびＥＧＲ流１１５ＥＧＲに対するその混合依存の使用が最も有用である場合が、このような状況である。特に、コントローラ１３０は、自動点火燃焼を好ましいＣＡＤ内で促進するために、本明細書で説明する他のコンポーネントと組み合わせて、適切な吸気チャージを吸気制御１２５に提供するのに使用できる。実際に、エンジン１の負荷とさまざまな入力パラメータに応じて、図に示すように、ＴＤＣ後の狭いＣＡＤで（すべてではないにしても）多くの自動点火を行うことができる。同様に、燃焼イベントの継続時間を制御して、ＮＯｘの削減に一致する望ましいシリンダーピーク温度と圧力レベルを実現できる。同様にして、ＯＥＡ流１１５ＯＥＡを増加させることは、（多くの場合、火花点火器１２０と組み合わせた）燃焼プロセスの開始を進めるために、特定のエンジン１の動作条件で使用できる。
【００３４】
本開示の主題をその特定の実施形態を参照して詳細に説明したが、本明細書に開示されたさまざまな詳細は、本明細書に付随する各図面に特定の要素が示されている場合であっても、これらの詳細が本明細書に記載されたさまざまな実施形態の必須構成要素である要素に関係することを意味するものではないことに留意すべきである。さらに、添付の特許請求の範囲で定義される実施形態を含むが、これらに限定されない本開示の範囲から逸脱することなく、修正および変更が可能であることは明らかである。より具体的には、本開示のいくつかの態様が好ましくはまたは特に有利であると本明細書で特定されるが、本開示は必ずしもこれらの態様に限定されないことに留意すべきである。
【００３５】
以下の特許請求の範囲のうちの１つ以上は、用語「ｗｈｅｒｅｉｎ」を移行句として利用することに留意すべきである。本開示で論じた特徴を定義する目的で、この語は、構造の一連の特性の列挙を導入するために使用され、より一般的に使用される開放型の前置き語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」と同様の方法で解釈されるべきである開放型の遷移句として、特許請求の範囲に導入されることに留意されたい。
【００３６】
「好ましくは」、「一般に」、および「典型的に」のような用語は、特許請求の範囲を限定するため、または特定の特徴が本明細書に開示される構造または機能にとって重大、必須、またはさらに重要であることを暗示するために本明細書では利用されないことに留意されたい。むしろ、これらの用語は、単に開示された主題の特定の実施形態において利用されてもされなくてもよい、代替または追加の特徴を強調することを意図したものに過ぎない。同様に、「実質的に」および「約」という用語ならびにそれらの変形は、定量的な比較、値、測定または他の表現に起因する可能性がある本質的な不確実性の程度を表すために本明細書で利用されていることに留意されたい。そのため、これらの用語の使用は、定量的表現が問題の主題の基本機能に変化をもたらさずに、記載された基準と異なり得る程度を表す。
【００３７】
当業者には、特許請求される主題の趣旨および範囲から逸脱することなく、本明細書に記載される実施形態に対してさまざまな修正および変更がなされ得ることが明らかであろう。したがって、本明細書は、本明細書に記載されるさまざまな実施形態の修正および変更を包含することが意図されるが、そのような修正および変更が、添付の特許請求の範囲およびその等価物の範囲内に入ることを条件とする。
【図１】
2020512503.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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