JP2004197744A - 低エミッション圧縮着火エンジン技術 - Google Patents

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Abstract

【課題】 低エミッション圧縮着火エンジン技術を提供する。
【解決手段】 シリンダ壁（１２０）と、ピストン（１３０、１８１０）と、燃焼室（１３８、１８２０）を画成するヘッド（１２２、１８０４）とを有する圧縮着火エンジン（１０２、１２０４、１７０４、１８０２）を作動するための方法および装置（１００）。方法および装置（１００）は、燃料を燃焼室（１３８、１８２０）内に実質的に均一に供給するステップであって、燃料が燃焼室（１３８、１８２０）全体にわたって分散されかつシリンダ壁（１２０）から離間されるステップと、第１の所定の燃焼持続時間の燃焼を補助するのに十分な酸化剤を燃焼室（１３８、１８２０）内に供給するステップと、第１の所定の燃焼持続時間を、第１の所定の燃焼持続時間とは異なる第２の所定の燃焼持続時間に変更するのに十分な希釈剤を燃焼室（１３８、１８２０）内に供給するステップとを含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は、一般に、圧縮着火エンジンを作動するための方法と装置、より詳しくは、通常の運転荷重条件の間に低エミッションを達成するために、予混合圧縮着火モードでエンジンを作動するための方法と装置に関する。
様々な目的のために、内燃機関が広範囲に使用されている。輸送インフラストラクチャは、移動性のために動力を供給するエンジンの使用に大部分依拠している。発電も内燃機関に大きく依存している。
我々の社会におけるエンジンの豊富な使用は、いくつかの問題をもたらし、その１つは放出される燃焼副生成物の量の絶え間ない増加である。今日のエンジンは、以前の世代のエンジンよりもはるかに低いエミッションレベルで作動するが、使用エンジン数の急速な増加により、エミッションレベルをさらに低減する必要性が生じている。
世界中の政府はこの問題を認識し、エンジンのエミッションレベルに対処するために規制措置を採用しつつある。例えば、展開しつつある政府規格に適合するために、とりわけ窒素酸化物（ＮＯｘ）、炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、および煙のレベルを劇的に低減しなければならない。
火花点火エンジンは、それらの作動の性質および使用燃料の種類によって、低レベルのＮＯｘおよび粒子エミッションを発生する傾向がある。圧縮着火エンジン、例えばディーゼルエンジンは、一般に、高水準のＮＯｘおよび粒子エミッションを発生する。しかし、ディーゼルエンジンは、それらの火花点火等価物よりも高い熱効率を提供し、したがって作業用途により高いパワー出力を提供するので、その使用がなお普及している。
予混合圧縮着火（ＨＣＣＩ）モードで作動するエンジンは、燃焼排出物の発生が低く、高い燃料効率で作動する可能性の故に多くの関心を引いている。ＨＣＣＩエンジンは、ディーゼルエンジンがリッチな燃料、すなわち燃焼室内の領域で高度に濃縮された燃料を点火し、一方、ＨＣＣＩ技術は燃焼時に分散された均一な燃料／空気混合気を生成するという点で従来のディーゼル圧縮着火エンジンとは異なる。均一な燃料／空気混合気の燃焼は、エミッション副生成物が実質的に低減されるようにエンジンが作動することを可能にする。
しかし、ＨＣＣＩモード作動の理論は、現実には通用しない。燃料と空気との所望の均一な混合気を生成し、なおかつエンジンの作動を制御することは、極めて困難であることが判明している。例えば、均一な混合気を燃焼室に導入するときに燃焼のタイミングを制御することは、非常に困難である。他の人々による過去の試みは、低い負荷、例えば半分以下の負荷の状態下で、部分的な成功をもたらしているに過ぎない。米国特許公報（特許文献１）において、フリン（Ｆｌｙｎｎ）らはこの問題を認識し、低から中の負荷状態下でＰＣＣＩモードで（ＨＣＣＩと等価）エンジンを作動しているに過ぎない。作動は、高負荷では火花点火モードに切り替わっている。（非特許文献１）の論文において、ＨＣＣＩモードの作動を可能にするためにエンジン作動を半分の負荷に制限している。
米国特許第６，２８６，４８２号明細書 ヤナギハラ（Ｙａｎａｇｉｈａｒａ）著、「トヨタ「ＵＮＩＢＵＳ」燃焼システムの点火タイミング制御」
本発明は、上述したような問題の１つ以上を克服することに関する。
本発明の一形態によれば、シリンダ壁と、ピストンと、燃焼室を画成するヘッドとを有する圧縮着火エンジンを作動するための方法が開示される。本方法は、燃料を燃焼室内に実質的に均一に供給するステップであって、燃料が燃焼室全体にわたって分散されかつシリンダ壁から離間されるステップと、第１の所定の燃焼持続時間の燃焼を補助するのに十分な酸化剤を燃焼室内に供給するステップと、第１の所定の燃焼持続時間を、第１の所定の燃焼持続時間とは異なる第２の所定の燃焼持続時間に変更するのに十分な希釈剤を燃焼室内に供給するステップとを含む。
本発明の他の形態によれば、シリンダ壁と、ピストンと、燃焼室を画成するヘッドとを有する圧縮着火エンジンを作動するための方法が開示される。本方法は、燃料を燃焼室内に実質的に均一に供給するステップであって、燃料が燃焼室全体にわたって分散されかつシリンダ壁から離間されるステップと、第１の所定の圧力上昇速度の燃焼を補助するのに十分な酸化剤を燃焼室内に供給するステップと、第１の所定の圧力上昇速度を、第１の所定の圧力上昇速度とは異なる第２の所定の圧力上昇速度に変更するのに十分な希釈剤を燃焼室内に供給するステップとを含む。
本発明のさらに他の形態では、シリンダ壁とピストンとヘッドとによって画成される圧縮着火エンジンの燃焼室内に燃料を供給するための方法が、開示される。本方法は、所望のパターンで分布された複数の孔を有するインジェクタのノズルに燃料を供給するステップと、燃料が燃焼室の全体にわたって分散されかつシリンダ壁から離間されるように、所定の噴霧パターンでノズル孔を通して燃焼室内に燃料を噴射するステップとを含む。
本発明のさらに他の形態では、シリンダ壁と、ピストンと、燃焼室を画成するヘッドとを有する圧縮着火エンジンを作動するための装置が開示される。本装置は、燃料を燃焼室全体にわたって分散パターンで噴射するために配置されかつシリンダ壁から離間されたノズルを有する燃料噴射器と、酸化剤および希釈剤の少なくとも一方を燃焼室内に供給するための空気供給システムとを含む。
図面および明細書を参照するに、圧縮着火エンジン１０２を作動するための方法および装置１００を開示する。
図１を参照するに、エンジンアセンブリ１０４が示されている。エンジンアセンブリ１０４は、圧縮着火エンジン１０２の基本的な作動を示している。図１のエンジンアセンブリ１０４の追加の特徴、例えば排気ガス再循環アセンブリについて、追加の図面を参照して以下に説明する。
エンジンアセンブリ１０４はプレナム部材１０６と空気源１０８とを含む。プレナム部材１０６は、入口開口部１１２と、その中に画成された出口開口部１１０とを有する。空気源１０８は空気を入口開口部１１２に供給する。空気源１０８からの空気は、入口開口部１１２を介して、プレナム部材１０６内に画成されたプレナムチャンバ１１４の中に前進する。図１に関する説明は、エンジンアセンブリ１０４に供給される媒体のような空気を指すことに留意されたい。しかし、以下に述べるように、任意の適切な流体媒体、例えば、空気と結合される再循環排気ガス等を使用することが可能である。
エンジンアセンブリ１０４はシリンダアセンブリ１１６をさらに含む。シリンダアセンブリ１１６はブロック１１８を含み、ブロック１１８はその中に画成されたシリンダ１１９を有する。シリンダ１１９はシリンダ壁１２０によって画成される。エンジンヘッド１２２はブロック１１８に固定される。エンジンヘッド１２２は、吸気ポート１２４と、排気ポート１２６と、エンジンヘッド内に画成された燃料噴射器開口部１５４とを有する。吸気導管１２８は、吸気ポート１２４とプレナム部材１０６の出口開口部１１０とを流体連通する。排気通路１４６は、排気ポート１２６と排気マニホールド１４８とを流体連通する。
エンジンアセンブリ１０４は、シリンダ１１９内で、矢印１３２と１３６の全体的方向に並進するピストン１３０をさらに含む。ピストン１３０が図１に示した位置に矢印１３６の全体的方向に下方に移動するにつれ、コネクティングロッド１３４はクランクシャフト１４２を付勢して、矢印１４４の全体的方向に回転させる。次に、クランクシャフト１４２が矢印１４４の全体的方向に回転し続けるにつれ、クランクシャフト１４２はコネクティングロッド１３４とピストン１３０とを矢印１３２の全体的方向に付勢して、ピストン１３０を最上部の位置（図示せず）に戻す。
ピストン１３０、シリンダ壁１２０、およびエンジンヘッド１２２は燃焼室１３８を画成するように協働する。特に、ピストン１３０が矢印１３２の全体的方向に前進するとき、燃焼室１３８の体積は減少される。他方、ピストン１３０が矢印１３６の全体的方向に前進するとき、燃焼室１３８の体積は図１に示したように増加される。
エンジンアセンブリ１０４は燃料タンク１５８をさらに含む。燃料ポンプ１６０は低圧の燃料を燃料タンク１５８から引き、燃料ライン１６２を介して高圧の燃料を燃料噴射器１５６に前進させる。燃料噴射器１５６は噴射器開口部１５４に位置決めされ、噴射器開口部１５４を通して燃焼室１３８に燃料量を噴射するように作動可能である。特に、燃料噴射器１５６は、信号ライン１６６の噴射器制御信号を受信すると、燃焼室１３８に燃料を噴射する。さらに、燃料は、次の群の燃料、すなわちディーゼル燃料、原油、潤滑油、あるいは水とディーゼル燃料のエマルジョンの任意の１つであり得る。より一般的には、燃料は、高セタン価を有し、したがって容易に燃焼する特性を有する任意の種類の燃料であり得る。
燃料噴射器１５６によって噴射される燃料量は、燃焼室１３８に進められる空気対燃料比すなわち空気／燃料比を制御することを理解すべきである。特に、よりリーンな混合気を燃焼室１３８に進めることが望まれる場合、信号ライン１６６を介して受信される燃料制御信号により、より少ない燃料を燃焼室１３８に噴射するように、燃料噴射器１５６が作動される。他方、空気と燃料のよりリッチな混合気を燃焼室１３８に進めることが望まれる場合、信号ライン１６６を介して受信される燃料制御信号により、より多くの燃料を燃焼室１３８に進めるように、燃料噴射器１５６が作動される。
本発明の精神と範囲から逸脱することなく、燃料と空気の混合気を燃焼室１３８に導入する他の方法を使用し得ることに留意されたい。例えば、燃料は、ターボチャージャ（図示せず）の上流側を含む、空気源１０８から吸気導管１２８にわたる任意の点において空気と混合することが可能である。
吸気バルブ１４０は、プレナムチャンバ１１４と燃焼室１３８とを選択的に流体連通する。吸気バルブ１４０は、カムシャフト（図示せず）と、プッシュロッド（図示せず）と、クランクシャフト１４２の回転によって駆動されるロッカアーム（図示せず）とによって、公知の方法で作動することが可能である。あるいは、吸気バルブ１４０は、油圧式、電子式、電気式と油圧式との組み合わせ等のような他の手段によって作動してもよい。吸気バルブ１４０が開位置（図１に図示）に配置されると、空気は吸気ポート１２４を介して吸気導管１２８から燃焼室１３８に進められる。吸気バルブ１４０が閉位置（図示せず）に配置されると、吸気バルブ１４０は吸気ポート１２４を流れる流体流を遮断するので、吸気導管１２８から燃焼室１３８への空気の前進が妨げられる。
排気バルブ１５２は、排気マニホールド１４８と燃焼室１３８とを選択的に流体連通する。排気バルブ１５２は、カムシャフト（図示せず）と、プッシュロッド（図示せず）と、ロッカアーム（図示せず）とによって、公知の方法で作動することが可能であり、それらの各々はクランクシャフト１４２の回転によって駆動される。あるいは、排気バルブ１５２は、油圧式、電子式、電気式と油圧式との組み合わせ等のような他の手段によって作動してもよい。排気バルブ１５２が開位置（図示せず）に配置されると、排気ガスは排気ポート１２６と排気通路１４６とを含む流体通路を介して燃焼室１３８から排気マニホールド１４８に進められる。排気マニホールド１４８から、排気ガスが排気導管１５０に進められる。排気バルブ１５２が閉位置（図１に図示）に配置されると、排気バルブ１５２は排気ポート１２６を流れる流体流を遮断するので、燃焼室１３８から排気マニホールド１４８への排気ガスの前進が妨げられる。
燃焼室１３８内の燃料と空気の混合気の燃焼によって、いくつかの排気ガスが発生される。燃料と空気の混合気が燃焼室１３８内で燃焼された後、排気ガスは排気導管１５０を通して進められる。排気ガスには、窒素酸化物（ＮＯｘ）、炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、煙等の量が含まれる。
エンジンアセンブリ１０４は制御器１６４をさらに含む。制御器１６４は、マイクロプロセッサベースのエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）であることが好ましい。制御器１６４は、上述のように燃料噴射器１５６の作動の制御を含む様々な機能を実行することが可能である。
図２を参照するに、吸気導管１２８と排気通路１４６とを有するエンジン１０２の概略図が示されている。エンジンブロック２３０は、少なくとも１つのシリンダ１１９にハウジングを提供する。図２は６つのシリンダ１１９を示している。しかし、任意の数、例えば、１、３、６、８、１０、１２、あるいは任意の他の数のシリンダ１１９を使用し得る。吸気導管１２８は、空気、再循環排気ガス、あるいはその組み合わせのための各シリンダ１１９に吸気通路を提供する。排気通路１４６は、排気ガスのための各シリンダ１１９に排気通路を提供する。
図２に示した実施形態には、２ステージターボチャージャシステム２０８が示されている。ターボチャージャシステム２０８はまた、低圧タービン２１６と第１ステージコンプレッサ２１８とを有する第１のターボチャージャステージ２１０を含む。ターボチャージャシステム２０８は、高圧タービン２１４と第２ステージコンプレッサ２２０とを有する第２のターボチャージャステージ２１２を含む。２ステージターボチャージャシステム２０８は、吸気導管１２８を介してシリンダ１１９に供給される空気および排気ガスの圧力を増加するように、また吸気バルブの開放持続時間の延長時に所望の空燃比を維持するように作動し、これについては以下により詳細に記述する。２ステージターボチャージャシステム２０８は、本発明の作動には必要とされないことに留意されたい。その代わりに、高圧力比のシングルステージのターボチャージャシステム、可変形状ターボチャージャシステム等のような他のタイプのターボチャージャシステムを使用してもよい。
エンジンアセンブリは排気システム２０２を含む、さらに排気システムは排気ガス再循環（ＥＧＲ）システム２０４を含む。図２に示した排気ガス再循環装置２０４は、内燃機関の低圧ＥＧＲシステムに典型的である。図示したＥＧＲシステム２０４の変形形態も本発明に使用してもよい。さらに、他のタイプのＥＧＲシステム、例えば、バイパス、ベンチュリ、ピストンポンプ式、ピーククリッピング、および背圧も同様に使用し得る。
酸化触媒２２２は、低圧タービン２１６から排気ガスを受容する。酸化触媒２２２は、ＮＯｘエミッションをさらに低減するために、脱ＮＯｘ触媒と連結してもよい。粒子状物質（ＰＭ）フィルタ２０６は、酸化触媒２２２から排気ガスを受容する。酸化触媒２２２とＰＭフィルタ２０６は別個の品目として示されているが、代わりに１つのパッケージ内に結合してもよい。
排気ガスのある部分は、ＰＭフィルタ２０６からの排気から供給される。しかし、排気ガスの一部は、ＥＧＲクーラ２２４を通して、ＥＧＲバルブ２２６を通して、またターボチャージャシステム２０８を通して吸気導管１２８に再び導かれる。
図３は、図２の排気ガス再循環装置２０４の変形形態を示している。図３では、排気ガスのある部分は、酸化触媒２２２を通して、かつＰＭフィルタ２０６を通して低圧タービン２１６から導かれる。しかし、排気ガスの一部は、低圧タービン２１６から、すなわち酸化触媒２２２に入る前に、追加のＰＭフィルタ３０２を通して、次にＥＧＲクーラ２２４、ＥＧＲバルブ２２６、およびターボチャージャシステム２０８を通して吸気導管１２８に再び導かれる。排気ガスの一部のみをフィルタ処理すればよいので、追加のＰＭフィルタ３０２のサイズは、主排気流内のＰＭフィルタ２０６よりも小さくてよい。さらに、ＥＧＲシステム２０４の復帰路に追加のＰＭフィルタ３０２を取り付けることによって、フィルタ３０２および関連する入力管路と出力管路のパッケージングおよびルーティングは、エンジン１０２の近傍の周りでよりコンパクトになり、扱いが容易になる。
図４ａと図４ｂを参照するに、本発明の使用に適した燃料噴射器１５６の作動が示されている。図４ａには、燃料噴射器ノズル１５４、すなわち、噴射器１５６の先端がより詳細に示されている。燃料噴射器ノズル１５４は、所望の燃料スプレ４０２が達成されるようなパターンに配列された複数、例えば、１０、１６、２４、３２等のミクロサイズの孔４０１を含む。図４ａと図４ｂの例示的な燃料噴射器開口部１５４は、第１の組の孔が第１の分散角度αで燃料スプレを噴射し、また第２の組の孔が第２の分散角度βで燃料スプレを噴射するように配列された２４の孔の「シャワーヘッド」設計を反映している。例えば、第１の組の８つの孔は約５０度に等しい角度αで燃料スプレを噴射し、また第２の組の１６の孔は約９０度に等しい角度βで燃料スプレを噴射する。本発明の範囲から逸脱することなく、孔の任意の数と組み合わせ、孔の組、および分散角度を同様に使用し得ることに留意されたい。
図４ａと図４ｂの燃料噴射器ノズル１５４の設計は、特にピストン１３０の特定の形状に関して、燃焼室１３８の所望の部分にわたって燃料スプレ４０２を均一に分布する利点を提供する。燃料スプレ４０２のこの制御は、燃焼の前に燃料のシリンダ壁１２０への付着を可能にすることなく、燃料と空気、すなわち、流体媒体が均一に混合するのに十分な時間を可能にするために、正規の噴射タイミングに先行する燃料噴射を可能にする。好ましくは、燃料スプレ４０２は、燃料が実質的に均一に燃焼室１３８内に分散されかつシリンダ壁１２０から離間されるように燃料を噴射するように構成される。より詳しくは、燃料スプレ４０２は、燃料がシリンダ壁１２０に接触することなく燃焼室１３８の全体にわたって分散し、かくして、燃焼室１３８の残部よりも低い温度である可能性があり、したがって、燃焼中にＨＣおよびＣＯレベルの増加をもたらす可能性があるシリンダ壁１２０上の燃料のクエンチングを防止するように意図される。
代わりの燃料噴射技術を本発明に使用してもよい。例えば、図５ａ〜図５ｃは、混合モード作動の用途に適した燃料噴射器１５６の機能を示している。より詳しくは、燃料噴射器開口部１５４は、少なくとも１つのＨＣＣＩノズル出口５０４と少なくとも１つの従来のノズル出口５０６とを含む。ＨＣＣＩノズル出口５０４は、燃料噴射器１５６の軸線５０２から角度θに構成され、図５ｂに示されたパターンで燃料スプレ５０４を噴射する。従来のノズル出口５０６は、軸線５０２から角度λに構成され、図５ｃに示されたパターンで燃料スプレ５０４を噴射する。
ＨＣＣＩモード作動時、燃料スプレ４０２は下方にピストン１３０に向かって方向付けられる。噴射は、図５ｃと比較した図５ｂのピストン１３０の相対位置によって理解できるように上死点に先行してより多く行われ、これによって、燃料と流体媒体、例えば空気が均一な混合気に結合するより多くの時間が可能になる。
従来のモード作動、例えば、ディーゼル圧縮モードの間、燃料スプレ４０２はシリンダ１１９の側面に向かって方向付けられ、また図５ｃのピストン１３０の位置から理解されるように噴射は上死点により近接して行われる。
本発明の範囲から逸脱することなく、図５ａの噴射器構造の変形形態を使用し得ることに留意されたい。例えば、ＨＣＣＩ作動用のＨＣＣＩノズル出口５０４の代わりに、出力ノズルのシャワヘッドタイプを使用してもよく、一方、従来のディーゼル作動時に従来のノズル出口５０６を使用してもよい。さらに、図５ａの燃料噴射器１５６では、特定の用途に適応するために、ノズル出口５０４、５０６の角度θとλは広範な範囲にわたって変更してもよい。あるいは、ＨＣＣＩ噴射は、ポート噴射により達成してもよく、すなわち、燃料は、燃焼室１３８に燃料と空気の均一な混合気を供給するために、例えば吸気導管１２８内で噴射される。しかし、この方法は、燃料がシリンダ壁１２０に凝縮する結果をもたらし、したがってオイル劣化の原因になることがある。
燃料噴射のタイミングは、ＨＣＣＩ作動時の性能を改善するために変更してもよい。燃料と流体媒体のほぼ完全な均一な混合気を保証するために、上死点（ＴＤＣ）の前の約５０度からＴＤＣの前の約１８０度のタイミングレンジが、典型的に使用される。しかし、可能な限り遅く、すなわち、ＴＤＣにより近くで燃料を噴射することが好ましいが、これは、シリンダ１１９内に燃料が過度の時間存在すると、燃料がシリンダ壁１２０に凝縮する結果をもたらし、次にエンジンオイルを汚染し、悪化させるからである。図６ａと図６ｂに示したように、２４の孔のシャワーヘッド燃料噴射器によりおよびＥＧＲなしに、ＴＤＣの前の約７０度の最適な噴射タイミングを達成し得ることが示されている。より詳しくは、ＴＤＣの前の約７０度においてＮＯｘおよび煙のレベルが最小であり、またＨＣとＣＯのレベルが大幅に低減される。ＥＧＲの追加は、最適な噴射タイミングをＴＤＣの前の約６０度に遅らし、かくして燃料の凝縮をさらに軽減し得ることが分かっている。噴射器先端形状、燃料分散パターン、ＥＧＲ量、吸気等のような作動条件のさらなる改良は、ＴＤＣの前の約３０度からＴＤＣの前の約９０度の範囲の燃料噴射を可能にしており、燃料噴射がＴＤＣの前の約４０度で行われるときに、最適なエミッションが報告されている。
ＨＣＣＩ作動時、低い燃焼温度を維持することが望ましい。１つの理由は、ＮＯｘのレベルは低い燃焼温度において低減されることである。低い燃焼温度を達成するための１つの方法は、高レベルの過剰質量、すなわち、空気、ＥＧＲ、水、不活性ガス等のような大量の流体媒体を燃焼室１３８内に導入することである。空気、すなわち、新鮮空気を過剰量媒体として使用することは、所望の過剰質量レベルを達成するために、非常に大量の空気を燃焼室１３８に供給することを必要とする。例えば、０．４以下の当量比に対応する約３６対１以上の空燃比が望ましいかもしれない。
あるいは、過剰質量を達成するために、他のある種類の流体媒体を使用してもよい。例えば、新鮮空気の少なくとも一部分の代わりにＥＧＲを使用することは、ほぼ化学量論の当量比において、すなわち約１４．５対１の空燃比でエンジン１０２の作動を可能にし得る。
同様にＥＧＲを使用して、燃焼室１３８内の放熱速度と圧力上昇速度とを制御することが可能である。例えば、図７に示したグラフ７０２が示すように、第１のプロット７０４は、ＥＧＲの追加なしのＨＣＣＩモードの燃焼時の圧力上昇速度を示している。プロット７０４は燃焼室１３８内の急激な圧力上昇を示している。この急激な圧力上昇は、エンジンヘッド１２２のような構成要素に応力を発生する。第２のプロット７０６は、追加ＥＧＲによる圧力上昇速度を示している。第１に、燃焼の持続時間、すなわち、燃焼が行われる時間が変化したことに留意されたい。より詳しくは、燃焼持続時間が延長されている。第２に、ピーク圧力が変化したことに留意されたい。より詳しくは、ピーク圧力が低減されている。ＥＧＲの追加により、ブレーキ平均有効圧力（ＢＭＥＰ）レベルは１６００ｋＰａに近づくことが可能であることが分かっている。ＥＧＲなしには、ＢＭＥＰは約１１００ｋＰａ、すなわち約半分の負荷に限定される。
追加流体は必ずしもＥＧＲである必要はない。より一般的には、ＥＧＲ、水、二酸化炭素、窒素等のような希釈剤の追加は、燃焼温度の低減、ピーク燃焼の圧力の制限、および燃焼持続時間の延長の機能を果たす。希釈剤は、燃焼室１３８内の放熱速度を下げ、かつ燃焼時にいくつかの一時的化学反応を起こすことによって燃焼に作用を及ぼし、このことが燃焼イベントを延長するように機能する。希釈剤の質量は、燃焼室１３８内の合計流体質量に寄与し、流体質量の他の部分は、酸化剤、例えば、燃焼を支持するために導入される空気であることに留意されたい。
図８を参照するに、次の式によって実証されるように、追加ＥＧＲの量を容積割合として定量化することが好ましい。
Figure 2004197744
ここで、ＣＯ２（入り）は、ＥＧＲシステム２０４を介してエンジンに戻される二酸化炭素の量であり、ＣＯ２（出）は、エンジン１０２から排出される二酸化炭素の量である。ＥＧＲの量は、ある作動条件下で、相当の割合、例えば４０％〜６０％であり得る。ＥＧＲの割合は、例えば、燃焼室１３８内の全質量によって分割されるＥＧＲの質量のような他のある方法によって定量化し得ることに留意されたい。
図９ａを参照するに、シリンダ圧力対クランク角度（ＣＡＤ）のグラフ９０２が示されている。プロットは、上昇傾斜を有する第１の圧力上昇部分９０６を示し、この上昇は横ばいになり、次に、傾斜状に第２の圧力上昇部分９０８に増加する。「二重のこぶ状の」曲線は燃焼時の均一な混合気を示し、したがってＨＣＣＩモードを規定する。同様に、図９ｂに、放熱速度対ＣＡＤのグラフ９０４が示されている。プロットは第１の放熱ピーク部分９１０を含み、次に、第２の放熱ピーク部分９１２が続く。示されているように、第２の放熱ピーク部分９１２の値は、第１の放熱ピーク部分９１０よりもはるかに大きい。曲線は、同様にＨＣＣＩモードを規定するために使用される。
過剰質量は、エンジン１０２の吸気導管１２８、すなわち吸気マニホールドの高ブースト圧力を使用することによって提供することが可能である。高ブースト圧力を用意するための例示的な技術について、以下に説明する。
過剰質量の導入が、燃焼室１３８内の圧力上昇速度を制御するのに役立つが、燃焼時のピーク圧力を制御することも望ましい。図７に示されているように、第１のプロット７０４のピーク圧力の値は、第２のプロット７０６のピーク圧力よりも高い。ピーク圧力を制御する１つの方法は、可変圧縮比（ＶＣＲ）を利用することである。
エンジンのＶＣＲを提供する多くの技術が使用されている。１つの一般的な方式は、可変バルブタイミング、特に可変吸気バルブタイミングを採用することである。例えば、吸気バルブをある時間期間、圧縮サイクルに、例えば約２０〜５０度、圧縮に開放維持してもよい。可変バルブタイミングは複数の手段によって達成してもよい。例示的な技術は、機械的技術、例えばカム作動制御、油圧式、電気式、電気油圧式等の技術を含むことが可能である。
他の一般的な方式、および可変バルブタイミングよりも有効であり得る方法により、シリンダの幾何学的特性を変更できる。例えば、図１０に示したように、二次シリンダ１００２を二次ピストン１００４と協働して使用して、シリンダ１１９の有効容積を変更し得る。二次ピストン１００４に連結されたロッド１００６は、カムアクチュエータ、油圧アクチュエータ、ソレノイドアクチュエータ、あるいは他の作動装置のようなアクチュエータ１００８にも連結される。二次ピストン１００４の位置は二次シリンダ１００２内で変更されるにつれ、ピストン１３０およびシリンダ１１９の有効圧縮比が変更される。図１０の実施例は、幾何学的な技術を用いてシリンダの圧縮比を変更し得る多くの方法の内の１つに過ぎないことに留意されたい。
好ましくは、所望の時間に燃焼が生じることを可能にするために、ＶＣＲはエンジンスピードおよびエンジン負荷の関数として変更される。典型的に、スピードと負荷が増加するにつれ、より多くの燃料が燃焼室１３８内に供給される。この追加燃料は圧力の増加をもたらす。スピードと負荷が増加するときにＶＣＲを低くして、この圧力増加の補償を支援し得る。圧縮比の例示的な範囲は約８：１〜約１６：１であり得る。例えば、１０：１の圧縮比が約７５％の負荷で走行する試験エンジンで使用された。上に参照したより低い圧縮比の間、火花点火よりむしろ圧縮着火を維持することが好ましい。
エンジン１０２はＨＣＣＩモードで作動している可能性があり、またディーゼルのような燃料を使用している可能性があるが、上述のようなＥＧＲの追加は、例えば約４０％〜約６０％のＥＧＲは、ほぼ化学量論の作動を可能にする。これらの条件下で、ＨＣ、ＣＯおよびＮＯｘをさらに低減するために、３方向触媒を使用することが可能である。例えば、図１１を参照するに、本発明に使用するために適した例示的な３方向触媒が示されている。
図１１は、３つの異なる触媒基材１１３３、１１３４、１１３５が個々の管状ハウジング１１２２内に直列に装着される一連の組み合わせ触媒コンバータ１１１０を示している。内部構造は、それ自体の副缶１１３０、１１３１、１１３２それぞれの中に触媒基材のそれぞれの装着部を含む。管状ハウジング１１２２は、薄いステンレス鋼から形成可能であり、また個々の副缶が出口を通して外れることを防止する環状保持リップ１１２５で出口端１１２４に形成し得る。さらに、保持リップ１１２５を形成する屈曲部の曲率は、ハウジング１１２２の直径と非常に近い直径を有する開口部にコンバータ１１１０を装着する場合、案内部として有用であり得る。副缶１１３０、１１３１、１１３２のそれぞれは、隅部１１２８の周縁のシーム溶接部によって管状ハウジング１１２２内に保持し得る。
基材１１３３は、貴金属とゼオライトの組み合わせ触媒のような典型的な脱ＮＯｘ触媒で被覆してもよい。基材１１３４は、基材１１３３を出た後に排気内に存在する望ましくない二次窒素化合物を標的とするのに適切な触媒で被覆してもよい。基材１１３４から現れた後、排気は非常に低いレベルのＮＯｘ化合物を含み、酸化触媒を通して処理した後さもなければＮＯｘ化合物になるであろう望ましくない二次窒素化合物はさらに少ない。基材１１３５は酸化触媒で被覆して、存在するＨＣとＣＯの二酸化炭素と水への変換を促進し得る。酸化触媒基材１１３５を通過した後、ほんの少量の排気のみが望ましくないＮＯｘ化合物に戻される。出口１１２４のコンバータ１１１０を出ると、排気はＨＣおよびＮＯｘ両方の許容可能なレベルを有する。
副缶１１３０、１１３１、１１３２は、比較的薄いステンレス鋼から製造されることが好ましく、ステンレス鋼は両方の端部でロールされ、副缶内の個々のセラミック基材１１３３、１１３４、１１３５を捕捉する環状保持リップを形成する。マット材料１１２９は、それぞれの副缶の内側表面とそれぞれの基材の外側表面との間に装着し得る。マット１１２９の個々のストリップの縁部は、端部リング１１２７によって排気の腐食効果から遮蔽し得る。副缶のそれぞれは、環状隅部１１２８の周縁のシーム溶接部を介して管状ハウジング１１２２内に固定することが可能である。
３方向触媒の上記の実施例は例示的な目的のためのみであり、また上記の触媒の変形形態を同様に使用し得ることに留意されたい。さらに、他の種類の触媒、例えば、脱ＮＯｘ触媒のみ、酸化触媒のみ等を同様に使用してもよい。
大量の過剰質量、例えばＥＧＲは、過剰質量を燃焼室１３８内に供給するために、相当のレベルのブースト圧力、すなわち吸気マニホールド圧力を必要とする。例えば、全負荷作動条件の下では、約４．５対１以上のブースト圧力値が必要とされる可能性がある。すなわち、吸気マニホールドの圧力は少なくとも４５６ｋＰａであることが必要である。この高ブースト圧力の達成には、十分な圧力を発生できる空気システムが必要である。例えば、図２と図３の２ステージターボチャージャシステム２０８は、十分なブースト圧力を発生できる１つの可能な空気システムを示している。
図１２〜図１４を参照するに、ターボチャージャシステム２０８の例示的な変形形態が示されている。図１２〜図１４の構成要素について以下に説明するが、新しい要素の分類によって種々の空気システムのさらなる説明が行われる。
図１２を参照するに、内燃機関１２０４、例えば４行程ディーゼルエンジン用の例示的な空気供給システム１２０２が提供される。内燃機関１２０４は、複数の燃焼シリンダ１２０８を画成するエンジンブロック１２０６を含み、その数は特定の用途に左右される。例えば、４気筒エンジンは、４つの燃焼シリンダを含み、６気筒エンジンは６つの燃焼シリンダを含むであろう、等々。図１２の例示的実施形態では、６つの燃焼シリンダ１２０８が示されている。
内燃機関１２０４はまた、吸気マニホールド１２１０と排気マニホールド１２１２とを含む。吸気マニホールド１２１０は、流体、例えば空気または燃料／空気混合気を燃焼シリンダ１２０８に供給する。排気マニホールド１２１２は、燃焼シリンダ１２０８から、排気流体、例えば排気ガスを受容する。吸気マニホールド１２１０および排気マニホールド１２１２は、簡明さのため図面では単一部分の構造として示されている。しかし、吸気マニホールド１２１０および／または排気マニホールド１２１２は、特定の用途に応じて多部分マニホールドとして構成し得ることを理解すべきである。
空気供給システム１２０２は第１のターボチャージャ１２１４を含み、また第２のターボチャージャ１２１６を含んでもよい。第１および第２のターボチャージャ１２１４、１２１６は、互いに直列に配列してもよく、それによって第２のターボチャージャ１２１６は第１の加圧ステージを提供し、第１のターボチャージャ１２１４は第２の加圧ステージを提供する。例えば、第２のターボチャージャ１２１６は低圧ターボチャージャでもよく、第１のターボチャージャ１２１４は高圧ターボチャージャでもよい。第１のターボチャージャ１２１４はタービン１２１８とコンプレッサ１２２０とを含む。タービン１２１８は、排気ダクト１２２２を介して排気マニホールド１２１２に流体連結される。タービン１２１８は、シャフト１２２６によって支持されたタービンホイール１２２４を含み、シャフトは、ハウジング１２２８、例えば単一部分または複数部分のハウジングによって回転可能に支持し得る。排気マニホールド１２１２からタービン１２１８への流体流通路は、可変ノズル（図示せず）、またはタービンホイール１２２４に衝突する排気流体の速度を制御するように構成された他の可変形状の装置を含んでもよい。
コンプレッサ１２２０は、シャフト１２２６によって支持されたコンプレッサホイール１２３０を含む。かくして、次に、タービンホイール１２２４によるシャフト１２２６の回転は、コンプレッサホイール１２３０の回転を引き起こすことが可能である。
第１のターボチャージャ１２１４は、第２のターボチャージャ１２１６から圧縮空気を受容するための圧縮空気ダクト１２３２と、コンプレッサ１２２０から圧縮空気を受容して、エンジン１２０４の吸気マニホールド１２１０に圧縮空気を供給するための空気出口ライン１２３４とを含み得る。第１のターボチャージャ１２１４はまた、タービン１２１８から排気流体を受容して、第２のターボチャージャ１２１６に排気流体を供給するための排気ダクト１２３６を含み得る。
第２のターボチャージャ１２１６はタービン１２３８とコンプレッサ１２４０を含み得る。タービン１２３８は排気ダクト１２３６に流体連結してもよい。タービン１２３８は、シャフト１２４４によって支持されたタービンホイール１２４２を含み、シャフトはハウジング１２２８によって回転可能に支持し得る。コンプレッサ１２４０は、シャフト１２４４によって支持されたコンプレッサホイール１２４６を含み得る。かくして、次に、タービンホイール１２４２によるシャフト１２４４の回転は、コンプレッサホイール１２４６の回転を引き起こすことが可能である。
第２のターボチャージャ１２１６は、雰囲気とコンプレッサ１２４０との間で流体連通を行うエアインテークライン１２４８を含み得る。第２のターボチャージャ１２１６はまた、圧縮空気ダクト１２３２を介して第１のターボチャージャ１２１４に圧縮空気を供給し得る。第２のターボチャージャ１２１６は、タービン１２３８から排気流体を受容して、雰囲気との流体連通を行うための排気アウトレット１２５０を含み得る。一実施形態では、第１のターボチャージャ１２１４および第２のターボチャージャ１２１６は、実質的に同様の圧縮比を提供するように寸法決めし得る。例えば、第１のターボチャージャ１２１４および第２のターボチャージャ１２１６は、２対１〜３対１の圧縮比を提供し、大気圧に対して少なくとも４：１のシステム圧縮比をもたらすことが可能である。あるいは、第２のターボチャージャ１２１６は、３対１の圧縮比を提供し、また第１のターボチャージャ１２１４は、１．５対１の圧縮比を提供し、大気圧に対して少なくとも４．５：１のシステム圧縮比をもたらすことが可能である。
空気供給システム１２０２は、コンプレッサ１２２０と吸気マニホールド１２１０との間にエアクーラ１２５２、例えばアフタクーラを含み得る。エアクーラ１２５２は、空気から熱を抽出して、吸気マニホールドの温度を下げ、空気密度を増大することが可能である。オプションとして、空気供給システム１２０２は、第２のターボチャージャ１２１６のコンプレッサ１２４０と第１のターボチャージャ１２１４のコンプレッサ１２２０との間に追加のエアクーラ１２５４、例えばインタクーラを含み得る。あるいは、空気供給システム１２０２は、オプションとして、エアクーラ１２５２と吸気マニホールド１２１０との間に追加のエアクーラ（図示せず）を含んでもよい。オプションの追加のエアクーラは、吸気マニホールド温度を低減し得る。
図１３は、内燃機関１２０４用の他の例示的な空気供給システム１３０２を示したブロック図である。空気供給システム１３０２は、ターボチャージャ１３０４、例えば、大気圧に対して少なくとも約４．５対１の圧縮比を生成できる高効率ターボチャージャを含み得る。第２のターボチャージャ１３０４はタービン１３０６とコンプレッサ１３０８とを含み得る。タービン１３０６は、排気ダクト１３１０を介して排気マニホールド１２１２に流体連結される。タービン１３０６は、シャフト１３１４によって支持されたタービンホイール１３１２を含むことが可能であり、シャフトは、ハウジング１３１６、例えば単一部分または複数部分のハウジングによって回転可能に支持し得る。排気マニホールド１２１２からタービン１３０６への流体流通路は、タービンホイール１３１２に衝突する排気流体の速度を制御し得る可変ノズル（図示せず）を含んでもよい。
コンプレッサ１３０８は、シャフト１３１４によって支持されたコンプレッサホイール１３１８を含み得る。かくして、次に、タービンホイール１３１２によるシャフト１３１４の回転は、コンプレッサホイール１３１８の回転を引き起こすことが可能である。ターボチャージャ１３０４は、雰囲気とコンプレッサ１３０８との間で流体連通を行う空気入口１３２０と、エンジン１２０４の吸気マニホールド１２１０に圧縮空気を供給するための空気出口１３２２とを含み得る。ターボチャージャ１３０４はまた、タービン１３０６から排気流体を受容して、雰囲気との流体連通を行うための排気アウトレット１３２４を含み得る。
空気供給システム１３０２は、コンプレッサ１３０８と吸気マニホールド１２１０との間にエアクーラ１３２６を含み得る。オプションとして、空気供給システム１３０２は、エアクーラ１３２６と吸気マニホールド１２１０との間に追加のエアクーラ（図示せず）を含み得る。
図１４は、内燃機関１２０４用の他の例示的な空気供給システム１４０２を示したブロック図である。空気供給システム１４０２は、ターボチャージャ１４０４、例えば、タービン１４０６と２つのコンプレッサ１４０８、１４１０とを有するターボチャージャ１４０４を含み得る。タービン１４０６は、入口ダクト１４１２を介して排気マニホールド１２１２に流体連結し得る。タービン１４０６は、シャフト１４１６によって支持されたタービンホイール１４１４を含むことが可能であり、シャフトは、ハウジング１４１８、例えば単一部分または複数部分のハウジングによって回転可能に支持し得る。排気マニホールド１２１２からタービン１４０６への流体流通路は、タービンホイール１４１４に衝突する排気流体の速度を制御し得る可変ノズル（図示せず）を含んでもよい。
第１のコンプレッサ１４０８は、シャフト１４１６によって支持されたコンプレッサホイール１４２０を含むことが可能であり、また第２のコンプレッサ１４１０は、シャフト１４１６によって支持されたコンプレッサホイール１４２２を含むことが可能である。かくして、次に、タービンホイール１４１４によるシャフト１４１６の回転は、第１および第２のコンプレッサホイール１４２０、１４２２の回転を引き起こすことが可能である。第１および第２のコンプレッサ１４０８、１４１０は、第１および第２の加圧ステージをそれぞれ提供し得る。
ターボチャージャ１４０４は、雰囲気と第１のコンプレッサ１４０８との間で流体連通を行うエアインテークライン１４２４と、第１のコンプレッサ１４０８から圧縮空気を受容して、第２のコンプレッサ１４１０に圧縮空気を供給するための圧縮空気ダクト１４２６とを含み得る。ターボチャージャ１４０４は、第２のコンプレッサ１４１０からエンジン１２０４の吸気マニホールド１２１０に圧縮空気を供給するための空気出口１４２８を含み得る。ターボチャージャ１４０４はまた、タービン１４０６から排気流体を受容して、雰囲気との流体連通を行うための排気アウトレット１４３０を含み得る。
例えば、第１のコンプレッサ１４０８および第２のコンプレッサ１４１０は、共に２対１〜３対１の圧縮比を提供し、大気圧に対して少なくとも４：１のシステム圧縮比をもたらすことが可能である。あるいは、第２のコンプレッサ１４１０は、３対１の圧縮比を提供することが可能であり、また第１のコンプレッサ１４０８は、１．５対１の圧縮比を提供することが可能であり、大気圧に対して４．５対１のシステム圧縮比をもたらす。
空気供給システム１４０２は、第２のコンプレッサ１４１０と吸気マニホールド１２１０との間にエアクーラ１４３２を含み得る。オプションとして、空気供給システム１４０２は、第１のコンプレッサ１４０８とターボチャージャ１４０４の第２のコンプレッサ１４１０との間に追加のエアクーラ１４３４を含み得る。あるいは、空気供給システム１４０２は、エアクーラ１４３２と吸気マニホールド１２１０との間に追加のエアクーラ（図示せず）を含み得る。
他のタイプの空気供給システムも同様に使用し得ることに留意されたい。例えば、空気からＥＧＲへの冷却器、送風機とターボチャージャ装置、および電気式ターボチャージャアシストは、本発明に必要なブースト圧力を供給し得る空気供給システムの少数のタイプである。
図１５を参照するに、本発明のための制御システムの実施形態を示したブロック図が示されている。エンジン１０２は、制御器１６４、例えばエンジン監視および制御のために典型的に使用される電子制御モジュール（ＥＣＭ）によって監視かつ制御される。
シリンダ圧力フィードバックを示す信号は、信号ライン１５０２を介して制御器１６４に供給され、燃焼の開始のようなイベントを決定するために利用し得る。シリンダ圧力フィードバックは、例えばシリンダ圧力センサ（図示せず）によって直接感知し得るか、あるいは他の感知されたパラメータから誘導し得る。例えば、エンジンスピードおよび負荷パラメータを監視し、燃焼イベントの開始を決定するために使用し得る。
制御器１６４は、シリンダ圧力フィードバック信号を受信すると、エンジン作動のなんらかの制御が必要とされることを決定し得る。例えば、燃焼開始のタイミングを変更すべきであると決定することが可能である。制御器１６４は、エンジン作動の制御のために使用すべき複数のオプションを有し得る。例えば、制御器１６４は信号ライン１５０４を介して制御信号を供給して、吸気マニホールド温度を調整してもよく、制御器１６４は信号ライン１５０６を介して制御信号を供給して、吸気バルブの作動タイミングを調整してもよく、制御信号を信号ライン１５０８を介して供給して、ＥＧＲが供給されつつある速度を調整してもよく、制御信号を信号ライン１５１０を介して供給して、燃料噴射のタイミングを調整してもよく、あるいは制御信号を信号ライン１５１２を介して供給して、ブースト圧力値を調整してもよい。上記の制御方式の任意の組み合わせを利用し得ることが理解される。さらに、他の制御方式を同様に組み込んでもよい。
多くの変数の相互作用によるエンジン作動の複雑さは、データ分析とエンジン制御のために先進技術を利用するように、制御器１６４を構成することが望ましいかもしれないことを示している。例えば、制御器１６４にニューラルネットワーク（図示せず）を組み込んで、エンジン作動のヒストリカルデータベースに基づき制御決定を行うことが望ましいかもしれない。
図１６を参照するに、図２のブロック図は、酸素センサ（Ｏ２）１６０２とマスエアフローセンサ（ＭＡＦ）１６０４が追加されて再現されている。Ｏ２センサ１６０２は、燃焼後の排気ガス内の酸素量を感知するために適切なある位置、例えば排気通路１４６に配置してもよい。ＭＡＦセンサ１６０４は、ＥＧＲガスの質量を感知するために適切なある位置、例えばＥＧＲバルブ２２６の前に配置してもよい。あるいは、ＭＡＦセンサ１６０４は、エンジン１０２に供給される合計マスフロー、例えばＥＧＲプラス新鮮空気を感知するために、ほかのところ、例えばＥＧＲバルブ２２６の後に配置してもよい。
Ｏ２およびＭＡＦセンサ１６０２、１６０４は、個別にまたは組み合わせて使用してもよく、また感知された値を処理用の制御器１６４に供給して、エンジン１０２に供給されるＥＧＲの速度を決定かつ制御し得る。
代替実施形態では、燃焼室１３８内の放熱速度を制御するために使用される過剰質量としてのＥＧＲの代わりに、あるいはＥＧＲと組み合わせて窒素を不活性ガスとして使用するために、膜技術を組み込むことが望ましいかもしれない。例えば、図１７は、本発明の使用に適した例示的なインテークエア分離システム１７０２を示している。
図１７を参照するに、エンジン１７０４用のインテークエア分離システム１７０２の概略図が示されている。エンジン１７０４の吸気側は、インテークエア導管１７０６と、吸気マニホールド１７０８と、インテークエア加圧装置１７１０、例えばターボチャージャと、インタクーラまたは空対空のアフタクーラ１７１６とを含む。インテークエア加圧装置１７１０は、排気ガスによって駆動されるタービン１７１４を含んでもよく、このタービンは次にコンプレッサ１７１２を駆動する。エンジン１７０４はまた、主燃焼セクション１７２０と排気システム１７２４とを含む。詳細には図示しないが、典型的な主な燃焼セクション１７２０は、他の要素の中で、エンジンブロックと、その中に複数の燃焼シリンダ１７２２を形成するシリンダヘッドとを含む。シリンダ１７２２のそれぞれには、燃料噴射器と、シリンダライナと、少なくとも１つの吸気ポートおよび対応する吸気バルブと、少なくとも１つの排気ガスポートおよび対応する排気バルブと、シリンダライナおよびシリンダヘッドに関連して燃焼室を画成するためにそれぞれのシリンダ内で可動の往復ピストンと、が関連付けられる。エンジン１７０４の排気システム１７２４は、排気マニホールド１７２６またはスプリット排気マニホールドと、１つ以上の排気導管１７２８と、タービン１７１４とを含む。オプションとして、排気システム１７２４は、微粒子トラップ、ＮＯｘ吸着器、酸化および／またはリーンＮＯｘ触媒、あるいは排気ガス後処理における他の最近の先進装置のような１つ以上の後処理装置（図示せず）を含むことが可能である。最後に、エンジン１７０４は、電子制御モジュール（ＥＣＭ）１７３０、すなわち、測定または感知されたＥＣＭ１７３０への入力として使用される１つ以上のエンジン作動パラメータに応答して、燃料噴射タイミングと空気システムバルブ作動とを動作的に制御するための制御器を含む。
インテークエア導管１７０６は、インテークエア入力１７３２と、インテークエア加圧装置１７１０のコンプレッサ１７１２と、アフタクーラ１７１６と流体連通する。インテークエア分離システム１７０２は、従来のターボチャージディーゼルエンジンに関連して図示かつ説明されているが、開示したシステム１７０２は、圧力波過給装置付きエンジンを含む、可変形状ターボチャージャ（ＶＧＴ）付きエンジンまたは他の過給エンジンに等しく有用である。吸気マニホールド１７０８は、インテークエア導管１７０６の端部に連結される。インテークエア分離システム１７０２のどこかに、例えば吸気マニホールド１７０８に近接して配置される入口圧力センサ１７１８が、示されており、インテークエア圧力データをＥＣＭ１７３０に供給する。温度センサ、酸素センサ（図示せず）等のような他のセンサも、インテークエア分離システム１７０２内に組み込み、同様にＥＣＭ１７３０への入力として連結してもよい。さらに、図示していないが、フィルタ、バルブ、アクチュエータ、バイパス導管等のような他の種々の装置も、インテークエア分離システム１７０２内に組み込んでもよい。バルブおよび／またはアクチュエータのようなこのような任意の電子作動構成要素は、ＥＣＭ１７３０に動作的に連結され、またエンジンスピード、エンジン負荷、ブースト圧力条件等を含む、選択されたエンジン作動パラメータまたは条件に応答して作動することが好ましい。
図示したインテークエア分離システム１７０２は、エンジン１７０４のインテークエア分離システム１７０２内に配置されたインテークエア分離装置１７３４を含む。インテークエア分離装置１７３４は、空気分離装置入口１７３６、すなわちインテークエア入口において実質的にすべてのエンジン燃焼空気を受容し、かつエンジン燃焼空気を酸素濃縮空気の流れ１７３８、すなわち透過物の流れに、および窒素濃縮空気の流れ１７４０、すなわち残留物の流れに分離するように構成され得る。図示したインテークエア分離装置１７３４は２つの入口と２つの出口とを含む。第１の入口は、酸素リッチの流れと窒素リッチの流れとに分離されるべき空気を受容するインテークエア入口１７３６である。第２の入口は、インテークエア分離装置１７３４の透過有効性を強化する掃引空気またはパージ空気の流れ１７４４を受容するように構成されるパージ空気入口１７４２である。パージ空気１７４４は、コンプレッサ１７１２とアフタクーラ１７１６とからのインテークエアの流れ１７５８から得ることが可能である。あるいは、パージ空気の流れ１７４４は、フィルタ処理した周囲空気の別の流れでもよい。第１の出口、またはインテークエア分離装置１７３４の透過物出口１７４６は、パージ空気の流れ１７４４と結合された酸素濃縮空気の透過物流れ１７３８を受容するように構成される。
第２の出口、または残留物出口１７４８は、窒素濃縮空気の残留物流れ１７４０を受容するように構成される。好ましくは、インテークエア分離装置１７３４はフルフロー分離ユニットであり、したがって、残留物出口１７４８を出る窒素濃縮空気流れ１７４０をより多くのインテークエアで引き続き混合する必要はない。残留物出口１７４８は、エンジン１７０４の吸気マニホールド１７０８とさらに流動連通する。透過物フローバルブ１７５０は、透過物出口１７４６に近接して配置してもよい。透過物フローバルブ１７５０は、ＥＣＭ１７３０から受信される信号に応答して作動されることが好ましく、ＥＣＭは、インテークエア分離装置１７３４からの透過物流れ１７３８を制御し、これによって、残留物出口１７４８から吸気マニホールド１７０８への流れ１７４０を制御する。より詳しくは、透過物出口１７４６に近接して配置される透過物フローバルブ１７５０は、インテークエア分離装置１７３４からの透過物流れ１７３８およびパージ空気１７４４の流れの両方を制御し、したがって、吸気マニホールド１７０８と燃焼シリンダ１７２２とに方向付けられる空気内の窒素と酸素の相対的な濃度を制御する。
透過物フローバルブ１７５０の位置は、透過物出口１７４６にあるか、あるいはそれに近接していることが好ましい。このような構成は、一時的な作動条件の間に、透過物フローバルブ１７５０が作動されるとき、例えば、開放または閉鎖されるとき、吸気マニホールド１７０８内に残留物出口１７４８を出る空気の酸素成分および窒素成分の比較的速い変化に基づき、エンジン１７０４の応答性を促進する。透過物フローバルブ１７５０の選択的な作動により、エンジン１７０４は、本質的に３つの異なるチャージエアモードで、すなわち窒素濃縮モード、すなわち部分的または完全開放のバルブにより、標準インテークエアモード、すなわち所定時間閉鎖されるバルブにより、および透過物フローバルブ１７５０が最初に閉鎖されるときに短期間または短い持続時間行われる一時的な酸素濃縮モードで作動できる。透過物フローバルブ１７５０の正確な位置は、異なるモードのチャージエアを利用するように、特に、透過物フローバルブ１７５０が最初に閉鎖されるときに行われる酸素濃縮空気の一時的なチャージを利用するように、最適化されることが好ましい。
インテークエア分離装置１７３４は、周囲インテークエアを酸素濃縮空気および窒素濃縮空気の流れに分離する選択的に透過性の複数の分離膜１７５４を使用することが好ましい。このような膜１７５４は当分野で周知である。
インテークエア分離装置１７３４は、インテークエア入口１７３６とパージ空気入口１７４２と透過物出口１７４６と残留物出口１７４８とを有するハウジングまたはシェル１７５６を含んでもよい。選択的に透過性の複数の膜要素または繊維は、ハウジング１７５６内で長手方向のまたは螺旋状、すなわち渦巻状の全体方向に配置され、また各端部にはめ込まれるかまたはシールされる。空気分離膜１７５４は、好ましくは中空、多孔性の被覆管であり、この管を通して、水素、ヘリウム、水蒸気、二酸化炭素および酸素のような選択されたガスが、膜を通して外側方向に比較的高速に浸透する傾向を有し、一方、一酸化炭素、アルゴンおよび窒素のような他のガスはそれほど急速に浸透せず、大部分保持され、膜管に沿って輸送される。インテークエアの流れ１７５８に存在する異なるガスは、異なる相対透過速度で膜１７５４を通して、また概して膜１７５４の側壁を通して浸透する傾向を有する。浸透速度はまた、部分的に膜温度に依存し、したがってインテークエア分離装置１７３４に入るガスの温度を変更または制御することによって、最終的に浸透率が制御される。
インテークエアは、概して膜１７５４の長さに沿った配向または方向に、インテークエア分離装置１７３４のハウジング１７５６と膜１７５４とに導入される。このようにして、インテークエアの流れ１７５８は、概してインテークエア分離装置１７３４の長さに沿って輸送されるかまたは流れる。逆に、パージ空気の流れ１７４４は、パージ空気の流れ１７４４が概して膜１７５４の外側表面を横切って流れるように、交差流配向または方向でハウジング１７５６と膜に１７５４とに導入される。次に、パージ空気の流れ１７４４は、透過物流れ１７３８の部分としてかつ浸透酸素リッチ空気と共に、透過物出口１７４６を介してハウジング１７５６を出る。窒素リッチ空気の残留物流れ１７４０は、残留物出口１７４８を介してハウジング１７５６から出る。
インテークエア分離装置１７３４の上記の説明は、優れた分離結果を生成する掃引またはパージ空気流構造の１つのみの実施例を示している。他の種々の流れ構造も使用することができる。種々のパージ流れ構造は、分離性能およびパッケージング問題の差をもたらし、また空気分離装置が使用される特定の用途に調整することができる。
インテークエア加圧装置１７１０のコンプレッサ１７１２は、膜ベースのインテークエア分離装置１７３４を通してインテークエアを圧力モードとしばしば呼ばれるものに強制的に移動するために使用される。同様に、パージ空気の流れ１７４４は、ブーストされ、冷却されたインテークエアの流れ１７５８から受容または迂回させられ、パージ空気入口１７４２に供給される。種々の作動条件の下でパージ空気の流れ１７４４を制御するために、ＥＣＭ１７３０に動作的に連結されたパージ空気バルブ１７５２を使用し得る。かくして、パージ空気の流れ１７４４およびインテークエア１７５８の流れは、典型的に加圧され、一方、インテークエア分離装置１７３４を出る酸素濃縮空気およびパージ空気の透過物流れ１７３８は、インテークエア分離装置１７３４を流れることによって蒙る圧力損失の故に、好ましくは幾分より低い圧力にある。膜１７５４の間のこの圧力勾配は空気分離の形成を可能にする。図示したように、透過物流れ１７３８は、好ましくは雰囲気に通気されるか、さもなければ、排気システム１７２４を含むがそれに限定されないエンジン１７０４の他の部分に送られる。しかし、透過物流れ１７３８は、酸化剤供給の少なくとも一部分を供給して燃焼を支持するために、燃焼シリンダ１７２２に供給してもよい。窒素濃縮空気の残留物流れ１７４０は、膜ベースのインテークエア分離装置１７３４によって引き起される損失の故に、フィードまたはインテークエア圧力よりも低い圧力においてであるが、一般に加圧された状態で吸気マニホールド１７０８に供給される。
簡単に図１を参照するに、可変バルブタイミングを利用して、本発明の性能を促進することが望ましいかもしれない。例えば、シリンダ１１９内の温度を上昇し、したがって、排気バルブ１５２のタイミングを変更することによって燃焼の制御を支援することが可能である。より詳しくは、排気バルブ１５２の閉鎖のタイミングを変更することによって、燃焼による高熱の残留ガスのある部分が燃焼室１３８内にトラップされ、次のサイクルの燃焼開始が進められる。
同様に、吸気バルブ１４０のタイミングを変更して、エンジン１０２の加速時に空燃比を調整し、このように、さらに燃焼を制御することが望ましいかもしれない。吸気バルブ１４０を閉鎖するタイミングを変更することは、有効圧縮比を下げ、次に燃焼の開始を遅らせるミラー（Ｍｉｌｌｅｒ）サイクルでエンジン１０２を動作することに役立つ。吸気バルブ１４０の開口タイミングを変更することにより、高熱の排気ガスが吸気ポート１２４内に流れることを可能にし、燃焼の開始を進める。
図１８と図１９は、可変バルブタイミングを達成するための例示的な技術の操作を示している。以下の説明および図１８と図１９は、吸気バルブの可変バルブ作動を示しているが、同様の原理が排気バルブのタイミングの変更に適用される。
図１８を参照するに、内燃機関１８０２の部分の概略断面図が示されている。シリンダヘッド１８０４はエンジンブロック１８０６に連結される。シリンダヘッド１８０４は１つ以上のシリンダ１８０８を収容する。説明のために、１つのシリンダ１８０８を参照して図１８について以下に記載する。
シリンダ１８０８は、シリンダ１８０８内で摺動自在に可動のピストン１８１０を含む。クランクシャフト１８１２はエンジンブロック１８０６内に回転可能に配置される。コネクティングロッド１８１４は、シリンダ１８０８内のピストン１８１０の摺動運動によりクランクシャフト１８１２の回転を得られるように、ピストン１８１０をクランクシャフト１８１２に連結する。同様に、クランクシャフト１８１２の回転により、ピストン１８１０の摺動運動が得られる。例えば、シリンダ１８０８内のピストン１８１０の最上部の位置は、クランクシャフト１８１２の上死点位置に対応し、シリンダ１８０８内のピストン１８１０の最下部の位置は、クランクシャフト１８１２の下死点位置に対応する。
当業者が認識するように、従来の４行程エンジンサイクルのピストン１８１０は、燃焼（または膨張）行程、排気行程、吸気行程、および圧縮行程の間に、最上部の位置と最下部の位置との間で往復運動する。一方、クランクシャフト１８１２は、燃焼行程の間に上死点位置から下死点位置に、排気行程の間に下死点から上死点に、吸気行程の間に上死点から下死点に、および圧縮行程の間に下死点から上死点に回転する。次に、４サイクルが再び始まる。それぞれのピストン行程は、クランクシャフト回転またはクランク角の約１８０°に相関する。かくして、燃焼行程は、約０°のクランク角で、排気行程は約１８０°で、吸気行程は約３６０°で、また圧縮行程は約５４０°で始まることが可能である。
シリンダ１８０８は、燃焼室１８２０にそれぞれが開く少なくとも１つの吸気ポート１８１６と少なくとも１つの排気ポート１８１８とを含む。吸気ポート１８１６はインテーク通路１８２２に連結され、排気ポート１８１８は排気通路１８２４に連結される。吸気ポート１８１６は吸気バルブアセンブリ１８２６によって開閉され、排気ポート１８１８は排気バルブアセンブリ１８２８によって開閉される。吸気バルブアセンブリ１８２６は、例えば、第１の端部１８３４にヘッド１８３２を有する吸気バルブ１８３０を含み、ヘッド１８３２は吸気ポート１８１６を選択的に閉鎖するために寸法決めかつ配列される。吸気バルブ１８３０の第２の端部１８３６は、ロッカアーム１８３８または他の任意の従来のバルブ作動機構に連結される。吸気バルブ１８３０は、吸気ポート１８１６からの流れがシリンダ１８０８に入ることを可能にする第１の位置と、吸気ポート１８１６からシリンダ１８０８への流れを実質的に阻止する第２の位置との間で移動可能である。好ましくは、ばね１８４０は吸気バルブ１８３０の周りに配置され、吸気バルブ１８３０を第２の閉位置にバイアスする。
１つ以上のローブ１８４６でカム１８４４を支持するカムシャフト１８４２は、カム１８４４の構造、ローブ１８４６、および所望のインテークバルブタイミングを達成するためのカムシャフト１８４２の回転に基づき吸気バルブアセンブリ１８２６を周期的に作動するように配列される。排気バルブアセンブリ１８２８は吸気バルブアセンブリ１８２６と同様の方法で構成され、そしてカム１８４４のローブ１８４６の１枚によって動作されることが好ましい。一実施形態において、インテークローブ１８４６は、従来のオットー（Ｏｔｔｏ）またはディーゼルサイクルで吸気バルブ１８３０を作動するように構成され、これによって、吸気バルブ１８３０は、吸気行程の下死点の前の約１０°と圧縮行程の下死点の後の約１０°との間から第２の閉位置に移動する。あるいは、吸気バルブアセンブリ１８２６および／または排気バルブアセンブリ１８２８は、油圧式、空圧式、電子式に、あるいは機械装置、油圧装置、空圧装置、および／または電子装置の組み合わせによって作動してもよい。
好ましい実施形態では、吸気バルブアセンブリ１８２６は、吸気バルブ１８３０の周期運動を選択的に中断して、吸気バルブの閉タイミングを延長するように構造化されかつ配列された可変吸気バルブ閉鎖機構１８４８を含む。可変吸気バルブ閉鎖機構１８４８は、油圧式、空圧式、電子式、機械式に、あるいはそれらの組み合わせによって作動してもよい。例えば、可変吸気バルブ閉鎖機構１８４８は、ばね１８４０のバイアスによって吸気バルブ１８３０の閉鎖に抵抗するように、例えば低圧または高圧で、作動液を供給するために選択的に作動してもよい。すなわち、吸気バルブ１８３０がカム１８４４によって持ち上げられた後、すなわち開放された後、またカム１８４４が吸気バルブ１８３０をもはや開放保持しないとき、作動液は、所望の期間吸気バルブ１８３０を開放保持し得る。所望の期間は、エンジン１８０２の所望の性能に応じて変えてもよい。かくして、可変吸気バルブ閉鎖機構１８４８は、従来のオットー（Ｏｔｔｏ）またはディーゼルサイクルの下で、あるいは可変遅延閉鎖ミラー（Ｍｉｌｌｅｒ）サイクルの下でエンジン１８０２が作動することを可能にする。代替的実施形態では、吸気バルブ１８３０は、当分野で周知のように、電気油圧式システムのようなカムのないシステム（図示せず）によって制御し得る。
図１９に示したように、吸気バルブ１８３０は、すなわち、クランクシャフト１８１２が吸気行程１９０６の上死点位置にまたはその近くにあるとき、約３６０°のクランク角で開放し始めることが可能である。吸気バルブ１８３０の閉鎖は、約５４０°のクランク角から、すなわち、クランクシャフト１８１２が圧縮行程１９０７の下死点位置にまたはその近くにあるとき、約６５０°のクランク角に、すなわち、燃焼行程の上死点の前の約７０°に選択的に変更することが可能である。かくして、圧縮行程１９０７の大部分の間、すなわち、圧縮行程１９０７の前半および圧縮行程１９０７の後半の一部分の間、吸気バルブ１８３０を開放保持することが可能である。
制御器１８５０、例えば電子制御モジュール（ＥＣＭ）は、可変吸気バルブ閉鎖機構１８４８に電気的に連結し得る。好ましくは、制御器１８５０は、所望のエンジン性能を達成するために、１つ以上のエンジン状態、例えば、エンジンスピード、負荷、圧力、および／または温度に基づき可変吸気バルブ閉鎖機構１８４８の作動を制御するように構成される。制御器１８５０の機能は、単一の制御器によってあるいは複数の制御器によって実行し得ることを理解すべきである。
図１に戻って参照するに、エンジン始動および軽負荷運転のようなある作動条件の下では、当分野で周知のように、火花点火システム（図示せず）を用いてエンジン１０２を作動することが望ましいかもしれないことに留意されたい。
本発明の用途の一例として、シリンダ壁１２０と、ピストン１３０と、燃焼室１３８を画成するヘッド１２２とを有する圧縮着火エンジン１０２を作動するための方法のフローチャートが示される図２０を参照する。
第１の制御ブロック２００２において、燃料は、燃料が燃焼室１３８の全体にわたって実質的に均一に分散されかつシリンダ壁１２０から離間されるように、燃焼室１３８に供給される。より詳しくは、実質的に均一な分布を行うために、燃料は燃焼室１３８の全体にわたって分散されるが、燃料分散は、燃料がシリンダ壁１２０に衝突しないように制御される。これによって燃料がシリンダ壁１２０に衝突することは、燃料の凝縮およびエンジン１０２内の潤滑油の引き続く劣化をもたらすであろう。
第２の制御ブロック２００４において、燃焼を第１の所定の燃焼持続時間に支持するのに十分な酸化剤が燃焼室１３８に供給される。典型的に、酸化剤は、当分野で周知のように新鮮空気の供給を含む。しかし、酸化剤は、上述のように、少なくとも部分的に膜技術の利用のような手段から得られる酸素供給であり得る。
第３の制御ブロック２００６において、第１の所定の燃焼持続時間を、第２の所定の燃焼持続時間に変更するのに十分な希釈剤の供給が燃焼室１３８内に行われる。好ましくは、第２の所定の燃焼持続時間は第１の所定の燃焼持続時間とは異なる。例えば、第２の所定の燃焼持続時間は、燃焼がより長い時間期間にわたって制御されるように、第１の所定の燃焼持続時間よりも長くてもよい。
希釈剤は、ＥＧＲ、空気、窒素のような不活性ガス等であり得る。例えば、上述のように、希釈剤は４０〜６０％までのＥＧＲを含む気体であり得る。他の例として、希釈剤は、上述のように、膜技術のような手段によって得られる窒素量を含むことが可能である。希釈剤はまた、気体の組み合わせを含んでもよい。
希釈剤の追加によって変更される燃焼持続時間と組み合わせて、希釈剤はまた、燃焼室１３８の第１の所定の圧力上昇速度を第２の所定の圧力上昇速度に変更するのに役立つ。例えば、燃焼時の圧力上昇速度は希釈剤の追加により低下し得る。上述のように、図７は、希釈剤の追加による燃焼持続時間および燃焼圧力上昇速度の両方の変化（およびピーク圧力）を示すのに役立つ。
本発明の他の形態は、図面、明細書および添付した請求の範囲の検討によって得られる。
本発明の使用に適した内燃機関の概略図である。 排気ガス再循環（ＥＧＲ）システムを含むエンジンを示したブロック図である。 図２の排気ガス再循環装置の変形形態を示したブロック図である。 燃料噴霧パターンの概略図である。 図４ａの燃料噴霧パターンの他の図面である。 例示的な燃料噴射器先端の部分図である。 第１のモードの図５ａの燃料噴射器先端の使用を示した線図である。 第２のモードの図５ａの燃料噴射器先端の使用を示した線図である。 噴射タイミングの関数としてＮＯｘおよび煙エミッションを示したグラフである。 噴射タイミングの関数としてＨＣおよびＣＯを示したグラフである。 圧力および時間の関数として燃焼イベントを示したグラフである。 エンジンの出力からエンジンの入力に導かれる排気ガスを示したブロック図である。 シリンダ圧力およびクランク角度の関数として燃焼イベントを示したグラフである。 放熱速度およびクランク角度の関数として燃焼イベントを示したグラフである。 例示的な可変圧縮比構造の概略図である。 例示的な３方向触媒の概略図である。 第１の例示的なエンジン用空気補助システムの概略図である。 第２の例示的な空気補助システムの概略図である。 第３の例示的な空気補助システムの概略図である。 例示的なエンジン用制御システムを示したブロック図である。 さらなる特徴を含む図２のブロック図である。 本発明の使用に適した例示的な膜技術の概略図である。 例示的な可変バルブ作動システムを有するエンジンの概略図である。 クランク角度の関数としての吸気バルブの変位を示したグラフである。 本発明の好ましい方法を示したフローチャートである。
符号の説明
１００ 装置
１０２ 圧縮着火エンジン
１０４ エンジンアセンブリ
１０６ プレナム部材
１０８ 空気源
１１０ 出口開口部
１１２ 入口開口部
１１４ プレナムチャンバ
１１６ シリンダアセンブリ
１１８ ブロック
１１９ シリンダ
１２０ シリンダ壁
１２２ エンジンヘッド
１２４ 吸気ポート
１２６ 排気ポート
１２８ 吸気導管
１３０ ピストン
１３２ 矢印
１３４ コネクティングロッド
１３６ 矢印
１３８ 燃焼室
１４０ 吸気バルブ
１４２ クランクシャフト
１４４ 矢印
１４６ 排気通路
１４８ 排気マニホールド
１５０ 排気導管
１５２ 排気バルブ
１５４ 燃料噴射器ノズル
１５６ 燃料噴射器
１５８ 燃料タンク
１６０ 燃料ポンプ
１６２ 燃料ライン
１６４ 制御器
１６６ 信号ライン
２０２ 排気システム
２０４ 排気ガス再循環（ＥＧＲ）システム
２０６ 粒子状物質（ＰＭ）フィルタ
２０８ ターボチャージャシステム
２１０ 第１のターボチャージャステージ
２１２ 第２のターボチャージャステージ
２１４ 高圧タービン
２１６ 低圧タービン
２１８ 第１ステージコンプレッサ
２２０ 第２ステージコンプレッサ
２２２ 酸化触媒
２２４ ＥＧＲクーラ
２２６ ＥＧＲバルブ
２２８ アフタクーラ
２３０ エンジンブロック
３０２ 追加のＰＭフィルタ
４０１ 孔
４０２ 燃料スプレ
５０２ 軸線
５０４ ＨＣＣＩノズル出口
５０６ 従来のノズル出口
７０２ グラフ
７０４ 第１のプロット
７０６ 第２のプロット
９０２ グラフ
９０４ グラフ
９０６ 第１の圧力上昇部分
９０８ 第２の圧力上昇部分
９１０ 第１の放熱ピーク部分
９１２ 第２の放熱ピーク部分
１００２ 二次シリンダ
１００４ 二次ピストン
１００６ ロッド
１００８ アクチュエータ
１１１０ 触媒コンバータ
１１２２ 管状ハウジング
１１２４ 出口端
１１２５ 環状保持リップ
１１２７ 端部リング
１１２８ 環状隅部
１１２９ マット材料
１１３０ 第１の副缶
１１３１ 第２の副缶
１１３２ 第３の副缶
１１３３ 第１の触媒基材
１１３４ 第２の触媒基材
１１３５ 第３の触媒基材
１２０２ 空気供給システム
１２０４ 内燃機関
１２０６ エンジンブロック
１２０８ 燃焼シリンダ
１２１０ 吸気マニホールド
１２１２ 排気マニホールド
１２１４ 第１のターボチャージャ
１２１６ 第２のターボチャージャ
１２１８ タービン
１２２０ コンプレッサ
１２２２ 排気ダクト
１２２４ タービンホイール
１２２６ シャフト
１２２８ ハウジング
１２３０ コンプレッサホイール
１２３２ 圧縮空気ダクト
１２３４ 空気出口ライン
１２３６ 排気ダクト
１２３８ タービン
１２４０ コンプレッサ
１２４２ タービンホイール
１２４４ シャフト
１２４６ コンプレッサホイール
１２４８ エアインテークライン １２５０ 排気アウトレット
１２５２ エアクーラ
１２５４ 追加のエアクーラ
１３０２ 空気供給システム
１３０４ ターボチャージャ
１３０６ タービン
１３０８ コンプレッサ
１３１０ 排気ダクト
１３１２ タービンホイール
１３１４ シャフト
１３１６ ハウジング
１３１８ コンプレッサホイール
１３２０ 空気入口
１３２２ 空気出口
１３２４ 排気アウトレット
１３２６ エアクーラ
１４０２ 空気供給システム
１４０４ ターボチャージャ
１４０６ タービン
１４０８ 第１のコンプレッサ
１４１０ 第２のコンプレッサ
１４１２ 入口ダクト
１４１４ タービンホイール
１４１６ シャフト
１４１８ ハウジング
１４２０ 第１のコンプレッサホイール
１４２２ 第２のコンプレッサホイール
１４２４ エアインテークライン
１４２６ 圧縮空気ダクト
１４２８ 空気出口
１４３０ 排気アウトレット
１４３２ エアクーラ
１４３４ 追加のエアクーラ
１５０２ 信号ライン
１５０４ 信号ライン １５０６ 信号ライン
１５０８ 信号ライン
１５１０ 信号ライン
１５１２ 信号ライン
１６０２ Ｏ２センサ
１６０４ ＭＡＦセンサ
１７０２ インテークエア分離システム
１７０４ エンジン
１７０６ インテークエア導管
１７０８ 吸気マニホールド
１７１０ インテークエア加圧装置
１７１２ コンプレッサ
１７１４ タービン
１７１６ アフタクーラ
１７１８ 入口圧力センサ
１７２０ 主燃焼セクション
１７２２ 燃焼シリンダ
１７２４ 排気システム
１７２６ 排気マニホールド
１７２８ 排気導管
１７３０ 電子制御モジュール
１７３２ インテークエア入力
１７３４ インテークエア分離装置
１７３６ インテークエア入口
１７３８ 酸素濃縮空気の流れ
１７４０ 窒素濃縮空気の流れ
１７４２ パージ空気入口
１７４４ パージ空気の流れ
１７４６ 透過物出口
１７４８ 残留物出口
１７５０ 透過物フローバルブ
１７５２ パージ空気バルブ
１７５４ 複数の分離膜
１７５６ ハウジング
１７５８ インテークエアの流れ
１８０２ 内燃機関
１８０４ シリンダヘッド
１８０６ エンジンブロック
１８０８ シリンダ
１８１０ ピストン
１８１２ クランクシャフト
１８１４ コネクティングロッド
１８１６ 吸気ポート
１８１８ 排気ポート
１８２０ 燃焼室
１８２２ インテーク通路
１８２４ 排気通路
１８２６ 吸気バルブアセンブリ
１８２８ 排気バルブアセンブリ
１８３０ 吸気バルブ
１８３２ ヘッド
１８３４ 第１の端部
１８３６ 第２の端部
１８３８ ロッカアーム
１８４０ ばね
１８４２ カムシャフト
１８４４ カム
１８４６ ローブ
１８４８ 可変吸気バルブ閉鎖機構
１８５０ 制御器
１９０６ 吸気行程
１９０７ 圧縮行程
２００２ 第１の制御ブロック
２００４ 第２の制御ブロック
２００６ 第３の制御ブロック

Claims (15)

  1. シリンダ壁（１２０）と、ピストン（１３０、１８１０）と、燃焼室（１３８、１８２０）を画成するヘッド（１２２、１８０４）とを有する圧縮着火エンジン（１０２、１２０４、１７０４、１８０２）を作動するための方法であって、
    燃料を燃焼室（１３８、１８２０）内に実質的に均一に供給するステップであって、燃料が燃焼室（１３８、１８２０）全体にわたって分散されかつシリンダ壁（１２０）から離間されるステップと、
    第１の所定の燃焼持続時間の燃焼を補助するのに十分な酸化剤を燃焼室（１３８、１８２０）内に供給するステップと、
    第１の所定の燃焼持続時間を、第１の所定の燃焼持続時間とは異なる第２の所定の燃焼持続時間に変更するのに十分な希釈剤を燃焼室（１３８、１８２０）内に供給するステップとを含む方法。
  2. 燃料を燃焼室（１３８、１８２０）内に実質的に均一に供給するステップが、所望の分散角度を示す少なくとも１つのパターンで燃料を注入するステップを含む、請求項１に記載の方法。
  3. 燃料を燃焼室（１３８、１８２０）内に実質的に均一に供給するステップが、上死点の前の約５０度〜上死点の前の約１８０度の範囲内で、燃料を燃焼室（１３８、１８２０）内に供給するステップを含む、請求項１に記載の方法。
  4. 燃料を燃焼室（１３８、１８２０）内に実質的に均一に供給するステップが、上死点の前の約６０度〜上死点の前の約７０度の範囲内で、燃料を燃焼室（１３８、１８２０）内に供給するステップを含む、請求項３に記載の方法。
  5. 酸化剤を供給するステップが、ある量の新鮮空気および酸素の少なくとも一方を燃焼室（１３８、１８２０）内に供給するステップを含む、請求項１に記載の方法。
  6. 希釈剤を燃焼室（１３８、１８２０）内に供給するステップが、空気、窒素、および再循環排気ガスの少なくとも１つからなる希釈剤を供給するステップを含む、請求項１に記載の方法。
  7. 再循環排気ガスの少なくとも一部分を有する希釈剤を供給するステップが、排気ガスの合計量の約４０〜約６０パーセントの再循環排気ガスを含む希釈剤を供給するステップを含む、請求項６に記載の方法。
  8. 希釈剤を燃焼室（１３８、１８２０）内に供給するステップが、第１の所定の圧力上昇速度を、第１の所定の圧力上昇速度とは異なる第２の所定の圧力上昇速度に変更するのに十分な希釈剤を燃焼室（１３８、１８２０）内に供給するステップを含む、請求項１に記載の方法。
  9. シリンダ壁（１２０）と、ピストン（１３０、１８１０）と、燃焼室（１３８、１８２０）を画成するヘッド（１２２、１８０４）とを有する圧縮着火エンジン（１０２、１２０４、１７０４、１８０２）を作動するための装置（１００）であって、
    燃料を燃焼室（１３８、１８２０）全体にわたってある分散パターンで噴射するために配置されかつシリンダ壁（１２０）から離間されたノズル（１５４）を有する燃料噴射器（１５６）と、
    酸化剤および希釈剤の少なくとも一方を燃焼室（１３８、１８２０）内に供給するための空気供給システム（１２０２、１３０２、１４０２）とを含む装置（１００）。
  10. 燃料噴射器ノズル（１５４）が、燃料がシリンダ壁（１２０）に衝突しないように、実質的に均一な分布の燃料を燃焼室（１３８、１８２０）内に噴射するように構成された複数の孔（４０１）を含む、請求項９に記載の装置（１００）。
  11. 空気供給システム（１２０２、１３０２、１４０２）が、第１の所定の燃焼持続時間および第１の所定の圧力上昇速度の燃焼を補助するのに十分な酸化剤を燃焼室（１３８、１８２０）内に供給するように構成される、請求項９に記載の装置（１００）。
  12. 空気供給システム（１２０２、１３０２、１４０２）が、第１の所定の燃焼持続時間を第２の増加された所定の燃焼持続時間に変更するのに、また第１の所定の圧力上昇速度を第２の減少された圧力上昇速度に変更するのに十分な希釈剤を燃焼室（１３８、１８２０）内に供給するように構成される、請求項１１に記載の装置（１００）。
  13. 空気供給システム（１２０２、１３０２、１４０２）が、
    空気源（１０８、１２４８、１３２０、１４２４、１７３２）と、
    空気源（１０８、１２４８、１３２０、１４２４、１７３２）から空気を受容し、かつ実質的に均一な燃焼に十分なブースト圧力で酸化剤および希釈剤の少なくとも一方を供給するためのターボチャージャシステム（２０８、１２１４、１２１６、１３０４、１４０４、１７１０）とを含む、請求項９に記載の装置（１００）。
  14. 十分なブースト圧力が少なくとも約４対１の比率にある、請求項１３に記載の装置（１００）。
  15. 空気供給システム（１０８、１２４８、１３２０、１４２４、１７３２）が、空気の供給を受容し、かつ酸素および窒素の供給をそれぞれの酸化剤および希釈剤として応答して行うためのインテークエア分離システム（１７０２）を含む、請求項１３に記載の装置（１００）。
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