JPH08505448A - 内燃エンジンの運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 エンジンの少なくとも１シリンダの燃焼サイクルに関して上死点後にそのシリンダ内のガス／燃料混合気の点火を遅らせる内燃エンジンの運転方法に関する。点火は上記のように遅らせると共に、その少なくとも１シリンダにおける燃料比はエンジンの正常な運転時に要求される燃料比よりも高いレベルに保持する。

Description

【発明の詳細な説明】 内燃エンジンの運転方法 本発明は排ガス温度を高温に保持する内燃エンジンの運転方法に係り、特に排 ガス中の有害汚染物質を抑制するように排ガスを処理する触媒処理手段を組み込 んだ内燃エンジンに有用な運転方法に関する。 排ガス中の有害物質のレベルを抑制する触媒処理は極めて有効であるが、触媒 材料、すなわち触媒処理手段で用いられる触媒は最低運転温度（一般に、活性（ light off）温度と呼ばれ、触媒が５０％効率を示す温度と解される。）を有し 、この活性温度に到達するまで、反応は有効に進行しない。このため、この温度 に到達するまでの間、高レベルの有害物質が排気装置から排出される可能性があ る。エンジン始動時、特に長い停止時間を経た後の始動においては触媒材料がこ の活性温度を大きく下まわり、正常な活性状態になるまでの時間を短くするため 、すなわち、汚染物質の排出を減少するためにエンジンの燃焼室から排気装置に かけて流れる排ガスの温度を高温に維持する必要がある。 しかしながら、エンジン始動時、エンジンはアイドリングのような比較的低負 荷および低速度の運転を強いられ、この間エンジンへ供給される燃料が比較的少 量であるために、排ガスの温度、したがって触媒材料の温度を上昇させるのに利 用できる熱量が著しく限られてしまう。 さらに、触媒反応が活性化した後もエンジンがアイドリングあるいは低負荷条 件で運転されるとき、特に大気温度が低い状態にあるとき、排ガス温度も低くな り、触媒材料の活性状態を維持することが難しくなって反応が進まないまま、一 時期、排ガス中の有害物質が増加する可能性がある。 これまで、触媒処理手段の上流に配置したアフタバーナ装置によって触媒材料 を加熱することが提案されている。ここではアフタバーナが触媒材料の温度を上 昇させるために排ガス中の未燃焼ガスを点火することになる。しかしながら、こ うしたアフタバーナの追加はエンジン価格に費用の上昇をもたらし、またエンジ ンの装備を複雑にする難点がある。 したがって、本発明の目的は排ガス温度を高温に保持する内燃エンジンの運転 方法を提供するもので、ここで、排気装置の触媒材料を素早く活性化させ、エン ジン運転中、活性状態を継続して維持することが可能になる。 上記目的を達成するためにエンジンの少なくとも１シリンダの燃焼サイクルに 関して上死点後（ＡＴＤＣ）にその少なくとも１シリンダ内のガス／燃料混合気 の点火を遅らせる内燃エンジンの運転方法が提供される。上記点火は上記のとお り遅らせると共に、少なくとも１シリンダの燃料比は、好ましくはエンジンが正 常に運転しているときに要求されるレベルより高いレベルに増加させる。 この点火は上死点前（ＢＴＤＣ）約−３０°（すなわち、ＡＴＤＣ３０°）ま で遅らせることができるが、好ましくはＢＴＤＣ−２０°（すなわち、ＡＴＤＣ ２０°）程度である。この点火遅れは二者択一的に変えることができ、好ましく は、３シリンダエンジンのような多シリンダに用いる場合、ＡＴＤＣ１５°から ＡＴＤＣ３０°の間で変える。 好ましくは、燃料比（mg／シリンダ／サイクルで測定）は最大負荷での燃料比 の５０％より大きくし、より好ましくは、最大負荷での燃料比の約８０％とする 。しかし、特に要求があれば燃料比は最大エンジン負荷での燃料比の１００％を 超えることができる。 しかしながら、この選択された燃料比は望ましい排ガス温度を得るのに十分な 最少燃料比であることが好ましい。直接噴射式エンジンの場合、燃料は上死点前 に、好ましくは、ＢＴＤＣ６０°からＢＴＤＣ８０°の間で燃焼室に吸入される 。しかし、ある条件のもとでは燃料は上死点後にシリンダに吸入される。 本発明に係る方法はエンジンの排気装置内に触媒処理手段を備えたものに使用 することができる。エンジンの排気ポートと触媒処理手段との間にはフレームア レスタを設置する。これは排ガスを燃焼させたときに生じる火炎と触媒処理手段 の触媒材料とが直接触れるのを防ぐために用いる。追加吸入される空気は触媒処 理手段の上流で吸入される。この空気の追加吸入は排ガスの触媒による酸化を促 す。 本発明に係る方法はエンジンのコールドスタート中に用いることができる。ま た、この方法は触媒材料が望ましい運転温度に保たれた状態からそれ以下に温度 が低下したことを検出したときにも用いることができる。 ここでのエンジンは２ストローク内燃エンジンが好ましい。このエンジンは、 好ましくは、ピストン制御排気ポートを有する。 オーストラリア国特許出願第５１０６５／９０号に開示されるような空気制御 装置を用いる場合において、エンジン統御装置の制御のもとでバイパス空気制御 バルブは完全に開かれ、一方スロットルバルブは閉止位置のままに置かれる。 本発明は添付図面に示される内燃エンジンの運転方法の典型的な実施例の説明 からより明瞭に理解することができる。 図面において、 図１は典型的な直接噴射式２ストローク内燃エンジンのためにシリンダ圧力− クランク角度の特性を示すグラフであり、 図２は本発明の方法に従い運転される直接噴射式２ストロークのためシリンダ 圧力−クランク角度の特性を示すグラフである。 本発明による方法はピストン制御排気ポートを有する２ストローク内燃エンジ ンに使用することができ、この典型的な用途について本発明を説明する。 図１を参照すると、直接噴射式２ストローク内燃エンジンにおいて、燃料は上 死点前（ＢＴＤＣ）約３５°で起こる点火に合わせ上死点前約６０°゜でシリン ダ 内に吸入される。図１の実線は点火が起こるシリンダ圧力−クランク角度特性を 示す。また点線が点火しない場合の同じ特性を示す。 図２に典型的な実施例を示すように、燃料は上死点前６０°と８０°との間で シリンダ内に吸入されるのに対し、点火は遅れて上死点前約−３０°、すなわち 上死点後（ＡＴＤＣ）約３０°で起こる。図２の曲線は燃料が上死点前６０°で シリンダ内に吸入され、上死点前−２０°で点火した場合のシリンダ圧力−クラ ンク角度特性を示すものである。 また、燃料比は最大負荷時の燃料比の５０％よりも大きくなるように、好まし くは最大負荷時の燃料比の約８０％まで変えることができる。 本発明による方法はエンジンのシリンダ数によって変化させる。たとえば、３ シリンダエンジンでは１ないし２シリンダについてのみ、上記した方法に従い運 転すべきであるが、点火遅れ／高燃料比条件のもとでの運転のためには燃料比は 一定、点火は一定量の遅れ、典型的な値として上死点後約２０°を保って運転す るのがよい。この運転条件のもとでは他のシリンダは正常な条件で運転する。他 のシリンダがこの条件のもとで運転する間、トルクが一時的に減少するのでこれ を補償するように運転してもよい。また、正常な条件のもとで運転するシリンダ はアイドリング速度を調節してもよい。 ３シリンダエンジンの全シリンダを上記の方法で運転する場合、全シリンダに ついて燃料比を高い燃料比に固定し、全シリンダで点火を遅らせるようにする。 この後シリンダにおける遅れの程度は１活性操作時間と関係する少なくとも１燃 焼サイクル中、同一に保つ。 さらに、１活性操作時間中のシリンダの点火遅れの程度はアイドリング速度の 調節のためには上死点後１５°から上死点後３０°の間で変えるのが望ましい。 しかし、点火遅れの程度は１活性操作時間中、各々のシリンダで相違させるため に二者択一的に調節する。 点火遅れがあるため、また高い燃料比で狭い範囲に固定したために総熱効率（ すなわち、燃料の燃焼で与えられる仕事へのエネルギ変換効率）は低くなる。こ れに対し、排ガスの処理のために触媒処理手段を加熱するのに利用できる熱エネ ルギは高いレベルにある。これに加えて、余分な熱はエンジン冷却剤に回収され るので、冷却剤温度が短時間のうちに上昇し、エンジンから放出されるＨＣ量が 減少する。これによりＨＣ排出を要求レベルに保つために触媒処理手段に依存す る割合を減少させることができる。 好ましくは、燃焼は化学量的な比に近似する総空燃比を保って濃厚条件のもと で生成させる。もし燃焼条件が十分な条件を伴わないと、ＨおよびＣＯのような 酸化温度の低いガスが発生する。これらのガスはガス温度の上昇に応じて触媒材 料との反応が進行しやすいことから、活性温度を維持した中で触媒材料の反応を 助けるようにする。 もし空気のような酸素を含むガスの注入が望ましいとき、エンジン排気装置内 の触媒処理手段の上流で、たとえば空気ポンプを用いて注入する。この排気装置 への酸素の注入により排ガス中の汚染物質が何であれ、触媒による転化が可能に なる。 多くの場合、燃焼室に空気を供給するスロットルないし空気調節手段は燃焼室 への空気量を最大にするために全開ないし全開に近い位置に置くのが望ましい。 このとき、点火時期は点火遅れに合わせる。これにより燃料比をより高くするこ とができる。 しかし、空気調節装置が１シリンダを超えて空気を供給している場合、空気比 は燃焼室の燃焼効率が点火遅れのない状態で逆に影響されないように決める必要 がある。 触媒材料の活性状態を維持すべく触媒処理手段を活性温度に高める点火遅れお よび高燃料比条件を維持する時間はエンジン始動から３０秒程度で十分であるこ とを確認している。幾つかのエンジン始動においては利用可能な熱エネルギのレ ベルはさらに大きく、上記時間を５秒か、それに近い時間短縮することが可能で ある。 また、特に、２ストロークエンジンの場合、燃焼開始から排気ポート開放まで の時間内ですべての燃料を燃焼させるのが難しいことがある。このため、燃焼は 燃焼室から排気装置にかけての燃焼ガス流として継続させることが可能である。 この場合、触媒処理手段の上流に火炎との接触からそれを保護するようにシール ドを設けるのが有効である。 上記したように、必要であれば触媒による排ガスの酸化を促すために排気装置 に空気を追加注入することができる。さらに、点火遅れを大きくしたとき、点火 と排気までの時間が比較的短くなり、高燃料比によってトルクは比較的小さくな る。 したがって、アイドリング時、高燃料比のためエンジンが正常なアイドリング 速度と比べて異状に大きくなることはない。この点から、多シリンダエンジンに おいて１ないし幾つかのシリンダのみ点火遅れを大きく、かつ高燃料比とするの であれば残りのシリンダは上述のようなアイドリング速度にする調節が可能にな る。 各シリンダが順番に点火遅れおよび高燃料比条件のもとで運転されるようにシ リンダを交替させながら運転する。このシリンダの交替は１回の活性時間内で行 う。これに代えて、活性時間を連続させるためにシリンダを別々に使用すること も可能である。これは各シリンダを温度および／または炭素生成条件において同 一にする効果がある。 本発明は触媒が活性温度に達する時間が短縮されることで、別な方法によるも のよりも触媒処理手段を排気口から下流側にかけて距離を大きく設定することが でき、触媒処理手段の耐久性を向上させることが可能になる。 エンジンの停止後、経過時間の短いうちに再始動する場合、触媒処理手段は再 始動で直ちに活性化する高い温度になっており、本発明の方法でさらに触媒処理 手段を加熱するのは好ましくない。 しかし、この状態は、たとえばエンジン温度、冷却水温度あるいは触媒処理手 段付近の排気装置温度のような他のエンジンパラメータを検出することにより、 加熱が必要か否かを決定することができる。したがって、これらの検出信号およ び／または他のエンジンパラメータが影響を受け、たとえば検出されたエンジン および／または排気装置の温度条件が触媒処理手段において迅速な活性化を必要 とする温度を示したときに限り、この特別の点火遅れおよび高燃料比条件を保っ て運転するようにする。 さらに、エンジンが長時間アイドリングのないまま放置され、しかも、大気温 度が特に低い状態にあるとき、排気装置、特に触媒処理手段は活性温度以下のレ ベルの温度になる。この状態もセンサが検出し、エンジン統御装置が触媒処理手 段を許容可能な運転条件に復帰させ、あるいはそれを維持すべく点火遅れおよび 高燃料比条件で運転するようにそのときの検出条件に応じて調節する。 そして、センサで検出される、たとえば排気装置温度のようなエンジンパラメ ータが再び許容値以上になったとき、エンジン統御装置は点火遅れおよび高燃料 比条件での運転を中止し、そのシリンダを正常な点火時期および燃料比に戻す。 １シリンダ以上がこの点火遅れおよび高燃料比条件を保って運転される場合、 正常な運転への復帰は、好ましくは、決められた順序で行う。つまり、一度に１ シリンダのみ正常な運転に復帰させ、そのシリンダが安定するまで待つようにす る。これは、特に、ある高い燃料比から低い燃料比への切り換えで、ハングアッ プ、つまりシリンダに燃料を分配するために用いる手段内で燃料が停滞するよう なとき、特に有用である。 しかしながら、多シリンダが点火遅れおよび高燃料比を保って運転される場合 で運転者からの要求があるとき、各シリンダは同時に正常な運転に戻すことが可 能である。したがって、本発明によるエンジンの運転方法はエンジンのコールド スタート中も、エンジンの回転中に触媒材料の温度が活性温度以下になる場合も 共に始めることができる。 本発明による方法は、特に２ストロークエンジン、好ましくは直接噴射式２ス トロークエンジンに適するものであるが、この種のエンジンに限らず、本発明は 使用することができる。２ストローク３シリンダ１．２リッタ直接噴射式エンジ ンでは正常なアイドリングで１サイクルあたりの予想燃料は３mg／シリンダ／サ イクルである。これに対し、本発明の方法に従い点火遅れおよび高燃料比が与え られたとき、燃料比は１８〜２５mg／シリンダ／サイクルと高く、すなわちこれ は最大エンジン負荷での燃料比の８５％から１１５％になる。 たとえば、出願人の所有する米国特許第４６９３２２４号明細書に開示される 直接噴射式２ストロークエンジにおいては正常な設定値のもとで回転するエンジ ンの燃料比を制御することによってエンジン速度を調節する。このとき本発明に 従い点火遅れおよび高燃料比を保って運転する各シリンダの点火時期も調節する 。 本発明は特にエンジンの触媒処理手段を素早く活性温度に移行させるのに有利 であり、特別に付加される要素は何もない。これはエンジン価格に追加費用を全 く生じない利点がある。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ Ｆ０２Ｄ 41/06 ３２５ 9247−3Ｇ 41/08 ３２５ 9247−3Ｇ Ｆ０２Ｐ 5/15 (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ， ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，Ｇ Ｂ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＵ，ＬＶ ，ＭＧ，ＭＮ，ＭＷ，ＮＬ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ， ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＫ，ＵＡ，ＵＳ，ＵＺ，Ｖ Ｎ (72)発明者 ワトソン，スティーブン ジェイムズ オーストラリア連邦ウェスターンオースト ラリア州、グリーンウッド、リザーブ、ク ロウズ、５エー (72)発明者 ダ シルバ，ジョージ マニュエル、ペレ イラ オーストラリア連邦ウェスターンオースト ラリア州、ウェスト、リーダービル、セイ ント、レナーズ、アベニュ、47

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． エンジンの少なくとも１シリンダの燃焼サイクルに関して上死点後（Ａ ＴＤＣ）にその少なくとも１シリンダ内のガス／燃料混合気の点火を送らせる内 燃エンジンの運転方法。 ２． 前記点火を上記のとおり遅らせると共に、前記少なくとも１シリンダの 燃料比をエンジンが正常に運転しているときに要求されるレベルより高いレベル に増加するようにした請求の範囲第１項に記載の方法。 ３． 前記燃料比が最大負荷での燃料比の５０％より大きくなるようにした請 求の範囲第２項に記載の方法。 ４． 前記燃料比が最大負荷での燃料比の約８０％である請求の範囲第３項に 記載の方法。 ５． 前記燃料比が最大負荷での燃料比の１００％より大きくなるようにした 請求の範囲第２項に記載の方法。 ６． 前記点火をＡＴＤC約３０°まで遅らせるようにした請求の範囲第１項 ないし第５項のいずれか１項に記載の方法。 ７． 前記点火をＡＴＤＣ約２０°に遅らせるようにした請求の範囲第６項に 記載の方法。 ８． 前記点火遅れの程度が多シリンダエンジンの各シリンダの間で異なるよ うにした請求の範囲第１項ないし第７項のいずれか１項に記載の方法。 ９． 前記点火遅れの程度がＡＴＤＣ１５°からＡＴＤＣ３０°の間で異なる ようにした請求の範囲第８項に記載の方法。 １０． 前記燃料をＢＴＤＣ６０°から８０°の間で吸入するようにした請求 の範囲第１項ないし第９項のいずれか１項に記載の方法。 １１． 前記エンジンが排気装置内に触媒材料を保持する触媒処理手段を有す る請求の範囲第１項ないし第１０項のいずれか１項に記載の方法。 １２．前記エンジンの排気ポートと前記触媒処理手段との間にフレームアレス タを挿入した請求の範囲第１１項に記載の方法。 １３．前記触媒処理手段の上流で空気を追加吸入するようにした請求の範囲第 １１項または第１２項に記載の方法。 １４． 前記エンジンをコールドスタート中、前記方法に従い運転するように した請求の範囲第１１項ないし第１３項のいずれか１項に記載の方法。 １５． 前記エンジンを前記触媒材料の温度が必要な運転温度以下であること を検出したとき、あるいは決定したとき、前記の方法に従い運転するようにした 請求の範囲第１１項ないし第１４項のいずれか１項に記載の方法。 １６． 前記エンジンがピストン制御排気ポートを有する請求の範囲第１項、 第１５項のいずれか１項に記載の方法。 １７． 前記エンジンが２ストローク内燃エンジンである請求の範囲第１項な いし第１６項のいずれか１項に記載の方法。 １８． 前記エンジンが多シリンダエンジンであり、前記シリンダの少なくと も１シリンダを上死点後に点火遅れなく運転するようにした請求の範囲第１項な いし第１７項のいずれか１項に記載の方法。 １９． 予め決められた運転条件であることを検出し、あるいは決定した後に 、前記エンジンを正常な条件に復帰させるようにした請求の範囲第１項ないし第 １８項のいずれか１項に記載の方法。