JP2006514200A - 遅閉じミラーサイクルで作動する圧縮エンジン - Google Patents

Abstract

少なくとも１つのシリンダー（１１２）とシリンダー（１１２）内において滑動可能なピストン（２１２）とを備える内燃機関（１１０）を操作する方法は、加圧空気と再循環排ガスとの混合物を吸気マニフォルド（１１４）からシリンダー（１１２）内の燃焼室（２０６）の吸気孔（２０８）に供給すること、実質的にピストン（２１２）の圧縮行程の大部分の間、吸気孔（２０８）を開け、加圧空気を燃焼室（２０６）と吸気マニフォルド（１１４）との間に流入させるように、吸気弁（２１８）を選択的に操作すること、及び吸気弁（２１８）が閉鎖した後、燃料を燃焼室（２０６）に噴射するように、燃料供給システム（２０２）を操作可能に制御することを含む。

Description

本発明は、燃焼機関に関し、さらに詳細には、内燃機関と共に用いられる空気及び燃料供給システムに関する。

内燃機関は、対応する燃焼シリンダー内の１つ以上の燃焼室に供給される流体を圧縮するための１つ以上のターボチャージャーを備えることがある。各ターボチャージャーは、典型的には、エンジンの排ガスによって駆動されるタービンと、そのタービンによって駆動される圧縮機を備えている。圧縮機は、圧縮される流体を受け、その圧縮された流体を燃焼室に供給する。圧縮機によって圧縮される流体は、燃焼空気又は混合気の形態にあるとよい。

内燃機関は、エンジンのターボチャージャー圧縮機と直列に配置されるスーパチャージャーも備えることがある。（２００１年８月１４日にベック（Ｂｅｃｋ）らに交付された）（特許文献１）は、エンジンのターボチャージャー圧縮機に流れる空気の圧力を増大させるために、その圧縮機を駆動するタービンを有するスーパチャージャーを開示している。状況によっては、空気充填温度は、吸気弁の早閉じによって、大気温度よりも低下されるとよい。

「ミラーサイクル」と呼ばれる吸気弁の早閉じ又は遅閉じは、高膨張率を維持しながら、シリンダーの有効な圧縮比を低下させ、これによって、圧縮温度を低下させ得る。結果的に、ミラーサイクルエンジンは、熱効率を改良し、排気排出物、例えば、窒素酸化物（ＮＯ_x）を低減させ得る。ＮＯ_x排出物の低減は、望ましい。従来のミラーサイクルエンジンにおいて、吸気弁を閉じるタイミングは、通常、典型的なオットーサイクルエンジンのタイミングからわずかに前後にずらされる。例えば、ミラーサイクルエンジンにおいて、吸気弁は、圧縮行程の開始まで、開状態に維持され得る。

ターボチャージャーは、エンジンの排気からいくらかのエネルギーを利用し得るが、スペーチャージャ−／ターボチャージャーの直列の配置は、ターボチャージャーの排気からエネルギーを利用しない。さらに、スーパチャージャーは、付加的なエネルギー源を必要とする。

本発明は、前述の問題の１つ以上を克服することに関する。

米国特許第６，２７３，０７６号明細書

本発明の１つの例示的態様によれば、少なくとも１つのシリンダーとそのシリンダー内で滑動可能なピストンとを備える内燃機関を操作する方法が提供される。この方法は、加圧空気と再循環排ガスの混合物を吸気マニフォルドからシリンダー内の燃焼室の吸気孔に供給すること、実質的にピストンの圧縮行程の大部分の間、吸気孔を開け、加圧空気を燃焼室と吸気マニフォルドとの間に流入させるように、吸気弁を選択的に操作すること、及び吸気弁が閉鎖した後、燃料を燃焼室に噴射するように、燃料供給システムを操作可能に制御することを備えるとよい。

本発明の他の例示的態様によれば、可変圧縮比内燃機関は、少なくとも１つのシリンダーを画成するエンジンブロックと、エンジンブロックに接続されたヘッドであって、吸気孔と排気孔を備えるヘッドと、各シリンダー内で滑動可能なピストンとを備えているとよい。燃焼シリンダーは、ヘッド、ピストン、及びシリンダーによって、画成されるとよい。このエンジンは、吸気孔を開閉するように制御可能に移動可能な吸気弁と、吸気孔に流体的に接続された少なくとも１つのターボチャージャーを備える給気システムと、排ガスの一部を排気孔から給気システムにもたらすように操作可能な排ガス再循環システムと、燃料を選択されたタイミングで燃焼室に制御可能に噴射するように操作可能な燃料供給システムとを備えているとよい。可変吸気弁閉鎖機構は、吸気弁を可変吸気弁閉鎖機構の選択的な作動によって開状態に保つように構成されるとよい。

本発明のさらに他の例示的態様によれば、可変圧縮比を有する内燃機関を制御する方法が設けられる。エンジンは、シリンダーを画成するブロックと、シリンダー内において滑動可能なピストンと、ブロックに接続されたヘッドと、ピストン、シリンダー、及びヘッドによって画成される燃焼室を有しているとよい。この方法は、空気と排ガスの混合物を加圧すること、空気を吸気マニフォルドに供給すること、吸気行程の一部の間及び圧縮行程の所定の部分を通して、燃焼室と吸気マニフォルドとの間の流体連通を維持すること、及び燃焼行程の一部の間に、加圧燃料を燃焼室に直接供給することを含んでいるとよい。

前述の一般的な記載と以下の詳細な説明は、両方とも、例示にすぎず、本発明を制限するものではないことが理解されるべきである。

この明細書に含まれ、この明細書の一部を構成する添付の図面は、本発明のいくつかの例示的実施形態を示し、詳細な説明と共に、本発明の原理を説明するのに用いられる。

以下、本発明の実施形態について、添付の図面に例示されるそれらの例に基づき、詳細に説明する。可能な限り、図面の全体を通して、同一の参照番号が、同一又は類似の部品を指すのに用いられる。

図１を参照するに、内燃機関１１０、例えば、４ストロークディーゼルエンジン用の例示的給気システム１００が設けられている。内燃機関１１０は、複数の燃焼シリンダー１１２を画成するエンジンブロック１１１を備えている。燃焼シリンダー１１２の数は、具体的な用途に依存する。例えば、４シリンダーエンジンは、４つの燃焼シリンダーを備え、６シリンダーエンジンは、６つの燃焼シリンダーを備える。図１の例示的実施形態において、６つの燃焼シリンダー１１２が示されている。エンジン１１０は、いかなる他の種類の内燃機関、例えば、ガソリンエンジン又は天然ガスエンジンであってもよいことが理解されるべきである。

内燃機関１１０は、吸気マニフォルド１１４と排気マニフォルド１１６も備えている。吸気マニフォルド１１４は、流体、例えば、空気又は混合気を燃焼シリンダー１１２にもたらす。排気マニフォルド１１６は、排気流体、例えば、排ガスを燃焼シリンダー１１２から受ける。吸気マニフォルド１１４と排気マニフォルド１１６は、図面の簡素化のために、単一部品構造として、示されている。しかし、吸気マニフォルド１１４及び／又は排気マニフォルド１１６は、具体的な用途に依存して、多部品マニフォルドとして、構成されてもよいことが理解されるべきである。

給気システム１００は、第１ターボチャージャー１２０を備え、また第２ターボチャージャー１４０を備えていてもよい。第１及び第２ターボチャージャー１２０と１４０は、第２ターボチャージャー１４０が第１加圧段をなし、第１ターボチャージャー１２０が第２加圧段をなすように、互いに直列に配置されているとよい。例えば、第２ターボチャージャー１４０は、低圧ターボチャージャーで、第１ターボチャージャー１２０は、高圧ターボチャージャーであるとよい。第１ターボチャージャー１２０は、タービン１２２と圧縮機１２４とを備えている。タービン１２２は、排気ダクト１２６を介して、排気マニフォルド１１６に流体的に接続されている。タービン１２２は、シャフト１３０によって支持されるタービンホイール１２８を備えているとよく、このシャフト１３０は、ハウジング１３２、例えば、単一部品又は多部品ハウジングによって、回転可能に支持されているとよい。排気マニフォルド１１６からタービン１２２への流体の流路は、タービンホイール１２８と衝突する排気流体の速度を制御するのに適した可変ノズル（図示せず）又は他の可変容量装置を備えているとよい。

圧縮機１２４は、シャフト１３０によって支持される圧縮機ホイール１３４を備えている。従って、タービンホイール１２８によるシャフト１３０の回転によって、圧縮機ホイール１３４の回転が生じ得る。

第１ターボチャージャー１２０は、第２ターボチャージャー１４０から圧縮空気を受けるための圧縮空気ダクト１３８と、圧縮機１２４から圧縮空気を受けて、その圧縮空気をエンジン１１０の吸気マニフォルド１１４に供給するための空気出口ライン１５２とを備えている。第１ターボチャージャー１２０は、タービン１２２から排気流体を受け、その排気流体を第２ターボチャージャー１４０に供給するための排気ダクト１３９も備えていてもよい。

第２ターボチャージャー１４０は、タービン１４２と圧縮機１４４とを備えているとよい。タービン１４２は、排気ダクト１３９に流体的に接続されるとよい。タービン１４２は、シャフト１４８によって支持されるタービンホイール１４６を備えているとよく、このシャフト１４８は、ハウジング１３２によって回転可能に支持されているとよい。圧縮機１４４は、シャフト１４８によって支持される圧縮機ホイール１５０を備えているとよい。従って、タービンホイール１４６によるシャフト１４８の回転によって、圧縮ホイール１５０が回転され得る。

第２ターボチャージャー１４０は、大気と圧縮機１４４との間を流体連通させる吸気ライン１３６を備えているとよい。第２ターボチャージャー１４０は、圧縮空気ダクト１３８を介して、圧縮空気を第１ターボチャージャー１２０に供給するとよい。第２ターボチャージャー１４０は、タービン１４２から排気流体を受け、大気と流体連通させる排気出口１５４を備えているとよい。実施形態において、第１ターボチャージャー１２０と第２ターボチャージャー１４０は、実質的に同様の圧縮比をもたらす大きさであるとよい。例えば、第１ターボチャージャー１２０と第２ターボチャージャー１４０は、両方とも、２対１から３対１の間の圧縮比を有し、その結果、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ようにされるとよい。代替的に、第２ターボチャージャー１４０は３対１の圧縮比を有し、第１ターボチャージャー１２０は１．５対１の圧縮比を有し、その結果、大気圧に対して４．５：１のシステム圧縮比をもたらすようにされてもよい。

給気システム１００は、空気冷却器１５６、例えば、圧縮機１２４と吸気マニフォルド１１４との間の後方冷却器を備えているとよい。空気冷却器１５６は、空気から熱を取り出し、吸気マニフォルドの温度を低下させ、空気密度を増大させるとよい。状況に応じて、給気システム１００は、付加的な空気冷却器１５８、例えば、第２ターボチャージャー１４０の圧縮機１４４と第１ターボチャージャー１２０の圧縮機１２４との間の中間冷却器を備えていてもよい。中間冷却は、ジャケット水、空気対空気などの技術を用いるとよい。代替的に、給気システム１００は、状況に応じて、空気冷却器１５６と吸気マニフォルド１１４との間に付加的な空気冷却器（図示せず）を備えていてもよい。随意的な付加的空気冷却器は、吸気マニフォルドの温度をさらに低下させ得る。ジャケット水予冷器（図示せず）が、空気冷却器１５６を保護するために、用いられてもよい。

図２を参照するに、シリンダーヘッド２１１は、エンジンブロック１１１に接続されるとよい。シリンダーヘッド２１１内の各シリンダー１１２は、燃料供給システム２０２を備えているとよい。燃料供給システム２０２は、シリンダー１１２内の燃焼室２０６に開口している燃料口２０４を備えているとよい。燃料供給システム２０２は、燃料、例えば、ディーゼル燃料を燃焼室２０６内に直接噴射するとよい。

シリンダー１１２は、そのシリンダー内で滑動可能なピストン２１２を備えているとよい。クランクシャフト２１３が、エンジンブロック１１１内に回転可能に配置されるとよい。ピストン２１２の滑動がクランクシャフト２１３の回転をもたらすように、コネクティングロッド２１５がピストン２１２をクランクシャフト２１３に連結するとよい。同様に、クランクシャフトの回転は、ピストン２１２の滑動をもたらす。例えば、シリンダー１１２内のピストン２１２の最上位置は、クランクシャフト２１３の上死点の位置に対応し、シリンダー１１２内のピストン２１２の最下位置は、クランクシャフト２１３の下死点の位置に対応する。

当業者が理解しているように、従来の４ストロークエンジンサイクルにおけるピストン２１２は、燃焼（又は膨張）行程、排気行程、吸気行程、及び圧縮行程中に、最上位置と最下位置との間で往復運動する。一方、クランクシャフト２１３は、燃焼行程中に上死点から下死点に回転し、排気行程中に下死点から上死点に回転し、吸気行程中に上死点から下死点に回転し、及び圧縮行程中に下死点から上死点に回転する。次いで、４行程サイクルが再び始まる。各ピストン行程は、約１８０°のクランクシャフトの回転又はクランク角と関連している。従って、燃焼行程は約０°のクランク角で始まり、排気行程は約１８０°のクランク角で始まり、吸気行程は約３６０°のクランク角で始まり、圧縮行程は約５４０°のクランク角で始まる。

シリンダー１１２は、少なくとも１つの吸気孔２０８と少なくとも１つの排気孔２１０を備えているとよい。これらの孔２０８、２１０は、各々、燃焼室２０６に開口している。吸気孔２０８は、吸気弁アセンブリ２１４によって開閉され、排気孔２１０は、排気弁アセンブリ２１６によって開閉されるとよい。吸気弁アセンブリ２１４は、例えば、第１端２２２にヘッド２２０を有する吸気弁２１８を備えているとよい。ヘッド２２０は、吸気孔２０８を選択的に閉鎖するような大きさで作られ、かつ配置される。吸気弁２１８の第２端２２４は、ロッカーアーム２２６、又は任意の従来の弁作動機構に接続されるとよい。吸気弁２１８は、吸気マニフォルド１１４からの流れが燃焼シリンダー１１２に入ることを許容する第１位置と、吸気マニフォルド１１４から燃焼シリンダー１１２への流れを実質的に遮断する第２位置との間で、移動可能であるとよい。バネ２２８が、吸気弁２１８を第２の位置、すなわち、閉位置に付勢するために、吸気弁２１８の周囲に配置されるとよい。

１つ以上の丸突起部２３６を有するカム２３４を支持するカムシャフト２３２が、カム２３４の構成、丸突起部２３６、及びカムシャフト２３２の回転に基づいて、吸気弁アセンブリ２１４を周期的に作動させ、所望の吸気弁タイミングを果たすように、配置されているとよい。排気弁アセンブリ２１６は、吸気弁アセンブリ２１４と同じように構成されるとよく、カム２３４の丸突起部２３６の１つによって作動されるとよい。実施形態において、吸気突起部２３６は、吸気弁２１８を従来のオットー又はディーゼルサイクルで作動させるように、構成されるとよい。これによって、吸気弁２１８は、吸気行程の下死点前約１０°と圧縮行程の下死点後約１０°との間から第２位置に移動する。代替的に、吸気弁アセンブリ２１４及び／又は排気弁アセンブリ２１６は、油圧的に、空圧的に、電子的に、又は機械技術、油圧技術、空圧技術、及び／又は電子技術の任意の組合せによって、作動されるとよい。

吸気弁アセンブリ２１４は、吸気弁２１８の周期的運動を選択的に中断させ、吸気弁２１８の閉鎖タイミングを延長させるように構成され、かつ配置される可変吸気弁閉鎖機構２３８を備えているとよい。可変吸気弁閉鎖機構２３８は、油圧的、空圧的、電子的、機械的、又はそれらの任意の組合せによって、作動されるとよい。例えば、可変吸気弁閉鎖機構２３８は、バネ２２８の付勢力による吸気弁２１８の閉鎖に対抗するように、例えば、低圧又は高圧の油圧を供給するように、選択的に操作されるとよい。すなわち、吸気弁２１８がカム２３４によって持上げられた後、すなわち、開けられた後、カム２３４がもはや吸気弁２１８を開状態で維持していないとき、油圧によって、吸気弁２１８は、所望時間にわたって開状態に保持され得る。所望の期間は、エンジン１１０の所望の性能に依存して変化し得る。従って、可変吸気弁閉鎖機構２３８によって、エンジン１１０は、従来のオットーサイクル又はディーゼルサイクルで、又は可変遅閉じミラーサイクルで、操作されるようにすることができる。

図４に示されるように、吸気弁２１８は、約３６０°のクランク角で、すなわち、クランクシャフト２１３が吸気行程４０６の上死点又はその近傍にあるとき、開き始めるとよい。吸気弁２１８の閉鎖は、約５４０°のクランク角、すなわち、クランクシャフトが圧縮行程４０７の下死点又はその近傍にあるときから、約６５０°のクランク角、すなわち、圧縮行程５０８の上死点前約７０°まで、選択的に変化され得る。従って、吸気弁２１８は、圧縮行程４０７の大部分、すなわち、圧縮行程４０７の前半と、後半の一部にわたって、開状態で保持され得る。

燃料供給システム２０２は、共通燃料レール２４２と流体連通している燃料噴射器アセンブリ２４０、例えば、機械的に作動され、電子的に制御されるユニット噴射器を備えているとよい。代替的に、燃料噴射器アセンブリ２４０は、いかなる共通レール式の噴射器であってもよく、油圧的に、機械的に、電気的に、圧電的に、又はそれらの任意の組合せによって、起動及び／又は作動され得る。共通燃料レール２４２は、各シリンダー１１２に関連する燃料噴射器アセンブリ２４０に、燃料をもたらす。燃料噴射器アセンブリ２４０は、所望のタイミングに従って、燃料を燃料口２０４を介してシリンダー１１２内に噴射又は噴霧するとよい。

制御装置２４４は、可変吸気弁閉鎖機構２３８及び／又は燃料噴射器アセンブリ２４０に電気的に接続されるとよい。制御装置２４４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、エンジン速度、負荷、圧力、及び／又は温度に基づいて、可変吸気弁閉鎖機構２３８及び／又は燃料噴射器アセンブリ２４０の操作を制御するように構成されるとよい。制御装置２４４の機能は、単一の制御装置又は複数の制御装置によって、果たされ得ることが理解されるべきである。同様に、天然ガスエンジンにおける火花タイミングは、圧縮点火エンジンの燃料噴射器タイミングと同様の機能を果たし得る。

図３を参照するに、各燃料噴射器アセンブリ２４０は、ロッカーシャフト２５２と枢動可能に連結された噴射器ロッカーアーム２５０と関連付けられるとよい。各燃料噴射器アセンブリ２４０は、噴射器本体２５４と、ソレノイド２５６と、プランジャーアセンブリ２５８と、噴射器先端アセンブリ２６０とを備えているとよい。噴射器ロッカーアーム２５０の第１端２６２は、プランジャーアセンブリ２５８に操作可能に連結されているとよい。プランジャーアセンブリ２５８は、矢印２９６の共通方向において、噴射器ロッカーアーム２５０の第１端２６２に向かって、バネ２５９によって付勢されるとよい。

噴射器ロッカーアーム２５０の第２端２６４は、カムシャフト２６６に操作可能に連結されているとよい。さらに具体的には、カムシャフト２６６は、第１***２６８と第２***２７０を有するカム丸突起部２６７を備えているとよい。必要に応じて、カムシャフト２３２、２６６及びそれらの丸突起部２３６、２６７は、単一のカムシャフト（図示せず）に組み合わされてもよい。***２６８、２７０は、カムシャフト２６６の回転中、噴射器ロッカーアーム２５０の第２端２６４と接触するか又は離れるように移動されるとよい。***２６８、２７０は、第１***２６８が燃料の主噴射を行なう前に、第２***２７０が所定のクランク角で燃料のパイロット噴射を行なうように、構成され、かつ配置されるとよい。カム丸突起部２６７は、サイクル当りの燃料の全てを噴射する第１***２６８のみを有していてもよい事が理解されるべきである。

***２６８、２７０の１つが噴射器ロッカーアーム２５０と接触して回転されるとき、噴射器ロッカーアーム２５０の第２端２６４は、矢印２９６の共通方向に付勢される。第２端２６４が矢印２９６の共通方向に付勢されると、ロッカーアーム２５０は、ロッカーシャフト２５２を中心として枢動し、これによって、第１端２６２を矢印２９８の共通方向に付勢させる。***２６８、２７０によって第２端２６４に加えられる力は、バネ２５９によって生じた付勢力よりも大きく、これによって、プランジャーアセンブリ２５８を、同様に、矢印２９８の共通方向において付勢させる。カムシャフト２６６が***２６８、２７０の最大高さを越えて回転されるとき、バネ２５９の付勢力がプランジャーアセンブリ２５８を矢印２９６の共通方向に付勢する。プランジャーアセンブリ２５８が矢印２９６の共通方向に付勢されると、噴射器ロッカーアーム２５０の第１端２６２が同様に矢印２９６の共通方向に付勢され、これによって、噴射器ロッカーアーム２５０をロッカーシャフト２５２を中心として枢動させ、第２端２６４を矢印２９８の共通方向に付勢させる。

噴射器本体２５４は、燃料孔２７２を画成する。ディーゼル燃料のような燃料は、プランジャーアセンブリ２５８が矢印２９６の共通方向に移動されるとき、燃料レール２４２から燃料口２７２内に引込まれるか又は吸引されるとよい。燃料口２７２は、第１燃料通路２７６を介して、燃料弁２７４と流体連通している。燃料弁２７４は、第２燃料通路２８０を介して、プランジャー室２７８と流体連通している。

ソレノイド２５６は、制御装置２４４に電気的に連結され、燃料弁２７４に機械的に連結されているとよい。制御装置２４４からの信号によってソレノイド２５６が作動されることによって、燃料弁２７４を開位置から閉位置に切り換えさせるとよい。燃料弁２７４がその開位置にあるとき、燃料は、燃料口２７２からプランジャー室２７８に、又はその逆に前進し得る。しかし、燃料弁２７４が閉位置にあるとき、燃料口２７２は、プランジャー室２７８から隔離されている。

噴射器先端アセンブリ２６０は、逆止弁アセンブリ２８２を備えているとよい。燃料は、プランジャー室２７８から、入口オリフィス２８４、第３燃料通路２８６、出口オリフィス２８８を介して、エンジン１０のシリンダー１１２内に前進し得る。

従って、***２６８、２７０の１つが噴射器ロッカーアーム１６と接触していないとき、プランジャーアセンブリ２５８は、バネ２５９によって、矢印２９６の共通方向に付勢され、燃料を燃料口２７２に引込ませ、プランジャー室２７８を燃料によって満たすことが理解されるべきである。カムシャフト２６６がさらに回転されると、***２６８、２７０の１つが移動され、ロッカーアーム２５０と接触し、プランジャーアセンブリ２５８を矢印２９８の共通方向に付勢させる。制御装置２４４が噴射信号を生成していない場合、燃料弁２７４は、その開位置に維持され、これによって、プランジャー室２７８内にある燃料は、燃料口２７２を介して、プランジャーアセンブリ２５８によって、排出される。しかし、制御装置２４４が噴射信号を生成している場合、燃料弁２７４は閉位置にあり、これによって、プランジャー室２７８を燃料口２７２から隔離する。プランジャーアセンブリ２５８が、カムシャフト２６６によって、矢印２９８の共通方向に、継続的に付勢されると、燃料アセンブリ２４０内の流体圧力は増大する。所定の圧力値、例えば、約５５００ｐｓｉ（３８ＭＰａ）において、燃料は、シリンダー１１２内に噴射される。燃料は、制御装置２４４が燃料弁２７４をその開位置に戻す信号をソレノイド２５６に伝達するまで、シリンダー１１２内に継続的に噴射される。

図５の例示的なグラフに示されるように、燃料のパイロット噴射は、クランクシャフト２１３が約６７５°のクランク角、すなわち、圧縮行程４０７の上死点前約４５°にあるとき、始まるとよい。燃料の主噴射は、クランクシャフト２１３が約７１０°のクランク角、すなわち、圧縮行程４０７の上死点前約１０°及びパイロット噴射の開始の後約４５°にあるときに、生じるとよい。一般的に、パイロット噴射は、クランクシャフト２１３が圧縮行程４０７の上死点前約４０〜５０°にあるときに、開始され、約１０〜１５°のクランクシャフトの回転にわたって、継続されるとよい。主噴射は、クランクシャフト２１３が圧縮行程４０７の上死点前約１０°から燃焼行程５０８の上死点後約１２°の間にあるとき、開始されるとよい。主噴射は、約２０〜４５°のクランクシャフトの回転にわたって、継続されるとよい。パイロット噴射は、用いられる燃料の所望部分、例えば、約１０％を用いるとよい。

図６は、内燃機関１１０の第２例示的給気システム３００を略図的及び線図的に組合せて示す図である。給気システム３００は、ターボチャージャー３２０、例えば、大気圧に対して少なくとも約４対１の圧縮比を生成することができる高効率ターボチャージャーを備えているとよい。ターボチャージャー３２０は、タービン３２２と圧縮機３２４を備えているとよい。タービン３２２は、排気ダクト３２６を介して、排気マニフォルド１１６に流体的に接続されているとよい。タービン３２２は、シャフト３３０によって支持されるタービンホイール３２８を備えているとよく、このシャフト３３０は、ハウジング３３２、例えば、単一部品又は多部品ハウジングによって、回転可能に支持されているとよい。排気マニフォルド１１６からタービン３２２への流体の流路は、タービンホイール３２８と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）を備えているとよい。

圧縮機３２４は、シャフト３３０によって支持される圧縮機ホイール３３４を備えているとよい。従って、タービンホイール３２８によるシャフト３３０の回転によって、圧縮機ホイール３３４の回転が生じる。ターボチャージャー３２０は、大気と圧縮機３２４との間を流体連通させるための空気入口３３６と、圧縮された空気をエンジン１１０の吸気マニフォルド１１４に供給するための空気出口３５２を備えているとよい。ターボチャージャー３２０は、タービン３２２から排ガスを受け、大気と流体連通させるための排気出口３５４も備えているとよい。

給気システム３００は、圧縮機３２４と吸気マニフォルド１１４との間に、空気冷却器３５６を備えているとよい。状況に応じて、給気システム３００は、空気冷却器３５６と吸気マニフォルド１１４との間に、付加的な空気冷却器（図示せず）を備えていてもよい。

図７は、内燃機関１１０の第３例示的給気システム４００を略図的お呼び線図的に組合せて示す図である。給気システム４００は、ターボチャージャー４２０、例えば、タービン４２２と２つの圧縮機４２４、４４４とを有するターボチャージャー４２０を備えているとよい。タービン４２２は、出口ダクト４２６を介して、排気マニフォルド１１６に流体的に接続されているとよい。タービン４２２は、シャフト４３０によって支持されるタービンホイール４２８を備えているとよく、このシャフト４３０は、ハウジング４３２、例えば、単一部品又は多部品ハウジングによって、回転可能に支持されているとよい。排気マニフォルド１１６からタービン４２２への流体の流路は、タービンホイール４２８に衝突する排気流体の速度を制御し得る可変弁（図示せず）を備えているとよい。

第１圧縮機４２４は、シャフト４３０によって支持される圧縮機ホイール４３４を備え、第２圧縮機４４４は、シャフト４３０によって支持される圧縮機ホイール４５０を備えているとよい。従って、タービンホイール４２８の回転によるシャフト４３０の回転によって、第１及び第２圧縮機ホイール４３４、４５０の回転が生じ得る。第１及び第２圧縮機４２４、４４４は、それぞれ、第１及び第２加圧段をもたらし得る。

ターボチャージャー４２０は、大気と第１圧縮機４２４との間に流体連通をもたらす吸気ライン４３６と、圧縮された空気を第１圧縮機４２４から受け、その圧縮された空気を第２圧縮機４４４に供給するための圧縮空気ダクト４３８を備えているとよい。ターボチャージャー４２０は、圧縮空気を第２圧縮機４４４からエンジン１１０の吸気マニフォルド１１４に供給するための空気出口ライン４５２を備えているとよい。ターボチャージャー４２０は、排気流体をタービン４２２から受け、大気と流体連通させるための排気出口４５４も備えているとよい。

例えば、第１圧縮機４２４と第２圧縮機４４４は、両方とも、２対１から３対１の間の圧縮比を有し、その結果として、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ようにされるとよい。代替的に、第２圧縮機４４４は、３対１の圧縮比を有し、第１圧縮機４２４は、１．５対１の圧縮比を有し、その結果として、大気圧に対して４．５：１のシステム圧縮比をもたらすようにされてもよい。

給気システム４００は、圧縮機４２４と吸気マニフォルド１１４との間に、空気冷却器４５６を備えているとよい。状況に応じて、給気システム４００は、ターボチャージャー４２０の第１圧縮機４２４と第２圧縮機４４４との間に、付加的な空気冷却器４５８を備えていてもよい。代替的に、給気システム４００は、状況に応じて、空気冷却器４５６と吸気マニフォルド１１４との間に、付加的な空気冷却器（図示せず）を備えていてもよい。

図８を参照するに、内燃機関１１０内の排気システム８０２における例示的排ガス再循環（ＥＧＲ）システム８０４が示されている。燃焼機関１１０は、吸気マニフォルド１１４と排気マニフォルド１１６とを備えている。エンジンブロック１１１は、少なくとも１つのシリンダー１１２用のハウジングをもたらす。図８は、６つのシリンダー１１２を示している。しかし、いかなる数のシリンダー１１２、例えば、３、６、８、１０、１２、又は任意の他の数のシリンダー１１２をも用いられ得る。吸気マニフォルド１１４は、各シリンダー１１２に対して、空気、再循環排ガス、又はそれらの組合せの吸気経路をもたらす。排気マニフォルド１１６は、各シリンダー１１２に対して、排ガスの排気経路をもたらす。

図８に示される実施形態において、給気システム１００は、２段ターボチャージャーシステムとして、示されている。給気システム１００は、タービン１２２と圧縮機１２４とを有する第１ターボチャージャー１２０を備えている。給気システム１００は、タービン１４２と圧縮機１４４とを有する第２ターボチャージャー１４０も備えている。この２段ターボチャージャーシステムは、吸気マニフォルド１１４を介してシリンダー１１２に送給される空気と排ガスの圧力を増大させ、吸気弁の延長された開期間中に所望の空燃比を維持するように、作動される。二段ターボチャージャーシステムは、本発明の操作に必須ではないことに留意するべきである。高圧比単一段ターボチャージャー、可変容量ターボチャージャーシステムなど他の形式のターボチャージャーが、代わりに用いられてもよい。

圧縮機１２４と吸気マニフォルド１１４との間に位置するスロットル弁８１４が、シリンダー１１２に送給される空気と再循環排ガスの量を制御するために、用いられるとよい。スロットル弁８１４は、圧縮機１２４と後方冷却器１５６との間に、図示されている。しかし、スロットル弁８１４は、他の位置、例えば、後方冷却器１５６の後に配置されてもよい。スロットル弁８１４の操作について、以下、さらに詳細に説明する。

図８に示されるＥＧＲシステム８０４は、内燃機関における低圧ＥＧＲの典型例である。低圧ループ及び高圧ループＥＧＲシステムの両方を含むＥＧＲシステム８０４の変更例が、同様に、本発明と共に用いられてもよい。他の形式のＥＧＲシステム、例えば、パス、ベンチュリー、ピストンポンプ、ピーククリップ、及び背圧によるＥＧＲシステムが用いられ得る。

酸化触媒８０８は、タービン１４２から排ガスを受け、ＨＣ排出物を還元するように機能する。酸化触媒８０８は、Ｎｏ_x排出物をさらに還元するＤｅ−ＮＯ_x触媒と連結されてもよい。粒状物質（ＰＭ）フィルター８０６が酸化触媒８０８からの排ガスを受ける。酸化触媒８０８とＰＭフィルター８０６は、別個の要素として示されているが、代替的に、これらは１つのパッケージに組み合わされてもよい。

排ガスの一部は、ＰＭフィルター８０６から排気として排出される。しかし、排ガスの一部は、ＥＧＲ冷却器８１０と、ＥＧＲ弁８１２と、第１及び第２ターボチャージャー１２０、１４０とを介して、吸気マニフォルド１１４に経路変更される。ＥＧＲ冷却器８１０は、当技術分野においてよく知られている形式、例えば、ジャケット水又は空気対ガス熱交換形式の冷却器であってもよい。

ＰＭフィルター８０６内の圧力を決定するための手段８１６が示されている。好ましい実施形態において、圧力を決定するための手段８１６は、圧力センサ８１８を備えている。しかし、他の代替的手段８１６が用いられてもよい。例えば、ＰＭフィルター８０６内の排ガスの圧力は、エンジン１１０に関連する１つ以上のパラメータに基づくモデルから評価されてもよい。パラメータとして、制限はされないが、エンジン負荷、エンジン速度、温度、燃料の使用量などが挙げられる。

ＰＭフィルター８０６を通る排ガスの流量を決定する手段８２０が用いられるとよい。好ましくは、排ガスの流量を決定する手段８２０は、流量センサ８２２を備えている。流量センサ８２２は、排ガスの流量の変化に基づいてＰＭフィルター８０６内の圧力を決定するのに、単独で用いられてもよいし、又はさらに正確な圧力決定を行なうために、圧力センサ８１８と関連させて、用いられてもよい。

使用中、内燃機関１１０は、例えば、ディーゼル操作原理を用いる周知の方法で操作される。図１に示される例示的給気システムを参照するに、内燃機関１１０からの排ガスは、排気マニフォルド１１６から入口ダクト１２６内に送られ、タービンホイール１２８と衝突し、このタービンホイール１２８を回転させる。タービンホイール１２８は、シャフト１３０と連結され、このシャフト１３０は、圧縮機ホイール１３４を支持している。従って、圧縮機ホイール１３４の回転速度は、シャフト１３０の回転速度と一致する。

図２に示される例示的燃料供給システム２００とシリンダー１１２は、例示的給気システム１００、３００、４００の各々と共に用いられ得る。圧縮空気は、吸気孔２０８を介して、燃焼室２０６に供給され、排気は、排気孔２１０を介して、燃焼室２０６から排出される。吸気弁アセンブリ２１４と排気弁アセンブリ２１６は、空気流を燃焼室２０６内に導き、及びそこから外に導くように制御可能に操作されるとよい。

従来のオットー又はディーゼルサイクルモードにおいて、吸気弁２１８は、図４に示されるように、吸気行程４０６の上死点の近傍（約３６０°のクランク角）において、圧縮された空気をシリンダー１１２の燃焼室２０６に流入させるように、第２位置から第１位置に周期的に移動する。圧縮行程の下死点の近傍（約５４０°のクランク角）において、吸気弁２１８は、第１位置から第２位置に移動し、付加的な空気が燃焼室２０６に流入するのを妨げる。次いで、燃料は、圧縮行程の上死点の近傍（約７２０°のクランク角）において、燃料噴射アセンブリ２４０から噴射される。

従来のミラーサイクルエンジンにおいて、従来のオットー又はディーゼルサイクルは、吸気行程４０６の下死点前（すなわち、５４０°のクランク角の前）の所定時間又は圧縮行程４０７の下死点後（すなわち、５４０°のクランク角の後）の所定時間のいずれかにおいて、吸気弁２１８を第１位置から第２位置に移動させることによって、修正されている。従来の遅閉じミラーサイクルにおいて、吸気弁２１８は、圧縮行程４０７の前半の第１部分中に、第１位置から第２位置に移動される。

可変吸気弁閉鎖機構２３８は、エンジン１１０が遅閉じミラーサイクルと従来のオットー又はディーゼルサイクルとの両方で操作されることを可能にする。さらに、図５に示されるように、燃焼行程５０８の上死点の後に、十分な量の燃料を噴射することによって、ＮＯ_x排出物を低減させ、排気マニフォルド１１６に排気流体の形態で戻されるエネルギー量を増大させることができる。高効率ターボチャージャー３２０、４２０又は直列ターボチャージャー１２０、１４０を用いることによって、排除されたエネルギーの少なくとも一部を排気から再捕獲することができる。排除されたエネルギーは、吸気マニフォルド１１４に送給される増大された空気圧に変換され、これによって、クランクシャフト２１３に対してピストン２１２を押圧するエネルギーを増大させ、有効な仕事を行なうようにされるとよい。加えて、第１位置から第２位置への吸気弁２１８の遅れ移動によって、燃焼室２０６内の圧縮温度を低減させ得る。低減された圧縮温度は、ＮＯ_x排出物をさらに低減させ得る。

制御装置２４４は、可変吸気弁閉鎖機構２３８を、吸気弁アセンブリ２１４のタイミングを変化させ、１つ以上のエンジン状態、例えば、エンジン速度、エンジン負荷、エンジン温度、昇圧、及び／又はマニフォルド吸気温度に基づいて、所望のエンジン性能を達成するように、操作するとよい。また、可変吸気弁閉鎖機構２３８は、空燃比のさらに正確な制御を可能にする。吸気弁アセンブリ２１４を遅閉じすることによって、制御装置２４４は、ピストン２１２の圧縮行程中に、シリンダー圧力を制御することができる。例えば、吸気弁を遅閉じすることによって、標準的な膨張比と適切な空燃比を維持しながら、シリンダー圧力と妥協することなく、ピストン２１２がなさねばならない圧縮作業を低減させる。

例示的給気システム１００、３００、４００によって得られる高圧空気は、ピストン２１２の吸入行程において、特別の昇圧をもたらす。また、この高圧は、吸気弁アセンブリ２１４が、従来のミラーサイクルエンジンにおけるよりも遅くても、閉鎖されるようにすることができる。本発明において、吸気弁アセンブリ２１４は、ピストン２１２の圧縮行程の後半まで、例えば、上死点（ＢＴＤＣ）の前約８０°〜７０°のように遅くまで、開状態で維持され得る。吸気弁アセンブリ２１４は、開いているが、空気は、燃焼室２０６と吸気マニフォルド１１４との間に流れ得る。従って、シリンダー１１２は、ピストン２１２の圧縮行程中、燃焼室２０６の温度上昇をそれほど受けない。

吸気弁アセンブリ２１４の閉鎖が遅れ得るので、燃料供給システムのタイミングも遅れ得る。例えば、制御装置２４４は、燃料噴射器アセンブリ２４０を、吸気弁アセンブリ２１４が閉鎖した後、燃料を燃焼室２０６に供給するように、制御可能に操作し得る。例えば、燃料噴射器アセンブリ２４０は、吸気弁アセンブリ２１４が閉鎖されるのと同時又はそのいくらか後に、燃料のパイロット噴射を行い、燃焼室２０６の温度が燃焼温度に達するのと同時又はそのいくらか前に、燃料の主噴射を行なうように、制御され得る。その結果、著しい量の排気エネルギーが、給気システム１００、３００、４００による再循環に利用可能になり、これによって、排気エネルギーから付加的な仕事を効率的に引き出し得る。

図１の例示的給気システム１００を参照するに、第２ターボチャージャー１４０は、第１ターボチャージャー１２０の排気流から、さもなければ、廃棄されるエネルギーを抽出し、第１ターボチャージャー１２０の圧縮機ホイール１３４と直列の第２ターボチャージャー１４０の圧縮機ホイール１５０を回転させる。第２ターボチャージャー１４０の追加による排気経路における付加的な狭窄によって、ピストン２１２の背圧を増大させ得る。しかし、第２ターボチャージャー１４０によって達成されるエネルギー回復は、より高い背圧によって消耗される仕事を相殺し得る。例えば、直列のターボチャージャー１２０、１４０によって得られる付加的な圧力は、燃焼サイクルの吸入行程中に、ピストン２１２に作用し得る。さらに、第２ターボチャージャー１４０によってシリンダーに加えられた圧力は、吸気弁の遅閉じを用いることによって、制御及び／又は緩和され得る。従って、ターボチャージャー１２０、１４０は、単により大きい電力効率をもたらすだけではなく、給気システム１００を介して、燃料効率をもたらし得る。

吸気マニフォルド１１４の前の空気冷却器１５６、３５６、４５６は、空気から熱を抽出し、加圧された空気の密度を維持しながら、吸気マニフォルドの温度を低下させ得ることが理解されるべきである。圧縮機間又は空気冷却器１５６、３５６、４５６の後の随意的な付加的空気冷却器は、吸気マニフォルド温度をさらに低下させ、加圧された仕事ポテンシャルを低下させ得る。より低い吸気マニフォルド温度は、ＮＯ_x排出物を低減させ得る。

図８を参照するに、ＰＭフィルター８０６を通過する排ガスの圧力の変化は、粒状物質の蓄積に起因し、従って、ＰＭフィルター８０６を再生、すなわち、粒状物質の蓄積を燃え尽きさせる必要がある。例えば、粒状物質が蓄積されると、ＰＭフィルター８０６内の圧力が増大される。

ＰＭフィルター８０６は、触媒ディーゼル粒状フィルター（ＣＤＰＦ）又は活性ディーゼル粒状フィルター（ＡＤＰＥ）であるとよい。ＣＤＰＦは、煤をかなり低い温度で燃やすことができる。ＡＤＰＦは、ＰＭフィルターの内部エネルギーを、エンジン１１０以外の手段、例えば、電気加熱、バーナ、燃料噴射などによって、上昇させることによって、特徴付けられる。

排気温度及びＰＭフィルター再生を高める１つの方法は、スロットル弁８１４を用いて、吸入空気を絞り、排気温度を上昇させることである。排気温度を上昇させる他の方法として、可変容量ターボチャージャー、スマート・ウエストゲート、可変弁の作動などを含む方法が挙げられる。排気温度及び初期ＰＭフィルターの再生を高めるさらに他の方法として、燃料の後噴射、すなわち、主噴射の後時間に合わせてなされる燃料噴射を用いる方法が挙げられる。

スロットル弁８１４は、ＥＧＲ弁８１２に、それらが一緒に作動されるように、連結されるとよい。代替的に、スロットル弁８１４とＥＧＲ弁８１２は、互いに独立して、作動されてもよい。両方の弁は、一緒に又は独立して、吸気マニフォルド１１４に送給されるＥＧＲの比率を調整するように、操作されるとよい。

ＣＤＰＦは、粒状物質、すなわち、煤に対するＮＯ_xの比率がある範囲内、例えば、約２０対１から約３０対１の範囲内にあるとき、さらに効率的に再生する。多重燃料噴射及び可変弁タイミングの前述の方法と組み合わされたＥＧＲシステムによって、約１０対１のＮＯｘ対煤の比率が得られる、ことが見出されている。従って、排出物の水準を周期的に調整し、ＮＯｘ対煤の比率をさらに望ましい比率に変化させ、次いで、再生を始めるのが望ましい。用いられ得る方法の例として、ＥＧＲ比率を調整し、主燃料噴射のタイミングを調整する方法が挙げられる。

ＥＧＲ入口におけるベンチュリー（図示せず）が、新気吸込口に対して、用いられるとよい。ベンチュリーは、吸入口において新気の圧力を下げ、ＥＧＲが排気から吸気側に流れるのを可能にする。ベンチュリーは、圧縮機１４４に入る前に、新気をほぼ元の速度及び圧力に戻す拡散部を備えているとよい。ベンチュリーと拡散器を用いることによって、エンジン効率を増大させ得る。

本発明の例示的実施形態による内燃機関用空気及び燃料供給システムは、エンジンの排気から付加的な仕事を引き出し得る。また、このシステムは、仕事ポテンシャルを維持し、システムがオペレータの期待を高い信頼性で満足させるのを確実にしながら、燃料効率を達成し、ＮＯｘ排出物を低減させ得る。

当業者にとって、開示された内燃機関用の空気及び燃料供給システムにおいて、本発明の範囲及び精神から逸脱することなく、種々の修正及び変更がなされ得ることが、明らかであろう。ここに開示された本発明の明細書及び実施を考慮すれば、本発明の他の実施形態が当業者によって明らかになるだろう。明細書及び実施例は、単なる例示として見なされることが意図されている。

本発明による内燃機関用の例示的給気システムを略図的及び線図的に組み合わせて示す図である。 本発明による例示的エンジンシリンダを略図的及び線図的に組み合わせて示す図である。 図２の例示的エンジンシリンダの概略的断面図である。 本発明による例示的吸気弁作動をエンジンのクランク角の関数として示すグラフである。 本発明による例示的燃料噴射をエンジンのクランク角の関数として示すグラフである。 本発明による内燃機関用の他の例示的給気システムを略図的及び線図的に組み合わせて示す図である。 本発明による内燃機関用のさらに他の例示的給気システムを略図的及び線図的に組み合わせて示す図である。 本発明による内燃機関の一部として含まれる例示的排ガス再循環システムを略図的及び線図的に組み合わせて示す図である。

Claims (10)

1. 少なくとも１つのシリンダー（１１２）とシリンダー（１１２）内において滑動可能なピストン（２１２）とを備える内燃機関（１１０）を操作する方法において、
   加圧空気と再循環排ガスの混合物を吸気マニフォルド（１１４）からシリンダー（１１２）内の燃焼室（２０６）の吸気孔（２０８）に供給すること、
   実質的にピストン（２１２）の圧縮行程の大部分の間、吸気孔（２０８）を開け、加圧空気と排ガスの混合物を燃焼室（２０６）と吸気マニフォルド（１１４）との間に流入させるように、吸気弁（２１８）を選択的に操作すること、及び
   吸気弁（２１８）が閉鎖した後、燃料を燃焼室（２０６）に噴射するように、燃料供給システム（２０２）を操作可能に制御すること
   を含む方法。
2. 前記選択的に操作することは、吸気弁（２１８）を開状態に保つように、可変吸気弁閉鎖機構（２３８）を操作することを含む、請求項１に記載の方法。
3. 吸気弁（２１８）の選択的な操作は、少なくとも１つのエンジン状態に基づく、請求項１に記載の方法。
4. 前記選択的に操作することは、吸気弁（２１８）がピストン（２１２）の圧縮行程の後半の一部にわたって開状態に維持されるように、吸気弁（２１８）を操作することを含む、請求項１に記載の方法。
5. 圧縮行程の一部の間、燃料の少なくとも一部を噴射することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
6. 燃料の少なくとも一部を噴射することは、主噴射の前に、所定のクランク角でパイロット噴射を行なうことを含む、請求項５に記載の方法。
7. 加圧空気と再循環排ガスの混合物を供給することは、ある量の排ガスを排ガス再循環（ＥＧＲ）システム（８０４）から制御可能にもたらすことを含む、請求項１に記載の方法。
8. 可変圧縮比内燃機関（１１０）において、
   少なくとも１つのシリンダー（１１２）を画成するエンジンブロック（１１１）と、
   前記エンジンブロック（１１１）に接続されたヘッド（２２０）であって、吸気孔（２０８）と排気孔（２１０）とを備えるヘッド（２２０）と、
   各シリンダー（１１２）内において滑動可能なピストン（２１２）と、
   前記ヘッド（２２０）、前記ピストン（２１２）、及び前記シリンダ（１１２）によって画成される燃焼室（２０６）と、
   吸気孔（２０８）を開閉するように制御可能に移動可能な吸気弁（２１８）と、
   吸気孔（２０８）に流体的に接続された少なくとも１つのターボチャージャー（１２０、１４０）を備える給気システム（１００）と、
   排ガスの一部を排気孔（２１０）から給気システム（１００）に制御可能にもたらすように操作可能な排ガス再循環（ＥＧＲ）システム（８０４）と、
   燃料を燃焼室（２０６）内に選択されたタイミングで制御可能に噴射するように操作可能な燃料供給システム（２０２）と、
   可変吸気弁閉鎖機構（２３８）であって、吸気弁（２１８）を可変吸気弁閉鎖機構（２３８）の選択的な操作によって開状態に保つように構成される可変吸気弁閉鎖機構（２３８）と
   を備える可変圧縮比内燃機関。
9. 吸気弁（２１８）が圧縮行程の後半の一部にわたって開状態に維持されるように、吸気弁（２１８）を操作するように構成された制御装置（２４４）をさらに備える、請求項８に記載の内燃機関（１１０）。
10. ＥＧＲシステム（８０４）は、低圧ループＲＧＲシステム（８０４）である、請求項８に記載の内燃機関（１１０）。
    
    

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