JP2010532445A - 改善された燃料利用 - Google Patents

Abstract

本発明の実施の形態は燃焼エンジンのための燃料供給システムを提供し、それによって、酸化剤及び燃料の温度は、温度が燃料チャージのための自動点火温度に近づくがその温度を達成しないように、増大させることができる。燃料チャージは燃料効率の実質的な改善を得ることができる。
【選択図】図１

Description

関連出願

この出願は２００７年７月２日に出願された米国仮特許出願番号第６０／９４７，６２３号及び２００７年１０月１２日に出願された米国特許出願番号第１１／８７１，７４３号に関連し、その優先権を主張する。

本発明の実施の形態はエンジンに蒸気又は液体燃料を提供する分野に関し、特に、与えられた燃料チャージの効率を増大させるように燃料混合物の種々のパラメータを変えることのできる蒸気及び液体燃料システムに関する。

シリンダ内へのその進入前の燃料の蒸発は、特に実質的に改善された燃料経済性に関して、改善された性能を達成できる。本出願人は現在の特許及び継続中の出願（米国特許第６，６８１，７４９号、同第６，９０７，８６６号、同第６，９６６，３０８号及び同第７，０２８，６７５号各明細書；及び、米国特許出願番号第１１／４６５，７９２号及び同第１１／４２１，６９８号各明細書）の多くにおいて蒸気燃料システムについての利点及び種々の発明を説明してきた。これらの特許及び特許出願のいくつかはエンジン「希薄」（即ち、約１５：１よりも大きな空気対燃料の比）での運転の利点を教示するが、これらはまた、およそ１４．７：１の空気対燃料のような現在の科学量論状態で作動するように設計された従来のシステムにおいて燃料経済性の改善を教示する。

更に最近では、システムにおいて、空気及び燃料の混合物が自然に点火するような地点まで燃料チャージが燃焼室へ入るときに燃料チャージの温度を増大させることに照準を合わせてきた。このような方法では、典型的な等級のガソリンが点火を開始する下限温度はおよそ５００°Ｆである。大半のシステムは、増大した圧縮比によりこの必要な温度を達成している。このようなシステムの例は制御された自動点火（ＣＡＩ）及び均質チャージ燃焼点火（ＨＣＣＩ）を含む。このようなシステムは欠点を有し、加速又は減速の期間のような過渡（遷移）期間を取り扱うのに十分適するものとはいえない。欠点の１つは与えられた燃料チャージの自然点火（例えば５００°−１１００°Ｆ）に必要な温度の幅広い範囲及び多様性から由来することがある。たとえば、このようなシステムは一瞬で全体のチャージを点火させようとする。これ故、その温度は温度範囲の上限に向かって全体的に上昇する。上昇した点火温度と組み合わさったこの広範囲の点火温度は燃料チャージの早期（例えばピストンが上死点に到達する前）の点火を許すことがあり、効率の低下及びエンジン損傷の可能性を招くことがある。逆に、上昇しなかった温度は長期の燃焼期間に導く環境に貢献することがあり、この場合、低い点火温度を有する成分は最初に点火し、次いで、一層高い点火温度を必要とする成分を通して山火事のように伝播する。

さらに、このようなシステムの種々のものはまた有効に機能するために実質的に定常状態を必要とすることがある。たとえば、ＨＣＣＩモードにおいては、燃焼事象をトリガするための発火即ちスパーク装置が存在しない。むしろ、燃焼はシリンダ内の状態、即ち、温度、圧力、空気対燃料の比率（「ＡＦＲ」）、燃料状態及び排気ガス再循環（「ＥＧＲ」）のみに依存する。このような状態は典型的には、自動点火の後に燃焼が生じる場合の制御に従って変わる。例えば急激に増大する負荷の期間中、このような状態の任意の１つが急激に変化した場合、燃焼事象は予測できなくなる。例として、エンジンの回転数（「ＲＰＭｓ」）が増大した場合、シリンダ内の状態を変化させるための燃料チャージについての時間が少な過ぎる。これは、導入される空気の密度に対する燃料の密度の適合の可能性を事実上減少させ、ＡＦＲの不適合を生じさせる。この密度の不適合は早期の点火、エンジン損傷の可能性及び許容できない排出物を招くことがある。

本出願人は、燃料経済性が蒸気及び液体でチャージされるシステムの双方において改善できるように、燃焼を改善する技術を開発してきた。種々の実施の形態において、燃料（液体又は気体）及び空気は独立に加熱することができ、各々の密度は制御することができる。空気と燃料の混合時に、燃焼室への進入前に又は燃焼室内で、１４．７−１の空気対燃料の比を上昇した温度で維持することができる。種々の実施の形態において、与えられた燃料チャージのための自動点火温度に近づくがこれを達成できないような予燃焼温度の上昇は、一層有効な燃焼及び一層良好に遷移（過渡）を取り扱うことのできるシステムを得ることができる。これは、燃料チャージの均質性、増大した火炎速度、増大したシリンダ内温度及び／又は遭遇する多数の火炎フロントを含むいくつかのファクターに帰属することができる。更なる実施の形態においては、燃料経済性は燃料チャージの燃焼の良好な制御を許容する種々の他のパラメータを変えることにより改善することができる。このようなパラメータは、これまた火炎速度を増大させ、燃焼期間を減少させることにより、有効に改善することができる。

図１は本発明の種々の実施の形態に従ったブロック線図を示す。 図２は本発明の種々の実施の形態に従った燃料量の希釈と改善された燃焼に必要なものとの間の関係をグラフ的な図を示す。 図３は種々の燃焼事象の上死点に関する種々の燃焼期間のグラフ的な図を示す。 図４はそれぞれ図３に示す種々の燃焼事象のシリンダ内圧力（「ＩＣＰ」）のグラフ的な図を示す。 図５は本発明の種々の実施の形態に従った燃焼作動を表すフローチャートを示す。 図６は本発明の種々の実施の形態に従った燃焼作動を表すフローチャートを示す。

本発明の実施の形態は添付図面に関連した以下の詳細な説明から容易に理解できよう。本発明の実施の形態は例として示し、添付図面の図に制限されない。
以下の詳細な説明において、その一部を形成し、本発明を実践できる実施の形態を示す添付図面を参照する。他の実施の形態を使用することができ、本発明の要旨から逸脱することなく、構造上又は論理上の変更を行うことができることを理解すべきである。それ故、以下の詳細な説明は限定の意味を持たず、本発明に係る実施の形態の範囲は特許請求の範囲及びその等価事項により画定される。

本発明の実施の形態の理解を補助できるような方法で、種々の作動を多数の別個の作動として説明できる；しかし、説明の順番は、これらの作動が順番に依存することを意味するものと解釈すべきではない。

説明は上下、前後及び頂底のような遠近法基礎の説明を使用することができる。このような説明は記述を容易にするためにだけ使用され、本発明の実施の形態の応用を限定する意図のものではない。

「結合される」及び「接続される」という用語は、その派生語と共に、使用することができる。これらの用語は互いの同意語として意図するものではないことを理解すべきである。むしろ、特定の実施の形態においては、「接続される」は、２又はそれ以上の素子が互いに物理的又は電気的に直接接触することを示すために使用することができる。「結合される」は、２又はそれ以上の素子が物理的又は電気的に直接接触することを意味することができる。しかし、「結合される」はまた、２又はそれ以上の素子が互いに直接接触しないが、互いに共働又は相互作用することを意味することができる。
説明の目的のため、「Ａ／Ｂ」の形をしたフレーズはＡ又はＢを意味する。説明の目的のため、「Ａ及び（又は）Ｂ」の形のフレーズは「（Ａ）、（Ｂ）又は（Ａ及びＢ）」を意味する。説明の目的のため、「Ａ、Ｂ及びＣの少なくとも１つ」の形のフレーズは（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ａ及びＢ）、（Ａ及びＣ）、（Ｂ及びＣ）又は（Ａ、Ｂ及びＣ）を意味する。説明の目的のため、「（Ａ）Ｂ」の形のフレーズは「（Ｂ）又は（ＡＢ）」を意味し、Ａは任意の素子である。

説明は「実施の形態（単数）においては」又は「実施の形態（複数）においては」というフレーズを使用することができ、これらの各々は同じ又は異なる実施の形態の１又はそれ以上を参照することができる。さらに、本発明の実施の形態に関して使用するような「からなる」、「含む」、「有する」等の用語は同義語である。

種々の実施の形態においては、燃料効率は燃料チャージを本質的に一層均質にすることにより改善することができる。すなわち、与えられたチャージの蒸気形成は同様の成分の一層高い密度、及び、これに対応して一層同様の点火温度を有する。燃料蒸気が本質的に一層均質になると、その燃焼期間は一層均一になり、その結果、システムの全体効率を増大させるための最適温度を一層見つけ易く、維持し易くなることが判明した。最適温度への燃料チャージの温度の増大は、たとえば、有効な火炎速度を増大させることができる。燃料チャージの温度及び特定の燃料チャージの点火の開始を助けるスパーク（発火）のタイミングを最適化することにより、燃焼期間は一層効率的即ち一層短くなることができ、ＴＤＣの一層近くで及び一層最適なクランク角度で一層均一な燃焼期間となることができる。種々の実施の形態においては、これらに限定されないが、エタノール基礎の燃料、その誘導体を含む化石燃料及び混成燃料を含む種々の燃料を利用することができる。本発明はこれに限定されない。

種々の実施の形態においては、燃焼シリンダ内で連鎖反応を開始させることにより、ある範囲の点火温度を有する燃料チャージのための効率を改善することができる。たとえば、ある範囲の成分を有する燃料チャージの場合、燃焼は燃料チャージの一部を点火し、火炎フロントを生じさせるスパークを介して開始させることができる。火炎フロント及び燃料チャージの一部の燃焼は燃焼室内部の温度及び圧力を増大させることができ、一層低い点火温度を有する成分を自動点火させる。この自動点火は一層の火炎フロントを生じさせることができ、その結果、シリンダ内の温度及び圧力をさらに増大させる。温度及び圧力の更なる増大は次いで一層高い点火温度を有する成分を点火させることができる。この連鎖反応は、実質上すべてのチャージが共働的に燃焼してしまうまで、続くことができる。種々の実施の形態においては、燃料チャージが一層均質になると、連鎖反応の工程の数は減少することができ、その結果、燃焼期間を減少させることができ、これは次いで、タイミング及び他のパラメータの一層良好な最適化を許容することができる。種々の他の実施の形態においては、このような連鎖反応は、たとえば燃焼シリンダ内へＥＧＲを導入することにより、スパークを使用せずに引き起こすことができる。

燃焼期間は一般に与えられた燃料チャージを燃焼させる時間期間をいう。代わりに、及び、この説明の目的のために、火炎速度は一般に燃料が燃焼する速度をいう。理論的には、最大効率のために、すべての燃料が精確に同じ瞬間に燃焼すべきである。たとえば、全体の燃料チャージが５００°Ｆの自然点火温度を有する場合、燃焼室内でその温度に達したとき、すべての燃料は実質上瞬時に点火し、与えられた燃料チャージにとって可能な最大量のエネルギを伝達する。しかし、燃料が異なる点火温度それ故異なる時間での点火即ち一層長い燃焼期間を必要とする種々の成分を含有するので、これは現実的ではない。たとえば、現在のシステムにおいては、チャージ内の種々の成分は大幅に変わり、これがしばしば数百度だけこのようなチャージの点火温度を変化させることがある。したがって、このような大幅に変化した点火温度を有するチャージを燃焼させるためには、一層の火炎フロントを遭遇させ、長期間にわたってかなりの量のエネルギを消費し、これが燃料効率を減少させる。種々の実施の形態においては、与えられた燃料チャージ内にかなり減少した範囲の点火温度が存在し、それによって火炎フロントを減少させ、一層最適な温度及びタイミングを可能にするように供給ストリームの均質性を改善すると、実質上燃料効率を改善する。

種々の実施の形態においては、蒸気及び／又は液体燃料は、空気又は他の酸化剤と混合される前に、燃料チャージが一層均質になるように、ほぼ同様の成分に分離することができる。このような均質性は、温度が燃焼室内の同様の成分の自動点火に必要な温度以下又はその温度になるような状況で、燃焼期間を改善することができる。種々の実施の形態においては、液体燃料は異なる温度で蒸発できるフラクション即ち留分からなるものとして見ることができる。この蒸発は、たとえば第１の温度（例えば７０°Ｆ）で液体燃料を最初に加熱し、次いで、液体燃料の異なる留分が蒸発するか及び／又は燃料の減少した蒸発が検出されたときに温度を増大させることにより、達成することができる。ここで留分について参照すると、本出願人は、燃焼室へ蒸気の留分をほぼ連続的に供給すると、エネルギ伝達を最大化するように調整可能にトリガできる一層予測可能で均一な燃焼期間を許容することにより、効率が改善されることを学んだ。

本質的ではないが、種々の実施の形態においては、分留は燃料チャージ内での点火温度の変化を減少させることにより燃焼期間を減少させるのを助けることができる。たとえば、種々の標準の点火エンジンは５００°−１１００°Ｆの間で変化できる点火温度を有する燃料チャージを利用することができるが、分留は、点火温度がほぼ５００°Ｆ−７００°Ｆの間で変化できるような第１の留分と、点火温度がほぼ７００°Ｆ−１１００°Ｆの間で変化できるような第２の留分とを生じさせることができる。種々の実施の形態においては、一層均質な帯域は一層狭く又は広くすることができる。それ故、燃料チャージが点火したとき、先に述べた「山火事」効果は減少させることができ、すなわち、燃焼期間は減少する。燃焼期間が減少すると、種々の実施の形態において、スパークのタイミングは短くなった燃焼期間を、ＴＤＣを通過した実質上直後に置くように調整できる。これはまた、システムの熱効率を改善する。その理由は、（幅広い範囲の自然点火温度（例えば５００°Ｆから１１００°Ｆまで）を有するシステムにおいて生じる）異なる点火温度を横切る燃焼に関連する熱損失が減少するからである。

しかし、燃料及び蒸気の加熱は燃料蒸気の密度を変えることがある。それ故、バランスを維持するためには、その密度を変えるように酸化剤も加熱することができる。種々の実施の形態においては、酸化剤の加熱は排出物規格に応じるＡＦＲを維持するように及び／又は現在許容されたＡＦＲを維持するように働くことができる。種々の実施の形態においては、このＡＦＲは密度バランス制御方法により作動中に制御することができ、コントローラにより履行することができる。種々の実施の形態においては、密度バランス制御方法は燃焼事象から上流側でのセンサの使用により酸化剤及び燃料蒸気の双方の変化する密度を制御することができる。このようなセンサは、たとえば、酸素、温度、炭化水素及び／又は蒸気密度を監視することができる。この監視を通して、センサは１４．７対１のＡＦＲを維持するために酸化剤及び燃料蒸気の双方に対して加熱及び／又は混合事象を制御することができる。この比率を維持することにより、効率を達成すると共に一定に変化する燃焼強さを許容するように、燃料チャージの量を変えることができ、すなわち、シリンダの容積に関して希釈することができる。種々の実施の形態においては、センサは、これまた又は代わりに、燃焼事象から下流側で使用することができ、調整は排出物内容に基づいて行うことができる。

種々の他の実施の形態においては、燃料及び酸化剤の双方の温度を増大させると、燃焼エンジンに対する付加的な利益が発生することも分かった。本出願人は、エンジンの燃焼室内へ運ばれている蒸発した燃料が空気と混合されたときに、凝縮が生じることを発見した。たとえば、これは、液体燃料蒸発温度以下の温度を有する空気の結果として生じることができる。所望の空気対燃料の比を達成するように空気を燃料蒸気と混合したとき、空気の一層冷たい温度は蒸発した燃料の温度を減少させてそれを液体に戻し、すなわち、凝縮させる。この凝縮は燃焼特性及び／又は燃料チャージの均質性を変えることがあり、効率及び／又は火炎速度を減少させる。したがって、種々の実施の形態においては、空気、蒸気及び／又は混合物の温度は蒸発に必要な温度以上の地点へ上昇させることができ、そのため、燃料は蒸発状態を維持し、所望の比率に均質的に混合され、実質上凝縮を回避する。このような熱処理即ち一層高い温度の蒸気／空気混合物の発生は改善された性能の達成を助けることができる。

さらに、空気供給、蒸発した燃料及び／又は空気と蒸発した燃料との混合物のこのような加熱はまた燃料／空気混合物の火炎速度をさらに向上させることができ、燃焼期間を短縮することができる。次いで、これは「リーン（薄い）限界」（即ち、過剰な動力損失、誤点火及び／又は許容できない炭化水素排出物無しに、エンジンが満足に作動できるような最大の空気対燃料の比率）を延ばすことができる。リーン限界のこの延長は、これらに限定されないが、（１）燃料経済性を改善すること及び（２）発生するＮＯｘの量を減少させることを含むいくつかの利点を有することができる。この予加熱はまた、燃料の凝縮を阻止することのみならず火炎速度を増大させることを含むエンジン性能を改善する利益のいくつかを達成するのを助けることができる。

種々の実施の形態においては、排気ガス再循環（「ＥＧＲ」）の量は増大させることができ、これは次いで、効率及び燃料経済性を増大させることができる。ＥＧＲは有効に（１０００Ｆ以上となることのある）エンジン排気物の一部をエンジンシリンダに戻るように再循環させる。入来する燃料チャージとＥＧＲとの混合は燃焼室内のチャージの温度を上昇させ、それによって火炎速度を増大させ、燃焼期間を減少させるのを助けるのに役立つ。これはまた、大半が窒素である不活性ガス、二酸化炭素、及び、負荷要求に適合するように希釈されている間に使用される燃料チャージの量を減少させるのみならず、所望の化学量論比（例えば約１４．７対１）で空気対燃料の混合を維持することを許容するようなスチームで、室の容積を満たす。１つの実施の形態においては、ＥＧＲは１５％と３０％との間とすることができる。

別の実施の形態においては、燃料チャージの温度は、燃料と混合される酸化剤の温度及び／又は燃焼室内へ許されるＥＧＲの量の双方を変えることにより、上昇又は低下させることができる。実際、燃料チャージの温度の増大による希釈された密度は一層速い火炎速度を可能にするような粗い調整として作用することができ、一方、ＥＧＲは状態の迅速変化に反応できる一層微細な調整を行う。

別の実施の形態においては、このような温度は、加速が必要な場合に増大した効率を許すことができ、その結果、点火プラグ（又は他の点火源）は点火を開始させるために使用することができる。１つの実施の形態においては、燃料蒸気の温度は燃料チャージを自然点火させるのに必要な温度よりもほんの低い温度へ増大させることができ、次いで、点火プラグはＴＤＣの直前又はＴＤＣでの燃料チャージの点火を開始させることができ、したがって、燃料チャージを実質上自動点火させるために必要な増大した圧力及び温度を生じさせることができる。種々の実施の形態に従えば、ほぼ均質な特性の燃料チャージと組み合わされる燃料チャージの増大した温度は一層速い火炎速度、一層短い燃焼期間、増大した効率及び良好な制御を招くことができる。

種々の他の実施の形態においては、上述の分留は燃料チャージの均質性を有効に改善できるような液体燃料射出システムに適用することができる。１つの例示的な実施の形態においては、液体燃料は他の方法により蒸発又は分離させることができ、燃料が完全に混合されないが、むしろ同様の蒸発、自動点火、凝縮温度及び／又は火炎速度を有するほぼ同様の成分により分離されるように、凝縮することができる。このような留分は次いで燃焼のために燃焼室内へ射出することができる。燃料チャージの均質性は、燃料チャージの温度がスパーク前の全体の燃料チャージのための実質上同様の自動点火温度に近づくがその温度を達成しないように、燃料チャージの温度が増大するのを許容する。その結果、スパークが開始されたときに、増大した燃焼期間はＴＤＣに一層近い一層のエネルギを伝達することができ、改善された効率を許容する。

さらに、標準のオンボードコンピュータシステムがさらに上述の利益を向上させることができることが観察された。たとえば、標準のオンボードコンピュータシステムにおいて、加速期間時にＥＧＲの量は減少し、一方、点火プラグのタイミングは前進する。１つの実施の形態においては、ＥＧＲの減少は、一層多くの燃料がシリンダに付加されることを必要とし、それ故加速を許容する。さらに、向上した点火タイミングは圧縮サイクル内で一層早くスパーク即ち発火を生じさせ、これは要求された点火温度及び自然燃焼を満たす燃料チャージの前とすることができる。それ故、種々の実施の形態においては、減少したＥＧＲ及び向上した点火タイミングは燃料チャージの温度を減少させ、エンジンを標準のスパーク開始点火モードに戻す効果を有することができる。燃料チャージが現在のシステム（例えばＨＣＣＩ）において行われるように自動点火に必要な増大した温度で作動した場合は、これは可能でなくなる。事実、これは燃料チャージの早期の点火を招くことがあり、その結果、エンジンの損傷を招くことがある。さらに、標準の点火モードにおいてさえ、減少しているが周囲温度よりも高い温度を有する燃料混合物は蒸発しておらず及び／又は予め加熱されていない燃料に比べて燃焼期間を減少させる効果を依然として有することがある。

例示的な実施の形態においては、７０°Ｆでの燃料の蒸発は温度の既知の帯域（例えば５００°Ｆ−７８８°Ｆ）内で実質上自然に点火できる一層均質な蒸気を発生させることを知ることができる。その結果、種々の実施の形態に係る蒸気燃料システムは、ガスの第１の留分を蒸発させることができ、混合が１４．７−１の比率内にあり４５０°Ｆの温度に近づくように蒸気及び／又は酸化剤を加熱するために作動条件を調整することができ、その温度は自然点火に近づくがそれを達成しない。したがって、種々の実施の形態においては、燃焼室を有する内燃エンジンは次いで燃焼室内へ均質な燃料チャージ（例えば分留された燃料蒸気）を導入することができる。その後、燃料チャージの点火を開始させるために点火プラグからのスパークを使用することができる。このような例においては、全体の燃料チャージが消費されるような速度は実質上増大され、それによって、エンジンの全体効率を増大させる。燃焼期間が連続的に減少すると、エネルギ伝達を最大化するために燃焼をＴＤＣの一層近くに位置させるように、タイミングを変更することができる。

種々の実施の形態においては、熱効率が増大すると、燃焼による圧力は増大し、一方、燃焼事象の期間は減少する。燃焼期間が減少すると、点火タイミングは点火をＴＤＣの方へ一層近づくように移動させるために調整することができ、最速の火炎速度及び最短の燃焼期間が（例えば自動点火において又はその近傍において）達成されたとき、ＴＤＣで又はその近傍で点火を生じさせることができる。種々の実施の形態においては、センサ（単数又は複数）及び論理回路は増大した圧力を認識することができ、上述のタイミング変化に加えて、ＥＧＲの量を増大させることができ、そのため、燃焼圧力は通常の燃焼により発生する動力に適合できる。付加的なＥＧＲはフィラーとして作用し、シリンダ内の燃料及び空気の量を実質上希釈して消費燃料の量を減少させ、それによって、標準の方法により消費される動力に適合させながら、効率を改善する。ＴＤＣに一層近い地点への点火タイミングの移動、チャージを加熱することによる燃料及び空気の量の希釈（これは密度を変化させる）及びＥＧＲの付加は、動力要求に適合させ、エンジンを保護し、燃料経済性を改善するための重要な要素である。

本発明の実施の形態に係るシステムの素子のブロック線図を提供する図１を参照する。燃焼室１１０はミキサー１０８に結合することができ、ミキサーは空気吸入部１０４及び空気ヒータ１０６からの加熱された空気を燃料タンク１００及び蒸発室１０２からの蒸発及び／又は分留された燃料と組み合わせる。さらに、種々の実施の形態においては、排気システム１１２は燃焼室１１０及び／又はミキサー１０８に結合することができる。排気システム１１２は排気の再循環即ち排気ガス再循環（「ＥＧＲ」）を許容する。種々の実施の形態においては、排気システム１１２は直接的又は間接的に他の素子に結合することができる。本発明はこれに限定されない。

種々の実施の形態においては、燃料蒸気と混合される空気（又は他の酸化剤）は専用の熱源（例えば空気流内に位置する加熱コイル）により又はエンジン若しくは他の車両素子からの受動的な加熱を介して加熱することができる。さらに、空気は空気吸入部１０４の前に（例えばエンジンにより）加熱することができる。１つの実施の形態においては、熱源１０６は空気流の温度を制御することができ、排出物の内容及び／又は分留された燃料蒸気の蒸発温度に基づいて必要と思われるような空気供給の温度を上昇させることができる。種々の実施の形態においては、空気流入は、たとえば約６０°Ｆないし８０°Ｆの範囲の温度から約１００°Ｆないし１２０°Ｆ又はそれ以上の温度に制御可能に上昇される。これまた、空気供給の温度は排出物の内容及び／又は燃料の今の留分の蒸発及び混合に必要な温度に応じて変わることができ、それに基づいて制御することができる。種々の実施の形態においては、空気及び／又は酸化剤は所望の酸化剤対空気の比率を維持するために制御可能に加熱することができる。種々の他の実施の形態においては、吸入空気は加熱する必要がない。

種々の実施の形態においては、燃料タンク１００内の液体燃料は蒸発室１０２内で蒸発させることができる。蒸発室１０２は液体燃料を制御可能に加熱するために多数の加熱源（図示せず）を含むことができ、これらの加熱源は、これらに限定されないが、エンジン素子近傍、エンジン流体、電気回路、独立の加熱装置及び／又は吸入部１０４又は空気ヒータ１０６からの加熱された空気を含む。種々の実施の形態においては、蒸発室１０２は燃料蒸気の均質特性を改善するように分留により即ち燃料の増分的な加熱により燃料を蒸発させることができる。より特別には、１つの実施の形態において、燃料は燃料タンク１００から蒸発室１０２へ移送することができる。燃料はタンクの下半分を占めることができ、加熱素子及び温度センサ（図示せず）は蒸発室１０２内の燃料を加熱して燃料の分留を生じさせるための温度設定を増分的に増大させるように設定することができる。先に述べたように、分留された燃料は本質的に一層均質であり、燃焼期間従って効率を改善する。種々の実施の形態においては、センサは発生した蒸気の種々の特性を監視することができ、所望の混合物密度及び／又は均質性範囲を維持するように燃料の更なる蒸発を制御できる。

１つの実施の形態においては、空気ヒータ１０６は混合室１０８への、引き続いて燃焼室１１０への燃料蒸気の運搬を容易にするために蒸発室１０２に結合することができる。しかし、空気と燃料との混合物が運搬されている間、上述のように、混合室１０８及び／又は燃焼室１１０への進入前に、混合物の一部が液体形に凝縮する可能性がある。１つの実施の形態においては、凝縮が発生するのを阻止するため、空気ヒータ１０６は分留された燃料蒸気の温度で又はそれ以上の温度で空気の温度を確立することができる。別の実施の形態においては、加熱された空気によりミキサー１０８へ運ばれる燃料蒸気は、分留された燃料が蒸発した温度以上の温度に再度加熱することができる。これは、燃焼効率を改善するのを助ることができると共に、混合室自体内での凝縮を阻止できる。種々の実施の形態においては、ミキサー１０８は燃料チャージを形成するように加熱された吸入空気及び加熱され分留された燃料を組み合わせることができる。この混合物は所望の酸化剤対燃料の比率を維持するためにコントローラにより制御することができる。

１つの実施の形態においては、燃料蒸気及び／又は燃料チャージが燃焼室１１０を通過してしまった後、点火プラグ（図示せず）は燃料チャージを実質上点火するためにスパーク（発火）を遂行することができる。スパークのタイミングは、燃料チャージの燃焼が最適のクランク角度の後及び／又はその角度で生じることができるように、コントローラにより調整することができる。他の実施の形態においては、スパークの調整は燃料チャージ／燃料蒸気の少なくとも特性に基づくことができる。

燃焼の後、次いで、排気は排気システム１１２へ移送することができる。種々の実施の形態においては、排気システムは排気を処理することができるか、又は、燃焼室１１０又は燃焼させるべき空気蒸気混合物へ戻るように排気ガスを再循環させることができる。１つの実施の形態においては、排気ガス再循環（「ＥＧＲ」）は効率及び燃料経済性を改善するために使用することができる。種々の他の実施の形態においては、循環されるＥＧＲの量はオンボードコンピュータ及び一連の弁（図示せず）により決定し、制御することができる。ＥＧＲの最適な百分率は変化し、燃料チャージの自動点火温度及び種々の負荷状態に必要な燃料の量のような燃料特性により制限される。さらに、他の実施の形態においては、ＥＧＲは、燃料チャージが燃焼室１１０へ入る前に、燃料及び／又は酸化剤の温度を増大させるようにミキサー１０８へ循環させることができる。

種々の実施の形態においては、１又はそれ以上のセンサは燃焼室１１０のための供給ストリーム内に配置することができ、炭化水素含有量、温度、密度、点火温度、空気対燃料の比率等のような燃料チャージの特性を感知するようになっている。センサはオンボードコンピュータに結合することができ、次いで、このコンピュータは特定のチャージの燃焼を改善するように種々のパラメータを調整できる。たとえば、感知された燃料チャージ内の炭化水素の量が不正確な点火を招くようなバランス外である場合、ＥＧＲの量は増減させることができ、タイミングは前進又は後退させることができ、及び／又は、燃料チャージの温度は増減させることができる。別の例においては、チャージの密度又は温度は感知することができ、通常の化学量論的な状態で一層最適な燃焼を達成するために所望に応じて修正できる。

図２はシリンダ内で燃焼させるべき燃料の量の希釈と性能の許容できるレベルを維持するために燃料の一層有効な燃焼の必要性との間の関係を示すグラフである。種々の実施の形態においては、これは燃料チャージの種々の特性に基づいて希釈された燃料チャージの燃焼を調整することにより達成することができる。

種々の実施の形態においては、燃料チャージの希釈はある量の燃料の蒸発及び／又は加熱された酸化剤との燃料の混合から由来することができる。たとえば、ある量の燃料が液体からガスに位相を変えたとき、その密度は減少する。加熱された酸化剤との燃料の混合は燃料の密度をこれまた減少させるか又は付加的に減少させることができる。種々の実施の形態においては、燃料及び／又は酸化剤は、例えば約１４．７対１のような所望の酸化剤対燃料の比率を維持するために希釈することができる。これは、標準の触媒コンバータを使用した場合の既知のＮＯＸ排出物を回避しながら、動力及び燃料経済性の最適化を許容できる。燃料及び／又は酸化剤が減少した密度を有すると、その増大した温度のため、燃焼シリンダを満たすのに必要な燃料及び酸化剤を重量で一層少なくできる結果となる。このようにして、一層少量の燃料を消費させることができ、それによって効率を増大させる。

種々の実施の形態においては、燃料及び／又は酸化剤の増大した温度の別の効果は一層短く一層有効な燃焼期間とすることができる。改善された燃焼期間は、希釈された燃料チャージが最適化されたクランク角度（例えばＴＤＣ通過後の３ないし５度）で希釈された燃料を燃焼させることにより性能の許容できるレベルを提供するのを許容する。このようにして、燃料及び／又は酸化剤の温度の増大は燃料チャージを希釈するのに役立つのみならず、許容できる性能レベルを維持するために燃焼事象の効率を増大させる機構を提供することができる。先に述べたように、種々の他の実施の形態においては、ＥＧＲはまた希釈を行い、燃料チャージの温度を増大させるために使用することができる。

図２に示すように、性能ライン２０４が示される。これは与えられた燃料チャージのための性能の許容できるレベルを表す。ライン２１２において、燃料チャージは先に述べた方法のうちの任意の方法により希釈することができる。ライン２１２において、燃料チャージが希釈されているので、所望の量の性能を生じさせるために燃料チャージの増大した有効燃焼が必要となる。同様に、ライン２０８において、燃料チャージはライン２１２に関して更に希釈されたものとして表される。それ故、ライン２１２に関して同じレベルの性能を維持するためには、温度及び／又は有効燃焼の更なる増大も必要となることがある。その結果、図２は、燃料チャージが更に希釈されたときに、所望のレベルの性能を維持するために希釈された燃料チャージの一層有効な燃焼が必要となる。図示のように、ライン２０８は一層少ない燃料を利用して同じ性能を生じさせる。この関係は図３、４を参照して一層十分に説明する。

図２は燃料希釈と希釈された燃料の有効燃焼の必要性との間の一般的な関係を強調する目的のみのために提供されることを理解すべきである。図２は、当業者なら容易に認識できるように、図示の関係の精確な表現を意図するものではない。図２は理解を容易にするためにのみ提供される。さらに、図は関係の一部のみを示すことができる。

ここで図３、４を参照すると、一連のグラフは同一の量の燃料を完全に燃焼させるのに必要な時間（燃焼期間）に対する増大した火炎速度の効果を示す。図４のグラフ５−８はそれぞれ図３における燃焼事象の対応するシリンダ内圧力（「ＩＣＰ」）を示す。

最初にグラフ１を参照すると、典型的な遅い火炎伝播事象を示す。火炎フロントは点火プラグで開始し、燃料が燃焼されてしまうか又は次のサイクルが開始するまで、続行する。燃焼は最適なクランク角度（例えばＴＤＣ通過後の４５−５０度）を十分越えて続く。燃焼期間が長い、すなわち、ピストンがＴＤＣから離れるように移動するときに燃料がまだ燃焼しているので、ＩＣＰはまた図４のグラフから分かるように比較的低い。

ここでグラフ２を参照すると、一層理想的な燃焼事象を示す。グラフ２はグラフ１におけるものと同じ量の燃料のほぼ自然な点火即ち自動点火を強調する。図示のように、燃焼期間は一層速く、即ち、全体の量の燃料は一層速く消費される。この迅速な燃焼期間はＴＤＣをちょうど過ぎたところに大半の燃焼を置く。これは図４のグラフ６に示すようにＴＤＣでの圧力の増大につながる。グラフ６をグラフ５と比べると、燃焼期間が減少し、タイミングがＴＤＣで最適化されると、同じ量の燃料がクランク角度の一層小さな変化にわたって一層多量の圧力を生じさせ、これに対応して、エンジンの動力が増大することが分かる。

グラフ３、４は種々の実施の形態を参照して上述したスパークアシスト自動点火を示す。これらのグラフにおいて、シリンダ内の状態は、点火プラグがＴＤＣ前に点火した場合に自動点火を支えるのに必要な状態に極めて近い。グラフ３において、結果としての火炎フロントは、残りの燃料が実質上自動点火するような地点へ温度及び圧力を迅速に上昇させる。グラフ４において、燃焼事象は、自動点火、増大した圧力及び温度を支えるのに必要な状態を達成するために、火炎の結果として一層の燃料を燃焼させることを要求する。それ故、グラフ４はグラフ３のようには有効ではない。これは、グラフ７及び８のＩＣＰを比較した場合に明らかとなる。グラフ４の燃焼期間がグラフ３のものよりも若干長いので、図８のＩＣＰはグラフ７のものよりも若干小さくなり、その結果、僅かに小さな効率となる。グラフ８はグラフ７よりも僅かに小さい効率を有するが、グラフ８、７の双方はグラフ５のものよりも一層大きなＩＣＰ、遅い火炎伝播事象を有することが分かる。
グラフ５に関してのグラフ６、７、８のＩＣＰの増大は可能となる効率の増大を示す。より特別には、グラフ６、７、８において、燃料はグラフ５のＩＣＰに適合するように希釈することができる。これは典型的な火炎伝播事象と同じ作業量を達成する一層少ない燃料へ移行する。

これらのグラフは発生の精確な図示を意図するものではないが、むしろ、種々の燃焼期間／火炎速度の効果を一般的に示す。
ここで図５を参照すると、本発明の種々の実施の形態に係る燃焼作動５００のフローチャートを示す。作動はブロック５０２で開始することができ、ブロック５０４へ進み、そこで、燃料チャージの温度が調整される。種々の実施の形態においては、燃料チャージの温度の調整は燃焼室内への燃料チャージの導入前に酸化剤成分及び／又は燃料成分の双方を加熱する工程からなることができる。種々の実施の形態においては、この加熱は排気ガス再循環を酸化剤及び／又は燃料成分と組み合わせることにより達成することができる。

ブロック５０６において、種々の実施の形態に従えば、酸化剤及び／又は燃料の温度及び／又は量に対する調整は所望の酸化剤対燃料の比率を維持するように監視し、制御することができる。所望の比率が達成されない場合、作動は燃料チャージの更なる調整のためにブロック５０４へ戻ることができる。種々の実施の形態においては、燃料成分は加熱前に分留することができ、または、燃料成分は分留され、次いで、液体形態に戻るように凝縮されることができる。このようにして、燃料チャージは液体燃料成分又は蒸気燃料成分を含むことができる。

種々の実施の形態においては、所望の酸化剤対燃料の比率が達成された後、作動はブロック５０８へ続くことができ、そこで、燃料チャージは燃焼室内へ導入される。燃焼室内では、燃焼事象のタイミングは燃料チャージ５１０の特性に少なくとも基づいて燃料チャージを実質上自動点火するように調整することができる。種々の実施の形態においては、燃料チャージの特性は燃料チャージの均質性、燃料チャージの温度、燃料チャージの燃焼期間及び／又は火炎速度を含むことができる。これらの特性は、ピストンが燃焼室内の上死点に到達した後に燃料チャージが実質上自動点火するように、燃焼事象の開始のタイミングを調整することを許容する。

種々の実施の形態においては、燃焼事象のタイミングが効率を最大化するように調整されてしまった後、作動はブロック５１２で燃焼事象を開始させることができる。１つの実施の形態においては、燃焼事象の開始は燃料チャージを実質上自動点火するようにスパークを開始させる工程を有する。次いで、作動はブロック５１４で終了することができる。
ここで図６を参照すると、種々の実施の形態に係る燃焼作動６００のフローチャートを示す。作動はブロック６０２で開始することができ、ブロック６０４へ進み、そこで、燃焼エンジンが作動の第１のモードで作動しているか又は作動の第２のモードで作動しているかに関して決定が行われる。燃焼エンジンが作動の第１のモードで作動している場合、方法はブロック６０６へ続き、そこで、ある量の予加熱された燃料が燃焼室内へ導入される。種々の実施の形態においては、予加熱された燃料の上述の量は酸化剤と混合することができ、約１４．７−１の酸化剤対燃料の比率を有することができる。続いて、ブロック６０８において、ある量の排気ガス再循環が上述の量の予加熱された燃料と組み合わされる。ブロック６１６において、上述の量の燃料を点火することができる。種々の実施の形態においては、この点火はＥＧＲにより提供される温度の増大によることができ、または、他の実施の形態においては、スパークは燃料を点火するためにＥＧＲと組み合わせて使用することができる。排気ガス再循環の組み合わせのタイミングは上述の量の予加熱された燃料の特性に少なくとも基づいて調整することができる。他の実施の形態においては、スパークは、上述のように、上述の量の予加熱された燃料を実質上点火するために上述の量の排気ガス再循環に関連して使用することができる。このようにして、作動の第１のモードは燃料チャージの自然点火を含むことができる。方法は次いで決定ブロック６０４へループバックすることができ、そこで、再度、第１モードの作動が望ましいか又は作動の第２のモードが望ましいかを決定することができる。

作動の第２のモードが望ましい場合、方法はブロック６１０へ続くことができ、そこで、増大した量の予加熱された燃料が燃焼室内へ導入される。種々の実施の形態においては、増大した量の燃料は加速期間中のような増大した負荷に対して必要となることがある。増大した量の燃料が燃焼室内へ導入された後、方法はブロック６１２へ続くことができ、そこで、減少した量の排気ガス再循環が増大した量の予加熱された燃料と組み合わされる。種々の実施の形態においては、増大した量の予加熱された燃料と減少した量の排気ガス再循環との組み合わせは自然点火の発生を実質上減少させることができ、たとえば、減少した量の排気ガス再循環は増大した量の予加熱された燃料を実質上点火できないことがある。次いで、方法はブロック６１４へ続くことができ、そこで、燃料チャージを実質上点火するようにスパークを遂行することができる。種々の実施の形態においては、スパークは圧縮サイクルにおいて一層早く生じるように前進させることができる。１つの実施の形態においては、スパークの前進は標準のオンボードコンピュータシステムにより制御することができる。燃料チャージの点火の後、方法は決定ブロック６０４へループバックすることができる。

それ故、種々の実施の形態においては、内燃エンジンを作動させる方法は、（例えば燃料を分留することにより）ほぼ均質な蒸気又は液体燃料ストリームを生じさせる工程と；空気燃料混合物の温度を増大させるように燃料蒸気を加熱された空気と混合する工程と；空気燃料混合物を燃焼室内へ導入する工程と；図示し説明したエネルギを発生させるように空気燃料混合物を燃焼させる工程と；からなる。実施の形態は混合物の予燃焼温度を与えられたチャージの自動点火温度に又はその近傍に維持することができ、また、火炎速度を増大させると共に全体の燃焼期間を減少させることにより、全体の効率を改善することができる。燃焼のタイミングを制御できるようにする結合は遷移状態に応答するようにシステムの効率及び能力を更に改善する。

好ましい実施の形態の説明の目的で、ある実施の形態をここで図示し、説明したが、当業者なら、本発明の要旨から逸脱することなく、同じ目的を達成するように意図された広範囲の変形及び／又は等価の実施の形態又は履行が図示し説明した実施の形態と交換できることを認識できよう。当業者なら、本発明に係る実施の形態が極めて幅広い種々の方法で履行できることを容易に認識できよう。この出願はここで説明した実施の形態の任意の応用又は変形をカバーすることを意図する。それ故、本発明に係る実施の形態は特許請求の範囲及びその等価事項によってのみ限定されることを、明白に意図するものである。

１００ 燃料
１０２ 蒸発室
１０４ 空気吸入部
１０６ 空気ヒータ
１０８ ミキサー
１１０ 燃焼室
１１２ 排気

Claims (25)

1. 方法において、
   温度が自動点火温度に近づくがその温度を達成しないように、燃料チャージの温度を調整する工程と；
   燃料チャージを燃焼室内へ導入する工程と；
   燃料チャージを実質上自動点火するように燃焼事象を開始させる工程と；
   を有することを特徴とする方法。
2. 燃料チャージが酸化剤成分と燃料成分とを含み、
   燃料チャージの温度を調整する上記工程が、上記燃焼室内への燃料チャージの導入前に、酸化剤成分及び／又は燃料成分を加熱する工程からなることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 所望の酸化剤対燃料の比率を維持するために酸化剤成分及び／又は燃料成分の加熱を制御する工程をさらに有することを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 燃料チャージの温度を調整する上記工程が燃料チャージを希釈するように燃料チャージの温度を増大させる工程からなることを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 燃料チャージが蒸気燃料成分を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 燃焼事象を開始させる上記工程が燃料チャージを実質上自動点火するようにスパークを開始させる工程からなることを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 燃料チャージの特性に少なくとも基づいて所望のクランク角度で燃料チャージを実質上自動点火するように燃焼事象の開始のタイミングを調整する工程をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. 燃料チャージの特性が燃料チャージの均質性、温度、燃焼期間及び／又は火炎速度を含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 方法において、
   作動の第１のモード中に：
   ある量の予加熱された燃料を燃焼室内へ導入する工程と；
   上記量の予加熱された燃料を実質上自動点火するように予加熱された上記量の燃料にある量の排気ガス再循環を組み合わせる工程と；
   作動の第２のモードにおいて：
   増大した量の予加熱された燃料を上記燃焼室内へ導入する工程と；
   上記増大した量の予加熱された燃料を実質上点火できないような減少した量の排気ガス再循環を上記増大した量の予加熱された燃料に組み合わせる工程と；
   上記増大した量の予加熱された燃料を実質上点火するようにスパークを遂行する工程と；
   を有することを特徴とする方法。
10. 作動の上記第１のモードがさらに上記量の予加熱された燃料を実質上点火するように、上記量の予加熱された燃料と上記量の排気ガス再循環との組み合わせに加えて、開始スパークを遂行する工程をさらに有することを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 作動の上記第２のモードが上記燃焼室の圧縮サイクル内で一層早く生じるようにスパークの上記遂行工程を前進させる工程をさらに有することを特徴とする請求項９に記載の方法。
12. 予加熱された燃料が分留されることを特徴とする請求項９に記載の方法。
13. 上記量の予加熱された燃料及び上記増大した量の予加熱された燃料の双方が酸化剤と混合され、酸化剤対燃料の比率がほぼ１４．７対１に維持されることを特徴とする請求項９に記載の方法。
14. システムにおいて、
    燃料を蒸発させるための加熱源を含む蒸発室と；
    空気を供給し、空気を蒸発した燃料と混合するようになった空気導管と；
    ある量の燃焼排気において所望の炭素レベルを維持するように空気及び燃料の混合を制御するためのコントローラと；
    を有することを特徴とするシステム。
15. 上記コントローラがさらに所望の空気対燃料の混合を維持するように空気及び燃料の混合を制御することを特徴とする請求項１４に記載のシステム。
16. 上記加熱源が燃料を分留し及び／又は分留された燃料の温度を増大させるようになっており；
    上記空気導管が空気の温度を増大させるようになった空気ヒータを含み；
    上記コントローラが所望の空気対燃料の比率を維持するように分留された燃料及び／又は吸入空気の温度の増大を制御するようになっている；
    ことを特徴とする請求項１４に記載のシステム。
17. 燃料チャージを形成するために加熱された吸入空気及び加熱され分留された燃料を組み合わせるためのミキサーと；
    燃料チャージを燃焼させるための燃焼室と；
    燃料チャージを実質上点火するようにスパークを遂行するための点火プラグと；
    をさらに有し、
    上記コントローラがさらにスパークの遂行のタイミングを制御する；
    ことを特徴とする請求項１６に記載のシステム。
18. 上記コントローラがさらに燃料チャージの空気対燃料の比率を維持するように加熱された吸入空気及び加熱され分留された燃料の混合を制御することを特徴とする請求項１６に記載のシステム。
19. 分留された燃料及び／又は吸入空気の酸素含有量、温度、点火温度、炭素含有量、空気対燃料の比率及び／又は密度のうちの少なくとも１つを監視するためのセンサをさらに有することを特徴とする請求項１６に記載のシステム。
20. 燃料チャージを燃焼させる方法において、
    準備された燃料チャージを燃焼室内へ導入する工程と；
    上記燃焼室の内部の温度及び圧力を増大させるように準備された燃料チャージの第１の部分を点火するために火炎フロントを開始させる工程と；
    上記燃焼室の内部の温度及び圧力の増大の結果として、準備された燃料チャージの第２の部分の自動点火を開始させる工程と；
    燃料チャージを共働的及び実質的に燃焼させるように準備された燃料チャージの残りの部分の引き続きの火炎フロント及び／又は引き続きの自動点火を開始させる工程と；
    を有することを特徴とする方法。
21. 所望のクランク角度で燃料チャージを共働的及び実質的に燃焼させるように火炎フロントの開始のタイミングを調整する工程をさらに有することを特徴とする請求項２０に記載の方法。
22. 予加熱された燃料チャージが分留されることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
23. 方法において、
    燃焼シリンダ内で燃焼させるべき燃料チャージを希釈する工程と；
    希釈された燃料チャージの特性に少なくとも部分的に基づいて所望の動力出力を発生させるように希釈された燃料チャージの燃焼を調整する工程と；
    を有することを特徴とする方法。
24. 燃料チャージを希釈する上記工程がほぼ１４．７対１の酸化剤対燃料の比率を有する希釈された燃料チャージを発生させるようにある量の燃料及びある量の酸化剤の温度を増大させる工程からなることを特徴とする請求項２３に記載の方法。
25. 希釈された燃料チャージの燃焼を調整する上記工程が所望のクランク角度で希釈された燃料チャージを実質上燃焼させる工程からなることを特徴とする請求項２３に記載の方法。