JP4177961B2 - 内燃機関を動作させる方法と内燃機関 - Google Patents

Description

【０００１】
技術分野
本発明は、請求項１の前段に記載の内燃機関を動作させる方法、及び請求項８の前段に記載の内燃機関に関する。
【０００２】
背景技術
燃費の観点から許容できる幾何的圧縮比を有する従来のターボエンジン、すなわち過給機付きエンジンでは、高い負荷ではノッキングを回避するために点火を比較的遅く設定することが常に必要である。このことは、実効膨張比が減少し、その燃焼ガスからより少ない仕事しか引き出せないことを意味する。また高い回転数では高い排気温度となる。
【０００３】
更に、ターボエンジンが低い回転数でのトルクとレスポンスを改善するために比較的小さいタービンを持っている場合、そのタービンを通るマスフローが減少する結果として排気温度がさらに上昇する。排気温度を低下させる通常の方法は、高い回転数において極端にガソリン比率が高い混合気（空燃比が１１：１のオーダ）でエンジンを動作させることである。
【０００４】
この結果、燃焼中の温度上昇が減少し、排気が冷たくなることをもたらす。しかし、同時に、燃焼しなかった炭化水素と一酸化炭素の放出量の大きな増大がある。排気の中に酸素が欠乏しているので触媒中の変換は不十分である。
【０００５】
さらに別の欠点は、燃費が約３０％増加することである。
【０００６】
しかし、利点は、窒素酸化物の量が化学量論的混合気の場合に比較して減少することである。
【０００７】
化学量論的動作への移行は放出量に関する限り事態を改善するであろうが、反面、起こり得る排気温度の上昇を制限するために点火を早く設定する必要があり、その結果として２５％のオーダの出力の減少が生じるであろう。しかし、点火が早く設定されている結果として、シリンダ中の最大圧力が大きく増大し、これは必然的にノッキングの危険を伴う。さらにこれは必要とする給気圧力の顕著な減少を導く。総合的に言って、これはターボエンジンにとって大きな問題となる。
【０００８】
発明の目的
本発明の目的は、ターボエンジンの特に高い負荷における特性を改善することにある。他の目的は、費用効率の高い解決策を提供することである。
【０００９】
発明の説明
本発明の目的は、一方では請求項１の特徴の動作方法を使用することによって、他方では請求項８に記載の特徴を有する内燃機関の実施例によって達成される。
【００１０】
過給中に、高い負荷で希薄混合気で内燃機関を動作させることを可能にすることによって、高い負荷でターボエンジンの動作中に燃焼されなかった炭化水素と一酸化炭素の従来は普通であった高い放出量を顕著な程度に減少させることが可能になる。更に、低い燃費が達成される。
【００１１】
希薄混合気は、燃料量を維持しながら給気圧力を増大させることによってもたらされる。排気ストローク過程において、効率的にタービン動作を得るためと効率的なシリンダ空化を得るために分割排気期間を使用する技術を使うとき、動作と内燃機関は特に有利なものとなる。
【００１２】
本発明による解決策の他の特徴と利点は、明細書の記載と他の請求項から明らかになる。
【００１３】
本発明を添付の図面に示された例示的実施の形態を参照しながら以下に詳細に説明する。
【００１４】
実施の形態の説明
図１は、本発明に従って作られた、オットー型の多シリンダ内燃機関１を概略的に示す。この場合、内燃機関の各シリンダは二つの排気バルブ２と３を有し、そこを通って排気は各々のシリンダに共通の排気マニフォールド６に導き出される。そのマニフォールドは第１の排気パイプ１１を経由して排気タービン１４に接続されている。その排気タービン１４は内燃機関を過給するためのコンプレッサ１５を駆動する。過給空気は、この場合、詳細に示されていない方法で内燃機関に取り込まれる前にインタークーラ１６で冷される。排気タービン１４の下流に触媒１０と一つまたは多数のサイレンサ（図示せず）が配置されている。
【００１５】
図２に示された内燃機関１は、排気システムが異なって作られている点が図１の内燃機関とは異なる。この場合、各シリンダの第１の排気バルブ２は第１の排気マニフォールド４に、そして各シリンダの第２の排気バルブ３は第２の排気マニフォールド５に接続されている。第１の排気マニフォールド４だけが排気タービン１４に導かれる。他方、第２の排気マニフォールド５は第２の排気パイプ１２を経由して排気タービン１４の下流でかつ触媒１０の前に開口している。排気バルブ２と３は開く時間が異なり、従って各排気パルスの第一の強い部分がその排気タービン１４に導かれ、各排気パルスの残りの弱い部分はその排気タービン１４を迂回して導かれる。このことは、シリンダを良好に空にし、そしてシリンダの給気をよりよくし、このようにしてより効率的なエンジンを提供する。分割排気期間の原理は英国特許ＧＢ ２１８５２８６号から公知である。
【００１６】
本発明によれば、内燃機関は高い負荷において、従来一般的な燃料比率の高い混合気に代えて、希薄混合気が生成されるような方法で動作させられる。コンプレッサ１５によって、空燃比が少なくとも１９：１、適切には２０：１が達成されるように過給が行われる。
【００１７】
正常な給気圧力における化学量論的燃焼に相当するレベルで燃料量を一定に保つことにより、空燃比は給気圧力と同じ比率で増加する。希薄混合気にすると、ノッキング傾向は給気圧力と共に増加することはない。
【００１８】
給気圧力に対するシリンダ内の最大圧力の増加は、給気圧力が増加しながら空燃比が一定に保たれたときに比較して、約１／３に過ぎないことが示されている。
【００１９】
車両の走行状態が変化するとき、すなわち、内燃機関の過渡状態では、化学量論的作動及び正常な給気圧力を使用することが望ましい。これらの場合、低い負荷からの過渡の後、負荷が高いままである場合は、空燃比が急速に化学量論比率１４．６：１から約２０：１になるように、２，３秒後に突然、給気圧力を増加することが望ましい。この圧力段階では、燃料量は一定に保つか又は幾らか減少させる。このことはトルクに影響を与えない。
【００２０】
この圧力増加の目的は、窒素酸化物の含有量が高い範囲である約１５−１８：１の範囲の空燃比における動作を避けることである。
【００２１】
既に述べたように、高い負荷（フル・スロットル）において希薄混合気を使用することは、出力を維持するために給気圧力を増加させることを要求する。このことは、エンジンからの排気放出に関連して負の低い圧力のサイクルを増加させる結果となりうる。これは、出力を維持する可能性に危惧を抱かさせる。
【００２２】
高い負荷における希薄混合気が過剰なサイクル間変化を導く危険も存在する。これらの問題は、図２による分割排気期間の原理を使うことによって少なくなる。
【００２３】
各シリンダの排気バルブが別々に開閉するという事実によって、排気パルスの最初の強い部分が排気タービンを経由して導かれることができ、他方、残りの弱い排気パルスは排気タービンを迂回して導かれることができる。このことは、シリンダをよりよく空にでき、その結果、残留ガスはほとんど完全になくなる。このことは、次の段階におけるノッキングの傾向をかなりの程度で減少させる。そして、その結果、より好ましい点火時間を選択することを可能にする。
【００２４】
希薄混合気を使って動作させることは、１５００ ｋＰａで表示された有効平均圧力／３５００ ｒｐｍ以上の負荷／回転数の範囲において燃料経済性を大きく改善することを可能にする。また、燃焼されていない炭化水素と一酸化炭素の量を、この負荷／回転数の範囲において少なくとも一桁は減らす。分割排気期間の原理と組み合わせると、少なくとも約３０％の燃料節約の可能性は高い負荷において達成される。
【００２５】
上述したように、希薄混合気における空燃比は少なくとも約１９：１にすべきであるが、有利には２０：１である。適切には燃焼システムの安定性に依存するが、もっと薄い混合気とすることも可能である。
【００２６】
このようにしてもたらされる排気中の酸素過剰は触媒と放出量制御に関して異なる要求を課することになるが、排気中の煤煙の量を少なくするという利点をもたらす。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ターボコンプレッサを備える本発明による内燃機関を示す。
【図２】 図１と同様な内燃機関を示すが、分割排気期間に対する一例である。

Claims (3)

1. 内燃機関を過給するためのターボコンプレッサ（１４、１５）を駆動するために排気が使われるオットー型の内燃機関を動作させる方法であって、高い負荷において、前記内燃機関が過給中、希薄混合気を用いて作動され、燃料量が通常の給気圧力における化学量論的条件に相当するレベルに保たれる方法において、希薄混合気に変わるとき、燃料量を維持しながら、空燃比が通常の給気圧力における化学量論的条件から少なくとも１９：１に一段階で増加するように、給気圧力を一段階で増加させることと、及びターボコンプレッサ（１４、１５）の動作が分割排気排出部（４、５）によって行われ、その排出部において排気パルスの最初に分割排気された部分がターボコンプレッサのタービン（１４）に導かれ、一方同じ排気パルスの残りの部分がターボコンプレッサのタービンを迂回して導かれることを特徴とする方法。
2. 前記空燃比が２０：１であることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 内燃機関を過給するために排気駆動ターボコンプレッサ（１４、１５）を備え、過給と希薄混合気で高い内燃機関負荷において作動するように配置されているオットー型の内燃機関において、高い内燃機関負荷において、空燃比が通常の給気圧力における化学量論的条件から少なくとも１９：１に増加するように単一ステップで燃料量を維持しながら、給気圧力を増加するように前記ターボコンプレッサ（１４、１５）が配置されていること、及び各シリンダに、分割排気排出のための少なくとも二つの排気バルブ（２、３）があり、各シリンダの少なくとも一つの排気バルブ（２）が第１の排気マニフォールド（４）に接続され、第２の排気バルブ（３）が第２の排気マニフォールド（５）に接続され、前記第１の排気マニフォールド（４）が前記排気バルブ（２）からの排気パルスを排気駆動タービン（１４）に導くように前記排気駆動タービン（１４）の吸気口に接続され、前記第２の排気マニフォールド（５）が、前記第２の排気バルブ（３）からの排気パルスを前記タービンを迂回して導くために前記タービンの下流に接続されていることを特徴とする内燃機関。

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