JPH06510584A - 低セタン価燃料圧縮点火式内燃機関 - Google Patents
低セタン価燃料圧縮点火式内燃機関Info
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
メタノール燃料ディーゼルサイクル内燃機関技術分野
本発明はメタノール燃料内燃機関(エンジン)に関し、より詳しくは2サイクル
圧縮点火内燃機関に関する。
背景技術
現在、車両用及び他の産業用途に使用されている慣用的な圧縮点火(compr
es−sion−ignition 、 CI)機関は、「第1種又は第2種」
及び「ディーゼル燃料」として知られている高等級の重油を燃料としている。石
油を基礎とする高炭化水素燃料は、該燃料が燃焼室内に導入される前に燃料に曝
される噴射装置及び他の可動部品の潤滑を助ける優れた潤滑特性を有し、且つグ
ロープラグの補助を受け(又は受けないで)、19:1程度までの比較的低い圧
縮比で点火できる。しかしながら、周囲環境への窒素酸化物、微粒子、高反応性
炭化水素、及び他の燃焼副生物の排出低減についての関心が高まるにつれ、この
燃料の排出特性を最高にするための設計的努力が増大している。成る設計的努力
はコスト有効性がある(すなわち、高性能且つ高熱効率である)けれとも、他の
設計的努力はコスト有効性がない(すなわち、微粒子トラップの付加を要する)
。
これらの排出についての関心と共に、石油をベースとする燃料の不足についての
関心及び代替燃料源の必要性についての関心が生じている。考えられている代替
燃料源として、メタノール及びエタノール等の低セタン液体燃料及び天然ガス等
の低セタンガスがある。
メタノールは液体燃料であり、従って既知の液体燃料装置との相容性があるため
、特に魅力的な代替燃料である。また、メタノールは、豊富なエネルギ資源であ
る天然ガスの副生物である。しかしながら、メタノールの特殊な性質のため、エ
ンジン設計及び空気供給及び燃料装置その他の設計に大きな技術的変更を要する
。
本発明の譲受人に諌渡されたToepelの米国特許第4.539.948号に
は、メタノール燃料を使用する2サイクル圧縮点火形内燃機関であって、掃気(
すなわち燃焼直後に燃焼室から排気ガスを排除する行程)を制御して、次の動力
サイクル中でのメタノール燃料の自動点火を支持し且つ促進させるべく、成る量
の熱い残留ガスを燃焼室内に滞留できるようにした2サイクル圧縮点火形内燃機
関が開示されている。
本発明の譲受人に誼渡されたWandelの米国特許第4.502.283号に
は、特定の空気圧力を検出すると、エンジンのブロワ吐出空気を、燃焼室−シリ
ンダライナの空気ボックスのバイパスを通して流すための自動弁構造が開示され
ている。かくして、ブロワの全空気供給能力が燃焼プロセスの補助に完全に利用
されるか、燃焼プロセスから完全に排除される。
Tatenoの米国特許第4.738.110号には、機械的に駆動される過給
機(チャージャ)を備えたディーゼルエンジンが開示されている。このエンジン
は、排気ガス駆動形ターボチャージャ(ターボ過給機)、エンジンの吸気通路内
に配置された機械的に駆動される過給機(機械側動形過給機)、該機械側動形過
給機とエンジンとの間の機械的連結を制御するための制御手段、過給機の下流側
の吸気通路に連結されたバイパス通路、及び該バイパス通路内のバイパス空気流
を制御する手段を存している。また、このエンジンは、連結制御手段を制御する
ための制御手段と、エンジンの始動及び作動を検出するための複数の検出手段か
らの出力信号に応答する弁手段とを有している。
Mezgerの米国特許第4.394.812号には、自動車用の過給機付内燃
機関が開示されている。このエンジンは、排気ガス駆動形過給ブロワ、排気ガス
をタービンの周囲にそらせることにより排気ガスタービンを調節するための排気
ガスバイパス、及びブロワから供給される給気(charging air)を
循環させるための吹出し弁制御給気バイパスを有している。また、このエンジン
は、過大給気圧力に対する保護を与えるべく、少なくとも1つのエンジン作動パ
ラメータに応答して、ブロワにより供給される空気の一部をブロワの周囲に循環
させるための第2給気バイパスを存している。少なくとも1つのエンジンパラメ
ータとしてエンジン回転数及び/又は給気圧力がある。第2バイパスの開閉を制
御するのに、安全スイッチにより制御されるソレノイド弁を使用できる。
従来技術によるこれらの努力にも係わらず、本発明までは、メタノール又は任意
の他の低セタン液体燃料を燃料とする2サイクルCI(圧縮点火)エンジンは使
用されていない。上記従来技術により代表される知識及び当該技術分野における
他の専門知識があるにも係わらず、満足できる耐久性及び性能をもち且つ好結果
が得られる理想的なCIエンジンのためには、解決すべき多くの問題がある。
発明の要約
従って本発明の目的は、あらゆるエンジン負荷状態及びエンジンの全回転数範囲
に亘るエンジンの作動中に、ブロワから燃焼空気ボックスに流入する吸気の量を
自動的に調整する手段を備えた、ターボ過給、給気冷却及びブロワ補助形2スト
ローク爆発点火エンジンを提供することにある。
本発明の他の目的は、調整を行う一部フイードバックパラメータとしてターボチ
ャージャのブースト圧力、スロットル位置及びエンジン回転数を用い、二次フィ
ードバックパラメータとしてエンジン冷却液温度及びバロメータ温度を用いて上
記目的を達成することにある。
本発明の他の目的は、あらゆる作動回転数及び負荷条件で、圧縮された混合気の
自動点火を確実に行うと同時に、ディーゼル燃料エンジンと同等の出力を発生す
るのに要する比較的大きな体積のメタノール燃料の冷却作用を吸収できる充分に
高温の残留排気ガスを、燃焼サイクルから次のサイクルまで、燃焼室内に維持す
る手段として使用できる手段を提供することにある。
本発明の他の目的は、自動的且つ連続的に調整されるバイパスブロワ制御装置と
、23:l程度の非常に高い幾何学的圧縮比とを組み合わせて、あらゆるエンジ
ン回転数及び負荷条件で燃料/空気混合物の圧縮給気の自動点火を確実にし且つ
始動及び暖機(ウオーミングアツプ)に制限される使用率へのグロープラグ点火
増強手段の使用を制限し且つ燃料ペース形点火促進剤の必要性をなくすことにあ
る。
上記目的を達成するため、本発明によれば、給気冷却器(アフタークーラ)及び
給気取入れ口及び排気ガス排出口を備えたシリンダを有する内燃機関と吸気供給
装置との組合せが提供される。吸気供給装置は、入口手段及び出口手段を備えた
、エンジンで駆動される容積式ブロワと、該ブロワと直列に連結された、排気ガ
スで駆動されるターボ圧縮機とを有している。圧縮機はブロワ入口に吐出し且つ
ブロワ出口は給気冷却器及びエンジンの給気取入れ口に吐出する。吸気供給装置
は更に、ブロワ入口とブロワ出口とを連結するバイパス通路と、バイパスを通る
流体の流れを制御するための、バイパス通路内の制御弁手段とを有している。
該制御弁手段は、連続的に検出したエンジン作動パラメータに応答してバイパス
通路の完全開放及び完全閉鎖を行い且つ同じエンジン作動パラメータに応答して
前記通路の流れ面積を調整すへく作動し、これにより、前記制御弁手段の完全開
放位置と完全閉鎖位置との間で流れ面積を無段階に変化させる。制御弁手段は、
エンジンのアイドル時に、バイパス通路を部分開放状態に作動的に維持するよう
に調整され、これにより、制御弁手段は、バイパス流れが、(a)空気流をブロ
ワ出口から入口に循環してブロワに吸収されるエンジン出力を低下すなわち制限
できるようにするか、(b)ブロワ回りの付加的空気流を直接的にターボ圧縮機
からエンジンの空気取入れ口に導いて、ブロワが大きな給気流を与えることを制
限しないようにする。かくして、単一の弁手段で二重機能を得ることができる。
本発明の上記及び他の目的、特徴及び利点は、添付図面に関連して述へる本発明
を実施するための最良の形態についての以下の詳細な説明から当業者には容易に
理解されよう。
図面の簡単な説明
第1a図〜第1d図は、従来技術の一部である慣用的な手法を採用した2サイク
ル圧縮点火エンジンの種々の作動サイクルを示す概略図である。
第2図は、本発明によるメタノール作動に適した2サイクルデイーセルエンジン
を示す横断面図である。
第3図は、本発明によるバイパスブロワの入口ハウジング(「エアホーン」とし
て従来知られている)を示す分解斜視図である。
第4図は、本発明によるバイパスブロワ制御装置に関連するハードウェアを示す
ブロック図である。
第5a図は、本発明に使用する燃料制御構想を示すブロック図である。
第5b図は、本発明に使用するバイパスブロワ制御装置のブロック図である。
第6図は、本発明によるバイパスブロワの制御方法を示すフローチャートである
。
第7図は、本発明による給気比と、掃気効率と、給気効率との間の関係を示すグ
ラフである。
発明を実施するための最良の形態
既知のように、メタノールを燃料とする2サイクル圧縮点火(CI)エンジンは
、メタノールのエネルギを仕事に変換する内燃機関である。このメタノールエン
ジンでは、シリンダ内で空気のみが圧縮される。空気が圧縮された後、計量され
た燃料がシリンダ内に噴射され、且つ圧縮熱により点火が行われる。始動及びエ
ンジンの暖機を助けるのにグロープラグが使用される。
2サイクルの原理
第1a図〜第1d図には、ターボチャージャと給気冷却器とを備えた2サイクル
エンジンの経時連続作動が示されている。エンジンの作動中、圧縮行程及び爆発
行程の一部の間に、吸気及び排気が行われる。
吸入空気(吸気)は、ターボチャージャの圧縮機を通ってブロワ37に導かれる
ときに圧力及び温度が上昇される。ブロワ37は、空気を給気冷却器を通してシ
リンダ16内に押し込み、排気ガスを追い出して燃焼用の新鮮な空気を得るのに
使用される。シリンダライナには1列のポート3oが設けられており、これらの
ポート30は、ピストン17がそのストロークの底部にあるときにピストン17
の上方に位置するように配置されている。これらのポーh30は、ピストン17
の下降ストローク中にピストン17により露出されるやいなや、空気を空気ボッ
クスからシリンダ16内に導入する。
空気は全体として排気弁の方向に流れて、前の行程がらの大部分の燃焼排気ガス
を排除し、これにより、第1a図に最も良く示すように、ピストン17がその上
昇移動中に再びポート30を覆うと、シリンダ16内には新鮮な空気と燃焼排気
ガスとの混合物が残される。ビストンストロークのこの部分は、一般に掃気部分
と呼ばれている。
しかしながら、幾分量の燃焼ガスがシリンダ内に残留し、流入する次の給気を加
熱することに留意することが重要である。これは、最初は不充分であると思われ
るが、メタノール燃料での適正エンジン作動にとって必要なことである。また、
ブロワ37の直ぐ下流側の給気冷却器52の加熱効果又は冷却効果に留意するこ
とも重要である。給気冷却器52を出る給気が低温であれば、エンジンの高負荷
性能及び耐久性が向上する。逆に、低負荷では、メタノール燃料の自動点火にと
って給気冷却器52の加熱効果か重要である。
ピストン17がその上昇ストロークを続けると、第tb図に最も良く示すように
、排気弁が閉して混合物が圧縮され、熱が発生する。ビストンストロークのこの
部分は、一般に圧縮部分と呼ばれている。
ピストン17が「上死点」に到達する僅か前に、燃料噴射装置36により、計量
された燃料をシリンダ16内に噴射するのが好ましい。第1c図に最も良(示す
ように、圧縮中に発生した熱により燃料か点火され、爆発を引き起こし、ピスト
ン17を下方に押圧して動力を発生する。ビストンストロークのこの部分は、一
般に爆発部分と呼ばれている。爆発行程でピストン17が下降移動するとき、シ
リンダ16内に噴射された全ての燃料が燃焼されるまで爆発が続く。
ピストン17がほぼ半ストロークだけ下降すると、排気弁が開かれ、燃焼ガスが
排気マニホルド内に逃散できるようになる。この僅か後に、ピストン17が吸気
ボート30を露出し、第1d図に最も良く示すように、ブロワ37からの新鮮な
空気が再びシリンダ16内に導入される。ビストンストロークのこの部分は、一
般にストロークの排気部分と呼ばれている。
既知のように、上記全燃焼サイクルはクランクシャフトの1回転(すなわち2ス
トローク)毎に各シリンダ内で完了される。従ってこのエンジンは[2ストロー
クサイクル」エンジンである。
本発明
第2図には、全体を参照番号lOで示す多気筒2サイクルデイ一ゼル形式のエン
ジンか示されている。エンジン10は、「■」形に配置された1対のシリンダ列
13.14を備えた鋳造シリンダブロック及びクランクケース12を有している
。各シリンダ列13.14には、長手方向に整合した複数のシリンダ16が設け
られている。各シリンダ16内に1つずつ、複数のピストン17が往復動できる
ように配置されている。これらのピストン17はコネクティングロッド18を介
してクランクシャフト2oに連結されており、該クランクシャフト2oは、シリ
ンダブロック12の下方のクランクケース部分内で、慣用的な方法により回転可
能に支持されている。
シリンダブロック12は更に、上下の冷却液ジャケット21,22を形成してい
る。該冷却液ジャケット21,22は、それぞれ、シリンダ16の上下の部分の
周囲に配置され且つこれらの上下部分の間を冷却液が流れ得るように相互連結さ
れている。下方の冷却液ジャケット22の中央部分はシリンダ列13.140間
に延びており、上壁25により閉鎖され且つ長手方向に延びた中央チャンバ24
を形成している。シリンダブロック12は更に、吸気チャンバすなわち空気ボッ
クス26を形成しており、該空気ボックス26の外側部分は、上下の冷却液ジャ
ケット21.22の間で各シリンダ16の中央部の周囲に延びている。上壁25
の上方には開放した中央ブレナム28が延びており、該中央ブレナム28は、空
気ボックス26の外側部分を、両シリンダ列13.14の間のシリンダブロック
12の頂部の開口29に連結している。シリンダ16の中央部の周囲にはボート
30が設けられており、前述のようにピストン17の運動により制御されて、空
気が空気ボックス26からシリンダ16内に流入できるようにしている。
各シリンダ列13.14には、それぞれの列のシリンダ16の上端部を閉じるた
めのシリンダヘッド32を設けるのが好ましく、該シリンダヘッド32は、複数
の排気弁33、該排気弁33により制御される排気通路34、及び各シリンダ1
6についての燃料噴射装置36を存している。弁及び噴射装置の作動は、エンジ
ンのクランクシャフト20とのタイミング関係をなして作動する弁ギアにより慣
用的に制御される。
好ましい実施例では、グロープラグ6oがエンジンの各シリンダヘッド32に取
り付けられている。このグロープラグ6oは慣用的構造を有し且つ先端部66を
備えており、該先端部66は、関連するピストン17の頭部(該ピストン17の
上死点位置で)に形成されたボウル(特別には図示せず)内で且つ関連する燃料
噴射装置36の先端部69の近くて、エンジンの各シリンダ16内に延入してい
る。グロープラグ60は、電気接点70を介して、必要に応してグロープラグを
付勢し且つグロープラグの作動を制御するための慣用的手段(特別には図示せず
)に接続される。
エンジンの両シリンダヘッド32の間の中央で、シリンダブロック12にはルー
ツ形容積式ブロワ37(バイパスブロワと呼ばれることもある)を取り付けるの
が好ましい。ブロワ37は、そのハウジングの上部に設けられた入口開口38と
、大きな中央部内で作動する複数の葉形インペラ39と、ハウジングの下部に設
けられた出口開口40とを有しており、シリンダブロック12の空気ボックス入
口開口29内には給気冷却器52が配置されている。
引き続き第2図を参照すると、既知の方法でエンジンIOに取り付けられたター
ボチャージャ4Iか示されており、該ターボチャージャ41はダイナミック圧縮
機部分42及びタービン部分44を有、している。圧縮機部分42は、空気源に
連結される空気入口(特別には図示せず)と、エアホーン46を介してブロワ3
7の入口38に連結される空気出口45とを有している。タービン部分44は出
口(特別には図示せず)と、エンジン10のシリンダヘッド32に取り付けられ
且つエンジン10の排気通路34に連結された排気マニホルド50に適当な導管
を介して連結された入口48とを有している。
給気冷却器52は、エンジン10の空気ボックス26の中央ブレナム28内に受
け入れられている。好ましくは、給気冷却器52は、空気ボックス26の開口2
9の縁部の回りに設けられた凹部57内に固定されるフランジ56によりシリン
ダブロック12内に支持される。給気冷却器52は、ブロワ37により供給され
る空気を、垂直通路(特別には図示せず)を通し、熱交換関係をなしてエンジン
lOの冷却液に導き、且つ直接的に空気ボックス26の中央ブレナム28内に導
入する。
上記のことは、米国特許第4.539.948号(その要旨を本願に援用する)
に更に詳細に説明されている。
好ましい実施例では、ルーツブロワ37には、インペラ39を収容する中央部の
両側の回りでブロワハウジング内に配置された複数のバイパス通路58が設けら
れている。かくして、バイパス通路58は、ターボチャージャ41の圧縮機に連
結されたエアホーン46から給気冷却器52に至るインペラ390回りの別の流
路を形成する。
第3図に最も良く示すように、ブレード形制御弁すなわちバイパス弁54が、エ
アホーン46内の各バイパス通路58を通る空気流を制御すべく、各バイパス通
路58の入口に全体的に配置されている。各バイパス弁54は、空気入口ハウジ
ングすなわちエアホーン46により回転可能に支持された共通制御軸62に固定
するのが好ましい。ロッカーアーム64は、バイパス通路58がそれぞれの制御
弁54の揺動により開閉されるように、軸62を回転させるべく機能する。
第4図を参照すれば、バイパスアクチュエータ74が空気圧装置で駆動されるこ
とか理解されよう。好ましくは、アクチュエータ74が可撓性ダイアフラム81
を有し、該ダイアフラム81は半径方向外方がハウジング部材76にシールされ
ていて、アクチュエータ74を全体として2つのチャンバ78.8oに分割して
いる。ダイアフラム81の中央部にはピストン軸82が取り付けられている。
チャンバ80は大気に開放されており、チャンバ78はソレノイド弁86(該ソ
レノイド弁86は、加圧空気源(特別には図示せず)からレギュレータ88及び
空気ホースすなわちライン90.92を介してバイパスアクチュエータ74へと
流れる空気の量を制御する)からの変化する量の加圧空気を受け入れる。
第3図に最も良(示すように、ピストン軸82には、制御弁540ロツカーアー
ム64に枢着されるボール/ソケット端84を設けるのが好ましい。ボール/ソ
ケット端84は更に、ピストン軸82を常時ハウジング部材76の方向に押圧(
従って、バイパス通路58を完全閉鎖する位置にバイパス弁54を押圧)すべく
作用するばね部材(特別には図示せず)を有している。
引き続き第4図に示すように、ソレノイド弁86は、ライン96を介して電子制
御モジュール(electric control module 、 ECM
) 100により制御するのが好ましい。かくして、ソレノイド弁86が付勢さ
れると、空気がアクチュエータ74に流入してチャンバフ8か充満され、可撓性
ダイアフラム81が外方に押圧される。これにより、ピストン軸82がアクチュ
エータ74から外方に移動して、ロッカーアーム64従ってバイパス弁54を回
転させる。アクチュエータ74は、アクチュエータ74(すなわちピストン軸8
2)の実位置を検出し且つフィードバック信号(該信号はライン83を介してE
CMlooに供給される)を発生して正確なフィードバックバイパスブロワ制御
を行うためのポテンショメータ75を存している。
第2図に示すように、ECMlooは、ターボチャージャ41の空気出口45内
に配置されたターボチャージャの圧縮機の出口圧力センサ98からの入力を受け
入れるのが好ましい。もちろん、空気入口の給気装置に対するターボチャージャ
のブーストの測定は、検出され且つECMlooに供給される多数のエンジンパ
ラメータのうちの1つに過ぎない。ECMlooはまた、センサ(特別には図示
せず)からのスロットル位置及びエンジン回転数に関する検出入力を受け入れる
。
好ましい実施例では、ECMlooはデトロイトディーゼル電子制御装置(D−
etroit Diesel Electric Controller 、
DDEC)であり、マイクロプロセッサ、RAMメモリ、EPROMメモリ、及
びアナログ−デジタル(A/D)変換回路を存している。既知のように、マイク
ロプロセッサは計算をし、RAMメモリはデータ等の記憶に有効であり、EPR
OMはエンジン及びバイパスブロワの作動を制御するソフトウェアの記憶に有効
であり、且つA/D変換回路はセンサからのアナログ信号を対応するデジタルデ
ータに変換する。
第5a図には、ECMlooによるエンジンIOへの燃料供給の制御が示されて
いる。スロットル位置及びエンジン回転数に基づき、マイクロプロセッサは、E
PROMに記憶されたトルクテーブルから対応する「要求トルク」を検索し、且
つ同しくEPROMに記憶されたタイミングテーブルから噴射開始タイミングを
検索する。同様に、マイクロプロセッサは、エンジン回転数及びマニホルド圧力
のデータを利用して、これもEPROMに記憶された別のテーブルから対応する
「許容トルクJを検索する。次に、要求トルクと許容トルクとを比較し、これら
のうちの低い方を[所望トルクJとして選択する。
次にマイクロプロセッサは、何らかの制御機能を遂行する必要があるか否かを決
定する。これらの制御機能として、アイドル回転数制御及び高速回転数制御等か
あり、所望トルクを、RAMに記憶された[最終所望トルクJに修正する。
次に、マイクロプロセッサは、EPROMに記憶された変換テーブルから、最終
所望トルクとエンジン回転数との関数として、燃料噴射装置のための適正パルス
幅を決定する。次に、マイクロプロセッサは、補助噴射装置のタイミングテーブ
ルを利用して、個々の噴射装置の立上がり時間に基づく出力補正を行なう(立上
がり時間はECMlooにフィードバックされる)。
第5b図は、バイパスブロワ制御装置のブロック図である。上記のようなエンジ
ンへの燃料供給の制御に加え、ECMlooは、第6図に示すフローチャートに
従ってバイパスブロワの制御をも行う。
ステップ110ては、EPROMに記憶されたテーブルから、所望空気圧力(D
ESKPA)がマイクロプロセッサにより検索される。DESKPAの値は、エ
ンジン回転数と最終所望トルクとの関数であるのが好ましい。次に、ステップ1
12において、圧縮機圧力の誤差(ERRKPA)か次のようにして計算される
。
ERRKPA=DESKPA−ACTKPAここで、ACTKPAはターボチャ
ージャの圧縮機ブーストセンサ98により検出された実マニホルド圧力である。
ステップ114では、バイパス弁54の所望位置(DESPOS)が、マイクロ
プロセッサにより次のように決定される。
DESPOS = BYPGAN * ERRKPAここで、BYPGANは弁
位置ゲイン(利得)に対する空気圧力を表す。
ステップ116では、次にマイクロプロセッサが、次式に従って弁位置誤差(E
RRPO3)を決定する。
ERRPO3=DBSPOS−BYPPOSここで、BYPPOSは測定したバ
イパス弁位置である。前述のように、バイパス弁位置は位置フィードバックを用
いて決定するのが好ましい。
所望弁位置が計算され且っ実弁位置が決定されたならば、次にマイクロプロセッ
サは、前に詳細に説明したように、次式に従って、ステップ118でソレノイド
弁86のパルス幅調整を調節することにより、所望位置方向へのバイパス弁位置
を制御する。
%PWM N*、 =%PWM 、L、+CLBYPG* [BYP[NT*E
RRPO3+BYPROP* (ERRPO3−ERRPOSI)]ここで、%
PWMNi−は(上限と下限との間の)ソレノイドの調節された使用率(%)を
表し、%Pw111oLDはソレノイドの前の使用率(%)を表し、CLBYP
Gは弁54の位置ループゲインを表し、BYPINTは弁位置の総ゲインを表し
、BYPROPは位置比例ゲインを表し、ERRPOSIは前の位置誤差を表す
。
本発明によれば、上記制御構想を用いることにより、バイパス弁54が通路58
内て無段階の位置を占めることが可能になり、これにより、以下に詳細に説明す
るように、ECMlooは、エンジン作動中に、給気比、掃気効率及び給気効率
を所定限度内に維持することができる。
給気比(SCaVenge ratio)は、2ストロークエンジンの技術分野
で一般的に使用されている用語であり、且つ空気ボックス条件でシリンダを充填
すべく理想空気マスに供給される全新鮮空気マスの比率として定義されている。
所与のエンジン排気量について、給気比は、単位サイクル当たりの全空気流量を
空気ボックス内の空気の密度で割った値に比例する。給気比は、空気流量、エン
ジン回転数、空気ボックスの温度及び圧力等の幾つかのパラメータを、実験室内
で直接得られるデータから容易に計算される1つの用語に結合する。
掃気効率(scavenge efficiency)は、(供給及び給気され
る新鮮空気)/(供給及び給気される新鮮空気士残留ガス)の比率として定義で
きる。換言すれば、重要なことは、新鮮な流入空気が燃焼室から排気ガスを完全
に掃気せず、燃焼室内に成る量の排気ガスが残されるため、これらの排気ガスの
残留熱は、噴射される燃料の気化効果に耐え且つグロープラグ60又は他の点火
促進装置の補助なくしてメタノール燃料の給気を自動点火するのに充分な最終圧
縮温度まで圧縮される全空気混合物を加熱する。
また、給気効率(trapping efficiency)も、一般的に使用
されテいル用語テアリ、且つ(供給され且つ給気される新鮮空気)/(供給され
る新鮮空気)の比率として定義できる。本発明によるそれぞれ、給気比、給気効
率、及びピークトルク及びピーク負荷における掃気効率についての一般的範囲及
び好ましい値が、表■及び表IIに示されている。
第7図を参照すると、好ましい実施例のメタノールエンジンの給気比、掃気効率
及び給気効率が示されている。第7図に示すように、エンジン回転数が増大する
と、給気効率が全体的に増大する一方、掃気効率及び給気比は全体的に減少する
。
上記所定のエンジン作動パラメータは、定常状態のエンジン回転数及び負荷条件
時に開放しなければならないバイパス弁54の度合いについての好ましい開発ス
ケジュールを用いることにより作られる。このスケジュールが下記の表IIIに
示されている。
上記表IIIには、通路内での弁54の閉鎖角度位置の比率(%)が示されてる
。かくして、表中の数値r l OOJは通路内でのほぼ水平な弁位置を表し、
数値「0」は通路内でのほぼ垂直な弁位置を表し、数値「5o」は通路内でのほ
ぼ45°の弁位置を表す。弁位置は、下記の一般式に従って、ECMlooによ
り、性能、耐久性及び過渡排出サイクルについて連続的にモニタリング、調節及
び最適化される。
弁位置(VALVE 、。5)=(表IVの値−ブースト圧力)*ゲイン表1■
は、上記VALVE 、。5の式(該式において、ブースト圧力はエンジンの全
回転数範囲に亘る種々の負荷について測定した)から計算した定常実験室条件に
基づく制御パラメータである。「ゲイン」は、ECMlooに記憶された固定値
であるのが好ましい。「ブースト圧力」は、前述のようにして、ターボチャージ
ャの圧縮機出口における空気圧力をセンサ98で測定したものであり、全弁位置
及び時間範囲に亘るエンジン回転数及び負荷の関数である。このようにして、ノ
くイパスキャリブレーションは、あらゆる特定エンジン形態について微調整する
ことができる。好ましいエンジンについて得られた結果の表を下記に示す。
表−土y
バ(バス表Ω結果値
rpm O12,525,037,550,062,575,087,5100
−%Max TQまた、本発明によれば、幾何学的圧縮比は20:l〜25・l
との間に維持される。幾何学的圧縮比とは、ピストンの下死点位置におけるシリ
ンダ内容積を、ピストンの上死点位置におけるシリンダ内容積で割った比率とし
て定義されている。好ましい実施例では、幾何学的圧縮比は23:lである。
流入し及び給気される空気の最も効率の良い残留熱効果を維持すべく、)くイノ
くスブロワが所定パラメータ内に入るように常時モニタリング及び制御すると同
時に高い幾何学的圧縮比を維持する結果、始動時及び暖機運転時のみにグロープ
ラグ点火を用いる極めて効率の良いメタノール燃料の爆発点火エンジンが得られ
る。
1986年8月4〜7日にカリフォルニア州ユニバーサルシティで開催されたW
est Coast International Meetingに関連して
発行されたR、 J、 Hames 1D、 L。
Hart、 G、 V、 Gillham 、 S、 M、 Weisman及
びB、 E、 Pe1tsch等による5AETe−chinical Pap
er 86110の論文「ディーゼルエンジンの最新DDECI[電子制御(D
DECIf Advanced Electronic Diesel Con
trol)Jの一読を推奨する。尚、この論文は、DDECI!電子制御モジュ
ールに関する付加詳細を開示するものとして本願に援用する。また、1983年
IO月31日〜11月31日にカリフォルニア州すンフランシスコて開催された
Fuels and Lubricants Meetingに関連して発行さ
れたR、 R,Toepel、J、 E、 BennethumHl及びR,E
、 Heruth等によるSAE Paper 831744の論文「メタノー
ル燃料の大型バス用エンジン”Detroit Dies−el A11iso
n 6−V92TA”の開発(Development of Detroit
Diesel A11ison 6−u92T
A Methanol Fuel Coach Engine)Jの一読も推奨
する。この論文も本願に援用する。
1990年9月lO日〜13日にウィスコンシン州ミルウォーキで開催されたI
nternational Off−Higtnvay & Power Pl
ant Congress and Expositio獅■■Aし
て発行されたS、 P、 Miller及びC,L、 5avonen等による
SAE Paper 901564の論文[デトロイトディーゼル社のメタノー
ルエンジンの開発状況(DeVelOpmentStatus of the
Detroit Diesel Corporation Methanol
Engine)Jには、本発■
による運転中の実施例の背景、開発、特徴及び用途についての広範囲の討論が開
示されている。本発明の主題について詳細な討論かなされているこれらの論文の
参照を推奨する。尚、これらの論文の開示は本願に援用する。
以上、本発明を実施する最良の形態について詳細に説明したが、当業者には、本
発明を実施するための設計及び実施例の変更が可能であろう。本願に使用した用
語は説明のための用語であって制限的なものではないこと、及び本発明の精神及
び範囲から逸脱することなく種々の変更をなし得ることを理解すべきである。
従って、上記好ましい実施例は、請求の範囲内で変更できる本発明の例示である
。
平成 年 月 日
Claims (26)
- 1.給気冷却器及び給気取入れ口及び排気ガス排出口を備えたシリンダを有する 内燃機関と、吸気供給装置との組合せにおいて、前記吸気供給装置が、入口手段 及び出口手段を備えた、エンジンで駆動される容積式ブロワと、該ブロワと直列 に連結された、排気ガスで駆動されるターボ圧縮機とを有し、これにより、圧縮 機がブロワ入口に吐出し且つブロワ出口が給気冷却器及びエンジンの給気取入れ 口に吐出し、 ブロワ入口とブロワ出口とを連結するバイパス通路と、バイパスを通る流体の流 れを制御するための、バイパス通路内の制御弁手段とを有し、 該制御弁手段が、連続的に検出したエンジン作動パラメータに応答して前記バイ パス通路の完全開放及び完全閉鎖を行い且つ同じエンジン作動パラメータに応答 して前記通路の流れ面積を調整すべく作動し、これにより、前記制御弁手段の完 全開放位置と完全閉鎖位置との間で流れ面積を無段階に変化させ、前記制御弁手 段が、エンジンのアイドル時に、前記バイパス通路を部分開放状態に作動的に維 持するように調整され、これにより、前記制御弁手段は、単一で、バイパス流れ が、(a)空気流をブロワ出口から入口に循環してブロワに吸収されるエンジン 出力を低下すなわち制限できるようにするか、(b)ブロワ回りの付加的空気流 を直接的にターボ圧縮機からエンジンの空気取入れ口に導いて、ブロワが大きな 給気流を与えることを制限しないようにする二重機能を与えることを特徴とする 組合せ。
- 2.前記制御弁手段が、(1)エンジンがアイドル時にあり且つ低負荷及び低回 転数状態において前記通路を部分閉鎖状態に維持し、(2)低回転数及び高負荷 状態において前記通路を完全閉鎖状態に維持し、(3)高回転数及び高負荷状態 において前記通路を完全開放状態に維持するための電子制御手段を備えているこ とを特徴とする請求の範囲第1項に記載の組合せ。
- 3.前記制御弁手段が、(1)エンジンがアイドル時にあり且つ低負荷及び低回 転数状態において前記通路を40〜70%閉鎖状態に維持し、(2)低回転数及 び高負荷状態において前記通路を完全閉鎖状態に維持し、(3)高回転数及び高 負荷状態において前記通路を完全開放状態に維持するための電子制御手段を備え ていることを特徴とする請求の範囲第1項に記載の組合せ。
- 4.前記電子制御手段は、ターボ圧縮機の吐出圧力が許容空気/燃料比を維持す るには不充分であるときに、エンジンが強く加速されると、前記通路を完全閉鎖 状態に維持することを特徴とする請求の範囲第2項又は第3項に記載の組合せ。
- 5.前記ブロワが第2の前記バイパス通路を有し、これにより1対のバイパス通 路を形成し、 前記ブロワが、圧縮機、給気冷却器及びエンジンの空気取入れ口にそれぞれ連結 される入口ゾーン及び出口ゾーンを備えた閉鎖チャンバ内に1対の協働インペラ を回転可能に支持する主ハウジングと、前記入口ゾーンに直接導かれた主空気入 口部分及び1対の出口ポートを備えた空気入口ハウジングとを有し、前記出口ポ ート各々が前記バイパス通路のそれぞれ1つに直接導かれ、各出口ポートに設け られ且つ共通の作動部材に取り付けられた弁を有し、各弁が、前記出口ポートを 完全に閉鎖する位置から完全に開放する位置まで作動されることを特徴とする請 求の範囲第1項に記載の組合せ。
- 6.前記内燃機関が、少なくとも1つのピストンシリンダ及び関連する圧縮チャ ンバを備え且つメタノールを含む低オクタン液体燃料での圧縮点火作動ができる 2サイクル圧縮点火エンジンであり、該エンジンが、約20:1〜25:1の範 囲の、燃焼室内の幾何学的圧縮比を有することを特徴とする請求の範囲第1項に 記載の組合せ。
- 7.前記燃焼室内の幾何学的圧縮比が約23:1であることを特徴とする請求の 範囲第6項に記載の組合せ。
- 8.液体燃料で圧縮点火作動できる2ストロークサイクル圧縮点火エンジンにお いて、 圧縮行程と出力部材に動力を供給する爆発行程とを有する2ストロークサイクル で作動できるピストンを備え且つ各爆発行程の終時に貫流シリンダ掃気が可能な 複数のシリンダと、 該シリンダに掃気空気を供給すべくシリンダに連結されたブロワを備えた吸気供 給装置と、 圧縮された給気の燃料を圧縮点火し且つ燃焼させるべく、ピストンの圧縮行程の 終時近くで各シリンダ内に液体燃料を噴射する噴射手段とを有し、エンジンの幾 何学的圧縮比が、約20:1〜25:1の範囲内にあり且つ通常の作動範囲のア イドル時で低回転数且つ最小負荷部分において大気の全シリンダ給気を、該シリ ンダ給気の実質的な予熱又は予圧縮を行わずに液体燃料の信頼性ある点火が可能 な温度に上昇させるには不充分であり、エンジン作動範囲の前記部分におけるシ リンダ内への掃気空気の流入を制限する手段を更に有し、該制限手段が、1.0 より充分に小さいシリンダ給気比を形成して、圧縮されたシリンダ給気内への燃 料のほぼ噴射時に、燃料の信頼性ある自己点火が生じる温度まで給気温度を上昇 させる、シリンダ内の残留排気ガスの加熱効果を生じさせることを特徴とする2 ストロークサイクル圧縮点火エンジン。
- 9.前記吸気供給装置が、入口手段及び出口手段を備えた、エンジンにより駆動 される容積式ブロワと、該ブロワと直列に連結された、排気ガスにより駆動され るターボ圧縮機とを有し、これにより、圧縮機がブロワ入口に吐出し、ブロワ出 口が給気冷却形エンジンの空気取入れ口に吐出し、ブロワ入口とブロワ出口とを 連結する少なくとも1つのバイパス通路を有し、シリンダヘの掃気空気の流れを 制限するための前記手段が、バイパスを通る流体の流れを制御すべくバイパス通 路内に設けられた制御弁手段を備え、該制御弁手段が、連続的に検出したエンジ ン作動パラメータに応答して前記バイパス通路の完全開放及び完全閉鎖を行い且 つ同じエンジン作動パラメータに応答して前記通路の流れ面積を調整すべく作動 し、これにより、前記制御弁手段の完全開放位置と完全閉鎖位置との間で流れ面 積を無段階に変化させ、前記制御弁手段が、エンジンのアイドル時に、前記バイ パス通路を部分開放状態に作動的に維持するように調整され、これにより、前記 制御弁手段は、単一で、バイパス流れが、(a)空気流をブロワ出口から入口に 循環してブロワに吸収されるエンジン出力を低下すなわち制限できるようにする か、(b)ブロワ回りの付加的空気流を直接的にターボ圧縮機からエンジンの空 気取入れ口に導いて、ブロワが大きな給気流を与えることを制限しないようにす る二重機能を与えることを特徴とする請求の範囲第8項に記載の組合せ。
- 10.前記制御弁手段が、(1)エンジンがアイドル時にあり且つ低負荷及び低 回転数状態において前記通路を部分閉鎖状態に維持し、(2)低回転数及び高負 荷状態において前記通路を完全閉鎖状態に維持し、(3)高回転数及び高負荷状 態において前記通路を完全開放状態に維持するための電子制御手段を備えている ことを特徴とする請求の範囲第9項に記載の組合せ。
- 11.前記制御弁手段が、(1)エンジンがアイドル時にあり且つ低負荷及び低 回転数状態において前記通路を40〜70%閉鎖状態に維持し、(2)低回転数 及び高負荷状態において前記通路を完全閉鎖状態に維持し、(3)高回転数及び 高負荷状態において前記通路を完全開放状態に維持するための電子制御手段を備 えていることを特徴とする請求の範囲第9項に記載の組合せ。
- 12.前記電子制御手段は、ターボ圧縮機の吐出圧力が許容空気/燃料比を維持 するには不充分であるときに、エンジンが強く加速されると、前記通路を完全閉 鎖状態に維持することを特徴とする請求の範囲第10項又は第11項に記載の組 合せ。
- 13.前記ブロワが第2の前記バイパス通路を有し、これにより1対のバイパス 通路を形成し、 前記ブロワが、圧縮機及びエンジンの空気取入れ口にそれぞれ連結される入口ゾ ーン及び出口ゾーンを備えた閉鎖チャンバ内に1対の協働インベラを回転可能に 支持する主ハウジングと、前記入口ゾーンに直接導かれた主空気入口部分及び1 対の出口ポートを備えた空気入口ハウジングとを有し、前記出口ポート各々が前 記バイパス通路のそれぞれ1つに直接導かれ、各出口ポートに設けられ且つ共通 の作動部材に取り付けられた弁を有し、各弁が、前記出口ポートを完全に閉鎖す る位置から完全に開放する位置まで作動されることを特徴とする請求の範囲第9 項に記載の組合せ。
- 14.容積式ブロワ及び該ブロワと直列に連結されたターボ圧縮機を有し、ブロ ワがバイパス通路及び該通路内に支持された弁手段を形成し、該弁手段がソレノ イドで駆動されるアクチュエータにより作動される内燃機関に使用する吸気供給 装置の前記通路の流れ面積を連続的に調整すべく、前記弁手段の角度位置を制御 する方法において、 エンジン回転数、空気圧力及び運転者の要求に基づいて弁手段の角度位置を計算 する工程を有することを特徴とする制御方法。
- 15.前記弁手段の角度位置を計算する工程が、エンジン回転数及び運転者の要 求に基づいて所望の空気圧力を決定する工程を有することを特徴とする請求の範 囲第14項に記載の制御方法。
- 16.実空気圧力を検出し、この実空気圧力と所望の空気圧力とを比較して第1 誤差信号を得る工程を更に有することを特徴とする請求の範囲第15項に記載の 制御方法。
- 17.前記第1誤差信号及び所望の空気圧力に関連する乗数に基づいて所望の弁 手段位置を計算する工程を更に有することを特徴とする請求の範囲第16項に記 載の制御方法。
- 18.実弁位置を表すフィードバック信号を発生し、実弁手段位置と所望の弁手 段位置とを比較して第2誤差信号を得る工程を更に有することを特徴とする請求 の範囲第17項に記載の制御方法。
- 19.前記第2誤差信号に基づいて使用率を計算する工程を更に有することを特 徴とする請求の範囲第18項に記載の制御方法。
- 20.前記使用率に基づいてソレノイドを付勢し、これにより通路内の弁手段の 角度位置を制御して前記通路の流れ面積を無段階に変化させる工程を更に有する ことを特徴とする請求の範囲第19項に記載の制御方法。
- 21.前記使用率が差分方程式を用いて計算されることを特徴とする請求の範囲 第19項に記載の制御方法。
- 22.前記差分方程式が、%PWMOLD=%PWMNEW+CLBYG*[B YPINT*ERRPOS+BYPROP*(ERRPOS−ERRPOS1) ]であり、ここで、%PWMOLDは前に計算されたソレノイドの使用率(%) の値、%PWMNEWは調節されたソレノイドの使用率(%)の値、CLBYP Gは弁手段の位置ループゲインの値、BYPINTは弁手段位置の総ゲインの値 、BYPROPは弁手段位置の比例ゲインの値、ERRPOS1は前に計算した 弁手段位置の誤差の値であることを特徴とする請求の範囲第21項に記載の制御 方法。
- 23.容積式ブロワ及び該ブロワと直列に連結されたターボ圧縮機を有し、ブロ ワがバイパス通路及び該通路内に支持された弁手段を形成し、該弁手段がソレノ イドで駆動されるアクチュエータにより作動され、前記通路の流れ面積を連続的 に調整すべく、前記弁手段の角度位置を制御する制御装置を更に有する内燃機関 に使用する吸気供給装置において、前記制御装置が、エンジン回転数、空気圧力 及び運転者の要求に基づいて入力制御信号を発生する手段と、 弁手段の実角度位置を表すフィードバック信号を入力制御信号を発生する手段に 供給する手段とを有することを特徴とする吸気供給装置。
- 24.前記入力制御信号に応答して弁手段の角度位置を制御する作動手段を更に 有することを特徴とする請求の範囲第23項に記載の制御装置。
- 25.前記フィードバック信号を発生する手段がポテンショメータであることを 特徴とする請求の範囲第23項に記載の制御装置。
- 26.前記ポテンショメータがリニアポテンショメータであることを特徴とする 請求の範囲第25項に記載の制御装置。
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