特許 6059660 ガソリン直噴内燃エンジンを動作させるシステム及び方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6059660

(24)【登録日】2016年12月16日

(45)【発行日】2017年1月11日

(54)【発明の名称】ガソリン直噴内燃エンジンを動作させるシステム及び方法

(51)【国際特許分類】

   F02D 15/04 20060101AFI20161226BHJP

   F02D 43/00 20060101ALI20161226BHJP

   F02D 15/00 20060101ALI20161226BHJP

   F02D 13/02 20060101ALI20161226BHJP

   F02D 21/08 20060101ALI20161226BHJP

   F02D 41/02 20060101ALI20161226BHJP

【ＦＩ】

   F02D15/04 C

   F02D43/00 301S

   F02D15/00 E

   F02D13/02 J

   F02D13/02 K

   F02D21/08 301A

   F02D21/08 301C

   F02D21/08 311B

   F02D43/00 301Z

   F02D43/00 301N

   F02D43/00 301R

   F02D43/00 301J

   F02D41/02 335

   F02D41/02 325D

   F02D41/02 325E

   F02D41/02 325F

【請求項の数】21

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2013-536773(P2013-536773)

(86)(22)【出願日】2011年10月26日

(65)【公表番号】特表2013-545011(P2013-545011A)

(43)【公表日】2013年12月19日

(86)【国際出願番号】US2011057842

(87)【国際公開番号】WO2012058280

(87)【国際公開日】20120503

【審査請求日】2014年5月30日

(31)【優先権主張番号】61/406,689

(32)【優先日】2010年10月26日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】599023978

【氏名又は名称】デルファイ・テクノロジーズ・インコーポレーテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100140109

【弁理士】

【氏名又は名称】小野 新次郎

(74)【代理人】

【識別番号】100075270

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 泰

(74)【代理人】

【識別番号】100092967

【弁理士】

【氏名又は名称】星野 修

(74)【代理人】

【識別番号】100118902

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 修

(74)【代理人】

【識別番号】100137039

【弁理士】

【氏名又は名称】田上 靖子

(72)【発明者】

【氏名】セルノー，マーク・シー

(72)【発明者】

【氏名】ホイヤー，ケヴィン・エス

(72)【発明者】

【氏名】シナモン，ジェームズ・エフ

【審査官】 戸田 耕太郎

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００１−２６３０６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２３６４７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−００１８３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−１６４９７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００２−５３６５３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−１４６９６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００９−５１３８５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−２０１０７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０８５１９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００７／０８３４６８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００６−３４２６７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−２６３５６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−２４８９８５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０２Ｄ １５／０４

Ｆ０２Ｄ １３／０２

Ｆ０２Ｄ １５／００

Ｆ０２Ｄ ２１／０８

Ｆ０２Ｄ ４１／０２

Ｆ０２Ｄ ４３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

直接燃料噴射を伴う少なくとも１つのシリンダ（６４）を有し、前記シリンダ（６４）は、前記シリンダ（６４）の内部で往復運動が可能な、クランクに接続されたピストン（６６）を収容する、ガソリン直噴内燃エンジン（１２）であって、前記シリンダ（６４）のボア壁表面、前記ピストン（６６）の頂面（７４）、および前記エンジンのシリンダヘッドの底面が容量可変燃焼室（２８）を画定し、前記シリンダヘッドが、吸気口との連通を制御する吸気弁（６２Ａ）および排気出口との連通を制御する排気弁（６２Ｂ）を備える、ガソリン直噴内燃エンジン（１２）と、
前記エンジン（１２）の有効圧縮比を制御する手段と、
前記燃焼室（２８）の中の残留既燃ガスの量を制御する手段と、
前記クランクの角度位置に対して前記吸気弁（６２Ａ）および前記排気弁（６２Ｂ）を可変的に動作させるための可変の弁動作機構（５８）であって、吸気弁を閉じる時間および排気の再吸入を制御するように、前記吸気弁（６２Ａ）および前記排気弁（６２Ｂ）を動作させることができる可変の弁動作機構（５８）と、
前記燃焼室（２８）の中に排気ガスを再導入するための排気再循環（ＥＧＲ）制御手段（４４）を有する排気再循環（ＥＧＲ）手段（４２）と、
吸気圧ブースト制御手段（５４）を有する吸気圧ブースト手段（５０）と、
燃焼サイクル当り複数回の噴射が可能であり、前記燃焼室の濡れを生じさせることなく、エンジンの全体の速度および負荷の動作範囲にわたって、中央で高く外側で低くなるように変化する別個の当量比が存在する非均一な燃料供給を達成するように、前記燃焼室の中で燃料を空間的に分布させることが可能な燃料噴射手段（３０）と、
有効圧縮比、前記燃焼室の中の残留既燃ガスの量、排気再循環（ＥＧＲ）、燃焼サイクル当りの燃料噴射の回数、燃料噴射の時期、および過給圧を、空気と７５〜１００の（ＲＯＮ＋ＭＯＮ）／２値（ここで、ＲＯＮはリサーチ法オクタン価であり、ＭＯＮはモータ法オクタン価である）を有する燃料の混合物のガソリン直噴圧縮点火（ＧＤＣＩ）燃焼を可能にするように、エンジン（１２）の全体の速度および負荷の動作範囲（５０２、５０４、５０６、５０８）にわたって、エンジン速度および負荷の関数として制御する制御手段（２０、２２）とを備えており、
燃料噴射が、圧縮行程の上死点前クランク角３０度より早まることがないように実行されるシステム（１０）。

【請求項2】

前記エンジン（１２）が、１２を上回る幾何学的圧縮比を有する請求項１に記載のシステム（１０）。

【請求項3】

前記エンジン（１２）の前記有効圧縮比を制御する前記手段が、吸気弁を閉じる時間を制御するために、前記吸気弁（６２Ａ）を前記クランクの角度位置に対して可変的に作動させるように構成された可変の弁動作機構（５８）を備える請求項１に記載のシステム（１０）。

【請求項4】

前記燃焼室（２８）の中の残留既燃ガスの量を制御する前記手段が、排気再吸入を制御するために、前記排気弁（６２Ｂ）を前記クランクの角度位置に対して可変的に作動させるように構成された可変の弁動作機構（５８）を備える請求項１に記載のシステム（１０）。

【請求項5】

前記燃焼室（２８）の中の残留既燃ガスの量を制御する前記手段は、前記ピストン（６６）が排気行程の上死点に達する前の前記排気弁（６２Ｂ）の閉鎖を制御するために、前記吸気弁（６２Ａ）および前記排気弁（６２Ｂ）を前記クランクの角度位置に対して可変的に作動させるように構成された可変の弁動作機構（５８）を備える請求項１に記載のシステム（１０）。

【請求項6】

前記燃焼室（２８）の中の残留既燃ガスの量を制御する前記手段が、前記排気弁が開いている間に前記吸気弁を開くことによって排気の逆流を制御するために、前記吸気弁（６２Ａ）および前記排気弁（６２Ｂ）を前記クランクの角度位置に対して可変的に作動させるように構成された可変の弁動作機構（５８）を備える請求項１に記載のシステム（１０）。

【請求項7】

前記ピストン（６６）の前記頂面（７４）がボウル（７２）を画定し、前記燃料噴射手段（３０）が前記ボウル（７２）の上方の中央に配置され、前記燃料噴射手段（３０）が、６０度〜１４０度の範囲内の所定の燃料噴霧角度（７０）で燃料（６８）を分配するように構成される請求項１に記載のシステム（１０）。

【請求項8】

前記燃料噴射手段（３０）が、１０ＭＰａ〜５０ＭＰａ（１００バール〜５００バール）の噴射圧で燃料を噴射するように構成される請求項１に記載のシステム（１０）。

【請求項9】

前記エンジン（１２）が、圧縮点火を維持するには低温すぎるエンジンの燃焼を開始するために始動補助手段（２４）をさらに備える請求項１に記載のシステム（１０）。

【請求項10】

直接燃料噴射を伴う少なくとも１つのシリンダ（６４）を有し、前記シリンダ（６４）は、前記シリンダ（６４）の内部で往復運動が可能な、クランクに接続されたピストン（６６）を収容する、ガソリン直噴内燃エンジン（１２）であって、前記シリンダ（６４）のボア壁表面、前記ピストン（６６）の頂面（７４）、および前記エンジンのシリンダヘッドの底面が容量可変燃焼室（２８）を画定し、前記シリンダヘッドが、吸気口との連通を制御する吸気弁（６２Ａ）および排気口との連通を制御する排気弁（６２Ｂ）を備える、ガソリン直噴内燃エンジン（１２）を動作させる方法であって、
前記エンジン（１２）の前記有効圧縮比を制御するステップと、
前記燃焼室（２８）の中の残留既燃ガスの量を制御するステップと、
前記燃焼室（２８）の中に排気ガスを再導入するために、排気再循環（ＥＧＲ）制御手段（４４）を有する排気再循環（ＥＧＲ）手段（４２）を使用するステップと、
吸気圧ブースト制御手段（５４）を有する吸気圧ブースト手段（５０）を使用するステップと、
燃焼サイクル当り複数回の噴射が可能な燃料噴射手段（３０）を使用するステップと、
前記燃焼室の濡れを生じさせることなく、エンジンの全体の速度および負荷の動作範囲にわたって、中央で高く外側で低くなるように変化する別個の当量比が存在する非均一な燃料供給を達成するように、前記燃焼室の内部に燃料を空間的に分布させるステップと、
排気再吸入、排気再循環（ＥＧＲ）、燃焼サイクル当り燃料噴射の回数、燃料噴射の時期、および過給圧を、前記燃焼室（２８）の中で空気と７５〜１００の（ＲＯＮ＋ＭＯＮ）／２値（ここで、ＲＯＮはリサーチ法オクタン価であり、ＭＯＮはモータ法オクタン価である）を有する燃料の混合物のガソリン直噴圧縮点火（ＧＤＣＩ）燃焼を可能にするように、エンジン（１２）の全体の速度および負荷の動作範囲（５０２、５０４、５０６、５０８）にわたって、エンジン速度および負荷の関数として制御するステップとを含み、
燃料噴射が、圧縮行程の上死点前クランク角３０度より早まることがないように実行される方法。

【請求項11】

前記エンジン（１２）の前記有効圧縮比を制御する前記ステップが、吸気弁を閉じる時間を制御するために、前記吸気弁（６２Ａ）を前記クランクの角度位置に対して可変的に作動させるステップを含む請求項１０に記載の方法。

【請求項12】

前記燃焼室（２８）の中の残留既燃ガスの量を制御する前記ステップが、排気再吸入を制御するために、前記排気弁（６２Ｂ）を前記クランクの角度位置に対して可変的に作動させるステップを含む請求項１０に記載の方法。

【請求項13】

前記燃焼室（２８）の中の残留既燃ガスの量を制御する前記ステップは、前記ピストン（６６）が排気行程の上死点に達する前の前記排気弁（６２Ｂ）の閉鎖を制御するために、前記吸気弁（６２Ａ）および前記排気弁（６２Ｂ）を前記クランクの角度位置に対して可変的に作動させるステップを含む請求項１０に記載の方法。

【請求項14】

前記燃焼室（２８）の中の残留既燃ガスの量を制御する前記ステップが、前記排気弁が開いている間に前記吸気弁を開くことによって排気の逆流を制御するために、前記吸気弁（６２Ａ）および前記排気弁（６２Ｂ）を前記クランクの角度位置に対して可変的に作動させるステップを含む請求項１０に記載の方法。

【請求項15】

前記燃焼室（２８）の中の残留既燃ガスの量を制御する前記ステップが、エンジン負荷が増加したとき、前記燃焼室の中の残留既燃ガスの量を低減するステップを含む請求項１０に記載の方法。

【請求項16】

エンジン負荷が増加したとき排気再循環（ＥＧＲ）が増加される請求項１０に記載の方法。

【請求項17】

エンジン負荷が増加したとき、燃焼サイクル当りの燃料噴射の回数が増加される請求項１０に記載の方法。

【請求項18】

前記エンジン（１２）の前記有効圧縮比を制御する前記ステップが、エンジン負荷の増加に伴って前記有効圧縮比を低下させるステップを含む請求項１０に記載の方法。

【請求項19】

エンジン負荷が増加したとき吸気ブーストが増加される請求項１０に記載の方法。

【請求項20】

燃料噴射が、圧縮行程の上死点前クランク角１００度より早まることがなく、圧縮行程の上死点後クランク角１０度より遅れることがないように実行される請求項１０に記載の方法。

【請求項21】

燃料が、燃焼事象当り複数回の噴射事象で噴射され、各噴射の、時期および燃料量が、燃焼の開始（ＳＯＣ）を、上死点前クランク角５度と上死点後クランク角５度の間に達成するように制御される請求項１０に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願の相互参照
[0001]本出願は、２０１０年１０月２６日出願の米国特許仮出願第６１／４０６，６８９号の利益を主張するものであり、この仮出願の全体が参照によって本明細書に組み込まれる。
連邦政府委託の研究または開発に関する声明
[0002]本発明は、エネルギー省によって授与された契約番号ＤＥ−ＥＥ０００３２５８を受けて国庫補助により行なわれた。米国政府は、本発明において一定の権利を有する。

【背景技術】

【0002】

[0003]ＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣ、および粒子状物質（ＰＭ）を含むＣＡＦＥ、ＣＯ_２排出物および規制排出物に対する近々の規制（Ｔｉｅｒ２ Ｂｉｎ５／Ｂｉｎ２およびＥｕｒｏ６）は、燃焼プロセスが大幅に改善された先進の内燃（ＩＣ）エンジンを要求している。ディーゼルエンジンは、既に非常に効率的であるが、米国では、適切なコストで将来の排気基準を満たすことに取り組んでいる。米国では、顧客によってガソリンエンジンが好まれているが、ガソリンエンジンの効率は比較的低い。予混合圧縮点火（ＨＣＣＩ）ガソリンエンジンは、非常に限定された低負荷動作範囲に対してＨＣＣＩモードを利用するデュアルモードエンジンである。ＨＣＣＩは、後に混合物を圧縮して上死点の近くまたは上死点の後で自己発火を引き起こすように、燃料の早期噴射および混合を伴う。ＨＣＣＩガソリンエンジンの一例が、米国特許第６，９９４，０７２号明細書に記載されている。ＨＣＣＩは、実用的な自動車用途では制御するのが非常に困難であり、ミスファイヤーおよび大きな燃焼騒音がある。これは、シリンダ圧力の感知を含む先進の燃焼フィードバック制御を必要とする。ＨＣＣＩモードのときは、より効率的でより低排出であるが、運転サイクル上の正味効率は、可変バルブ動作を有する化学量論的ＳＩエンジンより、わずか数パーセントしか優れていない。現行のＨＣＣＩの開発は、ＧＤｉ（ガソリン直噴）、ＥＧＲ、および負荷範囲を拡大するためにターボ過給機で過給することを含むが、ＨＣＣＩエンジンは、デュアルモード動作を必要とするため、従来のガソリンエンジンに関連したより低い圧縮比によって制限されている。ＨＣＣＩエンジンには、継続的な技術的課題があるように思われる。低排出および低コストを維持しつつ、ガソリンエンジンの効率を大幅に高めるための新技術が必要とされている。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

[0004]ガソリン直噴圧縮点火（ＧＤＣＩ）は、他のガソリンエンジンの基本的制約の多くを克服する新規の燃焼システムである。ＧＤＣＩは、無鉛レギュラーガソリンを用いて従来のディーゼルエンジンに高効率をもたらす。ディーゼル燃料と比較して、ガソリンの揮発性がはるかに高く、発火遅れがより長いことが、部分予混合圧縮点火燃焼プロセスの主要な実現要因である。重要な結論は、十分な予混合充填を達成するために、ＧＤｉのような燃料圧力（１００から５００バール）で、圧縮行程の遅くにガソリンが噴射され得ることである。

【0004】

[0005]ＧＤＣＩエンジンの概念は、極めて高い効率のための、中央に取り付けた噴射器、高圧縮比（ＣＲ）および希薄混合気を特徴とする。燃料は、圧縮行程の遅くに、高いシリンダ圧力および温度で、中央に取り付けたピストンボウルの中に噴射される。吸気行程中には燃料は噴射されない。燃料と空気が急速に混合し、制御された熱発生プロセスで圧縮点火する。ＨＣＣＩエンジンとは対照的に、混合物は意図的に層状にされる。燃料が、中央に配置されたピストンボウルの中に遅く噴射されるので、ピストンのトップランドには燃料が入らず、非常に高い燃焼効率が可能である。遅い噴射のために、エンドガスは存在せず、典型的な燃焼ノックは起こり得ない。典型的なＳＩ過早点火も起こり得ない。ＧＤＣＩは、ＮＯｘとＰＭ排出の両方を同時に低減するのに低温燃焼（ＬＴＣ）を利用する。冷却された排気再循環（ＥＧＲ）が、混合物を希釈し、発火遅れ時間を増加し、低燃焼騒音のために発熱速度を遅くする。給気温度が低いことにより、高サイクル効率のために、サイクル中の熱伝達を低減することができる。
基本的にエンジンの全負荷速度範囲にわたって空気燃料混合物の自己発火を達成し、同時に、容認できる燃料消費量、雑音、および排出結果を達成するために、遅い噴射、層状化された混合物、低温燃焼プロセスを利用するのが有利であることが分かった。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の一実施形態によれば、直接燃料噴射を伴う少なくとも１つのシリンダを有し、シリンダは、シリンダの内部で往復運動が可能な、クランクに接続されたピストンを収容する、ガソリン直噴内燃エンジンであって、シリンダのボア壁表面、ピストンの頂面、およびエンジンのシリンダヘッドの底面が容量可変燃焼室を画定し、シリンダヘッドが、吸気口との連通を制御する吸気弁および排気出口との連通を制御する排気弁を備える、ガソリン直噴内燃エンジンと、エンジンの有効圧縮比を制御する手段と、燃焼室の中の残留既燃ガスの量を制御する手段と、クランクの角度位置に対して吸気弁および排気弁を可変的に動作させるための可変の弁動作機構であって、吸気弁を閉じる時間および排気の再吸入を制御するように、吸気弁および排気弁を動作させることができる可変の弁動作機構と、燃焼室の中に排気ガスを再導入するための排気再循環（ＥＧＲ）制御手段を有する排気再循環（ＥＧＲ）手段と、吸気圧ブースト制御手段を有する吸気圧ブースト手段と、燃焼サイクル当り複数回の噴射が可能であり、燃焼室の濡れを生じさせることなく、エンジンの全体の速度および負荷の動作範囲にわたって、中央で高く外側で低くなるように変化する別個の当量比が存在する非均一な燃料供給を達成するように、燃焼室の中で燃料を空間的に分布させることが可能な燃料噴射手段と、有効圧縮比、燃焼室の中の残留既燃ガスの量、排気再循環（ＥＧＲ）、燃焼サイクル当りの燃料噴射の回数、燃料噴射の時期、および過給圧を、空気と７５〜１００の（ＲＯＮ＋ＭＯＮ）／２値（ここで、ＲＯＮはリサーチ法オクタン価であり、ＭＯＮはモータ法オクタン価である）を有する燃料の混合物のガソリン直噴圧縮点火（ＧＤＣＩ）燃焼を可能にするように、エンジンの全体の速度および負荷の動作範囲にわたって、エンジン速度および負荷の関数として制御する制御手段とを備えており、燃料噴射が、圧縮行程の上死点前クランク角３０度より早まることがないように実行されるシステムが提供される。
また、本発明の一実施形態によれば、直接燃料噴射を伴う少なくとも１つのシリンダを有し、シリンダは、シリンダの内部で往復運動が可能な、クランクに接続されたピストンを収容する、ガソリン直噴内燃エンジンであって、シリンダのボア壁表面、ピストンの頂面、およびエンジンのシリンダヘッドの底面が容量可変燃焼室を画定し、シリンダヘッドが、吸気口との連通を制御する吸気弁および排気口との連通を制御する排気弁を備える、ガソリン直噴内燃エンジンを動作させる方法であって、エンジンの有効圧縮比を制御するステップと、燃焼室の中の残留既燃ガスの量を制御するステップと、燃焼室の中に排気ガスを再導入するために、排気再循環（ＥＧＲ）制御手段を有する排気再循環（ＥＧＲ）手段を使用するステップと、吸気圧ブースト制御手段を有する吸気圧ブースト手段を使用するステップと、燃焼サイクル当り複数回の噴射が可能な燃料噴射手段を使用するステップと、燃焼室の濡れを生じさせることなく、エンジンの全体の速度および負荷の動作範囲にわたって、中央で高く外側で低くなるように変化する別個の当量比が存在する非均一な燃料供給を達成するように、燃焼室の内部に燃料を空間的に分布させるステップと、排気再吸入、排気再循環（ＥＧＲ）、燃焼サイクル当り燃料噴射の回数、燃料噴射の時期、および過給圧を、燃焼室の中で空気と７５〜１００の（ＲＯＮ＋ＭＯＮ）／２値（ここで、ＲＯＮはリサーチ法オクタン価であり、ＭＯＮはモータ法オクタン価である）を有する燃料の混合物のガソリン直噴圧縮点火（ＧＤＣＩ）燃焼を可能にするように、エンジンの全体の速度および負荷の動作範囲にわたって、エンジン速度および負荷の関数として制御するステップとを含み、燃料噴射が、圧縮行程の上死点前クランク角３０度より早まることがないように実行される方法が提供される。
[0006]本発明の一実施形態によれば、ガソリン直噴内燃エンジンを制御するためのエンジン制御システムが提供される。このエンジンは、直接燃料噴射を伴う少なくとも１つのシリンダを備える。エンジンは、シリンダの中で往復運動が可能な、クランクに接続されたピストンを備える。シリンダのボア壁表面、ピストンの頂面、およびエンジンのシリンダヘッドの底面が、容量可変燃焼室を画定する。シリンダヘッドは、吸気口との連通を制御する吸気弁および排気口との連通を制御する排気弁を備える。エンジン制御システムは、吸気弁を閉じる時間および排気の再吸入を制御するために、クランクの角度位置に対して吸気弁および排気弁を可変的に作動させるための可変弁作動システムを制御する手段を備える。エンジン制御システムは、燃焼室の中に排気ガスを再導入するための排気再循環（ＥＧＲ）手段を制御する手段と、吸気圧ブースト手段を制御する手段とをさらに備え、給気層状化を制御するために、燃焼サイクル当り複数回の噴射が可能な燃料噴射手段を使用する。方法は、基本的にエンジンの全体の速度および負荷の動作範囲にわたって燃焼室の空気燃料混合物の自己発火を保つのに十分なやり方で、排気の再吸入、ＥＧＲ、燃焼サイクル当りの燃料噴射の回数、燃料噴射時期、および過給圧を、エンジン速度および負荷の関数として制御するステップをさらに含む。本明細書に用いられる用語「自己発火」は、燃焼を開始するのに外部刺激（例えば点火プラグからの火花）を必要とせず、自発的に開始される空気燃料混合物の燃焼を指す。

【0006】

[0007]本発明の別の実施形態では、ガソリン直噴内燃エンジンを制御するためのエンジンコントローラが提供される。このエンジンは、直接燃料噴射を伴う少なくとも１つのシリンダを備える。このエンジンは、シリンダの中で往復運動が可能な、クランクに接続されたピストンも備える。シリンダのボア壁表面、ピストンの頂面、およびエンジンのシリンダヘッドの底面が、容量可変燃焼室を画定する。シリンダヘッドは、吸気口との連通を制御する吸気弁および排気口との連通を制御する排気弁を含む。エンジンコントローラは、入力端、出力端、およびプロセッサを含む。入力端は、エンジン特性を表す信号を受け取るように構成される。出力端は、エンジン制御装置を動作させてエンジン制御パラメータを制御するのに有効なエンジン制御信号を出力するように構成される。プロセッサは、入力信号に基づいて、エンジン制御信号の所望の状態を求めるように構成される。プロセッサは、本質的にエンジンの全体の速度および負荷の動作範囲にわたって燃焼室の空気燃料混合物の自己発火を保つのに十分なやり方で、排気の再吸入、ＥＧＲ、燃焼サイクル当りの燃料噴射の回数、燃料噴射時期、および過給圧の適切なレベルを選択して、エンジン制御信号を変化させるように構成される。

【0007】

[0008]本発明のさらに別の実施形態では、ガソリン直噴内燃機関を動作させる方法が提供される。このエンジンは、直接燃料噴射を伴う少なくとも１つのシリンダを備える。このエンジンは、シリンダの中で往復運動が可能な、クランクに接続されたピストンも備える。シリンダのボア壁表面、ピストンの頂面、およびエンジンのシリンダヘッドの底面が、容量可変燃焼室を画定する。シリンダヘッドは、吸気口との連通を制御する吸気弁および排気口との連通を制御する排気弁を含む。この方法は、吸気弁を閉じる時間および排気再吸入を制御するために、クランクの角度位置に対して吸気弁および排気弁を可変的に動作させるための可変弁作動システムを使用するステップを含む。この方法は、燃焼室の中に排気ガスを再導入するための排気再循環（ＥＧＲ）手段を使用するステップと、吸気圧ブースト手段を用いた吸気圧ブースト手段を使用するステップと、給気層状化を制御するために、燃焼サイクル当り複数回の噴射が可能な燃料噴射手段を使用するステップとをさらに含む。この方法は、本質的にエンジンの全体の速度および負荷の動作範囲にわたって燃焼室の空気燃料混合物の自己発火を保つのに十分なやり方で、排気の再吸入、ＥＧＲ、燃焼サイクル当りの燃料噴射の回数、燃料噴射時期、および過給圧を、エンジン速度および負荷の関数として制御するステップをさらに含む。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】[0009]一実施形態によるエンジン制御システムのブロック図である。

【図2】[0010]燃料噴射に関連するパラメータを示すグラフである。

【図3】[0011]図３Ａは、あるクランク角での燃料噴射に起因する燃焼室の当量比のシミュレーション結果の図である。図３Ｂは、別のクランク角での燃料噴射に起因する燃焼室の当量比のシミュレーション結果の図である。図３Ｃは、さらに別のクランク角での燃料噴射に起因する燃焼室の当量比のシミュレーション結果の図である。

【図4】[0012]燃料噴射と燃焼の間の時間的関係に関するパラメータを示すグラフである。

【図5】[0013]各実施形態に関連する弁リフトプロファイルを示すグラフである。

【図6】[0014]速度、負荷、および／または温度で表されたエンジン動作領域の図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

[0015]エンジン制御システムの一実施形態によれば、図１は、あるエンジン動作状態で動作している内燃エンジン１２を制御するためのエンジン制御システム１０を示す。エンジン１２は、ピストン６６を含む単シリンダボア６４を有して示されており、ピストン６６の上方の領域が燃焼室２８を画定するが、システム１０は、複数のシリンダおよび燃焼室を有するエンジンに適合し得ることが理解されよう。エンジン制御システム１０は、複数の燃焼室のそれぞれを個々に制御することにより、複数の燃焼室を有するエンジンを制御してよく、または、各燃焼室の一般的な条件または平均条件を表すセンサからの信号に基づいて、このようなエンジンを制御してもよい。システム１０は、歯状クランクホイール１４と、クランクホイール歯の回転運動を感知してクランク角およびクランク速度を表すクランク信号１８を出力することができるようにクランクホイール１４に近接して配置されたクランクセンサ１６とを含んでよい。

【0010】

[0016]エンジン制御システム１０は、クランク信号１８に基づいてクランク角およびクランク速度を求めるように構成されたエンジン制御モジュール（ＥＣＭ）などのコントローラ２０も含んでよい。コントローラ２０は、プロセッサ２２または当技術分野で明らかな他の制御回路を含んでよい。コントローラ２０またはプロセッサ２２は、１つまたは複数のルーチン、閾値および取得されたデータを記憶するための電気消去可能プログラマブル読出し専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）などの不揮発性メモリを含むメモリを含んでよい。前のエンジン制御パラメータを求めて、将来のエンジン制御パラメータが所望のエンジン制御パラメータに相当するように将来のエンジン制御信号をスケジュール設定するためのステップを遂行するように、１つまたは複数のルーチンが、プロセッサ２２によって実行されてよい。図１は、プロセッサ２２および他の機能ブロックをコントローラ２０の一部分として示す。しかし、プロセッサ２２および他の機能ブロックは、単一ハウジングの中に組み立てられる必要性があるわけではなく、エンジン１２のまわりに分配されてよいことが理解されよう。

【0011】

[0017]引き続き図１を参照して、エンジン制御システム１０は、燃焼室２８の中で起こる燃焼事象の燃焼位相特性を表す燃焼位相信号２６を出力するように構成された燃焼位相検出手段２４を含んでよい。燃焼事象の進行を監視するやり方の１つに、燃焼事象に関する発熱速度（heat release）または累積発熱を求めるものがあり、これは図４に関連して以下で論じられる。しかし、熱発生を求めることは、測定の回数および複雑さのために、公道のような無制御の環境における車両走行でエンジンが動作するときなどの現場使用中にエンジンを制御するのには、適切でないことがある。現場使用に適切な燃焼位相検出手段は、熱発生などの実験室タイプの測定に関連づけることができる燃焼位相特性の指標をもたらし得る。例示の燃焼位相検出手段２４は、燃焼室２８の中の燃焼生成物のイオン化レベルを感知するように構成されたイオン化センサ、または燃焼室２８の内部の圧力を感知するように構成された圧力センサを含むが、これらに限定されるわけではない。燃焼プロセスのいくつかの態様を示すのに有用であり得る別の装置には、燃焼ノックセンサがある。燃焼位相検出手段２４は、例示のセンサのうちの任意の１つ、または燃焼位相特性の指標をもたらすように配置された２つ以上のセンサの組合せでよい。燃焼位相検出手段２４は、点火プラグまたは予熱プラグの中にイオン化センサまたは圧力センサを組み込むなどして、別の装置の中に組み込まれてよい。

【0012】

[0018]エンジン制御システム１０は、エンジン制御信号に応答して、自己発火が起こる時間に影響を及ぼすエンジン制御パラメータを制御するように動作可能な１つまたは複数のエンジン制御装置を含む。エンジン制御装置の実例の１つには、プロセッサ２２によって出力されたインジェクション信号３６に応答して噴射器駆動回路（換言すれば、噴射器ドライバー）３４によって出力された噴射器制御信号３２により、燃料６８を分配するように適合された燃料噴射器３０がある。燃料噴射プロファイルは、複数の噴射事象を含んでよい。燃料噴射プロファイルの制御可能な態様は、燃料噴射器３０をオン／オフする速さ、燃料噴射器３０がオンの間に燃料噴射器３０によって分配される燃料６８の燃料比、または燃焼事象を達成するために分配される燃料噴射の回数を含んでよい。燃料噴射プロファイルのこれらの態様の１つまたは複数を変化させることは、自己発火を制御するのに有効であり得る。

【0013】

[0019]例示のエンジン制御システム１０は、排気再循環（ＥＧＲ）弁４２を含む。明示されていないが、エンジン制御技術の当業者には、ＥＧＲ弁は、燃焼室２８の中に受け取られる空気混合物の酸素および／または窒素の割合を希釈するために、エンジンに供給される新規の空気と混合されるエンジン排気ガスの割合または量を調節することが理解される。コントローラ２０は、ＥＧＲ弁４２の位置を制御するようにＥＧＲ制御信号４６を出力するＥＧＲ駆動回路（換言すれば、ＥＧＲドライバー）４４を含んでよい。ＥＧＲ駆動回路は、例えば、電圧をパルス幅変調して、エンジン１２によって受け取られる排気ガスの流速を調節するようにＥＧＲ弁を制御するのに有効なＥＧＲ制御信号４６を生成する。

【0014】

[0020]再び図１を参照して、エンジン制御システム１０は他のエンジン制御装置を含んでよい。例えば、エンジン制御システム１０は、ターボ過給機または過給機などの吸気ブースタ装置５０を含んでよい。吸気ブースタ装置５０は、ウエストゲートまたはバイパス弁の位置または可変形状過給機の羽根の位置を制御することによって過給圧を制御することができるブースト制御ブロック５４から、ブースタ制御信号５２を受け取る。エンジン制御システム１０は、周囲の気温が低いときエンジンの吸気を暖めるために中間冷却器を通るエンジン冷却液の流れを調節することによりエンジン１２に受け取られる空気の温度を制御する中間冷却器の流量制御弁５６も含んでよい。エンジン制御システム１０は、エンジン吸気弁６２Ａおよび排気弁６２Ｂの動作を直接制御し得る、あるいは吸気弁６２Ａおよび／または排気弁６２Ｂを動作させるカム（図示せず）の位相を制御し得る、弁制御ブロック５８も含んでよい。

【0015】

[0021]基本的にエンジンの全負荷速度範囲にわたって空気燃料混合物の自己発火を達成し、同時に、容認できる燃料消費量、雑音、および排出結果を達成するために、遅い噴射、層状化された混合物、低温燃焼プロセスを利用するのが有利であることが分かった。燃料噴射のこの方法は、このプロセスを成功させるのに非常に重要である。複数の個別の噴射事象を用いて、燃料６８が、圧縮行程の遅くに１００から５００バールの範囲の圧力で燃料噴射器３０によって噴射され、燃焼室２８の中に、制御された空気燃料混合物の層状化の特定の状態をもたらす。燃焼室２８の層状化の状態が、自己発火が起こる時間および自己発火が進行する速度を制御する。回転速度および負荷に応じて、１回噴射、２回噴射、３回噴射、４回噴射、または５回噴射の方策が用いられてよい。各噴射の量および時期は重要であり、最善の結果のために最適化されなければならない。燃料は、圧縮行程の遅くに、一般的には上死点の前のクランク角１００度から上死点の後のクランク角１０度の範囲内で噴射される。燃料の噴射が早すぎると、シリンダ壁６４および／またはピストン６６の濡れが起こる可能性があり、結果として高排出が生じる恐れがある。

【0016】

[0022]図１を再び参照して、燃焼室２８は、ピストン６６の頂面７４によって部分的に画定される。ピストン６６は、中央に取り付けられた燃料噴射器３０の下に対称に配置されるボウル７２を画定するように構成される。噴射器は、燃料６８を噴霧角度７０で噴射するように構成される。エンジン１２は、初期のエンジン始動を支援するために、点火プラグ７６など、周辺に配置された点火源も装備してよい。

【0017】

[0023]図２は、燃焼事象のために５回の噴射を利用する条件に対して噴射量および時期を定義する一般的な噴射事象の図である。図２では、事象１、２、３、４、および５として示された噴射事象が、噴射器駆動信号３６に相当する。噴射事象１は、Ｘ軸上のＴＤＣと表示されたピストン上死点のクランク位置に対して、噴射時間の開始ＳＯＩ１を有する。噴射事象１は、燃料量Ｑ１を送出するように決定された命令のパルス幅ＰＷ１を有する。同様に、噴射事象２は、噴射時間の開始ＳＯＩ２、パルス幅ＰＷ２、および燃料量Ｑ２に関して記述され得て、噴射事象３は、噴射時間の開始ＳＯＩ３、パルス幅ＰＷ３、および燃料量Ｑ３に関して記述され得て、噴射事象４は、噴射時間の開始ＳＯＩ４、パルス幅ＰＷ４、および燃料量Ｑ４に関して記述され得て、噴射事象５は、噴射時間の開始ＳＯＩ５、パルス幅ＰＷ５、および燃料量Ｑ５に関して記述され得る。

【0018】

[0024]システムの当量比Φは、燃料空気混合比の、化学量論の燃料空気混合比に対する比として定義される。Φ＞１の値は、濃い空気燃料混合物（過剰燃料）を示し、Φ＜１の値は薄い空気燃料混合物（過剰空気）を示す。図３Ａ、図３Ｂ、および図３Ｃは、別々のクランク角での３つの別個の燃料噴射に起因する燃焼室２８の内部のΦの分布のシミュレーション結果を示す。いずれの場合でも、燃焼室２８は、シリンダ壁６４およびピストンの頂面７４によって部分的に画定され、ボウル７２はピストンの頂面７４に画定される。燃焼室および燃料噴射の吹付けパターンの対称性のために、燃焼室の一部分だけをモデル化すれば十分であり、図３Ａ、図３Ｂ、および図３Ｃのそれぞれの左側の線７８が、シリンダ／ピストン／燃料噴射器の装置の対称軸を示している。図３Ａに示された条件から図３Ｂに示された条件に移行する、燃焼室のサイズの縮小は、圧縮行程において、図３Ａのクランク角が図３Ｂのクランク角より以前のものであることを表す。同様に、図３Ｃは、図３Ｂに表された状態より圧縮行程における後の状態を示す。

【0019】

[0025]図３Ａ、図３Ｂおよび図３Ｃは、等高線３０２、３０４、３０６、および３０８をさらに含む。等高線３０２、３０４、３０６、および３０８のそれぞれが、一定の当量比Φのレベルを示しており、線３０２がΦ＝２．０に相当し、線３０４がΦ＝１．５に相当し、線３０６がΦ＝１．０に相当し、線３０８がΦ＝０．５に相当する。理解しやすいように、Φ＝１．５を示す等高線３０４は図３Ｃから省略されているが、図３Ｃに示された等高線３０２（Φ＝２．０）と等高線３０６（Φ＝１．０）の間にΦ＝１．５のレベルが存在するはずであることが理解されよう。燃焼室２８の中の燃料６８の分布は、少なくとも噴射圧、噴射時間における燃焼室２８の圧力および温度（噴射時間におけるクランク角の関数である）、および噴射される燃料の量によって影響を及ぼされるはずであることが理解されよう。噴射開始（ＳＯＩ）時期および各噴射事象に対して噴射される燃料の量（Ｑ）を制御することにより、燃焼室２８の中の燃料６８の意図的な層状化が制御され得る。燃焼室２８の中の燃料６８の層状化を制御することにより、制御された燃焼火炎面の境界を越える燃焼性空気燃料混合物が除去され得て、それによって燃焼ノックを防止する。これは、燃焼室の中の空気燃料混合物の均一性によって燃焼ノックの可能性があるＨＣＣＩとは対照的である。

【0020】

[0026]図４は、例示の燃焼事象中にエンジン制御システム１０のまわりで生じるデータのグラフを示す。内燃事象のための噴射器制御信号３２は、噴射器電流によって示されてよい。図４に示されるように、主パルスに関する燃料噴射の開始（ＳＯＩ）および／または燃料噴射の終了（ＥＯＩ）は、噴射器制御信号３２の態様に従って定義されてよい。

【0021】

[0027]図４は、燃焼事象に関する燃焼位相特性を示す、例示の正規化された累積発熱３８の曲線も示している。一般に、図４に示された例において、上死点後約８度より前など、燃焼が始まる以前は、空気／燃料の給気が燃えていないので、累積発熱値は約ゼロ（０）である。図４に示された例において、例えば上死点後クランク角１２度より後といった、すべての空気／燃料の給気が燃えた後には、燃焼事象は概ね完結しており、したがって、正規化された累積発熱３８は約１．０の値を有する。燃焼室イオン化センサまたは燃焼室圧力センサなどのいくつかの装置が、燃焼事象の状態または位相を表す、またはこれらに対応する、燃焼位相信号２６をもたらすことが観測された。そのため、コントローラ２０またはプロセッサ２２は、燃焼位相信号２６を受け取るように構成されてよい。コントローラ２０またはプロセッサ２２は、燃焼位相信号２６を解析し、いくつかの燃焼位相特性が起こる時期に対応する時間またはクランク角を求めてよい。

【0022】

[0028]燃焼位相特性の限定的でない例は、燃焼開始（ＳＯＣ）が示される時である。例えば、ＳＯＣは、熱発生データによる燃焼プロセスが、燃焼室の中の空気／燃料の給気の１０パーセント（１０％）を消費した時でよい。このＳＯＣは、一般に、約０．１の累積的な正規化された熱発生に相当する。燃焼位相検出手段２４がイオン化センサであれば、燃焼位相信号２６は、ＳＯＣが起こる時を示すように、閾値と比較されてよい。一実施形態では、イオン化電流によって示されるイオン化レベルが閾値を超える時またはクランク角が、ＳＯＣが起こったことを示すのに用いられてよい。代替的に、燃焼位相検出手段２４が圧力センサであれば、燃焼位相信号２６が閾値と比較されてよく、圧力が閾値を超える時またはクランク角が、ＳＯＣが起こったことを示すのに用いられ得る。複数の装置からの信号が用いられる場合には、コントローラ２０またはプロセッサ２２は、個別信号を組み合わせて、または比較して、ＳＯＣまたは他の燃焼位相特性が起こったことを判断してよい。いずれのやり方でも、燃焼位相信号２６を監視することにより、燃焼事象の位相が追跡されるように、燃焼位相信号２６が、累積発熱３８などの燃焼位相特性に関連づけられ得ることが観測された。

【0023】

[0029]図４に示されるように、噴射の終了と燃焼の開始の間の時間またはクランク角は、点火休止（dwell）と定義されてよい。所与の燃料に対して、点火休止は、圧力温度時間履歴、局所的空気燃料比、および局所的な既燃ガス希釈（残留物プラスＥＧＲ）に依拠する。燃料が圧縮行程の早期（例えば上死点以前の約１２０度から９０度のクランク角）に噴射されると、ガス温度が比較的低く、燃料が空気と混合して希薄な状態になる時間がある。この早期の燃料は、希薄であり、低温でもあるので、その発火遅れは比較的長い。あるいは、燃料が圧縮行程の遅くに（例えば上死点以前の１０度から３０度のクランク角で）噴射されると、ガス温度および圧力ははるかに高い。これは、はるかに短い発火遅れをもたらし、混合のための時間がより短い。この遅い燃料は、より大きな層状化と、より濃厚な空気燃料比の局所的領域とを伴う自己発火を促進する。噴射時期および量に依拠して、早期の燃料または遅い燃料のいずれが最初に自己点火してもよい。

【0024】

[0030]１つの噴射からの燃料が、より早期の噴射からの燃料と混合すると、これらの複数の噴射が相互作用することになる。噴射時期および量に依拠して、早期の、中期の、または遅い噴射燃料が、サイクルの別々の時間に自己点火し、分散型の熱放出プロファイルをもたらす。これは、静かで清浄な低温燃焼にとって必須のことである。

【0025】

[0031]燃料噴射およびシリンダの中の条件は、自己発火が起こるのが早すぎないように制御される。これは、サイクルの中の望ましくない時間における、燃料のいわゆる「予燃焼（precombustion）」を防止する。ディーゼルエンジンにおけるパイロット噴射からの熱発生などの予燃焼は、負の仕事をもたらし、効率が低下する。

【0026】

[0032]最少の燃料消費および低燃焼騒音で、低ＮＯｘおよび低ＰＭ排出を達成するために、噴射事象（例えば図２の事象１〜５）に関する噴射の開始（ＳＯＩ）および噴射量（Ｑ）が、他のエンジン動作パラメータと合わせて速度−負荷−温度のマップ上で可変的に制御される。部分負荷条件に関して、ＳＯＩおよびＱは、一般に、燃焼の開始が上死点の前後のクランク角±５度で起こるように、且つ、点火休止は、所定の値（−５度から３５度のクランク角の公称範囲内）になるように選択される。燃焼の開始および点火休止は、詳細な較正および最適化プロセスから求められる。

【0027】

[0033]低ＮＯｘおよび低ＰＭ排出を達成するために、ＧＤＣＩにおける燃料空気燃焼は、燃焼室の全体にわたって温度−Φ条件の限られた範囲内で起こらなければならない。燃料は、燃焼プロセスが拡散または混合ではなく燃料反応性によって制御されるように、自己発火温度を達成するのに先立って十分に混合されなければならない。適切な燃焼温度−Φ条件は、ＮＯｘ形成を防止するのに十分な低い温度、およびＰＭ排出を防止するのに十分に希薄なΦを可能にし、これらは、どちらも、拡散制御される燃焼を用いたのでは防止することが不可能である。

【0028】

[0034]理想的な燃焼温度−Φ混合物のピーク温度がより低ければ、燃焼室表面へのより少ない熱損失およびより低い排気ガス温度が可能になり、このことが、ＧＤＣＩにおける、より高い熱効率および最少燃料消費をもたらす。

【0029】

[0035]点火休止が十分に長く、また、燃焼室の中で起こる自己発火が、すべての燃料が同時点火することのないように位相を合わせられたとき、ＧＤＣＩにおいて低燃焼騒音が達成される。適切な燃料自己発火特性およびΦの混合物層状化は、点火のステージング（換言すれば、過程）が、瞬時にではなく、中程度のクランク角の期間中に起こることを可能にし、より低いピーク発熱速度をもたらし、燃焼騒音の発生源であるピーク圧力の上昇速度をより低くする。

【0030】

[0036]一般的な「ガソリン」には、大気圧において約２５℃から約２２５℃の範囲で沸騰し、多量のパラフィン、シクロパラフィン、オレフィン、および芳香薬の混合物と、より少ない、または少量の添加物とを含む炭化水素の混合物が含まれる。無鉛レギュラーガソリン（ＲＯＮ９１）は、比較的高いオクタン指数を有する。圧縮点火システムの場合、これは、低負荷、低周囲温度の動作条件に関して、または冷温始動および初期の暖機運転中に、長い点火休止をもたらす。自己発火が、起こらない、または弱すぎる、または遅すぎる（すなわち膨張行程で起こる）可能性がある。これらの特殊条件に対して、さらなる混合物加熱が必要とされる。

【0031】

[0037]より高い圧縮比から混合物を圧縮加熱することが有益である。圧縮比がより高ければ、上死点の近くで混合物の温度がかなり増加する。下死点の近くで吸気弁閉じ（ＩＶＣ）を用いることも、体積効率および有効圧縮比の両方を最大化し、かつさらなる混合物加熱をもたらすのに役立つ（「下死点（ＢＤＣ）カム」）。しかし、堅調な自己発火、ならびに燃焼の開始、点火休止、および５０パーセントの質量燃焼割合のクランク角（ＣＡ５０）が適正範囲にあることを保証するためには、追加の混合物加熱が必要とされることがある。目標の燃焼開始、点火休止、およびＣＡ５０を達成するために、燃料噴射プロセスと合わせて圧縮の最後で混合物温度を調整する必要がある。十分な熱を得ることができれば、最初の燃焼事象の後のわずかなサイクルで冷温始動中に堅調な圧縮点火が実現可能になり得て、最初に冷たいエンジンを始動するのに、場合によっては点火プラグ７６などの補助の点火源が使用される。予熱プラグなどの他の始動補助装置が、本発明から逸脱することなく使用され得る。

【0032】

[0038]内燃エンジンからの熱排気（残留物）は、可変の弁動作機構を使用して広範囲にわたって極めて急速に制御され得る、混合物加熱の大きな供給源の１つである。残留ガスは、比較的応答の遅い吸気加熱装置または高圧ループ（ＨＰＬ）のＥＧＲなどの他の加熱方法より好ましい。

【0033】

[0039]一般に、ＤＯＨＣエンジンの中の残留ガスを制御するのに、１）（１つまたは複数の）吸気口の中に高温残留ガスの逆流および再導入をもたらす正の弁オーバーラップ（ＰＶＯ）、２）早期に排気弁を閉じることにより、シリンダの中に排気ガスを閉じ込める負の弁オーバーラップ（ＮＶＯ）、および３）２次排気事象による、吸気行程中の（１つまたは複数の）排気口からの熱排気の再吸入（rebreathing）（ＲＢ）を含む、３つの可変弁方策が知られている。

【0034】

[0040]圧縮比の高いエンジンについては、弁とピストンのクリアランスが限定されているため、ＰＶＯは好ましくない。ＮＶＯは、熱排気を閉じ込めるのに効果的であり得るが、ガスの再圧縮および熱伝達と関連した損失がある。ＮＶＯは、吸気弁と排気弁の両方の可変制御も必要とし、これは、連続的可変システムにとって複雑かつ高価である。

【0035】

[0041]排気口からの熱排気の再吸入は、好ましい方策である。この再吸入は、吸気行程中に２次排気事象を用いて実施することができる。「早期の」２次弁リフト事象と「遅い」２次弁リフト事象の両方が考慮される。「中間行程（mid-stroke）」ではピストン速度が大きく、弁の開／閉時間に対する感度がより高いので、一般に中間行程の２次事象は好ましくない。

【0036】

[0042]再吸入は、連続的に可変の弁動作機構または個別の２段（step）または３段で排気する可変の弁動作機構を使用して実施することができる。これは、吸気弁系列を、吸気弁の遅閉じなど、他の可変の弁動作機能のために利用可能にしておく。２段の排気再吸入の場合、３レベル（低排気リフト、高排気リフト、両方の弁を開く）で残留ガスを制御するのに、２つの排気弁が独立して制御されてよい。

【0037】

[0043]再吸入は、効率的な触媒動作のために、排気温度を上昇させて維持するのに、冷温始動中および暖機運転中にも重要である。触媒の種類次第で、排気種の変換が、さまざまな温度（例えばＳＣＲ触媒については２００℃）で起こり始める。熱排気を排気口から再吸入することにより、吸気の流量が低減されて排気温度が上昇する。このように、自己発火を促進し、触媒ライトオフも大幅に加速するように、暖機運転中に再吸入が制御され得る。

【0038】

[0044]再吸入は、触媒維持加熱のために、暖機休止および低負荷の下でも制御され得る。この場合、触媒温度が低下する、または特定の閾値未満に冷えると、触媒温度が常に維持されるように再吸入が増加され得る。維持加熱モードでは、噴射特性に対する何らかの調整が予期される。

【0039】

[0045]燃料が遮断される減速状態については、エンジン空気からの触媒冷却を最小化する必要がある。エンジンおよび触媒を通る空気の流量を低減するために、高レベルの再吸入が用いられ得る。触媒冷却が、かなり弱められ得る。何らかのスロットリングが必要とされることがある。

【0040】

[0046]高負荷状態については、ＮＯｘ排出物の低減のために、高温残留物は少量であることが望ましい。これは高い幾何学的圧縮比を用いて達成することができ、そのためにシリンダのすきま容積は小さい。再吸入がゼロであるとき、１６．２の幾何学的圧縮比に対して約２質量パーセントの残留ガスレベルが測定された。

【0041】

[0047]上記で説明された弁方策を示す弁リフトプロファイルが図５に示されており、実線は排気弁プロファイルを示し、破線は吸気弁プロファイルを示す。図５の横軸は、クランク角（度）で表わされたクランク位置を表す。図５では、０度から１８０度のクランク角は仕事行程を表し、０度が上死点のピストン位置を表し、１８０度が下死点のピストン位置を表す。１８０度から３６０度のクランク角は排気行程を表し、３６０度が上死点のピストン位置を表す。３６０度から５４０度のクランク角は吸気行程を表し、下死点におけるピストンのクランク角は５４０度である。５４０度から７２０度のクランク角は圧縮行程を表し、上死点におけるピストンのクランク角は７２０度である。

【0042】

[0048]図５のプロファイル４００は、排気カムに関するリフトプロファイルを示す。リフトプロファイル４００ａは、吸気行程を通じて再吸入リフトのない排気弁プロファイルを表す。残留ガスの再吸入を達成するための複数の「遅い」２次排気プロファイル４００ｂ、４００ｃ、および４００ｄは、吸気行程の後の部分の間に示されている。排気弁プロファイル４００ｂは、比較的少量の排気再吸入をもたらすことになり、プロファイル４００ｃはプロファイル４００ｂより多くの再吸入をもたらし、プロファイル４００ｄはプロファイル４００ｃより多くの再吸入をもたらす。「早期の」２次排気プロファイルも同様に実現可能であるが、示されていない。

【0043】

[0049]図５のトレース４１０は、負の弁オーバーラップ（ＮＶＯ）を組み込んだ排気弁プロファイルを示す。トレース４１０によって示されるように、負の弁オーバーラップは、早期に、すなわちピストンが排気行程の上死点に達する前に排気弁を閉じることにより、排気ガスをシリンダの中に閉じ込める。

【0044】

[0050]図５のトレース４１２は、排気弁が開いている間の２次吸気事象を組み込んだ、正の弁オーバーラップの吸気弁プロファイルを示す。この弁状態は、吸気口に排気を逆流させ、燃焼室に残留既燃ガスを再導入することができる。

【0045】

[0051]中負荷から高負荷の運転については、シリンダの圧力および温度が上昇される。これは、早期の自己発火を促進する傾向があり、ＮＯｘ排出物および燃焼騒音が増大する可能性がある。

【0046】

[0052]圧縮中にシリンダ圧力および温度を低下させる効果的な方策は、エンジンの有効圧縮比（ＥＣＲ）を低下させることである。有効圧縮比は、吸気弁および排気弁が閉じているときの燃焼室の体積を、上死点のピストン位置における燃焼室のすきま容積で割った比と定義される。有効圧縮比は「吸気弁の遅閉じ」（ＬＩＶＣ）を使用することにより、低下させることができる。図５のトレース４０２、４０４、および４０６は、ＬＩＶＣに関する吸気弁プロファイルを表す。図５で、トレース４０２はＬＩＶＣの度合いが小さい吸気弁プロファイルを表し、トレース４０４はＬＩＶＣが中程度の吸気弁プロファイルを示し、トレース４０６は、ＬＩＶＣの度合いが大きい吸気弁プロファイルを表す。

【0047】

[0053]下死点の近くで閉まる効果的な吸気をもたらす「下死点吸気カム」は、エンジンが低速回転でＧＤＣＩ燃焼用の最大の体積効率および最大の閉じ込められた空気をもたらす。これは、低負荷において最も高い圧縮圧および温度をもたらす。下死点吸気カムのプロファイルは、図５のプロファイル４０８として示されている。

【0048】

[0054]
[0055]ＩＶＣの時期は、エンジン速度および負荷が上昇するのにつれて、一般に遅らされる。高負荷では、ＩＶＣはかなり遅らされ得る。冷却ＥＧＲと組み合わせると、低ＮＯｘレベルが達成され得る。

【0049】

[0056]図６は、ＧＤＣＩエンジンの低温動作および高温動作のおおよその動作領域を示す。図６に示された動作領域は、エンジンの負荷―速度の動作範囲の全体を表す。

【0050】

[0057]動作領域５０２は、冷温始動およびエンジン暖機を通じて用いられる領域を表す。領域５０２では、混合物温度を大幅に上昇させるために大量の残留物が再吸入される。再吸入のこのレベルは、例えば図５のプロファイル４００ｄによって表されたリフトプロファイルを有する排気弁を使用することによって達成され得る。ＥＧＲは少なく、またはゼロとし、有効圧縮比を最大にするために、下死点において吸気弁を効果的に閉じる。動作領域５０２では、トレース４０８で示されたものなどの吸気弁リフトプロファイルが適切であり得る。

【0051】

[0058]図６の動作領域５０４は、低負荷領域を表す。領域５０４では、中程度の排気再吸入が中程度のＥＧＲとともに好ましい。再吸入のこのレベルは、例えば図５のプロファイル４００ｃによって表されたリフトプロファイルを有する排気弁を使用することによって達成され得る。図５のトレース４０８（下死点カム）または４０２（ＬＩＶＣの度合いが小さいもの）に示されたものなどの吸気弁リフトプロファイルが、領域５０４で動作させるのに適切であり得る。２重噴射の方策が、低吸気圧ブーストとともに好ましい。触媒維持加熱のために再吸入が用いられてよい。

【0052】

[0059]図６の動作領域５０６は、中間負荷領域を表す。動作領域５０６では、排気再吸入が最少化される。再吸入のこのレベルは、例えば図５のプロファイル４００ａによって表されたリフトプロファイルを有する排気弁を使用することによって達成され得る。ＥＧＲが増加される、または当量比が低下されてよく、吸気弁を閉じるのが中程度に遅らされる。動作領域５０６では、弁を閉じるのをいくらか遅らせるのに、図５のトレース４０２に示されたものなどの吸気弁リフトプロファイルが適切であり得る。３重または４重の噴射方策が、低から中の吸気圧ブーストとともに好ましいものであり得る。

【0053】

[0060]図６の動作領域５０８は、高負荷領域を表す。領域５０８では、排気再吸入が最少化される。再吸入のこのレベルは、例えば図５のプロファイル４００ａによって表されたリフトプロファイルを有する排気弁を使用することによって達成され得る。高い吸気ブースト、吸気弁の遅閉じの最大化とともに、ＥＧＲが大きい。動作領域５０８では、弁の遅閉じを高レベルにするのに、図５のトレース４０６に示されたものなどの吸気弁リフトプロファイルが適切であり得る。３重、４重、または５重の噴射方策が好ましい。

【0054】

[0061]図６に示された動作領域５０２、５０４、５０６、および５０８が表しているのは、必ずしも、その間に別個の境界があって、動作領域間の境界の両側に、対応するエンジン制御変数の別個のレベルがある別個の領域ではない。例えば、ＧＤＣＩシステムの動作は、図５に示された別個の弁リフトプロファイルに限定されない。エンジン負荷が、領域５０４に示されるような低負荷から領域５０６に示されるような中負荷へと増加するとき、吸気弁リフトは、プロファイル４０２とプロファイル４０４の間の１つまたは複数の中間の吸気弁リフトプロファイルを用いることにより、図５のプロファイル４０２によって示されたプロファイルから図５のプロファイル４０４によって示されたプロファイルへと変更されてよい。

【0055】

[0062]本発明が、好ましい実施形態に関して説明されてきたが、本発明は、そのように限定されることは意図されておらず、以下の特許請求の範囲で説明される範囲にのみ限定される。

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図3C】

【図4】

【図5】

【図6】