JPH08500166A - 制限温度サイクルを備えた内燃機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 開熱力学的サイクルで作動する膨張自在なチャンバピストン式内燃機関は、定容積（等容積）段階と、その後の定温度（等温）段階を有する燃焼プロセスを実行する。

Description

【発明の詳細な説明】 制限温度サイクルを備えた内燃機関発明の分野 本発明は一般的には内燃機関に関し、より詳細には開かれた熱力学サイクルで 作動する膨張自在チャンバピストン式内燃機関に関する。発明の背景 自動車メーカー、エンジンメーカー、燃料噴射装置メーカーおよび社会は、全 体に、効率的で有効な運輸手段を求めている。動力（パワー）を発生する燃焼プ ロセスと、公害を引き起こすプロセスとのバランスは、エンジンプロセスの基本 的な効率を高めることによって最良に解決される。 等温加熱および熱除去と、等エントロピー圧縮および膨張とを組み合わせた理 想的カルノーサイクルは、所定の上限作動温度および下限作動温度に対して最も 効率的なエンジンサイクルであることは周知である。 しかしながらこのカルノーサイクルは大きな動力（パワー）を発生するには極 めて大きな圧縮比（５０：１以上）が必要なことから、膨張チャンバピストン式 エンジンに対しては実用的ではない。それにもかかわらず極めて効率的なカルノ ープロセスを活用できる実用的なプロセスは当技術分野における改良技術となろ う。 最も実用的なエンジン、従って現に最も普及しているエンジンはオットーサイ クルエンジンであり、このエン ジンでは燃料−空気混合気を圧縮し、その後無調節状態で燃焼させている。理想 的なオットーサイクルは所定の圧縮比に対しては最も効率的な膨張チャンバピス トン式エンジンであるが、その理由は、オットーサイクルではピーク時の高温と 熱入力の実用的な平均的温度とを組み合わせているからである。しかしながらオ ットーエンジンのピーク時の高い燃焼温度による燃料−空気混合気の一部が自動 的に点火することがあり、この結果、エンジンノイズが生じたり、エンジンに損 傷がおよぶだけでなく、過剰な量の望ましくないＮＯ_xが発生する。過去におい てオットーサイクルエンジンにおける自動点火の間題は燃料に対して化学的添加 物、例えば鉛化合物（現在では法律によって許可されていない）、マンガン化合 物（これはスパークプラグへの付着物が累積し、ミスファイアを生じさせ得る） 、ベンゼン（この使用は現在では立法上の命令によって削減されている）または 環境上の目的に合致させながら好ましくない自動点火を防止する燃料改質剤を使 用することによって減少させていた。更にこの自動点火の問題は、より低い圧縮 比（これによりパワーと効率の双方が低下する）を使用するか、または排ガス再 楯環、リーンバーンまたは層状チャージ技術（これらのいずれもパワーのロスを 生じさせ得る）のいずれかにより燃焼温度を制限することによっても減少できる 。 一般的な目的の道路で使用するには排ガス規制された 乗用車のエンジンでは、現在のところ有効圧縮比約１０：１のまで制限されてい る。上記制限比を超えると燃料制御システムのコストが増すこと、および排ガス 触媒コンバータに使用されている白金またはロジウムの量が増え、更にコストが 増すので、一般に圧縮比を高めたことによる利点がなくなってしまう。１０：１ よりも高い圧縮比で実用的なオットー圧縮プロセスを作動できるようにする技術 は、当分野における改良技術となるであろう。 より高い有効な圧縮比によって表現されるオットーサイクルを改良したサイク ルが、等温加熱および等容積(isochovic)熱除去と、等エントロピー圧縮および 膨張とを組み合わせた、理想的なディーゼルサイクルである。この理想的なディ ーゼルサイクルは圧縮プロセスに対して空気だけを利用し、燃焼プロセスの一部 として燃料とプロセス空気とを混合させることにより、オットーサイクルの燃料 オクタン価の制限を克服している。これにより低いオクタン価の燃料を使用でき るが、高いセタン価の燃料を必要とする（自動点火は増す）。しかしながら上記 理想的なディーゼルサイクルの等温プロセスは、極端に高い圧縮比（５０：１） が必要なため、実用的でないことが判っており、別の加熱プロセス（等圧プロセ ス）を実用化している。 理想的なディーゼルサイクルの別の変形例として、等容積加熱と等圧加熱とを 組み合わせ、等容積熱除去と等エントロピー圧縮および膨張とを組み合わせた、 理想的 な圧力制限サイクルがある。このような燃焼プロセスによりエンジンを適度な圧 縮比（大きな開チャンバエンジンに対しては１４：１〜１７：１）のみならず、 高圧縮比（小排気量エンジンに対しては２０：１〜２５：１）で作動することが 可能となる。 ディーゼル式のエンジンは圧縮比が高いため燃料の効率が良いが、同じ排気量 のオットーエンジンよりも重く、パワーが小さくなる傾向がある。更にディーゼ ル式の直接噴射エンジンのいずれも、点火遅れの問題があり、これにより燃焼プ ロセスの制御性および有効性が低下している。この点火遅れの問題を克服する一 つの方法は、噴射前の燃料を１５００°Ｒまで予熱することである。この方法に より、燃料噴射の際に自発点火の燃焼が起こる。しかし、この方法は燃料噴射ノ ズルが短い寿命となるために実用的でない。 これまでにディーゼルエンジンとスパーク点火エンジンとの双方の特性を備え たハイブリッドエンジンプロセスが開発されたが、これらプロセスは道路で使用 するには実用的でないことが証明された。これらハイブリッドプロセスの例とし ては、テキサコのＴＣＣＳ、フォードのＰＲＯＣＯ、リカルド、ＭＡＮ−ＦＭお よびＫＨＤ−ＡＤがある。いずれのプロセスも効率を改善するため層状チャージ 技術を用いる開閉チャンバの直接噴射スパーク点火エンジンを利用している。こ れら開発エンジンは点火遅れ、プロセス空気の不完全な利用および燃料−空 気チャージの不良混合により、パワーロスが大きいという問題がある。 従って現在の技術の限界に達しているため、熱力学プロセスをより実用的に組 み合わせることにより、パワーの発生と、燃料効率と、汚染の発生および汚染物 の制御とを良好にバランスさせる内燃機関が求められている。発明の概要 基本的には、本発明は最高燃焼温度を制限する熱力学的プロセスの新しい組み 合わせを利用して、上記条件および制約を満たすものである。本発明によれば、 所定の燃料を用いてより高い圧縮比、より高いパワー出力またはより低いピーク 温度で内燃機関を作動できる。 概して、一実施態様によれば、本発明は、内燃機関における燃料の量および直 接噴射システムの噴射タイミングを制御し、定容積（等容積）段階および定温（ 等温）段階から成る燃焼プロセスを発生することにより実行される。このように 達成される制限された温度のエンジンサイクルにより、所定の燃料または所定の ＮＯ_x排ガス限度で実質的により高い圧縮比を利用でき、これにより燃料−空気 混合気の分析または実際のエンジンのテストデータを分析する際に測定される、 標準的な、より低い圧縮比のオットーサイクルよりも、実際の熱効率を高くでき る。更にこのように達成される制限された温度サイクルにより低品質の燃料を用 いて、所定の圧縮比でパワー出力をより大きくし、ＮＯ_xの発生を低くできる。 本発明の別の特徴によれば、制限された温度燃焼を行うための膨張チャンバピ ストン式内燃機関を作動する新しい方法が提供される。かかるエンジンは少なく とも一つのシリンダーと、これに連動すると共に上死点位置を有する、シリンダ ーと共に燃焼チャンバを形成するためのピストンと、吸気ストローク、圧縮スト ロークおよび膨張ストロークを含む作動サイクルと、燃料導入システムとを含む 。本発明によるエンジンを作動する方法は、プロセス空気の完全燃焼に必要な総 燃料のうちの一種以上の離散量の所定量部分を導入することにより、所定の燃料 −空気混合気をまず形成する工程を含む。次に、ピストンがほぼ上死点に位置し た際に、このように導入された比較的薄い燃料−空気混合気を点火する。この第 １の燃焼段階は、これによってほぼ等容積または定容積のプロセスを含む。つま り、等容積プロセスのために供給される燃料は、作動流体の温度を大幅に低減す る量であり、この温度は高圧縮比でも３３００゜Ｒと同程度もしくはそれより低 いものとなる。最後に、膨張ストロークのほぼ開始時に、完全燃焼に必要な総量 のうちの（一種以上の離散量の）第２部分を導入する。この第２部分の導入から 生じた燃焼はほぼ等温プロセスとなっている。同一または実質的に低い圧縮比を 有する、相当するオットーサイクルエンジンで得られる温度よりも大幅に低い温 度で等温プロセスが生じる。従ってＮＯ_x排ガスは制限され、現在のシステムよ りも低コストでかかる低減が 可能である。 当業者であれば、本発明の方法は、熱入力すなわち燃焼プロセスの第１段階で オットープロセスを利用し、熱入力すなわち燃焼プロセスの第２段階でカルノー プロセスを利用している認識するだろう。理想的な燃料−空気分析を使用して、 本発明の作動サイクルを標準的なオットーサイクルとを比較すると、本発明によ る予期しない利点が明らかとなる。すなわち高い温度損失を考慮すると、本発明 の制限された温度サイクルを用いた場合、オットーサイクルを用いた場合よりも （所定の圧縮比の）エンジンの全体の作動効率は大きくなる。このような所定の 圧縮比における効率の増加は、低いサイクル温度から得られる利点である。 本発明の別の利点は、現在のエンジンを用いて可能である効率よりも（より高 い圧縮比で）より高い効率でエンジンを作動できることである。最も入手が容易 な自動車用ガソリン燃料は、約９０オクタン価の燃焼質定格を有しており、この ような値は一般に公共的道路で使用するのに多くのエンジンは約１０：１の圧縮 比に制限されている。オクタン定格は高い燃焼温度と間接的に関連し（高い温度 で作動するにはオクタン価の高い燃料が必要である）、更に本発明は作動温度を 下げているので、本発明はエンジン効率の増加に相応してエンジンの圧縮比を高 くすることができる。 要するに、本発明の方法により実用的なエンジンが理 想的なプロセスで作動できる。すなわち等温燃焼プロセス中に熱エネルギーは直 接仕事に変換される。本発明は現在のエンジンのデザインおよび材料を利用して おり、所望の圧縮比および適当な燃料導入システムを取り入れるために、現在の 内燃機関を設計変更することによって実施するものである。図面の簡単な説明 さらに、添付図面を参照して読むと、好ましい実施例の詳細な説明から本発明 の目的、利点および特徴が明らかとなろう。 図１は、本発明の原理を利用した４サイクル内燃機関の一部の略図である。 図２は、本発明に係わる、燃料噴射容積およびレートを決めるプランジャーカ ムを含む、図１に示されたエンジンで使用できるソレノイド作動式燃料噴射器の 側横断面図である。 図３は本発明に係わるエンジンの一つの作動条件例に従い、燃料噴射器プラン ジャーの上昇距離とエンジンクランク角との関係（１）及び噴射燃料容積とエン ジンクランク角との関係（２）を示すグラフである。 図４は、本発明のサイクルを更に説明する圧力と容積およびそれに関連するエ ンジンサイクルを示す図である。 図５Ａ〜５Ｃは、本発明のエンジンサイクルを解析し、エンジンの性能および 他の作動パラメータを計算するための工程を示すフローチャートである。 図６は、２つの最大温度3300゜Ｒおよび4000゜Ｒに対する定温度燃焼のために 供給された燃料百分率と圧縮比との関係を示すグラフである。 図７は、3300゜Ｒの最高温度を有する、本発明に係わるプロセスに対する熱解 放レートと、クランクシャフト角との関係を示すグラフである。 図８は、本発明の別の実施例に関連した圧力−容積および関連するエンジンサ イクルを示す図である。 好ましい実施例の詳細な説明 図１を参照すると、ここには本発明の教示を採用した、常吸式４サイクルスパ ーク点火エンジン１０が略図で示されている。本発明の利点は２サイクルスパー ク点火エンジンのみならず、ターボチャージまたはスーパーチャージャー式エン ジンでも実現できることは、当業者には明らかであろう。更に図１では、簡略に するため単一のシリンダーしか示していないが、本発明を実施したエンジンは一 般に多気筒を有する多気筒エンジンでもよいことは理解できよう。 エンジン１０はブロック１２と、シリンダーヘッド１４と、シリンダー１６内 の上死点と下死点との間を往復動作し、シリンダー１６と共に燃焼チャンバ（室 ）２０を構成するようになっているピストン１８を有するシリンダー１６を備え る。ピストン１８の往復運動はすべて当技術では周知のように、コンロッド２２ とクランクシャフトアセンブリ２４により回転出力運動に変換さ れる。後により詳細に説明するように、本発明によれば、エンジン１０の圧縮比 は一般に、従来の自動車用スパーク点火内燃機関（エンジン）よりも実質的に高 くなっている。例えば従来のエンジンの圧縮比は８：１〜１０：１となり得るが 、本発明の教示を採用したエンジンの圧縮比は１８：１となり得る。 エンジン１０はシリンダーヘッド１４内に設けられた吸気バルブ２８を含む空 気導入システム２６を更に含む。バルブ２８は排気バルブ（図１には示されず） と共に、従来のカムシャフト３０と、これに関連するバルブトレイン機構３２に よって作動される。シリンダーヘッド１４内にはスパークプラグ３４も取り付け られており、このスパークプラグの附勢は当分野で周知の手段によって制御され ると共に、タイミングがとられている。 更に次に図２を参照すると、燃焼および排ガス制御のため、燃料−空気混合気 を正確に制御する燃料噴射システム３６によりエンジン１０に燃料が供給される 。この燃料噴射システム３６は、シリンダーヘッド１４内またはこれに隣接して 設置された電気的に作動される燃料噴射ポンプ３８を含み、このポンプ３８は噴 射ライン４０およびスパークプラグ３４に隣接して燃焼チャンバ２０内で終わっ ている噴射ノズル４１を介して燃焼チャンバ２０内に所定量の燃料を直接噴射す るようになっている。この噴射ポンプ３８は、例えば下記のような改良されたカ ムおよびソレノイド４４が加えられた、ＡＭＢＡＣイ ンターナショナルにより製造されたモデル２００の、燃料噴射ユニットでもよい 。この燃料噴射ポンプ３８はソレノイド４４ドライブユニット（ＳＤＵ）４６に より附勢可能なソレノイド４４によるスプリング４３の押圧力に抗して作動され る燃料スピルバルブ４２を有する。このドライブユニット４６は電子制御ユニッ ト（ＥＣＵ）４８により制御されており、この制御ユニットは適当なセンサによ りエンジン作動条件、例えば吸気および排気マニホールド圧力、エンジン速度、 点火位置、スロットル位置、エンジン温度等をモニタしている。これら条件を示 す電気信号は制御ユニット４８に入力信号５０として印加される。当技術分野で 知られているように、電子制御ユニット４８は多数の入力信号５０に基づき噴射 ポンプ３８により燃焼チャンバ２０に導入される燃料のタイミングと計量値を電 子的に計算する。 適正な燃料流量を発生させ、かつ、長時間の高温作動中の燃料システム内で蒸 気が発生しないように、送りポンプ（図示せず）により燃料ライン５２を通して 、十分高い圧力で燃料噴射ユニット３８に燃料が供給される。ソレノイド駆動ユ ニット４６によりソレノイド４４が附勢されると、バルブ４２が閉じる。プラン ジャー５４の変位量は知ることができるので、噴射パルス幅すなわちバルブ４２ が閉じている期間を変えるだけで、噴射燃料の量が制御される。 噴射ポンプ３８は、ピストン式のポンピングプランジ ャー５４を含み、このプランジャー５４に係合するカムフォロワー面すなわちカ ムローブ５８を有するカム５６によって作動され、カム５６はエンジンのクラン クシャフト速度で回転することができる。 図３に示すように、クランク角に応じたリフト形状を有し、クランク回転角が 約１８０゜変化すると、基本円６２から約０．５インチだけ最大上昇位置まで上 昇する第１リニア部分６０と、クランクが約６０゜回転すると基本円まで低下す る第２リニア部分６２を含む。 図３は圧縮比が１８：１で、ピーク温度が約3300゜Ｒの温度制限サイクルの４ サイクルエンジンに対するワイドオープンスロットルのための燃料噴射スケジュ ールを示す。図４の燃料噴射スケジュールは、燃料容積ＡおよびＢの２つの連続 噴射を考慮したものである。既に説明したように、燃料容積ＡおよびＢは電子制 御ユニット４８によって決定されるような噴射器３８が作動している期間だけの 関数となっている。 燃料噴射ポンプはカムシャフト速度すなわちエンジンクランクシャフト速度の 半分で駆動されている。エンジン吸気ストローク（０゜）でほぼ始まる上昇点で カムローブ５８がスタートする図２に示すような実施例では、このポンプはエン ジンでのクランクシャフト速度で回転される。これによりオットーエンジンと同 じ吸気ストローク中は、（図３におけるＡで示されるような）第１燃料噴射容積 が生じるポンプカム５６はエンジン圧縮スト ロークの終了時（３６０゜）で最初の回転を完了する。ポンプカム５６が次に回 転すると、ほぼ一定の容積の燃焼を生じるようにパワーストローク中に第２の燃 料容積（容積Ｂ）が噴射される。 上死点の後の（エンジンクランク角）の約１０゜と１２０゜との間のピストン １８の吸気ストローク中に、プロセス空気を完全に燃焼させるのに必要な総燃料 のうちの約５６％に相当する燃料容積Ａが噴射される。圧縮ストロークのほぼ終 了時（３６０゜または上死点）にて完全燃焼に必要な燃料の総量のうちの残りの ４４％に相当する第２の容積Ｂが噴射される。かかる第２噴射は上死点の約６０ ゜後、すなわち約４２０゜で終了する。一般に当該実施例におけるスパークプラ グ３４による点火は上死点の５゜から１０゜前に行われる。 噴射容積Ａに基づく燃料−空気混合気の燃焼は、第１の燃焼段階を形成し、こ の段階は標準的なオットーサイクルでは実質的定容積のプロセスである。この第 １燃焼段階は、当然ながら極めて希薄な混合気を形成し、このような希薄な混合 気は説明する燃焼の第２段階がない場合にはエンジンパワーを著しく低下させる よう働く。燃料容積Ｂの燃焼は、ほぼ一定の温度すなわち等温的に行われ、パワ ーと効率の双方を増す。このような第２燃焼段階を発生させる温度は限られてお り、最も妥当な圧縮比、例えば８：１または１０：１の標準オットーサイクルエ ンジンで得られるような温度よりも低いことが測定 されている。従って本発明の温度制限サイクルにより設計者は所定燃料に対する エンジンの圧縮比を劇的に大きくすること、例えば約１８：１程度に高くし、熱 、騒音および排ガスの問題を生じることなく、高圧縮比エンジンから得られる高 い効率とパワー出力を含む利点のすべてが得られる。 定容積燃焼を行えるように、燃料の大部分が、通常ほぼ５０％〜９０％まであ らかじめ混合される。このような第１プロセス混合気は、最初に制限最大圧力に 、次に制限最大シリンダー温度となるようなレートで、燃焼プロセス中に供給さ れる第２燃料部分と組み合わされる。 本発明に係わるエンジンサイクルは、熱入力の同じ平均温度を備えたカルノー サイクルよりも熱効率が高くなっている。 図４は、２つの最大燃焼チャンバ温度 (Ｔ _max)、すなわち３３００°Ｒおよ び４３００゜Ｒに対する本発明の制限された温度サイクルの実施例を比較した３ つのエンジンサイクルの図（圧力−容積；温度−容積；および温度−エントロピ ー）を示す。第１の実施例（Ｔ_max＝３３００゜Ｒ）のエンジンサイクルは、図 ４のグラフにおけるポイント１−２−３−４−５−１により定義され、第２の実 施例（Ｔ_max＝４３００°Ｒ）のエンジンサイクルは、ポイント１−２−３’− ４’−５’−１により定義される。図４においてパス１−２は１８：１の等エン トロピー圧縮であり、パス２−３および２−３’は、第 １の実施例におけるプロセス空気の完全燃焼に必要な燃料の５６％を用いる定容 積燃焼プロセスである。パス３−４および３’−４’は、第１の実施例における 燃料の残りの４４％を使用する等温プロセスである。パス４−５および４’−５ ’は、等エントロピー膨張プロセスであり、パス５−１および５’−１は定容積 排気プロセスである。 図５ａ〜５ｃの理想的燃料−空気混合気の解析を用いると、次のように図４の ２つの実施例における各点での条件や状態を計算できる。 第１の実施例 ポイント１−下死点、吸気ストロークでの初期条件 ポイント２−次の等エントロピー圧縮（パス１〜２） ポイント３−次の制限温度燃焼、定容積プロセス（パス２〜３） ポイント４−次の定温度燃焼および膨張（パス３〜４） ポイント５−次の等エントロビー膨張（パス４〜５） 第１実施例のサイクルの特性の概要 第２の実施例 ポイント１−下死点、吸気ストロークでの初期条件 第１の実施例と同じ ポイント２−次の等エントロピー圧縮（パス１〜２） 第１の実施例と同じ ポイント３’−次の制限温度燃焼、定容積プロセス（パス２〜３’） ポイント４’−次の定温度燃焼および膨張（パス３’〜４’） ポイント５’−次の等エントロピー膨張（パス４’〜５’） 第２の実施例のサイクルの特性の概要 本発明の別の実施例では、等容積プロセスのために供給される燃料は、ほぼ40 00゜Ｒ（ランキン）の作動流体の温度を発生する量となり得るが、この4000゜Ｒ の温度はほぼ等温燃焼を発生するため、パワーストローク中の容積増加に比例し て供給される残りの燃料による制限のない燃焼で発生される温度よりも、多少低 くなっている。この実施例はより高い圧縮比におけるノイズを回避しながら大き なパワーを発生する。 図６は８：１から２４：１の幅の圧縮比の関数として定温度燃焼のために供給 される燃料百分率の２つの最高燃焼温度（3300゜Ｒおよび4000゜Ｒ）のグラフで ある。 図７は、（上記第１実施例の）3300゜Ｒの最高燃焼温度に対するエンジンクラ ンク角の関数としての熱解放レートのグラフである。このグラフの第１部分７０ は低容積プロセス（図４におけるパス２−３）に対する熱解放レートを示す。グ ラフの第２部分７２は等温プロセス（図４のうちのパス３−４）に対する熱解放 レートを示す。 再度図３を参照すると、圧縮ストロークの開始時に第１噴射（容積Ａ）を行い 、４サイクルエンジンにおけるように第２噴射（容積Ｂ）を行うようにスケジュ ールを決めるだけで、２サイクルエンジンに対しても本発明を実施できることは 、当業者には明らかであろう。２サイクルエンジンに実施した場合、カムローブ の作動部分は圧縮ストロークの開始点から等温燃焼プロセスの終了点 まで延長しなければならない。この部分は上昇ランプ関数の大きな不使用部分を 備えた長い期間となっているので、カム上の一定の径部分を使用してカムローブ の全体の大きさが過度に大きくなるのを防止できる。 当業者であれば、（図２に示すような）燃料噴射ポンプの代わりにソレノイド 制御ユニット式噴射器を使用するか、または代替案としてソレノイドによって別 々に制御される噴射器と共に、定流量高圧ポンプによって供給される共通レール 燃料噴射システムを使用できることが理解できよう。更に当業者には、極めて短 い噴射器附勢時間（すなわち少量の燃料）が必要な場合、ソレノイドの代わりに ピエゾ電気式アクチュエータと置換できることは明らかであろう。噴射制御度を 高くするのにもピエゾ電気式アクチュエータを使用できるが、その理由はかかる 噴射器を使用して多数の離散した量を噴射すると、その結果、等温プロセスパス をプロセスがより正確に追従することができる。更に別の例によれば、ユニット 噴射器内のポンププランジャーをピエゾ電気装置と置換すると、噴射器を作動す るためのカムが不要となる。ピエゾ電気式アクチュエータの使用を実用的にする には、実用的な大きさのピエゾ電気素子により必要な総燃料量を噴射するように 、電気制御ユニットによって多数回（例えば１００回）ピエゾ電気装置を作動さ せることになる。 図４のプロセス図は理想的なプロセスを示していることも理解できよう。実際 のエンジンパスはタイミング、 熱および摩擦損失に起因して、図示した理想的サイクルからある程度ずれる。こ れら要因は、サイクル図内で例えばプロセスラインのうちの丸いコーナーまたは ずれとなって現れる。 本発明を実施するには、標準的なキャブレター式燃料導入システムと噴射器と を組み合わせることも可能である。図３の例を参照すると、かかるシステムを用 いる場合、キャブレターが第１の量（容積Ａ）を供給し、噴射器が第２の量（容 積Ｂ）を供給することになる。しかしながらコストを最小とするには、双方の燃 料チャージを導入するための一つの噴射器を使用することが好ましい。 本発明は異なる負荷または異なる作動条件で同一エンジン内で現在のオットー エンジンプロセス、ディーゼルエンジンプロセス、リーンバーンエンジンプロセ スまたは層状チャージエンジンプロセスと組み合わせるように実施することもで きる。 最大シリンダー圧力を制限することを重んじるような使用法もある。この場合 、本発明は別の実施例、すなわち定容積燃焼と定圧力燃焼と定温度燃焼との組み 合わせを活用できる。本発明のこの実施例では、好ましい圧力限度に達するよう な量の燃料を、定容積プロセス中に加える。次に好ましい最大温度に達するまで 定圧力で熱を加える。残りの熱は等温的に加えられる。図８のプロセス図にはか かる実施態様の一例が示されている。この実施態様によって作動するエンジンは 図８を参照するよう に、次のプロセスパスを含む。すなわちパス１〜２は等温圧縮プロセスであり、 このプロセス中に燃料が供給される。この圧縮プロセス中の初期に供給される燃 料は２つの目的で働く。まず第１の目的は、気化熱により圧縮仕事量を減少させ ること。第２の目的は、燃料によって生じる冷却に比例して燃焼温度を低下する こと。第３は、初期の噴射により点火時間前にプリフレーム（火炎）作用が生じ るだけの時間があり、これにより点火ラグの問題（これはディーゼルまたは他の 主要な直接噴射ハイブリッドシステムで大きな問題である）を少なくできる。パ ス２〜３は既に説明したように、等エントロピー圧縮プロセスであり、パス３〜 ４は燃料の量Ａ（図３）を比例させることにより最大圧力が所定値に制限された 等容積燃焼プロセスであり、パス４〜５は燃料の量Ｂ（図３）のうちの第１部分 によって生じる定圧力プロセスであり、この第１部分は所定の最高燃焼温度に達 するまで等圧燃焼を続けるための量であり、パス５〜６は所定の最高燃焼温度で の等温燃焼プロセスであり、パス６〜７は等エントロピー膨張プロセスであり、 パス７〜１は等容積排気プロセスである。燃料導入量の各々は、できるだけ正確 に理想プロセスに従うよう、一つ以上の離散した量にすることができる。 再度図３を参照すると、総燃料量の第１部分（容積Ａ）を一つ以上の離散した 噴射燃料部分に分割することにより、本発明の別の実施態様を実施できる。例え ばか かる２つの部分を用いる場合、これら部分をＡ’部分、Ａ”部分と表示する。こ の場合これら２つの部分の合計は容積Ａに等しい。この実施態様の一例によれば 、総燃料量の４０％に相当する第１燃料部分Ａ’をエンジンクランクシャフト回 転角の１０゜〜８０゜の角度の間で噴射し、総燃料量の１６％に相当する第２燃 料部分Ａ”をエンジンクランク回転角のうちの３２０゜から３５０゜までの角度 の間で噴射する。この実施態様により、リーンミスファイア限度を延長するよう に働く第１燃焼段階の間に、スパークプラグの回りで化学的に適正な燃料−空気 混合気を発生するだけでなく、第１燃焼段階における未燃焼酸素の発生を防止す ることにより、ＮＯ_xの発生を更に減少する。 本発明は種々の燃料、例えば天然ガス、ディーゼル、ガソリンおよびメタノー ルだけでなく、例えば定容積熱解放プロセスのための天然ガスの組み合わせおよ び等温熱解放プロセスのためのディーゼル燃料を含む多数の燃料と共に使用でき ると理解されよう。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．（１）少なくとも一つのシリンダーと、これと連動し、上死点位置を有し 、燃焼チャンバを形成するためのピストンと、（２）吸気ストローク、圧縮スト ロークおよび膨張ストロークを含む作動サイクルと、（３）燃料導入システムと を有する、制限された温度燃焼を行うための膨張チャンバピストン式内燃機関を 作動する方法であって、 燃焼チャンバ内でプロセス空気を完全燃焼するのに必要な総燃料のうちの所定 部分を導入することにより、所定の燃料−空気混合気を形成する工程と、 ピストンがほぼ上死点になった際に前記燃料−空気混合気を点火する工程と、 完全燃焼に必要な総燃料の第２部分を膨張ストロークのほぼ開始点で導入する 工程とを備え、 導入された第１燃料から生じた燃料−空気混合気の燃焼が実質的等容積プロセ スであり、 第２燃料部分の導入の結果行われる燃焼が実質的等温プロセスである、膨張チ ャンバピストン式内燃機関を作動する方法。 ２．直接噴射により燃料を導入する、請求項１記載の方法。 ３．実質的等容積燃焼プロセスと、その後に実行される実質的等温燃焼プロセ スを含んで成る熱入力段階を備えた作動サイクルを有する、燃焼チャンバを備え たスパ ーク点火式内燃機関。 ４．前記実質的等容積燃焼プロセスおよび実質的等温燃焼プロセスを実行する ような位相関係で、前記燃焼チャンバ内に燃料を直接噴射するための手段を含む 、請求項３記載のスパーク点火内燃機関。 ５．噴射スケジュール、タイミングおよびレートを制御するための、前記燃料 噴射手段と連動した手段を含み、該制御手段は、 （１）プロセス空気の完全燃焼に必要な総燃料量の所定部分に相当する、一つ 以上の離散した量の第１噴射を行って、この第１噴射燃料量の燃焼により前記実 質的に等容積の燃焼プロセスを実行し、 （２）前記完全燃焼に必要な総燃料量の第２の部分に相当する一つ以上の離散 した量から成る第２の噴射を行って、この第２の燃料噴射量の燃焼により前記実 質的に等温燃焼プロセスを実行するようになっている、請求項４記載のスパーク 点火内燃機関。 ６．前記第２部分は完全燃焼に必要な総燃料の残りから成る、請求項５記載の スパーク点火内燃機関。 ７．圧縮ストローク中に総燃料のうちの前記所定の第１部分を導入し、等温圧 縮プロセスを実行する、請求項１記載の方法。 ８．前記第１の所定の部分の燃焼は、所定の最大圧力に制限されており、 総燃料のうちの第２部分を供給して、まず所定の最高 燃焼温度に達するまで定圧力燃焼を行い、次に前記所定の最高温度で等温燃焼を 行う、請求項７記載の方法。