JP2011512474A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

圧縮装置（２）を備えた内燃機関（１）を運行する方法が開示されている。空気／燃料混合物は、圧縮装置（２）内で圧縮される。内燃機関（１）のシリンダ（３）へ供給される空気／燃料混合物の空気／燃料混合比λ_２は、内燃機関（１）の負荷（Ｐ）の関数として変動する。内燃機関（１）の圧縮装置（２）内で圧縮される空気／燃料混合物の空気／燃料混合比λ_１は、シリンダ（３）に供給される空気／燃料混合物の空気／燃料混合比λ_２よりも大きい。この方法は、圧縮装置（２）内で圧縮される空気／燃料混合物の空気／燃料混合比λ_１が、圧縮装置（２）内、及び／又は圧縮装置（２）の上流の物理条件下では、引火しないように選択されることを特徴としている。
【選択図】図２

Description

本発明は、圧縮装置（以降“コンプレッサ”）を有した内燃機関（以降“エンジン”）の運行方法に関する。

空気／燃料混合物（以降“混合気”）は、コンプレッサ内で圧縮される。エンジンのシリンダに供給される空気／燃料混合気の空気／燃料比λ_２は、エンジンの負荷の関数として変化する。本発明は、エンジンおよび調節装置にも関する。

シリンダの燃焼チャンバ内に供給される前に空気／燃料混合気が圧縮されるエンジンである過給エンジン（以降“スーパチャージエンジン”）、特にガスエンジンでは、例えば、燃焼チャンバからの逆火（以降“バックファイヤ”）が、コンプレッサ上流の燃料と空気の共通供給部に至る混合ライン内で空気／燃料混合気に引火する危険が存在する。このことは、エンジンが全負荷状態にあるときに、特に高ブースト圧により大きな爆発波が発生することを意味する。特に大型混合気供給ライン（通路）を備えた大型エンジンにおいては、この現象は、エンジン損傷の可能性および重大な安全上の問題を提起する。

この理由によって、約３ＭＷ（メガワット）以上である大型ガスエンジンは、スーパチャージャを利用せず、噴入口噴射（以降“ポートインジェクション”）により運行される。“ポートインジェクション”とは、エンジンシリンダヘッド直前の吸気ライン内の燃料供給または吸気バルブの機能を意味する。全燃料は、これら燃料吸気装置を介して必要なだけ個別のシリンダに供給される。

スーパチャージに対して、ポートインジェクションの不都合な特徴の１つは、エンジンの燃焼チャンバの混合気を可能な限り均質にすることの困難性である。さらに別な大きな弱点は、特に低カロリー値の燃料においては大量の燃料が高圧で噴入されなければならないことである。それに必要な燃料圧を発生させるには大型燃料吸気バルブおよび高圧縮力が必要である。

西独国特許出願公開第１０３３９８５４号明細書

従って、本発明の第１目的は、従来技術の弱点を克服する方法を提供することである。特に、燃焼チャンバから燃料吸気領域、コンプレッサ、および空気／燃料混合装置へのバックファイヤが防止されなければならない。

さらに、本発明は、この問題点を克服するエンジン並びにエンジンの運行のための調節装置を提供する。

前記の目的は、本明細書の独立請求項によって達成される。

従って、空気／燃料混合気がコンプレッサで圧縮され、エンジンシリンダに供給される空気／燃料混合気の空気／燃料比λ_１がエンジン負荷の関数として変動するようなコンプレッサを備えたエンジンを運行させる方法では、シリンダに供給される空気／燃料混合気は、コンプレッサで圧縮される空気／燃料混合気よりも小さな空気／燃料比λ_２を有する。

吸気部の上流方向の空気／燃料混合気は、大きな空気／燃料比λ_１を有しているため、コンプレッサ内及び／又はコンプレッサ上流で支配的な物理条件下では、混合気は引火せず、混合気の燃料増強は、コンプレッサの下流でのみ発生するため、吸気のバックファイヤはほぼ完璧に抑えられる。特許文献１は、コンプレッサ下流の混合気の高濃度化を説明するが、負荷変更に伴うスーパチャージャ（過給器）圧力降下に関連する問題を解決するだけである。この点で、特許文献１は、ほんの少量のガスだけが、既に均質化されているガス／空気混合気内に含まれていると明言する。その結果、特許文献１の混合気の高濃度化は、最低限度であり、発明概念や、その技術的教示は示されていない。

この点で、特に好適であるのは、シリンダに供給される空気／燃料混合気の空気／燃料比λ_２が減少し、圧縮された空気／燃料混合気にコンプレッサの下流で燃料が供給され、及び／又は小さい混合比λ_３の燃料／空気混合気が供給されることである。この好適例では、これは、例えば、純粋燃料、または小さい値λ_３で燃料／空気混合気を吸気部の吸気バルブに直接供給し、燃焼チャンバ内での燃焼のために燃料／空気混合気を高濃度化することによって実現できる。あるいは、純粋燃料、または小さい値λ_３でコンプレッサ下流に供給された燃料／空気混合気を、シリンダ内あるいはシリンダの燃焼チャンバ内に直接供給することで実現できる。

一例では、この方法は、知られたスーパチャージ機構をポートインジェクションと組み合わせている。

この好適実施態様では、燃料の少なくとも約２／３がコンプレッサを介して圧縮空気で圧縮（スーパチャージ）され、残りの燃料は、例えばポートインジェクション装置を介してシリンダの吸気バルブの直前または近辺に供給される。

１好適実施態様では、コンプレッサ内及び／又はコンプレッサ上流の物理条件下では、引火しないようにコンプレッサで圧縮される空気／燃料混合気の空気／燃料比λ_１が選択される。空気／燃料混合気の正確な値λ_１は、選択された燃料と、作用圧力および温度条件の関数である。本発明の好適実施態様を構築する希薄燃焼（以降“リーンバーン”）（大型）ガスエンジン（λは約１．７）においては、ＣＨ_４を燃料として使用するときの通常条件では、２以上の領域の値λがバックファイヤのリスクを実質的に０とするように設定される。例えばバイオガス等の他のガスでは、値λは、相当に小さく（例えば約１．８）、Ｈ_２では、２．１以上の値λが有利である。しかし、スーパチャージの利点が失われないように値λ_１は、十分に高く設定すべきである。それゆえ、実際には、値λ_１は、適した燃料の関数としてその臨界値をほんの少々超える値に設定される。

本発明のエンジンは、少なくとも次の要素を含む。すなわち、空気吸気、第１燃料吸気（吸気燃料とも言う）、燃料／空気混合装置（空気吸気と第１燃料吸気は、燃料／空気混合装置内に放出）、燃料／空気混合装置下流に接続されたコンプレッサ、コンプレッサ下流に接続された第２燃料吸気、吸気マニホールド、燃焼チャンバ形成されているシリンダ、および調節装置または制御装置が含まれている。この調節装置または制御装置は、少なくとも２つの燃料吸気を介して、エンジンの運行状態の関数としての燃焼チャンバへの燃料供給を調節または制御する。調節装置または制御装置は、コンプレッサで圧縮される空気／燃料混合気の空気／燃料比λ_１を調節し、コンプレッサ内及び／又はコンプレッサ下流の物理条件下では、引火しないようにする。

従って、この好適実施態様においては、調節装置は、第１燃料吸気を介して供給される空気／燃料比λ_１をほぼ一定に保ち、例えばアクチュエータや第２燃料吸気を介してエンジンの運行状態の関数として燃料供給を調節する。バルブは、燃料量を調節するための好適アクチュエータを構成することができる。ここでの燃料流方向は、エンジンの燃料／空気混合装置から燃焼チャンバへの燃料／空気混合気のガス流方向である。ここでのコンプレッサ“上流”とは、燃料／空気混合装置に至るガス流の方向とは反対側の領域を意味する。

上述の方法の有利な特徴は、以下で詳細に解説するエンジンの好適実施態様の構造に活用されている。従って簡潔化のために、その全ての利点を改めて紹介することはしない。

好適には、第２燃料吸気は、吸気マニホールド内へ放出されるか、あるいは、第２燃料吸気は、ポートインジェクタ用として形成される。あるいは、第２燃料吸気は、シリンダの燃焼チャンバ内に直接的に放出される。

上述の方法およびエンジンに加えて、調節装置も本発明の方法あるいはエンジンに利用される。

本発明のさらなる利点および細部は、添付の図面並びに以下の説明から明確になろう。

図１は、本発明の方法を実行するための調節装置を備えたエンジンの概略図である。 図２は、本発明の方法を実行する１実施例によるエンジン負荷Ｐの関数としての空気／燃料比λを表すグラフである。 図３は、図２に類似したグラフであり、本発明の方法を実行する別実施例を示す。

図１は、空気吸気４、第１燃料吸気５、および燃料／空気混合装置６を含んだエンジン１の外観である。空気吸気４と第１燃料吸気５は、燃料／空気混合装置６内に放出される。その下流には、コンプレッサが設置されており、排気タービン１２によって駆動される。

排気タービン１２は、エンジン１のシリンダ３の空気／燃料混合気の燃焼による排気ガス１６によって駆動される。

図示のエンジン１は、１６体のシリンダ３を有している。それらには、吸気マニホールド９を介して燃料／空気混合装置６から空気／燃料混合気が供給される。空気／燃料混合気が吸気マニホールド９内に流入する前に、コンプレッサ２内で圧縮された空気／燃料混合気が混合気冷却装置７内で所望の温度にまで冷却される。空気／燃料混合気の実際量は、スロットル装置８を介して調節される。コンプレッサ２の下流に接続された第２燃料吸気１５は、マニホールド１１を介して個々のシリンダ３内に放出される。この実施形態では、純粋燃料が第２燃料吸気１５を介して供給され、バルブの形態または所謂ポートインジェクタの形態のアクチュエータ１０を介して吸気バルブの領域内に放出される。あるいは、燃料は、第２燃料吸気１５から直接的にシリンダ３内に放出される。

これで調節装置１４は、コンプレッサ２を離れる小さなλ_１値の空気／燃料混合気量を、スロットル装置８を介してモータシャフト１３に作用するエンジン負荷Ｐの関数として調節し、アクチュエータ１０を介して負荷Ｐの関数として追加の燃料を供給することでこのプロセスを制御する。

本発明方法の２つの実施例を図２と図３でさらに詳細に説明する。

さらに別の実施態様では、純粋燃料の代わりに空気／燃料混合気が、圧縮空気／燃料混合気の値λ_１よりも小さい値λ^＊を有した第２供給燃料（燃料吸気）１５を介して供給される。この場合、第２供給燃料１５の領域に燃料／空気混合装置をさらに設置することができる。この場合もまた、空気／燃料混合気は、圧縮空気／燃料混合気の値λ_１よりも小さい値λで、例えばシリンダ３または吸気バルブ領域（すなわちシリンダ３の直前）内に放出できる。

この好適実施例は、ガスエンジンであるため、この場合の燃料は、例えばメタン等の気体燃料であり、例えばキャブレタで前処理する必要はない。第２供給燃料１５を介して供給される第２燃料は、この場合、第１供給燃料（燃料吸気）５を介して供給される燃料とは異なる燃料である。一例として、別燃料ガス（例えば、第２燃料としてＨ_２、第１燃料としてＣＨ_４）または液体燃料が使用できる。燃料によっては、第２燃料は、加圧液化水素、液化ＮＨ_４、または高級炭化水素化合物等の液体形態で供給できる。もし適当であれば、燃料のためにキャブレタが提供される。

好適実施例を図２と図３で説明する。スーパチャージガスエンジンの場合と同様に、燃料の大部分は、排気ガスタービン１２のコンプレッサ２上流の燃焼空気内に混入される。この空気／燃料混合気は、第１値λ_１を有する。エンジン１内で第２値λ_２の空気／燃料混合気は燃焼される。値λ_２は、エンジン負荷Ｐの関数として変化する。アイドリング速度ｎ_０における値λ_２は、エンジン全負荷Ｐ＝１００％のものより低い。

値λ_critは、吸気バルブ上流に混合気を供給するライン内のバックファイヤの上限臨界を表す。値λ_１と値λ_２の相違△λは、負荷Ｐの増加に連れて降下する。純粋スーパチャージの場合に較べて、燃料と空気の混合比は、小さく保たれ、混合ライン（すなわち、シリンダ上流領域または吸気バルブ上流領域）内の物理条件下では、空気／燃料混合気は、燃焼しない。極端に引火臨界値が大きい燃料を使用するときには、混合比は、層状燃焼速度が非常に小さく、爆発波が形成されないように選択できる。一例として、高スーパチャージ天然ガスリーンバーンエンジンは、約１．７から１．９の値λ_２の全負荷で運行できる。混合ラインで支配的な物理条件下における空気／天然ガス混合気の引火性の希薄臨界値λ_critは、約λ_crit＝２．１である。この場合、約８０％の燃料が燃焼空気で圧縮され、約２０％の燃料だけが吸気バルブ上流のポートインジェクションバルブ１０を介して供給される。さらに多量の水素（５０％超）の燃料で、バックファイヤのリスクが回避できる最小値λ_critは約３である。この場合、燃料は、次のように分割される。すなわち、圧縮装置上流は、約７７％であり、ポートインジェクションバルブ１０を介しては約２３％である。コンプレッサ２の上流のガス吸気４（前混合）のために、例えば、知られた混合装置６を介して、全運行範囲（負荷）Ｐにおいてバックファイヤのリスクが存在しない最小許容値λ_１＞λ_critと対応する所定の固定混合比が設定されるよう、２つの供給燃料５、１５内への燃料の調節、制御または分配が実行できる。例えば、混合比λ_１は、全運行範囲Ｐにわたって一定であるように設定される。通常、ガス混合装置は、設定された混合断面を有したものが使用される。

図２は、エンジン運行範囲Ｐにわたって一定である、燃料としての天然ガスと前混合するための混合比λ_１曲線の一例を示す。エンジンの燃焼チャンバで燃焼した燃料の混合比λ_２は、パワーの増加に連れて連続的に増加する。最も単純な場合には、これは、スーパチャージ用とポートインジェクション用の組み合わされた溶体を構成する。エンジンアイドリング中（ｎ_０）に、ポートインジェクション装置は、全負荷ガス量に対して約３％および１００％負荷の範囲Ｐで約１５％の燃料を噴入し、燃焼のための混合比λ_２を所望値に調節する。

図３は、“前混合比”λ_１の別曲線を示す。混合気は、部分負荷の下では、全負荷の下よりもさらに希薄である（λ_１（部分負荷）＞λ_１（全負荷））。特に高カロリー値のガスの場合に、アイドリング時または小部分負荷の下では、ガス量は、ポートインジェクションルブのためには少なすぎ、計測装置の感度と精度が問題となるときに、この方法は有利に利用される。

“前混合比”λ_１が、アイドリングｎ_０から全負荷（Ｐ＝１００％）に至るまで徐々に希薄になるようにする設計は、基本的には可能であるが、上述の理由によって利点は少ない。

スーパチャージガスエンジンでは普通のことであるが、変動する臨界条件、例えば、燃料ガス組成変化は、正確モードの運行が常に保証されるように、ガス混合装置のガス供給断面を調節する調節装置の制御を干渉することで対処される。

エンジンのポートインジェクション装置を介して供給される燃料混合気量の場合と異なり、コンプレッサ２上流の供給燃料の動力学に対してはさほどの要求はない。コンプレッサ２上流の燃料と空気の混合比の急激な変化は、スーパチャージとポートインジェクションとが組み合わされた場合には不要である。これでエンジン管理が容易になり、混合比λ調節システムに対する影響は安定する。

実際または過渡的なエンジン運行がそれを必要とするとき、ポートインジェクションガス量は、高度に動力学的に制御および調節される。例えば、閾値パラメータは、負荷を解放するか負荷を適用しているとき、急速で問題の多い特殊反応が必要とされる場合に、さらなる臨界条件および規準を考慮してエンジンの混合比λの調節装置から導かれる。さらに、ガス量は、個別に調和され、あるいはポートインジェクションシステムを利用してそれぞれのシリンダに対して調整される。

図示の実施例では、２体の燃料供給装置は、連結が外され、相互に影響を及ぼさない。一例として、動力学プロセス（例えば、ポートインジェクションにより供給される燃料量の急速変動）は、前混合比λ_１に対して影響を及ぼさない。

例えば、純粋ポートインジェクションから純粋スーパチャージへ、あるいはその逆の転換を提供する別運行を想定することも可能である。スーパチャージ／ポートインジェクションの組み合わせから純粋ポートインジェクションまたは、純粋スーパチャージへ、あるいはその逆に転換する方法を想定することも可能である。このような設計は、大いに異なる特性を備えている、異なる燃料ガスで代用する場合（例えば、別燃料ガスに混合するときに燃料ガスを変更あるいは追加するとき）に適している。それぞれの標準方法に共通する本発明方法の利点を以下において簡単に列挙する。

純粋ポートインジェクションの利点
・混合気の優れた均質性。
・ポートインジェクション装置の正確性不足に対して低感度であり、誤差に対して高寛容
性。
・小型インジェクションバルブ使用。
・低ガス圧縮性能許容（特に、低カロリー値燃料ガスまたは高圧不適燃料ガス）。
・アイドリング時と全負荷時との間で小差であるガスインジェクション量、およびアイド
リング時および小負荷範囲における高ポートインジェクションシステム精度。

純粋スーパチャージの利点
・バックファイヤのリスク軽減およびバックファイヤ時の損傷軽減（低混合気エネルギー、
引火範囲外混合気あるいは極低燃焼速度）−デッドゾーン回避による素早い反応（分離
運行時に特に重要）。
・バックファイヤおよび爆発を回避したシリンダＯＮ／ＯＦＦ切換。
・シリンダ単位での混合気制御（例えばシリンダ間バランス調整）

純粋方法に対する小額の追加コストのみが利点に対して障害である。この点に関して、ポートインジェクション設計費用は、スーパチャージ設計費用よりも相当程度大きい。純粋スーパチャージは、安全面で利用できない。特に大型エンジンでは利用できない。普通、大型エンジンは、ポートインジェクション設計を採用する。このような場合の組み合わせ方法の追加費用（ポートインジェクション＋スーパチャージ）は、比較的に小額であるが、前述の利点は相当なものである。

Claims (13)

1. 圧縮装置（コンプレッサ）（２）を備えた内燃機関（エンジン）（１）を運行する方法であって、
   空気／燃料混合物（混合気）は、前記コンプレッサ（２）内で圧縮され、
   前記エンジン（１）のシリンダ（３）に供給される空気／燃料混合気の空気／燃料比λ_２は、該エンジン（１）の負荷（Ｐ）の関数として変化し、
   前記エンジン（１）内で圧縮される空気／燃料混合気の空気／燃料比λ_１は、前記シリンダ（３）に供給される空気／燃料混合気の前記空気／燃料比λ_２よりも大きく、
   前記コンプレッサ（２）内で圧縮される空気／燃料混合気の空気／燃料比λ_１は、該コンプレッサ（２）内、及び／又は該コンプレッサ（２）の上流の物理条件下では、引火しないように選択されることを特徴とする方法。
2. シリンダ（３）に供給される空気／燃料混合気の空気／燃料比λ_２は、減少されており、
   コンプレッサ（２）の下流において、さらに小さい空気／燃料比λ^＊の燃料／空気混合気は、圧縮された空気／燃料混合気に供給されることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. コンプレッサ（２）の下流に供給される燃料または燃料／空気混合気は、さらに小さな空気／燃料比λ^＊でシリンダ（３）内に直接的に供給されることを特徴とする請求項２記載の方法。
4. コンプレッサ（２）の下流に供給される燃料または燃料／空気混合気は、さらに小さな空気／燃料比λ^＊でシリンダ（３）の吸気バルブ領域に供給されることを特徴とする請求項２記載の方法。
5. コンプレッサ（２）内で圧縮される空気／燃料混合気の空気／燃料比λ_１は、供給燃料またはさらに小さい空気／燃料比λ^＊の供給燃料／空気混合気上流の領域の物理条件下では引火しないよう十分に大きく（λ_１＞λ_crit）選択されることを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載の方法。
6. コンプレッサ（２）の下流に供給される燃料は、コンプレッサ（２）内で圧縮される燃料とは異なることを特徴とする請求項２から５のいずれかに記載の方法。
7. 内燃機関（エンジン）（１）であって、
   （ａ）空気吸気（４）と、
   （ｂ）第１燃料吸気（５）と、
   （ｃ）燃料／空気混合装置６と（前記空気吸気（４）と前記第１燃料吸気（５）は、該燃料／空気混合装置（６）内に供給）、
   （ｄ）前記燃料／空気供給装置（６）の下流に接続された圧縮装置（コンプレッサ）（２）と、
   （ｅ）前記コンプレッサ（２）の下流に連結する第２燃料吸気と、
   （ｆ）吸気マニホールド（９）と、
   （ｇ）燃焼チャンバが内部に形成されているシリンダ（３）と、
   （ｈ）調節装置（１４）または制御装置（１４）と、
   を含んで成り、
   前記調節装置または制御装置（１４）は、少なくとも２つの燃料吸気（５、１５）を介した本エンジンの運行条件の関数としての燃焼チャンバへの燃料供給を調節または制御し、
   前記調節装置または制御装置（１４）は、コンプレッサ（２）内、及び／又はコンプレッサ（２）の上流の物理条件下では、引火しないよう、コンプレッサ（２）で圧縮される空気／燃料混合気の空気／燃料比λ_１を調節することを特徴とするエンジン（１）。
8. 調節装置（１４）は、第１燃料吸気（５）を介して供給される空気／燃料比λ_１を略一定に保ち、本エンジン（１）の運行条件の関数として第２燃料吸気（１５）を介した供給燃料を調節することを特徴とする請求項７記載のエンジン。
9. 第２燃料吸気（１５）は、吸気マニホールド内に供給されることを特徴とする請求項７または８記載のエンジン。
10. 第２燃料吸気（１５）は、ポートインジェクタ（１０）に対応するものとして形成されていることを特徴とする請求項９記載のエンジン。
11. 第２燃料吸気（１５）は、シリンダ（３）の燃焼チャンバ内に直接的に供給されることを特徴とする請求項７または８記載のエンジン。
12. 請求項７から１１のいずれかに記載のエンジンに利用される調節装置。
13. 請求項１から６のいずれかに記載の方法を実施するためにエンジンに利用される調節装置。

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