JP2016164414A - 二元燃料エンジンを運転するための方法および制御装置 - Google Patents

二元燃料エンジンを運転するための方法および制御装置 Download PDF

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Abstract

【課題】二元燃料エンジンを運転するための新式の方法と制御装置とを提供すること。【解決手段】二元燃料エンジン（１０）を運転するための方法であって、エンジンは複数のシリンダ（１１）を含み、液体燃料運転モードではすべてのシリンダ（１１）において液体の燃料（ＦＫ）のみが燃焼され、ガス燃料運転モードではすべてのシリンダ（１１）においてガス状の燃料（ＧＫ）のみが、場合によっては点火流体（ＺＦ）を用いて燃焼され、複合燃料シェアリング運転モードでは、少なくとも１つの第１シリンダ（１１）において液体の燃料（ＦＫ）のみが燃焼され、少なくとも１つの第２シリンダ（１１）においてガス状の燃料（ＧＫ）のみが、場合によっては点火流体（ＺＦ）を用いて燃焼される方法。【選択図】図１

Description

本発明は二元燃料エンジンを運転するための方法に関する。本発明はさらに、本方法を実行するための制御装置に関する。
液体燃料運転モードではすべてのシリンダにおいて液体の燃料のみが燃焼され、ガス燃料運転モードではすべてのシリンダにおいて場合によっては点火流体を用いてガス状の燃料のみが燃焼される二元燃料エンジンは、従来技術から充分に知られている。それで特許文献１は、ガス燃料運転モードでガス・空気混合気が、点火流体を用いて点火される二元燃料エンジンの詳細を開示している。
実践からさらに知られているのは、二元燃料エンジンで、このエンジンの各シリンダにおいて液体燃料とガス燃料とを同時に燃焼することであり、そのような運転モードは、ジョイント燃料シェアリング運転モードと呼ばれる。各シリンダにおいて液体燃料とガス燃料とを同時に燃焼させる二元燃料エンジンのジョイント燃料シェアリング運転モードは、効率の悪さもしくは燃料消費の高さと、燃焼されない炭化水素と一酸化窒素の排出量の多さとで際立っている。
独国特許第１９６２１２９７号明細書
以上のことから、本発明の課題は、二元燃料エンジンを運転するための新式の方法と制御装置とを提供することである。
この課題は、請求項１に記載の方法によって解決される。本発明に従えば、複合燃料シェアリング運転モードでは、少なくとも１つの第１シリンダにおいて液体の燃料のみが燃焼され、少なくとも１つの第２シリンダにおいてガス状の燃料のみが、場合によっては点火流体を用いて、燃焼される。
本願の発明は、二元燃料エンジンのための新式の運転モードを提案する。本発明に係る複合燃料シェアリング運転モードでは、少なくとも１つの第１シリンダにおいて液体燃料のみが燃焼され、少なくとも１つの第２シリンダにおいてガス燃料のみが、場合によってはガス燃料を点火するための点火流体を用いて、燃焼される。
それに応じて、すべてのシリンダが単元運転で運転され、しかも少なくとも１つのシリンダは液体の燃料のみを用いる際に運転され、少なくとも１つのシリンダはガス状の燃料のみを用いて、場合によってはガス状の燃料を点火するための点火流体を用いて、運転される。
これによって、既知のジョイント燃料シェアリング運転モードと比べて、燃料消費とひいては効率とを改善することができ、さらに燃焼されない炭化水素と一酸化窒素の排出量を削減できる。
本発明の有利な一発展形態に従えば、エンジンはすべてのシリンダに、共通の過給圧供給装置を備え、複合燃焼シェアリング運転モードでは、液体燃料運転モードのための過給圧とガス燃料運転モードのための過給圧との間の過給圧が用いられる。本発明に係る複合燃料シェアリング運転モードのためのそのような過給圧を調節することによって、燃料消費もエンジンの排出量も削減できる。
本発明の有利な一発展形態に従えば、複合燃料シェアリング運転モードでは、液体の燃料のみが燃焼されるシリンダの燃焼重心位置が、液体燃料運転モードと比べて早めに変位され、このために好適には、液体の燃料のみが燃焼されるシリンダのために、燃料搬送開始が液体燃料運転モードと比べて早めに変位される。燃焼重心位置をこのように変位させることによって、複合燃料シェアリング運転モードでは、燃料消費も有害物質排出量も有利に削減できる。
本発明の有利な一発展形態に従えば、複合燃料シェアリング運転モードでは、ガス状の燃料のみが点火流体を用いて燃焼されるシリンダの燃焼重心位置が、ガス燃料運転モードと比べて遅めに変位され、このために、ガス状の燃料のみが燃焼されるシリンダのために、点火流体搬送開始がガス燃料運転モードと比べて遅めに変位される。燃焼重心位置をこのように変位させることによって、複合燃料シェアリング運転モードでは、燃料消費も有害物質排出量も有利に削減できる。
本発明の有利な一発展形態に従えば、複合燃料シェアリング運転モードでは、ガス状の燃料が場合によっては点火流体を用いて燃焼されるすべてのシリンダのために、同一の平均圧力が調節され、好適にはさらに、液体の燃料のみが燃焼されるすべてのシリンダのために平均圧力が調節され、その平均値はガス状の燃料が燃焼されるシリンダの平均圧力に相当する。平均圧力にこのような影響を与えることによって、複合燃料シェアリング運転モードでは、燃料消費と有害物質排出量とをさらに削減できる。
好適には、複合燃料シェアリング運転モードでは、液体の燃料のみが燃焼されるシリンダと、ガス状の燃料のみが点火流体を用いて燃焼されるシリンダとは、周期的に交代する。それによって駆動トレインにおける回転振動レベルをコントロールでき、最適化できる。
本方法を実行するための制御装置は、請求項１０に定義されている。
本発明の好ましい発展形態は、従属請求項と以下の記述とからもたらされる。本発明の実施例は、図に基づいてより詳細に説明されるが、これに限定されるものではない。図に示されるのは以下である。
二元燃料エンジンのブロック図である。 二元燃料エンジンのシリンダのブロック図である。
図１は、複数のシリンダ１１を含む二元燃料エンジン１０のブロック図を示している。
液体燃料運転モードでは、すべてのシリンダ１１において、液体の燃料ＦＫのみが燃焼される。
ガス燃料運転モードでは、二元燃料エンジンのすべてのシリンダ１１において、ガス状の燃料ＧＫのみが燃焼され、しかもガス状の燃料ＧＫを点火するための点火流体ＺＦを用いて燃焼される。
図１で示された実施例において、二元燃料エンジン１０に排ガスターボチャージャ１２が配設されており、二元燃料エンジン１０のシリンダ１１内で燃料を燃焼させると発生する排ガスＡＧは、排ガスターボチャージャ１２のタービン１３に供給されて、タービン１３内で排ガスＡＧを減圧し、その際機械エネルギーを獲得する。この機械エネルギーは、燃料を燃焼させるために二元燃料エンジン１０のシリンダ１１に供給され得る過給空気ＬＬを圧縮するために、排ガスターボチャージャ１２の圧縮機１４で利用される。その際ガス燃料運転モードでは、好適には過給空気ＬＬとガス状の燃料ＧＫとからガス・空気混合気が形成され、当該混合気はシリンダ１１に供給され、点火流体ＺＦを介して点火される。
図２は、二元燃料エンジン１０のシリンダ１１の領域において、二元燃料エンジン１０のさらなる詳細を示しており、シリンダ１１のピストン１５は連接棒１６を介して上下に動くことができる。
液体燃料運転モードでは、シリンダ１１の燃焼室２６において、液体の燃料ＦＫが燃料インジェクタ１９を介して投入され、過給空気ＬＬが入口弁１７を介して投入され、燃焼時に発生する排ガスＡＧが出口弁１８を介して燃焼室２６から排出される。液体の燃料ＦＫは、燃料ポンプ２０を介してインジェクタ１９に準備される。
ガス燃料運転モードでは、過給空気ＬＬとガス状の燃料ＧＫとの混合気が、入口弁１７を介してシリンダ１１の燃焼室２６内に投入され、このガス・空気混合気を点火するために点火流体ＺＦが使われるが、当該点火流体ＺＦは、点火流体ポンプ２３と点火流体貯蔵室２２から、点火流体インジェクタ２１を介してシリンダ１１に、つまり図２の実施例において、少なくとも１つの接続路２５を介して燃焼室２６と連結されているシリンダ１１のさらなる燃焼室２４に、準備される。指摘されるべきは、点火流体ＺＦは燃焼室２６に直接投入されてもよいということである。
本発明は、二元燃料エンジン１０のためのまったく新式の運転モード、つまり、二元燃料エンジン１０の少なくとも１つの第１シリンダ１１が、液体の燃料ＦＫのみの燃焼に使われ、二元燃料エンジン１０の少なくとも１つの第２シリンダ１１が、ガス状の燃料ＧＫのみを点火するための点火流体ＺＦを用いてのガス状の燃料ＧＫの燃焼に使われる複合燃料シェアリング運転モードを提案する。
それに応じて、二元燃料エンジン１０のすべてのシリンダ１１は単元運転で運転され、少なくとも１つの第１シリンダ１１においては液体の燃料ＦＫのみが燃焼され、少なくとも１つの第２シリンダにおいてはガス状の燃料ＧＫのみが、ガス状の燃料を点火するための点火流体ＺＦを用いて燃焼される。
図１から分かるように、二元燃料エンジン１０はすべてのシリンダ１１に、過給空気ＬＬを供給する共通の過給空気供給装置を備える。本発明に係る複合燃料シェアリング運転モードにとっては、液体燃料運転モードのための過給圧とガス燃料運転モードのための過給圧との間の、過給空気ＬＬの過給圧が用いられる。
具体的な実施例で仮定されたのは、液体燃料運転モードが起動している場合には、エンジン全負荷のたとえば８５％の二元燃料エンジンの規定された運転ポイントで、過給空気ＬＬの過給圧は２．８バールが選択され、これに対してこの運転ポイントでガス燃料運転モードが起動している場合には、過給空気ＬＬの過給圧は２．２バールが選択されるということである。複合燃料シェアリング運転モードには、エンジン全負荷のたとえば８５％の運転ポイントで、２．８バールと２．２バールとの間、たとえば２．５バールの過給空気ＬＬの過給圧が選択される。
過給空気に加えて、複合燃料シェアリング運転モードにとっては、好適にはさらに、二元燃料エンジン１０のシリンダ１１の燃焼重心位置が影響を受ける。
それで好適には、複合燃料シェアリング運転モードでは、液体の燃料ＦＫのみが燃焼されるシリンダ１１の燃焼重心位置が、液体燃料運転モードと比べて早めに変位され、および／あるいは複合燃料シェアリング運転モードでガス状の燃料ＧＫのみが点火流体ＺＦを用いて燃焼されるシリンダ１１の燃焼重心位置が、ガス燃料運転モードと比べて遅めに変位される。
エンジン全負荷のたとえば８５％の運転ポイントの、上の具体的な実施例では、液体燃料運転モードで、すべてのシリンダ１１の燃焼重心位置は、たとえば上死点後クランク角１４度にあり、これに対してガス燃料運転モードでは、この運転ポイントで、燃焼重心位置は上死点後クランク角８度にある。複合燃料シェアリング運転モードにとっては、液体の燃料ＦＫのみを燃焼させるシリンダ１１のために燃焼重心位置は、上死点後クランク角１４度からたとえば上死点後クランク角１２度に移動され、複合燃料シェアリング運転モードでガス状の燃料が点火流体ＺＦを用いて燃焼されるシリンダ１１のために燃焼重心位置は、上死点後クランク角８度からたとえば上死点後クランク角１０度に移動される。
それに応じて、複合燃料シェアリング運転モードで液体の燃料ＦＫのみを燃焼させるシリンダの燃焼重心位置は、液体燃料運転モードと比べて早めに変位され、これに対して、複合燃料シェアリング運転モードでガス状の燃料を燃焼させるシリンダの燃焼重心位置は、ガス燃料運転モードと比べて遅めに変位される。
複合燃料シェアリング運転モードで液体の燃料ＦＫのみが燃焼されるシリンダ１１の燃焼重心位置の変位は好適には、それぞれのシリンダ１１の燃料搬送開始が液体燃料運転モードと比べて早めに変位されるように、行われる。
複合燃料シェアリング運転モードでガス状の燃料ＧＫが燃焼されるシリンダ１１の燃焼重心位置の変位は好適には、それぞれのシリンダ１１で点火流体ＺＦの点火流体搬送開始が遅めに変位されるように、行われる。
本発明の有利なさらなる一発展形態に従えば、複合燃料シェアリング運転モードでは、ガス状の燃料ＧＫが燃焼されるつまりガス状の燃料ＧＫを点火するための点火流体ＺＦを用いて燃焼される、二元燃料エンジン１０のすべてのシリンダ１１のために、同一の平均圧力が調節されることが意図される。平均圧力とは、当業者によく知られた、それぞれのシリンダのピストン１５に作用し、かつ望ましいモーメントを準備するために必要な圧力を示すモーメントの代用の数値のことである。複合燃料シェアリング運転モードで液体の燃料ＦＫのみが燃焼されるすべてのシリンダ１１で、平均値が、複合燃料シェアリング運転モードでガス状の燃料ＧＫが燃焼されるシリンダ１１の平均圧力に相当する平均圧力が調節される。それに応じて、複合燃料シェアリング運転モードでは、ガス状の燃料を燃焼させるすべてのシリンダ１１で平均圧力は同一であり、それに対して、液体の燃料ＦＫが燃焼されるシリンダ１１では平均圧力は互いに異なっていてよいが、この平均圧力の平均値は、ガス状の燃料ＧＫが燃焼されるシリンダ１１の平均圧力に相当する。液体の燃料ＦＫのためのコモンレール噴入システムを有する二元燃料エンジンでは、複合燃料シェアリング運転モードで液体の燃料が燃焼されるすべてのシリンダでも、同一の平均圧力が調節される。
燃焼重心位置と平均圧力への影響は、シリンダ圧に基づく燃焼制御を介して、あるいは特性曲線に由来して行われる。
好適にはさらに、複合燃料シェアリング運転モードでは、液体の燃料のみが燃焼されるシリンダ１１のシリンダ充填は、液体燃料運転モードと比べて下げられ、それに対して複合燃料シェアリング運転モードでは、ガス状の燃料が燃焼されるシリンダ１１のシリンダ充填は、ガス燃料運転モードと比べて上げられる。
本発明の有利な一発展形態に従えば、本発明に係る複合燃料シェアリング運転モードでは、液体の燃料ＦＫのみが燃焼されるシリンダ１１と、ガス状の燃料ＧＫが燃焼されるシリンダ１１とは、周期的に交代することが意図されている。これによって、駆動トレインにおける回転振動レベルを有利に調節できる。
液体の燃料ＦＫのみの燃焼から点火流体ＺＦを用いたガス状の燃料ＧＫの燃焼への、複合燃料シェアリング運転モードでの切替プロセスと、ガス状の燃料ＧＫの燃焼から液体の燃料ＦＫの燃焼への逆の切替は、それぞれのシリンダで、液体燃料運転モードからガス燃料運転モードへ、もしくはガス燃料運転モードから液体燃料運転モードへ交代される、実践から知られる二元燃料エンジンでのように行われてよい。本発明に係る複合燃料シェアリング運転モードでのシリンダを選択する切替は、類似したやり方で行われる。
本発明に係る複合燃料シェアリング運転モードを利用しての本発明に係る方法によって、二元燃料エンジン１０のシリンダ１１において、シリンダを選択して、液体の燃料ＦＫもガス状の燃料ＧＫも燃焼される。その際少なくとも１つの第１シリンダにおいて液体の燃料ＦＫのみが燃焼され、少なくとも１つの第２シリンダにおいてガス状の燃料ＧＫのみが、ガス状の燃料ＧＫを点火するための点火流体ＺＦを用いて燃焼される。これによって、各シリンダで液体の燃料もガス状の燃料も同時に燃焼される周知のジョイント燃料シェアリング運転モードに比べて、二元燃料エンジン１０の燃料削減も排出量削減も実現され得る。
複合燃料シェアリング運転モードは好適には、エンジンの規定の負荷領域、好適にはエンジン全負荷の１５％−１１０％で利用される。
６気筒エンジンでは、総燃料消費に対するガス状の燃料消費の相対的な割合は、液体の燃料のみが燃焼される第１シリンダの数と、ガス状の燃料のみが場合によっては点火流体を用いて燃焼される第２シリンダの数とに応じて、０％あるいは１６．５％あるいは３３％あるいは５０％あるいは６６％あるいは８４．５％あるいは１００％である。８気筒エンジンでは、相対的な割合は、０％あるいは１２．５％あるいは２５％あるいは３７．５％あるいは５０％あるいは６２．５％あるいは７５％あるいは８７．５％あるいは１００％である。
本発明はさらに、本発明に係る方法を実行するためのエンジンの制御装置に関する。制御装置とは、好適にはエンジン制御機器のことである。エンジン制御機器は、本方法を実行するための手段を含み、この手段はハードウェア側の手段とソフトウェア側の手段のことである。
ハードウェア側の手段は、本発明に係る方法の実行に関わる部分組立品とデータを交換するために、データインターフェースを含む。さらにハードウェア側の手段は、データ記憶のための記憶装置とデータ処理のためのプロセッサとを含む。
ソフトウェア側の手段とは、本発明に係る方法を実行するためのプログラムモジュールのことである。
１０ 二元燃料エンジン
１１ シリンダ
１２ 排ガスターボチャージャ
１３ タービン
１４ 圧縮機
１５ ピストン
１６ 連接棒
１７ 入口弁
１８ 出口弁
１９ 燃料インジェクタ
２０ 燃料ポンプ
２１ 点火流体インジェクタ
２２ 点火流体貯蔵室
２３ 点火流体ポンプ
２４ 燃焼室
２５ 接続路
２６ 燃焼室
ＡＧ 排ガス
ＦＫ 液体の燃料
ＧＫ ガス状の燃料
ＬＬ 過給空気
ＺＦ 点火流体

Claims (10)

  1. 複数のシリンダを含む二元燃料エンジンを運転するための方法であって、
    液体燃料運転モードではすべてのシリンダにおいて液体の燃料のみが燃焼され、ガス燃料運転モードではすべてのシリンダにおいてガス状の燃料のみが、場合によっては点火流体を用いて、燃焼される方法において、
    複合燃料シェアリング運転モードでは、少なくとも１つの第１シリンダにおいて液体の燃料のみが燃焼され、少なくとも１つの第２シリンダにおいてガス状の燃料のみが、場合によっては点火流体を用いて、燃焼されることを特徴とする方法。
  2. 前記複合燃料シェアリング運転モードでは、液体の燃料のみが燃焼される前記シリンダあるいは前記シリンダの各々と、場合によっては点火流体を用いてガス状の燃料のみが燃焼される前記シリンダあるいは前記シリンダの各々とは、周期的に交代することを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 前記エンジンはすべてのシリンダに関して共通の過給圧供給装置を備え、前記複合燃焼シェアリング運転モードでは、前記液体燃料運転モードのための過給圧と前記ガス燃料運転モードのための過給圧との間の過給圧が用いられることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の方法。
  4. 前記複合燃料シェアリング運転モードでは、液体の燃料のみが燃焼される前記シリンダあるいは前記シリンダの各々の燃焼重心位置が、前記液体燃料運転モードと比べて早めに変位されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
  5. このために、前記複合燃料シェアリング運転モードでは、液体の燃料のみが燃焼される前記シリンダあるいは前記シリンダの各々のために、燃料搬送開始が前記液体燃料運転モードと比べて早めに変位されることを特徴とする請求項４に記載の方法。
  6. 前記複合燃料シェアリング運転モードでは、場合によっては点火流体を用いてガス状の燃料のみが燃焼される前記シリンダあるいは前記シリンダの各々の燃焼重心位置が、前記ガス燃料運転モードと比べて遅めに変位されることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
  7. このために、前記複合燃料シェアリング運転モードでは、ガス状の燃料のみが燃焼される前記シリンダあるいは前記シリンダの各々のために、点火流体搬送開始が前記ガス燃料運転モードと比べて遅めに変位されることを特徴とする請求項６に記載の方法。
  8. 前記複合燃料シェアリング運転モードでは、場合によっては点火流体を用いてガス状の燃料のみが燃焼されるすべてのシリンダのために、同一の平均圧力が調節されることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の方法。
  9. 前記複合燃料シェアリング運転モードでは、液体の燃料のみが燃焼されるすべてのシリンダに関して平均圧力が調節され、その平均値は、ガス状の燃料のみが燃焼される前記シリンダの平均圧力に相当することを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の方法。
  10. 請求項１から９のいずれか１項に記載の方法を実行するための手段を特徴とするエンジンの制御装置。
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