JP2019526748A - ガスにより運転される内燃機関および該内燃機関を運転する方法 - Google Patents

Abstract

混合気形成を内部で行う内燃機関の燃焼室内でのガス状の燃料の低窒素酸化物燃焼方法を提供する。本方法は、第１のガス量を吸気プロセス中に噴入し；ガス−空気−混合物を圧縮し；圧縮中または圧縮の終了時に開始するように第２のガス量を噴入し、このとき、ＮＯｘエミッションの所定の値が超過されないように第１のガス量と第２のガス量とを選択し；ガス−空気−混合物を着火させ、第１のガス量と第２のガス量とからなる総ガス量を燃焼させ、このとき、第１のガス量は、予混合燃焼され、第２のガス量は、主に混合管理燃焼されるステップを有する。加えて、相応の内燃機関を提案する。

Description

本開示は、内燃機関、その際、特にガス状の燃料の直接噴入を行う内燃機関を運転する方法に関する。

発明の背景
内燃機関、特にガスエンジンを、混合気形成を外部で行って運転し、ガス−空気−混合物を外部点火により着火することが公知である。ガス−空気−混合物が少量のパイロット燃料、例えばディーゼルによって着火されるいわゆるデュアルフューエル内燃機関も公知である。このようなデュアルフューエル内燃機関は、純然たるディーゼル運転でも運転可能である。

このような内燃機関における欠点は、ガス−空気−混合物の自着火による管理下にない燃焼を回避するために必要な比較的低い圧縮比に基づいて制限された効率にある。このような内燃機関の別の欠点は、負荷上昇時の制限されたダイナミクスにある。

ガスを燃焼室内に直接噴入する内燃機関も公知であり、ガスは、一般に約２５０ないし５００ｂａｒで噴入される。燃焼室内へのガス量のこの噴入は、典型的には、圧縮行程の終わり頃、上死点（ＴＤＣ）近傍で開始する。このガス噴流を着火させるには、少量のパイロット燃料、例えばディーゼルが使用されるか、または外部点火、例えば点火プラグが使用される。

ガス直接噴入を行う内燃機関は、一般に、高い圧縮比の結果として生じる高い熱効率を有している。このことは、純然たるディーゼル運転におけるのと略同一の効率にも至る。二元燃料運転中および純然たるディーゼル運転時の動的なプロセス時、挙動は、直接噴射を行う純然たるディーゼルエンジンと同等である。

ガス直接噴入の欠点としては、高いＮＯｘエミッションがある。それというのも、送り込まれるガスは、とりわけ混合管理燃焼されるからである。さらに、噴入圧へとガスを圧縮するために加えねばならない顕著なエネルギ消費は、欠点と見なされ得る。原理に起因して高いＮＯｘエミッション値のために、ガス直接噴入を行い、ディーゼルに典型的な圧縮レベルを有するエンジンには、それゆえしばしば、ターゲット市場のエミッション規制または環境ガイドラインに応じて、この問題を軽減する対策、例えば排ガス再循環または選択触媒還元（ＳＣＲ）等の対策が講じられる。

カナダ国特許出願公開第２８３８１２０号明細書（CA 2838120 A1）は、パイロット燃料の自着火により着火される、直接噴射されるガスにより運転されるエンジンを開示している。

従来技術を背景として、改善された特性、特に改善されたエミッション特性を示す、ガス直接噴入を行う内燃機関および当該内燃機関を運転する方法が希求されている。

発明の概要
本発明の課題は、請求項１記載の方法と、請求項１１記載の内燃機関とにより解決される。

本発明の第１の態様において、混合気形成を内部で行う内燃機関の燃焼室内でのガス状の燃料の低窒素酸化物燃焼方法を提供する。当該方法は、第１のガス量を吸気プロセス中に噴入し；ガス−空気−混合物を圧縮し；圧縮中または圧縮の終了時に開始するように第２のガス量を噴入し、このとき、ＮＯｘエミッションの所定の値が超過されないように第１のガス量と第２のガス量とを選択し；ガス−空気−混合物を着火させ；第１のガス量と第２のガス量とからなる総ガス量を燃焼させ、このとき、第１のガス量は、予混合燃焼され、第２のガス量は、主に混合管理燃焼されるステップを有している。加えて、相応の内燃機関を提案する。

当該方法の１つの利点は、ハイブリッド式の燃焼コンセプト、つまり、予混合燃焼と混合管理燃焼との組み合わせを含む燃焼コンセプトが、高い割合の予混合燃焼での運転を可能にすることにある。このことは、噴入されたガス流の低い割合の混合管理燃焼による低いＮＯｘエミッションの達成と、燃焼プロセスにわたる向上された管理とを可能にする。

本発明のさらなる特徴および利点について、このシステムの好ましい実施の形態についての以下の詳細な説明の中で紹介する。

当業者であれば、本発明のさらなる特徴および利点を、添付の図面と関連付けた詳細な説明から看取可能である。

本発明の実施の形態による方法に則した噴入パターンを示す図である。 実施の形態による方法を実施する内燃機関を示す図である。

詳細な説明
好ましい実施の形態について説明するとはいえ、本発明の保護範囲は、図示の実施の形態に限定されるものではなく、当業者がそこから当然に想到し得る実施の形態も包含する。

本開示において使用する「ＮＯｘエミッションが所定の値を超過しない」なる表現は、この値が様々な参照系を有していてもよいことを意味している。この値は、例えば、所定の走行サイクルからの累計エミッションまたは所定のタイムスパンからの平均エミッションに関するものであってもよいし、放出されるエネルギ量当たりの平均（例えば３．５ｇ／ｋＷｈ）で表されても、リアルタイムの値または質量濃度（例えば１ｇ／Ｎｍ３）で表されてもよい。

原則、本発明の実施の形態は、ハイブリッド式の燃焼方法が使用される、ガス直接噴入を行う内燃機関を運転する方法に関する。「ハイブリッド式の燃焼方法」は、本明細書で使用する意味としては、燃料の一部が予混合燃焼され、一部が混合管理燃焼されることに関する。

原則、このために、本発明の実施例によれば、シリンダ内へのガス噴入は、時間的に互いに分けられたあるいは間隔を置いた少なくとも２つのプロセスに分割される。第１のガス噴入は、吸気行程中に行われ、これにより、第１のガス量と空気との略均一な混合が可能となる。その後、上死点近傍において、典型的には、液状のパイロット燃料が噴射され、追って第２のガス量の噴入が行われる。第１のガス量は、形成された略均一なあるいは理想的に均一なガス−空気−混合物の予混合燃焼で燃焼する。これに対して第２のガス量は、混合管理燃焼される。混合管理燃焼は、原則、ここで使用される空気率においては、予混合燃焼よりも顕著に高いＮＯｘエミッションに結び付くため、エンジンの窒素酸化物排出は、純然たる直接噴入運転と比較すれば明らかに減じられている。この作用は、予混合燃焼する第１のガス量が、第２のガス量に比して大きく選択あるいは設定されればされるほど、強まる。

以下にさらに詳しく説明する幾つかの実施例において、少なくとも短期的に、第１および第２のガス量ならびにパイロット燃料のそれぞれの噴入量または噴射量は、個別に減じられ、幾つかの場合には、零にまで減じられてもよい。概して第１のガス量および／または第２のガス量の噴入のプロセスは、それぞれさらに小分けされ、すなわち複数の個別フェーズに分割されて行われてもよい。

図１は、本発明の実施例による方法の時間的な経過を概略的に示している。吸気プロセス中の第１のガス量２０の噴入を示しており、その際に形成されるガス−空気−混合物の空気率は、着火限界を上回るまたは大きく上回る希薄領域にある。続く圧縮中、ガス−空気−混合物は圧縮される。圧縮の終わり頃、すなわち上死点（ＴＤＣ）近傍において、第２のガス量３０が噴入される。こうして生じたガス−空気−混合物は、着火、好ましくは、既に第２のガス量３０の噴入の開始時にパイロット燃料４０の噴射により着火される。圧縮されたガス−空気−混合物は、燃焼され、第１のガス量２０は、予混合燃焼され、第２のガス量は、主に混合管理燃焼される。その際、第１および第２のガス量は、実施例によれば、ＮＯｘエミッションが所定の値を超過しないように選択される。このことは、両ガス量同士の比にも、それぞれの絶対値にも関係する。

それゆえ実施例では、噴射システム１００の特性マップは、典型的には、負荷状況および回転数の少なくとも一部に関して、ＮＯｘ目標値が遵守されるように第１および第２の噴射量が調量されているように設計されている。特性マップは、典型的には開発中に、ＮＯｘエミッションの試験測定を基に確定される。その際、リアルタイムのその都度のエミッション値を、噴入量を量定する基礎としてもよい。別の例では、所定の試験サイクルを基準とし、その時間的な平均（あるいは合計）で特定のＮＯｘレベルが遵守されるようにしてもよい。而して、特定の負荷状況での相対的に高いエミッション値が、別の負荷状況での目標値よりも明らかに下にあるエミッションによって相殺または過剰相殺され得る。こうして、ここで説明する実施の形態により可能な、遙か上で述べたＮＯｘエミッションの概して低いレベルにより、このためにＮＯｘを低減する別の構造的な対策、例えば排ガス再循環または選択触媒還元を必要とすることなく、低ＮＯｘの運転が実現される。低いエミッションレベルは、典型的には、圧縮比約９：１ないし約１４：１という、自着火内燃機関にとってはむしろ下側の領域にある圧縮比によっても達成される。ただし、開示するコンセプトは、原則、より高い圧縮によってもエミッションを最小化するように作用し、これにより、相応により高圧縮されるエンジンも、同じく本開示に含まれるとみなされる。

負荷制御のために、実施例では、第１のガス量２０および第２のガス量３０が、負荷の関数として変更される。このことは、両ガス量の絶対量に関係する。特に両ガス量同士の比にも関係する。而して、例えば（サイクル当たりの総ガス量における）第２のガス量の百分率は、低負荷になるほど減じられる。部分負荷時あるいは低負荷時のこの減少は、第２のガス量３０が完全になくなる、つまり零に減じられるまで行われてもよい。着火は、この場合も、典型的には、図１に示したような、上死点近傍におけるパイロット燃料４０の噴射により行われる。この場合、変換すべき全ガス量が、噴入される第１のガス量２０のみからなるので、噴入される全ガスは、予混合燃焼で、すなわち、僅かしか窒素酸化物を形成せずに燃焼する。この場合は、パイロット燃料４０のみが混合管理燃焼で燃焼する。

動的な負荷上昇時、実施例では、第２のガス量３０を高め、第１のガス量２０を減じることができる。その際、第１のガス量は、任意選択的に短期的に零まで下げてもよい。第２のガス量は、混合管理燃焼により、典型的には、第１のガス量２０の予混合燃焼より低い総炭化水素（ｔｏｔａｌ ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎ−ＴＨＣ）エミッションで燃焼するので、こうしてＴＨＣエミッションは、負荷変動時、最小化される。同じく動的な負荷低下時、短期的にとりわけ第１のガス量２０を減じることができる。この減少は、任意選択的に零まで行ってもよく、その結果、第２のガス量３０だけがなおも燃焼に寄与する。特にこれにより、負荷変動時、第１のガス量２０および／または第２のガス量３０の制御は、ＴＨＣエミッションが所定の値を超過しないという境界条件下で行うことができる。

実施例では、シリンダ内に達する空気量に対して影響を及ぼすことが可能な制御手段が設けられていてもよい。制御手段は、空気経路内に直接的に存在するか、または空気経路に対して影響を及ぼすことができる。制御手段は、様々な形式で、例えばスロットルフラップ、スロットル弁、可変動弁機構（ＶＶＴ）、ウェイストゲートまたは可変タービンジオメトリターボチャージャ（ＶＴＧ）として実現することができる。空気量の独立的な制御は、動的な出力適合、特に第１のガス量２０を同時に高めながらの動的な出力適合に用いられる。

図１に関して言及したパイロット燃料４０は、典型的には、第２のガス量３０の噴入の開始時に噴射される。ガス−空気−混合物の着火は、その後、パイロット燃料４０の自着火の結果として行われる。パイロット燃料は、一般的にはディーゼルであるが、別の液状の燃料、例えばバイオディーゼル、菜種油等も包含し得る。

部分負荷あるいは低負荷に関して上述したように、低負荷時、第２のガス量３０が大幅にまたは完全に零まで減じられる場合、パイロット燃料４０は、既により早く、すなわち早くも圧縮中に噴射され得る。好ましくはこのことは、ＴＤＣ前約５０度ないしＴＤＣ前約９０度に相当する時点で行われる。

幾つかの実施例において、ガス−空気−混合物の着火は、パイロット燃料４０による代わりに、外部点火の使用、特に点火プラグにより行ってもよい。

図２には、実施例による方法を実施するに好適な内燃機関６０を概略的に示してある。内燃機関６０は、典型的には、約９：１〜約１４：１の圧縮比を有している。内燃機関６０は、自然吸気エンジンまたは過給エンジン、特に排気ターボチャージャ（図示せず）を有する過給エンジンとして運転され得る。４サイクルエンジンの構成要素、すなわちシリンダ７８、ピストン７６、吸気弁７２、排気弁７４、燃焼室７７の他に、実施例によるエンジンは、インジェクタ５０を備えている。インジェクタ５０は、第１のガス量２０あるいは第２のガス量３０およびパイロット燃料４０をシリンダ７８あるいは燃焼室７７内に噴入するために用いられる。インジェクタ５０は、種々異なる形式で構成されていて構わない。図示のように、ガスおよびパイロット燃料の供給部は、個々のインジェクタハウジング内に設けられていてもよい。このようなインジェクタは、例えば独国特許発明第１０２０１４０１４４５２号明細書（DE102014014452 B4）に開示されている。構造的に分けた構成も可能であり、この場合、ガス用のインジェクタと、パイロット燃料、典型的には、ディーゼル用のインジェクタとが、それぞれ、固有の噴射装置あるいは噴入装置としてシリンダヘッド７０内に配設されており、かつガスのために複数のインジェクタが使用される構成も可能である。原則、大抵の、ここで説明する実施の形態では、第１のガス量の噴入の終了と、第２のガス量の噴入の開始との間には、少なくとも約１５０度のクランク角の間隔が置かれている。既に上述の制御手段８０は、図２では、非限定例として、スロットルフラップとして構成されている。制御手段８０は、概して実施例において、様々な形態および形式で、例えばスロットル弁、可変動弁機構（ＶＶＴ）、ウェイストゲートまたは可変タービンジオメトリターボチャージャ（ＶＴＧ）として実現することができる。

説明した実施の形態の利点は、とりわけ、直接噴入されるガスにより運転される従来慣用のエンジンと比較して大幅に減じられたＮＯｘエミッション値にある。希薄運転で運転される従来慣用のガスエンジンと比較して、この種の「ハイブリッド式の燃焼方法」により、排ガス後処理なしに、低い窒素酸化物エミッションが、より高い熱効率で実現される。加えてＴＨＣエミッションは、より低い。

概していえることは、実施例によりガス量を第１および第２のガス量に分割することが、典型的には、定常運転中も、過渡運転中も、エミッションに影響を及ぼすということである。例えば第２のガス量の上昇は、典型的には、ＮＯｘエミッションの上昇に至ると同時に、低下するＴＨＣエミッションに至る。これにより、実施例により第１および第２のガス量に分割したことで、定常運転中および／または過渡運転中、ＮＯｘエミッションおよびＴＨＣエミッションを所定の値になるように制御することが可能である。

これにより第１および第２のガス量の噴入は、実施例によれば、ＮＯｘエミッションおよび／またはＴＨＣエミッションの所定の値が、いつでも、すなわちリアルタイム値として、または時間的な平均値において、例えば、所定の試験エンジンサイクルでの平均値において、または所定の期間（例えば３０分）にわたる連続的な測定の平均値において遵守されるように設定することができる。

特に過渡運転中、定常運転とは異なる形でガス量を第１のガス量と第２のガス量とに分割することで、ＮＯｘエミッションおよびＴＨＣエミッションも、規定された様々な値に調整し得る。例えば動的な負荷上昇時には、定常運転中よりも、ＮＯｘエミッションに関しては高い値を、ＴＨＣエミッションに関しては低い値を設定することができる。このことは、第１のガス量の割合を減少させると同時に、第２のガス量の割合を上昇させることにより達成される。同時に、このように第１のガス量の割合を減少させつつ第２のガス量の割合を上昇させることは、負荷上昇時および負荷低下時のより良好なダイナミクスを実現する。第１のガス量と第２のガス量との比をシフトさせることで、つまり、第２のガス量をより高いＮＯｘエミッションおよびより低いＴＨＣエミッション方向に上昇させて、あるいは反対に第２のガス量の割合をより低いＮＯｘエミッションおよびより高いＴＨＣエミッション方向に減少させて、ＮＯｘエミッションとＴＨＣエミッションとの比を、過渡運転中、短期的にシフトさせることができる。

したがって、ガス量を第１のガス量と第２のガス量とに分割することは、負荷変動時の動的な要求に応じて、ＮＯｘエミッションおよびＴＨＣエミッションの所定の値を、短期的にリアルタイムで、または試験エンジンサイクルの平均値において、または所定の期間（例えば３０分）にわたる連続的な測定の平均値において遵守しながら、実施されることになる。

吸気中に第１のガス量を噴入する際に必要な比較的低い圧力レベルにより、あるいは第２のガス量の明らかに低い質量割合により、直接噴入されるガスにより運転されるエンジンと比較して顕著なエネルギ節減が得られ、このことは、総合効率の向上に寄与する。

Claims (11)

1. 混合気形成を内部で行う内燃機関（６０）の燃焼室内でのガス状の燃料の低窒素酸化物燃焼方法であって：
   −第１のガス量（２０）を吸気プロセス中に噴入し；
   −ガス−空気−混合物を圧縮し；
   −前記圧縮中または前記圧縮の終了時に開始するように第２のガス量（３０）を噴入し、このとき、ＮＯｘエミッションが所定の値を超過しないように前記第１のガス量（２０）と前記第２のガス量（３０）とを選択し；
   −前記ガス−空気−混合物を着火させ；
   −第１のガス量（２０）と第２のガス量（３０）とからなる総ガス量を燃焼させ、このとき、前記第１のガス量は、予混合燃焼され、前記第２のガス量は、主に混合管理燃焼される、
   方法。
2. 動的な負荷上昇時、前記第２のガス量（３０）を高め、前記第１のガス量（２０）を減じ、任意選択的には零まで減じ、かつ動的な負荷低下時、とりわけ前記第１のガス量（２０）を減じ、任意選択的には零まで減じる、請求項１記載の方法。
3. 動的な負荷上昇または負荷低下時、前記第１のガス量（２０）および／または前記第２のガス量（３０）の変更は、ＴＨＣエミッションが所定の値を超過しないという境界条件下で行い、かつ任意選択的には、動的な負荷上昇時、前記第１のガス量の割合を減じると同時に、前記第２のガス量の割合を上昇させることで、定常運転中よりも、ＮＯｘエミッションに関しては高い値を維持し、ＴＨＣエミッションに関しては低い値を維持する、請求項１または２記載の方法。
4. 空気量に対して影響を及ぼす制御手段（８０）を空気経路内に設ける、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 前記第１のガス量（２０）および／または前記第２のガス量（３０）の前記噴入を少なくとも２つの個別フェーズに分割する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 前記第２のガス量（３０）の前記噴入の開始時にパイロット燃料（４０）を噴射し、前記ガス−空気−混合物の前記着火を前記パイロット燃料（４０）の自着火により行う、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 前記ガス−空気−混合物の前記着火を外部点火により行う、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
8. 前記第１のガス量（２０）の前記噴入の終了と前記第２のガス量（３０）の前記噴入の開始との間に少なくとも約１５０度のクランク角の間隔を空ける、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
9. 前記内燃機関（６０）は、約９：１〜約１４：１の圧縮比を有する、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
10. 低負荷時、前記第２のガス量（３０）を零まで減じ、前記パイロット燃料（４０）を既に早くも前記圧縮中に、好ましくは、ＴＤＣ前５０度ないしＴＤＣ前９０度に相当する時点で噴射する、請求項１から６までのいずれか１項または請求項９記載の方法。
11. 請求項１から１０までのいずれか１項記載の方法が適用されるように設計された内燃機関（６０）。

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