JP2020532681A - ガスエンジンの作動方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも１つの燃焼室を備える特に自動車用のガスエンジンの作動方法に関する。本発明に係る方法においては、ガスエンジンを作動させるためのガス燃料を、燃焼室内に直接的に噴射し、ガス燃料を、ガスエンジンの作動サイクル内において、互いに時間的に離れた少なくとも２つのフェーズ（P1，P2）で燃焼室内に直接的に噴射する。これら少なくとも２つのフェーズ（P1，P2）は、作動サイクル内において生じる１回目の点火前で時間的に開始及び終了する。【選択図】図１

Description

本発明は、特に自動車用として構成した、請求項１の前文に係るガスエンジン、例えば水素エンジンの作動方法に関する。

少なくとも１つの燃焼室を備えると共に、特に自動車用の例えば水素エンジンとして構成されたガスエンジンを作動させる方法は、例えば特許文献１（独国特許出願公開第10359445号明細書）に既知である。この方法においては、ガスエンジンを燃料供給状態で作動させるためのガス燃料、特に水素が燃焼室内に直接的に噴射される。この場合、ガス燃料は、ガスエンジンの作動サイクル内において、互いに時間的に離れた少なくとも２つのフェーズで燃焼室内に直接的に噴射される。

また、特許文献２（欧州特許出願公開第1431564号明細書）には、ガスで作動する内燃機関の作動方法が開示されている。この場合、ガスは、噴射装置を介して燃焼室内に噴射され、層状吸気が生成される。

更に、特許文献３（独国特許出願公開第10321794号明細書）には、ガス作動式、特に水素作動式の内燃機関の作動方法が既知である。

独国特許出願公開第10359445号明細書 欧州特許出願公開第1431564号明細書 独国特許出願公開第10321794号明細書

本発明の課題は、上述した種類の方法を更に改善することにより、ガスエンジンに関して特に有利な作動を実現可能とすることである。

本発明によれば、この課題は、請求項１に記載の特徴を有する方法により解決される。本発明にとって有利な構成は、従属請求項に記載した通りである。

少なくとも１つの燃焼室を備える特に自動車用のガスエンジン、例えば水素エンジンを作動させる本発明に係る方法においては、ガスエンジンを燃料供給状態で作動させるためのガス燃料、特に水素を、燃焼室内に直接的に噴射し、ガス燃料を、ガスエンジンの作動サイクル内において、互いに時間的に離れた少なくとも２つのフェーズで燃焼室内に直接的に噴射する。ガス燃料、特に水素は、例えばシリンダとして形成された燃焼室内で少なくとも空気と一緒に燃焼し、これによりガスエンジンが燃料供給状態で作動する。換言すれば、ガスエンジンの燃料供給状態は、ガス燃料が空気と共に燃焼することによって生じる。ガスエンジンの燃料供給状態においては、燃焼プロセスが燃焼室内で進行する。この場合、ガスエンジンは、例えばトラクション状態にあり、例えば商用車として構成された自動車がガスエンジンによって駆動可能か又は駆動される。

ガスエンジンは、好適には、４ストロークエンジンとして構成されているため、作動サイクルは特にちょうど４つの行程を含む。これら４つの行程とは、吸気行程、圧縮・点火行程、作動又は動力発生行程、排気行程である。本発明の範囲内において、ガスエンジンにおける作動サイクル内の第１行程は、特に作動行程と見なすものとする。作動サイクル内で生じると共に、作動行程に後続する第２行程は、排気行程である。作動サイクル内で生じると共に、排気行程に後続する第３行程は、吸気行程であり、従って作動サイクル内で生じると共に、吸気行程に後続する第４行程は、圧縮行程である。

更に、ピストンは、特にシリンダとして形成された燃焼室内に移動可能に収容されている。ピストンは、特に、燃焼室内に並進移動可能に収容されている。ピストンは、例えば、クランクシャフトとして形成された駆動シャフトに特にヒンジ結合され、ガスエンジンは、例えば、往復ピストンエンジンの形態の内燃機関として構成されている。燃焼室内に並進移動可能に収容されたピストンが出力シャフトに例えばヒンジ結合されることにより、ピストンの並進運動が出力シャフトの回転運動に変換される。ガス燃料及び空気により、単に混合気とも称される燃料・空気混合物が形成される。混合気は、例えば、点火された後に燃焼し、これにより混合気及び燃焼で生じる燃焼物がそれぞれ膨張する。これにより、ピストンが駆動され、例えば、上死点から下死点に移動する。ピストンが出力シャフトに結合されることにより、出力シャフトが駆動されるため、ガスエンジンは、出力シャフトを介して自動車を駆動するためのトルクを供給することができる。

混合気の燃焼においては、特に外部点火によって混合気が点火されて燃焼する。外部点火に関しては、例えば、点火プラグとして構成された外部点火装置により、作動サイクル内において、特に燃焼室内で少なくとも１つの点火火花が生じる。混合気は、点火火花によって点火されて燃焼する。混合気を燃焼することにより、混合気及び燃焼で生じる燃焼物がそれぞれ膨張してピストンが駆動する。

上述した作動サイクルにおいて、ピストンは、例えば、その上死点から下死点に向けて移動し、次いで再び上死点に向けて移動し、次いで下死点に向けて移動し、その後に再び上死点に向けて移動する。従って、ピストンの上死点は、作動サイクル内でちょうど３回生じるのに対して、ピストンの下死点は、作動サイクル内でちょうど２回生じる。

更に、上死点は、ちょうど２種類に区別される。上死点の一方は、いわゆる点火上死点（ZOT）であり、その範囲内又は領域内において混合気が点火される。上死点の他方は、いわゆる吸気切り替え上死点（LWOT）であり、その範囲内において、ピストンは、排気行程及び吸気行程を行う。この場合、排気行程においては、混合気の燃焼で生じる排気ガスが燃焼室内から排出され、吸気行程においては、新鮮なガス、即ち特に上述した空気が燃焼室内に吸い込まれる。上述した作動サイクルにおいて、吸気切り替え上死点（LWOT）は、作動サイクル内における下死点間に位置しているため、作動サイクル内におけるピストンの第１下死点は、上死点（ZOT）と吸気切り替え上死点（LWOT）との間に位置している。換言すれば、第１下死点は、作動サイクル内における点火上死点に直接的に後続し、吸気切り替え上死点は、作動サイクル内における第１下死点に直接的に後続する。

従って、作動サイクル内におけるピストンの第２下死点は、吸気切り替え上死点と点火上死点との間に位置するため、吸気切り替え上死点に直接的に後続し、作動サイクル内における点火上死点は、作動サイクル内における第２下死点に直接的に後続する。このように、作動サイクルに関する上述した記載を考慮すれば、作動サイクル内において作動サイクルが開始する第１上死点は、点火上死点に相当する。上述した記載を考慮すれば、作動サイクル内において作動サイクルが終了する第３上死点も、やはり点火上死点に相当するため、作動サイクル内におけるピストンの第２上死点は、点火上死点間に位置し、従って吸気切り替え上死点（LWOT）に相当する。

本発明によれば、好適には水素エンジンとして構成されたガスエンジンの特に有利な作動を実現するために、少なくとも２つのフェーズは、作動サイクル内において生じる１回目の点火前で時間的に開始及び終了することが想定される。換言すれば、作動サイクル内の特に点火上死点領域で、特に上述した方法により、点火が少なくとも１回又はちょうど１回行われ、例えば少なくとも１つの点火火花が生成される。作動サイクル内において点火が１回のみ又はちょうど１回生じる場合、このちょうど１回の点火は、他の点火が行われることがないため、作動サイクル内で生じる１回目の点火である。例えば、作動サイクル内において複数の点火が行われるか又は複数の点火が生じる場合、これら複数の点火は時間的に連続しており、特に互いに時間的に離れているため、作動サイクル内において生じる１回目の点火とは、複数の点火のうち、作動サイクル内において生じる最初の点火のことである。この場合、少なくとも２つのフェーズ又は両方のフェーズは、作動サイクル内における１回目の点火前に時間的に開始及び終了する。

各フェーズのうちの第１フェーズにおいては、ガス燃料の第１量又は第１部分量が例えば燃焼室内に直接的に噴射される。第１フェーズに時間的に後続すると共に、第１フェーズに対して時間的に離れた第２フェーズにおいては、ガス燃料の第２量又は第２部分量が燃焼室内に直接的に噴射される。両方のフェーズは、１回目の点火前に開始及び終了するため、両方の部分量は、特に一緒に、１回目の点火によって生じる燃焼によって燃焼室内で燃焼する。従って、従来技術とは対照的に、各フェーズ又は各部分量に関しては、少なくとも１つの独立的で個別的な点火、従って燃焼が行われることはなく、従って本発明に係る方法においては、従来技術とは対照的に、各部分量が個別的に又は独立的に燃焼することはない。換言すれば、本発明に係る方法においては、従来技術とは対照的に、第１部分量が先に独立的に燃焼し、その後に第２部分量が独立的に燃焼するのではなく、部分量は一緒に又は同時に燃焼し、例えば、作動サイクル内における１回目の点火で一緒に燃焼する。これにより、特にガスエンジンにおける燃料供給状態で特に有利な作動を実現することができる。

各フェーズが互いに時間的に離れているという特徴は、特に、作動サイクル内におけるフェーズとフェーズとの間に、燃焼室内へのガス燃料噴射又は導入が行われない時間が設けられるという意味で理解される。従って、第１フェーズは、第２フェーズが開始する前に終了する。

ガス燃料が燃焼室内に直接的に噴射されるという特徴は、内部で混合気の形成が実現されるか又はガスエンジンが内部形成された混合気で作動するという意味で理解される。この場合、例えば、ピストンによって燃焼室内に吸い込まれる空気は、燃焼室内でのみガス燃料と混合され、燃焼室の上流、例えばガスエンジンの吸気管内で予混合されることはない。

本発明は、特に、内燃機関用の燃料のうち、水素は、炭素分子を有さない唯一の燃料であるとの認識に基づいている。即ち、水素の燃焼においては、汚染物質が全く発生しないか、又は例えば潤滑油の燃焼に起因して一酸化炭素、二酸化炭素、炭化水素化合物、並びに粒子の汚染物質群が僅かに放出されるだけである。従って、本発明に係る方法は、水素エンジンを作動させるのに特に有利であるが、CNG（圧縮天然ガス）又はLPG（液化石油ガス）などの天然ガスで作動する他のガスエンジンを作動させるのにも適している。ガスエンジンは、例えば、オットーエンジンとして作動するため、混合気は外部点火で点火されるのが好適である。

例えば化石燃料、即ちガソリンで作動させる従来のオットーエンジンと比較して、ガス燃料、特に水素は、従来のオットーエンジンを水素で作動させる場合の適合性を困難にする幾つかの物理的特性を有する。これら物理的特性の１つは、ガソリンなどの液体燃料に比べて水素の密度が小さいことである。この低密度により、水素は、少なくとも空気及び可燃物としてのガス燃料を含む燃焼混合気において大きな部分を占める。特に水素は、空燃比が１の場合、混合気における体積の約３分の１を占める。空燃比は、ラムダ（λ）とも称され、一般に知られているように、それぞれの燃焼に際して実際に利用可能な空気の質量と、燃料の完全燃焼に少なくとも必要な化学量論的な空気の質量とに関わる。換言すれば、水素は、混合気から空気を排除する。水素によって空気が排除されることにより、混合気のエネルギー密度は小さく、必要な対策が講じられなければ、（単にエンジン又は内燃機関とも称される）ガスエンジンの出力密度は小さい。ピストン排気量が同じエンジンにおいて、必要な対策が講じられなければ、水素で作動するエンジンは、従来の特に化石燃料で作動するエンジンよりも出力トルクが大幅に低下する。

この低出力密度を回避するための方策は、特に、オットーエンジンにおける他の特性、例えば、外部点火、量制御、並びに混合気圧縮を維持しつつ、内部で混合気を形成することである。

驚くべきことに、燃焼室内へのガス燃料、特に水素の直接的な噴射は、例えば、燃焼室に割り当てられた吸気バルブ又は燃焼室に割り当てられた複数の吸気バルブ、特に燃焼室に割り当てられた全ての吸気バルブが閉鎖されてから開始し、これにより本明細書に記載した排気作用を少なくともほぼ完全に排除するのが好適であることが判明した。

混合気形成に利用可能な時間は、圧縮行程時における燃焼室内の圧力増加によって決まる。この場合、例えば、ガス燃料を燃焼室内に直接的に噴射するインジェクタとも称される噴射装置における有利な超臨界通過を保証するため、インジェクタの入口の圧力は、インジェクタの出口、即ちインジェクタの出口側に比べて常に２倍を超えるのが好適である。なぜなら、例えば出口又は出口側の圧力は、燃焼室内における内部圧力に対応しているからである。ガス燃料は、例えば、上述した入口を介してインジェクタに供給されるか又は導入される。ガス燃料は、例えば、上述した出口を介してインジェクタから放出され、特に、出口を介して燃焼室内に直接的に噴射される。上述したこの圧力比により、インジェクタを通過する流量が燃焼室内における圧力の影響を受けることが確実に回避され、従って燃焼室内に噴射される燃料の量を正確に計量することが可能になる。噴射されるべき燃料の量は、燃料量又は噴射量とも称される。

ただし、上述した境界条件により、様々な欠点が生じる可能性がある。
・インジェクタの高吸気圧、並びにその高吸気圧に起因し、圧縮ガス容器に貯蔵されたガス燃料の使用が制限されるため、水素自動車の走行距離が減少する。更に、構造によっては、インジェクタの開閉、特にインジェクタのバルブの開閉を行うために大きな力が必要である。この点は、特にバルブを動かすための特定の電気駆動装置、並びにインジェクタを制御するための制御電子機器の最終段階に対する要求が大きいことを意味する。
・インジェクタ、特にインジェクタのバルブに関して大きな開口断面領域が必要である。この点は、移動すべき質量が大きいこと、並びに駆動装置及び制御電子機器に対する要求が大きいことを意味する。開口断面領域の増加に伴い、技術的コストが増加する。即ち、大きな開発努力が必要になり、高コスト及び開発期間の延長につながる。
・点火までの時間が短いため、混合気の十分な均一化が必ずしも保証されない。混合気の濃度が過度の部分では、高窒素酸化物排出量（NO_X排出量）が多くなる可能性があり、混合気の希薄な部分では、燃焼の遅延による効率低下が予想される。

内部混合気形成の更なる利点は、ガスエンジンの吸気管における点火が少なくともほぼ完全に排除されることである。水素は、例えば吸気バルブが閉鎖した後に燃焼室に到達するため、燃焼室内における混合気の自然発火が吸気管に影響を及ぼすことはない。

上述した欠点を回避するための方策としては、下死点領域、特に作動サイクル内における第２下死点領域において、吸気バルブを早期に閉鎖するカムシャフトを使用することができる。ただし、そのようなカムシャフトを使用する場合、内部混合気形成の有利な効果が大幅に制限される。なぜなら、吸気時間の短縮に伴い、バルブストロークも動的及び機械的な理由から低減するからである。その結果、供給度が低下する。

上述した問題点、欠点、並びに目的が両立しない点は、本発明に係る方法によって解決及び回避できるため、特に効率的であり、従って排出量及び燃料消費量がより小さい作動が実現可能である。

本発明においては、特に、燃焼室の少なくともほぼ最適な充填に適合された制御時間を有するカムシャフトが使用される。更に、作動サイクル内において、燃焼室内に噴射される燃料の総量は、例えば、２つのフェーズに分割され、従って２つの部分量に分割される。

本発明の有利な構成においては、ガスエンジンとして水素エンジンを作動させ、ガス燃料として水素を使用する。

更なる実施形態は、フェーズのうちの第１フェーズが先に開始及び終了し、その後、第１フェーズに時間的に後続する第２フェーズが開始及び終了することを特徴とする。これにより、各フェーズは、互いに時間的に所定間隔で離れている。

本発明の更なる構成において、ガスエンジンは、例えばシリンダとして形成された燃焼室内に並進移動可能に収容された少なくとも１個のピストンを備える。

第１フェーズは、ピストンの吸気切り替え上死点の後で開始すれば特に有利であることが判明した。これにより、ガスエンジンの吸気管内における不所望の点火が回避できるため、特に効果的で効率的な作動が実現可能である。

第１フェーズは、吸気切り替え上死点に直接的に後続するピストンの下死点の前、即ち例えば作動サイクル内における第２下死点の前で終了すれば特に有利であることが判明した。これにより、特に１回目の点火が生じるまで、混合気形成を有利に実現するための十分な時間を確保することができる。

本発明の更なる実施形態においては、十分な量のガス燃料、特に水素を燃焼室内に導入して効果的で効率的な作動及び高出力密度を実現するため、特に上述した作動サイクルに関連して、第１フェーズは、ピストンにおける点火上死点（ZOT）の後、400°のクランク角（°KW）から500°のクランク角まで続くことが想定される。この場合、「クランク角の大きさ」により、従来技術に周知されているように、例えばクランクシャフトとして形成された駆動シャフトにおける各回転位置が指定される。駆動シャフトにおける各回転位置のこの指定により、上死点、下死点、作動サイクル内における更なる事象、例えば点火、フェーズ、特にその持続時間、開始及び終了、並びにガス交換バルブ、特に吸気バルブ及び排気バルブが開放及び閉鎖する各開放時点及び閉鎖時点を、特に有利かつ容易に参照することができる。

本発明の特に有利な実施形態において、第２フェーズは、吸気切り替え上死点に直接的に後続する下死点の後で開始することが想定される。これにより、フェーズ間で十分な時間間隔が保証されるため、不所望の排気作用を回避又は特に僅かに抑制することができる。その結果、高出力密度が容易に実現可能である。

更に、第２フェーズは、吸気切り替え上死点に直接的に後続するピストンにおける下死点の直後に開始すれば有利である。これにより、十分な量の燃料を燃焼室内に導入することができる。

ガス燃料が上述したインジェクタによって燃焼室内に噴射される場合、更に有利であることが判明した。この場合、第２フェーズは、燃焼室内における圧縮圧力がインジェクタ、特にその入口における噴射圧力の40％〜60％、特に45％〜55％、好適には、48％〜52％の範囲の値に達する前に終了するのが望ましい。インジェクタの噴射圧力により、例えば、ガス燃料がインジェクタ、特にインジェクタの入口を通して導入され及び／又は内部空間内に直接的に噴射される。第２フェーズは、特に、燃焼室内における圧縮圧力が噴射圧力の約50％に達するまえに終了する。燃焼室内に存在する圧力は、圧縮圧力として理解される。この場合、圧縮圧力は、圧縮行程、即ち作動サイクル内においてピストンが下死点から上死点、特に点火上死点に向けて移動し、その際に混合気を圧縮することで生じる。これにより、十分に大きな総量の燃料を燃焼室内に噴射可能であり、第２フェーズが十分に長いが、過度に長く生じるわけではないため、特に有利に噴射可能である。

更なる実施形態は、第１フェーズが、少なくともほぼ完全に又は完全にピストンの移動段階時に生じ、その移動段階時におけるピストンは、特に吸気バルブが開放した状態で、ガス燃料が燃焼室からガスエンジンの吸気管内への逆流を特に全く生じないピストン速度で下死点に向けて移動することを特徴とする。これにより、ガスエンジンの特に有利で効率的な作動が実現可能である。

本発明の更なる実施形態において、第１フェーズは、燃焼室に割り当てられると共に、燃焼室に少なくとも空気を供給する少なくとも１個の吸気バルブを開放する開放時点の後で開始することが想定される。例えば複数の吸気バルブが燃焼室に割り当てられている場合、好適には、第１フェーズは、燃焼室に少なくとも空気を供給する各吸気バルブ又は全ての吸気バルブが開放した後に開始することが想定される。

驚くべきことに、第１フェーズが、開放時点に直接的に後続する吸気バルブの閉鎖時点の前で終了すれば、特に効果的で有利な作動が実現可能であることが判明した。

本発明の特に有利な更なる実施形態において、第２フェーズは、吸気バルブの閉鎖時点の前、又はその閉鎖時点と共に開始する。これにより、特に高出力密度が実現可能である。吸気バルブの閉鎖時点とは、特に、吸気バルブが特に完全に閉鎖、即ち閉鎖位置に到達する時点のことを指す。従って、第２フェーズは、吸気バルブが閉鎖する前、即ち吸気バルブが閉鎖位置に到達する前に開始し、従って、例えば吸気バルブが閉鎖位置に向けて移動する間に開始する。代替的に、吸気バルブが閉鎖位置に到達する時点は、第２フェーズの開始と一致する。吸気バルブが特に開放位置から閉鎖位置に到達する時点は、「吸気閉鎖時点」又はESとも称される。このように、第２フェーズの開始は、ES前に生じるか、又はESと一致する。

最後に、ガス燃料が噴射される際、即ちガス燃料がインジェクタ、特にインジェクタの入口から出口に向けて流れる際に、ガス燃料を、インジェクタにおいてガス燃料が通過可能な最狭断面領域で超臨界流となるよう、インジェクタから噴射すれば特に有利であることが判明した。これにより、ガス燃料は、燃焼室内に特に有利に導入可能であるため、効率的で効果的な作動を実現することができる。

開発段階において特に驚くべきことに判明したところによれば、第１フェーズは、ピストンの吸気行程又は例えばピストンとして形成された燃焼室の吸気行程が少なくとも以下の条件が満たされるまで進行したときに開始すると、効果的で効率的な作動が特に有利に実現される。
・第１の条件は、特に吸気バルブ又は複数の吸気バルブを介して燃焼室内に流入した空気が、流入する燃料の点火が排除される程度に燃焼室を冷却することである。
・第２の条件は、ピストンが下死点、特に作動サイクル内における下死点に向けて移動する速度が、燃焼室内への空気の流入がピストン、特にピストン底部の吸い込み作用で妨げられないか又は僅かにのみ妨げられる程度に大きく、吸気管への水素の逆流が排除されることである。

第１フェーズは、例えば、ピストン速度とも称される上述した速度が死点領域で低下することにより、第２の条件がもはや満たされない場合に終了する。

第２フェーズは、例えば、吸気バルブが物理的に閉鎖したときに開始することができる。第２フェーズは、例えば、必要な水素又は供給された水素、即ち所定又は所望のガス燃料の総量が噴射されたときに終了する。燃料の噴射は、インジェクタの入口、従ってインジェクタの前における圧力に対して、シリンダ内における圧力比が0.5の値を超えたときに終了するのが好適である。

本発明に係る方法により、特に以下の利点を実現することができる。
・特に長い噴射時間が実現可能であり、その噴射時間中に十分な量のガス燃料が燃焼室内に噴射可能である。従って、従来の方法に比べて、噴射時間が増加する。この噴射時間の増加により、例えば、インジェクタの前に存在する圧力及び／又はインジェクタにおける断面領域を減少させることができる。ガス燃料は、特に、噴射時にその断面領域を通過する。
・ガス燃料の少なくとも一部は、特に吸気行程時に乱流空気流として噴出することができる。これにより、燃料・空気混合物の均一化が大幅に改善される。
・燃料噴射を２つのフェーズに分割することにより、特にガスエンジンの用途に関して、各特性マップに関するエンジン挙動を最適化するための付加的な自由度が得られる。この場合、運転安全性、汚染物質排出量、効率に関する各パラメータが考慮される。

２つのフェーズによって燃料が噴射されることにより、インジェクタに関しては２つの作動サイクルが想定され、従って第１作動サイクルで第１フェーズが、第２作動サイクルで第２フェーズが生じる。これにより生じ得るインジェクタの寿命の低下は、ガスエンジンにおける少なくとも１つの作動範囲、例えば部分的及び低負荷作動範囲にて、作動サイクル内におけるちょうど１つのフェーズでガス燃料が燃焼室内に導入されることによって回避することができる。この場合、好適には、ガス燃料がインジェクタによって燃焼室内に直接的に噴射される作動サイクル内においては、ちょうど１つのフェーズが生じる。特に、噴射、吸気及び／又は圧縮行程、並びにタイミングの適用においては、運転安全性、汚染物質排出量、並びに効率に関する各パラメータがやはり考慮されるのが好適である。

本発明の更なる利点、特徴、並びに詳細は、以下の好適な実施形態に関する記載及び図面に基づいて説明する。上述した特徴及び特徴の組み合わせ、並びに以下に記載の特徴及び特徴の組み合わせ及び／又は図１に単独で示した特徴及び特徴の組み合わせは、指定された組み合わせのみならず、本発明の趣旨から逸脱することなく、他の組み合わせ又は単独でも適用可能である。

好適には水素エンジンとして構成されたガスエンジンを作動させるための本発明に係る方法を示すグラフである。

図１は、複数のグラフ10，12，14，16を示し、これらに基づいて、ガスエンジンの作動方法が以下に記載されている。図１に示す実施形態において、ガスエンジンは、水素エンジンとして構成されているため、特にその燃料供給状態においては、ガス燃料としての水素によって作動する。ガスエンジンは、燃焼エンジン、内燃機関、又はエンジンとも称され、特にシリンダとして形成された少なくとも１つの燃焼室を備え、その燃焼室内でピストンが並進移動可能に収容されている。シリンダは、例えば、ガスエンジンのエンジンケースによって形成されている。ガスエンジンにおいてクランクシャフトとして形成された駆動シャフトは、エンジンケースに少なくとも間接的に回転可能に支持されることにより、エンジンケースに対して回転軸線周りで回転することができる。ピストンは、コネクティングロッドにヒンジ接続され、そのコネクティングロッドは、クランクシャフトにやはりヒンジ接続されている。このヒンジ結合により、ピストンの並進運動は、クランクシャフトの回転軸線周りにおける回転運動に変換することができる。

シリンダには、複数の吸気バルブ及び複数の排気バルブが割り当てられている。この場合、吸気バルブ及び排気バルブは、まとめてガス交換バルブとも称される。各ガス交換バルブは、閉鎖位置と少なくとも１つの開放位置との間で並進移動可能である。各ガス交換バルブは、閉鎖位置から開放位置に向けて、並びに開放位置から閉鎖位置に向けて、バルブストロークとも称されるストロークを行う。各吸気バルブが開放され始める各時点は、吸気開放時点（EO）とも称される。各吸気バルブがその閉鎖位置に到達する各時点は、吸気閉鎖時点（ES）とも称される。各排気バルブが開放され始める各時点は、排気開放時点（AO）とも称される。各排気バルブがその閉鎖位置に到達する各時点は、排気閉鎖時点（AS）とも称される。各ガス交換バルブは、例えば、カムシャフト、特に各カムによって作動し、これにより各閉鎖位置から各開放位置に移動する。この場合、例えば、戻し装置、特にスプリングが付勢されるため、各ガス交換バルブは閉鎖位置から開放位置に再び戻り、閉鎖位置に保持される。

カムシャフトは、駆動シャフトによって駆動可能である。クランクシャフトの１°に亘る各回転角は、クランク角（°KW）とも称される。従って、クランク角の大きさは、クランクシャフトが回転する経路又は距離を表している。これらクランク角の大きさは、各グラフ10，12，14，16の各横軸18に描かれている。各カムシャフトは、クランクシャフトによって駆動されるため、各ガス交換バルブが開閉する各時点は、回転位置及びクランクシャフト、即ちクランク角の大きさを基準とすることができる。

ガスエンジンは、４ストロークエンジンとして構成されているため、各作動サイクルは４つの行程を含む。これら４行程とは、動力発生行程、排気行程、吸気行程、圧縮行程である。更に、作動サイクルにおいては、クランクシャフトが２回に亘って完全に回転するため、720°のクランク角を含む。各横軸18には、ガスエンジンにおけるちょうど１回の作動サイクルが描かれている。

グラフ14の縦軸20には、各バルブストロークが描かれている。この場合、グラフ14に描かれた推移22は、各排気バルブに関して、排気開放時点から排気閉鎖時点への移動、従って閉鎖位置から開放位置への移動、そして再び閉鎖位置への移動を表している。従って、グラフ14に描かれた推移24は、各吸気バルブに関して、吸気開放時点から吸気閉鎖時点への移動、従って閉鎖位置から開放位置への移動、そして再び閉鎖位置への移動を表している。推移22，24は、バルブリフト曲線とも称され、ガス交換バルブが開閉される各時点は、まとめて制御時間とも称される。

図１に基づいて示す方法において、作動サイクル内で生じる最初の行程は、動力発生行程と見なされる。作動サイクル内で生じる２番目の行程は、動力発生行程に続く排気行程である。作動サイクル内で生じると共に第２行程又は排気行程に続く３番目の行程は、吸気行程である。従って、作動サイクル内で生じる４番目の行程は、吸気行程に続く圧縮行程である。

ピストンは、下死点（UT）と上死点（OT）との間で並進移動可能である。上述した作動サイクルの記載を考慮すれば、上死点は作動サイクル内でちょうど３回生じ、下死点は作動サイクル内でちょうど２回生じる。この場合、上死点は、２種類に区別される。これら上死点の一方は、いわゆる吸気切り替え上死点（LWOT）であり、排気行程及び吸気行程の範囲内で生じる。上死点の他方は、いわゆる点火上死点（ZOT）であり、その範囲内又は領域内において混合気とも称される燃料・空気混合物が点火される。この混合気は、ガス燃料として水素を含み、これによりガスエンジンが燃料供給状態で作動する。混合気は更に、燃焼室、特に吸気バルブに供給される。

各吸気バルブは、吸気ポートに割り当てられており、各吸気バルブが開放位置で各吸気ポートを開放すると、空気が吸気ポートを介して燃焼室に流入することができる。燃料・空気混合物は、特に、外部から点火されることで燃焼し、これによりガスエンジンの排気ガスが生じる。各排気バルブには、各排気ポートが割り当てられている。各排気バルブが各排気ポートを開放すると、排気ガスが排気ポートを介して燃焼室から流出することができる。その後に排気ガスは、ガスエンジンの排気ガス管に流入することができる。空気は、例えば、ガスエンジンの吸気管によって特にシリンダ内に送られる。各吸気バルブは、各閉鎖位置において、割り当てられた吸気ポートを流体的に遮断し、各排気弁は、各閉鎖位置において、割り当てられた排気ポートを流体的に遮断する。

グラフ10において明らかであると共に、上述した記載を考慮すれば、作動サイクルは、点火上死点にて開始及び終了するため、作動サイクル内におけるピストンの最初の上死点、並びに作動サイクル内におけるピストンの第３上死点又は最後の上死点は、点火上死点ZOTに相当する。従って、作動サイクル内における第２上死点は、作動サイクルにおいて第１上死点と第３上死点との間に位置する吸気切り替え上死点LWOTに相当する。作動サイクル内における第１下死点UTは、作動サイクル内における第１上死点に直接的に後続すると共に、作動サイクル内における第２上死点に直接的に先行するため、第１点火上死点と吸気切り替え上死点との間に位置している。作動サイクル内における第２下死点は、吸気切り替え上死点に直接的に後続すると共に、点火上死点に直接的に先行するため、吸気切り替え上死点と点火上死点との間に位置している。各下死点が、各上死点に直接的に後続するか又は先行するとの記載は、各下死点と各上死点との間にピストンの他の更なる死点が位置していないことを意味する。

ピストンは、各上死点から各下死点に向けて、並びに各下死点から各上死点に向けて、ピストンストロークとも称されるストロークを行う。ピストンストロークは、グラフ10の縦軸26に描かれているため、グラフ10に描かれた推移28は、作動サイクル内におけるピストンストローク、特にその推移を表している。

ピストンは、各上死点から各下死点に向けて、並びに各下死点から各上死点に向けて、グラフ12の縦軸30に描かれたピストン速度とも称される速度で移動する。従って、グラフ12に描かれた推移32は、作動サイクル内におけるピストン速度及びその推移を表している。この場合、ピストン速度は、例えば、クランク角１°当たりのミリメートル単位で表される。グラフ10，12を参照すれば、各下死点及び各上死点におけるピストン速度がゼロであることが特に明らかである。

ガスエンジンの作動方法においては、水素として形成されたガス燃料の総量が、作動サイクル内でシリンダ内に導入され、特にインジェクタによってシリンダ内に直接的に噴射される。この場合に総量は、ちょうど２つの部分量に分割されるため、総量又はガス燃料は、ガスエンジンの作動サイクル内において、互いに時間的に離れると共に、連続する少なくとも２つのフェーズP1，P2でシリンダ内に直接的に噴射される。第１フェーズP1時に、第１部分量がインジェクタによってシリンダ内に直接的に噴射される。第１フェーズP1から時間的に離れると共に、第１フェーズP1に時間的に後続する第２フェーズP2時に、第２部分量がインジェクタによってシリンダ内に直接的に噴射される。フェーズP1，P2は、互いに時間的に離れているため、これらフェーズP1，P2間には時間間隔Ｚが設けられている。この時間間隔Ｚは、シリンダ内への燃料、特にガス燃料の導入が行われない時間のことである。

インジェクタは、例えば、バルブ又はインジェクタバルブとも称されるバルブ要素を有する。このバルブ要素は、閉鎖位置と開放位置との間で並進移動可能である。バルブ要素は、閉鎖位置において、例えば、少なくとも１つ以上の噴射孔を遮断する。バルブ要素は、開放位置において、例えば、１つ以上の噴射孔を解放するため、水素が噴射孔を介して燃焼室内に直接的に噴射される。１つ以上の噴射孔は、例えば、出口、即ちインジェクタの出口側に配置され、その出口側を介して水素が放出される。インジェクタは更に、例えば、入口、即ち入口側を有し、インジェクタによってシリンダ内に直接的に噴射される水素がその入口側を介してインジェクタ内に導入される。入口側においては、例えば、特に水素の第１圧力が存在し、その第１圧力は、例えば、水素がシリンダ内に直接的に噴射される噴射圧力である。出口側においては、例えば、第２圧力が存在し、その第２圧力は、例えばシリンダ内に存在し、シリンダ内圧とも称される。特にシリンダ内圧は、例えば、圧縮行程時に生じる圧縮圧力である。

バルブ要素は、閉鎖位置から開放位置に向けて、並びに開放位置から閉鎖位置に向けて、例えば、バルブ要素ストロークとも称される経路を移動するか又はストロークを行う。このバルブ要素ストロークは、例えば縦軸34に描かれているため、グラフ16における推移36は、作動サイクル内におけるバルブ要素ストローク及びその推移を表している。

上述した部分量は、合計すると総量に対応し、作動サイクル内でシリンダ内に完全かつ直接的に噴射される。即ち、総量だけが特に作動サイクル内でシリンダ内に直接的に噴射される。

特に有利な作動を実現するため、ちょうど２つの部分量、従ってちょうど２つのフェーズP1，P2が設けられている。更に、少なくとも２つのフェーズP1，P2は、作動サイクル内において生じる１回目の点火前で時間的に開始及び終了する。

例えば、上述した混合気が点火及び燃焼される作動サイクル内で点火がちょうど１回行われる場合、この１回目の点火が、作動サイクル内で生じる上述した１回目の点火に相当する。例えば、互いに時間的に離れると共に、連続する複数の点火が作動サイクル内で行われる場合、作動サイクル内で生じる上述した１回目の点火は、例えば、複数の点火における１回目の点火として行われる。点火においては、例えば、特に点火プラグとして構成された外部点火装置によって少なくとも１つの点火火花が生成され、これにより混合気が点火されて燃焼が生じる。

フェーズP1，P2は、１回目の点火前で開始及び終了するため、部分量は、例えば、互いに別々に又は独立して燃焼するのではなく、点火又は点火で生じる燃焼の範囲内で一緒に又は共に燃焼する。これにより、特に高い出力密度を容易に実現することができる。

推移36から特に明らかなように、第１フェーズP1が最初に開始及び終了し、その後、第１フェーズP1に時間的に後続する第２フェーズP2が開始及び終了する。この場合、第１フェーズP1は、ピストンの吸気切り替え上死点LWOTの後で開始する。また、第１フェーズP1は、吸気切り替え上死点LWOTに直接的に後続する更なる下死点UTの前で終了するため、作動サイクル内における第２下死点の前で時間的に終了する。従って、時間間隔Ｚは、第２下死点の前で開始し、下死点の後まで続く。

図１の特にグラフ16から明らかなように、第１フェーズP1は、点火上死点後における400°のクランク角から点火上死点後における500°のクランク角まで続くことが特に有利であることが判明した。従って、第１フェーズP1は、例えば、100°のクランク角に亘るため、十分に大きな量の燃料を噴射することができる。

第２フェーズP2は、例えば、ESの前又はESにて開始する。即ち、第２フェーズP2は、吸気切り替え上死点LWOTに直接的に後続する吸気閉鎖時点ESの前又は吸気閉鎖時点ESにて開始する。これは、第２フェーズP2が作動サイクル内における第２下死点の後で開始することを意味する。代替的に、第２フェーズP2の開始は、特に、燃料需要が大きく、かつ開放された吸気バルブを通して燃料が吸気管に流入することが排除される場合、吸気閉鎖時点ESの前で生じてもよい。この場合、吸気閉鎖時点ESまで噴射された燃料量によって生じたシリンダ内の圧力増加は、吸気管内の圧力を下回る値に制限されるのが好適である。これは、吸気閉鎖時点ESの前で噴射可能な燃料質量が制限されることを意味する。

第２フェーズP2が、吸気切り替え上死点LWOTに直接的に後続する下死点の直後に開始し、従って例えば第２フェーズP2、特にその開始時点と作動サイクル内における下死点との間の間隔が50°未満のクランク角、特に20°未満のクランク角、特に10°未満のクランク角、好適には５°未満のクランク角に対応すれば特に有利であることが判明した。

更に、第２フェーズP2は、シリンダ内の圧縮圧力がインジェクタの前に存在する噴射圧力の40％〜60％、特に45％〜55％の範囲の値に達する前に終了すれば特に有利であることが判明した。第２フェーズP2は、特に、圧縮圧力が噴射圧力の約50％に達する前に終了する。

第１フェーズP1は、好適には、少なくともほぼ完全に又は完全にピストンの移動段階時に生じ、その移動段階時におけるピストンは、ガス燃料がシリンダからガスエンジンの吸気管内への逆流を特に全く生じないピストン速度で移動する。

更に、第１フェーズP1は、吸気開放時点の後、好適には排気閉鎖時点の後で開始し、吸気開放時点に直接的に後続する排気閉鎖時点の前で終了するのが明らかである。従って、第１フェーズP1は、例えば、完全に吸気開放時点と吸気閉鎖時点との間に位置している。

推移22，24から明らかなように、吸気開放時点は、排気閉鎖時点の前にあるため、バルブオーバーラップが生じることが想定される。更に、第２フェーズP2は、吸気閉鎖時点の後又は吸気バルブの閉鎖中に開始することが想定される。図１の実施形態において、第２フェーズP2は、吸気閉鎖時点の前で開始し、吸気閉鎖時点の後で終了する。

最後に、ガス燃料は、インジェクタにおいてガス燃料が通過可能な最狭断面領域で超臨界流となるよう、インジェクタから噴射されるのが好適である。これは、インジェクタの入口から出口への水素の流れ、従って流量が、出口側又は出口におけるシリンダ内圧に影響を受けない点で有利であり、このことは、出口におけるシリンダ内圧を正確に知ることができないから特に有利である。水素が通過可能なインジェクタにおける最狭断面領域は、インジェクタのラバール断面領域とも称される。最狭断面領域で超臨界流が生じるとは、特に、設計断面領域とも称される最狭断面領域で水素が音速を生じることを意味する。

第１フェーズP1を行うことにより、混合気の均一化を特に効果的に図ることができる。時間間隔Ｚは中断を表しており、その中断により、過度の排気作用を回避することが可能である。第２フェーズP2を行うことにより、十分な量の水素をシリンダ内に導入することができる。この場合、好適には、第２フェーズP2時に燃焼室内に直接的に噴射される第２部分量は、第１フェーズP1時に燃焼室内に噴射される第１部分量よりも大きいことが想定される。特に、第２フェーズP2の終了は、例えば上述したように、シリンダ内圧によって、又はインジェクタの噴射圧力とシリンダ内圧との圧力比によって決まる。

10 グラフ
12 グラフ
14 グラフ
16 グラフ
18 横軸
20 縦軸
22 推移
24 推移
26 縦軸
28 推移
30 縦軸
32 推移
34 縦軸
36 推移
AO 排気開放時点
AS 排気閉鎖時点
EO 吸気開放時点
ES 吸気閉鎖時点
LWOT 吸気切り替え上死点
P1 第１フェーズ
P2 第２フェーズ
UT 下死点
Ｚ 間隔
ZOT 点火上死点

Claims (15)

1. 少なくとも１つの燃焼室を備える特に自動車用のガスエンジンの作動方法であって、前記ガスエンジンを作動させるためのガス燃料を、前記燃焼室内に直接的に噴射し、前記ガス燃料を、ガスエンジンの作動サイクル内において、互いに時間的に離れた少なくとも２つのフェーズ（P1，P2）で燃焼室内に直接的に噴射する方法において、
   前記少なくとも２つのフェーズ（P1，P2）が、前記作動サイクル内において生じる１回目の点火前で時間的に開始及び終了することを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、前記ガスエンジンとして水素エンジンを作動させ、前記ガス燃料として水素を使用することを特徴とする方法。
3. 請求項１又は２に記載の方法であって、前記フェーズ（P1，P2）のうちの第１フェーズが先に開始及び終了し、その後、前記第１フェーズ（P1）に時間的に後続する前記第２フェーズが開始及び終了することを特徴とする方法。
4. 請求項３に記載の方法であって、ガスエンジンが、燃焼室内に並進移動可能に収容された少なくとも１個のピストンを備えることを特徴とする方法。
5. 請求項４に記載の方法であって、第１フェーズ（P1）が、前記ピストンの吸気切り替え上死点（LWOT）の後で開始することを特徴とする方法。
6. 請求項５に記載の方法であって、前記第１フェーズ（P1）が、前記吸気切り替え上死点（LWOT）に直接的に後続する前記ピストンの下死点（UT）の前で終了することを特徴とする方法。
7. 請求項４〜６の何れか一項に記載の方法であって、前記第１フェーズ（P1）が、前記ピストンにおける点火上死点（ZOT）の後の400°のクランク角から500°のクランク角まで続くことを特徴とする方法。
8. 請求項６に記載の方法、又は請求項６に従属する場合の請求項７に記載の方法であって、第２フェーズ（P2）が、前記ピストンの前記吸気切り替え上死点（LWOT）に直接的に後続する前記下死点（UT）の後で開始することを特徴とする方法。
9. 請求項８に記載の方法であって、前記第２フェーズ（P2）が、前記吸気切り替え上死点（LWOT）に直接的に後続する前記ピストンにおける前記下死点（UT）の直後に開始することを特徴とする方法。
10. 請求項３〜９の何れか一項に記載の方法であって、前記ガス燃料を、少なくとも１個のインジェクタで前記燃焼室内に噴射し、前記第２フェーズ（P2）は、前記燃焼室内における圧縮圧力がインジェクタにおける噴射圧力の40％〜60％、特に45％〜55％の範囲の値に達する前に終了することを特徴とする方法。
11. 請求項４〜１０の何れか一項に記載の方法であって、前記第１フェーズ（P1）が、少なくともほぼ完全に又は完全に前記ピストンの移動段階時に生じ、該移動段階時における前記ピストンは、前記ガス燃料が前記燃焼室から前記ガスエンジンの吸気管内への逆流を特に全く生じないピストン速度で前記下死点（UT）に向けて移動することを特徴とする方法。
12. 請求項３〜１１の何れか一項に記載の方法であって、前記第１フェーズ（P1）が、前記燃焼室に割り当てられると共に、前記燃焼室に少なくとも空気を供給する少なくとも１個の吸気バルブを開放する開放時点（EO）の後で開始することを特徴とする方法。
13. 請求項１２に記載の方法であって、前記第１フェーズ（P1）が、前記開放時点（EO）に直接的に後続する前記吸気バルブの閉鎖時点（ES）の前で終了することを特徴とする方法。
14. 請求項１２又は１３に記載の方法であって、第２フェーズ（P2）が、前記吸気バルブの前記閉鎖時点（ES）の前、又は該閉鎖時点（ES）と共に開始することを特徴とする方法。
15. 請求項１〜１４の何れか一項に記載の方法であって、前記ガス燃料を、少なくとも１個のインジェクタで前記燃焼室内に噴射し、前記ガス燃料を、前記インジェクタにおいて前記ガス燃料が通過可能な最狭断面領域で超臨界流となるよう、前記インジェクタから噴射することを特徴とする方法。

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