JP5977254B2 - 少なくとも二つのシリンダを持った内燃機関の作動方法 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも二つのシリンダを持った内燃機関、特にガスエンジン、を作動させる方法に関する。本発明は更にそのような方法を実施するための内燃機関に関する。

複数のシリンダを持った内燃機関を作動させる方法は、既に知られている。内燃機関を作動させるための従来技術（例えば、ＤＥ １９６２１２９７ Ｃ１，ＥＰ １６８８６０１ Ａ２，ＤＥ １０ ２００６ ０２４９５６ Ｂ４，ＤＥ １０ ２００７ ０００４４３ Ａ１）に記載された方法および制御システムは、主に、例えば私的な自動車（乗用車）で使用されているような、比較的小型のオットーサイクルエンジンおよびディーゼルエンジンのエンジン制御に適している。それ故、そこで言及された例は、概ね液体燃料の使用に関する。

そこで提案された制御コンセプトは、例えばエネルギー（電力）発生用に使用されるところの３ＭＷを超えるエンジン出力レベルをもった固定型ガスエンジンには適さない。というのも、そのようなエンジン（例えば混合レール(mixture rails)）の物理的に大きな寸法は、対応するシリンダでの燃焼プロセスについて制御信号と動作との間に好ましからざる長い時間的遅延が存在することを意味するからである。加えて、与えられた寸法で、混合過給エンジン(mixture-supercharged engine)の場合、全てのシリンダで同じ圧力とはならない、あるいは、流れ効果のために圧力を正確に検出できない。

ＪＰ２００５−０６９０９７及びＥＰ ２１３６０５９ Ａ１（の各々）は、複数シリンダのガスエンジンであって、各シリンダのシリンダ圧をシリンダ圧力センサによって解明することができるガスエンジンを開示する。

ＤＥ １９６２１２９７ Ｃ１ ＥＰ １６８８６０１ Ａ２ ＤＥ １０ ２００６ ０２４９５６ Ｂ４ ＤＥ １０ ２００７ ０００４４３ Ａ１ ＥＰ ２１３６０５９ Ａ１ ＪＰ２００５−０６９０９７（特開２００５−０６９０９７）

本発明の目的は、内燃機関、特にガスエンジンの出力が精密且つ迅速に制御され得る方法を提供することにある。それは特に、ガスエンジンが電力網の変動する電力需要に反応して供給しなければならないところの、いわゆるアイランド型(island-type)の動作モードに適用される。それは、ガスエンジンによって生み出される電力の迅速で精密な制御を要求する。

本発明によれば、その目的は次のようにして達成される。即ち、内燃機関の所望のパワー（出力）、及び／又は、所望のトルク、及び／又は、所望の回転速度に応じて、少なくとも二つのシリンダの各々に供給される燃料の量が、シリンダ個々の関係において、燃料測定装置およびシリンダ圧力センサによって制御される。

これ以後、「燃料」、「燃料ガス」および「ガス」の用語、並びに、「内燃機関」、「ガスエンジン」および「エンジン」はそれぞれ、同義語として使用される。

その点に関して、シリンダの各々の圧力は、内燃機関のパワー（出力）、及び／又は、トルク、及び／又は、回転速度を制御するための管理値として使用される。その場合、燃焼室の圧力は、シリンダ圧力センサによって検出される。それぞれのシリンダによってなされた仕事、即ち生じたパワー（出力）は、公知の熱力学的な関係によって測定されたシリンダ圧力から計算され得る。パワーは、第一義的には、燃焼プロセスに使用可能な燃料量（燃料ガスの量）により影響される。次の燃焼プロセスで必要とされるパワー（出力）を達成するのに必要となるガスの量は、例えば、燃焼室の圧力、供給された空気の圧力および温度、供給された燃料ガスの温度および圧力、並びに回転速度などのような、知られた又は検出されるべきパラメータから計算される。そして、燃料又は燃料空気混合物の対応量が、適切な導入装置を経由して内燃機関の（各）シリンダに供給される。

その構成において、圧縮された空気及び燃料、好ましくは燃料ガス、は、少なくとも２つのシリンダの各々に分離した形でそれぞれ供給されることができる。なお、プレ・ミキシング（事前混合）が行われても良く、適切な燃料空気混合物が供給されてもよいことは、理解できるであろう。

本発明の更なる実施形態では、それぞれのシリンダの圧力、好ましくはシリンダのピーク圧力、又は、シリンダによって生じるパワーと関連したシリンダ圧力に由来する値、及び／又は、エミッション（排気）レベル、好ましくはＮＯx排気レベルに応じて、シリンダ（群）がシンクロナイズ（同期）されてもよい。空気導入通路およびガス導管における異なったジオメトリィ（形状）、並びに、異なった数値特性は、個々のシリンダにおける不均等な燃焼プロセスにつながり得る。その点に関して、個々のシリンダにおける燃焼が、適切な手段を用いて、パワー産出量またはＮＯxエミッション（排出）レベルとの関係でシンクロナイズ（同期）されることは有利である。その目的のために、同期のために使用可能な燃焼のピーク圧力又は中央圧力のような値を、シリンダ圧力信号から決定することが可能である。また、同期のために又は一般的なエンジン管理のために使用可能な空気過剰率(excess air ratio)（ラムダ）のような重要なパラメータを、それら燃焼用の圧力で示された値から導き出すことも可能である。シリンダの同期は、点火タイミング、及び／又は、それぞれの燃料導入装置の開き時間及び／又は燃料供給圧力の、個々のシリンダでの制御によってその都度もたらされ得る。好ましくは、シリンダのピーク圧力、又は、シリンダの平均圧力、又は、シリンダ圧力の変動（変化）から解明されるシリンダ個々の空気過剰率(air excess ratio)は、シリンダの同期制御のための管理値としての役目を果たすことができる。

本発明の好ましい態様では、少なくとも２つのシリンダの各々に供給される燃料の量は、それぞれの燃料の導入装置の開き時間によって、及び／又は、燃料供給圧力によって、及び／又は、開放断面（積）によって定められる。その場合、燃料の量およびその供給特性は、シリンダの導入装置の開き（開放）及び閉じ（閉塞）時間によって決定される。その場合における導入装置は、ポート噴射弁(port injection valve)の形態をとることが可能であり、そのようなポート噴射弁の開き時間は、弁の特性およびその作動条件に応じて解明されることができる。その導入装置は、完全に開く位置および完全に閉じる位置の二つの位置だけを実質的に含むように設計することもできる。

ガスエンジンに供給される燃料または燃料ガスの量は、当該ガスエンジンによって生み出されるパワー（出力）の主要な影響要因である。それ故、ポート噴射弁でのガス量測定は、パワーの主な制御要素を代表する。その点で、次の関係は重要である。

この数式において、Ｐ_mechは、内燃機関の発生パワー（出力）、
ｍ_gasは、内燃機関全体にとっての、目的のために必要なガスの量、
Ｈｕは、低位発熱量(lower calorific value)、
η_engine（イータengine）は、内燃機関の効率、
ｎは、内燃機関の速度（単位：ｒｐｍ）である。

ガス量（ｍ_gas）は主に、内燃機関のエンジンパワー、トルク、又はスピード（速度）に影響するので、ガスエンジンに注入されるガスの量の参照値は、制御パラメータに関する所望の参照値に従って計算されることが可能である。

従って、所望のパワー（Ｐ_ref）のための燃料の量（ｍ_gas）は、次の式によって解明可能である。

その計算式は、ガスの低位発熱量（Ｈｕ）、エンジン効率（η_engine）およびエンジンの回転速度ｎを含む。内燃機関の効率（η_engine）は、最後の燃焼サイクルにおけるシリンダ圧力の変動（変化）の評価によって、あるいは例えばエンジンの特性曲線から、それぞれ解明可能である。

排出ガス制御および点火制御に関して、燃料空気混合物の混合比は、いずれか丁度の値に設定されていなくてもよい。その混合比（ラムダ値）は、エミッション（排出物）のレベルが定義されたエミッション限界よりも低くなるように、且つ、同時に燃焼不良限界(combustion misfire limit)に達しないように、設定されなければならない。その対応するラムダ値は、例えば適切な燃焼制御によって又は特性曲線もしくは特性表によってその都度、特定される。その特定されたラムダ値を用いて、燃料の量が、エンジン全体につき、相応の空気量に関して解明される。その場合、シリンダは、与えられた量の空気だけを受け入れることができる。シリンダに導入してもよい空気の量は、充填圧力(charging pressure)および体積効率(volumetric efficiency)の関数である。

制御装置において、シリンダの空気の量は、恒久的に測定される充填圧力および計算された体積効率によって決定することができる。所望のパワー出力レベルに求められるガスの量に応じて、ガスが均一に分配され得る適切なシリンダ数を決定することも可能である。ガスは、適切な導入装置、例えばポート噴射弁によって、アクティブなシリンダ、つまりガスが供給されるべきシリンダに注入（噴射注入）される。弁の開き時間は、どれだけのガスがシリンダに注入されるか（注入量）を決定する。弁の開き時間は、制御装置により制御パラメータとして提供され得る。エンジンパワーの実際値（現実の値）は、シリンダ圧力変動（変化）（シリンダ圧力表示）を検出することによって、又は、電力網との動作のパラレルモードでの電力を測定することによって決定でき、そして当該制御装置によりフィードバック信号または管理値として使用可能である。

その場合に、時間段階的な制御コンセプト(time stepped regulating concept)を使用することもできる。好ましくは、次のような制御が提供され得る、即ち、約２〜１００の燃焼サイクルの領域（範囲）にある第１の制御サイクルにおいて、シリンダ毎の燃料量の制御が行われること、及び／又は、約１０〜１０００の燃焼サイクルの領域（範囲）にある第２の制御サイクルにおいて、充填空気の制御量との後追い関係で燃料量が調節されることにより制御が行われること、及び／又は、約１００〜１００００の燃焼サイクルの領域（範囲）にある第３の制御サイクルにおいて、燃料供給圧力の制御がシリンダ毎に行われること。

その方法において、制御的介入(regulating intervention)の連続時間（ここで、その時間は、介入が起こる燃焼サイクルの数によって定めることができる）を定義することも可能である。好ましくは２〜１００の燃焼サイクルの領域で用いられるところの第１の制御サイクルは、（その都度）純粋なパワー出力制御のために役立ち、ガス制御された制御原理として参照される。ガスの量を予め定めることは、第一次的な制御的介入を意味し、その点で、二次的な制御的介入は、充填空気の必要量がガス量に応じて適合されられることによって行われる。そのような制御的介入は、高度に動的な介入（例えば、サイクルに基づく回転速度のモニター手順や逸脱）がガス量のサイクル同期した直接的介入によって実行され得るところの、短期のパワー出力制御に特に適している。加えて、そのような制御的介入は、シリンダの同期を素早く達成（実現）するのに特に適している。

しかしながら、純粋に短期的なパワー出力制御には、変更された作動条件（例えば、変更されたガス組成、低カロリー値のガス、損耗、高い外部温度などの条件の変更）を考慮に入れることができないという不都合がある。それ故、より長期の制御サイクルを提供することが可能である。即ち、その長期の制御サイクルによって、例えば短期的な撹乱（混乱）を取り除くべく短期のガス制御された制御（を行うこと）の可能性に加えて、高レベルの効率、及び／又は、有利なエミッションの開発を維持するために、長期的な制御的介入が可能である。

第２の制御サイクルでは、充填空気の量が主要な制御的介入として使用されると共に、燃料の対応量が充填空気の量（空気制御された制御原理）との関係を後追いする際に制御される、ということが提供され得る。その制御原理は、パワー出力制御や、例えばガスエンジンを定格負荷(nominal load)まで加速するというような準定常プロセスを制御するために特に適している。

高次定常プロセスとして参照される（呼ばれている）プロセスは、第３の制御サイクルにおいて、燃料供給圧力（ガス圧制御された制御原理）の適合によって制御可能である。その点に関して、最適化プロセスは、第１の制御サイクルに応じて、時間についての低い要求にガス量を適応させることにより順に行われ得る。

特に好ましい実施形態では、個々のシリンダは、制御により標的（ターゲット）を定めてシャットダウンされる(be targetedly shut down)、ということが提供され得る。つまり、シャットダウンされないシリンダは、所望のパワーを生み出し、及び／又は、内燃機関の所望のトルク及び／又は所望の回転速度を入手可能とする。好ましくは、内燃機関についてのパワー要求の際に内燃機関の公称パワー（出力）(nominal power)の０％〜３０％の領域に個々のシリンダがシャットダウンされる、ということも提供され得る。部分的な負荷状況およびアイドリングにおけるパワーないし回転速度制御は、スロットル弁(throttle flap)やブローオフ弁のような伝統的な制御部材によるのではなく、個々のシリンダについてのシャットダウンやスイッチング（切替え）によって行うことも可能である。結果として、このことは、ロス（損失）のずっと少ないスロットル弁フリー（無し）モードの制御や、内燃機関全体にとってのより単純な制御特性（特に、ターボチャージャー制御との関係において）をもたらす。負荷制限（load shedding、電力平均分配ともいう）の状況でのシリンダシャットダウンは、内燃機関の公称出力の０％〜１００％の概ね全負荷範囲において、自然に（当然に）行うことが可能である。

現在の支配的な負荷状況に応じて、燃焼サイクルあたり定格負荷の２５％を超えるだけの負荷の減少ないし増大の際に、個々のシリンダが選択的にシャットダウンされ又はスイッチオンされる、ということが提供され得る。
仮に内燃機関が例えば発電に使用されるならば、電力網(network)の状態を特徴付けるセンサ値（例えば、電力網の電圧、周波数、電力プロバイダーの電力要求プロファイル(energy demand profile)）は、事前に負荷の急変を検出してそれに素早く反応（対処）可能であるように使用され得る。
仮に内燃機関がアイランド型モード(island-type mode)の動作状況に置かれるならば、電気的負荷の一部についての測定値は、その目的（例えば、消費者の要求、風速の測定（値）、あるいは日射強度の測定（値））のために検出され得る。
仮に内燃機関が例えばポンプやコンプレッサ（圧縮機）用の駆動源として使用されるならば、内燃機関に設けられた例えば空気圧縮機での測定値（例えば、圧縮機入口側圧力、圧縮機出口側圧力）は、負荷のスイッチオンもしくはシャットダウン現象、あるいは、短期の負荷の高まり(short load surges)を迅速に判定することができるように使用され得る。
トルク及び／又は回転速度の測定値はまた、負荷の変化を検出するのに使用することもできる。

負荷がスイッチオンされる状況となった場合には、内燃機関における排気ガスターボチャージャーにより多くのパワーを一時的に提供して公知のターボラグ効果(turbo-lag effect)をより迅速に克服（解消）することができるようにするために、個々のシリンダないし全てのシリンダは、過渡的な段階において、個々のガス注入(gas injection)によって豊富な燃料空気混合物を供給されてもよい。その点に関して、ノッキングを回避するために、同時に点火タイミングをずらしてもよい。

シリンダ個々の関係において燃料ガスの供給を制御又は防止することの可能性は、純粋な圧縮曲線を検出するために、及び、そこから、例えばシリンダの入口側及び／又は出口側のバルブのバルブ破損や損耗の可能性を検出可能とするために、（例えば１〜２燃焼サイクル用の）ガスを一時的にスイッチオフ(switch off)するために使用され得る。従って、シリンダの機能的なモニタリング（監視）のために、1以上の燃焼サイクル、好ましくは１〜２燃焼サイクルにわたって燃料供給がシャットダウンされること、及び、その状況で起きるシリンダ圧力の変動（変化）が解明されること、が提供され得る。燃焼の無い位相(phase)は、シリンダ圧力センサを調和（一致、harmonize）させるために使用することもできる。そのような調和操作は、シリンダ圧力信号から十分な正確さでもって、例えば燃焼の中心のようなパラメータを計算可能とするために必要になるかもしれない。圧縮比の変化につながるバルブ（弁）の損耗や被覆(deposit)は、そのような位相におけるポンプ平均圧力や相応のポンピングロスを判定することによって検出され得る。その場合に複数のセンサの値が比較されるならば、とりわけセンサの欠陥（異常）を、内燃機関の真実の機能不全（故障）から区別することができる。

本発明の特に有利な実施形態は、少なくとも二つのシリンダのそれぞれの燃焼プロセスが、シリンダセンサ手段、好ましくはシリンダ圧力表示手段によってモニター（監視）される、というものである。いわゆるシリンダ圧力表示は、クランクシャフト角度または時間に応じて、シリンダ内で支配的な内部圧力を検出する役割を担う。特に、例えばシリンダ出口での排気ガス温度やトルクのような更なる測定値と併せて（併用して）、シリンダでの燃焼が他のシリンダと異なっているか否か、又は、問題のシリンダにおける例えばシリンダ圧力センサが不良であるか否かを解明することも可能である。加えて、シリンダ圧力表示によって、複数のサイクルにわたる最適化のみならず、例えばノッキングや不発(misfire)のような燃焼プロセスに関連したサイクルに基づく限界をモニターすること、並びに、変動するガス品質に対する反応をモニターすることを実行することも可能である。その目的のために、例えば燃焼のセンター及び平均圧力のような、計算によりシリンダ圧力から解明される値を使用することも可能である。

前記少なくとも２つのシリンダが異なる燃料で作動される、ということも提供され得る。その場合、例えば、個々のシリンダはディーゼルで作動され得る。そのようなハイブリッドモードの動作は、より広い燃焼窓(combustion window)のおかげでディーゼル作動のシリンダで要求されるような、タービン出力と充填効果をよりダイナミックに制御可能であるようにするために、有利になることがある。その場合のガス作動のシリンダは、ほぼ一定して（constantly、コンスタントに）作動し、例えば遅い制御的介入（例えばNOｘ制御）のためにだけ使用される。

本発明の更なる詳細および利点については、以下の図面に示された具体例を参照した具体的な記述によって更に十分に説明されるであろう。

図１は、導入装置およびシリンダ圧力センサを伴ったシリンダの模式図を示す。 図２は、提案された制御コンセプトの模式的なブロック回路ダイアグラムを示す。

図１は、ピストン６が配置された内燃機関のシリンダ１を模式的に示す。その構成においては、導入装置４は、燃焼室５に燃料ガスを噴射（注入）する役目を果たす。シリンダ圧力センサ２は、例えば連続的に又は時間離散的な関係で、及び／又は、ピストン６に連結されたクランクシャフト（図示略）の角度に応じて、シリンダ１の燃焼室５における圧力の測定データに対応して（信号を）制御装置３に供給する。その制御装置３は、内燃機関の出力、及び／又は、トルク、及び／又は、回転速度を制御する役目を果たす。所望の制御値に依存して、制御装置３は、シリンダ１にとっての燃料の最適量を計測し、導入装置４によって燃料を燃焼室５内に噴射する。それ故、この例では、導入装置４と共に制御装置３が、燃料計測装置の機能を達成する。

図２は、所望の参照値Ｓに応じてシリンダ１の燃料量を制御するための制御装置３を用いた、提案されたガスコントロール制御コンセプトの模式的なブロック回路ダイアグラムを示す。

この場合、参照値Ｓおよび実際値Ｉは、例えばエンジン出力、トルク、又は、回転速度であることができる。シリンダ１において、シリンダ圧力の変動（変化）は、少なくとも一つのシリンダ圧力センサ２（図２では図示略）によって検出され、シリンダ圧力表示装置７によって評価される。シリンダ圧力は、時間、及び／又は、シリンダ１のピストン６に連結されたクランクシャフト（図２では図示略）の角度に応じて、上記のようなシリンダ圧力表示装置によって検出され得る。シリンダ圧力表示装置７によって評価装置８に提供されるシリンダ圧力変動（変化）に基づいて、例えばエンジン出力、エンジン効率、体積効率(volumetric efficiency)、現在優勢なラムダ値およびシリンダピーク圧力のような関連パラメータが、評価装置８によって解明（究明）され得る。それら解明（究明）された追加データＺの一つ以上が、例えば、燃料を供給すべきシリンダの数や導入装置４（例えばポート噴射弁）の開き時間（開放時間）を決定するために、制御装置３へ通される。それに応じて必要とされる燃料量が、導入装置４によってそれぞれのシリンダ１の中へ噴射されることができる。

Claims (14)

1. 少なくとも二つのシリンダ（１）を持った内燃機関を作動させる方法であって、
   内燃機関の所望のパワー、及び／又は、所望のトルク、及び／又は、所望の回転速度に応じて、前記少なくとも二つのシリンダ（１）の各々に供給される燃料の量が、シリンダ個々の関係において、燃料量の計測装置およびシリンダ圧力センサ（２）によって制御されるものであり、
   燃焼サイクルのカウント開始からの燃焼サイクル数が２〜１００の領域にある第１の制御サイクルでは、シリンダ（１）毎の燃料量の制御が行われ、及び、
   前記燃焼サイクル数が１０〜１０００の領域にある第２の制御サイクルでは、充填空気の制御量に応じて燃料量が調節されることにより制御が行われる、
   ことを特徴とする方法。
2. 前記燃焼サイクル数が１００〜１００００の領域にある第３の制御サイクルでは、燃料供給圧力の制御がシリンダ（１）毎に行われる、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 圧縮空気と、燃料とが、前記少なくとも二つのシリンダ（１）の各々に対して分離した形でそれぞれ供給される、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記シリンダ（１）の各々での圧力は、内燃機関のパワー、及び／又は、トルク、及び／又は、回転速度を制御するための管理値として使用される、
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記少なくとも二つのシリンダ（１）の各々に供給される燃料の量は、それぞれの燃料の導入装置（４）の開き時間、及び／又は、燃料供給圧力、及び／又は、開口断面積によって定められる、
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. シリンダの同期は、点火時間、及び／又は、それぞれの燃料の導入装置（４）の開き時間及び／又は燃料供給圧力についてのシリンダ個別の制御によってもたらされ、
   ここで、シリンダ（１）群は、それぞれのシリンダの圧力、又は、シリンダ（１）で生じるパワーに関してシリンダ圧力に由来する値、及び／又は、エミッションレベルに応じて、同期させられる、
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 個々のシリンダ（１）は、制御により、標的を定めてシャットダウンされ、
   シャットダウンされないシリンダ（１）は、所望のパワーを生み出し、及び／又は、内燃機関の所望のトルク及び／又は所望の回転速度を入手可能とする、
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 内燃機関についてのパワー要求の際に、個々のシリンダ（１）が、内燃機関の公称パワー（公称出力）の０％〜３０％の範囲にシャットダウンされる、
   ことを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 燃焼サイクルあたり定格負荷の２５％を超えるだけの負荷の減少ないし増大に際し、個々のシリンダ（１）が選択的にシャットダウンされ又はスイッチオンされる、
   ことを特徴とする請求項７又は８に記載の方法。
10. シリンダ（１）の機能的なモニタリング（監視）のために、１以上の燃焼サイクルにわたって燃料供給がシャットダウンされて、その状況で起きるシリンダ圧力の変化が解明される、
    ことを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
11. シリンダ（１）のバルブの機能的なモニタリング（監視）のために、１以上の燃焼サイクルにわたって燃料供給がシャットダウンされ、
    圧縮曲線が検出されて、そこからバルブの破損又は摩耗の可能性が検出される、
    ことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記少なくとも二つのシリンダ（１）のそれぞれの燃焼プロセスは、シリンダセンサ手段によってモニター（監視）される、
    ことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記少なくとも二つのシリンダ（１）は、異なる燃料で作動させられる、
    ことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記内燃機関は、ガスエンジンである、
    ことを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
    

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