JP6266663B2 - 内燃エンジン - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の分類わけ部分（おいて書き部分）の特徴を有する内燃エンジン、及び、請求項１０の分類わけ部分（おいて書き部分）の特徴を有する方法に関するものである。

以下では、従来技術を、発電機を駆動する定置式のガスエンジンの事例により説明する。それらは一般に、各々がプレチャンバ（予備室又は予備燃焼室）を介して点火される１０〜２４（概して大きな整数値）のシリンダを有している。

その点に関して、内燃エンジンにとっては、当然、できるだけ一定した回転速度が望ましい、というのも、回転速度の変化は、内燃エンジンに連結された同期発電機の場合には周波数偏差に変換されるからである。ＤＩＮ ＩＳＯ ８５２８−５は、最大周波数偏差に関してどのような品質分類があるかについて提示する。

それ故、相対的に大きな負荷の変化が生じたときに困難が持ち上がる。内燃エンジンの回転速度の変化を防止（抑制）するために様々な手段（対策）が採られている。

そのような状況は、例えばいわゆる島操作(island operation)において起きる（訳注：島操作とは、電力供給網を介した他の発電所との接続無しで、シャットダウン状態のプラントを再開する操作のこと）。

例えば発電機から取り出されるパワー（電力）が突然大きく低下されるならば（いわゆる負荷遮断）、内燃エンジンの回転速度が増大するのを防止することが必要になる。それは、内燃エンジンに供給されるエネルギーの量を低減することにより、即ち例えば、スロットルバルブを閉じることにより達成され得る。そのことは、内燃エンジンの分配室（吸気マニホルド）での相対的に速い圧力低下をもたらす。

激しい（又は重大な）負荷遮断の場合、吸気マニホルドにおける圧力の迅速な低下は、プレチャンバガス供給のための圧力制御に十分迅速に追従することができない。

不正確なプレチャンバガスの計量は、不安定な燃焼プロセスにつながり、ひいては不完全な点火特性及びデフラグレーション（爆燃）現象につながる。その場合にプレチャンバガス供給システムにおいて、プレチャンバーシステムと内燃エンジンの吸気マニホルドシリンダとの間で（のように）起きる好ましくない圧力差は、不完全な点火プロセス及びデフラグレーション（爆燃）現象を生じさせ得る。そのことは、規制上の安全基準に適合することを困難にする。

（特になし）

本発明の目的は、万一負荷遮断が起きた場合でも安全上のリスクを減らすことができる内燃エンジン、及び、内燃エンジンの作動方法（運転方法）を提供することにある。

内燃エンジンに関して、上記の目的は請求項１の特徴によって達成される。また、方法に関して、上記の目的は請求項１０の特徴によって達成される。

それは次のようにして達成される。即ち、
プレチャンバガス供給装置と少なくとも１つの主燃焼室との間の圧力差を低減すべく、プレチャンバ供給導管には、少なくとも１つのバルブが設けられている。
更に、
Ａ： 前記バルブは、当該内燃エンジンにより生み出されたパワーの変化を特徴付けるパラメータに応じて、開ループ又は閉ループ制御装置によって、開ループ制御又は閉ループ制御されることが可能である、
及び／又は、
Ｂ： 前記バルブによって、前記プレチャンバ供給導管を通り前記少なくとも１つのプレチャンバに向けられているプレチャンバ燃料流を、前記少なくとも１つのプレチャンバから分離した容積空間内に少なくとも部分的に迂回させることが可能である。

本発明に従うバルブは、プレチャンバ供給（又は供給装置）での圧力状態を、内燃エンジンの主燃焼室供給（又は供給装置）での圧力状態により素早く合致させ得ることをもたらし、これにより、失火やデフラグレーション（爆燃）の頻度がかなり少なくなる。加えて、負荷遮断の場合に、とりわけ内燃エンジンの回転速度についての、閉ループ制御を改善する。

好ましくは、空気と燃料の混合物（混合気）は、前記少なくとも１つの主燃焼室に供給され得る。燃料は、好ましくは、前記少なくとも１つのプレチャンバ（予備燃焼室）に供給されることができ、その場合には、前記少なくとも１つの主燃焼室からの混合気と混合することにより、前記少なくとも１つのプレチャンバにおいて、混合気が先ず生み出される。但し、燃料／空気混合物がまた、少なくとも１つのプレチャンバに供給されることは、同様にあり得ることである。

本発明は、好ましくはガスエンジンで使用されることができる。本発明は、好ましくは定置式の（据置型の）内燃エンジンで使用されることができる。本発明に従う内燃エンジンは、好ましくは、主燃焼室として１０〜２４個（概して大きな整数値）のシリンダを持つことができる。

更に有利な実施形態は、従属形式の請求項において定義される。

少なくとも１つの、プレチャンバから分離した容積空間は、内燃エンジンの吸気マニホルドであってもよい。本実施形態のプレチャンバ供給における超過燃料は、内燃エンジンの吸気マニホルドに直接供給されることができるため、圧力条件のとりわけ迅速な適応を可能とする。ただし、吸気マニホルドへの圧力の迂回の代わりに、又はそれに加えて、環境への開口が同様にもたらされ得る。

「吸気マニホルド」という用語は、少なくとも１つの主燃焼室への燃料・空気の混合気の供給を表すところの、内燃エンジンの一部を表すのに使用される。

少なくとも１つのプレチャンバから分離した容量空間に対して少なくとも１つのバルブを開口することによって、プレチャンバ燃料流が迂回されることが可能な実施形態においては、好ましくは、上記の少なくとも１つのバルブは逆流防止弁である。ここで、吸気マニホルドとプレチャンバ供給装置の間に、ある一定の圧力差を確保するために、バネ荷重式のバルブ、とりわけ逆流防止弁を使用することも可能である。

この実施形態において、当該バルブは、開ループ制御弁、又は閉ループ制御弁の形態であってもよい。

第２の実施形態において、プレチャンバ供給導管を通って少なくとも１つのプレチャンバに向かうプレチャンバ燃料流は、前記少なくとも１つのバルブの少なくとも部分的な（好ましくは完全な）ブロッキングによって、制限され（好ましくは禁止され）得る。

好ましくは、前記少なくとも１つのバルブは、負荷の変化値に応じて、開ループ又は閉ループ制御装置により開ループ制御又は閉ループ制御されてもよい。この負荷の変化（とりわけ負荷遮断）の値は、開ループ又は閉ループ制御装置に対して様々なやり方でもたらされ得る。内燃エンジンが発電機に連結され、その発電機が今度は１つ又はそれ以上の電気消耗機器（electrical consumers、又はヒューズ盤）に供されている場合、電気消耗機器（又はヒューズ盤）において負荷の低下が直接検知され、開ループ又は閉ループ制御装置に伝達される。

ただし、前述の一般的な種類の内燃エンジンが、幅広く変化する大部分の計測値を検出するためのセンサで装備されるのは通常のことであるため、開ループ又は閉ループ制御装置そのものが、負荷の変化の大きさ、とりわけ負荷遮断の大きさを計算するように設けられることもあり得る。

閉ループ圧力制御弁又は開ループ圧力制御弁は、プレチャンバ供給導管に備えられ、好ましくは、少なくとも１つのプレチャンバから分離した、前記少なくとも１つのバルブの側に備えられることが可能である。その場合には、ダイヤフラムおよび吸排気導管（又は呼吸導管）を介して内燃エンジンの吸気マニホルドに連結される比較式の開ループ圧力制御弁が設けられることが、とりわけ好ましい。

ただし、本発明に従ったバルブが、閉ループ圧力制御弁、又は開ループ圧力制御弁と一体型構造であること、及び、本発明に従ったバルブが、開ループ又は閉ループ制御装置によって開ループ制御又は閉ループ制御されることは、同様に考えうることである。

本発明の更なる利点及び詳細については、（単一の）図面、及び、その図に関する具体的な説明から明らかとなるであろう。

図１は、本発明に従う内燃エンジン（１）を概念的に示す。

内燃エンジン１は、主燃焼室４が配置されたシリンダ（群）を有している。但し、簡明化のために、二つの主燃焼室４のみが図示されている。この実施形態では、主燃焼室４の各々は、プレチャンバ（予備燃焼室）２によって点火又は着火される。そのことはまた、簡明化のために、主燃焼室４の一つに関してだけ示されている。

ここで説明される、本発明に従う内燃エンジン１の実施形態は、電力発生用の発電機を駆動するという役割を果たすことができる。簡明化のために、これ（発電機）についても図示しない。一般に、内燃エンジン１はどのような負荷に対しても接続可能である。

燃料Ｆを供給するための燃料源が存在する。そこから始まって、プレチャンバ供給導管３によって実質的に形成されるとともに、少なくとも１つのプレチャンバ２に供給するように機能する第１の分岐が存在する。第２の分岐は、混合気供給主導管（main mixture feed conduit）１５によって実質的に形成されている。混合気供給主導管１５の開始箇所に配置されているのは、その中で混合気が燃料Ｆ及び空気Ａから生成される（ところの）混合気生成装置１４である。次いで、この混合気は、ターボチャージャーのコンプレッサ１６に供給される。続いて混合気供給主導管１５には、混合気中間冷却器１７（インタークーラー１７）及びスロットルフラップ１９が配置されている。次いで、混合気供給主導管１５は吸気マニホルド７に対して開口しており、その吸気マニホルドから主燃焼室４は、圧縮され冷却された燃料／空気混合気の供給を受ける。

比較式の開ループ圧力制御弁８が、プレチャンバ供給導管３の燃料タンクの下流に配置されている。これは、吸排気導管(breather conduit)９を経由して、混合気供給主導管１５又は吸気マニホルド７に接続されている。開ループ圧力制御弁８はバネ荷重式ダイヤフラムを有し、その結果、プレチャンバ供給導管３の圧力が、混合気供給主導管１５又は吸気マニホルド７との関連において定められる圧力差を伴う圧力に制御される。プレチャンバガス供給装置の圧力は、少なくとも、負荷における比較的大きな変化が発生した瞬間に、シリンダへの供給との関連で選択される。

本実施形態において、開ループ圧力制御弁８は純粋に機械的な性質を有し、実際のところ、それによって、負荷の素早い変化、特に負荷遮断の場合に、十分に素早く反応することができず、しばらくの間、プレチャンバ供給導管３において過度に高い圧力が広く行きわたる。加えて、スロットルオリフィス１２が、プレチャンバ供給導管３に配置されている。なお、スロットルオリフィスは、「ガスオリフィス」と呼称され、液体燃料Ｆと関連している場合であっても、ガスオリフィス１２の配置場所では、一般にはガスの形態で存在する。

バルブ６．１及び６．２について、以下にいくらか説明を加える。

ガスオリフィス１２の下流において、プレチャンバ供給導管３は、個々のプレチャンバ２に分配可能とすべく異なる分岐に分かれている。プレチャンバ供給導管３のこの部分は、一般に、プレチャンバレール、又は単に短くレールと呼ばれる。図面の明確性に悪影響を及ぼさないために、全体として分岐のうち１つだけが図示されている。

プレチャンバ供給導管３又はレールは、少なくとも１つのプレチャンバ弁１１を経由して少なくとも１つのプレチャンバ２に接続されている。この場合のプレチャンバ弁１１は、受動的な逆流防止弁（逆止弁）の形態をしている。プレチャンバ供給導管３における上記のわずかに増加した圧力であって、ガスオリフィス１２により定められた方法で低減された圧力は、比較的低い圧力がシリンダ内に広く行きわたる瞬間に、弁１１が開き、燃料Ｆがプレチャンバに流れ込むという事態をもたらす。

プレチャンバ供給導管３内が過度に高圧となった場合、少なくとも１つのプレチャンバ２に過剰な燃料Ｆが流れ込み、それにより、上記の失火のプロセスがもたらされる。

但し、そういったことは、バルブ６．１及び６．２（この場合は、遮断弁（blocking valve））によって防止される。図に示された２つのバルブ６．１及び６．２は、組み合わせて使用可能であるが単体でも使用可能な２つの異なる設計を表している。

バルブ６．１は開ループ又は閉ループ制御装置５に連結されている。この装置５は、インターフェイス２２を経由して、内燃エンジン１によって生成されたパワー出力の変化を指摘（又は示唆）する特性データをやり取り（即ち通信）する。この特性データは、例えば、チャージ圧力センサ、シリンダ圧力センサ及び／又は回転速度センサなどの、内燃エンジン１上のセンサの計測データであってもよい。可能性として存在し得る電気消耗機器のセンサ及び特性データが、インターフェイス２２を経由して、開ループ又は閉ループ制御装置５に伝達されることも可能である。

開ループ又は閉ループ制御装置５が負荷遮断を検知した場合、バルブ６．１は、プレチャンバ供給導管３を遮断するよう作動される。

バルブ６．１は、再びより多くのガスがプレチャンバ２で必要とされるまで、閉鎖されたままである。ここで使用される判断基準は、圧力差が再び所望の範囲に収まったか否か、ということであってもよい。

特定の事例において、バルブ６．１は、パワー遮断の値、すなわち、負荷遮断の前及び後の内燃エンジン１のパワー出力からの差に基づいて、開ループ制御を受け得る。その値は、回転速度センサ（図示せず）からの信号から得られ、それに関して以下の数式が使用される。

この数式において、ΔＰは負荷遮断の値を表し、Ｊは慣性モーメントを表し、ｗおよび（ｄｗ／ｄｔ）はそれぞれ角速度及びその導関数を表す。

バルブ６．２は、逆流防止弁（逆止弁）の形態をしている。プレチャンバ燃料流の少なくとも一部を、混合気供給主導管１５に、ひいては吸気マニホルド７に迂回させる目的で、バルブ６．２が配置された追加の連結導管が設けられている。本件特許の仕様（あり方）を目的として、プレチャンバ供給側における当該連結導管の一部は、プレチャンバ供給導管の一部とみなされる。同様に、主チャンバ供給側にある当該連結導管の一部は、混合気供給主導管１５の一部とみなされる。

本発明の実施形態において、このような連結導管にバルブ６．２が含まれていない場合には、連結導管そのものが不要である。

例えば逆流防止弁の形態をしたバルブ６．２は、プレチャンバ供給導管３と混合気供給主導管１５の間の（運転中は一定であるべき）圧力差に悪影響を及ぼさないために、この場合はバネ荷重付与（バネ付勢）されている。それ故、バルブ６．２は圧力差が過大となるまで閉鎖されている。そして、バルブ６．２は開口し、均圧化が起こる。

逆流防止弁の形態をしたバルブ６．２の構造が好ましく、なぜなら、この構造はシリンダ用の混合気の、プレチャンバガス供給導管への逆流を防止するからである。

本実施形態では受動的な種類のプレチャンバガス供給装置の代わりに、能動的な種類のものを使用することも可能である。

シリンダでの燃料／空気混合気の燃焼後、生成された排気ガスは排気ガス導管２０に収集され、排気システム等によって排出される。上記ターボチャージャーのタービン２１は排気ガス導管２０に配設されている。タービン２１はシャフトによってターボチャージャーのコンプレッサ１６に連結される。

１ 内燃エンジン
２ プレチャンバ（予備燃焼室）
３ プレチャンバ供給導管
４ 主燃焼室
６．１ バルブ
６．２ バルブ
８ 開ループ圧力制御弁
９ 吸排気導管（又は、呼吸導管、breather conduit）
１５ 混合気供給主導管（主燃焼室供給導管）

Claims (9)

1. 少なくとも１つのプレチャンバ（２）であって、当該プレチャンバに燃料（Ｆ）を供給するためのプレチャンバ供給導管（３）に接続されたプレチャンバ（２）と、
   少なくとも１つの主燃焼室（４）であって、当該主燃焼室の燃料（Ｆ）は、前記少なくとも１つのプレチャンバ（２）から当該少なくとも１つの主燃焼室（４）内に進入すると共に前記プレチャンバ（２）での燃料（Ｆ）の点火により生み出されるところの点火フレア（点火炎）によって点火される、主燃焼室（４）と、
   を備えてなる内燃エンジンにおいて、
   プレチャンバガス供給装置と前記少なくとも１つの主燃焼室（４）との間の圧力差を低減すべく、前記プレチャンバ供給導管（３）には、少なくとも１つのバルブ（６．１，６．２）が設けられており、
   更に、
   Ａ： 前記バルブは、当該内燃エンジン（１）により生み出されたパワーの変化を特徴付けるパラメータに応じて、開ループ又は閉ループ制御装置（５）によって、開ループ制御又は閉ループ制御されることが可能である、
   及び、
   Ｂ： 前記バルブによって、前記プレチャンバ供給導管（３）を通り前記少なくとも１つのプレチャンバ（２）に向けられているプレチャンバ燃料流を、前記少なくとも１つのプレチャンバ（２）から分離した容積空間内に少なくとも部分的に迂回させることが可能であり、
   吸排気導管（９）を介して、混合気を有する、当該内燃エンジン（１）の主燃焼室供給導管（１５）又は吸気マニホルド（７）に接続された比較式の開ループ圧力制御弁（８）が、前記プレチャンバ供給導管（３）に設けられている、
   内燃エンジン。
2. 前記少なくとも１つのプレチャンバ（２）から分離した容積空間は、前記主燃焼室供給導管（１５）、及び／又は、前記吸気マニホルド（７）である、請求項１に記載の内燃エンジン。
3. 前記少なくとも１つのバルブ（６．１，６．２）は、逆止弁である、請求項１又は２に記載の内燃エンジン。
4. 前記プレチャンバ燃料流は、前記少なくとも１つのバルブ（６．１，６．２）の少なくとも部分的な遮断（好ましくは完全な遮断）によって、制限（好ましくは禁止）され得る、請求項１〜３のいずれかに記載の内燃エンジン。
5. 前記少なくとも１つのバルブ（６．１，６．２）は、負荷の変化値に応じて、前記開ループ又は閉ループ制御装置（５）によって、開ループ制御又は閉ループ制御され得る、請求項１〜４のいずれかに記載の内燃エンジン。
6. 前記圧力制御弁（８）が、前記少なくとも１つのプレチャンバ（２）から遠く離れた前記少なくとも１つのバルブ（６．１，６．２）の側に設けられている、請求項１〜５のいずれかに記載の内燃エンジン。
7. 前記少なくとも１つのプレチャンバ（２）は、それぞれに少なくとも１つのプレチャンバ弁（１１）を介して前記プレチャンバ供給導管（３）に接続されている、請求項１〜６のいずれかに記載の内燃エンジン。
8. 前記少なくとも１つのプレチャンバ弁（１１）は、受動的な逆止弁である、ことを特徴とする、請求項７に記載の内燃エンジン。
9. 燃料（Ｆ）がプレチャンバ供給導管（３）を介して少なくとも１つのプレチャンバ（２）に供給されると共に、主燃焼室（４）内の燃料（Ｆ）が、前記少なくとも１つのプレチャンバ（２）から当該少なくとも１つの主燃焼室（４）内に進入すると共に前記プレチャンバ（２）での燃料（Ｆ）の点火により生み出されるところの点火フレア（点火炎）によって点火されるところの内燃エンジンを作動させる方法において、
   プレチャンバガス供給装置と前記少なくとも１つの主燃焼室（４）との間の圧力差を低減すべく、前記プレチャンバ供給導管（３）に配置された少なくとも１つのバルブ（６．１，６．２）が用いられ、
   更に、
   Ａ： 前記バルブは、当該内燃エンジン（１）により生み出されたパワーの変化を特徴付けるパラメータに応じて、開ループ制御又は閉ループ制御される、
   及び、
   Ｂ： 前記バルブよって、前記プレチャンバ供給導管（３）を通り前記少なくとも１つのプレチャンバ（２）に向けられているプレチャンバ燃料流が、前記少なくとも１つのプレチャンバ（２）から分離した容積空間内に少なくとも部分的に迂回され、
   吸排気導管（９）を介して、混合気を有する、当該内燃エンジン（１）の主燃焼室供給導管（１５）又は吸気マニホルド（７）に接続された比較式の開ループ圧力制御弁（８）が、前記プレチャンバ供給導管（３）に設けられている、
   内燃エンジンの作動方法。
   

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