JP6356506B2 - ガスエンジンを駆動するための方法 - Google Patents

Description

本発明は請求項１のおいて書き部に記載のガスエンジンを駆動するための方法、すなわち、少なくとも一つのガス噴射弁を用いてガスエンジンの少なくとも一つのシリンダーにガス状燃料を導入するための方法に関する。本発明はさらに、当該方法を実施するためのエンジン制御装置と、ガスエンジンのガス噴射弁とに関する。

ガスエンジンのシリンダー内ではガス状燃料、例えば天然ガスが燃焼される。このためにガスエンジンのシリンダーには、燃焼すべきガスのほかに空気も供給され、ガス／空気混合物の形成は、個々のシリンダーの上流においていわゆる吸気管内で行われるか、あるいは、シリンダー内で直接的に行われる。

個々のシリンダーに供給されるガスの量は、いわゆるガス噴射弁を用いて閉ループ制御もしくは開ループ制御され、このようなガス噴射弁を開くために当該ガス噴射弁の弁体は、当該ガス噴射弁の復元要素として役立つバネ要素の弾性力に抗して、当該ガス噴射弁の電磁石に電力を供給することにより、当該ガス噴射弁の弁座から持ち上げられる。ガス噴射弁の弁体が当該ガス噴射弁の弁座から持ち上げられているとき、当該ガス噴射弁は開かれており、燃焼すべきガスの流れをガスエンジンの個々のシリンダーに向かって開放する。ガス弁を閉止するためには、電磁石に電力を供給することが中止され、ガス噴射弁のバネ要素は、当該バネ要素の弾性力によって弁体を当該ガス噴射弁の弁座に押し付ける。

このようなガス噴射弁を閉止する際、弁体は弁座に当たり、それによって個々のガス噴射弁の弁座は高い機械的負荷に曝されている。ガスエンジンにおいてガス噴射弁は作動サイクルごとに少なくとも一回、開閉するため、ガス噴射弁は弁座の当該機械的負荷によって著しく摩耗し、それによって当該ガス噴射弁の寿命は短縮され、ガスエンジンの保守整備コストは増大する。

従ってガスエンジンを駆動するための方法、当該方法を実施するためのエンジン制御装置およびガス噴射弁であって、当該方法もしくは当該装置および当該弁を用いてガス噴射弁の閉止時に当該ガス噴射弁にかかる機械的負荷が低減され得、それによって当該ガス噴射弁の摩耗しやすさを低減するガスエンジンを駆動するための方法、当該方法を実施するためのエンジン制御装置およびガス噴射弁が求められている。これに基づき、本発明はガスエンジンを駆動するための新式の方法、当該方法を実施するためのエンジン制御装置および対応するガス噴射弁を創出することを課題とする。

前記の課題は請求項１に記載の方法によって解決される。本発明によれば、個々のガス噴射弁を閉止する間、電磁石は同様に電力を供給される。すなわち、特にガス噴射弁を閉止する間に弁体の加速度を逆転させることにより、ガス噴射弁を閉止する間の弁体の速度が低減されるように、電磁石は電力を供給される。本発明により、ガス噴射弁を閉止する際に当該ガス噴射弁の弁体は、電磁石への電力供給によって制動され、それによって弁体は明らかに比較的小さい速度で、およびそれとともに明らかに比較的小さい機械的衝撃で弁座に当たる。これによりガス噴射弁を閉止する際の当該ガス噴射弁の機械的負荷、およびそれとともに当該ガス噴射弁の摩耗は大幅に低減され得る。ガス噴射弁の寿命は増大し、ガスエンジンにおけるメンテナンスコストは低減される。

好ましくはガス噴射弁を閉止するために、電磁石への電力供給がまず停止され、続いてガス噴射弁を閉止する間に、電磁石に新たに電力が供給される。これによりガス噴射弁の迅速かつ摩耗の少ない閉止が実現され得る。

ガス噴射弁を閉止する間に、電磁石には電流パルスによって電力が供給され、当該電流パルスのパルス高さとパルス持続時間は、ガス噴射弁の構成に依存している。さらに、ガス噴射弁を閉止するために行われる電磁石への電力供給の停止と、それに続く電磁石への新たな電力供給との間の時間間隔も、ガス噴射弁の構成に依存している。

本発明に係るエンジン制御装置は請求項８に規定されている。本発明に係るガス噴射弁は請求項９に規定されている。

本発明の好適なさらなる構成は従属請求項と以下の詳細な説明に記載されている。本発明の実施の形態を図面に基づいてより詳しく説明するが、本発明は当該実施の形態に限定されるものではない。図面に示されるのは以下の通りである。

ガスエンジンのシリンダーを概略的に示す図である。 本発明に係るガスエンジンを駆動するための方法を明らかにするための複数のタイミング図である。

本発明はガスエンジンを駆動するための方法と、当該方法を実施するためのエンジン制御装置およびガス噴射弁とに関する。

図１は極めて概略的にガスエンジン１０のシリンダー１１の領域における、ガスエンジン１０の部分を示しており、シリンダー１１に関してはピストン１２、吸気弁１３、排気弁１４、および点火装置１５が示されている。

図に示す実施の形態において、ガスエンジン１０のシリンダー１１には、吸気弁１３を介してガス／空気混合物１６が供給され、当該ガス／空気混合物１６は、ガス流１７を空気流１８と混合することによって、シリンダー１１の上流で準備される。

当該ガス／空気混合物１６はシリンダー１１内で点火装置１５を用いて点火され、燃焼される。このとき発生する排ガス１９は排気弁１４を介してシリンダー１１から排出される。

ガス／空気混合物１６を準備すること、およびそれとともに燃焼すべきガスをシリンダー１１へと供給することは、いわゆるガス噴射弁２０を用いて行われるが、このようなガス噴射弁２０の基本的構造は、本願が対象とする当業者によく知られている。すなわち、このようなガス噴射弁２０は弁体を有しており、当該弁体はガス噴射弁２０を開くために、当該ガス噴射弁２０の復元要素として役立つバネ要素の弾性力に抗して、当該ガス噴射弁の弁座から持ち上げられる、すなわち当該ガス噴射弁２０の電磁石に電力を供給することにより、当該ガス噴射弁の弁座から持ち上げられる。ガス噴射弁２０を閉止するために、電磁石への電力供給が中止もしくは停止され、バネ要素の弾性力がガス噴射弁の弁体を当該ガス噴射弁の弁座に押し付ける。

個々のガス噴射弁２０の電磁石に電力を供給することは、エンジン制御装置２１を用いて開ループ制御、もしくは閉ループ制御される。

本発明により、個々のシリンダー１１の個々のガス噴射弁２０を閉止する間に、ガス噴射弁２０の電磁石は同様に電力を供給され、すなわち、好ましくは個々のガス噴射弁２０の弁体の加速度を、当該ガス噴射弁を閉止する間に逆転させることにより、ガス噴射弁２０を閉止する間の弁体の速度が低減されるように、電磁石は電力を供給される。これにより、ガス噴射弁２０の弁体は比較的小さい速度、および比較的小さい衝撃で当該ガス噴射弁の弁座に当たり、それによりガス噴射弁２０が被る摩耗は比較的小さくなる。

本発明のさらなる詳細を以下において、図２を参照しながら説明する。図２には全体で４つの時間的な信号波形が示されており、すなわち、電磁石に電力を供給するために用いられる電流Ｉの時間的履歴、形成される弁体の弁ストロークＸ、形成される弁体の速度ｖ、および形成される弁体の加速度ｄｖ／ｄｔである。

図２においてまず、時点ｔ０を起点としてガス噴射弁２０が開かれ、すなわち、ガス噴射弁２０を開くために、当該ガス噴射弁の電磁石はまず、時点ｔ０と時点ｔ１との間の第一の時間間隔△ｔ１の間に、比較的大きな電流Ｉ１によって電力を供給され、続いて時点ｔ１と時点ｔ２との間の第二の時間間隔△ｔ２の間に、比較的小さな電流Ｉ２によって電力を供給され、第一の時間間隔△ｔ１の間の電力供給は、弁体を弁座から持ち上げることによって迅速かつ確実に、完全にガス噴射弁を開くことに役立ち、第二の時間間隔△ｔ２の間の電力供給は、弁座から持ち上げられた弁体を開放位置において、個々のガス噴射弁２０のバネ要素の弾性力に抗して保持することに役立つ。

こうして弁ストロークＸの時間的な特性曲線から、時点ｔ０と時点ｔ１との間の時間間隔△ｔ１の間に、弁体が弁座から持ち上げられ、時点ｔ１と時点ｔ２との間の時間間隔△ｔ２の間に弁体が持ち上げられた位置において保持されることが生じる。従ってガス噴射弁２０が開かれる際、当該ガス噴射弁の弁体は時点ｔ０と時点ｔ１との間の時間間隔△ｔ１の間にのみ加速され、しかも当該加速は、弁体の速度ｖが当該弁体の等加速度ｄｖ／ｄｔの結果、時点ｔ０と時点ｔ１との間でランプ状に最大値に上昇し、その後、時点ｔ１と時点ｔ２との間の時相△ｔ２の間でゼロであるように行われる。

図２において時間間隔△ｔ２の終了とともにガス噴射弁２０が閉止され、すなわちまず時点ｔ２と時点ｔ３との間の時間間隔△ｔ３に対して、ガス噴射弁２０の電磁石への電力供給が著しく低減され、あるいは停止され、続いて時点ｔ３と時点ｔ４との間の時間間隔△ｔ４に対して、電磁石には再び新たに電力が供給され、すなわち電流Ｉ４によって電力が供給され、それにより従ってまず弁体はバネ要素の弾性力によって、ほとんど妨げられることなく大きな負の加速度を有して弁座に向かって移動され、その後、弁座に打ちつけられる前に時間間隔△ｔ４の間の電力供給を介して減速され、すなわち弁体の加速度が逆転するように減速される。

このように図２において加速度ｄｖ／ｄｔの特性曲線から以下の点が読み取れる。すなわち、時間間隔△ｔ３の間に電力の供給を低減または中止することに続いて、時間間隔△ｔ４の間に電磁石に電力を供給することにより、最初は負である加速度は正の加速度に反転され、それによって時点ｔ３を起点として、弁体のさらなる速度増加に対抗する作用が働き、それにより弁体はその後時点ｔ５において、小さな速度で、およびそれとともに小さい衝撃でガス噴射弁２０の弁座に当接する。

従ってガス噴射弁２０を開くために、当該ガス噴射弁の電磁石はまず、時間間隔△ｔ１の間に大きな電流Ｉ１によって電力を供給され、それによって弁体を迅速に弁座から最大限に持ち上げ、続いて時間間隔△ｔ２の間に比較的小さな電流Ｉ２によって、弁体は当該弁体の開放位置において保持される。続いて電力供給の低減または電力供給の休止の後に、すなわちガス噴射弁２０の電磁石への電力供給が低減または停止した後に、時間間隔△ｔ４の間に電磁石に新たに電力を供給し、それによって閉止の際に弁体を、弁座に当たる前に電気的に制動し、これによりガス噴射弁２０の弁座に対する機械的負荷を低減する。

ガス噴射弁２０の電磁石への電力供給が弱くしか行われないか、電磁石への電力供給が行われない時間間隔△ｔ３の持続と、ガス噴射弁２０の電磁石に当該ガス噴射弁が閉止する間に電流パルスによって新たに電力が供給される時間間隔△ｔ４の持続と、時間間隔△ｔ４の間の電流パルス１４の高さとは、ガス噴射弁の具体的な構成に依存しており、これらのパラメータはエンジン制御装置２１に実装されている。

本発明は図１を参照して、シリンダー１１の上流でガス／空気混合物１６を準備することに役立つガス噴射弁２０に関して説明されたが、本発明はこのようなガス噴射弁を用いてガスがシリンダー１１に直接的に導入される場合、すなわちガス／空気混合物の形成がシリンダー１１内で直接的に行われる場合も用いられ得る。

図２において破線で、時間間隔△ｔ４の間に電磁石がわずかな電力のみを供給されるか、あるいは電力が供給されない場合に形成されると予想される、弁体の弁ストロークＸ、弁体の速度ｖ、および弁体の加速度ｄｖ／ｄｔが示されている。

ガス噴射弁２０の電磁石に、時間間隔△ｔ４の間に電力が供給されない場合、時間間隔△ｔ３の後にガス噴射弁２０の弁体の速度ｖはさらに増大し、当該弁体は大きな速度と大きな衝撃で弁座に当たると予想される。これは本発明によって防止される。

エンジン制御装置２１は、ガスエンジンの単独または個々のガス噴射弁２０を、当該ガス噴射弁を開閉するために上記の方法に従って制御する。エンジン制御装置内には、時間間隔△ｔ１および時間間隔△ｔ２の持続のほか、そして、電流Ｉ１および電流Ｉ２の値のほか、時間間隔△ｔ３の持続、時間間隔△ｔ４の持続、および時間間隔△ｔ４の間の電流パルスＩ４の値も格納されている。

１０ ガスエンジン
１１ シリンダー
１２ ピストン
１３ 吸気弁
１４ 排気弁
１５ 点火装置
１６ ガス／空気混合物
１７ ガス
１８ 空気
１９ 排ガス
２０ ガス噴射弁
２１ エンジン制御装置

Claims (9)

1. ガスエンジンを駆動するための方法、すなわち、少なくとも一つのガス噴射弁を用いて当該ガスエンジンの少なくとも一つのシリンダーにガス状燃料を導入するための方法であって、個々の当該ガス噴射弁を開くために当該ガス噴射弁の弁体は、当該ガス噴射弁の復元要素として役立つバネ要素の弾性力に抗して、当該ガス噴射弁の電磁石に電力を供給することにより、当該ガス噴射弁の弁座から持ち上げられ、個々の当該ガス噴射弁を閉止するために前記バネ要素は、前記弁体を前記弁座に押し付ける、方法において、
   個々の前記ガス噴射弁を閉止する間に前記電磁石は電力を供給され、すなわち、前記ガス噴射弁を閉止する間に前記弁体の速度が低減されるように、前記電磁石は電力を供給され、
   前記ガス噴射弁を閉止する間に、当該ガス噴射弁の前記電磁石には電流パルスによって電力が供給され、当該電流パルスのパルス高さとパルス持続時間は、前記ガス噴射弁の構成に依存していることを特徴とする方法。
2. 個々の前記ガス噴射弁を閉止する間に前記電磁石は、前記弁体の加速度を逆転させることにより前記弁体の速度が低減されるように、電力を供給されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記ガス噴射弁を開くために、当該ガス噴射弁の前記電磁石はまず、第一の時間間隔の間に、比較的大きな電流によって電力を供給され、続いて第二の時間間隔の間に、比較的小さな電流によって電力を供給され、前記第一の時間間隔の間の前記電力の供給は、前記弁体を前記弁座から迅速に持ち上げることに役立ち、前記第二の時間間隔の間の前記電力の供給は、前記弁座から持ち上げられた前記弁体を前記バネ要素の前記弾性力に抗して保持することに役立つことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 前記ガス噴射弁を閉止するために、前記電磁石に電力を供給することがまず低減もしくは停止され、続いて前記ガス噴射弁を閉止する間に、前記電磁石に新たに電力が供給されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記ガス噴射弁を閉止するために行われる前記電磁石への電力供給を停止すること、もしくは電力供給を低減させることと、それに続いて前記電磁石に新たに電力を供給することとの間の時間間隔も、前記ガス噴射弁の構成に依存していることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記ガスエンジンの前記シリンダーにガス状燃料を導入するために、シリンダーごとにガス流は空気流と混合され、ガス／空気混合物は前記ガスエンジンの前記シリンダーに導入され、前記ガス流は個々の前記シリンダーと協働する前記ガス噴射弁の開閉によって、前記ガス／空気混合物を形成しながら前記空気流に導入されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. ガスエンジンのエンジン制御装置であって、当該エンジン制御装置は前記ガスエンジンの単独または個々のガス噴射弁を、当該ガス噴射弁を開閉するために、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法に応じて制御することを特徴とする、エンジン制御装置。
8. ガスエンジンのためのガス噴射弁であって、個々の当該ガス噴射弁を開くために当該ガス噴射弁の弁体は、当該ガス噴射弁の復元要素として役立つバネ要素の弾性力に抗して、当該ガス噴射弁の電磁石に電力を供給することにより、当該ガス噴射弁の弁座から持ち上げられ、個々の当該ガス噴射弁を閉止するために前記バネ要素は、前記弁体を前記弁座に押し付ける、ガス噴射弁において、
   個々の前記ガス噴射弁を閉止する間に前記電磁石は、電流パルスによって電力を供給され、すなわち、前記ガス噴射弁を閉止する間に前記弁体の速度が低減されるように、前記電磁石は電力を供給され、
   前記電流パルスのパルス高さとパルス持続時間は、前記ガス噴射弁の構成に依存していることを特徴とする、ガス噴射弁。
9. 請求項８に記載のガス噴射弁であって、当該ガス噴射弁は開閉のために請求項２から６のいずれか一項に記載の方法に応じて制御されることを特徴とする、ガス噴射弁。

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