JP6776084B2 - エンジンを運転するための方法および制御デバイス - Google Patents

Description

本発明は、エンジンを運転するための方法および当該方法を実行するための制御デバイスに関する。

トラクターから、いわゆるデュアルフューエルエンジンが知られており、当該エンジンにおいては、一方では液体燃料運転モードにおいてディーゼル油などの液体燃料が、そして他方ではガス燃料運転モードにおいて天然ガスなどのガス状燃料を燃焼させることができる。さらに、ガスエンジンが知られており、これは主なエネルギーキャリアとしてガス状燃料を燃焼させる。以下では、ガス状燃料は簡略化した形で「ガス」と記載する。デュアルフューエルエンジンのガス燃料運転モードでは、そしてガスエンジンの場合には、ガス／空気混合物が、一般に、エンジンのシリンダー内に導入され、そしてシリンダー内に点火エネルギーを導入することによって点火される。点火エネルギーは、この場合、例えば、但しこれに限定されないが、電気エネルギーの形で、または点火流体の形でシリンダー内に導入できる。点火流体は、点火油またはディーゼル燃料であってもよい。さらに、ガス燃焼方法が知られており、これは拡散燃焼原理に従って動作する。これらの燃焼方法では、ガス／空気混合物ではなく、ディーゼルエンジンの場合のように、純粋な空気がシリンダー内に導入される。燃焼ガスは、続いて、既に着火した少量の点火流体内に高圧で噴射され、その結果として着火し、拡散燃焼する。拡散燃焼方法はノッキング（最終的なガスレンジでの制御不可能な反応）を生じないので、実現可能なエンジン出力に対するメタン数は重要ではない。

デュアルフューエルエンジンおよびガスエンジンを運転するために、より厳しい排出ガスエミッション規制をますます維持しなければならない。これはまた、特に、船舶の駆動ユニットとして使用されるデュアルフューエルエンジンおよびガスエンジンに当てはまる。したがって、より厳しいエミッション規制が、公海上よりも海岸近くで適用されることが知られている。そうした領域（ここでは、より厳しいエミッション規制が輸送に適用される）はまた、エミッション管理領域（ＥＣＡｓ）として呼ばれる。エミッション管理領域の外側に位置する領域はまた、非エミッション管理領域（ＮＥＣＡｓ）と呼ばれる。特に、いわゆるエミッション管理領域において厳しいエミッション規制を維持できるようにするために、高価な排出ガス後処理設備がますます船舶に必要とされている。

したがって、それを用いて、高価でかつ複雑な排出ガス後処理を必要とせずに、適用エミッション規制を維持することができる、エンジンを運転するための方法、そして当該方法を実施するための制御デバイスが求められている。

これを起点として、本発明は、エンジンを運転するための新しいタイプの方法およびそのための制御デバイスを創出するという目的に基づく。

この目的は請求項１に記載の方法によって達成される。本発明によれば、そして維持されるべき排出ガスエミッション規制に依存して、内燃エンジンは、往復式ピストンエンジンとして具現化され、そしてガスの拡散燃焼を伴う第１の運転モードまたはガス／空気混合物の予混合燃焼を伴う第２の運転モードのいずれかで運転される。本発明によれば、初めて、維持されるべき排出ガスのエミッション規制に依存して、内燃エンジンを運転することが提案され、当該エンジンは、ガスの拡散燃焼を伴う第１の運転モードあるいは代替的にガス／空気混合物の予混合燃焼を伴う第２の運転モードで、主なエネルギーキャリアとしてガス（タンク内で貯蔵、液状またはガス状）を用いて運転される。

特に、厳しいエミッション規制が維持されなければならない場合、エンジンは、特に窒素酸化物エミッションを低減するために、ガス／空気混合物の予混合希薄燃焼を伴う第２の運転モードで運転される。

特に、あまり厳しくない排出ガスエミッション限界値を、特に、いわゆる非エミッション管理領域において維持しなければならない場合、エンジンは、ノッキングによる制限を伴わずに可能な限り高い効率でエンジンを動作させるために、ガスの拡散燃焼を伴う第１の運転モードで運転される。

エンジンの第１の運転モードでは、ガスの拡散燃焼時、点火流体が各シリンダー内に、そのそれぞれの作動ストロークにおいて導入され、この点火流体は高温のシリンダーチャージ（空気、残留ガス、そして適用可能な場合にはＡＧＲ）で着火され、そしてガス状燃料が、続いて、この着火された点火流体分量内に導入される。好ましくは、点火流体は、ガスの拡散燃焼の場合の第１の運転モードでは、各シリンダーの点火上死点の前に導入され、続いて、ガス状燃料が、点火上死点の前に各シリンダー内へ、そして部分的に各シリンダーの点火上死点の後にその中に導入される。ガスの拡散燃焼を伴うこの第１の運転モードは、特にガス品質が変動するときにも、ノッキング傾向を伴わずに、高効率なディーゼル原理に類似したガスの燃焼を可能とする。だが、相対的に高い排出ガスエミッション、特に高い窒素酸化物エミッションが生じ、したがってこの運転モードは、あまり厳しくない排出ガスエミッション限界値が適用される場合に、特にいわゆる非エミッション管理領域において使用される。

エンジンの第２の運転モードにおいて、そしてガス／空気混合物の予混合燃焼では、ガス状燃料が、まず、各シリンダー内に、その作動サイクルにおいて導入され、続いて、エミッション流体がそれぞれのシリンダー内に導入される。好ましくは、そしてガス／空気混合物の均質燃焼を伴う第２の運転モードでは、点火流体が各シリンダーの点火上死点の前に導入され、そしてこれに先立って、好ましくは吸気ストローク中に、ガス状燃料が各シリンダー内に導入される。ガス／空気混合物の予混合希薄燃焼を伴うこの運転モードは、より厳しいエミッション規制を固守することを可能とし、したがって、それは、いわゆるエミッション管理領域において優先的に利用される。特に、拡散燃焼と比較して、窒素酸化物のエミッションは、ガス／空気混合物の均質燃焼によって大幅に低減することができる。

本発明の有利なさらなる展開によれば、ガス／空気混合物の予混合燃焼を伴う第２の運転モードにおいて、ガスは、点火流体の前の各場合に２段階で、すなわち給気およびガスを最適に均質化するために好ましくは各シリンダーの吸入ストローク中の第１の段階において、そして、好ましくは点火ジェット周りの領域における局所的濃縮のための各シリンダーの圧縮ストローク中の第２の段階において、各シリンダー内に導入される。その結果、急速な着火だけでなく、最終ガスレンジ（希薄レンジ）での低いノッキング傾向が保証される。好ましくは、ガス／空気混合物の導入の第２の段階は、点火オイルの導入前の５°クランク角と、点火オイルの導入前の８０°クランク角との間である。好ましくは、第２の段階において導入されるガス／空気混合物量は、第１の段階において導入されるガス／空気混合物量の３％ないし２０％である。ガス／空気混合物の予混合燃焼のための第２の運転モードのこのさらなる展開は、厳しい排出ガスエミッション規制を固守するために、そしてノッキング挙動に影響を与えるために特に有利である。点火流体の前に、各場合に、２段階でガス／空気の混合物を導入することにより、ガス／空気混合物の燃焼効率を高めることができ、そして、この運転モードにおけるノッキング傾向が減少される。この運転ストラテジーは、したがって一部均質運転モードである。

上記方法を実行するための制御デバイスは請求項１２に記載されている。

本発明の好ましいさらなる展開は従属請求項および以下の説明からもたらされる。本発明の例示的な実施形態について、これに限定されることなく、図面を用いて詳しく説明する。

説明される方法に従って動作するエンジンのブロック図である。 本発明に係るエンジンを運転する方法を説明するための第１のグラフである。 本発明に係るエンジンを運転する方法をさらに説明するための２のグラフである。 本発明に係るエンジンを運転するための方法をさらに説明するための第３のグラフである。

図１において、エンジンのアセンブリが示されており、図１はそうしたエンジンのシリンダー２を示している。シリンダー２はシリンダーヘッド３を備える。シリンダー２内で、コネクティングロッド５によってガイドされるピストン４が上下に移動する。シリンダーヘッド３には燃料インジェクター６が取り付けられており、それを用いることで、液体燃料、特にディーゼル燃料を、直接、シリンダー２の燃焼室９内に、圧力発生ユニット８からの燃料ライン７を介して噴射することができる。圧力発生は、この場合、優先的に、エンジンによって機械的に駆動される。燃料インジェクター６、燃料ライン７および圧力発生ユニット８はシリンダー２の燃焼室９内に液体燃料を供給するのに役立つ燃料供給デバイスの構成要素である。燃焼のために、給気１０をインレットバルブ１７を介してデュアルフューエルエンジンの各シリンダー２内に追加的に導入することができ、燃料の燃焼中に生成された排出ガス１５はエキゾーストバルブ１８を介してシリンダー２から放出することができる。

さらに、シリンダー２の燃焼室９は燃焼室内へ直接ガスを噴射する高圧ガスインジェクターを備え、当該インジェクターにはガス供給ライン２１を介してガスが供給される。

点火流体は、エンジンのシリンダー２の（一部）均質ガス運転モードで、ガス／空気混合物を点火するのに役立つ。

図１に示すシリンダー２の点火流体インジェクター１３はエンジンの点火流体噴射システムの一部であり、点火流体噴射システムは、エンジンの各シリンダー２のためのシリンダー独立点火流体インジェクター１３を備える。点火流体インジェクター１３には、好ましくは、点火流体噴射システムの共通点火流体リザーバ２２から出発する点火流体ライン１４を介して点火流体を供給可能であり、点火流体リザーバ２２には点火流体供給ポンプ１６が割り当てられ、これは点火流体リザーバ２２に点火流体を供給する。点火流体供給ポンプ１６は、好ましくは、機械的に作動させられる高圧ポンプである。点火流体供給ポンプ１６には、この場合、吸入スロット１９が割り当てられる。

原理的には、このエンジンコンセプトに関して、加えて（例えばまた重油のための）さらなるディーゼルインジェクターを燃焼室内に配置することも考えられ、これを用いてエンジンは純粋なディーゼルエンジンとして動作することができる。

既に説明したように、図１はデュアルフューエルエンジンとして設計されたエンジンのシリンダー２を示している。当該エンジンは、液体燃料運転モードおよびガス燃料運転モードで動作させることができ、本発明は、そうしたデュアルフューエルエンジンのガス燃料運転モードに関する。

しかしながら、本発明は、デュアルフューエルエンジンでの使用に限定されない。逆に、本発明はまたガスエンジンと共に使用することができ、ガスエンジンにおいては、専ら、ガス状燃料および空気のガス／空気混合物が、点火流体を利用して、エンジンのシリンダー内で点火され、燃焼させられる。したがって、本発明は、ガス燃料運転モード、そしてまたガスエンジンの両方においてデュアルフューエルエンジンと共に使用することができる。

本発明は、ガス燃料運転モードでデュアルフューエルエンジンを、そして固守すべき排出ガスエミッション規制に依存した様式でガスエンジンを運転することを提案し、エンジンは、ガス／空気混合物の拡散燃焼を伴う第１の運転モードで、あるいはガス／空気混合物の均質燃焼を伴う第２の運転モードで運転される。特に、比較的厳しい排出ガスエミッション規制を、特にいわゆるエミッション管理領域において固守しなければならない場合、エンジンは、ガス／空気混合物の均質燃焼を伴う第２の運転モードで運転される。特に、対照的に、比較的低い排出ガスエミッション規制が適用される場合、エンジンは、ガス／空気混合物の拡散燃焼を伴う第１の運転モードで運転される。このために、デュアルフューエルエンジンをガス燃料運転モードで、そして適用排出ガスエミッション規制を維持することを免れないガスエンジンを、高価で複雑な排出ガス後処理を必要とすることなく、高い効率を伴って動作させることができる。

ガスエンジンの、または固守すべき排出ガスエミッション規制に依存するガス燃料運転モードでのデュアルフューエルエンジンの運転のために選択される、ガス／空気混合物の燃焼のための二つの運転モードの詳細は、図２ないし図４を参照して、以下で説明されるが、図２ないし図４には、各場合に、本発明に従って運転されるべきエンジンのシリンダーの作動ストロークに関して、各シリンダーへのガス／空気混合物およびエミッション流体の導入が示されている。

図２は、ガスの拡散燃焼中のガス燃料運転モードにおける内燃エンジンの第１の運転モードの詳細を示している。この第１の運転モードでは、点火流体２３は、最初に、第１の運転モードの各作動ストロークにおいて各シリンダーに導入され、続いてガス状燃料が各シリンダー内に導入される。

図２は、第１の運転モードにおいて、ガスの拡散燃焼中、点火流体が、各シリンダー２の上死点（点火上死点とも呼ばれる）前に、シリンダー２内に完全に導入されることを示しており、点火流体の導入に続いて、ガスが、点火上死点の前に、そして部分的にその点火上死点の後に、各シリンダー２内に導入されて、既に燃焼している点火流体によって着火され、その結果、ガスは拡散的に燃焼させられる。ディーゼルのような燃焼が、これによって、運転されるエンジンのノッキング傾向を伴わずに高い効率を伴って保証できるが、比較的多くの汚染物質エミッションが生じ、したがって、この第１の運転モードは、特にあまり厳しくない排出ガスエミッション限界値を固守しなければならない場合に、特にいわゆる非エミッション管理領域において使用される。

ガスエンジンあるいはガス／空気混合物の予混合燃焼を伴うガス燃料運転モードでのデュアルフューエルエンジンのための第２の運転モードが図３および図４に示されており、図３および図４によれば、第２の運転モードでは、点火流体２６が、各シリンダー内に、その点火上死点の前に導入され、一方、ガス２５は、点火流体２６の前に、すなわち各シリンダー２の負荷変動上死点に続いて、各シリンダー２内に導入される。

図３のバージョンでは、ガス２５は、第２の運転モードにおいて、単一の段階で、すなわち部分的に各シリンダー２の下死点（これは負荷変動の上死点の後に、そして点火流体の導入前に置かれる）前に、そして部分的に各シリンダー２のこの下死点の後に、シリンダー２内に導入される。この下死点の前に、ガス２５は、各シリンダー２の吸気ストローク中に第２の運転モードで導入され、圧縮ストロークは、この下死点の後に存在する。

特に好ましくは、ガス２５は、ガス２５の予混合燃焼を伴う第２の運転モードでは、点火流体２６の前に、各シリンダー内に、それぞれの場合に二つの段階２５ａ，２５ｂにおいて導入される。

図４に従ったガス２５の２段階導入は、第１の段階２５ａにおいてはガスがシリンダーの下死点の前に導入され（これは各シリンダーの負荷変動上死点と点火上死点との間に置かれる）、一方、第２の段階２５ｂにおいてはガスがこの下死点の後に、そして点火流体２６が各シリンダー２内に導入される前に導入されるように行われる。ガスの導入の第２の段階２５ｂは、下死点（これは負荷変動上死点と点火上死点との間に置かれる）と、点火流体の導入との間に、すなわち圧縮ストロークに完全に置かれる。ガスの導入の第１の段階２５ａ（これは第１の段階２５ｂ前に完了する）は、図４において、負荷変動上死点と、下死点（これは付加変動上死点と点火上死点との間に置かれる）との間に、すなわち吸入ストロークに完全に置かれる。適用可能ならば、第２の段階２５ａもまた、この下死点を越えて広がることが可能である。特に、図４に従ってガス／空気混合物の予混合燃焼を伴う第２の運転モードにあるときには、ガス２５は２段階２５ａ，２５ａで各シリンダー内に導入され、ガス／空気混合物の予混合燃焼は最適効率、低減されたノッキング傾向、そして低排出ガスエミッションを伴って実施でき、したがって、この運転モードは、特に、いわゆるエミッション管理領域において厳しいエミッション規制を維持するために特に好ましい。

ガス２５の導入の第２の段階２５ｂは、第１の段階２５ａの後であって、かつ、点火流体２６の導入前５°クランク角から８０°クランク角の間に存在する。好ましくは、ガス２５の導入のこの第２の段階２５ｂは、点火流体導入前５°クランク角から６０°クランク角の間に置かれる。第２の段階２５ｂにおいて導入されるガスの質量は、第１の段階２５ａにおいて導入されるガスの質量の３％ないし２０％、好ましくは３％ないし１５％である。

その上でそれぞれのエンジンが運転される船舶の位置データに依存して、第１の運転モードと第２の運転モードとの間の切り替えが、好ましくは自動的に行われ、好ましくはＧＰＳシステムによって提供される位置データに基づいて、船舶が非エミッション管理領域およびエミッション管理領域のいずれに位置しているかが自動的に特定され、これに基づいて、エンジンの運転モードが続いて自動的に、すなわち非エミッション管理領域では第１の運転モードが、そしてエミッション管理領域では第２の運転モードが選択される。だが、これとは対照的に、手動切り替えまたは二つの運転モード間での変更を可能にすることも可能である。

ガス／空気混合物の予混合燃焼のための第２の運転モードでは、過剰な空気、すなわち１よりも大きなラムダ値を伴う希薄ガス／空気混合物が優先的に使用される。

本発明によれば、適用排出ガスエミッション規制を維持しながら、すなわち高価かつ複雑な排出ガス後処理方法あるいは排出ガス後処理設備を必要とせずに、低いノッキング傾向しか伴わない最適効率で、ガス燃料運転モードでエンジンを運転することが可能である。本発明は、好ましくは、船舶で運転されるエンジンと共に使用される。

本発明は、さらに、上記方法の自動的された実施のための制御デバイスに関する。本制御デバイスは、上記方法を実施するための手段を備える。これらは、上記方法の実施に関与するアセンブリとのデータ交換のためのデータインタフェース、データ格納用のメモリ、データ処理のためのプロセッサのようなハードウェア手段、ならびにプログラムモジュールのようなソフトウェア手段を含む。

２ シリンダー
３ シリンダーヘッド
４ ピストン
５ コネクティングロッド
６ 燃料インジェクター
７ 燃料ライン
８ 圧力発生ユニット
９ 燃焼室
１０ 給気
１３ 点火流体インジェクター
１４ 点火流体ライン
１５ 排出ガス
１６ 点火流体供給ポンプ
１７ インレットバルブ
１８ エキゾーストバルブ
１９ 吸入スロット
２１ ガス供給ライン
２２ 点火流体リザーバ
２３ 点火流体
２５ ガス
２５ａ 第１の段階
２５ｂ 第２の段階
２６ 点火流体

Claims (10)

1. ガスエンジンとして、または、デュアルフューエルエンジンとして設計された、複数のシリンダー（２）を備えたエンジンを運転するための方法であって、
   ガス状燃料および空気からのガス／空気混合物の燃焼のために、前記ガス／空気混合物は、点火流体を用いて、前記シリンダー（２）内で点火され、固守されるべき排出ガスエミッション規制に依存して、前記ガスエンジンまたは前記デュアルフューエルエンジンは、前記ガス／空気混合物の拡散燃焼を伴う第１の運転モードまたは前記ガス／空気混合物の均質燃焼を伴う第２の運転モードのいずれかで運転され、
   前記ガス／空気混合物の前記均質燃焼のための前記第２の運転モードにおいては、前記点火流体が、前記各シリンダー（２）の点火上死点の前に、そして、前記ガス／空気混合物のガス状燃料および空気が、前記各シリンダー（２）の負荷変動上死点に続いて、前記点火流体の前に前記各シリンダー（２）内に導入され、かつ
   前記ガス／空気混合物の均質燃焼を伴う前記第２の運転モードにおいて、前記ガス／空気混合物は、前記点火流体の前の各場合に２段階で、すなわち少なくとも部分的に前記各シリンダー（２）の下死点の前の第１の段階において、かつ、完全に前記各シリンダー（２）の下死点の後の第２の段階において、前記各シリンダー内に導入される
   ことを特徴とする方法。
2. その動作ストロークでの各シリンダー（２）の領域における前記ガス／空気混合物の拡散燃焼のために、比較的低い排出ガスエミッション規制と共に作動させられる、前記第１の運転モードでは、まず、点火流体が前記各シリンダー（２）内に導入され、これに続いて、前記ガス／空気混合物のガス状燃料および空気が前記各シリンダー（２）内に導入され、
   その動作ストロークでの各シリンダー（２）の領域における前記ガス／空気混合物の均質燃焼のために、比較的厳しい排出ガスエミッション規制と共に作動させられる、前記第２の運転モードでは、前記ガス／空気混合物のガス状燃料および空気が前記各シリンダー（２）内に導入され、これに続いて、前記点火流体が前記各シリンダー（２）内に導入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／空気混合物の前記拡散燃焼のための前記第１の運転モードにおいては、前記点火流体が、前記各シリンダー（２）の点火上死点の前に、そして、これに続いて、前記ガス／空気混合物のガス状燃料および空気が、部分的に前記各シリンダー（２）の前記点火上死点の前に、かつ、部分的に前記各シリンダー（２）の前記点火上死点の後に、前記各シリンダー（２）内に導入されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の方法。
4. 前記ガス／空気混合物の導入の前記第２の段階は、前記点火流体導入前５°クランク角と前記点火流体導入前８０°クランク角との間に位置することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記ガス／空気混合物の導入の前記第２の段階は、前記点火流体導入前５°クランク角と前記点火流体導入前６０°クランク角との間に位置することを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 前記第２の段階において導入される前記ガス／空気混合物量は、前記第１の段階において導入される前記ガス／空気混合物量の３％ないし２０％であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記第２の段階において導入される前記ガス／空気混合物量は、前記第１の段階において導入される前記ガス／空気混合物量の３％ないし１５％であることを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 前記ガス／空気混合物の拡散燃焼のための前記第１の運転モードと、前記ガス／空気混合物の均質燃焼のための第２の運転モードとの間で、切り替えが自動的に実行されることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の方法。
9. 特に前記エンジンが船舶のエンジンである場合に、前記第１の運転モードと前記第２の運転モードとの間の自動切り替えが前記船舶の位置信号に依存して実行されることを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載された方法を実行するための手段によって特徴付けられるエンジンの制御デバイス。

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