JP2008534861A - ガス作動式内燃機関のための作動方法及び装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、ガス作動式内燃機関（１）のための作動方法に関している。本発明によれば、内燃機関（１）に割り当てられたガス噴射装置（６）内の圧力が内燃機関（１）の作動状態に適応化されるようにしたことを特徴としている。

Description

本発明は独立請求項１の上位概念によるガス作動式内燃機関のための作動方法並びに作動装置に関している。

背景技術
ガス作動式の内燃機関とは経済的な理由及び環境保護政策上の理由から従来のガソリン式内燃機関やディーゼル式内燃機関に代替する機関を表すものである。ユーザーへの融通性を高めるためには、例えばガスでもガソリンでも作動することのできる二価的内燃機関の適用も考えられる。

ガスで作動するシステムでは通常はガス状の燃料を貯蔵するためのタンクを有している。この燃料の貯蔵は高圧下で行われる。天然ガスで作動する車両では貯蔵の際の圧力は約２００barになり、水素で作動する車両ではこの圧力や約７００barに達する。このガス状燃料は遮断バルブと減圧器を介してガス噴射装置へ到達する。内燃機関にはこのガス噴射装置に割当てられているガス噴射弁によってガスが供給される。ガス噴射装置内の圧力は通常は一定であり、天然ガス作動式の車両の場合は３bar〜１５barの領域にある。一定の圧力を伴うガス噴射装置の作動によって生じる欠点は複数ある。なぜなら発生し得る全ての条件に対して信頼性の高い内燃機関の作動が保証されるように圧力が選定されなければならないからである。

そのため内燃機関の負荷が大きい場合にガス噴射弁を通る体積流量を多くさせるためには、ガス噴射装置内では高い圧力が望まれる。それに対して内燃機関の負荷が小さい場合、例えばアイドリングの時には、低い圧力が望まれる。なぜなら低圧の方がガスの供給をより正確に制御することができるからである。さらにこの低圧は内燃機関の機関停止の際に、あるいは二価システムのもとでの他の作動方式への切換の際に有利となる。なぜならガス噴射装置内にある残量も圧力の低下と供に低減するからである。それにより周辺環境へ若しくは吸気管内へ漏れ出るガス量も最終的には非気密性のバルブによって低減される。つまりガス噴射バルブはその遮断位置においても機密性が不完全であり、それによって内燃機関の停止後も所定のガス量がガス噴射バルブを介して内燃機関へ達する。このガス量はガス噴射装置内に占められる圧力と供に増加する。内燃機関の次のスタート時には、このガス量は不所望な混合気の濃厚化につながり、それによって過度な有害物質排出の増加にも結びつく。さらにより低い圧力によってより多くのガスがタンクから取り出され、内燃機関によって駆動される車両の到達範囲も広がる。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０３３５１５２号明細書には、ガス作動式内燃機関のための監視装置と作動方法が記載されている。ガス作動式内燃機関の監視に対してはガス噴射装置の漏れに起因するガス損失が測定装置によって求められている。そして内燃機関の作動量、例えばガス噴射装置からスタート過程の枠内で噴射される燃料量が前記のようにして求められた漏れに起因するガス損失量に依存して制御されている。

ここで本発明の課題は、有害物質排出量の低減と供にガス作動式内燃機関の出力向上、並びにガス作動式内燃機関によって駆動される車両の到達範囲の拡大のためのの低コストな方法及び装置を提供することである。

前記課題は独立請求項の特徴部分に記載された本発明によって解決される。

発明を実施するための最良の形態
本発明の別の有利な実施形態は従属請求項に記載されている。

本発明はガス作動式内燃機関のガス噴射装置内の圧力を当該内燃機関の作動状態に適合化させるのに適している。この装置によれば、内燃機関の負荷が大きい場合には、ガス噴射装置内の圧力がより高く設定される。この高い圧力によれば、当該ガス噴射装置に割り当てられているガス噴射弁を流れる体積流量もより多くなる。それにより内燃機関によって発生する出力が最適化されるようになる。負荷が低い時若しくは内燃機関が停止される時には、ガス噴射装置内の圧力もより低く設定される。このような低い圧力によれば、その結果として内燃機関によって引き起こされる有害物質の排出量も少なくなる。さらにこのようなより低い圧力は、内燃機関に供給されるガス量のより正確な調量も可能にする。さらに比較的僅かな圧力はより多くのガスをタンクから取り出し、当該内燃機関によって駆動される車両の到達範囲も広がる。本発明による方法及び装置は、天然ガス作動式であっても、水素若しくはその他の種別のガスで作動される内燃機関でも、あるいは二価的内燃機関のもとでも使用することが可能である。

本発明の有利な実施形態によれば、内燃機関の回転数、回転トルク、又は負荷がガス噴射装置内の圧力設定のための特性量として利用される。前述した特性量は特に内燃機関の更新された作動状態に関する非常に正確な情報提供を可能にする。

本発明のさらに有利な実施形態によれば、内燃機関の緊急作動モードを実現するために、ガス噴射装置内の圧力が非常に僅かな値に設定される。この緊急作動モードは、当該内燃機関によって駆動される車両の到達範囲を拡大するために、タンクのガスチャージ量（充填量）が少ない場合に用いられる。それによって近くにある給油所までの走行が可能となる。この緊急作動モードにおける圧力は内燃機関の通常作動モードのときに生じている圧力よりも少ない。少なめの圧力によって多くのガスがタンクから取り出され、それによって到達範囲が広げられる。

本発明の別の有利な実施例によれば、二価内燃機関のガス噴射装置内の圧力が当該内燃機関の作動状態に適応化される。それにより例えば圧力がガス作動モードから別の燃料、例えばガソリン若しくはディーゼルによる作動モードへの切換の前に低減される。これによってガス噴射装置内に残留するガス量が低減される。それ故に不完全に閉じられたガス噴射バルブを介して内燃機関の吸気マニホールド内へ到達するガス量も低減する。それによって、ガソリン又はディーゼルで作動する内燃機関の混合気濃厚化も吸気マニホールド内に存在するガス量によって低減される。この結果として有害物質の排出も低減される。

さらに別の有利な実施例によれば、通常作動モードから緊急作動モードへの切換のためのパラメータとしてタンク内のガス量が用いられるか、又は二価内燃機関の場合には別の燃料の量が利用される。

さらに別の有利な実施例によれば、ガス噴射装置内の圧力がモジュールを介して制御されており、このモジュールは、タンクから当該モジュールへのガス供給を分離させるための少なくとも１つの遮断弁と、ガス圧を測定するための圧力センサ、ガス温度を測定するための温度センサ、ガス噴射装置内の圧力を制御するための減圧器ないし圧力制御器と、ガス噴射装置内の圧力の検出と設定のための電子制御ユニットを含んでいる。前述したような構成要素の１つのモジュールへの統合化ないし集積化は、全ての構成要素若しくはいくつかの構成要素が別個のケーシングを有しているシステムに比べてコストの面と携帯性の点において著しい利点をもたらす。それらの構成要素間のケーブル接続及び管路接続に対するコストが低減される。

さらに別の有利な実施例によれば、前記モジュールが前述してきた構成要素の他にもガス噴射装置内の圧力を制限するための過圧弁を含んでいる。この付加的な構成要素の集積化によってコストの節約が可能となる。この過圧弁はガス噴射装置内における圧力の迅速な構築に対して使用されてもよい。

さらに本発明の別の実施例によれば、前記モジュールが前述した構成要素の他に、当該モジュールの加熱のための電気ヒーターを含んでいる。モジュール内に存在する圧力制御器若しくは圧力減衰器の加熱は、ガスの緩和による構成要素の氷結を回避するために必要となる。この電気的なヒーターにより、当該車両の冷却水循環径路へ当該モジュールを接続させるための高価な端子が省かれる。

さらに別の有利な実施例によれば、前記モジュールは、制御機器、例えばエンジン制御装置との間でデーターを交換するための双方向インターフェースを含んでいる。有利にはこのインターフェースは電子制御ユニット内に統合ないし集積される。このインターフェースを介してガス噴射装置内の圧力を内燃機関の作動状態へ適応化させるために重要な特性量、例えば内燃機関の回転数、回転トルク又は負荷が、エンジン制御装置からモジュールへ伝送される。さらに当該モジュールからは複数のデーター、例えばタンク内またはガス噴射装置内の圧力が他の制御機器へ転送される。

さらに別の実施例によれば、前記モジュールがタンク内に統合ないし集積される。この統合ないし集積によってコストが低減され、さらにシステムの操作性も簡易化される。なぜならタンクとモジュールの間の高圧管路が省かれるからである。

本発明の実施例は以下の明細書で概略的図面に基づいて詳細に説明される。この場合、
図１はガス作動式内燃機関を概略的に表した図であり、
図２は、内燃機関の作動状態へのガス噴射装置内の圧力の適応化のための方法のフローチャートである。

実施例
図１にはガス作動式内燃機関１の概略図が示されている。ここではガス状の燃料はタンク２内に高圧で蓄積されている。天然ガス作動式内燃機関１では、貯蔵の際の圧力は約２００barであり、水素を用いて作動される内燃機関１においてはこの圧力は７００barまで達し得る。高圧管路３を介してガス状の燃料は遮断バルブ４１，圧力減衰器ないし圧力制御器４２を介して低圧管路５に供給されている。遮断バルブ４１を介してタンク２からのガスの供給は遮断される。これは例えば内燃機関１の機関停止の際や二価内燃機関１の場合ではその他の燃料への切換の際に必要となる。圧力減衰器ないし圧力制御器４２は、ガスの圧力を低圧管路５に適する値まで低減するのに用いられる。この低圧管路５はガス噴射装置６に接続している。ガス噴射装置６に割り当てられているガス噴射バルブ７Ａ〜７Ｄは、内燃機関１にガス状の燃料を供給する。通常はこの低圧管路５内とガス噴射装置６内の圧力は一定にされ、天然ガス作動式内燃機関１のために３〜１５barの間の領域にある。本発明による方法では、ガス噴射装置６内の圧力を内燃機関１の作動状態へ適応化ないし適合化することがもくろまれる。低圧管路６内の圧力は、ガス噴射装置６内の圧力に等しい。

当該実施例では遮断バルブ４１と圧力減衰器ないし圧力制御器４２が１つのモジュール４内で一体型のユニットに統合されている。さらにこのモジュールは、高圧側の温度と圧力を検出するための温度センサ４３及び圧力センサ４４と、低圧側の相応の温度センサ４５と圧力センサ４６、電子制御ユニット４７，電気ヒーター４８、及び過圧バルブ４９を含んでいる。電子制御ユニット４７内ではガス噴射装置６内の圧力の目標値が内燃機関１の作動状態に依存して定められている。この電子制御ユニット４７と当該モジュール４内に存在する他の構成要素との間の接続線路の存在によって明らかなことは、当該電子制御ユニット４７内においてガス噴射装置６内での圧力の制御のための圧力センサと温度センサの信号が評価され、さらに前記遮断バルブ４１，圧力減衰器ないし圧力制御器４２、電気的ヒーター４８、過圧バルブ４９に対する調整信号が生成されていることである。これらの接続線路を介して個々の構成要素の診断に重要な情報も伝送される。

さらに前記電子制御ユニット４７は、モジュールの外部に存する制御機器８とのデーター交換のための双方向インターフェース４７１も含んでいる。この制御機器８を介してガス噴射装置６内の圧力設定のために重要なデーター、例えば内燃機関の回転数、回転トルク、負荷などが電子制御ユニット４７に転送されている。さらには当該電子制御ユニット４７から出発する制御機器８へのデータの伝送も可能である。それにより例えば圧力センサ若しくは温度センサのデーターあるいは診断データなどが制御機器８に転送される。この制御機器８としては例えばエンジン制御機器が用いられてもよい。双方向インターフェース４７１は有利には電子的なデータバス、例えばＣＡＮバスとして構成されていてもよい。

モジュール４の加熱に用いられる電気的ヒーター４８により、内燃機関１の冷却径路へのモジュール４のコストのかかる複雑な接続が省かれる。過圧バルブ４９はガス噴射装置６内の圧力の制限のための用いられる。迂回路９を介してガス噴射装置６内の圧力は前記過圧バルブ４９を介して低減される。

図１に示されている実施例においてはモジュール４がタンク２の外部に存在している。このモジュール４は別の有利な実施例によれば、タンク２内に集積される。このケースの場合は高圧管路３が省かれる。本発明による方法は、図１に示されている構成要素４１〜４９の全て若しくはその一部がモジュール４内に集積されている装置のみならず、唯一つのケーシングしか有さない装置においても適用することが可能である。さらに本発明による方法の実施に対しては必ずしも図１に示されている構成要素４１〜４９の全てが必要となるわけでもない。

図２には、ガス噴射装置６内の圧力を内燃機関１の作動状態へ適応化させるための可能な方法のフローチャートが示されている。ステップＳ１ではタンク２内の圧力ｐＴが圧力センサ４４によって検出され、電子制御ユニット４７に伝送される。引き続きステップＳ２では、測定されたタンク２内の圧力ｐＴが限界値Ｇ１よりも小さいか否かが検査される。この結果が当てはまるケースでは、タンク２内に残留するガス量が十分に少ないことが確定され、ステップＳ３において緊急作動モード"Ｎｏｔｌａｕｆ"が開始される。ガス噴射装置６内の目標圧力ｐＧは、１.５barの非常に低い値に設定される。これは当該内燃機関１によって駆動される車両の到達範囲を広げるためである。ステップＳ４では車両のドライバーに警告通知"Ｗａｒｎｕｎｇ"が表示される。この警告通知"Ｗａｒｎｕｎｇ"は、例えば双方向のインターフェース４７１を介して制御機器８に送出され、そこから表示されるようにしてもよい。一方、前記とは別のケースではステップＳ５において通常作動モード"Ｎｏｒｍａｌ"において内燃機関１の回転数ｎ、回転トルクＭ、負荷Ｌが検出される。これらの特性量は制御機器８から双方向インターフェース４７１を介して電子制御ユニット４７に伝送される。それに続くステップＳ６では、内燃機関１の回転数ｎが限界値Ｇ２よりも大きいか否か、内燃機関１の回転トルクＭが限界値Ｇ３よりも大きいか否か、内燃機関１の負荷Ｌが限界値Ｇ４よりも大きいか否かが検査される。これらの条件が満たされている場合には、内燃機関１は高い負荷で作動され、ステップＳ７においてガス噴射装置６内の目標圧力ｐＧに対して高い値、例えば１５barが設定される。一方、前記条件が満たされていない場合には、ステップＳ８において、内燃機関における回転数ｎが限界値Ｇ５よりも小さいか否か、内燃機関１の回転トルクＭが限界値Ｇ６よりも小さいか否か、負荷Ｌが限界値Ｇ７よりも小さいか否かが検査される。これらの条件が当てはまる場合には、内燃機関１は僅かな負荷で作動され、ステップＳ９においてガス噴射装置６内の目標圧力ｐＧに対して低い値、例えば３barが設定される。前記条件が満たされていない場合にはステップＳ１０においてガス噴射装置６内の目標圧力の設定に対して例えば８barの値が用いられる。

当該実施例においては、内燃機関１の作動状態に依存してガス噴射装置６内の目標圧力ｐＧに対し４つの値が設定されてきたが、その他の実施例においてはそのつどの目標圧力ｐＧを算内燃機関１の作動パラメータを介した術的計算ステップによって行うことも考えられる。ガス噴射装置６内の圧力をそのつどの目標値ｐＧに制御することは、圧力センサ４６によって測定された値の検出を介して行ってもよい。電子制御ユニット４７においては、目標値ｐＧと測定値の間の差分に依存して圧力減衰器若しくは圧力制御器４２又は過圧バルブ４９に対する調整量が確定される。過圧バルブ４９は迅速な圧力形成が必要な場合には、ガス噴射装置６内の圧力制御に用いることも可能である。

ガス作動式内燃機関を概略的に表した図 内燃機関の作動状態へのガス噴射装置内の圧力の適応化のための方法のフローチャート

Claims (11)

1. ガス作動式内燃機関（１）のための作動方法において、
   内燃機関（１）に割り当てられたガス噴射装置（６）内の圧力が内燃機関（１）の作動状態に適応化されるようにしたことを特徴とする方法。
2. ガス噴射装置（６）内の圧力の設定のために内燃機関の回転数（ｎ）、回転トルク（Ｍ）または負荷（Ｌ）が用いられる、請求項１記載の方法。
3. 前記内燃機関（１）の緊急作動モードを可能にしかつ当該内燃機関（１）によって駆動される車両の到達範囲を拡大させるために、ガス噴射装置（６）内で内燃機関（１）の通常作動モードにおいて発生する圧力よりも少ない圧力が設定される、請求項１または２記載の方法。
4. 前記ガス作動式内燃機関（１）は、ガスを用いた作動モードの他にも別の燃料、特にガソリン又はディーゼル燃料を用いた作動が可能である二価内燃機関（１）の一部である、請求項１から３いずれか１項記載の方法。
5. 緊急作動モードへの切換が、タンク（２）内に存するガス量に依存して行われるか、又は二価内燃機関（１）における他の燃料量に依存して行われる、請求項３または４記載の方法。
6. ガス作動式内燃機関（１）のための作動装置において、
   内燃機関（１）に割当てられたガス噴射装置（６）内の圧力を内燃機関（１）の作動状態に適応化させる手段が設けられていることを特徴とする装置。
7. 前記装置は、モジュール（４）を含んでおり、該モジュール（４）は少なくとも１つの遮断弁（４１）、圧力センサ（４４または４６）、温度センサ（４３または４５）、圧力減衰器ないし圧力制御器（４２）、及び電子制御ユニット（４７）を有している、請求項６記載の装置。
8. 前記モジュール（４）は、少なくとも１つの過圧弁（４９）を含んでいる、請求項７記載の装置。
9. 前記モジュール（４）は、少なくとも１つの電気ヒーター（４８）を含んでいる、請求項７または８記載の装置。
10. 前記モジュール（４）は、少なくとも１つの双方向インターフェース（４７１）を含んでいる、請求項７から９いずれか１項記載の装置。
11. 前記モジュール（４）は、タンク（２）内に統合されている、請求項７から１０いずれか１項記載の装置。

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