JP6528053B2 - 混合気で作動する内燃エンジンの始動方法 - Google Patents

Description

本発明は、混合気で作動する内燃エンジン、より詳細には、定置式ガスエンジンの始動方法に関し、混合気の一部として内燃エンジンに供給されるのが、混合気のエネルギー含有量の特性である少なくとも１つのパラメータに関して確認される燃料体積流であり、内燃エンジンは、その内燃エンジンが自発的に動き続けるまでスタータ装置により駆動する。

混合気で作動する内燃エンジンの始動動作において、内燃エンジンには、燃料体積流および空気を含む混合気が供給され、内燃エンジンが自発的に動き続けるまではスタータ装置により駆動する。その場合、燃料体積流の大きさは、たとえば、混合気の、燃料に関する化学量論上の必要空気量もしくは最小必要空気量ｌ_ｍｉｎまたは混合気の燃焼空気比ｌａｍｂｄａのような混合気のエネルギー含有量の特性である少なくとも１つのパラメータに関してしばしば確認される。内燃エンジンは通常、１．２のｌａｍｂｄａ値で始動するため、その特性パラメータはしばしば、１．２の値に設定される。最小必要空気量は使用される燃料に依存し、このため、燃料ガスを燃料として使用する場合、最小必要空気量はガスの質と関連する。ガスの質が既知であれば、そのため、燃料体積流を確認する際に最小必要空気量の適正値を考慮することができる。

しかし、ガスの質、または混合気のエネルギー含有量に関係する主要な特性パラメータが既知でない場合、選択されたパラメータ値により、内燃エンジンが始動しないか、望ましくない作動モードで動作することになる可能性がある。

したがって、本発明の目的は、最新技術を超えて改善された、混合気で作動する内燃エンジンの始動方法を提供することである。より詳細には、本発明は、提案された方法が、質が不明である燃料または燃料ガスを使用する場合であっても、内燃エンジンの信頼性のある始動を可能にもすることを提供することを求める。

本発明によれば、その目的は請求項１の特徴により達成される。本発明の有利な構成は従属する請求項により説明される。

したがって、本発明によれば、内燃エンジンに供給される体積流は、内燃エンジンが自発的に動き続けるまで、混合気のエネルギー含有量の特性である、少なくとも１つのパラメータの変動により、変動する。

混合気のエネルギー含有量の特性である、少なくとも１つのパラメータ（たとえば、最小必要空気量または燃焼空気比）の変動により、燃料の質、ひいては燃料の熱量が最初は未知であっても、内燃エンジンが確実に始動する。

特に好ましい実施形態では、最小必要空気量が、混合気のエネルギー含有量の特性であるパラメータとして、燃料に関して変動するものとすることができる。

混合気の燃焼空気比は、混合気のエネルギー含有量の特性であるパラメータとして変動するものとすることもできる。

本発明の好ましい実施形態では、混合気のエネルギー含有量の特性である少なくとも１つのパラメータが、所定の初期値を始点に変動するものとすることもできる。パラメータの変動は理論上、燃料の対応するカテゴリーに関する適切な範囲において発生する。燃料ガスを燃料として使用する場合、たとえば、最小必要空気量ｌ_ｍｉｎの変動に適切な領域は、天然ガスでは９から１０であり、バイオガスでは６から１０であり、坑内ガスでは３から１０である。したがって、燃料ガスの場合、特にこれらの例では、最小必要空気量の初期値１０を始点に、内燃エンジンが自発的に動き続けるまで、最小必要空気量を減少させるものとすることができる。

特に好ましい実施形態によれば、内燃エンジンに供給される燃料体積流が、以下の式により確認されるものとすることができる。

Ｑ_Ｂ＝Ｑ_Ｇ／（１＋ｌａｍｂｄａ＊ｌ_ｍｉｎ）

式中、Ｑ_Ｂは内燃エンジンに供給される燃料体積流、Ｑ_Ｇはあらかじめ設定することができる混合気の混合体積流、ｌａｍｂｄａは混合気の燃焼空気比、ｌ_ｍｉｎは燃料に関する最小必要空気量である。

混合気の燃焼空気比ｌａｍｂｄａは、完全燃焼に必要となる少なくとも必要となる化学量論上の空気の質量に対する、燃焼に実際に利用可能な空気の質量の比である。過剰な量の空気で内燃エンジンが作動し、したがって化学量論を超える場合（ｌａｍｂｄａ＞１）、燃焼空気比は、しばしば、空気過剰数とも呼ばれる。

最小必要空気量ｌ_ｍｉｎ−しばしば化学量論上の必要空気量とも呼ばれる−は、燃料の質量に対する化学量論上の空気の質量の質量比である。最小必要空気量ｌ_ｍｉｎは、したがって、使用される燃料それぞれに依存する値である。これにより、燃料の質量の化学量論的燃焼（ｌａｍｂｄａ＝１）を可能にする空気の質量として必要な、所与の燃料の質量の倍数が特定される。

混合気の混合体積流Ｑ_Ｇは、所与の内燃エンジンのスピードにおける効率の度合いおよび毎分あたりの吸気量から得られる混合気の混合体積流の、常圧（１．０１３ｂａｒ）、常温（２９３Ｋ）に標準化された値を含むことができる。

ｌ_ｍｉｎは可変とすることができることが好ましい。

特に好ましい変形形態では、ｌ_ｍｉｎは、好ましくは初期値として約１０を始点に減少するものとすることができる。

このケースは、周囲のパラメータにより、通常、燃焼空気比ｌａｍｂｄａのどの値で内燃エンジンが始動するか（たとえば、ｌａｍｂｄａ＝１．２）が明確に知られているが、燃料の質、ひいては、最小必要空気量ｌ_ｍｉｎの適正値が未知である場合に特に関連する。この場合、内燃エンジンの始動動作のために、燃焼空気比ｌａｍｂｄａの値が一定−たとえば、ｌａｍｂｄａ＝１．２−に維持され、最小必要空気量ｌ_ｍｉｎの値が、ｌ_ｍｉｎ＝１０の値を始点に、内燃エンジンが始動し、自発的に動き続けるまで減少するものとすることができる。もし、最小必要空気量ｌ_ｍｉｎの値の変動により、内燃エンジンがたとえばｌ_ｍｉｎ＝４の値で始動すると判明した場合、したがってこの方法で、その値に関連する燃料の質についての結果に到達することができる。しかし、特に、あらかじめ知られていなければならないガスの質を除いて、そのようにして始動プロセスを確実に実施することが可能である。はじめに最小必要空気量ｌ_ｍｉｎに設定される値−示された例では、ｌ_ｍｉｎ＝４−が、燃料の計測のそれぞれの計算式における最小必要空気量ｌ_ｍｉｎの適正値として内燃エンジンのさらなる動作に使用することもでき、したがって、実際に含まれる燃料の質に適合する、内燃エンジンの最適な動作を可能にする。

代替的に、または補助的に、ｌａｍｂｄａを可変とすることができる。

特に好ましい変形形態では、好ましくは初期値として約２を始点にｌａｍｂｄａが減少するものとすることができる。

このケースは特に、燃料の質、ひいては最小必要空気量ｌ_ｍｉｎの適正値が明確に知られているが、周囲のパラメータ（たとえば、内燃エンジンの設置場所の標高が非常に高い位置にある）のために、所与の環境において内燃エンジンが始動する燃焼空気比ｌａｍｂｄａの値が未知である場合に関連する。その点では、内燃エンジンの始動動作のために、最小必要空気量ｌ_ｍｉｎの値を関連する既知の燃料に対応して一定に維持し、燃焼空気比ｌａｍｂｄａの値を、たとえばｌａｍｂｄａの値＝１．１で、内燃エンジンが始動し、自発的に動き続けるまで、所定の初期値を始点に減少させるようにすることができる。

本発明の好ましい実施形態では、混合気のエネルギー含有量の特性である、少なくとも１つのパラメータの、内燃エンジンが自発的に動き続けるそのパラメータ値は、少なくとも、内燃エンジンのさらなる動作のためのある時間の間はほぼ一定に保たれるものとすることができる。この点では、特性パラメータの、内燃エンジンが自発的に動き続けるそのパラメータ値は、内燃エンジンの、すべてのさらなる負荷条件において一定に維持されるようにすることもできる。

最大で内燃エンジンの定格負荷の３０％の、内燃エンジンの出力要求まで、パラメータ値をほぼ一定に維持するようにすることもできる。

本発明のさらなる詳細および利点は、以下の具体的説明により示される。

内燃エンジンの概略ブロック図である。 提案された方法の一実施形態による内燃エンジンの始動動作を示す図である。 提案された方法のさらなる実施形態による内燃エンジンの始動動作を示す図である。

図１が定置式ガスエンジンの形態の内燃エンジン１の概略ブロック図を示す。内燃エンジン１の始動動作の間、内燃エンジン１が自発的に動き続けるまでスタータ装置２により駆動される。この例では、内燃エンジン１は、電力ネットワーク（不図示）に電力を供給する発電機３を駆動する。既知の方式で供給導管４および排気導管５に配置されるのが、排気タービン８と、シャフト９を通して排気タービン８により駆動されるコンプレッサ７とを有するターボチャージャ６である。混合物インタークーラー１０がコンプレッサ７の下流側に接続される。圧縮された混合気Ｇの一部が、バイパス導管１２、およびバイパス導管１２に配設されたコンプレッサ・バイパス・バルブ１１を通して再びコンプレッサ７の上流側で再利用される。コンプレッサ７の上流側の供給導管４に配置されるのがミキサ１４であり、このミキサ１４の中で空気Ａと燃料Ｂとを混合して、コンプレッサ７に供給される混合気Ｇを形成する。混合気Ｇは、混合物インタークーラー１０およびスロットルフラップ１３を通って流れた後に、内燃エンジン１に供給される。

空気Ａを導入する空気導管１８、および燃料ガスの形態の燃料Ｂを導入する燃料導管１７が、ミキサ１４に通じる。燃料導管１７に配置されるのは、たとえば気体用電磁弁の形態の燃料バルブ１５である。提案される方法について必要な燃料体積流Ｑ_Ｂ（fuel volume flow）のそれぞれの値が、信号線１６を通ってその燃料バルブ１５に指示される。必要な燃料体積流Ｑ_Ｂの指示値に基づいて、燃料Ｂの対応する燃料体積流Ｑ_Ｂが燃料バルブ１５を通って燃料導管１７に提供される。

燃料体積流Ｑ_Ｂの指示値は内燃エンジン１の始動動作の間、提案される方法に関し、混合気Ｇのエネルギー含有量の少なくとも１つのパラメータ特性（たとえば、最小必要空気量ｌ_ｍｉｎまたは燃焼空気比ｌａｍｂｄａ）の変動に基づいて変化する。

図１に記載の構成とは異なり、内燃エンジン１はバイパス導管１２無しで設計することもできる。バイパス導管１２の代わりに、またはバイパス導管１２に加えて、ウェイストゲートを既知の方式で排気タービン８の領域の排気導管５に配置することもできる。

図２が、提案された方法の実施形態に係る、内燃エンジン１の例としての始動動作として、始動動作の間変動する最小必要空気量ｌ_ｍｉｎ（minimum air requirement:最小の要求される空気量）の、時間に対する変化を示す。この例では、４つの段階Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩ、およびＩＶが時間に関して示される。段階Ｉは内燃エンジン１の停止段階に対応し、その間、内燃エンジン１は動いていない。段階ＩＩは内燃エンジン１の始動段階に対応し、その間、提案された方法が使用される。段階ＩＩＩは内燃エンジン１のアイドリング段階または低負荷段階を表し、その間、内燃エンジン１への出力要求が、最大で内燃エンジン１の定格負荷の３０％である。段階ＩＶは、内燃エンジン１への出力要求が内燃エンジン１の定格負荷の３０％を超える内燃エンジン１の負荷段階を示す。始動段階（段階ＩＩ）−図示の例では約３０秒続く−の間のグラフに見られるように、最小必要空気量ｌ_ｍｉｎの値は、たとえば１０の初期値を始点に、内燃エンジン１が始動し、自発的に動き続けるまで減少する。内燃エンジン１が自発的に動き続ける最小必要空気量ｌ_ｍｉｎのその値（この例では、ｌ_ｍｉｎ＝５）が、その後、段階ＩＩＩおよびＩＶにおける内燃エンジン１のさらなる動作に向けてほぼ一定に保たれる。

図３が、提案された方法の実施形態に係る、内燃エンジン１の例としての始動動作として、始動動作の間変動する燃焼空気比ｌａｍｂｄａ（combustion air ratio）の値の、時間に対する変化を示す。時間段階Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩ、およびＩＶが図２の対応する段階に対応する。この例では、始動段階（段階ＩＩ）の間、燃焼空気比ｌａｍｂｄａの値は、たとえば２の初期値を始点に、内燃エンジン１が始動して自発的に動き続けるまで減少する。内燃エンジン１が自発的に動き続ける燃焼空気比ｌａｍｂｄａのその値（この例では、ｌａｍｂｄａ＝１．５）が、その後、内燃エンジン１のアイドリング段階または低負荷段階（段階ＩＩＩ）に向けてほぼ一定に保たれる。負荷段階（段階ＩＶ）は、内燃エンジン１の要求出力に係る燃焼空気比ｌａｍｂｄａの適応を伴う。図示の例では、燃焼空気比ｌａｍｂｄａは負荷段階（段階ＩＶ）において、エンジン管理システムにより増加し、時間ｔ_１においては約１．８になる。

１ ・・・内燃エンジン
２ ・・・スタータ装置
３ ・・・発電機
４ ・・・供給導管
５ ・・・排気導管
６ ・・・ターボチャージャ
７ ・・・コンプレッサ
８ ・・・排気タービン
９ ・・・シャフト
１０ ・・・混合物インタークーラー
１１ ・・・コンプレッサ・バイパス・バルブ
１２ ・・・バイパス導管
１３ ・・・スロットルフラップ
１４ ・・・ミキサ
１５ ・・・燃料バルブ
１６ ・・・信号線
１７ ・・・燃料導管
１８ ・・・空気導管
Ａ ・・・空気
Ｂ ・・・燃料
Ｇ ・・・混合気
Ｑ_Ｂ ・・・燃料体積流
Ｑ_Ｇ ・・・混合体積流

Claims (8)

1. 混合気で作動する内燃エンジン（１）の始動方法であって、
   前記混合気の一部として前記内燃エンジン（１）に供給されるのが、前記混合気のエネルギー含有量の特性である、少なくとも１つのパラメータに関して確認される燃料体積流（ＱＢ）であり、
   前記内燃エンジン（１）は、前記内燃エンジン（１）が自発的に動き続けるまで、スタータ装置（２）により駆動し、
   前記内燃エンジン（１）に供給される前記燃料体積流（ＱＢ）は、前記内燃エンジン（１）が自発的に動き続けるまで、前記混合気の前記エネルギー含有量の特性である、前記少なくとも１つのパラメータの減少により変動し、
   前記少なくとも１つのパラメータが、最小必要空気量（ｌｍｉｎ）および前記混合気の燃焼空気比（ｌａｍｂｄａ）のうちの少なくとも１つを含み、
   前記内燃エンジン（１）が自発的に動き続ける、前記混合気の前記エネルギー含有量の特性である、前記少なくとも１つのパラメータのパラメータ値が、少なくとも前記内燃エンジン（１）のさらなる動作に向けての時間の間だけほぼ一定に保たれ、
   前記内燃エンジンへの出力要求が所定量を超えるときには、前記最小必要空気量を一定に保ったまま、前記混合気の前記燃焼空気比を増加させる、
   方法。
2. 前記混合気の前記エネルギー含有量の特性である、前記少なくとも１つのパラメータが、あらかじめ設定することができる初期値を始点に変動することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記内燃エンジン（１）に供給される前記燃料体積流（ＱＢ）が、式
   ＱＢ＝ＱＧ／（１＋ｌａｍｂｄａ＊ｌｍｉｎ）
   により確認され、式中、ＱＢは前記内燃エンジン（１）に供給される前記燃料体積流、ＱＧは前記混合気のあらかじめ設定することができる混合体積流、ｌａｍｂｄａは前記混合気の燃焼空気比、ｌｍｉｎは前記燃料に関する最小必要空気量である、請求項１または２に記載の方法。
4. ｌｍｉｎが変動することを特徴とする、請求項３に記載の方法。
5. ｌｍｉｎが、好ましくは、初期値として約１０を始点に減少することを特徴とする、請求項３に記載の方法。
6. ｌａｍｂｄａが変動することを特徴とする、請求項３から５のいずれか一項に記載の方法。
7. ｌａｍｂｄａが、好ましくは、初期値として約２を始点に減少することを特徴とする請求項３から５のいずれか一項に記載の方法。
8. 最大で前記内燃エンジンの定格負荷の３０％の、前記内燃エンジン（１）の出力要求まで、前記パラメータ値がほぼ一定に保たれることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。