(57)【要約】第１燃料または第２燃料、あるいは上記第１燃料および上記第２燃料を含む混合燃料を用いてバイフューエルエンジンを作動させるための装置、システムおよび方法は、上記第１燃料が例えばガソリンであり、上記第２燃料が例えば水素であって、プロセッサ（１０２）と、上記プロセッサ（１０２）により制御されると共に上記エンジン（１３４）に搭載される燃料インテークアセンブリ（１２６，１２８）と、上記エンジン（１３４）に連結されると共に好ましくはリーンモードおよびチャージモードでクオリティコントロールを用いて上記第２燃料または上記混合燃料を用いてエンジン（１３４）を作動させるよう上記プロセッサ（１０２）によって制御される空気ポンプ（１４４，１４６，１４８）とを備えている。一般にエンジン出力の低下をもたらす水素で作動するとき、エンジン（１３４）は、好ましくはチャージモードおよびリーンモードで作動して、チャージモードおよびリーンモード中に、エンジンスロットル１３０が広く開いた位置で維持され、エンジン出力損失を低減する効率のよいエンジンをもたらす。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１燃料または第２燃料、あるいは上記第１燃料および上記第２燃料を含む混合燃料を用いてバイフューエルエンジンを作動させるための装置であって、
プロセッサ（１０２）と、
上記プロセッサ（１０２）により制御されると共に、上記エンジン（１３４）上に搭載される燃料インテークアセンブリ（１２６，１２８）と、
上記エンジン（１３４）に連結されると共に、クオリティコントロールを用いて、好ましくはリーンモードおよびチャージモードで、上記第２燃料または上記混合燃料を用いてエンジン（１３４）を作動させるよう上記プロセッサ（１０２）によって制御される空気ポンプ（１４４，１４６，１４８）と
を備えることを特徴とする装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置において、
上記エンジンには、プロセッサ制御弁（１４０）が配置された第１吸気管（１６０）に連結される制御可能なスロットル（１３０）が設けられており、このスロットル（１３０）が、第２プロセッサ制御弁（１３６）が配置された第２吸気管（１７０）を介して上記空気ポンプ（１４４，１４６，１４８）にも連結されることを特徴とする装置。
【請求項３】
請求項１に記載の装置において、
上記燃料インテークアセンブリ（１２６，１２８）は、インテークマニホールド（１３２）によって上記エンジン（１３４）に取り付けられることを特徴とする装置。
【請求項４】
請求項１または３に記載の装置において、
上記燃料インテークアセンブリ（１２６，１２８）には、上記第１燃料および上記第２燃料のための燃料噴射装置が設けられることを特徴とする装置。
【請求項５】
請求項１に記載の装置において、
上記エンジンには、第１プロセッサ制御弁（１５０）が配置された第１排気パイプ（１６２）が、上記空気ポンプ（１４４，１４６，１４８）と連結されるように伸び、かつ、第２プロセッサ制御弁（１５２）が配置された第２排気パイプ（１５８）が伸びるエキゾーストマニホールド（１３８）が設けられることを特徴とする装置。
【請求項６】
請求項５に記載の装置において、
上記第１排気パイプ（１６２）が、プロセッサ制御ウェイストゲート（１７８）が配置されたバイパス排気パイプ（１６３）と、さらに連結されることを特徴とする装置。
【請求項７】
請求項１に記載の装置において、
上記エンジン（１３４）が自然吸気エンジンであり、上記第１燃料がガソリンであり、上記第２燃料が水素であり、上記空気ポンプ（１４４，１４６，１４８）がターボチャージャーであり、上記燃料インテークアセンブリ（１２６，１２８）にはガソリン燃料噴射装置（１２６）と水素燃料噴射装置（１２８）とが設けられることを特徴とする装置。
【請求項８】
請求項１に記載の装置において、
上記エンジン（１３４）が第１ターボチャージャーを備えるターボチャージャー搭載エンジンであり、上記第１燃料がガソリンであり、上記第２燃料が水素であり、上記空気ポンプ（１４４，１４６，１４８）が第２ターボチャージャーであり、上記燃料インテークアセンブリ（１２６，１２８）にはガソリン燃料噴射装置（１２６）と水素燃料噴射装置（１２８）とが設けられることを特徴とする装置。
【請求項９】
請求項１に記載の装置において、
上記エンジン（１３４）が第１ターボチャージャーを備えるターボチャージャー搭載エンジンであり、上記第１燃料がガソリンであり、上記第２燃料が水素であり、上記空気ポンプ（１４４，１４６，１４８）がＶＴＧターボチャージャーである第２ターボチャージャーであり、上記燃料インテークアセンブリ（１２６，１２８）にはガソリン燃料噴射装置（１２６）と水素燃料噴射装置（１２８）とが設けられることを特徴とする装置。
【請求項１０】
請求項１に記載の装置において、
上記エンジンが自然吸気エンジンであり、上記第１燃料がガソリンであり、上記第２燃料が水素であり、上記空気ポンプ（１４４，１４６，１４８）がプロセッサ制御スーパーチャージャーであり、上記燃料インテークアセンブリ（１２６，１２８）にはガソリン燃料噴射装置（１２６）と水素燃料噴射装置（１２８）とが設けられることを特徴とする装置。
【請求項１１】
請求項１に記載の装置において、
上記エンジン（１３４）が自然吸気エンジンであり、上記第１燃料がガソリンであり、上記第２燃料が水素であって、上記空気ポンプ（１４４，１４６，１４８）は、比較的広い動作温度範囲を有するターボチャージャーであり、かつ、上記第１燃料または上記第２燃料からの排気ガスを用いて作動され、上記燃料インテークアセンブリ（１２６，１２８）にはガソリン燃料噴射装置（１２６）と水素燃料噴射装置（１２８）とが設けられることを特徴とする装置。
【請求項１２】
請求項１に記載の装置において、
上記エンジン（１３４）は、上記第１燃料と空気の燃焼により生じる排気ガスが、特定のエンタルピーを有し、かつ、上記第２燃料と空気の燃焼により生じる排気ガスが、上記第１燃料から生じる排気ガスのエンタルピーよりも小さいエンタルピーを有する自然吸気エンジンであることを特徴とする装置。
【請求項１３】
請求項１に記載の装置において、
上記空気ポンプ（１４４，１４６，１４８）が、上記第１燃料または上記第２燃料の排気ガスを用いて適切に作動可能なスーパーチャージャーあるいはターボチャージャーであることを特徴とする装置。
【請求項１４】
請求項１に記載の装置において、
上記エンジン（１３４）は、λ＝１モードで作動することを特徴とする装置。
【請求項１５】
請求項１に記載の装置において、
上記第１燃料がガソリンであり、上記第２燃料が水素であることを特徴とする装置。
【請求項１６】
請求項１に記載の装置において、
上記ターボチャージャーがスーパーＶＴＧターボチャージャーであることを特徴とする装置。
【請求項１７】
請求項１から１６のいずれか１つに記載の装置において、
上記プロセッサ（１０２）が、伝達システムの一部である制御線（１０４，１０６，１０８，１１０，１１２，１１４，１１６，１１８）および入力線（Ｉ１，Ｉ２・・・ＩＮ）を有することを特徴とする装置。
【請求項１８】
バイフューエルエンジンの作動を制御するための方法であって、
共に上記バイフューエルエンジン（１３４）に連結された燃料インテークアセンブリ（１２６，１２８）および空気ポンプ（１４４，１４６，１４８）を制御するためのプロセッサを、第１燃料を用いている上記エンジン（１３４）を作動させるために用い、かつ、第２燃料または上記第１燃料および第２燃料を含む混合燃料が用いられるときに、さらに、上記第２燃料と空気の燃焼により生じる排気ガスのエンタルピーが上記第１燃料と空気の燃焼により生じる排気ガスのエンタルピーよりも小さい場所で、好ましくはリーンモードおよびチャージモードでクオリティコントロールを用いて上記エンジン（１３４）を作動させるために用いること
を特徴とする方法。
【請求項１９】
請求項１８に記載の方法において、
上記エンジン（１３４）が自然吸気バイフューエルエンジンであり、上記第１燃料を用いるときに、上記プロセッサが非チャージモードで上記エンジンを作動させることを特徴とする方法。
【請求項２０】
請求項１８に記載の方法において、
上記エンジン（１３４）が上記第１または第２燃料あるいは上記混合燃料の排気ガスで作動可能なターボチャージャーを有するターボチャージャー搭載バイフューエルエンジンであり、上記第１燃料を用いるときに、上記プロセッサ（１０２）が非チャージモードで上記エンジン（１０２）を作動させることを特徴とする方法。
【請求項２１】
請求項２０に記載の方法において、
上記ターボチャージャーがスーパーＶＴＧターボチャージャーであることを特徴とする方法。
【請求項２２】
請求項１８に記載の方法において、
上記エンジン（１３４）がスーパーチャージャー搭載バイフューエルエンジンであり、上記第１燃料を用いるときに、上記プロセッサ（１０２）が非チャージモードで上記エンジンを作動させることを特徴とする方法。
【請求項２３】
請求項１８から２２のいずれか１つに記載の方法において、
上記プロセッサを用いるステップが、
作動のためにどの燃料が選択されたかを決めるため、上記プロセッサを用いることと、
上記選択された燃料に応じて上記空気ポンプ（１４４，１４６，１４８）および上記エンジン（１３４）のスロットル（１３０）が作動するよう、上記エンジン（１３４）の吸気管（１６０，１７０）および複数の排気パイプ内に配置された複数の弁（１３６，１４０，１４４，１５０，１５２）を制御することと、
上記第２燃料と空気の燃焼により生じる排気ガスの一部の原因になるよう上記第２燃料が選択されたときにバイパス排気パイプ（１６３）に配置されたウェイストゲート（１７８）を、ターボチャージャーである上記空気ポンプ（１４４，１４６，１４８）を迂回するよう制御して、上記エンジン（１３４）の給気圧を制御することと
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２４】
第１燃料または第２燃料あるいは混合燃料を用いてバイフューエルエンジンを作動するためのシステムであって、
請求項１から２２いずれか１つに記載の装置を備え、上記プロセッサ（１０２）と上記燃料インテークアセンブリ（１２６，１２８）とが同一場所に配置されているか、あるいは、同一場所に配置されていないことを特徴とするシステム。
【請求項２５】
第１燃料を用いて駆動するよう設計されたエンジンを、さらに第２燃料または上記第１燃料および第２燃料を含む混合燃料を用いて駆動することができるバイフューエルエンジンに変更するために、上記エンジンを改良するためのクロスプラットフォームキットであって、上記第１燃料または第２燃料の内のどちらかは非炭素系燃料であり、
プロセッサ（１０２）と、
空気ポンプ（１４４，１４６，１４８）と、
燃料インテークアセンブリ（１２６，１２８）とを備え、
上記プロセッサ（１０２）が上記空気ポンプ（１４４，１４６，１４８）および上記燃料インテークアセンブリ（１２６，１２８）を制御して、好ましくはリーンモードおよびチャージモードでクオリティコントロールを用いて、上記第２燃料または上記混合燃料を用いている上記エンジン（１３４）を作動させるように、上記プロセッサ（１０２）、上記空気ポンプ（１４４，１４６，１４８）、および上記燃料インテークアセンブリ（１２６，１２８）を上記エンジン（１３４）に取り付けることを特徴とするクロスプラットフォームキット。
【請求項２６】
請求項２５に記載のクロスプラットフォームキットにおいて、
電気アクセルペダルをさらに備えることを特徴とするクロスプラットフォームキット。
【請求項２７】
請求項２５または２６に記載のクロスプラットフォームキットにおいて、
上記空気ポンプ（１４４，１４６，１４８）がターボチャージャーであることを特徴とするクロスプラットフォームキット。
【請求項２８】
請求項２５または２６に記載のクロスプラットフォームキットにおいて、
上記空気ポンプ（１４４，１４６，１４８）がＶＴＧターボチャージャーであることを特徴とするクロスプラットフォームキット。
【請求項２９】
請求項２５または２６に記載のクロスプラットフォームキットにおいて、
上記空気ポンプ（１４４，１４６，１４８）がスーパーＶＴＧターボチャージャーであることを特徴とするクロスプラットフォームキット。
【請求項３０】
請求項２５または２６に記載のクロスプラットフォームキットにおいて、
スーパーチャージャーをさらに備えることを特徴とするクロスプラットフォームキット。
【請求項３１】
請求項２５から３０のいずれか１つに記載のクロスプラットフォームキットにおいて、
プロセッサ制御可能スロットル（１３０）を備え、
さらに、上記燃料インテークアセンブリ（１２６，１２８）が、上記第１燃料のためのプロセッサ制御可能燃料噴射装置（１２６）と上記第２燃料のためのプロセッサ制御可能燃料噴射装置（１２８）とを搭載するために複数の予め開けられた穴を有するインテークマニホールド（１３２）に連結可能であることを特徴とするクロスプラットフォームキット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、２つの異なる燃料で作動可能である内燃エンジンの設計および制御に関し、さらに、異なる燃料におけるエンジンの相対出力に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃エンジンは、シリンダの内部を燃焼させるため、このシリンダ内の空気とガソリン（または他の燃料）の混合物に点火するという原理に基づいて作動し、クランクシャフトを駆動するシリンダ内のピストンを使用することによって、もたらされる解放エネルギーを機械的エネルギーに変換する。例えばガソリン噴射装置のような燃料インテーク（取入口）アセンブリは、ガソリンをエンジンのシリンダまたはインテークシステム内に噴射するために用いられる。内燃エンジンは、通常、大気圧において周囲から空気が引き込まれる自然吸気式である。エンジンのシリンダ内の空気燃料混合物が燃焼すると、複数の異なる種類の不要な有毒汚染ガスがシリンダで作り出される。この有毒汚染ガスは、排気システムを通って一般に触媒式排ガス浄化装置と呼ばれる装置に移動する。
【０００３】
通常、内燃エンジン（特に自動車に用いられる内燃エンジン）は、内燃エンジンで燃焼するときに、一部が汚染ガスおよび／または有毒ガスである排気ガスを作り出すガソリン（またはディーゼル）を燃料として使用する。他の汚染物質の少ない炭素系燃料または非炭素系燃料を使用することもできるが、これらの燃料の多くは、空気と混合されたとき、ガソリン（すなわち空気と混合されたガソリン）を燃焼させているときの出力に対するエネルギー量（すなわち「混合物の発熱量」）と同様のエネルギー量は得られない。その一方で、これらの燃料の一部は使用するのが好ましい。なぜなら、これらの燃料の一部が、実質的に有毒ガスまたは汚染ガスが燃焼プロセスから生成されない「リーンモード（lean mode）」オペレーションと呼ばれる動作に使用することができるからである。このリーンモードにおける動作は、空燃比を参照し、これを用いてエンジンが作動されている。特に、エンジンの燃焼チャンバ内の空気および燃料の量の比率は、エンジンがリーンモードで作動されているか、リッチモードで作動されているかを決定する。燃焼後のチャンバ内に残っている酸素または燃料が存在しないような、エンジンのチャンバ内での燃焼に用いられる空気および燃料の量が、理想的燃焼には存在する。この特別の空燃比は化学量論的空燃比と呼ばれる。しかし、実際の空燃比は、常に化学量論的に存在することができない。化学量論的空燃比に対する実際の空燃比の比は、λと呼ばれる。従って、この変数λは、次のように数学的に定義される。
【０００４】
【数１】
2013533413.tif 000003
【０００５】
上記式（１）から分かるように、λ＝１のとき、実際の空燃比が化学量論的空燃比に等しいので、エンジンは、化学量論的空燃比で作動する。λ値が１未満の場合、エンジンはリッチモードにあると言われている。λ値が１以上の場合、エンジンはリーンモードにあると言われている。上記式（１）から分かるように、リーンモードでは、化学量論的モードよりも多くの空気が燃焼時に使用される。リーンモードでの作動の結果として、このモードは、有毒および／または汚染ガスの生成量が少ないため好ましいが、エンジン出力の損失が大きくなる。リーンモードオペレーションはまた、比較的燃料消費が少ないので、比較的高い効率でのエンジン作動をもたらす。この比較的高い効率は、従来のガソリンエンジンが通常リーンモードで駆動しないため、多くの場合実現されない。
【０００６】
効率とは、定められたエンジン出力に対する燃料消費のことを言う。エンジンが効率的に作動すればするほど、特定のエンジン出力に対する燃料消費は低くなる。エンジンの効率の上昇は、エンジンの燃料消費の低減につながる。言い換えれば、エンジンは、特定の燃料を消費することによって特定の出力を生成することができるが、効率良く駆動すると、同じエンジンが、より少ない燃料消費で同じ出力を生成することができる。内燃エンジンの効率を上昇させるための一つの方法は、リーンモードでエンジンを駆動することである。
【発明の概要】
【０００７】
本発明は、バイフューエルエンジンを作動するための装置、方法、およびシステムによって、そして、第１燃料で駆動するよう設計されたエンジンを第２燃料でも駆動することができるバイフューエルエンジンに変換するエンジンを変更するためのクロスプラットフォームキットによって、上述の先行技術の欠点を克服することを目的としている。
【０００８】
本発明によれば、第１燃料または第２燃料、あるいは上記第１燃料および上記第２燃料を含む混合燃料を用いてバイフューエルエンジンを作動させるための装置は、プロセッサと、上記プロセッサにより制御されると共に、上記エンジンに搭載される燃料インテークアセンブリと、上記エンジンに連結されると共に、好ましくはリーンモードおよびチャージモードでクオリティコントロールを用いて、上記第２燃料または上記混合燃料を用いてエンジンを作動させるよう上記プロセッサによって制御される空気ポンプとを備えている。そして、バイフューエルエンジンの作動を制御するための方法は、共に上記バイフューエルエンジンに連結された燃料インテークアセンブリおよび空気ポンプを制御するためのプロセッサを、第１燃料を用いている上記エンジンを作動させるために用い、かつ、第２燃料または上記第１燃料および第２燃料を含む混合燃料が用いられるときに、さらに、上記第２燃料と空気の燃焼により生じる排気ガスのエンタルピーが上記第１燃料と空気の燃焼により生じる排気ガスのエンタルピーよりも小さい場所で、好ましくはリーンモードおよびチャージモードでクオリティコントロールを用いて、上記エンジンを作動させるために用いる。
【０００９】
本発明によるシステムは、上記プロセッサ（１０２）と上記燃料インテークアセンブリ（１２６，１２８）とが同一場所に配置されているか、あるいは、同一場所に配置されていない装置を備えている。そして、クロスプラットフォームキットは、プロセッサ（１０２）と、空気ポンプ（１４４，１４６，１４８）と、燃料インテークアセンブリ（１２６，１２８）とを備え、上記プロセッサ（１０２）が上記空気ポンプ（１４４，１４６，１４８）および上記燃料インテークアセンブリ（１２６，１２８）を制御して、好ましくはリーンモードおよびチャージモードでクオリティコントロールを用いて、上記第２燃料または上記混合燃料を用いている上記エンジン（１３４）を作動させるように、上記プロセッサ（１０２）、上記空気ポンプ（１４４，１４６，１４８）、および上記燃料インテークアセンブリ（１２６，１２８）を上記エンジン（１３４）に搭載している。
【００１０】
本発明の上記方法、装置、およびシステムは、特定のエンジン出力を生成する第１燃料で作動するよう設計されたエンジンと、低いエンジン出力を生成する第２燃料でも作動するよう設計されたエンジンとを提供する。このエンジンは、第２燃料が使用されているときにエンジン出力の損失を著しく低減するため、プロセッサ制御空気ポンプを用いて調整（calibrate）および改良（retrofit）される。作動中に空気ポンプを使用すると、エンジンがチャージされると考えられている。エンジンはまた、第２燃料のための燃料インテークシステムによって改良され、第２燃料を用いるとき、エンジンは、クオリティコントロールを用いながら効率を向上させるためリーンモードで作動される。水素（または他の種類の燃料）で駆動するエンジンの調整は、リーンモードオペレーションを可能にする特定の値に対するエンジンパラメータを決定し、算出し、設定することを含む。エンジンを改良することとは、本発明の方法に従って作動するために本発明の装置の様々な構成要素（部品）を備えた自然吸気エンジン、ターボチャージャー搭載エンジン、あるいはスーパーチャージャー搭載エンジンを改良および／または調整することを言う。
【００１１】
本発明は、エンジンに連結可能な空気ポンプと、エンジン上またはエンジン内に搭載可能な第２燃料のための燃料インテークシステムあるいはアセンブリと、第２燃料を用いているエンジンを選択的に作動させるため燃料インテークおよび空気ポンプを制御するプロセッサとを備えている。上記燃料インテークアセンブリには、第１燃料および第２燃料のための燃料搬送システム（例えば、第１燃料および第２燃料のための燃料噴射装置）を設けている。エンジンを第１燃料で作動させるため同じプロセッサを用いることができる。第２燃料を用いているとき、本発明のプロセッサは、チャージモードでエンジンを作動させるために空気ポンプを制御して、エンジン出力を上昇させる。そして、このプロセッサは、好ましくはリーンモードでエンジンを作動させ、クオリティコントロールを用いながらエンジンの効率を上昇させる。結果として、自然吸気エンジンは、非チャージモードにおいて第２燃料で作動するとき、出力損失を著しく低減する。そして、このエンジンは、リーンモードオペレーションおよびクオリティコントロールを用いて、効率的に作動する。第２ガス燃料のチャージは、自然吸気の第１燃料とほぼ同じ出力を生成する。チャージモードとは、空気ポンプでエンジンを作動させることを言う。この空気ポンプは、エンジンの排気ガスで作動する、および／または、エンジンの排気ガスを原動力とするターボチャージャーにすることができる。上記空気ポンプはまた、プロセッサからの電気的または電子的制御信号により作動するスーパーチャージャー（あるいは他のポンプ）であってもよい。結果として、エンジンは、チャージモードで作動するとき、第１燃料を用いた出力と同じ出力を、第２燃料を用いて作り出すことができる。
【００１２】
本発明の第１実施形態において、本発明の装置、システム、および方法は、第１燃料で作動され、また、第２燃料を用いるときターボチャージャーで作動される自然吸気エンジン（例えばガソリンエンジン）を改良、調整する。このターボチャージャーは、第２燃料を用いて適切に作動させるために選択され、エンジンがチャージモード（ターボチャージャーが作動される）で、好ましくは例えば水素ガスまたは他の燃料である第２燃料を用いてリーンモードで作動できるようにする。自然吸気オペレーションにおける第２燃料を用いたエンジンの作動は、エンジン出力の損失をもたらす。しかし、第２燃料（例えばガス燃料）を用いたチャージモードにおけるエンジンの作動は、第２燃料の燃焼により生じる排気ガスをターボチャージャーの駆動に用いることによって、エンジンの出力損失を著しく低減する。従って、エンジンの出力は、クオリティコントロールを用いることによってエンジン内に噴射されている第２燃料の量により制御される。クオリティコントロールは、エンジンのスロットルの広く開いた位置、すなわち、エンジン内に供給される空気の流れがスロットル位置により制限されない位置で維持する技術である。広く開いた位置は、スロットルの設計およびエンジンの速度に応じて、エンジンの種類によって異なる。従って、「広く開いた（wide open）」とは、エンジン内に流れ込む空気（ターボチャージャー、スーパーチャージャー、あるいは空気ポンプによりエンジン内に供給される空気）を制限しないような位置にスロットルを開口することをいう。結果として、第２燃料を用いているエンジンの出力損失は著しく低減されるが、エンジンは効率的に作動する。この実施形態では、ターボチャージャーは、可変タービンジオメトリー（Variable Turbine Geometry（VTG））ターボチャージャーにすることができる。
【００１３】
本発明の第２実施形態において、本発明の装置、システム、および方法は、ターボチャージャー搭載エンジンまたはスーパーチャージャー搭載エンジン（すなわち、最初からターボチャージャーまたはスーパーチャージャーを考慮して設計されているエンジン）を改良、調整して、好ましくはリーンモードにおいて、このエンジンが第２燃料で作動できるようにする。
【００１４】
第２実施形態では、ターボチャージャー搭載エンジンの場合、第２燃料で適切に作動するために選択される第２ターボチャージャーが加えられる。このようなターボチャージャーは、第２燃料（例えば水素）で作動する間駆動されている一方、最初から設けられているターボチャージャーは、この作動中、駆動していないか、無視される。また、プロセッサ制御スーパーチャージャーは、第２燃料を用いるとき、チャージモードでエンジンを作動するために用いることができる。
【００１５】
第２実施形態では、スーパーチャージャー搭載エンジンの場合に、第２燃料（例えば水素）がエンジンで用いられるとき、適切な空気量をエンジンに供給するため、適切な電力容量でスーパーチャージャーを作動する（すなわち、電気的または電子的に制御する）ことができる。また、第２燃料の燃焼により生じる排気ガスを用いているエンジンをチャージモードで作動するために、ターボチャージャーをエンジンに加えることができる。結果として、第２ターボチャージャーを加える、あるいは、スーパーチャージャーを使用する場合に、第２燃料の使用に起因する出力損失が著しく低減される。第１実施形態と同様に、第２燃料が使用されているとき、リーンモードオペレーション中にクオリティコントロール（質制御）が用いられる。つまり、エンジン効率を改良するためにリーンモードで第２燃料を用いるとき、エンジンのスロットルは、広く開いた位置で維持される（すなわち、スロットルへの空気流を制限しない）。このとき、エンジンの出力は、エンジン内に噴射されている第２燃料の量によって制御される。
【００１６】
本発明の第３実施形態において、装置、システム、および方法は、ターボチャージャー搭載エンジンが改良、調整され、最初から設けられているターボチャージャーが取り除かれ、第１燃料または第２燃料の排気ガスで作動するよう設計された新たなターボチャージャーに置き換えられる。第１燃料の燃焼により生じる排気ガスは、特定の第１エンタルピーすなわちエンタルピー範囲を有している。第２燃料の燃焼により生じる排気ガスは、特定の第２エンタルピーすなわちエンタルピー範囲を有している。この実施形態および他の実施形態では、燃料の燃焼は、適量の空気と共に燃料を燃焼することを意味すると理解される。この新しいターボチャージャーは、第１燃料の燃焼または第２燃料の燃焼により生じる排気ガスで作動する（すなわち適切に駆動する）ことができるよう設計されている。このようなターボチャージャーの詳細な例の１つは、比較的広い温度範囲の排気ガスで作動するよう設計されたＶＴＧターボチャージャーである。このタイプのＶＴＧターボチャージャーを、以下、スーパーＶＴＧターボチャージャーという。上記スーパーＶＴＧターボチャージャーは、例えば、ガソリンの燃焼または水素の燃焼により生じる排気ガスで作動させることができる。このスーパーＶＴＧターボチャージャーは、多くの場合、第１燃料または第２燃料で作動するよう用いられ得る。他の実施形態と同様に、このスーパーＶＴＧターボチャージャーは、好ましくはリーンモード時に、クオリティコントロールを用いて、エンジンが第２燃料で作動されるときに、エンジン出力の損失を低減する。この実施形態では、スーパーチャージャー搭載エンジンに関して、同様のターボチャージャーを用いてもいいし、異なる種類の燃料でエンジンを適切に作動させるためにプロセッサによってスーパーチャージャーを制御してもよい。
【００１７】
第１燃料がガソリンであり、第２燃料が水素である場合、ガソリンエンジンまたは水素エンジンとして、ユーザにより選択的にエンジンを作動することができる。水素および水素ガスという言葉は、以下、請求項に記載された発明で使用できる様々な状態の水素を示すため、同じ意味で用いられる。この場合において、本発明の装置、システム、および方法は、プロセッサと、エンジンに連結されると共に第２燃料で適切に作動させるために選択されるターボチャージャー（またはスーパーチャージャー）として実施される空気ポンプと、エンジン上に搭載される水素燃料噴射装置およびガソリン燃料噴射装置で実施される燃料インテークアセンブリとを備え、上記水素燃料噴射装置およびターボチャージャー（またはスーパーチャージャー）が、水素ガスを用いているエンジンを作動するため上記プロセッサで制御されている。ガソリンよりも出力の低い水素ガスを用いるとき、エンジンは、好ましくはチャージモード（ターボチャージャーまたはスーパーチャージャー）およびリーンモードでクオリティコントロールを用いて作動する。その結果として、例えばガソリンのような液体燃料と比較した、例えば水素や他の気体燃料で作動することにより生じるエンジン出力の損失を、本発明の方法、装置、およびシステムを用いることによって著しく低減することができる。
【００１８】
本発明の方法、装置、およびシステムは、特定のエンジン出力を作り出す第１燃料で作動するよう設計されたエンジンを備えている。このエンジンは、上記特定のエンジン出力より低いエンジン出力を作り出す第２燃料でも作動するよう設計されている。このエンジンは、第２燃料が用いられているときにエンジン出力の損失を著しく低減するため、プロセッサ制御空気ポンプで調整、改良される。作動中空気ポンプを用いているとき、エンジンがチャージされると考えられている。このエンジンはまた、第２燃料のための燃料インテークシステムで改良される。第２燃料を用いる時、このエンジンは、効率を改良するためにリーンモードで作動されると同時に、クオリティコントロールを用いている。水素（または他の種類の燃料）で駆動するためエンジンを調整することは、上記作動を可能にする特定の値に対するエンジンパラメータを決定し、算出し、設定することを含む。エンジンを改良することとは、本発明の方法に従って作動するために本発明の装置の様々な構成要素を備えた自然吸気エンジン、ターボチャージャー搭載エンジン、あるいはスーパーチャージャー搭載エンジンを改良および／または調整することを言う。
【００１９】
本発明は、エンジンに連結され得る空気ポンプと、エンジン上または内に搭載可能な第２燃料のための燃料インテークシステムあるいはアセンブリと、第２燃料を用いているエンジンを選択的に作動させるため燃料インテークおよび空気ポンプを制御するプロセッサとを備えている。燃料インテークアセンブリは、第１燃料および第２燃料のための燃料搬送システム（例えば、第１燃料および第２燃料のための燃料噴射装置）を有している。エンジンを第１燃料で作動させるため同じプロセッサを用いることができる。第２燃料を用いているとき、本発明のプロセッサは、チャージモードでエンジンを作動させるよう空気ポンプを制御して、エンジン出力を上昇させる。そして、このプロセッサは、好ましくはリーンモードでエンジンを作動させ、クオリティコントロールを用いながらエンジンの効率を上昇させる。結果として、自然吸気エンジンは、チャージモードにおいて第２燃料で作動するとき、出力損失を著しく低減し、リーンモードオペレーションとクオリティコントロールとを用いて効率的に作動する。チャージモードとは、空気ポンプでエンジンを作動させることを言う。この空気ポンプは、エンジンの排気ガスで作動する、および／または、エンジンの排気ガスを原動力とするターボチャージャーにすることができる。この空気ポンプはまた、プロセッサからの電気的または電子的制御信号により作動するスーパーチャージャー（あるいは他のポンプ）であってもよい。結果として、エンジンは、チャージモードで作動するとき、第１燃料を用いた出力と同じ出力を、第２燃料を用いて作り出すことができる。
【００２０】
本発明の第１実施形態において、本発明の装置、システム、および方法は、第１燃料で作動され、第２燃料を用いるときにターボチャージャーでも作動される自然吸気エンジン（例えばガソリンエンジン）を改良、調整する。このターボチャージャーは、第２燃料で適切に作動するため選択され、エンジンがチャージモード（ターボチャージャーが作動される）で、好ましくは例えば排気ガスのエンタルピーが第１燃料の排気ガスのエンタルピーよりも小さい水素ガスまたは他の燃料である第２燃料を用いてリーンモードで作動できるようにする。自然吸気作動において第２燃料でエンジンを作動することは、エンジンの出力損失をもたらす。しかし、第２燃料（例えばガス燃料）でのチャージモードにおけるエンジンの作動は、第２燃料の燃焼により生じる排気ガスをターボチャージャーの駆動に用いることによって、エンジンの出力損失を著しく低減する。従って、エンジンの出力は、チャージモードにおいてクオリティコントロールを用いながらエンジン内に噴射されている第２燃料の量により制御される。クオリティコントロールは、エンジンのスロットルを広く開いた位置、すなわち、エンジン内に供給される空気の流れがスロットル位置により制限されない位置で維持する技術である。広く開いた位置は、スロットルの設計およびエンジンの速度に応じて、エンジンの種類によって異なる。従って、「広く開いた（wide open）」とは、エンジン内に流れ込む空気（ターボチャージャー、スーパーチャージャー、あるいは空気ポンプによりエンジン内に供給される空気）を制限しないような位置にスロットルを開口することをいう。結果として、第２燃料を用いているエンジンの出力損失は著しく低減され、エンジンは効率的に作動する。この実施形態では、ターボチャージャーは、可変タービンジオメトリー（Variable Turbine Geometry（VTG））ターボチャージャーであってもよい。
【００２１】
本発明の第２実施形態において、本発明の装置、システム、および方法は、ターボチャージャー搭載エンジンまたはスーパーチャージャー搭載エンジン（すなわち、最初からターボチャージャーまたはスーパーチャージャーを考慮して設計されているエンジン）を改良、調整して、好ましくはリーンモードにおいて、このエンジンが第２燃料で作動できるようにする。
【００２２】
第２実施形態では、ターボチャージャー搭載エンジンの場合、第２燃料で適切に作動するために選択される第２ターボチャージャーが加えられる。このようなターボチャージャーは、第２燃料（例えば水素）で作動する間駆動されている一方、最初から設けられているターボチャージャーは、この作動中、駆動していないか、無視される。また、プロセッサ制御スーパーチャージャーは、第２燃料を用いるとき、チャージモードでエンジンを作動するために用いることができる。
【００２３】
第２実施形態では、スーパーチャージャー搭載エンジンの場合、第２燃料（例えば水素）がエンジンで用いられるとき、適切な空気量をエンジンに供給するために、適切な電力容量で、スーパーチャージャーを作動する（すなわち、電気的または電子的に制御する）ことができる。また、第２燃料の燃焼により生じる排気ガスを用いているエンジンをチャージモードで作動するために、ターボチャージャーをエンジンに加えることができる。結果として、第２ターボチャージャーを加える、あるいは、スーパーチャージャーを使用する場合に、第２燃料の使用に起因する出力損失が著しく低減される。第１実施形態と同様に、第２燃料が使用されているとき、リーンモードオペレーション中にクオリティコントロールが用いられる。つまり、エンジン効率を改良するためにリーンモードで第２燃料を用いるとき、エンジンのスロットルは、広く開いた位置で維持される（すなわち、スロットルへの空気流を制限しない）。このとき、エンジンの出力は、エンジン内に噴射されている第２燃料の量によって制御される。
【００２４】
本発明の第３実施形態において、装置、システム、および方法は、ターボチャージャー搭載エンジンが改良、調整され、最初から設けられているターボチャージャーが取り除かれ、第１燃料または第２燃料の排気ガスで作動するよう設計された新たなターボチャージャーに置き換えられる。第１燃料の燃焼により生じる排気ガスは、特定の第１エンタルピーすなわちエンタルピー範囲を有している。第２燃料の燃焼により生じる排気ガスは、特定の第２エンタルピーすなわちエンタルピー範囲を有している。この実施形態および他の実施形態では、燃料の燃焼は、適量の空気と共に燃料を燃焼することを意味すると理解される。この新しいターボチャージャーは、第１燃料の燃焼または第２燃料の燃焼により生じる排気ガスで作動する（すなわち適切に駆動する）ことができるよう設計されている。このようなターボチャージャーの詳細な例の１つは、比較的広い温度範囲の排気ガスで作動するよう設計されたＶＴＧターボチャージャーである。このタイプのＶＴＧターボチャージャーを、以下、スーパーＶＴＧターボチャージャーという。上記スーパーＶＴＧターボチャージャーは、例えば、ガソリンの燃焼または水素の燃焼により生じる排気ガスで作動させることができる。このスーパーＶＴＧターボチャージャーは、多くの場合、第１燃料または第２燃料で作動するよう用いられ得る。他の実施形態と同様に、このスーパーＶＴＧターボチャージャーは、好ましくはリーンモード時に、クオリティコントロールを用いて、エンジンが第２燃料で作動されるときに、エンジン出力の損失を低減する。この実施形態では、スーパーチャージャー搭載エンジンに関して、同様のターボチャージャーを用いてもいいし、異なる種類の燃料でエンジンを適切に作動させるためにプロセッサによってスーパーチャージャーを制御してもよい。
【００２５】
第１燃料がガソリンであり、第２燃料が水素である場合、ユーザにより選択して、ガソリンエンジンまたは水素エンジンとしてエンジンを作動することができる。水素および水素ガスという言葉は、以下、請求項に記載された発明で使用できる様々な状態の水素を示すため、同じ意味で用いられる。この場合において、本発明の装置、システム、および方法は、プロセッサと、エンジンに連結されると共に第２燃料で適切に作動させるために選択されるターボチャージャー（またはスーパーチャージャー）として実施される空気ポンプと、エンジン上に搭載される水素燃料噴射装置およびガソリン燃料噴射装置で実施される燃料インテークアセンブリとを備え、上記水素燃料噴射装置およびターボチャージャー（またはスーパーチャージャー）が、水素ガスを用いているエンジンを作動するため上記プロセッサで制御されている。ガソリンよりも出力の低い水素ガスを用いるとき、エンジンは、好ましくはチャージモード（ターボチャージャーまたはスーパーチャージャー）およびリーンモードでクオリティコントロールを用いて作動する。その結果として、例えばガソリンのような液体燃料と比較した、例えば水素や他の気体燃料で作動することにより生じるエンジン出力の損失を、本発明の方法、装置、およびシステムを用いることによって著しく減少することができる。
【００２６】
注目すべきは、空気と第２燃料の混合物が、空気と第１燃料の混合物よりも発熱量が少ない（すなわち、エネルギー含量が少ない）場合には、第２燃料の排気ガスのエンタルピーが、第１燃料の排気ガスのエンタルピーよりも小さいことである。第１燃料からの排気ガスは、エンジン内での第１燃料の燃焼により生じる。同時に、第２燃料からの排気ガスは、エンジン内での第２燃料の燃焼により生じる。
【００２７】
また注目すべきは、本発明の装置、システム、および方法は、ガソリンまたは圧縮天然ガス（ＣＮＧ）で作動させるために改造されるガソリン内燃エンジンおよびディーゼル内燃エンジンを含む、オットーサイクルエンジンと呼ばれるエンジンに適合することである。例えば、（１）ＣＮＧで駆動する内燃エンジン、または（２）ガソリンで駆動する内燃エンジンのようなオットーサイクルエンジンにディーゼルエンジンを変換することができることは良く知られている。
【００２８】
さらに注目すべきは、スーパーチャージャー搭載エンジンの場合の第２実施形態および第３実施形態では、本発明の装置、システム、および方法は混合燃料で作動することができることである。混合燃料での作動とは、エンジンチャンバ内の第１燃料、第２燃料、および空気の混合物に点火する結果として燃焼が発生するように、第１燃料および第２燃料をエンジンのチャンバ内に噴射することをいう。つまり、これらの実施形態を作動するために用いられる燃料は、第１燃料および第２燃料の両方、即ち混合燃料を含んでいる。この混合燃料は、第１燃料の一部と第２燃料の一部とを含んでいる。第１燃料および第２燃料の関連のある部分は、混合燃料の燃焼により生じる排気ガスのエンタルピーを決定する。
【００２９】
本発明は、第１燃料（例えば、ガソリン）または第２燃料で作動するバイフューエルエンジンとの関連で記載されている。ターボチャージャーまたはスーパーチャージャーまたは任意の良く知られたタイプの空気ポンプを用いて、水素ガスを燃やすため、従来の自然吸気自動車ガソリンエンジンを改良、調整することができる。水素（または他の種類の燃料）で駆動するようエンジンを調整することは、上記作動を可能にする特定の値に対するエンジンパラメータを決定し、算出し、設定することを含む。エンジンを改良することとは、本発明の方法に従って作動するために、本発明の装置の様々な構成要素を備えた自然吸気エンジン、ターボチャージャー搭載エンジン、あるいはスーパーチャージャー搭載エンジンを改良および／または調整することを言う。
【００３０】
エンジンを改良することができる一つの方法は、例えば、ハウジング、このハウジングに収納されたプロセッサ、プロセッサ制御空気ポンプ（例えば、ターボチャージャー、スーパーチャージャー）、プロセッサ制御スロットル、電気アクセルペダル、およびプロセッサ制御燃料インテークアセンブリ（例えば、予め穴が開けられたインテークマニホールド、および第１の燃料および第２の燃料のための燃料噴射装置）等の多様な構成要素を備えているクロスプラットフォームキットから構成要素を使用することである。つまり、本発明の装置は、クロスプラットフォームキットとして準備あるいはパッケージ化される。インテークマニホールドの予め開けられた複数の穴は、クロスプラットフォームキットの一部でもある第１燃料噴射装置および第２燃料噴射装置を取り付けるため、適切な直径を有している。例えば、第１燃料としてのガソリンおよび第２燃料としての水素で作動するバイフューエルエンジンになるよう改良されているエンジンには、予め開けられた複数の穴が燃料噴射装置を搭載できる開口であるインテークマニホールドを取り付けることができる。また、第１燃料噴射装置および第２燃料噴射装置は、これらの噴射装置がそれぞれの燃料をエンジンのシリンダまたはチャンバに直接噴射できるように、エンジンまたはエンジンの近隣に取り付け、あるいは配置することができる。この技術は直接噴射と呼ばれる。上記クロスプラットフォームキットは、プロセッサ１０２への制御線および入力線を介してプロセッサ１０２に連結可能な電気アクセルペダルをさらに備え、プロセッサが時間内に特定の瞬間のペダル位置を決定することができるようにしている。「クロスプラットフォーム」という言葉は、異なる種類の内燃エンジンを改良するために、同じあるいは同様のキットを使用するための能力のことをいう。エンジンのサイズおよび設計におけるバリエーションに関して、クロスプラットフォームキットの特定の構成要素を変更することもできるが、クロスプラットフォームキットの構成要素の基本セットは、実質的にエンジン毎に同じままである。例えば、インテークマニホールドは、大きくすることも小さくすることもできるし、異なるエンジンに対して異なる形状にすることもできるが、インテークマニホールドの基本構成要素は、全てのクロスプラットフォームキット対して不変である。上記クロスプラットフォームキットの代替バージョンは、プロセッサを含まない。その代わりに、改良されているエンジンのＥＣＵ（電子コントロールユニット）上に、本発明の方法によりエンジンを作動させるための命令を有するソフトウェアをダウンロードすることができる。このダウンロードされたソフトウェアは、エンジンを適切に作動させるため、ＥＣＵに存在しているソフトウェアを実行することができる。従って、上記クロスプラットフォームキットは、エンジンを改良するため従来の（自然吸気、ターボチャージャー搭載、あるいはスーパーチャージャー搭載）エンジンに適切に取り付けられているとき、このエンジンが、複数の燃料の内の少なくとも１つが非炭素系燃料（例えば水素）にすることができるバイフューエルエンジンとして作動することができるようにする構成要素のグループである。
【００３１】
しかし、当然のことながら、特に本発明の方法、装置、およびシステムに従って作動するよう最初から設計されているエンジンを用いることもできるので、本発明は、改良されたエンジンに限定されない。つまり、本発明の方法、装置、およびシステムに従って作動するよう最初から設計、製造されたエンジンで、本発明を実施することができる。また当然のことながら、本発明の方法、装置、およびシステムは、図２に示されている特定の改良された従来型ガソリンエンジンに限定されない。図２の特定のエンジンは説明を容易にするために用いられる。水素（即ち水素ガス、Ｈ２）で内燃エンジンを作動させるとき、本発明の方法、装置、およびシステムは、低いエンジン速度（即ち低いエンドトルク）で高い出力を可能にすると共に、低いエンジン速度で酸化窒素排出を低減する。ここで用いられている水素および水素ガスという言葉は、請求項に記載された発明で使用できる様々な状態の水素を示すため、同じ意味で用いられる。
【００３２】
本発明の装置、システム、および方法は、本願明細書に説明されているように、様々な実施形態に関して説明されている。当然のことながら、本願明細書で説明されている実施形態は、本発明の範囲を少しも限定しない。この発明が属する分野の当業者は、本願開示を読んだ後に、本願明細書に開示されているものとは異なるが、十分請求項に記載されている発明の範囲内にある他の実施を用いて、本発明の装置、システム、および方法を実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
以下、本発明の態様および実施形態を次の図面により説明する。
【図１】図１は、本発明の装置およびシステムの一実施形態を示している。
【図２】図２は、本発明の方法のフローチャートを示している。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
図１は、本発明の装置およびシステムの一実施形態を示している。プロセッサ１０２は、弁１４０、ウェイストゲート１７８、弁１３６，１５０，１５２、スロットル１３０、ガソリン燃料噴射装置１２６、および水素燃料噴射装置１２８をそれぞれ制御するために、複数の制御線１０４，１８０，１０６，１０８，１１０，１１２，１１４，１１６を有している。このプロセッサには、Ｎが１より大きい整数であるＩ１，Ｉ２，・・・，ＩＮのインプットがある。プロセッサ１０２は、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、あるいは本明細書で説明されているエンジンを制御および作動するためにプログラムすることができる任意のコンピュータにすることができる。また、プロセッサ１０２のタスクを実行するために、自動車エンジン電子コントロールユニット（ＥＣＵ）をプログラムすることができ、それによって独立したプロセッサ１０２の使用を避ける。上記インプットは、様々なエンジンセンサ、モニタ、および状態インジケータからの信号である。例えば、インプットは、エンジン圧力、エンジン速度、エンジン温度、給気圧、真空ポンプ作動、アクセルペダル位置、スロットル位置、Ｈ２センサ出力、λセンサ出力、および空気流量センサ出力などの様々なエンジンパラメータを含むことができる。解析時にエンジンの状態およびその作動を反映するエンジンパラメータは可変である。１以上のエンジンパラメータの値は、エンジンの作動を制御するために、処理され、操作され、および／または修正され得る。水素（または任意の他の燃料）でエンジンを作動させるための調整は、上述のオペレーションを可能にするための様々なエンジンパラメータを決定し、算出し、設定することを含む。インプット信号は、プロセッサに信号を運ぶための任意の周知の方法によって、プロセッサ１０２に到達する。例えば、上記信号は、無線通信方式の一部、光信号、電気信号、および／または電子信号にすることができる。プロセッサ１０２は、ウェイストゲート１７８および弁１５０，１５２の制御を通じて、間接的にターボチャージャーの作動を制御する。このターボチャージャーは、圧縮機１４４を駆動するシャフト１４６に連結されたタービン１４８を備えている。弁１３６，１４０は、それぞれ吸気管１７０，１６０内に、または吸気管１７０，１６０に沿って配置され、共にスロットル１３０に連結されているこれらの吸気管１７０，１６０内で空気流を制御する。弁１５０，１５２は、それぞれ排気パイプ１６２，１５８内に、または排気パイプ１６２，１５８に沿って配置され、排気パイプ１５４を介して触媒式排ガス浄化装置１５６に共に連結されているこれらの排気パイプ１６２，１５８内で排気ガス流を制御する。弁１５０，１５２は、排気パイプ１５８を通ってウェイストゲート１７８およびターボチャージャー１４４，１４６，１４８を迂回するよう排気ガスを送る働きをする。ウェイストゲート１７８は、排気パイプ１６３に沿って、または排気パイプ１６３内に配置され、ターボチャージャーを連動させるために送られる排気ガスの少なくとも一部に対するターボチャージャー迂回路として働くこの排気パイプ１６３を通って流れる排気ガスを制御する。
【００３５】
エンジン１３４は、プロセッサ制御ガソリン燃料噴射装置１２６と、プロセッサ制御水素燃料噴射装置１２８とが搭載されているインテークマニホールド１３２を備えている。この第２燃料および／または第１燃料のための燃料噴射装置は、一般に直接噴射と呼ばれる配置のため、エンジンのチャンバ内に配置することもできる。ガソリン燃料は、燃料タンク１１８から燃料線１２２を介してガソリン燃料噴射装置１２６に搬送される。水素ガス燃料は、燃料タンク１２０から燃料線１２４を介して水素ガス燃料噴射装置１２８に搬送される。エンジン１３４は、排気パイプ１６２が伸びるエキゾーストマニホールド１３８をさらに備えている。エンジン１３４の作動中、排気ガスは、排気パイプ１６２を通って排出され、ターボチャージャーのタービン１４８を連動させるようルートが決められる、あるいは、排気パイプ１５８を通って触媒式排ガス浄化装置１５６に排気ガスを送ることによってターボチャージャーを迂回させられ、外部環境に排出される。水素よりも高い出力をもたらす第１燃料としてのガソリンでの作動は、これから論じられる。
【００３６】
第１燃料としてガソリンを用いるとき、本発明の方法、装置、およびシステムは、上記各種弁を制御して、ターボチャージャーを作動させないようにする。従って、エンジンをチャージモードで作動させない。特に、エンジン１３４の吸気側では、プロセッサ１０２がスロットル１３０およびガソリン燃料噴射装置１２６を制御して、エンジンのパラメータに基づいて、周知の方法で、適量のガソリンを噴射すると共に、適量の空気をインテークマニホールド１３２に吸い込む。エンジン１３４は自然吸気であるので、プロセッサ１０２は弁１４０を開放し、図に示されているように、経路１６８，１８２を利用して、吸気管１６０を通って空気がスロットル１３０に吸い込まれるようにする。プロセッサ１０２は、スロットル１３０の位置を制御して、エンジン１３４のチャンバ内の噴射されたガソリンと混ぜ合わせるための適切な空気比率を提供する。エンジン１３４の排気側では、エキゾーストマニホールド１３８のパイプ１６２から出て来る排気ガスは、図に示されているように、経路１６６を通って排気パイプ１５８を経由する。排気ガスが通る経路は、プロセッサ１０２が弁１５２を開放し、弁１５０を閉鎖することによりもたらされ、排気ガスがタービン１５８を連動させない。排気ガスは、排気パイプ１５８を通って排気パイプ１５４に向かい、触媒式排ガス浄化装置１５６に流れることによってターボチャージャーを迂回し、その後周囲に排出される。燃料選択スイッチ（図示せず）の使用を通じて、例えば水素のような第２燃料に作動を切り替えたいと思うかもしれない操作者によって、ガソリンを用いるエンジンのオペレーションを選択することができる。非チャージモードにおける自然吸気エンジンでは、空気はエンジン内に吸い込まれ、ターボチャージャーまたは空気ポンプを使用しない。チャージモードにおいて、ターボチャージャーは第２燃料の排気ガスを用いて作動される。これから、各種実施形態のチャージモードオペレーションを説明する。
【００３７】
また図１を参照すると、エンジンが自然吸気である第１実施形態では、タービン１４８、シャフト１４６および圧縮機１４４がターボチャージャーを構成している。チャージモードにおいて、ターボチャージャーのタービン１４８を連動させると共に、経路１７２を介して触媒式排ガス浄化装置１５６に送られ続ける排気ガスによって、ターボチャージャーを始動させる。この経路は、プロセッサが弁１５２を閉鎖し、弁１５０を開放することによりなされ、排気ガスがターボチャージャーのタービン１４８を連動させるようにする。そのとき、タービン１４８は、圧縮機１４４を作動させるシャフト１４６を回転させて、上記圧縮機１４４が、経路１７４，１７６を介して外気をスロットル１３０に供給する。弁１４０もまた、プロセッサ１０２により閉じられる。スロットル１３０への途中で、空気は中間冷却器により冷却される。ウェイストゲート１７８は、プロセッサにより開閉され、エンジンの給気圧を制御する。つまり、排気ガスの一部は、経路１６４により示されているように、排気パイプ１６３を介してタービンを迂回する。
【００３８】
第２実施形態では、タービン１４８、シャフト１４６、および圧縮機１４４は第２ターボチャージャーを構成する。スーパーチャージャーを用いる場合、図１に示されている第２ターボチャージャーは、スーパーチャージャーすなわち電子制御空気ポンプ（図示せず）と置き換えられる。説明を容易にするため、最初から設けられているターボチャージャーは示されていないが、図１に示されている追加された第２ターボチャージャーと同じ方法で配置されると理解される。第２ターボチャージャーは、第１チャージモードペレーションで説明されているように、同様の方法で始動される。つまり、第２ターボチャージャーは、第２燃料の排気ガスを用いて第1実施形態の方法と同様の方法で始動される。スーパーチャージャー搭載エンジンの場合、最初から設けられているスーパーチャージャーは、プロセッサ１０２からの制御信号を介して始動される。また、スーパーチャージャー搭載エンジンでは、第２燃料を使用するエンジンを作動するため最初から設けられているスーパーチャージャーを用いる代わりに、第２ターボチャージャーを用いることができる。第２燃料を用いるとき、好ましくは、リーンモードでクオリティコントロールを用いてエンジンが作動する。
【００３９】
第３実施形態では、示されているターボチャージャーは、定められた範囲の排気ガス温度および／またはエンタルピーすなわちエンタルピー範囲で作動するよう設計されたターボチャージャー（例えば、スーパーＶＴＧターボチャージャー）にすることができ、第１燃料または第２燃料での作動中に、このターボチャージャーを始動させることができる。このターボチャージャーは、図１で説明され示されている方法と同様の方法で第２燃料の排気ガスを用いて始動される。第２燃料を用いるとき、好ましくは、リーンモードでクオリティコントロールを用いてエンジンが作動する。
【００４０】
水素は、「リーン」オペレーションといわれるオペレーションのために、水素と空気を適切に混合した状態で、内燃エンジンによって燃料として用いることができるということに注意しなければならない。特定のエンジンに応じて、λ値の各種範囲に対する水素でのリーンモードオペレーションは、有毒排気ガスをほとんど排出し無いか全く排出しないという結果をもたらす。本発明は、第２燃料として水素に限定されない。他の非炭素系燃料を水素の代わりに用いることができる。非炭素系燃料は、内燃エンジンで燃焼可能な物質であり、原子または分子成分がいずれも炭素ではない物質である。
【００４１】
エンジンの操作者は、どちらの燃料でエンジンを作動するかを決定するために、燃料選択スイッチ（図示せず）を操作することができる。この燃料選択スイッチ（図示せず）は、インプットＩ１，・・・，ＩＮの１つとしてプロセッサ１０２に連結または接続することができる。燃料選択スイッチは、どちらの燃料でエンジンを作動するかをプロセッサに表示する。
【００４２】
上記燃料選択スイッチが第２燃料（例えば水素オペレーション）に設定されるとき、本発明の方法、システム、および装置は、プロセッサ１０２でエンジンを作動させ、クオリティコントロールを用いてエンジンの吸気側（すなわち、エアインテーク（空気取入口）と燃料インテーク（燃料取入口））および排気側を制御する。第２燃料は、好ましくはリーンモードでエンジンを作動させるため空気と混合される。プロセッサ１０２は、水素ガスをエンジンに噴射するため制御線１１６を介して水素燃料噴射装置１２８を制御して、エンジンの燃料インテークを制御する。プロセッサ１０２は、スロットル１３０を開放して、広く開いた位置でスロットル１３０を維持する（空気流を制限しないようにスロットル１３０を開放する）。これがクオリティコントロールと呼ばれる。エンジン出力の増加が必要である場合、噴射されている燃料の量を増加させる。さらに、プロセッサ１０２は、弁１５２を閉鎖して、弁１５０を開放することによってターボチャージャー１４４，１４６，１４８を始動させる。これにより、排気ガスがタービン１４８を連動させることができるので、シャフト１４６が回転自在に圧縮機１４４を連動または駆動させて、外気が吸気管１７０に供給される。エンジンの吸気側では、経路１７６を通ってスロットル１３０に供給された空気を送るため、プロセッサ１０２は弁１３６を開放し、弁１４０を閉鎖して、エンジンのエアインテークを制御する。外気がスロットル１３０（広く開いた位置で維持されている）に流れるとき、吸気管１７０に沿って配置されている任意の周知冷却装置によって冷却される。さらに、プロセッサ１０２は制御線１８０を介してウェイストゲート１７８を制御して、一部の排気流が、経路１６４，１７２を介して排気パイプ１６３を通ってターボチャージャーを迂回できるようにし、エンジンの給気圧を修正する（すなわち、増加または減少させる）ためにターボチャージャーを連動させる排気ガスの量を制御して、エンジンの出力を制御する。
【００４３】
本発明の装置は、第２燃料として水素ガスを用いてバイフューエルエンジンとして作動するよう改良、調整されたガソリンエンジン自動車に関して説明されてきた。本発明の装置で用いる第２燃料として、圧縮天然ガス（ＣＮＧ）等の他の燃料を用いることもできる。また、本発明の装置の第１燃料としてエタノールを用いることもできる。ガソリン（またはエタノール等の他の液体燃料）からなる第１燃料と、例えば水素または他のガス燃料である第２燃料とで作動するよう作られている最初から設計されたエンジン（改良する必要がない）を、本発明の装置の一部として用いることもできる。さらに、請求項に記載された発明で作動するために改良されたものであれ、最初から設計されたものであれ、エンジンは、自然吸気エンジン、ターボチャージャー搭載エンジン、あるいはスーパーチャージャー搭載エンジンにすることができる。
【００４４】
当然のことながら、図１は、本発明の属する分野の当業者が考えつくであろう様々な変更を加えて、内燃エンジンが、説明されているように作動するよう調整、改良されているシステムを示すこともできる。例えば、本発明のシステムは、電気を生成するために用いることもでき、このシステムの各種部品は同一場所に配置されているのではなく、互いから比較的遠く離れて配置されている。例えば、プロセッサは、エンジンおよび燃料搬送システムから何マイルも離れていてもよく、伝達システムを介してこれらの構成要素を制御する。一般に、システムの各種部品が同一場所に配置されていないと考えられている場合、これは、運搬可能である装置または自動車等の運搬可能なシステムの一部である装置に組み合わせることができない各種部品の配置を参照する。各種排気パイプ（例えば１５８，１６２，１６３）および吸気管（例えば１６０，１７０）は、比較的にかなり長くすることができるが、空気流を可能にするために追加のポンプが必要になる場合がある。さらに、プロセッサ１０２の制御線および入力線は、光システム、ツイストペア線電気システム、あるいは無線通信システムとして実現できる総合通信システムの一部であってもよい。
【００４５】
本発明の方法は、図２に示されている。図２において、エンジン１３４は特定出力の第１燃料または第２燃料で作動している。上記第２燃料は、第１燃料よりも作り出す出力が小さい。エンジン１３４は、改良、調整された自然吸気エンジンに、あるいは、最初から設計されたターボチャージャー搭載エンジンまたはスーパーチャージャー搭載エンジンにすることができる。ステップ２０２において、電源がオンされる。プロセッサ１０２および関連アクチュエータ（図示せず）を始動させる。この関連アクチュエータは、弁、スロットル、ウェイストゲート、およびターボチャージャーの一部であってもなくてもよい。プロセッサ１０２は、エンジンの始動前に、操作者によって操作することができる燃料選択スイッチ（図１に示していない）の状態を読み取る。
【００４６】
ステップ２０４において、本発明の方法は、エンジンの操作者によりどちらの燃料が選択されたかを決定する。特に、プロセッサ１０２は、燃料選択スイッチの状態を読み取る。ステップ２０４において、第２燃料が選択されたことをプロセッサが決定した場合、本発明の方法はステップ２１０に進む。第２燃料が作り出すエンジン出力は低いため、本発明の方法はチャージモードでエンジンを作動させる。このチャージモードでは、空気ポンプ（例えばターボチャージャーまたはスーパーチャージャー）が、クオリティコントロールを用いて、大気圧よりも高い圧力で空気をエンジン内に供給するために用いられる。ターボチャージャーまたはスーパーチャージャーで改良された自然吸気エンジンでは、第２燃料が選択されたとき、チャージモードで（すなわち、ターボチャージャーまたはスーパーチャージャーを始動させて）エンジンを作動させるようプロセッサ１０２がプログラムされている。
【００４７】
ステップ２１０において、第１実施形態では、プロセッサ１０２は、上記で説明されたチャージモード、好ましくはリーンモードでクオリティコントロールを用いて、エンジンが作動するよう弁を設定する。特に、ステップ２１２において、プロセッサ１０２は、先に述べたように、エンジン１３４に供給される空気量を制御するために、ターボチャージャー１４４，１４６，１４８、ウェイストゲート１７８、およびスロットル１３０を作動させるよう排気ガスを別ルートで送る。チャージモードにおいて、スロットル１３０は、広く開いた位置で維持され得る（すなわち、クオリティコントロールを用いる）。スーパーチャージャーで改良された自然吸気エンジンでは、プロセッサ１０２は、適量の空気がエンジンに供給されるよう、このスーパーチャージャーを制御、作動する。第２実施形態では、先に述べたように、第２燃料の排気ガスを用いて第２ターボチャージャーを始動させ、そして、駆動または作動させる。最初から設けているターボチャージャーを停止させる。また、第２ターボチャージャーを追加する代わりに、第２燃料で作動させるときにリーンオペレーションを伴うチャージモードでクオリティコントロールを用いてエンジンを作動させるために、プロセッサ制御スーパーチャージャーを追加することができる。スーパーチャージャー搭載エンジンの場合、スーパーチャージャーは始動され、チャージドオペレーションでは第２燃料に対してクオリティコントロールを用いて、プロセッサ１０２からの制御信号によって適切に作動する。また、スーパーチャージャー搭載エンジンでは、先に述べたように、チャージモード、リーンオペレーションでクオリティコントロールを用いてエンジンを作動するため、ターボチャージャーを追加することができる。第３実施形態では、定められた温度範囲を有するターボチャージャー（例えば、比較的広い温度範囲を有するＶＴＧターボチャージャー、すなわちスーパーＶＴＧターボチャージャー）は、図１に記載されているように、第２燃料の排気ガスを用いて始動される。この定められた温度範囲を有するターボチャージャーは、第１燃料または第２燃料の排気ガスで作動するよう設計することができる。クオリティコントロールは、第２燃料が選択されたとき、３つの実施形態全てのエンジンを作動させるために用いられる。さらに、全ての実施形態に対して、第２燃料が選択されたとき、好ましくはリーンモードでエンジンを作動する。
【００４８】
ステップ２０４に戻り、第１燃料が選択されたことを燃料選択スイッチがプロセッサ１０２に示す場合、本発明の方法はステップ２０６に進む。ステップ２０６において、第１実施形態（すなわち、自然吸気エンジン）では、本発明の方法は、先に述べたように、非チャージモードでエンジンを作動する。第１実施形態では、第１燃料が選択されたときエンジンを非チャージモードで作動させるようプロセッサ１０２がプログラムされている。特に、プロセッサ１０２は、複数の弁を設定し、ターボチャージャーの使用を避けるよう燃料噴射装置を制御する。
【００４９】
第１実施形態において、第１燃料を用いている自然吸気エンジンでは、スロットル１３０は、エンジン１３４の作動を制御するため（スロットルの可変開口を）必要に応じて制御することができ、必ずしも固定された開放位置で維持されなくてもよい。第２実施形態および第３実施形態（ターボチャージャー搭載エンジンおよびスーパーチャージャー搭載エンジン）では、プロセッサ１０２は、エンジンを設計通りに作動させる。
【００５０】
ステップ２０８において、第１実施形態では、プロセッサ１０２がスロットルおよび燃料噴射装置を制御して、スロットル１３０および第１燃料のガソリン燃料噴射装置１２６を適切に制御する自然吸気エンジンとしてエンジンを作動させる。第２実施形態において、プロセッサ１０２は、スロットルおよび燃料噴射装置を制御して、最初から設けられているターボチャージャーまたはスーパーチャージャーを設計通りに使用してエンジンを作動させる。同様に、第３実施形態において、プロセッサは、スロットル、燃料噴射装置、および定められた温度範囲で設計通りに作動するターボチャージャーを制御する。このようなターボチャージャーは、第１燃料または第２燃料の排気ガスで作動するよう設計することができる。
【００５１】
本発明の方法は、第１燃料または第２燃料を使用するエンジンを作動させる。そのため、本発明の方法は、例えば、好ましくはリーンモードで第２燃料を用いて、そして、クオリティコントロールを用いてエンジンを作動させる作動モードと、第１燃料を用いてエンジンを設計通りに作動させる作動モードとを繰り返すことができる。本発明の方法は、エンジンの操作者が要求する複数の作動モードを繰り返すことができる。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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