(57)【要約】非許容空燃比を避けながら、様々な許容空燃比で一次燃料として水素、二次燃料としてガソリンを燃焼するよう調整されたバイフューエルエンジンとして作動するよう従来型ガソリンエンジンが改良される。このエンジンは、好ましくは、特定の許容空燃比において、ＮＯＸ排出物が比較的発生しないチャージモードおよびリーンモードで水素燃料を燃焼させるよう作動する。更なる出力または加速が要求されたとき、プロセッサ制御燃料噴射装置は、上記エンジンに比較的少ない量のガソリンを噴射するよう作動する。結果として、触媒式排ガス浄化装置が環境への有毒排出物を最も減少させることができる化学量論的空燃比で作動するよう、プロセッサが上記エンジンを制御するため、ＮＯＸ排出物の増加を防ぐ燃料混合物をもたらす。二次液体ガソリン燃料をガス水素燃料に噴射することによって、これらの燃料の温度を著しく低下させる。すなわち、上記エンジンの逆火傾向を取り除く。上記エンジンは、水素の漏出が検出された場合に水素燃料を止める安全機能を有する。このとき、上記エンジンは、バックアップ燃料としてガソリンを用いて作動する。
2013528260.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイフューエルエンジンを制御するための装置であって、
上記エンジンに連結されるプロセッサと、
上記エンジンおよび上記プロセッサに連結されると共に、空気を上記エンジンに供給するよう上記プロセッサで制御される空気ポンプと
を備え、
上記プロセッサはさらに、非許容λ値を避けて許容λ値で、一次燃料を用いて、好ましくはリーンモードで上記エンジンを作動させるようエンジンの燃料インテークを制御すると共に、１以上のエンジンパラメータ値に基づいて、許容λ値で、好ましくはリーンモードで上記エンジンを作動させ、かつ、非許容λ値での作動をさけるため、適量の上記一次燃料および二次燃料を上記エンジン内に噴射するよう上記燃料インテークを制御し、λが化学量論的空燃比に対する実際の空燃比であ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、
上記燃料インテークは、上記一次燃料のためのプロセッサ制御燃料噴射装置と、上記二次燃料のためのプロセッサ制御燃料噴射装置とを備えることを特徴とする装置。
【請求項３】
請求項２に記載の装置において、
上記一次燃料のためのプロセッサ制御燃料噴射装置および上記二次燃料のためのプロセッサ制御燃料噴射装置は、上記エンジンの燃焼チャンバ内に燃料が直接噴射されるように、上記エンジンのインテークマニホールドに搭載されていることを特徴とする装置。
【請求項４】
請求項２に記載の装置において、
上記一次燃料のためのプロセッサ制御燃料噴射装置が一次燃料線に連結され、かつ、上記二次燃料のためのプロセッサ制御燃料噴射装置が二次燃料線に連結され、さらに、上記一次燃料線が一次燃料タンクに連結され、かつ、上記二次燃料線が二次燃料タンクに接続されることを特徴とする装置。
【請求項５】
請求項２に記載の装置において、
上記一次燃料のためのプロセッサ制御燃料噴射装置および上記二次燃料のためのプロセッサ制御燃料噴射装置が、上記一次燃料または上記二次燃料または上記一次および二次燃料が上記エンジンの燃焼チャンバ内に直接噴射されるよう共に配置されることを特徴とする装置。
【請求項６】
請求項４に記載の装置において、
プロセッサ制御一次燃料閉止弁が、上記一次燃料線に沿って、または上記一次燃料線内に配置されており、このプロセッサ制御一次燃料閉止弁は、燃料センサまたはオペレータ制御スイッチに連結される入力線を通じて信号を受信するとき、上記一次燃料を止めるようプロセッサにより制御することができ、上記エンジンに上記一次燃料の閉止をもたらし、バックアップモードで作動させ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、
上記空気ポンプは、上記エンジンのプロセッサ制御スロットルに連結される上記エンジンの吸気管に連結されていることを特徴とする装置。
【請求項８】
請求項９に記載の装置において、
上記空気ポンプは、上記エンジンの排気パイプ内に、または上記エンジンの排気パイプに沿って配置されるタービンと、このタービンに連結されるシャフトと、上記シャフトにより駆動される圧縮機とを有するターボチャージャーであり、このターボチャージャーは、上記吸気管内に、または上記吸気管に沿って配置され、例えば、比較的広い動作温度範囲を有すると共に上記一次燃料または上記二次燃料で作動可能な可変タービンジオメトリーターボチャージャーあるいはスーパー可変タービンジオメトリー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９】
請求項７に記載の装置において、
上記空気ポンプが、プロセッサ制御可能なスーパーチャージャーであ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、
Ｎが１以上の整数であるとき、上記プロセッサは、Ｎ本の入力線とＮ本の制御線とを有し、この入力線は、上記エンジンパラメータ値を上記プロセッサに供給するため上記エンジンのセンサおよび／または監視装置に連結され、上記Ｎ本の制御線は、上記エンジンの１以上のアクチュエータを制御するため上記プロセッサからの信号を運び、上記センサおよび／または監視装置は、λセンサ、アクセルペダル位置表示器、スロットル位置表示器、空気流量センサ、水素センサ（あるいは一次燃料センサ）、エンジン速度モニタ、エンジン温度モニタ、水素圧力センサ、給気圧センサ、真空ポンプセンサ、および環境条件センサを少なくとも含み、上記１以上のアクチュエータは、一次燃料噴射装置、一次燃料閉止弁、二次燃料噴射装置、プロセッサ制御可能なスロットル、ウェイストゲート、および／または空気ポンプを含む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、
上記一次燃料が水素であり、上記二次燃料が圧縮天然ガスであ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、
上記一次燃料が水素であり、上記二次燃料がガソリンであり、上記エンジンが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１２に記載の装置において、
上記空気ポンプが、プロセッサ制御可能なスーパー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１２に記載の装置において、
上記プロセッサが、水素を用いてリーンモードで作動するようエンジンを制御し、上記空気ポンプが、以下に記載のスーパーチャージャー、ターボチャージャー、可変タービンジオメトリーターボチャージャーの１つであることを特徴とする装置。
上記エンジンの吸気管に連結されると共に、この吸気管を介して上記エンジンのスロットル内に空気を供給するようプロセッサにより制御されるスーパーチャージャー。上記吸気管は、一方の端部が上記スーパーチャージャーに連結され、他方の端部が上記スロットルに連結される。リーンモード中、上記プロセッサは、上記スロットルを広く開いた位置に維持する。
上記エンジンの排気パイプに連結されるターボチャージャー。このターボチャージャーは、上記プロセッサが上記エンジンのウェイストゲートアクチュエータを制御して、上記ターボチャージャーに排気ガスを送るとき、上記エンジンの排気ガスにより駆動される。このターボチャージャーは、一方の端部が上記ターボチャージャーに連結され他方の端部が上記エンジンのスロットルに連結される吸気管を介して、上記スロットル内に空気を供給する。リーンモード中、上記プロセッサは、上記スロットルを広く開いた位置に維持する。
上記エンジンの排気パイプに連結される可変タービンジオメトリーターボチャージャー。この可変タービンジオメトリーターボチャージャーは、上記プロセッサが上記エンジンのウェイストゲートアクチュエータを制御して、上記可変タービンジオメトリーターボチャージャーに排気ガスを送るとき、上記エンジンの排気ガスにより駆動される。この可変タービンジオメトリーターボチャージャーは、一方の端部が上記可変タービンジオメトリーターボチャージャーに連結され他方の端部が上記エンジンのスロットルに連結される吸気管を介して、上記スロットル内に空気を供給する。リーンモード中、上記プロセッサは、広く開いた位置に上記スロットルを維持する。
【請求項１５】
請求項１２に記載の装置において、
上記プロセッサは、水素を用いてリーンモードで作動させるよう上記エンジンを制御し、
上記空気ポンプは、水素またはガソリンからの排気ガスにより駆動可能な比較的広い動作温度範囲の可変タービンジオメトリーターボチャージャーであり、この可変タービンジオメトリーターボチャージャーは、上記エンジンの排気パイプに連結されると共に、上記プロセッサが上記エンジンのウェイストゲートアクチュエータを制御して上記可変タービンジオメトリーターボチャージャーに排気ガスを送るときに、上記エンジンの排気ガスにより駆動されて、一方の端部が上記可変タービンジオメトリーターボチャージャーに連結され他方の端部が上記エンジンのスロットルに連結される吸気管を介して、上記スロットル内に空気を供給し、
リーンモードオペレーション中、上記プロセッサは、広く開いた位置に上記スロットルを維持することを特徴とする装置。
【請求項１６】
請求項１２の装置において、
上記燃料インテークには、水素燃料噴射装置とガソリン燃料噴射装置とが設けられ、上記水素燃料噴射装置は、燃料線を介して水素タンクに連結され、この水素タンクの少なくとも一部は、水素分子が結合可能なアルカリ性金属で作られていることを特徴とする装置。
【請求項１７】
請求項１２に記載の装置において、
上記プロセッサは、ガソリンまたは水素とガソリンの混合物を用いて、λ＝１モードで作動するようエンジンを制御し、
上記空気ポンプはターボチャージャーであり、このターボチャージャーは、上記エンジンの排気パイプに連結されると共に、上記プロセッサが上記エンジンのウェイストゲートアクチュエータを制御して上記ターボチャージャーに排気ガスを送るときに、上記エンジンの上記排気ガスにより駆動されるターボチャージャーであり、一方の端部がこのターボチャージャーに連結され他方の端部が上記エンジンのスロットルに連結される吸気管を介して、上記スロットル内に空気を供給し、
λ＝１オペレーション中、上記プロセッサは、エンジンの要求出力に見合うよう上記エンジンをスロットルで調整することを特徴とする装置。
【請求項１８】
請求項１に記載の装置において、
上記エンジンは自然吸気エンジンであり、
上記プロセッサは、上記一次燃料または上記一次燃料と上記二次燃料の混合物を用いてリーンモードで作動するようエンジンを制御し、
上記空気ポンプはターボチャージャーであり、このターボチャージャーは、上記エンジンの排気パイプに連結されると共に、上記プロセッサが上記エンジンのウェイストゲートアクチュエータを制御して上記ターボチャージャーに排気ガスを送るときに、上記エンジンの上記排気ガスにより駆動されるターボチャージャーであり、一方の端部がこのターボチャージャーに連結され他方の端部が上記エンジンのスロットルに連結される吸気管を介して、上記スロットル内に空気を供給し、
リーンモードオペレーション中、上記プロセッサは、上記エンジンのスロットルを広く開いた位置で維持することを特徴とする装置。
【請求項１９】
請求項１に記載の装置において、
上記エンジンは自然吸気エンジンであり、
上記プロセッサは、上記一次燃料または上記一次燃料および上記二次燃料の混合物を用いてリーンモードで上記エンジンを作動するよう制御し、
上記空気ポンプは、上記エンジンの排気パイプに連結されると共に、吸気管を介して上記エンジンのスロットルに空気を供給するよう上記プロセッサで制御されるスーパーチャージャーであり、上記吸気管は、一方の端部が上記スーパーチャージャーに連結され、他方の端部が上記スロットルに連結され、
リーンモードオペレーション中、上記プロセッサは、上記エンジンスロットルを広く開いた位置で維持することを特徴とする装置。
【請求項２０】
請求項１に記載の装置において、
上記エンジンは自然吸気エンジンであり、
上記プロセッサは、上記二次燃料または上記一次燃料および上記二次燃料の混合物を用いてλ＝１モードで上記エンジンを作動するよう制御し、
上記空気ポンプはターボチャージャーであり、このターボチャージャーは、上記エンジンの排気パイプに連結されると共に、上記プロセッサが上記エンジンのウェイストゲートアクチュエータを制御して上記ターボチャージャーに排気ガスを送るとき、上記エンジンの上記排気ガスにより駆動されて、一方の端部が上記ターボチャージャーに連結され、他方の端部が上記エンジンのスロットルに連結される吸気管を介して、上記スロットル内に空気を供給し、
λ＝１オペレーション中に、上記プロセッサが、エンジンの要求出力に見合うよう上記エンジンをスロットルで調整することを特徴とする装置。
【請求項２１】
請求項１に記載の装置において、
上記エンジンは自然吸気エンジンであり、
上記プロセッサは、上記二次燃料または上記一次燃料および上記二次燃料の混合物を用いてλ＝１モードで上記エンジンを作動するよう制御し、
上記空気ポンプは、上記エンジンの排気パイプに連結されると共に、吸気管を介して上記エンジンのスロットルに空気を供給するよう上記プロセッサで制御されるスーパーチャージャーであり、上記吸気管は、一方の端部が上記スーパーチャージャーに連結され、他方の端部が上記スロットルに連結され、
λ＝１オペレーション中に、上記プロセッサが、エンジンの要求出力に見合うよう上記エンジンをスロットルで調整することを特徴とする装置。
【請求項２２】
バイフューエルエンジンを制御するための装置であって、
上記エンジンに連結されるプロセッサと、
上記エンジンおよび上記プロセッサに連結される空気ポンプとを備え、
一次燃料を用いてリーンモードで上記エンジンを作動させるためにクオリティコントロールが用いられ、上記プロセッサが、さらなるエンジン出力を提供するために上記空気ポンプを始動させることを特徴とする装置。
【請求項２３】
請求項２２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、上記空気ポンプが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２４】
請求項２２に記載の装置において、
上記エンジンがターボチャージャー搭載エンジンであり、上記空気ポンプがターボチャージャーおよびプロセッサ制御スーパーチャージャーの１つであることを特徴とする装置。
【請求項２５】
請求項２２に記載の装置において、
上記エンジンがプロセッサ制御スーパーチャージャー搭載エンジンであり、上記空気ポンプがスーパーチャージャーまた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２６】
バイフューエルエンジンを作動させるための方法であって、
λが化学量論的空燃比に対する実際の空燃比であるとき、一次燃料を用いて許容λ値でプロセッサによりエンジンを制御し、
λの非許容値を避けながら、上記一次燃料および二次燃料の混合物を用いてλの許容値で上記エンジンを作動させるために、エンジンパラメータに応じてプロセッサを使用して、上記エンジンに適量の上記一次燃料および上記二次燃料を噴射する
ことを特徴とする方法。
【請求項２７】
請求項２６に記載の方法において、
さらに、上記一次燃料を用いて許容λ値で上記エンジンパラメータに応じて上記エンジンを作動させることができることを特徴とする方法。
【請求項２８】
請求項２６に記載の方法において、
さらに、上記二次燃料を用いて許容λ値で上記エンジンパラメータに応じて上記エンジンを作動させることができることを特徴とする方法。
【請求項２９】
請求項２６に記載の方法において、
上記制御するステップは、
オペレーションのための一次燃料または二次燃料を選択し、
エンジンパラメータ値を決定し、
上記エンジンパラメータ値から要求出力を計算し、
上記計算された要求出力に基づいて、１以上のエンジンパラメータ値セットおよび対応するλ値を計算し、
上記一次燃料または上記一次燃料および上記二次燃料の混合物と、許容λ値を含む上記計算されたエンジンパラメータ値セットの１つとを用いてエンジンを作動させることを含み、さらに、
上記制御するステップは、上記二次燃料を用いてバックアップモードで上記エンジンを作動させ、上記一次燃料が使用できないときにリーンλまたはλに対応するエンジンパラメータ値を計算することができ、
上記計算するステップは、さらに、上記一次燃料が使用できるオペレーション中にスイッチの切り替えを予想して、上記一次燃料または上記一次燃料および上記二次燃料の混合物を用いて許容リーンλまたはλに対応するエンジンパラメータ値を計算することができ、
上記制御するステップは、さらに、上記一次燃料の漏出または空の一次燃料タンクを検出し、漏出時に上記一次燃料を止め、上記二次燃料で作動するために適切なエンジンパラメータ値セットおよび対応するλ値を用いることができる
ことを特徴とする方法。
【請求項３０】
請求項２９に記載の方法において、
上記選択されるオペレーションのための燃料が上記一次燃料であり、上記１以上のエンジンパラメータ値セットが、
上記一次燃料を用いて対応する第１λで作動させるための第１エンジンパラメータ値セットと、
上記一次燃料および上記二次燃料の混合物を用いて対応する第２λで作動させるための第２エンジンパラメータ値セットと、
上記一次燃料および上記二次燃料の混合物を用いてλ＝１で作動させるための第３エンジンパラメータ値セットとを含み、
上記エンジンを作動させるために、許容λを含む上記エンジンパラメータ値セットの１つを選択することを特徴とする方法。
【請求項３１】
請求項３０に記載の方法において、
上記第１および第２エンジンパラメータ値セットは、好ましくは、リーンモードオペレーションに対応し、上記第１λおよび上記第２λが共に１以上の値であることを特徴とする方法。
【請求項３２】
請求項３０に記載の方法において、
上記第１λおよび上記第２λがどちらも許容されないとき、選択されるλは１に等しいことを特徴とする方法。
【請求項３３】
請求項２９に記載の方法において、
λ＝１に対応する上記エンジンパラメータ値セットの計算は、λ＝１への切り替えを予想して、上記一次燃料または上記一次燃料および上記二次燃料の混合物を用いてリーンモードで上記エンジンが作動している間に行われることを特徴とする方法。
【請求項３４】
請求項２９に記載の方法において、
上記第１λおよび上記第２λに対応する上記エンジンパラメータ値セットの計算は、上記第１λまたは上記第２λを用いるオペレーションへの切り替えを予想して、上記一次燃料および上記二次燃料の混合物を用いてλ＝１オペレーションで上記エンジンが作動している間に行われることを特徴とする方法。
【請求項３５】
請求項２９に記載の方法において、
上記エンジンは、吸気弁を有する燃焼チャンバを備え、上記一次燃料が水素であり、
上記第１および第２エンジンパラメータ値セットは、好ましくは、共に１以上の値である上記第１λおよび上記第２λを用いるリーンモードオペレーションに対応し、
上記吸気弁が閉じられる前に水素空気混合物が上記燃焼チャンバに入り、その結果、閉じられた上記吸気弁の前に空気を配置する形で、水素噴射を調整する必要があることを特徴とする方法。
【請求項３６】
請求項２９に記載の方法において、
上記選択されるオペレーションの燃料が上記二次燃料であり、計算された上記１以上のエンジンパラメータ値セットは、
上記二次燃料を用いて対応するλで作動させるための第１エンジンパラメータ値セットと、
上記二次燃料を用いてλ＝１で作動させるための第２エンジンパラメータセットとを含み、
上記エンジンを作動させるために、許容λを含む上記エンジンパラメータセットの１つを選択することを特徴とする方法。
【請求項３７】
請求項２９に記載の方法において、
上記第１エンジンパラメータ値セットは、好ましくは、リーンモードオペレーションに対応し、上記対応するλが１以上であることを特徴とする方法。
【請求項３８】
請求項３６に記載の方法において、
上記対応するλが許容されないとき、上記選択されるλは１に等しいことを特徴とする方法。
【請求項３９】
請求項２６に記載の方法において、
上記バイフューエルエンジンが、上記一次燃料としての水素および上記二次燃料としてのガソリンを用いて作動するよう改良、調整された自然吸気ガソリンエンジンであり、水素を用いるオペレーションは、
アクセルペダル位置を決定し、
少なくとも上記アクセルペダル位置に基づいて必要な出力を計算し、
計算された上記出力に基づいて、水素オペレーションのため対応するλで第１エンジンパラメータ値セットを計算し、
計算された上記出力に基づいて、水素ガソリン混合燃料オペレーションのため対応するλ＝１に対する第２エンジンパラメータ値セットを計算し、
上記対応するλが許容されるとき、上記第１エンジンパラメータ値セットを選択し、
上記対応するλが許容されないとき、上記第２エンジンパラメータ値セットを選択し、
上記対応するλが選択されるとき、水素および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、
λ＝１が選択されるとき、水素ガソリン混合燃料を用いて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４０】
請求項２６に記載の方法において、
上記バイフューエルエンジンが、上記一次燃料としての水素および上記二次燃料としてのガソリンを用いて作動するよう改良、調整されたターボチャージャー搭載ガソリンエンジンであり、水素を用いるオペレーションは、
アクセルペダル位置を決定し、
少なくとも上記アクセルペダル位置に基づいて必要な出力を計算し、
計算された上記出力に基づいて、水素オペレーションのため対応するλで第１エンジンパラメータ値セットを計算し、
計算された上記出力に基づいて、水素ガソリン混合燃料オペレーションのため対応するλ＝１に対する第２エンジンパラメータ値セットを計算し、
上記対応するλが許容されるとき、上記第１エンジンパラメータ値セットを選択し、
上記対応するλが許容されないとき、上記第２エンジンパラメータ値セットを選択し、
上記対応するλが選択されるとき、水素および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、
λ＝１が選択されるとき、水素ガソリン混合燃料を用いて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４１】
請求項２６に記載の方法において、
上記バイフューエルエンジンが、上記一次燃料としての水素および上記二次燃料としてのガソリンを用いて作動するよう改良、調整されたスーパーチャージャー搭載ガソリンエンジンであり、水素を用いるオペレーションは、
アクセルペダル位置を決定し、
少なくとも上記アクセルペダル位置に基づいて必要な出力を計算し、
計算された上記出力に基づいて、水素オペレーションのため対応するλで第１エンジンパラメータ値セットを計算し、
計算された上記出力に基づいて、水素ガソリン混合燃料オペレーションのため対応するλ＝１に対する第２エンジンパラメータ値セットを計算し、
上記対応するλが許容されるとき、上記第１エンジンパラメータ値セットを選択し、
上記対応するλが許容されないとき、上記第２エンジンパラメータ値セットを選択し、
上記対応するλが選択されるとき、水素および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、
λ＝１が選択されるとき、水素ガソリン混合燃料を用いて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４２】
請求項２６に記載の方法において、
上記バイフューエルエンジンが、上記一次燃料としての水素および上記二次燃料としてのガソリンを用いて作動するよう改良、調整された自然吸気ガソリンエンジンであり、ガソリンを用いるオペレーションは、
アクセルペダル位置を決定し、
少なくとも上記アクセルペダル位置に基づいて必要な出力を計算し、
計算された上記出力に基づいて、ガソリンオペレーションのためλ＝１でエンジンパラメータ値セットを計算し、
λの値を１に維持しながら、ガソリンを用いて上記エンジンを作動させることを特徴とする装置。
【請求項４３】
請求項２６に記載の方法において、
上記バイフューエルエンジンが、上記一次燃料としての水素および上記二次燃料としてのガソリンを用いて作動するよう改良、調整されたターボチャージャー搭載ガソリンエンジンであり、ガソリンを用いるオペレーションは、
アクセルペダル位置を決定し、
少なくとも上記アクセルペダル位置に基づいて必要な出力を計算し、
計算された上記出力に基づいて、ガソリンオペレーションのためλ＝１でエンジンパラメータ値セットを計算し、
λの値を１に維持しながら、ガソリンを用いて上記エンジンを作動させることを特徴とする装置。
【請求項４４】
請求項２６に記載の方法において、
上記バイフューエルエンジンが、上記一次燃料としての水素および上記二次燃料としてのガソリンを用いて作動するよう改良、調整されたスーパーチャージャー搭載ガソリンエンジンであり、ガソリンを用いるオペレーションは、
アクセルペダル位置を決定し、
少なくとも上記アクセルペダル位置に基づいて必要な出力を計算し、
計算された上記出力に基づいて、ガソリンオペレーションのためλ＝１でエンジンパラメータ値セットを計算し、
λの値を１に維持しながら、ガソリンを用いて上記エンジンを作動させることを特徴とする装置。
【請求項４５】
請求項２６に記載の方法において、
アクセルペダルが電気アクセルペダルであることを特徴とする方法。
【請求項４６】
請求項２６に記載の方法において、
上記一次燃料がガス燃料であり、上記二次燃料が液体燃料であり、
上記ガス燃料の前に上記液体燃料を燃焼チャンバ内に入れ、その結果、逆火傾向を軽減する形で、上記ガス燃料および液体燃料を噴射し、
吸気弁が閉じる前に上記一次燃料および空気の混合物を上記燃焼チャンバにいれ、その結果、閉じられた上記吸気弁の前に空気を配置する形で、上記ガス燃料の噴射を調整する必要があることを特徴とする方法。
【請求項４７】
請求項４６に記載の方法において、
上記一次ガス燃料が水素であることを特徴とする方法。
【請求項４８】
バイフューエルエンジンを制御するためのシステムであって、
プロセッサと、
上記エンジンに空気を供給するために上記プロセッサで制御される空気ポンプとを備え、
上記プロセッサがエンジン燃料インテークを制御して、一次燃料で上記エンジンを作動させるシステムにおいて、
上記エンジンの１以上のパラメータ値に基づいて、上記プロセッサは、適量の二次燃料を上記エンジン内に噴射するよう上記エンジン燃料インテークをさらに制御して、許容空燃比を達成し、かつ、非許容空燃比を避けることができ、
任意に、以下の構成の少なくとも１つをさらに備えることを特徴とするシステム。
１以上のポンピング機構を有する上記エンジンに上記空気ポンプを接続する空気管。上記エンジンのポンピング機構は、上記空気管に連結されている。
上記エンジンから１以上のポンピング機構を有する触媒式排ガス浄化装置に伸びる排気配管。上記触媒式排ガス浄化装置のポンピング機構は、上記排気配管に接続されている。
上記エンジンの監視装置および／またはセンサにより、エンジンパラメータ値を運ぶ電気、電子、光、あるいは無線通信信号を上記プロセッサに送信する通信システム。
【請求項４９】
請求項４８に記載のシステムにおいて、
上記プロセッサは、通信システムを介して上記エンジンを制御するための上記エンジンの異なる部分に信号が送信される制御線を有することを特徴とするシステム。
【請求項５０】
複数の燃料の１つを非炭素系燃料にすることができるバイフューエルエンジンにエンジンを変更するため、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、
プロセッサと、
空気ポンプと、
燃料インテークアセンブリとを備え、
上記プロセッサが上記空気ポンプおよび上記燃料インテークアセンブリを制御して上記エンジンを作動させるように、上記プロセッサ、上記空気ポンプ、および上記燃料インテークアセンブリが上記エンジンに取り付けられ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５１】
請求項５０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５２】
請求項５０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５３】
請求項５０に記載のクロスプラットフォームキットにおいて、
上記空気ポンプがＶＴＧターボチャージャーおよびスーパーＶＴＧターボチャージャーから選択され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５４】
請求項５０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５５】
請求項５０に記載のクロスプラットフォームキットにおいて、
上記燃料インテークアセンブリは、プロセッサ制御可能燃料噴射装置、一次燃料のためのプロセッサ制御可能燃料噴射装置、二次燃料のためのプロセッサ制御可能燃料噴射装置、およびプロセッサ制御可能スロットルを搭載するために、予めドリルで開けられた穴を有するインテークマニホールドを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５６】
バイフューエル自然吸気エンジンを制御するための装置であって、
上記エンジンに連結されるプロセッサと、
上記エンジンに連結される燃料インテークアセンブリとを備え、
上記プロセッサは、上記燃料インテークアセンブリを制御して、一次燃料を用いて、非許容λ値を避けて許容λ値で、上記エンジンを好ましくはリーンモードで作動させ、
１以上のエンジンパラメータ値に基づいて、上記プロセッサは、適量の上記一次燃料および二次燃料を上記エンジン内に噴射するよう上記燃料インテークアセンブリを制御して、許容λ値で上記エンジンを好ましくはリーンモードで作動させ、非許容λ値でのオペレーションを回避し、λが化学量論的空燃比に対する実際の空燃比であることを特徴とする装置。
【請求項５７】
請求項５６に記載の装置において、
上記燃料インテークアセンブリは、上記一次燃料のための燃料噴射装置と、上記二次燃料のための燃料噴射装置とを備え、上記燃料噴射装置は、それぞれ、上記エンジンのチャンバの吸気弁を介して、上記一次燃料および上記二次燃料を上記チャンバ内に噴射するために用いられることを特徴とする装置。
【請求項５８】
請求項５７に記載の装置において、
上記エンジンは上記一次燃料で作動し、上記吸気弁が閉じる前に上記燃焼チャンバに上記一次燃料および空気の混合物が入り、その結果、閉鎖された上記吸気弁のまえに空気が配置される形で、上記燃料が噴射されることを特徴とする装置。
【請求項５９】
請求項７３に記載の装置において、
上記一次燃料は水素であることを特徴とする装置。
【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すると共に、異なる空燃比を用いて異なるモードで作動可能な内燃エンジンの設計および制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃エンジンは、シリンダ内部で空気およびガソリン（あるいは他の燃料）の混合物に点火して、このシリンダ内で燃焼させるという原理で作動し、もたらされる解放エネルギーは、シリンダ内部のピストンの使用を通じて機械的エネルギーに変換され、クランクシャフトを駆動する。一般的に、内燃エンジンは、大気圧で空気がエンジンに吸い込まれることを意味する自然吸気である。エンジンのシリンダ内での空気燃料混合物の燃焼の結果、異なる種類の無用の有毒汚染排気ガスがシリンダで生成され、排気システムを介して一般に触媒式排ガス浄化装置と呼ばれる装置を通過する。
【０００３】
上記触媒式排ガス浄化装置は、特定の材料および触媒を含み、この材料と有毒汚染排気ガスとの間で化学反応を発生させて、これらの有毒ガスを毒性の低い排出物に変換する。一部の有毒ガスは、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素あるいは揮発性有機化合物、および窒素酸化物（ＮＯＸ排出物と呼ばれる）を含む。効果的な触媒式排ガス浄化装置の使用のために、空気燃料混合物が燃料の化学量論的空燃比で維持され、使用されるのが望ましい。つまり、化学量論的空燃比から生ずる排気ガスに対して、触媒式排ガス浄化装置は最良設計されており、これらの種類の有毒排気ガスを毒性の低い排出物に変換する。理想的燃焼では、エンジンのチャンバで燃焼に用いられる空気および燃料の量は、燃焼後にチャンバに残る残留酸素または燃料が存在しない量である。この特定の場合の空燃比は化学量論的空燃比と呼ばれる。この化学量論的空燃比は、使用される燃料の種類によって決まる。例えば、ガソリンに関する化学量論的空燃比は、ガソリン１ポンドに対して空気１４．７ポンドである。エンジンの実際の空燃比は、多くの場合、化学量論的空燃比の観点から表され、一般的に、実際空燃比と化学量論的空燃比との比率を示すため、記号λ（ラムダ）が用いられる。従って、λの数式は次のようになる。
【０００４】
【数１】
2013528260.tif 000003
【０００５】
上述のλの定義に基づいて、内燃エンジンは、エンジンシリンダの空燃比が化学量論的比率あるいは化学量論的比率の比較的近くで維持され、触媒式排ガス浄化装置により有毒ガスの最大削減を実現することを意味するλ＝１で作動するよう理想的に設計される。
【発明の概要】
【０００６】
本発明は、バイフューエル内燃エンジンを制御するための装置、システム、および方法を提供し、同様に、燃料の１つを非炭素系燃料にすることができるバイフューエルエンジンにエンジンを変更するために、このエンジンを改良するためのプラットフォームキットを提供する。
【０００７】
バイフューエルエンジンを制御するための装置である本発明に従って、この装置は、上記エンジンに連結されるプロセッサと、上記エンジンおよび上記プロセッサに連結されると共に、空気を上記エンジンに供給するよう上記プロセッサで制御される空気ポンプとを備え、λが化学量論的空燃比に対する実際の空燃比である場合に、上記プロセッサはさらに、非許容λ値を避けて許容λ値で、一次燃料を用いて、好ましくはリーンモードで上記エンジンを作動させるようエンジンの燃料インテークを制御すると共に、１以上のエンジンパラメータ値に基づいて、許容λ値で、好ましくはリーンモードで上記エンジンを作動させ、かつ、非許容λ値での作動をさけるため、適量の上記一次燃料および二次燃料を上記エンジン内に噴射するよう上記燃料インテークを制御する。
【０００８】
さらに、本発明に従ったバイフューエルエンジンを制御するための方法は、  λが化学量論的空燃比に対する実際の空燃比であるとき、一次燃料を用いて許容λ値でプロセッサによりエンジンを制御し、λの非許容値を避けながら、上記一次燃料および二次燃料の混合物を用いてλに対する許容値で上記エンジンを作動させるために、エンジンパラメータに応じてプロセッサを使用して、上記エンジンに適量の上記一次燃料および上記二次燃料を噴射することを含む。
【０００９】
本発明によるバイフューエルエンジンを制御するためのシステムは、プロセッサと、上記エンジンに空気を供給するために上記プロセッサで制御される空気ポンプとを備え、上記プロセッサが、一次燃料で蒸気エンジンを作動させるため、エンジン燃料インテークを制御するシステムであって、上記エンジンの１以上のパラメータ値に基づいて、上記プロセッサは、適量の二次燃料を上記エンジン内に噴射するよう上記エンジン燃料インテークをさらに制御して、許容空燃比を達成する。
【００１０】
燃料の１つを非炭素系燃料にすることができるバイフューエルエンジンにエンジンを変更するために、このエンジンを改良するためのプラットフォームキットである本発明に従って、上記キットは、プロセッサと、空気ポンプと、燃料インテークアセンブリとを備え、上記プロセッサが上記空気ポンプおよび上記燃料インテークアセンブリを制御して上記エンジンを作動させるように、上記プロセッサ、上記空気ポンプ、および上記燃料インテークアセンブリが上記エンジンに取り付けられる。
【００１１】
明らかなように、上記装置は、共にエンジンおよび互いに連結されるプロセッサと空気ポンプとを備え、このプロセッサは、空気ポンプおよびエンジンの燃料インテークを制御することができる。空気ポンプ、エンジンの燃料インテーク、およびエンジンパラメータは、エンジンの要求出力（パワーリクワイアメント(power requirements)）を満足し、エンジンの作動中に許容空燃比を実現し、かつ、非許容空燃比を避けるようプロセッサにより制御される。この空気燃料比はλを用いて記述される。
【００１２】
許容λ値は、１以上の限定条件に基づく好ましい値である。例えば、この限定条件が、一次燃料と空気の燃焼、あるいは一次燃料と二次燃料および空気の混合物の燃焼、あるいは二次燃料と空気の燃焼から生成される有害排気ガスあるいは不要排気ガスの量であるとき、許容値はλ＝１の値である。これは、触媒式排ガス浄化装置が、このλ値において、もたらされる有害ガスを最も削減することができるためである。さらに、許容値は、１以上のλ値に対する一次燃料と空気（または一次燃料、二次燃料、および空気の混合物、あるいは二次燃料と空気の混合物）の燃焼が、大量の有毒ガスあるいは不要ガスを作り出すことがない。相当であると考えられている量の有毒ガスまたは不要ガスは、請求項に記載の発明の異なる応用および／または実施に適宜予定され得る。
【００１３】
反対に、非許容値は、１以上の限定条件に基づく好ましくない（許容されない）値である。例えば、この限定条件が、一次燃料と空気の燃焼、あるいは一次燃料、二次燃料、および空気の混合物の燃焼、あるいは二次燃料と空気の燃焼により生成される有害排気ガスあるいは不要排気ガスの量であるとき、定義可能な量の有毒ガスまたは不要ガスを作り出すどんなλ値も禁止される。
【００１４】
上記エンジンは、一次燃料、あるいは二次燃料、あるいは一次燃料と二次燃料の混合物で作動することができる。エンジンが一次燃料および二次燃料の混合物で作動しているとき、上記プロセッサは、エンジンの要求出力を満たすため、エンジン内に噴射するための適量の一次燃料および二次燃料を含むエンジンパラメータの値を計算する。「適量（proper amount）」という言葉は、所望のエンジンオペレーション、エンジンモード、またはエンジンリザルトの発生を可能にするための燃料の量、あるいは燃料混合物の量、あるいは空気の量、あるいはこれらの量の組み合わせを意味することができる。上記燃料インテークは、一次燃料および／または二次燃料をエンジン内に噴射するよう設計されたプロセッサ制御可能コンポーネントおよび／またはアセンブリ（例えばプロセッサ制御可能燃料噴射装置）にすることができる。例えば、燃料インテークは、エンジンに一次燃料を噴射するための燃料噴射装置と、二次燃料を噴射するための燃料噴射装置を備えることができる。
【００１５】
エンジンが一次燃料を用いるとき、リーンモードで作動するのが好ましい。エンジンが一次燃料を用いている間に、加速度またはエンジン出力の増加が要求されるとき、プロセッサは、第１エンジンパラメータ値セットを計算する。この第１エンジンパラメータ値セットは、エンジンに吸い込まれ、あるいは噴射される一次燃料の適量、エンジンに吸い込まれ、あるいは供給される空気の適量、そして結果として生じる、必要な出力を得るためのλＡに対応する空燃比を含んでいる。プロセッサはまた、第２エンジンパラメータ値セットを計算する。この第２エンジンパラメータ値セットは、二次燃料および一次燃料の適量、エンジンに吸い込まれ、あるいは供給される空気の適量、そして結果として生じる、要求される出力を得るためのλＢに対応する空燃比を含んでいる。プロセッサはさらに、第３エンジンパラメータ値セットを計算する。この第３エンジンパラメータ値セットは、最終的にエンジンのシリンダで混合される二次燃料および一次燃料の適量、そして要求される出力を得るためのλ＝１に対応する空燃比に対する、エンジンに吸い込まれ、あるいは供給される空気の適量を含んでいる。注目すべきは、適量の一次燃料および二次燃料は、（例えばインテークマニホールドにおいて）エンジンシリンダに入る前に、あるいはエンジンシリンダ内で混合することができるということである。
【００１６】
本発明の装置、システム、および方法は、第１および第２エンジンパラメータ値セットからの空燃比が共に許容範囲にない場合、エンジンを作動させるために第３エンジンパラメータ値セットを用いる。それ以外は、本発明の装置、システム、および方法は、許容空燃比を提供する第１または第２エンジンパラメータ値セットからエンジンパラメータ値セットを選択する。λＡおよびλＢが共に許容範囲にあるとき、本発明の方法は、よりリーンなλ（leanerλ）、すなわち、より高い値のλを選択する。
【００１７】
上記エンジンが、一次燃料および二次燃料を含む燃料混合物を用いるとき、プロセッサは燃料インテークおよびエンジンに入る空気を制御して、好ましくはリーンモードでエンジンを作動させる。プロセッサは、第２エンジンパラメータ値セットと、必要な出力を得るための対応する空燃比を用いることができる。また、プロセッサは、エンジンをλ＝１で作動させるために第３エンジンパラメータ値セットを用いることもできる。第２エンジンパラメータ値セットおよび対応する空燃比（すなわち対応するλ）を用いるオペレーションが許容範囲にないとき、本発明の装置、システム、および方法は、λ＝１に対応する空燃比でエンジンを制御するため、第３エンジンパラメータ値セットを用いる。
【００１８】
上記第１、第２、および第３エンジンパラメータ値セットは、各々、プロセッサにより計算された個別のバックアップエンジンパラメータ値セットを含み、要求された出力を得るためのλ＝１に対応する空燃比で、二次燃料を用いるエンジンを作動させる。このオペレーションは、一次燃料が利用できないときに発生する。一次燃料が利用できない例は、危険な状態（例えば一次燃料漏れ）が原因で、システムが一次燃料源を遮断するとき、または一次燃料が尽きたときが含まれる。したがって、二次燃料は、一次燃料が利用できないときバックアップ燃料としての役割を果たす。一次燃料が利用できなくなったとき、作動中に二次燃料オペレーションへの切り替えを可能にするため、バックアップエンジンパラメータ値セットは、予め計算されている。さらに、本発明の装置、システム、および方法は、本発明のユーザが意図的に二次燃料オペレーションに切り替えて、一次燃料源を遮断するとき、あるいは一次燃料が利用できないときに、バックアップエンジンパラメータ値を用いて二次燃料オペレーションに切り替えることもできる。従って、本発明の方法、装置、およびシステムは、一次燃料だけが用いられていた場合、あるいは一次燃料と二次燃料の混合物が用いられていた場合に、エンジンオペレーション中いつでも、一次燃料が利用できなくなったとき、二次燃料とバックアップエンジンパラメータ値を用いて、λ＝１（または許容リーンλ）に対応する空燃比にエンジンオペレーションを自動的に切り替えるよう設計される。また、バックアップエンジンパラメータ値を用いる二次燃料への切り替えは、このシステムのユーザによって、エンジンオペレーション中いつでも意図的に行うことができる。このオペレーションの間、バックアップエンジンパラメータ値がエンジンを作動させるために用いられる場合、ユーザは、一次燃料源を遮断することもできる。そのとき、一次燃料が利用できる場合、二次燃料でのオペレーションは以下のようになる。
【００１９】
上記エンジンが二次燃料を使用するとき、プロセッサは、燃料インテークおよびエアインテーク（空気取入口）を制御して、好ましくはリーンモードでエンジンを作動させる。プロセッサは、リーンオペレーションのためのλに対応する空燃比に対するエンジンパラメータ値セットを計算し、エンジンの要求出力を満足させる。プロセッサは、λ＝１に対応する別のエンジンパラメータ値セットを計算する。これらのエンジンパラメータ値セットは、一次燃料が使用できないときのバックアップエンジンパラメータ値セットに対応するエンジンパラメータ値セットに等しい必要はない。リーンオペレーションのためのエンジンパラメータ値セットが、非許容λをもたらす場合、プロセッサは、λ＝１に対応するエンジンパラメータ値セットを用いて、エンジンを作動させる。
【００２０】
エンジンの作動中、リーンλ値（すなわちλ＞＞１）に対する広く開いた位置でスロットルを保持した状態で、ターボチャージャーとして実装可能な空気ポンプを、増加させた圧力で空気をエンジンに供給するよう始動させる。広く開いた位置のスロットルでエンジンを作動させることを、クオリティコントロール（質制御）という。「広く開いた（Wide open）」とは、適値のλに対する、エンジン内への空気流（空気は、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空気ポンプによりエンジン内に供給される）を制限できない位置へスロットルを開放することをいう。広く開いた位置は、スロットル設計およびエンジン速度にもよるが、エンジンの種類によって異なる。クオリティコントロールを用いるとき、エンジン出力の増加は、さらなる燃料をエンジンに噴射することによって達成される。λ＝１オペレーションでは、クオリティコントロールは、エンジンをスロットルで調整すると言う意味で用いられる。つまり、クオリティコントロールを用いるとき、エンジンのスロット位置は、必要なエンジン出力を達成するために変化する。したがって、エンジンのオペレーション（作動）が、リーンλオペレーションからλ＝１オペレーションに切り替わるとき、同時に、上述の説明のようにクオリティコントロール（質制御）からクオンティティコントロール（量制御）にエンジン制御が切り替わる。
【００２１】
注目すべきは、本発明が自然吸気バイフューエルエンジンにも適用することができるということである。つまり、エンジンの作動中、スロットルは、リーンλ値（すなわちλ＞＞１）に対する広く開いた位置で保持される。上述のように広く開いた位置のスロットルでエンジンを作動させることは、クオリティコントロールと呼ばれる。上述のように、クオリティコントロールを用いるとき、エンジン出力の増加は、さらなる燃料をエンジンに噴射することによって達成される。λ＝１オペレーションでは、クオリティコントロールは、エンジンをスロットルで調整すると言う意味で用いられる。つまり、クオリティコントロールを用いるとき、エンジンのスロット位置は、必要なエンジン出力を達成するために変化する。したがって、エンジンのオペレーションが、リーンλオペレーションからλ＝１オペレーションに切り替わるとき、同時に、クオリティコントロール（質制御）からクオンティティコントロール（量制御）に自然吸気バイフューエルエンジンの制御が切り替わる。適量の一次燃料と二次燃料とが自然吸気バイフューエルエンジンに噴射される混合燃料オペレ-ションでは、プロセッサは、自然吸気バイフューエルエンジンの要求出力を満足させるため、エンジンパラメータ値を計算および／または決定する。
【００２２】
一実施形態において、一次燃料は水素であり、二次燃料はガソリンである。この実施形態において、空気ポンプは、エンジンの排気ガスによって駆動されるターボチャージャーで実施することができる。水素からなる一次燃料で作動するとき、プロセッサは第１または第３エンジンパラメータ値セットを用いる。つまり、必要出力に対して、第１エンジンパラメータ値セットが許容空燃比で必要出力を提供することができない場合、そのとき、水素ガスとガソリンの混合物を用いるオペレーションが用いられ、このオペレーションは、１に等しいλに対応する空燃比で成し遂げられる。
【００２３】
この実施形態およびガス状一次燃料と液状二次燃料とを用いる他の実施形態において、液状二次燃料の追加は、逆火（バックファイア）傾向を著しく軽減する傾向があり、これは、液体二次燃料の追加が、結果として得られる燃料混合物およびインテークシステムの温度低下をもたらすためである。この温度低下は、液体二次燃料の蒸発と、空気燃料混合物の温度を低下させるプロセスによるものである。また、二次液体燃料が一次燃料に加えられるとき、燃料混合物の総エネルギー密度を維持するために、対応する適切な量（すなわち、エネルギーにおいて、追加された二次燃料のエネルギーに等しい一次燃料の量）により一次燃料の質量を減少させ、その結果、逆火傾向を軽減させるリーン一次燃料オペレーションをもたらす。さらに、本質的に一次燃料よりも逆火傾向が少ない二次燃料の追加は、燃料混合物で作動しているエンジンの逆火傾向をも軽減する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
以下、本発明の態様および実施形態は、次の図面により説明される。
【図１】図１は、従来のガソリンエンジンに対する空燃比値λグラフを示す。
【図２】図２は、本発明の装置およびシステムの一実施形態を示す。
【図３】図３は、上記空燃比値λに関して、本発明に従って設計されたエンジンオペレーションを示す。
【図３Ａ】図３Ａは、エンジン速度およびエンジントルクに応じた異なる値のλに対するマッピングを示す。
【図３Ｂ】図３Ｂは、λに応じたＮＯＸ排出物のグラフを示す。
【図４】図４は、本発明の装置およびシステムの他の実施形態を示す。
【図５】図５は、本発明の方法のフローチャートを示す。
【図６】図６は、一次燃料として水素、二次燃料としてガソリンを用いる自動車エンジンに対する、本発明の方法のフローチャートを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１は、一般的内燃ガソリンエンジンに対する、時間に応じたλのグラフを示している。λ＝１＋／−０．０３の要求値１０８に対する１．０３の上限境界値１０２と、０．９７の下限境界値１０４とが示されている。λ曲線１０６は、これらの境界の外側にあり、周囲に比較的多い有毒ガスの排出をもたらす。これは、触媒式排ガス浄化装置が、λ＝１＋／−０．０３からもたらされる排出物と同じくらい十分に排出物を低減することができないからである。エンジンがλ＞１で作動するとき、エンジンはリーンモードで作動すると言われている。λ＜１のとき、エンジンはリッチモードで作動すると言われている。
【００２６】
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。ディーゼルエンジンは、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変換可能であることが良く知られている。
【００２７】
本発明は、一次燃料としての水素と、二次燃料としてのガソリンとで作動されるバイフューエルエンジンに照らして説明される。説明のために、本発明の装置は、図２に示されているように改良され、本明細書に記載され、そしてターボチャージャー、スーパーチャージャー、あるいは任意のよく知られた種類の空気ポンプを用いて水素ガスを燃やすよう調整された従来の自然吸気自動車ガソリンエンジン２２４を用いて説明される。水素（あるいは他の種類の一次燃料）でエンジンを駆動させるための調整には、上述の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、計算し、設定することが含まれる。エンジンの改良は、本発明の方法に従って作動させるために、本発明の装置の様々なコンポーネントを備える自然吸気エンジン、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変更および／または調節することを言う。
【００２８】
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、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、および一次燃料および二次燃料のための燃料噴射装置）等の多様なコンポーネントを備えているクロスプラットフォームキットからコンポーネント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一次燃料噴射装置および二次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、一次燃料としてのガソリンと二次燃料としての水素と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、予め穴が開けられたインテークマニホールドを取り付けることができる。このインテークマニホールドの予め開けられた複数の穴は、燃料噴射装置を搭載できる開口である。また、一次および／または二次燃料噴射装置は、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２００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の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コンポーネント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コンポーネントの基本セットは、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のコンポーネントは、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、本発明の方法のようにエンジンを作動させるための命令を含むソフトウェアを、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に既存の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コンポーネントのグループである。
【００２９】
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）において高い出力を可能にすると共に、低いエンジン速度において酸化窒素排出を低減する。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され得る様々な状態の水素を示すため、同じ意味で用いられる。
【００３０】
上記水素または水素ガスは、好ましくは、比較的高い圧力（例えば２００バール以上）で圧縮される特別に設計されたタンク２１６に貯蔵される。水素はまた、特殊金属（例えばアルカリ金属）で作られた、水素分子が結合されるタンクを用いて、液体形態で、あるいは結合水素として保存することもできる。あるいは、エンジンオペレーションに必要とされるときに、本発明の装置、システム、あるいは方法が一次燃料を利用できるようにする他の方法で、水素ガスを貯蔵することができる。ガソリンタンク２１８は、ガソリンを貯蔵するために用いられる従来のガスタンクである。本明細書に記載されているように、一次燃料は、エンジンを作動させるために主に用いられる燃料であり、必要なときにエンジンに大きな動力を提供するため、適量の一次および二次燃料が時宜に応じて噴射される。また、例えば安全上の理由（例えば一次燃料漏れの検知に起因する一次燃料の遮断）あるいは一次燃料の枯渇（例えば一次燃料タンクが空である）が原因で一次燃料が使用できないとき、バックアップ燃料としてエンジンを作動させるよう二次燃料を噴射することができる。一次燃料または一次燃料と二次燃料の混合物で作動させている間、有毒ガスの量は比較的少ない。これは、エンジンが、本明細書に記載されているようなリーンモードで、あるいは化学量論的空燃比で作動し、有毒排気ガスが触媒式排ガス浄化装置によって大きく低減されるからである。混合燃料オペレーションでは、燃料の１つがガソリンのとき、λ＝１オペレーションモードは、本明細書で説明されるように用いられる。
【００３１】
図２を参照すると、一次燃料として水素ガス、二次燃料としてガソリンが用いられる本発明の装置およびシステムの一実施形態が示されている。プロセッサ２００は、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、シグナルプロセッサ、マイクロコンピュータ、または、それに関する他のどのような組み合わせであってもよい。プロセッサ２００は、制御線２０２，２０４，２０６，２０８を有し、ウェイストゲート２３６，ガソリン燃料噴射装置２２２，水素ガス燃料噴射装置２１２，およびエンジンスロットル２２６等のアクチュエータをそれぞれ制御している。アクチュエータは、電気的、機械的、電気機械的、あるいは他の種類のエンジンコンポーネントであり、これらは全て、プロセッサ２００（あるいは、以下で説明されている図４のプロセッサ４００）により制御可能で、これらの一部は、本発明の装置の一部である。一般に、プロセッサ２００は、Ｎが１以上の整数であるとき、Ｎ本の制御線を有することができる。この制御線は、プロセッサ２００から別個のアクチュエータに信号を運んで、本発明に従った上記装置を制御する。上記制御線は、電気信号または電子信号を運ぶ電線として実施することができる。また、上記制御線は、光信号を運ぶ光回線または無線通信システムの通信チャンネルにすることもできる。一時的にエンジン２２４の吸気側に注目すると、タンク２１６（あるいは水素貯蔵システム）には、水素ガスが入っており、燃料線２１４と水素燃料噴射装置２１２とを介してエンジンに水素を供給している。ガソリン燃料タンク２１８は、燃料線２２０とガソリン燃料噴射装置２２２とを介してエンジンにガソリンを供給する。水素ガス燃料噴射装置２１２およびガソリン燃料噴射装置２２２は、インテークマニホールド２１０上に取り付けられ、エンジンで用いられる燃料を噴射する。これらの燃料噴射装置は、エンジンの燃焼チャンバ（すなわちシリンダ）に燃料を直接噴射できるように、エンジン上に取り付けることもできる。この配置は、一般に直接噴射として知られている。
【００３２】
以下に説明されるような本発明の装置は、内燃エンジン上に取り付けるためにキットとして準備および／またはパッケージ化することができる。このキットのコンポーネントの一部は、プロセッサ２００を有するハウジングを備えている。このプロセッサ２００はハウジングに配置され、制御線としての機能を果たす各種アウトプット（例えば２０２−２０８、あるいは一般にＮ本の制御線）と、エンジンの異なるセンサおよび監視装置に接続される各種入力線（Ｉ１，Ｉ２，・・・，ＩＮ）とを含んでいる（Ｎは１以上の整数）。例えば、入力線は、λセンサ、アクセルペダル位置インジケータ、スロットル位置インジケータ、空気流量センサ、Ｈ２センサ（または一次燃料センサ）、エンジン速度モニタ、エンジン温度モニタ、水素圧力センサ、給気圧センサ、真空ポンプセンサ（自動車のブレーキングシステムに用いられる真空ポンプオペレーションを監視する）、および環境条件センサ（例えば、温度、圧力）等のセンサおよび／または監視装置から信号を運ぶことができる。これらの異なるセンサ、監視装置、およびインジケータは、プロセッサ２００に継続的に提供されるエンジンパラメータを測定する。このエンジンパラメータは、分析されるときにエンジンの状態およびそのオペレーションを反映する、センサおよび／または監視装置の測定可能エンジン特性の変数である。１以上のエンジンパラメータの値は、エンジンのオペレーション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。これらの異なるセンサ、監視装置、およびインジケータの測定値は、エンジンの要求出力および他の状態を計算するためにプロセッサ２００で用いられ得るエンジンパラメータ値である。例えば、アクセルペダル位置、エンジントルク、および／またはエンジン速度等のエンジンパラメータ値は、エンジンの操作者によりさらなる出力が要求されているかどうかを決定するために、プロセッサ２００により用いられ得る。したがって、プロセッサ２００は、これらのエンジンパラメータ値に基づいて、それに応じて作動する。上記キットの一部でもある水素ガス燃料噴射装置２１２は、インテークシステム２１０（例えば、予め開けられた穴を有するインテークマニホールド２１０）上に取り付けることができる。ペダル位置を示す電気または電子信号を生成することができるアクセルペダル（すなわち電気アクセルペダル）もまた、上記キットの一部にすることができる。さらに、プロセッサ制御可能スロットルを上記キットの一部にすることもできる。このとき、アクセルペダルからの電気または電子信号は、エンジンオペレーションのためのプロセッサ２００が受信することができる。水素ガス燃料噴射装置２１２の取り付けは、既存のガソリン燃料噴射装置２２２の比較的近くのエンジン本体（例えばインテークマニホールド２１０）上に、ドリルで複数の開口を開けることを含むことができる。水素ガス燃料噴射装置２１２を取り付けるための他の方法を用いることもできる。例えば、水素燃料噴射装置（およびガソリン燃料噴射装置）は、燃料をエンジンの燃焼チャンバに直接噴射できるように、燃焼チャンバに隣接したエンジン上または近くに搭載することができ、あるいは燃焼チャンバに配���することができる。これは、一般に直接噴射と呼ばれる。上記燃料噴射装置がインテークマニホールドに燃料を搬送し、その後、燃焼チャンバの吸気弁を介して、空気燃料混合物を燃焼チャンバに搬送する。上記Ｈ２センサまたは一次燃料センサは、一次燃料閉止弁（図示せず）と連携して作動することができ、このセンサが一次燃料の漏出を検出したとき、一次燃料を自動的に止める。このとき、一次燃料は利用できなくなる。上記一次燃料閉止弁は、一次燃料線内に、または一次燃料線に沿って配置されてもよく、一次燃料センサ（例えばＨ２センサ）からの信号を受けて、一次燃料の漏出が検出され、プロセッサが二次燃料を用いてバックアップモードでエンジンを作動させるとき、自動的に一次燃料を閉止するようプロセッサ２００により制御することができる。さらに、エンジンのオペレータは、上記閉止弁に一次燃料を閉止させ、プロセッサが二次燃料を用いてバックアップモードでエンジンを作動させるため、入力線の１つを介してプロセッサ２００に連結されるスイッチ（図示せず）を作動させることができる。
【００３３】
他の実施形態において、当然のことながら、自動車またはシステムの既存のエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）に上記プロセッサ２００を組み込むことができる。つまり、本発明の方法、装置、およびシステムのステップを実行するために、このＥＣＵにさらなる命令をプログラムすることができ、その結果、プロセッサ２００のような追加のプロセッサの使用を回避する。
【００３４】
エンジン２２４の排気側では、排気パイプ２４０が伸びるエキゾーストマニホールド２３０が設けられている。排気ガスの経路は、矢印２３８Ａ，２３８Ｂ，２３８Ｃおよび２３８Ｄで示されている。排気パイプ２４０を通る排気ガス流およびこれらの排気ガスの一部は、ウェイストゲート２３６（例えば弁）が制御線２０２を介してプロセッサ２００により制御され、排気ガスの一部がバイパス排気パイプ２４２を通って流れることができるようするとき、別経路で送ることができる。ウェイストゲート２３６は、排気パイプ２４２内に、または排気パイプ２４２に沿って配置されている。プロセッサ２００によりウェイストゲートが閉じられるとき、排気ガスは、バイパス排気パイプ２４２を通って流れない。その代わりに、排気ガスは、排気パイプ２４０を流れ、圧縮機２３２Ａを駆動するシャフト２３２Ｃに連結されたタービン２３２Ｂを備えるターボチャージャー２３２をエンゲージさせる（つまり、排気ガスは、排気パイプ２４０を通ってターボチャージャー２３２に流れる）。従って、ウェイストゲートを通って別経路に送られない排気ガスは、排気パイプ２４０を通って、吸気管（例えばパイプまたはチューブ）内の外気をエンジンスロットル２２６に送り込む働きをする圧縮機２３２Ａ（吸気管２４４内または給気管２４４に沿って配置されている）を駆動するシャフト２３２Ｃに連結され、かつ、このシャフト２３２Ｃと噛み合うタービン２３２Ｂ（排気パイプ２４０内または排気パイプに沿って配置されている）に流れる。したがって、ウェイストゲート２３６の制御は、エンジンに搬送される外気の量を決定する。スロットル２２６は、制御線２０８を介してプロセッサ２００により制御される。本明細書で説明された様々な実施形態では、スロットルをプロセッサ制御可能またはプロセッサ制御にしてもよい。圧縮機２３２Ａにより吸気管２４４内に送り込まれた外気は、まず冷却装置２２８（例えば、Wikipedia.org/wiki/Intercooler参照）で冷却され、その後エンジンの適切なオペレーションのためスロットル２２６に流れる。したがって、上記空気ポンプは、吸気管２４４を介してスロットル２２６に連結されるターボチャージャー２３２を用いて実施される。最終的に、排気ガスは、図に示されているように、各種パイプ２４０および／または２４２を通って触媒式排ガス浄化装置に流れ、この触媒式排ガス浄化装置は、空燃比により許容される量の排気ガスを毒性のないガスへ変換し、周囲に排出される有毒ガスの量を低減する。
【００３５】
本発明の装置、システム、および方法を用いてエンジンを作動させている間、注意を払ってエンジンの空燃比を制御して、有毒な炭素ガスの排出を回避または低減し、窒素酸化物（例えばＮＯ，ＮＯＸ）の排出を回避する。一次燃料として水素を用いることで、エンジンはリーンモードで作動するよう制御される。水素ガスを燃焼している間、リーンモードで作動している内燃エンジンは、特定の範囲の空燃比に対して有毒ガスを作り出す。大部分の他の燃料比では、水素および空気の燃焼は、実質的に有毒ガスを作り出すことがなく、この燃焼の副生成物は一般に水である。すでに説明したように、空燃比は、一般に記号λを用いて化学量論的空燃比の観点から説明される。化学量論的空燃比の燃料を燃焼しているエンジンは、λ＝１である。容易に参照できるように、以下に式（１）を再び記す。
【００３６】
【数２】
2013528260.tif 000004
【００３７】
λ＞１であるリーンモードオペレーションでは、化学量論的オペレーションの空気よりも多い空気がエンジンに流れる。リーンモードの反対は、λ＜１であるリッチモードである。ガソリンエンジンでは、λ＝１で作動するのが望ましい。なぜなら、λ＝１において、触媒式排ガス浄化装置が最も有毒ガスを減少させることができるからである。つまり、触媒式排ガス浄化装置は、一般にエンジン近くの排気システムに配置され、燃えている燃料に関して、化学量論的空燃比（すなわちλ＝１）で空気／燃料が燃焼することにより生じる有毒排出物を最も減少させるよう設計されている。また、ガソリンエンジンでは、ガソリンエンジンにより排出される有毒排気ガスの量についての懸念が増大しているので、多くの政府規制機関は、ガソリンエンジンが常にλ＝１で作動することを要求している。
【００３８】
本発明の装置、方法、およびシステムは、一次燃料および二次燃料で駆動するエンジンを制御して、許容λ値で作動させると共に非許容λ値での作動を避け、上記燃料の少なくとも１つを非炭素系燃料にすることができる。非炭素系燃料は、内燃エンジンで燃焼させることができる物質であり、この物質の原子または分子成分は炭素ではない。許容λ値は、１以上の限定条件に基づく望ましい値である。例えば、この限定条件が、一次燃料および空気の燃焼、あるいは一次燃料、二次燃料および空気の混合物の燃焼、あるは二次燃料および空気の燃焼により生成される有毒ガスの量であるとき、許容値はλ＝１の値である。なぜなら、もたらされる有毒ガスは、λ＝１の値において、触媒式排ガス浄化装置により最も減少させることができるからである。さらに許容値は、１以上のλ値に対する一次燃料および空気（あるいは一次燃料、二次燃料および空気の混合物、あるいは二次燃料と空気の組み合わせ）の燃焼が、環境に対して有害であると合理的に思われる相当量の有毒排気ガスを作り出すことがない値である。この有毒であると思われる量の有毒ガスは、請求項に記載された発明の異なる応用および／または実施に適宜予定されている。反対に、非許容λ値は、１以上の限定条件に基づく望ましくない（あるいは許容されない）値である。例えば、この限定条件が、一次燃料および空気の燃焼、あるいは一次燃料、二次燃料および空気の混合物の燃焼、あるは二次燃料および空気の燃焼により生成される有毒ガスの量であるとき、限定できる量（すなわち任意の閾値に等しい量、または、この閾値を超える量）の有毒ガスを作り出すλ値は、いずれも許容されない。当然のことながら、ガソリンエンジンでは、λ＝１であることを考慮に入れても、空気とガソリンの燃焼によって有毒ガスが作り出される。しかし、触媒式排ガス浄化装置は、λ＝１に対して有毒ガスの排出を最も減少させることができるので、現在の従来型ガソリンエンジンは、ほとんど常にλ＝１で作動する。
【００３９】
したがって、非許容λ値は、触媒式排ガス浄化装置の有効作動範囲の限界の外側にある。このような作動範囲は、一般に化学量論的空燃比の近くにある（すなわち、λ＝１＋／−１パーセント）。有効作動範囲は、触媒式排ガス浄化装置が、エンジンを作動させる燃料の燃焼により生じる排気ガスの有毒および／または有害な排出を最も減少させることができるλの値の範囲である。λの許容値は、触媒式排ガス浄化装置の限界内あるいは有効作動範囲内にあり、この許容値はλのリーン値であってもよい。これらのλ値では、実質的に亜酸化窒素排出物が発生しない。
【００４０】
図３を参照すると、時間に応じたλ、すなわちλ（ｔ）のグラフ３００あるいは曲線３０２が示され、一次燃料として水素、二次燃料としてガソリンを用いてエンジンを作動させるため、λをどのように制御することができるかという例を示している。グラフ３００は、λ値が１．０３である下部境界と、λ値が１．８である上部境界を有する非許容λ値領域または非許容ゾーン３１２を示している。図３に示されている特定の境界は、特定の種類のエンジンに対する作動上の境界を示しており、説明を簡単にするために示されている。この非許容ゾーンの境界がエンジンの種類によって異なることは言うまでもない。説明されている特定のエンジン（本発明の装置、システム、および方法で調整され、改良された、自然吸気ガソリンエンジン）では、化学量論的オペレーションは、すなわち所望値３１０であるλ＝１であり、上部境界３０６はλ値が１．０３であり、下部境界はλ値が０．９７である。λ＝１オペレーションでは、一般に、＋／−０．０３内の精度が要求される。燃料として水素を用いてエンジンを始動するとき、リーンオペレーションが要求され、リーンオペレーション達成するために、エンジン内に水素ガスが噴射され、空気が送り込まれる。このエンジンには、プロセッサ２００にλ値を供給するλセンサ（図示せず）を設けている。プロセッサ２００に対するインプットの１つＩＮ（Ｎは１以上の整数）は、λセンサからの値にすることができる。また、プロセッサ２００は、各シリンダ内に自然吸気または送り込まれる空気の量、および、同じシリンダ内に噴射される水素ガスの量を測定することによりλ値を計算することができ、上記式（１）を用いてこの計算を実行することができる。リーンモードオペレーションにおいて、クオリティコントロールを用いてエンジンは作動する。つまり、スロットル２２６が、広く開いた位置で開放されたまま維持され、エンジン出力が、エンジン内に噴射される燃料（この実施形態では水素）の量により制御される。
【００４１】
プロセッサ２００は、図に示されているようにリーンモードでエンジンを作動させ続ける。一次燃料として水素を用いると、図に示されているように１．８以上のλ値でのオペレーションは、ごく僅かな量の有毒排出物をもたらす。このオペレーションの副生成物の大部分は水である。より大きな出力がエンジンから要求されるとき、プロセッサ２００は、エンジンのシリンダ内に噴射される水素燃料の量を増加させ、それに応じて、λを減少させる。要求されている大きな出力の例の１つは、グラフ３００の時間ｔ１と時間ｔ２の間に存在する。より大きな出力に対する要求は、１以上のエンジンパラメータ値の変化に反映され、この変化はプロセッサ２００により検出される。時間ｔ２と時間ｔ３の間に、さらに大きな出力が要求され（例えば、アクセルペダルが圧力が高まるごとに押し下げられている）、λがさらに減少する。ある時点で、エンジンから要求される出力量は、非許容領域３１２内に落ちるλ値を必要とする。
【００４２】
非許容領域におけるλ値での水素と空気の燃焼は、相当量の窒素酸化物などの有毒ガスが作り出されるという結果をもたらすだけでなく、過早点火および／または逆火が発生する可能性があるような、不安定なエンジンオペレーションの原因となることもあり得る。一般に、逆火は、吸気弁が開いた状態で発生し、インテークマニホールドおよび／または燃焼チャンバで起こる。逆火傾向を減少させるためには、燃焼チャンバの吸気弁（すなわちエンジンシリンダの吸気弁）が閉じる前に水素噴射を止めなければならない。水素ガスおよび送り込まれた空気と共に、あるいは、水素ガスおよび送り込まれた空気の前に、ガソリン等の液体燃料を噴射することは、この液体燃料の蒸発に起因する低温環境における空気燃料混合物をもたらす。液体燃料の蒸発は、空気燃料混合物の温度を低下させる。つまり、この結果として得られるインテークマニホールドの空気燃料混合物は、水素ガスと空気の混合物の温度よりも低い温度になる。さらに、より重要なことは、ガソリンの量の追加は、燃料混合物における水素の量を、逆火を低減しやすい量に減らし、エンジン出力を増加させるという更なる利点を有することである。空気燃料混合物（すなわち空気、水素、ガソリン）の一部は、事実上同時にインテークマニホールドに噴射され得る。一方で、各部分の全て量は、一回の搬送で噴射されないが、測定された量をインテークマニホールドに搬送することができ、インテークマニホールドで不要な燃焼を促さないようにする。この方法では、空気燃料混合物の各種コンポーネントの噴射は、搬送されたコンポーネントの噴射順にかかわらず、インテークマニホールドにおける燃焼をもたらさない。逆火傾向を減少させる混合燃料オペレーションの異なるアプローチは、ガソリン（または液体燃料）が水素（またはガス燃料）より前に燃焼チャンバ内に入るように、ガソリン（または液体燃料）および水素（またはガス燃料）を噴射することである。水素空気混合物が、吸気弁が閉じる前に燃焼チャンバに入り、空気が閉じられた吸気弁の前に配置されるように、水素（またはガス燃料）の噴射を調整しなければならない。結果として、逆火傾向が著しく減少する。特定のエネルギー密度に対応する一次燃料（例えば水素）の質量は、よりリーンな一次燃料で作動させるために低減され、逆火傾向を減少させる。しかし、燃料混合物の総エネルギー含量が一定に保つことができるように、適量の液体二次燃料が加えられる。逆火傾向がより低い二次燃料（例えばガソリン）の追加は、燃料混合物の逆火傾向を減少させる。時間ｔ３において、プロセッサ２００は、非許容領域に入ることが近づいていることを決定する。この点において、プロセッサ２００は、エンジンオペレーションをλ＝１モードに切り替える。特に、プロセッサ２００は、水素燃料噴射装置２１２の制御により噴射されている水素に適量のガソリンを噴射するようガソリン燃料噴射装置２２２を制御して、時間ｔ３に噴射された水素燃料とほぼ同量のエネルギーを持つ混合燃料をもたらす。同時に、プロセッサ２００は、エンジンに吸い込まれる空気の量を低減するようスロットルを再調整して、λに対する１の値を達成する。リーンモードオペレーションからλ＝１オ���レーションへの切り替えは、非許容ゾーン３１２におけるエンジンオペレーションを避けるためにできるだけ速く行われる。矢印３１４は、時間ｔ３および時間ｔ４の間の期間に発生する切り替えを示している。時間ｔ３および時間ｔ４の間の期間は、できるだけ短くするべきである。時間ｔ４において、プロセッサ２００は、適量の水素／ガソリン混合を噴射することによって約１．０のλを達成するよう空燃比をうまく制御し、適量の空気を送り込むためにスロットル２２６を制御している。空気の量およびλ＝１を達成するために必要な混合燃料の量は、切り替えを必要とする要求出力がいかなる時でも発生する可能性があるので、好ましくは時間ｔ３より前の時間にプロセッサにより計算される。例えば、空気と燃料の混合量の計算は、エンジンの始動後にすぐに行われ、その後、一定期間毎に、この計算を更新することができる。この方法において、どんな突然の要求出力でも、これらの予め計算された量を用いて対処することができる。一般に、リーンモードのエンジンオペレーションの間、λ＝１オペレーションに対する計算が、このオペレーションが急に必要となること（例えば突然の出力増加要求）を予想して行われる。同様に、λ＝１オペレーションの間、リーンモードオペレーションに対する計算が、リーンモードへの突然の切り替えを予想して行われる。注目すべきは、化学量論的ガソリン空気混合物は、外部混合形成だと考えられている化学量論的水素空気混合物よりも高い体積エネルギー密度を有することである。水素ガスとガソリンの混合物は、水素ガスのみで駆動しているエンジンの出力を増加させる働きをする。つまり、特定のスペースの単位体積に対して、スペースの単位体積を占有する液体燃料は、スペースの単位体積を占有するガス燃料よりも単位体積毎のエネルギー含量が大きい（すなわち体積エネルギー密度がより高い）。
【００４３】
また、プロセッサ２００は、λ＝１＋／−０．０３オペレーションを維持するためλセンサ出力を測定している間、定められた単位量のガソリンを連続して噴射することができる。λ＝１オペレーションに切り替えるための他のアプローチを用いることもでき、そのため、本発明は、本明細書で説明された２つの特定の方法に限定されない。本発明の方法、装置、およびシステムは、リーンオペレーションからλ＝１オペレーションに切り替えるよう設計され、非許容領域のエンジンオペレーションを回避している。リーンオペレーションの間、本発明の方法は、広く開いた位置のスロットルを伴うエンジンオペレーションであるクオリティコントロールを用いる。このクオリティコントロール技術を用いているとき、エンジンの出力は、エンジンに噴射される燃料の量により制御される。上記エンジンは、時間ｔ４から時間ｔ５まで１に等しいλで作動する。λ＝１モードオペレーションの間、上記エンジンは、エンジンの出力を制御するためのスロットルオペレーション（スロットルの位置を変えること）であるクオンティティコントロール（量制御）を用いて制御される。λ＝１モードで作動している間、リーンモードオペレーションへの回帰を予定している本発明は、空燃比ひいてはリーンオペレーションへの回帰に必要なλ（または他のパラメータ値）を計算する。なぜなら、リーンオペレーションを可能にさせる要求出力の低下は、いつでも発生する可能性があるからである。時間ｔ５において、要求出力に対するλは、非許容領域の外側であり、そのため、エンジンは、燃料としてガソリンを噴射する必要なく、再びリーンモードで作動することができる。したがって、再度クオリティコントロールが用いられる。矢印３１６は、時間ｔ５と時間ｔ６の間で起こるλ＝１オペレーションからリーンモードオペレーションへの切り替えを示している。プロセッサ２００は、ガソリンの噴射を減らし、最終的に停止させると共に、エンジン内へ噴射される水素の量をも減少または増加させることができ、かつ、λ値が増加するようにスロットルを制御して、エンジンをリーンオペレーションに切り替えることができるようにする。時間ｔ５から時間ｔ８まで、プロセッサ２００は、エンジンに噴射されている水素の量を連続して減少させ、それに応じてλを上昇させる。したがって、プロセッサ２００は、非許容空燃比を回避しながら、エンジンの要求を満足するためにエンジンの燃料インテークおよびエアインテークを制御することができる。注目すべきは、図３に示されている非許容領域が、水素およびガソリンで駆動するよう改良、調整された特定の自動車ガソリンエンジンに対する特定の非許容領域の１つの例であるということである。他の種類のエンジンおよび他の種類の応用に対する他の非許容領域は、特定の応用の定めるところにより発生する可能性がある。注目すべきは、一次燃料で作動している間あるいは一次燃料および二次燃料の混合物で作動している間いつでも、一次燃料が利用できなくなる可能性がある（例えば、一次燃料漏れの検出に起因する一次燃料遮断または一次燃料タンクの枯渇）。このような場合を予想して、二次燃料を用いるλ＝１でのオペレーションのために、バックアップパラメータ値が���算される。二次燃料がガソリンではなく、各種λ値に対して有毒ガスを排出することなく燃焼することができる場合、λが１以上の値のオペレーションが可能になる。一次燃料が利用できないことが燃料センサにより示されているとき、プロセッサ２００は、二次燃料を用いるλ＝１でのオペレーションに切り替えることができる。さらに注目すべきは、本発明の方法、装置、およびシステムの実施は、改良され、調整されたエンジンに限定されない。当然のことながら、本発明の装置、システム、および方法は、少なくとも本明細書で説明され、あるいは請求項に記載された本発明に従って作動するよう特別に設計され、構成されたエンジンで実施することができる。
【００４４】
図３Ａを参照すると、図２に示されているような一次燃料として水素、二次燃料としてガソリンで駆動するよう調整、調整されたガソリンエンジンに対して、エンジン速度（毎分回転数すなわちｒｐｍに関して測定される）およびエンジントルク（ＢＭＥＰ（ブレーキ平均有効圧力）に関して測定される）に応じたλの様々な値のマッピングが示されている。このエンジンは、λ≧２．０に対してのみ水素を用いて作動する。水素のみが用いられてとき、エンジン負荷は、送り込まれた外気をスロットルで調整することなく、エンジンに噴射される水素の量で制御される。上記スロットは、広く開いた位置で維持される。先に説明したように、これは、クオリティコントロールオペレーションと呼ばれる。より大きなトルクが必要な場合（例えばアクセルペダルが押された場合）、本発明は、必要な出力を得るためにより多くの水素を噴射する。一方で、エンジンに噴射された水素の量を増加させて、非許容領域に到達した場合、本発明はλ＝１オペレーションに切り替わり、エンジン負荷を制御するためガソリンのさらなる噴射を行い、エンジンのスロットリング（throttling）も行う。このエンジンのスロットリング（すなわちエンジン出力を制御するためにスロットルの位置を変えること）は、クオンティティコントロールオペレーションと呼ばれる。燃料混合物制御（例えば、水素燃料混合物のガソリンを噴射すること）は、我々がλ＝１オペレーションへ切り替えることを可能にする。リーンオペレーションからλ＝１オペレーションへの切り替えを予想して、スロットル位置および他のエンジンパラメータは、切り替え前に計算される。したがって、ガソリンを噴射すること、および予め計算された位置へスロットル位置を変更することは、同時に行われる。この方法において、エンジンオペレーションは、リーンオペレーションからλ＝１オペレーションに切り替えることができる。したがって、本発明は、本明細書に記載されているように燃料混合物を制御できるので、エンジンの全ての任意の作動点からλ＝１オペレーションに切り替えるための機能を備えている。λ＝１オペレーションに到達した後、エンジンはクオンティティコントロールを用いて作動する。つまり、より大きな出力が要求されたとき、より多くのエンジン内への空気を可能にするため、それに応じてスロットル位置を変更し、λ＝１を維持するため、より多くの燃料をそれに応じて噴射する。図３Ａに示されている例では、λ＝１オペレーションに対して、全エネルギーの最大３０％（影尽きの領域を参照）は、噴射されたガソリン燃料によるものであり、残りのエネルギーは、水素燃料からのものである。λ＝１オペレーションに示されている破線は、水素のみのオペレーションに対するエンジントルク曲線を表しており、水素ガスの体積エネルギー密度が、水素とガソリンの混合物の体積エネルギー密度よりも低いことを示している。水素のみを使用して、そして水素とガソリンの混合物を使用して、本発明の装置で改良されたエンジンは、比較的広い範囲のトルクまたはエンジン出力で作動することができる。水素のみのオペレーションでは、エンジンにより作られたトルクまたは出力が、トルク／出力スケールの最下端にある。水素にガソリン���加えた状態では、中間レベルのトルクまたはエンジン出力を得ることができる。ガソリンのみのオペレーションでは、高いレベルのトルク又はエンジン出力を得ることができる。上述のようにターボチャージャーが用いられるとき、混合燃料オペレーション（すなわち水素およびガソリン）に対するより大きいエンタルピーの排気ガスが、上述のようにターボチャージャーをエンゲージさせて（結びつけて、結合させて）、より高い給気圧を供給し、より大きいエンジントルクを作り出す。
【００４５】
図３Ｂを参照すると、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改良された、あるいは最初から設計されたガソリンエンジンに対する、λに応じたＮＯＸ排出物のグラフが示されている。破線は、水素燃料のみの場合のＮＯＸとλのグラフである。実線のグラフは、水素／ガソリン燃料混合物に対するＮＯＸとλのグラフである。λが１に近づくと、水素ガスからなる一次燃料からもたらされるＮＯＸ排出物は、目に見えて増加する。図に示されているように、ガソリンが水素に加えられ、有毒ガスが減少し、そしてλ＝１において環境へのＮＯＸ排出物の量が、エンジンの触媒式排ガス浄化装置により著しく減少する。３元触媒式排ガス浄化装置は、一般に有毒な窒素酸化物、未燃炭化水素および一酸化炭素を減らすよう設計された触媒式排ガス浄化装置である。
【００４６】
図４を参照すると、水素ガスからなる一次燃料とガソリンからなる二次燃料とが用いられる本発明の装置およびシステムの他の実施形態が示されている。図２は、ターボチャージャーの代わりにプロセッサ４００により制御された空気ポンプ４３２（例えば、eaton.com/EatonCom/ProductsServices/PerformancesProducts/Superchargers/index.htm）が、外気をエンジン４２４に送り込むために用いられることを除いて、図４に類似している。ＶＴＧ（可変タービンジオメトリー）ターボチャージャーとして知られている他の種類の空気ポンプを用いることもできる。当然のことながら、空気ポンプ４３２は、説明され、および／または、請求項に記載されているように、本発明に従って、エンジン４２４オペレーションに必要な空気を（適切な圧力で）供給することができる任意のポンプを意味する。例えば、空気ポンプ４３２は、電気的または電子的に制御されるポンプであってもよい。プロセッサ４００は、例えば空気ポンプ４３２、ガソリン燃料噴射装置４２２、水素燃料噴射装置４１２、およびエンジンスロットル４２６等のアクチュエータをそれぞれ制御するために、制御線４０２，４０４，４０６，４０８を備えている。一般に、プロセッサ４００は、Ｎ本の制御線を備えている（Ｎは１以上の整数）。この制御線は、本発明に従って上記装置を制御するために、プロセッサ４００から各種アクチュエータに信号を運ぶ。制御線は、電気信号または電子信号を運ぶ電線として実施することができる。制御線は、光回線または無線通信システムの通信チャンネルにすることもできる。一時的にエンジン４２４の吸気側に注目すると、タンク４１６は、水素燃料を含んでおり、燃料線４１４および水素燃料噴射装置４１２を介してエンジンに水素を供給する。燃料タンク４１８は、ガソリンを含んでおり、燃料線４２０および水素燃料噴射装置４２２を介してエンジンにガソリンを供給する。水素燃料噴射装置４１２およびガソリン燃料噴射装置４２２は、インテークマニホールド４１０上に取り付けられている。燃料噴射装置を取り蹴るための他の方法を用いることもでき、例えば、燃料噴射装置がエンジンの燃焼チャンバ内に直接燃料を噴射できるように（一般に直接噴射として知られている配置）、燃料噴射装置を取り付けてもよい。
【００４７】
本発明の装置のこの実施形態は、図２に示されている実施形態と同じ方法でキットとして、同様にパッケージ化あるいは準備することもできる。つまり、この装置は、キットとしてパッケージ化することができ、このキットの一部は、プロセッサ４００を備えるハウジングであり、このプロセッサ４００はハウジングに配置され、かつ、制御線（例えば４０２−４０８、あるいは一般にＮ本の制御線）の働きをする各種アウトプットと、エンジンの異なるセンサおよび監視装置に接続される入力線（Ｉ１，Ｉ２，・・・，ＩＮ）とを有している（Ｎは１以上の整数）。例えば、この入力線は、λセンサ、アクセルペダル位置インジケータ、スロットル位置インジケータ、空気流量センサ、Ｈ２センサ（または一次燃料センサ）、エンジン速度モニタ、エンジン温度モニタ、水素圧力センサ、給気圧センサ、および環境条件センサ（例えば、温度、圧力）等のセンサおよび／または監視装置からの信号を運ぶことができる。これらの異なるセンサ、監視装置、およびインジケータの値がエンジンパラメータであり、エンジンの要求出力およびエンジンの他の状態を決定するため、プロセッサ４００により用いられ得る。上記Ｈ２センサまたは一次燃料センサは、一次燃料閉止弁（図示せず）と連携して作動することができ、このセンサが一次燃料の漏出を検出したとき、一次燃料を止める。このとき、一次燃料は利用できなくなる。上記一次燃料閉止弁は、一次燃料線内に、または一次燃料線に沿って配置することができ、一次燃料センサ（例えばＨ２センサ）から一次燃料漏れを示す信号を受信したとき、二次燃料を用いてバックアップモードでエンジンを作動させて、一次燃料を自動的に止めるようプロセッサ４００によって制御することができる。さらに、エンジンの操作者は、一次燃料閉止弁が一次燃料を止め、プロセッサが二次燃料を用いてバックアップモードでエンジンを作動させるよう、入力線の１つを介してプロセッサ４００に連結されたスイッチ（図示せず）を作動させることができる。上記キットは、プロセッサ制御可能スロットルと、インテークマニホールド４１０に取り付けるための水素燃料噴射装置４１２と、ペダル位置を示す電気または電子信号を生成することができるアクセルペダル（すなわち電気アクセルペダル）とをさらに備えることができる。この電気または電子信号はエンジンを作動させるためにプロセッサ４００により受信することができる。水素ガス燃料噴射装置４１２の取り付けには、既存のガソリン燃料噴射装置４２２の比較的近くに、エンジン本体上にドリルで開口を開け、この開口により水素燃料噴射装置４１２を固定することを含んでいる。水素燃料噴射装置４１２を搭載するための他の方法を用いることもできる。水素燃料噴射装置（およびガソリン燃料噴射装置）は、水素燃料またはガソリン燃料またはその両方をエンジンの燃焼チャンバ内に直接噴射できるように、この燃焼チャンバに対して取り付け、配置することができる。他の実施形態において、当然のことながら、プロセッサ４００は、自動車またはシステムの既存のエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）に組み込むことができる。つまり、本発明の方法、装置、およびシステムのステップを実行するために、追加の命���をＥＣＵにプログラムすることができ、その結果、プロセッサ４００のような追加のプロセッサの使用を回避している。
【００４８】
エンジン４２４の排気側には、排気パイプ４４０が伸びるエキゾーストマニホールド４３０を設けている。排気ガスの経路は矢印４３８で示されている。排気ガスは、排気パイプ４４０を通って、環境に排出される有毒ガスの量を減らす働きをする触媒式排ガス浄化装置に流れる。外気は、制御線４０２を介してプロセッサ４００により制御される空気ポンプ４３２により供給される。外気は吸気管４３６を通ってパイプで運ばれ、制御線４０８を介してプロセッサ４００により制御されるスロットル４２６に運ばれる前に冷却装置４２８により冷却される。
【００４９】
図示していないが、図２および図４に示されているような本発明の装置には、１以上の燃料センサ（例えば燃料漏出センサ、空タンクセンサ）を備えている。これらのセンサは、Ｎ本の制御線の１つを介してプロセッサ２００，４００に接続され、あるいは繋がっていて、燃料漏れ、燃料タンクの枯渇、あるいは一次燃料が利用できない他のあらゆる事象の発生をプロセッサに信号で伝える。燃料の漏出は、不安全な状態を避けるため（一次燃料を利用できないようにして）プロセッサに一次燃料源を閉止させる燃料センサの１つにより検出される。本発明の方法に関して以下に説明するように、プロセッサ２００，４００は、一次燃料が利用できないときに、二次燃料を用いてλ＝１でエンジンを作動させるためにバックアップパラメータセットを計算する。したがって、二次燃料は、この場合、バックアップ燃料として働く。
【００５０】
図２、図４に示され、上記で説明された本発明の装置は、バイフューエルエンジンを制御するためのシステムをも表しており、許容空燃比でエンジンを作動させ、非許容空燃比を回避するようエンジンの燃料インテークおよび空気供給を制御するため、プロセッサが用いられる。本発明の装置は、自動車エンジンの観点から説明されてきた。しかし、本発明の装置は、自動車または輸送用機械以外の様々な応用のために一次燃料が燃焼されるシステムでもある。例えば、発電のために例えば水素ガスなどの一次燃料および例えばガソリンなどの二次燃料を燃やすために、内燃エンジンが用いられ得る。当業者にとってはごく当たり前のことであるが、本発明の方法および装置のように一次燃料と二次燃料を用いて内燃エンジンを燃焼させる他の応用は、他の多くの応用に用いることができ、自動車または電力生成に限定されない。そのため、本発明のシステムは、図２、図４に記載されているものと同一または類似のコンポーネントを含むことができるが、このコンポーネントの一部または全部が、他のコンポーネントと同一場所に配置されないエリアに割り当てることができる。さらに、自動車の応用とは対照的に、このシステムのコンポーネントの一部または全部は、持ち運ぶことができる。
【００５１】
図２，図４を参照すると、説明された燃料分配機構および空気分配機構は、外気、一次燃料および二次燃料をエンジンに搬送するために、１以上の追加のポンピング機構を用いることができる。例えば、図２における吸気管２４４と、図４においける吸気管４３６は、外気をエンジン２２４，４２４にそれぞれ搬送するために、追加のポンピング機構を吸気管２４４，４３６に連結することができたかもしれない。これは、例えば発電するためにエンジンを用いるような持ち運ぶことができない応用において、吸気管の長さが、相対的にかなり長い距離を移動して外気を搬送するため上述の追加のポンプを必要とする場合があるからである。他の例は、プロセッサ２００，４００から各種制御可能コンポーネントへの制御線である。このような制御線は、無線伝送システム、電気（例えばワイヤ、同軸ケーブルを用いる）通信システム、光信号通信システム（光ファイバを用いる）として実施することができ、このような線は、各々、総合通信システムのチャンネルにすることができる。同様に、排気ガスの一部または全部が別ルートで送られる排気システムは、追加のポンピング機構を備える比較的長い排気パイピングが、排気ガスを送り込み、環境への有毒排出物を減らすために用いられる総合システムの一部にすることができる。また、図２、図４のプロセッサへの入力信号は、各種コンポーネントを制御するために用いられる上述の通信システムの一部であってもよい。つまり、様々な監視コンポーネントおよび／またはセンサは、本発明のシステム、方法、および装置が上述したように作動できるように、プロセッサにそれらの値を伝送することができる。
【００５２】
本発明の他の実施形態は、３つの出力モードに対して一次燃料（例えば水素ガス）または一次燃料および二次燃料の混合物を用いて、出力強化を達成することができるバイフューエルエンジンを提供する。この実施形態は、自然吸気エンジン、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を含む。このエンジンのこの実施形態のリーンオペレーションは好ましい。また、この実施形態の装置、方法、およびシステムは、すでに説明された他の実施形態の先に説明されたキットと同様のキットとしてパッケージ化することができる。
【００５３】
第１出力モードは、ターボチャージャーが設けられた自然吸気エンジンを用いる一次燃料（例えば水素燃料）でのエンジンオペレーションである。このターボチャージャーは、可変タービンジオメトリー（ＶＴＧ）ターボチャージャーにすることができる。ターボチャージャーがプロセッサにより作動され、排気ガスにより駆動されるとき、エンジンはチャージモードにあると言われている。図示してはいないが、排気パイプ２４０内または排気パイプ２４０に沿って配置されるプロセッサ制御閉止弁が、エンジンが非チャージモードで作動する場合に備えて、ターボチャージャー２３２に流れるあらゆる排気ガスを閉止するようプロセッサ２００により制御され得ることは、当業者によって容易に理解される。エンジンは吸気管２４４を介して吸気される。また別の方法では、非チャージオペレーションのために追加の吸気管（図示せず）をスロットル２２６に連結し、エンジンが非チャージモードで作動しているときに空気の流れを止めるため、この場所に弁（図示せず）を配置することができる。
【００５４】
第２出力モードは、一次燃料を用いてエンジンの出力を増加させるよう始動できる第２ターボチャージャーについて調整され、改良された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）を含む。この２つのターボチャージャーを搭載する実施形態では、エンジンが一次燃料で作動しているときであり、かつ出力強化が必要なとき、最初から設けられているターボチャージャーを停止または迂回し（すなわち、排気ガスはタービンに送られない）、第２ターボチャージャーを始動させ、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。つまり、シャフト２３２Ｃを駆動するタービン２３２Ｂに（ウェイストゲート２３６の制御を介して）排気ガスが送られ、圧縮機２３２Ａが、スロットルが広く開いた位置にあるエンジンに外気を送り込む。第２ターボチャージャーの適切な大きさは、要求された追加の出力を提供するため、一次燃料の排気ガスを上記ターボチャージャーに送ることができるように選択される。この第２出力モードにおいて、新たな、あるいは追加のターボチャージャーは、可変タービンジオメトリー（ＶＴＧ）ターボチャージャーにすることができる。追加の、あるいは新しいターボチャージャーは、一次燃料の排気ガスにより駆動されるだけでなく、必要な範囲のエンジン抵抗で作動するよう選択される。
【００５５】
上記第２出力モードにおいて、２つのターボチャージャーまたはスーパーチャージャーの１つだけが示されている（図２，図４参照）。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は、説明を簡単にするために図示されていない。しかし、当然のことながら、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は、図２，図４に示されている第２ターボチャージャーと同じ構成および配置であってもよい。スーパーチャージャー搭載エンジンでは、一次燃料で作動しているとき、プロセッサ２００は、最初から設けられているスーパーチャージャーを制御して、エンジンに送り込まれる適量の空気を供給する。
【００５６】
第３出力モードは、広い作動温度範囲のオペレーション（すなわち排気ガス温度）を有する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を用いて、一次燃料または二次燃料で作動させることができる。例えば水素ガスのような一次燃料の排気ガスおよび例えばガソリンのような二次燃料の排気ガスによって、この特定のターボチャージャーを駆動することができる。このようなターボチャージャーの一例は、我々がスーパーＶＴＧターボチャージャーと呼ぶものであり、比較的広い温度範囲のオペレーションを有する。このスーパーＶＴＧターボチャージャーは、一次燃料または二次燃料の排気ガスで作動できるように、スーパーＶＴＧターボチャージャーは、比較的広い温度範囲に対して作動することができるという点で、すでに説明したＶＴＧターボチャージャーと異なる。第１および第２出力モードと同様に、この第３出力モードは、一次燃料およびクオリティコントロールと呼ばれるオペレーション技術を用いて、チャージモードでエンジンの出力を増加させる。
【００５７】
上記第３出力モードは、（排気ガスをターボチャージャー２３２のタービンに送ることができるようにすることによって）プロセッサにより始動されると共に、エンジンシリンダの一次燃料（例えば水素）および空気の燃焼により生じる排気ガスにより駆動されるターボチャージャー２３２を用いており、外気を圧縮機２３２Ａによってエンジンに送り込ませている間、プロセッサがエンジンのスロットルを制御する。また、第３出力モードでは、空気および一次燃料または二次燃料の燃焼により生じる排気ガスを排出することによって駆動され得るターボチャージャーが用いられる。また、第３出力モードは、クオリティコントロールを用いている間、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用いることができる。プロセッサ２００は、このモードにおいて、スロットルを広く開いた位置で維持することができ、あるいは、エンジンをλ＝１オペレーションに切り替えるとき、スロットルの開度を変える（すなわちエンジンをスロットルで調整する）ことができる。ターボチャージャー（ターボチャージャー搭載エンジンの場合には第２ターボチャージャー）が、一次燃料の排気ガスとクオリティコントロールの技術とを用いて、追加の出力を提供するために始動され、駆動されるとき、上記第１、第２、および第３出力モードは、チャージモードと呼ばれる。このチャージモードにおいて、排気パイプ２４０の閉止弁（図示せず）は、プロセッサ２００により制御され、排気ガスが、ターボチャージャー２３２のタービン２３２Ｂに流れることができるようにする。ウェイストゲート２３６は、プロセッサ２００により制御され、排気ガスがバイパス排気パイプ２４２を通って流れることができないようにする。しかし、何度も、エンジンの給気圧を増加させるために、プロセッサ２００は、ウエィストゲート２３６を制御して、任意の量の排気ガスが、特定の期間にバイパス排気パイプ２４２を通って流れることができるようにする。
【００５８】
上記第３パワーモードは、ターボチャージャーの代わりに、スーパーチャージャー（プロセッサ２００により電気的または電子的に制御される）を用いることもできる。この場合、プロセッサ２００がスーパーチャージャーに供給される出力量を制御する。さらに、第２出力モードでは、第２ターボチャージャーに代えて、空気ポンプとしてスーパーチャージャーを用いることができる。エンジンは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で作動する。リーンモードで必要出力を供給できない応用では、エンジンがλ＝１オペレーションに切り替わり、エンジン出力を制御するためにエンジンをスロットルで調整することができる（すなわち、スロットル位置がエンジン要求出力毎に変化する）。
【００５９】
図５を参照すると、本発明のシステムおよび装置に適用可能な本発明の方法のフローチャート５００が示されている。この実施形態は、先に述べた通り、図２，図４に描かれている。説明を簡単にするために、本発明の方法は、自動車のエンジンに照らして説明される。
【００６０】
ステップ５０２において、システム電源が入れられる。これは、プロセッサ（図２においては２００、図４においては４００）に電力を供給し、エンジン２２４，４２４を点火することを含む。ステップ５０４において、このプロセッサは、一次燃料オペレーションが選択されたのか、二次燃料オペレーションが選択されたのかを表示するモードセレクタスイッチ（図２，図４に図示せず）の値を決定する。あるいは、操作者は、システムを作動させた後に選ぶこともできる。ステップ５０６において、プロセッサは、モードセレクタスイッチに基づいて、一次燃料オペレーションが選択されたかどうかを決定する。一次燃料が選択されていなかった場合、本発明の方法は、二次燃料を用いて作動するためステップ５２０に進む。一次燃料オペレーションが選択された場合、本発明の方法は、ステップ５１０に進む。
【００６１】
ステップ５１０において、本発明の方法は、各種センサ、監視装置、および表示器により供給されているエンジンパラメータ値を測定し、入力線Ｉ１，Ｉ２，・・・，ＩＮを介してプロセッサ２００，４００に情報を送る。エンジンパラメータ値は、エンジンの操作者により出されたリクエストの結果を含む。ステップ５１２において、プロセッサ２００，４００は、エンジンパラメータ値（例えば、アクセルペダル位置およびエンジン速度）に基づいてエンジンの要求出力を計算する。この要求出力は、出力を増加または減少させるため、エンジンの操作者により出されたリクエストの結果であってもよい。エンジンに対する要求出力が計算され、各種エンジンパラメータ値が収集された時点で、本発明の方法はステップ５１４に進む。
【００６２】
ステップ５１４において、ステップ５１２で計算された要求出力とエンジンパラメータ値に基づいて、プロセッサ２００，４００は、エンジンを制御するために３つのパラメータ値セットを計算する。この３つのパラメータ値セットは、リーンオペレーションとλ＝１オペレーションに対する２つの可能性に対応する。リーンオペレーションは、一次燃料のみ、あるいは一次燃料と二次燃料の混合物を用いて実現され得る。λ＝１オペレーションでは、一次燃料と二次燃料の混合物が用いられる。３つのパラメータ値セットの各々は、リーン許容λまたはλ＝１に対応する空燃比で二次燃料を用いてエンジンを作動させるために用いられるバックアップパラメータ値セットを含んでいる。危険な状態が検出された（例えば燃料漏れが検出された）とき、あるいは一次燃料タンクが空のとき、あるいは操作者が二次燃料のみでエンジンを作動させるよう選択した場合の、システムによる一次燃料の閉止に起因して一次燃料が利用できないときに、これらのバックアップエンジンパラメータ値セットが用いられる。これらの状況は、一次燃料が利用できないと言われる場合の例である。従って、二次燃料は、これらの状況でバックアップ燃料として用いられる。パラメータ値は、スロットル２２６，４２６、ガソリン燃料噴射装置２２２，４２２、水素燃料噴射装置２１２，４１２、ウェイストゲート２３６、ターボチャージャー２３２、および空気ポンプ４３２のようなコンポーネント（すなわちアクチュエータ）を制御するために用いられる値である。エンジンを制御するために計算されるパラメータ値セットの各々は、エンジンの特定のオペレーションを決定するλ値を含んでいる。要求出力は、第１対応λ値で一次燃料のみを用いて、あるいは第２対応λ値で一次燃料と二次燃料の混合物を用いて、あるいはλ＝１で一次燃料と二次燃料の混合物を用いて達成することができる。パラメータセットＡは、結果としてもたらされるλ値λＡで一次燃料を用いて要求出力を達成するよう計算されるパラメータ値（例えば、噴射されるべき燃料の量およびエンジンに送り込まれる空気の量）である。パラメータセットＢは、結果としてもたらされるλ値λＢで一次／二次燃料混合物を用いて要求出力を達成するよう計算されるパラメータ値である。パラメータセットＡおよびＢは、リーンオペレーションのために一次燃料または一次燃料と二次燃料の混合物を用いる。例えばガソリンのような特定の二次燃料では、二次燃料と一次燃料の混合物を用いるリーンオペレーションが許容λをもたらさないため、このようなオペレーションは使用されない。パラメータセットＣは、λ＝１オペレーションのために、一次／二次燃料混合物を用いて要求出力を達成するよう計算されるパラメータ値である。ステップ５１４で実行された計算は、リーンオペレーションからλ＝１オペレーションに、あるいはλ＝１オペレーションからリーンオペレーションにエンジンを切り替えるために、要求出力リクエストを予想して行われるようにしてもよい。上記パラメータ値はプロセッサ２００，４００に記憶される。上述のパラメータセットの各々では、一次燃料が使用できないとき、好ましくはリーンλで、リーンオペレーションが不可能である場合はλ＝１に対応する空燃比で、二次燃料のみを用いてエンジンを作動させるために用いられるバックアップパラメータセットである。従って、二次燃料は、バックアップモードと呼ばれるこのオペレーションモードで用いられる。本発明の方法は、一次燃料が利用できなくなった後、エンジンオペレーション中、ある時期にオペレーションをバックアップモードに切り替えることができる。バックアップモードのためのバックアップパラメータ値セットは、予め計算されており、エンジンが現在どのパラメータ値セットを用いているかにかかわらず、いつでも適用できる。バックアップモード中、本発明の方法は、一次燃料オペレーション（リーンモード）または一次燃料と二次燃料の混合物（リーンモードまたはλ＝１モード）のためのパラメータセットを予め計算し、一次燃料が利用可能できるようになる必要があるこれらのモードのオペレーションにいつでも切り替えることができる。
【００６３】
ステップ５１６において、本発明の方法は、エンジンを制御するためにどのパラメータセットが用いられるべきかを選択するλ選択アルゴリズムを使用する。λ選択値の一例は、次の通りである。λＡが許容され、λＢが許容されない場合、本発明の方法はステップ５０８Ａに進み、一次燃料のみを用いてリーンモードでエンジンを作動させるため、パラメータセットＡのパラメータ値を用いて各種コンポーネントを制御する。λ＝λＢが許容され、λ＝λＡが許容されず、かつ、他のオプションがλ＝１のみであるとき、λＢが選択される。本発明の方法は、ステップ５０８Ｂに進む、一次燃料と二次燃料の混合物を用いてリーンモードオペレーションでエンジンを制御する。λＡとλＢが共に許容されるとき、本発明の方法は、よりリーンなλ、すなわちより高い値のλを選択する。λＡもλＢも許容されないとき、λ＝１オペレーションが選択され、本発明の方法はステップ５０８Ｃに進んで、適切な一次燃料と二次燃料の混合物を用いてエンジンのオペレーションを制御する。先に説明した通り、システムが、例えば漏出あるいは一次燃料タンクの枯渇等、一次燃料供給システムにおける何らかの問題を検出したとき、本発明の方法は、パラメータサブセットを用いるバックアップモードに進み（図示せず）、二次燃料を用いてエンジンのオペレーションを制御する。ステップ５０８Ａ，５０８Ｂ，および５０８Ｃにおいて、プロセッサ２００，４００は、スロットル２２６，４２６と燃料噴射装置２１２，４１２，２２２，４２２とを制御して、要求出力および対応λ値を達成する。つまり、許容リーンλ値では、本発明の方法は、クオリティコントロールを用いてエンジンを作動させ、λ＝１では、本発明の方法は、クオンティティコントロールを用いてエンジンを作動させる。
【００６４】
ステップ５０６まで戻り、一次燃料オペレーションが選択されなかった場合、本発明の方法はステップ５２０に進む。ステップ５２０において、本発明の方法は、各種センサ、監視装置、および表示器により供給されているエンジンパラメータ値を測定し、入力線Ｉ１，Ｉ２，・・・，ＩＮを介してプロセッサ２００，４００に情報を送る。エンジンパラメータ値は、エンジンの操作者により出されたリクエストの結果であってもよい。ステップ５２２において、プロセッサ２００，４００は、エンジンパラメータ値（例えばアクセルペダルの位置およびエンジン速度）に基づいて、エンジンの要求出力を計算する。この要求出力は、出力を増加または減少させるためにエンジンの操作者によって出されたリクエストの結果であってもよい。エンジンに対する要求出力が計算され、各種エンジンパラメータ値が収集された時点で、本発明の方法はステップ５２４に進む。ステップ５２４において、プロセッサは、要求された要求出力および対応λ値を達成するためにパラメータ値（すなわち第１パラメータセット）を計算する。また、ステップ５２４において、プロセッサは、λ＝１に対するパラメータ値（すなわち第２パラメータセット）を計算する。ステップ５２６において、プロセッサは燃料噴射装置とスロットルを制御して、ステップ５２４で得られた対応λでクオリティコントロールを用いてエンジンのオペレーションを制御する。このλ値が許容されない場合、λ＝１に対するパラメータ値が用いられ、クオンティティコントロールを用いてエンジンのオペレーションを制御する。注目すべきは、エンジンが対応λで二次燃料を用いて作動している間、λ＝１オペレーションに対するパラメータ値は、１に等しいλを有するパラメータセットを用いるオペレーションに切り替わることを予想して、計算されていることである。反対に、エンジンがλ＝１で作動している間、要求出力を満足するパラメータ値および対応許容λは、λ＝１オペレーションからの切り替えを予想して計算されている。また、注目すべきは、エンジンが二次燃料を用いて作動している間、エンジンのユーザは、意図的にバックアップモードに切り替えることができ、本発明の方法に、予め計算されたエンジンパラメータ値を用いるバックアップモードにオペレーションを切り替えさせることである。バックアップモードオペレーション中、本発明の方法は、ユーザが一次燃料を利用可能にすることを予想して、一次燃料が利用できるときに二次燃料オペレーションに対するパラメータ値を予め計算することができる。したがって、一次燃料が利用できないときに二次燃料オペレーションに使用されるバックアップパラメータ値は、必ずしも一次燃料が使用できるときの二次燃料オペレーションに対するパラメータ値に等しくはない。
【００６５】
図６を参照すると、本発明のシステムおよび装置に適用可能な本発明の方法のフローチャート６００が示されている。この実施形態は、先に述べた通り、図２，図４に描かれている。フローチャート６００は、一次燃料が水素で、二次燃料がガソリンである場合の本発明の方法を示している。説明を簡単にするため、本発明の方法は、自動車のエンジンに関連して説明される。
【００６６】
ステップ６０２において、システム電源が入れられる。これは、プロセッサ（図２においては２００、図４においては４００）に電力を供給し、エンジン２２４，４２４を点火することを含む。ステップ６０４において、プロセッサは、水素燃料オペレーションが、モードセレクタスイッチ（図２，図４に図示せず）の値に示されているかどうかを決定する。システムの操作者は、プロセッサ２００，４００のインプットの１つに接続可能であり、システムを作動させる直前に水素燃料オペレーションを選択可能であるモードセレクタスイッチ（図示せず）を利用することができる。まは、操作者は、システムが作動した後に選ぶこともできる。ステップ６０６において、プロセッサは、モードセレクタスイッチの値に基づいて、水素燃料オペレーションが選択されたかどうかを決定する。水素燃料オペレーションが選択されていない場合、本発明の方法は、燃料としてガソリンを用いるオペレーションのためにステップ６２０に進む。水素燃料オペレーションが選択された場合、本発明の方法は、ステップ６１０に進む。
【００６７】
ステップ６１０において、本発明の方法は、各種センサ、監視装置、および表示器により供給されているエンジンパラメータ値（例えばアクセルペダル位置およびエンジン速度）を測定し、入力線Ｉ１，Ｉ２，・・・，ＩＮを介してプロセッサ２００，４００に情報を送る。エンジンパラメータ値は、エンジンの操作者により出されたリクエストの結果であってもよい。ステップ６１２において、プロセッサ２００，４００は、エンジンパラメータ値（例えばアクセルペダル位置およびエンジン速度）に基づいてエンジンの要求出力を計算する。この要求出力は、出力を増加または減少させるためにエンジンの操作者によって出されたリクエストの結果であってもよい。エンジンに対する要求出力が計算され、各種エンジンパラメータ値が収集された時点で、本発明の方法はステップ６１４に進む。
【００６８】
ステップ６１４において、ステップ６１２で計算された要求出力およびエンジンパラメータ値に基づいて、プロセッサ２００，４００は、エンジンを制御するためのパラメータ値として用いられ得る２つのパラメータセットを計算する。この２つのパラメータセットは、リーンオペレーションとλ＝１オペレーションに対応する。リーンオペレーションは、許容λ値で水素のみを用いて実現することができる。そのため、λ＝１オペレーションでは、水素とガソリンの混合物を用いることができる。パラメータ値は、スロットル２２６，４２６、ガソリン燃料噴射装置２２２，４２２、水素燃料噴射装置２１２，４１２、ウェイストゲート２３６、ターボチャージャー２３２、および空気ポンプ４３２のようなコンポーネント（すなわちアクチュエータ）を制御するために用いられる値である。エンジンを制御するために計算されたパラメータセットの各々は、特定のエンジンオペレーションを決定するλ値を含んでいる。要求出力は、対応λ値で水素を用いて、あるいはλ＝１で水素ガソリン混合物を用いて達成され得る。パラメータセットＡは、結果としてもたらされるλ値λＡで水素を用いて要求出力を達成するよう計算されるパラメータ値（例えば、噴射されるべき燃料の量およびエンジンに送り込まれる空気の量）である。パラメータセットＢは、λ＝１オペレーションのために、水素／ガソリン燃料混合物を用いて要求出力を達成するよう計算されるパラメータ値である。エンジンをリーンオペレーションからλ＝１オペレーションに切り替えるため、あるいは、水素ガソリン混合物を用いたλ＝１オペレーションからリーンモードオペレーションで水素を用いる許容λに切り替えるための要求出力リクエストを予想して、ステップ６１４で実行された計算を行うことができる。パラメータ値は、プロセッサ２００，４００により記憶される。水素が利用できないとき、パラメータ値は、オペレーションのバックアップセットをも含んでいる。例えば、水素ガス漏れ検出器または他の燃料センサ（図示せず）は、危険なエンジンオペレーションにつながる可能性がある燃料漏れを検出するために用いることができる。好ましくは水素燃料線に隣接して配置される燃料センサは、プロセッサに連結され、あるいはプロセッサに通じており、プロセッサに燃料漏れの発生を知らせる。上記システムは、λ＝１でガソリンのみを用いて作動するために必要なパラメータ値を予め計算する。これは、安全の考慮のために止められた状況、あるいは水素ガスが枯渇した（タンクが空の）状況、あるいはユーザが水素ガスを止めた状況に対するバックアップである。本発明の方法は、水素が利用できるようになった場合に、水素を用いるオペレーションに戻ることができる。
【００６９】
ステップ６１６において、本発明の方法は、λＡが許容されるかどうかを決定する。λＡが非許容ゾーン内になく、その結果許容される場合、本発明の方法は、ステップ６１８Ａに進み、パラメータセットＡの値を用いてリーンモードでエンジンを作動させる。つまり、ステップ６１８Ａにおいて、プロセッサ２００，４００は、スロットル２２６，４２６と燃料噴射装置２１２，４１２を制御して、クオリティコントロールを用いて許容λで要求出力を達成する。λＡが許容されず、その結果、水素のみを用いて要求出力を満足するためのオペレーションを実行することができない場合、本発明の方法はステップ６１８Ｂに進む。ステップ６１８Ｂにおいて、プロセッサ２００，４００は、スロットル２２６，４２６と適量の水素およびガソリンを噴射するための燃料噴射装置を制御して、λ＝１で要求出力を達成する。水素または水素ガソリン混合物を用いるオペレーション中、（１）水素燃料タンクが空であるため水素がもはや使用できない場合、あるいは（２）水素燃料漏れが検出され、システムが水素燃料源を閉止した場合、あるいは（３）操作者が、二次燃料でエンジンを駆動させるため、または水素燃料を止めるためにスイッチを切り替えた場合、上記システムは、ガソリンを用いるオペレーションに切り替える。
【００７０】
ステップ６０６に戻り、水素燃料オペレーションが選択されなかった場合、本発明の方法はステップ６２０に進む。ステップ６２０において、本発明の方法は、各種センサ、監視装置、および表示器により供給されているエンジンパラメータ値（例えばアクセルペダル位置およびエンジン速度）を測定し、入力線Ｉ１，Ｉ２，・・・，ＩＮを介してプロセッサ２００，４００に情報を送る。エンジンはガソリンを用いて作動する。その結果、エンジンの操作者による要求出力リクエストにかかわらず、λの値はλ＝１で維持される。ステップ６２２において、プロセッサ２００，４００は、エンジンパラメータ値（例えばアクセルペダル位置およびエンジン速度）に基づいて、エンジンの要求出力を計算する。この要求出力は、出力を増加または減少させるためにエンジンの操作者によって出されたリクエストの結果であってもよい。エンジンに対する要求出力が計算され、各種エンジンパラメータ値が収集された時点で、本発明の方法はステップ６２４に進む。ステップ６２４において、プロセッサは、要求されたλ＝１オペレーションに対する要求出力を達成するためパラメータ値を計算する。ステップ６２６において、プロセッサは燃料噴射装置およびスロットルを制御して、１に等しい値にλの値を維持するエンジンオペレーションを、クオンティティコントロールを用いて制御する。
【００７１】
本発明の装置、システム、および方法は、本明細書で説明されているように、様々な実施形態に関連して説明されている。当然のことながら、本明細書に開示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。この発明の属する分野の当業者は、本明細書を読んだ後、本明細書に記載されているものとは異なるが、十分本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１】
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【図２】
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【図３】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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