(57)【要約】      （修正有）【課題】排気ガス流の再循環部分の比を適正に制御出来るシステムを提供する。【解決手段】システム１０は、充填流６０を受け入れるように構成された１つまたは複数の反応領域３６を有する往復動内燃エンジン１２であって、充填流が、１つまたは複数の反応領域内で反応し、それによって排気ガス流５６を生成するように構成される、往復動内燃エンジンと、制御器２２とを含む。充填流は、酸化剤流２４、燃料流３０、および排気ガス流の再循環部分５８を含む。制御器は、燃料混合気３４に対する排気ガス流の再循環部分の比を制御するように構成される。制御器は、その比を、第１の温度、充填流の第２の温度、および排気ガス流の再循環部分の第３の温度に少なくとも部分的に基づいて制御する。燃料混合気は酸化剤流および燃料流を含む。第１の温度は、酸化剤流、燃料流、または燃料混合気の検知温度の１つまたは任意の組み合わせを含む。【選択図】図１
2015075112.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
充填流を受け入れるように構成された１つまたは複数の反応領域を含む往復動内燃エンジンであって、前記充填流が、前記１つまたは複数の反応領域内で反応し、かつ排気ガス流を生成するように構成され、さらに前記充填流が、酸化剤流、燃料流、および前記排気ガス流の再循環部分を含む、往復動内燃エンジンと、
前記酸化剤流および前記燃料流を含む燃料混合気に対する前記排気ガス流の前記再循環部分の比を、第１の温度、前記充填流の第２の温度、および前記排気ガス流の前記再循環部分の第３の温度に少なくとも部分的に基づいて制御するように構成された制御器であって、前記第１の温度が前記酸化剤流、前記燃料流、または前記燃料混合気の検知温度の１つまたは任意の組み合わせを含む、制御器と
を含むシステム。
【請求項２】
前記制御器が、前記燃料混合気に対する前記排気ガス流の前記再循環部分の前記比を、次式
％ＥＧＲ＝（Ｃｐmixture×（Ｔmixture−Ｔcharge））／（Ｃｐegr×（Ｔcharge−Ｔegr））、
に基づいて制御するように構成され、式中、％ＥＧＲは前記比、Ｃｐmixtureは前記燃料混合気の比熱、Ｔmixtureは前記第１の温度、Ｔchargeは前記第２の温度、Ｃｐegrは前記再循環部分の比熱、およびＴegrは前記第３の温度である、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
ＣｐmixtureがＣｐegrに等しい、請求項２記載のシステム。
【請求項４】
前記制御器が、Ｃｐmixtureの第１の値およびＣｐegrの第２の値を記憶するように構成されたメモリを含む、請求項２記載のシステム。
【請求項５】
前記燃料混合気の前記検知温度に少なくとも部分的に基づいて、第１の信号を前記制御器へ送信するように構成された燃料混合気温度センサを含む請求項１記載のシステム。
【請求項６】
前記酸化剤流の検知された第４の温度に少なくとも部分的に基づいて、第１の信号を前記制御器へ送信するように構成された酸化剤温度センサと、前記燃料流の検知された第５の温度に少なくとも部分的に基づいて、第２の信号を前記制御器へ送信するように構成された燃料温度センサとを含み、前記制御器が、前記検知された第４の温度および前記検知された第５の温度に少なくとも部分的に基づいて、前記第１の温度を決定するように構成される、請求項１記載のシステム。
【請求項７】
前記往復動内燃エンジンが、複数のシリンダそれぞれの中に配置された複数の往復動ピストンを含み、前記複数の往復動ピスンの各往復動ピストンが、前記複数のシリンダの各シリンダ内で往復運動して、１つまたは複数の反応領域の各反応領域を圧縮し、また膨張させるように構成され、前記１つまたは複数の反応領域の各反応領域が、前記充填流を受け入れるように構成される、請求項１記載のシステム。
【請求項８】
前記制御器に接続された１つまたは複数の圧力センサを含む請求項１記載のシステムであって、前記１つまたは複数の圧力センサの各圧力センサが、前記充填流の圧力、前記酸化剤流の圧力、前記燃料流の圧力、前記燃料混合気の圧力、前記排気ガス流の圧力、またはこれらの任意の組み合わせに少なくとも部分的に基づいて、圧力信号を前記制御器へ送信するように構成され、前記制御器が、前記１つまたは複数の圧力センサから受信した前記１つまたは複数の圧力信号に少なくとも部分的に基づいて、前記比を制御するように構成される、システム。
【請求項９】
前記制御器が、前記酸化剤流の制御によって前記比を制御するように構成される、請求項１記載のシステム。
【請求項１０】
前記制御器が、前記排気ガス流の前記再循環部分のみの制御によって、または前記排気ガス流の前記再循環部分および前記酸化剤流の両方の制御によって、前記比を制御するように構成される、請求項１記載のシステム。
【請求項１１】
前記制御器が、前記比が約１５と４０パーセントの間にあるように制御するように構成される、請求項１記載のシステム。
【請求項１２】
酸化剤流および燃料流を含む燃料混合気の第１の温度を決定するように構成された第１の温度検知システムと、
前記燃料混合気および排気ガス流の再循環部分を含む前記充填流の第２の温度を決定するように構成された第２の温度検知システムと、
前記排気ガス流の前記再循環部分の第３の温度を決定するように構成された第３の温度検知システムと、
前記燃料混合気に対する前記排気ガス流の前記再循環部分の比を、前記燃料混合気の前記第１の温度、前記充填流の前記第２の温度、および前記排気ガス流の前記再循環部分の前記第３の温度に少なくとも部分的に基づいて制御するように構成された少なくとも１つの流量制御弁と、
前記充填流を反応させて前記排気ガス流を生成するように構成された反応領域を含む往復動内燃エンジンと
を含むシステム。
【請求項１３】
前記第１の温度検知システムが、前記酸化剤流の第４の温度および前記燃料流の第５の温度に少なくとも部分的に基づいて、前記第１の温度を決定するように構成される、請求項１２記載のシステム。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの流量制御弁が、前記燃料混合気に対する前記排気ガス流の前記再循環部分の前記比を、次式
％ＥＧＲ＝（Ｃｐmixture×（Ｔmixture−Ｔcharge））／（Ｃｐegr×（Ｔcharge−Ｔegr））
に基づいて制御するように構成され、
式中、％ＥＧＲは前記比、Ｃｐmixtureは前記燃料混合気の比熱、Ｔmixtureは前記第１の温度、Ｔchargeは前記第２の温度、Ｃｐegrは前記再循環部分の比熱、およびＴegrは前記第３の温度である、請求項１２記載のシステム。
【請求項１５】
少なくとも１つの流量制御弁が、前記酸化剤流の制御によって前記比を制御するように構成された酸化剤流量制御弁を含む、請求項１２記載のシステム。
【請求項１６】
往復動内燃エンジンを運転する方法であって、
酸化剤流および燃料流を含む燃料混合気の第１の温度を決定するステップと、
前記燃料混合気および排気ガス流の再循環部分を含む充填流の第２の温度を決定するステップと、
前記排気ガス流の前記再循環部分の第３の温度を決定するステップと、
前記燃料混合気に対する前記排気ガス流の前記再循環部分の比を、前記第１の温度、前記第２の温度、および前記第３の温度に少なくとも部分的に基づいて決定するステップと、
前記往復動内燃エンジンへの前記充填流を、前記比に少なくとも部分的に基づいて制御するステップであって、前記充填流は前記往復動内燃エンジンの反応領域内で反応する、ステップと
を含む方法。
【請求項１７】
前記燃料混合気に対する前記排気ガス流の前記再循環部分の前記比が、次式
％ＥＧＲ＝（Ｃｐmixture×（Ｔmixture−Ｔcharge））／（Ｃｐegr×（Ｔcharge−Ｔegr））
に基づいて決定され、
式中、％ＥＧＲは前記比、Ｃｐmixtureは前記燃料混合気の比熱、Ｔmixtureは前記第１の温度、Ｔchargeは前記第２の温度、Ｃｐegrは前記再循環部分の比熱、およびＴegrは前記第３の温度である、請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
Ｃｐmixtureの第１の値およびＣｐegrの第２の値を、操作者インターフェースを通じて受け取るステップを含む請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
前記充填流を制御するステップが、前記酸化剤流または前記排気ガス流の前記再循環部分の少なくとも１つを、前記比に少なくとも部分的に基づいて制御するステップを含む、請求項１６記載の方法。
【請求項２０】
前記充填流を制御するステップが、前記比をフィードバックループによって約１５と４０パーセントの間にあるように制御する、請求項１８記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示する主題は、往復動内燃エンジンに関し、より具体的には、燃料混合気とともに排気ガスを往復動内燃エンジンに再循環させることに関する。
【背景技術】
【０００２】
往復動エンジンは、燃料と空気の混合気の燃焼などからの圧力を利用して、高温ガスを発生させて往復動ピストンを駆動する。往復動ピストンは、軸および軸に連結する１つまたは複数の負荷（例えば、発電機、圧縮機）を駆動することができる。ある特定の構成において、エミッションを低減するために、および燃焼を改善するために、燃料および空気は点火前に予混合される。さらに、往復動エンジンは、排気ガス再循環（ＥＧＲ）を使って、窒素酸化物（ＮＯx）の生成を低減することができる。残念なことに、エンジンに適するＥＧＲの量を制御することは困難なことがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第６７４２３３５号明細書
【発明の概要】
【０００４】
本来、特許請求される発明の範囲に相応する特定の実施形態を、以下に要約する。これらの実施形態は、特許請求される本発明の技術的範囲を限定することを意図するものではなく、むしろこれらの実施形態は、本発明の実施可能な形態の簡潔な概要を提供することのみを意図している。実際、本発明は、下記に説明する実施形態と同様または異なる様々な形態を含むことができる。
【０００５】
第１の実施形態では、システムは、充填流を受け入れるように構成された１つまたは複数の反応領域を有する往復動内燃エンジンであって、充填流が、１つまたは複数の反応領域内で反応し、それによって排気ガス流を生成するように構成される、往復動内燃エンジンと、制御器とを含む。充填流は、酸化剤流、燃料流、および排気ガス流の再循環部分を含む。制御器は、燃料混合気に対する排気ガス流の再循環部分の比を制御するように構成される。制御器は、その比を、第１の温度、充填流の第２の温度、および排気ガス流の再循環部分の第３の温度に少なくとも部分的に基づいて制御する。燃料混合気は酸化剤流および燃料流を含む。第１の温度は、酸化剤流、燃料流、または燃料混合気の検知温度の１つまたは任意の組み合わせを含む。
【０００６】
第２の実施形態では、システムは、燃料混合気の第１の温度を決定するように構成された第１の温度検知システムと、充填流の第２の温度を決定するように構成された第２の温度検知システムと、排気ガス流の再循環部分の第３の温度を決定するように構成された第３の温度検知システムと、少なくとも１つの流量制御弁と、往復動内燃エンジンとを含む。燃料混合気は酸化剤流および燃料流を含み、充填流は燃料混合気および排気ガス流の再循環部分を含む。少なくとも１つの流量制御弁は、燃料混合気に対する排気ガス流の再循環部分の比を、燃料混合気の第１の温度、充填流の第２の温度、および排気ガス流の再循環部分の第３の温度に少なくとも部分的に基づいて制御するように構成される。反応領域は、充填流を反応させて排気ガス流を生成するように構成される。
【０００７】
第３の実施形態では、往復動内燃エンジンを運転する方法は、燃料混合気の第１の温度を決定するステップと、充填流の第２の温度を決定するステップと、排気ガス流の再循環部分の第３の温度を決定するステップと、燃料混合気に対する排気ガス流の再循環部分の比を、第１の温度、第２の温度、および第３の温度に少なくとも部分的に基づいて決定するステップと、往復動内燃エンジンへの充填流を、この比に少なくとも部分的に基づいて制御するステップを含む。充填流は往復動内燃エンジンの反応領域内で反応する。燃料混合気は酸化剤流および燃料流を含む。充填流は燃料混合気および再循環部分を含む。
【０００８】
本発明のこれらのおよび他の特徴、態様、および利点は、図面を通して同じ参照符号が同様な部品を表わしている添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むと、よりよく理解できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本明細書で説明する制御システムを有する排気ガス再循環（ＥＧＲ）システムの実施形態を含む往復動内燃エンジンの実施形態の図である。
【図２】往復動内燃エンジンに入る流れを制御する方法の実施形態のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、本発明の１つまたは複数の具体的な実施形態を説明する。これらの実施形態を簡潔に説明するために、本明細書では実際の実装態様の特徴すべてを説明することはしていない。すべてのこのような実際の実装形態の開発においては、すべてのエンジニアリングプロジェクトまたは設計プロジェクトにおけるように、システムに関係する制約およびビジネスに関係する制約に伴うコンプライアンスなどの、実装形態ごとに変わることがある開発者に特有な目標を達成するために、数多くの実装形態に特有な判断を行わなければならないことを認識すべきである。その上、このような開発の取り組みは、複雑であり時間を要する可能性があるが、それにもかかわらず、この開示の恩恵を受ける当業者にとっては、設計、製作、および製造のルーチンであろうことを認識すべきである。
【００１１】
本発明の様々な実施形態の要素を導入するときに、冠詞「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」、および「ｓａｉｄ」は、要素の１つまたは複数があることを意味するように意図される。用語「備える、含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」および「有する（ｈａｖｉｎｇ）」は、包括的であるように意図され、列挙した要素以外にさらなる要素があり得ることを意味する。
【００１２】
本明細書で説明する排気ガス再循環（ＥＧＲ）システムは、往復動内燃（ＩＣ）エンジン内で排気ガスを再循環させる。酸化剤と燃料は、往復動ＩＣエンジンの反応領域の中への流入の前に、予混合されて燃料混合気となる。排気ガス再循環なしで、実質的に完全燃焼（例えば、化学量論的燃焼）すると、ほぼすべての酸化剤と燃料は反応して燃焼生成物（例えば、二酸化炭素、一酸化炭素、窒素酸化物（ＮＯx）、および水）となる。ほぼ化学量論量での反応または酸化剤が余剰での反応は、高温（例えば、約２８００°Ｆ（１５３８℃））で反応し、それによってＮＯx排出が増加する場合がある。排気ガスの一部分を再循環させると、燃料混合気の酸化剤が希釈され、燃焼温度が下がり、ＮＯx排出を低減することができる。燃料混合気および排気ガスの再循環部分は、充填混合気と呼ぶことができる。再循環部分の量を増加させて、燃焼温度およびＮＯx排出を制御する（例えば、下げる）ことができ、また再循環部分を減少させて、往復動ＩＣエンジンの安定性（例えば、火炎の安定性）を制御（例えば、増大）することができる。
【００１３】
制御器および／または弁制御システムは、酸化剤、燃料、および排気ガスの再循環部分の流量を制御することができ、それによって所望の組成の充填混合気が往復動ＩＣエンジン内で反応することができる。本明細書で説明するように、充填混合気の組成は、燃料混合気の温度測定値、充填混合気の温度測定値、および排気ガスの再循環部分の温度測定値に少なくとも部分的に基づいて制御器によって決定することができる。いくつかの実施形態では、燃料混合気、充填混合気、および排気ガスの再循環部分のエンタルピは制御器によって決定される。いくつかの実施形態では、充填混合気の組成の決定は、燃料混合気の圧力測定値、充填混合気の圧力測定値、および排気ガスの再循環部分の圧力測定値、またはこれらの任意の組み合わせに少なくとも部分的に基づいて補強することができる。しかしながら、本明細書で説明するように、温度に基づいて制御器によって決められた流量は、圧力測定のみに基づいて決められた流量より正確および／または確実なことがある。例えば、流量制御システムを毎分約１０ポンド以上の流量で通る酸化剤は、乱流による圧力変動を生じることがある。さらに、温度測定による流量の決定は、流量計（例えば、ベンチュリ型、オリフィス型）による流量測定および排気ガス流中のＮＯxの直接測定よりもコストが低く、かつ／またはシステムを簡素にすることができる。
【００１４】
図１は、往復動内燃（ＩＣ）エンジン１２、流量制御システム１４、および往復動ＩＣエンジン１２によって駆動される負荷１６を有する往復動内燃（ＩＣ）エンジンシステム１０の実施形態の図である。負荷１６は、限定するものではないが、車両または定置負荷を含むことができる。いくつかの実施形態では、負荷１６は、圧縮機、ポンプ、発電機、変速機、航空機または船舶のプロペラ、ファン、または往復動ＩＣエンジン１２によって動かすことが可能な他の適当な装置を含むことができる。流量制御システム１４は、酸化剤供給システム１８、燃料供給システム２０、および制御器２２（例えば、電子制御ユニット）を含む。酸化剤供給システム１８は、酸化剤ストリーム２３（例えば、酸素、空気、酸化剤低減空気、または酸化剤富化空気）を吸入し、酸化剤流２４を供給する。いくつかの実施形態では、酸化剤供給システム１８は酸化剤ストリーム２３を外部環境２６から吸入する。燃料供給システム２０は、燃料流３０を往復動ＩＣエンジン１２に供給するように構成された燃料貯蔵器２８を含むことができる。燃料流３０の燃料は、限定するものではないが、１つまたは複数の下記の燃料を含むことができる。すなわち、メタン、エタン、エチレン、プロパン、プロピレン、イソブタン、ブタン、イソペンタン、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、水素、またはガソリンを含むことができる。燃料供給システム２０は、液体燃料流３０または気体燃料流３０を供給することができる。
【００１５】
酸化剤流２４および燃料流３０は、予混合導管３２内で混合して燃料混合気３４を生成し、往復動ＩＣエンジン１２の反応領域３６（例えば、燃焼室）へ流れる。理解できるように、往復動ＩＣエンジン１２は、１つまたは複数の反応領域３６を有することができ、各反応領域３６は、各シリンダ４０内を動く往復動ピストン３８に隣接する。例えば、往復動ＩＣエンジン１２には、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１２、１４、１６またはそれ以上の反応領域３６（例えば、燃焼室）およびそれぞれの往復動ピストン３８を含むことができるものがある。燃料混合気３４は、吸気弁４２を通って反応領域３６の中に流入し、次いで第１の方向４４に動く往復動ピストン３８によって圧縮することができる。燃料混合気３４は、反応領域３６内で反応（例えば、燃焼）し、それによって反応から生じた燃焼生成が膨張して往復動ピストン３８を第２の方向４６へ駆動する。いくつかの実施形態では、１つまたは複数の点火プラグ４８が反応領域３６内で反応を誘起する（例えば、燃料混合気３４に点火する）。この１つまたは複数の往復動ピストン３８は、負荷１６に駆動連結する駆動軸５０（例えば、クランク軸）に連結し、それによって駆動軸５０を第３の方向５２へ回転させて負荷１６を駆動する。排気弁５４は、反応した燃焼生成物を排気ガス流５６として反応領域３６から排気導管５７を通して放出する。
【００１６】
流量制御システム１４は、排気ガス流５６の一部分５８を再循環導管５９を通して予混合導管３２に再循環させて、充填流６０を生成する。いくつかの実施形態では、制御器２２は、流量制御弁６２によって酸化剤流２４、燃料流３０、および排気ガス流５６の再循環部分５８の１つまたは複数を制御することができる。制御器２２は、酸化剤流２４および燃料流３０を制御することによって燃料混合気３４の流量を制御することができる。制御器２２は、充填流６０の組成および流量を、燃料混合気３４の第１の温度、充填流６０の第２の温度、および排気ガス流５６の再循環部分５８の第３の温度に少なくとも部分的に基づいて制御する。
【００１７】
複数の温度センサ６４は、フィードバック信号を、各温度センサ６４に近接する流れの温度に少なくとも部分的に基づいて制御器２２に送信することができる。温度センサ６４は、直接的または間接的に検知した温度を示すフィードバック信号を、断続的に、一定の間隔で、または実質的に連続的に送信することができ、あるいは各流れの実際の温度値を提供することができる。各温度センサ６４は、限定するものではないが、熱電対、測温抵抗体（ＲＴＤ）、サーミスタ、高温計（例えば、放射高温計および／または光学高温計）、または寒暖計、またはこれらの任意の組み合わせを含むことができる。温度センサ６４は、予混合導管３２の外壁６６に、予混合導管３２の内壁６８に、または内壁６８を貫通して、各流れ（例えば酸化剤流２４、燃料流３０、燃料混合気３４、再循環部分５８、充填流６０）の中に配置することができる。いくつかの実施形態では、温度センサ６４は、十分に混合した流れを代表するフィードバック信号を温度センサ６４が送信することができる位置に配置することができる。例えば、第１の温度センサ７０は、燃料流３０が酸化剤流２４に導入される箇所の下流の位置７２に配置することができ、その位置では、燃料混合気３４が、試験、較正、または流体の動的計算に基づいて実質的に均一な混合気となっている。いくつかの実施形態では、実質的に均一な混合気の温度の変動は、混合気の断面にわたって約１℃より小さい。
【００１８】
制御器２２は、排気ガス流５６の再循環部分５８の質量流量と燃料混合気３４の質量流量の間の排気ガス再循環（ＥＧＲ）比を、温度センサ６４から送信された信号に少なくとも部分的に基づいて決定することができる。本明細書で提示する式は、各流れと各温度の間の関係を記述する。合流点７４後で再循環部分５８と混合する前の燃料混合気３４の質量流量は、式（１）から決定することができ、合流点７６での充填流６０の質量流量は式（２）から決定することができる。
【００１９】
Ｍmixture＝Ｍoxidant＋Ｍfuel  （１）
Ｍcharge＝Ｍmixture＋Ｍegr    （２）
ここで、Ｍmixtureは燃料混合気３４の質量流量、Ｍoxidantは酸化剤流２４の質量流量、Ｍfuelは燃料流３０の質量流量、Ｍchargeは充填流６０の質量流量、Ｍegrは再循環部分５８の質量流量である。いくつかの実施形態では、Ｍoxidantは、約０．４５から４３３ｋｇ／ｍｉｎ（例えば、約１から９５５ｌｂ／ｍｉｎ）の間、約４．５から３００ｋｇ／ｍｉｎ（例えば、約１０から６６０ｌｂ／ｍｉｎ）の間、または約４５から１３６ｋｇ／ｍｉｎ（例えば、約１００から３００ｌｂ／ｍｉｎ）の間にあってもよい。Ｍfuelは、約０．０２から３０ｋｇ／ｍｉｎ（例えば、約０．０４から６６ｌｂ／ｍｉｎ）の間、約０．２から２０ｋｇ／ｍｉｎ（例えば、約０．４から４４ｌｂ／ｍｉｎ）の間、または約２から１０ｋｇ／ｍｉｎ（例えば、約４．４から２２ｌｂ／ｍｉｎ）の間にあってもよい。理解できるように、式（１）および（２）は、反応領域３６に入る各流れの質量バランスを記述している。制御器２２は、各流れの１つまたは複数を制御して、式（３）から決定されるＥＧＲ比を制御する。
【００２０】
【数１】
2015075112.tif 000003
ここで、％ＥＧＲはＥＧＲ比である。ＥＧＲ比が下側のしきい値を越えて増加すると、燃焼温度が下がり、往復動ＩＣエンジン１２からのＮＯx排出を低減することができるが、ＥＧＲ比が約４０パーセントの上側のしきい値を越えると、１つまたは複数の往復動ピストン３８の失火が増え、それによって往復動ＩＣエンジン１２の安定性（例えば、火炎または燃焼安定性）が下がることがある。したがって、Ｍegrは、Ｍmixtureの約１と４０パーセントの間、約５から３５パーセント、または約１０から２５パーセントであることができる。
【００２１】
流れのエンタルピは、質量流量、流れの比熱、および流れの温度に少なくとも部分的に基づいて決定することができる。式（４）は、充填流６０（Ｍcharge）の比熱を記述している。
【００２２】
Ｍcharge×Ｃｐcharge＝Ｍmixture×Ｃｐmixture＋Ｍegr×Ｃｐegr  （４）
ここで、Ｃｐchargeは充填流６０の比熱、Ｃｐmixtureは燃料混合気３４の比熱、Ｃｐegrは排気ガス流５６の再循環部分５８の比熱である。式（５）に示すように、式（４）は、式（２）を使って書き換えて、ＣｐchargeをＣｐmixtureとＣｐegrの項で定義することができる。
【００２３】
【数２】
2015075112.tif 000004
式（６）に示すように、熱力学の第１法則によって、合流点７６から流れ出る充填流６０のエンタルピ（Ｑcharge）は、燃料混合気３４のエンタルピ（Ｑmixture）と合流点７６に入る再循環部分５８のエンタルピ（Ｑegr）の和に等しい。
【００２４】
Ｑcharge＝Ｑmixture＋Ｑegr  （６）
Ｑcharge、Ｑmixture、およびＱegrは、式（７）から（９）によって、それぞれ定義される。
【００２５】
Ｑcharge＝Ｍcharge×Ｃｐcharge×（Ｔcharge−Ｔref）      （７）
Ｑmixture＝Ｍmixture×Ｃｐmixture×（Ｔmixture−Ｔref）  （８）
Ｑegr＝Ｍegr×Ｃｐegr×（Ｔegr−Ｔref）                    （９）
ここで、Ｔchargeは充填流６０の温度、Ｔmixtureは燃料混合気３４の温度、Ｔegrは再循環部分５８の温度、Ｔrefは基準温度である。いくつかの実施形態では、Ｔmixtureは、酸化剤流２４の温度（Ｔoxidant）、燃料流３０の温度（Ｔfuel）、またはこれらの任意の組み合わせに近似できる。これに加えて、またはその代わりに、Ｔmixtureは、燃料混合気３４の温度を検知するように構成された温度センサ６４によって直接的に、またはＴoxidantおよびＴfuelの１つまたは複数を利用して間接的に検知することができる。
【００２６】
充填流６０のエンタルピは、式（７）〜（９）を式（６）に代入し、Ｔrefをゼロとして式（１０）を作ることによって決めることができる。
【００２７】
Ｍcharge×Ｃｐcharge×Ｔcharge＝Ｍmixture×Ｃｐmixture×Ｔmixture＋Ｍegr×Ｃｐegr×Ｔegr  （１０）
さらに式（２）および（５）を式（１０）に代入して、代数操作をすると式（１１）となる。
【００２８】
Ｍegr×Ｃｐegr×（Ｔcharge−Ｔegr）＝Ｍmixture×Ｃｐmixture×（Ｔmixture−Ｔcharge）  （１１）
式（１１）からＥＧＲ比は式（１２）に示すように決めることができる。
【００２９】
【数３】
2015075112.tif 000005
いくつかの実施形態では、燃料混合気３４の比熱は、再循環部分５８の比熱にほぼ等しい場合もあり、それによって、式（１２）はさらに簡単になって式（１３）となる。
【００３０】
【数４】
2015075112.tif 000006
式（１２）または式（１３）を利用して、制御器２２の演算装置７８は、燃料混合気３４の検知温度、充填流６０の検知温度、および排気ガス流５６の再循環部分５８の検知温度に少なくとも部分的に基づいて、燃料混合気３４に対する再循環部分５８のＥＧＲ比を決めることができる。いくつかの実施形態では、制御器２２は、上式、コンピュータモデル、履歴データ、トレンドデータ、現時点のセンサのデータ、フリートデータ、ルックアップテーブル、グラフ、またはこれらの任意の組み合わせに少なくとも部分的に基づいて、燃料混合気３４に対する再循環部分５８のＥＧＲ比を決めることができる。所望のＥＧＲ比は、往復動ＩＣエンジン１２の運転モードに少なくとも部分的に基づくことがある。例えば、所望のＥＧＲ比は、定常状態のシーケンスに対して、始動シーケンスおよび／または停止シーケンスでは異なることがある。いくつかの実施形態では、所望のＥＧＲ比は、負荷１６に少なくとも部分的に基づくことがある。例えば、比較的小さな負荷（１０００ｈｐ）に対する所望のＥＧＲ比は、比較的大きな負荷（５０００ｈｐ）に対する所望のＥＧＲ比よりも低い。制御器２２は、％ＥＧＲを決めるためにメモリ８０に命令および／または温度信号を記憶することができる。メモリ８０は、限定するものではないが、揮発性メモリおよび／または不揮発性メモリを含むことができる。例えば、メモリ８０は１つまたは複数のハードディスクドライブ、フラッシュメモリ、読出し専用メモリ、ランダムアクセスメモリ、またはこれらの任意の組み合わせを含むことができる。
【００３１】
制御器２２を用いて、燃料混合気３４の温度は、第１の温度センサ７０によって直接的に決定されるか、または酸化剤流２４の温度に基づいて第２の温度信号を送信するように構成された第２の温度センサ８２、および燃料流３０の温度に基づいて第３の温度信号を送信するように構成された第３の温度センサ８４によって間接的に決定されることができる。いくつかの実施形態では、制御器２２は、ＥＧＲ比を決定するのと同様なやり方で、燃料混合気３４内の酸化剤流２４に対する燃料流３０の燃空比（％Ｆ／Ａ）を決定することができる。例えば、制御器２２は式（１４）を利用することができる。
【００３２】
【数５】
2015075112.tif 000007
ここで、Ｔoxidantは酸化剤流２４の温度、Ｔfuelは燃料流３０の温度である。制御器２２は、酸化剤流２４および燃料流３０の少なくとも１つを調節することによって燃空比を制御することができる。
【００３３】
これに加えて、またはその代わりに、制御器２２に接続する酸素センサ８５（例えば、ラムダセンサ）は、排気ガス流５６の再循環部分５８の酸素濃度を検知することができる。制御器２２は、酸素センサ８５によって検知された再循環部分５８の酸素濃度に基づいて、燃空比を決めることができる。いくつかの実施形態では、制御器２２は、酸素センサ８５のフィードバックから決定された燃空比を式１４によって決定された燃空比に比較することができる。したがって、制御器２２は、酸素センサ８５を利用して式１４から決定された燃空比を確認することができ、制御器２２は、式１４から決定された燃空比を利用して酸素センサ８５によって検知された酸素濃度を確認することができ、または、制御器２２は、式１４から決定された燃空比および酸素センサ８５によって検知された酸素濃度を利用して燃料混合気３４の酸化剤流２４に対する燃料流３０の燃空比を決定および制御することができる。
【００３４】
制御器２２は、操作者入力８８を受ける、または操作者に操作者出力９０を提供するように構成された操作者インターフェース８６（例えば、グラフィカルユーザインターフェース付き表示装置）に接続することができる。例えば、操作者は、酸化剤流２４、燃料流３０、または再循環部分５８の比熱の値、上側または下側のＥＧＲ比のしきい値、所望のＥＧＲ比、酸化剤流２４、燃料流３０、または再循環部分５８の所望の流量のしきい値、あるいはこれらの任意の組み合わせを入力することができる。いくつかの実施形態では、操作者は、通し番号または型番などの装置の識別情報を入力することができる。操作者インターフェース８６によって、操作者は往復動ＩＣシステム１０の速度および／または負荷を容易に制御することができる。いくつかの実施形態では、操作者インターフェース８６は、速度、負荷１６、燃料効率、燃料消費、運転温度、ＥＧＲ比、燃料レベル、トレンド、エミッションレベル（例えば、ＮＯx、ＣＯ、ＣＯ2、ＳＯx）などの往復動ＩＣシステム１０の状態についての運転情報を表示することができる。
【００３５】
いくつかの実施形態では、１つまたは複数の圧力センサ９２は、酸化剤流２４、燃料流３０、燃料混合気３４、再循環部分５８、または充填流６０の測定された圧力、あるいはこれらの任意の組み合わせに少なくとも部分的に基づいて圧力信号を制御器２２へ送信することができる。制御器２２は、圧力信号を利用して％ＥＧＲの決定を補強することができる。例えば、制御器２２は、１つまたは複数の圧力センサ９２、オリフィス板、または流量計を利用して１つまたは複数の流れの流量を決定することができる。
【００３６】
図１は、充填流６０を往復動ＩＣエンジン１２の反応領域３６に供給し、往復動ＩＣエンジン１２からの排気ガス流５６の一部分５８を再循環させるように構成された流量制御システム１４の実施形態の概略図をさらに示す。往復動ＩＣエンジンシステム１０は、複数の往復動ピストン３８および複数の反応領域３６を含むことができる。いくつかの実施形態では、システム１４は、充填流６０を各予混合導管３２を通じて各反応領域３６に供給することができる。他の実施形態では、予混合導管３２は、充填流６０を反応領域３６のそれぞれへ供給するように構成された給気マニホールド９４と接続することができる。
【００３７】
再循環部分５８と燃料混合気３４の間のＥＧＲ比を決定する際、制御器２２は、混合して充填流６０を生成する燃料混合気３４および再循環部分５８の少なくとも１つの流量を調節することができる。いくつかの実施形態では、制御器２２は、酸化剤流２４の流量を調節することによって、燃料混合気３４の流量を調節する。これに加えて、またはその代わりに、制御器２２は、燃料流３０の流量を調節することによって、燃料混合気３４の流量を調節する。例えば、制御器２２は、酸化剤供給システム１８および／または燃料供給システム２０の各流量制御弁６２を調節することができる。制御器２２は、再循環導管５９に結合した流量制御弁６２を調節して、排気ガス流５６の再循環部分５８を制御することができる。要約すると、制御器２２は、酸化剤流２４の流量、燃料流３０の流量、燃料混合気３４の流量、または排気ガス流５６の再循環部分５８の流量、またはこれらの任意の組み合わせを調節することができる。
【００３８】
図２は、図１の往復動ＩＣエンジン１２に供給される排気ガス流５６の再循環部分５８と燃料混合気３４の間のＥＧＲ比を制御する実施形態の方法１００を示す。任意に、制御器２２は各流れ（例えば、酸化剤流２４、燃料流３０、燃料混合気３４、排気ガス流５６の再循環部分５８）に関する比熱特性を受け取ることができる（ブロック１０２）。制御器２２は、１つまたは複数の温度センサ６４によって、燃料混合気３４の温度（Ｔmixture）を決定することができる（ブロック１０４）。例えば、温度センサ６４は、燃料混合気３４の温度に少なくとも部分的に基づいて、信号を送信することができる。これに加えて、またはその代わりに、制御器２２は、酸化剤流２４の温度と燃料流３０の温度の間の関係によって、燃料混合気３４の温度を決定することができる。例えば、制御器２２は、酸化剤流２４および燃料流３０の流量、ならびに酸化剤流２４および燃料流３０の温度に少なくとも部分的に基づいて、燃料混合気３４の温度を決定することができる。また制御器２２は、１つまたは複数の温度センサ６４によって、排気ガス流５６の再循環部分５８の温度（Ｔegr）も決定する（ブロック１０６）。いくつかの実施形態では、Ｔegrは、約４０から８０℃（例えば、約１０４°から１７６°Ｆ）の間、約５０から７５℃（例えば、約１２２°から１６７°Ｆ）の間、約５５から７０℃（例えば、約１３１°から１５８°Ｆ）の間、またはそれ以外であってもよい。制御器２２は、１つまたは複数の温度センサ６４によって、酸化剤流２４、燃料流３０、および排気ガス流５６の再循環流部分５８を充填流が含む場所での充填流の温度（Ｔcharge）をさらに決定する（ブロック１０８）。
【００３９】
１つまたは複数の温度センサ６４は、制御器２２へ送信される信号が、充填流内で実質的に均一な混合気に対応できる箇所に配置することができる。
【００４０】
式（１２）または（１３）を利用して、制御器２２は、往復動ＩＣエンジンに供給される排気ガス流５６の再循環部分５８と燃料混合気３４の間のＥＧＲ比を決定する（ブロック１１０）。ＥＧＲ比に少なくとも部分的に基づいて、制御器２２は、酸化剤流２４、燃料流３０、および／または排気ガス流５６の再循環流５８などの充填流への流入を制御することができる（ブロック１１２）。制御器２２は、フィードバックループで充填流への流入の１つまたは複数を制御して、ＥＧＲ比を、約１５から４０％の間などの所望の値に調節することができる。
【００４１】
いくつかの実施形態では、制御器２２は、ＮＯx排出を所望のレベル（例えば、約５００から１０００ｐｐｍ）より下げ、燃焼温度を所望の範囲（例えば、約６５０から９８０℃、すなわち１２００から１８００°Ｆ）に制御し、または往復動ＩＣエンジンの安定性を高めるために、充填流への流入を制御して、ＥＧＲ比を調節することができる。例えば、制御器２２のメモリは、ＮＯx排出、燃焼温度、および／またはエンジン安定性を、排気ガスの再循環部分と燃料混合気の間のＥＧＲ比、燃料、および／または酸化剤に対する様々な値に関係づける１つまたは複数のルックアップテーブルを記憶することができる。
【００４２】
本発明の技術的効果として、燃料混合気の温度、往復動ＩＣエンジンに供給される充填流の温度、および再循環部分の温度に少なくとも部分的に基づいて、往復動ＩＣエンジンに提供される排気ガス流の再循環部分と燃料混合気の間のＥＧＲ比を決定および制御することが含まれる。制御器は、圧力センサとともに、または圧力センサなしに、温度センサを利用してＥＧＲ比を決定することができる。制御器は、それぞれの流れのエンタルピを決定することができ、また燃料混合気または再循環部分の１つまたは複数を制御してＥＧＲ比を制御することができる。いくつかの実施形態では、制御器は、酸化剤流または燃料流を制御して、燃料混合気を調節することができる。制御器は、往復動ＩＣエンジンからのＮＯx排出に影響を与えるため、往復動ＩＣエンジンの燃焼温度を下げるため、および／または往復動ＩＣエンジンの運転の安定性を高めるために、ＥＧＲ比を制御することができる。
【００４３】
本明細書では、最良の態様を含む例を用いて本発明を開示して、さらに、あらゆる装置またはシステムの作製および使用、ならびにあらゆる付随の方法の実施を含め、当業者が本発明を実施できるようにしている。本発明の特許性を有する範囲は、請求項によって定義され、当業者に想到する他の例を含むことができる。そのような他の例は、請求項の文言と相違ない構成要素を有する場合、または請求項の文言と実質的に相違ない等価の構成要素を有する場合、特許請求の範囲内であることを意図している。
【符号の説明】
【００４４】
１０  往復動内燃エンジンシステム
１２  往復動内燃エンジン
１４  流量制御システム
１６  負荷
１８  酸化剤供給システム
２０  燃料供給システム
２２  制御器
２３  酸化剤ストリーム
２４  酸化剤流
２６  外部環境
２８  燃料貯蔵器
３０  燃料流
３２  予混合導管
３４  燃料混合気
３６  反応領域
３８  往復動ピストン
４０  シリンダ
４２  吸気弁
４４  第１の方向
４６  第２の方向
４８  点火プラグ
５０  駆動軸
５２  第３の方向
５４  排気弁
５６  排気ガス流
５７  排気導管
５８  再循環部分
５９  再循環導管
６０  充填流
６２  流量制御弁
６４  温度センサ
６６  予混合導管の外壁
６８  予混合導管の内壁
７０  第１の温度センサ
７２  第１の温度センサの位置
７４  酸化剤流と燃料流との合流点
７６  燃料混合気と再循環部分との合流点
７８  演算装置
８０  メモリ
８２  第２の温度センサ
８４  第３の温度センサ
８５  酸素センサ
８６  操作者インターフェース
８８  操作者入力
９０  操作者出力
９２  圧力センサ
９４  給気マニホールド
１００  ＥＧＲ比制御方法
１０２  比熱特性を受け取る
１０４  Ｔmixtureを決定する
１０６  Ｔegrを決定する
１０８  Ｔchargeを決定する
１１０  ％ＥＧＲを決定する
１１２  充填流への流入を制御する
【図１】
2015075112.tif 000008
【図２】
2015075112.tif 000009
【外国語明細書】
2015075112000001.pdf