(57)【要約】【課題】出力信号の測定を不要とすることのできる冒頭に述べた類の制御方法を提供すること。【解決手段】内燃機関の所定の窒素酸化物排出値を達成するための特にリーンバーン運転方式による内燃機関の制御方法であって、内燃機関の内部で燃焼させられる燃料と空気の混合気のλ値またはこのλ値と一義的な関係にある1つの等価エンジンパラメータが単位時間当たり供給燃料量に応じてまたは単位時間当たり供給燃料エネルギ（Ｑｚｕ）に応じて制御される内燃機関の制御方法。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の所定の窒素酸化物排出値を達成するためのリーンバーン運転方式による内燃機関の制御方法において、
内燃機関の内部で燃焼させられる燃料と空気の混合気のλ値、またはこのλ値と一義的な関係にある１つの等価エンジンパラメータが、単位時間当たり供給燃料量または単位時間当たり供給燃料エネルギに応じて制御されることを特徴とする内燃機関の制御方法。
【請求項２】
請求項１に記載の内燃機関の制御方法において、
前記燃料は可燃性ガスであることを特徴とする内燃機関の制御方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の内燃機関の制御方法において、
前記単位時間当たり供給燃料量は、流量測定によって決定されることを特徴とする内燃機関の制御方法。
【請求項４】
請求項１または２に記載の内燃機関の制御方法において、
前記単位時間当たり供給燃料エネルギは、燃料発熱量測定と組み合わされた流量測定によって決定されることを特徴とする内燃機関の制御方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関の制御方法において、
前記λ値と関係する前記等価エンジンパラメータは、内燃機関の吸気弁前の圧力であることを特徴とする内燃機関の制御方法。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関の制御方法において、
前記λ値と関係する前記等価エンジンパラメータは、燃料と空気の混合気の発熱量であることを特徴とする内燃機関の制御方法。
【請求項７】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関の制御方法において、
前記λ値と関係する前記等価エンジンパラメータは、窒素酸化物排出値であることを特徴とする内燃機関の制御方法。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の内燃機関の制御方法において、
前記λ値または前記等価エンジンパラメータの目標値と、単位時間当たり供給燃料量または単位時間当たり供給燃料エネルギとの相関関係は、特性マップにファイルされ、内燃機関の運転時に該特性マップから読み出されることを特徴とする内燃機関の制御方法。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の内燃機関の制御方法において、
前記λ値の目標値または前記等価エンジンパラメータの目標値と、単位時間当たり供給燃料量または単位時間当たり供給燃料エネルギとの相関関係の決定にあたり、前記燃料と空気の混合気の点火時点、温度の影響、燃料の特質、化学量論燃焼空気量の内のいずれか少なくとも１種が考慮されもしくは補正されることを特徴とする内燃機関の制御方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の内燃機関の制御方法において、
前記燃料の特質は、燃料発熱量測定を介して決定されることを特徴とする内燃機関の制御方法。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の内燃機関の制御方法において、
前記λ値ないし前記等価エンジンパラメータの実際値が把握好ましくは直接に測定されて、単位時間当たり供給燃料量に応じて、または単位時間当たり供給燃料エネルギに応じて決定される目標値に制御適合されることを特徴とする内燃機関の制御方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の内燃機関の制御方法において、
前記等価エンジンパラメータの実際値は、燃料と空気の混合気の混合比の調節によって前記の目標値に適合されることを特徴とする内燃機関の制御方法。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の内燃機関の制御方法において、
前記出力調節時の制御余裕を実現するために点火時点調節が行なわれることを特徴とする内燃機関の制御方法。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか１項に記載の内燃機関の制御方法を実施するための制御装置。
【請求項１５】
請求項１４に記載の制御装置を装備したことを特徴とする内燃機関。
【請求項１６】
請求項１５に記載の内燃機関において、
前記燃料と空気の混合比を調節するための装置を有することを特徴とする内燃機関。
【請求項１７】
請求項１５または１６に記載の内燃機関において、
燃料供給管内に流量測定装置を有することを特徴とする内燃機関。
【請求項１８】
請求項１７に記載の内燃機関において、
前記燃料供給管内に燃料発熱量を測定するための発熱量プローブが配置されていることを特徴とする内燃機関。
【請求項１９】
請求項１５〜から１８のいずれか１項に記載の内燃機関において、
前記燃料と空気の混合気の生成装置から内燃機関の少なくとも１個のシリンダに至るまでの燃料と空気の混合気の供給管内に、前記燃料と空気の混合気の発熱量を測定するための発熱量プローブ、または燃料と空気の混合気の温度を測定するための温度プローブの少なくとも一方が配置されていることを特徴とする内燃機関。
【請求項２０】
請求項１５〜１９までのいずれか１項に記載の内燃機関において、
窒素排出を測定するための装置を有することを特徴とする内燃機関。
【請求項２１】
請求項１５〜２０のいずれか１項に記載の内燃機関において、
排気路内にλプローブを有することを特徴とする内燃機関。
【請求項２２】
請求項１５〜２０のいずれか１項に記載の内燃機関であって、
火花点火式あるいは混合気過給式のいずれか少なくとも一方を採用した定置式ガソリンエンジン機関であることを特徴とする内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は内燃機関の所定の窒素酸化物排出値を達成するための特にリーンバーン運転方式による内燃機関の制御方法ならびに当該の制御装置と内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１の明細書から、発電機駆動用内燃機関を、シリンダ吸気弁前の混合気圧力を発電機の発生電力に応じて制御することにより、窒素酸化物排出値を一定に保って運転することがすでに知られている。この場合、吸気弁前の混合気圧力の目標値は、排出値を一定とした場合の混合気圧力と発生電力との相関関係を示す特性マップから引き出される。こうして、測定された吸気弁前圧力の実際値はガス混合器による燃料と空気の混合気比の調節を経て、特性マップに基づいて決定された目標値に適合制御される。
【０００３】
そのために使用される特性曲線は、窒素酸化物排出値が等しい少なくとも２個の作動点を特定することによってつくられる。こうした従来公知の方法により、内燃機関が広い出力範囲にわたって所望の排出値を非常に正確に遵守することが可能となる。前記の特許文献１から、公知のシステムは敏感なセンサの摩耗・老化なしに実現されるという利点を有する。
【０００４】
特許文献２の明細書には、上記特許文献１の明細書から公知の制御方式をさらになお点火時点調節によって補充し、いかなる運転状態においても負荷変動に迅速に反応し得る制御余裕をもたせた、さらに改良された、冒頭に述べた類のシステムが紹介されている。さらに、この制御方式は内燃機関を常に最適な効率で稼働させるために使用される。
【０００５】
これらの公知の制御方式の短所は、内燃機関の発生出力を特徴付ける信号が常に得られていなければならないという点である。発電機を駆動する内燃機関にあってはこのために発生電力を使用することができるが、その他の機関たとえばポンプ駆動用機関の場合には通例その種の出力信号は得られていず、したがって前記の制御方式を適用するために高価な補助センサによる別段の測定が行われなければならないこととなろう。
【特許文献１】欧州特許第０２５９３８２号公報（ＥＰ０２５９３８２Ｂ１）
【特許文献２】欧州出願公開第１２２５３３０号公報（ＥＰ１２２５３３０Ａ２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、本発明の目的は、出力信号の測定を不要とすることのできる冒頭に述べた類の制御方法を提供することである。
【０００７】
前記課題は、本発明により、内燃機関の内部で燃焼させられる燃料と空気の混合気のλ値またはこのλ値と関係する1つの等価エンジンパラメータが単位時間当たり供給燃料量に応じてまたは単位時間当たり供給燃料エネルギに応じて制御されることによって達成される。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
すなわち、まず、請求項１に係る発明の採った手段は、
「内燃機関の所定の窒素酸化物排出値を達成するためのリーンバーン運転方式による内燃機関の制御方法において、
内燃機関の内部で燃焼させられる燃料と空気の混合気のλ値、またはこのλ値と一義的な関係にある１つの等価エンジンパラメータが、単位時間当たり供給燃料量または単位時間当たり供給燃料エネルギに応じて制御されることを特徴とする内燃機関の制御方法」
である。
【０００９】
前記課題は、本発明により、内燃機関の内部で燃焼させられる燃料と空気の混合気のλ値またはこのλ値と関係する1つの等価エンジンパラメータが単位時間当たり供給燃料量に応じてまたは単位時間当たり供給燃料エネルギに応じて制御されることによって達成される。
【００１０】
本発明のその他の詳細および特徴は以下の図面説明から判明する通りである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、
「内燃機関の所定の窒素酸化物排出値を達成するためのリーンバーン運転方式による内燃機関の制御方法において、
内燃機関の内部で燃焼させられる燃料と空気の混合気のλ値、またはこのλ値と一義的な関係にある１つの等価エンジンパラメータが、単位時間当たり供給燃料量または単位時間当たり供給燃料エネルギに応じて制御されることを特徴とする内燃機関の制御方法」
にその主たる構成の特徴があり、これにより、出力信号の測定を不要とすることのできる制御方法を提供することができるのである。
【００１２】
したがって、本発明によれば、内燃機関の発生出力に代えて、単位時間当たり供給燃料量または単位時間当たり供給燃料エネルギが制御用基礎量として使用される。この場合、制御されるのはλ値またはそれと関係する１つの等価エンジンパラメータである。λ値は、周知のように、燃焼時の空燃比を表しており、この場合λ=１は化学量論燃焼に相当している。
【００１３】
等価エンジンパラメータとしては、たとえば内燃機関の吸気弁前圧力または燃焼させられる燃料と空気の混合気の発熱量あるいはまた排気の窒素酸化物排出値も使用することができる。単位時間当たりの供給燃料量は流量測定によって決定されるのが好適である。制御が単位時間当たり供給燃料エネルギに基づいて行われる場合には、流量測定は燃料発熱量測定と組み合わされて実施される。この２つの値を乗ずることにより単位時間当たり供給燃料エネルギが得られる。
【００１４】
本発明は、前記の内燃機関の制御方法と並んで、前記方法を実施するための制御装置ならびにその種の制御装置を装備した内燃機関に関する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１はλ目標値と単位時間当たりの供給燃料エネルギ（Ｑｚｕ）との相関関係を概略的に示したものである。それぞれ一定の窒素酸化物排出値を示すすべての内燃機関作動点は、実線で表した特性曲線１０上にある。この特性曲線１０ないし特性マップはたとえば内燃機関運転開始時の検量測定によってつくられる。これは、所与のＱｚｕ時の１作動点９につき、所望の窒素酸化物排出値が生ずるようにλ目標値を設定することによって行なわれる。
【００１６】
特性曲線１０を得るため、続いて少なくとも１個の第二の作動点９が別の単位時間当たり供給燃料エネルギ値を適宜設定して運転され、その際、所望の窒素酸化物排出値が達成されるように空燃比を調節することにより再びλ目標値が定められる。こうして決定された２つの作動点から一次近似による直線状特性曲線１０′（点線にて図示）が得られる。前記の内燃機関の制御方法により窒素酸化物排出値を一定にして２個以上の作動点９が特定されれば、これから湾曲した曲線、たとえば特性曲線１０も得ることができる。
【００１７】
一定の運転パラメータたとえば燃料と空気の混合気の温度ｔ２′または点火時点ＺＺＰまたは供給燃料質が激しく変動し得る内燃機関にあっては、さらに、これらのパラメータの影響も考慮することが有用である。これからも、通例、特性マップが得られる。図１はたとえば、それぞれ窒素酸化物排出値を一定とし、温度値ｔ２′が種々相異する場合に作動点９′′を適宜特定して得られる種々相異した特性曲線１０′′を示している。したがって、複数の影響パラメータを考慮する場合には全体として多元的な特性マップが得られる。ただし、これに代えて、単一の特性曲線１０を基礎として、燃料と空気の混合気の温度ｔ２′または点火時点（ＺＺＰ）またはその他の影響パラメータの当該補正値を考慮することも可能である。前記の内燃機関の制御方法による特性マップ作成のコストを適正限度内に抑えるため、一定のパラメータの影響が既知であれば、推定を行なうことも可能である。
【００１８】
図１はλの目標値と供給燃料エネルギ（Ｑｚｕ）との間の相関関係に関する特性マップを示しているにすぎないが、前記の等価エンジンパラメータ( 吸気弁前の圧力、燃料と空気の混合気の発熱量または窒素酸化物排出値)と単位時間当たり供給燃料量または単位時間当たり供給燃料エネルギとの相関関係についてもやはり同様な特性曲線または特性マップが得られる。
【００１９】
図２は、本発明による第一の内燃機関制御方法を示したものである。この内燃機関は先ず、それ自体公知のように、エンジン５の発生出力Pが所望の出力目標値P-Sollに一致するように出力調節要素2( たとえば、制御さるべき内燃機関のスロットルバルブまたは方向転換バルブをPID制御器1によって調節する出力調節器を備えている。
【００２０】
本発明により、今や、一定の窒素酸化物排出値(ＮＯｘ、窒素酸化物）を達成するために、特性マップ6にファイルされた、λ値または等価エンジンパラメータと単位時間当たり供給燃料量または単位時間当たり供給燃料エネルギ（Ｑｚｕ）との相関関係を利用するエンジン5の制御トレーンが設けられている。この制御トレーンにつき先ず、λ値と単位時間当たり供給燃料エネルギ（Ｑｚｕ）との相関関係を基礎とした1実施例を参照して説明する。
【００２１】
内燃機関の運転にあたり、内燃機関の燃料供給管に配された流量測定装置と発熱量プローブとによって燃料の流量と発熱量とが測定される。この2つの値を乗ずることにより、単位時間当たり供給燃料エネルギ（Ｑｚｕ、単位Ｊ／ｓ）が得られる。次いで、このQzu値に基づいて図1に示した特性マップ6で当該λ目標値が決定される。この場合、必要に応じ、燃料と空気の混合気の温度t2`および／または点火時点ZZPおよび／または燃料の発熱量HUBおよび／または化学量論燃焼空気量Lminを考慮することが可能である。つまり、前記λ値の目標値または前記等価エンジンパラメータの目標値と、単位時間当たり供給燃料量または単位時間当たり供給燃料エネルギとの相関関係の決定にあたり、前記燃料と空気の混合気の点火時点、温度の影響、燃料の特質、化学量論燃焼空気量の内のいずれか少なくとも１種が考慮されもしくは補正されるものである。
【００２２】
こうして決定されたλ目標値は比較装置11で、λプローブ4によって排気路中で測定されたλ実際値と比較される。目標値への実際値の適合化は、燃料と空気の混合気の調節装置3を制御するPID制御器1によって行なわれる。
【００２３】
図2においてパラメータＱｚｕとλ値とに基づいて説明した制御フローは、前述した( λ値の等価パラメータとしての)等価エンジンパラメータと（Ｑｚｕの等価パラメータとしての)単位時間当たり供給燃料量についても同様に機能する。そのためにはそれぞれに適した特性マップ6と適切な測定プローブが使用されさえすればよい。
【００２４】
等価エンジンパラメータとして燃料と空気の混合気の発熱量が選択される場合には、その実際値を測定するために燃料と空気の混合気の供給管12に好ましくはオンライン測定式発熱量プローブ4’( 別途選択肢として鎖線にて表示)が配置されなければならない。等価エンジンパラメータとして吸気弁前の圧力が選択される場合には、適切な圧力測定装置がセレクトされなければならない。これも燃料と空気の混合気の供給管12に配置されるのが好適である。
【００２５】
ただし、別法として、制御フローを内燃機関の窒素酸化物排出値に基づいて行おうとする場合には、排気側において窒素酸化物排出値測定装置8を使用することもできる。図2においてこれらの別法は鎖線で表されている。
【００２６】
特性マップによって場合により考慮されるべきパラメータ、t2`、ZZP、HUBおよび／またはLminの測定は従来の技術に基づいて行われるが、その場合、t2`測定用の当該温度プローブは同じく燃料と空気の混合気の供給管12内に配置されているのが好適である。流量測定によってしか決定し得ない単位時間当たり供給燃料量( 単位m3/s; 場合により標準条件に換算)によってパラメータ（Ｑｚｕ）を代用することは、通例、燃料の特質が均一である場合にのみ好ましい。燃料の特質はたとえば燃料の発熱量測定によって特徴付けることが可能である。
【００２７】
図3では、図2に示した本発明による第一の制御フローにさらになお点火時点調整用制御トレーンが補充されている。これにより、内燃機関5の負荷変動に迅速に反応し得るように常に制御余裕が存在するようにすることができる。このため、出力調節要素2とそれに対応するPID制御器1との間で、出力調節要素2の制御余裕を特徴付ける信号Uが分路される。点13での比較によって、制御余裕が前以て定められたミニマムUminよりも大であるか否かがチェックされる。これがそうでない場合には、点火時点調節装置14により所定の限度ZZPminとZZPmaxの範囲内で点火時点の調節が行なわれる。この場合さらにノッキング調節器7を設けることができ、これは、調節範囲を制限することにより、点火時点の変位によってエンジン5にノッキングが生ずることを防止する。
【００２８】
図3に補充トレーンとして示した制御トレーンにより、所望の制御余裕が保証されると共に常に最適な内燃機関効率が達成される。またさらに、周辺条件( たとえば圧力および温度)への適応も点火時点の調節によって可能である。点火時点調節自体は、上記特許文献２の明細書に開示された内燃機関の制御方法と同じであることから、本引証によって本願明細書の記載に代えるものとする。
【００２９】
本発明による内燃機関の制御方法は特に、好ましくは可燃性ガスたとえばメタンを燃料として稼働される、火花点火式および／または混合気過給式の、好ましくは定置式ガソリンエンジン機関の運転に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明による内燃機関の制御方法において使用される特性マップを概略的に示す図である。
【図２】本発明による制御内燃機関の制御方法の第一の実施例を概略的に示す図である。
【図３】さらになお点火時点調整が行なわれる本発明の第二の実施例を示す図である。
【符号の説明】
【００３１】
１    ＰＩＤ制御器
２    出力調整要素
３    調節装置
４    λプローブ
４′  オンライン測定式発熱量プローブ
５    エンジン
６    特性マップ
７    ノッキング調節器
８    窒素酸化物排出値測定装置
９、９′′    作動点
１０、１０′′     特性曲線
１０′     直線状特性曲線
１１  比較装置
１２  供給管
１３  点
１４  点火時期（点）調節装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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