(57)【要約】本発明は、ラムダ−１内燃機関（２）、燃料誘導ライン（３）、燃焼に必要な混合気を圧縮するために燃料誘導ライン（３）に配された追加ユニット（９）、排気ガス流に配された触媒コンバーター（１２）、及び触媒コンバーター（１２）より後ろに配され、燃料誘導ライン（３）に通じており、冷排気ガスを混合気へ供給するために用いられる排気ガス再循環ライン（１５）から主として構成される装置（１）を調節するための方法に関する。本発明の方法は特に、単位時間あたりに混合気に供給されるべき排気ガスの量が、ラムダ調節と共に、内燃機関（２）の燃焼室で測定された燃焼室温度に従って調節される点を特徴とする。好ましくは、上記燃焼室温度及び単位時間あたりに混合気に供給されるべき排気ガスの量が、連続的に測定され且つ調節される。特にいわゆる問題ガスが用いられる時、このプローブの耐用寿命は実質的に縮められ、他方で高い維持費をもたらす。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ラムダ−１内燃機関（２）、燃料誘導ライン（３）、燃焼に必要な混合気を圧縮するために上記燃料誘導ライン（３）に配された追加ユニット（９）、排気ガス流に配された触媒コンバーター（１２）、及び該触媒コンバーター（１２）より後ろに配され上記燃料誘導ライン（３）に通じている、冷排気ガスを上記混合気へ供給するための排気ガス再循環ライン（１５）から主として構成される装置（１）を調節するための方法において、
単位時間あたりに上記混合気へ供給される排気ガスの量が、上記内燃機関（２）の燃焼室で測定された燃焼室温度に依存して調節される事を特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、上記燃焼室温度と、単位時間あたりに上記混合気に供給されるべき排気ガスの量とが連続的に測定され又は制御され、上記混合気の化学量論比を調節するために、排気ガス中の酸素の残量がラムダプローブ（１７）によって測定される事を特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の方法において、上記燃焼室温度が所定値を超過しない量で、冷排気ガスが上記混合気に供給され、構成された混合ガスに含まれる排気ガスの割合が内燃機関の出力に依存する事を特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法を実施するための装置において、
−燃料誘導ライン（３）を有するラムダ−１内燃機関（２）、
−燃焼に必要な上記混合気を圧縮するために、上記燃料誘導ライン（３）に配された追加ユニット（９）、
−上記排気ガス流に配された触媒コンバーター（１２）、
−上記触媒コンバーター（１２）より後ろに配され上記燃料誘導ライン（３）に通じている排気ガス再循環ライン（１５）、
−上記内燃機関（２）に配された少なくとも一つの温度プローブ（１９）及び、
−上記少なくとも一つの温度プローブ（１９）によって測定された上記燃焼室温度に依存して、単位時間あたりに上記排気ガス再循環ライン（１５）を介して供給されるべき排気ガスの量を制御するための制御機関（２１）を特徴とする装置。
【請求項５】
請求項４に記載の装置において、上記内燃機関（２）がガス機関である事を特徴とする装置。
【請求項６】
請求項４又は５に記載の装置において、上記混合気の圧縮及び燃焼のための上記追加ユニット（９）がターボ過給機である事を特徴とする装置。
【請求項７】
請求項４〜６のいずれか一項に記載の装置において、上記触媒コンバーター（１２）が三元触媒コンバーターである事を特徴とする装置。
【請求項８】
請求項４〜７のいずれか一項に記載の装置において、上記触媒コンバーター（１２）の手前の排気ガスラインに配されたラムダプローブ（１７）、出力測定装置（１８）及び上記内燃機関（２）に配されたノッキングセンサー（２０）を特徴とし、これら測定機関も同様に上記中央制御機関（２１）に接続されている装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気ガス再循環を有する内燃機関を調節するための方法及び該方法を実施するための装置、すなわち請求項１のいわゆるプレアンブル部分に従う方法及び請求項４に従う装置に関する。
装置は、例えば固定ガス機関を有するユニット形加熱ステーションのためのものである。
ユニット形加熱ステーションの成功した経済的な操作は、主として三つの基準に依存する。つまり、出力密度、効率及び排出値の制限の考慮である。
燃焼生成物の明確な排出率（特にNO4の排出の中で）は、前述の三つの基準の中で中央の位置を占める。これは、化石燃料で操作される全ユニットに対して５０〜８０ng／Nm3程の最大NOx値を規定する政府の規制のためである。この条件を３０mg／Nm3の典型的な排出で満たすガス機関は、３２％の効率を有する。他の駆動コンセプトはより大きい効率を有するが、しばしばそれらの排気ガス値は法律で課された限界値を超える。
【背景技術】
【０００２】
実際に、二つのタイプの機関がユニット形加熱ステーションで用いるのに成功している。これらは、第一に、三元触媒コンバーターを有するラムダ−１吸気機関と、第二に、ターボ過給機を有するが触媒コンバーターを有しない希薄ガス燃焼機関である。
【０００３】
ラムダ−１吸気機関の場合、効率的に供給された空気の量と、燃焼に必要な空気の最少量の比は１に等しい。つまり、燃焼反応で空気の全酸素分子を酸化させるために必要とされる燃焼用空気の化学量論的量が、燃焼用空気に加えられる。この燃焼法によって生じた排気ガスは三元触媒コンバーターを用いて浄化され、それで機関に残る排気ガスは、前述の限界値以下になる比較的小さな排出値を示す。この場合、燃焼用空気へのガス供給は、排気ガス流中に配されたラムダプローブによって調節される。それは排気ガス流中の酸素量を連続的に測定し、次いで可動制御要素を介して、測定された酸素量に依存する必要な燃焼ガスの量を調節する。しかしながら、このようなラムダ−１吸気機関は、比較的小さな効率を、ゆえに小さな出力の発生を有する欠点を伴う。出力の発生は混合気の過給と予圧（precompression）によって増加させられ得るが、この測定は燃焼室の圧力及び温度を増大させ、従って燃料の未燃焼成分の自己着火を促進し（いわゆるノッキング）、機関の耐用寿命をかなり縮める。ゆえに、過給機を有するラムダ−１吸気機関は、長い耐用寿命を有すべき固定装置には用いる事ができない。
【０００４】
希薄ガス燃焼機関の場合は、燃焼温度をできるだけ低く保ち、有害物質の形成を減少させるために、燃料ガスに超過量の燃焼用空気が供給される。１．６〜１．８のラムダ値を通常伴うこの技術は、とりわけ、いわゆる問題ガス（例えば、下水ガス、土捨て場のガス及び生物ガスなど）を用いて使用される。これらのガスを燃料ガスとして用いる時、三元触媒コンバーターと組み合わせて用いる事はできない。なぜなら、これらのガスはそれを破壊する事が知られているからである。ゆえに、希薄ガス燃焼機関を用いて、法律で定められた限界排出値を遵守する事は極めて難しい。例えば、たとえこれが、排気ガス流に酸化触媒コンバーターを挿入する事によってなされる時でさえ、かなり余分なコストがかかる。かなりの余剰空気があれば希薄ガス燃焼機関の出力の発生は非常に小さくなる事になる。この不都合を補うために、混合気は排気ガスのターボ過給機に入れられ、そこで圧縮される。ここで、ラムダプローブが燃料ガス供給を調整するために再び用いられる。しかし、まさにいわゆる問題ガスが用いられる時、このプローブの耐用寿命はかなり縮められ、他方で高い維持費をもたらす。
【０００５】
上で述べた二つの内燃機関を調整する際に、燃焼用空気と燃料ガスとの比が機関の作動中に連続的に補正される事が絶対不可欠である。機関を始動させる時や、機関を最大負荷未満で若しくは様々な条件（ガスの質の変更、温度の変更など）で作動させる時も、混合比を変更された作動条件に連続的に適合させなければならない。特にラムダ−１ガス機関の場合に、三元触媒コンバーターの容認できる変換率を得るために、ラムダの範囲に対して特に狭い限界が設けられる事になる。これらパラメーターに基づく公知の機関の制御は最適化されず、出力の増大のために改善されなければならない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、固定内燃機関、特にガス機関を調節するための新規な方法を創出する事である。この機関は前述の困難性を伴わず、特に公知の方法の欠点が無い。この機関により、燃焼プロセスをできるだけ早く作動条件の変化に適合させる事ができ、常にかなりの作動上の安全且つ長い耐用寿命を満たしたまま、有害物質の排出をできるだけ少なくし、さらに同時に十分な出力を得る事ができる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に従って、この目的は請求項１の特徴を有する方法及び請求項４の特徴を有する装置によって達成される。
方法及び装置の有利な実施形態は従属請求項によって記述される。
【０００８】
本発明に従って、先に記述された、燃焼に必要な空気を圧縮するために追加ユニットを備えたタイプのラムダ−１ガス機関を考えれば、ある量の冷排気ガスが混合気に加えられる。この追加はガス機関の燃焼室で測定された温度に依存して制御される。好ましくは、混合気は冷排気ガスの連続供給を、さらに正確には、構成された混合ガスにおける排気ガスの割合が２０〜２５体積％になるように受け取る。
【０００９】
混合気の圧縮及び燃焼のための追加ユニットは好ましくは、ターボ過給機によって構成される。ターボ過給機が圧縮のために必要とするエネルギーは、タービンを用いて排気ガスから得られる。
【００１０】
触媒コンバーターから得られた冷排気ガスを加えた結果、燃焼プロセスは冷却される。実質的に全ての酸素が排気ガスから取り除かれるので、それはラムダ値を変えずに、化学量論的混合気に加えられる。従って、本発明に従う方法は、公知のラムダ−１機関の有利な点と三元触媒コンバーターを併せ持つ。これは、希薄燃焼から公知の燃焼温度の冷却と、その結果として長い耐用寿命があれば、出力密度がより大きくなり、適用例の可能性がより拡大される事を意味する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
さて、本発明の目的を図で示される実施形態を用いて記述する。
図１において参照番号１で総称して示される装置は、フレーム（図示せず）に設けられたガス機関２を有する。燃料誘導ライン３は混合気をガス機関２へ導く。燃料８が遮断装置又は必要なときに開けられる弁６を介して案内される混合器４は、その入力側の燃料誘導ライン３に連結されている一方、空気７はフィルター５を介して入れられる。
【００１２】
燃料誘導ライン３において、燃やされるべき混合ガスを圧縮する事により機関２のガス排気量を増加させ、従ってより大きな出力密度を実現するターボ過給機９もまた備えられる。ターボ過給機９は、圧縮された混合気を冷却するために冷却器１０もまた備えている。
【００１３】
排気ガスライン１１は、ガス機関２から、それに連結された排気ガス冷却器１３を有する三元触媒コンバーター１２へ通じる。どちらも公知の構成であり、排気ガス出口１４が備えられており、追加の排気ガス再循環ライン１５は後者から離れている。本発明に従えば、ガス再循環ラインは排気ガス再循環弁１６を有し、燃料誘導ライン３に通じる。
【００１４】
装置１は様々な測定機関も備えている。これらは、三元触媒コンバーター１２の前にある排気ガスライン１１に配されたラムダプローブ１７、出力測定装置１８（例えば、発電機の電力を測定するために）、ガス機関２の燃焼室に配された少なくとも一つの温度プローブ１９及び同様にガス機関２に配されたノッキングセンサー２０を有する。
【００１５】
装置１はさらに、制御機関２１を備えている。これは、排気ガス再循環弁１６、混合ガス弁６及び制御要素２５の制御手段２２、２３及び２４に接続されている。それらは例えば蝶弁の形であり、他方でこの機関２１はターボ過給機９と機関２の間の燃料誘導ライン３（この領域では圧力ラインとして構成される）に配されている。
【００１６】
制御及びモニタリング機関２１も好ましくは、システムを手動式で又は自動的に制御し且つモニターする事ができる起動機関、表示装置及び電子構成要素を有する。
排気ガスライン１１を通って流れる排気ガスを最適にきれいにし、ゆえにできるだけ小さな排出値を得るために、ラムダプローブ１７によって確定された測定値は制御機関によって評価される。これら測定値を考慮し、前もって設定されたプログラムに従えば、例えばラムダ弁を有する制御要素として構成される制御機関２３は、混合器で連続的に作られた混合気が燃焼プロセス中ずっと所望の化学量論燃焼比を有するように制御される。
【００１７】
組み込みの排気ガス再循環弁１６を有する排気ガス再循環ライン１５は、装置に否定的な影響を及ぼす先に述べた要因を補う働きをする。弁は、例えば制御要素を有する調整弁として構成され、冷排気ガスの燃料誘導ライン３への供給が制御機関２１によって制御される事を可能にする。好ましくは、混合気に供給されるべき排気ガスの量は、好ましくは連続的に測定された燃焼室温度に依存して、制御機関２１によって連続的に制御される。この温度は少なくとも一つの温度プローブ１９によって測定され、そのセンサーはガス機関２の幾つかの燃焼シリンダーの内の一つに配される。排気ガスの燃焼プロセスへの供給が制御され得るという事実により、燃焼温度を変化する作動条件に適応させる事が可能であり、既に述べたように、燃料と燃焼用空気との化学量論比に何の影響も及ぼさない。制御回路の短い反応時間は、排気ガス再循環速度の調節のために決定的に重要である。この条件は、燃焼室温度の直接測定と、この温度に直接依存する排気ガス再循環弁１６の制御によって満たされる。
【００１８】
同様に制御機関２１に接続されているノッキングセンサー２０と、燃料誘導ライン３の制御要素２５は、燃焼プロセスを制御する働きをする別な構成要素である。これら構成要素の機能と制御は当業者にとって既知であり、ゆえにさらに詳細に説明する必要は無い。
【００１９】
燃焼温度を制御する働きをする排気ガス再循環と組み合わせて用いると、本発明に従う方法又はターボ過給機９を有するそのために必要な燃焼装置は、先に述べた幾つかの問題を解決し、公知の方法に比べてより良好な性能を保証する。本発明に従う方法又はこの方法を実行するのに必要な装置の利点及び特性は以下のようである：
−燃焼温度を制御する、連続的且つ速動式の調節メカニズムにより、不利なノッキングが効果的に抑制され得る。
−三元触媒コンバーターと組み合わせてラムダ−１内燃機関を用いる事を考慮すると、本発明に従う装置は低い排出値しか生み出さない。
【００２０】
さらに、装置によって比較的高い程度の過給が可能になり、ゆえに明らかな機能改善を実現する。出力密度は、初めに記述した二つの内燃機関に伴うそれよりも１．５〜２倍大きく、効率もまた類似の公知の装置に伴うそれよりも実質的により良好である。
−機関２の内部の燃焼は、機関が作動している間、連続的に制御され最適化されるので、最小の排気ガス排出を維持する間に効率を増大させられるだけでなく、関連する機関の構成要素の耐用寿命を増加させる事もできる。すなわち、本発明に従う解決法に伴う消費は、公知の装置におけるそれよりも明らかに小さい。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図は、本発明に従う、排気ガスを制御して再循環させ内燃機関又はガス機関に入れるために、ラムダ−１内燃機関を有する装置と制御装置の概要の配置図である。
【符号の説明】
【００２２】
１  装置
２  ラムダ−１内燃機関
３  燃料誘導ライン
９  追加ユニット
１２  触媒コンバーター
１５  排気ガス再循環ライン
【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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