(57)【要約】      （修正有）【課題】ガスエンジンを動作させるための新たなタイプの方法及び制御デバイスを作り出す。【解決手段】シリンダ１１が主燃チャンバ及び予燃チャンバを備え、排ガス２３の一部が、排ガス再循環部１２を介してシリンダ１１に導くことが可能である。第１の動作方式では、排ガス再循環部１２を介して導かれた排ガス２３がシリンダの主燃チャンバに向かって導かれるように動作させられ、このため、主燃チャンバに供給されるガス／空気混合物１８が排ガスを含み；排ガス再循環部を介して導かれた排ガス２３が、シリンダの予燃チャンバに向かって導かれず、このため、予燃チャンバに供給されるガス／空気混合物１９が、排ガスを全く含まず；シリンダ１１の主燃チャンバに供給されるガス／空気混合物１８のガス比率が、シリンダ内での燃焼が理論空気比又は１のラムダ値で行われるように制御される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排ガス触媒コンバータ（１３）及び排ガス再循環部（１２）を有するガスエンジン（１０）を動作させるための方法であって、
前記ガスエンジン（１０）がシリンダ（１１）を備え、前記シリンダ（１１）が主燃チャンバ（１４）及び予燃チャンバ（１５）を備え、
前記シリンダ（１１）を出る排ガス（２３）が、前記排ガス触媒コンバータ（１３）を介して導かれることができ、
前記シリンダを出る前記排ガス（２３）の一部が、前記シリンダ（１１）に向かって前記排ガス再循環部（１２）を介して導かれることができる方法において、
第１の動作方式では、前記ガスエンジン（１０）が、前記排ガス再循環部（１２）を介して導かれた排ガス（２３）が前記シリンダの前記主燃チャンバ（１４）に向かって導かれるように動作させられ、このため、前記主燃チャンバに供給されるガス／空気混合物（１８）が排ガスを含み；前記排ガス再循環部を介して導かれた排ガス（２３）が、前記シリンダの前記予燃チャンバ（１５）に向かって導かれず、このため、前記予燃チャンバに供給される前記ガス／空気混合物（１９）が、排ガスを全く含まず；前記シリンダ（１１）の前記主燃チャンバ（１４）に供給される前記ガス／空気混合物（１８）のガス比率が、前記シリンダ（１１）内での燃焼が理論空気比又は１のラムダ値で行われるように制御されることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記排ガス再循環部（１２）を介して導かれた排ガス流が、前記ガスエンジンの動作点に応じて、排ガス再循環制御バルブ（２４）により一定に調節されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記排ガス再循環部（１２）を介して導かれた排ガス流が、排ガス再循環部クーラー（２５）により冷却されることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記シリンダ（１１）の前記主燃チャンバ（１４）に供給される前記ガス／空気混合物（１８）のガス比率が、前記排ガス触媒コンバータ（１３）の上流に位置決めされたラムダプローブ（３１）の測定信号に応じて制御されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記シリンダ（１１）の前記予燃チャンバ（１５）に供給される前記ガス／空気混合物（１９）が、０．８〜１．１のラムダ値を有し、
前記シリンダ（１１）の前記主燃チャンバ（１４）に供給される前記ガス／空気混合物（１８）の前記ガス比率が、前記シリンダ（１１）での燃焼が理論空気比又は１のラムダ値で行われるように、制御されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記シリンダ（１１）の前記予燃チャンバ（１５）に供給される前記ガス／空気混合物が、０．８〜０．９のラムダ値を有していることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
第２の動作方式では、前記シリンダ（１１）の前記主燃チャンバ（１４）に供給される前記ガス／空気混合物の前記ガス比率が、前記シリンダ（１１）内での燃焼が１よりも大きいラムダ値で行われるように、制御されることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記第２の動作方式の過程で、前記排ガス再循環部（１２）を介して導かれる排ガス量が、前記シリンダ（１１）の前記主燃チャンバ（１４）に供給される前記ガス／空気混合物（１８）がより少ない排ガスを含むように、前記第１の動作方式と比較して減少されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか一項に記載の方法を実行することを特徴とする、エンジンの制御デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスエンジンを動作させるための方法及び当該方法を実行するための制御デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
実施から、排ガス触媒コンバータ及び排ガス再循環部を有するガスエンジンが公知であり、このガスエンジンでは、ガスエンジンのシリンダ内でのガス／空気混合物の燃焼中に発生する排ガスが、排ガス触媒コンバータを介して導くことが可能であり、且つシリンダを出る排ガスの一部が、シリンダに向かって排ガス再循環部を介して再循環可能であるか、又はシリンダに供給されるガス／空気混合物と混合可能である。
【０００３】
さらに、希薄燃焼方法（理論混合比を超える）によるガスエンジンが公知であり、このエンジンのシリンダは、主燃チャンバのみを備えるか、又は主燃チャンバに加えて予燃チャンバを備え、ガスエンジンの場合には、ガスエンジンのシリンダは、主燃チャンバ及び予燃チャンバを備え、ガス／空気混合物が、予燃チャンバ内で点火され、これは、それぞれのシリンダのそれぞれの主燃チャンバに供給されるガス／空気混合物を点火させる。この方法は、燃料が予燃チャンバ又はプレチャンバに追加的に供給される場合に、特に有利である。これは、掃気型プレチャンバと称される。ここで、単に燃料（通常、ガス）がプレチャンバに供給される。燃焼のために必要な酸素は、燃焼段階中に、プレチャンバの漏出孔を介して主燃チャンバからプレチャンバ内に流出する。この場合、漏出する大部分の組成は、主燃チャンバの組成に対応する。掃気型プレチャンバ燃焼方法の利点は、燃焼チャンバが濃厚領域（プレチャンバ）及び希薄領域に分割されることにある。プレチャンバ内の濃厚領域に起因して、迅速な着火が引き起こされ、この迅速な着火は、主燃チャンバ内にわたって通過するエネルギーが豊富なトーチジェットにより、この希薄主燃チャンバを迅速に着火する。主燃チャンバが非常に希薄なので、少ない窒素酸化排出物のみが発生し、低ノッキング傾向のみが存在し、この結果として、高いパフォーマンス密度及び高効率が可能にされる。全体として、エンジンは希薄様式で動作させられ、この結果として、３ウェイ原理による触媒の排ガス浄化は可能ではない。
【０００４】
ガスエンジンであって、ガスエンジンのシリンダが、主燃チャンバ及び予燃チャンバを備え、ガスエンジンが、排ガス触媒コンバータ及び排ガス再循環部を備える、ガスエンジンが、エンジンの高効率と低ノッキング傾向と排ガス触媒コンバータの領域での効果的な排ガス浄化とを有して動作させられることができる、方法が必要とされている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここから出発して、本発明は、ガスエンジンを動作させるための新たなタイプの方法及び制御デバイスを作り出すという目的に基づいている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この課題は、請求項１に記載の方法により解決される。本発明によれば、エンジンは、第１の動作方式では、排ガス再循環部を介して導かれた排ガスがシリンダの主燃チャンバに向かって導かれるように動作させられ、このため、主燃チャンバに供給されるガス／空気混合物が、排ガスを含み；排ガス再循環部を介して導かれた排ガスが、シリンダの予燃チャンバに向かって導かれず、このため、予燃チャンバに供給されるガス／空気混合物が、排ガスを全く含まず；シリンダの主燃チャンバに供給されるガス／空気混合物のガス比率が、シリンダ内での燃焼が全体として理論空気比又は１のラムダ値で行われるように制御される。
【０００７】
シリンダの主燃チャンバに供給されるガス／空気混合物は、エンジンの第１の動作方式では、排ガスと混合させられる。一方で、シリンダの予燃チャンバに供給されるガス／空気混合物は、排ガスと混合させられない。シリンダの予燃チャンバ内及びシリンダの主燃チャンバ内でのガス／空気混合物の効果的な着火が、可能である。優先的には、ガス／空気混合物は、圧縮段階中に高圧下で予燃チャンバ内に噴射され、この結果として、主燃チャンバから流入する混合物は、再循環された排ガスとともに移動され、従って、予燃チャンバ内での点火がさらに最適化される。
【０００８】
排ガスを含まないガス／空気混合物により予燃チャンバを掃気することによって、最大の点火エネルギー及び運動エネルギーが、シリンダの主燃チャンバ内に伝達される。シリンダの主燃チャンバに供給されるガス／空気混合物の排ガスを通じて、シリンダの主燃チャンバは不活性化され、この結果として、より低い燃焼温度、より低いノッキング傾向及びより低い部品温度が実現される。
【０００９】
燃焼を遅くする、シリンダの主燃チャンバ内のガス／空気混合物の排ガス比率の影響は、シリンダの予燃チャンバ内のガス／空気混合物によって相殺されることができ、すなわち、予燃チャンバのガス／空気混合物を介して、最大の点火エネルギー及び最大の運動エネルギーが主燃チャンバ内に導入されることができる。
【００１０】
シリンダの主燃チャンバに供給されるガス／空気混合物のガス比率が、シリンダ内において１のラムダ値が存在し、従ってガス／空気混合物が理論空気比を有するように制御されるという事実に起因して、ガスエンジンの下流に設置された排ガス触媒コンバータであって、優先的には３ウェイ排ガス触媒コンバータである、排ガス触媒コンバータは、最大効率で動作させられる。従って、ガス掃気されたプレチャンバによる上述した希薄燃焼方法の利点（低ノッキング傾向を通じた高効率とともに、低い部品及び排ガス温度）が、３ウェイ触媒コンバータによる１のラムダ値の燃焼方法の利点（最も低いエミッション）と組み合わせられることができる。
【００１１】
本発明の有利なさらなる発展によれば、シリンダの予燃チャンバに供給されるガス／空気混合物が、０．８〜１．１のラムダ値を有し、シリンダの主燃チャンバに供給されるガス／空気混合物のガス比率が、主燃チャンバ及び予燃チャンバにわたってバランスをとられたシリンダ内においてガス／空気混合物が理論空気比又は１のラムダ値を有するように、制御される。本発明のこのさらなる発展は、低ノッキング傾向と、高いエンジン効率と、ガスエンジンの下流に設置された排ガス触媒コンバータ内での排ガス浄化の高い有効性と、を有する、ガスエンジンの特に有利な動作を可能にする。
【００１２】
有利なさらなる発展によれば、シリンダの主燃チャンバに供給されるガス／空気混合物のガス比率は、シリンダ内でのガス／空気混合物が１よりも大きいラムダ値を有するように、第２の動作方式で制御される。ここで、排ガス再循環は、シリンダの主燃チャンバに供給されるガス／空気混合物とより少ない排ガスを混合させるために、優先的には、第１の動作方式と比較して減少される。
【００１３】
第２の動作方式は、変動するガス量でガスエンジンが動作させられる場合に、特に有利である。ここで、メタン数に関して変動するガス量は、調節されることができる。さらに、第２の動作方式は、特にガスエンジンの移動使用中に、エミッション規制が、消費者のためのコスト利点が動作方式の変更によって実現されることをもたらすときに、有利である。
【００１４】
方法を実行するための制御デバイスは、請求項９で規定される。
【００１５】
本発明の好ましいさらなる発展は、従属請求項及び以下の説明から得られる。本発明の例示的な実施形態が、図面に限定されることなく図面を用いてより詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】排ガス触媒コンバータを有するガスエンジンのブロック図である。
【図２】ガスエンジンのシリンダの領域における図１の細部である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明は、ガスエンジンを動作させるための方法及び当該方法を実行するためのデバイスに関する。
【００１８】
図１は、複数のシリンダ１１と、排ガス再循環部１２と、排ガス触媒コンバータ１３と、を有するガスエンジン１０の極めて概略的なブロック図を示している。図２は、ガスエンジン１０のシリンダ１１の領域でのガスエンジン１０の細部を示している。
【００１９】
ガスエンジン１０の各シリンダ１１は、主燃チャンバ１４と、主燃チャンバ１４に連結された予燃チャンバ１５と、を備えている。主燃チャンバ１４内では、それぞれのシリンダ１１のピストン１６が、上下に動き、ピストン１６は、コネクティングロッド１７を介して、図示されないクランクシャフトに連結されている。
【００２０】
それぞれのシリンダ１１の主燃チャンバ１４内で燃焼されるガス／空気混合物１８が、ガスエンジン１０のシリンダ１１の主燃チャンバ１４に供給されることができる。さらなるガス／空気混合物１９が、主燃チャンバ１４のガス／空気混合物１８を点火することに役立ち、このガス／空気混合物１９は、ガスエンジン１０のそれぞれのシリンダ１１の予燃チャンバ１５に供給され、且つ点火デバイス２０を介して予燃チャンバ１５内で点火され、プロセス中に解放された、それぞれのシリンダ１１の予燃チャンバ１５内で点火されたガス／空気混合物１９のエネルギーは、それぞれの主燃チャンバ１４内に導入され、これにより、それぞれの主燃チャンバ１４内でガス／空気混合物１８を点火する。
【００２１】
図２は、示されるシリンダ１１の主燃チャンバ１４に供給されるガス／空気混合物１８のための吸入バルブ２１と、ガス／空気混合物の燃焼中に発生する排ガス２３のための排出バルブ２２と、をさらに示している。
【００２２】
すでに説明したように、ガスエンジン１０は、排ガス再循環部１２及び排ガス触媒コンバータ１３を備えている。ガスエンジン１０のシリンダ１１を出た排ガス２３は、排ガス触媒コンバータ１３を介して導くことが可能であり、排ガス触媒コンバータ１３は、優先的には３ウェイ排ガス触媒コンバータである。排ガス２３の一部は、排ガス再循環部を介して導くことが可能であり、すなわち排ガス再循環部１２の排ガス再循環バルブ２４の開放位置に応じて導くことが可能である。
【００２３】
排ガス再循環部１２を介して導かれた排ガス２３は、排ガス再循環部クーラー２５を用いて冷却されることができる。
【００２４】
排ガス触媒コンバータ１３及び排ガス再循環部１２を有するこのようなガスエンジン１０を、高効率と、ガスエンジン１０の低ノッキング傾向と、排ガス触媒コンバータ１３内での効果的な排ガス後処理と、を有して動作させることを可能にするために、ガスエンジン１０は、本発明による第１の動作方式で動作させられる。
【００２５】
本発明による動作方式では、排ガス再循環部１２を介して導かれた排ガス２３は、シリンダ１１の主燃チャンバ１４に向かって導かれ、このため、主燃チャンバ１４に供給されるガス／空気混合物１８は、排ガスを含んでいる。一方で、排ガス再循環部１２を介して導かれた排ガス２３は、シリンダ１１の予燃チャンバ１５に向かって導かれず、このため、予燃チャンバ１５に供給されるガス／空気混合物１９は、排ガスを全く含んでいない。シリンダ１１の主燃チャンバ１４に供給されるガス／空気混合物１８のガス比率は、シリンダ１１内での燃焼が理論空気比又は１のラムダ値で行われるように、制御される。従って、第１の動作方式では、排ガス２３と混合されたガス２６及び吸気２７からなるガス／空気混合物１８が、ガスエンジン１０のシリンダ１１の主燃チャンバ１４に供給される一方で、ガス２６及び吸気２７からなる、排ガスを含まないガス／空気混合物１９が、シリンダ１１の予燃チャンバ１５に供給される。さらに、ガスエンジン１０のシリンダ１１の主燃チャンバ１４に供給されるガス／空気混合物１８のガス比率は、シリンダ１１内においてガス／空気混合物が理論空気比又は１のラムダ値を有するように、制御される。第１の動作方式のこれらの手段を組み合わせることによって、ガスエンジン１０は、高効率と、低ノッキング傾向と、排ガス触媒コンバータ１３内での排ガス浄化の高い有効性と、を有して動作させるができる。
【００２６】
第１の動作方式では、排ガス再循環部１２を介して導かれた排ガス流２３であって、排ガス再循環部クーラー２５で冷却される、排ガス流２３は、ガスエンジン１０の現在の動作点に応じて一定に調節され、すなわち排ガス再循環バルブ２４を適切に調節することによって調節される。再循環バルブ２４の設定位置は、エンジン制御部の特性マップに理想的には格納されている。従って、ガスエンジンが異なる動作点又は負荷点で動作することができる、ガスエンジンの第１の動作方式では、動作点に応じた一定の排ガス流２３が、排ガス再循環部１２を介してガス／空気混合物１８と混ぜ合わせられ、すなわち排ガス制御バルブ２４の開放位置に応じてガス／空気混合物１８と混ぜ合わせられる。
【００２７】
シリンダ１１の主燃チャンバ１４に供給されるガス／空気混合物１８のガス比率は、１つ以上のガスバルブ２９を介して調節され、ガスバルブ２９は、制御デバイス３０によって、すなわちシリンダ１１においてガスが理論空気比又は１のラムダ値でシリンダ１１内で燃焼されるように、作動される。排ガス触媒コンバータ１３の上流に位置決めされたラムダプローブ３１が、このラムダ制御に役立ち、ラムダプローブ３１が、ガスエンジン１０を出る排ガス２３を分析し、制御デバイス３０は、ラムダプローブ３１の測定信号に応じて、ガス制御バルブ２９を、従ってガスエンジン１０のシリンダ１１の主燃チャンバ１４に供給されるガス／空気混合物１８のガス比率を、シリンダ１１内において理論空気比又は１のラムダ値が存在するように、調節する。
【００２８】
優先的には、排ガス再循環部１２を介して冷却された排ガス２３を、シリンダの主燃チャンバ１４に供給されるガス／空気混合物１８と混ぜ合わせることにより、ガスエンジン１０のシリンダ１１の主燃チャンバ１４が不活性化される。これに起因して、ガスエンジン１０に対する、より低い燃焼温度、より低い部品温度及びより低いノッキング傾向が得られる。予燃チャンバ１５に供給されるガス／空気混合物１９が、排ガスを含まず、従って異なるガス／空気混合物組成を有するという事実に起因して、ガス／空気混合物１９は、主燃チャンバ１４を含む、最大の点火エネルギー及び運動エネルギーを導入する下で燃焼の最大速度を保証するために、ガスエンジン１０のシリンダ１１の予燃チャンバ１５内で点火される。このようにして、主燃チャンバ１４内でのガスの燃焼を遅くする、ガス／空気混合物１８の排ガス比率の影響を相殺することを可能にする。ガスエンジン１０のシリンダ１１の主燃チャンバ１４に供給されるガス／空気混合物１８のガス比率が、１のラムダ値又は理論空気比を保証する下で制御されるという事実に起因して、排ガス触媒コンバータ１３は、効果的に排ガスを浄化することができる。
【００２９】
優先的には、排ガスを含まない、ガスエンジン１０のシリンダ１１の予燃チャンバ１５に供給されるガス／空気混合物１９は、０．８〜１．１のラムダ値、優先的には０．８〜０．９のラムダ値を有する。これは、燃焼の最大速度と、放出エネルギー及び運動エネルギーの主燃チャンバ１４内への最大の入力と、を保証するために特に有利である。第１の動作方式では排ガス２３と混合される、主燃チャンバ１４に供給されるガス／空気混合物１８は、予燃チャンバ１５に供給されるガス／空気混合物１９のラムダ値に応じた異なるラムダ値を有している。主燃チャンバ１４に供給されるガス／空気混合物１８のガス比率は、ラムダ制御を介して、すなわち全体としてプレチャンバを含めたシリンダ１１内において、理論空気比、従って１のラムダ値での燃焼が存在するように、制御される。
【００３０】
ガスエンジン１０の第２の動作方式では、シリンダ１１内において１よりも大きいラムダ値が存在するように、ガスエンジン１０のシリンダ１１の主燃チャンバ１４に供給されるガス／空気混合物１８中のガス２６のガス比率を調節することが提供され、この第２の動作方式でのガスエンジン１０は、希薄なガス／空気混合物により、リーンエンジンとして動作させられる。第２の動作方式では、主燃チャンバ１４に供給されるガス／空気混合物１８は、同様に、排ガス２３と混合され、排ガス２３は、排ガス再循環部１２を介して導かれる。しかしながら、第１の動作方式と比較すると、排ガス再循環部１２を介して導かれるガス量は減少され、すなわち排ガス再循環バルブ２４のより大きな閉鎖によって減少され、これにより、シリンダ１１の主燃チャンバ１４に供給されるガス／空気混合物１８とより少ない排ガスを混合させる。適切な場合、排ガス再循環バルブ２４は、第２の動作方式では主燃チャンバ１４のガス／空気混合物１８が排ガスを含まないように、完全に閉鎖されることができる。第２の動作方式は、変動するガス量によりガスエンジン１０が動作させられる場合に、特にガスエンジンの移動使用中に、異なるエミッション規制が適用され、この規制の順守のために動作モードの変更が消費者のための利点を作り出す場合に、特に有利である。
【００３１】
変動するガス量は、相殺されることができ、特に、排ガス再循環バルブ２４を作動させること又は排ガス再循環バルブ２４の開放位置を調節することによって、調節されることができる。
【００３２】
本発明は、排ガス過給ガスエンジン及び非排ガス過給ガスエンジンで利用されることができる。排ガス過給は、単一のステージ又は多数のステージで、特に２ステージで行われる。排ガス過給ガスエンジン１０の場合の排ガス再循環部１２は、低圧排ガス再循環部として又は高圧排ガス再循環部として実現されることができ、低圧排ガス再循環部の場合には、排ガス再循環部１２の排ガス２３は、圧縮機の上流で混合させられ、高圧排ガス再循環部の場合には、排ガス再循環部１２の排ガス２３は、圧縮機の下流で吸気２７と混合させられる。
【００３３】
本発明は、方法を自動的に実行するための制御デバイス３０にさらに関する。制御デバイス３０は、方法を実行するための手段を備えている。これらは、ハードウェア手段、例えば方法を実行することに伴われるアセンブリとのデータの交換、特にラムダプローブ３１及びガス制御バルブ２９とのデータの交換のためのデータインターフェース、データ格納のためのメモリ及びデータ処理のためのプロセッサと、ソフトウェア手段、例えばプログラムモジュールと、を含んでいる。
【００３４】
本発明は、優先的には、船舶上で動作させられるガスエンジンで利用される。
【符号の説明】
【００３５】
１０  ガスエンジン、１１  シリンダ、１２  排ガス再循環部、１３  排ガス触媒コンバータ、１４  主燃チャンバ、１５  予燃チャンバ、１８  ガス／空気混合物、１９  ガス／空気混合物、２３  排ガス、２４  排ガス再循環制御バルブ、２５  排ガス再循環部クーラー、３１  ラムダプローブ
【図１】
2017214922.tif 000003
【図２】
2017214922.tif 000004
【外国語明細書】
2017214922000001.pdf