特許 6397367 内燃機関およびその運転方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6397367

(24)【登録日】2018年9月7日

(45)【発行日】2018年9月26日

(54)【発明の名称】内燃機関およびその運転方法

(51)【国際特許分類】

   F02D 45/00 20060101AFI20180913BHJP

   F02B 43/00 20060101ALI20180913BHJP

   F02D 41/02 20060101ALI20180913BHJP

   F02D 41/14 20060101ALI20180913BHJP

   F02M 21/02 20060101ALI20180913BHJP

【ＦＩ】

   F02D45/00 324

   F02D45/00 301M

   F02D45/00 320Z

   F02D45/00 328

   F02D45/00 368A

   F02D45/00 368F

   F02D45/00 368S

   F02B43/00 A

   F02D41/02 325K

   F02D41/14 310D

   F02M21/02 G

   F02M21/02 L

   F02M21/02 311B

【請求項の数】18

【外国語出願】

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2015-94678(P2015-94678)

(22)【出願日】2015年5月7日

(65)【公開番号】特開2015-214976(P2015-214976A)

(43)【公開日】2015年12月3日

【審査請求日】2015年6月22日

【審判番号】不服2017-10932(P2017-10932/J1)

【審判請求日】2017年7月24日

(31)【優先権主張番号】A 345/2014

(32)【優先日】2014年5月9日

(33)【優先権主張国】AT

(73)【特許権者】

【識別番号】504344576

【氏名又は名称】ゲーエー ジェンバッハー ゲーエムベーハー アンド コー オーゲー

(74)【代理人】

【識別番号】100137545

【弁理士】

【氏名又は名称】荒川 聡志

(74)【代理人】

【識別番号】100105588

【弁理士】

【氏名又は名称】小倉 博

(74)【代理人】

【識別番号】100129779

【弁理士】

【氏名又は名称】黒川 俊久

(74)【代理人】

【識別番号】100113974

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 拓人

(72)【発明者】

【氏名】ゲオルグ アーノルド

(72)【発明者】

【氏名】エルウィン アンプラッツ

(72)【発明者】

【氏名】ハーバート コペチェク

(72)【発明者】

【氏名】ハーバート シャムベルガー

(72)【発明者】

【氏名】ニコラウス スピラ

【合議体】

【審判長】 金澤 俊郎

【審判官】 松下 聡

【審判官】 佐々木 芳枝

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００５−３０３０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平８−９３５７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−７６１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−５４８８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２６４２１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２７０７１９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

F02D45/00

F02D41/02

F02D41/14

F02B43/00

F02M21/02

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

内燃機関であって、
空気（Ｌ）、燃焼ガス（Ｂ）および前記内燃機関を連続的に運転させることができる安定化ガス（Ｓ）が供給できる少なくとも１つの燃焼チャンバ（２）と、
少なくとも１つのエンジン変数（λ、ｐ）を測定するための少なくとも１つのセンサ（３、１４）と、
前記少なくとも１つのセンサ（３）に接続された開ループ制御装置または閉ループ制御装置（４）と、
を備え、
前記開ループ制御装置または閉ループ制御装置（４）によって、前記少なくとも１つの燃焼チャンバ（２）に供給される前記安定化ガス（Ｓ）の量が、前記少なくとも１つのエンジン変数（λ、ｐ）に応じて開ループ制御または閉ループ制御によって制御できる、内燃機関において、
少なくとも１つのセンサが、エンジン変数として、燃焼中に前記少なくとも１つの燃焼チャンバ（２）内に存在する燃焼ガス（Ｂ）、安定化ガス（Ｓ）および空気（Ｌ）の混合物の圧力を測定するために提供され、前記少なくとも１つのセンサは前記開ループ制御装置または閉ループ制御装置（４）に接続されている、
ことを特徴とする内燃機関。

【請求項2】

前記少なくとも１つのセンサが、エンジン変数としてのラムダ値（λ）を測定するために、前記開ループ制御装置または閉ループ制御装置（４）に接続されたラムダプローブ（１４）及び／又は酸素センサをさらに含む、請求項１に記載の内燃機関。

【請求項3】

圧力センサ（３）として実現される少なくとも１つのセンサが、エンジン変数として、燃焼中に前記少なくとも１つの燃焼チャンバ（２）内に存在する燃焼ガス（Ｂ）、安定化ガス（Ｓ）および空気（Ｌ）の混合物の圧力を測定するために提供され、前記少なくとも１つのセンサは前記開ループ制御装置または閉ループ制御装置（４）に接続されている、請求項１または２に記載の内燃機関。

【請求項4】

燃焼チャンバ（２）毎に１つのセンサが提供されている、請求項３に記載の内燃機関。

【請求項5】

前記開ループ制御装置または閉ループ制御装置（４）は、前記少なくとも１つのセンサの測定値から、前記少なくとも１つの燃焼チャンバ（２）に存在するガスの燃焼速度に特徴的な時間変数を計算し、かつ、前記少なくとも１つの燃焼チャンバ（２）に供給される前記安定化ガス（Ｓ）の量を、前記時間変数に応じて開ループ制御または閉ループ制御によって制御するように設計されている、請求項３または４に記載の内燃機関。

【請求項6】

燃焼ガス（Ｂ）と空気（Ｌ）とのプレミックスを生成するために第１混合装置（７）が提供されており、前記プレミックスと安定化ガス（Ｓ）とで成る主混合物を生成するために、前記第１混合装置（７）に接続された第２混合装置（８）が提供されており、前記主混合物は前記少なくとも１つの燃焼チャンバ（２）に供給できる、請求項１から５のいずれかに記載の内燃機関。

【請求項7】

安定化ガス（Ｓ）を提供するために、前記開ループ制御装置または閉ループ制御装置（４）に接続された調節バルブ（１０）が安定化ガス供給ライン（９）内に提供されている、請求項１から６のいずれかに記載の内燃機関。

【請求項8】

内燃機関を運転する方法であって、
少なくとも１つの燃焼チャンバ（２）に、空気（Ｌ）、燃焼ガス（Ｂ）および前記内燃機関を連続的に運転させることができる安定化ガス（Ｓ）が供給され、
前記少なくとも１つの燃焼チャンバ（２）に存在するガスに点火され、
少なくとも１つのセンサ（３、１４）によって、少なくとも１つのエンジン変数（λ、ｐ）が前記内燃機関において測定され、
前記少なくとも１つの燃焼チャンバ（２）に供給される安定化ガス（Ｓ）の量が、前記少なくとも１つのエンジン変数（λ、ｐ）に応じて開ループ制御または閉ループ制御によって制御される、
内燃機関を運転する方法において、
エンジン変数として、燃焼中に前記少なくとも１つの燃焼チャンバ（２）内に存在する燃焼ガス（Ｂ）、安定化ガス（Ｓ）および空気（Ｌ）の混合物の圧力が前記少なくとも１つのセンサによって測定される、
ことを特徴とする方法。

【請求項9】

前記少なくとも１つのセンサが、ラムダプローブ及び／又は酸素センサをさらに含み、
前記ラムダプローブ（１４）により測定され、及び／又は、前記酸素センサの測定値によって決定されるラムダ値（λ）がエンジン変数として使用される、
請求項８に記載の方法。

【請求項10】

もし前記ラムダ値が下方のラムダ限界値（λmin）よりも降下したら、前記供給される安定化ガス（Ｓ）の量は増加する、請求項９に記載の方法。

【請求項11】

エンジン変数として、前記少なくとも１つの燃焼チャンバ（２）内のおける圧力の測定にセンサが利用され、圧力センサ（３）がセンサとして使用される、請求項８から１０のいずれかに記載の方法。

【請求項12】

前記少なくとも１つの燃焼チャンバ（２）内に存在する、燃焼ガス（Ｂ）、安定化ガス（Ｓ）および空気（Ｌ）の混合物の燃焼速度に特徴的な時間変数は、少なくとも１つの測定された圧力（ｐ）から計算され、前記少なくとも１つの燃焼チャンバ（２）に供給される前記安定化ガス（Ｓ）の量は、前記時間変数に応じて開ループ制御または閉ループ制御によって制御される、請求項１１に記載の方法。

【請求項13】

複数の燃焼チャンバ（２）を有した内燃機関を使用するものであり、それぞれの燃焼チャンバ（２）に対して個別時間変数（ＡＩ５０、ＭＦＢ５０）が計算され、前記時間変数は前記個別時間変数（ＡＩ５０、ＭＦＢ５０）の最大値、最小値またはメジアンとして計算される、請求項１２に記載の方法。

【請求項14】

燃焼中に、前記少なくとも１つの燃焼チャンバ（２）における圧力変数値（ＤＶ）が、
前記少なくとも１つのセンサによって測定され、前記時間変数の計算に使用される、請求項１２または１３に記載の方法。

【請求項15】

発熱変数値（ＨＶ）は、前記圧力変数値（ＤＶ）と、点火されないときに前記少なくとも１つの燃焼チャンバ（２）に発生する圧力を示す圧力駆動圧力変数値（ＳＶ）との差異から計算され、
累積発熱変数値（ｋＨＶ）は前記発熱変数値（ＨＶ）の積分として計算され、
前記累積発熱変数値（ｋＨＶ）は前記時間変数及び／又は前記個別時間変数（ＡＩ５０、ＭＦＢ５０）の計算に使用される、
請求項１４に記載の方法。

【請求項16】

前記累積発熱変数値（ｋＨＶ）がその最大値の定義された割合を達成する瞬時が、時間変数または個別時間変数（ＡＩ５０、ＭＦＢ５０）として使用され、前記割合は、５％から２０％、または３０％から８０％である、請求項１５に記載の方法。

【請求項17】

５０％の割合の前記累積発熱変数値（ｋＨＶ）を使用し、前記時間変数及び／又は前記個別時間変数（ＡＩ５０、ＭＦＢ５０）はピストンの位置によって示され、対応するクランクシャフトのクランク動作の角位置として表示され、上死点から前記クランクシャフトの回転方向に測定され、前記少なくとも１つの燃焼チャンバ（２）に供給される前記安定化ガス（Ｓ）の量は、５０％の燃焼質量割合（ＡＩ５０＿Ｒｅｆ）の基準値に、開ループ制御または閉ループ制御によって制御される、請求項１４から１６のいずれかに記載の方法。

【請求項18】

前記時間変数及び／又は前記個別時間変数（ＡＩ５０，ＭＦＢ５０）を計算する目的で、前記圧力変数値（ＤＶ）に位置する第１点（Ｐ１）と、前記第１点（Ｐ１）の前記圧力変数値（ＤＶ）によりも大きな前記圧力変数値（ＤＶ）に位置する第２点（Ｐ２）とが選択され、前記圧力変数値（ＤＶ）の絶対値及び／又は前記圧力変数値（ＤＶ）の勾配が、前記第１点（Ｐ１）及び／又は前記第２点（Ｐ２）の選択のための基準値として使用され、前記第１点（Ｐ１）および前記第２点（Ｐ２）の時間座標間の値が、前記時間変数及び／又は前記個別時間変数（ＡＩ５０、ＭＦＢ５０）のために決定され、５０％の割合が利用される、請求項１４に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は請求項１の前提部分の特徴による内燃機関に関し、さらに、請求項９の前提部分の特徴による内燃機関の運転のための方法にも関する。

【背景技術】

【0002】

内燃機関には幾つかの適用形態が存在し、内燃機関は比較的低い発熱量を有する燃料で運転され、さらに場合によっては、大きく値を変える発熱量を有する燃料で運転される。例としての特定の形態では、例えば、石炭鉱山から発生する所謂低ＢＴＵガスで運転されるガスエンジン（ガス機関）が存在する。この低ＢＴＵガス（ＢＴＵ：英国熱量単位）は低い発熱量を有するだけでなく、大きく変動する発熱量も有するので、燃焼ガスが一時的に非常に低い発熱量を有する場合でさえも、燃焼を確実に実行させる安定化ガスを燃焼ガスに混入することが従来から行われている。これは、例えば、出願人のシリーズ６、６２０Ｅ５１モデルでおいて実現されている。

【0003】

この混合は、燃焼を確実にする条件のみが満たされるように実行される。安定化ガスの倹約的な使用は必要である。なぜなら、このガスは購入仕入れが必要であり、さらにその優れた燃焼性のために大抵は燃焼ガスよりも高価だからである。

【0004】

好適には、使用される安定化ガスは、水素及び／又はメタンを含んだガス類、例えば、純水素または純メタンを含んだガス類であり、天然ガスあるいはコークス炉ガスである。しかし原則的に、安定化ガスとして内燃機関を連続的に運転させることができる任意のガスを使用することが可能である。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0005】

【非特許文献1】内燃機関の基礎（Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅ Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ）」（ヘイウッド（Ｈｅｙｗｏｏｄ）著；マクグローヒル社出版（ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ）、１９８８年

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上述の、可能な限り少量の安定化ガスを使用するという目的は、さらなる開発に導いた。内燃機関に供給される前に燃焼ガスの組成を連続的に測定し、その結果から、その瞬間に存在する発熱量を測定することは知られている。このように、もし燃焼ガスがその瞬間に特に低い発熱量を有していたなら、安定化ガスを選択的にさらに供給できる。この場合の弱点は、燃焼ガスを分析するために要する測定機器、例えば、クロマトグラフまたは質量分析装置は非常に複雑で精巧な機器であることである。これら分析法は比較的時間がかかり、燃焼ガスの急速に変動する発熱量の場合には、要求通りに正確に安定化ガスを混入することが可能ではない結果を招く。さらに、それら機器は高価で、故障のリスクが高く、本明細書の初頭で説明した安定化ガスの定量混入の方法に戻ることが必要になる。

【0007】

本発明の目的は、内燃機関の提供と、内燃機関を運転する方法の提供であり、発熱量が変動し、及び／又は発熱量が低すぎる燃焼ガスの燃焼における信頼性が高い運転を可能にし、安定化ガスの効率的な利用を達成させる。

【課題を解決するための手段】

【0008】

この目的は、請求項１の特徴を備えた内燃機関によって、また請求項９の特徴を含んだ方法によって達成される。

【0009】

これは、少なくとも１つの内燃機関に供給される安定化ガスの量を、少なくとも１つのエンジン変数（エンジン変動因子）に応じて開ループ制御または閉ループ制御によって制御することで実施できる。

【0010】

従って本発明は、多くの場合において、内燃機関にすでに存在するセンサが燃焼の質の検出に利用が可能であるという知見に基づいている。従って本発明は、測定要素のための必要資金は実質的に同じで、安定化ガスを効率的および選択的に活用することを可能にする。

【0011】

内燃機関にとっては高過ぎる発熱量を燃焼ガスが有する逆の場合であっても、安定化ガスによって安定した運転が確保できる。ここに低い発熱量を有する安定化ガスを使用することで、その内燃機関に許容可能な発熱量を有するガス混合物を常に燃焼チャンバ（燃焼室）内に存在させることができる。

【0012】

さらに本発明によれば、燃焼ガスの他のパラメータが利用対象の内燃機関に適していない場合であっても安定化ガスが活用できる。その重要な例は火炎速度（ｆｌａｍｅ ｓｐｅｅｄ）である。すなわち、内燃機関のために適切な火炎速度を有した混合ガスを総量で提供するため、遅過ぎる（速過ぎる）火炎速度を有した燃焼ガスが存在するなら、さらに速い（遅い）火炎速度を有した安定化ガスが混合できる。

【0013】

もし燃焼ガスの複数のパラメータが内燃機関に不適であれば、そのガスを燃焼に適合させるために複数の異なる安定化ガスを使用することも明らかに可能である。

【0014】

従来技術に関して説明する汎用種の内燃機関の全ての可能な形態、または汎用運転法は、本発明の内燃機関または運転方法の場合にも有効である。

【0015】

本発明のさらなる有利な実施態様は従属請求項において定義されている。

【0016】

好適には、本発明は、８、１０、１２、１６、１８、２０、２２または２４体のシリンダを有したガスエンジンの場合に活用できる。

【0017】

本発明は、好適には発電の目的で発電機に連結されているか、直接的に機械を駆動する、特にポンプおよびコンプレッサを駆動するのに利用される、特に外部的に点火される形態の固定型内燃機関の場合に好適に活用される。

【0018】

少なくとも１つの燃焼チャンバに供給される安定化ガス、燃焼ガスまたは空気の一定量は、好適には一定量のガス物質を意味すると理解できる。基本的には、例えば、質量ベースの量の概念に基づく一定量が閉ループ制御または開ループ制御のために使用できる。しかし、例えば、その化学的エネルギー含量の観点からガス量を特定することも可能である。

【0019】

好適には、開ループ制御装置または閉ループ制御装置に接続されたラムダプローブ（ｌａｍｂｄａ ｐｒｏｂｅ）がエンジン変数としてのラムダ値（空気過剰数）の測定のために利用される実施形態が可能である。ラムダプローブは好適には排気管内に配置できる。測定されたラムダ値は安定化ガスの供給の閉ループ制御または開ループ制御のために活用できる。

【0020】

同様に、ラムダ値は入口パイプ内で酸素含有量を計測することで測定でき、エンジンの閉ループ制御システムに供給される。

【0021】

代わりに、または追加的に、ラムダ値は酸素センサによって測定できる。なぜなら、ラムダ値は酸素センサの測定値から導き出すことが可能だからである。明らかに、ラムダ値を測定させる他のセンサを使用することも可能である。例示可能なその１例は一酸化炭素プローブである。

【0022】

さらに、好適には、開ループ制御装置または閉ループ制御装置に接続された少なくとも１つのセンサが、燃焼中に少なくとも１つの燃焼チャンバ内に存在する燃焼ガス、安定化ガスおよび空気の混合物の少なくとも１つの圧力をエンジン変数として測定するために利用される１実施態様が可能である。その少なくとも１つの燃焼チャンバ内に存在するガスの燃焼速度に特徴的な時間変数（ｔｉｍｅ ｖａｒｉａｂｌｅ）は、そのように検出されたシリンダ圧力から計算できる。そのような時間変数も安定化ガスの開ループ制御または閉ループ制御に有利に活用が可能である。

【0023】

本明細書が圧力センサに言及するときは常に、
−イオン電流センサ（ｉｏｎｉｃ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｅｎｓｏｒ）、または
−少なくとも１つの燃焼チャンバの温度を検出するためのセンサ
を使用することが同様に考えられる。

【0024】

これらセンサの測定値は特徴的な燃焼変数値（ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｐｒｏｇｒｅｓｓｉｏｎ）を導き出すのにも利用できる。

【0025】

本発明の特に好適な実施態様では、ただ１つのセンサ、特に圧力センサが、燃焼チャンバ毎に利用される。このように、個別の時間変数がそれぞれの燃焼チャンバのために計算できる。さらに別な好適実施態様では、計算される時間変数の精度を向上させるため、これら個別の時間変数は平均化され、あるいは個別の時間変数のメジアン（ｍｅｄｉａｎ）が計算される。しかし、安定化ガスの混合物を開ループ制御または閉ループ制御によってそれぞれの燃焼チャンバのために個別に制御することも考えられる。

【0026】

時間変数及び／又は個別時間変数の測定において、いわゆる“燃焼質量割合（ｍａｓｓ ｆｒａｃｔｉｏｎ ｂｕｒｎｅｄ）（ＭＦＢ）”を利用することが可能である。その定義は、技術本「内燃機関の基礎（Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅ Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ）」（ヘイウッド（Ｈｅｙｗｏｏｄ）著；マクグローヒル社出版（ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ）、１９８８年）の９章の１および９章の２、特に、９章の２．１および９章の２．２を参照されたい。ＭＦＢが、その最大値の定義された割合を達成する瞬時は時間変数及び／又は個別時間変数として利用できる。本発明においては、この割合の好適値は３０％から８０％であり、特には４０％から６５％であり、特に好適には５０％である。このようにして得られた時間変数及び／又は個別時間変数はＭＦＢ５０（５０％の割合の場合；他の選択された割合の場合も同様）という。

【0027】

この割合はまた０％から１０％でもあり得る。その場合には時間変数及び／又は個別時間変数は点火遅れ（ｉｇｎｉｔｉｏｎ ｄｅｌａｙ）という。この定義は、技術本「内燃機関の基礎」（ヘイウッド著；マクグローヒル社出版、１９８８年）の９章の２．３を参照されたい。

【0028】

本発明の特に好適な実施態様では、少なくとも１つの燃焼チャンバ内での燃焼中に、圧力変数値（ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｐｒｏｇｒｅｓｓｉｏｎ）が少なくとも１つの圧力センサによって測定され、時間変数の計算に利用される。好適にはこれは、その少なくとも１つの圧力センサによる複数の圧力値の測定によって実行できる。燃焼毎に少なくとも１つの圧力センサによって供給される圧力値の数が多ければ多いほど、すなわち、測定される圧力変数値の時間分解能が高ければ高いほど、そこから決定される時間変数の計算精度は向上する。

【0029】

このことは、この実施態様の以下の展開において特に当てはまる。発熱変数値（ｈｅａｔｉｎｇ ｐｒｏｇｒｅｓｓｉｏｎ）が、圧力変数値と駆動圧力変数値（ｍｏｔｏｒｅｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｐｒｏｇｒｅｓｓｉｏｎ）の差異として計算され、累積発熱変数値（ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ ｈｅａｔｉｎｇ ｐｒｏｇｒｅｓｓｉｏｎ）は発熱変数値の積分として計算され、その累積発熱変数値は時間変数の計算に利用される。駆動圧力（ｍｏｔｏｒｅｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）は燃焼を伴わない燃焼チャンバ内での圧力の変数値（ｐｒｏｇｒｅｓｓｉｏｎ）を意味すると理解される。例えば、ピストン−シリンダ装置の場合には、燃焼が起きなくても駆動運転中に圧力は周期的に変化する。駆動圧力変数値は、シミュレーション（ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ）または分析計算の手段で実験的に決定できる。この実施態様は燃焼チャンバ内での正確な燃焼変数値の獲得を可能にする。

【0030】

ＭＦＢに基づく時間変数または個別時間変数は発熱変数値から容易に決定でき、累積発熱変数値がその最大値の定義された割合を達成する瞬時は、時間変数または個別時間変数として活用され、その割合は３０％から８０％、好適には４０％から６５％、特に好適には５０％である。

【0031】

代わりに、または追加的に、０％から２０％の割合も活用できる。この場合には、時間変数または個別時間変数は点火遅れという。

【0032】

点火遅れの利用は有利であろう。なぜなら、燃焼開始時にシリンダ内で支配的な比較的単純な流動状態（条件）（例えば、５０％の燃焼質量割合点の瞬時との比較）が存在するからである。このための必須条件は、少なくとも１つの圧力センサにおいては十分に高い燃焼プロセス開始時の圧力レベルである。

【0033】

しかしながら、時間変数は他の方法で計算することもできる。その幾つかの例を挙げる。
− 示差熱法則（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｈｅａｔｉｎｇ ｌａｗ）の最大値
− 示差熱法則の質量中心の決定
− シリンダ圧のピーク値の位置（この方法で５０％の燃焼質量割合点は特に容易に決定が可能）
− シリンダ圧力側フランク（ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｆｌａｎｋｓ）の評価（この方法は図面の説明で簡単に解説；図３参照）

【0034】

本発明の特に好適な実施態様では、ラムダプローブと、少なくとも１つの燃焼チャンバ内に設置された少なくとも１つの圧力センサとの両方を使用することができる。しかし、ラムダプローブによって測定する代わりに、その少なくとも１つの圧力センサの測定値からラムダ値を計算することも可能である。

【0035】

本発明のさらなる利点と詳細は、図面と、それら図面に関連した説明によって開示されている。
（項目１）
内燃機関であって、
空気（Ｌ）、燃焼ガス（Ｂ）および安定化ガス（Ｓ）が供給できる少なくとも１つの燃焼チャンバ（２）と、
少なくとも１つのエンジン変数（λ、ｐ）を測定するための少なくとも１つのセンサ（３、１４）と、
前記少なくとも１つのセンサ（３）に接続された開ループ制御装置または閉ループ制御装置（４）と、
を備え、
前記開ループ制御装置または閉ループ制御装置（４）によって、前記少なくとも１つの燃焼チャンバ（２）に供給される前記安定化ガス（Ｓ）の量が、前記少なくとも１つのエンジン変数（λ、ｐ）に応じて開ループ制御または閉ループ制御によって制御できる、
ことを特徴とする内燃機関。
（項目２）
エンジン変数としてのラムダ値（λ）を測定するために、前記開ループ制御装置または閉ループ制御装置（４）に接続されたラムダプローブ（１４）及び／又は酸素センサが提供されている、
項目１記載の内燃機関。
（項目３）
少なくとも１つのセンサ、好適には圧力センサ（３）としてのセンサが、エンジン変数として、燃焼中に前記少なくとも１つの燃焼チャンバ（２）内に存在する燃焼ガス（Ｂ）、安定化ガス（Ｓ）および空気（Ｌ）の混合物の少なくとも１つの圧力を測定するために提供され、
前記少なくとも１つのセンサは前記開ループ制御装置または閉ループ制御装置（４）に接続されている、
項目１または２記載の内燃機関。
（項目４）
燃焼状態の検出のために少なくとも１つのイオン電流センサが提供されている、
項目１から３のいずれか１項に記載の内燃機関。
（項目５）
燃焼チャンバ（２）毎に正確に１つのセンサが提供されている、
項目３または４記載の内燃機関。
（項目６）
前記開ループ制御装置または閉ループ制御装置（４）は、前記少なくとも１つのセンサの測定値から、前記少なくとも１つの燃焼チャンバ（２）に存在するガスの燃焼速度に特徴的な時間変数を計算し、かつ、
前記少なくとも１つの燃焼チャンバ（２）に供給される前記安定化ガス（Ｓ）の量を、前記時間変数に応じて開ループ制御または閉ループ制御によって制御するように設計されている、
項目３から５のいずれか１項に記載の内燃機関。
（項目７）
燃焼ガス（Ｂ）と空気（Ｌ）とのプレミックスを生成するために第１混合装置（７）が提供されており、
前記プレミックスと安定化ガス（Ｓ）とで成る主混合物を生成するために、前記第１混合装置（７）に接続された第２混合装置（８）が提供されており、
前記主混合物は前記少なくとも１つの燃焼チャンバ（２）に供給できる、
項目１から６のいずれか１項に記載の内燃機関。
（項目８）
安定化ガス（Ｓ）を提供するために、前記開ループ制御装置または閉ループ制御装置（４）に接続された調節バルブ（１０）が安定化ガス供給ライン（９）内に提供されている、
項目１から７のいずれか１項に記載の内燃機関。
（項目９）
内燃機関を運転する方法であって、
少なくとも１つの燃焼チャンバ（２）に、空気（Ｌ）、燃焼ガス（Ｂ）および安定化ガス（Ｓ）が供給され、
前記少なくとも１つの燃焼チャンバ（２）に存在するガスに点火され、
少なくとも１つのセンサ（３、１４）によって、少なくとも１つのエンジン変数（λ、ｐ）が前記内燃機関において測定され、
前記少なくとも１つの燃焼チャンバ（２）に供給される安定化ガス（Ｓ）の量が、前記少なくとも１つのエンジン変数（λ、ｐ）に応じて開ループ制御または閉ループ制御によって制御される、
ことを特徴とする方法。
（項目１０）
センサとしてラムダプローブ及び／又は酸素センサが使用され、
前記ラムダプローブ（１４）により測定され、及び／又は、前記酸素センサの測定値によって決定されるラムダ値（λ）がエンジン変数として使用される、
項目９記載の方法。
（項目１１）
もし下方のラムダ限界値（λmin）が降下したら、前記供給される安定化ガス（Ｓ）の量は増加する、
項目１０記載の方法。
（項目１２）
エンジン変数として、前記少なくとも１つの燃焼チャンバ（２）内のおける圧力の測定にセンサが利用され、
好適には圧力センサ（３）がセンサとして使用される、
項目９から１１のいずれか１項に記載の方法。
（項目１３）
前記少なくとも１つの燃焼チャンバ（２）内に存在する、燃焼ガス（Ｂ）、安定化ガス（Ｓ）および空気（Ｌ）の混合物の燃焼速度に特徴的な時間変数は、少なくとも１つの測定された圧力（ｐ）から計算され、
前記少なくとも１つの燃焼チャンバ（２）に供給される前記安定化ガス（Ｓ）の量は、前記時間変数に応じて開ループ制御または閉ループ制御によって制御される、
項目１２記載の方法。
（項目１４）
前記安定化ガス（Ｓ）と前記燃焼ガス（Ｂ）の量は、前記時間変数に応じて同一因子によって変更される、
項目１３記載の方法。
（項目１５）
複数の燃焼チャンバ（２）を有した内燃機関を使用するものであり、
それぞれの燃焼チャンバ（２）に対して個別時間変数（ＡＩ５０、ＭＦＢ５０）が計算され、
前記時間変数は前記個別時間変数（ＡＩ５０、ＭＦＢ５０）の最大値、最小値またはメジアンとして計算される、
項目１３または１４記載の方法。
（項目１６）
燃焼中に、前記少なくとも１つの燃焼チャンバ（２）における圧力変数値（ＤＶ）が、前記少なくとも１つのセンサによって測定され、前記時間変数の計算に使用される、
項目１３から１５のいずれか１項に記載の方法。
（項目１７）
発熱変数値（ＨＶ）は前記圧力変数値（ＤＶ）と駆動圧力変数値（ＳＶ）との差異から計算され、
累積発熱変数値（ｋＨＶ）は前記発熱変数値（ＨＶ）の積分として計算され、
前記累積発熱変数値（ｋＨＶ）は前記時間変数及び／又は前記個別時間変数（ＡＩ５０、ＭＦＢ５０）の計算に使用される、
項目１６記載の方法。
（項目１８）
前記累積発熱変数値（ｋＨＶ）がその最大値の定義された割合を達成する瞬時が、時間変数または個別時間変数（ＡＩ５０、ＭＦＢ５０）として使用され、
前記割合は、５％から２０％、または３０％から８０％、好適には４０％から６５％、特に好適には５０％である、
項目１７記載の方法。
（項目１９）
好適には５０％の割合の前記累積発熱変数値（ｋＨＶ）を使用し、
前記時間変数及び／又は前記個別時間変数（ＡＩ５０、ＭＦＢ５０）はピストンの位置によって示され、対応するクランクシャフトのクランク動作の角位置として表示され、上死点から前記クランクシャフトの回転方向に測定され、
前記少なくとも１つの燃焼チャンバ（２）に供給される前記安定化ガス（Ｓ）の量は、５０％の燃焼質量割合（ＡＩ５０＿Ｒｅｆ）の基準値に、開ループ制御または閉ループ制御によって制御される、
項目１６から１８のいずれか１項に記載の方法。
（項目２０）
前記時間変数及び／又は前記個別時間変数（ＡＩ５０，ＭＦＢ５０）を計算する目的で、前記圧力変数値（ＤＶ）に位置する第１点（Ｐ１）と、前記圧力変数値（ＤＶ）に位置する第２点（Ｐ２）とが選択され、
前記圧力変数値（ＤＶ）の絶対値及び／又は前記圧力変数値（ＤＶ）の勾配が、前記第１点（Ｐ１）及び／又は前記第２点（Ｐ２）の選択のための基準値として使用され、
前記第１点（Ｐ１）および前記第２点（Ｐ２）の時間座標間の値が、前記時間変数及び／又は前記個別時間変数（ＡＩ５０、ＭＦＢ５０）のために決定され、
好適には５０％の割合が利用される、
項目１６記載の方法。

【図面の簡単な説明】

【0036】

【図1】図１は、本発明による内燃機関の概略図である。

【図2】図２ａと図２ｂは、第１実施例における時間変数の決定のための２つのグラフ図である。

【図3】図３は、第２実施例における時間変数の決定のためのグラフ図である。

【図4】図４は、本発明による内燃機関、または本発明による方法の閉ループ制御概念を示す。

【発明を実施するための形態】

【0037】

内燃機関１は燃焼ガスＢと安定化ガスＳの供給源を有する。燃焼ガスＢは燃焼ガス供給ライン１１を介して第１混合装置７に供給される。第１混合装置７には空気供給ライン１２を介して追加的に空気Ｌが供給される。第１混合装置７において生成されるプレミックス（予備混合物）は第２混合装置８に供給される。第２混合装置８では、安定化ガスＳが安定化ガス供給ライン９を介してプレミックスと混合され、燃焼チャンバ２に供給される主混合物が生成される。純粋に実施例として、１０個の燃焼チャンバ２が図示されている。しかしながら、本発明自体においては、燃焼チャンバ２の数は重要ではない。明確性のために、燃焼チャンバ２や圧力センサ３の全部には番号を付していない。

【0038】

特に、鉱山ガスまたはピットガスの場合には、空気供給ライン１２と燃焼ガスＢの供給源は図示の場合とは異なって互換が可能であり、その結果、燃焼ガスＢは自由通流し、空気は調節バルブ１０を介して測定される。

【0039】

この実施例では、燃焼チャンバはピストン−シリンダ装置として実現されている。ターボチャージャ１６が提供されている。複数のターボチャージャ１６（図示せず）を存在させることもできる。

【0040】

ターボチャージャ１６はコンプレッサ側にバイパスバルブ１７を有し、タービン側に排気ゲート１８を有する。これらの存在によって、ブースト圧と給気量は非常に急速に影響を受け、内燃機関１の出力パワーと排気ガスを閉ループ制御によって制御することができる。

【0041】

この実施例では、内燃機関１は発電のために発電機５を駆動する。

【0042】

排気ガスライン２０内にはラムダプローブ１４が存在し、閉ループ制御装置４に接続されている。閉ループ制御装置４の機能の理解には図４を参照されたい。

【0043】

それぞれの燃焼チャンバ２に対しては、それぞれの圧力センサ３が提供され、燃焼チャンバ２内で燃焼中に圧力変数値が測定される。測定値は閉ループ制御装置４に送られ、時間変数の計算に利用される。これは図２ａと図２ｂに関して以下でさらに説明する方法に従って実行される。

【0044】

ラムダプローブ１４と圧力センサ３の測定値に加えて、閉ループ制御装置４には、ブースト圧センサ６と、供給温度センサ１９と、発電機５のパワーセンサ１５の測定値が供給される。閉ループ制御装置４は燃焼ガス供給ライン１２と安定化ガス供給ライン９内に存在する調節バルブ１０に影響を及ぼす。この実施例では、これらバルブは流速制御バルブとして実現されている。

【0045】

上記の供給温度センサ１９の利用の代替として、給気量センサも使用が可能である。

【0046】

さらに、閉ループ制御装置４は、スロットルバルブ１３、コンプレッサ側のバイパスバルブ１７および排気ゲート１８に影響を及ぼす。

【0047】

燃焼チャンバとそれらの点火装置は従来技術に従って実現される。当然ながら、本発明を他の知られた技術と組み合わせることは可能である。例えば、排気ガスの再循環または改質は問題なく実行が可能である。

【0048】

圧力センサ３により測定された圧力変数値ＤＶは図２ａに図示されている。この場合、それぞれのピストンの位置は時間の単位として利用される。この位置はクランクシャフトの対応するクランク動作の位置によって示され、０°はピストンの上死点を表わす。

【0049】

図２ａは、駆動変数値ＳＶ、すなわち、シリンダ内のガスが点火されないときに発生するシリンダ圧の変数値をさらに示す。この場合、駆動変数値は分析的に計算される。図２ｂで示される発熱変数値ＨＶは圧力変数値ＤＶと駆動変数値ＳＶの差異から計算できる。この図には、累積発熱変数値ｋＨＶも示されており、これは発熱変数値ＨＶの積分である。ＭＦＢ５０（燃焼質量割合５０％）で表わされる累積発熱変数値の最大値の５０％の達成を示すクランクシャフトの位置が時間変数として使用される。

【0050】

発熱変数値ＨＷは技術文献（ヘイウッド著、“内燃機関の基礎”、１９８８年、３８７ページ他）において説明されている。

【0051】

明らかに、他の割合でも時間変数の定義に適している。

【0052】

ＭＦＢ５０もＡＩ５０（集積角度（Ａｎｇｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ）５０％）として言及されている。

【0053】

図３は圧力変数値ＤＶから時間変数を決定するための別実施例を図示する。この場合には、圧力変数値の最大値が決定され、圧力変数値ＤＶの曲線上のオフセット値Ｖだけ圧力最大値よりも前に位置する点Ｐ１が確認される。圧力変数値ＤＶの右側に位置し、点Ｐ１と同一の圧力値を有する第２の点Ｐ２が続いて決定される。この方法では平均値をスライドさせることで点Ｐ１と点Ｐ２を確認することが可能であり、これは精度を向上させる。

【0054】

これら点Ｐ１と点Ｐ２の２つの時間座標間の値が時間変数または個別時間変数として使用され、５０％の割合が通常的に活用される。明らかに、他の割合（４０％から６０％、３０％から７０％）の活用も可能である。

【0055】

図１で示す本実施例による内燃機関１の閉ループ制御は以下で解説されている。燃焼ガスＢと安定化ガスＳの必要量はラムダ値λに基づき、または追加的に酸素含有量に直接的に基づき、閉ループ制御装置４によって設定される。

【0056】

ラムダプローブ１４による閉ループ制御は、最良に安定し頑丈なエンジンの運転を確実化するため、好適には燃焼センサ（例：圧力センサ３）によって閉ループ制御と組み合わされる。

【0057】

開ループ制御または閉ループ制御は、もし時間変数が所定の限度値以上であれば、さらに多量の燃焼ガスと安定化ガスが（一定速度で）供給されるように実現できる。もしラムダ値λが許容範囲内でなければ、燃焼ガスＢと安定化ガスＳの混合比は調節される。

【0058】

よって閉ループ制御は、内燃機関１が常にラムダ値λ＞１．０を有するガスと空気の混合物で運転されることを確実化できる。これは安定した運転に有利であり、低排気ガスと実現可能な効率にとって有利である。

【0059】

対応する閉ループ制御概念は図４で示されている。

【0060】

閉ループ制御装置４にはＡＩ５０の基準値（ＡＩ５０_Ｒｅｆ）と最小ラムダ値λminが保存されている。

【0061】

測定値λはλminと比較され、その結果は比例コントローラ３１に供給される。（本実施例ではλmin＝１．１）

【0062】

比例コントローラ３１の活用は本発明に必須なものではない。別タイプのコントローラまたは特徴図であっても利用が可能であろう。

【0063】

燃焼ガスＢと安定化ガスＳの割合をパラメータ化する比例コントローラ３１により提供された値Ｘは、その後に飽和器３３によって設定飽和限界Ｘsat（例えば、Ｘ＜＝０．２）未満に保たれる（Ｘは０と１の間の値であり、安定化ガスＳと燃焼ガスＢの物質の総量に対する安定化ガスＳの物質の量の比として定義）。すなわち、もし値ＸがＸsatよりも大きければ、飽和器３３はＸをＸsatと置換する。もし、飽和器３３の入力値が負になるなら手順は類似する。すなわち、負の入力値の場合には、飽和器３３はＸ＝０を出力する。

【0064】

もし比例コントローラ３１により提供された値Ｘが飽和限界Ｘsat（例：Ｘsat＝０．２）を達成したら、内燃機関１のパワー出力は偏差Ｘ−Ｘsatに比例して減少する。説明の簡素化のため、それ自体は知られているパワー出力の閉ループ制御回路は図示されていない。

【0065】

値Ｘは供給される安定化ガスの量の基礎として利用される。１−Ｘは供給される燃焼ガスの量の基礎として利用される。

【0066】

理解を助けるため、数値実施例が提供される。もし測定されたラムダ値λが最小ラムダ値λminと等しければ、すなわち、λ＝λminであれば、値０が比例コントローラ３１に供給され、この値は変更を介さずに飽和器３３に送られる。値０は飽和器３３の許容値範囲内にあるので、飽和器はＸ＝０を出力する。もしその後に、測定ラムダ値がλ＝１．０に変化するようにガスの組成が変化すると、λとλminの比較は値０．１を提供する。この数値実施例においては、対応する比例コントローラ３１の定数は１となる。飽和器３３は同様に値０．１を受領する。値０．１は同様に飽和器３３の値範囲内にあるので、飽和器はＸ＝０．１を出力する。これは、この場合には１０％の安定化ガス（物質の総量に対して、すなわち、安定化ガスＳと燃焼ガスＢのエネルギー含有量に対して）が混合されることを意味する。

【0067】

ＡＩ５０＿Ｒｅｆは、圧力センサ３によって決定され、決定装置３１に送られる実際のＡＩ５０と比較される。決定装置３１は、実際のＡＩ５０とＡＩ５０＿Ｒｅｆの偏差が所定の限界値を超えているか否かを確認する（例：｜ＡＩ５０−ＡＩ５０＿Ｒｅｆ｜＞３°）。

【0068】

もし、そうであれば、偏差が、例えば別な比例コントローラ３２に供給され、その別な比例コントローラ３２の後に存在する結果によって、安定化ガスＳと燃焼ガスＢの量は同一因子によって変えられる。この実施例では、これはマルチプライヤ３４で実行される。

【0069】

代わりに、または追加的に、安定化ガスＳと燃焼ガスＢの割合を調節することもできる。すなわち、前述の場合とは異なり、ガスの物質量またはエネルギー含有量は同一因子では変更されないことを意味する。

【0070】

調節バルブ１０に対する結果としての出力は、供給される安定化ガスの物質量Ｙ_Ｓと供給される燃焼ガスの物質量Ｙ_Ｂである。

【図1】

【図2a】

【図2b】

【図3】

【図4】