Ignition device for gas engine, gas engine equipped therewith, and method of operating the gas engine

本発明はガスエンジン用点火装置、及び、該点火装置を備えたガスエンジン、及び、該ガスエンジンの運転方法に関する。

ガスエンジンとは、燃料として液体燃料ではなく、たとえば天然ガス、液体ガス、木ガス、バイオガス、処分場ガス、坑内爆発性ガス、水素などを使用できる内燃機関を指す。 ガスエンジンはたとえばコジェネレーション用の据置型装置において、又は船舶駆動機関として用いられる。

ガスエンジンについては近年、高効率及び高出力かつ低エミッションでガスエンジンを運転できる点火方法が提供されている。 この点火方法はＰＧＩ（Performance Gas Injection）点火法として知られており、ガスエンジンのシリンダの予燃焼室内に燃焼ガス混合物又は点火ガスを高圧で噴射し、該点火ガスが予燃焼室内において高温表面、たとえばグロープラグにおいて着火することにより行われる。 点火ガス燃焼においては、該点火ガスが膨張し、該シリンダの主燃焼室への接続開口部を介して、主燃焼室に送り込まれた燃焼ガス混合物に引火する。

現在のＰＧＩ点火法では点火ガス噴射のために使用される供給圧力は一定であり、点火ガスの量は点火ガス噴射継続時間によりのみ制御されている。 ここで問題となるのは、運転状況が異なった場合に、点火時点をたとえば早めるなどの十分な対応ができないため、ガスエンジンの運転ウィンドウが非常に狭いことである。 噴射は圧縮曲線上の最大の圧力勾配の領域において行われるため、このことは、噴射時点のわずかなずれも、予燃焼室内の一時的な混合ガス形成に対して大きく影響することから説明される。

したがって、噴射ウィンドウが非制御（つまり点火ガス圧力及び噴射継続時間が一定）の場合、点火時点が早いと、非常に急速に予燃焼室内の一時的なラムダが１より小さく（Lambda << 1）なる可能性がある。 そうなると点火ガスの全部が予燃焼室内で酸化されず予燃焼室内の反応が非常に不活性になる可能性があるため、予燃焼室内での弱い予備反応の結果として主燃焼室における燃焼が長引くと、点火ガスの残りがある程度の割合で予燃焼室内に残留する可能性がある。

さらにラムダが１より小さい（Lambda << 1）場合、予燃焼室内の反応又は炎の前線は、非常に極端な濃度不均一性（グロープラグ又は高温の表面などの領域においてリッチすぎる）により消える可能性がある。 燃焼ガスの未燃焼部分は、相応の濃度であれば次の圧縮ストローク中に早期点火、及びそれにより主燃焼室内でのミスファイアにつながる可能性がある。 そのような点火失敗は、噴射条件が変更されない場合は通常「自己保存的」なものであり、つまり予燃焼室はもはや正しく点火しなくなる。 そのような状態はガスエンジン全体のシャットダウン又は停止に、場合によってはエンジン損傷につながる可能性がある。

現在のＰＧＩ点火方法においては、このような点火失敗の傾向により、点火時点変更に関して制限されている。 しかしながら点火時点が変更可能となるならば、特に点火時点を早められるとすれば、それにより燃焼中心をさらに上死点（ＴＤＣ）の方向に移動できるため、ガスエンジンの効率改善にとって非常に重要なこととなると考えられる。

特許文献１より、ガス燃料・空気混合物の点火が、ガスエンジンのシリンダの予燃焼室内のグロープラグの高温表面において行われる、ガスエンジンが知られている。

特許文献２には、ガスエンジンの点火オイル噴射制御／調節が記載されている。

本発明の課題は、点火時点をより幅広い調整領域内で変化させること、特に、ＴＤＣに対して大幅に早めることが可能な、ガスエンジン用の点火装置を提供することである。 本発明の課題はさらに、そのような点火装置を備えたガスエンジン及びそのようなガスエンジンを運転するための方法を提供することである。

上記の課題は、請求項１に記載の点火装置、又は請求項７に記載のガスエンジン、又は請求項９に記載の方法により解決できる。 本発明の発展形はそれぞれの従属請求項により定義される。

本発明の第１の態様によりガスエンジン用の点火装置が提供され、該点火装置には、燃焼ガス混合物に基づく点火ガスジェットを該ガスエンジンのシリンダの予燃焼室内に噴射するための噴射装置、該噴射装置へのガス供給の開始・停止を行うための点火ガスジェット制御装置、前記噴射装置のための燃焼ガス混合物のガス圧を制御するための圧力制御システムが備わっている。 本発明によると該圧力制御システムは、ガス圧を、ガスエンジンのエンジン負荷に応じて、及び、該ガスエンジンの該シリンダの点火時点に応じて調整するように設定されている。

本発明により構成された点火装置により、ガスエンジンの運転ウィンドウを大幅に拡張できるため、可変の点火時点（特に早期の点火時点も）も実現でき、それに伴ってより高い効率を実現することができる。

これが達成できるのは特に、本発明の圧力制御システムにより、ガス圧が、ガスエンジンのエンジン負荷に応じて、及び、点火時点に応じて調整されるためである。 それにより一方では、エンジン負荷に応じて点火ガス用のガス圧が十分に提供され、もう一方では点火時点移動により生じたガス圧エラー（点火ガス用のガス圧が高すぎる又は低すぎる）が補整される。

それによりたとえば、点火時点が早まった場合に、点火ガスがオーバーリッチ（一時的にラムダが低くなりすぎる）になることを高信頼的に回避することができる。 換言すると、点火装置が前記ラムダを許容範囲又は最適範囲に保つことにより、たとえば早期点火及びそれとともにミスファイアを確実に回避することができる。 したがってガスエンジンのシャットダウン又は停止及び潜在的なエンジン損傷を高信頼的に回避できる。

本発明の圧力制御システムを実現するために、たとえば、エンジン負荷に応じて調整されるガス圧と、点火時点に応じて調整される点火ガスのガス圧との差を形成することが可能である。 これはたとえば、対応する圧力信号をコンパレータ内で処理し、該コンパレータ内で得られた圧力信号を基にガス圧を制御又は調節する電子的な圧力制御ユニットで行うことができる。

本発明の点火装置の一つの実施形態によると、前記圧力制御システムには、ガスエンジンのエンジン負荷に応じてガス圧を調整可能にするための第１制御部、及び、ガスエンジンのシリンダの点火時点に応じてガス圧を調整可能にするための第２制御部が備わっている。

本発明の点火装置の前記実施形態により、意図した制御効果、特に調節効果を、簡単でロバストなコンポーネントを用いて達成することができる。 たとえばこの実施形態によると、前記それぞれの制御部について２つの別個の圧力制御弁を設けることが好適である。

さらに、本発明のこの実施形態には、前記２つの制御部は、必要に応じて又は運転状態に応じて、互いに冗長に及び／又は互いに補完するようにふるまえるという長所がある。

本発明の点火装置のさらなる一つの実施形態によると、点火装置にはさらに点火ガスリザーバが備わっており、前記圧力制御システムの前記第１制御部には、第１の圧力制御装置及び第２の圧力制御装置が備わっており、該第１の圧力制御装置は、燃焼ガス混合物高圧源に流体接続するための入口及び前記点火ガスリザーバに流体接続している出口を有しており、前記第２の圧力制御装置は、前記点火ガスリザーバに流体接続している入口及び燃焼ガス混合物低圧源に流体接続するための出口を有している。

本発明の点火装置のこの実施形態により、点火ガスリザーバは、前記第１及び第２の制御部により定義された圧力の差を形成するための要素として好適に利用される。 さらに前記点火ガスリザーバにより、点火ガスは、前記圧力制御システムにより調整されている現在の点火ガス圧力に常時保たれる。

本発明の点火装置のさらなる一つの実施形態によると、前記圧力制御システムは、エンジン負荷上昇時にはガス圧を所与のエンジン負荷ガス圧力に高めるように、及び、点火時点が先行の点火時点に対して一時的に早まった場合には、該エンジン負荷ガス圧を、噴射装置に供給すべき所与の点火時点ガス圧にまで下げるように設定されている。

本発明の点火装置のこの実施形態により、エンジン負荷が高まった場合に、点火ガス圧が高くなりすぎ、及びそれにより点火ガス量が多くなりすぎることにより、一時的ラムダが小さくなりすぎること、それに関連して前記の短所が生じることが簡単な方法で回避される。

本発明の点火装置のさらなる一つの実施形態によると、点火ガスジェット制御装置は、噴射装置の噴射継続時間を、ガスエンジンのシリンダの点火時点に応じて調整するように設定されている。

本発明の点火装置のこの実施形態によると、エンジン制御が適切に調整されている場合には、好適に、予燃焼室における一時的な混合物生成をさらに正確かつフレキシブルに制御又は調節できる。

本発明の点火装置の一つの実施形態によると、点火ガスジェット制御装置は、先行の点火時点に対して点火時点が一時的に早まった場合に、噴射装置の噴射継続時間を短縮するように設定されている。

それにより、点火時点が早まった場合に、圧力制御に代替的に又は追加的に、噴射量をより少なくすることができ、それにより好適に、予燃焼室内の点火ガスのオーバーリッチ化の回避に貢献でき、及び、冗長性により運転安全性を高め、また、調整精度も高めることが保証される。

本発明の第２の態様によると、本発明の前記いずれか一つ又はすべての実施形態による点火装置を備えるガスエンジンが提供され、該ガスエンジンは、エンジン負荷を表現するエンジン負荷信号及び現在の点火時点を表現する点火時点信号を提供する一つのエンジン制御装置を備えており、及び、前記圧力制御システムが前記エンジン制御装置に接続されているため、前記圧力制御システムにより前記エンジン負荷信号及び前記点火時点信号を、点火ガス圧調整のために供給することが可能である。

本発明によるガスエンジンは、前記いずれか一つ又はすべての実施形態による本発明の点火装置を備えているため、それぞれの上記長所を備えている。

本発明のガスエンジンの一つの実施形態によると、前記点火ガスジェット制御装置は前記エンジン制御装置に接続されているため、前記点火ガスジェット制御装置に噴射継続時間調整のための点火時点信号を供給することができる。

このようにして、及び、エンジン制御を相応に調整することにより実施されたガスエンジンにおいては、予燃焼室における一時的な混合物生成が追加的かつさらに正確に制御又は調節され、それによりラムダは継続的に最適となる。 好適には点火ガスジェット制御装置は圧力制御システムに対して冗長的及び／又は補完的にふるまう。 点火ガスジェット制御装置は好適には予燃焼室と一緒に、ガスエンジンのシリンダヘッドにたとえばねじ止め可能に取付け可能な、一つの要素内に実現できる。

好適に実現されると、点火装置及びエンジン制御装置は好適にはユニットとして提供することができ、該エンジン制御装置には必要なすべての固有値／パラメータ／関数を保存しておくことができる。 それによりたとえば、従来のガスエンジンに簡単かつ安価に後装備することができる。

本発明の第３の態様によると、本発明の前記のいずれか一つ又はすべての実施形態による本発明のガスエンジンの運転方法において、該ガスエンジンの現在のエンジン負荷及び現在の点火時点が決定され、噴射装置用に燃焼ガス混合物が提供され、該燃焼ガス混合物の第１のガス圧は、前記現在のエンジン負荷に応じて前記圧力制御システムにより調整され、前記燃焼ガス混合物の該第１のガス圧は、前記現在の点火時点に応じて前記圧力制御システムにより第２のガス圧に修正され、該第２のガス圧を持つ燃焼ガス混合物は点火ガスジェット制御装置により制御されて前記噴射装置に提供され、該第２のガス圧を持つ燃焼ガス混合物は点火ガスジェットの形で該ガスエンジンのシリンダの予燃焼室内に噴射される。

本発明の方法により、ガスエンジンの運転ウィンドウを大幅に拡張できるため、可変の点火時点（特に早期の点火時点も）も、及びそれとともにより高い効率を実現することができる。

これは特に、本発明の方法において前記圧力制御システムが点火ガスのガス圧をガスエンジンのエンジン負荷に応じて、及び、点火時点に応じて制御することにより達成される。 それにより、一方ではエンジン負荷に応じて点火ガスにガス圧を十分に提供することができ、もう一方では、点火時点移動により生じたガス圧エラー（点火ガス用のガス圧が高すぎる又は低すぎる）を相殺することができる。

これによりたとえば点火時点が早まった場合に点火ガスのオーバーリッチ化（一時的にラムダが低すぎる）を高信頼的に排除することができる。 換言すると、点火装置がラムダを許容範囲又は最適範囲に保つことによりたとえば早期点火及びそれとともにミスファイアを確実に回避できる。 それによりガスエンジンのシャットダウン又は停止及び潜在的なエンジン損傷を高信頼的に回避できる。

本発明の方法の一つの実施形態によると、前記圧力制御システムにより、前記第１ガス圧の基準値は、エンジン負荷が高まる場合には高められ、エンジン負荷が低下すると下げられ、また、該圧力制御システムにより、前記第２ガス圧の基準値は、先行の点火時点に対して現在の点火時点が一時的に早まると下げられ、該先行の点火時点に対して現在の点火時点が一時的に遅くなると高められる。

本発明の方法のこの実施形態により、たとえば前記両方の基準値に適用された、差の形成により、簡単かつ確実な方法で常に点火にとって最適なラムダを保証することができる。

本発明の方法のさらなる一つの実施形態によると、点火ガスジェット制御装置は、前記第２のガス圧を持つ燃焼ガス混合物の噴射装置への供給を制御し、それにより燃焼ガス混合物又は点火ガス混合物の噴射継続時間を現在の点火時点に応じて制御する。

本発明の方法のこの実施形態により、好適に、予燃焼室内の一時的な混合物生成の最適な制御又は調節をより正確に及びよりフレキシブルに行うことができ、それにより最適なラムダを達成することができる。 このとき点火ガスジェット制御装置は圧力制御システムに対して好適に冗長に及び／又は補完的にふるまうことができる。

本発明の方法のさらに一つの実施形態によると、前記点火ガスジェット制御装置により第２のガス圧を持つ燃焼ガス混合物の噴射装置への供給は、先行の点火時点に対して点火時点が一時的に早まっている場合には短縮され、また、該先行の点火時点に対して点火時点が一時的に遅くなっている場合には延長される。

本発明のこの実施形態により好適に、前記圧力制御システムによる制御に代替的に又は追加的に、点火ガス量に影響を与えることが可能であり、それによりたとえば点火時点が早まった場合に点火ガス混合物の相対的なオーバーリッチ化を回避することが可能である。

本発明の複数の実施形態によるガスエンジンの部分図を図式化したものである。

以下、本発明を、好適な実施形態及び付属する図を用いて詳細に説明する。

図１には、本発明の複数の実施形態によるガスエンジン１の一部が図式化されて示されている。 ガスエンジン１には燃焼ガス供給装置７０、複数の燃焼シリンダ９０（図には一つのみ表示）、エンジン制御装置１００が備わっている。

各燃焼シリンダ(以下単にシリンダ)９０には、該シリンダ９０の主燃焼室９１へのオーバーフロー開口部８１及び８２を持つ予燃焼室８０が設けられている。 さらに各予燃焼室８０には、たとえば特許文献１又は特許文献３に記載されているように、加熱装置８３が配置されている。 さらに各シリンダ９０には一つの点火装置１０が設けられている。

点火装置１０には、この実施形態によれば電気制御可能な弁として構成されていて第１の制御部を形成する第１圧力制御弁２０（第１圧力制御装置）、点火ガスリザーバ３０、点火ガスジェット制御装置４０、噴射装置５０、及び、この実施形態によれば電気制御可能な弁として構成されていて第２の制御部を形成する第２圧力制御弁６０（第２圧力制御装置）が備わっている。 第１圧力制御弁２０と、点火ガスリザーバ３０と、第２圧力制御弁６０とで一つの圧力制御システムを構成している。

燃焼ガス供給装置７０には、燃焼ガス混合物低圧源を構成する、たとえばガスタンクのような低圧領域７１、高圧コンプレッサ７２、燃焼ガス混合物高圧源を構成する高圧リザーバ７３が備わっている。 低圧領域７１はガスライン７１ａを介して高圧コンプレッサ７２の入口（図示されず）に流体接続されており、高圧コンプレッサ７２の出口（図示されず）はガスライン７２ａを介して高圧リザーバ７３に流体接続されている。 それにより高圧コンプレッサ７２を介して燃焼ガス混合物を高圧で高圧リザーバ７３内に供給することができる。

第１圧力制御弁２０の入口（図示されず）はガスライン７３ａを介して高圧リザーバ７３に流体接続されており、第１圧力制御弁２０の出口（図示されず）はガスライン２０ａを介して点火ガスリザーバ３０に流体接続されている。

第２圧力制御弁６０の入口（図示されず）はガスライン３０ａを介して点火ガスリザーバ３０に流体接続されており、第２圧力制御弁６０の出口（図示されず）はガスライン６０ａを介して低圧領域７１に流体接続されている。

この実施形態によると電気制御可能な弁として構成されている点火ガスジェット制御装置４０は入口側でガスライン３０ｂを介して点火ガスリザーバ３０に流体接続されており、出口側ではガスライン４０ａを介して、噴射ノズルとして構成されている噴射装置５０に流体接続されている。

噴射装置５０は出口側で予燃焼室８０内にセットされているため、それにより燃焼ガス混合物に基づく点火ガスジェット５１がガスエンジン１のシリンダ９０の予燃焼室８０内に噴射可能である。 たとえば特許文献１又は特許文献３に記載されているように、点火ガスジェット５１は次に予燃焼室８０内において加熱装置８３により引火し、それにより主燃焼室９１内に噴射された燃焼ガス混合物の点火、及び、それによりシリンダ９０のピストン(図示されず)の爆発行程又はパワーストロークが引き起こされる。

点火ガスジェット制御装置４０は、噴射装置５０へのガス供給の開始・停止を行う。

エンジン制御装置１００には、信号ライン１０１及び１０２を介してたとえば給気圧に関する情報など現在のエンジン負荷ＭＬに関する情報、又は予燃焼室圧ＰＶに関する情報が供給される。

エンジン制御装置１００には、ソフトウェア及び／又はハードウェアの形で、エンジン負荷と点火時点と予燃焼室８０へ噴射するためのガス圧との関係を表現する適切なアルゴリズム及びパラメータが統合されている。

それによりエンジン制御装置１００はデータバスライン１０３を介して第１の圧力制御弁２０に、エンジン負荷ＭＬを表現するエンジン負荷信号を供給し、また、データバスライン１０４を介して第２の圧力制御弁６０に、現在の点火時点を表現する点火時点信号を供給する。

さらに、点火ガスジェット制御装置４０はデータバスライン１０５を介してエンジン制御装置１００に接続されているため、点火ガスジェット制御装置４０はエンジン制御装置１００により制御されて噴射装置５０への燃焼ガス混合物の供給を開始・停止できる。

本発明において前記圧力制御システムは、ガスエンジン１のエンジン負荷ＭＬに応じて、及びガスエンジン１のシリンダ９０の点火時点に応じてガス圧を調整するように設定されている。 このとき点火時点は、図１の図に示された噴射開始ＴＥより時間的に後にある。

上記の実施形態の一つの発展形によると、点火ガスジェット制御装置４０のデータバスライン１０５はデータバス接続ライン１０６（図１では点線で表現）を介して、前記点火時点信号を有するデータバスライン１０４に接続されているか、又は、エンジン制御装置１００内において前記点火時点信号を供給される。

前記点火時点信号は、点火ガスジェット制御装置４０により特定の噴射継続時間又は開口時間に変換することができるものであり、該点火時点信号がデータバスライン１０５に供給されるため、点火ガスジェット制御装置４０は、噴射装置５０の噴射継続時間を、ガスエンジン１のシリンダ９０の点火時点に応じて調整するように設定されている。

次に、ガスエンジン１の本発明による運転方法について図１に示された複数の実施形態を参照して説明する。

エンジン制御装置１００によりガスエンジン１の現在のエンジン負荷ＭＬがデータバスライン１０３を介してエンジン負荷信号として第１圧力制御弁２０に伝送される。

低圧領域７１からの燃焼ガス混合物は高圧コンプレッサ７２内で圧縮され、高圧リザーバ７３に供給され、そこから第１の圧力制御弁２０を介して、供給方向Ｒ１（図１の矢印Ｒ１参照）に沿って点火ガスリザーバ３０に供給される。 第１圧力制御弁２０はこのとき、エンジン負荷信号に基づいて燃焼ガス混合物の第１ガス圧Ｐ１を設定する。

さらにエンジン制御装置１００によりガスエンジン１のシリンダ９０の現在の点火時点が決定され、データバスライン１０４を介して点火時点信号として第２圧力制御弁６０に伝送される。 第２の圧力制御弁６０はこのとき、該点火時点信号に基づいて燃焼ガス混合物の第２ガス圧Ｐ２を設定する。

つまり、燃焼ガス混合物の第１ガス圧Ｐ１は、現在の点火時点に応じて第２圧力制御弁６０により第２のガス圧Ｐ２に修正される。 このとき、前記点火時点信号により第２ガス圧Ｐ２のために与えられた基準値が、エンジン負荷信号により第１ガス圧のために与えられた基準値より低い場合は、余剰の燃焼ガス混合物は排出方向Ｒ２（図１の矢印Ｒ２参照）に沿ってガスライン６０ａを介して低圧領域７１に戻すことができるため、点火ガスリザーバ３０内は第２ガス圧Ｐ２となる。

点火ガスリザーバ３０内の第２ガス圧Ｐ２を有する燃焼ガス混合物又は点火ガスは、ガスライン３０ｂを介して点火ガスジェット制御装置４０に供給される。

この燃焼ガス混合物は、上記のように点火を引き起こすため及び、それによりシリンダ９０のピストンのパワーストロークを引き起こすために、データバスライン１０５を介してエンジン制御装置１００から点火ガスジェット制御装置４０に伝送された噴射信号にしたがって、点火ガスジェット制御装置４０から噴射装置５０に供給され、第２のガス圧Ｐ２を持つ点火ガスジェット５１の形で、ガスエンジン１のシリンダ９０の予燃焼室８０内に噴射される。

まとめると、ガスエンジン１の運転においては、エンジン負荷ＭＬが上昇した場合、第１圧力制御弁２０における第１ガス圧Ｐ１のための基準値を相応に変化させることにより、第１ガス圧Ｐ１の値は高められ、エンジン負荷ＭＬが低くなった場合には下げられる。 現在の点火時点が先行の点火時点に対して一時的に早まった場合、第２圧力制御弁２０における第２ガス圧Ｐ２のための基準値を相応に変化させることにより、第２ガス圧Ｐ２の値は下げられ、現在の点火時点が該先行の点火時点に対して一時的に遅くなった場合は高められる。 つまり、点火時点に応じて第１ガス圧Ｐ１はある決められた値だけ下げられ、この値はヌルの場合もある。

本発明の点火装置の上記の発展形によると追加的に、点火ガスジェット制御装置４０は、第２ガス圧Ｐ２を持つ燃焼ガス混合物の噴射装置５０への供給、及びそれによりその噴射継続時間を、現在の点火時点に応じて制御できる。

この場合、データバスライン１０５を介して点火ガスジェット制御装置４０に供給された点火時点信号に基づいて、点火ガスジェット制御装置４０から、第２ガス圧Ｐ２を持つ燃焼ガス混合物の噴射装置５０への供給は、先行の点火時点に対して点火時点が一時的に早まっている場合には短縮され、また、該先行の点火時点に対して点火時点が一時的に遅くなっている場合には延長される。

１ ガスエンジン １０ 点火装置 ２０ 第１圧力制御弁 ２０ａ ガスライン ３０ 点火ガスリザーバ ３０ａ ガスライン ３０ｂ ガスライン ４０ 点火ガスジェット制御装置 ４０ａ ガスライン ５０ 噴射装置 ５１ 点火ガスジェット ６０ 第２圧力制御弁 ６０ａ ガスライン ７０ 燃焼ガス供給装置 ７１ 低圧領域 ７１ａ ガスライン ７２ 高圧コンプレッサ ７２ａ ガスライン ７３ 高圧リザーバ ７３ａ ガスライン ８０ 予燃焼室 ８１ オーバーフロー開口部 ８２ オーバーフロー開口部 ８３ 加熱装置 ９０ 燃焼シリンダ ９１ 主燃焼室 １００ エンジン制御装置 １０１ 信号ライン １０２ 信号ライン １０３ データバスライン １０４ データバスライン １０５ データバスライン １０６ データバス接続ライン ＭＬ エンジン負荷 ＰＶ 予燃焼室圧力 Ｒ１ 供給方向 Ｒ２ 排出方向 Ｐ１ 第１ガス圧 Ｐ２ 第２ガス圧 ＴＥ 噴射開始