JP5629379B2 - 液体及び気体燃料を用いる内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、特に、請求項１の前提部分に記載されている内燃機関、特に自動車のための内燃機関に関する。

特許文献１は、二元燃料、自己着火内燃機関の作動方法を開示しており、この内燃機関は、液体及び気体燃料によって作動可能であり、そのために少なくとも１つのガソリン用インジェクションノズルと、少なくとも１つのガスインジェクタとが各シリンダに設けられている。この場合、内燃機関の選択された作動範囲においては液体燃料と気体燃料とが同時に噴射され、その他の内燃機関の作動は液体燃料又は気体燃料によって行われるように設定されている。

独国特許出願公開第１０２００６０５４４６３Ａ１

本発明の課題は、特に効率的な作動を有する、冒頭に述べた種類の内燃機関を提供することである。

この課題は、請求項１の特徴を備える内燃機関によって解決される。本発明の有用かつ非自明な発展形態を備える有利な実施形態は、その他の請求項に示されている。

本発明に基づく、特に自動車のための内燃機関は、液体燃料、詳細にはガソリンの燃料供給装置と、気体燃料、詳細には天然ガスの燃料供給装置とを備え、これらの燃料供給装置の間には少なくとも１つの熱交換器が設けられており、この熱交換器によって、気体燃料と液体燃料との間で熱交換を行うことができる。本発明に基づく内燃機関は、例えばある作動状態においては気体燃料だけで作動し、別の作動状態においては液体燃料だけで作動することができる。同様に、この内燃機関は、液体燃料と気体燃料との両方によって作動する作動状態を有することもできる。この作動状態においては、気体燃料及び／又は液体燃料が、この内燃機関の少なくとも１つの燃焼室、詳細にはシリンダ内に送られて燃焼する。内燃機関のこの種の作動状態を実現するため、自動車は、内燃機関に割り当てられているそれぞれの貯蔵装置、詳細にはタンクを含み、自動車走行中に輸送するため、一方の貯蔵装置には液体燃料が、もう一方の貯蔵装置には気体燃料が貯蔵可能であるか、又は貯蔵されている。

少なくとも１つの熱交換器によって行われる、気体燃料と液体燃料間の熱交換により、それぞれの燃料温度を調整することが可能となる。言い換えると、このことにより、望ましい燃料温度への調整ができるようになり、それによって燃料は有利な特性を有することから、内燃機関の効率的な作動が可能となる。この場合、望ましい温度調整は、追加のコストなしに、詳細には追加のエネルギー並びに構成部品なしに可能であり、このことによって、部品数、重量、取付けスペース、並びに本発明に基づく内燃機関のコストが抑えられる。この視点は、特に内燃機関の効率的な作動にも有利に作用する。というのも、追加の構成部品を制御するため及び／又は望ましい有利な燃料温度に調整するための追加エネルギーを使用する必要がないからである。

本発明の有利な実施形態では、熱交換器を用いる熱交換により、液体燃料を冷却することができる。このことは、液体燃料の揮発性成分の蒸発を防止するか、又は少なくとも減少させることにつながる。液体燃料が蒸発する場合、排気ガス規制値を維持するために、蒸発した成分の回収が必要となり、この回収は、例えば少なくとも１つのフィルタ、詳細には炭素フィルタ及び活性炭フィルタによって実現することができる。そのようなフィルタは、このフィルタがいわゆる飽和状態に達するまでは、蒸発した成分を保持することができるが、それ以降は成分を回収することができなくなる。そのとき、このフィルタは飽和状態となっている。さらに、又はそれ以上の蒸発した成分を回収できるようにするためには、いわゆるフィルタの再生又は大容量のフィルタが必要である。熱交換器による液体燃料の冷却によって、液体燃料の蒸発を防止又は少なくとも軽減することにより、フィルタ又は回収装置に必要な再生回数及び容量を少なく保つことができる。このことは、内燃機関の効率的な作動にも、それらの取付けスペースにも有利に働き、特に自動車のエンジンルームなど、スペースの限られた部分におけるパッケージ問題を回避又は解決することにつながる。

本発明の有利な実施形態では、熱交換器が、内燃機関に供給される気体燃料の流れ方向において圧力調整装置、詳細にはプレッシャコントローラの下流に、又は圧力調整装置に配置されており、この圧力調整装置によって、気体燃料は第１の圧力レベルからより低い第２の圧力レベルにまで膨張することができる。内燃機関が、１つの作動状態において例えば気体燃料で作動する場合、この気体燃料は対応する貯蔵装置、例えばガス容器などから取り出される。気体燃料は、対応する貯蔵装置内では高圧縮状態にあるが、それに対してより低い圧力で燃焼室に送られる。この圧力調整装置によって、気体燃料はその圧力レベルを低下させることができ、その結果、気体燃料の膨張が生じる。この場合、いわゆるジュール‐トムソン効果により、気体燃料は急激に冷却し、その温度は例えば約−７０℃になる。この非常に低い温度により、液体燃料を熱交換によってとりわけ良好かつ効率的に冷却することができるため、液体燃料は非常に低い温度を有している。

内燃機関の取付けスペースを小さく維持し続けるためには、この熱交換器が少なくとも部分的に圧力調整装置のハウジング内に組み込まれている場合は有利である。

本発明の特に有利な実施形態では、熱交換器によって、液体燃料用の対応する貯蔵装置、詳細にはタンクに戻る液体燃料を冷却することができる。これにより、例えば該当するラインを介して流れる液体燃料だけでなく、その他の、貯蔵装置にある液体燃料並びに貯蔵装置自体も冷却可能であるか、又は熱交換器によって望ましい温度に調整することができる。従って、非常に多量の液体燃料が冷却可能であるか、又は望ましい温度に調整することができ、これらの温度調整の利点は、この内燃機関の液体燃料の少なくともほぼ全体に有利に作用する。これにより、特に貯蔵装置に内在する、前述した液体燃料の蒸発の問題は回避されるか、又は少なくとも軽減される。

熱交換器が、液体燃料を内燃機関に圧送するためのポンプ装置、詳細には高圧ポンプの上流の液体燃料用の貯蔵装置、詳細にはタンクへ戻る液体燃料の流れ方向に沿って配置されている場合、このことにより、ポンプ装置を液体燃料によって特定の有利な温度に調整できるという利点が生じる。熱交換器によって燃料が冷却される場合、冷却された燃料はポンプ装置を通過することによって、ポンプ装置自体を冷却する。

例えば、直噴式ガソリンエンジンとして構成されている内燃機関が気体燃料で作動する場合、例えば気体燃料は燃焼室又は複数の燃焼室、詳細にはシリンダ、特に複数のシリンダの中に送られ、特に、直接噴射され、液体燃料は全く送られないか、少量しか送られないため、液体燃料はポンプ装置によって内燃機関に圧送されないか、極めて少量しか圧送されない。従って、貯蔵装置、詳細にはタンク内における燃料交換も全く生じないか、もしくは極めて少量のみであり、このことは、ポンプ装置の不十分な冷却を引き起こすおそれがある。燃料交換を実現するために、内燃機関の作動に液体燃料が必要ないか、又は極めて少量しか必要ない場合でも、液体燃料がもう１つの又は前述のポンプ装置によって貯蔵装置から圧送され、この圧送された燃料は、少なくとも部分的に使用されずに少なくとも１つのリターンラインから貯蔵装置に再び戻るようにすることができる。しかし、このことによりポンプ装置は冷却されるが、貯蔵装置内の液体燃料の加熱が生じるため、その他の対策が講じられていない限り、前述した液体燃料の揮発性成分の蒸発が生じるおそれがある。このことから、結果的に、燃料組成の変化が生じる可能性があり、このことは燃料及び内燃機関のコールドスタート特性を悪化させる原因となり得る。

熱交換器が、貯蔵装置へ戻る液体燃料の流れ方向に沿ってポンプ装置の上流に配置され、それによって燃料をポンプ装置の上流で熱交換器により冷却できることから、一方では、燃料の蒸発と燃料組成の変化が防止又は軽減される。他方では、これにより、ポンプ装置を非常に効率的かつ有利に冷却できるようになる。というのも、冷却された燃料はポンプ装置によって貯蔵装置から圧送されるため、冷却された液体燃料がポンプ装置を通過できるからである。ポンプ装置の下流では、ポンプ装置を冷却したために再び加熱された液体燃料は、熱交換器による気体燃料との熱交換により冷却されることができ、次に、液体燃料はリターンラインを介して貯蔵装置に戻り、貯蔵装置から再びポンプ装置によって圧送され、再びこのポンプ装置は液体燃料によって冷却される。従って、ポンプ装置を冷却する冷却回路が形成され、同時に、燃料の蒸発も防止されるか、又は少なくとも軽減される。この有利な冷却回路は、この場合、追加又は特記すべきエネルギー消費なしで実現されているため、内燃機関の効率的な作動に有利に働く。

もう１つの利点は、気体燃料もまた、熱交換により望ましい有利な温度にすることができる点である。気体燃料が熱交換などによって加熱されれば、膨張などによって気体燃料が低温になったために生じる、気体が流れるコンポーネントの凍結に反対に作用することができる。

有利な実施形態では、熱交換器が、液体燃料の通過可能なライン、詳細には液体燃料用の貯蔵装置へのリターンラインと、気体燃料の通過可能なライン、詳細には内燃機関への供給ラインとに接続され、特に流体的に接続されている。これにより、それぞれのラインを通過する燃料が、良好に、効率的及び適切にそれぞれの望ましい温度に調整可能であるため、内燃機関の効率的作動を実現することができる。この場合、すでに述べたように、例えば、液体燃料は冷却可能であり、気体燃料が流れるコンポーネントの凍結には反対に作用することができる。このことは全て、特に、本発明に基づく内燃機関の効率的な作動に有利に働く。

液体燃料の通過可能なラインと流体的に接続されている切替え可能なバルブ装置が設けられている場合、このバルブ装置によって、液体燃料の通過可能なラインが流体的に開放可能であり、また、少なくとも部分的に流体的に閉鎖可能であり、特に完全に流体的に閉鎖可能であるため、液体燃料を圧送するポンプ装置のポンプ損失を少なくすることができる。このことは、内燃機関の損失も低下させるため、この内燃機関の効率的な作動にさらに有利に働く。この場合、バルブ装置により、有利には、液体燃料のラインの通過を特に完全に防止するか、又は完全に可能にすることができるようになる。さらに、これにより、ポンプ装置の望ましい温度レベルが調整可能となる。

有利には、液体燃料の通過可能なラインに割り当てられているバルブ装置が、内燃機関の作動状態に応じて、及び／又は液体燃料を内燃機関へ圧送するためのポンプ装置の温度に応じて、調整可能である。このバルブ装置は、例えば、電磁的に切替え可能なバルブとして形成されており、このバルブはリターンラインに組み込まれている。このバルブ装置により、例えば、気体燃料が内燃機関の作動に必要であるか、望ましい場合、及び／又はポンプ装置の冷却が必要である場合にのみ、該当するラインを液体燃料が流れるようにすることができる。この場合、ポンプ装置の温度に基づいて、ポンプ装置の冷却が必要であるか、必要でないかを決定することができる。この温度は、例えば検知装置、詳細にはセンサによって検知されるか、モデルを使ってシミュレーションされ、このモデルに基づいて、例えば内燃機関の調整装置、詳細にはコントロールユニットを用いて計算される。

内燃機関が液体燃料、詳細にはガソリンによって作動する場合、切替え可能なバルブ装置によって、液体燃料を冷却するための液体燃料の循環を遮断することができ、このことは、循環のために設けられているポンプ装置のエネルギー消費、詳細には電力消費を少なくするか、又は完全に回避することから、内燃機関のエネルギー要求を全体として低く保つことができ、そのことによって燃費も低く抑えることができる。

本発明のさらなる利点、特徴及び詳細は、好ましい実施形態及び図に基づく以下の説明で明らかになるであろう。ここまでの説明で述べた特徴及び特徴の組合せ、並びに以下の図の説明で述べられている、及び／又は図の中にのみ示されている特徴及び特徴の組合せは、それぞれに示された特徴の組合せだけではなく、本発明の範囲から逸脱することなく、その他の組合せ又は単独でも適用可能である。

図は内燃機関の原理図であり、この内燃機関は気体燃料でも、液体燃料でも作動可能であり、熱交換器を含み、この熱交換器によって、気体燃料と液体燃料との間で熱交換を行うことができる。

図は、４つのシリンダ１２を備える内燃機関１０を示し、この内燃機関は気体燃料、詳細には天然ガス（圧縮天然ガス）でも、ガソリンの形の液体燃料でも作動可能である。そのために、内燃機関１０は、シリンダ１２に割り当てられているそれぞれのインジェクタ１４を含み、これらのインジェクタによってガソリンを直接シリンダ１２に噴射することができる。さらに、この内燃機関は、天然ガスを内燃機関１０のエアディストリビュータ１７の中に送るインジェクタ又はインジェクションバルブ１６を含んでいる。気体燃料をそれぞれのインジェクタ１６によって直接シリンダに送ることも考えられる。

内燃機関１０は、ガソリンのみで作動する作動状態を有することができる。同様に、この内燃機関は、天然ガスのみで作動する作動状態で作動することもできる。

内燃機関１０の作動にガソリンが必要である場合、ガソリン２０が受容され、保管されているタンク１８から、フィードポンプ２２によりフィードライン２４を介してガソリンが高圧ポンプ２６に送られる。この高圧ポンプ２６はガソリンに非常に高い圧力をかけ、レールとも呼ばれる燃料のディストリビューションシステム２８に圧送し、このディストリビューションシステムによってガソリンがインジェクタ１４に割り当てられ、最後にシリンダ１２の中に噴射される。高圧ポンプ２６によって提供されるガソリンの高圧により、ガソリンは特に細かく拡散された状態でシリンダ１２の中に噴射されるため、内燃機関１０の極めて効率的な作動に有利である。

天然ガスの保存及び移動のためにガス容器３０が設けられ、天然ガスはこの中に２００Ｂａｒ以下の圧力で圧縮されて収容されている。内燃機関１０の作動に天然ガスが必要であるか、又は望ましい場合、天然ガスはガス配管３２を介してプレッシャコントローラ３４に送られ、このプレッシャコントローラによって、方向矢印３６に従う天然ガスの流れ方向においてプレッシャコントローラ３４の下流で圧力が調整される。もう１つのガス配管３８を介して、天然ガスは、次に、インジェクタ１６に送られ、エアディストリビュータ１７の中に吹き出される。

内燃機関１０が例えば天然ガスだけで作動する場合、高圧ポンプ２６を冷却するために、フィードポンプ２２がガソリンを高圧ポンプ２６に送るように設定されており、従ってガソリンは高圧ポンプ２６を通過し、リターンライン４０を介してタンク１８に戻る。この場合、ガソリンは高圧ポンプ２６の冷却のために加熱されるため、タンク１８内のガソリン２０も加熱されることになる。そのようにして加熱されたガソリン並びにタンク１８を冷却して、ガソリン２０の揮発性成分の蒸発を防止し、高圧ポンプ２６を特に効率的に冷却できるようにするため、プレッシャコントローラ３４の中に熱交換器４２が組み込まれており、この熱交換器によって、ガス配管３２及び３８を流れる天然ガスと、リターンライン４０を流れるガソリンとの間で熱交換が可能となる。

プレッシャコントローラ３４による天然ガスの圧力低下と膨張とによって、いわゆるジュール‐トムソン効果により、天然ガスは約−７０℃にまで冷却されるため、この天然ガスによってガソリンを極めて効率的に冷却することができる。リターンライン４０の方向矢印４４に従うガソリンの流れ方向において、熱交換器４２の下流にスロットル４６が設けられており、このスロットルにより、ガソリン回路内の流量制限及び圧力保持が実現されている。さらにプレッシャコントローラ３４の下流には電磁的に切替え可能なバルブ４８が少なくとも部分的にリターンライン４０の中に組み込まれており、このバルブにより、第１のポジションにおいてはリターンライン４０が流体的に開放されているため、ガソリンはリターンライン４０を通過することができる。

バルブ４８の第２のポジションでは、リターンライン４０を流体的に遮断できるため、ガソリンはリターンライン４０を通過できず、フィードポンプ２２から高圧ポンプ２６によるガソリンの循環及びタンク１８へのリターンが中断される。このことは、特に内燃機関１０の作動にガソリンが必要であるか、又は望ましい作動状態において、フィードポンプ２２を必要に応じて停止することができるため、フィードポンプ２２のエネルギー消費が低く保たれる。このことから、内燃機関１０は特に効率的な作動を有する。

切替え可能なバルブ４８は、内燃機関１０のコントロールユニット５０によって、内燃機関１０の作動状態に応じて、並びに高圧ポンプ２６の温度に応じて切り替えられ、例えば、高圧ポンプ２６の温度が、設定されている規定値を上回った場合は冷却が必要となる。フィードポンプ２２によってタンク１８から送り出され、高圧ポンプ２６を介してリターンライン４０からタンク１８に戻るガソリン２０の循環は、内燃機関１０の作動にガソリンが必要である作動状態においては必要ではない。というのも、高圧ポンプ２６は、次にシリンダ１２の中に噴射されるべき燃料によって冷却されるからである。

タンク１８内のガソリン２０の冷却は、ガソリン２０の揮発性成分の蒸発を低下させるか、又は完全に回避するため、排気ガス規制値を維持するために揮発性成分を回収する回収装置、特に活性炭フィルタの容量を小さく保つことができる。また、この回収装置の再生を頻繁に行う必要もなくなる。

Claims (11)

1. 液体燃料の燃料供給装置と、気体燃料の燃料供給装置とを備える、内燃機関（１０）であって、
   前記両燃料供給装置の間には少なくとも１つの熱交換器（４２）が設けられており、該熱交換器によって、前記気体燃料と前記液体燃料との間で熱交換を行うことができ、前記熱交換器（４２）によって、前記液体燃料（２０）用の貯蔵装置（１８）に戻る前記液体燃料を冷却することができることを特徴とする、内燃機関（１０）。
2. 前記熱交換器（４２）を用いる前記熱交換により、前記液体燃料を冷却することができることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関（１０）。
3. 前記熱交換器（４２）が、前記内燃機関（１０）に供給される前記気体燃料の流れ方向（３６）において圧力調整装置（３４）の下流に、又は前記圧力調整装置（３４）に配置されており、該圧力調整装置によって、前記気体燃料は第１の圧力レベルからより低い第２の圧力レベルにまで膨張することができることを特徴とする、請求項１又は２に記載の内燃機関（１０）。
4. 前記熱交換器（４２）が、少なくとも部分的に前記圧力調整装置（３４）のハウジング内に組み込まれていることを特徴とする、請求項３に記載の内燃機関（１０）。
5. 前記熱交換器（４２）によって、前記液体燃料（２０）用の貯蔵装置（１８）に戻る前記液体燃料を冷却することができることを特徴とする、請求項１〜４のうちいずれか一項に記載の内燃機関（１０）。
6. 前記熱交換器（４２）が、前記液体燃料を前記内燃機関（１０）へ圧送するためのポンプ装置（２２、２６）の上流の前記液体燃料（２０）用の貯蔵装置（１８）へ戻る前記液体燃料の流れ方向（４４）に沿って配置されていることを特徴とする、請求項１〜５のうちいずれか一項に記載の内燃機関（１０）。
7. 前記熱交換器（４２）が、前記液体燃料（２０）用の貯蔵装置（１８）へのリターンライン（４０）と、前記内燃機関（１０）への供給ライン（３２、３８）とに接続されていることを特徴とする、請求項１〜６のうちいずれか一項に記載の内燃機関（１０）。
8. 前記液体燃料の通過可能な前記ライン（４０）と流体的に接続されている切替え可能なバルブ装置（４８）が設けられており、該バルブ装置によって、前記液体燃料の通過可能な前記ライン（４０）が流体的に開放可能であり、少なくとも部分的に流体的に閉鎖可能であることを特徴とする、請求項７に記載の内燃機関（１０）。
9. 前記バルブ装置（４８）が、前記内燃機関（１０）の作動状態に応じて、及び／又は前記液体燃料を前記内燃機関（１０）へ圧送するためのポンプ装置（２２、２６）の温度に応じて、調整可能であることを特徴とする、請求項８に記載の内燃機関（１０）。
10. 前記内燃機関（１０）が直噴式内燃機関（１０）として形成されており、該内燃機関（１０）の場合、前記液体燃料が、前記内燃機関（１０）の少なくとも１つの燃焼室（１２）内に噴射可能であることを特徴とする、請求項１〜９のうちいずれか一項に記載の内燃機関（１０）。
11. 前記気体燃料を、前記内燃機関（１０）のエアディストリビュータ（１７）の中に送ることができることを特徴とする、請求項１〜１０のうちいずれか一項に記載の内燃機関（１０）。

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