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課題

主要燃料および補助燃料供給量を制御し燃焼エンジンの効率を改善する方法を提供する。

解決手段

燃焼エンジンに供給される主要燃料の量を測定するステップ、燃焼エンジンの運転状態を決定するステップ、燃焼エンジンの運転状態に基づいて燃料マッピングプロフィールを選択するステップ、燃料マッピングプロフィールから主要燃料の測定した量の割合として、注入される補助燃料の量を決定するステップ、を含む。

概要

背景

2つ以上の燃料を用いるエンジン運転(operation)は、公知である。これらのシステムトライの多くは、比較的より高価な主要燃料の使用に代えてより安価な補助燃料を利用することによって、全体の燃料費を減らす。このタイプのシステムは、既存のエンジンに改造されることもできるし、または製造業者によってエンジン/車両の一体部分として供給されることもできる。自動車市場、特に軽量および重量の重い商品市場のために、燃料費がオペレータにとって重要なコストである多種多様なシステムがある。

通常、典型的に使用される2種類のシステムがある。

システムの第1のタイプは、主要燃料に加えて補助燃料を導入することによって働く。
主要燃料の量は、通常、不変である。これらは、「付加」システムとして、通常、知られる。関係する原理は、補助燃料の導入がエンジンのパワートルクを増加させるということ、そして、オリジナルエンジン制御系、またはオペレータの結果のいずれかによって、純燃料コストの削減が適応されるということである。このタイプの若干のシステムはまた、概してセンサからの入力を変えるかまたはトルクもしくは速度制御入力修正することによって、主要燃料を減少する試みにおける若干の粗い形のコントロールを使用する。

この種の付加システムのいくつかの制限がある。「酸素枯渇」および補助燃料が主要燃料の燃焼を「消失される」として一般に知られる、主に酸素の欠乏のせいで、補助燃料を燃焼させるエンジンの能力によって導入されることができる補助燃料の量は、制限される。不完全燃焼および未燃焼燃料生成物排気装置を通過して排出されるせいで、このモードの運転は、劣った燃料消費量および高い放出物につながる。発生する燃料節約は、保証されなくて、ポジティブでありえるのと同様にネガティブでありえる。エンジンを故意オーバパワーすることは、それをその正常運転の外側で運転させることになる。これは、製造業者の保証、保険承認、安全証明および潜在的エンジン寿命に関してマイナスの影響を有する。

システムの第2のタイプは、主要燃料の減少する量に加えて補助燃料を導入することによって働く。これらは、「代替」システムとして一般に知られる。関係する原理は、主要燃料および補助燃料の両方が直接制御されるということ、そして、両方の燃料が同時に燃焼するときに、主要燃料だけで運転するときのオリジナルのエンジンとほぼ同じパワー/トルクを発生させるということである。

使用される2つの燃料のパーセンテージは、この代替タイプのシステムの間にさらなる差異を引き起こす。主要燃料がディーゼルであり、補助燃料がガスであり、主要燃料により高い割合の補助燃料を使用するシステムは、ディーゼル点火ガスエンジンとして公知である。主要燃料がディーゼルであり、補助燃料がガスであり、主要燃料により低い割合の補助燃料を使用するシステムは、ディーゼルエンジンとしてのそれらの分類を保持する。

両タイプの代替システムは、それらが商業的に実行可能なシステムにとってほぼ25%の最小割合の補助燃料を使用されることを必要とするという点を、特徴とする。実行可能であるために類似の形が付加システムにとって必要であるので、それらは、純燃料コスト削減を生成する良好なモードで運転するようになされることができるとみなされる。

パーセンテージが発熱量において与えられる所で、わずか20%のガスから始まって約80%のガスまで増加して、パワー需要が増加するにつれて液化石油ガスLPG)の増加の比率がエンジンに計測されるディーゼルエンジンを、特許文献1は、開示する。特許文献2は、0〜95%の液体ガス合物におけるガス燃料の範囲を開示する。特許文献3および特許文献4は、両方とも、燃料の比率を特定することなく、二重燃料エンジンを開示する。特許文献5は、液体LPGおよびディーゼルが混合されて、次いで、共通レールを介して燃焼室分配される二重燃料システムおよび二重燃料システムアセンブリに向けられる。特許文献6は、ディーゼルエンジンのための燃料システムに関する。特に、この発明は、間接インジェクションシステムを有するディーゼルエンジンのための二重燃料供給システムに関する。空気を液体燃料混合に最適値に合わせるために電子的にまたは機械的に制御される従来の内燃エンジンの、吸気マニホルドまたは空気吸気系への実質的に定常的な圧力で連続的に注入される、LPG(プロパン)、天然ガス水素ガス等を、特許文献7は、開示する。特許文献8は、液体燃料単独の、またはガス燃料と組み合わされる流れを制御する内燃エンジンとともに使用する二重燃料制御システムを開示する。禁制空燃比を回避しながら、さまざまな受け入れ可能な空燃比で主要燃料としての水素ガスおよび補助燃料としてのガソリンを燃焼させるために調整されるバイ燃料エンジンとして運転するように改造される従来のガソリンエンジンを、特許文献9は、開示する。特許文献10は、膨張サイクルの間、ディーゼルエンジンの燃焼室に炭化水素を注入することによってNOx還元体を生成するための方法に関する。

特許文献11は、同種の燃焼を達成するための主要燃料に比べてより短い分子構造を有する少量の補助燃料の注入を開示する。補助燃料のより短い分子構造は、化学プロセスを加速させる触媒(促進剤)として使われる。そして、補助燃料の5%〜25%の間の範囲が開示される。さらに、主要燃料および補助燃料の両方の供給は、制御される。

このように、既存の二重燃料システムは、いくつかの限界を有する。例えば、補助燃料のほぼ25%の最小割合を必要としておよび/またはECUまたは主要燃料供給が制御されるかまたは適応されることが必要である。

概要

主要燃料および補助燃料の供給量を制御し燃焼エンジンの効率を改善する方法を提供する。燃焼エンジンに供給される主要燃料の量を測定するステップ、燃焼エンジンの運転状態を決定するステップ、燃焼エンジンの運転状態に基づいて燃料マッピングプロフィールを選択するステップ、燃料マッピングプロフィールから主要燃料の測定した量の割合として、注入される補助燃料の量を決定するステップ、を含む。

目的

本発明の実施形態は、まだ主要燃料の測定された量の1〜15%の間にあるが、しかし車両が巡航しているかまたは重い荷重の下で加速しているかどうかに依存して燃料マッピングプロフィールが異なるかもしれない、補助燃料のより正確な割合の範囲を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
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請求項1

燃焼エンジンの効率を改善する方法であって、前記燃焼エンジンに供給される主要燃料の量を測定するステップ、前記主要燃料の測定された量の割合に基づいて補助燃料の量を注入するステップ、および、前記主要燃料の量が閾値量を下回るときに、主要燃料の量が増加するにつれて注入される前記補助燃料の前記割合が増加するように、そして、前記主要燃料の量が閾値量を一旦上回ると、主要燃料の量が増加するにつれて注入される補助燃料の前記割合が減少するように、注入される前記補助燃料の量を変化させるステップ、を含み、前記割合は、前記主要燃料の前記測定した量の15容量パーセント未満であり、前記補助燃料は、液化石油ガスLPG)、圧縮天然ガス(CNG)、液化天然ガスLNG)、メタンまたは水素ブラウンズ・ガス)のうちの少なくとも1つである、方法。

請求項2

前記燃焼エンジンの運転状態を決定するステップ、前記燃焼エンジンの運転状態に基づいて燃料マッピングプロフィールを選択するステップ、および、前記主要燃料の前記測定された量の割合として、注入される前記補助燃料の量を前記燃料マッピングプロフィールから決定するステップ、をさらに含む、請求項1に記載の方法。

請求項3

前記エンジンは、複数の運転状態を有し、各運転状態は、対応する燃料マッピングプロフィールを有し、各燃料マッピングプロフィールは、割合の対応する最小値および最大値の範囲内に定められる、請求項2に記載の方法。

請求項4

前記選択された燃料マッピングプロフィールは、微粒子放出の測定に基づく、請求項2または3に記載の方法。

請求項5

前記主要燃料は、前記補助燃料に比べてより大きい分子構造を有する、請求項1〜4のいずれか1項に記載の方法。

請求項6

燃焼段階の間、前記主要燃料をより小さい分子へと分割するためのラジカルへと前記補助燃料を分割するための圧縮段階の間、前記補助燃料は空気とともに注入される、請求項1〜5のいずれか1項に記載の方法。

請求項7

前記注入される補助燃料は、前記主要燃料をより小さい分子へと分割させる、請求項6に記載の方法。

請求項8

前記主要燃料の分割は、前記より小さい分子の燃焼と同時に発生する、請求項7に記載の方法。

請求項9

前記主要燃料は、ディーゼルである、請求項1〜8のいずれか1項に記載の方法。

請求項10

前記主要燃料の量が閾値量を一旦上回ると、主要燃料の量が増加するにつれて注入される補助燃料の前記割合を減少させることは、増加した燃焼効率という結果をもたらす、請求項1〜9のいずれか1項に記載の方法。

請求項11

前記補助燃料の供給のみを制御するガスコントローラを提供するステップをさらに含む、請求項1〜10のいずれか1項に記載の方法。

請求項12

燃焼エンジンであって、前記燃焼エンジンに供給される主要燃料の量を測定するための第1のセンサ、前記主要燃料の測定された量の割合に基づいて注入される補助燃料の量を決定するためのコントローラ、を備え、前記コントローラは、前記主要燃料の量が閾値量を下回るときに、主要燃料の量が増加するにつれて注入される前記補助燃料の前記割合が増加し、そして、前記主要燃料の量が閾値量を一旦上回ると、主要燃料の量が増加するにつれて注入される補助燃料の前記割合が減少することを決定するように構成される、燃焼エンジン。

請求項13

前記燃焼エンジンは、内燃エンジンであり、前記主要燃料は、ディーゼルである、請求項12に記載の燃焼エンジン。

請求項14

前記燃焼エンジンの運転状態を決定するための第2のセンサ、前記燃焼エンジンの運転状態に基づいて燃料マッピングプロフィールを選択するためのコントローラ、をさらに備え、前記コントローラは、前記燃料マッピングプロフィールから、前記主要燃料の前記測定された量の割合として注入される補助燃料の量を決定する、請求項12または13に記載の燃焼エンジン。

請求項15

主要燃料を燃焼させるように設計された燃焼エンジンを改造するためのキットであって、補助燃料を保持するためのタンク、前記エンジンに補助燃料を注入するためのインジェクタ、前記主要燃料の測定される量の割合に基づいて注入される補助燃料の量を決定するためのコントローラ、を備え、前記コントローラは、前記主要燃料の量が閾値量を下回るときに、主要燃料の量が増加するにつれて注入される前記補助燃料の前記割合が増加し、そして、前記主要燃料の量が閾値量を一旦上回ると、主要燃料の量が増加するにつれて注入される補助燃料の前記割合が減少することを決定するように構成される、キット。

請求項16

前記エンジンに供給されている前記主要燃料の量を示す第1の入力、および、前記エンジンの運転状態を示す第2の入力を受信するように構成されるコントローラであって、前記コントローラは、前記運転状態に基づいて燃料マッピングプロフィールを選択するように、そして、前記選択された燃料マッピングプロフィールから、前記主要燃料の前記測定された量の割合として前記インジェクタによって注入される補助燃料の量を決定するように構成される、コントローラ、をさらに備える、請求項15に記載のキット。

請求項17

主要燃料とともに供給されるエンジンへの補助燃料の注入を制御するためのコントローラであって、供給されている前記主要燃料の量の指示を受信するための第1の入力、複数の燃料マッピングプロフィールを格納するためのメモリ、前記主要燃料の測定される量の割合に基づいて注入される補助燃料の量を決定するためのプロセッサ、を備え、前記プロセッサは、前記主要燃料の量が閾値量を下回るときに、主要燃料の量が増加するにつれて注入される前記補助燃料の前記割合が増加し、そして、前記主要燃料の量が閾値量を一旦上回ると、主要燃料の量が増加するにつれて注入される補助燃料の前記割合が減少することを決定するように構成される、コントローラ。

請求項18

前記エンジンの運転状態の指示を受信するための第2の入力、前記第2の入力に基づいて前記燃料マッピングプロフィールのうちの1つを選択するための、そして、前記主要燃料の測定された量の割合として注入される前記補助燃料の量を決定するためのプロセッサ、をさらに備える、請求項17に記載のコントローラ。

技術分野

0001

本発明は、燃焼エンジンの改良に関し、特に、しかし排他的にではなく、内燃エンジン燃焼効率の改良に関する。

背景技術

0002

2つ以上の燃料を用いるエンジン運転(operation)は、公知である。これらのシステムトライの多くは、比較的より高価な主要燃料の使用に代えてより安価な補助燃料を利用することによって、全体の燃料費を減らす。このタイプのシステムは、既存のエンジンに改造されることもできるし、または製造業者によってエンジン/車両の一体部分として供給されることもできる。自動車市場、特に軽量および重量の重い商品市場のために、燃料費がオペレータにとって重要なコストである多種多様なシステムがある。

0003

通常、典型的に使用される2種類のシステムがある。

0004

システムの第1のタイプは、主要燃料に加えて補助燃料を導入することによって働く。
主要燃料の量は、通常、不変である。これらは、「付加」システムとして、通常、知られる。関係する原理は、補助燃料の導入がエンジンのパワートルクを増加させるということ、そして、オリジナルエンジン制御系、またはオペレータの結果のいずれかによって、純燃料コストの削減が適応されるということである。このタイプの若干のシステムはまた、概してセンサからの入力を変えるかまたはトルクもしくは速度制御入力修正することによって、主要燃料を減少する試みにおける若干の粗い形のコントロールを使用する。

0005

この種の付加システムのいくつかの制限がある。「酸素枯渇」および補助燃料が主要燃料の燃焼を「消失される」として一般に知られる、主に酸素の欠乏のせいで、補助燃料を燃焼させるエンジンの能力によって導入されることができる補助燃料の量は、制限される。不完全燃焼および未燃焼燃料生成物排気装置を通過して排出されるせいで、このモードの運転は、劣った燃料消費量および高い放出物につながる。発生する燃料節約は、保証されなくて、ポジティブでありえるのと同様にネガティブでありえる。エンジンを故意オーバパワーすることは、それをその正常運転の外側で運転させることになる。これは、製造業者の保証、保険承認、安全証明および潜在的エンジン寿命に関してマイナスの影響を有する。

0006

システムの第2のタイプは、主要燃料の減少する量に加えて補助燃料を導入することによって働く。これらは、「代替」システムとして一般に知られる。関係する原理は、主要燃料および補助燃料の両方が直接制御されるということ、そして、両方の燃料が同時に燃焼するときに、主要燃料だけで運転するときのオリジナルのエンジンとほぼ同じパワー/トルクを発生させるということである。

0007

使用される2つの燃料のパーセンテージは、この代替タイプのシステムの間にさらなる差異を引き起こす。主要燃料がディーゼルであり、補助燃料がガスであり、主要燃料により高い割合の補助燃料を使用するシステムは、ディーゼル点火ガスエンジンとして公知である。主要燃料がディーゼルであり、補助燃料がガスであり、主要燃料により低い割合の補助燃料を使用するシステムは、ディーゼルエンジンとしてのそれらの分類を保持する。

0008

両タイプの代替システムは、それらが商業的に実行可能なシステムにとってほぼ25%の最小割合の補助燃料を使用されることを必要とするという点を、特徴とする。実行可能であるために類似の形が付加システムにとって必要であるので、それらは、純燃料コスト削減を生成する良好なモードで運転するようになされることができるとみなされる。

0009

パーセンテージが発熱量において与えられる所で、わずか20%のガスから始まって約80%のガスまで増加して、パワー需要が増加するにつれて液化石油ガスLPG)の増加の比率がエンジンに計測されるディーゼルエンジンを、特許文献1は、開示する。特許文献2は、0〜95%の液体ガス合物におけるガス燃料の範囲を開示する。特許文献3および特許文献4は、両方とも、燃料の比率を特定することなく、二重燃料エンジンを開示する。特許文献5は、液体LPGおよびディーゼルが混合されて、次いで、共通レールを介して燃焼室分配される二重燃料システムおよび二重燃料システムアセンブリに向けられる。特許文献6は、ディーゼルエンジンのための燃料システムに関する。特に、この発明は、間接インジェクションシステムを有するディーゼルエンジンのための二重燃料供給システムに関する。空気を液体燃料混合に最適値に合わせるために電子的にまたは機械的に制御される従来の内燃エンジンの、吸気マニホルドまたは空気吸気系への実質的に定常的な圧力で連続的に注入される、LPG(プロパン)、天然ガス水素ガス等を、特許文献7は、開示する。特許文献8は、液体燃料単独の、またはガス燃料と組み合わされる流れを制御する内燃エンジンとともに使用する二重燃料制御システムを開示する。禁制空燃比を回避しながら、さまざまな受け入れ可能な空燃比で主要燃料としての水素ガスおよび補助燃料としてのガソリンを燃焼させるために調整されるバイ燃料エンジンとして運転するように改造される従来のガソリンエンジンを、特許文献9は、開示する。特許文献10は、膨張サイクルの間、ディーゼルエンジンの燃焼室に炭化水素を注入することによってNOx還元体を生成するための方法に関する。

0010

特許文献11は、同種の燃焼を達成するための主要燃料に比べてより短い分子構造を有する少量の補助燃料の注入を開示する。補助燃料のより短い分子構造は、化学プロセスを加速させる触媒(促進剤)として使われる。そして、補助燃料の5%〜25%の間の範囲が開示される。さらに、主要燃料および補助燃料の両方の供給は、制御される。

0011

このように、既存の二重燃料システムは、いくつかの限界を有する。例えば、補助燃料のほぼ25%の最小割合を必要としておよび/またはECUまたは主要燃料供給が制御されるかまたは適応されることが必要である。

先行技術

0012

米国特許第4,463,734号
米国特許第4,641,625号
米国特許第A−6026787号
米国特許出願公開第2005/0205021号
国際公開第2008/036999号
国際公開第2010/121306号
米国特許第5,408,957号
米国特許第5,370,097号
米国特許出願公開第2011/301826号
国際公開第99/30024号
国際公開第2009/115845号

発明が解決しようとする課題

0013

したがって、これらの限界を克服しておよび/または燃費効率のさらにより大きな改善をもたらすことは、望ましい。

課題を解決するための手段

0014

本発明の一態様によれば、燃焼エンジンの効率を改善する方法であって、燃焼エンジンに供給される主要燃料の量を測定するステップ、燃焼エンジンの運転状態を決定するステップ、燃焼エンジンの運転状態に基づいて燃料マッピングプロフィールを選択するステップ、燃料マッピングプロフィールから主要燃料の測定した量の割合として、注入される補助燃料の量を決定するステップ、を含む、方法が提供される。

0015

本発明の別の態様によれば、燃焼エンジンであって、燃焼エンジンに供給される主要燃料の量を測定するための第1のセンサ、燃焼エンジンの運転状態を決定するための第2のセンサ、燃焼エンジンの運転状態に基づいて燃料マッピングプロフィールを選択するコントローラ、を備え、コントローラは、燃料マッピングプロフィールから、主要燃料の測定された量の割合として注入される補助燃料の量を決定する、燃焼エンジンが提供される。

0016

本発明のさらに別の態様によれば、主要燃料を燃焼させるように設計された燃焼エンジンを改造するためのキットであって、補助燃料を保持するためのタンク、エンジンに補助燃料を注入するためのインジェクタ、エンジンに供給されている前記主要燃料の量を示す第1の入力、および、エンジンの運転状態を示す第2の入力を受信するように構成されるコントローラであって、コントローラは、運転状態に基づいて燃料マッピングプロフィールを選択するように、そして、選択された燃料マッピングプロフィールから、主要燃料の測定された量の割合としてインジェクタによって注入される補助燃料の量を決定するように構成される、コントローラ、を備える、キットが提供される。

0017

本発明のさらに別の態様によれば、主要燃料とともに供給されるエンジンへの補助燃料の注入を制御するためのコントローラであって、供給されている主要燃料の量の指示を受信するための第1の入力、エンジンの運転状態の指示を受信するための第2の入力、複数の燃料マッピングプロフィールを格納するためのメモリ、第2の入力に基づいて燃料マッピングプロフィールのうちの1つを選択するための、そして、主要燃料の測定された量の割合として注入される補助燃料の量を決定するためのプロセッサ、を備える、コントローラが提供される。

0018

本発明のさらに別の態様によれば、燃焼エンジンの効率を改善する方法であって、燃焼エンジンに供給される主要燃料の量を測定するステップ、および、主要燃料の測定された量の割合に基づいて補助燃料の量を注入するステップ、を含み、一旦主要燃料の閾値量が超えられると、主要燃料の量が増加するにつれて、補助燃料の割合は減少する、方法が提供される。

0019

本発明のさらに別の態様によれば、内燃エンジンの効率を改善する方法であって、内燃エンジンに供給される主要燃料の量を測定するステップ、主要燃料の測定された量の割合に基づいて補助燃料の量を注入するステップであって、主要燃料は、補助燃料に比べてより大きい分子構造を有する、ステップ、補助燃料を用いて主要燃料をより小さい分子に分割するステップ、を含む方法が提供される。

0020

好ましくは、または任意に、分割するステップは、補助燃料と組み合わされる空気を圧縮することによってラジカルを生成するために補助燃料を分割する第1の分割ステップ、および、ラジカルを主要燃料と組み合わせることによって主要燃料を分割する第2の分割ステップ、を含む。

0021

本発明の別の態様によれば、内燃エンジンの効率を改善する方法であって、燃焼サイクルの間、エンジンの燃焼室に注入される第1の分子構造を有する第1の燃料の量を計量するステップ、より短い分子構造の第2の燃料の制御された割合の量を燃焼室に供給するステップ、を含み、注入される第2の燃料の発熱量による量は、燃焼の重要な強化が始まる最少割合に、および、(第1の燃料を燃焼させるように設計されたエンジンのための)第2の燃料の非効率な燃焼が強化された効果に著しく対処する最大割合に制限される、方法が提供される。

0022

本発明の別の態様によれば、内燃エンジンの効率を改善する方法であって、燃焼サイクルの間、エンジンの燃焼室に注入される第1の分子構造を有する第1の燃料の量を計量するステップ、より短い分子構造の第2の燃料の制御された割合の量を燃焼室に供給するステップ、を含み、注入される第2の燃料の量は、所与性能レベルのためのエンジンに注入される混合燃料の質量が、単独で注入されるときに同じ性能レベルを達成するために必要な第1の燃料の質量よりも少ないように、制限される方法が提供される。

0023

本発明のさらに別の態様によれば、内燃エンジンの効率を改善するためのシステムであって、エンジンの燃料供給系統への接続のための手段、燃焼サイクルの間、エンジンの燃焼室に注入される第1の分子構造を有する第1の燃料の量を測定するための手段、および、短い分子構造の第2の燃料の制御された割合の量を燃焼室に供給するための手段、を備え、システムは、測定手段およびモニタ手段からの信号を受信のためのマイクロプロセッサを備え、マイクロプロセッサは、注入される第1の燃料の量を算出して、第2の燃料を供給するための結果信号を生成して前記手段に送信するのに適している、システムが提供される。

0024

本発明の一態様によれば、内燃エンジンの効率を改善する方法であって、内燃エンジンに供給される主要燃料の量を測定するステップ、主要燃料の測定された量の15パーセント未満の割合に基づいて補助燃料の量を注入するステップであって、主要燃料は、補助燃料に比べてより大きい分子構造を有する、ステップ、を含む方法が提供される。

図面の簡単な説明

0025

本発明の実施形態は、例としてのみ、目下、添付図面を参照して記載される。
図1は、本発明の一実施形態による内燃エンジンを示す。
図2は、本発明の一実施形態による既存のエンジンに改造されることができるキットを示す。
図3は、エンジンの異なる運転状態の補助燃料の最大割合を示す。
図4は、「通常」または走行運転モードのための燃料マッピングプロフィールを示す。
図5aは、ガスコントローラシステムの改造前の車両の側面図を示す。
図5bは、一実施形態によるガスコントローラシステムの改造後の車両の側面図を示す。
図5cは、一実施形態によるガスコントローラシステムの改造後の車両の反対側の側面図を示す。
図6は、本発明の一実施形態によるガスコントローラの機能性を示す。
図7は、本発明の一実施形態によるガスコントローラのハードウェアを示す。

実施例

0026

一実施形態によれば、エンジンのECU、主燃焼室または主要燃料(一次燃料)の供給を制御および/または修正することなく、内燃エンジンの改良された効率は、得られる。その代わり、供給されている主要燃料(例えば、ディーゼル)の量は、測定される。そして、コントローラは、予め決められた燃料マッピングプロフィールから、注入される補助燃料(二次燃料、例えばガス)の最適微少量を決定することが可能である。

0027

一実施形態において、燃料マッピングプロフィールは、注入されている主要燃料の関数として注入される補助燃料の割合を決定する。燃料マッピングプロフィールは、エンジンを、エンジンオペレーション範囲全体にわたって拡張共同燃焼オペレーションモードに維持することに基づく。換言すれば、車両を、オペレーションのその範囲全体にわたってこの拡張燃焼モードに維持するために、まさに正しい量の補助燃料(ガス)は、注入されることを必要とする。

0028

オペレーションの一実施形態によれば、燃焼(または燃焼プロセス)を最適化することによって、より少ないディーゼルを使用することができ、そしてそれは、結果としてより大きな燃費効率になる。したがって、選択された燃料マッピングプロフィールは、エンジンオペレーティングを、そのエンジンオペレーティングの範囲全体にわたってこの拡張燃焼オペレーションモードに維持することに基づく。そしてそれは、結果としてより大きな燃料節約になる。エンジンは、異なる条件の下で異なって挙動する。安定した速度で巡航している車両は、重い荷重の下での1つの加速とは非常に異なって挙動する。したがって、多くの燃料マッピングプロフィールは、予め決められる。そしてその各々は、エンジンの異なる状態に対応する。

0029

図3は、さまざまなエンジン状態(「アイドル」、「巡航」、「標準」、「その他」および「誤り(fault)」)を示しているグラフを示す。「その他」状態は、一時的なオペレーションモード(重い加速またはギアチェンジ等)であるかもしれない。ガスシステムは、常にオペレーションに利用できなければならないが、分離されることができるので、「停止」状態は、「誤り」状態と事実上同じである。

0030

一実施形態によれば、補助燃料(供給される主要燃料のパーセンテージとして)の最大割合は、異なるエンジン状態の各々について決定される。例えば、「標準」状態で、供給される補助燃料の最大割合は、主要燃料のパーセンテージとして、15%であることが分かる。

0031

このように、エンジンが「標準」状態にあるとして決定される場合、対応する燃料マッピングプロフィールは、図4に示すように選択されることができる。燃料マッピングプロフィールは、一般に、逆V字形状を有する。これは、ディーゼルの供給が増加するにつれて、最初に、供給されるガスの割合が増加することを意味する。しかしながら、一旦主要燃料の閾値量に達すると、ディーゼルが増加するにつれてガスの割合を減少させることによって、エンジンは、拡張燃焼モードで維持されることが分かっている。

0032

実際、図4は、一実施形態による燃料マッピングプロフィールの例を示す。そして、一
旦主要燃料の約65%の閾値量を超えると、曲線は、テーパがつくことが分かる。換言す
れば、最初に、ディーゼルの供給が増加するにつれて、注入されるガスの(ディーゼルの
パーセンテージとしての)割合は増加することを、しかし、一旦ディーゼルの供給が閾値
を超えると、注入されるガスの割合は減少するかまたは漸減し始めることを、プロフィー
ルは示す。

0033

対照的に、従来の二重燃料システムは、主要燃料および補助燃料(ディーゼルおよびガス)の双方の供給を制御することを試みる。さらに、これは、概して、導入される一次および二次燃料のレベル間の線形(および/または比例した)関係を使用することによってなされる。実際、一般通念は、より多くのディーゼルはより多くのガスを必要とすることを示唆する。

0034

しかしながら、本発明の一実施形態によれば、一旦ディーゼルの閾値を超えると、ディーゼル増加の量として導入される気体の量を減少させることによって、より効率的な燃焼が達成されることが分かった。エンジンオペレーティングを拡張モードに保つためにまさに正しい量の補助燃料が供給されるという点で、このテーパをつける(燃料マッププロフィールの)ことは、エンジンの酸素枯渇を防止する。

0035

本発明の一実施形態は、それが設計されるように作動するために、すなわち主要燃料(エンジンが設計された)の供給を制御するために、既存のコントローラ(ECU)に依存して、補助燃料の供給だけを制御する。燃料がどれくらい効率的に燃焼するかについて補償するために、オリジナルのECUは、主要燃料ボリュームをモニタして、調整する。共同燃焼モードのオペレーティングによって、事実上、同じ効率(または放たれるエネルギー)は、より少ないディーゼルで達成されることができる。そして、ECUは、より少ないディーゼルが必要とされると気づくだけである。

0036

本発明の一実施形態において、燃焼のこの拡張モードは、注入されているガスの最小の割合(すなわちすべてのエンジン状態について15%未満であり、いくつかの状態についてはかなり下がる)だけによって維持されることができることが分かる(図3参照)。

0037

図4の燃料マッピングプロフィールは、関数が線形および非線形部分を含むことができ
ることを示す。さらに、関数の若干の部分は、正比例することができる。その一方で、他
の部分は、反比例することができる。

0038

本発明の一実施形態によれば、これらの燃料マップは、エンジンの始動に際して確立されることができる。そして、自動自己較正ステップは、実行される。代わりの実施形態では、これらの燃料マップは、研究室において異なるエンジン状態の広範囲試験に基づいて予め決められることができる。他の実施形態では、予め決められた燃料マッピングプロフィールは、決定されることができる。しかし、エンジンの反応が変化するにつれて、時間とともにこれらの予め決められたマッピングを変えるかまたは洗練するために、自己較正ステップは、用いることができる。

0039

一実施形態において、燃料マッピングプロフィールは、微粒子放出の測定によって選択されることができる。すなわち、排気装置の非燃焼放出物を測定することによって。一実施形態において、車両の排気装置に位置する煙不透明度センサ(smoke opacity sensor)からの測定を考慮することによって、燃料マッピングプロフィールは、決定される。このようにして、いかなる所与のディーゼル使用および/または回転数についても最大半透明を達成するために必要なガスの最少量を決定することができる。最大の燃料マッピングプロフィール(すなわち、煙(すなわち微粒子)が増加する前に可能な注入されるガスの最大割合)を決定することは、この測定からもできる。

0040

エンジンの状態は、明らかになるように、さまざまな異なるやり方で決定されることができる。

0041

例えば、主要燃料レールの圧力(既存のエンジンセンサからの)および主要燃料のインジェクタ制御信号(オリジナルのECUの出力)の期間を使用することができる。

0042

別の実施形態では、エンジンの状態を考慮することによって(例えば、RPMおよび/または微粒子放出等の入力を測定することによって)、より正確な燃料マッピングプロフィールは、選択されることができる。したがって、本発明の実施形態は、まだ主要燃料の測定された量の1〜15%の間にあるが、しかし車両が巡航しているかまたは重い荷重の下で加速しているかどうかに依存して燃料マッピングプロフィールが異なるかもしれない、補助燃料のより正確な割合の範囲を提供することが、可能である。一実施形態において、この範囲の正確な割合(またはパーセンテージ)は、主要燃料の測定量を考慮するだけでなくエンジン状態および/または放出物によっても、より正確に決定されることができる。すなわち、アイドル状態のエンジンは、車両が加速されるときまたは重い荷重の下にあるときと比べて、全く異なって挙動する。本発明の実施形態は、これらの変数を考慮することが可能であり、そして、割合(または主要燃料のパーセンテージ)がエンベロープの範囲内のどこにあるかをより正確に考慮することが可能である。事実上、燃料マッピングプロフィールは、他の変数を考慮することが可能である一種多次元アルゴリズムとして作用する。

0043

一実施形態によれば、拡張共同燃焼モードは、「分解(cracking)」プロセスによって達成される。そしてそれは、化学レベルで燃焼を基本的に変える。具体的には、主要燃料がより容易にそしてより完全に燃焼するより小さい分子に分割されるように、補助燃料は、主要燃料を分解するために用いられる。これは、結果として内燃エンジンの改良された効率になる。

0044

図1は、本発明の一実施形態を示す。内燃エンジンは、燃焼室112の上流に位置するターボチャージャ106を有する。ターボチャージャは、燃焼プロセスを支援するためにそれに空気を吸引する回転タービン(図示せず)を有する。図示の実施形態では、ガスは、ターボユニット106に注入される。これは、空気/ガス混合物均一分布を作る空気と混合される。そしてそれは、次いで、燃焼室112に入って、圧縮される。空気/ガス混合物のこの圧縮は、短い鎖でつながれたガスを、ラジカルとして知られるより短い鎖でつながれた分子にさえ(または原子にさえ)分割する。ラジカルは、次いで、燃焼室112に存在して、より長い鎖でつながれたディーゼル炭化水素と結合されて、ディーゼルをより容易に燃焼するより短い分子に分割させる。

0045

したがって、少量のガスだけが、ディーゼルの燃焼を改善するために必要である。ガスはより小さい成分に分割される。そしてそれは、ディーゼルをより小さい成分に分割する。この分割プロセスは、より均一な燃料/空気混合物に結果としてなる化学鎖状反応を燃焼室の全体にわたって起こさせる。火花点火エンジンでは、ガスは、空気と容易に混ざって、エンジンの燃焼室の内部に広がる。さらに、それは、少なくとも、完全に燃焼して、すべての燃料が発火することも確実にするように、容易に燃焼する。少なくとも、燃料のより大きな大部分は、両方のタイプのエンジンにおいて燃焼する。したがって、エンジンの効率は、強化される。

0046

「分解」という用語は、分子の分割のための化学プロセスとして、広く理解される。燃料という意味において、異なる燃料は、異なる分子構造を有するか、より複雑な分子構造をいくらか有するか、または、他と比べてより長い鎖でつないだ炭化水素を有する。異なる燃料は、炭化水素の鎖の異なる長さ、または分子構造の複雑さを含んでよい。一実施形態によれば、内燃エンジンは、第1の燃料(例えばディーゼル)の用途に設計される。ディーゼルは、比較的長い鎖でつながれた炭化水素分子によって構成される。分解は、これらの長い鎖でつながれた炭化水素分子を、より効率的に燃焼するより短い鎖でつながれた炭化水素分子に分割することを可能にする。

0047

このように、一実施形態によれば、燃料は、内燃エンジンの効率を改善するために分解される。一実施形態において、空気と混合されて、ラジカルを作るためにそれを圧縮する際のガスのイオン化によって、これは、達成される。そしてそれは、より長いディーゼル炭化水素鎖次々に分解する。分解の原理は、比較的より短い鎖でつながれた炭化水素から構成される少量の補助燃料を注入することによって、特に適用される。そしてそれは、結果として内燃エンジンの増加した効率(例えば、改良された燃費効率、より少ない放出物、等)になる。注入されるガスの量は、エンジンにより用いられるディーゼルの測定量に基づいて、慎重に制御される。より詳しくは、正確なガスの量は、決定された燃料マッピングプロフィール(エンベロープ)に基づく。そしてそれは、各種実施形態によるものも、他の変数(例えば、エンジンの状態および/または排気装置の微粒子放出)を考慮する。

0048

一実施形態によれば、分解は、補助燃料が触媒および試薬(または反応物質)として作用することを可能にする。具体的には、試薬は、化学反応をもたらしておよび/または化学反応の経過で消費される。分解によって作られるラジカルは、主要燃料に取り付いて、より短い鎖でつながれた炭化水素に解体することによって、化学反応を誘発する。さらに、結果として生じるより短い鎖でつながれた炭化水素は、より容易に、そしてより急速に燃焼する。

0049

一実施形態によれば、分子を分割するという意味における分解は、2回行われる。ガスは分解され、次いで、ディーゼルは分解される。より詳しくは、ガスは、エンジンサイクルの圧縮位相中に分解される。そしてそれは、ディーゼルを分解するのに必要な物理的状態にガスを置く(ラジカルの生成)。すなわち、生成されたラジカルは、次いで、点火および燃焼位相中にエアマス(air mass)の中に存在する。そして、ディーゼル分子をより容易に燃焼するより小さい分子に分割する。この実施形態において、ディーゼルの分解および点火/燃焼は、同時に発生する。しかし、ガスの分解は、それに先行する。

0050

強化が25%までの範囲で起こることができるにもかかわらず、好ましい実施形態によれば、最大の強化は、約1%〜15%の範囲で起こる。そしてそれは、ディーゼルの微粒子放出物を還元するための最小寸法および最大寸法である。

0051

従来の内燃エンジンは、シリンダの内部で往復運動するピストンと、ピストンの往復運動を回転出力に変換するためのクランク機構とを備える。内燃エンジンの運転および効率は、使用する燃料のタイプおよび混合物、圧縮比、ピストン/シリンダの寸法、バルブ開閉時期、点火時期、燃焼室内の温度および温度分布、を含む多くの要因に依存する。しかしながら、主因のうちの1つは、エンジンの総合効率を決定するものであり、それは、燃料が燃焼するやり方である。そしてそれは、燃焼プロセスの速度および完全性によって象徴される。

0052

ディーゼルのような比較的複雑な炭化水素燃料は、長くて、燃焼するのが比較的遅い(そしてそれは、いくらかの炭化水素が完全に燃焼するのを妨げる)分子構造を有する。さらに、これらの長鎖炭化水素には、合体して、燃焼プロセス中に空気または酸素との効果的な混合を妨げる傾向がある。

0053

また、外部的に冷やされる密閉チャンバにおいて燃焼するディーゼルは、チャンバの中央において最初に点火して、点火は次いでチャンバの縁に向けて外へ広がる傾向がある。この火炎面拡散不完全であるかまたは非効率である場合、煙および粉粒体が結果として生じる。そしてそれは、エンジンの排気位相中に放出される。

0054

従来の4サイクル・エンジンは、以下のステージを有する。
1.吸入行程(空気および主要燃料が引き込まれる)。
2.圧縮行程(空気および主要燃料が圧縮されて、点火される)。
3.燃焼行程(主要燃料が燃焼して、ピストンが変位する)。
4.排気行程(非燃焼微粒子が排気装置へ排出される)。

0055

従来の4サイクル・エンジンにおいて、燃焼(燃料の燃焼)は、ピストンの「点火」または「パワー」行程中に発生する。そして、大部分のエンジンでは、エンジンのジオメトリは、パワー行程中のピストンの変位および加速を固定する。エンジンの効率を最大にするために、パワー行程中にできるだけ多くの主要燃料を燃焼させることは、重要である。しかしながら、パワー行程後にシリンダに残っている非燃焼燃料の量に一般に至る、パワー行程中に実際に燃焼することができる燃料の最大パーセンテージに、燃焼の化学作用および熱力学は、実用限界を置く。

0056

概して、従来のヘビーデューティディーゼルエンジンは、パワー行程中にシリンダに存在する燃料の最高80%だけを燃焼させる。

0057

本発明の一実施形態は、燃焼プロセスを強化することによって、このパーセンテージの数字を100%により近くに増加させることを意図する。

0058

燃焼することができる利用可能な燃料の比率に影響を及ぼす主因は、以下を含む。
−燃料自体の性質セタンおよびオクタン価を含む燃焼特性
−シリンダの寸法。シリンダのボリュームが大きければ大きいほど、「火炎面」がシリンダの境界に到達するまでにかかる時間が長くなる。そしてその大きい寸法または遅い火炎面にとって、高いエンジン速度は、決して発生しなくてよい。
−エンジンのタイミング。バルブ開閉時期および燃焼の点火のタイミングは、燃焼する燃料の比率に影響を及ぼす。一実施形態において、燃焼プロセスの等質性または均一性を制御することによって、エンジン効率は、改良される。点火ソースが燃焼室の全体にわたって広げられることができる場合、燃焼プロセスは、火炎面効果または燃焼シリンダ温度変化によって、より傷つけられない。

0059

これらの要因は、ロータリまたはタービンエンジンに等しく適用できる。

0060

図1は、内燃エンジンの基本的な実施形態を示す。しかし、他の実施形態および構成が等しく適用できることが理解されるべきである。例えば、別の実施形態(図示せず)では補助ガスは、ターボチャージャユニット106に注入されない。そのかわりに、一実施形態では、ポストターボインジェクションユニット(図示せず)がある。他の実施形態では、補助燃料は、燃焼室112に直接注入される。

0061

インタークーラ108のような他のオプションエレメントは、あってよい。そしてそれは、ターボチャージャ106と燃焼室112との間に位置するとして、図1に示される。燃焼室112は、さまざまな異なる構成を備えてよい。例えば、6気筒の車両において、燃焼室112は、6つの対応するピストン(図示せず)に供給される6つの対応するマニホルド分岐を備えてよい。燃焼室の出口は、すべての非燃焼微粒子が放出される排気装置114である。内燃エンジンは、ディーゼルを格納するための付随するタンク110および、タンクから燃焼室のシリンダへディーゼルを供給するための燃料ラインを有する。全体のシステムの動作は、ECU(エンジンコントロールユニット)104によって制御される。そしてそれは、必要とされるように、内部燃焼システムの各種コンポーネントをモニタして、起動させる。異なるエンジンコンポーネントに対するリンクは、図示されない。ECU104とコンポーネントとの間のこれらのリンクのいくらかは、車両構成に応じて任意である。

0062

図1の実施形態において、ECU、主要燃料供給または燃焼室の修正または適応は、ない。その代わりに、別々のガスコントローラ116は、ターボチャージャ106に注入されるガスを制御する役割を果たす。図1の実施形態は、ターボチャージャ106とガスタンク118との間に延びているガス供給ライン124を示す。ガス供給ライン124には、ターボチャージャ106の前に空気取入口に注入されるガスの量を制御することができるインジェクタ128がある。インジェクタ128の制御は、ガスコントローラ116からの制御出力によって達成される。

0063

本発明の一実施形態は、エンジンに対する補助燃料の制御、監視および送給についての実用的なやり方を提供する。そこでは、使用される補助燃料の比率は、使用される主要燃料の量およびエンジンの運転状態に依存する。使用される補助燃料の比率は、通常、使用される主要燃料の15容量%未満である。使用される技術は、制御システムによってリアルタイムに管理されるエンジン燃焼の改良または強化である。

0064

エンジンの主要燃料の明白な制御は、ない。そして、エンジンの運転へのいかなる適応も、燃焼の改良によって主に影響を受ける。

0065

本発明の他の実施形態によれば、以下のステップは、実行される。
1.エンジンで使用する主要燃料の量は、リアルタイムに算出される。
2.必要とされる補助燃料のパーセンテージは、エンジンの運転状態に基づいて算出される。
3.必要とされる補助燃料の量は、算出される。
4.インジェクタの開放時間は、補助燃料の必要量を送給するために算出される。
5.エンジンシリンダにおいて主要燃料とともに共同燃焼するために、補助燃料は、エンジンに導入される。

0066

これらのステップの各々を実施するためのさまざまな異なるやり方がある。そしてそれは、目下さらに詳細に記載される。

0067

ステップ1について、主要燃料の量は、主要燃料レールの圧力および主要燃料をエンジンに導入するために用いるインジェクタの開放時間を測定することによって、決定されることができる。車両のエンジンに使用される中で最も一般的な主要燃料送給系統である共通レールインジェクタおよびユニットインジェクタに、これは、あてはまる。加えて、主要燃料の温度は、ボリューム算出において使われてよい。別の実施形態において、主要燃料の流量は、使用する主要燃料の瞬間的な量の決定において使われる。定常状態エンジン(一般にプラント用または船舶用で見られる)に、これは、適用できる。さらに別の実施形態では、主要燃料レールの圧力は、エンジンのRPMから直接に決定されることができる。さらに別の実施形態では、主要燃料レールの圧力は、データバス接続(例えば、しかしそれに制限されないCANバス)から得られるデータを使用して決定されることができる。さらに別の実施形態では、主要燃料インジェクタの開放時間は、データバス接続(例えば、しかしそれに制限されないCANバス)から得られるデータを使用して決定されることができる。さらに別の実施形態では、燃焼プロセスにおいて使われている空気量は、補助燃料の必要量を決定するために個々にまたは組み合わせて、マスエア流れ、マスエア圧力および広帯域ラムダセンサを使用して算出されることができる。さらに別の実施形態では、使用する主要燃料の瞬間的な量は、データバス接続(例えば、しかしそれに制限されないCANバス)から得られるデータを使用して算出されることができる。さらに別の実施形態では、排気微粒子の測定は、最適補助燃料の必要量を決定するために用いることができる。

0068

ステップ2について、エンジンの運転状態は、エンジンrpm(毎分当り回転数)、エンジンrpm(毎分当りの回転数)、主要燃料レールの圧力、主要燃料インジェクタの開放時間、温度(エンジン水温および周囲外気温度)、車両の向きおよび動き、を含むがこれに制限されない多くの入力によって決定されることができる。車両の向きおよび動きは、3軸で動作する加速度計、または、傾斜スイッチおよび速度センサの組み合わせによって、概して決定される。

0069

ステップ3について、一実施形態において、必要とされる補助燃料の量は、使用する主要燃料の量およびエンジンの運転状態に基づいて算出される。一実施形態において、エンジンの運転状態は、必要とされる補助燃料のパーセンテージ(0%〜15%)を設定するために用いられる。これは、多くのやり方を介してなされることができる。第1の実施形態では、ユーザー定義ルックアップテーブル(一般にマップとして知られる)が用いられる。そしてそれに対して、上で定めた(例えばエンジンrpm)多くのエンジン入力が適用される。そしてその出力は、必要とされる補助燃料のパーセンテージである。この目的のために、複数のマップがあってよい。第2の実施態様では、補助燃料のパーセンテージは、エンジンの運転状態に基づいて設定されることができる。これは、固定パーセンテージまたは、補正動作の一部として自動的に調整されるパーセンテージを含むが、これに制限されない。

0070

ステップ4について、一実施形態において、必要とされる補助燃料の量は、補助燃料の送給を制御するインジェクタのための必要な開放時間に変換される。インジェクタは、異なる燃料流量に関して異なる特性を有することができる。それらは、異なる電気的または開放特性を有してもよい。複数のインジェクタについての補助燃料必要量の起動時間への変換は、補助燃料インジェクタの特性、特に最小限の開放または動作時間を考慮する。そしてその下で、最小限の量の補助燃料の送給は、保証されることができない。

0071

個々のインジェクタの開放時間と補助燃料の送給との間の関係は、較正プロセスによって実験的に決定される。この較正プロセスの結果は、システムの不揮発性メモリに格納される。

0072

インジェクタの開放時間は、補助燃料の圧力および温度にしたがって調整されることができる。

0073

ステップ5について、一実施形態によれば、補助燃料の送給を制御するインジェクタは、次いで、最小限の潜在性を有するインジェクタを開閉するように、そしてまたインジェクタの定常状態電力消散を最小にするように設計された電気信号によって駆動される。概して、これは、ピークホールドパルス幅変調技術を用いて達成される。

0074

一実施形態によれば、図1のガスコントローラ116は、さまざまな制御入力を受信するように図示される。ECU104から入力を受信することができる。しかし、これは、図1の実施形態には図示されない。一実施形態において、エンジンの状態は、ECUから得られることができることが理解されるべきである。しかしながら、エンジンの状態は、ECU104からの入力を必要としない他のやり方でモニタされることができることが理解されるべきである。一実施形態において、ガスコントローラ116はまた、使われているかまたはリアルタイムにエンジンに供給されているディーゼル燃料の量を決定するための測定センサ126から示される制御入力を有する。しかしながら、他の実施形態は、直接的および間接的の両方の異なるやり方を記載する。そして、ディーゼル燃料は、上で記載されたように、測定されることができておよび/または決定されることができる。一実施形態において、ガスコントローラ116は、コントローラのメモリに格納されるコンピュータプログラムまたはアルゴリズムを実行するためのマイクロプロセッサを用いて実施される。

0075

システムの動作を制御するアルゴリズム(例えば、図1のガスコントローラ116のメモリに保存される)は、ソフトウェア(SW)、ファームウェア(FW)または両方の組み合わせで実施されることができる。

0076

最低5つの動作上のエンジン状態からなる状態マシンは、以下のように、システムの動作を制御するために使用される。
・停止−システムは、電力を供給される。しかし、エンジンは、作動していない
・アイドル−車両は、静止している。そして、エンジンは、アイドリング(エンジン上の無負荷)している。
・巡航−車両は、定常状態条件走行している
・標準/走行−車両は、走行しているが、巡航またはアイドルの要件をまだ満たしていない。
・誤り−誤動作は、システムのシャットダウンの結果として検出された。

0077

巡航およびアイドル状態の間、システムは、自動較正動作を実行することができる。そしてそれは、送給される補助燃料の固定パーセンテージ、割合またはボリュームの選択を含むことができる。停止状態にある間、システムは、組込み試験(BIT)および診断法動作を実行する。走行状態にある間、システムは、正常に動作する。誤り状態にある間、システムの動作は、禁止される。これは、無効にされる補助燃料送給系統を有する安全な状態において止められているシステムによって特徴づけられる。

0078

状態マシンの状態間の移行は、車両、エンジンおよびシステムの動作状態によって制御される。別の実施形態では、CANのようなデータバスから得られるデータは、この情報の一部または全部を提供するために用いることもできる。

0079

特にシステムは、システム全体およびオリジナルエンジンの正しい動作を決定するために、すべての状態の連続モニタリングを実行する。加えて、制御アルゴリズムは、不揮発性メモリの自動較正の間、例えばガスコントローラ116に格納されて(図示せず)引き出されるいかなるパラメータ自律的に記録する。

0080

アイドル状態は、第1に、しかし排他的にではなく、エンジンrpm、車両の動き、および車両のアプリケーションのために使用する主要燃料のボリュームの組み合わせによって決定される。アイドル状態への入りおよびそれからの出は、範囲およびこだわりを含む主要な入力における一連の試験によって制御される。

0081

巡航状態は、第1に、しかし排他的にではなく、エンジンrpm、車両の動き、および車両のアプリケーションのために使用する主要燃料のボリュームの組み合わせによって決定される。巡航状態への入りおよびそれからの出は、範囲およびこだわりを含む主要な入力における一連の試験によって制御される。巡航状態は、加えて、速度入力センサを使用してよい。しかしながら、巡航状態へのエントリは、特定の速度に制限されない。

0082

さらなる態様において、最大の燃焼強化効果を生成するのに必要な補助燃料の最少の量が使用されるように、アルゴリズム(ガスコントローラ116において実行される)を調整するために、システムは、始動における自動自己較正を実行することが可能である。これは、結果として、最大のパフォーマンス、そして正味燃費節約、放出物に関するどちらか、または両方の組み合わせになる。

0083

自動較正は、エンジンセンサまたはデータバスから得られる、または代わりに、専用の計測器(例えば、ラムダセンサ、排気不透明度センサ、温度センサ)から得られるフィードバック情報を使用して実施することができる。例えば、微粒子放出の量を検出するために、レーザセンサは、車両の排気管に挿入されることができる。この信号は、次いで、ガスコントローラ116にフィードバックされる。そして、実際に微粒子放出が制御される変数である場合、それに応じて注入される補助燃料のレベルを、アルゴリズムは、調整することができる。

0084

概して、改良された燃費節約は、微粒子放出の減少と対応する。それというのも、燃料は、より効率的に燃焼しているからである。しかしながら、一実施形態において、ユーザ(またはドライバ)は、1つの制御変数を他を通じて主要なものに選択することができてもよい。例えば、エコ感受性ドライバは、微粒子放出の制御を主要にするのを好むかもしれなくて、エコ・オプションを選択することによってこれを行うことができる。そして、ガスコントローラ116のアルゴリズムは、それに応じて解釈する。代替の実施形態では、他のドライバは、燃料費を最小にするのを好んでもよい。したがって、この種のオプションを選択することによって、コントローラのアルゴリズムは、燃費効率の制御を主要にする。

0085

図1は、ECU104と独立して作動する別々のガスコントローラ116を示すにもかかわらず、ガスコントローラの機能性は、別の実施形態において既存のエンジンのECUに組み込まれるか、またはそれと協働するように設計されてもよい。実際さらなる実施形態では、ECUは、ガスコントローラの機能性を備えている既存のECUと置き換えられてもよい。

0086

ガスコントローラ116は、さまざまなやり方で、エンジンにおいて、そしてそれとインターフェイスで接続されて、実施されることができる。インターフェイスは、アナログまたはデジタルまたはデータバス(例えばCAN)でありえる。ガスコントローラは、エンジンのタイプおよびアプリケーションに依存する単一のユニットまたは多くのユニットのいずれかであることができる。複合ユニットは、ある形のデータまたは、それらが集合的に作動することができて、マスタースレーブ構成において作動することが可能なネットワークコネクションを必要とすると想定される。他の実施形態では、ガスコントローラの機能性は、エンジンへの主要燃料を制御するために用いるECUにおける一部または全部を実施してもよい。これは、オリジナルエンジンECU104のスペースキャパシティを使用することができて、または、一次および二次燃料の両方を制御するように設計されたECUの交換によって行うことができる。

0087

一実施形態において、ガスコントローラは、補助燃料のための制御および送給システムにも有効に接続していなければならない。ガスコントローラは、エンジンと直接関係していないサブシステムに接続していることもできる。概して、これは、シャシー制御システムまたは排気および放出システムの要素を含む。そしてそれは、いかなる排気後処理装置も含む。

0088

他の実施形態では、ガスコントローラは、制御システムを実施するのに必要なソフトウェア(SW)およびファームウェア(FW)資源を提供する。概して、これは、SWのためのマイクロプロセッサおよびFWのためのフィールドプログラマブルゲートアレイFPGA)を含む。SWまたはFW単独を用いるか、または両方の組み合わせによって、必要とされる機能性を実施することができる。個々にマイクロプロセッサまたはFPGAを用いたシステムを実施することもできる。FPGAは、ソフトコアまたは組込形マイクロプロセッサを用いてSWおよびFWの両方を走らせることができる。

0089

ガスコントローラは、多くの外部通信用インターフェイスを提供する。これらは、ユニバーサルシリアルバス(USB−ホストおよび装置)、イーサネット登録商標)、RS232およびコントローラエリアネットワーク(CAN)を含むことができる。これらのインターフェイスは、ガスコントローラがネットワーク環境において作動するかまたは周辺コンポーネント(例えばモデムラップトップコンピュータまたは大容量記憶装置)に接続する能力を、提供する。

0090

ガスコントローラは、エンジンおよび補助燃料ガス送給システムを有するインターフェイスに、必要な回路を実施する。これは、主に電子回路ボード上に置かれるHWコンポーネントを用いて提供されるが、必要に応じてFWまたはSWサポートも含む。

0091

エンジンとインターフェイスで接続する回路は、ガルバニック絶縁を提供するように設計されるか、またはこれが可能でない場合、それが接続される既存のオリジナルの回路に最小限の電気的擾乱を示すように設計される。これは、正常な動作条件の下でオリジナルの回路によってできる限り検出不可能な接続があることを確実にする。単一の故障が、感電事故(potential hazard)を示すことができる補助燃料送給系統のいかなる部分のアクティブ化にも結果としてならないように、補助燃料送給系統のエネルギー性の部分を制御する回路要素は、設計される。

0092

通常の動作状況の下で、補助燃料送給系統は、それが正しく作動していることを確実にするためにモニタされる。誤りが検出される場合、次いで、誤りコード報告されて、不揮発性メモリに格納される。誤りコードの重大度に依存して、補助燃料系統の動作は、無効にされることができて、誤りが修正されるまで再有効にされることができない。例えば、図2に示す安全シャットオフバルブを起動することによって、また、下でさらに詳細に記載される。

0093

一実施形態によれば、電子回路ボードは、専用の不揮発性メモリを含む。これは、記憶情報(例えばハードウェア・シリアルナンバ、試験結果、ならびに誤りコードおよびアプリケーションの詳細)のために使われる。メモリは、ECUが電力を供給されることを必要としない外部テスト装置を用いて、アクセスされることができて、プログラムされることができる。SWおよびFWプログラミング、較正およびマップ・データに未許可のアクセスを防止するために、ECUは、技術を組み込んでよい。ECU、電子回路ボード、FW、SWおよび組配線の設計は、入力および出力の観察に基づいて製品リバースエンジニアリングを防止するために、技術を組み込んでよい。ECUの設計は、FWまたはSWの誤動作について調べるために多くの監視機能(例えばウォッチドッグ)を組み込んでよい。そしてその結果は、影響を受けたサブシステムのリセットになる。

0094

ガスコントローラは、異なるやり方で物理的に実施されることができる。一実施形態において、ガスコントローラは、水、塵および他の汚染物質に対してシールされる。ECUは、シールされたコネクタ・システムを使用する。理想的には、これは、単一のコネクタである。電子部品の温度の過剰な増加を引き起こすことからユニットにおいて消散される電力を防止するために、電子回路ボードは、エンクロージャを介して熱経路を有する。電子回路ボードおよびエンクロージャは、電磁気放出(EMI)を最小にするように設計される。電子回路ボードおよびエンクロージャは、電磁場感受率を最小にするように設計される。ECUは、エンジン・ベイまたはエンジンルームにおける搭載と互換性を持つように設計される。

0095

ガスコントローラの実施形態は、さまざまなアプリケーションの用途に適合されることができる。例えば、ガスコントローラは、グローバルポジショニング・システム(GPS)レシーバ一体化することができる。システムは、無線周波(RF)モデム(例えば3GまたはGPRS)を介して双方向通信が可能である。これは、この接続を介してシステムを使用可能または使用不可にする設備を含む。この設備は、システムの位置および動作に関するテレメトリ情報を提供することができる。それはまた、遠隔でシステムを有効にするために用いることもできる。これは、窃盗からのシステムの保護を提供して、加えて、ペイパーユーズまたはリースベースの市販モデルを実施して、警備する方法を提供する。

0096

他の実施形態では、コントローラシステムは、コンピュータを用いたシステム上のアプリケーション・プログラムと一体化することができる。この用途は、コントロールおよび管理を非車両アプリケーション(例えば産業的または海洋)に提供する。システムは、組配線、SWおよびFWだけに変化が必要な場合、大多数のすべての想定されたアプリケーションについてカスタマイズされることができる。外部コネクタを介してユニットSWおよびFWを再プログラムすることができる。各ECUは、一意のシリアルナンバによってプログラムされる。各ECUは、アプリケーションを識別するように充分な詳細によってプログラムされる。車両アプリケーションのために、これは、エンジン、シャシーまたは登録ナンバを含むことができる。この情報は、この種の設備が存在する所で自動的に(例えばCANを介して)得られてよい。ECUは、OBDIIに準拠した診断法および保守インターフェイスを実施する。

0097

図2は、本発明の一実施形態による既存のエンジンに改造されることができるキットを示す。

0098

キットは、ガスタンク118から既存の内燃供給ライン124までガスの量を供給するためのインジェクタ128(制御ライン238を介して)を制御するガスコントローラ116を備える。このように、このキットは、既存の内燃エンジン上にボルト締めされることを意図する。

0099

図2の実施形態に示されるキットは、ガスタンク118とインジェクタ128との間に位置するさらなるオプション・エレメントを有する。例えば、第1の圧力および温度センサ220、ソレノイドまたは電気的シャットオフとして実行することが可能な2つの電気ガスバルブ弁224、230、ガス調節機能を実行することができて、温度センサ228に取り付けられる気化器226、第2の圧力センサ232、および機械的シャットオフ機能を提供するための手動ガスバルブ。ガスタンクは、フロート240を備えていてよい。電気的および機械的バルブは、誤りモードまたはその逆の場合にシャットオフにガス供給を有効にするために、安全性の理由でインストールされてよい。

0100

他の実施形態では、ガスコントローラ116は、ディーゼル・インジェクタからの第1の入力、レール圧力センサからの第2の入力、およびカム・センサ(いかなる時点でもエンジンのRPMを与えるための)からの第3の入力を有するように構成される。他の入力も可能であり、そしてエンベロープ(または燃料マップ・プロフィール)を決定するためにガスコントローラ116によって用いられることが理解される。そしてそれは、エンジンに供給されるガスの割合(またはパーセンテージ)を次々に決定する。

0101

キットは、ECU、燃焼室、またはそれを出力している接続の制御に対する修正なしで、従来の内部燃焼に改造されることができる。多くの従来システムが主要燃料の量を制御することを記載するのに対して、本発明の実施形態は、主要燃料の測定された割合の量に基づいて補助燃料の量を制御することに関する。このように、システムは、エンジンの挙動を観血的に制御するよりはむしろ、反応することが可能である。車両のECUは、エンジンがより効率的な燃焼をちょうど達成する場合は除き、標準として作用する。

0102

図5a図5cは、本発明の一実施形態による改造動作の前後での車両の例を示す。より詳しくは、図5aは、ガスコントローラシステムの改造前の車両の側面図を示す。図5aにおいて、空気タンクおよびバッテリパックトラック下部構造の左側に固定された側面図は、示される。図5bにおいて、改造後、空気タンクは、トラックのシャシーに移動されて、ガスタンク(すなわち補助燃料供給)と置き換えられた。図5cにおいて、改造後、反対側から見るときに、車両は、ガスタンクからガス・ソレノイド(図2のガスバルブ224、230に類似の機能を実行する)およびガス調整器図2ガス気化器226に類似の機能を実行する)を通って流れているガスを示す。

0103

図6は、ガスコントローラ116の機能性の機能的(またはソフトウェア)実施の例を示す。図6は、周期的なオペレーションの同期およびスケジューリングのためのスケジューラ610またはオペレーティングシステムを示す。また、非同期入力(例えば割り込みおよび内部エラー検出)を取り扱う役割を果たす。通信ハンドラ620は、さまざまな通信インターフェイスおよびプロトコルを接続するためにガスコントローラを有効にするための機能性を提供する。それは、外部および内部のすべての通信用インターフェイスを動かす役割を果たす。メモリインターフェイス630は、さまざまな形のメモリ機能性を提供して、内部および外部の両方でプロセッサに対してすべてのメモリ資源とインターフェイスで接続する役割を果たす。初期化機能性650は、パワーアップ後に、すぐSWが動作する役割を果たす。プロセッサは、セルフテストを実行して、次いで、メモリからオペレーシナルSWをロードする。それはまた、FPGAをロードして、次いで、オペレーションに先立ってデフォルト設定を用いてそれを構成する。動作機能性640は、二重燃料アプリケーションと関連したアルゴリズムを実行する役割を果たす。注入される補助燃料の割合を制御するためにどの出力を起動させるかを決定するためにこれらの入力に基づいて関連した燃料マッピングプロフィールを選択して、実行することもまた、可能である。

0104

図7は、ガスコントローラ116の内部電子アーキテクチャの例を示す。これは、コントローラの内部電子アーキテクチャを示す。プロセッサは、スタンドアロンデバイスである。それは、外部通信用インターフェイスおよび監視機能の全ての役割を果たす。それは、メモリマップインターフェイスを介してFPGAと通信する。FPGAは、すべてのリアルタイム機能の役割を果たす。両方のデバイスは、起動されるガスシステムのためのオペレーションであることを必要とする。マイクロプロセッサ720は、さまざまな入出力インターフェイス(イーサネット(登録商標)、USB、RS232、等)、車両の向きを決定するための3軸加速度計730のようなセンサ、さらには他のIC(例えばFPGA740、監視回路750およびドライブ回路760)につながるように調整される。FPGA740は、EEPROMデバイスに接続される。そして、ボードのテストができるためのJTAG集積回路がある。

0105

図6図7の機能性およびコンポーネントは、産業において標準であり、そして、本発明の実施形態を実施することが可能な他の構成も可能であることが理解されるべきである。

0106

要約すると、一実施形態によれば、比較的長い鎖でつながれた炭化水素分子からなる主要燃料は、内燃エンジンのシリンダにおいて燃焼されるように設計される。補助燃料は、触媒(促進剤)、試薬、反応物質または触媒として作用することが可能である。そしてそれは、それがエンジンシリンダに導入されるときに、燃焼プロセスの効率の改良、そしてそれ故、エンジンの効率の改良があるように、共同燃焼することが可能である。この実施形態によれば、燃料が個々に燃焼した場合に比べて、主要燃料および補助燃料の両方同時燃焼は、エンジンをより大きい効率によって作動させる。

0107

これは、燃焼効果を強化した。または、燃焼の改良は、主要燃料のより完全な燃焼を引き起こし、さらに主要燃料のより速い燃焼も引き起こす補助燃料の付加に帰することができる。これは、より大きいエンジン効率およびより少ない微粒子放出によって特徴づけられる。主要燃料の長い鎖でつながれた炭化水素分子をより短い鎖でつながれた炭化水素分子へと分割する(一般に分解としい知られる)こと、エンジンシリンダの燃料空気混合物のイオン化、燃焼が発生するときの火炎面の速度および拡散を増加させること、およびエンジンシリンダにおける燃料空気混合物のより好ましい分布によって、この種の効果は、一実施形態においてもたらされる。好ましい実施形態において、発熱量のために調整されるときに、補助燃料の割合は、ボリュームによる主要燃料の15%未満である。

0108

一実施形態によれば、主要な炭化水素燃料のより完全な燃焼は、より均質または均一の燃焼を引き起こす触媒および試薬として作用するために、そして結果として増加した効率になるために、補助燃料の導入、すなわち複数の燃料によって促進される。一実施形態において、エンジンの効率を向上させることは、補助燃料の導入によって、エンジンの放出基準を改善すると同時に、より良好な燃費節約および/またはより大きなパワーが利用できることを、意味する。他の実施形態によれば、主要燃料および補助燃料の両方が同時に燃焼してよいように、補助燃料の送給およびコントロールの便利な方法は、提供される。他の実施形態によれば、エンジンに導入されるときに補助燃料がガス状である、補助燃料の送給およびコントロールの便利な方法は、提供される。他の実施形態によれば、エンジンまたはその制御系に広範囲な修正をすることなく、既存のエンジンを単一燃料から複数燃料にそれらを変換するために容易に改造することができる補助燃料の送給およびコントロールシステムが提供される。他の実施形態によれば、オリジナルのエンジン管理システム再配置するかまたは再較正する必要なしに、複数燃料を用いる運転を容易にするために、エンジン供給元または車両メーカーによって組み込まれることができる補助燃料の送給およびコントロールシステムが提供される。

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