JP5980151B2 - ガスエンジンの排ガス制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、ガスエンジンの排ガス浄化装置に関し、特に定置発電機用、または舶用のガスエンジンのＮＯｘ（窒素酸化物）排出抑制に効果的な排ガス制御装置に関する。
エンジンからのＮＯｘ排出量と燃料消費率とは、トレードオフの関係にあることは知られており、ＮＯｘ規制値を満足させながら燃料消費率を低減させるように運転することが望ましい。
ＮＯｘ生成を抑制する手段としては、点火時期及び空燃比を制御することが有効であり、例えば、特許文献１（特開２００３−１４８１８７号公報）には、組成が変化する燃料が供給されるがガスエンジンにおいて、燃料組成計測手段、負荷計測手段、回転数計測手段の出力に応じてガスエンジンの点火時期及び空燃比を制御して、燃料組成が変化した際のノッキングおよびＮＯｘ発生抑制を行うことが示されている。
特開２００３−１４８１８７号公報
しかし、特許文献１においては、ガスエンジンの燃料組成が変わる際のＮＯｘ排出量を抑制するものであり、ＮＯｘ排出量を抑制すべき環境状態や地理的状態によってＮＯｘ排出量を抑制することまでは開示していない。
つまり、ＮＯｘ排出量を一時的に抑制する必要が生じる環境条件や地理的条件が発生した場合、例えば、都市部では夏場において光化学スモッグの発令警報が出された際に、光化学スモッグの発生原因であるＮＯｘを一時的に抑制する必要がある場合や、エンジン運転時間が所定のメンテナンス時期に近づきは排ガス濃度の悪化が懸念される時期においてメンテナンスの実行までの期間に一時的に抑制する場合や、外気環境条件が高温で低湿度状態になっていて燃焼温度が高温化する場合や、舶用若しくは移動体のエンジンのように、ＮＯｘ規制地域内若しくは規制国内に入った際に一時的に抑制する必要が生じた場合等がある。
このような、一時的にＮＯｘ抑制が必要な場合に対応するために、高いレベルの対策設備、若しくは対策制御を常に設置若しくは作動させておくと、エンジンの燃料消費率の悪化や設備費の増大を招く。
そのため、一時的にＮＯｘ抑制運転を実行することによって、常にＮＯｘ抑制運転を行う場合に比べて燃費悪化や設備費の増大を抑えことができ経済的である。
特に、発電機用のガスエンジンにおいては、ＮＯｘ規制のために高額の脱硝設備を設置し、発電出力を抑えて運転しなければならないため、一時的な抑制運転を行うことは、発電出力を一定に保持し、且つガスエンジンの燃費悪化を抑える上で有効である。
そこで、本発明はかかる技術的課題に鑑み、ＮＯｘ排出量を一時的に抑制する必要な環境条件や地理的条件が発生した場合に、ＮＯｘ抑制運転を行い、それ以外の場合には燃費を重視した安定運転を行わせることによって、ＮＯｘ低減と燃費向上とを図るガスエンジンの排ガス制御装置を提供することを目的とする。
本発明はかかる課題を解決するため、燃料ガスと空気とを混合し、混合した混合ガスを燃焼室に供給するガスエンジンの排ガス制御装置において、燃焼室内に供給される混合ガスの着火時期を制御する着火時期制御手段と、燃焼室内の空気過剰率を制御する空気過剰率制御手段と、エンジン回転数とエンジン負荷に基づいて燃料消費率が最もよくなる着火時期および空気過剰率として設定された第１目標着火時期および第１目標空気過剰率を目標値として前記着火時期制御手段および空気過剰率制御手段を制御する基本運転モードと、ＮＯｘ排出量規制地域の地理的条件、及びエンジン運転経過条件の少なくともいずれか一つの条件によって、ＮＯｘ排出量を一時的に抑制するか否かを判定するＮＯｘ低減要求判定手段と、前記第１目標着火時期を遅延させた第２目標着火時期および前記第１目標空気過剰率を増大させた第２目標空気過剰率を目標値として前記着火時期制御手段および空気過剰率制御手段を制御する低ＮＯｘ運転モードと、前記ＮＯｘ低減要求判定手段によって低減要求があった場合に、前記低ＮＯｘ運転モードに切り替えて、前記ＮＯｘ低減要求が解除されるまで該低ＮＯｘ運転モードを継続し、前記ＮＯｘ低減要求が解除された場合に前記基本運転モードに切り換える運転モード切換え手段と、を備えたことを特徴とするガスエンジンの排ガス制御装置。
本発明によれば、ＮＯｘ排出量規制地域の地理的条件、及びエンジン運転経過条件の少なくともいずれか一つの条件によって、ＮＯｘ排出量を一時的に抑制する必要が生じた際にだけ、運転モード切換え手段が低ＮＯｘ運転モードに切り替えて、第１目標空気過剰率を増大させた第２目標空気過剰率に基づいた制御が前記空気過剰率制御手段によって行われ、さらに第１目標着火時期を遅延させた第２目標着火時期に基づいた制御が前記着火時期制御手段によって行われる。
従って、常に、目標空気過剰率を増大させ、さらに着火時期を遅延させてＮＯｘ低減運転を行う必要がなく、必要な場合以外では燃費を重視した安定運転を行わせることによって、ＮＯｘ低減と燃費向上とを図るガスエンジンの排ガス制御装置を得ることができる。
また、本願発明において好ましくは、前記ＮＯｘ低減要求判定手段は、前記ガスエンジンが設置された地域およびその周辺に光化学スモッグ注意報が発令されたときに、判定を要とするとよい。
このように構成することによって、特に都市部において夏場に、光化学スモッグ注意報が発令した場合には、光化学スモッグの発生原因である、ＮＯｘ排出量を低減するために、一時的に、低ＮＯｘ運転モードに切り替えてＮＯｘ低減運転を行うことで、全体（全稼働期間）の運転を通しての燃費悪化を伴うことなく効率よくＮＯｘ低減効果が得られる。
また、本願発明において好ましくは、前記ＮＯｘ低減要求判定手段は、前記ガスエンジンが設置されている外気温度が所定値以上であり、且つ湿度が所定値以下の高温低湿度状態であるときの条件を組み合わせるとよい。
このように構成することによって、外気温度が所定値以上であり、且つ湿度が所定値以下の高温低湿度状態であるときには、給気温度が高くなりＮＯｘが発生しやすい状況であるため、一時的に、低ＮＯｘ運転モードに切り替えてＮＯｘ低減運転を行うことで、効率よくＮＯｘ低減効果が得られる。
高温低湿度の条件としては、例えば、気温が３０℃以上であって、相対湿度が４０％以下の場合である。
また、本願発明において好ましくは、前記ＮＯｘ低減要求判定手段は、前記ガスエンジンの運転経年データに基づいて、次回メンテナンス時期前の所定期間、もしくは、最初の運転開始から所定期間に達したときに、判定を要とするとよい。
このように構成することによって、ガスエンジンの部品交換等を行うメンテナンス時期の直前おいては、排ガス状態が悪化する傾向にあるため、そのように時期においては、または、最初の運転開始から所定期間に達したときには、メンテナンス時期とは関係なく排ガス状態が悪化する傾向にあるため、そのように時期においては、一時的に、低ＮＯｘ運転モードに切り替えてＮＯｘ低減運転を行うことで、効率よくＮＯｘ低減効果が得られる。
また、本願発明において好ましくは、前記ＮＯｘ低減要求判定手段は、前記ガスエンジンを搭載した移動体が、ＮＯｘ排出量規制地域に入ったときに、判定を要とするとよい。
このように構成することによって、前記ガスエンジンが移動体である車両や船舶に搭載されている発電機用の動力源の場合や、もしくは、移動体である車両や船舶の主動力源として用いられている場合には、当該移動体がＮＯｘ排出量規制地域に入ったときに、一時的に、低ＮＯｘ運転モードに切り替えてＮＯｘ低減運転を行うことで、効率よくＮＯｘ低減効果が得られる。
また、本願発明において好ましくは、前記ガスエンジンには過給機が備えられ、前記低ＮＯｘ運転モードは、空気過剰率を増大するように、前記過給機を制御するとよい。
このように構成することによって、過給機の排気バイパス流量を制御して過給量を増大するようにして、空気過剰率を増大できる。これによって、ＮＯｘ低減の運転を可能にできる。
従って、過給機付きのガスエンジンおいて、一時的に、低ＮＯｘ運転モードに切り換えてＮＯｘ低減運転を行うことで、効率よくＮＯｘ低減効果を得ることができる。
また、本願発明において好ましくは、前記ガスエンジンがパイロット噴射式の燃焼室構造からなり、前記低ＮＯｘ運転モードにおける空気過剰率の増大を、副室内もしくは主室内に噴射するパイロット燃料を減少させることで行うとよい。
このように構成することで、パイロット燃料を減少させることで空気過剰率を増大できる。これによって、ＮＯｘ低減の運転を可能にできる。
従って、ガスエンジンがパイロット噴射式の燃焼室構造からなる場合においては、一時的に、低ＮＯｘ運転モードに切り替えてＮＯｘ低減運転を行うことで、効率よくＮＯｘ低減効果を得ることができる。
本発明によれば、ＮＯｘ排出量を一時的に抑制する必要な環境条件や地理的条件の発生状態に基づいて、ＮＯｘ抑制運転の継続と解除とを行い、ＮＯｘ抑制運転と燃費を重視した安定運転とを切換えることによって、ＮＯｘ低減と燃費向上とを図ることができる。
本発明の第１実施形態を示し、排ガス制御装置を備えたガスエンジンの全体構成を示すシステム図である。 第１実施形態の燃焼室周りの構造を示す一部断面説明図である。 エンジン制御装置の構成ブロック図である。 エンジン制御装置の制御フローチャートである。 低ＮＯｘモード運転のサブルーチンのフローチャートである。 低ＮＯｘモード運転時のＮＯｘ濃度、エンジン出力、点火タイミング、空気量のそれぞれをタイムチャートである。 本発明の第２実施形態の燃焼室構造を示す一部断面説明図である。 第２実施形態のエンジン制御装置の構成ブロック図である。 第１、２実施形態の変形例を示す。
以下、本発明に係る実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施例に係るガスエンジンシステムの全体構成図を示し、図２は燃焼室周りの部分断面図である。本実施例では、一例として発電機を駆動するための過給機付きガスエンジンで、且つ点火用副室を有する構成につき説明する。
本実施形態のガスエンジンに限定されるものではなく、後述する第２実施形態の燃焼方式によるガスエンジンにも適用可能である。また、駆動対象は図示されるように発電機１が好ましいが、発電機以外の場合にも適用可能である。
図１において、エンジン（ガスエンジン）２には、シリンダブロック４、シリンダヘッド６、フライホイール８が備えられ、さらに、排気タービン１０ａ及びコンプレッサ１０ｂからなる過給機１０が備えられている。また、フライホイール８には発電機１が直接取り付けられている。
各シリンダヘッド６の給気入口には、給気枝管１２がそれぞれ接続され、各給気枝管１２はコンプレッサ１０ｂの給気出口と給気管１４によって接続されている。給気管１４には、該給気管１４を流れる給気を冷却する給気冷却器１６が設けられている。
一方、各シリンダヘッド６の排気出口には、排気管１８がそれぞれ接続され、各排気管１８は排気タービン１０ａの排気入口と排気集合管２０によって接続されている。排気タービン１０ａの排ガス出口には排ガスを排出ための排気出口管２２が接続されている。
また、排気集合管２０の排気タービン１０a入口側から分岐されて排気タービン１０ａをバイパスし、該排気タービン１０ａ出口側の排気出口管２２に接続される排気バイパス管２４が設けられており、該排気バスパス管２４には、排気バイパス管２４の通路面積を変化せしめて、コンプレッサ１０ｂによる過給圧を調整する排気バイパス弁２６が設けられている。
過給機１０のコンプレッサ１０ｂには、外部からの空気を導入する過給機入口空気通路２８が接続されている。また、燃料ガスを収容する燃料ガスタンク（図示省略）から燃料ガスが導入されるガス供給管３０がガス供給主管３２に接続され、該ガス供給主管３２の途中でシリンダ毎に分岐され、ガス供給枝管３４となって各給気枝管１２に接続されている。また、ガスコンプレッサ３１でガス供給主管３２へ燃料ガスが圧送されている。
各ガス供給枝管３４には、各ガス供給枝管３４の通路面積即ち燃料ガス流量を制御する燃料流量制御弁３６が設けられている。
また、各シリンダヘッド６には、副燃焼室３８を有する着火装置４０に燃料ガスを、逆止弁４２を介して供給する副室用燃料ガス供給管４４がそれぞれ接続されている。
エンジン回転数を検出する回転数センサ４６、発電機１の負荷つまりエンジン負荷を検出する負荷センサ４８が設けられ、外気温度検出する温度センサ５０、外気の相対湿度を検出する湿度センサ５２が設置されている。
図２は、図１のエンジン２の燃焼室周りの構造を模式的に示す一部断面説明図である。シリンダ５４内を往復摺動自在に嵌合されたピストン５６、ピストン５６の上面とシリンダブロック４の内面との間に区画形成される主燃焼室５８、該主燃焼室５８に接続された吸気ポート６０、該吸気ポート６０を開閉する吸気弁６２等を備えている。
吸気ポート６０の上流側の給気枝管１２には、ガスミキサー６４が設置され、ガス供給枝管３４が接続され、該ガス供給枝管３４を通して供給された燃料ガスと、給気枝管１２を通して供給された空気とがガスミキサー６４で予混合する。なお、ガスミキサー６４を介さずに直接吸気枝管１２にガス供給枝管３４が接続されて混合されてもよい。
そして、吸気ポート６０を経て吸気弁６２に達し、吸気弁６２の開弁によって主燃焼室５８に供給される。
また、副室口金６６の内部に副燃焼室３８が形成されている。副室口金６６の先端部周囲には主燃焼室５８内に火炎を噴射して主燃焼を行う噴孔６８が複数形成されている。
該副室口金６６はノズルホルダー６７の先端部に取り付けられ、ノズルホルダー６７の内部には副室用燃料ガス通路７０、および該副室用燃料ガス通路７０から副燃焼室３８内に供給される燃料ガスに点火する点火プラグ７２が収納されている。副室用燃料ガス通路７０には、副室用燃料ガス供給管４４が接続され、逆止弁４２を介して副燃焼室３８内へ燃料ガスの供給が行われる。逆止弁４２の上流側から加圧燃料ガスが点火プラグ７２の点火時期と合わせて供給されるようになっている。
次に、以上の構成を備えたガスエンジンにおけるエンジン制御装置７４について説明する。
エンジン制御装置７４は、図３に示すように主に前記点火プラグ７２の点火時期を制御して副燃焼室３８内に供給される燃料ガスを着火して、主燃焼室５８内の混合ガスの着火時期を制御する着火時期制御手段７６と、主燃焼室５８内の空気過剰率を制御する空気過剰率制御手段７８と、基本運転モード８０と低ＮＯｘ運転モード８２との運転モードの切換えを行う運転モード切換え手段８４と、環境条件や地理的条件やエンジン運転経過条件の少なくともいずれかの条件によって、ＮＯｘ排出量を一時的に抑制する必要が生じたか否かを判定するＮＯｘ低減要求判定手段８６と、さらに、エンジン出力、つまり発電機１の出力電力を制御する出力制御手段８８と、を有している。
基本運転モード８０とは、回転数センサ４６と負荷センサ４８から検出されたエンジン回転数とエンジン負荷との信号を基に、予め設定されたエンジン回転数とエンジン負荷とに対する最適、即ち最も燃料消費率がよくなる目標空気過剰率（第１目標空気過剰率）と、目標点火時期（第１目標着火時期）のマップのテーブルを用いて算出された目標空気過剰率（第１目標空気過剰率）と目標点火時期（第１目標着火時期）を目標値として、着火時期制御手段７６および空気過剰率制御手段７８が制御される運転をいう。
また、低ＮＯｘ運転モード８２とは、前記第１目標点火時期を所定量遅延させた第２目標点火時期、および前記第１目標空気過剰率を所定量増大させた第２目標空気過剰率を目標値として前記着火時期制御手段および空気過剰率制御手段が制御される運転をいう。
すなわち、低ＮＯｘ運転モード８２は、燃費効率が良好な第１目標点火時期から第２目標点火時期に遅角する点火タイミング遅角手段９０と、燃費効率が良好な第１目標空気過剰率から第２目標空気過剰率に空気量を増大する空気量増大手段９２とによって構成されている。点火タイミング遅角手段９０は、点火プラグ７２による点火時期を遅角制御することで行っている。また、空気量増大手段９２は、過給機１０の排気バイパス弁２６の開度を絞って過給量を増大することで行っている。
また、ＮＯｘ低減要求判定手段８６は、環境条件や地理的条件やエンジン運転経過条件等のように、ＮＯｘ排出量を一時的に抑制する必要が生じたか否かを判定する。
エンジン２は、排ガス規制値をクリアするために基本となる排ガス対策は施されて、その上で最適燃費での運転条件（第１目標点火時期、第１目標空気過剰率）が設定されている。
しかし、環境変化、稼働期間、その他特別なＮＯｘ排ガス規制への対応のために、さらに燃費を犠牲にしてＮＯｘ対策を施した条件で運転を行うと、かえって燃費を悪化させ、経済的でない問題を有する。
そのため、ＮＯｘ低減要求判定手段８６によって、環境変化、稼働期間、その他特別なＮＯｘ排ガス規制等への対応が生じたか否かを判定する。
このＮＯｘ低減要求判定手段８６によって判定される条件は次の場合である。
例えば、判定条件（１つ目の条件）としては、エンジン２が設置された地域おびその周辺に光化学スモッグ注意報が発令されたときには、ＮＯｘ低減要求判定手段８６は、ＮＯｘ低減が要であると判定する。
この光化学スモッグ注意報は、都市部の夏場においてよく発生される。また、一般的に発電設備では夏場発電量が必要になる。従って、夏場において光化学スモッグ発生時においては、発電機の発電量を一定に維持しつつ、ＮＯｘ排出量を抑えての運転が一時的に必要となる。この場合には、燃費の悪化を伴ってもＮＯｘ低減用の低ＮＯｘ運転モード８２とする。
特に、都市部近郊に設置された発電用のガスエンジンにおいて、夏場の電力量増大運転と、ＮＯｘ低減運転との関係を、燃費低減を考慮して適切運転する手段として効果的である。
塗料や接着剤などに溶剤として含まれている揮発性有機化合物と、自動車や工場からの排気ガスに含まれるＮＯｘ（窒素酸化物）が太陽からの紫外線を受けて化学反応を起こすと、光化学オキシダントという新たな物質が発生し、気温が高く、風が弱く、日差しの強い日は大気中の光化学オキシダントの濃度が高くなり、所謂光化学スモッグが発生する。
このため、光化学スモッグ注意報が発令した場合には、光化学スモッグの発生原因である、ＮＯｘ排出量を低減するために、一時的に、低ＮＯｘ運転モードに切り替えてＮＯｘ低減運転を行うことで、効率よくＮＯｘ低減効果が得られる。
また、判定条件（２つ目の条件）としては、エンジン２が設置されている外気温度が所定値以上であり、且つ湿度が所定値以下の高温低湿度状態のときも、ＮＯｘ低減要求判定手段８６は、ＮＯｘ低減が要であると判定する。
外気温度が所定値以上であり、且つ湿度が所定値以下の高温低湿度状態であるときには、給気温度が高くなり主燃焼室５８内の燃焼温度も高温化する傾向があり、ＮＯｘが発生しやすい状況であるため、一時的に、低ＮＯｘ運転モードに切り替えてＮＯｘ低減運転を行うことで、効率よくＮＯｘ低減効果が得られる。
なお、高温低湿度の条件としては、例えば、気温が３０℃以上であって、相対湿度が４０％以下の場合が考えられる。
また、判定条件（３つ目の条件）としては、前記ＮＯｘ低減要求判定手段８６は、前記ガスエンジンの運転経年データに基づいて、次回メンテナンス時期前の所定期間、もしくは、最初の運転開始から所定期間に達したときに要であると判定する。
エンジン２は、発電用のガスエンジンであり、経年劣化に対して部品交換等を行うため定期的にメンテナンス行っているが、そのメンテナンス時期の直前おいては、稼働時間が長期間に及んでおり排ガス状態が悪化する傾向にある。
そのように時期においては一時的に、低ＮＯｘ運転モードに切り替えてＮＯｘ低減運転を行うことで、効率よくＮＯｘ低減効果を得ることができる。また、定期的なメンテナンス時期とは関連なく、初期の運転開始からの所定期間に達したときには排ガス状態が悪化する傾向にあるため、そのように時期において、一時的に、低ＮＯｘ運転モードに切り替えてＮＯｘ低減運転を行うことは、ＮＯｘ低減効果において効果的である。
また、判定条件（４つ目の条件）としては、前記ＮＯｘ低減要求判定手段８６は、前記エンジン２を、車両や船舶や航空機の主動力機関としている場合や、この車両、船舶、航空機に設置された発電機用の動力源としている場合には、車両や船舶や航空機の移動体がＮＯｘ排出量規制地域に近づいたとき、もしくは入ったときに、例えば、排ガス規制値が異なる国内（領海域、領空域）に移動したとき、または、同国内でも特別地域として規制が厳しい地域に移動したときに、判定を要とする。
具体的には、位置情報の検出結果と予め記憶された全世界の領域（空域、海域含めて）におけるＮＯｘ規制値レベルのデータとを対比して、その地域に入った時にＮＯｘ低減が要であると判定する。
なお、接近した時と、入った時とで、ＮＯｘ低減レベルに差を付けて、一定距離内に近づいた時点で一段階ＮＯｘ低減を実行し、その地域内に入った段階で更にＮＯｘ低減を実行するように、段階的に実行してもよい。
このようにすることで、ＮＯｘ規制値が異なる地域に移動する移動体への適用が容易になる。
また、前述したＮＯｘ低減要求判定手段８６の判定条件は、適宜組み合わせることで一層的確な低減要求を判定することができる。例えば、１つ目の条件の光化学スモッグ注意報が発令されたときと、２つ目の条件の外気条件の高温低湿度状態のときを組み合わせることで、ＮＯｘ低減が一層必要状態となっていると判定する。
また、２つ目の条件の外気条件の高温低湿度状態のときと、３つ目の条件のメンテナンス時期の直前時期との組み合わせ、また３つ目の条件のメンテナンス時期の直前時期と、４つ目の条件のＮＯｘ排出量規制地域に近づいたとき、もしくは入ったときの場合が特に有効である。
エンジン制御装置７４の運転モード切換え手段８４は、ＮＯｘ低減要求判定手段８６によって、低減要求が要と判定された場合に、基本運転モード８０から低ＮＯｘ運転モード８２への運転モードの切換え、および低減要求が否と判定された場合に、基本運転モード８０であれば、その運転モードを維持して、低ＮＯｘ運転モード８２であれば、基本運転モード８０へ戻るように切換える。
また、出力制御手段８８は、エンジン出力、つまりエンジン回転数を一定に保って発電機１の出力電力を一定に保持する。低ＮＯｘ運転モード８２の運転時に、点火時期の遅角と空気量増大とを行うがエンジン出力が大きく変動しないように、点火時期の遅れ角度、空気増大量、および燃料ガス量を制御している。
次に、図４のフローチャートを参照して、エンジン制御装置７４の制御フローについて説明する。
まず、運転を開始すると、ステップＳ１で、ＮＯｘ低減条件が成立か否かが判定される。この判定は、ＮＯｘ低減要求判定手段８６によって、ＮＯｘ総量規制発令信号（光化学スモッグ発令信号）９１が発せられているか否か、または、外気条件信号（温度センサ５０、および湿度センサ５２からの検出信号によって所定の高温低湿度状態にあることの信号）９３を基に判定される。
また、経年変化信号（メンテナンス時期信号の情報からメンテナンス時期の所定期間前にあることの信号、または運転初期からの経過時間が所定の時期に達していることの信号）９４を基に判定される。
また、ＮＯｘ排出量規制地域信号（位置情報信号）９６を基に、ＮＯｘ排出量規制地域に近付いているか、範囲内に入ったかを判定することで行われる。
ステップＳ１での判定は、ＮＯｘ低減条件の成立が発生するまで繰り返され、成立すると、ステップＳ２へ進み、運転モード切換え手段８４によって低ＮＯｘ運転モードをＯＮにする。その後ステップＳ３に進んで、低ＮＯｘ運転モードを実施する。
この低ＮＯｘ運転モードの実施は、図５に示すサブルーチンのフローに従って行われる。ステップＳ４で、図５に示すフローの実施によって低ＮＯｘ運転モードへの移行を完了する。
次に、ステップＳ５に進み、ステップＳ１と同様にＮＯｘ低減条件が成立か否かが判定される。判定結果がＹｅｓの場合には、ステップＳ６へ進み低ＮＯｘ運転モード８２を継続して、ＮＯｘ低減条件が否になるまで繰り返される。そして、ＮＯｘ低減条件が否の場合には、ステップＳ７に進んで、低ＮＯｘ運転モード８２をＯＦＦする。その後ステップＳ８に進んで、低ＮＯｘ運転モードの解除を行う。低ＮＯｘ運転モードの解除は、図５に示したサブルーチンの逆を行い、空気量指令値を減少側へ、且つ点火タイミングを進角側へ変化させる。
そして、ステップＳ９で、図５に示すフローの逆を実施して低ＮＯｘ運転モード停止を完了して、基本運転モード８０に戻す。
図５に示す低ＮＯｘ運転モードのサブルーチンは、まずステップＳ１１で、空気量増大手段９２に空気量増加の指令をして、ステップＳ１２で排気バイパス弁２６の開度を閉方向に作動して給気圧増加（給気量増加）させる。同時に、ステップＳ２１で、点火タイミング遅角手段９０に遅角指令をして、ステップＳ２２で、点火プラグ７２の点火タイミングを遅角させる。
以上のエンジン制御装置７４による低ＮＯｘ運転モード８２におけるタイムチャートを図６に示す。低ＮＯｘ運転モード８２のＯＮからＯＦＦまでの排ガス中のＮＯｘ濃度と、エンジン出力（発電機出力）と、点火タイミングの遅角と、空気量増大と、の変化を示す。
低ＮＯｘ運転モード８２へ移行する場合には、例えば、点火タイミングは２ｄｅｇ／５分の割合で遅角させ、空気量は１％／５分の割合で増加させる。エンジン出力は、ほぼ一定に維持されるように制御される。また、基本運転モード８０へ戻る場合も、低ＮＯｘ運転モード８２へ移行する場合と同様に、ＯＦＦの時点から、同一の割合で空気量と点火タイミングを戻すことで切り換えられる。
以上の第１実施形態によれば、温度や湿度の環境条件や、地理的条件や、エンジン運転経過条件等によって、ＮＯｘ排出量を一時的に抑制する必要が生じた際にだけ、運転モード切換え手段８４が、基本運転モード８０から低ＮＯｘ運転モード８２に切り替えて、第１目標空気過剰率を増大させた第２目標空気過剰率に基づいた制御が前記空気過剰率制御手段７８によって行われ、さらに第１目標着火時期を遅延させた第２目標着火時期に基づいた制御が前記着火時期制御手段７６によって行われる。
従って、常に、目標空気過剰率を増大させ、さらに着火時期を遅延させてＮＯｘ低減運転を行う必要がなく、必要な場合以外では燃費を重視した基本運転モード８０によって安定運転を行わせることによって、ＮＯｘ低減と燃費向上とを図るガスエンジンの排ガス制御装置を得ることができる。
（第２実施形態）
図５、７、８を参照して第２実施形態について説明する。
第２実施形態は第１実施形態と燃焼方式が異なるだけであり、第１実施形態の点火プラグ式の副燃焼室構造に代えてマイクロパイロット式の副燃焼室構造となっている。その他の構成は第１実施形態と同様であり、同一構成については同一符号を付して説明を省略する。
図７のように、着火装置１００はノズルホルダー１０２の先端部分に取り付けられた副室口金６６の内部に副燃焼室３８が形成され、ノズルホルダー１０２の内部には燃料噴射弁１０４が設置されている。液体燃料（軽油）の入口管１０６から燃料噴射弁１０４へ液体燃料が供給されるようになっている。
そして、吸気行程時に吸気弁６２を介して主燃焼室５８に導入された予混合の混合ガスが、圧縮行程時に主燃焼室５８から副室口金６６の先端部分に形成された噴孔６８を通って、副燃焼室３８内に導入され、その混合ガス中に燃料噴射弁１０４から液体燃料がパイロット噴射されて燃焼し、この燃焼により発生した着火火炎が、噴孔６８を通って該主燃焼室５８に還流噴出させて主燃焼室５８の予混合の混合ガスを燃焼させる。
以上の第２実施形態におけるエンジン制御装置１１０は、図５の点線部分に示すように、第１実施形態にパイロット噴射量低減が追加されたものであり、低ＮＯｘ運転モード１１４にパイロット噴射量減少手段１１２によって、パイロット噴射の燃料量を減少させることで、着火火炎の火炎強さを弱めて主燃焼室５８での燃焼温度を低下させてＮＯｘ発生量を低下させる。この低ＮＯｘ運転モード１１４の実施は、図５のフローチャートで示すように、ステップＳ３１で、パイロット噴射量の減少指令を行い、ステップＳ３２でパイロット噴射コントローラ（不図示）により噴射量を減少させる。
なお、第２実施形態において、図５におけるステップＳ２１、Ｓ２２の点火プラグの点火タイミングの遅角は、パイロット噴射の噴射タイミングの遅角と読み替える。
第２実施形態のようなマイクロパイロット式の副燃焼室構造においても、第１実施形態と同様に、常に、目標空気過剰率を増大させ、さらに着火時期を遅延させてＮＯｘ低減運転を行う必要がなく、必要な場合以外においては燃費を重視した基本運転モード８０によって安定運転を行わせることによって、ＮＯｘ低減と燃費向上とを図るガスエンジンの排ガス制御装置を得ることができる。
また、第２実施形態においては、副燃焼室構造を備えた燃焼室構造について説明したが、パイロット燃料（液体燃料）を主燃焼室に直接噴射する直噴式構造としてもよい。
なお、第１実施形態、第２実施形態は図１に示すように、燃料ガスタンク（図示省略）から燃料ガスが導入されるガス供給管３０がガス供給主管３２に接続され、該ガス供給主管３２の途中でシリンダ毎に分岐され、ガス供給枝管３４となって各給気枝管１２に接続されている構成を示したが、必ずしも、各給気枝管１２に燃料ガスを供給して予混合の混合ガスを生成するのではなく、過給機１０のコンプレッサ１０ｂの上流側にガスミキサー１１６を設置して、ガス調整弁１１８を介して燃料ガスを供給して予混合の混合ガスを生成するようにしてもよく、さらに図９のように、給気枝管１２での混合と過給機１０の上流での混合との両方を設けてもよい。
図９のように、図示しない燃料ガスタンクからの燃料ガスを導入するガス供給管３０が過給機側ガス供給管３０ａとシリンダ側ガス供給管３０ｂとに分岐され、該過給機側ガス供給管３０ａがガスミキサー１１６に接続されている。ガス調整弁１１８で調整された燃料ガス量が空気と予混合される。また、ガスミキサー１１６は、好適にはベンチュリミキサが用いられる。
本発明によれば、ＮＯｘ排出量を一時的に抑制する必要な環境条件や地理的条件が発生した場合に、ＮＯｘ抑制運転を行い、それ以外の場合には燃費を重視した安定運転を行わせることによって、ＮＯｘ低減と燃費向上とを図ることができるので、発電用ガスエンジンや移動体に備えられたガスエンジンへの利用に適している。
１ 発電機
２ エンジン（ガスエンジン）
４ シリンダブロック
６ シリンダヘッド
８ フライホイール
１０ 過給機
１０ａ 排気タービン
１０ｂ コンプレッサ
２６ 排気バイパス弁
３８ 副燃焼室
４６ 回転数センサ
４８ 負荷センサ
５０ 温度センサ
５２ 湿度センサ
５８ 主燃焼室（燃焼室）
７４、１１０ エンジン制御装置（排ガス制御装置）
７６ 着火時期制御手段
７８ 空気過剰率制御手段
８０ 基本運転モード
８２ 低ＮＯｘ運転モード
８４ 運転モード切換え手段
８６ ＮＯｘ低減要求判定手段
８８ 出力制御手段
９０ 点火タイミング遅角手段
９１ ＮＯｘ総量規制発令信号
９２ 空気量増大手段
９３ 外気条件信号
９４ 経年変化信号
９６ ＮＯｘ排出量規制地域信号
１１２ パイロット噴射量減少手段

Claims (6)

  1. 燃料ガスと空気とを混合し、混合した混合ガスを燃焼室に供給するガスエンジンの排ガス制御装置において、
    燃焼室内に供給される混合ガスの着火時期を制御する着火時期制御手段と、
    燃焼室内の空気過剰率を制御する空気過剰率制御手段と、
    エンジン回転数とエンジン負荷に基づいて燃料消費率が最もよくなる着火時期および空気過剰率として設定された第１目標着火時期および第１目標空気過剰率を目標値として前記着火時期制御手段および空気過剰率制御手段を制御する基本運転モードと、
    ＮＯｘ排出量規制地域の地理的条件、及びエンジン運転経過条件の少なくともいずれか一つの条件によって、ＮＯｘ排出量を一時的に抑制するか否かを判定するＮＯｘ低減要求判定手段と、
    前記第１目標着火時期を遅延させた第２目標着火時期および前記第１目標空気過剰率を増大させた第２目標空気過剰率を目標値として前記着火時期制御手段および空気過剰率制御手段を制御する低ＮＯｘ運転モードと、
    前記ＮＯｘ低減要求判定手段によって低減要求があった場合に、前記低ＮＯｘ運転モードに切り替えて、前記ＮＯｘ低減要求が解除されるまで該低ＮＯｘ運転モードを継続し、前記ＮＯｘ低減要求が解除された場合に前記基本運転モードに切り換える運転モード切換え手段と、を備えたことを特徴とするガスエンジンの排ガス制御装置。
  2. 前記ＮＯｘ低減要求判定手段は、前記ガスエンジンが設置されている外気温度が所定値以上であり、且つ湿度が所定値以下の高温低湿度状態であるときの条件を組み合わせることを特徴とする請求項１記載のガスエンジンの排ガス制御装置。
  3. 前記ＮＯｘ低減要求判定手段は、前記ガスエンジンの運転経年データに基づいて、次回メンテナンス時期前の所定期間、もしくは、最初の運転開始から所定期間に達したときに、判定を要とすることを特徴とする請求項１記載のガスエンジンの排ガス制御装置。
  4. 前記ＮＯｘ低減要求判定手段は、前記ガスエンジンを搭載した移動体が、ＮＯｘ排出量規制地域に入ったときに、判定を要とすることを特徴とする請求項１記載のガスエンジンの排ガス制御装置。
  5. 前記ガスエンジンには過給機が備えられ、前記低ＮＯｘ運転モードは、空気過剰率を増大するように、前記過給機を制御することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のガスエンジンの排ガス制御装置。
  6. 前記ガスエンジンがパイロット噴射式の燃焼室構造からなり、前記低ＮＯｘ運転モードにおける空気過剰率の増大を、副室内もしくは主室内に噴射するパイロット燃料を減少させることで行うことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のガスエンジンの排ガス制御装置。
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