JP2000220481A - ガスエンジン用空燃比制御装置及び運転方法 - Google Patents

ガスエンジン用空燃比制御装置及び運転方法

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JP2000220481A JP2000023626A JP2000023626A JP2000220481A JP 2000220481 A JP2000220481 A JP 2000220481A JP 2000023626 A JP2000023626 A JP 2000023626A JP 2000023626 A JP2000023626 A JP 2000023626A JP 2000220481 A JP2000220481 A JP 2000220481A
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ノイエンシュヴァンデル ペーター
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】ＮＯｘを低減するために、燃料成分が大幅に変
動する可能性のあるガスエンジンの空燃比制御装置を提
供する。 【解決手段】成分が変動する可能性のあるガス燃料用ガ
スエンジンにおける混合気のための吸気系及び燃料シス
テムであって、排気ガスの質量流量変化に応じて変化す
る１つ以上の入力信号（例えば排気ガス圧力及Ｐ、温度
Ｔ、あるいは体積流量Ｖ）を受け、調整出力信号を作り
出すことによりエンジンの吸気量における空燃比を制御
する装置２４を備えることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、内燃エンジン及び
その燃料システムに係り、特に、成分が変動し易いガス
状燃料を燃料とするエンジンにおける空燃比（λ又はA/
F）制御のための装置の配置構造及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】本説明における「ガス」エンジンとは、
通常の外気条件下でガス状である燃料による運転用に設
計されたエンジンである。この燃料としては、様々な炭
化水素ガス、一酸化炭素、水素、及び これらのガスを
2つ以上混合したものを使用できる。このようなエンジ
ンは、定置式用途において頻繁に使用され、埋立地ガス
やパイプラインガスを含む、燃料成分が大きく変動する
可能性のある燃料源供給を使用している。典型的なエン
ジンの最高出力は、例えば、50HP〜5000HPである。ガス
燃料で運転されるエンジンの空燃比は、負荷及び速度に
対し調整される。燃料が変動する成分を有している場
合、その成分及び分子量は、通常判っていない。該燃料
成分の変動は、好ましくないNOXエミッションを高める
結果を招く可能性がある。
【０００３】米国特許第4,867,127号（特許日：1989年9
月19日）は、エンジンの吸気弁上流の空燃混合気圧力を
測定することによる空燃比λ(ラムダ)の調整に関する考
案に基づくシステムを提案している。例えば、一定のエ
ンジン出力が要求される場合には、λの増加（つまり、
該混合気の希薄化）によって、該圧力の増加が引起され
る。このようなシステムにおいては、λ制御のための入
力信号は全て、エンジンの入力系で検知される。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、ガスエ
ンジンの燃料システムは、排気からの入力信号を受ける
空燃比制御装置を備え、それによって、該空燃比制御装
置は、排気ガスの質量流量に従って空燃比の調整を行う
ことができる。該調整は、空気と混合する前に、燃料入
口における弁の操作により行うことが可能である。例え
ば、該制御装置は、熱線式アノノメータ(anonometer)か
らの質量流量を表す信号を受けることができ、また、排
気ガス圧力や排気ガス温度を含む複数の信号を該制御装
置に送ることも可能である。排気ガスの体積流量は、ピ
トー管によって測定することができる。該制御装置は、
体積流量から、及び/又は、測定された排気ガス圧力及
び温度から質量流量を求めることができる。好ましく
は、更に、吸気系における空燃混合気の温度に関する信
号があれば、該制御装置は、このような温度の変化を計
算に入れることが可能となる。
【０００５】本発明の実施に際し、説明されたA/F制御
は、2つのループ制御回路における１つのループ（例え
ば、アウター・ループ）とすることができる。他の（イ
ンナー・ループ）は、通常、絞弁又はウエストゲートの
ような作動装置に関係する負荷及び速度制御に使用され
るものである。2つのループ制御システムは、従来から
使用されてきたが、排気ガス質量流量に基づくA/F比制
御、特に、変動する成分を有する燃料による運転用とし
て使用されたことはない。
【０００６】種々の異なるセンサを使用することができ
るが、排気ガスの化学成分を直接モニターする必要はな
い。本発明の装置及び方法は、単独で、若しくは、必要
であれば、他のNOX推定方法又は空燃比制御方法ととも
に使用することができ、また、合理性検査やバックアッ
プ方法としても使用することができる。
【０００７】例えば、いくらかの従来エンジン用燃料シ
ステムにおいては、酸素（O2）センサが、A/F比の正確
な調整を行うために、排気系で使用されている。このよ
うなO 2センサの使用により、ガスを燃料とする希薄燃焼
エンジンを、NOXエミッションが低い状態で確実に運転
することができる。しかし、O2センサに故障が生じる
と、エンジンの運転を停止せざるを得ない可能性があ
る。しかし本発明によれば、高い信頼性を持つセンサ
が、それ単独で、或いは、O2センサによる制御（又は、
他の排気ガス成分のセンサ）とともに、また、O2センサ
制御のバックアップとして、排気ガス流量に応じてA/F
を制御するために使用されることを可能とする。
【０００８】様々な燃料における分子量の差は、吸気系
の燃料混合気における差よりも、排気系における差はよ
り小さなものとなり、これは、より正確な制御を行う上
で有利である。
【０００９】本発明は、特に、排気質量流量に応じて空
燃比を制御することが好ましいと考えられる場合の使用
に適用することができる。排気質量流量は、特定の負荷
及び速度におけるエミッションと直接的な関係にある。
本技術は、高い精度を持つNO X制御技術であるが、かな
り重いコスト負担となるNOXセンサ（又は、他のガス成
分分析器）を排気系に設けることを必要としない。本発
明による装置及び方法に関する、これら及びその他の観
点は、以下の説明によって更に明確にされる。
【００１０】
【発明の実施の形態】本発明の実施形態に関するより具
体的な説明に入る前に、A/Fを制御するために排気質量
流量を使用する原理に関する概要説明を行う。経験によ
れば、吸気マニフォールド圧力が一定であれば、燃料の
発熱量が変化する場合においても、特定の負荷及び速度
におけるNOXエミッションは一定レベルとなる関係にあ
ることが示されている。これは、以下のように説明する
ことができる。
【００１１】NOXの形成は、主に、燃焼温度、燃焼圧
力、及び燃焼室内での滞留時間によって決定される。特
定速度及びタイミングにおいて、該滞留時間は実質的に
一定である。所期のトルクを得るためには、特定燃焼圧
力とする必要がある。従って、該温度のみが、それを変
化させてNOX形成に影響を及ぼすことが可能なものであ
る。該温度に影響を与える変数としては、燃焼室シリン
ダ内のガス量、つまり、そのガスの分子数がある。より
多くの分子数とした場合には、同じ燃焼圧力を得るに
は、より低い燃焼温度とする必要があり、その逆も然り
である。このことは、該シリンダに対する空燃混合気の
分子流量、それに加えて、圧縮行程初期における吸気温
度を制御する必要のあることを意味している。燃料の発
熱量が増加すると、必然的に、より少量の燃料で同一の
出力が得られる。燃料の質量流量の減少に起因する分子
の不足分は、空気流量を増加することによっておおよそ
補償される。
【００１２】吸気マニフォールド圧力は、該混合気の分
子流量との関連を持つ。これは、NO X形成の主な指標と
しての吸気マニフォールド圧力に関する実験から得た経
験を根拠としている。混合気ガスの分子量Mが燃料の発
熱量の変動により変化すると、分子流量n及び質量流量m
の各々は、以下のように変化する（速度、負荷、吸気マ
ニフォールド圧力、及び 温度は、一定）。 混合気ガス又は排気ガス流の差圧が、ピトー静圧管によ
って測定される場合には、上記したものと同様の関係を
適用できる。
【００１３】燃料を変更することによる影響を調べるた
め、100％メタンと100％プロパンが比較された。該シリ
ンダ内のエネルギ（英国熱単位(BTU)）を一定に維持す
るために必要とされるメタンの分子量は、プロパンの分
子量の2.6倍である。総分子量を一定にするため、メタ
ン及びプロパンは、同一の特定空燃比（λ）の状態に維
持される。λ＝2の空気・メタン混合気の分子量は、27.
9kg/kmolであり、λ＝2.14の空気・プロパン混合気の分
子量は、28.9kg/kmolである。この極端な例に関して
は、吸気マニフォールド圧力及び温度が、一定に維持さ
れる場合（ピトー静圧管：一定の差圧、絶対ガス圧、及
び ガス温度）、該分子量の変動によって、質量流量つ
まり分子流量は、1.8％変化する。排気ガスの分子量
は、メタン燃料については28.3kg/kmolであり、プロパ
ン燃料については28.7kg/kmolである。相対比較するた
め、複数のA/F比（質量）も両燃料ともに同等なものと
される。
【００１４】50％メタンと50％二酸化炭素とからなる燃
料に関して、空燃混合気は、28.8kg/kmolの分子量を有
し、排気ガスは、29.1kg/kmolの分子量を有する。特定
空燃比は、1.9とされる。A/F比（質量）は、メタン又は
プロパン燃料の該値の4倍まで減少される。
【００１５】該混合気ガス及び排気ガスの質量流量は、
同一である。しかし、分子流量は同一ではない。燃料の
分子量が空気の分子量と異なれば異なるほど、また、混
合気が濃くなればなるほど、分子流量における差は大き
くなる。分子数は燃焼過程で変化するため、混合気の分
子流量又は排気の分子流量のどちらが、シリンダ内の希
薄な状態とより一致しているかは明確でない。少なくと
も上記例に関しては、分子量における差は無視できる。
【００１６】エタン、エチレン、プロパン、プロピレ
ン、イソブタン、ノルブタン、イソペンタン、ノルペン
タン、ネオペンタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、
及びノナンを含む炭化水素ガスは、一酸化炭素や水素、
及び様々なガスの混合物（又はブレンド）と同様に、ガ
ス燃料エンジンに相応しいものである。特殊な目的の用
途においては、燃料成分は高い頻度で、また、相当なレ
ベルで変動する。例えば、熱量は、H2に関して120BTU/f
t3、プロパンに関して2365BTU/ft3というように大きな
巾で変動する。そこで使用される成分は、メタンのデト
ネーション性に対するその燃料の相対的なデトネーショ
ン性を表すメタン価においても著しく異なる。関係する
エンジンは、メタン価20〜150の範囲の燃料で運転され
る。本発明は、熱量又は相対的デトネーション性のよう
な特性に関する上記したような変動つまり2つの要素に
おける同等の変動、又はそれより少ないが測定できる程
度の変動が起こり易い燃料供給環境下で使用されるエン
ジン燃料システムにおいて特に有利である。
【００１７】メタンやプロパンと共にされる様々なガス
及び複数ガスの混合物の分子量における差は、上記した
メタンと比較し5％未満である（メタンより約15％少な
い水素を除く）。排ガスの分子量は2％未満で変動する
（10％の差を有する一酸化炭素、及び−6％の差を有す
る水素を除く）ため、空燃比が、例えば、吸気マニフォ
ールド圧力又は混合気流量をピトー静圧管で測定するこ
とにより制御される場合には、これら全ての極端な例に
おける流量に関するシステム的な誤差は、2.5％未満と
なる（7.6％である水素を除く）。混合気ガス流量でな
く、排気ガス流量が測定される場合、偏差は1.1％未満
である（4.7％である一酸化炭素、及び2.9％である水素
を除く）。
【００１８】前述の分析は、質量流量の測定が燃焼温度
を一定に維持する上で好ましい手法であり、排気ガスの
質量流量の測定が正確な測定値を得る機会を与えるとい
う見解を裏付けている。
【００１９】この検討において、燃料成分、A/F比、及
び 湿度の変化によって、吸気の熱容量が変化すること
による影響は、さほど重要でないものとして無視され
る。温度目標に到達するために、速度、負荷、及びタイ
ミングを一定とした状態で、独立した変数としての燃料
の発熱量及び吸気の初期温度を考慮すべきである。
【００２０】図1は、本発明によるエンジン及び燃料シ
ステムに関する例の全体的概要を示す。ガス燃料エンジ
ン10には、混合気通路11、燃料流量弁12、圧縮器13、冷
却器14、及び 絞弁16を備えた通常の配置構造を通じ
て、空気（A）及び燃料（B）の混合気が供給される。供
給部9からの燃料は、先に説明されたような確実に固定
された成分でないガス燃料、例えば、その発熱量又は相
対的デトネーション性が相当変動するもの、とすること
ができる。エンジン10自体は、従来の常套手段による在
来型ガス燃料エンジンとすることができる。エンジン10
における燃料の燃焼によって、機械的出力が軸18に作り
出され、排気ガスは排気通路20を通じて排出される。
【００２１】2つのループが、図1に含まれている。第1
ループ21は、エンジン出力軸18から速度信号25及び負荷
信号26を受ける速度・負荷制御装置22を備えている。第
2ループ23は、分子流量目標つまり質量流量目標に到達
するためのA/F制御装置24を備えている。該速度・負荷
ループ21は、作動装置として、絞弁16、排気バイバス
(図示せず)型又は可変容量(可変静翼)型ターボチャージ
ャを備えている。該流量ループ23は、作動装置として、
燃料流量弁12を備えている。該流量の公称値が、速度25
及び負荷26の関数として、制御装置22に記憶されてい
る。更に、該記憶値は、初期吸気温度によって補正され
る。この初期温度は、吸気マニフォールド温度、ウオー
タジャケット温度、残留燃焼ガス質量、及び 残留燃焼
ガスの温度によって左右される。線27は、エンジン10に
吸入される燃料混合気の温度用の信号線を表し、線27上
の信号は、制御装置22及び/又は24に送られる。該残留
燃焼ガス質量は、ガスエンジンに関しては、基本的にご
く少量であり、特定速度、負荷、及び排気流量（排気流
量は、該第2制御ループによって制御される）に対し、
ほぼ一定である。超低負荷で低速の場合のみ、該残留燃
焼ガス質量は極めて増加する。この理由は、通常のエン
ジン開発においては、残留燃焼ガス質量及びその温度を
考慮する必要性がないからである。しかし、吸気マニフ
ォールド及びウオータジャケットの温度は、流量マップ
を調整するためにモニターされる。
【００２２】圧力測定値が、流量測定のために使用され
る場合、温度による影響の補償は、以下のように排気ガ
ス温度を用い理想気体の法則に基づいて行うことができ
る（混合気流量が測定される場合には混合気温度を用い
る）。 このモデルによるアプローチは、速度又は圧力測定値に
関連を持つガス密度の変動を考慮している。それは、よ
り高い吸気マニフォールド温度、又は、より高いウオー
タジャケット温度に起因するより高温の混合気ガスによ
ってシリンダ内に生じるより高い内部エネルギ量を、補
償するものではない。この影響は、より詳細なモデリン
グ又はマッピングによって補償することができる。
【００２３】図1の例において、A/F制御装置24は、排気
通路20から、排気ガスに関する信号、例えは、排気ガス
圧力を表す信号P、排気ガス温度を表す信号T、及び排気
ガス体積流量を表す信号V、を受ける。3つの信号P,T及
びVの全てを制御装置24に送る必要があるという必然性
はなく、信号Vのみ、又は 信号P及びTで十分である。
質量流量を制御するための排気系に関する状態の測定
は、少なくとも原理的には、吸気燃料混合気の状態を測
定するのと同じ位効果的であり、また、異なる燃料に対
しても、分子量における差がより少ないという利点を持
っている。
【００２４】排気ガスをモニターするセンサは、排気ガ
ス温度、及び 腐蝕又はパティキュレート成分に耐える
ような頑丈なものであるべきである。体積流量又は速度
は、ダイアフラム、ベンチュリノズル、ピトー静圧管
(プラントル管)、熱線式アノノメータ等を個別に使用し
て測定できる。コストを低減するため、自動車産業から
の既存の質量流量測定装置を、本エンジンシステムにお
いて使用することは、賢い選択である。自動車には産業
用ガスエンジンよりかなり小さいエンジンが使用されて
いるため、そのようなセンサでは全質量流量を測定する
ことは不可能である。この問題は、バイパス管と本シス
テムの校正との組み合わせによって解消することができ
る。自動車用エンジンは、通常、ガス燃料では運転され
ず、ガス燃料を使用する場合でも、（液化天然ガスのよ
うに）確実に常時同じ成分を持つ燃料が使用される。し
かし、本発明、つまり成分が変動するガス燃料には必ず
しも必要のない様々な目的のために自動車分野で開発さ
れたセンサ技術のいくらかは、ここで有効に利用するこ
とができる。安価な自動車用センサがガスエンジンの運
転条件下では信頼性に欠けることが明らかになった場合
には、冗長性を持たせるために、複数のセンサを使用す
ることが可能である。
【００２５】図2は、排気通路20の1部を示している。エ
ンジンは、相当大きく、例えば、5000HPにまで及び、排
気流量も非常に多い。ここで、通路20の1部は、通路20
より小さな断面積を有するバイパスつまり平行ループ20
aを備えている。上記したタイプの1つのような流量測定
装置28が、バイパス20a内に配置され、そこで、該流量
測定装置は、適正に信頼性があり、通路20内に導入され
た排気ガス体積より少ない体積範囲を全て測定するよう
に設定されたものの中から選択することができる。
【００２６】また、質量流量を測定するために、排気流
に対しより間接的な測定もいくらかの用途には適してお
り、この間接的な測定には、排気マニフォールド圧力、
エンジンの負荷及び速度と組合わされたターボチャージ
ャ速度、及びエンジンの負荷及び速度と組合わされたタ
ーボチャージャ前後の排気圧力がある。
【００２７】これら排気系における間接的な方法の全て
は、単一のエンジン用ターボチャージャ、インタークー
ラ、排気筒の構成によって決められる。時間経過ととも
に、運転条件は、タービン及び圧縮器のホイールの磨耗
及び汚れによるターボチャージャの性能低下によって影
響を受ける。加えて、空気フィルタ及びインタークーラ
の汚れ、つまり排気管における背圧の増加によっても、
運転条件は変化する。従って、これらの間接的測定技術
は、通常、図1に関連して検討された直接的測定ほど好
ましくない。制御装置22及び24は、基本的に、既存の最
新エンジン制御装置、特に、設定された制御機能を実行
するために、モニターされた変数の中で設定された条件
に応答するように設定された、つまりプログラムされた
電子制御モジュールに基づくことができる。
【００２８】
【発明の効果】説明された本システム及び運転方法は、
NOXエミッションに大きな影響を与えることなく、燃料
成分が大幅に変動することを許容する。更に、本発明
は、既存のセンサ及び制御装置の技術を使用し、また、
ガスエンジンの特殊な条件に適合させて実施することを
可能とする。従って、ガスエンジンは、エミッションが
特に重要視され、また、広範囲の燃料で運転されるよう
な場所を含むより多くの場所に設置することができる。
以上に説明された特定の例から、本発明の精神及び範囲
との調和を保ちながら、多くの変形をなし得ることは明
らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の例によるエンジン及び燃料システムを
示す概略ブロック図である。
【図２】図1のシステムの1部を示す概略図である。
【符号の説明】
10 エンジン、11混合気通路、20 排気通路、20a バ
イパス、24 空燃比制御装置、28 流量測定装置。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０２Ｄ 45/00 ３０１ Ｆ０２Ｄ 45/00 ３０１Ｍ ３１２ ３１２Ｒ ３１２Ｚ Ｆ０２Ｍ 21/02 ３１１ Ｆ０２Ｍ 21/02 ３１１Ｅ (72)発明者 ケヴィン エル ブルーク アメリカ合衆国 インディアナ州 47906 ウェスト ラファイエット ブーン ス トリート 3303

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】空気と成分が変動する可能性のある供給源
    から供給される燃料との混合気のための吸気系、及び、
    ガス状生成物のための排気系を有するガス燃料内燃エン
    ジンの燃料システムであって、 上記混合気の空燃比を変化させる機構、及び上記エンジ
    ンの排気系からの、排気ガスの質量流量変化に応じて変
    化する１つ以上の入力信号を受けると共に、上記入力信
    号を処理し、排気ガスの質量流量における変数の関数と
    して、上記機構に送られる調整出力信号を作り出すこと
    により上記エンジンの吸気系における空燃比を調整する
    ように構成された空燃比制御装置を備えたことを特徴と
    するガス燃料内燃エンジン用燃料システム。
  2. 【請求項２】上記空燃比制御装置は、上記入力信号とし
    て、排気ガス圧力を表す第1信号、及び排気ガス温度を
    表す第2信号を受けることを特徴とする上記請求項１に
    記載のガス燃料内燃エンジン用燃料システム。
  3. 【請求項３】上記空燃比制御装置は、上記入力信号とし
    て、排気ガスの体積流量を表す信号を受けることを特徴
    とする上記請求項１に記載のガス燃料内燃エンジン用燃
    料システム。
  4. 【請求項４】上記空燃比制御装置は、空気及び燃料から
    なる吸気の温度信号と、エンジン速度及び負荷信号とを
    含む付加的入力信号を受けることを特徴とする上記請求
    項１に記載のガス燃料内燃エンジン用燃料システム。
  5. 【請求項５】上記エンジンの排気系は、排気ガスの主通
    路、及び 上記主排気通路の1部と並列に設けられ、上
    記主排気通路より小さな断面積を有する排気ガスのバイ
    パス通路を有し、且つ上記体積流量を表す信号を生成す
    る流量測定装置が、上記バイバス通路内に設けられたこ
    とを特徴とする上記請求項3に記載のガス燃料内燃エン
    ジン用燃料システム。
  6. 【請求項６】上記空燃比機構は、変動する燃料成分に拘
    わらず、実質的に一定の燃焼温度で上記エンジンの安定
    した運転を維持するように、上記空燃比制御装置の上記
    出力信号に応答するようにしたことを特徴とする上記請
    求項１に記載のガス燃料内燃エンジン用燃料システム。
  7. 【請求項７】上記空燃比機構に対する入力信号は、上記
    排気系に設けられ、排気ガスの化学的成分を直接モニタ
    ーすることなく物理的状態に応答するセンサによって生
    成されることを特徴とする上記請求項6に記載のガス燃
    料内燃エンジン用燃料システム。
  8. 【請求項８】変動する成分を持つ燃料を使用するガス燃
    料エンジン用燃料システムの運転方法であって、 空燃混合気の空燃比を調整するための調整機構を有する
    上記エンジンの吸気系に上記混合気を供給するステッ
    プ、 上記エンジンの排気ガスの質量流量に関連する１つ以上
    の信号を測定するステップ、 上記排気ガス質量流量信号を、設定された値の範囲と比
    較するステップ、及び排気ガス質量流量を、上記設定さ
    れた値の範囲内に導くように、空燃比を調整するステッ
    プを有することを特徴とするガス燃料エンジン用燃料シ
    ステムの運転方法。
  9. 【請求項９】上記比較ステップは、空燃混合気の温度に
    おける変数を使用することによって行われることを特徴
    とする上記請求項８に記載のガス燃料エンジン用燃料シ
    ステムの運転方法。
  10. 【請求項１０】上記測定ステップは、排気ガス圧力、及
    び排気ガス温度を測定することを含んでいることを特徴
    とする上記請求項８に記載のガス燃料エンジン用燃料シ
    ステムの運転方法。
  11. 【請求項１１】上記測定ステップは、排気ガス体積流量
    を測定することを含んでいることを特徴とする上記請求
    項８に記載のガス燃料エンジン用燃料システムの運転方
    法。
  12. 【請求項１２】上記比較ステップは、空燃混合気の温度
    を表す信号、及びエンジン速度及び負荷を表す信号と共
    に、上記排気ガスの質量流量に関連する信号を受けて処
    理する空燃比制御装置によって行われることを特徴とす
    る上記請求項８に記載のガス燃料エンジン用燃料システ
    ムの運転方法。
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