JP2004011418A

JP2004011418A - 予混合圧縮自着火機関及びその制御方法

Info

Publication number: JP2004011418A
Application number: JP2002161452A
Authority: JP
Inventors: Tomohito Morimoto; 森　本　智　史; Yasuharu Kawabata; 川　端　康　晴; Teruhiro Sakurai; 桜　井　輝　浩
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2002-06-03
Filing date: 2002-06-03
Publication date: 2004-01-15

Abstract

【課題】従来の火花点火方式や燃料噴射方式の燃焼機関と同程度の高い負荷で運転を行うことを目指し、高負荷運転等に際してノッキング等の異常燃焼が発生しても、当該異常燃焼を回避することが可能な予混合圧縮自着火機関及びその制御方法の提供。
【解決手段】異常燃焼（例えばノッキング）の発生を検出する検出手段（１３）と、予混合圧縮自着火機関（２）の回転数と供給燃料量とを制御する制御手段（３０）とを含み、発電手段（１９）で発生した電力を電力負荷（２１）に伝達する供給系統（２０）にはインバータ（１８）が介装されており、前記制御手段（３０）は、異常燃焼が発生した場合に予混合圧縮自着火機関（２）側の回転数（機関側に要求される回転数）を下げるべく回転数を低下させ、燃料供給量を増加して発生トルクを増大し、出力（トルク×回転数）変動を減少する制御を行うと共に、電力負荷（２１）側の周波数と発電手段（１９）側の周波数と一致させるようにインバータ（１８）を制御する様に構成されている。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、出力が発電手段へ供給される予混合圧縮自着火機関に関する。より詳細には、点火手段や燃料噴射手段を備えずに、予混合気を圧縮して自着火させることにより燃焼する予混合圧縮自着火機関における異常燃焼の回避技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４〜８で、従来の予混合圧縮自着火機関と燃焼サイクルを示している。
図４は吸気行程で、吸気管４の図示しない上流に別個に供給される清浄空気と燃料ガスをリーンに攪拌混合するミキサがあって、ミキサで予混合されたリーンな予混合気Ｍｘが燃焼室３に供給されている。
図５は圧縮行程で、予混合圧縮自着火機関の特徴である高圧縮比で予混合気Ｍｘを圧縮する。
図６は燃焼・膨張行程で、ピストン上死点近傍で予混合気Ｍｘの圧縮自着火が行われ、燃焼し膨張して出力を発生する。このときの着火タイミングは、圧縮自着火によるので火花点火方式や燃料噴射方式に比して、制御性が低いのが欠点である。
図７は、排気行程である。
【０００３】
上記のように、予混合圧縮自着火機関の燃焼サイクルは、通常の４サイクルであっても、高圧縮比による燃焼のために、熱力学的に効率が良い。また、燃料リーンな予混合気Ｍｘを燃焼させることができるので低温燃焼となり、排気ガスが低ＮＯｘとなる、等の長所がある。
この様に、予混合圧縮自着火機関は（上述した様な）多くのメリットを有しているため、近時、非常に着目されている内燃機関である。
【０００４】
他方、予混合圧縮自着火機関では、圧縮自着火による燃焼のために着火タイミングを正確に制御することができず、何等かの外乱による着火タイミングの「ずれ」による異常燃焼（以降、異常燃焼をノックまたはノッキングと記述する。）の回避ができない。
また、ノッキング発生の起き易い高負荷運転ができず、従来の火花点火方式や燃料噴射方式の燃焼機関と同程度な高出力運転が難しい、等の欠点がある。
【０００５】
ここで、予混合圧縮自着火機関において、騒音や機関の破損の原因となるノッキング発生は、吸気温度、吸気圧力、燃料濃度の３つを主要因としている。
図８は、吸気温度・吸気圧力を一定とした場合の予混合圧縮自着火機関の運転条件におけるノッキングの発生を、出力トルクと回転数との関係で表している。
【０００６】
図８において、縦軸をトルク即ち燃料供給量とし、横軸を機関回転数として、ノッキング燃焼領域（Ｋ）と通常燃焼領域（Ｎ）とを区分するノック燃焼限界特性曲線（以降、ノック発生曲線と略記する。）Ｐを表している。ノック発生曲線Ｐから分かるように、高速回転数では低トルクでもノッキングが発生し易く、低速回転数では高トルクでもノッキングの発生は起き難い、という傾向になっている。
【０００７】
発明者等は種々研究開発の結果、上記図８のノッキング発生条件を前提として、エンジン側の運転条件を変えてノッキング燃焼領域（Ｋ）から通常燃焼領域（Ｎ）に回避する手段を発明した。
本発明は、そのノッキング回避の手段を備えた予混合圧縮自着火機関及びその制御方法を提供するものである。
【０００８】
なお、特開平１１−２４１６２６号公報において、エンジンのノッキング制御装置が開示されているが、対象とするエンジンは火花点火方式でかつ、ノッキング発生時に燃焼室内に燃料を直接噴射で供給してその燃料の気化潜熱とモル数増加による燃焼温度低下をはかっているもので、本発明の燃焼方式及びノッキング回避の方法とは別個の技術である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述した従来技術の問題点に鑑みて提案されたものであり、従来の火花点火方式や燃料噴射方式の燃焼機関と同程度の高い負荷で運転を行うことを目指し、高負荷運転等に際してノッキング等の異常燃焼が発生しても、当該異常燃焼を回避することが可能な予混合圧縮自着火機関及びその制御方法の提供を目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の予混合圧縮自着火機関は、出力が発電手段へ供給される予混合圧縮自着火機関において、異常燃焼（例えばノッキング）の発生を検出する検出手段（１３）と、予混合圧縮自着火機関（２）の回転数と供給燃料量とを制御する制御手段（３０）とを含み、発電手段（１９）で発生した電力を電力負荷（２１）に伝達する供給系統（２０）にはインバータ（１８）が介装されており、前記制御手段（３０）は、異常燃焼が発生した場合に予混合圧縮自着火機関（２）側の回転数（機関側に要求される回転数）を下げるべく回転数を低下させ、燃料供給量を増加して発生トルクを増大し、出力（トルク×回転数）変動を減少する制御を行うと共に、電力負荷（２１）側の周波数と発電手段（１９）側の周波数と一致させるようにインバータ（１８）を制御する様に構成されている（請求項１）。
【００１１】
ここで前記電力負荷（２１）は、前記発電手段（１９）で発生した電流を商用電流（２３）と共に使用する系統連繋であることが好ましい（請求項２）。
【００１２】
本発明の出力が発電手段へ供給される予混合圧縮自着火機関の制御方法は、検出手段（１３）により異常燃焼の発生を検出する工程（Ｓ１）と、異常燃焼が発生した場合（Ｓ２のＹ）に予混合圧縮自着火機関（２）側の回転数（機関側に要求される回転数）を下げる工程（Ｓ３）と、回転数を低下させると共に燃料供給量を増加して発生トルクを増大して（回転数の低下と発生トルクの増大とを並行して行い）出力（トルク×回転数）変動を減少する工程（Ｓ７）と、電力負荷側の周波数と発電手段側の周波数と一致させるように発電手段と電力負荷との間に介装されたインバータを制御する工程（Ｓ４）、とを含んでいる（請求項３）。
【００１３】
ここで、予混合圧縮自着火機関（２）の回転数は運転ポイントが異常燃焼領域（図３の特性図における異常燃焼限界特性曲線（Ｐ）よりも上方の領域：運転ポイントＰ１）から通常燃焼領域（図３の特性図における異常燃焼限界特性曲線（Ｐ）よりも下方の領域：運転ポイント（Ｐ３））までの回転数減少分（図３の運転ポイント（Ｐ１）から運転ポイント（Ｐ２）までの横軸方向の数値）に対応しており、燃料供給量を増加することによる発生トルクの増大分は、回転数が低下することによるトルクマージン（図３の特性図において、運転ポイント（Ｐ２）から異常燃焼限界特性曲線（Ｐ）までの縦軸方向の数値）に対応している（請求項４）。
【００１４】
本発明の実施に際して、異常燃焼（例えばノッキング）が生じたか否かを検出するためのセンサ（１３）は、振動加速度を検出する加速度センサ、圧電素子を使用する筒内圧センサ、その他ノック検出に通常用いられている電磁式のセンサ等の何れであってもよい。
【００１５】
係る構成を具備する本発明によれば、異常燃焼を検知した際に、回転数を制御する（回転数が減少する様に制御する）、そして回転数が下がると、ノッキングに対するマージン（余裕）が増加する。
【００１６】
図３を参照して説明すると、運転ポイントが点（Ｐ１）の位置となれば、異常燃焼（ノッキング）限界特性曲線（Ｐ）よりも上方の領域となり、異常燃焼（ノッキング）を発生する。
異常燃焼（ノッキング）が生じた際に、回転数を減少すれば、符号（Ｐ２）で示す位置に運転ポイントが移動する。運転ポイント（Ｐ２）は異常燃焼限界特性曲線（Ｐ）よりも下方の領域となるため、異常燃焼状態が解消する。
しかしながら、回転数を下げて運転ポイント（Ｐ２）の位置に留まっていると、出力変動が大きくなり過ぎて（出力低減が大きくて）、不都合である。
【００１７】
ここで、運転ポイントの点（Ｐ２）と異常燃焼限界特性曲線Ｐとの縦軸の距離がトルクマージンに相当する。図３より明らかな様に、運転ポイントが点（Ｐ２）に移動すれば、それ以前の運転ポイントＰ１の場合に比較して、トルクマージンが増加し、発生可能なトルクが増大する。
そして、運転ポイントＰ３まで、トルクを増大してやる。トルクを（Ｐ２）の点から増加させることにより、出力変動幅を減少させる。
より詳細には、　「回転数」×「トルク」＝「出力」　であるため、トルクが増加すれば出力も増大し、出力変動が少なくなる、即ち、エンジンの減速によって低下した出力はトルクを増加させることにより負荷側の運転に支障が無い幅まで回復させる。
【００１８】
発電手段（１９）で発電した電流と商用電流（２３）とを共に使用する系統連繋である電力負荷（２１）への供給電流の内、発電手段（１９）で発電した電流の、エンジン回転低下に伴う周波数の低下は、電力供給ライン（２０）に介装したインバータ（１８）を制御手段（３０）によって、制御することにより、商用電流（２３）側の周波数に一致させるため、電力負荷（２１）への影響は出ない。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１及び図２に、本発明の実施形態を示している。
図１に示す第１実施形態のブロック構成図において、予混合圧縮自着火機関（以降、エンジンと略記する。）２の吸気管４に燃料供給手段である燃料噴射装置１１と、吸気（吸入空気Ａｉｒ）量を調整するスロットル弁１０が設けられ、信号ラインＬｏ、Ｌｏによって制御装置３０に結線されている。前記燃料噴射装置１１は、噴射された燃料が吸入空気Ａｉｒと攪拌混合して燃焼室３に到達するまでに充分な予混合気になり得る様に設けられている。
【００２０】
エンジン２の燃焼室３上部のシリンダヘッド２ａにエンジンの異常燃焼（以降、ノッキングと略記する。）を検知する検出手段のノッキングセンサ１３が設けられ、信号ラインＬｉによって制御装置３０に結線されている。ノッキングセンサ１３は、振動加速度を検出する加速度センサ、圧電素子を使用する筒内圧センサ、電磁式のセンサ等の何れであってもよい。
なお、加速度センサはシリンダブロックにも装着可能であり、筒内圧センサはシリンダヘッド側に装着するのが好ましい。
【００２１】
また、エンジン２にエンジン回転数を検出する回転センサ１５が設けられ、信号ラインＬｉによって制御装置３０に結線されている。
【００２２】
また、エンジン２に、出力伝達軸１７を介して発電手段である発電機１９が接続されている。
該発電機１９で発電された電力はインバータ１８を介装した電力供給ライン２０を介して電力負荷２１に供給される。
ここで該電力負荷２１は、商用電流２３を電力供給ライン２２からも供給されており、前記発電気９で発生した電流と商用電流２３とを共に使用する系統連繋である。
【００２３】
エンジン２が異常燃焼を発生した場合に、前記制御装置３０は、エンジン２の回転数を一旦下げ、その後、燃料供給量を増加して発生トルクを増大し、出力（トルク×回転数）変動を減少させる制御を行っている。その際、前記発電機１９も回転速度を落とすため、発電機１９で発電された電力の周波数は低下し、商用電流２３側の周波数と一致しなくなる。
その為、前記インバータ１８は発電機１９が減速した際に、発電機１９で発電された電力の周波数を商用電流２３側の周波数に一致させるように周波数変換を行う。
【００２４】
図３をも参照して、即ち、前記制御装置３０は、ノッキングセンサ１３及び回転センサ１５の検知信号を受信して出力変動を検出し、ノックの起こり初めか（図３のＰ１点）、起こりそうな状態を未然に察知して、例えばスロットル弁１０の開度を絞り、一端エンジン回転数を（図３のＰ１点のｎ１からＰ２点のｎ２に）落とすように制御する。
【００２５】
また、前記制御装置３０は、エンジン回転数が低下し、エンジン回転数の低下によるノックが生じそうであれば、今度はスロットル１０を開放しつつ、燃料噴射装置１１に燃料噴射量を増加させることによってトルクの増加を図るように（図３のＰ２点のＴ２からＰ３点のＴ３に）制御する。
【００２６】
上記構成による実施形態の作用を、図２の制御フローチャート及びノッキングを制御するための要領を示す図３によって更に詳しく説明する。
ステップＳ１では、エンジン２が運転状態で、ノッキングの発生を検知するルーチンにあることを示している。
【００２７】
ステップＳ２は、ノッキングの発生を検知確認するステップである（ノッキングの発生を検知する工程）。ノッキング発生を検知しない”Ｎ”の状態ではループして待機する。ノッキングが発生し検知確認が”Ｙ”ではステップＳ３に進む。この時のノッキング発生点は、図３におけるノック領域の運転ポイントＰ１（ｎ１、Ｔ１）である。
【００２８】
ステップＳ３では、ノッキングを回避するためスロットル弁１０を絞り、一端エンジン回転数を（図３のＰ１点のｎ１からＰ２点のｎ２に）落とすように制御する。即ち、エンジン回転数を下げて図３における運転ポイントＰ２（ｎ２、Ｔ２）に減速させ（エンジンの回転数を下げる工程）、通常燃焼領域（Ｎ）に移行させる。
【００２９】
ここで、エンジン回転数の低下に伴って発電機１９も回転数を落としており、したがって発電機１９で発電された電流の周波数は前記商用電流２３の周波数よりも下がり、そのままでは前記電力負荷２１は同時に二つの電源からは電力を供給されることが出来なくなってしまう。
【００３０】
そこでステップ４では、制御装置３０は、前記インバータ１８で、発電機１９側から供給される電流の周波数を、商用電流から供給される電流の周波数に一致させるようにインバータ１８を制御する。
【００３１】
そして次のステップＳ５において、移動した運転ポイントＰ２（ｎ２、Ｔ２）がノッキングを回避しているか否かを判定する。ノッキング回避未了の”Ｎ”であれば、ステップＳ３にもどって再度運転ポイントＰ２を低速側に移動させる。ノッキング回避状態の”Ｙ”であれば、ステップＳ６に進む。
【００３２】
ステップＳ６では、減速側に移動した最後の運転ポイントＰ２（ｎ２、Ｔ２）が、電力負荷２１が要求する内の発電機２１側の動力に見合うエンジン出力が不足しているか否かを判定する。エンジン出力が充足の”Ｎ”であれば、運転可能なのでステップＳ１に戻って正常運転をする。エンジン出力が、不足の”Ｙ”であれば、ステップＳ７に進む。
【００３３】
ステップＳ７では、スロットル弁１０の開度、及び燃料噴射装置１１を制御してエンジン２への供給燃料ガスを増加して、トルクを増加させる｛発生トルクを増大して出力（トルク×回転数）変動を減少する工程｝。この時の燃料供給の増加による発生トルクの増大分は、回転数が低下したことによるトルクマージン（例えば、図３におけるＰ２とノック発生曲線Ｐとのトルクの差分）内に留める。そして、トルク増加がノッキングのない正常燃焼領域（Ｎ）内に留まり、且電力負荷２１の内、発電機１９の要求する動力に調整して（このときの運転ポイントはＰ３（ｎ３、Ｐ３）であり通常ｎ３＝ｎ２である。）ステップＳ１に戻る。
【００３４】
上記のようにして、ノッキング発生検知からエンジン回転数を減速し、燃料供給量を増加して、電力負荷２１の内、発電機２１の要求動力にエンジン出力を保証させるまでの過渡時間を除けばノッキングを回避した正常運転を継続出来る。
【００３５】
【発明の効果】
本発明の作用効果を、以下に列記する。
（１）　ノッキング検出手段によってノッキングが発生した段階でエンジンを減速する。その結果、運転ポイントをノック発生領域から正常燃焼領域に移行させ、減速によるエンジン出力不足を燃料供給量増量によってトルク増加させて補うのでノッキングを回避すると共に、出力の保証ができる。したがって、負荷側が一定の運転状態を継続する場合には、エンジンの回転数変化とトルク変化のための僅かな時間を除けばほとんど負荷側に影響を与えない。
（２）　ノッキングが発生したら、エンジン回転数を下げ、トルク増加して出力を保証できるので、従来のようなノッキング発生に対する余裕を過剰にとる必要がなくなり、通常運転における出力増加が可能である。
（３）　発電手段で発電した電流と商用電流とを共に使用する系統連繋である電力負荷への供給電流の内、発電手段で発電した電流の、エンジン回転低下に伴う周波数の低下は、電力供給ラインに介装したインバーターを制御手段によって、制御することにより、商用電流側の周波数に一致させるため、電力負荷への影響は出ない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示すブロック構成図。
【図２】実本発明の施形態の制御フローチャート。
【図３】異常着火を抑制するための制御の要領を示す回転数―トルク特性線図。
【図４】従来の予混合圧縮自着火機関の燃焼サイクルの吸気行程図。
【図５】従来の予混合圧縮自着火機関の燃焼サイクルの圧縮行程図。
【図６】従来の予混合圧縮自着火機関の燃焼サイクルの燃焼・膨張行程図。
【図７】従来の予混合圧縮自着火機関の燃焼サイクルの排気行程図。
【図８】異常着火の発生範囲を示す特性線図。
【符号の説明】
２・・・予混合圧縮自着火機関
４・・・吸気管
１０・・・スロットル弁
１１・・燃料噴射装置
１３・・異常燃焼検出手段（ノッキングセンサ）
１５・・回転数検出手段（回転センサ）
１７・・出力伝達軸
１８・・インバータ
１９・・発電手段（発電機）
２０・・・供給系統（電力供給ライン）
２１・・電力負荷
２３・・商用電流
３０・・制御手段（制御装置）

Claims

出力が発電手段へ供給される予混合圧縮自着火機関において、異常燃焼の発生を検出する検出手段と、予混合圧縮自着火機関の回転数と供給燃料量とを制御する制御手段とを含み、発電手段で発生した電力を電力負荷に伝達する供給系統にはインバータが介装されており、前記制御手段は、異常燃焼が発生した場合に予混合圧縮自着火機関側の回転数を下げるべく回転数を低下させ、燃料供給量を増加して発生トルクを増大し、出力変動を減少する制御を行うと共に、電力負荷側の周波数と発電手段側の周波数と一致させるようにインバータを制御する様に構成されていることを特徴とする予混合圧縮自着火機関。
前記電力負荷は、前記発電手段で発生した電流を商用電流と共に使用する系統連繋である請求項１の予混合圧縮自着火機関。
出力が発電手段へ供給される予混合圧縮自着火機関の制御方法において、検出手段により異常燃焼の発生を検出する工程と、異常燃焼が発生した場合に予混合圧縮自着火機関側の回転数を下げる工程と、回転数を低下させると共に燃料供給量を増加して発生トルクを増大して出力変動を減少する工程と、電力負荷側の周波数と発電手段側の周波数と一致させるように発電手段と電力負荷との間に介装されたインバータを制御する工程、とを含んでいることを特徴とする予混合圧縮自着火機関の制御方法。
予混合圧縮自着火機関の回転数は運転ポイントが異常燃焼領域から通常燃焼領域までの回転数減少分に対応しており、燃料供給量を増加することによる発生トルクの増大分は、回転数が低下することによるトルクマージンに対応している請求項３の予混合圧縮自着火機関の制御方法。