JP2005214201A - ＮＯｘおよびＵＨＣの排出量を最低限に抑えるためのマイクロパイロット燃料噴射制御の方法と装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、パイロット燃料噴射の量とタイミングを制御して、ＮＯｘおよびＵＨＣ排出物の最低化を達成するシステムを提供する。
【解決手段】システムは、気体燃料エンジンの各シリンダの燃焼室内において燃焼が生じたかどうか、いつ燃焼が生じるか、および／または燃焼の質を検知し、噴射されるパイロット燃料の量および／またはタイミングを調整する。燃焼室内の気体燃料に着火するために必要なパイロット燃料の最低量が判定され、エンジンの予燃室または燃焼室に噴射される。実際の燃焼開始位置を判定し、その燃焼開始位置が望ましい位置と略同一ではない場合には、噴射タイミングが調整される。ノッキングまたは不点火が生じた場合、あるいは燃焼の質の測度が望ましい質の測度と略同一ではない場合には、パイロット燃料の量または噴射タイミングが調整される。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般にエンジンの着火に関し、より詳細にはエンジンの燃焼室へのパイロット燃料噴射を制御する方法および装置に関する。

天然ガスおよびプロパン等のその他気体燃料は、エンジン用のディーゼル燃料等、他の燃料よりも優れていると多くの人が考えている。というのは、気体燃料は一般に運転コストが安いうえ、排出物がかなり少ないからである。燃焼効率、スピード制御、および排気排出物という点から見たエンジンの全体的な性能は、空気と燃料の混合を燃焼のための適切な比率に制御すること、そしてエンジンの燃焼室またはシリンダ内へのこの混合気の流れを調整することによって大部分が決定付けられる。燃焼を正確かつ確実に制御することが、燃焼プロセスの効率と安全のために非常に重要である。例えば、過剰な燃料は、速い燃焼速度と高い燃焼温度をもたらし、結果的に窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量が大きくなることはよく知られている。燃料が少なすぎると不完全燃焼を起し、結果的に高い未燃炭化水素（ＵＨＣ）排出量と出力損失につながる可能性がある。

気体燃料のひとつの欠点は、それが燃焼プロセスを開始するための着火源を必要とすることである。普通、点火プラグが、気体燃料を使ったエンジンの燃焼室内で燃料に着火するために用いられる。しかし、点火プラグを使用するとエンジンのメンテナンス間隔が短くなり、従って運転コストが高くなる。

いくつかのエンジンメーカーは、マイクロパイロット着火による天然ガスエンジンを投入、あるいは開発中である。利点として主張され、テストデータによって実証されている利点としては、それが調整可能な高エネルギーの着火システムであること、燃焼の安定性が高いこと、熱効率が良いこと、ディーゼルエンジンに匹敵する出力密度を持つこと、そしてＮＯｘレベルがディーゼルエンジンの約１０分の１であること等がある。パイロット燃料として、ディーゼル燃料、燃料油、あるいは、場合によってはエンジンオイルさえも一般的に使用する小型のパイロット燃料噴射装置が、天然ガスエンジンのオープンチャンバ（または予燃室）において、使用され、点火プラグの代わりとなっている。限られた量のパイロット燃料が燃焼室内（または予燃室内）に噴射され、圧縮点火による燃焼が開始される。パイロット燃料は、発火し高い温度で燃焼して、燃焼室内の気体燃料の給気に着火する。二つの燃料系統（例えば、パイロット燃料と天然ガス）を有することによって増した複雑さは、運転コストの安さで埋め合せられる。点火プラグの寿命によって出力密度が限定されていたが、燃焼着火装置としての点火プラグを廃止したことにより、出力密度、燃料効率の増加、そして定期メンテナンス間隔の延長が可能である。

気体燃料の着火特性がエンジンの作動条件によって変化することはよく知られている。例えば、エンジン負荷の変動によって変化する、燃焼室内の空燃比および密度は、燃焼室内の給気の燃焼特性に影響を及ぼす。ガス状の給気に良好に着火するために必要なパイロット燃料の最適量は、エンジン燃焼室の設計、燃料温度、燃料品質、空気温度、燃焼室内の空燃比、燃焼室内の残留排気、パイロット燃料のセタン価、そしてパイロット燃料の噴霧特性によって変化する。パイロット燃料を噴射するための一つの方式として、常に十分なパイロット燃料を噴射してどのような条件下でも一次燃料給気への着火を確実に行う方法がある。しかし、パイロット燃料の燃焼によって、ＮＯｘ排出物が多くなる（燃焼が速すぎる）とともに、燃料消費量が多くなる（濃い燃料混合気）ことから、この方式は好ましくない。噴射されるパイロット燃料の量が少なすぎると、混合気に着火しなくなる可能性があり、そのために出力馬力の低下や未燃炭化水素（ＵＨＣ）排出物の増加が起きる。

最低のＮＯｘ排出物量を達成するには、可燃性天然ガス混合気に着火する最低限の量のパイロット燃料が必要とされる。本発明は、例えばディーゼル燃料等のパイロット燃料噴射の量とタイミングを制御し、ＮＯｘおよびＵＨＣ排出量の最低化を達成する制御システムを提供する。制御システムは、気体燃料エンジンの各シリンダの燃焼室において燃焼が生じたかどうか、いつ燃焼が生じるか、および／または燃焼の質を検知し、噴射されるパイロット燃料の量および／またはタイミングを調整する。

燃焼室内の気体燃料に着火するために必要なパイロット燃料の最低量が判定され、エンジンの予燃室または燃焼室に噴射される。実際の燃焼開始位置は、燃焼室のシリンダ圧信号またはイオン化信号から判定される。実際の燃焼開始位置が、望ましい燃焼開始位置と略同一ではない場合、パイロット燃料噴射タイミングも調整される。

ノッキングまたは不点火が生じた場合、パイロット燃料量または噴射タイミングが調整される。燃焼の質の測度が、望ましい燃焼の質の測度と略同一ではない場合、噴射されるパイロット燃料量が調整される。

本発明の他の利点は、添付図面と共にして、以下の詳細な説明から、より明らかとなるであろう。

本発明は特定の好ましい実施例と関連付けて説明されるが、本発明をそれらの実施例に限定する意図はない。反対に、本発明の意図は、添付の各請求項によって定めれるように、本発明の精神および適用範囲内に含まれる、代替、改変、および均等物を全て網羅することにある。

本発明は、パイロット燃料噴射の量とタイミングを制御して、ＮＯｘおよびＵＨＣ排出量の最小化を達成する制御システムを提供する。前記制御システムは、気体燃料エンジンの各シリンダの燃焼室内において燃焼が生じたかどうか、いつ燃焼が生じるか、および／または燃焼がどのような質かを検知し、噴射されるパイロット燃料の量および／またはタイミングを調整する。これにより制御システムは、エンジン性能を継続的に最適化してＮＯｘおよびＵＨＣ排出量を最低限に抑えられるようにする一方で、環境の変化、燃料の品質およびシリンダ間の変化に関係なく、可能な限り最高の効率が得られるようにしている。

ここで図を見ると、図中の同種の参照番号は同種の要素を示しており、図では本発明が適切な燃焼機関環境において実施されているものとして示されている。エンジン環境２０は、複数の燃焼室（すなわち、シリンダ）２２を有しており、そのうち一つだけを示している。燃焼室２２は、一次燃料空気混合気のための吸気路２４と、排気のための排気路２６を有している。一次燃料空気混合気はマニホルド２８および３０を介して吸気路２４に供給される。空気は、自然吸気、ターボチャージャー、スーパーチャージャー等を介してマニホルド３０に供給されてもよい。システムによっては混合室、あるいは予燃室３２を有していて、一次燃料空気混合気を混合および／または加熱している。

少なくともひとつのパイロット燃料噴射装置３４は、パイロット燃料を燃焼室２２に供給し、コントローラ３６によって制御されている。パイロット燃料噴射装置３４は、電気油圧式燃料噴射装置等の任意の電子制御式燃料噴射装置でよい。図示されている実施の形態において、パイロット燃料噴射装置３４には供給ラインまたはコモンレール４０を介して、ディーゼル燃料等が従来型のタンク３８から供給される。典型的にはディーゼル燃料がパイロット燃料として使用される。その他の種類のパイロット燃料を使用することも可能である。例えば、圧縮点火によって燃焼を起す他の燃料と同様に、新しいまたは使用済みのエンジンオイルを、パイロット燃料として使うこともできる。いくつかの実施の形態では、ディーゼル燃料が高圧のコモンレールから電子式噴射装置に供給される。パイロット燃料噴射装置３４からタンク３８まで、戻り管４２を通しても良い。

コントローラ３６は、各エンジンパラメータをモニターし、かつ燃焼室２２へのパイロット燃料の供給を制御することができる任意の電子装置を備えている。それは、マイクロプロセッサ、ＥＥＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＡＳＩＣ等であってもよい。コントローラ３６はメイン燃料コントローラの一部であっても良いし、別個の装置としても良い。空燃比の制御については周知であり、ここで議論する必要はない。動作時において、燃焼室内に一次気体燃料空気混合気が存在していると、コントローラ３６は燃焼室内への限られた量のパイロット燃料を指示する。パイロット燃料は、噴射により圧縮点火によって着火し、十分な高温で燃焼して気体燃料給気に着火する。

コントローラ３６は、センサー（図示せず）を介してエンジン回転数、燃料温度、空気温度、ノッキングレベル、排気ガス酸素（ＥＧＯ）濃度および気体燃料組成を含むエンジンのさまざまな運転条件を示す信号を受信する。図１においてこれらは、入力４４、４６として概略的に示されている。燃焼の検知は、点火プラグ４８またはイオン化プローブ５０からのイオン化信号を用いて、あるいはシリンダ圧センサー５２を介してなされる。図１には三つのコンポーネント４８、５０、５２が示されているが、いつ燃焼が生じたかを検知するために必要とされるのは一つのコンポーネントのみであることは認識されている。本発明では点火プラグ４８の必要性を排除できるが、エンジンの始動を補助するよう点火プラグ４８を使用しても良い。必要に応じて、他のセンサーを介してコントローラ３６へ他の信号を送信しても良い。コントローラ３６はこれらの信号を受信し、パイロット燃料噴射装置３４を制御するための出力信号を送信する。

次に図２には、コントローラ３６が動作するステップを示している。ここではステップを順に、連続的に示しているが、多くのステップは並行して実施しても良いし、あるいは示した順序とは違う順序で実施しても良いことは認識されている。以下の説明では、本発明の動作を一つの燃焼室２２に関して述べる。コントローラ３６は、エンジン環境２０内の他の燃焼室に関して、燃焼室間の空気流、残留排気ガス等の差異を補正し、燃料の品質、温度、および湿度を補正する処置を実施してもよいことは認識されている。コントローラ３６は、エンジンパラメータに基づいて望ましい燃焼開始位置を判定する（ステップ６０）。パイロット燃料のパラメータが計算される（ステップ６２）。必要とされる燃料の量は、燃焼室の設計、燃料温度、空気温度、空気湿度、燃焼室２２内の空燃比、燃焼室２２内の残留排気、パイロット燃料の着火特性（例えばディーゼル燃料のセタン価）、およびパイロット燃料噴霧特性によって変化する。ある実施の形態では、コントローラ３６内に格納されている参照表（例えばルックアップテーブル）を用いて最低量が判定される。あるいは、パイロット燃料の量は、燃焼の質の測度にもとづいて計算される。

パイロット燃料噴射タイミングが判定される（ステップ６４）。噴射タイミングとは、燃焼サイクルにおいてパイロット燃料が噴射される時のことである。噴射タイミングの判定には、相対的に高い空燃比を有する燃料（例えばリーンバーン状態の燃料）は、低い空燃比を有する燃料よりも着火しにくく、燃焼速度が遅いという事実を考慮する。その結果、これらの燃料は、最適な着火を得るために、パイロット燃料の量を多くする必要があり、また、パイロット燃料噴射のタイミングを進角させる必要もあるであろう。早期の噴射は、エンジン回転数が高い時にも、燃焼が生じるまでの時間的な遅れを補正するために必要となる。噴射タイミングは、ノッキングレベルが増大すると遅角され、排気ガスの酸素濃度レベルが高まると進角される。必要とされる最低量のパイロット燃料が、計算されたタイミングで噴射される（ステップ６６）。

イオン化信号またはシリンダ圧が測定される（ステップ６８）。シリンダ圧センサーは、当該技術に精通している者にとってよく知られている。イオン化信号の測度は、点火プラグに小電圧を印加し、点火プラグに流れる電流を測定することによって、既存の点火プラグから得ることができる。その電流が、燃焼開始を直接的に示すしるしとなる。点火プラグを有していないシステムにおいては、イオン化プローブまたはセンサーを使用してもよい。燃焼に先立ってイオン化センサーに、電圧を印加する。燃焼中、小電流が燃焼室２２を通ってエンジンの接地に流れる。その電流が、燃焼開始を直接的に示すしるしとなる。イオン化プローブに関する更に詳しい説明については、ＳＡＥ技術論文１９９９−０１−０５４９、標題「ディーゼルエンジンにおける、イオン化検知を利用したクローズドループの燃焼開始制御（Closed Loop Start of Combustion Control Utilizing Ionization Sensing in a Diesel Engine)」に記載されており、そのすべてを参照して本明細書に組み込む。

燃焼開始位置を、シリンダ圧センサーまたはイオン化信号から判定する（ステップ７０）。その燃焼開始位置を、望ましい燃焼開始位置と比較する（ステップ７２）。燃焼開始位置が、望ましい燃焼開始位置ではない場合、パイロット燃料噴射タイミングが調整される（ステップ７４）。コントローラ３６は不点火が生じているかどうか（すなわち、燃焼が生じなかったこと）を判定する（ステップ７６）。不点火の検知は、測定されたシリンダ圧またはイオン化信号のうちのいずれかに基づいて行う。不点火が生じた場合は、パイロット燃料の量が十分でないために着火を起こせないか、あるいはパイロット燃料噴射タイミングが不適切かのいずれかである。その結果、パイロット燃料噴射量が増加され、および／またはパイロット燃料噴射タイミングが調整される（ステップ７８）。コントローラはまた、ノッキングが生じたかどうかも判定する（ステップ８０）。従来型のノックセンサーを使用しても良い。もしノッキングが生じた場合には、パイロット燃料噴射量が増加され、および／またはパイロット燃料噴射タイミングが調整される（ステップ８２）。イオン化信号を用いる不点火およびノッキングの検知に関する更に詳しい説明については、米国特許出願番号１０／２８６，３５３、発明の名称「リーンバーン往復動エンジンにおける異常燃焼状態を検知する方法および装置（Method And Apparatus For Detecting Abnormal Combustion Conditions In Lean Burn Reciprocating Engines）」に記載されており、同譲受人に譲渡されている。その開示内容のすべてを参照して本明細書に組み込む。

燃焼の質の測度が判定される（ステップ８４）。燃焼の質は、気体燃料の燃焼の完全度を示すものである。燃焼気体の可能な限りの完全な燃焼という意味での、高い燃焼の質が、低い排出物レベルのためには重要である。燃焼の質は、燃焼室温度、燃焼気体の乱れ、滞留時間、および酸素過剰度に依存する。これらのパラメータは、燃焼室の設計、燃焼設定（例えば空燃比、エアーノズルの分布等）、負荷条件（全負荷あるいは部分負荷）、そして燃料特性によって左右される。ある実施の形態では、排気ガス酸素センサーが燃焼の質を判定するために使用されている。燃焼の質はまた、シリンダ圧測定から判定されてもよい。

燃焼の質の測度を、望ましい燃焼の質の値と比較する（ステップ８６）。燃焼の質の測度が望ましい燃焼の質の値でない場合（すなわち、その値と略同一でない場合）には、パイロット燃料噴射量が調整される（ステップ８８）。ステップ６０〜８８は、燃焼室２２の各サイクルごとに繰り返される。

本発明は、シリンダ圧とイオン化信号の測度に基づいて、各燃焼室について不点火を起さず正しいタイミングで定常的に燃焼を起させる、最低限のパイロット燃料噴射量を制御していることが分かる。この結果、作動条件の変動を補正することにより、および不点火直前で運転することにより、可能な限り低いＮＯｘおよびＵＨＣ排出物を得ることができる。

本発明の様々な実施の形態に関する前述の説明は、実例を示して解説することを目的として提示してきた。それは、全てを余すところなく網羅するよう意図したものではなく、また本発明を、開示したまさにその実施の形態に限定するよう意図したものでもない。上記の教示内容に鑑みて、数多くの改変や変形が可能である。例えば、パラメータと望ましい値（例えば、燃焼の質の測度）との比較は、望ましい値の公差域との比較（すなわち、ウィンドウ・コンパレータ（window comparator））としても良い。上記で議論した実施の形態は、本発明の原理と実際的な用途について最適な実例を提供することによって、当該技術に精通している者にとって本発明を様々な実施の形態、および想定される特定の利用方法に適するように様々な改変を加えて利用できるように選択され、説明されたものである。かかる改変および変形は全て、公正に、合法的に、そして正当に権利を与えられる広さに従って解釈した場合に、添付の各請求項によって定められるような本発明の適用範囲内に含まれる。

明細書に組み込まれその一部を成す添付図面は、本発明のいくつかの解釈を示しており、説明と共に本発明の原理を説明する役割を果たしている。
図１は、本発明が動作するシステムの概略を示すブロック図である。 図２は、図１のコントローラが、図１のシステムにおいてＮＯｘとＵＨＣ排出量を最小限に抑えるために実行しているプロセスを示すフローチャートである。

符号の説明

２０ エンジン環境
２２ 燃焼室
２４ 吸気路
２６ 排気路
２８、３０ マニホルド
３２ 予燃室
３４ パイロット燃料噴射装置
３６ コントローラ
３８ タンク
４０ 供給ラインまたはコモンレール
４２ 戻り管
４４、４６ 入力
４８ 点火プラグ
５０ イオン化プローブ
５２ シリンダ圧センサー

Claims (17)

1. パイロット燃料で着火する気体燃料エンジンにおいて、ＮＯｘおよびＵＨＣを最小限に抑えるための方法であって：
   燃焼室内の気体燃料に着火するために必要なパイロット燃料の最低量を判定するステップと；
   前記パイロット燃料を、予燃室内と前記燃焼室内のうちの少なくとも一つに噴射するステップと；
   前記燃焼室のイオン化信号とシリンダ圧のうちの一つから、燃焼開始位置を判定するステップと；
   前記燃焼焼開始位置を望ましい燃焼開始位置と比較するステップと；
   前記燃焼開始位置が前記望ましい燃焼開始位置と略同一ではない場合にパイロット燃料噴射タイミングを調整するステップとを備える；
   方法。
2. 前記燃焼室の前記イオン化信号と前記シリンダ圧のうちの少なくとも一つを測定するステップを更に備える、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記パイロット燃料が、ディーゼル燃料とエンジンオイルのうちの一つである、
   請求項１に記載の方法。
4. 前記望ましい燃焼開始位置を判定するステップを更に備える、
   請求項１に記載の方法。
5. パイロット燃料噴射タイミングを判定するステップを更に備える、
   請求項１に記載の方法。
6. 前記パイロット燃料噴射タイミングを判定するステップが、空燃比、エンジン回転数、ノッキングレベル、および排気ガス酸素濃度レベルの関数として前記パイロット燃料噴射タイミングを判定するステップを備える、
   請求項５に記載の方法。
7. 前記イオン化信号と前記シリンダ圧のうちの前記一つを測定するステップを更に備える、
   請求項１に記載の方法。
8. 不点火が生じた場合に前記パイロット燃料量とパイロット燃料噴射タイミングのうちの一つを調整するステップを更に備える、
   請求項１に記載の方法。
9. ノッキングが生じた場合に前記パイロット燃料量とパイロット燃料噴射タイミングのうちの一つを調整するステップを更に備える、
   請求項１に記載の方法。
10. 燃焼の質の測度を望ましい値と比較するステップと；
    前記燃焼の質の測度が前記望ましい値と略同一ではない場合に前記パイロット燃料量を調整するステップとを更に備える；
    請求項１に記載の方法。
11. 燃焼室内の気体燃料の燃焼を開始するのに必要なパイロット燃料の最低量を判定する手段と；
    予燃室と前記燃焼室のうちの少なくとも一つに、前記パイロット燃料を噴射するようパイロット燃料噴射装置を制御する手段と；
    イオン化信号とシリンダ圧のうちの一つから燃焼開始位置を判定する手段と；
    前記燃焼開始位置を望ましい燃焼開始位置と比較する手段と；
    前記燃焼開始位置が前記望ましい燃焼開始位置と略同一ではない場合にパイロット燃料噴射タイミングを調整する手段とを備える；
    パイロット燃料噴射システムコントローラ。
12. ノッキングが生じた場合および不点火が生じた場合の少なくとも一つが生じた場合に前記パイロット燃料量とパイロット燃料噴射タイミングのうち少なくとも一つを調整する手段を更に備える、
    請求項１１に記載のパイロット燃料噴射システムコントローラ。
13. 前記燃焼の質の測度を望ましい値と比較し、前記燃焼の質の測度が前記望ましい値と略同一ではない場合に前記パイロット燃料量を調整する手段を更に備える、
    請求項１１に記載のパイロット燃料噴射システムコントローラ。
14. 燃焼室を有する１つ以上のシリンダと；
    パイロット燃料噴射システムを備え；
    前記パイロット燃料噴射システムは、前記燃焼室と連通しているパイロット燃料噴射装置と、
    ＮＯｘおよびＵＨＣ排出物を最小限に抑えるよう、パイロット燃料噴射装置を制御するコントローラを有し、
    前記コントローラは、燃焼室内の気体燃料の燃焼を開始するのに必要なパイロット燃料の最低量を判定する手段と、
    予燃室と前記燃焼室のうち少なくとも一つに、前記パイロット燃料を噴射するようパイロット燃料噴射装置を制御する手段と、
    イオン化信号とシリンダ圧のうちの一つから燃焼開始位置を判定する手段と、
    前記燃焼開始位置を望ましい燃焼開始位置と比較する手段と、
    前記燃焼開始位置が前記望ましい燃焼開始位置と略同一ではない場合にパイロット燃料噴射タイミングを調整する手段とを含む、
    天然ガス燃焼機関。
15. 前記コントローラは、ノッキングが生じた場合および不点火が生じた場合の少なくとも一つが生じた場合に前記パイロット燃料量を調整する手段を更に備える、
    請求項１４に記載の天然ガス燃焼機関。
16. 前記コントローラは、ノッキングが生じた場合および不点火が生じた場合の少なくとも一つが生じた場合にパイロット燃料噴射タイミングを調整する手段を更に備える、
    請求項１４に記載の天然ガス燃焼機関。
17. 前記コントローラは、燃焼の質の測度が望ましい燃焼の質と略同一ではない場合に前記パイロット燃料量を調整する手段を更に備える、
    請求項１４に記載の天然ガス燃焼機関。
    

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