JP2005220917A - 内燃機関の制御方法、これを実施するための制御装置、及びこれらを用いた内燃機関 - Google Patents

内燃機関の制御方法、これを実施するための制御装置、及びこれらを用いた内燃機関 Download PDF

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Abstract

【課題】出力信号の測定を不要とすることのできる冒頭に述べた類の制御方法を提供すること。
【解決手段】内燃機関の所定の窒素酸化物排出値を達成するための特にリーンバーン運転方式による内燃機関の制御方法であって、内燃機関の内部で燃焼させられる燃料と空気の混合気のλ値または発熱量の実際値あるいは窒素酸化物排出値の実際値が把握、好ましくは直接に測定されて、供給された燃料の質または量のいずれか少なくとも一方を特徴付ける数量に応じてまたは内燃機関の発生出力(P)に応じて制御される内燃機関の制御方法。
【選択図】図２

Description

本発明は内燃機関の所定の窒素酸化物排出値を達成するための特にリーンバーン運転方式による内燃機関の制御方法、ならびに当該の制御装置と内燃機関に関する。
特許文献１の明細書から、発電機駆動用内燃機関を、シリンダ吸気弁前の混合気圧力を発電機の発生電力に応じて制御することにより、窒素酸化物排出値を一定に保って運転することがすでに知られている。この場合、吸気弁前の混合気圧力の目標値は、排出値を一定とした場合の混合気圧力と発生電力との相関関係を示す特性マップから引き出される。こうして、測定された吸気弁前圧力の実際値はガス混合器による燃料と空気の混合気比の調節を経て、特性マップに基づいて決定された目標値に適合制御される。
そのために使用される特性曲線は、窒素酸化物排出値が等しい少なくとも２個の作動点を特定することによってつくられる。こうした従来公知の方法により、内燃機関が広い出力範囲にわたって所望の排出値を非常に正確に遵守することが可能となる。前記の特許文献１から、公知のシステムは敏感なセンサの摩耗・老化なしに実現されるという利点を有する。
特許文献２の明細書には、上記特許文献１の明細書から公知の制御方式をさらになお点火時期調節によって補充し、いかなる運転状態においても負荷変動に迅速に反応し得る制御余裕をもたせた、さらに改良された、冒頭に述べた類のシステムが紹介されている。さらに、この制御方式は内燃機関を常に最適な効率で稼働させるために使用される。
これらの公知の制御方式の短所は、内燃機関の発生出力を特徴付ける信号が常に得られていなければならないという点である。
欧州特許第０２５９３８２号公報（ＥＰ０２５９３８２Ｂ１） 欧州出願公開第１２２５３３０号公報（ＥＰ１２２５３３０Ａ２）
そこで、本発明の目的は、出力信号の測定を不要とすることのできる冒頭に述べた類の制御方法を提供することである。
前記課題は、本発明により、内燃機関の内部で燃焼させられる燃料と空気の混合気のλ値またはこのλ値と関係する1つの等価エンジンパラメータが単位時間当たり供給燃料量に応じてまたは単位時間当たり供給燃料エネルギに応じて制御されることによって達成される。
すなわち、請求項１に係る発明の採った手段は、
「内燃機関の所定の窒素酸化物排出値を達成するためのリーンバーン運転方式による内燃機関の制御方法において、
内燃機関の内部で燃焼させられる燃料と空気の混合気のλ値、または発熱量の実際値あるいは窒素酸化物排出値の実際値が、把握、好ましくは直接に測定されて、供給された燃料の質または量のいずれか少なくとも一方を特徴付ける数量に応じてまたは内燃機関の発生出力に応じて制御されることを特徴とする内燃機関の制御方法」
である。
したがって、本発明によれば、吸気弁前の圧力に代えて、燃料と空気の混合気のλ値または発熱量の実際値あるいは窒素酸化物排出値の実際値の制御が行なわれる。λ値は、周知のように、燃焼時の空燃比を表しており、この場合λ= 1は化学量論燃焼に相当している。前記の実際値の少なくともいずれか1つが相関して制御される基礎量としては、供給された燃料の質または量のいずれか少なくとも一方を特徴付ける数量または内燃機関の発生出力を利用することができる。発生出力を基礎量として使用することは、特に、内燃機関が ― 発生電力を制御用基礎量として利用することのできる ― 発電機を駆動する場合に適している。
この種の出力信号が得られない内燃機関の場合には、むしろ、質または量のいずれか少なくとも一方を特徴付ける数量を使用するのが適当である。この種の数量はたとえば内燃機関に単位時間内に供給される燃料量または単位時間内に供給される燃料エネルギであってよい。単位時間当たりの供給燃料量は流量測定によって決定されるのが好適である。制御が単位時間当たり供給燃料エネルギに基づいて行われる場合には、流量測定は燃料発熱量測定と組み合わされて実施される。この2つの値を乗ずることにより単位時間当たり供給燃料エネルギが得られる。
本発明は、前記の内燃機関の制御方法と並んで、前記方法を実施するための制御装置ならびにその種の制御装置を装備した内燃機関に関する。
本発明のその他の詳細および特徴は以下の図面説明から判明する通りである。
本発明は、
「内燃機関の所定の窒素酸化物排出値を達成するためのリーンバーン運転方式による内燃機関の制御方法において、
内燃機関の内部で燃焼させられる燃料と空気の混合気のλ値、または発熱量の実際値あるいは窒素酸化物排出値の実際値が、把握、好ましくは直接に測定されて、供給された燃料の質または量のいずれか少なくとも一方を特徴付ける数量に応じてまたは内燃機関の発生出力に応じて制御されることを特徴とする内燃機関の制御方法」
にその主たる構成の特徴があり、これにより、出力信号の測定を不要とすることのできる制御方法を提供することができるのである。
したがって、本発明によれば、吸気弁前の圧力に代えて、燃料と空気の混合気のλ値または発熱量の実際値あるいは窒素酸化物排出値の実際値の制御が行なわれる。λ値は、周知のように、燃焼時の空燃比を表しており、この場合λ= 1は化学量論燃焼に相当している。前記の実際値の少なくともいずれか1つが相関して制御される基礎量としては、供給された燃料の質または量のいずれか少なくとも一方を特徴付ける数量または内燃機関の発生出力を利用することができる。発生出力を基礎量として使用することは、特に、内燃機関が ― 発生電力を制御用基礎量として利用することのできる ― 発電機を駆動する場合に適している。
この種の出力信号が得られない内燃機関の場合には、むしろ、質または量のいずれか少なくとも一方を特徴付ける数量を使用するのが適当である。この種の数量はたとえば内燃機関に単位時間内に供給される燃料量または単位時間内に供給される燃料エネルギであってよい。単位時間当たりの供給燃料量は流量測定によって決定されるのが好適である。制御が単位時間当たり供給燃料エネルギに基づいて行われる場合には、流量測定は燃料発熱量測定と組み合わされて実施される。この2つの値を乗ずることにより単位時間当たり供給燃料エネルギが得られる。
図１はλ目標値と単位時間当たりの供給燃料エネルギ（Ｑｚｕ）との相関関係を概略的に示したものである。それぞれ一定の窒素酸化物排出値を示すすべての内燃機関作動点は、実線で表した特性曲線１０上にある。この特性曲線１０ないし特性マップはたとえば内燃機関運転開始時の検量測定によってつくられる。これは、所与のＱｚｕ時の１作動点９につき、所望の窒素酸化物排出値が生ずるようにλ目標値を設定することによって行なわれる。
特性曲線１０を得るため、続いて少なくとも１個の第二の作動点９が別の単位時間当たり供給燃料エネルギ値を適宜設定して運転され、その際、所望の窒素酸化物排出値が達成されるように空燃比を調節することにより再びλ目標値が定められる。こうして決定された２つの作動点から一次近似による直線状特性曲線１０′（点線にて図示）が得られる。前記の内燃機関の制御方法により窒素酸化物排出値を一定にして２個以上の作動点９が特定されれば、これから湾曲した曲線、たとえば特性曲線１０も得ることができる。
一定の運転パラメータたとえば燃料と空気の混合気の温度ｔ２′または点火時期ＺＺＰまたは供給燃料質が激しく変動し得る内燃機関にあっては、さらに、これらのパラメータの影響も考慮することが有用である。これからも、通例、特性マップが得られる。図１はたとえば、それぞれ窒素酸化物排出値を一定とし、温度値ｔ２′が種々相異する場合に作動点９′′を適宜特定して得られる種々相異した特性曲線１０′′を示している。したがって、複数の影響パラメータを考慮する場合には全体として多元的な特性マップが得られる。ただし、これに代えて、単一の特性曲線１０を基礎として、燃料と空気の混合気の温度ｔ２′または点火時期（ＺＺＰ）またはその他の影響パラメータの当該補正値を考慮することも可能である。前記の内燃機関の制御方法による特性マップ作成のコストを適正限度内に抑えるため、一定のパラメータの影響が既知であれば、推定を行なうことも可能である。
図１はλの目標値と供給燃料エネルギ（Ｑｚｕ）との間の相関関係に関する特性マップを示しているにすぎないが、内燃機関の内部で燃焼させられる燃料と空気の混合気比気の発熱量の実際値または窒素酸化物排出値の実際値と、供給された燃料の質または量のいずれか少なくとも一方を特徴付ける数量または内燃機関の発生出力との相関関係についても、やはり同様な特性曲線ないし特性マップが得られる。
図２は、本発明による第一の内燃機関制御方法を示したものである。この内燃機関は先ず、それ自体公知のように、エンジン５の発生出力Pが所望の出力目標値P-Sollに一致するように出力調節要素2( たとえば、制御さるべき内燃機関のスロットルバルブまたは方向転換バルブをPID制御器1によって調節する出力調節器を備えている。
本発明により、今や、一定の窒素酸化物排出値(ＮＯｘ、窒素酸化物）を達成するために、特性マップ6にファイルされた、燃料と空気の混合気比気のλ値または発熱量の実際値あるいは窒素酸化物排出値の実際値と燃料の質または量のいずれか少なくとも一方を特徴付ける数量または発生出力との相関関係を利用するエンジン5の制御トレーンが設けられている。この制御トレーンにつき先ず、λ値の実際値と単位時間当たり供給燃料エネルギ(Qzu)との相関関係を基礎とした1実施例を参照して説明する。
内燃機関の運転にあたり、内燃機関の燃料供給管に配された流量測定装置と発熱量プローブとによって燃料の流量と発熱量とが測定される。この2つの値を乗ずることにより、単位時間当たり供給燃料エネルギ（Ｑｚｕ、単位Ｊ／ｓ）が得られる。次いで、このQzu値に基づいて図1に示した特性マップ6で当該λ目標値が決定される。この場合、必要に応じ、燃料と空気の混合気の温度t2`および／または点火時期ZZPおよび／または燃料の発熱量HUBおよび／または化学量論燃焼空気量Lminを考慮することが可能である。こうして決定されたλ目標値は比較装置11で、λプローブ4によって排気路中で測定されたλ実際値と比較される。目標値への実際値の適合化は、燃料と空気の混合気の調節装置3を制御するPID制御器1によって行なわれる。
図2においてパラメータQzuとλ値とに基づいて説明した制御フローは、本発明によるその他のパラメータペアについても同様に機能する。そのためにはそれぞれに適した特性マップ6と適切な測定プローブが使用されさえすればよい。
燃料と空気の混合気の発熱量が選択される場合には、その実際値を測定するために燃料と空気の混合気の供給管12に好ましくはオンライン測定式発熱量プローブ4’( 別途選択肢として鎖線にて表示)が配置されなければならない。ただし、他の法として、制御フローを内燃機関の窒素酸化物排出値に基づいて行おうとする場合には、排気側において窒素酸化物排出値測定装置8を使用することもできる。図2においてこれらの別法は鎖線で表されている。
特性マップによって場合により考慮さるべきパラメータ、t2`、ZZP、HUBおよび／またはLminの測定は従来の技術に基づいて行われるが、その場合、t2`測定用の当該温度プローブは同じく燃料と空気の混合気の供給管12内に配置されているのが好適である。流量測定によってしか決定し得ない単位時間当たり供給燃料量（単位ｍ3／ｓ、場合により標準条件に換算）によってパラメータQzuを代用することは、通例、燃料の特質が均一である場合にのみ好ましい。燃料の特質はたとえば燃料の発熱量測定によって特徴付けることが可能である。
図3では、図2に示した本発明による第一の制御フローにさらになお点火時期調整用制御トレーンが補充されている。さらに特性マップ6は、本実施例において、Qzuではなく、エンジン5の発生出力Pを基礎としている。点火時期調節により、内燃機関5の負荷変動に迅速に反応し得るように常に制御余裕を存在させることができる。このため、出力調節要素2とそれに対応するPID制御器1との間で、出力調節要素2の制御余裕を特徴付ける信号Uが分路される。
点13での比較によって、制御余裕が前以て定められたミニマムUminよりも大であるか否かがチェックされる。これがそうでない場合には、点火時期調節装置14により所定の限度ZZPminとZZPmaxの範囲内で点火時期の調節が行なわれる。この場合さらにノッキング調節器7を設けることができ、これは、調節範囲を制限することにより、点火時期の変位によってエンジン5にノッキングが生ずることを防止する。図3に補充トレーンとして示した制御トレーンにより、所望の制御余裕が保証されると共に常に最適な内燃機関効率が達成される。
またさらに、周辺条件（たとえば圧力および温度）への適応も点火時期の調節によって可能である。点火時期調節自体は、上記特許文献２の明細書に開示された内燃機関の制御方法と同じであることから、本引証によって本願明細書の記載に代えるものとする。
本発明による内燃機関の制御方法は特に、好ましくは可燃性ガスたとえばメタンを燃料として稼働される、火花点火式および／または混合気過給式の、好ましくは定置式ガソリンエンジン機関の運転に好適である。
本発明による内燃機関の制御方法において使用される特性マップを概略的に示す図である。 本発明による制御内燃機関の制御方法の第一の実施例を概略的に示す図である。 さらになお点火時期調整が行なわれる本発明の第二の実施例を示す図である。
符号の説明
１ ＰＩＤ制御器
２ 出力調整要素
３ 調節装置
４ λプローブ
４′ オンライン測定式発熱量プローブ
５ エンジン
６ 特性マップ
７ ノッキング調節器
８ 窒素酸化物排出値測定装置
９、９′′ 作動点
１０、１０′′ 特性曲線
１０′ 直線状特性曲線
１１ 比較装置
１２ 供給管
１３ 点
１４ 点火時期調節装置

Claims (19)

  1. 内燃機関の所定の窒素酸化物排出値を達成するためのリーンバーン運転方式による内燃機関の制御方法において、
    内燃機関の内部で燃焼させられる燃料と空気の混合気のλ値、または発熱量の実際値あるいは窒素酸化物排出値の実際値が、把握、好ましくは直接に測定されて、供給された燃料の質または量のいずれか少なくとも一方を特徴付ける数量に応じて、または内燃機関の発生出力に応じて制御されることを特徴とする内燃機関の制御方法。
  2. 請求項1に記載の内燃機関の制御方法において、
    前記燃料は可燃性ガスであることを特徴とする内燃機関の制御方法。
  3. 請求項1または2に記載の内燃機関の制御方法において、
    供給された燃料の質または量のいずれか少なくとも一方を特徴づける数量は、単位時間当たり供給燃料量、または単位時間当たり供給燃料エネルギであることを特徴とする内燃機関の制御方法。
  4. 請求項3に記載の内燃機関の制御方法において、
    前記単位時間当たり供給燃料量は、流量測定によって決定されることを特徴とする内燃機関の制御方法。
  5. 請求項3に記載の内燃機関の制御方法において、
    前記単位時間当たり供給燃料エネルギは、燃料発熱量測定と組み合わされた流量測定によって決定されることを特徴とする内燃機関の制御方法。
  6. 請求項１〜５のいずれか1項に記載の内燃機関の制御方法において、
    前記燃料と空気の混合気のλ値、または発熱量の目標値、あるいは窒素酸化物排出値の目標値と、供給された燃料の質または量のいずれか少なくとも一方を特徴付ける数量または発生出力との相関関係は特性マップにファイルされ、内燃機関の運転時に該特性マップから読み出されることを特徴とする内燃機関の制御方法。
  7. 請求項１〜６のいずれか1項に記載の内燃機関の制御方法において、
    前記燃料と空気の混合気のλ値、または発熱量あるいは窒素酸化物排出値と、供給された燃料の質または量のいずれか少なくとも一方を特徴付ける数量または発生出力との相関関係の決定にあたり、前記燃料と空気の混合気の点火時期、温度の影響、化学量論燃焼空気量の内のいずれか少なくとも１種が考慮されもしくは補正されることを特徴とする内燃機関の制御方法。
  8. 請求項7に記載の内燃機関の制御方法において、
    前記燃料の特質は燃料発熱量測定を介して決定されることを特徴とする内燃機関の制御方法。
  9. 請求項１〜８のいずれか1項に記載の内燃機関の制御方法において、
    前記燃料と空気の混合気のλ値、または発熱量の実際値、あるいは窒素酸化物排出値の実際値が把握、好ましくは直接に測定されて、供給された燃料の質または量のいずれか少なくとも一方を特徴付ける数量に応じてまたは発生出力に応じて決定される目標値に制御適合されることを特徴とする内燃機関の制御方法。
  10. 請求項9に記載の内燃機関の制御方法において、
    前記の実際値は燃料と空気の混合気の混合比の調節によって前記の目標値に適合されることを特徴とする内燃機関の制御方法。
  11. 請求項１〜１０のいずれか1項に記載の内燃機関の制御方法において、
    出力調節時の制御余裕を実現するために点火時期調節が行なわれることを特徴とする内燃機関の制御方法。
  12. 請求項１〜１１のいずれか1項に記載の内燃機関の制御方法を実施するための調節装置。
  13. 請求項12に記載の制御装置を装備した内燃機関。
  14. 請求項13に記載の内燃機関において、
    前記燃料と空気の混合気の調節装置から内燃機関の少なくとも1個のシリンダに至るまでの燃料と空気の混合気の供給管内に、燃料と空気の混合気の発熱量を測定するための発熱量プローブ、または燃料と空気の混合気の温度を測定するための温度プローブが配置されていることを特徴とする内燃機関。
  15. 請求項13または14に記載の内燃機関において、
    前記窒素酸化物排出を測定するための装置を有することを特徴とする内燃機関。
  16. 請求項１３〜１５のいずれか1項に記載の内燃機関において、
    排気路内にλプローブを有することを特徴とする内燃機関。
  17. 請求項１３〜１６のいずれか1項に記載の内燃機関において、
    火花点火式あるいは混合気過給式のいずれか少なくとも一方を採用した定置式ガソリンエンジン機関であることを特徴とする内燃機関。
  18. 請求項１３〜１７のいずれか1項に記載の内燃機関において、
    前記燃料供給管内に流量測定装置を有することを特徴とする内燃機関。
  19. 請求項１３〜１８のいずれか1項に記載の内燃機関において、
    前記燃料供給管内に燃料発熱量を測定するための発熱量プローブを有することを特徴とする内燃機関。

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