JP2006233915A - Egrシステム付きガスエンジン及びその運転方法 - Google Patents

Egrシステム付きガスエンジン及びその運転方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 エンジンの低負荷運転時や低温給気下の運転時におけるスロットル弁の絞りに伴うエンジンのポンプ損失を低減し、該ポンプ損失による熱効率の低下を防止して、結果としてかかる運転時における熱効率を上昇し得るEGRシステム付きガスエンジンを提供する。
【解決手段】 燃料ガスと空気とをミキサーで混合し、スロットル弁により開閉される給気通路を通してエンジンに供給するとともに、排気通路中の排気ガスから分流されたEGRガスをEGR弁により開閉されるEGR通路を通してエンジンに供給可能に構成されたガスエンジンにおいて、前記スロットル弁の開度をエンジンの運転特性により規定された基準開度よりも大きい過大開度に設定するとともに、該過大開度の期間中にEGR弁を開いてEGRガスを混合気とともにエンジンに供給することを特徴とする。
【選択図】 図3

Description

本発明は、燃料ガスと空気とをミキサーで混合し、この混合気をスロットル弁により開閉される給気通路を通してエンジンに供給して着火燃焼せしめるとともに、EGRガス(排気再循環ガス)をEGR弁により開閉されるEGR通路を通してエンジンに供給可能に構成されたEGRシステム付きガスエンジン、及び該ガスエンジンの運転方法に関する。
燃料ガスと空気とをミキサーで混合し、この混合気を給気通路を通してエンジンに供給して着火燃焼せしめるとともに、EGRガス(排気再循環ガス)をEGR弁により開閉されるEGR通路を通してエンジンに供給するように構成されたEGRシステム付きガスエンジンの1つに、特許文献1(特開平10−131742号公報)にて提案された技術がある。
かかる技術においては、燃料ガスと空気とをミキサーで混合するとともに、排気通路中の排気ガスから分流されたEGRガスをEGR弁により開閉されるEGR通路を通して、前記ミキサー出口の給気通路に設置されたEGR混合器に送り込み、該EGR混合器において前記ミキサーからの混合気とEGRガスとを混合してエンジンに供給して着火燃焼せしめるガスエンジンにおいて、負荷投入時の限界負荷率に達するまでは前記EGR弁を閉弁してEGRを停止し、前記限界負荷率を超える高負荷時においてEGR弁を開弁してEGRを行なうことにより、ノッキング限界を上昇させるように構成されている。
特開平10−131742号公報
燃料ガスと空気とをミキサーで混合し、この混合気をスロットル弁により開閉される給気通路を通してエンジンに供給して着火燃焼せしめるように構成されたガスエンジンにおいては、低負荷運転時や低温で空気密度が小さくエンジンの吸入空気量(重量)が大きい運転時には、エンジン出力が目標出力よりも過大になるため、通常は、スロットル弁の開度を小さくして運転している。
このため、前記のようなスロットル弁の開度を小さくしての運転時には、該スロットル弁の通路が絞られていることによるポンプ損失が大きくなって、エンジンの熱効率が低下するという事態が発生する。
然るに、前記特許文献1(特開平10−131742号公報)にあっては、EGRシステムをそなえたガスエンジンにおいて、エンジンの負荷投入時の限界負荷率に達するまではEGRを停止し、前記限界負荷率を超える高負荷時においてEGR弁を開弁してEGRを行なうことによりノッキング限界を上昇させる手段が開示されているにとどまり、EGRを制御してエンジンの低負荷運転時や低温給気運転時における、エンジンのポンプ損失についてはまったく触れられていない。
本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、エンジンの低負荷運転時や低温給気下の運転時におけるスロットル弁の絞りに伴うエンジンのポンプ損失を低減し、該ポンプ損失による熱効率の低下を防止して、結果としてかかる運転時における熱効率を上昇し得るEGRシステム付きガスエンジンを提供することを目的とする。
本発明はかかる目的を達成するもので、燃料ガスと空気とをミキサーで混合し、この混合気をスロットル弁により開閉される給気通路を通してエンジンに供給して着火燃焼せしめるとともに、排気通路中の排気ガスから分流されたEGRガス(排気再循環ガス)をEGR弁により開閉されるEGR通路を通してエンジンに供給可能に構成されたガスエンジンの運転方法において、前記スロットル弁の開度を前記エンジンの運転特性により規定された基準開度よりも大きい過大開度に設定するとともに、該過大開度の期間中に前記EGR弁を開いてEGRガスを前記混合気とともにエンジンに供給することを特徴とする。
また、かかるガスエンジンの運転方法に用いる装置の発明は、燃料ガスと空気とをミキサーで混合し、この混合気をスロットル弁により開閉される給気通路を通してエンジンに供給して着火燃焼せしめるとともに、排気通路中の排気ガスから分流されたEGRガス(排気再循環ガス)をEGR弁により開閉されるEGR通路を通してエンジンに供給可能に構成されたEGRシステム付きガスエンジンにおいて、前記スロットル弁の開度を前記エンジンの運転特性により規定された基準開度よりも大きい過大開度に設定するスロットル弁開度設定手段と、該過大開度の期間中に前記EGR弁を開放するEGR弁開度設定手段とをそなえ、前記スロットル弁開度設定手段による過大開度設定期間中において前記EGR弁開度設定手段によりEGRガスを前記混合気とともに前記エンジンに供給せしめるように構成したことを特徴とする。
かかる発明において、好ましくは次の(1),(2)のように構成する。
(1)エンジンの負荷(エンジン負荷)を検出する負荷検出器を設け、前記エンジン負荷の検出値が一定負荷以下の低負荷運転時に、前記スロットル弁開度設定手段によりスロットル弁の開度を前記過大開度に設定するとともに、前記EGR弁開度設定手段によりEGR弁を開いてEGRガスをエンジンに供給する。
(2)エンジンの給気温度を検出する給気温度センサを設け、前記給気温度の検出値が一定温度以下の低温時に、前記スロットル弁開度設定手段によりスロットル弁の開度を前記過大開度に設定するとともに、前記EGR弁開度設定手段によりEGR弁を開いてEGRガスをエンジンに供給する。
かかる発明によれば、好ましくはエンジンの一定負荷以下の低負荷運転時、あるいは給気温度が一定温度以下の低温時に、スロットル弁開度設定手段によってスロットル弁の開度をエンジンの運転特性により規定された基準開度よりも大きい過大開度に設定するとともに、EGR弁開度設定手段によってEGR弁を開放して、EGRガスを混合気とともにエンジンに供給せしめるように構成したので、前記低負荷運転時あるいは給気温度の低温時においてエンジンが所定出力(目標出力)よりも過大な過大出力となっているとき、スロットル弁を基準開度よりも大きい過大開度に設定して実際の混合気量を規定混合気量よりも増加するとともに、EGR弁を開放してEGRガスを前記混合気と混合し、この混合給気をエンジンに供給することにより、スロットル弁開度を前記過大開度に設定した状態であっても、該給気中の新気(混合気)の割合をEGRガスによって小さくして燃焼を抑制できる。
これにより、前記低負荷運転時あるいは給気温度の低温時において、スロットル弁開度を前記過大開度に設定してもエンジン出力を所定出力(目標出力)に抑えて運転でき、従って前記低負荷運転時あるいは給気温度の低温時において、スロットル弁の通路が絞られていることによるポンプ損失を低減することが可能となり、該ポンプ損失によるエンジンの熱効率の低下を防止でき、結果としてかかる低負荷あるいは給気温度の低温運転時におけるエンジンの熱効率を上昇することができる。
また、前記低負荷運転時あるいは給気温度の低温時において、EGRガスを混合気と混合してなる混合給気をエンジンに供給するので、スロットル弁開度を過大開度に設定した状態での混合給気中のEGRガスの比率が大きくなってNOxの低減効果が向上する。
かかる発明において、具体的には次の(1),(2)のように構成するのが好ましい。
(1)前記EGR通路を前記給気通路の前記スロットル弁の下流部位に接続して、該スロットル弁を通った混合気に前記EGRガスを混合する。
スロットル弁下流にEGRガスを混合した場合、吸気側との圧力差が大きいためEGRガス量を十分確保できる。その結果、スロットル弁を過度な開度に設定でき、ポンプ損失を低減できる。
(2)前記EGR通路を前記ミキサーの上流側の空気通路に接続し、該空気通路中の空気に前記EGRガスを混合して前記ミキサーに導入する。
このように構成すれば、ミキサーの上流側で空気とEGRガスとを混合してから、ミキサーにてEGRガスが混合した空気と燃料ガスとを混合するので、EGRガスと燃料ガス−空気の混合気(新気)との混合時間を確保することが可能となり、給気の希薄化を促進できて、NOxの発生量を低減できる。
以上のように本発明によれば、エンジンの低負荷運転時あるいは給気温度の低温時において、新気とEGRとの混合給気をエンジンに供給することにより、スロットル弁開度を過大開度に設定した状態であっても、給気中の新気の割合をEGRガスによって小さくすることができて、エンジン出力を所定出力(目標出力)に抑えて運転でき、従って前記低負荷運転時あるいは給気温度の低温時において、スロットル弁の通路が絞られていることによるポンプ損失を低減することが可能となり、該ポンプ損失によるエンジンの熱効率の低下を防止でき、結果としてかかる低負荷あるいは給気温度の低温運転時におけるエンジンの熱効率を上昇することができる。
また、前記低負荷運転時あるいは給気温度の低温時において、EGRガスを混合気と混合してなる混合給気をエンジンに供給するので、スロットル弁開度を過大開度に設定した状態での混合給気中のEGRガスの比率が大きくなってNOxの低減効果が向上する。
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例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。
図1は本発明の第1実施例に係るEGRシステムを備えたガスエンジンの全体構成図である。
図1において、100はエンジン、101は該エンジンのシリンダ(この例では6シリンダ)、112はクランク軸、103は給気マニホールド、114は給気管、104は排気マニホールド、105は排気管である。111はエアクリーナ、113は燃料ガス供給管、110は前記燃料ガス供給管113からの燃料ガスをエアクリーナ111を経た空気と混合して希薄混合気を生成するミキサー、4は前記エンジン100に供給される前記希薄混合気の流量を調整するスロットル弁、41は該スロットル弁4を駆動するスロットル弁駆動装置である。
102は前記排気管105から分岐されて前記給気管114に接続され該排気管105を流れる排気ガスの一部(EGRガス)を給気管114に還流するEGR管である。該EGR管102は、前記給気管114の前記スロットル弁4の下流部位に接続して(8は給気管114とEGR管との合流部)、該スロットル弁4を通った混合気に前記EGRガスを混合するようになっている。
該EGR管102には前記EGRガスを冷却するEGRクーラ107、及び該EGRガスの流量を調整するEGR弁3が設置されている。31は該EGR弁3を駆動するEGR弁駆動装置である。
5は前記エンジン100の回転数(エンジン回転数)を検出するエンジン回転数検出器、6は前記エンジン100の負荷(エンジン負荷)を検出する負荷検出器、1は前記給気管114内における給気の温度を検出する給気温度センサである。
2はコントローラで、前記エンジン回転数検出器5からエンジン回転数の検出値、前記負荷検出器6からエンジン負荷の検出値、前記給気温度センサ1から給気温度の検出値が入力され、これらの検出値に基づき、後述する手段で前記スロットル弁4及びEGR弁3を開閉制御する。
かかる第1実施例において、燃料ガス供給管113を通して供給された燃料ガスは、ガスミキサー110においてエアクリーナ111を経た空気と混合されて希薄混合気となる。該希薄混合気からなる給気は給気管114を通り、前記スロットル弁4で流量制御される。
そして、前記コントローラ2の制御によって前記EGR弁3が開かれると、EGR管102を通ったEGRガスが希薄混合気からなる給気と混合され、EGRガスと希薄混合気との混合ガスからなる給気が、給気マニホールド103を経て各シリンダ101内に供給され、該シリンダ101内において前記EGRガス混入の混合気による低NOx燃焼が行われる。
かかる第1実施例においては、前記のように、該EGR管102を前記給気管114の前記スロットル弁4の下流部位に接続して、該スロットル弁4を通った混合気にEGRガスを混合するようになっており、スロットル弁下流にEGRガスを混合した場合、吸気側との圧力差が大きいためEGRガス量を十分確保できる。その結果、スロットル弁を過度な開度に設定でき、ポンプ損失を低減できる。
図2は本発明の第2実施例に係るEGRシステムを備えたガスエンジンの全体構成図である。
この第2実施例においては、前記EGR管102を前記ミキサー110の上流側の給気管(空気通路)114に接続し(7はEGR管102の接続部)、該給気管(空気通路)114中の空気に前記EGRガスを混合して前記ミキサー110に導入するように構成している。
その他の構成は図1に示す第1実施例と同様であり、これと同一の部材は同一の符号で示す。
かかる第2実施例によれば、ミキサー110の上流側で空気とEGRガスとを混合してから、該ミキサー110にてEGRガスが混合した空気と燃料ガスとを混合するので、EGRガスと燃料ガス−空気の混合気(新気)との混合時間を確保することが可能となり、給気の希薄化を促進できて、NOxの発生量を低減できる。
次に、前記第1実施例及び第2実施例におけるコントローラの制御動作について説明する。図3は前記第1実施例及び第2実施例におけるスロットル弁及びEGR弁の開度制御のブロック図である。
図3において、前記エンジン回転数検出器5からのエンジン回転数の検出値、前記負荷検出器6からのエンジン負荷の検出値、及び前記給気温度センサ1からの給気温度の検出値は、前記コントローラ2のEGR弁開度算出部21及びスロットル弁開度算出部23に入力される。
24はスロットル弁開度設定部で、図4に示すように、エンジンの一定負荷L1以下の低負荷運転域において、前記スロットル弁4の開度をエンジン100の運転特性により規定された基準開度S0よりもΔSだけ大きい過大開度S1に設定している。
あるいは、スロットル弁開度設定部においては、図5に示すように、前記給気温度が一定温度Ts0以下の低温運転域において、前記スロットル弁4の開度をエンジン100の運転特性により規定された基準開度S0よりも開度増加量ΔSだけ大きい過大開度S1に設定してもよい。
尚、前記スロットル弁4の開度を全運転域において全開とすることも可能である。
22はEGR弁開度設定部で、前記スロットル弁4の開度が前記過大開度S1にあるとき、前記EGR弁3を開くとともに、該EGR弁3の開度を、前記開度増加量ΔSに相当する混合気流量に対応する流量のEGRガスを前記給気中に供給可能な開度になるように設定している。
前記スロットル弁開度算出部23においては、前記負荷検出器6からのエンジン負荷の検出値が前記スロットル弁開度設定部24に設定された一定負荷L1以下のときは前記スロットル弁4の開度を基準開度S0よりも開度増加量ΔSだけ大きい過大開度S1に増大してスロットル弁駆動装置31に出力する。あるいは、前記給気温度センサ1からの給気温度の検出値が前記一定温度Ts0以下のとき前記スロットル弁4の開度を基準開度S0よりも開度増加量ΔSだけ大きい過大開度S1に増大して前記スロットル弁駆動装置31に出力してもよい。これにより、前記スロットル弁駆動装置31はスロットル弁4の開度を前記過大開度S1にシフトせしめる。
一方、前記EGR弁開度算出部21においては、前記負荷検出器6からのエンジン負荷の検出値が前記スロットル弁開度設定部24に設定された一定負荷L1以下となり、あるいは
給気温度の検出値が前記一定温度Ts0以下となって、前記スロットル弁4の開度を基準開度S0よりも開度増加量ΔSだけ大きい過大開度S1に増大したとき、EGR弁開度設定部22に設定されたEGR弁3の開度、即ち前記スロットル弁4の開度増加量ΔS相当の混合気流量に対応する流量のEGRガスを給気中に供給可能な開度、に該EGR弁3の開度を設定して、EGR弁駆動装置41に出力する。これにより、前記EGR弁駆動装置41は、EGR弁3の開度を前記EGR弁開度設定部22に設定された開度に保持せしめる。
前記以外の通常運転時には、前記エンジン回転数及びエンジン負荷の検出値に対応するスロットル弁開度及びEGR弁開度で以って運転される。
かかる第1,第2実施例によれば、エンジン100の一定負荷L1以下の低負荷運転時、あるいは給気温度が一定温度Ts0以下の低温時に、コントローラ2のスロットル弁開度算出部(スロットル弁開度設定手段)23によってスロットル弁4の開度をエンジンの運転特性により規定された基準開度S0よりも開度増加量ΔSだけ大きい過大開度S1に設定するとともに、EGR弁開度算出部(EGR弁開度設定手段)によってEGR弁3を開放してEGRガスを混合気とともにエンジン100に供給せしめるように構成したので、図6のように、前記低負荷運転時あるいは給気温度の低温時においてエンジンが所定出力(目標出力)よりも過大な過大出力(スロットル弁4の開度A1相当)となっているとき、スロットル弁4を基準開度A2よりも大きい過大開度A3あるいはA4に設定して実際の混合気量を規定混合気量よりも増加するとともに、EGR弁3を開放しEGRガスを前記混合気と混合してなる混合給気をエンジンに供給することにより、スロットル弁開度を前記過大開度に設定した状態であっても、該給気中の新気の割合をEGRガスによって小さくできる。
これにより、前記低負荷運転時あるいは給気温度の低温時において、スロットル弁4開度を前記過大開度に設定してもエンジン出力を所定出力(目標出力)に保持して運転でき、従って前記低負荷運転時あるいは給気温度の低温時において、スロットル弁4の通路が絞られていることによるポンプ損失を、図4の過大出力相当損失B1からB3あるいはB4のように低減することが可能となり、該ポンプ損失によるエンジンの熱効率の低下を防止でき、結果としてかかる低負荷あるいは給気温度の低温運転時におけるエンジンの熱効率を図4のC1からC3あるいはC4のように上昇することができる。
また、前記低負荷運転時あるいは給気温度の低温時において、EGRガスを混合気と混合してなる新気とEGRとの混合給気をエンジン100に供給するので、スロットル弁4開度を過大開度に設定した状態での混合給気中のEGRガスの比率が大きくなってNOxの低減効果が向上する。
本発明によれば、エンジンの低負荷運転時や低温給気下の運転時におけるスロットル弁の絞りに伴うエンジンのポンプ損失を低減可能となり、該ポンプ損失による熱効率の低下を防止でき、結果としてかかる運転時における熱効率を上昇し得るEGRシステム付きガスエンジンを提供できる。
本発明の第1実施例に係るEGRシステムを備えたガスエンジンの全体構成図である。 本発明の第2実施例を示す図1対応図である。 前記第1,第2実施例における制御ブロック図である。 前記第1,第2実施例における作用説明図(その1)である。 前記第1,第2実施例における作用説明図(その1)である。 前記第1,第2実施例における効果を示す線図である
符号の説明
1 給気温度センサ
2 コントローラ
3 EGR弁
4 スロットル弁
5 エンジン回転数検出器
6 負荷検出器
31 EGR弁駆動装置
41 スロットル弁駆動装置
100 エンジン
101 シリンダ
102 EGR管
103 給気マニホールド
104 排気マニホールド
105 排気管
113 燃料ガス供給管
114 給気管

Claims (8)

  1. 燃料ガスと空気とをミキサーで混合し、この混合気をスロットル弁により開閉される給気通路を通してエンジンに供給して着火燃焼せしめるとともに、排気通路中の排気ガスから分流されたEGRガス(排気再循環ガス)をEGR弁により開閉されるEGR通路を通してエンジンに供給可能に構成されたガスエンジンの運転方法において、前記スロットル弁の開度を前記エンジンの運転特性により規定された基準開度よりも大きい過大開度に設定するとともに、該過大開度の期間中に前記EGR弁を開いてEGRガスを前記混合気とともにエンジンに供給することを特徴とするEGRシステム付きガスエンジンの運転方法。
  2. 前記エンジンの一定負荷以下の低負荷運転時に、前記スロットル弁の開度を前記過大開度に設定するとともに、前記EGR弁を開いてEGRガスをエンジンに供給することを特徴とする請求項1記載のEGRシステム付きガスエンジンの運転方法。
  3. 前記エンジンの給気温度が一定温度以下の低温時に、前記スロットル弁の開度を前記過大開度に設定するとともに、前記EGR弁を開いてEGRガスをエンジンに供給することを特徴とする請求項1記載のEGRシステム付きガスエンジンの運転方法。
  4. 燃料ガスと空気とをミキサーで混合し、この混合気をスロットル弁により開閉される給気通路を通してエンジンに供給して着火燃焼せしめるとともに、排気通路中の排気ガスから分流されたEGRガス(排気再循環ガス)をEGR弁により開閉されるEGR通路を通してエンジンに供給可能に構成されたEGRシステム付きガスエンジンにおいて、前記スロットル弁の開度を前記エンジンの運転特性により規定された基準開度よりも大きい過大開度に設定するスロットル弁開度設定手段と、該過大開度の期間中に前記EGR弁を開放するEGR弁弁開度設定手段とをそなえ、前記スロットル弁開度設定手段による過大開度設定期間中において前記EGR弁開度設定手段によりEGRガスを前記混合気とともに前記エンジンに供給せしめるように構成したことを特徴とするEGRシステム付きガスエンジン。
  5. 前記エンジンの負荷(エンジン負荷)を検出する負荷検出器を設け、前記エンジン負荷の検出値が一定負荷以下のとき、前記スロットル弁開度設定手段によりスロットル弁の開度を前記過大開度に設定するとともに前記EGR弁開度設定手段によりEGR弁を開放するように構成したことを特徴とする請求項4記載のEGRシステム付きガスエンジン。
  6. 前記エンジンの給気温度を検出する給気温度センサを設け、前記給気温度の検出値が一定温度以下のとき、前記スロットル弁開度設定手段によりスロットル弁の開度を前記過大開度に設定するとともに前記EGR弁開度設定手段によりEGR弁を開放するように構成したことを特徴とする請求項4記載のEGRシステム付きガスエンジン。
  7. 前記EGR通路を前記給気通路の前記スロットル弁の下流部位に接続して、該スロットル弁を通った混合気に前記EGRガスを混合するように構成したことを特徴とする請求項4記載のEGRシステム付きガスエンジン。
  8. 前記EGR通路を前記ミキサーの上流側の空気通路に接続し、該空気通路中の空気に前記EGRガスを混合して前記ミキサーに導入するように構成したことを特徴とする請求項4記載のEGRシステム付きガスエンジン。
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