JP2008002272A - 内燃機関及び制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＮＯｘセンサのドリフトの問題を解消して、ＮＯｘセンサの出力に基づいて運転制御を行うことを可能ならしめる様な内燃機関及びその運転制御方法の提供。
【解決手段】 排気系（８）に介装された窒素酸化物センサ（９）と、該窒素酸化物センサ（９）の出力に基いて燃料供給量又は空気比を制御する制御信号を発生する制御手段（１０）とを備え、該制御手段（１０）は、窒素酸化物センサ（９）の較正が完了した後に窒素酸化物センサ（９）の出力に基いて燃料供給量又は空気比を制御する様に構成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば定置式ガスエンジンの様な内燃機関とその運転制御方法に関する。

従来は、図７で示す様にガスエンジン１Ｊにおいて、排気系８に介装した酸素センサ９０により排気中の酸素濃度を計測し、係る酸素濃度に基づいて、燃料ガス供給ライン３に介装した流量調整弁Ｖ１の弁開度及び／又は燃料ガスのバイパス管３３に介装したバイパス弁Ｖ２の弁開度を調整することで燃焼の制御を行っていた（例えば、特許文献１参照）。

ここで、燃料ガスの組成が変化して、その熱量が変動した場合には、ガスエンジンの様な内燃機関の出力を低下すること無く、且つ、排気ガスの窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度を規制値以下となる様に運転制御することは、従来の酸素センサ９０による制御では困難である。
これに対して、窒素酸化物センサ（ＮＯｘセンサ）を用いて排気ガス中の窒素酸化物濃度（ＮＯｘ濃度）を計測し、計測されたＮＯｘ濃度に基づいてフィードバック制御或いはフィードフォワード制御を行うことが出来れば、燃料ガスの組成が変化して、その熱量が変動した場合にも対処できることが予想される。

しかし、ＮＯｘセンサを用いて、フィードフォワード制御、フィードバック制御をする技術は、従来、存在しない。

また、ＮＯｘセンサを使用した計測を行った場合には、ＮＯｘセンサによる計測結果の基準値或いはゼロ点がずれてしまう現象（ドリフト）が発生することが知られている。

係るドリフトの問題を解消しない限り、ＮＯｘセンサを用いて内燃機関の出力を低下させずに、ＮＯｘ濃度を規制値以下に抑える運転制御を行うことは不可能である。
特開２００２−２２１０９９号公報

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、ＮＯｘセンサのドリフトの問題を解消して、ＮＯｘセンサの出力に基いて運転制御を行うことを可能ならしめる様な内燃機関及びその運転制御方法を提供することを目的としている。

本発明の内燃機関（例えば定置式のガスエンジン１）は、排気系（８）に介装された窒素酸化物センサ（ＮＯｘセンサ９）と、該窒素酸化物センサ（９）の出力に基いて燃料供給量又は空気比を制御する制御信号（定置式のガスエンジンであれば、例えば、燃料供給ライン３に介装された燃料流量調整弁Ｖ１の弁開度及び／又はバイパス弁Ｖ２の弁開度を制御する制御信号）を発生する制御手段（１０）とを備え、該制御手段（１０）は、窒素酸化物センサ（９）の較正が完了した後に窒素酸化物センサ（９）の出力に基いて燃料供給量又は空気比を制御する様に構成されていることを特徴としている（請求項１）。

係る較正を具備する本発明によれば、窒素酸化物センサ（９）により排気ガス中の窒素酸化物濃度を計測し、係る濃度に基いて運転制御を行うので、燃料ガスの組成及び／又はその熱量が変動した場合でも、窒素酸化物濃度規制値をクリアしつつ、ガスエンジン（１）の出力を低下させないように制御することが出来る。
そして本発明では、係る制御を行う以前の段階で、窒素酸化物センサ（９）の較正を完了する様に構成されているので、ＮＯｘセンサ（９）のドリフトにより、制御に悪影響が生じる恐れが未然に防止されるのである。

ここで、窒素酸化物センサ（９）の較正が完了した後に窒素酸化物センサ（９）の出力に基いて燃料供給量又は空気比を制御する様に構成する態様としては、例えばＮＯｘセンサ（９）を内燃機関（１）の排気系（８）に介装する以前の段階で、内燃機関（１）の運転制御に与える影響が無視できる程度までドリフトが小さくなるのに十分な時間だけ、排ガスと同程度の高温に晒すことが好ましい。

或いは、前記制御手段（１０）は、窒素酸化物センサ（９）の出力に基いて燃料供給量又は空気比を制御する以前の段階では（ＮＯｘセンサ９を使用してから直ぐの期間：図３では「始動時」と表記）には内燃機関（１）は燃焼させず、内燃機関始動用モータで内燃機関（１）を作動して、窒素酸化物を含有しない空気或いは混合気を排気系に供給する運転（モータリング運転）を行い、当該運転を窒素酸化物センサ（９）の較正が完了するまで行う様に構成されているのが好ましい（請求項２）。

内燃機関（１）は燃焼させず、内燃機関始動用モータで内燃機関を作動して、窒素酸化物を含有しない空気或いは混合気を排気系（８）に供給することにより、排気系（８）に介装されたＮＯｘセンサ（９）はＮＯｘ濃度がゼロの気体に晒された環境下に置かれる。その様な環境下にＮＯｘセンサ（９）を置くことにより、必要な構成が為されるのである。

ここで、窒素酸化物センサ（９）の較正が完了したか否かの判断は、上述した様な運転（モータリング運転）の累積時間に基いて行っても良いし（図３：請求項５）、或いは、ＮＯｘセンサ（９）の出力信号をモニタして、当該出力信号の変動量が小さくなったか否かにより判断しても良い（図４：請求項６）。

すなわち、本発明の内燃機関の運転制御方法は、内燃機関（１）を燃焼させずに、内燃機関始動用モータで内燃機関（１）を作動して、窒素酸化物を含有しない空気或いは混合気を排気系に供給する運転（モータリング運転）を行う工程（Ｓ１２）と、前記運転（モータリング運転）の累積時間が窒素酸化物センサ（９）の較正が完了するのに十分な時間であるか否かを判定する工程（Ｓ１４）と、前記運転（モータリング運転）が窒素酸化物センサ（９）の較正が完了するのに十分な時間だけ行われた後に、窒素酸化物センサ（９）の出力に基いて燃料供給量又は空気比を制御する工程（Ｓ３、Ｓ４）、とを含むことを特徴としている（請求項５）。

或いは、本発明の内燃機関の運転制御方法は、内燃機関（１）を燃焼させずに、内燃機関始動用モータで内燃機関（１）を作動して、窒素酸化物を含有しない空気或いは混合気を排気系に供給する運転（モータリング運転）を行う工程（Ｓ２２）と、窒素酸化物の出力信号を読み込む工程（Ｓ２３）と、窒素酸化物の出力信号が安定しているか否かを判定する工程（Ｓ２４）と、窒素酸化物の出力信号が安定した後に、窒素酸化物センサの出力に基いて燃料供給量又は空気比を制御する工程（Ｓ３、Ｓ４）、とを含むことを特徴としている（請求項６）。

或いは、前記制御手段（１０）は、窒素酸化物センサ（９）の出力に基づいて燃料供給量又は空気比を制御する以前の段階では（ＮＯｘセンサ９を使用してから直ぐの期間：図３では「始動時」と表記）、窒素酸化物センサ（９）の出力に基く制御を行わずに運転し、係る運転を内燃機関の運転制御に与える影響が無視できる程度まで窒素酸化物センサ（９）のドリフトが小さくなるまで行う様に構成されているのが好ましい（請求項３）。

そして、本発明の内燃機関の運転制御方法は、窒素酸化物センサ（９）のドリフトが内燃機関（１）の運転制御に与える影響が無視できる程度まで小さくなるまで、窒素酸化物センサ（９）の出力に基く制御を行わずに運転する工程（Ｓ３２）と、該工程の後、窒素酸化物センサ（９）の出力に基いて燃料供給量又は空気比を制御する運転を行う工程（Ｓ３、Ｓ４）、とを含むことを特徴としている（請求項７）。

窒素酸化物は高温の排気ガスに晒すことによりドリフトか減少する。そして、ドリフトが十分に小さくなってから、窒素酸化物センサ（９）の出力に基いて燃料供給量又は空気比を制御する運転を開始するのである。

また、本発明において、排気系（８）を分岐してサンプリングライン（８１）を形成し、該サンプリングライン（８１）には、窒素ガスセンサ（９）と、その上流側の脱水手段（８２）とが介装されているのが好ましい（請求項４）。

その様に構成すれば、ＮＯｘセンサ（９）のドリフトを促進してしまう作用を奏する水分を排気ガスから除去して、ＮＯｘセンサ（９）のドリフトを抑制すると共に、計測値が水分により誤差を生じることを防止することが出来る。

本発明の作用効果を以下に列記する。
（１） 窒素酸化物センサにより排気ガス中の窒素酸化物濃度を計測し、係る濃度に基いて運転制御を行うので、燃料ガスの組成及び／又はその熱量が変動した場合でも、窒素酸化物濃度規制値をクリアしつつ、内燃機関の出力を低下させないように制御することが出来る。
そして、係る制御を行う以前の段階で、窒素酸化物センサの較正を完了する様に構成されているので、窒素酸化物センサのドリフトにより、制御に悪影響が生じる恐れが未然に防止される。
（２） 内燃機関は燃焼させず、内燃機関始動用モータで内燃機関を作動して、窒素酸化物を含有しない空気或いは混合気を排気系に供給することにより、排気系に介装されたＮＯｘセンサはＮＯｘ濃度がゼロの気体に晒された環境下にＮＯｘセンサを置くことにより、常に正確なＮＯｘ濃度が得られ、制御も正確に行うことが出来る。
（３） 窒素酸化物を高温の排気ガスに所定時間以上晒すことによりドリフトか減少して正確なＮＯｘ濃度が得られ、制御も正確に行うことが出来る。
（４） 排気系を分岐してサンプリングラインを形成し、該サンプリングラインに、窒素ガスセンサと、その上流側の脱水手段とを介装しているので、ＮＯｘのドリフトを促進してしまう作用を奏する水分を排気ガスから除去して、ＮＯｘセンサのドリフトを抑制すると共に、計測値が水分により誤差を生じることを防止することが出来る。

添付図を参照して、本発明の実施形態について説明する。
先ず図１、図２を参照して、本発明が実施されるガスエンジンと、その運転制御（通常の運転時の制御）について説明する。
図１のブロック図において、当該ガスエンジン１において、空気供給ライン２から供給される空気は、燃料ガス供給ライン３から供給される燃料ガスとミキサ４において合流・混合されて吸気管５から吸気ポート６に吸気される。

前記燃料ガス供給ライン３には上流側から順に、ガス圧力調整のためのガバナ３１と燃料流量調整弁Ｖ１とを介装している。また、燃料ガス供給ライン３の前記ガバナ３１と前記燃料流量調整弁Ｖ１の間の領域では、バイパス弁Ｖ２を介装した分岐管３３が分岐しており、該分岐管３３は前記吸気管５に連通している。
前記燃料流量調整弁Ｖ１と前記バイパス弁Ｖ２は後述するコントロールユニット１０によって弁開度が制御される。

一方、ガスエンジン１の排気管８にはＮＯｘセンサ９が介装されており、排ガス中のＮＯｘ濃度を計測するように構成されている。コントロールユニット１０は、信号ラインＬｉを介して受信した排ガスのＮＯｘ濃度情報に基いて、当該濃度が規制値未満となり、且つ、ガスエンジン１の出力が低下しないように、燃料供給量或いは空燃比（又は空気比）を調整するべく前記燃料流量調整弁Ｖ１と前記バイパス弁３４とに信号ラインＬｏを介して制御信号を発信する。

すなわち、燃料供給量或いは空燃比（又は空気比）の調整は、燃料供給ライン３のガバナ３１下流に介装された燃料流量調整弁Ｖ１の弁開度及び／又はバイパス弁Ｖ２の弁開度を制御することにより行われる。

以下、図１及び図２のフローチャートを参照して本実施形態のガスエンジン１の通常の運転制御方法について説明する。

先ず、コントロールユニット１０は、排気管に介装されたＮＯｘセンサの出力を読み込み（ステップＳ１）、ＮＯｘ排出量が最適値か否かを判断し（ステップＳ２）、最適値であれば（ステップＳ２のＹＥＳ）、ステップ３に進み、例えば所定値よりＮＯｘの値が大きく最適値でなければ（ステップＳ２のＮＯ）、ステップＳ４に進む。

ステップＳ３では、ガス燃料の量及び／又は空気比を現状通り維持（燃料流量調整弁Ｖ１の開度をそのまま維持）した後ステップＳ５に進む。一方、ステップＳ４では、例えば図示しないマップによってＮＯｘの値が適正値となるような燃料流量調整弁Ｖ１及び／又はバイパス弁Ｖ２の開度を求め、そのように燃料流量調整弁Ｖ１及び／又はバイパス弁Ｖ２の開度を制御するために信号ラインＬｏを介して燃料流量調整弁Ｖ１及び／又はバイパス弁Ｖ２に制御信号を発信して、ステップＳ５に進む。

ステップＳ５では、コントロールユニット１０は、制御を終了するか否かを判断して、終了するのであれば（ステップＳ５のＹＥＳ）、そのまま終了し、まだ終了しないのであれば（ステップＳ５のＮＯ）、再びステップＳ１以降を繰り返す。

ＮＯｘの規制値は変化しないので、燃料ガスの組成が変わらないのであれば、ＮＯｘセンサ９を使用する必要が無い（従来通り、酸素センサで排気ガスの酸素濃度を計測し、それにより運転制御を行えば良い）。
しかし、上述した通り燃料ガスの組成が変化して、その熱量が変動した場合には、従来の酸素センサによる制御では対応できない。
これに対して、ＮＯｘセンサを用いた図１、図２のガスエンジンの運転制御技術であれば、燃料ガスの組成及び／又はその熱量が変動した場合でも、ＮＯｘの規制値をクリアしつつ、ガスエンジンの出力を低下させないようにすることが出来る。

ここで、ＮＯｘセンサ９を使用して排気中のＮＯｘ排出量を求めるためには、ＮＯｘセンサのドリフト（基準値或いはゼロ点がずれてしまうこと）という問題を解消する必要がある。換言すれば、ＮＯｘセンサ９の較正（キャリブレーション）が必要である。
図３〜図５で示す実施形態においては、その様な較正（キャリブレーション）を行うための技術を開示する。

ＮＯｘセンサを使用するに際して、使用してから直ぐの期間、すなわち始動時にはエンジンでは燃焼せず、図示しないモータでエンジンを回転するのみにして、ＮＯｘゼロの空気或いは混合気を排気系のＮＯｘセンサ９に送る（モータリング運転）ことを行い、ＮＯｘゼロのガスにＮＯｘセンサ９を晒すことにより、ＮＯｘセンサ９の較正を行う。
換言すれば、ＮＯｘセンサ９の較正が十分に行われるだけの長時間のモータリング運転を行う第１実施形態が図３のフローチャートで示される制御方法である。

この第１実施形態に係るガスエンジンの構成は図１と同様である。
以下、図３を参照して、第１実施形態を説明する。

コントロールユニット１０は常にエンジンが始動時であるか否かを判断しており、始動時であれば（ステップ１１のＹＥＳ）、モータリングを開始するとともに、モータリングにどれ程の時間が経過しているかを診るため、タイマー計測を開始する（ステップＳ１２）。そして、ＮＯｘセンサ９の較正を始める（ステップＳ１３）。

コントロールユニット１０は、ＮＯｘセンサ９の較正に必要な時間が経過したか否かを判断し（ステップＳ１４）、較正に必要な時間が経過した場合に（ステップＳ１４のＹＥＳ）、次のステップＳ１５に進む。

ＮＯｘの較正が終わり（ＮＯｘセンサ９のゼロ点調整が終わり）、タイマー計測も終了させ（ステップＳ１５）、図２の制御シーケンスへ移動する（ステップＳ１６）。

次に図４の第２実施形態について、
この実施形態も第１実施形態と同様に、モータリング運転を行うことによりＮＯｘセンサの較正を行う実施形態である。
第２実施形態に係るガスエンジンの構成も、図１と同様である。

但し、第１実施形態では、較正が完了したか否かをモータリング運転時間で判断したのに対して、図４の第２実施形態では、ＮＯｘセンサ９の出力が安定したか否かにより、較正が完了したか否かを判定する。
モータリング運転の最中であってもＮＯｘセンサ９は出力信号を発生しており、当該出力信号が安定したか否かを、例えば出力信号の振幅等により判定する。
以下、図４を参照して、第２実施形態を説明する。

コントロールユニット１０は常にエンジンが始動時であるか否かを判断しており、始動時であれば（ステップ２１のＹＥＳ）、モータリングを開始する（ステップＳ２２）。そしてＮＯｘセンサ９の計測結果を読込む（ステップＳ２３）。次にコントロールユニット１０は、ＮＯｘセンサ９の出力が安定するまで監視しており（ステップＳ２４〜ステップＳ２３のループ）、安定すると（ステップＳ２４のＹＥＳ）、ＮＯｘセンサのゼロ点調整（較正）を行い（ステップＳ２５）、図２の制御シーケンスへ移動する（ステップＳ２６）。

第１実施形態及び第２実施形態では、ＮＯｘセンサ９のドリフトに対処するため、排気系にＮＯｘセンサ９を改装したガスエンジン１（図１参照）に対して、上述した様な特別な運転制御を行っている。
しかし、ガスエンジンに介装される以前の段階で、ＮＯｘセンサ９を処理することによっても、ドリフトに対処することが出来る。
すなわち、ＮＯｘセンサ９を排ガスと同程度の高温に晒すことにより（エージング）、ＮＯｘセンサ９のドリフトは小さくなる。従って、エンジン１の運転制御に与える影響が無視できる程度までドリフトが小さくなる様に、ＮＯｘセンサ９のエージングを十分に行い、当該ＮＯｘセンサ９をガスエンジン１の排気系８に介装することが可能である。

これと同様に、ＮＯｘセンサ９を排気系８に介装したガスエンジン１を運転していると、排気に晒されたＮＯｘセンサ９はエージングを行った場合と同様に、ドリフトが小さくなる。
従って、エージング処理を行わないＮＯｘセンサ９（例えば、新品のＮＯｘセンサ）を使用する場合であっても、所定の運転時間経過後であれば、最適のＮＯｘ濃度を維持するような運転制御が可能である。

図５で示す第３実施形態は、その様な技術を示している。
すなわち、図１及び図２を参照して説明した運転制御を行うこと無く、図１で示す様な構成のガスエンジン１を運転し、相当時間（２０００時間程度）の運転が終了した後、ＮＯｘセンサ９の調整（ゼロ点調整）を行う。その後、図１及び図２を参照して説明した運転制御を開始する。
以下、図５を参照して、第３実施形態を説明する。

コントロールユニット１０は、エンジン１が作動しているか否かを判断しており、作動していない場合（ステップＳ３１のＮＯ）は、タイマーを切り、ステップＳ３１を繰り返す。エンジン１が作動しておれば（ステップＳ３１のＹＥＳ）、タイマーをＯＮにし、エンジン作動時間の累積値を計測し始める（ステップＳ３２）。

次にコントロールユニット１０は、エンジン作動の累積時間が所定値を超えているか否かを判断し（ステップＳ３４）、超えていなければ（ステップＳ３４のＮＯ）、ステップＳ３１から繰返し、超えていれば（ステップＳ３４のＹＥＳ）、ステップＳ３５に進む。

ステップＳ３５では、ＮＯｘセンサ９のゼロ点調整を行い、図２の制御シーケンスに移る（ステップＳ３６）。

図６は本発明の第４実施形態を示す。
排ガス中の水分は、ＮＯｘセンサのドリフトを促進してしまう作用がある。
つまり、ＮＯｘセンサの計測値が、排ガス中の水分により、不正確となってしまう。
第４実施形態は、ＮＯｘを計測する対象である排気ガスから水分を除去して、ＮＯｘセンサのドリフトを抑制すると共に、計測値が水分により誤差を生じることを防止する実施形態である。
以下、図６を参照して、第４実施形態を説明する。

図６の第４実施形態は図１〜図５の第１から第３実施形態のシステム構成に対して以下の点が異なる。
すなわち、排気管８を途中で分岐し、その分岐した分岐管８１に乾燥剤を充填させた乾燥器８２を介装し、その乾燥器８２中に分岐した排気ガスを通過させて排気ガス中に含まれる水分を除去した排ガスを乾燥器８２の下流側に介装したＮＯｘセンサ９に通したことのみ異なる。

図示の実施形態はあくまでも例示であり、本発明の技術範囲を限定する趣旨ではない旨を付記する。

本発明の実施形態の全体構成を示すブロック図。 本発明の実施形態において燃料量及び／又は空気比を制御する基本制御方法を示すフローチャート。 本発明の第１実施形態の制御方法を示すフローチャート。 本発明の第２実施形態の制御方法を示すフローチャート。 本発明の第３実施形態の制御方法を示すフローチャート。 本発明の第４実施形態の全体構成を示すブロック図。 従来技術のガスエンジンの全体構成を示すブロック図。

符号の説明

１・・・ガスエンジン
２・・・空気供給ライン
３・・・燃料ガス供給ライン
４・・・ミキサ
５・・・吸気管
６・・・吸気ポート
８・・・排気管
９・・・ＮＯ_ｘセンサ
１０・・・コントロールユニット
３１・・・ガバナ
３３・・・分岐管
８１・・・分岐管
８２・・・乾燥器
Ｖ１・・・燃料流量調整弁
Ｖ２・・・バイパス弁

Claims (7)

1. 排気系に介装された窒素酸化物センサと、該窒素酸化物センサの出力に基いて燃料供給量又は空気比を制御する制御信号を発生する制御手段とを備え、該制御手段は、窒素酸化物センサの較正が完了した後に窒素酸化物センサの出力に基いて燃料供給量又は空気比を制御する様に構成されていることを特徴とする内燃機関。
2. 前記制御手段は、窒素酸化物センサの出力に基いて燃料供給量又は空気比を制御する以前の段階では、内燃機関は燃焼させず、内燃機関始動用モータで内燃機関を作動して、窒素酸化物を含有しない空気或いは混合気を排気系に供給する運転を行い、当該運転を窒素酸化物センサの較正が完了するまで行う様に構成されている請求項１の内燃機関。
3. 前記制御手段は、窒素酸化物センサの出力に基いて燃料供給量又は空気比を制御する以前の段階では、窒素酸化物センサの出力に基く制御を行わずに運転し、係る運転を内燃機関の運転制御に与える影響が無視できる程度まで窒素酸化物センサのドリフトが小さくなるまで行う様に構成されている請求項１の内燃機関。
4. 当該内燃機関の排気系は、排気系を分岐してサンプリングラインを形成し、該サンプリングラインには、窒素ガスセンサと、その上流側の脱水手段とが介装されている請求項１〜３の何れか１項の内燃機関。
5. 内燃機関を燃焼せずに、内燃機関始動用モータで内燃機関を作動して、窒素酸化物を含有しない空気或いは混合気を排気系に供給する運転を行う工程と、前記運転の累積時間が窒素酸化物センサの較正が完了するのに十分な時間であるか否かを判定する工程と、前記運転が窒素酸化物センサの較正が完了するのに十分な時間だけ行われた後に、窒素酸化物センサの出力に基いて燃料供給量又は空気比を制御する工程、とを含むことを特徴とする内燃機関の運転制御方法。
6. 内燃機関を燃焼せずに、内燃機関始動用モータで内燃機関を作動して、窒素酸化物を含有しない空気或いは混合気を排気系に供給する運転を行う工程と、窒素酸化物の出力信号を読み込む工程と、窒素酸化物の出力信号が安定しているか否かを判定する工程と、窒素酸化物の出力信号が安定した後に、窒素酸化物センサの出力に基いて燃料供給量又は空気比を制御する工程、とを含むことを特徴とする内燃機関の運転制御方法。
7. 窒素酸化物センサのドリフトが内燃機関の運転制御に与える影響が無視できる程度まで小さくなるまで、窒素酸化物センサの出力に基く制御を行わずに運転する工程と、該工程の後、窒素酸化物センサの出力に基いて燃料供給量又は空気比を制御する運転を行う工程、とを含むことを特徴とする内燃機関の運転制御方法。

Images