JP2011163133A - 複式燃料ディーゼルエンジン適正燃焼制御方式 - Google Patents

Abstract

【課題】ガス燃料の組成の変化によらず燃焼の安定化を図れエンジン出力を安定して得る上で有利な複式燃料ディーゼルエンジン適正燃焼制御方式を提供する。
【解決手段】エンジン本体１２の目標出力Ｐおよび検出された回転数Ｒに対応するガス燃料の供給量ｇと空気の供給量ａと液体燃料の供給量ｆとを含む燃焼パラメータは、ガス組成検出手段２０によって検出されたガス燃料のガス組成に対応して燃料パラメータ決定手段２６によって決定される。燃焼パラメータ決定手段２６で決定された液体燃料の供給量に基づいて液体燃料Ｆの供給量と、空気の供給量ａと、ガス燃料の供給量ｇとが燃焼制御手段４０によって制御され、これにより、エンジン本体１２で燃焼がなされる。この結果、エンジン本体１２から安定した目標出力Ｐが取り出される。
【選択図】図１

Description

本発明は、液体燃料とガス燃料を併用する複式燃料ディーゼルエンジン適正燃焼制御方式に関する。

従来から液体燃料とガス燃料を併用する複式燃料ディーゼルエンジン適正燃焼制御方式が提案されている（特許文献１乃至３参照）。
この種の複式燃料ディーゼルエンジン適正燃焼制御方式では、自己着火性のよい液体燃料がパイロット燃料、排ガスのきれいなガス燃料が配合比の多い主燃料とされる。
また、地球温暖化の原因となる炭酸ガスの増加に影響しないエネルギ源としてバイオマスガスの活用が期待され、バイオマスガスを複式燃料ディーゼルエンジン適正燃焼制御方式のガス燃料として用いることも提案されている（特許文献４参照）。

特開昭６２−５８０３１号公報 実公平３−５５８１０号公報 特開平７−１１９８３号公報 特開２００７−２１１７６４号公報

ところで、ガス燃料としてバイオマスガスを用いる場合、バイオマスガスの組成、言い換えると、バイオマスガスを構成する複数の成分の比率が時間経過と共に変化することが多い。
したがって、このように組成が時間経過と共に変化するようなガス燃料を用いて複式燃料ディーゼルエンジン適正燃焼制御方式を動作させると、燃焼の安定化、ひいてはエンジン出力を安定して取り出す上で不利がある。
また、木質バイオマスガス、エタノールガス、植物油脂ガス、都市ガスなどの異なる組成を有する複数種類のガス燃料を切り替えて複式燃料ディーゼルエンジン適正燃焼制御方式に供給させることが考えられる。
この場合は、ガス燃料を構成する複数の成分の種類およびそれら成分の比率がガス燃料ごとに大きく異なるため、やはり燃焼の安定化、ひいてはエンジン出力を安定して取り出す上で不利がある。
本発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、その目的は、ガス燃料の組成の変化によらず燃焼の安定化を図れエンジン出力を安定して得る上で有利な複式燃料ディーゼルエンジン適正燃焼制御方式を提供することにある。

上述の目的を達成するため、本発明は、液体燃料をエンジン本体に供給する液体燃料供給手段と、空気を前記エンジン本体に供給する空気供給手段と、前記空気供給手段に設けられた混合器にガス燃料を供給することで前記混合器によって前記空気と混合された前記ガス燃料を前記エンジン本体に供給するガス燃料供給手段とを備える複式燃料ディーゼルエンジン適正燃焼制御方式であって、前記エンジン本体に供給される前記ガス燃料を構成する複数の成分と各成分の比率を示すガス組成を検出するガス組成検出手段と、前記エンジン本体の回転数を検出する回転数検出手段と、目標出力および前記検出された回転数に対応する前記ガス燃料の供給量と前記空気の供給量と前記液体燃料の供給量とを含む燃焼パラメータを、前記ガス組成検出手段によって検出された前記ガス組成に対応して決定する燃焼パラメータ決定手段と、前記決定された前記燃焼パラメータに基づいて前記液体燃料供給手段によって供給される前記液体燃料の供給量と、前記空気供給手段によって供給される空気の供給量と、前記ガス燃料供給手段によって供給される前記ガス燃料の供給量を制御する燃焼制御手段とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、エンジンの目標出力および検出された回転数に対応するガス燃料の供給量と空気の供給量と液体燃料の供給量とを含む燃焼パラメータを、検出されたガス燃料のガス組成に対応して決定するようにした。
したがって、ガス燃料の組成の変化によらず燃焼の安定化を図れエンジン出力を安定して得る上で有利となる。

本発明の実施の形態に係る複式燃料ディーゼルエンジン適正燃焼制御方式１０の構成を示す説明図である。 本発明の実施の形態に係る複式燃料ディーゼルエンジン適正燃焼制御方式１０の機能ブロック図である。 燃料調整マップＭの概念を説明する説明図である。 ガス燃料の組成内容に対応して複数個用意されマップ手段２４に格納された燃料調整マップＭの概念を説明する説明図である。

次に本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１に示すように、複式燃料ディーゼルエンジン適正燃焼制御方式１０は、液体燃料とガス燃料を併用するものである。
液体燃料は、パイロット燃料として自己着火性のよいものが使用される。
本実施の形態では、液体燃料として軽油、廃食油を用いるが、液体燃料として従来公知のさまざまな液体燃料が採用可能である。
ガス燃料（本発明でガス燃料とは、ガス燃料とミスト燃料を含む）としては、配合比の多い主燃料として排ガスのきれいなものが使用される。
本実施の形態では、ガス燃料としては、木材から生成される木質バイオマスガス、植物や食物の残渣を発酵させることで生成されるエタノールガスおよびエタノールミスト、植物油脂から生成される植物油脂ガス、都市ガスなど従来公知のさまざまなガス燃料が採用可能である。

複式燃料ディーゼルエンジン適正燃焼制御方式１０は、液体燃料およびガス燃料が空気に混合された混合ガスを燃焼させることにより回転エネルギーを取り出すエンジン本体１２を含んで構成されている。
エンジン本体１２における混合ガスの燃焼は、例えば、エンジン本体１２の燃焼室の空気が圧縮された状態でパイロット燃料としての液体燃料が自己着火し、これにより主燃料としてのガス燃料が燃焼することでなされる。
なお、エンジン本体１２の構造自体は従来公知であるため説明を省略する。
なお、図中符号３８はエンジン本体１２から排出される排気ガスに含まれる残存酸素量を検出する排気ガス残存酸素検出手段を示す。排気ガス残存酸素検出手段としては、排気ガス残存酸素測定センサなど従来公知のさまざまなセンサが採用可能である。

図２に示すように、複式燃料ディーゼルエンジン適正燃焼制御方式１０は、機能的には、液体燃料供給手段１４と、空気供給手段１６と、ガス燃料供給手段１８と、ガス組成検出手段２０と、回転数検出手段２２と、マップ手段２４と、燃焼パラメータ決定手段２６と、液体燃料制御手段２８と、空気制御手段３０と、ガス燃料制御手段３２とを含んで構成されている。

液体燃料供給手段１４は、液体燃料をエンジン本体１２に供給するものである。
本実施の形態では、図１に示すように、液体燃料供給手段１４は、燃料タンク１４０２と、燃料噴射ポンプ１４０４と、燃料噴射弁１４０６と、噴射量制御装置（ガバナー）１４０８と、アクチュエーター１４１０とを含んで構成されている。
燃料タンク１４０２は、液体燃料を貯えるものである。
燃料噴射ポンプ１４０４は、燃料タンク１４０２の液体燃料を燃料噴射弁１４０６に供給するものである。
燃料噴射弁１４０６は、エンジン本体１２に設けられ燃焼室に液体燃料を噴射するものである。
噴射量制御装置１４０８は、後述するＰＬＣ３６によって制御されるアクチュエーター１４１０によって駆動されるものであり、燃料噴射ポンプ１４０４から燃料噴射弁１４０６を介して噴射される液体燃料の噴射量を調整するものである。

空気供給手段１６は、図１に示すように、空気をエンジン本体１２に供給するものである。
本実施の形態では、空気供給手段１６は、吸気流路１６０２と、エアクリーナ１６０４と、スロットル弁１６０６と、吸気流量調節器１６０８と、過給器１６１０とを含んで構成されている。
吸気流路１６０２は、エンジン本体１２に空気を導く経路を構成するものである。
エアクリーナ１６０４は、吸気流路１６０２の上流端に設けられ、エンジン本体１２に供給する空気から塵埃を除去するものである。
スロットル弁１６０６は、吸気流路１６０２のうちエアクリーナ１６０４の下流側に設けられ、吸気流路１６０２を通過する空気の供給量（吸気量）を調整するものである。
吸気流量調節器１６０８は、ＰＬＣ３６の制御により、スロットル弁１６０６の開度を調整するものである。
過給器１６１０は、吸気流路１６０２のうちスロットル弁１６０６の下流側に設けられ吸気路の空気に圧力を加えてエンジン本体１２に供給するものである。
また、吸気流路１６０２のうちスロットル弁１６０６と過給器１６１０との間の箇所には、後述する混合器１８１２が設けられている。

ガス燃料供給手段１８は、図１に示すように、ガス燃料供給流路１８０２と、ガス燃料供給源１８０４と、遮断弁１８０６と、ガス流量調節弁１８０８と、ガス流量調節器１８１０と、混合器１８１２とを含んで構成されている。
ガス燃料供給流路１８０２は、エンジン本体１２にガス燃料を導く経路を構成するものである。
ガス燃料供給源１８０４は、ガス燃料供給流路１８０２の上流端に設けられガス燃料を発生させ、ガス燃料をガス燃料供給流路１８０２に供給するものである。
本実施の形態では、ガス燃料供給源１８０４はバイオマスガスを発生させるバイオマスガス発生ホルダーとして構成されている。
遮断弁１８０６は、ガス燃料供給流路１８０２のうちガス燃料供給源１８０４の下流側に設けられ、必要に応じてガス燃料供給流路１８０２を遮断するものであり、通常は開放されている。
ガス流量調節弁１８０８は、ガス燃料供給流路１８０２のうち遮断弁１８０６の下流側に設けられ、ガス燃料供給流路１８０２を通過するガス燃料の供給量（流量）を調整するものである。
ガス流量調節器１８１０は、ＰＬＣ３６の制御により、ガス流量調節弁１８０８の開度を調整するものである。
混合器１８１２は、ガス燃料供給流路１８０２のうちガス流量調節弁１８０８の下流側に接続され、ガス燃料供給流路１８０２によって導かれたガス燃料を吸気流路１６０２の空気と混合させたのち、エンジン本体１２に供給するものである。
このような混合器１８１２として従来公知のさまざまな構造の混合器１８１２が採用可能である。
本実施の形態では、吸気流路１６０２のうち混合器１８１２とエンジン本体１２との間を接続する部分と、ガス燃料供給流路１８０２のうち混合器１８１２とエンジン本体１２との間を接続する部分とが共通となっている。

ガス組成検出手段２０は、エンジン本体１２に供給されるガス燃料を構成する複数の成分と各成分の比率を示すガス組成を検出するものである。
本実施の形態では、ガス組成検出手段２０は、ガス燃料供給流路１８０２のうち遮断弁１８０６とガス流量調節弁１８０８との間の箇所に設けられたバイオマスガス組成測定センサ２００２で構成されている。
このようなガス組成検出手段２０として従来公知のさまざまなガス組成検出センサが採用可能である。

回転数検出手段２２は、エンジン本体１２の回転数を検出するものである。
本実施の形態では、回転数検出手段２２は、従来公知の回転速度センサ２２０２で構成されている。

図１に示すように、複式燃料ディーゼルエンジン適正燃焼制御方式１０は、さらに、ＥＣＵ(Electronic Control Unit：電子制御ユニット)３４と、ＰＬＣ（Programmable Logic Controller：プログラマブルロジックコントローラ）３６とを備えている。
ＥＣＵ３４およびＰＬＣ３６は、複式燃料ディーゼルエンジン適正燃焼制御方式１０の制御を行う電子制御ユニットである。
ＥＣＵ３４は、ＣＰＵ、制御プログラムおよび各種データなどを格納するＲＯＭ、ワーキングエリアを提供するＲＡＭ、周辺回路とのインタフェースをとるインタフェース部などがバスによって接続されたマイクロコンピュータによって構成されている。そして、前記ＣＰＵが制御プログラムを実行することにより機能する。
本実施の形態では、ＥＣＵ３４の入力側には、バイオマスガス組成測定センサ２００２、回転速度センサ２２０２、排気ガス残存酸素検出手段３８が接続され、これら各センサ２００２、２２０２、３８の検出結果がＥＣＵ３４に供給される。

ＰＬＣ３６は、ＥＣＵ３４と同様にマイクロコンピュータによって構成され、ＥＣＵ３４の制御に基づいて動作するものである。
本実施の形態では、ＰＬＣ３６の出力側には、アクチュエーター１４１０、吸気流量調節器１６０８、ガス流量調節器１８１０が接続され、ＰＬＣ３６によりアクチュエーター１４１０、吸気流量調節器１６０８、ガス流量調節器１８１０の動作が制御される。

本実施の形態では、ＥＣＵ３４が前記の制御プログラムによって動作してＰＬＣ３６を制御することにより、マップ手段２４と、燃焼パラメータ決定手段２６と、液体燃料制御手段２８と、空気制御手段３０と、ガス燃料制御手段３２とが実現されている。
なお、本実施の形態では、ＥＣＵ３４およびＰＬＣ３６によって各手段２４、２６、２８、３０、３２が実現される場合について説明するが、これら各手段を単一または複数ののマイクロコンピュータで実現するなど構成は任意である。

マップ手段２４は、図３に示す燃料調整マップＭを複数個格納するものであり、本実施の形態では、マップ手段２４は、ＥＣＵ３４のメモリ（ＲＯＭ）によって構成されている。
燃料調整マップＭは、回転速度センサ２２０２によって検出された回転数Ｒおよびエンジン本体１２の目標出力Ｐに対応するガス燃料の供給量ｇと空気の供給量ａと液体燃料の供給量ｆとを格納するものである。
したがって、回転数Ｒと目標出力Ｐとが特定されると、この目標出力Ｐを実現するために必要なガス燃料の供給量ｇと空気の供給量ａと液体燃料の供給量ｆとが決定されることになる。これらガス燃料の供給量ｇと空気の供給量ａと液体燃料の供給量ｆとを含んで燃焼パラメータが構成される。
この燃料調整マップＭは、ガス燃料を構成する複数の成分と各成分の比率とによってそれぞれ異なるものとなる。

図４を用いて燃料調整マップＭについて具体的に説明する。
ガス燃料を構成する成分が３つの成分Ａ，Ｂ，Ｃである場合について考える。
ここで、ガス組成検出手段２０によって検出された燃料ガスのガス組成を示すガス組成データＤｇ１が、成分Ａの比率がａ１、成分Ｂの比率がｂ１、成分Ｃの比率がｃ１であるとする。
この場合には、このガス組成データＤｇ１に対応する燃料調整マップＭ１が作成される。
同様に、ガス組成検出手段２０によって検出された燃料ガスのガス組成データＤｇ２が、成分Ａの比率がａ２、成分Ｂの比率がｂ２、成分Ｃの比率がｃ２であるとする。
この場合には、このガス組成データＤｇ２に対応する燃料調整マップＭ２が作成される。
以下同様に、ガス組成検出手段２０によって検出された燃料ガスのガス組成データＤｇｎが、成分Ａの比率がａｎ、成分Ｂの比率がｂｎ、成分Ｃの比率がｃｎであるとする。
この場合には、このガス組成データＤｇｎに対応する燃料調整マップＭｎが作成される。
すなわち、ガス組成データＤｇ１，Ｄｇ２，Ｄｇ３、……、Ｄｇｎのそれぞれに対応して燃料調整マップＭ１、Ｍ２，Ｍ３，……、Ｍｎが作成される。
すなわち、本実施の形態では、図２に示すように、ガス燃料の複数の成分と各成分の比率とを示すガス組成データに対応した複数の燃料調整マップＭを予め作成しておき、それら複数の燃料調整マップＭをマップ手段２４に格納している。
なお、本実施の形態では、ガス燃料を構成する成分が３つの成分Ａ，Ｂ，Ｃである場合について説明したが、ガス燃料を構成する成分が２つの成分、あるいは、４つ以上の成分である場合であっても燃料調整マップＭを作成できることは無論である。

燃焼パラメータ決定手段２６は、ガス組成検出手段２０によって検出されたガス組成データに対応する燃料調整マップＭをマップ手段２４から決定すると共に、決定されたマップ手段２４から目標出力Ｐおよび検出された回転数Ｒに対応する燃焼パラメータ（ガス燃料の供給量ｇ、空気の供給量ａ、液体燃料の供給量ｆ）を決定するものである。

なお、上述のように決定された燃焼パラメータに対して、排気ガス残存酸素検出手段３８で検出される残存酸素量が予め定められた値となるようなフィードバック制御を行う空燃比制御手段を設けてもよい。
このような制御を行うことにおりエンジン本体１２で燃焼される混合ガスの残存酸素量、言い換えると、空燃比を所望の状態とすることで、例えば、排気ガスに含まれる有害物質の低減を図る上で有利となる。

液体燃料制御手段２８は、燃焼パラメータ決定手段２６で決定された液体燃料の供給量に基づいて液体燃料供給手段１４によって供給される液体燃料の供給量を制御するものである。
具体的には、ＥＣＵ３４はＰＬＣ３６、アクチュエーター１４１０を介して、噴射量制御装置１４０８を制御することにより、燃料噴射弁１４０６からエンジン本体１２に噴射される液体燃料の噴射量を調整する。

空気制御手段３０は、燃焼パラメータ決定手段２６で決定された空気の供給量に基づいて空気供給手段１６によって供給される空気の供給量を制御するものである。
具体的には、ＥＣＵ３４はＰＬＣ３６、吸気流量調節器１６０８を介してスロットル弁１６０６の開度を制御することにより、エンジン本体１２に供給される空気の吸気量を調整する。

ガス燃料制御手段３２は、燃焼パラメータ決定手段２６で決定されたガス燃料の供給量に基づいてガス燃料供給手段１８によって供給されるガス燃料の供給量を制御するものである。
具体的には、ＥＣＵ３４はＰＬＣ３６、ガス流量調節器１８１０を介してガス流量調節弁１８０８の開度を制御することにより、エンジン本体１２に供給されるガス燃料の流量を制御する。

すなわち、本実施の形態では、液体燃料制御手段２８と、空気制御手段３０と、ガス燃料制御手段３２とによって燃焼制御手段４０が構成されている。
燃焼制御手段４０は、燃焼パラメータ決定手段２６で決定された燃焼パラメータに基づいて液体燃料供給手段１４によって供給される液体燃料Ｆの供給量と、空気供給手段１６によって供給される空気の供給量ａと、ガス燃料供給手段１８によって供給されるガス燃料の供給量ｇを制御するものである。

本実施の形態の複式燃料ディーゼルエンジン適正燃焼制御方式１０によれば、エンジン本体１２の目標出力Ｐおよび検出された回転数Ｒに対応するガス燃料の供給量ｇと空気の供給量ａと液体燃料の供給量ｆとを含む燃焼パラメータは、ガス組成検出手段２０によって検出されたガス燃料のガス組成に対応して燃料パラメータ決定手段２６によって決定される。
燃焼パラメータ決定手段２６で決定された液体燃料の供給量に基づいて液体燃料Ｆの供給量と、空気の供給量ａと、ガス燃料の供給量ｇとが燃焼制御手段４０によって制御され、これにより、エンジン本体１２で燃焼がなされる。
この結果、エンジン本体１２から安定した目標出力Ｐが取り出される。
したがって、ガス燃料の組成の変化によらず、燃焼の安定化を図れエンジン出力を安定して得ることができる。
特に、時間経過と共にガス組成が変化するバイオマスガスなどのようなガス燃料を用いる場合に、複式燃料ディーゼルエンジン適正燃焼制御方式１０のエンジン出力を安定して取り出す上で有利となり、バイオマスガスなどの利用価値を高める上で有利となる。
また、木質バイオマスガス、エタノールガス、植物油脂ガス、都市ガスなどの異なる組成を有する複数種類のガス燃料を切り替えて使用する場合に、複式燃料ディーゼルエンジン適正燃焼制御方式１０のエンジン出力を安定して取り出す上で有利となり、使用するガス燃料の自由度を高める上で有利となる。

１０……複式燃料ディーゼルエンジン適正燃焼制御方式
１４……液体燃料供給手段
１６……空気供給手段
１８……ガス燃料供給手段
２０……ガス組成検出手段
２２……回転数検出手段
２６……燃焼パラメータ決定手段
４０……燃焼制御手段
Ｐ……目標出力
Ｒ……検出された回転数
ｇ……ガス燃料の供給
ａ……空気の供給量
ｆ……液体燃料の供給量

Claims (6)

1. 液体燃料をエンジン本体に供給する液体燃料供給手段と、
   空気を前記エンジン本体に供給する空気供給手段と、
   前記空気供給手段に設けられた混合器にガス燃料を供給することで前記混合器によって前記空気と混合された前記ガス燃料を前記エンジン本体に供給するガス燃料供給手段とを備える複式燃料ディーゼルエンジン適正燃焼制御方式であって、
   前記エンジン本体に供給される前記ガス燃料を構成する複数の成分と各成分の比率を示すガス組成を検出するガス組成検出手段と、
   前記エンジン本体の回転数を検出する回転数検出手段と、
   目標出力および前記検出された回転数に対応する前記ガス燃料の供給量と前記空気の供給量と前記液体燃料の供給量とを含む燃焼パラメータを、前記ガス組成検出手段によって検出された前記ガス組成に対応して決定する燃焼パラメータ決定手段と、
   前記決定された前記燃焼パラメータに基づいて前記液体燃料供給手段によって供給される前記液体燃料の供給量と、前記空気供給手段によって供給される空気の供給量と、前記ガス燃料供給手段によって供給される前記ガス燃料の供給量を制御する燃焼制御手段と、
   を備えることを特徴とする複式燃料ディーゼルエンジン適正燃焼制御方式。
2. 前記検出された回転数および前記エンジン本体の目標出力に対応する前記ガス燃料の供給量と前記空気の供給量と前記液体燃料の供給量とを格納する燃料調整マップを前記ガス燃料の組成内容に対応して複数個格納するマップ手段が設けられ、
   前記燃焼パラメータ決定手段による前記燃焼パラメータの決定は、
   前記ガス組成検出手段によって検出された前記ガス組成に対応する前記燃料調整マップを前記マップ手段から決定すると共に、前記決定されたマップ手段から前記目標出力および前記検出された回転数に対応する前記ガス燃料の供給量と前記空気の供給量と前記液体燃料の供給量とを決定することで行われる、
   ことを特徴とする請求項１記載の複式燃料ディーゼルエンジン適正燃焼制御方式。
3. 前記空気供給手段は前記エンジン本体に供給する空気から塵埃を除去するエアクリーナを有する、
   ことを特徴とする請求項１または２記載の複式燃料ディーゼルエンジン適正燃焼制御方式。
4. 前記空気供給手段は空気に圧力を加えて前記エンジン本体に供給する過給器を有する、
   ことを特徴とする請求項１乃至３に何れか１項記載の複式燃料ディーゼルエンジン適正燃焼制御方式。
5. 前記ガス燃料はバイオマスガスを含む、
   ことを特徴とする請求項１乃至４に何れか１項記載の複式燃料ディーゼルエンジン適正燃焼制御方式。
6. 前記液体燃料は軽油または廃食油である、
   ことを特徴とする請求項１乃至５に何れか１項記載の複式燃料ディーゼルエンジン適正燃焼制御方式。

Images