JP2013209951A - 原動機及びガスヒートポンプエアコン - Google Patents

Abstract

【課題】排気ガス処理装置を利用して、簡易にエンジンを適切に制御することができる原動機及びガスヒートポンプエアコンを提供する。
【解決手段】排気ガス処理装置４７の触媒５９の出口側温度である触媒温度Ｔを検出する触媒温度センサ７１を備え、エンジン制御部２５が、触媒温度Ｔが所定の設定温度Ｔ０を超えたときに、ガスエンジン１０に供給する燃料と空気の比をリッチ側に調整すると共に、この調整を行っても触媒温度センサ７１の検出温度に変化が現れない場合に、エンジン異常と判定するようにした。
【選択図】図２

Description

本発明は、エンジンの排気ガス経路に酸化触媒を有する排気ガス処理装置を備えた原動機及びガスヒートポンプエアコンに関する。

ガスヒートポンプエアコンには、排気ガス経路に触媒を有する排気ガス処理装置を備えたものがある（例えば、特許文献１参照）。この種の触媒は、酸化反応により臭気原因物質（ホルムアルデヒド）を酸化させ、排気ガスを脱臭することが可能である（例えば、特許文献２参照）。
また、ガスエンジンにおいては、窒素酸化物（ＮＯｘ）の規制やエンジン熱効率の最適化の観点から、適切な空燃比にすることが望まれる。適切な空燃比で運転するには、燃料供給部品のバラツキを抑えた機器設計・生産管理を行う方法や、エンジンの回転数変動を検出して燃料が希薄になったことを検知する方法や、空燃比を直接検出するＡ／Ｆ（ＡＩＲ ＢＹ ＦＵＥＬ）センサを利用する方法が一般的である。

特開２０１１−０３２９１７号公報 特開２０００−２８３４５３号公報

しかしながら、燃料供給部品のバラツキを抑える方法はコストや手間がかかってしまい、エンジンの回転数変動を検出する方法はエンジン本体のバラツキがあるため、全てのエンジンに適用することができない。また、Ａ／Ｆセンサを動作させるにはヒーターが必要であり、コストが高くなり、部品点数の低減の観点からも好ましくない。
一方、排気ガス処理装置を排気ガスの脱臭機能のために取り付けた場合、触媒の酸化反応は臭気原因物質に留まらず、排気ガス中の一酸化炭素や、エンジンで燃焼できなかった燃焼ガス（未燃焼ガス）でも生じるため、未燃焼ガスが多いと、このガスの酸化反応により高温を発し、排気ガスが温度上昇することが分かった。

この未燃焼ガスが増えるのは、燃料が希薄になった場合や、多気筒エンジンのいずれかの気筒が着火・燃焼しない場合（失火状態）であり、燃料が希薄になった場合は、空燃比が適正範囲から外れた場合に発生し、失火状態は、空燃比が適正範囲から外れた場合や（例えば、燃料過小）、点火系の部品が故障した場合に発生する。
そこで、発明者等は、排気ガス処理装置の構成を利用して、簡易にエンジンを適切に制御することができる原動機及びガスヒートポンプエアコンを提供することを目的としている。

上述した課題を解決するため、本発明は、エンジンの排気ガス経路に酸化触媒を有する排気ガス処理装置を備えた原動機において、前記酸化触媒の出口側の温度を検出する温度センサと、前記温度センサの検出温度が所定温度を超えたときに、前記エンジンに供給する燃料と空気の比をリッチ側に調整する調整手段と、この調整を行っても前記温度センサの検出温度に変化が現れない場合に、エンジン異常と判定する判定手段とを備えたことを特徴とする。

上記構成において、前記エンジン異常と判定した場合に、前記エンジンを非常停止する制御手段を備えるようにしても良い。
また、上記構成において、前記調整手段は、前記温度センサの検出温度が所定温度を超えている場合に、前記燃料と空気の比をリッチ側に調整する制御を時間間隔を空けて行い、前記判定手段は、前記制御を予め定めた回数行っても、前記温度センサの検出温度に変化が現れない場合に、エンジン異常と判定するようにしても良い。また、上記構成において、前記エンジンは多気筒エンジンでも良い。

また、本発明は、エンジンで圧縮機を駆動して空気調和すると共に、前記エンジンの排気ガス経路に酸化触媒を有する排気ガス処理装置を備えたガスヒートポンプエアコンにおいて、前記酸化触媒の出口側の温度を検出する温度センサと、前記温度センサの検出温度が所定温度を超えたときに、前記エンジンへの燃料の供給をリッチ側に調整する調整手段と、この調整を行っても前記温度センサの検出温度に変化が現れない場合に、エンジン異常と判定する判定手段とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、排気ガス処理装置の酸化触媒の出口側の温度が所定温度を超えたときに、前記エンジンに供給する燃料と空気の比をリッチ側に調整し、この調整を行っても前記温度センサの検出温度に変化が現れない場合に、エンジン異常と判定するので、排気ガス処理装置の構成を利用して、簡易にエンジンを適切に制御することができる。

本発明の実施形態に係るガスヒートポンプエアコンの構成を示す図である。 ガスエンジンを周辺構成と共に示す図である。 排気ガス処理装置の内部構成を示す図である。 触媒温度に基づくエンジン制御を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の一実施の形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るガスヒートポンプエアコン（ガスヒートポンプ（ＧＨＰ）式の空気調和装置とも称する）１００の構成を示す図である。
図１に示すガスヒートポンプエアコン（以下、空気調和装置と言う））１００は、室外に設置される室外ユニット１と、室内に設置される複数台（本実施形態では２台）の室内ユニット２，３とをユニット間配管４で接続して構成されている。
室外ユニット１には、ガス燃料（本実施形態では都市ガス）をエネルギー源に駆動するガスエンジン（原動機）１０と、ガスエンジン１０の動力で駆動される圧縮機１１と、冷媒の循環方向を変更させる四方弁１２と、冷媒の流量を調節する室外電動弁１３と、圧縮機１１で圧縮された冷媒を屋外の外気と熱交換させる室外熱交換器１４とアキュームレータ１５とが、冷媒配管で接続されて内蔵され、この冷媒配管は、手動バルブ２０及び２１を経由してユニット間配管４に接続されている。

また、室外ユニット１には、ガスエンジン１０を冷却する冷却水を循環させる冷却水ポンプ１７と、前記室外熱交換器１４に併設され、この冷却水の放熱を行うラジエータ１６とが冷却水配管で接続されて内蔵されている。
さらに、室外熱交換器１４へ送風を行う室外送風機１８が備えられ、エンジン１０と、四方弁１２と、室外電動弁１３と、冷却水ポンプ１７と、室外送風機１８とのそれぞれの制御装置のオンオフ等の制御、及び、ユニット間配線５を通じて室内ユニット２及び３への通信とを行う室外制御部１９を有している。

室内ユニット２及び３については、まず、室内ユニット２は、室内熱交換器３０と、室内電動弁３２とが冷媒配管で接続されて内蔵され、ユニット間配管４へ接続されており、この室内熱交換器３０に送風を行う室内送風機３１と、空調負荷を検出する室内温度センサ３３とが備えられ、室内制御部３４により、ユニット間配線５を通じての室外ユニット１への通信と、室内送風機３１の風量調節と、室内電動弁３２の弁開度調節とが行われている。
同様に、室内ユニット３は、室内熱交換器３５と、室内電動弁３７とが冷媒配管で接続されて内蔵され、ユニット間配管４へ接続されており、この室内熱交換器３５に送風を行う室内送風機３６と、空調負荷を検出する室内温度センサ３８とが備えられ、室内制御部３９により、ユニット間配線５を通じての室外ユニット１への通信と、室内送風機３６の風量調節と、室内電動弁３７の弁開度調節とが行われている。

この室外ユニット１に搭載されているガスエンジン１０の吸気から排気までを説明すると、図２を参照して、ガスエンジン１０は、ガス燃料と空気とを吸入し、混合させて、燃焼を行わせるが、一方のガス燃料は、現地に配設されている燃料配管より、燃料漏れなどの時、二重に遮断される燃料遮断弁４０と、ゼロガバナ４１とを経由し、燃料調整弁４２により、ガスエンジン１０の運転能力に応じて燃料供給量を調節されて供給され、他方の吸気口４３より吸入された空気は、エアクリーナ４４でろ過され、スロットル調整弁８０を通過して、上記ガス燃料と混合されて、エンジン１０へと吸入され、燃焼される。これらはガスエンジン１０の吸気経路を構成している。

燃焼された燃焼ガスは、排気ガスとして、排気枝管４６を経由して、排気ガス処理装置（排気ガス処理システム）４７へ入り、浄化と排熱温度の低下とが行われ、第１排気管４８を通じて、排気マフラ４９へ送られ、この排気マフラ４９にて消音されて、第２排気管５０を経由し、排気口５１より大気へ放出される。この時、大気にさらされ、冷却されている排気口５１では、排出される排気ガスが冷却され、結露する可能性があり、この結露した排気ガスのドレン水は酸性を帯びているため、そのまま機外へ排出されず、前記排気口５１の底部に接続されたドレン配管５２を経由して、ドレンフィルタ５３へ導かれて中和され、ドレン口５４より機外へ排水される。これらはガスエンジン１０の排気ガス経路（排気経路）を構成している。

このようにして、ガス燃料と空気を吸入し、ガスエンジン１０内部で燃焼させ、この燃焼により発生した駆動力をプーリ５５Ａ及び５５Ｂと、Ｖベルト５６とで、圧縮機１１へ伝達して空調運転を行っている。
図１及び図２中、符号２５は、ガスエンジン１０を制御するエンジン制御部である。このエンジン制御部２５は、室外制御部１９の一部を構成し、吸気経路に設けた不図示のバタフライ弁、燃料調整弁４２及び燃料遮断弁４０等を制御する。これによって、エンジン制御部２５は、ガスエンジン１０に供給されるガス燃料と空気の混合気を増減したり、ガス燃料と空気との混合比である空燃比を調整したり、燃料供給を遮断したりすることができる。なお、エンジン制御部２５は、ガスエンジン１０の点火制御等も行う。

図３は、排気ガス処理装置４７の内部構成を示している。
排気ガス処理装置４７は、外胴５７と内胴５８とからなる二重構造をした縦型の円筒形の本体となっており、その底面には、冷却水入口６２が設けられ、天面には冷却水出口６３が設けられて、外胴５７と、内胴５８との間を冷却水が流通して、この排気ガス処理装置４７を冷却し、内胴５８の上部側面からは、外胴５７を貫通して排気ガス入口６４が設けられ、内胴５８の前記排気ガス入口６４が設けられている曲面と対向する曲面の下部側面には、前記排気ガスの排気ガス出口６５が、外胴５７を貫通して設けられている。

また、この排気ガス処理装置４７には、本空気調和装置１００が停止し、前記排気ガス処理装置４７内に残留した排気ガスが冷却されて結露した場合のドレンを流出させるためのドレン流出口６７が、内胴５８の底面より、外胴５７を貫通して設けられおり、このドレン流出口６７から流出したドレン水は、図示はしていないが、図２に示すドレンフィルタ５３へ導かれるようになっている。
そして、内胴５８内の上部で、排気ガスの入口側には、円筒形状をした触媒５９が、その胴部の上下側面に、本発明による断面をＵの字型とした固定輪６１を固定されて取り付けられており、その触媒５９の下部には、排気ガス熱交換器６０が設けられ、エンジン１０からの排気ガスが、この排気ガス処理装置４７を通過することにより、触媒５９で浄化され、排気ガス熱交換器６０で熱回収されて、排気温度を低下させて排出される様になっている。
この触媒５９は、酸化触媒であり、排気ガス中の臭気原因物質（ホルムアルデヒド）を酸化させることにより、排気ガスの脱臭を行うものである。

ここで、触媒５９は酸化反応が多いほど高温になる。従って、空燃比やガスエンジン１０の運転状態に何ら不具合がない場合には、触媒５９の温度は所定の想定範囲内に収まる。
しかしながら、ガス燃料と空気の空燃比が適正範囲内からずれる等の事態が生じると、排気ガス中の未燃焼ガスが多くなることがあり、触媒５９の酸化反応量が増えて発熱量が多くなる。また、本実施形態のガスエンジン１０は多気筒エンジンであり、いずれかの気筒が着火・燃焼しない場合（失火状態）にも、排気ガス中の未燃焼ガスが多くなり、触媒５９の発熱量が多くなる。
発明者等は、上記のように、空燃比やガスエンジン１０の不具合が生じた場合に触媒５９の発熱量が多くなることに鑑み、触媒５９の温度（触媒温度）Ｔに基づいて、以下のエンジン制御を行うようにしている。

まず、この空気調和装置１００は、触媒温度Ｔを検出する触媒温度センサ（図参照）７１を備えている。この触媒温度センサ７１は、触媒５９に接触して触媒５９の温度を直接検出するものでも良いし、触媒５９を通過した排気ガスの温度を検出することによって触媒５９の温度を間接的に検出するものでも良い。要は触媒５９の温度に比例する温度を検出すれば良い。
本実施形態では、触媒温度センサ７１が、触媒５９と排気ガス熱交換器６０との間に空くスペースに設けられており、これによって、触媒５９と排気ガス熱交換器６０との間のデッドスペースを効率よく利用して触媒温度Ｔを精度良く検出することができる。

図４は、触媒温度Ｔに基づくエンジン制御を示すフローチャートである。
同図４に示すように、まず、エンジン制御部２５は、ガスエンジン１０が起動すると（ステップＳ１１）、変数Ｎを値０に設定し（ステップＳ１２）、触媒温度センサ７１により検出される触媒温度Ｔのモニターを開始する（ステップＳ１３）。この場合、エンジン制御部２５は、所定周期で触媒温度Ｔを取得し、触媒温度Ｔが予め定めた設定温度Ｔ０に超えているか否かを判定する（ステップＳ１４）。

この設定温度Ｔ０は、空燃比の調整を開始すべき下限温度（空燃比調整開始温度）に相当しており、より具体的には、空燃比のずれにより未燃焼ガスが増えて空燃比の補正が必要な下限温度に設定されている。この設定温度Ｔ０は、試験結果やシミュレーション結果に基づいて設定すればよく、本実施形態では６００℃に設定されている。
上記ステップＳ１４において、触媒温度Ｔが設定温度Ｔ０以下であれば（ステップＳ１４；ＮＯ）、エンジン制御部２５は、このステップＳ１４の判定処理を繰り返し実行し、触媒温度Ｔが設定温度Ｔ０以下か否かを継続して監視する。

一方、ステップＳ１４において、触媒温度Ｔが設定温度Ｔ０を超えている場合（ステップＳ１４；ＹＥＳ）、エンジン制御部２５は、空燃比をリッチ側に調整し、つまり、空気供給量を減らして燃料の比率が多くなるように調整する（ステップＳ１５）。そして、予め定めた待ち時間Ｗ１の経過を待って（ステップＳ１６）、エンジン制御部２５は、触媒温度Ｔが設定温度Ｔ０を超えているか否かを判定する（ステップＳ１７）。
ここで、待ち時間Ｗ１は、空燃比の調整によって、触媒温度Ｔが適正範囲（設定温度以下）に戻ったか否かを判定するための待ち時間であり、本実施形態では３０秒に設定されている。

ステップＳ１７において、触媒温度Ｔが設定温度Ｔ０未満であった場合（ステップＳ１７；ＮＯ）、エンジン制御部２５は、変数Ｎを値０にリセットし（ステップＳ１８）、ステップＳ１４の処理へ移行して触媒温度Ｔのモニターを継続する。つまり、空燃比をリッチ側に調整したことによって、触媒温度Ｔが設定温度Ｔ０未満に下がれば、空燃比が適正範囲に調整されたと判断できるため触媒温度Ｔのモニター処理に戻る。
一方、触媒温度Ｔが設定温度Ｔ０を超えている場合（ステップＳ１７；ＮＯ）、エンジン制御部２５は、変数Ｎを値１だけインクリメントし（ステップＳ１９）。変数Ｎが予め設定した最大値Ｎｍａｘ（本実施形態では値５）未満の場合に（ステップＳ２０；ＮＯ）、ステップＳ１５の処理へ移行する。これにより、触媒温度Ｔが設定温度Ｔ０を超えている場合は、更に空燃比がリッチ側に調整されるようになっている。

このようにして触媒温度Ｔが設定温度Ｔ０を超えている状態が継続すれば、空燃比をリッチ側に調整する制御が時間間隔を空けて繰り返し実行される。そして、この制御の回数と一致する値Ｎが最大値ＭＡＸに達した場合（ステップＳ２０；ＹＥＳ）、燃料系若しくは点火系に異常があると判定できるため、エンジン制御部２５は、エンジン異常時の処理を実行する（ステップＳ２１）。
このステップＳ２１の処理としては、エンジン制御部２５の制御の下、ガスエンジン１０を非常停止する処理と、不図示の警報手段を介して、触媒反応異常のコードを発報する等の警報処理とが実行される。
このように、本実施形態では、何らかの原因で空燃比が適正範囲からリーン側にずれた場合には、上記ステップＳ１５の処理によって、空燃比を適正範囲に改善し、適正な運転に復帰することが可能である。しかも、ガスエンジン１０が着火・燃焼しない等の燃料系や点火系の異常時には、上記ステップＳ１５の処理を所定回数繰り返しても適正な運転に復帰しない場合にエンジン異常と判定して、異常に合わせたエンジン停止処理等を実行することが可能である。

以上説明したように、本実施の空気調和装置１００によれば、排気ガス処理装置４７の触媒５９の出口側温度である触媒温度Ｔを検出する触媒温度センサ７１を備え、エンジン制御部２５が、ガスエンジン１０を制御する制御手段の機能に加えて、触媒温度Ｔが所定の設定温度Ｔ０を超えたときに、ガスエンジン１０に供給する燃料と空気の比をリッチ側に調整する調整手段、及び、この調整を行っても触媒温度センサ７１の検出温度に変化が現れない場合に、エンジン異常と判定する判定手段として機能するので、空燃比の補正やガスエンジン１０の非常停止といった制御を適正に行うことができる。従って、排気ガス処理装置４７を利用して、簡易にガスエンジン１０を適切に制御することが可能である。

また、エンジン制御部２５は、エンジン異常と判定した場合にガスエンジン１０を非常停止するので、エンジン異常のまま運転を継続してしまう事態を回避することができる。
また、エンジン制御部２５は、触媒温度Ｔが設定温度Ｔ０を超えている場合に、燃料と空気の比をリッチ側に調整する制御を時間間隔を空けて行い、この制御を予め定めた回数行っても触媒温度Ｔに変化が現れない場合に、エンジン異常と判定するので、エンジン異常か否かを精度良く判定することが可能である。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、種々の変更実施が可能である。例えば、ガス燃料は都市ガス、液化石油ガス（ＬＰＧ）等を広く適用できる。また、ガスヒートポンプエアコンに本発明を適用する場合について説明したが、ガス燃料で作動する他の原動機、或いは、ガス以外の燃料を燃焼するエンジンを備え、このエンジンへの燃料の供給量を調整する調整弁を備えた原動機に本発明を適用することも可能である。

１ 室外ユニット
２，３ 室内ユニット
１０ ガスエンジン（多気筒エンジン）
２５ エンジン制御部（調整手段、判定手段、制御手段）
４７ 排気ガス処理装置
５９ 触媒
７１ 触媒温度センサ
１００ ガスヒートポンプエアコン（ガスヒートポンプ式の空気調和装置）

Claims (5)

1. エンジンの排気ガス経路に酸化触媒を有する排気ガス処理装置を備えた原動機において、
   前記酸化触媒の出口側の温度を検出する温度センサと、
   前記温度センサの検出温度が所定温度を超えたときに、前記エンジンに供給する燃料と空気の比をリッチ側に調整する調整手段と、
   この調整を行っても前記温度センサの検出温度に変化が現れない場合に、エンジン異常と判定する判定手段と
   を備えたことを特徴とする原動機。
2. 前記エンジン異常と判定した場合に、前記エンジンを非常停止する制御手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の原動機。
3. 前記調整手段は、前記温度センサの検出温度が所定温度を超えている場合に、前記燃料と空気の比をリッチ側に調整する制御を時間間隔を空けて行い、
   前記判定手段は、前記制御を予め定めた回数行っても、前記温度センサの検出温度に変化が現れない場合に、エンジン異常と判定することを特徴とする請求項１又は２に記載の原動機。
4. 前記エンジンは多気筒エンジンであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の原動機。
5. エンジンで圧縮機を駆動して空気調和すると共に、前記エンジンの排気ガス経路に酸化触媒を有する排気ガス処理装置を備えたガスヒートポンプエアコンにおいて、
   前記酸化触媒の出口側の温度を検出する温度センサと、
   前記温度センサの検出温度が所定温度を超えたときに、前記エンジンへの燃料の供給をリッチ側に調整する調整手段と、
   この調整を行っても前記温度センサの検出温度に変化が現れない場合に、エンジン異常と判定する判定手段と
   を備えたことを特徴とするガスヒートポンプエアコン。

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