JP2014062509A

JP2014062509A - 内燃機関

Info

Publication number: JP2014062509A
Application number: JP2012208629A
Authority: JP
Inventors: Toru Nakazono; 徹中園; Abu Raihan Khandoker; カンドカーアブライハン; Hiroyuki Okada; 寛行岡田
Original assignee: Yanmar Co Ltd
Current assignee: Yanmar Co Ltd
Priority date: 2012-09-21
Filing date: 2012-09-21
Publication date: 2014-04-10
Also published as: WO2014045880A1

Abstract

【課題】高出力高回転で運転している状況で非常停止した場合のように触媒が高温になった状況からエンジンを再起動させる場合に、触媒の劣化を検出したり、触媒の劣化を防止したりすることができる内燃機関を提供する。
【解決手段】酸化能力を有する三元触媒２を備えたガスエンジン１において、三元触媒２の後流にサーミスタ２１が設けられ、ガスエンジン１の非常停止後の再起動において、三元触媒２の酸化反応温度に相当する温度がサーミスタ２１によって一定時間以上計測されることにより、三元触媒２の劣化を検知する制御部１０を具備するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、酸化能力を有する排気浄化触媒を備えた内燃機関において、触媒の劣化を防止することができる内燃機関に関するものである。

一般に、酸化能力を有する排気浄化触媒として、例えば酸素吸蔵触媒や三元触媒が知られている。このような触媒は、空燃比がストイキからリッチ側にずれた場合には、自身が吸蔵している酸素を気相に放出し、リーン側にずれた場合には、気相中の酸素を取り込んで吸蔵することで、排気ガスの浄化能力を発揮する。したがって、空燃比がリッチ側にずれたり、リーン側にずれたりしすぎると、触媒中の酸素蓄積量が枯渇したり飽和したりすることとなって浄化能力が低下してしまうこととなる。

そこで、触媒中の酸素蓄積量が枯渇した場合に、燃料を噴射するなどしてＨＣを供給して触媒を還元することが行われている。

このような触媒の再生制御中にエンジンが停止すると、熱を持ち去っていた排気が無くなってしまうため、触媒に残留するＨＣが酸化して昇温し、触媒の温度が一気に上昇して、触媒が熱劣化してしまうことが懸念される。

そのため、従来より、このような触媒の再生制御中にエンジンのイグニッションスイッチがオフになった場合に、触媒が所定温度以下になるまでエンジンの運転を継続する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−２７４９１２号公報

しかし、上記従来の技術は、エンジン停止前のことしか考慮されていない。例えば、エンジンを高出力高回転で運転している状況で非常停止したような場合、触媒は高温になっている。このような状況で十分に触媒の温度が低下しないうちにエンジンを再起動させてエンジンの起動に失敗してしまったような場合、未燃焼燃料が触媒に流れ込んで酸化され、高温になり、触媒が熱劣化することが懸念される。

本発明は、係る実情に鑑みてなされたものであって、高出力高回転で運転している状況で非常停止した場合のように触媒が高温になった状況からエンジンを再起動させる場合に、触媒の劣化を検出したり、触媒の劣化を防止したりすることができる内燃機関を提供することを目的としている。

上記課題を解決するための本発明に係る内燃機関は、酸化能力を有する排気浄化触媒を備えた内燃機関において、触媒の後流にサーミスタが設けられ、内燃機関の非常停止後の再起動において、触媒の酸化反応温度に相当する温度がサーミスタによって一定時間以上計測されることにより、触媒の劣化を検知する制御部を具備するものである。

上記内燃機関において、制御部は、内燃機関における最適燃焼状態での触媒の温度よりも所定温度高い温度を計測することで、触媒の酸化反応温度に相当する温度を検出するものであってもよい。

上記内燃機関において、制御部は、触媒の劣化を検知した場合に触媒劣化を通報する通報手段を有するものであってもよい。

上記内燃機関において、制御部は、検知した時間を積算し、積算値が所定時間を超えた場合に触媒の交換を通報する通報手段を有するものであってもよい。

上記課題を解決するための本発明の内燃機関は、酸化能力を有する排気浄化触媒を備えた内燃機関において、触媒の後流にサーミスタが設けられ、内燃機関の非常停止後の再起動時において、サーミスタによって計測される温度が、触媒の酸化反応温度に相当するか否かを検知し、酸化反応温度相当であった場合に、内燃機関における最適燃焼状態での触媒の温度からの隔離幅に応じてＡ／Ｆバルブの開度を設定値よりも小さくして再起動するようになされた制御部を具備するものである。

本発明によると、触媒の劣化を検出でき、劣化による触媒の交換時期も分かることができる。

また、再起動時の触媒の劣化を防止することができる。

本発明に係る内燃機関の全体の構成の概略を示す概略図である。図１に示す内燃機関の三元触媒付近の構成を示す概略図である。非常停止から再起動させる場合における、機関回転数および触媒温度の経時的変化を示すグラフである。非常停止から一回再起動に失敗し、二回目の再起動で再起動させた場合における、機関回転数および触媒温度の経時的変化を示すグラフである。図４の二回目再起動を行う際の触媒出口温度と空気過剰率との関係および、Ａ／Ｆバルブ開度と空気過剰率との関係を示すグラフである。

以下、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は本発明に係るガスエンジン１の全体構成の概略を示し、図２は同ガスエンジン１の三元触媒２付近の構成を示し、図３および図４は、非常停止後から再起動するまでの間の、機関回転数および三元触媒２の各部温度の経時的変化を示している。

このガスエンジン１は、三元触媒２の排気後流にサーミスタ２１が設けられ、ガスエンジン１の非常停止後の再起動において、三元触媒２の酸化反応温度に相当する温度Ｔがサーミスタ２１によって一定時間以上計測されることにより、触媒の劣化を検知する制御部１０を具備している。

ガスエンジン１は、吸気経路１１ａにターボチャージャ１２のコンプレッサ１２ａが設けられており、Ａ／Ｆバルブ１３を介してミキサー１４で空気と混合された燃料ガスは、コンプレッサ１２ａで過給され、インタークーラ１５、スロットルバルブ１６を介してシリンダヘッド１７の吸気口１７ａへと導入される。シリンダヘッド１７の排気口１７ｂから排気経路１１ｂへ排出された排気ガスは、ターボチャージャ１２のタービン１２ｂを経て三元触媒２を通過して排気される。

三元触媒２は、図２に示すように、排気経路１１ｂに設けられた浄化装置２０内に担持されるように設けられている。この三元触媒２の後流側には、サーミスタ２１が設けられており、三元触媒２を通過直後の排気ガスの温度Ｔを測定することができるようになされている。

サーミスタ２１によって測定された温度Ｔは、制御部１０に入力され、制御部１０は、この温度Ｔの情報を基に三元触媒２の温度を予測し、当該三元触媒２の劣化を検出したり、劣化を防止したりできるように制御される。

次に、この制御部１０による劣化検出の制御について説明する。

例えば、ガスエンジン１が高出力高回転で駆動していた状況で、非常停止命令を受けた場合、ガスエンジン１が停止されるが、あらかじめ設定された時間（例えば5分）が経過しなければ、再起動が行われない。

図３に示すように、所定時間経過後、ガスエンジン１は再起動されるが、高出力高回転で三元触媒２が高温になっていたため、三元触媒２の温度が十分に低下しない状況での再起動となる。この再起動の際、排気中の未燃焼燃料ガスが高温の三元触媒２に接触して酸化反応を起こし、三元触媒２の温度が上昇することが懸念される。しかし、一回で起動した場合には、三元触媒２に流入する未燃焼燃料ガスも少量ですむため、起動後に一時的に三元触媒２内の温度が上昇する程度で、三元触媒２の劣化を招くほどの温度上昇には至らない。三元触媒2内の温度上昇も、触媒入口部、触媒中間部、触媒出口部の何れも大きな温度差を生じることは無い。

したがって、サーミスタ２１によって測定している三元触媒２を通過後の排気ガスの温度Ｔは、三元触媒２の一時的な温度上昇に遅れて一時的に上昇する程度となる（図３Ｔａ部参照）。そのため、制御部１０は、サーミスタ２１によって測定された排気ガスの温度Ｔのうち、Ｔａ部の温度上昇具合から、最適燃焼状態で再起動が行われたものと判断して三元触媒２の劣化を検出しない。

次に、図４に示すように、非常停止命令を受けてガスエンジン１を停止し、所定時間経過後に再起動させた際、一回目の再起動に失敗し、二回目の再起動でガスエンジン１が再起動したような場合、上記と同様に高出力高回転で三元触媒２が高温になっていたため、三元触媒２の温度が十分に低下しない状況での再起動となる。この再起動の際、一回目の再起動を失敗すると、セルモータ（図示省略）を回した間に供給された未燃焼燃料ガスは、高温の三元触媒２に流れ込んで酸化反応を起こし、三元触媒２の温度は上昇することとなる。したがって、二回目の再起動でガスエンジン１が再起動した際には、三元触媒２内の温度は、酸化反応によって劣化を招くほどの高温となる。特に、三元触媒２の内部で酸化反応が起こって温度上昇を起こしているため、排気が送られることとなる触媒出口部の温度が触媒入口部や触媒中間部よりも高温となる。

したがって、サーミスタ２１によって測定している三元触媒２を通過後の排気ガスの温度Ｔは、三元触媒２の温度上昇に遅れて非常に高温となって現れる（図４Ｔａ部参照）。この温度は、図３の同箇所と比較しても非常に高温となる。そのため、制御部１０は、このサーミスタ２１によって測定された排気ガスの温度Ｔのうち、Ｔａ部の温度が、図３で説明した最適燃焼状態で再起動した時のＴａ部の温度と比較してどの程度高温になっているのかを検出するとともに、その高温になった時間の長さを検出し、これら温度と時間の二つの要素から、三元触媒２の劣化を検出するようになされている。この際、Ｔａ部の温度がどの程度高温になって、その高温になった時間の長さがどの程度続けば三元触媒２が劣化したと判断するかについては、ガスエンジン１の構成や設置環境や運転状況によって異なるため、あらかじめ制御部１０に入力された情報に基づいて判断される。

なお、上記では二回目の再起動でガスエンジン１が再起動しているが、二回目の再起動に失敗し、その後、同じように再起動が繰り返される場合であっても上記と同様に制御される。すなわち、三元触媒２を通過後の排気ガスの温度Ｔをサーミスタ２１によって測定し、この測定された温度Ｔが、三元触媒２での酸化反応によって熱劣化を生じるほどのものであるか否かを制御部１０によって判断することで、三元触媒２の劣化が検出される。

この制御部１０による三元触媒２の劣化の検出は、通報手段３を介して通報される。この通報は、ランプの点滅によって行うものであってもよいし、警報音の発生によって行うものであってもよいし、これらのうちの幾つかを併用して通知するものであってもよい。

また、三元触媒２の劣化を検出したとしても、直ちに使用不能になるわけではなく、三元触媒２の寿命は、劣化の際の温度とその積算時間によって決まる。したがって、制御部１０では、この劣化を検知した時間と劣化の強度を数値化して積算し、三元触媒２の寿命に達した際に、通報手段３を介して再度通報される。この通報は、ランプの点滅によって行うものであってもよいし、警報音の発生によって行うものであってもよいし、ガスエンジン１の停止によって行うものであってもよいし、これらのうちの幾つかを併用して通知するものであってもよい。

ただし、三元触媒２の劣化は、ここで説明した非常停止後の再起動時のみによって生じるものではなく、ガスエンジン１のあらゆる運転環境の中で生じる。したがって、三元触媒２の劣化を検出した時間と劣化の強度を数値化して積算する場合は、制御部１０が、ここで説明していない他の運転環境で検出した他の劣化時間や劣化強度を数値化したものと合わせて積算される。

このようにして構成される本発明のガスエンジン１は、三元触媒２を通過直後の排気ガスの温度Ｔをサーミスタ２１によって測定するだけの簡単な構成で、非常停止後の再起動時に、三元触媒２が劣化を起こしているか否かを制御部１０によって検出することができる。

また、三元触媒２が劣化した時間や劣化した強度を数値化して積算することで、劣化による三元触媒２の交換時期も知ることができる。

次に、制御部１０による劣化防止の制御について説明する。

図４で説明したように、非常停止命令を受けてガスエンジン１を停止し、所定時間経過後に再起動させた場合、一回目の再起動に失敗すると、セルモータ（図示省略）を回した間に供給された未燃焼燃料ガスは、高温の三元触媒２に流れ込んで酸化反応を起こし、三元触媒２の温度は上昇することとなる。したがって、二回目の再起動でガスエンジン１が再起動した際には、三元触媒２の温度はさらに上昇し、当該三元触媒２の劣化を招くこととなる。

そこで、この一回目の再起動の失敗によって、三元触媒２内の温度が上昇する点に着目し、二回目の再起動の際にＡ／Ｆバルブ１３の開度を調整し直して三元触媒２の劣化を防止するように制御する。すなわち、二回目の再起動をそのまま行うと、一回目の失敗で三元触媒２に流れ込んだ未燃焼燃料ガスに加えて、二回目の再起動で発生する未燃焼燃料ガスが加わるため、三元触媒２の酸化反応は加速し、図４に示したような三元触媒２の劣化につながる。そこで、二回目の再稼働の際に、空気過剰率が高くなるようにＡ／Ｆバルブ１３の開度を調整し直して再稼働を行うことで、二回目の再稼働の際の三元触媒２の温度上昇を少なくして三元触媒２が劣化しないように制御部１０によって制御する。

具体的には、サーミスタ２１によって測定している三元触媒２を通過後の排気ガスの温度Ｔが、一回目の再起動の失敗による三元触媒２の温度上昇と略同時か若干遅れて上昇して来るので、この温度Ｔの上昇具合ΔＴ１を測定する。図５に示すように、この温度Ｔの上昇具合ΔＴ１から、未燃焼燃料ガスが、本来の最適燃焼範囲にある空気過剰率の位置λ１から、どの程度濃くなった空気過剰率λ２の位置になっているのかを求める。この空気過剰率の差Δλが、Ａ／Ｆバルブ１３の開度でどの程度の開度Δａに相当するのかを求める。そして、制御部１０からの指令により、このΔａに相当する開度だけＡ／Ｆバルブ１３を閉じて二回目の再起動を行う。このように、Ａ／Ｆバルブ１３をΔａに相当する開度だけ閉じて二回目の再起動を行うことで、二回目の再起動によるさらなる温度上昇ΔＴ２を抑え、三元触媒２が劣化するのを防止することができる。

このように、三元触媒２の劣化を防止することができるので、浄化装置２０に担持された三元触媒２の歪みや溶損を防止して、三元触媒２の長寿命化を図ることができる。

また、今まで考慮されていなかった非常停止後の再起動時の三元触媒２の劣化を検出することができるので、知らないうちに三元触媒２が劣化して排気浄化機能が低下するといったことも防止することができる。

このガスエンジン１の用途としては、ガスヒートポンプ装置（図示省略）の駆動源として好適に使用することができる。この際、ガスヒートポンプ装置は、冬場や夏場は高負荷が必要とされるが、春や秋の季節には中低負荷で十分対応できる。しかも、ガスエンジン１は、高負荷が必要とされる場合は、複数台のコンプレッサーを駆動しており、逆に低負荷の場合は、一台のコンプレッサーを駆動しているのか通常である。したがって、このガスエンジン１を使用してガスヒートポンプ装置を構成する場合は、中低負荷の場合には、リーン運転を行い、高負荷が必要となった場合にはストイキ運転に切り替えて対応することができるようになされたものであることがさらに好ましい。この場合、高負荷時には、ストイキ運転するため熱効率は低下するが、複数台のコンプレッサーを駆動したりすることで機械効率が高くなるので、熱効率は、中低負荷時のリーン運転と同等となる。当然、この中低負荷時の熱効率は、リーン運転するため優れている。したがって、通年エネルギー消費効率（ＡＰＦ）の高効率化を図ることができることとなる。

また、このガスエンジン１は、コージェネレーション装置（図示省略）の駆動源としても好適に使用することができる。すなわち、コージェネレーション装置は、通常運転時はリーン運転を行い、高負荷となる熱主運転に切り替える際に、ストイキ運転を行うことで、省エネルギー化を図ることができる。

なお、本実施の形態において、ガスエンジン１の具体的な構成については、特に図１に示すものに限定されるものではなく、例えば、ターボチャージャ１２やインタークーラ１５の無いガスエンジン１であってもよい。また、Ａ／Ｆバルブ１３の構成についても、リーン運転用、ストイキ運転用にそれぞれ複数のバルブを有するガスエンジン１であってもよい。

また、本実施の形態においては、ガスエンジン１について述べているが、内燃機関の形式については、酸化能力を有する排気浄化触媒（例えば、酸素吸蔵触媒、三元触媒）を用いるものであれば、ガスエンジン１に限定されるものではなく、例えば、ディーゼルエンジン、その他、各種のエンジンであってもよい。

１ガスエンジン
１０制御部
１３Ａ／Ｆバルブ
２三元触媒
２１サーミスタ
３通報手段
Ｔ温度

Claims

酸化能力を有する排気浄化触媒を備えた内燃機関において、
触媒の後流にサーミスタが設けられ、
内燃機関の非常停止後の再起動において、触媒の酸化反応温度に相当する温度がサーミスタによって一定時間以上計測されることにより、触媒の劣化を検知する制御部を具備することを特徴とする内燃機関。
制御部は、内燃機関における最適燃焼状態での触媒の温度よりも所定温度高い温度を計測することで、触媒の酸化反応温度に相当する温度を検出する請求項１記載の内燃機関。
制御部は、触媒の劣化を検知した場合に触媒劣化を通報する通報手段を有する請求項１または２記載の内燃機関。
制御部は、検知した時間を積算し、積算値が所定時間を超えた場合に触媒の交換を通報する通報手段を有する請求項１ないし３の何れか一に記載の内燃機関。
酸化能力を有する排気浄化触媒を備えた内燃機関において、
触媒の後流にサーミスタが設けられ、
内燃機関の非常停止後の再起動時において、サーミスタによって計測される温度が、触媒の酸化反応温度に相当するか否かを検知し、酸化反応温度相当であった場合に、内燃機関における最適燃焼状態での触媒の温度からの隔離幅に応じてＡ／Ｆバルブの開度を設定値よりも小さくして再起動するようになされた制御部を具備することを特徴とする内燃機関。