JP3940214B2 - 副室式希薄燃焼ガス機関 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、副室式希薄燃焼ガス機関において、排気温度に基づいて空燃比制御を行う副室式希薄燃焼ガス機関の空燃比制御方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の副室式希薄燃焼ガス機関においては、例えば、図11に示すように、ガスミキサー82内で空気Aと燃料ガスGとが一定比にて混合され、電子ガバナ84により開度制御されるスロットル83によって供給量を調整されながら、機関88のシリンダヘッド88aへ供給されるように構成されており、該機関88内で燃焼した後の排気は排気管89を通じて外部へ排出される。
また、機関88のクランク軸には機関回転数を検出する回転数センサ87を、スロットル83下流側の吸気管には吸気圧を検出する吸気圧センサ85を、ガスミキサー82のガス供給管82aには燃料ガスGの供給量を検出する供給量検出センサ90、及び、ガスミキサー82への燃料ガスGの供給量を調整するための空燃比制御バルブ81を設けており、回転数センサ87、吸気圧センサ85、及び、供給量検出センサ90はコントローラ86と接続されている。
そして、機関88の運転時には、空燃比制御バルブ81を制御することにより、ガスミキサー82への燃料ガスGの供給量を調整して、所望の空燃比(吸入空気量/吸入燃料量)を得ていたが、経時的に、また、周囲の大気条件等によって空燃比を調節するといったような空燃比制御は行っていなかった。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前述の如く空燃比制御を行わないと、図12に示すように、機関88の運転時間を経るにつれて前記ガスミキサー82内が汚れてきて、徐々に排気中の残存酸素濃度が減少してくる。排気中の残存酸素濃度と空燃比とは比例関係にあるため、排気中の残存酸素濃度が減少すると空燃比も同様に低下する。即ち、吸入空気量に対する吸入燃料量が増加して、燃料ガスがリッチ側へ移動するのである。
【0004】
また、図13に示すように、ガスミキサー82へ供給される燃料ガスGの温度、及び、空気Aの吸気温度によって空気過剰率が変化する。そして、空気過剰率と空燃比とは比例関係にあるので、空気過剰率の変化に伴って空燃比も同様に変化する。
さらに、空燃比の変化により、図14の如く、発生するNOx濃度も燃料ガスGの温度、及び、空気Aの吸気温度によって変化するのである。
このように、経時変化により空燃比が変化したり、周囲の大気条件によりNOx濃度が変化したりして、発生するNOx濃度が規制値近くまで上昇する恐れがあった。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次に該課題を解決するための手段を説明する。
【0006】
即ち、請求項1においては、副室式希薄燃焼ガス機関において、排気温度及び吸気管内圧を検出する検出手段を設け、検出した吸気管内圧が一定値よりも高くなった場合に、検出した排気温度に基づいて空燃比制御を行うように構成したことである。
【0007】
また、請求項2においては、副室式希薄燃焼ガス機関において、排気温度及び吸気管内圧を検出する検出手段を設け、検出した排気温度に基づいて空燃比制御を行い、該空燃比制御は、検出した吸気管内圧が一定値よりも高くなった場合に開始し、検出した吸気管内圧が一定値よりも低くなった場合に停止するように構成し、空燃比制御停止時の吸気管内圧を空燃比制御開始時の吸気管内圧よりも低く設定したことである。
【0008】
また、請求項3においては、副室式希薄燃焼ガス機関において、排気温度及び吸気管内圧を検出する検出手段を設け、検出した吸気管内圧が一定値よりも高くなった場合に、検出した排気温度に基づいて空燃比制御を行い、空燃比制御時の目標排気温度を吸気管内圧に応じて変化させたことである。
【0009】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を説明する。図1は本発明の副室式希薄燃焼ガス機関における給排気系を示す図、図2は排気温度と残存酸素濃度との関係を示す図、図3は空燃比制御のフローを示す図、図4は空燃比制御を行った場合における平均排気温度及び残存酸素濃度の変化を示す図、図5は空燃比制御を行った場合における燃料ガス温度及び吸気温度と空気過剰率との関係を示す図、図6は吸気管内圧による空燃比制御の開始及び停止の切り替え状態を示す図、図7は目標排気温度等の違いによる空燃比制御の開始及び停止の切り替え位置差を示す図、図8は空燃比制御の開始及び停止の切り替え位置が一点の場合の切り替え状態を示す図、図9は空燃比制御の開始位置と停止位置とを別に設けた場合の切り替え状態を示す図、図10は目標排気温度の設定の違いによる平均排気温度の変化状態の差を示す図、図11は従来の副室式希薄燃焼ガス機関における給排気系を示す図、図12は同じく排気中の残存酸素濃度の経時的変化を示す図、図13は空燃比制御を行わない場合における燃料ガス温度及び吸気温度と空気過剰率との関係を示す図、図14は同じく燃料ガス温度及び吸気温度とNOx濃度との関係を示す図である。
【0010】
本発明の副室式希薄燃焼ガス機関について説明する。図1においては、ガスミキサー2内で空気Aと燃料ガスGとが一定比にて混合され、この混合気が電子ガバナ4により開度を制御されるスロットル3によって供給量を調整されながら、機関8のシリンダヘッド8aへ供給されるように構成されており、該機関8内で燃焼した後の排気は排気管9を通じて外部へ排出される。
【0011】
また、機関8のクランク軸には機関回転数を検出する回転数センサ7を、吸気管12のスロットル3下流側部分には、該吸気管12内の吸気圧を検出する吸気圧センサ5を、ガスミキサー2のガス供給管2aには燃料ガスGの供給量を検出する供給量検出センサ10、及び、ガスミキサー2への燃料ガスGの供給量を調整するための空燃比制御バルブ1を、排気管9の根元部には排気温度を検出する排温センサ11を設けており、回転数センサ7、吸気圧センサ5、供給量検出センサ10、及び、排温センサ11はコントローラ6と接続されている。
【0012】
そして、機関8の運転時には、空燃比制御バルブ1を制御することにより、ガスミキサー2への燃料ガスGの供給量を調整して、所望の空燃比(吸入空気量/吸入燃料量)を得るように構成している。この空燃比の調整は、前記排温センサ11により検出した排気温度を、コントローラ6に予め設定しておいた目標排気温度と比較して、検出した排気温度が目標排気温度と等しくなるように空燃比制御バルブ1を制御することで行っており、空燃比が一定となるように空燃比制御を行っているのである。
【0013】
ここで、排温センサ11により検出される排気温度と排気中の残存酸素濃度との関係について、図2に示しているが、排気温度が低下するのに比例して残存酸素濃度が高くなっている。即ち、残存酸素濃度は空燃比と比例関係にあるため、排気温度の低下に比例して空燃比が高くなるのである。従って、機関8の運転時に常に一定の空燃比を得るためには、排気温度を一定値に保持すればよい。そこで、本発明の副室式希薄燃焼ガス機関においては、機関8で燃焼した後の排気を外部へ排出するための排気管9の根元部分に排温センサ11を配設し、該排温センサ11により検出した排気温度に基づいて空燃比制御バルブ1を制御して、常に一定の空燃比を得るように構成している。
【0014】
次に、この空燃比制御のフローを説明する。図3において、まず、ステップ101・102・103で、吸気管内圧、排気温度、及び、吸気管内温度をコントローラ6へ読み込み、ステップ104で読み込んだ排気温度の偏差が一定値以上であるか否かを判断する。その後、ステップ105で読み込んだ排気温度の平均値を算出するとともに、ステップ106で予め設定しておいた目標排気温度を読み込む。そして、ステップ107にて排気温度平均と目標排気温度とを比較し、排気温度平均が目標排気温度よりも低い場合には、ステップ108の如く空燃比制御バルブ1の開度のステップ数をアップして、ガスミキサー2への燃料ガスGの供給量を増加させ、逆に、排気温度平均が目標排気温度よりも高い場合には、ステップ109の如く空燃比制御バルブ1の開度のステップ数をダウンして、ガスミキサー2への燃料ガスGの供給量を減少させる。このように、排温センサ11により検出する排気温度の平均値が、予め設定しておいた目標排気温度と同じ値となるように、空燃比制御バルブ1の開度を調節し、結果的に空燃比が一定となるように制御しているのである。
【0015】
次に、以上のような空燃比制御を行った場合における平均排気温度、及び、残存酸素濃度の変化について説明する。図4において、グラフ21は平均排気温度の時間の経過に伴う変化を示し、グラフ22は残存酸素濃度の時間の経過に伴う変化を示し、グラフ23は目標排気温度を示している。また、空燃比制御の開始点25から終了点26までを、空燃比制御範囲Xとしている。グラフ21で示される平均排気温度は、空燃比制御を行っていない場合には目標排気温度よりも高いが、空燃比制御の開始点25から徐々に下がって、ついには平均排気温度が目標排気温度と同じ値になり、以降、空燃比制御範囲Xにおいては一定を保っている。一方、残存酸素濃度は空燃比制御の開始点25から、平均排気温度の下降に伴って上昇し、平均排気温度の下降が停止して目標排気温度と同じ値となった時点で、残存酸素濃度も一定の値となって、以降、その状態を保持している。即ち、空燃比制御により平均排気温度を目標排気温度と同じ値に調節して、その状態を保持することで、空燃比が一定の値に制御されており、制御する空燃比の値は、目標排気温度を変化させることで調節することができる。これにより、経時的に空燃比を変化させず、一定に保持することができるのである。
【0016】
さらに、空燃比制御を行っている場合には、図5に示すように、ガスミキサー2へ供給される燃料ガスGの温度、及び、空気Aの吸気温度が変化しても空気過剰率は変化せずに一定の値を保持しており、空気過剰率と空燃比とは比例関係にあるので、空燃比も一定の値を保持することとなる。即ち、空燃比制御を行うことで、周囲の大気条件が変化した場合においても空燃比を一定に保持することができるのである。
【0017】
また、副室式希薄燃焼ガス機関における空燃比制御は高負荷時のみに行うように構成している。例えば、図6に示すように、前記吸気圧センサ5により検出される吸気管内圧の変化により平均排気温度31が変化するが、吸気管内圧が低い低負荷時には平均排気温度31の変化度合いが大きく、吸気管内圧が高い高負荷時には平均排気温度31の変化度合いが小さい。そこで、平均排気温度31の変化度合いが小さくなる辺りの吸気管内圧部分に制御切り替え領域32を設け、該制御切り替え領域32よりも吸気管内圧が高い高負荷側の部分を制御領域33として、該制御領域33において空燃比制御を行って平均排気温度31が目標排気温度30となるように制御し、制御切り替え領域32よりも吸気管内圧が低い低負荷側の部分を無制御領域34として、該無制御領域34においては空燃比制御を行わないように構成している。
【0018】
そして、制御切り替え領域32には、制御開始圧32bと制御停止圧32aとを設けており、吸気管内圧が制御開始圧32bよりも高圧になると制御を開始し、吸気管内圧が制御停止圧32aよりも低圧になると制御を停止するように構成して、制御停止圧32aは制御開始圧32bよりも低圧に設定し、両者間にはある一定の間隔を設けている。また、図7に示すように、平均排気温度31における制御切り替え領域32は、目標排気温度や制御切り替え位置が異なる平均排気温度31’の場合には、制御切り替え領域32’の如く位置を変化させて設定することができる。
【0019】
制御切り替え位置に関して、例えば、図8に示すように、制御切り替え位置36を吸気管内圧のある一点のみに設けて、該制御切り替え位置36より吸気管内圧35が高くなれば空燃比制御を開始し、制御切り替え位置36より吸気管内圧35が低くなれば空燃比制御を停止するように構成すると、吸気管内圧35が制御切り替え位置36付近となるような負荷で運転した場合には、吸気管内圧35の経時的な変動によって頻繁に空燃比制御の開始及び停止が繰り返されることになり、機関8の運転状態が大きく変動して不安定となってしまう。
【0020】
しかし、本機関8においては、制御停止圧32aと制御開始圧32bとの二つの制御切り替え位置を設定した制御切り替え領域32を設けて、制御停止圧32aを制御開始圧32bよりも低圧に設定しているため、図9に示す如く、吸気管内圧37が制御開始圧32b付近となるような負荷で運転した場合でも、制御の切り替えが頻繁に行われることがなく、空燃比制御の制御状態が安定するとともに、機関8の運転状態も安定する。同様に、吸気管内圧37が制御停止圧32a付近となるような負荷で運転した場合においても、空燃比制御の制御状態、及び、機関8の運転状態を安定させることができる。
【0021】
また、前述のように、吸気管内圧(即ち負荷)によって空燃比制御の開始及び停止を切り替えるように構成した場合、図10の左側に示すように(図10のグラフにおける縦軸は平均排気温度を、横軸は吸気管内圧を示している)、吸気管内圧が制御開始圧32bよりも高負荷側へ変動して空燃比制御が開始された際には、制御開始時の平均排気温度31が目標排気温度30まで急激に変化する。この空燃比制御の有無による平均排気温度31の急激な変化によって、失火したと判断される可能性がある。そこで、これを防止するため、図10の右側に示すように(図10のグラフにおける縦軸は平均排気温度を、横軸は吸気管内圧を示している)、目標排気温度39を設定している。即ち、空燃比制御が開始される制御開始圧32bにおいては、目標排気温度39を、開始時目標排気温度39aとして平均排気温度31とほぼ等しい値に設定しておき、そこから高負荷側へいくにつれて、例えば、徐々に滑らかに上昇させていき、最終目標排気温度39bまで変化させている。
【0022】
このように、空燃比制御時の目標排気温度39を、吸気管内圧に応じて変化させることにより、空燃比制御の開始及び停止の切り替え時における平均排気温度31の急激な変化を抑えることができ、誤って失火の判断がなされる恐れがなくなる。
【0023】
【発明の効果】
本発明は以上の如く構成したので、次のような効果を奏するのである。
【0024】
請求項1記載の如く、排気温度を検出する検出手段を設け、検出した排気温度に基づいて空燃比制御を行うように構成したので、経時的に空燃比を変化させずに一定に保持することができるとともに、供給される燃料ガスの温度、及び、空気の吸気温度が変化しても空燃比を一定に保持することはできた。
また、これにより、発生するNOx濃度が安定して一定値に保持できるようになった。
更に、吸気管内圧を検出する検出手段を設け、検出した吸気管内圧が一定値よりも高くなった場合に、検出した排気温度に基づいて空燃比制御を行うように構成したので、吸気管内圧が低い低負荷時には空燃比制御の開始及び停止の切り替えが行われることがなく機関を安定して運転することができ、吸気管内圧が高い高負荷時には自動的に空燃比制御を開始して空燃比を一定に保つことができた。
【0025】
更に、請求項2記載の如く、排気温度及び吸気管内圧を検出する検出手段を設け、検出した排気温度に基づいて空燃比制御を行い、該空燃比制御は、検出した吸気管内圧が一定値よりも高くなった場合に開始し、検出した吸気管内圧が一定値よりも低くなった場合に停止するように構成し、空燃比制御停止時の吸気管内圧を空燃比制御開始時の吸気管内圧よりも低く設定したので、空燃比制御の開始及び停止の切り替えが頻繁に行われることがなく、空燃比制御の制御状態が安定するとともに、機関の運転状態を安定させることができた。
【0026】
更に、請求項3記載の如く、排気温度及び吸気管内圧を検出する検出手段を設け、検出した吸気管内圧が一定値よりも高くなった場合に、検出した排気温度に基づいて空燃比制御を行い、空燃比制御時の目標排気温度を吸気管内圧に応じて変化させたので、空燃比制御の開始及び停止の切り替え時における平均排気温度の急激な変化を抑えることができ、誤って失火の判断がなされることが防止できた。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の副室式希薄燃焼ガス機関における給排気系を示す図である。
【図2】 排気温度と残存酸素濃度との関係を示す図である。
【図3】 空燃比制御のフローを示す図である。
【図4】 空燃比制御を行った場合における平均排気温度及び残存酸素濃度の変化を示す図である。
【図5】 空燃比制御を行った場合における燃料ガス温度及び吸気温度と空気過剰率との関係を示す図である。
【図6】 吸気管内圧による空燃比制御の開始及び停止の切り替え状態を示す図である。
【図7】 目標排気温度等の違いによる空燃比制御の開始及び停止の切り替え位置差を示す図である。
【図8】 空燃比制御の開始及び停止の切り替え位置が一点の場合の切り替え状態を示す図である。
【図9】 空燃比制御の開始位置と停止位置とを別に設けた場合の切り替え状態を示す図である。
【図10】 目標排気温度の設定の違いによる平均排気温度の変化状態の差を示す図である。
【図11】 従来の副室式希薄燃焼ガス機関における給排気系を示す図である。
【図12】 同じく排気中の残存酸素濃度の経時的変化を示す図である。
【図13】 空燃比制御を行わない場合における燃料ガス温度及び吸気温度と空気過剰率との関係を示す図である。
【図14】 同じく燃料ガス温度及び吸気温度とNOx濃度との関係を示す図である。
【符号の説明】
A 空気
G 燃料ガス
1 空燃比制御バルブ
2 ガスミキサー
5 吸気圧センサ
8 機関
9 排気管
10 供給量検出センサ
11 排温センサ
12 吸気管
30 目標排気温度
31 平均排気温度
32 制御切り替え領域
32a 制御停止圧
32b 制御開始圧
39 目標排気温度
Claims (3)
- 副室式希薄燃焼ガス機関において、排気温度及び吸気管内圧を検出する検出手段を設け、検出した吸気管内圧が一定値よりも高くなった場合に、検出した排気温度に基づいて空燃比制御を行うように構成したことを特徴とする副室式希薄燃焼ガス機関。
- 副室式希薄燃焼ガス機関において、排気温度及び吸気管内圧を検出する検出手段を設け、検出した排気温度に基づいて空燃比制御を行い、該空燃比制御は、検出した吸気管内圧が一定値よりも高くなった場合に開始し、検出した吸気管内圧が一定値よりも低くなった場合に停止するように構成し、空燃比制御停止時の吸気管内圧を空燃比制御開始時の吸気管内圧よりも低く設定したことを特徴とする副室式希薄燃焼ガス機関。
- 副室式希薄燃焼ガス機関において、排気温度及び吸気管内圧を検出する検出手段を設け、検出した吸気管内圧が一定値よりも高くなった場合に、検出した排気温度に基づいて空燃比制御を行い、空燃比制御時の目標排気温度を吸気管内圧に応じて変化させたことを特徴とする副室式希薄燃焼ガス機関。
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JP02743498A JP3940214B2 (ja) | 1998-02-09 | 1998-02-09 | 副室式希薄燃焼ガス機関 |
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