JP4660500B2

JP4660500B2 - 内燃機関の燃料供給機構

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Publication number: JP4660500B2
Application number: JP2007092566A
Authority: JP
Inventors: 章二朗松村
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2007-03-30
Filing date: 2007-03-30
Publication date: 2011-03-30
Anticipated expiration: 2027-03-30
Also published as: JP2008248828A

Description

本発明は、発熱量の変動要因を有する主燃料ガスを燃焼室に供給して燃焼させる内燃機関において、
前記主燃料ガスに対して当該主燃料ガスよりも高い発熱量を有する高発熱量ガスを混合可能、且つ、その混合量を調整可能な高発熱量ガス調整手段と、
前記高発熱量ガス調整手段を作動させて前記高発熱量ガスの混合量を制御する高発熱量ガス混合制御を実行する制御手段とを備えた内燃機関の燃料供給機構に関する。

ランドフィルガスやダイジェスターガスやスウェジガス等のように有機性廃棄物のバクテリアによる分解で発生するメタンを含むバイオガスや、塗装工場や半導体・電子部品製造工場から排出される有機溶剤等を含むオフガスなどの燃料ガスは、その燃料ガスを発生する要素の状態変化により、発熱量が比較的大幅に変動する場合がある。

そして、このように発熱量の変動要因を有する燃料ガスを燃焼室に供給して燃焼させる内燃機関においては、燃料ガスの発熱量の変動に伴って燃焼室に吸気される混合気の当量比も変動してしまう。
即ち、燃焼室に供給される燃料ガスの発熱量が減少した場合には、発熱量の減少に伴う出力減少を抑制するべく、吸気路に設けられたスロットルバルブの開度が拡大され燃焼室への吸気量が増加されるので、結果、燃料ガスに対する空気の流量が多くなって、燃焼室に吸気される混合気の当量比が低下（リーン化）する。逆に、燃焼室に供給される燃料ガスの発熱量が増加した場合には、発熱量の増加に伴う出力増加を抑制するべく、吸気路に設けられたスロットルバルブの開度が縮小され燃焼室への吸気量が減少されるので、結果、燃料ガスに対する空気の量が少なくなって、燃焼室に吸気される混合気の当量比が上昇（リッチ化）する。
そして、上記のように燃焼室に吸気される混合気の当量比が変動すると、燃焼室における燃焼状態が不安定となり、当量比のリーン化に伴う不完全燃焼や失火の発生、当量比のリッチ化に伴うＮＯｘ（窒素酸化物）排出量の増加やノッキングの発生、更には、過負荷による故障の発生などの問題発生が懸念される。

そこで、発熱量の変動要因を有する燃料ガスを主燃焼ガスとして燃焼室に供給して燃焼させる内燃機関において、燃焼室における燃焼状態を安定化させるための技術として、主燃料ガスに対して、当該主燃料ガスよりも高い発熱量を有する都市ガス１３Ａ等の高発熱量ガスを混合可能として、当該燃料ガスの発熱量の変動を計測する発熱量計測装置の計測結果に基づいて、主燃料ガスに対する高発熱量ガスの混合量を制御する高発熱量ガス混合制御を実行するもの（例えば特許文献１）が知られている。

特開２００１−５５９５２号公報

しかしながら、この種の内燃機関は、発熱量を計測するための煩雑且つ高価な発熱量計測装置を備える必要があった。
更には、この発熱量計測装置において発熱量を計測するのに必要な時間分混合量制御に遅れが生じることから、燃焼状態を十分に安定化させることができない場合があった。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、発熱量の変動要因を有するバイオガス等の主燃料ガスを含む燃料ガスを燃焼室に供給して燃焼させる内燃機関において、主燃料ガスの発熱量を計測する発熱量計測装置を設けることなく、主燃料ガスに対して、少なくとも当該主燃料ガスよりも高い発熱量を有する都市ガス１３Ａ等の高発熱量ガスを混合可能とし、その混合量を制御する高発熱量ガス混合制御を実行して、燃焼室における燃焼状態を良好に安定化させることができる内燃機関の燃料供給機構を、簡単且つ低コストで実現する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係る内燃機関の燃料供給機構は、発熱量の変動要因を有する主燃料ガスを燃焼室に供給して燃焼させる内燃機関において、
前記主燃料ガスに対して当該主燃料ガスよりも高い発熱量を有する高発熱量ガスを混合可能、且つ、その混合量を調整可能な高発熱量ガス調整手段と、
前記高発熱量ガス調整手段を作動させて前記高発熱量ガスの混合量を制御する高発熱量ガス混合制御を実行する制御手段とを備えた内燃機関の燃料供給機構であって、
前記燃焼室から排出された排ガスのＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘ濃度検出手段を備え、
前記制御手段が、前記高発熱量ガス混合制御において、前記ＮＯｘ濃度検出手段で検出されたＮＯｘ濃度が減少するほど、前記主燃料ガスに対する前記高発熱量ガスの混合量を増加させ、前記ＮＯｘ濃度検出手段で検出されたＮＯｘ濃度が増加するほど、前記主燃料ガスに対する前記高発熱量ガスの混合量を減少させる点にある。

上記第１特徴構成によれば、上記制御手段により上記高発熱量ガス混合制御を実行するように構成された内燃機関において、比較的安価なＮＯｘセンサ等により実現される上記ＮＯｘ濃度検出手段を追加するという簡単な構成により、燃焼室における燃焼状態を安定化させることができる。
即ち、上記ＮＯｘ濃度検出手段により検出されるＮＯｘ濃度は、上記燃焼室に供給される燃料ガスの発熱量の変動に応じて変動するものとなる。よって、そのＮＯｘ濃度を指標として上記高発熱量ガス混合制御を実行することで、主燃料ガスに高発熱量ガスが適宜混合され燃焼室に供給される燃料ガスの発熱量を安定させることができ、その燃料ガスを燃焼室に供給して燃焼室における燃焼状態を安定化させることができる。

上記燃焼室に供給される燃料ガスの発熱量が減少した場合には、混合気の当量比が低下するのに伴って、燃焼室における燃焼温度が低下するので、ＮＯｘの生成量が減少して、当該燃焼室から排出される排ガスのＮＯｘ濃度が減少する。逆に、上記燃焼室に供給される燃料ガスの発熱量が増加した場合には、混合気の当量比が上昇するのに伴って、燃焼室における燃焼温度が上昇するので、ＮＯｘの生成量が増加して、当該燃焼室から排出される排ガスのＮＯｘ濃度が増加する。即ち、燃焼室から排出される排ガスのＮＯｘ濃度が減少するほど、燃焼室に供給される燃料ガスの発熱量が減少しているといえる。
そこで、前記制御手段が、前記高発熱量ガス混合制御において、前記ＮＯｘ濃度検出手段で検出されたＮＯｘ濃度が減少するほど、前記主燃料ガスに対する前記高発熱量ガスの混合量を増加させ、前記ＮＯｘ濃度検出手段で検出されたＮＯｘ濃度が増加するほど、前記主燃料ガスに対する前記高発熱量ガスの混合量を減少させると、上記高発熱量ガス混合制御において、主燃料ガスに対する高発熱量ガスの混合量を適切に調整することができ、燃焼室に供給される燃料ガスの発熱量を安定させることができる。

本発明に係る内燃機関の燃料供給機構の第２特徴構成は、上記特徴構成に加えて、前記制御手段が、前記ＮＯｘ濃度検出手段で検出されたＮＯｘ濃度が所定の下限値を下回った場合に前記内燃機関の出力を減少させる出力減少制御を実行する点にある。

上記第３特徴構成によれば、上記高発熱量ガス混合制御において主燃料ガスに対する高発熱量ガスの混合量を増加したのにもかかわらず、上記ＮＯｘ濃度が予め設定した下限値を下回った場合には、燃焼室に吸気される混合気の当量比が過剰にリーン化しているとして、上記出力減少制御を実行することにより、内燃機関の出力を減少させることで、その当量比のリーン化に伴う不完全燃焼や失火の発生を抑制することができる。
即ち、上記出力減少制御により内燃機関の出力を減少させるのに伴って、吸気路に設けられたスロットルバルブの開度が縮小されるので、燃焼室への吸気量が減少し、結果、燃料ガスに対する空気の量が少なくなって、燃焼室に吸気される混合気の当量比の過剰なリーン化を緩和することができる。

本発明に係る内燃機関の燃料供給機構の第３特徴構成は、上記第１または第２の特徴構成に加えて、前記主燃料ガスに対して当該主燃料ガスよりも低い発熱量を有する低発熱量ガスを混合可能、且つ、その混合量を調整可能な低発熱量ガス調整手段を備え、
前記制御手段が、前記ＮＯｘ濃度検出手段の検出結果に基づいて、前記低発熱量ガス調整手段を作動させて前記ＮＯｘ濃度検出手段で検出されたＮＯｘ濃度が増加するほど前記主燃料ガスに対する前記低発熱量ガスの混合量を増加させ、前記ＮＯｘ濃度検出手段で検出されたＮＯｘ濃度が減少するほど前記主燃料ガスに対する前記高発熱量ガスの混合量を減少させる点にある。

上記第３特徴構成によれば、前記主燃料ガスに対して当該主燃料ガスよりも低い発熱量を有する低発熱量ガスを混合可能、且つ、その混合量を調整可能な低発熱量ガス調整手段を備えるから、上記制御手段により上記低発熱量ガス混合制御を実行することで、燃焼室における燃焼状態を安定化させることができる。
即ち、上記燃焼室に供給される燃料ガスの発熱量の変動に応じて変動するＮＯｘ濃度を指標として、上記低発熱量ガス混合制御を実行することで、主燃料ガスに低発熱量ガスが適宜混合され燃焼室に供給される燃料ガスの発熱量を安定させることができ、結果、その燃料ガスを燃焼室に供給して燃焼室における燃焼状態を安定化させることができる。

また、前記制御手段が、前記ＮＯｘ濃度検出手段の検出結果に基づいて、前記低発熱量ガス調整手段を作動させて前記ＮＯｘ濃度検出手段で検出されたＮＯｘ濃度が増加するほど前記主燃料ガスに対する前記低発熱量ガスの混合量を増加させ、前記ＮＯｘ濃度検出手段で検出されたＮＯｘ濃度が減少するほど前記主燃料ガスに対する前記高発熱量ガスの混合量を減少させるから、上記低熱量ガス混合制御において、上記ＮＯｘ濃度検出手段で検出されたＮＯｘ濃度に応じて、燃焼室に供給される燃料ガスの発熱量が増減しているとして、主燃料ガスに対する低発熱量ガスの混合量を増減させることで、適切に、燃焼室に供給される燃料ガスの発熱量を安定させることができる。
特に、上述した高発熱量ガス混合制御において主燃料ガスに対する高発熱量ガスの混合量をゼロにまで減少させたのにもかかわらず、上記ＮＯｘ濃度が予め設定した上限値を上回った場合には、燃焼室に吸気される混合気の当量比が未だリッチ化しているとして、上記制御手段により上記低発熱量ガス混合制御を実行して、主燃料ガスに対する低発熱量ガスの混合量を増加させることが好ましい。これにより、その当量比のリッチ化を緩和し、当該リッチ化に伴うＮＯｘ（窒素酸化物）排出量の増加やノッキングの発生、更には、過負荷による故障の発生などを抑制することができる。

本発明に係る内燃機関の燃料供給機構の実施の形態について、図面に基づいて説明する。

〔エンジン〕
先ず、内燃機関の一例であるエンジン１の構成について、図１に基づいて説明する。
尚、図１は、燃料ガスＧを燃焼室１５に供給して燃焼させるエンジン１（内燃機関の一例）の概略構成図である。
吸気路１２を流通する空気Ａは、混合部１３により燃料ガスＧが混合されることで混合気Ｍとなって、燃焼室１５に吸気される。
そして、燃焼室１５に吸気された混合気Ｍは、ピストン１７の上昇により圧縮された後に、火花点火や圧縮着火などにより点火・着火されて燃焼・膨張してピストン１７を押し下げ軸動力を出力する。
また、燃焼室１５で生成された排ガスＥは、ピストン１７の上昇に伴って、排気路１６に排出される。

上記混合部１３は、ガバナ１１により一定圧力に調整された燃料ガスＧが燃料ガス路１０を通じて供給され、その燃料ガス路１０の燃料ガスＧを、吸気路１２に流通する空気Ａに混合する。
更に、混合部１３は、吸気路１２を縮径してなるベンチュリ部に燃料ガス路１０の先端部を開口させてなるベンチュリミキサとして構成されている。即ち、この種のベンチュリミキサは、吸気路１２を流通する空気Ａが上記縮径されたベンチュリ部を高速で通過することで圧力低下を発生させ、この圧力低下を利用して、燃料ガス路１０から供給された燃料ガスＧを、吸気路１２に流通する空気Ａに供給して、吸気路１２に混合気Ｍを形成するように構成されている。
また、このようにベンチュリミキサとして構成された混合部１３は、上記空気Ａの流速に応じた圧力低下が発生することから、空気Ａに対して一定の割合の燃料ガスＧが混合されることになる。

更に、このようなエンジン１において、混合部１３及び吸気路１２を通じて燃焼室１５に供給される燃料ガスＧは、発熱量が約２１ＭＪ〜２５ＭＪの範囲で変動する可能性があるバイオガスのように、発熱量の変動要因を有する主燃料ガスＧ_Oを含むものである。そして、その燃料ガスＧの発熱量が上記主燃料ガスＧ_Oと同様に変動した場合には、燃焼室１５に吸気される混合気Ｍの当量比も変動してしまう。
即ち、燃焼室１５に供給される燃料ガスＧの発熱量が減少又は増加した場合には、その発熱量の減少又は増加に伴う出力減少又は出力増加を抑制するべく、吸気路１２に設けられたスロットルバルブ１４の開度が拡大又は縮小されて燃焼室１５への吸気量（燃焼室１５に供給される混合気Ｍの量）が増加又は減少される。結果、混合部１３における空気Ａの流量が増加又は減少、燃焼室１５に吸気される混合気の当量比が低下（リーン化）又は上昇（リッチ化）することになる。また、このように燃焼室１５に吸気される混合気Ｍの当量比が変動すると、燃焼室１５における燃焼状態が不安定となり、問題である。

そして、そのエンジン１の燃料供給機構５０は、図２及び図５に示すように、その主燃料ガスＧ_Oの発熱量を計測する発熱量計測装置等を設けることなく、その主燃料ガスＧ_Oに対して、発熱量が４１ＭＪの都市ガス１３Ａのように少なくとも当該主燃料ガスＧ_Oよりも高い発熱量を有する高発熱量ガスＧ_Hを混合可能とし、その混合量を制御する高発熱量ガス混合制御を実行して、燃焼室１５における燃焼状態を良好に安定化させることができるものとして構成されている。
以下、その燃料供給機構５０の第１実施形態及び第２実施形態について図面に基づいて説明する。

〔第１実施形態〕
以下、第１実施形態の燃料供給機構５０の構成について、図２〜図４に基づいて説明する。
尚、詳細については後述するが、図２は、上述したようなエンジン１において燃料ガスＧを供給する第１実施形態の燃料供給機構５０の概略構成図であり、図３は、ＮＯｘセンサ３で検出されたＮＯｘ濃度Ｎ及び高発熱量ガス調整弁４の開度ＶＨの経時的な変化傾向を示すグラフ図であり、図４は、制御装置２により実行される制御のフロー図である。

第１実施形態の燃料供給機構５０では、図２に示すように、上記エンジン１において、燃料ガス路１０を流通する主燃料ガスＧ_Oに対して主燃料ガスＧ_Oよりも高い発熱量を有する天然ガス系都市ガス１３Ａなどの高発熱量ガスＧ_Hを混合可能、且つ、その混合量を調整可能な高発熱量ガス調整弁４が設けられている。更に、高発熱量ガス調整弁４を作動させて主燃料ガスＧ_Oに対する高発熱量ガスＧ_Hの混合量を制御する高発熱量ガス混合制御を実行する制御装置２（制御手段の一例）が設けられている。

エンジン１の排気路１６には、燃焼室１５から排気路１６に排出された排ガスＥのＮＯｘ濃度Ｎを検出するＮＯｘセンサ３（ＮＯｘ濃度検出手段の一例）が設けられており、このＮＯｘセンサ３で検出されたＮＯｘ濃度Ｎは制御装置２に入力される。
そして、ＮＯｘセンサ３で検出されたＮＯｘ濃度Ｎの変動状態を監視することにより、燃焼室１５に供給される燃料ガスＧの発熱量の変動を認識することができる。具体的には、ＮＯｘ濃度Ｎが減少した場合には、燃焼室１５において吸気された混合気Ｍの当量比低下に伴って燃焼温度が低下したことに起因するものであるとして、燃焼室１５に供給された燃料ガスＧの発熱量が減少したと認識することができる。逆に、ＮＯｘ濃度Ｎが増加した場合には、燃焼室１５において吸気された混合気Ｍの当量比上昇に伴って燃焼温度が上昇したことに起因するものであるとして、燃焼室１５に供給された燃料ガスＧの発熱量が増加したと認識することができる。

そこで、制御装置２は、上記高発熱量ガス混合制御において、上記ＮＯｘセンサ３の検出結果、即ち排ガスＥのＮＯｘ濃度Ｎに基づいて、高発熱量ガス調整弁４の開度ＶＨを調整し、主燃料ガスＧ_Oに対する高発熱量ガスＧ_Hの混合量を制御するように構成されており、これにより、燃焼室１５に供給される燃料ガスＧの発熱量、更には、燃焼室１５における燃焼状態の安定化が図られている。

具体的には、上記制御装置２は、上記高発熱量ガス混合制御において、ＮＯｘセンサ３で検出されたＮＯｘ濃度Ｎが減少するほど、燃焼室１５に供給される燃料ガスＧの発熱量が減少傾向にあるとして、高発熱量ガス調整弁４の開度ＶＨを拡大して、主燃料ガスＧ_Oに対する高発熱量ガスＧ_Hの混合量を増加させるように構成されている。
以下、制御装置２により実行される高発熱量ガス混合制御の具体的な処理フローについて、図３及び図４に基づいて説明を加える。

図４に示すように、先ず、例えばエンジン１の回転数及びトルク等又はエンジン１により駆動される発電機の発電出力等により、エンジン１の出力Ｐが確認され（ステップ＃１０）、そのエンジン１の出力Ｐから所定の関数を用いて、下限値ＮＬが設定される（ステップ＃１１）。
尚、これら下限値ＮＬは、ある出力Ｐでエンジン１を運転した場合に、燃焼室１５において安定した燃焼状態が維持されている場合のＮＯｘ濃度Ｎの許容範囲における下限値として設定される値である。そして、このＮＯｘ濃度Ｎの許容範囲の下限値ＮＬとエンジン１の出力Ｐとの相関関数は、予め実験等により求めておくことができる。

次に、ＮＯｘセンサ３によりＮＯｘ濃度Ｎが検出され（ステップ＃１２）、そのＮＯｘ濃度Ｎを用いて、高発熱量ガス調整弁４の開度ＶＨが拡大又は縮小されて、主燃料ガスＧ_Oに対する高発熱量ガスＧ_Hの混合量が制御される（ステップ＃１３〜ステップ＃１６）

具体的には、ＮＯｘ濃度Ｎが下限値ＮＬを下回ったか否かが判定され（ステップ＃１３）、ＮＯｘ濃度Ｎが下限値ＮＬを下回っていると判定されたときには、燃料ガスＧの発熱量が小さすぎるために燃焼室１５に吸気される混合気Ｍの当量比が過剰にリーン化しているとして、図３にも示すように、高発熱量ガス調整弁４の開度ＶＨが所定幅ΔＶＨずつ拡大されて、主燃料ガスＧ_Oに対する高発熱量ガスＧ_Hの混合量が徐々に増加される（ステップ＃１４）。
上記ステップ＃１４において主燃料ガスＧ_Oに対する高発熱量ガスＧ_Hの混合量が徐々に増加されることで、燃焼室１５に供給される燃料ガスＧの発熱量が徐々に増加され、燃焼室１５に吸気される混合気Ｍの過剰なリーン化が抑制されて、不完全燃焼や失火の発生が抑制される。

上記ステップ＃１３でＮＯｘ濃度Ｎが下限値ＮＬを下回っていないと判定されたときには、高発熱量ガス調整弁４の開度ＶＨが０よりも大きいと判定した場合（ステップ＃１５）、即ち高発熱量ガス調整弁４が開状態である場合に、主燃料ガスＧ_Oの発熱量が適切であると判断して、図３にも示すように、高発熱量ガス調整弁４の開度ＶＨが所定幅ΔＶＨずつ縮小されて、主燃料ガスＧ_Oに対する高発熱量ガスＧ_Hの混合量が徐々に減少される（ステップ＃１６）。
上記ステップ＃１６において主燃料ガスＧ_Oに対する高発熱量ガスＧ_Hの混合量が徐々に減少されることで、燃焼室１５に供給される燃料ガスＧの発熱量が徐々に減少され、燃焼室１５に吸気される混合気Ｍの当量比が適切な状態となって運転が継続されることになる。

更に、図示は省略するが、上記ステップ＃１３でＮＯｘ濃度Ｎが下限値ＮＬを下回っていると判定されたときにおいて、例えば上記ステップ＃１４で高発熱量ガス調整弁４の開度ＶＨが全開状態でそれ以上拡大できない場合などには、上記エンジン１の出力Ｐを運転に支障がない程度に減少させる出力減少制御が実行される。すると、エンジン１の出力Ｐを減少させるのに伴って、吸気路１２に設けられたスロットルバルブ１４の開度が縮小されるので、燃焼室１５への吸気量が減少して、混合部１３における燃料ガスＧに対する空気Ａの量が少なくなって、燃焼室１５に吸気される混合気Ｍの当量比の過剰なリーン化が緩和される。

〔第２実施形態〕
以下、第２実施形態の燃料供給機構５０の構成について、図５〜図７に基づいて説明する。上記第１実施形態と同様の構成については説明を割愛する。
尚、図５は、上述したようなエンジン１において燃料ガスＧを供給する第２実施形態の燃料供給機構５０の概略構成図であり、図６は、ＮＯｘセンサ３で検出されたＮＯｘ濃度Ｎ及び高発熱量ガス調整弁４の開度ＶＨ及び低発熱量ガス調整弁５の開度ＶＬの経時的な変化傾向を示すグラフ図であり、図７は、制御装置２により実行される制御フロー図である。

第２実施形態の燃料供給機構５０では、図５に示すように、上述した第１実施形態で説明した全ての構成を有する上に、上記エンジン１において、燃料ガス路１０を流通する主燃料ガスＧ_Oに対して主燃料ガスＧ_Oよりも低い発熱量を有する空気などの低発熱量ガスＧ_Lを混合可能、且つ、その混合量を調整可能な低発熱量ガス調整弁５が設けられている。制御装置２は、上述した第１実施形態で説明した高発熱量ガス混合制御に加え、低発熱量ガス調整弁５を作動させて主燃料ガスＧ_Oに対する低発熱量ガスＧ_Lの混合量を制御する低発熱量ガス混合制御を実行するように構成されている。

即ち、制御装置２は、上記低発熱量ガス混合制御において、上記ＮＯｘセンサ３の検出結果、即ち排ガスＥのＮＯｘ濃度Ｎに基づいて、低発熱量ガス調整弁５の開度ＶＬを調整し、主燃料ガスＧ_Oに対する低発熱量ガスＧ_Lの混合量を制御するように構成されており、上述した高発熱量ガス混合制御に加えてこの低発熱量ガス混合制御を実行することにより、燃焼室１５に供給される燃料ガスＧの発熱量、更には、燃焼室１５における燃焼状態の一層の安定化が図られている。

具体的には、上記制御装置２は、上記低発熱量ガス混合制御において、ＮＯｘセンサ３で検出されたＮＯｘ濃度Ｎが増加するほど、燃焼室１５に供給される燃料ガスＧの発熱量が増加傾向にあるとして、低発熱量ガス調整弁５の開度ＶＬを拡大して、主燃料ガスＧ_Oに対する低発熱量ガスＧ_Lの混合量を増加させるように構成されている。
以下、制御装置２により実行される高発熱量ガス混合制御と低発熱量ガス混合制御との具体的な処理フローについて、図６及び図７に基づいて説明を加える。

図７に示すように、先ず、上記第１実施形態と同様にエンジン１の出力Ｐが確認され（ステップ＃２０）、そのエンジン１の出力Ｐから所定の関数を用いて、下限値ＮＬに加えが、上限値ＮＨが設定される（ステップ＃２１）。
尚、これら下限値ＮＬ及び上限値ＮＨは、ある出力Ｐでエンジン１を運転した場合に、燃焼室１５において安定した燃焼状態が維持されている場合のＮＯｘ濃度Ｎの許容範囲における下限値及び上限値として設定される値である。そして、このＮＯｘ濃度Ｎの許容範囲の下限値ＮＬ及び上限値ＮＨとエンジン１の出力Ｐとの相関関数は、予め実験等により求めておくことができる。

次に、ＮＯｘセンサ３によりＮＯｘ濃度Ｎが検出され（ステップ＃２２）、そのＮＯｘ濃度Ｎを用いて、高発熱量ガス調整弁４の開度ＶＨが拡大又は縮小され、更には、低発熱量ガス調整弁５の開度ＶＬが拡大又は縮小されて、主燃料ガスＧ_Oに対する高発熱量ガスＧ_Hの混合量が制御される（ステップ＃２３〜ステップ＃３０）

具体的には、ＮＯｘ濃度Ｎが下限値ＮＬを下回っているか否かが判定され（ステップ＃２３）、ＮＯｘ濃度Ｎが下限値ＮＬを下回っていると判定されたときには、更に、低発熱量ガス調整弁５の開度ＶＬがゼロ（全閉状態）であるか否か、即ち低発熱量ガス調整弁５が全閉状態であるか否かが判定される（ステップ＃２４）。
そして、上記ステップ＃２３でＮＯｘ濃度Ｎが下限値ＮＬを下回っていると判定されたときには、燃料ガスＧの発熱量が小さすぎるために燃焼室１５に吸気される混合気Ｍの当量比が過剰にリーン化しているとして、図６にも示すように、上記ステップ＃２４で低発熱量ガス調整弁５が全閉状態であると判定した場合には、高発熱量ガス調整弁４の開度ＶＨが所定幅ΔＶＨずつ拡大されて、主燃料ガスＧ_Oに対する高発熱量ガスＧ_Hの混合量が徐々に増加される（ステップ＃２５）。尚、上記ステップ＃２４で低発熱量ガス調整弁５が全閉状態ではないと判定した場合には、低発熱量ガス調整弁５の開度ＶＬが所定幅ΔＶＬずつ縮小されて、主燃料ガスＧ_Oに対する低発熱量ガスＧ_Lの混合量が徐々に減少される（ステップ＃３０）。

上記ステップ＃２３でＮＯｘ濃度Ｎが下限値ＮＬを下回っていないと判定されたときには、高発熱量ガス調整弁４の開度ＶＨが０よりも大きい場合（ステップ＃２６）、即ち高発熱量ガス調整弁４が開状態である場合に、主燃料ガスＧ_Oの発熱量が適切であると判断して、図６にも示すように、高発熱量ガス調整弁４の開度ＶＨが所定幅ΔＶＨずつ縮小されて、主燃料ガスＧ_Oに対する高発熱量ガスＧ_Hの混合量が徐々に減少される（ステップ＃２７）。

更に、上記ステップ＃２６で高発熱量ガス調整弁４が開状態ではないと判定した場合、即ち高発熱量ガス調整弁４が全閉状態であると判定した場合には、ＮＯｘ濃度Ｎが上限値ＮＨを上回っているか否かが判定され（ステップ＃２８）、ＮＯｘ濃度Ｎが上限値ＮＨを上回っていると判定されたときには、燃料ガスＧの発熱量が大きすぎるために燃焼室１５に吸気される混合気Ｍの当量比が過剰にリッチ化しているとして、図６にも示すように、低発熱量ガス調整弁５の開度ＶＬが所定幅ΔＶＬずつ拡大されて、主燃料ガスＧ_Oに対する低発熱量ガスＧ_Lの混合量が徐々に増加される（ステップ＃２９）。

上記ステップ＃２８でＮＯｘ濃度Ｎが上限値ＮＨを上回っていないと判定されたときには、主燃料ガスＧ_Oの発熱量が適切であると判断して、図６にも示すように、低発熱量ガス調整弁５の開度ＶＬが所定幅ΔＶＬずつ縮小されて、主燃料ガスＧ_Oに対する低発熱量ガスＧ_Lの混合量が徐々に減少される（ステップ＃３０）。

上記ステップ＃２５において主燃料ガスＧ_Oに対する高発熱量ガスＧ_Hの混合量が徐々に増加されることで、燃焼室１５に供給される燃料ガスＧの発熱量が徐々に増加され、燃焼室１５に吸気される混合気Ｍの過剰なリーン化が抑制されて、不完全燃焼や失火の発生が抑制される。

一方、上記ステップ＃２９において主燃料ガスＧ_Oに対する低発熱量ガスＧ_Lの混合量が徐々に増加されることで、燃焼室１５に供給される燃料ガスＧの発熱量が徐々に減少され、燃焼室１５に吸気される混合気Ｍの過剰なリッチ化が抑制されて、ＮＯｘ排出量の増加やノッキングの発生、更には、過負荷による故障の発生が抑制される。

更に、上記ステップ＃２７において主燃料ガスＧ_Oに対する高発熱量ガスＧ_Hの混合量が徐々に減少されたり、上記ステップ＃３０において主燃料ガスＧ_Oに対する低発熱量ガスＧ_Lの混合量が徐々に減少されることで、適切な燃焼状態を維持しながら、高発熱量ガスＧ_H若しくは低発熱量ガスＧ_Lの混合量を削減することができる。

更に、図示は省略するが、上記ステップ＃２３でＮＯｘ濃度Ｎが第１下限値Ｎ１を下回っていると判定されたときにおいて、例えば上記ステップ＃２５で高発熱量ガス調整弁４の開度ＶＨが全開状態でそれ以上拡大できない場合などには、上記エンジン１の出力Ｐを運転に支障がない程度に減少させる出力減少制御が実行される。すると、エンジン１の出力Ｐを減少させるのに伴って、吸気路１２に設けられたスロットルバルブ１４の開度が縮小されるので、燃焼室１５への吸気量が減少して、混合部１３における燃料ガスＧに対する空気Ａの量が少なくなって、燃焼室１５に吸気される混合気Ｍの当量比の過剰なリーン化が緩和される。

尚、上記実施の形態では、発熱量の変動要因を有する主燃料ガスＧ_Oとしてバイオガスを用いたが、別に、塗装工場や半導体・電子部品製造工場から排出される有機溶剤等を含むオフガスのようにバイオガス以外の燃料ガスを、発熱量の変動要因を有する主燃料ガスＧ_Oとして用いても構わない。
また、上記主燃料ガスＧ_Oよりも高い発熱量を有する高発熱量ガスＧ_Hとしては、都市ガス１３Ａ以外に、プロパン（発熱量：９３ＭＪ）やメタン（発熱量：３６ＭＪ）等のように、発熱量が比較的高い燃料ガスを用いることができる。
一方、上記主燃料ガスＧ_Oよりも低い発熱量を有する低発熱量ガスＧ_Lとしては、空気以外に、水素（発熱量：１１ＭＪ）や一酸化炭素（発熱量：１３ＭＪ）等のように、発熱量が比較的低い燃料ガスを用いることができる。

上記実施の形態では、エンジン１を、図１に示すように、混合部１３をベンチュリミキサとして構成したものを想定したが、別に、図８に示すようなエンジン１’等の別の構成のエンジンにも、本発明に係る燃料供給機構を適用することができる。
即ち、図８に示すエンジン１’は、吸気路１２に過給機１９が設けられており、その過給機１９により、混合部１３で形成された混合気Ｍを加圧して燃焼室１５に供給する過給式のエンジンとして構成されている。
混合部１３は、吸気路１２に対して燃料ガス路１３を接続する接続部として過給機１９の上流側に設けられており、更に、燃料ガス路１０には、燃料ガスＧの混合部１３への供給量を調整可能な燃料制御弁１８が設けられている。
一方、吸気路１２における過給機１９の下流側には、吸気路１２における圧力（以下、吸気圧力と呼ぶ。）を検出する圧力センサ２０が設けられており、この圧力センサ２０で検出された吸気圧力は制御装置２に入力される。
そして、制御装置２は、圧力センサ２０で検出された吸気圧力とエンジン１’の発電出力とに基づいて燃料制御弁１８の開度を制御することで、混合部１３において空気Ａに対して一定の割合の燃料ガスＧが混合されるようになる。
そして、このようなエンジン１’においても、燃料ガスＧの発熱量が上記主燃料ガスＧ_Oと同様に変動した場合には、燃焼室１５に吸気される混合気Ｍの当量比も変動してしまう。
即ち、燃焼室１５に供給される燃料ガスＧの発熱量が減少又は増加した場合には、吸気路１２に設けられたスロットルバルブ１４の開度が拡大又は縮小されて、圧力センサ２０で検出される吸気圧力が増加又は減少する。結果、制御装置２は、吸気圧力の増加又は減少に応じて、混合部１３への燃料供給量を増加又は減少させるので、結果、燃焼室１５に吸気される混合気の当量比が低下（リーン化）又は上昇（リッチ化）することになる。

上記第１実施形態及び上記第２実施形態では、図４及び図７に示すように、ＮＯｘ濃度Ｎが下限値ＮＬを下回っていないと判定されたときに（図４のステップ＃１３、図７のステップ＃２３）、高発熱量ガス調整弁４の開度ＶＨの縮小を行う（図４のステップ＃１６、図７のステップ＃２７）ように構成したが、例えば、上記下限値に対して若干大きめのオフセット値を設定しておき、ＮＯｘ濃度が上記下限値を下回った後にそのオフセット値を上回ったときに、高発熱量ガス調整弁の開度の縮小を行うように構成することもできる。また、この場合、ＮＯｘ濃度が上記下限値とオフセット値との間にある場合には、燃焼室に吸気される混合気の当量比が適切であるとして、高発熱量ガス調整弁の開度が増加又は減少されることなくその時点の開度に維持されることになる。

上記第２実施形態では、図７に示すように、ＮＯｘ濃度Ｎが上限値ＮＨを上回っていないと判定されたときに（図７のステップ＃２８）、低発熱量ガス調整弁５の開度ＶＬの縮小を行う（図７のステップ＃３０）ように構成したが、例えば、上記上限値に対して若干小さめのオフセット値を設定しておき、ＮＯｘ濃度が上記上限値を上回った後にそのオフセット値を下回ったときに、低発熱量ガス調整弁５の開度ＶＬの縮小を行うように構成することもできる。また、この場合、ＮＯｘ濃度が上記上限値とオフセット値との間にある場合には、燃焼室に吸気される混合気の当量比が適切であるとして、低発熱量ガス調整弁の開度が増加又は減少されることなくその時点の開度に維持されることになる。

本発明に係る内燃機関の燃料供給機構は、発熱量の変動要因を有するバイオガス等の主燃料ガスを含む燃料ガスを燃焼室に供給して燃焼させる内燃機関において、主燃料ガスの発熱量を計測する発熱量計測装置を設けなくても、主燃料ガスに対して、当該主燃料ガスよりも高い発熱量を有する都市ガス１３Ａ等の高発熱量ガスを混合可能とし、その混合量を制御する高発熱量ガス混合制御を実行して、燃焼室における燃焼状態を良好に安定化させることができる内燃機関の燃料供給機構として、有効に利用可能である。

エンジンの概略構成図第１実施形態におけるエンジンの燃料供給機構の概略構成図第１実施形態におけるＮＯｘ濃度及び高発熱量ガス調整弁の開度の経時的な変化傾向を示すグラフ図第１実施形態における制御装置により実行される制御のフロー図第２実施形態におけるエンジンの燃料供給機構の概略構成図第２実施形態におけるＮＯｘ濃度及び高発熱量ガス調整弁の開度の経時的な変化傾向を示すグラフ図第２実施形態における制御装置により実行される制御のフロー図別実施形態におけるエンジンの概略構成図

符号の説明

１：エンジン（内燃機関）
２：制御装置（制御手段）
３：ＮＯｘセンサ（ＮＯｘ濃度検出手段）
４：高発熱量ガス調整弁（高発熱量ガス調整手段）
５：低発熱量ガス調整弁（低発熱量ガス調整手段）
１５：燃焼室
１６：排気路
５０：燃料供給機構
Ｅ：排ガス
Ｇ：燃料ガス
Ｇ_H：高発熱量ガス
Ｇ_L：低発熱量ガス
Ｇ_O：主燃料ガス
Ｎ：ＮＯｘ濃度
ＮＨ１，ＮＨ２：上限値
ＮＬ１，ＮＬ２：下限値

Claims

発熱量の変動要因を有する主燃料ガスを燃焼室に供給して燃焼させる内燃機関において、
前記主燃料ガスに対して当該主燃料ガスよりも高い発熱量を有する高発熱量ガスを混合可能、且つ、その混合量を調整可能な高発熱量ガス調整手段と、
前記高発熱量ガス調整手段を作動させて前記高発熱量ガスの混合量を制御する高発熱量ガス混合制御を実行する制御手段とを備えた内燃機関の燃料供給機構であって、
前記燃焼室から排出された排ガスのＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘ濃度検出手段を備え、
前記制御手段が、前記高発熱量ガス混合制御において、前記ＮＯｘ濃度検出手段で検出されたＮＯｘ濃度が減少するほど、前記主燃料ガスに対する前記高発熱量ガスの混合量を増加させ、前記ＮＯｘ濃度検出手段で検出されたＮＯｘ濃度が増加するほど、前記主燃料ガスに対する前記高発熱量ガスの混合量を減少させる内燃機関の燃料供給機構。
前記制御手段が、前記ＮＯｘ濃度検出手段で検出されたＮＯｘ濃度が所定の下限値を下回った場合に前記内燃機関の出力を減少させる出力減少制御を実行する請求項１に記載の内燃機関の燃料供給機構。
前記主燃料ガスに対して当該主燃料ガスよりも低い発熱量を有する低発熱量ガスを混合可能、且つ、その混合量を調整可能な低発熱量ガス調整手段を備え、
前記制御手段が、前記ＮＯｘ濃度検出手段の検出結果に基づいて、前記低発熱量ガス調整手段を作動させて、前記ＮＯｘ濃度検出手段で検出されたＮＯｘ濃度が増加するほど前記主燃料ガスに対する前記低発熱量ガスの混合量を増加させ、前記ＮＯｘ濃度検出手段で検出されたＮＯｘ濃度が減少するほど前記主燃料ガスに対する前記高発熱量ガスの混合量を減少させる低発熱量ガス混合制御を実行する請求項１又は２に記載の内燃機関の燃料供給機構。