JP5046727B2 - 内燃機関排ガスの粒状物質検出方法および内燃機関の燃焼制御方法ならびに装置 - Google Patents

Description

本発明は、排ガスに同伴して排出される粒状物質（未燃粒子）を検出する内燃機関排ガスの粒状物質検出方法と、この方法により検出された粒状物質の検出値に基いて内燃機関の運転状態を良好に制御する内燃機関の燃焼制御方法と装置に関する。

たとえばディーゼルエンジン機関において、排ガスに含まれる粒状物質を検出するものとして、特許文献１が提案されている。この特許文献１では、排ガス中のＰＭ（粒状物質）を測定する要件として、燃料流量、吸気流量およびスモーク濃度からＩＳＦ（非溶融性有機物質）量を算出し、エンジン回転数、燃料流量、吸気流量、ＣＯ排出量およびＨＣ排出量からＳＯＦ（可融性有機物質）量を算出し、ＩＳＦ量とＳＯＦ量の和をＰＭ量として算出している。
特許第３６１７２６１号

しかしながら、上記特許文献１では、複数のパラメータによりＰＭ量を算出するため、複雑な構成になるという問題があった。
本発明は上記問題点を解決して、より簡易的にＰＭ量を測定できる内燃機関排ガスの粒状物質検出方法と、その検出方法を利用した内燃機関の燃焼制御方法と装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の内燃機関排ガスの粒状物質検出方法は、内燃機関の排ガス通路に配置された酸化触媒コンバータの排ガス入口と排ガス出口の排ガス温度をそれぞれ検出し、前記排ガス入口と排ガス出口の排ガスの温度差の変動により、排ガス中に含まれる粒状物質の増減を検出するものである。

請求項２記載の発明は、排ガス通路の排ガス流量を検出して、粒状物質の増減量を補正するものである。
請求項３記載の内燃機関の燃焼制御方法は、請求項１または２記載の内燃機関排ガスの粒状物質検出方法により、継続的に排ガス中の粒状物質の増減を検出し、前記粒状物質の増加量が設定値を越えた時に、内燃機関の燃焼空気量の増加と燃料の噴射特性の改善の少なくとも一方を行い、燃焼状態を改善するものである。

請求項４記載の内燃機関の燃焼制御装置は、内燃機関の排ガス通路に配置された酸化触媒コンバータの排ガス入口に配置された入口温度検出器および排ガス出口に配置された出口温度検出器と、前記入口温度検出器と出口温度検出器の温度差の変動により、排ガス中に含まれる粒状物質の増減を検出する粒状物質増減検出部とを有する粒状物質検出部を設け、前記粒状物質増減検出部の検出値からエンジンの燃焼状態を判断する燃焼状態判断部と、前記燃焼状態判断部の操作信号に基いて粒状物質の増加量が設定値を越えた時に、燃焼空気量の増加と燃料の噴射特性の改善の少なくとも一方を行う運転制御指令部とを有する燃焼制御部を設けたものである。

請求項１記載の発明によれば、酸化触媒コンバータの排ガス入口と排ガス出口の排ガス温度をそれぞれ検出し、その排ガス温度の差の変動に基いて排ガスに含まれる粒状物質（未燃粒子）の増減を検出することができ、従来に比較してきわめて簡単な構成で容易に実施することができる。

請求項２記載の発明によれば、排ガス流量により粒状物質の増減量を補正することにより、より正確に粒状物質の増減量を判断することができる。
請求項３記載の発明によれば、粒状物質の増減により、内燃機関の燃焼状態を判断することで、簡単な構成で燃焼状態を改善することができて内燃機関を最適な運転状態に保持することができる。

請求項４記載の発明によれば、粒状物質検出部において、入口温度検出器および出口温度検出器により酸化触媒コンバータの排ガス入口と排ガス出口の排ガス温度をそれぞれ測定し、粒状物質増減検出部により前記排ガス温度差の変動により、排ガス中に含まれる粒状物質の増減を検出する。さらに燃焼制御部において、燃焼状態判断部では、前記粒状物質増減検出部の検出値に基いて、酸化触媒コンバータの排ガス入口と排ガス出口の排ガス温度差が大きくなった場合、燃焼不良により内燃機関の燃焼状態が悪化し粒状物質が増加したと判断して制御指令を運転制御指令部に出力する。運転制御指令部では燃焼空気量の増加および燃料の噴射特性の改善の少なくとも一方を行って燃焼状態を改善し、最適な運転状態に保持することができる。したがって、簡単な構成で、内燃機関を容易に最適な運転状態に制御することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
［実施の形態１］
図１は、本発明に係るエンジン（内燃機関）の燃焼制御装置１１を具備したたとえば舶用の４サイクルディーゼルエンジンの構成図で、吸気管２および排気管（排ガス通路）３には、同一軸上で回転される過給羽根を有する出力側過給機４Ａおよび入力側過給機４Ｂがそれぞれ設置されている。そして、吸気管２から出力側過給機４Ａにより加圧された燃焼空気が、冷却装置６により冷却された後に、マニホールドから吸入弁５Ａを有する吸気口を介してエンジンの各シリンダ１の燃焼室１ａにそれぞれ供給される。シリンダ１の燃焼室１ａには、燃料が燃料ポンプ７から燃料噴射ノズル８を介して噴射供給されることにより、４サイクルで運転される。燃焼後の排ガスは、燃焼室１ａから排気弁５Ｂを有する排気口を介して排気管３に排出され、入力側過給機４Ｂを駆動して排気筒９から排出される。またこの排気管３には、排ガス中の粒状物質検出する酸化触媒コンバータ１０が所定位置に設置される。ここで、小排気量（たとえば排ガス流量２Ｎｍ^３／秒以下）のエンジンの場合で、全排ガスを通過させて浄化するために設置される酸化触媒コンバータ１０を粒状物質検出用として利用することもできるが、大排気量（たとえば排ガス流量２Ｎｍ^３／秒を超える）のエンジンの場合には、粒状物質を検出するために一部の排ガスを通過させる酸化触媒コンバータ１０が設置される。

この酸化触媒コンバータ１０は、たとえば筒状体内にハニカム構造の酸化触媒が設置され、酸化触媒により排ガス中のＰＭ（粒状物質）のうち、特に未燃の燃料分やオイル分を含むＳＯＦ（可溶融性有機物質）を中心に燃焼させるものであるが、温度条件により煤などのＩＳＦ（非溶融性有機物質）も燃焼される。またこの酸化触媒コンバータ１０は、前記排気管３で最適な効果を奏する排ガス温度位置に設置されており、回転数が５０〜１８０ｒｐｍの低速２サイクルエンジンの場合には、排ガス温度が約５５０℃前後となる入力側過給機４Ｂの入口近傍に設置され、また回転数が２５０〜１８００ｒｐｍの中速４サイクルエンジンの場合には、排ガス温度が約４５０℃前後となる入力側過給機４Ｂの出口近傍に設置される。

図２に示すように、本発明に係るエンジンの燃焼制御装置１１は、ＰＭ検出部（粒状物質検出部）１２と燃焼制御部２１とを具備しており、前記ＰＭ検出部１２は、酸化触媒コンバータ１０の排ガス入口と排ガス出口の排ガス温度をそれぞれ検出する入口温度検出器１４Ａおよび出口温度検出器１４Ｂと、前記排ガスの温度差の変動に基いて排ガス中のＰＭ量の増減を検出するＰＭ増減検出部１３とを有している。また燃焼制御部２１は、前記ＰＭ増減検出部１３のＰＭ量の増減に基いてエンジンの燃焼状態を判断する燃焼状態判断部２３と、この燃焼状態判断部２３の制御指令によりエンジンの燃焼状態を制御する運転制御指令部２２とを有している。

すなわち、ＰＭ検出部１２は、図２，図３（ａ）に示すように、酸化触媒コンバータ１０の排ガス入口に配置された入口温度検出器１４Ａと、排ガス出口に配置された出口温度検出器１４Ｂと、排ガス量を検出する排ガス検出部１５と、酸化触媒コンバータ１０の酸化触媒の劣化データを記録する劣化データ記録部１６と、前記ＰＭ増減検出部１３とで構成されている。なお、図４に示すように、酸化触媒コンバータ１０の排ガス出口に縮流ダクト１０ａが設けられた場合には、縮流ダクト１０ａの排ガス出口に出口温度検出器１４Ｂが設置される。

前記排ガス中のＰＭは、図３（ｂ）に示すように、酸化触媒コンバータ１０を通過することにより、ＳＯＦを中心に煤なども含めて酸化燃焼され、入口の排ガス温度Ｔ０に、酸化触媒の加熱による基礎上昇温度Ｔ１と、ＰＭの燃焼による酸化上昇温度ΔＴ分を加えた排ガス温度となる。そして前記酸化上昇温度ΔＴは、酸化触媒コンバータ１０により酸化燃焼されるＰＭ量に比例することから、排ガス中のＰＭ量が増加すると酸化上昇温度ΔＴが増加され、反対に排ガス中のＰＭ量が減少すると酸化上昇温度ΔＴが減少される。したがって、ＰＭ増減検出部１３により酸化触媒コンバータ１０の排ガス入口と排ガス出口の排ガス温度を検出し、継続的に温度差を比較することにより、排ガス中のＰＭの増減を検出することができる。

ここで、エンジンの回転数が変動すると排ガス量が変化してＰＭ量も変化するため、排ガス検出部１５では、Ａ）エンジンの回転検出器１５ａ、Ｂ）出力側過給機４Ａの回転検出器１５ｂ、Ｃ）出力側過給機４Ａ出口のエア圧検出器１５ｃのうち、Ａ）およびＢ）の一方の検出値と、Ｃ）の検出値とに基いて排ガス流量を求め、この前記排ガス流量に基いてＰＭ増減検出部１３でＰＭの増減量を補正している。

また酸化触媒コンバータ１０の酸化触媒は使用時間に従って劣化し、酸化燃焼されるＰＭ量が減少することから、ＰＭ増減検出部１３では劣化データを記録する劣化データ記録部１６の劣化データに基いてＰＭの増減量を補正している。

前記燃焼室１ａで燃焼性が悪化するとＰＭ量が増加するため、燃焼制御部２１の燃焼状態判断部２３では、ＰＭ検出部１２におけるＰＭの増減量を継続的に記録して比較し燃焼状態が最適か、悪化しているかどうかを判断し、また運転制御指令部２２では、エンジンを最適な状態で運転するように燃焼制御する。

すなわち、前記燃焼状態判断部２３では、所定時間の間でＰＭの増加量が所定の設定値を越えると、エンジンの燃焼状態が悪いと判断して、運転制御指令部２２によりエンジンを制御する。前記運転制御指令部２２は、燃焼状態判断部２３からの制御指令により、ａ）吸入排気弁５Ａ，５Ｂの弁調整装置５Ｃを作動して燃焼空気量を増加させる、ｂ）燃料ポンプ７を操作して燃料の噴射圧を上げ噴射特性を改善する、の一方または両方を行うことにより、燃焼室１ａ内の燃焼性を改善し最適な運転状態を保持するように構成される。

なお、ｂ）の燃料の噴射特性を改善に関しては、燃料噴射圧の増大以外に、燃料噴射ノズル８の噴射回数（多段噴射）を制御することで噴射特性を改善することもできる。
上記構成において、燃焼室１ａから排気管３に排出された排ガスが、酸化触媒コンバータ１０に導入されて排ガスに同伴されたＳＯＦを中心に煤なども含めて酸化燃焼される。これにより排ガス出口の排ガス温度は、排ガス入口と比較して、基礎上昇温度Ｔ１に加えて酸化上昇温度ΔＴ分が上昇される。ＰＭ増減検出部１３では、この酸化上昇温度ΔＴに基いて排ガス中のＰＭ量の増減を容易に検出することができる。

またエンジンの燃焼状態が悪化してＰＭの発生量が増加すると、ＰＭ検出部１２では、入口温度検出器１４Ａの検出値に比較して出口温度検出器１４Ｂの検出温度が高く検出され、ＰＭの増加量が多く検出される。そして燃焼状態判断部２３では、ＰＭの増加量が多い状態で所定時間継続した場合、エンジンの燃焼状態が悪化したと判断し、運転制御指令部２２に制御指令が出力される。運転制御指令部２２では、弁調整装置５Ｃに操作指令を出力して燃焼空気量を増加させたり、または燃料ポンプ７に操作指令を出力して燃料の噴射圧が上昇させて燃焼室１ａ内での噴射特性を改善させることにより、燃焼室１ａ内の燃焼性を改善し最適な運転状態が保持される。もちろん両方の操作を同時に行ってもよい。

上記実施の形態によれば、ＰＭ検出部１２において、酸化触媒コンバータ１０の排ガス入口の排ガス温度を検出する入口温度検出器１４Ａと、排ガス出口の排ガス温度を検出する出口温度検出器１４Ｂとにより排ガスの温度をそれぞれ検出し、ＰＭ増減検出部１３により排ガス入口と排ガス出口での排ガス温度差の変動からＰＭ量の増減を検出することができ、従来に比較して簡単な構成で容易にＰＭ量の増減を検出することができる。

また排ガス検出部１５において、エンジンの回転検出器１５ａおよび出力側過給機４Ａの回転検出器１５ｂの一方の検出信号と、出力側過給機４Ａ出口のエア圧検出器１５ｃの検出信号とに基いて排ガス流量を求め、この排ガス流量に基いてＰＭ増減検出部１３によりＰＭの増減量を補正するので、より正確なＰＭの増減量を得ることができる。

さらにＰＭ増減検出部１３では、劣化データ記録部１６のデータに基いてＰＭの増減量を補正することにより、さらに正確なＰＭの増減量を得ることができる。
さらにまた、ＰＭ増減検出部１３でＰＭの増加量が多いと、燃焼状態判断部２３でエンジンの燃焼状態が悪化したと判断され、これに基いて運転制御指令部２２により弁調整装置５Ｃを制御して燃焼空気量を増加したり、または燃料ポンプ７を制御して燃料の噴射圧を上げ噴射特性を向上させることで、燃焼室１ａ内の燃焼性を改善することができる。これにより、簡易な構成で舶用ディーゼルエンジンを常に最適な状態で運転することができる。

図５は、２サイクルのディーゼルエンジンに本発明に係る燃焼制御装置を適用した説明図である。ここで、上記実施の形態と同一部材には同一符号を付して説明を省略する。上記構成によれば、２サイクルのディーゼルエンジンであっても同様の作用効果を奏することができる。

なお、上記実施の形態では、４サイクルおよび２サイクルのディーゼルエンジンについて説明したが、ガスエンジンやガソリンエンジンなどの他の内燃機関にも適用することができる。

本発明に係るエンジンの燃焼制御装置を具備した４サイクルディーゼルエンジンの実施の形態を示す説明図である。 同エンジンの燃焼制御装置の構成図である。 同排気管に設置された酸化触媒コンバータを示し、（ａ）は温度検出器の設置状態を示す配置図、（ｂ）は排ガス温度分布を示すグラフである。 他の酸化触媒コンバータと温度検出器の設置状態を示す配置図である。 本発明に係るエンジンの燃焼制御装置を具備した２サイクルディーゼルエンジンの実施の形態を示す説明図である。

符号の説明

１ シリンダ
１ａ 燃焼室
２ 吸気管
３ 排気管
４Ａ 出力側過給機
４Ｂ 入力側過給機
５Ａ 吸入弁
５Ｂ 排気弁
５Ｃ 弁調整装置
６ 冷却装置
７ 燃料ポンプ
８ 燃料噴射ノズル
９ 排気筒
１０ 酸化触媒コンバータ
１１ 燃焼制御装置
１２ ＰＭ検出部
１３ ＰＭ増減検出部
１４Ａ 入口温度検出器
１４Ｂ 出口温度検出器
１５ 排ガス検出部
１５ａ エンジンの回転検出器
１５ｂ 出力側過給機の回転検出器
１５ｃ 出力側過給機出口のエア圧検出器
１６ 劣化データ記録部
２１ 燃焼制御部
２２ 運転制御指令部
２３ 燃焼状態判断部

Claims (4)

1. 内燃機関の排ガス通路に配置された酸化触媒コンバータの排ガス入口と排ガス出口の排ガス温度をそれぞれ検出し、
   前記排ガス入口と排ガス出口の排ガスの温度差の変動により、排ガス中に含まれる粒状物質の増減を検出する
   内燃機関排ガスの粒状物質検出方法。
2. 排ガス通路の排ガス流量を検出して、粒状物質の増減量を補正する
   請求項１記載の内燃機関排ガスの粒状物質検出方法。
3. 請求項１または２記載の内燃機関排ガスの粒状物質検出方法により、継続的に排ガス中の粒状物質の増減を検出し、
   前記粒状物質の増加量が設定値を越えた時に、内燃機関の燃焼空気量の増加と燃料の噴射特性の改善の少なくとも一方を行い、燃焼状態を改善する
   内燃機関の燃焼制御方法。
4. 内燃機関の排ガス通路に配置された酸化触媒コンバータの排ガス入口に配置された入口温度検出器および排ガス出口に配置された出口温度検出器と、前記入口温度検出器と出口温度検出器の温度差の変動により、排ガス中に含まれる粒状物質の増減を検出する粒状物質増減検出部とを有する粒状物質検出部を設け、
   前記粒状物質増減検出部の検出値からエンジンの燃焼状態を判断する燃焼状態判断部と、前記燃焼状態判断部の操作信号に基いて粒状物質の増加量が設定値を越えた時に、燃焼空気量の増加と燃料の噴射特性の改善の少なくとも一方を行う運転制御指令部とを有する燃焼制御部を設けた
   内燃機関の燃焼制御装置。

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