JP5285763B2

JP5285763B2 - 予混合エンジンの空燃比制御装置

Info

Publication number: JP5285763B2
Application number: JP2011501626A
Authority: JP
Inventors: 裕一清水; 雄太古川
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2009-02-25
Filing date: 2010-02-24
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2030-02-24
Also published as: US8991172B2; EP2402583A4; EP2402583A1; JPWO2010098360A1; BRPI1008669A2; EP2402583B1; US20120017585A1; CN102317601B; WO2010098360A1; CN102317601A

Description

本発明は、ハイブリッド過給機と接続された予混合エンジンの空燃比制御装置に関する。

従来、過給機に電動発電機を接続したハイブリッド過給機を備える予混合エンジンの制御装置として、例えば特許文献１に開示されるものが知られている。この特許文献１に開示の予混合エンジンの制御装置では、図４に示すように、予混合エンジン１の給気口１ｂがターボ過給機２のコンプレッサ２ａ及び燃料タンク３に接続され、予混合エンジン１の排気口１ｃがターボ過給機２のタービン２ｂに接続されている。そして、ターボ過給機２の回転軸２ｃが電動機能（以下、モータ機能という）及び発電機能を有する電動発電機４として利用される。この電動発電機４とターボ過給機２とが組み合わされてハイブリッド過給機が構成されている。
予混合エンジン１には回転軸１ａを介して発電機５が接続され、この発電機５には発電機５の発電量及び予混合エンジン１の給気量を検知する検知部６が接続されている。この検知部６からの検知信号は制御手段７に送信され、この制御手段７は、モータ機能と発電機能とを切り替えるための切替信号を電動発電機４へ送信する。

次に、予混合エンジン１の制御方法について図５を用いて説明する。予混合エンジン１を始動すると、ステップＳ１において、制御手段７は検知部６の検知信号を読み取る。次いで、ステップＳ２において、検知部６の検知信号と制御手段７内の記憶部に記憶されているデータとからターボ過給機２の給気量の過不足を判断する。給気不足のときは、ステップＳ３において、制御手段７は電動発電機４へモータ機能への切替信号を出力する。予混合エンジン１の始動時に、制御手段７からモータ機能切替信号を受けた電動発電機４は、モータ機能に切り替えられ、電力線８から送られてくる電力により駆動される。この電動発電機４の駆動により、回転軸２ｃを介してターボ過給機２が駆動する。このターボ過給機２の駆動により、予混合エンジン１に適切量の空気が供給され、予混合エンジン１の始動性が向上して始動時から運転が安定する。

予混合エンジン１の運転中に、給気量が不足していると判断された場合、ステップＳ３において、制御手段７は電動発電機４へモータ機能への切替信号を出力する。
一方、給気量が過剰であると判断された場合、ステップＳ４において、制御手段７は電動発電機４へ発電機能への切替信号を出力する。このとき、給気過剰でタービン２ｂの回転数が過剰であっても、その回転力は電動発電機４において発電エネルギとして有効利用される。
他方、給気量が適正であると判断された場合、ステップＳ５において、制御手段７から電動発電機４への機能切替信号が消勢される。そして、制御手段７から機能切替信号の消勢を受けた電動発電機４は、モータ機能又は発電機能を停止する。

上述したように、給気不足の場合には電動発電機４がモータ機能に切り替わってターボ過給機２を駆動するので、予混合エンジン１の始動性が向上する。また、給気過剰の場合には電動発電機４が発電機能に切り替わってターボ過給機２からエネルギを得て発電するので、エネルギ効率が良くなる。そして、予混合エンジン１が適正給気で駆動されるように制御されると、給気不足又は給気過剰による不完全燃焼が起こらなくなる。以上のように予混合エンジン１は制御され、ステップＳ６において、制御終了の場合は、予混合エンジン１が停止する。一方、制御を続行する場合にはステップＳ１に戻る。

特開２００１−３２３８２５号公報

しかし、上述した特許文献１に記載の予混合エンジンの制御装置では、予混合エンジン１での空燃比が燃焼に大きく影響するため厳密な空燃比制御が重要であるにもかかわらず、十分に正確に空燃比を変化させているとはいえなかった。より具体的には、始動時に給気量が不足している場合は電動発電機４をモータとして機能させ、反対に給気量が過剰な場合は電動発電機４を発電機として機能させており、計測給気量のみを制御目標として電動発電機４をオンオフ制御が行われているだけであった。
このように電動発電機４のオンオフ制御が行われるだけのため、予混合エンジンの空燃比制御が厳密に行われているとはいえず、所望の空燃比を正確に得ることは困難であった。また、電動発電機４を発電機として機能させても発電容量以上の発電ができないため、発電を実施しても空気過剰となる場合は、それ以上の制御は不可能であり、空気過剰となる。なお、空燃比とは、混合気における空気質量を燃料質量で割った値である。

本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、予混合エンジンの空燃比をより正確に制御して適正な空燃比を得ることができる予混合エンジンの空燃比制御装置を提供することを目的とする。

本発明はかかる課題を解決する手段としてなされたものである。
本発明は、コンプレッサとタービンとを備えるターボ過給機と、前記コンプレッサに回転軸を介して連結された電動発電機と、からなるハイブリッド過給機と、前記コンプレッサからの空気が流入し、前記タービンに排気ガスを供給する予混合エンジンと、該予混合エンジンに回転軸を介して連結された発電機と、該発電機又は前記予混合エンジンの作動条件に基づいて前記電動発電機を制御する制御手段と、を備える予混合エンジンの空燃比制御装置であって、
前記予混合エンジンを適正空燃比で運転するのに必要な空気量を算出する必要空気量算出手段と、前記必要空気量算出手段に基づいて算出される前記予混合エンジンへの必要空気量が得られるように前記ハイブリッド過給機の発電量又は回転数を算出する演算手段と、を備え、さらに、バイパス流路と該バイパス流路に設けられた流量調整弁とを有し前記タービンの出力を調整する排気ガスバイパス部を備え、前記制御手段は、前記演算手段の演算結果に基づいて前記ハイブリッド過給機の発電量又は回転数を制御するとともに、前記ハイブリッド過給機の発電量が規定最大値となった場合に前記流量調整弁を作動して前記バイパス流路を開いて、前記必要空気量の制御を行うことを特徴とする。

さらに、前記コンプレッサから前記予混合エンジンに供給される空気量を測定する給気量測定手段を備え、前記演算手段は、前記給気量測定手段を用いて測定された計測空気量と、前記必要空気量算出手段に基づいて算出される前記予混合エンジンへの必要空気量と、から前記計測空気量が前記必要空気量になるように前記ハイブリッド過給機の発電量又は回転数をフィードバック制御することを特徴とする。
かかる発明では、予混合エンジンに供給される必要空気量と計測空気量との差分が算出され、この差分に基づき演算手段よって、コンプレッサに連結された電動発電機の回転数がフィードバック制御されるため、空気量を連続的に変化させることが可能となり、従来より適正な空燃比で予混合エンジンを運転させることができる。

本発明は、さらに、前記演算手段では、前記必要空気量算出手段で算出された必要空気量が前記計測空気量より小さい場合には、過給機回転数過多と判断され、必要空気量が前記計測空気量より大きい場合には、過給機回転数不足と判断され、これらの判断に基づき新しい過給機回転数指示値を演算することを特徴とする。

また、前記電動発電機への新しい回転数指令値と、現時点の電動発電機への回転数指令値との比較が行われ、前記新しい回転数指令値が現時点の回転数指令値より小さい場合には、発電量不足と判断され、前記新しい回転数指令値が現時点の回転数指令値より大きい場合には、発電量過多と判断され、これらの判断に基づき電動発電機の新しい回転数指令値へフィードバック制御が行われることを特徴とする。

このように、必要空気量算出手段で算出された必要空気量と計測空気量とに差に基づいて、過給機回転数の指示値を演算して、その指示値になるように電動発電機を制御するため、空気量を必要用空気量に連続的に変化させることが可能となり、予混合エンジンの空燃比をより正確に制御して適正な空燃比を得ることができるようになる。

本発明は、バイパス流路と該バイパス流路に設けられた流量調整弁とを有し前記タービンの出力を調整する排気ガスバイパス部を備え、前記ハイブリッド過給機の発電量又は回転数に応じて、前記流量調整弁を制御して前記バイパス流路の開閉度を制御するように構成され、前記ハイブリッド過給機の発電量が規定最大値となった場合に前記流量調整弁が作動して前記バイパス流路が開かれることを特徴とする
かかる発明では、予混合エンジンからの排気ガスの一部が流入するバイパス流路を有する排気ガスバイパス部を備えているため、ハイブリッド過給機の発電量が最大出力の発電量に達したらバイパス流路から排気ガスを逃がしてタービン出力を減少させ、予混合エンジンへの空気流量を減らし、発電出力が最大かつ、給気量が必要給気量を上回る場合にも一定の給気量で安定化させることができる。そして、この逃がした排気ガスをエネルギとして利用すれば、省エネルギ化を図ることができる。この場合、発電出力が定常運転時に常に最大となるよう過給機の仕様を設定しても給気量制御が可能であるため、発電量を発電最大出力一定とすることが可能となる。また、ハイブリッド過給機の発電量が必要出力の発電量に達したら、バイパス流路より排気ガスを逃がすようにしてもよい。

本発明の予混合エンジンの空燃比制御装置では、予混合エンジンの空燃比をハイブリッド過給機の発電量又は回転数を制御することによって、より正確に制御して適正な空燃比を得ることができる。

図１は、本発明の予混合エンジンの空燃比制御装置の第１実施形態を示す説明図である。図２は、本発明の予混合エンジンの空燃比制御装置の第２実施形態を示す説明図である。図３は、第１実施形態の演算手段の制御フローの概要を説明する説明図である。図４は、従来の予混合エンジンの制御装置の構成を示す説明図である。図５は、図４の予混合エンジンの制御装置の処理の流れを示す説明図である。

以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対位置などは特に記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。

（第１実施形態)
図１は、本発明の予混合エンジンの空燃比制御装置の第１実施形態を示している。図に示すように、本実施形態の予混合エンジンの空燃比制御装置は、コンプレッサ２ａとタービン２ｂとを備えるターボ過給機２と、コンプレッサ２ａに回転軸２ｃを介して連結された電動発電機４と、を備えている。このターボ過給機２と電動発電機４とによりハイブリッド過給機が構成されている。また、本実施形態の予混合エンジンの空燃比制御装置は、コンプレッサ２ａからの空気が流入し、タービン２ｂに排気ガスを供給する予混合エンジン１と、該予混合エンジン１に回転軸１ａを介して連結された発電機５と、を備えている。さらに、本実施形態の予混合エンジンの空燃比制御装置は、発電機５又は予混合エンジン１の作動条件に基づいて電動発電機４の出力を制御する制御手段７と、を備えている。電動発電機４には、電動発電機４が発電機として機能している場合に電力を取り出すため、若しくはモータとして機能している場合に電力を供給するための電力線８が接続されている。この電力線８は、発電機５の電力線に接続され、発電機５の電力に加算される。

なお、予混合エンジンとは燃焼室に燃料を流入する前に燃料と空気とを予め混合して、混合気を生成して燃焼室に供給するエンジンであり、燃料にはガソリン、軽油のような液体燃料、さらに、ガス燃料を用いるものがある。本実施形態においては、発電機用のガスエンジンを例とするものであり、ガス燃料と空気とを混合してから燃焼室へ供給する予混合エンジンである。

そして、本実施形態の予混合エンジンの空燃比制御装置は、コンプレッサ２ａから予混合エンジン１に供給される空気流量を測定する給気量測定手段６１と、予混合エンジン１の発電量を測定する発電量測定手段６２と、を備え、前記作動条件を検知する検知部６を有している。ここで、給気量測定手段６１としては、公知の流量計を用いることができる。空気流量の測定にあたっては、給気圧力、温度及び排気ガスの酸素濃度などが考慮されるため、本実施形態で空気流量とは、質量流量をいう。

また、本実施形態の予混合エンジンの空燃比制御装置は、給気量測定手段６１を用いて測定された計測空気流量と、発電量測定手段６２で測定された発電量に基づいて算出される予混合エンジン１への必要空気流量と、から計測空気流量が必要空気流量になるようにハイブリッド過給機の発電量又は回転数を算出する演算手段７０を制御手段７内に備えている。この演算手段７０の演算結果に基づいてハイブリッド過給機の発電量又は回転数をフィードバック制御される。
なお、本実施形態でハイブリッド過給機の発電量とは、電動発電機４の発電量をいい、ハイブリッド過給機の回転数とは回転軸２ｃの回転数をいう。
ここで、演算手段７０としては、例えば、制御手段７に設けられたＣＰＵ（不図示）を用いることができる。制御手段７は、ＣＰＵを含む電子回路や、メモリに格納されたソフトウェアなどを広く含む。

制御手段７では、給気量測定手段６１と発電量測定手段６２の測定結果に基づいて、計測空気量算出手段（図中、ブロックＢ１）を用いて、測定された計測空気流量と、必要空気量算出手段（図中、ブロックＢ２）を用いて、予混合エンジン１への必要空気流量とが算出される。
そして、これらの差分がＰＩ演算（図中、ブロックＢ３）され、電動発電機４の発電量が算出される。この差分をゼロにするために制御部７１は、電動発電機４の回転数を制御する。この際、直流電力から交流電力を電気的に生成するインバータ７２を介して交流モータとして機能を有する電動発電機４の回転数が制御される。図中のブロックＢ１〜Ｂ３の処理は、例えば、制御手段７に搭載されたＣＰＵと、制御部７１に搭載されたメモリに記録されたソフトウェアとを用いて行うことができる。勿論、比較判定回路をハードウェアとして形成してもよい。

次に、演算手段７０でのハイブリッド過給機の発電量又は回転数をフィードバック制御について図３のフローチャートを参照して説明する。
ステップＳ１１で開始すると、ステップＳ１２では、必要空気量算出手段Ｂ２で算出された必要空気量と、計測空気量算出手段Ｂ１で算出された計測空気量とを読み込む。図１においては、これらの値は加減算器７４に入力されて差分が算出される。
ステップＳ１３で、必要空気量が計測空気量より多いかを判定して多い場合には、ステップＳ１４で過給機回転数が不足していると判定する。そして、ステップＳ１５で過給機回転数の指示値を増加して新たな指示値を設定する。

ステップＳ１３で、必要空気量が計測空気量より多くない場合には、ステップＳ１６で必要空気量が計測空気量より少ないかを判定する。少ない場合には、ステップＳ１７で過給機回転数が過大と判定と判定する。そして、ステップＳ１８で過給機回転数の指示値を減少して新たな指示値を設定する。

また、ステップＳ１６で、必要空気量が計測空気量より少なくない場合には、すなわち、必要空気量と計測空気量とがほぼ等しいときには、ステップＳ１９で過給機回転数が適正な回転数である値判定して、ステップＳ２０で過給機回転数の指示値を現状維持する。

そして、ステップＳ１５、Ｓ１８で設定した新たな回転数指示値、およびステップＳ２０で維持された現状の指示値に基づいて、この指示値になるように電動発電機４をフィードバック制御するそしてステップＳ２２で終了する。

この電動発電機４のフィードバック制御は、電動発電機４への新しい回転数指令値と、現時点の電動発電機４への回転数指令値（電動発電機４の回転軸２ｃの回転数値、回転センサ７３での検出値）との比較が行われ、新しい回転数指令値が現時点の回転数指令値より小さい場合には、発電量不足と判断され、新しい回転数指令値が現時点の回転数指令値より大きい場合には、発電量過多と判断され、これらの判断に基づき電動発電機４の新しい回転数指令値へフィードバック制御が行われる。

なお、この電動発電機の制御において、回転数指令値が現時点の回転数指令値より大きく発電量過多、つまり給気量不足と判断された場合には、発電量の制御をマイナス側として、電動発電機４をモータとして動作せしめ、必要空気量を得るようにできる。
このように、電動発電機４の発電量制御プラス側、マイス側の符号を付けたものとすることで、給気量の連続的な制御が可能となる。

上述した第１実施形態の予混合エンジンの空燃比制御装置では、予混合エンジン１に供給される必要空気量と計測空気量との差分が算出され、制御手段７により、コンプレッサ２ａに連結された電動発電機４の発電量又は回転数が制御されるため、常に適正な空燃比で予混合エンジン１を運転させることができる。

(第２実施形態)
図２は、本発明の予混合エンジンの空燃比制御装置の第２実施形態を示している。なお、この第２実施形態では、第１実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
この第２実施形態の予混合エンジンの空燃比制御装置は、第１実施形態の予混合エンジンの空燃比制御装置と比べて、排気ガスバイパス部９が設けられている点で異なる。図に示すように、排気ガスバイパス部９は、バイパス流路９１と、該バイパス流路９１に設けられた流量調整弁である排気バイパス弁９２とを有している。この排気バイパス弁９２には、比例電磁弁が用いられている。そして、ハイブリッド過給機の発電量又は回転数に応じて、排気バイパス弁９２を制御してバイパス流路９１の開閉度を制御する構成にされている。そして、ハイブリッド過給機の発電量が最大出力の発電量となった場合に排気バイパス弁９２が作動してバイパス流路９１が開かれる。

具体的には、給気量測定手段６１と発電量測定手段６２の測定結果に基づいて、計測空気量算出手段（図中、ブロックＢ１）を用いて、測定された計測空気流量と、必要空気量算出手段（図中、ブロックＢ２）を用いて、予混合エンジン１への必要空気流量とが算出され、この差分をゼロにするように排気バイパス弁９２の開閉度の制御値が算出される（図中、ブロックＢ５）。
また、演算手段７０では発電量が規定最大値であるか否かが判断され（図中、ブロックＢ４）、スイッチ９３が制御部７１によってオンオフ制御される。このスイッチ９３のオンオフ制御により、図中、ブロックＢ５からの指令が排気バイパス弁９２に伝達可能にされたり、伝達不能にされたりする。図中のブロックＢ１〜Ｂ４の処理は、第１実施形態と同様に、例えば、制御部７１に搭載されたＣＰＵと、制御部７１に搭載されたメモリに記録されたソフトウェアとを用いて行うことができる。

上述した第２実施形態の予混合エンジンの空燃比制御装置では、予混合エンジン１からの排気ガスの一部が流入するバイパス流路９１を有する排気ガスバイパス部９を備えているため、ハイブリッド過給機の発電量が一定以上になったらバイパス流路９１から排気ガスを逃がしてタービン出力を減少させ、予混合エンジン１への空気流量を減らし、電動発電機の発電量最大かつ給気過多の場合も給気量の制御が可能となる。そして、この逃がした排気ガスをエネルギとして利用すれば、省エネルギ化を図ることができる。この場合、ハイブリッド過給機の発電量が定常運転中は常に最大となるように過給機の仕様を決定してもよい。

以上、本発明を説明してきたが、本発明は上述した実施形態にのみ限定されるものではなく、その本質を逸脱しない範囲で、他の種々の変形が可能であることはいうまでもない。

本発明の予混合エンジンの空燃比制御装置では、予混合エンジンの空燃比をより正確に制御して適正な空燃比を得ることができる。本発明の特徴部分の構成は、予混合エンジンを含む制御装置全体に適用することが可能である。

Claims

コンプレッサとタービンとを備えるターボ過給機と、前記コンプレッサに回転軸を介して連結された電動発電機と、からなるハイブリッド過給機と、
前記コンプレッサからの空気が流入し、前記タービンに排気ガスを供給する予混合エンジンと、
該予混合エンジンに回転軸を介して連結された発電機と、
該発電機又は前記予混合エンジンの作動条件に基づいて前記電動発電機を制御する制御手段と、
を備える予混合エンジンの空燃比制御装置であって、
前記予混合エンジンを適正空燃比で運転するのに必要な空気量を算出する必要空気量算出手段と、前記必要空気量算出手段に基づいて算出される前記予混合エンジンへの必要空気量が得られるように前記ハイブリッド過給機の発電量又は回転数を算出する演算手段と、を備え、
さらに、バイパス流路と該バイパス流路に設けられた流量調整弁とを有し前記タービンの出力を調整する排気ガスバイパス部を備え、
前記制御手段は、前記演算手段の演算結果に基づいて前記ハイブリッド過給機の発電量又は回転数を制御するとともに、前記ハイブリッド過給機の発電量が規定最大値となった場合に前記流量調整弁を作動して前記バイパス流路を開いて、前記必要空気量の制御を行うことを特徴とする予混合エンジンの空燃比制御装置。
前記コンプレッサから前記予混合エンジンに供給される空気量を測定する給気量測定手段を備え、
前記演算手段は、前記給気量測定手段を用いて測定された計測空気量と、前記必要空気量算出手段に基づいて算出される前記予混合エンジンへの必要空気量と、から前記計測空気量が前記必要空気量になるように前記ハイブリッド過給機の発電量又は回転数をフィードバック制御することを特徴とする請求項１に記載の予混合エンジンの空燃比制御装置。
前記演算手段では、前記必要空気量算出手段で算出された必要空気量が前記計測空気量より小さい場合には、過給機回転数過多と判断され、必要空気量が前記計測空気量より大きい場合には、過給機回転数不足と判断され、これらの判断に基づき新しい過給機回転数指示値を演算することを特徴とする請求項２記載の予混合エンジンの空燃比制御装置。
前記電動発電機への新しい回転数指令値と、現時点の電動発電機への回転数指令値との比較が行われ、前記新しい回転数指令値が現時点の回転数指令値より小さい場合には、発電量不足と判断され、前記新しい回転数指令値が現時点の回転数指令値より大きい場合には、発電量過多と判断され、これらの判断に基づき電動発電機の新しい回転数指令値へフィードバック制御が行われることを特徴とする請求項３記載の予混合エンジンの空燃比制御装置。